気泡粒子含有液体作製システム
【課題】粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となる気泡粒子含有液体を自動的に作製することにより、リアルタイムで用いることができる気泡粒子含有液体作製システムの提供。
【解決手段】気泡粒子発生装置２から排出される気泡粒子含有液体Ｓを流通する流通部３、２１ｂと、気泡粒子含有液体Ｓ中の気泡粒子の粒子径、粒度分布、又は、気泡粒子含有液体Ｓのボイド率の少なくとも１つを算出する粒子径分布測定装置１とを備える気泡粒子含有液体作製システムであって、気泡粒子発生装置２に気体供給流路２１ｃから供給する気体の流量又は供給位置を調整する気体供給調整部４と、気泡粒子発生装置２に媒液供給流路２１ａから供給する媒液の流量を調整する媒液供給調整部５と、粒子径分布測定装置１で算出される粒子径、粒度分布又はボイド率の少なくとも１つが目標範囲となるように、気体供給調整部４及び／又は媒液供給調整部５を制御する制御部６とを備える。
【解決手段】気泡粒子発生装置２から排出される気泡粒子含有液体Ｓを流通する流通部３、２１ｂと、気泡粒子含有液体Ｓ中の気泡粒子の粒子径、粒度分布、又は、気泡粒子含有液体Ｓのボイド率の少なくとも１つを算出する粒子径分布測定装置１とを備える気泡粒子含有液体作製システムであって、気泡粒子発生装置２に気体供給流路２１ｃから供給する気体の流量又は供給位置を調整する気体供給調整部４と、気泡粒子発生装置２に媒液供給流路２１ａから供給する媒液の流量を調整する媒液供給調整部５と、粒子径分布測定装置１で算出される粒子径、粒度分布又はボイド率の少なくとも１つが目標範囲となるように、気体供給調整部４及び／又は媒液供給調整部５を制御する制御部６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒液中に気泡粒子を混入させた気泡粒子含有液体を作製する気泡粒子含有液体作製システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロバブル（例えば、数μｍの粒子径の気泡粒子）、ナノバブル（例えば、数十〜数百ｎｍの粒子径の気泡粒子）と呼称されるような気泡粒子が分散してなる懸濁液（気泡粒子含有液体）を、様々な分野・目的へ適用できることが知られてきた。マイクロバブルやナノバブルは、媒液中での上昇速度が遅く、その内部の圧力が高く、かつ、その表面が帯電している特性を有する。さらに、マイクロバブルやナノバブルは圧壊されると、フリーラジカル（ＯＨ―）が発生する。
【０００３】
そこで、媒液中にマイクロバブルやナノバブルを混入させた懸濁液を作製する旋回式微細気泡発生装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。そして、このような旋回式微細気泡発生装置で作製した懸濁液を、下記のような分野に応用することも考えられてきた。
《１》食品・農業分野
・ノロウイルスの不活性化
・水耕栽培培養液の殺菌・浄化
《２》医療分野
・微細気泡超音波造影剤の臨床応用
・気泡粒子の破壊を用いた血管新生療法
・超音波と気泡粒子とを用いた遺伝子導入法の開発
・ペットの皮膚病医療・皮膚洗浄
《３》環境分野
・油汚染土壌の浄化技術
・湖沼や河川の水質の浄化と溶存酸素濃度増加
・有害物質の分解
・貧酸素水塊の解消
・油−水エマルションの油水分離技術
・炭素繊維と気泡粒子とを用いた生物濾過装置による染色工場排水の処理
・洗浄技術
《４》船舶工業分野
・船体抵抗低減技術
・船舶水中雑音予測法の開発
【０００４】
ところで、このような気泡粒子の効果は、懸濁液中の気泡粒子の粒子径や粒度分布や、懸濁液のボイド率に大きく依存することは見出されている。例えば、洗剤を気泡粒子の周りに吸着させてから、洗浄対象物に投入することにより、洗浄対象物に付着した汚れと洗剤とが接触する面積を大きくすることができ、その結果、少量の洗剤で効果的な洗浄を行うことが考えられている。このとき、気泡粒子の粒子径が小さいほど気泡粒子の表面積が増えることになり、気泡粒子と汚れとの接触する総面積も増大することになる。つまり、粒子径が小さい気泡粒子が多くあれば、少量の洗剤でより効果的な洗浄を行うことができる。
【特許文献１】特開２００６−１１６３６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、粒子径や粒度分布やボイド率を算出する測定方法として、コールター法を用いて１個ずつ気泡粒子が細管を通過するようにしながら、気泡粒子の個数と粒子径とを同時にカウントすることや、顕微鏡で懸濁液を観察すること等が一般的に行われており、所要測定時間が非常に長いものとなっていた。つまり、粒子径や粒度分布やボイド率が最適値（目標範囲）となる懸濁液を作製できたことを確認するには、時間がかかり、その結果、粒子径や粒度分布やボイド率が最適値となる懸濁液をリアルタイムで用いることができなかった。
そこで、本発明は、粒子径や粒度分布やボイド率を算出しながら、粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となる気泡粒子含有液体を自動的に作製することにより、リアルタイムで用いることができる気泡粒子含有液体作製システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた本発明の気泡粒子含有液体作製システムは、媒液中に気泡粒子として気体を混入させることにより、気泡粒子含有液体を作製する気泡粒子発生装置と、前記気泡粒子発生装置に気体を供給する気体供給流路と、前記気泡粒子発生装置に媒液を供給する媒液供給流路と、前記気泡粒子発生装置から排出される気泡粒子含有液体を流通する流通部と、前記流通部における気泡粒子含有液体中の気泡粒子の粒子径、粒度分布、又は、前記気泡粒子含有液体のボイド率の少なくとも１つを算出する粒子径分布測定装置とを備える気泡粒子含有液体作製システムであって、前記気泡粒子発生装置に気体供給流路から供給する気体の流量又は供給位置を調整する気体供給調整部と、前記気泡粒子発生装置に媒液供給流路から供給する媒液の流量を調整する媒液供給調整部と、前記粒子径分布測定装置で算出される粒子径、粒度分布又はボイド率の少なくとも１つが目標範囲となるように、前記気体供給調整部及び／又は媒液供給調整部を制御する制御部とを備えるようにしている。
【０００７】
ここで、「粒子径分布測定装置」とは、気泡粒子含有液体中の気泡粒子の粒子径や粒度分布や、気泡粒子含有液体のボイド率を算出することができる装置のことをいい、特に非常に短い所要測定時間（例えば、４秒）で粒子径や粒度分布やボイド率を算出することができる点から、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置や、パーティクルカウンタ（例えば、「液中パーティクルカウンタ」（Lighthouse社製）等）や、誘導回折格子法（ＩＧ法）を用いる粒度分布測定装置等が好ましい。なお、誘導回折格子法とは、例えば、媒液中で形成した被測定粒子群の粒子密度分布による過渡的な回折格子を利用して、被測定粒子群の拡散係数を算出し、さらには拡散係数から粒子径を算出するもののことをいう。
【０００８】
本発明の気泡粒子含有液体作製システムによれば、気泡粒子発生装置に気体供給流路から供給する気体の流量又は供給位置を調整する気体供給調整部と、気泡粒子発生装置に媒液供給流路から供給する媒液の流量を調整する媒液供給調整部とを備え、制御部が、粒子径分布測定装置で算出される粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となるように、気体供給調整部と媒液供給調整部とを制御するようになっている。
例えば、本発明の気泡粒子含有液体作製システムでは、まず、気泡粒子発生装置は、任意（初期設定）の流量で気体が供給されるとともに、任意（初期設定）の流量で媒液が供給されると、媒液中に気泡粒子を混入させることにより、気泡粒子含有液体を作製していく。そして、気泡粒子含有液体が流通部に排出されていく。一方、粒子径分布測定装置は、流通部における気泡粒子含有液体中の気泡粒子の粒子径や粒度分布や、気泡粒子含有液体のボイド率を算出していく。
これにより、制御部は、粒子径が目標範囲の上限より大きいときには、媒液の流量が初期設定より多くなるように媒液供給調整部を制御し、粒子径が目標範囲の下限より小さいときには、媒液の流量が初期設定より少なくなるように媒液供給調整部を制御し、粒子径が目標範囲にあるときには、媒液の流量を変更しない。
気泡粒子発生装置は、調整された流量若しくはそのままの流量で媒液が供給されると、媒液中に気泡粒子を混入させることにより、気泡粒子含有液体を作製していくことになる。そして、制御部は、再び同様の方法で媒液供給調整部を制御する。
このようにして、粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となる気泡粒子含有液体が流通部に排出されるようになる。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明の気泡粒子含有液体作製システムによれば、制御部が、粒子径や粒度分布やボイド率を算出しながら、粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となる気泡粒子含有液体を自動的に作製することにより、リアルタイムで用いることができる。
【００１０】
（その他の課題を解決するための手段及び効果）
また、上記発明において、前記粒子径分布測定装置は、前記気泡粒子含有液体にレーザ光を照射することにより回折・散乱光の強度分布を測定して、その強度分布の測定結果から粒子径、粒度分布及び／又はボイド率を算出するレーザ回折・散乱式の粒子径分布測定装置であるようにしてもよい。
本発明の気泡粒子含有液体作製システムによれば、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置は、非常に短い所要測定時間（例えば、４秒）で粒子径や粒度分布やボイド率を算出することができるので、粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となる気泡粒子含有液体を直ぐに作製することができる。
【００１１】
さらに、上記発明において、前記気泡粒子発生装置は、旋回液流式気泡粒子発生装置、スタティックミキサ式気泡粒子発生装置、ベンチュリー式気泡粒子発生装置、加圧溶解式気泡粒子発生装置、極微細細孔式気泡粒子発生装置、蒸気凝集式気泡粒子発生装置、又は、それらを組み合わせた装置であるようにしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。
【００１３】
図１は、本発明に係る気泡粒子含有液体作製システムの構成を示す図である。また、図２（ａ）は、図１中の旋回液流式気泡粒子発生装置の一例を示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＡ―Ａ線の断面図である。なお、図１中で、光学系の構成を表す模式図と、コンピュータからなる信号処理系構成を表すブロック図とを併記して示している。
気泡粒子含有液体作製システムは、旋回液流式気泡粒子発生装置２と、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置１と、貯水槽（流通部）３と、気泡粒子含有液体排出流路（流通部）２１ｂと、媒液供給流路２１ａと、気体供給流路２１ｃと、循環用流路１１ａ、１１ｂと、気体流量調整弁（気体供給調整部）４と、媒液流量調整弁（媒液供給調整部）５ａと、媒液流量調整ポンプ（媒液供給調整部）５ｂと、気泡粒子含有液体作製システム全体を制御するコンピュータ（制御部）６とを備える。
なお、気泡粒子含有液体作製システムでは、最終的に貯水槽３内に、平均粒子径や粒度分布の標準偏差やボイド率が目標範囲となる懸濁液（気泡粒子含有液体）Ｓが貯留されることになり、平均粒子径や粒度分布の標準偏差やボイド率が目標範囲となった懸濁液Ｓが様々な分野・目的に用いられることになる。
【００１４】
貯水槽３は、媒液供給流路２１ａを介して旋回液流式気泡粒子発生装置２の媒液導入口２ａと接続されるとともに、気泡粒子含有液体排出流路２１ｂを介して旋回液流式気泡粒子発生装置２の上端側開口２ｃと接続されている。これにより、媒液流量調整ポンプ５ｂを駆動させることによって、貯水槽３内の媒液が旋回液流式気泡粒子発生装置２に導かれ、そして旋回液流式気泡粒子発生装置２で懸濁液Ｓが作製され、さらに旋回液流式気泡粒子発生装置２から貯水槽３内に懸濁液Ｓが排出されるようになっている。
【００１５】
ここで、旋回液流式気泡粒子発生装置２について説明する。旋回液流式気泡粒子発生装置２は、上端側と下端側とが壁体で閉口されている円筒形スペースを有する容器本体２ｄと、下端側の壁体の中央に開設された気体導入口２ｂと、上端側の壁体の中央に開設された上端側開口２ｃと、円筒形スペースの円筒壁体の一部に開設された媒液導入口２ａとを備える。
気体導入口２ｂは、気体供給流路２１ｃと接続されるとともに、媒液導入口２ａは、媒液供給流路２１ａと接続されている。これにより、媒液供給流路２１ａから容器本体２ｄの内部に媒液が供給されると、容器本体２ｄの内部で旋回流が生成し、円筒軸上に負圧部分が形成される。また、気体供給流路２１ｃから容器本体２ｄの内部に空気が供給されると、圧力が低い円筒軸上を空気が通過し、上端側開口２ｃ付近では旋回速度差によって切断されることになり、大量の気泡粒子が発生する。その結果、媒液中に気泡粒子として空気を混入させた懸濁液Ｓが作製される。
上端側開口２ｃは、気泡粒子含有液体排出流路２１ｂと接続されている。これにより、上端側開口２ｃから気泡粒子含有液体排出流路２１ｂに懸濁液Ｓが排出される。
【００１６】
気体流量調整弁４は、コンピュータ６からの制御信号に基づいて、旋回液流式気泡粒子発生装置２に供給する空気の流量を調整することができるようになっている。
媒液流量調整弁５ａと媒液流量調整ポンプ５ｂとは、コンピュータ６からの制御信号に基づいて、旋回液流式気泡粒子発生装置２に供給する媒液の流量を調整することができるようになっている。
【００１７】
また、貯水槽３は、循環用流路１１ａを介してフローセル１０の下側接続口と接続されるとともに、循環用流路１１ｂを介してフローセル１０の上側接続口と接続されている。これにより、循環ポンプ（図示せず）を駆動させることによって、懸濁液Ｓが貯水槽３内とフローセル１０内との間を循環するようになっている。
【００１８】
粒度分布測定装置１は、所定の位置に保持されて懸濁液Ｓが流れるフローセル１０と、所定の位置に保持されたフローセル１０にレーザ光（平行光束）を照射する照射光学系１２と、光強度の分布を検出する測定光学系１３とにより構成される。
照射光学系１２は、レーザ光源１２ａと、集光レンズ１２ｂと、空間フィルタ１２ｃと、コリメートレンズ１２ｄとによって構成される。このような構成において、レーザ光源１２ａで発生されたレーザ光は、集光レンズ１２ｂと、空間フィルタ１２ｃと、コリメートレンズ１２ｄとを通過して平行光束とされ、前方向（左から右へ）に向かうようにフローセル１０に照射される。このとき、フローセル１０内には、懸濁液Ｓが下方から上方へ流れるように導入されていると、平行光束はフローセル１０内の気泡粒子で回折・散乱して、空間的に回折・散乱光の強度分布が生ずる。
【００１９】
測定光学系１３は、前方向に対して６０°以内を進行する回折・散乱光を集光する集光レンズ１３ａと、集光レンズ１３ａの焦点位置に置かれたリングディテクタ１３ｂと、フローセル１０の側方（後下方向）への散乱光を検出する側方散乱光センサ１３ｃと、後方への散乱光を検出する複数個の後方散乱光センサ１３ｄとによって構成されている。
リングディテクタ１３ｂは、互いに異なる半径を持つリング状ないしは半リング状の受光面を持つ複数（例えば、６４個）の光検出素子を、集光レンズ１３ａの光軸を中心とするように同心円状に配置してあり、各光検出素子には、それぞれの位置に応じた回折・散乱角度を持つ光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子の出力信号は、各回折・散乱角度ごとの光の強度を表すことになる。
このような構成において、前方向に対して６０°以内の回折・散乱光は、集光レンズ１３ａを介してリングディテクタ１３ｂの受光面上に集光されて、リング状の回折・散乱像を結ぶようになる。
【００２０】
また、前方向に対して６０°を越えることになる側方（後下方向）への散乱光は、側方散乱光センサ１３ｃによって検出される。
さらに、前方向に対して６０°を越えることになる後方（後上方向）への散乱光は、複数個の後方散乱光センサ１３ｄによって検出される。後方散乱光センサ１３ｄは、複数（例えば、４個）の光検出素子を、並ぶように配置してあり、各光検出素子には、それぞれの位置に応じた回折・散乱角度を持つ光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子の出力信号は、各回折・散乱角度ごとの光の強度を表すことになる。
リングディテクタ１３ｂ、側方散乱光センサ１３ｃ及び後方散乱光センサ１３ｄの各光センサの出力信号は、アンプ、マルチプレクサ及びＡ−Ｄ変換器からなるデータサンプリング回路（図示せず）によって順次デジタル化され、コンピュータ６に送信される。
【００２１】
コンピュータ６においては、ＣＰＵ６１とメモリ６４とを備え、さらにモニタ画面等を有する表示装置（図示せず）と、入力装置（図示せず）であるキーボードやマウスとが連結されている。また、ＣＰＵ６１が処理する機能をブロック化して説明すると、平均粒子径と粒度分布の標準偏差とボイド率とを算出する算出部６２と、気体流量調整弁４と媒液流量調整弁５ａと媒液流量調整ポンプ５ｂとを制御する流量調整制御部６３とを有する。さらに、メモリ６４には、目的となる分野・目的に用いられるために、平均粒子径や粒度分布の標準偏差やボイド率の目標範囲が予め記憶されている。
【００２２】
算出部６２は、リングディテクタ１３ｂ、側方散乱光センサ１３ｃ及び後方散乱光センサ１３ｄの各光センサの出力信号を所定の時間間隔（例えば、４秒）で取得して、リングディテクタ１３ｂ、側方散乱光センサ１３ｃ及び後方散乱光センサ１３ｄの各光センサの出力信号に基づいて、平均粒子径と粒度分布の標準偏差とボイド率とを算出していく制御を行う。
具体的には、リングディテクタ１３ｂ、側方散乱光センサ１３ｃ及び後方散乱光センサ１３ｄの各光センサからの光強度データ（デジタル化された増幅信号）、つまり回折・散乱光の空間強度分布データと、予め記憶させた気泡粒子及び媒液の屈折率とを用いて、フラウンホーファ回折理論やミーの散乱理論に基づいた公知の演算が行われることによって、平均粒子径と粒度分布の標準偏差とボイド率とが算出される。
【００２３】
流量調整制御部６３は、算出部６２で算出される平均粒子径と粒度分布の標準偏差とボイド率とが目標範囲となるように、気体流量調整弁４と媒液流量調整弁５ａと媒液流量調整ポンプ５ｂとを制御する。
例えば、平均粒子径が目標範囲の上限より大きいときには、媒液の流量が現在の流量より多くなるように媒液流量調整弁５ａと媒液流量調整ポンプ５ｂとを制御し、平均粒子径が目標範囲の下限より小さいときには、媒液の流量が現在の流量より少なくなるように媒液流量調整弁５ａと媒液流量調整ポンプ５ｂとを制御し、平均粒子径が目標範囲にあるときには、媒液の流量を変更しない。
また、ボイド率が目標範囲の上限より大きいときには、空気の流量が現在の流量より少なくなるように気体流量調整弁４を制御し、ボイド率が目標範囲の下限より小さいときには、空気の流量が現在の流量より多くなるように気体流量調整弁４を制御し、ボイド率が目標範囲にあるときには、空気の流量を変更しない。
このようにして、算出部６２で平均粒子径と粒度分布の標準偏差とボイド率とが算出されるたびに、気体流量調整弁４と媒液流量調整弁５ａと媒液流量調整ポンプ５ｂとを制御することになり、平均粒子径や粒度分布の標準偏差やボイド率が目標範囲となる懸濁液Ｓが作製されるようになっている。
【００２４】
以上のように、本発明の気泡粒子含有液体作製システムによれば、コンピュータ６が、短い所要測定時間で平均粒子径や粒度分布の標準偏差やボイド率を算出しながら、平均粒子径や粒度分布の標準偏差やボイド率が目標範囲となる懸濁液Ｓを自動的に作製することにより、リアルタイムで用いることができる。粒子径や粒度分布やボイド率を算出しながら、粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となる気泡粒子含有液体を自動的に作製することにより、リアルタイムで用いることができる。
【００２５】
（他の実施形態）
（１）上述した気泡粒子含有液体作製システムでは、旋回液流式気泡粒子発生装置２（図３（ａ）参照）を用いる構成としたが、スタティックミキサ式気泡粒子発生装置（図３（ｂ）参照）、ベンチュリー式気泡粒子発生装置（図３（ｃ）参照）、加圧溶解式気泡粒子発生装置（図３（ｄ）参照）、極微細細孔式気泡粒子発生装置（図３（ｅ）参照）、又は、蒸気凝集式気泡粒子発生装置（図３（ｆ）参照）を用いるような構成としてもよい。
（２）上述した気泡粒子含有液体作製システムでは、粒子径として平均粒子径を算出する構成としたが、最大粒子径や最小粒子径を算出するような構成としてもよい。
（３）上述した気泡粒子含有液体作製システムでは、気体流量調整弁４によって空気が供給される流量を変化させる構成としたが、円筒形スペースにおける空気が供給される供給位置を変化させるような構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、媒液中に気泡粒子を混入させた気泡粒子含有液体を作製する場合に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る気泡粒子含有液体作製システムの構成を示す図である。
【図２】図１中の旋回液流式気泡粒子発生装置の一例を示す断面図である。
【図３】気泡粒子発生装置の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置（粒子径分布測定装置）
２ 旋回液流式気泡粒子発生装置
３ 貯水槽（流通部）
４ 気体流量調整弁（気体供給調整部）
５ａ 媒液流量調整弁（媒液供給調整部）
５ｂ 媒液流量調整ポンプ（媒液供給調整部）
６ コンピュータ（制御部）
２１ａ 媒液供給流路
２１ｂ 気泡粒子含有液体排出流路（流通部）
２１ｃ 気体供給流路
Ｓ 懸濁液（気泡粒子含有液体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒液中に気泡粒子を混入させた気泡粒子含有液体を作製する気泡粒子含有液体作製システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロバブル（例えば、数μｍの粒子径の気泡粒子）、ナノバブル（例えば、数十〜数百ｎｍの粒子径の気泡粒子）と呼称されるような気泡粒子が分散してなる懸濁液（気泡粒子含有液体）を、様々な分野・目的へ適用できることが知られてきた。マイクロバブルやナノバブルは、媒液中での上昇速度が遅く、その内部の圧力が高く、かつ、その表面が帯電している特性を有する。さらに、マイクロバブルやナノバブルは圧壊されると、フリーラジカル（ＯＨ―）が発生する。
【０００３】
そこで、媒液中にマイクロバブルやナノバブルを混入させた懸濁液を作製する旋回式微細気泡発生装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。そして、このような旋回式微細気泡発生装置で作製した懸濁液を、下記のような分野に応用することも考えられてきた。
《１》食品・農業分野
・ノロウイルスの不活性化
・水耕栽培培養液の殺菌・浄化
《２》医療分野
・微細気泡超音波造影剤の臨床応用
・気泡粒子の破壊を用いた血管新生療法
・超音波と気泡粒子とを用いた遺伝子導入法の開発
・ペットの皮膚病医療・皮膚洗浄
《３》環境分野
・油汚染土壌の浄化技術
・湖沼や河川の水質の浄化と溶存酸素濃度増加
・有害物質の分解
・貧酸素水塊の解消
・油−水エマルションの油水分離技術
・炭素繊維と気泡粒子とを用いた生物濾過装置による染色工場排水の処理
・洗浄技術
《４》船舶工業分野
・船体抵抗低減技術
・船舶水中雑音予測法の開発
【０００４】
ところで、このような気泡粒子の効果は、懸濁液中の気泡粒子の粒子径や粒度分布や、懸濁液のボイド率に大きく依存することは見出されている。例えば、洗剤を気泡粒子の周りに吸着させてから、洗浄対象物に投入することにより、洗浄対象物に付着した汚れと洗剤とが接触する面積を大きくすることができ、その結果、少量の洗剤で効果的な洗浄を行うことが考えられている。このとき、気泡粒子の粒子径が小さいほど気泡粒子の表面積が増えることになり、気泡粒子と汚れとの接触する総面積も増大することになる。つまり、粒子径が小さい気泡粒子が多くあれば、少量の洗剤でより効果的な洗浄を行うことができる。
【特許文献１】特開２００６−１１６３６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、粒子径や粒度分布やボイド率を算出する測定方法として、コールター法を用いて１個ずつ気泡粒子が細管を通過するようにしながら、気泡粒子の個数と粒子径とを同時にカウントすることや、顕微鏡で懸濁液を観察すること等が一般的に行われており、所要測定時間が非常に長いものとなっていた。つまり、粒子径や粒度分布やボイド率が最適値（目標範囲）となる懸濁液を作製できたことを確認するには、時間がかかり、その結果、粒子径や粒度分布やボイド率が最適値となる懸濁液をリアルタイムで用いることができなかった。
そこで、本発明は、粒子径や粒度分布やボイド率を算出しながら、粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となる気泡粒子含有液体を自動的に作製することにより、リアルタイムで用いることができる気泡粒子含有液体作製システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた本発明の気泡粒子含有液体作製システムは、媒液中に気泡粒子として気体を混入させることにより、気泡粒子含有液体を作製する気泡粒子発生装置と、前記気泡粒子発生装置に気体を供給する気体供給流路と、前記気泡粒子発生装置に媒液を供給する媒液供給流路と、前記気泡粒子発生装置から排出される気泡粒子含有液体を流通する流通部と、前記流通部における気泡粒子含有液体中の気泡粒子の粒子径、粒度分布、又は、前記気泡粒子含有液体のボイド率の少なくとも１つを算出する粒子径分布測定装置とを備える気泡粒子含有液体作製システムであって、前記気泡粒子発生装置に気体供給流路から供給する気体の流量又は供給位置を調整する気体供給調整部と、前記気泡粒子発生装置に媒液供給流路から供給する媒液の流量を調整する媒液供給調整部と、前記粒子径分布測定装置で算出される粒子径、粒度分布又はボイド率の少なくとも１つが目標範囲となるように、前記気体供給調整部及び／又は媒液供給調整部を制御する制御部とを備えるようにしている。
【０００７】
ここで、「粒子径分布測定装置」とは、気泡粒子含有液体中の気泡粒子の粒子径や粒度分布や、気泡粒子含有液体のボイド率を算出することができる装置のことをいい、特に非常に短い所要測定時間（例えば、４秒）で粒子径や粒度分布やボイド率を算出することができる点から、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置や、パーティクルカウンタ（例えば、「液中パーティクルカウンタ」（Lighthouse社製）等）や、誘導回折格子法（ＩＧ法）を用いる粒度分布測定装置等が好ましい。なお、誘導回折格子法とは、例えば、媒液中で形成した被測定粒子群の粒子密度分布による過渡的な回折格子を利用して、被測定粒子群の拡散係数を算出し、さらには拡散係数から粒子径を算出するもののことをいう。
【０００８】
本発明の気泡粒子含有液体作製システムによれば、気泡粒子発生装置に気体供給流路から供給する気体の流量又は供給位置を調整する気体供給調整部と、気泡粒子発生装置に媒液供給流路から供給する媒液の流量を調整する媒液供給調整部とを備え、制御部が、粒子径分布測定装置で算出される粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となるように、気体供給調整部と媒液供給調整部とを制御するようになっている。
例えば、本発明の気泡粒子含有液体作製システムでは、まず、気泡粒子発生装置は、任意（初期設定）の流量で気体が供給されるとともに、任意（初期設定）の流量で媒液が供給されると、媒液中に気泡粒子を混入させることにより、気泡粒子含有液体を作製していく。そして、気泡粒子含有液体が流通部に排出されていく。一方、粒子径分布測定装置は、流通部における気泡粒子含有液体中の気泡粒子の粒子径や粒度分布や、気泡粒子含有液体のボイド率を算出していく。
これにより、制御部は、粒子径が目標範囲の上限より大きいときには、媒液の流量が初期設定より多くなるように媒液供給調整部を制御し、粒子径が目標範囲の下限より小さいときには、媒液の流量が初期設定より少なくなるように媒液供給調整部を制御し、粒子径が目標範囲にあるときには、媒液の流量を変更しない。
気泡粒子発生装置は、調整された流量若しくはそのままの流量で媒液が供給されると、媒液中に気泡粒子を混入させることにより、気泡粒子含有液体を作製していくことになる。そして、制御部は、再び同様の方法で媒液供給調整部を制御する。
このようにして、粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となる気泡粒子含有液体が流通部に排出されるようになる。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明の気泡粒子含有液体作製システムによれば、制御部が、粒子径や粒度分布やボイド率を算出しながら、粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となる気泡粒子含有液体を自動的に作製することにより、リアルタイムで用いることができる。
【００１０】
（その他の課題を解決するための手段及び効果）
また、上記発明において、前記粒子径分布測定装置は、前記気泡粒子含有液体にレーザ光を照射することにより回折・散乱光の強度分布を測定して、その強度分布の測定結果から粒子径、粒度分布及び／又はボイド率を算出するレーザ回折・散乱式の粒子径分布測定装置であるようにしてもよい。
本発明の気泡粒子含有液体作製システムによれば、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置は、非常に短い所要測定時間（例えば、４秒）で粒子径や粒度分布やボイド率を算出することができるので、粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となる気泡粒子含有液体を直ぐに作製することができる。
【００１１】
さらに、上記発明において、前記気泡粒子発生装置は、旋回液流式気泡粒子発生装置、スタティックミキサ式気泡粒子発生装置、ベンチュリー式気泡粒子発生装置、加圧溶解式気泡粒子発生装置、極微細細孔式気泡粒子発生装置、蒸気凝集式気泡粒子発生装置、又は、それらを組み合わせた装置であるようにしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。
【００１３】
図１は、本発明に係る気泡粒子含有液体作製システムの構成を示す図である。また、図２（ａ）は、図１中の旋回液流式気泡粒子発生装置の一例を示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＡ―Ａ線の断面図である。なお、図１中で、光学系の構成を表す模式図と、コンピュータからなる信号処理系構成を表すブロック図とを併記して示している。
気泡粒子含有液体作製システムは、旋回液流式気泡粒子発生装置２と、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置１と、貯水槽（流通部）３と、気泡粒子含有液体排出流路（流通部）２１ｂと、媒液供給流路２１ａと、気体供給流路２１ｃと、循環用流路１１ａ、１１ｂと、気体流量調整弁（気体供給調整部）４と、媒液流量調整弁（媒液供給調整部）５ａと、媒液流量調整ポンプ（媒液供給調整部）５ｂと、気泡粒子含有液体作製システム全体を制御するコンピュータ（制御部）６とを備える。
なお、気泡粒子含有液体作製システムでは、最終的に貯水槽３内に、平均粒子径や粒度分布の標準偏差やボイド率が目標範囲となる懸濁液（気泡粒子含有液体）Ｓが貯留されることになり、平均粒子径や粒度分布の標準偏差やボイド率が目標範囲となった懸濁液Ｓが様々な分野・目的に用いられることになる。
【００１４】
貯水槽３は、媒液供給流路２１ａを介して旋回液流式気泡粒子発生装置２の媒液導入口２ａと接続されるとともに、気泡粒子含有液体排出流路２１ｂを介して旋回液流式気泡粒子発生装置２の上端側開口２ｃと接続されている。これにより、媒液流量調整ポンプ５ｂを駆動させることによって、貯水槽３内の媒液が旋回液流式気泡粒子発生装置２に導かれ、そして旋回液流式気泡粒子発生装置２で懸濁液Ｓが作製され、さらに旋回液流式気泡粒子発生装置２から貯水槽３内に懸濁液Ｓが排出されるようになっている。
【００１５】
ここで、旋回液流式気泡粒子発生装置２について説明する。旋回液流式気泡粒子発生装置２は、上端側と下端側とが壁体で閉口されている円筒形スペースを有する容器本体２ｄと、下端側の壁体の中央に開設された気体導入口２ｂと、上端側の壁体の中央に開設された上端側開口２ｃと、円筒形スペースの円筒壁体の一部に開設された媒液導入口２ａとを備える。
気体導入口２ｂは、気体供給流路２１ｃと接続されるとともに、媒液導入口２ａは、媒液供給流路２１ａと接続されている。これにより、媒液供給流路２１ａから容器本体２ｄの内部に媒液が供給されると、容器本体２ｄの内部で旋回流が生成し、円筒軸上に負圧部分が形成される。また、気体供給流路２１ｃから容器本体２ｄの内部に空気が供給されると、圧力が低い円筒軸上を空気が通過し、上端側開口２ｃ付近では旋回速度差によって切断されることになり、大量の気泡粒子が発生する。その結果、媒液中に気泡粒子として空気を混入させた懸濁液Ｓが作製される。
上端側開口２ｃは、気泡粒子含有液体排出流路２１ｂと接続されている。これにより、上端側開口２ｃから気泡粒子含有液体排出流路２１ｂに懸濁液Ｓが排出される。
【００１６】
気体流量調整弁４は、コンピュータ６からの制御信号に基づいて、旋回液流式気泡粒子発生装置２に供給する空気の流量を調整することができるようになっている。
媒液流量調整弁５ａと媒液流量調整ポンプ５ｂとは、コンピュータ６からの制御信号に基づいて、旋回液流式気泡粒子発生装置２に供給する媒液の流量を調整することができるようになっている。
【００１７】
また、貯水槽３は、循環用流路１１ａを介してフローセル１０の下側接続口と接続されるとともに、循環用流路１１ｂを介してフローセル１０の上側接続口と接続されている。これにより、循環ポンプ（図示せず）を駆動させることによって、懸濁液Ｓが貯水槽３内とフローセル１０内との間を循環するようになっている。
【００１８】
粒度分布測定装置１は、所定の位置に保持されて懸濁液Ｓが流れるフローセル１０と、所定の位置に保持されたフローセル１０にレーザ光（平行光束）を照射する照射光学系１２と、光強度の分布を検出する測定光学系１３とにより構成される。
照射光学系１２は、レーザ光源１２ａと、集光レンズ１２ｂと、空間フィルタ１２ｃと、コリメートレンズ１２ｄとによって構成される。このような構成において、レーザ光源１２ａで発生されたレーザ光は、集光レンズ１２ｂと、空間フィルタ１２ｃと、コリメートレンズ１２ｄとを通過して平行光束とされ、前方向（左から右へ）に向かうようにフローセル１０に照射される。このとき、フローセル１０内には、懸濁液Ｓが下方から上方へ流れるように導入されていると、平行光束はフローセル１０内の気泡粒子で回折・散乱して、空間的に回折・散乱光の強度分布が生ずる。
【００１９】
測定光学系１３は、前方向に対して６０°以内を進行する回折・散乱光を集光する集光レンズ１３ａと、集光レンズ１３ａの焦点位置に置かれたリングディテクタ１３ｂと、フローセル１０の側方（後下方向）への散乱光を検出する側方散乱光センサ１３ｃと、後方への散乱光を検出する複数個の後方散乱光センサ１３ｄとによって構成されている。
リングディテクタ１３ｂは、互いに異なる半径を持つリング状ないしは半リング状の受光面を持つ複数（例えば、６４個）の光検出素子を、集光レンズ１３ａの光軸を中心とするように同心円状に配置してあり、各光検出素子には、それぞれの位置に応じた回折・散乱角度を持つ光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子の出力信号は、各回折・散乱角度ごとの光の強度を表すことになる。
このような構成において、前方向に対して６０°以内の回折・散乱光は、集光レンズ１３ａを介してリングディテクタ１３ｂの受光面上に集光されて、リング状の回折・散乱像を結ぶようになる。
【００２０】
また、前方向に対して６０°を越えることになる側方（後下方向）への散乱光は、側方散乱光センサ１３ｃによって検出される。
さらに、前方向に対して６０°を越えることになる後方（後上方向）への散乱光は、複数個の後方散乱光センサ１３ｄによって検出される。後方散乱光センサ１３ｄは、複数（例えば、４個）の光検出素子を、並ぶように配置してあり、各光検出素子には、それぞれの位置に応じた回折・散乱角度を持つ光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子の出力信号は、各回折・散乱角度ごとの光の強度を表すことになる。
リングディテクタ１３ｂ、側方散乱光センサ１３ｃ及び後方散乱光センサ１３ｄの各光センサの出力信号は、アンプ、マルチプレクサ及びＡ−Ｄ変換器からなるデータサンプリング回路（図示せず）によって順次デジタル化され、コンピュータ６に送信される。
【００２１】
コンピュータ６においては、ＣＰＵ６１とメモリ６４とを備え、さらにモニタ画面等を有する表示装置（図示せず）と、入力装置（図示せず）であるキーボードやマウスとが連結されている。また、ＣＰＵ６１が処理する機能をブロック化して説明すると、平均粒子径と粒度分布の標準偏差とボイド率とを算出する算出部６２と、気体流量調整弁４と媒液流量調整弁５ａと媒液流量調整ポンプ５ｂとを制御する流量調整制御部６３とを有する。さらに、メモリ６４には、目的となる分野・目的に用いられるために、平均粒子径や粒度分布の標準偏差やボイド率の目標範囲が予め記憶されている。
【００２２】
算出部６２は、リングディテクタ１３ｂ、側方散乱光センサ１３ｃ及び後方散乱光センサ１３ｄの各光センサの出力信号を所定の時間間隔（例えば、４秒）で取得して、リングディテクタ１３ｂ、側方散乱光センサ１３ｃ及び後方散乱光センサ１３ｄの各光センサの出力信号に基づいて、平均粒子径と粒度分布の標準偏差とボイド率とを算出していく制御を行う。
具体的には、リングディテクタ１３ｂ、側方散乱光センサ１３ｃ及び後方散乱光センサ１３ｄの各光センサからの光強度データ（デジタル化された増幅信号）、つまり回折・散乱光の空間強度分布データと、予め記憶させた気泡粒子及び媒液の屈折率とを用いて、フラウンホーファ回折理論やミーの散乱理論に基づいた公知の演算が行われることによって、平均粒子径と粒度分布の標準偏差とボイド率とが算出される。
【００２３】
流量調整制御部６３は、算出部６２で算出される平均粒子径と粒度分布の標準偏差とボイド率とが目標範囲となるように、気体流量調整弁４と媒液流量調整弁５ａと媒液流量調整ポンプ５ｂとを制御する。
例えば、平均粒子径が目標範囲の上限より大きいときには、媒液の流量が現在の流量より多くなるように媒液流量調整弁５ａと媒液流量調整ポンプ５ｂとを制御し、平均粒子径が目標範囲の下限より小さいときには、媒液の流量が現在の流量より少なくなるように媒液流量調整弁５ａと媒液流量調整ポンプ５ｂとを制御し、平均粒子径が目標範囲にあるときには、媒液の流量を変更しない。
また、ボイド率が目標範囲の上限より大きいときには、空気の流量が現在の流量より少なくなるように気体流量調整弁４を制御し、ボイド率が目標範囲の下限より小さいときには、空気の流量が現在の流量より多くなるように気体流量調整弁４を制御し、ボイド率が目標範囲にあるときには、空気の流量を変更しない。
このようにして、算出部６２で平均粒子径と粒度分布の標準偏差とボイド率とが算出されるたびに、気体流量調整弁４と媒液流量調整弁５ａと媒液流量調整ポンプ５ｂとを制御することになり、平均粒子径や粒度分布の標準偏差やボイド率が目標範囲となる懸濁液Ｓが作製されるようになっている。
【００２４】
以上のように、本発明の気泡粒子含有液体作製システムによれば、コンピュータ６が、短い所要測定時間で平均粒子径や粒度分布の標準偏差やボイド率を算出しながら、平均粒子径や粒度分布の標準偏差やボイド率が目標範囲となる懸濁液Ｓを自動的に作製することにより、リアルタイムで用いることができる。粒子径や粒度分布やボイド率を算出しながら、粒子径や粒度分布やボイド率が目標範囲となる気泡粒子含有液体を自動的に作製することにより、リアルタイムで用いることができる。
【００２５】
（他の実施形態）
（１）上述した気泡粒子含有液体作製システムでは、旋回液流式気泡粒子発生装置２（図３（ａ）参照）を用いる構成としたが、スタティックミキサ式気泡粒子発生装置（図３（ｂ）参照）、ベンチュリー式気泡粒子発生装置（図３（ｃ）参照）、加圧溶解式気泡粒子発生装置（図３（ｄ）参照）、極微細細孔式気泡粒子発生装置（図３（ｅ）参照）、又は、蒸気凝集式気泡粒子発生装置（図３（ｆ）参照）を用いるような構成としてもよい。
（２）上述した気泡粒子含有液体作製システムでは、粒子径として平均粒子径を算出する構成としたが、最大粒子径や最小粒子径を算出するような構成としてもよい。
（３）上述した気泡粒子含有液体作製システムでは、気体流量調整弁４によって空気が供給される流量を変化させる構成としたが、円筒形スペースにおける空気が供給される供給位置を変化させるような構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、媒液中に気泡粒子を混入させた気泡粒子含有液体を作製する場合に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る気泡粒子含有液体作製システムの構成を示す図である。
【図２】図１中の旋回液流式気泡粒子発生装置の一例を示す断面図である。
【図３】気泡粒子発生装置の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置（粒子径分布測定装置）
２ 旋回液流式気泡粒子発生装置
３ 貯水槽（流通部）
４ 気体流量調整弁（気体供給調整部）
５ａ 媒液流量調整弁（媒液供給調整部）
５ｂ 媒液流量調整ポンプ（媒液供給調整部）
６ コンピュータ（制御部）
２１ａ 媒液供給流路
２１ｂ 気泡粒子含有液体排出流路（流通部）
２１ｃ 気体供給流路
Ｓ 懸濁液（気泡粒子含有液体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒液中に気泡粒子として気体を混入させることにより、気泡粒子含有液体を作製する気泡粒子発生装置と、
前記気泡粒子発生装置に気体を供給する気体供給流路と、
前記気泡粒子発生装置に媒液を供給する媒液供給流路と、
前記気泡粒子発生装置から排出される気泡粒子含有液体を流通する流通部と、
前記流通部における気泡粒子含有液体中の気泡粒子の粒子径、粒度分布、又は、前記気泡粒子含有液体のボイド率の少なくとも１つを算出する粒子径分布測定装置とを備える気泡粒子含有液体作製システムであって、
前記気泡粒子発生装置に気体供給流路から供給する気体の流量又は供給位置を調整する気体供給調整部と、
前記気泡粒子発生装置に媒液供給流路から供給する媒液の流量を調整する媒液供給調整部と、
前記粒子径分布測定装置で算出される粒子径、粒度分布又はボイド率の少なくとも１つが目標範囲となるように、前記気体供給調整部及び／又は媒液供給調整部を制御する制御部とを備えることを特徴とする気泡粒子含有液体作製システム。
【請求項２】
前記粒子径分布測定装置は、前記気泡粒子含有液体にレーザ光を照射することにより回折・散乱光の強度分布を測定して、その強度分布の測定結果から粒子径、粒度分布及び／又はボイド率を算出するレーザ回折・散乱式の粒子径分布測定装置であることを特徴とする請求項１に記載の気泡粒子含有液体作製システム。
【請求項３】
前記気泡粒子発生装置は、旋回液流式気泡粒子発生装置、スタティックミキサ式気泡粒子発生装置、ベンチュリー式気泡粒子発生装置、加圧溶解式気泡粒子発生装置、極微細細孔式気泡粒子発生装置、蒸気凝集式気泡粒子発生装置、又は、それらを組み合わせた装置であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気泡粒子含有液体作製システム。
【請求項１】
媒液中に気泡粒子として気体を混入させることにより、気泡粒子含有液体を作製する気泡粒子発生装置と、
前記気泡粒子発生装置に気体を供給する気体供給流路と、
前記気泡粒子発生装置に媒液を供給する媒液供給流路と、
前記気泡粒子発生装置から排出される気泡粒子含有液体を流通する流通部と、
前記流通部における気泡粒子含有液体中の気泡粒子の粒子径、粒度分布、又は、前記気泡粒子含有液体のボイド率の少なくとも１つを算出する粒子径分布測定装置とを備える気泡粒子含有液体作製システムであって、
前記気泡粒子発生装置に気体供給流路から供給する気体の流量又は供給位置を調整する気体供給調整部と、
前記気泡粒子発生装置に媒液供給流路から供給する媒液の流量を調整する媒液供給調整部と、
前記粒子径分布測定装置で算出される粒子径、粒度分布又はボイド率の少なくとも１つが目標範囲となるように、前記気体供給調整部及び／又は媒液供給調整部を制御する制御部とを備えることを特徴とする気泡粒子含有液体作製システム。
【請求項２】
前記粒子径分布測定装置は、前記気泡粒子含有液体にレーザ光を照射することにより回折・散乱光の強度分布を測定して、その強度分布の測定結果から粒子径、粒度分布及び／又はボイド率を算出するレーザ回折・散乱式の粒子径分布測定装置であることを特徴とする請求項１に記載の気泡粒子含有液体作製システム。
【請求項３】
前記気泡粒子発生装置は、旋回液流式気泡粒子発生装置、スタティックミキサ式気泡粒子発生装置、ベンチュリー式気泡粒子発生装置、加圧溶解式気泡粒子発生装置、極微細細孔式気泡粒子発生装置、蒸気凝集式気泡粒子発生装置、又は、それらを組み合わせた装置であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気泡粒子含有液体作製システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−１２５４４１（Ｐ２０１０−１２５４４１Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０６０７５（Ｐ２００８−３０６０７５）
【出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
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