JP2016036775A - 微細気泡発生装置とその発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直径がナノメートルオーダーの微細気泡の粒径を小さく一定にし、安定して効率よく発生させる。【解決手段】本発明の微細気泡発生装置は、ポンプ１０より吐出された水５に気体供給装置より供給された空気６を混合させ、泡状の気泡を含む気液混合水７を生成する。この気液混合水７を微細気泡発生部３０に送り込み内部に噴射させ気泡を微細気泡化させる。微細気泡化は、噴射されるときに気泡の発生、圧壊を行うキャビテーションを起こすとともに、噴射された前記気液混合流体が揺れながら前記扁平空間内で渦を巻いて流れる渦流を発生させ、前記気泡の圧壊によるエネルギーと前記渦流によるせん断力とで、前記気泡を微細気泡に微細化される。この微細化された微細気泡を含む微細気泡含有水８をジェット噴射用ノズル６０に送り込みキャビテーションを起こさせ、微細気泡を再度微細化し、安定した微細気泡を含む微細気泡含有水９にする。【選択図】図１

Description

本発明は、微細気泡を発生するための微細気泡発生装置とその発生方法に関する。更に詳しくは、直径がナノメートルオーダーの微細気泡（ナノバブル）を発生させるための微細気泡発生装置とその発生方法に関する。

近年、ナノバブル（例えば、直径が１マイクロメートル以下の気泡）、マイクロバブル（例えば、発生時の直径が５０マイクロメートル以下の気泡）等と呼ばれている微細気泡は、いろいろな優れた特性があり、各種分野で活用されている。例えば、ナノバブルの特性を生かして、ナノバブルが各種物体の洗浄、汚濁水の浄化等に利用できることに着目したナノバブルの利用方法及び装置に関する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１には、ナノバブルを電気分解法により生成する方法及びその装置が開示されている。しかしながら、この装置は、超純水製造装置、超音波発生装置、電気分解用電源装置等を必要としており構成が複雑になるので、もっと簡素な構成の装置の開発が要望されていた。このように微細気泡を発生するための発生装置及び発生方法については、他に既にさらなる種々の提案がなされている。

例えば、筒状部材、第１端壁部材、第２端壁部材等によって画定される流体旋回室と、この流体旋回室内に接線方向から導入する流体導入孔と、中心線方向から流体を吐出する流体吐出孔と、を備える気体旋回剪断装置を有した微細気泡発生装置に関する技術が知られている（例えば、特許文献２、３参照）。

又、一端側が他端側に向けて突出する円錐形状又は円錐台形状の壁体で閉口され、他端側が開口している円筒形スペースを有する容器本体と、気体導入孔と、接線方向に開設された加圧液体導入口とからなる旋回式微細気泡発生装置に関する技術も知られている（例えば、特許文献４参照）。更に、放射性物資の汚染除去に適用した技術として、特に、セシウムを除去する放射性物資の洗浄をナノバブルの特性を活かして行なう技術が知られている（例えば、特許文献５参照）。

特開２００４−１２１９６２号公報 特許第４１２９２９０号 特許第４１１８９３９号 特開２００６−１１６３６５号公報 特開２０１３−１４００９６号公報

特許文献２、３に記載された微細気泡発生装置は、円筒状の流体旋回室内に生じる旋回流による剪断力で気体を微細化するものである。また、特許文献４に記載された旋回式微細気泡発生装置は、装置容器の開口部である出口から気体が噴出されるとき、噴出と同時に発生する旋回速度差により、気体渦管部が切断されることにより直径１０〜２０μｍの微細気泡が発生されるものである。更に、特許文献５に記載された技術は、最頻粒子径が５００ｎｍ以下のナノバブル水を用いて、放射性物質を溶出等をさせて洗浄するというものである。

微細気泡は、一般にマイクロバブルよりナノバブルのほうが各種特性が優れていると言われている。また、ナノメートルオーダーの微細気泡でも、直径が数百ナノメートルオーダーの微細気泡より、数十ナノメートルオーダーのようにより微細化された微細気泡の方が、いろいろな特性が優れていると言われている。しかしながら、前述した特許文献２〜４に記載された技術は、このような点、例えば直径が数十ナノメートルオーダーの微細気泡を確実に、効率よく発生させるという点では、まだ改良改善の余地が残っているものであった。又、特許文献５には、それなりに微細化された気泡を発生させる技術が、開示されているが、その気泡の大きさは一定でなく粒子径の範囲が広く、気泡を有効に利用する点においてはまだ問題点を残している。

そのため、従来の直径が大きいナノメートルオーダーの微細気泡より、更に直径が微小なナノメートルオーダーの微細気泡を、一定の粒径を長時間保持し安定的に発生させる方法及びその装置の開発が要望されている。
本発明の目的は、直径が小粒径のナノメートルオーダーの微細気泡を一定粒度の安定した気泡にし、確実に、効率よく発生させることができる微細気泡発生装置とその発生方法を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１の微細気泡発生装置は、
液体を所定の圧力に加圧して吐出するポンプ（１０、７１）と、
前記ポンプ（１０，７１）で吐出される液体（５）に気体（６）を混合させ細かい気泡を有する気液混合流体（７）とする気体供給体（２２、７２）と、
前記気液混合流体（７）を導入し内部に噴射させるための噴射ノズルを有する直方体状の箱部材であって、内部に３次元の扁平空間を形成し、前記気液混合流体（７）が前記噴射ノズルから前記扁平空間に噴射されるとき気泡の発生、圧壊を行うキャビテーションを起こすとともに、噴射された前記気液混合流体（７）が前記扁平空間内で渦を巻いて流れる渦流を発生させ、前記気泡の圧壊によるエネルギーと前記渦流によるせん断力とで、前記細かい気泡を微細気泡に微細化する噴流式微細気泡発生部（３０）と
前記噴流式微細気泡発生部（３０）から噴出される微細気泡含有水（８）を前記微細気泡を再微細化して一定粒径の微細気泡を含む微細気泡含有水（９）にし噴射させるジェット噴射ノズル（６０）とからなる。

本発明２の微細気泡発生装置は、本発明１において、
前記液体は水（５）であり、前記気体は空気（６）、酸素、及びオゾンから選択される１種以上であり、前記一定粒径の微細気泡は、直径がナノメートルレベルの小粒径の微細気泡であることを特徴とする。

本発明３の微細気泡発生装置は、本発明１、２において、
前記噴流式微細気泡発生部（３０）は、前記扁平空間が、前記空間の概ねの高さをＨで、それの概ねの幅をＷで表し、前記噴射口の有効直径をＤ１で表すと、前記噴流は長さ方向に向いて前記空間の概ねの中心線の方向に噴射され、前記渦流の発生条件として、Ｄ１＜Ｈ、Ｗ／Ｈ≧４であることを特徴とする。

本発明４の微細気泡発生装置は、本発明１、２において、
前記ポンプ（１０）は、前記気体供給体の機能を有する構成のもので、前記液体の吸い込み口（２０）の近傍に気体の供給口（２２）を設け、羽根車（１４）の回転により前記液体内に前記気体の気泡が混合された気液混合流体（７）を吐出するための気液混合ポンプ（１０）であることを特徴とする。

本発明５の微細気泡発生装置は、本発明１、２において、
前記気体供給体は、加圧された前記液体（５）で前記気体（６）を吸い込み前記混合を行うエジェクタ（７２）であることを特徴とする。

本発明６の微細気泡発生装置は、本発明１、２において、
前記ジェット噴射用ノズル（６０）は、オリフィス部（６１）の出口から同軸に延在し、前記オリフィス部（６１）の直径の４〜２０倍の長さを有すると共に、噴出孔（６３）が前記オリフィス部（６１）と同径の入口部から下流に向かってその直径が軸方向に沿って軸心と２０度ないし６０度で徐々に増大する断面形状を有する噴射ノズルであることを特徴とする。

本発明６の微細気泡発生装置は、本発明１、２において、前記ジェット噴射ノズルは、オリフィス部の出口から同軸に延在し、前記オリフィス部の直径の４〜２０倍の長さを有すると共に、噴出孔が前記オリフィス部と同径の入口部から下流に向かってその直径が軸方向に沿って軸心と２０度ないし６０度で徐々に増大する断面形状を有する噴射ノズルであることを特徴とする。

本発明７の微細気泡発生方法は、
ポンプ（１０、７１）の吸込口から吸い込んだ液体（５）を所定の圧力に加圧し、この液体に気体供給体（２２，７２）より気体（６）を供給し気液混合流体（７）を生成し吐出させる工程と、
直方体状の部材であって、内部に３次元の扁平空間が形成された噴流式微細気泡発生部（３０）に噴射口を介して前記扁平空間に前記気液混合流体を導き噴射する工程と、
前記噴射口から前記扁平空間内に噴射された前記気液混合流体（７）に気泡の発生、圧壊を行うキャビテーションを起こし、前記気液混合流体（７）の噴流流体に揺れながら前記扁平空間内で渦を巻いて流れる渦流を発生させ、前記気泡の圧壊時のエネルギーと前記渦流によるせん断力とで、前記気泡を微細化した微細気泡を含む微細気泡含有水（８）を生成する工程と、
噴出孔（６３）がオリフィス部（６１）の出口から同軸に延在し、前記オリフィス部（６１）の直径の４〜２０倍の長さを有すると共に、噴出孔（６３）が前記オリフィス部（６１）と同径の入口部から下流に向かってその直径が軸方向に沿って軸心と２０度ないし６０度で徐々に増大する断面形状を有するジェット噴射用ノズル（６０）に前記微細気泡含有水（８）を通過させ、前記微細気泡を再微細化した微細気泡を含む微細気泡含有水（９）とする工程とからなる。

本発明の微細気泡発生装置とその発生方法は、ポンプで吸い込んだ液体と気体供給体で供給される気体とで混合され、気泡を含む気液混合流体を生成し、その気泡を噴流発生部におけるキャビテーション現象において、気泡が圧壊するときに生じるエネルギーと、噴流発生室内におけるコアンダ効果等による渦流により生じるせん断力とにより、気泡を微細化した微細気泡としている。

更に、この微細気泡をジェット噴流ノズルによりキャビテーション等により再微細化し、より細かい微細気泡とした。この結果、直径がナノメートルオーダーの小粒径で一定の安定した微細気泡を一層確実に、効率よく発生することができるようになった。従って、この微細気泡発生装置とその発生方法で発生させた直径がナノメートルオーダーの微細気泡は、粒度の小さい一定の細微細化気泡になっているので、洗浄等による異物除去効率を高めるのに寄与することとなった。

又、この微細気泡発生装置は、構成が簡素であり、高品質の小粒径ナノメートルオーダーの微細気泡を信頼性高く発生することができるようになった。この微細気泡発生装置により得られた微細気泡含有流体を使用することで、例えば、放射性物質（例えば、放射性セシウム）が付着した被洗浄物の除染に適用すると、一層その除去効果を高めることができる。

図１は、本発明の実施の形態１の微細気泡発生装置の概要を示す構成図である。 図２は、図１の微細気泡発生装置における気液混合ポンプの構成を示す断面図である。 図３は、微細気泡発生装置を構成する噴流式微細気泡発生部の微細気泡発生室における噴流発生原理を模式的に示した正面図である。 図４は、図３をＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 図５は、ジェット噴射ノズルの構成を示す断面図である。 図６は、本発明の実施の形態２の微細気泡発生装置の概要を示す構成図である。 図７は、図６の微細気泡発生装置におけるエジェクタの構成を示す説明図である。 図８は、本発明で得られた微細気泡含有水の気泡粒度の分布を示すデータ図である。 図９は、気泡粒度の分布を示す比較データ図である。

［実施の形態１］
以下、本発明の実施の形態１を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１の微細気泡発生装置の概要を示す構成図である。図２は、図１における気液混合ポンプの構成を示す断面図である。図３は、微細気泡発生装置を構成する噴流式微細気泡発生部の微細気泡発生室における噴流発生原理を断面で模式的に示した説明図、図４は、図３のＢ−Ｂ線で切断した断面の説明図である。図５は、ジェット噴射ノズルの構成を示す断面図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態１の微細気泡発生装置１は、液体（以下、「水５」という。）を吸い込むと同時に気体（以下、「空気６」という。）を取り込み供給し、気液混合させ気液混合流体（以下、「気液混合水７」という。）として吐出させる気液混合ポンプ（以下、「渦流ポンプ１０」という。）を有している。この渦流ポンプ１０は、本例では気体である空気６を供給する機能を含む構成のものである。この実施の形態１においては、別途に離間独立しての気体供給体を設けていない。従って、この渦流ポンプ１０は、空気供給に伴い水と混合することにより、泡状の細い気泡を発生させる機能を有している。

又、この実施の形態１の微細気泡発生装置１には、渦流ポンプ１０に連通して、気液混合水７を導入し、キャビテーション等による微細気泡〔例えば、直径がナノメートル（ｎｍ）オーダーの微細気泡〕を発生させるための噴流式微細気泡発生部３０を有している。更に、この微細気泡発生装置１は、渦流ポンプ１０の流入側に、渦流ポンプ１０の運転が停止しても水が落ちないように逆流防止構造のフートバルブ４４、バルブ４２、圧力計４３を備えている。また、渦流ポンプ１０は、付随して気体流量計４６、バルブ４７、逆止弁４８を経て空気６を取り込むようになっている。

更に、微細気泡発生装置１は、渦流ポンプ１０の流体吐出部２１と、噴流式微細気泡発生部３０への流体入口部の噴射ノズル３２との間に設けられる接続流路４１、噴流式微細気泡発生部３０の流体出口部３３側に設けられる噴射ノズルと、この噴射ノズルからの噴流経路になる送出流路４５、ジェット噴射ノズル６０等から構成されている。なお、この実施の形態１の説明では、液体を水５（例えば、公共水道水）、気体を空気６として説明を行うが、液体が他の種類の液体、気体が他の種類の酸素、オゾン、窒素等の気体であってもよいことはいうまでもない。

前述したように、渦流ポンプ１０の水の流入側には、バルブ４２、圧力計４３が接続されているが、接続流路４１には渦流ポンプ１０から吐出される気液混合流水７のための圧力計５０及び流量計５１が設けられている。接続流路４１内を流れる気液混合流水７の圧力は、所定の圧力（例えば、０．５〜０．２ＭＰａ）に設定されている。気液混合水７の圧力は、この圧力計５０で確認することができる。

又、送出流路４５にも、圧力計４９が接続されていて、所定圧力（例えば、０．４〜０．１ＭＰａ）に設定された微細気泡含有水８の圧力を確認することができる。この圧力は、例えば噴流式微細気泡発生部３０へ供給する気液混合水７の圧力を０．４ＭＰａとすると、送出流路４５の微細気泡含有水８の圧力は０．３ＭＰａとなる。気液混合水７の圧力は、微細化された微細気泡含有水８の圧力より大きくなるように設定されている。

次に、気液混合ポンプである渦流ポンプ１０について、図２に基づいて詳細に説明を行う。図２に示されるように、渦流ポンプ１０は、液体吸込口２０及び流体吐出口２１を有するポンプ本体１１と、ポンプ本体１１内に設けられる羽根車１４と、気体供給体である空気供給ノズル２２等から構成されている。ポンプ本体１１内には、環状の昇圧流路１６が形成され、この昇圧流路１６の入口部１７に、液体吸込口２０が連通して形成されている。昇圧流路１６の出口部１８には、流体吐出口２１が昇圧流路１６と連通している。他方、昇圧流路１６の入口部１７と出口部１８との間には、隔離部１９が形成されている。

ポンプ本体１１内には、羽根車１４が回転可能に軸受で支持されている。この羽根車１４の外周部には、所定ピッチで形成された径方向の小羽根部１２と、これらの小羽根部１２間は、凹溝である羽根溝部１３が配置されている。羽根車１４の中心に一体の回転軸１５を、ポンプ本体１１の外部に設けられたモータ（図示せず）等で回転駆動することにより、羽根車１４の小羽根部１２及び羽根溝部１３は、羽根車１４と同心円の昇圧流路１６内を回転する。この羽根車１４の回転により、液体吸込口２０から水５が吸い込まれる。

渦流ポンプ１０の液体吸込口２０には、気体供給体である空気供給ノズル２２が挿入されて固定されている。この空気供給ノズル２２から供給される空気６は、昇圧流路１６の入口部１７から昇圧流路１６に流入するように構成されている。このように、渦流ポンプ１０は、ポンプ本体１１内に回転可能に支持されている羽根車１４の周囲に、環状の昇圧流路１６が形成されているとともに、この昇圧流路１６の入口部２０には、入口部２０に対して、空気６を供給する空気供給ノズル２２が挿入、固定されている。

又、空気６は、図１に示すように、空気用流量計４６、バルブ４７、逆止弁４８を介して導入され、空気供給ノズル２２から渦流ポンプ１０内に供給される。供給された空気６と水５は、この渦流ポンプ１０内で混合撹拌され、このに水５と空気６とが混合された気液混合水７が、微細泡状の気泡を含み流体吐出部２１から接続流路４１に吐出される。

即ち、渦流ポンプ１０の液体吸込口２０に吸い込まれた水５は、羽根車１４と共に昇圧流路１６をほぼ一周する間に、羽根車１４の各羽根溝１３内と昇圧流路１６との間で渦流となり、昇圧流路１６を進むにつれて昇圧されて流体吐出口２１から接続流路４１に吐出される。このとき、昇圧流路１６の入口部１７は負圧になり、この入口部１７に水５が吸込まれるとともに、空気供給ノズル２２から供給された空気６も吸い込まれる。

この水５と空気６とは、羽根車１４と昇圧流路１６との間で生じる渦流によって混合攪拌されながら昇圧流路１６を移動するので、この過程で水５の中に多量の空気６が混合される。すなわち、水５と空気６とが混合され小径の気泡（小粒）を含む気液混合水７となって流体吐出口２１から吐出される。即ち、水５に混合された空気６は、渦流によるせん断力を受けて、この時点で微細化された一次の微細気泡〔例えば、直径がマイクロメートル（μｍ）オーダーの微細気泡〕となっている。接続流路４１に吐出された気液混合水７は、続いて噴流式微細気泡発生部３０に導入される。

次に、噴流式微細気泡発生部３０について説明する。図３、図４に示すように、噴流式微細気泡発生部（以下「微細気泡発生部３０」という）は、扁平の直方体状のものである噴流式微細気泡発生箱（以下「微細気泡発生箱３１」という）を備えている。微細気泡発生箱３１は、その長手方向が鉛直になるように配置されている。微細気泡発生箱３１の一方の面に設けられた流体入口部には、渦流ポンプ１０で加圧されるとともに吐出された気液混合水７を微細気泡発生箱３１内に噴射する噴射口となる噴射ノズル３２が固定されている。噴射ノズル３２は、噴射口の断面が円筒の環状空間である。この構造は特開２０００−５６３号等で公知であり、その詳細は説明を省略する。

微細気泡発生部３０の本体部を形成する微細気泡発生箱３１には、微細気泡発生室３１ａと、接続流路４１に接続される流体入口部に噴射ノズル３２と、送出流路４５に接続される流体出口部３３等が形成されている。微細気泡発生箱３１の内部には、区画された微細気泡発生室３１ａが形成されている。微細気泡発生室３１ａの内部空間Ｖは、３次元の箱状の空間で扁平であり、空間の概ねの水平方向の高さ（厚さ）をＨ、その空間の概ねの幅をＷ、鉛直方向の長さをＬとし、流体入口部に設けられた噴射ノズル３２の開口の有効直径をＤ１とすると、概略すると、Ｄ１＜Ｈ、Ｗ／Ｈ≧４、かつ、Ｗ＜Ｌの関係にある。即ち、微細気泡発生室３１ａの内部空間Ｖは、扁平で長方体状の空間が好ましい。

噴射ノズル３２から噴射された気液混合水７は、噴射速度が増加するのに伴い圧力が低下し、圧力が飽和蒸気圧まで減少した結果、液体成分（水成分）が蒸発して、気泡が発生するキャビテーションと呼ばれる現象が生じる。この結果、気液混合水７が噴射ノズル３２から噴射された噴流水に、気液混合水７の気泡等を気泡核として、キャビテーション現象による微細気泡が発生する。

その後、飽和蒸気圧まで低下した圧力が、噴流水の下流側で次第に元の圧力に戻り始めると気泡は圧縮され潰れる。この気泡の圧壊した時に発生する高温、高圧のエネルギーが周囲に放射され、このエネルギーにより噴流水内の気泡、微細気泡が微細化し、直径が極めて微小なナノメートル（ｎｍ）オーダーの微細気泡（ナノバブル）が生成される。

噴射ノズル３２から噴射された気液混合水７は、噴流水となって微細気泡発生室３１ａ内を流動する。噴流水の主噴流３４は、鉛直方向で内部空間Ｖの概ねの中心線の方向に噴射される。主噴流３４、３４’は、コアンダ効果（噴流が近くの壁に引き寄せられる効果）により、微細気泡発生室３１ａの壁面のどちらか一方の側に引き寄せられるように湾曲して流れる。また、隅部でも湾曲するように流れるため、噴流水の主噴流３４、３４’は、渦を巻いて流れる渦流となる。噴流水の主噴流３４、３４’は、渦流の回転方向が激しく変化し、図３、４に示す主噴流３４、３４’のような動きの流れになる。微細気泡発生室３１の８隅には、コアンダ効果により低圧渦である付着渦流３５、３５が発生する。

従って、微細気泡発生室３１ａには、例えば、図３又は図４に図示したような矢印の方向に、主噴流３４、３４’の流れ（渦流）が発生することになる。この主噴流３４、３４’の流れは、一定で安定したものではなく、幅Ｗの面内で矢印＋ｗ方向又は矢印−ｗ方向に、かつ、厚さＨの面内で矢印＋ｈ方向又は矢印−ｈ方向に揺れるとともに、渦流の回転方向が激しく変化するような動きの流れになる。

即ち、主噴流３４、３４’はキャビテーションを起こし、不安定であり揺れながら流れ、渦流が発生することになる。言い換えると、微細気泡発生室３１ａ内では、攪拌力の強い渦流現象が発生し、この渦流は回転方向が激しく変化している。また、これらの主噴流３４、３４’、付着渦流３５、３５等の回転方向が激しく変化する噴流は、気液混合水７と微細気泡が混合された噴流水に極めて強いせん断力を与える。

このせん断力は、微細気泡と噴流水との混合を促進するとともに、微細気泡をせん断し、直径が極めて微小なナノメートル（nm）オーダーの微細気泡（ナノバブル）を生成させる。このような微細化が行われた二次の微細気泡は、例えば、直径が数十ナノメートル以下の微細気泡となり、一次の微細気泡は二次の微細気泡に変化し、噴流水に混合され微細気泡含有水８となる。このように生成された微細気泡含有水８は、微細気泡発生部３０から流体出口部３３を通して吐出し、次にジェット噴射用ノズル６０に導かれる。このジェット噴射用ノズル６０を通過することにより微細気泡含有水８の気泡は、再微細化され三次の微細気泡となり、気泡粒子はその粒径を更に小さく、一定の大きさで、安定した細粒子の気泡となる。この三次の微細気泡を含む微細気泡含有水９は、接続流路４９を通して回収され、洗浄等種々の用途に利用される。

このように、微細気泡の発生する微細気泡発生部３０の構成と、更に再微細化するためのジェット噴射用ノズル６０を設けた構成とによって、気泡を一層微細化しその微細気泡を含む微細気泡含有水９は、洗浄等に一層の効果を有するものとなっている。このジェット噴射用ノズルは、キャビテーションを発生させ気泡を微細化させる機能を有するものであれば、どのようなものであってもよいが、次に示す構成のジェット噴射用ノズル６０が好ましい。

［ジェット噴射用ノズル６０］
次に、微細気泡を再微細化するためのジェット噴射用ノズル６０について図５をもとに詳細に説明する。ジェット噴射用ノズル６０は、特公平４−４３７１２号公報で公知のものである。このジェット噴射用ノズル６０の構成は次のようになものである。ジェット噴射用ノズル６０の噴出孔６３は、オリフィス部６１の出口から同軸に延在し、オリフィス部６１の直径の４〜２０倍の長さを有するとともに、オリフィス部６１と同径の入口部から下流に向かってその直径が軸方向に沿って軸心と２０°〜６０°の角度で徐々に増大する断面形状を有している。

具体的に説明すると、ジェット噴射用ノズル６０は、配管部材６２を介して流路４５に連結されている。ジェット噴射用ノズル６０には、オリフィス部６１が形成され、更にオリフィス部６１の下流に噴出孔６３を有している。側壁６４は、噴出孔６３を形成している円錐状の壁である。角度θは、オリフィス部６１の軸心Ｃと噴出孔６３を形成する側壁６４との角度を示す。又、このノズル形状は、オリフィス部６１の径をｄとすると、噴出孔６３の長さＬ₁はｄの４〜２０倍として設定されている。更に、角度θは、噴出液体が周囲液体との間でキャビテーション現象を発生するために、先に述べたように本例では２０°〜６０°の範囲である。

この範囲においては、極めて顕著なキャビテーション発生が得られ、噴射液体のエネルギー減衰を少なく、噴射対象物に噴射エネルギーを有効に作用させ得るものとして実証されている。このような構成のジェット噴射用ノズル６０に、加圧された状態の微細気泡含有水８を供給すると、オリフィス部６１で高速の流体になり噴出孔６３に噴出される。この噴射流体は、噴出孔６３と角度を有する側壁６４との関係によって周囲流体とのキャビテーションの発生が助長され、これにより微細気泡に更に破砕作用が生じる。このことにより、微細気泡発生部３０からの微細気泡含有水８の微細気泡は、二次の微細気泡から三次の微細気泡に変わる。又、これに伴う噴射流体のエネルギー減衰は少なくなる。従って、洗浄等噴射対象物に対しては、この噴射エネルギーを効果的に作用させることができる。

このように、微細気泡をこのジェット噴射用ノズル６０を介して再度微細化し三次の微細気泡にする処理を行うことにより、気泡は更に細かく一定の水泡となり、安定した状態を維持する微細気泡となる。ジェット噴射用ノズル６０からの流体は、三次の微細気泡を含む微細気泡含有水９となる。このように再微細化した気泡を含む微細気泡含有水９を洗浄等に使用することで大きな効果を生む。この微細気泡含有水９は、最後に送出流路５２内を流れて貯留等され、所望の場所、所望の目的等に活用される。なお、ジェット噴射用ノズル６０は、上記のもの以外では、前述した本出願人に係る発明である特開２０００−５６３号公報に記載されているノズル構造のものを使用してもよい。

このような工程で発生させた微細気泡含有水９は、水中において直径がナノメートルオーダーの微細気泡が、水中でブラウン運動しながら浮力の影響を受けず、長時間に亘って水中に含有された形態のものとなる。また、この微細気泡含有水９は、洗浄作業等に使用すると、微小な隙間の奥まで入り込み、汚れ等の元となる成分を吸着、剥離することで洗浄効果が大幅に向上する。例えば、この微細気泡含有水９で、特に放射性物質（例えば、放射性セシウム）が付着した被洗浄物の除染を行うと、従来のものより放射性物質濃度が低下し、確実に除染を行うことができる。すなわち、直径がナノメートルオーダーの微細気泡は、被洗浄物の洗浄を従来のものより効果的に行うことができる。

以下、実施の形態１の実施例の結果を表１及びデータに示す。
［実施例の運転条件等］
ポンプ型式：渦流ポンプ（株式会社ニクニ（本社：日本国神奈川県）製KTM25ND15Z-000）
ポンプ吐出圧 ：０．３MPa
噴流式微細気泡発生部のサイズ：Ｗ：１６０mm，Ｈ：４０mm，Ｌ：３２０mm
噴流式微細気泡発生部の出口圧：０．２MPa

表１は、実測数値をグラフ化したもので、試料＃１〜３の粒子の平均径、モード径（最頻度粒子径）、単位容積（ml）当たりを計測し、表示したものである。

図８は、表１による実測数値をグラフ化したもので、本発明の装置で生成して得られた三次の微細気泡を含む微細気泡含有水９の粒度分布測定結果を示す気泡粒度の分布を示すデータ図である。このデータ図は、表１における３つの試料の測定値の平均値を示したものである。ここで使用した粒度測定装置は、ナノ粒子解析装置（NanoSight Ltd製，LM10-HSBT14（EMCCDカメラ，青色レーザ（405nm,65mw))を用いた。この装置は、液体中のナノ粒子のブラウン運動を可視化して測定し、その動きから粒子径を算出し、個々のサイズと濃度の粒度分布をデータ化するものである。データ図に示すように、試料（＃１〜３）の粒子の個々の平均径は、９０から１２５nmに集中されていることが判明できる。グラフ化されたデータ曲線では、３つの試料の平均値を示したものになっているが、ほぼ１つの山のみを形成しており、試料（＃１〜３）とも微細気泡が小さく、粒径の範囲がほぼ一定になって安定している結果となっていることを示している。

（比較例）
図９は、気泡粒度の分布を示す比較データ図である。このデータ図は微細気泡発生部から噴射された二次の微細気泡を含む微細気泡含有水８を測定したものである。このデータ図によると、上記実施例のデータ図との比較において、粒子径に応じたデータ曲線において複数の山が生じており、ナノバルブとはいっても図８に比し、粒径範囲が広く、データによると、１００〜４００nmの範囲に広がっている。微細気泡含有水内に粒子径の異なる微細気泡が存在していることを示している。この測定も上記ナノ粒子解析装置で分析した。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２の構成について説明する。図６は、本発明の実施の形態２の微細気泡発生装置７０の概要を示す構成図である。図７は、本形態に適用されるエジェクタの説明図である。本実施の形態は、水５のみを吸い込む通常のポンプ７１で吸い込み吐出させた水５に、接続流路４１内に設けられた気体供給体、即ちエジェクタ７２により流路内の水５に空気６を取り込み、混合させて気液混合水７とするものである。エジェクタ７２は、後述するように、圧力差を利用した電気的動力及び稼働部が無い一種のポンプである。図６に示すように、フートバルブ７３を介して水５がポンプ７１により汲み上げられ、水５は流路４１を通過しエジェクタ７２に導かれる。

エジェクタ７２へは、空気流量計７５、バルブ７６、逆止弁７７を介して空気６が取り込まれ、ポンプ７１からの水５はこのエジェクタ７２を通過することにより気液混合水７となる。この気液混合水７は、泡状で細かい気泡を有しており、一次の微細気泡を含むものとなっている。この気液混合水７は、一次の微細気泡を含んで前述の微細気泡発生部３０に導かれる。微細気泡発生部３０に導かれた後、気液混合水７は微細気泡化され二次の微細気泡を有する微細気泡含有水８になる。この微細気泡含有水８はジェット噴射用ノズル６０へ導かれ、再微細化された三次の次微細気泡を含む微細気泡含有水９となり、送出流路５２に吐出される。二次、三次の微細気泡の生成については、前述の場合と同様であるので詳細な説明は省略する。

次に、エジェクタ７２の構成について説明する。図７に示すようにエジェクタ７２は、配管の途中がＴ字管になった部材のボディ８０を構成する。Ｔ字の水平線に当たるボディ８０の一方の接続口８１をポンプ側へ、他方の接続口８２を微細気泡発生部３０側へ接続する。この接続は図示していないが、各配管にジョイントを介して接続される。Ｔ字の垂直線にあたる部位が気体の吸い込み口８３となる。ボディ内８６には、ノズル８４とデフューザー８５が所定距離をおいて対向しており、ノズル８４から噴射される水５は、デフューザー８５の入口に向かって噴射される。

このときノズル８４からの噴射の際、ボディ内８６に負圧(ベルヌーイの定理)が生じ、空気６が吸い込み口８３から吸い込まれる状態となる。この空気６の吸い込みにより、水５はデフューザー８５に気泡を含む気液混合水として混合噴射される。デフューザー８５から吐出された気液混合水７は、前述の実施の形態と同様に一次の微細気泡を含んでおり、微細気泡発生部３０に導かれる。以降は前述と同様な工程を経て、微細気泡を発生させる。

以上、各実施の形態について説明したが、本発明の微細気泡発生装置１は、粒子径の小さい微細気泡を生成させことができる上に、その微細気泡を大きさの一定な粒子群として保持できる点に大きな特徴がある。微細気泡については、一般的に大きな気泡は水中で浮力により水面上に浮かび消滅し、小さな気泡は水中に長く留まり安定的に保持されるとされている。この理由から、特にナノバブルのような微細気泡は、長く水中に放置されてもなかなか消滅しないで保持される特徴がある。ナノバブルの粒子径が小さければ小さいほどその効果は大きく、又、小さい粒子径が一定して保持されていれば尚その効果は大きい。

以上、本発明の各実施の形態について説明を行ったが、本発明はこの実施の形態に限定されることはなく、本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内での変更が可能なことはいうまでもない。

１…微細気泡発生装置
５…水
６…空気
７…気液混合水
８…微細気泡含有水
９…微細気泡含有水
１０…渦流ポンプ
１１…ポンプ本体
１４…羽根車
３０…噴流式微細気泡発生部
３１…噴流式微細気泡発生箱
３２…噴射ノズル
３３…流体出口部
３４、３４’…主噴流
３５…付着噴流
Ｖ…内部空間
Ｗ…内部空間の幅
Ｈ…内部空間の高さ
６０…ジェット噴射用ノズル
７１…ポンプ
７２…エジェクタ

Claims (7)

1. 液体を所定の圧力に加圧して吐出するポンプ（１０、７１）と、
   前記ポンプ（１０，７１）で吐出される液体（５）に気体（６）を混合させ細かい気泡を有する気液混合流体（７）とする気体供給体（２２、７２）と、
   前記気液混合流体（７）を導入し内部に噴射させるための噴射ノズルを有する直方体状の箱部材であって、内部に３次元の扁平空間を形成し、前記気液混合流体（７）が前記噴射ノズルから前記扁平空間に噴射されるとき気泡の発生、圧壊を行うキャビテーションを起こすとともに、噴射された前記気液混合流体（７）が前記扁平空間内で渦を巻いて流れる渦流を発生させ、前記気泡の圧壊によるエネルギーと前記渦流によるせん断力とで、前記細かい気泡を微細気泡に微細化する噴流式微細気泡発生部（３０）と
   前記噴流式微細気泡発生部（３０）から噴出される微細気泡含有水（８）を前記微細気泡を再微細化して一定粒径の微細気泡を含む微細気泡含有水（９）にし噴射させるジェット噴射ノズル（６０）と
   からなる微細気泡発生装置。
2. 請求項１に記載された微細気泡発生装置において、
   前記液体は水（５）であり、前記気体は空気（６）、酸素、及びオゾンから選択される１種以上であり、前記一定粒径の微細気泡は、直径がナノメートルレベルの小粒径の微細気泡である
   ことを特徴とする微細気泡発生装置。
3. 請求項１又は２に記載された微細気泡発生装置において、
   前記噴流式微細気泡発生部（３０）は、前記扁平空間が、前記空間の概ねの高さをＨで、それの概ねの幅をＷで表し、前記噴射口の有効直径をＤ１で表すと、前記噴流は長さ方向に向いて前記空間の概ねの中心線の方向に噴射され、前記渦流の発生条件として、Ｄ１＜Ｈ、且つ、Ｗ／Ｈ＞４である
   ことを特徴とする微細気泡発生装置。
4. 請求項１又は２に記載された微細気泡発生装置において、
   前記ポンプ（１０）は、前記気体供給体の機能を有する構成のもので、前記液体の吸い込み口（２０）の近傍に気体の供給口（２２）を設け、羽根車（１４）の回転により前記液体内に前記気体の気泡が混合された気液混合流体（７）を吐出するための気液混合ポンプ（１０）であることを特徴とする微細気泡発生装置。
5. 請求項１又は２に記載された微細気泡発生装置において、
   前記気体供給体は、加圧された前記液体（５）で前記気体（６）を吸い込み前記混合を行うエジェクタ（７２）であることを特徴とする微細気泡発生装置。
6. 請求項１又は２に記載された微細気泡発生装置において、
   前記ジェット噴射用ノズル（６０）は、オリフィス部（６１）の出口から同軸に延在し、前記オリフィス部（６１）の直径の４〜２０倍の長さを有すると共に、噴出孔（６３）が前記オリフィス部（６１）と同径の入口部から下流に向かってその直径が軸方向に沿って軸心と２０度ないし６０度で徐々に増大する断面形状を有する噴射ノズルであることを特徴とする微細気泡発生装置。
7. ポンプ（１０、７１）の吸込口から吸い込んだ液体（５）を所定の圧力に加圧し、この液体に気体供給体（２２，７２）より気体（６）を供給し気液混合流体（７）を生成し吐出させる工程と、
   直方体状の部材であって、内部に３次元の扁平空間が形成された噴流式微細気泡発生部（３０）に噴射口を介して前記扁平空間に前記気液混合流体を導き噴射する工程と、
   前記噴射口から前記扁平空間内に噴射された前記気液混合流体（７）に気泡の発生、圧壊を行うキャビテーションを起こし、前記気液混合流体（７）の噴流流体に揺れながら前記扁平空間内で渦を巻いて流れる渦流を発生させ、前記気泡の圧壊時のエネルギーと前記渦流によるせん断力とで、前記気泡を微細化した微細気泡を含む微細気泡含有水（８）を生成する工程と、
   噴出孔（６３）がオリフィス部（６１）の出口から同軸に延在し、前記オリフィス部（６１）の直径の４〜２０倍の長さを有すると共に、噴出孔（６３）が前記オリフィス部（６１）と同径の入口部から下流に向かってその直径が軸方向に沿って軸心と２０度ないし６０度で徐々に増大する断面形状を有するジェット噴射用ノズル（６０）に前記微細気泡含有水（８）を通過させ、前記微細気泡を再微細化した微細気泡を含む微細気泡含有水（９）とする工程と
   からなる微細気泡発生方法。

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