JP5762210B2 - 気体溶解装置および微細気泡生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体を液体に加圧溶解させる気体溶解装置、および、これを用いた微細気泡生成装置に関する。

近年、空気を水に加圧溶解させた加圧水の様々な機能が注目されており、また、この加圧水を利用して微細な気泡を含む水の様々な利用方法も研究されている。このような加圧水を生産する装置として、例えば、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１の気液加圧混合装置では、緩急を繰り返す勾配を有する管路が設けられ、この管路に加圧された気液混合流が注入される。これにより、効率のよい気体溶解（気液反応を含む。以下同様）が実現される。また、管路の途中に中間絞りを設け、中間絞りの前の流路と後の流路の加圧状態を測定することにより、圧力の非常事態を感知する技術も開示されている。

特許文献２の気液溶解混合装置では、管路を流れる混合流体が、ベンチュリ管を有する再分配器を通過した後、端面に複数のノズル孔が設けられたノズル部から噴出される。再分配器では、液体と管路の上部に集まった気泡とが、ベンチュリ管の喉部にて加速される。当該液体と気泡とは、ノズル部のダクト内において混合された後、気泡が液体内に分布した状態で、複数のノズル孔から噴出される。ノズル孔は、ダクトに比べて小さいため、ノズル孔を通過する液体は加速されて静圧が低くなる。このため、液体中に溶解している気体が微小気泡として析出する。

特開平６−２１０１４７号公報 特開平６−６３３７１号公報

ところで、単位体積当たり所望の量の空気が水に溶け込んだ加圧水の生産では、設計通りの生産量を確保するために、装置内での空気と水との接触面積を一定に保つ必要がある。しかし、必要な生産量は常に一定とは限らず、また、装置毎に求められる生産量も異なる。その結果、設計が煩雑になるとともに、装置の製造コストの削減も容易ではない。

特に、食品、薬品、半導体等の分野では、高いレベルの清潔度が求められるため、円形の配管の使用が求められる。しかし、このような配管をそのまま利用すると、生産量の変動により、気体と液体との接触面積が大きく変動する。そのため、生産量の変更可能な範囲が制限される。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、気体を液体に加圧溶解させる気体溶解装置において、気体と液体との接触面積を一定に維持することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、気体を液体に加圧溶解させる気体溶解装置であって、加圧環境下にて液体が気体に接しつつ前記気体の下方にて流れる第１流路と、前記第１流路内の下部に設けられ、前記液体の流れを妨げることにより前記第１流路内に前記液体を貯溜させる第１堰止部と、前記第１流路よりも下方に位置し、前記第１堰止部を越えて流れ込む前記液体が加圧環境下にて、前記気体に接しつつ前記気体の下方にて流れる第２流路と、前記第２流路内の下部に設けられ、前記液体の流れを妨げることにより前記第２流路内に前記液体を貯溜させる第２堰止部と、前記第２流路よりも下方に位置し、前記第２堰止部を越えて流れ込む前記液体が加圧環境下にて流れる第３流路とを備え、前記第１堰止部が、前記第１流路内において、前記液体が前記第２流路に向かう直前の位置に設けられ、前記第２堰止部が、前記第２流路内において、前記液体が前記第３流路に向かう直前の位置に設けられる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の気体溶解装置であって、前記第１堰止部により前記第１流路内の前記液体が貯溜される空間の下部と、前記第１堰止部よりも下流側の空間とを連絡し、前記第１流路内に貯溜される前記液体の一部を前記下流側の空間へと導く第１連絡流路と、前記第２堰止部により前記第２流路内の前記液体が貯溜される空間の下部と、前記第２堰止部よりも下流側の空間とを連絡し、前記第２流路内に貯溜される前記液体の一部を前記下流側の空間へと導く第２連絡流路とをさらに備える。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の気体溶解装置であって、前記第１堰止部が、前記第１流路の下部に固定されて前記下部を塞ぐ部位であり、前記第１連絡流路が、前記第１流路に沿って前記第１堰止部を貫通する貫通孔であり、前記第２堰止部が、前記第２流路の下部に固定されて前記下部を塞ぐ部位であり、前記第２連絡流路が、前記第２流路に沿って前記第２堰止部を貫通する貫通孔である。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の気体溶解装置であって、前記第１連絡流路が、前記第１流路と前記第２流路とを別途連絡する微小流路であり、前記第２連絡流路が、前記第２流路と前記第３流路とを別途連絡する微小流路である。

請求項５に記載の発明は、気体を液体に加圧溶解させる気体溶解装置であって、加圧環境下にて液体が気体に接しつつ前記気体の下方にて流れる第１流路と、前記第１流路内の下部に設けられ、前記液体の流れを妨げることにより前記第１流路内に前記液体を貯溜させる堰止部と、前記第１流路よりも下方に位置し、前記堰止部を越えて流れ込む前記液体が加圧環境下にて流れる第２流路と、前記堰止部の状態を、前記液体の流れを妨げる状態と流れを妨げない状態との間にて変化させる堰止切替部とを備える。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の気体溶解装置であって、前記堰止部が、前記第１流路の下部に配置されて前記下部を閉塞する部位であり、前記堰止切替部が、前記堰止部を回転または昇降させる機構である。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の気体溶解装置であって、前記第１流路の伸びる方向に垂直な面による前記第１流路の内側面の断面が、円形である。

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の気体溶解装置であって、前記第２流路において、加圧環境下にて前記液体が前記気体に接しつつ前記気体の下方にて流れ、前記第１流路における前記液体の流れる方向と前記第２流路における前記液体の流れる方向とが逆向きである。

請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の気体溶解装置であって、前記第１流路よりも上方に位置する上部流路と、前記気体と前記液体とを混合して前記上部流路内に向けて噴出する混合ノズルとをさらに備え、前記上部流路内にて前記混合ノズルから噴出された後の混合流体が、加圧環境下にて、前記第１流路における前記液体の流れる方向とは反対方向に流れて前記第１流路へと流れ込む。

請求項１０に記載の発明は、微細気泡生成装置であって、請求項１ないし９のいずれかに記載の気体溶解装置と、前記気体溶解装置からの前記液体の送出路上に設けられ、前記気体溶解装置内の圧力を維持する絞り部とを備え、前記絞り部を通過して減圧されることにより、前記液体中に微細気泡が発生する。

請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の微細気泡生成装置であって、前記気体溶解装置と前記絞り部とを接続する接続配管と、前記接続配管に設けられて前記接続配管内の前記液体の圧力を調整する調整弁と、前記気体溶解装置内の圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサからの出力に基づいて前記調整弁を制御する弁制御部とをさらに備える。

本発明では、気体と液体との接触面積を一定に維持することができる。

微細気泡生成装置の断面図である。 混合ノズルの拡大断面図である。 溶解流路部の断面図である。 堰止部を示す図である。 液面高さと気液接触面積増加率との関係を示す図である。 微細気泡生成ノズルの拡大断面図である。 堰止部の他の例を示す図である。 調整弁の他の配置を示す図である。 溶解流路部の他の例を示す図である。 溶解流路部のさらに他の例を示す図である。 堰止部のさらに他の例を示す図である。 堰止部のさらに他の例を示す図である。 堰止部のさらに他の例を示す図である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る微細気泡生成装置１を示す断面図である。微細気泡生成装置１は、微細気泡生成ノズル２、気体溶解装置３および接続配管４を備える。接続配管４は、微細気泡生成ノズル２と気体溶解装置３とを接続する。気体溶解装置３は、気体を加圧溶解させた加圧液７１を生成し、接続配管４を介して絞り部である微細気泡生成ノズル２に供給する。微細気泡生成ノズル２は、加圧液７１を水槽９１中の対象液９２中に噴出することにより、対象液９２中に上記気体の微細気泡を生成する。本実施の形態に係る微細気泡生成装置１では、水に空気を加圧溶解させた加圧液７１を、水である対象液９２中に噴出することにより、直径が１μｍ未満の空気の微細気泡（いわゆる、ナノバブル）を対象液９２中に生成する。図１では、図の理解を容易にするために、対象液９２等の流体に破線にて平行斜線を付す（以下の類似の図においても同様）。

気体溶解装置３は、混合ノズル３１および溶解流路部３２を備える。気体溶解装置３では、図示省略のポンプにより混合ノズル３１に圧送された液体（本実施の形態では、水）と、外部から吸引された気体（本実施の形態では、空気）とが、混合ノズル３１により混合され、溶解流路部３２内に向けて噴出される。溶解流路部３２内は加圧されて大気よりも圧力が高い状態（以下、「加圧環境」という。）となっており（例えば、大気圧よりも５０ｋＰａ以上高い状態）、混合ノズル３１から噴出された液体と気体とが混合された混合流体７２が、溶解流路部３２内を加圧環境下にて流れる間に、気体が液体に加圧溶解して加圧液７１が生成される。

図２は、混合ノズル３１を拡大して示す断面図である。混合ノズル３１は、上述のポンプにより圧送された液体が流入する液体流入口３１１、気体が流入する気体流入口３１９、並びに、液体流入口３１１から流入した液体および気体流入口３１９から流入した気体が混合された混合流体７２（図１参照）を噴出する混合流体噴出口３１２を備える。液体流入口３１１、気体流入口３１９および混合流体噴出口３１２はそれぞれ略円形である。

液体流入口３１１から混合流体噴出口３１２に向かうノズル流路３１０の流路断面、および、気体流入口３１９からノズル流路３１０に向かう気体流路３１９１の流路断面も略円形である。流路断面とは、ノズル流路３１０や気体流路３１９１等の流路の中心軸に垂直な断面、すなわち、流路を流れる流体の流れに垂直な断面を意味する。また、以下の説明では、流路断面の面積を「流路面積」という。ノズル流路３１０は、流路面積が流路の中間部で小さくなるベンチュリ管状である。

混合ノズル３１は、液体流入口３１１から混合流体噴出口３１２に向かって順に連続して配置される導入部３１３、第１テーパ部３１４、喉部３１５、気体混合部３１６、第２テーパ部３１７および導出部３１８を備える。混合ノズル３１は、また、内部に気体流路３１９１が設けられた気体供給部３１９２を備える。

導入部３１３では、流路面積は、ノズル流路３１０の中心軸Ｊ１方向の各位置においてほぼ一定である。第１テーパ部３１４では、液体の流れる方向に向かって（すなわち、下流側に向かって）流路面積が漸次減少する。喉部３１５では、流路面積はほぼ一定である。喉部３１５の流路面積は、ノズル流路３１０において最も小さい。なお、ノズル流路３１０では、喉部３１５において流路面積が僅かに変化する場合であっても、流路面積がおよそ最も小さい部分全体が喉部３１５と捉えられる。気体混合部３１６では、流路面積はほぼ一定であり、喉部３１５の流路面積よりも少し大きい。第２テーパ部３１７では、下流側に向かって流路面積が漸次増大する。導出部３１８では、流路面積はほぼ一定である。気体流路３１９１の流路面積もほぼ一定であり、気体流路３１９１は、ノズル流路３１０の気体混合部３１６に接続される。

混合ノズル３１では、液体流入口３１１からノズル流路３１０に流入した液体が、喉部３１５で加速されて静圧が低下し、喉部３１５および気体混合部３１６において、ノズル流路３１０内の圧力が大気圧よりも低くなる。これにより、気体流入口３１９から気体が吸引され、気体流路３１９１を通過して気体混合部３１６に流入し、液体と混合されて混合流体７２（図１参照）が生成される。混合流体７２は、第２テーパ部３１７および導出部３１８において減速されて静圧が増大し、混合流体噴出口３１２を介して溶解流路部３２内に噴出される。

図１に示すように、溶解流路部３２は、上側から下側に向かって順に配列される第１水平流路３２１、第２水平流路３２２、第３水平流路３２３、第４水平流路３２４および第５水平流路３２５を備える。以下の説明では、第１水平流路３２１、第２水平流路３２２、第３水平流路３２３、第４水平流路３２４および第５水平流路３２５をまとめて指す場合、「水平流路３２１〜３２５」と呼ぶ。図３は、図１中の矢印Ａ−Ａの位置における水平流路３２１〜３２５の縦断面を示す図である。なお、本実施の形態における「流路」とは、正確には流路の空間を形成する「流路形成部」である。水平流路３２１〜３２５は、水平方向に延びる管路であり、水平流路３２１〜３２５の長手方向に垂直な断面は円形である。図１に示すように、水平流路３２１〜３２５は、アングル状に湾曲した接続流路３２０にて直列に接続される。水平流路および接続流路３２０の内面は、例えば、鏡面仕上げされている。

第１水平流路３２１の上流側の端部（すなわち、図１中の左側の端部）には、混合ノズル３１が取り付けられており、混合ノズル３１から噴出された後の混合流体７２は、加圧環境下にて図１中の右側に向かって流れる。本実施の形態では、混合ノズル３１からの混合流体７２は、第１水平流路３２１内の混合流体７２の液面よりも上方にて噴出され、当該液面に直接衝突する。

気体溶解装置３では、混合ノズル３１の混合流体噴出口３１２の一部または全体が、第１水平流路３２１内の混合流体７２の液面よりも下側に位置してもよい。これにより、上述と同様に、第１水平流路３２１内において、混合ノズル３１から噴出された直後の混合流体７２が、第１水平流路３２１内を流れる混合流体７２に直接衝突する。

第１水平流路３２１の下流側の端部の下部には、堰止部３２ａが設けられており、第１水平流路３２１内では堰止部３２ａが混合流体７２の流れを妨げるにより、混合流体７２が滞留するようにして貯溜される。図１および図３に示すように、混合流体７２は、堰止部３２ａを越えるようにして溢れて、接続流路３２０内を落下して第２水平流路３２２の端部に流れ込む。なお、以下の説明では、第１ないし第５水平流路３２１〜３２５の下部を流れる流体は、必ずしも気液混合状態であるとは限らない。以下、これらの水平流路の下部を流れる流体を、単に、「液体７２」と呼ぶ。

第２水平流路３２２では、液体７２が加圧環境下にて図１中の右側から左側へと流れる。第２水平流路３２２においても、下流側の端部の下部に堰止部３２ａが設けられており、第２水平流路３２１内では堰止部３２ａが液体７２の流れを妨げることにより、液体７２が滞留するようにして貯溜される。液体７２は、堰止部３２ａを越えて溢れ、接続流路３２０内を落下して第３水平流路３２２の端部に流れ込む。

第３水平流路３２３および第４水平流路３２４においても、同様に、堰止部３２ａが設けられ、液体７２が貯溜される。このように、堰止部３２ａは、水平流路の下部に固定されて当該下部を塞ぐ部位である。第３および第４水平流路３２３，３２４の端部では、液体７２が次の水平流路に向かって落下する。第３水平流路３２３では、液体７２が加圧環境下にて図１中の左側から右側へと流れ、第４水平流路３２４では、液体７２が加圧環境下にて右側から左側へと流れる。第１水平流路３２１〜第４水平流路３２４では、液体７２は、気体に接しつつ気体の下方を流れる。

第５水平流路３２５では、第１ないし第４水平流路３２１〜３２４とは異なり、堰止部３２ａは設けられない。第５水平流路３２５内には気体の層は存在しておらず、第５水平流路３２５内に充満する液体内において、第５水平流路３２５の上面近傍に気泡が僅かに存在する状態となっている。第５水平流路３２５では、第４水平流路３２４から流入した液体７２が加圧環境下にて図１中の左側から右側へと流れる。第５水平流路３２５は、他の水平流路３２１〜３２４よりも長い。

気体溶解装置３では、水平流路３２１〜３２５および接続流路３２０を、段階的に緩急を繰り返しつつ上から下に流れ落ちる（すなわち、水平方向への流れと下方向への流れとを交互に繰り返しつつ流れる）液体７２に気体が徐々に加圧溶解する。第５水平流路３２５においては、液体中に溶解している気体の濃度は、加圧環境下における当該気体の（飽和）溶解度の６０％〜９０％にほぼ等しい。そして、液体に溶解しなかった余剰な気体が、第５水平流路３２５内において、視認可能な大きさの気泡として存在している。上下に隣接する水平流路における液体７２の流れの方向が逆向きであることにより、気体溶解装置３の小型が実現される。

図４は、水平流路の断面と共に堰止部３２ａを拡大して示す図である。堰止部３２ａは、上端６１が水平かつ流路の伸びる方向に垂直な直線状であり、最下部に、水平流路に沿って堰止部３２ａを貫通する微小貫通孔６２を有する。上端６１の上側は、堰止部３２ａから溢れる液体７２が流れる開口６３である。溶解流路部３２を製造する際には、まず、水平流路の断面と同じ大きさの円板に、微小貫通孔６２および半円状の開口６３を形成した板部材が準備される。そして、各水平流路３２１〜３２５と接続流路３２０との間に上記板部材を挟むようにして溶接が行われる。

堰止部３２ａが設けられることにより、第１ないし第４水平流路３２１〜３２４では、液体７２の温度や粘度が変化しても、液面の高さ、すなわち、水位がおよそ一定に維持される。これにより、第１ないし第４水平流路３２１〜３２４において気体と液体７２との接触面積がおよそ一定に維持される。その結果、設計時に加圧液７１の生産能力を計算での予測することが容易となる。また、加圧液７１の生産量を変化させても単位体積当たり所望の量の気体が溶解した加圧液７１を容易に得ることができる。

特に、気体溶解装置３に、食品や薬品等のように衛生的な清潔さ（いわゆる、サニタリー特性）が求められる場合や、半導体処理等に用いられる超純水等の高度なクリーン度が求められる場合、流路を形成する管の断面は、鏡面加工が容易な円形であることが好ましく、サニタリー仕様の円形の管は容易に入手することができる。流路断面が円形の場合、図５に示すように、液面が流路の中央から上下に離れるほど、液面の僅かな上下動により気液接触面積が大きく変動する。図５では、水平流路の半径の大きさを「１」と表現し、気液接触面積増加率の絶対値が大きいほど、液面高さ変動に対する気液接触面積の変化が大きいことを示している。堰止部３２ａが設けられない場合、加圧液７１の生産量に依存して液面の高さが大きく変動する。したがって、水平流路の断面が円形である場合に、堰止部３２ａが設けられることが特に好ましい。液面の高さが、図５において、０．８〜１．２に維持されることが好ましい。また、堰止部３２ａにより気液接触面積が広く維持可能であることから、気体溶解装置３の小型化も実現される。

さらに、流路断面が円形であることにより、流路の耐圧性能を向上することができる。これにより、管壁を薄くすることができる。なお、流路の内側面の断面が円形であれば、流路の外形は矩形等の他の形状であってもよい。

堰止部３２ａは、第１ないし第４水平流路３１１〜３１４内において、下流側の接続流路３２０との間に、すなわち、液体７２が次の水平流路に向かう直前の位置に設けられるため、各水平流路内において気体と液体との接触面積を大きくすることができる。その結果、加圧液７１の生産能力を向上することができる。

堰止部３２ａには、微小貫通孔６２が設けられるため、加圧液７１が生産される間、堰止部３２ａにて堰止められた液体７２の一部は、微小貫通孔６２から次の水平流路へと流れ出す。微小貫通孔６２から流れ出す液体７２の量は少なく、堰止部３２ａから液体７２が溢れる状態は維持される。例えば、微小貫通孔６２から流れ落ちる液体７２の量は、堰止部３２ａを越える液体７２の１／５以下、より好ましくは１／１０以下である。一方、微小貫通孔６２が設けられることにより、加圧液７１の生産を停止した後に、溶解流路部３２内に残留する液体を自然に接続配管４側、すなわち、溶解流路部３２の外部へと排出することができる。したがって、溶解流路部３２にサニタリー特性が求められる場合に、溶解流路部３２に微小貫通孔６２が設けられることが特に好ましい。

溶解流路部３２は、第５水平流路３２５の下流側の上面から上方へと延びる余剰気体分離部３２６をさらに備え、余剰気体分離部３２６には液体７２が充満している。余剰気体分離部３２６は、下部が２つの分かれてそれぞれ第５水平流路３２５に接続され、上部では１つに繋がっている。余剰気体分離部３２６の各管路も、断面は円形である。余剰気体分離部３２６の上端部は、絞り部３２７を介して大気開放されている。第５水平流路３２５を流れる液体７２の気泡は、余剰気体分離部３２６内を上昇して余剰な液体７２と共に放出される。余剰気体分離部３２６の下部が２つに分かれることにより、余剰気体の分離がより確実に行われる。なお、余剰気体分離部３２６の下部は、３つ以上に分かれていてもよいし、１つだけでもよい。

このように、液体７２から余剰な気体が分離されることにより、少なくとも容易に視認できる大きさの気泡を実質的に含まない加圧液７１が生成され、第５水平流路３２５の下流側の端部（すなわち、図１中の右側の端部）に接続された接続配管４へと送出される。本実施の形態では、加圧液７１には、大気圧下における気体の（飽和）溶解度の約２倍以上の気体が溶解している。溶解流路部３２において水平流路３２１〜３２５および接続流路３２０を流れる液体７２は、生成途上の加圧液７１と捉えることもできる。

微細気泡生成装置１は、調整弁５１、圧力センサ５２および弁制御部５３をさらに備える。調整弁５１は、接続配管４に設けられて接続配管４内の加圧液７１の圧力を調整する比例制御弁である。もちろん、調整弁５１は、リリーフ弁、通常のバルブ、固定絞り等の他の種類の弁であってもよい。圧力センサ５２は、第１水平流路３２１の上方に配置され、溶解流路部３２内の圧力を測定する。第１水平流路３２１の上方には、排気弁５４も設けられる。微細気泡生成装置１では、圧力センサ５２から出力された溶解流路部３２内の圧力の測定値が、予め定められた所定の圧力（好ましくは、０．１ＭＰａ〜０．４５ＭＰａ）となるように、弁制御部５３により調整弁５１が制御される。換言すれば、弁制御部５３は、圧力センサ５２からの出力に基づいて調整弁５１を制御する。これにより、温度変化により液体７２の粘度が変化しても、溶解流路部３２内の圧力変化が低減される。接続配管４を通過した加圧液７１は、微細気泡生成ノズル２に流入する。なお、調整弁５１は手動で操作されるものでもよい。

図６は、微細気泡生成ノズル２を拡大して示す断面図である。微細気泡生成ノズル２は、接続配管４から加圧液７１が流入する加圧液流入口２１、および、対象液９２に向かって開口する加圧液噴出口２２を備える。加圧液流入口２１および加圧液噴出口２２はそれぞれ略円形であり、加圧液流入口２１から加圧液噴出口２２に向かうノズル流路２０の流路断面も略円形である。

微細気泡生成ノズル２は、加圧液流入口２１から加圧液噴出口２２に向かって順に連続して配置される導入部２３、テーパ部２４および喉部２５を備える。導入部２３では、流路面積は、ノズル流路２０の中心軸Ｊ２方向の各位置においてほぼ一定である。テーパ部２４では、加圧液７１の流れる方向に向かって（すなわち、下流側に向かって）流路面積が漸次減少する。テーパ部２４の内面は、ノズル流路２０の中心軸Ｊ２を中心とする略円錐面の一部である。当該中心軸Ｊ２を含む断面において、テーパ部２４の内面の成す角度αは、１０°以上９０°以下であることが好ましい。

喉部２５は、テーパ部２４と加圧液噴出口２２とを連絡する。喉部２５の内面は略円筒面であり、喉部２５では、流路面積はほぼ一定である。喉部２５における流路断面の直径は、ノズル流路２０において最も小さく、喉部２５の流路面積は、ノズル流路２０において最も小さい。喉部２５の長さは、好ましくは、喉部２５の直径の１．１倍以上１０倍以下であり、より好ましくは、１．５倍以上２倍以下である。なお、ノズル流路２０では、喉部２５において流路面積が僅かに変化する場合であっても、流路面積がおよそ最も小さい部分全体が喉部２５と捉えられる。

微細気泡生成ノズル２は、また、喉部２５に連続して設けられ、加圧液噴出口２２の周囲を加圧液噴出口２２から離間して囲む拡大部２７、および、拡大部２７の端部に設けられた拡大部開口２８を備える。加圧液噴出口２２と拡大部開口２８との間の流路２９は、加圧液噴出口２２の外部に設けられた流路であり、以下、「外部流路２９」という。外部流路２９の流路断面および拡大部開口２８は略円形であり、外部流路２９の流路面積はほぼ一定である。外部流路２９の直径は、喉部２５の直径（すなわち、加圧液噴出口２２の直径）よりも大きい。以下の説明では、拡大部２７の内周面の加圧液噴出口２２側のエッジと加圧液噴出口２２のエッジとの間の円環状の面を、「噴出口端面２２１」という。

本実施の形態では、ノズル流路２０および外部流路２９の中心軸Ｊ２と噴出口端面２２１との成す角度は約９０°である。また、外部流路２９の直径は１０ｍｍ〜２０ｍｍであり、外部流路２９の長さは、外部流路２９の直径におよそ等しい。微細気泡生成ノズル２では、加圧液流入口２１とは反対側の端部に、凹部である外部流路２９が形成され、当該凹部の底部に、当該底部よりも小さい開口である加圧液噴出口２２が形成されている、と捉えられる。拡大部２７では、加圧液噴出口２２と水槽９１内の対象液９２との間における加圧液７１の流路面積が拡大される。

微細気泡生成ノズル２では、加圧液流入口２１からノズル流路２０に流入した加圧液７１が、テーパ部２４において徐々に加速されつつ喉部２５へと流れ、喉部２５を通過して加圧液噴出口２２から噴流として噴出される。喉部２５における加圧液７１の流速は、好ましくは秒速１０ｍ〜３０ｍであり、本実施の形態では、秒速約２０ｍである。微細気泡生成装置１では、気体溶解装置３からの加圧液７１の送路上に設けられる微細気泡生成ノズル２（特に、喉部２５）が絞り部として機能することにより、気体溶解装置３内の圧力が維持される。正確には、調整弁５１と微細気泡生成ノズル２とにより、圧力が維持される。

喉部２５を通過して減圧されることにより、加圧液７１中の気体が過飽和となって微細気泡として液中に析出する。微細気泡は、加圧液７１と共に拡大部２７の外部流路２９を通過して、水槽９１中の対象液９２中へと拡散する。微細気泡生成ノズル２では、加圧液７１が外部流路２９を通過する間にも、微細気泡の析出が生じる。微細気泡生成ノズル２にて生成される微細気泡は、直径が１μｍ未満のいわゆるナノバブルである。なお、微細気泡生成ノズル２からの液体および微細気泡の噴出が停止されている場合、外部流路２９は対象液９２により満たされる。

微細気泡生成ノズル２では、加圧液７１の流れる方向に向かって流路面積が漸次減少するテーパ部２４、および、ノズル流路２０において流路面積が最も小さい喉部２５が設けられることにより、微細気泡、特に、直径が１μｍ未満の微細気泡（ナノバブル）を安定して大量に生成することができる。

微細気泡生成ノズル２では、加圧液噴出口２２の周囲を囲む拡大部２７が設けられることにより、水槽９１内における対象液９２の流れが、加圧液噴出口２２から噴出された直後の加圧液７１に対して影響を与えることを抑制することができる。これにより、加圧液噴出口２２からの噴出直後の加圧液７１においても、ナノバブルの析出が安定して行われるため、ナノバブルをより安定して大量に生成することができる。

上述のように、微細気泡生成ノズル２では、テーパ部２４の内面が、ノズル流路２０の中心軸Ｊ２を中心とする円錐面の一部であり、中心軸Ｊ２を含む断面において、テーパ部２４の内面の成す角度αが９０°以下である。これにより、ナノバブルをより安定して大量に生成することができる。また、微細気泡生成ノズル２の導入部２３および喉部２５の直径を維持しつつ微細気泡生成ノズル２の長さを短くするという観点からは、テーパ部２４の内面の成す角度αが１０°以上であることが好ましい。

微細気泡生成ノズル２では、喉部２５の長さが、喉部２５の直径の１．１倍以上１０倍以下である。喉部２５の長さが直径の１．１倍以上であることにより、ナノバブルをより安定して大量に生成することができる。例えば、喉部２５の長さが直径の０．５３倍である場合のナノバブルの生成密度は約５６００万個であるのに対し、喉部２５の長さが直径の１．５７倍である場合のナノバブルの生成密度は約１１０００万個である。また、喉部２５の長さが直径の１０倍以下であることにより、喉部２５において加圧液７１に生じる抵抗が過剰に大きくなることを防止することができるとともに、喉部２５の高精度な形成を容易とすることもできる。ナノバブルをより一層安定して大量に生成するという観点からは、喉部２５の長さが直径の１．５倍以上２倍以下であることが、さらに好ましい。

図１に示す微細気泡生成装置１では、微細気泡の生成を停止する際には、気体溶解装置３の混合ノズル３１に液体を圧送するポンプの駆動が停止される。そして、当該ポンプから混合ノズル３１への液体の流れが停止するまでの間に排気弁５４が開放される。これにより、溶解流路部３２内の加圧された気体が、排気弁５４を介して外部へと放出される。その結果、溶解流路部３２内の気体の膨張により液体が混合ノズル３１およびポンプへと逆流することを防止することができる。また、接続配管４が溶解流路部３２から外されることにより、既述のように、溶解流路部３２内の液体７２が堰止部３２ａの微小貫通孔６２を通って外部へと流出する。

図７は、堰止部３２ａの他の例を示す図である。図７の堰止部３２ａは、水平流路内に梁状の部材６０を水平かつ流路の伸びる方向に垂直な方向に設けたものである。液体７２は、部材６０の上端６１を越えて次の水平流路へと流れ落ちる。また、部材６０の下端と水平流路の下部との間の隙間が、微小貫通孔６２として機能する。図７の堰止部３２ａの作用および効果は、図４に示すものと同様である。

図８は、接続配管４に設けられる調整弁５１の他の好ましい配置を示す図である。微細気泡生成装置１では、調整弁５１は、接続配管４上に直接設けられる。この場合も、上述と同様に、弁制御部５３により、調整弁５１が圧力センサ５２からの出力に基づいて制御されることにより、溶解流路部３２内の圧力が、予め定められた所定の圧力となる。微細気泡生成ノズル２は固定絞りであることから、調整弁５１を設けることにより、気体溶解装置３での圧力変動の影響が微細気泡生成ノズル２に及ぶことが防止される。調整弁５１での減圧は、全体の３０％以下、すなわち、下流側の圧が上流側の圧の７０％以上であることが望ましい。

図９は、溶解流路部３２の余剰気体分離部３２６以外の部位の他の例を示す図である。図９の溶解流路部３２では、堰止部３２ａとして、図４に示すものから微小貫通孔６２が省かれたものが設けられる。また、溶解流路部３２では、微小貫通孔６２に代えて、堰止部３２ａの上流側に上下に並ぶ水平流路を繋ぐバイパス流路３２ｂが設けられる。すなわち、第１水平流路３２１の堰止部３２ａの上流側に、第１水平流路３２１と第２水平流路３２２とを上下に繋ぐバイパス流路３２ｂが設けられ、第２水平流路３２２の堰止部３２ａの上流側に、第２水平流路３２２と第３水平流路３２３とを上下に繋ぐバイパス流路３２ｂが設けられ、第３水平流路３２３と第４水平流路３２４との間、第４水平流路３２４と第５水平流路３２５との間にも同様にバイパス流路３２ｂが設けられる。上下に並ぶ水平流路は、接続流路３２０にて連絡するが、バイパス流路３２ｂは、これらの水平流路を別途連絡する微小流路である。微細気泡生成装置１および溶解流路部３２の他の構造は、図１に示すものと同様である。

図９の溶解流路部３２においても、図１と同様に、堰止部３２ａが設けられることにより、第１ないし第４水平流路３２１〜３２４では、液体７２の液面の高さがおよそ一定に維持される。これにより、気体と液体との接触面積がおよそ一定に維持される。その結果、単位体積当たり所望の量の気体が溶解した加圧液７１を容易に得ることができる。また、液体７２が次の水平流路に向かう直前の位置に堰止部３２ａが設けられるため、各水平流路内において気体と液体との接触面積を大きくすることができる。

堰止部３２ａの上流側には、バイパス流路３２ｂが設けられるため、加圧液７１が生産される間、堰止部３２ａにて堰止められた液体７２の一部は、バイパス流路３２ｂから次の水平流路へと流れ落ちる。バイパス流路３２ｂから流れ落ちる液体７２の量は少なく、堰止部３２ａから液体７２が溢れる状態は維持される。バイパス流路３２ｂを流れ落ちる液体７２の量は、堰止部３２ａを越える液体７２の１／５以下、より好ましくは１／１０以下である。一方、バイパス流路３２ｂが設けられることにより、図１の場合と同様に、加圧液７１の生産を停止した後に、溶解流路部３２内に残留する液体を自然に接続配管４側へと流出させることができる。

図１の堰止部３２ａが有する図４の微小貫通孔６２、および、図９のバイパス流路３２ｂは、いずれも、堰止部３２ａにより上流側の水平流路内の液体７２が貯溜される空間の下部と、堰止部３２ａよりも下流側の空間とを連絡し、上流側の水平流路内に貯溜される液体７２の一部を、堰止部３２ａよりも下流側の空間へと導く連絡流路として機能する。このような機能を有する連絡流路は、図４および図９に示す構造により容易に実現することができるが、連絡流路はこれらの構造には限定されない。例えば、堰止部３２ａにより貯溜される液体７２を接続流路３２０へと導く連絡流路が設けられてもよい。また、バイパス流路３２ｂは、堰止部３２ａから上流側に離れて設けられてもよい。

図１０は、溶解流路部３２（余剰気体分離部３２６を除く。）のさらに他の例を示す図である。図１０の溶解流路部３２では、堰止部３２ａとして、略半円状の板部材が用いられる。堰止部３２ａは、図１の場合と同様に、水平流路３２１〜３２４の下部に配置されて当該下部を閉塞する部位である。また、この板部材は、水平流路から分離された別の部材として設けられる。堰止部３２ａの下方かつ水平流路の外部には、堰止部３２ａを上下方向を向く軸を中心として回転する堰止切替部３２ｃが設けられる。微細気泡生成装置１および溶解流路部３２の他の構造は、図１と同様である。

図１０の溶解流路部３２では、堰止切替部３２ｃにより、堰止部３２ａが流路の伸びる方向に垂直な姿勢となる場合、堰止部３２ａが液体７２の流れを妨げて水平流路内に液体７２が貯溜される。そして、堰止部３２ａを越えるようにして溢れる液体７２が接続流路３２０を介して次の水平流路へと流れ落ちる。これにより、図１と同様に、第１ないし第４水平流路３２１〜３２４では、液体７２の液面の高さがおよそ一定に維持される。また、液体７２が次の水平流路に向かう直前の位置に堰止部３２ａが設けられるため、各水平流路内において気体と液体との接触面積を大きくすることができる。

一方、堰止切替部３２ｃにより、堰止部３２ａが流路の伸びる方向に平行な姿勢となる場合、液体７２は堰止部３２ａにて妨げられることなく、次の水平流路へと流れ落ちる。このように、堰止切替部３２ｃは、堰止部３２ａの状態を、液体７２の流れを妨げる状態と流れを妨げない状態との間にて変化させる。加圧液７１を生産する際には、堰止部３２ａが液体７２の流れを妨げる状態とされる。加圧液７１の生産を停止した後、堰止部３２ａの状態を液体７２の流れを妨げない状態とすることにより、図１の場合と同様に、溶解流路部３２内に残留する液体を自然に接続配管４側へと流出させることができる。

堰止部３２ａの状態を切り替える機構は、堰止部３２ａの回転には限定されない。例えば、堰止切替部３２ｃが、堰止部３２ａを昇降させてもよい。堰止切替部３２ｃが堰止部３２ａを上昇させて堰止部３２ａの下部と水平流路の内底面との間に隙間を形成することにより、堰止部３２ａが液体７２の流れを妨げない状態となる。さらには、堰止部３２ａが変形する部材により形成され、流れを妨げる状態と妨げない状態との間で変更されてもよい。

上記微細気泡生成装置１は、様々な変更が可能である。

例えば、水平流路３２１〜３２５や接続流路３２０の断面は、円形ではなく矩形であってもよい。溶解流路部３２では、５つの水平流路３２１〜３２５は、必ずしも上下方向に積層される必要はなく、各水平流路における混合流体の流れる方向が同じになるように、階段状に配置されてもよい。また、水平流路の数も５つには限定されず、様々に変更されてよい。ただし、混合ノズル３１が取り付けられる流路から落下した液体（混合流体）が流れるもう１つの水平流路が設けられることにより、液体に加圧溶解する気体の量を増大させることができる。水平流路は、液体７２を貯溜することができる程度に水平であればよく、完全に水平である必要はない。流路の幅も一定である必要はない。

混合ノズル３１以外の機構により混合流体が生成され、第１水平流路３２１に導入されてもよい。ただし、混合ノズル３１を用いることにより、効率よく気体を液体に溶解させつつ気体溶解装置３を小型化することができる。余剰気体分離部３２６と第５水平流路３２５との接続数は、気体分離量に応じて増減してもよい。溶解流路部３２では、混合ノズル３１から供給される気体が、接続配管４に到達するまでに全て液体７２に溶解するのであれば、余剰気体分離部３２６は省略されてもよい。

堰止部３２ａは、必ずしも板状である必要はなく、液体７２の流れを妨げることができるのであれば、例えば、ブロック状であってもよい。堰止部３２ａの形状も、図４や図７に示すように、上端６１が水平なものには限定されず、液体７２の液面の高さをおよそ一定にすることができるのであれば、様々に変形されてよい。例えば、図１１に示す三角堰や図１２に示す四角堰が用いられてもよい。図１３は、堰止部３２ａのさらに他の例を示す図である。図１３の堰止部３２ａは、上流側の面が、下流側に向かって漸次上方へと向かう緩やかな傾斜面となっており、これにより、堰止部３２ａと水平流路の下部との間に異物が溜まりにくくなっている。図１３に示す堰止部３２ａにおいても、流路方向に貫通する微小な貫通孔が下部に設けられてもよい。さらに、堰止部３２ａは、必ずしも水平流路から液体７２が落下する直前に設けられる必要はない。もちろん、気体と液体との接触面積を大きくするためには、堰止部３２ａは次の水平流路へと向かう直前の位置に設けられることが好ましく、具体的には、流路の水平な部分の端部から、水平な部分の長さの１／５以下の距離に設けられることが好ましい。

混合ノズル３１が使用される場合、溶解流路部３２の第１水平流路３２１では液面が大きく波打つため、第１水平流路３２１では堰止部３２ａは設けられなくてもよい。

接続配管４は分岐されて、複数の微細気泡生成ノズル２が対象液９２中に配置されてもよい。また、微細気泡生成ノズル２は、複数の加圧液噴出口２２を有するものであってもよい。微細気泡生成ノズル２の内部構造も、適宜変更されてよい。

微細気泡生成装置１は、例えば、図８の調整弁５１を設けて、微細気泡生成ノズル２を削除することで、直径が１μｍ以上１ｍｍ未満の微細気泡（いわゆる、マイクロバブル）の生成に利用されてもよい。この場合も、上記実施の形態と同様に、マイクロバブルを安定して大量に生成することができる。

気体溶解装置３は、微細気泡生成装置１以外の装置に用いられてもよい。この場合、例えば、微細気泡生成ノズル２が省略され、加圧液７１が直接、様々な用途に利用される。また、気体溶解装置３は、様々な気体を様々な液体に加圧溶解させて加圧液を生成する装置として使用されてもよい。例えば、オゾンを水に溶解させる装置や、他の気体を液体に反応させる装置等の気液反応装置として使用されてもよい。図８に示す構成にて、調整弁５１を通過した段階で加圧液７１内に微細気泡が析出するように調整弁５１が調整されてもよい。この場合、微細気泡生成ノズル２は省略されてもよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１ 微細気泡生成装置
２ 微細気泡生成ノズル（絞り部）
３ 気体溶解装置
４ 接続配管
３１ 混合ノズル
３２ａ 堰止部
３２ｂ バイパス流路
３２ｃ 堰止切替部
５１ 調整弁
５２ 圧力センサ
５３ 弁制御部
６２ 微小貫通孔
７２ 液体（混合流体）
３２１〜３２４ 水平流路

Claims (11)

1. 気体を液体に加圧溶解させる気体溶解装置であって、
   加圧環境下にて液体が気体に接しつつ前記気体の下方にて流れる第１流路と、
   前記第１流路内の下部に設けられ、前記液体の流れを妨げることにより前記第１流路内に前記液体を貯溜させる第１堰止部と、
   前記第１流路よりも下方に位置し、前記第１堰止部を越えて流れ込む前記液体が加圧環境下にて、前記気体に接しつつ前記気体の下方にて流れる第２流路と、
   前記第２流路内の下部に設けられ、前記液体の流れを妨げることにより前記第２流路内に前記液体を貯溜させる第２堰止部と、
   前記第２流路よりも下方に位置し、前記第２堰止部を越えて流れ込む前記液体が加圧環境下にて流れる第３流路と、
   を備え、
   前記第１堰止部が、前記第１流路内において、前記液体が前記第２流路に向かう直前の位置に設けられ、前記第２堰止部が、前記第２流路内において、前記液体が前記第３流路に向かう直前の位置に設けられることを特徴とする気体溶解装置。
2. 請求項１に記載の気体溶解装置であって、
   前記第１堰止部により前記第１流路内の前記液体が貯溜される空間の下部と、前記第１堰止部よりも下流側の空間とを連絡し、前記第１流路内に貯溜される前記液体の一部を前記下流側の空間へと導く第１連絡流路と、
   前記第２堰止部により前記第２流路内の前記液体が貯溜される空間の下部と、前記第２堰止部よりも下流側の空間とを連絡し、前記第２流路内に貯溜される前記液体の一部を前記下流側の空間へと導く第２連絡流路と、
   をさらに備えることを特徴とする気体溶解装置。
3. 請求項２に記載の気体溶解装置であって、
   前記第１堰止部が、前記第１流路の下部に固定されて前記下部を塞ぐ部位であり、
   前記第１連絡流路が、前記第１流路に沿って前記第１堰止部を貫通する貫通孔であり、
   前記第２堰止部が、前記第２流路の下部に固定されて前記下部を塞ぐ部位であり、
   前記第２連絡流路が、前記第２流路に沿って前記第２堰止部を貫通する貫通孔であることを特徴とする気体溶解装置。
4. 請求項２に記載の気体溶解装置であって、
   前記第１連絡流路が、前記第１流路と前記第２流路とを別途連絡する微小流路であり、
   前記第２連絡流路が、前記第２流路と前記第３流路とを別途連絡する微小流路であることを特徴とする気体溶解装置。
5. 気体を液体に加圧溶解させる気体溶解装置であって、
   加圧環境下にて液体が気体に接しつつ前記気体の下方にて流れる第１流路と、
   前記第１流路内の下部に設けられ、前記液体の流れを妨げることにより前記第１流路内に前記液体を貯溜させる堰止部と、
   前記第１流路よりも下方に位置し、前記堰止部を越えて流れ込む前記液体が加圧環境下にて流れる第２流路と、
   前記堰止部の状態を、前記液体の流れを妨げる状態と流れを妨げない状態との間にて変化させる堰止切替部と、
   を備えることを特徴とする気体溶解装置。
6. 請求項５に記載の気体溶解装置であって、
   前記堰止部が、前記第１流路の下部に配置されて前記下部を閉塞する部位であり、
   前記堰止切替部が、前記堰止部を回転または昇降させる機構であることを特徴とする気体溶解装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の気体溶解装置であって、
   前記第１流路の伸びる方向に垂直な面による前記第１流路の内側面の断面が、円形であることを特徴とする気体溶解装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の気体溶解装置であって、
   前記第２流路において、加圧環境下にて前記液体が前記気体に接しつつ前記気体の下方にて流れ、
   前記第１流路における前記液体の流れる方向と前記第２流路における前記液体の流れる方向とが逆向きであることを特徴とする気体溶解装置。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の気体溶解装置であって、
   前記第１流路よりも上方に位置する上部流路と、
   前記気体と前記液体とを混合して前記上部流路内に向けて噴出する混合ノズルと、
   をさらに備え、
   前記上部流路内にて前記混合ノズルから噴出された後の混合流体が、加圧環境下にて、前記第１流路における前記液体の流れる方向とは反対方向に流れて前記第１流路へと流れ込むことを特徴とする気体溶解装置。
10. 微細気泡生成装置であって、
    請求項１ないし９のいずれかに記載の気体溶解装置と、
    前記気体溶解装置からの前記液体の送出路上に設けられ、前記気体溶解装置内の圧力を維持する絞り部と、
    を備え、
    前記絞り部を通過して減圧されることにより、前記液体中に微細気泡が発生することを特徴とする微細気泡生成装置。
11. 請求項１０に記載の微細気泡生成装置であって、
    前記気体溶解装置と前記絞り部とを接続する接続配管と、
    前記接続配管に設けられて前記接続配管内の前記液体の圧力を調整する調整弁と、
    前記気体溶解装置内の圧力を測定する圧力センサと、
    前記圧力センサからの出力に基づいて前記調整弁を制御する弁制御部と、
    をさらに備えることを特徴とする微細気泡生成装置。

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