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技術 微細気泡生成方法及び微細気泡生成装置

出願人 国立大学法人東北大学
発明者 出口真次
出願日 2008年1月23日 (11年5ヶ月経過) 出願番号 2008-013086
公開日 2009年8月6日 (9年11ヶ月経過) 公開番号 2009-172507
状態 拒絶査定
技術分野 溶解、混合、フローミキサー 物理的、化学的プロセスおよび装置
主要キーワード 生成箇所 材料調達 微細気泡生成装置 生成状態 ファイバ状 ヘンリーの法則 受光体 カーボンファイバ
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2009年8月6日)のものです。
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図面 (4)

課題

均一な大きさの微細気泡を精度よく生成可能な微細気泡生成方法及び微細気泡生成装置を提供する。

解決手段

所定の液体中に浸漬させた線状または点状の受光体レーザ光照射することにより、受光体において微細気泡を生じさせる。受光体はファイバ、または、レーザ光の透過率の高い基材に点状に設けた基材よりもレーザ光の透過率の低い領域とする。受光体を液体に浸漬させる前に、受光体の表面に液体と非親和性被膜を形成する。

概要

背景

昨今、マイクロバブルあるいはナノバブルなどと呼ばれている微細気泡が注目されている。この微細気泡は、カキなど海産物洗浄や、池や、湾の水質浄化に有効であることが確認されており、さらには、人間の血管内をスムーズに移動可能なことから、がん診断治療に用いたり、あるいは腎臓にできた結石粉砕に用いたりするための研究が行われている。

微細気泡は、一般的に、液体中に設けた多孔質状気体噴射体から適宜の気体噴射させて形成しており、より小さい微細気泡を生成するために、気体噴射体の孔をより小さくしたり、あるいは旋回流を生じさせて気泡細分化したりすることが行われている(例えば、特許文献1参照。)。また、気体噴射体から噴射させる気体を加熱して噴射させることにより、液体による冷却作用によって体積減少を生じさせて微細化することも提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
特開2003−126665号公報
特開2007−190484号公報

概要

均一な大きさの微細気泡を精度よく生成可能な微細気泡生成方法及び微細気泡生成装置を提供する。所定の液体中に浸漬させた線状または点状の受光体レーザ光照射することにより、受光体において微細気泡を生じさせる。受光体はファイバ、または、レーザ光の透過率の高い基材に点状に設けた基材よりもレーザ光の透過率の低い領域とする。受光体を液体に浸漬させる前に、受光体の表面に液体と非親和性被膜を形成する。

目的

しかしながら、このような微細気泡の生成方法では、1つ1つの微細気泡の制御が困難であって、微細気泡の大きさのバラツキが大きく、しかも、他の微細気泡との結合が生じやすいという問題もあり、大きさの均一性の高い微細気泡を生成することができなかった。特に、最近では、微細気泡の特性を調べたり、微細気泡の利用方法を研究したりするために、均一な大きさの微細気泡を精度よく生成することが望まれていたが、この要求に応えられる生成方法ではなかった。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

所定の液体中に浸漬させた線状または点状の受光体レーザ光照射することにより、前記受光体において微細気泡を生じさせる微細気泡生成方法

請求項2

前記受光体は、ファイバであることを特徴とする請求項1に記載の微細気泡生成方法。

請求項3

前記受光体は、前記レーザ光の透過率の高い基材に点状に設けた前記基材よりも前記レーザ光の透過率の低い領域であることを特徴とする請求項1に記載の微細気泡生成方法。

請求項4

前記受光体を前記液体に浸漬させる前に、前記受光体の表面に前記液体に対して非親和な液剤を付着させていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の微細気泡生成方法。

請求項5

所定の液体中に浸漬させた受光体にレーザ光を照射して、前記受光体において微細気泡を生じさせる微細気泡生成装置であって、前記受光体を線状または点状とした微細気泡生成装置。

請求項6

前記受光体がファイバであることを特徴とする請求項5に記載の微細気泡生成装置。

請求項7

前記受光体が、前記レーザ光の透過率の高い基材に点状に設けた前記基材よりも前記レーザ光の透過率の低い領域であることを特徴とする請求項5に記載の微細気泡生成装置。

請求項8

前記受光体には、表面に前記液体に対して非親和な液剤を付着させていることを特徴とする請求項5ないし7のいずれかに記載の微細気泡生成装置。

技術分野

0001

本発明は、液体中において微細気泡を生成する微細気泡生成方法及び微細気泡生成装置に関する。

背景技術

0002

昨今、マイクロバブルあるいはナノバブルなどと呼ばれている微細気泡が注目されている。この微細気泡は、カキなど海産物洗浄や、池や、湾の水質浄化に有効であることが確認されており、さらには、人間の血管内をスムーズに移動可能なことから、がん診断治療に用いたり、あるいは腎臓にできた結石粉砕に用いたりするための研究が行われている。

0003

微細気泡は、一般的に、液体中に設けた多孔質状気体噴射体から適宜の気体噴射させて形成しており、より小さい微細気泡を生成するために、気体噴射体の孔をより小さくしたり、あるいは旋回流を生じさせて気泡細分化したりすることが行われている(例えば、特許文献1参照。)。また、気体噴射体から噴射させる気体を加熱して噴射させることにより、液体による冷却作用によって体積減少を生じさせて微細化することも提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
特開2003−126665号公報
特開2007−190484号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、このような微細気泡の生成方法では、1つ1つの微細気泡の制御が困難であって、微細気泡の大きさのバラツキが大きく、しかも、他の微細気泡との結合が生じやすいという問題もあり、大きさの均一性の高い微細気泡を生成することができなかった。特に、最近では、微細気泡の特性を調べたり、微細気泡の利用方法を研究したりするために、均一な大きさの微細気泡を精度よく生成することが望まれていたが、この要求に応えられる生成方法ではなかった。

0005

一方、本発明者は、レーザ光照射されたカーボンファイバから微細な気泡が局所的に生成される現象発見し、レーザ光を用いることにより微細気泡の局所的な生成を制御可能であることを知見して、本発明を成すに至ったものである。

課題を解決するための手段

0006

本発明の微細気泡生成方法では、所定の液体中に浸漬させた線状または点状の受光体にレーザ光を照射することにより、受光体において微細気泡を生じさせることとした。

0007

さらに、本発明の微細気泡生成方法では、以下の点にも特徴を有するものである。
(1)受光体がファイバであること。
(2)受光体が、レーザ光の透過率の高い基材に点状に設けた基材よりもレーザ光の透過率の低い領域であること。
(3)受光体を液体に浸漬させる前に、受光体の表面に前記液体に対して非親和な液剤を付着させていること。

0008

また、本発明の微細気泡生成装置では、所定の液体中に浸漬させた受光体にレーザ光を照射して、受光体において微細気泡を生じさせる微細気泡生成装置であって、受光体を線状または点状とした。

0009

さらに、本発明の微細気泡生成装置では、以下の点にも特徴を有するものである。
(1)受光体がファイバであること。
(2)受光体が、レーザ光の透過率の高い基材に点状に設けた基材よりもレーザ光の透過率の低い領域であること。
(3)受光体には、表面に前記液体に対して非親和な液剤を付着させていること。

発明の効果

0010

本発明によれば、所定の液体中に浸漬させた線状または点状の受光体にレーザ光を照射することによって、気泡の生成箇所を局所的とすることができ、しかも、生成された気泡を受光体からスムーズに分離できることから、所望の大きさに調整された微細気泡を効率よく生成することができる。

0011

特に、レーザ光が照射された領域において微細気泡を生成させることができるので、局所的に微細気泡を生成することができ、照射領域を調整することにより任意の場所で微細気泡を生成できる。

0012

さらに、受光体の表面には、受光体を浸漬させる液体に対して非親和な液剤を付着させておくことにより、受光体で生成された微細気泡を液剤による被膜被覆することができ、この液剤による被膜によって微細気泡内部の気体の外部への溶け出しを抑制できることにより、微細気泡が微細気泡の状態を維持できる時間、すなわち、微細気泡の寿命延長することができ、長時間安定した微細気泡を生成できる。

発明を実施するための最良の形態

0013

本発明の微細気泡生成方法及び微細気泡生成装置は、所定の液体中に線状または点状の受光体を浸漬させて、この受光体にレーザ光を照射することにより、受光体部分において気泡を生じさせて微細気泡としているものである。

0014

レーザ光を用いることにより、このレーザ光の被照射領域において局所的に気泡を生成でき、気泡の生成制御を行いやすくすることができる。

0015

しかも、レーザ光の被照射領域に配置した受光体を線状または点状とすることにより、気泡の生成箇所自体も局所的とすることができ、気泡の生成制御をさらに容易とすることができる。特に、受光体が局所的となっていることから、受光体部分に生成された気泡の受光体からの分離を行いやすくすることができ、大きさの整った微細気泡を生成できる。

0016

すなわち、生成する微細気泡の大きさは、レーザ光の強度、レーザ光の照射時間、レーザ光の波長、レーザ光のスポットの大きさ、及び受光体の大きさによって制御可能であって、これらを調整することにより所望の大きさとした微細気泡を生成することができる。

0017

微細気泡生成装置では、図1に模式的示すように、所定の液体11を収容した容器10と、この容器10内において液体11に浸漬させた状態とした受光体20と、この受光体に向けてレーザ光31を照射する光源30とを備えている。図1中、12は容器10を支持するステージである。

0018

受光体20において生成された微細気泡は、浮力によって液面に向けて上昇するため、この上昇する微細気泡の影響を受けないように、本実施形態では、容器10の底面側からレーザ光31を受光体20に向けて照射している。

0019

容器10及びステージ12は、光源30から照射されたレーザ光31を透過可能な透明体としており、本実施形態ではガラス製としている。

0020

容器10に収容した液体11は、本実施形態では純水としている。なお、液体11は純水に限定するものではなく、適宜の液体としてよい。

0021

受光体20は、本実施形態ではカーボンファイバとしている。特に、直径約7μmのカーボンファイバを用いているが、生成する微細気泡の大きさに応じた適宜のファイバを用いてよい。

0022

受光体20であるカーボンファイバは、容器10内に設けたマニピュレータ13に装着して液体11中に浸漬させており、マニピュレータ13によってカーボンファイバの位置を水平方向あるいは垂直方向に適宜移動可能としている。すなわち、マニピュレータ13では、カーボンファイバを支持している支持位置を水平方向あるいは垂直方向に移動させることによって、カーボンファイバを移動可能としている。

0023

光源30は、本実施形態では赤外線レーザ装置を用い、波長1068nmの赤外光を照射することとしている。特に、本実施形態では、光源30から照射したレーザ光31をダイクロイックミラー32に反射させて、受光体20に照射している。さらに、レーザ光31は、凸レンズ33で集光して受光体20に照射おり、特に焦点位置の部分にちょうど受光体20が位置するように凸レンズ33の位置を調整している。凸レンズ33には、開口率の高いレンズを用いることが望ましい。光源30は赤外線レーザ装置に限定するものではなく、受光体20に向けて照射したレーザ光で少なくとも受光体20を加熱することができればよい。

0024

また、本実施形態では、微細気泡の生成状態を確認可能とするために、撮像装置40を設けている。撮像装置40にはCCDカメラを用いているが、微細気泡の生成状態を確認可能であれば何であってもよく、場合によっては目視確認が可能なように所用接眼レンズなどを配置してもよい。図1中、41はミラーである。

0025

このように構成した微細気泡生成装置によって、カーボンファイバに0.10mWのレーザ光を照射することにより、10μm程度の微細気泡を生成できることが確認された。なお、レーザ光の光量は、凸レンズ33の焦点位置に光センサを配置して計測した。レーザ光の強度、レーザ光の照射時間、レーザ光の波長、レーザ光のスポットの大きさ、及び受光体の大きさを適宜調整することにより、10μmより小さい微細気泡を生成することも、10μmより小さい微細気泡を生成することも可能であった。

0026

また、カーボンファイバのかわりにガラスファイバを用いた場合には、0.25mWで同様に微細気泡が生成でき、ガラス棒を熱して引き延ばすことにより直径約10μm程度としたガラスを用いた場合でも、2.0mWで微細気泡が生成できた。

0027

本実施形態では、材料調達簡便性から受光体20をファイバとしているが、受光体20はファイバに限定するものではなく、レーザ光を凸レンズ33で集光していることから、受光体20は、凸レンズ33で集光されたレーザ光のスポットの大きさ程度であればよく、例えば図2に示すように、ファイバ状としたガラス製の基体50に、この基体50よりもレーザ光の透過率の低い点状の領域を所定間隔で複数設けて、それぞれを受光体20'としてもよい。

0028

ここで、受光体20'となるレーザ光の透過率の低い領域は、例えばカーボン粒子や適宜の金属粉を吹き付けて構成してもよいし、着色して構成してもよい。

0029

あるいは、図3に示すように、平板状としたガラス製の平板基体50"に、この平板基体50"よりもレーザ光の透過率の低い点状の領域を所定間隔で設けて、それぞれを受光体20"としてもよい。または、平板基体50"には、平板基体50"よりもレーザ光の透過率の低い領域を点状に設けるのではなく、線状に設けてもよい。

0030

図2及び図3に示すように複数の受光体20',20"を設けている場合には、レーザ光を走査させながら受光体20',20"にレーザ光を照射することにより、効率よく微細気泡を生成できる。なお、レーザ光を走査させるのではなく、基体50あるいは平板基体50"の方を移動あるいは揺動させてもよい。

0031

特に、この場合、受光体20',20"におけるレーザ光の透過率と、レーザ光の強度を調整して、基体50あるいは平板基体50"にレーザ光が照射されても微細気泡が生じない状態としておくことにより、受光体20',20"以外での微細気泡の生成を防止でき、均一な微細気泡を生成しやすくすることができる。

0032

また、生成される微細気泡は、受光体20,20',20"の大きさが小さければ小さいほど微細化することができ、生成する微細気泡の大きさに応じて受光体20,20',20"の適宜調整することが望ましい。

0033

生成された微細気泡は、100μmオーダーの微細気泡であれば、通常、数秒から数十秒程度で小さくなって消滅し、それよりも小さい微細気泡は、より短時間で消滅することが確認されている。

0034

これは、ラプラス法則により、微細気泡内の圧力が、表面張力の分だけ微細気泡内の外側の圧力に比べて高くなっているため、気体の溶解度が圧力に比例するヘンリーの法則に則って微細気泡内の気体が液体に溶け出しているためと考えられる。

0035

そこで、受光体20の表面に、容器10内の液体11に対して非親和な液剤を付着させておくことにより、生成された微細気泡が微細気泡の状態を維持できる時間、すなわち、微細気泡の寿命を延長することができた。

0036

つまり、受光体20の表面に、受光体20を浸漬させる液体11に対して非親和な液剤を付着させて微細気泡を生成することにより、生成された微細気泡が受光体20に付着させた液剤で被覆された状態となり、この液剤による被膜によって微細気泡内部の気体が外部の液体11中に溶け出すことを抑制されて、微細気泡が短時間おうちに消滅することなく、長時間安定的に存在可能となっているものと考えられる。

0037

受光体20を浸漬させる液体11に対して非親和な液剤を受光体20の表面に付着させる場合には、液剤を受光体20の表面に塗りつけてもよいし、最も簡単には、液剤中に受光体20を浸漬させてもよい。

0038

本実施形態では、受光体20であるカーボンファイバを容器10内の液体11に浸漬させる前に油に浸漬させ、カーボンファイバを油でコーティングした後に容器10内の液体11に浸漬させた。なお、油の変わりにウレタン系接着剤を用いた場合でも同様に微細気泡の寿命を延長することができた。受光体20の表面に付着させる液剤は、油やウレタン系接着剤に限定するものではなく、容器10内の液体11に対して非親和性を示す液剤であればよい。

図面の簡単な説明

0039

本発明の実施形態に係る微細気泡生成装置の概略模式図である。
受光体の説明図である。
受光体の説明図である。

符号の説明

0040

10容器
11液体
12ステージ
13マニピュレータ
20受光体
30光源
31レーザ光
32ダイクロイックミラー
33凸レンズ
40撮像装置
41 ミラー

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