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明細書 :微小バブル発生装置、微小吐出孔ノズル及びその製造方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2014-076443 (P2014-076443A)
公開日 平成26年5月1日(2014.5.1)
発明の名称または考案の名称 微小バブル発生装置、微小吐出孔ノズル及びその製造方法
国際特許分類 B01F  11/00        (2006.01)
B01F   3/04        (2006.01)
B01F  13/08        (2006.01)
B01F  15/02        (2006.01)
B05B  17/06        (2006.01)
FI B01F 11/00 Z
B01F 3/04 A
B01F 13/08 Z
B01F 15/02 A
B05B 17/06
請求項の数または発明の数 24
出願形態 OL
全頁数 40
出願番号 特願2013-180645 (P2013-180645)
出願日 平成25年8月30日(2013.8.30)
優先権出願番号 2012204982
優先日 平成24年9月18日(2012.9.18)
優先権主張国 日本国(JP)
発明者または考案者 【氏名】鈴木 薫
出願人 【識別番号】899000057
【氏名又は名称】学校法人日本大学
個別代理人の代理人 【識別番号】100110629、【弁理士】、【氏名又は名称】須藤 雄一
【識別番号】100166615、【弁理士】、【氏名又は名称】須藤 大輔
審査請求 未請求
テーマコード 4D074
4G035
4G036
4G037
Fターム 4D074AA09
4D074BB03
4D074DD01
4D074DD18
4D074DD22
4D074DD32
4G035AB05
4G035AE02
4G035AE13
4G036AB30
4G036AC21
4G037AA01
4G037EA01
要約 【課題】微小バブル発生の制御自由度を向上させることを可能とする微小バブル発生装置、微小吐出孔ノズル及びその形成方法を提供する。
【解決手段】加圧ガスを微小径の吐出孔23から液体中に送り出して微小バブルを発生させる微小バブル発生装置1であって、吐出孔23は、加圧ガスの圧力を受ける圧電素子9に形成され、加圧ガスの圧力を設定するガス供給源11と、吐出孔23を孔軸方向へ振動させ圧電素子9と、圧電素子9の振幅及び周波数を制御する電圧発生部15とを備え、吐出孔23の微小径の設定と加圧ガスの圧力の設定と電圧発生部15の振幅及び周波数の制御とにより微小バブルを形成することを特徴とする。
【選択図】図2
特許請求の範囲 【請求項1】
板状体に備えられた微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させる微小バブル発生装置であって、
前記加圧ガスの圧力を設定するガス圧設定部と、
前記板状体を前記吐出孔の孔軸方向へ振動させる振動発生部と、
前記振動発生部の振幅及び周波数を制御する振動発生制御部とを備え、
前記吐出孔の微小径の設定と前記加圧ガスの圧力の設定と前記振動発生部の振幅及び周波数の制御とにより前記微小バブルを形成する、
ことを特徴とする微小バブル発生装置。
【請求項2】
請求項1記載の微小バブル発生装置であって、
前記板状体は、前記振動発生部であり、
前記振動発生部は、前記板状体の屈曲振動である、
ことを特徴とする微小バブル発生装置。
【請求項3】
請求項1又は2記載の微小バブル発生装置であって、
前記加圧ガスの圧力の設定は、前記微小径の吐出孔から前記加圧ガスが吐出しない程度の正圧である、
ことを特徴とする微小バブル発生装置。
【請求項4】
請求項1~3の何れか1項記載の微小バブル発生装置であって、
前記板状体に金属箔を接合し、
前記微小径の吐出孔は、前記金属箔側がより小径となって吐出先端側を構成するように前記板状体及び金属箔に渡って形成された、
ことを特徴とする微小バブル発生装置。
【請求項5】
請求項1~4の何れか1項記載の微小バブル発生装置であって、
前記吐出孔の吐出先端側に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物を形成してより小径に形成した、
ことを特徴とする微小バブル発生装置。
【請求項6】
請求項1~5の何れか1項記載の微小バブル発生装置であって、
前記板状体は、前記吐出孔を中央とした凹状の曲面で形成され、
前記曲面が前記吐出孔の孔軸延長線上に指向する、
ことを特徴とする微小バブル発生装置。
【請求項7】
請求項1~6の何れか1項記載の微小バブル発生装置であって、
前記振動発生部は、前記板状体を構成するセラミックス又は水晶の板状の圧電素子、ユニモルフ構造又はバイモルフ構造の圧電素子である、
ことを特徴とする微小バブル発生装置。
【請求項8】
請求項1~6の何れか1項記載の微小バブル発生装置であって、
前記振動発生部は、板状の磁石を備えた電磁コイル振動子であり、
前記微小径の吐出孔は、前記板状体を構成する前記電磁コイル振動子の板状の磁石に形成された、
ことを特徴とする微小バブル発生装置。
【請求項9】
請求項1~6の何れか1項記載の微小バブル発生装置であって、
前記振動発生部は、積層アクチュエータ、ランジュバン振動子、磁歪振動子、インパルス放電部の何れかで構成され、
前記微小径の吐出孔は、前記板状体を構成するプレートに形成された、
ことを特徴とする微小バブル発生装置。
【請求項10】
請求項1~9の何れか1項記載の微小バブル発生装置であって、
前記吐出孔を前記振動発生部による振動に対して交差する方向へ振動させる補助振動発生部を備えた、
ことを特徴とする微小バブル発生装置。
【請求項11】
請求項1~10の何れか1項記載の微小バブル発生装置であって、
前記吐出孔は、複数備えられた、
ことを特徴とする微小バブル発生装置。
【請求項12】
請求項1~11の何れか1項記載の微小バブル発生装置であって、
前記吐出孔から吐出される微小バブルに前記吐出口の吐出方向前方で外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部を設けた、
ことを特徴とする微小バブル発生装置。
【請求項13】
板状体に備えられた微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズルであって、
前記板状体を前記吐出孔の孔軸方向へ振動させる振動発生部を備えた、
ことを特徴とする微小吐出孔ノズル。
【請求項14】
請求項13記載の微小吐出孔ノズルであって、
前記板状体は、前記振動発生部であり、
前記振動発生部は、前記板状体の屈曲振動である、
ことを特徴とする微小吐出孔ノズル。
【請求項15】
請求項13又は14記載の微小吐出孔ノズルであって、
板状体に金属箔を接合し、
前記吐出孔を、前記金属箔側がより小径となって吐出先端側を構成するように前記板状体及び金属箔に渡って形成した、
ことを特徴とする微小吐出孔ノズル。
【請求項16】
請求項13~15の何れか1項記載の微小吐出孔ノズルであって、
前記吐出孔の吐出先端側に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物を形成してより小径にした、
ことを特徴とする微小吐出孔ノズル。
【請求項17】
請求項13~16の何れか1項記載の微小吐出孔ノズルであって、
前記振動発生部は、前記板状体を構成するセラミックス又は水晶の板状の圧電素子、ユニモルフ構造又はバイモルフ構造の圧電素子である、
ことを特徴とする微小吐出孔ノズル。
【請求項18】
請求項13記載の微小吐出孔ノズルであって、
前記吐出孔は、前記板状体に突出形成された針状ノズルに備えられた、
ことを特徴とする微小吐出孔ノズル。
【請求項19】
請求項13記載の微小吐出孔ノズルであって、
前記吐出孔は、前記板状体に形成された貫通孔と前記貫通孔を覆う多孔質体とにより構成された、
ことを特徴とする微小吐出孔ノズル。
【請求項20】
請求項18記載の微小吐出孔ノズルの製造方法であって、
熱可塑性の円筒管の先端部を加熱しつつ引き延ばして針状部を形成し、
前記針状部の先端をカットして針状ノズルを形成し、
前記針状ノズルを前記板状体に取り付けた、
ことを特徴とする微小吐出孔ノズルの製造方法。
【請求項21】
板状体に備えられた微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズルの製造方法であって、
前記板状体に、針状工具を差し込んで前記吐出孔を貫通形成した、
ことを特徴とする微小吐出孔ノズルの製造方法。
【請求項22】
板状体に備えられた微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズルの製造方法であって、
前記板状体に、針状ねじ工具をねじ込んで前記吐出孔を貫通形成した、
ことを特徴とする微小吐出孔ノズルの製造方法。
【請求項23】
板状体に備えられた微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズルの製造方法であって、
前記板状体に金属箔を接合し、
前記吐出孔を、前記金属箔側がより小径となって吐出先端側を構成するように前記板状体及び金属箔に渡って形成した、
ことを特徴とする微小吐出孔ノズルの製造方法。
【請求項24】
請求項20~23の何れか1項記載の微小吐出孔ノズルの製造方法であって、
前記吐出孔の吐出先端側に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物を形成してより小径にした、
ことを特徴とする微小吐出孔ノズルの製造方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、除染等に供されるマイクロバルブなどの微小バブルを発生させる微小バブル発生装置、微小バブル発生装置に供される微小吐出孔ノズル及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
マイクロ・バブルは数十マイクロメートル以下の微小気泡である。通常水中で発生する気泡サイズは、数ミリ程度の直径であり、マイクロ・バブルと通常のバブルとを比較すると、通常のバブルは水中で発生させた後、水面まで上昇して破裂消滅するが、マイクロ・バブルは、その体積が微小なため上昇スピードが遅く水中の滞留時間が長くなる。
【0003】
マイクロ・バブルは自己加圧効果がある。自己加圧効果とは、バブルの気液界面に働く表面張力によってバブル内部の圧力が上昇し、凝集され、水面に達する前に圧縮消滅する現象のことである。気液界面では数十気圧以上に加圧されていると言われている。
【0004】
加えてマイクロ・バブルは-30mV~-50mV程度の電荷を帯びているためマイクロ・バブル同士互いに反発し合い、バブル同士が結合することなく圧縮消滅するまで水中に滞在する。
【0005】
マイクロ・バブルは、電荷を帯びながらかつ水中で滞在し、自己消滅する奇抜な能力を利用して、その応用例は水質改善や毛細血管の造影剤、細胞活性化などあげられている。
【0006】

このようなマイクロ・バブルを発生するためには、従来いくつかの手法があった。
【0007】
一つの手法として、特許文献1に記載されており、多孔質体を通して液体に気体を吹き込む方法である。この方法では、コンプレッサなどの気体供給装置から、水が流れる管に多孔質体を通して気体を供給しマイクロ・バブルを発生させている。
【0008】
他の手法として、特許文献2に貴指されており、気泡表面にせん断力を加えて気泡を引きちぎる方法である。
【0009】
しかし、多孔質体を用いたマイクロ・バブル発生装置では、多孔質体から気泡が離脱しにくいため、発生する気泡が多孔質体の孔径より大きくなり、微小な気泡が発生させられないことが課題であった。
【0010】
また、気泡表面のせん断力を用いる方法では、液体に旋回流を与えたりすることにより、圧力損失が大きくなるとともに、液体中の気体の割合が、多孔質体を用いた場合と比べて低くなってしまうことが課題であった。
【0011】
これらの課題を解決するものとして、特許文献3に記載の手法が有り、マイクロ・バブルの径よりも小さい出口開口を備えた管状体を、液体に対して管軸方向又は管軸直交方向へ振動させ、出口開口に隣接する気泡が成長して大きくなりすぎる前に引きちぎられるようにしてマイクロ・バブルを発生させるものである。
【0012】
しかし、単に管状体の振動により出口開口の気泡を引きちぎるものであるため、マイクロ・バブルなどの微小バブルをどのように発生させるかなどの制御自由度に限界を招いていた。
【先行技術文献】
【0013】

【特許文献1】特開平8-225094号公報
【特許文献2】特開2003-205228号公報
【特許文献3】特開2007-253000号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
解決しようとする問題点は、微小バブルをどのように発生させるかなどの制御自由度に限界を招いていた点である。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明は、微小バブル発生の制御自由度を向上させるために、板状体に形成された微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させる微小バブル発生装置であって、前記加圧ガスの圧力を設定するガス圧設定部と、前記板状体を前記吐出孔の孔軸方向へ振動させる振動発生部と、前記振動発生部の振幅及び周波数を制御する振動発生制御部とを備え、前記吐出孔の微小径の設定と前記加圧ガスの圧力の設定と前記振動発生部の振幅及び周波数の制御とにより前記微小バブルを形成することを微小バブル発生装置の特徴とする。
【0016】
本発明は、板状体に形成された微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズルであって、前記板状体を前記吐出孔の孔軸方向へ振動させる振動発生部を備えたことを微小吐出孔ノズルの特徴とする。
【0017】
本発明は、板状体に形成された微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズルの製造方法であって、板状体に金属箔を接合し、前記吐出孔を、前記金属箔側がより小径となって吐出先端側を構成するように前記板状体及び金属箔に渡って形成したことを微小吐出孔ノズルの形成方法の特徴とする。
【発明の効果】
【0018】
本発明の微小バブル発生装置は、上記構成であるから、吐出孔の微小径の設定と加圧ガスの圧力の設定と振動発生部の振幅及び周波数の制御とにより微小バブルを形成することで、微小バブルを直線的に所定間隔で整然と吐出させる等、微小バブル発生の制御自由度を向上できる。
【0019】
本発明の微小吐出孔ノズルは、上記構成であるから、微小バブル発生装置に用いて微小バブル発生の制御自由度を向上に寄与できる。
【0020】
本発明の微小吐出孔ノズルの製造方法は、上記構成であるから、微小バブル発生装置に用いる微小径の吐出孔を有するノズルを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】微小バブル発生装置を液槽に配置した概略図である。(実施例1)
【図2】微小バブル発生装置の概略図である。(実施例1)
【図3】(A)は、微小吐出孔ノズルの断面図、(B)は、微小吐出孔ノズルの内面を示す要部平面図である。(実施例1)
【図4】(A)~(L)は、吐出孔形状のバリエーションを示す説明図である。(実施例1)
【図5】(A)は、圧電素子の概略断面図、(B)は、吐出孔を備えた圧電素子の概略断面図、(C)は、吐出孔に吐出先端孔を形成した圧電素子の概略断面図である。(実施例1)
【図6】吐出先端側から見た圧電素子の概略断面図である。(実施例1)
【図7】(A)は、ユニモルフ構造の圧電素子の中心部にレーザー・ビームを照射する状態の断面図、(B)は、同吐出孔を形成した状態を示す断面図、(C)は、吐出孔を示す要部正面画像である。(実施例1)
【図8】(A)は、ユニモルフ構造の圧電素子に金属箔を接着した状態を示す断面図、(B)は、集束イオン・ビームにより金属箔に吐出孔を形成する状態を示す断面図、(C)は、金属箔に吐出孔が形成された状態を示す断面図、(D)は、金属箔の吐出孔を示す要部正面画像である。(実施例1)
【図9】(A)は、金属箔側にイオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物を形成する状態を示す説明図、(B)は、金属箔側の吐出先端側が堆積物でより小径に形成された状態を示す要部正面画像である。(実施例1)
【図10】図7の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、(A)~(D)へ順に周波数を高めた結果の画像である。(実施例1)
【図11】図8の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、(A)、(B)と順にガス圧力を高めた結果の画像である。(実施例1)
【図12】図9の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、(A)、(B)と順に周波数を高めた結果の画像である。(実施例1)
【図13】図9の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、図12(B)よりも(A)、(B)と順に周波数を高めた結果の画像である。(実施例1)
【図14】微小バブルの発生を示し、(A)は、微小吐出孔ノズルから斜め上昇方向へ放出される数百μmサイズの微小バブルの状況、(B)は、微小吐出孔ノズルから水面へ直行するように放出されるバブルの状況を示す画像である。
【図15】ガス圧10kPaから100kPaの変化に対するバブル個数を示すグラフである。
【図16】ガス圧5kPaで微小吐出孔ノズルから放出される微小バブルの挙動を示す画像である。
【図17】微小吐出孔ノズルから放出される微小バブルの周波数依存性を示す画像である。
【図18】周波数に対する微小バブルの発生量を示すグラフである。
【図19】微小吐出孔ノズルから放出される微小バブルの速さを示すグラフである。
【図20】微小吐出孔ノズルの周波数-アドミタンス測定による共振周波数のグラフである。
【図21】レーザー・ドップラによる微小吐出孔ノズルの駆動モード測定結果を示す説明図である。
【図22】ユニモルフ構造の圧電素子に吐出孔を複数形成した状態を示す概略正面図である。(実施例1)
【図23】圧電素子を重ねて振動発生部とした微小吐出孔ノズルの概略断面図である。(実施例1)
【図24】ランジュバン振動子を振動発生部とした微小吐出孔ノズルの概略断面図である。(実施例1)
【図25】圧電素子を重ねて振動発生部とした微小吐出孔ノズルの概略断面図である。(実施例1)
【図26】電磁コイル及び磁石を振動発生部とした微小吐出孔ノズルの概略断面図である。(実施例1)
【図27】インパルス放電装置を振動発生部とした微小吐出孔ノズルの概略断面図である。(実施例1)
【図28】針状ノズルを用いた微小吐出孔ノズルの概略断面図である。(実施例1)
【図29】針状ノズルを板状体に取り付けた状態の斜視図である。(実施例1)
【図30】圧電素子の斜視図である。(実施例1)
【図31】針状ノズルの製造を示す説明図である。(実施例1)
【図32】可塑性円管体の引き延ばしの説明図である。(実施例1)
【図33】針状ノズルの吐出先端側が堆積物でより小径に形成された状態を示す要部概略断面図である。(実施例1)
【図34】針状ノズルを備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの発生状況を示し、発振の結果を示す画像である。(実施例1)
【図35】針状ノズルを備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの発生状況を示し、発振後の結果を示す画像である。(実施例1)
【図36】(A)は、針状工具と共に示す微小吐出孔ノズルの概略断面図、(B)は、微小吐出孔ノズルを圧電素子側から見た内面図である。(実施例1)
【図37】(A)~(C)は、吐出孔形状のバリエーションを示す説明図である。(実施例1)
【図38】(A)は、針状工具と共に示す微小吐出孔ノズルの概略断面図、(B)は、微小吐出孔ノズルを圧電素子側から見た内面図である。(実施例1)
【図39】(A)は、微小吐出孔ノズルの概略断面図、(B)は、微小吐出孔ノズルを圧電素子側から見た内面図である。(実施例1)
【図40】吐出孔の振動に対して交差する方向へ振動させる補助振動発生部を備えた構造を示し、(A)は、要部概略断面図、(B)は、ユニモルフ構造の圧電素子に吐出孔を複数形成した状態を示す概略正面図である。(実施例2)
【図41】吐出孔の振動に対して交差する方向へ振動させる補助振動発生部を備えた構造を示し、(A)は、要部概略断面図、(B)は、圧電素子に吐出孔を形成した状態を示す概略正面図である。(実施例2)
【図42】吐出孔の振動に対して交差する方向へ振動させる補助振動発生部を備えた構造を示し、(A)は、要部概略断面図、(B)は、要部概略正面図である。(実施例2)
【図43】吐出孔を中央とした凹状の曲面で形成された振動発生部を示す概略断面図である。(実施例3)
【図44】吐出孔を中央とした凹状の曲面で形成された振動発生部を示す概略断面図である。(実施例3)
【図45】吐出孔から吐出される微小バブルに外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部を設けた構造を示す概略構成図である。(実施例4)
【図46】吐出孔から吐出される微小バブルに外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部を設けた構造を示す概略構成図である。(実施例4)
【図47】吐出孔から吐出される微小バブルに外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部を設けた構造を示す概略構成図である。(実施例4)
【発明を実施するための形態】
【0022】
微小バブル発生の制御自由度を向上させるというい目的を、加圧ガスを微小径の吐出孔23から液体中に送り出して微小バブルを発生させる微小バブル発生装置1であって、吐出孔23は、加圧ガスの圧力を受ける板状体である圧電素子9に形成され、加圧ガスの圧力を設定するガス供給源11と、吐出孔23を孔軸方向へ振動させる圧電素子9と、圧電素子9の振幅及び周波数を制御する電圧発生部15とを備え、吐出孔23の微小径の設定と加圧ガスの圧力の設定と圧電素子9の振幅及び周波数の電圧発生部15による制御とにより微小バブルを形成することにより実現した。
【実施例1】
【0023】
[微小バブル発生装置]
図1は、微小バブル発生装置を液槽に配置した概略図、図2は、微小バブル発生装置の概略図である。
【実施例1】
【0024】
図1のように、微小バブル発生装置1の微小吐出孔ノズル3を取り付けた管体5が水などの液体が収容された液槽7に配置されている。
【実施例1】
【0025】
図2のように、微小バブル発生装置1は、管体5の先端に微小吐出孔ノズル3が取り付けられ、微小吐出孔ノズル3には、板状体として、例えばユニモルフ構造の圧電素子9が取り付けられている。
【実施例1】
【0026】
管体5には、ガス供給源11が接続され、管体5内に加圧ガスを制御して供給できるようになっている。ガス供給源11は、加圧ガスの圧力を設定するガス圧設定部を構成する。
【実施例1】
【0027】
圧電素子9には、増幅器13を介して電圧発生部15が接続され、圧電素子9に振幅、周波数の設定された設定周期の電圧印加が可能となっている。圧電素子9に設定周期、振幅の電圧印加を行うと、微小吐出孔ノズル3の吐出孔23を含めて圧電素子9が孔軸方向へ振動する。この振動は、本実施例において圧電素子9の屈曲振動であり、且つ吐出孔23を孔軸方向へ振動させる。
【実施例1】
【0028】
したがって、圧電素子9は、振動発生部を構成し、電圧発生部15は、圧電素子9への印加電圧の振幅及び周波数を制御する振動発生制御部を構成する。
【実施例1】
【0029】
かかる微小バブル発生装置1により、加圧ガスを微小吐出孔ノズル3から液体中に送り出して微小バブルを発生させることができる。この微小バブルの形成には、微小吐出孔ノズル3の吐出孔の微小径の設定と、ガス供給源11による加圧ガスの圧力の設定、電圧発生部15による圧電素子9の振幅及び周波数の制御とが行われる。加圧ガスの圧力の設定は、圧力数kPaから数MPaまでの範囲で吐出孔23の直径や形状及び励振量に適合さる設定を行ない、微小バブルの直径を調整する。本実施例において、設定される加圧ガスの圧力は、微小径の吐出孔23から加圧ガスが吐出しない程度の正圧である。但し、加圧ガスの圧力の設定により吐出孔23から加圧ガスを吐出させても良い。
【実施例1】
【0030】
図3は、(A)は、微小吐出孔ノズルの断面図、(B)は、微小吐出孔ノズルの内面を示す要部平面図である。
【実施例1】
【0031】
図3のように、圧電素子9は、例えば円形に形成され、圧電セラミック17が、SUS等の金属板19に接着され、金属板19の外周部が微小吐出孔ノズル3のノズル本体3aに支持されている。この支持により、圧電素子9は吐出孔23に対し孔軸方向へ屈曲振動するようになっている。
【実施例1】
【0032】
圧電素子9の吐出側には、モリブデン箔などの金属箔21が接着され、圧電素子9に付随して板状体を構成している。
【実施例1】
【0033】
圧電素子9は、セラミックや水晶の板状圧電素子やバイモルフ構造を採用することもでき、同様に吐出孔を形成することができる。その他、ランジュバン振動子等については後述する。
【実施例1】
【0034】
圧電素子9には、金属箔21に渡って微小径の吐出孔23が中心部に形成されている。吐出孔23は、金属板19から圧電セラミック17までの内側吐出孔23aと金属箔21の吐出先端側の外側吐出孔23bとが同芯又はほぼ同芯に形成されたものである。
【実施例1】
【0035】
こうして、吐出孔23は、圧電素子9及び金属箔21に渡り、金属箔21側の外側吐出孔23bが内側吐出孔23aより小径となって吐出先端側を構成している。内側吐出孔23aは、最小径の部分で数μm~数十μmに形成され、最大径で数十μm~数mmに形成されている。外側吐出孔23bは、後述する堆積物の形成を含めて数nm~数μmの径に形成されている。
【実施例1】
【0036】
内側吐出孔23aは、外側吐出孔23bへ向かって漸次縮径するホーン形状に形成され、内面にガイド溝23aaが放射状に形成されている。ガイド溝23aaは、多少螺旋状に形成されている。外側吐出孔23bのホーン形状及び螺旋状のガイド溝23aaにより加圧ガスを外側吐出孔23bへ向けて集束させ易くなっている。
【実施例1】
【0037】
なお、外側吐出孔23bはストレートに形成することもでき、ガイド溝23aaを省略することもできる。
[微小吐出孔ノズルの吐出孔の形成]
図3の微小吐出孔ノズル3の吐出孔23は、内側吐出孔23aの数μm~数十μmの範囲を、レーザー・ビームで形成し、同数十μm~数mmの範囲を、3次元切削ラピッドプロトタイプマシンで加工し、外側吐出孔23bの数nm~数μmの範囲を、集束イオン・ビームで形成することができる。
【実施例1】
【0038】
図4(A)~(L)は、吐出孔形状のバリエーションを示す説明図である。
【実施例1】
【0039】
図4(A)~(L)のように、内側吐出孔23aの3次元切削ラピッドプロトタイプマシンでの加工により、円形以外にも、楕円形、多角形、星形、橘形、十字形、Y字形などの任意形状に形成でき、さらに、ガイド溝23aaの螺旋状などの立体に成形することも容易である。
【実施例1】
【0040】
吐出孔23としては、以下のようにして形成することもできる。
【実施例1】
【0041】
図5(A)は、圧電素子の概略断面図、(B)は、吐出孔を備えた圧電素子の概略断面図、(C)は、吐出孔に吐出先端孔を形成した圧電素子の概略断面図である。図6は、吐出先端側から見た圧電素子の概略断面図である。
【実施例1】
【0042】
図5(A)の圧電素子9に対してレーザー・ビームにより、図5(B)のように、吐出孔23を形成する。次いで、図5(C)のように、この吐出孔23の先端側で、圧電素子9に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物25を形成する。この堆積物25により、吐出孔23に、小径の吐出先端孔23cを、図5(C)、図6のように形成する。
【実施例1】
【0043】
図7(A)は、ユニモルフ構造の圧電素子の中心部にレーザー・ビームを照射する状態の断面図、(B)は、同吐出孔を形成した状態を示す断面図、(C)は、吐出孔を示す要部正面画像である。
【実施例1】
【0044】
図7(A)のように、圧電素子9に対してレーザー・ビーム27を照射し、図7(B)、(C)のように、圧電素子9に微小径の吐出孔23を形成する。
【実施例1】
【0045】
図8(A)は、ユニモルフ構造の圧電素子に金属箔を接着した状態を示す断面図、(B)は、集束イオン・ビームにより金属箔に吐出孔を形成する状態を示す断面図、(C)は、金属箔に吐出孔が形成された状態を示す断面図、(D)は、金属箔の吐出孔を示す要部正面画像である。
【実施例1】
【0046】
図8(A)のように、レーザー・ビームの照射で内側吐出孔23aを形成した圧電素子9にモリブデンなどの金属箔21を接着により固定する。金属板19は、ノズル本体3aに接着する。図中、○で囲んだ部分は、接着箇所を示し、接着剤としては、化学反応接着剤などが用いられる。
【実施例1】
【0047】
図8(B)のように、内側吐出孔23aを通して集束イオン・ビーム29を照射し、図8(C)、(D)のように、金属箔21に、外側吐出孔23bを同芯又はほぼ同芯に形成する。
【実施例1】
【0048】
この図8のようにして、吐出孔23を、金属箔21側がより小径となって吐出先端側を構成するように板状体である圧電素子9及び金属箔21に渡って形成した。
【実施例1】
【0049】
図9(A)は、金属箔側にイオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物を形成する状態を示す説明図、(B)は、金属箔側の吐出先端側が堆積物でより小径に形成された状態を示す要部正面画像である。
【実施例1】
【0050】
図9(A)のように、金属箔21に、外側吐出孔23bを形成した圧電素子9に対し、吐出孔23における外側吐出孔23bの吐出先端側に、集束イオン・ビームとカーボン・ガス(フェナントレン・ガス)31とを反応させた堆積物25を形成してより小径にした。
【実施例1】
【0051】
図10は、図7の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、(A)~(D)へ順に周波数を高めた結果の画像である。図11は、図8の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、(A)、(B)と順にガス圧力を高めた結果の画像である。図12は、図9の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、(A)、(B)と順に周波数を高めた結果の画像である。図13は、図9の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、図12(B)よりも(A)、(B)と順に周波数を高めた結果の画像である。
【実施例1】
【0052】
図7の微小吐出孔ノズル3の場合、図10のように、微小バブルを発生させることができ、周波数制御等により微小バブルの発生に変化を与えることができた。
【実施例1】
【0053】
金属箔21に、さらに小径の外側吐出孔23bを形成した図8の微小吐出孔ノズル3の場合、図11のように、微小バブルを発生させることができ、ガス圧制御等により微小バブルの発生に変化を与えることができた。
【実施例1】
【0054】
外側吐出孔23bの吐出先端側に、堆積物25を形成してさらに小径とした図9の微小吐出孔ノズル3の場合、図12、図13のように、微小バブルを発生させることができ、周波数制御等により微小バブルの発生に変化を与えることができた。
【実施例1】
【0055】
特に、図9の微小吐出孔ノズル3の場合は、堆積物25により吐出孔23の径を数nm~数μmに設定しており、微小バブルの発生状況、気泡の直径を正確に制御できた。
[実験]
図14は、微小バブルの発生を示し、(A)は、微小吐出孔ノズルから斜め上昇方向へ放出される数百μmサイズの微小バブルの状況、(B)は、微小吐出孔ノズルから水面へ直行するように放出されるバブルの状況を示す画像である。
【実施例1】
【0056】
(実験方法)
・圧電素子ノズルの作製
微小吐出孔ノズル(以下、圧電素子ノズルとも称する。)は、圧電素子(村田製作所:7BB-12-9、共振周波数:9.0 ± 1.0kHz、直径:12 mm、厚み:0.22 mm)をレーザー(LOTIS 社製:TII LS2147、 波長:1064 nm、250 mJ/Pulse)照射と、集束イオン・ビーム(セイコーインスツルメンツ:SMI2200)によるカーボンデポジションの2つの工程で作製した。
【実施例1】
【0057】
まず、図5での説明のように、圧電素子の中央部に集光されたYAGレーザを2ショット照射し、深さ方法に数百μmの穴を貫通させる。次に集束したイオン・ビームとカーボン・ガス(フェナントレンC14H10)を反応させて微細なカーボン生成物を数μmの精度で堆積させる。この堆積物をレーザーで貫通した穴の周りを覆うことで数百μmあった穴直径を約30μmに縮小した。
【実施例1】
【0058】
加工した圧電素子ノズルは、フランジに接着させ、図1のように、純水で満たされた水槽中に設置した。図9(B)に圧電素子にマイクロ加工された穴の画像を示している。
【実施例1】
【0059】
・管内圧力(10kPa~100kPa)下で発生するバブル挙動の観測
圧電素子ノズルへ窒素ガスで圧力10kPa~100kPaを加えてノズル部位からバブルを発生させる。また、圧電素子に150V、周波数12kHzを印加時のバブルの挙動をハイスピードカメラ(KEYENCE 社製:VW50)によって観測する。観測した画像よりバブル寸法、発生量について求める。
【実施例1】
【0060】
・管内圧力5kPa下で発生するマイクロ・バブル挙動の観測
圧電素子ノズルへ窒素ガスで5kPaの圧力を加える。5kPaでは、バブルは観測されないため、この状態で、圧電素子へ75、100、~150V及び10k、11k、~16kHzを印加し、バブルを噴出させる。バブルの挙動は、ハイスピードカメラで観測した。
【実施例1】
【0061】
(実験結果)
・管内圧力(10kPa~100kPa下で発生するバブル挙動の観測
管内気圧200kPa 時(圧電素子駆動なし)のバブル発生状態について光学画像を示す。バブルの発生は大きく2つの領域に分けることができる。圧電素子ノズルから斜め上昇方向へ放出される数百μmサイズの微小バブル(図14(A))の第1領域と、圧電素子ノズルから水面へ直行するように放出されるバブル径数mmサイズ以下のバブル(図14(B))の第2領域とである。図14の画像は、ハイスピードカメラで撮影した。
【実施例1】
【0062】
第1領域について、管内気圧が10kPa 時は、図14(A)の通り、微小バブルが観測されていなかった。それに対し、 管内気圧を2kPaにすると、微小バブルの存在が複数確認できた。バブル粒径は、画像から測長可能なサイズのバブルを選定して見積もると数百μm以下のバブルであった。この数百μm以下のバブルは、管内気圧を40kPa、80kPaへ上昇させると個数が上昇した。
【実施例1】
【0063】
図15は、ガス圧10kPaから100kPaの変化に対するバブル個数を示すグラフである。第1領域のバブル放出の様子について、管内気圧10kPaから100kPa に変化させた時の画像からカウント可能なバブルの個数をグラフ化した結果を示す。
【実施例1】
【0064】
管内気圧20kPaの時、数百μm以下の微小バブルが、画像内に約20個確認できた。20kPaから80kPaまで管内気圧を上昇することで、画像内のバブル個数がリニアに増加した。管内気圧100kPa時では、リニアリティが崩れ、バブル個数の増加レートが落ちて飽和傾向にあった。
【実施例1】
【0065】
これらの管内気圧10kPaから100kPaの条件で、圧電素子ノズルに電圧を印加してハイスピードカメラで画像を確認した。第1領域のバブルの発生状態に奇抜な変化は見られなかった。第2領域のバブルについては、圧電素子からバブルが飛散するような振舞いを示した。
【実施例1】
【0066】
・管内圧力5kPa下で発生するマイクロ・バブル挙動の観測
管内気圧を5kPaにした場合、圧電素子ノズルからバブルが放出されることはない。これはノズル表面で働く表面張力が管内圧力を上回っているために放出できないと考えられる。この状態で圧電素子ノズルを動作させると気泡の放出が確認できたので、その実験結果を説明する。
【実施例1】
【0067】
図16は、ガス圧5kPaで微小吐出孔ノズルから放出される微小バブルの挙動を示す画像である。
【実施例1】
【0068】
管内気圧を5kPaに設定し、圧電素子ノズルへ電圧を印加した時のハイスピードカメラ画像によるマイクロ・バブルの振舞いをみた。0sec時に圧電素子へ150V、13kHzを印加している。印加後4sec後に圧電素子表面から垂直方向にマイクロ・バブルの粒子群が確認できた。
【実施例1】
【0069】
マイクロ・バブル粒子群は指向性を有し、8sec後、先頭のマイクロ・バブル粒子群が拡散した。それ以降も圧電素子ノズルから常にマイクロ・バブル粒子群が放出され、一定の距離まで進行すると、拡散する振舞いを続けた。このバブルのサイズは20sec後も水面に浮上することはない。さらにその後数十秒間水槽内を漂い続けていることから、発生しているバブルはナノマイクロ・バブルである。
【実施例1】
【0070】
図17は、微小吐出孔ノズルから放出される微小バブルの周波数依存性を示す画像である。
【実施例1】
【0071】
管内気圧5kPaで125Vを異なる周波数で圧電素子ノズルに印加し30sec 後のハイスピードカメラで撮影した。周波数の違いで、マイクロ・バブル粒子群の放出の様子が大きく異なった。
【実施例1】
【0072】
具体的に、11kHzの場合は、マイクロ・バブルの放出量は少ないが、他の画像と比べると指向性が高かった。13kHzの場合は、11kHzに比較すると、マイクロ・バブルの発生量は高いが、画像のコントラスト比が高い粒子が確認できることから、バブルサイズのユニフォーミティが悪いことが考えられる。15kHzの場合、指向性は悪いが、圧電素子ノズルから拡散するようにマイクロ・バブルが放出されていると言える。
【実施例1】
【0073】
図8は、周波数に対する微小バブルの発生量を示すグラフである。
【実施例1】
【0074】
圧電素子の印加電圧125V時の各周波数におけるマイクロ・バブル発生量をハイスピードカメラ画像のコントラスト比から見積もった。結果、10kHz以下、16kHz 以上ではバブルの発生は確認できず、11kHzから15kHzの周波数範囲内のみマイクロ・バブル粒子群の発生を確認した。
【実施例1】
【0075】
その中でも周波数が12、13、14kHz時、多量マイクロ・バブル粒子群発生が表れ、同時に圧電素子ノズル面に対して垂直方向に指向性をもつマイクロ・バブル群が確認された。この結果についての考察は後述する圧電素子の振動モード及び共振周波数と合わせて説明する。
【実施例1】
【0076】
図19は、微小吐出孔ノズルから放出される微小バブルの速さを示すグラフである。
【実施例1】
【0077】
圧電素子ノズルの入力電圧とマイクロ・バブル粒子群の移動速度について、ハイスピードカメラで撮影した画像から導出した。周波数は12kHzを与えている。マイクロ・バブル粒子群の移動速度は、入力電圧値を増加すると、その速度も増した。これは、入力電圧増加に伴い、圧電素子の振幅が大きくなることから、ガス管内から外にバブルを吐出する効力が上がるために移動速度の増加につながったと考えられる。
【実施例1】
【0078】
図20は、微小吐出孔ノズルの周波数-アドミタンス測定による共振周波数のグラフである。
【実施例1】
【0079】
圧電素子ノズルを水槽下に浸し、10Vで駆動させたときの圧電素子の周波数に対するアドミタンス測定結果による圧電素子の共振周波数導出結果である。管内圧力はマイクロ・バブルが発生した5kPaにした。
【実施例1】
【0080】
図中の縮図にて、アドミタンス値は周波数に対してリニアに増加しているが、10.0kHzから12.5kHzにかけて、また22kHzから24kHzにかけて数値に変動があった。10.0kHzから12.5kHzにかけて測定を拡大すると、10.5kHzから11.0kHzにかけて鮮明ではないが、アドミタンス値にピークを持った。同様に11.5kHzから12.0kHzにかけて複数のピークがあった。
【実施例1】
【0081】
一方、 本実験でマイクロ・バブルの発生量が豊富だった12.0kHzから14.0kHzの周波数帯域では共振は確認されなかった。これは、図20の実験時は圧電素子を10Vで駆動させているのに対し、マイクロ・バブルを発生させる場合は、圧電素子に数百Vを印加しているため素子に発熱が生じ、素子の発熱によって共振周波数にずれが生じたと推測される。
【実施例1】
【0082】
また本実験で使用している圧電素子の共振周波数は大気中で9kHz±1kHz前後である。しかし、この圧電素子に集束イオン・ビームによる穴あけ加工及び、この圧電素子ノズルをフランジへ接着させていること、また水中に浸しているために受ける水の圧力、及びガス圧などの影響により共振周波数が変動したと考えられる。
【実施例1】
【0083】
なお、22kHzから24kHzに明確な共振周波数を所持することが確認できた。この周波数で駆動した場合、マイクロ・バブルの発生は確認できなかった。よって、マイクロ・バブルの発生には圧電素子の振動モードが影響すると考えられる。
【実施例1】
【0084】
図21は、レーザー・ドップラによる微小吐出孔ノズルの駆動モード測定結果を示す説明図である。
【実施例1】
【0085】
図21に係る実験は、圧電素子に水圧やガス圧などの外的要因は加えていない。図の下側の座標(0、5)近傍部位(数値 = 1.0)では振動が大きく、密な部分(数値 = 0.0)ほど振動が少ない。圧電素子は、約10kHzで駆動させている。約10kHzは、この圧電素子の仕様の共振周波数である。振動は圧電素子のエッジに近い座標(11、10)付近及び(6、1)付近の振動が強いことから、圧電素子は屈曲振動している。この周波数とマイクロ・バブルの発生時の周波数が近いことから、マイクロ・バブル発生時は屈曲振動をしている。
【実施例1】
【0086】
同様に屈曲運動の振幅が増加することで、ノズル表面から放出されるバブルの初速が増加した。この事から印加電圧の増加によってバブルの速度が上がることも説明がつく。
【実施例1】
【0087】
従って、本実験のマイクロ・バブルは圧電素子の屈曲によりピストンのような働きをして、バブルを放出していると考えられる。
【実施例1】
【0088】
以上、レーザー照射及び集束イオン・ビーム加工によって作製した圧電素子ノズルを利用して発生させたバブルの挙動について調査した。その結果、管内気圧が10kPaから100kPaの時、二つの発振モードが確認され、それぞれバブルサイズが数百mmか、数mmサイズ以下のバブル測長ができたが、圧電素子ノズルに電圧を印加し駆動させたところ、駆動前後でバブルの挙動に明確な違いは得られなかった。続いて、管内気圧が5kPaの時、圧電素子ノズルの電圧を印加することで、指向性を有したマイクロ・バブルの発生が確認できた。また加える周波数よりマイクロ・バブルの挙動に変化が見られ、印加電圧が増加することでバブルの移動速度も向上した。共振周波数は圧電素子の仕様の共振周波数より数値がずれていたが、レーザー・ドップラによる振動モードの測定結果より、マイクロ・バブルの発生時には屈曲運動し、圧電素子表面がポンプの働きをしてバブルを放出していると考えられる。
[作用効果]
本発明実施例では、板状体である圧電素子9に形成された微小径の吐出孔23から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させる微小バブル発生装置1であって、加圧ガスの圧力を設定するガス圧設定部としてのガス供給源11と、吐出孔23に対し孔軸方向前後へ屈曲振動する圧電素子9と、圧電素子9の振幅及び周波数を制御する振動発生制御部としての周波数発信器15とを備え、吐出孔23の微小径の設定と加圧ガスの圧力の設定と圧電素子9の振幅及び周波数の制御とにより微小バブルを形成する。
【実施例1】
【0089】
このため、微小バブルの発生状況、気泡の直径を制御できる。例えば、数十nm~数百μmの粒径を有する微小バブルを、正確に均一な粒径で一定の繰り返し周波数において制御し吐出できる。
【実施例1】
【0090】
微小バブルの噴出量は、振動の振幅や周波数をノズルの形状や気体の圧力とに適合させることにより調節が容易となり、複数のノズルを任意のパターンで有する振動板(板状体、圧電素子)を複数枚設置することにより噴出量の増量が可能となる。
【実施例1】
【0091】
加圧ガスの圧力の設定は、微小径の吐出孔23から加圧ガスが吐出しない程度の正圧である。
【実施例1】
【0092】
このため、微小バブルの発生状況、気泡の直径を正確に確実に制御できる。
【実施例1】
【0093】
圧電素子9に金属箔21を接合し、微小径の吐出孔23は、金属箔21側がより小径となって吐出先端側を構成するように圧電素子9及び金属箔21に渡って形成された。
【実施例1】
【0094】
このため、微小径の吐出孔23を確実に形成することができる。
【実施例1】
【0095】
吐出孔23の吐出先端側に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物25を形成してより小径に形成した。
【実施例1】
【0096】
このため、微小径の吐出孔23を確実に、より小径にすることができる。
【実施例1】
【0097】
圧電素子9に形成された微小径の吐出孔23から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズル3であって、圧電素子9は、吐出孔23に対し孔軸方向前後へ屈曲振動する微小吐出孔ノズル3とした。
【実施例1】
【0098】
このため、微小吐出孔ノズル3による微小バブルを確実に発生させることが可能となる。
【実施例1】
【0099】
圧電素子9に金属箔21を接合し、吐出孔23を、金属箔21側がより小径となって吐出先端側を構成するように圧電素子9及び金属箔21に渡って形成した。
【実施例1】
【0100】
このため、吐出孔23を確実に微小径にした微小吐出孔ノズル3により微小バブルを確実に発生させることが可能となる。
【実施例1】
【0101】
吐出孔の吐出先端側に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物を形成してより小径にした。
【実施例1】
【0102】
このため、吐出孔23をより確実に微小径にした微小吐出孔ノズル3により微小バブルを確実に発生させることが可能となる。
【実施例1】
【0103】
板状体に形成された微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズル3の製造方法であって、圧電素子9に金属箔21を接合し、吐出孔23を、金属箔21側がより小径となって吐出先端側を構成するように圧電素子9及び金属箔21に渡って形成した。
【実施例1】
【0104】
このため、微小径の吐出孔23を有する微小吐出孔ノズル3を確実に得ることができる。
【実施例1】
【0105】
吐出孔21の吐出先端側に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物17を形成してより小径にした。
【実施例1】
【0106】
このため、より微小径の吐出孔23を有する微小吐出孔ノズル3を確実に得ることができる。
【実施例1】
【0107】
図22は、ユニモルフ構造の圧電素子に吐出孔を複数形成した状態を示す概略正面図である。
【実施例1】
【0108】
上記圧電素子9は、吐出孔23を単一としたが、図22の圧電素子9Aのように、吐出孔23Aを放射状、周回状に複数形成することもできる。
【実施例1】
【0109】
上記実施例では、屈曲振動を例にしたが、長さ振動、拡がり振動、厚み滑り振動、厚み縦振動、表面波振動、BGS波振動などの振動の振幅や周波数を微小吐出孔ノズルの形状や気体の圧力とに適合させて微小バブルの直径を選択的で任意に制御するように構成することもできる。
【実施例1】
【0110】
[微小吐出孔ノズルの変形例]
図23~図39は、微小吐出孔ノズルの変形例に係り、図23は、圧電素子を重ねて振動発生部とした微小吐出孔ノズルの要部概略断面図、図24は、ランジュバン振動子を振動発生部とした微小吐出孔ノズルの要部概略断面図、図25は、圧電素子を重ねて振動発生部とした微小吐出孔ノズルの要部概略断面図、図26は、電磁コイル及び磁石を振動発生部とした微小吐出孔ノズルの要部概略断面図、図27は、インパルス放電装置を振動発生部とした微小吐出孔ノズルの要部概略断面図、図28は、針状ノズルを用いた微小吐出孔ノズルの概略断面図、図29は、針状ノズルを板状体に取り付けた状態の斜視図、図30は、圧電素子の斜視図、図31は、針状ノズルの製造を示す説明図、図32は、可塑性円管体の引き延ばしの説明図、図33は、針状ノズルの吐出先端側が堆積物でより小径に形成された状態を示す要部概略断面図、図34は、針状ノズルを備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの発生状況を示し、発振前の結果を示す画像、図35は、針状ノズルを備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの発生状況を示し、発振後の結果を示す画像、図36(A)は、針状工具と共に示す微小吐出孔ノズルの概略断面図、(B)は、微小吐出孔ノズルを圧電素子側から見た内面図、図37(A)~(C)は、吐出孔形状のバリエーションを示す説明図、図38(A)は、針状工具と共に示す微小吐出孔ノズルの概略断面図、(B)は、微小吐出孔ノズルを圧電素子側から見た内面図、図39(A)は、微小吐出孔ノズルの概略断面図、(B)は、微小吐出孔ノズルを圧電素子側から見た内面図である。
【実施例1】
【0111】
図23~図28、図36、図38、図39の微小吐出孔ノズル3B、3C、3D、3E、3F、3P、3Q、3R、3Sは、図1、図2で示す微小吐出孔ノズル3に代えて適用される。
【実施例1】
【0112】
図23の微小吐出孔ノズル3Bは、セラミックや水晶の板状の圧電素子9Bを積層して振動発生部とし、この圧電素子9を金属板19Bの両側に接合し、吐出孔23Bを構成した。両側の圧電素子9B及び金属板19Bが板状体を構成する。
【実施例1】
【0113】
したがって、圧電素子9Bにより、板状体を吐出孔23Bに対し孔軸方向へ振動させることができる。
【実施例1】
【0114】
図24の微小吐出孔ノズル3Cは、ランジュバン振動子を振動発生部とした。積層した圧電素子9Cをホーン形状の本体3Caに接合し、本体3Caの先端に、金属板19C(プレート)を取り付けて吐出孔23Cを形成した。金属板19Cが板状体を構成する。
【実施例1】
【0115】
したがって、圧電素子9Cによって金属板19Cを孔軸方向へ振動させることができる。
【実施例1】
【0116】
図25の微小吐出孔ノズル3Dは、積層アクチュエータを振動発生部とした。積層した周回形状の圧電素子9Dを振動発生部として本体3Daに接合し、圧電素子9Dの先端に、金属板19Dを備え、この金属板19D(プレート)に吐出孔23Dを形成した。金属板19Dが板状体を構成する。
【実施例1】
【0117】
したがって、圧電素子9Dによって金属板19Dを孔軸方向へ振動させることができる。
【実施例1】
【0118】
図26の微小吐出孔ノズル3Eは、電磁コイル振動子を振動発生部9Eとした。電磁コイル9Eaを本体3Eaに備え、本体3Eaの先端に、金属板19Eを備えている。この金属板19Eの内面に、内プレート19Eaを備え、外面に板状の磁石9Ebが接合されている。
【実施例1】
【0119】
吐出孔23Eは、金属板19E及び内プレート19Eaに渡る内側吐出孔23Eaと磁石9Ebの外側吐出孔23Ebとからなっている。金属板19E及び内プレート19Ea、磁石9Ebの組み合わせが板状体を構成する。
【実施例1】
【0120】
したがって、電磁コイル9Eaの通電制御により磁石9Ebを振動させ、金属板19Eを共に孔軸方向へ振動させることができる。
【実施例1】
【0121】
図27の微小吐出孔ノズル3Fは、インパルス放電部9Fを振動発生部とした。インパルス放電部9Fを本体3Faに備え、本体3Faの先端に、金属板19Fを備えている。吐出孔23Fは、金属板19F(プレート)に形成され、金属板19Fが板状体を構成する。
【実施例1】
【0122】
したがって、インパルス放電部9Fの放電制御により金属板19Fを孔軸方向へ振動させることができる。また、インパルス放電により、微小バブル中へのイオン活性種の導入ができる。
【実施例1】
【0123】
図28の微小吐出孔ノズル3Pは、吐出孔23Pが、針状ノル3Paに備えられたものである。針状ノズル3Paは石英、ガラス、或いは金属により形成され、板状体である円板形状のセラミック板19Pに取り付けられ、セラミック板19Pは、圧電素子9Pに取り付けられている。
【実施例1】
【0124】
図29のように、針状ノズル3Paは、セラミック板19Pの中心部の孔19Paに嵌合し、針状部3Paaがセラミック板19Pから突出している。針状ノズル3Paは、セラミック板19Pに対して接着剤により固定されている。
【実施例1】
【0125】
図30のように、圧電素子9Pは、例えば円筒形であり、外径13.6mm、内径10.0mm、長さ10.0mmのものを用いた。
【実施例1】
【0126】
図31のように、針状ノズル3Paは、例えば石英管3PaAを引き延ばし針状部3Paaを形成し、針状部3Paaの先端をカットした。先端のカットは、集束イオン・ビーム(FIB「Focused ion beam」)を用いた。
【実施例1】
【0127】
図32のように、石英管3PaAの引き延ばしは、例えば、下端に重りWを取り付け、先端部をバーナーBにより加熱することで行う。加熱により軟化した石英管3PaAが重りWの自重により引き延ばされ、図31の針状部3Paaが形成される。
【実施例1】
【0128】
図33のように、カットした針状部3Paaの先端の吐出孔23Pに、集束イオン・ビームとカーボン・ガス(フェナントレン・ガス)とを反応させた堆積物25Pを形成してより小径にすることもできる。
【実施例1】
【0129】
微小吐出孔ノズル3Pを用いた微小バブル発生装置により、図34、図35のように、微小バブルを発生させることができ、周波数制御等により微小バブルの発生に変化を与えることができた。圧電素子9Pの発振前でも図34のように微小吐出孔ノズル3Pからナノ・バブルが発生し、圧電素子9Pの発振後には図35のように微小吐出孔ノズル3Pからのナノ・バブルが安定して発生した。
【実施例1】
【0130】
図36の微小吐出孔ノズル3Qは、例えば金属製の板状体19Qに、例えば超鋼製の針状工具T1を差し込んで円形の吐出孔23Qを貫通形成した。吐出孔23Qには、板状体19Qの表面にバリ23Qaaが形成され、吐出孔23Qの径を小さくしている。
【実施例1】
【0131】
図37のように、吐出孔23Qは、針状工具T1の形状選択により、円形以外にも、(A)~(C)等のように任意形状に形成できる。
【実施例1】
【0132】
図38の微小吐出孔ノズル3Rは、例えば金属製の板状体19Rに、例えば超鋼製の針状ねじ工具T2を差し込んで螺旋状の吐出孔23Rを貫通形成した。吐出孔23Rには、板状体19Rの表面にバリ23Raaが形成され、吐出孔23Rの径を小さくしている。
【実施例1】
【0133】
図39の微小吐出孔ノズル3Sは、板状体19Sに貫通孔23Saが形成され、板状体19Sの前面を覆う多孔質体23Sbを備えた。図39(B)では、多孔質体23Sbに孔が形成されているように見えるが、多孔質体23Sbに孔は形成されておらず、板状体19Sに貫通孔23Saを便宜的に対応して示したものでる。 この例では、貫通孔23Sa及び多孔質体23Sbが協働して吐出孔23Sが構成され、貫通孔23aから吐出されるバブルが多孔質体23Sbを通ることで小さなナノ・バブルとすることができる。
【実施例2】
【0134】
図40~図42は、本発明の実施例2に係り、図40は、吐出孔の振動に対して交差する方向へ振動させる補助振動発生部を備えた構造を示し、(A)は、要部概略断面図、(B)は、ユニモルフ構造の圧電素子に吐出孔を複数形成した状態を示す概略正面図、図41(A)は、要部概略断面図、(B)は、圧電素子に吐出孔を形成した状態を示す概略正面図、図42(A)は、A)は、要部概略断面図、(B)は、要部概略正面図である。
【実施例2】
【0135】
図40の微小吐出孔ノズル3Gは、吐出孔23Gを圧電素子9Gの制御による振動に対して交差する傾斜方向へ振動させる補助振動発生部としての積層アクチュエータ33を備えた。吐出孔23Gを形成した圧電素子9Gは、本体3Gaに傾斜して複数取り付け、本体3Gaに積層アクチュエータ33を取り付けた。圧電素子9Gは、ユニモルフ構造であり、複数の吐出孔23Gを備えている。
【実施例2】
【0136】
したがって、圧電素子9Gによる吐出孔23Gの孔軸方向への振動に対し、圧電素子9Gの吐出孔23Gを孔軸傾斜方向へさらに振動させることができ、吐出孔23Gに対する発生泡のキレを促進することができる。
【実施例2】
【0137】
図41の微小吐出孔ノズル3Hは、図40の微小吐出孔ノズル3Gに対して単一の圧電素子9Hに単一の吐出孔23Hを設けたものである。圧電素子9Hは、例えば、バイモルフ構造である。
【実施例2】
【0138】
したがって、圧電素子9Hによる吐出孔23Hの孔軸方向への振動に対し、圧電素子9Hの吐出孔23Hを孔軸傾斜方向へさらに振動させることができ、吐出孔23Hに対する発生泡のキレを促進することができる。
【実施例2】
【0139】
図42の微小吐出孔ノズル3Iは、吐出孔23Iを圧電素子9Iの制御による振動に対して交差する方向へ振動させる補助振動発生部33を備えた。圧電素子9Iは、板状体である振動発生部を構成し、吐出孔23Iは複数形成されている。圧電素子9Iの制御による振動は、吐出孔23Iの孔軸方向の振動であり、補助振動発生部33による交差する方向へ振動は、孔軸に対し直交する矢印方向の振動である。補助振動発生部33としては、圧電素子を用いたものなど、種々のものを適用することができる。
【実施例2】
【0140】
したがって、圧電素子9Iの制御による微小バブルの発生に対し、補助振動発生部33の振動により、吐出孔23Iに対する発生泡のキレを促進することができる。
【実施例2】
【0141】
圧電素子9G、9H、9Iは、上記種々のものを適用でき、圧電素子9G、9H、9Iに代えて吐出孔を備えた金属板とし、この金属板を振動発生部により振動させる構成にすることもできる。
【実施例3】
【0142】
図43、図44は、本発明の実施例3に係り、図43、図44は、吐出孔を中央とした凹状の曲面で形成された振動発生部を示す概略断面図である。
【実施例3】
【0143】
図43の振動発生部である板状体としての圧電素子9Jは、断面が凹状の曲面として半円形に形成され、吐出孔23Jが半円形の中央に形成されている。圧電素子9Jの凹状の曲面は、吐出孔23Jの孔軸延長線上に指向し、曲率中心が孔軸延長線上に位置する。
【実施例3】
【0144】
したがって、圧電素子9Jが振動すると、上記同様に微小バブルを発生させると共に、曲率中心に向かう振動波を形成し、発生した微小バブルを吐出孔23Jの孔軸上に集め易くすると共に、孔軸方向に推進力を付与することができる。
【実施例3】
【0145】
図44の振動発生部としての圧電素子9Kは、断面が凹状の曲面として半楕円形に形成され、吐出孔23Kが半楕円形の中央に形成されている。圧電素子9Kの凹状の曲面は、吐出孔23Kの孔軸延長線上に指向している。
【実施例3】
【0146】
したがって、圧電素子9Kが振動すると、上記同様に微小バブルを発生させると共に、孔軸上へ向かう振動波を形成し、発生した微小バブルを半楕円形に応じて吐出孔23Kの孔軸上に集め易くすると共に、孔軸方向に推進力を付与することができる。
【実施例3】
【0147】
圧電素子9J、9Kとしては、上記種々のものを適用でき、圧電素子9J、9Kに代えて吐出孔を備えた金属板とし、この金属板を振動発生部により振動させる構成にすることもできる。吐出孔も、複数形成することができる。
【実施例4】
【0148】
図45~図47は、本発明の実施例4に係り、吐出孔から吐出される微小バブルに外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部を設けた構造を示す概略構成図である。
【実施例4】
【0149】
図45の構造では、圧電素子9Lの吐出孔23Lから吐出される微小バブルに吐出口23Lの吐出方向前方で外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部35を設けた。外力付与部35は、超音波37をレンズ39及びホーン41で集束させ、強力超音波として微小バブルに照射し、バブル直径の微細化を行う。
【実施例4】
【0150】
図46の構造も、圧電素子9Mの吐出孔23Mから吐出される微小バブルに吐出口23Mの吐出方向前方で外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部35Mを設けた。外力付与部35Mは、電界発生部43による電界の印加でバブル直径の微細化を行う。
【実施例4】
【0151】
図47の構造も、圧電素子9Nの吐出孔23Nから吐出される微小バブルに吐出口23Nの吐出方向前方で外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部35Nを設けた。外力付与部35Nは、局部放電部45による局部放電でバブル直径の微細化を行う。
【実施例4】
【0152】
その他、外力付与部は微小バブルを微細化できれば良く、微小バブルの噴出経路に設置された微小な水車による切断、集音板で集束させた強力超音波の照射による微細化など、種々の構造を適用することができる。
【実施例4】
【0153】
そして、均一な粒径で一定の繰り返し周波数で噴出された微小バブルを外部からの水流の吹き付け・電界の印加・液中気泡の局部放電・バブルの噴出経路に設置された微小な水車による切断や外部から水中でホーンやレンズ・集音板で集束させた強力超音波の照射により、バブル直径の更なる微細化を選択的に制御して形成することができる。また、液中気泡の局部放電により、微小バブル中へのイオン活性種の導入ができる。
【符号の説明】
【0154】
1 微小バブル発生装置
3、3C、3D、3E、3F、3G、3H、3I、3P、3Q、3R、3S 微小吐出孔ノズル
3Pa 針状ノズル
9、9A、9B、9C、9D、9G、9H、9I、9J、9K、9L、9M、9N、9P、9Q、9R、9S 圧電素子(板状体、振動発生部)
9E 振動発生部(板状体)
9Ea 電磁コイル
9Eb 磁石
9F インパルス放電部(振動発生部)
11 ガス供給源(ガス圧設定部)
15 電圧発生部(振動発生制御部)
17Ea 電磁コイル(振動発生部)
17Eb 磁石(板状体、振動発生部)
19、19C、19E、19F、19P、19Q、19R、19S 金属板(板状体)
19Ea内プレート(板状体)
21 金属箔
23、23A、23B、23C、23D、23E、23F、23G、23H、23I、23J、23K、23L、23M、23N、23P、23Q、23R、23S 吐出孔
23Sa 貫通孔
23Sb 多孔質体
25 堆積物
33 補助振動発生部
35、35M 外力付与部
T1 針状工具
T2 針状ねじ工具
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図15】
6
【図18】
7
【図19】
8
【図20】
9
【図22】
10
【図23】
11
【図24】
12
【図25】
13
【図26】
14
【図27】
15
【図28】
16
【図29】
17
【図30】
18
【図31】
19
【図32】
20
【図33】
21
【図36】
22
【図37】
23
【図38】
24
【図39】
25
【図40】
26
【図41】
27
【図42】
28
【図43】
29
【図44】
30
【図45】
31
【図46】
32
【図47】
33
【図7】
34
【図8】
35
【図9】
36
【図10】
37
【図11】
38
【図12】
39
【図13】
40
【図14】
41
【図16】
42
【図17】
43
【図21】
44
【図34】
45
【図35】
46