CN111617654A - 微小气泡产生设备、微小气泡产生方法和含微小气泡液体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微小气泡产生设备、微小气泡产生方法和含微小气泡液体。本发明提供了一种能够有效地产生微小气泡的微小气泡产生设备。本发明包括：流体流路，该流体流路在其至少一部分中包括狭窄部；能够加热流过该流体流路的液体的加热部；以及控制该加热部的控制单元。所述控制单元控制加热部在液体中产生沸腾膜以产生超微气泡。

Description

微小气泡产生设备、微小气泡产生方法和含微小气泡液体

技术领域

本发明涉及一种用于产生直径在1mm至小于1μm范围内的微小气泡的微小气泡产生设备和微小气泡产生方法，以及一种含微小气泡的液体。

背景技术

近年来，已经开发出用于应用微小气泡(例如直径为毫米大小的毫米气泡、直径为微米大小的微米气泡和直径为纳米大小的纳米气泡)的特征的技术。尤其是在各个领域中，已经确认了直径小于1.0μm的超微气泡(以下也称为“UFB”)的实用性。

日本专利申请公报No.2018﹣118175公开了一示例，其中在洗衣机中安装在通过流路的液体中产生微小气泡的设备。所公开的气泡产生设备的示例使用了气蚀方法，该方法通过迅速降低液体压力来产生微小气泡。除了气蚀方法，还可以使用加压溶解方法、高速涡旋液体流动方法、微孔方法、气液两相涡旋流动方法等。

然而，在日本专利申请公报No.2018﹣118175中描述的任何类型的设备都存在产生微小气泡的效率低的问题。

发明内容

本发明包括一种流体流路，其包括：位于流体流路的至少一部分中的狭窄部；能够加热流过该流体流路的液体的加热部；以及控制该加热部的控制单元，其中控制单元控制加热部在液体中产生膜沸腾从而产生超微气泡。

根据本发明，可以提供一种能有效地产生微小气泡的微小气泡产生设备。

根据以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得显而易见。

附图说明

图1是示出第一实施例中的微小气泡产生设备的基本结构的图；

图2是预处理单元的示意性结构图；

图3A和图3B是溶解单元的示意性结构图和用于描述液体中溶解状态的图；

图4是T﹣UFB产生单元的概略构造图；

图5A和图5B是用于描述加热元件的细节的图；

图6A和6B是用于描述加热元件上的膜沸腾状态的图；

图7A至图7D是示出由膜沸腾气泡的膨胀引起的UFB的产生状态的图；

图8A至图8C是示出由膜沸腾气泡的收缩引起的UFB的产生状态的图；

图9A至图9C是示出由液体的再加热引起的UFB的产生状态的图；

图10A和图10B是示出由膜沸腾产生的气泡消失而造成的冲击波引起的UFB的产生状态的图；

图11A至图11C是示出后处理单元的结构示例的图；

图12是示出第一实施例的UFB设备的特征的示意性结构图；

图13是示出微小气泡产生设备的控制系统的示意性结构的框图；

图14是第二实施例中的微小气泡产生设备的示意性结构图；

图15是第三实施例的微小气泡产生设备的示意性结构图；

图16是第四实施例的微小气泡产生设备的示意性结构图；

图17是第五实施例的微小气泡产生设备的示意性结构图；

图18是第六实施例的微小气泡产生设备的示意性结构图；

图19是第七实施例的微小气泡产生设备的示意性结构图；

图20是第八实施例的微小气泡产生设备的示意性结构图；

图21是第九实施例的微小气泡产生设备的示意性结构图；

图22是第十实施例的微小气泡产生设备的示意性结构图；

图23是第十一实施例的微小气泡产生设备的示意性结构图；和

图24是第十二实施例的微小气泡产生设备的示意性结构图。

具体实施方式

【第一实施例】

(UFB产生设备的基本构造)

图1是表示适用于本发明的微小气泡产生设备的示例的图。图1所示的微小气泡产生设备是能够产生直径小于1μm的高浓度的超微气泡作为微小气泡的超微气泡产生设备(UFB产生设备)的示例。本实施例的UFB产生设备1包括预处理单元100、溶解单元200、T﹣UFB产生单元300、后处理单元400和收集单元500。每个单元以上述顺序对供应到预处理单元100的诸如自来水之类的液体W进行独特处理，并且如此处理的液体W被收集单元500收集为含T﹣UFB液体。下面描述这些单元的功能和构造。

图2是预处理单元100的示意性结构图。本实施例的预处理单元100对所供应的液体W进行脱气处理。预处理单元100主要包括脱气容器101、喷淋头102、减压泵103、液体引入通道104、液体循环通道105和排液通道106。例如，诸如自来水的液体W被从液体引入通道104经由阀109供应到脱气容器101。在该处理中，设置在脱气容器101中的喷淋头102在脱气容器101内喷出液体W的雾。喷淋头102用于促进液体W气化。但是，也可以使用离心机等代替作为产生气化促进效果的机构。

当在脱气容器101中保留一定量的液体W，然后在关闭所有阀的情况下启动减压泵103时，已经气化的气体成分被排出并且允许促进溶解在液体W中的气体成分被气化且排出。在该过程中，可以在检查压力计108的同时将脱气容器101的内部压力减压至数百至数千Pa(1.0Torr至10.0Torr)。要被预处理单元100去除的气体例如包括氮气、氧气、氩气、二氧化碳等。

通过利用液体循环通道105，可以对相同的液体W重复进行上述脱气处理。具体而言，在液体引入通道104的阀109和排液通道106的阀110关闭而液体循环通道105的阀107打开的情况下操作喷淋头102。这允许保留在脱气容器101中并且已然脱气的液体W从喷淋头102再次喷入脱气容器101中。另外，在操作减压泵103的情况下，对相同的液体W反复进行由喷淋头102实施的气化处理和减压泵103实施的脱气处理。每次重复实施利用液体循环通道105的上述处理，可以分阶段减少液体W中所含的气体成分。一旦获得脱气至期望纯度的液体W，就在阀110打开的情况下通过排液通道106将液体W转移至溶解单元200。

图2示出了用于使气体部分减压以使溶质气化的脱气单元100；然而，使溶液脱气的方法不限于此。例如，可以采用使液体W沸腾以使溶质气化的加热沸腾法，或者使用中空纤维来增加液体和气体之间的界面的膜脱气方法。SEPAREL系列(由DIC公司生产)作为使用中空纤维的脱气模块以商业形式提供。SEPAREL系列使用聚(4﹣甲基戊烯﹣1)(PMP)作为中空纤维的原料，并且用于从主要供应给压电头的墨等中去除气泡。另外，可以一起使用抽真空法、加热沸腾法和膜脱气法中的两种以上。

图3A和3B是溶解单元200的示意性构造图和用于描述液体中的溶解状态的图。溶解单元200是用于将期望的气体溶解到从预处理单元100供应的液体W中的单元。本实施例的溶解单元200主要包括溶解容器201、设置有旋转板202的旋转轴203、液体引入通道204、气体引入通道205、排液通道206和加压泵207。

从预处理单元100供应的液体W通过液体引入通道204被供应并保留在溶解容器201中。同时，气体G通过气体引入通道205被供应到溶解容器201。

一旦预定量的液体W和气体G被保留在溶解容器201中，则启动加压泵207以将溶解容器201的内部压力增加到大约0.5MPa。在加压泵207与溶解容器201之间配置有安全阀208。通过旋转轴203使液体内的旋转板202旋转，供应至溶解容器201的气体G转化为气泡，气体G和液体W之间的接触面积增加，以促进溶解到液体W中。继续进行此操作，直到气体G的溶解度几乎达到最大饱和溶解度为止。在这种情况下，可以设置用于降低液体温度以尽可能多地溶解气体的单元。当气体的溶解度低时，也可以将溶解容器201的内部压力增加到0.5Mpa或更高。在这种情况下，为了安全起见，容器的材料等需要优化。

一旦获得其中溶解有期望浓度的气体G的成分的液体W，液体W就通过排液通道206排出并被供应到T﹣UFB产生单元300。在该处理中，背压阀209调节液体W的流动压力，以防止在供应期间压力过度增加。

图3B是示意性地示出了导入溶解容器201中的气体G的溶解状态的图。含有导入液体W中的气体G的成分的气泡2从与液体W接触的部分溶解。气泡2因此逐渐收缩，然后在气泡2周围出现溶解有气体的液体3。由于气泡2受到浮力影响，因此气泡2可以移动到远离溶解有气体的液体3的中心的位置或从溶解有气体的液体3中分离出来而成为残留气泡4。具体而言，在通过排液通道206供应到T﹣UFB产生单元300的液体W中，混合有被溶解有气体的液体3包围的气泡2、彼此分离的气泡2和溶解有气体的液体3。

附图中的溶解有气体的液体3表示“液体W的一区域，在该区域中混合的气体G的溶解浓度相对较高”。在实际溶解在液体W中的气体成分中，溶解有气体的液体3中的气体成分的浓度在气泡2周围的部分处最高。在溶解有气体的液体3与气泡2分离的情况下，溶解有气体的液体3的气体成分的浓度在该区域的中心处最高，并且浓度随着远离中心而连续降低。即，尽管为了说明起见，在图3中用虚线包围溶解有气体的液体3的区域，但实际上并不存在这样的明确边界。另外，在本发明中，可以接受不能完全溶解的气体以气泡的形式存在于液体中。

图4是T﹣UFB产生单元300的示意性构造图。T﹣UFB产生单元300主要包括腔室301、液体引入通道302和排液通道303。从液体引入通道302经腔室301流至排液通道303的流动由未示出的流量泵形成。可以将包括隔膜泵、齿轮泵和螺杆泵的各种泵用作流量泵。在从液体引入通道302引入的液体W中，混合有由溶解单元200导入的气体G的溶解有气体的液体3。

在腔室301的底部部分布置有具有加热元件10的元件基板12。在对加热元件10施加预定电压脉冲的情况下，在与加热元件10接触的区域中产生通过膜沸腾产生的气泡13(以下也称为膜沸腾气泡13)。然后，由于膜沸腾气泡13的膨胀和收缩而产生了含有气体G的超微气泡(UFB)11。结果，从排液通道303排出含有许多UFB 11的含有UFB的液体W。

图5A和图5B是用于示出加热元件10的详细构造的图。图5A示出了加热元件10的特写图，图5B示出了包括加热元件10的元件基板12的更宽区域的截面图。

如图5A所示，在本实施例的元件基板12中，将作为蓄热层的热氧化膜305和也用作蓄热层的层间膜306层压在硅基板304的表面上。SiO₂膜或SiN膜可以用作层间膜306。电阻层307形成在层间膜306的表面上，并且布线308部分地形成在电阻层307的表面上。可以将Al、Al﹣Si、Al﹣Cu等的Al合金布线用作布线308。在布线308、电阻层307和层间膜306的表面上形成由SiO₂膜或Si₃N₄膜制成的保护层309。

在保护层309的表面的一部分上和该部分周围形成用于保护保护层309免受由电阻层307发热引起的化学和物理冲击的抗气蚀膜310，所述部分对应于最终成为加热元件10的热作用部分311。电阻层307的表面上的未形成布线308的区域是电阻层307发热的热作用部分311。电阻层307的未形成布线308的加热部用作加热元件(加热器)10。如上所述，通过半导体生产技术在硅基板304的表面上依次形成元件基板12中的各层，因此在硅基板304上提供热作用部分311。

附图中示出的构造是示例，并且各种其他构造是适用的。例如，电阻层307和布线308的层叠顺序相反的构造、以及电极连接到电阻层307的下表面的构造(所谓的插塞电极结构)是适用的。换句话说，如后所述，可以采用任何构造，只要该构造允许热作用部分311加热液体以在液体中产生膜沸腾即可。

图5B是包括与元件基板12中的布线308连接的电路的区域的截面图的示例。N型阱区322和P型阱区323被部分地设置在作为P型导体的硅基板304的顶层中。在常规MOS工艺中，通过离子注入等引入和扩散杂质，在N型阱区322中形成P﹣MOS 320，在P型阱区323中形成N﹣MOS 321。

P﹣MOS 320包括通过在N型阱区322的顶层中部分引入N型或P型杂质而形成的源极区325和漏极区326、栅极布线335等。栅极布线335沉积在N型阱区322的顶表面的除了源极区325和漏极区326之外的一部分上，其中，厚度为数百

的栅极绝缘膜328介于N型阱区322的顶表面与栅极布线335之间。

N﹣MOS 321包括通过在P型阱区323的顶层中部分引入N型或P型杂质而形成的源极区325和漏极区326、栅极布线335等。栅极布线335沉积在P型阱区323的顶表面的除了源极区325和漏极区326之外的一部分上，其中厚度为数百

的栅极绝缘膜328介于P型阱区323的顶表面与栅极布线335之间。栅极布线335由通过CVD法沉积的厚度为

至

的多晶硅制成。由P﹣MOS 320和N﹣MOS 321构成C﹣MOS逻辑。

在P型阱区323中，用于驱动电热转换元件(热阻元件)的N﹣MOS晶体管330形成在与包括N﹣MOS 21的部分不同的部分上。N﹣MOS晶体管330包括栅极布线333、通过杂质的引入和扩散步骤而部分地设置在P型阱区323的顶层中的源极区332和漏极区331等。栅极布线333沉积在P型阱区323的顶表面的除了源极区332和漏极区331之外的一部分上，其中，栅极绝缘膜328插入在P型阱区323的顶表面与栅极布线333之间。

在该示例中，N﹣MOS晶体管330用作用于驱动电热转换元件的晶体管。然而，用于驱动的晶体管不限于N﹣MOS晶体管330，并且可以使用任何晶体管，只要该晶体管具有单独驱动多个电热转换元件的能力并且可以实现上述精细构造即可。尽管在该示例中，电热转换元件和用于驱动电热转换元件的晶体管形成在同一基板上，但是它们可以分别形成在不同的基板上。

通过在元件之间(例如在P﹣MOS 320与N﹣MOS 321之间以及在N﹣MOS 321与N﹣MOS晶体管330之间)进行厚度为

至

的场氧化而形成氧化膜分离区域324。氧化膜分离区域324将元件分离。氧化膜分离区域324的与热作用部分311相对应的部分用作蓄热层334，该蓄热层334是硅基板304上的第一层。

通过CVD方法在诸如P﹣MOS 320、N﹣MOS 321和N﹣MOS晶体管330之类的元件的每个表面上形成包括厚度约为

的PSG膜、BPSG膜等的层间绝缘膜336。在通过热处理使层间绝缘膜336平坦之后，在穿过层间绝缘膜336和栅极绝缘膜328的接触孔中形成作为第一布线层的Al电极337。在层间绝缘膜336和Al电极337的表面上，通过等离子体CVD法形成包括厚度为

至

的SiO₂膜的层间绝缘膜338。在层间绝缘膜338的表面上，通过共溅射法在对应于热作用部分311和N﹣MOS晶体管330的部分上形成包括厚度为约

的TaSiN膜的电阻层307。电阻层307经由形成在层间绝缘膜338中的通孔在漏极区域331附近与Al电极337电连接。在电阻层307的表面上，形成作为针对每个电热转换元件的布线的第二布线层的Al布线308。电阻层307、层间绝缘膜338和布线308的表面上的保护层309包括通过等离子体CVD法形成的厚度为

的SiN膜。沉积在保护层309的表面上的抗气蚀膜310包括厚度约为

的薄膜，该薄膜是选自Ta、Fe、Ni、Cr、Ge、Ru、Zr、Ir等的至少一种金属。可以应用除上述TaSiN以外的各种材料，例如TaN、CrSiN、TaAl、WSiN等，只要该材料可以在液体中产生膜沸腾即可。

图6A和6B是示出当将预定电压脉冲施加到加热元件10时膜沸腾的状态的图。在这种情况下，描述在大气压下产生膜沸腾的情况。在图6A中，横轴表示时间。下部曲线图中的纵轴表示施加到加热元件10的电压，上部曲线图中的纵轴表示由膜沸腾产生的膜沸腾气泡13的体积和内部压力。另一方面，图6B示出了与图6A所示的定时1至3相关联的膜沸腾气泡13的状态。下面按时间顺序描述每种状态。如后所述，通过膜沸腾产生的UFB 11主要在膜沸腾气泡13的表面附近产生。图6B所示的状态是以下状态：将由产生单元300产生的UFB 11通过循环路径200重新供应到溶解单元200，将含有UFB 11的液体重新供应到产生单元300的液体通道，如图1所示。

在将电压施加到加热元件10之前，在腔室301中基本上保持大气压。一旦将电压施加到加热元件10，在与加热元件10接触的液体中会产生膜沸腾，由此产生的气泡(在下文中称为膜沸腾气泡13)通过从内部作用的高压而膨胀(定时1)。在该过程中的起泡压力预计为约8至10MPa，该值接近水的饱和蒸气压。

施加电压的时间(脉冲宽度)在0.5μsec至10.0μsec左右，并且即使在施加电压之后，在定时1所获得的压力的惯性也使膜沸腾气泡13膨胀。然而，由膨胀产生的负压在膜沸腾气泡13的内部逐渐增加，并且负压在使膜沸腾气泡13收缩的方向上起作用。过一会儿，当惯性力和负压平衡时在定时2膜沸腾气泡13的体积变为最大，此后膜沸腾气泡13在负压的作用下迅速收缩。

在膜沸腾气泡13消失时，膜沸腾气泡13不在加热元件10的整个表面上消失，而是在一个或多个极小的区域内消失。因此，在加热元件10上，在膜沸腾气泡13消失的极小区域，产生比定时1起泡时更大的力(定时3)。

每次向加热元件10施加电压脉冲时，都会重复如上所述的膜沸腾气泡13的产生、膨胀、收缩和消失，并且每次都会产生新的UFB 11。

参照图7A至图10B进一步详细描述在膜沸腾气泡13的产生、膨胀、收缩和消失的每个过程中UFB 11的产生状态。

图7A至图7D是示意性地示出由膜沸腾气泡13的产生和膨胀引起的UFB 11的产生的状态的图。图7A示出了向加热元件10施加电压脉冲之前的状态。混合有溶解有气体的液体3的液体W在腔室301内流动。

图7B示出了向加热元件10施加电压，并且在加热元件10与液体W接触的几乎整个区域中均匀地产生膜沸腾气泡13的状态。在施加电压时，加热元件10的表面温度以10℃/sec的速度急剧上升。在温度达到约300℃的时间点发生膜沸腾，从而产生膜沸腾气泡13。

此后，在施加脉冲期间，加热元件10的表面温度保持升高到大约600℃至800℃，并且膜沸腾气泡13周围的液体也被迅速加热。在图7B中，将在膜沸腾气泡13周围并且将被迅速加热的液体的区域表示为尚未起泡高温区域14。尚未起泡高温区域14内的溶解有气体的液体3超过了热溶解极限并且被汽化而成为UFB。这样汽化的气泡具有约10nm至100nm的直径和大的气﹣液界面能。因此，气泡独立地漂浮在液体W中而不会在短时间内消失。在本实施例中，将通过从膜沸腾气泡13的产生到膨胀的热作用而产生的气泡称为第一UFB 11A。

图7C示出了膜沸腾气泡13膨胀的状态。即使在电压脉冲施加到加热元件10之后，膜沸腾气泡13也由于其产生获得的力的惯性而继续膨胀，并且尚未起泡高温区域14也由于惯性而移动和扩散。具体地，在膜沸腾气泡13的膨胀过程中，尚未起泡高温区域14内的溶解有气体的液体3作为新的气泡汽化并成为第一UFB 11A。

图7D示出了膜沸腾气泡13具有最大体积的状态。当膜沸腾气泡13由于惯性而膨胀时，膜沸腾气泡13内部的负压随着该膨胀而逐渐增加，并且负压起到使膜沸腾气泡13收缩的作用。当负压和惯性力平衡时，膜沸腾气泡13的体积最大，然后开始收缩。

图8A至图8C是示出由膜沸腾气泡13的收缩引起的UFB11的产生状态的图。图8A示出了膜沸腾气泡13开始收缩的状态。尽管膜沸腾气泡13开始收缩，但是周围的液体W在膨胀方向上仍然具有惯性力。因此，在远离加热元件10的方向上作用的惯性力和由膜沸腾气泡13的收缩引起的朝向加热元件10的力作用在极其靠近膜沸腾气泡13 的周围区域中，并且该区域减压。该区域在附图中表示为尚未起泡负压区域15。

尚未起泡负压区域15内的溶解有气体的液体3超过压力溶解极限并且被汽化而成为气泡。如此汽化的气泡具有约100nm的直径，并且此后独立地漂浮在液体W中而不在短时间内消失。在本实施例中，在膜沸腾气泡13的收缩期间通过压力作用而汽化的气泡被称为第二UFB 11B。

图8B示出了膜沸腾气泡13的收缩过程。通过负压来加速膜沸腾气泡13的收缩速度，并且尚未起泡负压区域15也随着膜沸腾气泡13的收缩而移动。具体地，在膜沸腾气泡13的收缩过程中，尚未起泡负压区域15的一部分内的溶解有气体的液体3逐次析出并成为第二UFB 11B。

图8C示出了在膜沸腾气泡13即将消失之前的状态。尽管通过膜沸腾气泡13的加速收缩，周围液体W的移动速度也增加了，但是由于室301中的流路阻力会发生压力损失。结果，尚未起泡负压区域15所占据的区域进一步增大，并且产生了多个第二UFB 11B。

图9A至图9C是示出在膜沸腾气泡13的收缩期间通过液体W的再加热而产生UFB的状态的图。图9A示出了加热元件10的表面被收缩的膜沸腾气泡13覆盖的状态。

图9B示出了膜沸腾气泡13的收缩已经进行并且加热元件10的一部分表面与液体W接触的状态。在这种状态中，在加热元件10的表面留有热量，即使液体W与表面接触，热量也不足以引起膜沸腾。在附图中将通过与加热元件10的表面接触而加热的液体区域表示为尚未起泡再加热区域16。尽管未进行膜沸腾，但是尚未起泡再加热区域16内的溶解有气体的液体3超过热溶解极限并汽化。在本实施例中，将在膜沸腾气泡13的收缩期间通过液体W的再加热而产生的气泡称为第三UFB 11C。

图9C示出膜沸腾气泡13进一步收缩的状态。膜沸腾气泡13越小，加热元件10与液体W接触的区域越大，并且产生第三UFB 11C 直到膜沸腾气泡13消失。

图10A和图10B是示出由膜沸腾产生的膜沸腾气泡13消失的冲击(一种气蚀)引起的UFB的产生状态的图。图10A示出了在膜沸腾气泡13即将消失之前的状态。在这种状态中，膜沸腾气泡13因内部负压而迅速收缩，并且尚未起泡负压区域15包围膜沸腾气泡13。

图10B示出了膜沸腾气泡13在点P处消失之后的即时状态。当膜沸腾气泡13消失时，由于消失的冲击，声波从作为起点的点P同心波动。声波是通过任何物体(不管是气体、液体还是固体)传播的弹性波的总称。在本实施例中，作为液体W的高压面17A和低压面17B的液体W的压缩波交替传播。

在这种情况下，尚未起泡负压区域15内的溶解有气体的液体3因膜沸腾气泡13消失所产生的冲击波而共振，溶解有气体的液体3超过了压力溶解极限并且在低压表面17B通过的定时发生相变。具体地，在膜沸腾气泡13消失的同时，许多气泡在尚未起泡负压区域15中汽化。在该实施例中，由膜沸腾气泡13消失引起的冲击波产生的气泡被称为第四UFB11D。

由膜沸腾气泡13的消失引起的冲击波所产生的第四UFB 11D在极狭窄的薄膜状区域中在极短的时间内(1μS或更短)突然出现。直径远远小于第一至第三UFB，并且气﹣液界面能高于第一至第三UFB。因此，认为第四UFB 11D具有与第一至第三UFB 11A至11C不同的特性并且产生不同的效果。

另外，在冲击波传播的同心球的区域的许多部分中均匀地产生第四UFB 11D，并且第四UFB 11D从其产生开始均匀地存在于腔室301中。尽管在产生第四UFB 11D的定时已经存在许多第一至第三UFB，但是第一至第三UFB的存在不会极大地影响第四UFB 11D的产生。还认为第一至第三UFB不会由于第四UFB 11D的产生而消失。

如上所述，期望通过加热元件10的发热在从膜沸腾气泡13的产生到消失的多个阶段中产生UFB 11。在由膜沸腾产生的膜沸腾气泡的表面附近产生第一UFB 11A、第二UFB11B、第三UFB 11C。在这种情况下，附近指距膜沸腾气泡的表面约20μm以内的区域。当气泡消失时，在冲击波传播通过的区域中产生第四UFB 11D。尽管以上示例示出了直至膜沸腾气泡13消失的阶段，但是产生UFB的方式不限于此。例如，在气泡消失之前，通过所产生的膜沸腾气泡13与大气连通，即使膜沸腾气泡13未达到消失，也能够产生UFB。

接下来，描述了UFB的其余特性。液体的温度越高，气体成分的溶解性越低，温度越低，气体成分的溶解性越高。换句话说，随着液体温度的升高，促进了溶解气体成分的相变并且UFB的产生变得更容易。液体的温度与气体的溶解度成反比关系，超过饱和溶解度的气体随着液体温度升高而转变为气泡并出现在液体中。

因此，当液体的温度从常温快速升高时，溶解性不停地降低，并且开始产生UFB。随着温度的升高，热溶解性降低，并且产生许多UFB。

相反，当液体的温度从常温降低时，气体的溶解性增加，并且产生的UFB更容易被液化。然而，这样的温度远低于常温。另外，由于一旦产生UFB就具有较高的内部压力和较大的气-液界面能，即使当液体的温度降低时，施加足够高的压力以破坏这种气-液界面的可能性也很小。换句话说，只要将液体存储在常温常压下，一旦产生UFB就不会轻易消失。

在该实施例中，参照图7A至图7C描述的第一UFB 11A和参照图9A至图9C描述的第三UFB 11C被描述为通过利用气体的这种热溶解性而产生的UFB。

另一方面，在液体压力与溶解性之间的关系中，液体压力越高，气体的溶解性越高，并且压力越低，溶解性越低。换句话说，随着液体的压力降低，促进了在液体中溶解的溶解有气体的液体向气体的相变，并且更容易产生UFB。一旦液体的压力变得低于常压，溶解性就会不停降低，并且开始产生UFB。随着压力降低，压力溶解性降低，并且产生许多UFB。

相反，在液体的压力增加到高于常压的情况下，气体的溶解性增加，并且产生的UFB更容易被液化。但是，该压力远高于大气压。另外，由于一旦产生UFB就具有较高的内部压力和较大的气-液界面能，即使在液体压力增加的情况下，施加足够高的压力来破坏这种气-液界面的可能性也很小。换句话说，只要将液体存储在常温常压下，一旦产生UFB就不会轻易消失。

在该实施例中，参照图8A至图8C描述的第二UFB 11B和参照图10A至图10B描述的第四UFB 11D可以描述为通过利用气体的这种压力溶解性而产生的UFB。

上文分别描述了由不同原因产生的第一至第四UFB；但是，上述产生原因与膜沸腾同时发生。因此，可以同时产生第一至第四UFB的至少两种类型，并且这些产生原因可以协作以产生UFB。应当注意，由膜沸腾现象产生的膜沸腾气泡的体积变化引起的所有产生原因都是常见的。在本说明书中，通过利用如上所述由快速加热引起的膜沸腾来产生UFB的方法被称为热超微气泡(T﹣UFB)产生方法。另外，将通过T﹣UFB产生方法产生的UFB称为T﹣UFB，将通过T﹣UFB产生方法产生的含有T﹣UFB的液体称为含T﹣UFB液体。

通过T﹣UFB产生方法产生的气泡几乎全部为1.0μm或更小，并且不太可能产生毫米气泡和微米气泡。即，T﹣UFB产生方法可以显著有效地产生UFB。另外，通过T﹣UFB产生方法产生的T﹣UFB具有比常规方法产生的UFB更大的气﹣液界面能，并且T﹣UFB只要在常温常压下存储就不会轻易消失。此外，即使通过新的膜沸腾产生了新的T﹣UFB，也可以防止由于新产生的影响而使已经产生的T﹣UFB消失。即，可以说含T﹣UFB液体中所含的T﹣UFB的数量和浓度具有滞后性，这取决于在含T﹣UFB液体中进行膜沸腾的次数。换句话说，可以通过控制设置在T﹣UFB产生单元300中的加热元件的数量和施加给加热元件的电压脉冲的数量来调节包含在含T﹣UFB液体中的T﹣UFB的浓度。

再次参考图1。一旦在T﹣UFB产生单元300中产生具有期望的UFB浓度的含T﹣UFB液体W，则将含UFB液体W供应至后处理单元400。

图11A至11C是示出本实施例的后处理单元400的构造示例的图。本实施例的后处理单元400从含UFB液体W中分阶段按照无机离子、有机物质和不溶性固体物质的顺序去除杂质。

图11A示出了去除无机离子的第一后处理机构410。第一后处理机构410包括交换容器411、阳离子交换树脂412、液体引入通道413、收集管414和排液通道415。交换容器411存储阳离子交换树脂412。由T﹣UFB产生单元300产生的含UFB液体W通过液体引入通道413注入交换容器411中并被吸附到阳离子交换树脂412中，从而去除了作为杂质的阳离子。这些杂质包括从T﹣UFB产生单元300的元件基板12剥离的金属材料，例如SiO₂、SiN、SiC、Ta、Al₂O₃、Ta₂O₅和Ir。

阳离子交换树脂412是将官能团(离子交换基团)引入具有三维网络的高聚物基体中的合成树脂，并且合成树脂的外观是约0.4mm至0.7mm的球形颗粒。一般的高聚合物基体是苯乙烯﹣二乙烯基苯共聚物，官能团可以是例如甲基丙烯酸系和丙烯酸系的官能团。然而，以上材料是示例。只要该材料可以有效地去除期望的无机离子，上述材料就可以改变为各种材料。吸附在阳离子交换树脂412中以去除无机离子的含UFB液体W由收集管414收集，并通过排液通道415转移至下一步骤。在本实施例的该处理中，并非需要去除在从液体引入通道413供应的含UFB液体W中包含的所有无机离子，只要至少一部分无机离子被去除即可。

图11B示出了去除有机物质的第二后处理机构420。第二后处理机构420包括存储容器421、滤清过滤器422、真空泵423、阀424、液体引入通道425、排液通道426和空气抽吸通道427。存储容器421的内部被滤清过滤器422分成上下两个区域。液体引入通道425连接到上下两个区域中的上方区域，空气抽吸通道427和排液通道426连接到其下方区域。一旦在阀424关闭的状态下驱动真空泵423，则存储容器421中的空气通过空气抽吸通道427排出以使储存容器421内部的压力为负压，之后从液体引入通道425引入含UFB液体W。然后，将由滤清过滤器422去除了杂质的含UFB液体W保留在存储容器421中。

被滤清过滤器422去除的杂质包括可在管或每个单元处混合的有机材料，例如包括硅的有机化合物、硅氧烷和环氧树脂。可用于滤清过滤器422的过滤器膜包括可去除细菌的亚微米目过滤器(网眼直径为1μm或更小的过滤器)和可去除病毒的纳米目过滤器。具有如此微小的开口直径的滤清过滤器可以去除大于过滤器开口直径的气泡。特别地，可能存在以下情况：过滤器被吸附到过滤器的开口(网孔)上的微小气泡堵塞，这会减慢过滤速度。然而，如上所述，通过本发明的本实施例中说明的T﹣UFB产生方法产生的大多数气泡的直径为1μm或更小，并且不太可能产生毫米气泡和微米气泡。即，由于产生毫米气泡和微米气泡的可能性极低，因此能够抑制由于气泡吸附到过滤器而导致的过滤速度降低。因此，将具有网孔直径为1μm或更小的过滤器的滤清过滤器422应用于具有T﹣UFB产生方法的系统是有利的。

可适用于该实施例的过滤的示例可以是所谓的死端过滤和错流过滤。在死端过滤中，所供应的液体的流动方向与通过过滤器开口的过滤液体的流动方向相同，具体而言，使流动方向彼此一致。相反，在错流过滤中，所供应的液体沿过滤器表面的方向流动，具体而言，所供应的液体的流动方向和通过过滤器开口的过滤液体的流动方向彼此交叉。为了抑制气泡吸附到过滤器开口，优选进行错流过滤。

在存储容器421中保留了一定量的含UFB液体W之后，真空泵423停止并且阀424被打开，以将存储容器421中的含T﹣UFB液体通过排液通道426转移到下一个步骤。尽管在此采用真空过滤法作为去除有机杂质的方法，但是例如也可以采用重力过滤法和加压过滤作为使用过滤器的过滤法。

图11C示出了去除不溶性固体物质的第三后处理机构430。第三后处理机构430包括沉淀容器431、液体引入通道432、阀433和排液通道434。

首先，在阀433关闭的状态下，通过液体引入通道432将预定量的含UFB液体W保留在沉淀容器431中，并且将其放置一会儿。同时，含UFB液体W中的固体物质由于重力而沉淀到沉淀容器431的底部上。在含UFB液体中的气泡中，相对较大的气泡(如微米气泡)通过浮力上升到液体表面，并且也从含UFB液体中除去。在经过足够长的时间后，打开阀433，从中去除了固体物质和大气泡的含UFB液体W通过排液通道434转移到收集单元500。在本实施例中示出了依次应用三个后处理机构的示例；然而不限于此，并且可以改变三个后处理机构的顺序，或者可以采用至少一个所需的后处理机构。

再次参考图1。通过后处理单元400去除了杂质的含T﹣UFB液体W可以直接转移到收集单元500，或者可以再次放回溶解单元200。在后一种情况下，由于T﹣UFB的产生而降低的含T﹣UFB液体W的气体溶解浓度可以通过溶解单元200再次被补偿为饱和状态。如果在补偿之后由T﹣UFB产生单元300产生新的UFB，就可以进一步增加具有上述特性的含T﹣UFB液体中所含的UFB的浓度。也就是说，可以凭借循环通过溶解单元200、T﹣UFB产生单元300和后处理单元400的循环次数来增加所包含的UFB的浓度，并且可以在获得包含的UFB的预定浓度之后将含UFB液体W转移到收集单元500。本实施例示出了将由后处理单元400处理的含UFB液体送回至溶解单元200并循环的方式；然而不限于此，例如在通过T﹣UFB产生单元之后的含UFB液体可以在被供应至后处理单元400之前再次放回到溶解单元200，使得在通过多次循环增加T﹣UFB浓度之后通过后处理单元400实施后处理。

收集单元500收集并保存从后处理单元400转移的含UFB液体W。由收集单元500收集的含T﹣UFB液体是移除了各种杂质的具有高纯度的含UFB液体。

在收集单元500中，可以通过执行过滤处理的某些阶段根据T﹣UFB的大小对含UFB液体W进行分类。由于期望通过T﹣UFB方法获得的含T﹣UFB液体W的温度高于常温，因此收集单元500可以设置有冷却单元。冷却单元可以被设置到后处理单元400的一部分。

上文给出了UFB产生设备1的示意性描述；然而不用说，可以改变图示的多个单元，并且不需要准备所有的单元。取决于所使用的液体W和气体G的类型以及所产生的含T﹣UFB液体的预期用途，可以省略上述单元的一部分，或者除上述单元之外可以添加另一个单元。

例如，当UFB要包含的气体是大气时，可以省略作为预处理单元100的脱气单元和溶解单元200。另一方面，当期望UFB包含多种气体时，可以添加另一个溶解单元200。

如图11A至11C所示的用于去除杂质的单元可以设置在T﹣UFB产生单元300的上游或者可以设置在其上游和下游。当要供应给UFB产生设备的液体是自来水、雨水、污水等时，液体中可能包含有机和无机杂质。如果将这样的包含杂质的液体W供应至T﹣UFB产生单元300，则存在使加热元件10劣化并引起盐析现象的危险。利用如图11A至11C所示设置在T﹣UFB产生单元300上游的机构可以预先去除上述杂质。

在以上描述中，包括控制设备，该控制设备控制在每个上述单元中的包括阀、泵等的致动器部分，并且该控制设备用于根据用户的设置执行UFB产生控制。在以下实施例中描述由控制设备进行的UFB产生控制。

<<可用于含T﹣UFB液体的液体和气体>>

现在，描述可用于产生含T﹣UFB液体的液体W。在该实施例中可用的液体W例如是纯水、离子交换水、蒸馏水、生物活性水、磁性活性水、洗剂、自来水、海水、河水、清洁水和污水、湖水、地下水、雨水等等。也可以使用包含上述液体等的混合液体。也可以使用包含水和可溶性有机溶剂的混合溶剂。与水混合而使用的可溶性有机溶剂没有特别限制；然而，以下可以是其具体示例。碳数为1至4的烷基醇基团，包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇和叔丁醇。酰胺基团包括N﹣甲基﹣2﹣吡咯烷酮、2﹣吡咯烷酮、1,3﹣二甲基﹣2﹣咪唑啉酮、N,N﹣二甲基甲酰胺和N,N﹣二甲基乙酰胺。酮基团或酮醇基团包括丙酮和双丙酮醇。环状醚基团包括四氢呋喃和二恶烷。二醇基团包括乙二醇、1,2﹣丙二醇、1,3﹣丙二醇、1,2﹣丁二醇、1,3﹣丁二醇、1,4﹣丁二醇、1,5﹣戊二醇、1,2﹣己二醇、1,6﹣己二醇、3﹣甲基﹣1,5﹣戊二醇、二甘醇、三甘醇和硫代二甘醇。多元醇的低级烷基醚基团包括乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、二甘醇单甲醚、二甘醇单乙醚、二甘醇单丁醚、三甘醇单甲醚、三甘醇单乙醚和三甘醇单丁醚。聚亚烷基二醇基团包括聚乙二醇和聚丙二醇。三醇基团包括甘油、1,2,6﹣己三醇和三羟甲基丙烷。这些可溶性有机溶剂可以单独使用一种，也可以一起使用两种以上。

可以引入到溶解单元200中的气体组分是例如氢、氦、氧、氮、甲烷、氟、氖、二氧化碳、臭氧、氩、氯、乙烷、丙烷、空气等。气体组分可以是包含上述成分中的一些的混合气体。另外，溶解单元200不需要溶解气态物质，并且溶解单元200可以将包含期望组分的液体或固体融合到液体W中。在这种情况下，溶解可以是自发溶解，施加压力引起的溶解，或由于水合、离子化和电解解离引发的化学反应导致的溶解。

《T﹣UFB产生方法的效果》

接下来，通过与传统的UFB产生方法比较来描述上述T﹣UFB产生方法的特性和效果。例如，在以文丘里(Venturi)法为代表的传统的气泡产生设备中，在流路的一部分中设有诸如减压喷嘴的机械减压结构。液体以预定压力流动通过减压结构，并且在减压结构的下游区域中产生各种尺寸的气泡。

在这种情况下，在产生的气泡中，由于较大的气泡(如毫米气泡和微米气泡)受到浮力的影响，因此这些气泡上升到液面并消失。即使不受浮力影响的UFB也可能随毫米气泡和微米气泡消失，这是因为UFB的气液界面能不是很大。另外，即使上述减压结构串联布置，并且相同的液体重复地流过减压结构，也不能长时间存储与重复次数相对应的数量的UFB。换句话说，通过传统的UFB产生方法产生的含UFB液体难以长时间地将所含有的UFB的浓度维持在预定值。

相比之下，在利用膜沸腾的该实施例的T﹣UFB产生方法中，在极其靠近加热元件的部分局部发生从常温到约300℃的快速温度变化和从常压到约几兆帕的快速压力变化。加热元件是矩形，其一条边为大约数十至数百微米。它大约是传统UFB产生单元大小的1/10至1/1000。另外，在膜沸腾气泡表面的极薄膜区域内的溶解有气体的液体瞬时(在几微秒以下的极短时间内)超过热溶解极限或压力溶解极限的情况下，发生相变并且溶解有气体的液体析出为UFB。在这种情况下，几乎不产生相对较大的气泡，例如毫米气泡和微米气泡，并且液体包含纯度极高的直径为约100nm的UFB。此外，由于以这种方式产生的T﹣UFB具有足够大的气﹣液界面能，因此在正常环境下T﹣UFB不容易破裂并且可以长时间保存。

特别地，本发明利用能够在液体中局部形成气体界面的膜沸腾现象，可以在不影响整个液体区域的情况下在靠近加热元件的液体的一部分中形成界面，并且热和压力作用的区域能够极其局部。结果，可以稳定地产生期望的UFB。通过液体循环对于产生液进一步赋予产生UFB的更多条件，可以另外产生新的UFB而对已经制成的UFB影响很小。结果，可以相对容易地生产期望尺寸和浓度的UFB液体。

此外，由于T﹣UFB产生方法具有上述滞后性质，可以在保持高纯度的同时将浓度增加到所需浓度。换句话说，根据T﹣UFB产生方法，可以有效地产生高纯度和高浓度的可长期储存的含UFB液体。

<<含T﹣UFB液体的具体用途>>

一般而言，含超微气泡液体的应用以含有气体的类型来区分。只要可以将大约PPM至BPM的气体量溶解在液体中，任何类型的气体都可以制成UFB。例如，含超微气泡液体可用于以下用途。

﹣含空气的含UFB液体可优选用于工业、农业和渔业以及医疗现场等的清洁，以及植物、农业和渔业产品的栽培。

﹣含臭氧的含UFB液体不仅可以优选地用于工业、农业和渔业，医疗现场等的清洁应用，而且例如还可以用于消毒、杀菌、去污、以及排水系统和受污染土壤的环境清理。

﹣含氮的含UFB液体不仅可以优选地用于工业、农业和渔业以及医疗现场等的清洁应用，而且例如还可以用于消毒、杀菌、去污、以及排水系统和受污染土壤的环境清理。

﹣含氧的含UFB液体可优选用于工业、农业和渔业以及医疗现场等的清洁应用，以及植物、农业和渔业产品的栽培。

﹣含二氧化碳的含UFB液体不仅可优选用于工业、农业和渔业以及医疗现场等的清洁应用，而且还可用于消毒、杀菌和净化。

﹣含有作为医用气体的全氟化碳的含UFB液体可优选用于超声诊断和治疗。如上所述，含UFB液体可以在医学、化学、牙科、食品、工业、农业和渔业等的各个领域中发挥作用。

在每种应用中，包含在含UFB液体中的UFB的纯度和浓度对于快速且可靠地发挥含UFB液体的作用是至关重要的。换句话说，通过利用该实施例的T﹣UFB产生方法，可以在各个领域中期待空前的效果，该方法能够产生具有高纯度和期望浓度的含UFB液体。以下是期望可优选应用T﹣UFB产生方法和含T﹣UFB液体的应用列表。

(A)液体净化应用

﹣通过将T﹣UFB产生单元设置于水净化单元，期望提高水净化效果和PH调节液的提纯效果。T﹣UFB产生单元还可以被提供给碳酸水服务器。

﹣通过将T﹣UFB产生单元设置于加湿器、香气扩散器、咖啡机等，期望增强室内的加湿效果、除臭效果和气味扩散效果。

﹣如果产生了其中由溶解单元溶解了臭氧气体的含UFB液体并且将其用于牙科治疗、烧伤治疗和使用内窥镜的伤口治疗，则预期增强医疗清洁效果和消毒效果。

﹣在将T﹣UFB产生单元设置于公寓的储水箱中的情况下，期望增强长时间储存的饮用水的水净化作用和除氯作用。

﹣如果将含有臭氧或二氧化碳的含T﹣UFB液体用于不能进行高温巴氏杀菌处理的日本清酒、烧酒、葡萄酒等的酿造过程中，则预期比利用常规液体更有效的巴氏杀菌处理。

﹣如果在用于特定健康用途的食品和具有功能要求的食品的生产过程中将含UFB液体混入食材中，则可以进行巴氏杀菌处理，因此可以提供安全的功能性食品而不会损失味道。

﹣通过将T﹣UFB产生单元设置于在诸如鱼和珍珠的水产养殖地中用于养殖的海水和淡水的供应路线，预期促使水产产卵和生长。

﹣通过将T﹣UFB产生单元设置于用于食品保存的水的净化过程中，预期改进食品的保存状态。

﹣通过在漂白单元中设置T﹣UFB产生单元以用于漂白池水或地下水，预期获得更高的漂白效果。

﹣通过使用含T﹣UFB液体来修复混凝土构件的裂缝，预期提高裂缝修复的效果。

﹣通过在用于使用液体燃料的机器(例如汽车、船舶和飞机)的液体燃料中包含T﹣UFB，预期提高燃料的能效。

(B)清洁应用

近年来，含UFB液体作为用于去除附着在衣物上的污垢等的清洁水而受到关注。如果将以上实施例中描述的T﹣UFB产生单元设置于洗衣机，并且将比传统液体具有更高纯度和更好渗透性的含UFB液体供应给洗涤桶，则预期进一步增强去污力。

﹣通过将T﹣UFB产生单元设置于淋浴器和便盆洗涤器，不仅对包括人体在内的各种动物具有清洁作用，而且还具有促进去除浴室和便盆水渍和霉菌污染的效果。

﹣通过将T﹣UFB产生单元设置于汽车的窗户清洗器、用于清洗壁构件等的高压清洗器、汽车清洗器、洗碗机、食物清洗器等，预期进一步增强其清洁效果。

﹣通过将含T﹣UFB液体用于工厂中生产零件的清洁和维护，包括压制后的去毛刺步骤，预期提高清洁效果。

﹣在半导体元件的生产中，如果将含T﹣UFB液体用作晶片的抛光水，则预期提高抛光效果。另外，如果在抗蚀剂去除步骤中使用含T﹣UFB液体，则促进难以剥离的抗蚀剂的剥离。

﹣通过T﹣UFB产生单元设置于用于清洁和净化医疗机器(例如医疗机器人、牙科治疗单元、器官保存容器等)的机器，预期增强机器清洁效果和净化效果。T﹣UFB产生单元也可用于动物的治疗。

上文描述了通过使用T﹣UFB产生方法的微小气泡产生设备产生高浓度和高纯度的UFB作为微小气泡的示例。注意，使用T﹣UFB方法的微小气泡产生设备不限于上述产生高浓度和高纯度的UFB的微小气泡产生设备，并且可以用作产生诸如毫米气泡和微米气泡的其它气泡以及UFB的微小气泡产生设备。

图12是示出了微小气泡产生设备1A的示意性构造的图，该微小气泡产生设备1A通过使用T﹣UFB方法以预定的UFB浓度产生UFB，不仅能够有效地产生UFB而且还能够产生不同直径尺寸的微小气泡(毫米气泡和微米气泡)。

微小气泡产生设备1A包括流体流路30，从图外的液体供应源通过液体供应流路29供应的液体(例如，水)流过该流体流路30。流体流路30包括连接到液体供应源的引入流路31、共用流路32、狭窄流路33、共用流路34、排放流路35、回流流路36和排出流路37。

引入流路31的上游侧端部部分通过形成为三通阀的引入阀51连接到液体供应流路29和回流流路36。引入流路31的下游侧的端部部分与矩形箱状的共用流路32连接。共用流路32与具有矩形流路截面的窄流路33连接。图12中的箭头f指示液体在流路中的流动方向。在下面的描述中，基于由箭头f指示的液体的流动方向，前侧被称为下游侧，而后侧被称为上游侧。

在狭窄流路33的侧部形成具有曲面的流路截面面积连续变化的部分，在曲面部分中间形成有流路截面面积最小的狭窄部33a。在狭窄流路33的曲面部分中，位于狭窄部33a的上游的部分的面积朝向下游侧减小，位于狭窄部33a的下游的部分的面积朝向下游侧连续增大。

狭窄流路33的下游侧端部部分与矩形箱状的共用流路34联接。共用流路34的下游侧端部部分与排放流路35联接。排放流路35通过形成为三通阀的排放阀52与回流流路36和排出流路37连接。回流流路36与引入阀51联接。回流流路36与泵38联接，用于使液体沿箭头f所示的方向在回流流路36中流动。

位于狭窄流路33的狭窄部33a上游的部分与将气体引入狭窄流路33中的气体引入流路40的一个端部部分相连。气体引入流路40的另一端部部分连接至未示出的用于供应气体的泵，并且从泵输送的气体通过气体引入流路40流入狭窄流路33。

在狭窄部33a中，布置有元件基板8，该元件基板8设置有包括多个能够加热液体的加热元件(加热器、电热转换元件)7的加热部7G。另外，在狭窄部33a中设置有测量单元5000(图13)，该测量单元5000测量狭窄部33a中的液体的体积与液体中包含的气体的体积之比(以下称为空隙率)。

接下来，参照图13描述本实施例中的微小气泡产生设备1A的控制系统的示意性构造。在图13中，控制单元1000包括CPU 1001、ROM 1002、RAM 1003等等。CPU 1001用作对整个微小气泡产生设备1A进行集中控制的控制单元。ROM 1002存储由CPU 1001执行的控制程序、预定表以及其他固定数据。RAM 1003包括用于临时存储各种输入数据的区域、用于执行CPU 1001的处理的工作区域等。操作显示单元6000包括：设置单元6001，其用作允许用户执行用于设置UFB的浓度、UFB产生时间等的各种操作的设置单元；以及作为显示单元的显示单元6002，其显示产生含UFB液体所需的时间和设备状态。控制单元1000控制加热元件驱动单元2000。加热元件驱动单元2000将与从CPU 1001输出的控制信号相对应的驱动脉冲施加到多个加热元件7中的每个。根据施加的驱动脉冲的电压、频率、脉冲宽度等，每个加热元件7发热并利用热量加热与加热元件7接触的液体。因此，通过加热元件驱动单元2000以及控制加热元件驱动单元2000的CPU 1001来控制加热元件对液体的加热。

另外，控制单元1000控制驱动诸如引入阀51和排放阀52之类的阀的阀驱动电路3000、驱动泵38的泵驱动电路4000等。指示由测量单元5000测量的空隙率的信号被输入到控制单元1000。

在具有上述构造的微小气泡产生设备1A中，一旦液体供应流路29和引入流路31通过引入阀51相互连通，则从液体供应源供应的液体通过液体供应流路29和引入阀51流入引入流路31。在引入流路31中流动的液体通过共用流路32流入狭窄流路33。在此过程中，随着液体通过狭窄部33a，在狭窄流路33中流动的液体的流速增加但其压力减小。这种现象被称为伯努利原理。

然后，气体从与狭窄部33a的上游侧相联接的气体引入流路40流入狭窄流路33。在狭窄流路33中流动的气体和液体在液体中产生气泡。在该过程中，液体中产生的许多气泡是相对较大的气泡，其外径大于毫米气泡的外径。此后，随着液体穿过狭窄部33a，液体中包含的气泡破裂成更细的气泡。已知通过适当地设定通过狭窄部33a的气体与液体的存在比例(空隙率)和通过狭窄部33a的流体的流量来实现气泡的破裂。从狭窄部33a的上游侧流过狭窄流路33的气泡所产生的破碎气泡具有从纳米到微米的大粒径范围，通常，产生许多微米大小的气泡(微米气泡)。

在本实施例的微气泡产生设备1A中，设置有包括多个加热元件(加热器(电热转换元件))7的加热部7G，以使在通过狭窄流路33的狭窄部33a的液体中产生膜沸腾。通过控制加热元件驱动单元2000的CPU 1001精确控制由每个加热元件7产生的纳米大小气泡(UFB)的量(每单位液体量的气泡数)。

具体地，可以通过控制从加热元件驱动单元2000施加到加热元件7的电压脉冲(驱动脉冲)的电压、频率和脉冲宽度来控制由每个加热元件7产生的UFB的量。另外，还可以通过控制在设置在加热部7G中的多个加热元件中要使用的加热元件的数量或施加电压脉冲的加热元件的数量来控制气泡的产生量。因此，通过控制要使用的加热元件7的数量和施加到加热元件7的电压脉冲的频率，可以精确地控制在加热部7G中产生的气泡的产生量(UFB的数量)。

如上所述，在本实施例中，可以控制比微米气泡更细小的UFB的产生量，因此，可以更精确地控制通过狭窄流路33的流体的空隙率。即，能够基于由从气体引入流路40流动的气体产生的气泡和由加热部7G产生的微小的UFB而准确地确定狭窄部33a中的空隙率。这使得可以促使在液体通过狭窄流路33时发生的气泡破裂，并且流入狭窄部33a中的气泡破裂成具有更小粒径的气泡。例如，由从气体引入流路40流动的气体产生的相对较大的气泡在通过狭窄部33a的同时破裂成粒径较小的气泡(例如微米气泡)。在狭窄部33a中流动的微米气泡破裂成UFB。通过由在加热元件7处的膜沸腾产生的UFB进一步结合这样破裂的气泡，可以有效地产生具有从纳米到微米的大粒径范围的气泡。

还可以根据施加到加热部7G中的加热元件7的驱动脉冲的电压和脉冲宽度以及布置在加热元件7和元件基板8之间的绝缘层，通过加热元件7产生直径大于UFB的直径的气泡。例如，通过与在产生UFB的情况中相比使用电压或脉冲宽度更大的驱动脉冲施加在加热元件上，可以产生直径大于UFB的直径的气泡。另外，通过使设置在加热元件7和元件基板8之间的绝缘层的厚度形成为比确定用于产生UFB的绝缘层的厚度厚，可以产生粒径比UFB的粒径大的气泡。

因此，还可以通过加热部7G中的一部分加热电阻元件7来产生粒径比UFB的粒径大的气泡，同时通过加热电阻元件7的另一部分来产生UFB。这使得可以将由加热部7G产生的UFB和具有相对较大直径的气泡与从流自气体引入流路40的气体产生的气泡混合。

即，可以通过控制施加到加热电阻元件7的驱动脉冲的电压和脉冲宽度中的至少一个来控制通过狭窄流路33的流体的空隙率。另外，通过从具有不同厚度的绝缘层的加热元件7中选择要驱动的加热元件，可以控制通过狭窄流路33的流体的空隙率。

因此，通过控制流过狭窄流路33的流体的空隙率，可以有效地产生纳米级至微米级的气泡。

如上所述，已通过狭窄部33a的液体包含由从气体引入流路40流动的气体产生的气泡破裂产生的气泡和由加热元件7产生的UFB的混合。由于上述破裂，液体中包含的除UFB之外的大多数气泡变成微米气泡。包含这样微小气泡的液体流入共用流路34。在排放流路35通过排放阀52与排出流路37连通的情况下，在共用流路34中流动的液体通过排放流路35、排放阀52和排出流路37排出到外部。

还可以通过在排放阀52和引入阀51之间切换来形成循环流路(封闭流路)，以允许在共用流路34中流动的液体再次通过排放流路35、回流流路36、引入流路31和共用流路32流入狭窄流路33中。液体在该循环路径中的循环使得可以允许液体包含更多的微小气泡。在该过程中，可以通过利用设置在狭窄部33a中的测量单元5000测量狭窄部33a中的空隙率并根据测量值控制加热元件7的驱动和停止或来自气体引入流路40的气体的流动和中断，来更适当地设置狭窄部33a中的空隙率。

通过基于测量单元5000的测量结果控制流入引入流路31中的液体的量，可以控制狭窄部33a中的流体的流量，这也使得可以控制狭窄部33a中的空隙率。

(第二实施例)

接下来，参考图14描述本发明的第二实施例。与包括加热部7G的元件基板8布置在狭窄流路33的狭窄部33a中的上述第一实施例相比，本实施例中的元件基板8被布置在狭窄部33a的上游，这一点与上述第一实施例不同。该构造的其他部分与上述第一实施例类似，并且控制狭窄流路33中的空隙率的方法也与第一实施例中的类似。

由于狭窄流路33中的狭窄部33a是狭窄流路33中的最小区域，因此限制了元件基板8的尺寸形状，并且还限制了加热元件7的数量。为此，像本实施例那样，通过将元件基板8布置在狭窄部33a上游的相对较宽的区域中，可以布置设置有更多加热元件7并且尺寸形状更大的元件基板8。可以产生更多的UFB或粒径比UFB更大的气泡，并使得这样产生的气泡流入狭窄流路33。因此，在这个实施例中也可以有效地产生具有宽范围的粒径分布的含微小气泡的液体。

(第三实施例)

接下来，参考图15描述本发明的第三实施例。在该实施例中，包括加热部7G的元件基板8布置在狭窄流路33的狭窄部33a的下游。在图15中，对于与第一实施例相同或对应的部分，标注相同的附图标记并省略重复说明。

众所周知，在狭窄部33a的下游侧的流体的压力上升期间，在狭窄流路33中流动的气泡破裂成更细小。然而，如果液体中的气泡仅简单地通过狭窄流路，则气泡破裂的位置根据气泡大小而变化，并且粒径分布和气泡的量也变化。为此，在该实施例中，加热元件7布置在狭窄部33a的下游并且被驱动以在液体中产生气泡，而且在发泡期间液体压力的变化触发流自气体引入流路40的气泡破裂。由于元件基板8被固定在狭窄流路33中，因此通过狭窄部33a的气泡在狭窄流路33中的相同位置处破裂。结果，气泡可以破裂而获得相同的粒径分布和相同的数量。另外，由于根据加热元件7的驱动还产生UFB，可以产生具有较宽粒径分布范围的含微气泡的液体，其具有这样产生的UFB以及粒径分布相同且数量相同的均匀破裂气泡。

(第四实施例)

接下来，参考图16描述本发明的第四实施例。

上述第一至第三实施例示出了在狭窄流路33内布置一个元件基板8的示例。相比之下，根据本实施例的微小气泡产生设备1A具有这样的构造，在所述构造中，均设有加热部7G的多个元件基板8分别布置在位于狭窄流路33的狭窄部33a上游的部分中、狭窄部33a中以及位于狭窄部33a下游的部分中。

在本实施例中，首先，布置在狭窄部33a中的加热元件7产生UFB或大于UFBs的气泡，并且基于产生的气泡大致设定空隙率。然后，如第二实施例所述，加热部7G布置在狭窄部33a的上游，以精细地控制空隙率。另外，如在第三实施例中所述，加热元件7的起泡触发通过狭窄部33a的气泡破裂。因此，通过驱动布置在狭窄部33a及其上游和下游的加热部7G，可以更有效地产生粒径分布范围广的含微小气泡的液体。

(第五实施例)

接下来，参照图17描述本发明的第五实施例。上述第一实施例示出了气体引入流路40在狭窄部33a上游的位置与狭窄流路33联接的示例。相比于此，在本实施例的构造中，气体引入流路40在形成有狭窄部33a的位置与狭窄流路33联接。在图17中，与第一实施例相同或相对应的部分用相同的附图标记表示。

狭窄流路33的狭窄部33a的内部的压力低于大气压(负压)。因此，在气体引入流路40的一个端部部分与狭窄部33a联接且另一端部部分(大气连接部分)的开口向大气开放的情况下，狭窄部33a中的负压允许从气体引入流路40将外界空气引入狭窄流路33。即，不需要如第一实施例那样将用于供应气体的诸如泵的动力源与气体引入流路40相连接，因此可以减小设备的尺寸。在该实施例中，也可以在狭窄部33a的下游侧将由引入狭窄部33a中的空气产生的气泡破裂成微小气泡。因此，可以有效地产生具有宽粒径分布范围的含微小气泡的液体，其具有破裂的微小气泡和由加热元件7的驱动而产生的UFB。

(第六实施例)

接下来，参照图18描述本发明的第六实施例。

在本实施例中，气体引入流路40与位于狭窄部33a的下游的部分联接，构造的其他部分与第一实施例的构造相同。

在本实施例中，与第一实施例一样，可以使流体循环，其中包含由通过气体引入流路40供应的气体产生的气泡的液体从狭窄流路33流到共用流路34中，之后，通过泵38将液体再次供应到狭窄流路33。在这种情况下，从气体引入流路40流动的气体产生的粒径较大的气泡通过狭窄部33a，因此可以将气泡破裂成更细的气泡。因此，可以像第一实施例一样有效地产生具有宽粒径分布范围的含微小气泡的液体。

如果在狭窄部33a的上游侧或在形成有狭窄部33a的位置上难以形成用于使得气体引入流路40与狭窄流路33相联的空间，则能够将气体引入流路40与下游侧相联，在下游侧上可以形成相对较宽的空间，如本实施例一样。如果采用使液体循环的构造，则气体引入流路40可以与除狭窄流路33之外的部分联接。例如，也可以将气体引入流路40与类似共用流路34的具有宽空间的部分相联。

(第七实施例)

接下来，参照图19描述本发明的第七实施例。

在本实施例的构造中，并联的两条狭窄流路33与共用流路32、34相联。两条狭窄流路33如第一实施例一样均设置有包括加热部7G的元件基板8和气体引入流路40。这种构造可以提高UFB和其他微小气泡的产生效率。通过半导体制造技术在硅晶片上生成包括加热部7G的元件基板8。通过在硅晶片上施加感光性树脂并进行多次曝光和显影，可以生成狭窄流路。

(第八实施例)

接下来，参照图20描述本发明的第八实施例。在图20中，与第一实施例相同或相对应的部分由相同的附图标记表示并且省略多余描述。

在该实施例中，通过将多条狭窄流路33串联连接以将它们与共用流路32和34连接而形成狭窄流路列，并联布置多个(在这种情况下为四个)狭窄流路列。在图20中，33A至33D表示对应的狭窄流路列。在本实施例的狭窄流路列33A至33D中的每一列中，元件基板8和气体引入流路40仅设置在沿液体的流动方向f位于最上游侧的狭窄流路33中。

根据本实施例，在每个狭窄流路列33A至33D中，液体依序通过狭窄流路，其中狭窄部33a彼此串联连接。在这种情况下，每当液体通过狭窄流路列33A至33D时，发生气泡破裂，因此可以产生微小气泡。此外，由于存在并联设置的多个狭窄流路列，因此在每个狭窄流路列33A至33D中可以产生粒径范围宽的多个微小气泡。这使得可以更快且更有效地产生具有宽范围粒径分布的气泡。

如在图7的示例中所述，通过半导体制造技术在硅晶片上生成加热电阻元件7和基板8，并且可以通过在硅晶片上施加感光性树脂并进行多次曝光和显影来生成每个狭窄流路列。因此，可以像本实施例那样容易地生成多个狭窄流路列。

(第九实施例)

图21示出了本发明的第九实施例。在该实施例中，在上述第八实施例中描述的每条狭窄流路列33A至33D中，串联连接的多条狭窄流路33均设置有包括加热部7G的元件基板8和气体引入流路40。

在本实施例中，在每个狭窄流路33的狭窄部33a中设置有元件基板8。注意的是，可以与第二至第四实施例相同，在除了狭窄部33a以外的位置中布置元件基板8。在同一狭窄流路列中，元件基板8可以取决于狭窄流路33而布置在不同的位置。同样地，与第五实施例和第六实施例相同，可以布置气体引入流路40，并且在同一狭窄流路列中，气体引入流路40可以取决于狭窄流路33而布置在不同的位置。

根据本实施例，在每个狭窄流路列33A至33D中，液体通过彼此串联连接的狭窄流路。然后，每当液体通过狭窄流路列33A至33D时，进行气泡破裂和UFB的产生。这使得可以更有效地产生微小气泡。另外，由于并联设置有多个狭窄流路列，因此在各狭窄流路列33A至33D中可以更有效地产生宽粒径范围的多个微小气泡。

(第十实施例)

图22示出了本发明的第十实施例。上述第一至第九实施例示出了将狭窄流路33的流路截面形成为矩形的示例。相比之下，在本实施例中，狭窄流路33形成为具有绕预定中心轴线旋转对称的形状。即，本实施例中的狭窄流路33的流路截面形成为圆形。狭窄部33a的流路截面的面积在狭窄流路33中最小。在狭窄部33a中布置有元件基板8，元件基板8包括具有多个加热元件7的加热部7G。用于引入气体的气体引入流路40与狭窄部33a的上游侧联接。在本实施例中，元件基板的布置位置和气体引入流路40的布置位置也不受限制，例如可以将它们与上述的第二实施例至第六实施例相同地布置。因此，在该实施例中预期与第一实施例类似的效果。尽管没有具体示出，但是也可以具有这样的构造，其中，通过驱动泵等，使得供应到共用流路34的液体再次流入狭窄流路33。

(第十一实施例)

图23示出了本发明的第十一实施例。在该实施例中，通过将第十实施例中描述的狭窄流路33串联连接以使得它们与共用流路32和34连接而形成狭窄流路列，多个(在这种情况下为四个)狭窄流路列并联布置。在图23中，33A至33D表示对应的狭窄流路列。在各狭窄流路列33A至33D中，串联连接的多条狭窄流路33均设有包括加热部7G的元件基板8和气体引入流路40。

尽管在该实施例中在狭窄流路33的狭窄部33a中设置了元件基板8，但是也可以如第二至第四实施例一样将元件基板8布置在除狭窄部33a之外的位置。另外，在同一狭窄流路列中，元件基板8和气体引入流路40可以取决于狭窄流路33而布置在不同的位置。

在具有上述构造的本实施例中，可以预期与第九实施例类似的效果。如在第九和第十实施例中的描述，可以通过在硅晶片上施加感光性树脂并进行多次曝光和显影来生成共用流路34和狭窄流路33。可替代地，可以通过诸如3D打印机的堆叠型制造设备来形成狭窄流路列33A至33D。可以通过布置用半导体制造技术在硅晶片上生成的产品来制造加热部7G和元件基板8。

(第十二实施例)

接下来，在图24中示出了本发明的第十二实施例。在该实施例中，在狭窄流路33中形成以预定间隔彼此面对的突出部分33e和33f。每个突出部分都具有平坦的右侧表面和左侧表面以及平坦的顶部表面和底部表面。突出部分33e和33f形成孔形式的狭窄部33a。在使用形成有这样的狭窄部33a的狭窄流路33的情况下，也期望与上述实施例基本相似的效果。

(其他实施例)

尽管在上述第三至第五和第七至第十二实施例中没有特别提及，但是在这些实施例中也可以形成循环流路(闭合流路)，循环流路允许从排放流路35流动的液体返回到狭窄流路33，与第一实施例一样。具体而言，也可以具有如下结构：能够选择性地形成开放流路和循环流路(闭合流路)，开放流路用于排出通过了狭窄部33a和加热部7G的液体，循环流路允许液体重复流过狭窄部33a和加热部7G。由此，通过调整从加热部7G产生的UFB的产生，能够使狭窄部33a的空隙率得以优化，并且能够更有效地使得通过狭窄部33a的液体破裂。

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等效的结构和功能。

Claims (15)

1.一种微小气泡产生设备，包括：

流体流路，其在所述流体流路的至少一部分中包括狭窄部；

加热部，其能够加热流经所述流体流路的液体；和

控制单元，其控制所述加热部，其中

所述控制单元控制所述加热部在液体中产生膜沸腾，从而产生超微气泡。

2.根据权利要求1所述的微小气泡产生设备，其中，

所述控制单元控制由所述加热部产生的超微气泡的量，以调节通过所述狭窄部的液体的体积与所述液体中所含气体的体积之比。

3.根据权利要求1或2所述的微小气泡产生设备，还包括：

气体引入流路，其将气体引入所述流体流路，其中

所述气体引入流路与形成有所述狭窄部的位置和基于流经所述流体流路的流体的流动方向位于所述狭窄部上游的位置中的至少一个位置相联。

4.根据权利要求3所述的微小气泡产生设备，其中，

所述气体引入流路被联接成允许大气被引入所述狭窄部。

5.根据权利要求1或2所述的微小气泡产生设备，其中，

在所述流体流路中布置有多个加热部。

6.根据权利要求1或2所述的微小气泡产生设备，其中，

所述加热部布置在基于流过所述流体流路的液体的流动方向位于所述狭窄部上游的位置和形成所述狭窄部的位置中的至少一个位置中。

7.根据权利要求1或2所述的微小气泡产生设备，其中，

所述加热部基于流过所述流体流路的液体的流动方向设置在所述狭窄部下游的位置，并且

所述控制单元控制通过所述加热部产生超微气泡，以促使通过所述狭窄部的流体中所含的气体破裂。

8.根据权利要求1或2所述的微小气泡产生设备，其中，

所述流体流路包括回流流路，所述回流流路使所述狭窄部的下游侧上的液体回流至所述狭窄部的上游侧。

9.根据权利要求1或2所述的微小气泡产生设备，其中，

所述狭窄部形成为包括连续的曲面。

10.根据权利要求1或2所述的微小气泡产生设备，其中，

所述狭窄部形成为包括平坦表面。

11.根据权利要求1或2所述的微小气泡产生设备，其中，

在所述流体流路中以预定间隔形成有多个狭窄部，并且

所述加热部对应于所述多个狭窄部中的至少一个狭窄部布置。

12.根据权利要求1或2所述的微小气泡产生设备，其中，

在所述流体流路中，至少所述狭窄部的流路截面形成为矩形。

13.根据权利要求1或2所述的微小气泡产生设备，其中，

在所述流体流路中，至少所述狭窄部的流路截面形成为圆形。

14.一种含微小气泡的液体，其由根据权利要求1或2所述的微小气泡产生设备产生。

15.一种微小气泡产生方法，包括：

通过加热部加热流过流体流路的液体，所述流体流路在所述流体流路的至少一部分中包括狭窄部；以及

控制所述加热部在所述液体中产生膜沸腾，从而产生超微气泡。

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