JP2020138153A - 微細バブル生成装置、微細バブル生成方法、及び微細バブルの含有液 - Google Patents

Abstract

【課題】微細なバブルを効率的に生成することが可能な微細バブル生成装置の提供。【解決手段】少なくとも一部に狭窄部３３ａを有する流体流路３３と、流体流路を流動する液体を加熱可能な発熱部７Ｇと、発熱部による液体を制御する制御手段と、を備える。制御手段は、液体に膜沸騰を生じさせてウルトラファインバブルを生成させるように発熱部を制御する。【選択図】図１２

Description

本発明は、直径が１ｍｍ〜１μｍ未満の微細バブルの生成装置、微細バブルの生成方法、および微細バブル含有液に関するものである。

近年、直径がミリメートルサイズのミリバブル、直径がマイクロメートルサイズのマイクロバブル、および直径がナノメートルサイズのナノバブル等の微細なバブルの特性を応用する技術が開発されてきている。特に、直径が１．０μｍ未満のウルトラファインバブル（Ｕｌｔｒａ Ｆｉｎｅ Ｂｕｂｂｌｅ；以下、「ＵＦＢ」ともいう）については、その有用性が様々な分野において確認されている。

特許文献１には、流路を通過する液体の中に微細なバブルを生成する装置を洗濯機に搭載する例が開示されている。バブルを発生させる装置としては、液体の圧力を急激に低下させることによって微細気泡を発生させるキャビテーション方式を用いる例が開示されている。また、キャビテーション方式以外の方式として、加圧溶解方式、高速旋回液流方式、微細孔方式、気液二相流旋回方式なども挙げられている。

特開２０１８−１１８１７５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたいずれの方式の装置にあっても、微細なバブルの生成効率が低いという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、微細なバブルを効率的に生成することが可能な微細バブル生成装置の提供を目的とする。

本発明は、少なくとも一部に狭窄部を有する流体流路と、前記流体流路を流動する液体を加熱可能な発熱部と、前記発熱部を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記液体に膜沸騰を生じさせてウルトラファインバブルを生成させるように前記発熱部を制御することを特徴とする。

本発明によれば、微細なバブルを効率的に生成することが可能な微細バブル生成装置を提供することができる。

第１の実施形態における微細バブル生成装置の基本構成を示す図である。 図１に示した前処理ユニットの概略構成図である。 図１に示した溶解ユニットの概略構成図及び液体の溶解状態を説明するための図である。 図１に示したＴ−ＵＦＢ生成ユニットの概略構成図である。 図１に示した発熱素子の詳細を説明するための図である。 発熱素子における膜沸騰の様子を説明するための図である。 膜沸騰泡の膨張に伴ってＵＦＢが生成される様子を示す図である。 膜沸騰泡の収縮に伴ってＵＦＢが生成される様子を示す図である。 液体の再加熱によってＵＦＢが生成される様子を示す図である。 膜沸騰で生成される泡の消泡時の衝撃波によってＵＦＢが生成される様子を示す図である。 図１に示した後処理ユニットの構成例を示す図である。 第１の実施形態におけるＵＦＢ装置の特徴を示す概略構成図である。 微細バブル生成装置の制御系の概略構成を示すブロック図である。 第２の実施形態における微細バブル生成装置の概略構成図である。 第３の実施形態における微細バブル生成装置の概略構成図である。 第４の実施形態における微細バブル生成装置の概略構成図である。 第５の実施形態における微細バブル生成装置の概略構成図である。 第６の実施形態における微細バブル生成装置の概略構成図である。 第７の実施形態における微細バブル生成装置の概略構成図である。 第８の実施形態における微細バブル生成装置の概略構成図である。 第９の実施形態における微細バブル生成装置の概略構成図である。 第１０の実施形態における微細バブル生成装置の概略構成図である。 第１１の実施形態における微細バブル生成装置の概略構成図である。 第１２の実施形態における微細バブル生成装置の概略構成図である。

［第１の実施形態］
（ＵＦＢ生成装置の基本構成）
図１は、本発明に適用可能な微細バブル生成装置の一例を示す図である。ここに示す微細バブル生成装置は、微細バブルとして、直径１μｍ以下のウルトラファインバブルを高濃度に生成することが可能なウルトラファインバブル生成装置（ＵＦＢ生成装置）の一例を示す図である。本実施形態のＵＦＢ生成装置１は、前処理ユニット１００、溶解ユニット２００、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００、後処理ユニット４００、及び回収ユニット５００を含む。前処理ユニット１００に供給された水道水などの液体Ｗは、上記の順番で各ユニット固有の処理が施され、Ｔ−ＵＦＢ含有液として回収ユニット５００で回収される。以下、各ユニットの機能及び構成について説明する。

図２は、前処理ユニット１００の概略構成図である。本実施形態の前処理ユニット１００は、供給された液体Ｗに対し脱気処理を行う。前処理ユニット１００は、主に、脱器容器１０１、シャワーヘッド１０２、減圧ポンプ１０３、液体導入路１０４、液体循環路１０５、液体導出路１０６を有する。例えば水道水のような液体Ｗは、バルブ１０９を介して、液体導入路１０４から脱気容器１０１に供給される。この際、脱気容器１０１に設けられたシャワーヘッド１０２が、液体Ｗを霧状にして脱気容器１０１内に噴霧する。シャワーヘッド１０２は、液体Ｗの気化を促すためのものであるが、気化促進効果を生み出す機構としては、遠心分離器なども代替可能である。

ある程度の液体Ｗが脱器容器１０１に貯留された後、全てのバルブを閉じた状態で減圧ポンプ１０３を作動させると、既に気化している気体成分が排出されるとともに、液体Ｗに溶解している気体成分の気化と排出も促される。この際、脱気容器１０１の内圧は、圧力計１０８を確認しながら数百〜数千Ｐａ（１．０Ｔｏｒｒ〜１０．０Ｔｏｒｒ）程度に減圧されればよい。脱気ユニット１００によって脱気される気体としては、例えば窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素などが含まれる。

以上説明した脱気処理は、液体循環路１０５を利用することにより、同じ液体Ｗに対して繰り返し行うことができる。具体的には、液体導入路１０４のバルブ１０９と液体導出路１０６のバルブ１１０を閉塞し、液体循環路１０５のバルブ１０７を開放した状態で、シャワーヘッド１０２を作動させる。これにより、脱気容器１０１に貯留され、脱気処理が一度行われた液体Ｗは、再びシャワーヘッド１０２を介して脱気容器１０１に噴霧される。更に、減圧ポンプ１０３を作動させることにより、シャワーヘッド１０２による気化処理と減圧ポンプ１０３による脱気処理が、同じ液体Ｗに対し重ねて行われることになる。そして、液体循環路１０５を利用した上記繰り返し処理を行う度に、液体Ｗに含まれる気体成分を段階的に減少させていくことができる。所望の純度に脱気された液体Ｗが得られると、バルブ１１０を開放することにより、液体Ｗは液体導出路１０６を経て溶解ユニット２００に送液される。

なお、図２では、気体部を低圧にして溶解物を気化させる脱気ユニット１００を示したが、溶解した液体を脱気させる方法はこれに限らない。例えば、液体Ｗを煮沸して溶解物を気化させる加熱煮沸法を採用してもよいし、中空糸を用いて液体と気体の界面を増大させる膜脱気方法を採用してもよい。中空糸を用いた脱気モジュールとしては、ＳＥＰＡＲＥＬシリーズ（大日本インキ社製）が市販されている。これは、中空糸膜の原料にポリ４−メチルペンテン−１（ＰＭＰ）を用いて、主にピエゾヘッド向けに供給するインクなどから気泡を脱気する目的で使用されている。更に、真空脱気法、加熱煮沸法、及び膜脱気方法の２つ以上を併用してもよい。

図３（ａ）及び（ｂ）は、溶解ユニット２００の概略構成図及び液体の溶解状態を説明するための図である。溶解ユニット２００は、前処理ユニット１００より供給された液体Ｗに対し所望の気体を溶解させるユニットである。本実施形態の溶解ユニット２００は、主に、溶解容器２０１、回転板２０２が取り付けられた回転シャフト２０３、液体導入路２０４、気体導入路２０５、液体導出路２０６、及び加圧ポンプ２０７を有する。

前処理ユニット１００より供給された液体Ｗは、液体導入路２０４より、液体導入バルブ２１１を介して溶解容器２０１に供給され貯留される。一方、気体Ｇは気体導入路２０５より気体導入バルブ２１０を介して溶解容器２０１に供給される。なお、この液体導入バルブ２１１及び気体導入バルブ２１０をまとめて、以下に説明する実施形態においては導入バルブ２１２とも言う。

所定量の液体Ｗと気体Ｇが溶解容器２０１に貯留されると、加圧ポンプ２０７を作動し溶解容器２０１の内圧を０．５Ｍｐａ程度まで上昇させる。加圧ポンプ２０７と溶解容器２０１の間には安全弁２０８が配されている。また、回転シャフト２０３を介して液中の回転板２０２を回転させることにより、溶解容器２０１に供給された気体Ｇを気泡化し、液体Ｗとの接触面積を大きくし、液体Ｗ中への溶解を促進する。そしてこのような作業を、気体Ｇの溶解度がほぼ最大飽和溶解度に達するまで継続する。この際、可能な限り多くの気体を溶解させるために、液体の温度を低下させる手段を配してもよい。また、難溶解性の気体の場合は、溶解容器２０１の内圧を０．５ＭＰａ以上に上げる事も可能である。その場合は、安全面から容器の材料などを最適にする必要がある。

気体Ｇの成分が所望の濃度で溶解された液体Ｗが得られると、液体Ｗは液体導出路２０６を経由して排出され、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００に供給される。この際、背圧弁２０９は、供給時の圧力が必要以上に高くならないように液体Ｗの流圧を調整する。

図３（ｂ）は、溶解容器２０１で混入された気体Ｇが溶解していく様子を模式的に示す図である。液体Ｗ中に混入された気体Ｇの成分を含む気泡２は、液体Ｗに接触している部分から溶解する。このため、気泡２は徐々に収縮し、気泡２の周囲には気体溶解液体３が存在する状態となる。気泡２には浮力が作用するため、気泡２は気体溶解液体３の中心から外れた位置に移動したり、気体溶解液体３から分離して残存気泡４となったりする。すなわち、液体導出路２０６を介してＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００に供給される液体Ｗには、気体溶解液体３が気泡２を囲った状態のものや、気体溶解液体３と気泡２が互いに分離した状態のものが混在している。

なお、図において気体溶解液体３とは、「液体Ｗ中において、混入された気体Ｇの溶解濃度が比較的高い領域」を意味している。実際に液体Ｗに溶解している気体成分においては、気泡２の周囲や、気泡２と分離した状態であっても領域の中心で濃度が最も高く、その位置から離れるほど気体成分の濃度は連続的に低くなる。すなわち、図３（ｂ）では説明のために気体溶解液体３の領域を破線で囲っているが、実際にはこのような明確な境界が存在するわけではない。また、本発明においては、完全に溶解しない気体が、気泡の状態で液体中に存在しても許容される。

図４は、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００の概略構成図である。Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００は、主に、チャンバー３０１、液体導入路３０２、液体導出路３０３を備え、液体導入路３０２からチャンバー３０１内を経て液体導出路３０３に向かう流れが、不図示の流動ポンプによって形成されている。流動ポンプとしては、ダイヤフラムポンプ、ギアポンプ、スクリューポンプなど各種ポンプを採用することができる。液体導入路３０２から導入される液体Ｗには、溶解ユニット２００によって混入された気体Ｇの気体溶解液体３が混在している。

チャンバー３０１の底面には発熱素子１０が設けられた素子基板１２が配されている。発熱素子１０に所定の駆動パルス（電圧パルス）が印加されることにより、発熱素子１０と接触する領域に膜沸騰により生じる泡１３（以下、膜沸騰泡１３ともいう）が発生する。この膜沸騰泡１３の膨張や収縮に伴って気体Ｇを含有するウルトラファインバブル（ＵＦＢ１１）が生成される。その結果、液体導出路３０３からは多数のＵＦＢ１１が含まれたウルトラファインバブル含有液（ＵＦＢ含有液）Ｗが導出される。

図５（ａ）及び（ｂ）は、発熱素子１０の詳細構造を示す図である。図５（ａ）は発熱素子１０の近傍、同図（ｂ）は発熱素子１０を含むより広い領域の素子基板１２の断面図をそれぞれ示している。

図５（ａ）に示すように、本実施形態の素子基板１２は、シリコン基板３０４の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜３０５と、蓄熱層を兼ねる層間膜３０６と、が積層されている。層間膜３０６としては、ＳｉＯ２膜、または、ＳｉＮ膜を用いることができる。層間膜３０６の表面には抵抗層３０７が形成され、その抵抗層３０７の表面に、配線３０８が部分的に形成されている。配線３０８としては、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、またはＡｌ−ＣｕなどのＡｌ合金配線を用いることができる。これらの配線３０８、抵抗層３０７、及び、層間膜３０６の表面には、ＳｉＯ₂膜、またはＳｉ₃Ｎ₄膜から成る保護層３０９が形成されている。

保護層３０９の表面において、結果的に発熱素子１０となる熱作用部３１１に対応する部分、及び、その周囲には、抵抗層３０７の発熱に伴う化学的、及び物理的な衝撃から保護層３０９を保護するための耐キャビテーション膜３１０が形成されている。抵抗層３０７の表面において、配線３０８が形成されていない領域は、抵抗層３０７が発熱する熱作用部３１１である。配線３０８が形成されていない抵抗層３０７の発熱部分は、発熱素子（発熱素子）１０として機能する。このように素子基板１２における層は、半導体の製造技術によってシリコン基板３０４の表面に順次に形成され、これにより、シリコン基板３０４に熱作用部３１１が備えられる。

なお、図に示す構成は一例であり、その他の各種構成が適用可能である。例えば、抵抗層３０７と配線３０８との積層順が逆の構成、及び抵抗層３０７の下面に電極を接続させる構成（所謂プラグ電極構成）が適用可能である。つまり、後述するように、熱作用部３１１により液体を加熱して、液体中に膜沸騰を生じさせることができる構成であればよい。

図５（ｂ）は、素子基板１２において、配線３０８に接続される回路を含む領域の断面図の一例である。Ｐ型導電体であるシリコン基板３０４の表層には、Ｎ型ウェル領域３２２、及び、Ｐ型ウェル領域３２３が部分的に備えられている。一般的なＭＯＳプロセスによるイオンインプランテーションなどの不純物の導入、及び拡散によって、Ｎ型ウェル領域３２２にＰ−ＭＯＳ３２０が形成され、Ｐ型ウェル領域３２３にＮ−ＭＯＳ３２１が形成される。

Ｐ−ＭＯＳ３２０は、Ｎ型ウェル領域３２２の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域３２５及びドレイン領域３２６と、ゲート配線３３５などから構成されている。ゲート配線３３５は、ソース領域３２５及びドレイン領域３２６を除くＮ型ウェル領域３２２の部分の表面に、厚さ数百Åのゲート絶縁膜３２８を介して堆積されている。

Ｎ−ＭＯＳ３２１は、Ｐ型ウェル領域３２３の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域３２５及びドレイン領域３２６と、ゲート配線３３５などから構成されている。ゲート配線３３５は、ソース領域３２５及びドレイン領域３２６を除くＰ型ウェル領域３２３の部分の表面に、厚さ数百Åのゲート絶縁膜３２８を介して堆積されている。ゲート配線３３５は、ＣＶＤ法により堆積された厚さ３０００Å〜５０００Åのポリシリコンからなる。これらのＰ−ＭＯＳ３２０及びＮ−ＭＯＳ３２１によって、Ｃ−ＭＯＳロジックが構成される。

Ｐ型ウェル領域３２３において、Ｎ−ＭＯＳ３２１と異なる部分には、電気熱変換素子（発熱抵抗素子）の駆動用のＮ−ＭＯＳトランジスタ３３０が形成されている。Ｎ−ＭＯＳトランジスタ３３０は、不純物の導入及び拡散などの工程によりＰ型ウェル領域３２３の表層に部分的に形成されたソース領域３３２及びドレイン領域３３１と、ゲート配線３３３などから構成されている。ゲート配線３３３は、Ｐ型ウェル領域３２３におけるソース領域３３２及びドレイン領域３３１を除く部分の表面に、ゲート絶縁膜３２８を介して堆積されている。

本例においては、電気熱変換素子の駆動用トランジスタとして、Ｎ−ＭＯＳトランジスタ３３０を用いた。しかし、その駆動用トランジスタは、複数の電気熱変換素子を個別に駆動する能力を持ち、かつ、上述したような微細な構造を得ることができるトランジスタであればよく、Ｎ−ＭＯＳトランジスタ３３０には限定されない。また本例においては、電気熱変換素子と、その駆動用トランジスタと、が同一基板上に形成されているが、これらは、別々の基板に形成してもよい。

Ｐ−ＭＯＳ３２０とＮ−ＭＯＳ３２１との間、及びＮ−ＭＯＳ３２１とＮ−ＭＯＳトランジスタ３３０との間等の各素子間には、５０００Å〜１００００Åの厚さのフィールド酸化により酸化膜分離領域３２４が形成されている。この酸化膜分離領域３２４によって各素子が分離されている。酸化膜分離領域３２４において、熱作用部３１１に対応する部分は、シリコン基板３０４上の一層目の蓄熱層３３４として機能する。

Ｐ−ＭＯＳ３２０、Ｎ−ＭＯＳ３２１、及びＮ−ＭＯＳトランジスタ３３０の各素子の表面には、ＣＶＤ法により、厚さ約７０００ÅのＰＳＧ膜、またはＢＰＳＧ膜などから成る層間絶縁膜３３６が形成されている。層間絶縁膜３３６を熱処理により平坦にした後に、層間絶縁膜３３６及びゲート絶縁膜４２８を貫通するコンタクトホールを介して、第１の配線層となるＡｌ電極３３７が形成される。層間絶縁膜３３６及びＡｌ電極３３７の表面には、プラズマＣＶＤ法により、厚さ１００００Å〜１５０００ÅのＳｉＯ２膜から成る層間絶縁膜３３８が形成される。層間絶縁膜３３８の表面において、熱作用部３１１及びＮ−ＭＯＳトランジスタ３３０に対応する部分には、コスパッタ法により、厚さ約５００ÅのＴａＳｉＮ膜から成る抵抗層３０７が形成される。抵抗層３０７は、層間絶縁膜３３８に形成されたスルーホールを介して、ドレイン領域３３１の近傍のＡｌ電極３３７と電気的に接続される。抵抗層３０７の表面には、各電気熱変換素子への配線となる第２の配線層としてのＡｌの配線３０８が形成される。配線３０８、抵抗層３０７、及び層間絶縁膜３３８の表面の保護層３０９は、プラズマＣＶＤ法により形成された厚さ３０００ÅのＳｉＮ膜から成る。保護層３０９の表面に堆積された耐キャビテーション膜３１０は、Ｔａ、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｇｅ，Ｒｕ，Ｚｒ，Ｉｒ等から選択される少なくとも１つ以上の金属であり、厚さ約２０００Åの薄膜から成る。抵抗層３０７としては、上述したＴａＳｉＮ以外のＴａＮ０．８、ＣｒＳｉＮ、ＴａＡｌ、ＷＳｉＮ等、液体中に膜沸騰を生じさせることができるものであれば各種材料が適用可能である。

図６（ａ）及び（ｂ）は、発熱素子１０に所定の電圧パルスを印加した場合の膜沸騰の様子を示す図である。ここでは、大気圧のもとでの膜沸騰を生じさせた場合を示している。図６（ａ）において、横軸は時間を示す。また、下段のグラフの縦軸は発熱素子１０に印加される電圧を示し、上段のグラフの縦軸は膜沸騰により発生した膜沸騰泡１３の体積と内圧を示す。一方、図６（ｂ）は、膜沸騰泡１３の様子を、図６（ａ）に示すタイミング１〜３に対応づけて示している。以下、時間に沿って各状態を説明する。

発熱素子１０に電圧が印加される前、チャンバー３０１内はほぼ大気圧が保たれている。発熱素子１０に電圧が印加されると、発熱素子１０に接する液体に膜沸騰が生じ、発生した気泡（以下、膜沸騰泡１３と称す）は内側から作用する高い圧力によって膨張する（タイミング１）。このときの発泡圧力は約８〜１０ＭＰａとみなされ、これは水の飽和蒸気圧に近い値である。

電圧の印加時間（パルス幅）は０．５ｕＳｅｃ〜１０．０ｕＳｅｃ程度であるが、電圧が印加されなくなった後も、膜沸騰泡１３はタイミング１で得られた圧力の慣性によって膨張する。但し、膜沸騰泡１３の内部では膨張に伴って発生した負圧力が徐々に大きくなり、膜沸騰泡１３を収縮する方向に作用する。やがて慣性力と負圧力が釣り合ったタイミング２で膜沸騰泡１３の体積は最大となり、その後は負圧力によって急速に収縮する。

膜沸騰泡１３が消滅する際、膜沸騰泡１３は発熱素子１０の全面ではなく、１箇所以上の極めて小さな領域で消滅する。このため、発熱素子１０においては、膜沸騰泡１３が消滅する極めて小さな領域に、タイミング１で示す発泡時よりも更に大きな力が発生する（タイミング３）。

以上説明したような膜沸騰泡１３の発生、膨張、収縮及び消滅は、発熱素子１０に電圧パルスが印加されるたびに繰り返され、そのたびに新たなＵＦＢ１１が生成される。

次に、膜沸騰泡１３の発生、膨張、収縮及び消滅の各過程において、ＵＦＢ１１が生成される様子を更に詳しく説明する。

図７（ａ）〜（ｄ）は、膜沸騰泡１３の発生及び膨張に伴ってＵＦＢ１１が生成される様子を示す図である。図７（ａ）は、発熱素子１０に電圧パルスが印加される前の状態を示している。チャンバー３０１の内部には、気体溶解液体３が混在した液体Ｗが流れている。

図７（ｂ）は、発熱素子１０に電圧が印加され、液体Ｗに接している発熱素子１０のほぼ全域で膜沸騰泡１３が一様に発生した様子を示している。電圧が印加されたとき、発熱素子１０の表面温度は１０℃／μＳｅｃ以上の速度で急激に上昇し、ほぼ３００℃に達した時点で膜沸騰が起こり、膜沸騰泡１３が生成される。

発熱素子１０の表面温度は、その後もパルスの印加中に６００〜８００℃程度まで上昇し、膜沸騰泡１３の周辺の液体も急激に加熱される。図では、膜沸騰泡１３の周辺に位置し、急激に加熱される液体の領域を未発泡高温領域１４として示している。未発泡高温領域１４に含まれる気体溶解液体３は熱的溶解限界を超えて析出しＵＦＢとなる。析出した気泡の直径は１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であり、高い気液界面エネルギを有している。そのため、短時間で消滅することもなく液体Ｗ内で独立を保ながら浮遊する。本実施形態では、このように膜沸騰泡１３の膨張時に熱的作用によって生成される気泡を第１のＵＦＢ１１Ａと称す。

図７（ｃ）は、膜沸騰泡１３が膨張する過程を示している。発熱素子１０への電圧パルスの印加が終了しても、膜沸騰泡１３は発生したときに得た力の慣性によって膨張を続け、未発泡高温領域１４も慣性によって移動及び拡散する。すなわち、膜沸騰泡１３が膨張する過程において、未発泡高温領域１４に含まれた気体溶解液体３が新たに気泡となって析出し、第１のＵＦＢ１１Ａとなる。

図７（ｄ）は、膜沸騰泡１３が最大体積となった状態を示している。膜沸騰泡１３は慣性によって膨張するが、膨張に伴って膜沸騰泡１３の内部の負圧は徐々に高まり、膜沸騰泡１３を収縮しようとする負圧力として作用する。そして、この負圧力が慣性力と釣り合った時点で、膜沸騰泡１３の体積は最大となり、以後収縮に転じる。

図８（ａ）〜（ｃ）は、膜沸騰泡１３の収縮に伴ってＵＦＢ１１が生成される様子を示す図である。図８（ａ）は、膜沸騰泡１３が収縮を開始した状態を示している。膜沸騰泡１３が収縮を開始しても、周囲の液体Ｗには膨張する方向の慣性力が残っている。よって、膜沸騰泡１３の極周囲には、発熱素子１０から離れる方向に作用する慣性力と、膜沸騰泡１３の収縮に伴って発熱素子１０に向かう力とが作用し、減圧された領域となる。図では、そのような領域を未発泡負圧領域１５として示している。

未発泡負圧領域１５に含まれる気体溶解液体３は、圧的溶解限界を超え、気泡として析出する。析出した気泡の直径は１００ｎｍ程度であり、その後短時間で消滅することもなく液体Ｗ内で独立を保ながら浮遊する。本実施形態では、このように膜沸騰泡１３が収縮する際の圧力的作用によって析出する気泡を、第２のＵＦＢ１１Ｂと称す。

図８（ｂ）は、膜沸騰泡１３が収縮する過程を示している。膜沸騰泡１３が収縮する速度は負圧力によって加速し、未発泡負圧領域１５も膜沸騰泡１３の収縮に伴って移動する。すなわち、膜沸騰泡１３が収縮する過程において、未発泡負圧領域１５が通過する箇所の気体溶解液体３が次々に析出し、第２のＵＦＢ１１Ｂとなる。

図８（ｃ）は、膜沸騰泡１３が消滅する直前の様子を示している。膜沸騰泡１３の加速度的な収縮により、周囲の液体Ｗの移動速度も増大するが、チャンバー３０１内の流路抵抗によって圧力損失が生じる。その結果、未発泡負圧領域１５が占める領域は更に大きくなり、多数の第２のＵＦＢ１１Ｂが生成される。

図９（ａ）〜（ｃ）は、膜沸騰泡１３の収縮時において、液体Ｗの再加熱によってＵＦＢが生成される様子を示す図である。図９（ａ）は、発熱素子１０の表面が収縮する膜沸騰泡１３に被覆されている状態を示している。

図９（ｂ）は、膜沸騰泡１３の収縮が進み、発熱素子１０の表面の一部が液体Ｗに接触した状態を示している。このとき発熱素子１０の表面には、液体Ｗが接しても膜沸騰には到らないほどの熱が残っている。図では、発熱素子１０の表面に接することにより加熱される液体の領域を未発泡再加熱領域１６として示している。膜沸騰には到らないものの、未発泡再加熱領域１６に含まれる気体溶解液体３は、熱的溶解限界を超えて析出する。本実施形態では、このように膜沸騰泡１３が収縮する際の液体Ｗの再加熱によって生成される気泡を第３のＵＦＢ１１Ｃと称す。

図９（ｃ）は、膜沸騰泡１３の収縮が更に進んだ状態を示している。膜沸騰泡１３が小さくなるほど、液体Ｗに接する発熱素子１０の領域が大きくなるため、第３のＵＦＢ１１Ｃは、膜沸騰泡１３が消滅するまで生成される。

図１０（ａ）及び（ｂ）は、膜沸騰で生成された膜沸騰泡１３の消泡時の衝撃（所謂、キャビテーションの一種）によって、ＵＦＢが生成される様子を示す図である。図１０（ａ）は、膜沸騰泡１３が消滅する直前の様子を示している。膜沸騰泡１３は内部の負圧力によって急激に収縮し、その周囲を未発泡負圧領域１５が覆う状態となっている。

図１０（ｂ）は、膜沸騰泡１３が点Ｐで消滅した直後の様子を示している。膜沸騰泡１３が消泡するとき、その衝撃により音響波が点Ｐを起点として同心円状に広がる。音響波とは、気体、液体、固体を問わず伝播する弾性波の総称であり、本実施形態においては、液体Ｗの粗密、すなわち液体Ｗの高圧面１７Ａと低圧面１７Ｂ、とが交互に伝播される。

この場合、未発泡負圧領域１５に含まれる気体溶解液体３は、膜沸騰泡１３の消泡時の衝撃波によって共振され、低圧面１７Ｂが通過するタイミングで圧的溶解限界を超えて相転移する。すなわち、膜沸騰泡１３の消滅と同時に、未発泡負圧領域１５内には多数の気泡が析出する。本実施形態ではこのような膜沸騰泡１３が消泡する時の衝撃波によって生成される気泡を第４のＵＦＢ１１Ｄと称す。

膜沸騰泡１３の消泡時の衝撃波よって生成される第４のＵＦＢ１１Ｂは、極めて狭い薄膜的領域に極めて短時間（１μＳ以下）で突発的に出現する。直径は第１〜第３のＵＦＢよりも十分小さく、第１〜第３のＵＦＢよりも気液界面エネルギが高い。このため、第４のＵＦＢ１１Ｄは、第１〜第３のＵＦＢ１１Ａ〜１１Ｃとは異なる性質を有し異なる効果を生み出すものと考えられる。

また、第４のＵＦＢ１１Ｄは、衝撃波が伝播する同心球状の領域のいたる所で一様に発生するため、生成された時点からチャンバー３０１内に一様に存在することになる。第４のＵＦＢ１１Ｄが生成されるタイミングでは、第１〜第３のＵＦＢが既に多数存在しているが、これら第１〜第３のＵＦＢの存在が第４のＵＦＢ１１Ｄの生成に大きく影響することはない。また、第４のＵＦＢ１１Ｄの発生によって第１〜第３のＵＦＢが消滅することもない。

以上説明したように発熱素子１０の発熱により膜沸騰泡１３が発生し消泡するまでの複数の段階においてＵＦＢ１１が発生する。上述した例では膜沸騰泡１０が消泡するまでの例を示したがＵＦＢを発生させるためにはこれに限られない。例えば、発生した膜沸騰泡１０が消泡する前に大気と連通することで、膜沸騰泡１０が消耗まで至らない場合においてもＵＦＢの生成が可能である。

次にＵＦＢの残存特性について説明する。液体の温度が高いほど気体成分の溶解特性は低くなり、温度が低いほど気体成分の溶解特性は高くなる。すなわち、液体の温度が高いほど、溶解している気体成分の相転移が促され、ＵＦＢが生成されやすくなる。液体の温度と気体の溶解度は反比例の関係にあり、液体の温度上昇により、飽和溶解度を超えた気体が気泡になって液体中に析出される。

このため、液体の温度が常温から急激に上昇すると溶解特性が一気に下がり、ＵＦＢが生成され始める。そして、温度が上がるほど熱的溶解特性は下がり、多くのＵＦＢが生成される状況となる。

反対に液体の温度が常温から下降すると、気体の溶解特性は上昇し、生成されたＵＦＢは液化しやすくなる。しかしながら、このような温度は、常温よりも十分に低い。更に、液体の温度が下がっても、一度発生したＵＦＢは高い内圧と高い気液界面エネルギを有するため、この気液界面を破壊するほどの高い圧力が作用する可能性は極めて低い。すなわち、一度生成されたＵＦＢは、液体を常温常圧で保存する限り、簡単に消滅することはない。

本実施形態において、図７（ａ）〜（ｃ）で説明した第１のＵＦＢ１１Ａ、及び図９（ａ）〜（ｃ）で説明した第３のＵＦＢ１１Ｃは、このような気体の熱的溶解特性を利用して生成されたＵＦＢと言える。

一方、図１１（ｂ）において、横軸は液体の圧力を示し、ＲＴは常圧（ほぼ大気圧）を示す。また、縦軸は液体Ｗに対する気体Ｇの溶解特性を示す。液体の圧力が高いほど気体の溶解特性は高くなり、圧力が低いほど溶解特性は低くなる。すなわち液体の圧力が低いほど、液体に溶解している気体溶解液体の気体への相転移が促され、ＵＦＢが生成されやすくなる。

図１１（ｂ）によれば、液体の圧力が常圧ＲＰから下がりＰ２（＜ＲＰ）を下回ると、溶解特性が一気に下がり、ＵＦＢが生成され始める。そして、Ｐ２からＰ１（＜Ｐ２）の間では、圧力が下がるほど圧的溶解特性は下がり、多くのＵＦＢが生成される状況となる。

反対に液体の圧力が常圧ＲＰから上昇しＰ３よりも高くなると、気体の溶解特性は上昇し、生成されたＵＦＢは液化しやすくなる。しかしながら、このような圧力Ｐ３は、大気圧よりも十分に高い１０．０気圧以上である。更に、液体の圧力がＰ３以上になったとしても、一度発生したＵＦＢは高い内圧と高い気液界面エネルギを有するため、この気液界面を破壊するほどの高い圧力が作用する可能性は極めて低い。すなわち、一度生成されたＵＦＢは、液体を常温常圧で保存する限り、簡単に消滅することはない。

本実施形態において、図８（ａ）〜（ｃ）で説明した第２のＵＦＢ１１Ｂ、及び図１０（ａ）〜（ｃ）で説明した第４のＵＦＢ１１Ｄは、このような気体の圧力的溶解特性を利用して生成されたＵＦＢと言える。

以上では、生成される要因の異なる第１〜第４のＵＦＢを個別に説明してきたが、上述した生成要因は、膜沸騰という事象に伴って同時多発的に起こるものである。このため、第１〜第４のＵＦＢのうち少なくとも２種類以上のＵＦＢが同時に生成されることもあり、これら生成要因が互いに協働してＵＦＢを生成することもある。但し、いずれの生成要因も、膜沸騰現象によって招致されることは共通している。以下、本明細書では、このように急激な発熱に伴う膜沸騰を利用してＵＦＢを生成する方法を、Ｔ−ＵＦＢ（Ｔｈｅｒｍａｌ−Ｕｌｔｒａ Ｆｉｎｅ Ｂｕｂｂｌｅ）生成方法と称す。また、Ｔ−ＵＦＢ生成方法によって生成したＵＦＢをＴ−ＵＦＢ、Ｔ−ＵＦＢ生成方法によって生成されたＴ−ＵＦＢを含有する液体をＴ−ＵＦＢ含有液と称す。

Ｔ−ＵＦＢ生成方法によって生成される気泡はその殆どが１．０ｕｍ以下であり、ミリバブルやマイクロバブルは生成され難い。すなわち、Ｔ−ＵＦＢ生成方法によれば、ＵＦＢのみが効率的に生成されることになる。また、Ｔ−ＵＦＢ生成方法によって生成されたＴ−ＵＦＢは、従来法によって生成されたＵＦＢよりも高い気液界面エネルギを有し、常温常圧で保存する限り簡単に消滅することはない。更に、新たな膜沸騰によって新たなＴ−ＵＦＢが生成されても、先行して生成されていたＴ−ＵＦＢがその衝撃によって消滅することもない。つまり、Ｔ−ＵＦＢ含有液に含まれるＴ−ＵＦＢの数や濃度は、Ｔ−ＵＦＢ含有液における膜沸騰の発生回数に対しヒステリシス特性を有すると言える。言い替えると、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００に配する発熱素子の数や発熱素子に対する電圧パルスの印加回数を制御することにより、Ｔ−ＵＦＢ含有液に含まれるＴ−ＵＦＢの濃度を調整することができる。

再び図１を参照する。Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００において、所望のＵＦＢ濃度を有するＴ−ＵＦＢ含有液Ｗが生成されると、当該ＵＦＢ含有液Ｗは、後処理ユニット４００に供給される。

図１１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の後処理ユニット４００の構成例を示す図である。本実施形態の後処理ユニット４００は、ＵＦＢ含有液Ｗに含まれる不純物を、無機物イオン、有機物、不溶固形物、の順に段階に除去する。

図１１（ａ）は、無機物イオンを除去するための第１の後処理機構４１０を示す。第１の後処理機構４１０は、交換容器４１１、陽イオン交換樹脂４１２、液体導入路４１３、集水管４１４及び液体導出路４１５を備えている。交換容器４１１には、陽イオン交換樹脂４１２が収容されている。Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００で生成されたＵＦＢ含有液Ｗは、液体導入路４１３を経由して交換容器４１１に注入され、陽イオン交換樹脂４１２に吸収され、ここで不純物としての陽イオンが除去される。このような不純物には、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００の素子基板１２より剥離した金属材料などが含まれ、例えばＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＣ、Ｔａ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｉｒが挙げられる。

陽イオン交換樹脂４１２は、三次元的な網目構造を持った高分子母体に官能基（イオン交換基）を導入した合成樹脂であり、合成樹脂は０．４〜０．７ｍｍ程度の球状粒子を呈している。高分子母体としては、スチレン−ジビニルベンゼンの共重合体が一般的であり、官能基としては例えばメタクリル酸系とアクリル酸系のものを用いることができる。但し、上記材料は一例である。所望の無機イオンを効果的に除去することができれば、上記材料は様々に変更可能である。陽イオン交換樹脂４１２に吸収され、無機イオンが除去されたＵＦＢ含有液Ｗは、集水管４１４によって集水され、液体導出路４１５を介して次の工程に送液される。

図１１（ｂ）は、有機物を除去するための第２の後処理機構４２０を示す。第２の後処理機構４２０は、収容容器４２１、ろ過フィルタ４２２、真空ポンプ４２３、バルブ４２４、液体導入路４２５、液体導出路４２６、及びエア吸引路４２７を備えている。収容容器４２１の内部は、ろ過フィルタ４２２によって上下２つの領域に分割されている。液体導入路４２５は、上下２つの領域のうち上方の領域に接続し、エア吸引路４２７及び液体導出路４２６は下方の領域に接続する。バルブ４２４を閉じた状態で真空ポンプ４２３を駆動すると、収容容器４２１内の空気がエア吸引路４２７を介して排出され、収容容器４２１の内部が負圧になり、液体導入路４２５よりＵＦＢ含有液Ｗが導入される。そして、ろ過フィルタ４２２によって不純物が除去された状態のＵＦＢ含有液Ｗが収容容器４２１に貯留される。

ろ過フィルタ４２２によって除去される不純物には、チューブや各ユニットで混合され得る有機材料が含まれ、例えばシリコンを含む有機化合物、シロキサン、エポキシなどが挙げられる。ろ過フィルタ４２２に使用可能なフィルタ膜としては、細菌系まで除去できるサブμｍメッシュのフィルタや、ウィルスまで除去できるｎｍメッシュのフィルタが挙げられる。

収容容器４２１にＵＦＢ含有液Ｗがある程度貯留された後、真空ポンプ４２３を停止してバルブ４２４を開放すると、収容容器４２１のＴ−ＵＦＢ含有液は液体導出路４２６を介して次の工程に送液される。なお、ここでは、有機物の不純物を除去する方法として真空ろ過法を採用したが、フィルタを用いたろ過方法としては、例えば重力ろ過法や加圧ろ過を採用することもできる。

図１１（ｃ）は、不溶の固形物を除去するための第３の後処理機構４３０を示す。第３の後処理機構４３０は、沈殿容器４３１、液体導入路４３２、導出バルブ４３３及び液体導出路４３４を備えている。

まず、導出バルブ４３３を閉じた状態で沈殿容器４３１に所定量のＵＦＢ含有液Ｗを液体導入路４４２より貯留し、しばらく放置する。この間、ＵＦＢ含有液Ｗに含まれている固形物は、重力によって沈殿容器４３１の底部に沈降する。また、ＵＦＢ含有液に含まれるバブルのうち、マイクロバブルのような比較的大きなサイズのバブルも浮力によって液面に浮上し、ＵＦＢ含有液から除去される。十分な時間が経過した後、導出バルブ４３３を開放すると、固形物や大きなサイズのバブルが除去されたＵＦＢ含有液Ｗが液体導出路４３４を介して、回収ユニット５００に送液される。

再度図１を参照する。後処理ユニット４００で不純物が除去されたＴ−ＵＦＢ含有液Ｗは、そのまま回収ユニット５００に送液してもよいが、再び溶解ユニット２００に戻すこともできる。後者の場合、Ｔ−ＵＦＢの生成によって低下したＴ−ＵＦＢ含有液Ｗの気体溶解濃度を、溶解ユニット２００において再び飽和状態まで補填することができる。その上で新たなＴ−ＵＦＢをＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００で生成すれば、上述した特性のもと、Ｔ−ＵＦＢ含有液のＵＦＢ含有濃度を更に上昇させることができる。すなわち、溶解ユニット２００、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００、後処理ユニット４００を巡る循環回数の分だけ、ＵＦＢ含有濃度を高めることができ、所望のＵＦＢ含有濃度が得られた後に、当該ＵＦＢ含有液Ｗを回収ユニット５００に送液することができる。

回収ユニット５００は、後処理ユニット４００より送液されて来たＵＦＢ含有液Ｗを回収及び保存する。回収ユニット５００で回収されたＴ−ＵＦＢ含有液は、様々な不純物が除去された純度の高いＵＦＢ含有液となる。

回収ユニット５００においては、何段階かのフィルタリング処理を行い、ＵＦＢ含有液ＷをＴ−ＵＦＢのサイズごと分類してもよい。また、Ｔ−ＵＦＢ方式により得られるＴ−ＵＦＢ含有液Ｗは、常温よりも高温であることが予想されるため、回収ユニット５００には冷却手段を設けてもよい。なお、このような冷却手段は、後処理ユニット４００の一部に設けられていてもよい。

以上が、ＵＦＢ生成装置１の概略であるが、図示したような複数のユニットは無論変更可能であり、全てを用意する必要は無い。使用する液体Ｗや気体Ｇの種類、また生成するＴ−ＵＦＢ含有液の使用目的に応じて、後述の上述したユニットの一部を省略してもよいし、上述したユニット以外に更に別のユニットを追加してもよい。

例えば、ＵＦＢに含有させる気体が大気である場合は、脱気ユニット１００や溶解ユニット２００を省略することができる。反対に、ＵＦＢに複数種類の気体を含ませたい場合は、溶解ユニット２００を更に追加してもよい。

また、図１１（ａ）〜（ｃ）で示すような不純物を除去するためのユニットは、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００よりも上流に設けてもよいし、上流と下流の両方に設けてもよい。ＵＦＢ生成装置に供給される液体が水道水や雨水、また汚染水などの場合は、液体中に有機系や無機系の不純物が含まれている事がある。そのような不純物を含んだ液体ＷをＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００に供給すると、発熱素子１０を変質させたり、塩析現象を招致したりするおそれが生じる。図１１（ａ）〜（ｃ）で示すような機構をＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００よりも上流に設けておくことにより、上記のような不純物を事前に除去することができる。

なお、以上の説明では、上述の各ユニットのバルブ、ポンプ等を含むアクチュエータ部分を制御する制御装置が含まれ、制御装置を用いてユーザの設定に応じたＵＦＢ生成制御が行われる。この制御装置によるＵＦＢ生成制御については、以下に述べる実施形態において説明する。

＜Ｔ−ＵＦＢ含有液に使用可能な液体および気体＞
ここで、Ｔ−ＵＦＢ含有液を生成するために使用可能な液体Ｗについて説明する。本実施形態で使用可能な液体Ｗとしては、例えば、純水、イオン交換水、蒸留水、生理活性水、磁気活性水、化粧水、水道水、海水、川水、上下水、湖水、地下水、雨水などが挙げられる。また、これらの液体等を含む混合液体も使用可能である。また、水と水溶性有機溶剤との混合溶媒も使用できる。水と混合して使用される水溶性有機溶剤としては特に限定されないが、具体例として、以下のものを挙げることができる。メチルアルコール、エチルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、Ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコールなどの炭素数１乃至４のアルキルアルコール類。Ｎ−メチル−２−ピロリドン、２−ピロリドン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドなどのアミド類。アセトン、ジアセトンアルコールなどのケトン又はケトアルコール類。テトラヒドロフラン、ジオキサンなどの環状エーテル類。エチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール。１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、１，５−ペンタンジオール、１，２−ヘキサンジオール、１，６−ヘキサンジオール、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、チオジグリコールなどのグリコール類。エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテルなどの多価アルコールの低級アルキルエーテル類。ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどのポリアルキレングリコール類。グリセリン、１，２，６−ヘキサントリオール、トリメチロールプロパンなどのトリオール類。これらの水溶性有機溶剤は、単独で用いてもよく、または２種以上を併用してもよい。

溶解ユニット２００で導入可能な気体成分としては、例えば、水素、ヘリウム、酸素、窒素、メタン、フッ素、ネオン、二酸化炭素、オゾン、アルゴン、塩素、エタン、プロパン、空気、などが挙げられる。また、上記のいくつかを含む混合気体であってもよい。さらに、溶解ユニット２００では必ずしも気体状態にある物質を溶解させなくてもよく、所望の成分で構成される液体や固を液体Ｗに融解させてもよい。この場合の溶解としては、自然溶解のほか、圧力付与による溶解であってもよいし、電離による水和、イオン化、化学反応を伴う溶解であってもよい。

＜Ｔ−ＵＦＢ生成方法の効果＞
次に、以上説明したＴ−ＵＦＢ生成方法の特徴と効果を、従来のＵＦＢ生成方法と比較して説明する。例えばベンチュリー方式に代表される従来の気泡生成装置においては、流路の一部に減圧ノズルのようなメカ的な減圧構造を設け、この減圧構造を通過するように所定の圧力で液体を流すことにより、減圧構造の下流の領域に様々なサイズの気泡を生成している。

この場合、生成された気泡のうち、ミリバブルやマイクロバブルのような比較的大きなサイズのバブルには浮力が作用するため、やがて液面に浮上して消滅してしまう。また、浮力が作用しないＵＦＢについても、然程大きな気液界面エネルギを有していないので、ミリバブルやマイクロバブルとともに消滅してしまう。加えて、上記減圧構造を直列に配置し、同じ液体を繰り返し減圧構造に流したとしても、その繰り返し回数に応じた数のＵＦＢを、長期間保存することはできない。すなわち、従来のＵＦＢ生成方法によって生成されたＵＦＢ含有液では、ＵＦＢ含有濃度を所定の値で長期間維持することは困難であった。

これに対し、膜沸騰を利用する本実施形態のＴ−ＵＦＢ生成方法では、常温から３００℃程度への急激な温度変化や、常圧から数メガパスカル程度への急激な圧力変化を、発熱素子の極近傍に局所的に生じさせている。当該発熱素子は、一辺が数十μｍ〜数百μｍ程度の四辺形をしている。従来のＵＦＢ発生器の大きさに比べると、１／１０〜１／１０００程度である。且つ、膜沸騰泡表面の極薄い膜領域に存在する気体溶解液体が、熱的溶解限界または圧力的溶解限界を瞬間的に（マイクロ秒以下の超短時間で）超えることにより、相転移が起こりＵＦＢとなって析出する。この場合、ミリバブルやマイクロバブルのような比較的大きなサイズのバブルは殆ど発生せず、液体には直径が１００ｎｍ程度のＵＦＢが極めて高い純度で含有される。更に、このように生成されたＴ−ＵＦＢは、十分に高い気液界面エネルギを有しているため、通常の環境下において破壊されにくく、長期間の保存が可能である。

特に、液体に対し局所的に気体界面を形成できる膜沸騰現象を用いた本発明であれば、液体領域全体に影響を与えることなく、液体の一部に界面形成し、それに伴う熱的、圧力的に作用する領域を極めて局所的な範囲とすることができる。その結果、安定的に所望のＵＦＢを生成することができる。また、液体を循環して生成液体に対し更にＵＦＢの生成条件を付与することで、既存のＵＦＢへの影響を少なく新たなＵＦＢを追加生成することができる。その結果、比較的容易に、所望のサイズ、濃度のＵＦＢ液体を製造することができる。

更に、Ｔ−ＵＦＢ生成方法においては、上述したヒステリシス特性を有するため、高い純度のまま所望の濃度まで含有濃度を高めていくことができる。すなわち、Ｔ−ＵＦＢ生成方法よれば、高純度、高濃度で且つ長期間保存可能なＵＦＢ含有液を、効率的に生成することができる。

＜＜Ｔ−ＵＦＢ含有液の具体的用途＞＞
一般に、ＵＦＢ含有液は、内包される気体の種類によって用途が区別される。なお、液体にＰＰＭ〜ＢＰＭ程度の量を溶解できる気体であれば、全てＵＦＢ化させることが可能である。１例としては、下記のような用途に応用する事ができる。

・空気を内包させたＵＦＢ含有液は、工業的・農水産業・医療用などの洗浄や、植物・農水産物の育成にも好適に用いることができる。

・オゾンを内包したＵＦＢ含有液は、工業的・農水産業・医療用などの洗浄用途に加え、殺菌、滅菌及び除菌を目的とした用途や、排水や汚染土壌の環境浄化などにも好適に用いることができる。

・窒素を内包したＵＦＢ含有液は、工業的・農水産業・医療用など洗浄用途に加え、殺菌、滅菌及び除菌を目的とした用途や、排水や汚染土壌の環境浄化などにも好適に用いることができる。

・酸素を内包したＵＦＢ含有液は、工業的・農水産業・医療用など洗浄用途に加え、植物・農水産物の育成にも好適に用いることができる。

・二酸化炭素を内包したＵＦＢ含有液は、工業的・農水産業・医療用などの洗浄用途に加え、殺菌、滅菌及び除菌を目的とした用途などに好適に用いることができる。

・医療用ガスであるパーフロロカーボンを内包したＵＦＢ含有液は、超音波診断や治療に好適に用いることができる。このように、ＵＦＢ含有液は、医療・薬品・歯科・食品・工業・農水産業などの多岐に亘って、効果を発揮することができる。

そして、それぞれの用途において、ＵＦＢ含有液の効果を迅速に且つ確実に発揮するためには、ＵＦＢ含有液に含まれるＵＦＢの純度と濃度が重要となる。すなわち、高純度で所望の濃度のＵＦＢ含有液を生成することが可能な本実施形態のＴ−ＵＦＢ生成方法を利用すれば、様々な分野でこれまで以上の効果を期待することができる。以下、Ｔ−ＵＦＢ生成方法及びＴ−ＵＦＢ含有液を適用可能と想定される用途を列挙する。

（Ａ）液体の精製的用途
・浄水器に対し、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、浄水効果やＰＨ調製液の精製効果を高めることが期待できる。また、炭酸水サーバなどにＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することもできる。

・加湿器、アロマディヒューザー、コーヒーメーカー等にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、室内の加湿効果や消臭効果及び香りの拡散効果を向上させることが期待できる。

・溶解ユニットにおいてオゾンガスを溶解させたＵＦＢ含有液を生成し、これを歯科治療、火傷の治療、内視鏡使用時の傷の手当てなどで用いることにより、医療的な洗浄効果や消毒効果を向上させることが期待できる。

・集合住宅の貯水槽にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、長期間保存される飲料水の浄水効果や塩素の除去効果を向上させることが期待できる。

・日本酒、焼酎、ワインなど、高温の殺菌処理を行うことができない酒造工程において、オゾン含有のＴ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、従来よりも効率的に低温殺菌処理を行うことが期待できる。

・魚や真珠などの魚介類の養殖場所において、養殖用の海水や淡水の供給経路にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、魚介類の産卵や発育を促進させることが期待できる。

・食材保存水の精製工程にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、食材の保存状態を向上させることが期待できる。

・プール用水や地下水などを脱色するための脱色器にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、より高い脱色効果を期待することができる。

・コンクリート部材のひび割れ修復のためにＴ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、ひび割れ修復の効果向上を期待することができる。

・液体燃料を用いる機器（自動車、船舶、飛行機）等の液体燃料に、Ｔ−ＵＦＢを含有させることにより、燃料のエネルギ効率を向上させることが期待できる。

（Ｂ）洗浄的用途
近年、衣類に付着した汚れなどを除去するための洗浄水として、ＵＦＢ含有液が注目されている。上記実施形態で説明したＴ−ＵＦＢ生成ユニットを洗濯機に配し、従来よりも純度が高く浸透性に優れたＵＦＢ含有液を洗濯層に供給することにより、更に洗浄力を向上させることが期待できる。

・浴用シャワーや便器洗浄機にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、人体等、生物全般の洗浄効果のほか、浴室又は便器の水垢やカビなどの汚染除去を促す効果を期待できる。

・自動車などのウィンドウォッシャー、壁材などを洗浄するための高圧洗浄機、洗車機、食器洗浄機、食材洗浄機等においてＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、それぞれの洗浄効果を更に向上させることが期待できる。

・プレス加工後のバリ取り工程など工場で製造した部品を洗浄・整備する際に、Ｔ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、洗浄効果を向上させることが期待できる。

・半導体素子製造時、ウェハの研磨水としてＴ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、研磨効果を向上させることが期待できる。また、レジスト除去工程においては、Ｔ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、剥離が困難なレジストの剥離を促すことが期待できる。

・医療ロボット、歯科治療器、臓器の保存容器などの医療機器の、洗浄や消毒を行うための器機に、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、これら器機の洗浄効果や消毒効果の向上を期待することができる。また、生物の治療などにも適用可能である。

以上、Ｔ−ＵＦＢ生成方式を用いた微細バブル生成装置により、微細バブルとしてＵＦＢを高濃度かつ高純度に生成する例を示した。但し、このＴ−ＵＦＢ方式を用いた微細バブル生成装置は、上記のようにＵＦＢを高濃度かつ高純度で生成するものに限らず、ＵＦＢと共にミリバブル、マイクロバブルなどを生成する微細バブル生成装置にも有効である。

図１２は、Ｔ−ＵＦＢ方式を用いて、所定のＵＦＢ濃度でＵＦＢを生成することにより、ＵＦＢのみならず、他の直径サイズを有する微細バブル（ミリバブル、マイクロバブル）も効率的に生成することが可能な微細バブル生成装置１Ａの概略構成を示す図である。

微細バブル生成装置１Ａは、図外の液体供給源から液体供給流路２９を介して供給される液体（例えば、水）を流動させる流体流路３０を備える。流体流路３０は、液体供給源に接続される導入流路３１、共通流路３２、狭窄流路３３、共通流路３４、導出流路３５、還流流路３６、及び排出流路３７を備える。

導入流路３１の上流側端部には三法弁からなる導入バルブ５１を介して液体供給流路２９と還流流路３６とに接続されている。導入流路３２の下流側端部には、矩形箱状の共通流路３２が連結されている。共通流路３２には、矩形形状の流路断面を有する狭窄流路３３が連結されている。なお、図中の矢印ｆは、各流路における液体の流動方向を示している。以下の説明においては、矢印ｆによって示される液体の流動方向を基準として、前方側を下流側、後方側を上流側と称す。

狭窄流路３３には、流路断面の面積が連続的に変化する曲面部分が側部に形成されており、その曲面部分の中に最も流路断面の面積が小さくなる狭窄部３３ａが設けられている。狭窄流路３３の曲面部分の中で、狭窄部３３より上流側に位置する部分は下流に向かうに従って流路断面の面積が狭小となり、狭窄部３３より下流側に位置する部分は下流に向かうに従って流路断面の面積が連続的に増大する形状を有している。

狭窄流路３３の下流側端部には、矩形箱状の共通流路３４が連結されている。共通流路３４の下流側端部には、導出流路３５が連結されている。導出流路３５には、三方弁からなる導出バルブ５２を介して還流流路３６と排出流路３７とが連結されている。還流流路３６は導入バルブ５１に連結されている。また、還流流路３６には、同流路内の液体を矢印ｆに示す方向に流動させるためのポンプ３８が連結されている。

狭窄流路３３の狭窄部３３ａより上流側に位置する部分には、狭窄流路３３に気体を導入する気体導入流路４０の一端部が連結されている。気体導入流路４０の他端部には不図示の気体供給用のポンプが接続されており、そのポンプより送出された気体が気体導入流路４０を介して狭窄流路３３に流入する。

また、狭窄部３３ａには、液体を加熱可能な複数の発熱素子（ヒータ、電気熱変換素子）７からなる発熱部７Ｇを備えた素子基板８が配置されている。さらに、狭窄部３３ａには、狭窄部３３ａにおける液体の体積と、当該液体に含有される気体の体積との割合（以下、ボイド率）を計測する計測手段５０００（図１３）が設けられている。

次に、図１３に基づき、本実施形態におけるＵＦＢ生成装置１Ａの制御系の概略構成を説明する。図１３において、制御部１０００は、例えば、ＣＰＵ１００１、ＲＯＭ１００２、ＲＡＭ１００３などを含み構成されている。ＣＰＵ１００１は、微細バブル生成装置１Ａを統括的に制御する制御手段としての機能を果たす。ＲＯＭ１００２はＣＰＵ１００１によって実行される制御プログラムや所定のテーブルその他の固定データを格納している。ＲＡＭ１００３は、種々の入力データを一時的に格納する領域や、ＣＰＵ１００１によって処理を実行する際の作業領域等を有する。操作表示部６０００は、ユーザによってＵＦＢ濃度やＵＦＢ生成時間等を含む種々の設定操作を行う設定手段として機能する設定部６００１と、ＵＦＢ含有液の生成所要時間や装置の状態表示などを行う表示手段としての表示部６００２とを備える。制御部１０００は、発熱素子駆動部２０００を制御する。発熱素子駆動部２０００は、ＣＰＵ１００１から出力された制御信号に応じた駆動パルスを、複数の発熱素子１０のそれぞれに印加する。各発熱素子１０は、印加された駆動パルスの電圧、周波数、及びパルス幅などに応じた熱を発生し、その熱によって各発熱素子１０に接する液体の加熱を行う。従って、発熱素子による液体の加熱状態は、発熱素子駆動部２０００と、これを制御するＣＰＵ１００１とにより制御される。

この他、制御部１０００は、導入バルブ５１及び導出バルブ５２等のバルブの駆動を行うバルブ駆動回路３０００、及びポンプ３８を駆動するポンプ駆動回路４０００等の制御を行う。また、制御部１０００には、計測手段５０００によって計測されたボイド率を示す信号が入力される。

上記構成を有する微細バブル生成装置１Ａにおいて、液体供給流路２９と導入流路３１とを導入バルブ５１によって連通させると、液体供給源から供給された液体は、液体供給流路２９、及び導入バルブ５１を経て導入流路３１に流入する。導入流路３１に流入した液体は、共通流路３２を経て、狭窄流路３３へと流入する。このとき、狭窄流路３３に流入した液体の流速は、狭窄部３３ａを通過することにより増加し、圧力は低下する。このことはベルヌーイの定理として知られている。

また、狭窄流路３３には、狭窄部３３の上流側に連結された気体導入流路４０から気体が流入する。この気体と狭窄流路３３に流入した液体とにより、液体内にバブルが発生する。このとき液体に発生するバブルの多くは、ミリバブル以上の外径を有する比較的大きなバブルとなる。この後、液体が狭窄部３３ａを通過することによって、液体に含まれていたバブルは、より微細なバブルへと分裂する。バブルの分裂は、狭窄部３３ａを通過する液体に対する気体の存在割合（ボイド率）と、狭窄部３３ａを通過する流体の流速と、を適切に設定することにより実現されることが知られている。狭窄部３３ａより上流側から流入したバブルが狭窄流路３３を通過した際に生じた分裂バブルはナノメートルからマイクロメートルの幅広い粒径を有しており、通常はマイクロメートルサイズのバブル（マイクロバブル）が多く生じる。

本実施形態における微細バブル生成装置１Ａには、狭窄流路３３の狭窄部３３ａを通過する液体に膜沸騰を生じさせるように、複数の発熱素子（ヒータ（電気熱変換素子））７からなる発熱部７Ｇが設けられている。各発熱素子７から発生するナノサイズのバブル（ＵＦＢ）の量（単位液量当たりのバブルの個数）は、ＣＰＵ１００１が発熱素子駆動部２０００を制御することによって高精度に制御することができる。

具体的には、発熱素子駆動部２０００から各発熱素子７へ印加する電圧パルス（駆動パルス）の電圧、周波数、及びパルス幅を制御することによって、各発熱素子７のＵＦＢの発生量を制御することができる。また、発熱部７Ｇに設けられた複数の発熱素子のうち、使用する発熱素子の数、すなわち電圧パルスを印加する発熱素子の数を制御することによってもバブルの発生量を制御することが可能である。従って、発熱部７Ｇで発生する泡の量は、使用する発熱素子７の数、各発熱素子７に印加する電圧パルスの周波数を制御することにより、発熱部７Ｇで発生させるＵＦＢの生成量（ＵＦＢの数）を高精度に制御することができる。

このように、本実施形態では、マイクロバブルより微細なＵＦＢの生成量を制御することが可能になるため、狭窄流路３を通過する流体のボイド率をより精密に制御することができる。すなわち、空気導入流路６より流入した気体により生じたバブルと、発熱部７Ｇによって発生した微小なＵＦＢとにより、狭窄部３３ａにおけるボイド率を精密に定めることが可能になる。このため、狭窄流路３３ａを通過する際に生じるバブルの分裂を促進することが可能となり、狭窄部３３ａへと流入するバブルは、より小さな粒径のバブルへと分裂される。例えば、気体導入路４０から流入した気体により生じた比較的大きなバブルは、狭窄部３３ａを通過することによって、より小さな粒径のバブル（例えばマイクロバブル）へと分裂する。また、狭窄部３３ａへと流入したマイクロバブルは、ＵＦＢへと分裂する。このようにして分裂したバブルに、発熱素子７の膜沸騰によって生じたＵＦＢがさらに加わることにより、ナノメートルからマイクロメートルの広範囲の粒径を有するバブルを効率的に生成することが可能になる。

また、発熱部７Ｇの各発熱素子７へ印加する駆動パルスの電圧、パルス幅、及び発熱素子７と素子基板８との間に配置された絶縁層によっては、ＵＦＢより大きな径を有するバブルを発熱素子７によって生成させることも可能である。例えば、発熱素子に印加する駆動パルスの電圧またはパルス幅を、ＵＦＢを生成する場合よりも増大させることによってＵＦＢより大きな直径を有するバブルを生成することが可能である。また、発熱素子７と素子基板８との間に設けられた絶縁層の厚さを、ＵＦＢを生成する際に定める絶縁層の厚さより厚く形成することによって、ＵＦＢより大きな粒径のバブルを生成することが可能になる。

このため、発熱部７Ｇの中の一部の発熱抵抗素子７によってＵＦＢより大きな粒径を持つバブルを発生させ、他部分の発熱抵抗素子７によってＵＦＢを生成させるようにすることも可能である。これによれば、気体導入流路４０から流入した気体によって生じるバブルに、発熱部７Ｇによって生成した比較的大きな外径のバブルとＵＦＢとを混在させることが可能である。

すなわち、発熱抵抗素子７へ印加する駆動パルスの電圧、パルス幅の少なくとも一方を制御することにより、狭窄流路３を通過する流体のボイド率を制御することが可能になる。また、絶縁層の厚さが異なる発熱素子７の中から駆動すべき発熱素子を選択することによっても、狭窄流路３を通過する流体のボイド率を制御することが可能となる。

このようにして、狭窄流路３を通過する流体のボイド率を制御することにより、ナノメートルからマイクロメートルの泡を効率的に生じさせることが可能となる。

以上のように狭窄部３３ａを通過した液体には、気体導入流路４０から流入した気体によって生成されたバブルを分裂させたバブルと、発熱素子７によって生成されたＵＦＢとが混在した状態となる。この液体に含まれるＵＦＢ以外のバブルは、殆どが前述の分裂によってマイクロバブルとなる。このような微細なバブルを含有した液体は、共通流路３４に流入する。そして、導出流路３５が導出バルブ５２によって排出流路３７に連通している場合には、共通流路３４に流入した液体は、導出流路３５、導出バルブ５２及び排出流路３７を経て外部へと排出される。

また、導出バルブ５２と導入バルブ５１を切換えることによって、供給流路３４に流入した液体を、導出流路３５、還流流路３６、導入流路３１、及び共通流路３２、を経て、再び狭窄流路３３へと流入させる循環流路（閉流路）を形成することも可能である。この循環経路内で液体を循環させることにより、より多くの微細バブルを液体に含有させることが可能になる。この際、狭窄部分３３ａに設けた計測手段５０００によって狭窄部３３ａにおけるボイド率を計測し、その計測値に従って発熱素子７の駆動、停止、あるいは気体導入流路４０からの気体の流入、遮断を制御すれば、狭窄部３３ａにおけるボイド率をより適正に設定することが可能になる。

また、計測手段５０００の計測結果に基づいて、導入流路３１に流入する液体の量を制御するようにすれば、狭窄部３３ａにおける流体の流速を制御することが可能になり、これによっても狭窄部３３ａにおけるボイド率を制御することが可能になる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図１４に基づき説明する。上述の第１の実施形態では、狭窄流路３３の狭窄部３３ａに発熱部７Ｇを有する素子基板８が配置されているのに対し、本実施形態では、狭窄部３３ａより上流側に素子基板８が配置されており、この点が上記第１の実施形態と異なる。その他の構成は、上記第１の実施形態と同様であり、狭窄流路３におけるボイド率の制御方法についても第１の実施形態と同様である。

狭窄流路３３における狭窄部３３ａは、狭窄流路３３ａの中でも最も狭小な領域となっているため、素子基板８の寸法形状が制約され、発熱素子７の数も制限される。従って、本実施形態のように、素子基板８を狭窄部３３ａより上流側の比較的広い領域に配置することで、より多くの発熱素子７を備えたより大きな寸法形状を有する素子基板８を配置することが可能になる。これにより、ＵＦＢまたはＵＦＢより大きな粒径のバブルをより多く生成して狭窄流路３３へと流入させることが可能となる。従って、本実施形態においても、広範囲な粒径分布を有する微細バブル含有液を効率的に生成することが可能になる。

（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施形態を図１５に基づき説明する。本実施形態では、発熱部７Ｇを有する素子基板８を、狭窄流路３３の狭窄部３３ａより下流側に設置している。なお、図１５において、第１の実施形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、重複説明は省略する。

一般に狭窄流路３３に流入したバブルは、狭窄部３３ａの下流側において、流体の圧力の上昇過程において分裂して微細化することが知られている。但し、単に狭窄流路に液体中のバブルを通過させただけでは、バブルの大きさによってバブルの分裂位置にばらつきが生じ、バブルの粒径分布および量にもばらつきが生じる。これに対し、本実施形態においては、狭窄部３３ａの下流側に発熱素子７を設置し、これを駆動して液体を発泡させることにより、発泡時の液体の圧力変化をトリガーとして、気体導入流路４０から流入したバブルを分裂させることができる。素子基板８は、狭窄流路３３に対して固定されているため、狭窄部３３ａを通過したバブルは、狭窄流路３３における同一位置で分裂することとなる。その結果、分裂したバブルの粒径分布及び量を揃えることが可能になる。さらに、発熱素子７の駆動に応じてＵＦＢが発生するため、このＵＦＢと、粒径分布及び量が揃えられた一様の分裂バブルとにより、広範囲な粒径分布を有する微細バブル含有液を生成することが可能になる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を図１６に基づき説明する。

上記第１〜第３の実施形態では、１つの素子基板８を狭窄流路３３に配置した例を示した。これに対し、本実施形態に係る微細バブル発生装置１Ａは、発熱部７Ｇを備える素子基板８を、狭窄流路３３の狭窄部３３ａより上流側に位置する部分と、狭窄部３３ａと、狭窄部３３ａより下流側に位置する部分とにそれぞれ配置した構成を有する。
本実施形態では、まず、狭窄部３３ａに配置した発熱素子７によって、ＵＦＢまたはＵＦＢより大きなバブルを生成させ、生成したバブルによってボイド率を大まかに設定する。次いで第２の実施形態で示したように発熱７Ｇを狭窄部３の上流側に設置することによりボイド率を細かく制御する。さらに第３の実施形態で示したように、発熱素子７の発泡を狭窄部３３ａを通過したバブルを分裂させるトリガーとして利用する。このように、狭窄部３３ａと、その上流側および下流側に配置した発熱部７Ｇの駆動によって広範囲な粒径分布を有する微細バブル含有液をより効率的に生成することが可能になる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態を図１７に基づき説明する。上述の第１の実施形態では、狭窄流路３３において狭窄部３３ａより上流側の位置に気体導入流路４０を連結した例を示した。これに対し本実施形態は、狭窄部３３ａの形成位置に気体導入流路４０を連結した構成を有する。なお、図１７において第１の実施形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付す。

狭窄流路３の狭窄部３３ａ内は、大気圧より低い圧力（負圧）となっている。このため、気体導入流路４０の一端部を狭窄部３３ａに連結し、他端部の開口部（大気連通部）を大気に開放することにより、狭窄部３３ａに生じている負圧によって気体導入流路４０から狭窄流路３へと外気を導入することが可能となる。すなわち、第１の実施形態のように気体導入流路４０に気体供給用のポンプ等の動力源を連結する必要がなくなり、装置の小型化を図ることが可能になる。なお、本実施形態においても、狭窄部３３ａに導入された空気により発生するバブルを、狭窄部３３ａの下流において微細なバブルへと分裂させることが可能である。従って、分裂させた微細なバブルと発熱素子７の駆動によって生成されたＵＦＢと共に、広範囲な粒径分布を有する微細バブル含有液を効率的に生成することが可能になる。

（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態を図１８に基づき説明する。

本実施形態は、気体導入流路４０を狭窄部３３ａの下流側に位置する部分に連結したものとなっており、その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態では、第１の実施形態と同様に、気体導入流路６より供給された気体によって発生したバブルを含む液体を、狭窄流路３３から共通流路３４へと流入させた後、ポンプ３８によって、再度、狭窄流路３３へと供給するという、流体の循環が可能である。このため、気体導入流路４０から流入した気体により発生する比較的大きな粒径のバブルを、狭窄部３３ａを通過させることによって、微細なバブルへと分裂させることが可能になる。従って、第１の実施形態と同様に広範囲な粒径分布を有する微細バブル含有液を効率的に生成することが可能になる。

また、狭窄流路３３の狭窄部３３ａの上流側や狭窄部３３ａの形成位置に、気体導入流路４０の連結スペースを確保することが困難な場合には、本実施形態のように、比較的広いスペースを確保できる下流側に気体導入流路４０を連結することが有効である。また、液体を循環させる構成を採る場合には、狭窄流路３３以外の部分に気体導入流路４０を連結してもよい。例えば、共通流路３４のような、広いスペースが確保されている部分に、気体導入流路４０を連結するようにすることも可能である。

（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態を図１９に基づき説明する。

本実施形態は、共通流路３２、３４に対して狭窄流路３３を２つ並列に連結した構成を有する。２つの狭窄流路３３のそれぞれには、第１の実施形態と同様に発熱部７Ｇを有する素子基板８と、気体導入流路４０が設けられている。これによれば、ＵＦＢ及び他の微細バブルの生成効率を高めることが可能となる。なお、発熱部７Ｇを有する素子基板８はシリコンウエハ上に半導体製造技術により作成される。また狭窄流路はシリコンウエハ上に感光性樹脂を塗布し、複数回の感光と現像を行うことにより作成することが可能である。

（第８の実施形態）
次に、本発明の第８の実施形態を図２０に基づき説明する。なお、図２０において、第１の実施形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、重複説明は省略する。

本実施形態は、共通流路３２、３４に対して複数の狭窄流路３３を直列的に接続して狭窄流路列を構成し、さらに、その狭窄流路列を複数列（ここでは４列）並設したものとなっている。図中、３３Ａ〜３３Ｄが個々の狭窄流路列を示している。本実施形態における各狭窄流路列３３Ａ〜３３Ｄは、いずれも、液体の流動方向ｆにおいて最も上流側に位置する狭窄流路３３にのみ素子基板８と気体導入流路４０が設けられている。

本実施形態によれば、各狭窄流路列３３Ａ〜３３Ｄにおいて、狭窄部３３ａが直列に連結された狭窄流路を液体が順次通過する。このため、各狭窄流路３３Ａ〜３３Ｄを通過する毎にバブルの分裂が発生し、微細なバブルを生成することが可能になる。しかも、複数の狭窄流路列が並設されているため、各々の狭窄流路列３３Ａ〜３３Ｄによって、広範囲な粒径を有する微細バブルを多数生成することが可能になる。このため、より高速かつ効率的に広範な粒径分布を有するバブルを生成することができる。

なお、図７の実施例で示したように発熱抵抗体素子７、基板８はシリコンウエハ上に半導体製造技術により作成され、各狭窄流路列はシリコンウエハ上に感光性樹脂を塗布し、複数回の感光と現像を行うことにより作成することが可能である。このため本実施形態のような複数の狭窄流路列を容易に作成することが可能となる。

（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態を図２１に示す。本実施形態は、上記第８の実施形態に示した各狭窄流路列３３Ａ〜３３Ｄにおいて、直列的に接続された複数の狭窄流路３３のそれぞれに、発熱部７Ｇを有する素子基板８と、気体導入流路４０とを設けたものである。

本実施形態においては、各狭窄流路３３の狭窄部３３ａに素子基板８を設けている。但し、第２〜第４の実施形態のように狭窄部３３ａ以外の位置に素子基板８を配置することも可能である。また、同一の狭窄流路列において、素子基板７Ｇの配置位置を狭窄流路３３毎に異ならせてもよい。同様に、気体導入流路４０においても、第５、第６の実施形態のように配置してもよく、さらには、同一の狭窄流路列において、気体導入流路４０の配置位置を狭窄流路３３毎に異ならせてもよい。

本実施形態によれば、各狭窄流路列３３Ａ〜３３Ｄにおいて、直列に連結された狭窄流路を液体が通過する。そして、各狭窄流路３３Ａ〜３３Ｄを通過する毎にバブルの分裂とＵＦＢの生成が行われる。このため、微細なバブルをより効率的に生成することが可能になる。しかも、複数の狭窄流路列が並設されているため、各々の狭窄流路列３３Ａ〜３３Ｄによって、広範囲な粒径を有する多数の微細バブルを、より効率的に生成することが可能になる。

（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態を図２２に示す。上記第１〜第９の実施形態では、狭窄流路３３の流路断面を矩形形状に形成した例を示した。これに対し、本実施形態では、狭窄流路３３が、所定の中心軸を中心とした回転対称形状をなしている。すなわち、本実施形態における狭窄流路３３の流路断面は、円形形状をなしている。狭窄部３３ａの流路断面の面積は、狭窄流路３３の中で最小となっている。この狭窄部３３ａに複数の発熱素子７を有する発熱部７Ｇを備えた素子基板８が配置されている。また、狭窄部３３ａの上流側に気体を導入するための気体導入流路４０が連結されている。なお、本実施形態においても、素子基板の配置位置、及び気体導入流路４０の配置位置は、特に限定されるものではなく、例えば、上記第２〜第６の実施形態に示したように配置することが可能である。従って、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果が期待できる。なお、ここでは特に図示しないが、共通流路３４に供給された液体をポンプ等の駆動によって再び狭窄流路３３に流入させるように構成することも可能である。

（第１１の実施形態）
本発明の第１１の実施形態を図２３に示す。本実施形態では、共通流路３２、３４に対して、第１０の実施形態で示した狭窄流路３３を直列的に接続することによって狭窄流路列を構成し、かつ、その狭窄流路列を複数列（ここでは４列）並設したものである。図中、３３Ａ〜３３Ｄが個々の狭窄流路列を示している。また、各狭窄流路列３３Ａ〜３３Ｄにおいて、直列的に接続された複数の狭窄流路３３のそれぞれに、発熱部７Ｇを有する素子基板８と、気体導入流路４０とが設けられている。

本実施形態においては、各狭窄流路３３の狭窄部３３ａに素子基板８を設けているが、第２〜第４の実施形態のように狭窄部３３ａ以外の位置に素子基板８を配置することも可能である。また、同一の狭窄流路列内において、素子基板８及び気体導入流路４０の配置位置を狭窄流路３３毎に異ならせてもよい。

このような構成を有する本実施形態においても、第９の実施形態と同様の効果を期待できる。また、本実施形態においても、第９及び第１０の実施形態で説明したように、共通流路４、狭窄流路３はシリコンウエハ上に感光性樹脂を塗布し、複数回の感光と現像を行うことにより作成することが可能である。あるいは、狭窄流路列３３Ａ〜３３Ｄを３Ｄプリンタ等の積層型の造形装置により形成することも可能である。発熱部７Ｇ及び素子基板８は、シリコンウエハ上に半導体製造技術により作成されたものを流体流路内に設置することにより製造することができる。

（第１２の実施形態）
次に、本発明の第１２の実施形態を図２４に示す。本実施形態では、狭窄流路３３の中に、所定の間隔を介して相対向する突出部３３ｅ、３３ｆが形成されている。この突出部は、その左右両側面、及び上下両面が平面形状をなしている。そして、これらの突出部３３ｅ、３３ｆによってオリフィス状の狭窄部３３ａが構成されている。このような狭窄部３３ａが形成された狭窄流路３０を用いた場合にも、上記各実施形態と略同様の効果が期待できる。

（他の実施形態）
上述の第３〜５、及び７〜１２の実施形態では特に言及していないが、これらの実施形態においても第１の実施形態と同様に、導出流路３５から流出した液体を、狭窄流路３３へと戻す循環流路（閉流路）を形成し得るように構成してもよい。すなわち狭窄部３３ａ及び発熱部１０Ｇを通過した液体を外部に排出させる開流路と、狭窄部３３ａ及び発熱部１０Ｇに対して液体を繰り返し通過させることが可能な循環流路（閉流路）とを選択的に形成可能に構成することも可能である。これによれば、発熱部７Ｇで生成するＵＦＢの生成を調整することによって狭窄部３３ａにおけるボイド率を最適化することも可能になり、狭窄部３３ａを通過した液体の分裂をさらに効率的に行うことが可能になる。

３３ａ 狭窄部
３３ 流体流路
７Ｇ 発熱部
１００１ ＣＰＵ（制御手段）
１Ａ 微細バブル生成装置

Claims (15)

1. 少なくとも一部に狭窄部を有する流体流路と、
   前記流体流路を流動する液体を加熱可能な発熱部と、
   前記発熱部を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記液体に膜沸騰を生じさせてウルトラファインバブルを生成させるように前記発熱部を制御することを特徴とする微細バブル生成装置。
2. 前記制御手段は、前記狭窄部を通過する液体の体積と当該液体に含有される気体の体積との割合を調整するように前記発熱部によるウルトラファインバブルの生成量を制御することを特徴とする請求項１に記載の微細バブル生成装置。
3. 前記流体流路に気体を導入する気体導入流路をさらに備え、
   前記気体導入流路は、前記狭窄部の形成位置と、前記流体流路を流動する流体の流動方向を基準として前記狭窄部より上流側の位置の少なくとも一方に連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載の微細バブルの生成装置。
4. 前記気体導入流路は、前記狭窄部に大気を導入可能に連結されていることを特徴とする請求項３に記載の微細バブル生成装置。
5. 前記流体流路には、複数の前記発熱部が配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の微細バブル生成装置。
6. 前記発熱部は、前記流体流路を流動する液体の流動方向を基準として前記狭窄部より上流側の位置と前記狭窄部の形成位置のうち、少なくとも一方の位置に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれ１項に記載の微細バブル生成装置。
7. 前記発熱部は、前記流体流路を流動する液体の流動方向を基準として前記狭窄部より下流側の位置に設けられ、
   前記制御手段は、前記狭窄部を通過した流体に含有される気体の分裂が促進されるように、前記発熱部によるウルトラファインバブルの生成を制御することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の微細バブル生成装置。
8. 前記流体流路は、前記狭窄部より下流側の液体を前記狭窄部より上流側に還流させる還流流路を含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の微細バブル生成装置。
9. 前記狭窄部は、連続的な曲面を含み形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の微細バブル生成装置。
10. 前記狭窄部は、平面を含み形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の微細バブル生成装置。
11. 前記狭窄部は、前記流体流路に所定の間隔を介して複数形成され、
    前記発熱部は、複数の前記狭窄部の少なくとも１つに対応して配置されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の微細バブル生成装置。
12. 前記流体流路は、少なくとも前記狭窄部の流路断面が矩形形状をなしていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の微細バブル生成装置。
13. 前記流体流路は、少なくとも前記狭窄部の流路断面が円形形状をなしていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の微細バブル生成装置。
14. 少なくとも一部に狭窄部を有する流体流路を流動する液体を発熱部によって加熱する工程と、
    前記液体に膜沸騰を生じさせてウルトラファインバブルを生成させるように前記発熱部を制御する制御工程と、
    を備えることを特徴とする微細バブル生成方法。
15. 請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の微細バブル生成装置によって生成された微細バブル含有液。

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