JP2020142232A - Ultra fine bubble generation method, ultra fine bubble generation device, and ultra fine bubble containing liquid - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直径が1.0μm未満のウルトラファインバブルを生成するウルトラファインバブル生成方法、ウルトラファインバブル生成装置、及びウルトラファインバブル含有液に関する。 The present invention relates to an ultrafine bubble generation method for generating ultrafine bubbles having a diameter of less than 1.0 μm, an ultrafine bubble generation device, and an ultrafine bubble-containing liquid.
近年、直径がマイクロメートルサイズのマイクロバブル、及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。 In recent years, techniques have been developed that apply the characteristics of fine bubbles such as microbubbles having a diameter of micrometer and nanobubbles having a diameter of nanometer. In particular, the usefulness of Ultra Fine Bubble (hereinafter, also referred to as “UFB”) having a diameter of less than 1.0 μm has been confirmed in various fields.
特許文献1には、気体が加圧溶解された加圧液を減圧ノズルから噴出させることによって、微細なバブルを生成する微細気泡生成装置が開示されている。また、特許文献2には、混合ユニットを用いて気体混合液体の分流と合流を繰り返すことによって、微細なバブルを生成する装置が開示されている。 Patent Document 1 discloses a fine bubble generator that generates fine bubbles by ejecting a pressurized liquid in which a gas is pressurized and dissolved from a pressure reducing nozzle. Further, Patent Document 2 discloses an apparatus for generating fine bubbles by repeatedly dividing and merging gas mixed liquids using a mixing unit.
特許文献1、2に記載のいずれの装置においても、直径がナノメートルサイズのUFBに加えて、直径がミリメートルサイズのミリバブルや直径がミクロンメートルサイズのマイクロバブルが比較的多量に生成される。但し、ミリバブルやマイクロバブルには浮力が作用するため、長期間の保存においては徐々に液面に浮上し、消滅してしまう傾向がある。 In any of the devices described in Patent Documents 1 and 2, in addition to the UFB having a diameter of nanometer size, a relatively large amount of microbubbles having a diameter of millimeter size and microbubbles having a diameter of micron meter size are generated. However, since buoyancy acts on millibubbles and microbubbles, they tend to gradually rise to the liquid surface and disappear during long-term storage.
一方、直径がナノメートルサイズのUFBについては、浮力の影響を受け難く、ブラウン運動を行いながら液中に浮遊するため、長期間の保存に適している。しかしながら、UFBにおいても、ミリバブルやマイクロバブルとともに生成されたり、気液界面エネルギが小さかったりすると、ミリバブルやマイクロバブルの消滅の影響を受け、時間の経過とともに減少してしまう。すなわち、長期間保存してもUFB濃度の減少が抑制されるUFB含有液を得るためには、UFB含有液の生成時において、高い気液界面エネルギを有するUFBが高純度且つ高濃度に生成されることが求められる。 On the other hand, UFB having a diameter of nanometer size is not easily affected by buoyancy and floats in the liquid while performing Brownian motion, so that it is suitable for long-term storage. However, even in UFB, if it is generated together with microbubbles or microbubbles, or if the gas-liquid interface energy is small, it is affected by the disappearance of the millibubbles and microbubbles and decreases with the passage of time. That is, in order to obtain a UFB-containing liquid in which a decrease in UFB concentration is suppressed even after long-term storage, UFB having a high gas-liquid interface energy is generated with high purity and high concentration at the time of producing the UFB-containing liquid. Is required.
本発明は上記問題点を解消するためになされたものである。よってその目的とするところは、純度の高いUFB含有液を効率的に生成することが可能なUFB生成装置及びUFB生成方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems. Therefore, an object of the present invention is to provide a UFB generator and a UFB generation method capable of efficiently producing a highly pure UFB-containing liquid.
そのために本発明は、液体中に設けた発熱素子を発熱させて、前記液体と前記発熱素子の界面に膜沸騰を生じさせることにより、ウルトラファインバブルを生成する生成工程と、前記生成工程によって生成された前記ウルトラファインバブルを含有するウルトラファインバブル含有液に所定の後処理を行う後処理工程と、を有することを特徴とする。 Therefore, the present invention has a generation step of generating an ultrafine bubble by generating heat of a heat generating element provided in the liquid and causing a film to boil at the interface between the liquid and the heat generating element, and a generation step of generating the ultrafine bubble. It is characterized by having a post-treatment step of performing a predetermined post-treatment on the ultra-fine bubble-containing liquid containing the ultra-fine bubbles.
本発明によれば、純度の高いUFB含有液を効率的に生成することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to efficiently produce a highly pure UFB-containing liquid.
<<UFB生成装置の構成>>
図1は、本発明に適用可能な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。詳細は後述するが、本明細書では急激な発熱に伴う膜沸騰を利用して生成したUFBをT−UFB(Thermal−Ultra Fine Bubble)と称す。
<< Configuration of UFB generator >>
FIG. 1 is a diagram showing an example of a UFB generator applicable to the present invention. The UFB generator 1 of this embodiment includes a
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、脱気容器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。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the
ある程度の液体Wが脱気容器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。
After a certain amount of liquid W is stored in the
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。
The degassing treatment described above can be repeated for the same liquid W by using the
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。
Although FIG. 2 shows a
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。
3A and 3B are a schematic configuration diagram of the
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、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より溶解容器201に供給される。
The liquid W supplied from the
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。
When a predetermined amount of the liquid W and the gas G are stored in the
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。
When the liquid W in which the components of the gas G are dissolved at a desired concentration is obtained, the liquid W is discharged via the liquid lead-out
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。
FIG. 3B is a diagram schematically showing how the gas G mixed in the
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。
In the figure, the gas-dissolved
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。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the T-
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に所定の電圧パルスが印加されることにより、発熱素子10に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。そして、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UFB含有液Wが導出される。
An
図5(a)及び図3(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、図5(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。
5 (a) and 3 (b) are views showing the detailed structure of the
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。
As shown in FIG. 5A, in the
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(ヒータ)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。
On the surface of the
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。
The configuration shown in the figure is an example, and various other configurations can be applied. For example, a configuration in which the stacking order of the
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。
FIG. 5B is an example of a cross-sectional view of a region of the
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。
The P-
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。
The N-
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。
In the P-
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。
In this example, an N-
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。
An oxide
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328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。
An interlayer insulating
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。尚、後述するように膜沸騰によって発生したUFB11は主として膜沸騰泡13の表面近傍に発生する。図6(b)に示す状態は、図1で示したように、生成ユニット300で発生したUFB11から循環経路を介して溶解ユニット200に再度供給され、その液体が生成ユニット300の液路に再度供給された状態を示す。
6 (a) and 6 (b) are views showing a state of film boiling when a predetermined voltage pulse is applied to the
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。
Before the voltage is applied to the
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。
The voltage application time (pulse width) is about 0.5 ussec to 10.0 ussec, but even after the voltage is no longer applied, the
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)。
When the
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。
The generation, expansion, contraction, and disappearance of the film boiling bubbles 13 as described above are repeated each time a voltage pulse is applied to the
次に図7〜図10を用いて、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。
Next, with reference to FIGS. 7 to 10, how UFB11 is generated in each process of generation, expansion, contraction and disappearance of the
図7(a)〜7(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模式的に示す図である。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。
7 (a) to 7 (d) are diagrams schematically showing how
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。
FIG. 7B shows a state in which a voltage is applied to the
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の発生から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。
After that, the surface temperature of the
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。
FIG. 7C shows the process of expansion of the
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。
FIG. 7D shows a state in which the
膜沸騰泡13の収縮段階においては、図8(a)〜(c)に示す過程により発生するUFB(第2のUFB11B)と、図9(a)〜(c)に示す過程により発生するUFB(第3のUFB)とがある。これら2つの過程は併存しておきていると考えられる。
In the contraction stage of the
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。
8 (a) to 8 (c) are views showing how
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。
The gas-dissolved
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。
FIG. 8B shows the process of contraction of the
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。
FIG. 8C shows a state immediately before the
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。
9 (a) to 9 (c) are views showing how UFB is generated by reheating the liquid W when the
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。
FIG. 9B shows a state in which the film boiling bubbles 13 are contracted and a part of the surface of the
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。
FIG. 9C shows a state in which the film boiling bubbles 13 are further contracted. As the
図10(a)および(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。
10 (a) and 10 (b) are diagrams showing how UFB is generated by the impact (a kind of so-called cavitation) at the time of defoaming the
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。
FIG. 10B shows a state immediately after the
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。
In this case, the gas-dissolved
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。
The fourth UFB11B generated by the shock wave at the time of defoaming the
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と考えられる。
Further, since the fourth UFB11D is uniformly generated everywhere in the concentric spherical region where the shock wave propagates, it will be uniformly present in the
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が発生すると想定される。第1のUFB11A、第2のUFB11B及び第3のUFB11Cは、膜沸騰により発生する膜沸騰泡の表面の近傍に発生する。ここで近傍とは膜沸騰泡の表面から約20μm以内の領域である。第4のUFB11Dは、気泡が消泡(消滅)する際に発生する衝撃波が伝搬する領域に発生する。上述した例では膜沸騰泡13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13が消泡する前に大気と連通することで、膜沸騰泡13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。
As described above, it is assumed that the
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。 Next, the residual characteristics of UFB will be described. The higher the temperature of the liquid, the lower the dissolution characteristics of the gas component, and the lower the temperature, the higher the dissolution characteristics of the gas component. That is, the higher the temperature of the liquid, the more the phase transition of the dissolved gas component is promoted, and the more easily UFB is generated. The temperature of the liquid and the solubility of the gas are in inverse proportion to each other, and as the temperature of the liquid rises, the gas exceeding the saturated solubility becomes bubbles and is deposited in the liquid.
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。 Therefore, when the temperature of the liquid rises sharply from room temperature, the dissolution characteristics drop at once, and UFB begins to be generated. Then, as the temperature rises, the thermal melting characteristics decrease, and a large amount of UFB is generated.
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。 On the contrary, when the temperature of the liquid drops from room temperature, the dissolution characteristics of the gas increase, and the produced UFB becomes easy to liquefy. However, such temperatures are well below room temperature. Further, even if the temperature of the liquid is lowered, since the UFB once generated has a high internal pressure and a high gas-liquid interface energy, it is extremely unlikely that a pressure high enough to destroy the gas-liquid interface acts. That is, the UFB once generated does not easily disappear as long as the liquid is stored at normal temperature and pressure.
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。 In the present embodiment, the first UFB11A described with reference to FIGS. 7 (a) to 7 (c) and the third UFB11C described with reference to FIGS. 9 (a) to 9 (c) have thermal dissolution characteristics of such a gas. It can be said that it is a UFB generated by using.
一方、液体の圧力と溶解特性の関係においては、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。液体の圧力が常圧から下がると、溶解特性が一気に下がり、UFBが生成され始める。そして、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。 On the other hand, regarding the relationship between the pressure of the liquid and the dissolution characteristics, the higher the pressure of the liquid, the higher the dissolution characteristics of the gas, and the lower the pressure, the lower the dissolution characteristics. That is, the lower the pressure of the liquid, the more the phase transition of the gas-dissolved liquid dissolved in the liquid to the gas is promoted, and the UFB is easily generated. When the pressure of the liquid drops from normal pressure, the dissolution characteristics drop at once and UFB begins to be generated. Then, as the pressure decreases, the pressure dissolution characteristics decrease, and a large amount of UFB is generated.
反対に液体の圧力が常圧から上昇すると、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、このような圧力は、大気圧よりも十分に高く、更に、液体の圧力が上がっても、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。 On the contrary, when the pressure of the liquid rises from the normal pressure, the dissolution property of the gas rises, and the produced UFB becomes easy to liquefy. However, such a pressure is sufficiently higher than the atmospheric pressure, and even if the pressure of the liquid rises, the UFB once generated has a high internal pressure and a high gas-liquid interface energy, so that the gas-liquid interface is destroyed. It is extremely unlikely that moderately high pressure will act. That is, the UFB once generated does not easily disappear as long as the liquid is stored at normal temperature and pressure.
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。 In the present embodiment, the second UFB11B described with reference to FIGS. 8 (a) to 8 (c) and the fourth UFB11D described with reference to FIGS. 10 (a) to 10 (c) have such gas pressure dissolution characteristics. It can be said that it is a UFB generated by using.
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。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。 In the above, the first to fourth UFBs having different generation factors have been described individually, but the above-mentioned generation factors occur simultaneously and frequently with the event of film boiling. Therefore, at least two or more types of UFBs among the first to fourth UFBs may be generated at the same time, and these generation factors may cooperate with each other to generate UFBs. However, it is common that all the generation factors are induced by the film boiling phenomenon. In the present specification, the method of producing UFB by utilizing the film boiling accompanying the rapid heat generation is referred to as a T-UFB (Thermal-Ultra Fine Bubble) production method. Further, the UFB produced by the T-UFB production method is referred to as T-UFB, and the liquid containing T-UFB produced by the T-UFB production method is referred to as a T-UFB-containing liquid.
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が支配的に、かつ、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抑制される。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。
Most of the bubbles generated by the T-UFB generation method are 1.0 um or less, and it is difficult to generate millibubbles and microbubbles. That is, according to the T-UFB generation method, UFB is produced dominantly and efficiently. Further, the T-UFB produced by the T-UFB production method has a higher gas-liquid interface energy than the UFB produced by the conventional method, and does not easily disappear as long as it is stored at normal temperature and pressure. Further, even if a new T-UFB is generated by the new film boiling, it is suppressed that the previously generated T-UFB disappears due to the impact. That is, it can be said that the number and concentration of T-UFB contained in the T-UFB-containing liquid have a hysteresis characteristic with respect to the number of times of film boiling in the T-UFB-containing liquid. In other words, the concentration of T-UFB contained in the T-UFB-containing liquid can be adjusted by controlling the number of heat-generating elements arranged in the T-
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。
See FIG. 1 again. When the T-UFB-containing liquid W having a desired UFB concentration is generated in the T-
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。
11 (a) to 11 (c) are diagrams showing a configuration example of the
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る。例えばSiO2、SiN、SiC、Ta、Al2O3、Ta2O5のような化合物のほかSi、AL、W、Pt、Pd、Ta、Fe、CrおよびNiなどから成るアモルファス合金、Ir、Ru等の白金族が挙げられる。
FIG. 11A shows a first
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。尚、本実施形態における本工程おいて、液体導入路413から供給されるUFB含有液W内に含まれる全ての無機イオンが除去される必要はなく、少なくとも一部の無機イオンが除去されれば良い。
The
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。
FIG. 11B shows a second
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(1μm以下のメッシュ径を備えるフィルタ)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。このような微細な開口径を備えるろ過フィルタにおいては、フィルタの開口径よりも大きな気泡も除去対象となり得る。特に微細な気泡はフィルタの開口(メッシュ)に吸着するとフィルタの目詰まりとなり、ろ過速度が低減する場合がある。しかしながら上述したように、本実施形態発明で説明した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以下の径を備える大きさであり、1.0μmより大きい、ミリバブルやマイクロバブルは生成され難い。つまりミリバブルやマイクロバブルの生成率が非常に小さいため、フィルタに気泡が吸着することによるろ過速度の低下を抑制できる。よって、T−UFB生成方法を備えるシステムに、1μm以下のメッシュ径を備えるフィルタを備えるろ過フィルタ422を好適に適用することができる。
Impurities removed by the
本実施形態に適用可能なろ過方式の一例として、所謂、デッドエンドろ過方式と、クロスフローろ過方式がある。デッドエンドろ過方式は、供給液の流れ方向とフィルタ開口を通過するろ過液の流れ方向とが同じ方向、つまり互い沿った方向に流れるものである。それに対してクロスフローろ過方式は、供給液の流れがフィルタ面に沿った方向に流れる、つまり供給液の流れとフィルタ開口を通過するろ過液の流れが交差する方向に流れる。フィルタ開口に対する気泡の吸着を抑制するためにはクロスフローろ過方式の適用が好ましい。 As an example of the filtration method applicable to this embodiment, there are a so-called dead-end filtration method and a cross-flow filtration method. In the dead-end filtration method, the flow direction of the supply liquid and the flow direction of the filter liquid passing through the filter opening flow in the same direction, that is, in directions along each other. On the other hand, in the cross-flow filtration method, the flow of the feed liquid flows in the direction along the filter surface, that is, the flow of the feed liquid and the flow of the filter liquid passing through the filter opening intersect. In order to suppress the adsorption of air bubbles to the filter opening, it is preferable to apply a cross-flow filtration method.
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。
When the
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、バルブ433及び液体導出路434を備えている。
FIG. 11C shows a third
まず、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432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。本実施形態では3つの後処理機構を順に適用する例を示したが、これに限られず、3つの後処理機構の順序を変更してもよく、また必要に応じた後処理機構を少なくとも1つ採用しても良い。
First, with the
以上のような不純物を除去するための除去処理を後処理に含めることにより、生成されたT−UFB含有液においては、T−UFBの含有純度を高めることができる。 By including the removal treatment for removing impurities as described above in the post-treatment, the T-UFB-containing purity can be increased in the produced T-UFB-containing liquid.
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に戻し、循環システムとすることもできる。後者の場合、後処理ユニット400は溶解ユニット200に供給する液体に対し前処理を行うユニットとなる。また、T−UFBを生成した後のUFB含有液を再び溶解ユニット200に戻す場合、T−UFBの生成によって低下したT−UFB含有液Wの気体溶解濃度を高めることができる。好ましくは、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。本実施形態においては後処理ユニット400で処理したUFB含有液を溶解ユニット200に戻して循環する形態を示した。しかし、これに限られず、例えばT−UFB生成ユニットを経由した後に後処理ユニット400に供給する前に、再度溶解ユニット200に液体を戻し複数回の循環を行いT−UFB濃度を高めた後に、後処理ユニット400で後処理を行ってもよい。
See FIG. 1 again. The T-UFB-containing liquid W from which impurities have been removed by the
ここで、生成されたT−UFB含有液Wを再び溶解ユニット200に戻すことの効果について、本発明者らが具体的に検証した検証内容に従って簡単に説明する。まず、T−UFB生成ユニット300においては、素子基板12に10000個の発熱素子10を配した。液体Wとしては工業用純水を用い、T−UFB生成ユニット300のチャンバー301の中を、1.0リットル/時の流速で流動させた。この状態で、個々の発熱素子に対し、電圧24V、パルス幅1.0μsの電圧パルスを、10KHzの駆動周波数で印加した。
Here, the effect of returning the generated T-UFB-containing liquid W to the
生成されたT−UFB含有液Wを溶解ユニット200に戻さず回収ユニット500で回収した場合、すなわち循環回数を1回とした場合、回収ユニット500で回収されたT−UFB含有液Wには、1.0mLあたり36億個のUFBが確認された。一方、T−UFB含有液Wを溶解ユニット200に戻す操作を10回行った場合、すなわち循環回数を10回とした場合、回収ユニット500で回収されたT−UFB含有液Wには、1.0mLあたりおよそ360億個のUFBが確認された。すなわち、UFB含有濃度は、循環回数に略比例して高くなることが確認された。なお、上記のようなUFBの数密度については、島津製作所製の測定器(型番SALD−7500)を用い、所定体積のUFB含有液Wに含まれる直径1.0μm未満のUFB11をカウントすることによって取得した。
When the generated T-UFB-containing liquid W is recovered by the
このように、液体を、循環経路を経由して、溶解ユニット200とT−UFB生成ユニット300と後処理ユニット400をこの順に循環させることで所望のUFB濃度の液体を生成することが可能となる。
In this way, it is possible to generate a liquid having a desired UFB concentration by circulating the liquid in this order through the
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。
The
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。
In the
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、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。 The above is the outline of the UFB generator 1, but of course, a plurality of units as shown in the figure can be changed, and it is not necessary to prepare all of them. Depending on the type of liquid W or gas G to be used and the purpose of use of the T-UFB-containing liquid to be generated, a part of the above-mentioned units may be omitted, or another unit may be added in addition to the above-mentioned units. You may.
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。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1に示した幾つかのユニットの機能は、1つのユニットに統合させることもできる。例えば、図3(a)および(b)に示した溶解容器201の中に発熱素子10を配することにより、溶解ユニット200とT−UFB生成ユニット300とを統合させることができる。この場合、一つのユニットの中で気体を溶解させながらその気体を含有するT−UFBを生成することになる。
For example, when the gas contained in the UFB is the atmosphere, the
また、図11(a)〜(c)で示すような不純物を除去するための除去ユニットは、T−UFB生成ユニット300よりも上流に前処理ユニットの一部として設けてもよいし、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し、より純度の高いUFB含有液をより効率的に生成することが可能となる。
Further, the removal unit for removing impurities as shown in FIGS. 11A to 11C may be provided as a part of the pretreatment unit upstream of the T-
<<後処理ユニットの変形例>>
図12は、上述した各後処理ユニット400に追加または置換可能な第4の後処理機構450を示す。第4の後処理機構450は、超音波振動を利用して、T−UFB含有液WのT−UFB含有量を更に増幅させるための増幅処理ユニットである。
<< Modification example of post-processing unit >>
FIG. 12 shows a
第4の後処理機構450は、収容容器451、振動発生部455、液体導入路452、バルブ453、液体導出路454を備えている。振動発生部455は、ケーブル456、トランスデューサ457、ブースタ458、ホーン459を有し、ケーブル456から供給された電力は、トランスデューサ457で機械的振動振幅に変換された後、ブースタ458で増幅され、ホーン459を振動する。
The fourth
第4の後処理機構450を動作させる際、まず、バルブ454を閉じた状態で、液体導入路452を介して収容容器451にT−UFB含有液Wを貯留する。貯留するT−UFB含有液Wの量は、少なくともホーン459の先端がT−UFB含有液Wに浸る程度とする。そして、T−UFB含有液Wが貯留され、また収容容器内が大気に開放された状態で、振動発生部455を駆動しT−UFB含有液Wに浸っているホーン459を振動させる。この結果、ホーン459の先端が浸っているT−UFB含有液W中に超音波振動が起こり、T−UFBの数が増大する。
When operating the fourth
このとき、効率化のために、振動発生部455は、所定の間隔をおいて所定時間ずつ繰り返して駆動されることが好ましい。ホーン459の振動数や振動時間および振動の回数を変化させることにより、T−UFBの含有濃度を調整することができる。
At this time, in order to improve efficiency, it is preferable that the
所定時間の振動を所定回数繰り返した後、振動発生部455を停止してバルブ453を開放すると、所望の含有濃度に調整されたT−UFB含有液Wは、液体導出路454を介して回収ユニット500に送液される。
After repeating the vibration for a predetermined time a predetermined number of times, when the
以下、T−UFB生成ユニット300と第4の後処理機構450を備えた後処理ユニット400を用い、本発明者らが具体的に検証した内容について説明する。まず、T−UFB生成ユニット300においては、素子基板12に10000個の発熱素子10を配した。液体Wとしては工業用純水を用い、T−UFB生成ユニット300のチャンバー301の中を、1.0リットル/時の流速で流動させた。この状態で、個々の発熱素子に対し、電圧24V、パルス幅1.0μsの電圧パルスを、10KHzの駆動周波数で印加した。
Hereinafter, the contents specifically verified by the present inventors will be described using the T-
生成されたT−UFB含有液Wをそのまま回収ユニット500で回収し、UFBの含有濃度を確認したところ、回収されたT−UFB含有液Wには、1.0mLあたり36億個のUFBが確認された。一方、生成されたT−UFB含有液Wを第4の後処理機構450に供給し、100KHz、80Wでホーン459を振動させる動作を1秒間ずつ10回行ったところ、回収されたT−UFB含有液Wでは、1.0mLあたりおよそ72億個のUFBが確認された。すなわち、第4の後処理機構450で超音波振動を付与することにより、UFB含有濃度を高めることができた。上記のようなUFBの数密度については、島津製作所製の測定器(型番SALD−7500)を用い、所定体積のUFB含有液Wに含まれる直径1.0μm未満のUFB11をカウントすることによって取得した。
When the generated T-UFB-containing liquid W was recovered as it was by the
本実施形態のようにT−UFB含有液Wに超音波振動を与えてUFBを増加させるための好ましい条件の一例としては下記の通りである。容器内が大気に連通した状態のT−UFB含有水に対して超音波ホーンを挿入し50〜500KHz、50〜100Wでホーンを振動させる動作を1〜5秒行う。より好ましくはこの動作を2〜10回程度繰り返す。また、T−UFB含有液の収容容器の外から容器越しに超音波を印加する場合には、容器内を大気と連通した状態で、1〜10MHz、10〜50Wでホーンを振動させる動作を20〜50秒印加する。もしくは5〜10秒の印加を2〜10回程度繰り返す。 An example of preferable conditions for increasing UFB by applying ultrasonic vibration to the T-UFB-containing liquid W as in the present embodiment is as follows. The ultrasonic horn is inserted into the T-UFB-containing water in which the inside of the container is in communication with the atmosphere, and the horn is vibrated at 50 to 500 KHz and 50 to 100 W for 1 to 5 seconds. More preferably, this operation is repeated about 2 to 10 times. Further, when ultrasonic waves are applied through the container from the outside of the container containing the T-UFB-containing liquid, the operation of vibrating the horn at 1 to 10 MHz and 10 to 50 W while communicating with the atmosphere inside the container is performed. Apply for ~ 50 seconds. Alternatively, application for 5 to 10 seconds is repeated about 2 to 10 times.
なお、比較のために、工業用純水をそのまま第4の後処理機構450に供給し、上記と同じ超音波振動を付与した場合、回収された液体においてUFBは殆ど確認されなかった。すなわち、超音波振動を付与する第4の後処理機構450は、UFBを含有しない液体中に新たなUFBを生成するものではなく、既にUFBを含有する液体においてUFBの数を増幅させる機能を有するものである。
For comparison, when industrial pure water was directly supplied to the fourth
図13は、後処理ユニット400に追加または置換可能な第5の後処理機構460を示す。第5の後処理機構460は、集束超音波振動(HIFU:High Intensity Focused Ultrasound)を利用してT−UFB含有液WのT−UFB含有量を更に増幅させるための増幅処理ユニットである。
FIG. 13 shows a
第5の後処理機構460は、収容容器461、振動発生部465、液体導入路462、バルブ463、液体導出路464を備えている。また、振動発生部465は、ケーブル466、トランスデューサ467、超音波プローブ468を有する。ケーブル466から電力が供給されると、トランスデューサ467はこの電力を機械的振動振幅に変換し、超音波プローブ468はMHz帯の超音波を発振する。発振された超音波は、超音波プローブ468より数mm〜数十mm程度離れた位置で集束し、集束箇所では急激な発熱とキャビテーションが招致される。
The fifth
このような急激な発熱やキャビテーションによって、集束箇所付近に存在するUFBは揺らぎ、条件によっては分裂する。さらに、超音波プローブ468からの超音波の発振を継続すると、集束箇所付近に存在するUFBは破裂し、結果として更に多数のUFBが生成される。
Due to such sudden heat generation and cavitation, the UFB existing near the focusing point fluctuates and splits depending on the conditions. Further, when the oscillation of the ultrasonic wave from the
超音波を発振してから所定時間が経過した後、振動発生部465を停止してバルブ463を開放すると、所望の含有濃度に調整されたT−UFB含有液Wは、液体導出路464を介して回収ユニット500に送液される。
After a predetermined time has elapsed after oscillating the ultrasonic wave, when the
以下、T−UFB生成ユニット300と第5の後処理機構460を備えた後処理ユニット400を用い、本発明者らが具体的に検証した内容について説明する。まず、T−UFB生成ユニット300においては、素子基板12に10000個の発熱素子10を配した。液体Wとしては工業用純水を用い、T−UFB生成ユニット300のチャンバー301の中を、1.0リットル/時の流速で流動させた。この状態で、個々の発熱素子に対し、電圧24V、パルス幅1.0μsの電圧パルスを、10KHzの駆動周波数で印加した。
Hereinafter, the contents specifically verified by the present inventors will be described using the
生成されたT−UFB含有液Wをそのまま回収ユニット500で回収し、UFBの含有濃度を確認したところ、回収されたT−UFB含有液Wには、1.0mLあたり36億個のUFBが確認された。一方、生成されたT−UFB含有液Wを第5の後処理機構460に供給し、3.0MHz、36Wで超音波プローブ468より超音波を20秒間発振させたところ、回収されたT−UFB含有液Wでは、1.0mLあたりおよそ108億個のUFBが確認された。すなわち、第5の後処理機構460によって集束超音波を付与することにより、UFB含有濃度を高めることができた。上記のようなUFBの数密度については、島津製作所製の測定器(型番SALD−7500)を用い、所定体積のUFB含有液Wに含まれる直径1.0μm未満のUFB11をカウントすることによって取得した。
When the generated T-UFB-containing liquid W was recovered as it was by the
なお、比較のために、工業用純水をそのまま第5の後処理機構460に供給し、上記と同じ集束超音波を付与した場合、回収された液体においてUFBは殆ど確認されなかった。すなわち、集束超音波を付与する第5の後処理機構460は、UFBを含有しない液体中に新たなUFBを生成するものではなく、既にUFBを含有する液体においてUFBの数を増幅させる機能を有するものである。
For comparison, when industrial pure water was directly supplied to the fifth
<<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。
<< Liquids and gases that can be used in T-UFB-containing liquids >>
Here, the liquid W that can be used to generate the T-UFB-containing liquid will be described. Examples of the liquid W that can be used in the present embodiment include pure water, ion-exchanged water, distilled water, physiologically active water, magnetically activated water, cosmetic water, tap water, seawater, river water, water and sewage, lake water, and groundwater. Rainwater and the like can be mentioned. Further, a mixed liquid containing these liquids and the like can also be used. Further, a mixed solvent of water and a water-soluble organic solvent can also be used. The water-soluble organic solvent used in combination with water is not particularly limited, and specific examples thereof include the following. Alcohols having 1 to 4 carbon atoms such as methyl alcohol, ethyl alcohol, n-propyl alcohol, isopropyl alcohol, n-butyl alcohol, sec-butyl alcohol, and tert-butyl alcohol. Amides such as N-methyl-2-pyrrolidone, 2-pyrrolidone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide. Ketone or keto alcohols such as acetone and diacetone alcohol. Cyclic ethers such as tetrahydrofuran and dioxane. Ethylene glycol, 1,2-propylene glycol, 1,3-propylene glycol. 1,2-Butanediol, 1,3-Butanediol, 1,4-Butanediol, 1,5-Pentanediol, 1,2-Hexanediol, 1,6-Hexanediol, 3-Methyl-1,5- Glycos such as pentandiol, diethylene glycol, triethylene glycol, and thiodiglycol. Ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, triethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol monoethyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, etc. Lower alkyl ethers of valence alcohols. Polyalkylene glycols such as polyethylene glycol and polypropylene glycol. Triols such as glycerin, 1,2,6-hexanetriol, trimethylolpropane. These water-soluble organic solvents may be used alone or in combination of two or more.
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。
Examples of the gas component that can be introduced in the
<<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。
<< Effect of T-UFB generation method >>
Next, the features and effects of the T-UFB generation method described above will be described in comparison with the conventional UFB generation method. For example, in a conventional bubble generator represented by the Venturi method, a mechanical decompression structure such as a decompression nozzle is provided in a part of the flow path, and a liquid is flowed at a predetermined pressure so as to pass through the decompression structure. As a result, bubbles of various sizes are generated in the area downstream of the decompression structure.
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場合もある。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。 In this case, among the generated bubbles, buoyancy acts on bubbles having a relatively large size such as millibubbles and microbubbles, so that they may eventually rise to the liquid surface and disappear. Further, UFB on which buoyancy does not act does not have such a large gas-liquid interface energy, so that it disappears together with millibubbles and microbubbles. In addition, even if the decompression structure is arranged in series and the same liquid is repeatedly flowed through the decompression structure, the number of UFBs corresponding to the number of repetitions cannot be stored for a long period of time. That is, in the UFB-containing liquid produced by the conventional UFB production method, it was difficult to maintain the UFB-containing concentration at a predetermined value for a long period of time.
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。 On the other hand, in the T-UFB generation method of the present embodiment using film boiling, a sudden temperature change from normal temperature to about 300 ° C. and a sudden pressure change from normal pressure to about several megapascals are generated by the heat generating element. It is generated locally in the very vicinity of. The heat generating element has a quadrilateral shape having a side of several tens of μm to several hundreds of μm. Compared to the size of a conventional UFB generator, it is about 1/1 to 1/1000. Moreover, a phase transition occurs when the gas-dissolved liquid existing in the extremely thin film region on the surface of the boiling foam momentarily exceeds the thermal dissolution limit or the pressure dissolution limit (in an ultra-short time of microseconds or less). It becomes UFB and precipitates. In this case, bubbles having a relatively large size such as millibubbles and microbubbles are hardly generated, and the liquid contains UFB having a diameter of about 100 nm with extremely high purity. Further, since the T-UFB thus produced has a sufficiently high gas-liquid interface energy, it is not easily destroyed under a normal environment and can be stored for a long period of time.
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発熱素子の近傍に存在する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。 In particular, in the present invention using the film boiling phenomenon in which a gas interface can be locally formed with respect to the liquid, the interface is formed on a part of the liquid existing in the vicinity of the heat generating element without affecting the entire liquid region. The region that acts thermally and pressure can be an extremely local range. As a result, the desired UFB can be stably produced. Further, by circulating the liquid and further imparting the UFB generation condition to the generated liquid, it is possible to additionally generate a new UFB with less influence on the existing UFB. As a result, a UFB liquid of a desired size and concentration can be produced relatively easily.
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。 Furthermore, since the T-UFB production method has the above-mentioned hysteresis characteristics, the content concentration can be increased to a desired concentration while maintaining high purity. That is, according to the T-UFB production method, a UFB-containing liquid having high purity, high concentration and long-term storage can be efficiently produced.
<<T−UFB含有液の具体的用途>>
一般に、ウルトラファインバブル含有液は、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程度の量を液体中に溶解できる気体であれば、いずれの気体においても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。
<< Specific use of T-UFB-containing liquid >>
In general, ultrafine bubble-containing liquids have different uses depending on the type of gas contained therein. Any gas that can dissolve an amount of PPM to BPM in the liquid can be converted to UFB. As an example, it can be applied to the following applications.
・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。 -The UFB-containing liquid containing air can be suitably used for cleaning industrial, agricultural and fishery industries, medical use, etc., and for growing plants and agricultural and marine products.
・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。 -The ozone-containing UFB-containing liquid is suitable for cleaning applications such as industrial, agricultural and fishery industries, and medical applications, as well as for sterilization, sterilization, and sterilization, and for environmental purification of wastewater and contaminated soil. Can be used.
・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。 -The UFB-containing liquid containing nitrogen is suitable for cleaning applications such as industrial, agricultural and fishery industries, and medical applications, as well as for sterilization, sterilization, and sterilization, and for environmental purification of wastewater and contaminated soil. be able to.
・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。 -The UFB-containing liquid containing oxygen can be suitably used for growing plants and agricultural and marine products in addition to cleaning applications such as industrial, agricultural and fishery industries, and medical uses.
・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。 -The UFB-containing liquid containing carbon dioxide can be suitably used for purposes such as sterilization, sterilization, and sterilization, in addition to cleaning applications such as industrial, agriculture, fishery, and medical applications.
・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。 -A UFB-containing liquid containing perfluorocarbon, which is a medical gas, can be suitably used for ultrasonic diagnosis and treatment. In this way, the UFB-containing liquid can exert its effects in a wide range of fields such as medical care, pharmaceuticals, dentistry, food, industry, agriculture and fisheries.
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含有液を好適に適用可能と想定される用途を列挙する。 In each application, the purity and concentration of UFB contained in the UFB-containing liquid are important in order to quickly and surely exert the effect of the UFB-containing liquid. That is, if the T-UFB production method of the present embodiment capable of producing a UFB-containing liquid having a desired concentration with high purity is used, more effects than ever can be expected in various fields. The following is a list of T-UFB production methods and applications where the T-UFB-containing liquid is expected to be suitably applicable.
(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。
(A) Use for purification of liquid-By arranging a T-UFB generation unit in a water purifier, it can be expected to enhance the water purification effect and the purification effect of the PH preparation liquid. Further, the T-UFB generation unit can be arranged in a carbonated water server or the like.
・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。 -By arranging the T-UFB generation unit in a humidifier, an aroma diffuser, a coffee maker, etc., it can be expected to improve the indoor humidifying effect, deodorizing effect, and scent diffusion effect.
・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。 ・ The dissolution unit produces a UFB-containing solution in which ozone gas is dissolved, and by using this for dental treatment, burn treatment, wound care when using an endoscope, etc., medical cleaning effect and disinfection effect are improved. You can expect it to happen.
・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。 -By arranging the T-UFB generation unit in the water tank of an apartment house, it can be expected to improve the water purification effect and chlorine removal effect of drinking water stored for a long period of time.
・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、オゾンや二酸化炭素を含有する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。 -In the sake brewing process where high-temperature sterilization cannot be performed, such as sake, shochu, and wine, pasteurization can be performed more efficiently than before by using a T-UFB-containing liquid containing ozone and carbon dioxide. Can be expected.
・特定保健食品や機能表示食品の製造過程で、原料にUFB含有液を混合させることで低温殺菌処理が可能になり、風味を落とさずに、安心かつ機能性を有する食品を提供することができる。 -In the manufacturing process of specified health foods and foods with functional claims, by mixing UFB-containing liquids with raw materials, pasteurization treatment becomes possible, and it is possible to provide safe and functional foods without degrading the flavor. ..
・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。 -At aquaculture sites for fish and pearls, it can be expected that spawning and growth of seafood will be promoted by arranging the T-UFB production unit in the supply route of seawater and freshwater for aquaculture.
・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。 -By arranging the T-UFB generation unit in the purification process of the food storage water, it can be expected to improve the food storage state.
・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。 -By arranging the T-UFB generation unit in the decolorizer for decolorizing pool water, groundwater, etc., a higher decolorization effect can be expected.
・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。 -By using the T-UFB-containing liquid for repairing cracks in concrete members, it can be expected that the effect of repairing cracks will be improved.
・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。 -By adding T-UFB to liquid fuel of equipment (automobiles, ships, airplanes) that use liquid fuel, it can be expected to improve the energy efficiency of the fuel.
(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。
(B) Cleaning Applications In recent years, UFB-containing liquids have attracted attention as cleaning water for removing stains and the like adhering to clothing. It is expected that the detergency will be further improved by arranging the T-UFB generation unit described in the above embodiment in the washing machine and supplying the UFB-containing liquid having higher purity and excellent permeability than before to the washing layer. it can.
・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。 -By arranging the T-UFB generation unit in the bath shower or toilet bowl washing machine, it can be expected to have the effect of cleaning the human body and other organisms in general, as well as the effect of promoting the removal of stains and mold on the bathroom or toilet bowl.
・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。 -By arranging T-UFB generation units in window washers of automobiles, high-pressure washing machines for washing wall materials, car washing machines, dishwashers, food washing machines, etc., the cleaning effect of each is further improved. Can be expected.
・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。 -It can be expected that the cleaning effect will be improved by using the T-UFB-containing liquid when cleaning and servicing parts manufactured in the factory such as the deburring process after press working.
・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。 -It can be expected that the polishing effect can be improved by using the T-UFB-containing liquid as the polishing water for the wafer at the time of manufacturing the semiconductor element. Further, in the resist removing step, by using the T-UFB-containing liquid, it can be expected to promote the peeling of the resist which is difficult to peel.
・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。 -By arranging the T-UFB generation unit in the equipment for cleaning and disinfecting medical equipment such as medical robots, dental treatment equipment, and organ storage containers, the cleaning effect and disinfection effect of these equipment can be improved. You can expect it. It can also be applied to the treatment of living things.
(C)医薬品用途
・化粧品などにT−UFB含有液を含有させることで、皮下細胞への浸透を促進するとともに防腐剤や界面活性剤などの皮膚に悪影響を与える添加剤を大幅に低下させることができる。その結果、より安心で、且つ、機能性のある化粧品を提供する事ができる。
(C) Pharmaceutical applications-By containing a T-UFB-containing solution in cosmetics, etc., it promotes penetration into subcutaneous cells and significantly reduces additives such as preservatives and surfactants that adversely affect the skin. Can be done. As a result, it is possible to provide cosmetics that are more secure and have functionality.
・CTやMRIなどの医療検査装置の造影剤に、T−UFBを含有する高濃度ナノバブル製剤を活用することで、X線や超音波による反射光を効率的に活用でき、より詳細な撮影画像を得る事ができ、悪性腫瘍の初期診断などに活用できる。 -By utilizing a high-concentration nanobubble preparation containing T-UFB as a contrast medium for medical examination equipment such as CT and MRI, it is possible to efficiently utilize the reflected light from X-rays and ultrasonic waves, and more detailed captured images. Can be used for initial diagnosis of malignant tumors.
・HIFU(High Intensity Focused Ultrasound)と呼ばれている超音波治療器で、T−UFBを含有する高濃度ナノバブル水を用いることで、超音波の照射パワーを低下でき、より非侵襲的に治療をすることができる。特に、正常な組織へのダメージを低減することが可能になる。 ・ It is an ultrasonic therapy device called HIFU (High Intensity Focused Ultrasound). By using high-concentration nanobubble water containing T-UFB, the irradiation power of ultrasonic waves can be reduced, and treatment can be performed more non-invasively. can do. In particular, it is possible to reduce damage to normal tissues.
・T−UFBを含有する高濃度ナノバブルを種にして、気泡周囲のマイナス電荷領域にリポソームを形成するリン脂質を修飾させ、そのリン脂質を介して、各種医療性物質(DNAや、RNAなど)を付与したナノバブル製剤を作成することができる。 -Using high-concentration nanobubbles containing T-UFB as seeds, phospholipids that form liposomes are modified in the negatively charged region around the bubbles, and various medical substances (DNA, RNA, etc.) are passed through the phospholipids. Can be prepared as a nanobubble preparation.
・歯髄や象牙質再生治療として、T−UFB生成による高濃度ナノバブル水を含む薬剤を歯管内に送液すると、ナノバブル水の浸透作用により薬剤が象牙細管内に深く入り込み除菌効果を促進し、歯髄の感染根管治療を短時間かつ安全に行う事が可能である。 -As a treatment for pulp and dentin regeneration, when a drug containing high-concentration nanobubble water produced by T-UFB is sent into the dental canal, the drug penetrates deeply into the dentin canal due to the penetrating action of the nanobubble water and promotes the sterilization effect. Infected root canal treatment of dental pulp can be performed quickly and safely.
以上説明したように、本発明のウルトラファインバブル生成方法によれば、T−UFB生成ユニットの後に後処理ユニットを設けることにより、純度の高いUFB含有液を効率的に生成することが可能となる。 As described above, according to the ultrafine bubble generation method of the present invention, by providing a post-treatment unit after the T-UFB generation unit, it is possible to efficiently generate a high-purity UFB-containing liquid. ..
1 UFB生成装置
10 発熱素子
11 UFB(ウルトラファインバブル)
300 T−UFB生成ユニット
400 後処理ユニット
1
300 T-
Claims (30)
前記生成工程によって生成された前記ウルトラファインバブルを含有するウルトラファインバブル含有液に所定の後処理を行う後処理工程と、
を有することを特徴とするウルトラファインバブル生成方法。 A generation step of generating an ultrafine bubble by generating heat from a heat generating element provided in the liquid and causing a film to boil at the interface between the liquid and the heat generating element.
A post-treatment step of performing a predetermined post-treatment on the ultra-fine bubble-containing liquid containing the ultra-fine bubbles generated by the production step, and
An ultrafine bubble generation method characterized by having.
前記生成工程では、前記溶解工程で溶解された気体を内部に含むウルトラファインバブルが生成されることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載のウルトラファインバブル生成方法。 The liquid to be supplied to the production step can be hydrogen, helium, oxygen, nitrogen, methane, fluorine, neon, carbon dioxide, ozone, argon, chlorine, ethane, propane, air, or a mixed gas containing them. It also has a dissolution step to dissolve the gas,
The ultrafine bubble generation method according to any one of claims 1 to 11, wherein in the generation step, an ultrafine bubble containing a gas dissolved in the dissolution step is generated.
前記生成手段によって生成された前記ウルトラファインバブルを含有するウルトラファインバブル含有液に所定の後処理を行う後処理手段と、
を備えることを特徴とするウルトラファインバブル生成装置。 A generation means for generating ultrafine bubbles by generating heat from a heat generating element provided in a liquid to cause film boiling at the interface between the liquid and the heat generating element.
A post-treatment means for performing a predetermined post-treatment on the ultra-fine bubble-containing liquid containing the ultra-fine bubbles generated by the generation means,
An ultrafine bubble generator characterized by being equipped with.
前記生成手段は、前記溶解手段が溶解した気体を内部に含むウルトラファインバブルを生成することを特徴とする請求項15から26のいずれか1項に記載のウルトラファインバブル生成装置。 The liquid to be supplied to the production means may be hydrogen, helium, oxygen, nitrogen, methane, fluorine, neon, carbon dioxide, ozone, argon, chlorine, ethane, propane, air, or a mixed gas containing them. Further equipped with a dissolving means for dissolving the gas,
The ultrafine bubble generating apparatus according to any one of claims 15 to 26, wherein the generating means generates an ultrafine bubble containing a dissolved gas inside.
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