JP2021069998A - 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を生成する生成方法、ウルトラファインバブルを含有する液体の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気体成分の異なる複数種類のＵＦＢが所望の濃度比率で混合されたウルトラファインバブル含有液を生成する生成方法、ウルトラファインバブルを含有する液体の製造装置を提供すること。【解決手段】ＵＦＢ含有液をＵＦＢが含有する気体毎に複数種類生成し、そのＵＦＢ含有液を所望のＵＦＢ濃度の混合比に基づいて混合する。【選択図】図１５

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含有するウルトラファインバブル含有液を生成する生成方法、ウルトラファインバブルを含有する液体の製造装置に関する。

近年、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、気体を加圧溶解し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。

特開２０１４−１０４４４１号公報 国際公開２００９／０８８０８５号

ＵＦＢの用途によっては生成されたＵＦＢを効果的に用いるために、所望の気体を適正な比率で混合しＵＦＢ化することが求められる場合がある。しかし、それぞれの気体成分が適正な成分比率となるＵＦＢを生成する十分な構成がなく、非常に不安定かつ出来なりの混合比率のＵＦＢ含有液を生成するしかなかった。よって本発明は、気体成分の異なる複数種類のＵＦＢが所望の濃度比率で混合されたウルトラファインバブル含有液の生成方法、ウルトラファインバブル含有液の製造装置を提供することを目的とする。

そのため本発明のウルトラファインバブル含有液の生成方法は、第１気体を液体に溶解して第１溶解液を生成する第１溶解工程と、第２気体を液体に溶解して第２溶解液を生成する第２溶解工程と、前記第１溶解液を発熱素子により加熱し、前記第１溶解液と当該発熱素子との界面に膜沸騰を生じさせることで生成したウルトラファインバブルを生成し、ウルトラファインバブルを含有する第１ウルトラファインバブル含有液を生成する第１生成工程と、前記第２溶解液を発熱素子により加熱し、前記第２溶解液と当該発熱素子との界面に膜沸騰を生じさせることで生成したウルトラファインバブルを生成し、ウルトラファインバブルを含有する第２ウルトラファインバブル含有液を生成する第２生成工程と、
前記第１ウルトラファインバブル含有液の濃度と、前記第２ウルトラファインバブル含有液の濃度と、に基づいて、前記第１ウルトラファインバブル含有液と、前記第２ウルトラファインバブル含有液と、を混合する混合工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、気体成分の異なる複数種類のＵＦＢが所望の濃度比率で混合されたウルトラファインバブル含有液を生成する生成方法、ウルトラファインバブルを含有する液体の製造装置を提供することができる。

ＵＦＢ生成装置の一例を示す図である。 前処理ユニットの概略構成図である。 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。 Ｔ−ＵＦＢ生成ユニットの概略構成図である。 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。 後処理ユニットの構成例を示す図である。 ＵＦＢ含有液生成装置を示した概略図である。 ＵＦＢ含有液を所望の混合比率に従い分注、混合する流れを示した図である。 所望濃度のＵＦＢ含有液を得ることが可能な定量混合装置を示した図である。 ＵＦＢ含有液生成装置とＵＦＢ含有液を混合する生成工程を示した図である。 ＵＦＢ含有液生成装置とＵＦＢ含有液を混合する生成工程を示した図である。 ＵＦＢ含有液生成装置とＵＦＢ含有液を混合する生成工程を示した図である。 ＵＦＢ含有液生成装置とＵＦＢ含有液を混合する生成工程を示した図である。 第１比較例のＵＦＢ含有液生成システムを示した図である。 第２比較例のＵＦＢ含有液生成システムを示した図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。

＜＜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。

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、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。

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。

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（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）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。

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と考えられる。

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。

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、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。

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。

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、膜沸騰現象で生成される膜沸騰泡の体積変化に伴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。

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。

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、バルブ４３３及び液体導出路４３４を備えている。

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、必要に応じた後処理機構を適宜採用すれば良い。

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、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。

図１２は、本実施形態のＵＦＢ含有液生成装置１０００を示した概略図である。ここではＵＦＢ内の気体を窒素、液体を純水とした例を説明する。ＵＦＢ含有液生成装置１０００は、純水を内部に貯留した溶液槽１２００と、窒素ガスを貯留した窒素ガスボンベ１２０１と、窒素ガスを純水に溶解するガス溶解槽１２０２と、ＵＦＢを含有した液体を回収するＵＦＢ含有液回収容器１２０３とを備えている。更にＵＦＢ含有液生成装置１０００は、ＵＦＢの濃度を制御するＵＦＢ濃度コントローラ１２０４、濃度コントローラ１２０５と、脱気を行う脱気モジュール１２０６と、ＵＦＢ含有液生成装置１０００の駆動を制御する駆動制御システム１２０７を備えている。

純水は溶液槽１２００からポンプ１２０８で吸い上げられ、脱気モジュール１２０６を介して純水中に溶存する空気が脱気ポンプ１２０９で減圧除去されたのち、ガス溶解槽１２０２に搬送される。ガス溶解槽１２０２には、あらかじめ窒素ガスボンベ１２０１から窒素ガスが供給され満たされている。なお、窒素ガスボンベ１２０１には逆止弁１２２１が設けられており、窒素ガスボンベ１２０１への窒素ガスの逆流を防止している。窒素ガスは、窒素ガスボンベ１２０１から圧力調整弁１２１０と、電磁開閉弁１２１１とを介してガス溶解槽１２０２に送られる。

ガス溶解槽１２０２に送り込まれた純水は、マグネットスターラーや超音波などに代表されるガス溶解促進機構２０５で撹拌され、窒素ガスを飽和溶解度まで溶解させる。このとき、ガス溶解槽１２０２全体を冷却するとより早い時間で高濃度の窒素ガスが溶解した純水を生成することが可能となる。そのため、ガス溶解槽１２０２は、冷却水を流す冷却ジャケット１２１２で外壁を取り囲まれている。なお、ここでは冷却方法は容器外側から冷やす方式を説明したが、これに限らず、容器内部に冷却液を通した蛇管を入れて冷却する方式でもよい。

ガス溶解槽１２０２の中には、ガスの濃度検知をする濃度センサ１２１３が設けられている。ガス溶解槽１２０２では、濃度センサ１２１３の検知結果に基づいて、ガス溶解槽１２０２内の純水中の窒素ガスの濃度が飽和に近い状態もしくは飽和状態になるまで窒素ガスを供給しながら、ガス溶解促進機構１２１４で溶解し続ける。ここで、ガス溶解槽１２０２内の圧力が耐圧を超過しないよう、過剰の窒素ガスは安全弁１２１５を介して外部へ逃がすことで、ガス溶解槽１２０２内が一定圧力になるよう調整される。

ガス溶解槽１２０２内で所望の窒素ガスの濃度（窒素の場合、飽和溶解度０．０２３１ｍｌ／ｍｌ）に達した窒素ガス溶解液は、送液ポンプ１２１６でＵＦＢ生成ヘッド１２１７に供給される。その後、ＵＦＢ生成ヘッド１２１７内で、配列された加熱ヒータ（不図示）によって窒素ガス溶解液を加熱し膜沸騰を生じさせ窒素ガスのＵＦＢが生成される。生成された窒素ＵＦＢを含む窒素ガス溶解液は、ＵＦＢ含有液回収容器１２０３に回収される。ここで、より高濃度なＵＦＢ含有液を生成する場合は、三方弁１２１８のガス溶解槽１２０２側からの供給を止め、ＵＦＢ含有液回収容器１２０３とＵＦＢ生成ヘッド１２１７とで窒素ＵＦＢを含む窒素ガス溶解液を循環させればよい。ＵＦＢ生成ヘッド１２１７の駆動を伴う循環によってＵＦＢの濃度は高くなり、高濃度なＵＦＢ含有液を得ることができる。

本発明によって得られるＵＦＢは、直径が数十から百ナノメートルのきわめて形状が安定したＵＦＢである。そのため、ＵＦＢ含有液における含有濃度は、供給するガス溶解液の量と一定の駆動条件のもとにおいて、ＵＦＢ生成ヘッド１２１７を繰り返し循環する回数や時間にほぼ比例する。そのため、ＵＦＢ含有液を循環する条件を管理することで、所望の濃度（ＵＦＢ含有密度）のＵＦＢ含有液を得ることができる。

更にＵＦＢ濃度を厳密に管理したＵＦＢ含有液を得る場合は、図１のようにＵＦＢ含有液回収容器１２０３にＵＦＢ濃度センサ１２１９を設置し、ＵＦＢ濃度コントローラ１２０４でＵＦＢ濃度を確認しながら循環を継続する。そして、ＵＦＢ含有液が所望のＵＦＢ濃度に達したらＵＦＢ含有液を回収することで、ＵＦＢ濃度を厳密に管理したＵＦＢ含有液を得ることができる。ＵＦＢ濃度センサ１２１９は、グリーンレーザーをＵＦＢ含有液に照射し、光の屈折から濃度を割り出す方式のセンサであり、発明者らは、このＵＦＢ濃度センサ１２１９を用いることで高精度のＵＦＢ含有液を作り出すことに成功した。

また、本実施形態では液体に溶解させる気体として、窒素ガスの例を説明したが、これに限らず、ＵＦＢが含有する気体を任意に選択することが可能である。例えば、水素、ヘリウム、酸素やメタン、エタン、プロパンなどの炭化水素系の気体、フッ素やフッ化炭素系の気体、ネオン、二酸化炭素、オゾン、アルゴン、塩素、空気からなる群から選択される気体を含むことができる。

図１３は、異なる気体のＵＦＢ含有液を所望の混合比率に従い分注、混合する流れを示した図である。ここでは３種類の気体（気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃ）のＵＦＢ含有液の混合について説明する。

気体ＡのＵＦＢ含有液１３００Ａ、気体ＢのＵＦＢ含有液１３００Ｂ、気体ＣのＵＦＢ含有液１３００Ｃをあらかじめ測定された濃度（ＵＦＢ含有密度）に基づいて混合する。ＵＦＢ含有液１３０１は、ＵＦＢ含有液１３００Ａ、ＵＦＢ含有液１３００Ｂ、ＵＦＢ含有液１３００Ｃの混合比を１：１：１になるように混合したものである。また、ＵＦＢ含有液１３０２は、ＵＦＢ含有液１３００Ａ、ＵＦＢ含有液１３００Ｂ、ＵＦＢ含有液１３００Ｃの混合比を１：２：３になるように混合したものである。このように、それぞれのガス溶解液ごとに生成したＵＦＢ含有液をあらかじめ計測した濃度（ＵＦＢ含有密度）に基づいて混合することにより、それぞれのＵＦＢが持つ性質を損ねることなく、ＵＦＢ含有液として複合的な性能を得ることが可能となる。

図１４は、各気体について所望の濃度のＵＦＢ含有液を得ることが可能な定量混合装置１４０４を示した図である。ＵＦＢ含有液を混合するにあたり、所望の混合比率になるように気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃそれぞれの含有液の濃度を、それぞれのＵＦＢ含有液回収容器１４００Ａ、１４００Ｂ、１４００Ｃ内に設置した濃度センサ５２１Ａ、５２１Ｂ、５２１Ｃで計測する。濃度センサ１４０３Ａ、１４０３Ｂ、１４０３Ｃでの計測結果に基づいて、各ＵＦＢ含有液が混合される。ＵＦＢ含有液１４０１は、ＵＦＢ含有液１４００Ａ、ＵＦＢ含有液１４００Ｂ、ＵＦＢ含有液１４００Ｃの混合比を１：１：１になるように混合したものである。また、ＵＦＢ含有液１４０２は、ＵＦＢ含有液１４００Ａ、ＵＦＢ含有液１４００Ｂ、ＵＦＢ含有液１４００Ｃの混合比を１：２：３になるように混合したものである。

図１５は、ＵＦＢ含有液生成装置１０００とＵＦＢ含有液を所望の混合比率に混合する生成工程とを示した図である。なお、図１５の各符号における最後の英文字は、対応する気体を表している。３つのＵＦＢ含有液生成装置１０００で、３種類の異なる気体を含有するＵＦＢのＵＦＢ含有液を生成し、生成したＵＦＢ含有液を混合する。ここでは、気体を溶解する液体に純水を使用した場合について説明する。

それぞれの気体は、まずガス溶解槽１２０２（１２０２Ａ、１２０２Ｂ、１２０２Ｃ）に送り込まれ、脱気した純水中に溶解させる。ここで、ガスの種類によって純水に対する溶解度が異なるため、それぞれのガス溶解槽１２０２に、濃度センサ１２１４Ａ、１２１３Ｂ、１２１３Ｃを設置して、それぞれのガス溶解槽１２０２ごとに所望の濃度に達するまで溶解を続ける。すべてのガス溶解槽１２０２が所望の濃度に達したら、送液ポンプ１２１６Ａ、１２１６Ｂ、１２１６Ｃを稼動させる。送液ポンプの稼働とともに、三方弁１２１８Ａ、１２１８Ｂ、１２１８Ｃをガス溶解槽１２０２からＵＦＢ生成ヘッド１２１７に供給する流れにして、それぞれのＵＦＢ生成ヘッド１２１７によってＵＦＢ混合液を生成する。

ＵＦＢ混合液生成時における、気体ＡのＵＦＢ含有液１３００Ａ、気体ＢのＵＦＢ含有液１３００Ｂ、気体ＣのＵＦＢ含有液１３００Ｃの濃度（ＵＦＢ含有密度）は、単位時間当たりで異なる。そのため本実施形態では、それぞれのＵＦＢ混合液回収容器１２０３に設置したＵＦＢ濃度センサ１２１９の測定値で三方弁１２１８を調整し、所望の濃度に達するまでＵＦＢ含有液１３００を循環させる。

このようにしてできた個別のＵＦＢ含有液をそれぞれの気体のＵＦＢ濃度比率に応じて秤量し、混合して所望の気体Ａ、気体Ｂ、気体ＣのＵＦＢ混合液を得ることができる。
このようにして得られたＵＦＢ含有液が含有するＵＦＢは、混合された後も生成初期の安定した形状（大きさ）を維持しているため、経時変化も少なく、ＵＦＢ含有液としての特性を長時間維持することができる。

このように、ＵＦＢ含有液を気体毎に複数種類生成し、そのＵＦＢ含有液を所望のＵＦＢの濃度比率に基づいて混合する。これによって、気体成分の異なる複数種類のＵＦＢが所望の濃度比率で混合されたウルトラファインバブル含有液を生成する生成方法、ウルトラファインバブルを含有する液体の製造装置を提供することができる。

（第２の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成について説明する。

図１６は、本実施形態におけるＵＦＢ含有液生成装置１０００とＵＦＢ含有液を所望の混合比率に混合する生成工程とを示した図である。なお、図１６の各符号における最後の英文字は、対応する気体を表している。本実施形態では、ＵＦＢ含有液回収容器１２０３にポンプ１２２２が接続されており、生成されたＵＦＢ含有液はポンプ１２２２によって定量混合装置１４０４に供給される。本実施形態の構成により、気体に対応したポンプを選択的に駆動させることで、必要な気体のＵＦＢ含有液を選択的に混ぜ合わせることが容易となり、例えば、気体ＡのＵＦＢ含有液と気体ＣのＵＦＢ含有液などの２種類のみ選択することも可能である。また、更に多くの気体のＵＦＢ含有液を製造するシステムをつなぐことで、多くの気体のＵＦＢ含有液からなる混合ＵＦＢ含有液を製造することも可能となる。

なお、本実施形態では、気体の種類ごとにポンプを備える構成を説明したが、これに眼底するものでなく、１つのポンプで弁を切り替えつつ複数のＵＦＢ含有液を供給してもよい。

（第３の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成について説明する。

図１７は、本実施形態におけるＵＦＢ含有液生成装置１０００とＵＦＢ含有液を所望の混合比率に混合する生成工程とを示した図である。なお、図１７の各符号における最後の英文字は、対応する気体を表している。本実施形態では、気体の溶解度が大きく異なる２種類の気体溶解液からＵＦＢ混合水溶液を生成し、所望のＵＦＢの比率で混合することで混合ＵＦＢ含有液を製造する。

本実施形態では、例えば０℃における溶解度が、１．７１３ｍｌ／ｍｌの二酸化炭素の溶解液１３００Ｂと、０．０２３１ｍｌ／ｍｌの窒素の溶解液１３００Ａと、からＵＦＢ含有液をそれぞれ生成し、生成したＵＦＢ含有液を所望の比率で混合する。二酸化炭素１３００Ｂと、窒素１３００Ａとでは上記のように溶解度が異なるため、窒素１３００Ａに関しては、容量の大きなＵＦＢ含有液回収容器１２０３Ａで貯留し、より多く循環させることで多くのＵＦＢを生成する。このようにして、それぞれ生成したＵＦＢを混合させることで、均一な形状（大きさ）のＵＦＢからなるＵＦＢ混合液を得ることができる。

（第４の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第４の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

図１８は、本実施形態におけるＵＦＢ含有液生成装置１０００とＵＦＢ含有液を所望の混合比率に混合する生成工程とを示した図である。なお、図１８の各符号における最後の英文字は、対応する気体を表している。本実施形態では、ＵＦＢ含有液生成装置１０００で生成したＵＦＢ含有液と、ＵＦＢを含有していない溶液Ｃ（１８００Ｃ）、溶液Ｄ（１８００Ｄ）とを混合するシステムについて説明する。

本実施形態では、気体Ａを酸素、気体Ｂを窒素、溶液Ｃを界面活性剤水溶液、溶液Ｄをアルカリ水溶液とし、気体Ａと気体Ｂについては、脱気した純水にそれぞれの気体を飽和状態まで溶解させる。気体ＡのＵＦＢ含有液生成装置１０００と気体ＢのＵＦＢ含有液生成装置とは、ポンプ１２２２を介して定量混合装置１４０４と接続されており、溶液Ｃを貯留した容器１８０１および溶液Ｄを貯留した容器１８０２は、ポンプ１２２２Ｃ、１２２２Ｄを介して定量混合装置１４０４と接続されている。

気体ＡのＵＦＢ含有液生成装置１０００と気体ＢのＵＦＢ含有液生成装置とにより酸素と窒素のＵＦＢ含有液を生成する。その後、ポンプ１２２２Ｃ、１２２２Ｄで酸素と窒素とを定量混合装置５００に送り込み、先に混合した酸素と窒素のＵＦＢ含有混合液と併せることで、界面活性剤が０．１〜１％、水素イオン濃度（ｐＨ）７．５〜８になるように混合する。

本実施形態では、上記のようにして生成した混合ＵＦＢ含有液によって切削液を作製した。一般的な切削液は鉱油、合成油などが添加されているエマルジョンタイプや、水溶性の溶剤などが添加されたソリューションタイプや、それらの両方の特性を有したソリューブルタイプのものがあるが、何れもミストによる健康被害や環境適応性などの課題がある。

これに対し、混合ＵＦＢ含有液からなる切削液は、９９％以上が水からなるため、前述したような課題を解決するとともに、本来の目的である加工性を落とすことはない。酸素と窒素のＵＦＢは、界面活性剤と合わさって加工ポイントに回り込み冷却効果を高め、加工負荷を下げるとともに、砥石の寿命を延ばすことが可能となる。また、アルカリ成分が酸素含有のＵＦＢによる錆発生を抑制する。一方、回収された切削液中のバクテリア腐敗防止に酸素含有のＵＦＢが寄与し、腐敗臭の発生を抑える効果を得ることができる。

なお、ＵＦＢを含有しない水溶液は、本実施形態で挙げた例に限定するものでなく、任意に選択することができる。また、本実施形態ではＵＦＢを含有しない水溶液は、界面活性剤水溶液と、アルカリ水溶液との２種類を例に説明したが、これに限定するものでなく、単一種類でも複数種類でもよい。

このように、本発明により混合ＵＦＢ含有液をベースにした高機能液を安価で大量に作ることができる。

（比較例）
図１９は、第１比較例のＵＦＢ含有液生成システムを示した図である。第１比較例のＵＦＢ含有液生成システムでは、ガス溶解層１２０２に、所望の混合濃度に調整された混合気体を供給して混合溶解液を生成する。その後、混合溶解液を加熱し膜沸騰を生じさせることで、混合気体を含有するＵＦＢを生成する。

また、図２０は、第２比較例のＵＦＢ含有液生成システムを示した図である。第２比較例のＵＦＢ含有液生成システムでは、気体毎の溶解液を生成し、生成した溶解液を所定の濃度になるよう濃度センサで得た値を基に濃度コントローラを介して溶解液混合槽で混合し、ＵＦＢ生成ヘッドに供給して混合気体を含有するＵＦＢを生成する。

第１比較例および第２比較例のいずれの場合も、それぞれの気体の特徴を有するＵＦＢ混合水が生成されるが、本発明と異なり、ＵＦＢ内で各気体が混合されている。そのため、第１比較例および第２比較例は、本発明のようなそれぞれの気体のＵＦＢが持つ特徴を、作用させたい部位に適切に送り込む場合においては不向きである。

また、比較例のような方法でオゾンのような活性の気体を混合気体にすると、気体の性質が失われ効果が得られないことがある。しかし、本発明の混合方法とすることで、ＵＦＢ内で気体は混合しないことから、気体の性質を失うことなく被作用部に最適な気体を含んだＵＦＢ含有液を供給することが可能となる。

１０ 発熱素子
２００ ガス溶解槽
１０００ ＵＦＢ含有液生成装置
１２０２ ガス溶解層
１２１７ ＵＦＢ生成ヘッド
１４０４ 定量混合装置

Claims (7)

1. 第１気体を液体に溶解して第１溶解液を生成する第１溶解工程と、
   第２気体を液体に溶解して第２溶解液を生成する第２溶解工程と、
   前記第１溶解液を発熱素子により加熱し、前記第１溶解液と当該発熱素子との界面に膜沸騰を生じさせることで生成したウルトラファインバブルを生成し、ウルトラファインバブルを含有する第１ウルトラファインバブル含有液を生成する第１生成工程と、
   前記第２溶解液を発熱素子により加熱し、前記第２溶解液と当該発熱素子との界面に膜沸騰を生じさせることで生成したウルトラファインバブルを生成し、ウルトラファインバブルを含有する第２ウルトラファインバブル含有液を生成する第２生成工程と、
   前記第１ウルトラファインバブル含有液に含まれるウルトラファインバブルの濃度と、前記第２ウルトラファインバブル含有液に含まれるウルトラファインバブルの濃度と、に基づいて、前記第１ウルトラファインバブル含有液と、前記第２ウルトラファインバブル含有液と、を混合する混合工程と、を有することを特徴とするウルトラファインバブル含有液の生成方法。
2. 前記混合工程では、前記第１ウルトラファインバブル含有液と前記第２ウルトラファインバブル含有液とをポンプで搬送することを特徴とする請求項１に記載のウルトラファインバブル含有液の生成方法。
3. 前記第１生成工程では、第１発熱素子を備えた第１ヘッドでウルトラファインバブルが生成され、第１容器に前記第１ヘッドで生成されたウルトラファインバブルを含有する前記第１ウルトラファインバブル含有液を貯留し、
   前記第２生成工程では、第２発熱素子を備えた第２ヘッドでウルトラファインバブルが生成され、第２容器に前記第２ヘッドで生成されたウルトラファインバブルを含有する前記第２ウルトラファインバブル含有液を貯留し、
   前記第１生成工程では、生成した前記第１ウルトラファインバブル含有液を前記第１ヘッドと前記第１容器との間で循環し、
   前記第２生成工程は、生成した前記第２ウルトラファインバブル含有液を前記第２ヘッドと前記第２容器との間で循環することを特徴とする請求項１または２に記載のウルトラファインバブル含有液の生成方法。
4. 前記第２生成工程における循環は、前記第１生成工程における循環よりも多く循環することを特徴とする請求項３に記載のウルトラファインバブル含有液の生成方法。
5. 前記混合工程では、前記第１ウルトラファインバブル含有液と、前記第２ウルトラファインバブル含有液と、ウルトラファインバブルを含有しない液体とを混合することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のウルトラファインバブル含有液の生成方法。
6. 前記ウルトラファインバブルを含有しない液体は、複数種類の液体であることを特徴とすることを特徴とする請求項５に記載のウルトラファインバブル含有液の生成方法。
7. 第１気体を液体に溶解して第１溶解液を生成する第１溶解手段と、
   第２気体を液体に溶解して第２溶解液を生成する第２溶解手段と、
   前記第１溶解液を第１発熱素子により加熱し、前記第１溶解液と前記第１発熱素子との界面に膜沸騰を生じさせることで生成したウルトラファインバブルを生成し、ウルトラファインバブルを含有する第１ウルトラファインバブル含有液を生成する第１生成手段と、
   前記第２溶解液を第２発熱素子により加熱し、前記第１溶解液と前記第２発熱素子との界面に膜沸騰を生じさせることで生成したウルトラファインバブルを生成し、ウルトラファインバブルを含有する第２ウルトラファインバブル含有液を生成する第２生成手段と、
   前記第１ウルトラファインバブル含有液に含まれるウルトラファインバブルの濃度を検知する第１濃度検知手段と、
   前記第２ウルトラファインバブル含有液に含まれるウルトラファインバブルの濃度を検知する第２濃度検知手段と、
   前記第１ウルトラファインバブル含有液と前記第２ウルトラファインバブル含有液とを前記第１濃度検知手段および前記第２濃度検知手段の検知結果に基づいて混合する混合手段と、を備えることを特徴とするウルトラファインバブル含有液の製造装置。

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