JP2021069999A - 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含有液の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の成分比率となるＵＦＢを生成する生成方法、所望の成分比率となるＵＦＢを含有する液体の製造装置および製造方法を提供する。【解決手段】複数種類の気体が所定の比率で溶解された混合溶解液を生成し、その混合溶解液を発熱素子により加熱することでＵＦＢを生成する。【選択図】図１３

Description

本発明は、直径が１．０μｍ未満の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含有液の製造装置および製造方法に関する。

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

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成分比率のＵＦＢを生成するしかなかった。よって本発明は、１つのＵＦＢ内の気体成分の比率が所望の成分比率となるＵＦＢ生成方法、１つのＵＦＢ内の気体成分の比率が所望の成分比率となるＵＦＢ含有液の製造装置および製造方法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生成方法は、複数種類の気体が所定の溶解比率で溶解された混合溶解液を生成する混合溶解液生成工程と、前記混合溶解液を発熱素子によって加熱し、前記混合溶解液と前記発熱素子との界面に膜沸騰を生じさせることで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工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ＵＦＢ内の気体成分の比率が所望の成分比率となるＵＦＢを生成する生成方法、所望の成分比率となるＵＦＢを含有する液体の製造装置および製造方法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。 複数種気体混合ＵＦＢ生成システムを示した概要図である。 ＵＦＢ生成システムの詳細構造を示した模式図である。 ＵＦＢ生成ヘッドと混合バッファ室とを示した図である。 ＵＦＢ生成ヘッドを示した図である。 ＵＦＢ生成ヘッドにおける発熱素子の近傍を示した図である。 （ａ）から（ｃ）は混合溶解液中の混合気体ＵＦＢの状態を示した図である。 混合溶解液を生成するためのポンプの駆動と気体の濃度を示した図である。 混合溶解液を生成するためのポンプの駆動と気体の濃度とを示した図である。 混合溶解液の濃度を得るための処理を示したフローチャートである。 ＵＦＢ生成システムの詳細構造を示した模式図である。 ＵＦＢ生成システムの詳細構造を示した模式図である。

（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から液体を貯留可能な脱気容器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、当該ウルトラファインバブル含有液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、複数種気体混合ウルトラファインバブル生成システム（以下。単にＵＦＢ生成システムともいう）１２００を示した概要図である。ＵＦＢ生成システム１２００は、１つのＵＦＢ内に所望の成分比率の３種類の気体を混合した成分を有するＵＦＢを生成することができる。ＵＦＢ生成システム１２００では、気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの３種類の各気体がそれぞれ溶解された溶解液を生成し、その後、混合溶解液生成システムで各溶解液を混合した混合溶解液を生成する。その混合溶解液を発熱素子によって加熱してＵＦＢを生成することで、３種類の気体を混合した成分を有するＵＦＢを生成する。以下、このように３種類の気体を含んだＵＦＢを混合気体ＵＦＢ１２０７と称する。なお、本実施形態では３種類の気体を混合する構成となっているが、必要に応じて２〜多数の気体を用いる構成に展開することも可能である。以下、ＵＦＢ生成システム１２００の詳細について説明する。

ＵＦＢ生成システム１２００は、Ａガス溶解液室１２０２Ａと接続されたＡガス発生器１２０１Ａと、Ｂガス溶解液室１２０２Ｂと接続されたＢガスタンク１２０１Ｂと、Ｃガス溶解液室１２０２Ｃと接続されたＣガスタンク１２０１Ｃと、を備えている。更にＵＦＢ生成システム１２００は、各ガス溶解液室のそれぞれと接続された溶解液混合システム１２０３と、溶解液混合システム１２０３内の各気体の溶解液の濃度を制御する濃度コントローラ１２０６と、ＵＦＢを生成するＵＦＢ生成部１２０５とを備えている。濃度コントローラ１２０６は、溶解液混合システム１２０３とＵＦＢ生成部１２０５とに接続されており、混合溶解液１２０４や混合気体ＵＦＢ１２０７の気体成分濃度バランスを検知し、溶解液室からの供給量を制御する。

以下、気体Ａに関して説明するが、気体Ｂ、気体Ｃについても気体Ａと同様の装置構成で同様の処理が行われる。Ａガス発生器１２０１Ａから気体ＡがＡガス溶解液室１２０２Ａに送られ、Ａガス溶解液室１２０２ＡでＡガス溶解液が生成される。Ａガス溶解液室１２０２Ａで生成されたＡガス溶解液は、濃度コントローラ１２０６で、溶解液混合システム１２０３内における濃度を調整されつつ、溶解液混合システム１２０３に供給される。溶解液混合システム１２０３内の濃度を調整された混合溶解液１２０４は、ＵＦＢ生成部１２０５に供給され、ＵＦＢ生成部１２０５で混合気体ＵＦＢ１２０７が生成される。

混合気体ＵＦＢ１２０７は、３種類の気体成分が混合された成分を有するＵＦＢであり、説明用に３種類の気体を分離して図示しているが、実際には混合しており分離線は存在しない。また、見易くするためにサイズを大型化して示しているが実際には直径が１μｍ以下のサイズで存在する。

液体に溶解させる気体は、ＵＦＢの内部の気体として任意に選択することができる。例えば、溶解させる気体として、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、およびそれらを含む混合気体からなる群から選択される気体を含むことができる。また、様々な元素の化合物による気体成分も含むことができる。これらを所望の比率で溶解させることにより所望の気体成分比の混合気体ＵＦＢ１２０７を得ることができる。

図１３は、ＵＦＢ生成システム１２００の詳細構造を示した模式図である。Ａガス発生器１２０１Ａには、酸素ＰＳＡ方式等の加圧窒素ゼオライト吸着で酸素を発生させる装置などを用いることができる。発生させた気体をポンプ１９でＡガス溶解室（気体溶解室）２１に送り込む。気体Ａは、Ａガス溶解液室１２０２Ａ内に設けられたＡガス溶解槽２２に送り込まれ、バブリングにより泡状態となりＡガス溶解槽２２に貯留されている液体に溶解する。貯留液体は、Ａガス溶解液バッファ２５とＡガス溶解槽２２との間で、ポンプ２３とポンプ２４とにより循環される。Ａガス溶解室２１には放電装置２０が設けられており、放電装置２０は、必要に応じてコロナ放電などを気体Ａに与え、プラズマ化によりラジカル状態にして溶解液に溶解し易くする。

Ａガス溶解液バッファ２５内の溶解液は、濃度制御ポンプ２６により混合バッファ室５３に送り込まれる。濃度制御ポンプ２６は濃度コントローラ２８と接続されており、Ａガス溶解バッファ２５内の濃度センサ２７による溶解液濃度及び混合バッファ室５３内の濃度センサ４９による溶解液濃度に応じて混合バッファ室５３内が所望の濃度になるように輸送量を制御する。混合バッファ室５３には、Ａガス溶解バッファ２５からの溶解液と同様に、Ｂガス溶解バッファ３６とＣガス溶解バッファ４６からの各々溶解液が送り込まれ、３種類の溶解液が混合される。気体Ｂ、気体Ｃに関する説明は、気体Ａと同様であるため省略する。

混合バッファ室５３内には、気体Ａ由来の溶解液と気体Ｂ由来の溶解液、気体Ｃ由来の溶解液が混合された状態で存在する。混合バッファ室５３内における各気体の混合比率については、濃度コントローラ２８が、濃度センサ２７、３８、４８、４９からの各々の濃度情報を得て、濃度制御ポンプ２６、３７、４７を制御し、所望の混合比率になるように各気体の成分比率を制御する。

混合バッファ室５３内の混合溶解液は、ポンプ５０、５１によってＵＦＢ生成ヘッド５５、キャップ５６を介して循環する。混合溶解液は、ＵＦＢ生成ヘッド５５を通過する過程で加熱され膜沸騰を生じることにより、溶解液に溶解された気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの少なくとも一部を含む混合気体ＵＦＢ１２０７が生成される。また、制御された溶解液のガス溶解比率に応じて、ＵＦＢ内ガス成分比を制御することができる。さらに、ヘッド駆動制御システム５７は、濃度コントローラ２８から得た濃度データに基づいて、ＵＦＢ生成ヘッド５５の駆動を制御し、溶解液のガス溶解比率に最適化された駆動条件でＵＦＢを生成することができる。更に、ヘッド駆動制御システム５７は、元の比率から可変したＵＦＢ生成比率となるように駆動条件を変えることができる。例えば、加熱条件を高温にしたほうが生成しやすいタイプの気体の場合は、高温条件で成分比を高める処理、低温条件下で成分を低くする処理を行い所望の比率を得ることが可能である。

図１４は、ＵＦＢ生成ヘッド５５と混合バッファ室５３とを示した図である。混合バッファ室５３には、気体Ａが溶解されたＡガス溶解液（縦線）と、気体Ｂが溶解されたＢガス溶解液（横線）と、気体Ｃが溶解されたＣガス溶解液（点）とがそれぞれ供給管から供給される。Ａガス溶解液とＢガス溶解液とＣガス溶解液とが混合バッファ室５３内で混合されて混合溶解液５４になる。ＵＦＢ生成ヘッド５５では、ポンプ５０によってＵＦＢ生成ヘッド５５に供給された混合溶解液５４を、ＵＦＢ生成ヘッド５５に設けられたヒーターボードＨＢの加熱ヒータ（発熱素子１０）によって加熱して膜沸騰を生じさせることでＵＦＢを生成する。

生成されたＵＦＢを含む混合溶解液５４は、ヒーターボードＨＢから液体導出路３０３を経てキャップ５６に排出され、ポンプ５１で吸引されて混合バッファ室５３に戻る。その後、ポンプ５０によってＵＦＢ生成ヘッド５５に供給される。混合溶解液５４は、ＵＦＢ生成ヘッド５５と混合バッファ室５３との循環を繰り返すことによりＵＦＢ濃度が高められ、濃度センサ４９を用いることで、より精度の高い所望の濃度、所望のガス成分比率のＵＦＢ含有の混合溶解液５４となる。混合溶解液５４は、排出ポンプ５２によって混合バッファ室５３から外部に排出される。

図１５は、ＵＦＢ生成ヘッド５５を示した図である。発熱素子接触面における混合溶解液５４は、急速に加熱され３００℃以上に到達すると発熱素子１０の有効発泡領域（発熱素子外周１μｍを除く内側）全面が一斉に発泡する膜沸騰泡１３を生じる。その際、膜沸騰泡１３に接する混合溶解液５４は、急峻（１００μＳ以下）に未発泡高温領域１４を形成し、その領域内に含まれる混合溶解液５４は、溶解限界を超えるため領域内のあらゆるところで多数の溶解限界析出気体泡をほぼ同時に生じる。ほぼ同時に生じた泡は、間に混合溶解液５４が介在するため結合せず微小気泡（１００ｎｍ）のまま独立を保つ。この気泡（以下、ＵＦＢと称する）が混合気体ＵＦＢ１２０７である。このようにしてＵＦＢ生成チャンバー３０１内で生成された混合気体ＵＦＢ１２０７は、溶解液と共に液体導出路３０３を経てキャップ５６に排出される。

図１６は、ＵＦＢ生成ヘッド５５における発熱素子１０の近傍を示した図である。図１６では、生成された混合気体ＵＦＢ１２０７内には混合溶解液５４から析出した３種類の気体を含んでいるが、その様子を成分比が分かるように模式的に示している。気体Ａ、Ｂ、Ｃを縦線、横線、点で表すが、その成分は円グラフ状に約３０％、３０％、４０％の比で示す。実際には混合気体のためこのように分離しているわけではないが、説明のために分離した形で示した。また、混合気体ＵＦＢ１２０７のサイズも説明用に大きくしているが、１μｍ以下のサイズである。図に示すように、ＵＦＢ生成時のＵＦＢ内における気体の成分比率は、混合溶解液５４に溶解している気体の比が反映される。

混合気体ＵＦＢ１２０７の使用用途は様々な分野で様々な利用の方法が考えられる。例えば、建材や食料などに利用される植物の栽培などには大きな効果が期待される。植物の成長に必要な物は、光合成に必要な光と二酸化炭素、水であるが、その他に、葉や茎、根に必要なリン、窒素、カリウムのほか硫黄や微量の金属元素、塩素などがある。これらの養分を植物に効率よく吸収させるには与える時期と成分比率が重要で、発芽時には大量の酸素、初期に根を成長させるにはカリウム、葉には微量の硫黄、開花結実時期にはリン増量、全期間を通して窒素など、成長時期に適切な養分比率を適切に調合して与えることが植物の高効率に成長させる秘訣である。

本発明では、これらの養分の気体部分（窒素、酸素、水素）、また、化合物化として気体成分化（硫黄酸化物など）などを、植物の成長時期に合わせてより適正な比率で混合しＵＦＢ化することで、植物の生長を飛躍的に促進することができる。ただし、混合に不向きな気体同志（たとえば、Ｏ₂、Ｏ₃を混合してＯ₃の分解を促進してしまったり、酸とアルカリを混合して中和反応させてしまう）は混合を避ける必要がある。

図１７（ａ）から（ｃ）は、混合溶解液５４中の混合気体ＵＦＢ１２０７の状態を示した図である。混合溶解液５４中の溶解された気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの成分比率が異なる場合、混合気体ＵＦＢ１２０７内の気体成分の比率も、混合溶解液５４中の溶解された気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの成分比率に応じて異なる。

図１７（ａ）に示す混合溶解液５４は、気体Ａ由来の溶解液、気体Ｂ由来の溶解液、気体Ｃ由来の溶解液が各々３３％程度の成分比率である。このような混合溶解液５４を用いて混合気体ＵＦＢ１２０７を生成すると、混合気体ＵＦＢ１２０７内の気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの成分比は各々３３％程度となる。

図１７（ｂ）に示す混合溶解液５４は、気体Ａ由来の溶解液、気体Ｂ由来の溶解液、気体Ｃ由来の溶解液が各々４５％程度、４０％程度、１５％程度の成分比率である。このような混合溶解液５４を用いて混合気体ＵＦＢ１２０７を生成すると、混合気体ＵＦＢ１２０７内の気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの成分比は各々４５％程度、４０％程度、１５％程度となる。

図１７（ｃ）に示す混合溶解液５４は、気体Ａ由来の溶解液、気体Ｂ由来の溶解液、気体Ｃ由来の溶解液が各々１０％程度、５０％程度、４０％程度の成分比率である。このような混合溶解液５４を用いて混合気体ＵＦＢ１２０７を生成すると、混合気体ＵＦＢ１２０７内の気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの成分比は各々１０％程度、５０％程度、４０％程度となる。

図１８（ａ）から（ｃ）は、図１７（ａ）から（ｃ）と対応しており、各成分比率の混合溶解液５４を生成するためのポンプの駆動と、それに対応する各気体成分の濃度とを示した図である。

図１７（ａ）に示す気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの成分比が各々３３％程度の混合溶解液５４を得ようとする場合について説明する。図１８（ａ）のように、ポンプ２６、ポンプ３７、ポンプ４７の駆動率は各々１００％でほぼ同じの輸送量に制御する。溶解液が流入する混合バッファ室５３に純水などを貯蔵しておく。各気体の溶解液が供給されると混合バッファ室５３内の溶解液濃度は徐々に増加する。この際、排出ポンプ５２を併用して低濃度液体を排出すれば濃度上昇を高めることができる。

時刻ｔ₀からポンプ２６、ポンプ３７、ポンプ４７を駆動率１００％で駆動すると、時刻ｔ₁に至るまでに、気体Ａ由来の溶解液、気体Ｂ由来の溶解液、気体Ｃ由来の溶解液は各々３３％程度に到達する。

図１７（ｂ）に示す気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの成分比が各々４５％程度、４０％程度、１５％程度の混合溶解液５４を得ようとする場合について説明する。図１８（ｂ）のように、ポンプ２６、ポンプ３７、ポンプ４７は各々４５％程度、４０％程度、１５％程度の輸送比率に制御する。時刻ｔ₂より前に、混合バッファ室５３内に純水などを貯蔵しておく。各気体の溶解液が供給されると混合バッファ室５３内の溶解液濃度は徐々に増加する。時刻ｔ₃に至るまでに気体Ａ由来の溶解液、気体Ｂ由来の溶解液、気体Ｃ由来の溶解液は各々４５％程度、４０％程度、１５％程度の成分比率に到達する。

図１７（ｃ）に示す気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの成分比が各々１０％程度、５０％程度、４０％程度の混合溶解液５４を時刻ｔ₅で得て、その後、時刻ｔ₆でそれぞれ３３％程度の混合溶解液５４を得る場合について説明する。図１８（ｃ）のように、ポンプ２６、ポンプ３７、ポンプ４７は各々１０％程度、５０％程度、４０％程度の輸送比率に制御する。時刻ｔ₄より前に、混合バッファ室５３内に純水などを貯蔵しておく。各気体の溶解液が供給されると混合バッファ室５３内の溶解液濃度は徐々に増加する。時刻ｔ₅に至るまでに気体Ａ由来の溶解液、気体Ｂ由来の溶解液、気体Ｃ由来の溶解液は各々１０％程度、５０％程度、４０％程度の成分比率に到達する。

その後、連続的に制御を可変させ、ポンプ２６、ポンプ３７、ポンプ４７の駆動率を各々１００％程度にすると、時刻ｔ₆までに混合バッファ室５３内の混合濃度は各々３３％程度になるように変化する。このようにして、所望の濃度比率の溶解液を得ることができる。

図１９（ａ）から（ｃ）は、図１７（ａ）から（ｃ）と対応しており、濃度センサと輸送ポンプとのフィードバック制御により各成分比率の混合溶解液５４を生成する際のポンプの駆動と、それに対応する各気体成分の濃度とを示した図である。輸送ポンプの溶解液輸送能力バラツキや、混合による状態変化などで所望の濃度比率にならない場合、濃度センサと輸送ポンプとのフィードバック制御により、所望の成分比率の混合溶解液５４を得ることができる。

図１７（ａ）に示す気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの成分比が各々３３％程度の混合溶解液５４を得ようとする場合について説明する。図１９（ａ）のように、時刻ｔ₀から時刻Ｔ_1-2までポンプ２６、ポンプ３７、ポンプ４７の駆動率を各々１００％でほぼ同じの輸送量に制御する。ポンプの輸送量にばらつきがあり、時刻Ｔ_0-1の時点で混合溶解液５４の成分比に図のような違いが生じた場合、濃度センサからの情報に基づいてポンプ３７、４７をフィードバック制御によって駆動する。これにより、時刻ｔ₁までに、気体Ａ由来の溶解液、気体Ｂ由来の溶解液、気体Ｃ由来の溶解液が各々３３％程度の成分比率に到達する。

図１７（ｂ）に示す気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの成分比が各々４５％程度、４０％程度、１５％程度の混合溶解液５４を得ようとする場合について説明する。図１９（ｂ）のように、ポンプ２６、ポンプ３７、ポンプ４７の輸送比率を各々４５％程度、４０％程度、１５％程度に制御する。気体Ｃ由来の溶解液を輸送するポンプ４７の輸送量が多く、時刻Ｔ２−３の時点で気体Ｃの成分比率が高くなった場合、濃度センサからの情報に基づいてポンプ４７をフィードバック制御によって低速化して駆動する。これにより、時刻ｔ₃までに、気体Ａ由来の溶解液、気体Ｂ由来の溶解液、気体Ｃ由来の溶解液が各々４５％程度、４０％程度、１５％程度の成分比率に到達する。

図１７（ｃ）に示す気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの成分比が各々１０％程度、５０％程度、４０％程度の混合溶解液５４を時刻ｔ₅で得て、その後、時刻ｔ₆でそれぞれ３３％程度の混合溶解液５４を得る場合について説明する。まず、図１９（ｃ）のように、ポンプ２６、ポンプ３７、ポンプ４７の輸送比率を各々１０％程度、５０％程度、４０％程度の輸送比率に制御する。時刻ｔ₅に至るまでに気体Ａ由来の溶解液、気体Ｂ由来の溶解液、気体Ｃ由来の溶解液は各々１０％程度、５０％程度、４０％程度の成分比率に到達する。

しかし、時刻ｔ₅の時点で、気体Ｃ由来の溶解液の濃度が狙いの４０％より若干低くなっており、ポンプ４７の輸送能力の低下が見込まれる。そこで、その後の目標濃度値である３３％にするにあたり、制御の狙い値の３３％に対して、狙いより輸送量を高めてポンプ４７をフィードバック制御する。これによって、所望の濃度比率の溶解液を得ることができる。

図２０は、図１９（ａ）における混合溶解液５４の濃度を得るための処理を示したフローチャートである。以下、このフローチャートを用いて本実施形態における所定の混合溶解液５４の濃度を得るための処理を説明する。所定の混合溶解液５４の濃度を得るための処理を開始すると、Ｓ２００１で供給ポンプ２６の駆動を開始して、気体Ａの溶解液を混合バッファ室５３に供給する。なお、混合バッファ室内には純水を入れておく。その後、Ｓ２００２で、濃度センサ４９ａで気体Ａの濃度ｍＳが、目標濃度値ｍ１より高いか否かを判定する。気体Ａの濃度ｍＳが、目標濃度値ｍ１より高ければＳ２００３に移行して供給ポンプ２６の駆動を停止する。また、気体Ａの濃度ｍＳが、目標濃度値ｍ１より高くなければ、まだ気体Ａの濃度ｍＳが目標濃度値ｍ１に到達していないため、供給ポンプ２６の駆動を停止することなくＳ２００４に移行する。

Ｓ２００４では、供給ポンプ３７の駆動を開始して、気体Ｂの溶解液を混合バッファ室５３に供給する。その後、Ｓ２００５で、濃度センサ４９ｂで気体Ｂの濃度ｍＳが、目標濃度値ｍ１より高いか否かを判定する。気体Ｂの濃度ｍＳが、目標濃度値ｍ１より高ければＳ２００６に移行して供給ポンプ３７の駆動を停止する。また、気体Ｂの濃度ｍＳが、目標濃度値ｍ１より高くなければ、まだ気体Ｂの濃度ｍＳが目標濃度値ｍ１に到達していないため、供給ポンプ３７の駆動を停止することなくＳ２００７に移行する。

Ｓ２００７では、供給ポンプ４７の駆動を開始して、気体Ｃの溶解液を混合バッファ室５３に供給する。その後、Ｓ２００８で、濃度センサ４９ｃで気体Ｃの濃度ｍＳが、目標濃度値ｍ１より高いか否かを判定する。気体Ｃの濃度ｍＳが、目標濃度値ｍ１より高ければＳ２００９に移行して供給ポンプ４７の駆動を停止する。また、気体Ｃの濃度ｍＳが、目標濃度値ｍ１より高くなければ、まだ気体Ｃの濃度ｍＳが目標濃度値ｍ１に到達していないため、供給ポンプ４７の駆動を停止することなくＳ２０１０に移行する。Ｓ２０１０では、全ての供給ポンプがＯＦＦになっているかを判定する。全ての供給ポンプがＯＦＦになっていなければ、Ｓ２００１に移行して処理を繰り返す。全ての供給ポンプがＯＦＦになっていれば、所定の混合溶解液５４の濃度を得るための処理を終了する。

このように、複数種類の気体が所定の比率で溶解された混合溶解液を生成し、その混合溶解液を発熱素子により加熱することでＵＦＢを生成する。これによって、所望の成分比率となるＵＦＢを生成する生成方法、所望の成分比率となるＵＦＢを含有する液体の製造装置および製造方法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２１は、本実施形態におけるＵＦＢ生成システム１３００の詳細構造を示した模式図である。第１の実施形態では、気体を溶解した溶解液を生成し、その後、溶解液を混合した混合溶解液を生成したが、本実施形態のＵＦＢ生成システム１３００は、気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの３種類の気体を気体状態のまま混合する。混合システム５０３は、気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの各気体の発生器と接続されており、供給ポンプ１９、３０、４０によって供給された気体が混合システム５０３内で混合される。混合システム５０３内で混合された３種類の気体は、ガス溶解室２１に供給されて混合溶解液が生成される。混合バッファ室５３内の濃度センサ４９による溶解液濃度に応じて混合バッファ室５３内が所望の濃度になるように供給ポンプ１９、３０、４０によって気体の流量（供給量）を制御する。なお、濃度センサ２７による溶解液濃度に応じて溶解バッファ２５内が所望の濃度になるように供給ポンプ１９、３０、４０によって気体の供給量を制御してもよい。

気体同志の直接混合に影響のない気体を使用する場合や、混合比率精度があまり高くなくてよい場合には、本実施形態の構成が有効である。

このように、気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの３種類の気体を気体状態のまま混合することで、ガス溶解システムが１つの構成となりシンプルで安価な構成を実現することができる。

（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２２は、本実施形態におけるＵＦＢ生成システム１４００の詳細構造を示した模式図である。本実施形態のＵＦＢ生成システム１４００は、気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの３種類の気体をガス溶解室２１で同時混合する。混合システム６０３は、気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃの各気体の発生器と接続されており、供給ポンプ１９、３０、４０によって供給された気体が混合システム６０３内で混合され混合溶解液が生成される。

混合バッファ室５３内の濃度センサ４９による溶解液濃度に応じて混合バッファ室５３内が所望の濃度になるように供給ポンプ１９、３０、４０によって気体の供給量を制御する。なお、濃度センサ２７による溶解液濃度に応じて溶解バッファ２５内が所望の濃度になるように供給ポンプ１９、３０、４０によって気体の供給量を制御してもよい。

このような方法でも、ガス溶解システムが１つの構成となりシンプルで安価な構成を実現することができる。

１０ 発熱素子
１１ ＵＦＢ
５３ 混合バッファ室
５４ 混合溶解液
５５ ＵＦＢ生成ヘッド
１２００ ＵＦＢ生成システム
１３００ ＵＦＢ生成システム
１４００ ＵＦＢ生成システム

Claims (16)

1. 複数種類の気体が所定の溶解比率で溶解された混合溶解液を生成する混合溶解液生成工程と、
   前記混合溶解液を発熱素子によって加熱し、前記混合溶解液と前記発熱素子との界面に膜沸騰を生じさせることで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。
2. 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、を更に有し、
   前記混合溶解液生成工程では、前記第１溶解液と、前記第２溶解液と、を所定の比率で混合することを特徴とする請求項１に記載の生成方法。
3. 前記混合溶解液生成工程は、前記混合溶解液を貯留可能な混合バッファ室で行われ、
   前記混合バッファ室に貯留された前記第１気体と前記第２気体との溶解濃度に基づいて、前記第１溶解液と前記第２溶解液とを前記所定の比率で混合することを特徴とする請求項２に記載の生成方法。
4. 第１気体と第２気体とを所定の比率で混合する気体混合工程を更に有し、
   前記混合溶解液生成工程では、前記気体混合工程で得られた混合気体を液体に溶解することを特徴とする請求項１に記載の生成方法。
5. 前記気体混合工程では、前記混合溶解液における前記第１気体と前記第２気体との溶解濃度に基づいて、前記第１気体と前記第２気体とを前記所定の比率で混合することを特徴とする請求項４に記載の生成方法。
6. 生成された前記混合溶解液が供給され且つ前記混合溶解液を貯留可能な混合バッファ室において、前記溶解濃度を検知する工程を更に有することを特徴とする請求項５に記載の生成方法。
7. 前記気体混合工程で得られた混合気体を液体に溶解する気体溶解室において、前記溶解濃度を検知する工程を更に有することを特徴とする請求項５に記載の生成方法。
8. 前記混合溶解液生成工程では、第１気体と第２気体とを所定の比率で液体に溶解することを特徴とする請求項１に記載の生成方法。
9. 前記混合溶解液生成工程では、前記混合溶解液における前記第１気体と前記第２気体との溶解濃度に基づいて、前記第１気体と前記第２気体とを前記所定の比率で液体に溶解することを特徴とする請求項８に記載の生成方法。
10. 生成された前記混合溶解液が供給され且つ前記混合溶解液を貯留可能な混合バッファ室において、前記溶解濃度を検知する工程を更に有することを特徴とする請求項９に記載の生成方法。
11. 第１気体と第２気体とを所定の比率で液体に溶解する気体溶解室において、前記溶解濃度を検知する工程を更に有することを特徴とする請求項９に記載の生成方法。
12. 前記溶解濃度に基づいて、前記第１気体の流量を調整する第１ポンプと、前記第２気体の流量を調整する第２ポンプと、の駆動を制御することを特徴とする請求項３、請求項５、請求項９のいずれか１項に記載の生成方法。
13. 複数種類の気体が所定の溶解比率で溶解された混合溶解液を生成する混合溶解液生成手段と、
    前記混合溶解液生成手段が生成した混合溶解液を発熱素子により加熱し、前記混合溶解液と前記発熱素子との界面に膜沸騰を生じさせることでウルトラファインバブルを生成する生成手段と、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。
14. 前記混合溶解液生成手段は、第１気体を液体に溶解して第１溶解液を生成する第１溶解液生成手段と、第２気体を液体に溶解して第２溶解液を生成する第２溶解液生成手段と、を含み、前記第１溶解液と、前記第２溶解液と、を所定の比率で混合することを特徴とする請求項１３に記載の製造装置。
15. 前記混合溶解液生成手段は、前記混合溶解液を貯留可能な混合バッファ室を備え、
    前記混合バッファ室には前記第１気体と前記第２気体の溶解濃度を測定する濃度センサを備えることを特徴とする請求項１４に記載の製造装置。
16. 複数種類の気体が所定の溶解比率で溶解された混合溶解液を生成する混合溶解液生成工程と、
    前記混合溶解液生成工程で生成した混合溶解液を発熱素子により加熱し、前記混合溶解液と前記発熱素子との界面に膜沸騰を生じさせることでウルトラファインバブルを生成する生成工程と、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方法。

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