JP2022163584A - ウルトラファインバブル含有液製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＵＦＢ生成ユニット内部の生菌汚染を抑制することができるウルトラファインバブル含有液製造装置を提供する。【解決手段】ＵＦＢ生成ユニット１２１内部の接液部に紫外線を照射可能な照射手段を備えていること。【選択図】図１

Description

本発明は、ウルトラファインバブル含有液製造装置に関する。
特許文献１には、熱エネルギ発生素子を用いて液体中に膜沸騰を起こし、膜沸騰によって生成されたウルトラファインバブル（Ｕｌｔｒａ Ｆｉｎｅ Ｂｕｂｂｌｅ；以下、「ＵＦＢ」ともいう）を含む液体を回収するＵＦＢ生成装置が記載されている。
特開２０１９－４２６６４号公報
ＵＦＢ生成装置内に生菌が混入することにより、ＵＦＢ含有液自体の生菌汚染、そしてＵＦＢ生成ユニット内部の生菌汚染が生じる虞がある。ＵＦＢ生成ユニット内部に生菌汚染が生じた場合、ＵＦＢ生成ユニット内の微細な熱エネルギ発生素子や、熱エネルギ発生素子を覆うように構成されている発泡室に生菌が付着し、増殖によるコロニーが形成されることが考えられる。その結果、ＵＦＢ生成の基となる気泡発生に悪影響を及ぼす虞がある。
よって本発明は、ＵＦＢ生成ユニット内部の生菌汚染を抑制することができるウルトラファインバブル含有液製造装置を提供する。
そのため本発明のウルトラファインバブル含有液製造装置は、ガスが溶解された液体に、発熱部により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手段と、前記ウルトラファインバブル生成手段の接液部に紫外線を照射可能な第１照射手段と、を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、ＵＦＢ生成ユニット内部の生菌汚染を抑制することができるウルトラファインバブル含有液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発生ユニットの概略構成図である。 発熱素子の詳細構造を示す図である。 発熱素子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。 膜沸騰泡の発生及び膨張に伴って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。 膜沸騰泡の消泡時の衝撃によって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生成装置を示す概略構成図である。 紫外線が照射されるＵＦＢ生成ユニットを示した図である。 ＵＦＢ生成ユニットを示した図である。 ＵＦＢ生成装置を示す概略構成図である。 ＵＦＢ生成装置を示す概略構成図である。 ＵＦＢ生成装置を示す概略構成図である。
（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＞＞
以下、膜沸騰現象を利用するＵＦＢ生成装置の概略について説明する。
図１は、本実施形態に適用可能なＵＦＢ生成装置の一例を示す図である。本実施形態のウルトラファインバブル生成装置１は、前処理ユニット１００、溶解ユニット２００、Ｔ－ＵＦＢ発生ユニット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（脱気ユニット）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。
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。
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。
以上のような脱気処理を前処理として行うことにより、後述する溶解処理では、所望の気体の液体Ｗに対する純度および溶解度を高めることができる。さらに、後述するＴ－ＵＦＢ発生ユニットでは、液体Ｗに含まれる所望のＵＦＢの濃度を高めることができる。すなわち、溶解ユニット２００およびＴ－ＵＦＢ発生ユニット３００の前に前処理ユニット１００を設けることにより、濃度の高いＵＦＢ含有液を効率的に生成することが可能となる。
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以上に上げることも可能である。その場合は、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発生ユニット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発生ユニット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、本実施形態においては、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発生ユニット３００の概略構成図である。Ｔ－ＵＦＢ発生ユニット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）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。
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０．５μｓｅｃ～１０．０μｓｅｃ程度であるが、電圧が印加されなくなった後も、膜沸騰泡１３はタイミング１で得られた圧力の慣性によって膨張する。但し、膜沸騰泡１３の内部では膨張に伴って発生した負圧力が徐々に大きくなり、膜沸騰泡１３を収縮する方向に作用する。やがて慣性力と負圧力が釣り合ったタイミング２で膜沸騰泡１３の体積は最大となり、その後は負圧力によって急速に収縮する。
膜沸騰泡１３が消滅する際、膜沸騰泡１３は発熱素子１０の全面ではなく、１箇所以上の極めて小さな領域で消滅する。このため、発熱素子１０においては、膜沸騰泡１３が消滅する極めて小さな領域に、タイミング１で示す発泡時よりも更に大きな力が発生する（タイミング３）。
以上説明したような膜沸騰泡１３の発生、膨張、収縮及び消滅は、発熱素子１０に電圧パルスが印加されるたびに繰り返され、そのたびに新たなＵＦＢ１１が生成される。
次に、膜沸騰泡１３の発生、膨張、収縮及び消滅の各過程において、ＵＦＢ１１が生成される様子を更に詳しく説明する。
図７（ａ）～（ｄ）は、膜沸騰泡１３の発生及び膨張に伴ってＵＦＢ１１が生成される様子を示す図である。図７（ａ）は、発熱素子１０に電圧パルスが印加される前の状態を示している。チャンバー３０１の内部には、気体溶解液体３が混在した液体Ｗが流れている。
図７（ｂ）は、発熱素子１０に電圧が印加され、液体Ｗに接している発熱素子１０のほぼ全域で膜沸騰泡１３が一様に発生した様子を示している。電圧が印加されたとき、発熱素子１０の表面温度は１０℃／μｓｅｃ以上の速度で急激に上昇し、ほぼ３００℃に達した時点で膜沸騰が起こり、膜沸騰泡１３が生成される。
発熱素子１０の表面温度は、その後もパルスの印加中に６００～８００℃程度まで上昇し、膜沸騰泡１３の周辺の液体も急激に加熱される。図では、膜沸騰泡１３の周辺に位置し、急激に加熱される液体の領域を未発泡高温領域１４として示している。未発泡高温領域１４に含まれる気体溶解液体３は熱的溶解限界を超えて析出しＵＦＢとなる。析出した気泡の直径は１０ｎｍ～１００ｎｍ程度であり、高い気液界面エネルギを有している。そのため、短時間で消滅することもなく液体Ｗ内で独立を保ながら浮遊する。本実施形態では、このように膜沸騰泡１３の膨張時に熱的作用によって生成される気泡を第１のＵＦＢ１１Ａと称す。
図７（ｃ）は、膜沸騰泡１３が膨張する過程を示している。発熱素子１０への電圧パルスの印加が終了しても、膜沸騰泡１３は発生したときに得た力の慣性によって膨張を続け、未発泡高温領域１４も慣性によって移動及び拡散する。すなわち、膜沸騰泡１３が膨張する過程において、未発泡高温領域１４に含まれた気体溶解液体３が新たに気泡となって析出し、第１のＵＦＢ１１Ａとなる。
図７（ｄ）は、膜沸騰泡１３が最大体積となった状態を示している。膜沸騰泡１３は慣性によって膨張するが、膨張に伴って膜沸騰泡１３の内部の負圧は徐々に高まり、膜沸騰泡１３を収縮しようとする負圧力として作用する。そして、この負圧力が慣性力と釣り合った時点で、膜沸騰泡１３の体積は最大となり、以後収縮に転じる。
図８（ａ）～（ｃ）は、膜沸騰泡１３の収縮に伴ってＵＦＢ１１が生成される様子を示す図である。図８（ａ）は、膜沸騰泡１３が収縮を開始した状態を示している。膜沸騰泡１３が収縮を開始しても、周囲の液体Ｗには膨張する方向の慣性力が残っている。よって、膜沸騰泡１３の極周囲には、発熱素子１０から離れる方向に作用する慣性力と、膜沸騰泡１３の収縮に伴って発熱素子１０に向かう力とが作用し、減圧された領域となる。図では、そのような領域を未発泡負圧領域１５として示している。
未発泡負圧領域１５に含まれる気体溶解液体３は、圧的溶解限界を超え、気泡として析出する。析出した気泡の直径は１００ｎｍ程度であり、その後短時間で消滅することもなく液体Ｗ内で独立を保ながら浮遊する。本実施形態では、このように膜沸騰泡１３が収縮する際の圧力的作用によって析出する気泡を、第２のＵＦＢ１１Ｂと称す。
図８（ｂ）は、膜沸騰泡１３が収縮する過程を示している。膜沸騰泡１３が収縮する速度は負圧力によって加速し、未発泡負圧領域１５も膜沸騰泡１３の収縮に伴って移動する。すなわち、膜沸騰泡１３が収縮する過程において、未発泡負圧領域１５が通過する箇所の気体溶解液体３が次々に析出し、第２のＵＦＢ１１Ｂとなる。
図８（ｃ）は、膜沸騰泡１３が消滅する直前の様子を示している。膜沸騰泡１３の加速度的な収縮により、周囲の液体Ｗの移動速度も増大するが、チャンバー３０１内の流路抵抗によって圧力損失が生じる。その結果、未発泡負圧領域１５が占める領域は更に大きくなり、多数の第２のＵＦＢ１１Ｂが生成される。
図９（ａ）～（ｃ）は、膜沸騰泡１３の収縮時において、液体Ｗの再加熱によってＵＦＢが生成される様子を示す図である。図９（ａ）は、発熱素子１０の表面が収縮する膜沸騰泡１３に被覆されている状態を示している。
図９（ｂ）は、膜沸騰泡１３の収縮が進み、発熱素子１０の表面の一部が液体Ｗに接触した状態を示している。このとき発熱素子１０の表面には、液体Ｗが接しても膜沸騰には到らないほどの熱が残っている。図では、発熱素子１０の表面に接することにより加熱される液体の領域を未発泡再加熱領域１６として示している。膜沸騰には到らないものの、未発泡再加熱領域１６に含まれる気体溶解液体３は、熱的溶解限界を超えて析出する。本実施形態では、このように膜沸騰泡１３が収縮する際の液体Ｗの再加熱によって生成される気泡を第３のＵＦＢ１１Ｃと称す。
図９（ｃ）は、膜沸騰泡１３の収縮が更に進んだ状態を示している。膜沸騰泡１３が小さくなるほど、液体Ｗに接する発熱素子１０の領域が大きくなるため、第３のＵＦＢ１１Ｃは、膜沸騰泡１３が消滅するまで生成される。
図１０（ａ）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ＵＦＢ１１Ｄは、極めて狭い薄膜的領域に極めて短時間（１μＳ以下）で突発的に出現する。直径は第１～第３のＵＦＢよりも十分小さく、第１～第３のＵＦＢよりも気液界面エネルギが高い。このため、第４のＵＦＢ１１Ｄは、第１～第３のＵＦＢ１１Ａ～１１Ｃとは異なる性質を有し異なる効果を生み出すものと考えられる。
また、第４のＵＦＢ１１Ｄは、衝撃波が伝播する同心球状の領域のいたる所で一様に発生するため、生成された時点からチャンバー３０１内に一様に存在することになる。第４のＵＦＢ１１Ｄが生成されるタイミングでは、第１～第３のＵＦＢが既に多数存在しているが、これら第１～第３のＵＦＢの存在が第４のＵＦＢ１１Ｄの生成に大きく影響することはない。また、第４のＵＦＢ１１Ｄの発生によって第１～第３のＵＦＢが消滅することもない。
以上説明したように発熱素子１０の発熱により膜沸騰泡１３が発生し消泡するまでの複数の段階においてＵＦＢ１１が発生する。上述した例では膜沸騰泡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、膜沸騰現象によって招致されることは共通している。以下、本明細書では、このように急激な発熱に伴う膜沸騰を利用してＵＦＢを生成する方法を、Ｔ－ＵＦＢ（Ｔｈｅｒｍａｌ－Ｕｌｔｒａ Ｆｉｎｅ Ｂｕｂｂｌｅ）生成方法と称す。また、Ｔ－ＵＦＢ生成方法によって生成したＵＦＢをＴ－ＵＦＢ、Ｔ－ＵＦＢ生成方法によって生成されたＴ－ＵＦＢを含有する液体をＴ－ＵＦＢ含有液と称す。
Ｔ－ＵＦＢ生成方法によって生成される気泡はその殆どが１．０μｍ以下であり、ミリバブルやマイクロバブルは生成され難い。すなわち、Ｔ－ＵＦＢ生成方法によれば、ＵＦＢのみが効率的に生成されることになる。また、Ｔ－ＵＦＢ生成方法によって生成されたＴ－ＵＦＢは、従来法によって生成されたＵＦＢよりも高い気液界面エネルギを有し、常温常圧で保存する限り簡単に消滅することはない。更に、新たな膜沸騰によって新たなＴ－ＵＦＢが生成されても、先行して生成されていたＴ－ＵＦＢがその衝撃によって消滅することもない。つまり、Ｔ－ＵＦＢ含有液に含まれるＴ－ＵＦＢの数や濃度は、Ｔ－ＵＦＢ含有液における膜沸騰の発生回数に対しヒステリシス特性を有すると言える。言い替えると、Ｔ－ＵＦＢ発生ユニット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発生ユニット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発生ユニット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発生ユニット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。
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発生ユニット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発生ユニット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。
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発生ユニット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発生ユニット３００のチャンバー３０１の中を、１．０Ｌ／ｈ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。
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９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ＵＦＢ４１をカウントすることによって取得した。
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生成方法により得られる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発生ユニット３００とを統合することができる。具体的には、気体溶解容器（高圧チャンバー）内に、電極タイプのＴ－ＵＦＢモジュールを内蔵させて、当該モジュール内に配した複数のヒータを駆動し、膜沸騰を発生させる。このようにすれば、１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を生成することができる。なお、この場合、Ｔ－ＵＦＢモジュールを気体溶解容器の底辺に配置しておくことにより、ヒータで生成された熱がマランゴニ対流を起こし、循環・攪拌手段を設けなくても容器内の液体をある程度攪拌することができる。
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発生ユニット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ことがある。そのような不純物を含んだ液体ＷをＴ－ＵＦＢ発生ユニット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発生ユニット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。
特に、図１１（ａ）で示したイオン交換樹脂による不純物除去ユニットを、前処理ユニットに設ける場合は、陰イオン交換樹脂を配置するとＴ－ＵＦＢ水の効率的な生成に寄与する。この理由は、Ｔ－ＵＦＢ発生ユニット３００が生成するウルトラファインバブルは、負電荷を持つことが確認されているためである。従って、前処理ユニットにおいて、同じ負電荷をもつ不純物を除去することで、純度の高いＴ－ＵＦＢ水を生成することができる。ここで使用する陰イオン交換樹脂としては、４級アンモニウム基を持つ強塩基性陰イオン交換樹脂と、１～３級アミン基を持つ弱塩基性陰イオン交換樹脂との双方が適している。これらのうちどちらが適切かは、使用する液体の種類に依存する。通常、水道水または純水などを液体として使用する場合は、後者の弱塩基性陰イオン交換樹脂のみで、不純物除去機能を十分に果たすことができる。
＜＜Ｔ－ＵＦＢ含有液に使用可能な液体および気体＞＞
ここで、Ｔ－ＵＦＢ含有液を生成するために使用可能な液体Ｗについて説明する。本実施形態で使用可能な液体Ｗとしては、例えば、純水、イオン交換水、蒸留水、生理活性水、磁気活性水、化粧水、水道水、海水、川水、上下水、湖水、地下水、雨水などが挙げられる。また、これらの液体等を含む混合液体も使用可能である。また、水と水溶性有機溶剤との混合溶媒も使用できる。水と混合して使用される水溶性有機溶剤としては特に限定されないが、具体例として、以下のものを挙げることができる。メチルアルコール、エチルアルコール、ｎ－プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ｎ－ブチルアルコール、ｓｅｃ－ブチルアルコール、ｔｅｒｔ－ブチルアルコールなどの炭素数１乃至４のアルキルアルコール類。Ｎ－メチル－２－ピロリドン、２－ピロリドン、１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノン、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミドなどのアミド類。アセトン、ジアセトンアルコールなどのケトン又はケトアルコール類。テトラヒドロフラン、ジオキサンなどの環状エーテル類。エチレングリコール、１，２－プロピレングリコール、１，３－プロピレングリコール。１，２－ブタンジオール、１，３－ブタンジオール、１，４－ブタンジオール、１，５－ペンタンジオール、１，２－ヘキサンジオール、１，６－ヘキサンジオール、３－メチル－１，５－ペンタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、チオジグリコールなどのグリコール類。エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテルなどの多価アルコールの低級アルキルエーテル類。ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどのポリアルキレングリコール類。グリセリン、１，２，６－ヘキサントリオール、トリメチロールプロパンなどのトリオール類。これらの水溶性有機溶剤は、単独で用いてもよく、または２種以上を併用してもよい。つまり、水溶性有機溶剤には、膜沸騰を発生可能な各種液体を使用することができる。
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体を液体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。
図１２は、本実施形態におけるＵＦＢ生成装置１２０を示す概略構成図である。ＵＦＢ生成装置１２０は、ＵＦＢを生成するＵＦＢ生成ユニット（ウルトラファインバブル生成ユニット）１２１と、液体供給部１２２と、回収容器１２３とを備え、それらが、外装となる筐体１２４に収納されている。液体供給部１２２はガイド１２５に固定されており、液体供給部１２２に収容される気体成分が溶存した液体が不図示の通液配管を通じてＵＦＢ生成ユニット１２１に供給される。ＵＦＢ生成装置１２０のＵＦＢ生成ユニット１２１は、図１のＴ－ＵＦＢ発生ユニット３００に相当する。回収容器１２３は、図１の後処理ユニット４００または回収ユニット５００に相当する。
ＵＦＢ生成ユニット１２１は、液体を吐出する複数の吐出口を備えている。液体が供給されたＵＦＢ生成ユニット１２１は、後述する熱エネルギ発生素子の作用により液体に膜沸騰を生じさせてＵＦＢを生成し、ＵＦＢを含む液体（液滴）を複数の吐出口から吐出する。吐出されたＵＦＢを含む液体は、受け治具１２７の開口を経由して受液面に到達し、回収容器１２３によって回収される。
回収容器１２３は、直径２ｃｍ高さ２ｃｍの円筒形のガラス容器であり、上部の約５ｍｍの部分にはキャップをねじ込むための螺旋状の溝１２６が形成されている。よって、回収容器１２３にＵＦＢ含有液を所定量貯留した後、回収容器１２３をＵＦＢ生成装置１２０から取り出して不図示のキャップで蓋をすることで、回収容器１２３はその内部を密閉した状態で持ち運ぶことができる。
ＵＦＢ含有液を効率的に回収するために、受け治具１２７の受液面は、ＵＦＢ生成ユニット１２１の吐出口が配列する吐出口面よりも広い範囲に亘って設けられ、吐出口面からの距離はなるべく短い方が好ましい。詳しくは、吐出口面から受け治具１２７の開口までの距離は５０ｍｍ以下であることが好ましい。本実施形態では、吐出口面から受け治具１２７の開口面までの距離を５ｍｍとしている。
なお、本実施形態ではキャップをねじ込んで回収容器１２３に蓋をする形態を例に説明したが、回収容器１２３を密封するための形態はこれに限定されない。例えば、回収容器１２３の回収口に弾性を有するキャップを押し入れる形態や、回収容器１２３の回収口を熱溶着する形態、更にはジップなどの手段を用いて回収口を封鎖する形態など、様々な形態を採用することができる。
本実施形態のＵＦＢ生成装置１２０では、ＵＦＢ生成ユニット１２１の吐出口面と対向して紫外線照射機構（以下、ＵＶ照射機構ともいう）１２８が設けられている。
図１３は、ＵＶ照射機構１２８によって紫外線が照射されるＵＦＢ生成ユニット１２１を示した図である。ＵＶ照射機構１２８は、紫外線を照射可能であり、ＵＦＢ生成ユニット１２１に対して紫外線を照射する。受け治具１２７は、紫外線を透過可能な構成となっており、例えば透明な部材で構成されている。ＵＶ照射機構１２８から照射された紫外線は、受け治具１２７を透過し、ＵＦＢ生成ユニット１２１に照射される。また、ＵＦＢ生成ユニット１２１に設けられている被覆部材１３０も、紫外線を透過可能な構成となっており、例えば透明な部材で構成されている。ＵＶ照射機構１２８から照射された紫外線、発泡室１３１に存在する液体に照射される。ＵＶ照射機構１２８からＵＦＢ生成ユニット１２１に紫外線が照射されることで、ＵＦＢ生成ユニット１２１に侵入した生菌を殺菌することができる。
生菌がＵＦＢ生成ユニット１２１に侵入した場合、熱エネルギ発生素子（発熱部）１３２に生菌が付着し、増殖することによって生菌コロニーが形成される。生菌コロニーが形成された状態で熱エネルギ発生素子１３２に電圧を印加すると、発熱異常により熱エネルギ発生素子１３２が損傷する虞がある。また、発泡室１３１に生菌コロニー形成がされた場合は、ＵＦＢ生成の基となる気泡発生に悪影響を及ぼす虞がある。これらの問題を抑制するため、発泡室１３１に存在する液体に対して、ＵＶ照射機構１２８を用いて紫外線照射を行い、ＵＦＢ生成ユニット１２１に侵入した生菌を殺菌する。
細菌が持つＤＮＡ（デオキシリボ核酸）の光の吸収スペクトルは、２６０ｎｍ付近が最も吸収係数が高いとされている。よって、紫外線照射殺菌に用いる紫外線の波長領域は、２４０ｎｍから２８０ｎｍの範囲内が好適であり、最も好ましい紫外線の波長は２６０ｎｍである。本実施形態においては、２５４ｎｍの波長の紫外線を発光するＵＶランプを用いる。紫外線照射は、常時行うのが好ましい。
なお、本実施形態では、ＵＦＢ生成ユニット１２１に対して、ＵＶ照射機構１２８を対向させた位置に設けているが、ＵＦＢ生成ユニット１２１内部の接液部に紫外線照射が行えれば、ＵＦＢ生成ユニット１２１に対して対向する位置でなくてもよい。例えば、紫外線を鏡で反射させて、ＵＦＢ生成ユニット１２１の接液部に対して照射する構成でもよい。
ＵＦＢ生成ユニット１２１の吐出口１３３から吐出されたＵＦＢを含む液体は、受け治具１２７の傾斜した受液面で受けられ、傾斜した受液面に沿って流れ、回収容器１２３で回収される。
図１４は、ＵＦＢ生成ユニット１２１を示した図であり、図１４（ａ）は、吐出口面側から見た底面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＸＩＶｂ－ＸＩＶｂにおける断面図である。ＵＦＢ生成ユニット１２１は、発熱素子基板１３４上に、熱エネルギ発生素子１３２（図４の発熱素子１０と対応する）や、被覆部材１３０が構成され、被覆部材１３０には、液体を吐出する吐出口１３３と、発泡室１３１とが設けられている。吐出口１３３と発泡室１３１とは連通している。吐出口１３３は、１２００ｄｐｉ（ドット／インチ）の密度で矢印Ｙ方向に７６８個配列している。なお吐出口の構成はこれに限定するものではなく、ＵＦＢ含有液の生産能力を考慮し、吐出口の配列密度、配列パターン、吐出口径を変更してもよい。
発熱素子基板１３４に電圧を印加することで、熱エネルギ発生素子１３２に電圧が印加され、熱エネルギ発生素子１３２が急激に発熱する。熱エネルギ発生素子１３２が発熱することで、熱エネルギ発生素子１３２と接する、発泡室１３１内部の液体に膜沸騰が生じて、気泡（不図示）が発生する。気泡は、熱エネルギ発生素子１３２の表面温度の上昇に伴って成長するが、その体積とともに内部の負圧も高くなるため、ある程度で成長は止まる。気泡が最大体積となる前に熱エネルギ発生素子１３２への電圧の印加を停止すると、熱エネルギ発生素子１３２の温度は下降し、気泡は収縮を開始し、液体が熱エネルギ発生素子１３２の表面に再び接触することによって気泡は消滅する。
この気泡の消滅時に、収縮した気泡が熱エネルギ発生素子１３２と接触することで生じる第１のキャビテーションと、第１のキャビテーションの後に残存する小さい泡（不図示）がスパーク状に消滅することで生じる第２のキャビテーションとが起きている。このようなキャビテーションを生じさせる熱エネルギ発生素子１３２の駆動により、液体には、サイズが１μｍ未満の気泡であるウルトラファインバブル（ＵＦＢ）が生成される。これは、熱エネルギ発生素子１３２の加熱により液体で生じる膜沸騰により、液中に溶存している気体成分が多数のＵＦＢとなって発生したものと推定される。このような膜沸騰を利用して、気泡の生成、成長、収縮、消滅を行うことで、純度の高いＵＦＢ含有液を、比較的簡易な構成および短時間で製造することができる。
本実施形態では、液体供給部１２２から供給された液体を、ＵＦＢ生成ユニット１２１内にて、発泡室１３１内部で膜沸騰を生じさせ、生成された泡の成長エネルギによって、個々の吐出口１３３から矢印Ｚ方向にＵＦＢを含有する液滴を吐出する。吐出された液滴は、ＵＶ照射機構１２８によって殺菌処理が施されており、受け治具１２７を経てＵＦＢ生成ユニット１２１の下方に配置された回収容器１２３で回収される。
このように、ＵＦＢ生成ユニット１２１内部の接液部に紫外線照射する。これによって、ＵＦＢ生成ユニット内部の生菌汚染を抑制することができるウルトラファインバブル含有液製造装置を提供することができる。
尚、発泡室１３１には吐出口１３３がそれぞれ対応して設けられている例を説明したが、この限りではない。吐出口１３３が設けられていない発泡室１３１が備えられていてもよい。即ち、熱エネルギ発生素子１３２を含み、吐出口１３３が設けられていない第一発泡室（不図示）と、熱エネルギ発生素子１３２を含み、吐出口１３３が設けられている第二発泡室（発泡室１３１）とがＵＦＢ生成ユニット１２１に配されていてもよい。
（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１５は、本実施形態におけるＵＦＢ生成装置１５０を示す概略構成図である。ＵＦＢ生成装置１５０は、ＵＦＢを生成するＵＦＢ生成ユニット１２１と、液体供給部１２２と、回収容器１２３と、液体を循環させる循環システム１５１とを備えている。循環システム１５１は、受け治具１２７と液体供給部１２２とを接続する循環経路１５２と、循環経路１５２中に設けられた、ポンプ６１Ａ、バルブ６２Ａ、フィルタ６３とを備えている。ＵＦＢ生成装置１５０のＵＦＢ生成ユニット１２１は、図１のＴ－ＵＦＢ発生ユニット３００に相当する。回収容器１２３は、図１の後処理ユニット４００または回収ユニット５００に相当する。
受け治具１２７から延びる経路は、バルブ６２Ａの接続部を起点に２つに分岐し、バルブ６２Ａの切り替え作業により、一方は回収容器１２３に、もう一方は液体供給部１２２に向かって液体が流れるよう構成されている。受け治具１２７と液体供給部１２２とを接続する循環経路１５２の途中には、受け治具１２７から液体供給部１２２に液体を送るためのポンプ６１Ａと、循環経路１５２の内部を流れる液体を紫外線照射で殺菌するためのＵＶ照射機構１５３とが設けられている。
本実施形態では第１の実施形態と比べて、循環経路１５２や、ポンプ６１Ａ、バルブ６２Ａ、フィルタ６３といった追加部品が数多く配置されているため、液体の循環を停止した際に、数多くの液だまりが発生する。液だまりでは、生菌コロニーが発生しやすいため、循環経路１５２や、ポンプ６１Ａ、バルブ６２Ａ、フィルタ６３といった追加部品内部を流れる液体については、液体自体をできる限り殺菌状態にしておくことが望まれる。そのため、循環システム１５１内に、ＵＶ照射機構１５３を設け、液体自体を殺菌状態にしている。循環経路１５２に流れる液体にＵＶ照射機構１５３から紫外線を照射するため、紫外線が照射される部分の循環経路１５２は、紫外線を透過する部材（例えば透明な部材）で構成されている。ＵＶ照射機構１５３を設置する場所は、ＵＦＢ生成ユニット１２１内に生菌を極力侵入させないため、循環経路１５２におけるＵＦＢ生成ユニット１２１の上流側に設定することが望ましい。
なお、ＵＶ照射機構１５３が照射する紫外線は、２４０ｎｍから２８０ｎｍの波長が好適であり、本実施形態では、第１の実施形態と同様、２５４ｎｍの波長の紫外線を発光するＵＶランプを用いる。ＵＶ照射機構１５３による紫外線照射は常時行うことが好ましい。そして、ＵＶ照射機構１５３と、液体供給部１２２との間には、紫外線照射により殺菌された死菌を除去するためのフィルタ６３を設置する。フィルタ６３を設けることで、死菌などの不純物の含有が少ないＵＦＢ含有液の生成が可能となる。フィルタ６３の内部は、耐薬品性に優れているポリプロピレンを材料とした不織布を主材として構成されており、本実施形態においては死菌のサイズを考慮し、濾過能力０．５μｍのフィルタを使用している。
本実施形態では、循環システム１５１の併用により、同じ液体に対し複数回の膜沸騰と吐出動作とを繰り返すことで、液体のＵＦＢ含有濃度を高めることができる。なお、ＵＦＢ含有液を回収する際は、バルブ６２Ａの切り替え作業により、回収容器１２３に向かって液体を流す。
（メンテナンスモード）
本実施形態ではメンテナンスモードとして、ＵＦＢ生成ユニット１２１において、発熱素子基板１３４に電圧を印加せず、ＵＶ照射機構１２８で紫外線照射を行いながら、循環経路１５２に沿って液体を循環させる。その際、ＵＦＢ生成ユニット１２１と対向するＵＶ照射機構１２８以外のＵＶ照射機構１５３による紫外線照射を併用してもよい。
ＵＦＢ生成装置１５０を停止させた状態が長く続き、再稼働させる前にメンテナンスモードでＵＦＢ生成装置１５０を作動させることで、接液する部位の殺菌を行うことができる。これにより、ＵＦＢ生成ユニット１２１、循環経路１５２、フィルタ６３等の構成部品の生菌汚染を抑制することが可能となる。
（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１６は、本実施形態におけるＵＦＢ生成装置１６０を示す概略構成図である。ＵＦＢ生成装置１６０は、ＵＦＢ生成装置１５０の構成に、液体にガスを溶解させるガス溶解機構（溶解部）１６１を追加した構成となっている。
ガス溶解機構１６１は、所望のガスが貯留されたガスボンベ６５、液体供給タンク６６、ガス溶解槽６７、ポンプ６１Ｂ、ポンプ６１Ｃを備えている。ガスを溶解させたガス溶解液を作製するため、まず、ガスボンベ６５と、液体供給タンク６６とから、それぞれガスと液体とをガス溶解槽６７に供給する。ＵＦＢ生成装置１６０のＵＦＢ生成ユニット１２１は、図１のＴ－ＵＦＢ発生ユニット３００に相当する。回収容器１２３は、図１の後処理ユニット４００または回収ユニット５００に相当する。ガス溶解槽６７は、図１の溶解ユニット２００に相当する。
本実施形態では、液体に溶解するガスとして酸素を用いた。また、使用した液体は純水であり、ポンプ６１Ｂを起動させて、ガス溶解槽６７に１０Ｌの純水を供給した。そして、ガス溶解槽６７の温度を不図示のチラーにより１０℃に設定し、酸素を約１００Ｌ／ｍｉｎの流量で送り込み、ガス溶解槽６７内で１時間のバブリング処理をすることで純水内に酸素を溶解させた。続いて、ポンプ６１Ｃを起動させる。そして、バルブ６２Ｂの切り替え作業により、ガス溶解液を循環経路１５２に投入する。ガス溶解液は、ＵＶ照射機構１５３により殺菌され、その後、フィルタ６３を通過し、液体供給部１２２を経て、ＵＦＢ生成ユニット１２１内にて酸素溶解液をもとにしたＵＦＢ含有液が生成される。ＵＦＢ含有液の回収については、第２の実施形態と同様であるため省略する。
（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説明する。
図１７（ａ）は、本実施形態におけるＵＦＢ生成装置１７０を示す概略構成図であり、図１７（ｂ）は、本実施形態におけるＵＦＢ生成ユニット８０を示した図である。ＵＦＢ生成装置１７０は、第２の実施形態におけるＵＦＢ生成装置１５０と類似した構成であり、ＵＦＢ生成ユニットの構成が異なる。
本実施形態におけるＵＦＢ生成ユニット８０は吐出口を備えておらず、発熱素子基板１３４を覆う形で、発泡室１３１が設けられている。被覆部材１３０は透明な部材で構成されている。発泡室１３１の両端にはそれぞれ、継手５０Ａ、継手５０Ｂが設けられており、継手５０ＡからＵＦＢ生成ユニット８０に液体が投入され（流入し）、継手５０ＢからＵＦＢ生成ユニット８０で生成されたＵＦＢ含有液が排出される（流出される）。
本実施形態では、熱エネルギ発生素子１３２の作用によって液体に膜沸騰を生じさせるが、液体を吐出させることなく、気泡の発泡による生成、成長、収縮、消滅によって液体内にウルトラファインバブル（ＵＦＢ）を生じさせる。
ＵＶ照射機構１２８からＵＦＢ生成ユニット８０に紫外線が照射されることで、ＵＦＢ生成ユニット８０に侵入した生菌を殺菌することができる。また、ＵＶ照射機構１５３を循環システム１５１内に設け、循環する液体に紫外線照射することで、液体自体を殺菌状態とする。
なお、発熱素子基板１３４に電圧を印加せず、ＵＶ照射機構１２８で紫外線照射を行うメンテナンスモードは、上記各実施形態で、必要に応じて設定すればよい。
１２０ ＵＦＢ生成装置
１２１ ＵＦＢ生成ユニット
１３２ 熱エネルギ発生素子
１３１ 発泡室
１２８ ＵＶ照射機構
１５３ ＵＶ照射機構
１３４ 発熱素子基板

Claims (19)

  1. ガスが溶解された液体に、発熱部により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手段と、
    前記ウルトラファインバブル生成手段の接液部に紫外線を照射可能な第１照射手段と、
    を備えていることを特徴とするウルトラファインバブル含有液製造装置。
  2. 前記ウルトラファインバブル生成手段は、
    前記発熱部を覆う発泡室と、
    前記接液部である前記発泡室と連通した吐出口と、を備え、
    前記吐出口から液体を吐出する請求項１に記載のウルトラファインバブル含有液製造装置。
  3. 前記第１照射手段は、前記ウルトラファインバブル生成手段の前記吐出口が設けられた吐出口面に向けて紫外線を照射するように設けられている請求項２に記載のウルトラファインバブル含有液製造装置。
  4. 前記第１照射手段は、前記吐出口面と対向して設けられている請求項３に記載のウルトラファインバブル含有液製造装置。
  5. 前記吐出口を形成する部材は、紫外線を透過する部材である請求項２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製造装置。
  6. 前記ウルトラファインバブル生成手段から吐出された液体を受ける受け部を備えている請求項２ないし５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製造装置。
  7. 前記受け部は、紫外線を透過する部材である請求項６に記載のウルトラファインバブル含有液製造装置。
  8. 前記ウルトラファインバブル生成手段から液体を流出させ、かつ前記ウルトラファインバブル生成手段に液体を流入させるように液体を循環させる循環経路を備えている請求項１ないし７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製造装置。
  9. 前記循環経路の液体に、紫外線を照射可能な第２照射手段を備えている請求項８に記載のウルトラファインバブル含有液製造装置。
  10. 前記第２照射手段は、前記循環経路において、前記ウルトラファインバブル生成手段の上流側に設けられている請求項９に記載のウルトラファインバブル含有液製造装置。
  11. 前記第２照射手段は、２４０ｎｍから２８０ｎｍの範囲内の波長を含む紫外線を照射する請求項９または１０に記載のウルトラファインバブル含有液製造装置。
  12. 前記循環経路において前記第２照射手段によって照射される位置と前記ウルトラファインバブル生成手段との間にフィルタを備えている請求項９ないし１１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製造装置。
  13. 前記循環経路において前記第２照射手段によって照射される位置は、紫外線を透過する部材で構成されている請求項９ないし１２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製造装置。
  14. 前記フィルタは、濾過能力０．５μｍである請求項１２に記載のウルトラファインバブル含有液製造装置。
  15. 液体にガスを溶解する溶解部を備え、
    前記ウルトラファインバブル生成手段は、前記溶解部から供給される液体を流入する請求項１ないし１４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製造装置。
  16. 前記溶解部は、液体に酸素を溶解する請求項１５に記載のウルトラファインバブル含有液製造装置。
  17. 前記発熱部を覆う発泡室を備え、
    前記接液部である前記発泡室に液体が供給され、
    前記ウルトラファインバブル生成手段は、前記発泡室から液体を流出する請求項１に記載のウルトラファインバブル含有液製造装置。
  18. 前記第１照射手段は、２４０ｎｍから２８０ｎｍの範囲内の波長を含む紫外線を照射する請求項１ないし１７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製造装置。
  19. 前記第１照射手段は、前記ウルトラファインバブル生成手段が前記発熱部により膜沸騰を生じさせているとき、および、前記ウルトラファインバブル生成手段が前記発熱部により膜沸騰を生じさせていないときのうちの少なくとも一方において、前記紫外線を照射する請求項１ないし１８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製造装置。
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