JP6104201B2 - ファインバブル液生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、ファインバブル液生成装置に関する。

近年、直径が１ｍｍ（ミリメートル）以下の気泡を含む液体が多様な分野で利用されている。また、最近では、直径が１μｍ（マイクロメートル）未満の気泡（ウルトラファインバブル）を含む液体が、多様な分野において注目されており、当該液体を生成する装置が提案されている。

例えば、特許文献１のファインバブル発生装置では、ポンプから送出された気液混合流体は、当該流体中の気体を気体旋回剪断装置により微細化された後、液体貯溜槽へと送出されて貯溜される。特許文献１では、液体中のファインバブルの密度（すなわち、単位体積当たりのファインバブルの個数）を高くするために、液体貯溜槽内の液体を気体旋回剪断装置へと繰り返し循環させることが行われる。

特開２００８−２７２７１９号公報

ところで、特許文献１では、貯溜槽に貯溜された液体を取り出して様々な用途に使用することが記載されている。しかしながら、特許文献１のファインバブル発生装置では、貯溜槽に貯溜可能な量の液体をバッチ式で生成することはできるが、ファインバブルを高密度にて含む液体を連続的に生成して供給することはできない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ファインバブルを高密度にて含むファインバブル液を連続的に生成することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、ファインバブル液生成装置であって、気体および加圧された液体を導入する導入部と、前記導入部から導入された気体を液体に加圧溶解させて加圧液を生成する加圧液生成容器と、前記加圧液生成容器内を大気圧よりも圧力が高い加圧環境とするとともに前記加圧液生成容器から供給された前記加圧液からファインバブルを含む液体を生成して排出する排出部とを備える生成部と、一方の端部が前記排出部に接続され、他方の端部が前記導入部に接続され、前記排出部から排出された液体を外気から隔離した状態で前記導入部へと戻す循環路と、前記生成部および前記循環路を循環する液体から一部をファインバブル液として取り出すことができる取出部と、前記循環路に液体を補給して前記生成部および前記循環路を循環する液体の量を一定に維持することができる補給部とを備え、前記生成部および前記循環路を循環する液体に含まれるファインバブルの密度が所望の密度になるまで前記生成部および前記循環路における液体の循環を繰り返すとともに、前記補給部から供給される液体の流量と前記取出部から取り出されるファインバブル液の流量とを等しくすることにより、前記生成部および前記循環路を循環する液体の量を一定に維持する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のファインバブル液生成装置であって、前記取出部が、前記循環路において前記一方の端部と前記補給部が接続される部位との間に接続される。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のファインバブル液生成装置であって、前記循環路から分岐して排液ポートに接続された排液路と、前記排出部からの液体の送出先を、前記導入部と前記排液ポートとの間で切り換える切換機構とをさらに備え、前記取出部からのファインバブル液の取り出し開始前の状態において、前記補給部から前記循環路を介して前記導入部に導入された液体が、前記排出部から前記切換機構により前記排液ポートへと導かれる。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のファインバブル液生成装置であって、前記補給部が、液体供給源から圧送された液体を前記循環路へと導く液体供給路と、前記液体供給路上に設けられて前記液体供給路を流れる液体の圧力を調節する圧力調節部とを備える。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のファインバブル液生成装置であって、前記補給部が、液体供給源から前記循環路へと液体を導く液体供給路と、前記液体供給路上に設けられて前記液体供給路内の液体を前記循環路に向けて圧送するポンプとを備える。

請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載のファインバブル液生成装置であって、前記取出部からのファインバブル液の取り出し流量に基づいて、前記補給部から前記循環路に供給される液体の圧力または流量を制御する補給制御部をさらに備える。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載のファインバブル液生成装置であって、前記取出部から取り出されるファインバブル液中のファインバブルの密度を測定する気泡密度測定部と、前記取出部からのファインバブル液の取り出し流量と、前記取出部から取り出されるファインバブル液中のファインバブルの密度との関係を示す流量−密度情報を記憶する記憶部と、前記気泡密度測定部における測定結果および前記流量−密度情報に基づいて、前記取出部からのファインバブル液の取り出し流量を制御する取出制御部とをさらに備える。

本発明では、ファインバブルを高密度にて含むファインバブル液を連続的に生成することができる。

一の実施の形態に係るファインバブル液生成装置を示す断面図である。 混合ノズルの断面図である。 ファインバブル生成ノズルの断面図である。 流量−密度情報を示す図である。 取り出し開始からの経過時間とファインバブル液中のファインバブルの濃度との関係を示す図である。 ファインバブル液生成装置の他の例を示す断面図である。 関連技術に係るファインバブル液生成装置を示す断面図である。 他のファインバブル液生成装置を示す断面図である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係るファインバブル液生成装置１を示す断面図である。ファインバブル液生成装置１は、気体と液体とを混合して、当該気体のファインバブルを含む液体を生成する装置である。以下の説明では、「ファインバブル」とは直径が１００μｍ未満の気泡を意味し、「ウルトラファインバブル」とは、ファインバブルのうち直径が１μｍ未満の気泡を意味する。また、ファインバブルの「密度」とは、単位体積当たりに液体が含有するファインバブルの個数を指す。

ファインバブル液生成装置１は、生成部１１と、循環路１２と、取出部１３と、補給部１４と、ポンプ１５と、排液部１６とを備える。生成部１１は、混合ノズル３１と、加圧液生成容器３２と、ファインバブル生成ノズル２とを備える。混合ノズル３１は、ポンプ１５により圧送された液体と、気体流入口から流入した気体とを混合し、加圧液生成容器３２内に向けて混合流体７２を噴出する。混合ノズル３１にて混合される液体および気体は、例えば、純水および窒素ガスである。

図２は、混合ノズル３１を拡大して示す断面図である。混合ノズル３１は、上述のポンプ１５により圧送された液体が流入する液体流入口３１１と、気体が流入する気体流入口３１９と、混合流体７２を噴出する混合流体噴出口３１２とを備える。混合流体７２は、液体流入口３１１から流入した液体および気体流入口３１９から流入した気体が混合されることにより生成される。液体流入口３１１、気体流入口３１９および混合流体噴出口３１２はそれぞれ略円形である。液体流入口３１１から混合流体噴出口３１２に向かうノズル流路３１０の流路断面、および、気体流入口３１９からノズル流路３１０に向かう気体流路３１９１の流路断面も略円形である。流路断面とは、ノズル流路３１０や気体流路３１９１等の流路の中心軸に垂直な断面、すなわち、流路を流れる流体の流れに垂直な断面を意味する。また、以下の説明では、流路断面の面積を「流路面積」という。ノズル流路３１０は、流路面積が流路の中間部で小さくなるベンチュリ管状である。

混合ノズル３１は、液体流入口３１１から混合流体噴出口３１２に向かって順に連続して配置される導入部３１３と、第１テーパ部３１４と、喉部３１５と、気体混合部３１６と、第２テーパ部３１７と、導出部３１８とを備える。混合ノズル３１は、また、内部に気体流路３１９１が設けられた気体供給部３１９２を備える。

導入部３１３では、流路面積は、ノズル流路３１０の中心軸Ｊ１方向の各位置においてほぼ一定である。第１テーパ部３１４では、液体の流れる方向に向かって（すなわち、下流側に向かって）流路面積が漸次減少する。喉部３１５では、流路面積はほぼ一定である。喉部３１５の流路面積は、ノズル流路３１０において最も小さい。なお、ノズル流路３１０では、喉部３１５において流路面積が僅かに変化する場合であっても、流路面積がおよそ最も小さい部分全体が喉部３１５と捉えられる。気体混合部３１６では、流路面積はほぼ一定であり、喉部３１５の流路面積よりも少し大きい。第２テーパ部３１７では、下流側に向かって流路面積が漸次増大する。導出部３１８では、流路面積はほぼ一定である。気体流路３１９１の流路面積もほぼ一定であり、気体流路３１９１は、ノズル流路３１０の気体混合部３１６に接続される。

混合ノズル３１では、液体流入口３１１からノズル流路３１０に流入した液体が、喉部３１５で加速されて静圧が低下し、喉部３１５および気体混合部３１６において、ノズル流路３１０内の圧力が大気圧よりも低くなる。これにより、気体流入口３１９から気体が吸引され、気体流路３１９１を通過して気体混合部３１６に流入し、液体と混合されて混合流体７２が生成される。混合流体７２は、第２テーパ部３１７および導出部３１８において減速されて静圧が増大し、混合流体噴出口３１２を介して上述のように加圧液生成容器３２内に噴出される。

図１に示す加圧液生成容器３２内は加圧されて大気圧よりも圧力が高い状態（以下、「加圧環境」という。）となっている。加圧液生成容器３２では、混合ノズル３１から噴出された液体と気体とが混合された流体（以下、「混合流体７２」という。）が加圧環境下にて流れる間に、気体が液体に加圧溶解して加圧液が生成される。

加圧液生成容器３２は、上下方向に積層される第１流路３２１と、第２流路３２２と、第３流路３２３と、第４流路３２４と、第５流路３２５とを備える。以下の説明では、第１流路３２１、第２流路３２２、第３流路３２３、第４流路３２４および第５流路３２５をまとめて指す場合、「流路３２１〜３２５」と呼ぶ。流路３２１〜３２５は、水平方向に延びる管路であり、流路３２１〜３２５の長手方向に垂直な断面は略矩形である。

第１流路３２１の上流側の端部（すなわち、図１中の左側の端部）には、上述の混合ノズル３１が取り付けられており、混合ノズル３１から噴出された後の混合流体７２は、加圧環境下にて図１中の右側に向かって流れる。本実施の形態では、第１流路３２１内の混合流体７２の液面より上方にて混合ノズル３１から混合流体７２が噴出され、噴出された直後の混合流体７２は、第１流路３２１の下流側の壁面（すなわち、図１中の右側の壁面）に衝突する前に上記液面に直接衝突する。混合ノズル３１から噴出された混合流体７２を液面に直接衝突させるためには、第１流路３２１の長さを、混合ノズル３１の混合流体噴出口３１２（図２参照）の中心と第１流路３２１の下面との間の上下方向の距離の７．５倍よりも大きくすることが好ましい。

加圧液生成容器３２では、混合ノズル３１の混合流体噴出口３１２の一部または全体が、第１流路３２１内の混合流体７２の液面よりも下側に位置してもよい。これにより、上述と同様に、第１流路３２１内において、混合ノズル３１から噴出された直後の混合流体７２が、第１流路３２１内を流れる混合流体７２に直接衝突する。

第１流路３２１の下流側の端部の下面には、略円形の開口３２１ａが設けられており、第１流路３２１を流れる混合流体７２は、第１流路３２１の下方に位置する第２流路３２２へと開口３２１ａを介して落下する。第２流路３２２では、第１流路３２１から落下した混合流体７２が加圧環境下にて図１中の右側から左側へと流れ、第２流路３２２の下流側の端部の下面に設けられた略円形の開口３２２ａを介して、第２流路３２２の下方に位置する第３流路３２３へと落下する。第３流路３２３では、第２流路３２２から落下した混合流体７２が加圧環境下にて図１中の左側から右側へと流れ、第３流路３２３の下流側の端部の下面に設けられた略円形の開口３２３ａを介して、第３流路３２３の下方に位置する第４流路３２４へと落下する。図１に示すように、第１流路３２１〜第４流路３２４では、混合流体７２は、気泡を含む液体の層と、その上方に位置する気体の層に分かれている。

第４流路３２４では、第３流路３２３から落下した混合流体７２が加圧環境下にて図１中の右側から左側へと流れ、第４流路３２４の下流側の端部の下面に設けられた略円形の開口３２４ａを介して、第４流路３２４の下方に位置する第５流路３２５へと流入（すなわち、落下）する。第５流路３２５では、第１流路３２１〜第４流路３２４とは異なり、気体の層は存在しておらず、第５流路３２５内に充満する液体内において、第５流路３２５の上面近傍に気泡が僅かに存在する状態となっている。第５流路３２５では、第４流路３２４から流入した混合流体７２が加圧環境下にて図１中の左側から右側へと流れる。

加圧液生成容器３２では、流路３２１〜３２５を、段階的に緩急を繰り返しつつ上から下に流れ落ちる（すなわち、水平方向への流れと下方向への流れとを交互に繰り返しつつ流れる）混合流体７２において、気体が液体に徐々に加圧溶解する。第５流路３２５においては、液体中に溶解している気体の濃度は、加圧環境下における当該気体の（飽和）溶解度の６０％〜９０％にほぼ等しい。そして、液体に溶解しなかった余剰の気体が、第５流路３２５内において、視認可能な大きさの気泡として存在している。上下に隣接する水平流路３２１〜３２５における混合流体７２の流れの方向が逆向きであることにより、加圧液生成容器３２の小型化が実現される。

加圧液生成容器３２は、第５流路３２５の下流側の上面から上方へと延びる余剰気体分離部３２６をさらに備える。余剰気体分離部３２６には混合流体７２が充満している。余剰気体分離部３２６の上下方向に垂直な断面は略矩形であり、余剰気体分離部３２６の上端部は、取出部１３に接続される。第５流路３２５を流れる混合流体７２の気泡は、余剰気体分離部３２６内を上昇して取出部１３へと移動する。取出部１３の詳細については後述する。

このようにして、混合流体７２の余剰な気体が混合流体７２の一部と共に分離されることにより、少なくとも容易に視認できる大きさの気泡を実質的に含まない加圧液が生成され、第５流路３２５の下流側の端部に直接的に接続されたファインバブル生成ノズル２へと供給される。本実施の形態では、加圧液には、大気圧下における気体の（飽和）溶解度の約２倍以上の気体が溶解している。加圧液生成容器３２において流路３２１〜３２５を流れる混合流体７２の液体は、生成途上の加圧液と捉えることもできる。

第１流路３２１の上方には、排気弁６１も設けられる。排気弁６１は、ポンプ１５の停止時に開放され、混合流体７２が混合ノズル３１へと逆流することを防止する。

図３は、ファインバブル生成ノズル２を拡大して示す断面図である。ファインバブル生成ノズル２は、加圧液生成容器３２の第５流路３２５から加圧液が流入する加圧液流入口２１と、循環路１２に向かって開口する加圧液噴出口２２とを備える。加圧液流入口２１および加圧液噴出口２２はそれぞれ略円形であり、加圧液流入口２１から加圧液噴出口２２に向かうノズル流路２０の流路断面も略円形である。

ファインバブル生成ノズル２は、加圧液流入口２１から加圧液噴出口２２に向かって順に連続して配置される導入部２３と、テーパ部２４と、喉部２５とを備える。導入部２３では、流路面積は、ノズル流路２０の中心軸Ｊ２方向の各位置においてほぼ一定である。テーパ部２４では、加圧液の流れる方向に向かって（すなわち、下流側に向かって）流路面積が漸次減少する。テーパ部２４の内面は、ノズル流路２０の中心軸Ｊ２を中心とする略円錐面の一部である。当該中心軸Ｊ２を含む断面において、テーパ部２４の内面の成す角度αは、１０°以上９０°以下であることが好ましい。

喉部２５は、テーパ部２４と加圧液噴出口２２とを連絡する。喉部２５の内面は略円筒面であり、喉部２５では、流路面積はほぼ一定である。喉部２５における流路断面の直径は、ノズル流路２０において最も小さく、喉部２５の流路面積は、ノズル流路２０において最も小さい。喉部２５の長さは、好ましくは、喉部２５の直径の１．１倍以上１０倍以下であり、より好ましくは、１．５倍以上２倍以下である。なお、ノズル流路２０では、喉部２５において流路面積が僅かに変化する場合であっても、流路面積がおよそ最も小さい部分全体が喉部２５と捉えられる。

ファインバブル生成ノズル２は、また、喉部２５に連続して設けられ、加圧液噴出口２２の周囲を加圧液噴出口２２から離間して囲む拡大部２７と、拡大部２７の端部に設けられた拡大部開口２８とを備える。加圧液噴出口２２と拡大部開口２８との間の流路２９は、加圧液噴出口２２の外部に設けられた流路であり、以下、「外部流路２９」という。外部流路２９の流路断面および拡大部開口２８は略円形であり、外部流路２９の流路面積はほぼ一定である。外部流路２９の直径は、喉部２５の直径（すなわち、加圧液噴出口２２の直径）よりも大きい。

以下の説明では、拡大部２７の内周面の加圧液噴出口２２側のエッジと加圧液噴出口２２のエッジとの間の円環状の面を、「噴出口端面２２１」という。本実施の形態では、ノズル流路２０および外部流路２９の中心軸Ｊ２と噴出口端面２２１との成す角度は約９０°である。また、外部流路２９の直径は１０ｍｍ〜２０ｍｍであり、外部流路２９の長さは、外部流路２９の直径におよそ等しい。ファインバブル生成ノズル２では、加圧液流入口２１とは反対側の端部に、凹部である外部流路２９が形成され、当該凹部の底部に、当該底部よりも小さい開口である加圧液噴出口２２が形成されている、と捉えられる。拡大部２７では、加圧液噴出口２２と循環路１２との間における加圧液の流路面積が拡大される。

ファインバブル生成ノズル２では、加圧液流入口２１からノズル流路２０に流入した加圧液が、テーパ部２４において徐々に加速されつつ喉部２５へと流れ、喉部２５を通過して加圧液噴出口２２から噴流として噴出される。喉部２５における加圧液の流速は、好ましくは秒速１０ｍ〜３０ｍである。喉部２５では、加圧液の静圧が低下するため、加圧液中の気体が過飽和となってファインバブルとして液中に析出する。ファインバブルは、加圧液と共に拡大部２７の外部流路２９を通過する。ファインバブル生成ノズル２では、加圧液が外部流路２９を通過する間にも、ファインバブルの析出が生じる。これにより、ファインバブルを含む液体が生成され、循環路１２へと供給される。ファインバブル生成ノズル２にて生成されるファインバブルは、ウルトラファインバブルを主として含む。

図１に示す生成部１１では、混合ノズル３１は、気体およびポンプ１５により加圧された液体を、加圧液生成容器３２へと導入する導入部である。また、ファインバブル生成ノズル２は、混合ノズル３１から導入された気体のファインバブルを含む液体を、循環路１２へと排出する排出部である。

循環路１２の一方の端部はファインバブル生成ノズル２の拡大部開口２８（図３参照）に接続され、他方の端部は混合ノズル３１の液体流入口３１１（図２参照）に接続される。循環路１２上には、上述のポンプ１５が設けられる。ファインバブル生成ノズル２から排出されたファインバブルを含む液体は、ポンプ１５により循環路１２内を圧送され、混合ノズル３１へと戻される。循環路１２は密閉された管路であり、ファインバブル生成ノズル２から排出された液体は、外気から隔離された状態で混合ノズル３１へと戻される。混合ノズル３１へと戻された液体は、加圧液生成容器３２、ファインバブル生成ノズル２および循環路１２を介して、再び混合ノズル３１へと戻される。ファインバブル液生成装置１では、ファインバブルを含む液体が外気から隔離された状態で生成部１１および循環路１２を循環する。そして、液体中のファインバブルの密度は、当該循環が繰り返されることにより高くなる。

ファインバブル液生成装置１では、生成部１１および循環路１２を循環する液体の一部が取出部１３によりファインバブル液として取り出される。取出部１３は、取出路１３１と、気泡除去部１３２とを備える。取出路１３１は、余剰気体分離部３２６の上端部に接続される。気泡除去部１３２は、取出路１３１上に設けられ、余剰気体分離部３２６から取出路１３１に流入する液体から、ファインバブル以外の気泡（すなわち、容易に視認できる程度の大きさの気泡）を除去する。気泡除去部１３２としては、例えば、ガス抜き弁が利用される。気泡除去部１３２を通過した液体は、容易に視認できる程度の大きさの気泡を実質的に含まず、かつ、ファインバブルを高密度にて含むファインバブル液である。ファインバブル液は、取出路１３１の先端の取出口１３３から取り出される。

ファインバブル液生成装置１は、取出制御部１３４と、気泡密度測定部１３５と、記憶部１３６とをさらに備える。取出制御部１３４は、取出路１３１上において気泡除去部１３２と取出口１３３との間に設けられる。取出制御部１３４は、例えば、取出路１３１を流れるファインバブル液の流量を調節する流量調節弁、および、当該流量調節弁の開度を制御する弁制御部である。気泡密度測定部１３５は、気泡除去部１３２と取出口１３３との間にて取出路１３１に接続される。気泡密度測定部１３５は、取出部１３から取り出されるファインバブル液中のファインバブルの密度を測定する。気泡密度測定部１３５としては、例えば、ナノサイト社（NanoSight Limited)のＮＳ５００等の技術を用いて実現可能である。

取出制御部１３４には、記憶部１３６が接続される。記憶部１３６には、流量−密度情報が予め記憶されている。流量−密度情報は、取出部１３からのファインバブル液の取り出し流量と、取出部１３から取り出されるファインバブル液中のファインバブルの密度との関係を示す情報である。

図４は、流量−密度情報を示す図である。図４の横軸はファインバブル液の取り出し流量を示し、縦軸はファインバブル液中のファインバブルの密度を示す。図４中の複数の丸印は、ファインバブル液の各取り出し流量にて取り出した際のファインバブル液中のファインバブルの密度を測定した結果を示す。当該測定は、取り出し流量以外の条件をほぼ同様として行われた。図４中の実線８１は、複数の丸印から求められた流量−密度情報である。図４に示すように、ファインバブル液の取り出し流量が大きくなると、ファインバブル液中のファインバブルの密度は減少する。

気泡密度測定部１３５における測定結果（すなわち、測定されたファインバブルの密度）は、取出制御部１３４へと送られる。取出制御部１３４では、予め入力された目標密度、気泡密度測定部１３５における測定結果、および、記憶部１３６に記憶される流量−密度情報に基づいて、取出部１３からのファインバブル液の取り出し流量が制御される。これにより、取出部１３から取り出されるファインバブル液中のファインバブルの密度が目標密度におよそ等しくなる。

図５は、ファインバブル液生成装置１においてファインバブル液を連続的に取り出す場合における取り出し開始からの経過時間と、取り出されるファインバブル液中のファインバブルの密度との関係を示す図である。図５の横軸は、ファインバブル液の取り出し開始からの経過時間を示し、縦軸はファインバブル液中のファインバブルの密度を示す。ファインバブル液生成装置１では、取出制御部１３４による制御が行われることにより、図５に示すように、およそ所望の密度にてファインバブルを含むファインバブル液を、長時間に亘って連続的に取り出すことができる。

補給部１４は、循環路１２に接続され、生成部１１および循環路１２を循環する液体と同じ種類の液体（本実施の形態では、純水）を循環路１２に補給する。補給部１４は、取出部１３から取り出されるファインバブル液とおよそ同量の液体を循環路１２に補給することにより、生成部１１および循環路１２を循環する液体の量を維持する。

補給部１４は、液体供給路１４１と、圧力調節部１４２と、補給制御部１４３とを備える。液体供給路１４１の一方の端部は、切換機構１６２とポンプ１５との間にて循環路１２に接続され、他方の端部はファインバブル液生成装置１の外部の液体供給源９１に接続される。液体供給源９１は、例えば、工場等に設けられて様々な装置に純水を圧送する純水供給ラインである。液体供給路１４１は、液体供給源９１から圧送された液体を循環路１２へと導く。液体供給路１４１は、密閉された管路であり、液体供給源９１からの液体は、液体供給路１４１内において外気から隔離された状態で循環路１２へと導かれる。圧力調節部１４２は、液体供給路１４１上に設けられ、液体供給源９１から圧送されて液体供給路１４１を流れる液体の圧力を調節する。圧力調節部１４２として、例えば、圧力調節弁が利用される。

補給制御部１４３は、圧力調節部１４２に接続される。圧力調節部１４２が圧力調節弁である場合、補給制御部１４３は、例えば、当該圧力調節弁の開度を制御する弁制御部である。補給制御部１４３は、取出部１３からのファインバブル液の取り出し流量に基づいて圧力調節部１４２を制御する。具体的には、補給部１４の液体供給路１４１から循環路１２に供給される液体の流量（以下、「補給流量」という。）が、取出部１３からのファインバブル液の取り出し流量におよそ等しくなるように、補給部１４から循環路１２に供給される液体の圧力または流量が制御される。これにより、生成部１１および循環路１２を循環する液体の量（以下、「循環量」という。）をおよそ一定に維持することができる。

ファインバブル液生成装置１では、例えば、循環量を維持する場合の取出部１３からの取り出し流量と補給部１４から供給される液体の圧力との関係が予め記憶されており、当該関係と取り出し流量とに基づいて、補給部１４から供給される液体の圧力が制御されてもよい。あるいは、補給部１４に補給流量を測定する流量計が設けられ、当該流量計の測定結果が取出部１３からのファインバブル液の取り出し流量に等しくなるように、補給制御部１４３により圧力調節部１４２がフィードバック制御されてもよい。

排液部１６は、排液路１６１と、切換機構１６２（例えば、三方弁等の切り換え弁）とを備える。排液路１６１の一方の端部は、ファインバブル生成ノズル２とポンプ１５との間にて循環路１２に接続され、他方の端部はファインバブル液生成装置１の外部の排液ポート９２に接続される。換言すれば、排液路１６１は循環路１２から分岐して排液ポート９２に接続される。切換機構１６２は、循環路１２と排液路１６１との接続部（すなわち、分岐部）に設けられ、ファインバブル生成ノズル２からの液体の送出先を、排液ポート９２と混合ノズル３１との間で切り換える。

ファインバブル液生成装置１の起動直後、すなわち、生成部１１を液体が流れ始めた直後は、生成部１１内の圧力が変動する。そこで、ファインバブル液生成装置１の起動直後から所定の時間（例えば、数十秒）、補給部１４から循環路１２を介して生成部１１へと液体を供給し、生成部１１を通過した液体を切換機構１６２により排液ポート９２へと導くことが行われる。このとき、取出部１３からのファインバブル液の取り出しは行われない。換言すれば、取出部１３からのファインバブル液の取り出し開始前の状態において、補給部１４から循環路１２を介して生成部１１の混合ノズル３１に導入された液体は、生成部１１および循環路１２を循環することなく、ファインバブル生成ノズル２から切換機構１６２により排液ポート９２へと導かれる。これにより、生成部１１内の圧力をおよそ一定とすることができ、ファインバブル液生成装置１の起動を安定して行うことができる。

ファインバブル液生成装置１では、生成部１１内の圧力がおよそ一定になると、ファインバブル生成ノズル２から排出されたファインバブルを含む液体の送出先が、切換機構１６２により切り換えられ、当該液体は循環路１２を介して混合ノズル３１へと戻される。そして、ファインバブルを含む液体が生成部１１および循環路１２を循環することにより、液体中のファインバブルの密度が増大して所望の密度となる。液体中のファインバブルの密度が所望の密度となるまで、取出部１３からのファインバブル液の取り出しは行われず、補給部１４からの液体の補給も停止される。生成部１１および循環路１２を循環する液体中のファインバブルの密度が所望の密度になると、取出部１３からのファインバブル液の取り出しが開始され、補給部１４からの液体の補給も開始される。

以上に説明したように、ファインバブル液生成装置１は、混合ノズル３１とファインバブル生成ノズル２とを備える生成部１１と、ファインバブル生成ノズル２から排出された液体を外気から隔離した状態で混合ノズル３１へと戻す循環路１２と、生成部１１および循環路１２を循環する液体の一部をファインバブル液として取り出す取出部１３と、循環路１２に液体を補給して生成部１１および循環路１２を循環する液体の量を維持する補給部１４とを備える。これにより、ファインバブルを高密度にて含むファインバブル液を連続的に生成することができる。その結果、様々な用途においてファインバブル液を連続的に供給することができる。

ところで、半導体の製造装置等では、半導体基板の処理に使用される処理液が、半導体基板に供給される前に装置の途中で滞留することを避けることが求められる。ファインバブル液生成装置１では、上述のように、ファインバブルを含む液体が、途中で滞留することなく生成部１１および循環路１２を循環するため、半導体の製造装置等へのファインバブル液の供給に特に適している。また、ファインバブル液生成装置１では、装置の起動時に生成部１１を流れる液体は、生成部１１および循環路１２を循環することなく、排液ポート９２へと排出される。これにより、ファインバブル液生成装置１の起動時においても、液体が装置内において滞留することを防止することができる。したがって、ファインバブル液生成装置１は、半導体の製造装置等へのファインバブル液の供給により一層適している。

ファインバブル液生成装置１は、取出部１３から取り出されるファインバブル液中のファインバブルの密度を測定する気泡密度測定部１３５と、流量−密度情報を記憶する記憶部１３６と、気泡密度測定部１３５における測定結果および流量−密度情報に基づいて取出部１３からのファインバブル液の取り出し流量を制御する取出制御部１３４とを備える。これにより、所望の気泡密度にてファインバブルを含むファインバブル液を容易に生成することができる。

上述のように、補給部１４は、液体供給源９１から圧送された液体を循環路１２へと導く液体供給路１４１と、液体供給路１４１を流れる液体の圧力を調節する圧力調節部１４２とを備える。これにより、生成部１１および循環路１２を循環する液体の量を容易に維持することができる。また、補給制御部１４３により、取出部１３からのファインバブル液の取り出し流量に基づいて、補給部１４から循環路１２に補給される液体の圧力または流量が制御される。これにより、補給部１４からの液体の補給による循環量の維持を自動的に行うことができる。

ファインバブル液生成装置１では、補給部１４の構造は上述のものには限定されず、様々に変更されてよい。例えば、図１に示す補給部１４に代えて、図６に示す補給部１４ａがファインバブル液生成装置１に設けられてもよい。補給部１４ａは、液体供給路１４１と、補給制御部１４３と、ポンプ１４４とを備える。液体供給路１４１の一方の端部は、切換機構１６２とポンプ１５との間にて循環路１２に接続され、他方の端部はファインバブル液生成装置１の外部の液体供給源９１ａに接続される。液体供給源９１ａは、例えば、純水を貯溜する貯溜槽である。液体供給路１４１は、液体供給源９１ａから循環路１２へと液体を導く。液体供給路１４１は、密閉された管路であり、液体供給源９１ａからの液体は、液体供給路１４１内において外気から隔離された状態で循環路１２へと導かれる。ポンプ１４４は、液体供給路１４１上に設けられ、液体供給路１４１内の液体を循環路１２に向けて圧送する。これにより、図１に示す補給部１４が設けられる場合と同様に、生成部１１および循環路１２を循環する液体の量（すなわち、循環量）を容易に維持することができる。

また、補給制御部１４３は、ポンプ１４４に接続され、ポンプ１４４の駆動を制御する。補給制御部１４３によりポンプ１４４が制御されることにより、補給部１４ａからの補給流量が取出部１３からのファインバブル液の取り出し流量におよそ等しくなるように、補給部１４ａから循環路１２に供給される液体の圧力または流量が制御される。これにより、上記と同様に、補給部１４ａからの液体の補給による循環量の維持を自動的に行うことができる。補給部１４ａでは、液体供給路１４１上に絞り弁等の流量調整部が設けられてもよい。この場合、ポンプ１４４は一定の出力にて駆動され、補給制御部１４３により当該絞り弁が制御されることにより、補給部１４ａからの補給流量が取出部１３からのファインバブル液の取り出し流量におよそ等しくなるように、補給部１４ａから循環路１２に供給される液体の流量が制御される。

図７は、本発明に関連する技術に係るファインバブル液生成装置１ａを示す断面図である。ファインバブル液生成装置１ａは、図１に示す排液部１６に代えて、初期循環部１７を備える。その他の構成は、図１に示すファインバブル液生成装置１と同様であり、以下の説明では同様の構成に同符号を付す。

初期循環部１７は、パイパス路１７１と、例えばバルブである切換機構１７２ａ，１７２ｂ，１７２ｃと、初期貯溜部１７３とを備える。パイパス路１７１の一方の端部は、ファインバブル生成ノズル２と切換機構１７２ｃとの間にて循環路１２に接続される。パイパス路１７１の他方の端部は、上記一方の端部よりも下流側（すなわち、循環路１２内を流れる液体の流れ方向前側）にて、切換機構１７２ｃとポンプ１５との間にて循環路１２に接続される。換言すれば、パイパス路１７１は、循環路１２上の分岐位置にて循環路１２から分岐し、当該分岐位置よりも循環路１２の下流側で循環路１２に接続される。

初期貯溜部１７３は、パイパス路１７１上の切換機構１７２ａ，１７２ｂの間に設けられ、パイパス路１７１を流れる液体を貯溜する。初期貯溜部１７３は、例えば、ある程度の量の液体を貯溜可能な予備タンクである。切換機構１７２ａ，１７２ｂのそれぞれは、循環路１２とパイパス路１７１との間に設けられる。切換機構１７２ａ，１７２ｂ，１７２ｃは、ファインバブル生成ノズル２からの液体の送出先を、循環路１２とパイパス路１７１との間で切り換える。

ファインバブル液生成装置１ａの起動直後、すなわち、生成部１１を液体が流れ始めた直後は、生成部１１内の圧力が変動する。そこで、ファインバブル液生成装置１ａの起動直後から所定の時間（例えば、数十秒）、初期貯溜部１７３に貯溜されている液体（例えば、純水）がパイパス路１７１および循環路１２を介して生成部１１へと供給される。生成部１１を通過した液体は、切換機構１７２ａ，１７２ｂ，１７２ｃにより、切換機構１７２ｃを経由して生成部１１へと導かれることなく、パイパス路１７１へと導かれ、パイパス路１７１を介して初期貯溜部１７３へと導かれる。当該液体は、初期貯溜部１７３に一時的に貯溜された後、パイパス路１７１を介して生成部１１へと供給される。このとき、取出部１３からのファインバブル液の取り出しは行われない。

換言すれば、取出部１３からのファインバブル液の取り出し開始前の状態において、ファインバブル生成ノズル２から排出された液体は、パイパス路１７１を介して初期貯溜部１７３へと導かれ、初期貯溜部１７３に一時的に貯溜された後、パイパス路１７１を介して混合ノズル３１へと戻される。これにより、生成部１１内の圧力をおよそ一定とすることができ、ファインバブル液生成装置１ａの起動を安定して行うことができる。また、ファインバブル液生成装置１ａの起動時に液体を装置外に排出することがないため、装置起動時における液体の消費量を低減することができる。

ファインバブル液生成装置１ａでは、生成部１１内の圧力がおよそ一定になると、ファインバブル生成ノズル２から排出されたファインバブルを含む液体の送出先が、切換機構１７２ａ，１７２ｂ，１７２ｃにより切り換えられ、当該液体はパイパス路１７１および初期貯溜部１７３を経由することなく、循環路１２上の切換機構１７２ｃを経由して混合ノズル３１へと戻される。そして、ファインバブルを含む液体が生成部１１および循環路１２を循環することにより、液体中のファインバブルの密度が増大して所望の密度となる。液体中のファインバブルの密度が所望の密度となるまで、取出部１３からのファインバブル液の取り出しは行われず、補給部１４からの液体の補給も停止される。

生成部１１および循環路１２を循環する液体中のファインバブルの密度が所望の密度になると、取出部１３からのファインバブル液の取り出しが開始され、補給部１４からの液体の補給も開始される。このように、ファインバブル液生成装置１ａでは、取出部１３からのファインバブル液の取り出し中は、ファインバブル生成ノズル２から排出された液体が、循環路１２を介して混合ノズル３１へと戻される。これにより、図１に示すファインバブル液生成装置１と同様に、ファインバブルを高密度にて含むファインバブル液を連続的に生成することができる。

また、ファインバブル液生成装置１ａは、図８に示すように、他の初期循環部１８をさらに備えてもよい。初期循環部１８は、パイパス路１８１と、例えばバルブである切換機構１８２とを備える。パイパス路１８１の一方の端部は、取出部１３の気泡除去部１３２と取出制御部１３４との間に接続される。パイパス路１８１の他方の端部は、初期循環部１７の切換機構１７２ａ，１７２ｂ間のバイパス路１７１および初期貯溜部１７３のうち所定の個所（図８では、初期貯溜部１７３）に接続される。切換機構１８２は、バイパス路１８１上に設けられ、切換機構１７２ａ，１７２ｂ，１７２ｃと連動して動作する。すなわち、切換機構１７２ａ，１７２ｂ，１７２ｃが、液体を切換機構１７２ｃを経由して生成部１１へ供給せず、初期貯溜部１７３の液体をパイパス路１７１および循環路１２を介して生成部１１へと供給している場合、切換機構１８２はファインバブル以外の気泡が除去された液体を気泡除去部１３２から初期循環部１７へと導く。切換機構１７２ａ，１７２ｂ，１７２ｃが、ファインバブル生成ノズル２からの液体をパイパス路１７１および初期貯溜部１７３を経由することなく循環路１２上の切換機構１７２ｃを経由して混合ノズル３１へと戻している場合、切換機構１８２は、液体を気泡除去部１３２から初期循環部１７へと導かない。以上のように、初期循環部１８をさらに備えることにより、より効率良く生成部１１に液体を循環させることができる。

上記ファインバブル液生成装置１，１ａは、様々な変更が可能である。

例えば、混合ノズル３１にて気体と混合される液体は、完全な水には限定されず、水を主成分をする液体であってもよい。例えば、添加物や不揮発性の液体が添加された水であってもよい。また、液体は、例えば、エチルアルコールなども利用可能と考えられる。ファインバブルを形成する気体は、窒素には限定されず、空気や他の気体であってもよい。もちろん、液体に対して不溶性または難溶性の気体であることは必要である。

ファインバブル液生成装置１，１ａでは、取出部１３は、生成部１１および循環路１２を循環する液体の一部をファインバブル液として取り出せるのであれば、必ずしも、加圧液生成容器３２の余剰気体分離部３２６に接続される必要はない。取出部１３は、例えば、生成部１１の余剰気体分離部３２６以外の部位に接続されてもよく、循環路１２においてファインバブル生成ノズル２とポンプ１５との間に接続されてもよい。

生成部１１の構造は様々に変更されてよく、さらには、異なる構造のものが使用されてもよい。例えば、ファインバブル生成ノズル２は、複数の加圧液噴出口２２を備えてもよい。ファインバブル生成ノズル２は、加圧液生成容器３２の第５流路３２５に直接的に接続される必要はなく、第５流路３２５の下流側の端部とファインバブル生成ノズル２とが密閉された接続路により接続されてもよい。また、加圧液生成容器３２の流路の断面形状は、円形でもよい。気体と液体との混合には、機械的攪拌等の他の手段が利用されてもよい。

ファインバブル液生成装置１，１ａにより生成されるファインバブル液は、従来のファインバブル液に対してこれまでに提案されている様々な用途に利用されてよい。新規な分野に利用されてもよく、想定される利用分野は多岐に亘る。例えば、食品、飲料、化粧品、薬品、医療、植物栽培、半導体装置、フラットパネルディスプレイ、電子機器、太陽電池、二次電池、新機能材料、放射性物質除去等である。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１，１ａ ファインバブル液生成装置
２ ファインバブル生成ノズル
１１ 生成部
１２ 循環路
１３ 取出部
１４，１４ａ 補給部
３１ 混合ノズル
９１，９１ａ 液体供給源
９２ 排液ポート
１３４ 取出制御部
１３５ 気泡密度測定部
１３６ 記憶部
１４１ 液体供給路
１４２ 圧力調節部
１４３ 補給制御部
１４４ ポンプ
１６１ 排液路
１６２ 切換機構
１７１ パイパス路
１７２ａ，１７２ｂ，１７２ｃ 切換機構
１７３ 初期貯溜部

Claims (7)

1. ファインバブル液生成装置であって、
   気体および加圧された液体を導入する導入部と、前記導入部から導入された気体を液体に加圧溶解させて加圧液を生成する加圧液生成容器と、前記加圧液生成容器内を大気圧よりも圧力が高い加圧環境とするとともに前記加圧液生成容器から供給された前記加圧液からファインバブルを含む液体を生成して排出する排出部とを備える生成部と、
   一方の端部が前記排出部に接続され、他方の端部が前記導入部に接続され、前記排出部から排出された液体を外気から隔離した状態で前記導入部へと戻す循環路と、
   前記生成部および前記循環路を循環する液体から一部をファインバブル液として取り出すことができる取出部と、
   前記循環路に液体を補給して前記生成部および前記循環路を循環する液体の量を一定に維持することができる補給部と、
   を備え、
   前記生成部および前記循環路を循環する液体に含まれるファインバブルの密度が所望の密度になるまで前記生成部および前記循環路における液体の循環を繰り返すとともに、
   前記補給部から供給される液体の流量と前記取出部から取り出されるファインバブル液の流量とを等しくすることにより、前記生成部および前記循環路を循環する液体の量を一定に維持することを特徴とするファインバブル液生成装置。
2. 請求項１に記載のファインバブル液生成装置であって、
   前記取出部が、前記循環路において前記一方の端部と前記補給部が接続される部位との間に接続されることを特徴とするファインバブル液生成装置。
3. 請求項１または２に記載のファインバブル液生成装置であって、
   前記循環路から分岐して排液ポートに接続された排液路と、
   前記排出部からの液体の送出先を、前記導入部と前記排液ポートとの間で切り換える切換機構と、
   をさらに備え、
   前記取出部からのファインバブル液の取り出し開始前の状態において、前記補給部から前記循環路を介して前記導入部に導入された液体が、前記排出部から前記切換機構により前記排液ポートへと導かれることを特徴とするファインバブル液生成装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のファインバブル液生成装置であって、
   前記補給部が、
   液体供給源から圧送された液体を前記循環路へと導く液体供給路と、
   前記液体供給路上に設けられて前記液体供給路を流れる液体の圧力を調節する圧力調節部と、
   を備えることを特徴とするファインバブル液生成装置。
5. 請求項１ないし３のいずれかに記載のファインバブル液生成装置であって、
   前記補給部が、
   液体供給源から前記循環路へと液体を導く液体供給路と、
   前記液体供給路上に設けられて前記液体供給路内の液体を前記循環路に向けて圧送するポンプと、
   を備えることを特徴とするファインバブル液生成装置。
6. 請求項４または５に記載のファインバブル液生成装置であって、
   前記取出部からのファインバブル液の取り出し流量に基づいて、前記補給部から前記循環路に供給される液体の圧力または流量を制御する補給制御部をさらに備えることを特徴とするファインバブル液生成装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載のファインバブル液生成装置であって、
   前記取出部から取り出されるファインバブル液中のファインバブルの密度を測定する気泡密度測定部と、
   前記取出部からのファインバブル液の取り出し流量と、前記取出部から取り出されるファインバブル液中のファインバブルの密度との関係を示す流量−密度情報を記憶する記憶部と、
   前記気泡密度測定部における測定結果および前記流量−密度情報に基づいて、前記取出部からのファインバブル液の取り出し流量を制御する取出制御部と、
   をさらに備えることを特徴とするファインバブル液生成装置。

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