JPWO2007034912A1 - ナノ流体生成装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、比較的簡易で安価な構造で、大量のナノ流体を連続的、安定的に生成でき、取扱いが容易で、製造コストを飛躍的に低減でき、種々の用途に応じたナノ流体を生成・選択できるようにして、ナノ流体を効率的に生成できるナノ流体生成装置および方法を提供する。【解決手段】直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する装置１は、供給された液体および気体に乱流を発生させて強制的に混合する気液混合室７と、気液混合室７に供給する基体及び液体を加圧する手段４と、混合された気液混合流体を加圧状態で気液混合室７から外部に吐出してナノ流体を生成する超微小吐出口２０と、生成されたナノ流体のうち、所定径以上のナノ流体を除去するフィルタ機構Ｆとを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成するナノ流体生成装置、その方法、ナノ流体を含む飲料水を生成する装置、その方法、ナノ流体を利用した皮膚疾患などの治療装置、その方法、ナノ流体を利用した生物の育成補助装置、その方法に関する。この出願は、２００５年９月２３日に提出された米国出願６０／７１９，９３７及び２００６年２月２日に提出された国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２００６／３０１７３６に基づく優先権を主張するものであり、これらの出願に開示された全ての事項はこの言及により本出願に組み込まれるものとする。

一般的に、直径が１μｍ（１０００ｎｍ）未満の微細気泡は「ナノバブル」と呼ばれ、これに対して直径が１μｍ以上の微細気泡は「マイクロバブル」と呼ばれていて、これらナノバブルとマイクロバブルは互いに区別して使用される。従来より、これらのナノバブルやマイクロバブルについては、以下の特許文献に示されるような種々の機能や効能、製造方法などが知られている。

［特許文献１］には、常圧下において発生時に略３０μｍ以下の気泡径を有し、発生後は所定の寿命を持って徐々に微細化し、消滅・溶解することを特徴とする微細気泡（マイクロバブル）の記載がある。

また、［特許文献１］には、マイクロバブルの気液溶解や、浄化機能あるいは生理活性の促進などの特性を利用して、ダム貯水池などの閉鎖性水域に対する水質浄化や、養殖魚介類あるいは水耕栽培野菜類の成長促進、さらには生物に対する殺菌・浄化などに適用した例と、その結果が記載されている。

［特許文献２］には、液体中において、液体の一部を分解することで、マイクロバブルのうち気泡径が１μｍ未満の超微細気泡であるナノバブルを生成する方法が記載されている。また、［特許文献３］には、ナノバブルを含む水により物体の洗浄を行うナノバブル利用洗浄方法や、ナノバルブ利用洗浄装置が記載されている。

［特許文献４］には、液体中に含まれる微小気泡に物理的刺激を加えて、微小気泡を急激に縮小させるナノバブルの製造方法が記載されている。さらに、［特許文献５］には、気泡の直径が５０〜５００ｎｍで、気泡内に酸素を含有する酸素ナノバルブが含まれる水溶液からなる酸素ナノバブル水およびその製造法に係る技術が記載されている。

また、［特許文献６］には、円筒内で加圧液体と気体とを旋回させて加圧気液を生成し、この加圧気液を下流側に行くにつれて不連続的に径が大きくなるノズルから吐出することで、キャビテーション現象を発生させてマイクロバブルを生成する装置が開示されている。さらに、［特許文献７］には、気泡径が５０μｍ以下のマイクロバブルを発生させてイオン水を生成する技術が開示されている。

このようにナノバルブは、マイクロバルブの機能に加えて、工学的機能に優れるとともに、生物の細胞レベルに直接的に作用させることができるため、半導体ウェハの洗浄、皮膚疾患の治療など、マイクロバブルより広い分野への適用が可能となり、さらなる高機能化が期待されている。

特開２００２−１４３８８５号公報 特開２００３−３３４５４８号公報 特開２００４−１２１９６２号公報 特開２００５−２４５８１７号公報 特開２００５−２４６２９４号公報 特開２００３−１２６６６５号公報 特開２００６−４３６４２号公報

ところで、上記したナノバブルは、マイクロバブルが水中で縮小する過程で瞬間的に生成されることが確認されているが、物理的に極めて不安定な特性がある。したがって、安定的な製造や長期間の保持が困難であり、実用化におけるネックとなっている。

そこで、たとえば［特許文献３］においては、分解ガス化された溶液中で超音波を印加し、ナノバブルを生成することが提案されている。しかしながら、超音波発生装置は高価で、かつ機体が大きく、またマッチングをとるのに困難で、取扱いが容易ではないために普及の妨げになっている。

また、［特許文献１］においては、円筒状スペース内に円周方向に圧送液を供給して負圧領域を形成し、この負圧領域に外部気体を吸引させることで、マイクロバブルを生成する方法および装置が開示されている。しかしながら、この装置ではマイクロバブルを生成できても、より小径のナノバブルを安定的に生成することはできない。同様に、［特許文献６］に開示された技術を応用しても、ナノオーダーのバブルを含むナノ流体を安定的に低コストで生成することはできない。

さらに、ナノ流体は種々の利用分野において、要求されるナノバブルの径が異なる。例えば、半導体ウェハなどの精密機器の洗浄や皮膚疾患の治療などにおいては、基板上の部材や細胞の大きさや隙間が数十ｎｍ〜１００ｎｍであるため、これに応じたナノバブルを含むナノ流体が必要となる。これに対して、閉鎖性水域における水質浄化、養殖魚介類や水耕栽培野菜類の成長促進などにおいては、厳密な要求径はないため、例えば数百ｎｍ程度のナノ流体でも十分実用に耐え得る。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、比較的簡易で安価な構造で、大量のナノ流体を連続的、安定的に生成することができ、取扱いが容易で、製造コストを飛躍的に低減できるナノ流体生成装置及び方法を提供することを目的とするものである。

また、本発明の他の目的は、種々の用途に応じたナノ流体を生成・選択できるようにして、ナノ流体を効率的に生成することである。

上記目的を達成するため、本発明の第１の主要な観点によれば、直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する装置において、供給された液体および気体に乱流を発生させて強制的に混合する気液混合室と、気液混合室に供給する基体及び液体を加圧する手段と、混合された気液混合流体を加圧状態で気液混合室から外部に吐出してナノ流体を生成する超微小吐出口と、生成されたナノ流体のうち、所定径以上のナノ流体を除去するフィルタ機構とを備えたことを特徴とするナノ流体生成装置が提供される。

このような構成によれば、内部に多数の凹凸などの乱流発生機構を備えた気液混合室に気体と液体とを供給し、これらをポンプなどの加圧手段で加圧しながら強制的に混合することで気体と液体とが均一に混合された気液混合流体が生成され、この気液混合流体を、流路がナノオーダーまで狭小化された超微小吐出口から加圧状態を維持したまま吐出することで、気液混合流体の気体及び液体の多くがナノレベルまで微小化されたナノ流体が生成される。

ナノバブルのなかでも、例えば１００ｎ未満の超微小ナノバブルと、それ以上の径のナノバブルとでは、機能や用途が大きく異なってくる。特に、半導体ウェハなどの精密機器の洗浄や、生物の細胞に直接作用して生理活性を向上させる治療等の分野においては、部材の集積密度や細胞の大きさ、間隔（５０〜８０ｎ）と同程度のナノ流体が必要になる。そのため、本発明においては、フィルタ機構を設けて、用途に合致した所望径以下（以上）のナノ流体だけを選択的に分離して利用できるようにした。

また、このフィルタ機構で除去した比較的大径のナノ流体は、精密機器の洗浄や治療には不向きであるが、例えば、ダム貯水池などの閉鎖性水域に対する水質浄化や、養殖魚介類あるいは水耕栽培野菜類の成長促進、美顔・美容、飲料水などの分野では、マイクロバブルに比して十分な有効性が期待できる。そのため、本発明の好ましい実施形態では、フィルタ機構で除去したナノ流体を複数の異なる用途に利用するための複数の流路を設けることにした。

例えば、最も上流の（吐出口に近い）フィルタ機構では、ナノ化が十分進まずマイクロレベルのバブルも含有する流体（マイクロ流体）を分離除去して、循環流路を介して気液混合室に供給したり、そのままマイクロ流体として利用する。次のフィルタ機構では、比較的大径のナノ流体を分離除去して魚介類や植物などの成長促進や、入浴・美容などに利用する。そして、これらのフィルタ機構を通過した超微小径のナノ流体は、治療や精密機器の洗浄用に利用する。

一方で、このナノ流体生成装置を治療等の専用にする場合には、フィルタ機構で除去した比較的大径のナノ流体を循環流路を介して再度気液混合室に供給してナノ化を繰り返すことで、所望の超微小径のナノ流体を生成することが好ましい。

ここで、フィルタ機構としては、ナノオーダーの所定径のナノバブルをフィルタリングする機能を備えている必要がある。例えば、金属テンプレート法や共晶分解法などによって作製されるセラミックスのメソポーラス薄膜である一次元ナノ貫通気孔膜を採用できる。特に、金属テンプレート法では、一次元組織の大きさを容易にコントロールできるので、同時エッチングによって種々のフィルタリングサイズのナノフィルタを作製できる。このような、フィルタリングサイズの異なる複数のフィルタを用いることで、生成されたナノ流体を用途に応じて容易に選択・分離でき、生成されたナノ流体を無駄なく利用できる。従って、全体的な生成効率を向上させることができる。

本発明の第２の主要な観点によれば、直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する装置において、供給された液体および気体に乱流を発生させて強制的に混合する気液混合室と、気液混合室に供給する気体及び液体を加圧する手段と、混合された気液混合流体を加圧状態で気液混合室から外部に吐出してナノ流体を生成する超微小吐出口と、生成されたナノ流体の一部又は全部を前記気液混合室に導入してナノ流体を循環させる循環流路とを備えたことを特徴とするナノ流体生成装置が提供される。

このような構成によれば、十分にナノ化されなかった例えばマイクロレベルの流体や、上記した超微小なナノ流体が要求される特定分野に適用する場合に所望径以上のナノ流体を夫々循環させて再度気液混合室に供給することで、所望のナノ流体を確実に得ることができる。また、上記した第１の実施形態のフィルタ機構と組み合わせることで、所望径のナノ流体だけを選択的に分離して利用し、それ以外のナノ流体を循環させることができる。これにより、所望径のナノ流体を効率的に生成することができる。

本発明の第３の主要な観点によれば、直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する方法において、気体及び液体を気液混合室に供給する供給工程と、供給工程の前若しくは後で、気体及び液体を加圧手段によって加圧する加圧工程と、加圧状態で、前記気液混合室内に設けられ、供給された液体および気体に乱流を発生させる乱流発生機構によって強制的に混合する混合工程と、混合された気液混合流体を加圧したまま、前記気液混合室の出口側に設けられた超微小吐出口から外部に吐出してナノ流体を生成する吐出工程とを備えたことを特徴とするナノ流体生成方法が提供される。

このような構成によれば、内部に多数の凹凸などの乱流発生機構を備えた気液混合室に気体と液体とを供給し、これらをポンプなどの加圧手段で加圧しながら強制的に混合することで気体と液体とが均一に混合された気液混合流体が生成され、この気液混合流体を、流路がナノオーダーまで狭小化された超微小吐出口から加圧状態を維持したまま吐出することで、気液混合流体の気体及び液体の多くがナノレベルまで微小化されたナノ流体を生成することができる。

本発明の第４の主要な観点によれば、直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する方法において、液体を加圧手段によって加圧して気液混合室に供給する供給工程と、前記加圧手段の作動にともない、加圧手段の上流側と下流側との圧力差によって気体を吸気し、気体を液体中に混入させる吸気工程と、加圧された気液混合流体を前記気液混合室に導入し、この気液混合室内に設けられた乱流発生手段によって気液混合流体をランダムな方向への跳ね返しを繰り返して乱流を発生させる工程と、前記気液混合室の出口側に設けられた超微小吐出口から気液混合流体を流出させることで、ナノバブルを含んだナノ流体を生成する工程とを備えたことを特徴とするナノ流体生成方法が提供される。

このような構成によれば、第３の主要な観点における方法と同様に、気液混合流体の気体及び液体の多くがナノレベルまで微小化されたナノ流体を生成することができる。

本発明によれば、比較的簡易で安価な構造で、大量のナノ流体を連続的、安定的に生成することができ、取扱いが容易で、製造コストを飛躍的に低減できるナノ流体生成装置及び方法を得ることができる。

また、本発明によれば、種々の用途に応じたナノ流体を生成・選択できるようにして、ナノ流体を効率的に生成するナノ流体生成装置及び方法を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて説明する。

図１（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係るナノ流体生成装置１の模式的な断面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）で丸印を付した要部Ｍを拡大した図、図２は、フィルタ機構Ｆの摸式的な断面図である。

ナノ流体生成装置１は、ジェネレータ２と、貯溜タンク３と、加圧ポンプ（加圧手段）４および、給水源Ｓから加圧ポンプ４と貯溜タンク３を介してジェネレータ２に連通する配管Ｈと、所望径のナノ流体を選択・除去するためのフィルタ機構Ｆと、一次フィルタで除去されたナノ流体を前記給水源Ｓを介して貯留タンク３に供給する循環流路ＣＲと、一次・二次フィルタで選別された複数種のナノ流体を複数の外部処理装置４０ａ、４０ｂに夫々供給するための外部供給流路４１ａ、４１ｂとから構成される。

前記給水源Ｓと加圧ポンプ４との間の配管Ｈには、図示しない純水生成装置（例えば、Millipore 社製、Milli-Q Synthesis）が設けられていて、給水源Ｓから導入した水を純水に換えて加圧ポンプ４に供給できる。前記加圧ポンプ４は、純水生成装置から純水を吸込み、１３〜１５気圧に加圧して前記貯溜タンク３に送水することができる。

前記加圧ポンプ４の上流側と下流側の配管Ｈからバイパス回路Ｒが分岐して設けられる。前記バイパス回路Ｒには吸気弁（吸気手段）２１が設けられていて、この吸気弁２１は加圧ポンプ４の作動にともなって開放され、外部空気を吸気する逆止弁である。

なお説明すると、加圧ポンプ４が作動することによって、配管Ｈにおける加圧ポンプ４の上流側と下流側との圧力差が生じ、加圧ポンプ４で加圧されて送られる純水中に吸気弁２１から吸込まれたエア（外気）が混入し、この状態で貯溜タンク３へ供給されるようになっている。

前記加圧ポンプ４の加圧能力が１３〜１５気圧である場合に、前記吸気弁２１の吸気量は毎分１〜３リットル程度に設定される。

前記貯溜タンク３には所定割合の純水とエアが加圧状態で貯溜されることになるが、貯溜容量の設定は生成するナノ流体の種類や、前記ジェネレータ２の生成能力などに応じて適宜変更される。

たとえば、純水とエアとからなる流体を生成し、加圧ポンプ４の加圧能力が１３〜１５気圧で、ナノ流体の生成能力を毎分４０〜６０リットルに設定した場合は、前記貯溜タンク３の容量を、１２〜１５リットル程度とすれば十分である。

また、浴槽やプールなどに貯溜された水をナノ流体に改質する場合は、前記給水源Ｓを浴槽やプールに置き換えるとともに、この装置で生成したナノ流体を含む水を貯溜タンク３に溜めつつ循環させることで、毎分１〜２トンの処理が可能である。

前記ジェネレータ２は、たとえばステンレス材等の耐圧性と耐水性に優れた素材から形成され、軸心を上下方向に向けた筒状体である。上端面および下端面ともに閉成されていて、上端面には供給口５が設けられ、下端面には吐出口６が設けられる。このジェネレータ２は、図３を参照して後述するように、左右に分割可能で、内部を殺菌・消毒若しくは洗浄（以下、「洗浄」と総称する）できるように構成される。

前記ジェネレータ２の内部には軸方向に沿って所定間隔を存して第１の隔壁板ａ１と、第２の隔壁板ａ２および第３の隔壁板ａ３が設けられ、内部を区画している。供給口５が設けられる上端面から第１の隔壁板ａ１までの内部空間を分配空間Ａと呼び、第１の隔壁板ａ１から第２の隔壁板ａ２までの内部空間を気液混合室７と呼ぶ。

そして、第２の隔壁板ａ２から第３の隔壁板ａ３までの内部空間を弁室Ｂと呼び、第３の隔壁板ａ３から吐出口６が設けられる下端面までの内部空間を導出空間部Ｃと呼ぶ。これら内部空間Ａ，７，Ｂ，Ｃは、以下に述べるように構成される。

前記貯溜タンク３の下端部には供給弁２２を備えた供給口体３ａが突設されていて、供給弁２２から下部側の供給口体３ａ一部は、前記ジェネレータ２の上端部に設けられる供給口５に気密構造を用いて挿入される。前記供給口体３ａの開口端はジェネレータ２内部である前記分配空間Ａに延出している。

前記第１の隔壁板ａ１には、中心軸から互いに異なる半径の同心円上に、それぞれ所定間隔を存して、複数の第１の連通孔８ａおよび第２の連通孔８ｂが板面を貫通して設けられている。前記第１の連通孔８ａはジェネレータ２の軸心周辺に位置し、垂直方向（軸方向）に沿って設けられる。前記第２の連通孔８ｂはジェネレータ２の外周部付近に位置し、斜め外周方向に向けて設けられている。

このことから、軸心側の第１の連通孔８ａを導かれる流体は垂直方向に流下し、外周側の第２の連通孔８ｂを導かれる流体は外方へ向って流下する。そして、前記分配空間Ａは複数の第１の連通孔８ａおよび第２の連通孔８ｂを介して、前記気液混合室７と連通状態にある。

前記気液混合室７における第１の隔壁板１ａ下面で、ジェネレータ２の軸心位置には、円錐部材１１が一体に垂設される。この円錐部材１１において、第１の隔壁板ａ１から垂設される部位は単純な杆部１１ａであるが、杆部１１ａ下端は円錐状に形成される円錐部１１ｂとなっている。

前記円錐部材１１の、特に円錐部１１ｂ周面は、第１の隔壁板ａ１の軸心側に設けられる第１の連通孔８ａの直下部に位置している。これら第１の連通孔８ａが垂直方向に向けて設けられるところから、連通孔８ａから垂直に流下する流体を前記円錐部材１１の円錐部１１ｂテーパー状周面で受けるよう形成される。

また、円錐部材１１の円錐部１１ｂ周面には凹溝１２が設けられる。この凹溝１２は円錐部１１ｂ周面に沿って設けられるよりも、複数の長溝からなり、しかも互いに深さを異ならせた状態で設けるほうがよい。

一方、前記気液混合室７の内周面には、複数の突条９と凹溝１０が軸方向に沿って交互に設けられる。前記突条９および凹溝１０ともに、ジェネレータ２の内壁周面に沿って設けられていて、互いに階層状をなしている。上記第１の隔壁板ａ１に設けられる第２の連通孔８ｂは外方に向って開口しているので、この連通孔８ｂを流下する流体は、前記突条９もしくは凹溝１０に確実に導かれるようになっている。

前記第２の隔壁板ａ２は、断面形状がジェネレータ２の周面から中心軸に向って斜め下方に傾斜するテーパー状をなすとともに、下端の中心軸に沿う部位は開口され、いわゆる漏斗状をなす。この開口部Ｋａを介して気液混合室７と前記弁室Ｂとが連通する。

前記第２の隔壁板ａ２における上面側である、気液混合室７に面する部位にも突条９が設けられている。前記突条９は、特に第２の隔壁板ａ２の上端部にのみ設けられていて、気液混合室７の最下段に設けられる突条９との間に、他の凹溝１０と同様の凹溝１０が形成される。

このように、前記気液混合室７におけるジェネレータ２内周面と第２の隔壁板ａ２に設けられる突条９と凹溝１０、円錐部材１１の円錐部１１ｂおよび円錐部１１ｂに設けられる凹溝１２等で乱流発生機構（乱流発生手段）Ｚが構成される。

なお、乱流発生機構Ｚであるジェネレータ２内周面と第２の隔壁板ａ２に設けられる突条９の位置および大きさ、凹溝１０の位置および大きさ、円錐部材１１の円錐部１１ｂの直径とテーパー角度、ここに設けられる凹溝１２の深さ寸法等は、全て生成するナノ流体の種類や時間当りの生成量、圧力等に応じて自由に設定できる。

たとえば、突条９の高さ寸法と、凹溝１０，１２の深さ寸法を、いずれも５ｍｍ（高低差：最大１０ｍｍ）としてもよい。同様に、気液混合室７の容積、第１の隔壁板ａ１に設けられる第１、第２の連通孔８ａ，８ｂの数と直径、ジェネレータ２の直径なども、生成するナノ流体の種類や時間当りの生成量、圧力に応じて自由に設定できる。

前記第２の隔壁板ａ２において、突条９と同一面で、かつ突条９より傾斜下部側には、表面が研磨され高い平滑性を確保するプラチナチップが装着されていて、第１の平滑面部Ｈａを構成する。すなわち、第２の隔壁板ａ２の突条９ａを除く上面は、前記第１の平滑面部Ｈａによって極めて平滑な面に形成されている。

プラチナ材を選択した理由は、ジェネレータ２を構成するステンレス材や、その他の金属材では、一般的に研磨による表面の平滑化に物理的な限界があり、後述する流路の幅を所望値に設定することができない。これに対してプラチナ材は表面の平滑精度をほとんど極限値まで求められ、所望のオーダーの流路を形成できるからである。

前記第１の平滑面部Ｈａの下端側が前記開口部Ｋａとなっていて、この開口部Ｋａに止め弁体１５が挿通される。前記止め弁体１５は、第２の隔壁板ａ２の開口部Ｋａおよび第３の隔壁板ａ３の中心軸に沿って設けられる開口部Ｋｂに挿通する杆部１５ａと、この杆部１５ａの上端に一体に連設される弁部１５ｂと、前記杆部１５ａの下端に一体に連設されるストッパ部１５ｃとからなる。

前記止め弁体１５の杆部１５ａ直径は、第２の隔壁板ａ２の開口部Ｋａ直径と、第３の隔壁板ａ３の開口部Ｋｂ直径との、いずれに対しても小さく形成されている。しかも、弁部１５ｂが第２の隔壁板ａ２の上部に位置し、ストッパ部１５ｃが第３の隔壁板ａ３から下部側の前記導出空間部Ｃに位置するよう寸法設定されているので、弁部１５ｂが第２の隔壁板ａ２の傾斜上面に載り、この弁部１５ｂで止め弁体１５の全重量を支持する。

さらに、前記弁部１５ｂの周面は第２の隔壁板ａ２のテーパー角度と同一のテーパー角度に形成されているうえに、所定の軸方向長さ（厚み）があり、弁部１５ｂ周面は第２の隔壁板ａ２の上面に形成される第１の平滑面部Ｈａに密に接触している。

前記弁部１５ｂの周面には、表面が研磨され高い平滑性を確保するプラチナチップが装着されていて、第２の平滑面部Ｈｂを構成する。したがって、第２の隔壁板ａ２と止め弁体１５とは、第１の平滑面部Ｈａと第２の平滑面部Ｈｂを介して密接状態にある。

実際には、第２の隔壁板ａ２の平滑面部Ｈａと止め弁体１５の平滑面部Ｈｂとの間に、必然的に極く狭い隙間が形成されている。上述したように、ステンレス材や他の金属材では一般的に研磨による表面の平滑化に物理的な限界があるため、平滑面状にした上記素材からなる部材相互を密接させたところで、数１０μｍの隙間が形成されてしまう。

これに対して、プラチナ材を用いて表面を極めて平滑な加工をなし平滑面部を形成したうえで互いに密接させた場合には、隙間をｎｍオーダーまで極小化できる。ここでは、図１（Ｂ）に示すように、プラチナ材からなる第１の平滑面部Ｈａと第２の平滑面部Ｈｂ相互の隙間（以下、「超微小吐出口」と呼ぶ）２０を、最大（最小）で０．２μｍ（２００ｎｍ）程度の超微小な状態に狭めることができる。

この止め弁体１５は、ジェネレータ２本体と分離可能であり、後述するように、ジェネレータ２を分割洗浄する場合に、ジェネレータ２から取り外して超微小吐出口２０の一面を形成する弁部１５ｂの表面を含む全表面を洗浄できるように構成される。これにより、定期／不定期に分解洗浄することで、超微小吐出口２０の表面に経時的に液体成分が付着して部分的に閉塞されてしまうことを回避できると共に、生成するナノ流体に不純物や固形物が混入することを防止できる。

一方、前記第３の隔壁板ａ３において、止め弁体１５の杆部１５ａが挿通する開口部Ｋｂの周辺に複数の貫通孔１６が設けられていて、これら貫通孔１６を介して弁室Ｂと、前記導出空間部Ｃとが連通している。前記ジェネレータ２の下端面に設けられる吐出口６には、図２に示すように外部処理装置４０ａ〜４０ｃに連通される複数の配管（外部供給路４１ａ〜４１ｂ）がフィルタ機構Ｆを介して接続されるようになっている。フィルタ機構Ｆの構成については後述する。

このようにして構成されるナノ流体生成装置１において、加圧ポンプ４を駆動することにより給水源Ｓから純水生成装置を介して純水が導かれるとともに、吸気弁２１からバイパス回路Ｒを介してエアが導かれ、純水とエアは加圧された状態で貯溜タンク３に供給される。前記貯溜タンク３は、集溜される加圧された気液混合流体の、液体に対する気体の割合および圧力等を安定させる機能を有する。

加圧された純水とエアの混合流体、すなわち気液混合流体が貯溜タンク３内に所定水位以上貯溜されるまで待機し、それから供給口体３ａに設けられる供給弁２２を開放する。加圧された所定割合の気液混合流体は、供給口５からジェネレータ２内部の最上段に形成される分解空間部Ａに供給される。

加圧された気液混合流体は、一旦、前記分解空間部Ａに充満してから、第１の連通孔８ａと第２の連通孔８ｂを流下して気液混合室７に導かれる。すなわち、前記分解空間部Ａを備えたことで、分解空間部Ａから気液混合室７へ均一な状態として加圧された気液混合流体を分配案内できる。なお、気液混合流体を気液混合室７に供給してから加圧するようにしてもよい。

第１の連通孔８ａを流下した混合流体は、この直下部にある円錐部材１１の円錐部１１ｂ周面もしくは、円錐部１１ｂ周面に設けられる凹溝１２に当たって跳ね返る。この時、円錐部１１ｂ周面に当たって跳ね返る混合流体の水滴と、凹溝１２に当たって跳ね返る混合流体の水滴とでは、互いに跳ね返り角度が異なる。

上述の部位で跳ね返った水滴は第１の隔壁板ａ１の互いに異なる部位に当たり、さらに異なる角度で跳ね返る。また、第２の連通孔８ｂは斜め外方へ向けて設けられているので、この連通孔８ｂを流下する加圧された気液混合流体は斜め外方であるジェネレータ２の周面に設けられる突条９もしくは凹溝１０に当たって跳ね返る。

気液混合流体の水滴が前記突条９もしくは凹溝１０に当たることにより、互いに異なる角度で跳ね返り、さらに第１の隔壁板ａ１、円錐部材１１、他の突条９、および凹溝１０、１２等の乱流発生機構Ｚの構成部材全てに当たって跳ね返る作用を頻繁に繰り返し、順次、下部側へ移動していく。

このようにして、加圧された状態で気液混合室７に導かれた気液混合流体は、気液混合室７に備えられる乱流発生機構Ｚの内部形状によってランダムな方向に飛散し、乱流状態が継続する。そして、いずれかの部位に衝突しながら跳ね返りが繰り返されるが、衝突する都度、加圧状態のまま強制的に気液混合と微細化が進行する。

気液混合室７において乱流状態となることにより強制的に混合された気液流体は、また加圧状態にあるので、第２の隔壁板ａ２に形成される第１の平滑面部Ｈａと、止め弁体１５の弁部１５ｂに形成される第２の平滑面部Ｈｂとの隙間である超微小吐出口２０に強制的に導かれ、かつ通過させられる。

前記超微小吐出口２０を加圧状態で強制的に通過させられることで、気液流体はナノバブルを大量に含むナノ流体に変わって弁室Ｂに供出される。得られるナノバブルを含むナノ流体の粒径は、前記超微小吐出口２０の幅寸法と同様の０．２μｍ（２００ｎｍ）前後となる。生成されたナノ流体をリオン株式会社製の微粒子計測器（液中パーティクルセンサ ＫＳ−１７）で測定したところ、１ｍｌ中に、５０ｎｍ〜９０ｎｍの超微小径のナノバブルが１２万個以上存在することが確認できた。なお、ナノ流体の生成にともなって、液体（純水）自体もナノレベルの微小なクラスタに分解されることとなり、液体吸収性などを格段に向上させることができる。

弁室Ｂに導かれたナノ流体は、弁室Ｂから順次、複数の貫通孔１６を介して導出空間部Ｃに導かれ充満する。前記導出空間部Ｃは、ナノ流体を一旦集溜し安定化させた状態にして、吐出口６から所定の供給先へ供給する。この導出空間部Ｃが、加圧状態で吐出されたナノ流体を一時的に貯留して大気圧まで減圧し流速を弱めて安定化させる減圧部及び貯留槽の機能を有する。なお、減圧部や貯留槽を吐出口６の外部に独立して設けてもよい。また、貯留槽の容積や貯留時間などは、ナノ流体の用途、加える圧力、気液の種類などに応じて設計される。

このようにして、簡易な構成の装置でありながら、純水およびエアから、０．２μｍ（２００ｎｍ）前後のナノバブルを含むナノ流体を安定的に生成することができ、取扱いが容易で、製造コストの低減化を図られる。

また、本実施形態では、図２に示すように、生成されたナノ流体を用途に応じて選別するため、前記導出空間部Ｃで安定化されたナノ流体のうち、所定径のナノ流体を複数段階でフィルタリングするフィルタ機構Ｆと、一次フィルタＦ１で分離された比較的大径のナノ流体を前記給水源Ｓ及び貯留タンク３を介して気液混合室７に供給するための循環流路ＣＲと、一次・二次フィルタＦ１、Ｆ２を通過したナノ流体を複数の外部処理装置４０ａ、４０ｂに夫々供給する供給流路４１ａ、４１ｂとを備えている。

フィルタ機構Ｆは、被処理体の微小単位の構成体（分子や細胞など）の径、若しくは複数の構成体の間隙に基づいて設定される基準径を越えるナノ流体を除去するものであり、除去する粒径の異なる複数のフィルタＦ１、Ｆ２を備えている。例えば、一次フィルタＦ１は、数百〜１０００ｎｍ程度の比較的大径のナノ流体を分離除去し、二次フィルタ２Ｆは、１００ｎｍ〜数百ｎｍ程度のナノ流体を分離除去するように設定される。これにより、複数の用途に応じたナノ流体を選択でき、生成されたナノ流体を無駄なく利用できる。

また、一次フィルタＦ１で分離した大径のナノ流体は、閉鎖水域の水質浄化や魚介類や水耕栽培植物用の用水などに好適に利用できるが、本実施形態では循環流路ＣＲを介して気液混合室７に供給して再度ナノ化工程を繰り返すようにしている。すなわち、ナノ化が十分でなかったナノ流体を混合気液として再利用することで、高度にナノ化したナノ流体だけを外部処理装置４０ａ、４０ｂに供給できるようにした。ナノ化が十分進まなかったとしても、給水源Ｓや吸気弁２１から供給される通常の液体及び気体に比べれば、混合状態や分子径などはナノ化処理にとってより好ましい状態にあるため、このようなナノ流体を循環させ再利用することで、微小径のナノ流体を効率的に生成できる。

さらに、本実施形態のナノ流体生成装置１は、図３に示すように、ジェネレータ２を、左右の部材２ａ、２ｂに分割形成すると共に、各部材２ａ、２ｂの端部同士をボルトＢ・ナットＮで締着させて接合部５０を構成している。

例えば、清涼飲料水・ビールなどの飲料水や、液状の薬剤などの人体に直接摂取・投与される物質、若しくはアトピーを始めとする皮膚疾患の治療用の薬剤や消毒液などの人体に直接接する薬剤などの分野では、製造過程で衛生面や不純物の混入防止などが厳重に管理される。そのため、このような分野で利用されるナノ流体を生成する場合には、装置内部を頻繁に洗浄して衛生性を高度に維持しておく必要がある。そこで、本実施形態では、装置内部を容易に洗浄できるように、ジェネレータ２を左右に分割して分解洗浄できるように構成した。特に、気液混合室７の第２の隔壁板ａ２の第１の平滑面部Ｈａと、止め弁体１５の弁部１５ｂの第２の平滑面部Ｈｂとの隙間である超微小吐出口２０（超微小流路）には、経時的に液体の成分が付着していく可能性があり、部分的に流路を閉塞したり固形物が混入するおそれがある。そのため、この超微小吐出口２０（超微小流路）に沿って分解して洗浄できるようにするのが好ましい。

一方で、各部材２ａ，２ｂの接合部５０は、非接合部に比して機械的強度が低下するため、経時劣化などにより気密性や衛生性が低下するおそれがある。特に、本実施形態では、１０気圧以上の圧力を加えてナノ流体を生成するようにしているため、接合部５０の強度が低下して高圧に耐え切れなくなることも考えられる。そのため、本実施形態では、図３（ｂ）に拡大して示すように、ジェネレータ２の接合部５０付近の肉厚を非接合部よりも厚肉に形成すると共に、ジェネレータ２の外周に円環状の補強材５１を捲き回して強度を維持するように構成した。

補強材５１は、例えば、端部が楔状や鉤状に形成されて引っ張り強度が向上するように構成される。これにより、ナノ流体の生成時は、十分な機械的強度を維持でき高圧にも耐え得ると共に、洗浄時には容易に分解して内部を隈なく洗浄することができる。なお、図示及び説明は省略するが、各流路や貯留タンク３、加圧手段５、フィルタ機構Ｆなども、適宜の位置で上記したジェネレータ２と同様に分割して洗浄可能であると共に、必要に応じて接合部の強度を強化するのが好ましい。

（変形例）

なお、本発明は上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。そして、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより、さらに種々の発明を形成できる。

たとえば、加圧ポンプ４とジェネレータ２との間に介在されている貯溜タンク３を省略して、加圧ポンプ４と吸気弁２１から導かれる加圧された液体と気体の混合流体を直接ジェネレータ２に直接供給するようにしてもよい。

あるいは、加圧された液体と加圧された気体のそれぞれをジェネレータ２に供給し、混合させるとともに乱流状態を得るようにしてもよい。この場合は、ジェネレータ２に加圧された液体および、加圧された気体のそれぞれを供給してから、ジェネレータ２内部の圧力や気液の割合等が安定するまでに多少時間（数十秒〜数分程度）がかかるが、一旦安定したあとは貯溜タンク３を備えた場合と同様に、ナノ流体を連続的に生成できる。

また、気液混合室７の内部構造として、中心軸に沿って円錐部材１１を備えるとともに、ジェネレータ２の内周壁に突条９と凹溝１０を交互に連続して設けたが、これに限定されるものではなく、たとえば所定間隔を存して複数枚の板体を設け、これら板体の互いに異なる部位に案内孔を設けてもよい。

上下の板体において案内孔相互が非対向となり、板体はいわゆる邪魔板となって、気液の強制的な混合がなされる。この他、板体の代りに網目の異なる網目体を備えても同様な作用効果が得られる。ただし、気液混合室７には加圧された状態の気液混合流体が導かれるので、前記網目体はその圧力に充分耐え得る剛性が必要となる。要は、気液混合室７において気液混合流体に対して効率よく乱流状態となり得る構造を採用すればよい。

前記超微小吐出口２０は、プラチナチップからなる第１、第２の平滑面部Ｈａ，Ｈｂを密接させた状態で必然的に形成される超微小隙間であるが、特殊な研磨技術やコーティング技術の向上によって吐出口をナノレベルまで狭めることができれば、プラチナ以外の金属材を使用することも可能である。

また、ナノ化させる流体は、純水や空気に限らず、用途に応じて種々の液体、気体（たとえば、オゾン、酸素等）を採用することが可能である。

さらに、上記した実施形態では減圧部及び貯留槽として導出空間部Ｃを設けたが、ジェネレータ２の外部に別途貯留槽を設けて、この貯留槽内に加圧状態で吐出されたナノ流体を減圧・整流する機構を内蔵させてもよい。

（外部処理装置の例）

つぎに、上記した外部処理装置４０の一例として、前記ナノ流体生成装置１から供給されるナノ流体を利用して被処理体Ｗを洗浄する洗浄処理装置３０について説明する。

図３は、ナノ流体生成装置１と供給流路４１ｂを介して連通され、前記二次フィルタＦ２を通過した超微細なナノ流体が供給される洗浄処理装置３０の概略構成図である。

この洗浄処理装置３０は、処理槽３１を備えている。この処理槽３１は前記ナノ流体生成装置１から、たとえば落差を利用してナノ流体を受ける構成となっていて、ナノ流体生成装置１よりも下方部位に配置されている。前記処理槽３１の底部には導入口３２が設けられ、この導入口３２はナノ流体生成装置１のフィルタ機構Ｆの吐出口と供給流路４１ｂを介して連通される。

なお、配置スペースの関係上、このような落差を確保できない場合は、ナノ流体生成装置１の側部に洗浄処理装置３０を密接して配置し、ナノ流体生成装置１の吐出口６と洗浄処理装置３０の導入口３２を連通する前記供給流路４１ｂの中途部に、ナノ流体をナノ流体生成装置１から洗浄処理装置３０へ供給するポンプを設けてもよい。

前記処理槽３１内において、前記導入口３２と対向する部位には複数の板部を水平もしくは傾斜して設けられるとともに、互いに一部のみが対向するように配置された整流機構３３が設けられる。

この整流機構３３は、前記導入口３２から供給されるナノ流体を整流して処理槽３１内の中心部へ導く作用をなす。そして、前記整流機構３３による整流方向と対向する処理槽３１内の中心部位には、図示しない支持機構により支持される被処理体Ｗが収容される。ここで前記被処理体Ｗには、たとえば半導体ウェハ（以下、単に「ウェハ」と呼ぶ）や皮膚疾患患者の皮膚が含まれる。以下においては、ウェハの洗浄の例を説明する。

前記支持機構は、複数枚のウェハＷを狭小の間隔を存して一列に保持し、かつ処理槽３１内と処理槽３１外部との間に亘って昇降自在に搬送する。当然ながら支持機構は、ウェハＷを搬送する際には、ウェハＷの位置を固定し変位のないように確保する。処理槽３１外部において、ウェハＷは自由に支持機構から取出し可能であり、また支持機構へのセッティングも手間がかからない構成となっている。

前記処理槽３１における上端部外面の全周に亘ってオーバーフロー槽３４が設けられ、このオーバーフロー槽３４の底部には図示しない排水部に連通する排水管３５が接続される。

ナノ流体生成装置１から所定量のナノ流体が継続して処理槽３１へ供給されていて、処理槽３１にはナノ流体が常時、満杯状態にある。そして、継続して供給された分だけ処理槽３１からオーバーフローしてオーバーフロー槽３４へ溢出し、排水管３５を介して外部へ排水される。

なお、支持機構に支持されたウェハＷが外部から処理槽３１内に収容されるにともなって多量のナノ流体が処理槽３１からオーバーフロー槽３４へ溢出するが、オーバーフロー槽３４は全てを受け入れて処理槽３１から直接、外部へ流出させることがない。

このようにして構成される洗浄処理装置３０において、支持機構に支持されるウェハＷが処理槽３１内へ搬入される。処理槽３１には、ナノ流体生成装置１からナノバブルを含むナノ流体が供給されて既に満杯状態にあるので、全てのウェハＷはナノ流体中に浸漬される。

ナノバブルを含むナノ流体は、継続してナノ流体生成装置１の吐出口６から供給流路４１ｂと導入口３２を介して処理槽３１内へ導かれている。処理槽３１内においてナノ流体は整流機構３３によって整流され、支持機構に支持される全てのウェハＷに対し均一に集中して導かれ、ウェハＷの洗浄処理に供される。

たとえウェハＷに微小なパーティクル（不純物）が強固に固着していても、ナノ流体に含まれるナノバブルがウェハＷとパーティクルとの間に侵入し介在して、パーティクルをウェハＷから剥離する。同様に、全てのパーティクルはナノ流体に含まれるナノバブルによってウェハＷから強制的に剥離され、ウェハＷに対する洗浄効率は極めて高水準を保持することとなる。

なお、洗浄処理装置３０として、複数枚のウェハＷを処理槽３１内外へ搬送する支持機構を備えたが、この支持機構にウェハＷを処理槽３１内で回転駆動し、もしくはウェハＷを往復移動させる機能を備えて、ウェハＷに対する洗浄効率をより向上化させるようにしてもよい。

さらに、処理槽３１内に整流機構３３を備えたが、これに限定されるものではなく、整流機構３３に代って、もしくは整流機構３３に加えて、ウェハＷに対してナノ流体を強制的に噴出させる噴流機構を備え、ウェハＷに対する洗浄効率をより向上化させるようにしてもよい。

もしくは、処理槽３１を備える代りに、ウェハＷに対してナノ流体を連続的に振りかけてナノ流体散布雰囲気中に所定時間暴露して洗浄する、いわゆるシャワー機構を備えてもよい。

また、被処理体Ｗとしてウェハを例示したが、これに限定されるものではなく、その他の、たとえばＬＣＤガラス基板等の洗浄装置や、エッチング装置等にも適用できることは勿論である。

本発明における実施の形態に係る、ナノ流体生成装置の模式図及び部分拡大図。 同、フィルタ機構の概略構成を示す模式図。 同、ジェネレータの全体斜視図及び接合部の部分拡大図。 同、ナノ流体生成装置に配管を介して連通する洗浄処理装置の概略構成図。

符号の説明

１…ナノ流体生成装置、２…ジェネレータ、３…貯溜タンク、４…加圧ポンプ（加圧手段）、７…気液混合室、９…突条、１０…凹溝、１１…円錐部材、１２…凹溝、２０…超微小吐出口、２１…吸気弁（吸気手段）、３１…処理槽、４０ａ、４０ｂ…外部処理装置、４１ａ、４１ｂ…外部供給流路、Ａ…分配空間部、Ｃ…導出空間部（減圧部、貯留槽）、Ｆ…フィルタ機構、ＣＲ…循環流路、Ｚ…乱流発生機構（乱流発生手段）。

Claims (12)

1. 直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する装置において、
   供給された液体および気体に乱流を発生させて強制的に混合する気液混合室と、
   気液混合室に供給する気体及び液体を加圧する手段と、
   混合された気液混合流体を加圧状態で気液混合室から外部に吐出してナノ流体を生成する超微小吐出口と、
   生成されたナノ流体のうち、所定径以上のナノ流体を除去するフィルタ機構と
   を備えたことを特徴とするナノ流体生成装置。
2. 請求項１の装置において、
   さらに、前記フィルタ機構で除去されたナノ流体の一部又は全部を前記気液混合室に導入してナノ流体を循環させる循環流路を備えたことを特徴とするナノ流体生成装置。
3. 請求項１の装置において、
   さらに、前記超微小吐出口から吐出されたナノ流体を貯留する貯留槽を備えたことを特徴とするナノ流体生成装置。
4. 請求項１の装置において、
   前記フィルタ機構は、除去するナノ流体の径が夫々異なるように設計された複数のフィルタ機構で構成され、
   この装置は、さらに、複数のフィルタ機構で除去されたナノ流体の少なくとも一部を外部装置に供給する供給路を備えた
   ことを特徴とするナノ流体生成装置。
5. 請求項１の装置において、
   前記フィルタ機構は、被処理体の微小単位の構成体（分子や細胞など）の径、若しくは複数の構成体の間隙に基づいて設定される基準径を越えるナノ流体を除去するものであり、
   この装置は、さらに、フィルタ機構を通過した基準径以下のナノ流体を、前記被処理体をナノ流体中に浸漬若しくは被処理体をナノ流体散布雰囲気中に暴露して処理する処理装置に供給する処理水供給用流路を備えた
   ことを特徴とするナノ流体生成装置。
6. 請求項１の装置において、
   さらに、超微小吐出口から吐出されたナノ流体を減圧して前記フィルタ機構に供給する減圧手段を備えたことを特徴とするナノ流体生成装置。
7. 請求項１の装置であって、
   この装置は、前記気液混合室を含む構成部材の一部又は全部が分解して洗浄可能であると共に、分解可能な各部材の接合部が、接合時において非接合部と同等若しくはそれ以上の機械的強度で形成されていることを特徴とするナノ流体生成装置。
8. 請求項７の装置であって、
   前記超微小吐出口が、気液混合室に連通する超微小流路に沿って分解可能であることを特徴とするナノ流体生成装置。
9. 直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する装置において、
   供給された液体および気体に乱流を発生させて強制的に混合する気液混合室と、
   気液混合室に供給する気体及び液体を加圧する手段と、
   混合された気液混合流体を加圧状態で気液混合室から外部に吐出してナノ流体を生成する超微小吐出口と、
   生成されたナノ流体の一部又は全部を前記気液混合室に導入してナノ流体を循環させる循環流路と
   を備えたことを特徴とするナノ流体生成装置。
10. 直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する方法において、
    気体及び液体を気液混合室に供給する供給工程と、
    供給工程の前若しくは後で、気体及び液体を加圧手段によって加圧する加圧工程と、
    加圧状態で、前記気液混合室内に設けられ、供給された液体および気体に乱流を発生させる乱流発生機構によって強制的に混合する混合工程と、
    混合された気液混合流体を加圧したまま、前記気液混合室の出口側に設けられた超微小吐出口から外部に吐出してナノ流体を生成する吐出工程と
    を備えたことを特徴とするナノ流体生成方法。
11. 直径が１μｍ未満の気泡であるナノバブルを含むナノ流体を生成する方法において、
    液体を加圧手段によって加圧して気液混合室に供給する供給工程と、
    前記加圧手段の作動にともない、加圧手段の上流側と下流側との圧力差によって気体を吸気し、気体を液体中に混入させる吸気工程と、
    加圧された気液混合流体を前記気液混合室に導入し、この気液混合室内に設けられた乱流発生手段によって気液混合流体をランダムな方向への跳ね返しを繰り返して乱流を発生させる工程と、
    前記気液混合室の出口側に設けられた超微小吐出口から気液混合流体を流出させることで、ナノバブルを含んだナノ流体を生成する工程と
    を備えたことを特徴とするナノ流体生成方法。
12. 請求項１０又は１１の方法において、
    さらに、生成されたナノ流体のうち、所定径以上のナノ流体をフィルタ機構によって分離・除去するフィルタリング工程を備えたことを特徴とするナノ流体生成方法。
    

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