WO2021085579A1 - ウルトラファインバブルを含有するウルトラファインバブル含有液を生成する生成方法、ウルトラファインバブルを含有する液体の製造装置 - Google Patents

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

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樫野　俊雄
久保田　雅彦
山田　顕季
輝 山本
今仲　良行
由美 柳内
石永　博之
照夫 尾崎
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キヤノン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a production method for producing an ultrafine bubble-containing liquid containing ultrafine bubbles having a diameter of less than 1.0 ⁇ m, and an apparatus for producing a liquid containing ultrafine bubbles.
  • ultrafine bubbles Ultra Fine Bubble; hereinafter also referred to as "UFB" having a diameter of less than 1.0 ⁇ m has been confirmed in various fields.
  • Patent Document 1 discloses a fine bubble generator that generates fine bubbles by ejecting a pressurized liquid obtained by pressurizing and dissolving a gas from a decompression nozzle. Further, Patent Document 2 discloses an apparatus for generating fine bubbles by repeatedly dividing and merging a gas mixture liquid using a mixing unit.
  • an object of the present invention is to provide a method for producing an ultrafine bubble-containing liquid in which a plurality of types of UFBs having different gas components are mixed at a desired concentration ratio, and an apparatus for producing an ultrafine bubble-containing liquid.
  • the method for producing an ultrafine bubble-containing liquid of the present invention includes a first dissolution step of dissolving a first gas in a liquid to generate a first dissolution liquid, and a second dissolution liquid by dissolving a second gas in a liquid to form a second dissolution liquid.
  • the second melting step to be generated and the first dissolution liquid are heated by a heat generating element to generate a film boiling at the interface between the first dissolution liquid and the heat generating element to generate ultrafine bubbles, which are produced.
  • the first generation step of producing the first ultrafine bubble-containing liquid containing fine bubbles and the second dissolution liquid are heated by a heat generating element to cause film boiling at the interface between the second dissolution liquid and the heat generating element.
  • the second generation step of generating the ultrafine bubble generated by the operation to generate the second ultrafine bubble-containing liquid containing the ultrafine bubble, the concentration of the first ultrafine bubble-containing liquid, and the second ultra It is characterized by having a mixing step of mixing the first ultrafine bubble-containing liquid and the second ultrafine bubble-containing liquid based on the concentration of the fine bubble-containing liquid.
  • the present invention it is possible to provide a production method for producing an ultrafine bubble-containing liquid in which a plurality of types of UFBs having different gas components are mixed at a desired concentration ratio, and an apparatus for producing a liquid containing ultrafine bubbles. ..
  • UFB generator It is a figure which shows an example of a UFB generator. It is a schematic block diagram of a pretreatment unit. It is a schematic block diagram of a dissolution unit, and the figure for demonstrating the dissolution state of a liquid. It is a schematic block diagram of the T-UFB generation unit. It is a figure for demonstrating the detail of a heat generating element. It is a figure for demonstrating the state of the film boiling in a heat generating element. It is a figure which shows the state that UFB is generated with the expansion of a membrane boiling bubble. It is a figure which shows the state that UFB is generated with the contraction of a membrane boiling bubble. It is a figure which shows a mode that UFB is generated by reheating of a liquid.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a UFB generator applicable to the present invention.
  • the UFB generator 1 of the present embodiment includes a pretreatment unit 100, a dissolution unit 200, a T-UFB generation unit 300, a posttreatment unit 400, and a recovery unit 500.
  • the liquid W such as tap water supplied to the pretreatment unit 100 is subjected to treatment unique to each unit in the above order, and is recovered as a T-UFB-containing liquid in the recovery unit 500.
  • T-UFB Thermal-Ultra Fine Bubble
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the pretreatment unit 100.
  • the pretreatment unit 100 of the present embodiment degass the supplied liquid W.
  • the pretreatment unit 100 mainly has a remover container 101, a shower head 102, a decompression pump 103, a liquid introduction path 104, a liquid circulation path 105, and a liquid lead-out path 106.
  • the liquid W such as tap water is supplied to the degassing container 101 from the liquid introduction path 104 via the valve 109.
  • the shower head 102 provided in the degassing container 101 atomizes the liquid W and sprays it into the degassing container 101.
  • the shower head 102 is for promoting the vaporization of the liquid W, but a centrifuge or the like can be substituted as a mechanism for producing the vaporization promoting effect.
  • the decompression pump 103 When the decompression pump 103 is operated with all the valves closed after a certain amount of liquid W is stored in the remover container 101, the already vaporized gas component is discharged and dissolved in the liquid W. The vaporization and discharge of existing gas components are also promoted. At this time, the internal pressure of the degassing container 101 may be reduced to about several hundred to several thousand Pa (1.0 Torr to 10.0 Torr) while checking the pressure gauge 108.
  • the gas degassed by the pretreatment unit 100 include nitrogen, oxygen, argon, carbon dioxide and the like.
  • the degassing process described above can be repeated for the same liquid W by using the liquid circulation path 105.
  • the shower head 102 is operated with the valve 109 of the liquid introduction path 104 and the valve 110 of the liquid lead-out path 106 closed and the valve 107 of the liquid circulation path 105 open.
  • the liquid W stored in the degassing container 101 and once degassed is sprayed again on the degassing container 101 via the shower head 102.
  • the decompression pump 103 the vaporization treatment by the shower head 102 and the degassing treatment by the decompression pump 103 are performed repeatedly on the same liquid W.
  • the gas component contained in the liquid W can be gradually reduced.
  • the liquid W degassed to a desired purity is obtained, the liquid W is sent to the dissolution unit 200 via the liquid lead-out path 106 by opening the valve 110.
  • FIG. 2 shows a pretreatment unit 100 that vaporizes the dissolved substance by lowering the pressure of the gas part, but the method of degassing the dissolved liquid is not limited to this.
  • a heating boiling method in which the liquid W is boiled to vaporize the dissolved substance may be adopted, or a membrane degassing method in which a hollow fiber is used to increase the interface between the liquid and the gas may be adopted.
  • a degassing module using a hollow fiber the SEPAREL series (manufactured by Dainippon Ink Co., Ltd.) is commercially available.
  • PMP poly4-methylpentene-1
  • the dissolution unit 200 is a unit that dissolves a desired gas in the liquid W supplied from the pretreatment unit 100.
  • the dissolution unit 200 of the present embodiment mainly includes a dissolution container 201, a rotary shaft 203 to which a rotary plate 202 is attached, a liquid introduction path 204, a gas introduction path 205, a liquid lead-out path 206, and a pressurizing pump 207.
  • the liquid W supplied from the pretreatment unit 100 is supplied to and stored in the dissolution container 201 from the liquid introduction path 204.
  • the gas G is supplied to the dissolution container 201 from the gas introduction path 205.
  • the pressurizing pump 207 When a predetermined amount of the liquid W and the gas G are stored in the dissolution container 201, the pressurizing pump 207 is operated to raise the internal pressure of the dissolution container 201 to about 0.5 Mpa.
  • a safety valve 208 is arranged between the pressurizing pump 207 and the dissolution container 201. Further, by rotating the rotating plate 202 in the liquid via the rotating shaft 203, the gas G supplied to the dissolution container 201 is bubbled, the contact area with the liquid W is increased, and the gas G is dissolved in the liquid W. Facilitate. Then, such an operation is continued until the solubility of the gas G reaches almost the maximum saturated solubility. At this time, in order to dissolve as much gas as possible, means for lowering the temperature of the liquid may be arranged. Further, in the case of a poorly soluble gas, the internal pressure of the dissolution container 201 can be increased to 0.5 MPa or more. In that case, it is necessary to optimize the material of the container from the viewpoint of safety.
  • the liquid W in which the components of the gas G are dissolved at a desired concentration is obtained, the liquid W is discharged via the liquid lead-out path 206 and supplied to the T-UFB generation unit 300.
  • the back pressure valve 209 adjusts the flow pressure of the liquid W so that the pressure at the time of supply does not become higher than necessary.
  • FIG. 3B is a diagram schematically showing how the gas G mixed in the dissolution container 201 is dissolved.
  • the bubble 2 containing the component of the gas G mixed in the liquid W dissolves from the portion in contact with the liquid W. Therefore, the bubble 2 gradually contracts, and the gas-dissolved liquid 3 exists around the bubble 2. Since buoyancy acts on the bubbles 2, the bubbles 2 move to a position off the center of the gas-dissolved liquid 3 or separate from the gas-dissolved liquid 3 to become residual bubbles 4. That is, in the liquid W supplied to the T-UFB generation unit 300 via the liquid lead-out path 206, the gas-dissolved liquid 3 surrounds the bubbles 2, or the gas-dissolved liquid 3 and the bubbles 2 are separated from each other. Some of the states are mixed.
  • the gas-dissolved liquid 3 means "a region in which the dissolved concentration of the mixed gas G is relatively high in the liquid W".
  • the concentration is highest in the periphery of the bubble 2 or in the center of the region even when separated from the bubble 2, and the concentration of the gas component is continuous as the distance from the position increases. It becomes low. That is, in FIG. 3B, the region of the gas-dissolved liquid 3 is surrounded by a broken line for the sake of explanation, but in reality, such a clear boundary does not exist. Further, in the present invention, it is permissible for a gas that is not completely dissolved to exist in the liquid in the form of bubbles.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the T-UFB generation unit 300.
  • the T-UFB generation unit 300 mainly includes a chamber 301, a liquid introduction path 302, and a liquid lead-out path 303, and a flow pump from the liquid introduction path 302 through the chamber 301 to the liquid lead-out path 303 is not shown. Is formed by.
  • As the flow pump various pumps such as a diaphragm pump, a gear pump, and a screw pump can be adopted.
  • the gas-dissolving liquid 3 of the gas G mixed by the dissolution unit 200 is mixed in the liquid W introduced from the liquid introduction path 302.
  • An element substrate 12 provided with a heat generating element 10 is arranged on the bottom surface of the chamber 301.
  • a predetermined voltage pulse is applied to the heat generating element 10
  • bubbles 13 generated by film boiling (hereinafter, also referred to as film boiling bubbles 13) are generated in a region in contact with the heat generating element 10.
  • an ultrafine bubble (UFB11) containing a gas G is generated as the film boiling bubble 13 expands or contracts.
  • UFB-containing liquid W containing a large number of UFB 11s is derived from the liquid lead-out path 303.
  • FIG. 5 (a) and 5 (b) are diagrams showing the detailed structure of the heat generating element 10.
  • FIG. 5A shows a cross-sectional view of the vicinity of the heat generating element 10
  • FIG. 5B shows a cross-sectional view of the element substrate 12 in a wider area including the heat generating element 10.
  • a thermal oxide film 305 as a heat storage layer and an interlayer film 306 also serving as a heat storage layer are laminated on the surface of the silicon substrate 304. ..
  • the interlayer film 306 a SiO 2 film or a SiN film can be used.
  • a resistance layer 307 is formed on the surface of the interlayer film 306, and a wiring 308 is partially formed on the surface of the resistance layer 307.
  • Al alloy wiring such as Al, Al—Si, or Al—Cu can be used.
  • a protective layer 309 made of a SiO 2 film or a Si 3 N 4 film is formed on the surfaces of the wiring 308, the resistance layer 307, and the interlayer film 306.
  • the protective layer 309 On the surface of the protective layer 309, the portion corresponding to the heat acting portion 311 which becomes the heat generating element 10 as a result, and the periphery thereof, the protective layer 309 is protected from chemical and physical impacts caused by the heat generated by the resistance layer 307.
  • a cavitation resistant film 310 is formed to protect the surface.
  • the region where the wiring 308 is not formed On the surface of the resistance layer 307, the region where the wiring 308 is not formed is the heat acting portion 311 in which the resistance layer 307 generates heat.
  • the heat-generating portion of the resistance layer 307 on which the wiring 308 is not formed functions as a heat-generating element (heater) 10.
  • the layers in the element substrate 12 are sequentially formed on the surface of the silicon substrate 304 by the semiconductor manufacturing technology, whereby the silicon substrate 304 is provided with the heat acting portion 311.
  • the configuration shown in the figure is an example, and various other configurations can be applied.
  • a configuration in which the stacking order of the resistance layer 307 and the wiring 308 is reversed, and a configuration in which an electrode is connected to the lower surface of the resistance layer 307 can be applied. That is, as will be described later, the structure may be such that the liquid can be heated by the heat acting unit 311 to cause film boiling in the liquid.
  • FIG. 5B is an example of a cross-sectional view of a region of the element substrate 12 including a circuit connected to the wiring 308.
  • the surface layer of the silicon substrate 304 which is a P-type conductor, is partially provided with an N-type well region 322 and a P-type well region 323.
  • P-MOS 320 is formed in the N-type well region 322, and N-MOS 321 is formed in the P-type well region 323.
  • the P-MOS 320 is composed of a source region 325 and a drain region 326 formed by partially introducing N-type or P-type impurities into the surface layer of the N-type well region 322, a gate wiring 335, and the like.
  • the gate wiring 335 is deposited on the surface of the N-shaped well region 322 excluding the source region 325 and the drain region 326 via a gate insulating film 328 having a thickness of several hundred ⁇ .
  • the N-MOS 321 is composed of a source region 325 and a drain region 326 formed by partially introducing N-type or P-type impurities into the surface layer of the P-type well region 323, a gate wiring 335, and the like.
  • the gate wiring 335 is deposited on the surface of the P-shaped well region 323 excluding the source region 325 and the drain region 326 via a gate insulating film 328 having a thickness of several hundred ⁇ .
  • the gate wiring 335 is made of polysilicon with a thickness of 3000 ⁇ to 5000 ⁇ deposited by the CVD method.
  • the C-MOS logic is composed of these P-MOS 320 and N-MOS 321.
  • an N-MOS transistor 330 for driving an electric heat conversion element (heat generation resistance element) is formed in a portion different from the N-MOS 321.
  • the N-MOS transistor 330 is composed of a source region 332 and a drain region 331 partially formed on the surface layer of the P-type well region 323 by steps such as introduction and diffusion of impurities, and a gate wiring 333 and the like.
  • the gate wiring 333 is deposited on the surface of the portion of the P-shaped well region 323 excluding the source region 332 and the drain region 331 via the gate insulating film 328.
  • an N-MOS transistor 330 was used as a driving transistor for the electrothermal conversion element.
  • the driving transistor may be any transistor that has the ability to individually drive a plurality of electrothermal conversion elements and can obtain the fine structure as described above. Not limited.
  • the electrothermal conversion element and the driving transistor thereof are formed on the same substrate, but these may be formed on different substrates.
  • An oxide membrane separation region 324 is formed by field oxidation having a thickness of 5000 ⁇ to 10000 ⁇ between each element such as between P-MOS 320 and N-MOS 321 and between N-MOS 321 and N-MOS transistor 330. ing. Each element is separated by the oxide membrane separation region 324. In the oxide film separation region 324, the portion corresponding to the heat acting portion 311 functions as the first heat storage layer 334 on the silicon substrate 304.
  • An interlayer insulating film 336 made of a PSG film or BPSG film having a thickness of about 7,000 ⁇ is formed on the surface of each element of the P-MOS 320, N-MOS 321 and N-MOS transistor 330 by the CVD method.
  • an Al electrode 337 serving as a first wiring layer is formed through a contact hole penetrating the interlayer insulating film 336 and the gate insulating film 328.
  • An interlayer insulating film 338 composed of a SiO 2 film having a thickness of 10000 ⁇ to 15000 ⁇ is formed on the surfaces of the interlayer insulating film 336 and the Al electrode 337 by a plasma CVD method.
  • a resistance layer 307 made of a TaSiN film having a thickness of about 500 ⁇ is formed by a co-splat method on a portion corresponding to the heat acting portion 311 and the N-MOS transistor 330.
  • the resistance layer 307 is electrically connected to the Al electrode 337 in the vicinity of the drain region 331 via a through hole formed in the interlayer insulating film 338.
  • Al wiring 308 as a second wiring layer to be wiring to each electric heat conversion element is formed on the surface of the resistance layer 307.
  • the wiring 308, the resistance layer 307, and the protective layer 309 on the surface of the interlayer insulating film 338 are made of a SiN film having a thickness of 3000 ⁇ formed by the plasma CVD method.
  • the cavitation-resistant film 310 deposited on the surface of the protective layer 309 is at least one metal selected from Ta, Fe, Ni, Cr, Ge, Ru, Zr, Ir, etc., and is a thin film having a thickness of about 2000 ⁇ . Consists of.
  • As the resistance layer 307 various materials other than the above-mentioned TaSiN, such as TaN 0.8 , CrSiN, TaAl, and WSiN, which can cause film boiling in a liquid, can be applied.
  • FIG. 6 (a) and 6 (b) are diagrams showing the state of film boiling when a predetermined voltage pulse is applied to the heat generating element 10.
  • the horizontal axis represents time.
  • the vertical axis of the lower graph shows the voltage applied to the heating element 10
  • the vertical axis of the upper graph shows the volume and internal pressure of the film boiling bubbles 13 generated by the film boiling.
  • FIG. 6B shows the state of the film boiling foam 13 in association with the timings 1 to 3 shown in FIG. 6A.
  • each state will be described with time.
  • the UFB 11 generated by the film boiling is mainly generated near the surface of the film boiling bubble 13.
  • the UFB 11 generated in the generation unit 300 is re-supplied to the dissolution unit 200 via the circulation path, and the liquid is again supplied to the liquid passage of the generation unit 300. Indicates the supplied state.
  • the inside of the chamber 301 is maintained at almost atmospheric pressure.
  • film boiling bubbles 13 the generated bubbles (hereinafter referred to as film boiling bubbles 13) expand due to the high pressure acting from the inside (timing 1). ..
  • the foaming pressure at this time is considered to be about 8 to 10 MPa, which is a value close to the saturated vapor pressure of water.
  • the voltage application time (pulse width) is about 0.5 ⁇ sec to 10.0 ⁇ sec, but even after the voltage is no longer applied, the membrane boiling bubble 13 expands due to the inertia of the pressure obtained at timing 1.
  • the negative pressure generated by the expansion gradually increases, and acts in the direction of contracting the membrane boiling foam 13.
  • the volume of the membrane boiling bubble 13 becomes maximum at the timing 2 when the inertial force and the negative pressure are balanced, and then the volume of the film boiling bubble 13 rapidly contracts due to the negative pressure.
  • the film boiling bubble 13 disappears, the film boiling bubble 13 disappears not in the entire surface of the heat generating element 10 but in one or more extremely small areas. Therefore, in the heat generating element 10, a larger force is generated in the extremely small region where the film boiling bubbles 13 disappear than at the time of foaming shown in the timing 1 (timing 3).
  • the generation, expansion, contraction and extinction of the film boiling bubble 13 as described above are repeated every time a voltage pulse is applied to the heat generating element 10, and a new UFB 11 is generated each time.
  • FIG. 7A shows a state before the voltage pulse is applied to the heat generating element 10.
  • a liquid W in which the gas-dissolving liquid 3 is mixed flows inside the chamber 301.
  • FIG. 7B shows a state in which a voltage is applied to the heat generating element 10 and the film boiling bubbles 13 are uniformly generated in almost the entire area of the heat generating element 10 in contact with the liquid W.
  • a voltage is applied, the surface temperature of the heating element 10 rises sharply at a rate of 10 ° C./ ⁇ sec or more, and when the temperature reaches approximately 300 ° C., film boiling occurs and film boiling bubbles 13 are generated.
  • the surface temperature of the heat generating element 10 continues to rise to about 600 to 800 ° C. during the application of the pulse, and the liquid around the film boiling bubble 13 is also rapidly heated.
  • the region of the liquid that is located around the membrane boiling foam 13 and is rapidly heated is shown as the unfoamed high temperature region 14.
  • the gas-dissolved liquid 3 contained in the unfoamed high-temperature region 14 precipitates beyond the thermal dissolution limit and becomes UFB.
  • the diameter of the precipitated bubbles is about 10 nm to 100 nm, and has a high gas-liquid interface energy. Therefore, it does not disappear in a short time and floats in the liquid W while maintaining its independence.
  • the bubbles generated by the thermal action from the generation of the film boiling bubbles 13 to the expansion are referred to as the first UFB11A.
  • FIG. 7 (c) shows the process of expansion of the membrane boiling bubble 13.
  • the film boiling foam 13 continues to expand due to the inertia of the force obtained when it is generated, and the unfoamed high temperature region 14 also moves and diffuses due to the inertia. That is, in the process of expansion of the membrane boiling foam 13, the gas-dissolved liquid 3 contained in the unfoamed high-temperature region 14 is newly precipitated as bubbles to become the first UFB 11A.
  • FIG. 7D shows a state in which the membrane boiling bubble 13 has the maximum volume.
  • the membrane boiling foam 13 expands due to inertia, but the negative pressure inside the membrane boiling foam 13 gradually increases with the expansion, and acts as a negative pressure for contracting the membrane boiling foam 13. Then, when this negative pressure is balanced with the inertial force, the volume of the membrane boiling bubble 13 becomes maximum, and then it starts to contract.
  • FIG. 8A shows a state in which the membrane boiling foam 13 has started contraction. Even if the membrane boiling bubble 13 starts to contract, the surrounding liquid W still has an inertial force in the direction of expansion. Therefore, the inertial force acting in the direction away from the heat generating element 10 and the force toward the heat generating element 10 as the film boiling bubble shrinks act on the polar periphery of the film boiling bubble 13, and the pressure is reduced. Become. In the figure, such a region is shown as an unfoamed negative pressure region 15.
  • the gas-dissolved liquid 3 contained in the unfoamed negative pressure region 15 exceeds the pressure dissolution limit and precipitates as bubbles.
  • the diameter of the precipitated bubbles is about 100 nm, and then the precipitated bubbles float in the liquid W while maintaining their independence without disappearing in a short time.
  • the bubbles precipitated by the pressure action when the membrane boiling bubbles 13 contract in this way are referred to as the second UFB 11B.
  • FIG. 8B shows the process of contraction of the membrane boiling foam 13.
  • the speed at which the membrane boiling foam 13 contracts is accelerated by the negative pressure, and the unfoamed negative pressure region 15 also moves with the contraction of the membrane boiling foam 13. That is, in the process of contraction of the membrane boiling foam 13, the gas-dissolved liquid 3 at the portion where the unfoamed negative pressure region 15 passes is deposited one after another to become the second UFB 11B.
  • FIG. 8C shows a state immediately before the film boiling bubble 13 disappears.
  • the accelerated contraction of the membrane boiling foam 13 also increases the moving speed of the surrounding liquid W, but pressure loss occurs due to the flow path resistance in the chamber 301.
  • the region occupied by the unfoamed negative pressure region 15 becomes larger, and a large number of second UFB 11Bs are generated.
  • FIG. 9 (a) to 9 (c) are diagrams showing how UFB is generated by reheating the liquid W when the membrane boiling foam 13 is contracted.
  • FIG. 9A shows a state in which the surface of the heat generating element 10 is covered with the shrinking film boiling bubbles 13.
  • FIG. 9B shows a state in which the film boiling bubbles 13 are contracted and a part of the surface of the heat generating element 10 is in contact with the liquid W. At this time, heat remains on the surface of the heat generating element 10 so that the film does not boil even if the liquid W comes into contact with the surface.
  • the region of the liquid that is heated by coming into contact with the surface of the heat generating element 10 is shown as the unfoamed reheating region 16.
  • the gas-dissolved liquid 3 contained in the unfoamed reheating region 16 precipitates beyond the thermal dissolution limit.
  • the bubbles generated by the reheating of the liquid W when the film boiling bubbles 13 contract in this way are referred to as a third UFB 11C.
  • FIG. 9C shows a state in which the film boiling foam 13 is further contracted. As the film boiling bubble 13 becomes smaller, the region of the heat generating element 10 in contact with the liquid W becomes larger, so that the third UFB 11C is generated until the film boiling bubble 13 disappears.
  • FIG. 10 (a) and 10 (b) are diagrams showing how UFB is generated by the impact (a kind of so-called cavitation) at the time of defoaming the membrane boiling foam 13 generated by the membrane boiling.
  • FIG. 10A shows a state immediately before the film boiling bubble 13 disappears.
  • the membrane boiling foam 13 rapidly contracts due to the internal negative pressure, and the unfoamed negative pressure region 15 covers the periphery thereof.
  • FIG. 10B shows the state immediately after the film boiling bubble 13 disappears at the point P.
  • the acoustic wave spreads concentrically starting from the point P due to the impact.
  • Acoustic waves are a general term for elastic waves that propagate regardless of whether they are gases, liquids, or solids.
  • the density of the liquid W that is, the high-pressure surface 17A and the low-pressure surface 17B of the liquid W propagate alternately. Will be done.
  • the gas-dissolved liquid 3 contained in the unfoamed negative pressure region 15 is resonated by the shock wave at the time of defoaming the film boiling foam 13, and the phase transition exceeds the pressure dissolution limit at the timing when the low pressure surface 17B passes. .. That is, at the same time as the film boiling bubbles 13 disappear, a large number of bubbles are precipitated in the unfoamed negative pressure region 15.
  • the bubbles generated by the shock wave when the film boiling bubbles 13 are defoamed are referred to as the fourth UFB11D.
  • the diameter is sufficiently smaller than the first to third UFBs, and the gas-liquid interface energy is higher than that of the first to third UFBs. Therefore, it is considered that the fourth UFB11D has different properties from the first to third UFB11A to 11C and produces different effects.
  • the fourth UFB11D is uniformly generated everywhere in the concentric spherical region where the shock wave propagates, it will be uniformly present in the chamber 301 from the time when it is generated. At the timing when the fourth UFB11D is generated, a large number of the first to third UFBs already exist, but the existence of these first to third UFBs has a great influence on the generation of the fourth UFB11D. Absent. Further, it is considered that the first to third UFBs will not disappear due to the generation of the fourth UFB11D.
  • UFB 11 is generated at a plurality of stages until the film boiling bubbles 13 are generated and defoamed by the heat generated by the heat generating element 10.
  • the first UFB11A, the second UFB11B and the third UFB11C are generated in the vicinity of the surface of the film boiling foam generated by the film boiling.
  • the vicinity is a region within about 20 ⁇ m from the surface of the membrane boiling foam.
  • the fourth UFB11D is generated in the region where the shock wave generated when the bubbles are defoamed (disappeared) propagates.
  • the method is not limited to this in order to generate UFB. For example, by communicating with the atmosphere before the generated membrane boiling bubbles 13 are defoamed, UFB can be generated even when the membrane boiling bubbles 13 are not exhausted.
  • the residual characteristics of UFB will be described.
  • the temperature of the liquid and the solubility of the gas are in inverse proportion to each other, and as the temperature of the liquid rises, the gas exceeding the saturated solubility becomes bubbles and is deposited in the liquid.
  • the first UFB11A described with reference to FIGS. 7 (a) to 7 (c) and the third UFB11C described with reference to FIGS. 9 (a) to 9 (c) have thermal dissolution characteristics of such a gas. It can be said that it is a UFB generated by using.
  • the higher the pressure of the liquid, the higher the dissolution characteristics of the gas, and the lower the pressure the lower the dissolution characteristics. That is, the lower the pressure of the liquid, the more the phase transition of the gas-dissolved liquid dissolved in the liquid to the gas is promoted, and the UFB is easily generated.
  • the pressure of the liquid drops from normal pressure, the dissolution characteristics drop at once and UFB begins to be generated. Then, as the pressure decreases, the pressure dissolution characteristics decrease, and a large amount of UFB is generated.
  • the second UFB11B described with reference to FIGS. 8 (a) to 8 (c) and the fourth UFB11D described with reference to FIGS. 10 (a) to 10 (c) have such gas pressure dissolution characteristics. It can be said that it is a UFB generated by using.
  • the first to fourth UFBs having different generation factors have been described individually, but the above-mentioned generation factors occur simultaneously and frequently with the event of film boiling. Therefore, at least two or more types of UFBs among the first to fourth UFBs may be generated at the same time, and these generation factors may cooperate with each other to generate UFBs. However, it is common that all the generation factors are invited by the volume change of the film boiling bubbles generated by the film boiling phenomenon.
  • the method of producing UFB by utilizing the film boiling accompanying the rapid heat generation is referred to as a T-UFB (Thermal-Ultra Fine Bubble) generation method.
  • T-UFB Thermal-Ultra Fine Bubble
  • the UFB produced by the T-UFB production method is referred to as T-UFB
  • the liquid containing T-UFB produced by the T-UFB production method is referred to as a T-UFB-containing liquid.
  • the bubbles generated by the T-UFB generation method are 1.0 ⁇ m or less, and it is difficult to generate millibubbles and microbubbles. That is, according to the T-UFB generation method, UFB is dominantly and efficiently generated. Further, the T-UFB produced by the T-UFB production method has a higher gas-liquid interface energy than the UFB produced by the conventional method, and does not easily disappear as long as it is stored at normal temperature and pressure. Further, even if a new T-UFB is generated by the new film boiling, it is suppressed that the previously generated T-UFB disappears due to the impact.
  • the concentration of T-UFB contained in the T-UFB-containing liquid can be adjusted by controlling the number of heat-generating elements arranged in the T-UFB generation unit 300 and the number of times voltage pulses are applied to the heat-generating elements. ..
  • the T-UFB-containing liquid W having a desired UFB concentration is generated in the T-UFB generation unit 300, the UFB-containing liquid W is supplied to the post-treatment unit 400.
  • FIG. 11 (a) to 11 (c) are diagrams showing a configuration example of the post-processing unit 400 of the present embodiment.
  • the post-treatment unit 400 of the present embodiment removes impurities contained in the UFB-containing liquid W in the order of inorganic ions, organic substances, and insoluble solids.
  • FIG. 11A shows a first post-treatment mechanism 410 for removing inorganic ions.
  • the first post-treatment mechanism 410 includes an exchange container 411, a cation exchange resin 412, a liquid introduction path 413, a water collection pipe 414, and a liquid outlet path 415.
  • the exchange container 411 contains a cation exchange resin 412.
  • the UFB-containing liquid W generated by the T-UFB generation unit 300 is injected into the exchange container 411 via the liquid introduction path 413 and absorbed by the cation exchange resin 412, where cations as impurities are removed. To.
  • Such impurities include a metal material peeled off from the element substrate 12 of the T-UFB generation unit 300, and examples thereof include SiO 2 , SiC, SiC, Ta, Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , and Ir. Be done.
  • the cation exchange resin 412 is a synthetic resin in which a functional group (ion exchange group) is introduced into a polymer base having a three-dimensional network structure, and the synthetic resin contains spherical particles of about 0.4 to 0.7 mm. It is presented.
  • a styrene-divinylbenzene copolymer is generally used, and as the functional group, for example, methacrylic acid-based and acrylic acid-based ones can be used.
  • the above material is an example. The materials can be changed in various ways as long as the desired inorganic ions can be effectively removed.
  • the UFB-containing liquid W absorbed by the cation exchange resin 412 and from which the inorganic ions have been removed is collected by the water collecting pipe 414 and sent to the next step via the liquid outlet path 415.
  • FIG. 11B shows a second post-treatment mechanism 420 for removing organic matter.
  • the second post-treatment mechanism 420 includes a storage container 421, a filtration filter 422, a vacuum pump 423, a valve 424, a liquid introduction path 425, a liquid outlet path 426, and an air suction path 427.
  • the inside of the storage container 421 is divided into two upper and lower regions by a filtration filter 422.
  • the liquid introduction path 425 is connected to the upper region of the upper and lower regions, and the air suction passage 427 and the liquid outlet passage 426 are connected to the lower region.
  • the vacuum pump 423 When the vacuum pump 423 is driven with the valve 424 closed, the air in the storage container 421 is discharged through the air suction path 427, the inside of the storage container 421 becomes negative pressure, and the UFB-containing liquid is discharged from the liquid introduction path 425. W is introduced. Then, the UFB-containing liquid W in a state where impurities have been removed by the filtration filter 422 is stored in the storage container 421.
  • Impurities removed by the filtration filter 422 include organic materials that can be mixed in tubes and units, and examples thereof include organic compounds containing silicon, siloxane, and epoxy.
  • Examples of the filter membrane that can be used for the filtration filter 422 include a sub ⁇ m mesh filter that can remove even bacterial systems and an nm mesh filter that can remove even viruses.
  • the vacuum filtration method is adopted as a method for removing impurities of organic substances, but as a filtration method using a filter, for example, a gravity filtration method or a pressure filtration method can also be adopted.
  • FIG. 11 (c) shows a third post-treatment mechanism 430 for removing insoluble solids.
  • the third post-treatment mechanism 430 includes a settling container 431, a liquid introduction path 432, a valve 433, and a liquid outlet path 434.
  • a predetermined amount of UFB-containing liquid W is stored in the settling container 431 from the liquid introduction path 432 and left for a while.
  • the solid matter contained in the UFB-containing liquid W is settled to the bottom of the settling container 431 by gravity.
  • bubbles having a relatively large size such as microbubbles also float on the liquid surface by buoyancy and are removed from the UFB-containing liquid.
  • the valve 433 is opened after a sufficient time has elapsed, the UFB-containing liquid W from which solid matter and large-sized bubbles have been removed is sent to the recovery unit 500 via the liquid outlet path 434.
  • the present invention is not limited to this, and a post-treatment mechanism may be appropriately adopted as needed.
  • the T-UFB-containing liquid W from which impurities have been removed by the post-treatment unit 400 may be sent to the recovery unit 500 as it is, or may be returned to the dissolution unit 200 again.
  • the gas dissolution concentration of the T-UFB-containing liquid W which has decreased due to the formation of T-UFB, can be compensated again to the saturated state in the dissolution unit 200.
  • the UFB-containing concentration of the T-UFB-containing liquid can be further increased under the above-mentioned characteristics.
  • the UFB-containing concentration can be increased by the number of circulations around the dissolution unit 200, the T-UFB generation unit 300, and the post-treatment unit 400, and after the desired UFB-containing concentration is obtained, the UFB-containing liquid W Can be sent to the recovery unit 500.
  • the recovery unit 500 collects and stores the UFB-containing liquid W sent from the post-treatment unit 400.
  • the T-UFB-containing liquid recovered by the recovery unit 500 becomes a high-purity UFB-containing liquid from which various impurities have been removed.
  • the UFB-containing liquid W may be classified according to the size of T-UFB by performing several stages of filtering processing. Further, since the T-UFB-containing liquid W obtained by the T-UFB method is expected to be higher than the normal temperature, the recovery unit 500 may be provided with a cooling means. In addition, such a cooling means may be provided in a part of the post-processing unit 400.
  • the above is the outline of the UFB generator 1, but of course, a plurality of units as shown in the figure can be changed, and it is not necessary to prepare all of them.
  • a part of the above-mentioned units may be omitted, or another unit may be added in addition to the above-mentioned units. You may.
  • the pretreatment unit 100 and the dissolution unit 200 can be omitted.
  • the dissolution unit 200 may be further added.
  • the unit for removing impurities as shown in FIGS. 11A to 11C may be provided upstream of the T-UFB generation unit 300, or may be provided both upstream and downstream. ..
  • the liquid supplied to the UFB generator is tap water, rainwater, contaminated water, etc.
  • the liquid may contain organic or inorganic impurities. If the liquid W containing such impurities is supplied to the T-UFB generation unit 300, the heat generating element 10 may be altered or a salting out phenomenon may occur.
  • FIGS. 11 (a) to 11 (c) upstream of the T-UFB generation unit 300 By providing a mechanism as shown in FIGS. 11 (a) to 11 (c) upstream of the T-UFB generation unit 300, the above impurities can be removed in advance.
  • FIG. 12 is a schematic view showing the UFB-containing liquid generator 1000 of the present embodiment.
  • the UFB-containing liquid generator 1000 contains a solution tank 1200 containing pure water, a nitrogen gas cylinder 1201 storing nitrogen gas, a gas dissolution tank 1202 for dissolving nitrogen gas in pure water, and a liquid containing UFB. It is provided with a UFB-containing liquid recovery container 1203 for recovery.
  • the UFB-containing liquid generating device 1000 includes a UFB concentration controller 1204 and a concentration controller 1205 for controlling the concentration of UFB, a degassing module 1206 for degassing, and a drive control system 1207 for controlling the drive of the UFB-containing liquid generating device 1000. It has.
  • the gas dissolution tank 1202 is filled with nitrogen gas previously supplied from the nitrogen gas cylinder 1201.
  • the nitrogen gas cylinder 1201 is provided with a check valve 1221 to prevent the backflow of nitrogen gas into the nitrogen gas cylinder 1201. Nitrogen gas is sent from the nitrogen gas cylinder 1201 to the gas melting tank 1202 via the pressure regulating valve 1210 and the electromagnetic on-off valve 1211.
  • the pure water sent into the gas dissolution tank 1202 is agitated by a gas dissolution promotion mechanism 205 represented by a magnet stirrer or ultrasonic waves to dissolve nitrogen gas to a saturated solubility.
  • a gas dissolution promotion mechanism 205 represented by a magnet stirrer or ultrasonic waves to dissolve nitrogen gas to a saturated solubility.
  • the outer wall of the gas melting tank 1202 is surrounded by a cooling jacket 1212 through which cooling water flows.
  • a concentration sensor 1213 for detecting the concentration of gas is provided in the gas dissolution tank 1202.
  • the gas is dissolved while supplying nitrogen gas until the concentration of nitrogen gas in the pure water in the gas dissolution tank 1202 is close to saturation or becomes saturated.
  • the excess nitrogen gas is released to the outside through the safety valve 1215 so that the pressure inside the gas melting tank 1202 does not exceed the pressure resistance, so that the pressure inside the gas melting tank 1202 is adjusted to be constant.
  • the nitrogen gas solution that has reached the desired nitrogen gas concentration (saturated solubility 0.0231 ml / ml in the case of nitrogen) in the gas dissolution tank 1202 is supplied to the UFB generation head 1217 by the liquid feed pump 1216. After that, in the UFB generation head 1217, the nitrogen gas solution is heated by the arranged heating heaters (not shown) to cause film boiling, and the nitrogen gas UFB is generated. The produced nitrogen gas solution containing nitrogen UFB is recovered in the UFB-containing liquid recovery container 1203.
  • the supply of the three-way valve 1218 from the gas dissolution tank 1202 side is stopped, and the nitrogen gas containing nitrogen UFB is used in the UFB-containing liquid recovery container 1203 and the UFB generation head 1217.
  • the solution may be circulated.
  • the concentration of UFB is increased by the circulation accompanied by the drive of the UFB generation head 1217, and a high-concentration UFB-containing liquid can be obtained.
  • the UFB obtained by the present invention is an extremely stable UFB having a diameter of several tens to 100 nanometers. Therefore, the content concentration in the UFB-containing liquid is substantially proportional to the number and time of repeated circulation of the UFB generation head 1217 under a constant driving condition and the amount of the gas solution to be supplied. Therefore, by controlling the conditions for circulating the UFB-containing liquid, a UFB-containing liquid having a desired concentration (UFB content density) can be obtained.
  • a UFB concentration sensor 1219 is installed in the UFB-containing liquid recovery container 1203 as shown in FIG. 1, and circulation is continued while checking the UFB concentration with the UFB concentration controller 1204. To do. Then, when the UFB-containing liquid reaches a desired UFB concentration, the UFB-containing liquid can be recovered to obtain a UFB-containing liquid whose UFB concentration is strictly controlled.
  • the UFB concentration sensor 1219 is a sensor of a type that irradiates a UFB-containing liquid with a green laser and calculates the concentration from the refraction of light. By using this UFB concentration sensor 1219, the inventors can obtain a highly accurate UFB-containing liquid. I succeeded in creating it.
  • the example of nitrogen gas has been described as the gas to be dissolved in the liquid, but the present invention is not limited to this, and the gas contained in UFB can be arbitrarily selected.
  • a gas selected from the group consisting of hydrocarbon gases such as hydrogen, helium, oxygen and methane, ethane and propane, fluorine and fluorocarbon gases, neon, carbon dioxide, ozone, argon, chlorine and air.
  • hydrocarbon gases such as hydrogen, helium, oxygen and methane, ethane and propane, fluorine and fluorocarbon gases, neon, carbon dioxide, ozone, argon, chlorine and air.
  • FIG. 13 is a diagram showing a flow of dispensing and mixing UFB-containing liquids of different gases according to a desired mixing ratio.
  • the mixing of the UFB-containing liquids of three types of gases gas A, gas B, and gas C will be described.
  • the UFB-containing liquid 1300A of gas A, the UFB-containing liquid 1300B of gas B, and the UFB-containing liquid 1300C of gas C are mixed based on a pre-measured concentration (UFB content density).
  • the UFB-containing liquid 1301 is a mixture of the UFB-containing liquid 1300A, the UFB-containing liquid 1300B, and the UFB-containing liquid 1300C so as to have a mixing ratio of 1: 1: 1.
  • the UFB-containing liquid 1302 is a mixture of the UFB-containing liquid 1300A, the UFB-containing liquid 1300B, and the UFB-containing liquid 1300C so as to have a mixing ratio of 1: 2: 3.
  • the UFB-containing liquid is combined as a UFB-containing liquid without impairing the properties of each UFB. Performance can be obtained.
  • FIG. 14 is a diagram showing a quantitative mixing device 1404 capable of obtaining a UFB-containing liquid having a desired concentration for each gas.
  • the concentration of each of the gas A, gas B, and gas C-containing liquids is set in the respective UFB-containing liquid recovery containers 1400A, 1400B, and 1400C so as to have a desired mixing ratio. Measure with 521A, 521B, and 521C.
  • Each UFB-containing liquid is mixed based on the measurement results of the concentration sensors 1403A, 1403B and 1403C.
  • the UFB-containing liquid 1401 is obtained by mixing the UFB-containing liquid 1400A, the UFB-containing liquid 1400B, and the UFB-containing liquid 1400C in a mixing ratio of 1: 1: 1.
  • the UFB-containing liquid 1402 is a mixture of the UFB-containing liquid 1400A, the UFB-containing liquid 1400B, and the UFB-containing liquid 1400C so as to have a mixing ratio of 1: 2: 3.
  • FIG. 15 is a diagram showing a UFB-containing liquid generator 1000 and a production step of mixing the UFB-containing liquid in a desired mixing ratio.
  • the last alphabetic character in each code of FIG. 15 represents the corresponding gas.
  • the three UFB-containing liquid generators 1000 generate UFB-containing liquids of UFB containing three different gases, and mix the produced UFB-containing liquids.
  • pure water is used as a liquid that dissolves a gas will be described.
  • Each gas is first sent to the gas dissolution tank 1202 (1202A, 1202B, 1202C) and dissolved in the degassed pure water.
  • concentration sensors 1214A, 1213B, and 1213C are installed in each gas dissolution tank 1202, and each gas dissolution tank 1202 dissolves until a desired concentration is reached.
  • the liquid feed pumps 1216A, 1216B and 1216C are operated.
  • the three-way valves 1218A, 1218B, and 1218C are made to flow from the gas dissolution tank 1202 to the UFB generation head 1217, and the UFB mixture is generated by each UFB generation head 1217.
  • the concentrations (UFB content density) of the UFB-containing liquid 1300A of the gas A, the UFB-containing liquid 1300B of the gas B, and the UFB-containing liquid 1300C of the gas C at the time of producing the UFB mixture are different per unit time. Therefore, in the present embodiment, the three-way valve 1218 is adjusted by the measured value of the UFB concentration sensor 1219 installed in each UFB mixed liquid recovery container 1203, and the UFB-containing liquid 1300 is circulated until the desired concentration is reached.
  • the individual UFB-containing liquids thus produced can be weighed according to the UFB concentration ratio of each gas and mixed to obtain a desired UFB mixed liquid of gas A, gas B, and gas C. Since the UFB contained in the UFB-containing liquid thus obtained maintains a stable shape (size) at the initial stage of formation even after being mixed, there is little change with time, and the characteristics as a UFB-containing liquid are exhibited. Can be maintained for a long time.
  • FIG. 16 is a diagram showing a UFB-containing liquid generator 1000 and a production step of mixing the UFB-containing liquid in a desired mixing ratio in the present embodiment.
  • the last alphabetic character in each code of FIG. 16 represents the corresponding gas.
  • the pump 1222 is connected to the UFB-containing liquid recovery container 1203, and the generated UFB-containing liquid is supplied to the quantitative mixing device 1404 by the pump 1222.
  • the pump 1222 by selectively driving the pump corresponding to the gas, it becomes easy to selectively mix the UFB-containing liquid of the required gas.
  • the UFB-containing liquid of the gas A and the gas C can be easily mixed. It is also possible to select only two types such as the UFB-containing liquid of.
  • by connecting a system for producing a UFB-containing liquid of a larger amount of gas it is possible to produce a mixed UFB-containing liquid composed of a UFB-containing liquid of a larger amount of gas.
  • FIG. 17 is a diagram showing a UFB-containing liquid generator 1000 and a production step of mixing a UFB-containing liquid in a desired mixing ratio in the present embodiment.
  • the last alphabetic character in each code of FIG. 17 represents the corresponding gas.
  • a mixed UFB-containing liquid is produced by producing a UFB mixed aqueous solution from two types of gas dissolved solutions having significantly different gas solubilities and mixing them at a desired UFB ratio.
  • a UFB-containing solution was produced from a carbon dioxide solution 1300B having a solubility at 0 ° C. of 1.713 ml / ml and a nitrogen solution 1300A having a solubility of 0.0231 ml / ml.
  • the UFB-containing liquid is mixed in a desired ratio. Since carbon dioxide 1300B and nitrogen 1300A have different solubilities as described above, nitrogen 1300A is stored in a large-capacity UFB-containing liquid recovery container 1203A and circulated more to generate a large amount of UFB.
  • FIG. 18 is a diagram showing a UFB-containing liquid generator 1000 and a production step of mixing the UFB-containing liquid in a desired mixing ratio in the present embodiment.
  • the last alphabetic character in each code of FIG. 18 represents the corresponding gas.
  • a system for mixing the UFB-containing liquid produced by the UFB-containing liquid generator 1000 with the UFB-free solution C (1800C) and the solution D (1800D) will be described.
  • the gas A is oxygen
  • the gas B is nitrogen
  • the solution C is an aqueous surfactant solution
  • the solution D is an alkaline aqueous solution.
  • the degassed pure water is saturated with each gas. Dissolve until.
  • the UFB-containing liquid generator 1000 for gas A and the UFB-containing liquid generator for gas B are connected to the quantitative mixing device 1404 via a pump 1222, and the container 1801 for storing the solution C and the container for storing the solution D are stored. 1802 is connected to the quantitative mixing device 1404 via pumps 1222C and 1222D.
  • a UFB-containing liquid of oxygen and nitrogen is generated by the UFB-containing liquid generator 1000 of gas A and the UFB-containing liquid generator of gas B.
  • oxygen and nitrogen were sent to the quantitative mixer 500 by pumps 1222C and 1222D, and combined with the UFB-containing mixture of oxygen and nitrogen mixed earlier, the surfactant was 0.1 to 1% and the hydrogen ion concentration was 0.1 to 1%. Mix until (pH) is 7.5-8.
  • a cutting fluid was prepared from the mixed UFB-containing liquid produced as described above.
  • General cutting fluids include emulsion type to which mineral oil and synthetic oil are added, solution type to which water-soluble solvent is added, and soluble type which has both characteristics. All of them have problems such as health damage caused by mist and environmental adaptability.
  • the cutting fluid composed of the mixed UFB-containing liquid contains 99% or more of water, so that the above-mentioned problems are solved and the workability, which is the original purpose, is not deteriorated.
  • the oxygen and nitrogen UFB combined with the surfactant, wraps around the processing point to enhance the cooling effect, reduce the processing load, and extend the life of the grindstone.
  • the alkaline component suppresses the generation of rust due to the oxygen-containing UFB.
  • the oxygen-containing UFB contributes to the prevention of bacterial putrefaction in the recovered cutting fluid, and the effect of suppressing the generation of putrefactive odor can be obtained.
  • the aqueous solution containing no UFB is not limited to the examples given in this embodiment, and can be arbitrarily selected. Further, in the present embodiment, the UFB-free aqueous solution has been described as an example of two types, a surfactant aqueous solution and an alkaline aqueous solution, but the present invention is not limited to this, and a single type or a plurality of types may be used.
  • a high-performance liquid based on the mixed UFB-containing liquid can be produced in large quantities at low cost.
  • FIG. 19 is a diagram showing a UFB-containing liquid generation system of the first comparative example.
  • a mixed gas adjusted to a desired mixed concentration is supplied to the gas dissolution layer 1202 to generate a mixed dissolution liquid.
  • the mixed solution is heated to cause film boiling to generate UFB containing the mixed gas.
  • FIG. 20 is a diagram showing a UFB-containing liquid generation system of the second comparative example.
  • a dissolution liquid for each gas is generated, and a dissolution liquid mixing tank is used via a concentration controller based on the value obtained by the concentration sensor so that the produced dissolution liquid has a predetermined concentration.
  • a concentration controller based on the value obtained by the concentration sensor so that the produced dissolution liquid has a predetermined concentration.

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Abstract

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

Description

ウルトラファインバブルを含有するウルトラファインバブル含有液を生成する生成方法、ウルトラファインバブルを含有する液体の製造装置
　本発明は、直径が１．０μｍ未満のウルトラファインバブルを含有するウルトラファインバブル含有液を生成する生成方法、ウルトラファインバブルを含有する液体の製造装置に関する。
　近年、直径がマイクロメートルサイズのマイクロバブル、および直径がナノメートルサイズのナノバブル等の微細なバブルの特性を応用する技術が開発されてきている。特に、直径が１．０μｍ未満のウルトラファインバブル（Ｕｌｔｒａ　Ｆｉｎｅ　Ｂｕｂｂｌｅ；以下、「ＵＦＢ」ともいう）については、その有用性が様々な分野において確認されている。
　特許文献１には、気体を加圧溶解した加圧液を減圧ノズルから噴出させることによって、微細なバブルを生成する微細気泡生成装置が開示されている。また、特許文献２には、混合ユニットを用いて気体混合液体の分流と合流を繰り返すことによって、微細なバブルを生成する装置が開示されている。
特開２０１４－１０４４４１号公報 国際公開２００９／０８８０８５号
　ＵＦＢの用途によっては生成されたＵＦＢを効果的に用いるために、所望の気体を適正な比率で混合しＵＦＢ化することが求められる場合がある。しかし、それぞれの気体成分が適正な成分比率となるＵＦＢを生成する十分な構成がなく、非常に不安定かつ出来なりの混合比率のＵＦＢ含有液を生成するしかなかった。
　よって本発明は、気体成分の異なる複数種類のＵＦＢが所望の濃度比率で混合されたウルトラファインバブル含有液の生成方法、ウルトラファインバブル含有液の製造装置を提供することを目的とする。
　そのため本発明のウルトラファインバブル含有液の生成方法は、第１気体を液体に溶解して第１溶解液を生成する第１溶解工程と、第２気体を液体に溶解して第２溶解液を生成する第２溶解工程と、前記第１溶解液を発熱素子により加熱し、前記第１溶解液と当該発熱素子との界面に膜沸騰を生じさせることで生成したウルトラファインバブルを生成し、ウルトラファインバブルを含有する第１ウルトラファインバブル含有液を生成する第１生成工程と、前記第２溶解液を発熱素子により加熱し、前記第２溶解液と当該発熱素子との界面に膜沸騰を生じさせることで生成したウルトラファインバブルを生成し、ウルトラファインバブルを含有する第２ウルトラファインバブル含有液を生成する第２生成工程と、前記第１ウルトラファインバブル含有液の濃度と、前記第２ウルトラファインバブル含有液の濃度と、に基づいて、前記第１ウルトラファインバブル含有液と、前記第２ウルトラファインバブル含有液と、を混合する混合工程と、を有することを特徴とする。
　本発明によれば、気体成分の異なる複数種類のＵＦＢが所望の濃度比率で混合されたウルトラファインバブル含有液を生成する生成方法、ウルトラファインバブルを含有する液体の製造装置を提供することができる。
　本発明の更なる特徴は、添付の図面を参照して行う以下の実施形態の説明より明らかになる。
ＵＦＢ生成装置の一例を示す図である。 前処理ユニットの概略構成図である。 溶解ユニットの概略構成図及び液体の溶解状態を説明するための図である。 Ｔ－ＵＦＢ生成ユニットの概略構成図である。 発熱素子の詳細を説明するための図である。 発熱素子における膜沸騰の様子を説明するための図である。 膜沸騰泡の膨張に伴ってＵＦＢが生成される様子を示す図である。 膜沸騰泡の収縮に伴ってＵＦＢが生成される様子を示す図である。 液体の再加熱によってＵＦＢが生成される様子を示す図である。 膜沸騰で生成される泡の消泡時の衝撃波によってＵＦＢが生成される様子を示す図である。 後処理ユニットの構成例を示す図である。 ＵＦＢ含有液生成装置を示した概略図である。 ＵＦＢ含有液を所望の混合比率に従い分注、混合する流れを示した図である。 所望濃度のＵＦＢ含有液を得ることが可能な定量混合装置を示した図である。 ＵＦＢ含有液生成装置とＵＦＢ含有液を混合する生成工程を示した図である。 ＵＦＢ含有液生成装置とＵＦＢ含有液を混合する生成工程を示した図である。 ＵＦＢ含有液生成装置とＵＦＢ含有液を混合する生成工程を示した図である。 ＵＦＢ含有液生成装置とＵＦＢ含有液を混合する生成工程を示した図である。 第１比較例のＵＦＢ含有液生成システムを示した図である。 第２比較例のＵＦＢ含有液生成システムを示した図である。
（第１の実施形態）
　以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。
＜＜ＵＦＢ生成装置の構成＞＞
　図１は、本発明に適用可能なＵＦＢ生成装置の一例を示す図である。本実施形態のＵＦＢ生成装置１は、前処理ユニット１００、溶解ユニット２００、Ｔ－ＵＦＢ生成ユニット３００、後処理ユニット４００、及び回収ユニット５００を含む。前処理ユニット１００に供給された水道水などの液体Ｗは、上記の順番で各ユニット固有の処理が施され、Ｔ－ＵＦＢ含有液として回収ユニット５００で回収される。
　以下、各ユニットの機能及び構成について説明する。詳細は後述するが、本明細書では急激な発熱に伴う膜沸騰を利用して生成したＵＦＢをＴ－ＵＦＢ（Ｔｈｅｒｍａｌ－Ｕｌｔｒａ　Ｆｉｎｅ　Ｂｕｂｂｌｅ）と称す。
　図２は、前処理ユニット１００の概略構成図である。本実施形態の前処理ユニット１００は、供給された液体Ｗに対し脱気処理を行う。前処理ユニット１００は、主に、脱器容器１０１、シャワーヘッド１０２、減圧ポンプ１０３、液体導入路１０４、液体循環路１０５、液体導出路１０６を有する。例えば水道水のような液体Ｗは、バルブ１０９を介して、液体導入路１０４から脱気容器１０１に供給される。この際、脱気容器１０１に設けられたシャワーヘッド１０２が、液体Ｗを霧状にして脱気容器１０１内に噴霧する。シャワーヘッド１０２は、液体Ｗの気化を促すためのものであるが、気化促進効果を生み出す機構としては、遠心分離器なども代替可能である。
　ある程度の液体Ｗが脱器容器１０１に貯留された後、全てのバルブを閉じた状態で減圧ポンプ１０３を作動させると、既に気化している気体成分が排出されるとともに、液体Ｗに溶解している気体成分の気化と排出も促される。この際、脱気容器１０１の内圧は、圧力計１０８を確認しながら数百～数千Ｐａ（１．０Ｔｏｒｒ～１０．０Ｔｏｒｒ）程度に減圧されればよい。前処理ユニット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前処理ユニット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３Ｂ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、図５（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０．５μｓｅｃ～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１．０μｍ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が支配的に、かつ、効率的に生成されることになる。また、Ｔ－ＵＦＢ生成方法によって生成されたＴ－ＵＦＢは、従来法によって生成されたＵＦＢよりも高い気液界面エネルギを有し、常温常圧で保存する限り簡単に消滅することはない。更に、新たな膜沸騰によって新たなＴ－ＵＦＢが生成されても、先行して生成されていたＴ－ＵＦＢがその衝撃によって消滅することも抑制される。つまり、Ｔ－ＵＦＢ含有液に含まれるＴ－ＵＦＢの数や濃度は、Ｔ－ＵＦＢ含有液における膜沸騰の発生回数に対しヒステリシス特性を有すると言える。言い替えると、Ｔ－ＵＦＢ生成ユニット３００に配する発熱素子の数や発熱素子に対する電圧パルスの印加回数を制御することにより、Ｔ－ＵＦＢ含有液に含まれるＴ－ＵＦＢの濃度を調整することができる。
　再び図１を参照する。Ｔ－ＵＦＢ生成ユニット３００において、所望のＵＦＢ濃度を有するＴ－ＵＦＢ含有液Ｗが生成されると、当該ＵＦＢ含有液Ｗは、後処理ユニット４００に供給される。
　図１１（ａ）～（ｃ）は、本実施形態の後処理ユニット４００の構成例を示す図である。本実施形態の後処理ユニット４００は、ＵＦＢ含有液Ｗに含まれる不純物を、無機物イオン、有機物、不溶固形物、の順に段階に除去する。
　図１１（ａ）は、無機物イオンを除去するための第１の後処理機構４１０を示す。第１の後処理機構４１０は、交換容器４１１、陽イオン交換樹脂４１２、液体導入路４１３、集水管４１４及び液体導出路４１５を備えている。交換容器４１１には、陽イオン交換樹脂４１２が収容されている。Ｔ－ＵＦＢ生成ユニット３００で生成されたＵＦＢ含有液Ｗは、液体導入路４１３を経由して交換容器４１１に注入され、陽イオン交換樹脂４１２に吸収され、ここで不純物としての陽イオンが除去される。このような不純物には、Ｔ－ＵＦＢ生成ユニット３００の素子基板１２より剥離した金属材料などが含まれ、例えばＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＣ、Ｔａ、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｉｒが挙げられる。
　陽イオン交換樹脂４１２は、三次元的な網目構造を持った高分子母体に官能基（イオン交換基）を導入した合成樹脂であり、合成樹脂は０．４～０．７ｍｍ程度の球状粒子を呈している。高分子母体としては、スチレン－ジビニルベンゼンの共重合体が一般的であり、官能基としては例えばメタクリル酸系とアクリル酸系のものを用いることができる。但し、上記材料は一例である。所望の無機イオンを効果的に除去することができれば、上記材料は様々に変更可能である。陽イオン交換樹脂４１２に吸収され、無機イオンが除去されたＵＦＢ含有液Ｗは、集水管４１４によって集水され、液体導出路４１５を介して次の工程に送液される。
　図１１（ｂ）は、有機物を除去するための第２の後処理機構４２０を示す。第２の後処理機構４２０は、収容容器４２１、ろ過フィルタ４２２、真空ポンプ４２３、バルブ４２４、液体導入路４２５、液体導出路４２６、及びエア吸引路４２７を備えている。収容容器４２１の内部は、ろ過フィルタ４２２によって上下２つの領域に分割されている。液体導入路４２５は、上下２つの領域のうち上方の領域に接続し、エア吸引路４２７及び液体導出路４２６は下方の領域に接続する。バルブ４２４を閉じた状態で真空ポンプ４２３を駆動すると、収容容器４２１内の空気がエア吸引路４２７を介して排出され、収容容器４２１の内部が負圧になり、液体導入路４２５よりＵＦＢ含有液Ｗが導入される。そして、ろ過フィルタ４２２によって不純物が除去された状態のＵＦＢ含有液Ｗが収容容器４２１に貯留される。
　ろ過フィルタ４２２によって除去される不純物には、チューブや各ユニットで混合され得る有機材料が含まれ、例えばシリコンを含む有機化合物、シロキサン、エポキシなどが挙げられる。ろ過フィルタ４２２に使用可能なフィルタ膜としては、細菌系まで除去できるサブμｍメッシュのフィルタや、ウィルスまで除去できるｎｍメッシュのフィルタが挙げられる。
　収容容器４２１にＵＦＢ含有液Ｗがある程度貯留された後、真空ポンプ４２３を停止してバルブ４２４を開放すると、収容容器４２１のＴ－ＵＦＢ含有液は液体導出路４２６を介して次の工程に送液される。なお、ここでは、有機物の不純物を除去する方法として真空ろ過法を採用したが、フィルタを用いたろ過方法としては、例えば重力ろ過法や加圧ろ過を採用することもできる。
　図１１（ｃ）は、不溶の固形物を除去するための第３の後処理機構４３０を示す。第３の後処理機構４３０は、沈殿容器４３１、液体導入路４３２、バルブ４３３及び液体導出路４３４を備えている。
　まず、バルブ４３３を閉じた状態で沈殿容器４３１に所定量のＵＦＢ含有液Ｗを液体導入路４３２より貯留し、しばらく放置する。この間、ＵＦＢ含有液Ｗに含まれている固形物は、重力によって沈殿容器４３１の底部に沈降する。また、ＵＦＢ含有液に含まれるバブルのうち、マイクロバブルのような比較的大きなサイズのバブルも浮力によって液面に浮上し、ＵＦＢ含有液から除去される。十分な時間が経過した後バルブ４３３を開放すると、固形物や大きなサイズのバブルが除去されたＵＦＢ含有液Ｗが液体導出路４３４を介して、回収ユニット５００に送液される。本実施形態では３つの後処理機構を順に適用する例を示したが、これに限られず、必要に応じた後処理機構を適宜採用すれば良い。
　再度図１を参照する。後処理ユニット４００で不純物が除去されたＴ－ＵＦＢ含有液Ｗは、そのまま回収ユニット５００に送液してもよいが、再び溶解ユニット２００に戻すこともできる。後者の場合、Ｔ－ＵＦＢの生成によって低下したＴ－ＵＦＢ含有液Ｗの気体溶解濃度を、溶解ユニット２００において再び飽和状態まで補填することができる。その上で新たなＴ－ＵＦＢをＴ－ＵＦＢ生成ユニット３００で生成すれば、上述した特性のもと、Ｔ－ＵＦＢ含有液のＵＦＢ含有濃度を更に上昇させることができる。すなわち、溶解ユニット２００、Ｔ－ＵＦＢ生成ユニット３００、後処理ユニット４００を巡る循環回数の分だけ、ＵＦＢ含有濃度を高めることができ、所望のＵＦＢ含有濃度が得られた後に、当該ＵＦＢ含有液Ｗを回収ユニット５００に送液することができる。
　回収ユニット５００は、後処理ユニット４００より送液されて来たＵＦＢ含有液Ｗを回収及び保存する。回収ユニット５００で回収されたＴ－ＵＦＢ含有液は、様々な不純物が除去された純度の高いＵＦＢ含有液となる。
　回収ユニット５００においては、何段階かのフィルタリング処理を行い、ＵＦＢ含有液ＷをＴ－ＵＦＢのサイズごと分類してもよい。また、Ｔ－ＵＦＢ方式により得られるＴ－ＵＦＢ含有液Ｗは、常温よりも高温であることが予想されるため、回収ユニット５００には冷却手段を設けてもよい。なお、このような冷却手段は、後処理ユニット４００の一部に設けられていてもよい。
　以上が、ＵＦＢ生成装置１の概略であるが、図示したような複数のユニットは無論変更可能であり、全てを用意する必要は無い。使用する液体Ｗや気体Ｇの種類、また生成するＴ－ＵＦＢ含有液の使用目的に応じて、上述したユニットの一部を省略してもよいし、上述したユニット以外に更に別のユニットを追加してもよい。
　例えば、ＵＦＢに含有させる気体が大気である場合は、前処理ユニット１００や溶解ユニット２００を省略することができる。反対に、ＵＦＢに複数種類の気体を含ませたい場合は、溶解ユニット２００を更に追加してもよい。
　また、図１１（ａ）～（ｃ）で示すような不純物を除去するためのユニットは、Ｔ－ＵＦＢ生成ユニット３００よりも上流に設けてもよいし、上流と下流の両方に設けてもよい。ＵＦＢ生成装置に供給される液体が水道水や雨水、また汚染水などの場合は、液体中に有機系や無機系の不純物が含まれている事がある。そのような不純物を含んだ液体ＷをＴ－ＵＦＢ生成ユニット３００に供給すると、発熱素子１０を変質させたり、塩析現象を招致したりするおそれが生じる。図１１（ａ）～（ｃ）で示すような機構をＴ－ＵＦＢ生成ユニット３００よりも上流に設けておくことにより、上記のような不純物を事前に除去することができる。
　図１２は、本実施形態のＵＦＢ含有液生成装置１０００を示した概略図である。ここではＵＦＢ内の気体を窒素、液体を純水とした例を説明する。ＵＦＢ含有液生成装置１０００は、純水を内部に貯留した溶液槽１２００と、窒素ガスを貯留した窒素ガスボンベ１２０１と、窒素ガスを純水に溶解するガス溶解槽１２０２と、ＵＦＢを含有した液体を回収するＵＦＢ含有液回収容器１２０３とを備えている。更にＵＦＢ含有液生成装置１０００は、ＵＦＢの濃度を制御するＵＦＢ濃度コントローラ１２０４、濃度コントローラ１２０５と、脱気を行う脱気モジュール１２０６と、ＵＦＢ含有液生成装置１０００の駆動を制御する駆動制御システム１２０７を備えている。
　純水は溶液槽１２００からポンプ１２０８で吸い上げられ、脱気モジュール１２０６を介して純水中に溶存する空気が脱気ポンプ１２０９で減圧除去されたのち、ガス溶解槽１２０２に搬送される。ガス溶解槽１２０２には、あらかじめ窒素ガスボンベ１２０１から窒素ガスが供給され満たされている。なお、窒素ガスボンベ１２０１には逆止弁１２２１が設けられており、窒素ガスボンベ１２０１への窒素ガスの逆流を防止している。窒素ガスは、窒素ガスボンベ１２０１から圧力調整弁１２１０と、電磁開閉弁１２１１とを介してガス溶解槽１２０２に送られる。
　ガス溶解槽１２０２に送り込まれた純水は、マグネットスターラーや超音波などに代表されるガス溶解促進機構２０５で撹拌され、窒素ガスを飽和溶解度まで溶解させる。このとき、ガス溶解槽１２０２全体を冷却するとより早い時間で高濃度の窒素ガスが溶解した純水を生成することが可能となる。そのため、ガス溶解槽１２０２は、冷却水を流す冷却ジャケット１２１２で外壁を取り囲まれている。なお、ここでは冷却方法は容器外側から冷やす方式を説明したが、これに限らず、容器内部に冷却液を通した蛇管を入れて冷却する方式でもよい。
　ガス溶解槽１２０２の中には、ガスの濃度検知をする濃度センサ１２１３が設けられている。ガス溶解槽１２０２では、濃度センサ１２１３の検知結果に基づいて、ガス溶解槽１２０２内の純水中の窒素ガスの濃度が飽和に近い状態もしくは飽和状態になるまで窒素ガスを供給しながら、ガス溶解促進機構１２１４で溶解し続ける。ここで、ガス溶解槽１２０２内の圧力が耐圧を超過しないよう、過剰の窒素ガスは安全弁１２１５を介して外部へ逃がすことで、ガス溶解槽１２０２内が一定圧力になるよう調整される。
　ガス溶解槽１２０２内で所望の窒素ガスの濃度（窒素の場合、飽和溶解度０．０２３１ｍｌ／ｍｌ）に達した窒素ガス溶解液は、送液ポンプ１２１６でＵＦＢ生成ヘッド１２１７に供給される。その後、ＵＦＢ生成ヘッド１２１７内で、配列された加熱ヒータ（不図示）によって窒素ガス溶解液を加熱し膜沸騰を生じさせ窒素ガスのＵＦＢが生成される。生成された窒素ＵＦＢを含む窒素ガス溶解液は、ＵＦＢ含有液回収容器１２０３に回収される。ここで、より高濃度なＵＦＢ含有液を生成する場合は、三方弁１２１８のガス溶解槽１２０２側からの供給を止め、ＵＦＢ含有液回収容器１２０３とＵＦＢ生成ヘッド１２１７とで窒素ＵＦＢを含む窒素ガス溶解液を循環させればよい。ＵＦＢ生成ヘッド１２１７の駆動を伴う循環によってＵＦＢの濃度は高くなり、高濃度なＵＦＢ含有液を得ることができる。
　本発明によって得られるＵＦＢは、直径が数十から百ナノメートルのきわめて形状が安定したＵＦＢである。そのため、ＵＦＢ含有液における含有濃度は、供給するガス溶解液の量と一定の駆動条件のもとにおいて、ＵＦＢ生成ヘッド１２１７を繰り返し循環する回数や時間にほぼ比例する。そのため、ＵＦＢ含有液を循環する条件を管理することで、所望の濃度（ＵＦＢ含有密度）のＵＦＢ含有液を得ることができる。
　更にＵＦＢ濃度を厳密に管理したＵＦＢ含有液を得る場合は、図１のようにＵＦＢ含有液回収容器１２０３にＵＦＢ濃度センサ１２１９を設置し、ＵＦＢ濃度コントローラ１２０４でＵＦＢ濃度を確認しながら循環を継続する。そして、ＵＦＢ含有液が所望のＵＦＢ濃度に達したらＵＦＢ含有液を回収することで、ＵＦＢ濃度を厳密に管理したＵＦＢ含有液を得ることができる。ＵＦＢ濃度センサ１２１９は、グリーンレーザーをＵＦＢ含有液に照射し、光の屈折から濃度を割り出す方式のセンサであり、発明者らは、このＵＦＢ濃度センサ１２１９を用いることで高精度のＵＦＢ含有液を作り出すことに成功した。
　また、本実施形態では液体に溶解させる気体として、窒素ガスの例を説明したが、これに限らず、ＵＦＢが含有する気体を任意に選択することが可能である。例えば、水素、ヘリウム、酸素やメタン、エタン、プロパンなどの炭化水素系の気体、フッ素やフッ化炭素系の気体、ネオン、二酸化炭素、オゾン、アルゴン、塩素、空気からなる群から選択される気体を含むことができる。
　図１３は、異なる気体のＵＦＢ含有液を所望の混合比率に従い分注、混合する流れを示した図である。ここでは３種類の気体（気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃ）のＵＦＢ含有液の混合について説明する。
　気体ＡのＵＦＢ含有液１３００Ａ、気体ＢのＵＦＢ含有液１３００Ｂ、気体ＣのＵＦＢ含有液１３００Ｃをあらかじめ測定された濃度（ＵＦＢ含有密度）に基づいて混合する。ＵＦＢ含有液１３０１は、ＵＦＢ含有液１３００Ａ、ＵＦＢ含有液１３００Ｂ、ＵＦＢ含有液１３００Ｃの混合比を１：１：１になるように混合したものである。また、ＵＦＢ含有液１３０２は、ＵＦＢ含有液１３００Ａ、ＵＦＢ含有液１３００Ｂ、ＵＦＢ含有液１３００Ｃの混合比を１：２：３になるように混合したものである。このように、それぞれのガス溶解液ごとに生成したＵＦＢ含有液をあらかじめ計測した濃度（ＵＦＢ含有密度）に基づいて混合することにより、それぞれのＵＦＢが持つ性質を損ねることなく、ＵＦＢ含有液として複合的な性能を得ることが可能となる。
　図１４は、各気体について所望の濃度のＵＦＢ含有液を得ることが可能な定量混合装置１４０４を示した図である。ＵＦＢ含有液を混合するにあたり、所望の混合比率になるように気体Ａ、気体Ｂ、気体Ｃそれぞれの含有液の濃度を、それぞれのＵＦＢ含有液回収容器１４００Ａ、１４００Ｂ、１４００Ｃ内に設置した濃度センサ５２１Ａ、５２１Ｂ、５２１Ｃで計測する。濃度センサ１４０３Ａ、１４０３Ｂ、１４０３Ｃでの計測結果に基づいて、各ＵＦＢ含有液が混合される。ＵＦＢ含有液１４０１は、ＵＦＢ含有液１４００Ａ、ＵＦＢ含有液１４００Ｂ、ＵＦＢ含有液１４００Ｃの混合比を１：１：１になるように混合したものである。また、ＵＦＢ含有液１４０２は、ＵＦＢ含有液１４００Ａ、ＵＦＢ含有液１４００Ｂ、ＵＦＢ含有液１４００Ｃの混合比を１：２：３になるように混合したものである。
　図１５は、ＵＦＢ含有液生成装置１０００とＵＦＢ含有液を所望の混合比率に混合する生成工程とを示した図である。なお、図１５の各符号における最後の英文字は、対応する気体を表している。３つのＵＦＢ含有液生成装置１０００で、３種類の異なる気体を含有するＵＦＢのＵＦＢ含有液を生成し、生成したＵＦＢ含有液を混合する。ここでは、気体を溶解する液体に純水を使用した場合について説明する。
　それぞれの気体は、まずガス溶解槽１２０２（１２０２Ａ、１２０２Ｂ、１２０２Ｃ）に送り込まれ、脱気した純水中に溶解させる。ここで、ガスの種類によって純水に対する溶解度が異なるため、それぞれのガス溶解槽１２０２に、濃度センサ１２１４Ａ、１２１３Ｂ、１２１３Ｃを設置して、それぞれのガス溶解槽１２０２ごとに所望の濃度に達するまで溶解を続ける。すべてのガス溶解槽１２０２が所望の濃度に達したら、送液ポンプ１２１６Ａ、１２１６Ｂ、１２１６Ｃを稼動させる。送液ポンプの稼働とともに、三方弁１２１８Ａ、１２１８Ｂ、１２１８Ｃをガス溶解槽１２０２からＵＦＢ生成ヘッド１２１７に供給する流れにして、それぞれのＵＦＢ生成ヘッド１２１７によってＵＦＢ混合液を生成する。
　ＵＦＢ混合液生成時における、気体ＡのＵＦＢ含有液１３００Ａ、気体ＢのＵＦＢ含有液１３００Ｂ、気体ＣのＵＦＢ含有液１３００Ｃの濃度（ＵＦＢ含有密度）は、単位時間当たりで異なる。そのため本実施形態では、それぞれのＵＦＢ混合液回収容器１２０３に設置したＵＦＢ濃度センサ１２１９の測定値で三方弁１２１８を調整し、所望の濃度に達するまでＵＦＢ含有液１３００を循環させる。
　このようにしてできた個別のＵＦＢ含有液をそれぞれの気体のＵＦＢ濃度比率に応じて秤量し、混合して所望の気体Ａ、気体Ｂ、気体ＣのＵＦＢ混合液を得ることができる。このようにして得られたＵＦＢ含有液が含有するＵＦＢは、混合された後も生成初期の安定した形状（大きさ）を維持しているため、経時変化も少なく、ＵＦＢ含有液としての特性を長時間維持することができる。
　このように、ＵＦＢ含有液を気体毎に複数種類生成し、そのＵＦＢ含有液を所望のＵＦＢの濃度比率に基づいて混合する。これによって、気体成分の異なる複数種類のＵＦＢが所望の濃度比率で混合されたウルトラファインバブル含有液を生成する生成方法、ウルトラファインバブルを含有する液体の製造装置を提供することができる。
（第２の実施形態）
　以下、図面を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成について説明する。
　図１６は、本実施形態におけるＵＦＢ含有液生成装置１０００とＵＦＢ含有液を所望の混合比率に混合する生成工程とを示した図である。なお、図１６の各符号における最後の英文字は、対応する気体を表している。本実施形態では、ＵＦＢ含有液回収容器１２０３にポンプ１２２２が接続されており、生成されたＵＦＢ含有液はポンプ１２２２によって定量混合装置１４０４に供給される。本実施形態の構成により、気体に対応したポンプを選択的に駆動させることで、必要な気体のＵＦＢ含有液を選択的に混ぜ合わせることが容易となり、例えば、気体ＡのＵＦＢ含有液と気体ＣのＵＦＢ含有液などの２種類のみ選択することも可能である。また、更に多くの気体のＵＦＢ含有液を製造するシステムをつなぐことで、多くの気体のＵＦＢ含有液からなる混合ＵＦＢ含有液を製造することも可能となる。
　なお、本実施形態では、気体の種類ごとにポンプを備える構成を説明したが、これに眼底するものでなく、１つのポンプで弁を切り替えつつ複数のＵＦＢ含有液を供給してもよい。
（第３の実施形態）
　以下、図面を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成について説明する。
　図１７は、本実施形態におけるＵＦＢ含有液生成装置１０００とＵＦＢ含有液を所望の混合比率に混合する生成工程とを示した図である。なお、図１７の各符号における最後の英文字は、対応する気体を表している。本実施形態では、気体の溶解度が大きく異なる２種類の気体溶解液からＵＦＢ混合水溶液を生成し、所望のＵＦＢの比率で混合することで混合ＵＦＢ含有液を製造する。
　本実施形態では、例えば０℃における溶解度が、１．７１３ｍｌ／ｍｌの二酸化炭素の溶解液１３００Ｂと、０．０２３１ｍｌ／ｍｌの窒素の溶解液１３００Ａと、からＵＦＢ含有液をそれぞれ生成し、生成したＵＦＢ含有液を所望の比率で混合する。二酸化炭素１３００Ｂと、窒素１３００Ａとでは上記のように溶解度が異なるため、窒素１３００Ａに関しては、容量の大きなＵＦＢ含有液回収容器１２０３Ａで貯留し、より多く循環させることで多くのＵＦＢを生成する。このようにして、それぞれ生成したＵＦＢを混合させることで、均一な形状（大きさ）のＵＦＢからなるＵＦＢ混合液を得ることができる。
（第４の実施形態）
　以下、図面を参照して本発明の第４の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。
　図１８は、本実施形態におけるＵＦＢ含有液生成装置１０００とＵＦＢ含有液を所望の混合比率に混合する生成工程とを示した図である。なお、図１８の各符号における最後の英文字は、対応する気体を表している。本実施形態では、ＵＦＢ含有液生成装置１０００で生成したＵＦＢ含有液と、ＵＦＢを含有していない溶液Ｃ（１８００Ｃ）、溶液Ｄ（１８００Ｄ）とを混合するシステムについて説明する。
　本実施形態では、気体Ａを酸素、気体Ｂを窒素、溶液Ｃを界面活性剤水溶液、溶液Ｄをアルカリ水溶液とし、気体Ａと気体Ｂについては、脱気した純水にそれぞれの気体を飽和状態まで溶解させる。気体ＡのＵＦＢ含有液生成装置１０００と気体ＢのＵＦＢ含有液生成装置とは、ポンプ１２２２を介して定量混合装置１４０４と接続されており、溶液Ｃを貯留した容器１８０１および溶液Ｄを貯留した容器１８０２は、ポンプ１２２２Ｃ、１２２２Ｄを介して定量混合装置１４０４と接続されている。
　気体ＡのＵＦＢ含有液生成装置１０００と気体ＢのＵＦＢ含有液生成装置とにより酸素と窒素のＵＦＢ含有液を生成する。その後、ポンプ１２２２Ｃ、１２２２Ｄで酸素と窒素とを定量混合装置５００に送り込み、先に混合した酸素と窒素のＵＦＢ含有混合液と併せることで、界面活性剤が０．１～１％、水素イオン濃度（ｐＨ）７．５～８になるように混合する。
　本実施形態では、上記のようにして生成した混合ＵＦＢ含有液によって切削液を作製した。一般的な切削液は鉱油、合成油などが添加されているエマルジョンタイプや、水溶性の溶剤などが添加されたソリューションタイプや、それらの両方の特性を有したソリューブルタイプのものがあるが、何れもミストによる健康被害や環境適応性などの課題がある。
　これに対し、混合ＵＦＢ含有液からなる切削液は、９９％以上が水からなるため、前述したような課題を解決するとともに、本来の目的である加工性を落とすことはない。酸素と窒素のＵＦＢは、界面活性剤と合わさって加工ポイントに回り込み冷却効果を高め、加工負荷を下げるとともに、砥石の寿命を延ばすことが可能となる。また、アルカリ成分が酸素含有のＵＦＢによる錆発生を抑制する。一方、回収された切削液中のバクテリア腐敗防止に酸素含有のＵＦＢが寄与し、腐敗臭の発生を抑える効果を得ることができる。
　なお、ＵＦＢを含有しない水溶液は、本実施形態で挙げた例に限定するものでなく、任意に選択することができる。また、本実施形態ではＵＦＢを含有しない水溶液は、界面活性剤水溶液と、アルカリ水溶液との２種類を例に説明したが、これに限定するものでなく、単一種類でも複数種類でもよい。
　このように、本発明により混合ＵＦＢ含有液をベースにした高機能液を安価で大量に作ることができる。
（比較例）
　図１９は、第１比較例のＵＦＢ含有液生成システムを示した図である。第１比較例のＵＦＢ含有液生成システムでは、ガス溶解層１２０２に、所望の混合濃度に調整された混合気体を供給して混合溶解液を生成する。その後、混合溶解液を加熱し膜沸騰を生じさせることで、混合気体を含有するＵＦＢを生成する。
　また、図２０は、第２比較例のＵＦＢ含有液生成システムを示した図である。第２比較例のＵＦＢ含有液生成システムでは、気体毎の溶解液を生成し、生成した溶解液を所定の濃度になるよう濃度センサで得た値を基に濃度コントローラを介して溶解液混合槽で混合し、ＵＦＢ生成ヘッドに供給して混合気体を含有するＵＦＢを生成する。
　第１比較例および第２比較例のいずれの場合も、それぞれの気体の特徴を有するＵＦＢ混合水が生成されるが、本発明と異なり、ＵＦＢ内で各気体が混合されている。そのため、第１比較例および第２比較例は、本発明のようなそれぞれの気体のＵＦＢが持つ特徴を、作用させたい部位に適切に送り込む場合においては不向きである。
　また、比較例のような方法でオゾンのような活性の気体を混合気体にすると、気体の性質が失われ効果が得られないことがある。しかし、本発明の混合方法とすることで、ＵＦＢ内で気体は混合しないことから、気体の性質を失うことなく被作用部に最適な気体を含んだＵＦＢ含有液を供給することが可能となる。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
　本願は、２０１９年１０月３１日提出の日本国特許出願特願２０１９‐１９９３９３を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てをここに援用する。

Claims (7)

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