JP7480392B2 - ウルトラファインバブル含有液の製造装置 - Google Patents

Description

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の製造装置に関するものである。

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、加圧溶解法によって気体が加圧溶解された加圧液を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装置が記載されている。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記載されている。

特許第６１１８５４４号公報 特許第４４５６１７６号公報

特許文献１に記載の装置においては、液体を０．５～０．６ＭＰａの高圧とする必要がある。また、特許文献２に記載の装置においては、液体を３０気圧程度の高圧とする必要があり、しかも流路が複雑であるため装置が大型化し、消費電力も大きくなる。したがって、特許文献１，２に記載の装置は、いずれも構成が複雑であり、小型化を図ることが難しい。

また、特許文献１，２に記載のいずれの装置においても、ＵＦＢの生成時に、直径がナノサイズのＵＦＢに加えて、直径がミリメートルサイズのミリバブルおよび直径がミクロンサイズのマイクロバブルが比較的多量に生成される。そのため、ＵＦＢを効率よく生成することが難しい。また、種々のサイズのバブルの中からＵＦＢを取り出すためには大型な容器が必要となり、装置の小型化がより難しくなる。

本発明の目的は、ウルトラファインバブルを簡易な構成によって効率よく生成することにある。

本発明のウルトラファインバブルの生成方法は、圧力室と、前記圧力室に液体を供給する供給路と、前記圧力室に連通する吐出口と、前記圧力室内に配置され、液体を加熱することで、液体に膜沸騰を生じさせて、液体を前記吐出口から吐出するように構成された発熱手段と、前記吐出口から吐出された液体を回収する回収手段と、を備え、前記発熱手段において、液体の膜沸騰により生じる気泡のエネルギーによって、前記圧力室内の液体が前記吐出口から吐出されることで液体中に直径が１．０μｍ未満のウルトラファインバブルを生成することを特徴とする。

本発明によれば、液体に膜沸騰を生じさせることにより、ウルトラファインバブルを簡易な構成によって効率よく生成することができる。

本発明の第１の実施形態におけるＵＦＢ含有液の製造装置の概略構成図である。 図１における基板の断面図である。 本発明の第１の実施形態におけるＵＦＢの生成メカニズムの説明図である。 本発明の第１の実施形態において製造されたＵＦＢ含有液におけるバブル径の頻度分布の説明図である。 本発明の第２の実施形態におけるＵＦＢ含有液の製造装置の説明図である。 本発明の第３の実施形態において製造されたＵＦＢ含有液におけるバブル径の頻度分布の説明図である。 本発明の第４の実施形態におけるＵＦＢ含有液の製造装置の説明図である。 本発明の第４の実施形態におけるＵＦＢの生成メカニズムの説明図である。 本発明の第５の実施形態におけるＵＦＢ含有液の製造装置の説明図である。 本発明の第５の実施形態におけるＵＦＢの生成メカニズムの説明図である。 本発明の第６の実施形態におけるＵＦＢ含有液の製造装置の説明図である。 本発明の第６の実施形態におけるＵＦＢの生成メカニズムの説明図である。 本発明の第７の実施形態におけるＵＦＢ含有液の製造装置の説明図である。 本発明の第８の実施形態におけるＵＦＢ含有液の製造装置の説明図である。 本発明の第９の実施形態におけるＵＦＢ含有液の製造装置の説明図である。 本発明の第１０の実施形態におけるＵＦＢ含有液の製造装置の説明図である。 本発明の第１１の実施形態におけるＵＦＢ含有液の製造装置の説明図である。 本発明の第１２の実施形態におけるＵＦＢ含有液の製造装置の説明図である。 本発明の第１３の実施形態としてのＵＦＢ含有液の殺菌効果の説明図である。 本発明の第１４の実施形態におけるＵＦＢ含有液の製造装置の説明図である。 図２０における基板の断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例を示すＵＦＢ含有液の製造装置の説明図である。 本発明の第１の実施形態におけるＵＦＢの生成メカニズムの説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、一例として、本発明の第１の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、その生成装置は、バブル含有液の製造装置に組み込まれている。本例の装置は、直径がナノサイズ、つまり１．０μｍ未満のウルトラファインバブル（以下、「ＵＦＢ」ともいう）を効率よく生成する。給水タンク１０と貯水タンク１２との間には、液室である流水路１１が形成されており、給水路１５から給水タンク１０に液体が供給される。給水タンク１０内の液体は、流水路１１内を流速Ｖで流れ、貯水タンク１２に貯留されてから排出路１６を通して排出される。液体を保持する液室である流水路１１には、流水路１１の所定領域内における液体を加熱して膜沸騰を生じさせるための発熱抵抗素子（ヒータ、電気熱変換素子）２を備える基板１が配置されている。詳しくは後述するが、この発熱抵抗素子２によって液体を加熱して膜沸騰を生じさせることにより、液体中にＵＦＢを生成する。

液体としては、例えば、純水、イオン交換水、蒸留水、生理活性水、磁気活性水、化粧水、水道水、海水、川水、上下水、湖水、地下水、雨水などが使用可能である。また、これらの液体等を含む混合液体も可能である。また、水と水溶性有機溶剤との混合溶媒も使用できる。水と混合して使用される水溶性有機溶剤としては特に限定されないが、具体例として、以下のものを挙げることができる。メチルアルコール、エチルアルコール、ｎ－プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ｎ－ブチルアルコール、ｓｅｃ－ブチルアルコール、ｔｅｒｔ－ブチルアルコールなどの炭素数１乃至４のアルキルアルコール類。Ｎ－メチル－２－ピロリドン、２－ピロリドン、１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノン、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミドなどのアミド類。アセトン、ジアセトンアルコールなどのケトン又はケトアルコール類。テトラヒドロフラン、ジオキサンなどの環状エーテル類。エチレングリコール、１，２－プロピレングリコール、１，３－プロピレングリコール。１，２－ブタンジオール、１，３－ブタンジオール、１，４－ブタンジオール、１，５－ペンタンジオール、１，２－ヘキサンジオール、１，６－ヘキサンジオール、３－メチル－１，５－ペンタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、チオジグリコールなどのグリコール類。エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテルなどの多価アルコールの低級アルキルエーテル類。ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどのポリアルキレングリコール類。グリセリン、１，２，６－ヘキサントリオール、トリメチロールプロパンなどのトリオール類。これらの水溶性有機溶剤は、単独で用いてもよく、または２種以上を併用してもよい。このように、膜沸騰を発生可能な各種液体が適用可能である。

図２（ａ）は、図１の装置に用いられる発熱部である発熱抵抗素子を備える基板（以下、「素子基板」ともいう）１の断面図である。本例の素子基板１においては、シリコン基板２０１の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜２０２と、蓄熱層を兼ねる層間膜２０３と、が積層されている。層間膜２０３としては、ＳｉＯ２膜、または、ＳｉＮ膜を用いることができる。層間膜２０３の表面には抵抗層２０４が形成され、その抵抗層２０４の表面に、配線２０５が部分的に形成されている。配線２０５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２０５、抵抗層２０４、および、層間膜２０３の表面には、ＳｉＯ２膜、またはＳｉ３Ｎ４膜から成る保護層２０６が形成されている。保護層２０６の表面において、発熱部である熱作用部２０８に対応する部分、および、その周囲には、抵抗層２０４の発熱に伴う化学的、および物理的な衝撃から保護層２０６を保護するための耐キャビテーション膜２０７が形成されている。抵抗層２０４の表面において、配線２０５が形成されていない領域は、抵抗層２０４が発熱する熱作用部２０８である。配線２０５が形成されていない抵抗層２０４の発熱部分は、発熱抵抗素子（ヒータ）２として機能する。このように素子基板１における層は、半導体の製造技術によってシリコン基板２０１の表面に順次に形成され、これにより、シリコン基板２０１に熱作用部２０８が備えられる。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２０４と配線２０５との積層順が逆の構成、および抵抗層２０４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２０８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２（ｂ）は、素子基板１において、配線２０５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２０１の表層には、Ｎ型ウェル領域４２２、および、Ｐ型ウェル領域４２３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、および拡散によって、Ｎ型ウェル領域４２２にＰ－ＭＯＳ４２０が形成され、Ｐ型ウェル領域４２３にＮ－ＭＯＳ４２１が形成される。Ｐ－ＭＯＳ４２０は、Ｎ型ウェル領域４２２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４２５およびドレイン領域４２６と、ゲート配線４３５などから構成されている。ゲート配線４３５は、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除くＮ型ウェル領域４２２の部分の表面に、厚さ数百Åのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されている。Ｎ－ＭＯＳ４２１は、Ｐ型ウェル領域４２３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４２５およびドレイン領域４２６と、ゲート配線４３５などから構成されている。ゲート配線４３５は、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除くＰ型ウェル領域４２３の部分の表面に、厚さ数百Åのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されている。ゲート配線４３５は、ＣＶＤ法により堆積された厚さ４０００Å～５０００Åのポリシリコンからなる。これらのＰ－ＭＯＳ４２０およびＮ－ＭＯＳ４２１によって、Ｃ－ＭＯＳロジックが構成される。

Ｐ型ウェル領域４２３において、Ｎ－ＭＯＳ４２１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４３０が形成されている。Ｎ－ＭＯＳトランジスタ４３０は、不純物の導入および拡散などの工程によりＰ型ウェル領域４２３の表層に部分的に形成されたソース領域４３２およびドレイン領域４３１と、ゲート配線４３３などから構成されている。ゲート配線４３３は、Ｐ型ウェル領域４２３におけるソース領域４３２およびドレイン領域４３１を除く部分の表面に、ゲート絶縁膜４２８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４３０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４３０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－ＭＯＳ４２０とＮ－ＭＯＳ４２１との間、およびＮ－ＭＯＳ４２１とＮ－ＭＯＳトランジスタ４３０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４２４が形成されている。この酸化膜分離領域４２４によって各素子が分離されている。酸化膜分離領域４２４において、熱作用部２０８に対応する部分は、シリコン基板２０１上の一層目の蓄熱層４３４として機能する。

Ｐ－ＭＯＳ４２０、Ｎ－ＭＯＳ４２１、およびＮ－ＭＯＳトランジスタ４３０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４３６が形成されている。層間絶縁膜４３６を熱処理により平坦にした後に、層間絶縁膜４３６およびゲート絶縁膜４２８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４３７が形成される。層間絶縁膜４３６およびＡｌ電極４３７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４３８が形成される。層間絶縁膜４３８の表面において、熱作用部２０８およびＮ－ＭＯＳトランジスタ４３０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２０４が形成される。抵抗層２０４は、層間絶縁膜４３８に形成されたスルーホールを介して、ドレイン領域４３１の近傍のＡｌ電極４３７と電気的に接続される。抵抗層２０４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２０５が形成される。配線２０５、抵抗層２０４、および層間絶縁膜４３８の表面の保護層２０６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２０６の表面に堆積された耐キャビテーション膜２０７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２０４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３は、図１の装置によるＵＦＢ４１の生成メカニズムの説明図であり、図３（ａ）から（ｆ）に、経過時間毎に６段階の状態を示している。図３は説明を容易にするために、模式的に発熱抵抗素子２を６つ並べた構成を示している。

前述したように、基板１上には発熱抵抗素子（ヒータ）２が形成されている。このヒータ２には、電気配線２０５（図２（ａ））が接続されており、パルス信号によって一定の電力が供給される。そのパルス信号のパルス幅は０．５ｕｓｅｃ～１０．０ｕｓｅｃ程度であり、ヒータ２に対して極めて短い時間だけ電圧が印加されて、極めて高い熱流束がヒータ２に付与される。ヒータ２の表面温度が約３００℃付近となったときに、極めて初期の段階（数ピコ秒程度）においてヒータ２の面上に核沸騰らしき形態が観察され、即時、遷移沸騰を超えて、図３の段階（ａ）のように、サブμ秒～数μ後には膜沸騰による気泡３２０が発生する。その後、図３の段階（ｂ）のように、気泡３２０の成長段階へ移行する。このときの初期の発泡圧力は、シミュレーションによって予測可能である。ＶＯＦ法を用いた市販の流体系ソフトウェハ｛Ｆｌｕｅｎｔ（ＡＮＳＹＳ社製、Ｆｌｏｗ３Ｄ（Ｆｌｏｗ Ｓｃｉｅｎｃｅ社製））により計算すると、約８～１０ＭＰａであった。これは、水の飽和蒸気圧に近い値である。

さらに、気泡３２０によって覆われているヒータ２に対して、電力が供給され続けられているため、ヒータ２の表面温度は更に上昇し、最大、約６００～８００℃程度まで上昇する。しかし、ヒータ２に対する電力供給は、気泡３２０の成長過程の初期段階において終わる。気泡３２０は、図３の段階（ｃ）のように、その径が最大（ヒータ面積の数倍程度）となる最大発泡まで成長した後に、図３の段階（ｄ）のように、気泡３２０内の負圧によって消泡過程に移行する。その消泡過程の終焉付近においては、図３の段階（ｅ）のように、ヒータ２の表面に液体が再接触するキャビテーションＩの現象が生じる。この段階での主たるキャビテーションＩは、気泡を上面から見た場合、気泡の中央部分において液体がヒータ２の表面に再接触することにより生じる。このとき、ヒータ２の表面温度は、約１００℃以下まで低下する（ヒータ層の設計および膜構成によって、このときのヒータ２の表面温度には差異が生じる）。その後、図３の段階（ｆ）のように、ヒータ２の面上の少なくとも１点以上の極めて小さな領域で気泡が消泡し、その際に、スパーク状にキャビテーションＩＩが発生する。状況によっては、図３の段階（ｆ）に示すように、気泡の収縮過程で気泡が複数に分断して夫々の気泡が消泡することで、ヒータ２の表面の異なる位置でキャビテーションＩＩが生じる。

これらのキャビテーションＩ，ＩＩによる機械的衝撃力の値は、膜沸騰の初期の発泡圧と同程度、若しくは、それ以上の数値になることもある。キャビテーションＩよる圧力を前述した市販のソフトウェアなどによって予測した結果、約５～２０ＭＰａとなった。すなわち、ヒータ２が２０μｍ×２０μｍのサイズの場合、その単位面積当たりに加わる圧力は、０．０２ＭＰａ／μｍ²となる。一方、約１．０μｍの領域に発生するキャビテーションＩＩによる単位面積当たりの圧力は、５～２０ＭＰａ／μｍ²となる。このように、膜沸騰時における単位面積当たりの衝撃圧は、キャビテーションＩＩが生じたときに最大となる。直径が１００～１５０ｎｍのＵＦＢ３２２は可視化実験が難しいため、その生成メカニズムを確定することはできないものの、図３の段階（ａ）から（ｆ）までの間において、液体中に溶存（溶解）している気体３２１によってＵＦＢ３２２が生成されると推定される。より具体的には、キャビテーションの圧力によって、液体中に溶存している溶存ガス３２１（粒子）が気体に昇華することにより、ＵＦＢが生成されると想定される。よって、圧力が大きい発泡初期の段階（ａ）、キャビテーションＩが発生する段階（ｅ）、キャビテーションＩＩが発生する段階（ｆ）において、より多くのＵＦＢが生成されると想定される。

液体に加わる圧力や温度変化によって、液体中に溶解している溶存ガスが気泡として現れることは、加圧溶解法などの原理として知られている。しかしながら、本実施形態におけるＵＦＢは、ヒータの駆動による非常に短い時間での膜沸騰現象によって発生するものであり、従来の方法によって発生されるものとは異なる。一般に、マイクロサイズのマイクロバブルは、光学式顕微鏡および高速度カメラなどで観察することが可能であり、発生したマイクロバブルは、気泡成長後の数μ秒後には消泡してしまう。一方、直径がナノメートルサイズの気泡（ＵＦＢ）は、そのスケールが光学分解能を超えるため、これまで計測が困難であった。しかし、本発明者等は、光散乱技術を応用した計測手法などを駆使して、ＵＦＢの存在を確認した。

液体に膜沸騰を生じさせる方式としては、種々の方式を採用することができる。例えば、液体が存在する空間内の宙空に備えたヒータ２によって、膜沸騰を生じさせる構成、気泡の成長方向と、その気泡の成長に伴う液体の移動方向と、を逆にする構成を採用することもできる。ＵＦＢを生成する方法として、上述した素子基板１の構成および生成装置の構成は一例である。液体中で発熱抵抗素子２を約３００℃以上に加熱し、液体中に気泡を発生させることでＵＦＢは生成可能である。つまり、膜沸騰により液体中に気泡を発生させることでＵＦＢを生成可能であり、少なくとも図３における段階（ａ）でＵＦＢが生成されると推定される。例えば、図３の段階（ａ）で膜沸騰により生じた気泡が、その後の段階（ｂ）～段階（ｆ）の過程で大気と連通してもよく、それにより消泡工程である段階（ｆ）の工程を経なくてもよい。このように、膜沸騰により液体中に気泡を発生させて直径が１．０μｍ未満のＵＦＢを生成することができ、その際、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はほとんど生成されない。つまり、実質的にＵＦＢのみを効率的に生成することができる。

また、図１に示すように発熱抵抗素子２が設けられる領域の液体が流動する構成でなく、液体が静止している状態で膜沸騰により気泡を生じさせてもよい。

なお、ＵＦＢは、日本に事務局が置かれたＩＳＯ／ＴＣ２８１において、標準化や安定化メカニズムの解明が進められている。ＵＦＢの規格は、２０１７年末のＩＳＯ／ＴＣ２８１の会議によって、１．０μｍ以下の気泡と定義付けられた。しかし、１．０μｍ以下のＵＦＢが長期間溶液中に安定的に存在するメカニズムについては、未だ解明されていない。現在も、世界中の研究機関でそのメカニズム解明に向けて、実験的な観察や理論計算などが進められている。つまり、この見えない泡（ＵＦＢ）については、解明されていない現象が多々存在する。このような状況において、本発明者達は、上記ＵＦＢの生成メカニズム（その１）以外にも、２つのメカニズム（その２、その３）を推定している。

図２３に、図１の装置によるＵＦＢ生成メカニズム（その２）を示す。水道水が充填された流路２６０２に、液体の長れ（約１０ｍ／ｓ）を発生させている。その流れの中に、１．０μｍ以上の気体が内包されたマイクロバブル２６０３を送り込む。流路２６０２内に設置されたヒータ２６０１に矩形波の短パルスを印加させると、流路２６０２内の液体中に衝撃波２６０４が伝搬される。そのとき、流路壁（速度ゼロ）と流路２６０２内の循環流との間に、シェア強度（∝Ｖ／Ｌ）が発生する。Ｖは流速であり、Ｌは流路幅（流路壁から流路中心までの距離）である。流速Ｖが１０ｍ／ｓのときに、流路幅Ｌが数十μｍ程度の流路内には、１０Ｅ（＋６）オーダーのシェア強度が発生する。そして、ヒータ２６０１の駆動によって膜沸騰が生じる際の衝撃圧は、約１０［ＭＰａ］である。

これらのことから、本発明者達は、本発明のＵＦＢ生成メカニズム（その２）として、ヒータ２６０１の駆動により生じる衝撃波によって、流路２６０２内に存在するマイクロバブル２６０３が細断されて、ＵＦＢ２６０５が生成されると推定している。

次に、図１の装置によるＵＦＢ生成メカニズム（その３）について説明する。ヒータに矩形波の短パルスを印加すると、そのヒータの表面が急激に熱せられる。そのとき、ヒータ近傍に存在する液体の一部が気化し、蒸気泡となる。この蒸気泡の一部が、膜沸騰現象に拘わらずに、微小な蒸気泡（ＵＦＢ）として液体中に残存する。それが、ＵＦＢとなって、液体中に長期に渡って存在し続ける。また、膜沸騰現象における気泡の成長および気泡の収縮過程において、形状変化する気泡（マイクロバブル）の表面で微小な気泡の離脱過程があることが推測される。そのときに離脱した微小な気泡（ＵＦＢ）が液体中に残存することも推定される。このような観点から、本発明者達は、本発明のＵＦＢ生成メカニズム（その３）として、ヒータが熱せられる際に発生する蒸気泡、および膜沸騰過程で生じる微小な気泡が、ＵＦＢとなって液体中に残存している推定する。

また、上述した３つのメカニズム（その１からその３）のうちの２つ、もしくは３つが機能して、ＵＦＢを生成している場合も考えられる。

次に、ＵＦＢの性質について説明する。説明の便宜上、水溶液（純水など）にＵＦＢを生成するものとする。

現在、一般に市販されているＵＦＢの直径は５０～５００ｎｍ（２０１７年末のＩＳＯ／ＴＣ２８１会議において、ＵＦＢは、１．０μｍ以下の気泡と定義付けられた）である。このような微細なバブルは、物理的性質として、水溶液中においてｐＨに依存する表面電位を持つ。その理由は、バブル界面における水の水素結合ネットワークが、その構成因子として、水素イオンまたは水酸化物イオンをより多く必要とするからである。バブルの電荷は、周囲の水に対して平衡条件を保っているため、バブルの直径に拘わらず一定の値である。また、バブル表面の帯電により静電気力が作用するため、バブルの電荷とは反対の電荷を持つイオンが気液界面近傍に引き寄せられる。バブルの電荷は平衡を保っているものの、バブルを短時間のうちに縮小させた場合には、その電荷の濃縮が起こる。バブルの縮小速度を速め、かつバブルの直径を小さくした場合には、単位面積当たりの電荷量は、バブルの直径の２乗に逆比例して増加する。

ＵＦＢのような微細なバブルは、その気液界面によって取り囲まれた存在であるため、表面張力の影響を受けてバブルの内部は自己加圧されている。環境圧に対するバブル内部の圧力上昇は、理論的に、ヤング・ラプラス（Ｙｏｕｎｇ－Ｌａｐｌａｃｅ）の式によって下記のように推測される。
ΔＰ＝４σ／Ｄ ・・・ （１）

ここで、ΔＰは圧力上昇の程度、σは表面張力、Ｄはバブルの直径である。室温における蒸留水の場合、直径１０μｍのバブルの圧力上昇は約０．３気圧となり、また直径１μｍのバブルの圧力上昇は約３気圧となる。自己加圧されたバブル内の気体は、ヘンリーの法則にしたがって水に溶解する。そのため、バブル径は徐々に縮小し、さらに、その縮小に伴ってバブル内の圧力が増加することにより、バブル径の縮小速度が加速される。この結果、直径が１μｍ以下のＵＦＢは、ほぼ瞬時に完全溶解される。すなわち、ＵＦＢは極めて瞬間的しか存在しないことになる。

しかし、実際には、以下のようなメカニズムによりＵＦＢは安定的に存在すると推定される。

すなわち、ＵＦＢの場合、その気液界面に極めて高濃度の電荷が濃縮するため、その球状の気液海面における反対側同士の電荷の間に作用する静電気的な反発力により、ＵＦＢの収縮が妨げられる。また、濃縮した高電場の作用により、鉄等の電解質イオンを主体とした無機質の殻がＵＦＢの周囲に形成され、これがＵＦＢ内の気体の散逸を防止する。このような殻は、界面活性剤または有機物の殻とは異なり、細菌等の他の物質とＵＦＢとの接触により生じるＵＦＢ周囲の電荷の逸脱によって、殻自体が簡単に崩壊する。このように殻が崩壊したときには、ＵＦＢ内の気体は簡単に水溶液中に放出される。

一般に、液体中のバブルにはたらく力としては、浮力と抗力とがある。浮力は、バブルの体積に比例（バブルの半径の３乗に比例）する。抗力は、バブルの断面積に比例（バブルの半径の２乗に比例）し、かつバブルの上昇速度の２乗に比例する。具体的に、バブルの半径をｒ、水の密度をρ、重力加速度をｇ、水の粘度をη、バブルの移動速度をｕとした場合、バブルにはたらく浮力（バブルの密度は無視する）は、アルキメデスの原理により下式（２）によって表される。
Ｆ＝４πｒ³ρｇ／３ ・・・ （２）

また、バブルにはたらく抵抗力は、ストークスの定理により、下式（３）によって表される。
Ｆ＝６πηｒｕ ・・・ （３）

上式（２），（３）から、バブルの移動速度ｕは、下式（４）によって表される。
ｕ＝（２／９）ｒ²ρｇ／η ・・・ （４）

式（４）から、バブルの半径ｒが大きいほど、バブルの移動速度ｕが高くなることが分かる。したがって、例えば、ミリサイズのバブルは、その半径が大きいために浮力が大きくなって、上昇速度が高くなる。

１気圧下におけるバブルの半径ｒをａとした場合、半径ｒと水深ｈは、下式（５）によって表される。
ｒ＝ａ×｛１０１３２５／（ρｇｈ＋１０１３２５）｝^1/3 ・・・ （５）

式（４），（５）から、バブルは、水深が浅くなると大きくなって、上昇速度が高くなることが分かる。

仮説として、直径が１．０μｍ未満のＵＦＢは、塩析現象（Ｓａｌｔｉｎｇ－Ｏｕｔ現象）により溶解度が低下し、長期間安定して、液体中に存在することになる。つまり、塩析現象により、ＵＦＢが長期間安定的に存在し続けるならば、ｐＨが７に近いＵＦＢ水が存在しないことになるが、中性液でも、安定的なＵＦＢが存在する事例がある。

一般に、ＵＦＢと、それより大きなバブルと、が混在した状態では、後者の大きなバブルの影響によってＵＦＢが浮上したり、外圧によるキャビテーション破壊の影響を受けたりすることにより、ＵＦＢの寿命が短くなる。しかしながら本発明によれば、ＵＦＢの生成時に、直径が１．０μｍ以上の大きなバブルがほとんど生成されないため、生成されたＵＦＢの寿命をより長くすることができる。

具体的に、ヒータ２に矩形波の短パルス（１．０μｓｅｃ）の電気信号を与えて、工業用純水に、膜沸騰を断続的に繰り返し発生させた。ヒータ２に対して、１００μｓｅｃ毎の駆動周期で繰り返し矩形波の電気信号を１．０ｅ８（１．０×１０⁸）回付与して、膜沸騰現象を発生させたてから純水を回収した。回収した純水は無色透明であり、白濁はなかった。その透明度は、１．０ｍｍ以上であった。この回収した純水をＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、純水中における直径が１．０μｍ未満のＵＦＢの数密度を測定した結果、１０億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図４（ａ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢの数は、全体の９９％であった。膜沸騰を生じさせる前の工業用純水（原水）におけるＵＦＢの数密度は、ゼロ個／ｍｌであった。

図４（ａ）は、ＵＦＢを生成してから２４時間経過後における計測結果であり、直径が１．０μｍ以上のバブルの数は、全体の０．００６％であった。つまり、直径が１．０μｍ未満のＵＦＢは、全体の９９．９９４％を占有していた。そのためＵＦＢは、直径が１．０μｍ以上の大きなバブルによる影響をほとんど受けず、このようなＵＦＢを含有する純水をガラス容器に入れて冷暗所（約２５℃）にて３ケ月保存しても、ＵＦＢの数に実質的な変化はなかった。

ヒータ２面における膜沸騰現象により発生する気泡３２０（マイクロバブルおよびミリバブル）は、それらの内部が負圧になっているために、数μ秒から数ミリ秒以内には消泡してしまう。しかし、この膜沸騰からキャビテーションを含む図３中の段階（ａ）から（ｆ）までの間において、ＵＦＢ３２２が極めて多く生成されていることが分った。その生成に要する時間は、約３時間弱であった。また、膜沸騰からキャビテーション（段階（ａ）から（ｆ））までの１回の工程により生成されるＵＦＢ３２２の数は、約１０個であった。

図１の装置を用いてＵＦＢ４１を生成した。基板１上に１０，０００個のヒータ２を配し、それらのヒータ２に対して、１０ｋＨｚの駆動周波数でパルス信号（パルス幅：１．０μｓ、電圧：２４Ｖ）を付与した。このとき、流水路１１中における流速Ｖが１．０Ｌ／ｈとなるように、工業用純水を供給した。基板１は、図１のように、ヒータ２が上方を向くように流水路１１内の底部に配備される。そのため、純水の膜沸騰に伴って生成されるＵＦＢ４１は、流水路１１内の上方に拡散して純水中に含まれる。ＵＦＢ４１を含有する純水は、純水の流れに沿って図１中の矢印方向に流動する。
ヒータの総数＝１．０ｅ４（＝１．０×１０⁴）
ＵＦＢの生成数＝（１．０ｅ４）×１０×（１．０ｅ４）×６０［ｓ］×６０［ｍｉｎ］
＝３．６ｅ１２（（個／Ｌ）／ｈ）

１時間に３６億個／ｍｌのＵＦＢ４１を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ４１を短時間で生成することができた。その確認のために、回収した純水をＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、純水中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ４１の数密度を測定した結果、約３６億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図４（ｂ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ４１の数は、全体の９９．８％であった。

このように生成したＵＦＢ内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ（ガスクロマトグラフィー）法によって分析した。キャリアガスにＨｅを用いて検出した結果、窒素ガスと酸素ガスが検出された。また、Ａｒガスをキャリアガスに用いて測定をした結果、水素ガスは検出されなかった。このことから、膜沸騰からキャビテーションを含む図３中の工程（ａ）から（ｆ）までの間において、純水中に溶存している空気によってＵＦＢが生成されることが分かった。また、測定器（ナノサイト社製のＮＳ－３００）を用いて、このようなＵＦＢを含む純水（ｐＨ≒７．０）においてＵＦＢがもつゼータ電位を測定した。その結果、個々のＵＦＢによってバラツキはあるものの、ゼータ電位の平均値は－４６ｍＶ（－１０～１５０ｍＶ）であった。

（第１の実施形態の変形例）
図２２に、図１で示したＵＦＢ生成装置をベースにした装置であって、さらに高い数密度を有するＵＦＢを生成する装置を示す。本変形例では、図１の構成に加えて、ＵＦＢを生成した液体を循環させて再度ＵＦＢを生成させる構成を備える。

ヒータ２による膜沸騰によって生成されたＵＦＢを含む液体を、３方弁２２５０、２２６０を介して、供給容器１０に戻す（循環方式）ことにより、再度ヒータ２による膜沸騰によってＵＦＢを生成することができる。循環流を発生させる動力源として、循環流路系内にポンプ２２７０が接続されている。このような構成により、より高い数密度を有するＵＦＢを生成することが可能となる。液体を循環させる回数、および循環する液体の流速を適宜設定することにより、所望の数密度のＵＦＢ含有液（ウルトラファインバブル含有液）を生成することができる。また、気体導入口３０は、循環流を発生させている間は、連続して所望の気体を供給し続けてもよく、断続的に供給してもよい。なお、空気のナノバブルを生成する場合は、供給容器１０を大気に開放しておいて、供給容器１０内の液体と外気とを接触させることにより空気の溶解を促進するように構成でもよい。

（第２の実施形態）
図５（ａ）は、本発明の第２の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、その生成装置は、バブル含有液の製造装置に組み込まれている。本実施形態においては、第１の実施形態と同様に１個の基板１上に１０，０００個のヒータ２を配した上、この基板１を計１０個、直列に並べて実装した（図では簡略化のため３個の基板１のみ記載）。これらのヒータ２に対して、２０ｋＨｚの駆動周波数でパルス信号（パルス幅：１．０μｓ、電圧：２４Ｖ）を付与した。流水路１１に水道水を供給し、その流速Ｖを１．０Ｌ／ｈとした。
ヒータの総数＝１．０ｅ４×１０＝１．０ｅ５（＝１．０×１０⁵）
ＵＦＢの生成数＝（１．０ｅ５）×１０×（２．０ｅ４）×６０［ｓ］
＝１．２ｅ１２（（個／Ｌ）／ｍｉｎ）

１分間に１２億個／ｍｌのＵＦＢ４１を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ４１を極めて短い時間で生成することができた。その確認のために、回収した水道水をＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、水道水中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ４１の数密度を測定した結果、約１２億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図５（ｂ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ４１の数は、全体の９９．７％であった。第１の実施形態と同様に、このように生成したＵＦＢ内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ法によって分析した結果、窒素と酸素が検出された。また、水道水の成分を分析した結果、不純物の増加は観察されなかった。なお、基板１は、直列ではなく並列に配置してもよく、また２次元に配置してもよい。

このように本発明によれば、ＵＦＢの生成時に、直径が１．０μｍ以上の大きなバブルがほとんど生成されない。そのため、ＵＦＢの発生手段であるヒータ２を複数配置させたり、基板１を複数配置させたりすることにより、省スペースで効率よくＵＦＢを生成することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態においては、第２の実施形態と同様に、図５（ａ）の装置を用いてＵＦＢ４１を生成した。基板１におけるヒータ２の配備数、基板１の実装数、ヒータ２の駆動条件、および水道水の流速Ｖは、第２の実施形態と同様である。ただし、第３の実施形態においては、給水タンク１０内の水道水に、気体導入口３０から窒素ガスを２４時間導入してバブリングさせて、給水タンク１０内の水道水に溶存する気体の大半を窒素ガスに変換した。つまり、溶存する気体の多くが窒素ガスである液体中において、膜沸騰を生じさせてＵＦＢを生成した。

第２の実施形態と同様に、１分間に１２億個／ｍｌのＵＦＢ４１を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ４１を極めて短い時間で生成することができた。その確認のために、回収した水道水をＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、水道水中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ４１の数密度を測定した結果、約１２億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図６に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ４１の数は、全体の９９．０％であった。第２の実施形態と同様に、このように生成したＵＦＢ内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ法によって分析した結果、窒素と酸素が検出され、その窒素の量は、第２の実施形態において検出された量の２～３倍であった。また、水道水の成分を分析した結果、不純物の増加は観察されなかった。本実施形態では、あらかじめ窒素ガスを導入した液体を用意したが、この形態に限定されず、液体が流動している状態において、ヒータ２よりも上流側に窒素ガスを導入する形態であってもよい。また、導入するガスは窒素ガスに限定されない。

上述した第２の実施形態および第３の実施形態に対しても、第１の実施形態の変形例の図２２の構成を適用可能である。例えば、第２の実施形態のように複数の基板１を用いてＵＦＢを生成し、その生成した液体を図２２のような循環構成によって供給容器２２１０に戻すことにより、再度、複数の基板１によりＵＦＢを生成することができる。これにより、高い数密度のＵＦＢ含有液体をより効率的に生成することが可能となる。

（第４の実施形態）
図７（ａ）は、本発明の第４の実施形態におけるＵＦＢの生成装置の概略構成図であり、その生成装置は、ＵＦＢ含有液の製造装置に組み込まれている。図７（ｂ）は、その生成装置に用いる液体吐出ユニット７００の構成例の概略斜視図である。

図７（ｂ）の液体吐出ユニット７００は、液体を吐出する液体吐出エレメント２１２と、液体タンク２１３と、その外装部材の一面に設けられた、電気配線基板であるＴＡＢフィルム２１４と、を含む。液体吐出ユニット７００と、それを制御する生成装置の制御部と、は、電気信号を授受するためのＴＡＢフィルム２１４を通して接続されている。ＴＡＢフィルム２１４は、電気接続用リード２１５によって液体吐出エレメント２１２に接続されており、その液体吐出エレメント２１２は、後述するように、吐出口２０９からＵＦＢを含む液体を吐出する。液体吐出ユニット７００によるＵＦＢの生成メカニズムとしては、３つの形態（第１形態，第２形態，第３形態）があり、本実施形態においては、第１形態のメカニズムによりＵＦＢを生成する。

図８は、第１形態のＵＦＢの生成メカニズムを説明するために、液体吐出エレメント２１２の液体吐出部を断面した図である。発熱抵抗素子であるヒータ８０１が形成された基板８００と、ノズル部材８０３と、の間には、ヒータ８０１が位置する圧力室（液体を保持する液室）と、その圧力室内に液体を供給する液流路（供給路）８０２と、が形成されている。ヒータ８０１と対向するノズル部材８０３の位置には、圧力室と連通する吐出口２０９が形成されており、この吐出口２０９からＵＦＢ８１０を含む液体８０６が吐出される。ヒータ８０１には、不図示の電気配線を通して一定電力のパルス信号が供給される。本例の場合、ヒータ８０１に対しては、パルス幅が０．５μｓｅｃ～１０．０μｓｅｃ程度の極めて短いパルスによって電力が供給される。

このような短パルスをヒータ８０１に印加することにより、極めて高い熱流束がヒータ８０１に付与される。そして、ヒータ８０１の表面温度が約３００℃付近となったときに、極めて初期の段階（数ピコ秒程度）においてヒータ８０１上に核沸騰らしき形態が観察された。そして、そのサブμ秒～数μ後には、図８（ａ）のように、膜沸騰による気泡８０７が発生する。その際、液体８０６は、吐出口２０９から少し飛び出すような形態となる。

その後、図８（ｂ）のような気泡８０７の成長段階へ移行し、液体８０６は、吐出口２０９から大きく飛び出す。気泡８０７によって表面が覆われたヒータ８０１に対して、電力が供給され続けられているため、ヒータ８０１の表面温度は更に上昇し、最大、６００～８００℃程度にまで上昇する。しかし、ヒータ８０１に対する電力供給は、気泡８０７の成長過程の初期段階において終わる。気泡８０７は、図８（ｃ）のように、その径が最大（ヒータ面積の数倍程度）となる最大発泡まで成長し、液体８０６は、吐出口２０９から引き剥がされて吐出される。このように、液体の発泡エネルギーを利用して、吐出口２０９から液体８０６が吐出される。

その後、図８（ｄ）のように、気泡８０７内の負圧によって消泡過程に移行する。その際、吐出口２０９から吐出された液体８０６は、１０～２０ｍ／ｓｅｃ程度の速度を持って空気中を飛翔する。その液体８０６は、１個の液滴の形態である場合、あるいは、複数の小さい液滴またはミストに分裂している場合がある。気泡８０７の消泡過程の終焉付近においては、図８（ｅ）のように、ヒータ８０１の表面に液体が再接触するキャビテーションＩの現象が生じる。このとき、ヒータ８０１の表面温度は、約１００℃以下にまで低下する（ヒータ層の設計および膜構成によって、このときのヒータ８０１の温度には差異が生じる）。その後、図８（ｆ）のように、ヒータ８０１の面上の少なくとも１点以上の極めて小さな領域で気泡が消泡し、その際に、スパーク状のキャビテーションＩＩが発生する。

これらのキャビテーションＩ，ＩＩによる機械的衝撃力の値は、膜沸騰の初期の発泡圧と同程度、若しくは、それ以上の数値になることもある。単位面積当たりの衝撃圧は、キャビテーションＩＩが生じたときに最大となることもある。図８（ａ）から（ｆ）の段階において、液体中に溶存している気体によってＵＦＢ８１０が生成された。図３においても説明したように、少なくとも膜沸騰により気泡が発生する図８（ａ）の工程を経ることによって、ＵＦＢが発生すると推定される。

このように生成されたＵＦＢ８１０は、その後、ヒータ８０１にパルス信号が印加されることによって吐出される液体８０６に含まれ、そのＵＦＢ８１０を含有する液体８０６は、図７（ａ）の第１の回収容器７０６内に溜められる。このとき、液体吐出エレメント２１２と第１の回収容器７０６とが接触していることが望ましい（但し、多少の隙間は許容される）。また、吐出される液体８０６の状態（速度、体積、小さい液滴またはミストの数など）によっては、ポンプ７１０によって吸引してもよい。また、生成されるＵＦＢ８１０の数密度またはバブル径によっては、希釈液体口７０４から液体を補充して、液体８０６を希釈してもよい。

第１の回収容器７０６内に溜められた液体８０６は、それに含有されるＵＦＢ８１０以外の不純物を取り除くために、フィルタ７０９を介して第２の回収容器７０７に移される。フィルタ７０９のフィルタ径は、１．０μｍ以上であればよく、その材質は限定されない。但し、フィルタ７０９は、使用する液体に溶解しない材質であることが必要である。第２の回収容器７０７は、ＵＦＢ製造装置に対して着脱可能かつ容器を密閉（キャッピング）可能であることが望ましい。その場合、第２の回収容器７０７の材質としてガラスが好ましい。第２の回収容器７０７に、ＵＦＢ８１０を含む液体を保存する場合、第２の回収容器７０７の材質をガスバリア性が高い材質とすることが望まれる。また、第２の回収容器７０７内のＵＦＢ８１０をガスバリア性の高い他の容器に移して、保存してもよい。

第２の実施形態と同様に、１０，０００個のヒータ８０１を配した基板８００を計１０個並べて実装した。これらのヒータ８０１に対して、２０ｋＨｚの駆動周波数でパルス信号（パルス幅：１．０μｓ、電圧：２４Ｖ）を付与した。また、液体供給管７０５を通して、液体供給タンク７０２内の純水を液体吐出ユニット７００へ供給した。その際、液体供給タンク７０２内の純水に対して、気体導入口７０３から炭酸ガスを導入してバブリングさせることによって、純水中の空気をできる限り除去して、炭酸ガスの飽和溶解度近辺まで純水中に炭酸ガスを溶解させた。

また、液体供給タンク７０２内の液体の表面に対して、液体吐出エレメント２１２における吐出口２０９の形成面の位置を低くして、それらの間に水頭差Ｈを維持することにより、吐出口２０９から効率よく液体８０６を吐出させることができる。つまり、このような水頭差Ｈを維持することにより、液流路８０２および吐出口２０９に異物またはバブルなどが詰まった場合に、それらを液圧によって吐出口２０９から第１の回収容器７０６内に押し流しやすくなる。この結果、吐出口２０９から液体が吐出されなくなる事態（液体の不吐出）の発生を抑制して、ＵＦＢ８１０を含む液体８０６を効率よく製造して、第１の回収容器７０６に貯えることができる。また、図７の場合とは逆に、液体供給タンク７０２内の液体の表面に対して、液体吐出エレメント２１２における吐出口２０９の形成面の位置を高くするように、水頭差を設定してもよい。また本例の場合、液体吐出ユニット７００における液体吐出エレメント２１２は、下向き（重力方向）に液体８０６を吐出する。
ヒータの総数＝１．０ｅ４×１０＝１．０ｅ５（＝１．０×１０⁵）
ＵＦＢの生成数＝（１．０ｅ５）×１０×（２．０ｅ４）×６０［ｓ］
＝１．２ｅ１２（（個／Ｌ）／ｍｉｎ）

１分間に１２億個／ｍｌのＵＦＢ８１０を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ８１０を極めて短い時間で生成することができた。その確認のために、回収した純水をＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、純水中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ８１０の数密度を測定した結果、約１２億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図７（ｃ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ８１０の数は、全体の９９．７％であった。

第２の実施形態と同様に、このように生成したＵＦＢ８１０内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ法によって分析した結果、二酸化炭素（ＣＯ２）が検出された。検出された二酸化炭素の量は、１０［ｍｇ／Ｌ］であった。常温（約２５℃）において、水への炭酸ガスの飽和溶解度は約１．０［ｍｇ／Ｌ］であるため、約１０倍量の炭酸ガスを含むＵＦＢ８１０を生成させることができたことになる。「溶解度が小さい気体では、一定量の液体に溶ける気体の物質量は、一定温度では気体の圧力に比例する」というヘンリーの法則では、圧力を上げないと、気体の溶解度を上げることができないはずである。しかし、直径が１．０μｍ未満のＵＦＢ８１０内にＣＯ２を封入することにより、気体の溶解度以上のガスを液体中に存在させることができた。

（第５の実施形態）
図９（ａ）は、本発明の第５の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、バブル含有液の製造装置に組み込まれている。第４の実施形態と同様に、生成装置には図７（ｂ）の液体吐出ユニット７００が用いられる。本実施形態におけるＵＦＢの生成メカニズムは、第４の実施形態とは異なる第２形態のメカニズムであり、膜沸騰により発生した気泡が最大に成長した成長過程後、気泡の収縮段階において外気と連通する形態である。

図１０は、第２形態のＵＦＢの生成メカニズムを説明するために、液体吐出エレメント２１２の液体吐出部を断面した図である。ヒータ１００１が形成された基板１０００と、ノズル部材１００３と、の間には、ヒータ１００１が位置する圧力室と、その圧力室内に液体を供給される液流路１００２と、が形成されている。ヒータ１００１と対向するノズル部材１００３の位置には、液流路１００２と連通する吐出口２０９が形成されており、この吐出口２０９からＵＦＢ１０１０を含む液体１００６が吐出される。ヒータ１００１には、不図示の電気配線を通して一定電力のパルス信号が供給される。本例の場合、ヒータ１００１に対しては、パルス幅が０．５μｓ～１０．０μｓｅｃ程度の極めて短いパルスによって電力が供給される。

このような短パルスをヒータ１００１に印加することにより、極めて高い熱流束がヒータ１００１に付与される。そして、ヒータ１００１の表面温度が約３００℃付近となったときに、極めて初期の段階（数ピコ秒程度）においてヒータ１００１上に核沸騰らしき形態が観察された。そして、そのサブμ秒～数μ後には、図１０（ａ）のように、膜沸騰による気泡１００７が発生する。その際、液体１００６は、吐出口２０９から少し飛び出すような形態となる。

その後、図１０（ｂ）のような気泡１００７の成長段階へ移行し、液体１００６は、吐出口２０９から大きく飛び出す。気泡１００７によって表面が覆われたヒータ１００１に対して、電力が供給され続けられているため、ヒータ１００１の表面温度は更に上昇し、最大、約６００～８００℃程度まで上昇する。しかし、ヒータ１００１に対する電力供給は、気泡１００７の成長過程の初期段階において終わる。気泡１００７は、図１０（ｃ）のように、その径が最大（ヒータ面積の数倍程度）となる最大発泡まで成長し、液体１００６は、吐出口２０９から引き伸ばされるようにして吐出される。

その後、図１０（ｄ）のように、気泡１００７内の負圧によって消泡過程に移行する。その際、液体１００６は、吐出口２０９からさらに長く引き伸ばされる。そして、消泡過程の終焉付近においては、図８（ｅ）のように、気泡１００７の内部と、吐出口２０９の外部の外気と、が連通する。その後、図１０（ｆ）のように、ヒータ８０１の面上の少なくとも１点以上の極めて小さな領域に、スパーク状のキャビテーションＩＩが発生する。

このキャビテーションＩＩによる機械的衝撃力の値は、膜沸騰の初期の発泡圧と同程度、若しくは、それ以上の数値になることもある。単位面積当たりの衝撃圧は、キャビテーションＩＩが生じたときに最大となることもある。図１０（ａ）から（ｆ）の段階において、液体中に溶存している気体によってＵＦＢ１０１０が生成された。本実施形態においても、少なくとも膜沸騰により気泡が発生する図１０（ａ）の工程を経ることによって、ＵＦＢが発生すると推定される。

このように生成されたＵＦＢ１０１０は、その後、ヒータ１００１にパルス信号が印加されることによって吐出される液体１００６に含まれ、そのＵＦＢ１０１０を含有する液体１００６は、図９（ａ）の第１の回収容器９０６内に溜められる。このとき、液体吐出エレメント２１２と第１の回収容器９０６とが接触していることが望ましい（但し、多少の隙間は許容される）。また、吐出される液体１００６の状態（速度、体積、小さい液滴またはミストの数など）によっては、ポンプ９１０によって吸引してもよい。また、生成されるＵＦＢ１０１０の数密度またはバブル径によっては、希釈液体口９０４から液体を補充して、液体１００６を希釈してもよい。

第１の回収容器９０６内に溜められた液体１００６は、それに含有されるＵＦＢ１０１０以外の不純物を取り除くために、フィルタ９０９を介して第２の回収容器９０７に移される。フィルタ９０９のフィルタ径は、１．０μｍ以上であればよく、その材質は限定されない。但し、フィルタ９０９は、使用する液体に溶解しない材質であることが必要である。第２の回収容器９０７は、ＵＦＢ製造装置に対して着脱可能かつ容器を密閉（キャッピング）可能であることが望ましい。その場合、第２の回収容器９０７の材質としてガラスが好ましい。第２の回収容器９０７に、ＵＦＢ１０１０を含む液体を保存する場合、第２の回収容器９０７の材質をガスバリア性が高い材質とすることが望まれる。また、第２の回収容器９０７内のＵＦＢ１０１０をガスバリア性の高い他の容器に移して、保存してもよい。

第２の実施形態と同様に、基板１０００に１０，０００個のヒータ１００１を配した。そして、この基板１０００を計２０個並べて実装した。これらのヒータ１００１に対して、１０ｋＨｚの駆動周波数でパルス信号（パルス幅：１．０μｓ、電圧：２４Ｖ）を付与した。また、液体供給管９０５を通して、液体供給タンク９０２内の下記の混合液Ａを液体吐出ユニット７００へ供給した。
イソプロピルアルコール １０ｗｔ％
エチレングリコール ５０ｗｔ％
グリセリン １０ｗｔ％
純水 ３０ｗｔ％

その際、液体供給タンク９０２内の混合液Ａに対して、気体導入口９０３から酸素ガスを導入してバブリングさせることによって、混合液Ａ中の空気をできる限り除去して、酸素ガスの飽和溶解度近辺まで混合液Ａ中に酸素ガスを溶解させた。また本例の場合、液体吐出ユニット７００における液体吐出エレメント２１２は、横向き（水平方向）に液体１００６を吐出する。
ヒータの総数＝１．０ｅ４×２０＝２．０ｅ５（＝２．０×１０⁵）
ＵＦＢの生成数＝（２．０ｅ５）×１０×（１．０ｅ４）×６０［ｓ］
＝１．２ｅ１２（（個／Ｌ）／ｍｉｎ）

１分間に１２億個／ｍｌのＵＦＢ１０１０を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ１０１０を極めて短い時間で生成することができた。その確認のために、回収した混合液ＡをＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、混合液中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ１０１０の数密度を測定した結果、約１２億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図９（ｂ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ１０１０の数は、全体の９９．７％であった。また、第２の実施形態と同様に、このように生成したＵＦＢ１０１０内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ法によって分析した結果、酸素が検出された。検出された酸素の量は、８［ｍｇ／Ｌ］であった。

（第６の実施形態）
図１１（ａ）は、本発明の第６の実施形態におけるＵＦＢの生成装置の概略構成図でありＵＦＢ含有液の製造装置に組み込まれている。第４の実施形態と同様に、生成装置には図７（ｂ）の液体吐出ユニット７００が用いられる。本実施形態におけるＵＦＢの生成メカニズムは、第４および第５の実施形態とは異なる第３形態のメカニズムであり、膜沸騰により発生した気泡の成長段階において、気泡が外気と連通する形態である。

図１２は、第３形態のＵＦＢの生成メカニズムを説明するために、液体吐出エレメント２１２の液体吐出部を断面した図である。ヒータ１２０１が形成された基板１２００と、ノズル部材１２０３と、の間には、ヒータ１２０１が位置する圧力室と、その圧力室内に液体を供給される液流路１２０２と、が形成されている。ヒータ１２０１と対向するノズル部材１２０３の位置には、液流路１２０２と連通する吐出口２０９が形成されており、この吐出口２０９からＵＦＢ１２１０を含む液体１２０６が吐出される。ヒータ１２０１には、不図示の電気配線を通して一定電力のパルス信号が供給される。本例の場合、ヒータ１２０１に対しては、パルス幅が０．５μｓ～１０．０μｓｅｃ程度の極めて短いパルスによって電力が供給される。

このような短パルスをヒータ１２０１に印加することにより、極めて高い熱流束がヒータ１２０１に付与される。そして、ヒータ１２０１の表面温度が約３００℃付近となったときに、極めて初期の段階（数ピコ秒程度）においてヒータ１２０１上に核沸騰らしき形態が観察された。そして、そのサブμ秒～数μ後には、図１２（ａ）のように、膜沸騰による気泡１２０７が発生する。その際、液体１２０６は、吐出口２０９から少し飛び出すような形態となる。

その後、図１２（ｂ）のような気泡１２０７の成長段階へ移行し、液体１２０６は、吐出口２０９から大きく飛び出す。気泡１２０７によって表面が覆われたヒータ１２０１に対して、電力が供給され続けられているため、ヒータ１２０１の表面温度は更に上昇し、最大、６００～８００℃程度にまで上昇する。しかし、ヒータ１２０１に対する電力供給は、気泡１２０７の成長過程の初期段階において終わる。気泡１２０７は、図１２（ｃ）のように成長する。その際、気泡１２０７は、吐出口２０９から少し突き出る状態となり、液体１２０６は、吐出口２０９から短く引き伸ばされるようにして吐出される。その後、図１２（ｄ）のように、気泡１２０７が吐出口２０９を通して外気と連通する。その後、図１２（ｅ）のように、不図示の液体タンクから液流路１２０２を通して液体がリフィールされる。このような図１２（ａ）から（ｅ）の段階において、液体中に溶存している気体によってＵＦＢ１２１０が生成された。本実施形態においても、少なくとも膜沸騰により気泡が発生する図１２（ａ）の工程を経ることによって、ＵＦＢが発生すると推定される。

このように生成されたＵＦＢ１２１０は、その後、ヒータ１２０１にパルス信号が印加されることによって吐出される液体１２０６に含まれ、そのＵＦＢ１２１０を含有する液体１２０６は、図１１（ａ）の第１の回収容器１１０６内に溜められる。このとき、液体吐出エレメント２１２と第１の回収容器１１０６とが接触していることが望ましい（但し、多少の隙間は許容される）。本例における液体吐出ユニット７００の液体吐出エレメント２１２は、上向き（反重力方向）に液体１２０６を吐出する。そのため、空気送入口１１１３から新鮮な空気（純度管理されている工場エアーなどが望ましい）を送風して、第１の回収容器１１０６における液体１２０６の回収効率を高める。また、吐出される液体１２０６の状態（速度、体積、小さい液滴またはミストの数など）によっては、ポンプ１１１０によって吸引してもよい。また、生成されるＵＦＢ１２１０の数密度またはバブル径によっては、希釈液体口１１０４から液体を補充して、液体１２０６を希釈してもよい。

第１の回収容器１１０６内に溜められた液体１２０６は、それに含有されるＵＦＢ１２１０以外の不純物を取り除くために、フィルタ１１０９を介して第２の回収容器１１０７に移される。フィルタ１１０９のフィルタ径は、１．０μｍ以上であればよく、その材質は限定されない。但し、フィルタ１１０９は、使用する液体に溶解しない材質であることが必要である。第２の回収容器１１０７は、ＵＦＢ製造装置に対して着脱可能かつ容器を密閉（キャッピング）可能であることが望ましい。その場合、第２の回収容器１１０７の材質としてガラスが好ましい。第２の回収容器１１０７に、ＵＦＢ１２１０を含む液体を保存する場合、第２の回収容器１１０７の材質をガスバリア性が高い材質とすることが望まれる。また、第２の回収容器１１０７内のＵＦＢ１２１０をガスバリア性の高い他の容器に移して、保存してもよい。

第２の実施形態と同様に、基板１２００に１０，０００個のヒータ１２０１を配した。そして、この基板１２００を計４０個並べて実装した。これらのヒータ１２０１に対して、５ｋＨｚの駆動周波数でパルス信号（パルス幅：１．０μｓ、電圧：２４Ｖ）を付与した。また、液体供給管１１０５を通して、液体供給タンク１１０２内の下記の混合液Ｂを液体吐出ユニット７００へ供給した。
イソプロピルアルコール ５ｗｔ％
エチレングリコール ３０ｗｔ％
グリセリン ５ｗｔ％
純水 ６０ｗｔ％

その際、液体供給タンク１１０２内の混合液Ｂに対して、気体導入口１１０３から水素ガスを導入してバブリングさせることによって、混合液Ｂ中の空気をできる限り除去して、水素ガスの飽和溶解度近辺まで混合液Ｂ中に水素ガスを溶解させた。
ヒータの総数＝１．０ｅ４×４０＝４．０ｅ５（＝４．０×１０⁵）
ＵＦＢの生成数＝（４．０ｅ５）×１０×（５．０ｅ３）×６０［ｓ］
＝１．２ｅ１２（（個／Ｌ）／ｍｉｎ）

１分間に１２億個／ｍｌのＵＦＢ１２１０を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ１２１０を極めて短い時間で生成することができた。その確認のために、回収した混合液ＢをＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、混合液Ｂ中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ１０１０の数密度を測定した結果、約１２億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図１１（ｂ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ１２１０の数は、全体の９９．７％であった。また、第２の実施形態と同様に、このように生成したＵＦＢ１２１０内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ法によって分析した結果、水素が検出された。検出された水素の量は、４［ｍｇ／Ｌ］であった。

本発明の第４から第６の実施形態のように、ヒータの加熱による液体の膜沸騰によって気泡を発生させ、その気泡の圧力によってＵＦＢを含有した液滴を飛翔させる形態においても、効率よくＵＦＢを生成することができる。

（第７の実施形態）
図１３（ａ）は、本発明の第７の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、バブル含有液の製造装置に組み込まれている。第４の実施形態と同様に、生成装置には図７（ｂ）の液体吐出ユニット７００が用いられる。本実施形態におけるＵＦＢの生成メカニズムは、第４の実施形態と同様の第１形態のメカニズムである。本実施形態は、吐出口を純水中に浸した状態で膜沸騰により気泡を発生させて、ＵＦＢを含有した液体１３１１を純水中に吐出させる形態である。

第４の実施形態と同様に、基板８００上に１０，０００個のヒータ８０１を配した。そして、この基板８００を並べて２０個実装した。これらのヒータ８０１に対して、２０ｋＨｚの駆動周波数でパルス信号（パルス幅：１．０μｓ、電圧：２４Ｖ）を付与した。また、液体供給管１３０５を通して、液体供給タンク１３０２内の純水を液体吐出ユニット７００へ供給した。その際、液体供給タンク１３０２内の純水に対して、気体導入口１３０３からオゾンガスを導入してバブリングさせることによって、純水中の空気をできる限り除去して、オゾンガスの飽和溶解度近辺まで純水中にオゾンガスを溶解させた。

また、液体供給タンク１３０２内の液体の表面に対して、液体吐出エレメント２１２における吐出口２０９の形成面の位置を低くして、それらの間に水頭差Ｈを維持することにより、吐出口２０９から効率よく液体１３１１を吐出させることができる。つまり、このような水頭差Ｈを維持することにより、液体吐出エレメント２１２の液体吐出部における液流路および吐出口２０９に異物またはバブルなどが詰まった場合に、それらを液圧によって吐出口２０９から第１の回収容器１３０６内に押し流しやすくなる。この結果、吐出口２０９から液体が吐出されなくなる事態（液体の不吐出）の発生を抑制して、ＵＦＢ１３１２を含む液体１３１１を効率よく製造して、第１の回収容器１３０６に貯えることができる。また、第１の回収容器１３０６内の純水は、その液面が液体吐出エレメント２１２の吐出口２０９の位置よりも高くなるように、液体供給口１３０４から供給される。これにより、吐出口２０９が純水に浸される。第１の回収容器１３０６内には純水の流れが形成されており、フィルタ１３０９を介して、第２の回収容器１３０７にＵＦＢ１３１２を数多く含有する純水が貯水される。液体吐出ユニット７００における液体吐出エレメント２１２は、下向き（重力方向）に液体１３１１を吐出する。
ヒータの総数＝１．０ｅ４×２０＝２．０ｅ５（＝２．０×１０⁵）
ＵＦＢの生成数＝（２．０ｅ５）×１０×（２．０ｅ４）×６０［ｓ］
＝２．４ｅ１２（（個／Ｌ）／ｍｉｎ）

１分間に２４億個／ｍｌのＵＦＢ１３１２を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ１３１２を極めて短い時間で生成することができた。その確認のために、回収した純水をＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、純水中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ１３１２の数密度を測定した結果、約２４億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図１３（ｂ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ１３１２の数は、全体の９９．７％であった。

第２の実施形態と同様に、このように生成したＵＦＢ１３１２内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ法によって分析した結果、オゾン（Ｏ３）が検出された。検出されたオゾンの量は、２０［ｍｇ／Ｌ］であった。通常、オゾンは不安定なガスであって、酸化還元作用が強いため、それ自身が分解して酸素と水になる。しかし、本例において作成したＵＦＢ１３１２に含有されるオゾンは、２ケ月後にも同じ含有量が計測された。

（第８の実施形態）
図１４（ａ）は、本発明の第８の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、バブル含有液の製造装置に組み込まれている。第４の実施形態と同様に、生成装置には図７（ｂ）の液体吐出ユニット７００が用いられる。本実施形態におけるＵＦＢの生成メカニズムは、第４の実施形態と同様の第１形態のメカニズムである。本実施形態は第７の実施形態と同様に、吐出口を純水中に浸した状態で膜沸騰により気泡を発生させて、ＵＦＢを含有した液体１３１１を純水中に吐出させる形態であるが、吐出の方向が第７の実施形態とは異なる。

第４の実施形態４と同様に、基板８００上に１０，０００個のヒータ８０１を配した。そして、この基板８００を並べて３０個実装した。これらのヒータ８０１に対して、２０ｋＨｚの駆動周波数でパルス信号（パルス幅：１．０μｓ、電圧：２４Ｖ）を付与した。また、液体供給管１４０５を通して、液体供給タンク１４０２内の純水を液体吐出ユニット７００へ供給した。その際、液体供給タンク１４０２内の純水に対して、気体導入口１４０３からフッ素ガスを導入してバブリングさせることによって、純水中の空気をできる限り除去して、フッ素ガスの飽和溶解度近辺まで純水中にフッ素ガスを溶解させた。

液体吐出ユニット７００の液体吐出エレメント２１２は、上向き（反重力方向）に液体１４１１を押し出す。液体吐出ユニット７００には、液体吐出エレメント２１２における吐出口２０９を全体的に囲む土手１４１４が形成されており、その土手１４１４の内部に、液体供給口１４１３から純水が供給される。土手１４１４によって囲まれた領域には純水が満たされており、その純水の中に液体吐出エレメント２１２が浸されている。液体吐出エレメント２１２からＵＦＢ１４１２を含む液体１４１１が押し出される。土手に１４１４によって囲まれた領域内に溜まったＵＦＢ１４１２を数多く含有する純水は、ポンプ１４１０の吸引力によって、配管１４１５を通して第１の回収容器１４０６へ移される。第１の回収容器１４０６内に貯えられたＵＦＢ１４１２を含有する純水は、フィルタ１４０９を介して、第２の回収容器１４０７内に貯められる。
ヒータの総数＝１．０ｅ４×３０＝３．０ｅ５（＝３．０×１０⁵）
ＵＦＢの生成数＝（３．０ｅ５）×１０×（２．０ｅ４）×６０［ｓ］
＝３．６ｅ１２（（個／Ｌ）／ｍｉｎ）

１分間に３６億個／ｍｌのＵＦＢ１４１２を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ１４１２を極めて短い時間で生成することができた。その確認のために、回収した純水をＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、純水中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ１４１２の数密度を測定した結果、約３６億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図１４（ｂ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ１４１２の数は、全体の９９．７％であった。第２の実施形態と同様に、このように生成したＵＦＢ１４１２内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ法によって分析した結果、フッ素（Ｆ２）が検出された。検出されたフッ素の量は、１０［ｍｇ／Ｌ］であった。

（第９の実施形態）
図１５（ａ）は、本発明の第９の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、バブル含有液の製造装置としての浄水器１５００に組み込まれている。直方体形状の保持部材１５０２における４つの周面上に、図１の基板１と同様に、ヒータ２を備える基板１５０１が複数個実装されている。保持部材１５０２は、上下方向に延在する回転軸１５０３を中心として回転される。保持部材１５０２と回転軸１５０３は、液室である第１の貯水容器１５０４内に位置し、その貯水容器１５０４内には、供給口１５０６から水道水が供給される。第１の貯水容器１５０４の外側には第２の貯水容器１５０５が配されている。

第１の実施形態と同様に、ヒータ２の加熱による液体の膜沸騰によって液体中に気泡を発生させることにより、ＵＦＢ１５１０が生成されて、そのＵＦＢ１５１０が第１の貯水容器１５０４内の水道水中に数多く含有される。このようなＵＦＢ１５１０を含有する水道水は、保持部材１５０２の回転によって攪拌されつつ、第１の貯水容器１５０４内における水道水の流れに沿って下方に流動する。そして、この水道水は、第１の貯水容器１５０４の下端から、第１の貯水容器１５０４と第２の貯水容器１５０５との間に流入し、配管１５０８を通して蛇口１５０９から排出される。また、気体送入口１５０７から、第１の貯水容器１５０４内の水道水に窒素ガスを封入する。その窒素ガスの大きなバブルは、その浮力によって、第１の貯水容器１５０４内における水道水の流れに逆らって上昇するため、第１の貯水容器１５０４と第２の貯水容器１５０５との間への流入が抑制される。

１個の基板１５０１上に１０，０００個のヒータを配し、この基板１５０１を保持部材１５０２における４つの周面上のそれぞれに２５個ずつ、計１００個実装した。これらのヒータに対して、２０ｋＨｚの駆動周波数でパルス信号（パルス幅：５．０μｓ，電圧：１８Ｖ）を付与した。また、供給口１５０６から供給される水道水の流速は、１．０Ｌ／ｍｉｎとした。また、気体送入口１５０７から、第１の貯水容器１５０４内の水道水に窒素ガスを封入し続けた。
ヒータの総数＝１．０ｅ４×１００＝１．０ｅ６（＝１．０×１０⁶）
ＵＦＢの生成数＝（１．０ｅ６）×１．０×（２．０ｅ４）×６０［ｓ］
＝１．２ｅ１２（（個／Ｌ）／ｍｉｎ）

１分間に約１２億個／ｍｌのＵＦＢ１５１０を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ１５１０を極めて短い時間で生成することができた。その確認のために、回収した水道水をＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、水道水中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ１５１０の数密度を測定した結果、約１２億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図１５（ｂ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ１５１０の数は、全体の９９．８％であった。また、図３中の（ａ）から（ｆ）までの１回の連続工程において生成されるＵＦＢ１５１０の数は、約１個程度であった。第２の実施形態と同様に、このように生成したＵＦＢ１５１０内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ法によって分析した結果、窒素が検出された。検出された窒素の量は、１６［ｍｇ／Ｌ］であった。

（第１０の実施形態）
図１６（ａ）は、本発明の第１０の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、バブル含有液の製造装置としての浄水器１６００に組み込まれている。本実施形態では、第９の実施形態の構成に加えて、貯水タンク１６１１を備えている。

第９の実施形態と同様に生成されたＵＦＢ１６ｌ０は、配管１６０８を通して貯水タンク１６１１に貯えられ、そして蛇口１６０９を捻ることにより、蛇口１６０９から排出される。また、気体送入口１６０７から、第１の貯水容器１６０４内の水道水にオゾンガスを封入する。そのオゾンガスの大きなバブルは、その浮力によって、第１の貯水容器１６０４内における水道水の流れに逆らって上昇するため、第１の貯水容器１６０４と第２の貯水容器１６０５との間への流入が抑制される。貯水タンク１６１１の容量は、用途などに応じて設定することができる。本例の場合、貯水タンク１６１１の容量は１００Ｌである。

１個の基板１６０１上に１０，０００個のヒータを配し、この基板１６０１を保持部材１６０２における４つの周面上のそれぞれに１０個ずつ、計４０個実装した。これらのヒータに対して、２０ｋＨｚの駆動周波数でパルス信号（パルス幅：０．７μｓ，電圧：２６Ｖ）を付与した。また、供給口１６０６から供給される水道水の流速は、１．０Ｌ／ｍｉｎとした。但し、貯水タンク１６１１には不図示の満水センサが配備されており、その貯水量が９０．０Ｌを超えたときに、供給口１６０６から水道水の供給が自動的に止まる。また、気体送入口１６０７からは、第１の貯水容器１６０４内の水道水にオゾンガスを封入し続けた。
ヒータの総数＝１．０ｅ４×４０＝４．０ｅ５（＝４．０×１０⁵）
ＵＦＢの生成数＝（４．０ｅ５）×１．０×（２．０ｅ４）×６０［ｓ］
＝２．８８ｅ１３（（個／Ｌ）／ｈ）

１時間に約２８８億個／ｍｌのＵＦＢ１６１０を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ１６１０を極めて短い時間で生成することができた。その確認のために、回収した水道水をＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、水道水中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ１６１０の数密度を測定した結果、約２８８億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図１６（ｂ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ１６１０の数は、全体の９９．８％であった。また、図３中の（ａ）から（ｆ）までの１回の連続工程において生成されるＵＦＢ１６１０の数は、約１．０個程度であった。第２の実施形態と同様に、このように生成したＵＦＢ１６１０内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ法によって分析した結果、オゾンが検出された。検出されたオゾンの量は、１０［ｍｇ／Ｌ］であった。

（第１１の実施形態）
図１７は、本発明の第１１の実施形態の説明図である。本実施形態においては、第２の実施形態における図５（ａ）のバブル含有液の製造装置と同様の機能を備える製造装置（第１，第２の製造装置１７０１，１７０２）が直列に接続されている。これにより、第２の実施形態に対して２倍の量のＵＦＢ、つまり、１分間に約２４億個／ｍｌのＵＦＢ４１を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ４１を極めて短い時間で生成することができた。その確認のために、回収した水道水をＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、水道水中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ４１の数密度を測定した結果、約２４億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図１７（ｂ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ４１の数は、全体の９９．８％であった。第１の実施形態と同様に、このように生成したＵＦＢ内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ法によって分析した結果、窒素が検出された。また、水道水の成分を分析した結果、不純物の増加は観察されなかった。

本実施形態においても、第１の実施形態の変形例で示した図２２の構成を適用可能である。例えば、図１７における一方の製造装置１７０２に図２２のような循環機構を設けることにより、高い数密度のＵＦＢ含有液体をさらに効率的に生成することが可能となる。

（第１２の実施形態）
図１８（ａ）は、本発明の第１２の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、バブル含有液の製造装置としての浄水器１８００に組み込まれている。本実施形態は、図１５に示す第９の実施形態の構成に加えて、バルブ１８１１および水流発生源１８１４を備えることにより循環流路を構成している。

本実施形態においては、ＵＦＢ１８１０をより高密度に含む水道水を製造するために、配管１８０８およびバルブ１８１１を通して、第１の貯水容器１８０４と第２の貯水容器１８０５との間の水道水を第１の貯水容器１８０４内に戻す循環流路を形成する。この循環経路には、図１８（ａ）中の矢印方向に水道水を循環させるため水流を発生させる水流発生源１８１４が備えられている。水流発生源１８１４としては、種々のポンプを用いることができる。

ＵＦＢ１８１０を含有する第１の貯水容器１８０４内の水道水は、保持部材１８０２の回転によって攪拌されつつ、第１の貯水容器１８０４内における水道水の流れに沿って下方に流動する。そして、この水道水は、第１の貯水容器１８０４の下端から、第１の貯水容器１８０４と第２の貯水容器１８０５との間に流入し、蛇口１８０９を捻ることにより、配管１８０８を通して蛇口１８０９から排出される。また、気体送入口１８０７から、第１の貯水容器１８０４内の水道水に窒素ガスを封入する。その窒素ガスの大きなバブルは、その浮力によって、第１の貯水容器１８０４内における水道水の流れに逆らって上昇するため、第１の貯水容器１８０４と第２の貯水容器１８０５との間への流入が抑制される。

第９の実施形態と同様に、基板１８０１上に１０，０００個のヒータを配し、この基板１８０１を保持部材１８０２における４つの周面上のそれぞれに２５個ずつ、計１００個実装した。これらのヒータに対して、２０ｋＨｚの駆動周波数でパルス信号（パルス幅：５．０μｓ，電圧：１８Ｖ）を付与した。また、供給口１８０６から供給される水道水の流速は、１．０Ｌ／ｍｉｎとした。但し、第２の貯水容器１８０５には不図示の満水センサが配備されており、その貯水量が１０．０Ｌを超えたときに、供給口１６０６から水道水の供給が自動的に止まる。また、気体送入口１８０７からは、第１の貯水容器１８０４内の水道水に窒素ガスを封入し続けた。
ヒータの総数＝１．０ｅ４×１００＝１．０ｅ６（＝１．０×１０⁶）
ＵＦＢの生成数＝（１．０ｅ６）×１．０×（２．０ｅ４）×６０［ｓ］
＝１．２ｅ１２（（個／Ｌ）／ｍｉｎ）

１分間に約１２億個／ｍｌのＵＦＢ１８１０を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ１８１０を極めて短い時間で生成することができた。さらに、供給口１８０６から第１の貯水容器１８０４内への水道水の供給を止めたまま、バルブ１８１１を通して、第１の貯水容器１８０４と第２の貯水容器１８０５との間の水道水を第１の貯水容器１８０４内に戻して循環させた。この循環を１０回繰り返した。
ＵＦＢの生成数＝（１．０ｅ７）×１．０×（２．０ｅ４）×６０［ｓ］
＝１．２ｅ１３（（個／Ｌ）／ｍｉｎ）

１分間に約１２０億個／ｍｌのＵＦＢ１８１０を生成することができた。その確認のために、回収した水道水をＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、水道水中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ１８１０の数密度を測定した結果、約１２０億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図１８（ｂ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ１８１０の数は、全体の９９．９％であった。第２の実施形態と同様に、このように生成したＵＦＢ１８１０内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ法によって分析した結果、窒素が検出された。また、水道水の成分を分析した結果、不純物の増加は観察されなかった。このようなＵＦＢ１８１０を含有する水道水は、蛇口１８０９を捻ることにより、配管１８１３を通して蛇口１８０９から排出される。

（第１３の実施形態）
前述した各実施形態において製造したＵＦＢ含有液について、その殺菌効果を確認した。その確認方法として、洗濯用洗剤の除菌試験方法を実施した。

試験条件は、下記の通りである。
試験温度： ２５℃
試験時間： ５分間
試験容器： ステンレス製円板
試験菌種： 黄色ぶどう球菌、大腸菌
試験菌液濃度： １．２５ｅ８～６．２５ｅ８ ［ｃｆｕ／ｍｌ］
試験試料： ０．１ｍＬ

試験対象ＡからＥとして、第７、９、１０、１１、１２の実施形態のそれぞれにおいて製造してＵＦＢ含有液（ＵＦＢ水）を１０ｍｌずつ準備した。前述したように、第７および第１０の実施形態におけるＵＦＢ含有液にはオゾンが導入され、第９、第１１、第１２の実施形態におけるＵＦＢ含有液には窒素が導入される。また比較対象ＡからＥとして、第７、９、１０、１１、１２の実施形態のそれぞれにおいて使用したＵＦＢ含有前の原水を１０ｍｌずつ準備した。
試験対象Ａ：第７の実施形態にて製造したＵＦＢ水 １０ｍｌ
（オゾン、ＵＦＢ：２４億個／ｍｌ）
試験対象Ｂ：第９の実施形態にて製造したＵＦＢ水 １０ｍｌ
（窒素、ＵＦＢ：１２億個／ｍｌ）
試験対象Ｃ：第１０の実施形態にて製造したＵＦＢ水 １０ｍｌ
（オゾン、ＵＦＢ：２８８億個／ｍｌ）
試験対象Ｄ：第１１の実施形態にて製造したＵＦＢ水 １０ｍｌ
（窒素、ＵＦＢ：２４億個／ｍｌ）
試験対象Ｅ：第１２の実施形態にて製造したＵＦＢ水 １０ｍｌ
（窒素、ＵＦＢ：１２０億個／ｍｌ）
比較対象Ａ：第７の実施形態にて使用した純水 １０ｍｌ
比較対象Ｂ：第９の実施形態にて使用した水道水 １０ｍｌ
比較対象Ｃ：第１０の実施形態にて使用した水道水 １０ｍｌ
比較対象Ｄ：第１１の実施形態にて使用した水道水 １０ｍｌ
比較対象Ｅ：第１２の実施形態にて使用した水道水 １０ｍｌ

これら１０種類の液体に、黄色ぶどう球菌含む試験溶液、および大腸菌を含む試験溶液を５分間浸漬した。そして、それらの浸漬試験後の溶液を処理して、生菌数を計測した。その処理の前後における生菌数の変化を図１９に示す。

図１９から明らかなように、試験対象ＡからＥのＵＦＢ水は、５分間の浸漬によって黄色ぶどう球菌および大腸菌をほぼ無害化させることができた。一方、比較対象ＡからＥの水によっては、黄色ぶどう球菌および大腸菌に変化は見られなかった。このように、本発明によって作成されたＵＦＢ水に、黄色ぶどう球菌および大腸菌をほぼ殺菌させる効果があることが分かった。

（第１４の実施形態）
図２０（ａ）は、本発明の第１４の実施形態におけるバブルの生成装置の概略構成図であり、その生成装置は、バブル含有液の製造装置に組み込まれている。本実施形態は、上述した実施形態に対して、基板２００１の構成および基板２００１の配置等が異なる。

給水タンク２０１０と貯水タンク２０１２との間には流水路２０１１が形成されており、給水路２０１５から給水タンク２０１０に水道水が供給される。水道水は、流水路２０１１内を流速Ｖで流れ、貯水タンク２０１２に貯留されてから排出路２０１６を通して排出される。流水路２０１１内には、ＵＦＢの発生源として、図１における発熱抵抗素子（ヒータ）２を備える基板１と同様に、発熱抵抗素子（ヒータ）２００２を備える基板２００１が配置されている。本実施形態においては、第１の実施形態と同様に１個の基板２００１上に１０，０００個のヒータ２００２を配した上、この基板２００１を計２０個並べて実装した。これらのヒータ２００２に対して、２０ｋＨｚの駆動周波数でパルス信号（パルス幅：１．０μｓ、電圧：２４Ｖ）を付与した。流水路２０１１に水道水を供給し、その流速Ｖを１．０Ｌ／ｍｉｎとした。その際、給水タンク２０１０内の水道水に、気体導入口２０３０から窒素ガスを導入してバブリングさせた。これにより、給水タンク２０１０内の水道水に溶存する気体の大半が窒素ガスに変換される。

図２１（ａ）は、ヒータ２００２を含む基板２００１の拡大断面図、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）のＸＸＩｂ－ＸＸＩｂ線に沿う断面図である。基板２００１上にヒータ２００２が配されており、ヒータ２００２上方には、液流路２１０３を形成する流路部材２１０２が配されている。不図示の溶存気体（窒素ガス）を含む水道水は、図２０の流水路２０１１中の流れに沿うように、液体供給口２１０５から液流路２１０３に供給されて、液体排出口２１０６から排出される。

図２１（ｂ）のように、液流路２０１３は、流路壁部材２１０７によって、ヒータ２００２毎に対応するように分離されている。つまり、１つのヒータ２００２に対して１つの液流路２０１３が形成されている。基板２００１は、図２０（ａ）のように、ヒータ２００２が上方を向くように流水路２０１１内の上部に配備されており、図２０（ａ）において、流水路２０１１の内側の上面と、流路部材２１０２の上面と、が対向している。流水路２０１１によって、流路部材２１０２の少なくとも一部を構成してもよい。このように、基板２００１が流水路２０１１内の上部に配備されるため、図３中の段階（ａ）から（ｆ）と同様に生成されるＵＦＢ２０４１は、水道水と共に液体排出口２１０６から下方に排出される。

ＵＦＢ２０４１の生成時には、図３中の気泡３２０と同様に、水道水の膜沸騰によって気泡２１０４が発生する。気泡２１０４は、ヒータ２００２毎に対応するように規制された液流路２０１３内において成長するため、隣接する液流路２０１３内の気泡２１０４は互いに干渉しない。したがって、複数のヒータ２００２を高密度に配置して、それらのヒータ２００２によって効率よくＵＦＢ２０４１を生成することができる。気泡２１０４は、液流路２０１３を形成する基板２００１の上面と、流路部材２１０２の下面と、左右（図２１（ｂ）の上下）の流路壁部材２１０７の内面と、の計４面によって、成長方向が規制される。しかし、左右の流路壁部材２１０７の少なくとも一方のみによって気泡２１０４の位置を規制してもよく、また流路部材２１０２のみによって気泡２１０４の位置を規制してもよい。また、左右の流路壁部材２１０７の一方と流路部材２１０２とによって気泡２１０４の位置を規制してもよい。要は、気泡２１０４の少なくとも一部の位置を規制することができればよい。
ヒータの総数＝１．０ｅ４×２０＝２．０ｅ５（＝２．０×１０⁵）
ＵＦＢの生成数＝（２．０ｅ５）×１０×（２．０ｅ４）×６０［ｓ］
＝２．４ｅ１２（（個／Ｌ）／ｍｉｎ）

１分間に約２４億個／ｍｌのＵＦＢ２０４１を生成することができた。このように、高い数密度のＵＦＢ２０４１を極めて短い時間で生成することができた。その確認のために、回収した水道水をＳＡＬＤ－７５００（島津製作所製）の測定器にセットして、水道水中における直径１．０μｍ未満のＵＦＢ２０４１の数密度を測定した結果、約２４億個／ｍｌであった。そのときのバブル径の頻度分布を図２０（ｂ）に示す。直径が１０ｎｍ～４００ｎｍの範囲におけるＵＦＢ２０４１の数は、全体の９９．０％であった。第１の実施形態と同様に、このように生成したＵＦＢ内に含まれる気体をＧＣ－ＴＣＤ法によって分析した結果、窒素が検出された。また、水道水の成分を分析した結果、不純物の増加は観察されなかった。

本実施形態においても、第１の実施形態の変形例で示した図２２の構成を適用可能である。例えば、図２０の製造装置に図２２で示したような循環機構を設けることにより、高い数密度のＵＦＢ含有液体をさらに効率的に生成することが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は、液体に遷移沸騰を超える膜沸騰を発生させることにより、短時間に効率よく直径が１．０μｍ未満のＵＦＢを生成することができる。ＵＦＢの発生源の一例として、１個当たり数十μｍの正方形および長方形の形状の発熱抵抗部を用いることができる。これにより、このような発熱抵抗部を１０，０００個形成しても数ｍｍレベルのサイズに収めることができ、この結果、ＵＦＢ含有液の製造装置を極めて小型に構成することができる。また、ＵＦＢの発生源を１個当たり数十μｍレベルの正方形および長方形とすることにより、ＵＦＢの発生効率がよく、液体供給用タンクおよび液体排出用タンク（容器）も小型化することができる。

膜沸騰を生じさせる条件の一例として、以下の条件が挙げられる。ヒータによって液体を加熱する時間が１００μｓｅｃ以下のときに、液体に膜沸騰を生じさせることができた。また、ヒータを含む発熱部が液体と接する面の一方の幅を５．００ｍｍ以下、かつ他方の幅を５．００ｍｍ以下、液体と接する面の面積を２５．０ｍｍ²以下としたときに、液体に膜沸騰を生じさせることができた。液体に膜沸騰を生じさせることにより、液体中におけるＵＦＢの含有量を２０億個／ｍｌ以上とすることができた。また、液体中に含まれるＵＦＢのうち、直径が１０ｎｍから４００ｎｍのものの数を５０％以上とすることができた。このように生成したＵＦＢは、１週間経過後における減少数が５０％以下であった。また、ＵＦＢ含有液は、内部に気体を含むＵＦＢを含有することにより、大気圧下において液体に溶解する気体の飽和溶解度以上の量の気体を含むことができた。

液体は、前述した実施形態のような水を主成分とするものに限定されず、また有機溶剤、塩素化合物、電解質イオンなどを含んでもよい。、塩素化合物は、例えば、ＬｉＣＬ，ＫＣＬ，ＮＡＣＬ，ＭｇＣＬ２，ＣａＣＬ２であり、溶解度以下の量が液体に含有される。電解質イオンは、例えば、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、リン（Ｐ）、クロール（Ｃｌ）、重炭酸（ＨＣＯ₃ ^-）であり、溶解度以下の量が液体に含有される。また、液体に種々の気体を溶存させることにより、ＵＦＢの内部の気体を任意に選択することができる。例えば、その気体として、水素、ヘリウム、酸素、窒素、メタン、フッ素、ネオン、二酸化炭素、オゾン、アルゴン、塩素、エタン、プロパン、空気、および、それらを含む混合気体からなる群から選択される気体を含むことができる。

本発明の効果を向上させるために、供給する水に含まれる溶存気体成分を脱気させておくとよい。つまり、脱気手段によって溶存気体を所望量除去した水を準備し、この脱気した水に対して、溶解させたい気体を導入する。この所望の気体が溶解した液体をヒータにより加熱し、膜沸騰を生じさせることにより、所望の気体を内包したＵＦＢを生成させることができる。

本発明は、上述した各実施形態だけでではなく、各実施形態の構成および条件を組合わせた形態に対しても適用可能である。例えば、ＵＦＢを活用する種々に装置に用いられるＵＦＢ含有液の製造装置およびＵＦＢの生成方法として適用可能である。

１ 素子基板
２ ヒータ
４１ ウルトラファインバブル（ＵＦＢ）
１１ 流水路
２１２ 液体吐出エレメント
３２０ 気泡
７００ 液体吐出ユニット

Claims (13)

1. 圧力室と、
   前記圧力室に液体を供給する供給路と、
   前記圧力室に連通する吐出口と、
   前記圧力室内に配置され、液体を加熱することで、液体に膜沸騰を生じさせて、液体を前記吐出口から吐出するように構成された発熱手段と、
   前記吐出口から吐出された液体を回収する回収手段と、
   を備え、
   前記発熱手段において、液体の膜沸騰により生じる気泡のエネルギーによって、前記圧力室内の液体が前記吐出口から吐出されることで液体中に直径が１．０μｍ未満のウルトラファインバブルを生成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製造装置。
2. 前記発熱手段が、その表面温度を３００℃以上まで加熱することが可能である請求項１に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
3. 前記発熱手段が、前記膜沸騰を断続的に生じさせる請求項１または２に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
4. 液体に気体を導入する気体導入手段を更に含む請求項１から３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製造装置。
5. 前記気体導入手段で導入される前記気体が、水素、ヘリウム、酸素、窒素、メタン、フッ素、ネオン、二酸化炭素、オゾン、アルゴン、塩素、エタン、プロパン、空気、および、それらを含む混合気体からなる群から選択される気体である請求項４に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
6. 前記発熱手段により液体を加熱する時間が、１００μｓｅｃ以下である請求項１から５のいずれか１項に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
7. 前記発熱手段の、液体と接する面の面積が、２５．０ｍｍ²以下である請求項１から６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製造装置。
8. 前記発熱手段が、発熱抵抗部を含む請求項１から７のいずれか１項に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
9. 前記膜沸騰を断続的に生じさせるように、前記発熱手段を断続的に発熱させる制御手段を備える請求項３から８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製造装置。
10. 前記回収手段において回収されるウルトラファインバブル含有液に含有される前記ウルトラファインバブルの含有量が２０億個／ｍｌ以上である請求項１から９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製造装置。
11. 前記回収手段において回収されるウルトラファインバブル含有液に含有される前記ウルトラファインバブルのうち、直径が１０ｎｍから４００ｎｍの前記ウルトラファインバブルの数が５０％以上である請求項１０に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
12. 前記回収手段において回収されるウルトラファインバブル含有液において、前記ウルトラファインバブルの回収から１週間経過後における減少数が５０％以下である請求項１０または１１に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。
13. 前記回収手段において回収されるウルトラファインバブル含有液は、内部に気体を含む前記ウルトラファインバブルを含有することにより、大気圧下において前記液体に溶解する前記気体の飽和溶解度以上の量の前記気体を含む請求項１０から１２のいずれか１項に記載のウルトラファインバブル含有液の製造装置。

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