気体溶解液生成装置及び生成方法
【課題】ナノバブル水（ゼータ高電位水）の生成に適用される気体溶解液生成装置を提供する。
【解決手段】気体溶解液生成装置は、気体と液体とを混合する気液混合部１０１と、この気体を含む液体が流入し、この液体中に含まれる気体をマイクロバブルに変換するマイクロバブル生成部１０４と、このマイクロバブルを含む液体が流入し、この液体中に含まれるマイクロバブルをナノバブルに変換するナノバブル生成部１０５と、このナノバブルを含む液体を、気液混合部、マイクロバブル生成部、及びナノバブル生成部を介して循環させることで、この液体中の気体溶解濃度を高める循環機構２０１とを備える。
【解決手段】気体溶解液生成装置は、気体と液体とを混合する気液混合部１０１と、この気体を含む液体が流入し、この液体中に含まれる気体をマイクロバブルに変換するマイクロバブル生成部１０４と、このマイクロバブルを含む液体が流入し、この液体中に含まれるマイクロバブルをナノバブルに変換するナノバブル生成部１０５と、このナノバブルを含む液体を、気液混合部、マイクロバブル生成部、及びナノバブル生成部を介して循環させることで、この液体中の気体溶解濃度を高める循環機構２０１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体溶解液生成装置及び生成方法に関し、例えば、ナノバブルを含有し、半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造工程において洗浄水として使用可能なナノバブル水（ゼータ高電位水）の生成に適用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体業界やＦＰＤ業界では、洗浄液として、ＳＣ−１（アンモニア過酸化水素水）やＳＣ−２（硫酸過酸化水素水）等の薬液が使用されている。しかしながら、これらの薬液には、薬液を廃棄する際に環境負荷に与える影響が大きいという問題がある。更には、超純水（ＵＰＷ）の流動帯電によって中間工程で生じる静電気劣化を防止するために使用されるＣＯ２も、環境負荷に重大な影響を与えることが明らかとなっている。
【０００３】
そこで、現在、薬液に代わる洗浄液として、マイクロバブルと呼ばれる気泡を含有するマイクロバブル水が注目されている。液中に存在する微細気泡は、その表面に電荷（ゼータ電位）を持つことが知られている。このゼータ電位が、液中において、洗浄対象物から汚染物のパーティクルを剥離し、洗浄に寄与する。
【０００４】
また、液中の微細気泡が持つゼータ電位は、その粒径が小さくなるほど高くなることが知られている。一方、現在使用されているマイクロバブル水には、ナノバブルと呼ばれるマイクロバブルよりも更に粒径の小さな気泡から、粒径が数１００μｍにも及ぶ大きな気泡まで混在しており、マイクロバブル水とはいえ、マイクロバブル以外の気泡も含まれている。マイクロバブルやナノバブルの定義としては、明確な定義はないが、一般に、マイクロバブルとは、粒径（直径）が１μｍから１００μｍ程度の気泡を指し、ナノバブルとは、粒径（直径）が１μｍ未満の気泡を指す（特許文献１及び２参照）。ナノバブルは、例えば、マイクロバブルに超音波を照射することで生成可能である（特許文献２参照）。
【０００５】
このように、マイクロバブル水には、洗浄に大いに寄与する小粒径のバブルから、洗浄への寄与が少ない大粒径のバブルまで含まれている。
【０００６】
このような大粒径のバブルのうち、とりわけ、数μｍ以上の大粒径のバブルは、存在時間が短く、ナノバブルその他の微細なバブルを吸着して、より大きなバブルとなる傾向がある。この大きなバブルは、液中を対流せず、液面付近で崩壊（圧壊）する。この崩壊時に発生するキャビテーションが、半導体デバイスやＦＰＤの中間工程品や最終工程品を破壊してしまう。例えば、このキャビテーションによって、半導体ウェハ上のトレンチ構造や微細チャネルが破壊されるおそれがある。
【０００７】
従って、半導体デバイスやＦＰＤの洗浄液としては、粒径の小さいバブルをできるだけ多く含有するような洗浄液が望ましく、具体的には、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルができるだけ除去された（即ち、マイクロバブルの含有量が少ない）洗浄液が望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−３６５８５号公報
【特許文献２】特開２００６−２８９１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
半導体デバイスやＦＰＤの洗浄方法としては、例えば、超音波洗浄法やオゾン溶解法等が知られている。
【００１０】
しかしながら、超音波洗浄法では、微細バブルから数１０μｍオーダーのバブルが混在して発生し、大粒径バブルが微細バブルを吸着してより大きくなるため、バブルの粒径をそろえることができないという問題がある。更には、超音波エネルギーや、バブル崩壊時に発生するキャビテーションにより、半導体デバイスやＦＰＤがダメージを受けてしまうおそれがある。
【００１１】
オゾン溶解法では、オゾンを超純水中に溶解させ、オゾンの活性力を活用して洗浄効果を高めている。しかしながら、オゾンは短時間で安定な酸素となるため、洗浄時まで安定したオゾン濃度を維持することが難しい。また、超純水が流動帯電によって帯電すると、半導体デバイスやＦＰＤの絶縁層を劣化、破壊させるおそれがある。また、オゾン溶解法では、オゾンを溶解させた超純水を使用する前に、ＳＣ−１やＳＣ−２を使用することもあり、これでは薬液による洗浄と変わらなくなってしまう。また、超純水を使用する場合には、装置停止中に超純水中に発生するバクテリア等の微生物も問題となる。
【００１２】
本発明は、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルの含有量の少ない液体を生成可能な気体溶解液生成装置及び生成方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一の態様は、例えば、気体と液体とを混合する気液混合部と、前記気体を含む前記液体が流入し、前記液体中に含まれる前記気体をマイクロバブルに変換するマイクロバブル生成部と、前記マイクロバブルを含む前記液体が流入し、前記液体中に含まれる前記マイクロバブルをナノバブルに変換するナノバブル生成部と、前記ナノバブルを含む前記液体を、前記気液混合部、前記マイクロバブル生成部、及び前記ナノバブル生成部を介して循環させることで、前記液体中の気体溶解濃度を高める循環機構と、を備えることを特徴とする気体溶解液生成装置である。
【００１４】
本発明の別の態様は、例えば、気液混合部にて、気体と液体とを混合し、前記気体を含む前記液体が流入するマイクロバブル生成部にて、前記液体中に含まれる前記気体をマイクロバブルに変換し、前記マイクロバブルを含む前記気体が流入するナノバブル生成部にて、前記液体中に含まれる前記マイクロバブルをナノバブルに変換し、前記ナノバブルを含む前記液体を、前記気液混合部、前記マイクロバブル生成部、及び前記ナノバブル生成部を介して循環させ、前記液体中の気体溶解濃度を高める、ことを特徴とする気体溶解液生成方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルの含有量の少ない液体を生成可能な気体溶解液生成装置及び生成方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る気体溶解液生成装置を示した正面図である。
【図２】図１の気体溶解液生成装置を、図１の右側方向から見た側面図である。
【図３】図１の気体溶解液生成装置の構成を模式的に示した概念図である。
【図４】液温とマイクロバブルの生成個数との関係を示したグラフである。
【図５】液体の温度及び圧力と気体溶解濃度との関係を示したグラフである。
【図６】図３のマイクロバブル生成部の構成を詳細に示した側方断面図である。
【図７】図６の発泡用ベンチュリー管の構造を詳細に示した拡大断面図である。
【図８】図６の発泡用ベンチュリー管の構造を詳細に示した拡大断面図である。
【図９】図６のマイクロバブル生成部での生成気泡の分布を示したグラフである。
【図１０】図３のナノバブル生成部の構成を詳細に示した側方断面図である。
【図１１】図１０のナノバブル生成部での生成気泡の分布を示したグラフである。
【図１２】従来の気体溶解液生成装置の構成について説明するための図である。
【図１３】本実施形態の気体溶解液生成装置の構成について説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る気体溶解液生成装置を示した正面図である。
図１には、この装置外から気液混合部１０１に気体を導入するための複数の気体導入口１２１が示されており、更には、原水の流入口となる原水入口１２２と、生成水の流出口となる生成水出口１２３が示されている。
【００１９】
気体導入口１２１から導入された気体と、原水入口１２２から流入した液体（水）は、気液混合部１０１にて混合され、気体が溶解した気体溶解液（気体溶解水）となる。この気体溶解水は、次に、加圧ポンプ１０２内で回転するインペラーにより攪拌、混合され圧力が加えられ、せん断・溶解部１０３にて、せん断により気体を溶解させるせん断・溶解処理がなされる。
【００２０】
気液混合部１０１、加圧ポンプ１０２、及びせん断・溶解部１０３を経由した気体溶解水は、マイクロバブル生成部１０４に流入する。マイクロバブル生成部１０４では、この気体溶解水中に含まれる気体をマイクロバブルに変換する。この気体溶解水は、マイクロバブルを含有する水ということで、マイクロバブル水と呼ぶ。
【００２１】
マイクロバブル生成部１０４から排出された気体溶解水（マイクロバブル水）は、続いて、ナノバブル生成部１０５に流入する。ナノバブル生成部１０５では、この気体溶解水中に含まれるマイクロバブルをナノバブルに変換する。この気体溶解水は、ナノバブルを含有する水ということで、ナノバブル水と呼ぶ。
【００２２】
本実施形態では、ナノバブル生成部１０５から排出された気体溶解水（ナノバブル水）を、気液混合部１０１、加圧ポンプ１０２、せん断・溶解部１０３、マイクロバブル生成部１０４、及びナノバブル生成部１０５を介して循環させることが可能である。本実施形態では、この気体溶解水を、これらのブロック１０１〜１０５を介して繰り返し循環させた後、ナノバブル生成部１０５に設けられた生成水出口１２３から装置外（例えば水槽）に排出する。このような循環処理を行う循環機構の詳細については、後述する。
【００２３】
図１には更に、せん断・溶解部１０３に接続され、気体溶解水を冷却する冷却機１１１が示されている。冷却機１１１の詳細については、後述する。
【００２４】
図２は、図１の気体溶解液生成装置を、図１の右側方向から見た側面図である。
図２には、上述の気液混合部１０１、加圧ポンプ１０２、せん断・溶解部１０３、マイクロバブル生成部１０４、ナノバブル生成部１０５等に加え、この装置を制御するための制御盤１３１が示されている。
【００２５】
図３は、図１の気体溶解液生成装置の構成を模式的に示した概念図である。
図３では、気体導入口１２１から導入された気体が、符号Ａで示され、原水入口１２２から流入した水が、符号Ｂで示されている。これらの気体と水は、気液混合部１０１にて混合され、気体溶解水となる。
【００２６】
本実施形態では、この気体溶解水を、循環機構２０１により、気液混合部１０１、加圧ポンプ１０２、せん断・溶解部１０３、マイクロバブル生成部１０４、及びナノバブル生成部１０５を介して繰り返し循環させる。この間、マイクロバブル生成部１０４では、この水中に、上記気体からマイクロバブルを生成し、ナノバブル生成部１０５では、この水中に、上記マイクロバブルからナノバブルを生成する。
【００２７】
図３には、循環機構２０１を構成するリピート回路２１１が示されている。リピート回路２１１は、ナノバブル生成部１０５から排出された気体溶解水（ナノバブル水）を、再び気液混合部１０１へと流入させる。
【００２８】
このように、本実施形態では、気体溶解水を、循環機構２０１により、気液混合部１０１、加圧ポンプ１０２、せん断・溶解部１０３、マイクロバブル生成部１０４、及びナノバブル生成部１０５を介して繰り返し循環させる。これにより、気体と液体とを混合する処理や、この気体をマイクロバブル、更には、ナノバブルに変換する処理が、繰り返し行われる。更には、加圧ポンプ１０２やせん断・溶解部１０３により、混合や溶解を更に促進する処理が行われる。これにより、本実施形態では、気体溶解水中の気体溶解濃度を高めることができる。本実施形態では、このような循環機構２０１により、気体溶解水中の気体溶解濃度をコントロールすることが可能となる。
【００２９】
本実施形態では更に、マイクロバブル生成部１０４にて、気体溶解水中の気体をマイクロバブルに変換し、ナノバブル生成部１０５にて、このマイクロバブルを更にナノバブルに変換するという処理（二段階処理）を繰り返し行う。これにより、１回の循環処理でナノバブルに変換されずに残ったマイクロバブルや気体も、循環処理の繰り返しによりナノバブルに変換されることとなる。その結果、水中のナノバブルの純度が高まり、逆にマイクロバブルの割合は減っていく。よって、本実施形態によれば、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルの含有量の少ない気体溶解水を生成することが可能となる。
【００３０】
このような気体溶解水には、例えば、半導体デバイスやＦＰＤの製造工程において洗浄水として使用するのに適しているという利点がある。理由は、この気体溶解水は、洗浄への寄与の大きいナノバブルを高濃度に含有し、洗浄への寄与が少なく、圧壊により半導体デバイスやＦＰＤにダメージを与えるおそれのあるマイクロバブルの含有量が少ないからである。この洗浄水によれば、半導体デバイスやＦＰＤへのダメージを抑制し、これらの歩留まり（yield）を向上させることが可能となる。
【００３１】
なお、気体溶解水を循環させる時間や回数は、必要とする気体溶解濃度、ナノバブル含有量、ナノバブル濃度、ナノバブル純度や、気体溶解液生成装置のサイズに応じて、様々な時間や回数に変えても構わない。気体溶解水の循環時間の例としては、数分から数十分程度、例えば、３０分程度とすることが考えられる。
【００３２】
また、本実施形態の気体溶解液生成装置には、次のような利点もある。
【００３３】
（１）気体溶解水の冷却
本実施形態のように気体溶解水を循環させる場合、循環する気体溶解水（循環水）の温度が、マイクロバブルがナノバブルに変換される際の反応熱や、循環水の摩擦熱により、上昇してしまう。一方、マイクロバブルの生成効率や、水に対する気体の溶解度は、温度の上昇により低下することが知られている（図４、図５参照）。
【００３４】
図４は、液温とマイクロバブルの生成個数との関係を示したグラフである。図４の横軸は、水温（℃）を表し、縦軸は、直径５０μｍ以下のマイクロバブルの生成個数（個／ｍｇ）を表す。図４の出典は、ニッタ・ムアー社製品「気液せん断方式マイクロバブル発生器：泡多郎（CATA-10070A-01）」の製品カタログ資料である。図４には、マイクロバブルの生成個数が、水温の上昇により減少するという実験結果が示されている。
【００３５】
図５は、液体の温度及び圧力と気体溶解濃度との関係を示したグラフである。図５の横軸は、水圧（１０−５×Ｐａ）を表し、縦軸は、空気の気体溶解濃度（ｍｇ／Ｌ）を表す。図５の出典は、町谷勝幸らによる「気泡水の生成と利用（IDEC Review, p.8 (1993)）」である。図５には、様々な水温における気体溶解濃度の測定結果が示されており、これによると、水に対する気体の溶解度は、水温が低くなるほど高くなることが解る。
【００３６】
そこで、本実施形態では、気体溶解液生成装置に冷却機１１１を設け、循環機構２０１により循環している気体溶解水を、冷却機１１１により冷却する（図３）。これにより、循環水の温度が反応熱や摩擦熱により上昇するのを防止することが可能となる。本実施形態では、冷却機１１１により、循環水の温度を最適温度（例えば４℃）に保つことが可能となる。
【００３７】
本実施形態では、冷却機１１１は、せん断・溶解部１０３に接続されている。これにより、せん断処理中の循環水の溶解度を高めることが可能となる。また、この場合には、図３に示すように、循環機構２０１において、せん断・溶解部１０３の上流及び下流にそれぞれ温度センサＴ1及びＴ2を設けてもよい。これにより、これらの温度センサＴ1及びＴ2で水温（又は気体の温度）を監視し、検出された温度に基づき、必要に応じて冷却機１１１を動作させることが可能となる。例えば、温度センサＴ1の検出温度と温度センサＴ2の検出温度との温度差に応じて、冷却機１１１を動作させるか否か、又は冷却機１１１をどのような出力で動作させるかを制御することが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態では、冷却機１１１を、せん断・溶解部１０３以外に接続するようにしてもよいし、気体溶解液生成装置のオプション品としてもよい。これらのいずれの場合の冷却機１１１も、本発明における冷却手段の例に該当する。
【００３９】
（２）気体溶解水の加圧
水に対する気体の溶解度は、気体溶解水の冷却だけでなく、気体溶解水の加圧によっても向上することが知られている（図５参照）。本実施形態では、加圧ポンプ１０２により気体溶解水に圧力を加えることで、攪拌、混合中の気体溶解水の溶解度を高めることができる。本実施形態では、気体溶解液生成装置に、加圧ポンプ１０２以外の加圧手段を設けても構わない。
【００４０】
（３）気体導入口
本実施形態の気体溶解液生成装置には、装置外から気液混合部１０１に気体を導入するための気体導入口１２１が、複数設けられている。この装置を用いて洗浄水を生成する場合、洗浄対象物ごとに気体を切り替えたい場合がある。例えば、ある洗浄対象物用の洗浄水を生成する際には、水素を使用することが望ましく、別の洗浄対象物用の洗浄水を生成する際には、酸素を使用することが望ましい、といった具合である。
【００４１】
このような場合、本実施形態のような複数の気体導入口１２１によれば、気体の切り替えを容易に行うことが可能となる。また、本実施形態によれば、単一気体を含有する気体溶解水だけでなく、複数種類の気体を含有する気体溶解水も容易に生成することが可能となる。
【００４２】
なお、複数種類の気体や複数種類の液体を用いて気体溶解液を生成する場合には、せん断・溶解部１０３の構成として、例えば、特許４０９４６３３号や特許３７６２２０６号に記載のものを採用することが望ましい。これにより、液体と気体の二相に同時に物理的力を作用させ、微細な気泡を含有する気体溶解水を生成することが可能となる。
【００４３】
（４）余剰気体再導入口
本実施形態の気体溶解液生成装置には、図３に示すように、この装置内で気体溶解水から発生した余剰気体を、気液混合部１０１に再導入するための余剰気体再導入口１２４が設けられている。これにより、本実施形態では、余剰気体の再利用が可能となり、余剰気体を無駄に廃棄せずに、装置をエコロジー的に優れたものとすることができる。
【００４４】
本実施形態では、この余剰気体再導入口１２４からは、マイクロバブル生成部１０４内で発生した余剰気体が再導入される。図３には、余剰気体をマイクロバブル生成部１０４から余剰気体再導入口１２４を介して気液混合部１０１に再導入するためのリターン回路２１２が示されている。
【００４５】
（５）エコ回路
本実施形態にて生成された生成水（ナノバブル水）は、生成水出口１２３から装置外に排出され、例えば、半導体デバイスやＦＰＤの洗浄に使用される。図３では、これらの洗浄対象物が、負荷１４１として示されている。上記の生成水を使用して負荷１４１を洗浄することで、洗浄対象物からパーティクルが剥離される。
【００４６】
本実施形態では、気体溶解液生成装置に、例えばオプションで、パーティクル分離部１４２とパーティクルフィルタ１４３とを含むエコ回路２１３を取り付けてもよい。パーティクル分離部１４２では、洗浄後にパーティクルを洗浄対象物から分離し、パーティクルフィルタ１４３では、パーティクルが分離された洗浄水をフィルタリングし、洗浄水中のパーティクルを除去する。
【００４７】
エコ回路２１３を経由した水は、放水回路２１４により放水してもよいし、回収回路２１５により再び原水入口２１２に流入させてもよい。前者によれば、水を汚れたまま放水することが回避され、後者によれば更に、水の再利用が可能となり、装置をエコロジー的に優れたものとすることができる。
【００４８】
（６）気体、液体、洗浄対象物、洗浄処理の具体例
なお、使用する気体の具体例としては、水素（Ｈ２）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）等が挙げられる。また、使用する液体の具体例としては、超純水、アルカリイオン水、海水等が挙げられる。
【００４９】
また、洗浄対象物の具体例としては、半導体ウェハ、セラミックウェハ、磁気ディスク用基板、光ディスク用基板、フォトマスク用のガラス基板、プラズマディスプレイ用のガラス基板、液晶表示装置用のガラス基板、その他の各種基板等が挙げられる。また、洗浄処理の具体例としては、金属不純物の除去や、有機汚染物の除去等が挙げられる。
【００５０】
以下、図３のマイクロバブル生成部１０４及びナノバブル生成部１０５の構成について詳細に説明する。
【００５１】
（マイクロバブル生成部）
図６は、図３のマイクロバブル生成部１０４の構成を詳細に示した側方断面図である。
【００５２】
マイクロバブル生成部１０４は、図６に示すように、マイクロバブル生成部本体（発泡室）３０１と、気体溶解水流入口３０２と、発泡用ベンチュリー管３０３と、余剰気体出口３０４と、余剰気体リターンチューブ３０５と、マイクロバブル水流出口３０６とを有している。
【００５３】
マイクロバブル生成部１０４では、気体溶解水が、気体溶解水流入口３０２から発泡用ベンチュリー管３０３を介してマイクロバブル生成部本体３０１に流入する。マイクロバブル生成部本体３０１は、気体溶解水を収容可能な発泡室となっている。発泡用ベンチュリー管３０３はそれぞれ、この発泡室３０１内に個別に気体溶解水を噴射して、発泡室３０１内にマイクロバブルを発生させる。
【００５４】
本実施形態のマイクロバブル生成部１０４には、小型で小能力の発泡用ベンチュリー管３０３が複数本設けられており、求める能力は、発泡用ベンチュリー管３０３の本数を増やすことで得られるようになっている。本実施形態では、ベンチュリー管１本当たりの発泡量を少量とし、求める発泡量には、ベンチュリー管の本数を増やすことで対応することで、均一でバラツキの少ない粒径を有するマイクロバブルを生成することが可能となる。また、各ベンチュリー管を小型で小能力なものとすることで、微細で安定したマイクロバブルを生成することが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態では、発泡室３０１は、上下方向に長い形状を有しており、発泡用ベンチュリー管３０３は、発泡室３０１の上部（天）に向けて気体溶解水を噴射するよう、発泡室３０１の底部に上向きに設置されている。図６には、発泡室３０１内において、発泡用ベンチュリー管３０３の上部に位置する整泡ゾーンと、整泡ゾーンの更に上部に形成された気液混在ゾーンが示されている。気体溶解水は、発泡用ベンチュリー管３０３にてマイクロバブル粒径の気泡流に変換され、整泡ゾーンに向かっての発泡流となる。図６には、発泡流が発泡室３０１内をサーキュレートする様子が示されている。
【００５６】
ここで、発泡室３０１の構造及び利点について詳細に説明する。
【００５７】
マイクロバブルは、一般に、水槽等に気体溶解水を噴射することで生成される。しかしながら、この方法には、生成気泡径のバラツキが大きいという欠点がある。これに対し、本実施形態では、装置内に、装置外の水槽とは独立した発泡室３０１を別個に設け、この発泡室３０１内にマイクロバブルを生成する。これにより、本実施形態では、マイクロバブルの拡散や、これに起因する生成気泡径のランダム化を防止することが可能となる。
【００５８】
このような効果には特に、発泡室３０１の整泡ゾーンが寄与する。本実施形態では、発泡室３０１内における発泡用ベンチュリー管３０３の上部に、一定の容量を持つ整泡ゾーンが設けられている。このゾーンがないと、生成された気泡が自由運動し、その気泡径が大きくなってしまう。本実施形態では、発泡用ベンチュリー管３０３の上部に整泡ゾーンを設けることで、生成気泡径のバラツキを抑えることが可能となる。
【００５９】
図６では、発泡室３０１の上面がＳ1で示され、発泡室３０１の側面がＳ2で示されている。本実施形態では、余剰気体出口３０４が、発泡室３０１の上面Ｓ1に設けられ、マイクロバブル水流出口３０６が、発泡室３０１の側面Ｓ2に設けられている。
【００６０】
発泡室３０１内において、整泡ゾーンの上部では、気体溶解水から発生した余剰気体により気液混在ゾーンが形成される。そこで、本実施形態では、発泡室３０１の上面Ｓ1に余剰気体出口３０４を設け、余剰気体を余剰気体出口３０４から排出する。余剰気体出口３０４を、発泡室３０１の側面Ｓ2ではなく上面Ｓ1に設けることで、余剰気体及び気体溶解水のうちの余剰気体のみを、余剰気体出口３０４から排出することが可能となっている。
【００６１】
余剰気体出口３０４は、余剰気体リターンチューブ３０５を通じて、図３に示すリターン回路２１２及び余剰気体再導入口１２４に繋がっている。よって、余剰気体出口３０４から排出された余剰気体は、気液混合部１０１に再導入される。これにより、本実施形態では、余剰気体の再利用が可能となり、余剰気体を無駄に廃棄せずに、装置をエコロジー的に優れたものとすることができる。
【００６２】
一方、生成されたマイクロバブル群は、マイクロバブル群を含有するマイクロバブル水として、マイクロバブル水流出口３０６から排出される。マイクロバブル水流出口３０６は、マイクロバブル群の最も安定する発泡室３０１のほぼ中央部に設けられている。マイクロバブル水流出口３０６から排出されたマイクロバブル水は、ナノバブル生成部１０５に流入することとなる。マイクロバブル水流出口３０６は、本発明における液体出口の具体例に相当する。
【００６３】
本実施形態では、生成されたマイクロバブル群の蓄養タイムを設け、安定化したマイクロバブル群をナノバブル生成部１０５に送るようにしている。なお、直径が約６５μｍ以上のマイクロバブルは、ナノバブル化しないことが知られている。そのため、本実施形態では、マイクロバブル生成部１０４を、直径約６５μｍ以下のマイクロバブルが多く生成されるよう構成する。
【００６４】
次に、発泡用ベンチュリー管３０３の構造について詳細に説明する。
【００６５】
図７及び図８は、図６の発泡用ベンチュリー管３０３の構造を詳細に示した拡大断面図である。
【００６６】
図７に示すように、発泡用ベンチュリー管３０３の内壁面の形状は、気体溶解水流入口３０２から噴射口に向かうにつれて、一旦狭くなってから再び広くなっており、ベルヌーイの定理を利用した形状となっている。
【００６７】
図７では、発泡用ベンチュリー管３０３の噴射口の内壁面がＳ3で示され、発泡用ベンチュリー管３０３による気体溶解水の噴射方向がＤで示されている。発泡用ベンチュリー管３０３の噴射口の内壁面Ｓ3の形状は、図８に詳細に示されている。本実施形態では、発泡用ベンチュリー管３０３の噴射口の内壁面Ｓ3は、噴射方向Ｄに対し５度〜１０度の角度で広がっている。これにより、発泡流を様々な方向にサーキュレートさせ、生成気泡を安定化させることが可能となる。
【００６８】
なお、本実施形態では、マイクロバブル生成部１０４に、発泡用ベンチュリー管３０３以外の発泡手段を設けても構わない。例えば、マイクロバブル生成部１０４に、発泡用ベンチュリー管３０３以外の複数本のオリフィスタイプの発泡ノズルを設けるようにしてもよい。
【００６９】
以上のように、本実施形態のマイクロバブル生成部１０４によれば、微細、安定、均一なマイクロバブルを生成することが可能となる。図９は、図６のマイクロバブル生成部１０４での生成気泡の分布を示したグラフである。このように、本実施形態での生成気泡の分布は、均一な山形分布を示し、白濁分布となる。この分布において、直径６５μｍ以上のマイクロバブル数が少ないことに留意されたい。
【００７０】
（ナノバブル生成部）
図１０は、図３のナノバブル生成部１０５の構成を詳細に示した側方断面図である。
【００７１】
ナノバブル生成部１０５は、図１０に示すように、ナノバブル生成部本体（収容室）４０１と、超音波振動子４０２と、マイクロバブル水流入口４０３と、案内流路４０４と、隔離壁管４０５と、マイクロバブル水放出部４０６と、リピート水流出口４０７と、ナノバブル水流出口４０８と、汚濁物分離水出口４０９と、邪魔板４１０と、波型部４１１とを有している。
【００７２】
マイクロバブル生成部１０４で生成されたマイクロバブル水（気体溶解水）は、マイクロバブル水流入口４０３から案内流路４０４を介してナノバブル生成部本体４０１に導入され開放される。ナノバブル生成部本体４０１は、マイクロバブル水を収容可能な収容室となっている。また、案内流路４０４は、この収容室４０１の底部に設けられた開放端Ｐを有しており、開放端Ｐは、Ｓ6で示す収容室４０１の底面の近傍に下向きに設置されている。よって、マイクロバブル生成部１０４からのマイクロバブル水は、案内流路４０４を介して開放端Ｐまで導入され、収容室４０１の底部へと放出される。
【００７３】
マイクロバブルは、自然に又は強制的に崩壊（圧壊）することで、ナノバブル化することが知られている。前者の圧壊を自己圧壊といい、後者の圧壊を強制圧壊という。また、マイクロバブルを強制圧壊させる方法の１つとして、超音波の振動エネルギーを利用した圧壊方法があることも知られている。本実施形態の超音波振動子４０２は、収容室４０１内のマイクロバブル水に超音波を照射して、マイクロバブルをナノバブルに圧壊させる。これにより、本実施形態では、マイクロバブルの圧壊現象を長時間を掛けずに瞬時に生じさせることが可能となる。図１０では、超音波振動子から発せられた超音波が、符号Ｗで示されている。
【００７４】
ここで、本実施形態の超音波振動子４０２の構成について詳細に説明する。
【００７５】
本実施形態のナノバブル生成部１０５には、それぞれ振動周波数が異なる複数個の超音波振動子４０２が設けられており、これらの超音波振動子４０２は、それぞれ異なる周波数で振動する。マイクロバブルの粒径によっては、圧壊されやすい超音波周波数が異なる場合がある。本実施形態では、収容室４０１内に複数の周波数の超音波を同時又は順番に発生させることで、マイクロバブルの粒径の違いによる圧壊反応のばらつきに対応することが可能となる。
【００７６】
よって、本実施形態によれば、様々な粒径のマイクロバブルをスムーズにナノバブルに圧壊させることができ、これにより、ナノバブルの均一化や安定化を実現することが可能となる。また、本実施形態によれば、超音波振動子４０２の振動周波数や出力を選定することで、生成されるナノバブルの粒径や個数をコントロールすることが可能となり、微細なナノバブルを大量に生成することも可能となる。
【００７７】
超音波振動子４０２は、比較的小型で安価であるため、複数の超音波振動子４０２を配置しても、さほど場所をとらず、コストもかさまないという利点がある。例えば、超音波周波数を変えないと圧壊がスムーズに起こらない気体や液体がある場合には、振動周波数の異なる複数の超音波振動子４０２があると便利である（マイクロバブルは、ビヤークネス（Bjerknes）力の影響で、超音波を照射しても圧壊しない場合があることが知られている）。超音波振動子４０２の振動周波数の例としては、４３０ｋＨｚ、８５０ｋＨｚ、２８ｋＨｚ、１ＭＨｚ等が挙げられる。
【００７８】
なお、本実施形態のナノバブル生成部１０５には、超音波振動手段として、複数個の超音波振動子４０２が設けられているが、超音波振動子４０２を１個しか設けなくても構わない。
【００７９】
次に、本実施形態の超音波振動子４０２等の配置について詳細に説明する。
【００８０】
本実施形態では、超音波振動子４０２は、収容室４０１の底部に設置されており、収容室４０１の上部に向けて超音波を照射する。また、収容室４０１は、マイクロバブル生成部１０４の発泡室３０１と同様、上下方向に長い形状を有している。
【００８１】
一方、収容室４０１の底面Ｓ6近傍には、上述のように、案内流路４０４の開放端Ｐが設けられている。本実施形態では更に、収容室４０１の底部に、案内流路４０４の開放端Ｐと超音波振動子４０２との間に介在し、底面Ｓ6から上方に延在するよう、隔離壁管４０５が設けられており、案内流路４０４を筒状に取り囲む形で隔離壁管４０５が設置されている。これにより、本実施形態では、収容室４０１の底部に導入された直後のマイクロバブル水に、超音波が当たらないようになっている。隔離壁（隔離壁管）４０５は、本実施形態では管状の形状を有しているが、それ以外の形状を有していても構わない。
【００８２】
収容室４０１の底部に導入されたマイクロバブル水は、隔離壁管４０５により、横方向には行かず、上昇するようになっており、超音波振動子４０２のすぐ上に気泡が流れないようになっている。
【００８３】
マイクロバブル水中のマイクロバブル群は、隔離壁管４０５を通過し、その上部の領域に群がる。図１０では、この領域が超音波照射ゾーンとして示されている。超音波振動子４０２から発せられた超音波は、隔離壁管４０５の外側を上向きに進み、この超音波照射ゾーンにてマイクロバブル群に照射される。これらマイクロバブル群は、超音波が照射されることで圧壊し、ナノバブル群に変換される。本実施形態では、このような超音波照射ゾーンを設けることで、マイクロバブル群への超音波照射を効率良く行うことが可能となっている。
【００８４】
なお、本実施形態では、収容室４０１の底部に、隔離壁管４０５に囲まれるよう、マイクロバブル水放出部４０６が設けられている。マイクロバブル水放出部４０６は、図３に示す循環機構２０１からマイクロバブル水を取り出したい場合等に使用可能である。収容室４０１の底部に導入されたマイクロバブル水は、マイクロバブル水放出部４０６がオープンとなることで、収容室４０１の外にマイクロバブル水のまま放出される。
【００８５】
次に、収容室４０１の構造について詳細に説明する。
【００８６】
図１０では、収容室４０１の上面がＳ4で示され、収容室４０１の側面がＳ5で示されている。本実施形態では、リピート水流出口４０７とナノバブル水流出口４０８が、収容室４０１の側面Ｓ5に設けられており、汚濁物分離水出口４０９が、収容室４０１の側面Ｓ5において、リピート水流出口４０７やナノバブル水流出口４０８よりも上方に設けられている。
【００８７】
生成されたナノバブル群は、ナノバブル群を含有するナノバブル水として、リピート水流出口４０７やナノバブル水流出口４０８から排出される。
【００８８】
リピート水流出口４０７からは、ナノバブル水が、図３に示す循環機構２０１内に排出される。リピート水流出口４０７から排出されたナノバブル水は、リピート回路２１１を介して気液混合部１０１に流入することとなる。こうして、ナノバブル水は、循環機構２０１内を循環する。これにより、ナノバブル水中の気体溶解濃度が高められる。更には、ナノバブル水中のナノバブルの純度が高められ、逆にナノバブル水中のマイクロバブルの割合が減っていく。リピート水流出口４０７は、本発明における第１の液体出口の具体例に相当する。
【００８９】
一方、ナノバブル水流出口４０８からは、ナノバブル水が、図３に示す循環機構２０１外へと排出される。ナノバブル水流出口４０８から排出されたナノバブル水は、例えば装置外の水槽へと排出されることとなる。本実施形態では、ナノバブル水は、循環機構２０１内を繰り返し循環させた後、ナノバブル水流出口４０８から排出する。これにより、本実施形態では、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルの含有量の少ないナノバブル水を提供することができる。ナノバブル水流出口４０８は、本発明における第２の液体出口の具体例に相当する。なお、ナノバブル水流出口４０８は、図３では、生成水出口１２３として示されている。
【００９０】
また、本実施形態では、リピート水流出口４０７とナノバブル水流出口４０８が、隔離壁管４０６の側方に配置されており、隔離壁管４０６の上端よりも下方に位置している。よって、これらの流出口４０７，４０８へと向かうナノバブル水は、隔離壁管４０６の外側を通って、これら流出口４０７，４０８に至る。
【００９１】
よって、流出口４０７，４０８に向かうナノバブル水は、隔離壁管４０６の内側のマイクロバブル水と混ざらずに流出口４０７，４０８に至るため、これらの流出口４０７，４０８からは、マイクロバブルの含有量の少ないナノバブル水が排出される。
【００９２】
また、流出口４０７，４０８に向かうナノバブル水は、超音波照射ゾーンで多くのマイクロバブルがナノバブルに圧壊された後、超音波振動子４０２のそばを通って流出口４０７，４０８に至るため、残りのマイクロバブルの多くもナノバブルに圧壊される。これにより、流出口４０７，４０８から排出されるナノバブル水は、マイクロバブルの圧壊もれの少ないナノバブル水となる。
【００９３】
超音波振動子４０２を収容室４０１の底部に配置し、案内流路４０４の開放端Ｐと超音波振動子４０２との間に隔離壁管４０５を介在させ、流出口４０７，４０８を隔離壁管４０６の側方に配置することには、このような利点がある。即ち、このような配置により、マイクロバブルの含有量の少ないナノバブル水を、流出口４０７，４０８から排出することが可能となる。
【００９４】
なお、超音波振動子４０２は、流出口４０７，４０８付近のマイクロバブルの圧壊もれを減らすべく、流出口４０７，４０８の近くに配置することが望ましい。
【００９５】
収容室４０１の側面Ｓ5には更に、汚濁物分離水出口４０９が設けられている。図１０では、収容室４０１内を浮上した不純物、微粒子等の汚濁物が、符号Ｘで示されている。ナノバブル水にこれら汚濁物が含まれると、ナノバブルの表面の電荷と反応し、ナノバブルのゼータ電位を低下させる要因となる。このように、ナノバブル水中の汚濁物は、ナノバブルに対しマイナスの働きをしてしまう。
【００９６】
そこで、本実施形態では、収容室４０１の側面Ｓ5に、汚濁物分離水出口４０９を設けている。これにより、本実施形態では、浮上した汚濁物を含有するナノバブル水を、汚濁物分離水出口４０９から排出することで、汚濁物を、残りのナノバブル水から分離することが可能となる。汚濁物分離水出口４０９は、浮上した汚濁物を除去しやすくするよう、収容室４０１の上面Ｓ4付近に設けることが望ましい。
【００９７】
なお、マイクロバブルに超音波を照射すると、通常は圧壊現象が生じるが、照射する超音波の周波数や出力をコントロールすることで、マイクロバブル同士を、圧壊させずに接近させることができる（特許文献１参照）。この性質を利用すれば、圧壊現象の生じない超音波をマイクロバブルに照射することで、マイクロバブルと汚濁物とを接近させて、汚濁物をマイクロバブルに吸着させることができる。これにより、汚濁物に浮力をつけ、汚濁物を浮上させることが可能となる。
【００９８】
そこで、本実施形態では、ナノバブル生成部１０５に、圧壊現象の生じない周波数の超音波を発生する超音波振動子４０２を設けておくことが望ましい。これにより、このような超音波によって汚濁物を浮上させることが可能となり、その結果、汚濁物を汚濁物分離水出口４０９から除去しやすくなる。
【００９９】
次に、邪魔板４１０及び波型部４１１について詳細に説明する。
【０１００】
邪魔板４１０は、例えば、細かいメッシュの金網等からなる。図１０に示すように、邪魔板４１０は、収容室４０１内において、収容室４０１の上面Ｓ4から距離Ｈ1だけ下方に、ほぼ水平に設置されている。距離Ｈ1はここでは、収容室の上面Ｓ4から底面Ｓ6までの距離Ｈの約１／４となっている。邪魔板４１０は、金網以外のメッシュ状の部材で形成されていても構わない。
【０１０１】
マイクロバブルは、超音波照射ゾーンを上昇して邪魔板４１０に衝突することで、その自己圧壊が促進される。このように、邪魔板４１０によれば、マイクロバブルの自己圧壊が促進され、マイクロバブルの圧壊もれが少なくなる。
【０１０２】
一方、マイクロバブルは、邪魔板４１０に衝突した際、自己圧壊しない場合もあるが、その場合には邪魔板４１０により乱反転される。即ち、マイクロバブルは、邪魔板４１０から様々な方向に跳ね返る。これにより、超音波の照射されにくい位置にあるマイクロバブルも、乱反転により、超音波の照射されやすい位置に跳ね返る可能性が高くなり、その結果、超音波の照射効率が向上され、マイクロバブルの圧壊もれが少なくなる。
【０１０３】
また、収容室４０１の上面Ｓ4には、図１０に示すように、波型部４１１が形成されている。これにより、収容室４０１の上面Ｓ4は、平らではなく、波型の凹凸面となっている。その結果、収容室４０１内を上面Ｓ4に向かって進行してきた超音波は、上面Ｓ4にて乱反射されることとなる。これにより、収容室４０１内のマイクロバブルに超音波がまんべんなく当たるようになり、その結果、超音波の照射効率が向上され、マイクロバブルの圧壊もれが少なくなる。
【０１０４】
このように、邪魔板４１０及び波型部４１１には、マイクロバブルの圧壊もれを少なくするという効果がある。
【０１０５】
次に、収容室４０１及び案内流路４０４を形成する部材について詳細に説明する。
【０１０６】
図１０では、収容室４０１の上面Ｓ4から距離Ｈ1だけ下方の地点がＰ1で示され、収容室４０１の底面Ｓ6から距離Ｈ2だけ上方の地点がＰ2で示されている。距離Ｈ1及びＨ2はここではいずれも、収容室の上面Ｓ4から底面Ｓ6までの距離Ｈの約１／４となっている。
【０１０７】
図１０では更に、収容室４０１の側面Ｓ5のうち、Ｐ1からＰ2までの領域が、符号Ｒで示されている。
【０１０８】
本実施形態では、領域Ｒは、石英ガラス等の透明部材で形成された透明部材領域（透明管）となっている。これにより、収容室４０１の内部が、収容室４０１の外部から目視できるようになっている。このことには、マイクロバブルからナノバブルが生成される様子を監視できるようになるという利点がある。
【０１０９】
なお、透明部材領域Ｒは、収容室４０１の側面Ｓ5において、図１０に示す位置とは別の位置に設けられていても構わない。ただし、透明部材領域Ｒは、ナノバブルの監視が可能となるよう、超音波照射ゾーンを目視できる位置に設けることが望ましい。
【０１１０】
また、本実施形態では、案内流路４０４が、全体的又は部分的に石英ガラス等の透明部材で形成されている。これにより、案内流路４０４の内部が、収容室４０１の外部から、透明部材領域Ｒを介して目視できるようになっている。このことには、流入するマイクロバブル水の様子を監視できるようになるという利点がある。
【０１１１】
なお、案内流路４０４を部分的に透明部材で形成する場合は、案内流路４０４のうち、透明部材領域Ｒから目視できる部分を透明部材で形成する。例えば、案内流路４０４のうち、収容室４０１の内部に位置する部分のみを透明部材で形成する。この場合、収容室４０１の内部に位置する部分の全体を透明部材で形成してもよいし、その一部のみを透明部材で形成してもよい。
【０１１２】
このような収容室４０１及び案内流路４０４によれば、収容室４０１内で生じた不具合を、すばやく察知できるという利点が得られる。また、収容室４０１内の様子を、目視ではなくカメラ等でとらえることも可能となり、これにより、収容室４０１内の様子を撮影して記録すること等も可能となる。なお、一般的に、マイクロバブル水は白濁し、ナノバブル水は透明となるため、透明部材領域Ｒから収容室４０１の内部の様子を目視する際、案内流路４０４内のマイクロバブル水と、収容室４０１内のナノバブル水は、目視により区別可能である。
【０１１３】
なお、ナノバブル生成部１０５の超音波振動子４０２は、ナノバブル水中のキャビテーション生成用や、脱気用にも使用可能である。
【０１１４】
また、本実施形態のナノバブル生成部１０５は、洗浄水の生成用だけでなく、高能力の殺菌水の生成用（この場合、気体はオゾン）や、光触媒反応用（ソノケミストリー原理）にも使用可能である。これらの場合にも、ナノバブル水中のナノバブルを高濃度とし、マイクロバブルの含有量を少なくする本実施形態の循環機構２０１の効果は、有用なものとなる。
【０１１５】
以上のように、本実施形態のナノバブル生成部１０５によれば、微細で均一な持続性のあるナノバブルを生成することが可能となる。図１１は、図１０のナノバブル生成部１０５での生成気泡の分布を示したグラフである。この分布において、直径１００ｎｍのナノバブルの個数が、直径２００ｎｍや４００ｎｍのナノバブルの個数に比べ、圧倒的に多いことに留意されたい。
【０１１６】
（ナノバブル水の洗浄効果）
以下、ナノバブル水の洗浄効果について説明し、更には、本実施形態で生成されるナノバブル水の優れた洗浄効果についても説明する。
【０１１７】
ナノバブル水の洗浄効果は、第１に、ナノバブルの持つゼータ電位に起因する。
【０１１８】
上述のように、液中に存在する微細気泡は、その表面に電荷（ゼータ電位）を持つことが知られている。このゼータ電位が、液中において、洗浄対象物からパーティクルを剥離し、洗浄に寄与する。液中の微細気泡が持つゼータ電位は、その粒径が小さくなるほど高くなることが知られている。
【０１１９】
よって、マイクロバブルよりも更に粒径の小さいナノバブルは、洗浄への寄与が非常に大きい。本実施形態で生成されるナノバブル水は、ナノバブルを高濃度に含有するため、洗浄水として適したものとなっている。本実施形態で生成されるナノバブル水は、ゼータ電位の高い気泡であるナノバブルを高濃度に含有するゼータ高電位水となっている。
【０１２０】
なお、ゼータ電位による洗浄効果の観点からは、ナノバブルの粒径（直径）は、５０〜１００ｎｍの範囲内であることが望ましい。本実施形態によれば、図１１からも解るように、このような粒径のナノバブルを高濃度に含有するナノバブル水を生成することが可能である。
【０１２１】
ナノバブル水の洗浄効果は、第２に、ナノバブル水に含まれるラジカルに起因する。
【０１２２】
マイクロバブルがナノバブルに圧壊される際、周囲の水分子の一部が分解され、一時的にＨラジカルやＯＨラジカルが発生する。これらラジカルは、洗浄対象物に付着しているパーティクルの分子と酸化還元反応を起こし不活性化したり、パーティクルの分子の結合を切断したりして、洗浄対象物からパーティクルを除去するよう作用する。これが、ラジカル洗浄の原理である。ラジカル洗浄には、超音波によるキャビテーション洗浄に比べ、１００〜１０００倍もの洗浄力がある。
【０１２３】
本実施形態では、気体溶解水中の気体をマイクロバブルに変換し、このマイクロバブルを更にナノバブルに変換するという二段階処理により、ナノバブルを生成する。そして、このナノバブルを生成する際にマイクロバブルを圧壊させるため、本実施形態で生成されるナノバブル水には、ラジカルが含まれる。よって、本実施形態で生成されるナノバブル水は、この観点からも、洗浄水として適したものとなっている。
【０１２４】
なお、ラジカル洗浄の観点からは、使用する気体は、水素（Ｈ２）とすることが望ましい。理由は、ＯＨラジカルとＨ２との反応により、ラジカルの総数が２倍となり、ナノバブル水の洗浄力が２倍になるからである。
【０１２５】
また、ラジカル洗浄を行う場合には、例えば、ナノバブル生成部１０５の収容室４０１を、洗浄対象物を収容して洗浄を行う洗浄室としてもよい。これにより、一時的に発生したラジカルが消滅する前に、洗浄を行うことが可能となる。
【０１２６】
以上のように、ナノバブル水の洗浄効果には、ゼータ電位やラジカルが寄与するが、一方で、ナノバブル水に含まれるマイクロバブルは、半導体デバイスやＦＰＤを洗浄する際に、これらに対し望ましくない作用を及ぼすおそれがある。理由は、マイクロバブルの圧壊が、半導体デバイスやＦＰＤにダメージを与えるおそれがあるからである。
【０１２７】
これに対し、本実施形態で生成されるナノバブル水は、ナノバブルを高濃度に含有するものの、マイクロバブルの含有量は少ない。よって、本実施形態で生成されるナノバブル水は、この観点からも、洗浄水として適したものとなっている。
【０１２８】
（本実施形態と従来の気体溶解液生成装置の比較）
ここで、本実施形態と従来の気体溶解液生成装置の構成を比較する。
【０１２９】
図１２は、従来の気体溶解液生成装置の構成について説明するための図である。
従来の気体溶解液生成装置では、例えば、図１２に示すように、発泡ノズルが水槽（貯留槽）の側面に直接取り付けられており、水槽中に気体溶解水を噴出させることで、水槽中にマイクロバブルを発生させる。そして、水槽に取り付けた超音波振動子により、これらのマイクロバブルをナノバブルへと圧壊させる。
【０１３０】
このような装置には、マイクロバブルの分布や濃度、更には、ナノバブルの分布や濃度を均一化できないという問題がある。この場合のマイクロバブルやナノバブルの分布や濃度は、水槽の容積、水面と底面との距離、壁面間の距離といった水槽の条件、即ち、バブルの噴出先（使用先）の都合で変わってしまい、生成されるバブルの粒径がバラバラになってしまう。また、マイクロバブルの拡散領域が広がってしまうため、超音波の照射効率が悪くなってしまう。
【０１３１】
これに対し、本実施形態の気体溶解液生成装置には、以下のような利点がある。図１３は、本実施形態の気体溶解液生成装置の構成について説明するための図である。
【０１３２】
まず、本実施形態では、気体溶解液生成装置に、水槽１５１とは別個にマイクロバブル生成部１０４を設け、その中に整泡ゾーンを持たせている。そして、本実施形態では、水槽１５１内ではなく、マイクロバブル生成部１０４内の整泡ゾーン内にマイクロバブルを発生させる。これにより、マイクロバブルの分布や濃度を均一化することが可能となっている。
【０１３３】
また、本実施形態では、マイクロバブルからナノバブルへの圧壊を、水槽１５１内ではなく、更には、マイクロバブル生成部１０４内でもなく、これらとは別個に設けられたナノバブル生成部１０５内で生じさせている。これにより、ナノバブルの分布や濃度を均一化することが可能となっている。また、本実施形態によれば、マイクロバブルの拡散領域を限定することができるため、超音波の照射効率がよくなり、省エネルギーな装置を実現することができる。
【０１３４】
また、水槽１５１内でマイクロバブルをナノバブル化すると、気体溶解液の種類によっては、キャビテーションエコロジー的なダメージが生じるおそれがあるが、本実施形態では、ナノバブル化を、水槽１５１とは別個に設けられたナノバブル生成部１０５内で生じさせるため、この問題を抑えることが可能となる。
【０１３５】
そして、本実施形態では、気体溶解水を、循環機構２０１により、気液混合部１０１、マイクロバブル生成部１０４、ナノバブル生成部１０５等を介して繰り返し循環させ、気体溶解水中の気体溶解濃度を高める。これにより、本実施形態では、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルの含有量の少ない気体溶解水を生成することができる。
【０１３６】
（本実施形態の気体溶解液生成装置の効果）
最後に、本実施形態の気体溶解液生成装置の効果について説明する。
【０１３７】
以上のように、本実施形態では、気体溶解水を、循環機構２０１により、気液混合部１０１、加圧ポンプ１０２、せん断・溶解部１０３、マイクロバブル生成部１０４、及びナノバブル生成部１０５を介して繰り返し循環させる。これにより、気体と液体とを混合する処理や、この気体をマイクロバブル、更には、ナノバブルに変換する処理が、繰り返し行われる。更には、加圧ポンプ１０２やせん断・溶解部１０３により、混合や溶解を更に促進する処理が行われる。これにより、本実施形態では、気体溶解水中の気体溶解濃度を高めることができる。
【０１３８】
本実施形態では更に、マイクロバブル生成部１０４にて、気体溶解水中の気体をマイクロバブルに変換し、ナノバブル生成部１０５にて、このマイクロバブルを更にナノバブルに変換する、という二段階処理を繰り返し行う。これにより、１回の循環処理でナノバブルに変換されずに残ったマイクロバブルや気体も、循環処理の繰り返しによりナノバブルに変換されることとなる。よって、本実施形態によれば、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルの含有量の少ない気体溶解水を生成することが可能となる。
【０１３９】
このような気体溶解水には、例えば、半導体デバイスやＦＰＤの製造工程において洗浄水として使用するのに適しているという利点がある。理由は、この気体溶解水は、洗浄への寄与の大きいナノバブルを高濃度に含有し、洗浄への寄与が少なく、圧壊により半導体デバイスやＦＰＤにダメージを与えるおそれのあるマイクロバブルの含有量が少ないからである。この洗浄水によれば、半導体デバイスやＦＰＤへのダメージを抑制し、これらの歩留まりを向上させることが可能となる。
【０１４０】
本実施形態では更に、図６に示す構造を有するマイクロバブル生成部１０４により、微細、安定、均一なマイクロバブルを生成することが可能となる。更には、図１０に示す構造を有するナノバブル生成部１０５により、このようなマイクロバブルから、微細で均一な持続性のあるナノバブルを生成することが可能となる。これにより、本実施形態では、微細で均一な持続性のあるナノバブルを高濃度に含有し、洗浄水として更に適した気体溶解水（ゼータ高電位水）を生成することが可能となる。
【０１４１】
以上、本発明の具体的な態様の例を、本発明の実施形態により説明したが、本発明は、当該実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１４２】
１０１ 気液混合部
１０２ 加圧ポンプ
１０３ せん断・溶解部
１０４ マイクロバブル生成部
１０５ ナノバブル生成部
１１１ 冷却機
１２１ 気体導入口
１２２ 原水入口
１２３ 生成水出口
１２４ 余剰気体再導入口
１３１ 制御盤
１４１ 負荷
１４２ パーティクル分離部
１４３ パーティクルフィルタ
１５１ 水槽
２０１ 循環機構
２１１ リピート回路
２１２ リターン回路
２１３ エコ回路
２１４ 放水回路
２１５ 回収回路
３０１ マイクロバブル生成部本体（発泡室）
３０２ 気体溶解水流入口
３０３ 発泡用ベンチュリー管
３０４ 余剰気体出口
３０５ 余剰気体リターンチューブ
３０６ マイクロバブル水流出口（液体出口）
４０１ ナノバブル生成部本体（収容室）
４０２ 超音波振動子
４０３ マイクロバブル水流入口
４０４ 案内流路
４０５ 隔離壁管
４０６ マイクロバブル水放出部
４０７ リピート水流出口（第１の液体出口）
４０８ ナノバブル水流出口（第２の液体出口）
４０９ 汚濁物分離水出口
４１０ 邪魔板
４１１ 波型部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体溶解液生成装置及び生成方法に関し、例えば、ナノバブルを含有し、半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造工程において洗浄水として使用可能なナノバブル水（ゼータ高電位水）の生成に適用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体業界やＦＰＤ業界では、洗浄液として、ＳＣ−１（アンモニア過酸化水素水）やＳＣ−２（硫酸過酸化水素水）等の薬液が使用されている。しかしながら、これらの薬液には、薬液を廃棄する際に環境負荷に与える影響が大きいという問題がある。更には、超純水（ＵＰＷ）の流動帯電によって中間工程で生じる静電気劣化を防止するために使用されるＣＯ２も、環境負荷に重大な影響を与えることが明らかとなっている。
【０００３】
そこで、現在、薬液に代わる洗浄液として、マイクロバブルと呼ばれる気泡を含有するマイクロバブル水が注目されている。液中に存在する微細気泡は、その表面に電荷（ゼータ電位）を持つことが知られている。このゼータ電位が、液中において、洗浄対象物から汚染物のパーティクルを剥離し、洗浄に寄与する。
【０００４】
また、液中の微細気泡が持つゼータ電位は、その粒径が小さくなるほど高くなることが知られている。一方、現在使用されているマイクロバブル水には、ナノバブルと呼ばれるマイクロバブルよりも更に粒径の小さな気泡から、粒径が数１００μｍにも及ぶ大きな気泡まで混在しており、マイクロバブル水とはいえ、マイクロバブル以外の気泡も含まれている。マイクロバブルやナノバブルの定義としては、明確な定義はないが、一般に、マイクロバブルとは、粒径（直径）が１μｍから１００μｍ程度の気泡を指し、ナノバブルとは、粒径（直径）が１μｍ未満の気泡を指す（特許文献１及び２参照）。ナノバブルは、例えば、マイクロバブルに超音波を照射することで生成可能である（特許文献２参照）。
【０００５】
このように、マイクロバブル水には、洗浄に大いに寄与する小粒径のバブルから、洗浄への寄与が少ない大粒径のバブルまで含まれている。
【０００６】
このような大粒径のバブルのうち、とりわけ、数μｍ以上の大粒径のバブルは、存在時間が短く、ナノバブルその他の微細なバブルを吸着して、より大きなバブルとなる傾向がある。この大きなバブルは、液中を対流せず、液面付近で崩壊（圧壊）する。この崩壊時に発生するキャビテーションが、半導体デバイスやＦＰＤの中間工程品や最終工程品を破壊してしまう。例えば、このキャビテーションによって、半導体ウェハ上のトレンチ構造や微細チャネルが破壊されるおそれがある。
【０００７】
従って、半導体デバイスやＦＰＤの洗浄液としては、粒径の小さいバブルをできるだけ多く含有するような洗浄液が望ましく、具体的には、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルができるだけ除去された（即ち、マイクロバブルの含有量が少ない）洗浄液が望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−３６５８５号公報
【特許文献２】特開２００６−２８９１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
半導体デバイスやＦＰＤの洗浄方法としては、例えば、超音波洗浄法やオゾン溶解法等が知られている。
【００１０】
しかしながら、超音波洗浄法では、微細バブルから数１０μｍオーダーのバブルが混在して発生し、大粒径バブルが微細バブルを吸着してより大きくなるため、バブルの粒径をそろえることができないという問題がある。更には、超音波エネルギーや、バブル崩壊時に発生するキャビテーションにより、半導体デバイスやＦＰＤがダメージを受けてしまうおそれがある。
【００１１】
オゾン溶解法では、オゾンを超純水中に溶解させ、オゾンの活性力を活用して洗浄効果を高めている。しかしながら、オゾンは短時間で安定な酸素となるため、洗浄時まで安定したオゾン濃度を維持することが難しい。また、超純水が流動帯電によって帯電すると、半導体デバイスやＦＰＤの絶縁層を劣化、破壊させるおそれがある。また、オゾン溶解法では、オゾンを溶解させた超純水を使用する前に、ＳＣ−１やＳＣ−２を使用することもあり、これでは薬液による洗浄と変わらなくなってしまう。また、超純水を使用する場合には、装置停止中に超純水中に発生するバクテリア等の微生物も問題となる。
【００１２】
本発明は、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルの含有量の少ない液体を生成可能な気体溶解液生成装置及び生成方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一の態様は、例えば、気体と液体とを混合する気液混合部と、前記気体を含む前記液体が流入し、前記液体中に含まれる前記気体をマイクロバブルに変換するマイクロバブル生成部と、前記マイクロバブルを含む前記液体が流入し、前記液体中に含まれる前記マイクロバブルをナノバブルに変換するナノバブル生成部と、前記ナノバブルを含む前記液体を、前記気液混合部、前記マイクロバブル生成部、及び前記ナノバブル生成部を介して循環させることで、前記液体中の気体溶解濃度を高める循環機構と、を備えることを特徴とする気体溶解液生成装置である。
【００１４】
本発明の別の態様は、例えば、気液混合部にて、気体と液体とを混合し、前記気体を含む前記液体が流入するマイクロバブル生成部にて、前記液体中に含まれる前記気体をマイクロバブルに変換し、前記マイクロバブルを含む前記気体が流入するナノバブル生成部にて、前記液体中に含まれる前記マイクロバブルをナノバブルに変換し、前記ナノバブルを含む前記液体を、前記気液混合部、前記マイクロバブル生成部、及び前記ナノバブル生成部を介して循環させ、前記液体中の気体溶解濃度を高める、ことを特徴とする気体溶解液生成方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルの含有量の少ない液体を生成可能な気体溶解液生成装置及び生成方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る気体溶解液生成装置を示した正面図である。
【図２】図１の気体溶解液生成装置を、図１の右側方向から見た側面図である。
【図３】図１の気体溶解液生成装置の構成を模式的に示した概念図である。
【図４】液温とマイクロバブルの生成個数との関係を示したグラフである。
【図５】液体の温度及び圧力と気体溶解濃度との関係を示したグラフである。
【図６】図３のマイクロバブル生成部の構成を詳細に示した側方断面図である。
【図７】図６の発泡用ベンチュリー管の構造を詳細に示した拡大断面図である。
【図８】図６の発泡用ベンチュリー管の構造を詳細に示した拡大断面図である。
【図９】図６のマイクロバブル生成部での生成気泡の分布を示したグラフである。
【図１０】図３のナノバブル生成部の構成を詳細に示した側方断面図である。
【図１１】図１０のナノバブル生成部での生成気泡の分布を示したグラフである。
【図１２】従来の気体溶解液生成装置の構成について説明するための図である。
【図１３】本実施形態の気体溶解液生成装置の構成について説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る気体溶解液生成装置を示した正面図である。
図１には、この装置外から気液混合部１０１に気体を導入するための複数の気体導入口１２１が示されており、更には、原水の流入口となる原水入口１２２と、生成水の流出口となる生成水出口１２３が示されている。
【００１９】
気体導入口１２１から導入された気体と、原水入口１２２から流入した液体（水）は、気液混合部１０１にて混合され、気体が溶解した気体溶解液（気体溶解水）となる。この気体溶解水は、次に、加圧ポンプ１０２内で回転するインペラーにより攪拌、混合され圧力が加えられ、せん断・溶解部１０３にて、せん断により気体を溶解させるせん断・溶解処理がなされる。
【００２０】
気液混合部１０１、加圧ポンプ１０２、及びせん断・溶解部１０３を経由した気体溶解水は、マイクロバブル生成部１０４に流入する。マイクロバブル生成部１０４では、この気体溶解水中に含まれる気体をマイクロバブルに変換する。この気体溶解水は、マイクロバブルを含有する水ということで、マイクロバブル水と呼ぶ。
【００２１】
マイクロバブル生成部１０４から排出された気体溶解水（マイクロバブル水）は、続いて、ナノバブル生成部１０５に流入する。ナノバブル生成部１０５では、この気体溶解水中に含まれるマイクロバブルをナノバブルに変換する。この気体溶解水は、ナノバブルを含有する水ということで、ナノバブル水と呼ぶ。
【００２２】
本実施形態では、ナノバブル生成部１０５から排出された気体溶解水（ナノバブル水）を、気液混合部１０１、加圧ポンプ１０２、せん断・溶解部１０３、マイクロバブル生成部１０４、及びナノバブル生成部１０５を介して循環させることが可能である。本実施形態では、この気体溶解水を、これらのブロック１０１〜１０５を介して繰り返し循環させた後、ナノバブル生成部１０５に設けられた生成水出口１２３から装置外（例えば水槽）に排出する。このような循環処理を行う循環機構の詳細については、後述する。
【００２３】
図１には更に、せん断・溶解部１０３に接続され、気体溶解水を冷却する冷却機１１１が示されている。冷却機１１１の詳細については、後述する。
【００２４】
図２は、図１の気体溶解液生成装置を、図１の右側方向から見た側面図である。
図２には、上述の気液混合部１０１、加圧ポンプ１０２、せん断・溶解部１０３、マイクロバブル生成部１０４、ナノバブル生成部１０５等に加え、この装置を制御するための制御盤１３１が示されている。
【００２５】
図３は、図１の気体溶解液生成装置の構成を模式的に示した概念図である。
図３では、気体導入口１２１から導入された気体が、符号Ａで示され、原水入口１２２から流入した水が、符号Ｂで示されている。これらの気体と水は、気液混合部１０１にて混合され、気体溶解水となる。
【００２６】
本実施形態では、この気体溶解水を、循環機構２０１により、気液混合部１０１、加圧ポンプ１０２、せん断・溶解部１０３、マイクロバブル生成部１０４、及びナノバブル生成部１０５を介して繰り返し循環させる。この間、マイクロバブル生成部１０４では、この水中に、上記気体からマイクロバブルを生成し、ナノバブル生成部１０５では、この水中に、上記マイクロバブルからナノバブルを生成する。
【００２７】
図３には、循環機構２０１を構成するリピート回路２１１が示されている。リピート回路２１１は、ナノバブル生成部１０５から排出された気体溶解水（ナノバブル水）を、再び気液混合部１０１へと流入させる。
【００２８】
このように、本実施形態では、気体溶解水を、循環機構２０１により、気液混合部１０１、加圧ポンプ１０２、せん断・溶解部１０３、マイクロバブル生成部１０４、及びナノバブル生成部１０５を介して繰り返し循環させる。これにより、気体と液体とを混合する処理や、この気体をマイクロバブル、更には、ナノバブルに変換する処理が、繰り返し行われる。更には、加圧ポンプ１０２やせん断・溶解部１０３により、混合や溶解を更に促進する処理が行われる。これにより、本実施形態では、気体溶解水中の気体溶解濃度を高めることができる。本実施形態では、このような循環機構２０１により、気体溶解水中の気体溶解濃度をコントロールすることが可能となる。
【００２９】
本実施形態では更に、マイクロバブル生成部１０４にて、気体溶解水中の気体をマイクロバブルに変換し、ナノバブル生成部１０５にて、このマイクロバブルを更にナノバブルに変換するという処理（二段階処理）を繰り返し行う。これにより、１回の循環処理でナノバブルに変換されずに残ったマイクロバブルや気体も、循環処理の繰り返しによりナノバブルに変換されることとなる。その結果、水中のナノバブルの純度が高まり、逆にマイクロバブルの割合は減っていく。よって、本実施形態によれば、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルの含有量の少ない気体溶解水を生成することが可能となる。
【００３０】
このような気体溶解水には、例えば、半導体デバイスやＦＰＤの製造工程において洗浄水として使用するのに適しているという利点がある。理由は、この気体溶解水は、洗浄への寄与の大きいナノバブルを高濃度に含有し、洗浄への寄与が少なく、圧壊により半導体デバイスやＦＰＤにダメージを与えるおそれのあるマイクロバブルの含有量が少ないからである。この洗浄水によれば、半導体デバイスやＦＰＤへのダメージを抑制し、これらの歩留まり（yield）を向上させることが可能となる。
【００３１】
なお、気体溶解水を循環させる時間や回数は、必要とする気体溶解濃度、ナノバブル含有量、ナノバブル濃度、ナノバブル純度や、気体溶解液生成装置のサイズに応じて、様々な時間や回数に変えても構わない。気体溶解水の循環時間の例としては、数分から数十分程度、例えば、３０分程度とすることが考えられる。
【００３２】
また、本実施形態の気体溶解液生成装置には、次のような利点もある。
【００３３】
（１）気体溶解水の冷却
本実施形態のように気体溶解水を循環させる場合、循環する気体溶解水（循環水）の温度が、マイクロバブルがナノバブルに変換される際の反応熱や、循環水の摩擦熱により、上昇してしまう。一方、マイクロバブルの生成効率や、水に対する気体の溶解度は、温度の上昇により低下することが知られている（図４、図５参照）。
【００３４】
図４は、液温とマイクロバブルの生成個数との関係を示したグラフである。図４の横軸は、水温（℃）を表し、縦軸は、直径５０μｍ以下のマイクロバブルの生成個数（個／ｍｇ）を表す。図４の出典は、ニッタ・ムアー社製品「気液せん断方式マイクロバブル発生器：泡多郎（CATA-10070A-01）」の製品カタログ資料である。図４には、マイクロバブルの生成個数が、水温の上昇により減少するという実験結果が示されている。
【００３５】
図５は、液体の温度及び圧力と気体溶解濃度との関係を示したグラフである。図５の横軸は、水圧（１０−５×Ｐａ）を表し、縦軸は、空気の気体溶解濃度（ｍｇ／Ｌ）を表す。図５の出典は、町谷勝幸らによる「気泡水の生成と利用（IDEC Review, p.8 (1993)）」である。図５には、様々な水温における気体溶解濃度の測定結果が示されており、これによると、水に対する気体の溶解度は、水温が低くなるほど高くなることが解る。
【００３６】
そこで、本実施形態では、気体溶解液生成装置に冷却機１１１を設け、循環機構２０１により循環している気体溶解水を、冷却機１１１により冷却する（図３）。これにより、循環水の温度が反応熱や摩擦熱により上昇するのを防止することが可能となる。本実施形態では、冷却機１１１により、循環水の温度を最適温度（例えば４℃）に保つことが可能となる。
【００３７】
本実施形態では、冷却機１１１は、せん断・溶解部１０３に接続されている。これにより、せん断処理中の循環水の溶解度を高めることが可能となる。また、この場合には、図３に示すように、循環機構２０１において、せん断・溶解部１０３の上流及び下流にそれぞれ温度センサＴ1及びＴ2を設けてもよい。これにより、これらの温度センサＴ1及びＴ2で水温（又は気体の温度）を監視し、検出された温度に基づき、必要に応じて冷却機１１１を動作させることが可能となる。例えば、温度センサＴ1の検出温度と温度センサＴ2の検出温度との温度差に応じて、冷却機１１１を動作させるか否か、又は冷却機１１１をどのような出力で動作させるかを制御することが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態では、冷却機１１１を、せん断・溶解部１０３以外に接続するようにしてもよいし、気体溶解液生成装置のオプション品としてもよい。これらのいずれの場合の冷却機１１１も、本発明における冷却手段の例に該当する。
【００３９】
（２）気体溶解水の加圧
水に対する気体の溶解度は、気体溶解水の冷却だけでなく、気体溶解水の加圧によっても向上することが知られている（図５参照）。本実施形態では、加圧ポンプ１０２により気体溶解水に圧力を加えることで、攪拌、混合中の気体溶解水の溶解度を高めることができる。本実施形態では、気体溶解液生成装置に、加圧ポンプ１０２以外の加圧手段を設けても構わない。
【００４０】
（３）気体導入口
本実施形態の気体溶解液生成装置には、装置外から気液混合部１０１に気体を導入するための気体導入口１２１が、複数設けられている。この装置を用いて洗浄水を生成する場合、洗浄対象物ごとに気体を切り替えたい場合がある。例えば、ある洗浄対象物用の洗浄水を生成する際には、水素を使用することが望ましく、別の洗浄対象物用の洗浄水を生成する際には、酸素を使用することが望ましい、といった具合である。
【００４１】
このような場合、本実施形態のような複数の気体導入口１２１によれば、気体の切り替えを容易に行うことが可能となる。また、本実施形態によれば、単一気体を含有する気体溶解水だけでなく、複数種類の気体を含有する気体溶解水も容易に生成することが可能となる。
【００４２】
なお、複数種類の気体や複数種類の液体を用いて気体溶解液を生成する場合には、せん断・溶解部１０３の構成として、例えば、特許４０９４６３３号や特許３７６２２０６号に記載のものを採用することが望ましい。これにより、液体と気体の二相に同時に物理的力を作用させ、微細な気泡を含有する気体溶解水を生成することが可能となる。
【００４３】
（４）余剰気体再導入口
本実施形態の気体溶解液生成装置には、図３に示すように、この装置内で気体溶解水から発生した余剰気体を、気液混合部１０１に再導入するための余剰気体再導入口１２４が設けられている。これにより、本実施形態では、余剰気体の再利用が可能となり、余剰気体を無駄に廃棄せずに、装置をエコロジー的に優れたものとすることができる。
【００４４】
本実施形態では、この余剰気体再導入口１２４からは、マイクロバブル生成部１０４内で発生した余剰気体が再導入される。図３には、余剰気体をマイクロバブル生成部１０４から余剰気体再導入口１２４を介して気液混合部１０１に再導入するためのリターン回路２１２が示されている。
【００４５】
（５）エコ回路
本実施形態にて生成された生成水（ナノバブル水）は、生成水出口１２３から装置外に排出され、例えば、半導体デバイスやＦＰＤの洗浄に使用される。図３では、これらの洗浄対象物が、負荷１４１として示されている。上記の生成水を使用して負荷１４１を洗浄することで、洗浄対象物からパーティクルが剥離される。
【００４６】
本実施形態では、気体溶解液生成装置に、例えばオプションで、パーティクル分離部１４２とパーティクルフィルタ１４３とを含むエコ回路２１３を取り付けてもよい。パーティクル分離部１４２では、洗浄後にパーティクルを洗浄対象物から分離し、パーティクルフィルタ１４３では、パーティクルが分離された洗浄水をフィルタリングし、洗浄水中のパーティクルを除去する。
【００４７】
エコ回路２１３を経由した水は、放水回路２１４により放水してもよいし、回収回路２１５により再び原水入口２１２に流入させてもよい。前者によれば、水を汚れたまま放水することが回避され、後者によれば更に、水の再利用が可能となり、装置をエコロジー的に優れたものとすることができる。
【００４８】
（６）気体、液体、洗浄対象物、洗浄処理の具体例
なお、使用する気体の具体例としては、水素（Ｈ２）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）等が挙げられる。また、使用する液体の具体例としては、超純水、アルカリイオン水、海水等が挙げられる。
【００４９】
また、洗浄対象物の具体例としては、半導体ウェハ、セラミックウェハ、磁気ディスク用基板、光ディスク用基板、フォトマスク用のガラス基板、プラズマディスプレイ用のガラス基板、液晶表示装置用のガラス基板、その他の各種基板等が挙げられる。また、洗浄処理の具体例としては、金属不純物の除去や、有機汚染物の除去等が挙げられる。
【００５０】
以下、図３のマイクロバブル生成部１０４及びナノバブル生成部１０５の構成について詳細に説明する。
【００５１】
（マイクロバブル生成部）
図６は、図３のマイクロバブル生成部１０４の構成を詳細に示した側方断面図である。
【００５２】
マイクロバブル生成部１０４は、図６に示すように、マイクロバブル生成部本体（発泡室）３０１と、気体溶解水流入口３０２と、発泡用ベンチュリー管３０３と、余剰気体出口３０４と、余剰気体リターンチューブ３０５と、マイクロバブル水流出口３０６とを有している。
【００５３】
マイクロバブル生成部１０４では、気体溶解水が、気体溶解水流入口３０２から発泡用ベンチュリー管３０３を介してマイクロバブル生成部本体３０１に流入する。マイクロバブル生成部本体３０１は、気体溶解水を収容可能な発泡室となっている。発泡用ベンチュリー管３０３はそれぞれ、この発泡室３０１内に個別に気体溶解水を噴射して、発泡室３０１内にマイクロバブルを発生させる。
【００５４】
本実施形態のマイクロバブル生成部１０４には、小型で小能力の発泡用ベンチュリー管３０３が複数本設けられており、求める能力は、発泡用ベンチュリー管３０３の本数を増やすことで得られるようになっている。本実施形態では、ベンチュリー管１本当たりの発泡量を少量とし、求める発泡量には、ベンチュリー管の本数を増やすことで対応することで、均一でバラツキの少ない粒径を有するマイクロバブルを生成することが可能となる。また、各ベンチュリー管を小型で小能力なものとすることで、微細で安定したマイクロバブルを生成することが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態では、発泡室３０１は、上下方向に長い形状を有しており、発泡用ベンチュリー管３０３は、発泡室３０１の上部（天）に向けて気体溶解水を噴射するよう、発泡室３０１の底部に上向きに設置されている。図６には、発泡室３０１内において、発泡用ベンチュリー管３０３の上部に位置する整泡ゾーンと、整泡ゾーンの更に上部に形成された気液混在ゾーンが示されている。気体溶解水は、発泡用ベンチュリー管３０３にてマイクロバブル粒径の気泡流に変換され、整泡ゾーンに向かっての発泡流となる。図６には、発泡流が発泡室３０１内をサーキュレートする様子が示されている。
【００５６】
ここで、発泡室３０１の構造及び利点について詳細に説明する。
【００５７】
マイクロバブルは、一般に、水槽等に気体溶解水を噴射することで生成される。しかしながら、この方法には、生成気泡径のバラツキが大きいという欠点がある。これに対し、本実施形態では、装置内に、装置外の水槽とは独立した発泡室３０１を別個に設け、この発泡室３０１内にマイクロバブルを生成する。これにより、本実施形態では、マイクロバブルの拡散や、これに起因する生成気泡径のランダム化を防止することが可能となる。
【００５８】
このような効果には特に、発泡室３０１の整泡ゾーンが寄与する。本実施形態では、発泡室３０１内における発泡用ベンチュリー管３０３の上部に、一定の容量を持つ整泡ゾーンが設けられている。このゾーンがないと、生成された気泡が自由運動し、その気泡径が大きくなってしまう。本実施形態では、発泡用ベンチュリー管３０３の上部に整泡ゾーンを設けることで、生成気泡径のバラツキを抑えることが可能となる。
【００５９】
図６では、発泡室３０１の上面がＳ1で示され、発泡室３０１の側面がＳ2で示されている。本実施形態では、余剰気体出口３０４が、発泡室３０１の上面Ｓ1に設けられ、マイクロバブル水流出口３０６が、発泡室３０１の側面Ｓ2に設けられている。
【００６０】
発泡室３０１内において、整泡ゾーンの上部では、気体溶解水から発生した余剰気体により気液混在ゾーンが形成される。そこで、本実施形態では、発泡室３０１の上面Ｓ1に余剰気体出口３０４を設け、余剰気体を余剰気体出口３０４から排出する。余剰気体出口３０４を、発泡室３０１の側面Ｓ2ではなく上面Ｓ1に設けることで、余剰気体及び気体溶解水のうちの余剰気体のみを、余剰気体出口３０４から排出することが可能となっている。
【００６１】
余剰気体出口３０４は、余剰気体リターンチューブ３０５を通じて、図３に示すリターン回路２１２及び余剰気体再導入口１２４に繋がっている。よって、余剰気体出口３０４から排出された余剰気体は、気液混合部１０１に再導入される。これにより、本実施形態では、余剰気体の再利用が可能となり、余剰気体を無駄に廃棄せずに、装置をエコロジー的に優れたものとすることができる。
【００６２】
一方、生成されたマイクロバブル群は、マイクロバブル群を含有するマイクロバブル水として、マイクロバブル水流出口３０６から排出される。マイクロバブル水流出口３０６は、マイクロバブル群の最も安定する発泡室３０１のほぼ中央部に設けられている。マイクロバブル水流出口３０６から排出されたマイクロバブル水は、ナノバブル生成部１０５に流入することとなる。マイクロバブル水流出口３０６は、本発明における液体出口の具体例に相当する。
【００６３】
本実施形態では、生成されたマイクロバブル群の蓄養タイムを設け、安定化したマイクロバブル群をナノバブル生成部１０５に送るようにしている。なお、直径が約６５μｍ以上のマイクロバブルは、ナノバブル化しないことが知られている。そのため、本実施形態では、マイクロバブル生成部１０４を、直径約６５μｍ以下のマイクロバブルが多く生成されるよう構成する。
【００６４】
次に、発泡用ベンチュリー管３０３の構造について詳細に説明する。
【００６５】
図７及び図８は、図６の発泡用ベンチュリー管３０３の構造を詳細に示した拡大断面図である。
【００６６】
図７に示すように、発泡用ベンチュリー管３０３の内壁面の形状は、気体溶解水流入口３０２から噴射口に向かうにつれて、一旦狭くなってから再び広くなっており、ベルヌーイの定理を利用した形状となっている。
【００６７】
図７では、発泡用ベンチュリー管３０３の噴射口の内壁面がＳ3で示され、発泡用ベンチュリー管３０３による気体溶解水の噴射方向がＤで示されている。発泡用ベンチュリー管３０３の噴射口の内壁面Ｓ3の形状は、図８に詳細に示されている。本実施形態では、発泡用ベンチュリー管３０３の噴射口の内壁面Ｓ3は、噴射方向Ｄに対し５度〜１０度の角度で広がっている。これにより、発泡流を様々な方向にサーキュレートさせ、生成気泡を安定化させることが可能となる。
【００６８】
なお、本実施形態では、マイクロバブル生成部１０４に、発泡用ベンチュリー管３０３以外の発泡手段を設けても構わない。例えば、マイクロバブル生成部１０４に、発泡用ベンチュリー管３０３以外の複数本のオリフィスタイプの発泡ノズルを設けるようにしてもよい。
【００６９】
以上のように、本実施形態のマイクロバブル生成部１０４によれば、微細、安定、均一なマイクロバブルを生成することが可能となる。図９は、図６のマイクロバブル生成部１０４での生成気泡の分布を示したグラフである。このように、本実施形態での生成気泡の分布は、均一な山形分布を示し、白濁分布となる。この分布において、直径６５μｍ以上のマイクロバブル数が少ないことに留意されたい。
【００７０】
（ナノバブル生成部）
図１０は、図３のナノバブル生成部１０５の構成を詳細に示した側方断面図である。
【００７１】
ナノバブル生成部１０５は、図１０に示すように、ナノバブル生成部本体（収容室）４０１と、超音波振動子４０２と、マイクロバブル水流入口４０３と、案内流路４０４と、隔離壁管４０５と、マイクロバブル水放出部４０６と、リピート水流出口４０７と、ナノバブル水流出口４０８と、汚濁物分離水出口４０９と、邪魔板４１０と、波型部４１１とを有している。
【００７２】
マイクロバブル生成部１０４で生成されたマイクロバブル水（気体溶解水）は、マイクロバブル水流入口４０３から案内流路４０４を介してナノバブル生成部本体４０１に導入され開放される。ナノバブル生成部本体４０１は、マイクロバブル水を収容可能な収容室となっている。また、案内流路４０４は、この収容室４０１の底部に設けられた開放端Ｐを有しており、開放端Ｐは、Ｓ6で示す収容室４０１の底面の近傍に下向きに設置されている。よって、マイクロバブル生成部１０４からのマイクロバブル水は、案内流路４０４を介して開放端Ｐまで導入され、収容室４０１の底部へと放出される。
【００７３】
マイクロバブルは、自然に又は強制的に崩壊（圧壊）することで、ナノバブル化することが知られている。前者の圧壊を自己圧壊といい、後者の圧壊を強制圧壊という。また、マイクロバブルを強制圧壊させる方法の１つとして、超音波の振動エネルギーを利用した圧壊方法があることも知られている。本実施形態の超音波振動子４０２は、収容室４０１内のマイクロバブル水に超音波を照射して、マイクロバブルをナノバブルに圧壊させる。これにより、本実施形態では、マイクロバブルの圧壊現象を長時間を掛けずに瞬時に生じさせることが可能となる。図１０では、超音波振動子から発せられた超音波が、符号Ｗで示されている。
【００７４】
ここで、本実施形態の超音波振動子４０２の構成について詳細に説明する。
【００７５】
本実施形態のナノバブル生成部１０５には、それぞれ振動周波数が異なる複数個の超音波振動子４０２が設けられており、これらの超音波振動子４０２は、それぞれ異なる周波数で振動する。マイクロバブルの粒径によっては、圧壊されやすい超音波周波数が異なる場合がある。本実施形態では、収容室４０１内に複数の周波数の超音波を同時又は順番に発生させることで、マイクロバブルの粒径の違いによる圧壊反応のばらつきに対応することが可能となる。
【００７６】
よって、本実施形態によれば、様々な粒径のマイクロバブルをスムーズにナノバブルに圧壊させることができ、これにより、ナノバブルの均一化や安定化を実現することが可能となる。また、本実施形態によれば、超音波振動子４０２の振動周波数や出力を選定することで、生成されるナノバブルの粒径や個数をコントロールすることが可能となり、微細なナノバブルを大量に生成することも可能となる。
【００７７】
超音波振動子４０２は、比較的小型で安価であるため、複数の超音波振動子４０２を配置しても、さほど場所をとらず、コストもかさまないという利点がある。例えば、超音波周波数を変えないと圧壊がスムーズに起こらない気体や液体がある場合には、振動周波数の異なる複数の超音波振動子４０２があると便利である（マイクロバブルは、ビヤークネス（Bjerknes）力の影響で、超音波を照射しても圧壊しない場合があることが知られている）。超音波振動子４０２の振動周波数の例としては、４３０ｋＨｚ、８５０ｋＨｚ、２８ｋＨｚ、１ＭＨｚ等が挙げられる。
【００７８】
なお、本実施形態のナノバブル生成部１０５には、超音波振動手段として、複数個の超音波振動子４０２が設けられているが、超音波振動子４０２を１個しか設けなくても構わない。
【００７９】
次に、本実施形態の超音波振動子４０２等の配置について詳細に説明する。
【００８０】
本実施形態では、超音波振動子４０２は、収容室４０１の底部に設置されており、収容室４０１の上部に向けて超音波を照射する。また、収容室４０１は、マイクロバブル生成部１０４の発泡室３０１と同様、上下方向に長い形状を有している。
【００８１】
一方、収容室４０１の底面Ｓ6近傍には、上述のように、案内流路４０４の開放端Ｐが設けられている。本実施形態では更に、収容室４０１の底部に、案内流路４０４の開放端Ｐと超音波振動子４０２との間に介在し、底面Ｓ6から上方に延在するよう、隔離壁管４０５が設けられており、案内流路４０４を筒状に取り囲む形で隔離壁管４０５が設置されている。これにより、本実施形態では、収容室４０１の底部に導入された直後のマイクロバブル水に、超音波が当たらないようになっている。隔離壁（隔離壁管）４０５は、本実施形態では管状の形状を有しているが、それ以外の形状を有していても構わない。
【００８２】
収容室４０１の底部に導入されたマイクロバブル水は、隔離壁管４０５により、横方向には行かず、上昇するようになっており、超音波振動子４０２のすぐ上に気泡が流れないようになっている。
【００８３】
マイクロバブル水中のマイクロバブル群は、隔離壁管４０５を通過し、その上部の領域に群がる。図１０では、この領域が超音波照射ゾーンとして示されている。超音波振動子４０２から発せられた超音波は、隔離壁管４０５の外側を上向きに進み、この超音波照射ゾーンにてマイクロバブル群に照射される。これらマイクロバブル群は、超音波が照射されることで圧壊し、ナノバブル群に変換される。本実施形態では、このような超音波照射ゾーンを設けることで、マイクロバブル群への超音波照射を効率良く行うことが可能となっている。
【００８４】
なお、本実施形態では、収容室４０１の底部に、隔離壁管４０５に囲まれるよう、マイクロバブル水放出部４０６が設けられている。マイクロバブル水放出部４０６は、図３に示す循環機構２０１からマイクロバブル水を取り出したい場合等に使用可能である。収容室４０１の底部に導入されたマイクロバブル水は、マイクロバブル水放出部４０６がオープンとなることで、収容室４０１の外にマイクロバブル水のまま放出される。
【００８５】
次に、収容室４０１の構造について詳細に説明する。
【００８６】
図１０では、収容室４０１の上面がＳ4で示され、収容室４０１の側面がＳ5で示されている。本実施形態では、リピート水流出口４０７とナノバブル水流出口４０８が、収容室４０１の側面Ｓ5に設けられており、汚濁物分離水出口４０９が、収容室４０１の側面Ｓ5において、リピート水流出口４０７やナノバブル水流出口４０８よりも上方に設けられている。
【００８７】
生成されたナノバブル群は、ナノバブル群を含有するナノバブル水として、リピート水流出口４０７やナノバブル水流出口４０８から排出される。
【００８８】
リピート水流出口４０７からは、ナノバブル水が、図３に示す循環機構２０１内に排出される。リピート水流出口４０７から排出されたナノバブル水は、リピート回路２１１を介して気液混合部１０１に流入することとなる。こうして、ナノバブル水は、循環機構２０１内を循環する。これにより、ナノバブル水中の気体溶解濃度が高められる。更には、ナノバブル水中のナノバブルの純度が高められ、逆にナノバブル水中のマイクロバブルの割合が減っていく。リピート水流出口４０７は、本発明における第１の液体出口の具体例に相当する。
【００８９】
一方、ナノバブル水流出口４０８からは、ナノバブル水が、図３に示す循環機構２０１外へと排出される。ナノバブル水流出口４０８から排出されたナノバブル水は、例えば装置外の水槽へと排出されることとなる。本実施形態では、ナノバブル水は、循環機構２０１内を繰り返し循環させた後、ナノバブル水流出口４０８から排出する。これにより、本実施形態では、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルの含有量の少ないナノバブル水を提供することができる。ナノバブル水流出口４０８は、本発明における第２の液体出口の具体例に相当する。なお、ナノバブル水流出口４０８は、図３では、生成水出口１２３として示されている。
【００９０】
また、本実施形態では、リピート水流出口４０７とナノバブル水流出口４０８が、隔離壁管４０６の側方に配置されており、隔離壁管４０６の上端よりも下方に位置している。よって、これらの流出口４０７，４０８へと向かうナノバブル水は、隔離壁管４０６の外側を通って、これら流出口４０７，４０８に至る。
【００９１】
よって、流出口４０７，４０８に向かうナノバブル水は、隔離壁管４０６の内側のマイクロバブル水と混ざらずに流出口４０７，４０８に至るため、これらの流出口４０７，４０８からは、マイクロバブルの含有量の少ないナノバブル水が排出される。
【００９２】
また、流出口４０７，４０８に向かうナノバブル水は、超音波照射ゾーンで多くのマイクロバブルがナノバブルに圧壊された後、超音波振動子４０２のそばを通って流出口４０７，４０８に至るため、残りのマイクロバブルの多くもナノバブルに圧壊される。これにより、流出口４０７，４０８から排出されるナノバブル水は、マイクロバブルの圧壊もれの少ないナノバブル水となる。
【００９３】
超音波振動子４０２を収容室４０１の底部に配置し、案内流路４０４の開放端Ｐと超音波振動子４０２との間に隔離壁管４０５を介在させ、流出口４０７，４０８を隔離壁管４０６の側方に配置することには、このような利点がある。即ち、このような配置により、マイクロバブルの含有量の少ないナノバブル水を、流出口４０７，４０８から排出することが可能となる。
【００９４】
なお、超音波振動子４０２は、流出口４０７，４０８付近のマイクロバブルの圧壊もれを減らすべく、流出口４０７，４０８の近くに配置することが望ましい。
【００９５】
収容室４０１の側面Ｓ5には更に、汚濁物分離水出口４０９が設けられている。図１０では、収容室４０１内を浮上した不純物、微粒子等の汚濁物が、符号Ｘで示されている。ナノバブル水にこれら汚濁物が含まれると、ナノバブルの表面の電荷と反応し、ナノバブルのゼータ電位を低下させる要因となる。このように、ナノバブル水中の汚濁物は、ナノバブルに対しマイナスの働きをしてしまう。
【００９６】
そこで、本実施形態では、収容室４０１の側面Ｓ5に、汚濁物分離水出口４０９を設けている。これにより、本実施形態では、浮上した汚濁物を含有するナノバブル水を、汚濁物分離水出口４０９から排出することで、汚濁物を、残りのナノバブル水から分離することが可能となる。汚濁物分離水出口４０９は、浮上した汚濁物を除去しやすくするよう、収容室４０１の上面Ｓ4付近に設けることが望ましい。
【００９７】
なお、マイクロバブルに超音波を照射すると、通常は圧壊現象が生じるが、照射する超音波の周波数や出力をコントロールすることで、マイクロバブル同士を、圧壊させずに接近させることができる（特許文献１参照）。この性質を利用すれば、圧壊現象の生じない超音波をマイクロバブルに照射することで、マイクロバブルと汚濁物とを接近させて、汚濁物をマイクロバブルに吸着させることができる。これにより、汚濁物に浮力をつけ、汚濁物を浮上させることが可能となる。
【００９８】
そこで、本実施形態では、ナノバブル生成部１０５に、圧壊現象の生じない周波数の超音波を発生する超音波振動子４０２を設けておくことが望ましい。これにより、このような超音波によって汚濁物を浮上させることが可能となり、その結果、汚濁物を汚濁物分離水出口４０９から除去しやすくなる。
【００９９】
次に、邪魔板４１０及び波型部４１１について詳細に説明する。
【０１００】
邪魔板４１０は、例えば、細かいメッシュの金網等からなる。図１０に示すように、邪魔板４１０は、収容室４０１内において、収容室４０１の上面Ｓ4から距離Ｈ1だけ下方に、ほぼ水平に設置されている。距離Ｈ1はここでは、収容室の上面Ｓ4から底面Ｓ6までの距離Ｈの約１／４となっている。邪魔板４１０は、金網以外のメッシュ状の部材で形成されていても構わない。
【０１０１】
マイクロバブルは、超音波照射ゾーンを上昇して邪魔板４１０に衝突することで、その自己圧壊が促進される。このように、邪魔板４１０によれば、マイクロバブルの自己圧壊が促進され、マイクロバブルの圧壊もれが少なくなる。
【０１０２】
一方、マイクロバブルは、邪魔板４１０に衝突した際、自己圧壊しない場合もあるが、その場合には邪魔板４１０により乱反転される。即ち、マイクロバブルは、邪魔板４１０から様々な方向に跳ね返る。これにより、超音波の照射されにくい位置にあるマイクロバブルも、乱反転により、超音波の照射されやすい位置に跳ね返る可能性が高くなり、その結果、超音波の照射効率が向上され、マイクロバブルの圧壊もれが少なくなる。
【０１０３】
また、収容室４０１の上面Ｓ4には、図１０に示すように、波型部４１１が形成されている。これにより、収容室４０１の上面Ｓ4は、平らではなく、波型の凹凸面となっている。その結果、収容室４０１内を上面Ｓ4に向かって進行してきた超音波は、上面Ｓ4にて乱反射されることとなる。これにより、収容室４０１内のマイクロバブルに超音波がまんべんなく当たるようになり、その結果、超音波の照射効率が向上され、マイクロバブルの圧壊もれが少なくなる。
【０１０４】
このように、邪魔板４１０及び波型部４１１には、マイクロバブルの圧壊もれを少なくするという効果がある。
【０１０５】
次に、収容室４０１及び案内流路４０４を形成する部材について詳細に説明する。
【０１０６】
図１０では、収容室４０１の上面Ｓ4から距離Ｈ1だけ下方の地点がＰ1で示され、収容室４０１の底面Ｓ6から距離Ｈ2だけ上方の地点がＰ2で示されている。距離Ｈ1及びＨ2はここではいずれも、収容室の上面Ｓ4から底面Ｓ6までの距離Ｈの約１／４となっている。
【０１０７】
図１０では更に、収容室４０１の側面Ｓ5のうち、Ｐ1からＰ2までの領域が、符号Ｒで示されている。
【０１０８】
本実施形態では、領域Ｒは、石英ガラス等の透明部材で形成された透明部材領域（透明管）となっている。これにより、収容室４０１の内部が、収容室４０１の外部から目視できるようになっている。このことには、マイクロバブルからナノバブルが生成される様子を監視できるようになるという利点がある。
【０１０９】
なお、透明部材領域Ｒは、収容室４０１の側面Ｓ5において、図１０に示す位置とは別の位置に設けられていても構わない。ただし、透明部材領域Ｒは、ナノバブルの監視が可能となるよう、超音波照射ゾーンを目視できる位置に設けることが望ましい。
【０１１０】
また、本実施形態では、案内流路４０４が、全体的又は部分的に石英ガラス等の透明部材で形成されている。これにより、案内流路４０４の内部が、収容室４０１の外部から、透明部材領域Ｒを介して目視できるようになっている。このことには、流入するマイクロバブル水の様子を監視できるようになるという利点がある。
【０１１１】
なお、案内流路４０４を部分的に透明部材で形成する場合は、案内流路４０４のうち、透明部材領域Ｒから目視できる部分を透明部材で形成する。例えば、案内流路４０４のうち、収容室４０１の内部に位置する部分のみを透明部材で形成する。この場合、収容室４０１の内部に位置する部分の全体を透明部材で形成してもよいし、その一部のみを透明部材で形成してもよい。
【０１１２】
このような収容室４０１及び案内流路４０４によれば、収容室４０１内で生じた不具合を、すばやく察知できるという利点が得られる。また、収容室４０１内の様子を、目視ではなくカメラ等でとらえることも可能となり、これにより、収容室４０１内の様子を撮影して記録すること等も可能となる。なお、一般的に、マイクロバブル水は白濁し、ナノバブル水は透明となるため、透明部材領域Ｒから収容室４０１の内部の様子を目視する際、案内流路４０４内のマイクロバブル水と、収容室４０１内のナノバブル水は、目視により区別可能である。
【０１１３】
なお、ナノバブル生成部１０５の超音波振動子４０２は、ナノバブル水中のキャビテーション生成用や、脱気用にも使用可能である。
【０１１４】
また、本実施形態のナノバブル生成部１０５は、洗浄水の生成用だけでなく、高能力の殺菌水の生成用（この場合、気体はオゾン）や、光触媒反応用（ソノケミストリー原理）にも使用可能である。これらの場合にも、ナノバブル水中のナノバブルを高濃度とし、マイクロバブルの含有量を少なくする本実施形態の循環機構２０１の効果は、有用なものとなる。
【０１１５】
以上のように、本実施形態のナノバブル生成部１０５によれば、微細で均一な持続性のあるナノバブルを生成することが可能となる。図１１は、図１０のナノバブル生成部１０５での生成気泡の分布を示したグラフである。この分布において、直径１００ｎｍのナノバブルの個数が、直径２００ｎｍや４００ｎｍのナノバブルの個数に比べ、圧倒的に多いことに留意されたい。
【０１１６】
（ナノバブル水の洗浄効果）
以下、ナノバブル水の洗浄効果について説明し、更には、本実施形態で生成されるナノバブル水の優れた洗浄効果についても説明する。
【０１１７】
ナノバブル水の洗浄効果は、第１に、ナノバブルの持つゼータ電位に起因する。
【０１１８】
上述のように、液中に存在する微細気泡は、その表面に電荷（ゼータ電位）を持つことが知られている。このゼータ電位が、液中において、洗浄対象物からパーティクルを剥離し、洗浄に寄与する。液中の微細気泡が持つゼータ電位は、その粒径が小さくなるほど高くなることが知られている。
【０１１９】
よって、マイクロバブルよりも更に粒径の小さいナノバブルは、洗浄への寄与が非常に大きい。本実施形態で生成されるナノバブル水は、ナノバブルを高濃度に含有するため、洗浄水として適したものとなっている。本実施形態で生成されるナノバブル水は、ゼータ電位の高い気泡であるナノバブルを高濃度に含有するゼータ高電位水となっている。
【０１２０】
なお、ゼータ電位による洗浄効果の観点からは、ナノバブルの粒径（直径）は、５０〜１００ｎｍの範囲内であることが望ましい。本実施形態によれば、図１１からも解るように、このような粒径のナノバブルを高濃度に含有するナノバブル水を生成することが可能である。
【０１２１】
ナノバブル水の洗浄効果は、第２に、ナノバブル水に含まれるラジカルに起因する。
【０１２２】
マイクロバブルがナノバブルに圧壊される際、周囲の水分子の一部が分解され、一時的にＨラジカルやＯＨラジカルが発生する。これらラジカルは、洗浄対象物に付着しているパーティクルの分子と酸化還元反応を起こし不活性化したり、パーティクルの分子の結合を切断したりして、洗浄対象物からパーティクルを除去するよう作用する。これが、ラジカル洗浄の原理である。ラジカル洗浄には、超音波によるキャビテーション洗浄に比べ、１００〜１０００倍もの洗浄力がある。
【０１２３】
本実施形態では、気体溶解水中の気体をマイクロバブルに変換し、このマイクロバブルを更にナノバブルに変換するという二段階処理により、ナノバブルを生成する。そして、このナノバブルを生成する際にマイクロバブルを圧壊させるため、本実施形態で生成されるナノバブル水には、ラジカルが含まれる。よって、本実施形態で生成されるナノバブル水は、この観点からも、洗浄水として適したものとなっている。
【０１２４】
なお、ラジカル洗浄の観点からは、使用する気体は、水素（Ｈ２）とすることが望ましい。理由は、ＯＨラジカルとＨ２との反応により、ラジカルの総数が２倍となり、ナノバブル水の洗浄力が２倍になるからである。
【０１２５】
また、ラジカル洗浄を行う場合には、例えば、ナノバブル生成部１０５の収容室４０１を、洗浄対象物を収容して洗浄を行う洗浄室としてもよい。これにより、一時的に発生したラジカルが消滅する前に、洗浄を行うことが可能となる。
【０１２６】
以上のように、ナノバブル水の洗浄効果には、ゼータ電位やラジカルが寄与するが、一方で、ナノバブル水に含まれるマイクロバブルは、半導体デバイスやＦＰＤを洗浄する際に、これらに対し望ましくない作用を及ぼすおそれがある。理由は、マイクロバブルの圧壊が、半導体デバイスやＦＰＤにダメージを与えるおそれがあるからである。
【０１２７】
これに対し、本実施形態で生成されるナノバブル水は、ナノバブルを高濃度に含有するものの、マイクロバブルの含有量は少ない。よって、本実施形態で生成されるナノバブル水は、この観点からも、洗浄水として適したものとなっている。
【０１２８】
（本実施形態と従来の気体溶解液生成装置の比較）
ここで、本実施形態と従来の気体溶解液生成装置の構成を比較する。
【０１２９】
図１２は、従来の気体溶解液生成装置の構成について説明するための図である。
従来の気体溶解液生成装置では、例えば、図１２に示すように、発泡ノズルが水槽（貯留槽）の側面に直接取り付けられており、水槽中に気体溶解水を噴出させることで、水槽中にマイクロバブルを発生させる。そして、水槽に取り付けた超音波振動子により、これらのマイクロバブルをナノバブルへと圧壊させる。
【０１３０】
このような装置には、マイクロバブルの分布や濃度、更には、ナノバブルの分布や濃度を均一化できないという問題がある。この場合のマイクロバブルやナノバブルの分布や濃度は、水槽の容積、水面と底面との距離、壁面間の距離といった水槽の条件、即ち、バブルの噴出先（使用先）の都合で変わってしまい、生成されるバブルの粒径がバラバラになってしまう。また、マイクロバブルの拡散領域が広がってしまうため、超音波の照射効率が悪くなってしまう。
【０１３１】
これに対し、本実施形態の気体溶解液生成装置には、以下のような利点がある。図１３は、本実施形態の気体溶解液生成装置の構成について説明するための図である。
【０１３２】
まず、本実施形態では、気体溶解液生成装置に、水槽１５１とは別個にマイクロバブル生成部１０４を設け、その中に整泡ゾーンを持たせている。そして、本実施形態では、水槽１５１内ではなく、マイクロバブル生成部１０４内の整泡ゾーン内にマイクロバブルを発生させる。これにより、マイクロバブルの分布や濃度を均一化することが可能となっている。
【０１３３】
また、本実施形態では、マイクロバブルからナノバブルへの圧壊を、水槽１５１内ではなく、更には、マイクロバブル生成部１０４内でもなく、これらとは別個に設けられたナノバブル生成部１０５内で生じさせている。これにより、ナノバブルの分布や濃度を均一化することが可能となっている。また、本実施形態によれば、マイクロバブルの拡散領域を限定することができるため、超音波の照射効率がよくなり、省エネルギーな装置を実現することができる。
【０１３４】
また、水槽１５１内でマイクロバブルをナノバブル化すると、気体溶解液の種類によっては、キャビテーションエコロジー的なダメージが生じるおそれがあるが、本実施形態では、ナノバブル化を、水槽１５１とは別個に設けられたナノバブル生成部１０５内で生じさせるため、この問題を抑えることが可能となる。
【０１３５】
そして、本実施形態では、気体溶解水を、循環機構２０１により、気液混合部１０１、マイクロバブル生成部１０４、ナノバブル生成部１０５等を介して繰り返し循環させ、気体溶解水中の気体溶解濃度を高める。これにより、本実施形態では、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルの含有量の少ない気体溶解水を生成することができる。
【０１３６】
（本実施形態の気体溶解液生成装置の効果）
最後に、本実施形態の気体溶解液生成装置の効果について説明する。
【０１３７】
以上のように、本実施形態では、気体溶解水を、循環機構２０１により、気液混合部１０１、加圧ポンプ１０２、せん断・溶解部１０３、マイクロバブル生成部１０４、及びナノバブル生成部１０５を介して繰り返し循環させる。これにより、気体と液体とを混合する処理や、この気体をマイクロバブル、更には、ナノバブルに変換する処理が、繰り返し行われる。更には、加圧ポンプ１０２やせん断・溶解部１０３により、混合や溶解を更に促進する処理が行われる。これにより、本実施形態では、気体溶解水中の気体溶解濃度を高めることができる。
【０１３８】
本実施形態では更に、マイクロバブル生成部１０４にて、気体溶解水中の気体をマイクロバブルに変換し、ナノバブル生成部１０５にて、このマイクロバブルを更にナノバブルに変換する、という二段階処理を繰り返し行う。これにより、１回の循環処理でナノバブルに変換されずに残ったマイクロバブルや気体も、循環処理の繰り返しによりナノバブルに変換されることとなる。よって、本実施形態によれば、ナノバブルを高濃度に含有し、マイクロバブルの含有量の少ない気体溶解水を生成することが可能となる。
【０１３９】
このような気体溶解水には、例えば、半導体デバイスやＦＰＤの製造工程において洗浄水として使用するのに適しているという利点がある。理由は、この気体溶解水は、洗浄への寄与の大きいナノバブルを高濃度に含有し、洗浄への寄与が少なく、圧壊により半導体デバイスやＦＰＤにダメージを与えるおそれのあるマイクロバブルの含有量が少ないからである。この洗浄水によれば、半導体デバイスやＦＰＤへのダメージを抑制し、これらの歩留まりを向上させることが可能となる。
【０１４０】
本実施形態では更に、図６に示す構造を有するマイクロバブル生成部１０４により、微細、安定、均一なマイクロバブルを生成することが可能となる。更には、図１０に示す構造を有するナノバブル生成部１０５により、このようなマイクロバブルから、微細で均一な持続性のあるナノバブルを生成することが可能となる。これにより、本実施形態では、微細で均一な持続性のあるナノバブルを高濃度に含有し、洗浄水として更に適した気体溶解水（ゼータ高電位水）を生成することが可能となる。
【０１４１】
以上、本発明の具体的な態様の例を、本発明の実施形態により説明したが、本発明は、当該実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１４２】
１０１ 気液混合部
１０２ 加圧ポンプ
１０３ せん断・溶解部
１０４ マイクロバブル生成部
１０５ ナノバブル生成部
１１１ 冷却機
１２１ 気体導入口
１２２ 原水入口
１２３ 生成水出口
１２４ 余剰気体再導入口
１３１ 制御盤
１４１ 負荷
１４２ パーティクル分離部
１４３ パーティクルフィルタ
１５１ 水槽
２０１ 循環機構
２１１ リピート回路
２１２ リターン回路
２１３ エコ回路
２１４ 放水回路
２１５ 回収回路
３０１ マイクロバブル生成部本体（発泡室）
３０２ 気体溶解水流入口
３０３ 発泡用ベンチュリー管
３０４ 余剰気体出口
３０５ 余剰気体リターンチューブ
３０６ マイクロバブル水流出口（液体出口）
４０１ ナノバブル生成部本体（収容室）
４０２ 超音波振動子
４０３ マイクロバブル水流入口
４０４ 案内流路
４０５ 隔離壁管
４０６ マイクロバブル水放出部
４０７ リピート水流出口（第１の液体出口）
４０８ ナノバブル水流出口（第２の液体出口）
４０９ 汚濁物分離水出口
４１０ 邪魔板
４１１ 波型部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体と液体とを混合する気液混合部と、
前記気体を含む前記液体が流入し、前記液体中に含まれる前記気体をマイクロバブルに変換するマイクロバブル生成部と、
前記マイクロバブルを含む前記液体が流入し、前記液体中に含まれる前記マイクロバブルをナノバブルに変換するナノバブル生成部と、
前記ナノバブルを含む前記液体を、前記気液混合部、前記マイクロバブル生成部、及び前記ナノバブル生成部を介して循環させることで、前記液体中の気体溶解濃度を高める循環機構と、
を備えることを特徴とする気体溶解液生成装置。
【請求項２】
前記ナノバブル生成部は、
前記液体を収容可能な収容室と、
前記収容室内の前記液体に超音波を照射して、前記マイクロバブルを前記ナノバブルに変化させる超音波振動手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項３】
前記超音波振動手段は、それぞれ振動周波数が異なる複数個の超音波振動子を有することを特徴とする請求項２記載の気体溶解液生成装置。
【請求項４】
前記超音波振動手段は、前記収容室の底部に設けられており、前記収容室の上部に向けて前記超音波を照射することを特徴とする請求項２又は３に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項５】
前記ナノバブル生成部は更に、
前記収容室の底部に設けられた開放端を有し、前記開放端まで前記液体を導入する案内流路と、
前記案内流路の前記開放端と前記超音波発生手段との間に介在し、前記収容室の底面から上方に延在する隔離壁と、
を備えることを特徴とする請求項４に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項６】
前記ナノバブル生成部は更に、
前記収容室の側面に設けられ、前記ナノバブルを含む前記液体を前記循環機構内に排出する第１の液体出口と、
前記収容室の側面に設けられ、前記ナノバブルを含む前記液体を前記循環機構外に排出する第２の液体出口と、
前記収容室の側面において前記第１及び第２の液体出口より上方に設けられ、浮上した汚濁物を含む前記液体を排出する汚濁物分離液出口と、
を備えることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項７】
前記ナノバブル生成部は更に、メッシュ状の部材で形成され、前記収容室内において、前記収容室の上面から所定の距離だけ下方に設置された邪魔板を備えることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項８】
前記収容室の上面には、前記超音波を乱反射させる凹凸面が形成されていることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項９】
前記収容室の側面には、透明部材で形成された透明部材領域が設けられていることを特徴とする請求項２から８のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１０】
前記案内流路は、全体的又は部分的に透明部材で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１１】
更に、前記循環機構により循環している前記液体を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１２】
更に、前記循環機構により循環している前記液体を加圧する加圧手段を備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１３】
更に、
前記気体を前記生成装置外から前記気液混合部に導入するための複数の気体導入口と、
前記生成装置内で前記液体から発生した余剰気体を、前記気液混合部に再導入するための余剰気体再導入口と、
を備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１４】
前記余剰気体再導入口からは、前記マイクロバブル生成部内で発生した前記余剰気体が再導入されることを特徴とする請求項１３に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１５】
前記マイクロバブル生成部は、
前記液体を収容可能な発泡室と、
前記発泡室に前記液体を噴射して、前記発泡室内に前記マイクロバブルを発生させる発泡手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１６】
前記発泡手段は、それぞれが個別に前記発泡室内に前記マイクロバブルを発生させる複数本の発泡ノズルを有することを特徴とする請求項１５に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１７】
前記発泡ノズルの噴射口の内壁面は、噴射方向に対し５度から１０度の角度で広がっていることを特徴とする請求項１６に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１８】
前記発泡手段は、前記発泡室の底部に設けられており、前記発泡室の上部に向けて前記液体を噴射することを特徴とする請求項１５から１７のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１９】
前記マイクロバブル生成部は更に、
前記発泡室の側面に設けられ、前記マイクロバブルを含む前記液体を排出する液体出口と、
前記発泡室の上面に設けられ、前記液体から発生した余剰気体を排出する余剰気体出口と、
を備えることを特徴とする請求項１５から１８のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項２０】
気液混合部にて、気体と液体とを混合し、
前記気体を含む前記液体が流入するマイクロバブル生成部にて、前記液体中に含まれる前記気体をマイクロバブルに変換し、
前記マイクロバブルを含む前記気体が流入するナノバブル生成部にて、前記液体中に含まれる前記マイクロバブルをナノバブルに変換し、
前記ナノバブルを含む前記液体を、前記気液混合部、前記マイクロバブル生成部、及び前記ナノバブル生成部を介して循環させ、前記液体中の気体溶解濃度を高める、
ことを特徴とする気体溶解液生成方法。
【請求項１】
気体と液体とを混合する気液混合部と、
前記気体を含む前記液体が流入し、前記液体中に含まれる前記気体をマイクロバブルに変換するマイクロバブル生成部と、
前記マイクロバブルを含む前記液体が流入し、前記液体中に含まれる前記マイクロバブルをナノバブルに変換するナノバブル生成部と、
前記ナノバブルを含む前記液体を、前記気液混合部、前記マイクロバブル生成部、及び前記ナノバブル生成部を介して循環させることで、前記液体中の気体溶解濃度を高める循環機構と、
を備えることを特徴とする気体溶解液生成装置。
【請求項２】
前記ナノバブル生成部は、
前記液体を収容可能な収容室と、
前記収容室内の前記液体に超音波を照射して、前記マイクロバブルを前記ナノバブルに変化させる超音波振動手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項３】
前記超音波振動手段は、それぞれ振動周波数が異なる複数個の超音波振動子を有することを特徴とする請求項２記載の気体溶解液生成装置。
【請求項４】
前記超音波振動手段は、前記収容室の底部に設けられており、前記収容室の上部に向けて前記超音波を照射することを特徴とする請求項２又は３に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項５】
前記ナノバブル生成部は更に、
前記収容室の底部に設けられた開放端を有し、前記開放端まで前記液体を導入する案内流路と、
前記案内流路の前記開放端と前記超音波発生手段との間に介在し、前記収容室の底面から上方に延在する隔離壁と、
を備えることを特徴とする請求項４に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項６】
前記ナノバブル生成部は更に、
前記収容室の側面に設けられ、前記ナノバブルを含む前記液体を前記循環機構内に排出する第１の液体出口と、
前記収容室の側面に設けられ、前記ナノバブルを含む前記液体を前記循環機構外に排出する第２の液体出口と、
前記収容室の側面において前記第１及び第２の液体出口より上方に設けられ、浮上した汚濁物を含む前記液体を排出する汚濁物分離液出口と、
を備えることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項７】
前記ナノバブル生成部は更に、メッシュ状の部材で形成され、前記収容室内において、前記収容室の上面から所定の距離だけ下方に設置された邪魔板を備えることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項８】
前記収容室の上面には、前記超音波を乱反射させる凹凸面が形成されていることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項９】
前記収容室の側面には、透明部材で形成された透明部材領域が設けられていることを特徴とする請求項２から８のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１０】
前記案内流路は、全体的又は部分的に透明部材で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１１】
更に、前記循環機構により循環している前記液体を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１２】
更に、前記循環機構により循環している前記液体を加圧する加圧手段を備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１３】
更に、
前記気体を前記生成装置外から前記気液混合部に導入するための複数の気体導入口と、
前記生成装置内で前記液体から発生した余剰気体を、前記気液混合部に再導入するための余剰気体再導入口と、
を備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１４】
前記余剰気体再導入口からは、前記マイクロバブル生成部内で発生した前記余剰気体が再導入されることを特徴とする請求項１３に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１５】
前記マイクロバブル生成部は、
前記液体を収容可能な発泡室と、
前記発泡室に前記液体を噴射して、前記発泡室内に前記マイクロバブルを発生させる発泡手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１６】
前記発泡手段は、それぞれが個別に前記発泡室内に前記マイクロバブルを発生させる複数本の発泡ノズルを有することを特徴とする請求項１５に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１７】
前記発泡ノズルの噴射口の内壁面は、噴射方向に対し５度から１０度の角度で広がっていることを特徴とする請求項１６に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１８】
前記発泡手段は、前記発泡室の底部に設けられており、前記発泡室の上部に向けて前記液体を噴射することを特徴とする請求項１５から１７のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項１９】
前記マイクロバブル生成部は更に、
前記発泡室の側面に設けられ、前記マイクロバブルを含む前記液体を排出する液体出口と、
前記発泡室の上面に設けられ、前記液体から発生した余剰気体を排出する余剰気体出口と、
を備えることを特徴とする請求項１５から１８のいずれか１項に記載の気体溶解液生成装置。
【請求項２０】
気液混合部にて、気体と液体とを混合し、
前記気体を含む前記液体が流入するマイクロバブル生成部にて、前記液体中に含まれる前記気体をマイクロバブルに変換し、
前記マイクロバブルを含む前記気体が流入するナノバブル生成部にて、前記液体中に含まれる前記マイクロバブルをナノバブルに変換し、
前記ナノバブルを含む前記液体を、前記気液混合部、前記マイクロバブル生成部、及び前記ナノバブル生成部を介して循環させ、前記液体中の気体溶解濃度を高める、
ことを特徴とする気体溶解液生成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２１８３０８（Ｐ２０１１−２１８３０８Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９１４７４（Ｐ２０１０−９１４７４）
【出願日】平成２２年４月１２日（２０１０．４．１２）
【出願人】（５９２２０４２９９）株式会社アスプ (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１２日（２０１０．４．１２）
【出願人】（５９２２０４２９９）株式会社アスプ (3)
【Ｆターム（参考）】
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