(57)【要約】【課題】所望のボイド率を有する処理液を供給する。【解決手段】送液装置は、気体を含む液体が流れる第１流路３ａと、その第１流路３ａに連通し第１流路３ａの開口面積より小さい開口面積を有する第２流路３ｂとを備え、第１流路３ａを流れる液体の第１圧力をＰ１、その第１流速をＶ１、第２流路３ｂを流れる液体の第２圧力をＰ２、その第２流速をＶ２、液体の密度をρ、重力加速度をｇ、急縮損失係数をｆｓｃ、液体の流量をＱ、第１流路３ａの開口面積をＳ１、第２流路３ｂの開口面積をＳ２とすると、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との差圧、流量Ｑ、第１流路３ａの開口面積Ｓ１及び第２流路３ｂの開口面積Ｓ２は、Ｐ１−Ｐ２＝（（１＋ｆｓｃ）×Ｖ２２／２ｇ−Ｖ１２／２ｇ）×ρｇ及びＱ＝Ｖ１×Ｓ１＝Ｖ２×Ｓ２の関係式を満足しており、第２流路３ｂを流れる液体のレイノルズ数は、第２流路３ｂに乱流が生じる値である。【選択図】図３
2013010173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を含む液体が流れる第１流路と、
前記第１流路に連通し、前記第１流路の開口面積より小さい開口面積を有する第２流路と、
を備え、
前記第１流路を流れる前記液体の第１圧力をＰ１とし、
前記第１流路を流れる前記液体の第１流速をＶ１とし、
前記第２流路を流れる前記液体の第２圧力をＰ２とし、
前記第２流路を流れる前記液体の第２流速をＶ２とし、
前記液体の密度をρとし、
重力加速度をｇとし、
急縮損失係数をｆｓｃとし、
前記第１流路に流す前記液体の流量をＱとし、
前記第１流路の開口面積をＳ１とし、
前記第２流路の開口面積をＳ２とすると、
前記第１圧力Ｐ１と前記第２圧力Ｐ２との差圧、前記第１流路に流す前記液体の流量Ｑ、前記第１流路の開口面積Ｓ１及び前記第２流路の開口面積Ｓ２は、
Ｐ１−Ｐ２＝（（１＋ｆｓｃ）×Ｖ２２／２ｇ−Ｖ１２／２ｇ）×ρｇ
Ｑ＝Ｖ１×Ｓ１＝Ｖ２×Ｓ２
の関係式を満足しており、
前記第２流路を流れる前記液体のレイノルズ数は、前記第２流路に乱流が生じる値であることを特徴とする送液装置。
【請求項２】
前記レイノルズ数が４０００以上であることを特徴とする請求項１記載の送液装置。
【請求項３】
前記レイノルズ数はキャビテーションが発生するように決定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の送液装置。
【請求項４】
第１流路と、前記第１流路に連通し、前記第１流路の開口面積より小さい開口面積を有する第２流路とに、気体を含む液体を流して送液を行う送液方法であって、
前記第１流路を流れる前記液体の第１圧力をＰ１とし、
前記第１流路を流れる前記液体の第１流速をＶ１とし、
前記第２流路を流れる前記液体の第２圧力をＰ２とし、
前記第２流路を流れる前記液体の第２流速をＶ２とし、
前記液体の密度をρとし、
重力加速度をｇとし、
急縮損失係数をｆｓｃとし、
前記第１流路に流す前記液体の流量をＱとし、
前記第１流路の開口面積をＳ１とし、
前記第２流路の開口面積をＳ２とすると、
前記第１圧力Ｐ１と前記第２圧力Ｐ２との差圧、前記第１流路に流す前記液体の流量Ｑ、前記第１流路の開口面積Ｓ１及び前記第２流路の開口面積Ｓ２を、
Ｐ１−Ｐ２＝（（１＋ｆｓｃ）×Ｖ２２／２ｇ−Ｖ１２／２ｇ）×ρｇ
Ｑ＝Ｖ１×Ｓ１＝Ｖ２×Ｓ２
の関係式を満足する値にし、
前記第２流路を流れる前記液体のレイノルズ数を、前記第２流路に乱流が生じる値にすることを特徴とする送液方法。
【請求項５】
前記レイノルズ数を４０００以上とすることを特徴とする請求項４記載の送液方法。
【請求項６】
前記レイノルズ数をキャビテーションが発生するように決定することを特徴とする請求項４又は５記載の送液方法。
【請求項７】
気体を含む液体が流れる並列な複数の第１流路と、
前記複数の第１流路にそれぞれ連通し、前記第１流路の開口面積より小さい開口面積を有する複数の第２流路と、
前記複数の第２流路に連通する第３流路と、
前記複数の第１流路を個別に開閉する複数の開閉弁と、
を備えることを特徴とする送液装置。
【請求項８】
前記複数の第２流路の各々の開口面積は異なっていることを特徴とする請求項７記載の送液装置。
【請求項９】
前記第３流路から吐出される前記液体の所望の吐出流量に応じて前記複数の開閉弁を動作させ、前記液体を流す前記第２流路の本数を切り替える切替部を備えることを特徴とする請求項７又は８記載の送液装置。
【請求項１０】
前記切替部は、前記第３流路から吐出される前記液体の所望の吐出流量に応じて前記複数の開閉弁を動作させ、前記複数の第２流路の中から前記液体を流す前記第２流路を選択することを特徴とする請求項９記載の送液装置。
【請求項１１】
前記第１流路を流れる前記液体の第１圧力をＰ１とし、
前記第１流路を流れる前記液体の第１流速をＶ１とし、
前記第２流路を流れる前記液体の第２圧力をＰ２とし、
前記第２流路を流れる前記液体の第２流速をＶ２とし、
前記液体の密度をρとし、
重力加速度をｇとし、
急縮損失係数をｆｓｃとし、
前記第１流路に流す前記液体の流量をＱとし、
前記第１流路の開口面積をＳ１とし、
前記第２流路の開口面積をＳ２とすると、
前記第１圧力Ｐ１と前記第２圧力Ｐ２との差圧、前記第１流路に流す前記液体の流量Ｑ、前記第１流路の開口面積Ｓ１及び前記第２流路の開口面積Ｓ２は、
Ｐ１−Ｐ２＝（（１＋ｆｓｃ）×Ｖ２２／２ｇ−Ｖ１２／２ｇ）×ρｇ
Ｑ＝Ｖ１×Ｓ１＝Ｖ２×Ｓ２
の関係式を満足しており、
前記第２流路を流れる前記液体のレイノルズ数は、前記第２流路に乱流が生じる値であることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか一に記載の送液装置。
【請求項１２】
並列な複数の第１流路と、前記複数の第１流路にそれぞれ連通し、前記第１流路の開口面積より小さい開口面積を有する複数の第２流路と、前記複数の第２流路に連通する第３流路とに、気体を含む液体を流して送液を行う送液方法であって、
前記第３流路から吐出される前記液体の所望の吐出流量に応じて、前記液体を流す前記第２流路の本数を変えることを特徴とする送液方法。
【請求項１３】
前記複数の第２流路の各々の開口面積は異なっており、
前記第３流路から吐出される前記液体の所望の吐出流量に応じて、前記複数の第２流路の中から前記液体を流す前記第２流路を選択することを特徴とする請求項１２記載の送液方法。
【請求項１４】
前記第１流路を流れる前記液体の第１圧力をＰ１とし、
前記第１流路を流れる前記液体の第１流速をＶ１とし、
前記第２流路を流れる前記液体の第２圧力をＰ２とし、
前記第２流路を流れる前記液体の第２流速をＶ２とし、
前記液体の密度をρとし、
重力加速度をｇとし、
急縮損失係数をｆｓｃとし、
前記第１流路に流す前記液体の流量をＱとし、
前記第１流路の開口面積をＳ１とし、
前記第２流路の開口面積をＳ２とすると、
前記第１圧力Ｐ１と前記第２圧力Ｐ２との差圧、前記第１流路に流す前記液体の流量Ｑ、前記第１流路の開口面積Ｓ１及び前記第２流路の開口面積Ｓ２を、
Ｐ１−Ｐ２＝（（１＋ｆｓｃ）×Ｖ２２／２ｇ−Ｖ１２／２ｇ）×ρｇ
Ｑ＝Ｖ１×Ｓ１＝Ｖ２×Ｓ２
の関係式を満足する値にし、
前記第２流路を流れる前記液体のレイノルズ数を、前記第２流路に乱流が生じる値にすることを特徴とする請求項１２又は１３記載の送液方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、送液装置及び送液方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
送液装置は、例えばタンクや配管などを備えており、そのタンク内の液体を配管に流し、供給対象装置、例えば加工装置や基板処理装置などに供給する装置である。加工装置は、ダイシングブレードやドリルなどの加工具により金属材や基板などの被加工物を加工する装置であり、その加工具により加工される被加工物の加工箇所には、潤滑、冷却及び洗浄を目的として、液体に気体を混入させた処理液が切削液として供給される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、基板処理装置は、半導体装置や液晶表示装置などの製造工程において、半導体ウェーハやガラス基板などの基板表面に処理液を流し、その基板表面を処理する装置であり、この基板処理装置には、液体に気体を溶解させた処理液が供給される。このような基板処理装置としては、例えば、処理液により基板表面を洗浄する洗浄装置や処理液により基板表面からレジスト膜を除去するレジスト除去装置などが挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３１０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述のように、液体に単に気体を混入あるいは溶解させた処理液を、そのまま供給対象装置に供給しただけでは、処理液による処理性能は十分に上がらないため、例えば、加工装置においては、処理液による潤滑や洗浄が不十分であり、加工具の寿命や加工性能はあまり向上しない。また、基板処理装置においても、処理液による洗浄やレジスト除去などが不十分であり、製品品質はあまり向上しない。したがって、処理液による処理性能を十分に上げるため、所望のボイド率を有する処理液を供給することが望まれている。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、所望のボイド率を有する処理液を供給することができる送液装置及び送液方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態に係る送液装置は、気体を含む液体が流れる第１流路と、第１流路に連通し、第１流路の開口面積より小さい開口面積を有する第２流路とを備え、第１流路を流れる液体の第１圧力をＰ１とし、第１流路を流れる液体の第１流速をＶ１とし、第２流路を流れる液体の第２圧力をＰ２とし、第２流路を流れる液体の第２流速をＶ２とし、液体の密度をρとし、重力加速度をｇとし、急縮損失係数をｆｓｃとし、第１流路に流す液体の流量をＱとし、第１流路の開口面積をＳ１とし、第２流路の開口面積をＳ２とすると、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との差圧、第１流路に流す液体の流量Ｑ、第１流路の開口面積Ｓ１及び第２流路の開口面積Ｓ２は、
Ｐ１−Ｐ２＝（（１＋ｆｓｃ）×Ｖ２２／２ｇ−Ｖ１２／２ｇ）×ρｇ
Ｑ＝Ｖ１×Ｓ１＝Ｖ２×Ｓ２
の関係式を満足しており、第２流路を流れる液体のレイノルズ数は、第２流路に乱流が生じる値である。
【０００８】
本発明の実施形態に係る送液方法は、第１流路と、第１流路に連通し、第１流路の開口面積より小さい開口面積を有する第２流路とに、気体を含む液体を流して送液を行う送液方法であって、第１流路を流れる液体の第１圧力をＰ１とし、第１流路を流れる液体の第１流速をＶ１とし、第２流路を流れる液体の第２圧力をＰ２とし、第２流路を流れる液体の第２流速をＶ２とし、液体の密度をρとし、重力加速度をｇとし、急縮損失係数をｆｓｃとし、第１流路に流す液体の流量をＱとし、第１流路の開口面積をＳ１とし、第２流路の開口面積をＳ２とすると、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との差圧、第１流路に流す液体の流量Ｑ、第１流路の開口面積Ｓ１及び第２流路の開口面積Ｓ２を、
Ｐ１−Ｐ２＝（（１＋ｆｓｃ）×Ｖ２２／２ｇ−Ｖ１２／２ｇ）×ρｇ
Ｑ＝Ｖ１×Ｓ１＝Ｖ２×Ｓ２
の関係式を満足する値にし、第２流路を流れる液体のレイノルズ数を、第２流路に乱流が生じる値にする。
【０００９】
本発明の実施形態に係る送液装置は、気体を含む液体が流れる並列な複数の第１流路と、複数の第１流路にそれぞれ連通し、第１流路の開口面積より小さい開口面積を有する複数の第２流路と、複数の第２流路に連通する第３流路と、複数の第１流路を個別に開閉する複数の開閉弁とを備える。
【００１０】
本発明の実施形態に係る送液方法は、並列な複数の第１流路と、複数の第１流路にそれぞれ連通し、第１流路の開口面積より小さい開口面積を有する複数の第２流路と、複数の第２流路に連通する第３流路とに、気体を含む液体を流して送液を行う送液方法であって、第３流路から吐出される液体の所望の吐出流量に応じて、液体を流す第２流路の本数を変える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、所望のボイド率を有する処理液を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る送液装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す送液装置が備えるオリフィス部材の概略構成を示す断面図である。
【図３】ベルヌーイの定理に基づくボイド率の算出を説明するための説明図である。
【図４】絶対圧力と溶解度との相関関係を示すグラフである。
【図５】差圧とボイド率との相関関係を示すグラフである。
【図６】液吐出流量と設計オリフィス径との相関関係を示すグラフである。
【図７】ボイド率と剛性との相関関係を示すグラフである。
【図８】レイノルズ数と抵抗係数との相関関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る送液装置の概略構成を示す図である。
【図１０】ポンプ設定圧力と微小気泡の濃度との相関関係を示すグラフである。
【図１１】液体を流すオリフィス部材の個数（貫通孔の個数）と吐出流量との相関関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図１ないし図８を参照して説明する。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係る送液装置１は、液体を貯留するタンク２と、そのタンク２内の液体を加工装置（図示せず）に送液するための配管３と、その配管３を流れる液体に気体を混合する気液混合器４と、その気液混合器４に気体を供給する気体供給部５と、送液用のポンプ６と、配管３の端部に位置するオリフィス部材７とを備えている。
【００１５】
タンク２は液体を貯留する貯留部であり、配管３はタンク２と加工装置とを接続する流路である。この配管３の断面形状は円形状であるが、その形状は限定されるものではなく、例えば、矩形状であっても良い。配管３としては、例えば、パイプやチューブなどを用いることが可能である。
【００１６】
気液混合器４は、配管３の途中に設けられており、その内部を通過する液体中に気体を混合する。この気液混合器４としては、例えば、Ｔ字管やアスピレータなどを用いることが可能であるが、液体中に気体を混合することが可能な構造であれば良く、その構造は特に限定されるものではない。
【００１７】
気体供給部５は、気体（ガス）が流れる気体流路となる配管５ａにより気液混合器４に接続されており、その気液混合器４に配管５ａを介して気体を供給する。この気体供給部５は、開閉弁や圧力レギュレータなどを有しており、所定の圧力及び流量で気体を供給可能に形成されている。なお、圧力や流量は、所望量の気体が液体中に混合するようにあらかじめ設定されている。気体としては、例えば、空気、あるいは、窒素（Ｎ２）などの不活性ガス、また、酸素（Ｏ２）などの酸化性ガスなど、各種のガスを用いることが可能である。
【００１８】
ポンプ６は、配管３の途中であって気液混合器４より下流側（液体の流れ方向の下流側）に設けられており、タンク２内の液体を配管３に流すための駆動源である。このポンプ６は、タンク２内の液体を配管３に流して自身の位置まで吸い上げ、吸い上げた液体を自身の位置から加圧して配管３の先端に向かって流す。したがって、配管３においてポンプ６より下流側は加圧ラインとなる。ポンプ６としては、例えば、エア駆動ポンプや電動ポンプなどを用いることが可能である。
【００１９】
ここで、配管３においてポンプ６より下流側は加圧ラインとなるため、気液混合器４はポンプ６より上流側に設けられている。これは、加圧前の液体に対して気体を供給した方が、その気体が液体に混合、すなわち溶解しやすいためである。ただし、液体に対する気体溶解量が減少しても問題がない場合には、気液混合器４とポンプ６の順番を逆にしても良い。また、気体の溶解度は液体の温度変化に依存し、液体の温度上昇に伴って減少するものである。したがって、液体の温度を制御することによって気体の溶解度を所望の値に調整することも可能である。
【００２０】
オリフィス部材７は、ポンプ６より下流側（液体の流れ方向の下流側）に位置付けられて配管３の途中、例えば、タンク２と反対側の端部に設けられている。このオリフィス部材７の設置箇所は、前述の端部に限られるものではなく、気体を含む液体（気液混合流体）が流れる流路に設けられれば良い。なお、前述のようにオリフィス部材７が配管３の端部に設けられている場合には、オリフィス部材７の開口から液体が吐出され、被加工物の加工箇所に供給される。
【００２１】
このような構成の送液装置１において、ポンプ６が駆動されると、タンク２内の液体が配管３内を流れ、それに合わせて気体が気体供給部５から配管５ａを介して気液混合器４に供給される。気液混合器４はその内部を通過する液体中に気体供給部５から供給された気体を混合する。その気体を含む液体は配管３内を流れ、ポンプ６を通過してオリフィス部材７に流入し、オリフィス部材７の開口から被加工物の加工箇所に向けて吐出される。吐出された液体は潤滑液として機能し、加工動作中の加工具と被加工物との間に入り込み、それらの摩擦抵抗を低減する。
【００２２】
次に、前述のオリフィス部材７について詳しく説明する。
【００２３】
図２に示すように、オリフィス部材７は、例えば一つの貫通孔７ａを有している。この貫通孔７ａの断面形状は円形状であるが、その形状は限定されるものではなく、例えば、矩形状であっても良い。このオリフィス部材７が配管３内に設けられている。これにより、配管３は、気体を含む液体が流れる第１流路３ａと、その第１流路３ａに連通する第２流路３ｂとを有することになる。この第２流路３ｂは、オリフィス部材７の貫通孔７ａにより構成されており、第１流路３ａの開口面積より小さい開口面積を有している。
【００２４】
このオリフィス部材７は、気体を含む液体に対して減圧開放及び乱流発生を行うことで、その液体に圧縮性及び摩擦低減特性を与える（詳しくは、後述する）。オリフィス部材７の貫通孔７ａの設計値は、ボイド率及びレイノルズ数を用いて決定される。ボイド率（気相体積率）は流体のある体積での気相の占める割合である。また、レイノルズ数は流体の流れの状態を示す無次元数であり、慣性力と粘性力との比で定義される。なお、所望のボイド率を有する流体は非ニュートン流体として挙動する。
【００２５】
まず、ボイド率の算出について説明する。
【００２６】
図３に示すように、第１流路３ａの開口直径をＤ１とし、第２流路３ｂの開口直径をＤ２とすると、第１流路３ａの開口面積Ｓ１及び第２流路３ｂの開口面積Ｓ２は、
Ｓ１＝π（Ｄ１／２）２＝πＤ１２／４
Ｓ２＝π（Ｄ２／２）２＝πＤ２２／４
となる。
【００２７】
また、第１流路３ａに流す液体の流量（単位時間あたり）をＱとすると、第１流路３ａを流れる液体の第１流速Ｖ１及び第２流路３ｂを流れる液体の第２流速Ｖ２は、
Ｖ１＝Ｑ／Ｓ１＝４Ｑ／（πＤ１２）
Ｖ２＝Ｑ／Ｓ２＝４Ｑ／（πＤ２２）
となる。
【００２８】
次に、第１流路３ａを流れる液体の第１圧力をＰ１とし、第２流路３ｂを流れる液体の第２圧力をＰ２とし、液体の密度をρとし、重力加速度をｇとし、急縮損失係数をｆｓｃとしてベルヌーイの定理を用いると、
Ｖ１２／２ｇ＋Ｐ１／ρｇ＝（１＋ｆｓｃ）×Ｖ２２／２ｇ＋Ｐ２／ρｇ
の関係式が求められる。
【００２９】
ここで、Ｖ１２／２ｇは第１流路３ａの速度水頭であり、Ｐ１／ρｇは第１流路３ａの圧力水頭であり、Ｖ２２／２ｇは第２流路３ｂの速度水頭であり、Ｐ２／ρｇは第２流路３ｂの圧力水頭であり、ｆｓｃ×Ｖ２２／２ｇは第２流路３ｂの急縮損失水頭である。
【００３０】
最後に、前述の関係式から第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との差圧として、
Ｐ１−Ｐ２＝（（１＋ｆｓｃ）×Ｖ２２／２ｇ−Ｖ１２／２ｇ）×ρｇ
の関係式が求められる。
【００３１】
次いで、この関係式及び図４に示す相関関係（絶対圧力と溶解度との関係）を用いてボイド率を算出する。図４では、気体が空気であり、液体が水である場合の相関関係が示されており、絶対圧力と溶解度とは単調増加の関係にあり、傾きは温度に応じて異なる。
【００３２】
最初に、第２圧力Ｐ２を大気開放としてＰ２＝０にすると、前述の関係式は、
Ｐ１＝（（１＋ｆｓｃ）×Ｖ２２／２ｇ−Ｖ１２／２ｇ）×ρｇ［Ｎ／ｍ２］
となり、この式の圧力Ｐ１が、ポンプ６により発生させる必要加圧力（ゲージ圧力）となる。このＰ１を絶対圧力換算すると、前述の必要加圧力の絶対圧力ｐは、
ｐ＝０．００７５×Ｐ１＋７３５［ｍｍＨｇ］
となる。
【００３３】
次に、図４に示すグラフから、絶対圧力と溶解度との関係を示す直線、例えば、温度が２０℃である場合の直線を用い、ある絶対圧力値による加圧時の飽和気体量をｑ１とし、大気開放時、例えば、７３５ｍｍＨｇの飽和気体量をｑ２とすると、それらの差である放出気体量ｑは、
ｑ＝ｑ１−ｑ２［ｃｃ／Ｌ］
となり、ボイド率αは、
α＝ｑ／１０００＝（ｑ１−ｑ２）／１０００
となる。
【００３４】
ここで、具体的に数値を代入すると前述の各式から、例えば、Ｑ＝２．２［Ｌ／ｍｉｎ］＝０．００００３７［ｍ３／ｓ］、Ｄ１＝１０［ｍｍ］、Ｄ２＝１．５［ｍｍ］である場合には、Ｖ１＝０．４７［ｍ／ｓ］、Ｖ２＝２０．７５［ｍ／ｓ］、Ｖ１２／２ｇ＝０．０１［ｍ］、Ｖ２２／２ｇ＝２１．９７［ｍ］となる。また、ｆｓｃ＝０．４０とすると、ｆｓｃ×Ｖ２２／２ｇ＝８．８０［ｍ］、Ｐ１＝３０１４３６［Ｎ／ｍ２］＝３．０７［ｋｇｆ／ｃｍ２］となり、その値からｐ＝２９９６［ｍｍＨｇ］となる。なお、適宜、四捨五入を行う（これ以降も同様である）。
【００３５】
次いで、図４に示すグラフ（温度が２０℃である場合の直線）から、絶対圧力ｐ＝２９９６［ｍｍＨｇ］の場合には、ｑ１＝７１．９［ｃｃ／Ｌ］となり、絶対圧力ｐ＝７３５［ｍｍＨｇ］の場合には、ｑ２＝１７．６［ｃｃ／Ｌ］となり、それらからｑ＝５４．３［ｃｃ／Ｌ］となり、最後にα＝０．０５４となる。このようにボイド率αは０．０５４と求められる。
【００３６】
このボイド率の算出を用いて、ボイド率を所望のボイド率にするため、例えば、第２流路３ｂの開口直径Ｄ２の値を変化させ、オリフィス部材７の貫通孔７ａの設計値を求める。実際には、所望のボイド率を設定し、逆算により第２流路３ｂ（貫通孔７ａ）の開口直径Ｄ２の値を求める。このとき、開口直径Ｄ２以外の変数はあらかじめ所定値（例えば設計値など）に設定されており、変化しないものとする。
【００３７】
一方、前述の逆算以外にも、図５及び図６に示すような相関関係を用いてオリフィス部材７の貫通孔７ａの設計値（設計オリフィス径）を求めることが可能である。図５では、差圧とボイド率との相関理論値がグラフ化されており、図６では、液吐出流量と設計オリフィス径との相関理論値がグラフ化されている。
【００３８】
ボイド率を５％強にしたい場合には、図５に示す相関関係からオリフィス部材７の貫通孔７ａの前後の差圧（Ｐ１−Ｐ２）＝０．３［ＭＰａ］が求められる。次に、図６に示す曲線から、差圧が０．３ＭＰａの曲線が選択され、液吐出流量を２［Ｌ／ｍｉｎ］にしたい場合には、設計オリフィス径（直径）は１．４ｍｍとなる。なお、設計オリフィス径は、オリフィス部材７の貫通孔７ａ、すなわち第２流路３ｂの開口直径Ｄ２の値である。
【００３９】
ここで、図７に示すように、ボイド率が０である場合には、液体の剛性は１００であり、ボイド率が０．０５である場合には、液体の剛性は２０である。したがって、ボイド率を０から０．０５に増加させることで、液体の剛性は１００から２０まで低下することになる。これにより、液体のボイド率を増加させることによって、液体に圧縮性を与えることができる。
【００４０】
次に、レイノルズ数の算出について説明する。
【００４１】
レイノルズ数Ｒｅは、
Ｒｅ＝ＵＬ／（μ／ρ）＝ＵＬ／ν
で表される。ここで、Ｕは特性速度［ｍ／ｓ］で、Ｌは特性長さ［ｍ］で、μは粘度又は粘性係数［Ｐａ・ｓ］で、ρは密度［ｋｇ／ｍ３］で、νは動粘度又は動粘性係数［ｍ２／ｓ］である。
【００４２】
オリフィス部材７では、前述の特性速度Ｕが第２流路３ｂの流速Ｖ２となり、特性長さＬが貫通孔７ａ（第２流路３ｂ）の開口直径Ｄ２となるため、
Ｒｅ＝（Ｖ２×Ｄ２）／ν
となる。
【００４３】
なお、大気圧下での水（純水）の密度、粘性係数及び動粘性係数は温度に応じて変化する。例えば、温度が２０℃である場合には、密度ρは０．９９８２×１０３［ｋｇ／ｍ３］で、粘性係数μは１．００２×１０−３［Ｐａ・ｓ］で、動粘性係数νは１．００４×１０−６［ｍ２／ｓ］である。また、温度が２５℃である場合には、密度ρは０．９９７０×１０３［ｋｇ／ｍ３］で、粘性係数μは０．８９０×１０−３［Ｐａ・ｓ］で、動粘性係数νは０．８９３×１０−６［ｍ２／ｓ］である。
【００４４】
前述のレイノルズ数Ｒｅが４０００以上（Ｒｅ＝（Ｖ２×Ｄ２）／ν≧４０００）となるように、オリフィス部材７の貫通孔７ａ、すなわち第２流路３ｂの流速Ｖ２及び第２流路３ｂの開口直径Ｄ２が求められる。これは、レイノルズ数Ｒｅが４０００以上となると、層流が乱流に確実に遷移するためである。したがって、第２流路３ｂの流速Ｖ２及び第２流路３ｂの開口直径Ｄ２は、（Ｖ２×Ｄ２）／ν≧４０００の関係式を満足することになる。
【００４５】
図８に示すように、レイノルズ数Ｒｅが１０００以上となると、抵抗係数（抗力係数）ＣＤが１より小さく安定していることがわかる。その後、レイノルズ数Ｒｅが３０００００（３×１０５）付近で急激に減少するが、このときのレイノルズ数Ｒｅが遷移レイノルズ数（臨界レイノルズ数）である。この遷移レイノルズ数は、層流から乱流への遷移が生じるレイノルズ数であり、条件により変化する値であるが、レイノルズ数Ｒｅが４０００以上であれば、その範囲に遷移レイノルズ数が含まれることになり、層流から乱流への遷移が確実に発生するということがいえる。なお、層流から乱流への遷移はある地点で急に生じるわけではなく、ある範囲で徐々に生じる。このときの領域は遷移領域と呼ばれる。
【００４６】
したがって、レイノルズ数Ｒｅが４０００以上である場合には、乱流が確実に発生しており、このとき、抵抗係数ＣＤにおける粘性抵抗の占める割合は小さくなるため、液体の境界層の流速は速くなり、結果として、その液体の粘性抵抗（摩擦抵抗）は小さくなる。ここで、レイノルズ数Ｒｅは、Ｒｅ＝（物体の慣性抵抗）／（液体の粘性抵抗）として定義可能であり、レイノルズ数Ｒｅが大きくなると液体の粘性抵抗は小さくなることがわかる（（液体の粘性抵抗）＝（物体の慣性抵抗）／Ｒｅ）。
【００４７】
このようにレイノルズ数Ｒｅを４０００以上にすることで、乱流を確実に発生させることが可能となり、この乱流の発生により、前述のように液体の粘性抵抗（摩擦抵抗）を小さくすることができ、さらに、液体中に気泡を発生させて細分化し、多量の気泡を生成することができる。その結果、タンク２内の液体に摩擦低減特性及び高い圧縮性を与えることができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との差圧（Ｐ１−Ｐ２）、第１流路３ａに液体の流量Ｑ、第１流路３ａの開口面積Ｓ１及び第２流路３ｂの開口面積Ｓ２は、
Ｐ１−Ｐ２＝（（１＋ｆｓｃ）×Ｖ２２／２ｇ−Ｖ１２／２ｇ）×ρｇ
Ｑ＝Ｖ１×Ｓ１＝Ｖ２×Ｓ２
の関係式を満足しており、第２流路３ｂを流れる液体のレイノルズ数Ｒｅは、第２流路３ｂに乱流が生じる値になっている。
【００４９】
このため、気体を含む液体がオリフィス部材７により減圧開放され、所望のボイド率を有する液体が生成される。この液体は圧縮性を有するため、その圧縮性を有する液体が被加工物の加工箇所に供給されると、その液体が加工具と被加工物との間のクッション体（緩衝体）として機能し、加工具の摩耗を抑えることが可能となる。これにより、加工具の寿命を延ばすことができる。また、オリフィス部材７の貫通孔７ａである第２流路３ｂには、乱流が生じる。この乱流により、液体の粘性抵抗（摩擦抵抗）が低くなり、その液体は加工具と被加工物との狭い隙間にも入り込みやすくなる。これにより、加工具と被加工物との摩擦抵抗を確実に低減することが可能となるので、加工具と被加工物との良好な潤滑を可能にし、加工性能の向上及び加工具の高寿命化を実現することができる。特に、潤滑液として機能する液体の粘性抵抗が低下するため、加工具と被加工物との摩擦抵抗を確実に低減することができる。これは、潤滑液となる液体の摩擦抵抗が加工具と被加工物との摩擦抵抗となることから、液体の粘性抵抗の低下が加工具と被加工物との摩擦抵抗の低下につながるためである。
【００５０】
また、レイノルズ数Ｒｅを４０００以上とすることによって、オリフィス部材７の貫通孔７ａである第２流路３ｂに乱流を確実に生成することが可能となる。このレイノルズ数が４０００以上である場合の乱流により、液体の粘性抵抗を確実に低くすることができ、その結果、加工具と被加工物との良好な潤滑を可能にし、加工性能の向上及び加工具の高寿命化を確実に実現することができる。加えて、前述の乱流により液体中に気泡を発生させて細分化し、多量の気泡を生成することが可能となるため、液体中に所望量の気泡を発生させることができる。また、乱流による摩擦帯電により気泡がマイナスに帯電する。これにより、マイナス帯電の気泡はプラス帯電の有機物に付着し、その有機物を浮上により除去するので、ゴミ（例えば加工屑）などの異物の除去率が高くなり、洗浄力を向上させることができる。
【００５１】
また、キャビテーション（空洞現象）が液体中に生じるようにレイノルズ数Ｒｅを決定することによって、キャビテーションにより多量の微小気泡（例えば、マイクロバブルやマイクロナノバブル、ナノバブルなど）を発生させること可能となり、さらに、その微小気泡を迅速に発生させることが可能となる。これにより、多量の微小気泡を含む液体を確実に被加工物の加工箇所に供給することができる。また、多量の微小気泡を有する液体が被加工物の加工箇所に供給されると、微小気泡は加工具や被加工物の表面を覆うように流れるため、潤滑液として機能する液体と加工具及び被加工物との摩擦抵抗が小さくなり、結果として、加工具と被加工物との摩擦抵抗を低減することができる。さらに、微小気泡の消滅時に発生する衝撃波（キャビテーション効果）により、加工具や被加工物に付着したゴミ（例えば加工屑）などの異物を除去することが可能になるので、洗浄力を向上させることができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図９ないし図１１を参照して説明する。
【００５３】
本発明の第２の実施形態は基本的に第１の実施形態と同様である。第２の実施形態では、第１の実施形態との相違点について説明し、第１の実施形態で説明した部分と同一部分は同一符号で示し、その説明も省略する。
【００５４】
図９に示すように、配管３はポンプ６の下流側で四本（この本数は例示であり、これに限るものではない）に枝分れして並列となり、その後、元の一本に戻る。並列部分の四本の配管には、それぞれ開閉弁８及びオリフィス部材７が設けられており、特に、開閉弁８はオリフィス部材７の上流側に位置付けられている。
【００５５】
このような構成により、四本の第１流路３ａが並列に存在し、それらの第１流路３ａに個別に連通する四本の第２流路３ｂ（オリフィス部材７の貫通孔７ａ：図２参照）が存在することになり、さらに、それらの第２流路３ｂに連通する一本の第３流路３ｃが存在することになる。
【００５６】
開閉弁８は、対応する第１流路３ａを開閉する動作を行う。この開閉弁８としては、例えば、電磁弁やエア駆動弁などを用いることが可能である。このような各開閉弁８を個別に制御するため、切替部９が設けられている。この切替部９は、第３流路３ｃから吐出される液体の所望の吐出流量に応じて各開閉弁８を動作させ、液体を流すオリフィス部材７の個数、すなわち、液体を流す第２流路３ｂの本数を切り替える。所望の吐出流量は切替部９に予め設定されており、その変更も可能である。
【００５７】
なお、本実施形態では、切替部９により各開閉弁８を動作させて自動的に前述の切替を行っているが、これに限るものではなく、その切替部９を設けずに人が手動で各開閉弁８を動作させて前述の切替を行っても良い。この場合には、切替部９が不要となるため、装置構成の簡略化及びコスト削減を実現することができる。
【００５８】
ここで、図１０に示すように、ポンプ６の設定圧力（供給圧力）を変えることにより、生成される微小気泡の個数が変化することが分かる。すなわち、ポンプ６の設定圧力を調整し、第３流路３ｃから吐出される液体の吐出流量を可変させると、オリフィス部材７の貫通孔７ａ（第２流路３ｂ）のコンダクタンス（流れやすさ）は一定であるため、貫通孔７ａの前後の差圧が変わり、生成される微小気泡の濃度（単位体積当たりのバブル個数）が変わってしまう。
【００５９】
なお、図１０では、ポンプ６の設定圧力は、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との差圧をΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）とすると、そのΔＰが０．２、０．３又は０．４（ＭＰａ）となるように設定され、それらの条件における微小気泡の個数（十万個／ｃｃ）が算出されて示されている。この個数の算出では、ヘンリーのガス溶解特性から、加圧して開放時に放出する気体を４０μｍ粒径で個数換算している。
【００６０】
図１０に示すように、ポンプ６の設定圧力、すなわちΔＰと微小気泡の個数は比例関係にあり、ΔＰが増えると、それに応じて微小気泡の個数が増加し、一方、ΔＰが減ると、それに応じて微小気泡の個数が減少することが分かる。このようなポンプ６の設定圧力の変更に起因する微小気泡の濃度変化を抑止するためには、前述のように第１流路３ａを並列に設け、さらに、それらの第１流路３ａに開閉弁８及びオリフィス部材７を設け、液体を流すオリフィス部材７の個数、すなわち、液体を流す第２流路３ｂの本数を切り替える。これにより、第３流路３ｃから吐出される液体の吐出流量を変えるためにポンプ６の設定圧力を変更する必要は無くなるので、生成される微小気泡の濃度を変えることなく、第３流路３ｃから吐出される液体の吐出流量を変化させることが可能となる。
【００６１】
ここで、図１１に示すように、液体を流すオリフィス部材７の個数（貫通孔７ａの個数、すなわち第２流路３ｂの本数）を変えることにより、第３流路３ｃから吐出される液体の吐出流量が変化することが分かる。図１１では、液体を流すオリフィス部材７の個数と第３流路３ｃから吐出される液体の吐出流量とは比例関係にあり、ΔＰが０．２、０．３又は０．４（ＭＰａ）である場合の比例関係が示されている。どの比例関係でも、液体を流すオリフィス部材７の個数が増えると、それに応じて第３流路３ｃから吐出される液体の吐出流量も増加し、逆に、液体を流すオリフィス部材７の個数が減ると、それに応じて第３流路３ｃから吐出される液体の吐出流量は減少する。このようにポンプ６の設定圧力を一定とし、液体を流すオリフィス部材７の個数、すなわち、液体を流す第２流路３ｂの本数を切り替えて吐出流量を変化させることが可能である。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第３流路３ｃから吐出される液体の所望の吐出流量に応じて複数の開閉弁８を動作させ、液体を流す第２流路３ｂの本数を切り替えることによって、生成される微小気泡の濃度を変えることなく、第３流路３ｃから吐出される液体の吐出流量を変化させることができる。その結果、所望のボイド率を有する処理液を所望の吐出流量で供給することができる。また、切替部９を設けることによって各開閉弁８の切替が自動化されるため、操作性を向上させることができる。
【００６３】
ここで、前述のように並列な第１流路３ａの本数が四本である場合には、第３流路３ｃから吐出する液体の吐出流量の調整は四段階となる。このため、並列な第１流路３ａの本数を増やし、その増加分の第１流路３ａに開閉弁８及びオリフィス部材７を設けた場合には、調整の段階数が増加するので、液体の吐出流量をより細かく調整することができる。
【００６４】
また、前述の実施形態では、複数の第２流路３ｂの各々の開口面積を同じにしているが、これに限るものではなく、複数の第２流路３ｂの各々の開口面積を異ならせても良い。この場合には、切替部９は、第３流路３ｃから吐出される液体の所望の吐出流量に応じて複数の開閉弁８を動作させ、複数の第２流路３ｂの中から液体を流す第２流路３ｂを選択する。これにより、液体を流す第２流路３ｂの本数に加え、液体を流す第２流路３ｂの開口面積も選択することが可能となるので、液体の吐出流量の微調整を行うことができる。なお、複数の第２流路３ｂの各々の開口面積が同じである場合には、どの第２流路３ｂを選択しても良く、所定の本数だけランダムにあるいは所定の条件で第２流路３ｂを選択することになる。
【００６５】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６６】
１    送液装置
３ａ  第１流路
３ｂ  第２流路
３ｃ  第３流路
８    開閉弁
９    切替部
【図１】
2013010173.tif 000003
【図２】
2013010173.tif 000004
【図３】
2013010173.tif 000005
【図４】
2013010173.tif 000006
【図５】
2013010173.tif 000007
【図６】
2013010173.tif 000008
【図７】
2013010173.tif 000009
【図８】
2013010173.tif 000010
【図９】
2013010173.tif 000011
【図１０】
2013010173.tif 000012
【図１１】
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