СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ УЛЬТРАМЕЛКИХ ПУЗЫРЬКОВ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СОДЕРЖАЩЕЙ УЛЬТРАМЕЛКИЕ ПУЗЫРЬКИ ЖИДКОСТИ И СОДЕРЖАЩАЯ УЛЬТРАМЕЛКИЕ ПУЗЫРЬКИ ЖИДКОСТЬ
METHOD FOR GENERATING ULTRAFINE BUBBLES, DEVICE FOR PRODUCING AND METHOD FOR PRODUCING LIQUID CONTAINING ULTRAFINE BUBBLES, AND LIQUID CONTAINING ULTRAFINE BUBBLES

Область техники изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к способу генерирования, предназначенному для генерирования ультрамелких пузырьков диаметром менее 1,0 мкм, устройству для производства и способу производства содержащей ультрамелкие пузырьки жидкости, и к содержащей ультрамелкие пузырьки жидкости.
Предпосылки создания изобретения
[0002] В последние годы были разработаны методы применения характеристик мелких пузырьков, таких как микропузырьки микроразмерного диаметра и нанопузырьки наноразмерного диаметра. В частности, выгода ультрамелких пузырьков (называемых также далее «УМП») диаметром менее 1,0 мкм была подтверждена в различных областях.
[0003] В патентном документе (ПД) 1 раскрыто устройство, которое генерирует мелкие пузырьки, подвергая газ воздействию растворения под давлением посредством метода растворения под давлением с генерированием находящейся под давлением жидкости и испускания струи находящейся под давлением жидкости из сопла. В ПД 2 раскрыто устройство, которое генерирует мелкие пузырьки, повторяя разделение и слияние газожидкостной смеси посредством блока смешивания.
Список цитируемой литературы
Патентная литература
[0004] ПД 1: Патент Японии № 6118544
ПД 2: Патент Японии № 4456176
Сущность изобретения
Техническая задача
[0005] В устройстве, раскрытом в ПД 1, жидкость должна иметь высокое давление от 0,5 до 0,6 МПа. В устройстве, раскрытом в ПД 2, жидкость должна иметь высокое давление примерно 30 атм, и помимо этого сложные каналы вызывают укрупнение устройства и увеличение энергопотребления. Соответственно, оба устройства, раскрытые в ПД 1 и ПД 2, имеют сложную конфигурацию, и уменьшение их размера затруднено.
[0006] Дополнительно, в любом из устройств, раскрытых в ПД 1 и ПД 2, во время генерирования УМП, в дополнение к УМП наноразмерного диаметра генерируется относительно большое количество миллипузырьков миллиразмерного диаметра и микропузырьков микроразмерного диаметра. Это затрудняет эффективное генерирование УМП. Кроме того, для выделения УМП из пузырьков различных размеров необходим большой резервуар, и поэтому затрудняется уменьшение размера устройства.
[0007] Задача настоящего изобретения состоит в эффективном генерировании ультрамелких пузырьков с помощью простой конфигурации.
Решение задачи
[0008] Способ генерирования ультрамелких пузырьков в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что ультрамелкие пузырьки генерируют путем инициирования пленочного кипения.
Преимущественные эффекты изобретения
[0009] В соответствии с настоящим изобретением, ультрамелкие пузырьки можно эффективно генерировать с помощью простой конфигурации путем инициирования пленочного кипения в жидкости.
Краткое описание чертежей
[0010] Фиг.1 представляет собой условную схему конфигурации устройства для производства содержащей УМП жидкости в первом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2А представляет собой вид в поперечном сечении подложки на фиг.1;
Фиг.2B представляет собой вид в поперечном сечении подложки на фиг.1;
Фиг.3 представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в первом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4А представляет собой график, иллюстрирующий частотное распределение диаметра пузырьков в содержащей УМП жидкости, производимой в первом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4B представляет собой график, иллюстрирующий частотное распределение диаметра пузырьков в содержащей УМП жидкости, производимой в первом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.5А представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости во втором варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.5B представляет собой график, иллюстрирующий устройство для производства содержащей УМП жидкости во втором варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.6 представляет собой график, иллюстрирующий частотное распределение диаметра пузырьков в содержащей УМП жидкости, производимой в третьем варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.7А представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.7B представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.7C представляет собой график, иллюстрирующий устройство для производства содержащей УМП жидкости в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.8А представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.8B представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.8C представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.8D представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.8E представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.8F представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.9А представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости в пятом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.9B представляет собой график, иллюстрирующий устройство для производства содержащей УМП жидкости в пятом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.10А представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в пятом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.10B представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в пятом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.10C представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в пятом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.10D представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в пятом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.10E представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в пятом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.10F представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в пятом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.11А представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости в шестом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.11B представляет собой график, иллюстрирующий устройство для производства содержащей УМП жидкости в шестом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.12А представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в шестом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.12B представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в шестом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.12C представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в шестом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.12D представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в шестом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.12E представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в шестом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.13А представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости в седьмом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.13B представляет собой график, иллюстрирующий устройство для производства содержащей УМП жидкости в седьмом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.14А представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости в восьмом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.14B представляет собой график, иллюстрирующий устройство для производства содержащей УМП жидкости в восьмом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.15А представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости в девятом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.15B представляет собой график, иллюстрирующий устройство для производства содержащей УМП жидкости в девятом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.16А представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости в десятом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.16B представляет собой график, иллюстрирующий устройство для производства содержащей УМП жидкости в десятом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.17А представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости в одиннадцатом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.17B представляет собой график, иллюстрирующий устройство для производства содержащей УМП жидкости в одиннадцатом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.18А представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости в двенадцатом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.18B представляет собой график, иллюстрирующий устройство для производства содержащей УМП жидкости в двенадцатом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.19 представляет собой таблицу, иллюстрирующую бактерицидное действие содержащих УМП жидкостей в качестве тринадцатого варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.20А представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости в четырнадцатом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.20B представляет собой график, иллюстрирующий устройство для производства содержащей УМП жидкости в четырнадцатом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг.21А представляет собой вид в поперечном сечении подложки на фиг.20A;
Фиг.21B представляет собой вид в поперечном сечении подложки на фиг.20A;
Фиг.22 представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для производства содержащей УМП жидкости в качестве модификации первого варианта осуществления настоящего изобретения; и
Фиг.23 представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0011] Ниже со ссылкой на чертежи будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения.
Первый вариант осуществления
[0012] Фиг.1 в качестве примера представляет собой условную схему конфигурации устройства генерирования пузырьков в первом варианте осуществления настоящего изобретения. Устройство генерирования включено в состав устройства для производства содержащей пузырьки жидкости. Устройство по настоящему варианту осуществления эффективно генерирует ультрамелкие пузырьки (также называемые далее «УМП») наноразмерного диаметра, а именно, диаметром менее 1,0 мкм. Между расходным резервуаром 10 для воды и накопительным баком 12 для воды образован проточный канал 11 для воды, который представляет собой жидкостную камеру. Жидкость подается в расходный резервуар 10 для воды из канала 15 подачи воды. Жидкость вытекает из расходного резервуара 10 для воды, а затем течет по проточному каналу 11 для воды со скоростью V течения. Жидкость накапливается внутри накопительного бака 12 для воды и выпускается из выпускного канала 16. Проточный канал 11 для воды, который представляет собой жидкостную камеру, хранящую жидкость, снабжен подложкой 1, имеющей резисторный нагревательный элемент 2 (нагреватель, элемент прямого преобразования электрической энергии в тепловую) для нагревания жидкости в пределах заданной области проточного канала 11 для воды и инициирования пленочного кипения. Как будет подробно описано ниже, УМП генерируются в жидкости за счет нагревания этой жидкости посредством резисторного нагревательного элемента 2 и инициирования пленочного кипения.
[0013] В качестве жидкости можно использовать, например, чистую воду, ионообменную воду, дистиллированную воду, биоактивную воду, магнитоактивную воду, туалетную воду, водопроводную воду, морскую воду, речную воду, очищенную воду и сточную воду, озерную воду, грунтовую воду и дождевую воду. Можно также использовать смесь жидкостей, включающую в себя любые из вышеупомянутых жидкостей, и т.п. Дополнительно, можно использовать смешанный растворитель воды и водорастворимый органический растворитель. На водорастворимый органический растворитель, смешиваемый с водой для использования, особых ограничений нет, но, например, конкретно могут использоваться следующие: алкиловые спирты, имеющие от 1 до 4 атомов углерода в молекуле, такие как метиловый спирт, этиловый спирт, n-пропиловый спирт, изопропиловый спирт, n-бутиловый спирт, втор-бутиловый спирт и трет-бутиловый спирт; амиды, такие как N-метил-2-пирролидон, 2-пирролидон, 1,3-диметил-2-имидазолидинон, N,N-диметилформамид и N,N-диметилацетамид; кетоны или кетоспирты, такие как ацетол и диацетоновый спирт; циклические простые эфиры, такие как тетрагидрофуран и диоксан; гликоли, такие как этиленгликоль, 1,2-пропиленгликоль, 1,3-пропиленгликоль, 1,2-бутандиол, 1,3-бутандиол, 1,4-бутандиол, 1,5-пентандиол, 1,2-гександиол, 1,6-гександиол, 3-метил-1,5-пентандиол, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль и тиодигликоль; простые эфиры низших алкилов многоатомного спирта, такие как монометиловый простой эфир этиленгликоля, моноэтиловый простой эфир этиленгликоля, монобутиловый простой эфир этиленгликоля, монометиловый простой эфир диэтиленгликоля, моноэтиловый простой эфир диэтиленгликоля, монобутиловый простой эфир диэтиленгликоля, монометиловый простой эфир триэтиленгликоля, моноэтиловый простой эфир триэтиленгликоля и монобутиловый простой эфир триэтиленгликоля; полиалкиленгликоли, такие как полиэтиленгликоль и полипропиленгликоль; и триолы, такие как глицерин, 1,2,6-гексантриол и триметилопропан. Эти водорастворимые органические растворители можно использовать по отдельности или в сочетании. Как описано выше, применимы различные жидкости, в которых может возникнуть пленочное кипение.
2
2
3
4
[0014] Фиг.2 представляет собой поперечное сечение подложки 1 (также называемой далее «подложкой элементов»), имеющей резисторный нагревательный элемент в качестве нагревательного участка, которая используется в устройстве по фиг.1. В подложке 1 элементов по настоящему варианту осуществления на поверхности кремниевой подложки 201 наслоены пленка 202 термически образованного оксида в качестве теплоаккумулирующего слоя и межслойная пленка 203, также служащая в качестве теплоаккумулирующего слоя. В качестве межслойной пленки 203 можно использовать пленку SiO или пленку SiN. На поверхности межслойной пленки 203 сформирован резистивный слой 204. На поверхности резистивного слоя 204 частично сформирована проводка 205. В качестве проводки 205 можно использовать проводку из сплава Al, состоящую из Al, Al-Si, Al-Cu, или аналогичную. На поверхности проводки 205, резистивного слоя 204 и межслойной пленки 203 сформирован защитный слой 206, состоящий из пленки SiO или пленки SiN. На поверхности защитного слоя 206 на и вокруг участка, соответствующего блоку 208 выработки тепла в качестве нагревательного участка, сформирована антикавитационная пленка 207 для защиты защитного слоя 206 от химических и физических воздействий, обуславливаемых нагреванием резистивного слоя 204. На поверхности резистивного слоя 204 область, в которой не сформирована проводка 205, представляет собой блок 208 выработки тепла, в котором нагревается резистивный слой 204. Нагревательный участок резистивного слоя 204, на котором не сформирована проводка 205, функционирует в качестве резисторного нагревательного элемента 2 (нагревателя). Таким образом, слои в подложке 1 элементов последовательно сформированы на поверхности кремниевой подложки 201 методом изготовления полупроводников, в результате чего обеспечивается кремниевая подложка 201 с блоком 208 выработки тепла. Иллюстрируемая конфигурация представляет собой пример, и применимы различные другие конфигурации. Например, применимы конфигурация, в которой порядок наслаивания резистивного слоя 204 и проводки 205 изменены на противоположный, и конфигурация, в которой с нижней поверхностью резистивного слоя 204 соединен электрод (так называемая конфигурация штекерного электрода). Иными словами, применима любая конфигурация при условии, что блок 208 выработки тепла сможет нагревать жидкость и инициировать пленочное кипение в жидкости, как будет описано ниже.
[0015] Фиг.2B показывает пример поперечного сечения области подложки 1 элементов, включающей в себя схему, соединенную с проводкой 205.
[0016] На поверхности кремниевой подложки 201, которая представляет собой проводник p-типа, частично сформированы карман 422 n-типа и карман 423 p-типа. С помощью этапов введения и диффузии примесей, таких как ионная имплантация в обычной МОП-технологии, на кармане 422 n-типа сформирована p-структура 420 «металл-оксид-полупроводник» (p-МОП), а на кармане 423 p-типа сформирована n-МОП 421. p-МОП 420 включает в себя область 425 истока и область 426 стока, которые получены путем частичного введения примесей n-типа или p-типа в поверхность кармана 422 n-типа, проводку 435 затвора и т.п. Проводка 435 затвора нанесена на поверхность участка кармана 422 n-типа, за исключением области 425 истока и области 426 стока, посредством изолирующей пленки 428 затвора, имеющей толщину несколько сотен Å. n-МОП 421 включает в себя область 425 истока и область 426 стока, которые получены путем частичного введения примесей n-типа или p-типа в поверхность кармана 423 p-типа, проводку 435 затвора и т.п. Проводка 435 затвора нанесена на поверхность участка кармана 423 p-типа, за исключением области 425 истока и области 426 стока, посредством изолирующей пленки 428 затвора, имеющей толщину несколько сотен Å. Проводка 435 затвора состоит из поликремния, имеющего толщину от 4000 Å до 5000 Å и осажденного методом химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ). p-МОП 420 и n-МОП 421 образуют логику (логическую схему) на основе комплементарной структуры «металл-оксид-полупроводник» (КМОП-логику).
[0017] На участке кармана 423 p-типа, не являющемся n-МОП 421, сформирован n-МОП-транзистор 430 для возбуждения элемента прямого преобразования электрической энергии в тепловую (резисторного нагревательного элемента). n-МОП-транзистор 430 включает в себя область 432 истока и область 431 стока, которые частично сформированы на поверхности кармана 423 p-типа путем этапов введения и диффузии примесей и т.п., проводку 433 затвора и т.п. Проводка 433 затвора нанесена на поверхность участка кармана 423 p-типа, за исключением области 432 истока и области 431 стока, посредством изолирующей пленки 428 затвора.
[0018] В настоящем варианте осуществления n-МОП-транзистор 430 используется в качестве транзистора для возбуждения элемента прямого преобразования электрической энергии в тепловую. Однако транзистор для возбуждения может быть любым транзистором при условии, что он обладает способностью возбуждения по отдельности множества элементов прямого преобразования электрической энергии в тепловую и может приводить к получению мелкой структуры, как описано выше, и не ограничивается n-МОП-транзистором 430. В дополнение, хотя элемент прямого преобразования электрической энергии в тепловую и транзистор для его возбуждения в настоящем варианте осуществления сформированы на одной и той же подложке, они могут быть сформированы на разных подложках.
[0019] Между соседними элементами, например, между p-МОП 420 и n-МОП 421 и между n-МОП 421 и n-МОП-транзистором 430 за счет оксидирования для формирования защитного оксидного покрытия сформированы области 424 изоляции пленкой оксида толщиной от 5000 Å до 10000 Å. Элементы изолируются этими областями 424 изоляции пленкой оксида. В областях 424 изоляции пленкой оксида участок, соответствующий блоку 208 выработки тепла, функционирует в качестве первого теплоаккумулирующего слоя 434 на кремниевой подложке 201.
2
[0020] На поверхности каждого из элементов, а именно, p-МОП 420, n-МОП 421 и n-МОП-транзистора 430, методом ХОПФ сформирована межслойная изолирующая пленка 436, причем межслойная изолирующая пленка 436 состоит из пленки фосфатно-силикатного стекла (ФСС), пленки борофосфатного силикатного стекла (БФСС) или аналогичной пленки, имеющей толщину примерно 7000 Å. После планаризации межслойной изолирующей пленки 436 путем термообработки, посредством контактных отверстий, пронизывающих межслойную изолирующую пленку 436 и изолирующую пленку 428 затвора, формируют Al электроды 437, представляющие собой первый слой проводки. На поверхностях межслойной изолирующей пленки 436 и Al электродов 437 методом ХОПФ сформирована межслойная изолирующая пленка 438, состоящая из пленки SiO, имеющей толщину от 10000 Å до 15000 Å. На участках поверхности межслойной изолирующей пленки 438, соответствующих блоку 208 выработки тепла и n-МОП-транзистору 430, методом совместного напыления сформирован резистивный слой 204, состоящий из пленки TaSiN, имеющей толщину примерно 500 Å. Резистивный слой 204 электрически соединен с Al электродом 437 около области 431 стока посредством сквозного отверстия, сформированного в межслойной изолирующей пленке 438. На поверхности резистивного слоя 204 сформирована Al проводка 205 в качестве второго слоя проводки, предназначенного для проводного соединения с каждым элементом прямого преобразования электрической энергии в тепловую. Защитный слой 206 на поверхностях проводки 205, резистивного слоя 204 и межслойной изолирующей пленки 438 состоит из пленки SiN, сформированной методом ХОПФ в плазме и имеющей толщину 3000 Å. Антикавитационная пленка 207, нанесенная на поверхность защитного слоя 206, состоит из тонкой пленки по меньшей мере одного металла, выбранного из Ta, Fe, Ni, Cr, Ge, Ru, Zr, Ir и т.п., имеющей толщину примерно 2000 Å. В дополнение к вышеописанному TiSiN, в качестве резистивного слоя 204 применим любой материал, способный инициировать пленочное кипение в жидкости, такой как TaN, CrSiN, TaAl или WSiN.
[0021] Фиг.3 представляет собой схему, иллюстрирующую механизм генерирования УМП 41 посредством устройства, показанного на фиг.1. Фиг.3 показывает шесть стадий (a)-(f) для каждого истекшего времени. Чтобы упростить пояснение, фиг.3 схематически показывает шесть резисторных нагревательных элементов 2, расположенных бок о бок.
[0022] Как описано выше, на подложке 1 сформирован резисторный нагревательный элемент 2 (нагреватель). Нагреватель 2 соединен с электропроводкой 205 (фиг.2A) и питается постоянной мощностью с помощью импульсного сигнала. Ширина импульса импульсного сигнала составляет примерно от 0,5 мкс до 10,0 мкс. Напряжение прикладывается к нагревателю 2 лишь в течение чрезвычайно короткого времени, и для нагревателя 2 обеспечивается чрезвычайно высокий тепловой поток. В случае, когда температура поверхности нагревателя 2 приближается к примерно 300°C, на поверхности нагревателя 2 в самой начальной стадии (примерно несколько пикосекунд) наблюдается явление, которое, по-видимому, является пузырьковым кипением, оно немедленно превосходит переходное кипение, и за счет пленочного кипения за время, составляющее от долей микросекунд до нескольких микросекунд, генерируется пузырек 320, как показано на стадии (a) по фиг.3. После этого пузырек 320 переходит в стадию своего роста, как показано на стадии (b) по фиг.3. Начальное давление образования пузырьков в этот момент можно прогнозировать путем моделирования. В результате вычисления с помощью доступного для приобретения программного обеспечения на основе динамики текучих сред (такого, как Fluent (доступного от ANSYS, Inc.) или ПОТОК-3D (доступного от Flow Science, Inc.)), предусматривающего использование метода объема жидкости (МОЖ), давление образования пузырьков составляло примерно от 8 до 10 МПа, что близко к значениям давления насыщенного водяного пара.
[0023] Дополнительно, поскольку на нагреватель 2, покрытый пузырьком 320, непрерывно подается питание, температура поверхности нагревателя 2 увеличивается далее вплоть до примерно 600-800°C. Однако подача питания на нагреватель 2 прекращается на начальной стадии процесса роста пузырька 320. После вырастания пузырька 320 до максимального пузырька с максимальным диаметром (примерно в несколько раз превышает площадь нагревателя), как показано на стадии (c) по фиг.3, пузырек 320 переходит к процессу его исчезновения за счет отрицательного давления внутри пузырька 320, как показано на стадии (d) по фиг.3. Под конец процесса исчезновения пузырька возникает явление кавитации I, когда жидкость снова контактирует с поверхностью нагревателя 2, как показано на стадии (e) по фиг.3. Основная кавитация I на этой стадии обусловлена повторным контактом жидкости с поверхностью нагревателя 2 в центральной части пузырька, если смотреть сверху. В этот момент температура поверхности нагревателя 2 уменьшается до примерно 100°C или менее (температура поверхности нагревателя 2 в этот момент отличается в соответствии с конструкцией и конфигурацией пленки слоя нагревателя). Затем, как показано на стадии (f) по фиг.3, пузырек исчезает в по меньшей мере одной чрезвычайно небольшой области на поверхности нагревателя 2, и в этот момент возникает кавитация II, подобная искрению. В зависимости от обстоятельств, как показано на стадии (f) по фиг.3, пузырек делится на множество пузырьков в процессе сжатия пузырька, а каждый из пузырьков исчезает, в результате чего кавитация II возникает в разных положениях на поверхности нагревателя 2.
2
2
[0024] Каждая из сил ударных нагрузок кавитации I и кавитации II может иметь численное значение, примерно равное или превышающее давление образования первичных пузырьков пленочного кипения. В результате измерения с помощью вышеупомянутого доступного для приобретения программного обеспечения или аналогичного ему, давление, обуславливаемое кавитацией I, составляло примерно 5-20 МПа. То есть в случае, когда нагреватель 2 имеет размер 20 мкм × 20 мкм, давление, прикладываемое к единице площади нагревателя 2, составляет 0,02 МПа/мкм. С другой стороны, давление на единицу площади, обуславливаемое кавитацией II, которая возникает в области примерно 1,0 мкм, составляет 5-20 МПа/мкм. Иными словами, ударное давление на единицу площади во время пленочного кипения, достигало своего пика при возникновении кавитации II. Хотя эксперимент по визуализации на УМП 322 диаметром 100-150 нм затруднен, а определить механизм их генерирования невозможно, предполагается, что УМП 322 генерируются из газа 321, растворенного в жидкости, на стадиях (a)-(f) по фиг.3. Конкретнее, предполагается, что давление, обуславливаемое кавитацией, вызывает сублимацию (возгонку) растворенного газа 321, который растворен в жидкости, вследствие чего и генерируются УМП. Поэтому предполагается, что большее количество УМП генерируется на начальной стадии (a) образования пузырьков с высоким давлением, стадии (e), где возникает кавитация I, и стадии (f), где возникает кавитация II.
[0025] В качестве принципа растворения под давлением и т.п., известно, что газ, растворенный в жидкости, превращается в пузырьки при давлении, прикладываемом к жидкости, изменениях температуры и т.п. Однако УМП в настоящих вариантах осуществления генерируются при пленочном кипении за чрезвычайно короткое время, обусловленное возбуждением нагревателя, и они отличаются от пузырьков, генерируемых обычным способом. В общем случае, микроразмерные микропузырьки можно наблюдать посредством оптического микроскопа, высокоскоростной съемочной камеры или аналогичного. Генерируемые микропузырьки исчезают через несколько микросекунд после процесса их роста. В отличие от этого, пузырьки наноразмерного диаметра (УМП) обычно было трудно наблюдать, поскольку они слишком малы для разрешения, обеспечиваемого электронным микроскопом. Однако, авторы настоящего изобретения подтвердили присутствие УМП путем измерений с помощью методов рассеивания света и т.п.
[0026] В качестве системы для инициирования пленочного кипения в жидкости можно выбрать различные системы. Например, можно выбрать конфигурацию, в которой пленочное кипение инициируется нагревателем 2, предусмотренным в воздушном пространстве, где присутствует жидкость, или конфигурацию, в которой направление роста пузырьков противоположно направлению движения жидкости, сопровождающего рост пузырьков. Вышеописанные конфигурация подложки 1 элементов и конфигурация устройства генерирования являются лишь примерами средств воплощения способа генерирования УМП. УМП можно генерировать путем нагревания резисторного нагревательного элемента 2 примерно до 300°C или более в жидкости и формирования пузырьков в этой жидкости. То есть УМП можно генерировать путем формирования пузырьков в жидкости с помощью пленочного кипения, и предполагается, что УМП генерируются по меньшей мере на стадии (a) по фиг.3. Например, формируемые при пленочном кипении на стадии (a) по фиг.3 пузырьки могут сообщаться с атмосферой в процессе последующих стадий (b)-(f), вследствие чего можно исключить процесс по стадии (f), который представляет собой процесс исчезновения пузырьков. Как описано выше, путем формирования пузырьков в жидкости при пленочном кипении можно генерировать УМП диаметром менее 1,0 мкм. При этом микропузырьки микроразмерного диаметра и нанопузырьки наноразмерного диаметра едва генерируются. То есть с высокой эффективностью можно генерировать по существу только УМП.
[0027] Дополнительно, вместо конфигурации, в которой жидкость протекает через область, где предусмотрен элемент 2 теплового сопротивления, как показано на фиг.1, пузырьки можно генерировать путем пленочного кипения, и жидкость при этом остается в покое.
[0028] Кстати, для стандартизации и выяснения механизмов стабилизации, в настоящее время Технический комитет 281 Международной организации по стандартизации (ТК 281 ИСО), имеющий свой офис в Японии, в настоящее время провел исследование, касающееся УМП. На конференции ТК 281 ИСО, проведенной в конце 2017 г., пузырьки размером 1,0 мкм или менее были охарактеризованы как стандартные для УМП. Однако, механизм долговременного и стабильного существования УМП размером 1,0 мкм или менее в принятом решении еще не выяснен. Чтобы выяснить этот механизм, различные организации в мире сейчас проводят экспериментальные наблюдения и теоретические вычисления. Иными словами, что касается этих невидимых пузырьков (УМП), то по-прежнему остается много явлений, требующих разъяснения. При таких обстоятельствах авторы настоящего изобретения предполагают два механизмы (второй и третий механизмы) в дополнение к вышеупомянутому механизму генерирования УМП (первому механизму).
[0029] Фиг.23 показывает механизм генерирования УМП (второй механизм) с помощью устройства по фиг.1. В канале 2602, наполненном водопроводной водой, генерируется поток жидкости (примерно 10 м/с). В поток вдуваются микропузырьки 2603 размером 1,0 мкм или более, содержащие в себе газ. К нагревателю 2601, предусмотренному в канале 2602, прикладывается короткий импульс прямоугольной волны, вследствие чего через жидкость внутри канала 2602 распространяются ударные волны 2604. При этом между стенкой канала (нулевая скорость) и циркуляционным потоком внутри канала 2602 возникает сдвигающее напряжение (∞V/L). V обозначает расход, а L обозначает ширину канала (расстояние от стенки канала до центра канала). В случае, когда скорость V потока (расход) составляет 10 м/с, внутри канала, имеющего ширину L канала, составляющую около нескольких десятков микрометров, возникает сдвигающее напряжение порядка 10E(+6). Ударное давление при возникновении пленочного кипения за счет возбуждения нагревателя 2601 составляет примерно 10 [МПа].
[0030] Исходя из вышеизложенного, авторы настоящего изобретения предполагают, в качестве механизма генерирования УМП (второго механизма) по настоящему изобретению, что ударные волны, генерируемые за счет возбуждения нагревателя 2601, расщепляют микропузырьки 2603 внутри канала 2602 на УМП 2605.
[0031] Далее описывается механизм генерирования УМП (третий механизм) с помощью устройства по фиг.1. Поверхность нагревателя быстро нагревается путем приложения короткого импульса прямоугольной волны к нагревателю. В этот момент жидкость около нагревателя частично испаряется в пузырьки пара. Пузырьки пара частично остаются внутри жидкости в виде мелких пузырьков пара (УМП) независимо от явления пленочного кипения. Они превращаются в УМП и остаются в жидкости в течение длительного периода. Дополнительно, допускается, что процессы роста пузырьков и сжатия пузырьков при явлении пленочного кипения включают в себя процесс отхода мелких пузырьков с поверхностей пузырьков (микропузырьков), изменяющий их формы. Предполагается, что мелкие пузырьки (УМП), отходящие при этом, должны оставаться внутри жидкости. Исходя из вышеизложенной точки зрения, авторы настоящего изобретения предполагают, в качестве механизма генерирования УМП (третьего механизма) по настоящему изобретению, что пузырьки пара, генерируемые во время нагревания нагревателя, и мелкие пузырьки, генерируемые в процессе пленочного кипения, превращаются в УМП и остаются внутри жидкости.
[0032] Учитывается также, что для генерирования УМП функционируют два или три из вышеупомянутых трех механизмов (механизмов с первого по третий).
[0033] Далее будут описаны свойства УМП. Для удобства пояснения допускается, что УМП формируются в водном растворе (таком как чистая вода).
[0034] УМП, имеющиеся в продаже в настоящее время, имеют диаметр от 50 до 500 нм (на конференции ТК 281 ИСО, проведенной в конце 2017 г., УМП охарактеризованы как пузырьки размером 1,0 мкм или менее). Такие мелкие пузырьки обладают поверхностным потенциалом, зависящим от pH в водном растворе, в качестве физического свойства. Это обусловлено тем, что сетка водородных связей воды на границе раздела пузырька требует больше ионов водорода или гидроксид-ионов в качестве своих составляющих факторов. Поскольку заряд пузырьков сохраняет состояние равновесия по отношению к окружающей воде, он имеет постоянное значение независимо от диаметров пузырьков. Дополнительно, поскольку поверхность электрически заряженного пузырька обуславливает электростатическую силу, ионы, имеющие заряд, противоположный заряду пузырька, притягиваются к границе раздела «газ-жидкость». Хотя заряд пузырька поддерживается в равновесии, в случае, когда размер пузырька уменьшается за короткое время, заряд концентрируется. В случае, когда скорость уменьшения размеров пузырьков увеличивается, а диаметр пузырьков уменьшается, количество заряда на единицу площади увеличивается обратно пропорционально квадрату диаметра пузырьков.
[0035] Поскольку мелкий пузырек, такой, как УМП, окружен своей поверхностью раздела «газ-жидкость», под влиянием поверхностного натяжения во внутренней части пузырька самопроизвольно нагнетается давление. Рост давления внутри пузырька относительно давления окружающей среды логично оценивать на основе уравнения Юнга-Лапласа следующим образом:
ΔP=4σ/D (1)
[0036] В вышеприведенном уравнении ΔP - степень роста давления, σ - поверхностное натяжение, а D - диаметр пузырька. В случае дистиллированной воды при комнатной температуре, рост давления в пузырьке диаметром 10 мкм составляет примерно 0,3 атм, а рост давления в пузырьке диаметром 1 мкм составляет примерно 3 атм. Газ внутри пузырька под давлением сам по себе растворяется в воде по закону Генри. Соответственно, диаметр пузырька постепенно уменьшается, что сопровождается ростом давления внутри пузырька, в результате чего увеличивается скорость уменьшения диаметра пузырька. В результате УМП диаметром 1 мкм или менее мгновенно растворяется почти полностью. Иными словами, УМП существует лишь чрезвычайно непродолжительно.
[0037] Однако, предполагается, что в действительности УМП существует стабильно за счет следующего механизма.
[0038] То есть в случае УМП, поскольку заряд концентрируется с очень высокой плотностью на его границе раздела «газ-жидкость», сжатие УМП предотвращается за счет электростатического отталкивания, которое действует между противоположными зарядами на его шаровидной границе раздела «газ-жидкость». Дополнительно, концентрированное сильное электрическое поле действует, генерируя вокруг УМП неорганическую оболочку, состоящую главным образом из ионов электролита, таких как ионы железа, которая предотвращает рассеивание газа внутри УМП. Такая оболочка, в отличие от оболочки из поверхностно-активного или органического вещества, легко разрушается сама по себе из-за девиации заряда вокруг УМП, обуславливаемой контактом УМП с другими субстанциями, такими, как бактерии. В случае разрушения оболочки находящийся внутри УМП газ легко высвобождается в водный раствор.
[0039] В общем случае, силы, которые действуют на пузырек в жидкости, включают в себя выталкивающую силу и силу гидравлического сопротивления. Выталкивающая сила пропорциональна объему пузырька (пропорциональна кубу радиуса пузырька). Сила гидравлического сопротивления пропорциональна площади поперечного сечения пузырька (пропорциональна квадрату радиуса пузырька) и пропорциональна квадрату скорости подъема пузырьков. Конкретнее, в случае, когда радиус пузырька обозначен как r, плотность воды обозначена как ρ, ускорение силы тяжести обозначено как g, вязкость воды обозначена как ƞ, а скорость движения пузырьков обозначена как u, выталкивающая сила, которая действует на пузырек (плотностью пузырьков пренебрегаем), выражается следующим уравнением (2) на основе принципа Архимеда:
3
F = 4πrρg/3 (2)
[0040] Сила гидравлического сопротивления, которая действует на пузырек, выражается уравнением (3) на основе закона Стокса:
F = 6πƞru (3)
[0041] В соответствии с вышеприведенными уравнениями (2) и (3), скорость u движения пузырьков выражается следующим уравнением (4):
2
u = (2/9)rƞg/ƞ (4)
[0042] Из уравнения (4) ясно, что скорость u движения пузырьков увеличивается по мере увеличения радиуса r пузырьков. Соответственно, например, в случае пузырька миллиразмерного диаметра выталкивающая сила, действующая на пузырек, и скорость подъема пузырька оказываются большими, поскольку велик радиус пузырька.
[0043] В случае, когда радиус r пузырька под давлением 1 атм обозначен как a, радиус r и глубина h воды выражаются следующим уравнением (5):
1/3
r = a × {101325/(ρgh + 101325)} … (5)
[0044] Из уравнений (4) и (5) ясно, что скорость подъема пузырька увеличивается по мере уменьшения глубины воды.
[0045] Допустим, что растворимость УМП диаметром менее 1,0 мкм снижается за счет явления обессоливания, и поэтому УМП стабильно присутствуют в жидкости в течение длительного периода. Иными словами, допуская, что УМП стабильно присутствуют в течение длительного периода благодаря явлению обессоливания, вода с УМП с pH, близким к 7, существовать не может. Однако возможен случай, когда УМП стабильно существуют даже в нейтральной жидкости.
[0046] Растворимость УМП диаметром менее 1,0 мкм снижается за счет явления обессоливания и поэтому УМП стабильно присутствуют в жидкости в течение длительного периода. Вообще говоря, в состоянии, когда смешиваются УМП и более крупные пузырьки, УМП всплывают под влиянием более крупных пузырьков или подвергаются кавитационному разрушению вследствие внешнего давления с тем результатом, что УМП будут иметь короткую продолжительность существования. Однако, в соответствии с настоящим изобретением, поскольку большие пузырьки диаметром 1,0 мкм или более едва ли генерируются в случае генерирования УМП, существование генерируемых УМП можно продлить.
8
[0047] Говоря подробнее, чтобы инициировать прерывистое и повторяющееся пленочное кипение в промышленной чистой воде, на нагреватель 2 подавали электрический сигнал короткого импульса (1,0 мкс) квадратной волны. Электрический сигнал квадратной волны подавали на нагреватель 2, повторяя его 1,0e8 (1,0 × 10) раз в цикле возбуждения 100 мкс, чтобы инициировать явление пленочного кипения, а затем собирали чистую воду. Собранная чистая вода была бесцветной и прозрачной, не белесой. Прозрачность составляла 1,0 мм или более. Собранную чистую воду помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП диаметром менее 1,0 мкм в чистой воде составляла 1,0 триллион на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.4A. Количество (число) УМП с диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99% от общего их количества. В промышленной чистой воде (сырой воде) перед возникновением пленочного кипения численная плотность УМП составляла ноль на мл.
[0048] Фиг.4A показывает результат измерения через 24 часа после генерирования УМП, когда количество пузырьков диаметром 1,0 мкм или более составляло 0,006% от общего их количества. То есть УМП диаметром менее 1,0 мкм составляли 99,994% от общего их количества. Соответственно, крупные пузырьки диаметром 1,0 мкм или более едва ли оказывали негативное влияние на УМП. Даже после хранения такой чистой воды, содержащей УМП, в стеклянном резервуаре в прохладном (примерно 25°C) темном месте в течение трех месяцев, количество УМП оставалось фактически неизменным.
[0049] Пузырьки 320 (микропузырьки и миллипузырьки), генерируемые при явлении пленочного кипения на поверхности нагревателя 2, ликвидируются в пределах от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд, поскольку их внутренняя часть имеет отрицательное давление. Однако, было показано, что многочисленные УМП 322 генерировались на стадиях (a)-(f) на фиг.3, включая пленочное кипение посредством кавитации. Время, требуемое для генерирования, составляло примерно немного менее трех часов. Количество УМП 322, генерируемых за одну серию этапов в результате пленочного кипения посредством кавитации (стадии (a)-(f)), составляло примерно 10.
[0050] УМП 41 генерировали посредством устройства по фиг.1. На подложке 1 обеспечивали 10000 нагревателей 2 и подавали на эти нагреватели 2 импульсный сигнал (ширина импульса: 1,0 мкс, напряжение: 24 В) на частоте возбуждения 10 кГц. При этом технически чистую воду подавали таким образом, что скорость V течения в проточном канале 11 для воды составляла 1,0 л/ч. Как показано на фиг.1, подложку 1 предусматривали на дне проточного канала 11 для воды, направляя течение над нагревателями 2. Соответственно, УМП 41, генерируемые вместе с пленочным кипением чистой воды, разносились вверх внутри проточного канала 11 для воды и содержались в чистой воде. Чистая вода, содержащая УМП 41, протекала в направлениях, показанных стрелками на фиг.1, вдоль потока чистой воды.
4
Общее число нагревателей = 1,0e4 (= 1,0 × 10)
Количество сгенерированных УМП = (1,0e4) × 10 × (1,0e4) × 60[с] × 60[мин] = 3,6e12 ((УМП/л)ч)
[0051] За один час генерировали 3,6 триллиона УМП 41 на мл. Таким образом, УМП 41 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Чтобы подтвердить это, собранную чистую воду помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 41 диаметром менее 1,0 мкм в чистой воде составляла примерно 3,6 триллиона на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.4B. Количество УМП 41 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,8% от общего их количества.
[0052] Газ, содержавшийся в УМП, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии (с помощью газового хроматографа с теплопроводным детектором). В результате обнаружения с помощью He в качестве газа-носителя, обнаруживали газообразный азот и газообразный кислород. Дополнительно, в результате измерения с использованием газообразного Ar в качестве газа-носителя, газообразный водород обнаружен не был. Эти результаты показали, что УМП генерировались из воздуха, растворенного в чистой воде, на стадиях (a)-(f) на фиг.3, включающих пленочное кипение посредством кавитации. В дополнение к этому использовали измерительный прибор (NS-300, доступный от NanoSight Ltd.) для измерения зета-потенциала УМП в чистой воде (pH≈7,0), содержащей УМП. Хотя в результате измерения и отмечены изменения согласно соответственным УМП, зета-потенциал имел среднее значение -46 мВ (от -10 до 150 мВ).
Модификация первого варианта осуществления
[0053] Фиг.22 показывает устройство на основе устройства генерирования УМП, показанного на фиг.1. Устройство по фиг.22 генерирует УМП с повышенной численной плотностью. В дополнение к конфигурации по фиг.1, эта модификация имеет конфигурацию, в которой осуществляют циркуляцию жидкости, содержащей сгенерированные УМП, снова генерируя УМП.
[0054] Жидкость, содержащая УМП, сгенерированные путем инициирования пленочного кипения с помощью нагревателя 2, возвращается в расходный резервуар 10 через трехходовые клапаны 2250 и 2260 (циркуляционная система), за счет чего УМП можно генерировать снова путем инициирования пленочного кипения с помощью нагревателя 2. В качестве источника мощности для генерирования циркуляционного потока с циркуляционной системой каналов соединен насос 2270. Это конфигурация дает возможность генерирования УМП с высокой численной плотностью. Жидкость, содержащую ультрамелкие пузырьки (УМП содержащую жидкость) желаемой численной плотности, можно формировать, задавая в качестве подходящих параметров число циркуляций жидкости и расход циркулирующей жидкости. При генерировании циркуляционного потока можно непрерывно или с перерывами подавать желаемый газ из магистрали 30 для нагнетания (вдувания) газа. В случае генерирования нанопузырьков воздуха, растворение воздуха можно упростить, подвергая расходный резервуар 10 воздействию атмосферы и приводя жидкость, находящуюся внутри расходного резервуара (бака) 10, в контакт с наружным воздухом.
Второй вариант осуществления
[0055] Фиг.5 представляет собой условную схему конфигурации устройства генерирования пузырьков во втором варианте осуществления настоящего изобретения. Устройство генерирования включено в состав устройства для производства содержащей пузырьки жидкости. В настоящем варианте осуществления на одной подложке 1 обеспечивали 10000 нагревателей 2, как в первом варианте осуществления, и последовательно устанавливались в общей сложности десять подложек 1 (для упрощения показаны только три подложки 1). На нагреватели 2 подавали импульсный сигнал (ширина импульса: 1,0 мкс, напряжение: 24 В) на частоте возбуждения 20 кГц. В проточный канал 11 для воды подавали водопроводную воду, а скорость V ее течения задавали на 1,0 л/ч.
5
Суммарное число нагревателей = 1,0e4 × 10 = 1,0e5 (= 1,0 × 10)
Количество сгенерированных УМП = (1,0e5) × 10 × (2,0e4) × 60[с] = 1,2e12 ((УМП/л)/мин)
[0056] За одну минуту генерировали 1,2 триллиона УМП 41 на мл. Таким образом, УМП 41 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Чтобы подтвердить это, собранную водопроводную воду помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 41 диаметром менее 1,0 мкм в водопроводной воде составляла примерно 1,2 триллиона на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.5B. Количество УМП 41 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,7% от общего количества. Газ, содержавшийся в УМП, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии с теплопроводным детектором, как в первом варианте осуществления. В результате анализа обнаруживали азот и кислород. Также анализировали компоненты водопроводной воды. В результате анализа увеличения примесей не обнаруживали. Следует отметить, что подложки 1 можно располагать параллельно, а не последовательно, и можно располагать двумерно.
[0057] Как описано выше, в соответствии с настоящим изобретением, во время генерирования УМП едва ли можно генерировать большое количество пузырьков диаметром 1,0 мкм или более. Соответственно, УМП можно эффективно генерировать, экономя при этом пространство за счет обеспечения множества нагревателей 2 в качестве средств генерирования УМП и обеспечения множества подложек 1.
Третий вариант осуществления
[0058] В третьем варианте осуществления УМП 41 генерировали посредством устройства, показанного на фиг.5A, как во втором варианте осуществления. Число нагревателей 2, предусмотренных на каждой подложке 1, число установленных подложек 1, условие возбуждения нагревателей 2 и скорость V течения водопроводной воды являются такими же, как во втором варианте осуществления. Однако в третьем варианте осуществления газообразный азот нагнетали из магистрали 30 для нагнетания газа в водопроводную воду внутри расходного резервуара 10 для воды в течение 24 часов для барботирования (выделения пузырьков) водопроводной воды, тем самым превращая большую часть газа, растворенного в водопроводной воде внутри расходного резервуара 10 для воды, в газообразный азот. То есть УМП генерировали, инициируя пленочное кипение в жидкости, в которой растворяли главным образом газообразный азот.
[0059] Как во втором варианте осуществления, за одну минуту генерировали 1,2 триллиона УМП 41 на мл. Таким образом, УМП 41 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Чтобы подтвердить это, собранную водопроводную воду помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 41 диаметром менее 1,0 мкм в водопроводной воде составляла примерно 1,2 триллиона на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.6. Количество УМП 41 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,0% от общего их количества. Газ, содержавшийся в УМП, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии с теплопроводным детектором, как во втором варианте осуществления. В результате анализа обнаруживали азот и кислород, а количество азота было в два - три раза больше, чем обнаруженное во втором варианте осуществления. Также анализировали компоненты водопроводной воды. В результате анализа увеличения примесей обнаружено не было. В настоящем варианте осуществления газообразный азот нагнетали в жидкость заранее. Однако настоящее изобретение этим не ограничивается. Газообразный азот можно нагнетать в текущую жидкость выше по течению от нагревателей 2. Дополнительно, подлежащий нагнетанию газ не ограничивается газообразным азотом.
[0060] Конфигурация по фиг.22, показанная в качестве модификации первого варианта осуществления, применима также к вышеописанным второму и третьему вариантам осуществления. Например, в случае, когда УМП генерируют посредством множества подложек 1, как во втором варианте осуществления, а затем получаемую жидкость возвращают в расходный резервуар 2210 за счет циркуляционной конфигурации, показанной на фиг.22, УМП можно опять генерировать посредством подложек 1. Это дает возможность более эффективного формирования жидкости, содержащей УМП с высокой численной плотностью.
Четвертый вариант осуществления
[0061] Фиг.7А представляет собой условную схему конфигурации устройства генерирования УМП в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения. Устройство генерирования включено в состав устройства для производства содержащей УМП жидкости. Фиг.7B представляет собой условное перспективное изображение примера конфигурации блока 700 выброса жидкости, используемого в устройстве для генерирования.
[0062] Блок 700 выброса жидкости по фиг.7B включает в себя элемент 212 выброса жидкости, который выбрасывает жидкость, бак 213 жидкости и гибкий ленточный носитель 214, который представляет собой электромонтажную плату, предусмотренную на одной поверхности внешнего элемента бака 213 жидкости. Блок 700 выброса жидкости соединен с блоком управления устройства генерирования с целью управления блоком 700 выброса жидкости посредством гибкого ленточного носителя 214, предназначенного для обмена электрическими сигналами. Гибкий ленточный носитель 214 соединен с элементом 212 выброса жидкости посредством электрического соединительного вывода 215. Элемент 212 выброса жидкости выбрасывает жидкость, содержащую УМП, из отверстий 209 выброса, как будет описано ниже. Блок 700 выброса жидкости использует три вида (первый, второй и третий виды) механизма генерирования УМП. В настоящем варианте осуществления УМП генерируются механизмом первого вида.
[0063] Фиг.8A-8F представляют собой виды в поперечном сечении участка выброса жидкости элемента 212 выброса жидкости с целью иллюстрации первого вида механизма генерирования УМП. Между сопловым элементом 803 и подложкой 800, которая имеет нагреватель 801 в качестве резисторного нагревательного элемента, сформированы напорная камера (жидкостная камера, хранящая жидкость), где расположен нагреватель 801, и проточный канал 802 для жидкости (канал подачи), предназначенный для подачи жидкости в напорную камеру. В положении на сопловом элементе 803, обращенном к нагревателю 801, сформировано отверстие 209 выброса, сообщающееся с напорной камерой. Из отверстия 209 выброса выбрасывается жидкость 806, содержащая УМП 810. На нагреватель 801 подается импульсный сигнал постоянной мощности посредством не показанной электропроводки. В этом варианте осуществления нагреватель 801 запитывают чрезвычайно коротким импульсом, имеющим ширину импульса примерно от 0,5 мкс до 10,0 мкс.
[0064] Такие короткие импульсы подают на нагреватель 801, тем самым обеспечивая нагреватель 801 чрезвычайно высоким тепловым потоком. В случае, когда температура поверхности нагревателя 801 приближается близко к примерно 300°C, на поверхности нагревателя 801 на самой начальной стадии (примерно несколько пикосекунд) наблюдается явление, которое, по-видимому, является пузырьковым кипением. За время, составляющее от долей микросекунд до нескольких микросекунд, за счет пленочного кипения генерируется пузырек 807, как показано на фиг.8A. При этом происходит незначительное выталкивание жидкости 806 из отверстия 209 выброса.
[0065] Затем пузырек 807 переходит в стадию своего роста, как показано на фиг.8B, и происходит значительное выталкивание жидкости 806 из отверстия 209 выброса. Поскольку на нагреватель 801, покрытый пузырьком 807, непрерывно подается питание, температура поверхности нагревателя 801 увеличивается далее вплоть до примерно 600-800°C. Однако, подача питания на нагреватель 801 прекращается на начальной стадии процесса роста пузырька 807. Пузырек 807 вырастает до максимального пузырька с максимальным диаметром (в несколько раз больше площади нагревателя), как показано на фиг.8С, и жидкость 806 отделяется от отверстия 209 выброса и выбрасывается. Таким образом, энергия барботирования жидкости используется для выброса жидкости 806 из отверстия 209 выброса.
[0066] Затем, как показано на фиг.8D, пузырек 320 переходит к процессу его исчезновения за счет отрицательного давления внутри пузырька 807. При этом жидкость 806, выброшенная из отверстия 209 выброса, летит в воздухе со скоростью примерно 10-20 м/сек. Жидкость 806 может представлять собой одну каплю или может быть разделенной на небольшие капли или капли тумана. Под конец процесса исчезновения пузырька 807 возникает явление кавитации I, при котором жидкость опять касается поверхности нагревателя 801, как показано на фиг.8E. В этот момент температура поверхности нагревателя 801 уменьшается до примерно 100°C или менее (температура поверхности нагревателя 801 в этот момент отличается в соответствии с конструкцией и конфигурацией пленки слоя нагревателя). Затем, как показано на фиг.8F, пузырек исчезает в по меньшей мере одной чрезвычайно небольшой области на поверхности нагревателя 801, и в этот момент возникает кавитация II, подобная искрению.
[0067] Каждая из сил ударных нагрузок кавитации I и кавитации II может иметь численное значение, примерно равное или превышающее начальное давление образования пузырьков пленочного кипения. Приходящаяся на единицу площади ударная сила может достигать своего пика при возникновении кавитации II. Таким образом, во время стадий, показанных на фиг.8A-8F, УМП 810 генерировали из газа, растворенного в жидкости. Как описано также со ссылкой на фиг.3, предполагается, что УМП генерируются в течение по меньшей мере этапа по фиг.8A, когда пузырьки генерируются за счет пленочного кипения.
[0068] Затем сгенерированные таким образом УМП 810 оказывались заключенными в жидкости 806, выбрасываемой при подаче импульсного сигнала на нагреватель 801. Жидкость 806, содержащая УМП 810, накапливается в первом сборнике 706, показанном на фиг.7A. При этом предпочтительно, чтобы элемент 212 выброса жидкости находился в контакте с первым сборником 706 (в некоторой степени допустим зазор). Жидкости 806 может всасываться насосом 710 в зависимости от состояния выбрасываемой жидкости 806 (например, скорости, объема и количества небольших капель или капель тумана). Дополнительно, жидкость 806 можно разбавлять, добавляя жидкость из магистрали 704 разбавляющей жидкости в зависимости от численной плотности или диаметра пузырьков из генерируемых УМП 810.
[0069] Жидкость 806, накопленную в первом сборнике 706, перемещают во второй сборник 707 через фильтр 709, удаляя примеси, отличающиеся от УМП 810, содержащихся в ней. Требуется лишь, чтобы диаметр ячеек фильтра, присущий фильтру 709, был равен 1,0 мкм или превышал это значение. Материал фильтра 709 не ограничивается при условии, что он нерастворим в используемой жидкости. Предпочтительно, чтобы второй сборник 707 был прикрепляемым к устройству для производства УМП и открепляемым от нее и был способен герметизироваться (закрываться крышкой). Ввиду этого, в качестве материала второго сборника 707 подходит стекло. В случае хранения содержащей УМП 810 жидкости во втором сборнике 707 требуется, чтобы материал второго сборника 707 обеспечивал высокую степень защиты от газа. В альтернативном варианте УМП 810, находящиеся внутри второго сборника 707, можно переместить в другой резервуар, обладающий высокой степенью защиты от газа, и хранить в нем.
[0070] Как во втором варианте осуществления, на одной подложке 800 обеспечивали 10000 нагревателей 801 и устанавливали бок о бок в общей сложности десять подложек 800. На нагреватели 801 подавали импульсный сигнал (ширина импульса: 1,0 мкс, напряжение: 24 В) на частоте возбуждения 20 кГц. Из расходного бака (резервуара) 702 для жидкости в блок 700 выброса жидкости по трубе 705 подачи жидкости подавали чистую воду. При этом из магистрали 703 нагнетания газа в чистую воду внутри расходного бака 702 для жидкости нагнетали углекислый газ, барботируя чистую воду, тем самым удаляя из чистой воды как можно больше воздуха и растворяя углекислый газ в чистой воде до почти достижения растворимости углекислого газа при насыщении.
[0071] В дополнение к этому, жидкость 806 можно эффективно выбрасывать из отверстий 209 выброса, делая поверхность элемента 212 выброса жидкости, снабженную отверстиями 209 выброса, расположенной ниже, чем поверхность жидкости внутри расходного бака 702 для жидкости и поддерживая разницу гидравлического напора H между ними. То есть в случае, когда проточный канал 802 для жидкости или отверстие 209 выброса закупоривается инородным веществом или пузырьками, поддержание перепада гидравлического напора H может способствовать переносу инородного вещества или пузырьков за счет гидравлического давления из отверстия 209 выброса в первый сборник 706. В результате жидкость 806, содержащая УМП 810, может быть эффективно произведена и сохранена в первом сборнике 706 с предотвращением ситуации, в которой жидкость не выбрасывается из отверстия 209 выброса (ошибки выброса жидкости). Следует отметить, что, в отличие от случая по фиг.7A, перепад гидравлического напора можно обеспечить, делая поверхность элемента 212 выброса жидкости, снабженную отверстиями 209 выброса, расположенной выше, чем поверхность жидкости внутри расходного бака 702 для жидкости. В настоящем варианте осуществления элемент 212 выброса жидкости блока 700 выброса жидкости выбрасывает жидкость 806 вниз (в направлении силы тяжести).
5
Суммарное число нагревателей = 1,0e4 × 10 = 1,0e5 (= 1,0 × 10)
Количество сгенерированных УМП = (1,0e5) × 10 × (2,0e4) × 60[с] = 1,2e12 ((УМП/л)/мин)
[0072] За одну минуту генерировали 1,2 триллиона УМП 810 на мл. Таким образом, УМП 810 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Чтобы подтвердить это, собранную чистую воду помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 810 диаметром менее 1,0 мкм в чистой воде составляла примерно 1,2 триллиона на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.7C. Количество УМП 810 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,7% от общего их количества.
2
2
[0073] Газ, содержавшийся в УМП 810, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии с теплопроводным детектором, как во втором варианте осуществления. В результате анализа обнаруживали диоксид углерода (CO). Количество обнаруженного диоксида углерода составляло 10 [мг/л]. Поскольку растворимость углекислого газа в воде при насыщении составляет примерно 1,0 [мг/л] при комнатной температуре (примерно 25°C), можно сказать, что количество углекислого газа, содержащегося в генерируемых УМП 810, увеличивалось примерно 10 раз. В соответствии с законом Генри, утверждающем, что «в случае газа низкой растворимости, количество газа, растворенного в определенном количестве жидкости, пропорционально давлению газа при определенной температуре», растворимость газа не должна увеличиваться, если давление не поднимается. Однако было показано, что газ может содержаться в жидкости в количестве, равном или выше, чем его растворимость, за счет улавливания CO внутри УМП 810 диаметром менее 1,0 мкм.
Пятый вариант осуществления
[0074] Фиг.9А представляет собой условную схему конфигурации устройства генерирования пузырьков в пятом варианте осуществления настоящего изобретения, включенного в состав устройства для производства содержащей пузырьки жидкости. Как в четвертом варианте осуществления, блок 700 выброса жидкости по фиг.7B используется в устройстве генерирования. Механизм генерирования УМП в настоящем варианте осуществления представляет собой второй вид механизма, который отличается от вида, используемого в четвертом варианте осуществления. Во втором виде механизма пузырьки, генерируемые за счет пленочного кипения, растут, достигая своего пика, а после этого процесса роста, пузырьки на стадии их сжатия сообщаются с наружным воздухом.
[0075] Фиг.10A-10F представляют собой виды в поперечном сечении участка выброса жидкости элемента 212 выброса жидкости для иллюстрации второго вида механизма генерирования УМП. Между сопловым элементом 1003 и подложкой 1000, которая имеет нагреватель 1001, сформированы напорная камера, где находится нагреватель 1001, и проточный канал 802 (канал подачи) для жидкости 1002, предназначенный для подачи жидкости в напорную камеру. В положении на сопловом элементе 1003, обращенном к нагревателю 1001, сформировано отверстие 209 выброса, сообщающееся с проточным каналом 1002 для жидкости. Из отверстия 209 выброса выбрасывается жидкость 1006, содержащая УМП 1010. На нагреватель 1001 подается импульсный сигнал постоянной мощности посредством не показанной электропроводки. В настоящем варианте осуществления нагреватель 1001 запитывают чрезвычайно коротким импульсом, имеющим ширину импульса примерно от 0,5 мкс до 10,0 мкс.
[0076] Такие короткие импульсы подают на нагреватель 1001, тем самым обеспечивая нагреватель 1001 чрезвычайно высоким тепловым потоком. В случае, когда температура поверхности нагревателя 1001 приближается к примерно 300°C, на поверхности нагревателя 1001 на самой начальной стадии (примерно несколько пикосекунд) наблюдается явление, которое, по-видимому, является пузырьковым кипением. За время, составляющее от долей микросекунд до нескольких микросекунд, за счет пленочного кипения генерируется пузырек 1007, как показано на фиг.10A. При этом происходит незначительное выталкивание жидкости 1006 из отверстия 209 выброса.
[0077] После этого пузырек 1007 переходит в стадию своего роста, как показано на фиг.10B, и происходит значительное выталкивание жидкости 1006 из отверстия 209 выброса. Поскольку на нагреватель 1001, покрытый пузырьком 1007, непрерывно подается питание, температура поверхности нагревателя 1001 увеличивается далее вплоть до примерно 600-800°C. Однако подача питания на нагреватель 1001 прекращается на начальной стадии процесса роста пузырька 1007. Пузырек 1007 вырастает до максимального пузырька с максимальным диаметром (в несколько раз больше площади нагревателя), как показано на фиг.10С, и жидкость 1006 вытягивается из отверстия 209 выброса и выбрасывается.
[0078] После этого, как показано на фиг.10D, пузырек 1007 переходит к процессу его исчезновения за счет отрицательного давления внутри пузырька 1007. При этом жидкость 1006, выброшенная из отверстия 209 выброса, дополнительно вытягивается из отверстия 209 выброса. Под конец процесса исчезновения пузырька, как показано на фиг.10Е, внутренняя часть пузырька 1007 сообщается с воздухом снаружи отверстия 209 выброса. Затем, как показано на фиг.10F в по меньшей мере одной чрезвычайно небольшой области на поверхности нагревателя 1001 возникает кавитация II, подобная искрению.
[0079] Сила ударной нагрузки кавитации II может иметь численное значение, примерно равное или превышающее давление образования пузырьков пленочного кипения. Приходящаяся на единицу площади ударная сила может достигать своего пика при возникновении кавитации II. Во время стадий, показанных на фиг.10A-10F, УМП 1010 генерируются из газа, растворенного в жидкости. Также в настоящем варианте осуществления предполагается, что УМП генерируются в течение по меньшей мере этапа по фиг.10A, когда пузырьки генерируются за счет пленочного кипения.
[0080] Затем генерированные таким образом УМП 1010 оказывались заключенными в жидкости 1006, выбрасываемой при подаче импульсного сигнала на нагреватель 1001. Жидкость 1006, содержащая УМП 1010, накапливается в первом сборнике 906, показанном на фиг.9A. При этом предпочтительно, чтобы элемент 212 выброса жидкости находился в контакте с первым сборником 906 (в некоторой степени допустим зазор). Жидкость 1006 может всасываться насосом 910 в зависимости от состояния выбрасываемой жидкости 906 (например, от скорости, объема и количества небольших капель или капель тумана). Дополнительно, жидкость 906 можно разбавлять, добавляя жидкость из магистрали 904 разбавляющей жидкости в зависимости от численной плотности или диаметра пузырьков из числа генерируемых УМП 1010.
[0081] Жидкость 1006, накопленную в первом сборнике 906, перемещают во второй сборник 907 через фильтр 909, удаляя примеси, отличающиеся от УМП 1010, содержащихся в ней. Требуется лишь, чтобы диаметр ячеек фильтра, присущий фильтру 909, был равен 1,0 мкм или превышал это значение. Материал фильтра 909 не ограничивается при условии, что он нерастворим в используемой жидкости. Предпочтительно, чтобы второй сборник 907 был прикрепляемым к устройству для производства УМП и открепляемым от него и был способен герметизироваться (закрываться крышкой). Ввиду этого, в качестве материала второго сборника 907 подходит стекло. В случае хранения содержащей УМП 1010 жидкости во втором сборнике 907, требуется, чтобы материал второго сборника 907 обеспечивал высокую степень защиты от газа. В альтернативном варианте, УМП 1010, находящиеся внутри второго сборника 907, можно переместить в другой резервуар, обладающий высокой степенью защиты от газа, и хранить в нем.
[0082] Как во втором варианте осуществления, на одной подложке 800 обеспечивали 10000 нагревателей 1001. В общей сложности 20 подложек 1000 устанавливали бок о бок. На нагреватели 1001 подавали импульсный сигнал (ширина импульса: 1,0 мкс, напряжение: 24 В) на частоте возбуждения 10 кГц. Из расходного бака 902 для жидкости в блок 700 выброса жидкости по трубе 905 подачи жидкости подавали смешанный раствор А жидкостей, перечисленных ниже.
Изопропиловый спирт 10 вес.%
Этиленгликоль 50 вес.%
Глицерин 10 вес.%
Чистая вода 30 вес.%
[0083] При этом в смешанный раствор А жидкостей внутри расходного бака 902 для жидкости вдували газообразный кислород из магистрали 903 нагнетания газа, барботируя смешанный раствор A, тем самым удаляя из смешанного раствора А как можно больше воздуха и растворяя газообразный кислород в смешанном растворе A вплоть до достижения растворимости газообразного кислорода при насыщении. В настоящем варианте осуществления элемент 212 выброса жидкости блока 700 выброса жидкости выбрасывает жидкость 1006 поперечно (горизонтально).
5
Суммарное число нагревателей = 1,0e4 × 20 = 2,0e5 (= 2,0 × 10)
Количество сгенерированных УМП = (2,0e5) × 10 × (1,0e4) × 60[с] = 1,2e12 ((УМП/л)/мин)
[0084] За одну минуту генерировали 1,2 триллиона УМП 1010 на мл. Таким образом, УМП 1010 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Чтобы подтвердить это, собранный смешанный раствор А помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 1010 диаметром менее 1,0 мкм в смешанном растворе составляла примерно 1,2 триллиона на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.9B. Количество УМП 1010 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,7% от общего их количества. В дополнение к этому, газ, содержавшийся в УМП 1010, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии с теплопроводным детектором, как во втором варианте осуществления. В результате анализа обнаруживали кислород. Количество обнаруженного кислорода азота составляло 8 [мг/л].
Шестой вариант осуществления
[0085] Фиг.11А представляет собой условную схему конфигурации устройства генерирования УМП в шестом варианте осуществления настоящего изобретения, включенного в состав устройства для производства содержащей УМП жидкости. Как в четвертом варианте осуществления, блок 700 выброса жидкости по фиг.7B используется в устройстве генерирования. Механизм генерирования УМП в настоящем варианте осуществления представляет собой третий вид механизма, который отличается от любого из видов, используемых в четвертом и пятом вариантах осуществления. В третьем виде механизма пузырьки, генерируемые за счет пленочного кипения, на стадии их роста сообщаются с наружным воздухом.
[0086] Фиг.12A-12E представляют собой виды в поперечном сечении участка выброса жидкости элемента 212 выброса жидкости с целью иллюстрации третьего вида механизма генерирования УМП. Между сопловым элементом 1203 и подложкой 1200, которая имеет нагреватель 1201, сформированы напорная камера, где находится нагреватель 1201, и проточный канал 1202 для жидкости (канал подачи), предназначенный для подачи жидкости в напорную камеру. В положении на сопловом элементе 1203, обращенном к нагревателю 1201, сформировано отверстие 209 выброса, сообщающееся с проточным каналом 1202 (канал подачи) для жидкости. Из отверстия 209 выброса выбрасывается жидкость 1206, содержащая УМП 1210. На нагреватель 1201 подается импульсный сигнал постоянной мощности посредством не показанной электропроводки. В настоящем варианте осуществления нагреватель 1201 запитывают чрезвычайно коротким импульсом, имеющим ширину импульса примерно от 0,5 мкс до 10,0 мкс.
[0087] Такие короткие импульсы подают на нагреватель 1201, тем самым обеспечивая нагреватель 1201 чрезвычайно высоким тепловым потоком. В случае, когда температура поверхности нагревателя 1201 приближается к примерно 300°C, на поверхности нагревателя 1201 на самой начальной стадии (примерно несколько пикосекунд) наблюдается явление, которое, по-видимому, является пузырьковым кипением. За время, составляющее от долей микросекунд до нескольких микросекунд, за счет пленочного кипения генерируется пузырек 1207, как показано на фиг.12A. При этом происходит незначительное выталкивание жидкости 1206 из отверстия 209 выброса.
[0088] После этого пузырек 1207 переходит в стадию своего роста, как показано на фиг.12B, и происходит значительное выталкивание жидкости 1206 из отверстия 209 выброса. Поскольку на нагреватель 1201, поверхность которого покрыта пузырьком 1207, непрерывно подается питание, температура поверхности нагревателя 1201 увеличивается далее вплоть до примерно 600-800°C. Однако подача питания на нагреватель 1201 прекращается на начальной стадии процесса роста пузырька 1207. Пузырек 1207 вырастает, как показано на фиг.12C. При этом происходит незначительное выталкивание пузырька 1207 из отверстия 209 выброса, а жидкость 1206 немного вытягивается из отверстия 209 выброса и выбрасывается. После этого, как показано на фиг.12D, пузырек 1207 сообщается через отверстие 209 выброса с наружным воздухом. Затем, как показано на фиг.12E, происходит пополнение жидкости из не показанного бака жидкости через проточный канал 1202 для жидкости. С помощью стадий, показанных на фиг.12A-12E, УМП 1210 генерируются из газа, растворенного в жидкости. Также в настоящем варианте осуществления предполагается, что УМП генерируются на протяжении по меньшей мере этапа по фиг.12A, когда пузырьки генерируются за счет пленочного кипения.
[0089] Затем сгенерированные таким образом УМП 1210 оказывались заключенными в жидкости 1206, выбрасываемой при подаче импульсного сигнала на нагреватель 1201. Жидкость 1206, содержащая УМП 1210, накапливается в первом сборнике 1106, показанном на фиг.11A. При этом предпочтительно, чтобы элемент 212 выброса жидкости находился в контакте с первым сборником 1106 (в некоторой степени допустим зазор). В настоящем варианте осуществления элемент 212 выброса жидкости блока 700 выброса жидкости выбрасывает жидкость 1206 вверх (в направлении, противоположном направлению силы тяжести). Соответственно, свежий воздух (предпочтительно, чтобы воздух представлял собой контролируемый по чистоте производственный воздух или аналогичный) вдувают из магистрали 1113 продувки воздуха, повышая эффективность при сборе жидкости 1206 в первом сборнике 1106. Жидкость 1206 может всасываться насосом 1110 в зависимости от состояния выбрасываемой жидкости 1206 (например, от скорости, объема и количества небольших капель или капель тумана). Дополнительно, жидкость 1206 можно разбавлять, добавляя жидкость из магистрали 1104 разбавляющей жидкости в зависимости от численной плотности или диаметра пузырьков из числа генерируемых УМП 1210.
[0090] Жидкость 1206, накопленную в первом сборнике 1106, перемещают во второй сборник 1107 через фильтр 1109, удаляя примеси, отличающиеся от УМП 1210, содержащихся в ней. Требуется лишь, чтобы диаметр ячеек фильтра, присущий фильтру 1109, был равен 1,0 мкм или превышал это значение. Материал фильтра 1109 не ограничивается при условии, что он нерастворим в используемой жидкости. Предпочтительно, чтобы второй сборник 1107 был прикрепляемым к устройству для производства УМП и открепляемым от него и был способен герметизироваться (закрываться крышкой). Ввиду этого, в качестве материала второго сборника 1107 подходит стекло. В случае накопления содержащей УМП 1210 жидкости во втором сборнике 1107, требуется, чтобы материал второго сборника 1107 обеспечивал высокую степень защиты от газа. В альтернативном варианте, УМП 1210, находящиеся внутри второго сборника 1107, можно переместить в другой резервуар, обладающий высокой степенью защиты от газа, и хранить в нем.
[0091] Как во втором варианте осуществления, на одной подложке 1200 обеспечивали 10000 нагревателей 1201. В общей сложности 40 подложек 1000 устанавливали бок о бок. На нагреватели 1201 подавали импульсный сигнал (ширина импульса: 1,0 мкс, напряжение: 24 В) на частоте возбуждения 5 кГц. Из расходного бака 902 для жидкости в блок 700 выброса жидкости по трубе 1102 подачи жидкости подавали смешанный раствор B жидкостей, перечисленных ниже.
Изопропиловый спирт 10 вес.%
Этиленгликоль 30 вес.%
Глицерин 5 вес.%
Чистая вода 60 вес.%
[0092] При этом в смешанный раствор В жидкостей внутри расходного бака 1102 для жидкости нагнетали (вдували) газообразный водород из магистрали 1103 нагнетания газа, барботируя смешанный раствор В, тем самым удаляя из смешанного раствора В как можно больше воздуха и растворяя газообразный водород в смешанном растворе В вплоть до достижения растворимости газообразного водорода при насыщении.
5
Суммарное число нагревателей = 1,0e4 × 40 = 4,0e5 (= 4,0 × 10)
Количество сгенерированных УМП = (4,0e5) × 10 × (5,0e4) × 60[с] = 1,2e12 ((УМП/л)/мин)
[0093] За одну минуту генерировали 1,2 триллиона УМП 1210 на мл. Таким образом, УМП 1210 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Чтобы подтвердить это, собранный смешанный раствор В помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 1210 диаметром менее 1,0 мкм в смешанном растворе В составляла примерно 1,2 триллиона на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.11B. Количество УМП 1010 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,7% от общего их количества. В дополнение к этому, газ, содержавшийся в УМП 1210, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии с теплопроводным детектором, как во втором варианте осуществления. В результате анализа обнаруживали кислород. Количество обнаруженного кислорода азота составляло 4 [мг/л].
[0094] В соответствии с четвертым-шестым вариантами осуществления настоящего изобретения, УМП также можно эффективно генерировать путем нагревания жидкости посредством нагревателя, инициируя пленочное кипение в жидкости, генерируя пузырьки и используя давление пузырьков для того, чтобы заставить капли содержащей УМП жидкости летать.
Седьмой вариант осуществления
[0095] Фиг.13А представляет собой условную схему конфигурации устройства генерирования пузырьков в седьмом варианте осуществления настоящего изобретения, включенного в состав устройства для производства содержащей пузырьки жидкости. Как в четвертом варианте осуществления, в устройстве генерирования используется блок 700 выброса жидкости по фиг.7B. Механизм генерирования УМП в настоящем варианте осуществления представляет собой первый вид механизма, который также используется в четвертом варианте осуществления. В настоящем варианте осуществления пузырьки генерируются путем инициирования пленочного кипения с помощью отверстий выброса, удерживаемых в чистой воде, а жидкость 1311, содержащая УМП, выбрасывается в чистую воду.
[0096] Как в четвертом варианте осуществления, на одной подложке 800 обеспечивали 10000 нагревателей 801. В общей сложности 20 подложек 800 устанавливали бок о бок. На нагреватели 801 подавали импульсный сигнал (ширина импульса: 1,0 мкс, напряжение: 24 В) на частоте возбуждения 20 кГц. Из расходного бака 1302 для жидкости в блок 700 выброса жидкости по трубе 1305 подачи жидкости подавали чистую воду. При этом из магистрали 1303 нагнетания газа внутрь расходного бака 1302 для жидкости вдували газообразный озон, барботируя чистую воду, тем самым удаляя из чистой воды как можно больше воздуха и растворяя газообразный озон в чистой воде до почти достижения растворимости газообразного озона при насыщении.
[0097] В дополнение к этому, жидкость 1311 можно эффективно выбрасывать из отверстий 209 выброса, делая поверхность элемента 212 выброса жидкости, снабженную отверстиями 209 выброса, расположенной ниже, чем поверхность жидкости внутри расходного бака 1302 для жидкости, и поддерживая перепад гидравлического напора H между ними. То есть в случае, когда проточный канал 802 для жидкости или отверстие 209 выброса на участке выброса жидкости элемента 212 выброса жидкости закупоривается инородным веществом или пузырьками, поддержание перепада гидравлического напора H может способствовать переносу инородного вещества или пузырьков за счет гидравлического давления из отверстия 209 выброса в первый сборник 1306. В результате жидкость 1311, содержащая УМП 1312, может эффективно производиться и сохраняться в первом сборнике 1306 с одновременным предотвращением ситуации, в которой жидкость не выбрасывается из отверстия 209 выброса (ошибка выброса жидкости). Чистая вода подается из магистрали 1304 подачи жидкости таким образом, что поверхность чистой воды внутри первого сборника 1306 оказывается расположенной выше положения отверстий 209 выброса элемента 212 выброса жидкости. Это обеспечивает удерживание отверстий 209 выброса в чистой воде. Внутри первого сборника 1306 формируется поток чистой воды. Чистая вода, содержащая многочисленные УМП 1312, накапливается во втором сборнике 1307 через фильтр 1309. Элемент 212 выброса жидкости в блоке 700 выброса жидкости выбрасывает жидкость 1311 вниз (в направление силы тяжести).
5
Суммарное число нагревателей = 1,0e4 × 20 = 1,0e5 (= 2,0 × 10)
Количество сгенерированных УМП = (2,0e5) × 10 × (2,0e4) × 60[с] = 2,4e12 ((УМП/л)/мин)
[0098] За одну минуту генерировали 2,4 триллиона УМП 1312 на мл. Таким образом, УМП 1312 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Чтобы подтвердить это, собранную чистую воду помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 1312 диаметром менее 1,0 мкм в чистой воде составляла примерно 2,4 триллиона на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.13B. Количество УМП 1312 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,7 % от общего их количества.
3
[0099] Газ, содержавшийся в УМП 1312, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии с теплопроводным детектором, как во втором варианте осуществления. В результате анализа обнаруживали озон (O). Количество обнаруженного озона составляло 20 [мг/л]. Поскольку озон является нестабильным газом и обладает способностью к окислению-восстановлению, обычно он разлагается самопроизвольно на кислород и воду. Вместе с тем, количество озона, содержащегося в УМП 1312, генерируемых в настоящем варианте осуществления, не изменялось даже через два месяца.
Восьмой вариант осуществления
[0100] Фиг.14А представляет собой условную схему конфигурации устройства генерирования пузырьков в восьмом варианте осуществления настоящего изобретения, включенного в состав устройства для производства содержащей пузырьки жидкости. Как в четвертом варианте осуществления, в устройстве генерирования используется блок 700 выброса жидкости по фиг.7B. Механизм генерирования УМП в настоящем варианте осуществления представляет собой первый вид механизма, который также используется в четвертом варианте осуществления. В настоящем варианте осуществления пузырьки генерируются путем инициирования пленочного кипения с помощью отверстий выброса, удерживаемых в чистой воде, а жидкость 1311, содержащая УМП, выбрасывается в чистую воду, как в седьмом варианте осуществления. Однако, направление выброса отличается от того, которое было в седьмом варианте осуществления.
[0101] Как в четвертом варианте осуществления, на одной подложке 800 обеспечивали 10000 нагревателей 801. В общей сложности 30 подложек 800 устанавливали бок о бок. На нагреватели 801 подавали импульсный сигнал (ширина импульса: 1,0 мкс, напряжение: 24 В) на частоте возбуждения 20 кГц. Из расходного бака 1402 для жидкости в блок 700 выброса жидкости по трубе 1405 подачи жидкости подавали чистую воду. При этом из магистрали 1403 нагнетания газа в чистую воду внутри расходного бака 1402 для жидкости вдували газообразный фтор, барботируя чистую воду, тем самым удаляя из чистой воды как можно больше воздуха и растворяя газообразный фтор в чистой воде до почти достижения растворимости газообразного фтора при насыщении.
[0102] Элемент 212 выброса жидкости блока 700 выброса жидкости нагнетает жидкость 1411 вверх (в направлении, противоположном направлению силы тяжести). Блок 700 выброса жидкости имеет хранилище 1414, которое полностью окружает отверстия 209 выброса элемента 212 выброса жидкости. Из магистрали 1413 подачи жидкости во внутрь хранилища 1414 подают чистую воду. Область, окруженная хранилищем 1414, наполняется чистой водой, в которой удерживается элемент 212 выброса жидкости. Жидкость 1411, содержащая УМП 1412, нагнетается из элемента 212 выброса жидкости. Чистую воду, содержащую многочисленные УМП 1412, накапливают в области, окруженной хранилищем 1414, а затем перемещают за счет всасывания насосом 1410 в первый сборник 1406 по трубе 1415. Чистую воду, которая содержит УМП 1412 и хранится в первом сборнике 1406, затем накапливают во втором сборнике 1407 через фильтр 1409.
5
Суммарное число нагревателей = 1,0e4 × 30 = 3,0e5 (= 3,0 × 10)
Количество сгенерированных УМП = (3,0e5) × 10 × (2,0e4) × 60[с] = 3,6e12 ((УМП/л)/мин)
2
[0103] За одну минуту генерировали 3,6 триллиона УМП 1412 на мл. Таким образом, УМП 1412 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Чтобы подтвердить это, собранную чистую воду помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 1412 диаметром менее 1,0 мкм в чистой воде составляла примерно 3,6 триллиона на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.14B. Количество УМП 1412 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,7% от общего их количества. Газ, содержавшийся в УМП 1412, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии с теплопроводным детектором, как во втором варианте осуществления. В результате анализа обнаруживали фтор (F). Количество обнаруженного фтора составляло 10 [мг/л].
Девятый вариант осуществления
[0104] Фиг.15А представляет собой условную схему конфигурации устройства генерирования пузырьков в соответствии с девятым вариантом осуществления настоящего изобретения, включенного в состав водоочистной установки, служащей в качестве устройства для производства содержащей пузырьки жидкости. Каждая из четырех боковых поверхностей держателя 1502, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда, оснащена множеством подложек 1501, каждая из которых имеет нагреватели 2, подобно подложке 1, показанной на фиг.1. Держатель 1502 вращается вокруг поворотного вала 1503, простирающегося вертикально. Держатель 1502 и поворотный вал 1503 находятся внутри первого накопительного резервуара 1504 для воды (бака для хранения), который представляет собой жидкостную камеру. В накопительный резервуар 1504 для воды подают водопроводную воду из магистрали 1506 подачи. Снаружи первого накопительного резервуара 1504 для воды предусмотрен второй накопительный резервуар 1505 для воды.
[0105] Подобно первому варианту осуществления, жидкость нагревается нагревателями 2, инициируется пленочное кипение, и в жидкости генерируются пузырьки, вследствие чего генерируются УМП 1510. В водопроводной воде внутри первого накопительного резервуара 1504 для воды содержится много УМП 1510. Водопроводная вода, содержащая УМП 1510, течет вниз вдоль потока водопроводной воды внутри первого накопительного резервуара 1504 для воды, при этом перемешиваясь за счет вращения держателя 1502. Затем водопроводная вода протекает между первым накопительным резервуаром 1504 для воды и вторым накопительным резервуаром 1505 для воды с нижнего конца первого накопительного резервуара 1504 для воды и выпускается, протекая по трубе 1508, из водопроводного крана 1509. Из магистрали 1507 продувки газа вдувают газообразный азот в водопроводную воду внутри первого накопительного резервуара 1504 для воды. Поскольку большие пузырьки газообразного азота всплывают против потока водопроводной воды внутри первого накопительного резервуара 1504 для воды благодаря прикладываемой к ним выталкивающей силе, протекание их между первым накопительным резервуаром 1504 для воды и вторым накопительным резервуаром 1505 для воды предотвращается.
[0106] На одной подложке 1501 обеспечивали 10000 нагревателей, а на каждой из четырех боковых поверхностей держателя 1502 устанавливали 25 подложек 1501, в результате чего в общей сложности устанавливали бок о бок 100 подложек 1501. На нагреватели подавали импульсный сигнал (ширина импульса: 5,0 мкс, напряжение: 18 В) на частоте возбуждения 20 кГц. Скорость течения водопроводной воды, подаваемой из магистрали 1506 подачи, задавали на 1,0 л/мин. Из магистрали 1507 в водопроводную воду внутри первого накопительного резервуара 1504 для воды непрерывно вдували газообразный азот.
6
Суммарное число нагревателей = 1,0e4 × 100 = 1,0e6 (= 1,0 × 10)
Количество сгенерированных УМП = (1,0e6) × 1,0 × (2,0e4) × 60[с] = 1,2e12 ((УМП/л)/мин)
[0107] За одну минуту генерировали 1,2 триллиона УМП 1510 на мл. Таким образом, УМП 1510 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Чтобы подтвердить это, собранную водопроводную воду помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 1510 диаметром менее 1,0 мкм в водопроводной воде составляла примерно 1,2 триллиона на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.15B. Количество УМП 1510 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,8% от общего их количества. Дополнительно, количество УМП 1510, сгенерированных за одну серию этапов со стадий (a)-(f) по фиг.3, составляло примерно единицу. Газ, содержавшийся в УМП 1510, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии с теплопроводным детектором, как во втором варианте осуществления. В результате анализа обнаруживали азот. Количество обнаруженного азота составляло 16 [мг/л].
Десятый вариант осуществления
[0108] Фиг.16А представляет собой условную схему конфигурации устройства генерирования пузырьков в десятом варианте осуществления настоящего изобретения, включенного в состав водоочистной установки 1600, служащей в качестве устройства для производства содержащей пузырьки жидкости. В дополнение к конфигурации согласно девятому варианту осуществления, настоящий вариант осуществления содержит накопительный бак 1611 для воды.
[0109] УМП 1610, генерируемые таким же образом, как в девятом варианте осуществления, накапливают в накопительном баке 1611 для воды посредством трубы 1608 и выпускают из водопроводного крана 1609, открывая этот водопроводный кран 1609. Из магистрали 1607 нагнетания газа в водопроводную воду внутри первого накопительного резервуара 1604 для воды вдували газообразный озон. Поскольку большие пузырьки газообразного озона всплывают против течения водопроводной воды внутри первого накопительного резервуара 1604 для воды благодаря прикладываемой к ним выталкивающей силе, протекание их между первым накопительным резервуаром 1604 для воды и вторым накопительным резервуаром 1605 для воды предотвращается. Объем накопительного бака 1611 для воды можно задавать в соответствии с его назначением и т.п. В настоящем варианте осуществления накопительный бак 1611 для воды имеет объем 100 л.
[0110] На одной подложке 1601 обеспечивали 10000 нагревателей, а на каждой из четырех боковых поверхностей держателя 1602 устанавливали 10 подложек 1601, в результате чего в общей сложности устанавливали бок о бок 40 подложек 1601. На нагреватели подавали импульсный сигнал (ширина импульса: 0,7 мкс, напряжение: 26 В) на частоте возбуждения 20 кГц. Скорость течения водопроводной воды, подаваемой из магистрали 1606 подачи, задавали на 1,0 л/мин. Следует отметить, что накопительный бак 1611 для воды оснащается непоказанным датчиком высокого уровня воды, так что подача водопроводной воды из магистрали 1606 подачи автоматически прекращается в случае, когда количество воды, накопленной в накопительном баке 1611 для воды, превышает 90,0 л. Из магистрали 1607 подачи газа в водопроводную воду внутри первого накопительного резервуара 1604 для воды непрерывно вдували газообразный озон.
5
Суммарное число нагревателей = 1,0e4 × 40=4,0e5 (= 4,0 × 10)
Количество сгенерированных УМП = (4,0e5) × 1,0 × (2,0e4) × 60[с] = 2,88e13 ((УМП/л)ч)
[0111] За один час генерировали примерно 28,8 триллиона УМП 1610 на мл. Таким образом, УМП 1610 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Чтобы подтвердить это, собранную водопроводную воду помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 1610 диаметром менее 1,0 мкм в водопроводной воде составляла примерно 28,8 триллиона на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.16B. Количество УМП 1610 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,8% от общего их количества. Дополнительно, количество УМП 1610, сгенерированных за одну серию этапов со стадий (a)-(f) по фиг.3, составляло примерно единицу. Газ, содержавшийся в УМП 1610, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии с теплопроводным детектором, как во втором варианте осуществления. В результате анализа обнаруживали озон. Количество обнаруженного озона составляло 10 [мг/л].
Одиннадцатый вариант осуществления
[0112] Фиг.17A и фиг.17B представляют собой схему и график, иллюстрирующие одиннадцатый вариант осуществления настоящего изобретения. В настоящем варианте осуществления устройства для производства (первое и второе устройства 1701 и 1702 для производства), каждое из которых имеет такую же функцию, как выполняемая устройством для производства содержащей пузырьки жидкости по второму варианту осуществления, показанным на фиг.5A, соединены последовательно. Это давало возможность генерирования УМП во вдвое большем количестве по сравнению с УМП, генерируемыми во втором варианте осуществления, то есть примерно 2,4 триллиона УМП 41 на мл за одну минуту. Таким образом, УМП 41 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Чтобы подтвердить это, собранную водопроводную воду помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 41 диаметром менее 1,0 мкм в водопроводной воде составляла примерно 2,4 триллиона на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.17B. Количество УМП 41 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,8 % от общего их количества. Газ, содержавшийся в УМП, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии с теплопроводным детектором, как в первом варианте осуществления. В результате анализа обнаруживали азот. Также анализировали компоненты водопроводной воды. В результате анализа увеличения примесей обнаружено не было.
[0113] Конфигурация по фиг.22, показанная в качестве модификации первого варианта осуществления, применима также к настоящему варианту осуществления. Например, снабжение устройства 1702 для производства на фиг.17 циркуляционным механизмом, показанным на фиг.22, дает возможность более эффективного формирования жидкости, содержащей УМП с высокой численной плотностью.
Двенадцатый вариант осуществления
[0114] Фиг.18А представляет собой условную схему конфигурации устройства генерирования пузырьков в двенадцатом варианте осуществления настоящего изобретения, включенного в состав установки очистки и обеззараживания воды 1800 служащей в качестве устройства для производства содержащей пузырьки жидкости. В дополнение к конфигурации по девятому варианту осуществления, показанной на фиг.15A, настоящий вариант осуществления содержит клапан 1811 и источник 1814 проточной воды для образования циркуляционного канала.
[0115] В настоящем варианте осуществления производство водопроводной воды, содержащей УМП 1810 с повышенной численной плотностью, осуществляется путем образования циркуляционного канала, по которому водопроводная вода между первым накопительным резервуаром 1804 для воды и вторым накопительным резервуаром 1805 для воды возвращается во внутрь первого накопительного резервуара 1804 для воды по трубе 1808 и через клапан 1811. Этот циркуляционный канал содержит источник 1814 проточной воды, который создает поток воды для циркуляции водопроводной воды в направлениях, показанных стрелками на фиг.18A. В качестве источника 1814 проточной воды можно использовать различные насосы.
[0116] Водопроводная вода внутри первого накопительного резервуара 1804 для воды, содержащая УМП 1810, течет вниз вдоль потока водопроводной воды внутри первого накопительного резервуара 1804 для воды, перемешиваясь за счет вращения держателя 1802. Затем водопроводная вода протекает между первым накопительным резервуаром 1804 для воды и вторым накопительным резервуаром 1805 для воды от нижнего конца первого накопительного резервуара 1804 для воды и выпускается, протекая по трубе 1808, из водопроводного крана 1809 за счет открытия водопроводного крана 1809. В водопроводную воду внутри первого накопительного резервуара 1804 для воды из магистрали 1807 продувки газа вдувают газообразный азот. Поскольку большие пузырьки газообразного азота всплывают против течения водопроводной воды внутри первого накопительного резервуара 1804 для воды благодаря прикладываемой к ним выталкивающей силе, протекание их между первым накопительным резервуаром 1804 для воды и вторым накопительным резервуаром 1805 для воды предотвращается.
[0117] Как в девятом варианте осуществления, на одной подложке 1801 обеспечивали 10000 нагревателей, а на каждой из четырех боковых поверхностей держателя 1802 устанавливали 25 подложек 1501, в результате чего в общей сложности устанавливали бок о бок 100 подложек 1801. На нагреватели подавали импульсный сигнал (ширина импульса: 5,0 мкс, напряжение: 18 В) на частоте возбуждения 20 кГц. Скорость течения водопроводной воды, подаваемой из магистрали 1806 подачи, задавали на 1,0 л/мин. Следует отметить, что второй накопительный резервуар 1805 для воды оснащается непоказанным датчиком высокого уровня воды, так что подача водопроводной воды из магистрали 1806 подачи автоматически прекращается в случае, когда количество воды, накопленной во втором накопительном резервуаре 1805 для воды, превышает 10,0 л. Из магистрали 1807 подачи газа в водопроводную воду внутри первого накопительного резервуара 1804 для воды непрерывно вдували газообразный азот.
6
Суммарное число нагревателей = 1,0e4 × 100 = 1,0e6 (= 1,0 × 10)
Количество сгенерированных УМП = (1,0e6) × 1,0 × (2,0e4) × 60[с] = 1,2e12 ((УМП/л)/мин)
[0118] За одну минуту генерировали примерно 1,2 триллиона УМП 1810 на мл. Таким образом, УМП 1810 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Дополнительно, останавливая подачу водопроводной воды из магистрали 1806 подачи в первый накопительный резервуар 1804 для воды, водопроводную воду между первым накопительным резервуаром 1804 для воды и вторым накопительным резервуаром 1805 для воды возвращали во внутрь первого накопительного резервуара 1804 для воды через клапан 1811 для циркуляции. Эту циркуляцию повторяли десять раз.
Количество сгенерированных УМП = (1,0e7) × 1,0 × (2,0e4) × 60[с] = 1,2e13 ((УМП/л)/мин)
[0119] За одну минуту генерировали примерно 12,0 триллионов УМП 1810 на мл. Чтобы подтвердить это, собранную водопроводную воду помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 1810 диаметром менее 1,0 мкм в водопроводной воде составляла 12,0 триллионов на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.18B. Количество УМП 1810 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,9% от общего их количества. Газ, содержавшийся в УМП 1810, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии с теплопроводным детектором, как во втором варианте осуществления. Также анализировали компоненты водопроводной воды. В результате анализа, увеличение примесей обнаружено не было. Такую водопроводную воду, содержащую УМП 1810, выпускали через трубу 1813 из водопроводного крана 1809, открывая водопроводный кран 1809.
Тринадцатый вариант осуществления
[0120] Жидкость, содержащую УМП, производимую в каждом из вышеописанных вариантов осуществления, проверяли на предмет вызываемого ею бактерицидного действия. В качестве способа проверки осуществляли метод проведения бактерицидного теста моющих средств для стирки.
[0121] Ниже описаны условия тестирования.
Температура при тестировании: 25°C
Период тестирования: 5 минут
Материал резервуара для тестирования: плита из нержавеющей стали
Виды тест-бактерий: Staphylococcus Aureus (золотистый стафилококк), Escherichia Coli (кишечная палочка)
Плотность раствора тест-бактерий: 1,25e8-6,25e8 [колониеобразующие единицы/мл]
Проба для тестирования: 0,1 мл
[0122] В качестве тест-объектов A-E подготавливали в количестве 10 мл каждую из жидкостей, содержащих УМП (образцы воды, содержащие УМП), произведенные в соответствии с седьмым, девятым, десятым, одиннадцатым и двенадцатым вариантами осуществления. Как описано выше, в жидкости, содержащие УМП, в соответствии с седьмым и десятым вариантами осуществления нагнетали озон, а в жидкости, содержащие УМП, в соответствии с девятым, одиннадцатым и двенадцатым вариантами осуществления нагнетали азот. Дополнительно, в качестве сравнительных объектов A-E, подготавливали в количестве 10 мл каждый из образцов сырой воды перед генерированием УМП, использовавшиеся в седьмом, девятом, десятом, одиннадцатом и двенадцатом вариантах осуществления.
Тест-объект A: 10 мл содержавшей УМП воды, произведенной в седьмом варианте осуществления (озон; 2,4 триллион УМП на мл)
Тест-объект B: 10 мл содержавшей УМП воды, произведенной в девятом варианте осуществления (азот; 1,2 триллиона УМП на мл)
Тест-объект C: 10 мл содержавшей УМП воды, произведенной в десятом варианте осуществления (озон; 28,8 триллионов УМП на мл)
Тест-объект D: 10 мл содержавшей УМП воды, произведенной в одиннадцатом варианте осуществления (азот; 2,4 триллиона УМП на мл)
Тест-объект E: 10 мл содержавшей УМП воды, произведенной в двенадцатом вариантом осуществления (азот; 12,0 триллионов УМП на мл)
Сравнительный объект A: 10 мл чистой воды, используемой в седьмом варианте осуществления
Сравнительный объект B: 10 мл водопроводной воды, используемой в девятом варианте осуществления
Сравнительный объект C: 10 мл водопроводной воды, используемой в десятом варианте осуществления
Сравнительный объект D: 10 мл водопроводной воды, используемой в одиннадцатом варианте осуществления
Сравнительный объект E: 10 мл водопроводной воды, используемой в двенадцатом варианте осуществления
[0123] Раствор для анализа, содержащий Staphylococcus aureus, и раствор для анализа, содержавший Escherichia coli, погружали в вышеупомянутые жидкости десяти типов. Затем, после теста на погружение, растворы обрабатывали и измеряли количество жизнеспособных бактерий. Изменения количества жизнеспособных бактерий до и после обработки показаны на фиг.19.
[0124] Как видно из фиг.19, Staphylococcus aureus и Escherichia coli сделались почти безвредными за счет погружения в течение пяти минут в образцы содержавшей УМП воды тест-объектов A-E. В отличие от этого, Staphylococcus aureus и Escherichia coli остались неизменными в образцах воды сравнительных объектов A-E. Это показало, что образцы содержавшей УМП воды, подготовленные в настоящем изобретении, имеют эффект, убивая Staphylococcus aureus и Escherichia coli почти полностью.
Четырнадцатый вариант осуществления
[0125] Фиг.20А представляет собой условную схему конфигурации устройства генерирования пузырьков в четырнадцатом варианте осуществления настоящего изобретения. Устройство генерирования включено в состав устройства для производства содержащей пузырьки жидкости. Настоящий вариант осуществления отличается от вышеописанных вариантов осуществления конфигурацией подложек 2001, расположением подложек 2001, и т.п.
[0126] Между расходным баком 2010 для воды и накопительным баком 2012 для воды образован проточный канал 2011 для воды. Водопроводная вода подается в расходный бак 2010 для воды из канала 2015 подачи воды. Водопроводная вода течет по проточному каналу 2011 для воды со скоростью V течения, накапливается в накопительном баке 2012 для воды, а затем выпускается из выпускного канала 2016. Подобно подложке 1, имеющей резисторные нагревательные элементы (нагреватели) 2, показанной на фиг.1, в проточном канале 2011 для воды предусмотрены подложка 2001, имеющая резисторные нагревательные элементы (нагреватели) 2002 в качестве источника УМП. В настоящем варианте осуществления на одной подложке 2001 обеспечивали 10000 нагревателей 2002, как в первом варианте осуществления, и в общей сложности 20 подложек 2001 устанавливали бок о бок. На нагреватели 2002 подавали импульсный сигнал (ширина импульса: 1,0 мкс, напряжение: 24 В) на частоте возбуждения 20 кГц. В проточный канал 2011 для воды подавали водопроводную воду, а скорость ее течения задавали на 1,0 л/мин. При этом из магистрали 2030 нагнетания газа в водопроводную воду внутри расходного бака 2010 для воды нагнетали газообразный азот, барботируя водопроводную воду, тем самым преобразуя большую часть газа, растворенного в водопроводной воде внутри расходного бака 2010 для воды, в газообразный азот.
[0127] Фиг.21А представляет собой увеличенный вид поперечного сечения подложки 2001, включающей в себя нагреватели 2002. Фиг.21B представляет собой вид в поперечном сечении, если смотреть по линии XXIB-XXIB на фиг.21A. Нагреватели 2002 обеспечены на подложке 2001. Над нагревателями 2002 обеспечен канальный элемент 2102, образующий проточные каналы 2103 для жидкости. В проточные каналы 2103 для жидкости из магистрали 2105 подачи воды подают водопроводную воду, содержащую непоказанный растворенный газ (газообразный азот), вдоль потока внутри проточного канала 2011 для воды, показанного на фиг.20A, а затем выпускают из магистрали 2106 выпуска жидкости.
[0128] Как показано на фиг.21B, проточные каналы 2013 для жидкости ограничены стенками 2107 каналов, соответствующими нагревателям 2002, соответственно. То есть, для каждого нагревателя 2002 образован один проточный канал 2013 для жидкости. Как показано на фиг.20A, подложки 2001 предусмотрены в верхней части проточного канала 2011 для воды для направления находящихся поверх нагревателей 2002. На фиг.20A внутренняя верхняя поверхность проточного канала 2011 для воды обращена к верхней поверхности канального элемента 2102. Проточный канал 2011 для воды может образовывать по меньшей мере часть канального элемента 2102. Поскольку подложки 2001 предусмотрены в верхней части внутри проточного канала 2011 для воды, УМП 2041, генерируемые таким образом, как на стадиях (a)-(f) по фиг.3, выпускаются вниз из магистрали 2106 выпуска жидкости вместе с водопроводной водой.
[0129] В случае генерирования УМП 2041, пузырек 2104 генерируется за счет пленочного кипения водопроводной воды подобно пузырьку 320, показанному на фиг.3. Поскольку пузырек 2104 растет внутри каждого из проточных каналов 2013 для жидкости, регулируемых согласно соответственным нагревателям 2002, пузырьки 2104 в соседних проточных каналах 2013 для жидкости не мешают друг другу. Поэтому множество нагревателей 2002 могут располагаться с высокой плотностью, и посредством нагревателей 2002 можно эффективно генерировать УМП 2041. Направление роста пузырька 2104 регулируют четыре поверхности, ограничивающие проточный канал 2013 для жидкости: верхняя поверхность подложки 2001, нижняя поверхность канального элемента 2102 и внутренние поверхности левой и правой (верхней и нижней по фиг.21B) стенок 2107 канала. Однако, положение пузырька 2104 можно регулировать по меньшей мере с помощью одной из левой и правой стенок 2107 канала или с помощью только канального элемента 2102. В качестве альтернативы, положение пузырька 2104 можно регулировать с помощью канального элемента 2102 и любой из левой и правой стенок 2107 канала. Иными словами, положение пузырька 2104 необходимо регулировать лишь по меньшей мере частично.
5
Суммарное число нагревателей = 1,0e4 × 20 = 2,0e5 (= 2,0 × 10)
Количество сгенерированных УМП = (2,0e5) × 10 × (2,0e4) × 60[с] = 2,4e12 ((УМП/л)/мин)
[0130] За одну минуту генерировали примерно 2,4 триллиона УМП 2041 на мл. Таким образом, УМП 2041 генерировали с высокой численной плотностью в пределах чрезвычайно короткого времени. Чтобы подтвердить это, собранную водопроводную воду помещали в измерительный прибор SALD-7500 (доступный от Shimadzu Corp.). В результате измерения численная плотность УМП 2041 диаметром менее 1,0 мкм в водопроводной воде составляла примерно 2,4 триллиона на мл. Частотное распределение диаметра пузырьков при этом показано на фиг.20B. Количество УМП 2041 диаметром в диапазоне от 10 нм до 400 нм составляло 99,0% от общего их количества. Газ, содержавшийся в УМП 2041, сгенерированных вышеупомянутым образом, анализировали методом газовой хроматографии с теплопроводным детектором, как в первом варианте осуществления. В результате анализа обнаруживали азот. Также анализировали компоненты водопроводной воды. В результате анализа увеличение примесей обнаружено не было.
[0131] Конфигурация по фиг.22, показанная в качестве модификации первого варианта осуществления, применима также к настоящему варианту осуществления. Например, снабжая устройство для производства, показанное на фиг.20, циркуляционным механизмом, показанным на фиг.22, обеспечивают возможность более эффективного формирования жидкости, содержащей УМП с высокой численной плотностью.
Другие варианты осуществления
[0132] В настоящем изобретении УМП диаметром менее 1,0 мкм можно эффективно генерировать за короткое время, инициируя пленочное кипение, превосходящее переходное кипение в жидкости. В качестве примера источника УМП можно использовать нагревательные резисторные элементы, каждый из которых имеет форму квадрата или прямоугольника со стороной в несколько десятков микрометров. Даже если формируют 10000 нагревательных резисторных элементов, их суммарный размер может быть в пределах нескольких миллиметров. В результате можно значительно уменьшить размер устройства для производства содержащей УМП жидкости. Дополнительно, формируя каждый источник УМП в форме квадрата или прямоугольника со стороной в несколько десятков микрометров, можно повысить эффективность генерирования УМП и уменьшить размер расходного бака для жидкости и бака (резервуара) для выпуска жидкости.
2
[0133] Ниже описываются примеры условий инициирования пленочного кипения. Пленочное кипение возникало в жидкости в случае, когда жидкость нагревали нагревателем в течение периода 100 мкс или менее. Дополнительно, пленочное кипение возникало в жидкости в случае, когда ширина поверхности нагревательного участка, включающего в себя нагреватель, в контакте с жидкостью, составляла 5,00 мм или менее, другая ширина составляла 5,00 мм или менее, а площадь поверхности в контакте с жидкостью составляла 25,0 мм или менее. Возникновение пленочного кипения в жидкости увеличивало количество ультрамелких пузырьков, содержащихся в жидкости, до 2,0 триллионов или более на мл. В дополнение к этому, 50% или более ультрамелких пузырьков, содержащихся в жидкости, имели диаметр в диапазоне от 10 нм до 400 нм. Количество генерируемых таким образом ультрамелких пузырьков сокращалось на 50% или менее спустя неделю. Дополнительно, поскольку в жидкости, содержавшей ультрамелкие пузырьки, был заключен газ, этот газ содержался в количестве, равном или большем, чем растворимость при насыщении газа, растворенного в жидкости при атмосферном давлении.
2
2
3
-
[0134] Жидкость в вышеописанных вариантах осуществления не ограничивается содержащей воду в качестве основного ингредиента и может включать в себя, например, органический растворитель, соединение хлора и ион электролита. Соединение хлора представляет собой, например, LiCl, KCl, NdCl, MgCl или CaCl и растворено в жидкости в количестве, равном или меньшем, чем его растворимость. Ион электролита представляет собой, например, ион натрия (Na), калия (K), кальция (Ca), магния (Mg), марганца (Mn), фосфора (P), хлора (Cl) или бикарбоната (HCO) и растворен в жидкости в количестве, равном или меньшем, чем его растворимость. Кроме того, газ внутри ультрамелких пузырьков может быть выбран как подходящий для растворения в жидкости газ желаемого типа. Например, в качестве этого газа можно включить газ, выбранный из группы, состоящей из водорода, гелия, кислорода, азота, метана, фтора, неона, диоксида углерода, озона, аргона, хлора, этана, пропана, воздуха и их газообразных смесей.
[0135] Чтобы усилить эффект настоящего изобретения, предпочтительно удалить газовый компонент, растворенный в подаваемой воде. То есть воду подготавливают путем удаления желаемого количества растворенного газа с помощью средств дегазации, а затем подлежащий растворению газа нагнетают в дегазированную воду. УМП, в которых заключен желаемый газ, можно генерировать путем нагревания жидкости, в которой растворен желаемый газ, посредством нагревателя и инициирования пленочного кипения.
[0136] Настоящее изобретение применимо не только к вышеупомянутым вариантам осуществления, но также к комбинациям конфигураций и условий согласно вышеупомянутым вариантам осуществления. Например, настоящее изобретение применимо в качестве устройства для производства содержащей ультрамелкие пузырьки жидкости и способа генерирования ультрамелких пузырьков, используемых для различных установок, применяющих ультрамелкие пузырьки.
[0137] Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми примерными вариантами осуществления. Объем нижеследующей формулы изобретения предназначен для предоставления самой широкой интерпретации с тем, чтобы охватывать все такие модификации и эквивалентные структуры и функции.
[0138] В этой заявке заявлен приоритет по заявкам на патенты Японии № 2017-167594, поданной 31 августа 2017 г., и № 2018-148537, поданной 7 августа 2018 г., которые во всей их полноте включены сюда посредством ссылки.
Перечень позиций чертежей
[0139] 1 Подложка элементов
2 Нагреватель (нагревательный элемент)
41 Ультрамелкий пузырек (УМП)
11 Проточный канал для воды
212 Элемент выброса жидкости
320 Пузырек
700 Блок выброса жидкости.