JP2020015941A - 超音波処理装置及びファインバブルの供給方法 - Google Patents
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本発明は、かかる知見に基づき完成されたものであり、その要旨は以下の通りである。
[2]前記蒸気供給管の前記先端部より噴出する前記蒸気の流速VSと、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液の流速VLとの比(VS/VL)は、2≦VS/VL≦100の関係を満足する、[1]に記載の超音波処理装置。
[3]前記蒸気供給管の管軸方向の中心軸と、前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸とのなす角θ[°]は、60≦θ<90の関係を満足する、[1]又は[2]に記載の超音波処理装置。
[4]前記蒸気供給管の口径DSと、前記気体供給管の口径DGとの比(DS/DG)は、1.2≦DS/DG≦3.0の関係を満足する、[1]〜[3]の何れか1つに記載の超音波処理装置。
[5]前記蒸気供給管の前記処理液吐出配管の内部への突出部分について、前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面への前記突出部分の投影面積をASとし、前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面積をACとしたときに、0.05≦AS/AC≦0.40の関係を満足する、[1]〜[4]の何れか1つに記載の超音波処理装置。
[6]前記蒸気供給管と前記気体供給管とが接触している位置において、前記気体供給管との接触面積を増やすように前記蒸気供給管の外形が加工されている、[1]〜[5]の何れか1つに記載の超音波処理装置。
[7]前記気体供給管には、供給される前記気体を加熱するための加熱機構が設けられている、[1]〜[6]の何れか1つに記載の超音波処理装置。
[8]前記蒸気供給管の先端部の開閉度合いと、前記気体供給管の先端部の開閉度合いと、を連動させる連動機構を備える、[1]〜[7]の何れか1つに記載の超音波処理装置。
[9]前記気体供給管から供給される気体の温度TG[℃]と、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液の温度TL[℃]と、の差分ΔT=TG−TLは、5≦ΔT≦90の関係を満足する、[1]〜[8]の何れか1つに記載の超音波処理装置。
[10]前記ファインバブル発生機構は、前記処理部へと吐出される前記処理液中において、溶存気体量が飽和溶存気体量に対して50%以下となるように、前記ファインバブルを発生させる、[1]〜[9]の何れか1つに記載の超音波処理装置。
[11]前記ファインバブル発生機構は、前記処理部へと吐出される前記処理液中において、平均気泡径が0.01μm〜100μmである前記ファインバブルが、気泡総量103個/mL〜1010個/mLの範囲で存在するように、前記ファインバブルを発生させる、[1]〜[10]の何れか1つに記載の超音波処理装置。
[12]前記超音波印加機構は、前記超音波の周波数を、20kHz〜200kHzの周波数帯域から選択する、[1]〜[11]の何れか1つに記載の超音波処理装置。
[13]前記超音波印加機構は、選択した前記超音波の周波数を中心として、±0.1kHz〜±10kHzの範囲で掃引しつつ、前記処理液に対して超音波を印加する、[1]〜[12]の何れか1つに記載の超音波処理装置。
[14]被処理物が、当該被処理物に対して所定の処理を施す処理液で満たされた状態にある処理部を設け、前記被処理物に対して超音波を印加しながら前記被処理物に対して所定を施す際に、前記処理部に対してファインバブルを含有する前記処理液を供給するファインバブルの供給方法であって、前記処理部に対して、前記処理液を循環させる循環ポンプ、前記処理部から引き抜いた前記処理液を前記循環ポンプへと接続する処理液引抜配管、及び、前記循環ポンプを経た前記処理液を前記処理部へと吐出させる処理液吐出配管を少なくとも有しており、前記処理部に前記処理液を循環させる循環経路が設けられており、前記処理液吐出配管に対して、前記処理液を脱気するとともに前記処理液中にファインバブルを発生させる機構であり、かつ、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して蒸気を供給する蒸気供給管と、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して気体を供給する気体供給管と、を有するファインバブル発生機構が設けられており、前記蒸気供給管は、前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出し、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面において、前記蒸気供給管の接続位置は、前記中心軸から前記処理液吐出配管の端部方向に向かって前記蒸気供給管の口径の1/2に該当する長さ以上離隔した位置となっており、前記気体供給管は、前記蒸気供給管よりも下流側に対し、前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出しており、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、少なくとも前記先端部が前記蒸気供給管と接触しており、前記気体供給管の前記先端部は、前記蒸気供給管の前記先端部の位置よりも突出しておらず、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して、前記蒸気供給管から蒸気を供給するとともに、前記気体供給管から気体を供給する、ファインバブルの供給方法。
まず、図1A及び図1Bを参照しながら、本発明の実施形態に係る超音波処理装置の全体的な構成について、簡単に説明する。図1A及び図1Bは、本実施形態に係る超音波処理装置の全体的な構成の一例を模式的に示した説明図である。
処理部の一例である処理槽10には、被処理物に対して所定の処理を施すために用いられる処理液3や、被処理物そのものが収容される。これにより、処理槽10内に収容された被処理物は、処理液3で満たされた状態で存在するようになる。処理槽10に保持される処理液3の種類については、特に限定されるものではなく、被処理物に対して行う処理に応じて、公知の処理液を用いることが可能である。
超音波印加機構20は、処理槽10に収容されている処理液3や被処理物に対して、所定周波数の超音波を印加するものである。超音波印加機構20は、特に限定されるものではなく、未図示の超音波発振器に接続された超音波振動子など、公知のものを利用することが可能である。また、図1A及び図1Bでは、超音波印加機構20を処理槽10の壁面に設ける場合について図示しているが、超音波印加機構20の処理槽10への設置位置についても特に限定されるものではなく、処理槽10の壁面や底面に対して、1又は複数の超音波振動子を適宜設置すればよい。なお、処理槽10全体に均一に超音波が伝播されるような条件となれば、個々の超音波振動子の発振負荷のバランスが一様となるため、超音波振動子の個数が複数であったとしても、発生した超音波間で干渉が生じなくなる。
循環経路30は、処理槽10に保持されている処理液3を循環させるための経路である。この循環経路30は、図1Aに示したように、処理液3を循環させるための循環ポンプ31と、処理槽10から引き抜いた処理液3を循環ポンプ31へと接続する処理液引抜配管33と、循環ポンプ31を経た処理液3を処理槽10へと吐出させる処理液吐出配管35と、を少なくとも有している。また、ファインバブル発生機構40は、図1Aに示したように、処理液吐出配管35に対して設けられており、循環ポンプ31を経た処理液3を脱気するとともに、処理液3中にファインバブルを発生させる。
f0:気泡の固有振動数(Minnaert共振周波数)
R0:気泡の平均半径
p∞:周辺液体の平均圧力
γ:断熱比(空気のγ=1.4)
ρ:液体密度
である。
以下、本実施形態に係るファインバブル発生機構40について、図2A〜図3Bを参照しながら詳細に説明する。図2A〜図3Bは、本実施形態に係るファインバブル発生機構40について説明するための説明図である。
再び図1A及び図1Bに戻って、本実施形態に係る曲面部材50について、簡単に説明する。
曲面部材50は、超音波印加機構20の振動面に向かって凸な曲面を有する部材であり、曲面部材50に到達した超音波を多方向へと反射させる部材である。かかる曲面部材50を処理槽10内の壁面及び底面の少なくとも何れか一方に設けることで、超音波印加機構20の振動面から発生した超音波を、処理槽10内の全体へと伝播させることが可能となる。
なお、処理槽10の処理液側の壁面及び底面には、超音波を反射させるための反射板が設けられることが好ましい。かかる反射板を設けることで、処理槽10の壁面や底面まで到達した超音波は反射板によって反射され、再び処理液3の方へと伝播していくこととなる。これにより、処理液3中に印加された超音波を効率良く利用することが可能となる。
図4は、本実験例で使用した超音波処理装置の構成を模式的に示した図である。本実験例において、処理液としては、浄水を用いた。処理槽10は、外壁がSUS製であり、幅0.5m×長さ0.5m×0.4mの大きさの容量0.1m3のものを用いた。処理槽10に設置する循環ポンプ31として、IWAKI製のMD−100Rを用い、処理液吐出配管35に対し、ファインバブル発生機構40である蒸気供給管401及び気体供給管403を接続するための条件別の治具45を取り付け、処理液を循環させた。なお、処理液吐出配管35の内径は25mmであり、長さは3mである。
図5A及び図5Bは、本発明に係る超音波処理装置を用いて、鋼板の水洗(リンス)を実施する際の状況を模式的に示した説明図である。ここで、リンス溶液としては、浄水を用いた。処理槽10は、外壁がSUS製であり、幅2.0×長さ7.0m×0.5mの大きさの容量6.3m3のものを用いた。洗浄対象の鋼板Sは、ロールに保持されている状態とした。処理槽10に設置する循環ポンプ31として、セイコー化工機製MEP−0505−2Pを2台用い、処理液吐出配管35に対し、条件別の治具45を着脱可能となるような構造とした。ここで、処理液吐出配管35の内径は40mmであり、長さは3mである。
100%以下〜90%以上:A
90%未満〜80%以上:B
80%未満〜60%以上:C
60%未満〜40%以上:D
40%未満 :E
3 処理液
10 処理槽
20 超音波印加機構
30 循環経路
31 循環ポンプ
33 処理液引抜配管
35 処理液吐出配管
40 ファインバブル発生機構
401 蒸気供給管
403 気体供給管
Claims (14)
- 被処理物に対して所定の処理を施す処理液を保持しており、前記被処理物が前記処理液で満たされる処理部と、
前記処理部に設けられ、前記被処理物に対して超音波を印加する超音波印加機構と、
前記処理液を循環させる循環ポンプ、前記処理部から引き抜いた前記処理液を前記循環ポンプへと接続する処理液引抜配管、及び、前記循環ポンプを経た前記処理液を前記処理部へと吐出させる処理液吐出配管を少なくとも有しており、前記処理部に保持された前記処理液を循環させる循環経路と、
前記処理液吐出配管に対して設けられており、前記処理液を脱気するとともに、前記処理液中にファインバブルを発生させるファインバブル発生機構と、
を備え、
前記ファインバブル発生機構は、
前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して蒸気を供給する蒸気供給管と、
前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して気体を供給する気体供給管と、
を有しており、
前記蒸気供給管は、
前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出し、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、
前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面において、前記蒸気供給管の接続位置は、前記中心軸から前記処理液吐出配管の端部方向に向かって前記蒸気供給管の口径の1/2に該当する長さ以上離隔した位置となっており、
前記気体供給管は、
前記蒸気供給管よりも下流側に対し、前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出しており、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、
少なくとも前記先端部が前記蒸気供給管と接触しており、
前記気体供給管の前記先端部は、前記蒸気供給管の前記先端部の位置よりも突出していない、超音波処理装置。 - 前記蒸気供給管の前記先端部より噴出する前記蒸気の流速VSと、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液の流速VLとの比(VS/VL)は、2≦VS/VL≦100の関係を満足する、請求項1に記載の超音波処理装置。
- 前記蒸気供給管の管軸方向の中心軸と、前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸とのなす角θ[°]は、60≦θ<90の関係を満足する、請求項1又は2に記載の超音波処理装置。
- 前記蒸気供給管の口径DSと、前記気体供給管の口径DGとの比(DS/DG)は、1.2≦DS/DG≦3.0の関係を満足する、請求項1〜3の何れか1項に記載の超音波処理装置。
- 前記蒸気供給管の前記処理液吐出配管の内部への突出部分について、前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面への前記突出部分の投影面積をASとし、前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面積をACとしたときに、0.05≦AS/AC≦0.40の関係を満足する、請求項1〜4の何れか1項に記載の超音波処理装置。
- 前記蒸気供給管と前記気体供給管とが接触している位置において、前記気体供給管との接触面積を増やすように前記蒸気供給管の外形が加工されている、請求項1〜5の何れか1項に記載の超音波処理装置。
- 前記気体供給管には、供給される前記気体を加熱するための加熱機構が設けられている、請求項1〜6の何れか1項に記載の超音波処理装置。
- 前記蒸気供給管の先端部の開閉度合いと、前記気体供給管の先端部の開閉度合いと、を連動させる連動機構を備える、請求項1〜7の何れか1項に記載の超音波処理装置。
- 前記気体供給管から供給される気体の温度TG[℃]と、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液の温度TL[℃]と、の差分ΔT=TG−TLは、5≦ΔT≦90の関係を満足する、請求項1〜8の何れか1項に記載の超音波処理装置。
- 前記ファインバブル発生機構は、前記処理部へと吐出される前記処理液中において、溶存気体量が飽和溶存気体量に対して50%以下となるように、前記ファインバブルを発生させる、請求項1〜9の何れか1項に記載の超音波処理装置。
- 前記ファインバブル発生機構は、前記処理部へと吐出される前記処理液中において、平均気泡径が0.01μm〜100μmである前記ファインバブルが、気泡総量103個/mL〜1010個/mLの範囲で存在するように、前記ファインバブルを発生させる、請求項1〜10の何れか1つに記載の超音波処理装置。
- 前記超音波印加機構は、前記超音波の周波数を、20kHz〜200kHzの周波数帯域から選択する、請求項1〜11の何れか1項に記載の超音波処理装置。
- 前記超音波印加機構は、選択した前記超音波の周波数を中心として、±0.1kHz〜±10kHzの範囲で掃引しつつ、前記処理液に対して超音波を印加する、請求項1〜12の何れか1項に記載の超音波処理装置。
- 被処理物が、当該被処理物に対して所定の処理を施す処理液で満たされた状態にある処理部を設け、前記被処理物に対して超音波を印加しながら前記被処理物に対して所定を施す際に、前記処理部に対してファインバブルを含有する前記処理液を供給するファインバブルの供給方法であって、
前記処理部に対して、前記処理液を循環させる循環ポンプ、前記処理部から引き抜いた前記処理液を前記循環ポンプへと接続する処理液引抜配管、及び、前記循環ポンプを経た前記処理液を前記処理部へと吐出させる処理液吐出配管を少なくとも有しており、前記処理部に前記処理液を循環させる循環経路が設けられており、
前記処理液吐出配管に対して、前記処理液を脱気するとともに前記処理液中にファインバブルを発生させる機構であり、かつ、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して蒸気を供給する蒸気供給管と、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して気体を供給する気体供給管と、を有するファインバブル発生機構が設けられており、
前記蒸気供給管は、
前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出し、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、
前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面において、前記蒸気供給管の接続位置は、前記中心軸から前記処理液吐出配管の端部方向に向かって前記蒸気供給管の口径の1/2に該当する長さ以上離隔した位置となっており、
前記気体供給管は、
前記蒸気供給管よりも下流側に対し、前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出しており、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、
少なくとも前記先端部が前記蒸気供給管と接触しており、
前記気体供給管の前記先端部は、前記蒸気供給管の前記先端部の位置よりも突出しておらず、
前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して、前記蒸気供給管から蒸気を供給するとともに、前記気体供給管から気体を供給する、ファインバブルの供給方法。
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