JP6673527B2 - 超音波洗浄装置及び超音波洗浄方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波洗浄装置及び超音波洗浄方法に関する。

一般に、鋼板や鋼管といった各種の金属体の製造工程において、金属体の表面に生成したスケール等を除去するために、薬液やリンス等が保持された洗浄槽に金属体を順次浸漬して洗浄を行う、洗浄処理方法が広く採用されている。このような洗浄処理方法を実施する洗浄処理装置としては、例えば、高圧気流噴射ノズルを利用した洗浄装置や、超音波を利用した超音波洗浄装置等がある。

このような超音波を利用した超音波洗浄方法として、例えば以下の特許文献１には、超音波洗浄槽内に、振動子面からλ／４・（２ｎ−１）［λ：波長、ｎ：任意の整数］なる位置、超音波反射板を振動子面と平行に設置する方法が提案されている。

また、以下の特許文献２には、マイクロバブルを洗浄液中に付加するとともに、周波数２８．０ｋＨｚ以上１．０ＭＨｚ以下の範囲内に含まれる２種類の周波数を有する超音波を印加することで、超音波を利用した洗浄効果を更に向上させる技術が提案されている。

特開平６−３４３９３３号公報 国際公開第２０１１／０６７９５５号

しかしながら、上記特許文献１で提案されている方法は、反射板を振動子面と平行に設置して、かかる反射板により超音波を反射させる方法であるため、反射板の表面が曲面であったり突起が存在していたりする場合には効果的に超音波を反射させることが困難となり、洗浄効率が低下してしまう。また、特許文献１で提案される反射板は、平板であり、この場合超音波による定在波が生じて、超音波の強度の小さい領域が生じる。この結果、洗浄むらが生じてしまい、均一な洗浄ができない。さらに、かかる方法では、振動子面から影となる部分については超音波による洗浄を行うことができず、処理槽全体にわたって効率良く超音波による洗浄を行うことは困難である。

また、上記特許文献２で提案されている技術では、２種類の周波数を有する超音波を用いているが、周波数が異なる２種類の超音波のマッチングは難しく、洗浄可能な対象物や洗浄範囲が限られてしまう。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、処理槽全体にわたって超音波をより効率良く伝播させることができ、被洗浄物に依らずに、被洗浄物をより効率良く洗浄することが可能な、超音波洗浄装置及び超音波洗浄方法を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、所定の形状を有する曲面部材を、洗浄液の保持された処理槽の内部の所定の位置に設置することで、処理槽全体にわたって超音波をより効率良く伝播させることができ、被洗浄物に依らずに、被洗浄物をより効率良く洗浄することが可能であるとの知見を得て、以下で詳述する本発明を完成した。
かかる知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。

［１］被洗浄物を洗浄する洗浄液を収容し、前記被洗浄物が浸漬される処理槽と、前記処理槽の内部に保持された前記洗浄液に対して超音波を印加する超音波印加機構と、前記超音波印加機構の振動面に対して、当該振動面の端部における法線方向から外側に所定の傾斜角で規定される範囲内に位置し、前記処理槽の壁面及び／又は底面に保持された曲面部材と、を備え、前記曲面部材は、球面又は非球面の表面形状を有する凸湾曲部が少なくとも存在し、当該凸湾曲部が、前記凸湾曲部以外の部分よりも前記振動面側に突出した状態となっている凸曲面を有しており、前記超音波印加機構から照射され、かつ、反射の生じていない音波である第一音波の少なくとも一部が前記凸曲面の前記凸湾曲部に到達するように、前記凸曲面が前記振動面に向かう状態で保持されている、超音波洗浄装置。
［２］前記凸曲面における前記凸湾曲部の最大高さＨは、前記超音波の波長をλとしたときに、λ／２＜Ｈの関係を満足する、［１］に記載の超音波洗浄装置。
［３］前記傾斜角の大きさは、０度以上３０度以下である、［１］又は［２］に記載の超音波洗浄装置。
［４］前記曲面部材の前記凸湾曲部は、前記振動面に基づき規定される前記範囲内に位置する前記曲面部材の全表面積に対して、３０％以上の面積率を有する、［１］〜［３］の何れか１つに記載の超音波洗浄装置。
［５］前記曲面部材の前記凸湾曲部は、前記振動面に基づき規定される前記範囲内に位置する前記処理槽の壁面及び／又は底面の全面積に対して、１％以上８０％以下の面積率を有する、［１］〜［４］の何れか１つに記載の超音波洗浄装置。
［６］前記曲面部材ならびに前記曲面部材が配置される前記壁面及び／又は前記底面は、凹部を有さない、［１］〜［５］の何れか１つに記載の超音波洗浄装置。
［７］所定の間隔を空けて配置される複数の前記曲面部材を備える、［１］〜［６］の何れか１つに記載の超音波洗浄装置。
［８］前記複数の曲面部材同士の離隔距離Ｌは、当該曲面部材の凸湾曲部の最大高さＨに対して、３Ｈ＜Ｌの関係を満足する、［７］に記載の超音波洗浄装置。
［９］前記振動面と、前記曲面部材において前記凸曲面における前記凸湾曲部の最大高さを与える位置と、の間の離隔距離Ｄは、５ｃｍ以上２５０ｃｍ以下である、［１］〜［８］の何れか１つに記載の超音波洗浄装置。
［１０］前記曲面部材は、音響インピーダンスが１×１０^７［ｋｇ・ｍ^−２・ｓｅｃ^−１］以上２×１０^８［ｋｇ・ｍ^−２・ｓｅｃ^−１］以下である素材からなる曲面部材である、［１］〜［９］の何れか１つに記載の超音波洗浄装置。
［１１］前記処理槽に保持された前記洗浄液中の溶存気体量を制御する溶存気体制御機構を更に備える、［１］〜［１０］の何れか１つに記載の超音波洗浄装置。
［１２］前記溶存気体制御機構は、前記溶存気体量が前記洗浄液における溶存飽和量の１％〜５０％となるように制御する、［１１］に記載の超音波洗浄装置。
［１３］前記処理槽に保持された前記洗浄液中に、所定の平均気泡径を有するファインバブルを供給するファインバブル供給機構を更に備える、［１］〜［１２］の何れか１つに記載の超音波洗浄装置。
［１４］前記ファインバブル供給機構は、平均気泡径が０．０１μｍ〜１００μｍである前記ファインバブルを、気泡総量が１０^３個／ｍＬ〜１０^１０個／ｍＬとなるように供給する、［１３］に記載の超音波洗浄装置。
［１５］前記ファインバブル供給機構は、前記洗浄液中において、前記超音波の周波数に共振する直径である周波数共振径以下の気泡径を有する前記ファインバブルの個数の割合が前記洗浄液中に存在する前記ファインバブル全体の個数の７０％以上となるように、前記ファインバブルを供給する、［１３］又は［１４］に記載の超音波洗浄装置。
［１６］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］〜［１５］の何れか１つに記載の超音波洗浄装置。
［１７］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、前記洗浄液に対して超音波を印加する、［１］〜［１６］の何れか１つに記載の超音波洗浄装置。
［１８］前記曲面部材と、当該曲面部材が保持されている前記処理槽の壁面又は底面と、の間に、超音波を反射させる反射板が更に設けられる、［１］〜［１７］の何れか１つに記載の超音波洗浄装置。
［１９］被洗浄物を洗浄する洗浄液の収容された処理槽を用いて、前記被洗浄物を洗浄する洗浄方法であって、前記処理槽に対して、前記洗浄液に対して超音波を印加する超音波印加機構が設けられるとともに、前記超音波印加機構の振動面に対して、当該振動面の端部における法線方向から外側に所定の傾斜角で規定される範囲内に位置する前記処理槽の壁面及び／又は底面に対して、曲面部材が設けられており、前記洗浄方法は、前記処理槽に保持された前記洗浄液に対して、超音波を印加することと、超音波の印加された前記洗浄液に対して、前記被洗浄物を浸漬させることと、を含み、前記曲面部材は、球面又は非球面の表面形状を有する凸湾曲部が少なくとも存在し、当該凸湾曲部が、前記凸湾曲部以外の部分よりも前記振動面側に突出した状態となっている凸曲面を有しており、前記超音波印加機構から照射され、かつ、反射の生じていない音波である第一音波の少なくとも一部が前記凸曲面の前記凸湾曲部に到達するように、前記凸曲面が前記振動面に向かう状態で保持されている、超音波洗浄方法。

以上説明したように本発明によれば、処理槽全体にわたって超音波をより効率良く伝播させることができ、被洗浄物に依らずに、被洗浄物をより効率良く洗浄することが可能となる。

本発明の実施形態に係る超音波洗浄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。 同実施形態に係る超音波洗浄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。 同実施形態に係る超音波洗浄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。 同実施形態に係る超音波洗浄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。 同実施形態に係る曲面部材の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る曲面部材について説明するための説明図である。 同実施形態に係る曲面部材について説明するための説明図である。 同実施形態に係る曲面部材について説明するための説明図である。 同実施形態に係る曲面部材について説明するための説明図である。 同実施形態に係る曲面部材について説明するための説明図である。 同実施形態に係る曲面部材について説明するための説明図である。 実験例１で使用した超音波洗浄装置の構成を模式的に示した説明図である。 実験例１で使用した超音波洗浄装置の構成を模式的に示した説明図である。 実験例１における超音波強度の測定位置を説明するための説明図である。 実験例２で使用した超音波洗浄装置の構成を模式的に示した説明図である。 実験例２で使用した超音波洗浄装置の構成を模式的に示した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、図中の各部材の大きさは、説明を容易とするため適宜強調されており、実際の寸法、部材間の比率を示すものではない。

（超音波洗浄装置の全体構成）
まず、図１Ａ〜図１Ｄを参照しながら、本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置の全体的な構成について、簡単に説明する。図１Ａ〜図１Ｄは、本実施形態に係る超音波洗浄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。

本実施形態に係る超音波洗浄装置１は、洗浄液に加えて超音波を併用し、被洗浄物の表面を洗浄する装置である。このような超音波洗浄装置１は、鋼材等に代表される各種の金属体や、プラスチック樹脂製部材等に代表される各種の非金属体などを洗浄する際に利用することが可能である。例えば、鋼板、鋼管、鋼線材等といった各種の金属体を被洗浄物とし、本実施形態に係る超音波洗浄装置１を用いることで、これらの金属体に対して、酸洗処理や脱脂処理、さらには洗浄処理を行うことができる。

ここで、酸洗処理とは、金属体の表面に形成された酸化物スケールを除去する処理であり、脱脂処理とは、加工処理等に用いる潤滑剤や加工油等の油分を除去する処理である。これらの酸洗処理、脱脂処理は、表面仕上げ処理（金属被覆処理、化成処理、塗装処理等）を金属体に対して施すに先だって実施される前処理である。かかる酸洗処理によって、地の金属の一部を溶解させることもある。また、表面仕上げ品質を向上させるためのエッチングによる金属体の溶解にも、かかる酸洗処理は用いられている。また、酸洗処理の前に脱脂処理が設けられている場合もあり、脱脂処理における脱脂性能がその後の酸洗処理のスケールの除去に影響を及ぼすこともある。

更に、以下で詳述する本実施形態に係る超音波洗浄装置１は、上記のような製造ラインにおける洗浄工程以外にも、使用済み配管や定期的もしくは不定期に汚れ除去を必要とするタンク、装置の洗浄等に対しても用いることが可能である。

本実施形態に係る超音波洗浄装置１は、図１Ａに例示したように、処理槽１０と、超音波印加機構２０と、曲面部材３０と、を少なくとも備える装置である。また、本実施形態に係る超音波洗浄装置１は、図１Ｂに例示したように、図１Ａに示した構成に加えて、溶存気体制御機構４０を更に備えていてもよく、図１Ｃに例示したように、図１Ａに示した構成に加えて、ファインバブル供給機構５０を更に備えていてもよい。また、本実施形態に係る超音波洗浄装置１は、図１Ｄに例示したように、図１Ａに示した構成に加えて、溶存気体制御機構４０及びファインバブル供給機構５０を更に備えていてもよい。

以下では、本実施形態に係る超音波洗浄装置１における各構成について、詳細に説明する。

＜処理槽１０＞
処理槽１０には、被洗浄物を洗浄するために用いられる洗浄液３や、被洗浄物が収容される。処理槽１０に保持される洗浄液３の種類については、特に限定されるものではなく、被洗浄物に対して行う処理に応じて、公知の洗浄液を用いることが可能である。また、洗浄液３には、洗浄性の更なる向上を目的として、公知の粒子等が更に添加されていてもよい。

ここで、本実施形態に係る処理槽１０を形成するために用いられる素材は、特に限定されるものではなく、鉄、鋼、ステンレス鋼板等といった各種の金属材料であってもよいし、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）やポリプロピレン（ＰＰ）等といった各種のプラスチック樹脂であってもよいし、耐酸レンガ等のような各種のレンガであってもよい。すなわち、本実施形態に係る超音波洗浄装置１を構成する処理槽１０として、上記のような素材で形成された処理槽を新たに準備することも可能であるし、各種の製造ラインにおける既設の処理槽を利用することも可能である。

また、処理槽１０の大きさについても特に限定されるものではなく、液面深さ１〜２ｍ程度×全長３〜２５ｍ程度のような各種形状の大型処理槽であったとしても、本実施形態に係る超音波洗浄装置１の処理槽１０として利用可能である。

また、洗浄槽１０において後述する曲面部材３０が配置される壁面及び／又は底面は、凹部を有さないことが好ましい。これにより、凹部により超音波が集束し、超音波の一部が利用できなくなることが防止される。

＜超音波印加機構２０＞
超音波印加機構２０は、処理槽１０に収容されている洗浄液３や被洗浄物に対して、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〜図１Ｄ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。

超音波印加機構２０から出力される超音波の周波数は、例えば、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚであることが好ましい。超音波の周波数が上記範囲内であることにより、金属体、例えば鋼材表面に存在するスケールを好適に除去することができる。超音波の周波数が２０ｋＨｚ未満である場合には、被洗浄物の表面から発生するサイズの大きな気泡により超音波伝播が阻害され、超音波による洗浄性向上効果が低下する場合がある。また、超音波の周波数が２００ｋＨｚを超える場合には、被洗浄物を洗浄する際の超音波の直進性が強くなりすぎて、洗浄の均一性が低下する場合がある。さらに、超音波洗浄装置１の装置構成によっては、スケールの除去が困難となる場合がある。超音波印加機構２０から出力される超音波の周波数は、好ましくは２０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚであり、更に好ましくは、２５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである。

なお、印加する超音波の周波数は、被洗浄物に応じて上記範囲内で適切な値を選定することが好ましく、被洗浄物の種類によっては、２種類以上の周波数の超音波を印加してもよい。

また、超音波印加機構２０は、ある選択した超音波の周波数を中心として±０．１ｋＨｚ〜±１０ｋＨｚの範囲で周波数を掃引しつつ超音波を印加することが可能な、周波数掃引機能を有していることが好ましい。超音波印加機構２０が周波数掃引機能を有していることが好ましい理由については、以下で改めて説明する。

＜曲面部材３０＞
曲面部材３０は、以下で詳述するように、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３０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３０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。

より詳細には、本実施形態に係る曲面部材３０には、球面又は非球面の表面形状を有する凸湾曲部が少なくとも存在し、かかる凸湾曲部が、凸湾曲部以外の部分よりも、超音波印加機構２０の振動面側に突出した状態となっている凸曲面を有している。

図２に、本実施形態に係る曲面部材３０の一例を列挙した。なお、図２は、本実施形態に係る曲面部材３０を、図１Ａ〜図１Ｄに示した座標軸においてｚ軸上方から見た場合の形状を図示したものである。

図２にそれぞれ示したように、本実施形態に係る曲面部材３０は、凸曲面３１を少なくとも有しており、かかる凸曲面３１には、球面又は非球面の表面形状を有する凸湾曲部３３が少なくとも存在している。本実施形態に係る超音波洗浄装置１では、曲面部材３０のうち、かかる凸湾曲部３３を有する凸曲面３１が、超音波印加機構２０の振動面側に突出し、かつ、かかる振動面に向かう状態で保持されている。

また、本実施形態に係る曲面部材３０は、図２上段に示したように、凸湾曲部３３ではない部分である非凸湾曲部３５を有していてもよいし、図２中段及び下段に示したように、凸曲面３１のみから構成されていてもよい。

更に、本実施形態に係る曲面部材３０は、図２上段及び中段に示したように、中実な柱状体であってもよいし、図２下段に示したように、中空な筒状体であってもよい。また、曲面部材３０が中空である場合、処理槽１０に装着された状態の曲面部材３０の空隙には、空気等の各種気体が存在していてもよいし、処理槽１０に保持されている洗浄液３等の各種液体が存在していてもよい。

曲面部材３０が上記のような凸曲面３１を有することで、多方向へ超音波が反射され、偏りのない均一な超音波伝播が実現されて、超音波間の干渉を抑制することができる。この結果、超音波は、３次元的に洗浄槽１０内のあらゆる方向へ拡散し、むらのない均一な洗浄が可能となる。すなわち、被洗浄物に対し、あらゆる角度から超音波が到達し、被洗浄物表面が均一に洗浄される。ここで、曲面部材３０が凹部を含む場合には、超音波が凹部で反射することで集束してしまい、処理槽１０全体に効果的に超音波を反射させることができない。また、凸部を含む場合であっても、凸部が曲面ではなく平面である場合には、超音波を一方向にしか反射させることができず、処理槽１０全体に効果的に超音波を反射させることができない。

なお、図２に示した曲面部材３０の形状は、あくまでも一例であって、本実施形態に係る曲面部材３０の形状が図２に示した形状に限定されるものではない。ただし、波状の凹凸を有する部材は、その凹部が超音波を集束させてしまうため、超音波を均一に拡散することが困難な場合があり、本実施形態に係る曲面部材３０には含まれない。

ここで、図２の各図に示したような、凸曲面３１における凸湾曲部３３の最大高さＨは、曲面部材３０が凸湾曲部３３及び非凸湾曲部３５を有している場合には、凸湾曲部３３と非凸湾曲部３５の接続部の位置を基準として規定される高さとなる。また、曲面部材３０が凸湾曲部３３のみを有している場合には、曲面部材３０の半径、長径の１／２の長さ、短径の１／２の長さ・・・等に対応する高さとなる。かかる凸湾曲部３３の最大高さＨは、超音波印加機構２０により印加される超音波の波長をλとしたときに、λ／２＜Ｈの関係を満足する高さであることが好ましい。凸湾曲部３３の最大高さＨを、超音波の半波長よりも大きくすると、凸湾曲部３３のいずれかの曲面において、到達した超音波を全反射させることが可能となる。一方、凸湾曲部３３の最大高さＨの上限は、特に規定されるものではないが、処理槽１０の壁面と被洗浄物との間の距離に応じて、例えば５００ｍｍ以下とすることが好ましい。凸湾曲部３３の最大高さＨは、更に好ましくは、１０ｍｍ以上３００ｍｍ以下である。

また、上記の最大高さ以外の曲面部材３０の寸法（最大幅Ｗ等）については、後述する凸湾曲部３３の処理槽１０の壁面等の全面積に対する面積率や、曲面部材３０の数に合わせて適宜設定することが可能である。

例えば図２に示したような形状を有する曲面部材３０は、超音波を反射させる素材を用いて形成されることが好ましい。かかる素材としては、例えば、音響インピーダンス（固有音響インピーダンス）が１×１０^７［ｋｇ・ｍ^−２・ｓｅｃ^−１］以上２×１０^８［ｋｇ・ｍ^−２・ｓｅｃ^−１］以下である素材を挙げることができる。音響インピーダンスが１×１０^７［ｋｇ・ｍ^−２・ｓｅｃ^−１］以上２×１０^８［ｋｇ・ｍ^−２・ｓｅｃ^−１］以下である素材を用いることで、効率良く超音波を反射させることが可能となる。

音響インピーダンスが１×１０^７［ｋｇ・ｍ^−２・ｓｅｃ^−１］以上２×１０^８［ｋｇ・ｍ^−２・ｓｅｃ^−１］以下である素材としては、例えば、各種の金属又は金属酸化物や、非酸化物セラミックスを含む各種のセラミックス等を挙げることができる。このような素材の具体例としては、例えば、鋼（固有音響インピーダンス［ｋｇ・ｍ^−２・ｓｅｃ^{− １}］：４．７０×１０^７、以下、カッコ内の数値は同様に固有音響インピーダンスの値を表す。）、鉄（３．９７×１０^７）、ステンレス鋼（ＳＵＳ、３．９７×１０^７）、チタン（２．７３×１０^７）、亜鉛（３．００×１０^７）、ニッケル（５．３５×１０^７）、アルミニウム（１．３８×１０^７）、タングステン（１．０３×１０^８）、ガラス（１．３２×１０^７）、石英ガラス（１．２７×１０^７）、グラスライニング（１．６７×１０ ^７）、アルミナ（酸化アルミニウム、３．８４×１０^７）、ジルコニア（酸化ジルコニウム、３．９１×１０^７）、窒化ケイ素（ＳｉＮ、３．１５×１０^７）、炭化ケイ素（ＳｉＣ、３．９２×１０^７）、炭化タングステン（ＷＣ、９．１８×１０^７）等がある。本実施形態に係る曲面部材３０においては、処理槽１０に保持される洗浄液３の液性や、曲面部材３０に求める強度等に応じて、曲面部材３０の形成に用いる素材を適宜選択すればよいが、上記のような音響インピーダンスを有する各種金属又は金属酸化物を用いることが好ましい。

このような曲面部材３０は、図３に模式的に示したように、超音波印加機構２０の振動面に対して、かかる振動面の端部における法線方向から外側に所定の傾斜角θで規定される範囲内に位置し、処理槽１０の壁面及び／又は底面に保持される。以下では、超音波印加機構２０の振動面と所定の傾斜角θとで規定される範囲を、振動子有効範囲ＡＲと称することとする。図３から明らかなように、振動子有効範囲ＡＲは、超音波印加機構２０の振動面に対して所定の離隔距離で対向する対向面、及び、かかる対向面と同一平面上に位置し対向面に接する周辺領域で規定される平面領域と、振動面と、の間で規定される範囲である。

曲面部材３０が振動子有効範囲ＡＲ内に保持されることで、超音波印加機構２０の振動面で発生する超音波を、効率良く多方向に反射させることが可能となり、処理槽１０全体へ、超音波を均一に伝播させることが可能となる。なお、曲面部材３０の設置方向は、図３に示した例に限定されるものではなく、曲面部材３０の凸曲面３１が超音波印加機構２０の振動面に向かう状態で設置されることが重要であり、凸曲面３１は、振動面に対して正対するように設置されていなくてもよい。曲面部材３０は、図２等に示したような断面形状を有する曲面部材３０の長軸方向が図中のｙ軸方向と略平行となるように設置されてもよいし、曲面部材３０の長軸方向が図中のｚ軸方向と略平行となるように設置されてもよいし、曲面部材３０の長軸方向が図中のｙ軸方向又はｚ軸方向に対して所定の角度を有するように設置されてもよい。

図３では、振動子有効範囲ＡＲ内に設置されている曲面部材３０の個数は１個だけとなっているが、振動子有効範囲ＡＲ内に設置される曲面部材３０の個数は、２個以上であってもよいことは言うまでもなく、処理槽１０の大きさ等に応じて適宜設定すればよい。複数の超音波印加機構２０の振動面が存在し、かつ、それぞれの振動子有効範囲ＡＲが互いに重複している範囲内に曲面部材３０が存在している場合、かかる範囲内に存在する曲面部材３０が複数の振動面のそれぞれに対して有効な反射部材として機能する。また、振動子有効範囲ＡＲ内に設置されていない曲面部材３０が存在してもよい。曲面部材３０の個数は、例えば凸湾曲部３３の寸法や、後述する凸湾曲部３３の処理槽１０の壁面等の全面積に対する面積率に合わせて適宜設定することができる。

ここで、図３における傾斜角θの大きさは、０度以上３０度以下であることが好ましい。超音波は直進性を有する波であるため、振動面と正対する面、及び、かかる面の周辺の一部に強力に伝搬する。本実施形態において、振動子面から発振した超音波が壁面及び／又は底面及び／又は水面に至るまでに反射の生じていない音波を、第一音波として定義する。振動子有効範囲ＡＲを規定する傾斜角θの大きさを０度以上３０度以下とし、かかる範囲ＡＲ内に１又は複数の曲面部材３０を設置することで、強力な第一音波をより効率良く多方向に反射させて、処理槽１０の全体に均一に超音波を伝播させることができる。すなわち、本実施形態において、処理槽１０内に被洗浄物が存在しない場合に、曲面部材３０は、超音波印加機構２０の振動面に正対する範囲（θ＝０度）〜θ＝３０度の範囲内に存在することが好ましい。一方、傾斜角θの大きさが３０度超過となる場合には、超音波印加機構２０から照射され、かつ、反射の生じていない音波である第一音波の少なくとも一部が到達しにくくなるため、好ましくない。傾斜角θの大きさは、より好ましくは、０度以上２５度以下である。

また、本実施形態に係る超音波洗浄装置１では、図４Ａ〜図４Ｃに模式的に示したように、超音波印加機構２０から照射され、かつ、反射の生じていない音波である第一音波の少なくとも一部が凸曲面３１の凸湾曲部３３に到達するように、凸曲面３１が振動面に向かう状態で保持されていることが重要である。すなわち、超音波は直進性を有する波であるため、被洗浄物が処理槽１０内に浸漬された状態であっても、第一音波の少なくとも一部が曲面部材３０の凸湾曲部３３に到達するように、被洗浄物の浸漬状態を考慮して曲面部材３０を設置することが重要である。なお、第一音波が曲面部材３０の凸曲面３１の凸湾曲部３３に到達しているか否かは、処理槽１０内に被洗浄物が存在しない状態で超音波を印加する際に、曲面部材３０と超音波印加機構２０の振動面との間に、超音波の伝播を遮蔽する遮蔽部材を設けた場合と設けない場合とで、凸湾曲部３３の位置で測定される超音波の強度に変化が生じるか否かで判断することができる。

例えば図４Ａに示したように被洗浄物が鋼管等の管状体である場合、所定量の管状体が浸漬された場合であっても、第一音波の少なくとも一部が凸湾曲部３３に到達するように、曲面部材３０の設置位置を決定することが好ましい。

例えば図４Ｂに示したように、被洗浄物が鋼板等の板状体である場合についても、板状体の浸漬位置に応じて、第一音波の少なくとも一部が凸湾曲部３３に到達するように、曲面部材３０の設置位置を決定することが好ましい。同様に、例えば図４Ｃに示したように、被洗浄物が鋼線材等を巻き取ったコイル状のものである場合には、コイル状の線材の浸漬位置に応じて、第一音波の少なくとも一部が凸湾曲部３３に到達するように、曲面部材３０の設置位置を決定することが好ましい。

また、曲面部材３０の設置状態に関し、曲面部材３０が複数配置される場合、これらの曲面部材３０は所定の間隔を空けて配置されることが好ましい。このように、曲面部材３０同士の間に所定の間隔が存在することにより、曲面部材３０において第一の音波が反射、拡散した際に、曲面部材３０同士の間で反射波が集束することが防止される。

より具体的には、図２に示す曲面部材３０の凸湾曲部３３の最大高さＨに対し、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃに示される曲面部材３０同士の離隔距離Ｌは３Ｈ＜Ｌの関係を満足することが好ましい。離間距離Ｌが、前記最大高さＨの３倍以下では、曲面部材３０同士の間が凹部として作用しやすく、第一音波として到達した音波が処理槽１０内に反射せずに集束してしまい、減衰が生じやすい傾向にある。一方、前記最大高さＨの３倍より大きい一定の曲面部材３０同士の離隔距離Ｌがあれば、減衰することなく処理槽１０全体に効果的に超音波を反射させることができる。離隔距離Ｌは、好ましくは最大高さＨの５倍以上、さらに好ましくは７倍以上である。また、具体的な隔離距離Ｌは、特に限定されず、例えば０．１ｍ以上、好ましくは０．２ｍ以上であることができる。一方、隔離距離Ｌの上限は特に規定されるものではないが、振動面や凸湾曲部の面積に応じて、例えば１．５ｍ以下とすることが好ましい。

なお上述した隔離距離Ｌは、隣り合う曲面部材３０間における最小の距離を採用する。また、隣り合う曲面部材３０の形状が異なる場合、各曲面部材３０の凸湾曲部３３の最大高さのうち、最も大きい値を最大高さＨとして採用する。

図３〜図４Ｃに示したような曲面部材３０の設置状態に関し、より具体的には、曲面部材３０の凸湾曲部３３が、振動面に基づき規定される振動子有効範囲ＡＲ内に位置する曲面部材３０の全表面積に対して３０％以上の面積率を有するように、曲面部材３０が設置されることが好ましい。曲面部材３０の全表面積に対する凸湾曲部３３の面積率が３０％以上となることで、より効果的に超音波を反射させることが可能となり、処理槽１０の全体により均一に超音波を伝播させることが可能となる。なお、かかる面積率は大きければ大きいほどよいため、その上限値は規定するものではなく、面積率は１００％であってもよい。曲面部材３０の全表面積に対する凸湾曲部３３の面積率は、より好ましくは、５０％以上である。

また、曲面部材３０の凸湾曲部３３は、振動面に基づき規定される振動子有効範囲ＡＲ内に位置する処理槽１０の壁面及び／又は底面の全面積に対して、１％以上８０％以下の面積率を有することが好ましい。ここで、凸湾曲部３３の面積とは、超音波印加機構２０の振動面に向かう凸湾曲部３３の面積を意味している。換言すれば、第一音波が到達可能な範囲の面積が、凸湾曲部３３の面積となる。例えば、曲面部材３０がパイプ状のものである場合、半円に対応する曲面の面積が、考慮される凸湾曲部３３の面積となる。処理槽１０の壁面等の全面積に対する凸湾曲部３３の面積率が上記範囲内となることで、曲面部材３０の凸湾曲部３３まで到達した超音波を、効果的に拡散させることが可能となり、処理槽１０の全体にわたってより均一に超音波を伝播させることが可能となる。処理槽１０の壁面等の全面積に対する面積率が１％未満である場合には、曲面部材３０による超音波の拡散効果が極端に不足してしまう。一方、処理槽１０の壁面等の全面積に対する面積率が８０％を超える場合には、超音波の反射方向によっては凹部が存在するようになってしまい、効率良く超音波を拡散できないことがある。処理槽１０の壁面等の全面積に対する面積率は、より好ましくは、３％以上８０％以下であり、更に好ましくは、１０％以上８０％以下である。なお、処理槽１０の全体にわたってより均一に超音波を伝播させるために上記の面積率を設定した上で、当該面積率に合わせて曲面部材３０の寸法および数を設定することにより、より確実に均一な超音波の伝播を実現できる。

また、図５に模式的に示したような、超音波印加機構２０の振動面と、曲面部材３０において凸曲面３１における凸湾曲部３３の最大高さを与える位置と、の間の離隔距離Ｄは、５ｃｍ以上２５０ｃｍ以下であることが好ましい。離隔距離Ｄが５ｃｍ以上２５０ｃｍ以下となることで、より効果的に超音波を拡散させることが可能となる。離隔距離が５ｃｍ未満である場合には、曲面部材３０により反射した超音波が強力となり、超音波印加機構２０の振動面にダメージを与えたり、反射した超音波が干渉して伝播性が低下したりする場合があるため、好ましくない。また、離隔距離Ｄが２５０ｃｍを超える場合には、超音波自体が徐々に減衰し、曲面部材３０による反射効果を享受することが困難となる場合があるため、好ましくない。なお、離隔距離Ｄは、より好ましくは、１０ｃｍ以上２００ｃｍ以下である。

以上、図２〜図５を参照しながら、本実施形態に係る曲面部材３０について、詳細に説明した。

＜溶存気体制御機構４０＞
続いて、再び図１Ｂ及び図１Ｄに戻って、本実施形態に係る超音波洗浄装置１が有していることが好ましい溶存気体制御機構４０について、詳細に説明する。
溶存気体制御機構４０は、処理槽１０の内部に保持されている洗浄液３中の溶存気体量を、適切な範囲内に制御するものである。

本実施形態に係る超音波洗浄装置１において、より均一な超音波伝搬と高い洗浄性とを両立するためには、洗浄液３中の溶存気体量を適切な値に制御することが好ましい。このような洗浄液３中の適切な溶存気体量は、洗浄液３における溶存飽和量の１％以上５０％以下であることが好ましい。溶存気体量が溶存飽和量の１％未満である場合には、超音波によるキャビテーション発生が起こらず、超音波による洗浄性向上能力（表面処理性向上能力）が発揮できないため好ましくない。一方、溶存気体量が溶存飽和量の５０％を超える場合には、溶存した気体により超音波の伝搬が阻害され、処理槽１０全体への均一な超音波伝搬が阻害されるため、好ましくない。洗浄液３中の溶存気体量は、好ましくは、洗浄液３における溶存飽和量の５％以上４０％以下である。

ここで、洗浄液３の温度が変化すれば、洗浄液３の溶存飽和量は変化する。また、洗浄液３の温度変化に起因する、洗浄液３を構成する液体の分子運動量（例えば、水分子運動量）の違いが、伝搬性に影響する。具体的には、温度が低ければ、洗浄液３を構成する液体の分子運動量は少なく、超音波を伝搬しやすくなり、洗浄液３の溶存飽和量も高くなる。従って、上記範囲内となるような所望の溶存気体量を実現可能なように、洗浄液３の温度を適宜制御することが好ましい。洗浄液３の温度は、洗浄液３を用いて実施する具体的な処理内容にもよるが、例えば、２０℃〜８５℃程度であることが好ましい。

具体的には、洗浄液３中の溶存気体量は、例えば、０．１ｐｐｍ以上１１．６ｐｐｍ以下であることが好ましく、１．０ｐｐｍ以上１１．０ｐｐｍ以下であることがより好ましい。そのため、溶存気体制御機構４０は、処理槽１０内に保持された洗浄液３中の溶存気体量が上記のような範囲の値となるように、洗浄液３の温度や洗浄液３中の溶存気体量を制御する。

溶存気体量の制御方法には、真空脱気、化学薬品による脱気等、様々な方法が存在しており、適宜選択することが可能である。また、洗浄液３中の溶存気体量は、隔膜電極法及び光学式溶存酸素計といった、公知の機器によって測定することが可能である。

ここで、水溶液中の溶存気体は、主に、酸素、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴンであり、水溶液の温度や成分に影響を受けるものの、酸素と窒素がその大半を占めている。

＜ファインバブル供給機構５０＞
続いて、再び図１Ｃ及び図１Ｄに戻って、本実施形態に係る超音波洗浄装置１が有していることが好ましいファインバブル供給機構５０について、詳細に説明する。
ファインバブル供給機構５０は、超音波印加機構２０から印加される超音波の周波数に応じた気泡径（平均気泡径）を有するファインバブルを、供給管を介して、処理槽１０に保持された洗浄液３中へと供給するものである。ファインバブルとは、平均気泡径が１００μｍ以下である微細気泡である。かかるファインバブルのうち、平均気泡径がμｍサイズのファインバブルを、マイクロバブルと称することがあり、平均気泡径がｎｍサイズのファインバブルを、ナノバブルと称することがある。ファインバブルは、被洗浄物に対する超音波の伝播効率を向上させ、超音波キャビテーションの核として洗浄性を向上させるものである。

洗浄液中に供給されるファインバブルの平均気泡径は、０．０１μｍ〜１００μｍであることが好ましい。ここで、平均気泡径とは、ファインバブルの直径に関する個数分布において、標本数が最大となる直径である。平均気泡径が０．０１μｍ未満の場合、ファインバブル供給機構５０が大型となり、気泡径を整えてのファインバブルの供給が困難になる場合がある。また、平均気泡径が１００μｍを超える場合には、ファインバブルの浮上速度が増加することで洗浄液中でのファインバブルの寿命が短くなり、現実的な洗浄が出来なくなる場合がある。また、気泡径が大きすぎる場合、超音波の伝播がファインバブルによって阻害され、超音波の持つ洗浄力向上効果が低下してしまう場合がある。

また、洗浄液３中におけるファインバブルの濃度（密度）は、１０^３個／ｍＬ〜１０^{１ ０}個/ｍＬであることが好ましい。ファインバブルの濃度が１０^３個／ｍＬ未満である場合には、ファインバブルによる超音波伝搬性向上作用が十分得られない場合があり、また、洗浄に必要な超音波キャビテーションの核が少なくなってしまい、好ましくない。また、ファインバブルの濃度が１０^１０個／ｍＬ超である場合には、バブル発生装置が大型になったり、バブル発生装置の台数を増やすことになったりして、ファインバブルの供給が現実的ではない場合があり、好ましくない。

更に、ファインバブル供給機構５０は、洗浄液３中において、超音波の周波数に共振する直径である周波数共振径以下の気泡径を有するファインバブルの個数の割合が洗浄液３中に存在するファインバブル全体の個数の７０％以上となるように、ファインバブルを供給することが好ましい。以下、その理由について説明する。

ファインバブルを含む各種気泡の固有振動数は、Ｍｉｎｎａｅｒｔ共振周波数とも呼ばれ、以下の式１０１で与えられる。

ここで、上記式１０１において、
ｆ_０：気泡の固有振動数（Ｍｉｎｎａｅｒｔ共振周波数）
Ｒ_０：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。

いま、着目する気泡の内部に空気が存在するとした場合に、気泡の周辺液体が水であり、圧力が大気圧であるとすると、気泡の固有振動数と気泡の平均半径との積ｆ_０Ｒ_０の値は、上記式１０１より約３ｋＨｚ・ｍｍ程度となる。これより、印加される超音波の周波数が２０ｋＨｚであれば、かかる超音波に共振する気泡の半径Ｒ_０は、約１５０μｍとなるため、周波数２０ｋＨｚの超音波に共振する気泡の直径である周波数共振径２Ｒ_０は、約３００μｍとなる。同様に、印加される超音波の周波数が１００ｋＨｚであれば、かかる超音波に共振する気泡の半径Ｒ_０は、約３０μｍとなるため、周波数１００ｋＨｚの超音波に共振する気泡の直径である周波数共振径２Ｒ_０は、約６０μｍとなる。

この際に、共振半径Ｒ_０よりも大きな半径を有する気泡は阻害因子となる。なぜなら、ファインバブルを含む気泡が共振する際、気泡は、短時間に膨張と収縮とを繰り返し、最終的には圧壊するが、第一音波が気泡を通過する時点で気泡の大きさが周波数共振径２Ｒ _０よりも大きければ、超音波は気泡表面で拡散してしまうからである。逆に、第一音波が気泡を通過する時点で気泡の大きさが周波数共振径２Ｒ_０よりも小さければ、超音波は気泡表面で拡散せずに気泡中を通過することができる。

かかる観点から、洗浄液３中において、周波数共振径２Ｒ_０以下の気泡径を有するファインバブルの個数の割合を、洗浄液３中に存在するファインバブル全体の個数の７０％以上とすることが好ましい。周波数共振径２Ｒ_０以下の気泡径を有するファインバブルの個数の割合を７０％以上とすることで、超音波の伝播効率を更に向上させることが可能となる。また、第一音波を処理槽１０の壁面／底面まで伝播させることで、処理槽１０全体への超音波の拡散及び反射が繰り返され、均一な超超音波処理槽を実現することが可能となる。また、周波数共振径２Ｒ_０以下であった気泡も、所定の超音波照射時間を超えると膨張と収縮とを繰り返して圧壊し、キャビテーション洗浄に寄与することができる。

なお、周波数共振径２Ｒ_０以下の気泡径を有するファインバブルの個数の割合は、ファインバブル発生直後に膨張する泡が少なからず存在することを考慮して、９８％以下であることが好ましい。周波数共振径２Ｒ_０以下の気泡径を有するファインバブルの個数の割合は、より好ましくは、８０％以上９８％以下である。

ここで、ファインバブル発生の基本機構には、気泡のせん断、気泡の微細孔通過、減圧によるキャビテーション（気化）、気体の加圧溶解、超音波、電気分解、化学反応等といった様々な機構が存在し、適宜選択することが可能である。本実施形態に係るファインバブル供給機構５０では、ファインバブルの気泡径と濃度とを容易に制御することが可能な、ファインバブル発生方式を利用することが好ましい。このファインバブル発生方式は、例えば、せん断方式でファインバブルを発生させた後に、洗浄液を所定サイズの微細孔を有するフィルターに通すことで、ファインバブルの気泡径等を制御する方式である。

ここで、ファインバブルの平均気泡径や濃度（密度）は、液中パーティクルカウンターや気泡径分布計測装置等といった、公知の機器により測定することが可能である。例えば、レーザー回析散乱法での散乱光分布から算出する広範囲の気泡径分布（数ｎｍ〜数百μｍ）を測定できる島津製作所製ＳＡＬＤ−７１００Ｈや、電気抵抗法での開口部通過時の電気抵抗変化からμｍサイズの個数・濃度を測定できるベックマンコールター製Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ４、ブラウン運動観測法でのレーザー光照射で粒子のブラウン運動観察ビデオを用いて速度からｎｍサイズの個数・濃度を測定できるＭａｌｖｅｒｎ製ＮａｎｏＳｉｇｈｔＬＭ１０等がある。

以上のようにして発生させたファインバブルは、一般的な洗浄液３の液性条件下では、表面電位が負に帯電していることが多い。一方で、被洗浄物の表面に存在している洗浄対象物（例えば、鋼管におけるスケール、スマット、油分等）は、正に帯電していることが多いため、ファインバブルが洗浄対象物の近傍まで到達すれば、かかる帯電性の違いによって、ファインバブルが洗浄対象物へと吸着することとなる。本実施形態に係る超音波洗浄装置１がファインバブル供給機構５０を有する場合、ファインバブルが印加された超音波によってキャビテーションを発生させることで洗浄対象物を更に洗浄することでき、より効率良く洗浄を行うことが可能となる。

＜反射板＞
なお、処理槽１０の洗浄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、再び洗浄液３の方へと伝播していくこととなる。これにより、洗浄液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。なお、本実施形態においては、処理槽１０内に曲面部材３０が配置されていることにより、反射板を配置した場合であっても、定在波の発生が防止されている。

特に、例えば図６に模式的に示したように、曲面部材３０と、かかる曲面部材３０が保持されている処理槽１０の壁面又は底面と、の間に、超音波を反射させる反射板６０を設けることで、より効率良く超音波を利用することが可能となる。

また、処理槽１０の壁面及び底面の曲面部材３０が配置されていない部位に、反射板が配置されてもよい。このように反射板が存在することにより、超音波が処理槽１０の壁面及び底面において吸収されることが防止され、反射される。これにより、洗浄液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。また、この場合において、処理槽１０の洗浄液と接する壁面及び底面の曲面部材３０が配置されていない部位に対する反射板の面積率は、大きければ大きいほどよく、特に限定されず、例えば８０％以上、好ましくは９０％以上であることができる。

以上、図１Ａ〜図６を参照しながら、本実施形態に係る超音波洗浄装置１の全体的な構成について、詳細に説明した。

（周波数の掃引処理）
続いて、超音波印加機構２０における周波数の掃引処理について、簡単に説明する。
先だって言及したように、本実施形態に係る超音波印加機構２０は、ある選択した超音波の周波数を中心として±０．１ｋＨｚ〜±１０ｋＨｚの範囲で周波数を掃引しつつ超音波を印加することが可能な、周波数掃引機能を有していることが好ましい。このような周波数掃引機能によって、以下のような２つの更なる効果を実現することが可能となる。

液体中に存在している、ファインバブルを含む微小気泡に対して超音波を印加した場合、微小気泡に対して、Ｂｊｅｒｋｎｅｓ力と呼ばれる力が作用し、微小気泡は、周波数に依存する共振気泡半径Ｒ_０に応じて、超音波の腹や節の位置に引き寄せられることとなる。ここで、超音波印加機構２０が有している周波数掃引機能によって、超音波の周波数が変化した場合、周波数に依存する共振気泡半径Ｒ_０は、周波数の変化に応じて広がることとなる。その結果、キャビテーション発生の泡径が広がることとなり、多くの微小気泡（例えば、ファインバブル）をキャビテーション核として利用することが可能となる。これにより、超音波印加機構２０が有している周波数掃引機能によって、本実施形態に係る超音波洗浄装置１の洗浄効率が更に向上することとなる。

一方、超音波の一般的な性質として、「超音波の波長が照射物体の厚みに対応する波長の１／４となったときに、超音波が照射物体を透過する」という現象が知られている。そこで、周波数を適切な範囲で掃引しながら超音波を印加することで、例えば被洗浄物が管状体等の中空部を有するものであった場合に、管状体内へと透過する超音波を増加させることが可能となり、本実施形態に係る超音波洗浄装置１の洗浄効率が更に向上することとなる。

ここで、照射物体表面での超音波の透過を考える場合、超音波は、照射物体に垂直入射する場合だけでなく、多重反射を繰り返しながら伝播していくため、一定の音場は形成しづらい傾向にある。その中でも、照射物体の壁面を透過する条件を生み出すために、被洗浄物の位置がどこに存在していたとしても、「超音波の波長が、被洗浄物の厚みに対応する波長の１／４となる」という条件を満たすことが可能な周波数を実現することが好ましい。このような周波数の範囲について、本発明者は検討したところ、ある選択した超音波の周波数を中心として±０．１ｋＨｚ〜±１０ｋＨｚの範囲で周波数を掃引しつつ超音波を印加することで、上記のような超音波の透過が実現可能であることが明らかとなった。

次に、実施例及び比較例を示しながら、本発明に係る超音波洗浄装置及び超音波洗浄方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも本発明に係る超音波洗浄装置及び超音波洗浄方法の一例であって、本発明に係る超音波洗浄装置及び超音波洗浄方法が、以下に示す例に限定されるものではない。

（実験例１）
本実験例では、図７Ａ及び図７Ｂに模式的に示したような超音波洗浄装置１を用いて、鋼板の水洗（リンス）処理を行った。リンス溶液としては、常温（２５℃）の浄水を用いた。処理槽１０は、外壁がＳＵＳ製である、幅２．０ｍ×長さ７ｍ×深さ０．５ｍの容量７ｍ^３のものを用いた。被洗浄物である鋼板は、処理槽１０内に設けられたロールに保持されている状態とした。超音波印加機構２０の超音波発振器は、出力が１２００Ｗのものを用いた。超音波の周波数を、４０ｋＨｚ（音速ｃ＝１５００ｍ／ｓにおける波長λ：３７．５ｍｍ）とし、図７Ａ及び図７Ｂに模式的に示したように、ＳＵＳ製投込み振動子５台を処理槽１０の長辺片側壁面に配置して、超音波を印加した。また、図７Ａ及び図７Ｂに模式的に示したように、処理槽１０の超音波振動子が設けられていない側の壁面に対して、ＳＵＳ製投込み振動子と対向するように５個の曲面部材３０を設置した。処理槽１０に設置する曲面部材３０に関して、大きさ、形状、材質（固有音響インピーダンス）、表面積、振動面からの距離、曲面部材３０同士の距離をそれぞれ変化させて、得られた結果の比較を行った。なお、本実験例では、溶存気体制御機構４０として、三浦工業製膜式脱気装置ＰＤＯ４０００Ｐを用い、試験時に溶存気体量を制御した。ＨＯＲＩＢＡ製溶存酸素計ＬＡＱＵＡ ＯＭ−５１を用い、溶存気体量に比例する値として溶存酸素量を測定し、溶存飽和量に対する溶存気体量（％）を見積もった。なお、以下の表１、表２における溶存気体量５％、４０％、９５％は、具体的な濃度としては、それぞれ１．１ｐｐｍ、９．１ｐｐｍ、２１．５ｐｐｍに対応している。また、溶存気体量９５％は、溶存気体制御を行っていない浄水そのままを用いた場合の値である。

本実験例では、図８に模式的に示したように、超音波レベルモニター（カイジョー製１９００１Ｄ）を用いて、処理槽１０の長さ方向については０．５ｍ間隔、処理槽１０の幅方向については、壁面から０．５ｍの位置の計２６か所で超音波強度（ｍＶ）の測定を行い、相対超音波強度（比較例１の測定結果、すなわち、凸湾曲部３３を設置しなかった場合における測定超音波強度を１としたときの相対強度）及び標準偏差（σ）を算出することで、処理槽１０全体の超音波の伝搬性を比較した。また、以下に示す比較例５では、ＳＵＳ製投込み振動子が設けられたのと同じ壁面に曲面部材３０を設け、凸湾曲部３３が振動面に対向しないようにした。本実験例の実験条件及び得られた結果を、以下の表１、表２にまとめて示した。

なお、以下の表１、表２において、曲面部材の形状のうち「丸パイプ」と記載されたものは、長軸方向に対して垂直な断面の外形が円形状である、中空の管状体を用いたことを意味し、「円柱」と記載されたものは、長軸方向に対して垂直な断面の外形が円形状である、中実の柱状体を用いたことを意味する。また、曲面部材の形状のうち「扁平パイプ」と記載されたものは、長軸方向に対して垂直な断面の外形が楕円形状である、中空の管状体を用いたことを意味する。更に、「波板（角）」と記載したものは、波打ち部分が非凸湾曲部３５として機能する波板を用いたことを意味する。また、曲面部材の形状のうち「エンボス」と記載されたものは、板状の素材表面に対してφ１０ｍｍの半球を千鳥配置にエンボス加工したものを用いたことを意味する。また、曲面部材の形状のうち「丸パイプ＋遮蔽板」と記載されたものは、超音波印加機構２０のＳＵＳ製投込み振動子と丸パイプとの間に、第一音波を遮る遮蔽板を配置したことを意味する。

また、以下の表１、表２において、「最大高さＨ」は、先だって説明したような、振動子面に向かって凸となる凸湾曲部３３の最大高さを意味し、丸パイプや円柱の場合は、半径に相当する値となる。また、以下の表１、表２において、「部材内凸湾曲部面積率」は、曲面部材３０のうち、振動子面に対向する凸湾曲部３３の面積率を意味している。また、以下の表１、表２において、「曲面部材の数」とは、１つの曲面部材３０における凸湾曲部３３の個数を意味し、凸湾曲部３３が連続しているものは、１と表した。

まず、比較例をみると、凸湾曲部３３の存在しない曲面部材３０を設けた比較例２〜３と、第一音波の超音波を遮るように凸湾曲部３３の前に設けられた遮蔽板が存在する比較例４と、振動面と同じ壁面に凸湾曲部を設けた比較例５では、本発明の実施形態に係る曲面部材３０を処理槽に保持しなかった比較例１と比較して、処理槽１０全体の相対超音波強度の平均はほぼ変わらなかった。また、ばらつき指標である標準偏差についても、超音波強度３３ｍＶに対して２０を超えており、超音波の伝搬が不均一であることが分かる。

一方、本発明の実施形態に係る曲面部材３０を設けた実施例１〜２０では、相対超音波強度は１．５倍以上と高い値を示した。特に、振動子面からの離隔距離Ｄが２．５ｍ以内であり、かつ、外側に３０°以内の振動子有効範囲内に１％以上８０％以下の面積率で凸湾曲部３３を有する実施例４〜８では、２倍以上の相対超音波強度が観測され、標準偏差も小さくなった。また、凸湾曲部３３の形状を変えた際に、面積率が１％以上８０％以下の範囲内であり、かつ、凸湾曲部３３の最大高さＨがλ／２＜Ｈである実施例１３，１６，１８においても、同様に２倍以上の相対超音波強度が観測された。

また、固有音響インピーダンスが１×１０^７に満たない素材からなる実施例１０，１１よりも、固有音響インピーダンスが１×１０^７以上の素材からなる実施例５の方が、相対超音波強度は高くなった。更には、溶存気体量を制御した場合の実施例１７，１８においては、相対超音波強度は比較例１の３．５倍以上となり、また、標準偏差が更に小さくなり、より均一な伝搬が観測された。

（実験例２）
本実験例では、図９Ａ及び図９Ｂに模式的に示したような超音波洗浄装置１を用いて、表面に油分が付着した鋼管の脱脂処理を行った。脱脂溶液としては、温度６０℃のアルカリ系の脱脂液を用いた。処理槽１０は、外壁が鋼鉄製で表面にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）ライニングされており、幅１．０ｍ×長さ１５．０ｍ×深さ０．６ｍの容量９ｍ^３のものを用いた。かかる処理槽１０に対して、表面に油分が付着した鋼管を、所定時間浸漬した。具体的には、処理槽１０内の中央に、被洗浄物として、内径４０ｍｍ、長さ１０ｍの鋼管を２０本設置し、洗浄評価を行なった。

超音波印加機構２０の超音波発振器は、出力が１２００Ｗのものを用いた。超音波振動子は、ＳＵＳ製投込み振動子を１０台用い、図９Ａ及び図９Ｂに模式的に示したように、処理槽１０の長手方向の壁面に５台ずつ設置した。用いた超音波発振器は、超音波の周波数を掃引可能なものであり、本実験例では、周波数を２５ｋＨｚ〜１９２ｋＨｚとした。なお、超音波の各周波数ｆに対応する波長λは、音速ｃ＝１５５０ｍ／ｓとしたときに、ｃ＝ｆ・λの関係から算出することが可能である。

図９Ａ及び図９Ｂに模式的に示したように、処理槽１０の壁面及び底面の一部に、曲面部材３０を設置し、この曲面部材３０上に被洗浄物である鋼管が保持されるようにした。また、一部の実施例では、処理槽１０の壁面と曲面部材３０との間に、所定材質の反射板を設置した。なお、かかる曲面部材３０は、ＳＵＳ製パイプであり、内部は空洞とした。曲面部材３０の形状（外形）、大きさ、本数、振動面からの距離を様々に変化させて、得られた結果の比較を行った。

本実験例では、溶存気体制御機構４０として、三浦工業製膜式脱気装置ＰＤＯ４０００Ｐを用い、実験時は、溶存飽和量に対する溶存気体量を０．５％、４０％、または９５％に制御した。かかる制御に際して、ＨＯＲＩＢＡ製溶存酸素計ＬＡＱＵＡ ＯＭ−５１を用い、溶存気体量に比例する値として溶存酸素量を測定し、溶存飽和量に対する溶存気体量（％）を見積もった。なお、以下の表３、４における溶存気体量０．５％、４０％、９５％は、具体的な濃度としては、それぞれ、０．０８ｐｐｍ、６．４ｐｐｍ、１５．２ｐｐｍに対応している。また、溶存気体量９５％は、溶存気体制御を行っていない浄水そのままを用いた場合の値である。

また、本実験例では、ファインバブル供給機構５０として、ＯＨＲ流体工学研究所製２ＦＫＶ−２７Ｍ／ＭＸ−Ｆ１３を用い、脱脂溶液に対してファインバブルを供給しながら、超音波とファインバブルとを併用して検証を行った。ファインバブルの気泡径（平均気泡径）及び総個数は、精密粒度分布測定装置（ベックマンコールター製Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ４）及びナノ粒子解析装置（Ｍｕｌｖｅｒｎ製ＮａｎｏＳｉｇｈｔ ＬＭ１０）を用いて測定した。

本実験例では、鋼板表面の油分除去率を測定し、測定した油分除去率を脱脂性能として評価した。より詳細には、洗浄前後の質量変化量から油分除去量を算出し、鋼板表面に付着した油分総量に対する各洗浄条件で除去できた油分除去量の割合を、油分除去率とした。なお、下記の表３、４における脱脂性能の評価基準は、以下の通りである。

油分除去率
１００％以下〜９８％以上：Ａ１
９８％未満〜９５％以上：Ａ２
９５％未満〜９３％以上：Ｂ１
９３％未満〜９０％以上：Ｂ２
９０％未満〜８５％以上：Ｃ１
８５％未満〜８０％以上：Ｃ２
８０％未満〜６０％以上：Ｄ
６０％未満〜４０％以上：Ｅ
４０％未満 ：Ｆ

すなわち評価Ａ１〜評価Ｂ２は、脱脂性能が非常に良好であったことを意味し、評価Ｃ１、Ｃ２は、脱脂性能が良好であったことを意味し、評価Ｄは、脱脂性能にやや難があったことを意味し、評価Ｅ及び評価Ｆは、脱脂性能が不良であったことを意味する。

まず、比較例を見ると、本発明の実施形態に係る曲面部材３０を処理槽１０に保持しなかった比較例１〜２と、凸湾曲部３３を有しない曲面部材３０を設けた比較例３〜４と、超音波を遮るように凸湾曲部３３の前段に設けられた遮蔽板の存在する比較例５と、振動子面から７７５ｍｍ（反射板と振動面との距離がλ／４・（２ｎ−１）を満たす）位置に反射板を平行に設置した比較例６では、脱脂性能が不良もしくは洗浄不足となる領域が発生した。

一方、本発明の実施形態に係る凸湾曲部３３を設け、凸湾曲部３３の最大高さＨ、凸湾曲部３３の面積率、傾斜角θ、周波数の範囲を変化させた実施例１〜８は、脱脂性能が良好であることが確認された。特に、周波数の掃引や、ファインバブルの適正範囲内での供給を行った実施例９〜１７、２３において、優れた脱脂性能が確認された。また、反射板を設けた実施例１９〜２０においても、優れた脱脂性能が確認された。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 超音波洗浄装置
３ 洗浄液
１０ 処理槽
２０ 超音波印加機構
３０ 曲面部材
３１ 凸曲面
３３ 凸湾曲部
３５ 非凸湾曲部
４０ 溶存気体制御機構
５０ ファインバブル供給機構
６０ 反射板

Claims (19)

1. 被洗浄物を洗浄する洗浄液を収容し、前記被洗浄物が浸漬される処理槽と、
   前記処理槽の内部に保持された前記洗浄液に対して超音波を印加する複数の超音波印加機構と、
   前記超音波印加機構の振動面に対して、当該振動面の端部における法線方向から外側に所定の傾斜角で規定される範囲内に位置し、前記処理槽の壁面及び／又は底面に保持され、所定の間隔を空けて配置され、凹部を含まない、複数の曲面部材と、
   を備え、
   前記曲面部材は、
   球面又は非球面の表面形状を有する凸湾曲部が少なくとも存在し、当該凸湾曲部が、前記凸湾曲部以外の部分よりも前記振動面側に突出した状態となっている凸曲面を有しており、
   前記超音波印加機構から照射され、かつ、反射の生じていない音波である第一音波の少なくとも一部が前記凸曲面の前記凸湾曲部に到達するように、前記凸曲面が前記振動面に向かう状態で保持されている、超音波洗浄装置。
2. 前記凸曲面における前記凸湾曲部の最大高さＨは、前記超音波の波長をλとしたときに、λ／２＜Ｈの関係を満足する、請求項１に記載の超音波洗浄装置。
3. 前記傾斜角の大きさは、０度以上３０度以下である、請求項１又は２に記載の超音波洗浄装置。
4. 前記曲面部材の前記凸湾曲部は、前記振動面に基づき規定される前記範囲内に位置する前記曲面部材の全表面積に対して、３０％以上の面積率を有する、請求項１〜３の何れか１項に記載の超音波洗浄装置。
5. 前記曲面部材の前記凸湾曲部は、前記振動面に基づき規定される前記範囲内に位置する前記処理槽の壁面及び／又は底面の全面積に対して、１％以上８０％以下の面積率を有する、請求項１〜４の何れか１項に記載の超音波洗浄装置。
6. 前記曲面部材ならびに前記曲面部材が配置される前記壁面及び／又は前記底面は、凹部を有さない、請求項１〜５の何れか１項に記載の超音波洗浄装置。
7. 前記複数の曲面部材同士の離隔距離Ｌは、当該曲面部材の凸湾曲部の最大高さＨに対して、３Ｈ＜Ｌの関係を満足する、請求項１に記載の超音波洗浄装置。
8. 前記振動面と、前記曲面部材において前記凸曲面における前記凸湾曲部の最大高さを与える位置と、の間の離隔距離Ｄは、５ｃｍ以上２５０ｃｍ以下である、請求項１〜７の何れか１項に記載の超音波洗浄装置。
9. 前記曲面部材は、音響インピーダンスが１×１０ ^７ ［ｋｇ・ｍ ^−２ ・ｓｅｃ ^−１ ］以上２×１０ ^８ ［ｋｇ・ｍ ^−２ ・ｓｅｃ ^−１ ］以下である素材からなる曲面部材である、請求項１〜８の何れか１項に記載の超音波洗浄装置。
10. 前記処理槽に保持された前記洗浄液中の溶存気体量を制御する溶存気体制御機構を更に備える、請求項１〜９の何れか１項に記載の超音波洗浄装置。
11. 前記溶存気体制御機構は、前記溶存気体量が前記洗浄液における溶存飽和量の１％〜５０％となるように制御する、請求項１０に記載の超音波洗浄装置。
12. 前記処理槽に保持された前記洗浄液中に、所定の平均気泡径を有するファインバブルを供給するファインバブル供給機構を更に備える、請求項１〜１１の何れか１項に記載の超音波洗浄装置。
13. 前記ファインバブル供給機構は、平均気泡径が０．０１μｍ〜１００μｍである前記ファインバブルを、気泡総量が１０ ^３ 個／ｍＬ〜１０ ^１０ 個／ｍＬとなるように供給する、請求項１２に記載の超音波洗浄装置。
14. 前記ファインバブル供給機構は、前記洗浄液中において、前記超音波の周波数に共振する直径である周波数共振径以下の気泡径を有する前記ファインバブルの個数の割合が前記洗浄液中に存在する前記ファインバブル全体の個数の７０％以上となるように、前記ファインバブルを供給する、請求項１２又は１３に記載の超音波洗浄装置。
15. 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１〜１４の何れか１項に記載の超音波洗浄装置。
16. 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、前記洗浄液に対して超音波を印加する、請求項１〜１５の何れか１項に記載の超音波洗浄装置。
17. 前記曲面部材と、当該曲面部材が保持されている前記処理槽の壁面又は底面と、の間に、超音波を反射させる反射板が更に設けられる、請求項１〜１６の何れか１項に記載の超音波洗浄装置。
18. 前記処理槽は、前記洗浄液の液面深さが２ｍ以下、全長が２５ｍ以下である、請求項１〜１７の何れか１項に記載の超音波洗浄装置。
19. 被洗浄物を洗浄する洗浄液の収容された処理槽を用いて、前記被洗浄物を洗浄する洗浄方法であって、前記処理槽に対して、前記洗浄液に対して超音波を印加する超音波印加機構が設けられるとともに、前記超音波印加機構の振動面に対して、当該振動面の端部における法線方向から外側に所定の傾斜角で規定される範囲内に位置する前記処理槽の壁面及び／又は底面に対して、所定の間隔を空けて配置された、凹部を含まない複数の曲面部材が設けられており、
    前記洗浄方法は、
    前記処理槽に保持された前記洗浄液に対して、超音波を印加することと、
    超音波の印加された前記洗浄液に対して、前記被洗浄物を浸漬させることと、
    を含み、
    前記曲面部材は、
    球面又は非球面の表面形状を有する凸湾曲部が少なくとも存在し、当該凸湾曲部が、前記凸湾曲部以外の部分よりも前記振動面側に突出した状態となっている凸曲面を有しており、
    前記超音波印加機構から照射され、かつ、反射の生じていない音波である第一音波の少なくとも一部が前記凸曲面の前記凸湾曲部に到達するように、前記凸曲面が前記振動面に向かう状態で保持されている、超音波洗浄方法。

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