JP6863540B1 - 超音波処理装置及びファインバブルの供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の耐久性に優れ、超音波の伝搬に適した溶存気体量を実現でき、かつ、超音波を用いた処理により適合したファインバブルを安定して発生させること。【解決手段】本発明に係る超音波処理装置は、処理液と被処理物とを収納可能な処理部と、処理部に設けられ、被処理物に対して超音波を印加する超音波発生器と、処理部の中の処理液を循環させる循環経路とを備え、前記循環経路には、処理液引抜配管に対して直列に設けられ、引き抜かれた処理液を脱気するとともに、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器が設けられる。ファインバブル発生器は、開口流路の大きさが処理液引抜配管の内径よりも狭まっている狭隘部を２つ以上有し、隣り合う狭隘部の開口流路は、処理液が直進しないように構成されており、各減圧区域における開口断面積は、所定の関係を満足する。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、超音波処理装置及びファインバブルの供給方法に関する。

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、金属体の表面に存在する汚れや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対して金属体を浸漬することで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処理装置や、超音波を利用した超音波処理装置がある。

このような超音波を利用した超音波処理装置において、超音波洗浄におけるキャビテーション作用を強化するために、超音波伝播性の向上のために脱気を行ったり、キャビテーションの核となる微細気泡を導入したりする等といった工夫がなされてきた。例えば、脱気を行う方法として、真空ポンプを用いた脱気方法、中空糸膜を用いた脱気方法、絞りを用いた脱気方法等が提案されている。また、例えば微細気泡を導入する方法としては、高速旋回による気泡微細化方法や、気体を高圧過飽和溶解させて解放時に微細気泡を発生させる方法等が提案されている。しかしながら、上記のような脱気方法及び微細気泡発生方法は、それぞれ専用のユニットが必要であり、これらの方法を組み合わせた装置は大型化し、非常に高価なものであった。

そこで、近年、安定した微細気泡の発生と、溶存気体量の調整（すなわち、脱気）と、を一体化させた装置について、検討が行われるようになってきている。

例えば以下の特許文献１には、洗浄液をプロペラ式の循環ポンプへと導入する流路内に設けた障害物により気泡を発生させて、循環ポンプのプロペラにより気泡を微細化するとともに、流路に接続された脱気装置により洗浄液の脱気を行う装置が提案されている。

また、以下の特許文献２には、液体を送液ポンプの吸入管路に導き、吸入管路の一部を絞ることで、絞りと送液ポンプとの間で減圧を行うとともに、液中の溶存気体を気泡として遊離させる方法が提案されている。

また、以下の特許文献３には、処理液を循環させる循環経路に対して、送液方向が互いに逆向きとなるように２つのポンプを設けることで、処理液の脱気と、微細気泡の発生と、を行う装置が提案されている。

また、微細気泡を発生させるための技術として、以下の特許文献４及び特許文献５には、液体の流路内に間隔をあけて邪魔板等を設け、液体が邪魔板等に衝突することによって生じるキャビテーションを利用する方法が提案されている。

特開２００８−２９６２１７号公報 特開平７−３２８３１６号公報 特開２０２０−１４９８９号公報 特開２００５−９５８７７号公報 特表２０１６−５３６１３９号公報

しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に開示されている技術では、微細気泡は発生させることができるものの、超音波を用いた洗浄処理に十分に適合した気泡径を有するファインバブルが、安定して生成されるものではなかった。また、上記特許文献１に開示されている技術では、循環ポンプのプロペラにより気泡を剪断することで微細気泡を発生させるために、プロペラが壊食によって破損する可能性があり、装置の耐久性が十分ではなかった。更に、上記特許文献２に開示されている技術では、発生させた泡を浮上分離するための気液分離槽が設けられており、意図的に泡を排除することを目的として粗大な泡を発生させており、ファインバブルを発生させる能力がなかった。

また、上記特許文献３〜特許文献５に開示されている技術を用いたとしても、超音波を用いた洗浄処理に十分に適合した気泡径を有するファインバブルの安定生成という観点において、未だ改善の余地があった。

特に、上記特許文献４は、加圧された状況から減圧を行うことで、キャビテーションにより生じた気泡を微細化させる技術である。本発明者らが検討した結果、減圧後の圧力を１気圧以下とすることができない限り、液中に溶け込んだ気体を気泡化できないことが明らかとなった。そのため、上記特許文献４では、脱気とファインバブルとの両立が困難となってしまう。

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、装置の耐久性に優れ、超音波の伝搬に適した溶存気体量を実現でき、かつ、超音波を用いた処理により適合したファインバブルを安定して発生させることが可能な、超音波処理装置及びファインバブルの供給方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討を行った結果、所定の条件を満たす複数段の狭隘部を、処理液を循環ポンプへと導入する配管に適切に設けることで、超音波を用いた処理により適合したファインバブルを安定して発生させることができ、機構の耐久性にも影響が出ないとの知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。
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］処理液と、被処理物と、を収納することができる処理部と、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発生器と、前記処理部の中の前記処理液を循環させるための循環経路と、を備え、前記循環経路は、前記処理液を循環させる循環ポンプと、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と、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と、を有しており、かつ、前記処理液引抜配管に対して直列に、引き抜かれた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器が設けられており、前記ファインバブル発生器は、前記処理液の開口流路の大きさが前記処理液引抜配管の内径よりも狭まっている狭隘部を２つ以上有しており、かつ、隣り合う前記狭隘部の前記開口流路は、前記処理液が直進しないように構成されており、それぞれの前記狭隘部は、前記処理液引抜配管の内径の開口断面積をＡ_０とし、前記処理部側から前記循環ポンプ側に向かってｉ（ｉは、１以上の整数。）番目の前記狭隘部における前記処理液引抜配管の内径の開口断面積をＡ_ｉと表したときに、Ａ_ｉ／Ａ_０として表されるｉ番目の前記狭隘部の開口断面積比Ｒ_ｉが、下記の式（１）を満足し、かつ、ｉ番目の前記狭隘部とｉ＋１番目の前記狭隘部との間隔をＬ_ｉと、表したときに、下記の式（２）を満足し、前記狭隘部の個数をＮとし、前記処理部側から前記循環ポンプ側に向かってＮ番目の前記開口面積比Ｒ _Ｎ と表したときに、下記の式（３）及び式（４）を満足する、超音波処理装置。
［２］前記処理液引抜配管を管軸方向視したときに、隣り合う前記狭隘部の前記開口流路の位置は、互いに重複しない、［１］に記載の超音波処理装置。
［３］前記処理部として、前記処理液を保持する処理槽が設けられており、前記超音波発生器は、前記処理液を介して、前記被処理物に対して間接的に超音波を印加する、［１］又は［２］に記載の超音波処理装置。
［４］前記超音波発生器は、前記処理部内において前記処理液に浸漬された前記被処理物に対して、直接超音波を印加する、［１］又は［２］に記載の超音波処理装置。
［５］前記狭隘部の個数Ｎが、２〜１０である、［１］〜［４］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［６］前記処理液引抜配管の内表面から突出する突出部材により形成された、１つ又は複数の前記狭隘部を有する、［１］〜［５］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［７］前記狭隘部として、前記処理液引抜配管の内表面から突出する可動式の突出部材を有する、［６］に記載の超音波処理装置。
［８］１又は複数の貫通孔が設けられた開口部材により形成された、１つ又は複数の前記狭隘部を有する、［１］〜［７］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［９］前記超音波発生器は、前記超音波の周波数を、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの周波数帯域から選択することができる、［１］〜［８］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［１０］前記超音波発生器は、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ことができる、［１］〜［９］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［１１］処理液と、被処理物と、を収納することができる処理部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発生器と、前記処理部の中の前記処理液を循環させるための循環経路と、を設け、前記循環経路は、前記処理液を循環させる循環ポンプと、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と、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と、を有しており、かつ、前記処理液引抜配管に対して直列に、引き抜かれた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器が設けられており、前記ファインバブル発生器は、前記処理液の開口流路の大きさが前記処理液引抜配管の内径よりも狭まっている狭隘部を２つ以上有しており、かつ、隣り合う前記狭隘部の前記開口流路は、前記処理液が直進しないように構成されており、それぞれの前記狭隘部は、前記処理液引抜配管の内径の開口断面積をＡ_０とし、前記処理部側から前記循環ポンプ側に向かってｉ（ｉは、１以上の整数。）番目の前記狭隘部における前記処理液引抜配管の内径の開口断面積をＡ_ｉと表したときに、Ａ_ｉ／Ａ_０として表されるｉ番目の前記狭隘部の開口断面積比Ｒ_ｉが、下記の式（１）を満足し、ｉ番目の前記狭隘部とｉ＋１番目の前記狭隘部との間隔をＬ_ｉと、表したときに、下記の式（２）を満足し、前記狭隘部の個数をＮとし、前記処理部側から前記循環ポンプ側に向かってＮ番目の前記開口面積比Ｒ _Ｎ と表したときに、下記の式（３）及び式（４）を満足する、ファインバブルの供給方法。
［１２］前記ファインバブル発生器は、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、［１１］に記載のファインバブルの供給方法。
［１３］前記ファインバブル発生器は、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１μｍ〜１００μｍである前記ファインバブルが、気泡密度１×１０^３個／ｍＬ〜１×１０^１０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、［１１］又は［１２］に記載のファインバブルの供給方法。
［１４］前記超音波発生器は、前記超音波の周波数を、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの周波数帯域から選択する、［１１］〜［１３］の何れか１つに記載のファインバブルの供給方法。
［１５］前記超音波発生器は、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、［１１］〜［１４］の何れか１つに記載のファインバブルの供給方法。

Ｒ_ｉ＝０．１０〜０．５０ ・・・式（１）
１．０≦Ｌ_ｉ／２（Ａ_０／π）^０．５≦５．０ ・・・式（２）
Ｒ_ｉ＋１≧Ｒ_ｉ ・・・式（３）
Ｒ_Ｎ／Ｒ_１≧１．１０ ・・・式（４）

以上説明したように本発明によれば、超音波の伝播に適した溶存気体量を実現でき、かつ、超音波を用いた処理において、より適合したファインバブルを安定して発生させることができ、装置の耐久性にも優れる超音波処理装置及びファインバブルの供給方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る超音波処理装置の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処理装置の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処理装置が備えるファインバブル発生器について説明するための説明図である。 同実施形態に係る超音波処理装置が備えるファインバブル発生器について説明するための説明図である。 同実施形態に係る超音波処理装置が備えるファインバブル発生器について説明するための説明図である。 同実施形態に係る超音波処理装置が備えるファインバブル発生器について説明するための説明図である。 同実施形態に係る超音波処理装置が備えるファインバブル発生器について説明するための説明図である。 同実施形態に係る超音波処理装置が備えるファインバブル発生器について説明するための説明図である。 同実施形態に係る超音波処理装置が備えるファインバブル発生器について説明するための説明図である。 ファインバブル発生器の内部における圧力変化の様子を示したグラフ図である。 ファインバブル発生器の内部における圧力変化の様子を示したグラフ図である。 ファインバブル発生器の内部における圧力変化の様子を示したグラフ図である。 ファインバブル発生器の内部における圧力変化の様子を示したグラフ図である。 ファインバブル発生器の内部における圧力変化の様子を示したグラフ図である。 ファインバブル発生器の内部における圧力分布の様子を示したグラフ図である。 ファインバブル発生器の内部における圧力分布の様子を示したグラフ図である。 ファインバブル発生器の内部における圧力分布の様子を示したグラフ図である。 ファインバブル発生器の内部における圧力分布の様子を示したグラフ図である。 ファインバブル発生器について説明するためのグラフ図である。 ファインバブル発生器について説明するためのグラフ図である。 ファインバブル発生器について説明するためのグラフ図である。 ファインバブルの粒径と溶存酸素濃度との関係を示したグラフ図である。 実験例１で使用した装置の構成を模式的に示した説明図である。 実験例１で使用したファインバブル発生器の構成を模式的に示した説明図である。 実験例２で使用した超音波処理装置の構成を模式的に示した説明図である。 実験例２で使用した超音波処理装置の構成を模式的に示した説明図である。 超音波強度の測定位置について説明するための説明図である。 実験例３で使用した超音波処理装置の構成を模式的に示した説明図である。 実験例３で使用した超音波処理装置の構成を模式的に示した説明図である。 実験例４で使用した超音波処理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。

（超音波処理装置の全体構成）
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。

本実施形態に係る超音波処理装置１は、被処理物に対して所定の処理を施す処理液に加えて超音波を併用し、被処理物の表面（処理液に接している部位）に対して所定の処理を施す装置である。かかる超音波処理装置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等に対して、例えば洗浄等の各種の処理を施す際に利用することができる。例えば、鋼板、鋼管、鋼線材等といった各種の金属体を被処理物とし、本実施形態に係る超音波処理装置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、更には洗浄処理を行うことができる。また、本実施形態に係る超音波処理装置１は、酸洗処理後の水洗処理を実施する際に対しても、用いることが可能である。

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、酸性溶液を用いて除去する処理であり、脱脂処理とは、有機溶剤、有機溶剤を界面活性剤で乳化させたもの、又は、アルカリ系の脱脂液を用いて、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。これらの酸洗処理及び脱脂処理は、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、酸洗処理の前段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。更には、脱脂処理は、最終製品の仕上げ品質としての油分管理指標である濡れ性の改善にも、使用される。

更に、以下で詳述する本実施形態に係る超音波処理装置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。

以下では、処理部の一例として、処理液の保持されている処理槽が存在し、かかる処理槽の内部に、被処理物が処理液で満たされるように設けられる場合を例に挙げて、詳細に説明を行うものとする。

ただし、本実施形態に係る超音波処理装置１は、例えば熱交換器に設けられている配管に対して超音波処理を行う場合等のように、処理対象とする装置に予め設けられている部材を処理槽として利用可能なものについては、別途処理槽を設けることなく適用することが可能である。

本実施形態に係る超音波処理装置１は、図１Ａに例示したように、処理槽１０と、超音波発生器２０と、処理液の循環経路３０と、を有している。また、処理液の循環経路３０は、図１Ａに示したように、循環ポンプ３１と、処理液引抜配管３３と、処理液吐出配管３５と、を有しており、処理液引抜配管３３に対して直列に、ファインバブル発生器４０が設けられている。ファインバブル発生器４０によって、循環経路３０を流れる処理液３中にファインバブルが発生し、発生したファインバブルが、処理液３とともに処理槽１０内に供給される。また、本実施形態に係る超音波処理装置１は、上記の構成に加えて、更に、曲面部材５０を有していることが好ましい。

ここで、ファインバブルとは、気泡径が１００μｍ以下である微細気泡である。ファインバブルは、被処理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処理性を向上させるものである。

また、図１Ｂに模式的に示したように、超音波発生器２０、循環経路３０、ファインバブル発生器４０、及び、曲面部材５０の個数及び配置については、特に限定されるものではなく、処理槽１０の形状や大きさに応じて、適宜個数を調整しながら配置することが可能である。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。

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

＜処理槽１０について＞
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に浸漬されることで、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。

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処理装置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処理装置１の処理槽１０として利用可能である。

＜超音波発生器２０について＞
超音波発生器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。超音波発生器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、超音波発生器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、超音波発生器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。

超音波発生器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２０ｋＨｚ未満である場合には、被処理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、超音波による処理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、被処理物を処理する際の超音波の直進性が強くなりすぎて、処理の均一性が低下する場合がある。超音波発生器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、被処理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、被処理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、超音波発生器２０は、ある選択した超音波の周波数を中心として所定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、超音波発生器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処理装置１の処理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、例えば被処理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処理装置１の処理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、被処理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、被処理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、本発明者らが検討したところ、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。これらの理由から、超音波発生器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。

＜循環経路３０及びファインバブル発生器４０について＞
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器４０は、図１Ａに示したように、処理液引抜配管３３に対して直列に設けられており、処理槽１０から引き抜かれた処理液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。

ここで、循環ポンプ３１は、例えば遠心ポンプやダイヤフラムポンプ等の一般的な汎用ポンプを用いることとし、真空ポンプ、減圧ポンプ、加圧ポンプ等の特殊なポンプは用いないこととする。

ファインバブル発生器４０は、負圧環境下にある処理液引抜配管３３の途中に設けられている。かかるファインバブル発生器４０により、処理槽１０から引き抜かれた処理液３中にファインバブルが生成される。なお、ファインバブル発生器４０を、処理液引抜配管３３ではなく、正圧環境下にある処理液吐出配管３５の途中に設けた場合には、処理液３の脱気を行うことができず、結果として、所望のファインバブルを発生させることができない。

ここで、ファインバブル発生器４０により処理槽１０へと吐出される処理液３中に生成されるファインバブルの平均気泡径は、１μｍ〜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１μｍ未満の場合、ファインバブル発生器４０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。平均気泡径は、より好ましくは２μｍ以上であり、更に好ましくは３μｍ以上である。これにより、気泡径を整えてのファインバブルの供給を、より確実に実現することが可能となる。一方平均気泡径が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。平均気泡径は、より好ましくは９０μｍ以下であり、更に好ましくは８０μｍ以下であり、より一層好ましくは７０μｍ以下である。これにより、超音波の持つ洗浄力向上効果が低下することを、より確実に防止することが可能となる。

また、ファインバブル発生器４０により処理槽１０へと吐出される処理液３中におけるファインバブルの気泡密度は、１×１０^３個／ｍＬ〜１×１０^１０個/ｍＬであることが好ましい。ファインバブルの気泡密度が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、処理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。ファインバブルの気泡密度は、より好ましくは１×１０^３個／ｍＬ以上であり、更に好ましくは５×１０^３個／ｍＬ以上であり、更に一層好ましくは１×１０^４個／ｍＬ以上である。これにより、ファインバブルによる超音波伝播性向上作用を、より確実に発現させることが可能となる。一方、ファインバブルの気泡密度が１×１０^１０個／ｍＬ超である場合には、ファインバブル発生器４０が大型になったり、ファインバブル発生器４０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。ファインバブルの気泡密度は、より好ましくは１×１０^９個／ｍＬ以下であり、更に好ましくは１×１０^８個／ｍＬ以下であり、より一層好ましくは１×１０^７個／ｍＬ以下である。

なお、本実施形態に係る超音波処理装置１を用いた作業時には、処理槽１０内に保持された処理液におけるファインバブルの気泡密度が、処理槽１０へと吐出される処理液３中におけるファインバブルの気泡密度と一致するように制御した後に、上記のような各種処理を実施することが好ましい。

また、ファインバブル発生器４０は、処理液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処理液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、ファインバブルを発生させることが好ましい。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、処理液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、処理液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、キャビテーションを利用した処理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、ファインバブルの平均気泡径や気泡密度は、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。

また、本実施形態に係る超音波処理装置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、処理液３中の溶存気体量（より詳細には、溶存酸素量）を、ファインバブル発生器４０により適切な値に制御することが好ましい。このような処理液３中の適切な溶存気体量は、処理液３における溶存飽和量の１％〜５０％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、気泡をファインバブルとして発生させることが困難となる上に、超音波によるキャビテーション発生が起こらず、超音波による処理性向上能力（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。処理液３中の溶存気体量（溶存酸素量）は、好ましくは、処理液３における溶存飽和量の５％〜４０％以下である。

ここで、処理液３の温度が変化すれば、処理液３の溶存飽和量は変化する。また、処理液３の温度変化に起因する、処理液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、処理液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、処理液３の溶存飽和量（溶存酸素量）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（溶存酸素量）を実現可能なように、処理液３の温度を適宜制御することが好ましい。処理液３の温度は、処理液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、処理液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、本実施形態に係る循環経路３０及びファインバブル発生器４０は、処理槽１０内に保持された処理液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、処理液３の温度や処理液３中の溶存気体量を制御する。

ここで、処理液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。

なお、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。また、本実施形態で着目するような各種の超音波処理に影響を与えうる溶存気体は、主に酸素である。

以上のようなファインバブルの平均気泡径及び気泡密度、並びに、処理液３における溶存気体量は、以下で詳述するようなファインバブル発生器４０の構造を適切に設定して、処理液３の減圧−解放サイクルを適切に制御することにより、実現される。

以下では、図２〜図１４を参照しながら、本実施形態に係るファインバブル発生器４０と、かかるファインバブル発生器４０が設けられる処理液引抜配管３３について、詳細に説明する。
図２〜図８は、本実施形態に係る超音波処理装置が備えるファインバブル発生器について説明するための説明図である。図９Ａ〜図９Ｅは、ファインバブル発生器の内部における圧力変化の様子を示したグラフ図である。図１０Ａ〜図１０Ｄは、ファインバブル発生器の内部における圧力分布の様子を示したグラフ図である。図１１〜図１３は、ファインバブル発生器について説明するためのグラフ図である。図１４は、ファインバブルの粒径と溶存酸素濃度との関係を示したグラフ図である。

本実施形態に係るファインバブル発生器４０は、図２に模式的に示したように、処理液３の開口流路（処理液３の流れる経路）の大きさが処理液引抜配管３３の内径よりも狭まっている狭隘部４１を、２つ以上有しており、かつ、隣り合う狭隘部４１の開口流路は、処理液３が直進しないように構成されている。以下で詳述するように、狭隘部４１において処理液３が減圧されて減圧状態となり、隣り合う狭隘部４１の間に対応する部分（循環ポンプ３１に最も近い側に位置する狭隘部に続く、障害物などが存在しない区域も含み、以下、「非狭隘部４３」ともいう。）において、減圧状態にある処理液３の圧力が解放される。そのため、狭隘部４１は、処理液３が減圧される減圧区域と考えることができ、非狭隘部４３は、減圧状態にある処理液３の圧力が解放される解放区域と考えることができる。また、狭隘部４１と非狭隘部４３とで、処理液３の減圧及び解放を行う減圧解放サイクル４５が構成される。

それぞれの狭隘部４１では、処理液３の流路が狭まるように、処理液３にとっての障害物が処理液引抜配管３３の内壁に設けられており、それぞれの非狭隘部４３では、かかる障害物が存在せずに、処理液引抜配管３３の開口断面すべてが処理液３の流路となるようになっている。

上記のような狭隘部４１の個数Ｎが１つしか存在しない場合には、処理液３を十分に減圧することができず、また、キャビテーションにより発生する気泡の径が大きくなってしまい、超音波を用いた処理により適合したファインバブルを安定して発生させることができない。なお、ファインバブル発生器４０における狭隘部４１の個数Ｎは、１０個以下とすることが好ましい。狭隘部４１の個数Ｎが、１０を超える場合には、圧損が生じるとともに、ファインバブルの気泡径への影響も小さくなるため、好ましくない。ファインバブル発生器４０における狭隘部４１の個数Ｎは、より好ましくは２個以上８個以下であり、更に好ましくは２個以上６個以下であり、より一層好ましくは２個以上４個以下である。

かかる狭隘部４１が処理液引抜配管３３に存在することで、負圧環境下に更に効率的な減圧区域を設けて処理液３中の溶存気体を気泡化させることができ、狭隘部４１を繰り返し設けることで、生じた気泡を微細化させることができる。処理液引抜配管３３内の負圧環境は、−０．０５ＭＰａ〜−０．１０ＭＰａの範囲内であることが好ましい。

本実施形態に係るファインバブル発生器４０において、処理液引抜配管３３の内径の開口断面積をＡ_０とし、処理槽１０側から循環ポンプ３１側に向かってｉ番目（ｉは、１以上の整数であり、狭隘部４１の個数に対応している。）の狭隘部４１における処理液引抜配管３３の内径の開口断面積をＡ_ｉとしたときに、Ａ_ｉ／Ａ_０として表されるｉ番目の狭隘部４１の開口断面積比Ｒ_ｉが、互いに独立に、０．１０≦（Ａ_ｉ／Ａ_０）≦０．５０で表される関係を満足する。

ここで、開口断面積Ａ_ｉは、ｉ番目の狭隘部４１において、開口流路となる部分の面積の最大値（より詳細には、ｉ番目の狭隘部４１を、管軸方向に対して垂直な面に投射したときにおける、開口流路となる部分の面積の最大値）である。

図２では、それぞれの狭隘部４１が、所望の開口断面積比（Ａ_ｉ／Ａ_０）を実現するように、処理液引抜配管３３の内表面から突出するように設けられた突出部材４０１により実現される場合について、図示している。図２に示した例では、第１減圧解放サイクル４５における狭隘部４１の開口断面積Ａ_１は、非狭隘部４３の開口断面積Ａ_０に対して、０．１０≦（Ａ_１／Ａ_０）≦０．５０で表される関係を満足する。同様に、第２減圧解放サイクル４５における狭隘部４１の開口断面積Ａ_２は、解放区域４３の開口断面積Ａ_０に対して、０．１０≦（Ａ_２／Ａ_０）≦０．５０で表される関係を満足する。

開口断面積比（Ａ_ｉ／Ａ_０）が０．１０未満となる場合には、狭隘部４１における処理液３の流路が狭くなりすぎる結果、十分な流路が確保できないために処理液の循環に支障をきたし、ポンプ負荷により故障が発生する可能性がある。各狭隘部４１における開口断面積比（Ａ_ｉ／Ａ_０）は、互いに独立に、好ましくは０．１５以上であり、より好ましくは０．２０以上である。一方、開口断面積比（Ａ_ｉ／Ａ_０）が０．５０を超える場合には、狭隘部４１における処理液３の流路が広くなりすぎる結果、十分に減圧を行うことができず、適切な気泡径のファインバブルを発生させることができない。各狭隘部４１における開口断面積比（Ａ_ｉ／Ａ_０）は、互いに独立に、好ましくは０．４５以下であり、より好ましくは０．４０以下である。

また、本発明者らが実施した以下に示すシミュレーション結果から、障害物のエッジ（図２に示した例では、突出部材４０１の処理槽１０側に位置する破線で囲んだエッジ）を起点として、負圧が発生することが明らかとなった。そのため、突出部材４０１は、図３に示したような、エッジ形状を有していてもよい。なお、図３に示したようなエッジ形状を有する突出部材４０１の場合、開口流路の大きさが最も狭くなる部位を起点として、負圧が発生する。突出部材４０１の形状を、図３に示したような形状とすることにより、より確実に負圧を発生させることが可能となる。

狭隘部４１は、図２や図３に示したような突出部材４１ではなく、例えば図４に示したように、所望の開口断面積比（Ａ_ｉ／Ａ_０）を実現するように１又は複数の貫通孔が設けられた開口部材４０３によって実現されてもよい。かかる場合においても、処理液引抜配管３３内における開口部材４０３の配置を考慮することで、処理液３が直進しないように狭隘部４１の開口流路を構成することができる。ここで、「処理液３が直進しない」とは、管軸方向視で、狭隘部４１における開口流路の５０％以上が、隣接する減狭隘部４１の非開口部分により塞がれている状態を意味する。なお、開口部材４０３における貫通孔の形状や配置方法については、特に限定されるものではなく、所望の開口断面積比（Ａ_ｉ／Ａ_０）が実現できるように、適宜決定すればよい。

また、処理液３をより確実に直進させないようにするために、処理液引抜配管３３を管軸方向視したときに、隣り合う狭隘部４１の開口流路の位置は、互いに重複しないことがより好ましい。

また、狭隘部４１として、図５に示したように、図２及び図３で開示したような突出部材４０１と、図４で開示したような開口部材４０３と、を組み合せてもよい。すなわち、狭隘部４１の少なくとも１つは、突出部材４０１によって実現されていてもよく、開口部材４０３によって実現されていてもよい。

更に、狭隘部４１の少なくとも１つとして、図６に模式的に示したように、所定の開口断面積比（Ａ_ｉ／Ａ_０）の範囲内で突出部材の流路への突出度合いを変化させることが可能な、可動式の突出部材４０５を用いることも可能である。なお、図６では、一方の狭隘部４１を開口部材４０３により実現しているが、一方の狭隘部４１を突出部材４０１により実現してもよい。

本発明者らは、図７に一例を示したような、連続して設けられた２つの減圧解放サイクル４５を有するファインバブル発生器４０のモデルを各種構築し、市販の汎用物理シミュレーションソフトウェアであるＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓを用いて、ファインバブル発生器４０に関して、各種のシミュレーションを実施した。

ここで、図７に示したように、ファインバブル発生器４０の各狭隘部は、突出部材４０１によって実現されているものとし、各狭隘部における開口断面積を、それぞれＡ_１、Ａ_２とし、非狭隘部における開口断面積（処理液引抜配管３３の開口断面積）を、Ａ_０とした。なお、非狭隘部における開口断面積Ａ_０を与える処理液引抜配管３３の内径Ｄ_０は、５０ｍｍとした。また、第１の狭隘部と、第２の狭隘部とは、離隔距離Ｌ＝１００［ｍｍ］で隣り合っているものとした。ここで、離隔距離Ｌは、隣り合う狭隘部の中央部間距離とする。第１の狭隘部及び第１の非狭隘部における処理液３の圧力を、それぞれＰ_１、Ｐ_１’とし、第２の狭隘部及び第２の非狭隘部における処理液３の圧力を、それぞれＰ_２、Ｐ_２’とした。

ここで、本シミュレーションにおいて構築したファインバブル発生器４０のモデルは、図８に示した５種類であり、Ｎｏ．４及びＮｏ．５のモデルは、本発明の範囲外となるファインバブル発生器４０のモデルとなっている。各モデルでは、それぞれの狭隘部における開口断面積比（Ａ_１／Ａ_０）、（Ａ_２／Ａ_０）を、それぞれ、図８に示した値に設定した上で、ファインバブル発生器４０の入側での圧力を０ＭＰａで共通とし、処理液３の出側流速を０．１５ｍ／秒で共通とした。なお、以下のシミュレーションでは、ファインバブル発生器４０の入側圧力を０Ｐａとして負圧としていないが、負圧とした場合においても、以下に示した各位置での圧力差（ギャップ）の関係が維持された結果が得られることを、別途確認している。

本シミュレーションによる、ファインバブル発生器４０の出側でのファインバブル（「ＦＢ」と略記することがある。）の粒径（平均気泡径）を、図８に合わせて示した。また、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５のモデルにおける、ファインバブル発生器４０の内部での圧力変化の様子を、図９Ａ〜図９Ｅに示した。更に、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．５のモデルにおけるファインバブル発生器４０の内部での圧力分布の様子を、図１０Ａ〜図１０Ｄに示した。

まず、図８のＮｏ．１に示したモデルについて、図９Ａに示した結果を参照する。ファインバブル発生器４０の入側からファインバブル発生器４０内に流れ込んだ処理液３は、第１の狭隘部において、Ｐ_１＝−１８０Ｐａ程度まで減圧された後、第１の非狭隘部において、Ｐ_１’＝−８０Ｐａ〜−６０Ｐａ程度まで圧力が上昇し、第２の狭隘部において、Ｐ_２＝−２４０Ｐａ程度まで更に減圧された後、第２の非狭隘部において、Ｐ_２’＝−１４０Ｐａ〜−８０Ｐａ程度まで圧力が上昇していることがわかる。また、この際に得られたファインバブルの粒径は、図８から、０．０１０ｍｍ（＝１０μｍ）であったことがわかる。また、図１０Ａに示した圧力分布に着目すると、図１０Ａにおける等圧線（同じ圧力値を示した位置を結んだ線分）の起点は、突出部材４０１の上流側に位置する端点となっており、先だって言及したように、障害物のエッジ（突出部材４０１の処理槽１０側に位置するエッジ）を起点として、負圧が発生することがわかる。

また、図８のＮｏ．２に示したモデルについて、図９Ｂに示した結果を参照する。ファインバブル発生器４０の入側からファインバブル発生器４０内に流れ込んだ処理液３は、第１の狭隘部において、Ｐ_１＝−１４０Ｐａ程度まで減圧された後、第１の非狭隘部において圧力が解放され、第２の狭隘部において、Ｐ_２＝−２８０Ｐａ程度まで更に減圧された後、第２の非狭隘部において、圧力が解放されていることがわかる。また、この際に得られたファインバブルの粒径は、図８から、０．０５０ｍｍ（＝５０μｍ）であったことがわかる。また、図１０Ｂに示した圧力分布に着目すると、本モデルについても、Ｎｏ．１のモデルと同様に、図１０Ｂにおける等圧線（同じ圧力値を示した位置を結んだ線分）の起点は、突出部材４０１の上流側に位置する端点となっており、先だって言及したように、障害物のエッジ（突出部材４０１の処理槽１０側に位置するエッジ）を起点として、負圧が発生することがわかる。

図８のＮｏ．３に示したモデルについて、図９Ｃに示した結果を参照する。ファインバブル発生器４０の入側からファインバブル発生器４０内に流れ込んだ処理液３は、第１の狭隘部において、Ｐ_１＝−２６０Ｐａ程度まで減圧された後、第１の非狭隘部において圧力が解放され、第２の狭隘部においても、Ｐ_２＝−２６０Ｐａ程度まで更に減圧された後、第２の非狭隘部において、圧力が解放されていることがわかる。また、この際に得られたファインバブルの粒径は、図８から、０．００５ｍｍ（＝５μｍ）であったことがわかる。また、図１０Ｃに示した圧力分布に着目すると、本モデルについても、Ｎｏ．１のモデルと同様に、図１０Ｃにおける等圧線（同じ圧力値を示した位置を結んだ線分）の起点は、突出部材４０１の上流側に位置する端点となっており、先だって言及したように、障害物のエッジ（突出部材４０１の処理槽１０側に位置するエッジ）を起点として、負圧が発生することがわかる。

一方、処理液３が直進してしまうように突出部材４０１が設けられた、図８のＮｏ．４に示したモデルについて、図９Ｄに示した結果を参照する。ファインバブル発生器４０の入側からファインバブル発生器４０内に流れ込んだ処理液３は、第１の狭隘部において、Ｐ_１＝−１８０Ｐａ程度まで減圧された後、第１の非狭隘部において、Ｐ_１’＝−９０Ｐａ〜−７０Ｐａ程度まで圧力が上昇し、第２の狭隘部において、Ｐ_２＝−１４０Ｐａ程度まで減圧された後、第２の非狭隘部において、Ｐ_２’＝−１２０Ｐａ〜−７０Ｐａ程度まで圧力が上昇していることがわかる。また、この際に得られたファインバブルの粒径は、図８から、０．２００ｍｍ（＝２００μｍ）であったことがわかる。

また、従来から存在するベンチュリー管と同様の構造を有する、図８のＮｏ．５に示したモデルについて、図９Ｅに示した結果を参照する。この場合、ファインバブル発生器４０の入側からファインバブル発生器４０内に流れ込んだ処理液３は、第１の狭隘部において、Ｐ_１＝−６５Ｐａ程度まで減圧された後、第１の非狭隘部において、Ｐ_１’＝−３５Ｐａ程度まで圧力が解放されていることがわかる。また、この際に得られたファインバブルの粒径は、図８から、５．００ｍｍであったことがわかる。また、図１０Ｃに示した圧力分布に着目すると、本モデルについても、図１０Ｄにおける等圧線の起点は、突出部材４０１の上流側に位置する端点となっている。

図８に示した５種類のモデルについて、各狭隘部及び非狭隘部における圧力値、及び、得られたファインバブルの粒径に関するシミュレーション結果を、図１１にあわせて示した。

先だって言及したように、本実施形態に係るファインバブル発生器４０では、ファインバブルの粒径（平均気泡径）が１００μｍ以下のファインバブルを発生させることが好ましい。一方で、Ｎｏ．１及びＮｏ．２、Ｎｏ．３のモデルでは、平均気泡径が１００μｍ以下のファインバブルを発生させることができているが、Ｎｏ．４及びＮｏ．５のモデルでは、平均気泡径が１００μｍ以下のファインバブルを発生させることができないことがわかる。

これらの結果を比較すると、平均気泡径が１００μｍ以下となっているモデルでは、第２の狭隘部における圧力値が、第１の狭隘部における圧力値よりも十分に小さくなっている一方で、平均気泡径が１００μｍを超えたモデルでは、第２の狭隘部における圧力値が、第１の狭隘部における圧力値よりも大きくなっていることがわかる。また、２つ以上の減圧解放サイクルにおいて、第１の狭隘部の圧力値及び第２の狭隘部共に十分に圧力値が小さくなることが好ましいことがわかる。この結果は、ファインバブル発生器４０の入側の開口断面積比を小さくすることで実現できることがわかる。

また、図８のＮｏ．１に示したモデルについて、離隔距離Ｌを１００ｍｍとし、処理液３の流速を０．１５ｍ／秒としたままで、処理液引抜配管３３の内径Ｄ_０を、２５ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍの４種類に変化させた場合のシミュレーション結果を、図１２に示した。ここで、処理液引抜配管３３の内径Ｄ_０は、処理液引抜配管３３の内径の開口断面積Ａ_０を用いて、２×（Ａ_０／π）^０．５とも表すことができる。

図１２において、離隔距離Ｌ／引抜配管内径Ｄ_０との関係を横軸にとり、ファインバブルの粒径（平均気泡径）に着目すると、１．０≦Ｌ／Ｄ_０≦５．０の範囲内で、ファインバブルの粒径が１００μｍ以下になることが分かる。また、第２の狭隘部での圧力値Ｐ_２が小さくなるＬ／Ｄ_０＝２．０において、ファインバブル粒径がより小さくなることが分かる。かかる結果から、Ｌ／Ｄ_０＜１．０の範囲では、減圧区間での十分な圧力差が生まれず、ファインバブルを発生させることができない。１．０≦Ｌ／Ｄ_０という関係が満たされることで、ファインバブルの粒径１００μｍ以下を実現することができる。Ｌ／Ｄ_０の値は、好ましくは１．５以上又は２．０以上である。１．５≦Ｌ／Ｄ_０又は２．０≦Ｌ／Ｄ_０となることで、ファインバブル粒径を、より一層小さくすることができる。一方、５．０＜Ｌ／Ｄ_０の範囲おいても、粒径１００μｍ以下のファインバブルを生成することはできるが、圧力差は小さくなる傾向であり、離隔距離Ｌが長くなるほど配管長も必要となるため、装置設置の制約の観点から好ましくない。Ｌ／Ｄ_０の値は、好ましくは４．５以下であり、より好ましくは４．０以下である。

なお、上記のようなシミュレーションにおいて、処理液引抜配管３３の内径Ｄ_０が２倍となった場合であっても、離隔距離Ｌを２倍とし、流速を４倍とすることで、上記説明と同様の結果が得られ、元の内径の場合と比較して、ファインバブルの平均気泡径及び気泡密度は変わらない。

また、別途、狭隘部の個数を２つ以上とした場合に、上記と同様のシミュレーションを実施した結果、２つ以上の減圧解放サイクルにおいて、最も処理槽１０側に位置する第１の狭隘部と、第１の狭隘部の下流側に設けられる（第１の狭隘部に隣り合うように設けられる）第２の狭隘部と、の圧力値が共に小さくなることが、ファインバブルのより一層の微細化に有効であることが明らかとなった。

上記に加えて、ファインバブル発生器４０の入側の開口断面積に対して、循環ポンプ３１に近い側に位置する開口断面積の比を１．１０倍以上にすることが好ましい。

すなわち、狭隘部の個数をＮとし、処理槽１０の側から循環ポンプ３１側に向かってＮ番目の狭隘部の開口面積比Ｒ_Ｎと表したときに、下記の式（１５１）及び式（１５３）を満足することが好ましい。

Ｒ_ｉ＋１≧Ｒ_ｉ ・・・式（１５１）
Ｒ_Ｎ／Ｒ_１≧１．１０ ・・・式（１５３）

上記式（１５１）及び式（１５３）が共に満たされることで、狭隘部での圧力値をより小さくすることが可能となり、脱気がより一層しやすくなる上に、ファインバブルの粒径をより小さくすることが可能となる。Ｒ_Ｎ／Ｒ_１の値は、より好ましくは１．２５以上である。

次に、処理液引抜配管３３及びファインバブル発生器４０における処理液３の流速Ｖについて検討する。ここで、安定した処理液３の循環を考慮すると、流速Ｖは、少なくとも０．０５ｍ／秒以上であることが好ましい。一方、流速Ｖを５ｍ／秒を超えた値とした場合には、循環ポンプ３１が大型化するとともに、流速Ｖが速くなりすぎる結果、ファインバブル発生器４０の破損が生じる可能性がある。従って、本実施形態において、処理液引抜配管３３及びファインバブル発生器４０における処理液３の流速Ｖは、０．０５０ｍ/秒以上５．０００ｍ／秒以下とすることが好ましい。

ここで、図８のＮｏ．１に示したモデルについて、処理液３の流速を、０．０７５ｍ／秒、０．１５０ｍ／秒、０．３００ｍ／秒と変化させた場合のシミュレーション結果を、図１３に示した。図１３から、処理液３の流速Ｖが速くなるほど、第２の狭隘部における圧力値Ｐ_２が小さくなるとともに、発生するファインバブルの粒径(平均気泡径)も小さくなることがわかる。

また、処理液３中のファインバブルの気泡密度は、処理液容量［ｍ^３］／循環流量（＝流速［ｍ／ｍｉｎ］×（配管内径Ｄ_０［ｍ］／２）^２×π）×循環経路数×時間［ｍｉｎ］を適切に制御することによって、所望の範囲に調整することができる。上記範囲を、０．０３〜６．７０の範囲内とすることで、より確実に適正なファインバブルの気泡密度を実現することができる。上記の範囲は、より好ましくは、０．０５〜６．００の範囲内である。

以上説明した内容は、本実施形態において、処理液引抜配管３３及びファインバブル発生器４０における各種条件に着目したものであったが、以下では、処理液３における条件について検討する。

処理液３（例えば、水）における溶存ガス濃度（％）と、かかる処理液３中で存在するファインバブルの粒径（平均気泡径）と、の関係を、図１４に示した。図１４から明らかなように、処理液３の溶存ガス濃度（換言すれば、処理液３の脱気状態）に応じてファインバブルの粒径が変化し、処理液３の溶存ガス濃度を制御することで、ファインバブルの粒径を所望の状態に制御可能であることがわかる。図１４から明らかなように、ファインバブルの粒径を１００μｍ以下とするためには、処理液３中の溶存ガス濃度を５０％以下とすることが好ましいことがわかる。

ここで、処理液３中の溶存ガス濃度（すなわち、溶存気体量）は、処理液３の流速Ｖを変化させたり、開口断面積比（Ａ_ｉ／Ａ_０）を調整したりすることで、所望の範囲内の値に調整することができる。例えば、循環ポンプ３１の出力を上げて処理液３の流速Ｖを増加させることで、発生する負圧を高め、溶存ガス濃度を低下させることができる。また、開口断面積比（Ａ_ｉ／Ａ_０）を小さくすることで、発生する負圧を高め、溶存ガス濃度を低下させることができる。この際、本実施形態に係るファインバブル発生機構４０の下流側において、上記のような公知の機器により溶存気体量を測定しながら、上記のような各制御条件を、溶存気体量が所望の範囲内の値となるまで調整すればよい。なお、処理液３の流速Ｖと、開口断面積比（Ａ_ｉ／Ａ_０）のどちらを優先的に調整するかは、特に限定されるものではなく、調整のしやすい制御条件をはじめに調整すればよい。処理液３中の溶存気体量を上記のような方法で調整することで、発生するファインバブルの平均気泡径や濃度（密度）を所望の範囲内の値とすることができる。

以上、本実施形態に係る循環経路３０及びファインバブル発生機構４０について、図２〜図１４を参照しながら、詳細に説明した。

＜曲面部材５０について＞
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、超音波発生器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、超音波発生器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、曲面部材５０は、必要に応じて設ければよく、本実施形態に係る超音波処理装置１において、曲面部材５０は存在しなくともよい。

より詳細には、本実施形態に係る曲面部材５０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。また、本実施形態に係る曲面部材５０は、凸湾曲部ではない部分である非凸湾曲部を有していてもよいし、凸曲面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５０は、中実な柱状体であってもよいし、中空な筒状体であってもよい。また、曲面部材５０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５０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に保持されている処理液３等の各種液体が存在していてもよい。

曲面部材５０が上記のような凸曲面を有することで、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。ここで、曲面部材５０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。

上記のような形状を有する曲面部材５０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５０においては、処理槽１０に保持される処理液３の液性や、曲面部材５０に求める強度等に応じて、曲面部材５０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。

以上、本実施形態に係る曲面部材５０について、簡単に説明した。

以上、図１Ａ〜図１４を参照しながら、本実施形態に係る超音波処理装置１の全体的な構成について、詳細に説明した。

なお、上記説明では、処理部として設けられた処理槽１０の内部に、処理液３に浸漬された被処理物を設けた上で、処理槽１０内に保持された処理液３を介して、被処理物に対して間接的に超音波を印加する場合を例に挙げたが、超音波発生器２０は、処理部内において処理液で満たされた被処理物に対して、直接超音波を印加してもよい。

例えば、熱交換器の内部に設けられた配管や、液体を用いる複数の設備間を接続している接続配管等のように、内部が液体で満たされた状態にある中空部材そのものを被処理物としてもよい。かかる場合、中空部材の内部に保持されている液体に対してファインバブルを発生させた上で、中空部材そのものに対して超音波が印加される。

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処理装置及び超音波処理方法について、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処理装置及び超音波処理方法の一例であって、本発明に係る超音波処理装置及び超音波処理方法が、以下に示す例に限定されるものではない。

（実験例１）
図１５は、各種のファインバブル発生器と溶存気体量との関係の検証に用いた装置図である。本実験例では、処理液３として、浄水を使用した。処理槽１０は、外壁がＳＵＳ製であり、幅０．５ｍ×長さ０．５ｍ×０．４ｍの大きさを有する容量０．１ｍ^３のものを用いた。また、かかる処理槽１０に、循環ポンプ３１、処理液引抜配管３３、及び、処理液吐出配管３５を有する循環経路３０を設けた。循環ポンプ３１として、それぞれ一般的な汎用ポンプである、ＩＷＡＫＩ製ＭＤ−４０ＲＺ、ＭＤ−７０ＲＺ、ＭＤ−１００Ｒを用いた。処理液引抜配管３３の配管内径Ｄ_０は、２０ｍｍとした。これにより、処理液引抜配管３３内の負圧環境は、−０．０５ＭＰａ〜−０．１０ＭＰａの範囲内となっていた。

また、図１６に示したような構造を有するファインバブル発生器４０を、処理液引抜配管３３に着脱可能な治具としてそれぞれ準備し、これら治具を、処理液引抜配管３３に対して直列に接続できるようにした。図１６の構造ａ，ｂ，ｅでは、管軸方向で図２のように、構造ｄでは、管軸方向で図３のように、狭隘部の開放流路が重複しない。また、構造ｃ、ｇでは、管軸方向で２つの断面で形状が異なるが、同じく狭隘部の開放流路が重複しない。構造ｆは、図４のように一部狭隘部の開放流路が重複する構造とした。なお、複数の狭隘部が連続するファインバブル発生器４０では、離隔距離Ｌが１０ｍｍ、２０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、１２０ｍｍとなるようにした。更に、処理液引抜配管３３に対して、流量計を取り付け、処理液引抜配管３３の流量を測定した。処理液３の流速（ｍ／ｓ）は、得られた流量の測定値を配管内径断面積で除することで算出した。

更に、各ファインバブル発生器４０における減圧解放サイクル間の圧力変化については、市販の流体解析ソフトウェアであるＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓを用いて、処理液３が流速０．１５ｍ／秒で流れたときの減圧区域と解放区域との圧力差を算出した。

ファインバブルの平均気泡径は、ベックマン・コールター製の精密粒度分布測定装置Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ４、及び、Ｍａｌｖｅｒｎ製のナノ粒子解析装置ＮａｎｏＳｉｇｈｔ ＬＭ１０を用いて、処理槽１０内の溶液を測定することで特定した。また、溶存気体量の測定は、ＨＯＲＩＢＡ製の溶存酸素計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（ＤＯ）を１分毎に測定し、溶存飽和量に対する溶存気体量（％）を見積もった。より詳細には、溶存酸素量ＤＯを１分毎に測定し、前回測定時の溶存酸素量との差ΔＤＯを算出していく。連続する３分間において、ΔＤＯの値がそれぞれ０．１未満となった時点で、溶存酸素量が下限に達したと判断し、その時点での溶存酸素量及び平均気泡径を比較した。

得られた結果を、上記表１にあわせて示した。なお、上記表１の「狭隘部開口断面積比」の欄において、狭隘部開口断面積比Ｒ_Ｎの値を欄内の最も左側に位置するように示しており、狭隘部開口断面積比Ｒ_０の値を欄内の最も右側に位置するように示しており、互いに同一の値の狭隘部開口断面積比を有する多段階の狭隘部が存在する場合には、例えば「０．５０×４」のように、記載を簡略化している。また、多段階の狭隘部がある条件においては、最大の開口断面積比を与える組み合わせから得られる値を、Ｒ_Ｎ／Ｒ_１とした。

まず、比較例を参照すると、減圧解放サイクルの存在しない、単に流路が細くなった比較例１では、溶存気体量を低下させることは可能ではあるが、平均気泡径がファインバブル化せずに、大きいままであった。減圧解放サイクルを設け、流路が直進する比較例２〜３では、比較例１とほぼ変わらず、平均気泡径が大きかった。また、離隔距離比Ｌ／Ｄ_０が１．０未満である比較例４と、５．０より大きい比較例５は、平均気泡径がファインバブルとみなすことができる１００μｍ以下にならなかった。また、狭隘部の開口断面積比が０．５０より大きい比較例６〜７では、圧力が低下せず、気泡もほとんど発生しなかった。狭隘部の開口断面積比が０．１０未満の比較例８〜９では、循環できる液がほとんど存在しないために、泡が発生しないか、又は、循環ポンプが空回りして、送液自体ができない状態であった。

一方、減圧解放サイクルが２個以上設置され、かつ、開口流路が直進しないように設けられた狭隘部の離隔距離比が所定の範囲に存在する実施例１〜７と、減圧解放サイクルの数を増した実施例８〜９と、狭隘部の形状を変化させた実施例１０〜１４では、平均気泡径は、ファインバブルとみなすことができる１００μｍ以下になった。同時に、溶存気体量も低下することが観測された。特に、減圧解放サイクルのポンプに近い側の狭隘部を狭くしてＲ_１／Ｒ_Ｎ≧１．１０の関係を満足する実施例１５〜１８では、減圧開放間の圧力差が大きくなり、溶存気体の低下と、ファインバブルも数μｍ以下にまで微細化して気泡密度の増大が観測された。

（実験例２）
図１７Ａ及び図１７Ｂは、本発明に係る超音波処理装置を用いた、鋼板の水洗（リンス）処理の実施状態を模式的に示した説明図である。処理液３である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７ｍ×０．５ｍの大きさの容量７ｍ^３のものを用い、被処理物である鋼板は、ロールにより保持されるようにした。

また、かかる処理槽１０に、図１７Ｂに示したように、循環ポンプ３１、処理液引抜配管３３、及び、処理液吐出配管３５を有する循環経路３０を２系統設けた。循環ポンプ３１として、一般的な汎用ポンプであるセイコー化工機製ＭＥＰ−０５０５−２Ｐを２台用いた。処理液引抜配管３３の配管内径Ｄ_０は、５０ｍｍとした。これにより、処理液引抜配管３３内の負圧環境は、−０．０５ＭＰａ〜−０．１０ＭＰａの範囲内となっていた。

また、図１６に示した表記に従い、以下の表２に示したような構造を有するファインバブル発生器４０を、処理液引抜配管３３に着脱可能な治具としてそれぞれ準備し、これら治具を、処理液引抜配管３３に対して直列に接続できるようにした。なお、複数の狭隘部が連続するファインバブル発生器４０では、離隔距離Ｌが２０ｍｍ、４０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍとなるようにした。更に、処理液引抜配管３３に対して流量計を取り付け、処理液引抜配管３３の流量を測定し、処理液３の流速が先だって言及した好ましい範囲内となるように制御した。

また、超音波発生器２０の超音波発振器は、出力が１２００Ｗであり、超音波の周波数は、３５ｋＨｚとした。処理槽１０の長辺片側壁面に対し、図１７Ｂに示したようにＳＵＳ製投込み振動子を５台配置して、処理液３に対して超音波を印加した。

ファインバブルの平均気泡径は、ベックマン・コールター製の精密粒度分布測定装置Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ４、及び、Ｍａｌｖｅｒｎ製のナノ粒子解析装置ＮａｎｏＳｉｇｈｔ ＬＭ１０を用いて、処理槽１０内の溶液を測定することで特定した。また、溶存気体量の測定は、ＨＯＲＩＢＡ製の溶存酸素計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（ＤＯ）を１分毎に測定し、溶存飽和量に対する溶存気体量（％）を見積もった。より詳細には、溶存酸素量ＤＯを１分毎に測定し、前回測定時の溶存酸素量との差ΔＤＯを算出していく。連続する３分間において、ΔＤＯの値がそれぞれ０．１未満となった時点で、溶存酸素量が下限に達したと判断し、その時点での溶存酸素量及び平均気泡径を比較した。

本実験例では、図１８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、０．５ｍ間隔で、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、減圧解放サイクルを行わ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）と、標準偏差（σ）と、を算出して、処理槽１０全体での超音波の伝搬性を比較した。

本実験例では、酸化スケール皮膜が形成された鋼板を酸洗したものを、被処理物として準備し、上記のような処理槽１０を利用して、表面に酸化物微粒子が付着した鋼板の水洗（リンス）を行った。

本実験例では、鋼板表面の酸化物微粒子除去率を測定し、測定した酸化物微粒子除去率を洗浄性能として評価した。より詳細には、水洗前後の鋼板表面に付着している酸化物微粒子総量に対する各条件での除去できた酸化物微粒子除去量の割合を以下のようにして算出し、酸化物微粒子除去率とした。

すなわち、酸化スケール皮膜が形成された鋼板試料（大きさ５ｃｍ×１０ｃｍ）を、ロールで保持された鋼板に貼り付けた上で、洗浄性能を評価した。鋼板試料を酸洗後、予備水洗、乾燥した。その上で、事前に質量を測定しておいた汎用セロハンテープ（幅１５ｍｍ×長さ５ｃｍ）を２つ用いて、鋼板表面に付着している酸化物微粒子を、２箇所から剥離し、水洗前のテープ質量の測定値とした。また、水洗前に剥離した箇所とは異なる箇所で、水洗後においても同様にテープ剥離を行い、剥離したテープ質量を測定した。

水洗前のテープ測定値から、事前に測定しておいたテープ質量を差し引いた値が、酸化物微粒子の総量に対応し、水洗後のテープ測定値から、事前に測定しておいたテープ質量を差し引いた値が、酸化物微粒子の残存量に対応する。そのため、酸化物微粒子の総量から、酸化物微粒子の残存量を差し引いた値が、酸化物微粒子の除去量となる。酸化物微粒子の総量に対する、各条件で除去できた酸化物微粒子の除去量の割合を、酸化物微粒子除去率とした。なお、鋼板試料はロール間に貼り付けて、取り外しを行い、通板１００ｍｐｍでの除去率として算出した。
なお、下記の表２における洗浄性能の評価基準は、以下の通りである。

酸化物微粒子除去率
ＡＡ：１００％以下〜９５％以上
Ａ： ９５％未満〜９０％以上
ＡＢ： ９０％未満〜８５％以上
Ｂ： ８５％未満〜８０％以上
Ｃ： ８０％未満〜６０％以上
Ｄ： ６０％未満〜４０％以上
Ｅ： ４０％未満

すなわち、評価「ＡＡ」及び「Ａ」は、洗浄性能が非常に良好であったことを意味し、評価「ＡＢ」及び「Ｂ」は、洗浄性能が良好であったことを意味し、評価「Ｃ」は、洗浄性能にやや難があったことを意味し、評価「Ｄ」及び「Ｅ」は、洗浄性能が不良であったことを意味する。

得られた結果を、上記表２にあわせて示した。
なお、「狭隘部開口断面積比」の欄の表記方法、及び、「開口断面積比」の欄の表記方法については、表１と同様である。

まず、比較例を参照すると、単純に循環させただけの条件（比較例１）では、溶存気体量を低下させることはできず、気泡が発生することもなかった。そのため、超音波発振付近の強度は高いものの、その他の箇所には超音波は伝搬せず、ばらつき指標である標準偏差も超音波強度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。また、減圧解放サイクルの存在しない、単に流路が細くなっただけの比較例２〜３では、溶存気体量を低下させることはできるものの、気泡径がファインバブル化しなかった。このときの相対超音波強度は、比較例１とほぼ変わらず、水洗性能は不良であった。減圧解放サイクルを設け、流路が直進する状態となっている比較例４〜５では、相対超音波強度は１．３倍と上昇したものの、超音波強度の標準偏差が大きかった。これら比較例では、水洗性能も不足しており、洗浄ムラが発生していた。また、狭隘部間隔Ｌ／Ｄ_０が１．０未満であるか、又は、５．０より大きい比較例６〜８においても、同じくファインバブル化せず、超音波強度の標準偏差が大きくなって水洗性能も不足しており、洗浄ムラが発生していた。狭隘部の開口断面積比が０．１０未満の比較例９では、循環できる液がほとんど存在しないために、泡が発生しないか、又は、循環ポンプが空回りして、送液自体ができない状態であった。開口断面積比が０．５０より大きい比較例１０では、気泡がほとんど発生しなかった。このときの相対超音波強度は比較例１と変わらず、水洗性能も不良であった。

一方、減圧解放サイクルが２個以上設置され、開口流路が直進しないように設けられた狭隘部が存在し、狭隘部間隔が所定の範囲に存在する実施例１〜６と、減圧解放サイクルの数を増やした実施例７〜９と、狭隘部の形状を変化させた実施例１０〜１４では、平均気泡径は、ファインバブルとみなすことができる１００μｍ以下となった。また、溶存気体量も低下することが観測され、超音波強度は３倍以上となり、標準偏差も小さくなって、洗浄性能は良好であった。更に、減圧解放サイクルのポンプに近い側の狭隘部を狭くしてＲ_１／Ｒ_Ｎ≧１．１０の関係を満足する実施例１５〜１８では、減圧開放間の圧力差が大きくなり、溶存気体の低下と、ファインバブルも数μｍ以下にまで微細化して気泡密度の増大が観測された。

（実験例３）
図１９Ａ及び図１９Ｂは、本発明に係る超音波処理装置を用いた、鋼管の脱脂処理の実施状態を模式的に示した説明図である。処理槽１０は、外壁が鋼鉄製であり、表面にＰＴＦＥライニングされており、幅１．０×長さ１５．０×０．６ｍの大きさを有する容量９ｍ^３のものを用いた。かかる処理槽１０を利用して、表面に油分が付着した鋼管を所定時間浸漬した。処理液３である脱脂溶液としては、アルカリ系の脱脂液を用いた。被洗浄物である鋼管と処理槽１０との間には、１ｍ間隔で、曲面部材として機能する緩衝材（より詳細には、ＳＵＳ３０４製の中空の緩衝パイプ）を設けた。

また、かかる処理槽１０に、図１９Ｂにその一部を示したように、循環ポンプ３１、処理液引抜配管３３、及び、処理液吐出配管３５を有する循環経路３０を、処理槽１０の短辺側に対して、２系統設置した。循環ポンプ３１として、一般的な汎用ポンプであるセイコー化工機製ＭＥＰ−０５０５−２Ｐを２台用いた。処理液引抜配管３３の配管内径Ｄ_０は、５０ｍｍとした。これにより、処理液引抜配管３３内の負圧環境は、−０．０５ＭＰａ〜−０．１０ＭＰａの範囲内となっていた。

複数の可動式の突出部材が、配管内で向き合って突出するように配置され、離隔距離Ｌは４０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍとなるように処理液引抜配管３３に直列に設置して、ファインバブル発生器４０とした。すなわち、かかるファインバブル発生器４０は、図１６に示した表記ａの構造を有したものである。更に、処理液引抜配管３３に対して流量計を取り付け、処理液引抜配管３３の流量を測定し、処理液３の流速が先だって言及した好ましい範囲内となるように制御した。

また、超音波発生器２０の超音波発振器として、出力が１２００Ｗであり、周波数の掃引機能を有するものを利用し、超音波振動子は、ＳＵＳ製の投込み振動子を１０台、処理槽１０の長手方向の壁面に設置した。また、超音波の周波数は、２５〜１９２ｋＨｚとした。

ファインバブルの平均気泡径は、ベックマン・コールター製の精密粒度分布測定装置Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ４、及び、Ｍａｌｖｅｒｎ製のナノ粒子解析装置ＮａｎｏＳｉｇｈｔ ＬＭ１０を用いて、処理槽１０内の溶液を測定することで特定した。また、溶存気体量の測定は、ＨＯＲＩＢＡ製の溶存酸素計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（ＤＯ）を１分毎に測定し、溶存飽和量に対する溶存気体量（％）を見積もった。より詳細には、溶存酸素量ＤＯを１分毎に測定し、前回測定時の溶存酸素量との差ΔＤＯを算出していく。連続する３分間において、ΔＤＯの値がそれぞれ０．１未満となった時点で、溶存酸素量が下限に達したと判断し、その時点での溶存気体量及び平均気泡径を、比較した。

なお、本実験例では、処理槽１０の内部に、図１９Ａ及び図１９Ｂに示したように、一定の間隔で鋼管の傷防止のための緩衝材を設置し、処理槽１０の中央部に、内径４０ｍｍ×長さ１０ｍの鋼管を２０本浸漬させて、洗浄評価を行なった。

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
ＡＡ：１００％以下〜９５％以上
Ａ： ９５％未満〜９０％以上
ＡＢ： ９０％未満〜８５％以上
Ｂ： ８５％未満〜８０％以上
Ｃ： ８０％未満〜６０％以上
Ｄ： ６０％未満〜４０％以上
Ｅ： ４０％未満

すなわち、評価「ＡＡ」及び「Ａ」は、脱脂性能が非常に良好であったことを意味し、評価「ＡＢ」及び「Ｂ」は、脱脂性能が良好であったことを意味し、評価「Ｃ」は、脱脂性能にやや難があったことを意味し、評価「Ｄ」及び「Ｅ」は、脱脂性能が不良であったことを意味する。

得られた結果を、上記表３にあわせて示した。
なお、「狭隘部開口断面積比」の欄の表記方法、及び、「開口断面積比」の欄の表記方法については、表１と同様である。

まず、比較例を参照すると、本発明に係る減圧解放サイクルを２個以上有していない比較例１〜３、狭隘部間隔Ｌ／Ｄ_０が１．０未満の比較例４、及び、狭隘部間隔Ｌ／Ｄ_０が５．０より大きい比較例５では、ファインバブルが発生せず、共振径以下の気泡は少なかった。開口断面積比が０．５より大きい比較例６、及び、開口断面積比が０．１未満となる比較例７では、ファインバブルがほとんど発生せず、超音波周波数に対する共振径以下の気泡は少なかった。また、溶存気体量も減っておらず、その結果、脱脂性能が不良となるか、又は、洗浄不足となる領域が発生した。

一方、減圧解放サイクルが２個以上設置され、かつ、狭隘部開口断面積比が０．５以内である実施例１〜１５は、洗浄性能が良好であり、特に、狭隘部間隔が１．０≦Ｌ／Ｄ≦５．０を満たす実施例１〜５は、洗浄性能が更に良好であった。また、超音波の周波数の掃引を行った実施例１２〜１５においては、より効果的に洗浄が可能であった。

（実験例４）
外壁がＳＳ（一般構造用圧延鋼材）製であり、内部に、内径４５ｍｍ×長さ３．０ｍ×厚み９ｍｍの配管が連続的に接続されている縦型熱交換器に着目し、かかる縦型熱交換器の配管を、被処理物とした。本実験例では、配管の内部に水を満たした上で、配管内面に付着した堆積物を、所定時間循環させた。すなわち、本実験例では、被処理物である配管そのものが、処理部として機能する。

図２０は、本発明に係る超音波処理装置を用いた、熱交換器が備える配管の洗浄処理の実施状態を模式的に示した説明図である。図２０に模式的に示したように、熱交換器の内部に設けられた配管１１の一方の端部に対して処理液引抜配管３３を接続し、かかる処理液引抜配管３３を、循環ポンプ３１に接続した。用いた循環ポンプ３１は、一般的な汎用ポンプであるセイコー化工機製ＭＥＰ−０５０５−２Ｐである。これにより、処理液引抜配管３３内の負圧環境は、−０．０５ＭＰａ〜−０．１０ＭＰａの範囲内となっていた。また、処理液引抜配管３３に対し直列に、２つの可動式の突出部材が、配管内で向き合って突出するように配置し、ファインバブル発生器４０とした。すなわち、かかるファインバブル発生器４０は、図１６に示した表記ａの構造を有したものである。また、循環ポンプ３１の正圧側に処理液吐出配管３５を設け、配管１１のもう一方の端部に接続した。なお、ファインバブル発生器４０において、離隔距離Ｌは、４０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍとした。

また、図２０に示したように、処理液吐出配管３５に対して、エア抜きバルブ６０及び水供給バルブ７０を設け、配管１１、処理液引抜配管３３、ファインバブル発生器４０、及び、処理液吐出配管３５の内部に、処理液３として水（より詳細には、清給水）を満たすようにした。更に、処理液引抜配管３３に対して、排水用バルブ８０を設け、図２０に示したような循環経路３０を流れる処理液３の一部を採取できるようにした。なお、処理液引抜配管３３に対して流量計を取り付け、処理液引抜配管３３の流量を測定し、処理液３の流速が先だって言及した好ましい範囲内となるように制御した。

また、超音波発生器２０の超音波発振器は、周波数３０ｋＨｚ、出力６００Ｗであるものであり、クランプ型のＳＵＳ製超音波振動子を、図２０に模式的に示したように、配管１１と処理液引抜配管３３との接続部分、及び、配管１１と処理液吐出配管３５との接続部分に、それぞれ１台取りつけた。

ファインバブルの平均気泡径は、ベックマン・コールター製の精密粒度分布測定装置Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ４、及び、Ｍａｌｖｅｒｎ製のナノ粒子解析装置ＮａｎｏＳｉｇｈｔ ＬＭ１０を用いて、排水用バルブ８０より採取した溶液を測定することで特定した。また、溶存気体量の測定は、ＨＯＲＩＢＡ製の溶存酸素計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（ＤＯ）を１分毎に測定し、溶存飽和量に対する溶存気体量（％）を見積もった。より詳細には、溶存酸素量ＤＯを１分毎に測定し、前回測定時の溶存酸素量との差ΔＤＯを算出していく。連続する３分間において、ΔＤＯの値がそれぞれ０．１未満となった時点で、溶存酸素量が下限に達したと判断し、その時点での溶存気体量及び平均気泡径を比較した。

本実験例では、配管内の清浄度を測定し、洗浄性能として評価した。より詳細には、洗浄１分後の処理液１Ｌを排水用バルブ８０から回収して、オプテックス社製の濁度計ＴＣ−３０００により濁度を測定し、処理液３の清浄度とした。なお、下記の表４における洗浄性能の評価基準は、以下の通りである。

清浄度（濁度）
Ａ：３０００以下〜１５００以上
Ｂ：１５００未満〜８００以上
Ｃ：８００未満〜５００以上
Ｄ：５００未満〜３００以上
Ｅ：３００未満〜１００以上
Ｆ：１００未満〜１以上

すなわち、評価「Ａ」及び「Ｂ」は、堆積物を回収出来たことで濁度は高くなり、洗浄性能として非常に良好であったことを意味し、評価「Ｃ」は、洗浄性能が良好であったことを意味し、評価「Ｄ」は、洗浄性能にやや難があったことを意味し、評価「Ｅ」及び「Ｆ」は、洗浄性能が不良であったことを意味する。

得られた結果を、上記表４にあわせて示した。
なお、「狭隘部開口断面積比」の欄の表記方法、及び、「開口断面積比」の欄の表記方法については、表１と同様である。

まず、比較例を見ると、本発明に係る減圧解放サイクルを２個以上有しない比較例１〜２、狭隘部間隔Ｌ／Ｄ_０が１未満の比較例３、及び、狭隘部間隔Ｌ／Ｄ_０が５を超える比較例４では、ファインバブルがほとんど発生せず、その結果洗浄性能が不良であった。開口断面積比が０．５より大きい比較例５、及び、開口断面積比が０．１未満である比較例６では、ファインバブルがほとんど発生しなかった。また、溶存気体量も減っておらず、その結果、洗浄性能が不良であった。

一方、減圧解放サイクルが２箇所以上設置され、かつ、開口断面積比が０．５以内である実施例１〜６は、洗浄性能が良好であり、特に、狭隘部間隔が１．０≦Ｌ／Ｄ_０≦５．０を満たす実施例１〜４は、洗浄性能が更に良好であった。

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 超音波処理装置
３ 処理液
１０ 処理槽
２０ 超音波発生器
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器
４１ 狭隘部
４３ 非狭隘部
４５ 減圧解放サイクル
５０ 曲面部材

Claims (15)

1. 処理液と、被処理物と、を収納することができる処理部と、
   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発生器と、
   前記処理部の中の前記処理液を循環させるための循環経路と、
   を備え、
   前記循環経路は、
   前記処理液を循環させる循環ポンプと、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と、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と、を有しており、かつ、
   前記処理液引抜配管に対して直列に、引き抜かれた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器が設けられており、
   前記ファインバブル発生器は、
   前記処理液の開口流路の大きさが前記処理液引抜配管の内径よりも狭まっている狭隘部を２つ以上有しており、かつ、隣り合う前記狭隘部の前記開口流路は、前記処理液が直進しないように構成されており、
   それぞれの前記狭隘部は、前記処理液引抜配管の内径の開口断面積をＡ_０とし、前記処理部側から前記循環ポンプ側に向かってｉ（ｉは、１以上の整数。）番目の前記狭隘部における前記処理液引抜配管の内径の開口断面積をＡ_ｉと表したときに、Ａ_ｉ／Ａ_０として表されるｉ番目の前記狭隘部の開口断面積比Ｒ_ｉが、下記の式（１）を満足し、かつ、
   ｉ番目の前記狭隘部とｉ＋１番目の前記狭隘部との間隔をＬ_ｉと、表したときに、下記の式（２）を満足し、
   前記狭隘部の個数をＮとし、前記処理部側から前記循環ポンプ側に向かってＮ番目の前記開口面積比Ｒ _Ｎ と表したときに、下記の式（３）及び式（４）を満足する、超音波処理装置。
   Ｒ_ｉ＝０．１０〜０．５０ ・・・式（１）
   １．０≦Ｌ_ｉ／２（Ａ_０／π）^０．５≦５．０ ・・・式（２）
   Ｒ _ｉ＋１ ≧Ｒ _ｉ ・・・式（３）
   Ｒ _Ｎ ／Ｒ _１ ≧１．１０ ・・・式（４）
2. 前記処理液引抜配管を管軸方向視したときに、隣り合う前記狭隘部の前記開口流路の位置は、互いに重複しない、請求項１に記載の超音波処理装置。
3. 前記処理部として、前記処理液を保持する処理槽が設けられており、
   前記超音波発生器は、前記処理液を介して、前記被処理物に対して間接的に超音波を印加する、請求項１又は２に記載の超音波処理装置。
4. 前記超音波発生器は、前記処理部内において前記処理液に浸漬された前記被処理物に対して、直接超音波を印加する、請求項１又は２に記載の超音波処理装置。
5. 前記狭隘部の個数Ｎが、２〜１０である、請求項１〜４の何れか１項に記載の超音波処理装置。
6. 前記処理液引抜配管の内表面から突出する突出部材により形成された、１つ又は複数の前記狭隘部を有する、請求項１〜５の何れか１項に記載の超音波処理装置。
7. 前記狭隘部として、前記処理液引抜配管の内表面から突出する可動式の突出部材を有する、請求項６に記載の超音波処理装置。
8. １又は複数の貫通孔が設けられた開口部材により形成された、１つ又は複数の前記狭隘部を有する、請求項１〜７の何れか１項に記載の超音波処理装置。
9. 前記超音波発生器は、前記超音波の周波数を、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの周波数帯域から選択することができる、請求項１〜８の何れか１項に記載の超音波処理装置。
10. 前記超音波発生器は、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ことができる、請求項１〜９の何れか１項に記載の超音波処理装置。
11. 処理液と、被処理物と、を収納することができる処理部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発生器と、前記処理部の中の前記処理液を循環させるための循環経路と、を設け、
    前記循環経路は、
    前記処理液を循環させる循環ポンプと、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と、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と、を有しており、かつ、
    前記処理液引抜配管に対して直列に、引き抜かれた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器が設けられており、
    前記ファインバブル発生器は、
    前記処理液の開口流路の大きさが前記処理液引抜配管の内径よりも狭まっている狭隘部を２つ以上有しており、かつ、隣り合う前記狭隘部の前記開口流路は、前記処理液が直進しないように構成されており、
    それぞれの前記狭隘部は、前記処理液引抜配管の内径の開口断面積をＡ_０とし、前記処理部側から前記循環ポンプ側に向かってｉ（ｉは、１以上の整数。）番目の前記狭隘部における前記処理液引抜配管の内径の開口断面積をＡ_ｉと表したときに、Ａ_ｉ／Ａ_０として表されるｉ番目の前記狭隘部の開口断面積比Ｒ_ｉが、下記の式（１）を満足し、
    ｉ番目の前記狭隘部とｉ＋１番目の前記狭隘部との間隔をＬ_ｉと、表したときに、下記の式（２）を満足し、
    前記狭隘部の個数をＮとし、前記処理部側から前記循環ポンプ側に向かってＮ番目の前記開口面積比Ｒ _Ｎ と表したときに、下記の式（３）及び式（４）を満足する、ファインバブルの供給方法。
    Ｒ_ｉ＝０．１０〜０．５０ ・・・式（１）
    １．０≦Ｌ_ｉ／２（Ａ_０／π）^０．５≦５．０ ・・・式（２）
    Ｒ _ｉ＋１ ≧Ｒ _ｉ ・・・式（３）
    Ｒ _Ｎ ／Ｒ _１ ≧１．１０ ・・・式（４）
12. 前記ファインバブル発生器は、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１１に記載のファインバブルの供給方法。
13. 前記ファインバブル発生器は、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１μｍ〜１００μｍである前記ファインバブルが、気泡密度１×１０^３個／ｍＬ〜１×１０^１０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１１又は１２に記載のファインバブルの供給方法。
14. 前記超音波発生器は、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１１〜１３の何れか１項に記載のファインバブルの供給方法。
15. 前記超音波発生器は、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１１〜１４の何れか１項に記載のファインバブルの供給方法。
    

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