KR102295883B1

KR102295883B1 - 초음파 세정 장치 및 초음파 세정 방법

Info

Publication number: KR102295883B1
Application number: KR1020197026525A
Authority: KR
Inventors: 에리 호시바; 히로미츠 다테; 다쿠미 니시모토; 겐이치 우에무라
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2021-08-31
Also published as: US11052433B2; BR112019017215A2; CN110446564B; EP3597318A4; CN110446564A; EP3597318A1; US20200047220A1; KR20190117616A; WO2018169050A1; MX2019010720A; JPWO2018169050A1; JP6673527B2

Abstract

처리조 전체에 걸쳐 초음파를 보다 효율적으로 전파시켜서, 피세정물을 보다 효율적으로 세정한다. 초음파 세정 장치(1)는, 피세정물을 세정하는 세정액을 수용하고, 피세정물이 침지되는 처리조(10)와, 보유된 세정액에 대하여 초음파를 인가하는 초음파 인가 기구(20)와, 초음파 인가 기구의 진동면에 대하여, 당해 진동면의 단부에 있어서의 법선 방향으로부터 외측으로 소정의 경사각으로 규정되는 범위 내에 위치하고, 처리조의 벽면 및/또는 저면에 보유 지지된 곡면 부재(30)를 구비하고, 곡면 부재는, 구면 또는 비구면의 표면 형상을 갖는 볼록 만곡부(33)가 적어도 존재하고, 당해 볼록 만곡부가, 볼록 만곡부 이외의 부분보다도 진동면측으로 돌출된 상태로 되어 있는 볼록 곡면(31)을 갖고 있고, 초음파 인가 기구로부터 조사되고, 또한, 반사가 발생하지 않은 음파인 제1 음파의 적어도 일부가 볼록 곡면의 볼록 만곡부에 도달하도록, 볼록 곡면이 진동면을 향하는 상태로 보유 지지되어 있다.

Description

초음파 세정 장치 및 초음파 세정 방법

본 발명은, 초음파 세정 장치 및 초음파 세정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 강판이나 강관과 같은 각종 금속체의 제조 공정에 있어서, 금속체의 표면에 생성된 스케일 등을 제거하기 위해서, 약액이나 린스 등이 보유 지지된 세정 조에 금속체를 순차 침지하여 세정을 행하는, 세정 처리 방법이 널리 채용되고 있다. 이러한 세정 처리 방법을 실시하는 세정 처리 장치로서는, 예를 들어 고압 기류 분사 노즐을 이용한 세정 장치나, 초음파를 이용한 초음파 세정 장치 등이 있다.

이러한 초음파를 이용한 초음파 세정 방법으로서, 예를 들어 이하의 특허문헌 1에는, 초음파 세정 조 내에, 진동자면에서 λ/4·(2n-1)[λ: 파장, n: 임의의 정수]이 되는 위치, 초음파 반사판을 진동자 면과 평행하게 설치하는 방법이 제안되어 있다.

또한, 이하의 특허문헌 2에는, 마이크로 버블을 세정액 속에 부가함과 함께, 주파수 28.0kHz 이상 1.0MHz 이하의 범위 내에 포함되는 2종류의 주파수를 갖는 초음파를 인가함으로써, 초음파를 이용한 세정 효과를 더욱 향상시키는 기술이 제안되어 있다.

일본 특허 공개 평6-343933호 공보 국제 공개 제2011/067955호

그러나, 상기 특허문헌 1에서 제안되어 있는 방법은, 반사판을 진동자 면과 평행하게 설치해서, 이러한 반사판에 의해 초음파를 반사시키는 방법이기 때문에, 반사판의 표면이 곡면이거나 돌기가 존재하고 있거나 하는 경우에는 효과적으로 초음파를 반사시키는 것이 곤란해져, 세정 효율이 저하되어 버린다. 또한, 특허문헌 1에서 제안되는 반사판은, 평판이고, 이 경우 초음파에 의한 정재파가 발생하여, 초음파의 강도가 작은 영역이 발생한다. 이 결과, 세정 불균일이 발생해 버려, 균일한 세정을 할 수 없다. 또한, 이러한 방법에서는, 진동자면에서 그림자로 되는 부분에 대해서는 초음파에 의한 세정을 행할 수 없고, 처리조 전체에 걸쳐 효율적으로 초음파에 의한 세정을 행하는 것은 곤란하다.

또한, 상기 특허문헌 2에서 제안되어 있는 기술에서는, 2종류의 주파수를 갖는 초음파를 사용하고 있지만, 주파수가 다른 2종류의 초음파의 매칭은 어렵고, 세정 가능한 대상물이나 세정 범위가 한정되어 버린다.

그래서, 본 발명은, 상기 문제를 감안하여 이루어진 것이고, 본 발명의 목적으로 하는 점은, 처리조 전체에 걸쳐 초음파를 보다 효율적으로 전파시킬 수 있고, 피세정물에 구애되지 않고, 피세정물을 보다 효율적으로 세정하는 것이 가능한, 초음파 세정 장치 및 초음파 세정 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위하여 예의 검토를 행한 결과, 소정의 형상을 갖는 곡면 부재를, 세정액이 보유 지지된 처리조의 내부 소정의 위치에 설치함으로써, 처리조 전체에 걸쳐 초음파를 보다 효율적으로 전파시킬 수 있고, 피세정물에 구애되지 않고, 피세정물을 보다 효율적으로 세정하는 것이 가능하다는 지견을 얻고, 이하에서 상세하게 설명하는 본 발명을 완성하였다.

이러한 지견에 기초하여 완성된 본 발명의 요지는, 이하와 같다.

[1] 피세정물을 세정하는 세정액을 수용하고, 상기 피세정물이 침지되는 처리조와, 상기 처리조의 내부에 보유된 상기 세정액에 대하여 초음파를 인가하는 초음파 인가 기구와, 상기 초음파 인가 기구의 진동면에 대하여 당해 진동면의 단부에 있어서의 법선 방향으로부터 외측으로 소정의 경사각으로 규정되는 범위 내에 위치하고, 상기 처리조의 벽면 및/또는 저면에 보유 지지된 곡면 부재를 구비하고, 상기 곡면 부재는, 구면 또는 비구면의 표면 형상을 갖는 볼록 만곡부가 적어도 존재하고, 당해 볼록 만곡부가, 상기 볼록 만곡부 이외의 부분보다도 상기 진동면측으로 돌출된 상태로 되어 있는 볼록 곡면을 갖고 있고, 상기 초음파 인가 기구로부터 조사되고, 또한, 반사가 발생하지 않은 음파인 제1 음파의 적어도 일부가 상기 볼록 곡면의 상기 볼록 만곡부에 도달하도록, 상기 볼록 곡면이 상기 진동면을 향하는 상태로 보유 지지되어 있는, 초음파 세정 장치.

[2] 상기 볼록 곡면에 있어서의 상기 볼록 만곡부의 최대 높이 H는, 상기 초음파의 파장을 λ라 했을 때에, λ/2<H의 관계를 충족하는, [1]에 기재된 초음파 세정 장치.

[3] 상기 경사각의 크기는, 0도 이상 30도 이하인, [1] 또는 [2]에 기재된 초음파 세정 장치.

[4] 상기 곡면 부재의 상기 볼록 만곡부는, 상기 진동면에 기초하여 규정되는 상기 범위 내에 위치하는 상기 곡면 부재의 전체 표면적에 대하여, 30％ 이상의 면적률을 갖는, [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 초음파 세정 장치.

[5] 상기 곡면 부재의 상기 볼록 만곡부는, 상기 진동면에 기초하여 규정되는 상기 범위 내에 위치하는 상기 처리조의 벽면 및/또는 저면의 전체 면적에 대하여 1％ 이상 80％ 이하의 면적률을 갖는, [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 초음파 세정 장치.

[6] 상기 곡면 부재 그리고 상기 곡면 부재가 배치되는 상기 벽면 및/또는 상기 저면은, 오목부를 갖지 않는, [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 초음파 세정 장치.

[7] 소정의 간격을 두고 배치되는 복수의 상기 곡면 부재를 구비하는, [1] 내지 [6] 중 어느 하나에 기재된 초음파 세정 장치.

[8] 상기 복수의 곡면 부재끼리의 이격 거리 L은, 당해 곡면 부재의 볼록 만곡부의 최대 높이 H에 대하여, 3H<L의 관계를 충족하는, [7]에 기재된 초음파 세정 장치.

[9] 상기 진동면과, 상기 곡면 부재에 있어서 상기 볼록 곡면에 있어서의 상기 볼록 만곡부의 최대 높이를 부여하는 위치 사이의 이격 거리 D는, 5cm 이상 250cm 이하인, [1] 내지 [8] 중 어느 하나에 기재된 초음파 세정 장치.

[10] 상기 곡면 부재는, 음향 임피던스가 1×10⁷[kg·m^-2·sec^-1] 이상 2×10⁸[kg·m^-2·sec^-1] 이하인 소재로 이루어지는 곡면 부재인, [1] 내지 [9] 중 어느 하나에 기재된 초음파 세정 장치.

[11] 상기 처리조에 보유된 상기 세정액 속의 용존 기체량을 제어하는 용존 기체 제어 기구를 더 구비하는, [1] 내지 [10] 중 어느 하나에 기재된 초음파 세정 장치.

[12] 상기 용존 기체 제어 기구는, 상기 용존 기체량이 상기 세정액에 있어서의 용존 포화량의 1％ 내지 50％로 되도록 제어하는, [11]에 기재된 초음파 세정 장치.

[13] 상기 처리조에 보유된 상기 세정액 속에, 소정의 평균 기포 직경을 갖는 파인 버블을 공급하는 파인 버블 공급 기구를 더 구비하는, [1] 내지 [12] 중 어느 하나에 기재된 초음파 세정 장치.

[14] 상기 파인 버블 공급 기구는, 평균 기포 직경이 0.01㎛ 내지 100㎛인 상기 파인 버블을, 기포 총량이 10³개/mL 내지 10¹⁰개/mL로 되도록 공급하는, [13]에 기재된 초음파 세정 장치.

[15] 상기 파인 버블 공급 기구는, 상기 세정액 속에 있어서, 상기 초음파의 주파수에 공진하는 직경인 주파수 공진 직경 이하의 기포 직경을 갖는 상기 파인 버블의 개수의 비율이 상기 세정액 속에 존재하는 상기 파인 버블 전체의 개수의 70％ 이상으로 되도록, 상기 파인 버블을 공급하는, [13] 또는 [14]에 기재된 초음파 세정 장치.

[16] 상기 초음파 인가 기구는, 상기 초음파의 주파수를, 20kHz 내지 200kHz의 주파수 대역으로부터 선택하는, [1] 내지 [15] 중 어느 하나에 기재된 초음파 세정 장치.

[17] 상기 초음파 인가 기구는, 선택한 상기 초음파의 주파수를 중심으로 하여, ±0.1kHz 내지 ±10kHz의 범위에서 소인하면서, 상기 세정액에 대하여 초음파를 인가하는, [1] 내지 [16] 중 어느 하나에 기재된 초음파 세정 장치.

[18] 상기 곡면 부재와, 당해 곡면 부재가 보유 지지되어 있는 상기 처리조의 벽면 또는 저면 사이에, 초음파를 반사시키는 반사판이 추가로 마련되는, [1] 내지 [17] 중 어느 하나에 기재된 초음파 세정 장치.

[19] 피세정물을 세정하는 세정액이 수용된 처리조를 사용하여, 상기 피세정물을 세정하는 세정 방법이며, 상기 처리조에 대하여, 상기 세정액에 대하여 초음파를 인가하는 초음파 인가 기구가 마련됨과 함께, 상기 초음파 인가 기구의 진동면에 대하여, 당해 진동면의 단부에 있어서의 법선 방향부터 외측으로 소정의 경사각으로 규정되는 범위 내에 위치하는 상기 처리조의 벽면 및/또는 저면에 대하여, 곡면 부재가 마련되어 있고, 상기 세정 방법은, 상기 처리조에 보유된 상기 세정액에 대하여, 초음파를 인가하는 것과, 초음파가 인가된 상기 세정액에 대하여, 상기 피세정물을 침지시키는 것을 포함하고, 상기 곡면 부재는, 구면 또는 비구면의 표면 형상을 갖는 볼록 만곡부가 적어도 존재하고, 당해 볼록 만곡부가, 상기 볼록 만곡부 이외의 부분보다도 상기 진동면측으로 돌출된 상태로 되어 있는 볼록 곡면을 갖고 있고, 상기 초음파 인가 기구로부터 조사되고, 또한, 반사가 발생하지 않은 음파인 제1 음파의 적어도 일부가 상기 볼록 곡면의 상기 볼록 만곡부에 도달하도록, 상기 볼록 곡면이 상기 진동면을 향하는 상태로 보유 지지되어 있는, 초음파 세정 방법.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 처리조 전체에 걸쳐 초음파를 보다 효율적으로 전파시킬 수 있고, 피세정물에 구애되지 않고, 피세정물을 보다 효율적으로 세정하는 것이 가능하게 된다.

도 1a는, 본 발명의 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치의 전체적인 구성의 일례를 모식적으로 도시한 설명도이다.
도 1b는, 동 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치의 전체적인 구성의 일례를 모식적으로 도시한 설명도이다.
도 1c는, 동 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치의 전체적인 구성의 일례를 모식적으로 도시한 설명도이다.
도 1d는, 동 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치의 전체적인 구성의 일례를 모식적으로 도시한 설명도이다.
도 2는, 동 실시 형태에 따른 곡면 부재의 일례를 모식적으로 도시한 설명도이다.
도 3은, 동 실시 형태에 따른 곡면 부재에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 4a는, 동 실시 형태에 따른 곡면 부재에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 4b는, 동 실시 형태에 따른 곡면 부재에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 4c는, 동 실시 형태에 따른 곡면 부재에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는, 동 실시 형태에 따른 곡면 부재에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은, 동 실시 형태에 따른 곡면 부재에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 7a는, 실험예 1에서 사용한 초음파 세정 장치의 구성을 모식적으로 도시한 설명도이다.
도 7b는, 실험예 1에서 사용한 초음파 세정 장치의 구성을 모식적으로 도시한 설명도이다.
도 8은, 실험예 1에 있어서의 초음파 강도의 측정 위치를 설명하기 위한 설명도이다.
도 9a는, 실험예 2에서 사용한 초음파 세정 장치의 구성을 모식적으로 도시한 설명도이다.
도 9b는, 실험예 2에서 사용한 초음파 세정 장치의 구성을 모식적으로 도시한 설명도이다.

이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 번호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다. 또한, 도면 중의 각 부재의 크기는, 설명을 용이하게 하기 위하여 적절히 강조되고 있고, 실제의 치수, 부재 간의 비율을 나타내는 것은 아니다.

(초음파 세정 장치의 전체 구성)

먼저, 도 1a 내지 도 1d를 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치의 전체적인 구성에 대해서, 간단하게 설명한다. 도 1a 내지 도 1d는, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치의 전체적인 구성의 일례를 모식적으로 도시한 설명도이다.

본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)는, 세정액에 추가로 초음파를 병용하여, 피세정물의 표면을 세정하는 장치이다. 이러한 초음파 세정 장치(1)는, 강재 등으로 대표되는 각종 금속체나, 플라스틱 수지제 부재 등으로 대표되는 각종 비금속체 등을 세정할 때에 이용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 강판, 강관, 강선재 등과 같은 각종 금속체를 피세정물로 하고, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)를 사용함으로써, 이들 금속체에 대하여, 산세 처리나 탈지 처리, 나아가 세정 처리를 행할 수 있다.

여기서, 산세 처리란, 금속체의 표면에 형성된 산화물 스케일을 제거하는 처리이고, 탈지 처리란, 가공 처리 등에 사용하는 윤활제나 가공 기름 등의 유분을 제거하는 처리이다. 이들 산세 처리, 탈지 처리는, 표면 마무리 처리(금속 피복 처리, 화성 처리, 도장 처리 등)를 금속체에 대하여 실시하기에 앞서서 실시되는 전처리이다. 이러한 산세 처리에 의해, 바탕의 금속의 일부를 용해시키는 경우도 있다. 또한, 표면 마무리 품질을 향상시키기 위한 에칭에 의한 금속체의 용해에도, 이러한 산세 처리는 사용되고 있다. 또한, 산세 처리 전에 탈지 처리가 마련되어 있는 경우도 있고, 탈지 처리에 있어서의 탈지 성능이 그 후의 산세 처리의 스케일 제거에 영향을 미치는 경우도 있다.

또한, 이하에서 상세하게 설명하는 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)는, 상기와 같은 제조 라인에 있어서의 세정 공정 이외에도, 사용이 완료된 배관이나 정기적 또는 부정기로 오염 제거를 필요로 하는 탱크, 장치의 세정 등에 대해서도 사용하는 것이 가능하다.

본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)는, 도 1a에 예시한 바와 같이, 처리조(10)와, 초음파 인가 기구(20)와, 곡면 부재(30)를 적어도 구비하는 장치이다. 또한, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)는, 도 1b에 예시한 바와 같이, 도 1a에 도시한 구성에 추가로, 용존 기체 제어 기구(40)를 더 구비하고 있어도 되고, 도 1c에 예시한 바와 같이, 도 1a에 도시한 구성에 추가로, 파인 버블 공급 기구(50)를 더 구비하고 있어도 된다. 또한, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)는, 도 1d에 예시한 바와 같이, 도 1a에 도시한 구성에 추가로, 용존 기체 제어 기구(40) 및 파인 버블 공급 기구(50)를 더 구비하고 있어도 된다.

이하에서는, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)에 있어서의 각 구성에 대해서, 상세하게 설명한다.

<처리조(10)>

처리조(10)에는, 피세정물을 세정하기 위하여 사용되는 세정액(3)이나, 피세정물이 수용된다. 처리조(10)에 보유되는 세정액(3)의 종류에 대해서는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 피세정물에 대하여 행하는 처리에 따라, 공지된 세정액을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 세정액(3)에는, 세정성의 더 이상의 향상을 목적으로 하여, 공지된 입자 등이 추가로 첨가되어 있어도 된다.

여기서, 본 실시 형태에 따른 처리조(10)를 형성하기 위하여 사용되는 소재는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 철, 강, 스테인리스 강판 등과 같은 각종 금속 재료여도 되고, 섬유 강화 플라스틱(FRP)이나 폴리프로필렌(PP) 등과 같은 각종 플라스틱 수지여도 되고, 내산 벽돌 등과 같은 각종 벽돌이어도 된다. 즉, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)를 구성하는 처리조(10)로서, 상기와 같은 소재로 형성된 처리조를 새롭게 준비하는 것도 가능하고, 각종 제조 라인에 있어서의 기존 설치된 처리조를 이용하는 것도 가능하다.

또한, 처리조(10)의 크기에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니고, 액면 깊이 1 내지 2m 정도×전체 길이 3 내지 25m 정도와 같은 각종 형상의 대형 처리조라고 해도, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)의 처리조(10)로서 이용 가능하다.

또한, 세정 조(10)에 있어서 후술하는 곡면 부재(30)가 배치되는 벽면 및/또는 저면은, 오목부를 갖지 않는 것이 바람직하다. 이에 의해, 오목부에 의해 초음파가 집속되어, 초음파의 일부를 이용할 수 없게 되는 것이 방지된다.

<초음파 인가 기구(20)>

초음파 인가 기구(20)는, 처리조(10)에 수용되어 있는 세정액(3)이나 피세정물에 대하여, 소정 주파수의 초음파를 인가하는 것이다. 초음파 인가 기구(20)는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 미도시의 초음파 발진기에 접속된 초음파 진동자 등, 공지된 것을 이용하는 것이 가능하다. 또한, 도 1a 내지 도 1d에서는, 초음파 인가 기구(20)를 처리조(10)의 벽면에 마련하는 경우에 대하여 도시하고 있지만, 초음파 인가 기구(20)의 처리조(10)로의 설치 위치에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니고, 처리조(10)의 벽면이나 저면에 대하여, 하나 또는 복수의 초음파 진동자를 적절히 설치하면 된다. 또한, 처리조(10) 전체에 균일하게 초음파가 전파되는 조건으로 되면, 개개의 초음파 진동자의 발진 부하의 밸런스가 균일해지기 때문에, 초음파 진동자의 개수가 복수라고 해도, 발생한 초음파 간에 간섭이 발생하지 않게 된다.

초음파 인가 기구(20)로부터 출력되는 초음파의 주파수는, 예를 들어 20kHz 내지 200kHz인 것이 바람직하다. 초음파의 주파수가 상기 범위 내임으로써, 금속체, 예를 들어 강재 표면에 존재하는 스케일을 적합하게 제거할 수 있다. 초음파의 주파수가 20kHz 미만인 경우에는, 피세정물의 표면으로부터 발생하는 사이즈가 큰 기포에 의해 초음파 전파가 저해되어, 초음파에 의한 세정성 향상 효과가 저하되는 경우가 있다. 또한, 초음파의 주파수가 200kHz를 초과하는 경우에는, 피세정물을 세정할 때의 초음파의 직진성이 너무 강해져서, 세정의 균일성이 저하되는 경우가 있다. 또한, 초음파 세정 장치(1)의 장치 구성에 따라서는, 스케일의 제거가 곤란해지는 경우가 있다. 초음파 인가 기구(20)로부터 출력되는 초음파의 주파수는, 바람직하게는 20kHz 내지 150kHz이고, 더욱 바람직하게는 25kHz 내지 100kHz이다.

또한, 인가하는 초음파의 주파수는, 피세정물에 따라서 상기 범위 내에서 적절한 값을 선정하는 것이 바람직하고, 피세정물의 종류에 따라서는, 2종류 이상의 주파수 초음파를 인가해도 된다.

또한, 초음파 인가 기구(20)는, 어떤 선택한 초음파의 주파수를 중심으로 하여 ±0.1kHz 내지 ±10kHz의 범위에서 주파수를 소인하면서 초음파를 인가하는 것이 가능한, 주파수 소인 기능을 갖고 있는 것이 바람직하다. 초음파 인가 기구(20)가 주파수 소인 기능을 갖고 있는 것이 바람직한 이유에 대해서는, 이하에서 다시 설명한다.

<곡면 부재(30)>

곡면 부재(30)는, 이하에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 초음파 인가 기구(20)의 진동면을 향하여 볼록한 곡면을 갖는 부재이고, 곡면 부재(30)에 도달한 초음파를 다방향으로 반사시키는 부재이다. 이러한 곡면 부재(30)를 처리조(10) 내의 벽면 및 저면 중 적어도 어느 한쪽에 마련함으로써, 초음파 인가 기구(20)의 진동면에서 발생한 초음파를, 처리조(10) 내의 전체로 전파시키는 것이 가능하게 된다.

보다 상세하게는, 본 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)에는, 구면 또는 비구면의 표면 형상을 갖는 볼록 만곡부가 적어도 존재하고, 이러한 볼록 만곡부가, 볼록 만곡부 이외의 부분보다도, 초음파 인가 기구(20)의 진동면측으로 돌출된 상태로 되어 있는 볼록 곡면을 갖고 있다.

도 2에, 본 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)의 일례를 열거하였다. 또한, 도 2는, 본 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)를, 도 1a 내지 도 1d에 도시한 좌표축에 있어서 z축 상방으로부터 본 경우의 형상을 도시한 것이다.

도 2에 각각 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)는, 볼록 곡면(31)을 적어도 갖고 있고, 이러한 볼록 곡면(31)에는, 구면 또는 비구면의 표면 형상을 갖는 볼록 만곡부(33)가 적어도 존재하고 있다. 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)에서는, 곡면 부재(30) 중, 이러한 볼록 만곡부(33)를 갖는 볼록 곡면(31)이, 초음파 인가 기구(20)의 진동면측으로 돌출하고, 또한, 이러한 진동면을 향하는 상태로 보유 지지되어 있다.

또한, 본 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)는, 도 2 상단에 도시한 바와 같이, 볼록 만곡부(33)가 아닌 부분인 비볼록 만곡부(35)를 갖고 있어도 되고, 도 2 중단 및 하단에 도시한 바와 같이, 볼록 곡면(31)만으로 구성되어 있어도 된다.

또한, 본 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)는, 도 2 상단 및 중단에 도시한 바와 같이, 중실의 기둥형체여도 되고, 도 2 하단에 도시한 바와 같이, 중공의 통형체여도 된다. 또한, 곡면 부재(30)가 중공인 경우, 처리조(10)에 장착된 상태의 곡면 부재(30)의 공극에는, 공기 등의 각종 기체가 존재하고 있어도 되고, 처리조(10)에 보유되어 있는 세정액(3) 등의 각종 액체가 존재하고 있어도 된다.

곡면 부재(30)가 상기와 같은 볼록 곡면(31)을 가짐으로써, 다방향으로 초음파가 반사되고, 치우침이 없는 균일한 초음파 전파가 실현되어, 초음파 간의 간섭을 억제할 수 있다. 이 결과, 초음파는, 3차원적으로 세정 조(10) 내의 모든 방향으로 확산되고, 불균일이 없는 균일한 세정이 가능하게 된다. 즉, 피세정물에 대하여, 모든 각도로부터 초음파가 도달하여, 피세정물 표면이 균일하게 세정된다. 여기서, 곡면 부재(30)가 오목부를 포함하는 경우에는, 초음파가 오목부에서 반사됨으로써 집속해 버려, 처리조(10) 전체에 효과적으로 초음파를 반사시킬 수 없다. 또한, 볼록부를 포함하는 경우에도, 볼록부가 곡면이 아닌 평면인 경우에는, 초음파를 일방향으로밖에 반사시킬 수 없고, 처리조(10) 전체에 효과적으로 초음파를 반사시킬 수 없다.

또한, 도 2에 도시한 곡면 부재(30)의 형상은, 어디까지나 일례이며, 본 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)의 형상이 도 2에 도시한 형상에 한정되는 것은 아니다. 단, 파형의 요철을 갖는 부재는, 그 오목부가 초음파를 집속시켜 버리기 때문에, 초음파를 균일하게 확산하는 것이 곤란한 경우가 있어, 본 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)에는 포함되지 않는다.

여기서, 도 2의 각 도면에 도시된 바와 같은, 볼록 곡면(31)에 있어서의 볼록 만곡부(33)의 최대 높이 H는, 곡면 부재(30)가 볼록 만곡부(33) 및 비볼록 만곡부(35)를 갖고 있는 경우에는, 볼록 만곡부(33)와 비볼록 만곡부(35)의 접속부 위치를 기준으로 하여 규정되는 높이로 된다. 또한, 곡면 부재(30)가 볼록 만곡부(33)만을 갖고 있는 경우에는, 곡면 부재(30)의 반경, 긴 직경의 1/2의 길이, 짧은 직경의 1/2의 길이···등에 대응하는 높이로 된다. 이러한 볼록 만곡부(33)의 최대 높이 H는, 초음파 인가 기구(20)에 의해 인가되는 초음파의 파장을 λ라 했을 때에, λ/2<H의 관계를 충족하는 높이인 것이 바람직하다. 볼록 만곡부(33)의 최대 높이 H를, 초음파의 반파장보다도 크게 하면, 볼록 만곡부(33)의 어느 곡면에 있어서, 도달한 초음파를 전반사시키는 것이 가능하게 된다. 한편, 볼록 만곡부(33)의 최대 높이 H의 상한은, 특별히 규정되는 것이 아니지만, 처리조(10)의 벽면과 피세정물 사이의 거리에 따라, 예를 들어 500mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 볼록 만곡부(33)의 최대 높이 H는, 더욱 바람직하게는 10mm 이상 300mm 이하이다.

또한, 상기의 최대 높이 이외의 곡면 부재(30)의 치수(최대 폭 W 등)에 대해서는, 후술하는 볼록 만곡부(33)의 처리조(10)의 벽면 등의 전체 면적에 대한 면적률이나, 곡면 부재(30)의 수에 맞춰서 적절히 설정하는 것이 가능하다.

예를 들어 도 2에 도시한 바와 같은 형상을 갖는 곡면 부재(30)는, 초음파를 반사시키는 소재를 사용하여 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 소재로서는, 예를 들어 음향 임피던스(고유 음향 임피던스)가 1×10⁷[kg·m^-2·sec^-1] 이상 2×10⁸[kg·m^-2·sec^-1] 이하인 소재를 들 수 있다. 음향 임피던스가 1×10⁷[kg·m^-2·sec^-1] 이상 2×10⁸[kg·m^-2·sec^-1] 이하인 소재를 사용함으로써 효율적으로 초음파를 반사시키는 것이 가능하게 된다.

음향 임피던스가 1×10⁷[kg·m^-2·sec^-1] 이상 2×10⁸[kg·m^-2·sec^-1] 이하인 소재로서는, 예를 들어 각종 금속 또는 금속 산화물이나, 비산화물 세라믹스를 포함하는 각종 세라믹스 등을 들 수 있다. 이러한 소재의 구체예로서는, 예를 들어 강(고유 음향 임피던스[kg·m^-2·sec^-1]: 4.70×10⁷, 이하, 괄호 내의 수치는 마찬가지로 고유 음향 임피던스의 값을 나타냄), 철(3.97×10⁷), 스테인리스강(SUS, 3.97×10⁷), 티타늄(2.73×10⁷), 아연(3.00×10⁷), 니켈(5.35×10⁷), 알루미늄(1.38×10⁷), 텅스텐(1.03×10⁸), 유리(1.32×10⁷), 석영 유리(1.27×10⁷), 글라스 라이닝(1.67×10⁷), 알루미나(산화알루미늄, 3.84×10⁷), 지르코니아(산화지르코늄, 3.91×10⁷), 질화규소(SiN, 3.15×10⁷), 탄화규소(SiC, 3.92×10⁷), 탄화텅스텐(WC, 9.18×10⁷) 등이 있다. 본 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)에 있어서는, 처리조(10)에 보유 지지되는 세정액(3)의 액성이나, 곡면 부재(30)에 요구되는 강도 등에 따라, 곡면 부재(30)의 형성에 사용하는 소재를 적절히 선택하면 되지만, 상기와 같은 음향 임피던스를 갖는 각종 금속 또는 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 곡면 부재(30)는, 도 3에 모식적으로 도시한 바와 같이, 초음파 인가 기구(20)의 진동면에 대하여, 이러한 진동면의 단부에 있어서의 법선 방향으로부터 외측으로 소정의 경사각 θ로 규정되는 범위 내에 위치하고, 처리조(10)의 벽면 및/또는 저면에 보유 지지된다. 이하에서는, 초음파 인가 기구(20)의 진동면과 소정의 경사각 θ로 규정되는 범위를, 진동자 유효 범위 AR이라고 칭하기로 한다. 도 3으로부터 명백한 바와 같이, 진동자 유효 범위 AR은, 초음파 인가 기구(20)의 진동면에 대하여 소정의 이격 거리에서 대향하는 대향면, 및, 이러한 대향면과 동일 평면 상에 위치하고 대향면에 접하는 주변 영역에서 규정되는 평면 영역과, 진동면 사이에 규정되는 범위이다.

곡면 부재(30)가 진동자 유효 범위 AR 내에 보유 지지됨으로써, 초음파 인가 기구(20)의 진동면에서 발생하는 초음파를, 효율적으로 다방향으로 반사시키는 것이 가능하게 되고, 처리조(10) 전체로, 초음파를 균일하게 전파시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 곡면 부재(30)의 설치 방향은, 도 3에 도시한 예에 한정되는 것은 아니고, 곡면 부재(30)의 볼록 곡면(31)이 초음파 인가 기구(20)의 진동면을 향하는 상태에서 설치되는 것이 중요하고, 볼록 곡면(31)은, 진동면에 대하여 정면으로 대향하도록 설치되지 않아도 된다. 곡면 부재(30)는, 도 2 등에 도시된 바와 같은 단면 형상을 갖는 곡면 부재(30)의 장축 방향이 도면 중의 y축 방향과 대략 평행해지도록 설치되어도 되고, 곡면 부재(30)의 장축 방향이 도면 중의 z축 방향과 대략 평행해지도록 설치되어도 되고, 곡면 부재(30)의 장축 방향이 도면 중의 y축 방향 또는 z축 방향에 대하여 소정의 각도를 갖도록 설치되어도 된다.

도 3에서는, 진동자 유효 범위 AR 내에 설치되어 있는 곡면 부재(30)의 개수는 1개만으로 되어 있지만, 진동자 유효 범위 AR 내에 설치되는 곡면 부재(30)의 개수는, 2개 이상이어도 되는 것은 물론이고, 처리조(10)의 크기 등에 따라서 적절히 설정하면 된다. 복수의 초음파 인가 기구(20)의 진동면이 존재하고, 또한, 각각의 진동자 유효 범위 AR이 서로 중복되는 범위 내에 곡면 부재(30)가 존재하고 있는 경우, 이러한 범위 내에 존재하는 곡면 부재(30)가 복수의 진동면의 각각에 대하여 유효한 반사 부재로서 기능한다. 또한, 진동자 유효 범위 AR 내에 설치되지 않은 곡면 부재(30)가 존재해도 된다. 곡면 부재(30)의 개수는, 예를 들어 볼록 만곡부(33)의 치수나, 후술하는 볼록 만곡부(33)의 처리조(10)의 벽면 등의 전체 면적에 대한 면적률에 맞춰서 적절히 설정할 수 있다.

여기서, 도 3에 있어서의 경사각 θ의 크기는, 0도 이상 30도 이하인 것이 바람직하다. 초음파는 직진성을 갖는 파이기 때문에, 진동면과 정면으로 대향하는 면, 및, 이러한 면의 주변의 일부에 강력하게 전반한다. 본 실시 형태에 있어서, 진동자면에서 발진한 초음파가 벽면 및/또는 저면 및/또는 수면에 이르기까지에 반사가 발생하지 않은 음파를, 제1 음파로서 정의한다. 진동자 유효 범위 AR을 규정하는 경사각 θ의 크기를 0도 이상 30도 이하로 하고, 이러한 범위 AR 내에 하나 또는 복수의 곡면 부재(30)를 설치함으로써, 강력한 제1 음파를 보다 효율적으로 다방향으로 반사시켜, 처리조(10)의 전체에 균일하게 초음파를 전파시킬 수 있다. 즉, 본 실시 형태에 있어서, 처리조(10) 내에 피세정물이 존재하지 않는 경우에, 곡면 부재(30)는, 초음파 인가 기구(20)의 진동면에 정면으로 대향하는 범위(θ=0도) 내지 θ=30도의 범위 내에 존재하는 것이 바람직하다. 한편, 경사각 θ의 크기가 30도 초과로 되는 경우에는, 초음파 인가 기구(20)로부터 조사되고, 또한, 반사가 발생하지 않은 음파인 제1 음파의 적어도 일부가 도달하기 어려워지기 때문에, 바람직하지 않다. 경사각 θ의 크기는, 보다 바람직하게는, 0도 이상 25도 이하이다.

또한, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)에서는, 도 4a 내지 도 4c에 모식적으로 도시한 바와 같이, 초음파 인가 기구(20)로부터 조사되고, 또한, 반사가 발생하지 않은 음파인 제1 음파의 적어도 일부가 볼록 곡면(31)의 볼록 만곡부(33)에 도달하도록, 볼록 곡면(31)이 진동면을 향하는 상태로 보유 지지되어 있는 것이 중요하다. 즉, 초음파는 직진성을 갖는 파이기 때문에, 피세정물이 처리조(10) 내에 침지된 상태여도, 제1 음파의 적어도 일부가 곡면 부재(30)의 볼록 만곡부(33)에 도달하도록, 피세정물의 침지 상태를 고려하여 곡면 부재(30)를 설치하는 것이 중요하다. 또한, 제1 음파가 곡면 부재(30)의 볼록 곡면(31)의 볼록 만곡부(33)에 도달하였는지 여부는, 처리조(10) 내에 피세정물이 존재하지 않는 상태에서 초음파를 인가할 때에 곡면 부재(30)와 초음파 인가 기구(20)의 진동면 사이에, 초음파의 전파를 차폐하는 차폐 부재를 마련한 경우와 마련하지 않은 경우에, 볼록 만곡부(33)의 위치에서 측정되는 초음파의 강도에 변화가 발생하는지 여부로 판단할 수 있다.

예를 들어 도 4a에 도시한 바와 같이 피세정물이 강관 등의 관형체인 경우, 소정량의 관형체가 침지된 경우라도, 제1 음파의 적어도 일부가 볼록 만곡부(33)에 도달하도록, 곡면 부재(30)의 설치 위치를 결정하는 것이 바람직하다.

예를 들어 도 4b에 도시한 바와 같이, 피세정물이 강판 등의 판상체인 경우에 대해서도, 판상체의 침지 위치에 따라, 제1 음파의 적어도 일부가 볼록 만곡부(33)에 도달하도록, 곡면 부재(30)의 설치 위치를 결정하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 예를 들어 도 4c에 도시한 바와 같이, 피세정물이 강선재 등을 권취한 코일형 것인 경우에는, 코일형 선재의 침지 위치에 따라, 제1 음파의 적어도 일부가 볼록 만곡부(33)에 도달하도록, 곡면 부재(30)의 설치 위치를 결정하는 것이 바람직하다.

또한, 곡면 부재(30)의 설치 상태에 관해, 곡면 부재(30)가 복수 배치되는 경우, 이들 곡면 부재(30)는 소정의 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 곡면 부재(30)끼리 사이에 소정의 간격이 존재함으로써, 곡면 부재(30)에 있어서 제1 음파가 반사, 확산되었을 때, 곡면 부재(30)끼리 사이에서 반사파가 집속되는 것이 방지된다.

보다 구체적으로는, 도 2에 도시하는 곡면 부재(30)의 볼록 만곡부(33)의 최대 높이 H에 대하여, 도 4a, 도 4b, 도 4c에 도시되는 곡면 부재(30)끼리의 이격 거리 L은 3H<L의 관계를 충족하는 것이 바람직하다. 이격 거리 L이, 상기 최대 높이 H의 3배 이하이면, 곡면 부재(30)끼리의 사이가 오목부로서 작용하기 쉽고, 제1 음파로서 도달한 음파가 처리조(10) 내에 반사하지 않고 집속되어 버려, 감쇠가 발생하기 쉬운 경향이 있다. 한편, 상기 최대 높이 H의 3배보다 큰 일정한 곡면 부재(30)끼리의 이격 거리 L이 있으면, 감쇠하지 않고 처리조(10) 전체에 효과적으로 초음파를 반사시킬 수 있다. 이격 거리 L은, 바람직하게는 최대 높이 H의 5배 이상, 더욱 바람직하게는 7배 이상이다. 또한, 구체적인 격리 거리 L은, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 0.1m 이상, 바람직하게는 0.2m 이상일 수 있다. 한편, 격리 거리 L의 상한은 특별히 규정되는 것은 아니지만, 진동면이나 볼록 만곡부의 면적에 따라, 예를 들어 1.5m 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한 상술한 격리 거리 L은, 인접하는 곡면 부재(30) 사이에 있어서의 최소의 거리를 채용한다. 또한, 인접하는 곡면 부재(30)의 형상이 상이한 경우, 각 곡면 부재(30)의 볼록 만곡부(33)의 최대 높이 중, 가장 큰 값을 최대 높이 H로서 채용한다.

도 3 내지 도 4c에 도시된 바와 같은 곡면 부재(30)의 설치 상태에 관해, 보다 구체적으로는, 곡면 부재(30)의 볼록 만곡부(33)가, 진동면에 기초하여 규정되는 진동자 유효 범위 AR 내에 위치하는 곡면 부재(30)의 전체 표면적에 대하여 30％ 이상의 면적률을 갖도록, 곡면 부재(30)가 설치되는 것이 바람직하다. 곡면 부재(30)의 전체 표면적에 대한 볼록 만곡부(33)의 면적률이 30％ 이상으로 됨으로써, 보다 효과적으로 초음파를 반사시키는 것이 가능하게 되고, 처리조(10)의 전체에 보다 균일하게 초음파를 전파시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 이러한 면적률은 크면 클수록 좋기 때문에, 그 상한값은 규정하는 것은 아니고, 면적률은 100％여도 된다. 곡면 부재(30)의 전체 표면적에 대한 볼록 만곡부(33)의 면적률은, 보다 바람직하게는, 50％ 이상이다.

또한, 곡면 부재(30)의 볼록 만곡부(33)는, 진동면에 기초하여 규정되는 진동자 유효 범위 AR 내에 위치하는 처리조(10)의 벽면 및/또는 저면의 전체 면적에 대하여 1％ 이상 80％ 이하의 면적률을 갖는 것이 바람직하다. 여기서, 볼록 만곡부(33)의 면적이란, 초음파 인가 기구(20)의 진동면을 향하는 볼록 만곡부(33)의 면적을 의미하고 있다. 바꾸어 말하면, 제1 음파가 도달 가능한 범위의 면적이, 볼록 만곡부(33)의 면적으로 된다. 예를 들어, 곡면 부재(30)가 파이프형인 것인 경우, 반원에 대응하는 곡면의 면적이, 고려되는 볼록 만곡부(33)의 면적으로 된다. 처리조(10)의 벽면 등의 전체 면적에 대한 볼록 만곡부(33)의 면적률이 상기 범위 내로 됨으로써, 곡면 부재(30)의 볼록 만곡부(33)까지 도달한 초음파를, 효과적으로 확산시키는 것이 가능하게 되고, 처리조(10)의 전체에 걸쳐 보다 균일하게 초음파를 전파시키는 것이 가능하게 된다. 처리조(10)의 벽면 등의 전체 면적에 대한 면적률이 1％ 미만인 경우에는, 곡면 부재(30)에 의한 초음파의 확산 효과가 극단적으로 부족해져 버린다. 한편, 처리조(10)의 벽면 등의 전체 면적에 대한 면적률이 80％를 초과하는 경우에는, 초음파의 반사 방향에 따라서는 오목부가 존재하게 되어 버려, 효율적으로 초음파를 확산시킬 수 없는 경우가 있다. 처리조(10)의 벽면 등의 전체 면적에 대한 면적률은, 보다 바람직하게는, 3％ 이상 80％ 이하이고, 더욱 바람직하게는, 10％ 이상 80％ 이하이다. 또한, 처리조(10)의 전체에 걸쳐 보다 균일하게 초음파를 전파시키기 위하여 상기의 면적률을 설정한 뒤에, 당해 면적률에 맞춰서 곡면 부재(30)의 치수 및 수를 설정함으로써, 보다 확실하게 균일한 초음파의 전파를 실현할 수 있다.

또한, 도 5에 모식적으로 도시한 바와 같은, 초음파 인가 기구(20)의 진동면과, 곡면 부재(30)에 있어서 볼록 곡면(31)에 있어서의 볼록 만곡부(33)의 최대 높이를 부여하는 위치 사이의 이격 거리 D는, 5cm 이상 250cm 이하인 것이 바람직하다. 이격 거리 D가 5cm 이상 250cm 이하로 됨으로써, 보다 효과적으로 초음파를 확산시키는 것이 가능하게 된다. 이격 거리가 5cm 미만인 경우에는, 곡면 부재(30)에 의해 반사한 초음파가 강력하게 되고, 초음파 인가 기구(20)의 진동면에 대미지를 끼치거나, 반사된 초음파가 간섭하여 전파성이 저하되거나 하는 경우가 있기 때문에, 바람직하지 않다. 또한, 이격 거리 D가 250cm를 초과하는 경우에는, 초음파 자체가 서서히 감쇠하고, 곡면 부재(30)에 의한 반사 효과를 향수하는 것이 곤란해지는 경우가 있기 때문에, 바람직하지 않다. 또한, 이격 거리 D는, 보다 바람직하게는, 10cm 이상 200cm 이하이다.

이상, 도 2 내지 도 5를 참조하면서, 본 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)에 대해서, 상세하게 설명하였다.

<용존 기체 제어 기구(40)>

계속해서, 다시 도 1b 및 도 1d로 되돌아가, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)가 갖고 있는 것이 바람직한 용존 기체 제어 기구(40)에 대해서, 상세하게 설명한다.

용존 기체 제어 기구(40)는, 처리조(10)의 내부에 보유되어 있는 세정액(3) 중의 용존 기체량을, 적절한 범위 내로 제어하는 것이다.

본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)에 있어서, 보다 균일한 초음파 전반과 높은 세정성을 양립하기 위해서는, 세정액(3) 중의 용존 기체량을 적절한 값으로 제어하는 것이 바람직하다. 이러한 세정액(3) 중의 적절한 용존 기체량은, 세정액(3)에 있어서의 용존 포화량의 1％ 이상 50％ 이하인 것이 바람직하다. 용존 기체량이 용존 포화량의 1％ 미만인 경우에는, 초음파에 의한 캐비테이션 발생이 일어나지 않고, 초음파에 의한 세정성 향상 능력(표면 처리성 향상 능력)을 발휘할 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 용존 기체량이 용존 포화량의 50％를 초과하는 경우에는, 용존한 기체에 의해 초음파의 전반이 저해되어, 처리조(10) 전체로의 균일한 초음파 전반이 저해되기 때문에, 바람직하지 않다. 세정액(3) 중의 용존 기체량은, 바람직하게는 세정액(3)에 있어서의 용존 포화량의 5％ 이상 40％ 이하이다.

여기서, 세정액(3)의 온도가 변화하면, 세정액(3)의 용존 포화량은 변화한다. 또한, 세정액(3)의 온도 변화에 기인하는, 세정액(3)을 구성하는 액체의 분자 운동량(예를 들어, 물 분자 운동량)의 차이가, 전반성에 영향을 미친다. 구체적으로는, 온도가 낮으면, 세정액(3)을 구성하는 액체의 분자 운동량은 적고, 초음파를 전반하기 쉬워져, 세정액(3)의 용존 포화량도 높아진다. 따라서, 상기 범위 내로 되는 원하는 용존 기체량을 실현 가능하도록, 세정액(3)의 온도를 적절히 제어하는 것이 바람직하다. 세정액(3)의 온도는, 세정액(3)을 사용하여 실시하는 구체적인 처리 내용에 따라 다르지만, 예를 들어 20℃ 내지 85℃ 정도인 것이 바람직하다.

구체적으로는, 세정액(3) 중의 용존 기체량은, 예를 들어 0.1ppm 이상 11.6ppm 이하인 것이 바람직하고, 1.0ppm 이상 11.0ppm 이하인 것이 보다 바람직하다. 그 때문에, 용존 기체 제어 기구(40)는, 처리조(10) 내에 보유된 세정액(3) 중의 용존 기체량이 상기와 같은 범위의 값으로 되도록, 세정액(3)의 온도나 세정액(3) 중의 용존 기체량을 제어한다.

용존 기체량의 제어 방법에는, 진공 탈기, 화학 약품에 의한 탈기 등, 여러가지 방법이 존재하고 있고, 적절히 선택하는 것이 가능하다. 또한, 세정액(3) 중의 용존 기체량은, 격막 전극법 및 광학식 용존 산소계라고 하는, 공지된 기기에 의해 측정하는 것이 가능하다.

여기서, 수용액 중의 용존 기체는, 주로, 산소, 질소, 이산화탄소, 헬륨, 아르곤이고, 수용액의 온도나 성분에 영향을 받기는 하지만, 산소와 질소가 그 대부분을 차지하고 있다.

<파인 버블 공급 기구(50)>

계속해서, 다시 도 1c 및 도 1d로 되돌아가, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)가 갖고 있는 것이 바람직한 파인 버블 공급 기구(50)에 대해서, 상세하게 설명한다.

파인 버블 공급 기구(50)는, 초음파 인가 기구(20)로부터 인가되는 초음파의 주파수에 따른 기포 직경(평균 기포 직경)을 갖는 파인 버블을, 공급관을 통해, 처리조(10)에 보유된 세정액(3) 중에 공급하는 것이다. 파인 버블이란, 평균 기포 직경이 100㎛ 이하인 미세 기포이다. 이러한 파인 버블 중, 평균 기포 직경이 ㎛사이즈의 파인 버블을, 마이크로 버블이라고 칭하는 경우가 있고, 평균 기포 직경이 nm사이즈의 파인 버블을, 나노 버블이라고 칭하는 경우가 있다. 파인 버블은, 피세정물에 대한 초음파의 전파 효율을 향상시켜, 초음파 캐비테이션의 핵으로서 세정성을 향상시키는 것이다.

세정액 속에 공급되는 파인 버블의 평균 기포 직경은, 0.01㎛ 내지 100㎛인 것이 바람직하다. 여기서, 평균 기포 직경이란, 파인 버블의 직경에 관한 개수 분포에 있어서, 표본 수가 최대로 되는 직경이다. 평균 기포 직경이 0.01㎛ 미만인 경우, 파인 버블 공급 기구(50)가 대형으로 되고, 기포 직경을 정돈한 상태에서의 파인 버블의 공급이 곤란해지는 경우가 있다. 또한, 평균 기포 직경이 100㎛를 초과하는 경우에는, 파인 버블의 부상 속도가 증가함으로써 세정액 속에서의 파인 버블의 수명이 짧아져, 현실적인 세정을 할 수 없게 되는 경우가 있다. 또한, 기포 직경이 너무 큰 경우, 초음파의 전파가 파인 버블에 의해 저해되어, 초음파가 갖는 세정력 향상 효과가 저하되어 버리는 경우가 있다.

또한, 세정액(3) 중에 있어서의 파인 버블의 농도(밀도)는, 10³개/mL 내지 10¹⁰개/mL인 것이 바람직하다. 파인 버블의 농도가 10³개/mL 미만인 경우에는, 파인 버블에 의한 초음파 전반성 향상 작용이 충분히 얻어지지 않는 경우가 있고, 또한, 세정에 필요한 초음파 캐비테이션의 핵이 적어져 버려, 바람직하지 않다. 또한, 파인 버블의 농도가 10¹⁰개/mL 초과인 경우에는, 버블 발생 장치가 대형이 되거나, 버블 발생 장치의 대수를 증가시키게 되거나 해서, 파인 버블의 공급이 현실적이지 않은 경우가 있어, 바람직하지 않다.

또한, 파인 버블 공급 기구(50)는, 세정액(3) 중에 있어서, 초음파의 주파수에 공진하는 직경인 주파수 공진 직경 이하의 기포 직경을 갖는 파인 버블의 개수의 비율이 세정액(3) 중에 존재하는 파인 버블 전체의 개수의 70％ 이상으로 되도록, 파인 버블을 공급하는 것이 바람직하다. 이하, 그 이유에 대하여 설명한다.

파인 버블을 포함하는 각종 기포의 고유 진동수는, Minnaert 공진 주파수라고도 불리고, 이하의 식 101로 부여된다.

여기서, 상기 식 101에 있어서,

f₀: 기포의 고유 진동수(Minnaert 공진 주파수)

R₀: 기포의 평균 반경

p_∞: 주변 액체의 평균 압력

γ: 단열비(공기의 γ=1.4)

ρ: 액체 밀도

이다.

지금, 착안하는 기포의 내부에 공기가 존재하는 경우에, 기포의 주변 액체가 물이고, 압력이 대기압이라고 하면, 기포의 고유 진동수와 기포의 평균 반경의 곱 f₀R₀의 값은, 상기 식 101로부터 약 3kHz·mm 정도로 된다. 이것으로부터, 인가되는 초음파의 주파수가 20kHz라면, 이러한 초음파에 공진하는 기포의 반경 R₀은, 약 150㎛로 되기 때문에, 주파수 20kHz의 초음파에 공진하는 기포의 직경인 주파수 공진 직경 2R₀은, 약 300㎛로 된다. 마찬가지로, 인가되는 초음파의 주파수가 100kHz라면, 이러한 초음파에 공진하는 기포의 반경 R₀은, 약 30㎛로 되기 때문에, 주파수 100kHz의 초음파에 공진하는 기포의 직경인 주파수 공진 직경 2R₀은, 약 60㎛로 된다.

이때에, 공진 반경 R₀보다도 큰 반경을 갖는 기포는 저해 인자로 된다. 왜냐하면, 파인 버블을 포함하는 기포가 공진할 때, 기포는, 단시간에 팽창과 수축을 반복하고, 최종적으로는 압괴되지만, 제1 음파가 기포를 통과하는 시점에서 기포의 크기가 주파수 공진 직경 2R₀보다도 크면, 초음파는 기포 표면에서 확산되어 버리기 때문이다. 반대로, 제1 음파가 기포를 통과하는 시점에서 기포의 크기가 주파수 공진 직경 2R₀보다도 작으면, 초음파는 기포 표면에서 확산하지 않고 기포 중을 통과할 수 있다.

이러한 관점에서, 세정액(3) 속에 있어서, 주파수 공진 직경 2R₀ 이하의 기포 직경을 갖는 파인 버블의 개수의 비율을, 세정액(3) 속에 존재하는 파인 버블 전체의 개수의 70％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 주파수 공진 직경 2R₀ 이하의 기포 직경을 갖는 파인 버블의 개수의 비율을 70％ 이상으로 함으로써, 초음파의 전파 효율을 더욱 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 제1 음파를 처리조(10)의 벽면/저면까지 전파시킴으로써, 처리조(10) 전체로의 초음파의 확산 및 반사가 반복되어, 균일한 초음파 처리조를 실현하는 것이 가능하게 된다. 또한, 주파수 공진 직경 2R₀ 이하였던 기포도, 소정의 초음파 조사 시간을 초과하면 팽창과 수축을 반복하여 압괴하고, 캐비테이션 세정에 기여할 수 있다.

또한, 주파수 공진 직경 2R₀ 이하의 기포 직경을 갖는 파인 버블의 개수의 비율은, 파인 버블 발생 직후에 팽창하는 기포가 적지 않게 존재하는 것을 고려하여, 98％ 이하인 것이 바람직하다. 주파수 공진 직경 2R₀ 이하의 기포 직경을 갖는 파인 버블의 개수의 비율은, 보다 바람직하게는 80％ 이상 98％ 이하이다.

여기서, 파인 버블 발생의 기본 기구에는, 기포의 전단, 기포의 미세 구멍 통과, 감압에 의한 캐비테이션(기화), 기체의 가압 용해, 초음파, 전기 분해, 화학 반응 등이라는 여러가지 기구가 존재하고, 적절히 선택하는 것이 가능하다. 본 실시 형태에 따른 파인 버블 공급 기구(50)에서는, 파인 버블의 기포 직경과 농도를 용이하게 제어하는 것이 가능한, 파인 버블 발생 방식을 이용하는 것이 바람직하다. 이 파인 버블 발생 방식은, 예를 들어 전단 방식으로 파인 버블을 발생시킨 후에, 세정액을 소정 사이즈의 미세 구멍을 갖는 필터에 통과시킴으로써, 파인 버블의 기포 직경 등을 제어하는 방식이다.

여기서, 파인 버블의 평균 기포 직경이나 농도(밀도)는, 액 중 파티클 카운터나 기포 직경 분포 계측 장치 등의, 공지된 기기에 의해 측정하는 것이 가능하다. 예를 들어, 레이저 회절 산란법에서의 산란 광 분포로부터 산출하는 광범위한 기포 직경 분포(몇nm 내지 몇백㎛)를 측정할 수 있는 시마즈 세이사쿠쇼제 SALD-7100H나, 전기 저항법에서의 개구부 통과 시의 전기 저항 변화로부터 ㎛사이즈의 개수·농도를 측정할 수 있는 베크만 콜터제 Multisizer 4, 브라운 운동 관측법에서의 레이저광 조사로 입자의 브라운 운동 관찰 비디오를 사용하여 속도로부터nm사이즈의 개수·농도를 측정할 수 있는 Malvern제 NanoSight LM10 등이 있다.

이상과 같이 하여 발생시킨 파인 버블은, 일반적인 세정액(3)의 액성 조건 하에서는, 표면 전위가 음으로 대전되어 있는 경우가 많다. 한편으로, 피세정물의 표면에 존재하고 있는 세정 대상물(예를 들어, 강관에 있어서의 스케일, 스멋(smut), 유분 등)은 양으로 대전되어 있는 일이 많기 때문에, 파인 버블이 세정 대상물의 근방까지 도달하면, 이러한 대전성의 차이에 의해, 파인 버블이 세정 대상물에 흡착 하게 된다. 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)가 파인 버블 공급 기구(50)를 갖는 경우, 파인 버블이 인가된 초음파에 의해 캐비테이션을 발생시킴으로써 세정 대상물을 추가로 세정할 수 있고, 보다 효율적으로 세정을 행하는 것이 가능하게 된다.

<반사판>

또한, 처리조(10)의 세정액측의 벽면 및 저면에는, 초음파를 반사시키기 위한 반사판이 마련되는 것이 바람직하다. 이러한 반사판을 마련함으로써, 처리조(10)의 벽면이나 저면까지 도달한 초음파는 반사판에 의해 반사되고, 다시 세정액(3)쪽으로 전파해 가게 된다. 이에 의해, 세정액(3) 중에 인가된 초음파를 효율적으로 이용하는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 처리조(10) 내에 곡면 부재(30)가 배치되어 있음으로써, 반사판을 배치한 경우에도, 정재파의 발생이 방지되고 있다.

특히, 예를 들어 도 6에 모식적으로 도시한 바와 같이, 곡면 부재(30)와, 이러한 곡면 부재(30)가 보유 지지되어 있는 처리조(10)의 벽면 또는 저면 사이에, 초음파를 반사시키는 반사판(60)을 마련함으로써, 보다 효율적으로 초음파를 이용하는 것이 가능하게 된다.

또한, 처리조(10)의 벽면 및 저면의 곡면 부재(30)가 배치되지 않은 부위에, 반사판이 배치되어도 된다. 이렇게 반사판이 존재함으로써, 초음파가 처리조(10)의 벽면 및 저면에 있어서 흡수되는 것이 방지되어, 반사된다. 이에 의해, 세정액(3) 중에 인가된 초음파를 효율적으로 이용하는 것이 가능하게 된다. 또한, 이 경우에 있어서, 처리조(10)의 세정액과 접하는 벽면 및 저면의 곡면 부재(30)가 배치되지 않은 부위에 대한 반사판의 면적률은, 크면 클수록 좋고, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 80％ 이상, 바람직하게는 90％ 이상일 수 있다.

이상, 도 1a 내지 도 6을 참조하면서, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)의 전체적인 구성에 대해서, 상세하게 설명하였다.

(주파수의 소인 처리)

계속해서, 초음파 인가 기구(20)에 있어서의 주파수의 소인 처리에 대해서, 간단하게 설명한다.

앞서 언급한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 초음파 인가 기구(20)는, 어떤 선택한 초음파의 주파수를 중심으로 하여 ±0.1kHz 내지 ±10kHz의 범위에서 주파수를 소인하면서 초음파를 인가하는 것이 가능한, 주파수 소인 기능을 갖고 있는 것이 바람직하다. 이러한 주파수 소인 기능에 의해, 이하와 같은 두 새로운 효과를 실현하는 것이 가능하게 된다.

액체 중에 존재하고 있는, 파인 버블을 포함하는 미소 기포에 대하여 초음파를 인가한 경우, 미소 기포에 대하여 Bjerknes력이라고 불리는 힘이 작용하고, 미소 기포는, 주파수에 의존하는 공진 기포 반경 R₀에 따라, 초음파의 배나 절의 위치에 끌어 모아지게 된다. 여기서, 초음파 인가 기구(20)가 갖고 있는 주파수 소인 기능에 의해, 초음파의 주파수가 변화된 경우, 주파수에 의존하는 공진 기포 반경 R₀은, 주파수의 변화에 따라서 넓어지게 된다. 그 결과, 캐비테이션 발생의 기포 직경이 넓어지게 되고, 많은 미소 기포(예를 들어, 파인 버블)를 캐비테이션 핵으로서 이용하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 초음파 인가 기구(20)가 갖고 있는 주파수 소인 기능에 의해, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)의 세정 효율이 더욱 향상되게 된다.

한편, 초음파의 일반적인 성질로서, 「초음파의 파장이 조사 물체의 두께에 대응하는 파장의 1/4로 되었을 때에, 초음파가 조사 물체를 투과한다」라고 하는 현상이 알려져 있다. 그래서, 주파수를 적절한 범위에서 소인하면서 초음파를 인가함으로써, 예를 들어 피세정물이 관형체 등의 중공부를 갖는 것인 경우에, 관형체 내로 투과하는 초음파를 증가시키는 것이 가능하게 되어, 본 실시 형태에 따른 초음파 세정 장치(1)의 세정 효율이 더욱 향상되게 된다.

여기서, 조사 물체 표면에서의 초음파의 투과를 생각하는 경우, 초음파는, 조사 물체에 수직 입사하는 경우뿐만 아니라, 다중 반사를 반복하면서 전파해 가기 때문에, 일정한 음장은 형성되기 어려운 경향이 있다. 그 중에서도, 조사 물체의 벽면을 투과하는 조건을 만들어 내기 위해서, 피세정물의 위치가 어디에 존재하고 있다고 해도, 「초음파의 파장이, 피세정물의 두께에 대응하는 파장의 1/4로 된다」고 하는 조건을 충족하는 것이 가능한 주파수를 실현하는 것이 바람직하다. 이러한 주파수의 범위에 대해서, 본 발명자는 검토한 바, 어떤 선택한 초음파의 주파수를 중심으로 하여 ±0.1kHz 내지 ±10kHz의 범위에서 주파수를 소인하면서 초음파를 인가함으로써, 상기와 같은 초음파의 투과가 실현 가능하다는 것이 밝혀졌다.

실시예

이어서, 실시예 및 비교예를 나타내면서, 본 발명에 따른 초음파 세정 장치 및 초음파 세정 방법에 대해서, 구체적으로 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시예는, 어디까지나 본 발명에 따른 초음파 세정 장치 및 초음파 세정 방법의 일례이며, 본 발명에 따른 초음파 세정 장치 및 초음파 세정 방법이, 이하에 나타내는 예에 한정되는 것은 아니다.

(실험예 1)

본 실험예에서는, 도 7a 및 도 7b에 모식적으로 도시한 바와 같은 초음파 세정 장치(1)를 사용하여, 강판의 수세(린스) 처리를 행하였다. 린스 용액으로서는, 상온(25℃)의 정수를 사용하였다. 처리조(10)는, 외벽이 SUS제인, 폭 2.0m×길이 7m×깊이 0.5m의 용량 7㎥의 것을 사용하였다. 피세정물인 강판은, 처리조(10) 내에 마련된 롤에 보유 지지되어 있는 상태로 하였다. 초음파 인가 기구(20)의 초음파 발진기는, 출력이 1200W의 것을 사용하였다. 초음파의 주파수를, 40kHz(음속 c=1500m/s에 있어서의 파장 λ: 37.5mm)로 하고, 도 7a 및 도 7b에 모식적으로 도시한 바와 같이, SUS제 투입 진동자 5대를 처리조(10)의 긴 변 편측 벽면에 배치하고, 초음파를 인가하였다. 또한, 도 7a 및 도 7b에 모식적으로 도시한 바와 같이, 처리조(10)의 초음파 진동자가 마련되지 않은 측의 벽면에 대하여 SUS제 투입 진동자와 대향하도록 5개의 곡면 부재(30)를 설치하였다. 처리조(10)에 설치하는 곡면 부재(30)에 대해서, 크기, 형상, 재질(고유 음향 임피던스), 표면적, 진동면으로부터의 거리, 곡면 부재(30)끼리의 거리를 각각 변화시켜서, 얻어진 결과의 비교를 행하였다. 또한, 본 실험예에서는, 용존 기체 제어 기구(40)로서, 미우라 고교 제막식 탈기 장치 PDO 4000P를 사용하여, 시험 시에 용존 기체량을 제어하였다. HORIBA제 용존 산소계 LAQUA OM-51을 사용하고, 용존 기체량에 비례하는 값으로서 용존 산소량을 측정하여, 용존 포화량에 대한 용존 기체량(％)을 어림잡았다. 또한, 이하의 표 1, 표 2에 있어서의 용존 기체량 5％, 40％, 95％는, 구체적인 농도로서는, 각각 1.1ppm, 9.1ppm, 21.5ppm에 대응하고 있다. 또한, 용존 기체량 95％는, 용존 기체 제어를 행하지 않은 정수 그대로를 사용한 경우의 값이다.

본 실험예에서는, 도 8에 모식적으로 도시한 바와 같이, 초음파 레벨 모니터(카이져제 19001D)를 사용하여, 처리조(10)의 길이 방향에 대해서는 0.5m 간격, 처리조(10)의 폭 방향에 대해서는, 벽면으로부터 0.5m의 위치의 계 26군데에서 초음파 강도(mV)의 측정을 행하고, 상대 초음파 강도(비교예 1의 측정 결과, 즉, 볼록 만곡부(33)를 설치하지 않은 경우에 있어서의 측정 초음파 강도를 1로 했을 때의 상대 강도) 및 표준 편차(σ)를 산출함으로써, 처리조(10) 전체의 초음파의 전반성을 비교하였다. 또한, 이하에 나타내는 비교예 5에서는, SUS제 투입 진동자가 마련된 것과 같은 벽면에 곡면 부재(30)를 마련하고, 볼록 만곡부(33)가 진동면에 대향하지 않도록 하였다. 본 실험예의 실험 조건 및 얻어진 결과를, 이하의 표 1, 표 2에 정리하여 나타내었다.

또한, 이하의 표 1, 표 2에 있어서, 곡면 부재의 형상 중 「환 파이프」라고 기재된 것은, 장축 방향에 대하여 수직인 단면의 외형이 원 형상인, 중공의 관형체를 사용한 것을 의미하고, 「원기둥」이라고 기재된 것은, 장축 방향에 대하여 수직인 단면의 외형이 원 형상인, 중실의 주상체를 사용한 것을 의미한다. 또한, 곡면 부재의 형상 중 「편평 파이프」라고 기재된 것은, 장축 방향에 대하여 수직인 단면의 외형이 타원 형상인, 중공의 관형체를 사용한 것을 의미한다. 또한, 「파판(각)」이라고 기재한 것은, 파형 부분이 비볼록 만곡부(35)로서 기능하는 파판을 사용하였음을 의미한다. 또한, 곡면 부재의 형상 중 「엠보싱」이라고 기재된 것은, 판상의 소재 표면에 대하여 φ10mm의 반구를 지그재그 배치로 엠보스 가공한 것을 사용한 것을 의미한다. 또한, 곡면 부재의 형상 중 「환 파이프+차폐판」이라고 기재된 것은, 초음파 인가 기구(20)의 SUS제 투입 진동자와 환 파이프 사이에, 제1 음파를 차단하는 차폐판을 배치한 것을 의미한다.

또한, 이하의 표 1, 표 2에 있어서, 「최대 높이 H」는, 앞서 설명한 바와 같은, 진동자면을 향하여 볼록해지는 볼록 만곡부(33)의 최대 높이를 의미하고, 환 파이프나 원기둥의 경우에는, 반경에 상당하는 값으로 된다. 또한, 이하의 표 1, 표 2에 있어서, 「부재 내 볼록 만곡부 면적률」은, 곡면 부재(30) 중, 진동자면에 대향하는 볼록 만곡부(33)의 면적률을 의미하고 있다. 또한, 이하의 표 1, 표 2에 있어서, 「곡면 부재의 수」란, 하나의 곡면 부재(30)에 있어서의 볼록 만곡부(33)의 개수를 의미하고, 볼록 만곡부(33)가 연속되고 있는 것은, 1로 나타내었다.

먼저, 비교예를 보면, 볼록 만곡부(33)가 존재하지 않는 곡면 부재(30)를 마련한 비교예 2 내지 3과, 제1 음파의 초음파를 가리도록 볼록 만곡부(33) 앞에 마련된 차폐판이 존재하는 비교예 4와, 진동면과 같은 벽면에 볼록 만곡부를 마련한 비교예 5에서는, 본 발명의 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)를 처리조에 보유 지지하지 않은 비교예 1과 비교하여, 처리조(10) 전체의 상대 초음파 강도의 평균은 거의 변함없었다. 또한, 변동 지표인 표준 편차에 대해서도, 초음파 강도 33mV에 대하여 20을 초과하고 있어, 초음파의 전반이 불균일하다는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)을 마련한 실시예 1 내지 20에서는, 상대 초음파 강도는 1.5배 이상으로 높은 값을 나타내었다. 특히, 진동자면에서의 이격 거리 D가 2.5m 이내이고, 또한, 외측으로 30° 이내의 진동자 유효 범위 내에 1％ 이상 80％ 이하의 면적률로 볼록 만곡부(33)를 갖는 실시예 4 내지 8에서는, 2배 이상의 상대 초음파 강도가 관측되고, 표준 편차도 작아졌다. 또한, 볼록 만곡부(33)의 형상을 바꾸었을 때에, 면적률이 1％ 이상 80％ 이하의 범위 내이고, 또한, 볼록 만곡부(33)의 최대 높이 H가 λ/2<H인 실시예 13, 16, 18에 있어서도, 마찬가지로 2배 이상의 상대 초음파 강도가 관측되었다.

또한, 고유 음향 임피던스가 1×10⁷에 미치지 못하는 소재로 이루어지는 실시예 10, 11보다도, 고유 음향 임피던스가 1×10⁷이상의 소재로 이루어지는 실시예 5쪽이, 상대 초음파 강도는 높아졌다. 나아가, 용존 기체량을 제어한 경우의 실시예 17, 18에 있어서는, 상대 초음파 강도는 비교예 1의 3.5배 이상으로 되고, 또한, 표준 편차가 더욱 작아지고, 보다 균일한 전반이 관측되었다.

(실험예 2)

본 실험예에서는, 도 9a 및 도 9b에 모식적으로 도시한 바와 같은 초음파 세정 장치(1)를 사용하여, 표면에 유분이 부착된 강관의 탈지 처리를 행하였다. 탈지 용액으로서는, 온도 60℃의 알칼리계의 탈지액을 사용하였다. 처리조(10)는, 외벽이 강철제이고 표면에 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 라이닝되어 있고, 폭 1.0m×길이 15.0m×깊이 0.6m의 용량 9㎥의 것을 사용하였다. 이러한 처리조(10)에 대하여 표면에 유분이 부착된 강관을, 소정 시간 침지하였다. 구체적으로는, 처리조(10) 내의 중앙에, 피세정물로서, 내경 40mm, 길이 10m의 강관을 20개 설치하고, 세정 평가를 행하였다.

초음파 인가 기구(20)의 초음파 발진기는, 출력이 1200W인 것을 사용하였다. 초음파 진동자는, SUS제 투입 진동자를 10대 사용하고, 도 9a 및 도 9b에 모식적으로 도시한 바와 같이, 처리조(10)의 긴 변 방향의 벽면에 5대씩 설치하였다. 사용한 초음파 발진기는, 초음파의 주파수를 소인 가능한 것이고, 본 실험 예에서는, 주파수를 25kHz 내지 192kHz로 하였다. 또한, 초음파의 각 주파수 f에 대응하는 파장 λ는, 음속 c=1550m/s로 했을 때에, c=f·λ의 관계로부터 산출하는 것이 가능하다.

도 9a 및 도 9b에 모식적으로 도시한 바와 같이, 처리조(10)의 벽면 및 저면의 일부에, 곡면 부재(30)를 설치하고, 이 곡면 부재(30) 상에 피세정물인 강관이 보유 지지되도록 하였다. 또한, 일부의 실시예에서는, 처리조(10)의 벽면과 곡면 부재(30) 사이에, 소정 재질의 반사판을 설치하였다. 또한, 이러한 곡면 부재(30)는, SUS제 파이프이고, 내부는 공동으로 하였다. 곡면 부재(30)의 형상(외형), 크기, 개수, 진동면에서의 거리를 다양하게 변화시키고, 얻어진 결과의 비교를 행하였다.

본 실험예에서는, 용존 기체 제어 기구(40)로서, 미우라 고교 제막식 탈기 장치 PDO 4000P를 사용하고, 실험 시는, 용존 포화량에 대한 용존 기체량을 0.5％, 40％ 또는 95％로 제어하였다. 이러한 제어 시에, HORIBA제 용존 산소계 LAQUA OM-51을 사용하고, 용존 기체량에 비례하는 값으로서 용존 산소량을 측정하고, 용존 포화량에 대한 용존 기체량(％)을 어림잡았다. 또한, 이하의 표 3, 4에 있어서의 용존 기체량 0.5％, 40％, 95％는, 구체적인 농도로서는, 각각, 0.08ppm, 6.4ppm, 15.2ppm에 대응하고 있다. 또한, 용존 기체량 95％는, 용존 기체 제어를 행하지 않은 정수 그대로를 사용한 경우의 값이다.

또한, 본 실험 예에서는, 파인 버블 공급 기구(50)로서, OHR 유체 공학 연구소제 2FKV-27M/MX-F13을 사용하고, 탈지 용액에 대하여 파인 버블을 공급하면서, 초음파와 파인 버블을 병용하여 검증을 행하였다. 파인 버블의 기포 직경(평균 기포 직경) 및 총 개수는, 정밀 입도 분포 측정 장치(베크만 콜터제 Multisizer 4) 및 나노 입자 해석 장치(Mulvern제 NanoSight LM10)를 사용하여 측정하였다.

본 실험예에서는, 강판 표면의 유분 제거율을 측정하고, 측정한 유분 제거율을 탈지 성능으로서 평가하였다. 보다 상세하게는, 세정 전후의 질량 변화량으로부터 유분 제거량을 산출하고, 강판 표면에 부착된 유분 총량에 대한 각 세정 조건으로 제거된 유분 제거량의 비율을, 유분 제거율로 하였다. 또한, 하기의 표 3, 4에 있어서의 탈지 성능의 평가 기준은, 이하와 같다.

유분 제거율

100％ 이하 내지 98％ 이상: A1

98％ 미만 내지 95％ 이상: A2

95％ 미만 내지 93％ 이상: B1

93％ 미만 내지 90％ 이상: B2

90％ 미만 내지 85％ 이상: C1

85％ 미만 내지 80％ 이상: C2

80％ 미만 내지 60％ 이상: D

60％ 미만 내지 40％ 이상: E

40％ 미만: F

즉 평가 A1 내지 평가 B2는, 탈지 성능이 매우 양호했음을 의미하고, 평가 C1, C2는, 탈지 성능이 양호했던 것을 의미하고, 평가 D는, 탈지 성능에 약간 어려움이 있었음을 의미하고, 평가 E 및 평가 F는, 탈지 성능이 불량했음을 의미한다.

먼저, 비교예를 보면, 본 발명의 실시 형태에 따른 곡면 부재(30)를 처리조(10)에 보유 지지하지 않은 비교예 1 내지 2와, 볼록 만곡부(33)를 갖지 않는 곡면 부재(30)를 마련한 비교예 3 내지 4와, 초음파를 가리도록 볼록 만곡부(33)의 전단에 마련된 차폐판의 존재하는 비교예 5와, 진동자면으로부터 775mm(반사판과 진동면의 거리가 λ/4·(2n-1)을 충족하는) 위치에 반사판을 평행하게 설치한 비교예 6에서는, 탈지 성능이 불량 또는 세정 부족으로 되는 영역이 발생하였다.

한편, 본 발명의 실시 형태에 따른 볼록 만곡부(33)를 마련하고, 볼록 만곡부(33)의 최대 높이 H, 볼록 만곡부(33)의 면적률, 경사각 θ, 주파수의 범위를 변화시킨 실시예 1 내지 8은, 탈지 성능이 양호하다는 것이 확인되었다. 특히, 주파수의 소인이나, 파인 버블의 적정 범위 내에서의 공급을 행한 실시예 9 내지 17, 23에 있어서, 우수한 탈지 성능이 확인되었다. 또한, 반사판을 마련한 실시예 19 내지 20에 있어서도, 우수한 탈지 성능이 확인되었다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술의 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 사람이라면, 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있음은 명확하고, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.

1: 초음파 세정 장치
3: 세정액
10: 처리조
20: 초음파 인가 기구
30: 곡면 부재
31: 볼록 곡면
33: 볼록 만곡부
35: 비볼록 만곡부
40: 용존 기체 제어 기구
50: 파인 버블 공급 기구
60: 반사판

Claims

피세정물을 세정하는 세정액을 수용하고, 상기 피세정물이 침지되는 처리조와,
상기 처리조의 내부에 보유된 상기 세정액에 대하여 초음파를 인가하는 초음파 인가 기구와,
상기 초음파 인가 기구의 진동면에 대하여 당해 진동면의 단부에 있어서의 법선 방향으로부터 외측으로 소정의 경사각으로 규정되는 범위 내에 위치하고, 상기 처리조의 벽면 및 저면 중 적어도 하나에 보유 지지되며, 소정의 간격을 두고 배치되고, 오목부를 포함하지 않는, 복수의 곡면 부재
를 구비하고,
상기 곡면 부재는,
구면 또는 비구면의 표면 형상을 갖는 볼록 만곡부가 적어도 존재하고, 당해 볼록 만곡부가, 상기 볼록 만곡부 이외의 부분보다도 상기 진동면측으로 돌출된 상태로 되어 있는 볼록 곡면을 갖고 있고,
상기 초음파 인가 기구로부터 조사되고, 또한, 반사가 발생하지 않은 음파인 제1 음파의 적어도 일부가 상기 볼록 곡면의 상기 볼록 만곡부에 도달하도록, 상기 볼록 곡면이 상기 진동면을 향하는 상태로 보유 지지되어 있는, 초음파 세정 장치.
제1항에 있어서, 상기 볼록 곡면에 있어서의 상기 볼록 만곡부의 최대 높이 H는, 상기 초음파의 파장을 λ라 했을 때에, λ/2<H의 관계를 충족하는, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 경사각의 크기는, 0도 이상 30도 이하인, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 곡면 부재의 상기 볼록 만곡부는, 상기 진동면에 기초하여 규정되는 상기 범위 내에 위치하는 상기 곡면 부재의 전체 표면적에 대하여, 30％ 이상의 면적률을 갖는, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 곡면 부재의 상기 볼록 만곡부는, 상기 진동면에 기초하여 규정되는 상기 범위 내에 위치하는 상기 처리조의 벽면 및 저면 중 적어도 하나의 전체 면적에 대하여 1％ 이상 80％ 이하의 면적률을 갖는, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 곡면 부재 그리고 상기 곡면 부재가 배치되는 상기 벽면 및 상기 저면 중 적어도 하나는, 오목부를 갖지 않는, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 곡면 부재끼리의 이격 거리 L은, 당해 곡면 부재의 볼록 만곡부의 최대 높이 H에 대하여, 3H<L의 관계를 충족하는, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 진동면과, 상기 곡면 부재에 있어서 상기 볼록 곡면에 있어서의 상기 볼록 만곡부의 최대 높이를 부여하는 위치 사이의 이격 거리 D는, 5cm 이상 250cm 이하인, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 곡면 부재는, 음향 임피던스가 1×10⁷[kg·m^-2·sec^-1] 이상 2×10⁸[kg·m^-2·sec^-1] 이하인 소재로 이루어지는 곡면 부재인, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 처리조에 보유된 상기 세정액 속의 용존 기체량을 제어하는 용존 기체 제어 기구를 더 구비하는, 초음파 세정 장치.
제10항에 있어서, 상기 용존 기체 제어 기구는, 상기 용존 기체량이 상기 세정액에 있어서의 용존 포화량의 1％ 내지 50％로 되도록 제어하는, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 처리조에 보유된 상기 세정액 속에, 소정의 평균 기포 직경을 갖는 파인 버블을 공급하는 파인 버블 공급 기구를 더 구비하는, 초음파 세정 장치.
제12항에 있어서, 상기 파인 버블 공급 기구는, 평균 기포 직경이 0.01㎛ 내지 100㎛인 상기 파인 버블을, 기포 총량이 10³개/mL 내지 10¹⁰개/mL로 되도록 공급하는, 초음파 세정 장치.
제12항에 있어서, 상기 파인 버블 공급 기구는, 상기 세정액 속에 있어서, 상기 초음파의 주파수에 공진하는 직경인 주파수 공진 직경 이하의 기포 직경을 갖는 상기 파인 버블의 개수의 비율이 상기 세정액 속에 존재하는 상기 파인 버블 전체의 개수의 70％ 이상으로 되도록, 상기 파인 버블을 공급하는, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초음파 인가 기구는, 상기 초음파의 주파수를, 20kHz 내지 200kHz의 주파수 대역으로부터 선택하는, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초음파 인가 기구는, 선택한 상기 초음파의 주파수를 중심으로 하여, ±0.1kHz 내지 ±10kHz의 범위에서 소인하면서, 상기 세정액에 대하여 초음파를 인가하는, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 곡면 부재와, 당해 곡면 부재가 보유 지지되어 있는 상기 처리조의 벽면 또는 저면 사이에, 초음파를 반사시키는 반사판이 추가로 마련되는, 초음파 세정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 처리조는, 상기 세정액의 액면 깊이가 2m 이하, 전체 길이가 25m 이하인, 초음파 세정 장치.
피세정물을 세정하는 세정액의 수용된 처리조를 사용하여, 상기 피세정물을 세정하는 세정 방법이며, 상기 처리조에 대하여, 상기 세정액에 대하여 초음파를 인가하는 초음파 인가 기구가 마련됨과 함께, 상기 초음파 인가 기구의 진동면에 대하여, 당해 진동면의 단부에 있어서의 법선 방향부터 외측으로 소정의 경사각으로 규정되는 범위 내에 위치하는 상기 처리조의 벽면 및 저면 중 적어도 하나에 대하여, 소정의 간격을 두고 배치되고, 오목부를 포함하지 않는 복수의 곡면 부재가 마련되어 있고,
상기 세정 방법은,
상기 처리조에 보유된 상기 세정액에 대하여, 초음파를 인가하는 것과,
초음파가 인가된 상기 세정액에 대하여, 상기 피세정물을 침지시키는 것
을 포함하고,
상기 곡면 부재는,
구면 또는 비구면의 표면 형상을 갖는 볼록 만곡부가 적어도 존재하고, 당해 볼록 만곡부가, 상기 볼록 만곡부 이외의 부분보다도 상기 진동면측으로 돌출된 상태로 되어 있는 볼록 곡면을 갖고 있고,
상기 초음파 인가 기구로부터 조사되고, 또한, 반사가 발생하지 않은 음파인 제1 음파의 적어도 일부가 상기 볼록 곡면의 상기 볼록 만곡부에 도달하도록, 상기 볼록 곡면이 상기 진동면을 향하는 상태로 보유 지지되어 있는, 초음파 세정 방법.