KR20230042323A - 초음파 처리 장치 및 파인 버블의 공급 방법 - Google Patents

초음파 처리 장치 및 파인 버블의 공급 방법 Download PDF

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KR20230042323A
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에리 호시바
히로미츠 다테
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닛폰세이테츠 가부시키가이샤
닛테츠 엔지니어링 가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 장치의 내구성이 우수하고, 초음파의 전파에 적합한 용존 기체량을 실현할 수 있고, 또한 초음파를 사용한 처리에 보다 적합한 파인 버블을 안정적으로 발생시키는 것. [해결 수단] 본 발명에 관한 초음파 처리 장치는, 처리액과 피처리물을 수납 가능한 처리부와, 처리부에 마련되어, 피처리물에 대하여 초음파를 인가하는 초음파 발생기와, 처리부 중 처리액을 순환시키는 순환 경로를 구비하고, 상기 순환 경로에는, 처리액 인출 배관에 대하여 직렬로 마련되어, 인출된 처리액을 탈기함과 함께, 처리액 중에 파인 버블을 발생시키는 파인 버블 발생기가 마련된다. 파인 버블 발생기는, 개구 유로의 크기가 처리액 인출 배관의 내경보다 좁아져 있는 협애부를 2개 이상 갖고, 인접하는 협애부의 개구 유로는, 처리액이 직진하지 않도록 구성되어 있고, 각 감압 구역에서의 개구 단면적은, 소정의 관계를 만족시킨다.

Description

초음파 처리 장치 및 파인 버블의 공급 방법
본 발명은 초음파 처리 장치 및 파인 버블의 공급 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 강판이나 강관과 같은 각종 금속체의 제조 공정에 있어서, 금속체의 표면에 존재하는 오염이나 스케일 등을 제거하기 위해, 약액이나 린스 등이 보유된 세정조에 대하여 금속체를 침지시킴으로써 세정을 행하는 세정 처리 방법이, 널리 채용되고 있다. 이러한 세정 처리 방법을 실시하는 세정 처리 장치로서는, 예를 들어 고압 기류 분사 노즐을 이용한 처리 장치나, 초음파를 이용한 초음파 처리 장치가 있다.
이러한 초음파를 이용한 초음파 처리 장치에 있어서, 초음파 세정에서의 캐비테이션 작용을 강화하기 위해, 초음파 전파성의 향상을 위해 탈기를 행하거나, 캐비테이션의 핵이 되는 미세 기포를 도입하거나 하는 등과 같은 고안이 이루어져 왔다. 예를 들어, 탈기를 행하는 방법으로서, 진공 펌프를 사용한 탈기 방법, 중공사막을 사용한 탈기 방법, 교축을 사용한 탈기 방법 등이 제안되어 있다. 또한, 예를 들어 미세 기포를 도입하는 방법으로서는, 고속 선회에 의한 기포 미세화 방법이나, 기체를 고압 과포화 용해시켜 해방 시에 미세 기포를 발생시키는 방법 등이 제안되어 있다. 그러나, 상기와 같은 탈기 방법 및 미세 기포 발생 방법은, 각각 전용의 유닛이 필요하고, 이들 방법을 조합한 장치는 대형화되고, 매우 고가의 것이었다.
이에, 근년, 안정된 미세 기포의 발생과, 용존 기체량의 조정(즉, 탈기)을 일체화시킨 장치에 대하여 검토가 행해져 오고 있다.
예를 들어 이하의 특허문헌 1에는, 세정액을 프로펠러식의 순환 펌프에 도입하는 유로 내에 마련한 장애물에 의해 기포를 발생시켜, 순환 펌프의 프로펠러에 의해 기포를 미세화함과 함께, 유로에 접속된 탈기 장치에 의해 세정액의 탈기를 행하는 장치가 제안되어 있다.
또한, 이하의 특허문헌 2에는, 액체를 송액 펌프의 흡입관로에 유도하고, 흡입관로의 일부를 교축함으로써, 교축과 송액 펌프 사이에서 감압을 행함과 함께, 액 중의 용존 기체를 기포로서 유리시키는 방법이 제안되어 있다.
또한, 이하의 특허문헌 3에는, 처리액을 순환시키는 순환 경로에 대하여, 송액 방향이 서로 역방향이 되도록 2개의 펌프를 마련함으로써, 처리액의 탈기와, 미세 기포의 발생을 행하는 장치가 제안되어 있다.
또한, 미세 기포를 발생시키기 위한 기술로서, 이하의 특허문헌 4 및 특허문헌 5에는, 액체의 유로 내에 간격을 두고 방해판 등을 마련하여, 액체가 방해판 등에 충돌함으로써 발생하는 캐비테이션을 이용하는 방법이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제2008-296217호 공보 일본 특허 공개 평7-328316호 공보 일본 특허 공개 제2020-14989호 공보 일본 특허 공개 제2005-95877호 공보 일본 특허 공표 제2016-536139호 공보
그러나, 상기 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시되어 있는 기술에서는, 미세 기포는 발생시킬 수 있기는 하지만, 초음파를 사용한 세정 처리에 충분히 적합한 기포 직경을 갖는 파인 버블이, 안정적으로 생성되는 것은 아니었다. 또한, 상기 특허문헌 1에 개시되어 있는 기술에서는, 순환 펌프의 프로펠러에 의해 기포를 전단함으로써 미세 기포를 발생시키기 위해, 프로펠러가 괴식에 의해 파손될 가능성이 있어, 장치의 내구성이 충분하지 않았다. 또한, 상기 특허문헌 2에 개시되어 있는 기술에서는, 발생시킨 기포를 부상 분리하기 위한 기액 분리조가 마련되어 있고, 의도적으로 기포를 배제하는 것을 목적으로 하여 조대한 기포를 발생시키고 있어, 파인 버블을 발생시킬 능력이 없었다.
또한, 상기 특허문헌 3 내지 특허문헌 5에 개시되어 있는 기술을 사용했다고 해도, 초음파를 사용한 세정 처리에 충분히 적합한 기포 직경을 갖는 파인 버블의 안정 생성이라는 관점에 있어서, 아직 개선의 여지가 있었다.
특히, 상기 특허문헌 4는, 가압된 상황에서 감압을 행함으로써, 캐비테이션에 의해 발생된 기포를 미세화시키는 기술이다. 본 발명자들이 검토한 결과, 감압 후의 압력을 1기압 이하로 할 수 없는 한, 액 중에 녹아 든 기체를 기포화할 수 없는 것이 밝혀졌다. 그 때문에, 상기 특허문헌 4에서는, 탈기와 파인 버블의 양립이 곤란하게 되어 버린다.
이에, 본 발명은 상기 문제에 비추어 이루어진 것으로, 본 발명의 목적으로 하는 바는, 장치의 내구성이 우수하고, 초음파의 전파에 적합한 용존 기체량을 실현할 수 있고, 또한 초음파를 사용한 처리에 보다 적합한 파인 버블을 안정적으로 발생시키는 것이 가능한, 초음파 처리 장치 및 파인 버블의 공급 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들이 예의 검토를 행한 결과, 소정의 조건을 만족시키는 복수단의 협애부를, 처리액을 순환 펌프에 도입하는 배관에 적절하게 마련함으로써, 초음파를 사용한 처리에 보다 적합한 파인 버블을 안정적으로 발생시킬 수 있고, 기구의 내구성에도 영향을 미치지 않는다는 지견을 얻을 수 있어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 지견에 기초하여 완성된 본 발명의 요지는, 이하와 같다.
[1] 처리액과, 피처리물을 수납할 수 있는 처리부와, 상기 처리부에 마련되어, 상기 피처리물에 대하여 초음파를 인가하는 초음파 발생기와, 상기 처리부 중의 상기 처리액을 순환시키기 위한 순환 경로를 구비하고, 상기 순환 경로는, 상기 처리액을 순환시키는 순환 펌프와, 상기 처리부로부터 인출한 상기 처리액을 상기 순환 펌프로 접속하는 처리액 인출 배관과, 상기 순환 펌프를 거친 상기 처리액을 상기 처리부로 토출시키는 처리액 토출 배관을 갖고 있고, 또한 상기 처리액 인출 배관에 대하여 직렬로, 인출된 상기 처리액을 탈기함과 함께, 상기 처리액 중에 파인 버블을 발생시키는 파인 버블 발생기가 마련되어 있고, 상기 파인 버블 발생기는, 상기 처리액의 개구 유로의 크기가 상기 처리액 인출 배관의 내경보다 좁아져 있는 협애부를 2개 이상 갖고 있고, 또한 인접하는 상기 협애부의 상기 개구 유로는, 상기 처리액이 직진하지 않도록 구성되어 있고, 각각의 상기 협애부는, 상기 처리액 인출 배관의 내경의 개구 단면적을 A0이라 하고, 상기 처리부 측으로부터 상기 순환 펌프 측을 향하여 i(i는, 1 이상의 정수.)번째의 상기 협애부에서의 상기 처리액 인출 배관의 내경의 개구 단면적을 Ai로 표시했을 때, Ai/A0으로서 표시되는 i번째의 상기 협애부의 개구 단면적비 Ri가, 하기의 식 (1)을 만족시키고, 또한 i번째의 상기 협애부와 i+1번째의 상기 협애부의 간격을 Li로 표시했을 때, 하기의 식 (2)를 만족시키는, 초음파 처리 장치.
[2] 상기 처리액 인출 배관을 관축 방향으로 보았을 때, 인접하는 상기 협애부의 상기 개구 유로의 위치는, 서로 중복되지 않는, [1]에 기재된 초음파 처리 장치.
[3] 상기 처리부로서, 상기 처리액을 보유하는 처리조가 마련되어 있고, 상기 초음파 발생기는, 상기 처리액을 통해, 상기 피처리물에 대하여 간접적으로 초음파를 인가하는, [1] 또는 [2]에 기재된 초음파 처리 장치.
[4] 상기 초음파 발생기는, 상기 처리부 내에 있어서 상기 처리액에 침지된 상기 피처리물에 대하여, 직접 초음파를 인가하는, [1] 또는 [2]에 기재된 초음파 처리 장치.
[5] 상기 협애부의 개수를 N이라 하고, 상기 처리부 측으로부터 상기 순환 펌프 측을 향하여 N번째의 상기 개구 면적비 RN으로 표시했을 때, 하기의 식 (3) 및 식 (4)를 만족시키는, [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 초음파 처리 장치.
[6] 상기 협애부의 개수 N이, 2 내지 10인, [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 초음파 처리 장치.
[7] 상기 처리액 인출 배관의 내표면으로부터 돌출되는 돌출 부재에 의해 형성된, 하나 또는 복수의 상기 협애부를 갖는, [1] 내지 [6] 중 어느 하나에 기재된 초음파 처리 장치.
[8] 상기 협애부로서, 상기 처리액 인출 배관의 내표면으로부터 돌출되는 가동식의 돌출 부재를 갖는, [7]에 기재된 초음파 처리 장치.
[9] 하나 또는 복수의 관통 구멍이 마련된 개구 부재에 의해 형성된, 하나 또는 복수의 상기 협애부를 갖는, [1] 내지 [8] 중 어느 하나에 기재된 초음파 처리 장치.
[10] 상기 초음파 발생기는, 상기 초음파의 주파수를, 20kHz 내지 200kHz의 주파수 대역에서 선택할 수 있는, [1] 내지 [9] 중 어느 하나에 기재된 초음파 처리 장치.
[11] 상기 초음파 발생기는, 선택한 상기 초음파의 주파수를 중심으로 하여, ±0.1kHz 내지 ±10kHz의 범위에서 소인하면서, 상기 처리액에 대하여 초음파를 인가할 수 있는, [1] 내지 [10] 중 어느 하나에 기재된 초음파 처리 장치.
[12] 처리액과, 피처리물을 수납할 수 있는 처리부에 대하여 초음파를 인가하면서 상기 피처리물에 대하여 소정을 실시할 때, 상기 처리부에 대하여 파인 버블을 함유하는 상기 처리액을 공급하는 파인 버블의 공급 방법이며, 상기 처리부에 대하여, 상기 처리부에 마련되어, 상기 피처리물에 대하여 초음파를 인가하는 초음파 발생기와, 상기 처리부 중의 상기 처리액을 순환시키기 위한 순환 경로를 마련하고, 상기 순환 경로는, 상기 처리액을 순환시키는 순환 펌프와, 상기 처리부로부터 인출한 상기 처리액을 상기 순환 펌프로 접속하는 처리액 인출 배관과, 상기 순환 펌프를 거친 상기 처리액을 상기 처리부로 토출시키는 처리액 토출 배관을 갖고 있고, 또한 상기 처리액 인출 배관에 대하여 직렬로, 인출된 상기 처리액을 탈기함과 함께, 상기 처리액 중에 파인 버블을 발생시키는 파인 버블 발생기가 마련되어 있고, 상기 파인 버블 발생기는, 상기 처리액의 개구 유로의 크기가 상기 처리액 인출 배관의 내경보다 좁아져 있는 협애부를 2개 이상 갖고 있고, 또한 인접하는 상기 협애부의 상기 개구 유로는, 상기 처리액이 직진하지 않도록 구성되어 있고, 각각의 상기 협애부는, 상기 처리액 인출 배관의 내경의 개구 단면적을 A0이라 하고, 상기 처리부 측으로부터 상기 순환 펌프 측을 향하여 i(i는, 1 이상의 정수.)번째의 상기 협애부에서의 상기 처리액 인출 배관의 내경의 개구 단면적을 Ai로 표시했을 때, Ai/A0으로서 표시되는 i번째의 상기 협애부의 개구 단면적비 Ri가, 하기의 식 (1)을 만족시키고, 또한 i번째의 상기 협애부와 i+1번째의 상기 협애부의 간격을 Li로 표시했을 때, 하기의 식 (2)를 만족시키는, 파인 버블의 공급 방법.
[13] 상기 파인 버블 발생기는, 상기 처리부로 토출되는 상기 처리액 중에 있어서, 용존 기체량이 포화 용존 기체량에 대하여 50％ 이하로 되도록, 상기 파인 버블을 발생시키는, [12]에 기재된 파인 버블의 공급 방법.
[14] 상기 파인 버블 발생기는, 상기 처리부로 토출되는 상기 처리액 중에 있어서, 평균 기포 직경이 1㎛ 내지 100㎛인 상기 파인 버블이, 기포 밀도 1×103개/mL 내지 1×1010개/mL의 범위에서 존재하도록, 상기 파인 버블을 발생시키는, [12] 또는 [13]에 기재된 파인 버블의 공급 방법.
[15] 상기 초음파 발생기는, 상기 초음파의 주파수를, 20kHz 내지 200kHz의 주파수 대역에서 선택하는, [12] 내지 [14] 중 어느 하나에 기재된 파인 버블의 공급 방법.
[16] 상기 초음파 발생기는, 선택한 상기 초음파의 주파수를 중심으로 하여, ±0.1kHz 내지 ±10kHz의 범위에서 소인하면서, 상기 처리액에 대하여 초음파를 인가하는, [12] 내지 [15] 중 어느 하나에 기재된 파인 버블의 공급 방법.
Ri=0.10 내지 0.50 … 식 (1)
1.0≤Li/2(A0/π)0.5≤5.0 … 식 (2)
Ri+1≥Ri … 식 (3)
RN/R1≥1.10 … 식 (4)
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 초음파의 전파에 적합한 용존 기체량을 실현할 수 있고, 또한 초음파를 사용한 처리에 있어서, 보다 적합한 파인 버블을 안정적으로 발생시킬 수 있고, 장치의 내구성도 우수한 초음파 처리 장치 및 파인 버블의 공급 방법을 제공할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치의 구성의 일례를 모식적으로 나타낸 설명도이다.
도 1b는 동 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치의 구성의 일례를 모식적으로 나타낸 설명도이다.
도 2는 동 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치가 구비하는 파인 버블 발생기에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 동 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치가 구비하는 파인 버블 발생기에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 동 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치가 구비하는 파인 버블 발생기에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 동 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치가 구비하는 파인 버블 발생기에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 동 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치가 구비하는 파인 버블 발생기에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 7은 동 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치가 구비하는 파인 버블 발생기에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 8은 동 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치가 구비하는 파인 버블 발생기에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 9a는 파인 버블 발생기의 내부에서의 압력 변화의 양태를 나타낸 그래프도이다.
도 9b는 파인 버블 발생기의 내부에서의 압력 변화의 양태를 나타낸 그래프도이다.
도 9c는 파인 버블 발생기의 내부에서의 압력 변화의 양태를 나타낸 그래프도이다.
도 9d는 파인 버블 발생기의 내부에서의 압력 변화의 양태를 나타낸 그래프도이다.
도 9e는 파인 버블 발생기의 내부에서의 압력 변화의 양태를 나타낸 그래프도이다.
도 10a는 파인 버블 발생기의 내부에서의 압력 분포의 양태를 나타낸 그래프도이다.
도 10b는 파인 버블 발생기의 내부에서의 압력 분포의 양태를 나타낸 그래프도이다.
도 10c는 파인 버블 발생기의 내부에서의 압력 분포의 양태를 나타낸 그래프도이다.
도 10d는 파인 버블 발생기의 내부에서의 압력 분포의 양태를 나타낸 그래프도이다.
도 11은 파인 버블 발생기에 대하여 설명하기 위한 그래프도이다.
도 12는 파인 버블 발생기에 대하여 설명하기 위한 그래프도이다.
도 13은 파인 버블 발생기에 대하여 설명하기 위한 그래프도이다.
도 14는 파인 버블의 입경과 용존 산소 농도의 관계를 나타낸 그래프도이다.
도 15는 실험예 1에서 사용한 장치의 구성을 모식적으로 나타낸 설명도이다.
도 16은 실험예 1에서 사용한 파인 버블 발생기의 구성을 모식적으로 나타낸 설명도이다.
도 17a는 실험예 2에서 사용한 초음파 처리 장치의 구성을 모식적으로 나타낸 설명도이다.
도 17b는 실험예 2에서 사용한 초음파 처리 장치의 구성을 모식적으로 나타낸 설명도이다.
도 18은 초음파 강도의 측정 위치에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 19a는 실험예 3에서 사용한 초음파 처리 장치의 구성을 모식적으로 나타낸 설명도이다.
도 19b는 실험예 3에서 사용한 초음파 처리 장치의 구성을 모식적으로 나타낸 설명도이다.
도 20은 실험예 4에서 사용한 초음파 처리 장치의 구성을 모식적으로 나타낸 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.
(초음파 처리 장치의 전체 구성)
먼저, 도 1a 및 도 1b를 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치의 전체적인 구성에 대하여 간단하게 설명한다. 도 1a 및 도 1b는 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치의 전체적인 구성의 일례를 모식적으로 나타낸 설명도이다.
본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)는 피처리물에 대하여 소정의 처리를 실시하는 처리액에 더하여 초음파를 병용하여, 피처리물의 표면(처리액에 접하고 있는 부위)에 대하여 소정의 처리를 실시하는 장치이다. 이러한 초음파 처리 장치(1)는 강재 등으로 대표되는 각종 금속체나, 플라스틱 수지제 부재 등으로 대표되는 각종 비금속체 등에 대하여, 예를 들어 세정 등의 각종 처리를 실시할 때 이용할 수 있다. 예를 들어, 강판, 강관, 강선재 등과 같은 각종 금속체를 피처리물로 하고, 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)를 사용함으로써 이들 금속체에 대하여, 산세 처리나 탈지 처리, 나아가 세정 처리를 행할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)는 산세 처리 후의 수세 처리를 실시할 때에 대해서도, 사용하는 것이 가능하다.
여기서, 산세 처리란, 금속체의 표면에 형성된 산화물 스케일을, 산성 용액을 사용하여 제거하는 처리이며, 탈지 처리란, 유기 용제, 유기 용제를 계면 활성제로 유화시킨 것, 또는 알칼리계의 탈지액을 사용하여, 가공 처리 등에 사용하는 윤활제나 가공유 등의 유분을 제거하는 처리이다. 이들 산세 처리 및 탈지 처리는, 표면 마무리 처리(금속 피복 처리, 화성 처리, 도장 처리 등)를 금속체에 대하여 실시하기에 앞서 실시되는 전처리이다. 이러한 산세 처리에 의해, 땅의 금속의 일부를 용해시키는 경우도 있다. 또한, 표면 마무리 품질을 향상시키기 위한 에칭에 의한 금속체의 용해에도, 이러한 산세 처리는 사용되고 있다. 또한, 산세 처리의 전단에 탈지 처리가 마련되어 있는 경우도 있고, 탈지 처리에서의 탈지 성능이, 그 후의 산세 처리의 스케일 제거에 영향을 미치는 경우도 있다. 나아가, 탈지 처리는, 최종 제품의 마무리 품질로서의 유분 관리 지표인 습윤성의 개선에도, 사용된다.
또한, 이하에서 상세하게 설명하는 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)는 상기와 같은 제조 라인에서의 세정 공정 이외에도, 사용 완료 배관이나 정기적 혹은 부정기적으로 오염 제거를 필요로 하는 탱크, 장치의 세정 등에 대해서도 사용하는 것이 가능하다.
이하에서는, 처리부의 일례로서, 처리액이 보유되어 있는 처리조가 존재하고, 이러한 처리조의 내부에, 피처리물이 처리액으로 채워지도록 마련되는 경우를 예로 들어, 상세하게 설명을 행하는 것으로 한다.
단, 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)는 예를 들어 열교환기에 마련되어 있는 배관에 대하여 초음파 처리를 행하는 경우 등과 같이, 처리 대상으로 하는 장치에 미리 마련되어 있는 부재를 처리조로서 이용 가능한 것에 대해서는, 별도 처리조를 형성하지 않고 적용하는 것이 가능하다.
본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)는 도 1a에 예시한 바와 같이, 처리조(10)와, 초음파 발생기(20)와, 처리액의 순환 경로(30)를 갖고 있다. 또한, 처리액의 순환 경로(30)는 도 1a에 나타낸 바와 같이, 순환 펌프(31)와, 처리액 인출 배관(33)과, 처리액 토출 배관(35)을 갖고 있고, 처리액 인출 배관(33)에 대하여 직렬로, 파인 버블 발생기(40)가 마련되어 있다. 파인 버블 발생기(40)에 의해, 순환 경로(30)를 흐르는 처리액(3) 중에 파인 버블이 발생하고, 발생한 파인 버블이, 처리액(3)과 함께 처리조(10) 내에 공급된다. 또한, 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)는 상기의 구성에 더하여, 또한, 곡면 부재(50)를 갖고 있는 것이 바람직하다.
여기서, 파인 버블이란, 기포 직경이 100㎛ 이하인 미세 기포이다. 파인 버블은, 피처리물에 대한 초음파의 전파 효율을 향상시키고, 초음파 캐비테이션의 핵으로서 처리성을 향상시키는 것이다.
또한, 도 1b에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 초음파 발생기(20), 순환 경로(30), 파인 버블 발생기(40) 및 곡면 부재(50)의 개수 및 배치에 대해서는, 특별히 한정되는 것은 아니며, 처리조(10)의 형상이나 크기에 따라, 적절히 개수를 조정하면서 배치하는 것이 가능하다. 또한, 도면 중의 각 부재의 크기는, 설명을 용이하게 하기 위해 적절히 강조되어 있고, 실제의 치수, 부재 간의 비율을 나타내는 것은 아니다.
이하에서는, 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)에서의 각 구성에 대하여 상세하게 설명한다.
<처리조(10)에 대하여>
처리부의 일례인 처리조(10)에는, 피처리물에 대하여 소정의 처리를 실시하기 위해 사용되는 처리액(3)이나, 피처리물 그 자체가 수용된다. 이에 의해, 처리조(10) 내에 수용된 피처리물은, 처리액(3)에 침지됨으로써, 처리액(3)으로 채워진 상태로 존재하게 된다. 처리조(10)에 보유되는 처리액(3)의 종류에 대해서는, 특별히 한정되는 것은 아니며, 피처리물에 대하여 행하는 처리에 따라, 공지의 처리액을 사용하는 것이 가능하다.
여기서, 본 실시 형태에 관한 처리조(10)를 형성하기 위해 사용되는 소재는, 특별히 한정되는 것은 아니며, 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 관한 초음파 처리 장치(1)를 구성하는 처리조(10)로서, 상기와 같은 소재로 형성된 처리조를 새롭게 준비하는 것도 가능하고, 각종 제조 라인에서의 기설의 처리조를 이용하는 것도 가능하다.
또한, 처리조(10)의 크기에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니며, 액면 깊이 1 내지 2m 정도×전체 길이 3 내지 25m 정도와 같은 각종 형상의 대형 처리조라고 해도, 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)의 처리조(10)로서 이용 가능하다.
<초음파 발생기(20)에 대하여>
초음파 발생기(20)는 처리조(10)에 수용되어 있는 처리액(3)이나 피처리물에 대하여 소정 주파수의 초음파를 인가하는 것이다. 초음파 발생기(20)는 특별히 한정되는 것은 아니며, 미도시된 초음파 발진기에 접속된 초음파 진동자 등, 공지의 것을 이용하는 것이 가능하다. 또한, 도 1a 및 도 1b에서는, 초음파 발생기(20)를 처리조(10)의 벽면에 마련하는 경우에 대하여 도시하고 있지만, 초음파 발생기(20)의 처리조(10)에의 설치 위치에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니며, 처리조(10)의 벽면이나 저면에 대하여, 하나 또는 복수의 초음파 진동자를 적절히 설치하면 된다. 또한, 처리조(10) 전체에 균일하게 초음파가 전파되는 조건이 되면, 개개의 초음파 진동자의 발진 부하의 밸런스가 균일해지기 때문에, 초음파 진동자의 개수가 복수라고 해도, 발생한 초음파 간에 간섭이 생기지 않게 된다.
초음파 발생기(20)로부터 출력되는 초음파의 주파수는, 예를 들어 20kHz 내지 200kHz인 것이 바람직하다. 초음파의 주파수가 20kHz 미만인 경우에는, 피처리물의 표면으로부터 발생하는 사이즈가 큰 기포에 의해 초음파 전파가 저해되어, 초음파에 의한 처리성 향상 효과가 저하되는 경우가 있다. 또한, 초음파의 주파수가 200kHz를 초과하는 경우에는, 피처리물을 처리할 때의 초음파 직진성이 너무 강해져, 처리의 균일성이 저하되는 경우가 있다. 초음파 발생기(20)로부터 출력되는 초음파의 주파수는, 바람직하게는 20kHz 내지 150kHz이며, 더욱 바람직하게는, 25kHz 내지 100kHz이다.
또한, 인가하는 초음파의 주파수는, 피처리물에 따라 상기 범위 내에서 적절한 값을 선정하는 것이 바람직하고, 피처리물의 종류에 따라서는, 2종류 이상의 주파수 초음파를 인가해도 된다.
또한, 초음파 발생기(20)는 어떤 선택한 초음파의 주파수를 중심으로 하여 소정의 범위에서 주파수를 소인하면서 초음파를 인가하는 것이 가능한, 주파수 소인 기능을 갖고 있는 것이 바람직하다. 이러한 주파수 소인 기능에 의해, 이하와 같은 2개의 가일층의 효과를 실현하는 것이 가능하게 된다.
액체 중에 존재하고 있는, 파인 버블을 포함하는 미소 기포에 대하여 초음파를 인가한 경우, 미소 기포에 대하여 Bjerknes력이라고 불리는 힘이 작용하여, 미소 기포는, 주파수에 의존하는 공진 기포 반경 R0에 따라, 초음파의 복(腹)이나 마디(節)의 위치에 가까이 끌어당겨지게 된다. 여기서, 초음파 인가 기구(20)가 갖고 있는 주파수 소인 기능에 의해, 초음파의 주파수가 변화한 경우, 주파수에 의존하는 공진 기포 반경 R0은, 주파수의 변화에 따라 넓어지게 된다. 그 결과, 캐비테이션 발생의 기포 직경이 넓어지게 되어, 많은 미소 기포(예를 들어, 파인 버블)를 캐비테이션 핵으로서 이용하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 초음파 발생기(20)가 갖고 있는 주파수 소인 기능에 의해, 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)의 처리 효율이 더욱 향상되게 된다.
한편, 초음파의 일반적인 성질로서, 「초음파의 파장이 조사 물체의 두께에 대응하는 파장의 1/4이 되었을 때, 초음파가 조사 물체를 투과한다」라는 현상이 알려져 있다. 이에, 주파수를 적절한 범위에서 소인하면서 초음파를 인가함으로써, 예를 들어 피처리물이 관상체 등의 중공부를 갖는 것인 경우에, 관상체 내로 투과하는 초음파를 증가시키는 것이 가능하게 되어, 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)의 처리 효율이 더욱 향상되게 된다.
여기서, 조사 물체 표면에서의 초음파의 투과를 생각하는 경우, 초음파는, 조사 물체에 수직 입사되는 경우뿐만 아니라, 다중 반사를 반복하면서 전파해 가기 때문에, 일정 음장은 형성하기 어려운 경향이 있다. 그 중에서도, 조사 물체의 벽면을 투과하는 조건을 만들어 내기 위해, 피처리물의 위치가 어디에 존재하고 있다고 해도, 「초음파의 파장이, 피처리물의 두께에 대응하는 파장의 1/4이 된다」라는 조건을 만족시키는 것이 가능한 주파수를 실현하는 것이 바람직하다. 이러한 주파수의 범위에 대하여 본 발명자들이 검토한바, 어떤 선택한 초음파의 주파수를 중심으로 하여 ±0.1kHz 내지 ±10kHz의 범위에서 주파수를 소인하면서 초음파를 인가함으로써, 상기와 같은 초음파의 투과가 실현 가능하다는 것이 밝혀졌다. 이들 이유로부터, 초음파 발생기(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.
<순환 경로(30) 및 파인 버블 발생기(40)에 대하여>
순환 경로(30)는 처리조(10)에 보유되어 있는 처리액(3)을 순환시키기 위한 경로 이다. 이 순환 경로(30)는 도 1a에 나타낸 바와 같이, 처리액(3)을 순환시키기 위한 순환 펌프(31)와, 처리조(10)로부터 인출한 처리액(3)을 순환 펌프(31)에 접속하는 처리액 인출 배관(33)과, 순환 펌프(31)를 거친 처리액(3)을 처리조(10)에 토출시키는 처리액 토출 배관(35)을 적어도 갖고 있다. 또한, 파인 버블 발생기(40)는 도 1a에 나타낸 바와 같이, 처리액 인출 배관(33)에 대하여 직렬로 마련되어 있고, 처리조(10)로부터 인출된 처리액(3)을 탈기함과 함께, 처리액(3) 중에 파인 버블을 발생시킨다.
여기서, 순환 펌프(31)는 예를 들어 원심 펌프나 다이어프램 펌프 등의 일반적인 범용 펌프를 사용하는 것으로 하고, 진공 펌프, 감압 펌프, 가압 펌프 등의 특수한 펌프는 사용하지 않는 것으로 한다.
파인 버블 발생기(40)는 부압 환경하에 있는 처리액 인출 배관(33)의 도중에 마련되어 있다. 이러한 파인 버블 발생기(40)에 의해, 처리조(10)로부터 인출된 처리액(3) 중에 파인 버블이 생성된다. 또한, 파인 버블 발생기(40)를 처리액 인출 배관(33)이 아니라, 정압 환경하에 있는 처리액 토출 배관(35)의 도중에 마련한 경우에는, 처리액(3)의 탈기를 행할 수 없어, 결과적으로, 원하는 파인 버블을 발생시킬 수 없다.
여기서, 파인 버블 발생기(40)에 의해 처리조(10)에 토출되는 처리액(3) 중에 생성되는 파인 버블의 평균 기포 직경은, 1㎛ 내지 100㎛인 것이 바람직하다. 여기서, 평균 기포 직경이란, 파인 버블의 직경에 관한 개수 분포에 있어서, 표본 수가 최대가 되는 직경이다. 평균 기포 직경이 1㎛ 미만인 경우, 파인 버블 발생기(40)가 대형이 되고, 기포 직경을 조절한 파인 버블의 공급이 곤란해지는 경우가 있다. 평균 기포 직경은, 보다 바람직하게는 2㎛ 이상이며, 더욱 바람직하게는 3㎛ 이상이다. 이에 의해, 기포 직경을 조절한 파인 버블의 공급을, 보다 확실하게 실현하는 것이 가능하게 된다. 한편 평균 기포 직경이 100㎛를 초과하는 경우에는, 파인 버블의 부상 속도가 증가함으로써 세정액 중에서의 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. 평균 기포 직경은, 보다 바람직하게는 90㎛ 이하이며, 더욱 바람직하게는 80㎛ 이하이며, 한층 더 바람직하게는 70㎛ 이하이다. 이에 의해, 초음파가 갖는 세정력 향상 효과가 저하되는 것을, 보다 확실하게 방지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 파인 버블 발생기(40)에 의해 처리조(10)에 토출되는 처리액(3) 중에서의 파인 버블의 기포 밀도는, 1×103개/mL 내지 1×1010개/mL인 것이 바람직하다. 파인 버블의 기포 밀도가 103개/mL 미만인 경우에는, 파인 버블에 의한 초음파 전파성 향상 작용이 충분히 얻어지지 않는 경우가 있고, 또한 처리에 필요한 초음파 캐비테이션의 핵이 적어져 버려, 바람직하지 않다. 파인 버블의 기포 밀도는, 보다 바람직하게는 1×103개/mL 이상이며, 더욱 바람직하게는 5×103개/mL 이상이며, 한층 더 바람직하게는 1×104개/mL 이상이다. 이에 의해, 파인 버블에 의한 초음파 전파성 향상 작용을, 보다 확실하게 발현시키는 것이 가능하게 된다. 한편, 파인 버블의 기포 밀도가 1×1010개/mL 초과인 경우에는, 파인 버블 발생기(40)가 대형으로 되거나, 파인 버블 발생기(40)의 대수를 증가시키게 되거나 하여, 파인 버블의 공급이 현실적이지 않은 경우가 있어, 바람직하지 않다. 파인 버블의 기포 밀도는, 보다 바람직하게는 1×109개/mL 이하이며, 더욱 바람직하게는 1×108개/mL 이하이며, 한층 더 바람직하게는 1×107개/mL 이하이다.
또한, 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)를 사용한 작업 시에는, 처리조(10) 내에 보유된 처리액에서의 파인 버블의 기포 밀도가, 처리조(10)에 토출되는 처리액(3) 중에서의 파인 버블의 기포 밀도와 일치하도록 제어한 후에, 상기와 같은 각종 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 파인 버블 발생기(40)는 처리액(3) 중에 있어서, 초음파의 주파수에 공진하는 직경인 주파수 공진 직경 이하의 기포 직경을 갖는 파인 버블의 개수의 비율이 처리액(3) 중에 존재하는 파인 버블 전체의 개수의 70％ 이상으로 되도록, 파인 버블을 발생시키는 것이 바람직하다. 이하, 그 이유에 대하여 설명한다.
파인 버블을 포함하는 각종 기포의 고유 진동수는, Minnaert 공진 주파수라고도 불리고, 이하의 식 101로 주어진다.
Figure pct00001
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.
이제, 주목하는 기포의 내부에 공기가 존재하는 경우에, 기포의 주변 액체가 물이며, 압력이 대기압이라고 하면, 기포의 고유 진동수와 기포의 평균 반경의 곱 f0R0의 값은, 상기 식 101로부터 약 3kHz·mm 정도가 된다. 이로부터, 인가되는 초음파의 주파수가 20kHz이면, 이러한 초음파에 공진하는 기포의 반경 R0은, 약 150㎛가 되기 때문에, 주파수 20kHz의 초음파에 공진하는 기포의 직경인 주파수 공진 직경 2R0은, 약 300㎛가 된다. 마찬가지로, 인가되는 초음파의 주파수가 100kHz이면, 이러한 초음파에 공진하는 기포의 반경 R0은, 약 30㎛가 되기 때문에, 주파수 100kHz의 초음파에 공진하는 기포의 직경인 주파수 공진 직경 2R0은, 약 60㎛가 된다.
이때, 공진 반경 R0보다 큰 반경을 갖는 기포는 저해 인자가 된다. 왜냐하면, 파인 버블을 포함하는 기포가 공진할 때, 기포는, 단시간에 팽창과 수축을 반복하여, 최종적으로는 압괴되지만, 제1 음파가 기포를 통과하는 시점에 기포의 크기가 주파수 공진 직경 2R0보다 크면, 초음파는 기포 표면에서 확산되어 버리기 때문이다. 반대로, 제1 음파가 기포를 통과하는 시점에 기포의 크기가 주파수 공진 직경 2R0보다 작으면, 초음파는 기포 표면에서 확산되지 않고 기포 중을 통과할 수 있다.
이러한 관점에서, 처리액(3) 중에 있어서, 주파수 공진 직경 2R0 이하의 기포 직경을 갖는 파인 버블의 개수의 비율을, 처리액(3) 중에 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) 전체에 대한 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 압괴되어, 캐비테이션을 이용한 처리에 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 버블의 평균 기포 직경이나 기포 밀도는, 액 중 파티클 카운터나 기포 직경 분포 계측 장치 등과 같은, 공지의 기기에 의해 측정하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)에 있어서, 보다 균일한 초음파 전파와 높은 세정성을 양립시키기 위해서는, 처리액(3) 중의 용존 기체량(보다 상세하게는, 용존 산소량)을 파인 버블 발생기(40)에 보다 적절한 값으로 제어하는 것이 바람직하다. 이러한 처리액(3) 중의 적절한 용존 기체량은, 처리액(3)에서의 용존 포화량의 1％ 내지 50％인 것이 바람직하다. 용존 기체량이 용존 포화량의 1％ 미만인 경우에는, 기포를 파인 버블로서 발생시키는 것이 곤란해지는 데다가, 초음파에 의한 캐비테이션 발생이 일어나지 않아, 초음파에 의한 처리성 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 전파가 저해되어, 처리조(10) 전체에 대한 균일한 초음파 전파가 저해되기 때문에, 바람직하지 않다. 처리액(3) 중의 용존 기체량(용존 산소량)은, 바람직하게는 처리액(3)에서의 용존 포화량의 5％ 내지 40％ 이하이다.
여기서, 처리액(3)의 온도가 변화하면, 처리액(3)의 용존 포화량은 변화한다. 또한, 처리액(3)의 온도 변화에 기인하는, 처리액(3)을 구성하는 액체의 분자 운동량(예를 들어, 물 분자 운동량)의 차이가, 전파성에 영향을 미친다. 구체적으로는, 온도가 낮으면, 처리액(3)을 구성하는 액체의 분자 운동량은 적고, 초음파를 전파하기 쉬워져, 처리액(3)의 용존 포화량(용존 산소량)도 높아진다. 따라서, 상기 범위 내로 되는 원하는 용존 기체량(용존 산소량)을 실현 가능하도록, 처리액(3)의 온도를 적절히 제어하는 것이 바람직하다. 처리액(3)의 온도는, 처리액(3)을 사용하여 실시하는 구체적인 처리 내용에 따라 다르기도 하지만, 예를 들어 20℃ 내지 85℃ 정도인 것이 바람직하다.
구체적으로는, 처리액(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, 본 실시 형태에 관한 순환 경로(30) 및 파인 버블 발생기(40)는 처리조(10) 내에 보유된 처리액(3) 중의 용존 기체량이 상기와 같은 범위의 값이 되도록, 처리액(3)의 온도나 처리액(3) 중의 용존 기체량을 제어한다.
여기서, 처리액(3) 중의 용존 기체량은, 격막 전극법 및 광학식 용존 산소계와 같은, 공지의 기기에 의해 측정하는 것이 가능하다.
또한, 수용액 중의 용존 기체는, 주로, 산소, 질소, 이산화탄소, 헬륨, 아르곤이며, 수용액의 온도나 성분에 영향을 받기는 하지만, 산소와 질소가 그 대부분을 차지하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서 주목하는 각종 초음파 처리에 영향을 줄 수 있는 용존 기체는, 주로 산소이다.
이상과 같은 파인 버블의 평균 기포 직경 및 기포 밀도, 그리고, 처리액(3)에서의 용존 기체량은, 이하에서 상세하게 설명하는 바와 같은 파인 버블 발생기(40)의 구조를 적절하게 설정하여, 처리액(3)의 감압-해방 사이클을 적절하게 제어함으로써, 실현된다.
이하에서는, 도 2 내지 도 14를 참조하면서, 본 실시 형태에 관한 파인 버블 발생기(40)와, 이러한 파인 버블 발생기(40)가 마련되는 처리액 인출 배관(33)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 8은 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치가 구비하는 파인 버블 발생기에 대하여 설명하기 위한 설명도이다. 도 9a 내지 도 9e는 파인 버블 발생기의 내부에서의 압력 변화의 양태를 나타낸 그래프도이다. 도 10a 내지 도 10d는 파인 버블 발생기의 내부에서의 압력 분포의 양태를 나타낸 그래프도이다. 도 11 내지 도 13은 파인 버블 발생기에 대하여 설명하기 위한 그래프도이다. 도 14는 파인 버블의 입경과 용존 산소 농도의 관계를 나타낸 그래프도이다.
본 실시 형태에 관한 파인 버블 발생기(40)는 도 2에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 처리액(3)의 개구 유로(처리액(3)이 흐르는 경로)의 크기가 처리액 인출 배관(33)의 내경보다 좁아져 있는 협애부(41)를 2개 이상 갖고 있고, 또한 인접하는 협애부(41)의 개구 유로는, 처리액(3)이 직진하지 않도록 구성되어 있다. 이하에서 상세하게 설명한 바와 같이, 협애부(41)에 있어서 처리액(3)이 감압되어 감압 상태로 되고, 인접하는 협애부(41)의 사이에 대응하는 부분(순환 펌프(31)에 가장 가까운 측에 위치하는 협애부에 이어지는, 장애물 등이 존재하지 않는 구역도 포함하고, 이하, 「비협애부(43)」라고도 함)에 있어서, 감압 상태에 있는 처리액(3)의 압력이 해방된다. 그 때문에, 협애부(41)는 처리액(3)이 감압되는 감압 구역이라고 생각할 수 있고, 비협애부(43)는 감압 상태에 있는 처리액(3)의 압력이 해방되는 해방 구역이라고 생각할 수 있다. 또한, 협애부(41)와 비협애부(43)로, 처리액(3)의 감압 및 해방을 행하는 감압 해방 사이클(45)이 구성된다.
각각의 협애부(41)에서는, 처리액(3)의 유로가 좁아지도록, 처리액(3)에 있어서의 장애물이 처리액 인출 배관(33)의 내벽에 마련되어 있고, 각각의 비협애부(43)에서는, 이러한 장애물이 존재하지 않고, 처리액 인출 배관(33)의 개구 단면 모두가 처리액(3)의 유로가 되도록 되어 있다.
상기와 같은 협애부(41)의 개수 N이 1개밖에 존재하지 않는 경우에는, 처리액(3)을 충분히 감압할 수 없고, 또한 캐비테이션에 의해 발생하는 기포의 직경이 커져 버려, 초음파를 사용한 처리에 보다 적합한 파인 버블을 안정적으로 발생시킬 수 없다. 또한, 파인 버블 발생기(40)에서의 협애부(41)의 개수 N은, 10개 이하로 하는 것이 바람직하다. 협애부(41)의 개수 N이, 10을 초과하는 경우에는, 압손이 발생됨과 함께, 파인 버블의 기포 직경에 대한 영향도 작아지기 때문에, 바람직하지 않다. 파인 버블 발생기(40)에서의 협애부(41)의 개수 N은, 보다 바람직하게는 2개 이상 8개 이하이며, 더욱 바람직하게는 2개 이상 6개 이하이며, 한층 더 바람직하게는 2개 이상 4개 이하이다.
이러한 협애부(41)가 처리액 인출 배관(33)에 존재함으로써, 부압 환경하에 더욱 효율적인 감압 구역을 마련하여 처리액(3) 중의 용존 기체를 기포화시킬 수 있고, 협애부(41)를 반복하여 마련함으로써, 발생된 기포를 미세화시킬 수 있다. 처리액 인출 배관(33) 내의 부압 환경은, -0.05MPa 내지 -0.10MPa의 범위 내인 것이 바람직하다.
본 실시 형태에 관한 파인 버블 발생기(40)에 있어서, 처리액 인출 배관(33)의 내경의 개구 단면적을 A0이라 하고, 처리조(10) 측으로부터 순환 펌프(31) 측을 향하여 i번째(i는, 1 이상의 정수이며, 협애부(41)의 개수에 대응하고 있음)의 협애부(41)에서의 처리액 인출 배관(33)의 내경의 개구 단면적을 Ai라 했을 때, Ai/A0으로서 표시되는 i번째의 협애부(41)의 개구 단면적비 Ri가, 서로 독립적으로, 0.10≤(Ai/A0)≤0.50으로 표시되는 관계를 만족시킨다.
여기서, 개구 단면적 Ai는, i번째의 협애부(41)에 있어서, 개구 유로가 되는 부분의 면적의 최댓값(보다 상세하게는, i번째의 협애부(41)를 관축 방향에 대하여 수직인 면에 투사했을 때에 있어서의, 개구 유로가 되는 부분의 면적의 최댓값)이다.
도 2에서는, 각각의 협애부(41)가 원하는 개구 단면적비(Ai/A0)를 실현하도록, 처리액 인출 배관(33)의 내표면으로부터 돌출되도록 마련된 돌출 부재(401)에 의해 실현되는 경우에 대하여, 도시하고 있다. 도 2에 나타낸 예에서는, 제1 감압 해방 사이클(45)에서의 협애부(41)의 개구 단면적 A1은, 비협애부(43)의 개구 단면적 A0에 대하여, 0.10≤(A1/A0)≤0.50으로 표시되는 관계를 만족시킨다. 마찬가지로, 제2 감압 해방 사이클(45)에서의 협애부(41)의 개구 단면적 A2는, 해방 구역(43)의 개구 단면적 A0에 대하여, 0.10≤(A2/A0)≤0.50으로 표시되는 관계를 만족시킨다.
개구 단면적비(Ai/A0)가 0.10 미만으로 되는 경우에는, 협애부(41)에서의 처리액(3)의 유로가 너무 좁아지는 결과, 충분한 유로를 확보할 수 없기 때문에 처리액의 순환에 지장을 초래하여, 펌프 부하로 인해 고장이 발생할 가능성이 있다. 각 협애부(41)에서의 개구 단면적비(Ai/A0)는 서로 독립적으로, 바람직하게는 0.15 이상이며, 보다 바람직하게는 0.20 이상이다. 한편, 개구 단면적비(Ai/A0)가 0.50을 초과하는 경우에는, 협애부(41)에서의 처리액(3)의 유로가 너무 넓어지는 결과, 충분히 감압을 행할 수 없어, 적절한 기포 직경의 파인 버블을 발생시킬 수 없다. 각 협애부(41)에서의 개구 단면적비(Ai/A0)는 서로 독립적으로, 바람직하게는 0.45 이하이며, 보다 바람직하게는 0.40 이하이다.
또한, 본 발명자들이 실시한 이하에 제시하는 시뮬레이션 결과로부터, 장애물의 에지(도 2에 나타낸 예에서는, 돌출 부재(401)의 처리조(10) 측에 위치하는 파선으로 둘러싼 에지)를 기점으로 하여, 부압이 발생하는 것이 밝혀졌다. 그 때문에, 돌출 부재(401)는 도 3에 나타낸 바와 같은, 에지 형상을 갖고 있어도 된다. 또한, 도 3에 나타낸 바와 같은 에지 형상을 갖는 돌출 부재(401)의 경우, 개구 유로의 크기가 가장 좁아지는 부위를 기점으로 하여, 부압이 발생한다. 돌출 부재(401)의 형상을, 도 3에 나타낸 바와 같은 형상으로 함으로써, 보다 확실하게 부압을 발생시키는 것이 가능하게 된다.
협애부(41)는 도 2나 도 3에 나타낸 바와 같은 돌출 부재(41)가 아니라, 예를 들어 도 4에 나타낸 바와 같이, 원하는 개구 단면적비(Ai/A0)를 실현하도록 하나 또는 복수의 관통 구멍이 마련된 개구 부재(403)에 의해 실현되어도 된다. 이러한 경우에 있어서도, 처리액 인출 배관(33) 내에서의 개구 부재(403)의 배치를 고려함으로써, 처리액(3)이 직진하지 않도록 협애부(41)의 개구 유로를 구성할 수 있다. 여기서, 「처리액(3)이 직진하지 않는다」란, 관축 방향으로 보았을 때, 협애부(41)에서의 개구 유로의 50％ 이상이, 인접하는 협애부(41)의 비개구 부분에 의해 막혀 있는 상태를 의미한다. 또한, 개구 부재(403)에서의 관통 구멍의 형상이나 배치 방법에 대해서는, 특별히 한정되는 것은 아니며, 원하는 개구 단면적비(Ai/A0)를 실현할 수 있도록, 적절히 결정하면 된다.
또한, 처리액(3)을 보다 확실하게 직진시키지 않도록 하기 위해, 처리액 인출 배관(33)을 관축 방향으로 보았을 때, 인접하는 협애부(41)의 개구 유로의 위치는, 서로 중복되지 않는 것이 보다 바람직하다.
또한, 협애부(41)로서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 도 2 및 도 3에서 개시한 바와 같은 돌출 부재(401)와, 도 4에서 개시한 바와 같은 개구 부재(403)를 조합해도 된다. 즉, 협애부(41)의 적어도 하나는, 돌출 부재(401)에 의해 실현되어 있어도 되고, 개구 부재(403)에 의해 실현되어 있어도 된다.
또한, 협애부(41)의 적어도 하나로서, 도 6에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 소정의 개구 단면적비(Ai/A0)의 범위 내에서 돌출 부재의 유로에 대한 돌출 정도를 변화시키는 것이 가능한, 가동식의 돌출 부재(405)를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 도 6에서는, 한쪽 협애부(41)를 개구 부재(403)에 의해 실현하고 있지만, 한쪽 협애부(41)를 돌출 부재(401)에 의해 실현해도 된다.
본 발명자들은, 도 7에 일례를 나타낸 바와 같은, 연속하여 마련된 2개의 감압 해방 사이클(45)을 갖는 파인 버블 발생기(40)의 모델을 각종 구축하고, 시판중인 범용 물리 시뮬레이션 소프트웨어인 COMSOL Multiphysics를 사용하여, 파인 버블 발생기(40)에 관하여, 각종 시뮬레이션을 실시하였다.
여기서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 파인 버블 발생기(40)의 각 협애부는, 돌출 부재(401)에 의해 실현되어 있는 것으로 하고, 각 협애부에서의 개구 단면적을, 각각 A1, A2라 하고, 비협애부에서의 개구 단면적(처리액 인출 배관(33)의 개구 단면적)을 A0이라 하였다. 또한, 비협애부에서의 개구 단면적 A0을 부여하는 처리액 인출 배관(33)의 내경 D0은, 50mm로 하였다. 또한, 제1 협애부와, 제2 협애부는, 이격 거리 L=100[mm]로 인접해 있는 것으로 하였다. 여기서, 이격 거리 L은, 인접하는 협애부의 중앙부 간 거리로 한다. 제1 협애부 및 제1 비협애부에서의 처리액(3)의 압력을, 각각 P1, P1'이라 하고 제2 협애부 및 제2 비협애부에서의 처리액(3)의 압력을, 각각 P2, P2'이라 하였다.
여기서, 본 시뮬레이션에 있어서 구축한 파인 버블 발생기(40)의 모델은, 도 8에 나타낸 5종류이며, No. 4 및 No. 5의 모델은, 본 발명의 범위 외가 되는 파인 버블 발생기(40)의 모델로 되어 있다. 각 모델에서는, 각각의 협애부에서의 개구 단면적비(A1/A0), (A2/A0)를, 각각, 도 8에 나타낸 값으로 설정한 후에, 파인 버블 발생기(40)의 입력 측에서의 압력을 0MPa로 공통으로 하고, 처리액(3)의 출력 측 유속을 0.15m/초로 공통으로 하였다. 또한, 이하의 시뮬레이션에서는, 파인 버블 발생기(40)의 입력 측 압력을 0Pa로서 부압으로 하고 있지 않지만, 부압으로 한 경우에 있어서도, 이하에 나타낸 각 위치에서의 압력차(갭)의 관계가 유지된 결과가 얻어지는 것을, 별도 확인하였다.
본 시뮬레이션에 의한, 파인 버블 발생기(40)의 출력 측에서의 파인 버블(「FB」라고 약기하는 경우가 있음)의 입경(평균 기포 직경)을 도 8에 합쳐서 나타내었다. 또한, No. 1, No. 2, No. 3, No. 4, No. 5의 모델에서의, 파인 버블 발생기(40)의 내부에서의 압력 변화의 양태를, 도 9a 내지 도 9e에 나타내었다. 또한, No. 1, No. 2, No. 3, No. 5의 모델에서의 파인 버블 발생기(40)의 내부에서의 압력 분포의 양태를, 도 10a 내지 도 10d에 나타내었다.
먼저, 도 8의 No. 1에 나타낸 모델에 대하여, 도 9a에 나타낸 결과를 참조한다. 파인 버블 발생기(40)의 입력 측으로부터 파인 버블 발생기(40) 내로 유입된 처리액(3)은 제1 협애부에 있어서, P1=-180Pa 정도까지 감압된 후에, 제1 비협애부에 있어서, P1'=-80Pa 내지 -60Pa 정도까지 압력이 상승하고, 제2 협애부에 있어서, P2=-240Pa 정도까지 더 감압된 후에, 제2 비협애부에 있어서, P2'=-140Pa 내지 -80Pa 정도까지 압력이 상승하고 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 이때 얻어진 파인 버블의 입경은, 도 8로부터, 0.010mm(=10㎛)였다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 10a에 나타낸 압력 분포에 주목하면, 도 10a에서의 등압선(동일한 압력값을 나타낸 위치를 연결한 선분)의 기점은, 돌출 부재(401)의 상류측에 위치하는 단부점으로 되어 있고, 앞서 언급한 바와 같이, 장애물의 에지(돌출 부재(401)의 처리조(10) 측에 위치하는 에지)를 기점으로 하여, 부압이 발생하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8의 No. 2에 나타낸 모델에 대하여, 도 9b에 나타낸 결과를 참조한다. 파인 버블 발생기(40)의 입력 측으로부터 파인 버블 발생기(40) 내로 유입된 처리액(3)은 제1 협애부에 있어서, P1=-140Pa 정도까지 감압된 후에, 제1 비협애부에 있어서 압력이 해방되고, 제2 협애부에 있어서, P2=-280Pa 정도까지 더 감압된 후에, 제2 비협애부에 있어서, 압력이 해방되고 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 이때 얻어진 파인 버블의 입경은, 도 8로부터, 0.050mm(=50㎛)였다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 10b에 나타낸 압력 분포에 주목하면, 본 모델에 대해서도, No. 1의 모델과 마찬가지로, 도 10b에서의 등압선(동일한 압력값을 나타낸 위치를 연결한 선분)의 기점은, 돌출 부재(401)의 상류측에 위치하는 단부점으로 되어 있고, 앞서 언급한 바와 같이, 장애물의 에지(돌출 부재(401)의 처리조(10) 측에 위치하는 에지)를 기점으로 하여, 부압이 발생하는 것을 알 수 있다.
도 8의 No. 3에 나타낸 모델에 대하여, 도 9c에 나타낸 결과를 참조한다. 파인 버블 발생기(40)의 입력 측으로부터 파인 버블 발생기(40) 내로 유입된 처리액(3)은 제1 협애부에 있어서, P1=-260Pa 정도까지 감압된 후에, 제1 비협애부에 있어서 압력이 해방되고, 제2 협애부에 있어서도, P2=-260Pa 정도까지 더 감압된 후에, 제2 비협애부에 있어서, 압력이 해방되고 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 이때 얻어진 파인 버블의 입경은, 도 8로부터, 0.005mm(=5㎛)였다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 10c에 나타낸 압력 분포에 주목하면, 본 모델에 대해서도, No. 1의 모델과 마찬가지로, 도 10c에서의 등압선(동일한 압력값을 나타낸 위치를 연결한 선분)의 기점은, 돌출 부재(401)의 상류측에 위치하는 단부점으로 되어 있고, 앞서 언급한 바와 같이, 장애물의 에지(돌출 부재(401)의 처리조(10) 측에 위치하는 에지)를 기점으로 하여, 부압이 발생하는 것을 알 수 있다.
한편, 처리액(3)이 직진되어 버리도록 돌출 부재(401)가 마련된, 도 8의 No. 4에 나타낸 모델에 대하여, 도 9d에 나타낸 결과를 참조한다. 파인 버블 발생기(40)의 입력 측으로부터 파인 버블 발생기(40) 내로 유입된 처리액(3)은 제1 협애부에 있어서, P1=-180Pa 정도까지 감압된 후에, 제1 비협애부에 있어서, P1'=-90Pa 내지 -70Pa 정도까지 압력이 상승하고, 제2 협애부에 있어서, P2=-140Pa 정도까지 감압된 후에, 제2 비협애부에 있어서, P2'=-120Pa 내지 -70Pa 정도까지 압력이 상승하고 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 이때 얻어진 파인 버블의 입경은, 도 8로부터, 0.200mm(=200㎛)였다는 것을 알 수 있다.
또한, 종래부터 존재하는 벤츄리관과 마찬가지의 구조를 갖는 도 8의 No. 5에 나타낸 모델에 대하여, 도 9e에 나타낸 결과를 참조한다. 이 경우, 파인 버블 발생기(40)의 입력 측으로부터 파인 버블 발생기(40) 내로 유입된 처리액(3)은 제1 협애부에 있어서, P1=-65Pa 정도까지 감압된 후에, 제1 비협애부에 있어서, P1'=-35Pa 정도까지 압력이 해방되고 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 이때 얻어진 파인 버블의 입경은, 도 8로부터, 5.00mm였다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 10c에 나타낸 압력 분포에 주목하면, 본 모델에 대해서도, 도 10d에서의 등압선의 기점은, 돌출 부재(401)의 상류측에 위치하는 단부점으로 되어 있다.
도 8에 나타낸 5종류의 모델에 대하여, 각 협애부 및 비협애부에서의 압력값 및 얻어진 파인 버블의 입경에 관한 시뮬레이션 결과를, 도 11에 합쳐서 나타내었다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 파인 버블 발생기(40)에서는, 파인 버블의 입경(평균 기포 직경)이 100㎛ 이하인 파인 버블을 발생시키는 것이 바람직하다. 한편, No. 1 및 No. 2, No. 3의 모델에서는, 평균 기포 직경이 100㎛ 이하인 파인 버블을 발생시킬 수 있지만, No. 4 및 No. 5의 모델에서는, 평균 기포 직경이 100㎛ 이하인 파인 버블을 발생시킬 수 없다는 것을 알 수 있다.
이들 결과를 비교하면, 평균 기포 직경이 100㎛ 이하로 되어 있는 모델에서는, 제2 협애부에서의 압력값이, 제1 협애부에서의 압력값보다 충분히 작아져 있는 한편, 평균 기포 직경이 100㎛를 초과한 모델에서는, 제2 협애부에서의 압력값이, 제1 협애부에서의 압력값보다 커져 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 2개 이상의 감압 해방 사이클에 있어서, 제1 협애부의 압력값 및 제2 협애부 모두 충분히 압력값이 작아지는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 이 결과는, 파인 버블 발생기(40)의 입력 측의 개구 단면적비를 작게 함으로써 실현할 수 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8의 No. 1에 나타낸 모델에 대하여, 이격 거리 L을 100mm로 하고, 처리액(3)의 유속을 0.15m/초로 한 채로, 처리액 인출 배관(33)의 내경 D0을, 25mm, 50mm, 100mm, 200mm의 4종류로 변화시킨 경우의 시뮬레이션 결과를, 도 12에 나타내었다. 여기서, 처리액 인출 배관(33)의 내경 D0은, 처리액 인출 배관(33)의 내경의 개구 단면적 A0을 사용하여, 2×(A0/π)0.5라고도 나타낼 수 있다.
도 12에 있어서, 이격 거리 L/인출 배관 내경 D0의 관계를 횡축으로 취하여, 파인 버블의 입경(평균 기포 직경)에 주목하면, 1.0≤L/D0≤5.0의 범위 내에서, 파인 버블의 입경이 100㎛ 이하로 되는 것을 알 수 있다. 또한, 제2 협애부에서의 압력값 P2가 작아지는 L/D0=2.0에 있어서, 파인 버블 입경이 보다 작아지는 것을 알 수 있다. 이러한 결과로부터, L/D0<1.0의 범위에서는, 감압 구간에서의 충분한 압력차가 생기지 않아, 파인 버블을 발생시킬 수 없다. 1.0≤L/D0이라는 관계가 만족됨으로써, 파인 버블의 입경 100㎛ 이하를 실현할 수 있다. L/D0의 값은, 바람직하게는 1.5 이상 또는 2.0 이상이다. 1.5≤L/D0 또는 2.0≤L/D0으로 됨으로써, 파인 버블 입경을, 한층 더 작게 할 수 있다. 한편, 5.0<L/D0의 범위에 있어서도, 입경 100㎛ 이하의 파인 버블을 생성할 수 있지만, 압력차는 작아지는 경향이며, 이격 거리 L이 길어질수록 배관 길이도 필요해지기 때문에, 장치 설치의 제약 관점에서 바람직하지 않다. L/D0의 값은, 바람직하게는 4.5 이하이며, 보다 바람직하게는 4.0 이하이다.
또한, 상기와 같은 시뮬레이션에 있어서, 처리액 인출 배관(33)의 내경 D0이 2배로 된 경우에도, 이격 거리 L을 2배로 하고, 유속을 4배로 함으로써, 상기 설명과 마찬가지의 결과가 얻어지고, 원래의 내경의 경우와 비교하여, 파인 버블의 평균 기포 직경 및 기포 밀도는 변하지 않는다.
또한, 별도로, 협애부의 개수를 2개 이상으로 한 경우에, 상기와 마찬가지의 시뮬레이션을 실시한 결과, 2개 이상의 감압 해방 사이클에 있어서, 가장 처리조(10) 측에 위치하는 제1 협애부와, 제1 협애부의 하류측에 마련되는(제1 협애부에 인접하도록 마련되는) 제2 협애부의 압력값이 모두 작아지는 것이, 파인 버블의 한층 더한 미세화에 유효하다는 것이 밝혀졌다.
상기에 더하여, 파인 버블 발생기(40)의 입력 측의 개구 단면적에 대하여, 순환 펌프(31)에 가까운 측에 위치하는 개구 단면적의 비를 1.10배 이상으로 하는 것이 바람직하다.
즉, 협애부의 개수를 N이라 하고, 처리조(10)의 측으로부터 순환 펌프(31) 측을 향하여 N번째의 협애부의 개구 면적비 RN으로 표시했을 때, 하기의 식 (151) 및 식 (153)을 만족시키는 것이 바람직하다.
Ri+1≥Ri … 식 (151)
RN/R1≥1.10 … 식 (153)
상기 식 (151) 및 식 (153)이 모두 만족됨으로써, 협애부에서의 압력값을 보다 작게 하는 것이 가능하게 되어, 탈기가 한층 더 하기 쉬워지는 데다가, 파인 버블의 입경을 보다 작게 하는 것이 가능하게 된다. RN/R1의 값은, 보다 바람직하게는 1.25 이상이다.
다음으로, 처리액 인출 배관(33) 및 파인 버블 발생기(40)에서의 처리액(3)의 유속 V에 대하여 검토한다. 여기서, 안정적인 처리액(3)의 순환을 고려하면, 유속 V는, 적어도 0.05m/초 이상인 것이 바람직하다. 한편, 유속 V를 5m/초를 초과한 값으로 한 경우에는, 순환 펌프(31)가 대형화됨과 함께, 유속 V가 너무 빨라지는 결과, 파인 버블 발생기(40)의 파손이 발생될 가능성이 있다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서, 처리액 인출 배관(33) 및 파인 버블 발생기(40)에서의 처리액(3)의 유속 V는, 0.050m/초 이상 5.000m/초 이하로 하는 것이 바람직하다.
여기서, 도 8의 No. 1에 나타낸 모델에 대하여, 처리액(3)의 유속을, 0.075m/초, 0.150m/초, 0.300m/초로 변화시킨 경우의 시뮬레이션 결과를, 도 13에 나타내었다. 도 13으로부터, 처리액(3)의 유속 V가 빨라질수록, 제2 협애부에서의 압력값 P2가 작아짐과 함께, 발생하는 파인 버블의 입경(평균 기포 직경)도 작아지는 것을 알 수 있다.
또한, 처리액(3) 중의 파인 버블의 기포 밀도는, 처리액 용량[m3]/순환 유량(=유속[m/min]×(배관 내경 D0[m]/2)2×π)×순환 경로 수×시간[min]을 적절하게 제어함으로써, 원하는 범위로 조정할 수 있다. 상기 범위를, 0.03 내지 6.70의 범위 내로 함으로써 보다 확실하게 적정한 파인 버블의 기포 밀도를 실현할 수 있다. 상기의 범위는, 보다 바람직하게는, 0.05 내지 6.00의 범위 내이다.
이상 설명한 내용은, 본 실시 형태에 있어서, 처리액 인출 배관(33) 및 파인 버블 발생기(40)에서의 각종 조건에 주목한 것이었지만, 이하에서는, 처리액(3)에서의 조건에 대하여 검토한다.
처리액(3)(예를 들어, 물)에서의 용존 가스 농도(％)와, 이러한 처리액(3) 중에 존재하는 파인 버블의 입경(평균 기포 직경)의 관계를 도 14에 나타내었다. 도 14로부터 명확한 바와 같이, 처리액(3)의 용존 가스 농도(환언하면, 처리액(3)의 탈기 상태)에 따라 파인 버블의 입경이 변화하여, 처리액(3)의 용존 가스 농도를 제어함으로써, 파인 버블의 입경을 원하는 상태로 제어 가능하다는 것을 알 수 있다. 도 14로부터 명확한 바와 같이, 파인 버블의 입경을 100㎛ 이하로 하기 위해서는, 처리액(3) 중의 용존 가스 농도를 50％ 이하로 하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
여기서, 처리액(3) 중의 용존 가스 농도(즉, 용존 기체량)는 처리액(3)의 유속 V를 변화시키거나, 개구 단면적비(Ai/A0)를 조정하거나 함으로써, 원하는 범위 내의 값으로 조정할 수 있다. 예를 들어, 순환 펌프(31)의 출력을 높여 처리액(3)의 유속 V를 증가시킴으로써, 발생하는 부압을 높여, 용존 가스 농도를 저하시킬 수 있다. 또한, 개구 단면적비(Ai/A0)를 작게 함으로써, 발생하는 부압을 높여, 용존 가스 농도를 저하시킬 수 있다. 이때, 본 실시 형태에 관한 파인 버블 발생 기구(40)의 하류측에 있어서, 상기와 같은 공지의 기기에 의해 용존 기체량을 측정하면서, 상기와 같은 각 제어 조건을, 용존 기체량이 원하는 범위 내의 값이 될 때까지 조정하면 된다. 또한, 처리액(3)의 유속 V와, 개구 단면적비(Ai/A0) 중 어느 쪽을 우선적으로 조정할지는, 특별히 한정되는 것은 아니며, 조정을 하기 쉬운 제어 조건을 먼저 조정하면 된다. 처리액(3) 중의 용존 기체량을 상기와 같은 방법으로 조정함으로써, 발생하는 파인 버블의 평균 기포 직경이나 농도(밀도)를 원하는 범위 내의 값으로 할 수 있다.
이상, 본 실시 형태에 관한 순환 경로(30) 및 파인 버블 발생 기구(40)에 대하여, 도 2 내지 도 14를 참조하면서, 상세하게 설명하였다.
<곡면 부재(50)에 대하여>
다시 도 1a 및 도 1b로 되돌아가서, 본 실시 형태에 관한 곡면 부재(50)에 대하여 간단하게 설명한다.
곡면 부재(50)는 초음파 발생기(20)의 진동면을 향하여 볼록한 곡면을 갖는 부재이며, 곡면 부재(50)에 도달한 초음파를 다방향으로 반사시키는 부재이다. 이러한 곡면 부재(50)를 처리조(10) 내의 벽면 및 저면 중 적어도 어느 한 쪽에 마련함으로써, 초음파 발생기(20)의 진동면에서 발생한 초음파를, 처리조(10) 내의 전체에 전파시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 곡면 부재(50)는 필요에 따라 마련하면 되고, 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)에 있어서, 곡면 부재(50)는 존재하지 않아도 된다.
보다 상세하게는, 본 실시 형태에 관한 곡면 부재(50)에는, 구면 또는 비구면의 표면 형상을 갖는 볼록 만곡부가 적어도 존재하고, 이러한 볼록 만곡부가, 볼록 만곡부 이외의 부분보다, 초음파 인가 기구(20)의 진동면 측으로 돌출된 상태로 되어 있는 볼록 곡면을 갖고 있다. 또한, 본 실시 형태에 관한 곡면 부재(50)는 볼록 만곡부가 아닌 부분인 비볼록 만곡부를 갖고 있어도 되고, 볼록 곡면으로만 구성되어 있어도 된다. 또한, 본 실시 형태에 관한 곡면 부재(50)는 중실의 기둥상체여도 되고, 중공의 통 형상체여도 된다. 또한, 곡면 부재(50)가 중공인 경우, 처리조(10)에 장착된 상태의 곡면 부재(50)의 공극에는, 공기 등의 각종 기체가 존재하고 있어도 되고, 처리조(10)에 보유되어 있는 처리액(3) 등의 각종 액체가 존재하고 있어도 된다.
곡면 부재(50)가 상기와 같은 볼록 곡면을 가짐으로써, 다방향으로 초음파가 반사되어, 치우침이 없는 균일한 초음파 전파가 실현되어, 초음파 간의 간섭을 억제할 수 있다. 여기서, 곡면 부재(50)가 오목부를 포함하는 경우에는, 초음파가 오목부에서 반사됨으로써 집속되어 버려, 처리조(10) 전체에 효과적으로 초음파를 반사시킬 수 없다. 또한, 볼록부를 포함하는 경우에도, 볼록부가 곡면이 아니라 평면인 경우에는, 초음파를 일방향으로밖에 반사시킬 수 없어, 처리조(10) 전체에 효과적으로 초음파를 반사시킬 수 없다.
상기와 같은 형상을 갖는 곡면 부재(50)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), 티탄(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 관한 곡면 부재(50)에 있어서는, 처리조(10)에 보유되는 처리액(3)의 액성이나, 곡면 부재(50)에 요구되는 강도 등에 따라, 곡면 부재(50)의 형성에 사용하는 소재를 적절히 선택하면 되지만, 상기와 같은 음향 임피던스를 갖는 각종 금속 또는 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
이상, 본 실시 형태에 관한 곡면 부재(50)에 대하여 간단하게 설명하였다.
이상, 도 1a 내지 도 14를 참조하면서, 본 실시 형태에 관한 초음파 처리 장치(1)의 전체적인 구성에 대하여 상세하게 설명하였다.
또한, 상기 설명에서는, 처리부로서 마련된 처리조(10)의 내부에, 처리액(3)에 침지된 피처리물을 마련한 후에, 처리조(10) 내에 보유된 처리액(3)을 통해, 피처리물에 대하여 간접적으로 초음파를 인가하는 경우를 예로 들었지만, 초음파 발생기(20)는 처리부 내에 있어서 처리액으로 채워진 피처리물에 대하여, 직접 초음파를 인가해도 된다.
예를 들어, 열교환기의 내부에 마련된 배관이나, 액체를 사용하는 복수의 설비 간을 접속하고 있는 접속 배관 등과 같이, 내부가 액체로 채워진 상태에 있는 중공 부재 그 자체를 피처리물로 해도 된다. 이러한 경우, 중공 부재의 내부에 보유되어 있는 액체에 대하여 파인 버블을 발생시킨 후에, 중공 부재 그 자체에 대하여 초음파가 인가된다.
실시예
다음으로, 실시예 및 비교예를 제시하면서, 본 발명에 관한 초음파 처리 장치 및 초음파 처리 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 또한, 이하에 제시하는 실시예는, 어디까지나 본 발명에 관한 초음파 처리 장치 및 초음파 처리 방법의 일례이며, 본 발명에 관한 초음파 처리 장치 및 초음파 처리 방법이, 이하에 제시하는 예에 한정되는 것은 아니다.
(실험예 1)
도 15는 각종 파인 버블 발생기와 용존 기체량의 관계의 검증에 사용한 장치도이다. 본 실험예에서는, 처리액(3)으로서, 정수를 사용하였다. 처리조(10)는 외벽이 SUS제이며, 폭 0.5m×길이 0.5m×0.4m의 크기를 갖는 용량 0.1m3의 것을 사용하였다. 또한, 이러한 처리조(10)에, 순환 펌프(31), 처리액 인출 배관(33) 및 처리액 토출 배관(35)을 갖는 순환 경로(30)를 마련하였다. 순환 펌프(31)로서, 각각 일반적인 범용 펌프인, IWAKI제 MD-40RZ, MD-70RZ, MD-100R을 사용하였다. 처리액 인출 배관(33)의 배관 내경 D0은, 20mm로 하였다. 이에 의해, 처리액 인출 배관(33) 내의 부압 환경은, -0.05MPa 내지 -0.10MPa의 범위 내로 되어 있었다.
또한, 도 16에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 파인 버블 발생기(40)를 처리액 인출 배관(33)에 착탈 가능한 지그로서 각각 준비하고, 이들 지그를, 처리액 인출 배관(33)에 대하여 직렬로 접속할 수 있도록 하였다. 도 16의 구조 a, b, e에서는, 관축 방향으로 도 2와 같이, 구조 d에서는, 관축 방향으로 도 3과 같이, 협애부의 개방 유로가 중복되지 않는다. 또한, 구조 c, g에서는, 관축 방향으로 2개의 단면에서 형상이 다르지만, 동일하게 협애부의 개방 유로가 중복되지 않는다. 구조 f는, 도 4와 같이 일부 협애부의 개방 유로가 중복되는 구조로 하였다. 또한, 복수의 협애부가 연속되는 파인 버블 발생기(40)에서는, 이격 거리 L이 10mm, 20mm, 50mm, 100mm, 120mm가 되도록 하였다. 또한, 처리액 인출 배관(33)에 대하여, 유량계를 설치하여, 처리액 인출 배관(33)의 유량을 측정하였다. 처리액(3)의 유속(m/s)은 얻어진 유량의 측정값을 배관 내경 단면적으로 나눔으로써 산출하였다.
또한, 각 파인 버블 발생기(40)에서의 감압 해방 사이클 간의 압력 변화에 대해서는, 시판중인 유체 해석 소프트웨어인 COMSOL Multiphysics를 사용하여, 처리액(3)이 유속 0.15m/초로 흘렀을 때의 감압 구역과 해방 구역의 압력차를 산출하였다.
파인 버블의 평균 기포 직경은, 베크만·콜터제의 정밀 입도 분포 측정 장치 Multisizer4 및 Malvern제의 나노 입자 해석 장치 NanoSight LM10을 사용하여, 처리조(10) 내의 용액을 측정함으로써 특정하였다. 또한, 용존 기체량의 측정은, HORIBA제의 용존 산소계 LAQUA OM-51을 사용하여, 용존 기체량에 비례하는 값으로서 용존 산소량(DO)을 1분마다 측정하여, 용존 포화량에 대한 용존 기체량(％)을 개산하였다. 보다 상세하게는, 용존 산소량 DO를 1분마다 측정하여, 전회 측정 시의 용존 산소량과의 차 ΔDO를 산출해 간다. 연속되는 3분간에 있어서, ΔDO의 값이 각각 0.1 미만으로 된 시점에, 용존 산소량이 하한에 달했다고 판단하고, 그 시점에서의 용존 산소량 및 평균 기포 직경을 비교하였다.
Figure pct00002
얻어진 결과를, 상기 표 1에 합쳐서 나타내었다. 또한, 상기 표 1의 「협애부 개구 단면적비」의 난에 있어서, 협애부 개구 단면적비 RN의 값을 난 내의 가장 좌측에 위치하도록 나타내고 있고, 협애부 개구 단면적비 R0의 값을 난 내의 가장 우측에 위치하도록 나타내고 있고, 서로 동일한 값의 협애부 개구 단면적비를 갖는 다단계의 협애부가 존재하는 경우에는, 예를 들어 「0.50×4」와 같이, 기재를 간략화하고 있다. 또한, 다단계의 협애부가 있는 조건에 있어서는, 최대의 개구 단면적비를 부여하는 조합으로부터 얻어지는 값을, RN/R1이라 하였다.
먼저, 비교예를 참조하면, 감압 해방 사이클이 존재하지 않는, 단순히 유로가 가늘어진 비교예 1에서는, 용존 기체량을 저하시키는 것은 가능하지만, 평균 기포 직경이 파인 버블화되지 않고, 큰 상태로 있었다. 감압 해방 사이클을 마련하고, 유로가 직진하는 비교예 2 내지 3에서는, 비교예 1과 거의 변함없고, 평균 기포 직경이 컸다. 또한, 이격 거리비 L/D0이 1.0 미만인 비교예 4와, 5.0보다 큰 비교예 5는 평균 기포 직경이 파인 버블로 간주할 수 있는 100㎛ 이하로 되지 않았다. 또한, 협애부의 개구 단면적비가 0.50보다 큰 비교예 6 내지 7에서는, 압력이 저하되지 않고, 기포도 거의 발생하지 않았다. 협애부의 개구 단면적비가 0.10 미만인 비교예 8 내지 9에서는, 순환되는 액이 거의 존재하지 않기 때문에, 기포가 발생하지 않거나, 또는 순환 펌프가 공회전하여, 송액 자체가 되지 않는 상태였다.
한편, 감압 해방 사이클이 2개 이상 설치되고, 또한 개구 유로가 직진하지 않도록 마련된 협애부의 이격 거리 비가 소정의 범위에 존재하는 실시예 1 내지 7과, 감압 해방 사이클의 수를 증가시킨 실시예 8 내지 9와, 협애부의 형상을 변화시킨 실시예 10 내지 14에서는, 평균 기포 직경은, 파인 버블로 간주할 수 있는 100㎛ 이하로 되었다. 동시에, 용존 기체량도 저하되는 것이 관측되었다. 특히, 감압 해방 사이클의 펌프에 가까운 측의 협애부를 좁게 하여 R1/RN≥1.10의 관계를 만족시키는 실시예 15 내지 18에서는, 감압 개방 간의 압력차가 커져, 용존 기체의 저하와, 파인 버블도 수㎛ 이하로까지 미세화되어 기포 밀도의 증대가 관측되었다.
(실험예 2)
도 17a 및 도 17b는 본 발명에 관한 초음파 처리 장치를 사용한, 강판의 수세(린스) 처리의 실시 상태를 모식적으로 나타낸 설명도이다. 처리액(3)인 린스 용액으로서는, 정수를 사용하였다. 처리조(10)는 외벽이 SUS제이며, 폭 2.0×길이 7m×0.5m의 크기의 용량 7m3의 것을 사용하고, 피처리물인 강판은, 롤에 의해 보유되도록 하였다.
또한, 이러한 처리조(10)에, 도 17b에 나타낸 바와 같이, 순환 펌프(31), 처리액 인출 배관(33) 및 처리액 토출 배관(35)을 갖는 순환 경로(30)을 2계통 마련하였다. 순환 펌프(31)로서, 일반적인 범용 펌프인 세이코 화공 기제 MEP-0505-2P를 2대 사용하였다. 처리액 인출 배관(33)의 배관 내경 D0은, 50mm로 하였다. 이에 의해, 처리액 인출 배관(33) 내의 부압 환경은, -0.05MPa 내지 -0.10MPa의 범위 내로 되어 있었다.
또한, 도 16에 나타낸 표기에 따라, 이하의 표 2에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 파인 버블 발생기(40)를 처리액 인출 배관(33)에 착탈 가능한 지그로서 각각 준비하고, 이들 지그를, 처리액 인출 배관(33)에 대하여 직렬로 접속할 수 있도록 하였다. 또한, 복수의 협애부가 연속되는 파인 버블 발생기(40)에서는, 이격 거리 L이 20mm, 40mm, 100mm, 200mm, 300mm가 되도록 하였다. 또한, 처리액 인출 배관(33)에 대하여 유량계를 설치하여, 처리액 인출 배관(33)의 유량을 측정하고, 처리액(3)의 유속이 앞서 언급한 바람직한 범위 내로 되도록 제어하였다.
또한, 초음파 발생기(20)의 초음파 발진기는, 출력이 1200W이며, 초음파의 주파수는, 35kHz로 하였다. 처리조(10)의 긴 변 한쪽 벽면에 대하여, 도 17b에 나타낸 바와 같이 SUS제 투입 진동자를 5대 배치하여, 처리액(3)에 대하여 초음파를 인가하였다.
파인 버블의 평균 기포 직경은, 베크만·콜터제의 정밀 입도 분포 측정 장치 Multisizer4 및 Malvern제의 나노 입자 해석 장치 NanoSight LM10을 사용하여, 처리조(10) 내의 용액을 측정함으로써 특정하였다. 또한, 용존 기체량의 측정은, HORIBA제의 용존 산소계 LAQUA OM-51을 사용하여, 용존 기체량에 비례하는 값으로서 용존 산소량(DO)을 1분마다 측정하여, 용존 포화량에 대한 용존 기체량(％)을 개산하였다. 보다 상세하게는, 용존 산소량 DO를 1분마다 측정하여, 전회 측정 시의 용존 산소량과의 차 ΔDO를 산출해 간다. 연속되는 3분간에 있어서, ΔDO의 값이 각각 0.1 미만으로 된 시점에, 용존 산소량이 하한에 달했다고 판단하고, 그 시점에서의 용존 산소량 및 평균 기포 직경을 비교하였다.
본 실험예에서는, 도 18에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 초음파 레벨 모니터(카이져제 19001D)를 사용하여, 0.5m 간격으로, 계 26개소에서 초음파 강도(mV)의 측정을 행하여, 상대 초음파 강도(비교예 1의 측정 결과, 즉, 감압 해방 사이클을 행하지 않은 경우에서의 측정 초음파 강도를 1로 했을 때의 상대 강도)와, 표준 편차(σ)을 산출하여, 처리조(10) 전체에서의 초음파의 전파성을 비교하였다.
본 실험예에서는, 산화 스케일 피막이 형성된 강판을 산세한 것을, 피처리물로서 준비하고, 상기와 같은 처리조(10)를 이용하여, 표면에 산화물 미립자가 부착된 강판의 수세(린스)를 행하였다.
본 실험예에서는, 강판 표면의 산화물 미립자 제거율을 측정하고, 측정한 산화물 미립자 제거율을 세정 성능으로서 평가하였다. 보다 상세하게는, 수세 전후의 강판 표면에 부착되어 있는 산화물 미립자 총량에 대한 각 조건에서의 제거된 산화물 미립자 제거량의 비율을 이하와 같이 하여 산출하여, 산화물 미립자 제거율이라 하였다.
즉, 산화 스케일 피막이 형성된 강판 시료(크기 5cm×10cm)를 롤로 보유된 강판에 첩부한 후에, 세정 성능을 평가하였다. 강판 시료를 산세 후, 예비 수세, 건조시켰다. 그리고 나서, 사전에 질량을 측정해 둔 범용 셀로판 테이프(폭 15mm×길이 5cm)를 2개 사용하여, 강판 표면에 부착되어 있는 산화물 미립자를, 2개소에서 박리하여, 수세 전의 테이프 질량의 측정값으로 하였다. 또한, 수세 전에 박리한 개소와는 다른 개소에서, 수세 후에 있어서도 마찬가지로 테이프 박리를 행하여, 박리한 테이프 질량을 측정하였다.
수세 전의 테이프 측정값으로부터, 사전에 측정해 둔 테이프 질량을 뺀 값이, 산화물 미립자의 총량에 대응하고, 수세 후의 테이프 측정값으로부터, 사전에 측정해 둔 테이프 질량을 뺀 값이, 산화물 미립자의 잔존량에 대응한다. 그 때문에, 산화물 미립자의 총량으로부터, 산화물 미립자의 잔존량을 뺀 값이, 산화물 미립자의 제거량이 된다. 산화물 미립자의 총량에 대한, 각 조건에서 제거된 산화물 미립자의 제거량의 비율을, 산화물 미립자 제거율이라 하였다. 또한, 강판 시료는 롤 간에 첩부하여, 떼어내기를 행하여, 통판 100mpm에서의 제거율로서 산출하였다.
또한, 하기의 표 2에서의 세정 성능의 평가 기준은, 이하와 같다.
산화물 미립자 제거율
AA: 100％ 이하 내지 95％ 이상
A: 95％ 미만 내지 90％ 이상
AB: 90％ 미만 내지 85％ 이상
B: 85％ 미만 내지 80％ 이상
C: 80％ 미만 내지 60％ 이상
D: 60％ 미만 내지 40％ 이상
E: 40％ 미만
즉, 평가 「AA」 및 「A」는, 세정 성능이 매우 양호했음을 의미하고, 평가 「AB」 및 「B」는, 세정 성능이 양호했음을 의미하고, 평가 「C」는, 세정 성능에 약간 어려움이 있었음을 의미하고, 평가 「D」 및 「E」는, 세정 성능이 불량했음을 의미한다.
Figure pct00003
얻어진 결과를, 상기 표 2에 합쳐서 나타내었다.
또한, 「협애부 개구 단면적비」의 난의 표기 방법 및 「개구 단면적비」의 난의 표기 방법에 대해서는, 표 1과 마찬가지이다.
먼저, 비교예를 참조하면, 단순히 순환시켰을 뿐인 조건(비교예 1)에서는, 용존 기체량을 저하시키지는 못하고, 기포가 발생하지도 않았다. 그 때문에, 초음파 발진 부근의 강도는 높기는 하지만, 기타의 개소에는 초음파는 전파되지 않고, 변동 지표인 표준 편차도 초음파 강도 33mV에 대하여 20을 초과하고 있어, 초음파의 전파가 불균일하다는 것을 알 수 있다. 또한, 감압 해방 사이클이 존재하지 않는, 단순히 유로가 가늘어졌을 뿐인 비교예 2 내지 3에서는, 용존 기체량을 저하시킬 수 있기는 하지만, 기포 직경이 파인 버블화되지 않았다. 이때의 상대 초음파 강도는, 비교예 1과 거의 변함없고, 수세 성능은 불량하였다. 감압 해방 사이클을 마련하고, 유로가 직진하는 상태로 되어 있는 비교예 4 내지 5에서는, 상대 초음파 강도는 1.3배로 상승하기는 했지만, 초음파 강도의 표준 편차가 컸다. 이들 비교예에서는, 수세 성능도 부족하여, 세정 불균일이 발생하였다. 또한, 협애부 간격 L/D0이 1.0 미만이거나, 또는 5.0보다 큰 비교예 6 내지 8에 있어서도, 동일하게 파인 버블화되지 않고, 초음파 강도의 표준 편차가 커져서 수세 성능도 부족하여, 세정 불균일이 발생하였다. 협애부의 개구 단면적비가 0.10 미만인 비교예 9에서는, 순환되는 액이 거의 존재하지 않기 때문에, 기포가 발생하지 않거나, 또는 순환 펌프가 공회전하여, 송액 자체가 되지 않는 상태였다. 개구 단면적비가 0.50보다 큰 비교예 10에서는, 기포가 거의 발생하지 않았다. 이때의 상대 초음파 강도는 비교예 1과 변함없고, 수세 성능도 불량하였다.
한편, 감압 해방 사이클이 2개 이상 설치되고, 개구 유로가 직진하지 않도록 마련된 협애부가 존재하고, 협애부 간격이 소정의 범위에 존재하는 실시예 1 내지 6과, 감압 해방 사이클의 수를 증가시킨 실시예 7 내지 9와, 협애부의 형상을 변화시킨 실시예 10 내지 14에서는, 평균 기포 직경은, 파인 버블로 간주할 수 있는 100㎛ 이하로 되었다. 또한, 용존 기체량도 저하되는 것이 관측되고, 초음파 강도는 3배 이상으로 되고, 표준 편차도 작아져서, 세정 성능은 양호하였다. 또한, 감압 해방 사이클의 펌프에 가까운 측의 협애부를 좁게 하여 R1/RN≥1.10의 관계를 만족시키는 실시예 15 내지 18에서는, 감압 개방 간의 압력차가 커져, 용존 기체의 저하와, 파인 버블도 수㎛ 이하로까지 미세화되어 기포 밀도의 증대가 관측되었다.
(실험예 3)
도 19a 및 도 19b는 본 발명에 관한 초음파 처리 장치를 사용한, 강관의 탈지 처리의 실시 상태를 모식적으로 나타낸 설명도이다. 처리조(10)는 외벽이 강철제이며, 표면에 PTFE 라이닝되어 있고, 폭 1.0×길이 15.0×0.6m의 크기를 갖는 용량 9m3의 것을 사용하였다. 이러한 처리조(10)를 이용하여, 표면에 유분이 부착된 강관을 소정 시간 침지시켰다. 처리액(3)인 탈지 용액으로서는, 알칼리계의 탈지액을 사용하였다. 피세정물인 강관과 처리조(10) 사이에는, 1m 간격으로, 곡면 부재로서 기능하는 완충재(보다 상세하게는, SUS304제의 중공의 완충 파이프)를 마련하였다.
또한, 이러한 처리조(10)에, 도 19b에 그 일부를 나타낸 바와 같이, 순환 펌프(31), 처리액 인출 배관(33) 및 처리액 토출 배관(35)을 갖는 순환 경로(30)를 처리조(10)의 짧은 변 측에 대하여, 2계통 설치하였다. 순환 펌프(31)로서, 일반적인 범용 펌프인 세이코 화공 기제 MEP-0505-2P를 2대 사용하였다. 처리액 인출 배관(33)의 배관 내경 D0은, 50mm로 하였다. 이에 의해, 처리액 인출 배관(33) 내의 부압 환경은, -0.05MPa 내지 -0.10MPa의 범위 내로 되어 있었다.
복수의 가동식의 돌출 부재가, 배관 내에서 마주 향하여 돌출되도록 배치되고, 이격 거리 L은 40mm, 100mm, 200mm, 300mm가 되도록 처리액 인출 배관(33)에 직렬로 설치하여, 파인 버블 발생기(40)로 하였다. 즉, 이러한 파인 버블 발생기(40)는 도 16에 나타낸 표기 a의 구조를 가진 것이다. 또한, 처리액 인출 배관(33)에 대하여 유량계를 설치하여, 처리액 인출 배관(33)의 유량을 측정하고, 처리액(3)의 유속이 앞서 언급한 바람직한 범위 내로 되도록 제어하였다.
또한, 초음파 발생기(20)의 초음파 발진기로서, 출력이 1200W이며, 주파수의 소인 기능을 갖는 것을 이용하고, 초음파 진동자는, SUS제의 투입 진동자를 10대, 처리조(10)의 길이 방향의 벽면에 설치하였다. 또한, 초음파의 주파수는, 25 내지 192kHz로 하였다.
파인 버블의 평균 기포 직경은, 베크만·콜터제의 정밀 입도 분포 측정 장치 Multisizer4 및 Malvern제의 나노 입자 해석 장치 NanoSight LM10을 사용하여, 처리조(10) 내의 용액을 측정함으로써 특정하였다. 또한, 용존 기체량의 측정은, HORIBA제의 용존 산소계 LAQUA OM-51을 사용하여, 용존 기체량에 비례하는 값으로서 용존 산소량(DO)을 1분마다 측정하여, 용존 포화량에 대한 용존 기체량(％)을 개산하였다. 보다 상세하게는, 용존 산소량 DO를 1분마다 측정하여, 전회 측정 시의 용존 산소량과의 차 ΔDO를 산출해 간다. 연속되는 3분간에 있어서, ΔDO의 값이 각각 0.1 미만으로 된 시점에, 용존 산소량이 하한에 달했다고 판단하고, 그 시점에서의 용존 기체량 및 평균 기포 직경을, 비교하였다.
또한, 본 실험예에서는, 처리조(10)의 내부에, 도 19a 및 도 19b에 나타낸 바와 같이, 일정 간격으로 강관의 흠 방지를 위한 완충재를 설치하고, 처리조(10)의 중앙부에, 내경 40mm×길이 10m의 강관을 20개 침지시켜, 세정 평가를 행하였다.
본 실험예에서는, 강판 표면의 유분 제거율을 측정하고, 측정한 유분 제거율을 탈지 성능으로서 평가하였다. 보다 상세하게는, 세정 전후의 질량 변화량으로부터 유분 제거량을 산출하여, 강판 표면에 부착된 유분 총량에 대한 각 세정 조건에서 제거된 유분 제거량의 비율을, 유분 제거율이라 하였다. 또한, 하기의 표 3에서의 탈지 성능의 평가 기준은, 이하와 같다.
유분 제거율
AA: 100％ 이하 내지 95％ 이상
A: 95％ 미만 내지 90％ 이상
AB: 90％ 미만 내지 85％ 이상
B: 85％ 미만 내지 80％ 이상
C: 80％ 미만 내지 60％ 이상
D: 60％ 미만 내지 40％ 이상
E: 40％ 미만
즉, 평가 「AA」 및 「A」는, 탈지 성능이 매우 양호했음을 의미하고, 평가 「AB」 및 「B」는, 탈지 성능이 양호했음을 의미하고, 평가 「C」는, 탈지 성능에 약간 어려움이 있었음을 의미하고, 평가 「D」 및 「E」는, 탈지 성능이 불량했음을 의미한다.
Figure pct00004
얻어진 결과를, 상기 표 3에 합쳐서 나타내었다.
또한, 「협애부 개구 단면적비」의 난의 표기 방법 및 「개구 단면적비」의 난의 표기 방법에 대해서는, 표 1과 마찬가지이다.
먼저, 비교예를 참조하면, 본 발명에 관한 감압 해방 사이클을 2개 이상 갖고 있지 않은 비교예 1 내지 3, 협애부 간격 L/D0이 1.0 미만인 비교예 4 및 협애부 간격 L/D0이 5.0보다 큰 비교예 5에서는, 파인 버블이 발생하지 않아, 공진 직경 이하의 기포는 적었다. 개구 단면적비가 0.5보다 큰 비교예 6 및 개구 단면적비가 0.1 미만으로 되는 비교예 7에서는, 파인 버블이 거의 발생하지 않아, 초음파 주파수에 대한 공진 직경 이하의 기포는 적었다. 또한, 용존 기체량도 줄지 않았고, 그 결과, 탈지 성능이 불량이 되거나, 또는 세정 부족이 되는 영역이 발생하였다.
한편, 감압 해방 사이클이 2개 이상 설치되고, 또한 협애부 개구 단면적비가 0.5 이내인 실시예 1 내지 15는, 세정 성능이 양호하고, 특히 협애부 간격이 1.0≤L/D≤5.0을 만족시키는 실시예 1 내지 5는, 세정 성능이 더욱 양호하였다. 또한, 초음파의 주파수의 소인을 행한 실시예 12 내지 15에 있어서는, 보다 효과적으로 세정이 가능하였다.
(실험예 4)
외벽이 SS(일반 구조용 압연 강재)제이며, 내부에, 내경 45mm×길이 3.0m×두께 9mm의 배관이 연속적으로 접속되어 있는 종형 열교환기에 주목하고, 이러한 종형 열교환기의 배관을, 피처리물로 하였다. 본 실험예에서는, 배관의 내부에 물을 채운 후에, 배관 내면에 부착된 퇴적물을, 소정 시간 순환시켰다. 즉, 본 실험예에서는, 피처리물인 배관 그 자체가, 처리부로서 기능한다.
도 20은 본 발명에 관한 초음파 처리 장치를 사용한, 열교환기가 구비하는 배관의 세정 처리의 실시 상태를 모식적으로 나타낸 설명도이다. 도 20에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 열교환기의 내부에 마련된 배관(11)의 한쪽 단부에 대하여 처리액 인출 배관(33)을 접속하고, 이러한 처리액 인출 배관(33)을 순환 펌프(31)에 접속하였다. 사용한 순환 펌프(31)는 일반적인 범용 펌프인 세이코 화공 기제 MEP-0505-2P이다. 이에 의해, 처리액 인출 배관(33) 내의 부압 환경은, -0.05MPa 내지 -0.10MPa의 범위 내로 되어 있었다. 또한, 처리액 인출 배관(33)에 대하여 직렬로, 2개의 가동식의 돌출 부재가, 배관 내에서 마주 향하여 돌출되도록 배치하여, 파인 버블 발생기(40)로 하였다. 즉, 이러한 파인 버블 발생기(40)는 도 16에 나타낸 표기 a의 구조를 가진 것이다. 또한, 순환 펌프(31)의 정압 측에 처리액 토출 배관(35)을 마련하고, 배관(11)의 다른 한쪽 단부에 접속하였다. 또한, 파인 버블 발생기(40)에 있어서, 이격 거리 L은, 40mm, 100mm, 200mm, 300mm로 하였다.
또한, 도 20에 나타낸 바와 같이, 처리액 토출 배관(35)에 대하여 에어 빼기 밸브(60) 및 물 공급 밸브(70)를 마련하고, 배관(11), 처리액 인출 배관(33), 파인 버블 발생기(40) 및 처리액 토출 배관(35)의 내부에, 처리액(3)으로서 물(보다 상세하게는, 청급수)을 채우도록 하였다. 또한, 처리액 인출 배관(33)에 대하여, 배수용 밸브(80)를 마련하여, 도 20에 나타낸 바와 같은 순환 경로(30)를 흐르는 처리액(3)의 일부를 채취할 수 있도록 하였다. 또한, 처리액 인출 배관(33)에 대하여 유량계를 설치하여, 처리액 인출 배관(33)의 유량을 측정하고, 처리액(3)의 유속이 앞서 언급한 바람직한 범위 내로 되도록 제어하였다.
또한, 초음파 발생기(20)의 초음파 발진기는, 주파수 30kHz, 출력 600W인 것이며, 클램프형의 SUS제 초음파 진동자를, 도 20에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 배관(11)과 처리액 인출 배관(33)의 접속 부분 및 배관(11)과 처리액 토출 배관(35)의 접속 부분에, 각각 1대 설치하였다.
파인 버블의 평균 기포 직경은, 베크만·콜터제의 정밀 입도 분포 측정 장치 Multisizer4 및 Malvern제의 나노 입자 해석 장치 NanoSight LM10을 사용하여, 배수용 밸브(80)보다 채취한 용액을 측정함으로써 특정하였다. 또한, 용존 기체량의 측정은, HORIBA제의 용존 산소계 LAQUA OM-51을 사용하여, 용존 기체량에 비례하는 값으로서 용존 산소량(DO)을 1분마다 측정하여, 용존 포화량에 대한 용존 기체량(％)을 개산하였다. 보다 상세하게는, 용존 산소량 DO를 1분마다 측정하여, 전회 측정 시의 용존 산소량과의 차 ΔDO를 산출해 간다. 연속되는 3분간에 있어서, ΔDO의 값이 각각 0.1 미만으로 된 시점에, 용존 산소량이 하한에 달했다고 판단하고, 그 시점에서의 용존 기체량 및 평균 기포 직경을 비교하였다.
본 실험예에서는, 배관 내의 청정도를 측정하여, 세정 성능으로서 평가하였다. 보다 상세하게는, 세정 1분 후의 처리액 1L를 배수용 밸브(80)로부터 회수하여, 오프텍스사제의 탁도계 TC-3000에 의해 탁도를 측정하여, 처리액(3)의 청정도로 하였다. 또한, 하기의 표 4에서의 세정 성능의 평가 기준은, 이하와 같다.
청정도(탁도)
A: 3000 이하 내지 1500 이상
B: 1500 미만 내지 800 이상
C: 800 미만 내지 500 이상
D: 500 미만 내지 300 이상
E: 300 미만 내지 100 이상
F: 100 미만 내지 1 이상
즉, 평가 「A」 및 「B」는, 퇴적물을 회수할 수 있었던 것으로 탁도는 높아져, 세정 성능으로서 매우 양호했음을 의미하고, 평가 「C」는, 세정 성능이 양호했음을 의미하고, 평가 「D」는, 세정 성능에 약간 어려움이 있었음을 의미하고, 평가 「E」 및 「F」는, 세정 성능이 불량했음을 의미한다.
Figure pct00005
얻어진 결과를, 상기 표 4에 합쳐서 나타내었다.
또한, 「협애부 개구 단면적비」의 난의 표기 방법 및 「개구 단면적비」의 난의 표기 방법에 대해서는, 표 1과 마찬가지이다.
먼저, 비교예를 보면, 본 발명에 관한 감압 해방 사이클을 2개 이상 갖지 않는 비교예 1 내지 2, 협애부 간격 L/D0이 1 미만인 비교예 3 및 협애부 간격 L/D0이 5를 초과하는 비교예 4에서는, 파인 버블이 거의 발생하지 않고, 그 결과 세정 성능이 불량하였다. 개구 단면적비가 0.5보다 큰 비교예 5 및 개구 단면적비가 0.1 미만인 비교예 6에서는, 파인 버블이 거의 발생하지 않았다. 또한, 용존 기체량도 줄지 않았고, 그 결과, 세정 성능이 불량하였다.
한편, 감압 해방 사이클이 2개소 이상 설치되고, 또한 개구 단면적비가 0.5 이내인 실시예 1 내지 6은, 세정 성능이 양호하고, 특히 협애부 간격이 1.0≤L/D0≤5.0을 만족시키는 실시예 1 내지 4는, 세정 성능이 더욱 양호하였다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지는 않는다. 본 발명이 속하는 기술의 분야에서의 통상의 지식을 갖는 자라면, 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명확하며, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.
1: 초음파 처리 장치
3: 처리액
10: 처리조
20: 초음파 발생기
30: 순환 경로
31: 순환 펌프
33: 처리액 인출 배관
35: 처리액 토출 배관
40: 파인 버블 발생기
41: 협애부
43: 비협애부
45: 감압 해방 사이클
50: 곡면 부재

Claims (16)

  1. 처리액과, 피처리물을 수납할 수 있는 처리부와,
    상기 처리부에 마련되어, 상기 피처리물에 대하여 초음파를 인가하는 초음파 발생기와,
    상기 처리부 중의 상기 처리액을 순환시키기 위한 순환 경로를
    구비하고,
    상기 순환 경로는,
    상기 처리액을 순환시키는 순환 펌프와, 상기 처리부로부터 인출한 상기 처리액을 상기 순환 펌프로 접속하는 처리액 인출 배관과, 상기 순환 펌프를 거친 상기 처리액을 상기 처리부로 토출시키는 처리액 토출 배관을 갖고 있고, 또한
    상기 처리액 인출 배관에 대하여 직렬로, 인출된 상기 처리액을 탈기함과 함께, 상기 처리액 중에 파인 버블을 발생시키는 파인 버블 발생기가 마련되어 있고,
    상기 파인 버블 발생기는,
    상기 처리액의 개구 유로의 크기가 상기 처리액 인출 배관의 내경보다 좁아져 있는 협애부를 2개 이상 갖고 있고, 또한 인접하는 상기 협애부의 상기 개구 유로는, 상기 처리액이 직진하지 않도록 구성되어 있고,
    각각의 상기 협애부는, 상기 처리액 인출 배관의 내경의 개구 단면적을 A0이라 하고, 상기 처리부 측으로부터 상기 순환 펌프 측을 향하여 i(i는, 1 이상의 정수.)번째의 상기 협애부에서의 상기 처리액 인출 배관의 내경의 개구 단면적을 Ai로 표시했을 때, Ai/A0으로서 표시되는 i번째의 상기 협애부의 개구 단면적비 Ri가, 하기의 식 (1)을 만족시키고, 또한
    i번째의 상기 협애부와 i+1번째의 상기 협애부의 간격을 Li로 표시했을 때, 하기의 식 (2)를 만족시키는, 초음파 처리 장치.
    Ri=0.10 내지 0.50 … 식 (1)
    1.0≤Li/2(A0/π)0.5≤5.0 … 식 (2)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 처리액 인출 배관을 관축 방향으로 보았을 때, 인접하는 상기 협애부의 상기 개구 유로의 위치는, 서로 중복되지 않는, 초음파 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 처리부로서, 상기 처리액을 보유하는 처리조가 마련되어 있고,
    상기 초음파 발생기는, 상기 처리액을 통해, 상기 피처리물에 대하여 간접적으로 초음파를 인가하는, 초음파 처리 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 초음파 발생기는, 상기 처리부 내에 있어서 상기 처리액에 침지된 상기 피처리물에 대하여, 직접 초음파를 인가하는, 초음파 처리 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 협애부의 개수를 N이라 하고, 상기 처리부 측으로부터 상기 순환 펌프 측을 향하여 N번째의 상기 개구 면적비 RN으로 표시했을 때, 하기의 식 (3) 및 식 (4)를 만족시키는, 초음파 처리 장치.
    Ri+1≥Ri ··· … 식 (3)
    RN/R1≥1.10 … 식 (4)
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 협애부의 개수 N이, 2 내지 10인, 초음파 처리 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리액 인출 배관의 내표면으로부터 돌출되는 돌출 부재에 의해 형성된, 하나 또는 복수의 상기 협애부를 갖는, 초음파 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 협애부로서, 상기 처리액 인출 배관의 내표면으로부터 돌출되는 가동식의 돌출 부재를 갖는, 초음파 처리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 또는 복수의 관통 구멍이 마련된 개구 부재에 의해 형성된, 하나 또는 복수의 상기 협애부를 갖는, 초음파 처리 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 발생기는, 상기 초음파의 주파수를, 20kHz 내지 200kHz의 주파수 대역에서 선택할 수 있는, 초음파 처리 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 발생기는, 선택한 상기 초음파의 주파수를 중심으로 하여, ±0.1kHz 내지 ±10kHz의 범위에서 소인하면서, 상기 처리액에 대하여 초음파를 인가할 수 있는, 초음파 처리 장치.
  12. 처리액과, 피처리물을 수납할 수 있는 처리부에 대하여 초음파를 인가하면서 상기 피처리물에 대하여 소정을 실시할 때, 상기 처리부에 대하여 파인 버블을 함유하는 상기 처리액을 공급하는 파인 버블의 공급 방법이며,
    상기 처리부에 대하여, 상기 처리부에 마련되어, 상기 피처리물에 대하여 초음파를 인가하는 초음파 발생기와, 상기 처리부 중의 상기 처리액을 순환시키기 위한 순환 경로를 마련하고,
    상기 순환 경로는,
    상기 처리액을 순환시키는 순환 펌프와, 상기 처리부로부터 인출한 상기 처리액을 상기 순환 펌프로 접속하는 처리액 인출 배관과, 상기 순환 펌프를 거친 상기 처리액을 상기 처리부로 토출시키는 처리액 토출 배관을 갖고 있고, 또한
    상기 처리액 인출 배관에 대하여 직렬로, 인출된 상기 처리액을 탈기함과 함께, 상기 처리액 중에 파인 버블을 발생시키는 파인 버블 발생기가 마련되어 있고,
    상기 파인 버블 발생기는,
    상기 처리액의 개구 유로의 크기가 상기 처리액 인출 배관의 내경보다 좁아져 있는 협애부를 2개 이상 갖고 있고, 또한 인접하는 상기 협애부의 상기 개구 유로는, 상기 처리액이 직진하지 않도록 구성되어 있고,
    각각의 상기 협애부는, 상기 처리액 인출 배관의 내경의 개구 단면적을 A0이라 하고, 상기 처리부 측으로부터 상기 순환 펌프 측을 향하여 i(i는, 1 이상의 정수.)번째의 상기 협애부에서의 상기 처리액 인출 배관의 내경의 개구 단면적을 Ai로 표시했을 때, Ai/A0으로서 표시되는 i번째의 상기 협애부의 개구 단면적비 Ri가, 하기의 식 (1)을 만족시키고, 또한
    i번째의 상기 협애부와 i+1번째의 상기 협애부의 간격을 Li로 표시했을 때, 하기의 식 (2)를 만족시키는, 파인 버블의 공급 방법.
    Ri=0.10 내지 0.50 … 식 (1)
    1.0≤Li/2(A0/π)0.5≤5.0 … 식 (2)
  13. 제12항에 있어서,
    상기 파인 버블 발생기는, 상기 처리부로 토출되는 상기 처리액 중에 있어서, 용존 기체량이 포화 용존 기체량에 대하여 50％ 이하로 되도록, 상기 파인 버블을 발생시키는, 파인 버블의 공급 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 파인 버블 발생기는, 상기 처리부로 토출되는 상기 처리액 중에 있어서, 평균 기포 직경이 1㎛ 내지 100㎛인 상기 파인 버블이, 기포 밀도 1×103개/mL 내지 1×1010개/mL의 범위에서 존재하도록, 상기 파인 버블을 발생시키는, 파인 버블의 공급 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 발생기는, 상기 초음파의 주파수를, 20kHz 내지 200kHz의 주파수 대역에서 선택하는, 파인 버블의 공급 방법.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 발생기는, 선택한 상기 초음파의 주파수를 중심으로 하여, ±0.1kHz 내지 ±10kHz의 범위에서 소인하면서, 상기 처리액에 대하여 초음파를 인가하는, 파인 버블의 공급 방법.
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