WO2018225601A1

WO2018225601A1 - 洗浄液

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Publication number: WO2018225601A1
Application number: PCT/JP2018/020724
Authority: WO
Inventors: 隆井合
Original assignee: 大同メタル工業株式会社
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2018-12-13
Also published as: GB201919437D0; US20200164413A1; GB2578248A; CN110709178A; DE112018002906T5; JP2018202350A

Abstract

洗浄液は、第１温度の静的液体（１３）と、静的液体（１３）中に保持される対象物に向かって流れる動的液体（１６）と、動的液体（１６）の流れに巻き込まれて対象物に向かって流れる第１温度から相違する第２温度の気体で形成される微細気泡群（２２）とを備える。これにより、これまでに比べて飛躍的に良好な洗浄効果を発揮する洗浄液を提供することができる。

Description

洗浄液

　本発明は、液体中に微細気泡群を含有する洗浄液に関する。

　特許文献１は微細気泡発生装置を開示する。微細気泡の生成にあたって液体中に気体が吹き出される。気体は液体よりも高温に加熱される。温度差に基づき気体から液体に熱が奪われ、気泡内の温度が低下し、その結果、気泡は縮小する。

日本特開２００８－１６８２２１号公報

　微細気泡は上水の処理に用いられる。微細気泡には固形物の分離や殺菌効果が期待される。特許文献１では微細気泡群の洗浄効果は言及されていない。

　本発明は、これまでに比べて飛躍的に良好な洗浄効果を発揮する洗浄液を提供することを目的とする。

　本発明の第１側面によれば、第１温度の静的液体と、前記静的液体中に保持される対象物に向かって流れる動的液体と、前記動的液体の流れに巻き込まれて前記対象物に向かって流れる前記第１温度から相違する第２温度の気体で形成される微細気泡群とを備える洗浄液は提供される。

　本発明の第２側面によれば、第１温度の静的液体と、前記第１温度から相違する第２温度を有し、前記静的液体中に保持される対象物に向かって流れる動的液体と、前記動的液体の流れに巻き込まれて前記対象物に向かって流れる微細気泡群とを備える洗浄液は提供される。

　第１側面によれば、対象物の表面は静的液体に接触することから、第１温度に近づく。微細気泡が対象物の表面に接触すると、第１温度および第２温度の相違から微細気泡内で局所的に温度が変化する。局所的な温度変化は微細気泡内で局所的な体積変動を引き起こし、その結果、通常に比べて微細気泡にゆがみが発生し、微細気泡は非球形に大きく変化する。非球形の微細気泡は、球形の微細気泡に比べて、物体の表面に固着する物質（例えば汚染体）と物体の表面との境界（界面の輪郭）に進入しやすい。こうして界面で剥離が促進される。剥離の進行に伴って輪郭から内側に気体は進入していく。物質は物体の表面から剥離する。物質は物体から分離される。また、非球形の微細気泡は、球形の微細気泡に比べて、非球形ゆえの局所的な表面エネルギーの偏在により、物体の表面に固着する物質（例えば汚染体）との化学的な結合力が大きいとも考えられる。その結果、微細気泡は固着する物質との間で吸着体を形成し、物体の表面から剥離を促進する。こうして物質は物体の表面から剥離する。物質は物体から分離される。

　第２側面によれば、対象物の表面近傍では第１温度の静的液体と第２温度の動的液体とが混ざり合い、温度分布が生じる。微細気泡群は温度分布に曝される。その結果、微細気泡内で局所的に温度が変化する。局所的な温度変化は微細気泡内で局所的な体積変動を引き起こし、その結果、通常に比べて微細気泡にゆがみが発生し、微細気泡は非球形に大きく変化する。非球形の微細気泡は、球形の微細気泡に比べて、物体の表面に固着する物質（例えば汚染体）と物体の表面との境界（界面の輪郭）に進入しやすい。こうして界面で剥離が促進される。剥離の進行に伴って輪郭から内側に気体は進入していく。物質は物体の表面から剥離する。物質は物体から分離される。また、非球形の微細気泡は、球形の微細気泡に比べて、非球形ゆえの局所的な表面エネルギーの偏在により、物体の表面に固着する物質（例えば汚染体）との化学的な結合力が大きいとも考えられる。その結果、微細気泡は固着する物質との間で吸着体を形成し、物体の表面から剥離を促進する。こうして物質は物体の表面から剥離する。物質は物体から分離される。

図１は本発明の一実施形態に係る洗浄装置の全体像を示す概念図である。図２は温度条件と、残留する切粉の重量との関係を示すグラフである。図３は温度条件と、溶剤中に回収された油の濃度との関係を示すグラフである。

１１…洗浄装置
１３…静的液体
１６…動的液体
２２…微細気泡群

　以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
（１）第１実施形態に係る洗浄装置

　図１は本発明の第１実施形態に係る洗浄装置の全体像を示す。洗浄装置１１は液槽１２を備える。液槽１２には液体（以下「静的液体」という）１３が湛えられる。静的液体１３には、純水のほか、水や有機溶剤を溶媒として電解質、界面活性剤、気体などが溶解している液体が用いられることができる。静的液体１３では、温度分布に基づく自然な対流は許容されるものの、動力による強制的な液体の動きは排除されることが望まれる。

　液槽１２には第１温度調整装置１４が接続される。第１温度調整装置１４は例えば静的液体１３中に浸される熱交換器を含む。第１温度調整装置１４は液槽１２内の静的液体１３の温度を調整する。温度の調整にあたって静的液体１３には第１温度調整装置１４から熱エネルギーが加えられる（あるいは奪われる）。熱エネルギー（プラスであってもマイナスであっても）はいかなる方法で静的液体１３に伝達されてもよい。ここでは、第１温度調整装置１４の働きで静的液体１３の温度は第１温度に維持される。第１温度は摂氏８０度以下に設定されることが望まれる。静的液体１３が例えば純水または水溶液の場合には、純水または水溶液の温度が摂氏８０度を超えると、気泡は安定的に高い個数密度を維持できない。ここでは、第１温度は摂氏２５度に設定される。第１温度が室温に近く設定されれば、第１温度の維持にあたって費やされるエネルギーは最小化されることができる。

　液槽１２には液流発生装置１５が接続される。液流発生装置１５は静的液体１３中に開口する供給口１５ａを有する。液流発生装置１５は供給口１５ａから静的液体１３中に液体を流し込む。流速（流量）は３．０～３０．０［Ｌ／ｍｉｎ］に設定される。こうして静的液体１３中に液流（以下「動的液体」という）１６は生成される。動的液体１６は強制的に静的液体１３との間に相対移動を生み出す液体を含む。そういった強制的な相対移動はインペラーによる噴流といった形で達成されればよい。

　液流発生装置１５には液体源１７が接続される。液体源１７は液流発生装置１５に液体を供給する。液体は静的液体１３と同じ液体であればよい。液体源１７には第２温度調整装置１８が接続される。第２温度調整装置１８は液体源１７の液体の温度を調整する。こうした温度の調整にあたって液体には第２温度調整装置１８から熱エネルギーが加えられる（あるいは奪われる）。熱エネルギー（プラスであってもマイナスであっても）はいかなる方法で液体に伝達されてもよい。ここでは、第２温度調整装置１８の働きで動的液体１６の温度は静的液体１３の温度に等しく第１温度に設定される。

　液槽１２には気泡発生装置２１が接続される。気泡発生装置２１は静的液体１３中に開口する供給口２１ａを有する。気泡発生装置２１は供給口２１ａから静的液体１３中に微細気泡を吹き込む。静的液体１３中には微細気泡群２２の流れが形成される。微細気泡はマイクロバブルおよびナノバブルを含む。微細気泡群２２は規定値以下の平均径の気泡の集合体であればよい。気泡の径は供給口２１ａに設置される微細孔の直径に基づき設定されることができる。微細孔の直径は５０μｍ以下に設定される。好ましくは、気泡の径は１μｍ以下であるとよい。直径１μｍ以下の気泡濃度は１ミリリットル当たり１ｘ１０^６個以上であることが望まれる。

　気泡発生装置２１には気体源２３が接続される。気体源２３は気泡発生装置２１に気体を供給する。気体は空気や窒素、水素などに限られずいかなる種類の気体であってもよい。気体源２３には第３温度調整装置２４が接続される。第３温度調整装置２４は気体源２３の気体の温度を調整する。こうした温度の調整にあたって気体には第３温度調整装置２４から熱エネルギーが加えられる（あるいは奪われる）。熱エネルギー（プラスであってもマイナスであっても）はいかなる方法で気体に伝達されてもよい。ここでは、第３温度調整装置２４の働きで気体の温度は第１温度よりも高い第２温度に設定される。第２温度は例えば摂氏６０度に設定される。

　洗浄装置１１は、被洗浄物Ｗを保持する保持具２５を有する。保持具２５は静的液体１３中に浸される。保持具２５の先端に被洗浄物Ｗは固定される。被洗浄物Ｗは静的液体１３中で保持される。液流発生装置１５の供給口１５ａは保持具２５上の被洗浄物Ｗに向けられる。こうして被洗浄物Ｗに向かって液流は生成される。気泡発生装置２１の供給口２１ａは同様に保持具２５上の被洗浄物Ｗに向けられる。こうして被洗浄物Ｗに向かって微細気泡群２２の流れは生成される。ここでは、液流の方向を示すベクトルと、微細気泡群２２の流れの方向を示すベクトルとは鋭角で被洗浄物Ｗ上で交差することが望まれる。さらに好ましくは、両ベクトルの角度αは９０°未満であることが望まれる。こうした角度αによれば、微細気泡群２２は容易に液流に巻き込まれて被洗浄物Ｗに到達することができる。その他、液流の流速および微細気泡群２２の流速に応じて角度αは液流に対する微細気泡群２２の巻き込みを実現する数値に設定されればよい。微細気泡群２２の流れは鉛直方向に上向き（重力方向の反対向き）に設定されるとよい。

　保持具２５には位置決め機構２６が接続されてもよい。位置決め機構２６は例えば水平面に沿って保持具２５の移動を生み出す駆動力を発揮する。こうした保持具２５の移動に応じて、被洗浄物Ｗ上の目標位置に動的液体１６および微細気泡群２２は向けられることができる。広い範囲で洗浄面の洗浄は実現されることができる。その他、保持具２５の駆動に代えて、固定される保持具２５に対して相対的に液槽１２が移動してもよい。あるいは、固定される保持具２５および液槽１２に対して供給口１５ａ、２１ａの向きが変更されてもよい。

　洗浄装置１１が作動すると、液流発生装置１５は被洗浄物Ｗに向かって第１温度の液流を生成する。静的液体１３中で動的液体１６が生成される。気泡発生装置２１は被洗浄物Ｗに向かって第１温度よりも高い第２温度の微細気泡群２２を吹き込む。吹き込まれた微細気泡群２２は動的液体１６の流れに巻き込まれる。こうして静的液体１３、動的液体１６および微細気泡群２２の組み合わせに応じて本実施形態に係る洗浄液は生成される。ここでは、例えば第１温度は摂氏２５度に設定され、第２温度は摂氏６０度に設定される。

　被洗浄物Ｗの表面（洗浄面）は静的液体１３に接触することから、第１温度に近づく。第１温度および第２温度の相違から微細気泡内で局所的に温度が変化し、微細気泡群２２の微細気泡が被洗浄物Ｗの表面に接触する。局所的な温度変化は微細気泡内で局所的な体積変動を引き起こし、その結果、通常に比べて微細気泡にゆがみが発生し、微細気泡は非球形に大きく変化する。非球形の微細気泡は、球形の微細気泡に比べて、被洗浄物Ｗの表面に固着する物質（例えば汚染体）と被洗浄物Ｗの表面との境界（界面の輪郭）に進入しやすい。こうして界面で剥離が促進される。剥離の進行に伴って輪郭から内側に気体は進入していく。物質は物体の表面から剥離する。物質は被洗浄物Ｗから分離される。また、非球形の微細気泡は、球形の微細気泡に比べて、非球形ゆえの局所的な表面エネルギーの偏在により、被洗浄物Ｗの表面に固着する物質（例えば汚染体）との化学的な結合力が大きいとも考えられる。その結果、微細気泡は固着する物質との間で吸着体を形成し、被洗浄物Ｗの表面から剥離を促進する。こうして物質は被洗浄物Ｗの表面から剥離する。物質は被洗浄物Ｗから分離される。
（２）第２実施形態に係る洗浄装置

　第２実施形態に係る洗浄装置は第１実施形態に係る洗浄装置１１と同じ装置構成を有する。ただし、動的液体１６は静的液体１３の第１温度から相違する第２温度に設定され、微細気泡群２２の気体は静的液体１３に等しく第１温度に設定される。ここでは、第２温度は第１温度よりも高い温度に設定される。第１温度は前述と同様に摂氏２５度に設定されればよく、第２温度は同様に摂氏６０度に設定されればよい。

　この場合には、被洗浄物Ｗの表面近傍では第１温度の静的液体１３と第２温度の動的液体１６とが混ざり合い、温度分布が生じる。微細気泡群２２は温度分布に曝される。その結果、微細気泡内で局所的に温度が変化する。局所的な温度変化は微細気泡内で局所的な体積変動を引き起こし、その結果、通常に比べて微細気泡にゆがみが発生し、微細気泡は非球形に大きく変化する。非球形の微細気泡は、球形の微細気泡に比べて、被洗浄物Ｗの表面に固着する物質（例えば汚染体）と被洗浄物Ｗの表面との境界（界面の輪郭）に進入しやすい。こうして界面で剥離が促進される。剥離の進行に伴って輪郭から内側に気体は進入していく。物質は被洗浄物Ｗの表面から剥離する。物質は被洗浄物Ｗから分離される。また、非球形の微細気泡は、球形の微細気泡に比べて、非球形ゆえの局所的な表面エネルギーの偏在により、被洗浄物Ｗの表面に固着する物質（例えば汚染体）との化学的な結合力が大きいとも考えられる。その結果、微細気泡は固着する物質との間で吸着体を形成し、被洗浄物Ｗの表面から剥離を促進する。こうして物質は被洗浄物Ｗの表面から剥離する。物質は被洗浄物Ｗから分離される。
（３）検証

　本発明者は前述の第１実施形態および第２実施形態に係る洗浄装置１１に倣って検証を実施した。検証では静的液体１３、動的液体１６および微細気泡群２２の温度条件が観察された。静的液体１３には純水が用いられた。観察にあたって液槽１２には５０リットルの純水が溜められた。純水の温度（＝ＴＬ）は摂氏２５度に設定された。液流発生装置１５には液体源１７から純水が供給された。純水の温度（第１温度ＴＤ）は調整された。動的液体１６の流量は２０．０［Ｌ／ｍｉｎ］に設定された。

　気泡発生装置２１には気体源２３から大気（空気）が供給された。空気の温度（第２温度ＴＢ）は調整された。微細気泡の量は１ミリリットル当たり１ｘ１０^６個程度に設定された。微細気泡の径は５００ｎｍ以下に設定され、平均径は概ね２００ｎｍであった。微細気泡の形成にあたって直径５００ｎｍ以下の貫通孔を有するフィルムが用いられた。１０分間にわたって継続的に微細気泡群２２は静的液体１３中に吹き込まれた。

　保持具２５にはカゴが用いられた。カゴ上に機械部品が洗浄対象物Ｗとして搭載された。機械部品は１辺５０［ｍｍ］の立方体の金属体１０個で構成された。機械部品の表面には切削加工時の切粉が油とともに付着していた。１０分間の洗浄後、機械部品の表面に残留した切粉の量および油の量を測定した。切粉の量の測定にあたって洗浄後の機械部品には高圧洗浄が施された。そうして洗い流された切粉を濾紙で採取した。電子天秤を用いて、採取した切粉の重量［ミリグラム］を測定した。一方で、油の量の測定にあたって洗浄後の機械部品は溶剤中に浸漬された。溶剤中に溶解した油の濃度［ｐｐｍ］が測定された。

　温度条件の観察にあたって、以下の通り、６通りの条件が設定された。

いずれの条件でも静的液体１３の温度ＴＬは摂氏２５度（＝第１温度）に設定された。

　条件１および条件２では動的液体１６の温度ＴＤに比べて気泡の温度ＴＢは高く設定された。このとき、動的液体１６の温度ＴＤは第１温度に設定された。気泡の温度ＴＢは２通りの第２温度に設定された。条件１では動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢの間に摂氏１５度の温度差が設定された。条件２では動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢの間に摂氏３５度の温度差が設定された。

　条件３および条件４では動的液体１６の温度ＴＤに比べて気泡の温度ＴＢは低く設定された。このとき、気泡の温度ＴＢは第１温度に設定された。条件３では動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢの間に摂氏１５度の温度差が設定された。条件４では動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢの間に摂氏３５度の温度差が設定された。

　条件５および条件６では静的液体１３の温度ＴＬ、動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢはそれぞれ相違する温度に設定された。動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢの間に摂氏２０度の温度差が設定された。条件５では気泡の温度ＴＢに比べて動的液体１６の温度ＴＤは高く設定された。条件６では動的液体１６の温度ＴＤに比べて気泡の温度ＴＢは高く設定された。

　温度条件の観察にあたって本発明者は２通りの比較条件を設定した。比較条件ではいずれの場合にも静的液体１３の温度ＴＬ、動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢは等しく設定された。比較条件１ではいずれの温度ＴＬ、ＴＤ、ＴＢも摂氏２５度で等しく設定され、比較条件２ではいずれの温度ＴＬ、ＴＤ、ＴＢも摂氏５０度で等しく設定された。

　観察の結果、図２に示されるように、動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢのいずれかが静的液体１３の温度ＴＬから相違する温度条件１～４では比較条件１および２に比べて切粉の除去は大幅に促進されることが確認された。特に、条件１および２の比較、並びに、条件３および４の比較から明らかなように、動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢの間で温度差が増大すると、切粉の洗浄効果は高まることが確認された。しかも、条件５から見受けられるように、条件４に比べて静的液体１３の温度ＴＬから気泡の温度ＴＢが上昇方向に乖離し、静的液体１３の温度ＴＬ、動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢがいずれも相違すると、さらに切粉の除去は促進されることが確認された。同様に、条件６から見受けられるように、条件２に比べて静的液体１３の温度ＴＬから動的液体１６の温度ＴＤが上昇方向に乖離し、静的液体１３の温度ＴＬ、動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢがいずれも相違すると、さらに切粉の除去は促進されることが確認された。

　図３に示されるように、動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢのいずれかが静的液体１３の温度ＴＬから相違する条件１～４では比較条件１および２に比べて油の除去は大幅に促進されることが確認された。特に、条件１および２の比較、並びに、条件３および４の比較から明らかなように、動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢの間で温度差が増大すると、油の洗浄効果は高まることが確認された。しかも、条件５から見受けられるように、条件４に比べて静的液体１３の温度ＴＬから気泡の温度ＴＢが上昇方向に乖離し、静的液体１３の温度ＴＬ、動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢがいずれも相違すると、さらに油の除去は促進されることが確認された。同様に、条件６から見受けられるように、条件２に比べて静的液体１３の温度ＴＬから動的液体１６の温度ＴＤが上昇方向に乖離し、静的液体１３の温度ＴＬ、動的液体１６の温度ＴＤおよび気泡の温度ＴＢがいずれも相違すると、さらに油の除去は促進されることが確認された。

Claims

　第１温度の静的液体と、
　前記静的液体中に保持される対象物に向かって流れる動的液体と、
　前記動的液体の流れに巻き込まれて前記対象物に向かって流れる前記第１温度から相違する第２温度の気体で形成される微細気泡群と
を備えることを特徴とする洗浄液。
　第１温度の静的液体と、
　前記第１温度から相違する第２温度を有し、前記静的液体中に保持される対象物に向かって流れる動的液体と、
　前記動的液体の流れに巻き込まれて前記対象物に向かって流れる微細気泡群と
を備えることを特徴とする洗浄液。