(57)【要約】【課題】超音波の伝搬に適した溶存気体量を実現でき、かつ、超音波を用いた処理により適合したファインバブルを簡便かつ安定して発生させること。【解決手段】本発明の超音波処理装置は、被処理物に対して所定の処理を施す処理液を保持しており、被処理物が処理液で満たされる処理部と、処理部に設けられ、被処理物に対して超音波を印加する超音波印加機構と、処理液を循環させる循環ポンプ、処理部から引き抜いた処理液を循環ポンプへと接続する処理液引抜配管、及び、循環ポンプを経た処理液を処理部へと吐出させる処理液吐出配管を少なくとも有する循環経路と、処理液吐出配管に対して設けられており、処理液を脱気するとともに、処理液中にファインバブルを発生させるファインバブル発生機構と、を備える。かかるファインバブル発生機構は、処理液吐出配管に対して特定の条件を満足するように設けられた、蒸気供給管及び気体供給管と、を有している。【選択図】図２Ａ
2020015941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物に対して所定の処理を施す処理液を保持しており、前記被処理物が前記処理液で満たされる処理部と、
前記処理部に設けられ、前記被処理物に対して超音波を印加する超音波印加機構と、
前記処理液を循環させる循環ポンプ、前記処理部から引き抜いた前記処理液を前記循環ポンプへと接続する処理液引抜配管、及び、前記循環ポンプを経た前記処理液を前記処理部へと吐出させる処理液吐出配管を少なくとも有しており、前記処理部に保持された前記処理液を循環させる循環経路と、
前記処理液吐出配管に対して設けられており、前記処理液を脱気するとともに、前記処理液中にファインバブルを発生させるファインバブル発生機構と、
を備え、
前記ファインバブル発生機構は、
前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して蒸気を供給する蒸気供給管と、
前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して気体を供給する気体供給管と、
を有しており、
前記蒸気供給管は、
前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出し、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、
前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面において、前記蒸気供給管の接続位置は、前記中心軸から前記処理液吐出配管の端部方向に向かって前記蒸気供給管の口径の１／２に該当する長さ以上離隔した位置となっており、
前記気体供給管は、
前記蒸気供給管よりも下流側に対し、前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出しており、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、
少なくとも前記先端部が前記蒸気供給管と接触しており、
前記気体供給管の前記先端部は、前記蒸気供給管の前記先端部の位置よりも突出していない、超音波処理装置。
【請求項２】
前記蒸気供給管の前記先端部より噴出する前記蒸気の流速ＶＳと、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液の流速ＶＬとの比（ＶＳ／ＶＬ）は、２≦ＶＳ／ＶＬ≦１００の関係を満足する、請求項１に記載の超音波処理装置。
【請求項３】
前記蒸気供給管の管軸方向の中心軸と、前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸とのなす角θ［°］は、６０≦θ＜９０の関係を満足する、請求項１又は２に記載の超音波処理装置。
【請求項４】
前記蒸気供給管の口径ＤＳと、前記気体供給管の口径ＤＧとの比（ＤＳ／ＤＧ）は、１．２≦ＤＳ／ＤＧ≦３．０の関係を満足する、請求項１〜３の何れか１項に記載の超音波処理装置。
【請求項５】
前記蒸気供給管の前記処理液吐出配管の内部への突出部分について、前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面への前記突出部分の投影面積をＡＳとし、前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面積をＡＣとしたときに、０．０５≦ＡＳ／ＡＣ≦０．４０の関係を満足する、請求項１〜４の何れか１項に記載の超音波処理装置。
【請求項６】
前記蒸気供給管と前記気体供給管とが接触している位置において、前記気体供給管との接触面積を増やすように前記蒸気供給管の外形が加工されている、請求項１〜５の何れか１項に記載の超音波処理装置。
【請求項７】
前記気体供給管には、供給される前記気体を加熱するための加熱機構が設けられている、請求項１〜６の何れか１項に記載の超音波処理装置。
【請求項８】
前記蒸気供給管の先端部の開閉度合いと、前記気体供給管の先端部の開閉度合いと、を連動させる連動機構を備える、請求項１〜７の何れか１項に記載の超音波処理装置。
【請求項９】
前記気体供給管から供給される気体の温度ＴＧ［℃］と、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液の温度ＴＬ［℃］と、の差分ΔＴ＝ＴＧ−ＴＬは、５≦ΔＴ≦９０の関係を満足する、請求項１〜８の何れか１項に記載の超音波処理装置。
【請求項１０】
前記ファインバブル発生機構は、前記処理部へと吐出される前記処理液中において、溶存気体量が飽和溶存気体量に対して５０％以下となるように、前記ファインバブルを発生させる、請求項１〜９の何れか１項に記載の超音波処理装置。
【請求項１１】
前記ファインバブル発生機構は、前記処理部へと吐出される前記処理液中において、平均気泡径が０．０１μｍ〜１００μｍである前記ファインバブルが、気泡総量１０３個／ｍＬ〜１０１０個／ｍＬの範囲で存在するように、前記ファインバブルを発生させる、請求項１〜１０の何れか１つに記載の超音波処理装置。
【請求項１２】
前記超音波印加機構は、前記超音波の周波数を、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの周波数帯域から選択する、請求項１〜１１の何れか１項に記載の超音波処理装置。
【請求項１３】
前記超音波印加機構は、選択した前記超音波の周波数を中心として、±０．１ｋＨｚ〜±１０ｋＨｚの範囲で掃引しつつ、前記処理液に対して超音波を印加する、請求項１〜１２の何れか１項に記載の超音波処理装置。
【請求項１４】
被処理物が、当該被処理物に対して所定の処理を施す処理液で満たされた状態にある処理部を設け、前記被処理物に対して超音波を印加しながら前記被処理物に対して所定を施す際に、前記処理部に対してファインバブルを含有する前記処理液を供給するファインバブルの供給方法であって、
前記処理部に対して、前記処理液を循環させる循環ポンプ、前記処理部から引き抜いた前記処理液を前記循環ポンプへと接続する処理液引抜配管、及び、前記循環ポンプを経た前記処理液を前記処理部へと吐出させる処理液吐出配管を少なくとも有しており、前記処理部に前記処理液を循環させる循環経路が設けられており、
前記処理液吐出配管に対して、前記処理液を脱気するとともに前記処理液中にファインバブルを発生させる機構であり、かつ、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して蒸気を供給する蒸気供給管と、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して気体を供給する気体供給管と、を有するファインバブル発生機構が設けられており、
前記蒸気供給管は、
前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出し、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、
前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面において、前記蒸気供給管の接続位置は、前記中心軸から前記処理液吐出配管の端部方向に向かって前記蒸気供給管の口径の１／２に該当する長さ以上離隔した位置となっており、
前記気体供給管は、
前記蒸気供給管よりも下流側に対し、前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出しており、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、
少なくとも前記先端部が前記蒸気供給管と接触しており、
前記気体供給管の前記先端部は、前記蒸気供給管の前記先端部の位置よりも突出しておらず、
前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して、前記蒸気供給管から蒸気を供給するとともに、前記気体供給管から気体を供給する、ファインバブルの供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波処理装置及びファインバブルの供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鋼板や鋼管といった各種の金属体の製造工程において、金属体の表面に存在する汚れやスケール等を除去するために、薬液やリンス等が保持された洗浄槽に対して金属体を浸漬することで洗浄を行う洗浄処理方法が、広く採用されている。このような洗浄処理方法を実施する洗浄処理装置としては、例えば、高圧気流噴射ノズルを利用した処理装置や、超音波を利用した超音波処理装置がある。
【０００３】
このような超音波を利用した超音波処理装置において、超音波洗浄におけるキャビテーション作用を強化するために、超音波伝播性の向上のために脱気を行ったり、キャビテーションの核となる微細気泡を導入したりする等といった工夫がなされてきた。例えば、脱気を行う方法として、真空ポンプを用いた脱気方法、中空糸膜を用いた脱気方法、絞りを用いた脱気方法等が提案されている。また、例えば微細気泡を導入する方法としては、高速旋回による気泡微細化方法や、気体を高圧過飽和溶解させて解放時に微細気泡を発生させる方法等が提案されている。しかしながら、上記のような脱気方法及び微細気泡発生方法は、それぞれ専用のユニットが必要であり、これらの方法を組み合わせた装置は大型化し、非常に高価なものであった。
【０００４】
そこで、近年、安定した微細気泡の発生と、溶存気体量の調整（すなわち、脱気）と、を簡便に実施可能な装置について、検討が行われるようになってきている。
【０００５】
例えば、非特許文献１には、送液ポンプを必要としない直接接触凝縮を利用したマイクロバブルの発生方法が開示されている。具体的には、非特許文献１では、凝縮成分として水を用い、非凝縮成分として窒素ガスを用いた混合蒸気泡を冷却水に対して強制的に供給することで、マイクロバブルを発生させている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】寺坂宏一、斎藤淳平、戸田佑、小林大祐、「混合蒸気の直接接触凝縮を用いたマイクロバブル生成」、混相流研究の進展、日本混相流学会、４巻（２００９）、ｐ．８７−９３。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１で開示されている技術により発生したマイクロバブルは、発生直後にミリバブルとして塊で存在するようになるため、超音波を利用する環境では、存在するミリバブルが超音波の伝搬を阻害してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、超音波の伝搬に適した溶存気体量を実現でき、かつ、超音波を用いた処理により適合したファインバブルを簡便かつ安定して発生させることが可能な、超音波処理装置及びファインバブルの供給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、処理液の循環経路内に特定の条件で配置した蒸気供給管から蒸気を処理液に対して供給して、処理液の脱気と微細気泡（ファインバブル）の供給とを両立するとともに、蒸気と接触した空気をあわせて供給することに想到した。これにより、発生した微細気泡の更なる微細化を助長するとともに、蒸気と微細気泡との旋回流によって、攪拌効率（脱気効率ともいえる。）の向上、及び、微細気泡の安定化を図ることが可能となるとの知見を得ることができた。
本発明は、かかる知見に基づき完成されたものであり、その要旨は以下の通りである。
【００１０】
［１］被処理物に対して所定の処理を施す処理液を保持しており、前記被処理物が前記処理液で満たされる処理部と、前記処理部に設けられ、前記被処理物に対して超音波を印加する超音波印加機構と、前記処理液を循環させる循環ポンプ、前記処理部から引き抜いた前記処理液を前記循環ポンプへと接続する処理液引抜配管、及び、前記循環ポンプを経た前記処理液を前記処理部へと吐出させる処理液吐出配管を少なくとも有しており、前記処理部に保持された前記処理液を循環させる循環経路と、前記処理液吐出配管に対して設けられており、前記処理液を脱気するとともに、前記処理液中にファインバブルを発生させるファインバブル発生機構と、を備え、前記ファインバブル発生機構は、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して蒸気を供給する蒸気供給管と、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して気体を供給する気体供給管と、を有しており、前記蒸気供給管は、前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出し、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面において、前記蒸気供給管の接続位置は、前記中心軸から前記処理液吐出配管の端部方向に向かって前記蒸気供給管の口径の１／２に該当する長さ以上離隔した位置となっており、前記気体供給管は、前記蒸気供給管よりも下流側に対し、前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出しており、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、少なくとも前記先端部が前記蒸気供給管と接触しており、前記気体供給管の前記先端部は、前記蒸気供給管の前記先端部の位置よりも突出していない、超音波処理装置。
［２］前記蒸気供給管の前記先端部より噴出する前記蒸気の流速ＶＳと、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液の流速ＶＬとの比（ＶＳ／ＶＬ）は、２≦ＶＳ／ＶＬ≦１００の関係を満足する、［１］に記載の超音波処理装置。
［３］前記蒸気供給管の管軸方向の中心軸と、前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸とのなす角θ［°］は、６０≦θ＜９０の関係を満足する、［１］又は［２］に記載の超音波処理装置。
［４］前記蒸気供給管の口径ＤＳと、前記気体供給管の口径ＤＧとの比（ＤＳ／ＤＧ）は、１．２≦ＤＳ／ＤＧ≦３．０の関係を満足する、［１］〜［３］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［５］前記蒸気供給管の前記処理液吐出配管の内部への突出部分について、前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面への前記突出部分の投影面積をＡＳとし、前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面積をＡＣとしたときに、０．０５≦ＡＳ／ＡＣ≦０．４０の関係を満足する、［１］〜［４］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［６］前記蒸気供給管と前記気体供給管とが接触している位置において、前記気体供給管との接触面積を増やすように前記蒸気供給管の外形が加工されている、［１］〜［５］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［７］前記気体供給管には、供給される前記気体を加熱するための加熱機構が設けられている、［１］〜［６］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［８］前記蒸気供給管の先端部の開閉度合いと、前記気体供給管の先端部の開閉度合いと、を連動させる連動機構を備える、［１］〜［７］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［９］前記気体供給管から供給される気体の温度ＴＧ［℃］と、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液の温度ＴＬ［℃］と、の差分ΔＴ＝ＴＧ−ＴＬは、５≦ΔＴ≦９０の関係を満足する、［１］〜［８］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［１０］前記ファインバブル発生機構は、前記処理部へと吐出される前記処理液中において、溶存気体量が飽和溶存気体量に対して５０％以下となるように、前記ファインバブルを発生させる、［１］〜［９］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［１１］前記ファインバブル発生機構は、前記処理部へと吐出される前記処理液中において、平均気泡径が０．０１μｍ〜１００μｍである前記ファインバブルが、気泡総量１０３個／ｍＬ〜１０１０個／ｍＬの範囲で存在するように、前記ファインバブルを発生させる、［１］〜［１０］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［１２］前記超音波印加機構は、前記超音波の周波数を、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの周波数帯域から選択する、［１］〜［１１］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［１３］前記超音波印加機構は、選択した前記超音波の周波数を中心として、±０．１ｋＨｚ〜±１０ｋＨｚの範囲で掃引しつつ、前記処理液に対して超音波を印加する、［１］〜［１２］の何れか１つに記載の超音波処理装置。
［１４］被処理物が、当該被処理物に対して所定の処理を施す処理液で満たされた状態にある処理部を設け、前記被処理物に対して超音波を印加しながら前記被処理物に対して所定を施す際に、前記処理部に対してファインバブルを含有する前記処理液を供給するファインバブルの供給方法であって、前記処理部に対して、前記処理液を循環させる循環ポンプ、前記処理部から引き抜いた前記処理液を前記循環ポンプへと接続する処理液引抜配管、及び、前記循環ポンプを経た前記処理液を前記処理部へと吐出させる処理液吐出配管を少なくとも有しており、前記処理部に前記処理液を循環させる循環経路が設けられており、前記処理液吐出配管に対して、前記処理液を脱気するとともに前記処理液中にファインバブルを発生させる機構であり、かつ、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して蒸気を供給する蒸気供給管と、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して気体を供給する気体供給管と、を有するファインバブル発生機構が設けられており、前記蒸気供給管は、前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出し、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、前記処理液吐出配管を前記中心軸に対して直交するように切断した際の断面において、前記蒸気供給管の接続位置は、前記中心軸から前記処理液吐出配管の端部方向に向かって前記蒸気供給管の口径の１／２に該当する長さ以上離隔した位置となっており、前記気体供給管は、前記蒸気供給管よりも下流側に対し、前記処理液吐出配管の側面から前記処理液吐出配管の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出しており、かつ、当該先端部が前記処理液の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されており、少なくとも前記先端部が前記蒸気供給管と接触しており、前記気体供給管の前記先端部は、前記蒸気供給管の前記先端部の位置よりも突出しておらず、前記処理液吐出配管中を流れる前記処理液に対して、前記蒸気供給管から蒸気を供給するとともに、前記気体供給管から気体を供給する、ファインバブルの供給方法。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように本発明によれば、超音波の伝搬に適した溶存気体量を実現でき、かつ、超音波を用いた処理により適合したファインバブルを簡便かつ安定して発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本発明の実施形態に係る超音波処理装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。
【図１Ｂ】同実施形態に係る超音波処理装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。
【図２Ａ】同実施形態に係るファインバブル発生機構について説明するための説明図である。
【図２Ｂ】同実施形態に係るファインバブル発生機構について説明するための説明図である。
【図３Ａ】同実施形態に係るファインバブル発生機構について説明するための説明図である。
【図３Ｂ】同実施形態に係るファインバブル発生機構について説明するための説明図である。
【図４】実験例１で使用した超音波処理装置の構成を模式的に示した説明図である。
【図５Ａ】実験例２で使用した超音波処理装置の構成を模式的に示した説明図である。
【図５Ｂ】実験例２で使用した超音波処理装置の構成を模式的に示した説明図である。
【図６】実験例２で使用した治具４５における蒸気供給管及び気体供給管の状態を模式的に示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１４】
（超音波処理装置の全体構成）
まず、図１Ａ及び図１Ｂを参照しながら、本発明の実施形態に係る超音波処理装置の全体的な構成について、簡単に説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、本実施形態に係る超音波処理装置の全体的な構成の一例を模式的に示した説明図である。
【００１５】
本実施形態に係る超音波処理装置１は、被処理物に対して所定の処理を施す処理液に加えて超音波を併用し、被処理物の表面（処理液に接している部位）に対して所定の処理を施す装置である。かかる超音波処理装置１は、鋼材等に代表される各種の金属体や、プラスチック樹脂製部材等に代表される各種の非金属体等に対して、例えば洗浄等の各種の処理を施す際に利用することができる。例えば、鋼板、鋼管、鋼線材等といった各種の金属体を被処理物とし、本実施形態に係る超音波処理装置１を用いることで、これらの金属体に対して、酸洗処理や脱脂処理、更には洗浄処理を行うことができる。
【００１６】
ここで、酸洗処理とは、金属体の表面に形成された酸化物スケールを除去する処理であり、脱脂処理とは、加工処理等に用いる潤滑剤や加工油等の油分を除去する処理である。これらの酸洗処理や脱脂処理は、表面仕上げ処理（金属被覆処理、化成処理、塗装処理等）を金属体に対して施すに先だって実施される前処理である。かかる酸洗処理によって、地の金属の一部を溶解させることもある。また、表面仕上げ品質を向上させるためのエッチングによる金属体の溶解にも、かかる酸洗処理は用いられている。また、酸洗処理の前段に脱脂処理が設けられている場合もあり、脱脂処理における脱脂性能が、その後の酸洗処理のスケールの除去に影響を及ぼすこともある。更には、脱脂処理は、最終製品の仕上げ品質としての油分管理指標である濡れ性の改善にも、使用される。
【００１７】
更に、以下で詳述する本実施形態に係る超音波処理装置１は、上記のような製造ラインにおける洗浄工程以外にも、使用済み配管や定期的もしくは不定期に汚れ除去を必要とするタンク、装置の洗浄等に対しても用いることが可能である。
【００１８】
以下では、処理部の一例として、処理液の保持されている処理槽が存在し、かかる処理槽の内部に、被処理物が処理液で満たされるように設けられる場合を例に挙げて、詳細に説明を行うものとする。
【００１９】
本実施形態に係る超音波処理装置１は、図１Ａに例示したように、処理槽１０と、超音波印加機構２０と、処理液の循環経路３０と、を有している。また、処理液の循環経路３０は、図１Ａに示したように、循環ポンプ３１と、処理液引抜配管３３と、処理液吐出配管３５と、を有しており、処理液吐出配管３５に対して、ファインバブル発生機構４０が設けられている。ファインバブル発生機構４０によって、循環経路３０を流れる処理液３中にファインバブルが発生し、発生したファインバブルが、処理液３とともに処理槽１０内に供給される。また、本実施形態に係る超音波処理装置１は、上記の構成に加えて、更に、曲面部材５０を有していることが好ましい。
【００２０】
ここで、ファインバブルとは、気泡径が１００μｍ以下である微細気泡である。かかるファインバブルのうち、気泡径がμｍサイズのファインバブルを、マイクロバブルと称することがあり、気泡径がｎｍサイズのファインバブルを、ナノバブルやウルトラファインバブルと称することがある。ファインバブルは、被処理物に対する超音波の伝播効率を向上させ、超音波キャビテーションの核として処理性を向上させるものである。
【００２１】
また、図１Ｂに模式的に示したように、超音波印加機構２０、循環経路３０、ファインバブル発生機構４０、及び、曲面部材５０の個数及び配置については、特に限定されるものではなく、処理槽１０の形状や大きさに応じて、適宜個数を調整しながら配置することが可能である。
【００２２】
以下では、本実施形態に係る超音波処理装置１における各構成について、詳細に説明する。
【００２３】
（処理槽１０について）
処理部の一例である処理槽１０には、被処理物に対して所定の処理を施すために用いられる処理液３や、被処理物そのものが収容される。これにより、処理槽１０内に収容された被処理物は、処理液３で満たされた状態で存在するようになる。処理槽１０に保持される処理液３の種類については、特に限定されるものではなく、被処理物に対して行う処理に応じて、公知の処理液を用いることが可能である。
【００２４】
ここで、本実施形態に係る処理槽１０を形成するために用いられる素材は、特に限定されるものではなく、鉄、鋼、ステンレス鋼板等といった各種の金属材料であってもよいし、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）やポリプロピレン（ＰＰ）等といった各種のプラスチック樹脂であってもよいし、耐酸レンガ等のような各種のレンガであってもよい。すなわち、本実施形態に係る超音波処理装置１を構成する処理槽１０として、上記のような素材で形成された処理槽を新たに準備することも可能であるし、各種の製造ラインにおける既設の処理槽を利用することも可能である。
【００２５】
また、処理槽１０の大きさについても特に限定されるものではなく、液面深さ１〜２ｍ程度×全長３〜２５ｍ程度のような各種形状の大型処理槽であったとしても、本実施形態に係る超音波処理装置１の処理槽１０として利用可能である。
【００２６】
（超音波印加機構２０について）
超音波印加機構２０は、処理槽１０に収容されている処理液３や被処理物に対して、所定周波数の超音波を印加するものである。超音波印加機構２０は、特に限定されるものではなく、未図示の超音波発振器に接続された超音波振動子など、公知のものを利用することが可能である。また、図１Ａ及び図１Ｂでは、超音波印加機構２０を処理槽１０の壁面に設ける場合について図示しているが、超音波印加機構２０の処理槽１０への設置位置についても特に限定されるものではなく、処理槽１０の壁面や底面に対して、１又は複数の超音波振動子を適宜設置すればよい。なお、処理槽１０全体に均一に超音波が伝播されるような条件となれば、個々の超音波振動子の発振負荷のバランスが一様となるため、超音波振動子の個数が複数であったとしても、発生した超音波間で干渉が生じなくなる。
【００２７】
超音波印加機構２０から出力される超音波の周波数は、例えば、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚであることが好ましい。超音波の周波数が２０ｋＨｚ未満である場合には、被処理物の表面から発生するサイズの大きな気泡により超音波伝播が阻害され、超音波による処理性向上効果が低下する場合がある。また、超音波の周波数が２００ｋＨｚを超える場合には、被処理物を処理する際の超音波の直進性が強くなりすぎて、処理の均一性が低下する場合がある。超音波印加機構２０から出力される超音波の周波数は、好ましくは２０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚであり、更に好ましくは、２５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである。
【００２８】
なお、印加する超音波の周波数は、被処理物に応じて上記範囲内で適切な値を選定することが好ましく、被処理物の種類によっては、２種類以上の周波数の超音波を印加してもよい。
【００２９】
また、超音波印加機構２０は、ある選択した超音波の周波数を中心として所定の範囲で周波数を掃引しつつ超音波を印加することが可能な、周波数掃引機能を有していることが好ましい。このような周波数掃引機能によって、以下のような２つの更なる効果を実現することが可能となる。
【００３０】
液体中に存在している、ファインバブルを含む微小気泡に対して超音波を印加した場合、微小気泡に対して、Ｂｊｅｒｋｎｅｓ力と呼ばれる力が作用し、微小気泡は、周波数に依存する共振気泡半径Ｒ０に応じて、超音波の腹や節の位置に引き寄せられることとなる。ここで、超音波印加機構２０が有している周波数掃引機能によって、超音波の周波数が変化した場合、周波数に依存する共振気泡半径Ｒ０は、周波数の変化に応じて広がることとなる。その結果、キャビテーション発生の泡径が広がることとなり、多くの微小気泡（例えば、ファインバブル）をキャビテーション核として利用することが可能となる。これにより、超音波印加機構２０が有している周波数掃引機能によって、本実施形態に係る超音波処理装置１の処理効率が更に向上することとなる。
【００３１】
一方、超音波の一般的な性質として、「超音波の波長が照射物体の厚みに対応する波長の１／４となったときに、超音波が照射物体を透過する」という現象が知られている。そこで、周波数を適切な範囲で掃引しながら超音波を印加することで、例えば被処理物が管状体等の中空部を有するものであった場合に、管状体内へと透過する超音波を増加させることが可能となり、本実施形態に係る超音波処理装置１の処理効率が更に向上することとなる。
【００３２】
ここで、照射物体表面での超音波の透過を考える場合、超音波は、照射物体に垂直入射する場合だけでなく、多重反射を繰り返しながら伝播していくため、一定の音場は形成しづらい傾向にある。その中でも、照射物体の壁面を透過する条件を生み出すために、被処理物の位置がどこに存在していたとしても、「超音波の波長が、被処理物の厚みに対応する波長の１／４となる」という条件を満たすことが可能な周波数を実現することが好ましい。このような周波数の範囲について、本発明者らが検討したところ、ある選択した超音波の周波数を中心として±０．１ｋＨｚ〜±１０ｋＨｚの範囲で周波数を掃引しつつ超音波を印加することで、上記のような超音波の透過が実現可能であることが明らかとなった。これらの理由から、超音波印加機構２０は、ある選択した超音波の周波数を中心として±０．１ｋＨｚ〜±１０ｋＨｚの範囲で周波数を掃引しつつ超音波を印加することが可能な、周波数掃引機能を有していることが好ましい。
【００３３】
（循環経路３０及びファインバブル発生機構４０について）
循環経路３０は、処理槽１０に保持されている処理液３を循環させるための経路である。この循環経路３０は、図１Ａに示したように、処理液３を循環させるための循環ポンプ３１と、処理槽１０から引き抜いた処理液３を循環ポンプ３１へと接続する処理液引抜配管３３と、循環ポンプ３１を経た処理液３を処理槽１０へと吐出させる処理液吐出配管３５と、を少なくとも有している。また、ファインバブル発生機構４０は、図１Ａに示したように、処理液吐出配管３５に対して設けられており、循環ポンプ３１を経た処理液３を脱気するとともに、処理液３中にファインバブルを発生させる。
【００３４】
循環経路３０中に設けられる循環ポンプ３１は、処理液引抜配管３３中に存在する処理液３を、０．０５ｍ／秒〜５ｍ／秒の範囲内の流速で循環させるものである。
【００３５】
処理液引抜配管３３は、所定の配管長を有しており、循環ポンプ３１の負圧側に設けられる配管である。処理液引抜配管３３の配管長については、特に限定されるものではなく、任意の配管長とすることができる。また、処理液引抜配管３３の断面形状についても特に限定されるものではない。
【００３６】
処理液吐出配管３５は、所定の配管長を有しており、循環ポンプ３１の正圧側に設けられる配管である。処理液吐出配管３５の断面形状については、特に限定されるものではない。また、処理液吐出配管３５の途中には、図１Ａに示したようにファインバブル発生機構４０が設けられる。
【００３７】
なお、処理液引抜配管３３及び処理液吐出配管３５の素材については、処理液３と反応しないものであれば特に限定されるものではなく、各種の金属であってもよいし、プラスチック樹脂製などの非金属であってもよい。
【００３８】
ファインバブル発生機構４０は、正圧環境下にある処理液吐出配管３５の途中に設けられている。循環ポンプ３１を経て、かかるファインバブル発生機構４０により、処理液３中にファインバブルが生成される。
【００３９】
ここで、処理槽１０へと吐出される処理液３中に生成されるファインバブルの平均気泡径は、０．０１μｍ〜１００μｍであることが好ましい。ここで、平均気泡径とは、ファインバブルの直径に関する個数分布において、標本数が最大となる直径である。平均気泡径が０．０１μｍ未満の場合、ファインバブル発生機構４０が大型となり、気泡径を整えてのファインバブルの供給が困難になる場合がある。また、平均気泡径が１００μｍを超える場合には、ファインバブルの浮上速度が増加することで洗浄液中でのファインバブルの寿命が短くなり、現実的な洗浄が出来なくなる場合がある。また、気泡径が大きすぎる場合、超音波の伝播がファインバブルによって阻害され、超音波の持つ洗浄力向上効果が低下してしまう場合がある。
【００４０】
また、処理槽１０へと吐出される処理液３中におけるファインバブルの濃度（密度）は、１０３個／ｍＬ〜１０１０個/ｍＬであることが好ましい。ファインバブルの濃度が１０３個／ｍＬ未満である場合には、ファインバブルによる超音波伝搬性向上作用が十分得られない場合があり、また、処理に必要な超音波キャビテーションの核が少なくなってしまい、好ましくない。また、ファインバブルの濃度が１０１０個／ｍＬ超である場合には、ファインバブル発生機構４０が大型になったり、ファインバブル発生機構４０の台数を増やすことになったりして、ファインバブルの供給が現実的ではない場合があり、好ましくない。
【００４１】
また、ファインバブル発生機構４０は、処理液３中において、超音波の周波数に共振する直径である周波数共振径以下の気泡径を有するファインバブルの個数の割合が処理液３中に存在するファインバブル全体の個数の７０％以上となるように、ファインバブルを発生させることが好ましい。以下、その理由について説明する。
【００４２】
ファインバブルを含む各種気泡の固有振動数は、Ｍｉｎｎａｅｒｔ共振周波数とも呼ばれ、以下の式１１で与えられる。
【００４３】
【数１】
2020015941.tif 000003
【００４４】
ここで、上記式１１において、
ｆ０：気泡の固有振動数（Ｍｉｎｎａｅｒｔ共振周波数）
Ｒ０：気泡の平均半径
ｐ∞：周辺液体の平均圧力
γ：断熱比（空気のγ＝１．４）
ρ：液体密度
である。
【００４５】
いま、着目する気泡の内部に空気が存在するとした場合に、気泡の周辺液体が水であり、圧力が大気圧であるとすると、気泡の固有振動数と気泡の平均半径との積ｆ０Ｒ０の値は、上記式１１より約３ｋＨｚ・ｍｍ程度となる。これより、印加される超音波の周波数が２０ｋＨｚであれば、かかる超音波に共振する気泡の半径Ｒ０は、約１５０μｍとなるため、周波数２０ｋＨｚの超音波に共振する気泡の直径である周波数共振径２Ｒ０は、約３００μｍとなる。同様に、印加される超音波の周波数が１００ｋＨｚであれば、かかる超音波に共振する気泡の半径Ｒ０は、約３０μｍとなるため、周波数１００ｋＨｚの超音波に共振する気泡の直径である周波数共振径２Ｒ０は、約６０μｍとなる。
【００４６】
この際に、共振半径Ｒ０よりも大きな半径を有する気泡は阻害因子となる。なぜなら、ファインバブルを含む気泡が共振する際、気泡は、短時間に膨張と収縮とを繰り返し、最終的には圧壊するが、第一音波が気泡を通過する時点で気泡の大きさが周波数共振径２Ｒ０よりも大きければ、超音波は気泡表面で拡散してしまうからである。逆に、第一音波が気泡を通過する時点で気泡の大きさが周波数共振径２Ｒ０よりも小さければ、超音波は気泡表面で拡散せずに気泡中を通過することができる。
【００４７】
かかる観点から、処理液３中において、周波数共振径２Ｒ０以下の気泡径を有するファインバブルの個数の割合を、処理液３中に存在するファインバブル全体の個数の７０％以上とすることが好ましい。周波数共振径２Ｒ０以下の気泡径を有するファインバブルの個数の割合を７０％以上とすることで、超音波の伝播効率を更に向上させることが可能となる。また、第一音波を処理槽１０の壁面／底面まで伝播させることで、処理槽１０全体への超音波の拡散及び反射が繰り返され、均一な超超音波処理槽を実現することが可能となる。また、周波数共振径２Ｒ０以下であった気泡も、所定の超音波照射時間を超えると膨張と収縮とを繰り返して圧壊し、キャビテーションを利用した処理に寄与することができる。
【００４８】
なお、周波数共振径２Ｒ０以下の気泡径を有するファインバブルの個数の割合は、ファインバブル発生直後に膨張する泡が少なからず存在することを考慮して、９８％以下であることが好ましい。周波数共振径２Ｒ０以下の気泡径を有するファインバブルの個数の割合は、より好ましくは、８０％以上９８％以下である。
【００４９】
ここで、ファインバブルの平均気泡径や濃度（密度）は、液中パーティクルカウンターや気泡径分布計測装置等といった、公知の機器により測定することが可能である。また、処理液３中のファインバブルの平均気泡径や濃度（密度）の制御方法については、以下で改めて説明する。
【００５０】
また、本実施形態に係る超音波処理装置１において、より均一な超音波伝搬と高い洗浄性とを両立するためには、処理液３中の溶存気体量（より詳細には、溶存酸素量）を、ファインバブル発生機構４０により適切な値に制御することが好ましい。このような処理液３中の適切な溶存気体量は、処理液３における溶存飽和量の１％〜５０％であることが好ましい。溶存気体量が溶存飽和量の１％未満である場合には、気泡をファインバブルとして発生させることが困難となる上に、超音波によるキャビテーション発生が起こらず、超音波による処理性向上能力（表面処理性向上能力）が発揮できないため好ましくない。一方、溶存気体量が溶存飽和量の５０％を超える場合には、溶存した気体により超音波の伝搬が阻害され、処理槽１０全体への均一な超音波伝搬が阻害されるため、好ましくない。処理液３中の溶存気体量（溶存酸素量）は、好ましくは、処理液３における溶存飽和量の５％〜４０％以下である。
【００５１】
ここで、処理液３の温度が変化すれば、処理液３の溶存飽和量は変化する。また、処理液３の温度変化に起因する、処理液３を構成する液体の分子運動量（例えば、水分子運動量）の違いが、伝搬性に影響する。具体的には、温度が低ければ、処理液３を構成する液体の分子運動量は少なく、超音波を伝搬しやすくなり、処理液３の溶存飽和量（溶存酸素量）も高くなる。従って、上記範囲内となるような所望の溶存気体量（溶存酸素量）を実現可能なように、処理液３の温度を適宜制御することが好ましい。処理液３の温度は、処理液３を用いて実施する具体的な処理内容にもよるが、例えば、２０℃〜８５℃程度であることが好ましい。
【００５２】
具体的には、処理液３中の溶存気体量は、例えば、０．１ｐｐｍ以上１１．６ｐｐｍ以下であることが好ましく、１．０ｐｐｍ以上１１．０ｐｐｍ以下であることがより好ましい。そのため、本実施形態に係る循環経路３０及びファインバブル発生機構４０は、処理槽１０内に保持された処理液３中の溶存気体量が上記のような範囲の値となるように、処理液３の温度や処理液３中の溶存気体量を制御する。なお、処理液３中の溶存気体量の制御方法については、以下で改めて説明する。
【００５３】
ここで、処理液３中の溶存気体量は、隔膜電極法及び光学式溶存酸素計といった、公知の機器によって測定することが可能である。
【００５４】
なお、水溶液中の溶存気体は、主に、酸素、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴンであり、水溶液の温度や成分に影響を受けるものの、酸素と窒素がその大半を占めている。また、本実施形態で着目するような各種の超音波処理に影響を与えうる溶存気体は、主に酸素である。
【００５５】
以上のようなファインバブルの平均気泡径及び濃度、並びに、処理液３における溶存気体量は、以下で詳述するようなファインバブル発生機構４０を適切に設置して、適切な条件で稼働するように制御することで、実現される。
【００５６】
＜ファインバブル発生機構４０の詳細な構造について＞
以下、本実施形態に係るファインバブル発生機構４０について、図２Ａ〜図３Ｂを参照しながら詳細に説明する。図２Ａ〜図３Ｂは、本実施形態に係るファインバブル発生機構４０について説明するための説明図である。
【００５７】
本実施形態に係るファインバブル発生機構４０は、図２Ａ及び図２Ｂに模式的に示したように、処理液吐出配管３５の内部に突出するようにそれぞれ設けられた、蒸気供給管４０１及び気体供給管４０３から構成される。蒸気供給管４０１は、処理液吐出配管３５の内部を流れる処理液３に対して、蒸気を供給する。また、気体供給管４０３は、処理液吐出配管３５の内部を流れる処理液３に対して、気体を供給する。
【００５８】
本実施形態に係るファインバブル発生機構４０が循環ポンプ３１の下流側に位置することで、発生するファインバブルによる循環ポンプ３１へのダメージを低減することが可能となる。
【００５９】
蒸気供給管４０１は、図２Ａに模式的に示したように、口径ＤＳ［ｍｍ］を有する配管であり、その内部には、任意の箇所から搬送されてきた飽和蒸気に近い蒸気（例えば、水蒸気）が所定の流速ＶＳ及び圧力ＰＳで流れている。かかる蒸気供給管４０１は、図２Ａに模式的に示したように、処理液吐出配管３５の側面から、処理液吐出配管３５の管軸方向の中心軸に向かって先端部が突出し、かつ、かかる先端部が処理液３の流れの下流方向に向くように、傾斜して接続されている。
【００６０】
また、蒸気供給管４０１は、図２Ｂに模式的に示したように、処理液吐出配管３５を、管軸方向の中心軸に対して直交するように切断した際の断面において、蒸気供給管４０１の接続位置は、処理液吐出配管３５の管軸方向の中心軸から処理液吐出配管３５の端部方向に向かって、蒸気供給管４０１の口径の１／２に対応する長さ以上離隔した位置となっている。すなわち、図２Ｂにおける離隔距離ｄに対応する位置が、蒸気供給管４０１の接続位置となるが、離隔距離ｄ≧１／２×ＤＳの関係が成立している。
【００６１】
図２Ａ及び図２Ｂに示したような条件で、蒸気供給管４０１が下流方向を向いて斜めに、処理液吐出配管３５の中心軸から外れるように設けられ、蒸気供給管４０１の先端部から蒸気が噴射される。これにより、蒸気供給管４０１から噴射された蒸気は、処理液吐出配管３５中を流れる処理液と旋回混合し、処理液吐出配管３５の内部には、図２Ａに模式的に示したような旋回流が発生する。分子運動が活発な蒸気によって処理液３内の溶存気体が外部に放出されて、処理液３の脱気が促進される。また、蒸気供給管４０１が下流方向を向いて斜めに設けられることで、蒸気供給管４０１の下流側に位置し、かつ、蒸気供給管４０１によって影となる部分（図２Ａにおいて破線で囲った領域）には負圧が発生するようになる。
【００６２】
ここで、蒸気供給管４０１から供給される蒸気の流速ＶＳを上げるか、又は、処理液３と供給される蒸気の温度差を大きくすることで、溶存気体量を低下させることができる。蒸気の流速ＶＳを上げることで、処理液３と蒸気との接触が増加するとともに、蒸気による処理液３の攪拌効果を増加させることで、蒸気成分の冷却凝集とともに溶存気体量が低下する。また、温度差を大きくすることで、蒸気成分の冷却凝集とともに溶存気体量が低下する。この際、本実施形態に係るファインバブル発生機構４０の下流側において、上記のような公知の機器により溶存気体量を測定しながら、上記のような各制御条件を、溶存気体量が所望の範囲内の値となるまで調整すればよい。また、後述する気体供給管４０３から気体を断続的に送り込むことにより、溶存気体量が増加することを防止することができる。
【００６３】
なお、蒸気供給管４０１から供給される蒸気（水蒸気）については、特に限定されるものではなく、０．１〜２．０ＭＰａ程度の圧力ＰＳと、１００〜３００℃程度の温度とを有する、飽和蒸気又は飽和蒸気に近い状態の蒸気であればよい。このような蒸気として、例えば、工場配管中を流れるスチームなど、各種の飽和蒸気を挙げることができる。
【００６４】
ここで、蒸気供給管４０１の管軸方向の中心軸と、処理液吐出配管３５の管軸方向の中心軸とのなす角（図２Ａにおける角θ［°］）は、６０≦θ＜９０の関係を満足することが好ましい。このような条件を満たすように蒸気供給管４０１を配置することで、図２Ａに模式的に示したような旋回流をより適切に発生させることが可能となり、処理液３をより確実に脱気することが可能となる。図２Ａに示した角θは、６０≦θ≦８０の範囲内となることが、より好ましい。
【００６５】
また、蒸気供給管４０１の処理液吐出配管３５の内部への突出部分について、図２Ｂに模式的に示したように、処理液吐出配管３５を管軸方向の中心軸に対して直交するように切断した際の断面への突出部分の投影面積をＡＳとし、処理液吐出配管３５の断面積をＡＣと表すこととする。この場合に、面積比（ＡＳ／ＡＣ）は、０．０５≦ＡＳ／ＡＣ≦０．４０の関係を満足することが好ましい。面積比（ＡＳ／ＡＣ）が上記の関係を満足することで、図２Ａに模式的に示したような旋回流をより適切に発生させることが可能となる。面積比（ＡＳ／ＡＣ）は、０．１０≦（ＡＳ／ＡＣ）≦０．３０の範囲内となることが、より好ましい。
【００６６】
更に、蒸気供給管４０１から供給される蒸気の流速ＶＳは、特に限定するものではないが、例えば、５〜４０ｍ／ｓの範囲内であることが好ましい。また、蒸気供給管４０１の先端部より噴出する蒸気の流速ＶＳと、処理液吐出配管３５中を流れる処理液３の流速ＶＬとの比（ＶＳ／ＶＬ）は、２≦ＶＳ／ＶＬ≦１００の関係を満足することが好ましい。上記のような流速比となるように蒸気を噴射させることで、図２Ａに示したような旋回流をより適切に発生させることが可能となる。流速比（ＶＳ／ＶＬ）は、１０≦（ＶＳ／ＶＬ）≦６０の範囲内となることが、より好ましい。
【００６７】
気体供給管４０３は、図２Ａに模式的に示したように、口径ＤＧ［ｍｍ］を有する配管であり、その内部には、任意の箇所から搬送されてきた気体（例えば、窒素ガス等）が所定の流速ＶＧ及び圧力ＰＧで流れている。かかる気体供給管４０３は、蒸気供給管４０１よりも下流側に沿うように同じ傾斜角で接続される。また、気体供給管４０３は、図２Ａに模式的に示したように、蒸気供給管４０１の下流側に、蒸気供給管４０１に沿うように同じ傾斜角で接続されていてもよい。また、気体供給管４０３の少なくとも先端部は、図２Ａに模式的に示したように蒸気供給管４０１と接触しており、気体供給管４０３の先端部は、蒸気供給管４０１の先端部の位置よりも突出しないようになっている。
【００６８】
気体供給管４０３から供給される気体は、処理液３中にファインバブルを発生させるための気体であり、かかる気体の温度は、処理液吐出配管３５の内部を流れる処理液３の温度よりも高くなっている。先だって言及したように、蒸気供給管４０１の下流側に位置し、かつ、蒸気供給管４０１によって影となる部分には、負圧が発生している。気体供給管４０３の先端部が蒸気供給管４０１の先端部の位置よりも突出しないように気体供給管４０３を設けることで、気体供給管４０３の先端部は、負圧が発生している領域に位置するようになる。その結果、気体供給管４０３の先端から供給される僅かな量の気体は、発生している負圧によって処理液３の流れの中に吸い込まれる。その後、供給された気体は、蒸気供給管４０１から供給される蒸気によって発生した旋回流に乗って、処理液吐出配管３５中を流れる処理液３に効率よく分散するようになる。本実施形態に係るファインバブル発生機構４０は、処理液吐出配管３５中に設けられているため、供給された気体は収縮する方向へ強制的に向かい、発生したファインバブルは、超音波処理により適した状態となるように平均気泡径が変化していく。
【００６９】
このように、本実施形態に係るファインバブルの平均気泡径及び濃度（密度）は、気体供給管４０３の口径ＤＧを適切な値に設定するとともに、気体供給管４０３から供給される気体の温度ＴＧ、並びに、処理液吐出配管３５中を流れる処理液３及び蒸気供給管４０１から供給される蒸気によって発生する負圧等の制御条件を適切に制御することで、所望の範囲内の値となるように制御することが可能である。この際、本実施形態に係るファインバブル発生機構４０の下流側において、上記のような公知の機器によりファインバブルの平均気泡径や濃度（密度）を測定しながら、上記のような各制御条件を、ファインバブルの平均気泡径及び濃度（密度）が所望の範囲内の値となるまで調整すればよい。
【００７０】
ここで、蒸気供給管４０１の口径ＤＳと、気体供給管４０３の口径ＤＧとの比（ＤＳ／ＤＧ）は、１．２≦ＤＳ／ＤＧ≦３．０の関係を満足することが好ましい。口径比（ＤＳ／ＤＧ）が上記の範囲内となることで、処理液３中に供給される気体の量をより確実に抑制しつつ、適切な平均気泡径及び濃度を有するファインバブルを、より確実に発生させることが可能となる。口径比（ＤＳ／ＤＧ）は、１．５≦（ＤＳ／ＤＧ）≦２．５の範囲内となることが、より好ましい。
【００７１】
また、気体供給管４０３から供給される気体の温度ＴＧ［℃］と、処理液吐出配管３５の内部を流れる処理液の温度ＴＬ［℃］と、の差分ΔＴ＝ＴＧ−ＴＬは、５≦ΔＴ≦９０の関係を満足することが好ましい。差分ΔＴが上記の範囲内となることで、発生するファインバブルをより微細化することが可能となる。差分ΔＴは、１０≦ΔＴ≦６０の範囲内となることが、より好ましい。
【００７２】
なお、上記のような温度の差分ΔＴを容易に制御するために、気体供給管には、供給される気体を加熱するための加熱機構（図示せず。）が設けられていることが好ましい。このような加熱機構については、特に限定されるものではなく、例えば電熱ヒーターのような公知の加熱手段を適宜利用することが可能である。また、加熱機構は、バンドヒーターのように管外部から加熱するヒーターであってもよいし、管内にヒーターを差し込んで、気体通過時に加熱するようにしたものであってもよい。
【００７３】
また、気体供給管４０３から供給される気体の流速ＶＧ及び圧力ＰＧは、特に限定されるものではなく、単に解放された系（逆止弁による負圧以外は満たされている。）によって負圧時のみ自給されても良いし、搬送された気体（窒素ガス等）での強制的な供給を組み合わせても良い。
【００７４】
また、上記のような蒸気供給管４０１と気体供給管４０３との間の各種関係を適切な状態で保持するために、蒸気供給管４０１の先端部の開閉度合いと、気体供給管４０３の先端部の開閉度合いと、を連動させる連動機構（図示せず。）を設けることが好ましい。蒸気供給管４０１及び気体供給管４０３の先端部の開閉度合いは、例えば各種バルブ（図示せず。）のような制御部材によって制御されることが多いが、これらの制御部材の稼働状態を連動させて制御する連動機構を設けることで、蒸気供給管４０１と気体供給管４０３との間の各種関係を、より適切な状態で保持することが可能となる。かかる連動機構は、例えば、超音波処理装置１の全体的な稼働状態を制御するプロセスコンピュータ（図示せず。）等によって制御され、所望の開閉度合いの組み合わせが実現される。
【００７５】
なお、上記のような蒸気供給管４０１及び気体供給管４０３の素材については、特に限定されるものではなく、各種の金属管であってもよいし、プラスチック樹脂等の非金属管であってもよい。
【００７６】
また、上記のような蒸気供給管４０１と気体供給管４０３との間の各種関係をより容易に実現するために、蒸気供給管４０１の外形が加工されていてもよい。例えば、蒸気供給管４０１と気体供給管４０３とが接触している位置において、気体供給管４０３との接触面積を増やすように蒸気供給管４０１の外形が加工されていてもよい。蒸気供給管４０１の外形は、特に限定されるものではないが、例えば図３Ａに示したように、蒸気供給管４０１の外形を、気体供給管４０３の半周を覆うように湾曲させてもよいし、例えば図３Ｂに示したように、蒸気供給管４０１及び気体供給管４０３の断面形状を、略矩形状としてもよい。蒸気供給管４０１との接触を増やすことで、供給される気体温度が高くなり、処理液３の温度との差分ΔＴを容易に設けることができ、発生するファインバブルをより微細化することが可能となる。
【００７７】
以上、図２Ａ〜図３Ｂを参照しながら、本実施形態に係るファインバブル発生機構４０について、詳細に説明した。以上説明したようなファインバブル発生機構４０を設けることで、超音波の伝搬に適した溶存気体量を実現でき、かつ、超音波を用いた処理により適合したファインバブルを簡便かつ安定して発生させることが可能となる。
【００７８】
（曲面部材５０について）
再び図１Ａ及び図１Ｂに戻って、本実施形態に係る曲面部材５０について、簡単に説明する。
曲面部材５０は、超音波印加機構２０の振動面に向かって凸な曲面を有する部材であり、曲面部材５０に到達した超音波を多方向へと反射させる部材である。かかる曲面部材５０を処理槽１０内の壁面及び底面の少なくとも何れか一方に設けることで、超音波印加機構２０の振動面から発生した超音波を、処理槽１０内の全体へと伝播させることが可能となる。
【００７９】
より詳細には、本実施形態に係る曲面部材５０には、球面又は非球面の表面形状を有する凸湾曲部が少なくとも存在し、かかる凸湾曲部が、凸湾曲部以外の部分よりも、超音波印加機構２０の振動面側に突出した状態となっている凸曲面を有している。また、本実施形態に係る曲面部材５０は、凸湾曲部ではない部分である非凸湾曲部を有していてもよいし、凸曲面のみから構成されていてもよい。更に、本実施形態に係る曲面部材５０は、中実な柱状体であってもよいし、中空な筒状体であってもよい。また、曲面部材５０が中空である場合、処理槽１０に装着された状態の曲面部材５０の空隙には、空気等の各種気体が存在していてもよいし、処理槽１０に保持されている処理液３等の各種液体が存在していてもよい。
【００８０】
曲面部材５０が上記のような凸曲面を有することで、多方向へ超音波が反射され、偏りのない均一な超音波伝播が実現されて、超音波間の干渉を抑制することができる。ここで、曲面部材５０が凹部を含む場合には、超音波が凹部で反射することで集束してしまい、処理槽１０全体に効果的に超音波を反射させることができない。また、凸部を含む場合であっても、凸部が曲面ではなく平面である場合には、超音波を一方向にしか反射させることができず、処理槽１０全体に効果的に超音波を反射させることができない。
【００８１】
上記のような形状を有する曲面部材５０は、超音波を反射させる素材を用いて形成されることが好ましい。かかる素材としては、例えば、音響インピーダンス（固有音響インピーダンス）が１×１０７［ｋｇ・ｍ−２・ｓｅｃ−１］以上２×１０８［ｋｇ・ｍ−２・ｓｅｃ−１］以下である素材を挙げることができる。音響インピーダンスが１×１０７［ｋｇ・ｍ−２・ｓｅｃ−１］以上２×１０８［ｋｇ・ｍ−２・ｓｅｃ−１］以下である素材を用いることで、効率良く超音波を反射させることが可能となる。
【００８２】
音響インピーダンスが１×１０７［ｋｇ・ｍ−２・ｓｅｃ−１］以上２×１０８［ｋｇ・ｍ−２・ｓｅｃ−１］以下である素材としては、例えば、各種の金属又は金属酸化物や、非酸化物セラミックスを含む各種のセラミックス等を挙げることができる。このような素材の具体例としては、例えば、鋼（固有音響インピーダンス［ｋｇ・ｍ−２・ｓｅｃ−１］：４．７０×１０７、以下、カッコ内の数値は同様に固有音響インピーダンスの値を表す。）、鉄（３．９７×１０７）、ステンレス鋼（ＳＵＳ、３．９７×１０７）、チタン（２．７３×１０７）、亜鉛（３．００×１０７）、ニッケル（５．３５×１０７）、アルミニウム（１．３８×１０７）、タングステン（１．０３×１０８）、ガラス（１．３２×１０７）、石英ガラス（１．２７×１０７）、グラスライニング（１．６７×１０７）、アルミナ（酸化アルミニウム、３．８４×１０７）、ジルコニア（酸化ジルコニウム、３．９１×１０７）、窒化ケイ素（ＳｉＮ、３．１５×１０７）、炭化ケイ素（ＳｉＣ、３．９２×１０７）、炭化タングステン（ＷＣ、９．１８×１０７）等がある。本実施形態に係る曲面部材５０においては、処理槽１０に保持される処理液３の液性や、曲面部材５０に求める強度等に応じて、曲面部材５０の形成に用いる素材を適宜選択すればよいが、上記のような音響インピーダンスを有する各種金属又は金属酸化物を用いることが好ましい。
【００８３】
なお、被処理物が、例えば各種の鋼管のように凸曲面を有する外形を有している場合、被処理物そのものが、曲面部材５０の機能を実現することがある。
【００８４】
以上、本実施形態に係る曲面部材５０について、簡単に説明した。
【００８５】
＜反射板について＞
なお、処理槽１０の処理液側の壁面及び底面には、超音波を反射させるための反射板が設けられることが好ましい。かかる反射板を設けることで、処理槽１０の壁面や底面まで到達した超音波は反射板によって反射され、再び処理液３の方へと伝播していくこととなる。これにより、処理液３中に印加された超音波を効率良く利用することが可能となる。
【００８６】
特に、曲面部材５０と、かかる曲面部材５０が保持されている処理槽１０の壁面又は底面と、の間に、超音波を反射させる反射板を設けることで、より効率良く超音波を利用することが可能となる。
【００８７】
以上、図１Ａ〜図３Ｂを参照しながら、本実施形態に係る超音波処理装置１の全体的な構成について、詳細に説明した。
【００８８】
なお、上記説明では、処理部として設けられた処理槽１０の内部に、処理液３で満たされた被処理物を設けた上で、処理槽１０内に保持された処理液３を介して、被処理物に対して間接的に超音波を印加する場合を例に挙げたが、超音波印加機構２０は、処理部内において処理液で満たされた被処理物に対して、直接超音波を印加してもよい。
【００８９】
例えば、熱交換器の内部に設けられた配管や、液体を用いる複数の設備間を接続している接続配管等のように、内部が液体で満たされた状態にある中空部材そのものを被処理物としてもよい。かかる場合、中空部材の内部に保持されている液体に対してファインバブルを発生させた上で、中空部材そのものに対して超音波が印加される。
【実施例】
【００９０】
次に、実施例及び比較例を示しながら、本発明に係る超音波処理装置及び超音波処理方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも本発明に係る超音波処理装置及び超音波処理方法の一例であって、本発明に係る超音波処理装置及び超音波処理方法が、以下に示す例に限定されるものではない。
【００９１】
（実験例１）
図４は、本実験例で使用した超音波処理装置の構成を模式的に示した図である。本実験例において、処理液としては、浄水を用いた。処理槽１０は、外壁がＳＵＳ製であり、幅０．５ｍ×長さ０．５ｍ×０．４ｍの大きさの容量０．１ｍ３のものを用いた。処理槽１０に設置する循環ポンプ３１として、ＩＷＡＫＩ製のＭＤ−１００Ｒを用い、処理液吐出配管３５に対し、ファインバブル発生機構４０である蒸気供給管４０１及び気体供給管４０３を接続するための条件別の治具４５を取り付け、処理液を循環させた。なお、処理液吐出配管３５の内径は２５ｍｍであり、長さは３ｍである。
【００９２】
治具４５は、蒸気供給管４０１と気体供給管４０３とが、同じ傾斜を持って接した状態を保持するように、条件ごとに作製されたものである。工場に配設された蒸気配管を更に分岐して、フレキシブルホースを利用して治具４５に接続させることで、蒸気供給管４０１とした。また、気体供給管４０３には逆止弁を取り付け、自吸式とした。処理液吐出配管３５及び蒸気供給管４０１には、流量調整するためのバルブ（図示せず。）を設け、更に、流量計（図示せず。）を取り付けて、流量を測定した。流速は、流量の測定値から配管内径断面積で割った値（ｍ／ｓ）で算出した。
【００９３】
平均気泡径の測定は、ベックマン・コールター製の精密粒度分布測定装置Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ４及びＭａｌｖｅｒｎ製のナノ粒子解析装置ＮａｎｏＳｉｇｈｔＬＭ１０を用い、水槽内の処理液を測定した。溶存気体量の測定は、溶存酸素計ＬＡＱＵＡ  ＯＭ−５１を用い、溶存気体量に比例する値として溶存酸素量を測定し、溶存飽和量に対する溶存気体量（％）を見積もった。循環開始して１０分後に溶存気体量及び平均気泡径を測定し、比較を行った。
【００９４】
得られた結果を、以下の表１にあわせて示した。なお、以下の表１において「気体供給管突出」の欄は、気体供給管４０３の先端部が蒸気供給管４０１の先端部よりも突出しているか否かを示したものであり、符号「○」は、気体供給管４０３の先端部が蒸気供給管４０１の先端部よりも突出していることを示しており、符号「−」は、気体供給管４０３の先端部が蒸気供給管４０１の先端部よりも突出していないことを示している。
【００９５】
また、以下の表１において、比較例６に示した例では、蒸気供給管４０１を、その先端部が処理液の流れの上流側を向くように傾斜させた。
【００９６】
【表１】
2020015941.tif 000004
【００９７】
まず、比較例をみると、蒸気供給管４０１が突出していない比較例１、及び、気体供給管４０３が蒸気供給管４０１よりも吐出した比較例５では、気体供給管４０３の自吸が行えず、泡の発生が認められなかった。突出させた状態の蒸気供給管４０１が、処理液吐出配管３５の中心位置、又は、中心位置からほとんど離れていない位置に存在している比較例２〜４は、気体は供給されたもののファインバブル化せず、測定領域の気泡はわずかであり、溶存気体も低下しなかった。また、蒸気供給管が傾斜していないか、又は、先端部が処理液の上流側に向いている比較例２，６においては、溶存気体の低下が無く、また、循環ポンプ方向に蒸気供給管を配置した比較例６では、ポンプ循環ができない状態になった。
【００９８】
一方、本発明の発明例に該当する、蒸気供給管４０１が突出して下流方向に傾斜し、蒸気供給管４０１が外周側に設置され、気体供給管４０３が蒸気供給管４０１よりも吐出していない実施例１〜１２は、ファインバブル化させることができ、溶存気体量も低下する結果となった。特に、流速比ＶＳ／ＶＬが２よりも大きく、蒸気供給管４０１の傾斜角度が６０度以上であり、かつ、蒸気供給管４０１と気体供給管４０３の管径の比が１．３以上であると、ファインバブル化が進むと同時に、溶存気体量も顕著に低下することが明らかとなった。
【００９９】
（実験例２）
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明に係る超音波処理装置を用いて、鋼板の水洗（リンス）を実施する際の状況を模式的に示した説明図である。ここで、リンス溶液としては、浄水を用いた。処理槽１０は、外壁がＳＵＳ製であり、幅２．０×長さ７．０ｍ×０．５ｍの大きさの容量６．３ｍ３のものを用いた。洗浄対象の鋼板Ｓは、ロールに保持されている状態とした。処理槽１０に設置する循環ポンプ３１として、セイコー化工機製ＭＥＰ−０５０５−２Ｐを２台用い、処理液吐出配管３５に対し、条件別の治具４５を着脱可能となるような構造とした。ここで、処理液吐出配管３５の内径は４０ｍｍであり、長さは３ｍである。
【０１００】
治具４５は、蒸気供給管４０１と気体供給管４０３とが、同一の傾斜角を保持できるように、条件ごとに作製されたものである。蒸気供給管４０１は、工場に配設された蒸気配管を更に分岐して、フレキシブルホースを利用して治具４５に接続させることで、蒸気供給管４０１とした。また、気体供給管４０３には逆止弁を取り付け、自吸式とし、更に、気体供給管４０３の途中に、加熱手段として、電熱式のバンドヒーターを着脱可能なように設置した。この際、気体供給管４０３のガス温度は、管内に熱電対を設置して測定した。処理液吐出配管３５及び蒸気供給管４０１には、流量計（図示せず。）を取り付けて流量を測定し、流速は、流量の測定値から配管内径断面積で割った値（ｍ／ｓ）で算出した。
【０１０１】
本実験例では、蒸気流速とポンプ流速との比（ＶＳ／ＶＬ）＝１０、蒸気管径ＤＳ（φ１２）と気体供給管径ＤＧ（φ６）との比（ＤＳ／ＤＧ）＝２．０、蒸気供給管４０１の突出部の断面積であるＡＳとポンプ循環内断面積ＡＣとの比（ＡＳ／ＡＣ）＝０．２をそれぞれ一定として、それぞれの条件を比較した。
【０１０２】
超音波印加機構２０の超音波発振器は、出力が１２００Ｗであり、周波数２５〜１９２ｋＨｚの単一発振振動子（周波数の掃引が可能なもの）を、処理槽１０の壁面に複数設置して、超音波を印加した。
【０１０３】
平均気泡径の測定は、ベックマン・コールター製の精密粒度分布測定装置Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ４及びＭａｌｖｅｒｎ製のナノ粒子解析装置ＮａｎｏＳｉｇｈｔＬＭ１０を用い、水槽内の処理液を測定した。溶存気体量の測定は、溶存酸素計ＬＡＱＵＡ  ＯＭ−５１を用い、溶存気体量に比例する値として溶存酸素量を測定し、溶存飽和量に対する溶存気体量（％）を見積もった。循環開始して３０分後に溶存気体量及び平均気泡径を測定し、比較を行った。
【０１０４】
上記のような超音波処理装置を利用して、酸化スケール皮膜が形成された鋼板を酸洗し、表面に酸化物微粒子が付着した鋼板の水洗（リンス）を行った。
【０１０５】
本実験例では、鋼板表面の酸化物微粒子除去率を測定し、測定した酸化物微粒子除去率を洗浄性能として評価した。より詳細には、水洗前後の鋼板表面に付着している酸化物微粒子総量に対する各条件での除去できた酸化物微粒子除去量の割合を、酸化物微粒子除去率とした。なお、下記の表２における洗浄性能の評価基準は、以下の通りである。
【０１０６】
酸化物微粒子除去率
１００％以下〜９０％以上：Ａ
９０％未満〜８０％以上：Ｂ
８０％未満〜６０％以上：Ｃ
６０％未満〜４０％以上：Ｄ
４０％未満            ：Ｅ
【０１０７】
すなわち、Ａは、洗浄性能が非常に良好であったことを意味し、Ｂは、洗浄性能が良好であったことを意味し、Ｃは、洗浄性能にやや難があったことを意味し、ＤとＥは、洗浄性能が不良であったことを意味する。
【０１０８】
得られた結果を、以下の表２にあわせて示した。ここで、以下の表２において、蒸気供給管４０１の先端部の断面形状、及び、蒸気供給管４０１と気体供給管４０３との接触状況を、図６に示すような３種類の組み合わせとした。すなわち、図６に示したパターンＡ及びパターンＢは、蒸気供給管４０１及び気体供給管４０３として、断面円形状の配管を用いた例であり、パターンＡは、２つの配管の先端部が互いに接触しているパターンであり、パターンＢは、２つの配管の先端部が接触していないパターンである。また、パターンＣは、図３Ｂに示したように蒸気供給管４０１及び気体供給管４０３の断面形状を、略矩形状としたパターンであり、パターンＤは、蒸気供給管４０１の外形を、気体供給管４０３の半周を覆うように湾曲させたパターンである。
【０１０９】
また、以下の表２において「気体供給管突出」の欄は、気体供給管４０３の先端部が蒸気供給管４０１の先端部よりも突出しているか否かを示したものであり、符号「○」は、気体供給管４０３の先端部が蒸気供給管４０１の先端部よりも突出していることを示しており、符号「−」は、気体供給管４０３の先端部が蒸気供給管４０１の先端部よりも突出していないことを示している。また、「加熱手段」の欄は、気体供給管４０３に設置した加熱手段を利用したかしないかを示しており、符号「○」は使用したことを示し、符号「−」は使用しなかったことを示している。
【０１１０】
なお、以下の表２において、比較例１に示した例では、蒸気供給管４０１を処理液吐出配管３５に突出しないように接続している。
【０１１１】
【表２】
2020015941.tif 000005
【０１１２】
上記表２において、まず比較例に着目すると、蒸気供給管４０１が突出していない比較例１、及び、気体供給管４０３が蒸気供給管４０１よりも吐出した比較例５では、気体供給管の自吸が行えず、泡の発生が認められなかったため、洗浄不良となった。また、突出させた蒸気供給管４０１を用いたが傾斜していない比較例２と、処理液吐出配管３５の中心位置、又は、中心位置からほとんど離れていない位置に存在している比較例３〜４は、気体は供給されたもののファインバブル化せず、測定領域の気泡はわずかであり、溶存気体も低下しなかった。そのため、洗浄性能は、不良もしくは洗浄不足となる領域が発生した。また、蒸気管が接触していない比較例６は、ガスと循環水の温度差がほとんどないためにファインバブル化まで至らず、洗浄不足となる領域が発生した。
【０１１３】
一方、本発明の発明例に該当する、蒸気供給管４０１が突出して下流方向に傾斜し、蒸気供給管４０１が外周側に設置され、気体供給管４０３が蒸気供給管４０１よりも吐出していない実施例１〜１０は、ファインバブル化させることができ、溶存気体量も低下する結果となった。特に、蒸気供給管４０１の傾斜角度が６０度以上であると、洗浄性能は非常に良好であり、また、気体と循環水（処理液）との温度差が大きい実施例１１〜１３は、ファインバブル化がより一層進むと同時に、溶存気体量も顕著に低下し、より優れた洗浄性能が発揮された。
【０１１４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０１１５】
１    超音波処理装置
３    処理液
１０    処理槽
２０    超音波印加機構
３０    循環経路
３１    循環ポンプ
３３    処理液引抜配管
３５    処理液吐出配管
４０    ファインバブル発生機構
４０１    蒸気供給管
４０３    気体供給管
【図１Ａ】
2020015941.tif 000006
【図１Ｂ】
2020015941.tif 000007
【図２Ａ】
2020015941.tif 000008
【図２Ｂ】
2020015941.tif 000009
【図３Ａ】
2020015941.tif 000010
【図３Ｂ】
2020015941.tif 000011
【図４】
2020015941.tif 000012
【図５Ａ】
2020015941.tif 000013
【図５Ｂ】
2020015941.tif 000014
【図６】
2020015941.tif 000015