(57)【要約】【課題】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。【解決手段】洗浄液は、第１微細気泡群１４を含有し温度変化を伴う静的液体１３と、静的液体１３中に保持される対象物Ｗに向かって流れる動的液体１７と、静的液体１３の温度から相違する温度の気体で形成され、動的液体１７の流れに巻き込まれて対象物Ｗに向かって流れる第２微細気泡群２２とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１微細気泡群を含有し温度変化を伴う静的液体と、
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、
前記静的液体の温度から相違する温度の気体で形成され、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第２微細気泡群と
を有することを特徴とする洗浄液。
【請求項２】
請求項１に記載の洗浄液において、前記第２微細気泡群の温度以下の温度を最高温とする温度範囲で前記静的液体の温度は上昇することを特徴とする洗浄液。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は洗浄液を開示する。洗浄液は、液体に飽和溶解濃度で溶解したナノサイズの気泡を含有する。特許文献１は洗浄効果の向上にあたって液体分子の水素結合の距離に着目する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−８８９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１は、その他、気泡を崩壊させる外力に着目する。そうした外力には、圧力変化や温度変化、衝撃波、超音波、赤外線、振動が含まれる。気泡の崩壊は洗浄力の向上に貢献すると考えられる。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１側面によれば、第１微細気泡群を含有し温度変化を伴う静的液体と、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、前記静的液体の温度から相違する温度の気体で形成され、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第２微細気泡群とを有する洗浄液が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
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。静的液体の温度変化は物体からの物質の剥離を促進する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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】気泡径ごとに気泡数の分布を示すグラフである。
【図３】静的液体の温度変化と、残留する切粉の重量との関係を示すグラフである。
【図４】静的液体の温度変化と、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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
【００１０】
（１）本実施形態に係る洗浄装置
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。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。
【００１１】
静的液体１３は第１微細気泡群１４を含有する。第１微細気泡群１４はマイクロバブルおよびナノバブル（＝ウルトラファインバブル）を含む。第１微細気泡群１４は例えば１００ｎｍ以上５０μｍ以下の平均径の気泡の集合体であればよい。好ましくは、気泡の径は１０００ｎｍ（＝１μｍ）以下であるとよい。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。第１微細気泡群１４の気泡濃度は１ミリリットル当たり１ｘ１０６個以上であることが望まれる。
【００１２】
液槽１２には第１温度調整装置１５が接続される。第１温度調整装置１５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１５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１５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、静的液体１３中の第１微細気泡群１４と静的液体１３との間で熱エネルギーは平衡化される。したがって、個々の微細気泡に含まれる気体の温度は静的液体１３として測定される温度に等しいと考えられる。
【００１３】
第１温度調整装置１５は規定の温度範囲内で静的液体１３の温度を変化させる。温度範囲は摂氏８０度以下に設定されることが望まれる。すなわち、温度範囲の最高温は摂氏８０度以下に設定されることが望まれる。液体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温度調整装置１５の働きで静的液体１３の温度は例えば室温（例えば摂氏２５度）から摂氏６０度まで上昇する。温度の上昇にあたって温度勾配（単位時間当たりの上昇温度）が設定されてもよい。
【００１４】
液槽１２には液流発生装置１６が接続される。液流発生装置１６は静的液体１３中に開口する供給口１６ａを有する。液流発生装置１６は供給口１６ａから静的液体１３中に液体を流し込む。こうして静的液体１３中に液流（以下「動的液体」という）１７は生成される。動的液体１７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。
【００１５】
液流発生装置１６には液体源１８が接続される。液体源１８は液流発生装置１６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１８には第２温度調整装置１９が接続される。第２温度調整装置１９は液体源１８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１９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１９の働きで動的液体１７の温度は静的液体１３の温度に等しく設定される。
【００１６】
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中には第２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。第２微細気泡群２２は１００ｎｍ未満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１００ｎｍ未満に設定される。第２微細気泡群２２の気泡濃度は１ミリリットル当たり１ｘ１０６個以上であることが望まれる。
【００１７】
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。
【００１８】
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１６の供給口１６ａ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に向かって第２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、第２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、第２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、液流の流速および第２微細気泡群２２の流速に応じて角度αは液流に対する第２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。第２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。
【００１９】
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１７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１６ａ、２１ａの向きが変更されてもよい。
【００２０】
洗浄装置１１が作動すると、第１温度調整装置１５は室温から摂氏６０度まで静的液体１３を加熱する。温度の上昇中に液流発生装置１６は被洗浄物Ｗに向かって液流を生成する。静的液体１３中で動的液体１７が生成される。気泡発生装置２１は被洗浄物Ｗに向かって静的液体１３の温度よりも高い温度の第２微細気泡群２２を吹き込む。吹き込まれた第２微細気泡群２２は動的液体１７の流れに巻き込まれる。こうして、第１微細気泡群１４を含む静的液体１３、動的液体１７および第２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。
【００２１】
静的液体１３の温度が摂氏６０度に達すると、加熱は終了する。加熱が終了すると、静的液体１３の温度は自然冷却に応じて室温まで下降する。その後、再び第１温度調整装置１５は室温から摂氏６０度まで静的液体１３を加熱する。こうして静的液体１３の温度変化は繰り返されることができる。
【００２２】
図２に示されるように、静的液体１３は第１径Ｄ１（＝１００ｎｍ以上５０μｍ以下）の平均気泡径を有する第１微細気泡群１４を含有する。静的液体１３の生成時に使用される気泡発生装置は最大数［個］で第１径Ｄ１の微細気泡を噴き出す。気泡径が第１径Ｄ１から増大し、あるいは減少するにつれて、気泡の数量［個］は減少する。すなわち、数量分布は第１径Ｄ１でピークを示す。その一方で、第２微細気泡群２２は第２径Ｄ２（＝１００ｎｍ未満）の平均気泡径を有する。気泡発生装置２１は最大数で第２径Ｄ２の微細気泡を噴き出す。気泡径が第２径Ｄ２から増大し、あるいは減少するにつれて、気泡の数量は減少する。すなわち、数量分布は第２径Ｄ２でピークを示す。単位体積当たりで第１微細気泡群１４の気泡数［個］は全気泡数の７５％以下である。単位体積当たりで第２微細気泡群２２の気泡数［個］は全気泡数の２５％以上である。
【００２３】
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、静的液体１３の温度の上昇に伴って被洗浄物Ｗの表面の温度は上昇する。静的液体１３の温度および第２微細気泡群の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。こうした第２微細気泡群２２の微細気泡が被洗浄物Ｗの表面に接触すると、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。
【００２４】
大きい平均気泡径の微細気泡群が被洗浄物Ｗの表面に接触すると、微細気泡に含まれる気体の熱エネルギーは広い範囲で被洗浄物Ｗの表面に作用する。小さい平均気泡径の微細気泡群が被洗浄物Ｗの表面に接触すると、微細気泡に含まれる熱エネルギーは狭い範囲で集中的に被洗浄物Ｗの表面に作用する。大きい平均気泡径の微細気泡群と小さい平均気泡径の微細気泡群とは温度差を有することから、大きい微細気泡で影響を受けた被洗浄物Ｗの表面に小さい微細気泡が接触すると温度変化が生じる。大きい微細気泡は広い領域で温度を拘束するので、小さい微細気泡でも、大きい微細気泡で拘束される温度の領域に接触する。小さい平均気泡径の微細気泡群同士で温度差を有する場合よりも、より高い確率で温度変化は生じる。微細気泡は小さいほど汚染物と被洗浄物Ｗの表面との境界に入り込みやすく剥離を促進するものの、温度差を有する微細気泡の気泡径が相違することでさらなる洗浄効果の向上が実現されると考えられる。
【００２５】
（２）検証
本発明者は前述の本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）は特定の温度範囲で指定の温度勾配に従って加熱された。液流発生装置１６には液体源１８から純水が供給された。純水の温度（＝動的液体１７の温度ＴＤ）は温度範囲の最高温よりも低い温度に設定された。
【００２６】
静的液体１３は予め第１微細気泡群１４を含有した。純水に気泡発生装置から大気の第１微細気泡群１４は吹き込まれた。気泡発生装置には前述の気泡発生装置２１と同様なものが用いられた。気泡の平均径は２００ｎｍに設定された。気泡の径は、気泡発生装置の供給口に設置される微細孔の直径に基づき設定された。第１微細気泡群１４の気泡濃度は１ミリリットル当たり１ｘ１０６個以上に設定された。
【００２７】
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Ｔ２）は調整された。微細気泡の量は１ミリリットル当たり１ｘ１０６個程度に設定された。微細気泡の平均径は２００ｎｍに設定された。微細気泡の形成にあたって直径２００ｎｍ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第２微細気泡群２２は動的液体１７に向かって吹き込まれた。第２微細気泡群２２は動的液体１７の流れに巻き込まれた。
【００２８】
保持具２５にはカゴが用いられた。カゴ上に機械部品が被洗浄物Ｗとして搭載された。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。
【００２９】
温度条件の観察にあたって、以下の通り、２通りの条件が設定された。
【表１】
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【表２】
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条件１では静的液体１３の温度ＴＬは摂氏１５度から摂氏２５度まで加熱された。動的液体１７の温度ＴＤおよび第２微細気泡群２２の温度ＴＢは等しく摂氏２５度に設定された。条件２では静的液体１３の温度ＴＬは摂氏３５度から摂氏５０度まで加熱された。動的液体１７の温度ＴＤは摂氏４０度に設定された。第２微細気泡群２２の温度ＴＢは摂氏６０度に設定された。いずれの条件でも、第２微細気泡群２２の温度ＴＢ以下の温度を最高温とする温度範囲で静的液体１３の温度ＴＬは上昇した。
【００３０】
個々の条件ごとに比較条件は設定された。比較条件１では静的液体１３の温度ＴＬは摂氏２５度で一定に維持された。その他の条件は条件１と同様に設定された。比較条件２では静的液体１３の温度ＴＬは摂氏５０度で一定に維持された。その他の条件は条件２と同様に設定された。
【００３１】
観察の結果、図３に示されるように、条件１では比較条件１に比べて切粉の除去は促進されることが確認された。条件２では比較条件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。静的液体１３の温度が変化すると、切粉の除去は促進されることが確認された。特に、温度差が大きいほど、切粉の除去は促進されることが確認された。
【００３２】
図４に示されるように、条件１では比較条件１に比べて油の除去は促進されることが確認された。条件２では比較条件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。静的液体１３の温度が変化すると、油の洗浄効果は高まることが確認された。特に、温度差が大きいほど、油の洗浄効果は高まることが確認された。
【００３３】
なお、本検証では、第１微細気泡群１４の平均径と第２微細気泡群２２の平均径とは等しく設定されたものの、本実施形態で説明されるように第１微細気泡群１４の平均径に比べて第２微細気泡群２２の平均径が小さいと、さらに洗浄効果は高められることが確認されている。
【符号の説明】
【００３４】
１１…洗浄装置、１３…静的液体、１４…第１微細気泡群、１７…動的液体、２２…第２微細気泡群、Ｗ…対象物（被洗浄物）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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