(57)【要約】  機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを利用してレアメタルを剥離する方法、及び、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置を発生させる方法を提供する。機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法では、水（Ｗ１）中に浸漬させた噴射ノズル（２０）からウォータージェットを噴射させると共に、ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波（Ｕ１）を照射して、機能的作用と電気化学的作用との両方を有するキャビテーション（ＭＦＣ）を発生させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に浸漬させた噴射ノズルからウォータージェットを噴射させると共に、前記ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させる、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
【請求項２】
前記流動キャビテーションの移動速度は、５ｍ／ｓ以下である請求項１に記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
【請求項３】
前記超音波の周波数は、２０ｋＨｚ以上３３ｋＨｚ以下である請求項１に記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
【請求項４】
前記超音波を照射する超音波照射素子から前記ウォータージェットまでの距離は、前記超音波の５波長以下である請求項１又は請求項２に記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
【請求項５】
前記噴射ノズルから噴射される前記ウォータージェットを被衝突物に衝突させることによって前記被衝突物の周辺に生じる２次噴流の流動キャビテーションに対して、前記超音波を照射することにより、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を、前記被衝突物の周辺に発生させる請求項１〜請求項４のいずれかに記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを、物質に衝突させて、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法。
【請求項７】
前記物質は、ルチル型又はアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン、白金、及び、酸化ニッケルのうちから選択された少なくとも１つにより構成され、  前記酸化チタンの粒子は、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の粒径を有し、  前記白金、又は、前記酸化ニッケルの粒子は、０．１μｍ以上８５μｍ以下の粒径を有する、請求項６に記載の、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法。
【請求項８】
前記物質の表面において、ガス吸着が少なく、耐酸化性及び耐食性が高い不活性表面を生成する、請求項６に記載の、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法。
【請求項９】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを、レアメタルが蒸着された被覆物の表面に衝突させて、前記被覆物の表面から前記レアメタルを剥離する方法。
【請求項１０】
水中に浸漬されウォータージェットを噴射する噴射ノズルと、  前記ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させる超音波照射素子と、を備える、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置。
【請求項１１】
重水もしくは重水素を含む液体に浸漬させた噴射ノズルから重水もしくは重水素を含む液体を噴射させると共に、前記重水もしくは重水素を含む液体の噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させ、キャビテーションの崩壊により重水素の核融合反応を発生させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、レアメタルを剥離する方法、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置、及び、重水素の核融合反応を発生させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  震災後、特に原子力発電の有用性や安全性、放射能汚染等の問題が注目されている。また火力発電における二酸化炭素の排出を抑えて、化石資源に依存しない持続可能な社会を構築するためには、再生可能エネルギーの有効利用が必須である。特に再生可能エネルギーの中でも最も膨大である太陽エネルギーの利用は非常に重要であるが、その利用技術は限定されている。太陽エネルギーの利用としては、例えば、太陽光発電、太陽熱、バイオマス、人口光合成等がある。【０００３】  水素は、二酸化炭素を排出しないクリーンなエネルギーに転換することができる。水素は酸素と反応して、電力と熱と水を発生する。水素は、エネルギーを生み出す効率が高く、用途は自動車から発電設備の燃料まで幅広い。酸化物半導体を用いた光触媒や光電極で水を直接分解して、水素と酸素を製造する太陽光水素製造技術は低コストであり、将来の水素社会実現に向けて活発に研究が推進されている。【０００４】  光触媒分野では、様々な光触媒材料（酸化物半導体）が研究されている。酸化チタンは低コストで、光電極や光触媒の材料として太陽エネルギー変換材料への応用が注目されている。ＴｉＯ２光触媒反応は、３５０ｎｍの波長の光（紫外線）が有効であるという特徴をもっている。しかしながら、太陽光には紫外線は僅かしか含まれておらず、効率的なエネルギー変換のためには、太陽エネルギーの半分を占める可視光を利用することが不可欠である。酸化チタンを装飾して可視光応答性を持たせる研究は盛んに行われており、また、金属の表面を改質する研究も行われている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２５５８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  しかし、従来の触媒では水素を発生させる能力が低かった。即ち、従来の光触媒材料や光電極材料を用いて太陽エネルギーを水素エネルギーに変換する効率は低く、高性能システムの開発が熱望されている。【０００７】  本発明は、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを利用してレアメタルを剥離する方法、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置、及び、重水素の核融合反応を発生させる方法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】
【０００８】  請求項１に記載の発明は、水中に浸漬させた噴射ノズルからウォータージェットを噴射させると共に、前記ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させる、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。【０００９】  請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記流動キャビテーションの移動速度は、５ｍ／ｓ以下であることを特徴とする。【００１０】  請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記超音波の周波数は、２０ｋＨｚ以上３３ｋＨｚ以下であることを特徴とする。【００１１】  請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２において、前記超音波を照射する超音波照射素子から前記ウォータージェットまでの距離は、前記超音波の５波長以下であることを特徴とする。【００１２】  請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、前記噴射ノズルから噴射される前記ウォータージェットを被衝突物に衝突させることによって前記被衝突物の周辺に生じる２次噴流の流動キャビテーションに対して、前記超音波を照射することにより、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を、前記被衝突物の周辺に発生させることを特徴とする。【００１３】  請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれかにおける、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを、物質に衝突させて、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法である。【００１４】  請求項７に記載の発明は、請求項６において、前記物質は、ルチル型又はアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン、白金、及び、酸化ニッケルのうちから選択された少なくとも１つにより構成され、前記酸化チタンの粒子は、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の粒径を有し、前記白金、又は、前記酸化ニッケルの粒子は、０．１μｍ以上８５μｍ以下の粒径を有することを特徴とする。【００１５】  請求項８に記載の発明は、請求項６において、前記物質の表面において、ガス吸着が少なく、耐酸化性及び耐食性が高い不活性表面を生成することを特徴とする。【００１６】  請求項９に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれかにおける、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを、レアメタルが蒸着された被覆物の表面に衝突させて、前記被覆物の表面から前記レアメタルを剥離する方法である。【００１７】  請求項１０に記載の発明は、水中に浸漬されウォータージェットを噴射する噴射ノズルと、前記ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させる超音波照射素子と、を備える、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置である。【００１８】  請求項１１に記載の発明は、重水もしくは重水素を含む液体に浸漬させた噴射ノズルから重水もしくは重水素を含む液体を噴射させると共に、前記重水もしくは重水素を含む液体の噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させ、キャビテーションの崩壊により重水素の核融合反応を発生させる方法である。
【発明の効果】
【００１９】  本発明によれば、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、及び、発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを利用してレアメタルを剥離する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法を示す概略図である。
【図２】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法におけるブレーク閾値と平衡半径との関係を示すグラフである。
【図３】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法におけるブレーク閾値と流速との関係を示すグラフである。
【図４】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法における共鳴周波数と気泡半径との関係を示すグラフである。
【図５】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。
【図６】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。
【図７】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。
【図８】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。
【図９】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。
【図１０】流動キャビテーションにより、白金が付着した状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。
【図１１】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法により表面処理された酸化チタン粉末等について、Ｑマス装置（四重極質量分析計（ＱＭＳ）装置）１００を用いて効果の試験をする様子を示す概略図である。
【図１２】本発明による実施形態２の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法を示す概略図である。
【図１３】本発明による実施形態４のレアメタルの剥離方法により、ＩＴＯ膜が部分的に剥離された様子を示す電子顕微鏡写真である。
【図１４】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験におけるブレーク閾値と流速との関係を示すグラフである。
【図１５】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が４．５ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。
【図１６】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が２１ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。
【図１７】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が８０ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。
【図１８】本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が１２０ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】  以下、本発明に係る、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法の実施形態について説明する。まず、実施形態１について説明する。
【００２２】（実施形態１）  図１は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法を示す概略図である。
【００２３】  図１に示すように、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法を実施するための機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置１は、リアクター１０と、噴射ノズル２０と、超音波照射素子３０とを有している。リアクター１０には、水道水Ｗ１が貯留されている。
【００２４】  噴射ノズル２０は、高圧水供給源（図示せず）に接続されている。噴射ノズル２０の吐出口は、リアクター１０に貯留されている水道水Ｗ１に浸漬されている。高圧水供給源（図示せず）から供給される高圧水Ｗ２は、吐出口からリアクター１０に貯留されている水道水Ｗ１へ、高圧のウォータージェットとして噴射される。高圧水Ｗ２の圧力は、１ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下である。
【００２５】  高圧水Ｗ２の圧力が１ＭＰａ未満では、適度に高圧のウォータージェットを得ることができず、機械的及び電気化学的キャビテーション（以下、「機能性キャビテーションＭＦＣ（Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ  Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）」と言う）の核が発生しにくく、機能性キャビテーションＭＦＣを適度に得ることができないからである。また高圧水Ｗ２の圧力が７０ＭＰａを超えると、ウォータージェットの圧力が高すぎて、機能性キャビテーションＭＦＣの核が膨張しにくいため、機能性キャビテーションＭＦＣを適度に得ることができないからである。特に、３ＭＰａ以上であれば、機能性キャビテーションＭＦＣを容易に発生させるためのウォータージェットを噴射可能である。ここで、「機械的及び電気化学的キャビテーション（機能性キャビテーションＭＦＣ）」とは、酸化チタン等の物質の表面を多孔質状とする等の、物質の表面の幾何学的形状を変化させる、機械的な表面改質の作用を及ぼすのみならず、水を水素と酸素とに分解するときのバンドギャップを低減する等の、電気化学的な表面改質作用を及ぼすことが可能なキャビテーションを意味する。
【００２６】  噴射ノズル２０は、オリフィス部２１と、混合室２２と、ホーン部２３とを有している。オリフィス部２１は、円筒形状を有している。オリフィス部２１の上流側の端部は、高圧水供給源（図示せず）に連通している。オリフィス部２１には、高圧水供給源（図示せず）から供給される高圧水Ｗ２が流入する。
【００２７】  混合室２２の上流側の端部は、オリフィス部２１の下流側の端部に接続されている。混合室２２は、オリフィス部２１よりも僅かに拡径しており、混合室２２には、内径が１ｍｍ〜４ｍｍ程度の物質流入流路２４が連通している。混合室２２には、オリフィス部２１から高圧水Ｗ２が流入すると共に、物質流入流路２４を通した副流により、酸化チタンの粉末（ＴｉＯ２）、白金（Ｐｔ）、酸化ニッケル（ＩＩ）（ＮｉＯ）の粉末Ｍ１が流入する。
【００２８】  物質流入流路２４を通した副流により流入する酸化チタンは、ルチル型又はアナターゼ型の結晶構造を有する。また、酸化チタンの粒子は、１０μｍ以下の粒径を有しており、好ましくは、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の粒径を有している。粒径が１０μｍを超えると、粒径が大きすぎて、酸化チタンの粒子の表面を微細化して多孔質構造とする表面改質をすることが困難になる。表面改質を効率的に行うためには、酸化チタンの粒径が小さいことが好ましく、より効率的に表面改質を行うためには、粒径が４００ｎｍ以下であることが好ましい。また、酸化チタンの粒子の粒径が１００ｎｍ未満の場合には、粒子が小さすぎて効率的に表面改質を行うことが困難となる。  また、白金、酸化ニッケル（ＩＩ）の粒子は、０．１μｍ以上８５μｍ以下の粒径を有している。白金、酸化ニッケル（ＩＩ）の粒子についても、酸化チタンの場合と同様に、表面改質を効率的に行うためには、粒径が小さいことが好ましい。白金、酸化ニッケル（ＩＩ）の粒径が８５μｍを超える場合には、白金、酸化ニッケル（ＩＩ）の表面改質を効率的に行うことが困難となる。白金、酸化ニッケル（ＩＩ）の粒径が０．１μｍ未満の場合には、粒子が小さすぎて、表面を微細化して多孔質構造とする表面改質を効率的に行うことが困難となる。
【００２９】  ホーン部２３の上流側の端部は、混合室２２の下流側の端部に接続されている。ホーン部２３は、ホーン部２３の先端（ホーン部２３の下流側の端部により構成される噴射ノズル２０の吐出口）に向かって、テーパー状に拡径する。従って、噴射ノズル２０は、ホーンノズルにより構成されている。ホーン部２３の先端の最大直径は０．８ｍｍ〜２ｍｍ程度である。以上のような構成を有する噴射ノズル２０は、リアクター１０に貯留された水道水Ｗ１の中で、ウォータージェットを噴射し、これに伴い、水道水Ｗ１の中で流動キャビテーションを発生させる。
【００３０】  超音波照射素子３０は、駆動制御装置（図示せず）に電気的に接続されており、鉛直下方へ噴射されるウォータージェットに対して、水平の方向からウォータージェットに対して超音波Ｕ１を照射する。超音波照射素子３０は、駆動制御装置からの出力により、リアクター１０に貯留された水道水Ｗ１の中で、超音波Ｕ１を照射する。照射される超音波Ｕ１の周波数は、２０ｋＨｚ以上３３ｋＨｚ以下である。
【００３１】  照射される超音波Ｕ１の周波数が２０ｋＨｚ未満では、周波数が低すぎて、超音波Ｕ１の効果を得ることができないからである。照射される超音波Ｕ１の周波数が１００ｋＨｚを超えると、周波数が高すぎて、超音波Ｕ１の効果を得ることができず、また、３３ｋＨｚを超えると、気泡半径を等温膨張・断熱圧縮させやすい共鳴半径から離れてしまい、気泡半径を等温膨張・断熱圧縮させにくくなるからである。より好ましくは、２８ｋＨｚ近辺である。気泡半径と、超音波Ｕ１の周波数との関係については後述する。
【００３２】  また、照射される超音波Ｕ１の超音波出力定格値は、１００Ｗ以上３００Ｗ以下である。照射される超音波Ｕ１の超音波出力定格値が１００Ｗ未満では、超音波Ｕ１の出力が弱すぎて、キャビテーションの核の膨張・収縮による圧壊を十分に行うことができないからである。照射される超音波Ｕ１の超音波出力定格値が３００Ｗを超えると、超音波Ｕ１の出力が強い割には、効果的なキャビテーションの核の膨張と、収縮による圧壊とを行うことができず、出力を大きくする意味がないためである。  即ち、気泡振動（キャビテーションの核への振動）の共振周波数を与える半径を、共鳴半径と呼ぶが、音圧（超音波出力）が大きいと、共鳴半径以上では、キャビテーションの核はあまり膨張せず、レイリー収縮（断熱圧縮）を生じさせない。一方、音圧をＢｌａｋｅ閾値とする（等温膨張に必要な音圧とする）気泡半径以下でも、気泡の膨張は小さくなる。これらのことから、一般にレイリー収縮を起こすような活性な気泡の平衡半径は、Ｂｌａｋｅ閾値と共鳴半径の間にあるためである。
【００３３】  超音波照射素子３０は、リアクター１０に貯留された水道水Ｗ１において、噴射ノズル２０が噴射するウォータージェットから、超音波照射素子３０から照射される超音波Ｕ１の５波長分の距離以下の距離で離れた位置に配置される。具体的には、照射される超音波Ｕ１の周波数が２８ｋＨｚの場合には、噴射ノズル２０が噴射するウォータージェットから約５４ｍｍ以下で離れた位置に配置される。超音波照射素子３０から照射される超音波Ｕ１の５波長分の距離を超えると、超音波Ｕ１の強度が低下し、機能性キャビテーションＭＦＣの核が膨張している状態から収縮する状態に移らずに、機能性キャビテーションＭＦＣによる物質の表面改質の効果を十分に得ることができないからである。
【００３４】  また、超音波照射素子３０は、噴射ノズル２０から離間した位置であって、流動キャビテーションが膨張可能な、流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置にある流動キャビテーションに対して、超音波Ｕ１を照射する。これにより、高温反応場を含んだ流動キャビテーションの高温反応場を噴射ノズル２０から離間した位置に分布させる。ここで所定の移動速度とは、５ｍ／ｓである。
【００３５】  所定の移動速度は、以下のようにして求められる。  水蒸気圧をｐｖとし、雰囲気圧をｐｏとし、表面張力をσとし、平衡半径をＲ０としたときに、キャビテーションの核が膨張するために必要な最小圧力は、以下の式により求められる。【数１】
2016136656.tif 000003
気泡が表面張力σに打ち勝って大きく膨張するための条件は、以下のとおりである。
【数２】
2016136656.tif 000004
【００３６】  超音波Ｕ１の周波数が低い（２０ｋＨｚ程度の）場合、ブレーク閾値ＡＢｌａｋｅと平衡半径Ｒｏとの関係は、図２のグラフに示すとおりである。図２は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法におけるブレーク閾値と平衡半径との関係を示すグラフである。  図２に示すグラフより、平衡半径が１μｍより大きい場合には、ブレーク閾値は１ｂａｒ（大気圧）に等しくなり、容易に膨張させることが可能になる。ここで、液体密度をρとし、液体の流速をνとし、振動速度をν０として、ベルヌーイの定理を用いると、気泡膨張に必要な音圧は、【数３】
2016136656.tif 000005
で表される。
【００３７】  気泡半径が１００μｍの場合の，ブレーク閾値ＡＢｌａｋｅと流速νとの関係は、図３のグラフに示すとおりである。図３は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法におけるブレーク閾値と流速との関係を示すグラフである。  図３に示すグラフより、流速νが４．５２ｍ／ｓのときに、ノズルから離間した位置において、ブレーク閾値ＡＢｌａｋｅは１ｂａｒに等しくなる。このように、液体の流速、即ち、流動キャビテーションの流速が、所定の移動速度である５ｍ／ｓ以下になる位置においては、音圧が低くてもキャビテーションの核は膨張することができることが分かる。図３に示すように、流動キャビテーションの流速が、所定の移動速度である５ｍ／ｓを超える位置の辺りからブレーク閾値ＡＢｌａｋｅは急に大きくなり、噴射ノズル２０に近づいて流動キャビテーションの流速が高くなる程、ブレーク閾値ＡＢｌａｋｅは大きくなり、キャビテーションの核を膨張させるためには、大きな音圧が必要になることが分かる。
【００３８】  水中で超音波の波長より十分に小さい半径Ｒの気泡球が振動速度で振動している場合を考える。複数の気泡が相互に作用せずに振動する場合に、ρを水の密度とし、Ｐ０を雰囲気圧とし、γを比熱比とし、Ｒ０を気泡半径とすると、気泡振動の共振周波数（共鳴周波数）を与える以下のミンナルトの式が知られている。【数４】
2016136656.tif 000006
【００３９】  上記式において、Ｐ０＝１０５Ｐａとし、γ＝１．４として、共振周波数を計算した結果は、図４のグラフに示すとおりである。図４は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法における共鳴周波数と気泡半径との関係を示すグラフである。  ウォータージェットキャビテーションのサイズである１００μｍ以上の気泡では、共振周波数は３３ｋＨｚ以下となり、例えば、超音波照射素子３０から照射される超音波Ｕ１の周波数を２８ｋＨｚとすることより，気泡を膨張させ活性化するのに有効であると考えられる。
【００４０】  以上の構成を有する装置１が用いられて、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法は、以下のとおり実施される。  噴射ノズル２０は、リアクター１０に貯留されている水道水Ｗ１に浸漬された状態で、高圧水Ｗ２を水道水Ｗ１に対して噴射することによるウォータージェットを噴射する。これにより、ウォータージェットにおいて循環渦が発生する。循環渦においては核（キャビテーション核）が発生する。核の中心の圧力が、ウォータージェットの温度における飽和蒸気圧に達すると、流動キャビテーションが発生する。
【００４１】  このとき、超音波照射素子３０は、ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して超音波Ｕ１を照射している。これにより、流動キャビテーションにおいて圧力の高低が繰り返し生ずる。このため、核の発生と、核の拡散及び膨張と、核の圧壊と、核の発生と、が繰り返し行われる。そして、この繰り返しの中で、核の拡散及び膨張と、核の発生と、が一致することにより、高温反応場（ホットスポット）を含んだ流動キャビテーション、即ち、機能的作用と電気化学的作用との両方を有するキャビテーション（機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣ）が発生する。
【００４２】  機能性キャビテーションＭＦＣは、圧壊し始めると、物質としての酸化チタンや白金等に近づく。そして、体積減少を起こし、物質の表面に突き刺さるような高速ジェット（マイクロジェット）を生成する。この機能性キャビテーションＭＦＣによる高速ジェット（マイクロジェット）は、物質流入流路２４を通した副流によりウォータージェットに流入した酸化チタンの粉末や白金の粉末等に衝突する。これにより、酸化チタン及び白金等の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる、マイクロジェットによる機械的及び電気化学的な表面改質が施される。
【００４３】  このように、流動キャビテーションを超音波Ｕ１により膨張・収縮させることにより生ずる、高温反応場を含んだ流動キャビテーションの高温反応場は、前述のように、超音波照射素子３０は、ウォータージェットの噴射に対して超音波Ｕ１を照射しているため、ウォータージェットの噴出方向における噴射ノズル２０の先方に分布する。
【００４４】  次に、本実施形態により機能性キャビテーションＭＦＣを発生させて、酸化チタン粉末の表面改質を行った。酸化チタンの表面に対して機械的及び電気化学的な表面改質を施して得られた結果は、図５〜図９に示すとおりである。  図５は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。図６は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。図７は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。図８は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。図９は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。
【００４５】  機能性キャビテーションＭＦＣを発生させる際の条件は、以下のとおりである。 （機能性キャビテーションＭＦＣ発生条件）高圧水供給源から噴射ノズル２０へ供給される高圧水の圧力  ：  ３５ＭＰａ超音波Ｕ１の照射及びウォータージェットの噴射時間  ：  ２分超音波Ｕ１の周波数  ：  ２８ｋＨｚ超音波出力定格値  ：  ２２５Ｗウォータージェットから超音波照射素子３０までの距離  ：  ５４ｍｍ 
【００４６】  図５〜図９に示すように、機械的及び電気化学的な表面改質が施された酸化チタンの表面は、多孔質状とされており、ｎｍ（ナノメートル）サイズの多数の深い孔が形成されていることが分かる。また、図５において矢印で示すように、白金の粒子（白い部分）は、酸化チタン（濃いグレーの部分）に包み込まれるような状態で、酸化チタンに坦持されていることが分かる。図６〜図９においても、同様の状態が生じていることが分かる。
【００４７】  これに対して、超音波Ｕ１を照射しないことを除いて、同一の条件下で、ウォータージェットによる流動キャビテーションによる酸化チタンの表面改質により得られた結果は、図１０に示すとおりである。図１０は、流動キャビテーションにより、白金が付着した状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。  図１０に示すように、流動キャビテーションによる表面改質が行われた酸化チタンの表面は、図５〜図９に示す程の多孔質状を有していないことが分かる。また、白金の粒子は、酸化チタンの表面に付着しているような状態であり、白金の粒子が酸化チタンに包み込まれるようにして酸化チタンに坦持されている状態とは大きく異なることが分かる。
【００４８】  次に、本実施形態により機能性キャビテーションＭＦＣにより、上述のように表面改質された酸化チタン粉末等を用いて、水を分解して水素及び酸素の生成を行った。具体的には、水の分解においては、表面改質された酸化チタン粉末等（本発明品１〜本発明品４、比較品１〜比較品４、従来品）を水道水に浸漬させ、これを図１１に示すＱマス装置（四重極質量分析計（ＱＭＳ）装置）１００における低真空中に配置した。図１１は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法により表面処理された酸化チタン粉末等について、Ｑマス装置（四重極質量分析計（ＱＭＳ）装置）１００を用いて効果の試験をする様子を示す概略図である。そして、可視光Ｌ１、又は、紫外線Ｌ１をこれらの粉末にそれぞれ１時間照射し、発生する水素、酸素の量を測定した。
【００４９】  Ｑマス装置１００は、メイン真空室１１１と、四重極質量分析計１２１と、電離真空計１２２と、弁１２３、１２４と、ターボ分子ポンプ１２５と、ロータリーポンプ１２６とを有している。メイン真空室１１１に配置された石英ガラス１１２上に、水道水に浸漬された酸化チタン粉末等（本発明品１〜本発明品４、比較品１〜比較品４、従来品）が配置される。
【００５０】  四重極質量分析計１２１及び電離真空計１２２は、メイン真空室１１１に連通しており、四重極質量分析計１２１及び電離真空計１２２とメイン真空室１１１との間には、弁１２３が接続されている。また、四重極質量分析計１２１、電離真空計１２２、及び、メイン真空室１１１には、弁１２４を介して、ターボ分子ポンプ１２５と、ロータリーポンプ１２６とがこの順で連通している。
【００５１】  メイン真空室１１１には、予め内部標準物質としてヘリウム又はアルゴンを一定量注入しておく。そして、弁１２３、１２４を適量開いて、ターボ分子ポンプ１２５により、一定の量の排気を行う。そして、表面改質された酸化チタン粉末等（本発明品１〜本発明品４、比較品１〜比較品４、従来品）に対して可視光又は紫外線を１時間照射する。この間、メイン真空室１１１においてイオン化された水素、酸素それぞれについての電流値を、四重極質量分析計１２１において測定した。そして、水分子（Ｈ２Ｏ）からの水素（Ｈ）のパターン係数に基づき、水分子の水素（Ｈ）の奇与分を差し引くことにより、水の分解により発生した水素（Ｈ２）の生成速度及び、酸素（Ｏ２）の、単位時間当たりの生成速度を測定した。水の分解による水素及び酸素の生成に用いられた本発明品１〜本発明品４、比較品１〜比較品４、従来品は、以下のとおりである。
【００５２】  本発明品１は、前述の実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末をウォータージェットに流入させて、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。表面改質は、本実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により行った。
【００５３】  また、本発明品２は、前述の実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、１００重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末をウォータージェットに流入させて、この物質の表面改質を行って得られたものである。表面改質は、本実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により行った。
【００５４】  また、本発明品３は、前述の実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の酸化ニッケル（ＩＩ）（ＮｉＯ）の粉末をウォータージェットに流入させて、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。表面改質は、本実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により行った。
【００５５】  また、本発明品４は、前述の実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、９０．９重量％のアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末をウォータージェットに流入させて、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。表面改質は、本実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により行った。
【００５６】  また、比較品１は、前述の実施形態１の装置を用いて、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末を水道水Ｗ１に流入させて、これらに対して超音波Ｕ１を２分間照射した後、ウォータージェットによる流動キャビテーションに２分間晒すことにより、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。
【００５７】  また、比較品２は、前述の実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末をウォータージェットに流入させて、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。表面改質は、この酸化チタンの粉末及び白金の粉末を、実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、ウォータージェットに流入させて、ウォータージェットによる流動キャビテーションに２分間晒した後に、本実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションで用いられた超音波Ｕ１を、酸化チタンの粉末及び白金の粉末に対して２分間照射することにより行った。
【００５８】  また、比較品３は、前述の実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末をウォータージェットに流入させて、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。表面改質は、この酸化チタンの粉末及び白金の粉末を、実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、ウォータージェットに流入させて、ウォータージェットによる流動キャビテーションのみに２分間晒すことにより行った。
【００５９】  また、比較品４は、前述の実施形態１の装置を用いて、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末を水道水Ｗ１に混入させて、超音波Ｕ１を照射することにより行った。表面改質は、本実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションで用いられた超音波Ｕ１のみを、酸化チタンの粉末及び白金の粉末に対して２分間照射することにより行った。
【００６０】  また、従来品は、９９．９重量％のアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び０．１重量％の白金の粉末に対して、高圧水銀灯を用いて紫外線を照射しながら、回転子（攪拌子）を用いてスターラー攪拌を行うことにより、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。攪拌時間は、８時間である。
【００６１】  また、上述の本発明品１〜本発明品４、比較品１〜比較品４、従来品については、いずれも質量は１．０ｇである。結果は、可視光照射については、表１に示すとおりであり、紫外線照射については、表２に示すとおりである。
【００６２】
【表１】
2016136656.tif 000007
【表２】
2016136656.tif 000008
【００６３】  表１に示すように、従来品では、可視光を照射しただけでは、水の分解による水素及び酸素を得ることはできなかった。これに対して、本発明品１〜本発明品４のいずれにおいても、可視光の照射により、水の分解による水素及び酸素を得ることができることが分かる。
【００６４】  また、表１に示すように、本発明品１〜本発明品３においては、酸化チタン（ＴｉＯ２）のみにより構成される本発明品２や、酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の酸化ニッケル（ＩＩ）（ＮｉＯ）の粉末により構成される本発明品３よりも、酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末により構成されている本発明品１の方が、遙かに大量の、水の分解による水素及び酸素を得ることができることが分かる。
【００６５】  また、表１に示すように、本発明品１、本発明品４においては、アナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタンを有する本発明品４よりも、ルチル型の結晶構造を有する酸化チタンを有する本発明品１の方が、より多くの、水の分解による水素及び酸素を得ることができることが分かる。
【００６６】  また、表１に示すように、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末により構成される本発明品１、比較品１〜比較品４においては、機能性キャビテーションＭＦＣにより表面改質が行われた本発明品１は、機能性キャビテーションＭＦＣによる表面改質が行われていない比較品１〜比較品４に対して、３倍以上の、水の分解による水素及び酸素を得ることができることが分かる。
【００６７】  また、表２に示すように、従来品では、紫外線の照射により得られる、水の分解による水素及び酸素の量は僅かである。これに対して、本発明品１〜本発明品４のいずれにおいても、紫外線光の照射により得られる、水の分解による水素及び酸素の量は、従来品よりも遙かに多いことが分かる。特に、本発明品１では、従来品と比較して、２５倍以上の水素を得られることが分かる。
【００６８】  また、表２に示すように、本発明品１〜本発明品３においては、酸化チタン（ＴｉＯ２）のみにより構成される本発明品２や、酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の酸化ニッケル（ＩＩ）（ＮｉＯ）の粉末により構成される本発明品３よりも、酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末により構成されている本発明品１の方が、遙かに大量に、水の分解による水素及び酸素を得ることができることが分かる。
【００６９】  また、表２に示すように、本発明品１、本発明品４においては、紫外線を照射した場合には、水素については可視光を照射した場合とは逆の結果が得られることが分かる。具体的には、アナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタンを有する本発明品４の方が、ルチル型の結晶構造を有する酸化チタンを有する本発明品１よりも、より多くの、水の分解による水素を得ることができることが分かる。酸素については、可視光を照射した場合と同様の結果が得られることが分かる。
【００７０】  また、表２に示すように、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末により構成される本発明品１、比較品１〜比較品４においては、機能性キャビテーションＭＦＣにより表面改質が行われた本発明品１は、機能性キャビテーションＭＦＣによる表面改質が行われていない比較品１〜比較品４に対して、３倍以上の、水の分解による水素及び酸素を得ることができることが分かる。
【００７１】  上述した実施形態１の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法によれば、以下のような効果を奏する。前述のように、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法は、水中に浸漬させた噴射ノズル２０からウォータージェットを噴射させると共に、ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、流動キャビテーションが膨張可能な、流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波Ｕ１を照射して、超音波Ｕ１の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ流動キャビテーションの高温反応場を噴射ノズル２０から離間した位置に分布させる。
【００７２】  上記構成により、超音波Ｕ１の照射により、流動キャビテーションの核の拡散・膨張の後に核が収縮し圧壊する際に、体積減少を起こして、酸化チタン等の物質の固体表面に突き刺さるような高速ジェットを発生させて、酸化チタン等の物質の表面改質を促進させることができる。これにより、例えば、酸化チタンの表面を多孔質状にすることができ、また、多孔質状とされた酸化チタンの表面に、白金の粒子が酸化チタンに包み込まれるような状態で、白金を酸化チタンに坦持されている状態とすることができる。また、紫外線のみならず、可視光によっても、効果的に水を水素と酸素とに分解することができる光触媒を得ることができる。
【００７３】  また、流動キャビテーションの移動速度は、５ｍ／ｓ以下である。この構成により、ブレーク閾値ＡＢｌａｋｅを１ｂａｒ（大気圧）に等しくすることができ、キャビテーションの核を容易に膨張させることが可能になる。
【００７４】  また、超音波Ｕ１の周波数は、２０ｋＨｚ以上３３ｋＨｚ以下である。この構成により、ウォータージェットキャビテーションのサイズである１００μｍ以上の気泡の共振周波数と同様の周波数の超音波Ｕ１を、流動キャビテーションに対して照射することができる。この結果、キャビテーションの核を容易に膨張させることが可能になる。これにより、超音波Ｕ１の周波数帯域のうちのいずれかの周波数を用いて、機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法を実施することができる。
【００７５】  また、超音波Ｕ１を照射する超音波照射素子３０からウォータージェットまでの距離は、超音波Ｕ１の５波長以下である。この構成により、超音波Ｕ１を十分な強度でウォータージェットに対して照射することができる。この結果、機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを効果的に発生させることができる。
【００７６】  また、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法では、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを、物質としての酸化チタン及び白金に衝突させる。
【００７７】  上記構成により、機能性キャビテーションＭＦＣにより酸化チタン及び白金の表面を多孔質として、機械的に（幾何学的に）変化させることが可能であることのみならず、バンドギャップを低減してバンド構造を変化させ、エネルギー変換効率を向上させることができる。  即ち、半導体電極として酸化チタン（ＴｉＯ２）、金属電極として白金（Ｐｔ）を用い、半導体電極に紫外線を照射すると、本多−藤嶋効果により、半導体電極から酸素（Ｏ２）が発生し、金属電極から水素（Ｈ２）が発生する。このとき金属電極には、−０．５Ｖ程度の外部バイアス電圧をかける必要があったが、水の理論電解電圧１．２３Ｖよりも遥かに低い電圧で、水が水素と酸素とに分解される。  機能性キャビテーションＭＦＣによる表面処理を酸化チタンにより構成される半導体電極や白金により構成される金属電極に施すと、バイアス電圧なしで水の光分解を起こすことが可能となる。また紫外線の照射のみならず、可視光（太陽光）の照射によっても、高いエネルギー変換効率で水素を発生させることが可能となる。また、機能性キャビテーションＭＦＣによる物質の表面改質による高機能化を、酸化チタンや白金のみならず、他分野の物質にも適用可能である。
【００７８】  また、物質は、ルチル型又はアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン、白金、及び、酸化ニッケル（ＩＩ）のうちから選択された少なくとも１つにより構成される。酸化チタンの粒子は、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の粒径を有する。白金、又は、酸化ニッケル（ＩＩ）の粒子は、０．１μｍ以上８５μｍ以下の粒径を有する。この構成により、光触媒による水の水素と酸素とへの分解を行う際の半導体電極及び金属電極として、エネルギー変換効率の高い半導体電極及び金属電極を構成することができる。
【００７９】（実施形態２）  次に、本発明に係る機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法について説明する。実施形態２では、ウォータージェットが被衝突物に対して噴出され衝突される点において、実施形態１とは異なる。これ以外の点については、実施形態１と同一であるため、同一の部材については、同一の符号を付すこととし、説明を省略する。図１２は、本発明による実施形態２の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法を示す概略図である。
【００８０】  図１２に示すように、被衝突物４１Ａは、例えば、平坦な板状又は湾曲した板状のステンレス鋼により構成される。機能性キャビテーションＭＦＣ発生条件については、実施形態１と同一である。ウォータージェットは、図１２に示す被衝突物４１Ａの上面に対して噴出され衝突する。これより、被衝突物４１Ａの上側の周辺に２次噴流が発生し、ウォータージェットによる水の流動速度が弱められ、圧力が低下させられる。このように、流動速度が弱められ、圧力が低下させられたウォータージェットに対して、実施形態１と同様の超音波Ｕ１の照射が行われ、この結果、機能性キャビテーションＭＦＣが発生する。
【００８１】  上述した実施形態２の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法によれば、以下のような効果を奏する。前述のように、噴射ノズル２０から噴射されるウォータージェットを被衝突物４１Ａに衝突させることによって被衝突物４１Ａの周辺に生じる２次噴流の流動キャビテーションに対して、超音波Ｕ１を照射することにより、高温反応場を含んだ流動キャビテーションの高温反応場を、被衝突物４１Ａの周辺に発生させる。この構成により、ウォータージェットの圧力を適度に抑えることができ、この結果、機能性キャビテーションＭＦＣを高効率で発生させることができる。
【００８２】（実施形態３）  次に、本発明の実施形態３に係る、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法について説明する。実施形態３では、表面改質される物質として、酸化チタン及び白金に代えて、ガス吸着が少なく、高い耐酸化性及び耐食性が要求される物質が用いられる点において、実施形態１とは異なる。これ以外の点については、実施形態２と同一であるため、同一の部材については、同一の符号を付すこととし、説明を省略する。
【００８３】  表面改質される物質としては、例えば、炭素鋼ＳＳ４００により構成される板材が用いられる。炭素鋼ＳＳ４００により構成される物質である板材は、実施形態２における被衝突物４１Ａが配置された位置に、被衝突物４１Ａに代えて配置される。そして、物質流入流路２４が閉じられて副流が発生しない状態で、炭素鋼ＳＳ４００により構成される板材には、ウォータージェット噴流が衝突させられる。機能性キャビテーションＭＦＣ発生条件については、実施形態１と同一である。これにより、炭素鋼ＳＳ４００により構成される物質の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる、機能性キャビテーションＭＦＣによる機械的及び電気化学的な表面改質が施される。炭素鋼ＳＳ４００の板材においては、ステンレス並みに、ガス吸着が少なく、耐酸化性及び耐食性が高い不活性表面が生成される。
【００８４】  上述した実施形態３の、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法によれば、以下のような効果を奏する。前述のように、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法では、物質としての炭素鋼ＳＳ４００の表面において、ガス吸着が少なく、耐酸化性及び耐食性が高い不活性表面を生成する。このため、従来では、ガス吸着が多く、また、耐酸化性及び耐食性が低いために用いることができなかった物質を、ガス吸着が少なく、また、耐酸化性及び耐食性の高い物質として有効利用することができる。例えば、上述のように、安価な炭素鋼ＳＳ４００を、ガス吸着が少なく、耐酸化性及び耐食性の高い物質である高価なステンレス鋼に代えて用いることができる。
【００８５】（実施形態４）  次に、本発明の実施形態４に係る、レアメタルを剥離する方法について説明する。実施形態４では、液晶ディスプレイの透明電極に用いられるＩＴＯ膜に対して、機能性キャビテーションＭＦＣが作用する点において、実施形態３とは異なる。これ以外の点については、実施形態３と同一であるため、同一の部材については、同一の符号を付すこととし、説明を省略する。
【００８６】  ＩＴＯ膜は、酸化インジウム（ＩＩＩ）（Ｉｎ２Ｏ３）と酸化スズ（ＩＶ）（ＳｎＯ２）とが融合されて構成されており、ＩＴＯ膜の融点は、１８００Ｋ〜２２００Ｋ程度である。ＩＴＯ膜は、被覆物としてのガラス基板に蒸着させられて形成され、ＩＴＯ膜の厚さは９０ｎｍ程度であり、これにより、透明電極が構成されている。ガラス基板とともにＩＴＯ膜は、実施形態１の装置のリアクター１０に貯留されている水道水Ｗ１に浸漬させられる。そして、ガラス基板とともにＩＴＯ膜は、ウォータージェット及び超音波Ｕ１により発生する機能性キャビテーションＭＦＣに晒される。
【００８７】  機能性キャビテーションＭＦＣにＩＴＯ膜を晒すことにより得られた結果は、図１３に示す通りである。図１３は、本発明による実施形態４のレアメタルの剥離方法により、ＩＴＯ膜が部分的に剥離された様子を示す電子顕微鏡写真である。機能性キャビテーションＭＦＣの発生条件は、実施形態１と同一である。図１３に示すように、図１３の上側約３分の１の白い部分は、機能性キャビテーションＭＦＣに晒されていない。このため、ＩＴＯ膜がそのままガラス基板上に残留している。
【００８８】  これに対して下側約３分の２の部分は、機能性キャビテーションＭＦＣに晒されている。このため、この部分については、ＩＴＯ膜、及び、ガラス基板を構成するライムソーダガラス（ＳＯ２、ＮａＣＯ３、ＣａＣＯ３）の成分を含んだ微粒子が形成されている。ライムソーダガラスの融点は、約１２７０Ｋであることから、機能性キャビテーションＭＦＣにおいては、ライムソーダガラスの融点を超える高温に達しており、また、レアメタルであるＩｎ２Ｏ３とＳｎＯ２により構成されるＩＴＯ膜を、容易に剥離することができることが分かる。このため、機能性キャビテーションＭＦＣをレアメタル回収に有効的に活用することができることが分かる。
【００８９】  一方、実施形態１において超音波Ｕ１を照射しない流動キャビテーションのみに、ガラス基板とともにＩＴＯ膜を晒した場合には、ＩＴＯ膜は、ガラス基板から剥離されることはなく、全体において、図１３の上側約３分の１の部分と同様の状態のままであった。
【００９０】  上述した実施形態４の、レアメタルを剥離する方法によれば、以下のような効果を奏する。前述のように、レアメタルを剥離する方法では、実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを、レアメタルにより構成されるＩＴＯ膜が蒸着された被覆物としてのガラスの表面に衝突させて、ガラスの表面からＩＴＯ膜を剥離する。この構成により、高価であり、融点が高くガラス基板等の下地からの剥離が容易でないレアメタルにより構成されるＩＴＯ膜を、容易に下地から剥離して、回収することができる。
【００９１】  次に、上述した実施形態４において、噴射ノズル２０からＩＴＯ膜までの距離を変えることにより、流動キャビテーションの流速を変えて、ＩＴＯ膜の剥離を行った。具体的には、流動キャビテーションの流速が、図１４に示すように、それぞれ、（Ａ）５ｍ／ｓ、（Ｂ）２１ｍ／ｓ、（Ｃ）８０ｍ／ｓ、（Ｄ）１２０ｍ／ｓである位置に対して、超音波Ｕ１を照射し、ＩＴＯ膜が剥離される様子を観察した。機能性キャビテーションＭＦＣの発生条件は、実施形態１と同一である。図１４は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験におけるブレーク閾値と流速との関係を示すグラフである。
【００９２】  得られた結果は、図１５〜図１８に示すとおりである。図１５は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が４．５ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。図１６は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が２１ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。図１７は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が８０ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。図１８は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が１２０ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）写真である。
【００９３】  図１５に示すように、流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓの場合には、図１５の左側約３分の１の白い部分は、機能性キャビテーションＭＦＣに晒されていない。このため、ＩＴＯ膜がそのままガラス基板上に残留している。これに対して図１５の右側約３分の２の部分は、機能性キャビテーションＭＦＣに晒されている。このため、この部分については、ＩＴＯ膜、及び、ガラス基板を構成するライムソーダガラス（ＳＯ２、ＮａＣＯ３、ＣａＣＯ３）の成分を含んだ微粒子が形成されている。このため、レアメタルであるＩｎ２Ｏ３とＳｎＯ２により構成されるＩＴＯ膜を、容易に剥離することができることが分かる。
【００９４】  これに対して図１６に示すように、流動キャビテーションの流速が２１ｍ／ｓの場合には、ＩＴＯ膜が蒸着された被覆物としてのガラスの表面が、多孔質状に改質されているものの、流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓの場合のように、一様に、ＩＴＯ膜、及び、ガラス基板を構成するライムソーダガラス（ＳＯ２、ＮａＣＯ３、ＣａＣＯ３）の成分を含んだ微粒子が形成されるには至っておらず、ＩＴＯ膜を十分に剥離することができないことが分かる。
【００９５】  また、図１７に示すように、流動キャビテーションの流速が８０ｍ／ｓの場合には、ＩＴＯ膜が帯状に損傷しているものの、流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓの場合のように、一様に、ＩＴＯ膜、及び、ガラス基板を構成するライムソーダガラス（ＳＯ２、ＮａＣＯ３、ＣａＣＯ３）の成分を含んだ微粒子が形成されるには至っておらず、ＩＴＯ膜を十分に剥離することができないことが分かる。
【００９６】  また、図１８に示すように、流動キャビテーションの流速が１２０ｍ／ｓの場合には、部分的にＩＴＯ膜が損傷しているものの、流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓの場合のように、一様に、ＩＴＯ膜、及び、ガラス基板を構成するライムソーダガラス（ＳＯ２、ＮａＣＯ３、ＣａＣＯ３）の成分を含んだ微粒子が形成されるには至っておらず、ＩＴＯ膜を十分に剥離することができないことが分かる。
【００９７】（実施形態５）  次に、本発明の実施形態５に係る、重水素の核融合反応を発生させる方法について説明する。実施形態５では、水道水Ｗ１及び高圧水Ｗ２に代えて、重水、もしくは、重水素を含む液体が用いられる点において、実施形態１とは異なる。これ以外の点については、実施形態１と同一であるため説明を省略する。
【００９８】  重水、もしくは、重水素を含む液体に浸漬された噴射ノズル２０から重水、もしくは、重水素を含む液体を噴射させると共に、重水もしくは重水素を含む液体の噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓ以下になる位置に超音波照射素子３０から超音波Ｕ１を照射する。これにより、超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ流動キャビテーションの高温反応場を噴射ノズルから離間した位置に分布させ、当該分布した位置において、キャビテーションの崩壊により重水素の核融合反応を発生させる。
【００９９】  本発明に係る機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、レアメタルを剥離する方法、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置、及び、重水素の核融合反応を発生させる方法は、上述した実施形態１〜４の内容に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能である。
【０１００】  例えば、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法に用いられる装置の構成は、上述の実施形態の装置の構成に限定されない。例えば、噴射ノズルは、ホーンノズルにより構成されていたが、これに限定されない。例えば、他の形状を有するノズルにより構成されてもよい。また、例えば、超音波照射素子３０は、鉛直下方へ噴射されるウォータージェットに対して、水平の方向からウォータージェットに対して超音波Ｕ１を照射したが、この構成に限定されない。例えば、超音波Ｕ１は、ウォータージェットに対して平行に近い方向から照射してもよい。また、本実施形態では、水道水Ｗ１が用いられたが、これに限定されない。例えば、水中の次亜塩素酸ナトリウム等の不純物元素との反応を防止する必要がある場合には、水道水に代えて、超純水や純水を用いてもよい。例えば重水素の核融合反応を発生させる場合は、水道水に代えてアセトン等の有機溶剤を用いてもよい。
【０１０１】  また、実施形態２における機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法では、被衝突物４１Ａは、例えば、平坦な板状又は湾曲した板状のステンレス鋼により構成されたが、これに限定されない。また、実施形態３における物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法では、表面改質される物質としては、炭素鋼ＳＳ４００の板材が用いられたが、これに限定されない。また、実施形態４におけるレアメタルを剥離する方法では、ＩＴＯ膜がガラス基板から剥離されたが、これに限定されない。即ち、レアメタルは、ＩＴＯ膜に限定されず、また、被覆物は、ガラス基板に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】  本発明は、流動キャビテーションの高温反応場を利用する分野において利用可能であり、例えば、物質の表面を研磨したり、物質の表面を多孔化したりすることによって、物質の表面を改質する分野や、高温反応場における核融合反応の分野等において、広く応用可能である。
【符号の説明】
【０１０３】  １  機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置  ２０  噴射ノズル  ３０  超音波照射素子  ４１Ａ  被衝突物  ＭＦＣ  機能性キャビテーション（機械的及び電気化学的キャビテーション）  Ｕ１  超音波  Ｗ１  水道水  Ｗ２  高圧水
【図１】
2016136656.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2016136656.tif 000016
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2016136656.tif 000021
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年8月21日(2017.8.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に浸漬させた噴射ノズルからウォータージェットを噴射させると共に、前記ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓ以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させる、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
【請求項２】
前記超音波の周波数は、２０ｋＨｚ以上３３ｋＨｚ以下である請求項１に記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
【請求項３】
前記超音波を照射する超音波照射素子から前記ウォータージェットまでの距離は、前記超音波の５波長以下である請求項１に記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
【請求項４】
前記噴射ノズルから噴射される前記ウォータージェットを被衝突物に衝突させることによって前記被衝突物の周辺に生じる２次噴流の流動キャビテーションに対して、前記超音波を照射することにより、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を、前記被衝突物の周辺に発生させる請求項１〜請求項３のいずれかに記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを、物質に衝突させて、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法。
【請求項６】
前記物質は、ルチル型又はアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン、白金、及び、酸化ニッケルのうちから選択された少なくとも１つにより構成され、
前記酸化チタンの粒子は、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の粒径を有し、
前記白金、又は、前記酸化ニッケルの粒子は、０．１μｍ以上８５μｍ以下の粒径を有する、請求項５に記載の、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法。
【請求項７】
前記物質の表面において、ガス吸着が少なく、耐酸化性及び耐食性が高い不活性表面を生成する、請求項５に記載の、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法。
【請求項８】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを、レアメタルが蒸着された被覆物の表面に衝突させて、前記被覆物の表面から前記レアメタルを剥離する方法。
【請求項９】
水中に浸漬されウォータージェットを噴射する噴射ノズルと、
前記ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓ以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させる超音波照射素子と、を備える、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、レアメタルを剥離する方法、及び、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明は、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを利用してレアメタルを剥離する方法、及び、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置を提供することを目的とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、水中に浸漬させた噴射ノズルからウォータージェットを噴射させると共に、前記ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓ以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させる、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記超音波の周波数は、２０ｋＨｚ以上３３ｋＨｚ以下であることを特徴とする。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記超音波を照射する超音波照射素子から前記ウォータージェットまでの距離は、前記超音波の５波長以下であることを特徴とする。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、前記噴射ノズルから噴射される前記ウォータージェットを被衝突物に衝突させることによって前記被衝突物の周辺に生じる２次噴流の流動キャビテーションに対して、前記超音波を照射することにより、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を、前記被衝突物の周辺に発生させることを特徴とする。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかにおける、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを、物質に衝突させて、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法である。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記物質は、ルチル型又はアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン、白金、及び、酸化ニッケルのうちから選択された少なくとも１つにより構成され、前記酸化チタンの粒子は、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の粒径を有し、前記白金、又は、前記酸化ニッケルの粒子は、０．１μｍ以上８５μｍ以下の粒径を有することを特徴とする。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項５において、前記物質の表面において、ガス吸着が少なく、耐酸化性及び耐食性が高い不活性表面を生成することを特徴とする。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかにおける、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを、レアメタルが蒸着された被覆物の表面に衝突させて、前記被覆物の表面から前記レアメタルを剥離する方法である。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
請求項９に記載の発明は、水中に浸漬されウォータージェットを噴射する噴射ノズルと、前記ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓ以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させる超音波照射素子と、を備える、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置である。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
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