JP4159574B2 - 脱気装置およびこれを用いた超音波洗浄装置 - Google Patents

Description

本発明は、洗浄液中の溶存空気を除去するための脱気装置とこの脱気装置を用いた超音波洗浄装置に関するものである。

工業用洗浄装置では、部品や部材に付着した汚れ、バリなどをいかにきれいに除去して仕上げるかが重要な課題である。従来、このような洗浄装置の１つとして超音波洗浄装置が用いられている。

超音波洗浄装置は、洗浄液を満たした洗浄槽内に超音波発生器を取り付け、洗浄液中に浸漬した被洗浄物に向けて超音波を照射することにより、超音波の振動エネルギーによって被洗浄物表面に付着した汚れやバリなどを剥離除去するようにしたものである。

ところで、このような超音波洗浄装置の場合、超音波の音圧、すなわち超音波の振動エネルギーは洗浄液に含まれる溶存空気濃度に大きな影響を受けることが知られており、溶存空気が多いと超音波の伝播を妨げ、エネルギーロスを引き起こして音圧が低下し、洗浄力が低下する。そこで、従来より超音波洗浄装置に脱気装置を付設し、洗浄液中の溶存空気濃度を低減することにより、効率的で安定な洗浄を実現できるように工夫している。

上記脱気装置の例を挙げると、例えば特許文献１に記載のものがある。この特許文献１に記載の脱気装置は、空気のみを通す脱気膜を用いた膜式脱気装置の一例であって、密閉空間とされた脱気室内を脱気膜によって２室に仕切り、一方の室には脱気対象とする液を流すとともに、もう一方の室には真空ポンプをつないで負圧で引くことにより、液中の溶存空気を脱気膜を通して吸引除去するようにしたものである。

特開２０００４−２４９２１５号公報（全頁、全図）

しかしながら、上記従来の膜式脱気装置の場合、脱気膜が高価で装置のコストが高く、さらに、一定期間毎に脱気膜を交換したり、逆洗したりしなければならず、装置の維持管理に費用と手間がかかるという欠点があった。また、一般的に膜式脱気装置は水系の洗浄液にしか適用できず、炭化水素系や溶剤系の洗浄液には適用することが困難であった。

また、上記膜式脱気装置以外にも、真空式脱気装置やターボ式脱気装置が知られている。真空式脱気装置は、密閉した脱気槽内を一定量の洗浄液で満たし、槽の上部空間の空気を真空ポンプで引くことにより、洗浄液中の溶存空気を取り出して排出するようにしたものである。ターボ式脱気装置は、密閉された脱気槽内に一定量の洗浄液を満たした後、脱気槽へ流入する洗浄液の供給量を絞りながら脱気槽内の洗浄液を大きな流量で排出することにより、脱気槽の入り口側と出口側に圧力差を与え、この圧力差によって脱気槽内の洗浄液中の溶存空気を取り出して排出するようにしたものである。しかしながら、これらにも一長一短があり、脱気効率、コスト、装置の維持管理のすべてを同時に満足できるものではなかった。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的とするところは、脱気効率に優れ、コスト廉価で維持管理も容易な脱気装置と、この脱気装置を用いた超音波洗浄装置を提供することである。さらに、他の目的とするところは、特定の条件下で運転することにより、循環ポンプの出口側にマイクロバブル（直径１０〜数十μｍの微細な気泡）を発生させ、このマイクロバブルの存在下で被洗浄物の超音波洗浄を行なうようにした超音波洗浄装置を提供することである。

前述したように、従来の脱気装置は、脱気効率、コスト、維持管理のすべてを同時に満足できるものではなかった。そこで、これらの問題を解決すべく本発明者らは鋭意実験と研究を重ねた結果、構造簡単でありながら、高い脱気効率を有し、コストも廉価で維持管理も容易な脱気装置と、これを用いた超音波洗浄装置を開発したものである。

すなわち、請求項１記載の脱気装置は、洗浄液の通過する流路を備え、該流路の途中に流路の内腔断面積を狭めた絞り部を設け、前記流路を変形可能な弾性チューブで構成するとともに、該弾性チューブを押圧することによってチューブの内腔断面積を可変可能なチューブ断面積可変機構を付設し、該チューブ断面積可変機構の押圧動作によって前記絞り部を形成し、該絞り部の後方側でキャビテーション（急激な圧力変化による溶存空気の気泡化現象）を発生させることにより、洗浄液中の溶存空気を気泡化することを特徴とするものである。

上記脱気装置は、洗浄槽内の洗浄液を循環させる洗浄液循環路の経路途中に接続して用いられる。循環ポンプによって洗浄液が循環されると、脱気装置におけるキャビティーションによって洗浄液循環路を流れる洗浄液中の溶存空気が気泡化され、該気泡化した溶存空気は洗浄液とともに洗浄槽へ還流される。そして、気泡化した溶存空気は洗浄槽の液面から槽外へ排出されるものである。

請求項２記載の脱気装置は、前記請求項１記載の脱気装置において、前記流路を変形可能な弾性チューブで構成するとともに、該弾性チューブを押圧することによってチューブの内腔断面積を可変可能なチューブ断面積可変機構を付設し、該チューブ断面積可変機構の押圧動作によって前記絞り部を形成することを特徴とするものである。

変形可能な弾性チューブを用いているので、チューブ断面積可変機構によってチューブを押圧すると、押圧した部分が押し潰され、チューブの内腔断面積が小さくなって絞り部が形成される。このため、洗浄液がこの絞り部を通る際、その流速が速くなり、洗浄液の動圧が急激に上昇するとともに静圧が急激に低下する。一方、絞り部を通過すると、チューブ断面積が広がるために流速が遅くなり、洗浄液の動圧が急激に低下するとともに静圧が急激に上昇する。

弾性チューブの絞り部において上記のような急激な圧力変化が発生すると、絞り部の下流側でキャビテーションが発生し、洗浄液中に含まれている溶存空気は絞り部の下流側で気泡化する。気泡化された溶存空気は、洗浄液とともに超音波洗浄槽内に戻され、その浮力によって洗浄槽の液面へ向かって上昇していき、洗浄槽の液面から槽外へと排出される。

上記キャビテーションによる気泡の発生量は、絞り部の断面積によって変化し、断面積が小さいと絞り部での圧力変化が大きくなるため、気泡の発生量は多くなり、断面積が大きいと絞り部での圧力変化が小さくなるため、気泡の発生量は少なくなる。したがって、チューブ断面積可変機構によって弾性チューブの断面積を変えることにより、気泡の発生量を調節することができる。その結果、洗浄液の溶存空気濃度を制御し、溶存空気濃度を目的の値に調節することが可能となる。

上記構造の脱気装置は、洗浄液の圧力変化によるキャビテーションを利用したもので、構造が極めて簡単であり、廉価に提供することができる。また、洗浄液と接する弾性チューブをフッ素ゴムなどで構成すれば、水系の洗浄液だけに限らず、炭化水素系、溶剤系の洗浄液であっても使用することができ、極めて高い汎用性を有する。

請求項３記載の脱気装置は、前記請求項１記載の脱気装置において、前記流路を変形不可能な剛性パイプで構成し、該剛性パイプの適宜位置においてその径を絞ることにより、前記絞り部を形成したことを特徴とするもので、絞り部を可変不可能な固定式としたものである。

請求項４記載の脱気装置は、洗浄液の通過する流路を備え、該流路内に、流路中を流れる洗浄液の流れを妨げて乱流を発生させる障害物を配置し、該障害物の後方側でキャビテーションを発生させることにより、洗浄液中の溶存空気を気泡化することを特徴とするものである。

請求項５記載の脱気装置は、洗浄液を送給する循環ポンプのポンプ室入り口に径の小さな絞り部を形成し、該絞り部の後方側でキャビテーションを発生させることにより、洗浄液中の溶存空気を気泡化することを特徴とするものである。

請求項６記載の脱気装置は、洗浄液を送給する循環ポンプのプロペラの翼形を非対称形とし、回転するプロペラの周囲でキャビテーションを発生させることにより、洗浄液中の溶存空気を気泡化することを特徴とするものである。

請求項２記載の超音波洗浄装置は、前記各脱気装置を用いて洗浄液の脱気を行なうようにしたものであって、超音波発生器を付設された洗浄槽を備え、洗浄液によって満たされた洗浄槽内に被洗浄物を浸漬して超音波発生器から超音波を照射することにより、被洗浄物を超音波洗浄するようにした超音波洗浄装置において、前記洗浄槽内の洗浄液を循環ポンプによって吸引して所定の経路を循環させた後、再び洗浄槽内に戻すようにした洗浄液循環路を形成するとともに、該洗浄液循環路の経路途中に前記請求項１に記載の脱気装置を接続し、該脱気装置によって洗浄液循環路を流れる洗浄液中の溶存空気を気泡化し、該気泡化した溶存空気を洗浄液とともに洗浄槽内へ還流することにより、気泡化した溶存空気を洗浄槽の液面から槽外へ排出するようにしたことを特徴とするものである。

請求項３記載の超音波洗浄装置は、前記請求項２記載の超音波洗浄装置において、前記脱気装置の下流側に、バルブ開度を可変可能な空気供給手段を接続し、該空気供給手段を通じて洗浄液循環路を流れる洗浄液中に空気を供給可能としたことを特徴とするものである。

ところで、前述したように、超音波洗浄における超音波音圧は洗浄液の溶存空気濃度によって大きく変化する。一方、溶存空気濃度は、洗浄槽の形状（大気と接触する面積、水深など）、洗浄液の循環状態、洗浄液の温度、外気温、湿度などの状態量によって幅広い範囲に分布した状態となり、特定の状態量だけから超音波音圧を一義的に特定することは困難な場合がある。

そこで、本発明では、超音波洗浄装置における溶存空気濃度の制御に際し、超音波洗浄装置の入出力信号の時系列データをコンピュータなどを用いて解析し、当該超音波洗浄装置の入出力関係を溶存空気濃度、液温、流量、室温、湿度などの複数の状態量を入出力とする多変量自己回帰モデルとしてソフトウェア上で構築し、このソフトウェア上で構築した多変量自己回帰モデルに基づいて溶存空気濃度を制御することにより、超音波の音圧を最適状態に維持し、効率的で安定な超音波洗浄を実現した。

すなわち、請求項９記載の超音波洗浄装置は、前記請求項７または８記載の超音波洗浄装置において、少なくとも洗浄液の溶存空気濃度を含む複数の状態量の時系列データから当該超音波洗浄装置の入出力関係を示す多変量自己回帰モデルを構築し、該多変量自己回帰モデルに基づいて洗浄液の溶存空気濃度の制御を行なうようにしたことを特徴とするものである。

請求項１０記載の超音波洗浄装置は、前記請求項９記載の超音波洗浄装置において、前記多変量自己回帰モデルに学習機能を付与し、状態量の時系列データを定期的にあるいは必要なときに計測収集し、得られた時系列データによって従前の時系列データに基づいて構築された多変量自己回帰モデルを修正するようにしたことを特徴とするものである。

請求項４記載の超音波洗浄装置は、前記請求項２又は３に記載の超音波洗浄装置において、前記洗浄液循環路の洗浄液吸引口を洗浄槽上部側に開口するとともに、洗浄液吐出口を前記吸引口と反対側の槽壁の下部側に開口したことを特徴とするものである。

請求項５記載の超音波洗浄装置は、前記請求項２〜４のいずれかに記載の超音波洗浄装置において、循環ポンプを制御して洗浄液の循環量を変化させることにより洗浄槽内の洗浄液の流れを変え、洗浄槽内の溶存空気濃度を均一化するようにしたことを特徴とするものである。

請求項６記載の超音波洗浄装置は、前記請求項２〜５のいずれかに記載の超音波洗浄装置において、洗浄液の溶存空気濃度が２．５ｍｇ／ｌ以上となるように制御することを特徴とするものである。

請求項７記載の超音波洗浄装置は、前記請求項２〜５のいずれかに記載の超音波洗浄装置において、前記循環ポンプとしてプロペラ式のポンプを用いるとともに、洗浄液の溶存空気濃度を２．５〜３．５ｍｇ／ｌの範囲に制御することを特徴とするものである。

請求項１記載の脱気装置によれば、キャビーテーションを利用して洗浄液中の溶存空気を気泡として顕在化させ、洗浄液から分離排出するようにしたので、極めて簡単な構造でありながら、洗浄液中から溶存空気を簡単かつ確実に除去することができる。このため、脱気装置、ひいては超音波洗浄装置全体の構成を簡素化することができ、コスト低減を図ることができる。

請求項１記載の脱気装置によれば、変形可能な弾性チューブを用い、該弾性チューブをチューブ断面積可変機構で押圧することにより、任意の内腔断面積からなる絞り部を形成することができるので、洗浄液中の溶存空気の気泡化を自在に調節することができる。また、弾性チューブの材質としてフッ素ゴムなどを用いれば、水系の洗浄液に限らず、炭化水素系や溶剤系の洗浄液に対しても用いることができる。

請求項３記載の脱気装置によれば、変形不可能な剛性パイプを用い、該剛性パイプの適宜位置においてその径を絞ることにより、絞り部を形成したので、強度が高くて耐久性に優れた脱気装置を得ることができる。

請求項４記載の脱気装置によれば、流路中に洗浄液の流れを妨げて乱流を発生させる障害物を配置し、該障害物の後方側でキャビテーションを発生させることにより、洗浄液中の溶存空気を気泡化するようにしたので、加工の難しい絞り部が不要となり、脱気装置をより簡単に製造することができる。

請求項５記載の脱気装置によれば、循環ポンプのポンプ室入り口に径の小さな絞り部を形成し、該絞り部の後方側でキャビテーションを発生させることにより、洗浄液中の溶存空気を気泡化するようにしたので、脱気装置と循環ポンプを一体に構成することができ、本発明の脱気装置を用いた超音波洗浄装置の小型化を図ることができる。

請求項６記載の脱気装置は、循環ポンプのプロペラの翼形を非対称形とし、回転するプロペラの周囲でキャビテーションを発生させることによって洗浄液中の溶存空気を気泡化するようにしたので、脱気装置と循環ポンプを一体に構成することができ、本発明の脱気装置を用いた超音波洗浄装置の小型化を図ることができる。

請求項２記載の超音波洗浄装置よれば、上記請求項１記載の脱気装置を用いて洗浄槽の洗浄液の脱気を行うようにしたので、洗浄液中の溶存空気を確実に分離して脱気することができる。また、構造簡単な脱気装置を用いているので装置を小型かつ廉価に提供することができる。

請求項３記載の超音波洗浄装置によれば、空気供給手段によって循環路を流れる洗浄液中に空気を供給することができるので、溶存空気濃度を自由にコントロールすることができる。

請求項９記載の超音波洗浄装置によれば、少なくとも溶存空気濃度を含む複数の状態量の時系列データから当該超音波洗浄装置の入出力関係を示す多変量自己回帰モデルを構築し、該多変量自己回帰モデルに基づいて洗浄液の溶存空気濃度の制御を行なうようにしたので、洗浄状態の変化（季節による温度や湿度等の環境変化、一日の洗浄回数や操作方法の変化など）に対しても安定した超音波洗浄を行なうことができる。また、洗浄槽の形状（大気との接触面積、水深など）による溶存空気濃度の分布の変化に対しても安定した洗浄を行うことができる。

請求項１０記載の超音波洗浄装置よれば、多変量自己回帰モデルに学習機能を付与したので、構築した多変量自己回帰モデルを実際の超音波洗浄装置の挙動により近づくように進化させることができ、より優れた超音波洗浄を実現することができる。

請求項４記載の超音波洗浄装置によれば、洗浄液循環路の洗浄液吸引口を洗浄槽上部側に開口するとともに、洗浄液吐出口を前記吸引口と反対側の槽壁の下部側に開口したので、洗浄液は洗浄槽内を横切るように斜め上方に向かって流れていき、洗浄液の撹拌作用を高めることができるので、溶存空気濃度の均一化を速めることができる。

請求項５記載の超音波洗浄装置によれば、循環ポンプを制御して洗浄液の循環量を変化させることにより洗浄槽内の洗浄液の流れを変えるようにしたので、洗浄槽内の洗浄液の撹拌作用をさらに上げることができ、溶存空気濃度の均一化をさらに速めることができる。

請求項６記載の超音波洗浄装置によれば、超音波音圧を最も減衰の小さい状態に維持することができ、安定した超音波洗浄を行なうことができる。本発明者らの実験によれば、超音波音圧を減衰の小さな状態に維持するには、洗浄液の溶存空気濃度を２．５ｍｇ／ｌ以上にすることが望ましいことが判明した。このような濃度とすることにより、超音波の減衰を可能な限り小さくすることができ、効率的な洗浄を行なうことができる。

請求項７記載の超音波洗浄装置によれば、循環ポンプの出口側にマイクロバブルを発生させることができ、このマイクロバブルの有する種々の作用によって環境（室温、湿度、気圧など）の変化に影響されない安定した超音波洗浄を行なうことができる。なお、マイクロバブルとは、気泡発生時における直径が１０〜数十μｍの微細な気泡を指すものである。

すなわち、循環ポンプとしてプロペラ式のポンプを用いて洗浄液を循環させるように構成した場合、脱気装置によるキャビテーションで発生した気泡が循環ポンプの回転するプロペラでさらに細かく剪断され、極めて微細な気泡となる。本発明者らの実験によれば、このとき、洗浄液の溶存空気濃度を２．５〜３．５ｍｇ／ｌの範囲内になるように制御すると、回転するプロペラで剪断されて発生する気泡は、いわゆる「マイクロバブル」と呼ばれる極めて小さな径からなる気泡になることが分かった。

このマイクロバブルは、従来のミリサイズの気泡には無い次のような特徴を備えている。
（１）上昇速度が極めて小さく、洗浄液中を漂うに移動しながら自己収縮し、より小さなマイクロ・ナノサイズ近くの気泡となる。
（２）ほとんど均一なバブルを発生させ、分散性に優れる。
（３）緩やかな流動性と広範囲の拡散特性を有する。
（４）超音波照射に対する共振現象を有する。
（５）固有の物理化学特性を有する。
（６）生体に対して生理活性を誘起する。

上記各特性、特に（１）〜（５）の特性によって洗浄槽内の洗浄液の均一分散化がさらに進み、洗浄槽全域にわたって溶存空気濃度が均一になり、室温や湿度、気圧などの環境の変化に影響されることのない超音波洗浄を実現することができる。また、洗浄液中の汚れが凝集しにくくなり、大きな塊の汚れが発生するようなこともなくなる。これは、汚れはマイクロバブルに吸着した状態で洗浄液中を漂いながら上昇するが、マイクロバブルは負に帯電しているため、マイクロバブル同士は静電気によって反発し合い、凝集することがないことによるものと考えられる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る超音波洗浄装置の一実施の形態を示す図、図２はこの実施の形態で用いた脱気装置の構成を示す図である。

図１において、１は洗浄液２を満たされた洗浄槽であって、この洗浄槽１の底面部には超音波発生器３が付設されている。また、洗浄槽１の周囲にはヒータ（液温調節手段）４が付設され、洗浄液２の温度を調節可能とされている。

洗浄槽１の上部位置には洗浄液の吸引口５が開口されているともに、該吸引口５と反対側の槽壁の下部位置には洗浄液の吐出口６が開口され、これら吸引口５と吐出口６の間をパイプなどの配管で結ぶことにより、洗浄液循環路７が形成されている。

洗浄液循環路７の途中には、洗浄液を強制循環させるための循環ポンプ８が接続されているとともに、該循環ポンプ８の上流側には本発明の脱気装置９が接続されている。また、脱気装置９と循環ポンプ８の間には、バルブ開度を可変自在な空気供給バルブ（空気供給手段）１０が接続されている。

さらに、脱気装置９の上流側には、流量調節バルブ（流量調節手段）１１、流量センサ（流量測定手段）１２、液温センサ（液温測定手段）１３、溶存空気濃度センサ（溶存空気濃度測定手段）１４が接続されている。また、装置周囲の温度と湿度を測るための室温センサ（室温測定手段）１５および湿度センサ（湿度測定手段）１６も設置されている。なお、一般的に液体中の溶存空気濃度は溶存している酸素Ｏ_２の量に比例するので、溶存空気濃度センサ１４としては通常溶存酸素測定器が用いられる。

前記脱気装置９は、洗浄液２に溶け込んでいる空気（溶存空気）を洗浄液中から分離して気体として排出可能な気泡に変えるための気泡発生手段である。また、空気供給バルブ１０は、洗浄液循環路７中を流れる洗浄液中に空気を供給し、洗浄液２の溶存空気濃度を上げるための空気供給機構である。この脱気装置９と空気供給バルブ１０を制御することにより、洗浄液２の溶存空気濃度を自由にコントロールすることが可能となる。

制御装置（制御手段）１７は装置全体の動作を制御するもので、前記流量センサ１２，液温センサ１３，溶存空気濃度センサ１４，室温センサ１５，湿度センサ１６からの計測信号が入力されているとともに、これらの計測信号に基づいて循環ポンプ８，脱気装置９，空気供給バルブ１０，流量調節バルブ１１、ヒータ４を制御し、洗浄液２の溶存空気濃度が既定値若しくは規定範囲となるように制御するものである。

なお、制御装置１７にはコンピュータ１８などのデータ処理装置が内蔵あるいは外付けされている。このコンピュータ１８は、後述する制御例４で示すように、溶存空気濃度をはじめとする必要な状態量の時系列データを解析し、超音波洗浄装置全体の入出力関係を多変量自己回帰モデルとしてソフトウェア上で構築し、この多変量自己回帰モデルに基づいて溶存空気濃度の制御を行うためのものである。

図２（ａ）（ｂ）に、脱気装置９の具体的な構造例を示す。
図示例の脱気装置９は、所定長さからなる変形可能な弾性チューブ９１を備えており、この弾性チューブ９１の中央付近に位置して２つのアクチュエータ９２ａ，９２ｂを対向配置し、この対向配置した２つのアクチュエータのピストンロッド９３ａ，９３ｂの先端に、弾性チューブ９１を押圧変形するための圧接子９４ａ，９４ｂを取り付けたものである。なお、弾性チューブ９１の素材としては、炭化水素系洗浄液や溶剤系洗浄液に対しても耐性を有するフッ素ゴムなどを用いることが望ましい。

この脱気装置９は、アクチュエータ９２ａ，９２ｂを駆動してピストンロッド９３ａ，９３ｂを進退させることにより、その先端の圧接子９４ａ，９ａｂで弾性チューブ９１を押圧して押し潰し、その部分の内腔断面積を狭めることにより、開口面積の小さくなった絞り部９５（図２（ｂ）参照）を形成するものである。洗浄液がこの絞り部９５の部分に達すると、その絞り量に応じて流速が速くなり、洗浄液の動圧が急激に上昇するとともに静圧が急激に低下し、次いで、絞り部９５を通過すると、チューブの内腔断面積が広がるために流速が遅くなり、洗浄液の動圧が急激に低下するとともに静圧が急激に上昇する。

絞り部９５において上記のような急激な圧力変化が発生すると、絞り部９５の下流側でキャビテーションが発生し、洗浄液中に溶け込んでいた溶存空気は気泡となって顕在化する。これによって、洗浄液中に溶存している空気を気泡として洗浄液から分離することができる。キャビテーションによる溶存空気の分離作用の強さは、弾性チューブ９１の絞り部９５の開口面積、すなわちアクチュエータ９２ａ，９２ｂのピストンロッド９３ａ，９３ｂの進退量によって制御することができる。

なお、上記の例では２つのアクチュエータ９２ａ，９２ｂを用いて弾性チューブ９１を押圧変形するようにしたが、１個のアクチュエータを用いて押圧変形するようにしてもよい。また、アクチュエータとしてピストンロッド式のものを用いたが、圧接子９４ａ，９ａｂを進退させることができればどのような形式、構造のものであってもよく、例えばネジ進退式のもの、ラック・ピニオン進退式のものなど、種々の進退機構を利用することができる。

次に、上記構成になる超音波洗浄装置における溶存空気濃度の制御方法について説明する。

〔１〕制御例１
第１の制御例は、溶存空気濃度センサ１４の測定結果を用いて洗浄液の溶存空気濃度を制御する場合の例である。以下、その制御方法を説明する。

超音波洗浄装置の電源が投入されると、制御装置１７は循環ポンプ８を駆動し、洗浄槽１内の洗浄液２を槽上部の洗浄液吸引口５から洗浄液循環路７内に吸引する。そして、洗浄液循環路７を一巡させた後、槽下部の洗浄液吐出口６から再び洗浄槽１内に吐出し、洗浄液２を循環させる。また、必要に応じてヒータ４も制御し、液温センサ１３の出力する液温信号に基づいて洗浄液２の温度が規定温度となるように制御する。

この状態において、制御装置１７は溶存空気濃度センサ１４から送られてくる溶存空気濃度信号を取り込み、その時点における洗浄液の溶存空気濃度が予め設定した既定値よりも大きいか小さいかを監視する。前述したように、溶存空気濃度が既定値よりも大きい場合には、超音波発生器３から放射される超音波の音圧が急激に低下してしまい、良好な超音波洗浄を行なうことが難しくなる。

そこで、溶存空気濃度が既定値よりも大きい場合には、制御装置１７は脱気装置９に制御信号を送り、脱気装置９のアクチュエータ９２ａ、９２ｂを駆動してピストンロッド９３ａ，９３ｂを進出させ、その先端の圧接子９４ａ，９４ｂによって弾性チューブ９１を押圧変形させ、絞り部９５を形成する（図２（ｂ）参照）。

弾性チューブ９１に絞り部９５が形成されると、前述したように絞り部９５の下流側でキャビテーションが発生し、洗浄液中に溶存している空気が気泡となって顕在化する。この気泡となって顕在化した溶存空気は洗浄液とともに再び洗浄液吐出口６から洗浄槽１内に吐出されるが、洗浄槽１内に吐出された気泡はその浮力によって洗浄液２中を上昇していき、洗浄槽１の上部液面から槽外へ排出される。

上記キャビテーションによる溶存空気の気泡化が繰り返されると、洗浄槽１内の洗浄液２は徐々に脱気されていき、その溶存空気濃度はやがて予め設定した規定値以下となる。溶存空気濃度が既定値以下となったら、被洗浄物（図示略）を洗浄液２中に浸漬し、超音波発生器３から超音波を照射して超音波洗浄を開始する。これによって、音圧低下のない効率的で良好な超音波洗浄を行なうことができる。

制御装置１７は、上記超音波洗浄の最中も溶存空気濃度センサ１４の出力する溶存空気濃度信号を監視し、洗浄液の溶存空気濃度が既定値以上とならないように脱気装置９の絞り量を制御する。これによって、洗浄槽１内の洗浄液２の溶存空気濃度を常に既定値以下に維持することができ、音圧低下のない良好な超音波洗浄を維持することができる。

さらにこのとき、洗浄液の溶存空気濃度が既定値よりもあまりに小さくなり過ぎるような場合には、空気供給バルブ１０も制御し、空気供給バルブ１０を開いて洗浄液循環路７内を流れる洗浄液に空気を送り込み、溶存空気濃度を上げるように制御すればよい。この空気供給バルブ１０による空気供給制御を併用すれば、溶存空気濃度を常に既定値を中心とする一定範囲内に維持することができ、より良好な超音波洗浄を実現できる。

なお、本発明者らの実験によれば、良好な超音波洗浄を行なうための溶存空気濃度は、あまりに小さ過ぎても問題があり、２．５ｍｇ／ｌ以上となるように設定することが望ましいことが判明した。したがって、目標とする溶存空気濃度の規定値はこの値以上とすることが望ましい。

また、前記超音波洗浄装置の場合、洗浄液循環路７の洗浄液吸引口５と洗浄液吐出口６は、洗浄槽１の対向する反対側の槽壁の上部側と下部側に設けられているので、洗浄液吐出口６から吐出された洗浄液は洗浄槽１内を横切るように斜め上方に向かって流れていき、再び洗浄液吸引口５から吸引されて洗浄液循環路７内に入っていく。このため、洗浄槽全体の洗浄液が効果的に撹拌され、洗浄槽１内の洗浄液２の溶存空気濃度の均一化を速めることができる。

また、前記溶存空気濃度の制御において、脱気装置９における絞り部９５の絞り量（内腔断面積）は、溶存空気濃度の大小にかかわらず一定絞り（一定断面積）としてもよいが、溶存空気濃度の規定値からのズレ量の大小に比例してその絞り量を変えるように制御することが望ましい。これによって、溶存空気濃度をより短時間のうちに既定値まで下げることができる。

同様に、空気供給バルブ１０のバルブ開度も、溶存空気濃度の規定値からのズレ量の大小に比例してその開度を変えるようにすれば、下がり過ぎた溶存空気濃度をより短時間のうちに既定値まで引き戻すことができ、溶存空気濃度をより確実に一定範囲内に維持することができる。

〔２〕制御例２
第２の制御例は、洗浄槽１内の洗浄液２の溶存空気濃度をより均一にするために、循環ポンプ８による洗浄液の循環量を制御するようにした場合の例である。

上記したように、本発明においては洗浄液循環路７の洗浄液吸引口５と洗浄液吐出口６を洗浄槽１の対向する槽壁の上下位置に設け、斜め上方への洗浄液の流れを作ることによって洗浄槽１内の洗浄液を撹拌し、溶存空気濃度の均一化を図っているが、洗浄液循環路７を循環する洗浄液の循環量を制御することにより、さらなる均一化を図ることができる。

すなわち、制御装置１７によって循環ポンプ８を制御し、一定周期または可変周期でその回転数を変えあるいはオン／オフ制御し、洗浄液循環路７内を流れる洗浄液の流量に変化を与える。これによって、洗浄液吐出口６から洗浄槽１内に吐出される洗浄液の流れに変化が起き、洗浄液の撹拌作用がより大きくなって溶存空気濃度の均一化をより速めることができる。

〔３〕制御例３
第３の制御例は、溶存空気濃度の制御動作をタイマー動作で行なうようにした場合の例である。

一般的に、超音波洗浄装置における洗浄条件は、洗浄対象とする被洗浄物および洗浄装置の仕様によって決定される。したがって、前述した制御例１で示したような制御動作によって溶存空気濃度が規定値まで制御された後は、溶存空気濃度はそのときの洗浄条件に従った上昇率で徐々に悪化していく。したがって、予めこの溶存空気濃度の上昇率が分かれば、前述した制御例１の制御動作を常時行なわなくても、間歇的にタイマー動作させることにより、洗浄液の溶存空気濃度を既定範囲内に維持することが可能である。

そこで、予めこの溶存空気濃度の上昇率を実験あるいは実際の超音波洗浄処理によって求めておき、その上昇率から決定される所定の時間間隔をタイマー動作時間として制御装置１７に設定する。そして、前述した制御例１の制御動作によって洗浄液２の溶存空気濃度が規定値に達したら、循環ポンプ８を停止して脱気処理を停止し、設定したタイマー時間が経過した時点で再び循環ポンプ８を駆動し、溶存空気濃度をタイマー動作によって低減するように制御する。これを繰り返すことにより、制御動作を連続的に休みなしに行なうことなく、溶存空気濃度を規定範囲内に維持することができる。これによって、洗浄コストの低減化を図ることができる。

〔４〕制御例４
第４の制御例は、超音波洗浄装置の入出力信号の時系列データを制御装置１７に内蔵あるいは外付けしたコンピュータ１８を用いて解析し、当該超音波洗浄装置を溶存空気濃度などの複数の状態量を入出力とする多変量自己回帰モデルとしてソフトウェア上で構築し、この構築した多変量自己回帰モデルに基づいて溶存空気濃度を制御するようにした場合の例である。

前述したように、超音波洗浄における洗浄槽１内の超音波音圧は、洗浄液の溶存空気濃度によって大きく変化するが、一方において、溶存空気濃度は、洗浄槽の形状、洗浄液の循環状態や液温、外気温、湿度などにより幅広い範囲に分布した状態となる。このため、洗浄装置の使用状況によっては、例えば洗浄液の溶存空気濃度だけ、あるいは洗浄液の温度と外気温だけというように、特定の状態量だけからでは正確に溶存空気濃度を特定することが困難な場合も出てくる。そこで、前述した制御例１による溶存空気濃度だけを用いた制御に代えて、超音波洗浄装置を多変量自己回帰モデルとして構築し、この多変量自己回帰モデルに基づいて溶存空気濃度を制御するようにしたものである。

この超音波洗浄装置の多変量自己回帰モデル化は、制御装置１７に付設されたコンピュータ１８によって、以下に示すような各ステップの処理を行なうことにより、ソフトウェア上で実現される。なお、説明を分かりやすくするため、以下においては、溶存空気濃度、洗浄液の液温、室温の３つの状態量を入出力とする多変量自己回帰モデルを構築する場合を例に採って説明するが、流量、湿度などの他の状態量を変数に加えた場合でも、入出力の変数が増えるだけで処理自体は同様にして行なうことができる。

（第１ステップ）
まず最初に、溶存空気濃度、洗浄液の液温、室温についての時系列データを収集する。これを行なうには、超音波洗浄装置を稼働し、溶存空気濃度センサ１４から出力される溶存酸素データ、液温センサ１３から出力される液温データ、室温センサ１５から出力される室温データを所定時間（例えば１０〜１５分間）にわたってサンプリングし、収集する。

（第２ステップ）
得られた溶存空気濃度、洗浄液の液温、室温の３つの状態量についての時系列データを基にコンピュータ１８で解析し、溶存空気濃度、洗浄液の液温、室温を入出力とする多変量自己回帰モデルを構築する。

〔第３ステップ〕
得られた多変量自己回帰モデルによる解析から溶存空気濃度、洗浄液の液温、室温のパワー寄与率、インパルス応答（閉鎖系）を算出する。

〔第４ステップ〕
溶存空気濃度のインパルス応答から、「溶存空気濃度変化の基準時間」（溶存空気濃度が目的とする規定値以下になるまでの時間）を算出する。

〔第５ステップ〕
パワー寄与率とインパルス応答の値から溶存空気濃度の状態モデルを作成し、これに基づいて前記算出した「溶存空気濃度変化の基準時間」を修正した「溶存空気濃度変化の推定時間」を算出する。

〔第６ステップ〕
得られた「溶存空気濃度変化の推定時間」から溶存空気濃度が規定の値になるまでの脱気量（あるいは脱気時間）を算出する。

〔第７ステップ〕
上記算出された脱気量（あるいは脱気時間）に基づいて、制御装置１７により脱気装置９の絞り量（あるいは脱気時間）を制御し、溶存空気濃度が規定範囲になるようにコントロールする。

上記の多変量自己回帰モデルを用いれば、超音波洗浄装置全体を統計処理的に扱うことができる。このため、溶存空気濃度、液温、室温、流量、湿度、超音波音圧などの各状態量が複雑に絡み合って状態量間の関係を明確に関連づけることができない場合でも、洗浄液の溶存空気濃度を迅速かつ正確に制御することが可能となる。

なお、上記の例では、超音波洗浄を開始する直前に各状態量の時系列データを収集したが、過去の超音波洗浄作業時に収集・蓄積された各状態量の時系列データを用いて多変量自己回帰モデルを構築するようにしてもよい。

また、学習機能を付与し、被洗浄物の超音波洗浄が開始された後においても一定時間毎に上記各状態量の時系列データを収集し、この収集した新しい時系列データに基づいて最初に構築した多変量自己回帰モデルを修正するように構成してもよい。このような学習機能を付与しておけば、構築した多変量自己回帰モデルを実際に稼働している超音波洗浄装置の挙動により近づくように進化させることができ、より優れた超音波洗浄を実現することができる。

〔５〕制御例５
第５の制御例は、前記循環ポンプ８としてプロペラ式のポンプを用いるとともに、洗浄液の溶存空気濃度を２．５〜３．５ｍｇ／ｌの範囲になるように制御する場合の例である。

前述したように、循環ポンプ８としてプロペラ式のポンプを用いて洗浄液２を循環させるように構成した場合、脱気装置９で発生した気泡が循環ポンプ８に達すると、気泡は循環ポンプ８の回転するプロペラでさらに細かく剪断され、いわゆる「マイクロバブル」と呼ばれる直径１０〜数十μｍの極めて微細な気泡となる。このマイクロバブルが発生すると、マイクロバブルの作用によって洗浄槽１内の洗浄液２の均一分散化がさらに進み、洗浄槽全域にわたって溶存空気濃度が均一になり、室温や湿度、気圧などの環境の変化に影響されることのない超音波洗浄を実現することができる。また、洗浄液中の汚れが凝集しにくくなり、大きな塊の汚れが発生するようなこともなくなる。

図３に、脱気装置の第２の例を示す。
この第２の例になる脱気装置１９は、その全体が金属や硬質プラスチックなどの変形不可能な剛性パイプ２０で作られており、この剛性パイプ２０の適宜位置においてその径を絞ることにより、洗浄液の流れる流路途中に固定式の絞り部２１を形成したものである。

図４に、脱気装置の第３および第４の例を示す。
（ａ）は第３の例を示すもので、筒状の管路２３内に、断面三角形状をした障害物２４を洗浄液の流れを遮る向きに直交配置したものである。（ｂ）は第４の例を示すもので、筒状の管路２３内に、断面四角形状をした障害物２４を洗浄液の流れを遮る向きに直交配置したものである。これら第３および第４の例になる脱気装置２２は、障害物２４によって洗浄液の流れを妨げて乱流を起こし、これによって障害物２４の後方側でキャビテーションを発生させることにより、洗浄液中の溶存空気を気泡化させるようにしたものである。

上記第２〜第４の例になる脱気装置１９，２２を本発明の超音波洗浄装置に適用した場合の例を図５に示す。第２〜第４の例になる脱気装置１９，２２は、絞り部２１、障害物２４がそれぞれ固定式であるため、その絞り量や形状を変えることはできないが、制御装置１７によって循環ポンプ８、空気供給バルブ１０、流量調節バルブ１１などを制御することにより、洗浄液２の溶存空気濃度を自在に調節することができる。また、前述した多変量自己回帰モデルを用いて制御することも、マイクロバブルを利用した超音波洗浄を行うことも、同様に可能である。

図６に、脱気装置の第５の例を示す。
この第５の例になる脱気装置２５は、洗浄液循環路に接続されている循環ポンプ８のポンプ室８１の洗浄液入り口部の口径を絞ることにより、絞り部２５を形成したもので、循環ポンプ８と脱気装置２５とを一体に構成した場合の例である。なお、８２は、洗浄液送給用のプロペラ（回転翼）である。

図７に、脱気装置の第６の例を示す。
この第６の例になる脱気装置２７は、洗浄液循環路に接続されている循環ポンプ８のポンプ室８１内に配置された洗浄液送給用のプロペラ８２の翼形を非対称形とし、回転するプロペラ８２の回りでキャビテーションが発生するようにしたものである。この第６の例も、循環ポンプ８と脱気装置２７を一体に構成した場合の例である。

上記第５または第６の例になる脱気装置２５，２７を本発明の超音波洗浄装置に適用した場合の例を図８に示す。第５，第６の例になる脱気装置２５，２７の場合も、前記第２〜第４の例の脱気装置の場合と同じく、制御装置１７によって循環ポンプ８、空気供給バルブ１０、流量調節バルブ１１などを制御することにより、洗浄液中の溶存空気濃度を調節することができる。また、前述した多変量自己回帰モデルを用いて制御することも、マイクロバブルを利用した超音波洗浄を行うことも、同様に可能である。

本発明に係る超音波洗浄装置の一実施の形態を示す図である。 図１の超音波洗浄装置で用いた脱気装置の構成を示すもので、（ａ）は弾性チューブが押圧されていない状態を示す図、（ｂ）は弾性チューブが押圧変形されて絞り部が形成された状態を示す図である。 脱気装置の第２の例を示す図である。 （ａ）は脱気装置の第３の例を示す図、（ｂ）は脱気装置の第４の例を示す図である。 第２〜第４の例の脱気装置を用いて構成した超音波洗浄装置の例を示す図である。 脱気装置の第５の例を示す図である。 脱気装置の第６の例を示す図である。 第５および第６の例の脱気装置を用いて構成した超音波洗浄装置の例を示す図である。

符号の説明

１ 洗浄槽
２ 洗浄液
３ 超音波発生器
４ ヒータ（液温調節手段）
５ 洗浄液吸引口
６ 洗浄液吐出口
７ 洗浄液循環路
８ 循環ポンプ
９ 脱気装置
１０ 空気供給バルブ（空気供給手段）
１１ 流量調節バルブ（流量調節手段）
１２ 流量センサ（流量測定手段）
１３ 液温センサ（液温測定手段）
１４ 溶存空気濃度センサ（溶存空気濃度測定手段）
１５ 室温センサ（室温測定手段）
１６ 湿度センサ（湿度測定手段）
１７ 制御装置（制御手段）
１８ コンピュータ
１９ 脱気装置
２０ 剛性パイプ
２１ 絞り部
２２ 脱気装置
２３ 管路
２４ 障害物
２５ 脱気装置
２６ 絞り部
８１ ポンプ室
８２ ポンプのプロペラ
９１ 弾性チューブ
９２ａ，９２ｂ アクチュエータ
９３ａ，９３ｂ ピストンロッド
９４ａ，９４ｂ 圧接子
９５ 絞り部

Claims (7)

1. 洗浄液の通過する流路を備え、該流路の途中に流路の内腔断面積を狭めた絞り部を設け、前記流路を変形可能な弾性チューブで構成するとともに、該弾性チューブを押圧することによってチューブの内腔断面積を可変可能なチューブ断面積可変機構を付設し、該チューブ断面積可変機構の押圧動作によって前記絞り部を形成し、該絞り部の後方側でキャビテーションを発生させることにより、洗浄液中の溶存空気を気泡化することを特徴とする脱気装置。
2. 超音波発生器を付設された洗浄槽を備え、洗浄液によって満たされた洗浄槽内に被洗浄物を浸漬して超音波発生器から超音波を照射することにより、被洗浄物を超音波洗浄するようにした超音波洗浄装置において、
   前記洗浄槽内の洗浄液を循環ポンプによって吸引して所定の経路を循環させた後、再び洗浄槽内に戻すようにした洗浄液循環路を形成するとともに、該洗浄液循環路の経路途中に前記請求項１に記載の脱気装置を接続し、
   該脱気装置によって洗浄液循環路を流れる洗浄液中の溶存空気を気泡化し、該気泡化した溶存空気を洗浄液とともに洗浄槽内へ還流することにより、気泡化した溶存空気を洗浄槽の液面から槽外へ排出するようにしたことを特徴とする超音波洗浄装置。
3. 前記脱気装置の下流側に、バルブ開度を可変可能な空気供給手段を接続し、該空気供給手段を通じて洗浄液循環路を流れる洗浄液中に空気を供給可能としたことを特徴とする請求項２記載の超音波洗浄装置。
4. 前記洗浄液循環路の洗浄液吸引口を洗浄槽上部側に開口するとともに、洗浄液吐出口を前記吸引口と反対側の槽壁の下部側に開口したことを特徴とする請求項２又は３に記載の超音波洗浄装置。
5. 循環ポンプを制御して洗浄液の循環量を変化させることにより洗浄槽内の洗浄液の流れを変え、洗浄槽内の溶存空気濃度を均一化するようにしたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の超音波洗浄装置。
6. 洗浄液の溶存空気濃度が２．５ｍｇ／ｌ以上となるように制御することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の超音波洗浄装置。
7. 前記循環ポンプとしてプロペラ式のポンプを用いるとともに、洗浄液の溶存空気濃度を２．５〜３．５ｍｇ／ｌの範囲に制御することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の超音波洗浄装置。

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