超音波を用いた物品の洗浄方法
【課題】 物品の表面に付着した脂・汚れ等を超音波を用いて強力に洗浄し且つ強く殺菌させることができる超音波洗浄方法を提供する。更に連続的に洗浄殺菌できる設備の費用とそのランニングコストを廉価にできるようにする。
【解決手段】 酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水Ｗを貯えた洗浄槽２の水面下に発振面が対向するように上下一対の超音波振動子４を配置し、同超音波振動子の発振面間の狭間領域７に酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水の一部を邪魔板８で水量・流速を抑えて略５０ｃｍ／分の流速で流入させる。洗浄槽２の側面を開口し、同開口を介して被洗浄物Ａを通過させる搬送コンベヤ３を配置し、同開口から洗浄水を排出させ、同開口の内側に洗浄槽２へ供給する洗浄水を噴出して水カーテンＷａを形成して開口からの大量の排水を抑え、又開口から落下した洗浄水を下方で受水槽１で受けてポンプで洗浄槽２へ圧送して洗浄水を循環的に使用する。
【解決手段】 酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水Ｗを貯えた洗浄槽２の水面下に発振面が対向するように上下一対の超音波振動子４を配置し、同超音波振動子の発振面間の狭間領域７に酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水の一部を邪魔板８で水量・流速を抑えて略５０ｃｍ／分の流速で流入させる。洗浄槽２の側面を開口し、同開口を介して被洗浄物Ａを通過させる搬送コンベヤ３を配置し、同開口から洗浄水を排出させ、同開口の内側に洗浄槽２へ供給する洗浄水を噴出して水カーテンＷａを形成して開口からの大量の排水を抑え、又開口から落下した洗浄水を下方で受水槽１で受けてポンプで洗浄槽２へ圧送して洗浄水を循環的に使用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いた物品の洗浄方法であって、洗浄水に酸素と窒素を高濃度（溶存飽和濃度又はそれに近い濃度）に溶存させ、超音波振動でソノケミストリー反応を生起させて発生する過酸化水素と硝酸によって洗浄と殺菌を行う技術である。半導体製品・金属加工品・医療器具・食器等の物品の洗浄・殺菌方法として有用である。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波洗浄方法として、洗浄水中に浸漬した被洗浄物品に対して超音波を異なる複数の方向から照射する方法が公知である（例えば特許文献１〜５参照）。この方法によれば、超音波が被洗浄物の表面全面に照射されやすくなり、ムラの少ない洗浄効果が得られるというものである。しかしながら特許文献１〜５記載の技術は、超音波振動子の振動が洗浄槽に貯えられた洗浄水全量に対して作用するものであり、あるいは槽自体を超音波振動させて洗浄水に超音波振動を伝播させるものであるため、水分子に対する超音波振動は弱いものとなる。更に洗浄槽の水面によって定常波が形成されて、水分子のランダムな超音波振動が弱まる。これらの理由で超音波振動の作用が弱く洗浄力が低いものとなる。又洗浄水は純水、上水であって、充分に酸素と窒素が溶存していないのでソノケミストリー反応がほとんど発生せず、殺菌力はあまり期待できなかった。
【０００３】
また、酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水に超音波振動を与えて洗浄する方法が公知である（例えば特許文献６，７参照）。この方法によれば、洗浄水中にＨ２Ｏ２（過酸化水素）やＨＮＯ３（硝酸）が多量に生じ、これらの酸化作用により高い分解殺菌効果が得られるというものである。しかし、特許文献６，７記載の技術は、いずれも超音波を一方向から照射するものであるから、超音波が被洗浄物の全面に均一に照射されず、分解殺菌効果にムラがあった。また、酸素と窒素は導入管等を用いて強制的に注入するから、超音波洗浄装置が高コストとなる問題があった。更に、超音波振動子は洗浄槽に取り付けているから、超音波振動は前記理由によってまだ弱く、洗浄水中に溶存した酸素と窒素が分解して過酸化水素と硝酸を発生させるソノケミストリー反応が不充分であり、洗浄・殺菌力が低いという問題点がある。更に、水槽内の洗浄水を交換せず又酸素と窒素の吹き込みのない超音波振動によるバッチ式洗浄殺菌では洗浄水中の酸素と窒素が短時間で分解して消費され、洗浄殺菌力が失われる。
【０００４】
また、洗浄水を大気に触れさせながら循環させ、大気中の窒素を洗浄水中に自然に取り込ませて溶存させる方法も公知である（例えば特許文献８参照）。しかし、特許文献８記載の技術は、洗浄水の水面のみを大気に触れるようにしているから、窒素の取り込み量が不十分となり、これを補うために洗浄水の流量調整装置と温度調整装置を別途必要とし、超音波洗浄装置が依然高コストとなる問題があった。また、超音波を一方向から照射するものであるから、特許文献６，７記載の技術と同様に洗浄殺菌効果にムラがあった。さらに、超音波振動子は洗浄槽に取り付けているから、前記理由から超音波は強く出力しないと充分な洗浄が期待できなかった。
更に、本発明者等が先に開発した特開平４−１７６３７９号公報の連続超音波洗浄装置は、上下一対の超音波振動子を用いて、その間に被洗浄物を通過させるものであるが、この洗浄方法は超音波振動子を上下対向して超音波振動を強力にして被洗浄物を強力に洗浄しようとするものであった。しかしながら、この洗浄方法ではソノケミストリー反応について認識されていず、且つ洗浄水は超音波振動子間を速く且つかなりの割合で流れる水流のため、ソノケミストリー反応が生じてもその反応で発生した過酸化水素、亜硝酸は速く流れて流出し被洗浄物の洗浄には不充分となる。又、洗浄水に溶存していた酸素・窒素ガスは循環するうちに消費され、溶存濃度が大幅に低下しソノケミストリー反応が弱くなり、ソノケミストリー反応による連続的で安定した殺菌・洗浄力はあまり期待できなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３０８０６７号公報
【特許文献２】実開昭５６−２０６８４号公報
【特許文献３】特開２００６−３５１３９号公報
【特許文献４】特開２００９−１２５６４５号公報
【特許文献５】特開平６−２６２１４８号公報
【特許文献６】特開平９−１９４８８７号公報
【特許文献７】特開２００５−４５１５９号公報
【特許文献８】特開２００８−９１５４６号公報
【特許文献９】特開平４−１７６３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、従来のこれらの問題点を解消し、物品の表面に付着した指紋脂も除去できる程に高い洗浄力と高い殺菌効果も同時に得ることができ、しかも低出力の超音波で高い洗浄殺菌効果を得ることができる超音波洗浄方法を提供することにある。更に、本願発明の他の課題は、洗浄水を循環使用して物品を安定的で且つ連続的に洗浄殺菌でき、しかも設備とランニングコストとも廉価にできる連続洗浄殺菌処理できる洗浄方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決した本発明の構成は、
１） 水中に酸素及び窒素を高濃度に溶存させた洗浄水が連続的に供給されて洗浄水を貯える洗浄槽内に、発振面が洗浄水の水面下に浸漬するように且つ互に発振面が対向するように複数の超音波振動子を配置し、対向する発振面によってはさまれた又は囲まれた狭間領域に酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水が１５〜１００ｃｍ／分の範囲の流速で流入するようにするとともに、被洗浄物を上記狭間領域に所定時間置き、上記狭間領域において対向する超音波振動子の超音波振動によって洗浄水中の溶存酸素と窒素とを分解して過酸化水素と硝酸とを発生させて被洗浄物の洗浄と殺菌を行うことを特徴とする、超音波を用いた物品の洗浄方法
２） 狭間領域の洗浄水の流速の範囲が２０〜６０ｃｍ／分である、前記１）記載の超音波を用いた物品の洗浄方法
３） 高濃度に酸素と窒素とを溶存させた洗浄水を狭間領域の対向する左右側面から互に対向する方向に流入させ、狭間領域の前後の側面から流出させることで洗浄水の流速を供給の流速から減速させて狭間領域での流速の範囲にする、前記１）又は２）記載の超音波を用いた物品の洗浄方法
４） 狭間領域をはさむ又は囲む複数の超音波振動子の総電力をＷｔとし、狭間領域への洗浄水の流入面積をＳとし、狭間領域を流れる洗浄水の平均流速をｖとすると、単位ｃｍ，秒，ワットで次の不等式１の ０．６７＜（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））＜１３．３ の条件を満足させるようにして洗浄力と殺菌力を高める、前記１）〜３）記載の超音波を用いた物品の洗浄方法
５） 不等式の条件が更に減縮されて、単位ｃｍ，秒，ワットで次の不等式２の １．１＜（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））＜１０．０ を満足するようにした、前記４）記載の超音波を用いた物品の洗浄方法
６） 前記１）〜５）記載のいずれかの超音波を用いた物品の洗浄方法において、酸素と窒素とを高濃度に溶存させた洗浄水を洗浄槽内へ連続的に供給するとともに、供給された洗浄水の一部のみが狭間領域を通過するように流した後供給された洗浄水全量を連続的に洗浄槽から排出し、排出した洗浄水を酸素と窒素とを溶存させる溶解部へ送り、同溶解部で溶存濃度を高めて酸素と窒素とも高濃度に溶存させた後ポンプで洗浄槽に供給して洗浄水を循環使用するとともに、洗浄槽内に供給される洗浄水のうち狭間領域を通過する流量の狭間領域を通過しないで排水される流量に対する分流比率が溶解部の洗浄水中の溶存の酸素又は窒素の各濃度上昇の比率のうち低い方の上昇比率より小さくなるようにし、洗浄槽に供給する洗浄水が常時酸素と窒素とを高濃度に溶存させるようにして連続洗浄を可能とした、超音波を用いた物品の洗浄方法
７） 洗浄槽の左右側壁面それぞれに開口を設け、左右の同開口を介して洗浄槽内の水中を移動して被洗浄物が洗浄水面下の狭間領域を通過するように搬送する搬送コンベヤを設け、洗浄槽に供給される洗浄水を槽内側の左右の開口付近で水膜状に吹き出して水カーテンを形成し、左右の開口から洗浄槽内の洗浄水が大量に排水するのを抑止し、更に吹き出した洗浄水の一部が槽内に設けた邪魔板によって減速されながら誘導されて狭間領域の左右側面から互に対向するように流入するようにした、前記６）記載の超音波を用いた物品の洗浄方法
８） 洗浄槽の開口から洗浄水を水膜又は水脈状に大気中に落下させ、落下途中において大気中の酸素と窒素と接触してこれらを洗浄水に溶存させ、洗浄槽の下方の受水槽で落下する洗浄水を回収し、回収した洗浄水をポンプで洗浄槽に送って供給するようにし、溶解部が洗浄槽の開口と同開口の下方に配置した受水槽とから形成される、前記７）記載の超音波を用いた物品の洗浄方法
にある。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、超音波振動子の発振面を対向させ、対向した狭間領域に超音波振動を集中し、この領域において水と酸素と窒素に対して強力でランダムな超音波振動を与えることで、Ｈ２Ｏ２やＨＮＯ３を多量に発生させ、キャビテーション状態として強力でムラの少ない高い洗浄殺菌効果が同時に得られるようになる。更に、酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水を狭間領域に１５〜１００ｃｍ／分の流速の範囲で流すようにしたことで、高い濃度の過酸化水素と硝酸の連続的発生を維持し且つ発生した過酸化水素と硝酸の速い拡散流出を防ぎ、狭間領域に高い濃度の過酸化水素と硝酸とキャビテーション状態とを確保して物品の洗浄と殺菌の強い効果を長時間安定的に維持できるようにしている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例の超音波洗浄装置の説明図である。
【図２】実施例の供給された洗浄水の分流の状態を示す説明図である。
【図３】実施例の狭間領域での洗浄水の流入と流出状態を示す説明図である。
【図４】洗浄水中の溶存酸素・窒素の濃度変動を示す説明図である。
【図５】実施例の他の例の超音波洗浄装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の洗浄槽は、水槽構造ばかりでなく、洗浄水が流れて被洗浄物をその水流中に置ける水路構造のものであってもよい。
【００１１】
本発明の洗浄水に溶存された酸素と窒素の「高濃度」とは、大気圧下の飽和溶存濃度又はこの前後の濃度、飽和溶存濃度の７０％以上のものである。通常、大気下での気体の溶存濃度は溶解度で表現され、１気圧時の容積単位ｃｍ３で、酸素は室温で０．０３１ｃｍ３／水１ｃｃ，窒素は室温で０．０１６ｃｍ３／水１ｃｃ程である。加圧して飽和溶存濃度よりかなり高くすることも可能であり、これも含むものである。又洗浄水としては、純水・上水道水等の水に洗浄剤を加えてもよい。
【００１２】
本発明の溶解部は、洗浄水中に酸素と窒素を高濃度に溶存させる構成部であり、この溶解部での酸素と窒素を溶存する方法としては、洗浄水を大気中で水膜状・水脈状・噴霧状又はシャワー状に落下又は吹き出せることで大気中の酸素と窒素と洗浄水を接触させて溶存させる方法（以下、落下式と総称する）と、洗浄水中に酸素ガス、窒素ガス又は空気を気泡状に吹き込んで溶存させる方法が代表的である。前者の落下式の場合は、一回の落下によって溶存濃度は大略１５％程度しか高められない。
【００１３】
本発明の狭間領域へ供給された高濃度の酸素・窒素溶存の洗浄水の一部を送るように分流する方法としては、供給された洗浄水を水槽内で邪魔板・区画板・誘導板等で直ちに分けて供給された洗浄水の一部がすぐに狭間領域にいくようにする方法と、高濃度に溶存させた洗浄水を送る供給ホース（供給管）を分岐して分岐した供給ホース（供給管）に一部の洗浄水を送り、これが直接狭間領域へ流入するようにして狭間領域を通過した洗浄水は非通過の洗浄水と合流させる方法がある。分流する割合は、１０％前後が代表例である。
【００１４】
本発明の狭間領域に流入する高濃度に酸素と窒素とを溶存させた洗浄水の流速（流速が変動しているときはその平均流速）は１５〜１００ｃｍ／分、好ましくは２０〜６０ｃｍ／分とする。これは、流速が遅いと、狭間領域内にある洗浄水の溶存された酸素と窒素はこの狭間領域に入ると直ちに超音波振動により分解して消費されるので、絶えず新しい洗浄水をこの狭間領域に流入させねば狭間領域内の酸素と窒素がなくなり新しい過酸化水素と硝酸が発生しなくなる。又発生していた過酸化水素と硝酸とは化学反応・拡散・流出で低濃度となり、洗浄殺菌力を失う。又発生していたキャビテーションも流出してしまうので絶えず新しい洗浄水の供給が必要となる。
又、洗浄水の流速が速いと、発生した過酸化水素と硝酸及びキャビテーション状態がこの狭間領域外へ流出して、やはり洗浄殺菌力が低下する。
【００１５】
流速は、１５〜１００ｃｍ／分の範囲がその両者を調和させて高い洗浄殺菌力を高めるものであった。望ましくはその流速は２０〜６０ｃｍ／分が好ましいものであった。
【００１６】
本発明で洗浄槽に供給される洗浄水の全流量のうち狭間領域に流入させる流量の割合は、溶解部でその溶存の濃度を高める濃度上昇の比率以下にすることで、狭間領域の洗浄水の通過で分解して失われる酸素と窒素とが溶解部で回復でき、洗浄水を連続的に循環使用でき、洗浄殺菌の処理を安定して且つ長時間その洗浄殺菌力を失わないことを可能とする。
【００１７】
本発明では、狭間領域での洗浄水の流速ｖと、狭間領域に洗浄水が流入する流入面積をＳとし、狭間領域に超音波振動を与える対向した超音波振動子の総電力Ｗｔが下記の不等式１好ましくは不等式２を満足させれば、被洗浄物の表面の指紋脂等の取り除きにくい付着物を短時間できれいに除去できるものとすることができた。単位はｃｍ，秒，ワットである。（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））の値は、流速ｖが上記の如く速いと低い値となり、ｖが遅い（小さい）と大きくなり、上記の流速の範囲及び超音波の総電力も適切なものがよく、下記の不等式１，２のものがよいことが分かった。
【００１８】
（数式１）
不等式１：０．６７＜（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））＜１３．３
不等式２：１．１＜（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））＜１０．０
【００１９】
尚、上記不等式で（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））の値を（Ｗｔ／ｑ２）にすることもできる。ｖ，ｓの値が不明又は計測できにくく、通過流量ｑ２の方が測定でき易い又は計算し易い場合は、（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））を（Ｗｔ／ｑ２）に置き代えることもできる。更に分流割合ｋをｋ＝ｑ２／（ｑ１＋ｑ２）＝ｑ２／Ｑとすると、ｑ２＝ｋ＊Ｑであるから、更に（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））を（Ｗｔ／（ｋ＊Ｑ））に置き代えるようにしてもよい。不等式１，２は下記数２に置き代えることができる。
【００２０】
（数２）
不等式３：０．６７＜（Ｗｔ／（ｋ＊Ｑ））＜１３．３
不等式４：１．１＜（Ｗｔ／（ｋ＊Ｑ））＜１０．０
ｋ＝ｑ２／Ｑ＝分流割合
【００２１】
又、洗浄槽に供給される酸素と窒素とを高濃度αに溶存させた洗浄水の流量をＱとし、供給された洗浄水が狭間領域を通過する流量をｑ２とし、狭間領域を通過しないでそのまま排水される流量をｑ１＝（Ｑ−ｑ２）とし、溶解部での酸素と窒素の濃度上昇の低い方の濃度上昇の比率値をγとしたとき、開口から落下する直前の濃度βは、狭間領域を通過する酸素と窒素はほとんど分解して消費されるのでα＊ｑ１／（ｑ１＋ｑ２）であり、これが溶解部で比率値γで濃度上昇し、しかも比率値γが供給される洗浄水の狭間領域に流入する流量の非通過の流量に対する分流比率（ｑ２／ｑ１）より大きくするようになっているので、溶解部を経た後の洗浄水の濃度δは（β＋γβ）となり、濃度上昇の比率値γ＝（δ−β）／βが分流比率（ｑ２／ｑ１）の値より大きいので下式のように、濃度δは供給時の濃度αより大きくなる。
【００２２】
（数３）
ｑ２／ｑ１＜γ
δ＝β＋γβ＝β（１＋γ）＝α＊ｑ１＊（１＋γ）／（ｑ１＋ｑ２）
δ＞α＊ｑ１＊（１＋ｑ２／ｑ１）／（ｑ１＋ｑ２）＝α
δ＞α
【００２３】
このように、溶解部の濃度上昇の比率γを分流比率より大きくすることで（又は分流比率を溶解部の濃度上昇の比率γより小さくすることで）、洗浄槽へ供給する洗浄水の酸素と窒素の濃度は所定の高濃度以上を維持して連続で長時間の洗浄殺菌を可能とする。尚、初期的にこれら濃度にするには、超音波振動子を作動させないで繰り返し循環させることで、所定の高濃度にできる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を実施例と図面に基づいて具体的に説明する。図１は実施例に用いた超音波洗浄装置Ｔの説明図である。図２〜４はその洗浄水の流れと、酸素と窒素の溶存濃度と流量との変動を示す実施例の説明図である。
【００２５】
図中、１は受水槽、１ａは同受水槽の上方の左右側面に開口した搬送コンベヤ３の通過口、２は洗浄槽、２ａは洗浄槽の左右の側面に設けた開口であって排水口となっている。２ｂは細長のスリットから水膜状に洗浄水を噴出する噴出部、２ｃは洗浄水の一時貯水部、３は水が上下に通過できるスラットコンベヤを用いた搬送コンベヤ、４は１０ｃｍの間隔を離して設けた上下一対の各１０００ｗａｔｔ（ワット）の超音波振動子、４ａはその振動面、５はポンプ、６は洗浄水の供給管、７は超音波振動子４の対向した振動面内の狭間領域で、高さ１０ｃｍ，左右長さ４０ｃｍ，幅３０ｃｍの空間を有する。８は噴出部２ｂから槽内側の開口２ａに沿って水膜状に噴出して水流の大部分が狭間領域７へ流入しないように流入水量と流入速度とを制御する上下一対の邪魔板、９は受水槽１の洗浄水がポンプ５に入る前に設けたゴミ除去部である。Ａは被洗浄物である半導体基板、Ｗは洗浄水、Ｗａは水カーテンである。
【００２６】
本実施例の超音波洗浄装置は、図１に示すように、上面が開放された受水槽１内部に洗浄槽２を配置し、受水槽１と洗浄槽２の前後の側面に通過口１ａ，開口２ａを開口し、その前後の通過口１ａ，開口２ａに搬送コンベヤ３を連通し、受水槽１に洗浄水Ｗを貯水している。洗浄槽２の左右の開口２ａの上方位置には、洗浄水Ｗの水カーテンＷａが開口２ａの槽内側に沿って形成されるように、下向きに且つやや内向きに噴出させる長さ６０ｃｍでスリット幅５ｍｍのスリットを備えた噴出部２ｂを取り付けている。洗浄槽２内には超音波振動子４をその発振面が水面下で対向するように１０ｃｍ間隔をおいて上下に配置し、受水槽１の洗浄水Ｗを噴出部２ｂへ給水するポンプ５と供給管６を設けている。
【００２７】
受水槽１の貯水量は１００〜３００リットル、洗浄槽２の容積は３０〜６０リットル、ポンプ４の給水能力は３００〜１０００リットル／分可能である。各超音波振動子４は１０００ワットで周波数は２５ｋＨｚ・４０ｋＨｚ・１２０ｋＨｚの切替式である。
【００２８】
本実施例では、ポンプ５を作動させると、受水槽１に貯えた酸素と窒素とを飽和溶存濃度程度に溶存させた洗浄水Ｗは供給管６を介して洗浄槽２へ送られる。
洗浄槽２では、供給管６で送られた洗浄水は一時貯水部２ｃで貯えられた後、スリット状の噴出口が５ｍｍ幅で６０ｃｍ長さの噴出部２ｂから５０ｍ／分の高速で水カーテン状に噴出する。噴出部２ｂの水カーテンＷａは洗浄槽２の開口２ａを閉鎖するようになって、この開口２ａより高い水面となっている洗浄槽２内の洗浄水が大量に開口２ａから排出されるのを抑止して水面の高さを維持している。
【００２９】
水カーテンＷａの水流は上下一対の邪魔板８によって大部分（９０％程）は邪魔板８と槽内面との間で遊水して開口２ａから排出される。
水カーテンＷａの水中の一部の１０％程度の水が上下の邪魔板８の間隙から超音波振動子４間の狭間領域７へ左右両側から対向するように流入する。その流入速度は略５０ｃｍ／分程で大幅に減速されている。狭間領域は高さ１０ｃｍ，奥行３０ｃｍ，長さ（左右長）は４０ｃｍ程でその領域の容積Ｌは１２リッターである。水カーテン状に噴出した酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水の一部はこの狭間領域７へ左右から対向して進入したらその領域７の前後から流出する。この状態を図３に示している。
【００３０】
狭間領域７へ流入した洗浄水の酸素と窒素は狭間領域の上下の超音波振動子４による強力な超音波振動によって分解され、直ちに過酸化水素水と硝酸になる。一方狭間領域７から流出する洗浄水の酸素と窒素の濃度はそのため略０％近くとなる。この流出した洗浄水は狭間領域７に流入（通過）しない洗浄水（９０％程度）と合流し、開口２ａから槽外へ排出され、洗浄水はこの開口２ａから水膜・水脈状となって下方へ落下し、受水槽１によって回収され、貯えられる。洗浄水はこの水膜・水脈状となって落下する途中に大気中の酸素と窒素ガスと接触し、落下途中でこれらガスを洗浄水中へ溶解してそれらの濃度を高める。このように本発明の溶解部は実施例では洗浄槽２の開口２ａとその下方に設置された受水槽１の簡単な構成からなっている。そしてこれらガスの溶存濃度は一回の落下で大略１５％程濃度を高めることができる。溶解部での濃度上昇の比率値γは０．１５程である。
【００３１】
左右の噴出部２ｂから洗浄水の供給量は略３００リットル／分程であり、又狭間領域７に流入する洗浄水量は約３０リットル／分で供給される洗浄水の略１０％程である。
【００３２】
狭間領域７に流入した洗浄水は、１０ｃｍ間隔の上下にある各１０００ｗａｔｔ（ワット）の超音波振動子４によってこの領域に生起するランダムで強力な超音波振動によって、洗浄水中に溶存させていた酸素と窒素は下式のように分解されて過酸化水素水と硝酸等が生成され、これらによる高い殺菌力・脱脂力及びキャビテーションと併せて高い洗浄力を発現する。
【００３３】
【化１】
【００３４】
この実施例の狭間領域７を通過（流入）する流量と非通過（流入しない）流量の分流比率（ｑ２／ｑ１）は略０．１であり、狭間領域７の容積Ｌは１２リットルであり、左右からの狭間領域７の洗浄水の流入面積Ｓは約３０ｃｍ×１０ｃｍ×２＝６００ｃｍ２であり、それへの流入速度は５０ｃｍ／分で、超音波振動子の総出力は２０００ｗａｔｔ（ワット）であるので、（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））の値は４．０であり、又（Ｗｔ／ｑ２）、（Ｗｔ／（ｋ＊Ｑ））でも４．０となる。
【００３５】
狭間領域７への洗浄水の流入速度は、１５〜１００ｃｍ／分が実用的であり好ましくは２０〜６０ｃｍ／分である。下限値より小さくすると、高濃度に酸素と窒素とを溶存させた洗浄水の流入量が不足して過酸化水素水と硝酸の生成が少なく洗浄殺菌力が少なくなる。又上限値を超えると、生成した過酸化水素水と硝酸、キャビテーションが流出して散失してやはり洗浄殺菌効果が弱くなる。
又、超音波振動子の総電力Ｗｔにも影響し、（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））の値が０．６７〜１３．３の範囲が実用的であり、１．１〜１０．０の範囲が好ましい範囲であることが分かった。
【００３６】
このように、強力なソノケミストリー反応を狭間領域７に生起させている状態で、搬送コンベヤ３を作動させ、被洗浄物Ａを搬送コンベヤ３で受水槽１を介して洗浄槽２の開口２ａを介して洗浄槽２内の洗浄水中へ被洗浄物Ａを送り出し、被洗浄物を狭間領域７を一定速度で通過させる。これによって狭間領域に集中的に与えられている水の強力な超音波振動、キャビテーション及び過酸化水素水、硝酸等で被洗浄物Ａを強力に洗浄殺菌することができた。
【００３７】
狭間領域に強力なソノケミストリー反応が生じていることを、洗浄水中にルミノール液を混入して狭間領域でのルミノール液の酸化による青白い光の発生状況で目視観察した。本実施例では狭間領域全体に強い大きな青白い発光を目視できたが、上方の超音波発振子の作動を停止すると、発光は作動させている下方の超音波振動子のある側の部分的なもので発光も弱いものであった。
【００３８】
更に、水槽中に洗浄水を貯えて超音波振動を与えるバッチ式の従来の超音波洗浄機と、本実施例の超音波洗浄装置を用いて、ブタや牛の血を塗布した医療用インジケータを洗浄した所、従来のバッチ式では血等の汚れが完全に落ちるまでには９０〜１２０分を要したが、本実施例の洗浄では１〜５分で済み、きわめて短時間で医療用インジケータを完全に洗浄できた。
【００３９】
図５に示す他の実施例は、前記実施例の邪魔板８を使わずに水量と流速を調整する例である。供給管６を分岐して狭間領域７へ洗浄水を直接送るようにし、又洗浄槽２の洗浄水は下方の散水管２３からシャワー状に吹き出して下方の受水槽１で回収される。溶解部は散水管２３と受水槽１とで構成された例で、分岐管２０の途中に設けた水量調整弁２１で分流比率を０．１程度となるようにし、分岐管２０の先端の吹出部２２から狭間領域７に向けて左右対向するように流入させて、その流速を２０〜６０ｃｍ／分となるように水量調整弁２１と吹出部の吹出面積で調整した例である。又、溶解部は洗浄水がシャワー状に吹き出してより水の細かい粒子状にして大気中の酸素と窒素を溶解し易くしている。他の構成、作用効果は前記実施例と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の技術は、電子部品・機械加工品・医療器具・メダルや硬貨・入れ歯等に付着した汚れや油分等を洗浄殺菌する用途に利用される。また、超音波振動子を左右に対向して配置し、その間の空間に部屋の空気を微細な気泡にして下方から送り込んで洗浄殺菌する空気清浄にも応用できる。
【符号の説明】
【００４１】
１ 受水槽
１ａ 通過口
２ 洗浄槽
２ａ 開口
２ｂ 噴出部
２ｃ 一時貯水部
３ 搬送コンベヤ
４ 超音波振動子
５ ポンプ
６ 供給管
７ 狭間領域
８ 邪魔板
９ ゴミ除去部
２０ 分岐管
２１ 水量調整弁
２２ 吹出部
２３ 散水管
Ａ 被洗浄物
Ｗ 洗浄水
Ｗａ 水カーテン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いた物品の洗浄方法であって、洗浄水に酸素と窒素を高濃度（溶存飽和濃度又はそれに近い濃度）に溶存させ、超音波振動でソノケミストリー反応を生起させて発生する過酸化水素と硝酸によって洗浄と殺菌を行う技術である。半導体製品・金属加工品・医療器具・食器等の物品の洗浄・殺菌方法として有用である。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波洗浄方法として、洗浄水中に浸漬した被洗浄物品に対して超音波を異なる複数の方向から照射する方法が公知である（例えば特許文献１〜５参照）。この方法によれば、超音波が被洗浄物の表面全面に照射されやすくなり、ムラの少ない洗浄効果が得られるというものである。しかしながら特許文献１〜５記載の技術は、超音波振動子の振動が洗浄槽に貯えられた洗浄水全量に対して作用するものであり、あるいは槽自体を超音波振動させて洗浄水に超音波振動を伝播させるものであるため、水分子に対する超音波振動は弱いものとなる。更に洗浄槽の水面によって定常波が形成されて、水分子のランダムな超音波振動が弱まる。これらの理由で超音波振動の作用が弱く洗浄力が低いものとなる。又洗浄水は純水、上水であって、充分に酸素と窒素が溶存していないのでソノケミストリー反応がほとんど発生せず、殺菌力はあまり期待できなかった。
【０００３】
また、酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水に超音波振動を与えて洗浄する方法が公知である（例えば特許文献６，７参照）。この方法によれば、洗浄水中にＨ２Ｏ２（過酸化水素）やＨＮＯ３（硝酸）が多量に生じ、これらの酸化作用により高い分解殺菌効果が得られるというものである。しかし、特許文献６，７記載の技術は、いずれも超音波を一方向から照射するものであるから、超音波が被洗浄物の全面に均一に照射されず、分解殺菌効果にムラがあった。また、酸素と窒素は導入管等を用いて強制的に注入するから、超音波洗浄装置が高コストとなる問題があった。更に、超音波振動子は洗浄槽に取り付けているから、超音波振動は前記理由によってまだ弱く、洗浄水中に溶存した酸素と窒素が分解して過酸化水素と硝酸を発生させるソノケミストリー反応が不充分であり、洗浄・殺菌力が低いという問題点がある。更に、水槽内の洗浄水を交換せず又酸素と窒素の吹き込みのない超音波振動によるバッチ式洗浄殺菌では洗浄水中の酸素と窒素が短時間で分解して消費され、洗浄殺菌力が失われる。
【０００４】
また、洗浄水を大気に触れさせながら循環させ、大気中の窒素を洗浄水中に自然に取り込ませて溶存させる方法も公知である（例えば特許文献８参照）。しかし、特許文献８記載の技術は、洗浄水の水面のみを大気に触れるようにしているから、窒素の取り込み量が不十分となり、これを補うために洗浄水の流量調整装置と温度調整装置を別途必要とし、超音波洗浄装置が依然高コストとなる問題があった。また、超音波を一方向から照射するものであるから、特許文献６，７記載の技術と同様に洗浄殺菌効果にムラがあった。さらに、超音波振動子は洗浄槽に取り付けているから、前記理由から超音波は強く出力しないと充分な洗浄が期待できなかった。
更に、本発明者等が先に開発した特開平４−１７６３７９号公報の連続超音波洗浄装置は、上下一対の超音波振動子を用いて、その間に被洗浄物を通過させるものであるが、この洗浄方法は超音波振動子を上下対向して超音波振動を強力にして被洗浄物を強力に洗浄しようとするものであった。しかしながら、この洗浄方法ではソノケミストリー反応について認識されていず、且つ洗浄水は超音波振動子間を速く且つかなりの割合で流れる水流のため、ソノケミストリー反応が生じてもその反応で発生した過酸化水素、亜硝酸は速く流れて流出し被洗浄物の洗浄には不充分となる。又、洗浄水に溶存していた酸素・窒素ガスは循環するうちに消費され、溶存濃度が大幅に低下しソノケミストリー反応が弱くなり、ソノケミストリー反応による連続的で安定した殺菌・洗浄力はあまり期待できなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３０８０６７号公報
【特許文献２】実開昭５６−２０６８４号公報
【特許文献３】特開２００６−３５１３９号公報
【特許文献４】特開２００９−１２５６４５号公報
【特許文献５】特開平６−２６２１４８号公報
【特許文献６】特開平９−１９４８８７号公報
【特許文献７】特開２００５−４５１５９号公報
【特許文献８】特開２００８−９１５４６号公報
【特許文献９】特開平４−１７６３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、従来のこれらの問題点を解消し、物品の表面に付着した指紋脂も除去できる程に高い洗浄力と高い殺菌効果も同時に得ることができ、しかも低出力の超音波で高い洗浄殺菌効果を得ることができる超音波洗浄方法を提供することにある。更に、本願発明の他の課題は、洗浄水を循環使用して物品を安定的で且つ連続的に洗浄殺菌でき、しかも設備とランニングコストとも廉価にできる連続洗浄殺菌処理できる洗浄方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決した本発明の構成は、
１） 水中に酸素及び窒素を高濃度に溶存させた洗浄水が連続的に供給されて洗浄水を貯える洗浄槽内に、発振面が洗浄水の水面下に浸漬するように且つ互に発振面が対向するように複数の超音波振動子を配置し、対向する発振面によってはさまれた又は囲まれた狭間領域に酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水が１５〜１００ｃｍ／分の範囲の流速で流入するようにするとともに、被洗浄物を上記狭間領域に所定時間置き、上記狭間領域において対向する超音波振動子の超音波振動によって洗浄水中の溶存酸素と窒素とを分解して過酸化水素と硝酸とを発生させて被洗浄物の洗浄と殺菌を行うことを特徴とする、超音波を用いた物品の洗浄方法
２） 狭間領域の洗浄水の流速の範囲が２０〜６０ｃｍ／分である、前記１）記載の超音波を用いた物品の洗浄方法
３） 高濃度に酸素と窒素とを溶存させた洗浄水を狭間領域の対向する左右側面から互に対向する方向に流入させ、狭間領域の前後の側面から流出させることで洗浄水の流速を供給の流速から減速させて狭間領域での流速の範囲にする、前記１）又は２）記載の超音波を用いた物品の洗浄方法
４） 狭間領域をはさむ又は囲む複数の超音波振動子の総電力をＷｔとし、狭間領域への洗浄水の流入面積をＳとし、狭間領域を流れる洗浄水の平均流速をｖとすると、単位ｃｍ，秒，ワットで次の不等式１の ０．６７＜（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））＜１３．３ の条件を満足させるようにして洗浄力と殺菌力を高める、前記１）〜３）記載の超音波を用いた物品の洗浄方法
５） 不等式の条件が更に減縮されて、単位ｃｍ，秒，ワットで次の不等式２の １．１＜（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））＜１０．０ を満足するようにした、前記４）記載の超音波を用いた物品の洗浄方法
６） 前記１）〜５）記載のいずれかの超音波を用いた物品の洗浄方法において、酸素と窒素とを高濃度に溶存させた洗浄水を洗浄槽内へ連続的に供給するとともに、供給された洗浄水の一部のみが狭間領域を通過するように流した後供給された洗浄水全量を連続的に洗浄槽から排出し、排出した洗浄水を酸素と窒素とを溶存させる溶解部へ送り、同溶解部で溶存濃度を高めて酸素と窒素とも高濃度に溶存させた後ポンプで洗浄槽に供給して洗浄水を循環使用するとともに、洗浄槽内に供給される洗浄水のうち狭間領域を通過する流量の狭間領域を通過しないで排水される流量に対する分流比率が溶解部の洗浄水中の溶存の酸素又は窒素の各濃度上昇の比率のうち低い方の上昇比率より小さくなるようにし、洗浄槽に供給する洗浄水が常時酸素と窒素とを高濃度に溶存させるようにして連続洗浄を可能とした、超音波を用いた物品の洗浄方法
７） 洗浄槽の左右側壁面それぞれに開口を設け、左右の同開口を介して洗浄槽内の水中を移動して被洗浄物が洗浄水面下の狭間領域を通過するように搬送する搬送コンベヤを設け、洗浄槽に供給される洗浄水を槽内側の左右の開口付近で水膜状に吹き出して水カーテンを形成し、左右の開口から洗浄槽内の洗浄水が大量に排水するのを抑止し、更に吹き出した洗浄水の一部が槽内に設けた邪魔板によって減速されながら誘導されて狭間領域の左右側面から互に対向するように流入するようにした、前記６）記載の超音波を用いた物品の洗浄方法
８） 洗浄槽の開口から洗浄水を水膜又は水脈状に大気中に落下させ、落下途中において大気中の酸素と窒素と接触してこれらを洗浄水に溶存させ、洗浄槽の下方の受水槽で落下する洗浄水を回収し、回収した洗浄水をポンプで洗浄槽に送って供給するようにし、溶解部が洗浄槽の開口と同開口の下方に配置した受水槽とから形成される、前記７）記載の超音波を用いた物品の洗浄方法
にある。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、超音波振動子の発振面を対向させ、対向した狭間領域に超音波振動を集中し、この領域において水と酸素と窒素に対して強力でランダムな超音波振動を与えることで、Ｈ２Ｏ２やＨＮＯ３を多量に発生させ、キャビテーション状態として強力でムラの少ない高い洗浄殺菌効果が同時に得られるようになる。更に、酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水を狭間領域に１５〜１００ｃｍ／分の流速の範囲で流すようにしたことで、高い濃度の過酸化水素と硝酸の連続的発生を維持し且つ発生した過酸化水素と硝酸の速い拡散流出を防ぎ、狭間領域に高い濃度の過酸化水素と硝酸とキャビテーション状態とを確保して物品の洗浄と殺菌の強い効果を長時間安定的に維持できるようにしている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例の超音波洗浄装置の説明図である。
【図２】実施例の供給された洗浄水の分流の状態を示す説明図である。
【図３】実施例の狭間領域での洗浄水の流入と流出状態を示す説明図である。
【図４】洗浄水中の溶存酸素・窒素の濃度変動を示す説明図である。
【図５】実施例の他の例の超音波洗浄装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の洗浄槽は、水槽構造ばかりでなく、洗浄水が流れて被洗浄物をその水流中に置ける水路構造のものであってもよい。
【００１１】
本発明の洗浄水に溶存された酸素と窒素の「高濃度」とは、大気圧下の飽和溶存濃度又はこの前後の濃度、飽和溶存濃度の７０％以上のものである。通常、大気下での気体の溶存濃度は溶解度で表現され、１気圧時の容積単位ｃｍ３で、酸素は室温で０．０３１ｃｍ３／水１ｃｃ，窒素は室温で０．０１６ｃｍ３／水１ｃｃ程である。加圧して飽和溶存濃度よりかなり高くすることも可能であり、これも含むものである。又洗浄水としては、純水・上水道水等の水に洗浄剤を加えてもよい。
【００１２】
本発明の溶解部は、洗浄水中に酸素と窒素を高濃度に溶存させる構成部であり、この溶解部での酸素と窒素を溶存する方法としては、洗浄水を大気中で水膜状・水脈状・噴霧状又はシャワー状に落下又は吹き出せることで大気中の酸素と窒素と洗浄水を接触させて溶存させる方法（以下、落下式と総称する）と、洗浄水中に酸素ガス、窒素ガス又は空気を気泡状に吹き込んで溶存させる方法が代表的である。前者の落下式の場合は、一回の落下によって溶存濃度は大略１５％程度しか高められない。
【００１３】
本発明の狭間領域へ供給された高濃度の酸素・窒素溶存の洗浄水の一部を送るように分流する方法としては、供給された洗浄水を水槽内で邪魔板・区画板・誘導板等で直ちに分けて供給された洗浄水の一部がすぐに狭間領域にいくようにする方法と、高濃度に溶存させた洗浄水を送る供給ホース（供給管）を分岐して分岐した供給ホース（供給管）に一部の洗浄水を送り、これが直接狭間領域へ流入するようにして狭間領域を通過した洗浄水は非通過の洗浄水と合流させる方法がある。分流する割合は、１０％前後が代表例である。
【００１４】
本発明の狭間領域に流入する高濃度に酸素と窒素とを溶存させた洗浄水の流速（流速が変動しているときはその平均流速）は１５〜１００ｃｍ／分、好ましくは２０〜６０ｃｍ／分とする。これは、流速が遅いと、狭間領域内にある洗浄水の溶存された酸素と窒素はこの狭間領域に入ると直ちに超音波振動により分解して消費されるので、絶えず新しい洗浄水をこの狭間領域に流入させねば狭間領域内の酸素と窒素がなくなり新しい過酸化水素と硝酸が発生しなくなる。又発生していた過酸化水素と硝酸とは化学反応・拡散・流出で低濃度となり、洗浄殺菌力を失う。又発生していたキャビテーションも流出してしまうので絶えず新しい洗浄水の供給が必要となる。
又、洗浄水の流速が速いと、発生した過酸化水素と硝酸及びキャビテーション状態がこの狭間領域外へ流出して、やはり洗浄殺菌力が低下する。
【００１５】
流速は、１５〜１００ｃｍ／分の範囲がその両者を調和させて高い洗浄殺菌力を高めるものであった。望ましくはその流速は２０〜６０ｃｍ／分が好ましいものであった。
【００１６】
本発明で洗浄槽に供給される洗浄水の全流量のうち狭間領域に流入させる流量の割合は、溶解部でその溶存の濃度を高める濃度上昇の比率以下にすることで、狭間領域の洗浄水の通過で分解して失われる酸素と窒素とが溶解部で回復でき、洗浄水を連続的に循環使用でき、洗浄殺菌の処理を安定して且つ長時間その洗浄殺菌力を失わないことを可能とする。
【００１７】
本発明では、狭間領域での洗浄水の流速ｖと、狭間領域に洗浄水が流入する流入面積をＳとし、狭間領域に超音波振動を与える対向した超音波振動子の総電力Ｗｔが下記の不等式１好ましくは不等式２を満足させれば、被洗浄物の表面の指紋脂等の取り除きにくい付着物を短時間できれいに除去できるものとすることができた。単位はｃｍ，秒，ワットである。（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））の値は、流速ｖが上記の如く速いと低い値となり、ｖが遅い（小さい）と大きくなり、上記の流速の範囲及び超音波の総電力も適切なものがよく、下記の不等式１，２のものがよいことが分かった。
【００１８】
（数式１）
不等式１：０．６７＜（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））＜１３．３
不等式２：１．１＜（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））＜１０．０
【００１９】
尚、上記不等式で（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））の値を（Ｗｔ／ｑ２）にすることもできる。ｖ，ｓの値が不明又は計測できにくく、通過流量ｑ２の方が測定でき易い又は計算し易い場合は、（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））を（Ｗｔ／ｑ２）に置き代えることもできる。更に分流割合ｋをｋ＝ｑ２／（ｑ１＋ｑ２）＝ｑ２／Ｑとすると、ｑ２＝ｋ＊Ｑであるから、更に（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））を（Ｗｔ／（ｋ＊Ｑ））に置き代えるようにしてもよい。不等式１，２は下記数２に置き代えることができる。
【００２０】
（数２）
不等式３：０．６７＜（Ｗｔ／（ｋ＊Ｑ））＜１３．３
不等式４：１．１＜（Ｗｔ／（ｋ＊Ｑ））＜１０．０
ｋ＝ｑ２／Ｑ＝分流割合
【００２１】
又、洗浄槽に供給される酸素と窒素とを高濃度αに溶存させた洗浄水の流量をＱとし、供給された洗浄水が狭間領域を通過する流量をｑ２とし、狭間領域を通過しないでそのまま排水される流量をｑ１＝（Ｑ−ｑ２）とし、溶解部での酸素と窒素の濃度上昇の低い方の濃度上昇の比率値をγとしたとき、開口から落下する直前の濃度βは、狭間領域を通過する酸素と窒素はほとんど分解して消費されるのでα＊ｑ１／（ｑ１＋ｑ２）であり、これが溶解部で比率値γで濃度上昇し、しかも比率値γが供給される洗浄水の狭間領域に流入する流量の非通過の流量に対する分流比率（ｑ２／ｑ１）より大きくするようになっているので、溶解部を経た後の洗浄水の濃度δは（β＋γβ）となり、濃度上昇の比率値γ＝（δ−β）／βが分流比率（ｑ２／ｑ１）の値より大きいので下式のように、濃度δは供給時の濃度αより大きくなる。
【００２２】
（数３）
ｑ２／ｑ１＜γ
δ＝β＋γβ＝β（１＋γ）＝α＊ｑ１＊（１＋γ）／（ｑ１＋ｑ２）
δ＞α＊ｑ１＊（１＋ｑ２／ｑ１）／（ｑ１＋ｑ２）＝α
δ＞α
【００２３】
このように、溶解部の濃度上昇の比率γを分流比率より大きくすることで（又は分流比率を溶解部の濃度上昇の比率γより小さくすることで）、洗浄槽へ供給する洗浄水の酸素と窒素の濃度は所定の高濃度以上を維持して連続で長時間の洗浄殺菌を可能とする。尚、初期的にこれら濃度にするには、超音波振動子を作動させないで繰り返し循環させることで、所定の高濃度にできる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を実施例と図面に基づいて具体的に説明する。図１は実施例に用いた超音波洗浄装置Ｔの説明図である。図２〜４はその洗浄水の流れと、酸素と窒素の溶存濃度と流量との変動を示す実施例の説明図である。
【００２５】
図中、１は受水槽、１ａは同受水槽の上方の左右側面に開口した搬送コンベヤ３の通過口、２は洗浄槽、２ａは洗浄槽の左右の側面に設けた開口であって排水口となっている。２ｂは細長のスリットから水膜状に洗浄水を噴出する噴出部、２ｃは洗浄水の一時貯水部、３は水が上下に通過できるスラットコンベヤを用いた搬送コンベヤ、４は１０ｃｍの間隔を離して設けた上下一対の各１０００ｗａｔｔ（ワット）の超音波振動子、４ａはその振動面、５はポンプ、６は洗浄水の供給管、７は超音波振動子４の対向した振動面内の狭間領域で、高さ１０ｃｍ，左右長さ４０ｃｍ，幅３０ｃｍの空間を有する。８は噴出部２ｂから槽内側の開口２ａに沿って水膜状に噴出して水流の大部分が狭間領域７へ流入しないように流入水量と流入速度とを制御する上下一対の邪魔板、９は受水槽１の洗浄水がポンプ５に入る前に設けたゴミ除去部である。Ａは被洗浄物である半導体基板、Ｗは洗浄水、Ｗａは水カーテンである。
【００２６】
本実施例の超音波洗浄装置は、図１に示すように、上面が開放された受水槽１内部に洗浄槽２を配置し、受水槽１と洗浄槽２の前後の側面に通過口１ａ，開口２ａを開口し、その前後の通過口１ａ，開口２ａに搬送コンベヤ３を連通し、受水槽１に洗浄水Ｗを貯水している。洗浄槽２の左右の開口２ａの上方位置には、洗浄水Ｗの水カーテンＷａが開口２ａの槽内側に沿って形成されるように、下向きに且つやや内向きに噴出させる長さ６０ｃｍでスリット幅５ｍｍのスリットを備えた噴出部２ｂを取り付けている。洗浄槽２内には超音波振動子４をその発振面が水面下で対向するように１０ｃｍ間隔をおいて上下に配置し、受水槽１の洗浄水Ｗを噴出部２ｂへ給水するポンプ５と供給管６を設けている。
【００２７】
受水槽１の貯水量は１００〜３００リットル、洗浄槽２の容積は３０〜６０リットル、ポンプ４の給水能力は３００〜１０００リットル／分可能である。各超音波振動子４は１０００ワットで周波数は２５ｋＨｚ・４０ｋＨｚ・１２０ｋＨｚの切替式である。
【００２８】
本実施例では、ポンプ５を作動させると、受水槽１に貯えた酸素と窒素とを飽和溶存濃度程度に溶存させた洗浄水Ｗは供給管６を介して洗浄槽２へ送られる。
洗浄槽２では、供給管６で送られた洗浄水は一時貯水部２ｃで貯えられた後、スリット状の噴出口が５ｍｍ幅で６０ｃｍ長さの噴出部２ｂから５０ｍ／分の高速で水カーテン状に噴出する。噴出部２ｂの水カーテンＷａは洗浄槽２の開口２ａを閉鎖するようになって、この開口２ａより高い水面となっている洗浄槽２内の洗浄水が大量に開口２ａから排出されるのを抑止して水面の高さを維持している。
【００２９】
水カーテンＷａの水流は上下一対の邪魔板８によって大部分（９０％程）は邪魔板８と槽内面との間で遊水して開口２ａから排出される。
水カーテンＷａの水中の一部の１０％程度の水が上下の邪魔板８の間隙から超音波振動子４間の狭間領域７へ左右両側から対向するように流入する。その流入速度は略５０ｃｍ／分程で大幅に減速されている。狭間領域は高さ１０ｃｍ，奥行３０ｃｍ，長さ（左右長）は４０ｃｍ程でその領域の容積Ｌは１２リッターである。水カーテン状に噴出した酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水の一部はこの狭間領域７へ左右から対向して進入したらその領域７の前後から流出する。この状態を図３に示している。
【００３０】
狭間領域７へ流入した洗浄水の酸素と窒素は狭間領域の上下の超音波振動子４による強力な超音波振動によって分解され、直ちに過酸化水素水と硝酸になる。一方狭間領域７から流出する洗浄水の酸素と窒素の濃度はそのため略０％近くとなる。この流出した洗浄水は狭間領域７に流入（通過）しない洗浄水（９０％程度）と合流し、開口２ａから槽外へ排出され、洗浄水はこの開口２ａから水膜・水脈状となって下方へ落下し、受水槽１によって回収され、貯えられる。洗浄水はこの水膜・水脈状となって落下する途中に大気中の酸素と窒素ガスと接触し、落下途中でこれらガスを洗浄水中へ溶解してそれらの濃度を高める。このように本発明の溶解部は実施例では洗浄槽２の開口２ａとその下方に設置された受水槽１の簡単な構成からなっている。そしてこれらガスの溶存濃度は一回の落下で大略１５％程濃度を高めることができる。溶解部での濃度上昇の比率値γは０．１５程である。
【００３１】
左右の噴出部２ｂから洗浄水の供給量は略３００リットル／分程であり、又狭間領域７に流入する洗浄水量は約３０リットル／分で供給される洗浄水の略１０％程である。
【００３２】
狭間領域７に流入した洗浄水は、１０ｃｍ間隔の上下にある各１０００ｗａｔｔ（ワット）の超音波振動子４によってこの領域に生起するランダムで強力な超音波振動によって、洗浄水中に溶存させていた酸素と窒素は下式のように分解されて過酸化水素水と硝酸等が生成され、これらによる高い殺菌力・脱脂力及びキャビテーションと併せて高い洗浄力を発現する。
【００３３】
【化１】
【００３４】
この実施例の狭間領域７を通過（流入）する流量と非通過（流入しない）流量の分流比率（ｑ２／ｑ１）は略０．１であり、狭間領域７の容積Ｌは１２リットルであり、左右からの狭間領域７の洗浄水の流入面積Ｓは約３０ｃｍ×１０ｃｍ×２＝６００ｃｍ２であり、それへの流入速度は５０ｃｍ／分で、超音波振動子の総出力は２０００ｗａｔｔ（ワット）であるので、（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））の値は４．０であり、又（Ｗｔ／ｑ２）、（Ｗｔ／（ｋ＊Ｑ））でも４．０となる。
【００３５】
狭間領域７への洗浄水の流入速度は、１５〜１００ｃｍ／分が実用的であり好ましくは２０〜６０ｃｍ／分である。下限値より小さくすると、高濃度に酸素と窒素とを溶存させた洗浄水の流入量が不足して過酸化水素水と硝酸の生成が少なく洗浄殺菌力が少なくなる。又上限値を超えると、生成した過酸化水素水と硝酸、キャビテーションが流出して散失してやはり洗浄殺菌効果が弱くなる。
又、超音波振動子の総電力Ｗｔにも影響し、（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））の値が０．６７〜１３．３の範囲が実用的であり、１．１〜１０．０の範囲が好ましい範囲であることが分かった。
【００３６】
このように、強力なソノケミストリー反応を狭間領域７に生起させている状態で、搬送コンベヤ３を作動させ、被洗浄物Ａを搬送コンベヤ３で受水槽１を介して洗浄槽２の開口２ａを介して洗浄槽２内の洗浄水中へ被洗浄物Ａを送り出し、被洗浄物を狭間領域７を一定速度で通過させる。これによって狭間領域に集中的に与えられている水の強力な超音波振動、キャビテーション及び過酸化水素水、硝酸等で被洗浄物Ａを強力に洗浄殺菌することができた。
【００３７】
狭間領域に強力なソノケミストリー反応が生じていることを、洗浄水中にルミノール液を混入して狭間領域でのルミノール液の酸化による青白い光の発生状況で目視観察した。本実施例では狭間領域全体に強い大きな青白い発光を目視できたが、上方の超音波発振子の作動を停止すると、発光は作動させている下方の超音波振動子のある側の部分的なもので発光も弱いものであった。
【００３８】
更に、水槽中に洗浄水を貯えて超音波振動を与えるバッチ式の従来の超音波洗浄機と、本実施例の超音波洗浄装置を用いて、ブタや牛の血を塗布した医療用インジケータを洗浄した所、従来のバッチ式では血等の汚れが完全に落ちるまでには９０〜１２０分を要したが、本実施例の洗浄では１〜５分で済み、きわめて短時間で医療用インジケータを完全に洗浄できた。
【００３９】
図５に示す他の実施例は、前記実施例の邪魔板８を使わずに水量と流速を調整する例である。供給管６を分岐して狭間領域７へ洗浄水を直接送るようにし、又洗浄槽２の洗浄水は下方の散水管２３からシャワー状に吹き出して下方の受水槽１で回収される。溶解部は散水管２３と受水槽１とで構成された例で、分岐管２０の途中に設けた水量調整弁２１で分流比率を０．１程度となるようにし、分岐管２０の先端の吹出部２２から狭間領域７に向けて左右対向するように流入させて、その流速を２０〜６０ｃｍ／分となるように水量調整弁２１と吹出部の吹出面積で調整した例である。又、溶解部は洗浄水がシャワー状に吹き出してより水の細かい粒子状にして大気中の酸素と窒素を溶解し易くしている。他の構成、作用効果は前記実施例と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の技術は、電子部品・機械加工品・医療器具・メダルや硬貨・入れ歯等に付着した汚れや油分等を洗浄殺菌する用途に利用される。また、超音波振動子を左右に対向して配置し、その間の空間に部屋の空気を微細な気泡にして下方から送り込んで洗浄殺菌する空気清浄にも応用できる。
【符号の説明】
【００４１】
１ 受水槽
１ａ 通過口
２ 洗浄槽
２ａ 開口
２ｂ 噴出部
２ｃ 一時貯水部
３ 搬送コンベヤ
４ 超音波振動子
５ ポンプ
６ 供給管
７ 狭間領域
８ 邪魔板
９ ゴミ除去部
２０ 分岐管
２１ 水量調整弁
２２ 吹出部
２３ 散水管
Ａ 被洗浄物
Ｗ 洗浄水
Ｗａ 水カーテン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に酸素及び窒素を高濃度に溶存させた洗浄水が連続的に供給されて洗浄水を貯える洗浄槽内に、発振面が洗浄水の水面下に浸漬するように且つ互に発振面が対向するように複数の超音波振動子を配置し、対向する発振面によってはさまれた又は囲まれた狭間領域に酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水が１５〜１００ｃｍ／分の範囲の流速で流入するようにするとともに、被洗浄物を上記狭間領域に所定時間置き、上記狭間領域において対向する超音波振動子の超音波振動によって洗浄水中の溶存酸素と窒素とを分解して過酸化水素と硝酸とを発生させて被洗浄物の洗浄と殺菌を行うことを特徴とする、超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項２】
狭間領域の洗浄水の流速の範囲が２０〜６０ｃｍ／分である、請求項１記載の超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項３】
高濃度に酸素と窒素とを溶存させた洗浄水を狭間領域の対向する左右側面から互に対向する方向に流入させ、狭間領域の前後の側面から流出させることで洗浄水の流速を供給の流速から減速させて狭間領域での流速の範囲にする、請求項１又は２記載の超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項４】
狭間領域をはさむ又は囲む複数の超音波振動子の総電力をＷｔとし、狭間領域への洗浄水の流入面積をＳとし、狭間領域を流れる洗浄水の平均流速をｖとすると、単位ｃｍ，秒，ワットで次の不等式１の ０．６７＜（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））＜１３．３ の条件を満足させるようにして洗浄力と殺菌力を高める、請求項１〜３記載の超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項５】
不等式の条件が更に減縮されて、単位ｃｍ，秒，ワットで次の不等式２の １．１＜（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））＜１０．０ を満足するようにした、請求項４記載の超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項６】
請求項１〜５記載のいずれかの超音波を用いた物品の洗浄方法において、酸素と窒素とを高濃度に溶存させた洗浄水を洗浄槽内へ連続的に供給するとともに、供給された洗浄水の一部のみが狭間領域を通過するように流した後供給された洗浄水全量を連続的に洗浄槽から排出し、排出した洗浄水を酸素と窒素とを溶存させる溶解部へ送り、同溶解部で溶存濃度を高めて酸素と窒素とも高濃度に溶存させた後ポンプで洗浄槽に供給して洗浄水を循環使用するとともに、洗浄槽内に供給される洗浄水のうち狭間領域を通過する流量の狭間領域を通過しないで排水される流量に対する分流比率が溶解部の洗浄水中の溶存の酸素又は窒素の各濃度上昇の比率のうち低い方の上昇比率より小さくなるようにし、洗浄槽に供給する洗浄水が常時酸素と窒素とを高濃度に溶存させるようにして連続洗浄を可能とした、超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項７】
洗浄槽の左右側壁面それぞれに開口を設け、左右の同開口を介して洗浄槽内の水中を移動して被洗浄物が洗浄水面下の狭間領域を通過するように搬送する搬送コンベヤを設け、洗浄槽に供給される洗浄水を槽内側の左右の開口付近で水膜状に吹き出して水カーテンを形成し、左右の開口から洗浄槽内の洗浄水が大量に排水するのを抑止し、更に吹き出した洗浄水の一部が槽内に設けた邪魔板によって減速されながら誘導されて狭間領域の左右側面から互に対向するように流入するようにした、請求項６記載の超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項８】
洗浄槽の開口から洗浄水を水膜又は水脈状に大気中に落下させ、落下途中において大気中の酸素と窒素と接触してこれらを洗浄水に溶存させ、洗浄槽の下方の受水槽で落下する洗浄水を回収し、回収した洗浄水をポンプで洗浄槽に送って供給するようにし、溶解部が洗浄槽の開口と同開口の下方に配置した受水槽とから形成される、請求項７記載の超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項１】
水中に酸素及び窒素を高濃度に溶存させた洗浄水が連続的に供給されて洗浄水を貯える洗浄槽内に、発振面が洗浄水の水面下に浸漬するように且つ互に発振面が対向するように複数の超音波振動子を配置し、対向する発振面によってはさまれた又は囲まれた狭間領域に酸素と窒素を高濃度に溶存させた洗浄水が１５〜１００ｃｍ／分の範囲の流速で流入するようにするとともに、被洗浄物を上記狭間領域に所定時間置き、上記狭間領域において対向する超音波振動子の超音波振動によって洗浄水中の溶存酸素と窒素とを分解して過酸化水素と硝酸とを発生させて被洗浄物の洗浄と殺菌を行うことを特徴とする、超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項２】
狭間領域の洗浄水の流速の範囲が２０〜６０ｃｍ／分である、請求項１記載の超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項３】
高濃度に酸素と窒素とを溶存させた洗浄水を狭間領域の対向する左右側面から互に対向する方向に流入させ、狭間領域の前後の側面から流出させることで洗浄水の流速を供給の流速から減速させて狭間領域での流速の範囲にする、請求項１又は２記載の超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項４】
狭間領域をはさむ又は囲む複数の超音波振動子の総電力をＷｔとし、狭間領域への洗浄水の流入面積をＳとし、狭間領域を流れる洗浄水の平均流速をｖとすると、単位ｃｍ，秒，ワットで次の不等式１の ０．６７＜（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））＜１３．３ の条件を満足させるようにして洗浄力と殺菌力を高める、請求項１〜３記載の超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項５】
不等式の条件が更に減縮されて、単位ｃｍ，秒，ワットで次の不等式２の １．１＜（Ｗｔ／（ｖ＊Ｓ））＜１０．０ を満足するようにした、請求項４記載の超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項６】
請求項１〜５記載のいずれかの超音波を用いた物品の洗浄方法において、酸素と窒素とを高濃度に溶存させた洗浄水を洗浄槽内へ連続的に供給するとともに、供給された洗浄水の一部のみが狭間領域を通過するように流した後供給された洗浄水全量を連続的に洗浄槽から排出し、排出した洗浄水を酸素と窒素とを溶存させる溶解部へ送り、同溶解部で溶存濃度を高めて酸素と窒素とも高濃度に溶存させた後ポンプで洗浄槽に供給して洗浄水を循環使用するとともに、洗浄槽内に供給される洗浄水のうち狭間領域を通過する流量の狭間領域を通過しないで排水される流量に対する分流比率が溶解部の洗浄水中の溶存の酸素又は窒素の各濃度上昇の比率のうち低い方の上昇比率より小さくなるようにし、洗浄槽に供給する洗浄水が常時酸素と窒素とを高濃度に溶存させるようにして連続洗浄を可能とした、超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項７】
洗浄槽の左右側壁面それぞれに開口を設け、左右の同開口を介して洗浄槽内の水中を移動して被洗浄物が洗浄水面下の狭間領域を通過するように搬送する搬送コンベヤを設け、洗浄槽に供給される洗浄水を槽内側の左右の開口付近で水膜状に吹き出して水カーテンを形成し、左右の開口から洗浄槽内の洗浄水が大量に排水するのを抑止し、更に吹き出した洗浄水の一部が槽内に設けた邪魔板によって減速されながら誘導されて狭間領域の左右側面から互に対向するように流入するようにした、請求項６記載の超音波を用いた物品の洗浄方法。
【請求項８】
洗浄槽の開口から洗浄水を水膜又は水脈状に大気中に落下させ、落下途中において大気中の酸素と窒素と接触してこれらを洗浄水に溶存させ、洗浄槽の下方の受水槽で落下する洗浄水を回収し、回収した洗浄水をポンプで洗浄槽に送って供給するようにし、溶解部が洗浄槽の開口と同開口の下方に配置した受水槽とから形成される、請求項７記載の超音波を用いた物品の洗浄方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−５６４０８（Ｐ２０１１−５６４０８Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０９３５９（Ｐ２００９−２０９３５９）
【出願日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【特許番号】特許第４４８５５９８号（Ｐ４４８５５９８）
【特許公報発行日】平成２２年６月２３日（２０１０．６．２３）
【出願人】（３９１０５３８２５）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【特許番号】特許第４４８５５９８号（Ｐ４４８５５９８）
【特許公報発行日】平成２２年６月２３日（２０１０．６．２３）
【出願人】（３９１０５３８２５）
【Ｆターム（参考）】
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