Loading article…
超音波洗浄は、超音波（通常 20 ～ 40 kHz）を使用して液体を撹拌し、洗浄効果を得るプロセスです。超音波洗浄機には、内容積が 0.5 リットル（0.13 米ガロン）未満の小型デスクトップ ユニットから、内容積が 1,000 リットル（260 米ガロン）に近い大型産業用ユニットまで、さまざまなサイズがあります。
超音波洗浄機の原理は、超音波周波数源の音響エネルギーをトランスデューサーを介して機械的振動に変換することです。超音波によって生成された振動は、洗浄タンクの壁を介して洗浄液に伝達され、タンク内の液体内の微細気泡が音波の作用下で振動し続け、物体の表面の汚れた吸着物を破壊して分離します。
洗浄対象物によっては、プロセスが非常に速く、数分で汚れたアイテムを完全に洗浄できる場合もあります。他の場合には、洗浄に時間がかかり、30分を超えることもあります。[1]
超音波洗浄機は、工業部品、宝石、科学サンプル、レンズやその他の光学部品、時計、歯科用および外科用器具、工具、コイン、万年筆、ゴルフクラブ、釣り用リール、ブラインド、銃器部品、自動車燃料噴射装置、楽器、蓄音機レコード、工業用機械加工部品、電子機器、光学レンズなど、さまざまな種類の物体の洗浄に使用されています。多くの宝石工房、時計職人の施設、電子機器修理工房、[2]、科学研究室 で使用されています。
歴史
超音波洗浄は、複雑な形状の部品や小さな穴や溝のある部品を洗浄したり、表面処理プロセスを加速したりするために、何十年も産業的に使用されてきました。 [ 3]
超音波洗浄機は、振動を利用して物質を撹拌・混合するいくつかの以前の発明の自然な発展として開発されたようで、そのため超音波洗浄の明確な「発明者」は存在しません。1954年 12 月に発行された米国特許 2815193 は、特に「超音波洗浄」という用語を使用している記録上最も古い特許ですが、それ以前の特許では、たとえば米国特許 2651148のように、超音波を「強力な撹拌」、「処理」、および「研磨」に使用することに言及しています。
1950年代半ばまでに、米国に少なくとも3社、英国に2社の超音波洗浄機メーカーが設立され、1970年代までには超音波洗浄機は産業用および家庭用として広く普及しました。[4] [5]
プロセス特性
超音波洗浄は、高周波圧力（音）波によって誘発されるキャビテーション気泡を利用して液体を撹拌する。撹拌により、金属、プラスチック、ガラス、ゴム、セラミックなどの基材に付着した汚染物質に強い力が加わる。この作用は、止まり穴、亀裂、凹部にも浸透する。その目的は、固体表面にしっかりと付着または埋め込まれた汚染物質の痕跡をすべて徹底的に除去すること である。汚染物質の種類とワークピースに応じて、水またはその他の溶剤を使用することができる。汚染物質には、ほこり、汚れ、油、顔料、さび、グリース、藻類、真菌、細菌、石灰スケール、研磨剤、フラックス剤、指紋、すすワックス、離型剤、血液などの生物学的汚れなどが含まれる。超音波洗浄は、さまざまなワークピースの形状、サイズ、材料に使用でき、洗浄前に部品を分解する必要がない場合もある。[6]
洗浄プロセス中は、物体を装置の底に置いたままにしてはいけません。そうしないと、溶媒と接触していない物体の部分でキャビテーションが発生するのを防ぐことができます。 [2]
設計と動作原理
超音波洗浄機では、洗浄対象物は適切な溶液（用途に応じて水性または有機溶媒）の入ったチャンバー内に置かれる。水性洗浄機では、油やグリースなどの非極性化合物を溶解できるように界面活性剤（洗濯用洗剤など）がしばしば添加される。チャンバー内に組み込まれた、または液体内に沈められた超音波発生トランスデューサーは、超音波周波数で振動する電気信号に合わせてサイズを変化させることで、液体内に超音波を発生させる。これによりタンク内の液体内に圧縮波が生成され、液体が「引き裂かれ」、数百万の微細な「空隙」/「部分真空気泡」（キャビテーション）が残る。これらの気泡は莫大なエネルギーで崩壊し、約 5,000 K および 135 MPa の温度および圧力が達成される。[7] [8]ただし、気泡は非常に小さいため、表面の汚れや汚染物質を洗浄して除去する以上の効果はない。周波数が高くなるほど、キャビテーションポイント間のノードが小さくなり、より複雑な細部の洗浄が可能になります。
トランスデューサーは通常圧電性（例：チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）、チタン酸バリウムなどで作られる）ですが、磁気歪性の場合もあります。多くの業界でクリーナーとして使用される強力な化学薬品は、超音波撹拌では必要なくなるか、またははるかに低い濃度で使用されます。超音波は工業用洗浄に使用され、多くの医療および歯科技術や工業プロセスでも使用されています。
洗浄液
場合によっては、超音波洗浄機に普通の水を使用できますが、ほとんどの場合、洗浄液が使用されます。この溶液は、超音波洗浄の効果を最大化するために設計されています。主な溶媒は水または炭化水素です（歴史的には、四塩化炭素や1,1,1-トリクロロエタンなどの有毒な溶媒が工業的に使用されていましたが、段階的に廃止されました[9]）。洗浄するアイテムと汚染の種類（金属の脱脂、プリント基板の洗浄、生物学的物質の除去など）に応じて、いくつかの配合があります。
表面張力の低下はキャビテーションを増加させるため、溶液には通常、優れた湿潤剤 (界面活性剤) が含まれています。水性洗浄溶液には、洗剤、湿潤剤、およびその他の成分が含まれており、これらは洗浄プロセスに大きな影響を与えます。溶液の適切な組成は、洗浄するアイテムによって大きく異なります。金属、タンパク質、グリースを扱う場合は、アルカリ性洗剤溶液が特に推奨される場合があります。溶液は通常加熱され、多くの場合約 50～65 °C (122～149 °F) ですが、医療用途では、洗浄を複雑にする可能性のあるタンパク質の凝固を防ぐために、45 °C (113 °F) 未満の温度で洗浄する必要があることが一般に認められています。
一部の超音波洗浄機は、炭化水素洗浄液を使用する蒸気脱脂機と統合されています。3 つのタンクがカスケードで使用されます。汚れた液体が入っている下側のタンクが加熱され、液体が蒸発します。機械の上部には冷却コイルがあります。液体はコイル上で凝縮し、上側のタンクに流れ込みます。上側のタンクは最終的にオーバーフローし、比較的きれいな液体が洗浄が行われる作業タンクに流れ込みます。購入価格はよりシンプルな機械よりも高くなりますが、このような機械は長期的にはより経済的です。同じ液体を何度も再利用できるため、無駄や汚染を最小限に抑えることができます。
用途
洗浄液によって化学的に侵されない、硬くて非吸収性の材料（金属、プラスチックなど）のほとんどは超音波洗浄に適しています。超音波洗浄に最適な材料には、小さな電子部品、ケーブル、ロッド、ワイヤー、細かいアイテム、ガラス、プラスチック、アルミニウム、セラミック製の物体などがあります。[10]
超音波洗浄では洗浄対象物を殺菌することはできない。洗浄後も胞子やウイルスが対象物に残るからである。医療用途では、通常、殺菌は超音波洗浄の後に別のステップとして行われる。[11]
産業用超音波洗浄機は、自動車、スポーツ、印刷、海洋、医療、製薬、電気メッキ、ディスクドライブ部品、エンジニアリング、武器の各業界で使用されています。
超音波洗浄は、パイプや熱交換器などの産業プロセス機器から汚染物質を除去するために使用されます。
制限事項
超音波洗浄は、はんだ付けされた回路基板からフラックス残留物を除去するために広く使用されています。しかし、ジャイロスコープ、加速度計、マイクなどのMEMSデバイスなどの一部の電子部品は、洗浄中に受ける高強度の振動によって損傷または破壊される可能性があります。圧電ブザーは逆に動作して電圧を生成し、駆動回路に危険をもたらす可能性があります。
安全性
- 超音波洗浄機は刺激的な高周波ノイズを発生する可能性があり、継続的にさらされる場合は聴覚保護が必要になる場合があります。
- 超音波洗浄機はヒーターが装備されていない場合でも温度が上昇するため、可燃性の洗浄液の使用は避けることをお勧めします。(一部の産業用ユニットは特に防爆認定を受けています。)
- ユニットが作動しているときに洗浄液に触れると、熱や化学的な傷害を引き起こす可能性があります。超音波作用は生体組織に対して比較的無害ですが、不快感や皮膚の炎症を引き起こす可能性があります。[12]
- 超音波洗浄機は電気で動くため、故障した場合、特に洗浄液が帯電した部品に接触した場合には感電の危険があります。
参照
参考文献
- ^ Dietz、Ellen Roberta、Raula Badavinac (2002)。歯科衛生士のための安全基準と感染管理。ニューヨーク州アルバニー：Delmar Thomson Learning。p. 129。ISBN 0766826600。
- ^ ab Ensminger, Dale (2009). 超音波: データ、方程式、および実際の使用法、第 10 巻。フロリダ州ボカラトン: CRC Press (Taylor & Francis Group)。p. 328。ISBN 978-0-8247-5830-1。
- ^ Phillion, R. (2011 年 6 月)。「工業規模の超音波洗浄の熱交換器への応用」(PDF)。熱交換器の汚れと洗浄。
- ^ Mason, Timothy (2015 年 5 月). 「超音波洗浄: 歴史的視点」. Ultrasonic Sonochemistry . 29 : 519–523. doi : 10.1016/j.ultsonch.2015.05.004 . PMID 26054698.
- ^ Wahl, Paul (1970 年 3 月)。「音波を職場で活用する」。ポピュラーサイエンス。2011 年12 月 20 日閲覧。
- ^ Robert H. Todd、Dell K. Allen、Leo Alting;製造プロセスリファレンスガイド
- ^ Henglein, A.; Gutierrez, M. (1993). 「ソノケミストリーとソノルミネセンス：外部圧力の影響」J. Phys. Chem . 97 : 158–162. doi :10.1021/j100103a027.
- ^ Azar, Lawrence (2009 年 2 月)。「超音波洗浄におけるキャビテーションと細胞破壊」(PDF)。制御された環境。
- ^ Mason, Timothy (2015 年 5 月). 「超音波洗浄: 歴史的視点」. Ultrasonic Sonochemistry . 29 : 519–523. doi : 10.1016/j.ultsonch.2015.05.004 . PMID 26054698.
- ^ ウィリアムズ、ダグラス (1994)。クリーナー技術ガイド: 洗浄および脱脂プロセスの変更。ワシントン DC: 米国環境保護庁。p. 19。ISBN 9780788114519。
- ^ シマーズ、ルイーズ、カレン・シマーズ・ナートカー、シャロン・シマーズ・コベラック（2009年）。多様な健康職業：第7版。クリフトンパーク、ニューヨーク：デルマー・センゲージ・ラーニング・アカデミック・リソース・センター。p. 381。ISBN 978-1-4180-3021-6。
{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) - ^ 「超音波洗浄機操作マニュアル」(PDF) . ブランソン. 2018年11月2日閲覧。