2011/2/3 修士論文発表会

ベンチュリ管式マイクロバブル発生法を用いた洗浄技術の開発

筑波大学大学院構造エネルギー工学専攻

安部 弘紀

指導教員 ： 阿部 豊

金子 暁子

研究背景

洗浄方法として多くの場面で環境負荷の高い溶剤・薬液が

用いられている

環境負荷のより小さな洗浄手法が求められている

ベンチュリ管式マイクロバブル発生法を用いた洗浄手法を提案する

マイクロバブル：気泡径がマイクロオーダの気泡こと

不純物が界面に吸着する◇単位体積当たりの界面面積が大きい

マイクロバブルにより期待される効果

気泡を用いる洗浄

・ バブルジェットによる洗浄

・ マイクロバブルを用いた洗浄 参照 ：宮本ら 『はじめての洗浄技術』

阿部ら『すぐ使える洗浄技術』

ベンチュリ管式マイクロバブル発生法

Flow

dire

ctio

n 収縮部

流速は加速

減圧により気泡が膨張

拡大部(超音速状態)流速は加速

減圧により気泡が膨張

気泡崩壊部

気泡の崩壊・収縮

衝撃波面の形成

Flame rate : 24,000 fps

Shutter speed : 8.3 μsec

Replay speed : 10 fps

Liquid flow rate : 25L/min( ) ( )

Paaa LGGL

ααρραα −−++

−=

111222

10

2

4

6

8100

2

4

6

81000

2

Soni

c sp

eed

a [m

/s]

0.50.40.30.20.10.0

Void fraction α [−]

isothermal process

◇ 多くの気泡発生が可能

◇ 気泡の微細化に用いた

エネルギーをそのまま

噴流に利用可能

ベンチュリ管を用いた場合の特徴

ベンチュリ管式マイクロバブル発生法を用いた洗浄手法を提案する．

ノズル内流体挙動，洗浄表面圧力の特性を明らかにする．

また各流動条件による洗浄物への洗浄能力を評価する．

研究目的

◇ノズル内流体挙動の可視化計測

◇洗浄面に掛かる圧力計測

ノズル内気泡挙動，マイクロバブル径の観測

洗浄面における圧力時系列変化，ノズル出口部から

洗浄面までの距離と水平方向位置による影響

洗浄システムの応用

流量変化による流動遷移

21 2219 L/min 19 21 23

Bubbly flow (β =0.7 %)Single-phase flow

No cavitatioin Cavitation No collapse Collapse

Flame rate : 2,4000 fps

Replay speed : 30 fps

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

Poss

ibili

ty [-

]

0.60.50.40.30.20.10.0

Bubble diameter D [mm]

QL = 19 L/minAfter through a nozzle

QL = 21 L/minAfter through a nozzle

QL = 23 L/minBefore through a nozzleAfter through a nozzle

気泡径分布

β = 0.7 % L = infinity surface

平均径 [mm]

最頻値 [mm]

QL [L/min]

ノズル通過

◇ 急激な気泡崩壊を伴う条件において

気泡の微細化が顕著になることが確認された

19 21 23 23

後 後 後 前

0.17 0.16 0.14 0.22

0.10 0.08 0.06 0.12

単相流と気泡流の圧力の時系列変化

◇ 気泡崩壊を伴う条件においてピーク圧力が確認された

L = 10 mm、QL=23 L/min、sampling rate =100 kHz200

150

100

50

0

Pres

sure

[kPa

]

2.01.51.00.5

Time [ms]

single-phase flow(β = 0 %)bubbly flow (β = 0.7 %)

圧力波の伝播挙動

◇急激な気泡崩壊の直後に圧力波が確認される

0 μs‐370 μs‐728 μs 12 μs 62 μs 123 μs

14 mm

58 mm

圧力波とピーク圧力の関連性

Frame rate 81,000 fps

◇ピーク圧力は気泡崩壊による圧力波が洗浄面に到達した際に

発生することが示唆された

40 m

m

L = 10 mm，QL=23 L/min，sampling rate =100 kHz

ノズ

ル出

口部

位置

洗浄

面位

置

200

150

100

50

0

Pres

sure

[kPa

]

2.01.51.00.5

Time [ms]

bubbly flow (β = 0.7 %)

実機への適応

洗浄物

ベンチュリ管

汚れ

気泡

◇ベンチュリ管式マイクロバブル発生装置を用いた洗浄システムの開発