噴流を伴う超音波キャビテーションの洗浄効果に関する研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11650161
• 研究機関: 北海道教育大学
• 研究代表者: 冨田 幸雄 北海道教育大学, 教育学部・函館校, 教授 (00006199)
• 研究分担者: 佐藤 光太郎 工学院大学, 工学部, 助教授 (80252625)
• キーワード: キャビテーション / 気泡 / 超音波 / 噴流 / 水中音響 / 洗浄 / 衝撃波 / 液体ジェット

研究概要

蒸留水および炭酸水中において投げ込み式超音波洗浄機(共振振動数28kHz)で超音波キャビテーションを発生させ、その挙動をCCD高速ビデオカメラで光学的に観察すると共に水中マイクロフォンによりキャビテーションノイズの発生状況を測定した。実験は振動壁上方に固体静止壁を設置して振動および固定壁間の距離を変化させながら行われ,固体壁中央に埋め込まれた圧電式圧力計でキャビテーション衝撃圧が測定された。音響圧および衝撃圧の信号は本年度購入したFFTアナライザーで処理、分析された。同一振動条件に対して、気泡核が少ない蒸留水中の方が明らかにキャビテーション発生のしきい変動圧が大きく、キャビテーション衝撃圧が大きいこと、一方炭酸水中では多数の気泡発生による気泡間の相互作用のため発生衝撃圧は著しく減少した。容器壁からの反射などのため音響信号の分析・評価には更に注意深い検討が必要である。現在凹レンズで超音波キャビテーションを収束させ、噴流と組み合わせることにより洗浄能力の向上を目指している。一方、理論的には境界要素法を適用して振動壁と固体静止壁の間に存在する単一気泡の挙動を数値的に明らかにした。その結果、気泡には壁面振動によって圧力振動を増幅させる効果があること、また静止壁面上の圧力変動振幅は両壁面間の距離に依存しており、振幅が最大となる条件が存在することが分った。気泡の共振振動数は両壁面間の距離が小さくなるほど小さくなることが明らかになった。さらに、超音波キャビテーションの要素研究である水中での気泡生成に関するエネルギー評価、固体壁面近傍での単一および2個の気泡挙動に関する実験的並びに理論的研究を行った。以上の成果の一部は学術雑誌および国内シンポジウムで発表され、さらに国際シンポジウムで発表予定となっている。

研究成果

• [文献書誌] J.R.Blake: "The interaction of a cavitation bubble with a rigid boundary"In Sonochemistry and Sonoluminescence (edited by L. A. Crum et al.), Kluwer Academic Publishers. 87-96 (1999)
• [文献書誌] 冨田幸雄: "液体窒素および水中でのレーザー集光による気泡生成のエネルギー評価"日本学術会議 キャビテーションに関するシンポジウム(第10回). 3-6 (1999)
• [文献書誌] 佐藤光太郎: "振動壁まわりの気泡の挙動と圧力分布に及ぼすクリアランスの影響"日本学術会議 キャビテーションに関するシンポジウム(第10回). 15-18 (1999)
• [文献書誌] T.Kodama: "Cavitation bubble behavior and bubble-shock wave interaction near a gelatin surface as a study of in vivo bubble dynamics"Applied Physics B Lasers and Optics. B70. 139-149 (2000)
• [文献書誌] Y.Tomita: "Some aspects of the motion of two laser-produced cavitation bubbles near a free surface"To be presented at the 1UTAM Symposium on "Free Surface Flows", Birmingham, U. K., 10-14 July, 2000. (2000)
• [文献書誌] Y.Tomita: "The mutual interaction of two cavitation bubbles generated side by side near a rigid boundary"To be presented at the Fifth International Conference on Hydraulic Machinery and Hydrodynamics, Timisoara, Romania. 18-20 October. (2000)