音の力：工業用途における超音波洗浄機の探求
クイックガイド
4 ケーススタディ産業界における超音波洗浄機の具体的な使用例
1 はじめに
超音波は波長の極めて短い機械波であり、その周波数帯域の下限が人間の可聴域を超えることからこの名がある。キャビテーション効果のため、液体媒体中の超音波は液体に中空のマイクロバブルを形成させる。この気泡は急速に膨張して閉じ、巨大な圧力が発生する。これは乳化につながり、いくつかの硬い不純物を壊すことができるので、それはしばしば洗浄アプリケーションで使用されます。超音波洗浄機は、その優れた洗浄効果により、日常生活、科学研究実験、工業生産などで広く使用されている。この記事では、我々は、超音波洗浄機の原理と産業用途について説明し、購入のための参考資料を提供します。
2 超音波洗浄機の紹介
2.1 超音波の性質と超音波洗浄機の動作原理
空気では、超音波は波長 belows 2cm を示し、頻度は 20kHz 機械波を超過します。これらの波長は非常に短く、人間の聴覚の一般的な下限（2cm）以下であるため、人々はこれらの聞き取れない機械波を超音波と呼ぶ。
超音波は、低周波音や可聴音波と同じように、媒質中での反射、屈折、回折、散乱、その他の伝搬の法則に従っており、根本的な違いはない。しかし、超音波の波長は非常に短く、数センチメートル、あるいは千分の数ミリメートルしかない。
図1 超音波の周波数範囲
他の波に比べて、超音波には多くの特徴がある：
伝播特性 - 超音波の波長は非常に短い。通常、障害物は超音波の波長の何倍も大きい。その結果、超音波の透過性は悪く、回折能力も劣り、散乱しやすい。超音波は均一な媒質中を直線的に伝播するが、回折しにくい。この性質は波長が短いほど顕著になる。また、レイリー散乱の法則によれば、散乱波の強度は波長の4乗に反比例する。超音波の波長は非常に短いので、散乱は非常に深刻になり、浸透性は良くない。
キャビテーション - 超音波が媒質中を伝播するとき、正負の交互周期がある。正相では、超音波は媒質の分子を圧縮し、媒質の元の密度を変化させ、密度を増加させる。負の位相では、分子が疎になり、さらに分散して媒質の密度が減少する。十分に高い強度の超音波が液体媒体に作用すると、分子間の平均距離が媒体の臨界分子距離を維持するのに必要な距離を超え、媒体が破壊されてマイクロバブルが形成される。これらの小さな空洞は急速に膨張して閉じ、液体粒子を激しい衝撃の間に発生させ、数千から数万の大気圧を発生させる。粒子間のこの激しい相互作用は、2つの非混和性液体（水や油など）の乳化、および溶質の溶解を加速するように、混合に良い役割を果たしている。小さいが強力な衝撃波とマイクロジェットによって生成された気泡の破裂はまた、効果的に剥離し、オブジェクトの表面に汚れや汚染物質を除去することができます。液体中のこの種の超音波作用は、超音波洗浄機も原理を洗浄する役割を果たすことができる超音波キャビテーションとして知られている様々な効果によって引き起こされる。
図2 キャビテーション
2.2 超音波清浄機械の構造
1.超音波発電機
超音波発電機は高周波電気エネルギーの発生を主に担当する超音波清浄機械の中心の部品の1つである。それは高周波電気エネルギー（通常20kHzと40kHzの間）に交流電流を変え、超音波トランスデューサーに送信する。
2.超音波トランスデューサ
超音波振動子は通常、圧電材料（圧電セラミックスなど）で作られているため、圧電振動子とも呼ばれる。電源トランスと整流器システム、発振器、推進器、ダイナミックレートアンプ、出力トランスで構成される。超音波発生器で発生した高周波電気エネルギーを機械的振動に変換する。振動子は洗浄槽の底部または側壁に固定され、電気エネルギーを高周波の機械振動に変換する。
3.洗浄槽
洗浄槽は、洗浄液や被洗浄物を入れる容器として使用される。洗浄槽に付着した洗浄液や汚れが腐食しないように、ステンレスなどの耐食性材料で作られているのが一般的です。また、タンクは、洗浄液の温度を制御するための加熱装置や温度制御装置、ステンレスタンク、制振装置の間のボックスフレームパッドに取り付けることができます。クリーニングタンクのサイズおよび形は異なったクリーニングの必要性に従ってカスタマイズすることができる。
4.振動プレート
振動プレートは通常、超音波トランスデューサに接続された洗浄槽の底部または側壁に固定されています。振動板は振動子によって発生する機械振動を洗浄液に均等に伝え、キャビテーション効果を作り出します。
5.洗浄液
洗浄液は洗浄プロセスの媒体であり、通常は水と適量の洗剤から構成される。洗浄液の選択は、洗浄する素材や汚れの性質によって異なります。適切な洗浄液を使用することで、超音波洗浄の効果を高めることができる。
6.コントロールパネル
コントロールパネルは、超音波周波数、パワー、洗浄時間、温度など、超音波洗浄機の動作パラメータを調整および制御します。現代の超音波洗浄機は、通常、ユーザーが正確に洗浄プロセスを制御できるように、デジタル表示とプログラミング機能が装備されています。パネルには、電源インレットソケットとヒューズが背面に装備されています。超音波洗浄機の電源は、使用の安全を確保するために過電流保護回路を設置しなければならない。
7.加熱装置（オプション）
一部の超音波洗浄機には、洗浄液を加熱するための加熱システムが装備されている。加熱することにより、洗浄効率を向上させることができ、特に油性の汚れに対しては、加熱された洗浄液がより効果的に汚れを溶解し、除去することができる。
8.ろ過システム（オプション）
濾過システムは、洗浄液中の不純物を除去し、洗浄液の清浄度を維持するために使用されます。洗浄液の寿命を延ばし、洗浄効果を高めます。
9.排水システム
排水システムは、洗浄槽内の洗浄液を空にするために使用され、洗浄液の交換や洗浄槽の清掃を容易にします。通常、ドレンバルブと配管で構成される。
図3 超音波洗浄機の構造と原理
3 超音波洗浄機の用途
3.1 工業用途
超音波洗浄機は様々な産業分野で広く使用されている。
l製造業の製品表面洗浄処理では、小さな不純物を完全に除去する目的で超音波洗浄がよく使用されている 。
l電子産業では、超音波洗浄機は主に電子部品や回路基板の洗浄に使用される。製造工程における電子部品は、様々な小さなほこりや汚染物質で汚染されやすく、超音波洗浄は、効果的に部品の清浄度と品質を確保するために、これらの小さな粒子を除去することができます。
l自動車の製造工程では、エンジン部品、トランスミッション部品、燃料噴射システムなど、多くの部品が高い清浄度を維持する必要があります。超音波洗浄機は、これらの部品に付着した油分、金属屑、その他の不純物を完全に除去し、組立品質と車両性能を向上させることができます。
l精密機械製造の分野では、多くの部品が非常に高い清浄度を要求される。超音波洗浄機は、これらの部品の表面や内部から微小な不純物を除去し、その精度と性能を保証します。
l光学レンズや器具の製造では、超音波洗浄機がレンズのほこりや指紋を除去し、透明度と精度を確保するために使用されている 。
l鉄鋼の製造工程では、鉄鋼の表面に酸化皮膜や油脂、その他の汚染物質が付着していることがよくあります。超音波洗浄機は、これらの汚染物質を迅速かつ効率的に除去し、鋼鉄の表面品質を向上させることができます。
極めて高い精度と清浄度が要求される用途では、超音波洗浄機はより高い清浄度要件を満たすことができます。
l超音波洗浄機は、医療業界で手術器具やその他の医療機器の洗浄に広く使用されています。その効率的で徹底した洗浄能力により、医療機器の無菌性を確保し、感染の発生を防ぐことができます。製薬機器や容器は厳しい洗浄基準が要求されます。超音波洗浄機は、反応器、攪拌機、その他の機器を効率的に洗浄し、無公害で安全な医薬品製造プロセスを保証することができます。
l食品加工機器の洗浄では、超音波洗浄機が残留食品カスや汚れを効果的に除去し、機器の清潔さと食品の安全性を確保することができる 。
l航空宇宙産業では、部品の清浄度に対する要求が極めて高い。超音波洗浄機は、様々な複雑な形状や構造の航空部品の洗浄に使用でき、過酷な環境下での信頼性を確保します。
l上記の産業に加えて、超音波洗浄機は時計製造、宝石加工、化学研究所、その他の分野でも広く使用されており、効率的で精密な洗浄を必要とするあらゆる場面で超音波洗浄技術を使用することができます。
製造業では、製品洗浄のための超音波洗浄機の使用は、生産性を向上させ、製品の品質を向上させることができます。超音波洗浄は、小さな隙間や複雑な構造にも浸透し、より高い清浄度を達成することができます。同時に、精密部品の表面の完全性を確保し、部品の損失を減らすことができます。また、水系洗浄液を使用する超音波洗浄機は、化学薬品の使用を削減し、環境汚染を低減します。そのため、超音波洗浄は工業生産において重要な洗浄方法となっている。スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）社は、大規模な産業用途向けに幅広い超音波洗浄機を提供しており、お客様の産業規模、設置面積、効率要件に応じて、適切な機器の選択をご提案いたします。図4は半自動搬送システム付き5槽式超音波洗浄機です。
図4 半自動搬送システム付き5槽式超音波洗浄機
3.2 ライフアプリケーション
超音波洗浄機は産業界で広く使用されているだけでなく、日常生活においても多くの重要な用途がある。超音波のキャビテーション効果を利用して、様々なものを効率的かつ徹底的に洗浄し、時間と労力を節約します。
l超音波洗浄機は、宝石や時計などのアクセサリーに付着した汚れや油脂を効率よく洗浄し、本来の輝きを取り戻すことができる。また、小さな隙間に入り込み、手作業では難しい汚れを徹底的に除去することができる 。
lまた、眼鏡レンズやフレームを徹底的に洗浄し、レンズ表面に傷や損傷を与えないようにすることができる 。
l超音波洗浄機は、食器や台所用品、特にナイフ、フォーク、スプーン、ストレーナーなど、複雑な形や小さな隙間があるものの洗浄に使用できます。超音波洗浄は、頑固な油汚れや食品残渣を除去し、衛生を確保します。
l歯ブラシのヘッド、入れ歯、歯列矯正装置など、家庭で使 用される 歯科器具には細菌や汚れがたまりやすい。超音波洗浄機はこれらの器具を効果的に洗浄し、より良い口腔衛生を提供します。
lマッサージヘッド、カッピング器具、理学療法用電極パッドなど、家庭で使用される理学療法器具は、超音波洗浄によって使用後の残留物を除去することができ、器具を衛生的で安全に保つことができる。
lカミソリ、理髪用ハサミ、メイクブラシ、マニキュア用具などの美容器具は、超音波洗浄によってより清潔で衛生的になり、皮膚感染症のリスクを低減することができる 。
lアイシャドウパレット、パウダーケース、口紅チューブなどの化粧品容器は、超音波洗浄機で洗浄することで、残った化粧品や汚れを取り除き、容器を清潔に保つことができる 。
l超音波洗浄機は、美術品コレクションなどの洗浄にも使用でき、本来の外観と価値を維持することができる。
強力な洗浄力だけでなく、超音波洗浄の最も重要な利点は、ある程度の危険性を持つ強力な化学洗浄剤の使用を減らし、安全性を向上させると同時に、環境汚染も減らすことができることである。
図5 超音波メガネ洗浄機の一種
3.3 科学研究への応用
超音波洗浄機は、その高効率、高精度、非破壊的な洗浄特性を利用して、主に様々な研究や実験をサポートするために、科学研究の分野で幅広い用途を持っています。
l実験用ガラス器具、プラスチック器具、金属工具などは、実験結果を汚染しないよう、高い清浄度を保つ必要がある。超音波洗浄機は、これらの器具に付着した残留物、化学物質、粒子を効果的に除去し、実験器具の清浄度を確保することができます。
l物質科学やバイオサイエンスの研究では、試料調製工程で表面の汚染物質を除去する必要があることが多い。超音波洗浄機は、試料の純度と実験結果の精度を保証するために、試料表面の洗浄に使用することができます。
l化学分析実験では、サンプルの前処理工程で効率的な洗浄プロセスが要求されます。超音波洗浄機は、サンプルバイアル、リアクター、その他の実験容器を素早く洗浄し、分析結果に対する汚染物質の干渉を低減します。
l冶金・材料研究において、金属試料の洗浄は非常に重要なステップです。超音波洗浄機は、金属表面からグリース、酸化物、その他の不純物を効果的に除去することができ、清潔なサンプルと正確な結果を保証します。
lマイクロエレクトロニックチップ、センサー、回路基板など、科学研究に使用される電子部品は、非常に清潔に保たれる必要があります。超音波洗浄機は、これらの部品の表面から微小な粒子や汚染物質を除去し、その性能と信頼性を確保することができます。
l光学実験では、レンズ、プリズム、光ファイバーなどの光学部品は、高い透明度と清浄度を維持する必要がある。超音波洗浄機は、光学実験の精度を確保するために、これらの部品の表面からほこりや指紋を効率的に除去することができる。ナノ材料の調製や加工では、その特性や研究結果の精度を保証するために、表面に付着した不純物や未反応物を除去する必要があります。超音波洗浄機は、ナノ材料の微細構造の奥深くまで浸透し、不純物を完全に除去することができる。
l生物学や医学研究では、細胞培養装置、顕微鏡スライド、その他の生物学的試料は厳密な洗浄を必要とする。超音波洗浄機は、生物学的サンプルの表面から残留物や汚染物質を除去し、実験結果の信頼性を確保します。マイクロ流体チップは生物医学や化学分析に広く使用されており、その微細構造は容易に汚染されます。超音波洗浄機は、これらのチップの微小な流路や構造を効率的に洗浄し、その機能と性能を確保することができる。
l考古学研究では、古代の遺物や化石のサンプルは、損傷を避けるために細心の注意を払って洗浄する必要がある。超音波洗浄機は、これらのサンプルの表面から土や沈殿物を優しく、しかし効果的に除去し、元の状態を保ちます。
科学研究に超音波洗浄機を使用することで、デリケートな器具やサンプルに機械的な損傷を与えることなく、複雑な対象物を短時間で徹底的に洗浄し、その完全性を保つことができます。洗浄作業に機械制御を用いることで、洗浄工程の自動化を容易に実現し、人的ミスを減らし、実験の効率を向上させることができる。同時に、強力な化学洗浄剤への依存、水性洗浄液の使用、環境保護、安全性を減らすことができる。
図6 実験室用超音波洗浄器
4 ケーススタディ産業界における超音波洗浄機の具体的な使用例
工業生産における超音波洗浄機の使用事例を紹介する。
4.1 エレクトロニクス産業における超音波洗浄によるPCBメンテナンスの強化
PCB基板の超音波洗浄は一般的に使用されている。PCB回路基板（Printed Circuit Board）は、電子機器の不可欠なコンポーネントの一つであり、電子部品を機械的に支持し、電気的に接続するために使用される。PCBは、非導電性基板上の導電性パスの形成、接続性、および電子部品と通信間の接続を実現するために他の回路グラフィックスを介して。
PCB部品溶接フラックスは、水溶性、ロジン系、無洗浄タイプの3種類に分類されます。最初の2種類は使用頻度が高く、超音波洗浄が必要な場合が多いが、アルコールブラッシングも一般的である。原則的には、無洗浄フラックスは洗浄を必要としないはずである。しかし、世界中のほとんどのメーカーは、いまだに無洗浄タイプのフラックスではんだ付けされた電子部品を洗浄している。特に高密度プリント基板やICのピンの場合、洗浄を行わなかったり、超音波洗浄を行わなかったりすると、高密度の線とピンの間にホコリが蓄積することがある。この堆積は、湿度の高い環境になるとショートにつながる可能性があり、このような不具合は乾燥すれば自然に解消・消失する可能性があるため、発見が困難となる。そのため、ほとんどの電子機器メーカーは、これらの問題を防止するために、プリント基板の超音波洗浄を一貫して行っている。
図7 PCBを洗浄する超音波洗浄機
4.2 ハードウェア分野における超音波技術による洗浄効率の向上
他の様々な洗浄方法と比較して、超音波洗浄機は、特に専門化、グループ生産企業で大きな優位性を示しています。超音波洗浄機は、浸透作用とキャビテーション作用による媒体中の音波伝播により、高い洗浄効率と高い洗浄度を実現します。そのため、複雑な形状、内部空洞、微細な穴のある部品やコンポーネントの洗浄が容易になります。さらに、超音波洗浄機は汎用性が高く、自動車のホイールハブ、メッキ・真空メッキ部品、モーター部品、ベアリング、ダイキャスト部品、プレス部品、眼鏡、ステンレス食器、コンプレッサー、時計部品、精密繊維機器、精密金型、ギア、クランクシャフト、その他の精密部品に適している。精密金型、歯車、クランクシャフト、バルブ、ラジエーター、その他の精密部品は、超音波洗浄を使用することで、製造工程中のオイル、ワックス、ゴミを効率的に洗浄することができます。この技術は、電子回路基板、ベアリング部品、光学レンズ、自動車部品、真空イオンコーティング部品、金物メッキ部品、オーディオ用磁気ヘッド、精密金物部品、医療機器、液晶ディスプレイ、航空機器などの洗浄にも幅広く使用されており、さまざまな産業の特殊な洗浄用途に欠かせないものとなっている。
4.3 超音波洗浄によるめっき業界の前処理・後処理工程の強化
超音波洗浄は主にメッキ産業において、電気メッキ部品、真空メッキ部品、錠前、モーター部品、ベアリング、ダイカスト部品、プレス部品、時計ケースとストラップ、メガネフレーム、ステンレス食器、コンプレッサー、精密繊維機器、精密金型、ギア、クランクシャフト、バルブ、ラジエーター、その他の精密金属部品など、幅広い部品に使用されている。生産・加工中のあらゆる種類の金属部品から、オイル、ワックス、ゴミを効果的に除去する。この分野における超音波洗浄は、前処理と後処理の2種類に大別される。前処理では、さまざまなハードウェア部品を洗浄し、研磨ワックス、加工油、破片を除去します。後処理は、残留メッキ液とメッキ工程からの様々な残留物を除去することに重点を置く。
5 結論
超音波洗浄技術は、その効率的で、深く、優しい洗浄特性により、産業、生活、科学研究において重要な応用価値を示している。この技術は、超音波によって発生するキャビテーション効果を利用し、被洗浄物を傷つけることなく、表面や内部構造に付着した汚れ、油脂、その他の不純物を効果的に除去するもので、特に複雑な形状や微小な隙間のある被洗浄物の洗浄に適している。工業生産では、超音波洗浄機は生産効率と製品品質を向上させ、化学洗浄剤の使用を減らし、環境汚染を減らす。日常生活では、安全で環境に優しく、効率的な洗浄方法を個人に提供する。科学研究の分野では、超音波洗浄技術は、実験器具やサンプルの高い清浄度要件を保証し、正確な科学研究をサポートします。したがって、超音波洗浄機は、洗浄効率の向上、製品や機器の性能の保護、あるいは環境保護や安全性の観点から考えても、広く普及・応用する価値のある先進的な洗浄ツールである。
参考文献
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