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Intelligent Sensing of Materials Lab., Department of Nanomechanics,TohokuUniversity
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流動キャビテーションを利用した洗浄技術東北大学 大学院工学研究科ナノメカニクス専攻
教授 祖山 均
共同研究者 山本松男教授（昭和大学歯学部）
黄基旭講師（東北大学大学院薬学研究科）
阿美克典医師（豊島病院）
平成27年5月29日(金)JST 新技術説明会
山本松男，インプラント周囲炎に対する取り組み(解説),昭和歯学会雑誌, 25巻3号, pp.173-176 (2005).
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研究の背景(1)（キャビテーションとは）
固体表面 マイクロジェット
キャビテーション気泡再膨張再膨張
衝撃波
水中
減 圧減 圧
100 374
1
218
圧力
p tat
m温度 tw ℃
液相
気相
固相
融解曲線
融解曲線
昇華曲線
昇華曲線
気化曲線
気化曲線
沸 騰
キャビテーション
加 圧加 圧
水の状態図
キャビテーションの発達・崩壊の模式図
.constgzpv
2
2
速度 圧力 揚程
単一球状気泡L.A.Crum, J. Pys, C8-285 (1979).
キャビテーションとは，液体の速度が増大することにより，圧力が減少して気体になる現象
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塑性変形ピット（祖山）
Drittes Physikalisches Institut, University of Göttingen
固体表面
マイクロジェット
キャビテーション気泡再膨張再膨張
衝撃波
水中
研究の背景(2)（気泡崩壊時に衝撃力発生）
W.Lauterborn and H. Bolle, J. Fluid Mech.,72, pp. 391-399.
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4
1 10 103102 1040.1
102
103
104
105
106
107
10
1
0.1
キャビテーションを発生させるのに必要な電力 （無次元化）
キャビテーションの
衝撃
エネル
ギー
(無次
元化
)
超音波
キャビテーション
材料試験ｱﾓﾙﾌｧｽ微粒子生成
常温核融合？
(ｿﾉｹﾐｽﾄﾘ-)(衝撃
エネル
ギー
＝比
例定
数×
衝撃
力2×
発生
数)
100倍
超音波洗浄
超音波キャビテーション
超音波キャビテーションの限界
エネルギーを時間的・空間的に集中させる技術
衝撃エネルギー 10,000倍以上
新たな化学反応場非平衡場，電気化学的特異場
高温・高圧スポット
流動キャビテーションの利点流動キャビテーションの利点
独自の理論・技術【微細気泡列モデル】
米国特許取得US patent No. 6,855,208 B1特許4240972号
Flow
Flow
ベンチュリ管（漸次拡大管）
流動キャビテーション
キャビテーション噴流（急拡大管）
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流動キャビテーション試験装置流動キャビテーション試験装置
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流動キャビテーションの発光現象流動キャビテーションの発光現象
流れ方向
泡が消える場所が発光
東北電子産業㈱協力
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流動キャビテーションの発光強度流動キャビテーションの発光強度
上流側圧力
下流側圧力
発光強度
(東北電子産業㈱協力).
流動キャビテーションの発光強度
上流側圧力増大により発光強度増大
下流側圧力増大により発光強度増大
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従来技術とその問題点（キャビテーションとは）
歯周病 インプラント インプラント周囲炎
超音波スケーラキャビテーションが発生しているのか？
歯ブラシ・歯間ブラシmオーダの凹み内部の洗浄不可能
ウォータージェット汚れを押し込んでしまう？
歯ブラシ・歯間ブラシの毛先
インプラント表面のmオーダの凹凸
インプラント表面の歯垢
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超音波キャビテーション電子機器を処置部に接近させる必要がある
流動キャビテーション電子機器を処置部を離して設置可能
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新技術の特徴・従来技術との比較(1)（流動キャビテーションと超音波キャビテーションの比較）
33 W
150 W
上面図
超音波キャビテーション流動キャビテーション（最小）
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新技術の特徴・従来技術との比較(2)（キャビテーションジェットとウォータージェットの比較）
感圧紙による衝撃圧力の分布模様
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新技術の特徴・従来技術との比較(3)（種々の噴流）
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想定される用途(1)
M.Kikuchi et al., 7th Europerio, 2012, P0953
洗浄例－口腔洗浄（バイオフィルムの除去）M.Kikuchi, T.Takiguchi, J.Yamada, M.Yamamoto and H.Soyama, Evaluation of the Efficiency of Cleaning Dental Plaque on Titanium Using a Cavitating Jet, Journal of Biomechanical Science and Engineering, 9 (3), 2014, paper No. 14-00297.
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想定される用途(2)
阿美・祖山・山本・滝口，ベンチュリ管タイプノズルによる流動キャビテーションの胃粘液除去効果，第83回日本消化器内視鏡学会総会，(2012)．
上部内視鏡観察の弊害となる胃粘液の除去
Control Waterpik R Cavitation
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想定される用途(3)Flow
０ 1 2 4 8
0
100
200
300
400
500
0 2 4 6 8
ExperimentalEstimated
Number of pass
Num
bero
fcel
l
46 % ／pass
細胞の破砕処理
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想定される用途(4)医薬品の開発用装置
医療機器・器具の洗浄装置
植物工場の水処理
バラスト水問題
水産物の養殖におけるプランクトン除去コペポーダの除去
キャビテーションにさらした植物のほうが元気!?
Cavitation Control
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衝撃力の強さ
衝撃
力の
発生
頻度
しき
い値
Ⅰ
しき
い値
Ⅱ
実用化に向けた課題(1) 噴射条件の最適化
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キャビテーション衝撃力計測装置
計測した衝撃エネルギーと壊食率糧の相関
衝撃パルス
H.Soyama et al., J. Fluids Eng., Trans. ASME, Vol. 120 (1998), pp. 712-718.
H.Soyama and H.Kumano, J. Testing and Evaluation, Vol. 30 (2002), pp. 421-431.
実用化に向けた課題(2) 噴射条件の最適化
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実用化に向けた課題(3) ベンチュリノズル形状の最適化
小 Downstream angle d deg 大
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ノズル製作法の確立
流動キャビテーション式洗浄技術の装置化・事業化
細胞破砕装置の装置化・事業化
植物工場・養殖場用水処理装置の事業化
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企業への期待
本技術に関する知的財産権発明の名称：ウォータージェット噴射ノズル，ウォータージェット噴射装置，ウォータージェットを用いた洗浄方法および胃壁洗浄装置
出願番号：PCT/JP2013/53480； 公開番号：WO2013/122125発明者：祖山均，阿美克典，山本松男出願人：国立大学法人東北大学，学校法人昭和大学
発明の名称：口腔洗浄装置および口腔洗浄方法出願番号：PCT/JP2012/60411； 公開番号：WO2012/144505発明者：祖山均，山本松男，滝口尚出願人：国立大学法人東北大学，学校法人昭和大学
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産学連携の経歴2000年1月 豊洋電子精機とキャビテーションインパクトカウンタを開発
2000年2月 ムラタ製作所とキャビテーション噴流式材料試験装置を開発
2003年3月 ムラタ製作所と気中キャビテーション噴流式表面改質装置を開発
2005年12月－2006年3月 JSTシーズ育成試験：次世代キャビテーション・ ピーニング用のノズルの開発
2006年7月－2008年3月 経済産業省地域新生コンソーシアム研究開発事業：次世代キャビテーション・ ピーニングの研究開発
2008年5月 トヨタ自動車，豊田中央研究所と共同研究を実施し，キャビテーションピーニングによるCVTエレメントの疲労強度向上を実証
2009年3月 本田技術研究所と共同研究を実施し，動力循環型歯車疲れ試験によるキャビテーションピーニングによる歯車の疲労強度向上を実証
2012年10月－2013年9月 JST復興促進プログラム（Ａ－ＳＴＥＰ）シーズ顕在化タイプ：キャビテーションピーニングの高度化
2012年8月－2013年3月 JST「知財活用促進ハイウェイ」大学特許価値向上支援：口腔洗浄装置に応用する流動キャビテーション・ベンチュリ管の開発
2013年5月 東京衡機（テークスグループ）と荷重制御型平面曲げ式疲労試験機を共同開発
2014年2月 新日鉄住金エンジニアリングと調質圧延機用気中キャビテーション噴流式ロール洗浄機を共同開発
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Rough Smooth
Cavitating jet
ショット・ピーニングキャビテーション・ショットレス・ピーニングCSP
ショットピーニングキャビテーションショットレスピーニング
泡で叩いて強くする
Cavitation S Peening®Shotless
SSShock wave
SSmooth surface
SSOYAMA
キャビテーションによる表面改質キャビテーション・ショットレス・ピーニングCSP
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“キャビテーションピーニング”と“ウォータージェットピーニング”
* D.Kirk, The Shot Peener, Vol. 28, No. 3 (2014), pp. 22-32.
Water Jet Peening Water Jet Shot Peening
Schematic representation*
Potential core
In Water High-pressure
Droplets
Cavitationimpacts
Cavitation
Developingregion
Collapsingregion
Collapsingregion
Nozzle
Cavitation Peening(Cavitation Shotless Peening)
*H.Soyama, The Shot Peener, Vol. 28, No. 3 (2014), pp. 16-20.
液滴 または ショットの衝撃力キャビテーション衝撃力
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≧ 1.8 .
＜1.8 .
Cavitation Peening
Water Jet Peening
H.Soyama,Mechanical Engineering Review,Vol. 2, No. 1, 2015.
1
2
21
2
pp
pppp v
Cavitation number :
Injection pressure of the jet : p1Down stream pressure of nozzle : p2Vapor pressure : pv
“キャビテーションピーニング”と“ウォータージェットピーニング”液滴 または ショットの衝撃力キャビテーション衝撃力
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金型の表面処理（割れやダレの抑制）
歯車などの機械部品の疲労強度向上
摩擦・磨耗特性向上（テクスチャリング）
水素脆化抑止
航空機部品
アルミニウム合金やマグネシウム合金のピーニング
ピーンフォーミング
管内面の強化
バリとり
洗浄
ショットピーニングSP
キャビテーションピーニングCP
キャビテーションピーニングの想定される用途
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お問い合わせ先
東北大学 産学連携機構 総合連携推進部産学連携コーディネーター 齋藤、山田ＴＥＬ 022－217 － 6043ＦＡＸ 022－217 － 6047e-mail liaison@rpip.tohoku.ac.jp
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