27 5 29 JST 流動キャビテーションを利用した ... · Titanium Using a Cavitating Jet, Journal of Biomechanical Science and Engineering, 9 (3), 2014, ... Water Jet Peening

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.


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


7

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


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


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 [email protected]

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