グリセリンを用いた超音波脱気。
グリセリンを用いた溶融ガラスの脱ガス：概念実証の視覚化
グリセリンは 、溶融ガラスと同様の粘度を持つため選択された。実験が室温で行われるため、キャビテーションプロセスのモニタリングが非常に容易である。私たちは、脱ガスプロセスを視覚的に観察・記録できる2つの実験セットアップを使用しました。グリセリンを用いたガラスの超音波脱ガスを物理的にモデル化することで、今後のプロセスの最適化を簡素化することができる。
超音波キャビテーション
超音波キャビテーションは、液体に超音波を印加し、マイクロバブルの生成、成長、脈動、崩壊をもたらす。キャビテーションは、グリセリンの場合約0.15MPaである閾値エネルギーレベルに達すると開始される。何千もの気泡が形成される。これらは膨張し、急速に崩壊し、高速の衝撃波と数GPaの高圧を発生させる。局所的な高温も発生する。
気泡はキャビテーション核上に形成され、グリセリンから気泡への拡散によって成長する。液体がすでに気泡を含んでいる場合、気泡は拡散成長する。個々の気泡は、気泡間の引力（ビャークネス力とベルヌーイ 力）によって合体する。気泡が成長するにつれて浮力は増加し、気泡は表面に浮き上がり、大気中にガスを放出する。
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マウスで中央の矢印を左から右へ、またはその逆にスライドさせると、超音波脱気前後の全画像を見ることができます。
結果
全過程の動画はYouTubeでご覧いただけます（視聴には会員登録が必要です）：どちらのセットアップでも、音響ストリーミングによる気泡成長と気泡輸送がはっきりと確認できる。音響ストリーミングは厚い気泡雲を形成し、最終的に液面に到達して分散する。セットアップ1では、キャビテーション現象は主にソノトロードの表面で発生し、最初のストリーマは約30秒後に出現した。セットアップ2では、ストリーマが液体全体に形成され、容器の形状により、高エネルギーと低エネルギーの定在波、結節ゾーンと反結節ゾーンの効果が観察された。どちらのゾーンでも、気泡が互いに向かって移動し、合体するのが見られ、ガラス清澄化プロセスの改善に大きな可能性を示している。
超音波エネルギーを加える前のサンプルは、どちらも小さな気泡をたくさん含んでおり、半透明であった。時間の経過とともに気泡は除去され、グリセリンサンプルは透明化した。図1は実験セットアップ1の実験前後のグリセリンを示す。図2は、セットアップ2での超音波適用前後の実験サンプルと対照サンプルを示す。セットアップ1では、約4.5リットルのグリセリンが10分以内に清澄化された。
実験セットアップ
2つの実験セットアップを使用した。一つ目（セットアップ1）は、4.5リットルのグリセリンボウルにセラミックソノト ロードを入れたものである。2つ目（セットアップ2）は、グリセリンで満たされた石英ガラス製ビューセルで、寸法はH 63 x W 35 x D 10 mmであり、外部超音波エネルギーが印加された。2つ目のセットアップには、超音波を印加しない同一の対照試料も含まれていた。
セットアップ1で使用したセラミック製ソノトロードは、20 kHzでの定在波を除去するために特別に開発されたものです。これにより、クラックの危険性を排除しています。
結論
キャビテーションパターンは、どちらの実験セットアップでもグリセリン中ではっきりと確認でき、この物理モデルが溶融ガラスのような粘性媒体中の脱ガスを研究する優れた方法であることを実証した。
溶融ガラスの超音波脱ガスには、従来の脱ガス方法と比較して多くの利点がある。例えば 速く、エネルギー消費量が大幅に少なく、有毒な添加物を使用しない。.さらに、グリセリンを用いてプロセスを物理的にモデル化することで、プロセスをさらに研究し最適化するための理想的な方法を提供します。