JP2020180849A - Device for measuring pressure in bubble, method for measuring pressure in bubble, program, device for evaluating pressure in bubble, and method for evaluating pressure in bubble - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体中に生成した気泡内の圧力を測定するための気泡内圧力測定装置、気泡内圧力測定方法、及び、プログラム、並びに、測定された気泡内の圧力を評価するための気泡内圧力評価装置、及び、気泡内圧力評価方法に関する。 The present invention includes an in-bubble pressure measuring device for measuring the pressure in an bubble generated in a liquid, an in-bubble pressure measuring method and a program, and an in-bubble for evaluating the measured pressure in the bubble. The present invention relates to a pressure evaluation device and a pressure evaluation method in bubbles.
キャビテーションは、圧力低下に伴う発泡現象と定義される。キャビテーション現象により液体中に生じる気泡（キャビテーション気泡）は、流体を用いた流体機械の性能向上を阻む主要因として知られる。具体的には、キャビテーション気泡は、流体機器の表面に壊食をもたらして機器を劣化させたり、また振動やノイズを生じさせたりする。このためにキャビテーションに関して長年にわたり様々な研究が進められている。その一方で、近年は、キャビテーション気泡を効果的に利用する応用例が増えている。キャビテーション気泡の応用には、例えば、結石破砕手術などの医療機器への応用，水処理，機械加工におけるピーニング処理などがある。 Cavitation is defined as a foaming phenomenon that accompanies a drop in pressure. Bubbles (cavitation bubbles) generated in a liquid due to the cavitation phenomenon are known as the main factors that hinder the improvement of the performance of a fluid machine using a fluid. Specifically, cavitation bubbles cause erosion on the surface of fluid equipment, deteriorating the equipment, and causing vibration and noise. For this reason, various studies on cavitation have been carried out for many years. On the other hand, in recent years, there are an increasing number of applications in which cavitation bubbles are effectively used. Applications of cavitation bubbles include, for example, application to medical devices such as stone crushing surgery, water treatment, and peening treatment in machining.
このようなキャビテーション気泡の挙動を研究するために、液体中に気泡を人為的に生成することが行われている。例えば、特許文献１には、ナノバブルと呼ばれる微細な気泡を生成させるための気泡生成装置が開示されている。特許文献１の気泡生成装置によれば、容器内の液体中に一対の電極を挿入し、電極の相互間に電圧を印加することで、電気分解により生じた気体が液体中に分散し、ナノバルブが生成される。
In order to study the behavior of such cavitation bubbles, bubbles are artificially generated in a liquid. For example,
また、特許文献２には、試験液体中に微細気泡が含有しているか否かを判定する技術が開示されている。なお、微細気泡のうち、直径が５０μｍ以下の気泡はマイクロバルブと呼ばれており、また、直径が１μｍ以下で、具体的には数十〜数百ｎｍの気泡はナノバルブと呼ばれている。
Further,
ところで、従来、気泡の挙動を研究するにあたり、液体中の気泡の圧力を測定する方法がなかった。このため、キャビテーション気泡の挙動の研究においては、気泡の内部の圧力として想定値が利用されていた。 By the way, conventionally, in studying the behavior of bubbles, there has been no method of measuring the pressure of bubbles in a liquid. Therefore, in the study of the behavior of cavitation bubbles, the assumed value was used as the pressure inside the bubbles.
この発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、液体中に生成された気泡の内部の圧力を測定できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to make it possible to measure the pressure inside bubbles generated in a liquid.
（１）本発明の気泡内圧力測定装置は、液体を収容した容器と、前記容器内において所定距離を隔てて配置された一対の電極と、前記電極の間に気泡を生成させる気泡生成源と、前記電極に電圧を印加することで、前記気泡生成源により生成された気泡が膨張する過程において前記電極の間で前記気泡の内部に放電を行わせる放電制御部と、前記放電制御部による前記放電が開始した時の放電開始電圧を検出する検出部と、放電開始電圧に対する電極間距離と圧力との積の関係を規定する参照カーブに基づき、前記検出された放電開始電圧に対応する圧力を取得する取得部と、を備えることを特徴とする。 (1) The in-bubble pressure measuring device of the present invention includes a container containing a liquid, a pair of electrodes arranged in the container at a predetermined distance, and a bubble generation source for generating bubbles between the electrodes. By applying a voltage to the electrodes, a discharge control unit that causes discharge to the inside of the bubbles between the electrodes in the process of expansion of the bubbles generated by the bubble generation source, and the discharge control unit. Based on the reference curve that defines the relationship between the product of the distance between the electrodes and the pressure with respect to the discharge start voltage and the detector that detects the discharge start voltage when the discharge starts, the pressure corresponding to the detected discharge start voltage is determined. It is characterized by including an acquisition unit for acquisition.
（２）また、本発明の気泡内圧力測定装置において、前記電極はそれぞれ平板状の第１電極と第２電極とを平行に配置した平行板電極であることが好ましい。
（３）また、本発明の気泡内圧力測定装置において、前記気泡生成源は、レーザー発振器を備え、前記レーザー発振器により発振したレーザーを前記電極の間に収束することで、前記電極の間に気泡を生成させるものであることが好ましい。
（４）また、本発明の気泡内圧力測定装置において、前記参照カーブは気体中の放電開始電圧に対する電極間距離と圧力との積の関係を規定するパッシェンカーブであることが好ましい。
（５）また、本発明の気泡内圧力測定装置において、前記検出した放電開始電圧と前記取得した圧力とに基づき、レイリー・プレセットの方程式により求められる無次元化した気泡径を用いて無次元化時間に対する圧力を算出する算出部を更に備えることが好ましい。
(2) Further, in the in-bubble pressure measuring device of the present invention, it is preferable that the electrodes are parallel plate electrodes in which a flat plate-shaped first electrode and a second electrode are arranged in parallel, respectively.
(3) Further, in the in-bubble pressure measuring device of the present invention, the bubble generation source includes a laser oscillator, and the laser oscillated by the laser oscillator converges between the electrodes to cause bubbles between the electrodes. It is preferable that it produces.
(4) Further, in the in-bubble pressure measuring device of the present invention, the reference curve is preferably a Paschen curve that defines the relationship between the product of the distance between electrodes and the pressure with respect to the discharge start voltage in the gas.
(5) Further, in the in-bubble pressure measuring device of the present invention, the dimensionless bubble diameter obtained by the Rayleigh-Plesset equation is used based on the detected discharge start voltage and the acquired pressure. It is preferable to further include a calculation unit for calculating the pressure with respect to the conversion time.
（６）また、本発明の気泡内圧力測定方法は、液体中に所定距離を隔てて配置された一対の電極の間に気泡を生成させるステップと、前記電極に電圧を印加することで、前記生成された気泡が膨張する過程において前記電極の間で前記気泡の内部に放電を行わせるステップと、前記気泡の内部に放電を開始した時の放電開始電圧を検出するステップと、放電開始電圧に対する電極間距離と圧力との積の関係を規定する参照カーブに基づき、前記検出された放電開始電圧に対応する圧力を取得するステップと、を備えることを特徴とする。 (6) Further, the in-bubble pressure measuring method of the present invention is described in a step of generating bubbles between a pair of electrodes arranged in a liquid at a predetermined distance and by applying a voltage to the electrodes. A step of causing a discharge inside the bubble between the electrodes in the process of expanding the generated bubble, a step of detecting the discharge start voltage when the discharge is started inside the bubble, and a step with respect to the discharge start voltage. It is characterized by comprising a step of acquiring a pressure corresponding to the detected discharge start voltage based on a reference curve that defines a product relationship between a distance between electrodes and a pressure.
（７）また、本発明のプログラムは、液体中に所定距離を隔てて配置された一対の電極の間に気泡を生成し、前記電極に電圧を印加することで、前記生成された気泡が膨張する過程において前記電極の間で前記気泡の内部に放電を行わせ、前記気泡の内部に放電を開始した時の放電開始電圧データを取り込むステップと、放電開始電圧に対する電極間距離と圧力との積の関係を規定する参照カーブに基づき、前記検出された放電開始電圧に対応する圧力を取得するステップと、をコンピュータに実行させることを特徴とする。 (7) Further, in the program of the present invention, bubbles are generated between a pair of electrodes arranged in a liquid at a predetermined distance, and a voltage is applied to the electrodes to expand the generated bubbles. In the process of doing so, the step of causing the inside of the bubble to discharge between the electrodes and capturing the discharge start voltage data when the discharge starts inside the bubble, and the product of the distance between the electrodes and the pressure with respect to the discharge start voltage. Based on the reference curve that defines the relationship between the above, the step of acquiring the pressure corresponding to the detected discharge start voltage is performed by a computer.
（８）また、本発明の気泡内圧力評価装置は、前記気泡内圧力測定装置により取得した気泡内の前記圧力について、前記検出した放電開始電圧と前記取得した圧力とに基づき、レイリー・プレセットの方程式により求められる無次元化した気泡径を用いて無次元化時間に対する圧力を算出する算出部と、前記算出した無次元化時間に対する圧力に基づいて前記気泡内の圧力を評価する評価部と、を備えることを特徴とする。 (8) Further, the in-bubble pressure evaluation device of the present invention sets Rayleigh-Plesset based on the detected discharge start voltage and the acquired pressure for the pressure in the bubble acquired by the in-bubble pressure measuring device. A calculation unit that calculates the pressure for the dimensionless time using the dimensionless bubble diameter obtained by the equation of, and an evaluation unit that evaluates the pressure inside the bubble based on the calculated pressure for the dimensionless time. It is characterized by having.
（９）また、本発明の気泡内圧力評価方法は、前記気泡内圧力測定方法により取得した気泡内の前記圧力について、前記検出した放電開始電圧と前記取得した圧力とに基づき、レイリー・プレセットの方程式により求められる無次元化した気泡径を用いて無次元化時間に対する圧力を算出するステップと、前記算出した無次元化時間に対する圧力に基づいて前記気泡内の圧力を評価するステップと、を備えることを特徴とする。 (9) Further, the in-bubble pressure evaluation method of the present invention is based on the detected discharge start voltage and the acquired pressure for the pressure in the bubble acquired by the in-bubble pressure measuring method, and Rayleigh-Plesset is set. The step of calculating the pressure for the dimensionless time using the dimensionless bubble diameter obtained by the equation of the above, and the step of evaluating the pressure in the bubble based on the pressure for the calculated dimensionless time. It is characterized by being prepared.
一対の電極の間に気泡を生成し、生成した気泡の内部に放電を開始した時の放電開始電圧を測定するだけで、放電開始電圧に対する電極間距離と圧力との積の関係を規定する参照カーブに基づいて、放電開始電圧に対応する圧力を、放電を開始した時の気泡内部の圧力として、取得する。これにより、従来測定できなかった気泡内部の圧力を測定することが可能となり、気泡の挙動をより正確に把握することができる。また、例えば、測定した気泡内部の圧力を、気泡の挙動を制御するパラメータの一つとして利用することも期待される。 A reference that defines the relationship between the distance between electrodes and the pressure with respect to the discharge start voltage by simply measuring the discharge start voltage when a bubble is generated between the pair of electrodes and discharge is started inside the generated bubble. Based on the curve, the pressure corresponding to the discharge start voltage is acquired as the pressure inside the bubble when the discharge is started. This makes it possible to measure the pressure inside the bubble, which could not be measured conventionally, and the behavior of the bubble can be grasped more accurately. It is also expected that, for example, the measured pressure inside the bubble can be used as one of the parameters for controlling the behavior of the bubble.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
なお、以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
It should be noted that each of the embodiments shown below is merely an example, and there is no intention of excluding the application of various modifications and techniques not specified in the following embodiments. Each configuration of the following embodiments can be variously modified and implemented without departing from the purpose thereof, and can be selected as necessary or combined as appropriate.
また、各図は、図中に示す構成要素のみを備えるという趣旨ではなく、他の構成要素を含むことができる。以下、図中において、同一の符号を付した部分は特に断らない限り、同一若しくは同様の部分を示す。 Further, each figure does not mean that it includes only the components shown in the figure, but may include other components. Hereinafter, in the drawings, parts having the same reference numerals indicate the same or similar parts unless otherwise specified.
［１．構成］
図１に示すように、気泡内圧力測定装置（以下、「測定装置」とも言う）１０は、液体２２を収容する容器２０と、容器内２０に設置された電極３０と、容器２０の外部に配置されて容器２０内の液体２２にレーザー光Ｌを照射するレーザー発振器４０と、電極３０に電圧を印加して電極３０の間に放電を行わせる放電制御部５０とを備える。放電制御部５０は、所定周期毎にパルス電圧を生成するためのファンクションジェネレータ５２と、生成されたパルス電圧を増幅して電極３０に印加する電圧増幅器５４とからなる。
更に、気泡内圧力測定装置１０は、電極３０に印加される電圧を検出するための検出器６０と、検出器６０に接続され、後述する気泡内圧力測定処理を行うためのプロセッサ装置７０とを備える。
[1. Constitution]
As shown in FIG. 1, the in-bubble pressure measuring device (hereinafter, also referred to as “measuring device”) 10 is provided in a
Further, the in-bubble
図１に示す容器２０は、その内部に液体２２を収容可能な箱状容器であり、例えばステンレスにより形成される。容器２０内の液体２２は、気泡２４を生成するための媒体であり、例えば水（純水）である。容器２０の一側面には窓部２１が形成されている。ユーザは、窓部２１を介して、容器２０の内部の様子を視認したり、図示しないマイクロスコープを用いて容器２０内に生成した気泡２４を可視化したりできる。また、容器２０の別の側面には、後述するレーザー発振器４０からのレーザー光Ｌを集光するためのレンズ４２が組み込まれている。
The
図１に示す電極３０は、平板状の第１電極３１と第２電極３２とを所定距離ｄ隔てて平行に配置した平行板電極からなる。第１電極３１は電圧増幅器５４に接続されており、第２電極３２は接地線３５を介して接地される。
電極３０の間の距離ｄは或る一定の距離に設定されるものであり、具体的には電極３０の間に生成される気泡の最大直径との相対的関係により適宜の距離に設定される。例えば、レーザー誘起気泡の直径は最大で０．８ｍｍ程度であるため、本実施形態の距離ｄは、０．４〜０．７ｍｍ程度に設定されるとよい。
The
The distance d between the
レーザー発振器４０は、液体中に気泡２４を生成するための気泡生成源である。レーザー発振器４０の発振するレーザー光Ｌは、例えば波長５３２ｎｍでパルス幅６〜７ｎｓのナノパルスレーザーであり、単発での出力は平均で約７．８ ｍＪに設定される。
レーザー発振器４０は、レーザー光Ｌを発振し、発振したレーザー光Ｌを、図示しないミラー，レーザー拡張及び集光用レンズ，フィルタ等の構成要素を介して、拡大し、平行光にし、且つ、容器２０に組み込まれたレンズ４２で再び集光して、レーザー光Ｌが一対の電極３０（第１電極３１と第２電極３２と）の間に焦点を結ぶように設定される。なお、レーザー光Ｌは破線で示されている。
The
The
容器２０に収納された液体２２中の一点にレーザー光Ｌが収束することで、液体２２中の一点に高温プラズマが発生して、単一の気泡２４の発生を誘起する。このように生成された気泡２４（「プラズマ誘起気泡」又は「レーザー誘起気泡」ともいう）は、キャビテーション現象により生じるキャビテーション気泡と同様に、膨張，収縮，崩壊，再膨張という過程をたどることが知られる。なお、レーザー発振器４０を用いて液体中に単一気泡の発生させることは従来から行われている。
When the laser beam L converges on one point in the liquid 22 stored in the
ここで、気泡２４が電極３０（第１電極３１と第２電極３２）間に生成されるため、電極３０の間に或る電圧を印加すると、気泡２４が膨張する過程で電極３０の間に放電が行われる。すなわち、気泡２４の内部に放電が行われる。本実施形態の測定装置１０は、電極３０の間に電圧を印加した際に生じる気泡２４の内部の放電現象に着目して、気泡２４の内部の圧力を測定できるようにしたことに特徴の一つがある。
Here, since the
検出器６０は、例えばオシロスコープであり、第１電極３１と電圧増幅器５４との間に接続されており、電極３０に印加される電圧と電流とを検出する。検出器６０は、プロセッサ装置７０に接続されており、検出した電圧を示す電圧データと検出した電流を示す電流データとをプロセッサ装置７０に供給する。検出器６０により検出した電圧のうち、気泡２４の内部で放電を開始したときの電圧を、本明細書では「放電開始電圧Ｖｂ」という。
The
プロセッサ装置７０は、図示しないＣＰＵと、ＲＯＭ及びＲＡＭを含む記憶装置と、入力インタフェースと、出力インタフェースと、これらを相互に接続するバスと、を含んで構成されるコンピュータである。記憶装置には、各種制御プログラムと、これら制御プログラムの実行に必要な各種データとが記憶される。
The
プロセッサ装置７０には、取得部７２と、算出部７４と、評価部７６とが設けられている。取得部７２と、算出部７４と、評価部７６とは、それぞれ、プロセッサ装置７０の機能を便宜的に分類して示した要素であり、プロセッサ装置７０のハードウェア資源を用いて実行されるソフトウェアとして設けられる。
The
取得部７２は、放電開始電圧Ｖｂと、電極３０間の距離ｄと圧力ｐの積ｐｄとの関係を規定する参照カーブに基づき、検出器６０から供給された放電開始電圧Ｖｂに対応する圧力ｐを取得する処理（気泡内圧力測定処理）を行う。ここで利用される参照カーブはプロセッサ装置７０の記憶装置に予め記憶される。算出部７４と評価部７６とは、取得部７２により取得した圧力（気泡２４内の圧力）について、評価するために設けられている。算出部７４は、検出器６０により検出した放電開始電圧と取得部７２により取得した圧力とに基づき、レイリー・プレセットの方程式により求められる無次元化した気泡径を用いて無次元化時間に対する圧力を算出する。また、評価部７６は、算出された無次元化時間に対する圧力に基づいて気泡内の圧力を評価する。評価の詳細は後述する。
参照カーブは、例えば、気体中の放電開始電圧（絶縁破壊電圧）に対する電極間距離と圧力との積の関係を規定するパッシェンカーブ（Paschen curve）である。パッシェンカーブは、放電開始電圧Ｖｂが圧力ｐと電極３０間の距離ｄとの積ｐｄのみに依存する関係を示す曲線であり、この関係はパッシェンの法則として知られる。図２は、理論値から得られた水蒸気のパッシェンカーブＣ１と水素のパッシェンカーブＣ２とを示す。縦軸は放電開始電圧Ｖｂを示し、横軸は圧力ｐと電極３０間の距離ｄとの積ｐｄ（以下、「ｐｄ値」とも言う）を示す。ｐｄ値は、トール（Ｔｏｒｒ）単位の圧力ｐとセンチメートル（ｃｍ）単位の距離ｄとの積（Ｔｏｒｒ・ｃｍ）として表されている。気泡２４の内部は水蒸気で満たされているものと考えられるので、以下の説明では、水蒸気のパッシェンカーブＣ１を用いて気泡内部の圧力を測定する場合を例に挙げて説明する。
The reference curve is, for example, a Paschen curve that defines the relationship between the product of the distance between electrodes and the pressure with respect to the discharge start voltage (insulation breakdown voltage) in the gas. The Paschen curve is a curve showing a relationship in which the discharge start voltage V b depends only on the product pd of the pressure p and the distance d between the
［２．圧力測定手順]
次に測定装置１０を用いた気泡２４の内部の圧力ｐを測定する手順を説明する。その手順は以下の通りである。
（１）容器２０内に設置された電極３０に電圧を印加する。
（２）レーザー発振器４０からレーザー光Ｌを発振して、電極３０間に気泡２４を生成する。
（３）生成された気泡２４は、前述のように、膨張，収縮，崩壊，再膨張という過程をたどるので、電極３０間において気泡２４が膨張する（気泡２４が大きくなる）。気泡２４の膨張に伴い気泡２４内の圧力ｐは下がる。電極３０間の距離ｄが一定であるため、圧力ｐの低下に伴いｐｄ値は減少する。
（４）図２のパッシェンカーブに示すように、ｐｄ値の減少に伴い、パッシェンカーブ上の放電開始電圧Ｖｂも低下する。このため、気泡２４が膨張する過程の或る時点において、電極３０に印加された電圧が放電開始電圧Ｖｂを超える。このとき、電極３０の間で放電が発生する。すなわち、気泡２４の内部に放電が行われる。
（５）放電開始時に電極３０に印加された電圧を測定すれば、その電圧を放電開始電圧Ｖｂとして取得できる。放電開始電圧Ｖｂを特定できれば、パッシェンカーブに基づき放電開始電圧Ｖｂに対応するｐｄ値を取得できる。ここで、ｐｄ値のうち距離ｄは所与の一定値であることから、ｐｄ値が特定さえすれば、放電開始電圧Ｖｂに対応する圧力ｐを特定できる。この圧力ｐは、放電開始時の気泡２４の内部の圧力を示すものと言える。したがって、放電開始時の電圧Ｖｂを測定し、測定された放電開始電圧Ｖｂとパッシェンカーブとを照合し、放電開始電圧Ｖｂに対応する圧力ｐを取得するだけで、放電開始時の気泡２４の内部の圧力ｐを測定できる。
（６）更に、上記（１）〜（５）のプロセスに同期して気泡２４の成長を可視化して、放電開始時の気泡２４が最大径に対してどの程度の大きさなのかを解析することで、半径比に対する圧力を求めることが可能となる。ここで、半径比とは、気泡径と最大径との比（最大径で無次元化した気泡径）である。
[2. Pressure measurement procedure]
Next, a procedure for measuring the pressure p inside the
(1) A voltage is applied to the
(2) Laser light L is oscillated from the
(3) Since the generated bubbles 24 follow the processes of expansion, contraction, collapse, and re-expansion as described above, the
(4) As shown in the Paschen curve of FIG. 2, as the pd value decreases, the discharge start voltage V b on the Paschen curve also decreases. Therefore, at some point in the process of expansion of the
(5) If the voltage applied to the
(6) Further, in synchronization with the processes (1) to (5) above, the growth of the
［３．圧力測定処理]
図３は、取得部７２の動作である気泡内圧力測定処理の手順の一例を示すフローチャートある。プロセッサ装置７０のＣＰＵが記憶装置に記憶されたソフトウェアプログラムを実行することにより、以下の各ステップの動作が行われる。ここでは、図示しないスイッチ等を用いた測定開始指示があったときに、処理が開始する場合を例に挙げて説明する。
[3. Pressure measurement process]
FIG. 3 is a flowchart showing an example of a procedure for measuring the pressure inside the bubble, which is an operation of the
ステップＳ１において、検出器６０により検出された電圧データを取得する。検出器６０は、測定装置１０の稼働中は、電極３０に印加された電圧と電流とを所定周期毎に検出しており、プロセッサ装置７０は、検出器６０が検出した電圧データと電流データとを所定周期毎に取得できる。ステップＳ２において、放電が開始したか否かを判断する。放電が開始したか否かは、例えば電圧データ及び／又は電流データの変化を観察することで判断できる。具体的には、電圧データ及び／又は電流データが急峻なパルス状に立ち上がったとき、放電が開始したものと判断できる。放電しないうちは（ステップＳ２のＮｏ）、ステップＳ２の判断を繰り返す。
In step S1, the voltage data detected by the
放電が開始されたら（ステップＳ２のＹｅｓ）、ステップＳ３において、検出器６０から供給された電圧データのうち、放電開始時点の電圧を、放電開始電圧Ｖｂとして取得する。放電開始時点は、例えばステップＳ２にて放電が開始されたものと判断した時点である。ステップＳ４において記憶装置に記憶された参照カーブ（パッシェンカーブ）に基づいて、放電開始電圧Ｖｂに対応する圧力ｐを取得する。こうして、気泡２４の内部に放電が行われたときの気泡内部の圧力ｐを測定できる。
When the discharge is started (Yes in step S2), in step S3, among the voltage data supplied from the
［４．実験結果]
〔予備実験〕
次に、本実施形態の測定装置１０を用いて気泡内部の圧力を測定した結果を評価するための実験について説明する。
先ず予備実験として、空気中で電極３０に電圧を印加した際の放電開始電圧を測定し、測定された値（「実験値」）と、理論値を用いたパッシェンカーブとを照合した。この予備実験において、ファンクションジェネレータ５２によるパルス電圧の発生周波数を１０ｋＨｚに設定して、空気中の電極３０間にパルス電圧を印加した。電極３０は、前述のように平板状の第１電極３１と第２電極３２とからなる平行電極である。
[4. Experimental result]
〔Preliminary experiment〕
Next, an experiment for evaluating the result of measuring the pressure inside the bubble using the measuring
First, as a preliminary experiment, the discharge start voltage when a voltage was applied to the
図４は、電極３０に印加されたパルス電圧の電圧波形Ｖ１と電流波形Ａ１とを示しており、横軸はミリ秒（ｍｓ）単位の時間を示し、左側の縦軸は電圧をキロボルト（ｋＶ）単位で示し、右側の縦軸は電流をミリアンペア（ｍＡ）単位で示す。電流波形Ａ１が急峻パルス状に立ち上がる時点ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５がそれぞれ電極３０間で放電が開始された時点を示す。したがって、これら時点ａ１〜ａ５における電圧が、放電開始電圧Ｖｂとなる。
FIG. 4 shows the voltage waveform V1 and the current waveform A1 of the pulse voltage applied to the
この予備実験は、電極３０間の距離ｄを、０．０５ｍｍ，１．５ｍｍ，２ｍｍ，および０．１〜１ｍｍまでの０.１ｍｍ刻みとし、各電極間距離において３試行分の放電波形を用いて放電開始電圧Ｖｂを測定した。図５は、各電極間距離ｄにて複数回ずつ測定された放電開始電圧Ｖｂの値(実験値）の平均を、水蒸気のパッシェンカーブＣ１上にプロットしたグラフであり、縦軸は電圧をキロボルト（ｋＶ）単位で示し、横軸にｐｄ値を「Ｔｏｒｒ・ｃｍ」単位で示す。また、各丸印は各電極間距離ｄにて複数回ずつ測定された実験値の平均を示す。
図５に示すように、各実験値は概ねパッシェンカーブＣ１上に分布しており、測定結果とパッシェンカーブＣ１とが良い一致を示していることがわかる。このことから、平行板電極３０間に気泡２４を生成し、電極３０の間で放電を行うことは、平等電界中で放電を行うことである、と言える。したがって、平行板電極３０は、平等電界を発生できる点で、測定装置１０に好適であるといえる。
In this preliminary experiment, the distance d between the
As shown in FIG. 5, each experimental value is generally distributed on the Paschen curve C1, and it can be seen that the measurement result and the Paschen curve C1 show a good agreement. From this, it can be said that generating bubbles 24 between the
〔気泡内放電現象の可視化〕
次に、測定装置１０において、液体２２中の平行板電極３０の間に気泡２４を生成し、気泡２４が膨張する過程で電極３０の間に電圧を印加して、気泡２４内に放電を行わせる実験を行った。
[Visualization of in-bubble discharge phenomenon]
Next, in the measuring
図６（ａ）〜（ｆ）は、本実験において、電極３０の間に気泡２４を生成し、生成した気泡２４が膨張する様子を時系列で説明する模式図であり、（ａ）は気泡２４が生成された時点，（ｂ）は気泡２４の生成から２０μｓ経過した時点，（ｃ）は気泡２４の生成から４０μｓ経過した時点，（ｄ）は気泡２４の生成から６０μｓ経過した時点，（ｅ）は気泡２４の生成から８０μｓ経過した時点，（ｆ）は気泡２４の生成から１００μｓ経過した時点を示す。
測定装置１０においてレーザー光Ｌを入射すると、先ず、（ａ）に示すように電極３０間に気泡２４が生成され、その後、（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように時間経過とともに気泡２４は膨張し、（ｄ）に示す６０μｓ経過時点で最大径となる。（ｅ）に示す８０μ経過時点で気泡２４は収縮を始めており、（ｆ）に示す１００μｓ経過時点以後も収縮を続けて、やがて、崩壊する。本実験においては、（ｃ）に示す４０μｓ経過時点と（ｄ）に示す６０μｓ経過時点との間で気泡２４の内部に放電が行われるものとする。
気泡２４の生成，膨張，崩壊の過程と、気泡２４の内部の放電の様子とは、例えばマイクロスコープを用いて窓部２１を介して容器２０内を観察することで、可視化できる。気泡２４の様子を可視化することで、各時点の気泡径が、その最大径に対してどの程度の大きさであるのかを解析できる。
6 (a) to 6 (f) are schematic views for explaining in time series how bubbles 24 are generated between the
When the laser beam L is incident on the measuring
The process of generation, expansion, and collapse of the
図７は、本実験により観察された気泡２４の気泡径（実験値）、つまり図６（ａ）〜（ｆ）に示す各時点の気泡径を、レイリー・プレセット（Rayleigh-Plesset)の方程式を用いて算出した気泡径と時間との関係を示す曲線ＲＰ上にプロットしたグラフである。なお、レイリー・プレセットの方程式とは、気泡の膨張、及び、収縮，崩壊の挙動を記述する一般的な方程式である。縦軸は、最大径に対する比として表された気泡径（無次元化気泡径）を示し、横軸は最大径に達した時間に対する比として表された時間（無次元化時間）を示す。符号Ｂ１は、０μｓの時点の気泡径（図６（ａ）参照），符号Ｂ２は２０μｓの時点の気泡径（図６（ｂ）参照），符号Ｂ３は４０μｓの時点の気泡径（図６（ｃ）参照），符号Ｂ４は６０μｓの時点の気泡径（図６（ｄ）参照），符号Ｂ５は８０μｓの時点の気泡径（図６（ｅ）参照），また、符号Ｂ６は１００μｓの時点の気泡径（図６（ｆ）参照）を示す。
図７に示すように、０μｓ時点の符号Ｂ１から８０μｓの時点の符号Ｂ５までの気泡の挙動は、曲線ＲＰで示すレイリー・プレセットの方程式を用いて求めた気泡の挙動とよく一致する。したがって、本実験により電極３０の間に生成した気泡は、生成後から図６（ｅ）に示す８０μｓ時点までは、電極３０との接触や衝撃波の影響が無い一般的な気泡挙動を示している、と言える。
FIG. 7 shows the bubble diameter (experimental value) of the
As shown in FIG. 7, the behavior of the bubbles from the symbol B1 at 0 μs to the symbol B5 at 80 μs is in good agreement with the behavior of the bubbles obtained by using the Rayleigh-Plesset equation shown by the curve RP. Therefore, the bubbles generated between the
〔気泡内放電現象を利用した圧力の評価〕
次に、測定装置１０を用いて、気泡２４の内部の放電が生じた際の放電開始電圧Ｖｂの測定を行い、気泡内部で最初に放電が起きた際の気泡内の圧力を推定した。
この測定の条件は次の通りとした。レーザー誘起気泡の気泡直径は最大で０．８ｍｍ程度であるため、電極３０間の距離ｄを０．４ｍｍ，０．５ｍｍ，０．６ｍｍ，０．７ｍｍに設定した。各電極間距離ｄにおいて、１．５ｋＶ及び２．０ｋＶの電圧を印加し、それぞれ５回ずつ測定を行った。
最初に放電が起きた際の気泡内の圧力を推定する手順を以下の（１）〜（４）に簡潔に示す。
（１）最初の放電時の放電開始電圧Ｖｂおよび対応する経過時間ｔ(Ｖｂ)を求める。放電開始電圧Ｖｂと、放電開始時の経過時間ｔ(Ｖｂ)とは、電極３０の間に印加されたパルス電圧の波形から特定できる。
（２）レイリー・プレセットの方程式を用いてｔ(Ｖｂ)に対応する気泡径r(Ｖｂ)を算出する。
気泡が最大径に達した際の無次元化時間をＴｍａｘとすると、r(Ｖｂ)は以下の（式１），(式２）を用いて算出できる。ここで，Ｒ（Ｔ）はレイリー・プレセットの方程式上の無次元化した気泡径であり、ｒｍａｘは実験から得られた気泡の最大径である。なお、「無次元化時間」は、最大径に達した時間に対する比として表された時間である。「無次元化気泡径」は、最大径に対する比として表された気泡径（半径比）である。「Ｔ」はレイリー・プレセットの方程式上の無次元化時間である。「Ｔｒａｙｌ」は、レイリー時間と呼ばれる、気泡が最大径に達した時点から崩壊に至るまでに要する時間である。なお、式中の「*」は乗算を表す。
Next, using the
The conditions for this measurement were as follows. Since the maximum bubble diameter of the laser-induced bubbles is about 0.8 mm, the distances d between the
The procedure for estimating the pressure inside the bubble when the discharge first occurs is briefly shown in (1) to (4) below.
(1) Obtain the discharge start voltage V b at the time of the first discharge and the corresponding elapsed time t (V b ). The discharge start voltage V b and the elapsed time t (V b ) at the start of discharge can be specified from the waveform of the pulse voltage applied between the
(2) Calculate the bubble diameter r (V b ) corresponding to t (V b ) using the Rayleigh-Plesset equation.
Assuming that the dimensionless time when the bubble reaches the maximum diameter is T max , r (V b ) can be calculated using the following (Equation 1) and (Equation 2). Here, R (T) is the dimensionless cell diameter in Rayleigh-Plesset's equation, and r max is the maximum diameter of the cell obtained from the experiment. The "dimensionless time" is a time expressed as a ratio to the time when the maximum diameter is reached. The "dimensionless cell diameter" is a cell diameter (radius ratio) expressed as a ratio to the maximum diameter. "T" is the dimensionless time in Rayleigh-Plesset's equation. " Trayl " is a time required from the time when the bubble reaches the maximum diameter to the time when the bubble collapses, which is called the Rayleigh time. Note that "*" in the formula represents multiplication.
（３）水素のパッシェンカーブＣ１よりＶｂに対応するｐｄ(Ｖｂ)を求める。ｐｄ(Ｖｂ)はＶｂに対応するｐｄ値である。ここで、Ｖｂに対応するｐｄ(Ｖｂ)は、図２に示すように、パッシェンカーブＣ１上ではｐｄ値が減少する時（カーブが右肩下がりの時）の値と、ｐｄ値が増加する時（カーブが右肩上がりの時）の値との２点に存在するが、本実験ではｐｄ(Ｖｂ)としてｐｄ値が増加する時の値を用いることとする。
（４）以下の（式３）より圧力ｐを算出する。
具体例として、図６を参照して説明した実験での測定結果を用いて、上記の推定方法に従って気泡内部の圧力の推定を行う場合を説明する。上述のように気泡２４内部の放電が４０μｓと６０μｓの間で行われているので、最初の放電時の経過時間ｔ(Ｖｂ)は５１．６μｓとする。この場合、レイリー・プレセットの方程式上で、時間ｔ(Ｖｂ)＝５１．６μｓに対応する気泡径ｒ(Ｖｂ)は、約６．１×１０−４ｍである。さらに、放電開始電圧Ｖｂの際のｐｄ値をｐｄ(Ｖｂ)とすると、パッシェンカーブＣ１よりｐｄ(Ｖｂ)＝３０である。電極間距離ｄ＝０．０７２５ｃｍとすると、求める圧力ｐは５５キロパスカル（ｋＰａ）と推定できる。
(3) Obtain the pd (V b ) corresponding to V b from the Paschen curve C1 of hydrogen. pd (V b ) is a pd value corresponding to V b . Here, corresponding to V b pd (V b), as shown in FIG. 2, the value of the time (when the curve is downward-sloping) where pd value is decreased on Paschen curve C1, pd value increases There are two points with the value when the curve rises to the right (when the curve rises to the right), but in this experiment, the value when the pd value increases is used as pd (V b ).
(4) The pressure p is calculated from the following (Equation 3).
As a specific example, a case where the pressure inside the bubble is estimated according to the above estimation method will be described using the measurement results in the experiment described with reference to FIG. Since the discharge inside the
図８（ａ），（ｂ）は、前述した測定条件にて行った測定結果に基づいて気泡内放電時の気泡内部の圧力を推定した結果を示す。図８（ａ）は１．５ｋＶの電圧を印加した場合であり、図８（ｂ）は２．０ｋＶの電圧を印加した場合である。図８（ａ），（ｂ）において、縦軸は気泡内部の圧力を１０５パスカル（１０５Ｐａ）単位で示し、横軸は放電時の気泡径ｒｂを最大径ｒｍａｘで無次元化した無次元化気泡径（ｒｂ／ｒｍａｘ）を示す。
図８（ａ），（ｂ）より、気泡径が最大径に近づくにつれて圧力が若干ながら減少したことが示唆される。この挙動の傾向は、断熱圧縮過程であると考えられるプラズマ誘起気泡の挙動とよく一致していると考えられる。更に、印加電圧にかかわらず、気泡径が増加するにつれて圧力が減少している。また、（ｂ）では、印加電圧が２．０ｋＶと大きいため、気泡径が最大径に達する前に放電している場合が、（ａ）に比べて多い。更に、（ｂ）では推定される圧力値が（ａ）に比べて大きい。以上の結果より、気泡径が大きくなるにつれて気泡内部の圧力が減少していることが示された。
8 (a) and 8 (b) show the results of estimating the pressure inside the bubble during the discharge inside the bubble based on the measurement results performed under the above-mentioned measurement conditions. FIG. 8A shows a case where a voltage of 1.5 kV is applied, and FIG. 8B shows a case where a voltage of 2.0 kV is applied. In FIG. 8 (a), (b) , the ordinate indicates the pressure inside the
From FIGS. 8 (a) and 8 (b), it is suggested that the pressure decreased slightly as the bubble diameter approached the maximum diameter. This tendency of behavior is considered to be in good agreement with the behavior of plasma-induced bubbles, which is considered to be an adiabatic compression process. Further, regardless of the applied voltage, the pressure decreases as the bubble diameter increases. Further, in (b), since the applied voltage is as large as 2.0 kV, there are more cases where the battery is discharged before the bubble diameter reaches the maximum diameter, as compared with (a). Further, in (b), the estimated pressure value is larger than that in (a). From the above results, it was shown that the pressure inside the bubble decreased as the bubble diameter increased.
さらに、レーザー誘起気泡の挙動において、熱気泡界面を介しての熱の出入りを無視し、断熱圧縮過程であると考えると、気泡体積Ｖと圧力ｐの関係ＰＶγは以下の（式４）で表される。
或る時間tにおける気泡内の圧力をＰｔとし、或る時間tにおける気泡体積をＶｔとし、気泡が最大径に達した際の推定気泡内圧力をＰｍａｘとし、気泡が最大径に達した際の気泡体積をＶｍａｘとすると、Ｐｍａｘは次の(式５)で表すことができる。
The pressure inside the bubble at a certain time t is P t , the volume of the bubble at a certain time t is V t , the estimated pressure inside the bubble when the bubble reaches the maximum diameter is P max , and the bubble reaches the maximum diameter. Assuming that the bubble volume at the time of this is V max , P max can be expressed by the following (Equation 5).
図９は、(式５)を用いてｔ＝ｔ(Ｖｂ)として求めたＰｍａｘを、１．５ｋＶの電圧を印加した場合と２．０ｋＶの電圧を印加した場合とで、それぞれ電極間の距離ｄごとに算出した結果を示す。縦軸は、最大径に達する際の推定気泡内圧力Ｐｍａｘを１０５パスカル（１０５Ｐａ）単位で示す。また、横軸は、電極間の距離ｄをミリメートル（ｍｍ）単位で示す。図９より、電極間の距離及び印加電圧にかかわらず、(式５)を用いて求めたＰｍａｘは、大きなばらつきを見せず、ほぼ一定の値をとることが示された。また、印加電圧が１．５ｋＶの場合、距離ｄごとに算出されたＰｍａｘの平均値は０．３８７×１０５［Ｐａ］と求められた。また、２．０ｋＶの場合、距離ｄごとに算出されたＰｍａｘの平均値は０．３９５×１０５パスカルと求められた。このことから、各印加電圧における距離ｄごとに算出されたＰｍａｘの平均値がほぼ等しく、気泡が最大径に達した時点における気泡内の圧力が、放電の際の印加電圧による影響を受けないことも示された。これら距離ｄごとに算出された推定気泡内圧力Ｐｍａｘの平均値は，過去の気泡の挙動の研究にてシミュレーションで用いられてきた想定値よりも大きい。
FIG. 9 shows the P max obtained as t = t (V b ) using (Equation 5) between the electrodes when a voltage of 1.5 kV is applied and when a voltage of 2.0 kV is applied. The result calculated for each distance d of is shown. The vertical axis represents the estimated bubble
以上より、気泡が最大径に達する際の圧力を０．３９５×１０５パスカルと仮定すると、任意の時間tにおける気泡内の圧力Ｐｔは、(式６)で示すことができる。ここで、Ｐｔは１０５パスカル（１０５Ｐａ）単位で表される値となる。
図１０は、レイリー・プレセットの方程式より求められる無次元化気泡径の挙動を示す曲線ＮＲと、無次元化時間（Ｔｉｍｅ／Ｔｒａｙｌ）に対する圧力の変化を示す曲線ＥＮＰとを示すグラフであり、横軸は無次元化時間（Ｔｉｍｅ／Ｔｒａｙｌ）を示し、左側の縦軸はレイリー・プレセットの方程式より求めた無次元化気泡径を示し、右側の縦軸は圧力を１０５パスカル（１０５Ｐａ）単位で示す。また、曲線ＥＮＰ上に、印加電圧が２．０ｋＶの場合と、１．５ｋＶの場合とのそれぞれについて、本実験による測定結果に基づいて推定された圧力を無次元化した値（実験値）をプロットした。
曲線ＮＲと曲線ＥＮＰとに示すように、無次元化気泡径が大きくなるにつれて無次元化時間に対する圧力が減少し、無次元化気泡径が最大になる時点で、無次元化時間に対する圧力が最も小さくなる。つまり、無次元化時間に対する圧力と無次元化気泡径とがよい一致を示していることがわかる。また、本実験による測定結果に基づいて推定された気泡内の各圧力（実験値）は、おおむね曲線ＥＮＰ上に分布しており、測定装置１０での測定結果に基づいて推定された気泡内の各圧力（実験値）が、印加電圧や電極間距離にかかわらず、理論から導いた式（無次元化時間に対する圧力，曲線ＥＮＰ）とよく一致していることがわかる。
したがって、図１０に示すような、無次元化時間に対する圧力（曲線ＥＮＰ）を用いることで、従来不可能であった気泡内部の圧力評価において、新たな方法を提案することが可能となる。
上述の「気泡内放電現象を利用した圧力の評価」として説明した各種手順及び演算は、取得部７２の動作と算出部７４（図１参照）の動作として実行されるものであり、特に上記の「(式６)において、レイリー・プレセットの方程式より求められる無次元化気泡径を用いて、無次元化時間に対する圧力を算出」することが、算出部７４に相当する。また、評価部７６（図１参照）は、測定装置１０により測定した気泡内の圧力ｐを、上記のように算出された無次元化時間に対する圧力（曲線ＥＮＰ）と照合することで、算出した無次元化時間に対する圧力に基づいて取得した気泡内の圧力を評価することができる。評価部７６による評価は、例えば測定装置１０により測定した気泡内の圧力ｐが、無次元化時間に対する圧力（曲線ＥＮＰ）にどの程度一致しているかを評価することである。
FIG. 10 is a graph showing a curve NR showing the behavior of the non-dimensionalized bubble diameter obtained from the Rayleigh preset equation and a curve ENG showing the change in pressure with respect to the non-dimensionalization time (Time / Trayl ). the horizontal axis represents the dimensionless time (time / T rayl), the left vertical axis indicates the dimensionless bubble diameter determined by the equation of Rayleigh preset, right vertical axis represents
As shown in the curve NR and the curve ENP, the pressure for the non-dimensionalization time decreases as the diameter of the non-dimensionalization bubble increases, and when the diameter of the non-dimensionalization bubble becomes maximum, the pressure for the non-dimensionalization time is the highest. It becomes smaller. In other words, it can be seen that the pressure with respect to the dimensionless time and the dimensionless cell diameter show a good agreement. In addition, each pressure (experimental value) in the bubble estimated based on the measurement result in this experiment is generally distributed on the curve END, and in the bubble estimated based on the measurement result in the measuring
Therefore, by using the pressure for the dimensionless time (curve ENP) as shown in FIG. 10, it is possible to propose a new method in the pressure evaluation inside the bubble, which was impossible in the past.
The various procedures and calculations described as the above-mentioned "evaluation of pressure using the in-bubble discharge phenomenon" are executed as the operation of the
以上説明した実施形態によれば、気泡２４の内部に放電を開始した時の放電開始電圧Ｖｂを測定するだけで、気体中の放電開始電圧Ｖｂに対する電極間距離ｄと圧力ｐとの積ｐｄの関係を規定するパッシェンカーブに基づいて、放電開始電圧Ｖｂに対応する圧力ｐを取得できる。このように液体２２中の気泡２４に電圧を印加したときに生じる放電現象に着目したことにより、従来測定できなかった気泡内部の圧力を測定できる。その結果、想定値を利用していた従来に比べて、気泡の挙動をより正確に把握することが可能となる。
また、例えば或る程度大きな気泡であれば、プローブを用いて気泡内の圧力を測定することも考えられるが、マイクロバルブ，ナノバルブ等の微細な気泡にはプローブを適用できない。光ファイバーを用いた光学的手法による圧力測定も、液体中に生成した気泡内の圧力を測定することに適用するのは困難である。この点、本実施形態の測定装置１０によれば、マイクロバルブ，ナノバルブ等の微細な気泡であっても、気泡内の圧力を測定できる。したがって、本実施形態に従う気泡内の圧力を測定する技術は、特に、マイクロバルブ，ナノバルブ等の微細な気泡内の圧力測定に好適である。
According to the embodiment described above, the product of the distance d between the electrodes and the pressure p with respect to the discharge start voltage V b in the gas simply by measuring the discharge start voltage V b when the discharge is started inside the
Further, for example, if the bubble is large to some extent, it is possible to measure the pressure inside the bubble using a probe, but the probe cannot be applied to a fine bubble such as a micro valve or a nano valve. Pressure measurement by an optical method using an optical fiber is also difficult to apply to measuring the pressure in a bubble generated in a liquid. In this regard, according to the measuring
また、電極３０が、それぞれ平板状の第１電極３１と第２電極３２とを平行に配置した平行板電極であることにより、電極３０に均等電界を生じるので、より精度の高い測定が可能となる。
また、気泡生成源として、発振したレーザー光Ｌを電極３０の間に収束することで、気泡２４を生成させるように構成したレーザー発振器４０を適用することで、液体２２中に単一のレーザー誘起気泡を生成でき、且つ、気泡の生成タイミングや最大径をレーザー発振器４０に印加するパルス電圧で制御できる。
また、測定装置１０において、検出した放電開始電圧Ｖｂと取得した圧力ｐとに基づき、レイリー・プレセットの方程式により求められる無次元化した気泡径（曲線ＮＲ）を用いて無次元化時間に対する圧力（曲線ＥＮＰ）を算出することで、従来不可能であった気泡内部の圧力評価において、新たな方法を提案することが可能となる。
Further, since the
Further, as a bubble generation source, a single laser induction in the liquid 22 is applied by applying a
Further, in the measuring
また、本実施形態は、測定装置１０を用いた気泡内圧力測定方法として把握できる。すなわち、気泡内圧力測定方法は、液体２２中に所定距離ｄを隔てて配置された一対の電極３０の間に気泡２４を生成させるステップと、電極３０に電圧を印加することで、生成された気泡２４が膨張する過程において電極３０の間で気泡２４の内部に放電を行わせるステップと、気泡２４の内部に放電を開始した時の放電開始電圧Ｖｂを検出するステップと、放電開始電圧に対する電極間距離と圧力との積の関係を規定する参照カーブＣ１に基づき、検出された放電開始電圧Ｖｂに対応する圧力を取得するステップと、を備えることを特徴とする。これにより、気泡内部に放電を開始した時の放電開始電圧を測定するだけで、放電開始電圧に対する電極間距離と圧力との積の関係を規定する参照カーブに基づいて、放電開始電圧に対応する圧力を、気泡内の圧力として、測定することができる。
Further, this embodiment can be grasped as a method of measuring the pressure inside the bubble using the measuring
また、本実施形態は、測定装置１０を用いた気泡内圧力測定処理をコンピュータ（プロセッサ装置７０）に実行させるプログラムの発明として把握できる。この場合、プログラムは、液体２２中に所定距離を隔てて配置された一対の電極３０の間に気泡２４を生成し、電極３０に電圧を印加することで、生成された気泡２４が膨張する過程において電極３０の間で気泡２４の内部に放電を行わせ、気泡２４の内部に放電を開始した時の放電開始電圧データＶｂを取り込むステップと、放電開始電圧に対する電極間距離ｄと圧力との積ｐｄの関係を規定する参照カーブに基づき、検出された放電開始電圧Ｖｂに対応する圧力ｐを取得するステップと、をコンピュータ（プロセッサ装置７０）に実行させるものである。
上記の実施形態においては、図３のフローチャートのうち、ステップＳ３が、「液体中に所定距離を隔てて配置された一対の電極の間に気泡を生成し、前記電極の間に電圧をかけることで、前記生成された気泡が膨張する過程において前記電極の間で前記気泡の内部に放電を行わせ、前記気泡の内部に放電を開始した時の放電開始電圧データを取り込むステップ」に相当する。また、ステップＳ４が「放電開始電圧に対する電極間距離と圧力との積の関係を規定する参照カーブに基づき、前記検出された放電開始電圧に対応する圧力を取得するステップ」に相当する。
Further, the present embodiment can be grasped as an invention of a program for causing a computer (processor device 70) to execute an in-bubble pressure measurement process using the measuring
In the above embodiment, in the flowchart of FIG. 3, step S3 "generates bubbles between a pair of electrodes arranged in a liquid at a predetermined distance and applies a voltage between the electrodes. In the process of expanding the generated bubbles, the inside of the bubbles is discharged between the electrodes, and the discharge start voltage data when the discharge is started inside the bubbles is taken in. " Further, step S4 corresponds to "a step of acquiring the pressure corresponding to the detected discharge start voltage based on the reference curve that defines the relationship between the product of the distance between the electrodes and the pressure with respect to the discharge start voltage".
また、本実施形態は、測定装置１０を用いて測定した気泡２４内の圧力ｐについて、検出した放電開始電圧Ｖｂと前記取得した圧力ｐとに基づき、レイリー・プレセットの方程式により求められる無次元化した気泡径（曲線ＮＲ）を用いて無次元化時間に対する圧力（曲線ＥＮＰ）を算出する算出部７４と、前記算出した無次元化時間に対する圧力に基づいて気泡２４内の圧力を評価する評価部７６と、を備える気泡内圧力評価装置の発明として把握できる。
また、本実施形態は、測定装置１０を用いた気泡内圧力測定方法により測定した気泡２４内の圧力ｐについて、検出した放電開始電圧Ｖｂと前記取得した圧力ｐとに基づき、レイリー・プレセットの方程式により求められる無次元化した気泡径（曲線ＮＲ）を用いて無次元化時間に対する圧力（曲線ＥＮＰ）を算出するステップと、前記算出した無次元化時間に対する圧力に基づいて気泡２４内の圧力を評価するステップと、を備える気泡内圧力評価方法の発明として把握できる。
Further, in the present embodiment, the pressure p in the
Further, in the present embodiment, the pressure p in the
なお、上記の図３の処理の変形例として、例えば高速度カメラ等の可視化手段を用いて気泡２４の内部への放電の開始が感知されたときに図３に示す処理を起動して、放電が感知された時点に検出器６０にて検出された電圧データを、電圧データ放電開始電圧として取得（ステップＳ３）してもよい。この場合、ステップＳ２の判断は不要である。
As a modification of the process of FIG. 3 above, when the start of discharge to the inside of the
また、上記の実施形態では、気泡生成源としてレーザー発振器４０を用いたが、気泡生成源はこれに限らず、電極間に発生させたスパークを用いる手法，超音波を利用する手法など、周知のどのような液体中で人為的に気泡を生成する手法を適用してもよい。
Further, in the above embodiment, the
また、上記の実施形態では、気泡２４が生成された後に所定のタイミング（図６では４０μｓ経過時点）で電極３０に電圧を印加する場合を例に挙げて説明した。これは、気泡が膨張した後の所定のタイミング（例えば放電が生じる直前のタイミング）に電極３０に電圧を印加することを意図するものである。電極３０に電圧を印加するタイミングは、これに限らず、例えば気泡の生成を開始するよりも前から印加し続けること，レーザー光Ｌを照射したタイミング（気泡が生成されたタイミング）で印加すること，などであってもよい。
Further, in the above embodiment, a case where a voltage is applied to the
また、容器２０に収容する液体２２は水にかぎらず、アルコールや油など、その他の任意の種類の液体であってもよい。
Further, the liquid 22 contained in the
電極３０は、平行板電極に限らず、針電極，一対のワイヤを平行に配置したワイヤ電極など、その他の種類の電極であってもよい。
The
１０ 気泡内圧力測定装置
２０ 容器
３０ 電極
３１ 第１電極
３２ 第２電極
４０ レーザー発振器
５０ 放電制御部
５２ ファンクションジェネレータ
５４ 電圧増幅器
６０ 検出器
７０ プロセッサ装置
７２ 取得部
７４ 算出部
７６ 評価部
10 In-bubble
Claims (9)
前記容器内において所定距離を隔てて配置された一対の電極と、
前記電極の間に気泡を生成させる気泡生成源と、
前記電極に電圧を印加することで、前記気泡生成源により生成された気泡が膨張する過程において前記電極の間で前記気泡の内部に放電を行わせる放電制御部と、
前記放電制御部による前記放電が開始した時の放電開始電圧を検出する検出部と、
放電開始電圧に対する電極間距離と圧力との積の関係を規定する参照カーブに基づき、前記検出された放電開始電圧に対応する圧力を取得する取得部と、を備える
ことを特徴とする気泡内圧力測定装置。 A container containing liquid and
A pair of electrodes arranged at a predetermined distance in the container,
A bubble generation source that generates bubbles between the electrodes and
A discharge control unit that causes a voltage to be applied to the electrodes to discharge the inside of the bubbles between the electrodes in the process of expanding the bubbles generated by the bubble generation source.
A detection unit that detects the discharge start voltage when the discharge is started by the discharge control unit,
An in-bubble pressure comprising an acquisition unit that acquires a pressure corresponding to the detected discharge start voltage based on a reference curve that defines the relationship between the product of the distance between electrodes and the pressure with respect to the discharge start voltage. measuring device.
ことを特徴とする請求項１に記載の気泡内圧力測定装置。 The in-bubble pressure measuring device according to claim 1, wherein the electrodes are parallel plate electrodes in which a flat plate-shaped first electrode and a second electrode are arranged in parallel.
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の気泡内圧力測定装置。 The bubble generation source is provided with a laser oscillator, and the laser oscillated by the laser oscillator is converged between the electrodes to generate bubbles between the electrodes. 2. The in-bubble pressure measuring device according to 2.
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の気泡内圧力測定装置。 The intra-bubble pressure according to any one of claims 1 to 3, wherein the reference curve is a Paschen curve that defines the relationship between the product of the distance between electrodes and the pressure with respect to the discharge start voltage in the gas. measuring device.
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の気泡内圧力測定装置。 It is further provided with a calculation unit that calculates the pressure with respect to the non-dimensionalization time using the non-dimensionalized bubble diameter obtained by the Rayleigh-Plesset equation based on the detected discharge start voltage and the acquired pressure. The in-bubble pressure measuring device according to any one of claims 1 to 4.
前記電極に電圧を印加することで、前記生成された気泡が膨張する過程において前記電極の間で前記気泡の内部に放電を行わせるステップと、
前記気泡の内部に放電を開始した時の放電開始電圧を検出するステップと、
放電開始電圧に対する電極間距離と圧力との積の関係を規定する参照カーブに基づき、前記検出された放電開始電圧に対応する圧力を取得するステップと、を備える
ことを特徴とする気泡内圧力測定方法。 A step of creating bubbles between a pair of electrodes arranged in a liquid at a predetermined distance,
By applying a voltage to the electrodes, a step of causing an electric discharge inside the bubbles between the electrodes in the process of expanding the generated bubbles, and
The step of detecting the discharge start voltage when the discharge is started inside the bubble, and
Intracellular pressure measurement comprising: a step of acquiring a pressure corresponding to the detected discharge start voltage based on a reference curve defining the relationship between the product of the distance between electrodes and the pressure with respect to the discharge start voltage. Method.
放電開始電圧に対する電極間距離と圧力との積の関係を規定する参照カーブに基づき、前記検出された放電開始電圧に対応する圧力を取得するステップと、
をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。 By generating bubbles between a pair of electrodes arranged in a liquid at a predetermined distance and applying a voltage to the electrodes, the generated bubbles are expanded between the electrodes in the process of expanding the generated bubbles. The step of causing the discharge to be performed inside and capturing the discharge start voltage data when the discharge is started inside the bubble, and
Based on the reference curve that defines the relationship between the product of the distance between the electrodes and the pressure with respect to the discharge start voltage, the step of acquiring the pressure corresponding to the detected discharge start voltage, and
A program characterized by having a computer execute.
前記算出した無次元化時間に対する圧力に基づいて前記気泡内の圧力を評価する評価部と、を備える
ことを特徴とする気泡内圧力評価装置。 With respect to the pressure in the bubble acquired by the in-bubble pressure measuring device according to claim 1, a non-dimensionalized bubble obtained by Rayleigh-Plesset's equation based on the detected discharge start voltage and the acquired pressure. A calculation unit that calculates the pressure for the non-dimensionalization time using the diameter,
An in-bubble pressure evaluation device comprising an evaluation unit for evaluating the pressure in the bubble based on the calculated pressure with respect to the dimensionless time.
前記算出した無次元化時間に対する圧力に基づいて前記気泡内の圧力を評価するステップと、を備える
ことを特徴とする気泡内圧力評価方法。 With respect to the pressure in the bubble obtained by the in-bubble pressure measuring method according to claim 6, a non-dimensionalized bubble obtained by Rayleigh-Plesset's equation based on the detected discharge start voltage and the obtained pressure. The step of calculating the pressure for the non-dimensionalization time using the diameter, and
A method for evaluating an in-bubble pressure, which comprises a step of evaluating the pressure in the bubble based on the pressure with respect to the calculated dimensionless time.
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