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JP3278846B2 - 管状超音波処理装置用モジュラーユニット - Google Patents

管状超音波処理装置用モジュラーユニット

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JP3278846B2
JP3278846B2 JP50500092A JP50500092A JP3278846B2 JP 3278846 B2 JP3278846 B2 JP 3278846B2 JP 50500092 A JP50500092 A JP 50500092A JP 50500092 A JP50500092 A JP 50500092A JP 3278846 B2 JP3278846 B2 JP 3278846B2
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tubular
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ヴァズレール，フィリップ
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ヴァズレール，フィリップ
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    • A61L2/00—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor
    • A61L2/02—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using physical phenomena
    • A61L2/025—Ultrasonics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D19/00—Degasification of liquids
    • B01D19/0073—Degasification of liquids by a method not covered by groups B01D19/0005 - B01D19/0042
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F31/84—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations for material continuously moving through a tube, e.g. by deforming the tube
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/10—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing sonic or ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
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  • Mixers With Rotating Receptacles And Mixers With Vibration Mechanisms (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、管状の超音波処理装置（超音波リアクタ
ー）に用いるモジュラーユニットと、各種の具体的用途
向けのマルチリアクターの形態としたこのユニットの各
種応用に関する。
現在の技術情況において液体を扱う各種の超音波処理
装置が知られている。それらは主に超音波洗浄の技術か
ら派生した装置であり、通常は薄い金属製のタンクの底
に複数のエミッター（発振器）を取り付けた形態のもの
である。
タンクの底を振動させると、タンク内の液体中でのキ
ャビテーションを誘発するが、このキャビテーションの
強度は振動源（つまりタンクの底）から離れるにつれて
弱まる。
別の公知の方法では２枚のダイアフラムを対向させて
用いる。上記の洗浄技術の場合と全く同様に、間に1.5
〜4mmの距離（カップリング距離という）をあけて対向
する２枚の金属板に多数の発振器が配置される。処理す
る液体はこの２枚の発振板の間を通過させる。
別の形態の超音波装置では、金属管の外周に取り付け
た多数の発振器を用いる。この装置は、流動する液体を
処理することができるが、必要な発振器の数が多いこ
と、超音波洗浄法で通常得られる程度を超える振幅を得
ることができないこと、および処理物と接触する処理用
金属管が摩耗した場合には、装置全体を交換する必要が
あるという欠点がある。
以上の公知技術はいずれも、発振器が金属製のダイア
フラム、管もしくはタンク底に直接固定されている超音
波洗浄技術と実質的に同じものである。
最後に、実験室での実験用の超音波プローブ装置があ
る。その周知の実例は、ソニファイアー（Sonifier,BRA
NSON社）とバイブラセル（Vibracell,SONIC'S ＆ MATER
IALS社）である。この種の装置は少量または低流速の液
体を扱うことができるものである。
本発明の目的は、機械的共振の原理を利用して少ない
数の発振器からコヒーレントにリアクター内を流れる流
体を処理するために超音波振動を伝播させる管状超音波
リアクターを提供することである。
本発明により、この目的を達成する超音波処理装置
（リアクター）のモジュラーユニットが開発された。こ
のリアクター・モジュラーユニットは、円筒形内面と円
形横断面とを有し、供給側および排出側の両端部が開い
ている管状金属体からなり、この管状金属体の外面に
は、その節部（nodal zone）の付近に、この管と共軸で
半径方向に突き出たカラーが設けられ、このカラーの外
周には少なくとも１つの超音波変換器（超音波を発振す
るコンバータ）が半径方向を向いて固定され、この変換
器の周波数（変換器が発振する超音波の周波数）は前記
カラーの振動の周波数および前記管状金属体の長手方向
振動の周波数と等しいという特徴を有する。
本発明の他の特徴および利点は、多数の具体的な実施
態様を示す添付図面に関する以下の詳細な説明から明ら
かとなろう。添付図面において、 −図1Aは、本発明にかかる１個のリアクター・モジュラ
ーユニットの断面図であり、 −図1Bは、図1Aのリアクター・モジュラーユニットの端
面図であり、 −図２は、本発明にかかる複数のリアクター・モジュラ
ーユニットを１つの変換器と組合わせたインライン（in
−line）マルチリアクターを示し、 −図３は、複数のリアクター・モジュラーユニットを３
つの別個の変換器と組合わせたインライン・マルチリア
クターを示し、 −図４は、単一のモジュラーユニットを、そのリアクタ
ーの管状部を非対称に延長して構成したインライン・マ
ルチリアクターを示し、 −図５は、各種のモジュラーユニットを複数の変換器と
組合わせた別のインライン・マルチリアクターを示し、 −図６は、モジュラーユニットのカラーが管状金属体
に、例えば嵌め込みにより取付けられているモジュラー
ユニットを示し、 −図７は、モジュラーユニットの長手方向最大振幅領域
（応力の節部）に近接してこれに内部管状部材を取り付
けたモジュラーユニットを示す。
図1Aおよび1Bは、それぞれ本発明にかかるリアクター
・モジュラーユニット10の側面図および端面図であり、
これらの図に示すように、このユニットは３つの基本部
材から主に構成される。ユニット10は、まず内面14が円
筒状で断面が円形の管状金属体12を備えている。この管
状金属体12は、両端（即ち、その供給側端部16と排出側
端部18）がいずれも開いている。処理を受ける材料およ
び／または反応成分は、端部16から端部18に向けて矢印
の方向に流れる。供給側および排出側の端部16,18には
それぞれ供給管および排出管を連結してもよく、これら
には恐らくポンプを設けてもよい。この設備の残りの部
分は全て、当業者には周知の慣用のユニットを使用する
ので図示していない。
モジュラーユニット10はさらに、管状金属体12の外面
の節部付近の位置に、この管と共軸のカラー20を備え、
このカラーは管状金属体12の外面から半径方向外向きに
突き出ている。
モジュラーユニット10は、最後に、少なくとも１の超
音波変換器（コンバータ）22を備え、この変換器は半径
方向に配置され、カラー20の外周に固定されている。本
発明によれば、この変換器22の周波数は、カラー20の振
動周波数および管状金属体12の長手方向振動周波数と等
しい。
実際には、慣用の超音波変換器22、例えば、圧電発振
型の変換器を使用する。これは、B.Brown and J.E.Good
man著「高強度超音波（High Intensity Ultrasonic
s）」記載の「ランジェビン（Langevin）トリプレッ
ト」型のものでよい。
図1Aおよび1Bに示し、説明する具体例では、共軸カラ
ー20は管状金属体12と一体で機械加工により製作されて
いる。この種の態様では、カラー20は丸みをつけたフィ
レット（fillet）24により管状金属体12の外面とつなが
っている。ここで説明する態様では、管状金属体12の長
さは、使用する周波数での波長の半分（半波長）に等し
いことに注意されたい。また、発振器または変換器22に
より供給される超音波振動の周波数は通常は５〜100KHz
であることにも留意されたい。この図示の具体例では、
管状金属体の長さは超音波振動の周波数での波長の1/2
に厳密に等しい。ただし、より長い別の管状金属部材を
使用して、共軸カラー20の片側または両側を出力周波数
での波長の半分（半波長）の整数倍に等しい距離だけ延
長することも本発明の範囲内で可能である。例えば、こ
の金属部材は、ネジ止め、圧力嵌め（嵌め込み）、溶接
などの手段でモジュラーユニットの長手方向最大振幅領
域（応力の節部）内に連結するか、或いはこれと一体に
製作する。
カラー20の内径と外径で共軸カラー20の半径方向周波
数が決まり、カラー20の内径は管状金属体12の内径と等
しいことを記憶すべきである。他方、管状金属体12の長
さは半波長の倍数であり、この長さでリアクター全体の
長手方向周波数が決まる。
図1Aおよび1Bに示した具体例では、１つの変換器また
は発振器22を使用し、これは電歪型、磁歪型、蓄電型、
或いは（より一般的な）圧電型のものでよい。変換器22
はカラー20の外周に固定される。好ましくは、発振器22
とカラー20との完全な接触を確保するように平面部26で
固定を行う。この２つの部品の機械的結合はピンなどの
部材28により行うのが有利である。
本発明にかかるリアクター・モジュラーユニット10の
変換器により発生する超音波振動の周波数に関して、カ
ラー20の内径diおよび外径deは、当業者であれば、発振
器により発生する振動周波数に基づいて従来と同様に決
めることができる。例えば、カラー20の厚さが約15mmで
ある場合、カラーの内径および外径と振動周波数Ｆとの
関係では次式で決まる。
式中、Ｃはカラー20の素材金属中での音速（cm/s）で
ある。
例えば、アルミニウム合金製のカラーを直径40mm、周
波数20kHzの圧電型発振器で振動させる場合を考える。
この場合、発振器出力周波数20kHzとして、カラーは厚
みが30mm、外径が130mm、内径が42mmとなる。
この種のリアクターユニットは次のように作用する。
変換器22により発生した振動は、カラー20を半径方向に
振動させ、この半径方向の振動が、その波長の半分の倍
数の長さをもつ管状金属体12の長手方向の振動を引き起
こす。カラー20が圧縮した（縮んだ）時の位相は、管状
金属体12が長手方向に伸びた時の位相に対応し、逆にカ
ラー20が拡張した時は、管状金属体12が長手方向に圧縮
した時の位相に対応する。この結果を得るには、共軸カ
ラー20が管状金属体12の節面の付近に位置する必要があ
る。本発明のリアクターは、カラー20の内径の半径方向
の振動を利用して、管状金属体12の内部を連続的に流れ
る被処理液体にキャビテーションを引き起こすものであ
る。
処理を受ける任意の液体、気体、コロイドその他の材
料を、慣用手段（図示せず）によりリアクターの管状金
属体12の内部を通過させる必要がある。
図２は、図1Aおよび1Bに示した複数のリアクター・モ
ジュラーユニットを一列につなげて構成した超音波リア
クターを示す。この図２の態様では、モジュラーユニッ
ト10を３つ使用してインライン・マルチリアクターを形
成しているが、超音波変換器22は１つしか使用していな
い。この種の複数のユニットからなる装置は、一体構成
のものでもよく、或いは複数のモジュラーユニットを長
手方向最大振幅領域（応力の節部）で堅固に連結して得
たものでもよい。
図３に示すように、複数の変換器22に連結された複数
のリアクター・モジュラーユニット10を組合わせてイン
ライン・マルチリアクターを構成することもできる。こ
こに示した具体例では、それぞれ変換器22を備えた完全
なモジュラーユニットを３つ使用している。これらの完
全モジュラーユニットは、管状リアクターの両端部と中
央部に配置されている。図示例では、これらの半波長の
長さの完全モジュラーユニット10の間に、やはり半波長
の長さの管状金属体12の外周に共軸カラー20を取り付け
たアセンブリ（変換器を持たないユニット）が配置され
ている。この構成は、先に述べた、一部が半波長の長さ
をもち、残りは１波長の長さをもつ複数のリアクター・
モジュラーユニットを組合わせたものと同等である。
この種のインライン・リアクターの作用は、前述した
モジュラーユニットの作用と同一である。振動の同じ位
相において、異なる構成要素に縮みと伸びの同時状態が
漸進的に認められよう。
直線状につなげた超音波リアクターが複数の超音波発
振器または変換器22を備えている場合、すべての発振器
または変換器22が同じ発電機（generator）から並列に
給電されると有利なことがある。ただし、位相逆転が半
波長ごとに起こるため、用心のため、偶数番号の発振器
は奇数番号の発振器に対して逆位相とすべきである。
図４に示した具合例では、半径方向に突き出たカラー
20は、中央のモジュラーユニットの管状部材をその両側
で延長している或る長さの管状金属体も連続して振動さ
せている。中央モジュラーユニットの両側の管の長さ
は、いずれも半波長の整数倍となっている。この延長部
の管は、長手方向最大振幅領域（応力節部）で中央モジ
ュラーユニットに、例えばネジ止めか、嵌め込みにより
連結したものでよい。配列は対称である必要はない。図
４に示すように、目的とする用途によっては、超音波振
動が強い部分の上流側または下流側により長いまたは短
い管状部分を設けるようにすることが有利な場合があ
る。リアクターの材質、被処理物の種類、そして当然な
がらリアクター内で起こる反応の性質や状態によって、
実際には半波長の１倍から10倍までの数値が通常は選ば
れる。例えば、図４に示すように、強キャビテーション
部分の比較的近くに供給口を設け、反応を開始するのに
必要なエネルギーを迅速に付与した後、より長いリアク
ターの下流側管状部分（即ち、超音波キャビテーション
の振幅および力がより弱い部分）で反応が続くようにす
ることが有利な場合がある。
当業者であれば、この管状金属体12の長さについて
は、目的とする具体的用途に応じて、変換器22により供
給される超音波振動の周波数での半波長の整数倍に等し
い適当な長さを選択することができよう。
図５は、半径方向に突き出た複数のカラー20を使用し
て、ある長さの管（図示例では半波長の１倍の長さであ
るが、半波長の整数倍に等しければより長い管の長さも
同様に採用できる）を連続して振動させる、最後に説明
する態様を示す。作用の原理は全く同じである。
図６は、本発明にかかるリアクター・モジュラーユニ
ットの変更例を示す。この変更例では、管状金属体12と
共軸のカラー20は、一体部品として機械加工により製作
されるのではなく、別々に製作される。それにより、カ
ラー20に対してはアルミニウムおよび／またはチタン合
金といった音響特性に優れた材料を、また内部を被処理
液体が流れる管状金属部材12については、超音波キャビ
テーションにより起こるエロージョンに対する耐性が高
い別の材料を選ぶことが可能となる。管状金属部材12
は、例えばステンレス鋼のような特殊鋼から製作するこ
とができる。さらに、管状リアクターの内面14には、キ
ャビテーションによるエロージョンから防護するための
保護層として、例えば、セラミックコーティング、高硬
度金属コーティング、セラッミック／金属複合コーティ
ング等を施すことが有利である。図６に示す例では、堅
固かつ均質な連結をもたらす適当な機械的手段によって
カラーは管状部材に取付けられている。堅固な連結は本
発明のリアクター・モジュラーユニットに不可欠であ
り、これは、例えばネジ止め、くさび止め、嵌め込みな
どの機械的手段で達成することができる。また、接着、
溶接などの非機械的手段も同様に採用することができ
る。
図７は、本発明のリアクター・モジュラーユニットの
別の態様を示す。
この態様では、リアクター・モジュラーユニットは、
その内部に発振器22の周波数に同調させた管状部材30を
受け入れるように構成され、この管状部材はその両端3
2,34をこのユニットの長手方向最大振幅領域（応力の節
部）付近で締めつけることにより軸方向モードから振動
する。
この態様において、前記管状部材30は、発振器周波数
に同調させた２つの部材（例えば、図４に示したのと同
様の管状金属体36および38）の間で締めつけられる。
取り付ける管状部材30は、その両端32および34でこれ
を締めつける管状部材36および38との良好な連結と完璧
な中心合わせのため、精密支え面（即ち、45゜）とする
のが有利である。図７に示したように、モジュラーユニ
ットの内径に対してクリアランス40を設け、内部を被処
理流体が流れる管状部材30が制限を受けずに半径方向に
伸び縮みできるようにする。
本発明にかかるリアクター・モジュラーユニットは、
リアクターの内部を自然に、またはポンプにより流れる
液体、気体、コロイドなどあらゆる種類の流体の処理に
使用することができる。また、カラー20の外面振動によ
り起こるキャビテーションによって外部を流れる液体も
同時に処理できる、つまり、リアクターの内部を流れる
液体と、その外部を流れる液体という２種類の異なる液
体流を同時に処理できるということにも注目すべきであ
る。
この種のリアクターは、例えば、次に列挙する多くの
工業的用途に利用可能である。
−化学反応の活性化（グリニャール反応、バルビエール
反応など）、 −金属、セラミックおよび鉱物粉末の解凝集および洗
浄、 −鉱石の処理、 −顔料、着色剤の湿潤および分散、 −ガス溶解の促進、 −ガス抜き、 −ホモジナイズ、 −ワイヤー洗浄、 −乳化など。

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】材料および／または反応成分の連続的超音
    波処理用のリアクター・モジュラーユニットであって、
    円筒形内面（14）と円形横断面とを有し、供給側端部
    （16）および排出側端部（18）がいずれも開いている管
    状金属体（12）からなり、この管状金属体の外面には、
    その節部の付近に、この管と共軸で半径方向に突き出た
    カラー（20）が設けられ、少なくとも１つの超音波変換
    器（22）が半径方向を向いて前記カラーの外周に取付け
    られ、前記管状金属体（12）の長さが、前記変換器（2
    2）で発生する超音波振動の周波数における波長の半分
    の整数倍に等しく、そしてカラー（20）の内径および外
    径がこのカラーの振動の周波数が変換器（22）で発生す
    る超音波振動の周波数に等しくなるようなものであるこ
    とを特徴とするリアクター・モジュラーユニット。
  2. 【請求項２】前記変換器（22）が発生する超音波振動の
    周波数が５〜100kHzの範囲であることを特徴とする請求
    項１記載のリアクター・モジュラーユニット。
  3. 【請求項３】前記超音波変換器（22）が、これと前記カ
    ラー（20）との完全な接触を確保するように平面部（2
    6）で前記カラーの外周に固定され、その機械的連結が
    ピン（28）などで行われることを特徴とする、請求項１
    または２に記載のリアクター・モジュラーユニット。
  4. 【請求項４】前記カラー（20）が前記管状金属体（12）
    と一体に製作されることを特徴とする、請求項１〜３の
    いずれか１項に記載のリアクター・モジュラーユニッ
    ト。
  5. 【請求項５】前記カラー（20）が堅固な連結を与える任
    意の手段で前記管状金属体（12）に取付けられているこ
    とを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の
    リアクター・モジュラーユニット。
  6. 【請求項６】前記カラー（20）がアルミニウムおよび／
    またはチタン合金などの音響特性が良好な金属材料か
    ら、前記管状金属体（12）がステンレス鋼などのキャビ
    テーションにより生ずるエロージョンに対する耐性が良
    好な金属材料からそれぞれ製作される、請求項５記載の
    リアクター・モジュラーユニット。
  7. 【請求項７】管状リアクターの内面（14）をキャビテー
    ションによるエロージョンから保護するために、この内
    面がセラミック、高硬度金属またはセラミック／金属複
    合材料でコーティングされていることを特徴とする、請
    求項１〜６のいずれか１項に記載のリアクター・モジュ
    ラーユニット。
  8. 【請求項８】モジュラーユニットの長手方向最大振幅領
    域の付近でその内面に、管状部材（30）が締めつけ手段
    により取付けられていることを特徴とする、請求項１〜
    ５のいずれか１項に記載のリアクター・モジュラーユニ
    ット。
  9. 【請求項９】請求項１〜８のいずれか１項に記載の複数
    個のリアクター・モジュラーユニット（10）を一列に連
    結して、インライン・マルチリアクターを構成したこと
    を特徴とする超音波リアクター。
  10. 【請求項１０】同じ発電機により並列に給電される複数
    の変換器（22）を備えていることを特徴とする、請求項
    ９記載の超音波リアクター。
JP50500092A 1991-01-17 1992-01-15 管状超音波処理装置用モジュラーユニット Expired - Fee Related JP3278846B2 (ja)

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FR9100499A FR2671737A1 (fr) 1991-01-17 1991-01-17 Unite modulaire de reacteur ultra-sonique tubulaire.
PCT/FR1992/000029 WO1992012790A1 (fr) 1991-01-17 1992-01-15 Unite modulaire de reacteur ultra-sonique tubulaire

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JPH06504483A JPH06504483A (ja) 1994-05-26
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EP (1) EP0567579B1 (ja)
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AU (1) AU657947B2 (ja)
CA (1) CA2100571C (ja)
DE (1) DE69203717T2 (ja)
DK (1) DK0567579T3 (ja)
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