JP2004275850A

JP2004275850A - 超音波装置

Info

Publication number: JP2004275850A
Application number: JP2003069051A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kurihara; 昌宏栗原; Mitsuo Takei; 三雄武井; Kunio Hashiba; 邦夫橋場; Kageyoshi Katakura; 景義片倉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】本発明は超音波装置に係わり、超音波により発生するキャビテーション気泡が崩壊する時の衝撃圧力を利用して通過する液体中の微生物、病原菌を機械的に破砕し、殺菌する手段を提供する。
【解決手段】超音波装置において流入室と流出室を隔壁で分離し、整流孔で接続する構造を持つ。整流孔は振動子ホーンと同軸上に配置される。ホーン先端部は磁性金属で構成され、流出口に磁石を有する。これらの基本構造を保ち、振動子および整流孔を複数個を配列する。本装置により液体中の微粒子、微生物を機械的に破砕し、微生物が有害菌の場合は殺菌を行うことが出来る。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波装置に係り、特に液体中の菌を殺菌する超音波装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁歪又は圧電素子に高周波を印加して振動させ音波を発生させる超音波装置は古くから産業分野で利用されている。この基本構造は図１の様に、容器１に満たされた液体２の中に振動子３を入れ、発振器７からの高周波を増幅器６で増幅する。増幅された高周波信号を、磁歪又は圧電素子からなる振動源４に印加する。この高周波振動をホーン５を通じて伝達・拡大して、液体２に音波として照射するものである。
【０００３】
この時、振動子２に加える電力を大きくして振動子からの音圧を上げて行くと、液体２が急速な圧力変化を受けて液体の静圧が液体の蒸気圧より低下し、液体中に溶存する空気や液体の気化によって気泡（キャビティ）を発生する。この現象をキャビテーションと言う。キャビテーションにより発生する気泡の崩壊時に、微小領域に１，０００〜５，０００気圧の衝撃を短時間に発生させ、極めて大きな破壊力を持つ。この作用をキャビテーション壊食と称し、非特許文献１に示すように研究テーマとして数々の場で取り上げられている。
【０００４】
このキャビテーションを産業分野では、乳化装置や超音波洗浄装置として古くから利用しており、この基本構造を図２に示す。図２において容器１中に液体２が充満されており、振動子３が複数個配列されて、発振器７からの高周波を増幅器６で増幅し、磁歪又は圧電素子からなる振動源４に印加して、その振動をホーン５の先端から液体２に照射するものである。
【０００５】
なお、発明の実施の形態で説明するキャビテーション気泡核の個数は気泡核直径に反比例することは、非特許文献２に記載されている。
【０００６】
【非特許文献１】岡田他、機械の研究第４９巻１１号（１９９７）ｐｐ１１８７−１１９６
【非特許文献２】加藤新版キャビテーション槇書店ｐ８４
【発明が解決しようとする課題】
この装置では、照射する音圧や発生する気泡の機構が解明されていなかった。また、以下の問題点があった。
（１）キャビテーション気泡が発生する領域が小さく、液体全体に作用させることが困難。
（２）液体全体に作用させると液体流量を大きく出来ない。
（３）キャビテーション気泡の大きさを制御することが困難。
（４）キャビテーション壊食によりホーンの先端部が剥離し、液体中に混入する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
温泉水中で繁殖したレジオネラ菌により肺炎を起こし死亡する例や、水道水に混入したクリプトスポリジウム菌により集団下痢が発生した社会問題が起きている。本発明は、温泉水や水道水の品質を維持したまま病原菌、特にレジオネラ菌、クリプトスポリジウム菌、大腸菌を破砕し、殺菌する装置を得ることを目的とする。本発明では、超音波発生装置を用いて、液体中でキャビテーションを発生させる。この時発生するキャビテーション気泡を液体全体に作用させる様な構造を持たせる。また、振動子が発生する音圧（周波数、振幅）を制御することで、キャビテーション発生の核となる気泡核を選択的に利用する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を、図面を持ちいて説明する。図３は、本発明の実施例である超音波装置の模式図である。なお、本明細書の図面では、共通の部分は共通の符号でしめす。図３で、発振器７からの高周波を増幅器６を通じて、振動子３の振動源８に印加する。ここで振動源８は、磁歪または圧電素子から選択することができる。振動源８の振動をホーン５’の先端から音波として液体２に照射する。液体２は、フランジを備えた流入口１０から超音波装置１００Ａに流入し、フランジを備えた流出口１１から流出する。超音波装置１００Ａの容器１は、隔壁１２によって流入室１４と流出室１５とに分けられ、隔壁１２に設けられた整流孔１３を通して、繋がっている。液体２は、流入室１４から流出室１５へ流れ込むが、整流孔径はホーン先端径より小さく、且つ整流孔と振動子は同軸上に配列されているので圧力をかけて液体を流すと、流入液体は全てホーン先端部９直近を通過する。さらに、ホーン先端部と隔壁との距離は、ホーン先端径の２乗を振動周波数ホーンの中の波長で割った値以下としている。従って、振動周波数１５ｋＨｚ、ホーン先端部径３０ｍｍとする場合、この距離は９ｍｍ以下である。また、この場合、ホーン先端部振幅を２０ミクロン前後とすることにより、１マイクロメータ程度ないし１マイクロメータ以下のキャビテーション気泡核を用いた気泡を発生させる事が出来る。なお、本実施例では、振動子３’のホーン先端部９を磁性金属で構成し、入出口１１の近傍に磁石を配置した。これによって、振動子の先端部９はキャビテーション壊食作用により剥離し、液体中に飛散した粒子を回収するためである。本実施例では、配管の外側に磁石を配置し、磁場を与えているが、配管内にメッシュ状に加工した磁石を置いてもよい。
【０００９】
超音波によるキャビテーション気泡崩壊時の衝撃圧力で液体中の微粒子や微生物を機械的に破砕しようとする場合、その衝撃圧をむらなくある領域全域に伝える事が重要である。キャビテーション気泡は液体中の気泡核（初期気泡）が成長して発生することが知られている。気泡核は、その大きさ、崩壊時の衝撃圧力および圧力範囲はＲａｙｌｅｉｇｈ−Ｐｌｅｓｓｅｔの方程式として数式化されており、気泡核の径、液体の圧力、および放射音圧をパラメータとして計算できる。この方程式によると、気泡径は大きい方が衝撃圧は大きいが、キャビテーション気泡核の数は少なく、衝撃圧密度にむらが生じる。キャビテーション気泡核の個数は気泡核直径に反比例するので、Ｒａｙｌｅｉｇｈ−Ｐｌｅｓｓｅｔの方程式と、気泡核数密度分布データから、キャビテーション気泡核の中で、平均時半径が１ミクロン前後ないしは１ミクロン以下のものを用いると、衝撃圧力が密度のむらなく、ほぼ均等の分布となる。また、振動子の音圧（周波数および振幅）を制御することで、気泡核径を選択することが出来る。
【００１０】
また、この時衝撃波が高密度で発生する範囲は振動子先端部直下のみで、且つその深さは振動子先端部の直径の２乗を超音波波長で割った値で与えられる振動子先端部の近距離音場領域以内である。
図３において、整流孔１３はその径Ｄｗが振動子ホーン径Ｄｈより小さい構造となっており、流入口１４から流入室１５に導かれた液体２は隔壁１２に設けられた整流孔１３を通して振動子先端部９に向け射出され、先端部直近を通過する。この時、振動子先端部９と隔壁１２の距離を前出の近距離音場領域以内とすると、整流孔１３を経由して流出室１５へ入る液体の全域にキャビテーション気泡の衝撃圧力を作用させる事が出来る。
【００１１】
図３に示すような構造を有する超音波装置を用い、大腸菌（ＸＬ１−Ｂｌｕｅ）の殺菌実験を行った。周波数は１５ｋＨｚ、ホーン９の出力端直径Ｄｈは３０ｍｍ、整流孔１３の直径Ｄｗは１０ｍｍ、ホーン５’の出力端先端部と隔壁３との距離を３ｍｍ、振動子への入力電力３００Ｗとした。この時、ホーン５’の振幅は２０μｍ以上であった。初期濃度８．５×１０^５個／ｍｌの大腸菌試料を用い、１０リットル／分の流量で殺菌実験を行った結果を図４に示す。本装置に１度だけ通過させた時（１パス時）の殺菌率は１９％、３パス時の殺菌率は３３％であった。
【００１２】
１パス時の殺菌率を向上させるためには図３の構成を直列に連結し、殺菌目的となる微生物の世代時間（微生物が増殖し、濃度は倍になる時間）内に５０％以上の殺菌率が得られるよう構成すればよい。
本実施例によれば、このキャビテーション気泡崩壊時の衝撃圧力を液体に均等に作用させることが可能となり、この衝撃圧力により液体中の、微生物を機械的に破砕することが出来る。微生物が病原菌の場合は、殺菌装置として利用出来る。さらに、本実施例によれば薬品を用いないので、微生物が耐性を持つこともない。
【００１３】
次に本発明の他の実施例を図５を用いて説明する。ここで、図５は振動子の模式図であり、振動子３”の振幅を大きくとるためにホーン５とホーン５’と接続し、先端部９を磁性金属で構成した例である。この振動子３”を図３の超音波装置１００Ａに適用すれば、振幅を大きく取れるので、殺菌率が向上する。
【００１４】
本発明の他の実施例を図６を用いて説明する。ここで、図６は超音波装置の模式図である。振動子３’は最初の実施例と同じであり、２個の振動子３’を並列に配置した。この超音波装置１００Ｂによれば、最初の実施例と同じ殺菌率において液体の流量を２倍にすることができる。本実施例の変形実施例が図７に記載の実施例である。ここで、図７は超音波装置の模式図である。図７では、隔壁１２を山型に設け、２つの振動子３’を逆ハの字型に配置したものである。この超音波装置１００Ｃによっても、最初の実施例と同じ殺菌率において液体の流量を２倍にすることができる。
【００１５】
最後に、本発明の他の実施例を、図８および図９を用いて説明する。ここで、図８は超音波装置の模式図であり、図９はこの模式図の概略平面図である。図８および図９の超音波装置１００Ｄは、隔壁隔壁１２を谷型に設け、４つの振動子３’互い違いに逆ハの字型に配置したものである。この超音波装置１００Ｄによっても、最初の実施例と同じ殺菌率において液体の流量を４倍にすることができる。さらに、本実施例では、複数の振動子３’の一部が図８の面内で重なり合うように配置したので、装置の横幅を削減することができる。さらに、図９で、点線で示すように４つ並んだ振動子３’の間に隔壁を設ければ、用途によって、４台並列接続と、４台直流接続と、２台直列接続×２台並列接続とを配管切替できるという効果がある。この場合、流入口、流出口は適宜設ける必要がある。
【００１６】
【発明の効果】
本発明に依れば、超音波を用いて液体中でキャビテーションを発生させ、このキャビテーション気泡崩壊時の衝撃圧力を領域内に均等に作用させることが可能となり、この衝撃圧力により液体中の微粒子、微生物を機械的に破砕することが出来る。微生物が病原菌の場合は、殺菌装置として利用出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の超音波によるキャビテーション発生装置の基本的構造を説明する図である。
【図２】従来のキャビテーションを利用した産業機械の基本的構造を説明する図である。
【図３】本発明の実施例の超音波装置の基本的構造図を説明する図である。
【図４】本発明の実施例の超音波装置の殺菌効果を説明する図である。
【図５】本発明の実施例の超音波振動子の構造を説明する図である。
【図６】本発明の実施例の超音波装置の構造を説明する図である。
【図７】本発明の実施例の超音波装置の構造を説明する図である。
【図８】本発明の実施例の超音波装置の構造を説明する図である。
【図９】本発明の実施例の超音波装置の概要構造を説明する平面図である。
【符号の説明】
１…容器、２…液体、３…振動子、４…振動源、５…ホーン、６…増幅器、７…発振器、９…ホーン先端部、１０…液体流入口、１１…液体流出口、１２…隔壁、１３…整流孔、１４…流入室、１５…流出室、１６…磁石、１１…増幅器、１２…発振器、１００…超音波装置。

Claims

高周波で振動する振動子を備え、液体に振動を伝える超音波装置であって、
振動子の先端径よりも小さな直径で振動子に対向して配置された孔を通して、液体を供給するよう構成された超音波装置。
請求項１記載の超音波装置であって、前記孔を設けた隔壁と振動子との間距離を、振動子先端部の直径の２乗を超音波波長で割った値以下とすることを特徴とする超音波装置。
高周波で振動する振動子を備え、液体に振動を伝える超音波装置であって、
振動子の先端を磁性金属とし、振動を伝えられた液体の流路に磁場を加える磁場印加手段を含む超音波装置。
請求項３記載の超音波装置であって、
前記磁場印加手段は配管外側に設けた磁石である超音波装置。
請求項３記載の超音波装置であって、
前記振動子は、ホーンを複数重ねて構成されたことを特徴とする超音波装置。