JP2004523352A - 高密度出力超音波を活用した連続液体経路の濾過装置 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、高密度出力の超音波を活用した、連続液体経路の濾過装置に関するものである。
【0002】
さらに詳細には、本発明が対象とする液体連続濾過装置で用いられる管状の超音波処理モジュラーユニットは、円筒形の濾過エレメントの外被と高密度出力超音波源の役割を兼ねるものである。
【背景技術】
【0003】
そのような処理モジュラーユニットは、仏国特許発明第2671737号明細書、あるいはそれに対応する欧州特許第0567579号明細書に詳細に記載されている。
【0004】
液体濾過の分野において既知の幾つかの装置は、液体が通流する濾過槽の内部に、液体が中を通過する濾過エレメントを含み、濾過する粒子を留め置くというものである。
【0005】
他に液体の周期的な逆流による、濾過エレメントの清掃、再生装置が知られているが、場合によっては、同時に前記濾過槽の内部において、超音波振動を活用することもある。このような振動は超音波振動発生源によって作り出され、該超音波振動発生源は、前記濾過槽に接続されるか、あるいはまた、濾過エレメントの近傍の、前記濾過槽の内部に沈められてもよい。
【0006】
超音波振動によって得られた清掃効果は、液体中でのキャビテーションという物理現象によるものであり、業界ではよく知られているところのものである。
【0007】
また、濾過を行っている間、超音波振動を連続的に加えて、それにより濾過を助けるというような濾過装置も知られている。
【0008】
例えば、実験室で普通に使われているような真っ直ぐな円筒形の音極を用いて、篩いの目の通り口、あるいは前記濾過エレメントの細孔よりも小さい粒子を押し通すことも可能であるが、その場合、前記濾過エレメントと接触する、液体中で得られる振動の振幅が十分に大きなものとなるよう、音極の端部が前記エレメントに十分に近づいていることが条件となる。
【0009】
このような装置は、実験室で応用されるにとどまるものであり、つまりは、流量が小さいために、製造の過程で一列に並べた状態での使用に適さないのであり、これは、音極の小さすぎる有効振動表面の構造ゆえである。
【0010】
濾過エレメントを納めた囲いに超音波振動をかけつづけるという装置も知られているが、その囲いはそのような振動を発生させ、かつ/又は伝播させるエレメントと音響的な同調はとれていない。
【0011】
このような装置は、濾過エレメント部分に伝達可能な有効音響出力が制限されており、この出力を、濾過エレメントに均一に分配することができない。
【0012】
液体中に沈めることのできる、例えば潜水管などのような超音波振動源は、他にも存在する。これは、大きな有効振動表面を呈するものである。しかしながら、それらの発生させるキャビテーションの出力密度は制限されたものであり、濾過の過程を目立つほどに改善するには不十分(濾過表面で1W/cm2未満)であることが多い。
【0013】
さらに、この場合のように、濾過エレメントは超音波管を外側にしか付けることができないと、設置がかさばるものにならざるを得ず、大きな直径のフィルタや外付けの管状の被覆を用いなければならないという不都合がある。
【特許文献1】
仏国特許発明第2671737号明細書
【特許文献1】
欧州特許第0567579号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
それゆえ、今日まで、以下のような様々な制約を満足する液体濾過装置は存在していない:
【0015】
・超音波振動を連続的に活用することにより、濾過過程を改善すること。
【0016】
・キャビテーションの超音波出力を濾過表面全体に均一に分配すること。
【0017】
・その表面に接触した状態で、濾過表面で正味で、2W/cm2以上の平均超音波出力密度を実現すること。
【0018】
・かさばらないこと。
【0019】
・産業的な使用が可能であること。
【0020】
本発明はまさに、以上のような制約を全て満足することを目指すものである。
【課題を解決するための手段】
【0021】
本発明にかなった濾過装置は、超音波処理モジュラーユニットを含み、それは以下のような形を呈するものである:
【0022】
・両端に、供給端部と排出端部が開いており、金属管状体の外側表面は、結節部近傍に前記管と同軸の環体部を呈し、該環体部は、半径方向に突出しており、周辺に半径方向に突出した超音波変換器を備えるものであり、該変換器の周波数は、前記環体部の振動周波数に等しく、前記金属管状体の縦方向の振動周波数に等しい、円形の内部表面と、円筒形の直断面、及び金属管状体の形を呈し、そして
【0023】
・金属管状体の内部に、この金属管と同軸となるよう、供給端部と排出端部の間に配置されている、約20μm未満の篩いの目を有する、約50cm2の、好ましくは、約80cm2の最小の濾過表面を呈する、円筒形の濾過エレメントの形を呈しており、
金属管状体の内部で消散される、の定格の超音波出力密度は、濾過表面で約2W/cm2を超えるものである。
【0024】
本発明のもう一つの特徴によると、金属管状体の長さは、変換器から発せられる超音波振動の周波数の、半波長の整数倍に等しく、環体部の内径と外径は、前記環体部の振動周波数が、変換器が発せられるのと同じ超音波振動周波数となるように決定される。
【0025】
本発明のもう一つの特徴によると、円筒形の濾過エレメントは、金属性の支持体上に取り付けられた、織り上げ又は不織の金属フィルタ、金属性の支持体上に取り付けられた、織り上げ又は不織の合成フィルタ、そして焼結多層金属フィルタ及びシェル構造の焼結鉱物性又は金属性フィルタの中から選ばれたものである。
【0026】
本発明の具体的な実施態様によると、円筒形の濾過エレメントは、接続用部材によって金属管状体に接続されており、該接続用部材は、濾過する液体が、濾過エレメントの外側からその濾過エレメントの内側に向かって、あるいは逆に、濾過エレメントの内側からその濾過エレメントの外側に向かって、通過していくように構成されている。
【0027】
本発明の具体的な実施態様によると、濾過する液体が通流する流路に組み込まれ、装置の入口と出口の間に存在する圧力差を測定し、また、その流路中の液体の流量かつ/又は、前記装置の下流における水圧の低下を調節することによって、この圧力差の調整を可能にする。
【0028】
本発明のもう一つの変形例によると、金属管状体と円筒形濾過エレメントの間の接続用部材、並びに処理する流体が通流する流路は、その濾過が、接線方向濾過の原理によって行われるように構成されている。
【0029】
一般的には、本発明の濾過装置は、濾過する液体が通流する流路の中に組み込まれ、前記濾過エレメントの入口と出口の間に存在する圧力差が一定の閾値を超えるとすぐに、濾過エレメントの周期的な逆流での清掃を可能にする。
【0030】
本発明はまた、前述の濾過装置の使用方法に関するものでもあり、濾過する液体中のキャビテーション強度は、超音波振動出力の調整、かつ/又は、超音波トランスジューサと、前記金属管状体の結節分近傍で放射状に突出している前記環体部の外側表面の間に介在する、ブースタの形状の選択により、調節されるものである。
【0031】
結局のところ、本発明により構成可能な超音波フィルタは、前述のように、複数の超音波処理モジュラーユニットで円筒形の濾過エレメントを囲い込むことにより、直列又は並列の連結によって実現された、幾つものフィルタを一列に並べた装置を作る。このような超音波フィルタは、同一の発生器によって並列に給電される複数の変換器を含んでいてよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【0032】
本発明は、以下、添付図面に示された二つの具体的な実施態様を参照しつつ、さらに詳細に説明されるものであり、そのうち図1と図2は、単一の濾過装置の第一の実施態様に対応しており、図3は、接線方向濾過用の実施態様に対応するものである。これらの図において、また、以下の説明において、対応する構成要素は同一の参照記号で示される。
【0033】
図1から図3に示されるように、リアクターモジュラーユニット12は、主に三つの特徴的な基本要素から構成される。ユニット12は、まず金属管状体11を含み、該金属管状体は、内部表面13が円筒形の直断面の形状を呈する。金属管状体11の両端は開いており、つまりは、供給端部10と排出端部15のそれぞれのことである。これらの二つの供給端部10と排出端部15は、供給導管と排出導管に連結されており、これらの導管も、場合によっては通流用ポンプを備えるものである。この設置部分は、業界ではよく知られた全く典型的な機構を用いているので、図示はしていない。
【0034】
モジュラーユニット12はまた、金属管状体11の結節部近傍の表面上に、前記管本体と同軸の環体部17を含み、前記環体部は管本体11の空いている表面の外側に向かって半径方向に突出している。
【0035】
結局のところ、モジュラーユニット12は、超音波変換器19を少なくとも一つ含み、該変換器は、前記環体部17の周辺にこれと連動する状態で放射状に配置されている。前記変換器19の周波数は、前記環体部17の振動周波数に等しく、そして、金属管状体11の長手方向振動周波数に等しい。
【0036】
実際には、超音波変換器19として用いられるのは、従来の変換器で、例えば圧電励起型のものである。それは例えば、B. Brown並びにJ.E. Goodmanの著書High Intensity Ultrasonicsに記載されている「Langevinトリプレット」タイプのものでもよい。
【0037】
図1から図3に示された具体的な実施態様においては、同軸の環体部17は、金属管状体11の塊の中で加工されるものである。このタイプの実施例において、環体部17は、段差面取り部21を介して、金属管状体11の外側表面に連結される。
【0038】
金属管状体11の長さは、本文に記述されている実施例においては、用いようとする周波数の波長の半分に等しい。発信器又は変換器19が発する超音波振動も同様に、5kHzから100kHzの間に含まれることに留意しなくてはならない。この具体的実施例において、金属管状体の長さは、厳密には超音波振動の周波数の半分の波長に等しい。しかしながら、本発明の枠内で、さらに大きな寸法の金属管部分にすることは容易に可能であり、該金属管部分は、発せられた周波数の半分の波長の整数倍と等しい長さだけ、例えば同軸の環体部17の一方又は両側から伸びるものであり、また、この金属部分とモジュラーユニットとの接続は、例えば縦振幅の腹部(応力の結節部)において、ねじ切りや圧入、溶接又は類似の方法を手段によってか、あるいは同じ塊から加工することによって実現される。
【0039】
特に有利な実施において、超音波処理のモジュラーユニット12は、SODEVA社から市販されている、20kHz又は35kHzのSONITUBEにしてもよいことになる。
【0040】
図1及び図2に示された単一の濾過の構成では、図示されていないポンプによって、モジュラー超音波リアクター12の一端に、濾過する液体を浸透させる。よって、濾過する液体は、部材16又は部材18から濾過エレメント14の中に浸透していく。入口用部材が、部材16である場合液体は、部材18に開けられた穴20から出る前に、濾過エレメント14によって内側から外側に向かって濾過される。
【0041】
装置に存在する圧力勾配は、装置の上流に位置する、図示されていないポンプの流量を調節し、かつ/又は、装置の下流に位置する、開口弁を調節することによって行うことができる。装置の上流と下流に位置する、圧力測定ゲージによってその装置を補完することは有利であり、場合によっては、プログラム可能な自動機械が警報を発するようになされた工業施設に、それら全てを設置してもよい。
【0042】
単一の濾過の構成のもう一つの変形例において、モジュラー超音波リアクターにおける入口用部材は、部材18であり、この変形例において、濾過する液体は、部材18に開けられた穴20を通ってそのリアクター12の中に浸透し、つぎに、濾過エレメント14によって外側から内側に向かって濾過され、その後、部材16からまた出ていく。
【0043】
図3について述べると、接線方向濾過の構成において、閉塞用及び接続用手段22には、さらに補足の穿孔が施されており、管状超音波リアクター12の外部環境との二重に連通を可能にしている。第一の連通は、中央穿孔24により行われ、濾過エレメント14の内部と外部環境とが連通する。第二の連通は、補足の穿孔26により行われ、濾過エレメント14の外部が連通する。
【0044】
この構成において、濾過する液体は、部材28に開けられた穴を通ってリアクター12の中に浸透していく。図3の矢印は、液体が通流する通り道を示している。液体は、二つの部分に分かれる:第一の部分は、外側から内側に向かって、濾過エレメント14を通過し、部材22の中央穿孔24を通って、リアクター12から出る前に濾過エレメント14に濾過され、一方、液体の第二の部分は、補足の穿孔26を通って前記リアクターから出る前に、接線方向の濾過エレメント14に流れていく。
【0045】
装置の下流に位置する二つの弁の一方は、中央穿孔24の流路、もう一つは補足の穿孔の流路上にあり、それらによってそれぞれの流路の流量を調整することが可能である。
【0046】
有利には、本発明が液体の流路の中にある場合、前記濾過エレメントの入口と出口の間に存在する圧力差が一定の閾値を超えるとすぐに、濾過エレメントの周期的な逆流での、好ましくは自動的に起動する、清掃の目的となる。
【0047】
以上に述べたことの結果として、本発明は、超音波振動を連続的に活用により、濾過過程を改善するものである。よって、本発明は、濾過表面と接触する超音波出力の均一な配分を可能にする。
【0048】
図1と図2に示されたものにかなった、構成の第一の使用例を実際に使用したところ、満足のいく結果が得られた。
【0049】
管状超音波リアクターは、SODEVA社の標準型SONITUBE35kHzであり、
その長さは225mm、内径は20mmであり、垂直に設置されている。
【0050】
使用された濾過エレメント14は、絶対に、Poremetタイプの5μmのものであり、外径は12mm、長さは225mmである。
【0051】
製造上の残滓と集塊とを捕らえることができるよう、粉末状の2μm未満の、15重量%の割合で水に溶かされた、炭化チタンの懸濁液を本発明による装置によって濾過する。懸濁液は、攪拌したタンクから毎分10リットルの流量でポンプで送りだされる。懸濁液は、管状超音波リアクター12の中を下から上へと通流し、濾過エレメント14を内部から外部に向かって通過する。前記濾過エレメントの堆積が起こる。
【0052】
懸濁液の粒径分布の分析をしたところ、通るものは、固体相の総体で99%を越えていることがわかった。しかしながら、超音波をかけないと、上流の圧力の上昇は急速であり、約一分後には、液体は濾過エレメント14を通過しなくなる。
【0053】
超音波をかけると、圧力は、その流路のどの部分でも一定のままであり、管状の超音波リアクター内部での水圧の低下は100mb未満である。12分後には、120リットルの懸濁液又は21キログラムの炭化物の粉末であっても、フィルタに3.6グラムの粒子が溜まったが、多孔性は保たれた。
【0054】
第二の例では、管状超音波リアクターは、SODEVA社の標準型SONITUBE20kHzであり、長さは370mm、内径は50mmであり、垂直に配置されており、接線方向濾過に構成された前記濾過エレメントの下流に位置する弁によって、前記濾過エレメントの上流と下流との間の圧力差を変化させることが可能になる。
【0055】
使用された濾過エレメントは、Poremetタイプの10μmのフィルタであり、直径は40mm、長さは30mmである。
【0056】
粉末状の1μm未満から40μmの間の、10重量%の割合で水の中に砕き入れた、シリカの懸濁液を本発明による装置によって、10μmのカットで分留する。
【0057】
その懸濁液はまず、フィルタを含まない、管状超音波リアクターの下部でほぐされる。液体の一分量が濾過エレメントを通過する際、粒子の大部分は、10ミクロン未満であるが、一方で、液体のもっと小さな分量は、他の粒子を引きずり、濾過エレメントの外側にとどまった後に、前記リアクターから出る。作業の間圧力は、50リットルの懸濁液が枯渇するまで、一定であることが実際に確認できる。
【0058】
第三の例で活用される、管状超音波リアクター12は、SODEVA社の標準型SONITUBE35kHzであり、長さは225mm、内径は20mmであり、水平に配置されており、図1及び図2に示されたような実施態様に従っている。
【0059】
濾過エレメント14は、Poremetタイプの2μmのフィルタであり、直径は12mm、長さは225mmである。
【0060】
濾過される懸濁液は、研磨用のアルミナ粉末を、5重量%の割合で水の中に溶かしたものである。その目的は、2μmを超える粒子を取り除くことである。
【0061】
懸濁液は毎分5リットルの流量で、ポンプに送られる。濾過エレメントの周りに約3mmの篩い残りの層が形成されるにもかかわらず、濾過エレメントの上流と下流との間の圧力差は20分後にも1バールを超えない。
【0062】
超音波をかけない単一の逆流作業においても、前記濾過エレメントの孔に詰まった粒子を全て取り除くことで濾過エレメントを再生させ、篩い残りを回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】本発明に係る単一の濾過装置の第一の実施態様を示す図。
【図2】本発明に係る単一の濾過装置の第一の実施態様を示す図。
【図3】本発明に係る接線方向濾過装置の実施態様を示す図。
【符号の説明】
【0064】
10 供給端部
11 金属管状体
12 モジュラーユニット
13 円筒形の内面
14 円筒形の濾過エレメント
15 排出端部
16 部材
17 環体部
18 部材
19 超音波変換器
20 穴
21 段差面取り部
22 部材
24 中央穿孔
26 補足の穿孔
28 部材
Claims (11)
- ・両端に、供給端部(10)と排出端部(15)が開いており、金属管状体の外側表面は、結節部近傍に前記管状体と同軸の環体部(17)を呈し、該環体部は、半径方向に突出しており、周辺に半径方向に突出した超音波変換器(19)を備えるものであり、該変換器の周波数は、前記環体部(17)の振動周波数に等しく、前記金属管状体(11)の縦方向の振動周波数に等しい、円形の内部表面(13)と、円筒形の直断面、及び金属管状体(11)の形を呈する、超音波処理モジュラーユニット(12)と、
・金属管状体(11)の内部に、この金属管と同軸となるよう、供給端部(10)と排出端部(15)の間に配置されている、約20μm未満の篩いの目を有する、約50cm2の、好ましくは、約80cm2の最小の濾過表面を呈する、円筒形の濾過エレメント(14)を組み合わせ、
金属管状体の内部で消散される、定格の超音波出力密度は、濾過表面で、約2W/cm2を超えるものであることを特徴とする、液体の連続的な濾過装置。 - 金属管状体(11)の長さは、変換器から発せられる超音波振動の周波数の、半波長の整数倍に等しく、環体部(17)の内径と外径は、前記環体部の振動周波数が、変換器(19)が発せられるのと同じ超音波振動周波数となるように決定されることを特徴とする、請求項1に記載の濾過装置。
- 円筒形の濾過エレメント(14)は、金属性の支持体上に取り付けられた、織り上げ又は不織の金属フィルタ、金属性の支持体上に取り付けられた、織り上げ又は不織の合成フィルタ、そして焼結多層金属フィルタ及びシェル構造の焼結鉱物性又は金属性フィルタの中から選ばれたものであることを特徴とする、請求項1及び請求項2のいずれかに記載の濾過装置。
- 円筒形の濾過エレメント(14)は、接続用部材によって金属管状体に接続されており、該接続用部材は、濾過する液体が、濾過エレメントの外側からその濾過エレメントの内側に向かって通過していくように構成されていることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか一つに記載の濾過装置。
- 円筒形の濾過エレメント(14)は、接続用部材によって金属管状体に接続されており、該接続用部材は、濾過する液体が、濾過エレメントの内側からその濾過エレメントの外側に向かって、通過していくように構成されていることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか一つに記載の濾過装置。
- 濾過する液体が通流する流路に組み込まれ、装置の入口と出口の間に存在する圧力差を測定し、この圧力差を調整し、また、その流路中の液体の流量かつ/又は、前記装置の下流における水圧の低下を調節することによって、この圧力差の調整を可能にすることを特徴とする、請求項1から請求項5のいずれか一つに記載の濾過装置。
- 金属管状体と円筒形濾過エレメントの間の接続用部材、並びに処理する流体が通流する流路は、その濾過が、接線方向濾過の原理によって行われるように構成されていることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか一つに記載の装置。
- 濾過する液体が通流する流路の中に組み込まれ、前記濾過エレメントの入口と出口の間に存在する圧力差が一定の閾値を超えるとすぐに、濾過エレメントの周期的な逆流での清掃を可能にすることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか一つに記載の濾過装置。
- 濾過する液体中のキャビテーション強度が、超音波振動出力の調整、かつ/又は、超音波トランスジューサと、前記金属管状体の結節分近傍で放射状に突出している前記環体部の外側表面の間に介在する、ブースタの形状の選択により、調節されることを特徴とする、請求項1から請求項8のいずれか一つに記載の濾過装置の使用法。
- 請求項1から請求項8のいずれか一つに記載の、複数の超音波処理モジュラーユニットで、請求項1から請求項8のいずれか一つに記載の、円筒形の濾過エレメントを囲い込むことにより、直列又は並列に連結し、幾つものフィルタを一列に並べた装置を作ることを特徴とする、超音波フィルタ。
- 同一の発生器によって並列に給電される、複数の変換器を含むことを特徴とする、請求項10に記載の超音波フィルタ。
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