JP2006122762A - Evaluation method for ultrasonic treatment apparatus, sound field evaluation method and ultrasonic treatment system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体に超音波を照射し、その超音波のエネルギーを利用して液体処理を行う超音波処理装置の評価方法、音場評価方法、及び超音波処理システムに関するものである。 The present invention relates to an evaluation method, an acoustic field evaluation method, and an ultrasonic processing system for an ultrasonic processing apparatus that irradiates a liquid with ultrasonic waves and performs liquid processing using the ultrasonic energy.
所定周波数域の強力な超音波を液体に照射すると、キャビテーションと呼ばれる気泡が発生し、その圧縮、崩壊過程を経てホットスポットと呼ばれる数千度、数千気圧の反応場が局所的に形成されることが知られている。近年ではこの反応場は一種の極限反応場として注目を浴びており、この極限反応場を利用して液体の処理（例えば、化学反応の誘起・促進、物質の分散、殺菌、乳化等の処理）を行う超音波処理装置の開発が進められている。ただし、かかる装置は実験室レベルにとどまり、未だ実用化には到っていない状況にある。 When a liquid is irradiated with powerful ultrasonic waves in a predetermined frequency range, bubbles called cavitation are generated, and a reaction field of several thousand degrees and several thousand atmospheres called hot spots is formed locally through compression and collapse processes. It is known. In recent years, this reaction field has attracted attention as a kind of limit reaction field, and liquid processing (for example, induction / promotion of chemical reaction, dispersion of substance, sterilization, emulsification, etc.) using this limit reaction field. Development of an ultrasonic treatment apparatus that performs the above-mentioned process is underway. However, such a device remains at the laboratory level and has not yet been put into practical use.
このような超音波処理装置の処理能力を確認するために、超音波を照射する処理槽内の音場（反応場）の評価が行われる。具体的な評価方法としては、例えば、ハイドロフォンを被処理液体中に浸漬して超音波の音圧を測定する方法や、圧電素子をピックアップとして用いた音圧センサを被処理液体中に浸漬して超音波の音圧を測定する方法が従来知られている（例えば、特許文献１参照）。このような音圧測定法以外に、例えば、被処理液体中に受圧板を浸漬してそれを電子天秤で吊り下げた状態で受圧板にかかる圧力を計測する天秤法なども従来知られている。
ところで、上記従来の音圧測定法の場合、音圧センサを設けた所定のポイントでしか音圧を測定できないため、処理槽全体をリアルタイムで測定することができない。さらに、上記従来の測定法では、被処理液体中に浸漬された音圧センサ等が超音波の伝播の障害となるため、処理槽の評価を正確に行うことができず、さらには処理効率の高い理想的な音場の形成も困難になる。 By the way, in the case of the conventional sound pressure measuring method, since the sound pressure can be measured only at a predetermined point where the sound pressure sensor is provided, the entire processing tank cannot be measured in real time. Furthermore, in the above conventional measurement method, since the sound pressure sensor or the like immersed in the liquid to be treated becomes an obstacle to the propagation of ultrasonic waves, the treatment tank cannot be evaluated accurately, and further, the treatment efficiency is improved. It becomes difficult to form a high ideal sound field.
また、上記測定法は基本的に被処理液体に対して音圧センサ等の検知部材を接触させる、いわば接触式というべきものであるが、測定時に被処理液体に対して何ら部材の接触を伴わない測定法も従来提案されている。このように非接触で音場の評価を行う方法としては、例えばルミノール発光を利用した評価方法がある。しかし、この方法では、発光させるための特殊な溶液を被処理液体中に添加する必要があるため、実際の使用状態とは異なる状態で処理槽を評価することになる。さらに、ルミノール発光を検知するためには超音波処理装置の周囲を暗くする必要がありその発光量も微量であるため、正確な評価を行うことが困難であるといった問題もある。 In addition, the above measurement method is basically a contact type in which a detection member such as a sound pressure sensor is brought into contact with the liquid to be processed. No measurement method has been proposed in the past. As a method for evaluating the sound field in a non-contact manner as described above, for example, there is an evaluation method using luminol luminescence. However, in this method, since it is necessary to add a special solution for causing light emission to the liquid to be treated, the treatment tank is evaluated in a state different from the actual use state. Further, in order to detect luminol luminescence, it is necessary to darken the periphery of the ultrasonic processing apparatus, and the amount of luminescence is very small, so that there is a problem that accurate evaluation is difficult.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波処理装置の処理能力を非接触で正確にかつ簡単に評価することができる超音波処理装置の評価方法、超音波処理システムを提供することである。また、本発明の別の目的は、音場を非接触で正確にかつ簡単に評価することができる音場評価方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an evaluation method for an ultrasonic processing apparatus capable of accurately and simply evaluating the processing capability of the ultrasonic processing apparatus in a non-contact manner, and ultrasonic waves. It is to provide a processing system. Another object of the present invention is to provide a sound field evaluation method capable of accurately and simply evaluating a sound field in a non-contact manner.
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、超音波を発生するための超音波振動子と、前記超音波を被処理液体に照射してその被処理液体の処理を行うための処理槽とを備えた超音波処理装置の評価方法であって、超音波照射時に前記被処理液体から放射される赤外線放射エネルギーを前記処理槽を介してその外部から検出し、前記処理槽内の音場をその赤外線放射エネルギーに応じた温度分布として可視化し、その温度分布に基づいて評価を行うことを特徴とする超音波処理装置の評価方法をその要旨とする。 In order to solve the above-mentioned problem, an invention according to claim 1 is directed to an ultrasonic transducer for generating ultrasonic waves, and for processing the liquid to be processed by irradiating the liquid to be processed with the ultrasonic waves. An ultrasonic treatment apparatus comprising: a treatment tank, wherein infrared radiation energy radiated from the liquid to be treated at the time of ultrasonic irradiation is detected from the outside through the treatment tank; The gist of the evaluation method of the ultrasonic processing apparatus is to visualize the sound field as a temperature distribution according to the infrared radiation energy and to evaluate based on the temperature distribution.
請求項１に記載の発明によれば、処理槽において被処理液体に超音波が照射されると、その液体中に高温の音場が形成され、それに応じて被処理液体の温度が上昇する。従って、本発明のように、被処理液体から放射される赤外線放射エネルギーを処理槽を介してその外部から検出して、処理槽内の音場をそのエネルギーに応じた温度分布として可視化することにより、その温度分布に基づいて処理槽の処理能力を非接触で評価することができる。また、本発明の方法によれば、ルミノール発光による音場測定法とは異なり、特殊な溶液を使う必要がないのに加え、装置の周囲を暗くする必要もない。従って、実際に使用する被処理液体をそのまま用いて処理槽の処理能力を正確にかつ簡単に評価することができる。 According to the first aspect of the present invention, when ultrasonic waves are applied to the liquid to be processed in the processing tank, a high-temperature sound field is formed in the liquid, and the temperature of the liquid to be processed rises accordingly. Therefore, as in the present invention, by detecting the infrared radiation energy radiated from the liquid to be treated from the outside through the treatment tank, the sound field in the treatment tank is visualized as a temperature distribution according to the energy. Based on the temperature distribution, the processing capacity of the processing tank can be evaluated in a non-contact manner. Further, according to the method of the present invention, unlike the sound field measurement method using luminol emission, it is not necessary to use a special solution, and it is not necessary to darken the periphery of the apparatus. Therefore, it is possible to accurately and easily evaluate the processing capacity of the processing tank using the liquid to be actually used as it is.
なお、本発明における被処理液体の処理としては、化学反応の誘起・促進、物質の分散、殺菌、乳化などを挙げることができる。 Examples of the treatment of the liquid to be treated in the present invention include induction and promotion of chemical reaction, dispersion of substances, sterilization, and emulsification.
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記赤外線放射エネルギーに応じた温度分布と、予め設定された基準の温度分布とを比較して、前記処理槽の処理能力を判定することをその要旨とする。 The invention according to claim 2 is the method according to claim 1, wherein the processing capability of the processing tank is determined by comparing a temperature distribution according to the infrared radiation energy with a preset reference temperature distribution. The gist.
請求項２に記載の発明によれば、赤外線放射エネルギーに応じた温度分布と、予め設定された基準の温度分布とを比較することにより、処理槽の処理能力が正常であるか否かを判定することができる。 According to the invention described in claim 2, it is determined whether or not the treatment capacity of the treatment tank is normal by comparing the temperature distribution according to the infrared radiation energy and a preset reference temperature distribution. can do.
請求項３に記載の発明は、超音波を発生するための超音波振動子と、前記超音波を被処理液体に照射してその被処理液体の処理を行うための処理槽とを備えた超音波処理装置と、超音波照射時に前記被処理液体から放射される赤外線放射エネルギーを前記処理槽を介してその外部から検出し、前記処理槽内の音場をその赤外線放射エネルギーに応じた温度分布として可視化する画像形成装置と、前記赤外線放射エネルギーに応じた温度分布と基準の温度分布とを比較して、前記処理槽の処理能力を判定する評価手段とを備えたことを特徴とする超音波処理システムをその要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic device comprising: an ultrasonic transducer for generating ultrasonic waves; and a processing tank for irradiating the liquid to be processed with the ultrasonic waves to process the liquid to be processed. Sonic treatment device and infrared radiation energy radiated from the liquid to be treated at the time of ultrasonic irradiation is detected from the outside through the treatment tank, and the sound field in the treatment tank is a temperature distribution corresponding to the infrared radiation energy And an image forming apparatus to be visualized, and an evaluation unit that compares the temperature distribution according to the infrared radiation energy with a reference temperature distribution to determine the processing capacity of the processing tank. The summary is a processing system.
請求項３に記載の発明によれば、超音波処理装置において、超音波振動子から発生された超音波が被処理液体に照射されてその液体の処理が行われる。この超音波の照射時に、処理槽の外部に設けられた画像形成装置により、被処理液体から放射される赤外線放射エネルギーが処理槽を介してその外側から検出される。また、画像形成装置によって、処理槽内の被処理液体の音場がその赤外線放射エネルギーに応じた温度分布として可視化される。そして、評価手段によって、赤外線放射エネルギーに応じた温度分布と基準の温度分布とが比較され、処理槽の処理能力が判定される。このようにすると、処理槽の処理能力を非接触で判定することができ、例えば、その判定結果に応じて超音波処理装置を制御することにより、液体処理を効率よく行うことが可能となる。 According to the third aspect of the present invention, in the ultrasonic processing apparatus, the liquid to be processed is irradiated with the ultrasonic wave generated from the ultrasonic vibrator and the liquid is processed. At the time of irradiation with the ultrasonic waves, the image forming apparatus provided outside the processing tank detects infrared radiation energy emitted from the liquid to be processed from the outside through the processing tank. In addition, the image forming apparatus visualizes the sound field of the liquid to be processed in the processing tank as a temperature distribution according to the infrared radiation energy. Then, the evaluation means compares the temperature distribution according to the infrared radiation energy with the reference temperature distribution, and determines the processing capacity of the processing tank. In this way, the processing capacity of the processing tank can be determined in a non-contact manner. For example, the liquid processing can be efficiently performed by controlling the ultrasonic processing apparatus according to the determination result.
具体例を挙げると、例えば、下方から超音波を照射して被処理液体の液面で反射させる処理槽では、反射面の近傍で化学反応が起こりやすい。その場合、処理能力の判定結果に基づいて処理槽における被処理液体の液面の高さを調整することにより、被処理液体の処理を効率よく行うことができる。また、例えば、処理能力の判定結果に基づいて超音波振動子から照射される超音波の照射強度を変更することにより、被処理液体の処理を効率よく行うことができる。 For example, in a treatment tank that irradiates ultrasonic waves from below and reflects the liquid surface of the liquid to be treated, a chemical reaction is likely to occur in the vicinity of the reflective surface. In that case, the liquid to be processed can be processed efficiently by adjusting the height of the liquid level of the liquid to be processed in the processing tank based on the determination result of the processing capacity. Further, for example, by changing the irradiation intensity of the ultrasonic wave irradiated from the ultrasonic transducer based on the determination result of the processing capability, it is possible to efficiently process the liquid to be processed.
請求項４に記載の発明は、超音波照射時に処理槽内の被処理液体から放射される赤外線放射エネルギーを前記処理槽の外部で検出し、前記処理槽内の音場をその赤外線放射エネルギーに応じた温度分布として可視化し、その温度分布に基づいて評価を行うことを特徴とする音場評価方法をその要旨とする。 The invention according to claim 4 detects the infrared radiation energy radiated from the liquid to be treated in the treatment tank at the time of ultrasonic irradiation outside the treatment tank, and converts the sound field in the treatment tank to the infrared radiation energy. The gist is a sound field evaluation method characterized by visualizing as a corresponding temperature distribution and performing an evaluation based on the temperature distribution.
請求項４に記載の発明によれば、被処理液体から放射される赤外線放射エネルギーを処理槽の外部で検出して、処理槽内の音場をそのエネルギーに応じた温度分布として可視化することにより、その温度分布に基づいて音場を非接触で正確にかつ簡単に評価することができる。 According to the invention described in claim 4, by detecting the infrared radiation energy radiated from the liquid to be treated outside the treatment tank, and visualizing the sound field in the treatment tank as a temperature distribution according to the energy. The sound field can be accurately and easily evaluated in a non-contact manner based on the temperature distribution.
以上詳述したように、請求項１乃至３に記載の発明によれば、超音波処理装置の処理能力を非接触で正確にかつ簡単に評価することができる。請求項４に記載の発明によれば、音場を非接触で正確にかつ簡単に評価することができる。 As described above in detail, according to the first to third aspects of the invention, the processing capability of the ultrasonic processing apparatus can be accurately and easily evaluated without contact. According to the invention described in claim 4, it is possible to accurately and easily evaluate the sound field without contact.
以下、本発明を超音波反応装置（ソノリアクタ）を備えた超音波処理システムに具体化した一実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in an ultrasonic processing system including an ultrasonic reaction device (sono reactor) will be described with reference to the drawings.
図１は、超音波処理システム１を示す概略構成図であり、図２は、その超音波処理システム１の電気的構成を示すブロック回路図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an ultrasonic processing system 1, and FIG. 2 is a block circuit diagram illustrating an electrical configuration of the ultrasonic processing system 1.
図１に示すように、この超音波処理システム１は、超音波反応装置１０と、赤外線サーモグラフィ２０と、制御装置３０とを備えている。 As shown in FIG. 1, the ultrasonic processing system 1 includes an ultrasonic reaction device 10, an infrared thermography 20, and a control device 30.
超音波反応装置１０は、円筒形状の反応槽１２と、その反応槽１２の底部の外側に設けられた複数の超音波振動子１３とを備えている。本実施の形態の反応槽１２は、赤外線及び可視光線を透過する材料からなる。具体的には、反応槽１２は、アクリル樹脂などの透明樹脂材料を用いて、その底部と側壁部とが一体となるように形成されている。なお、反応槽１２の形状は円筒形状のみに限定されず、例えば箱状にしてもよい。 The ultrasonic reaction apparatus 10 includes a cylindrical reaction tank 12 and a plurality of ultrasonic vibrators 13 provided outside the bottom of the reaction tank 12. The reaction tank 12 of the present embodiment is made of a material that transmits infrared light and visible light. Specifically, the reaction vessel 12 is formed using a transparent resin material such as an acrylic resin so that the bottom portion and the side wall portion are integrated. The shape of the reaction vessel 12 is not limited to a cylindrical shape, and may be a box shape, for example.
この反応槽１２には、被処理液体Ｗ１を供給する供給用配管１４と、その被処理液体Ｗ１を排出する排出用配管１５とが接続されている。供給用配管１４及び排出用配管１５は、いずれも赤外線サーモグラフィ２０の視野となる部分を避けるようにして配置されている。供給用配管１４及び排出用配管１５の途中には、液高調整制御手段を構成する調整バルブ１６が設けられており、該調整バルブ１６により被処理液体Ｗ１の供給量及び排出量が調整されることで、反応槽１２における被処理液体Ｗ１の液面の高さが変更される。また、反応槽１２の上部には空気が入っており、被処理液体Ｗ１の上部に空気層Ａ１が形成されている。ここで被処理液体Ｗ１の一例としては農薬などの有機化合物を含む廃水を挙げることができ、その処理とは前記廃水中に含まれる有機化合物を分解して無害化する処理（通常は酸化分解反応）を挙げることができる。この場合、前記処理は連続処理であってもよく非連続処理（いわゆるバッチ処理）であってもよい。 Connected to the reaction tank 12 are a supply pipe 14 for supplying the liquid to be processed W1 and a discharge pipe 15 for discharging the liquid to be processed W1. Both the supply pipe 14 and the discharge pipe 15 are arranged so as to avoid the portion that becomes the visual field of the infrared thermography 20. An adjustment valve 16 constituting liquid height adjustment control means is provided in the middle of the supply pipe 14 and the discharge pipe 15, and the supply amount and discharge amount of the liquid W1 to be processed are adjusted by the adjustment valve 16. Thus, the height of the liquid level of the liquid W1 to be processed in the reaction tank 12 is changed. Air is contained in the upper part of the reaction tank 12, and an air layer A1 is formed in the upper part of the liquid W1 to be processed. Here, as an example of the liquid W1 to be treated, waste water containing organic compounds such as agricultural chemicals can be mentioned, and the treatment is treatment for decomposing and detoxifying the organic compounds contained in the waste water (usually oxidative degradation reaction) ). In this case, the processing may be continuous processing or discontinuous processing (so-called batch processing).
本実施形態の超音波振動子１３は、平板状の圧電セラミックスからなり、発振回路１８の発振信号に基づいて、周波数が５００ｋＨｚの超音波を発生する。この超音波は、反応槽１２の下方から上方に向けて照射される。そして、その超音波は被処理液体Ｗ１中を伝播してその液面（空気層Ａ１と被処理液体Ｗ１との界面）で反射する。 The ultrasonic transducer 13 of the present embodiment is made of a plate-like piezoelectric ceramic, and generates ultrasonic waves having a frequency of 500 kHz based on the oscillation signal of the oscillation circuit 18. This ultrasonic wave is irradiated from the lower side to the upper side of the reaction tank 12. Then, the ultrasonic wave propagates through the liquid to be treated W1 and is reflected at the liquid surface (the interface between the air layer A1 and the liquid to be treated W1).
反応槽１２において、被処理液体Ｗ１に超音波が照射されると、キャビテーションと呼ばれる気泡が発生し、その圧縮、崩壊過程を経て数千度、数千気圧の反応場が形成される。この超音波エネルギーにより被処理液体Ｗ１中での化学反応が誘起されて、被処理液体Ｗ１の温度が上昇する。本実施の形態の超音波処理システム１は、反応槽１２の外部に設けられた赤外線サーモグラフィ２０を使用して、反応槽１２内の音場を被処理液体Ｗ１の温度分布として可視化することで、反応槽１２の処理能力を評価する。 When ultrasonic waves are applied to the liquid W1 to be treated in the reaction tank 12, bubbles called cavitation are generated, and a reaction field of several thousand degrees and several thousand atmospheres is formed through the compression and collapse processes. This ultrasonic energy induces a chemical reaction in the liquid to be treated W1, and the temperature of the liquid to be treated W1 rises. The ultrasonic processing system 1 of the present embodiment uses the infrared thermography 20 provided outside the reaction tank 12 to visualize the sound field in the reaction tank 12 as the temperature distribution of the liquid W1 to be processed. The processing capacity of the reaction vessel 12 is evaluated.
図２に示すように、本実施形態の赤外線サーモグラフィ２０は、集光レンズ２１（赤外線放射エネルギー検出部）、検知回路２２、Ａ／Ｄ変換回路２３、画像処理回路２４、モニタ２５などから構成されている。この赤外線サーモグラフィ２０は、被処理液体Ｗ１から反応槽１２を介してその外部に放射される赤外線放射エネルギーを集光レンズ２１を介して取り込み、検知回路２２でそのエネルギーを検出する。そして、赤外線サーモグラフィ２０は、検知回路２２から出力される検知信号（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換回路２３でデジタル信号に変換して画像処理回路２４に入力する。さらに、赤外線サーモグラフィ２０は、画像処理回路２４において赤外線放射エネルギーに応じた温度に変換し、温度分布をモニタ２５上に二次元画像として表示する。 As shown in FIG. 2, the infrared thermography 20 of the present embodiment includes a condenser lens 21 (infrared radiant energy detector), a detection circuit 22, an A / D conversion circuit 23, an image processing circuit 24, a monitor 25, and the like. ing. This infrared thermography 20 takes in infrared radiation energy radiated from the liquid W1 to be treated through the reaction tank 12 to the outside through the condenser lens 21, and detects the energy by the detection circuit 22. The infrared thermography 20 converts the detection signal (analog signal) output from the detection circuit 22 into a digital signal by the A / D conversion circuit 23 and inputs the digital signal to the image processing circuit 24. Further, the infrared thermography 20 converts the temperature into a temperature corresponding to the infrared radiation energy in the image processing circuit 24 and displays the temperature distribution on the monitor 25 as a two-dimensional image.
制御装置３０は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、入出力ポート（図示略）などからなる周知のマイクロコンピュータにより構成され、赤外線サーモグラフィ２０、発振回路１８、及び調整バルブ１６と電気的に接続されている。制御装置３０において、ＲＯＭ３２には制御プログラムが記憶されており、ＣＰＵ３１はＲＡＭ３３を利用してその制御プログラムを実行する。その結果、制御装置３０は各種の制御信号を出力して超音波処理システム１を統括的に制御する。 The control device 30 is configured by a known microcomputer including a CPU 31, a ROM 32, a RAM 33, an input / output port (not shown), and the like, and is electrically connected to the infrared thermography 20, the oscillation circuit 18, and the adjustment valve 16. In the control device 30, a control program is stored in the ROM 32, and the CPU 31 uses the RAM 33 to execute the control program. As a result, the control device 30 outputs various control signals to control the ultrasonic processing system 1 in an integrated manner.
具体的にいうと、制御装置３０は、照射強度変更制御手段を構成する発振回路１８に制御信号を出力しその発振回路１８から超音波振動子１３に発振信号を出力させる。この発振信号に基づいて超音波振動子１３が振動することにより、超音波が被処理液体Ｗ１に照射される。またこのとき、制御装置３０は、赤外線サーモグラフィ２０に制御信号を出力して温度分布の画像を取得するための処理を開始させる。赤外線サーモグラフィ２０は、被処理液体Ｗ１から放射されている赤外線放射エネルギーを検出し、該エネルギーに応じた温度に変換して、温度分布をモニタ２５に表示する。 Specifically, the control device 30 outputs a control signal to the oscillation circuit 18 constituting the irradiation intensity change control means, and causes the oscillation circuit 18 to output an oscillation signal from the oscillation circuit 18. The ultrasonic vibrator 13 is vibrated based on the oscillation signal, so that the ultrasonic wave is irradiated to the liquid W1. At this time, the control device 30 outputs a control signal to the infrared thermography 20 to start processing for acquiring an image of the temperature distribution. The infrared thermography 20 detects the infrared radiation energy radiated from the liquid W1 to be processed, converts it to a temperature corresponding to the energy, and displays the temperature distribution on the monitor 25.
図３には、そのモニタ２５に表示される温度分布が示されている。なお、図３（ａ）は、反応槽１２における液面の高さを５２ｃｍとしたときの温度分布を示し、図３（ｂ）は、反応槽１２における液面の高さを２６ｃｍとしたときの温度分布を示している。ここでは、説明の便宜上、各温度領域を異なるハッチングで区別して示しているが、実際のモニタ２５には、温度毎に色分けされたカラー画像として表示される。また、図４には、図３（ａ）の反応槽１２における高さと温度との関係が示されている。 FIG. 3 shows the temperature distribution displayed on the monitor 25. 3A shows the temperature distribution when the liquid level in the reaction tank 12 is 52 cm, and FIG. 3B shows the temperature distribution in the reaction tank 12 is 26 cm. Shows the temperature distribution. Here, for convenience of explanation, each temperature region is indicated by different hatching, but is displayed on the actual monitor 25 as a color image color-coded for each temperature. FIG. 4 shows the relationship between the height and temperature in the reaction tank 12 of FIG.
図３（ａ），（ｂ）及び図４に示すように、液温は超音波が反射する液面近傍で高くなっており、液面近傍で化学反応が盛んに起こることが確認された。また、図３（ａ）に示すように、液面が高くなると、反応槽１２の下方では化学反応がほとんど起きないことが確認された。ただし、超音波振動子１３に近接した底部ではその超音波振動子１３の振動に伴う発熱によって温度が若干上昇していた。 As shown in FIGS. 3A, 3B, and 4, the liquid temperature is high near the liquid surface where the ultrasonic waves are reflected, and it has been confirmed that chemical reactions occur actively near the liquid surface. Moreover, as shown to Fig.3 (a), when the liquid level became high, it was confirmed that a chemical reaction hardly arises under the reaction tank 12. FIG. However, the temperature slightly increased at the bottom near the ultrasonic transducer 13 due to heat generated by the vibration of the ultrasonic transducer 13.
図３の温度分布と比較するために、図５には、ルミノール発光法による実験結果を示している。なお、図５（ａ）は反応槽１２における液面の高さを１３ｃｍとし、図５（ｂ）は反応槽１２における液面の高さを２３．４ｃｍとし、図５（ｃ）は反応槽１２における液面の高さを３９ｃｍとしてそれぞれ実験を行った。 For comparison with the temperature distribution of FIG. 3, FIG. 5 shows the experimental results by the luminol emission method. 5A shows a liquid level height of 13 cm in the reaction tank 12, FIG. 5B shows a liquid level height of 23.4 cm in the reaction tank 12, and FIG. 5C shows a reaction tank. The experiment was conducted with the liquid level at 12 being 39 cm.
具体的には、このルミノール発光法においては、反応槽１２の被処理液体Ｗ１中に、発光させるための特殊な溶液を添加して超音波を照射した。このとき、反応槽１２の周囲を暗くして超音波の照射によるルミノール発光を撮影した。その発光の様子を図５に示している。このルミノール発光も液面近傍で起こっており、液面を高くすると反応槽１２の下方ではほとんど発光（化学反応）が起こらないことが確認された。 Specifically, in this luminol light emission method, a special solution for causing light emission was added to the liquid W1 to be treated in the reaction vessel 12 and irradiated with ultrasonic waves. At this time, the periphery of the reaction vessel 12 was darkened, and luminol emission by ultrasonic irradiation was photographed. The state of the light emission is shown in FIG. This luminol emission also occurred in the vicinity of the liquid level, and it was confirmed that almost no light emission (chemical reaction) occurred below the reaction tank 12 when the liquid level was increased.
さらに、本願発明者は、反応槽１２における高さと化学反応量との関係を求めた。具体的には、０．１ｍｏｌ／Ｌのヨウ化カリウム（ＫＩ）の水溶液を反応槽１２に入れ、その水溶液に超音波を照射する。この超音波の照射によって、水溶液中でキャビテーションが発生し、そのキャビテーションによる高温の反応場において水分子が水素ラジカル（・Ｈ）やヒドロキシラジカル（・ＯＨ）に分解される。そして、次式のように、ヒドロキシラジカルがＫＩ水溶液と反応する。 Furthermore, this inventor calculated | required the relationship between the height in the reaction tank 12, and the amount of chemical reactions. Specifically, an aqueous solution of 0.1 mol / L potassium iodide (KI) is placed in the reaction vessel 12, and the aqueous solution is irradiated with ultrasonic waves. By this ultrasonic irradiation, cavitation occurs in the aqueous solution, and water molecules are decomposed into hydrogen radicals (.H) and hydroxy radicals (.OH) in a high temperature reaction field due to the cavitation. And the hydroxyl radical reacts with KI aqueous solution like following Formula.
２Ｉ−＋２・ＯＨ→Ｉ２＋２ＯＨ− 2I − + 2 · OH → I 2 + 2OH −
つまり、Ｉ−イオンが酸化することでＩ２が生成される。このＩ２は難溶であるため、次式のように、過剰なＩ−イオンと反応してＩ３ −イオンが生成される。 That is, I 2 is generated by oxidation of the I − ion. Since this I 2 is hardly soluble, it reacts with an excess of I − ions to generate I 3 − ions as shown in the following formula.
Ｉ２＋Ｉ−→Ｉ３ − I 2 + I − → I 3 −
そして、このＩ３ −を測定することにより、高さに応じた化学反応量を定量化した。具体的には、Ｉ３ −が生成されると水溶液は黄色に変色する。その水溶液の色の変化を吸光度計で測定し、化学反応量として数値化した。 And the amount of chemical reaction according to height was quantified by measuring this I 3 − . Specifically, when I 3 − is generated, the aqueous solution turns yellow. The change in the color of the aqueous solution was measured with an absorptiometer and quantified as a chemical reaction amount.
図６にその測定結果を示す。なおここでは、反応槽１２における水溶液の液面の高さを５２ｃｍとして測定を行った。この測定結果でも、液面の近傍で化学反応量が多くなっており、図４に示す反応槽１２での温度と相関性があることが確認された。 FIG. 6 shows the measurement results. Here, the measurement was performed with the height of the aqueous solution in the reaction tank 12 being 52 cm. Also in this measurement result, the amount of chemical reaction increased near the liquid surface, and it was confirmed that there was a correlation with the temperature in the reaction tank 12 shown in FIG.
また、本実施の形態における制御装置３０は、赤外線サーモグラフィ２０が検出した温度分布のデータを取得して、ＲＯＭ３２に予め設定された基準の温度分布のデータと比較する。制御装置３０は、比較結果に基づいて超音波反応装置１０における処理能力が正常であるか否かを判定する。そして、その処理能力が正常でないと判定した場合、制御装置３０は調整バルブ１６を制御して被処理液体Ｗ１の供給量または排出量を自動的に調整する。その結果、反応槽１２の処理能力が正常となるように被処理液体Ｗ１の液面の高さが適宜変更される。なおここで、制御装置３０は、赤外線サーモグラフィ２０から取得したデータに基づいて被処理液体Ｗ１の液面の高さを判定し、目標の高さとなるよう調整バルブ１６の開度を制御している。 In addition, the control device 30 in the present embodiment acquires temperature distribution data detected by the infrared thermography 20 and compares it with reference temperature distribution data preset in the ROM 32. The control device 30 determines whether or not the processing capability in the ultrasonic reaction device 10 is normal based on the comparison result. When it is determined that the processing capacity is not normal, the control device 30 controls the adjustment valve 16 to automatically adjust the supply amount or the discharge amount of the liquid W1 to be processed. As a result, the height of the liquid level of the liquid to be processed W1 is appropriately changed so that the processing capacity of the reaction tank 12 becomes normal. Here, the control device 30 determines the height of the liquid level of the liquid W1 to be processed based on the data acquired from the infrared thermography 20, and controls the opening degree of the adjustment valve 16 so as to reach the target height. .
さて、以上詳述した本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。 Now, according to the embodiment described in detail above, the following effects can be obtained.
（１）本実施形態の超音波処理システム１では、赤外線サーモグラフィ２０を用いて、反応槽１２の反応場を温度分布として可視化する。このため、反応槽１２の処理能力を非接触で評価すること、即ち反応槽１２の処理能力を被処理液体Ｗ１に検知部材を何ら浸漬することなく評価することができる。従って、検知部材の浸漬を伴う音圧測定法や天秤法とは異なり、検知部材が超音波の伝播の障害になることがない。よって、処理槽１２の評価を正確にかつ簡単に行うことができるとともに、処理効率の高い理想的な音場を比較的容易に形成することが可能となる。本実施形態では、超音波振動子１３も処理槽１２の底面の外側に配置することで被処理液体Ｗ１と非接触にしており、このことも評価の正確さの向上等に寄与している。 (1) In the ultrasonic processing system 1 of this embodiment, the reaction field of the reaction vessel 12 is visualized as a temperature distribution using the infrared thermography 20. For this reason, the processing capacity of the reaction tank 12 can be evaluated in a non-contact manner, that is, the processing capacity of the reaction tank 12 can be evaluated without immersing the detection member in the liquid W1 to be processed. Therefore, unlike the sound pressure measurement method and the balance method involving immersion of the detection member, the detection member does not become an obstacle to the propagation of ultrasonic waves. Therefore, the treatment tank 12 can be evaluated accurately and easily, and an ideal sound field with high treatment efficiency can be formed relatively easily. In the present embodiment, the ultrasonic vibrator 13 is also arranged outside the bottom surface of the processing tank 12 so as not to be in contact with the liquid W1 to be processed, which also contributes to improvement in evaluation accuracy.
（２）本実施形態の超音波処理システム１では、ルミノール発光法により反応場を確認する手法とは異なり、特殊な溶液を使う必要がないのに加え、装置の周囲を暗くして確認する必要もない。従って、本実施の形態では、実際に使用する被処理液体Ｗ１をそのまま用いて反応槽１２の処理能力を正確にかつ簡単に評価することができる。しかも、被処理液体Ｗ１中に本来不要な物質が混入することもないので、例えば後工程においてその物質を除去するような工程も不要となる。 (2) In the ultrasonic processing system 1 of this embodiment, unlike the method of confirming the reaction field by the luminol luminescence method, it is not necessary to use a special solution, and it is necessary to confirm by darkening the periphery of the apparatus. Nor. Therefore, in the present embodiment, the processing capability of the reaction tank 12 can be accurately and easily evaluated using the liquid W1 actually used as it is. In addition, since an unnecessary substance is not mixed in the liquid W1 to be processed, a process for removing the substance in a subsequent process is not necessary.
（３）本実施形態の超音波処理システム１の場合、赤外線サーモグラフィ２０が検出した温度分布と、基準の温度分布とを比較することにより、反応槽１２の処理能力を判定することができる。そして、その判定結果に応じて、超音波反応装置１０における調整バルブ１６を制御することで、反応槽１２における被処理液体Ｗ１の液面の高さが調整され被処理液体Ｗ１の処理効率を向上させることができる。 (3) In the case of the ultrasonic processing system 1 of the present embodiment, the processing capability of the reaction vessel 12 can be determined by comparing the temperature distribution detected by the infrared thermography 20 with the reference temperature distribution. Then, by controlling the adjustment valve 16 in the ultrasonic reaction device 10 according to the determination result, the height of the liquid level of the liquid to be processed W1 in the reaction tank 12 is adjusted and the processing efficiency of the liquid to be processed W1 is improved. Can be made.
（４）本実施形態の超音波処理システム１の場合、反応槽１２は赤外線を透過する材料から構成されているので、反応槽１２における被処理液体Ｗ１の温度に応じた赤外線放射エネルギーを赤外線サーモグラフィで検知することができる。また、反応槽１２を構成する材料は可視光線も透過するので、反応槽１２内の状態、例えば、液面の高さや振動状態、キャビテーションの発生状態などを目視で確認することができる。 (4) In the case of the ultrasonic processing system 1 of the present embodiment, since the reaction tank 12 is made of a material that transmits infrared rays, infrared radiation energy corresponding to the temperature of the liquid W1 to be processed in the reaction tank 12 is converted into infrared thermography. Can be detected. Moreover, since the material which comprises the reaction tank 12 also permeate | transmits a visible ray, the state in the reaction tank 12, for example, the height of a liquid level, a vibration state, the generation | occurrence | production state of cavitation, etc. can be confirmed visually.
（５）本実施形態の超音波処理システム１における超音波反応装置１０では、被処理液体Ｗ１の液面（被処理液体Ｗ１と空気層Ａ１との界面）を反射面とし、超音波の周波数を５００ｋＨｚに設定している。この場合、被処理液体Ｗ１の液面は超音波の音圧によって波長程度（３ｍｍ程度）の大きさで脈動をするため、その液面の近傍では超音波の反射による定在波が均一に発生する。その結果、被処理液体Ｗ１の液面近傍における反応場が平均化されて、再現性のある評価結果を得ることができる。ここで、液面を脈動させてその近傍で定在波を均一に発生させるためには、超音波の周波数を２００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚに設定することが好ましい。また、超音波の周波数を２００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚに設定すると、液面近傍でヒドロキシラジカルが多く発生するため、被処理液体Ｗ１の化学反応を促進させるのに実用上好ましいものとなる。 (5) In the ultrasonic reaction device 10 in the ultrasonic processing system 1 of the present embodiment, the liquid surface of the liquid to be processed W1 (interface between the liquid to be processed W1 and the air layer A1) is used as a reflection surface, and the frequency of the ultrasonic waves is set. It is set to 500 kHz. In this case, since the liquid level of the liquid W1 to be treated pulsates with a wavelength of about 3 mm due to the sound pressure of the ultrasonic wave, a standing wave is uniformly generated near the liquid level due to the reflection of the ultrasonic wave. To do. As a result, the reaction field in the vicinity of the liquid surface of the liquid W1 to be processed is averaged, and a reproducible evaluation result can be obtained. Here, in order to pulsate the liquid surface and generate a standing wave uniformly in the vicinity thereof, it is preferable to set the frequency of the ultrasonic wave to 200 kHz to 500 kHz. Further, when the ultrasonic frequency is set to 200 kHz to 500 kHz, a large amount of hydroxy radicals are generated near the liquid surface, which is practically preferable for promoting the chemical reaction of the liquid W1 to be treated.
（６）例えば、超音波反応装置１０の製造後出荷前の性能試験において上記の手法で処理槽１２の評価を行うことにより、超音波振動子１３の取り付け位置の調整などを比較的容易に行うことができる。よって、不良品の発生を未然に防止し、良品率を向上させることができる。また、出荷された超音波反応装置１０の使用時においても同様の手法で評価を行うことにより、不良や故障の発生をいち早く見つけることが可能となる。 (6) For example, in the performance test after the manufacture of the ultrasonic reaction apparatus 10 and before the shipment, the treatment tank 12 is evaluated by the above-described method, so that the attachment position of the ultrasonic transducer 13 is adjusted relatively easily. be able to. Accordingly, it is possible to prevent the occurrence of defective products and improve the yield rate. Further, even when the shipped ultrasonic reaction apparatus 10 is used, it is possible to quickly find out the occurrence of a defect or failure by performing an evaluation using the same method.
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。 In addition, you may change embodiment of this invention as follows.
・上記実施の形態において、制御装置３０は、赤外線サーモグラフィ２０で検出した温度分布のデータに基づいて調整バルブ１６を制御するものであったが、これに限定されるものではない。具体的には、例えば、温度分布のデータに基づいて、発振回路１８の発振信号の大きさを変更し、超音波の照射強度を制御するよう構成してもよい。このようにしても、反応槽１２における被処理液体Ｗ１の処理を効率よく行うことができる。 In the above embodiment, the control device 30 controls the adjustment valve 16 based on the temperature distribution data detected by the infrared thermography 20, but is not limited to this. Specifically, for example, the magnitude of the oscillation signal of the oscillation circuit 18 may be changed based on temperature distribution data to control the irradiation intensity of the ultrasonic wave. Even if it does in this way, the process of the to-be-processed liquid W1 in the reaction tank 12 can be performed efficiently.
・上記実施の形態では、本発明を被処理液体Ｗ１中の化学反応を誘起・促進させる超音波反応装置（ソノリアクタ）１０に具体化したが、これ以外のもの、例えば、分散器、殺菌装置、超音波洗浄機などの超音波処理装置に具体化してもよい。 In the above embodiment, the present invention is embodied in the ultrasonic reaction device (sono reactor) 10 that induces and accelerates the chemical reaction in the liquid W1 to be treated. However, other devices such as a disperser, a sterilizer, You may actualize to ultrasonic processing apparatuses, such as an ultrasonic cleaner.
・上記実施の形態では、本発明を反応槽１２の底部に超音波振動子１３を設け、下方から上方に向けて超音波を照射する超音波処理装置に具体化したが、これに限定されるものではない。例えば、超音波振動子１３を反応槽１２の上部や側壁部に設けた超音波処理装置に具体化してもよい。 In the above embodiment, the present invention is embodied in the ultrasonic processing apparatus in which the ultrasonic vibrator 13 is provided at the bottom of the reaction tank 12 and the ultrasonic wave is irradiated from below to above. However, the present invention is limited to this. It is not a thing. For example, the ultrasonic vibrator 13 may be embodied in an ultrasonic processing apparatus provided on the upper part or side wall part of the reaction tank 12.
・反応槽１２は、赤外線及び可視光線を透過する材料を用いて一体的に形成されるものであったが、その全体を赤外線及び可視光線を透過する材料で形成する必要はない。すなわち、反応槽１２は、その側壁部において少なくとも赤外線サーモグラフィ２０の集光レンズ２１に面している箇所を赤外線及び可視光線を透過する材料で形成するものであればよい。また、赤外線及び可視光線を透過する材料に代えて、赤外線のみを透過する材料を用いて反応槽１２を形成してもよい。 -Although the reaction tank 12 was integrally formed using the material which permeate | transmits infrared rays and visible rays, it is not necessary to form the whole with the material which permeate | transmits infrared rays and visible rays. In other words, the reaction tank 12 may be formed of a material that transmits infrared rays and visible rays at least a portion facing the condenser lens 21 of the infrared thermography 20 in the side wall portion. Further, the reaction tank 12 may be formed using a material that transmits only infrared rays instead of a material that transmits infrared rays and visible rays.
・制御装置３０に液晶ディスプレイやＣＲＴなどの表示手段を電気的に接続して、それに処理槽１２の評価結果を表示するように構成してもよい。また、赤外線サーモグラフィ２０のモニタに表示されるべき温度分布の画像を制御装置３０を介して取り込んで、上記表示手段に表示させるように構成してもよい。 -Display means, such as a liquid crystal display and CRT, may be electrically connected to the control device 30, and the evaluation result of the processing tank 12 may be displayed thereon. Further, an image of a temperature distribution to be displayed on the monitor of the infrared thermography 20 may be taken in via the control device 30 and displayed on the display means.
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。 Next, in addition to the technical ideas described in the claims, the technical ideas grasped by the embodiment described above are listed below.
前記超音波処理装置は、前記処理槽の底部の外側に前記超音波振動子が設けられ、下方から超音波を照射して前記被処理液体の液面で反射させる装置であることを特徴とする請求項３に記載の超音波処理システム。 The ultrasonic processing apparatus is an apparatus in which the ultrasonic transducer is provided outside the bottom of the processing tank, and the ultrasonic wave is irradiated from below and reflected by the liquid surface of the liquid to be processed. The ultrasonic processing system according to claim 3.
（２）前記処理槽の処理能力の判定結果に基づいて前記処理槽における被処理液体の液面の高さを調整する液高調整制御手段を、さらに備えたことを特徴とする前記（１）に記載の超音波処理システム。 (2) The liquid level adjustment control means for adjusting the height of the liquid level of the liquid to be processed in the processing tank based on the determination result of the processing capacity of the processing tank (1), The sonication system described in.
（３）前記処理槽における処理能力の判定結果に基づいて前記超音波の照射強度を変更する照射強度変更制御手段を、さらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の超音波処理システム。 (3) The ultrasonic processing system according to claim 3, further comprising irradiation intensity change control means for changing the irradiation intensity of the ultrasonic wave based on the determination result of the processing capability in the processing tank.
（４）前記処理槽は底部と側壁部とを有し、前記画像形成装置の赤外線放射エネルギー検出部は前記側壁部の外側に配置され、前記側壁部において少なくとも前記赤外線放射エネルギー検出部に面している箇所は、赤外線を透過する材料を用いて形成されることを特徴とする請求項３に記載の超音波処理システム。 (4) The processing tank has a bottom part and a side wall part, and the infrared radiant energy detection part of the image forming apparatus is arranged outside the side wall part, and faces at least the infrared radiant energy detection part in the side wall part. The ultrasonic processing system according to claim 3, wherein the portion is formed using a material that transmits infrared rays.
（５）前記処理槽は底部と側壁部とを有し、前記画像形成装置の赤外線放射エネルギー検出部は前記側壁部の外側に配置され、前記側壁部において少なくとも前記赤外線放射エネルギー検出部に面している箇所は、赤外線及び可視光線を透過する材料を用いて形成されることを特徴とする請求項３に記載の超音波処理システム。 (5) The processing tank has a bottom and a side wall, and the infrared radiant energy detection unit of the image forming apparatus is disposed outside the side wall, and faces at least the infrared radiant energy detection unit in the side wall. The ultrasonic processing system according to claim 3, wherein the portion is formed using a material that transmits infrared light and visible light.
（６）２００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの超音波を発生するための超音波振動子と、前記超音波を被処理液体に照射してその被処理液体中にキャビテーションを発生させて前記被処理液体にて反応を誘起、促進させるための反応槽とを備えた超音波反応装置の評価方法であって、超音波照射時に前記被処理液体から放射される赤外線放射エネルギーを前記反応槽を介してその外部から検出し、前記反応槽内の音場をその赤外線放射エネルギーに応じた温度分布として可視化し、その温度分布に基づいて評価を行うことを特徴とする超音波反応装置の評価方法。 (6) An ultrasonic vibrator for generating ultrasonic waves of 200 kHz to 500 kHz, and irradiating the liquid to be processed to generate cavitation in the liquid to be processed, and reacting with the liquid to be processed. An ultrasonic reactor evaluation method comprising a reaction vessel for inducing and promoting, wherein infrared radiation energy radiated from the liquid to be treated during ultrasonic irradiation is detected from the outside through the reaction vessel. The method for evaluating an ultrasonic reactor, wherein the sound field in the reaction vessel is visualized as a temperature distribution according to the infrared radiation energy, and the evaluation is performed based on the temperature distribution.
１…超音波処理システム
１０…超音波処理装置としての超音波反応装置
１２…処理槽としての反応槽
１３…超音波振動子
２０…画像形成装置としての赤外線サーモグラフィ
２１…赤外線放射エネルギー検出部としての集光レンズ
３０…評価手段としての制御装置
Ｗ１…被処理液体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultrasonic processing system 10 ... Ultrasonic reaction apparatus as ultrasonic processing apparatus 12 ... Reaction tank as processing tank 13 ... Ultrasonic vibrator 20 ... Infrared thermography as image forming apparatus 21 ... As infrared radiation energy detection part Condensing lens 30 ... Control device as evaluation means W1 ... Liquid to be treated
Claims (4)
超音波照射時に前記被処理液体から放射される赤外線放射エネルギーを前記処理槽を介してその外部から検出し、前記処理槽内の音場をその赤外線放射エネルギーに応じた温度分布として可視化し、その温度分布に基づいて評価を行うことを特徴とする超音波処理装置の評価方法。 An evaluation method for an ultrasonic processing apparatus comprising: an ultrasonic transducer for generating ultrasonic waves; and a processing tank for irradiating the liquid to be processed with the ultrasonic waves to process the liquid to be processed. ,
The infrared radiation energy radiated from the liquid to be treated at the time of ultrasonic irradiation is detected from the outside through the treatment tank, and the sound field in the treatment tank is visualized as a temperature distribution according to the infrared radiation energy, An evaluation method for an ultrasonic processing apparatus, characterized in that an evaluation is performed based on a temperature distribution.
超音波照射時に前記被処理液体から放射される赤外線放射エネルギーを前記処理槽を介してその外部から検出し、前記処理槽内の音場をその赤外線放射エネルギーに応じた温度分布として可視化する画像形成装置と、
前記赤外線放射エネルギーに応じた温度分布と基準の温度分布とを比較して、前記処理槽の処理能力を判定する評価手段と
を備えたことを特徴とする超音波処理システム。 An ultrasonic treatment apparatus comprising an ultrasonic transducer for generating ultrasonic waves, and a treatment tank for irradiating the liquid to be treated with the ultrasonic wave to treat the liquid to be treated;
Image formation for detecting infrared radiation energy radiated from the liquid to be treated at the time of ultrasonic irradiation from the outside through the treatment tank and visualizing a sound field in the treatment tank as a temperature distribution corresponding to the infrared radiation energy Equipment,
An ultrasonic processing system comprising: an evaluation unit that compares the temperature distribution according to the infrared radiation energy with a reference temperature distribution to determine the processing capability of the processing tank.
Infrared radiation energy radiated from the liquid to be treated in the treatment tank during ultrasonic irradiation is detected outside the treatment tank, and the sound field in the treatment tank is visualized as a temperature distribution corresponding to the infrared radiation energy, A sound field evaluation method characterized by performing evaluation based on a temperature distribution.
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