JP2006122763A

JP2006122763A - 超音波処理装置、及び超音波処理方法

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Publication number: JP2006122763A
Application number: JP2004311579A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Asakura; 義幸朝倉; Shinobu Koda; 忍香田
Original assignee: Honda Electronics Co Ltd
Current assignee: Honda Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】攪拌部材が不要なため構成が簡単であって、しかも超音波エネルギーを利用した液体処理を効率よく行うことができる超音波処理装置を提供する。
【解決手段】超音波反応装置１０は、超音波を発生させるための超音波振動子１３を底部の外側に設置してなる反応槽１２を備える。反応槽１２内は仕切り板１５によって上下に区画されている。仕切り板１５の下側の領域は、超音波振動子１３が発生した超音波を伝播させるための超音波伝播部１６として用いられる。仕切り板１５の上側の領域は、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体Ｗ１が供給可能な液体供給処理部１７として用いられる。
【選択図】図１

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、及び超音波処理方法に関するものである。

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。

また、このような超音波処理装置の従来例としては、超音波を被処理液体に照射することによりその被処理液体の化学反応を促進させる超音波反応装置（ソノリアクタ）が既に提案されている（特許文献１参照）。

図５には、特許文献１に記載された超音波反応装置４０が概略的に示されている。この超音波反応装置４０は、超音波を発生させるための超音波振動子４１と、被処理液体Ｗ１が注入される反応槽４２と、被処理液体Ｗ１を効率よく循環させるための筒状の循環補助部材４３とを備えている。超音波振動子４１は反応槽４２の底部に固定されており、発振回路４４の発振信号に基づいて超音波振動子４１が振動することにより超音波を発生する。また、循環補助部材４３は、超音波振動子４１の振動面に対して内面が垂直となるよう超音波振動子４１の真上に配置されている。

このように構成された超音波反応装置４０において、超音波振動子４１を作動させて被処理液体Ｗ１に超音波を照射すると、筒状の循環補助部材４３内にて被処理液体Ｗ１の流れが生じ、被処理液体Ｗ１が反応槽４２内で積極的に循環する。
特開２００３−７１２７７号公報

ところで、超音波反応装置において、被処理液体を大量に処理するためには、容量が大きな反応槽を用いて処理能力を向上させることが必要となるが、反応槽の高さが数十センチ以上となると、反応槽の全体で均一に化学反応を誘起・促進させることが困難となる。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、超音波が反射する液面で化学反応が起こりやすく、反応槽の下部では化学反応がほとんど起こらない。そのため、攪拌部材などを用いて被処理液体の循環や攪拌をさせなければ、被処理液体を効率よく処理することができない。

特許文献１の超音波反応装置４０は、設置された筒状の循環補助部材４３の作用により被処理液体Ｗ１が反応槽４２内で循環する構造であるため、あえて処理槽内に攪拌部材を用いる必要がない。しかし、その超音波反応装置４０で用いられる反応槽４２は、閉じた容器を用いて構成されるため、被処理液体Ｗ１を大量に処理することができない。つまり、被処理液体Ｗ１を大量に処理するためには、外部から被処理液体Ｗ１を反応槽４２に供給するとともに化学反応後の被処理液体Ｗ１を反応槽４２から排出するといった流通型の装置構成とすることが好ましいが、その構成を採用すると、循環補助部材４３が流通の障害となって被処理液体Ｗ１を効率よく処理することができなくなる。また、循環補助部材４３のような障害物が被処理液体Ｗ１中に存在することは、反応効率の高い好適な音場を被処理液体Ｗ１中に形成するうえでマイナスに作用する。

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、被処理液体を攪拌・循環させるための部材が不要なため構成が簡単であって、しかも超音波エネルギーを利用した液体処理を効率よく行うことができる超音波処理装置、及び超音波処理方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、超音波を発生させるための超音波振動子を底部の外側に設置してなる処理槽を備えた超音波処理装置において、前記処理槽内の下半部を、前記超音波振動子が発生した超音波を伝播させるための超音波伝播部とし、前記処理槽内の上半部を、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体が供給可能な液体供給処理部としたことを特徴とする超音波処理装置をその要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、超音波振動子を作動させて処理槽の底部から上部に向けて超音波を照射すると、超音波が超音波伝播部を介して間接的に液体供給処理部の被処理液体に伝播される。ここで、超音波伝播部は本来的に処理効率が相対的に低い処理槽の下半部に設けられており、その部分はいわば超音波照射による処理を目的としないダミーの部分であるとともに、音場を整えうる部分となっている。よって、処理効率が相対的に高い処理槽の上半部のみを液体供給処理部として用いることが可能となり、当該液体供給処理部にて効率よく液体処理を行うことができる。従って、攪拌部材や循環補助部材などを処理槽内に設ける必要がなく、構成が簡単なものとなる。またこの構成によれば、被処理液体中に障害物が存在しなくなることに加え、超音波が超音波伝播部を通過する際に音場が整えられる。このため、被処理液体中に好適な音場が形成されやすくなり、効率よく液体処理を行うことができる。

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。

請求項２に記載の発明は、超音波を発生させるための超音波振動子を底部の外側に設置してなる処理槽を備えた超音波処理装置において、前記処理槽内を仕切って上下に区画する仕切り部材が設けられるとともに、前記仕切り部材の下側の領域を、前記超音波振動子が発生した超音波を伝播させる液体が充填可能な超音波伝播部とし、前記仕切り部材の上側の領域を、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体が供給可能な液体供給処理部としたことを特徴とする超音波処理装置をその要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１と同様の作用効果を奏するばかりでなく、以下の作用効果を奏する。即ち、超音波を伝播させる液体を充填して超音波伝播部とする構造であるため、その液体を適宜選択することにより、超音波の減衰が少なくて音場を整えるのに適した超音波伝達部を比較的容易にかつ低コストで形成することができる。さらに、仕切り部材を用いて処理槽内を仕切って上下に区画する構造であるため、超音波伝播部と液体供給処理部との間での液体の流通をシャットすることができる。

上記の仕切り部材としては、例えば超音波の波長の１／２の厚さを有する仕切り板や、波長の１／１０以下の厚さを有する仕切り板が好ましい。波長の１／２の厚さの仕切り板を用いた場合、超音波がその仕切り板を透過して、液体供給処理部に効率よく伝播される。また、波長の１／１０以下の厚さの仕切り板を用いた場合、その仕切り板における超音波の反射が抑制されて、液体供給処理部に超音波が効率よく伝播される。

さらに、仕切り部材は、処理槽における高さ位置が調整可能に固定されることが好ましい。このようにすると、仕切り部材を超音波の波長に応じた最適な位置に設定することができ、超音波をより確実に伝播させることができる。

また本発明は、処理槽に被処理液体を流通させるための通路を接続した流通型の超音波処理装置として具体化してもよい。このようにすると、処理槽に被処理液体を処理槽に流しつつ液体処理を行うことができ、被処理液体の大量処理が可能となる。また、その超音波処理装置においては、従来技術のような循環補助部材を処理槽内に設ける必要がないため、その部材が被処理液体の流通の障害となることがない。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記超音波伝播部には、前記液体として脱気水が充填されることをその要旨とする。

上記超音波伝播部に充填される液体は、被処理液体よりも超音波を伝播しやすい性質を有することが好ましく、請求項３に記載の発明のように、超音波伝播部に脱気水を充填すると、超音波を効率よく伝播させることができる。即ち、当該液体が水であること、しかもその水が脱気されたものであることの相乗効果により、超音波の減衰を極めて小さくすることができるからである。従ってこの場合には、音場を整える作用が大きくなり、被処理液体中に好適な音場が形成されやすくなる。

請求項４に記載の発明は、請求項２または３において、前記超音波伝播部には、前記液体の体積変動を吸収するための貯留部が接続されていることをその要旨とする。
請求項４に記載の発明によれば、液体の温度変化時等に生じる体積変動が貯留部において吸収されるので、処理槽の壁面に加わる圧力を一定に維持でき、処理槽の変形を防止することができる。またこの場合、処理槽の変形による超音波振動子の位置ズレなどを防止できることから、液体供給処理部に超音波が確実に伝播されて所望の反応場を形成することができる。

請求項５に記載の発明は、超音波を発生させるための超音波振動子を設置してなる処理槽を備えた超音波処理装置において、前記処理槽内を、前記超音波振動子から近い位置にある第１の部分と、前記超音波振動子から遠い位置にある第２の部分とに分けるとともに、前記第１の部分を、前記超音波振動子が発生した超音波を伝播させるための超音波伝播部とし、前記第２の部分を、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体が供給可能な液体供給処理部としたことを特徴とする超音波処理装置をその要旨とする。
請求項５に記載の発明によれば、処理槽内の第１の部分に超音波伝播部が設けられ第２の部分に液体供給処理部が設けられることにより、超音波振動子から発生された超音波は、近い位置にある超音波伝播部を介して遠い位置にある液体供給処理部の被処理液体に照射される。この場合、処理槽における超音波伝播部に超音波を伝播させることにより音場が整えられ、液体供給処理部において効率よく液体処理を行うことができる。従って、従来技術のように被処理液体を攪拌させるための部材を処理槽内に設ける必要がなく、簡単な構成で被処理液体を大量に処理することができる。

請求項６に記載の発明は、処理槽の底部から上部に向けて超音波を照射して被処理液体の液面でその超音波を反射させることにより、前記被処理液体の処理を行う超音波処理方法において、前記処理槽内の下半部に超音波伝播部を設け、その超音波伝播部の上側に前記被処理液体を供給した状態で、前記超音波伝播部を介して前記被処理液体に超音波を照射することを特徴とする超音波処理方法をその要旨とする。
請求項６に記載の発明によれば、処理槽の底部から上部に向けて超音波を照射すると、超音波が超音波伝播部を介して間接的に液体供給処理部の被処理液体に伝播される。ここで、超音波伝播部は本来的に処理効率が相対的に低い処理槽の下半部に設けられており、その部分はいわば超音波照射による処理を目的としないダミーの部分であるとともに、音場を整えうる部分となっている。よって、処理効率が相対的に高い処理槽の上半部のみを液体供給処理部として用いることが可能となり、当該液体供給処理部にて効率よく液体処理を行うことができる。従って、攪拌部材や循環補助部材などを処理槽内に設ける必要がなく、装置の構成が簡単なものとなる。またこの構成によれば、被処理液体中に障害物が存在しなくなることに加え、超音波が超音波伝播部を通過する際に音場が整えられる。このため、被処理液体中に好適な音場が形成されやすくなり、効率よく液体処理を行うことができる。

請求項７に記載の発明は、処理槽内の被処理液体に超音波を照射してその処理を行う超音波処理方法において、前記処理槽内を、前記超音波振動子から近い位置にある第１の部分と、前記超音波振動子から遠い位置にある第２の部分とに分けるとともに、前記第１の部分を超音波伝播部とし、前記第２の部分に前記被処理液体を供給した状態で、前記超音波伝播部を介して前記被処理液体に超音波を照射することを特徴とする超音波処理方法をその要旨とする。
請求項７に記載の発明のように、超音波を照射すると、処理層内において超音波発振子から遠い特定の位置では、反射に起因して生じる定在波によってキャビテーションが盛んに起こり、そのキャビテーションによる高温の反応場がそこに形成される。そのため、処理槽内において超音波発振子から近い位置に超音波伝播部を設けその超音波伝播部を介して被処理液体に超音波を照射することにより、処理槽内の特定領域のみで被処理液体を効率よく処理することができる。従って、従来技術のように被処理液体を攪拌させるための部材を処理槽内に設ける必要がなく、簡単な構成で被処理液体を大量に処理することができる。

以上詳述したように請求項１乃至７に記載の発明によれば、被処理液体を攪拌・循環させるための部材が不要なため構成が簡単であって、しかも超音波エネルギーを利用した液体処理を効率よく行うことができる。

以下、本発明を超音波反応装置（ソノリアクタ）に具体化した一実施の形態を図１に基づき説明する。

図１に示すように、この超音波反応装置１０は、長方形の箱状をなす反応槽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１４の発振信号に基づいて、周波数が５００ｋＨｚの超音波を出力する。なお、反応槽１２の形状は特に限定されず、例えば円筒状などであってもよい。

本実施の形態における反応槽１２には、その槽内を仕切って上下に区画する仕切り板１５が設けられている。ここでは、仕切り板１５として、超音波の波長の１／２の厚さを有する板材（例えば、アクリル樹脂プレート）を用いている。具体的にいうと、周波数５００ｋＨｚの超音波の波長は約３ｍｍであるため、ここでは厚さ約１．５ｍｍのアクリル樹脂プレートを用いている。なお、この程度の厚さのアクリル樹脂プレートは、仕切り板１５に必要とされる所望の剛性、強度も備えている。従って、使用時に液圧が加わったとしても変形や破壊が起きにくいものとなっている。

反応槽１２において、仕切り板１５の下側の領域は、超音波振動子１３が発生した超音波を伝播させるための超音波伝播部１６として機能する。また、仕切り板１５の上側の領域は、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体Ｗ１が供給可能な液体供給処理部１７として機能する。また、この反応槽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）であってもよいが、本実施形態では大量処理を目的とするため連続処理を行うこととしている。

反応槽１２の下半部の超音波伝播部（ダミー液体充填部）１６には、処理を目的としないダミーの液体が充填される。本実施の形態では、このダミーの液体として脱気した水（脱気水）Ｗ２を用いている。脱気水Ｗ２を用いることにより、超音波が伝播する際の減衰を低減することが可能となる。また、超音波伝播部１６には貯留部としての調整用タンク１８が設けられている。例えば、液温が上がること等によって超音波伝播部１６における脱気水Ｗ２の体積が増加した場合、脱気水Ｗ２の増加分が、超音波伝播部１６側から調整用タンク１８側へ移動するようになっている。逆に、液温が下がること等によって超音波伝播部１６における脱気水Ｗ２の体積が減少した場合、脱気水Ｗ２の減少分が、調整用タンク１８側から超音波伝播部１６側へ移動するようになっている。その結果、超音波伝播部１６内における脱気水Ｗ２の体積変動が吸収され、処理槽１２の壁面に加わる圧力が一定に維持されるようになっている。

反応槽１２の上半部の液体供給処理部１７には、被処理液体Ｗ１を供給するための供給用配管２１と、その被処理液体Ｗ１を排出するための排出用配管２２とが接続されている。また、供給用配管２１の途中には開閉バルブ２３が設けられ、その開閉バルブ２３が開状態となることにより、被処理液体Ｗ１が供給用配管２１を通して反応槽１２の液体供給処理部１７に供給される。そして、その被処理液体Ｗ１に超音波が照射されることによって被処理液体Ｗ１が化学反応した後、排出用配管２２を通して反応槽１２から排出される。

本実施の形態では、超音波反応装置１０を制御するための制御装置３０が設けられている。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、発振回路１４及び開閉バルブ２３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反応装置１０の発振回路１４や開閉バルブ２３を制御する。

具体的にいうと、制御装置３０は、開閉バルブ２３に制御信号を出力してその開閉バルブ２３を開状態にすることにより反応槽１２への被処理液体Ｗ１の供給を開始させる。またこのとき、制御装置３０は発振回路１４に制御信号を出力してその発振回路１４から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照射される。

超音波振動子１３から発生された超音波は、反応槽１２において下半部の超音波伝播部１６を介して上半部の液体供給処理部１７の被処理液体Ｗ１に伝播し、被処理液体Ｗ１の液面（被処理液体Ｗ１と空気層Ａ１との界面）で反射する。その液面近傍では、超音波の反射によって定在波が発生して化学反応が盛んに起こる。

反応槽１２の液体供給処理部１７において被処理液体Ｗ１が化学反応すると、被処理液体Ｗ１の温度が上昇する。本願発明者は、赤外線サーモグラフィを用いて被処理液体Ｗ１の温度分布を可視化することにより、液面近傍で化学反応が盛んに起こることを確認した。
図２には、その温度分布の様子が示されている。なお、この確認の際には、底部に超音波振動子１３を設けた反応槽１２を用いており、図２（ａ）では液面の高さが５２ｃｍとなるまで被処理液体Ｗ１を充填した状態で温度分布を確認し、図２（ｂ）では液面の高さが２６ｃｍとなるまで被処理液体Ｗ１を充填した状態で温度分布を確認した。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。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、液温は超音波が反射する液面近傍で最も高くなっており、液面近傍で化学反応が最も盛んに起こることが確認された。また、図２（ａ）に示すように、液面が高くなると、反応槽１２の上半部に比べて下半部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り温度が上昇していた。また、図２（ａ）の上半部のみと、図２（ｂ）とを比較すると、前者においてむしろ高温エリアが多くみられ、より盛んに化学反応が起きていることがわかった。

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（・ＯＨ）がＫＩ水溶液と反応する。

２Ｉ⁻＋２・ＯＨ→Ｉ_２＋２ＯＨ⁻

つまり、Ｉ⁻イオンが酸化することでＩ_２が生成される。このＩ_２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Ｉ_３ ⁻イオンが生成される。

Ｉ_２＋Ｉ⁻→Ｉ_３ ⁻

そして、このＩ_３ ⁻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、Ｉ_３ ⁻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。

図３には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、液面近傍で化学反応量が最も多くなっていることが確認された。同様に、液面が高くなると、反応槽１２の上半部に比べて下半部では化学反応がほとんど起きないことが確認された。

以上の結果からすると、液面が高い大型の反応槽１２の場合には、上半部で化学反応が誘起・促進されるとともに、超音波の反射面となる液面の近傍でそれが最も盛んになると結論付けられる。そのため、本実施の形態の超音波反応装置１０では、反応槽１２を仕切り板１５によって上下に区画して上半部のみを反応場として利用するようにしている。さらに、本実施の形態では、上記の測定結果を考慮して、反応槽１２における仕切り板１５の位置を超音波の波長に応じた最適な位置に設定している。

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。

（１）本実施形態の超音波反応装置１０では、反応槽１２内を仕切って上下に区画する仕切り板１５を設けている。そして、仕切り板１５の下側の領域（超音波振動子１３から近い側の領域）を、超音波振動子１３が発生した超音波を伝播させる脱気水Ｗ２が充填可能な超音波伝播部１６として用いている。また、仕切り板１５の上側の領域（超音波振動子１３から遠い側の領域）を、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体Ｗ１が供給可能な液体供給処理部１７として用いている。このように構成したことにより、反応槽１２の下半部の超音波伝播部（音場調整部）１６に超音波を伝播させることにより音場が整えられ、上半部の液体供給処理部１７のみで被処理液体Ｗ１の化学反応を効率よく誘起・促進させることができる。またこの構成によれば、攪拌部材や循環補助部材などを反応槽１２内に設ける必要がなく、構成が簡単なものとなる。しかもこの構成によれば、被処理液体Ｗ１中に障害物が存在しなくなることに加え、超音波が超音波伝播部１６を通過する際に音場が整えられる。このため、被処理液体Ｗ１中に好適な音場が形成されやすくなり、効率よく液体処理を行うことができる。

（２）本実施形態の超音波反応装置１０では、反応槽１２の下半部の超音波伝播部１６に前記液体（即ち超音波伝播媒体）として脱気水Ｗ２を充填しているので、超音波の伝播効率を向上させることができる。また、仕切り板１５の厚さを超音波の波長の１／２とすることにより、超音波がその仕切り板１５を透過して反応槽１２の上半部の液体供給処理部１７に効率よく伝播させることができる。さらに、反応槽１２における仕切り板１５の位置を超音波の波長に応じた最適な位置に設定することにより、超音波をより確実に伝播させることができる。以上のことから、本実施の形態の超音波反応装置１０では、反応槽１２の液体供給処理部１７の被処理液体Ｗ１に伝播される超音波の音圧の低下を抑制することができる。

（３）本実施の形態では、反応槽１２に被処理液体を流通させるための通路（供給用配管２１及び排出用配管２２）が接続されているので、被処理液体Ｗ１を流しつつ液体処理を行うことができ、被処理液体Ｗ１の大量処理が可能となる。また、従来技術のように攪拌部材などを反応槽１２内に設ける必要がなく、その部材が被処理液体Ｗ１の流通の障害となることがない。

（４）脱気水Ｗ２の体積変化が調整用タンク１８で吸収されるので、反応槽１２の壁面に加わる水圧を一定に維持でき、反応槽１２の変形を防止することができる。また、反応槽１２の変形による超音波振動子１３の位置ズレなどを防止できることから、反応槽１２の液体供給処理部１７に超音波が確実に伝播されて所望の反応場を形成することができる。

（５）本実施の形態の超音波反応装置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、再現性のある反応場を容易に形成することができる。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。

（６）本実施の形態では、制御装置３０により開閉バルブ２３が制御されて被処理液体Ｗ１の供給が開始されるとともに発振回路１４が制御されて超音波振動子１３による超音波の照射が開始される。この構成によれば、被処理液体Ｗ１の供給を開始するタイミングに同期して超音波振動子１３から超音波を照射させることができ、被処理液体Ｗ１を効率よく処理することができる。

なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態では、アクリル樹脂プレートからなる仕切り板１５によって反応槽１２内を上半部と下半部とに区画してその下半部を超音波伝播部１６として用いていたが、アクリル樹脂以外の樹脂からなるプレートを用いたり、金属製やガラス製のプレート等を用いたりすることも可能である。また、仕切り板１５を使用せずに超音波伝播部１６を構成してもよく、例えば、膜のような部材を仕切り部材として選択してもよい。また、脱気水Ｗ２が充填されたウォーターバッグを反応槽１２内の下半部に沈め、そのウォーターバッグを超音波伝播部１６として利用した構成としてもよい。

・上記実施の形態では、仕切り板１５によって反応槽１２内を上半部と下半部とに区画してその下半部に脱気水Ｗ２を充填して超音波伝播部１６としたが、脱気水Ｗ２以外の液体を充填してもよい。

・本実施の形態において、反応槽１２の底部に固定される超音波振動子１３を取り替えることで超音波の波長や照射強度などを変更可能に構成してもよい。またその場合には、超音波の波長や照射強度に応じて仕切り板１５の高さ位置を調整可能な調整機構を設けてもよい。具体例としては、反応槽１２内に仕切り板１５を支持固定するための支持部材を配置し、その支持部材における複数の高さ位置に仕切り板１５が着脱可能な仕切り板固定部を設けたもの等を挙げることができる。

・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。

・上記実施の形態では、水平に設けられた仕切り板１５によって反応槽１２内を上下に区画していたが、図４に示す別の実施の形態の超音波反応装置（ソノリアクタ）１０Ａのように、垂直に設けられた仕切り板１５によって反応槽１２内を左右に区画してもよい。この超音波反応装置１０Ａでは、超音波振動子１３が反応槽１２の底面外側ではなく側壁部の外側に設けられている。仕切り板１５の右側の領域（超音波振動子１３から近い側の領域）は、超音波振動子１３が発生した超音波を伝播させる脱気水Ｗ２が充填可能な超音波伝播部１６として使用される。一方、仕切り板１５の左側の領域（超音波振動子１３から遠い側の領域）は、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体Ｗ１が供給可能な液体供給処理部１７として使用される。そしてこの構成にした場合には、反応槽１２の右半部の超音波伝播部（音場調整部）１６に超音波を伝播させることにより音場が整えられ、左半部の液体供給処理部１７のみで被処理液体Ｗ１の化学反応を効率よく誘起・促進させることができる。
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。

（１）請求項２乃至４のいずれか１項において、前記液体は、前記被処理液体よりも超音波を伝播しやすい性質を有することを特徴とする超音波処理装置。

（２）請求項２乃至４のいずれか１項において、前記仕切り部材は、前記超音波の波長の１／２の厚さを有する仕切り板であることを特徴とする超音波処理装置。

（３）請求項２乃至４のいずれか１項において、前記仕切り部材は、前記超音波の波長の１／１０以下の厚さを有する仕切り板であることを特徴とする超音波処理装置。

（４）請求項２乃至４のいずれか１項において、前記液体供給処理部には、前記被処理液体を流通させるための通路が接続されることを特徴とする超音波処理装置。

（５）請求項２乃至４のいずれか１項において、前記仕切り部材は、高さ位置が調整可能に固定されていることを特徴とする超音波処理装置。

（６）超音波を発生させるための超音波振動子を底部の外側に設置してなる処理槽を備えた超音波処理装置において、前記処理層内を上半部及び下半部に仕切るとともに、その上半部を、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体が供給可能な液体供給処理部とし、その下半部を、超音波の照射による処理を目的としないダミーの液体が充填可能なダミー液体充填部としたことを特徴とする超音波処理装置。

（７）超音波を発生させるための超音波振動子を底部の外側に設置してなる処理槽を備えた超音波処理装置において、前記処理層内を上半部及び下半部に仕切るとともに、その上半部を、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体が供給可能な液体供給処理部とし、その下半部を、音場を整えるための音場調整部としたことを特徴とする超音波処理装置。

（８）処理槽の底部から上部に向けて超音波を照射して被処理液体の液面でその超音波を反射させることにより、前記被処理液体の処理を行う超音波処理方法において、超音波を伝播させる液体を充填してなる超音波伝播部を前記処理槽内の下半部に設け、その超音波伝播部の上側に前記被処理液体を供給した状態で、前記超音波伝播部を介して前記被処理液体に超音波を照射することを特徴とする超音波処理方法。

（９）反応槽の底部から上部に向けて２００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの超音波を照射して被処理液体の液面でその超音波を反射させることにより、前記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、促進させる超音波反応方法において、超音波を伝播させる液体を充填してなる超音波伝播部を前記反応槽内の下半部に設け、その超音波伝播部の上側に前記被処理液体を供給した状態で、前記超音波伝播部を介して前記被処理液体に超音波を照射することを特徴とする超音波反応方法。
（１０）超音波を発生させるための超音波振動子を側壁部の外側に設置してなる処理槽を備えた超音波処理装置において、前記処理槽内を仕切って左右に区画する仕切り部材が設けられるとともに、前記仕切り部材の左右にできる２つの領域のうち、前記超音波振動子から近い側の領域を、前記超音波振動子が発生した超音波を伝播させる液体が充填可能な超音波伝播部とし、前記超音波振動子から遠い側の領域を、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体が供給可能な液体供給処理部としたことを特徴とする超音波処理装置。

一実施の形態の超音波反応装置を示す概略構成図。（ａ），（ｂ）は赤外線サーモグラフィを用いて可視化された温度分布を示す説明図。反応槽における高さと化学変化量との関係を示すグラフ。別の実施の形態の超音波反応装置を示す概略構成図。従来の超音波反応装置を示す概略構成図。

符号の説明

１０，１０Ａ…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
１５…仕切り部材としての仕切り板
１６…超音波伝播部
１７…液体供給処理部
１８…貯留部としての調整用タンク
Ｗ１…被処理液体
Ｗ２…液体としての脱気水

Claims

超音波を発生させるための超音波振動子を底部の外側に設置してなる処理槽を備えた超音波処理装置において、
前記処理槽内の下半部を、前記超音波振動子が発生した超音波を伝播させるための超音波伝播部とし、前記処理槽内の上半部を、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体が供給可能な液体供給処理部としたことを特徴とする超音波処理装置。
超音波を発生させるための超音波振動子を底部の外側に設置してなる処理槽を備えた超音波処理装置において、
前記処理槽内を仕切って上下に区画する仕切り部材が設けられるとともに、前記仕切り部材の下側の領域を、前記超音波振動子が発生した超音波を伝播させる液体が充填可能な超音波伝播部とし、前記仕切り部材の上側の領域を、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体が供給可能な液体供給処理部としたことを特徴とする超音波処理装置。
前記超音波伝播部には、前記液体として脱気水が充填されることを特徴とする請求項２に記載の超音波処理装置。
前記超音波伝播部には、前記液体の体積変動を吸収するための貯留部が接続されていることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波処理装置。
超音波を発生させるための超音波振動子を設置してなる処理槽を備えた超音波処理装置において、
前記処理槽内を、前記超音波振動子から近い位置にある第１の部分と、前記超音波振動子から遠い位置にある第２の部分とに分けるとともに、前記第１の部分を、前記超音波振動子が発生した超音波を伝播させるための超音波伝播部とし、前記第２の部分を、超音波の照射によって処理されるべき被処理液体が供給可能な液体供給処理部としたことを特徴とする超音波処理装置。
処理槽の底部から上部に向けて超音波を照射して被処理液体の液面でその超音波を反射させることにより、前記被処理液体の処理を行う超音波処理方法において、
前記処理槽内の下半部に超音波伝播部を設け、その超音波伝播部の上側に前記被処理液体を供給した状態で、前記超音波伝播部を介して前記被処理液体に超音波を照射することを特徴とする超音波処理方法。
処理槽内の被処理液体に超音波を照射してその処理を行う超音波処理方法において、
前記処理槽内を、前記超音波振動子から近い位置にある第１の部分と、前記超音波振動子から遠い位置にある第２の部分とに分けるとともに、前記第１の部分を超音波伝播部とし、前記第２の部分に前記被処理液体を供給した状態で、前記超音波伝播部を介して前記被処理液体に超音波を照射することを特徴とする超音波処理方法。