JP2006272073A - 超音波利用の付着物除去装置及び除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配管等の被洗浄体に超音波振動を与えることにより、被洗浄体に付着した付着物を、気相中で除去する装置、及び除去方法を提供するものである。
【解決手段】本発明は、超音波を用いて、円管５等の被洗浄体の共振周波数に合わせ、被洗浄体を励振させる方法であり、超音波の縦振動子２をホーン３を介して、円管５等の被洗浄体に固定し、縦振動子２の超音波で被洗浄体を励振し、被洗浄体にたわみ振動モードを与えることで、被洗浄体に付着した付着物を気相中で除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は被洗浄体に超音波振動を与えることにより、気相中で被洗浄体に付着した付着物を除去する装置及び除去方法に関するものである。

付着物が経時的に堆積する現象は、家庭、工場内の配管、装置、機器等の内部によく見られ、定期的な洗浄などの掃除により除去されている。配管内における付着物の堆積を例として次に具体的に説明する。家庭では、油分の使用量が増加しているが、排水管への油分の付着、あるいは固形分の付着等が問題になる。また、各工場内の装置や機器類では、配管内を流れる流体中の固形分、流体中に含まれる溶解成分の沈積物、あるいは、薬品などが化学反応を起こし生成する反応生成物等が配管等に付着する。

これらの付着物は、流体の流れを妨げ、付着量が多いと配管を閉塞させる。時として、付着物が悪臭を発生させ、また、付着物が配管を腐食させる。そのため、定期的な掃除が行われている。一般的な掃除は、配管内にブラシ等を挿入し付着物を除去するか、配管を解体して、部品ごとに分け洗浄を行っている。また、洗浄用薬品を用いて、付着物を取り除き洗浄する方法も実施されている。

さらに、一般に用いられている超音波洗浄は、容器に洗浄液と被洗浄体を入れ、洗浄液に超音波振動を与えることで、洗浄液と被洗浄体間にキャビテーションを起こさせ、付着物を剥離させる方法である。また、気体を媒体として被洗浄体に超音波振動を与え、付着物を除去する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開平５−２６９４４９号公報

配管内の付着部除去を例に説明する。配管内にブラシ等を挿入し洗浄する方法は、専門技術をもつ作業者が必要であり、作業も長時間を要する。また、この方法は、曲管部などブラシが挿入できない部分の掃除ができないなどの問題がある。さらに、この方法では、水と洗剤等を併用し作業をすることになるが、作業後には、配管内に付着した洗剤の除去及び配管の乾燥操作等が必要になる。

配管等を解体して、部品ごとに分け洗浄する方法では、部品の細部までの洗浄が可能になるが、多くの作業者が必要になる。また、装置の解体、洗浄、組み立て作業に時間を要する。洗浄用薬品を用いて付着物を除去する方法では、薬品による配管等の腐食、製品の汚染等の問題がある。そのため、洗浄後の厳密な薬品除去作業が必要であり、適用範囲も制限される。また、洗浄後の使用済み薬品の処理も問題になる。

一般に用いられている超音波洗浄では、洗浄液が必要になることから、湿式法であり、洗浄後に、配管に残る洗浄液の除去及び乾燥等の作業が発生する。また、洗浄後の付着物を含む洗浄液の無公害化処理も必要になる。被洗浄体に気体を媒体として超音波振動を与え付着物を除去する方法では、付着物の性状、付着量により共振周波数が異なり、共振させる周波数の特定に時間を要する。また、この方式は、気体を媒体として付着物に超音波振動を与える方法であるため、狭い配管内の付着物を除去するには効果的な方法ではない。

本発明の目的は被洗浄体を超音波で励振させ、被洗浄体に付着した付着物を気相中で除去する装置及び方法を提供することにある。

本発明は、被洗浄体の共振周波数を用いて、被洗浄体を超音波で励振させ、被洗浄体に付着した付着物を気相中で除去することを特徴とする超音波利用の付着物除去装置である。また、本発明の超音波の縦振動子を、ホーンを介して前記被洗浄体に固定し、被洗浄体にたわみ振動モードを与え、被洗浄体に付着した付着物を気相中で除去することを特徴とする超音波利用の付着物除去装置である。

本発明は、被洗浄体と共振する２種類以上の超音波周波数を用いて、被洗浄体に付着した付着物を気相中で除去することを特徴とする超音波利用の付着物除去装置である。

本発明は、被洗浄体の共振周波数で被洗浄体を超音波で励振させ、被洗浄体に付着した付着物を気相中で除去することを特徴とする超音波利用の付着物除去方法である。

本発明は、縦振動子を用いて被洗浄体に超音波振動を与えることにより、気相中で被洗浄体に付着した付着物を除去する装置及び除去方法である。配管内の洗浄を例にとると、乾式であることから、配管の腐食、あるいは洗浄水の処理などの問題は発生しない。また、本発明は、洗浄液又は薬品等を用いないため、洗浄後の薬品等の除去作業、及び乾燥作業等が不要である。

本発明の超音波を利用した付着物の除去装置を、配管等に設置する場合、ボルトで装置を配管に固定するか、バンドで配管に固定する等の簡単な方法で取り付けることができる。また、配管等の解体、組み立て等の作業を必要とせず、付着物の除去作業に要する時間も短時間である。さらに、付着物の除去作業を行うための特別な技術も必要としない特徴がある。

なお、配管等の付着物を除去した後は、空気等のガスを配管内に流すことにより、容易に除去された付着物を外部へ排出させることができる。特別な問題が無ければ、水により剥離した付着物の除去作業も可能である。また、縦振動子を用いて被洗浄体に超音波振動を与える操作は、被洗浄体の外部からできることから、操作が簡単であり、小型で複雑な装置の内部に付着した、付着物の除去にも本発明は適用することができる。

図１は本発明の超音波振動を利用した付着物の除去装置の説明図である。この超音波利用の付着物除去装置１は、ボルト締めランジュバン型縦振動子等の縦振動子２、増幅器であるホーン３、及び超音波利用の付着物除去装置１を固定するボルト４から成り立っている。円管５は配管等を想定した被洗浄体である。

振動系の縦振動子２とホーン３の間は、振動の伝播を容易にするため、面接触で強く締め付けられている。また、ホーン３は、円管５に直角に取り付けられており、円管５の内側からボルト４で円管５に締め付けている。そのため、超音波が確実に円管５に伝播できる構成になっている。この縦振動子２が、縦振動を発生させるとホーン３が振動を増幅させ、円管５に上下方向のたわみ振動を励振させる。この時の円管５の振動速度分布６を図１に模擬的に示した。この様な円管５の振動により円管５内の付着物が除去される。

３次元有限要素法プログラムを用いて、円管モデルの自由振動解析を行ったところ、円管５では、縦振動モード、たわみ振動モード、ねじり振動モードの３種類が発生することが分かった。いずれの振動モードも、円管５内の付着物を除去する効果があると考えられるが、たわみ振動モードを用いる方法が、次の点で実用的な手法と考える。

すなわち、図１に示したように、超音波利用の付着物除去装置１のホーン３を、円管５に直角に取り付け固定することにより、たわみ振動モードを円管５に与えることができる。そのため、超音波利用の付着物除去装置１の設置作業、設置した装置の操作等が簡単に実施できる。また、たわみ振動モードの励振は、配管等の円管５に無理な力を与えない方法であるため、この方法を採用し、円管５内の付着部を除去することにした。

図２は本発明の実施の一形態としての、円管の長さと、たわみ振動モードによる共振周波数との関係の試算結果を示す図である。図中の一点鎖線は、ねじり振動モード、実線はたわみ振動モード、破線は縦振動モードを示している。

この結果から、円管５の長さを長くするに従って、共振周波数の値は、いずれの振動モードも直線的に減少しており、円管５の長さから、共振周波数を推算することができる。また、実際の配管等の構造図を用いて解析することにより、事前に共振周波数の近似値を予測することができる。そのため、適用する機器に見合った超音波利用の付着物除去装置１の振動数の選定を、事前に決定できる特徴がある。

長さ１８６ｍｍの円管５を選定し、この円管５の共振周波数を調べ、この共振周波数を用いて付着物を除去した場合の効果について次に説明する。そのため、まず、実際に採用した長さ１８６ｍｍの円管５を用いた場合の、アドミタンスと周波数の関係を調べた。

図３は本発明の実施の一形態としての、周波数とアドミタンスの関係を示す図である。超音波利用の付着物除去装置１を円管５に設置し、縦振動子２の周波数を変化させ、電圧に対する出力電流の変化を測定した。アドミタンスとは電圧に対する電流の比であり、機械的に言えば力に対する振動速度の比である。すなわち、電流の流れやすさを表す値であり、抵抗であるインピーダンスの逆数としても示される。また、アドミタンスは共振周波数付近になると、値が大きくなり極値をとることが知られている。したがって、アドミタンス特性の測定から、共振周波数の値を推測することができる。

図３により、周波数の値が２６．３ｋＨｚ付近において、極値をとることが分かる。この周波数を用いて、次に振動系の振動モードの形状を確認した。振動系の振動モードの形状を確認するためには、振動系の振幅を測定する必要がある。図４は本発明の実施の一形態として、２６．３ｋＨｚの周波数で円管を励振させた場合の振動速度分布を示す図である。測定では、円管５の中央に縦振動子２のホーン３を取り付け、この位置を駆動点として振動速度を測定している。縦軸の振動速度は、励振している円管５の変位速度を示している。

ここで、図４に示す振動速度の値は、絶対値で示されており、位相が負の値を示す領域は、位相が１８０度ずれた値である。この時の振動速度の値を負であるとして、振動速度分布を逆転させると、振動モードは、正弦波として近似することができる。そのため、円管５は、正弦波に近いたわみ振動を生じていることが分かる。

次に、この円管５内に、片栗粉等を付着させ、超音波で振動させた時の付着物の除去効果について調べた。まず、片栗粉を付着させる前に、円管５の質量を測定する。次に、円管５を水平にして、水に溶いた片栗粉を円管５内部に流し込む。その後、片栗粉を乾燥させて固まらせて円管５に付着させる。乾燥後に、片栗粉が付着した円管５の質量を測定し、先に測定した円管５の質量との差から付着量を求める。その後、片栗粉が付着した円管５に、超音波利用の付着物除去装置１の縦振動子２のホーン３を取り付け、円管５に、たわみ振動を励振させる。試験後は、振動により除去された片栗粉を取り除き、再び円管５の質量を測定して、励振前後での質量の差から付着物の除去率の値を計算し求める。

図５は、本発明の実施の一形態としての、円管内に片栗粉を付着させた場合の、付着物の厚さと超音波による除去率の関係を示す図である。試験条件として、付着物の厚さを１ｍｍ、から４．５ｍｍまで変化させている。また、電力負荷は４Ｗと１６Ｗである。駆動周波数は、振動系の共振周波数である２６．３ｋＨｚに設定し、付着物の除去を行っている。超音波による励振時間は５分間である。

円管５が超音波で励振されると、付着していた片栗粉は、徐々に剥離し円管５内に拡散する。図５に示すように、付着した片栗粉の厚さが薄くなるに従って、付着物の除去率が増加している。電力の値が４Ｗの場合は、付着物の除去率は比較的小さい。ところが、電力の値を１６Ｗに増加すると、付着物の除去率は増加する。付着物の厚さが１ｍｍの場合は、約９０％と高い除去率を示している。なお、配管などの付着物は、堆積量が増加すると、流体の圧力損失の増加、腐食、製品流体への汚染等を招くことになる。そのため、付着層が薄い段階で、付着物の除去作業が行われるのが一般的である。

図６は本発明の実施の一形態としての、円管５に炭酸カルシウムを付着させた場合の、付着物の厚さと、超音波による除去率の関係を示す図である。試験条件として、付着物の厚さを１ｍｍ、から４．５ｍｍまで変化させている。また、電力負荷は４Ｗと１６Ｗである。駆動周波数は、振動系の共振周波数である２６．３ｋＨｚに設定し、付着物の除去を行っている。超音波による励振時間は５分間である。

炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）は、温度が高いほど水などへの溶解量が減少する性質がある。そのため、水に溶解した炭酸カルシウムが、熱交換器等の温度の高い箇所で優先的にスケールになることがある。このスケールは、配管の材質が金属系、あるいは樹脂系を問わずに発生する。こうしたスケールが配管に付着することによって、配管の詰りの原因や、機能あるいは効率を低下させる。そのため、次に炭酸カルシウムを付着物として使用し、超音波による除去効果について調べた。

図６に示すように、炭酸カルシウムの場合も、付着物の厚さが薄くなるに従って除去率の値が増加している。また、炭酸カルシウムの場合は、片栗粉に比べ、超音波による付着物の除去効果が大きい。これは付着力の差と考えられる。電力が４Ｗの場合では、付着物の除去率は比較的小さい。ところが、電力が１６Ｗに増加すると、付着物の除去率は増加している。付着物の厚さが２．５ｍｍの場合においても、約８０％と高い除去率を示している。

図７は、本発明の実施の一形態としての、電力に対する付着物の除去率の関係を示す図である。図７の横軸には、振動系にかかる電力値を示している。電力を増加すると除去率は増加する傾向にある。炭酸カルシウムの場合、電力が１２Ｗ以上になると、付着物の除去率は９０％を超え、円管５内の付着物は、ほぼ完全に除去されることが分かる。

振動の節の位置、すなわち振動速度が０ｍ／ｓになる位置では、振動が起きないため、付着物の除去率が低下する原因になることがある。そのため、２６．３ｋＨｚの共振周波数で円管５を励振した後、他の共振周波数を選定し、この共振周波数で励振させ、付着物を除去する方法について次に説明する。

図８は、本発明の実施の一形態としての、円管に励振させた周波数と振動速度の関係を示す図である。図８は、たわみ振動モードがどの程度の周波数で励振されているか測定するために、励振した周波数の値を変化させて、振動速度を測定したものである。周波数が２６．３ｋＨｚの場合に、円管５が大きく共振することが分かる。

また、この値以外にも共振する周波数が多数存在する。ここでは、比較的大きな値を示す周波数２０．２ｋＨｚを採用し、周波数２６．３ｋＨｚと組み合わせ、付着物の除去効果について調べた。

図９は、本発明の実施の一形態として、２０．２ｋＨｚの周波数で円管を励振させた場合の振動速度分布を示す図である。図４では、周波数を２６．３ｋＨｚで励振させた場合の振動速度を示したが、２０．２ｋＨｚで励振させた場合と比較してみると、振動の節の位置、すなわち振動速度が０ｍ／ｓになる位置が異なることが分かる。

そこで、周波数を２６．３ｋＨｚで励振させた後、周波数を２０．２ｋＨｚで励振させその時の付着物の除去効果について明らかにした。図１０は、本発明の実施の一形態として、周波数を２６．３ｋＨｚで励振させた後、周波数を２０．２ｋＨｚで励振させ、その時の振動速度の大きな方の値を採用し示した図である。

図１０により、これまでは振動の節であった部分においても、０．１ｍ／ｓ以上の振動速度を得られることが分かる。従って、単一の周波数で励振させた場合に比べ、付着物を除去する効果が大きいと考える。円管５を周波数２６．３ｋＨｚで励振させた時の付着物の除去率が７６％の場合で、円管５を周波数２６．３ｋＨｚで励振させた後、周波数２０．２ｋＨｚで励振させると付着物の除去率が９６％まで増加した。

単一駆動周波数である場合の、付着物の除去率は、振動に節があるため、振動速度の値を大きくしても除去率の増加には限界がある。そこで、駆動周波数を組み合わせる方法を採用することにより、除去率の値は９６％まで増加し、円管５内の全域において付着物が除去される。

本発明の超音波振動を利用した付着物の除去装置の説明図である。 本発明の実施の一形態としての、円管の長さと、たわみ振動モードによる共振周波数との関係の試算結果を示す図である。 本発明の実施の一形態としての、アドミタンスと周波数の関係を示す図である。 本発明の実施の一形態として、２６．３ｋＨｚの周波数で円管を励振させた場合の振動速度分布を示す図である。 本発明の実施の一形態としての、円管内に片栗粉を付着させた場合の、付着物の厚さと超音波による除去率の関係を示す図である。 本発明の実施の一形態としての、円管に炭酸カルシウムを付着させた場合の、付着物の厚さと、超音波による除去率の関係を示す図である。 本発明の実施の一形態としての電力に対する付着物の除去率の関係を示す図である。 本発明の実施の一形態としての、円管に励振させた周波数と振動速度の関係を示す図である。 本発明の実施の一形態として、２０．２ｋＨｚの周波数で円管を励振させた場合の振動速度分布を示す図である。 本発明の実施の一形態として、周波数を２６．３ｋＨｚで励振させた後、周波数を２０．２ｋＨｚで励振させ、その時の大きな方の振動速度を採用し示した図である。

符号の説明

１ 超音波利用の付着物除去装置
２ 縦振動子
３ ホーン
４ ボルト
５ 円管
６ 振動速度分布

Claims (4)

1. 超音波振動を用いた付着物除去装置において、被洗浄体の共振周波数を用いて前記被洗浄体を超音波で励振させ、前記被洗浄体に付着した付着物を気相中で除去することを特徴とする超音波利用の付着物除去装置。
2. 前記超音波の縦振動子を、ホーンを介して前記被洗浄体に固定し、前記被洗浄体にたわみ振動モードを与え、前記被洗浄体に付着した付着物を気相中で除去することを特徴とする請求項１に記載の超音波利用の付着物除去装置。
3. 被洗浄体と共振する２種類以上の超音波振動数を用いて、前記被洗浄体に付着した付着物を気相中で除去することを特徴とする請求項１に記載の超音波利用の付着物除去装置。
4. 超音波振動を用いた付着物除去方法において、被洗浄体の共振周波数で前記被洗浄体を超音波で振動させ、前記被洗浄体に付着した付着物を気相中で除去することを特徴とする超音波利用の付着物除去方法。

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