JP2015098023A - 超音波振動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長尺管材でも、特に各種生産ライン上の配管の洗浄、又は管材内に搬送される液体（もしくは粉体）への超音波振動により混合、分散、及び反応促進等の処理を行うことができる超音波振動装置を提供する。
【解決手段】超音波振動装置は、管材の壁面を振動させる超音波振動装置であって、少なくとも１つの周波数の超音波を発生する振動子と、少なくとも１つの振動子が取り付けられ、該振動子の振動を管材に伝達するように管材の外周面に着脱可能に装着される装着手段と、振動子を駆動する駆動信号を発生するための駆動手段とを備え、駆動手段は、所定の周波数範囲において、接続された前記振動子、装着手段及び管材を含む振動系に応じて、該振動系の共振周波数又はその近くの周波数の駆動信号を発生し振動子を駆動するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、管材の壁面を振動させることにより管材内に搬送される液体（もしくは粉体）又は管材の外側の液体を振動させ、配管の洗浄、液体の混合、分散、及び反応促進等の処理を行う超音波振動装置に関するものである。

従来、管材等の被洗浄体を洗浄する場合、被洗浄体を超音波洗浄槽中に入れて、洗浄槽の底面または側面から超音波を照射して洗浄を行うのが一般的である。

また、本出願人は、管状処理容器と、超音波を発生する振動子と、該振動子が取り付けられ、管状処理容器の外面を挟み込む可能なクランプとを備え、管状処理容器の内部または外部でより均一な超音波音場を形成することでき、液体処理の効率を向上することができる超音波液体処理装置を提案した（特許文献１）。

特開２００５−１９９２５３５号公報

しかしながら、従来の超音波洗浄槽を用いた洗浄方法では、管材等の外表面に付着した異物の剥離洗浄には有効であるが、管内面に付着した異物には不十分である。

特許文献１に開示の超音波液体処理装置は、管状処理容器の内部または外部でより均一な超音波音場を形成することでき、液体処理の効率を向上することができるが、管状処理容器の寸法及び設置状況に応じて、振動系の共振周波数又はその近くの周波数の駆動信号を発生し振動子を駆動することができない場合があるという問題点があった。

また、上述した超音波洗浄方法では、管材等の寸法の制約があるので、長尺の管材、特に各種生産ライン上の配管の洗浄ができない。

そこで、本発明は、管材の寸法及び設置状況に制約されず、特に各種生産ライン上の配管の洗浄、又は管材内に搬送される液体（もしくは粉体）への超音波振動により混合、分散、及び反応促進等の処理を行うことができる超音波振動装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係る超音波振動装置は、管材の壁面を振動させる超音波振動装置であって、少なくとも１つの周波数の超音波を発生する振動子と、少なくとも１つの振動子が取り付けられ、該振動子の振動を管材に伝達するように管材の外周面に着脱可能に装着される装着手段と、振動子を駆動する駆動信号を発生するための駆動手段とを備え、駆動手段は、所定の周波数範囲において、接続された振動子、装着手段及び管材を含む振動系に応じて、該振動系の共振周波数又はその近くの周波数の駆動信号を発生し振動子を駆動するように構成されている。

例えば、駆動手段は、所定の周波数範囲において周波数走査を行い、接続された振動子、装着手段及び管材を含む振動系の共振周波数又はその近くの周波数を検出し、検出した共振周波数又はその近くの周波数の駆動信号を発生し振動子を駆動するように制御する制御手段と、周波数走査のスタート周波数を調整するスタート周波数調整手段とをさらに備えている。これにより、任意長さ及び外径の管材に対して、振動子、装着手段及び管材とを含む振動系の共振周波数に合わせて、周波数走査の範囲を設定することができ、振動系の共振周波数が容易に検出され、駆動手段は安定して、かつ効率良く振動子駆動することができる。

また例えば、駆動手段は、切り替え可能な複数の出力回路と、複数の出力回路のうちいずれかを振動子と接続させる回路切り替え手段とを有し、検出した共振周波数又はその近くの周波数に対応する出力回路を選択可能に構成されている。これにより、振動系特性に応じて最適な出力回路を選択することができ、効率よく管材を振動させることができる。

また例えば、振動子は、振動を伝達するための振動ガイド部材を介して装着手段に取り付けられ、振動ガイド部材は、振動子が発生する振動の振幅を１〜５倍、より好ましくは２〜４倍に増幅して伝達するように構成されている。これにより、必要に応じて振動系の共振周波数及び管材へ伝達させる振幅を変更させることが可能となる。

本発明によれば、管材の寸法及び設置状況に制約されず、各種管材の洗浄、特に各種生産ライン上の配管の洗浄を行うことができ、また、管材内に搬送される液体（もしくは粉体）又は管材の外側の液体を超音波振動させ、混合又は分散等の処理を行うことができる。

本発明の第１の実施形態の超音波振動装置の構成を示す斜視図である。 駆動手段の構成を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態の超音波振動装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態の超音波振動装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態の超音波振動装置の構成を示す図である。 駆動手段の他の構成を概略的に示す図である。 本発明の第５の実施の形態の超音波振動装置の構成を示す図である。

以下、本発明に係る超音波振動装置を実施するための形態を、図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態の超音波振動装置１００の構成を示す図である。本実施形態における超音波振動装置１００は、振動子１０と、装着手段２０と、駆動手段３０と、振動ガイド部材４０とを備えている。振動子１０は装着手段２０を介して管材Ｐに装着されている。

振動子１０は、所定周波数（例えば、２０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ又は４０ｋＨｚ）の基本振動、又はその近くの周波数の振動を発生することができるランジュバン型超音波振動子である。この振動子１０の振動出力端には、装着手段２０又は振動ガイド部材４０に取り付けるための取り付け用ネジ穴が設けられている。振動子１０は駆動手段３０に電気的に接続される。

装着手段２０は、管材の外壁の一部に対応する円孤状凹部を有する二つの取り付け金具２１、２２を備えている。取り付け金具２１、２２は、管材Ｐの外壁に円弧状凹部Ａ１、Ａ２を対向して配置され、ネジで着脱可能に固着されている。取り付け金具２１、２２のすくなくとも一方に振動子１０又は振動ガイド部材４０を取り付けるためのネジ又はネジ穴が設けられている。

駆動手段３０は、振動子１０を駆動する所定の周波数範囲の駆動信号を発生するためのものである。図２に示すように、駆動手段３０は、所定の周波数範囲（例えば、１９〜２１ｋＨｚ、１９〜２６ｋＨｚ、２８〜３２ｋＨｚ、３８〜４２ｋＨｚ、又は１９〜６０ｋＨｚ）において周波数走査を行い、振動子１０と装着手段２０と管材Ｐとを含む振動系の共振周波数又はその近くの周波数を検出し、検出した共振周波数又はその近くの周波数の駆動信号を発生し振動子１０を駆動するように制御する制御手段３１と、周波数走査のスタート周波数を調整するスタート周波数調整手段３２とを有している。また、駆動手段３０は、振動子１０へ電力を供給するための複数の出力回路３３ａ、３３ｂ、３３ｃと、この複数の出力回路３３ａ、３３ｂ、３３ｃのうちいずれかを振動子１０と接続させる回路切り替え手段３４とを有している。装着手段２０と管材Ｐとを含む振動系に応じて、回路切り替え手段３４で振動系に整合した最適な出力回路に切り替えることができる。

振動ガイド部材４０は、振動子１０と装着手段２０との間に装着され、振動子１０から発生した振動を装着手段２０及び管材Ｐに伝達するものである。この振動ガイド部材４０は、振動子１０から発生した振動を、例えば１〜５倍、より好ましくは２〜４倍に増幅して伝達装着手段２０及び管材Ｐに伝達するように構成されている。より大きな振幅を得るために、振動の入力端の面積と出力端の面積が異なる超音波振動を伝達するホーンを用いることができる。なお、振動ガイド部材４０には、冷却用の冷却水ジャケットを設けてもよい。

図３は、本発明の第２の実施形態の超音波振動装置１００Ａの構成を示す図である。図３に示すように、超音波振動装置１００Ａは、振動子１０と、装着手段２０Ａと、駆動手段３０と、振動ガイド部材４０とを備えている。振動子１０は装着手段２０Ａを介して管材Ｐに装着されている。この超音波振動装置１００Ａにおいて、振動子１０、駆動手段３０、及び振動ガイド部材４０は、超音波振動装置１００と同様な構成を有する。詳細な説明を省略する。

装着手段２０Ａは、管材Ｐの外壁の一部に対応する円弧状凹部Ａ１、Ａ２を有する二つの取り付け金具２１Ａ、２２Ａを備えている。取り付け金具２１Ａ、２２Ａは、管材Ｐの外壁に凹部を対向して配置され、ネジ等の締結具によって締め付け、管材Ｐに着脱可能に固着されている。取り付け金具２１Ａ、２２Ａのすくなくとも一方に振動子１０又は振動ガイド部材４０を取り付けるためのネジ又はネジ穴が設けられている。また、装着手段２０Ａは、円弧状凹部Ａ１、Ａ２の外側（両側）にそれぞれ小さい円弧状凹部Ｂ１、Ｂ２が設けられる。これにより、管材Ｐへの振動伝達効率を向上することができる。

上述した実施形態において、装着手段２０又は２０Ａは、管材Ｐの直管部に装着するものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。配管の接続部又は湾曲部、例えば、ジョイント部、エルボ部、バルブ部等の形状に対応する装着手段を用いて振動子を装着するようにしてもよい。図４は、本発明の第３の実施形態の超音波振動装置１００Ｂの構成を示している。超音波振動装置１００Ｂにおいて、装着手段２０Ｂは、配管のエルボ部に装着するものである。これにより、配管ラインにおける管材内面に異物の付着、及び沈殿物の堆積による管内詰まりやすい箇所に対して重点的に超音波振動を与えて、配管内面の洗浄等の効果を向上させることが可能である。

上述したように実施の形態においては、超音波振動装置１００（１００Ａ、１００Ｂ）において、振動子１０と、装着手段２０（２０Ａ、２０Ｂ）と、駆動手段３０と、振動ガイド部材４０とを備えている。振動子１０は装着手段２０（２０Ａ、２０Ｂ）を介して管材Ｐに装着されている。駆動手段３０からの電気信号は振動子１０を駆動し、機械振動に変換され、装着手段２０（２０Ａ、２０Ｂ）を振動させる。

これにより、管材Ｐに簡単に取り付けることができると共に、管材Ｐを効率よく発振させることができる。特に、配管ラインに装着することができるため、既成の生産ラインにおいて、超音波を用いて配管の内面又は外面の洗浄、又は管内通過する液体に対して化学反応の促進、乳化、分散、殺菌等の処理を行うことができる。また、超音波振動により管材内面に異物の付着、及び沈殿物の堆積による管内詰まりを防止することができる。

また、駆動手段３０は、所定の周波数範囲において周波数走査を行い、振動子１０と装着手段２０と管材Ｐとを含む振動系の共振周波数又はその近くの周波数を検出し、検出した共振周波数又はその近くの周波数の駆動信号を発生し振動子１０を駆動するように制御する制御手段３１と、周波数走査のスタート周波数を調整するスタート周波数調整手段３２とを有していることで、各種の管材、及び配管ラインに対応することができ、効率よく振動させることができる。

また、振動子１０は、振動を伝達するための振動ガイド部材４０を介して装着手段２０（２０Ａ、２０Ｂ）に取り付けられ、振動ガイド部材４０は、振動子１０が発生する振動の振幅を１〜５倍に増幅して伝達するように構成されていることで、必要に応じて振動系の共振周波数及び管材へ伝達させる振幅を変更させることができる。

図５は、本発明の第４の実施形態の超音波振動装置１００Ｃの構成を示している。図５に示すように、超音波振動装置１００Ｃは、振動子１０Ｃと、装着手段２０Ｃと、駆動手段３０Ｃとを備えている。振動子１０Ｃは装着手段２０Ｃを介して管材Ｐに装着されている。

振動子１０Ｃは、所定周波数（例えば、２０ｋＨｚ、２５ｋＨｚ、２８ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、４０ｋＨｚ又は８０ｋＨｚ等）の基本振動、又はその近くの周波数の振動を発生することができるランジュバン型超音波振動子（例えば、超音波洗浄機用振動子）である。この振動子１０Ｃは、振動出力端に装着手段２０Ｃに取り付けるための取り付け用ネジ穴が設けられており、取付ネジ及び接着剤（又は接着剤のみ）により装着手段２０Ｃに取り付けられている。また、振動子１０Ｃは駆動手段３０Ｃに電気的に接続される。

装着手段２０Ｃは、管材Ｐの外壁の一部に対応する円弧状凹部を有する二つの取り付け金具２１Ｃ、２２Ｃを備えている。取り付け金具２１Ｃ、２２Ｃは、管材Ｐの外壁に円弧状凹部Ｃ１、Ｃ２を対向して配置され、ネジで着脱可能に固着されている。取り付け金具２１Ｃ、２２Ｃのすくなくとも一方に振動子１０Ｃを取り付けるためのネジ又はネジ穴が設けられている。また、取り付け金具２１Ｃ、２２Ｃの円弧状凹部Ｃ１、Ｃ２と振動子１０Ｃの装着面間の最小厚さＴは、１〜６ｍｍであることが好ましい。より好ましくは、２〜４ｍｍである。この最小厚さは、１ｍｍより少ない場合は、装着手段２０Ｃの強度が弱く、装着する際に振動子１０Ｃの装着面が変形し振動の伝わりに影響する。一方、６ｍｍより厚い場合は、振動の伝わりが悪くなる。さらに、装着手段２０Ｃに取り付けられた振動子１０Ｃを覆うためのカバーを取り付ける取付手段２３Ｃを有する。取付手段２３Ｃとして、カバーを螺合する雄ネジ部を設けてもよい。又は、装着手段２０Ｃに貫通穴を設け、ネジでカバーを取り付けるようにしてもよい。なお、円弧状凹部Ｃ１、Ｃ２の外側（両側）にそれぞれ小さい円弧状凹部（又はスリット）を設けてもよい。これにより、管材Ｐへの振動伝達効率を向上することができる。

駆動手段３０Ｃは、振動子１０Ｃを駆動する所定の周波数範囲において駆動信号を発生することができるものである。駆動手段３０Ｃは、図６に示すように、制御手段３１Ｃと、出力回路３３Ｃとを備えており、所定の周波数範囲（例えば、１９〜２１ｋＨｚ、２３〜２６ｋＨｚ、１２〜２９ｋＨｚ、２８〜３２ｋＨｚ、３８〜４２ｋＨｚ、７８〜８２ｋＨｚ又は１９〜４５ｋＨｚ）の駆動信号を発生することができる。制御手段３１Ｃは、出力回路３３Ｃに接続された振動子１０Ｃ、装着手段２０Ｃ及び管材Ｐを含む振動系に応じて、例えば振動系のインピーダンス等に基づいて、所定の周波数範囲において、該振動系の共振周波数又はその近くの周波数の駆動信号、即ち、振動系に整合した最適な駆動信号を発生するように発振回路を制御し、振動子１０Ｃを駆動するように構成されている。

なお、図７に示すように、装着手段２０Ｃの取り付け金具２１Ｃ、２２Ｃにそれぞれ同じ周波数の振動子１０Ｃを取り付けるようにしてもよい。図７は、本発明の第５の実施形態の超音波振動装置１００Ｄの構成を示している。この場合、より強い超音波振動を得ることができる。また、取り付け金具２１Ｃ、２２Ｃにそれぞれ異なる周波数の振動子１０Ｃを取り付けるようにしてもよい。この場合、より強い超音波振動を得ることができると共に、異なる周波数の超音波で管材内に搬送される液体（もしくは粉体）を振動させ、配管の洗浄、液体の混合、分散、及び反応促進等の処理を行うことができる。

また、管材Ｐと装着手段２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）との間に所定厚さの炭素繊維シート等の繊維層、又は樹脂層（又は樹脂シート）を介在させるようにしてもよい。例えば、管材Ｐと装着手段２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）との間にフッ素樹脂シートを配置すること、又は装着手段２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）の凹部表面にフッ素樹脂をコーテイングすることにより管材Ｐと装着手段２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）とは直接接触することがなく、管材Ｐと装着手段２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）と間の摩擦による傷の発生を防止することができる。

また、上述した実施の形態においては、管材Ｐは断面が円形の管材の例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。断面が非円形の管材も本発明を適用できる。なお、振動子１０Ｃは、複数の周波数の振動を発生することができるものを用いてもよい。この場合、必要に応じて所望の超音波の周波数を発生させることができる。

また、管材Ｐの長さ方向に所定間隔で複数の装着手段２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）を配置するようにしてもよい。この場合、複数の装着手段２０にそれぞれ同じ周波数（又は異なる周波数）の振動子１０を取り付けることで、より広い範囲で発振させることができ、超音波処理を行うことができる。また、異なる周波数の振動子を取り付ける場合は、必要に応じて異なる位置に異なる周波数の振動を与えることが可能である。例えば、液体の混合・分散処理において、上流側に比較的に低い周波数を用いて粗い混合・分散をし、下流側に高い周波数を用いて細かい混合・分散をすることができる。

さらに、上述した実施の形態において、装着手段２０、２０Ａ、２０Ｂ又は２０Ｃは、ネジ等の締結具によって締め付ける構成を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ネジを用いずに、２つの金属製ステーをピボット（軸）で結合し、自由に開閉できる構造で、管材Ｐ外周の対向する方向から挟むような構成にしてもよい。

この発明は、超音波を用いて配管の内面又は外面の洗浄、又は管内通過する液体に対して化学反応の促進、乳化、分散、殺菌等の処理を行う目的、及び超音波振動により管材内面に異物の付着、及び沈殿物の堆積による管内詰まりを防止する目的に利用できる。

１０、１０Ｃ 振動子
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 装着手段
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ 取り付け金具
３０、３０Ｃ 駆動手段
４０ 振動ガイド部材
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ 超音波振動装置

Claims (4)

1. 管材の壁面を振動させる超音波振動装置であって、
   少なくとも１つの周波数の超音波を発生する振動子と、
   少なくとも１つの前記振動子が取り付けられ、該振動子の振動を前記管材に伝達するように前記管材の外周面に着脱可能に装着される装着手段と、
   前記振動子を駆動する駆動信号を発生するための駆動手段とを備え、
   前記駆動手段は、所定の周波数範囲において、接続された前記振動子、前記装着手段及び前記管材を含む振動系に応じて、該振動系の共振周波数又はその近くの周波数の駆動信号を発生し前記振動子を駆動するように構成されていることを特徴とする超音波振動装置。
2. 前記駆動手段は、所定の周波数範囲において周波数走査を行い、接続された前記振動子、前記装着手段及び前記管材を含む振動系の共振周波数又はその近くの周波数を検出し、検出した共振周波数又はその近くの周波数の駆動信号を発生し前記振動子を駆動するように制御する制御手段と、前記周波数走査のスタート周波数を調整するスタート周波数調整手段とをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動装置。
3. 前記駆動手段は、切り替え可能な複数の出力回路と、前記複数の出力回路のうちいずれかを前記振動子と接続させる回路切り替え手段とを有し、検出した共振周波数又はその近くの周波数に対応する前記出力回路を選択可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波振動装置。
4. 前記振動子は、振動を伝達するための振動ガイド部材を介して前記装着手段に取り付けられ、
   前記振動ガイド部材は、前記振動子が発生する振動の振幅を１〜５倍、より好ましくは２〜４倍に増幅して伝達す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３のいずれか１項に記載の超音波振動装置。

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