JP2016515469A - 超音波を用いて容器及びパイプを洗浄するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

内部表面に堆積物を有する容器を洗浄する方法は、超音波トランスデューサを容器の外壁に取り外し可能に接合し、超音波エネルギーの少なくとも一部が内部表面に伝達するように、超音波トランスデューサを用いて、容器の壁部に結合する超音波エネルギーを生成することを含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年３月１５日に出願された米国仮出願番号６１／７８７，２３８号に基づき、その優先権を主張するものであり、この出願の全内容は参照により本明細書に組み入れられる。

本発明は、パイプ、容器、又は、産業システムにおける他の構成部品の表面に蓄積する堆積物を清掃（又は当該堆積物の形成を防止）するための、超音波トランスデューサによって生成される音響エネルギーの使用に関する。より具体的には、本発明は、こうしたパイプ、容器、又は、他の構成部品に対する、トランスデューサ及び構成部品間の非永久的な接合（non-permanent bonding）を用いた超音波エネルギーの適用に関する。

産業用システムにおいて液体及び／又は蒸気を含み及び運搬するために用いられる容器、配管、及び、構成部品は、しばしば、化学的沈殿、腐食、沸騰／蒸発、微粒子の沈殿、及び、他の堆積メカニズム等のプロセスを介して形成される堆積物が蓄積してしまう対象となる。こうした堆積物の蓄積は、広い範囲で有害な影響を及ぼし得る。当該有害な影響は、熱伝達効率の低下、流路の閉塞、フローストリーム又は人々の化学的な又は放射性の汚染、等が含まれる。従って、容器又は配管が配置されたシステムに対する中断を最小限にしつつ（例えば、時間の消費及び高価なメンテナンス作業を避けること、システムの停止時間を減らすこと、等）、こうした堆積物を効果的に除去及び／又は防止することは、多くの産業用設備のオペレータにとって、しばしば優先される。

このように堆積物によって有害な影響を与えている一つの適用例は、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）発電プラントの運転中に生成される放射性液体廃棄物の処理に関するものである。ＰＷＲプラントのオペレータは、一般に、この液体廃棄物を固体形状に処理することを望む。固体廃棄物を生成する方法は、（例えば、米国特許番号４，８３２，８７４に記載された方法に従う）アスファルト固化、及び、（例えば、Ｋａｎｅｋｏ， ｅｔ ａｌ．［１］に従う）セメント固化を含む。これらの処理の主要な目的は、安定した固定形状−元の液体よりも小さい体積を要する−を、安全な貯蔵及び／又は処分を容易にする手段として実現することである。

ＰＷＲ廃棄物の固化処理における減容は、廃棄物のストリームから水を除去し、分離された固体廃棄物を更に処理できるようにする手段としてのワイプフィルムエバポレータ（wiped-film evaporator）の使用をしばしば伴う。典型的なワイプフィルムエバポレータは、ａ）垂直方向に軸を有する筒状容器；ｂ）容器を囲むシェルから成り、容器とシェルの間の環状の領域を形成する加熱ジャケット；ｃ）容器の上部に接続された液体廃棄物フィードパイプ；ｄ）容器の軸に合わせられた中央回転シャフト；ｅ）中央回転シャフトに取り付けられた一連のワイパーブレード；ｆ）容器の上端に配置され、廃棄物のストリームからの水蒸気を容器から出す蒸気抽出パイプ；及びｇ）容器の底に配置された固体廃棄物出口パイプ、を含む。

ワイプフィルムエバポレータを動作させる基本的な工程は、以下の手順として説明することができる。１）液体ＰＷＲ廃棄物が廃棄物フィードパイプを介してエバポレータに入る；２）この入ってくる廃棄物のストリームが、中央回転シャフトに接触し、シャフトの回転動作を介して容器の内壁に案内されると、重力の作用により下降する；３）容器の内壁が、加熱ジャケット内に含まれる加圧された蒸気又はオイルとの接触を介して加熱される；４）液体廃棄物が、下降するに従って容器の内壁への接触によって同様に加熱される；５）液体廃棄物がその沸点に到達し、蒸気（この時点で容器を介して上昇する）、及び、固体廃棄物の堆積物（容器の内壁に蓄積する）の両方を生成する；及び６）ワイパーブレード（中央回転シャフトに取り付けられている）が、容器の壁に蓄積している固体廃棄物の堆積物を遊離させ、これらが重力の作用によって容器の底まで下降し、その後、更なる処理のために、廃棄物出口パイプを介して容器から出るようにする。

その本質的な機能−沸騰を介して固体を生成する−の性質に起因して、ＰＷＲ液体廃棄物を処理する際に用いられるワイプフィルムエバポレータが、容器の内壁に加え、様々な内部構成部品の表面上に堆積廃棄物が過剰に蓄積され得ることは、一部のオペレータによって認識されている。これらの堆積物は、エバポレータの伝熱特性に有害な影響を与え、流路を妨害し、また、エバポレータ並びに接続された配管及び装置が適切に機能することを妨げ得る。

従って、これらの堆積物を取り除くための何らかの手段が必要とされている。一つの方法は、工具を用いて手作業で、影響を受けている表面から堆積物を取り除いた後に、エバポレータを部分的に分解することによって構成される。しかしながら、この方法は、高コストとなり、エバポレータの構成部品の表面から移動する放射性の堆積物に汚染するという増大したリスクに、作業者を曝してしまう傾向にある。第２の方法は、ウォーターランシング（water lancing）技術の使用に関するものである。しかしながら、このアプローチは、典型的には、エバポレータが労働集約型の作業から離れて清掃されることを要し、洗浄用の水の汚染に起因して更なる液体廃棄物を生成し、人々が（例えば、エアゾール剤の生成を介して）汚染するリスクを増大させ、及び、潜在的に設備の停止時間を増大させる。ウォーターランシングの有効性は、また、ウォーターランシングジェット（water lancing jets）がラインオブサイトアクセス（line-of-sight access）を有するこれらのエバポレータの表面に限定されてしまう。

ラインオブサイトの制約、及び、人々の汚染リスクを克服する可能性を有する一つの方法は、超音波洗浄技術の使用である。超音波トランスデューサは、様々な適用例において、表面から不要な堆積物を効率的に取り除くための手段として、長年の間、使用されている。多くの場合、これらの適用例は、液体の媒体内に浸された超音波トランスデューサの使用に関するものであり、トランスデューサから液体の媒体へと音響エネルギーが伝達され、その後、液体の媒体から堆積物を含む構成部品の表面へと伝達されるものである。このアプローチの例は、米国特許番号４，２４４，７４９、４，３２０，５２８、６，２９０，７７８、及び、これらにおいて引用されている文献の多くに記載されている方法及び装置に従うシェルアンドチューブ型熱交換器等の熱交換器の洗浄を含む。音響エネルギーを対象となる表面に直接に伝達するために液体の媒体を使用する超音波洗浄技術の他の例は、金属部品の洗浄（例えば、日本国公開公報番号４−２９８２７４（Ａ））、及び、パイプからの有機膜の除去（例えば、日本国公開公報番号７−１９８２８６）等の他の産業用構成部品又はプロセスに関係する適用例を含む。

多くの適用例（液体ＰＷＲ廃棄物を処理するための上述したワイプフィルムエバポレータを例として含む）において、容器又はパイプの内部表面は、従来の超音波洗浄システムを設置するために容易にアクセスすることができず、超音波トランスデューサからの音響エネルギーを容器又はパイプ内の液体の媒体を介して直接に伝達すること（及び、その後、堆積物を含む表面に伝達して洗浄すること）を困難及び／又は非実用的なものとしてしまう。また、ワイプフィルムエバポレータに関連して先に述べたように、システムの運転中における洗浄（即ち、「オンライン洗浄」）は、設備の停止時間の最小化が要求され、音響エネルギーを液体の媒体に伝達し、その後、ワイプフィルムエバポレータの容器等の容器内の堆積物を含む表面に伝達するトランスデューサの配置を困難又は非実用的なものとしてしまう。更に、容器内の流体は、二相（蒸気及び液体）であり得、容器内に配置されたトランスデューサから対象の表面に音響エネルギーを伝達することを困難にしてしまう。

先行技術は、容器、パイプ又は構成部品の表面の外側にある超音波トランスデューサの使用が、オンライン洗浄の適用例における選択肢であることを教示している。具体的には、米国特許番号４，７６２，６６８は、パイプ内に設置されたベンチュリフローノズルのオンライン洗浄のための超音波装置を開示する。この特許は、多数の超音波トランスデューサをパイプの外側表面上に設置することを開示しており、（パイプ内に同心円状に配置された）ベンチュリノズルの外側表面にバネ荷重を介して接触するように配置された超音波トランスデューサの各々に共振器を伴っている。

外側のトランスデューサの使用に関係する先行技術の第２の例は、日本国特許公開公報番号２００５−１９９２５３であり、（パイプ等の）筒状の容器内に含まれる液体内に均一な音場を生成可能な外付け超音波トランスデューサに関係し、これにより、筒状の容器内の液処理（例えば、乳化、化学反応、廃水処理）の効率を向上させる発明を開示する。この発明は、ネジ又はボルト等のネジ接続によって締められるクランプを用いた、パイプに対する超音波トランスデューサの取付具を開示する。

米国特許番号４，７６２，６６８及び日本国特許公開公報番号２００５−１９９２５３の両方に記載されている発明は、トランスデューサの共振器と、超音波が伝達される構成部品の外壁との間の表面対表面の接触（surface-to-surface contact）に依拠している。入念に研磨された表面であっても本来的に有する凹凸に起因して、共振器と構成部品との間の実際の接触領域は、典型的には非常に小さく、超音波エネルギーが対象の構成部品に伝達される効率性を制限してしまう。また、接触する表面間の摩擦により熱が生じ、伝達効率を更に制限してしまう。こうした伝達効率の低減は、超音波トランスデューサに対するエネルギーの追加入力を必要とし、特に、構成部品の壁が厚い場合には、超音波のソリューションを潜在的に非実用的なものとしてしまう。更に、超音波エネルギーの伝達のための表面対表面の接触に対する信頼性は、トランスデューサ／構成部品システムの力学的特性を予測不可能に変更し得る。こうした予測不可能性は、超音波の適用によって対象の構成部品において誘発される応力を、構成部品の長期間の完全性を確保するために制限しなければならない適用例において、問題となり得る。この点は、多くの材料が疲労限度（即ち、構成部品が疲労破壊に至らずに無限数の繰り返し荷重が適用され得る応力状態）を表さないことを示した最近の研究を考慮すると、典型的には重要となる（Ｋａｚｙｍｙｒｏｖｙｃｈ，［２］参照）。

ネジ接合（例えば、ボルト）等の、トランスデューサ共振器を外壁に取り付ける他の方法の一部もまた、表面対表面の接触に依拠し、従って、伝達効率の低減を伴う同じ問題を生じる。また、こうした方法は、取付を容易にするために、容器又は構成部品の外壁に対する永久的な改修が必要となる。

超音波エネルギーを伝達する手段としての表面対表面の接触に関係する制限を克服するための既存の方法は、溶接及びろう付けを含む。１９５０年代及び１９６０年代における超音波エネルギーを生成する磁歪材料の開発は、溶接又はろう付けにより、トランスデューサを対象の表面に接合させるという適用例をもたらした。しかしながら、一定の適用例において、これらの取付方法は、対象の構成部品に対する非常に大きな入熱を必要とし、このことは、構成部品の冶金特性 、応力状態、及び／又は、寸法を変更し得る。こうした変化は、一定の適用例、例えば、溶接によって誘発される応力場の変化が、コスト的な分析、及び／又は、検査技術を介して許容可能なものとして資格を得なければならない適用例においては望ましくない。他の適用例において、溶接又はろう付けによって誘発される幾何学的な歪みは、干渉をもたらし、そうでなくとも設備を機能しない状態としてしまう。また、特に溶接の使用は、トランスデューサを取り除くためには構成部品に対する大きな改修を行わなければならないという意味で、トランスデューサの設置を永久的なものとしてしまう。最後に、産業用部品に対する溶接による改修の使用は、しばしば、広範囲の現場手続き、並びに、時間及びコストがかかるオペレータ及び／又は構成部品ベンダーによる承認プロセスを伴ってしまう。

表面対表面の接触の制限を克服する他の代替的な方法は、従来の接着剤の使用である。
こうした接着剤は、様々な適用例において、超音波トランスデューサを設置するために使用される。しかしながら、これらの接着剤は、接着剤の力学的な材料特性（比較的低い構造的な剛性を含む）、振動に曝された後におけるこれらの特性の長期間の変化、及び／又は、接着剤材料に関する温度制限に起因して、外側にトランスデューサを設置する必要がある全ての適用例にとって、好適とは言えない。

本発明の実施形態の態様は、１又は複数の超音波トランスデューサ（圧電セラミック能動素子を有するものを含むが、これに限定されない）を、構成部品の壁部を介して音響エネルギーを伝達可能な非永久的手段を用いて構成部品の外部表面に接合するための方法を含み、これにより、構成部品の壁部の振動と、構成部品の壁部の反対側における液体内のキャビテーションとの両方を誘発し、非永久的な接合がない表面対表面の接触を用いる場合よりも効率的である。本発明に関する非永久的な接合方法は、入熱、幾何学的な歪み、或いは、溶接又はろう付けに関係する応力状態の変化なしに、設定及び取外しされ得る。

本発明の実施に用いられ得る方法の実施形態を、次の添付図面を参照しつつ以下に説明する。

図１は、ワイプフィルムエバポレータに関係する容器等の容器に適用された本発明に従う実施形態を例示する。

図２は、液体の廃棄物ストリームから固体の廃棄物品を分離するために用いられる典型的なワイプフィルムエバポレータを例示する。

なお、これらの図は、本発明の実施形態に関する一般的な特徴を例示し、これにより以下に提供する明細書を補足することを意図している。しかしながら、これらの図は、正確な寸法で記載されておらず、実施形態の特徴を必ずしも正確には反映しておらず、本発明の範囲に含まれる実施形態の値又は特性の範囲を定義又は限定するものとして解釈すべきでない。

図１は、本発明の態様に従う一実施形態を例示する。この図は、非永久的接合部（non-permanent bond）３を用いて容器壁部１に接続された超音波トランスデューサの共振器２を示す。また、非永久的接合部３に容器壁部１に対する圧縮荷重を適用する構造的支持部５が示されている。能動トランスデューサ素子４及び超音波信号コネクション６もまた、この実施形態において例示されている。非永久的接合部３は、トランスデューサから容器内への超音波エネルギーの伝達を可能とする十分な結合を提供するために選択され得る。更に、接合部は、容器壁部に対する大きな損傷なしに取り外し可能となるように選択され得る。この点に関し、接合部は、容器壁部よりも構造的に弱い材料から形成することができ、選択的に壊れ易いようにすることができる。

本発明の１又は複数の実施形態は、超音波トランスデューサを利用し、当該トランスデューサは、（１０ｋＨｚから１４０ｋＨｚ又はそれ以上までの間の周波数で動作する）圧電セラミック能動素子を有するものを含むが、これに限定されない。トランスデューサは、可変の周波数及び／又は周波数範囲（即ち、単一バンド信号ではなく、広帯域又狭帯域）を生成するように構成及び配置され得る。

本発明の１又は複数の実施形態は、ワイプフィルムエバポレータ等の対象のシステムの動作温度まで高められた温度で使用することができ、一部の場合においては、当該動作温度を超える温度で使用することができる（例えば、１００℃を超える温度）。

本発明の１又は複数の実施形態は、厚い壁部を有する構成部品（例えば、少なくとも１０ｍｍ）を介して音響エネルギーを効率的に伝達するために用いることができる。

本発明の１又は複数の実施形態において、非永久的な接合方法の効能及び／又は信頼性は、接合部の継続的な圧縮荷重により強化され得る。こうした荷重は、トランスデューサを容器の表面に偏らせ、これにより接合部を圧縮するように構成及び配置された取付具、アクチュエータ、及び／又は、他の構造的な構成部品を介して生成することができる。

本発明の１又は複数の実施形態において、複数の超音波トランスデューサを、容器又は構成部品上の単一システムとして配置することができる。複数のトランスデューサは、独立した周波数及び／又は電力で動作することができ、共同して駆動されるようにすることができ、及び／又は、強めあう及び／又は弱めあう対象とされる干渉効果を生成するパラメトリックアレイとして使用することができる。

本発明の１又は複数の実施形態は、システムオペレータによる人手を介さずに、継続的に又は断続的に動作し得る。実施形態において、洗浄プロセスは、システム又は容器が使用されている状態で実行され、代替的な手法においては、運転の休止中に実行され得る。

本発明の実施形態は、液体ＰＷＲ廃棄物の処理に用いられるワイプフィルムエバポレータの容器に適用され得る。典型的なワイプフィルムエバポレータが図２に示されており、筒状容器１０、加熱ジャケット１２、液体廃棄物フィードパイプ１３、中央回転シャフト１４、ワイパーブレード１５、蒸気抽出パイプ１６、及び、固体廃棄物出口パイプ１７を含む。しかしながら、本発明の適用は、ワイプフィルムエバポレータに限定されない。当業者は、様々な容器、配管、並びに、発電及び化学プロセス産業に関係する分類された産業用の適用例における構成部品を用いた本発明の潜在的な使用を、認識する。

本発明の実施形態は、フランジ継ぎ手等、対象となる容器の外面上の既存構造からの非永久的な構造支持を伴うことができる。
参考文献
1. Kaneko, M., M. Toyohara, T. Satoh, T. Noda, N. Suzuki, and N. Sasaki, “Development of High Volume Reduction and Cement Solidification Technique for PWR Concentrated Waste,” paper presented at the Waste Management ’01 Conference held in Tucson, AZ, February 25-March 1, 2001.
2. Kazymyrovych, V., Very High Cycle Fatigue of Engineering Materials, Karlstad, Sweden: Karlstad University Studies, 2009. ISBN 978-91-7063-246-4.

Claims (14)

1. 内部表面に堆積物を有する容器を洗浄する方法であって、
   超音波トランスデューサを前記容器の外壁に取り外し可能に接合し、
   超音波エネルギーの少なくとも一部が前記内部表面に伝達するように、前記超音波トランスデューサを用いて、前記容器の壁部に結合する前記超音波エネルギーを生成する、
   方法。
2. 前記超音波エネルギーの前記伝達される部分は、前記堆積物の少なくとも一部を除去するのに十分な時間及び出力密度で適用される請求項１の方法。
3. 前記堆積物の少なくとも５０％が除去される請求項２の方法。
4. 前記超音波エネルギーは、１０ｋＨｚから１４０ｋＨｚまでの周波数範囲内にある請求項１の方法。
5. 前記取り外し可能に接合することは、前記容器の前記外壁の材料よりも構造的に弱い材料を用いて、前記超音波トランスデューサを前記容器に接合することを含む請求項１の方法。
6. 前記取り外し可能に接合することは、幾何学的な歪み、又は、前記外壁の応力状態の変化なしに、設置及び取り外し可能となるように選択された材料を用いて、前記超音波トランスデューサを前記容器に接合することを含む請求項１の方法。
7. 内部表面に堆積物を有する容器を洗浄するシステムであって、
   前記容器の外壁に取り外し可能に接合された超音波トランスデューサと、
   超音波エネルギーの少なくとも一部が前記内部表面に伝達するように、前記超音波トランスデューサに、前記容器の壁部に結合する前記超音波エネルギーを生成させるように構成及び配置されたコントローラと、
   を備えるシステム。
8. 前記トランスデューサ及びコントローラは、１０ｋＨｚから１４０ｋＨｚまでの周波数範囲内にある前記超音波エネルギーを生成するように構成及び配置されている請求項７のシステム。
9. 前記超音波トランスデューサは、前記容器の前記外壁の材料よりも構造的に弱い接合材料を用いて、前記容器の前記外壁に取り外し可能に接合されている請求項７のシステム。
10. 前記超音波トランスデューサは、幾何学的な歪み、又は、前記外壁の応力状態の変化なしに、設置及び取り外し可能となるように選択された接合材料を用いて、前記容器の前記外壁に取り外し可能に接合されている請求項７のシステム。
11. 内部表面に堆積物を有する容器を洗浄するシステムであって、
    超音波トランスデューサと、
    前記超音波トランスデューサと前記容器の外壁との間の取り外し可能な接合を、使用状態において提供するように選択された取り外し可能な接合材料と、
    前記超音波トランスデューサに動作可能に接続されているコントローラであって、超音波エネルギーの少なくとも一部が前記内部表面に伝達するように、前記超音波トランスデューサに、前記容器の壁部に結合する前記超音波エネルギーを、使用状態において生成させるように構成及び配置された前記コントローラと、
    を備えるシステム。
12. 前記トランスデューサ及びコントローラは、１０ｋＨｚから１４０ｋＨｚまでの周波数範囲内にある前記超音波エネルギーを生成するように構成及び配置されている請求項１１のシステム。
13. 前記超音波トランスデューサは、前記容器の前記外壁の材料よりも構造的に弱い接合材料を用いて、前記容器の前記外壁に取り外し可能に接合されている請求項１１のシステム。
14. 前記超音波トランスデューサは、幾何学的な歪み、又は、前記外壁の応力状態の変化なしに、設置及び取り外し可能となるように選択された接合材料を用いて、前記容器の前記外壁に取り外し可能に接合されている請求項１１のシステム。

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