JP2017109145A - Particle separation method and particle separation device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a particle separation method which can relax applicable conditions.SOLUTION: A particle separation method includes: a step S3 of making water 3 generate air as air bubbles B by irradiation with ultrasonic waves based on a first condition, and keeping a mixed particle group GA containing a first particle P1 and a second particle P2; a step S4 of stopping keeping of the mixed particle group GA by irradiation with ultrasonic waves based on a second condition; and a step S5 of making water 3 generate air as air bubbles B by irradiation with ultrasonic waves based on a third condition, keeping a first particle group G1 containing the first particle P1 at a first antinode position VB1 of the ultrasonic waves, and keeping a second particle group G2 containing the second particle P2 at a second antinode position VB2 of the ultrasonic waves.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、液体に含まれた互いに異なる粒子同士を分離するための粒子分離方法及び粒子分離装置に関する。   The present invention relates to a particle separation method and a particle separation apparatus for separating different particles contained in a liquid.

固体粒子同士をその特性によって分離するプロセスは、固固分離プロセスと呼ばれる(非特許文献1参照)。固固分離プロセスには、例えば、分級、重選、比重選別、及び磁選などが知られている。分級は、流体中における粒子運動の差を利用してそれらの大きさごとに粒子を分離する。重選は、密度の異なる2種類の粒子を、それらの密度の中間値を有する液体を利用して分離する。比重選別は、密度の差に起因して生じる沈降速度を利用して分離する。磁選は、磁界内に配置された粒子に作用する磁力を利用して粒子を分離する。   The process of separating solid particles according to their characteristics is called a solid-solid separation process (see Non-Patent Document 1). As solid-solid separation processes, for example, classification, multiple selection, specific gravity selection, magnetic selection, and the like are known. Classification uses the difference in particle motion in the fluid to separate the particles by their size. In the double selection, two types of particles having different densities are separated by using a liquid having an intermediate value of the densities. Specific gravity sorting uses the sedimentation velocity caused by the difference in density for separation. In magnetic separation, particles are separated using a magnetic force acting on particles arranged in a magnetic field.

また、固液混合物を固形成分と液体成分とに分離するプロセスは、固液分離プロセスと呼ばれる(非特許文献2参照)。固液分離プロセスには、例えば、沈降分離、濾過及び遠心分離などが知られている。沈降分離は、液体中に懸濁している粒子の沈降現象を利用する。濾過は、濾材を利用して、液体中に懸濁している不溶解物質を補足粒子と濾液とに分離する。遠心分離は、遠心力を利用して粒子を分離する。   Moreover, the process which isolate | separates a solid-liquid mixture into a solid component and a liquid component is called a solid-liquid separation process (refer nonpatent literature 2). Known solid-liquid separation processes include, for example, sedimentation separation, filtration and centrifugation. Sedimentation separation utilizes the sedimentation phenomenon of particles suspended in a liquid. Filtration uses a filter medium to separate insoluble substances suspended in the liquid into supplemental particles and filtrate. Centrifugation separates particles using centrifugal force.

また、これらの方法に対して、化学薬品等を添加する操作を加えることで、分離の促進や精度及び効率を向上させる技術も知られている。   In addition, a technique for promoting separation and improving accuracy and efficiency by adding an operation of adding a chemical or the like to these methods is also known.

日刊工業新聞社液相中の粒子分散・凝集と分離操作 粉体工学会編 4章Nikkan Kogyo Shimbun, Ltd. Particle Dispersion / Agglomeration and Separation in Liquid Phase Chapter 4 日刊工業新聞社気相中の粒子分散・凝集と分離操作 粉体工学会編 5〜7章Nikkan Kogyo Shimbun, Ltd. Particle Dispersion / Agglomeration and Separation Operation in the Gas Phase Chapter 5-7 Mitome, H., 2001. Micro-bubble and sonoluminescence. Jpn. J. Appl.Phys.40, 3484−3487.Mitome, H., 2001. Micro-bubble and sonoluminescence. Jpn. J. Appl. Phys. 40, 3484-3487.

しかしながら、上述した種々の分離技術は、その利用に際して適用条件が課せられる。   However, application conditions are imposed on the various separation techniques described above.

例えば、沈降分離は、粒子の密度と液体の密度の差による粒子の沈降もしくは浮上を利用する。従って、粒子と液体の密度差が小さい場合には、粒子を分離することが難しい。一例として、ポリスチレン粒子(密度:1.05g/cm)と水(密度:0.998g/cm)では、密度差が小さいので、沈降分離によって水とポリスチレン粒子とを分離することは難しい。また、沈降分離では、同一密度で径の異なる粒子に関して、粒子径で分級することも難しい。 For example, sedimentation separation utilizes sedimentation or flotation of particles due to the difference between particle density and liquid density. Therefore, when the density difference between the particles and the liquid is small, it is difficult to separate the particles. As an example, since the density difference is small between polystyrene particles (density: 1.05 g / cm 3 ) and water (density: 0.998 g / cm 3 ), it is difficult to separate water and polystyrene particles by sedimentation separation. In sedimentation separation, it is also difficult to classify particles having the same density and different diameters by particle diameter.

分離膜及び濾過は、膜を通過する際に膜の目地より大きい粒子を捕獲して液体と粒子とを分離する。また、目地の大きさを適宜選択することにより、粒子径の異なる粒子同士を分離することもできる。しかし、粒子を含む液体が膜を通過する度に粒子が膜に残って堆積していくので、膜の定期的なメンテナンスが必要である。   Separation membranes and filtration capture particles larger than the joints of the membrane as they pass through the membrane to separate the liquid and particles. Moreover, the particle | grains from which particle diameter differs can also be isolate | separated by selecting suitably the magnitude | size of a joint. However, every time a liquid containing particles passes through the film, the particles remain on the film and accumulate, so that periodic maintenance of the film is necessary.

遠心分離は、遠心力を利用する。そのため、遠心式分離装置では装置が大型になることや、密度が異なる粒子の分離には不適である。   Centrifugation uses centrifugal force. For this reason, the centrifugal separator is not suitable for a large apparatus or for separation of particles having different densities.

また、分離プロセスに超音波を利用する技術も知られている(非特許文献3)。超音波を利用する分離技術は、主にメガヘルツ帯の超音波を使用し、超音波によって形成される定在波とその音響放射力によって粒子を分離する。従って、超音波がメガヘルツ帯である場合には定在波の波長が短くなるので、粒子の分離対象がマイクロメートル以下になってしまう。また、超音波がメガヘルツ帯である場合には、液体との密度が異なる粒子が分離対象となる。   A technique using ultrasonic waves for the separation process is also known (Non-Patent Document 3). Separation technology using ultrasonic waves mainly uses ultrasonic waves in the megahertz band, and separates particles by standing waves formed by the ultrasonic waves and their acoustic radiation force. Therefore, when the ultrasonic wave is in the megahertz band, the wavelength of the standing wave is shortened, so that the separation target of particles becomes less than a micrometer. In addition, when the ultrasonic wave is in the megahertz band, particles having a density different from that of the liquid are to be separated.

従って、上述した分離技術は、それぞれの技術に応じて適用可能な条件を有する。従って、分離対象である粒子の性質や粒子を含む液体の性質によって分離技術を選択する必要がある。そこで、当該技術の分野では、分離技術の使用時に課せられる適用条件を緩和し、使いやすい分離技術が望まれていた。   Therefore, the separation techniques described above have conditions that can be applied according to each technique. Therefore, it is necessary to select a separation technique according to the properties of the particles to be separated and the properties of the liquid containing the particles. Therefore, in the field of the technology, there has been a demand for an easy-to-use separation technique that eases the application conditions imposed when using the separation technique.

そこで、本発明は、適用可能な対象の条件を緩和できる粒子分離方法及び粒子分離装置を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the particle | grain separation method and particle | grain separation apparatus which can ease the conditions of applicable object.

本発明の一形態は、溶存ガスを含む液体に含まれた第1粒子と第2粒子とを分離する粒子分離方法であって、液体に対して第1条件に基づく超音波を照射することにより、液体中に溶存ガスを気泡として発生させると共に、気泡が付着した第1粒子及び第2粒子を超音波の腹に集合させる第1凝集力を発生させて、気泡が付着した第1粒子及び第2粒子を含む混合粒子群を維持する第1ステップと、第1ステップの後、液体に対して第2条件に基づく超音波を照射することにより、第1凝集力よりも弱い第2凝集力を発生させて、混合粒子群の維持を停止する第2ステップと、第2ステップの後、液体に対して第3条件に基づく超音波を照射することにより、液体中に溶存ガスを気泡として発生させると共に、第1凝集力よりも弱く、且つ、第2凝集力よりも強い第3凝集力を発生させて、気泡が付着した第1粒子を含む第1粒子群を超音波の第1腹位置において維持し、気泡が付着した第2粒子を含む第2粒子群を超音波の第2腹位置において維持する第3ステップと、を含む。   One aspect of the present invention is a particle separation method for separating first particles and second particles contained in a liquid containing dissolved gas, by irradiating the liquid with ultrasonic waves based on the first condition. Generating a dissolved gas in the liquid as bubbles, and generating a first cohesive force for collecting the first particles and the second particles to which the bubbles are attached to the antinodes of the ultrasonic waves, so that the first particles and the bubbles to which the bubbles are attached A first step of maintaining a mixed particle group including two particles, and after the first step, by irradiating the liquid with ultrasonic waves based on the second condition, a second cohesive force weaker than the first cohesive force is obtained. A second step of generating and stopping the maintenance of the mixed particle group, and after the second step, the liquid is irradiated with ultrasonic waves based on the third condition, thereby generating dissolved gas as bubbles in the liquid. And weaker than the first cohesive force, and The third cohesive force stronger than the second cohesive force is generated to maintain the first particle group including the first particles to which the bubbles are attached at the first antinode position of the ultrasonic wave, and the second particles including the second particles to which the bubbles are attached. And a third step of maintaining the two particle groups at the second antinode position of the ultrasonic wave.

この方法によれば、まず、第1ステップにおいて液体に対して第1条件に基づく超音波を照射する。この超音波の照射により、液体中に気泡が発生する。次に、この気泡に超音波が作用すると、気泡に第1凝集力が生じる。この第1凝集力によって、気泡が超音波の腹に集められる。ここで、気泡が超音波の腹に向かって移動するとき、気泡は第1粒子又は第2粒子に付着する。また、第1粒子又は第2粒子の表面に直接に気泡が発生することもある。気泡は第1凝集力によって超音波の腹に集まるので、気泡が付着した第1粒子又は第2粒子も気泡とともに超音波の腹に集まり、混合粒子群を形成する。次に、第2ステップにおいて、第2条件に基づく超音波を液体に照射する。第2条件に基づく超音波による第2凝集力は第1凝集力より弱い。従って、第1粒子及び第2粒子は重力に抗して粒子群を維持できなくなり、それぞれの粒子の特性に応じて沈降を始める。このとき、液体に照射される超音波はゼロではないので、液体中には僅かながら気泡が存在する。次に、第3ステップにおいて、第3条件に基づく超音波を液体に照射する。第3条件に基づく超音波による第3凝集力は第1凝集力より弱いが、第2凝集力より強い。沈降中の第1粒子及び第2粒子には再び群を形成するに足りる力が作用する。そして、沈降中の第1粒子及び第2粒子はそれぞれの特性に対応して沈降する速度が異なる。従って、第3凝集力が作用した場合には、それぞれの位置に近い超音波の腹の位置に再び群を維持する。従って、第1粒子は第1腹位置に集められ、第2粒子は第2腹位置に集められるので、第1粒子と第2粒子とが分離される。従って、粒子分離方法は、液体中に生じさせた気泡に超音波が作用して生じる力を利用するものであるので、分離対象である第1粒子及び第2粒子の特性や液体特性の影響を受け難い。従って、本発明の粒子分離方法は、適用可能な対象の条件を緩和できる。   According to this method, first, in the first step, the liquid is irradiated with ultrasonic waves based on the first condition. Bubbles are generated in the liquid by the irradiation of the ultrasonic waves. Next, when an ultrasonic wave acts on the bubbles, a first cohesive force is generated in the bubbles. Due to the first cohesive force, bubbles are collected on the antinode of the ultrasonic wave. Here, when the bubble moves toward the antinode of the ultrasonic wave, the bubble adheres to the first particle or the second particle. In addition, bubbles may be generated directly on the surface of the first particle or the second particle. Since the bubbles gather at the antinodes of the ultrasonic waves by the first cohesive force, the first particles or the second particles to which the bubbles are attached also gather at the antinodes of the ultrasonic waves together with the bubbles to form a mixed particle group. Next, in the second step, the liquid is irradiated with ultrasonic waves based on the second condition. The second cohesive force by the ultrasonic wave based on the second condition is weaker than the first cohesive force. Therefore, the first particles and the second particles cannot maintain the particle group against the gravity and start to settle according to the characteristics of the respective particles. At this time, since the ultrasonic wave irradiated to the liquid is not zero, there are slight bubbles in the liquid. Next, in the third step, the liquid is irradiated with ultrasonic waves based on the third condition. The third cohesive force by the ultrasonic wave based on the third condition is weaker than the first cohesive force, but stronger than the second cohesive force. A force sufficient to form a group again acts on the first particles and the second particles that are settling. And the 1st particle | grains and 2nd particle | grains during sedimentation differ in the speed | rate which settles according to each characteristic. Therefore, when the third cohesive force is applied, the group is again maintained at the position of the antinode of the ultrasonic wave close to each position. Therefore, since the first particles are collected at the first antinode position and the second particles are collected at the second antinode position, the first particles and the second particles are separated. Accordingly, since the particle separation method uses the force generated by the action of ultrasonic waves on the bubbles generated in the liquid, the effects of the characteristics of the first and second particles to be separated and the liquid characteristics are affected. It is hard to receive. Therefore, the particle separation method of the present invention can relax the applicable target conditions.

第1条件、第2条件及び第3条件は、超音波の強度を規定し、第3条件により規定される超音波の強度は、第1条件により規定される超音波の強度よりも小さく、且つ、第2条件により規定される超音波の強度よりも大きくてもよい。これらの条件は、容易に制御し且つ容易に設定することが可能である。従って、第1粒子と第2粒子とを容易に分離することができる。   The first condition, the second condition, and the third condition define the intensity of the ultrasonic wave, the ultrasonic wave intensity defined by the third condition is smaller than the ultrasonic wave intensity defined by the first condition, and The intensity of the ultrasonic wave defined by the second condition may be larger. These conditions can be easily controlled and set easily. Therefore, the first particles and the second particles can be easily separated.

第1条件、第2条件及び第3条件は、超音波の周波数の値を規定するための条件であり、第3条件により規定される値は、第1条件により規定される値以下であり、且つ、第2条件により規定される値よりも大きくてもよい。また、第1条件、第2条件及び第3条件は、超音波の周波数の値を規定するための条件であり、第3条件により規定される値は、第1条件により規定される値以上であり、且つ、第2条件により規定される値よりも小さくてもよい。これらの条件は、容易に制御し且つ容易に設定することが可能である。従って、第1粒子と第2粒子とを容易に分離することができる。   The first condition, the second condition, and the third condition are conditions for defining the value of the ultrasonic frequency, and the value defined by the third condition is less than or equal to the value defined by the first condition. And it may be larger than the value defined by the second condition. The first condition, the second condition, and the third condition are conditions for defining the value of the ultrasonic frequency, and the value defined by the third condition is equal to or greater than the value defined by the first condition. Yes, and may be smaller than the value defined by the second condition. These conditions can be easily controlled and set easily. Therefore, the first particles and the second particles can be easily separated.

第1ステップ、第2ステップ及び第3ステップでは、液体を収容する容器の底側から液体の液面に向けて超音波を照射してもよい。これらのステップによれば、液体において鉛直方向に超音波の節と腹とが交互に形成される。従って、第1粒子群と第2粒子群とを鉛直方向に沿った異なる腹の位置に維持することができる。   In the first step, the second step, and the third step, ultrasonic waves may be irradiated from the bottom side of the container that stores the liquid toward the liquid surface of the liquid. According to these steps, ultrasonic nodes and antinodes are alternately formed in the vertical direction in the liquid. Therefore, the first particle group and the second particle group can be maintained at different antinode positions along the vertical direction.

本発明の別の形態は、溶存ガスを含む液体に含まれた第1粒子と第2粒子とを分離する粒子分離装置であって、液体を収容する容器と、容器に収容された液体に対して超音波を照射する超音波照射手段と、超音波照射手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、液体に対して第1条件に基づく超音波を照射することにより、液体中に溶存ガスを気泡として発生させると共に、気泡が付着した第1粒子及び第2粒子を超音波の腹に集合させる第1凝集力を発生させて、気泡が付着した第1粒子及び第2粒子を含む混合粒子群を維持し、液体に対して第2条件に基づく超音波を照射することにより、第1凝集力よりも弱い第2凝集力を発生させて、混合粒子群の維持を停止し、液体に対して第3条件に基づく超音波を照射することにより、液体中に溶存ガスを気泡として発生させると共に、第1凝集力よりも弱く、且つ、第2凝集力よりも強い第3凝集力を発生させて、気泡が付着した第1粒子を含む第1粒子群を超音波の第1腹位置において維持し、気泡が付着した第2粒子を含む第2粒子群を超音波の第2腹位置において維持する制御を行う。   Another aspect of the present invention is a particle separation device that separates first particles and second particles contained in a liquid containing dissolved gas, the container containing the liquid, and the liquid contained in the container An ultrasonic irradiation means for irradiating the ultrasonic wave and a control means for controlling the ultrasonic irradiation means, and the control means irradiates the liquid with ultrasonic waves based on the first condition, thereby In addition to generating dissolved gas as bubbles, a first cohesive force is generated that causes the first particles and second particles to which the bubbles are attached to gather in the antinodes of the ultrasonic waves, and includes the first particles and the second particles to which the bubbles are attached. By maintaining the mixed particle group and irradiating the liquid with ultrasonic waves based on the second condition, a second cohesive force that is weaker than the first cohesive force is generated, and the maintenance of the mixed particle group is stopped and the liquid is stopped. By irradiating with ultrasonic waves based on the third condition, First particles containing first particles to which dissolved gas is generated in the body as bubbles and a third cohesive force that is weaker than the first cohesive force and stronger than the second cohesive force is generated. Control is performed so that the group is maintained at the first antinode position of the ultrasonic wave, and the second particle group including the second particles to which bubbles are attached is maintained at the second antinode position of the ultrasonic wave.

この粒子分離装置は、液体中に生じさせた気泡に超音波が作用して生じる力を利用するものであるので、分離対象である第1粒子及び第2粒子の特性や液体特性の影響を受け難い。従って、粒子分離装置は、適用可能な対象の条件を緩和できる。   Since this particle separator uses the force generated by the action of ultrasonic waves on the bubbles generated in the liquid, it is affected by the characteristics of the first and second particles to be separated and the liquid characteristics. hard. Therefore, the particle separation device can relax the applicable target conditions.

粒子分離装置は、混合粒子群、第1粒子群及び第2粒子群を移動させる粒子群移動手段をさらに備えてもよい。この粒子群移動手段によれば、例えば、分離後の第1粒子群及び第2粒子群を排出口といった場所まで移動させることができる。   The particle separator may further include a particle group moving unit that moves the mixed particle group, the first particle group, and the second particle group. According to this particle group moving means, for example, the separated first particle group and second particle group can be moved to a place such as a discharge port.

本発明によれば、適用可能な対象の条件を緩和できる粒子分離方法及び粒子分離装置が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the particle | grain separation method and particle | grain separation apparatus which can ease the conditions of applicable object are provided.

本実施形態に係る粒子分離装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the particle | grain separator which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る粒子分離方法の主要な工程を示す図である。It is a figure which shows the main processes of the particle separation method which concerns on this embodiment. 粒子分離方法において水槽内で生じている現象を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the phenomenon which has arisen in the water tank in the particle separation method. 粒子分離方法において水槽内で生じている現象を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the phenomenon which has arisen in the water tank in the particle separation method. 粒子分離方法において水槽内で生じている現象を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the phenomenon which has arisen in the water tank in the particle separation method. 粒子分離方法において水槽内で生じている現象を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the phenomenon which has arisen in the water tank in the particle separation method. 実施例1の結果を説明するための写真である。2 is a photograph for explaining the results of Example 1. FIG. 実施例2の結果を説明するための写真である。4 is a photograph for explaining the results of Example 2. FIG. 実施例3の結果を説明するための写真である。6 is a photograph for explaining the results of Example 3. FIG.

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

まず、本実施形態の粒子分離方法に用いる粒子分離装置について説明する。図1に示されるように、粒子分離装置1は、水槽2に満たされた水3に含まれた第1粒子P1と第2粒子P2とを分離する。粒子分離装置1は、水槽2と、制御装置7(制御手段)と、超音波振動装置8(超音波照射手段)と、回収手段9(粒子群移動手段)と、を有する。   First, the particle separator used for the particle separation method of this embodiment is demonstrated. As shown in FIG. 1, the particle separation device 1 separates the first particles P1 and the second particles P2 contained in the water 3 filled in the water tank 2. The particle separation device 1 includes a water tank 2, a control device 7 (control means), an ultrasonic vibration device 8 (ultrasonic irradiation means), and a recovery means 9 (particle group moving means).

水槽2は、分離対象である第1粒子P1と第2粒子P2とを含む水3を収容する。水3は、溶存ガスとしての空気を含む。   The water tank 2 contains water 3 containing the first particles P1 and the second particles P2 that are to be separated. The water 3 contains air as a dissolved gas.

制御装置7は、超音波振動装置8に入力される制御信号を発生する。制御装置7は、条件設定部11と、信号発生器12と、増幅回路13と、整合装置14とを有する。   The control device 7 generates a control signal that is input to the ultrasonic vibration device 8. The control device 7 includes a condition setting unit 11, a signal generator 12, an amplifier circuit 13, and a matching device 14.

条件設定部11は、超音波振動装置8の駆動条件を設定する。条件設定部11は、種々の設定データが記録される。設定データは、水3といった粒子を含む液体の種類、液体に溶存するガスの種類、分離対象である粒子の種類などの条件と、それらの条件における分離処理に適した超音波振動装置8の駆動条件とが関連付けられたデータである。駆動条件は、超音波の強度に関する時間履歴、又は、超音波の周波数に関する時間履歴などを含む。条件設定部11は、分離処理に用いられる液体、溶存ガス、分離対象である粒子の性質などに基づいて、照射すべき超音波振動装置8の駆動条件を決定する。   The condition setting unit 11 sets a driving condition for the ultrasonic vibration device 8. The condition setting unit 11 records various setting data. The setting data includes conditions such as the type of liquid containing particles such as water 3, the type of gas dissolved in the liquid, the type of particles to be separated, and the driving of the ultrasonic vibration device 8 suitable for separation processing under those conditions. Data associated with a condition. The driving conditions include a time history related to the intensity of the ultrasonic waves, a time history related to the frequency of the ultrasonic waves, or the like. The condition setting unit 11 determines the driving conditions of the ultrasonic vibration device 8 to be irradiated based on the liquid used for the separation process, the dissolved gas, the properties of the particles to be separated, and the like.

信号発生器12は、条件設定部11から出力された設定データに基づいて、超音波振動装置8を駆動するための制御信号を生成する。信号発生器12には、例えば、ファンクションジェネレータが用いられる。増幅回路13は、信号発生器12において生成された制御信号を増幅する。整合装置14は、増幅回路13と超音波振動装置8とのインピーダンスを整合させる。なお、整合装置14は、必要に応じて備えればよい。   The signal generator 12 generates a control signal for driving the ultrasonic vibration device 8 based on the setting data output from the condition setting unit 11. For the signal generator 12, for example, a function generator is used. The amplifier circuit 13 amplifies the control signal generated in the signal generator 12. The matching device 14 matches the impedance between the amplifier circuit 13 and the ultrasonic vibration device 8. The matching device 14 may be provided as necessary.

超音波振動装置8は、水槽2に満たされた水3に超音波を照射する。超音波振動装置8は、制御装置7から入力される制御信号に基づいて、所定の周波数及び所定の強度を有する超音波を放射する。制御信号は、例えば所定の電圧値と周波数とを有する交流の電圧信号であり、超音波振動装置8は、当該電圧信号を受けて振動子が振動する。超音波振動装置8は、19kHz以上40kHz以下であり、60W以下の強度を有する超音波を放射する。このような超音波振動装置8として、例えば、ボルト締めランジュバン型振動子が用いられる。超音波振動装置8は、水槽2の底部に接着により取り付けられる。なお、超音波振動装置8は、振動子が取り付けられた板をフランジ締結により固定する態様であってもよい。超音波振動装置8から照射された超音波は、水槽2の底面と水面との間で定在波を生じさせる。   The ultrasonic vibration device 8 irradiates the water 3 filled in the water tank 2 with ultrasonic waves. The ultrasonic vibration device 8 radiates an ultrasonic wave having a predetermined frequency and a predetermined intensity based on a control signal input from the control device 7. The control signal is, for example, an AC voltage signal having a predetermined voltage value and frequency, and the ultrasonic vibration device 8 receives the voltage signal and vibrates the vibrator. The ultrasonic vibration device 8 emits an ultrasonic wave having an intensity of 19 kHz or more and 40 kHz or less and an intensity of 60 W or less. As such an ultrasonic vibration device 8, for example, a bolted Langevin type vibrator is used. The ultrasonic vibration device 8 is attached to the bottom of the water tank 2 by adhesion. Note that the ultrasonic vibration device 8 may be in a mode in which the plate to which the vibrator is attached is fixed by flange fastening. The ultrasonic wave irradiated from the ultrasonic vibration device 8 generates a standing wave between the bottom surface of the water tank 2 and the water surface.

回収手段9は、分離された第1粒子P1及び第2粒子P2を水槽2の外部へ排出する。回収手段9は、操作棒16と、排出部17と、を有する。操作棒16は、分離された第1粒子P1及び第2粒子P2を排出部17へ投入可能な位置へ移動させる。操作棒16は、例えば、水槽2の水面から水中へ差し込まれる棒体である。操作棒16は、水槽2の外部から作業者又はロボットハンド等の装置により水槽2内において動かされる。排出部17は、排出部17に投入された粒子を水槽2の外部へ排出する。   The collection means 9 discharges the separated first particles P1 and second particles P2 to the outside of the water tank 2. The collection unit 9 includes an operation rod 16 and a discharge unit 17. The operating rod 16 moves the separated first particles P1 and second particles P2 to a position where they can be put into the discharge unit 17. The operation rod 16 is, for example, a rod that is inserted into the water from the water surface of the water tank 2. The operation rod 16 is moved in the water tank 2 from the outside of the water tank 2 by an operator or a device such as a robot hand. The discharge unit 17 discharges the particles input to the discharge unit 17 to the outside of the water tank 2.

次に、上記粒子分離装置1を用いた粒子分離方法について、図2に示された手順とその手順により生じる現象とを示しつつ説明する。   Next, the particle separation method using the particle separation apparatus 1 will be described with reference to the procedure shown in FIG. 2 and the phenomenon caused by the procedure.

図3の(a)部に示されるように、まず、水槽2に水3を満たす(ステップS1)。水3の量は、照射される超音波の周波数と関連する。水槽2における液面高さは、水中を進む超音波の波長よりも高くなるように設定される。具体的には、水槽2における液面高さは、水中における超音波の波長の1.5倍以上に設定される。一例として、液面高さは、120mmである。水中の超音波の波長は、式(1)により示される。

λ:水中における超音波の波長。
c:音速。
f:超音波の発信周波数。
例えば、水3の水温が20℃であり、制御信号の周波数が20kHzである場合、波長(λ)は約74mmである。従って、粒子群を形成する場合は、液面高さは少なくとも40mm程度は必要である。
As shown in part (a) of FIG. 3, first, the water tank 2 is filled with water 3 (step S1). The amount of water 3 is related to the frequency of the irradiated ultrasonic wave. The liquid level in the water tank 2 is set to be higher than the wavelength of the ultrasonic wave traveling in water. Specifically, the liquid level in the water tank 2 is set to 1.5 times or more the wavelength of the ultrasonic wave in water. As an example, the liquid level is 120 mm. The wavelength of the ultrasonic wave in water is expressed by equation (1).

λ: Wavelength of ultrasonic waves in water.
c: Speed of sound.
f: Transmission frequency of ultrasonic waves.
For example, when the water temperature of the water 3 is 20 ° C. and the frequency of the control signal is 20 kHz, the wavelength (λ) is about 74 mm. Therefore, when forming a particle group, the liquid level needs to be at least about 40 mm.

次に、図3の(b)部に示されるように、第1粒子P1及び第2粒子P2を水3に投入する(ステップS2)。本実施形態では、大径粒子として直径が800μmである第1粒子P1と、小径粒子として直径が400μmである第2粒子P2と、を例に説明する。   Next, as shown in part (b) of FIG. 3, the first particles P1 and the second particles P2 are put into the water 3 (step S2). In the present embodiment, the first particle P1 having a diameter of 800 μm as a large particle and the second particle P2 having a diameter of 400 μm as a small particle will be described as an example.

次に、図3の(c)部に示されるように、第1条件に基づく超音波を水3に照射する(ステップS3)。このステップS3(第1ステップ)では、溶存ガスである空気を気泡Bとして発生させる。またこのステップS3では、気泡Bが付着した第1粒子P1及び第2粒子P2を超音波の腹VBに集合させる第1凝集力を発生させ、そして、気泡Bが付着した第1粒子P1及び第2粒子P2を含む球状の混合粒子群を維持する。第1条件は、水3に溶存する空気を気泡として出現させ得る強度と周波数であり、且つ、気泡Bに対して音響放射力の一つである第1ビヤネスク力を作用させ得る強度と周波数である。例えば、超音波振動装置8から放射される超音波は、振幅電圧が300mVであり、周波数が19.0kHzである制御信号に起因する。   Next, as shown in part (c) of FIG. 3, the water 3 is irradiated with ultrasonic waves based on the first condition (step S3). In this step S3 (first step), air as dissolved gas is generated as bubbles B. Further, in this step S3, a first cohesive force is generated that causes the first particles P1 and the second particles P2 to which the bubbles B are attached to gather in the ultrasonic antinode VB, and the first particles P1 and the first particles P1 to which the bubbles B are attached are generated. A spherical mixed particle group including two particles P2 is maintained. The first condition is an intensity and a frequency at which air dissolved in the water 3 can appear as bubbles, and an intensity and a frequency at which the first vanaesque force, which is one of the acoustic radiation forces, can act on the bubbles B. is there. For example, the ultrasonic wave radiated from the ultrasonic vibration device 8 is caused by a control signal having an amplitude voltage of 300 mV and a frequency of 19.0 kHz.

水3に超音波が照射されると、水槽2内に音波が伝搬し、水槽2内に定在波Wが形成される。そして、音圧の変化に伴い、水3に溶存していた空気が気泡Bとして出現する。この気泡Bは、いわゆるキャビテーション現象に類似する作用に起因して生じるものである。気泡Bは、蒸気性キャビテーション気泡が発生する音圧変動ではないが、水3に溶存していた空気により発生するキャビテーションに起因するものであり、ガス性キャビテーションの一種である。キャビテーションとは、圧力変動に伴う液相から気相への相変化現象をいう。キャビティ(Cavity)とは、空洞が基となっており、液中に空洞(気泡)ができることをいう。ポンプのインペラ等で発生するものもあるが、本実施形態では、超音波による音圧変動から発生するものをいう。   When the water 3 is irradiated with ultrasonic waves, the sound waves propagate in the water tank 2 and a standing wave W is formed in the water tank 2. And the air which was dissolved in the water 3 appears as the bubble B with the change of the sound pressure. The bubble B is generated due to an action similar to a so-called cavitation phenomenon. The bubble B is not a sound pressure fluctuation in which a vapor cavitation bubble is generated, but is caused by cavitation generated by air dissolved in the water 3 and is a kind of gas cavitation. Cavitation refers to a phase change phenomenon from a liquid phase to a gas phase accompanying pressure fluctuation. Cavity means that a cavity is the basis and a cavity (bubble) is formed in the liquid. Some of them are generated by a pump impeller or the like, but in this embodiment, they are generated by sound pressure fluctuations due to ultrasonic waves.

気泡Bは、第1粒子P1及び第2粒子P2に付着する。また、第1粒子P1及び第2粒子P2の表面に直接に初生する場合もあり得る。ここで、水槽2に満たされた液体が、脱気した精製水である場合には、気泡Bの核となるものが存在しないので、気泡Bは発生しない。水3に溶存する気体の種類には特に制限はなく、空気、二酸化炭素、その他のガスであればよい。   The bubble B adheres to the first particle P1 and the second particle P2. In addition, there may be a case where the first particles P1 and the second particles P2 are directly generated on the surfaces. Here, when the liquid filled in the water tank 2 is degassed purified water, since there is no core of the bubble B, the bubble B is not generated. There is no restriction | limiting in particular in the kind of gas dissolved in the water 3, What is necessary is just air, a carbon dioxide, and another gas.

そして、図4の(a)部に示されるように、気泡Bが付着した第1粒子P1及び第2粒子P2は、音響放射力により音圧の腹(振幅変動が大きな位置)へと集まり始める。本実施形態の構成では、気泡Bに作用する音響放射力は、第1粒子P1及び第2粒子P2に直接に作用する音響放射力よりも大きい。従って、水槽2内における第1粒子P1及び第2粒子P2の移動は、気泡Bに作用する音響放射力が支配的である。第1粒子P1及び第2粒子P2に直接に作用する音響放射力が支配的であった場合には第1粒子P1及び第2粒子P2は音圧の節へと移動する。しかし、粒子に作用する音響放射力は、非常に弱く、第1粒子P1及び第2粒子P2を重力に抗して浮上させることができない。本実施形態では、気泡Bに作用する音響放射力が支配的であるので第1粒子P1及び第2粒子P2は音圧の腹へ移動する。   Then, as shown in FIG. 4A, the first particles P1 and the second particles P2 to which the bubbles B are attached begin to gather to the antinodes of sound pressure (positions where the amplitude fluctuation is large) due to the acoustic radiation force. . In the configuration of the present embodiment, the acoustic radiation force acting on the bubble B is larger than the acoustic radiation force acting directly on the first particle P1 and the second particle P2. Accordingly, the movement of the first particles P1 and the second particles P2 in the water tank 2 is dominated by the acoustic radiation force acting on the bubbles B. When the acoustic radiation force acting directly on the first particle P1 and the second particle P2 is dominant, the first particle P1 and the second particle P2 move to the node of sound pressure. However, the acoustic radiation force acting on the particles is very weak, and the first particles P1 and the second particles P2 cannot be lifted against gravity. In this embodiment, since the acoustic radiation force acting on the bubble B is dominant, the first particles P1 and the second particles P2 move to the antinodes of the sound pressure.

ここで、気泡Bに作用する音響放射力は、第1ビヤネスク力とも呼ばれる。第1ビヤネスク力は、定在波音圧変動による音響放射力であり、式(2)により示される。

PBF:第1ビヤネスク力の大きさ。
V:気泡の体積。
∇P:圧力勾配。
〈〉:照射する超音波の1周期分の時間平均。
Here, the acoustic radiation force that acts on the bubble B is also referred to as a first vanezque force. The first Bianesque force is an acoustic radiation force due to a standing wave sound pressure fluctuation, and is represented by Expression (2).

F PBF : The magnitude of the first beanesk force.
V: Bubble volume.
∇P: Pressure gradient.
<>: Time average of one cycle of ultrasonic waves to be irradiated

この気泡Bの運動に誘起され、水槽2内に液相運動が誘起される。水槽2内の液相運動は、下部中心部では音圧の腹が円錐の頂点となる上昇流が発生する。腹から上部では、上昇流が発生する。一方、水面は、水平方向に流れ壁面付近で下降流ができ、循環流が形成される。   Induced by the movement of the bubbles B, a liquid phase movement is induced in the water tank 2. The liquid phase motion in the water tank 2 generates an upward flow in which the antinode of the sound pressure is the apex of the cone in the lower central part. From the stomach to the top, an upward flow is generated. On the other hand, the water surface flows in the horizontal direction and descends in the vicinity of the wall surface, forming a circulating flow.

図4の(b)部に示されるように、音圧の腹VBの付近では、気泡Bが付着した第1粒子P1及び第2粒子P2が球状に集まる。この第1粒子P1及び第2粒子P2が球状に密集している状態を、混合粒子群GAと呼ぶ。この混合粒子群GAは、先に述べた音響放射力である第1ビヤネスク力に加え、別の力によって球状が維持される。この別の力は、第2ビヤクネス力と呼ばれる。第2ビヤクネス力は、同じ周波数且つ同じ位相で振動する気泡B同士が互いに引き合う力である。従って、ステップS3において、第1条件に基づく超音波に起因して発生する第1凝集力とは、第1ビヤネスク力と第2ビヤネスク力とに起因する力である。   As shown in part (b) of FIG. 4, the first particles P <b> 1 and the second particles P <b> 2 to which the bubbles B are attached gather in a spherical shape in the vicinity of the sound pressure antinode VB. The state in which the first particles P1 and the second particles P2 are densely packed in a spherical shape is referred to as a mixed particle group GA. In this mixed particle group GA, the spherical shape is maintained by another force in addition to the above-mentioned first vanesque force which is the acoustic radiation force. This other force is called the second beakness force. The second beakness force is a force that attracts bubbles B that vibrate at the same frequency and the same phase. Accordingly, in step S3, the first cohesive force generated due to the ultrasonic wave based on the first condition is a force resulting from the first and second Benessque forces.

次に、水3に対して第2条件に基づく超音波を照射する(ステップS4)。このステップS4(第2ステップ)では、第1凝集力よりも弱い第2凝集力を発生させて、混合粒子群GAの維持を停止させる。具体的には、制御装置7は、超音波振動装置8に入力する制御信号の振幅電圧を、300mVから80mV(第2条件)まで連続的に変化させる。この電圧の変化は、一例として約5秒間で行われる。   Next, the ultrasonic wave based on 2nd conditions is irradiated with respect to the water 3 (step S4). In step S4 (second step), a second cohesive force that is weaker than the first cohesive force is generated, and the maintenance of the mixed particle group GA is stopped. Specifically, the control device 7 continuously changes the amplitude voltage of the control signal input to the ultrasonic vibration device 8 from 300 mV to 80 mV (second condition). This voltage change is performed in about 5 seconds as an example.

ここで、本実施形態に係る分離方法は、水槽2において、水槽上部には小径粒子が多く存在し、水槽下部には大径粒子が多く存在する分布状態を形成することが重要である。例えば、第1条件から第2条件まで電圧を階段状(ステップ状)に変化させた場合を想定する。この階段状の変化によれば、気泡運動が急激に弱くなり、液相運動も弱くなる。従って、第1粒子P1及び第2粒子P2は、まとった状態で沈降してしまう。一方、本実施形態のように、第1条件から第2条件まで徐々に電圧を下げた場合には、重力の影響が大きい大径粒子から沈殿していき、粒子存在分布を分離に適した状態にできる。   Here, in the separation method according to this embodiment, in the water tank 2, it is important to form a distribution state in which many small-diameter particles exist in the upper part of the water tank and many large-diameter particles exist in the lower part of the water tank. For example, it is assumed that the voltage is changed stepwise from the first condition to the second condition. According to this step-like change, the bubble motion is weakened rapidly, and the liquid phase motion is also weakened. Therefore, the 1st particle P1 and the 2nd particle P2 will settle in the state where it gathered. On the other hand, when the voltage is gradually lowered from the first condition to the second condition as in the present embodiment, the particles are precipitated from large-diameter particles having a large influence of gravity, and the particle distribution is suitable for separation. Can be.

図4の(c)部に示されるように、超音波による音圧振幅が小さくなると、気泡Bの音圧変動による膨張収縮運動(界面運動)が小さくなると共に気泡径も小さくなる。これにより、第1ビヤネスク力及び第2ビヤネスク力に起因する浮力が小さくなる。界面運動と腹へ向かう並進運動とを含む気泡の運動が弱くなるので、水槽2内の循環流をなす水槽中心部の上昇流が弱くなる。従って、腹VBで凝集されていた混合粒子群GAは、重力に抗して、腹で定在できず徐々に崩壊し沈降を始める。   As shown in part (c) of FIG. 4, when the sound pressure amplitude due to the ultrasonic wave is reduced, the expansion / contraction motion (interface motion) due to the sound pressure fluctuation of the bubble B is reduced and the bubble diameter is also reduced. As a result, the buoyancy caused by the first and second biasesque forces is reduced. Since the bubble motion including the interfacial motion and the translational motion toward the belly is weakened, the upward flow at the center of the water tank forming the circulating flow in the water tank 2 is weakened. Therefore, the mixed particle group GA that has been aggregated by the antinode VB cannot be settled by the antinode, and gradually collapses and begins to settle against gravity.

ここで第2ビヤネスク力とは、気泡B間に働く音響放射力をいう。2個の気泡が互いに同じ周期且つ同じ位相をもって界面運動する際には引力として作用する。一方、位相が180°ずれている場合には斥力として作用する。第2ビヤネスク力は、式(3)により示される。
Here, the second Vanesque force refers to an acoustic radiation force acting between the bubbles B. When two bubbles move in an interface with the same period and the same phase, they act as attractive forces. On the other hand, when the phase is shifted by 180 °, it acts as a repulsive force. The second Bianesk force is expressed by equation (3).

図5の(a)部に示されるように、沈降の速度は、ストークス則によれば、第1粒子P1及び第2粒子P2の粒子径によって異なる。具体的には、粒子径の大きい粒子が、粒子径の小さい粒子よりも早く沈降する。すなわち、粒子径の大きい粒子は、沈降速度が大きい。従って、ステップS4が開始されて時間が経過するにつれて、水槽2の下方には大径粒子が多く存在し、その上方に小径粒子が存在する状態に移行する。例えば、この第2条件に基づく超音波を照射する期間は、約5秒間継続される。   As shown in part (a) of FIG. 5, the sedimentation speed varies depending on the particle diameters of the first particles P1 and the second particles P2 according to the Stokes law. Specifically, particles having a large particle size settle faster than particles having a small particle size. That is, particles having a large particle diameter have a high sedimentation rate. Therefore, as time elapses after Step S4 is started, the state shifts to a state in which many large-diameter particles exist below the water tank 2 and small-diameter particles exist above it. For example, the period of applying ultrasonic waves based on the second condition is continued for about 5 seconds.

すなわち、ステップS4では、約5秒の時間を設けて第1条件から第2条件へ移行し、第2条件の状態を約5秒間維持する。   That is, in step S4, a time of about 5 seconds is provided to shift from the first condition to the second condition, and the state of the second condition is maintained for about 5 seconds.

ここで、ステップS4では、第2条件に基づく超音波の出力をゼロにしない。例えば、振幅電圧を0mVに設定した場合、第1粒子P1及び第2粒子P2に付着していた気泡Bは、水3に溶解し、第1粒子P1及び第2粒子P2のみが沈降する。又は、第1粒子P1及び第2粒子P2の付近に存在していた気泡Bは水3に溶解し、第1粒子P1及び第2粒子P2のみが沈降する。そして、振幅電圧を再度上昇させたとき、音圧の腹に粒子を運ぶ気泡Bが第1粒子P1及び第2粒子P2の付近に存在しないため、第1粒子P1及び第2粒子P2を瞬時に発生させることができなくなる。そこで、本実施形態では、第2条件を第1条件よりも小さく、且つゼロ以上としているので、第1粒子P1及び第2粒子P2の周囲に残存する気泡Bの気泡核も粒子とともに移動する。従って、電圧上昇時には、この気泡核が瞬時に成長することで粒子付近に気泡Bが発生し、速やかに音圧の腹へ粒子を牽引することが可能になる。その結果、より精密な分離が可能となる。   Here, in step S4, the output of the ultrasonic wave based on the second condition is not made zero. For example, when the amplitude voltage is set to 0 mV, the bubbles B attached to the first particles P1 and the second particles P2 are dissolved in the water 3, and only the first particles P1 and the second particles P2 are settled. Or the bubble B which existed in the vicinity of the 1st particle P1 and the 2nd particle P2 melt | dissolves in the water 3, and only the 1st particle P1 and the 2nd particle P2 settle. Then, when the amplitude voltage is increased again, since the bubbles B that carry the particles to the antinodes of the sound pressure do not exist in the vicinity of the first particles P1 and the second particles P2, the first particles P1 and the second particles P2 are instantaneously moved. It cannot be generated. Therefore, in the present embodiment, since the second condition is smaller than the first condition and zero or more, the bubble nuclei of the bubbles B remaining around the first particles P1 and the second particles P2 also move with the particles. Therefore, when the voltage rises, the bubble nuclei instantly grow to generate bubbles B near the particles, and the particles can be quickly pulled to the antinodes of the sound pressure. As a result, more precise separation is possible.

次に、水3に対して第3条件に基づく超音波を照射する(ステップS5)。このステップS5(第3ステップ)では、水3に空気を気泡Bとして再び発生させる。また、気泡Bが付着した第1粒子P1を含む第1粒子群G1を超音波の第1腹位置VB1において維持する。さらに、気泡Bが付着した第2粒子P2を含む第2粒子群G2を超音波の第2腹位置VB2において維持する。具体的には、制御装置7は、超音波振動装置8に入力する制御信号の振幅電圧を、80mVから140mV(第3条件)まで連続的に変化させる。   Next, ultrasonic waves based on the third condition are irradiated to the water 3 (step S5). In this step S5 (third step), air is generated again as water bubbles 3 in the water 3. Further, the first particle group G1 including the first particles P1 to which the bubbles B are attached is maintained at the first antinode position VB1 of the ultrasonic waves. Further, the second particle group G2 including the second particles P2 to which the bubbles B are adhered is maintained at the second antinode position VB2 of the ultrasonic wave. Specifically, the control device 7 continuously changes the amplitude voltage of the control signal input to the ultrasonic vibration device 8 from 80 mV to 140 mV (third condition).

ここで、第3条件に基づく超音波は、第1凝集力よりも弱いが、第2凝集力よりも強い第3凝集力を生じさせる。第2条件から第3条件に変化させたとき、超音波振動装置8に入力される振幅電圧が増加する。従って、気泡運動が活発化し液相運動も大きくなる。しかし、第3凝集力が第1凝集力と同等であるような条件とした場合には、水槽2の下部で凝集した第1粒子群G1が、液相運動によって第1腹位置VB1から離脱する。そして、第1粒子P1は、水槽2の上部における第2腹位置VB2において第2粒子P2とともに再凝集し、再び混合粒子群GAを形成してしまう可能性がある。   Here, the ultrasonic wave based on the third condition generates a third cohesive force that is weaker than the first cohesive force but stronger than the second cohesive force. When the second condition is changed to the third condition, the amplitude voltage input to the ultrasonic vibration device 8 increases. Therefore, bubble motion is activated and liquid phase motion is increased. However, when the third cohesive force is equal to the first cohesive force, the first particle group G1 aggregated in the lower part of the water tank 2 is detached from the first antinode position VB1 by the liquid phase motion. . And the 1st particle P1 may reaggregate with the 2nd particle P2 in the 2nd antinode position VB2 in the upper part of water tank 2, and may form mixed particle group GA again.

図5の(b)部に示されるように、第3条件に起因する音圧振幅の増大に伴い、気泡Bの界面運動及び並進運動が活発になる。気泡Bの径が大きくなることで、第2ビヤネスク力、浮力及び上昇流が大きくなり、気泡Bが第1粒子P1及び第2粒子P2を牽引して音圧の腹で再凝集させる。ここで、ステップS5の直前状態では、大径粒子である第1粒子P1が水槽2の下部に多く存在し、小径粒子である第2粒子P2が水槽2の上部に多く存在する。ここで、第3条件に基づく超音波を照射すると、それぞれ粒子は最寄りの腹に集まってくる。具体的には、図5の(c)部に示されるように、第1粒子P1は、第1腹位置VB1に集まり、第1粒子P1が凝集した第1粒子群G1を形成する。また、第2粒子P2は、第2腹位置VB2に集まり、第2粒子P2が凝集した第2粒子群G2を形成する。   As shown in part (b) of FIG. 5, the interfacial motion and translational motion of the bubble B become active as the sound pressure amplitude due to the third condition increases. As the diameter of the bubble B increases, the second Vanesque force, the buoyancy, and the upward flow increase, and the bubble B pulls the first particle P1 and the second particle P2 to reaggregate with the belly of the sound pressure. Here, in the state immediately before step S <b> 5, there are many first particles P <b> 1 that are large-diameter particles in the lower part of the water tank 2, and many second particles P <b> 2 that are small-diameter particles exist in the upper part of the water tank 2. Here, when the ultrasonic wave based on the third condition is irradiated, the particles gather in the nearest belly. Specifically, as shown in part (c) of FIG. 5, the first particles P1 gather at the first antinode position VB1 to form a first particle group G1 in which the first particles P1 are aggregated. The second particles P2 gather at the second antinode position VB2 to form a second particle group G2 in which the second particles P2 are aggregated.

次に、第1粒子P1及び第2粒子P2を排出する(ステップS6)。図6の(a)部に示されるように、操作棒16を水3に入れると、操作棒16に気泡Bが付着する。この気泡Bは、例えば、操作棒16の表面に存在する傷が気泡核となって発生した気泡である。また、操作棒16の周囲に発生した気泡Bが操作棒16の表面に付着したものである。   Next, the first particles P1 and the second particles P2 are discharged (step S6). As shown in part (a) of FIG. 6, when the operation rod 16 is put into the water 3, the bubbles B adhere to the operation rod 16. The bubble B is, for example, a bubble generated by a scratch existing on the surface of the operation rod 16 serving as a bubble nucleus. Further, bubbles B generated around the operation rod 16 are attached to the surface of the operation rod 16.

そして、操作棒16に付着した気泡Bと第2粒子P2に付着した気泡Bとの間において、第2ビヤクネス力が作用する。従って、第2粒子群G2が操作棒16の移動に引き寄せられる。図6の(b)部に示されるように、操作棒16を排出部17の上部まで移動させた後に、制御信号の振幅電圧を小さくする。そうすると、第2粒子群G2が崩れて排出部17に沈降していく。   Then, the second beakness force acts between the bubble B attached to the operation rod 16 and the bubble B attached to the second particle P2. Therefore, the second particle group G2 is attracted to the movement of the operation rod 16. As shown in part (b) of FIG. 6, after the operating rod 16 is moved to the upper part of the discharge part 17, the amplitude voltage of the control signal is reduced. Then, the second particle group G2 collapses and settles in the discharge unit 17.

なお、第2粒子群G2を移動させ得る範囲は、気泡Bが発生し且つ凝集力が有効に作用する範囲である。従って、第2粒子群G2がこの範囲から外れると第2粒子群G2は当初凝集していた音圧の腹に再凝集する。そこで、排出部17が移動可能な範囲外に設けられている場合には、制御信号の電圧又は周波数を調整する。この調整により、水中に存在する定在波の節と腹との位置を変更して、移動可能な範囲を変更することができる。   The range in which the second particle group G2 can be moved is a range in which bubbles B are generated and the cohesive force acts effectively. Accordingly, when the second particle group G2 is out of this range, the second particle group G2 reaggregates on the antinode of the sound pressure that was initially aggregated. Therefore, when the discharge unit 17 is provided outside the movable range, the voltage or frequency of the control signal is adjusted. By this adjustment, the movable range can be changed by changing the positions of the nodes and antinodes of the standing wave existing in the water.

本実施形態の粒子分離装置1及び粒子分離方法によれば、ステップS3において水3に対して第1条件に基づく超音波を照射する。この超音波の照射により、まず、水3の中に気泡Bが発生する。次に、この気泡Bに超音波が作用すると、気泡Bに第1凝集力が生じる。この第1凝集力によって、気泡Bが超音波の腹VBに集められる。ここで、気泡Bが超音波の腹VBに向かって移動するとき、気泡Bは第1粒子P1又は第2粒子P2に付着する。また、第1粒子P1又は第2粒子P2の表面に直接に気泡Bが発生することもある。気泡Bは第1凝集力によって超音波の腹VBに集まるので、気泡Bが付着した第1粒子P1又は第2粒子P2も気泡Bとともに超音波の腹VBに集まり、混合粒子群Aを形成する。次に、ステップS4において、第2条件に基づく超音波を液体に照射する。第2条件に基づく超音波による第2凝集力は第1凝集力より弱い。従って、第1粒子P1及び第2粒子P2は重力に抗して粒子群を維持できなくなり、それぞれの粒子の特性に応じて沈降を始める。このとき、水3に照射される超音波はゼロではないので、水3には僅かながら気泡Bが存在する。次に、第3ステップにおいて、第3条件に基づく超音波を液体に照射する。第3条件に基づく超音波による第3凝集力は第1凝集力より弱いが、第2凝集力より強い。沈降中の第1粒子P1及び第2粒子P2には再び群を形成するに足りる力が作用することになる。そして、沈降中の第1粒子P1及び第2粒子P2はそれぞれの特性に対応して沈降する速度が異なる。従って、第3凝集力が作用した場合には、それぞれの位置に近い超音波の腹の位置に再び群を維持する。従って、第1粒子P1は第1腹位置VB1に集められ、第2粒子P2は第2腹位置VB2に集められるので、第1粒子P1と第2粒子P2とが分離される。従って、粒子分離装置1及び粒子分離方法は、水3に生じさせた気泡Bに超音波が作用して生じる力を利用するものであるので、分離対象である第1粒子P1及び第2粒子P2の特性や液体特性の影響を受け難い。従って、粒子分離装置1及び粒子分離方法は、適用可能な対象の条件を緩和できる。   According to the particle separation device 1 and the particle separation method of the present embodiment, in step S3, the water 3 is irradiated with ultrasonic waves based on the first condition. By this irradiation with ultrasonic waves, bubbles B are first generated in the water 3. Next, when an ultrasonic wave acts on the bubble B, a first cohesive force is generated on the bubble B. Due to the first cohesive force, the bubbles B are collected in the antinode VB of the ultrasonic wave. Here, when the bubble B moves toward the antinode VB of the ultrasonic wave, the bubble B adheres to the first particle P1 or the second particle P2. Moreover, the bubble B may generate | occur | produce directly on the surface of the 1st particle P1 or the 2nd particle P2. Since the bubbles B gather at the ultrasonic antinodes VB by the first cohesive force, the first particles P1 or the second particles P2 to which the bubbles B are attached also gather at the ultrasonic antinodes VB together with the bubbles B to form the mixed particle group A. . Next, in step S4, the liquid is irradiated with ultrasonic waves based on the second condition. The second cohesive force by the ultrasonic wave based on the second condition is weaker than the first cohesive force. Accordingly, the first particles P1 and the second particles P2 cannot maintain the particle group against gravity, and start to settle according to the characteristics of the respective particles. At this time, since the ultrasonic wave irradiated to the water 3 is not zero, the water 3 has a small amount of bubbles B. Next, in the third step, the liquid is irradiated with ultrasonic waves based on the third condition. The third cohesive force by the ultrasonic wave based on the third condition is weaker than the first cohesive force, but stronger than the second cohesive force. A force sufficient to form a group again acts on the first particles P1 and the second particles P2 that are being settled. And the 1st particle P1 and the 2nd particle P2 in sedimentation differ in the speed of sedimentation corresponding to each characteristic. Therefore, when the third cohesive force is applied, the group is again maintained at the position of the antinode of the ultrasonic wave close to each position. Therefore, since the first particles P1 are collected at the first antinode position VB1 and the second particles P2 are collected at the second antinode position VB2, the first particles P1 and the second particles P2 are separated. Accordingly, since the particle separation device 1 and the particle separation method use the force generated by the action of ultrasonic waves on the bubbles B generated in the water 3, the first particles P1 and the second particles P2 that are the separation targets. It is hard to be affected by the characteristics of the liquid and liquid. Therefore, the particle separation apparatus 1 and the particle separation method can alleviate the applicable target conditions.

また、第1条件、第2条件及び第3条件は、超音波の強度であり、第3条件により規定される超音波の強度は、第1条件により規定される超音波の強度よりも小さく、且つ、第2条件により規定される超音波の強度よりも大きい。これらの条件は、容易に制御し且つ容易に設定することが可能である。従って、第1粒子と第2粒子とを容易に分離することができる。   In addition, the first condition, the second condition, and the third condition are the intensity of the ultrasonic wave, and the ultrasonic wave intensity defined by the third condition is smaller than the ultrasonic wave intensity defined by the first condition, And it is larger than the intensity of the ultrasonic wave defined by the second condition. These conditions can be easily controlled and set easily. Therefore, the first particles and the second particles can be easily separated.

また、ステップS3、ステップS4及びステップS5では、液体を収容する容器の底側から液体の液面に向けて超音波を照射する。これらのステップによれば、液体において鉛直方向に超音波の節と腹とが交互に形成される。従って、第1粒子群G1と第2粒子群G2とが鉛直方向に沿った異なる腹の位置に維持することができる。   In step S3, step S4, and step S5, ultrasonic waves are irradiated from the bottom side of the container that stores the liquid toward the liquid surface of the liquid. According to these steps, ultrasonic nodes and antinodes are alternately formed in the vertical direction in the liquid. Therefore, the first particle group G1 and the second particle group G2 can be maintained at different antinode positions along the vertical direction.

また、本実施形態に係る粒子分離装置及び粒子分離方法では、メガヘルツ帯の超音波ではなく、数10キロヘルツ帯の超音波を用いる。メガヘルツ帯の超音波を利用した場合、上記式(1)によれば定在波の波長が短くなる。従って、分離対象となる粒子の直径が小さくなってしまう。一方、本実施形態に係る粒子分離装置及び粒子分離方法のように数10キロヘルツ帯の超音波を利用することにより、音圧の振幅を大きくすると共にキャビテーション気泡を活発に作用させることが可能になる。従って、本実施形態に係る粒子分離装置及び粒子分離方法は、同一種で径の異なる粒子を、粒子径により分級し、さらに前記分級された粒子群を操作することができる。   Further, in the particle separation apparatus and the particle separation method according to the present embodiment, ultrasonic waves of several tens of kilohertz band are used instead of megahertz ultrasonic waves. When megahertz band ultrasonic waves are used, the wavelength of the standing wave is shortened according to the above equation (1). Therefore, the diameter of the particles to be separated is reduced. On the other hand, by using ultrasonic waves in the tens of kilohertz band as in the particle separation apparatus and particle separation method according to the present embodiment, it becomes possible to increase the amplitude of sound pressure and to make cavitation bubbles act actively. . Therefore, the particle separation apparatus and the particle separation method according to the present embodiment can classify particles of the same type and different diameters according to particle diameters, and can further operate the classified particle groups.

なお、上述した実施形態は本発明に係る粒子分離装置及び粒子分離方法の一例を示すものである。本発明に係る粒子分離装置及び粒子分離方法は、実施形態に係る粒子分離装置及び粒子分離方法に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、変形し又は他のものに適用したものであってもよい。   In addition, embodiment mentioned above shows an example of the particle separation apparatus and particle separation method which concern on this invention. The particle separation device and the particle separation method according to the present invention are not limited to the particle separation device and the particle separation method according to the embodiment, and may be modified or otherwise changed without changing the gist described in each claim. It may be applied to.

<変形例1>
例えば、上記実施形態では、それぞれのステップS3,S4,S5において水3に照射される超音波の強度、換言すると超音波振動装置8に入力される制御信号の振幅電圧を第1条件、第2条件及び第3条件として規定した。これら第1条件、第2条件及び第3条件は、超音波の周波数の値を規定するための条件であってもよい。超音波の周波数の値を規定するための条件は、式(4)に示される制御信号の周波数と共振周波数との差分である。従って、第1条件、第2条件及び第3条件により規定される値とは、制御信号の周波数と共振周波数との差分の絶対値である。ここでいう共振周波数とは、振動子と水槽が有する共振周波数であり、水槽や水量等の質量などの変数により決定される。式(4)に示されるように、第3条件により規定される第3差分(|f3−fr|)は、第1条件により規定される第1差分(|f1−fr|)以下である。また第3差分(|f3−fr|)は、第2条件により規定される第2差分(|f2−fr|)よりも大きい。この場合には、まず、共振周波数(fr)、第1差分、第2差分及び第3差分が与えられる。第1差分、第2差分及び第3差分は式(4)の条件を満たすように設定される。そしてこれらの値から、実際に印加される制御信号の周波数(f1,f2,f3)が決定される。

f1:第1条件に規定される制御信号の周波数。
f2:第2条件に規定される制御信号の周波数。
f3:第3条件に規定される制御信号の周波数。
fr:共振周波数。
<Modification 1>
For example, in the above embodiment, the intensity of the ultrasonic wave applied to the water 3 in each of steps S3, S4, and S5, in other words, the amplitude voltage of the control signal input to the ultrasonic vibration device 8 is the first condition, the second It was defined as a condition and a third condition. The first condition, the second condition, and the third condition may be conditions for defining the value of the ultrasonic frequency. The condition for defining the value of the ultrasonic frequency is the difference between the frequency of the control signal and the resonance frequency shown in Equation (4). Therefore, the values defined by the first condition, the second condition, and the third condition are absolute values of the difference between the frequency of the control signal and the resonance frequency. The resonance frequency here is a resonance frequency that the vibrator and the water tank have, and is determined by a variable such as a mass of the water tank or the amount of water. As shown in Expression (4), the third difference (| f3-fr |) defined by the third condition is equal to or less than the first difference (| f1-fr |) defined by the first condition. The third difference (| f3-fr |) is larger than the second difference (| f2-fr |) defined by the second condition. In this case, first, the resonance frequency (fr), the first difference, the second difference, and the third difference are given. The first difference, the second difference, and the third difference are set so as to satisfy the condition of Expression (4). From these values, the frequency (f1, f2, f3) of the control signal actually applied is determined.

f1: The frequency of the control signal defined in the first condition.
f2: The frequency of the control signal defined by the second condition.
f3: The frequency of the control signal defined in the third condition.
fr: resonance frequency.

<変形例2>
また、超音波の周波数の値を規定するための条件は、式(5)のように示される超音波の周波数であってもよい。そして、第3条件により規定される超音波の周波数(f3)は、第1条件により規定される超音波の周波数(f1)以下であり、且つ、第2条件により規定される超音波の周波数(f2)よりも高い。この場合には、例えば、第1条件として制御信号の周波数を20.2kHzの共振周波数に設定する。
<Modification 2>
Further, the condition for defining the value of the ultrasonic frequency may be the frequency of the ultrasonic wave as shown in Expression (5). The ultrasonic frequency (f3) defined by the third condition is equal to or lower than the ultrasonic frequency (f1) defined by the first condition and the ultrasonic frequency (f1) defined by the second condition (f1). higher than f2). In this case, for example, the frequency of the control signal is set to a resonance frequency of 20.2 kHz as the first condition.

ステップS3からステップS4に移行したとき、超音波の周波数が共振周波数である第1周波数f1から共振周波数から外れた第2周波数f2に変化する。共振周波数付近の周波数帯では、周波数が変化すると、インピーダンスが周波数によって変化する。具体的には、インピーダンスが高くなる。従って、インピーダンスの増加によって水槽2に照射できる超音波の強度が減少するので、定在波の位置も周波数の変化に伴い変化する。具体的には、定在位置は、超音波の強度と周波数の変化による波長の変化(上記式(1))に基づいて変化する。従って、定在位置の変化は、式(1)の影響が大きい。   When the process proceeds from step S3 to step S4, the frequency of the ultrasonic wave changes from the first frequency f1 that is the resonance frequency to the second frequency f2 that is out of the resonance frequency. In the frequency band near the resonance frequency, when the frequency changes, the impedance changes depending on the frequency. Specifically, the impedance is increased. Therefore, since the intensity of the ultrasonic wave that can be applied to the water tank 2 is reduced due to the increase in impedance, the position of the standing wave also changes as the frequency changes. Specifically, the standing position changes based on a change in wavelength (the above formula (1)) due to a change in the intensity and frequency of the ultrasonic wave. Therefore, the change in the stationary position is greatly affected by the expression (1).

そうすると、混合粒子群GAが維持されているステップS4において照射されている第1周波数の超音波から、ステップS5において第2周波数の超音波に変更すると、第1粒子P1及び第2粒子P2を音圧の腹に定在させていた気泡Bへの力(第1ビヤネスク力)が弱くなり、混合粒子群GAの輪郭が不明瞭になり沈降が始まる。そして、小径粒子である第2粒子P2よりも大径粒子である第1粒子P1の方が沈降する力が大きいため、第1粒子P1から混合粒子群GAを離脱し、沈降が始まる。従って、ステップS5により、第1粒子P1(大径粒子)が水槽2の下部に集まり、第2粒子P2(小径粒子)が水槽2の上部に集まった状態が形成される。   Then, when the ultrasonic wave of the first frequency irradiated in step S4 in which the mixed particle group GA is maintained is changed to the ultrasonic wave of the second frequency in step S5, the first particle P1 and the second particle P2 are sounded. The force on the bubbles B (first beansk force) that has been present in the antinodes of the pressure becomes weak, the outline of the mixed particle group GA becomes unclear, and sedimentation starts. Since the first particle P1, which is a large particle, has a larger settling force than the second particle P2, which is a small particle, the mixed particle group GA is separated from the first particle P1, and settling begins. Therefore, the state where the first particles P <b> 1 (large diameter particles) gather in the lower part of the water tank 2 and the second particles P <b> 2 (small diameter particles) gather in the upper part of the water tank 2 is formed by step S <b> 5.

<変形例3>
また、超音波の周波数の値を規定するための条件は、式(6)のように示される超音波の周波数であってもよい。そして、第3条件により規定される超音波の周波数(f3)は、第1条件により規定される超音波の周波数(f1)以上であり、且つ、第2条件により規定される超音波の周波数(f2)よりも低い。この場合には、例えば、第1条件として制御信号の周波数を20.2kHzの共振周波数に設定する。
<Modification 3>
Further, the condition for defining the value of the ultrasonic frequency may be the frequency of the ultrasonic wave as shown in Expression (6). The ultrasonic frequency (f3) defined by the third condition is equal to or higher than the ultrasonic frequency (f1) defined by the first condition and the ultrasonic frequency (f1) defined by the second condition (f1). It is lower than f2). In this case, for example, the frequency of the control signal is set to a resonance frequency of 20.2 kHz as the first condition.

<変形例4>
また、上記実施形態では、第2ビヤネスク力を利用した回収手段9を備えていた。本発明の粒子分離装置は、別の原理を利用した回収装置を備えていてもよい。例えば、回収装置は、両端が開放されている中空のガラス管であってもよい。このガラス管を粒子群に近づけて、ガラス管内に粒子を侵入させる。そして、ガラス管の他方の管端を閉じ、水槽から取り出す。また、もしくは、ガラス管の他方の管端にポンプの吸い込み側を取り付けてもよい。ガラス管を粒子群に近づけた状態で水と一緒に粒子を吸い込むことにより回収してもよい。
<Modification 4>
Moreover, in the said embodiment, the collection | recovery means 9 using the 2nd Bianesque force was provided. The particle separation device of the present invention may include a recovery device using another principle. For example, the recovery device may be a hollow glass tube that is open at both ends. The glass tube is brought close to the particle group so that the particles enter the glass tube. Then, the other tube end of the glass tube is closed and removed from the water tank. Alternatively, the suction side of the pump may be attached to the other end of the glass tube. You may collect | recover by suck | inhaling particle | grains with water in the state which brought the glass tube close to the particle group.

<変形例5>
また、上述した制御信号の周波数及び振幅電圧は一例であり、これらの数値に限定されない。液体の種類、溶存ガスの種類、分離対象である粒子の種類に応じて、これらの数値はそれぞれの種類に応じた値を選択できる。
<Modification 5>
Further, the frequency and amplitude voltage of the control signal described above are examples, and are not limited to these numerical values. Depending on the type of liquid, the type of dissolved gas, and the type of particles to be separated, these numerical values can be selected according to the respective types.

<実施例1>
実施例1では、電圧を規定した条件に基づく粒子分離方法の作用効果を確認した。この実施例1では、第1粒子として直径が800μmであるポリスチレンを用いた。第1粒子の密度は1.05g/cmであり、沈降速度は10.36mm/sである。また、実施例1では、第2粒子として直径が400μmであるポリスチレンを用いた。また、第2粒子の密度は1.05g/cmであり、沈降速度は4.15mm/sである。第1条件として制御信号の電圧を300mVとした。第2条件として制御信号の電圧を80mVとした。第3条件として制御信号の電圧を140mVとした。制御信号の周波数は、第1条件、第2条件及び第3条件において共通とし、19.0kHzとした。
<Example 1>
In Example 1, the operational effect of the particle separation method based on the condition defining the voltage was confirmed. In Example 1, polystyrene having a diameter of 800 μm was used as the first particles. The density of the first particles is 1.05 g / cm 3 and the sedimentation rate is 10.36 mm / s. In Example 1, polystyrene having a diameter of 400 μm was used as the second particles. The density of the second particles is 1.05 g / cm 3 and the sedimentation speed is 4.15 mm / s. As a first condition, the voltage of the control signal was 300 mV. As a second condition, the voltage of the control signal was 80 mV. As a third condition, the voltage of the control signal was 140 mV. The frequency of the control signal is common to the first condition, the second condition, and the third condition, and is 19.0 kHz.

第1条件に基づくステップS3を実行すると、図7の(a)部に示されるように、水槽2の上部に混合粒子群GAが形成された。次に、図7の(a)部を撮像した直後からステップS4を実行した。そして、図7の(a)部を撮像した時刻から約5秒後、制御信号の電圧は140mVに変化した。このとき、図7の(b)部に示されるように、混合粒子群GAから第1粒子P1の脱落が始まった。次に、図7の(b)部を撮像した時刻から約5秒間は、ステップS4の状態を維持した。つまり、制御信号の電圧を140mVの一定値とした。このとき、第2粒子P2も脱落が進み、混合粒子群GAは消失した。そして、図7の(c)部に示されるように、水槽2の底側に第1粒子P1が多く存在し、その上側に第2粒子P2が多く存在する状態が現れた。次に、第3条件に基づくステップS5を実行した。そうすると、図7の(d)部に示されるように、水槽2の底側において第1粒子群G1の形成が開始され、水槽2の上側において第2粒子群G2の形成が開始された。そして、図7の(d)部が撮像された時刻から約2秒経過後、図7の(e)部に示されるように、第1粒子P1を含む第1粒子群G1と、第2粒子P2を含む第2粒子群G2と、の形成が完了し、分離が完了した。   When Step S3 based on the first condition was executed, the mixed particle group GA was formed in the upper part of the water tank 2, as shown in part (a) of FIG. Next, step S4 was performed immediately after imaging (a) part of FIG. Then, about 5 seconds after the time when the part (a) of FIG. 7 was imaged, the voltage of the control signal changed to 140 mV. At this time, as shown in part (b) of FIG. 7, the first particles P1 began to drop out from the mixed particle group GA. Next, the state of step S4 was maintained for about 5 seconds from the time when the part (b) of FIG. 7 was imaged. That is, the voltage of the control signal was set to a constant value of 140 mV. At this time, the second particles P2 also dropped out, and the mixed particle group GA disappeared. And the state where many 1st particle | grains P1 existed on the bottom side of the water tank 2 and many 2nd particle | grains P2 existed on the upper side appeared as shown in the (c) part of FIG. Next, step S5 based on the third condition was executed. Then, as shown in part (d) of FIG. 7, the formation of the first particle group G1 was started on the bottom side of the water tank 2, and the formation of the second particle group G2 was started on the upper side of the water tank 2. Then, after about 2 seconds from the time when the part (d) in FIG. 7 is imaged, as shown in the part (e) in FIG. 7, the first particle group G1 including the first particles P1 and the second particles Formation of the second particle group G2 containing P2 was completed, and separation was completed.

従って、電圧を規定した条件に基づく分離方法によれば、第1粒子P1と第2粒子P2とを精度良く分離できることがわかった。   Therefore, it has been found that according to the separation method based on the condition defining the voltage, the first particles P1 and the second particles P2 can be separated with high accuracy.

<実施例2>
実施例2では、操作棒16を用いた粒子群の移動を確認した。この実施例2では、第1粒子として直径が600μmであるポリスチレンを用いた。第1粒子の密度は1.05g/cmであり、沈降速度は7.43mm/sである。第1条件として制御信号の電圧を300mVとし、制御信号の周波数を20.0kHzとした。
<Example 2>
In Example 2, the movement of the particle group using the operation rod 16 was confirmed. In Example 2, polystyrene having a diameter of 600 μm was used as the first particles. The density of the first particles is 1.05 g / cm 3 and the sedimentation rate is 7.43 mm / s. As a first condition, the voltage of the control signal was 300 mV, and the frequency of the control signal was 20.0 kHz.

図8の(a)部に示されるように、操作棒16の先端を水中に配置すると操作棒16に気泡が付着した。図8の(b)部及び(c)部に示されるように、操作棒16を粒子群Gに近づけると、第2ビヤネスク力によって、粒子群Gが操作棒16に引き寄せられた。そして、図8の(d)部及び(e)部に示されるように、操作棒16を水槽2の壁面に近づけていくと、第2ビヤネスク力が弱くなって重力が支配的となり、粒子群Gは操作棒16から離脱して水槽2の底へ下降した。そして、粒子群Gは再び超音波の腹の領域へ移動した。   As shown in part (a) of FIG. 8, when the tip of the operation rod 16 was placed in water, bubbles adhered to the operation rod 16. As shown in the parts (b) and (c) of FIG. 8, when the operation rod 16 was brought close to the particle group G, the particle group G was attracted to the operation bar 16 by the second Vanesque force. Then, as shown in (d) and (e) of FIG. 8, when the operating rod 16 is brought closer to the wall surface of the water tank 2, the second vanesque force becomes weak and gravity becomes dominant, and the particle group G separated from the operation rod 16 and lowered to the bottom of the water tank 2. Then, the particle group G again moved to the ultrasonic antinode region.

従って、操作棒16を用いることにより第2ビヤネスク力が支配的である領域内において、粒子群の位置を操作できることがわかった。   Therefore, it has been found that the position of the particle group can be manipulated in the region where the second vanezque force is dominant by using the operation rod 16.

<実施例3>
実施例3では、周波数を規定した条件に基づく粒子分離方法の作用効果を確認した。この実施例3では、第1粒子として直径が800μmであるポリスチレンを用いた。第1粒子の密度は1.05g/cmであり、沈降速度は10.36mm/sである。また、実施例1では、第2粒子として直径が400μmであるポリスチレンを用いた。また、第2粒子の密度は1.05g/cmであり、沈降速度は4.15mm/sである。第1条件として制御信号の周波数を20.2kHzとした。第2条件として制御信号の周波数を21.0kHzとした。第3条件として制御信号の周波数を20.3kHzとした。制御信号の振幅電圧は、第1条件、第2条件及び第3条件において共通とし、300mVとした。
<Example 3>
In Example 3, the effect of the particle separation method based on the conditions defining the frequency was confirmed. In Example 3, polystyrene having a diameter of 800 μm was used as the first particles. The density of the first particles is 1.05 g / cm 3 and the sedimentation rate is 10.36 mm / s. In Example 1, polystyrene having a diameter of 400 μm was used as the second particles. The density of the second particles is 1.05 g / cm 3 and the sedimentation speed is 4.15 mm / s. As a first condition, the frequency of the control signal was 20.2 kHz. As a second condition, the frequency of the control signal was 21.0 kHz. As a third condition, the frequency of the control signal was 20.3 kHz. The amplitude voltage of the control signal is common to the first condition, the second condition, and the third condition, and is 300 mV.

第1条件に基づくステップS3を実行すると、図9の(a)部に示されるように、水槽2の上部に混合粒子群GAが形成された。次に、図9の(a)部を撮像した直後からステップS4を実行した。そして、図9の(a)部を撮像した時刻から5秒後に、制御信号の周波数は21.0kHzに変化した。このとき、図9の(b)部に示されるように、混合粒子群GAから第1粒子P1の脱落が始まった。次に、図9の(b)部を撮像した時刻から5秒間は、ステップS4の状態を維持した。つまり、制御信号の周波数を21.0kHzの一定値とした。このとき、第2粒子P2も脱落が進み、混合粒子群GAは消失した。そして、図9の(c)部に示されるように、水槽2の底側に第1粒子P1が多く存在し、その上側に第2粒子P2が多く存在する状態が現れた。次に、第3条件に基づくステップS5を実行した。そうすると、図9の(d)部に示されるように、水槽2の底側において第1粒子群G1の形成が開始され、水槽2の上側において第2粒子群G2の形成が開始された。そして、図9の(d)部が撮像された時刻から0.5秒経過後、図9の(e)部に示されるように、第1粒子P1を含む第1粒子群G1と、第2粒子P2を含む第2粒子群G2と、の形成が完了し、分離が完了した。なお、S5の周波数は20.2kHzである。   When Step S3 based on the first condition was executed, the mixed particle group GA was formed in the upper part of the water tank 2, as shown in part (a) of FIG. Next, step S4 was performed immediately after imaging the part (a) of FIG. Then, 5 seconds after the time when the part (a) of FIG. 9 was imaged, the frequency of the control signal changed to 21.0 kHz. At this time, as shown in part (b) of FIG. 9, the first particles P1 began to drop out from the mixed particle group GA. Next, the state of step S4 was maintained for 5 seconds from the time when the part (b) of FIG. 9 was imaged. That is, the frequency of the control signal was set to a constant value of 21.0 kHz. At this time, the second particles P2 also dropped out, and the mixed particle group GA disappeared. And the state where many 1st particle | grains P1 existed in the bottom side of the water tank 2, and many 2nd particle | grains P2 existed on the upper side appeared as (c) part of FIG. 9 showed. Next, step S5 based on the third condition was executed. Then, as shown in part (d) of FIG. 9, the formation of the first particle group G1 was started on the bottom side of the water tank 2, and the formation of the second particle group G2 was started on the upper side of the water tank 2. And after 0.5 second passes from the time when the (d) part of Drawing 9 was imaged, as shown in (e) part of Drawing 9, the 1st particle group G1 containing the 1st particle P1, and the 2nd Formation of the second particle group G2 including the particles P2 was completed, and separation was completed. The frequency of S5 is 20.2 kHz.

従って、周波数を規定した条件に基づく分離方法によれば、第1粒子P1と第2粒子P2とを精度良く分離できることがわかった。   Therefore, it was found that according to the separation method based on the condition defining the frequency, the first particles P1 and the second particles P2 can be separated with high accuracy.

1…粒子分離装置、2…水槽、3…水(液体)、P1…第1粒子、P2…第2粒子、7…制御装置(制御手段)、8…超音波振動装置(超音波照射手段)、9…回収手段(粒子群移動手段)、B…気泡、GA…混合粒子群、G1…第1粒子群、G2…第2粒子群、VB1…第1腹位置、VB2…第2腹位置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Particle separator, 2 ... Water tank, 3 ... Water (liquid), P1 ... 1st particle, P2 ... 2nd particle, 7 ... Control apparatus (control means), 8 ... Ultrasonic vibration apparatus (ultrasonic irradiation means) 9, collection means (particle group moving means), B ... bubbles, GA ... mixed particle group, G1 ... first particle group, G2 ... second particle group, VB1 ... first antinode position, VB2 ... second antinode position.

Claims (7)

溶存ガスを含む液体に含まれた第1粒子と第2粒子とを分離する粒子分離方法であって、
前記液体に対して第1条件に基づく超音波を照射することにより、前記液体中に前記溶存ガスを気泡として発生させると共に、前記気泡が付着した前記第1粒子及び前記第2粒子を前記超音波の腹に集合させる第1凝集力を発生させて、前記気泡が付着した前記第1粒子及び前記第2粒子を含む混合粒子群を維持する第1ステップと、
前記第1ステップの後、前記液体に対して第2条件に基づく超音波を照射することにより、前記第1凝集力よりも弱い第2凝集力を発生させて、前記混合粒子群の維持を停止する第2ステップと、
前記第2ステップの後、前記液体に対して第3条件に基づく超音波を照射することにより、前記液体中に前記溶存ガスを気泡として発生させると共に、前記第1凝集力よりも弱く、且つ、前記第2凝集力よりも強い第3凝集力を発生させて、前記気泡が付着した前記第1粒子を含む第1粒子群を前記超音波の第1腹位置において維持し、前記気泡が付着した前記第2粒子を含む第2粒子群を前記超音波の第2腹位置において維持する第3ステップと、を含む、粒子分離方法。
A particle separation method for separating first particles and second particles contained in a liquid containing dissolved gas,
By irradiating the liquid with ultrasonic waves based on the first condition, the dissolved gas is generated as bubbles in the liquid, and the first particles and the second particles to which the bubbles are attached are applied to the ultrasonic waves. A first step of maintaining a mixed particle group including the first particles and the second particles to which the bubbles are attached by generating a first cohesive force that aggregates on the stomach of
After the first step, by irradiating the liquid with ultrasonic waves based on the second condition, a second cohesive force that is weaker than the first cohesive force is generated, and the maintenance of the mixed particle group is stopped. A second step to
After the second step, by irradiating the liquid with ultrasonic waves based on a third condition, the dissolved gas is generated as bubbles in the liquid, and is weaker than the first cohesive force, and A third cohesive force stronger than the second cohesive force is generated to maintain the first particle group including the first particles to which the bubbles are attached at the first antinode position of the ultrasonic wave, and the bubbles are attached. A third step of maintaining a second particle group including the second particles at a second antinode position of the ultrasonic wave.
前記第1条件、前記第2条件及び前記第3条件は、前記超音波の強度を規定し、
前記第3条件により規定される前記超音波の強度は、前記第1条件により規定される前記超音波の強度よりも小さく、且つ、前記第2条件により規定される前記超音波の強度よりも大きい、請求項1に記載の粒子分離方法。
The first condition, the second condition, and the third condition define the intensity of the ultrasonic wave,
The intensity of the ultrasonic wave defined by the third condition is smaller than the intensity of the ultrasonic wave defined by the first condition and larger than the intensity of the ultrasonic wave defined by the second condition. The particle separation method according to claim 1.
前記第1条件、前記第2条件及び前記第3条件は、前記超音波の周波数の値を規定するための条件であり、
前記第3条件により規定される値は、前記第1条件により規定される値以下であり、且つ、前記第2条件により規定される値よりも大きい、請求項1に記載の粒子分離方法。
The first condition, the second condition, and the third condition are conditions for defining a frequency value of the ultrasonic wave,
2. The particle separation method according to claim 1, wherein a value defined by the third condition is equal to or less than a value defined by the first condition and is greater than a value defined by the second condition.
前記第1条件、前記第2条件及び前記第3条件は、前記超音波の周波数の値を規定するための条件であり、
前記第3条件により規定される値は、前記第1条件により規定される値以上であり、且つ、前記第2条件により規定される値よりも小さい、請求項1に記載の粒子分離方法。
The first condition, the second condition, and the third condition are conditions for defining a frequency value of the ultrasonic wave,
2. The particle separation method according to claim 1, wherein a value defined by the third condition is equal to or greater than a value defined by the first condition and is smaller than a value defined by the second condition.
前記第1ステップ、前記第2ステップ及び前記第3ステップでは、前記液体を収容する容器の底側から前記液体の液面に向けて前記超音波を照射する、請求項1〜4の何れか一項に記載の粒子分離方法。   The said 1st step, the said 2nd step, and the said 3rd step WHEREIN: The said ultrasonic wave is irradiated toward the liquid level of the said liquid from the bottom side of the container which accommodates the said liquid. The particle separation method according to Item. 溶存ガスを含む液体に含まれた第1粒子と第2粒子とを分離する粒子分離装置であって、
前記液体を収容する容器と、
前記容器に収容された前記液体に対して超音波を照射する超音波照射手段と、
前記超音波照射手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記液体に対して第1条件に基づく超音波を照射することにより、前記液体中に前記溶存ガスを気泡として発生させると共に、前記気泡が付着した前記第1粒子及び前記第2粒子を前記超音波の腹に集合させる第1凝集力を発生させて、前記気泡が付着した前記第1粒子及び前記第2粒子を含む混合粒子群を維持し、
前記液体に対して第2条件に基づく超音波を照射することにより、前記第1凝集力よりも弱い第2凝集力を発生させて、前記混合粒子群の維持を停止し、
前記液体に対して第3条件に基づく超音波を照射することにより、前記液体中に前記溶存ガスを気泡として発生させると共に、前記第1凝集力よりも弱く、且つ、前記第2凝集力よりも強い第3凝集力を発生させて、前記気泡が付着した前記第1粒子を含む第1粒子群を前記超音波の第1腹位置において維持し、前記気泡が付着した前記第2粒子を含む第2粒子群を前記超音波の第2腹位置において維持する制御を行う、粒子分離装置。
A particle separation device for separating first particles and second particles contained in a liquid containing dissolved gas,
A container containing the liquid;
Ultrasonic irradiation means for irradiating the liquid contained in the container with ultrasonic waves;
Control means for controlling the ultrasonic wave irradiation means,
The control means includes
By irradiating the liquid with ultrasonic waves based on the first condition, the dissolved gas is generated as bubbles in the liquid, and the first particles and the second particles to which the bubbles are attached are applied to the ultrasonic waves. Generating a first cohesive force to gather on the belly of the gas, maintaining the mixed particle group including the first particles and the second particles to which the bubbles are attached,
By irradiating the liquid with ultrasonic waves based on the second condition, a second cohesive force that is weaker than the first cohesive force is generated, and maintenance of the mixed particle group is stopped,
By irradiating the liquid with ultrasonic waves based on the third condition, the dissolved gas is generated as bubbles in the liquid, and is weaker than the first cohesive force and more than the second cohesive force. A strong third cohesive force is generated to maintain the first particle group including the first particles to which the bubbles are attached at the first antinode position of the ultrasonic wave, and includes the second particles to which the bubbles are attached. A particle separation device that performs control to maintain two particle groups at a second antinode position of the ultrasonic wave.
前記混合粒子群、前記第1粒子群及び前記第2粒子群を移動させる粒子群移動手段をさらに備える、請求項6に記載の粒子分離装置。   The particle separator according to claim 6, further comprising a particle group moving unit that moves the mixed particle group, the first particle group, and the second particle group.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61500278A (en) * 1983-10-31 1986-02-20 ブリティッシュ・テクノロジー・グループ・リミテッド Method and apparatus for separating particulate matter in a liquid medium
JPH0747259A (en) * 1992-12-02 1995-02-21 Hitachi Ltd Apparatus for treating fine particle in fluid with ultrasonic waves
JP2006138640A (en) * 2004-11-10 2006-06-01 Honda Electronic Co Ltd Sound field measuring method for ultrasonic processor, sound field measuring instrument for ultrasonic processor, and ultrasonic processing system
JP2007160243A (en) * 2005-12-15 2007-06-28 Nihon Tetra Pak Kk Method and apparatus for recovering packing material
JP2007229557A (en) * 2006-02-28 2007-09-13 Keio Gijuku Continuous separation method and device of floating fine particle
JP2008036585A (en) * 2006-08-09 2008-02-21 Tohoku Univ Apparatus and method for separating suspended matter in liquid
JP2015514561A (en) * 2012-02-03 2015-05-21 マイクロソニック システムズ インク.Microsonic Systems Inc. Apparatus for automated processing of fluid samples using ultrasound

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61500278A (en) * 1983-10-31 1986-02-20 ブリティッシュ・テクノロジー・グループ・リミテッド Method and apparatus for separating particulate matter in a liquid medium
JPH0747259A (en) * 1992-12-02 1995-02-21 Hitachi Ltd Apparatus for treating fine particle in fluid with ultrasonic waves
JP2006138640A (en) * 2004-11-10 2006-06-01 Honda Electronic Co Ltd Sound field measuring method for ultrasonic processor, sound field measuring instrument for ultrasonic processor, and ultrasonic processing system
JP2007160243A (en) * 2005-12-15 2007-06-28 Nihon Tetra Pak Kk Method and apparatus for recovering packing material
JP2007229557A (en) * 2006-02-28 2007-09-13 Keio Gijuku Continuous separation method and device of floating fine particle
JP2008036585A (en) * 2006-08-09 2008-02-21 Tohoku Univ Apparatus and method for separating suspended matter in liquid
JP2015514561A (en) * 2012-02-03 2015-05-21 マイクロソニック システムズ インク.Microsonic Systems Inc. Apparatus for automated processing of fluid samples using ultrasound

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