JP3252971B2 - 音響化学装置 - Google Patents

音響化学装置

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バリー パイク ロジャー
ディヴィッド ウォード ローレンス
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、液体を超音波に強くさ
らすための装置、特に、限定されるわけではないが、液
体中で化学反応を誘発したり高めたりするための装置に
関する。 【0002】 【従来の技術】液体が超音波に強く(即ち、約1W/cm
2 以上の強度に)さらされた場合には、減衰及び非線型
効果によって、液体中にエネルギが著しく蓄積される。
これは、物理変化(例えば、流れ、混合又は乳化)或い
は化学変化をもたらすことがあり、本発明は主として、
音響化学と称する後者と関連している。最も顕著な音響
化学の影響は通常、液体中のキャビテーション、即ち、
超音波及びそれに引き続く衰弱による気体及び蒸気の泡
の生成と関連しており、特に、典型的には0.3W/cm
2 以上の域値より上でのみ発生する瞬間的な蒸気状のキ
ャビテーションと関連している。これは、(周波数に依
存する)共振寸法よりも小さく蒸気で満たされた泡の生
成を伴い、この泡は、圧力が降下するにつれて、超音波
が希薄化して急速に衰弱する。何千度の温度変化及び何
百の雰囲気の衝撃波が、数十から数百ミクロンの容量に
おいて生成される。遷移キャビテーションは、固体表面
の深刻な機械的腐食を生じ、化学変化を誘発することが
ある。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、液体を強く
超音波にさらした場合に、固体表面に機械的な腐食を生
じたり化学変化を誘発したりすることのない音響化学装
置を提供することを目的とする。 【0004】 【課題を解決するための手段】本発明によれば、液体の
ためのチャンバを構成する手段と、付勢されたとき作動
周波数で超音波を発生させるようになったトランスデュ
ーサ組立体とを含む、液体を超音波に強くさらすための
装置において、チャンバの壁の外側に固定された少なく
とも1つのカラーを含み、各カラーは、作動周波数で共
振するようになっていて、節フランジを有する超音波カ
プラーの一部を包囲しており、カプラーは、カプラーの
側面とカラーとの間に隙間があり且つカプラーの端部と
壁との間に隙間があるように、壁から遠いカラーの端に
節フランジによって固定されており、カラーを充填し従
ってカプラーとカラー及び壁の両方との間の隙間を占有
するチャンバ内の液体のキャビテーションの域値以上の
域値をもつ低減衰緩衝液体をさらに含み、トランスデュ
ーサ組立体は、カラーの外側でカプラーの端に固定さ
れ、付勢されたときカプラーに作動周波数の超音波を発
生させるようになっている装置が提供される。 【0005】節フランジによってトランスデューサ及び
カプラーを取付ける利点は、チャンバを構成する手段の
共振応答が、トランスデューサの共振挙動に最小の影響
を及ぼし、かつ、超音波がカプラー、次いで緩衝液体及
び壁を介して、チャンバを構成する手段にではなく、チ
ャンバ内の液体に伝達されることである。緩衝液体の使
用は、キャビテーション、従ってカプラーの端部での浸
食を抑制することができ、緩衝液体に浸漬されたカプラ
ーの一部を取り囲むカラーの存在は、カプラーの側方振
動を抑制する。 【0006】好適には、カプラーは、(作動周波数で
の)波長の半分の長さであり、チタニウム合金で作られ
ており、その長さの部分に沿って傾斜している。好適に
は、節フランジの両側で直径は変化しない。好適な実施
例では、壁に隣接した端部は直径が50mmであり、他方
の端部は直径が33mmである。壁自体は、ガラス又はス
テンレス鋼で作っても良く、この場合には、チャンバ内
の液体への超音波の伝達を向上させるため、好適には厚
さは5mm、より好適には2.5mmである。 【0007】カラーは、好適には、カプラーの端部と壁
の最も近い部分との隙間が10mm以下で且つ緩衝液体の
4分の1波長以下の長さのものであり、出来れば6mm程
度である。カプラーの両側とカラーとの間の隙間は好適
には10mm以下であるが、2mm以下ではないのが望まし
い。カラー自体は、好適には、2〜5mm厚、より好適に
は3mm厚であり、ステンレス鋼で作られている。 【0008】好適な緩衝液体は、オリーブ油である。作
動の際、カプラー及び緩衝液体に著しい発熱があるの
で、好適には、緩衝液体を循環させこれを冷却させる手
段が設けられている。好適には、チャンバ構成手段は、
円筒形のステンレス鋼の管からなり、等距離間隔へだて
て共通平面内に位置するように固定された3つのカラー
がある。管は各端が閉鎖され閉鎖チャンバを構成してお
り、或いは、より長いダクトの一部、例えば各端が大き
な貯蔵容器に連結された反応ループを形成している。好
適には、カラーが固定される壁は、チャンバを構成する
手段と一体であり、例えば、壁は、チャンバを構成する
管の一体部分であるので、カラー内の緩衝液体とチャン
バ内の液体とを密封する必要がない。 【0009】 【実施例】次に、添付図面を参照して、本発明の実施例
を単なる例示として説明する。図1を参照すると、加熱
及び/又は冷却ジャケット13と、内部バフル14と、
モータ16によって駆動される撹拌器15と、試薬用の
入口17、18と、製品用の出口19とを備えた反応タ
ンク12を有する化学処理プラント10が示されてい
る。ループ20がタンク12の2つの口21と22とを
連通しており、タンク12からの液体がループ20を通
って循環するように、ポンプ24を有する。(概略的に
図示した)音響化学装置25がループ20の一部を形成
し、弁26によって隔離される。装置25はオリーブ油
が充填されたカラー28を有しているが、オリーブ油
は、作動の際、ポンプ27によって熱交換器29を通し
て循環され、その回路は、オリーブ油が例えば水蒸気に
よって汚染されることのないように可撓性の膜31によ
って被覆された膨張タンク30を有する。 【0010】音響装置25に通される液体が、例えば水
中の水溶性の反応体の混合物の単一の相であるか、或い
は、例えば2以上の不混和性の液体又は懸濁液中の粒状
物質の混合物の単一の相であるのが、理解されるであろ
う。また、タンク12に連結された1以上のループ20
を有し、ループ20の液体の流れは平行である。ループ
20内には、液体が連続して流れる1以上の音響化学装
置25が設けられている。 【0011】次に、図2を参照すると、図1のループ2
0に使用するのに適した音響化学装置25の横断面図が
示されている。装置25は、壁厚2.5mm、孔径125
mmの一定長さのステンレス鋼管35を有しており、この
管の両端には、ループ20に連結することができるよう
に、フランジ36(図3)が設けられている。壁厚3mm
の3つの段付きのステンレス鋼のカラー38は、管35
の外側に共通平面で等距離間隔へだてて溶接されてお
り、各カラー38の外端には、取付け用フランジ40が
設けられている。また、図3を参照すると、各カラー3
8には、図1に関連して上述したように、オリーブ油4
3をカラー38及び熱交換器29に循環させるための入
口ポート42と出口ポート44とが設けられている。各
カラー38は、節フランジ48を有するほぼ円筒形のチ
タニウム合金の半波長のカプラー46(図2では、その
うち1つを図示する)の一端を包囲している。カプラー
46は、取付けフランジ40とステンレスのクランプリ
ング52との間に保持されねじ54(2つのみを図示す
る)で固定された2つのシリコンゴムのガスケット50
間で、節フランジ48の外縁部を締付けることによっ
て、その端面が管35の壁の外側から6mmのところに、
カラー38と共軸に保持されている。 【0012】カプラー46の他端には、短いねじ付きス
タッド58によってトランスデューサ組立体56がしっ
かりと固定されており、スタッド58は、カラー46と
トランスデューサ組立体56に設けられた対応するねじ
付き孔に係合する。その当接面は、トランスデューサ組
立体56からカプラー46への超音波の伝達を最大にす
るため、滑らかで平らである。トランスデューサ組立体
56の共振周波数は20kHzであり、カプラー46はこ
の周波数の波長長さの半分であるので、フランジ48
は、作動時の変位の節である位置にある。トランスデュ
ーサ組立体56に隣接したカプラー46の端部は、直径
が33mm(トランスデューサ組立体56の隣接端と同じ
直径)であるが、他方の端部は、超音波をオリーブ油4
3に一層効果的に伝達するために、50mmである。カプ
ラー46は、端部に短い円筒形部分が設けられており、
幅広端部とフランジ48との間で均一に傾斜している。
カプラー46は、フランジ46の各々の側で同じ直径を
有しており、フランジ48の各々の側にフィレットが設
けられている。フランジ48と幅狭端部との間には、円
筒形部分、次いで短い傾斜部分が設けられている。 【0013】トランスデューサ組立体56は、ほぼ円筒
形のチタニウム合金の連結用ブロック60(節フランジ
62をも構成する)と、円筒形のチタニウム合金の背部
ブロック64とを含み、これらの間に、両方向に分極さ
れたpzt(ジルコネートチタン酸鉛)圧電材料の2つ
の環状のディスク66が挿入されている。トランスデュ
ーサ組立体56は、8mm径のボルト68によって一緒に
保持されており、このボルト68は、作動時にディスク
66を圧縮状態に確実に置くのに十分な程緊密である。
寸法は、トランスデューサ組立体56が約20kHzで共
振するようなものである。かかるトランスデューサ組立
体は、英国サマセット州タウントン、アイスル・ブリュ
ワーズからソニック・システムとして市販されている。 【0014】装置25の作動の際、各トランスデューサ
組立体56は、それぞれの20kHz信号発生器(図示せ
ず)に連結され、電気信号はディスク66の隣接する面
に供給され、外側の面が接地される。各発生器は代表的
には、トランスデューサ組立体56に約250Wの電力
を提供する。オリーブ油43がカラー38及び熱交換器
29を通して循環され、過熱を阻止する。エネルギの損
失のため、主としてオリーブ油43と管35との境界で
の反射のため、管内の液体が受ける音波力は、各トラン
スデューサ組立体56から約100Wである。液体が水
の場合には、約300mmの管35の長さにわたってキャ
ビテーションが発生することが分かっており、処理され
た容量は約3.6リットルである。
【図面の簡単な説明】 【図1】音響化学装置を有するプラントの部分断面概略
図である。 【図2】図1のプラントに使用される音響化学装置の横
断面図である。 【図3】図2の音響化学装置の部分拡大斜視図である。 【符号の説明】 38 カラー 46 カプラー 48 節フランジ 56 トランスデューサ組立体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローレンス ディヴィッド ウォード イギリス国 オックスフォードシャー ファーリングドン スタンフォード イ ン ザ ヴェイル チャペル ロード (番地なし) 「ウェイサイド」 (56)参考文献 特開 昭48−95372(JP,A) 実開 昭50−94241(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01J 19/00 - 19/32

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】液体のためのチャンバを構成する手段(3
    5)と、付勢されたとき作動周波数で超音波を発生させ
    るようになったトランスデューサ組立体(56)とを含
    む、液体を超音波に強くさらすための装置において、 チャンバの壁(35)の外側に固定された少なくとも1
    つのカラー(38)を含み、各カラー(38)は、作動
    周波数で共振するようになっていて、節フランジ(4
    8)を有する超音波カプラー(46)の一部を包囲して
    おり、カプラー(46)は、カプラー(46)の側面と
    カラー(38)との間に隙間があり且つカプラー(4
    6)の端部と壁(35)との間に隙間があるように、壁
    (35)から遠いカラー(38)の端に節フランジ(4
    8)によって固定されており、カラー(38)を充填し
    従ってカプラー(46)とカラー(38)及び壁(3
    5)の両方との間の隙間を占有するチャンバ内の液体の
    キャビテーションの域値以上の域値をもつ低減衰緩衝液
    体をさらに含み、トランスデューサ組立体(56)は、
    カラー(38)の外側でカプラー(46)の端に固定さ
    れ、付勢されたときカプラー(46)に作動周波数の超
    音波を発生させるようになっている、装置。 【請求項2】カプラー(46)は、作動周波数での波長
    の半分の長さであり、その長さの少なくとも一部に沿っ
    て傾斜している、請求項1記載の装置。 【請求項3】節フランジ(48)の両側においてカプラ
    ー(46)の直径が変化しない、請求項1又は2に記載
    の装置。 【請求項4】カプラー(46)の端に隣接した壁(3
    5)は鋼からなり、厚さが5mm以下である、請求項1乃
    至3のいずれか1 つに記載の装置。 【請求項5 】壁は厚さが2.5mmである、請求項4記載
    の装置。 【請求項6】カラー(38)は、カプラー(46)の端
    部と壁(35)の最も近い部分との隙間が10mm以下で
    あり且つ作動周波数での緩衝液体の4分の1波長よりも
    小さいような長さのものである、請求項1乃至5のいず
    れか1つに記載の装置。 【請求項7】カラー(38)は、カプラー(46)の両
    側とカラー(38)との間の隙間が2〜10mmであるよ
    うな直径を有する、請求項1乃至6のいずれか1つに記
    載の装置。 【請求項8】カラー(38)自体は、2〜5mmの厚さを
    有する、請求項1乃至7のいずれか1つに記載の装置。 【請求項9】緩衝液体を循環させる手段(27)と、緩
    衝液体を冷却する手段(29)とを有する、請求項1乃
    至8のいずれか1つに記載の装置。 【請求項10】液体のためのチャンバを構成する手段
    は、円筒形の管(36)からなり、装置は、液体を管
    (35)に流れさせる手段(24)をさらに含む、請求
    項1乃至9のいずれか1つに記載の装置。 【請求項11】カラー(38)が固定されるチャンバの
    壁(35)は、チャンバを構成する手段と一体である、
    請求項1乃至10のいずれか1つに記載の装置。 【請求項12】カプラー(46)とトランスデューサ
    (56)を各々有し、管(35)の外側に等距離間隔へ
    だてて共通平面内で固定された3つのカラー(38)が
    設けられている、請求項10記載の装置。
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