JP3855624B2

JP3855624B2 - 水処理装置

Info

Publication number: JP3855624B2
Application number: JP2000265983A
Authority: JP
Inventors: 邦夫橋場; 晋一郎梅村; 裕鱒沢; 健一川畑
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: JP2002066550A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，膜状の水に超音波によるキャビテーションを発生させ，キャビテーションの作用によって，水中の微生物などの殺菌を行なう水処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水処理において，従来広く採用されている塩素処理はクリプトスポリジウムなどの耐塩素性に優れた病原性微生物の殺菌にはあまり有効ではないことが指摘されている。病原性微生物の殺菌が可能な手段として，例えばヨーロッパ公開特許５６７２２５号により，２０ｋＨｚ以上の超音波によるキャビテーションを利用した水処理方法が公知である。
【０００３】
超音波による水処理方法において殺菌効果の原因となるキャビテーションは，圧力の変動により水中に存在する酸素などの気体が核となって，気泡が生じる現象である。「超音波技術便覧（新訂版）：日刊工業新聞社，１９９１年，ｐ．８４４−ｐ．８５８」に記載されているように，キャビテーションによって発生した気泡が圧壊する際に生じる衝撃圧によって水中の微生物は機械的に破壊されることが広く知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
キャビテーションの作用を高い確率で水中の微生物に与え殺菌効率を向上させるために，特願平１１−１８２９０３号，特願２０００−１６３１３７において本発明者により，膜状の水にキャビテーションを発生させる水処理装置が示されている。
【０００５】
超音波キャビテーションは１００ｋＨｚ以下の比較的低い周波数を用いると少ないエネルギーでキャビテーションを発生させることができ，更にキャビテーションの機械的破壊作用も強い。上述のような超音波による水処理装置においても，１００ｋＨｚ以下の超音波を用いることが望ましいと考えられるが，何れも単一の周波数の超音波が用いられている。
【０００６】
通常，水中には大きさの異なる気泡が数多く存在しており，数十μｍの半径を有する気泡が最も多く存在している。このような水中に１００ｋＨｚ以下の超音波を照射してキャビテーションを発生させると，半径が数μｍから数百μｍの気泡は効率よく圧壊して強い衝撃波が発生するが，径の小さいや径の大きい気泡は圧壊した際の衝撃力が小さくなるか，あるいは圧壊しなくなる。
【０００７】
上述の水処理装置では，単一の周波数の超音波を用いているため，水中に含まれる様々な大きさの気泡の一部を圧壊している。水中の微生物を効率的に破壊するには，なるべく多くの気泡を圧壊させて，大きな衝撃圧を数多くの場所で発生させた方が良い。
【０００８】
本発明の目的は，膜状の水にキャビテーションを発生させ，水中の微生物を殺菌する水処理装置において，水中に含まれる様々な大きさの気泡を圧壊させ，強い衝撃圧を数多くの場所で発生させることによって，水中の微生物を効率的に殺菌する水処理装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
「超音波技術便覧（新訂版）：日刊工業新聞社，１９９１年，ｐ．１０８５−ｐ．１０８６」に記載されているように，気泡が振動する際にはｒｅｃｔｉｆｉｅｄｄｉｆｆｕｓｉｏｎにより，気泡が成長して大きくなる。この作用は，共振気泡において最も顕著である。そこで本発明の水処理装置では，１００ｋＨｚ以上の周波数の超音波を照射し，ｒｅｃｔｉｆｉｅｄｄｉｆｆｕｓｉｏｎによって小さな気泡を成長させ，１００ｋＨｚ以下の周波数で圧壊し得る数μｍ〜数百μｍの気泡の存在頻度（密度）を増大させる。その後，１００ｋＨｚ以下の超音波を照射することにより，水中に存在する気泡の多くを圧壊させる。
【００１０】
本発明の水処理装置は，回転対称軸を持つ第１，第２の部分を有し，回転対称軸を持つ反応容器を具備する。反応容器の第１の部分の側の開口部は，水の入口を持つ第１の蓋で覆われ，反応容器の第２の部分の側の開口部は，水の出口を持つ第２の蓋で覆われている。
【００１１】
第１の超音波振動子と第１の振動伝送体と第１の円柱とを順に結合してなる回転対称軸を持つ第１の超音波振動体の第１の円柱が，第１の超音波振動体の回転対称軸と反応容器の回転対称軸とを一致させて，反応容器の第１の部分に内包され第１の蓋に支持される。
【００１２】
第２の超音波振動子と第２の振動伝送体と第２の円柱とを順に結合してなる回転対称軸を持つ第２の超音波振動体の第２の円柱が，第２の超音波振動体の回転対称軸と反応容器の回転対称軸とを一致させて，第１の円柱の一方の端面と第２の円柱の一方の端面とを対向させて，反応容器の第２の部分に内包され第２の蓋に支持される。
【００１３】
第１の超音波振動体は１００ｋＨｚ以上の周波数で駆動され，第２の超音波振動体は１００ｋＨｚ以下の周波数で駆動される。第１の部分を構成する反応容器の内面と第１の円柱の側面との間隔を，第１の超音波振動体の振動の周波数によって定まる水中での音波の波長の（１／４）以下とし，第２の部分を構成する反応容器の内面と第２の円柱の側面との間隔を，第２の超音波振動体の振動の周波数によって定まる水中での音波の波長の（１／４）以下とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施例図を用いて詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の水処理装置の実施例を示す断面図である。反応容器１０は回転対称軸を有し，回転対称軸をそれぞれ有し隣接する第１の部分１１，第２の部分１２を持つ。反応容器１０の第１の部分１１，第２の部分１２の回転対称軸に垂直な断面は円である。反応容器１０内を水密にするため，第１の部分１１の開口部は第１の蓋２１により閉じられ，第２の部分１２の開口部は第２の蓋２２により閉じられている。
【００１６】
第１の蓋２１には，図示しない駆動電源につながれた第１の超音波振動子３１３と振動伝送体３１２と円柱３１１とを順に結合してなる第１の超音波振動体３１が，振動伝送体３１２に設けられたフランジによって結合されている。第１の超音波振動体３１は，反応容器１０及び第１の蓋１２と同軸に配置され，円柱３１１が反応容器１０の第１の部分１１に内包されるように配置される。
【００１７】
第２の蓋２２には，図示しない駆動電源につながれた第２の超音波振動子３２１と振動伝送体３２２と円柱３２３とを順に結合してなる第２の超音波振動体３２が，振動伝送体３２２に設けられたフランジによって結合されている。第２の超音波振動体３２は反応容器１０及び第２の蓋２２と同軸に配置され，円柱３２３が反応容器１０の第２の部分１２に内包されるように配置される。
【００１８】
配水管４１１及び４１２を通り，反応容器１０に入水した水は，第１の蓋２１に設けられた配水管４１３を通り，先ず反応容器１０の第１の部分１１に入水される。超音波振動体３１は１００ｋＨｚ以上の周波数で振動しており，第１の部分１１に入水した水は特に円柱３１１の側面と反応容器１０の内面の間で第１の超音波振動体３１の振動を受け，水中に存在する様々な大きさの気泡も呼吸振動をする。
【００１９】
「超音波技術便覧（新訂版）：日刊工業新聞社，１９９１年，ｐ．１０８５−ｐ．１０８６」に記載されているように，この気泡の呼吸振動は非線形振動であり，比較的小さい大きさの気泡はｒｅｃｔｉｆｉｅｄｄｉｆｆｕｓｉｏｎの効果によって，大きな気泡に成長する。従って，水が第１の部分１１から第２の部分１２へ移行する際には，数μｍ〜数百μｍの気泡を多く含む水になっている。
【００２０】
このようにして第２の部分１２に流れた水に，第２の超音波振動体３２の振動によって，特に円柱３２３の側面と反応容器１０の内面の間で１００ｋＨｚ以下の超音波振動が与えられる。第２の部分１２内の水は１００ｋＨｚ以下の超音波で圧壊し，強い衝撃圧を発し得る数μｍ〜数百μｍの気泡を数多く含んでいる。このため，水中に存在する微生物は高い確率で効率よく衝撃圧の作用を受け，機械的に破壊される。
【００２１】
このようにして，第２の部分１２で殺菌処理された水は，第２の蓋２２に設けられた配水管４２３を介して，配管４２２及び４２１へと排水される。
【００２２】
次に，第１の超音波振動体３１及び３２の周波数について，図２〜図６を用いて説明する。図２〜図６は，気泡を球対称と仮定した際の理論解析結果である。気泡の運動方程式は，気泡内の圧力を一様とし，水の蒸気圧を一定，気泡内外の気体の拡散が無いと仮定とすると，（数１）となる（「Ｊ．Ｂ．ＫｅｌｌｅｒａｎｄＭ．Ｍｉｋｓｉｓ：Ｂｕｂｂｌｅｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｃｏｕｓｔｉｃｓＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ，６８巻，２号，１９８０年，ｐ．６２８−ｐ．６３３」を参照）。
【００２３】
【数１】

（数１）で，Ｒは気泡の半径，Ｒ₀は気泡の初期半径，ｔは時間，Ｐは音場の圧力振幅，ｗは音場の各周波数である。ｒ₀（＝１０００ｋｇ／ｍ³）は水の密度，ｍ（＝１．３１×１０^-3Ｐａ・ｓ）は水の粘性係数，ｓ（＝７．２×１０^-2Ｎ／ｍ）は水の表面張力，Ｐ_v（＝１．２２７ｋＰａ）は水の蒸気圧，ｃ₀（＝１４６６ｍ／ｓ）は水中の音速，ｋ（＝１．３３）は気体の比熱比，Ｍ（＝（ｄＲ／ｄｔ）／ｃ₀）はマッハ数である。
【００２４】
例えば，殺菌作用を目的とした反応容器１０の第２の部分１２における超音波の周波数を２０ｋＨｚ（ｗ＝３．１４×１０⁵ｒａｄ／ｓ），音場の圧力振幅をＰ＝１．２×１０⁵Ｐａと仮定する。
【００２５】
図２（Ａ）に示した音圧変化に対し，半径１０μｍを初期にもつ気泡の半径の時間的変動は図２（Ｂ）のようになり，その時の気泡壁の移動速度は図２（Ｃ）のようになる。図２に示す結果から，気泡は半周期程度で圧壊し，その時生じる大きな気泡壁の移動速度の変化により，衝撃波パルスが発生することがわかる。
【００２６】
同様の解析を，気泡の初期の半径を５μｍ，３μｍ，２μｍと変化させて行ない，得られた結果をそれぞれ図３（Ａ）〜図３（Ｃ），図４（Ａ）〜４（Ｃ），図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示す。
【００２７】
図２から図５に示す結果から，半径１０μｍを初期にもつ気泡と半径５μｍを初期にもつ気泡とでは，気泡の圧壊の時の衝撃圧に余り変化は無い。
【００２８】
半径３μｍを初期にもつ気泡では衝撃圧が小さくなり，更に半径２μｍを初期にもつ気泡では気泡の圧壊が見られなくなることがわかる。
【００２９】
従って，反応容器１０の第２の部分１２に２０ｋＨｚの超音波を照射する場合，第１の部分１１で半径３μｍ以下であった気泡を半径５μｍ程度の気泡に成長させれば，第２の部分１２で圧壊する気泡の存在頻度（密度）を増大させることができ，殺菌の効率がよくなる。
【００３０】
図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は，音場の圧力振幅をＰ＝１．２×１０⁵Ｐａとし，上述の解析と同様に仮定し，周波数９００ｋＨｚ，気泡の初期の半径３μｍとした場合の解析結果である。この条件下では，気泡は徐々に大きくなり，最大半径が７μｍ程度になる。また，音場の音圧変化と気泡の半径の変化が同位相になっている。このような状態は気泡が共振している状態であり，一周期当たりの気泡の半径の変化を見ると，初期の半径よりも大きな半径となっている時間が，初期半径より小さくなっている時間よりも長い。従って，気泡内には水中から気体が拡散してきて，気泡内の圧力が徐々に上昇し，結果として初期の半径が増加する，いわゆるｒｅｃｔｉｆｉｅｄｄｉｆｆｕｓｉｏｎが生じる。
【００３１】
以上のことから，例えば，第１の部分１１では第１の超音波振動体３１を９００ｋＨｚで振動させ，５μｍ程度の初期の半径を有する気泡の存在頻度（密度）を増大させて，第２の部分１２で第２の超音波振動体３２を２０ｋＨｚで振動させ５μｍ以上の気泡を圧壊させることにより，効率的な殺菌効果を得ることができる。
【００３２】
第１の部分１１では比較的小さな気泡を成長させるので，第１の超音波振動体３１の周波数は第２の超音波振動体３２の周波数よりも必然的に高くなる。第２の超音波振動体３２の周波数はキャビテーションの機械的破壊作用が高い１００ｋＨｚ以下とした方が望ましいので，第１の超音波振動体３１の周波数は１００ｋＨｚ以上とするのが良い。
【００３３】
第１の部分１１及び第２の部分では気泡が存在しており，その気泡の振動が激しくなると，水の一部が気体に変わるため見掛けの水の固有音響インピーダンスが変化する。上述した気泡の理論解析をもとに，例えば，気泡の初期の半径を４μｍとし，この気泡の存在頻度（密度）が10¹⁰個／ｍ³であると仮定して，周波数２５ｋＨｚの時の水と気泡との混合流体の時間平均的な固有音響インピーダンス（ρｃ）の実部と虚部の値を音響パワーに対してそれぞれ示すと図７のようになる。
【００３４】
音響パワーの変化に伴い，水と気泡の混合体の固有音響インピーダンス（ρｃ）は実部，虚部とも大きく変化する。本発明の実施例の水処理装置では，反応容器１０内の第１の部分１１と第２の部分１２では，気泡の成長と気泡の圧壊という別々の役割分担がされている。第１の部分では気泡を圧壊させる必要はないので，音響パワーは少なくてよく，第２の部分１２では，比較的大きな音響パワーが必要である。従って，第１の部分１１に存在する水と気泡との混合体の固有音響インピーダンスと，第２の部分１２に存在する水と気泡との混合体の固有音響インピーダンスは大きく異なっている。従って，第１の超音波振動体３１及び第２の超音波振動体３２を駆動させるための図示しない駆動電源は，別々にするのが望ましい。
【００３５】
キャビテーションは音圧の変動が大きいところで発生するため，通常は超音波振動面の近傍や定在波音場の音圧の腹で発生が顕著になるが，水中の気泡は一様に分布していると考えられるため，円柱３１１及び円柱３２３の側面と反応容器１０の内面との間隔はそれぞれ，第１の超音波振動体３１及び第２の超音波振動体３２のそれぞれの周波数における水の波長の（１／４）以下にすることが望ましい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明の水処理装置では，第１の部分で比較的小さな気泡が成長し，第２の部分で圧壊して強い衝撃圧を発生し得る気泡の密度が高くなった水が，第２の部分に流れ，更に超音波振動を照射されるので，水中の微生物に高い確率でキャビテーションの機械的破壊作用を与えることになり，効率的な殺菌作用を得ることができる。また，小さな気泡を成長させるので，また，微生物を殺菌する領域の音圧分布が一様なので，気泡の成長する領域の音圧分布と殺菌領域中のキャビテーションの発生分布にも斑が無く，効率的に気泡を成長させ，より効率的に微生物を破壊することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水処理装置の実施例を示す断面図。
【図２】本発明の実施例に於いて気泡の半径方向の運動の解析結果を示した図。
【図３】本発明の実施例に於いて気泡の半径方向の運動の別の解析結果を示した図。
【図４】本発明の実施例に於いて気泡の半径方向の運動の別の解析結果を示した図。
【図５】本発明の実施例に於いて気泡の半径方向の運動の別の解析結果を示した図。
【図６】本発明の実施例に於いて気泡の半径方向の運動の別の解析結果を示した図。
【図７】本発明の実施例に於いて水と気泡との混合体の固有音響インピーダンスと音響パワーとの関係を示す図。
【符号の説明】
１０…反応容器，１１…第１の部分，１２…第２の部分，２１…第１の蓋，２２…第２の蓋，３１…第１の超音波振動体，３１１…第１の円柱，３１２…第１の振動伝送体，３１３…第１の超音波振動子，３２…第２の超音波振動体，３２１…第２の超音波振動子，３２２…第２の振動伝送体，３２３…第２の円柱，４１１〜４１３，４２１〜４２３…配管。

Claims

第１，第２の部分を有し回転対称軸を持つ反応容器と，水の入口を有し前記反応容器の前記第１の部分の側の開口部を覆う第１の蓋と，水の出口を有し前記反応容器の前記第２の部分の側の開口部を覆う第２の蓋と，第１の超音波振動子と第１の振動伝送体と第１の円柱とを順に結合してなる回転対称軸を持つ第１の超音波振動体と，第２の超音波振動子と第２の振動伝送体と第２の円柱とを順に結合してなる回転対称軸を持つ第２の超音波振動体とを有し，前記第１の超音波振動体の前記回転対称軸と前記反応容器の前記回転対称軸とを一致させ，前記第１の円柱が前記第１の部分に内包されて前記第１の蓋に支持され，前記第２の超音波振動体の前記回転対称軸と前記反応容器の前記回転対称軸とを一致させ，前記第１の円柱の一方の端面と前記第２の円柱の一方の端面とを対向させ，前記第２の円柱が前記第２の部分に内包されて前記第２の蓋に支持され，前記第１の超音波振動体は１００ｋＨｚ以上の周波数で駆動され，前記第２の超音波振動体は２０ｋＨｚの周波数で駆動されることを特徴とする水処理装置。