JP4247150B2 - 超音波殺菌分解装置 - Google Patents
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Description
以下、この発明の実施の形態1による超音波殺菌分解装置を図について説明する。
図1はこの発明の実施の形態1による超音波殺菌分解装置の構造を示す図である。
図に示すように、配管1内を水などの液体2が矢印の方向に流れて流路が形成されており、配管1の外周部に集束手段としての凹面レンズ4を介して超音波振動子3を配設し、レンズ4と配管1との間に充填材6を設けて超音波殺菌分解装置を構成する。
超音波振動子3で発生した超音波10はレンズ4によって流路内で集束され、焦点5に集まる。この際、配管1の材質、およびレンズ4と配管1との間の充填材6は、流れる液体2とほぼ同程度の音響インピーダンスを持つ材質であり、例えば液体2が水の場合、配管1や充填材6の材質は、水やポリエチレンなど音響インピーダンスが106Ns/m3オーダのものとする。
また上述したように、配管1の材質、およびレンズ4と配管1との間の充填材6は、液体2と同程度の音響インピーダンスを持つ材質とすることで、超音波振動子3から液体2までの材質の音響インピーダンスを、液体2の音響インピーダンスと同程度にする。これにより超音波10のエネルギ損失を極力抑制して集束させることができ、液体2に大きなエネルギの集束超音波10を効果的に照射でき、細菌、微生物などの殺菌・分解を促進できる。
また、配管1内壁に付着増殖した微生物が増粘多糖類を産出し、その増粘多糖類が配管1の目詰まり原因になるものであるが、集束超音波10の照射により液体2にキャビテーションや超音波噴流を励起させて、上記のような配管1内壁の付着物も、分解して除去できる。
振動面が球状の超音波振動子を用いて集束超音波を用いた場合と、単に振動面が平面の超音波振動子を用いた場合とで、配管内壁に付着増殖した微生物に起因する増粘多糖類を模擬して固化させたゼラチンを水中に設置し、例えば3.4MHz、23Wの一定条件でゼラチンに対して超音波照射する比較実験を行った。この結果、振動面が平面の超音波振動子の場合には変化がなかったが、振動面が球状の超音波振動子による集束超音波を用いた場合には、瞬時にゼラチンが破壊された。このように、集束超音波によって効率的に配管の目詰まりが防止できることが確認された。
次に、上記実施の形態1による超音波殺菌分解装置における集束手段であるレンズ4について詳細に説明する。
上述したように、超音波振動子3から発した超音波10を液体2の流路内で局所的に集束させるため、超音波振動子3にレンズ4を密着させて設けるが、この凹面レンズ4の形状を求める考え方を記す。
図4において、y=y0が振動面であり、上方向に振動が伝わる。集束点は、図中でF(0,F)とする。超音波を1点に集束させ、強め合わせるためには、同時間に同位相で1点に集まる。よって、図中の矢印点線で示す2つの音路20を通る時間が同じになる。液体中音速、レンズ中音速が図中のようにそれぞれc1、c2のとき、図中(x0,y0)で表される振動面から焦点Fに到着する時間と、振動面(x,y0)からレンズ面上(x,y)を通過してFに到達する時間が等しいことから求める。
x2/{F2*(1-μ)/(1+μ)} + {y-F/(1+μ)}2/{F2/(1+μ)2}=1
但し、(μ=液体中音速/レンズ中音速)
上記式で表されるレンズ4は、楕円形状の非球面レンズとなる。またこのレンズ4は金属で作られ、機械的強度を持ち、エネルギ吸収率が低いため温度上昇が少ないという特徴をもつ。また共振周波数が出来るだけ高い超音波振動子3を用いて、焦点距離を小さくすると集束効果がより良くなる。
次に、この発明の実施の形態3による超音波殺菌分解装置を図について説明する。
図3はこの発明の実施の形態3による超音波殺菌分解装置の構造を示す図である。
図に示すように、上記実施の形態1で示した超音波殺菌分解装置における超音波振動子3の裏面側に反射板9を配設し、超音波振動子3と反射板9との間に充填材8を充填する。超音波振動子3の裏面側の電極面にも絶縁処理を施し、充填材8として、例えば水を充填して流すあるいはレンズ状の金属を充填するなど、液体2とほぼ同程度の音響インピーダンスを有する材質を用いる。
これにより、超音波振動子3の裏面側から放出される超音波10aも流路内に集束されて有効利用でき、液体2にさらに大きなエネルギの集束超音波10、10aを効果的に照射でき、細菌、微生物などの殺菌・分解を一層促進できる。
さらに、焦点5を通過した超音波を反射板11を用いて再集束させて利用する図4の構成は、上記実施の形態1および実施の形態3の場合に、同様に適用できる。
上記実施の形態3では、超音波振動子3の裏面側に反射板9を配設して、裏面側から放出される超音波10aも有効利用したが、この実施の形態では、裏面側からの超音波10aを、焦点5とは異なる位置に集束させる。
図5に示すように、焦点5aが焦点5よりも所定の距離で下方にずれるように、反射板9aの表面形状を例えば放物線形状などに構成する。これにより、集束超音波10、10aによる殺菌・分解処理の処理範囲を広げることができ、効率的な殺菌・分解処理ができる。
上記実施の形態1では超音波振動子3を配管1の外周部に配設したが、この実施の形態では図6に示すように、配管1の外周囲を所定の幅で覆うように、例えば、照射面が球状である超音波振動子を配管1周囲で回転させたような回転体形状を有する超音波振動子12を用いる。または回転体形状のレンズを備えるものでも良い。これにより、超音波振動子12の電極面積が増加し、より大きなエネルギで集束超音波10を液体2に照射でき、液体2にキャビテーションや超音波噴流を励起させて、細菌、微生物などを効果的に殺菌・分解する。このような構造の超音波振動子12では、難分解性の対象物でも容易に分解可能となる。
超音波振動子3の裏面から放射された超音波エネルギを有効に使用する例を以下に示す。
超音波振動子3の両側の振動面に対して配管1を並列に配置し、超音波振動子1の両側の振動面にそれぞれ凹面レンズ4と充填材6とを配設する。これにより、超音波振動子3は1つでその両側に存在する流路内の液体2に対して集束超音波10を照射でき、効率良く殺菌・分解処理ができる。
上記各実施の形態では、超音波振動子3から照射する超音波を集束させるものとしたが、この実施の形態では、図7に示すように、超音波振動子3から液体2の流路に対して垂直方向に照射された超音波10bを、集束手段としての第3の反射板11aにより反射させて流路内に集束させる。反射板11aは、流路の外周部で超音波振動子3と対向する位置に配設するものであり、図7では配管1の壁面中に設けた。
この実施の形態においても、超音波振動子3から発生される超音波10bを液体2の流路内で集束させて、液体2に大きなエネルギの集束超音波が照射できるため、上記実施の形態1と同様に、液体2にキャビテーションや超音波噴流を励起させて、細菌、微生物などを殺菌・分解し、配管の目詰まり物質を分解して破壊することができる。
次に、液体2がポンプにて配管1内に吸い上げられる場合に用いる超音波殺菌分解装置について説明する。
図8に示すように、液体2は矢印の方向に配管1内を吸い上げられ、液体2を吸い込む入口(吸い上げ口)の内部に焦点5bを作るように、集束手段を備えた超音波振動子3aを設置し、集束超音波を照射する。超音波振動子3aは吸い上げ口直下に配設するのが効果的であるが、吸い上げ口近傍の他の位置でも良い。
次に、この発明の実施の形態9による超音波殺菌分解装置を図9について説明する。
図に示すように、配管1の外周部に集束手段を備えた、例えば振動面が球状の超音波振動子3bを配設し、配管1との間に図示しない充填材6を設ける。また、液体2の流路中の異物や配管1内壁の付着物を検出する異物検出手段として、例えば検出用超音波振動子21とセンシング部22とを備える。検出用超音波振動子21は、超音波振動子3bよりも上流の配管1の外周部に配設される。さらに、センシング部22に接続された制御部23を備えて、超音波振動子3bからの超音波照射を制御する。
次に、この発明の実施の形態10による超音波殺菌分解装置を図11について説明する。
図に示すように、超音波殺菌分解装置を配管1に沿って移動可能に構成する。ここでは、配管1の周囲に密着して移動する所定の幅の円筒管から成る移動体24を構成し、レール25を配して配管1に沿って移動可能とし、この移動体24の外周部に充填材6およびレンズ4を介して超音波振動子3を配設する。また、移動体24は、液体2とほぼ同程度の音響インピーダンスを持つ材質で構成する。
また、上記実施の形態9で示した異物検出手段を備えて、検出された異物に集束超音波10を照射するように移動体24を移動させると、より効果的に集束超音波10を照射することができる。
また、図11で示した移動体24は上下移動のみであるが、上下だけでなく、回転移動も可能にすると、集束超音波10による殺菌・分解処理の処理範囲をさらに効果的に広でることができる。
次に、この発明の実施の形態11による超音波殺菌分解装置を図12について説明する。
図に示すように、流路を形成する配管14を先細り形状とし、配管14内で液体2の流路の周囲を、所定の圧力で液体2と同方向に流れる気体流15で覆い、流路の上流から下流方向に超音波を照射する超音波振動子13を備える。超音波振動子13は平面型振動子を1つあるいは複数個用いて構成する。気体流15は空気や窒素ガスなどをエアーカーテンのように高圧ジェット流で流す。そして超音波振動子13から照射された超音波17を配管14内の気体流15により反射させて配管14の先端部16近傍で集束するように導き、この集束超音波を液体2と共に先端部16から放出する。
これにより、液体2内や配管先端部16に付着する細菌、微生物などを効果的に殺菌・分解できる、あるいは、被洗浄物に対して集束超音波を液体2と共に先端部16から放出することにより、被洗浄物表面を効果的に洗浄することができる。
4 集束手段としてのレンズ、5,5a,5b,5c 焦点、6,8 充填材、
9,9a 反射板 10,10a 超音波(集束超音波)、10b 超音波、
11 第2の反射板、11a 集束手段としての第3の反射板、12 超音波振動子、
13 超音波振動子、14 配管、15 気体流、16 配管先端部、17 超音波、
21 異物検出手段としての検出用超音波振動子、22 センシング部、23 制御部、
24 移動体。
Claims (8)
- 液体の流路に超音波を照射して細菌、微生物などを殺菌・分解する超音波殺菌分解装置において、上記流路の外周部に配設された超音波振動子と、該超音波振動子から照射される超音波を流路内に集束させる集束手段とを備えた超音波殺菌分解装置。
- 上記超音波振動子と超音波が照射される上記液体の流路との間は、該液体の有する音響インピーダンスとほぼ同程度の音響インピーダンスを有する材質で構成することを特徴とする請求項1記載の超音波殺菌分解装置。
- 上記集束手段は、上記超音波振動子の振動面に密着して配された凹面レンズで構成され、該凹面レンズは表面が楕円形状の非球面レンズであることを特徴とする請求項1または2記載の超音波殺菌分解装置。
- 超音波振動子の裏面側に反射板を配設し、該超音波振動子と該反射板との間を、上記液体の有する音響インピーダンスとほぼ同程度の音響インピーダンスを有する材質で構成して、上記超音波振動子の裏面側から放出される超音波を上記反射板により反射させて上記流路内に集束させることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の超音波殺菌分解装置。
- 上記流路の外周部で上記超音波振動子と対向する位置に第2の反射板を配設し、該流路と該第2の反射板との間を、上記液体の有する音響インピーダンスとほぼ同程度の音響インピーダンスを有する材質で構成して、上記超音波振動子から照射された超音波を一旦集束させた後、上記第2の反射板により反射させて上記流路内に再度集束させることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の超音波殺菌分解装置。
- 液体の流路に超音波を照射して細菌、微生物などを殺菌・分解する超音波殺菌分解装置において、上記液体はポンプにて吸い上げられ、該液体の吸い上げ口近傍に配設された超音波振動子と、該超音波振動子から照射される超音波を上記吸い上げ口の流路内に集束させる集束手段とを備えた超音波殺菌分解装置。
- 上記集束手段にて集束される集束超音波の焦点距離、集束径、あるいは照射角度を変化させることで集束位置を調整可能としたことを特徴とする請求項6記載の超音波殺菌分解装置。
- 液体の流路に超音波を照射して細菌、微生物などを殺菌・分解する超音波殺菌分解装置において、上記流路を形成する配管を先細り形状とし、該配管内で上記液体の流路の周囲を、所定の圧力で該液体と同方向に流れる気体流で覆い、該流路の上流から下流方向に超音波を照射する超音波振動子を備えて、該超音波振動子から照射された超音波を上記配管内の上記気体流により反射させて上記配管の先端部近傍で集束するように導き、該集束超音波を上記液体と共に上記先端部から放出することを特徴とする超音波殺菌分解装置。
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