JP4497679B2 - 超音波振動子及び超音波処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波振動子及び超音波処理装置に関し、更に詳細には密閉された耐圧容器の内壁面に振動素子が装着されて成る超音波振動子、及び処理液が貯留されて超音波処理が施される処理槽を具備する超音波処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
処理液に超音波を照射して種々の処理が施される。例えば、処理液中の溶存気体を除去する脱気処理、処理液中の泡を取り除く脱泡処理、二種の液体の乳化を促進する乳化処理、洗浄水に浸漬した物品の汚れを除去する洗浄処理等を挙げることができる。
かかる種々の処理は、通常、減圧下で施すことによって処理効率を向上できるため、図８に示す超音波処理装置が用いられる。図８に示す超音波処理装置は、処理液１００が貯留された処理槽１０２に、蓋１１０が被着されていると共に、一端が真空ポンプ１０４に繋ぎ込まれ且つ途中に自動弁である制御弁１０８が設けられた減圧配管１０６の他端が繋ぎ込まれている。
更に、処理槽１０２内の減圧状態を大気圧に復圧すべく、大気を吸引する吸引配管１１２の一端が処理槽１０２に繋ぎ込まれている。この吸引配管１１２の他端には、自動弁である制御弁１１４が設けられている。
また、処理槽１０２の底部の外周面には、超音波発信回路１１８に電気的に接続された振動素子１１６，１１６・・が装着されており、振動素子１１６，１１６・・で発振された超音波振動は、処理槽１０２の壁部を発振させて処理液に伝達される。
【０００３】
しかし、超音波処理装置での処理量を増加すべく、処理槽１０２を大型化する場合、大型化した処理槽１０２を小型の処理槽と同等の耐圧性を付与するには、処理槽１０２の壁部を、小型の処理槽よりも厚く形成することを要する。
この様に、処理槽１０２の壁部を厚く形成すると、振動素子１１６，１１６・・からの超音波振動によって、処理槽１０２の壁部が発振し難くなり、処理液１００に伝達される超音波振動の伝達効率が低下し、超音波処理の効率も低下する。
一方、特開２０００−３３３４９号公報には、図９に示す超音波処理装置が提案されている。図９に示す超音波処理装置では、処理液１００が貯留されると共に、減圧雰囲気とされる処理槽１０２内に、超音波振動子１２０が装着されている。
この超音波振動子１２０は、容器１２４内に振動素子１１６，１１６・・が装着されており、容器１２４内を処理槽１０２と同一減圧状態とし得る様に、容器１２４と減圧配管１０６とを連結する連結配管１２２が設けられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示す超音波処理装置によれば、振動素子１１６，１１６・・が装着された容器１２４内は、処理槽１０２内と同一の減圧状態とすることができ、容器１２４を耐圧容器とすることを要しない。このため、容器１２４の壁部を薄く形成でき、振動素子１１６，１１６・・からの超音波振動によって、容器１２４の壁部を容易に発振でき、超音波振動を効率よく処理液１００に伝達できる。
図９に示す超音波処理装置では、超音波振動子１２０が処理槽１０２内であるため、超音波振動の処理液１００への伝達効率に対し、処理槽１０２の壁部の厚さは無関係であり、処理槽１０２の壁部を厚くして処理槽１０２の大型化を図ることはできる。
しかしながら、図９に示す超音波処理装置においては、超音波振動子１２０を形成する容器１２４と減圧配管１０６とが連結配管１２２によって連結されているため、処理槽１０２内のガスや水分が容器１２４内に混入し、振動素子１１６等の作動を阻害するおそれがある。特に、処理液１００として、引火性の溶剤等を用いた処理液１００の場合は、安全上問題となる。
一方、容器１２４と減圧配管１０６とを連結する連結配管１２２を省略すべく、密閉された状態で外周面に加えられる圧力に対して可及的に変形を少なくし得るように、容器１２４の壁部を厚く形成して容器１２４を耐圧容器とすると、振動素子１１６，１１６・・からの超音波振動によって、容器１２４の壁部が発振し難くなる。
そこで、本発明の課題は、超音波振動子を形成する容器を耐圧容器としても、振動素子からの超音波振動によって、耐圧容器の壁部が発振し易い超音波振動子、及びこの超音波振動子を具備する超音波処理装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決すべく検討した結果、振動素子が装着された耐圧容器の部分を球状に形成することによって、その部分の壁部を、振動素子からの超音波振動によって発振するように、耐圧容器の他の部分の壁部よりも薄く形成しても、充分な耐圧性を呈し得ることを知り、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、密閉された状態で外周面に加えられる圧力に対して可及的に変形を少なくし得る耐圧容器の内壁面に、振動素子が装着されて成る超音波振動子であって、該耐圧容器の振動素子が装着された部分が、前記耐圧容器の外方に突出され且つ外壁面及び内壁面が共に曲面状に形成された突出部であり、前記突出部の壁部が、前記振動素子の超音波振動によって発振され得るように、前記耐圧容器を形成する他の部分の壁部よりも薄く形成されていることを特徴とする超音波振動子にある。
また、本発明は、処理液が貯留されて超音波処理が施される処理槽内に、密閉された状態で外周面に加えられる圧力に対して可及的に変形を少なくし得る耐圧容器の内壁面に振動素子が装着されて成る超音波振動子が挿入された超音波処理装置であって、該耐圧容器の振動素子が装着された部分が、前記耐圧容器の外方に突出され且つ外壁面及び内壁面が共に曲面状に形成された突出部であり、前記突出部の壁部が、前記振動素子の超音波振動によって発振され得るように、前記耐圧容器を形成する他の部分の壁部よりも薄く形成されていることを特徴とする超音波処理装置にある。
【０００６】
かかる本発明において、振動素子が内壁面に装着される耐圧容器の突出部を球状部とし、この球状部を、円筒状筒部と、前記円筒状筒部の開口端面の一方を覆う球状の鏡部とから形成すること、特に、円筒状筒部と、前記筒部の開口端面の一方を覆う球状の鏡部とから成り、且つ前記球状の鏡部の曲率半径Ｒ、前記筒部の内径Ｄ及び前記鏡部と筒部との境界部の曲率半径ｒが、Ｒ≦１．５Ｄ、ｒ≧０．０６Ｄを同時に満足する皿形鏡板とすることによって、耐圧容器を容易に形成することができ且つ振動素子を装着する内壁面の曲率を小さくできる。
また、耐圧容器の球状部に装着された振動素子の装着面を、前記球状部の曲面状の内壁面に密着されるように、曲面状に形成することにより、振動素子で発振した超音波振動を可及的に損失することなく耐圧容器の球状部に伝達できる。
【０００７】
本発明に係る超音波振動子によれば、振動素子が装着される容器を、密閉された状態で外周面に加えられる圧力に対して可及的に変形を少なくし得る耐圧容器としても、振動素子が装着された耐圧容器の部分を、その外方に突出され且つ外壁面及び内壁面が共に曲面状に形成された突出部に形成することによって、この突出部の壁部を、振動素子の超音波振動によって発振され得るように、耐圧容器の他の壁部よりも薄く形成できる。
その結果、耐圧容器を形成する突出部を、その内壁面に装着された振動素子からの超音波振動によって発振することができる。
このため、超音波処理装置の処理槽内に、この耐圧容器の球状部の内壁面に振動素子が装着された超音波振動子を挿入することによって、耐圧容器内を処理槽内の圧力と同一圧力とすることなく超音波処理を施すことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る超音波振動子の一例を図１に示す。図１に示す超音波振動子１０には、外方に突出する球状部１２と、この球状部１２の底面部を形成する板状体１４とが溶接等によって一体化されて形成された耐圧容器内に、振動素子１６，１６・・が装着されている。この耐圧容器の球状部１２は、板状体１４よりも薄く形成されているが、球状部１２と板状体１４とから成る耐圧容器は、密閉された状態で外周面に加えられる圧力に対して可及的に変形を少なくし得る耐圧性を呈する。
かかる耐圧容器の球状部１２の内壁面には、振動素子１６，１６・・が装着されており、各振動素子１６からのケーブル１８は板状体１４に形成されたケーブル用貫通孔２０を経由して超音波振動子１０の外部に設けられた超音波発信回路（図示せず）に電気的に接続されている。
尚、ケーブル用貫通孔２０は、ケーブル１８が挿通された状態でシールされており、耐圧容器内は密閉状態にある。
【０００９】
かかる耐圧容器を形成する球状部１２は、図２に示す様に、円筒状筒部２２と、この円筒状筒部２２（以下、単に筒部２２と称することがある）の開口端面の一方を覆う球状の鏡部２４とによって形成されている。
かかる球状部１２としては、内部に多数本の熱交換用チューブから成る管束が収容される熱交換器の胴体を形成する鏡板として汎用されている皿形鏡板を用いることによって、球状部１２を容易に形成できる。
この皿形鏡板は、図２に示す様に、球状の鏡部２４の曲率半径Ｒ、筒部２２の内径Ｄ及び鏡部２４と筒部２２との境界部の曲率半径ｒとしたとき、Ｒ≦１．５Ｄ、ｒ≧０．０６Ｄを同時に満足するものである。
かかる鏡部２４の壁部の厚さは、内装される振動素子１６，１６・・からの超音波振動によって発振され且つ耐圧性を呈し得る厚さとするが、約３ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００１０】
球状部１２を形成する鏡部２４の内壁面には、振動素子１６，１６・・が装着されるが、鏡部２４の内壁面は曲面状であるため、図３に示す様に、振動素子１６の装着面１７を、鏡部２４の内壁面に密着されるように、曲面状に形成することが好ましい。
かかる振動素子１６は、従来から超音波処理装置に使用されている振動素子を用いることができるが、図３に示す振動素子１６は、圧電素子１６ｂ，１６ｂをアルミニウム等の金属部材１６ａ，１６ａによって挟み込んで一体化したものである。この振動素子１６の装着面１７は、鏡部２６の内壁面の装着面に密着するように、曲面状に形成された金属部材１６ａを、鏡部２４の内壁面に立設された螺子２６に螺着されている。
更に、鏡部２４の内壁面と振動素子１６の装着面１７とを更に一層密着するように、接着剤を両面間に塗布することも好ましい。
尚、圧電素子１６ｂ，１６ｂには、超音波振動子１０の外部に設けられた超音波発信回路（図示せず）とケーブル１８によって電気的に接続されている。
【００１１】
図１〜図３に示す超音波振動子１０は、密閉された耐圧容器の球状部を形成する鏡部２４の内壁面に装着面１７が密着して装着された振動素子１６，１６・・からの超音波振動は、耐圧容器の他の部分よりも壁部が薄く形成された鏡部２４を発振させることができる。
かかる超音波振動素子１０では、その耐圧容器内を大気圧としつつ、耐圧容器の外周圧を減圧又は加圧とすることができる。
このため、図１〜図３に示す超音波振動子１０を、図４に示す様に、減圧超音波処理装置の超音波振動子として用いることができる。
図４に示す減圧超音波処理装置は、処理液３０が貯留された処理槽３２に、蓋４０が被着されていると共に、一端が真空ポンプ３４に繋ぎ込まれ且つ途中に自動弁である制御弁３８が設けられた減圧配管３６の他端が繋ぎ込まれている。
更に、処理槽３２内の減圧状態を大気圧に復圧すべく、大気を吸引する吸引配管４２の一端が処理槽３２に繋ぎ込まれている。この吸引配管４２の他端には、自動弁である制御弁４４が設けられている。
【００１２】
この様に、減圧状態とされる処理槽３２内の処理液３０中には、超音波振動子１０が挿入されている。この超音波振動子１０は、その耐圧容器内に装着された振動素子１６，１６・・が、ケーブル１８によって処理槽３２の外部に設けられた超音波発信回路４６に電気的に接続されているが、図９に示す減圧配管３６と耐圧容器とを連結する連結配管等を不要とすることができる。
図４に示す減圧超音波処理装置を用いて洗浄処理を施す場合には、超音波発信回路４６にケーブル１８によって電気的に接続されている超音波振動子１０が載置された処理槽３２内に、処理液３０としての所定量の洗浄液と洗浄対象物とを加え、蓋４０を被着した後、真空ポンプ３４を駆動すると共に、制御弁３８を開いて処理槽３２内を減圧状態とする。次いで、超音波発信回路４６から信号を発信して超音波振動子１０の振動素子１６，１６・・を振動させつつ、振動素子１６，１６・・からの超音波振動によって耐圧容器を形成する鏡部２４の壁部を発振し、超音波振動を処理液３０に伝達して洗浄対象物に超音波洗浄を施すことができる。
【００１３】
この際、超音波振動子１０の耐圧容器は、その内圧が大気圧であるため、膨張力が作用するが、耐圧容器を形成する球状部１２及び板状体１４とは、処理槽３２内の減圧によって加えられる膨張力に抗することができ、耐圧容器の変形等に因る超音波振動に実質的に影響を与えることはない。
しかも、球状部１２を形成する鏡部２４は、処理槽３２内の減圧によって加えられる膨張力に抗しつつ、その壁部を振動素子１６からの超音波振動によって発振し得る厚さに形成できる。
この様に、超音波振動子１０から発振される超音波による洗浄対象物の超音波洗浄が完了すると、超音波発信回路４６からの信号の発信及び真空ポンプ３４の駆動を停止すると共に、制御弁３８を閉じた後、制御弁４４開き吸引配管４２を経由して大気を吸引して処理槽３２を大気圧に復圧する。その後、蓋４０を開き、洗浄対象物を取り出し、且つ洗浄液を処理槽３２から排出する。
【００１４】
処理槽３２を具備する超音波処理装置では、処理槽３２を大型化して処理能力の増強等を図る場合、大型化した処理槽３２を小型の処理槽と同等の耐圧性を付与するには、処理槽３２の壁部を、小型の処理槽よりも厚く形成することを必要とする。この点、図４に示す超音波処理装置では、超音波振動子１０が処理槽３２内に挿入されているため、処理槽３２の壁部を厚く形成しても、超音波振動を処理液３０に伝達する伝達効率に何等の影響も及ぼすことががく、壁部を厚く形成して処理槽３２の大型化を容易に行うことができる。
この様に、大型化された処理槽３２において、一個の超音波振動子１０で不足する場合は、複数個の超音波振動子１０、１０・・を処理槽３２内に挿入することによって、充分な超音波振動を処理液３０に付与できる。
更に、図４に示す超音波処理装置では、超音波振動子１０は、耐圧容器の板状体１４を下にして処理槽３２の底面に載置されているが、図５に示す様に、耐圧容器の板状体１４を処理槽３２の側面に沿うように、処理槽３２内に垂直に挿入されていてもよい。
【００１５】
図１〜図５に示す超音波振動子１０では、耐圧容器として、板状体１４に球状部１２が溶接等によって一体化されている。このため、球状部１２を形成する鏡部２４の内壁面に装着された振動素子１６，１６・・等の点検等を行うことは困難である。このため、図６に示す様に、球状部１２を形成する筒部２２の端部にフランジ部４６を溶接等によって固着し、板状体１４に球状部１２のフランジ部４６をボルト４８等によって着脱自在に装着することによって、振動素子１６，１６・・等の点検を容易に行うことができる。このフランジ部４６と板状体１４との間には、パッキン等を挟み込んでもよい。
また、図５に示す様に、超音波振動子１０を処理槽３２内に垂直に挿入する場合には、図７に示す様に、球状部１２，１２を形成する筒部２２，２２の開口端を合致させるように一体化して形成した耐圧容器内に、振動素子１６，１６・・が装着された超音波振動素子１０を用いてもよい。図７に示す超音波振動素子１０の耐圧容器では、球状部１２，１２を形成する鏡部２４，２４の各内壁面に振動素子１６，１６・・を装着できるため、超音波振動子１０の超音波振動を発振し得る面積を拡大でき、処理槽３２の中央部に吊り下げることによって、耐圧容器の鏡部２４，２４から超音波振動を発振できる。
【００１６】
かかる図７に示す超音波振動子１０でも、球状部１２，１２を形成する筒部２２，２２の端部にフランジ部４６，４６を溶接等によって固着し、球状部１２，１２のフランジ部４６，４６をボルト４８等によって着脱自在に装着することによって、球状部１２，１２の装着及び振動素子１６，１６・・等の点検を容易に行うことができる。このフランジ部４６，４６の間には、パッキン等を挟み込んでもよい。
以上、説明してきた図４及び図５に示す超音波処理装置は、処理槽３２内を減圧状態とする減圧超音波処理装置について示したが、処理槽３２を加圧状態とする加圧超音波処理装置についても本発明に係る超音波素子１０を用いることができる。
また、図１〜３及び図６及び図７に示す超音波振動子１０によって施すことができる処理は、脱気、脱泡、乳化、凝集、含浸、抽出、改質、成熟、殺菌、粉砕、洗浄、精密洗浄等の各処理を挙げることができる。
尚、図１〜図７において、超音波振動子１０は、振動素子１６，１６・・が内壁面に装着される球状部１２が、筒部２２と球状の鏡部２４とから形成されているが、球状部１２を形成する鏡部２４としては、皿型鏡板の他に、熱交換器の胴体を形成する鏡板として汎用されている球体鏡板、楕円型鏡板又は円錐型鏡板を用いることができる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明に係る超音波振動子によれば、耐圧容器を形成する球状部の内壁面に振動素子を装着することによって、球状部は耐圧性を呈すると共に、振動素子からの超音波振動によって発振できる。このため、本発明に係る超音波振動子を、超音波処理装置の処理槽内に挿入することによって、超音波振動子を形成する耐圧容器内を処理槽内の圧力と同一圧力とする配管等を設けることなく超音波を処理液に伝達できる。
更に、本発明に係る超音波振動子は、超音波処理装置の処理槽に一体に装着されておらず、処理槽を大型化する際にも、大型化した処理槽を小型の処理槽と同等の耐圧性を付与すべく、処理槽の壁部を厚くすることができる。このため、超音波処理装置の処理量等を容易に増加できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波振動子の一例を説明する縦断面図である。
【図２】図１に示す超音波振動子の耐圧容器を形成する球状部を説明する縦断面図である。
【図３】図１に示す超音波振動子の耐圧容器を形成する球状部に装着された震度素子の装着状況を説明する部分断面図である。
【図４】本発明に係る超音波処理装置の一例を説明する概略図である。
【図５】本発明に係る超音波処理装置の他の例を説明する概略図である。
【図６】本発明に係る超音波振動子の他の例を説明する縦断面図である。
【図７】本発明に係る超音波振動子の他の例を説明する縦断面図である。
【図８】従来の超音波処理装置を説明する概略図である。
【図９】図８に示す従来の超音波処理装置の改良例を説明する概略図である。
【符号の説明】
１０ 超音波振動子
１２ 球状部
１４ 板状体
１６ 振動素子
１７ 装着面
１８ ケーブル
２０ ケーブル用貫通孔
２２ 筒部
２４ 鏡部
３０ 処理液
３２ 処理槽

Claims (8)

1. 密閉された状態で外周面に加えられる圧力に対して可及的に変形を少なくし得る耐圧容器の内壁面に、振動素子が装着されて成る超音波振動子であって、
   該耐圧容器の振動素子が装着された部分が、前記耐圧容器の外方に突出され且つ外壁面及び内壁面が共に曲面状に形成された突出部であり、
   前記突出部の壁部が、前記振動素子の超音波振動によって発振され得るように、前記耐圧容器を形成する他の部分の壁部よりも薄く形成されていることを特徴とする超音波振動子。
2. 振動素子が内壁面に装着される耐圧容器の突出部が、球状部であって、前記球状部が、円筒状筒部と、前記円筒状筒部の開口端面の一方を覆う球状の鏡部とから成る請求項１記載の超音波振動子。
3. 振動素子が内壁面に装着される耐圧容器の球状部が、円筒状筒部と、前記筒部の開口端面の一方を覆う球状の鏡部とから成る皿形鏡板であって、前記皿形鏡板を形成する球状の鏡部の曲率半径Ｒ、前記筒部の内径Ｄ及び前記鏡部と筒部との境界部の曲率半径ｒが、Ｒ≦１．５Ｄ、ｒ≧０．０６Ｄを同時に満足する請求項２記載の超音波振動子。
4. 耐圧容器の内壁面に装着された振動素子の装着面が、前記突出部の曲面状の内壁面に密着されるように、曲面状に形成されている請求項１〜３のいずれか一項記載の超音波振動子。
5. 処理液が貯留されて超音波処理が施される処理槽内に、密閉された状態で外周面に加えられる圧力に対して可及的に変形を少なくし得る耐圧容器の内壁面に振動素子が装着されて成る超音波振動子が挿入された超音波処理装置であって、
   該耐圧容器の振動素子が装着された部分が、前記耐圧容器の外方に突出され且つ外壁面及び内壁面が共に曲面状に形成された突出部であり、
   前記突出部の壁部が、前記振動素子の超音波振動によって発振され得るように、前記耐圧容器を形成する他の部分の壁部よりも薄く形成されていることを特徴とする超音波処理装置。
6. 振動素子が内壁面に装着される耐圧容器の突出部が、球状部であって、前記球状部が、円筒状筒部と、前記円筒状筒部の開口端面の一方を覆う球状の鏡部とから成る請求項５記載の超音波処理装置。
7. 振動素子が内壁面に装着される耐圧容器の球状部が、円筒状筒部と、前記筒部の開口端面の一方を覆う球状の鏡部とから成る皿形鏡板であって、前記皿形鏡板を形成する球状の鏡部の曲率半径Ｒ、前記筒部の内径Ｄ及び前記鏡部と筒部との境界部の曲率半径ｒが、Ｒ≦１．５Ｄ、ｒ≧０．０６Ｄを同時に満足する請求項６記載の超音波処理装置。
8. 耐圧容器の内壁面に装着された振動素子の装着面が、前記突出部の曲面状の内壁面に密着されるように、曲面状に形成されている請求５〜７のいずれか一項記載の超音波処理装置。

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