JP4512178B2

JP4512178B2 - Ultrasonic cavitation generator

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Publication number: JP4512178B2
Application number: JP2003140215A
Authority: JP
Inventors: 邦夫橋場; 愼一高橋; 敬郎土屋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2023-05-19
Also published as: JP2004337800A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体中に照射される超音波によるキャビテーション作用によって、洗浄、殺菌、汚泥の可溶化、化学物質の分解などを行なう超音波キャビテーション発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体中に強力な超音波を照射すると、液体中の微小気泡が膨張、圧壊するキャビテーション現象が発生する。キャビテーション気泡の圧壊に伴い、強力な衝撃波が生じ、また、大きなせん断応力が生じるため、これらに起因する機械的作用が得られる。このようなキャビテーションの機械的作用を利用した従来技術として、例えば、特許文献１に開示されている洗浄方法や、特許文献２に開示されている水処理装置などが挙げられる。
【０００３】
また、キャビテーション気泡が急激に収縮する過程において、気泡内には高圧、高温の場が形成されるため、水分子が容易に分解されて、酸化力の強いヒドロキシラジカルが生じる。特許文献３や特許文献４では、このような超音波キャビテーションの化学作用によって液体中の有害な化学物質や有機物を分解する技術が開示されている。
【０００４】
一般に、非特許文献１に記載されているように、超音波キャビテーションは周波数が低いほど少ない音響パワーで生じさせることができる。また、非特許文献２に記載されている、超音波キャビテーションによる大腸菌破壊実験の結果に見られように、超音波振動面の変位振幅が大きいほど、高い処理効果が得られる。
【０００５】
一方、上述に示した従来技術においては、キャビテーションの生成に費やされるエネルギーが、液体中に照射される超音波エネルギーのごく一部に過ぎないため、処理効率が低く、一般に処理コストが高くなりがちである。これに対し、特許文献５には、超音波の基本波と、基本波の約２倍の周波数の第２高調波を重畳し、負圧に強調した音圧波形を形成することによって、超音波キャビテーションの作用効率を向上させる技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２７８５０２２号明細書
【特許文献２】
特開２００１−３３４２６４号公報
【特許文献３】
特開２０００−３００９８２号公報
【特許文献４】
特開２００１−３２７９６３号公報
【特許文献５】
国際公開第９４／０６３８０号パンフレット
【非特許文献１】
アプライディドソノケミストリー、ウィリーヴィー・シー・エイチ（２００２年）、第３９頁から第４１頁（Applied Sonochemistry、Wiley-VCH(2002)、PP39-41）
【非特許文献２】
超音波技術便覧（新訂版）：日刊工業新聞社、１９９１年、ＰＰ８５７−８５８
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特許文献５に開示されている従来技術では、大きな変位振幅が出せず、キャビテーションの機械的作用を効率良く得られないという問題があった。
【０００８】
また、数十ｋＨｚの比較的低い超音波を利用する方が効率が良いが、このような低い周波数の超音波を発生する振動系は、機械的Ｑ値が非常に大きい。そのため、基本波のほぼ２倍の周波数の第２高調波成分はほとんど減衰してしまい、基本波に第２高調波を重畳した振動出力を効率的に得ることができなかった。
【０００９】
一方、基本波成分と第２高調波成分の振動を、別々の振動子によってそれぞれ発生させ、液体中で重畳する場合には、大きな変位振幅を発生させると、それぞれの振動面近傍でキャビテーションが起こり、そこに生じたキャビテーション気泡層が液体への音響パワー伝送を妨げてしまう問題があった。
【００１０】
さらに、基本波成分と第２高調波成分を、別々の振動子によってそれぞれ発生させ、集束音場を形成することによって、液体中の焦点付近で重畳する場合には、キャビテーション作用領域が非常に狭くなってしまい、且つ、低周波数の超音波発生装置では、装置が大型化してしまう問題があった。
【００１１】
本発明は、上記従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであり、液体中にキャビテーションを発生させる超音波キャビテーション発生装置であって、大きな変位振幅を発生し、且つ、安定して高いキャビテーションの発生効率が得られる超音波キャビテーション発生装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による超音波キャビテーション発生装置は、周波数ｆ₁および前記周波数ｆ₂の成分を含む信号波形を生成する波形発生部と、前記波形発生部からの出力信号を増幅して、前記振動子にパワーを供給する増幅部と、前記周波数ｆ₁と周波数ｆ₁のほぼ２倍の周波数ｆ₂とで共振する振動子と、前記振動子の出力端面に連結され、前記周波数ｆ₁で共振する固体ホーンと、前記固体ホーンの出力端面に連結され、前記周波数ｆ₂で共振するダイアフラムとを具備し、前記振動子に前記周波数ｆ₁と前記周波数ｆ₂の成分を含んだ高周波信号を入力するように構成される。
【００１３】
本発明では、さらに、必要なら、前記ダイアフラムの面外方向振動をセンシングする振動センサ部を備え、該振動センサの出力信号を周波数分析して、前記周波数ｆ₁の位相φ₁と前記周波数ｆ₂の位相φ₂との位相差を制御できるように構成される。
【００１４】
本発明では、さらに、必要なら、前記振動センサの出力信号を周波数分析して、前記周波数ｆ₁の超音波強度に対する、前記周波数ｆ₂の超音波強度の比率を制御できるように構成される。
【００１５】
本発明による超音波キャビテーション発生装置は、さらに、必要なら、前記ダイアフラムの直径をＤ、処理される液体の前記周波数ｆ₂における波長をλ₂とし、処理される液体が、前記ダイアフラムの出力端面から距離Ｄ²／λ₂の領域を必ず通過するように構成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従って、本発明に係る超音波キャビテーション発生装置について説明する。
【００１７】
図１は、本発明による超音波キャビテーション発生装置の一実施例の構成の概要を示す側面図である。図１において、１００は周波数ｆ₁およびｆ₂の成分を含む電気信号を発生する波形発生器である。１０は振動子であり、前記波形発生器１００の電気信号で励振され、電気的振動を機械的振動に変換する周波数ｆ₁と、周波数ｆ₁のほぼ２倍の周波数ｆ₂とで機械的に共振する。振動子１０の出力端面には、前記周波数ｆ₁付近で機械的に共振する段付き固体ホーン２０が取り付けられており、段付き固体ホーン２０の入力端面は振動子１０の出力端面に取り付けられており、段付き固体ホーン２０の出力端面には、前記周波数ｆ₂付近で機械的に共振するダイアフラム３０が取り付けられている。なお、振動子１０および固体ホーン２０は中実であるが、ダイアフラム３０は薄皿状であるので、断面で示した。
【００１８】
図２は、上記振動子１０および固体ホーン２０をより具体的に断面図で示した構成図である。振動子１０は軸対称のボルト締めランジュバン型振動子であり、円柱状の前打板１１と円柱状の裏打板１２が締結ボルト１３によって連結され、その間に、リング状の圧電素子１４および１５が設けられている。リング状の圧電素子１４および１５は、共に軸方向に分極されており、それぞれの分極方向が逆向きになるように電極板１７を挟んで配置されている。圧電素子１４の圧電素子１５とは反対側の面には電極板１６が取り付けられている。電極板１６および１７は共にワッシャ状であり、両面が導電面とされている。また、電極板１６および１７の開口部は締結ボルト１３より大きいものとされており、これらが締結ボルト１３により短絡されることは無い。電極板１６および１７の一部は引き出し端子の形になされていて、これらの間には、前記波形発生器１００の電気信号が加えられる。圧電素子１５の電極板１７の反対側の面は締結ボルト１３によって連結された裏打板１２に接する。これにより、圧電素子１５にも、前記波形発生器１００の電気信号が加えられる。電極板１６側の端子は接地され、したがって、振動子１０は接地電位にある。１８は振動子出力端面である。図に一点鎖線で示すのは回転中心となる軸である。
【００１９】
振動子出力端面１８には軸対称段付きホーン２０が締結ボルト２４により結合されている。さらに、軸対称段付きホーン２０の振動子出力端面２２には、軸対称ダイアフラム３０が、例えば、溶接により貼り付けられている。
【００２０】
通常、リング状の圧電素子１４および１５が円柱状の前打板１１と円柱状の裏打板１２でサンドイッチ状に締結ボルト１３によって連結された構造の振動子１０は、軸方向に半波長共振させて用いるが、直径を適当な寸法にすることによって、半波長共振周波数の約２倍の周波数でも共振させることができる。例えば、前打板１１および裏打板の直径を６０ｍｍ、軸方向長さを７０ｍｍ、材質をアルミニウム合金とし、締結ボルト１３のボルト径を２０ｍｍ、軸方向長さを１１０ｍｍ、材質をステンレス鋼とし、圧電素子１４および１５の外径を６０ｍｍ、内径を４０ｍｍ、軸方向の厚さを、それぞれ、１０ｍｍとして、数値解析によりインピーダンス特性を計算すると図３（Ａ），（Ｂ）のようになる。
【００２１】
図３（Ａ）は横軸に周波数、縦軸に振幅をとった特性であり、図３（Ｂ）は横軸に周波数、縦軸に位相（度）をとった特性である。図３（Ａ），（Ｂ）から明らかなように、約１５ｋＨｚと約３０ｋＨｚでインピーダンスの振幅が極小値を持ち、さらに位相もほぼ０となっており、約１５ｋＨｚと約３０ｋＨｚに共振周波数を持ったものとなっていることが分かる。これらの共振周波数における振動モードは、約１５ｋＨｚでは振動子全体の軸方向半波長共振であって、約３０ｋＨｚでは圧電素子１４および１５の径方向拡がり振動の共振である。
【００２２】
上記と同様の寸法、材質で、１Ｖの入力電圧に対する振動子出力端面１８の中心部の振幅速度の周波数特性を数値解析によって求めると図４（Ａ），（Ｂ）のようになる。図４（Ａ）は横軸に周波数、縦軸に入力電圧１Ｖ当たりの振幅速度をとった特性であり、図４（Ｂ）は横軸に周波数、縦軸に位相（度）をとった特性である。
【００２３】
図４（Ａ）から明らかなように、約１５ｋＨｚと約３０ｋＨｚとで、高い応答性が得られる。また、図４（Ｂ）から明らかなように、振動子出力端面１８の中心部における約１５ｋＨｚと約３０ｋＨｚの各成分の位相は約９０度ずれ、小さな周波数変化によって大きく変わってくる。
【００２４】
上記軸対称段付きホーン２０は、軸方向長さｌが、周波数ｆ₁でほぼ共振する寸法となっている。例えば、軸対称段付きホーン２０の入力端面２１（振動子１０の振動子出力端面１８と密着している）側の直径を６０ｍｍ、出力端面２２側の直径を４０ｍｍとし、入力端面２１側および出力端面２２側の軸方向長さを共に８０ｍｍとし、材質をアルミニウム合金とすると、約１５ｋＨｚで半波長共振する固体ホーンが得られる。
【００２５】
軸対称段付きホーン２０の出力端面２２に取り付けられた軸対称ダイアフラム３０は、例えば、厚さが２ｍｍ、出力端面２２に取り付けるための立ち上がり部が１ｍｍとされたステンレス鋼であり、約３０ｋＨｚで面外方向にたわみ共振するようになっている。
【００２６】
ここで、軸対称ダイアフラム３０の振動特性について検討する。軸対称ダイアフラム３０の材質の密度をρ、ヤング率をＥ、ポアソン比をσとすると、周囲を固定端とした半径a、厚さｈの円形振動板における１次共振角周波数ωは、式（１）に示すようになる。
【００２７】
【数１】

したがって、周波数ｆ₂の値にあわせて、軸対称ダイアフラム３０の材質、肉厚および直径を設定すればよい。例えば、軸対称ダイアフラム３０の材質をステンレス鋼とすると、約３０ｋＨｚが１次共振周波数となる円形振動板の直径および肉厚は、それぞれ３６ｍｍおよび２ｍｍとなる。軸対称ダイアフラム３０の側面の肉厚を２ｍｍとすれば、軸対称ダイアフラム３０全体の外径は直径４０ｍｍとなり、上述した１５ｋＨｚ軸対称段付きホーンの出力端面２２の直径と同寸法となる。
【００２８】
図５（Ａ），（Ｂ）は、上述した１５ｋＨｚ軸対称段付きホーン２０と、３０ｋＨｚ軸対称ダイアフラム３０からなる振動伝送体の入力端面２１と出力端面３２との、それぞれの中心部の振幅に対する周波数応答を示した特性図である。図５（Ａ）は横軸に周波数、縦軸に相対振幅をとった特性であり、図５（Ｂ）は横軸に周波数、縦軸に位相（度）をとった特性である。図５（Ａ）から明らかなように、約１５ｋＨｚと約３０ｋＨｚの周波数において、高い応答性が得られる。また、図５（Ｂ）から明らかなように、入力端面２１と出力端面３２の、それぞれの中心部における、約１５ｋＨｚと約３０ｋＨｚの各成分の位相は、約９０度ずれており、小さな周波数変化で大きく変わってくる。
【００２９】
このように、図２に示す構成によって、周波数ｆ₁と、周波数ｆ₁のほぼ２倍の周波数ｆ₂とで機械的に共振する振動子、軸対称段付きホーンおよび軸対称ダイアフラムの結合構造が得られることが分かる。すなわち、周波数ｆ₁およびｆ₂で共振する振動子１０と、周波数ｆ₁で共振する固体ホーン２０と、周波数ｆ₂で共振するダイアフラム３０とを連結させることにより、周波数ｆ₁の成分に周波数ｆ₂の成分を重畳した、大振幅の機械的振動を発生させることができる。
【００３０】
図６（Ａ），（Ｂ）は、上述した１５ｋＨｚ軸対称ボルト締めランジュバン型振動子１０、１５ｋＨｚ軸対称段付きホーン２０および３０ｋＨｚダイアフラム３０からなる振動系に、周波数ｆ₁の成分の超音波強度／周波数ｆ₂の成分の超音波強度＝１／３とし、周波数ｆ₁の超音波の位相φ₁と周波数ｆ₂の超音波の位相φ₂との位相差Δφ（＝φ₂−φ₁）の値を−πとする電圧波形を入力したときの、ダイアフラム３０の出力端面３２の振幅速度波形を数値解析によって求めた波形図である。図６（Ａ）は横軸に電圧印加からの時間、縦軸に印加された電圧の瞬時値をとった特性であり、図６（Ｂ）は横軸に電圧印加からの時間、縦軸に振動速度をとった特性である。図６（Ｂ）から分かるように、負に強調された大振幅の機械的振動が得られている。このような第２高調波を重畳した機械的振動を、液体中で励起させることにより、振幅速度波形と同様な音圧波形が液体中にも形成される。
【００３１】
次に、周波数ｆ₁に周波数２ｆ₁の第２高調波成分を重畳させた音圧を外圧力とした場合の、キャビテーション現象に対する効果を説明する。
【００３２】
図７（Ａ）は水中における外圧力が周波数１５ｋＨｚ、振幅１．４ａｔｍで変化している様子を示す図、図７（Ｂ）は、平衡時気泡半径１μｍの気泡が図７（Ａ）に示す外圧力の変化の下で気泡半径が変化する様相を示す図、図７（Ｃ）は気泡の挙動によって気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃圧を、差分法により数値解析した結果を示した応答図である。いずれも横軸は時間である。図７（Ａ）、（Ｂ）を対照して分かるように、外圧力が負圧に振れることによって気泡は膨張するが、その最大気泡半径は２μｍ程度であり、発生する衝撃圧も極めてわずかである。
【００３３】
一方、図８（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は、平衡時気泡半径を１μｍとし、１５ｋＨｚ成分の超音波強度／３０ｋＨｚ成分の超音波強度＝１／１とし、１５ｋＨｚ成分の超音波の位相φ₁と３０ｋＨｚ成分の超音波の位相φ₂との位相差Δφ＝φ₂−φ₁の値を−π／２とする電圧波形を入力し、図７（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）を計算したときと同様に、外圧力の超音波強度の変化と、全体の強度が等しくなるように重畳した外圧力が作用したときの、水中における気泡半径の変化と、気泡の挙動によって気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃圧を、差分法により数値解析した結果を示した応答図である。いずれも横軸は時間である。
【００３４】
図８（Ａ）と図７（Ａ）を対比して明らかなように、外圧力の超音波強度の変化と、全体の強度は等しい条件であるにもかかわらず、図８（Ｂ）から分かるように、最大気泡半径は約１００μｍに達し、図８（Ｃ）から分かるように、約４５０ａｔｍもの強い衝撃波が発生する。
【００３５】
図９は、上記の位相差Δφを変化させ、その他の条件は図８（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）における解析と同じにして、気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃波をΔφに対して示した位相差特性図である。図９から明らかなように、位相差Δφを−π〜０、望ましくは−３π／４〜−π／４とすることによって、気泡の圧壊を伴うキャビテーションを効率よく発生させ、強い衝撃圧を発生させることができる。したがって、ダイアフラム３０の出力端面３２の面外方向の振幅速度における、周波数ｆ₁およびｆ₂の位相差が、上記条件となるような電圧波形を波形発生器１００で生成し、振動子１０を駆動すればよい。
【００３６】
図１０は、上記の位相差Δφを−π／２とし、外圧力の全体の強度は一定として、１５ｋＨｚ成分の超音波強度に対する３０ｋＨｚ成分の超音波強度比を変化させ、その他の条件は図８（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）における解析と同じにして、気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃波を、上記超音波強度比に対して示した特性図である。図１０から明らかなように、上記超音波強度比を０．０１〜１０、望ましくは０．１〜３とすることによって、気泡の圧壊を伴うキャビテーションを効率よく発生させ、強い衝撃圧を発生させることができる。したがって、ダイアフラム３０の出力端面の面外方向の振幅速度における、周波数ｆ₁およびｆ₂の超音波強度比が、上記条件となるような電圧波形を波形発生器１００で生成し、振動子１０を駆動すればよい。
【００３７】
図１１は、本発明による超音波キャビテーション発生装置の他の実施例を示した構成図である。本実施例は、ダイアフラム３０の振動の情報をフィードバックして、振動子１０への入力波形を逐次制御し、キャビテーションを効率よく、安定して得られるようにしたものである。ダイアフラム３０の出力端面３２の反対側の面（内面）には、振動センサ４０が設けられている。実際には、例えば、ＰＶＤＦ素子などをダイアフラム３０の出力端面内面に貼り付けるなどしておけばよい。
【００３８】
振動センサ４０からの出力信号は、Ａ／Ｄ変換部５０によりデジタル信号に変換され、周波数分析装置５１によって周波数ｆ₁およびｆ₂の強度と位相が計算され、波形発生器１１０へ出力される。波形発生器１１０は、周波数分析装置５１からの出力信号を参照して、ダイアフラム３０の振幅速度の、周波数ｆ₁成分の位相φ₁と周波数ｆ₂成分の位相φ₂との位相差Δφ＝φ₂−φ₁が、−π〜０、望ましくは−３π／４〜−π／４となるように、且つ、ダイアフラム３０の振幅速度の、周波数ｆ₁成分の超音波強度に対する周波数ｆ₂成分の超音波強度の比率が、０．０１〜１０、望ましくは０．１〜３となるように、電圧波形を調整する。波形発生器１１０からの出力信号は、電力増幅器１２０で増幅され、振動子１０へ入力される。
【００３９】
このような振動制御を逐次行うことにより、音響負荷の変化などが生じた場合にも、第２高調波を重畳による効率的なキャビテーションの発生を、安定して生じさせることができる。ここで言う音響負荷とは、固体ホーン２０より先のキャビテーション領域を含む水を意味する。例えば、キャビテーションが起きている場合には振動面近傍に多数のキャビテーション気泡が存在するため、キャビテーションが起きていない水よりも音響負荷が小さくなる。
【００４０】
キャビテーションがどの程度起こるかは、振動面の振幅、水中気泡核の数、流速、含有気体の種類など、様々な因子によって決まると考えられる。例えば、流速を例にとれば、ゆっくりとした流速では、振動面近傍に多数のキャビテーション気泡が存在するが、流速が早くなるにつれて発生したキャビテーション気泡が振動面から流れによって取り除かれていくため、音響負荷が大きくなる。
【００４１】
図１２は、図１および図１１に示した本発明によるキャビテーション発生装置を用いて効果のある処理槽の構造例を示した断面図である。
【００４２】
図１２に示した処理槽は、処理容器６０と蓋７０からなる。振動子１０、フランジ付きの固体ホーン２０、およびダイアフラム３０から構成される振動系は、処理容器６０の底面と、ダイアフラム３０の出力端面が対向するように配置され、固体ホーン２０のフランジを、処理容器６０と蓋７０でクランプすることにより、支持されている。前記フランジの支持部は、液体が漏れないように、ゴムなどのシール材８１および８２などによってシールされている。処理容器６０の底面には、ダイアフラム３０と同軸上に設けられた液体の流入口６１が設けられており、処理容器６０の側面には、液体の排出口６２が設けられている。図に太い線で示すのは、非処理水の流れである。
【００４３】
図１および図１１に示したような本発明によるキャビテーション発生装置は、ダイアフラム３０の出力振幅が非常に大きいため、ダイアフラム３０の出力端面近傍における近距離音場では強い衝撃圧を発生するキャビテーション気泡が非常に多く得られるが、この領域に発生したキャビテーション気泡層によって、音響エネルギーの伝搬が阻止されるため、遠距離音場では十分なキャビテーション効果を得られない。ダイアフラム３０の代表寸法をＤ、液体中の超音波の波長をλとすると、近距離音場はダイアフラム３０の出力端面からＤ²／λで定義できる。本発明においては、波長が短い第２高調波の周波数ｆ₂における液体中の波長λ₂で近距離音場を決定する必要があるため、図１２においては、ダイアフラム３０の出力端面と、処理容器６０の底面との距離は、Ｄ²／λ₂以下とするのが良い。このような構造により、処理される液体は、流入口６１から処理槽内に入り、強いキャビテーション効果が効率よく得られる領域を必ず通過し、排出口６２から排出されるため、液体全体に効率的にキャビテーション作用を与えることができる。
【００４４】
ここで、ダイアフラム３０について代表寸法と言う言い方をしたのは、ダイアフラムの断面形状が種々の形を取り得るからである。上述の実施例のように、固体ホーン２０も含めて軸対称構造とすると、ダイアフラム３０の軸に垂直な断面形状は円形であり、代表寸法と外径とは同じものとなる。しかし、ダイアフラムの断面形状は円形である必要は無く、特に第２高調波の周波数がダイアフラム３０の共振周波数となるように汎用性を持って設計するには、種々の形を取り得ることとなる。例えば、ダイアフラムの断面計上が正方形の場合には一片の長さが代表寸法であり、長方形の場合には長辺の長さを代表寸法とすれば良い。
【００４５】
【発明の効果】
液体中に超音波を照射してキャビテーションを発生する超音波キャビテーション発生装置において、周波数ｆ₁と周波数ｆ₁のほぼ２倍の周波数ｆ₂とで共振する振動子と、前記振動子の出力端面に連結され、前記周波数ｆ₁付近で共振する固体ホーンと、前記固体ホーンの出力端面に連結され、前記周波数ｆ₂付近で共振するダイアフラムとよりなる振動系により気泡の圧壊を伴うキャビテーションを効率よく発生させ、強い衝撃圧を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波キャビテーション発生装置の一実施例の構成の概要を示す側面図。
【図２】図１の軸対称ボルト締めランジュバン型振動子および軸対称段付きホーンをより具体的に断面図で示した構成図。
【図３】（Ａ）は図１の軸対称ボルト締めランジュバン型振動子のインピーダンス特性図であり、横軸に周波数、縦軸に振幅をとった特性を示す図、（Ｂ）は、同じく、横軸に周波数、縦軸に位相（度）をとった特性を示す図。
【図４】（Ａ）は軸対称ボルト締めランジュバン型振動子の出力端面における振幅速度の周波数応答を示した特性図であり、横軸に周波数、縦軸に入力電圧１Ｖ当たりの振幅速度をとった特性を示す図、（Ｂ）は、同じく、横軸に周波数、縦軸に位相（度）をとった特性を示す図。
【図５】（Ａ）は、１５ｋＨｚ軸対称段付きホーンと、３０ｋＨｚ軸対称ダイアフラムからなる振動伝送体の入力端面と出力端面との、それぞれの中心部の振幅に対する周波数応答を示した特性図であり、横軸に周波数、縦軸に相対振幅をとった特性を示す図、（Ｂ）は、同じく、横軸に周波数、縦軸に位相（度）をとった特性を示す図。
【図６】（Ａ）は、上述した１５ｋＨｚ軸対称ボルト締めランジュバン型振動子、１５ｋＨｚ軸対称段付きホーンおよび３０ｋＨｚダイアフラムからなる振動系の入力電圧と出力振幅速度の波形を示した特性図であり、横軸に電圧印加からの時間、縦軸に印加された電圧の瞬時値をとった特性を示す図、（Ｂ）は、同じく、横軸に電圧印加からの時間、縦軸に振動速度をとった特性を示す図。
【図７】（Ａ）は水中における外圧力が周波数１５ｋＨｚ、振幅１．４ａｔｍで変化している様子を示す図、（Ｂ）は、平衡時気泡半径１μｍの気泡が（Ａ）に示す外圧力の変化の下で気泡半径が変化する様相を示す図、（Ｃ）は気泡の挙動によって気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃圧を、差分法により数値解析した結果を示した応答図。
【図８】基本波と第２高調波を重畳した外圧力に対するキャビテーション気泡の挙動を示した応答図であり、図７（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）を計算したときと同様に、外圧力の超音波強度の変化と、全体の強度が等しくなるように重畳した外圧力が作用したときの、水中における気泡半径の変化と、気泡の挙動によって気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃圧を、差分法により数値解析した結果を示した応答図。
【図９】基本波と第２高調波の位相差Δφを変化させ、その他の条件は図８（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）における解析と同じにして、気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃波をΔφに対して示した位相差特性図。
【図１０】基本波と第２高調波の位相差Δφを−π／２とし、外圧力の全体の強度は一定として、１５ｋＨｚ成分の超音波強度に対する３０ｋＨｚ成分の超音波強度比を変化させ、その他の条件は図８（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）における解析と同じにして、気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃波を、上記超音波強度比に対して示した特性図。
【図１１】本発明による超音波キャビテーション発生装置の他の実施例を示した構成図。
【図１２】本発明による超音波キャビテーション発生装置を用いる処理槽の構造を示した断面図。
【符号の説明】
１０…振動子、１１…前打板、１２…裏打板、１３…締結ボルト、１４，１５…圧電素子、１６，１７…電極板、１８…振動子出力端面、２０…軸対称段付きホーン、２１…ホーン入力端面、２２…ホーン出力端面、３０…ダイアフラム、３２…ダイアフラム出力端面、４０…振動センサ、５０…Ａ／Ｄ変換部、５１…周波数分析装置、１００，１１０…波形発生器、１２０…電力増幅器、６０…処理容器、６１…流入口、６２…排出口、７０…蓋、８１，８２…シール材。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic cavitation generator that performs cleaning, sterilization, sludge solubilization, chemical substance decomposition, and the like by a cavitation action by ultrasonic waves irradiated in a liquid.
[0002]
[Prior art]
When strong ultrasonic waves are irradiated into a liquid, a cavitation phenomenon occurs in which microbubbles in the liquid expand and collapse. As the cavitation bubbles are crushed, a strong shock wave is generated and a large shear stress is generated, so that a mechanical action due to these is obtained. Examples of conventional techniques using such mechanical action of cavitation include a cleaning method disclosed in Patent Document 1 and a water treatment apparatus disclosed in Patent Document 2.
[0003]
Further, in the process in which the cavitation bubbles contract rapidly, a high-pressure and high-temperature field is formed in the bubbles, so that water molecules are easily decomposed to generate hydroxy radicals with strong oxidizing power.

Patent Documents

3 and 4 disclose a technique for decomposing harmful chemical substances and organic substances in a liquid by such a chemical action of ultrasonic cavitation.
[0004]
In general, as described in Non-Patent Document 1, ultrasonic cavitation can be generated with less acoustic power as the frequency is lower. Further, as seen in the results of the E. coli destruction experiment by ultrasonic cavitation described in Non-Patent Document 2, the higher the displacement amplitude of the ultrasonic vibration surface, the higher the treatment effect.
[0005]
On the other hand, in the conventional technology described above, the energy consumed for generating cavitation is only a small part of the ultrasonic energy irradiated in the liquid, so that the processing efficiency is low and the processing cost is generally high. It is. On the other hand, in Patent Document 5, an ultrasonic wave is formed by superimposing a fundamental wave of an ultrasonic wave and a second harmonic wave having a frequency about twice that of the fundamental wave to form a sound pressure waveform emphasized by negative pressure. A technique for improving the working efficiency of cavitation is disclosed.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2785022
[Patent Document 2]
JP 2001-334264 A
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-300982
[Patent Document 4]
JP 2001-327963 A
[Patent Document 5]
WO94 / 06380 pamphlet
[Non-Patent Document 1]
Applied Sonochemistry, Willy VHC (2002), pages 39-41 (Applied Sonochemistry, Wiley-VCH (2002), PP39-41)
[Non-Patent Document 2]
Ultrasonic Technical Handbook (new edition): Nikkan Kogyo Shimbun, 1991, PP857-858
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional technique disclosed in Patent Document 5 described above has a problem in that a large displacement amplitude cannot be produced, and the mechanical action of cavitation cannot be obtained efficiently.
[0008]
Further, although it is more efficient to use a relatively low ultrasonic wave of several tens of kHz, such a vibration system that generates an ultrasonic wave with a low frequency has a very large mechanical Q value. Therefore, the second harmonic component having a frequency almost twice that of the fundamental wave is almost attenuated, and a vibration output in which the second harmonic is superimposed on the fundamental wave cannot be obtained efficiently.
[0009]
On the other hand, when the vibrations of the fundamental wave component and the second harmonic component are generated by separate vibrators and superimposed in the liquid, if a large displacement amplitude is generated, cavitation occurs in the vicinity of each vibration surface. There was a problem that the cavitation bubble layer generated there hindered the transmission of the acoustic power to the liquid.
[0010]
Furthermore, when the fundamental wave component and the second harmonic component are respectively generated by separate vibrators to form a focused sound field and superimposed near the focal point in the liquid, the cavitation action region is very narrow. In addition, the low-frequency ultrasonic generator has a problem that the apparatus becomes large.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and is an ultrasonic cavitation generator that generates cavitation in a liquid, which generates a large displacement amplitude and is stably high. An object of the present invention is to provide an ultrasonic cavitation generator capable of obtaining cavitation generation efficiency.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an ultrasonic cavitation generator according to the present invention has a frequency f. ₁ And the frequency f ₂ A waveform generation unit that generates a signal waveform including a component of the waveform, an amplification unit that amplifies an output signal from the waveform generation unit and supplies power to the vibrator, and the frequency f ₁ And frequency f ₁ Is almost twice the frequency f ₂ Connected to the output end face of the vibrator and the frequency f ₁ A solid horn resonating with the output end face of the solid horn, and the frequency f ₂ A diaphragm that resonates at the frequency f. ₁ And the frequency f ₂ It is configured to input a high frequency signal including the above components.
[0013]
The present invention further includes a vibration sensor unit that senses out-of-plane vibration of the diaphragm, if necessary, and frequency-analyzes the output signal of the vibration sensor to obtain the frequency f. ₁ Phase φ ₁ And the frequency f ₂ Phase φ ₂ And the phase difference can be controlled.
[0014]
In the present invention, if necessary, the output signal of the vibration sensor is frequency-analyzed to obtain the frequency f. ₁ The frequency f with respect to the ultrasonic intensity of ₂ It is comprised so that the ratio of the ultrasonic intensity of can be controlled.
[0015]
The ultrasonic cavitation generator according to the present invention further comprises, if necessary, the diameter of the diaphragm D, the frequency f of the liquid to be treated. ₂ The wavelength at λ ₂ The liquid to be treated is a distance D from the output end face of the diaphragm. ² / Λ ₂ It is configured to always pass through the area.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an ultrasonic cavitation generator according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a side view showing an outline of the configuration of an embodiment of an ultrasonic cavitation generator according to the present invention. In FIG. 1, 100 is the frequency f. ₁ And f ₂ It is a waveform generator which generates the electric signal containing these components. Reference numeral 10 denotes a vibrator, which is excited by an electric signal from the waveform generator 100 and has a frequency f that converts electrical vibration into mechanical vibration. ₁ And the frequency f ₁ Is almost twice the frequency f ₂ And mechanically resonates. The output end face of the vibrator 10 has the frequency f ₁ A stepped solid horn 20 that mechanically resonates in the vicinity is attached, and an input end face of the stepped solid horn 20 is attached to an output end face of the vibrator 10, and an output end face of the stepped solid horn 20 is The frequency f ₂ A diaphragm 30 that mechanically resonates in the vicinity is attached. In addition, although the vibrator | oscillator 10 and the solid horn 20 are solid, since the diaphragm 30 is thin dish shape, it showed in the cross section.
[0018]
FIG. 2 is a configuration diagram showing the vibrator 10 and the solid horn 20 more specifically in a cross-sectional view. The vibrator 10 is an axially symmetric bolt-clamped Langevin type vibrator, and a cylindrical front plate 11 and a columnar back plate 12 are connected by a fastening bolt 13 between which ring-shaped

piezoelectric elements

14 and 15 are connected. Is provided. The ring-shaped

piezoelectric elements

14 and 15 are both polarized in the axial direction, and are arranged with the electrode plate 17 interposed therebetween so that the polarization directions are opposite to each other. An electrode plate 16 is attached to the surface of the piezoelectric element 14 opposite to the piezoelectric element 15. The electrode plates 16 and 17 are both washers, and both surfaces are conductive surfaces. The openings of the electrode plates 16 and 17 are larger than the fastening bolts 13, and they are not short-circuited by the fastening bolts 13. Part of the electrode plates 16 and 17 are in the form of lead terminals, between which the electrical signal of the waveform generator 100 is applied. The surface of the piezoelectric element 15 opposite to the electrode plate 17 is in contact with the backing plate 12 connected by the fastening bolt 13. As a result, the electric signal of the waveform generator 100 is also applied to the piezoelectric element 15. The terminal on the electrode plate 16 side is grounded, and therefore the vibrator 10 is at the ground potential. Reference numeral 18 denotes a vibrator output end face. In the figure, an alternate long and short dash line indicates an axis serving as a rotation center.
[0019]
An axisymmetric stepped horn 20 is coupled to the vibrator output end face 18 by a fastening bolt 24. Further, an axially symmetric diaphragm 30 is attached to the vibrator output end face 22 of the axially symmetric stepped horn 20 by, for example, welding.
[0020]
Usually, the vibrator 10 having a structure in which ring-shaped

piezoelectric elements

14 and 15 are connected by a fastening bolt 13 in a sandwich shape between a cylindrical front plate 11 and a cylindrical back plate 12 is caused to resonate at a half wavelength in the axial direction. However, by setting the diameter to an appropriate dimension, it is possible to resonate even at a frequency about twice the half-wave resonance frequency. For example, the front plate 11 and the back plate have a diameter of 60 mm, an axial length of 70 mm, a material made of an aluminum alloy, a bolt diameter of the fastening bolt 13 of 20 mm, an axial length of 110 mm, a material of stainless steel, and a piezoelectric material. 3A and 3B, impedance characteristics are calculated by numerical analysis with the outer diameter of the

elements

14 and 15 being 60 mm, the inner diameter being 40 mm, and the axial thickness being 10 mm, respectively.
[0021]
FIG. 3A shows characteristics with frequency on the horizontal axis and amplitude with vertical axis, and FIG. 3B shows characteristics with frequency on the horizontal axis and phase (degrees) on the vertical axis. As is apparent from FIGS. 3A and 3B, the amplitude of the impedance has a minimum value at about 15 kHz and about 30 kHz, and the phase is almost zero, and has resonance frequencies at about 15 kHz and about 30 kHz. You can see that The vibration modes at these resonance frequencies are half-wavelength resonance in the axial direction of the entire vibrator at about 15 kHz, and resonance of the radially expanded vibration of the

piezoelectric elements

14 and 15 at about 30 kHz.
[0022]
When the frequency characteristics of the amplitude velocity at the center of the transducer output end face 18 with respect to the input voltage of 1 V with the same dimensions and materials as described above are obtained by numerical analysis, they are as shown in FIGS. FIG. 4A is a characteristic in which the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents amplitude speed per 1 V of input voltage. FIG. 4B is a characteristic in which the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents phase (degrees). It is.
[0023]
As is clear from FIG. 4A, high responsiveness is obtained at about 15 kHz and about 30 kHz. As is clear from FIG. 4B, the phases of the components of about 15 kHz and about 30 kHz at the central portion of the transducer output end face 18 are shifted by about 90 degrees, and are greatly changed by a small frequency change.
[0024]
The axially symmetric stepped horn 20 has an axial length l having a frequency f. ₁ It is a dimension that almost resonates. For example, the diameter of the input end face 21 (in close contact with the vibrator output end face 18 of the vibrator 10) side of the symmetric stepped horn 20 is 60 mm, the diameter of the output end face 22 side is 40 mm, the input end face 21 side and the output When both axial lengths on the end face 22 side are 80 mm and the material is an aluminum alloy, a solid horn that resonates at half wavelength at about 15 kHz is obtained.
[0025]
The axially symmetric diaphragm 30 attached to the output end face 22 of the axially symmetric stepped horn 20 is, for example, stainless steel having a thickness of 2 mm and a rising portion for attaching to the output end face 22 of 1 mm. It bends and resonates outward.
[0026]
Here, the vibration characteristics of the axisymmetric diaphragm 30 will be examined. When the density of the material of the axisymmetric diaphragm 30 is ρ, the Young's modulus is E, and the Poisson's ratio is σ, the primary resonance angular frequency ω in the circular diaphragm having the radius a and the thickness h with the fixed end as the periphery is As shown in 1).
[0027]
[Expression 1]

Therefore, the frequency f ₂ The material, thickness, and diameter of the axisymmetric diaphragm 30 may be set in accordance with the values of. For example, if the material of the axisymmetric diaphragm 30 is stainless steel, the diameter and thickness of the circular diaphragm whose primary resonance frequency is about 30 kHz are 36 mm and 2 mm, respectively. If the thickness of the side surface of the axially symmetric diaphragm 30 is 2 mm, the outer diameter of the entire axially symmetric diaphragm 30 is 40 mm, which is the same size as the diameter of the output end face 22 of the 15 kHz axially symmetric stepped horn described above.
[0028]
5 (A) and 5 (B) show the amplitudes of the center portions of the input end face 21 and the output end face 32 of the vibration transmitting body composed of the 15 kHz axisymmetric stepped horn 20 and the 30 kHz axisymmetric diaphragm 30 described above. It is the characteristic view which showed the frequency response. FIG. 5A shows characteristics with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing relative amplitude, and FIG. 5B shows characteristics with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing phase (degrees). As is clear from FIG. 5A, high responsiveness is obtained at frequencies of about 15 kHz and about 30 kHz. Further, as is clear from FIG. 5B, the phases of the components of about 15 kHz and about 30 kHz in the central portions of the input end face 21 and the output end face 32 are shifted by about 90 degrees, and the frequency change is small. Will change a lot.
[0029]
Thus, with the configuration shown in FIG. ₁ And the frequency f ₁ Is almost twice the frequency f ₂ It can be seen that a combined structure of a mechanically resonating vibrator, an axially symmetric stepped horn, and an axially symmetric diaphragm is obtained. That is, the frequency f ₁ And f ₂ And a frequency f ₁ The solid horn 20 that resonates at a frequency f ₂ By connecting a diaphragm 30 that resonates at a frequency f ₁ The frequency f ₂ It is possible to generate a mechanical vibration with a large amplitude on which the above components are superimposed.
[0030]
6 (A) and 6 (B) show a vibration system composed of the above-mentioned 15 kHz axisymmetric bolted

Langevin type vibrator

10, 15 kHz axisymmetric stepped

horn

20 and 30 kHz diaphragm 30. ₁ Ultrasonic intensity / frequency f of component ₂ Of ultrasonic component = 1/3 and frequency f ₁ Ultrasound phase φ ₁ And frequency f ₂ Ultrasound phase φ ₂ Phase difference Δφ (= φ ₂ −φ ₁ It is the wave form diagram which calculated | required the amplitude velocity waveform of the output end surface 32 of the diaphragm 30 by the numerical analysis when the voltage waveform which sets the value of () to-(pi) is input. FIG. 6A shows the characteristics in which the horizontal axis represents the time from voltage application, and the vertical axis represents the instantaneous value of the applied voltage. FIG. 6B shows the time from voltage application to the horizontal axis, and the vertical axis. It is a characteristic that takes vibration speed. As can be seen from FIG. 6B, a negatively emphasized large amplitude mechanical vibration is obtained. By exciting such mechanical vibration superimposed with the second harmonic in the liquid, a sound pressure waveform similar to the amplitude velocity waveform is also formed in the liquid.
[0031]
Next, the frequency f ₁ Frequency 2f ₁ The effect on the cavitation phenomenon in the case where the sound pressure on which the second harmonic component is superimposed is used as the external pressure will be described.
[0032]
FIG. 7A is a diagram showing a state in which the external pressure in water changes at a frequency of 15 kHz and an amplitude of 1.4 atm. FIG. 7B shows a bubble having a bubble radius of 1 μm at equilibrium in FIG. 7A. FIG. 7 (C) is a response showing the result of numerical analysis of the impact pressure generated at a position 1 mm from the center of the bubble by the behavior of the bubble by the difference method. FIG. In either case, the horizontal axis is time. As can be seen by comparing FIGS. 7 (A) and 7 (B), the bubble expands when the external pressure fluctuates to a negative pressure, but the maximum bubble radius is about 2 μm, and the generated impact pressure is very small. is there.
[0033]
On the other hand, FIGS. 8A, 8B, and 8C show that the bubble radius at equilibrium is 1 μm, the ultrasonic intensity of 15 kHz component / the ultrasonic intensity of 30 kHz component = 1/1, and the ultrasonic wave of 15 kHz component. Phase φ ₁ And the phase φ of the 30 kHz component ultrasound ₂ Phase difference between and ₂ −φ ₁ As in the case of inputting a voltage waveform with a value of −π / 2 and calculating FIGS. 7A, 7B, and 7C, the change in the ultrasonic intensity of the external pressure and the overall intensity are Response diagram showing the result of numerical analysis of the change in bubble radius in water and the impact pressure generated at a position of 1 mm from the bubble center due to the behavior of the bubble when the external pressure superimposed to be equal is applied. It is. In either case, the horizontal axis is time.
[0034]
As is clear by comparing FIG. 8 (A) and FIG. 7 (A), it can be seen from FIG. 8 (B) even though the change in the ultrasonic intensity of the external pressure and the overall intensity are equal. Thus, the maximum bubble radius reaches about 100 μm, and as can be seen from FIG. 8C, a shock wave as strong as about 450 atm is generated.
[0035]
9 changes the phase difference Δφ described above, and the other conditions are the same as those in the analysis in FIGS. 8A, 8B, and 8C, and the shock wave generated at a position 1 mm from the bubble center with respect to Δφ. FIG. As is clear from FIG. 9, by setting the phase difference Δφ to −π to 0, preferably −3π / 4 to −π / 4, cavitation accompanied by bubble collapse is efficiently generated, and a strong impact pressure is generated. Can be made. Therefore, the frequency f at the amplitude velocity in the out-of-plane direction of the output end face 32 of the diaphragm 30 is determined. ₁ And f ₂ The waveform generator 100 generates a voltage waveform such that the phase difference satisfies the above condition, and drives the vibrator 10.
[0036]
FIG. 10 shows that the phase difference Δφ is −π / 2, the overall intensity of the external pressure is constant, the ultrasonic intensity ratio of the 30 kHz component to the ultrasonic intensity of the 15 kHz component is changed, and other conditions are shown in FIG. It is the same characteristic as the analysis in (A), (B), and (C), and is the characteristic view which showed the shock wave which arises in the position of 1 mm from the bubble center with respect to the said ultrasonic intensity ratio. As is clear from FIG. 10, by setting the ultrasonic intensity ratio to 0.01 to 10, preferably 0.1 to 3, cavitation accompanied by bubble collapse is efficiently generated, and a strong impact pressure is generated. be able to. Accordingly, the frequency f at the amplitude velocity in the out-of-plane direction of the output end face of the diaphragm 30 is determined. ₁ And f ₂ The voltage generator 100 may generate a voltage waveform that satisfies the above-described ultrasonic intensity ratio and drive the vibrator 10.
[0037]
FIG. 11 is a block diagram showing another embodiment of the ultrasonic cavitation generator according to the present invention. In the present embodiment, the vibration information of the diaphragm 30 is fed back, the input waveform to the vibrator 10 is sequentially controlled, and cavitation can be obtained efficiently and stably. A vibration sensor 40 is provided on the surface (inner surface) opposite to the output end surface 32 of the diaphragm 30. Actually, for example, a PVDF element or the like may be attached to the inner surface of the output end face of the diaphragm 30.
[0038]
The output signal from the vibration sensor 40 is converted into a digital signal by the A / D converter 50, and the frequency f ₁ And f ₂ Are calculated and output to the waveform generator 110. The waveform generator 110 refers to the output signal from the frequency analysis device 51, and the frequency f of the amplitude speed of the diaphragm 30. ₁ Component phase φ ₁ And frequency f ₂ Component phase φ ₂ Phase difference between and ₂ −φ ₁ Is −π to 0, preferably −3π / 4 to −π / 4, and the frequency f of the amplitude speed of the diaphragm 30 is ₁ Frequency f with respect to ultrasonic intensity of component ₂ The voltage waveform is adjusted so that the ratio of the ultrasonic intensity of the components is 0.01 to 10, preferably 0.1 to 3. An output signal from the waveform generator 110 is amplified by the power amplifier 120 and input to the vibrator 10.
[0039]
By sequentially performing such vibration control, even when a change in acoustic load or the like occurs, it is possible to stably generate efficient cavitation by superimposing the second harmonic. The acoustic load referred to here means water including a cavitation region ahead of the solid horn 20. For example, when cavitation occurs, many cavitation bubbles exist in the vicinity of the vibration surface, so that the acoustic load is smaller than that of water where cavitation does not occur.
[0040]
It is considered that how much cavitation occurs depends on various factors such as the amplitude of the vibration surface, the number of underwater bubble nuclei, the flow velocity, and the type of gas contained. For example, if the flow rate is taken as an example, there are many cavitation bubbles near the vibration surface at a slow flow rate. The load increases.
[0041]
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of the structure of an effective treatment tank using the cavitation generator according to the present invention shown in FIGS. 1 and 11.
[0042]
The processing tank shown in FIG. 12 includes a processing container 60 and a lid 70. The vibration system including the vibrator 10, the solid horn 20 with the flange, and the diaphragm 30 is disposed so that the bottom surface of the processing container 60 and the output end surface of the diaphragm 30 face each other, and the flange of the solid horn 20 is processed. It is supported by clamping with the container 60 and the lid 70. The support portion of the flange is sealed with sealing materials 81 and 82 such as rubber so that liquid does not leak. A liquid inflow port 61 provided coaxially with the diaphragm 30 is provided on the bottom surface of the processing container 60, and a liquid discharge port 62 is provided on the side surface of the processing container 60. A thick line in the figure shows the flow of non-treated water.
[0043]
In the cavitation generator according to the present invention as shown in FIGS. 1 and 11, since the output amplitude of the diaphragm 30 is very large, cavitation bubbles that generate a strong impact pressure in the near field near the output end face of the diaphragm 30 are generated. Although it can be obtained in a large amount, since the propagation of acoustic energy is prevented by the cavitation bubble layer generated in this region, a sufficient cavitation effect cannot be obtained in a far field. When the representative dimension of the diaphragm 30 is D and the wavelength of the ultrasonic wave in the liquid is λ, the near field is D from the output end face of the diaphragm 30. ² / Λ can be defined. In the present invention, the second harmonic frequency f having a short wavelength is used. ₂ Wavelength λ in liquid at ₂ Therefore, in FIG. 12, the distance between the output end face of the diaphragm 30 and the bottom face of the processing container 60 is D ² / Λ ₂ The following is good. With such a structure, the liquid to be treated enters the treatment tank from the inlet 61, and always passes through a region where a strong cavitation effect is efficiently obtained, and is discharged from the outlet 62. Can be given a cavitation action.
[0044]
The reason why the diaphragm 30 is referred to as a representative dimension is that the sectional shape of the diaphragm can take various forms. When the axial symmetric structure including the solid horn 20 is used as in the above-described embodiment, the cross-sectional shape perpendicular to the axis of the diaphragm 30 is circular, and the representative dimension and the outer diameter are the same. However, the cross-sectional shape of the diaphragm does not need to be circular, and various shapes can be taken to design it with versatility so that the frequency of the second harmonic becomes the resonance frequency of the diaphragm 30. . For example, when the cross-sectional area of the diaphragm is a square, the length of one piece is the representative dimension, and when the diaphragm is a rectangle, the length of the long side may be the representative dimension.
[0045]
【The invention's effect】
In an ultrasonic cavitation generator that emits ultrasonic waves into a liquid to generate cavitation, the frequency f ₁ And frequency f ₁ Is almost twice the frequency f ₂ Connected to the output end face of the vibrator and the frequency f ₁ A solid horn that resonates in the vicinity and an output end face of the solid horn, and the frequency f ₂ Cavitation accompanied by bubble collapse can be efficiently generated by a vibration system including a diaphragm that resonates in the vicinity, and a strong impact pressure can be generated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing an outline of the configuration of an embodiment of an ultrasonic cavitation generator according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing the axially symmetric bolted Langevin vibrator and the axially symmetric stepped horn of FIG.
FIG. 3A is an impedance characteristic diagram of the axisymmetric bolted Langevin type vibrator of FIG. 1, showing a characteristic with frequency on the horizontal axis and amplitude on the vertical axis, and FIG. The figure which shows the characteristic which took the frequency on the horizontal axis and took the phase (degree) on the vertical axis.
FIG. 4A is a characteristic diagram showing the frequency response of the amplitude velocity at the output end face of an axisymmetric bolted Langevin type vibrator, with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing amplitude velocity per 1 V input voltage. The figure which shows the characteristic, (B) is a figure which similarly shows the characteristic which took the frequency on the horizontal axis and the phase (degree) on the vertical axis.
FIG. 5A is a characteristic diagram showing frequency responses with respect to the amplitudes of the center portions of the input end face and the output end face of a vibration transmission body composed of a 15 kHz axisymmetric stepped horn and a 30 kHz axisymmetric diaphragm. FIG. 6 is a diagram showing characteristics with frequency on the horizontal axis and relative amplitude on the vertical axis, and (B) is a diagram showing characteristics with frequency on the horizontal axis and phase (degrees) on the vertical axis.
FIG. 6A is a characteristic diagram showing waveforms of an input voltage and an output amplitude speed of a vibration system including the above-described 15 kHz axisymmetric bolted Langevin type vibrator, a 15 kHz axisymmetric stepped horn, and a 30 kHz diaphragm. The horizontal axis represents the time from voltage application, and the vertical axis represents the instantaneous value of the voltage applied. (B) shows the time from voltage application to the horizontal axis and the vibration speed to the vertical axis. The figure which shows the characteristic taken.
7A is a diagram showing a state in which an external pressure in water changes at a frequency of 15 kHz and an amplitude of 1.4 atm, and FIG. 7B is an external pressure when a bubble having a bubble radius of 1 μm at equilibrium is shown in FIG. The figure which shows the aspect which a bubble radius changes under change of (4), (C) is the response figure which showed the result of having analyzed the impact pressure which arises in the position of 1 mm from a bubble center by bubble behavior by the difference method.
FIG. 8 is a response diagram showing the behavior of a cavitation bubble with respect to an external pressure in which a fundamental wave and a second harmonic wave are superimposed, and when calculating FIGS. 7 (A), (B) and (C), Impact pressure generated at a position of 1 mm from the center of the bubble due to the change in the bubble radius in water and the change in the bubble radius in water when the change in the ultrasonic intensity of the external pressure and the external pressure superimposed so that the overall strength is equal. The response figure which showed the result of having carried out numerical analysis by the difference method.
FIG. 9 changes the phase difference Δφ between the fundamental wave and the second harmonic, and the other conditions are the same as those in the analysis in FIGS. 8A, 8B, and 8C, and is 1 mm from the bubble center. The phase difference characteristic figure which showed the generated shock wave with respect to (DELTA) phi.
FIG. 10 shows that the phase difference Δφ between the fundamental wave and the second harmonic is −π / 2, the overall intensity of the external pressure is constant, and the ultrasonic intensity ratio of the 30 kHz component to the ultrasonic intensity of the 15 kHz component is changed, The other conditions are the same as the analysis in FIGS. 8A, 8B, and 8C, and a characteristic diagram showing a shock wave generated at a position of 1 mm from the bubble center with respect to the ultrasonic intensity ratio.
FIG. 11 is a block diagram showing another embodiment of the ultrasonic cavitation generator according to the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the structure of a treatment tank using the ultrasonic cavitation generator according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Vibrator, 11 ... Front strike board, 12 ... Backing board, 13 ... Fastening bolt, 14, 15 ... Piezoelectric element, 16, 17 ... Electrode board, 18 ... Vibrator output end surface, 20 ... Axisymmetric stepped horn, 21 ... Horn input end face, 22 ... Horn output end face, 30 ... Diaphragm, 32 ... Diaphragm output end face, 40 ... Vibration sensor, 50 ... A / D converter, 51 ... Frequency analyzer, 100, 110 ... Waveform generator, 120 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Power amplifier, 60 ... Processing container, 61 ... Inlet, 62 ... Outlet, 70 ... Lid, 81, 82 ... Sealing material.

Claims

In a liquid an ultrasonic cavitation generator which irradiates cavitation ultrasonic, a vibrator which resonates at approximately twice the frequency f ₂ of the frequency f ₁ and frequency f _1, output of the oscillator It is connected to the end surface, and a solid horn resonates around the frequency f _1, is connected to the output end face of the solid horn, comprising a diaphragm which resonates at near the frequency f _2, and the frequency f ₁ to the vibrator the ultrasonic cavitation device for inputting a high frequency signal including a component of the frequency f _2,
The out-of-plane direction amplitude speed of the diaphragm, a phase difference Δφ = φ2-φ1 and the phase .phi.2 phase phi ₁ and the frequency _{f 2} of the frequency _{f 1, -π~0,} preferably -3π / 4~- An ultrasonic cavitation generator characterized by being π / 4.

2. The ultrasonic cavitation generator according to claim 1 , wherein the ratio of the ultrasonic intensity at the frequency f _{2 to} the ultrasonic intensity at the frequency f _{1 in} the out-of-plane amplitude velocity of the diaphragm is 0.01 to 10, An ultrasonic cavitation generator, preferably 0.1-3.

Amplifying the ultrasonic cavitation generating device according to claim 1 or claim 2, a waveform generator for generating a signal waveform including a component of the frequency f ₁ and the frequency f _2, the output signal from the waveform generator Then, an amplifying unit for supplying power to the vibrator, a vibration sensor unit for sensing out-of-plane vibration of the diaphragm, a frequency analysis of the output signal of the vibration sensor unit, and a control signal to the waveform generation unit and a analysis control section for outputting, in the out-of-plane direction amplitude speed of the diaphragm, a phase difference Δφ = φ2-φ1 and the phase .phi.2 phase phi ₁ and the frequency f ₂ of the frequency f _1, -π~0 Preferably, the ultrasonic cavitation generating apparatus controls the output signal from the waveform generating unit so as to be −3π / 4 to −π / 4.

The ultrasonic cavitation generator according to any one of claims 1 to 3, a waveform generator for generating a signal waveform including a component of the frequency f ₁ and the frequency f _2, the output from the waveform generator An amplifier for amplifying the signal and supplying power to the vibrator, a vibration sensor for sensing out-of-plane vibration of the diaphragm, and frequency analysis of the output signal of the vibration sensor, and to the waveform generator An analysis control unit that outputs a control signal, and the ratio of the ultrasonic intensity of the frequency f _{2 to} the ultrasonic intensity of the frequency f ₁ of the amplitude velocity in the out-of-plane direction of the diaphragm is preferably 0.01 to 10, preferably The ultrasonic cavitation generator characterized by controlling the output signal from the said waveform generation part so that it may be set to 0.1-3.

The ultrasonic cavitation generator according to any one of claims 1-4, a typical dimension of the diaphragm D, and the wavelength at the frequency f ₂ of the liquid to be treated and lambda _2, the liquid to be treated, An ultrasonic cavitation generating apparatus characterized in that it always passes through a region of distance D ² / λ ₂ from the output end face of the diaphragm.