JP5002850B2 - 溶液の超音波分離方法とこの方法に使用される超音波分離装置 - Google Patents
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Description
本発明は、主として酒や酒原料等のアルコール溶液から更に高濃度のアルコールを分離する溶液の超音波分離方法と装置に関する。
本発明者は、表面過剰となる物性を示す目的物質であるアルコールを分離する装置を開発した。（特許文献１参照）
特開２００１−３１４７２４号公報
この分離装置は、アルコール溶液を閉鎖構造の超音波霧化室に充填し、この超音波霧化室のアルコール溶液を超音波振動子で超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを凝集させて回収して高濃度のアルコール溶液を分離する。この分離装置が目的物質として高濃度のアルコールを分離できるのは、以下の動作による。
速やかに表面に移行して表面過剰となる物性を示すアルコールは、表面の濃度が高くなっている。この状態で超音波振動させると、表面の溶液が超音波振動のエネルギーで空気中にミストとなって微細な粒子で放出される。空気中に放出されたミストはアルコール濃度が高くなっている。アルコール濃度の高い表面の溶液がミストとなるからである。したがって、ミストを凝集して回収すると、高濃度のアルコール溶液が分離される。この方法は、溶液を加熱しないで高濃度のアルコール溶液を分離できる。このため、少ないエネルギー消費で高濃度に目的物質を分離できる。また、加熱しないので目的物質を変質させることなく分離できる特長もある。
この装置は、溶液を超音波振動させて効率よくミストとすることが大切である。溶液を底面から上に向かって超音波振動させると、図１に示すように、溶液面Ｗに液柱Ｐができて、この部分で霧化される。液柱Ｐは、内部で上下の超音波振動を衝突させる。超音波振動の衝突は、溶液の霧化効率を低下させる原因となる。超音波振動が液柱Ｐの内部で衝突すると、超音波振動が減衰して効率よく溶液を振動できなくなるからである。
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、溶液を効率よく超音波振動させて、溶液を高能率に霧化してミストにできる溶液の超音波分離方法と超音波分離装置を提供することにある。
本発明の溶液の超音波分離方法は、アルコール水溶液を複数の超音波振動子で超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを凝集させて回収して、目的物質を溶液から分離する。さらに、超音波分離方法は、超音波振動でできる溶液面Ｗの液柱Ｐに、液柱Ｐの前段に設けた送風機構により、液柱Ｐに片側から横方向に風を吹き付けて風を吹き付けるのと反対側から排出し、液柱の片側から反対側に流れる風でもって液柱Ｐを溶液面Ｗと平行な方向に曲げている。
本発明の超音波分離方法は、目的物質を含む溶液に気泡を供給することができる。この超音波分離方法は、好ましくは、溶液温度を３０℃以下に保持する。さらに、本発明の超音波分離方法は、溶液面Ｗを、液柱Ｐを突出させる貫通孔３２Ａのある遮蔽物３２で被覆して、溶液面Ｗと気中とを遮蔽物３２で遮蔽して、溶液が気中に気化するのを防止する。この超音波分離方法は、遮蔽物３２の上面に供給される溶液を、遮蔽物３２の下の溶液から分離して排出することができる。
本発明の超音波分離方法は、アルコール水溶液を超音波霧化室４に供給して超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを凝集させて回収して、目的物質を溶液から分離する。さらに、超音波分離方法は、溶液供給管３１でもって、超音波霧化室４の空間部４Ａに溶液を供給すると共に、溶液供給管３１の内部で溶液を超音波振動させて排出してミストに霧化する。
本発明の溶液の超音波分離装置は、アルコール水溶液が供給される超音波霧化室４と、この超音波霧化室４の内部において、溶液を超音波振動でミストに霧化する複数の超音波振動子２と、この超音波振動子２に接続されて超音波振動子２に高周波電力を供給して超音波振動させる超音波電源３と、超音波振動子２で霧化されたミストを凝集させて回収する回収部５とを備え、超音波霧化室４で霧化されたミストを回収部５で回収して目的物質を溶液から分離する。さらに、超音波分離装置は、超音波振動子２で超音波振動されて溶液面Ｗにできる液柱Ｐに片側から風を吹き付けて反対側から排出する送風機構２７を液柱Ｐの前段に備えており、送風機構２７が液柱Ｐに片側から反対側に送風する風でもって液柱Ｐを溶液面Ｗと平行な方向に曲げている。
本発明の超音波分離装置は、超音波霧化室４の溶液に気泡を供給する気泡装置２８を設けることができる。この超音波分離装置は、超音波霧化室４の溶液温度を３０℃以下に保持する温度制御機構７５を設けることができる。さらに、本発明の超音波分離装置は、超音波霧化室４の溶液面Ｗに、液柱Ｐを突出させる貫通孔３２Ａを設けている遮蔽物３２を配設して、溶液面Ｗと超音波霧化室４の気中とを遮蔽して、溶液が気中に気化されるのを防止する。遮蔽物３２は、溶液面Ｗに浮設されるシートとすることができる。さらに、遮蔽物３２は、貫通孔３２Ａの周縁に隔壁３２Ｂを設けることができる。さらに、本発明の超音波分離装置は、遮蔽物３２の上面に供給される溶液を超音波霧化室４の溶液から分離して排出する排出口３５を設けることができる。
本発明の溶液の超音波分離装置は、アルコール水溶液が供給される超音波霧化室４と、この超音波霧化室４の内部において、溶液を超音波振動でミストに霧化する超音波振動子２と、この超音波振動子２に接続されて超音波振動子２に高周波電力を供給して超音波振動させる超音波電源３と、超音波振動子２で霧化されたミストを凝集させて回収する回収部５とを備え、超音波霧化室４で霧化されたミストを回収部５で回収して目的物質を溶液から分離する。さらに、超音波分離装置は、超音波霧化室４に溶液を供給する溶液供給管３１を連結している。この溶液供給管３１は、超音波霧化室４の空間部４Ａに溶液を供給すると共に、超音波振動子２を備えている。超音波分離装置は、溶液供給管３１の内部において、超音波振動子２で溶液を超音波振動させながら超音波霧化室４に排出してミストに霧化している。
本発明は、溶液を効率よく超音波振動させて、溶液を高能率に霧化してミストにできる特長がある。それは、本発明の請求項１の超音波分離方法と請求項３の超音波分離装置が、超音波振動でできる溶液面の液柱に横方向に風を吹き付け、この風でもって液柱を溶液面と平行な方向に曲げているからである。このように、溶液面と平行な方向に曲げられる液柱は、その内部において、上下の超音波振動が衝突して減衰されるのを有効に防止できる。したがって、超音波振動による溶液の霧化効率を低下させることなく、溶液を高能率に霧化してミストにできる。
さらに、本発明の超音波分離方法と超音波分離装置は、溶液に気泡を供給しているので、溶液中のガス溶解度を上昇させて、溶液中で発生するキャビテーションを促進して、溶液を超音波振動で効率よくミストに霧化できる特長がある。
さらに、本発明は、溶液面を遮蔽物で被覆して、溶液面と気中とを遮蔽しているので、溶液が気中に気化するのを有効に防止できる特長がある。このため、溶液が気化し、気化された溶液がミストと一緒に凝集して回収されるのを少なくでき、目的物質を高濃度に回収できる。
さらに、本発明の超音波分離方法と超音波分離装置は、遮蔽物の上面に供給される溶液であって、遮蔽物の下の溶液に比べて目的物質の濃度が低くなっている溶液を、遮蔽物の下の溶液から分離して排出するので、遮蔽物の下の溶液の目的物質濃度を低下させることなく、常に目的物質濃度の高いミストを発生できる特長がある。
さらに、本発明の超音波分離方法と超音波分離装置は、溶液供給管の内部で溶液を超音波振動させて排出して、ミストに霧化しながら超音波霧化室の空間部に溶液を供給するので、溶液を高能率に霧化してミストにできる特長がある。それは、溶液供給管から供給される溶液が、溶液供給管の内部で超音波振動されながら排出されると共に、溶液供給管から超音波霧化室の空間部に供給されるときに分散されながら排出されるので、これらの相乗効果によって溶液を能率よく霧化してミストにできるからである。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための溶液の超音波分離方法とこの方法に使用される超音波分離装置を例示するものであって、本発明は超音波分離方法と超音波分離装置を下記のものに特定しない。
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
本発明の溶液の超音波分離装置は、アルコール水溶液から目的物質として高濃度のアルコールを分離する。
以上の溶液に含まれる目的物質のアルコールは、表面に移行して表面過剰となる物性がある。この目的物質は、表面濃度が高くなるので、これを超音波振動させて表面の溶液をミストにして霧化させると、ミストは目的物質の濃度が高くなる。したがって、このミストを凝集して回収すると、目的物質の濃度を高くできる。すなわち、溶液から高濃度の目的物質を含むものを分離できる。
以下、目的物質をアルコールとする溶液から高濃度にアルコールを分離する装置と方法を示す。
図２ないし図５に示す超音波分離装置は、溶液が供給される閉鎖構造の超音波霧化室４と、この超音波霧化室４の溶液を超音波振動させてミストに霧化する複数の超音波振動子２と超音波電源３を備える超音波霧化機１と、超音波振動子２で超音波振動されて溶液面Ｗにできる液柱Ｐに風を吹き付ける送風機構２７と、超音波霧化機１で霧化されたミストを凝集させて回収する回収部５とを備える。
図２と図３の超音波分離装置は、超音波霧化室４と回収部５とを別々に離して、循環ダクト３０で連結している。図４の超音波分離装置は、回収部５に超音波霧化室４を内蔵させ、図５の超音波分離装置は、回収部５と超音波霧化室４とでひとつの気密チャンバーを構成して、回収部５と超音波霧化室４とを一体構造としている。
これ等の超音波分離装置は、超音波霧化室４で霧化された溶液のミストを、閉鎖構造の回収部５に流入させる。回収部５は微細なミストを凝集させて高濃度のアルコール溶液として回収する。ミストは、気体ではないので、必ずしも冷却しないで凝集させて回収できる。ただ、ミストを冷却して速やかに回収できる。
溶液はポンプ１０で超音波霧化室４に供給される。超音波霧化室４は、供給される全ての溶液をミストとして霧化させない。全ての溶液を霧化して回収部５で回収すると、超音波霧化室４に供給する溶液と、回収部５で回収される溶液のアルコール等の目的物質濃度が同じになるからである。超音波霧化室４に供給された溶液は、ミストとして霧化して容量が少なくなるにしたがって、目的物質の濃度が低下する。このため、ミストに含まれる目的物質の濃度も次第に低下する。超音波霧化室４の溶液は、目的物質濃度が低下すると新しいものに入れ換えられる。
超音波霧化室４は、たとえば、目的物質の濃度が１０〜５０重量％である溶液を霧化して、目的物質の濃度が低下した後、溶液を新しいものに入れ換える。一定の時間経過すると溶液を新しいものに入れ換える方法、すなわちバッチ式に溶液を交換する。ただ、超音波霧化室４に、ポンプ１０を介して溶液を蓄えている原液槽１１を連結し、原液槽１１から連続的に溶液を供給することもできる。この装置は、超音波霧化室４の溶液を排出しながら、原液槽１１から溶液を供給して、超音波霧化室４の溶液のアルコール等の目的物質濃度が低下するのを防止する。また、図２の矢印Ｂで示すように、超音波霧化室４の溶液を原液槽１１に循環することなく外部に排出して、原液槽１１に含まれる目的物質の濃度が低下するのを防止することもできる。
超音波霧化室４の溶液は、超音波霧化機１でミストに霧化される。超音波霧化機１で霧化されたミストは、溶液よりも目的物質濃度が高い。したがって、超音波霧化機１で溶液をミストに霧化し、ミストを凝集して回収することで、高濃度な溶液を効率よく分離できる。
超音波霧化室４の溶液は、超音波振動されて、超音波霧化室４の溶液よりも高濃度なミストとなって溶液面Ｗから飛散する。溶液を超音波振動させると、溶液面Ｗに液柱Ｐができ、この液柱Ｐの表面からミストが発生する。図６に示す超音波霧化機１は、溶液を充填している超音波霧化室４の底に、超音波霧化機１の超音波振動子２を上向きに配設している。超音波振動子２は、底から溶液面Ｗに向かって上向きに超音波を放射して、溶液面Ｗを超音波振動させて、液柱Ｐを発生させる。超音波振動子２は、垂直方向に超音波を放射する。
図の超音波霧化機１は、複数の超音波振動子２と、これ等の超音波振動子２を超音波振動させる超音波電源３とを備える。超音波振動子２は超音波霧化室４の底に水密構造に固定される。複数の超音波振動子２が溶液を超音波振動させる装置は、より効率よく溶液をミストに霧化する。
複数の超音波振動子２は、図７と図８に示すように、防水構造で脱着プレート１２に固定される。複数の超音波振動子２を固定している脱着プレート１２は、図９と図１０に示すように、防水構造で脱着できるように超音波霧化室４のケーシング１３に装着される。この脱着プレート１２が超音波霧化室４のケーシング１３に装着されて、各々の超音波振動子２は超音波霧化室４の溶液を超音波振動する。
図７と図８に示す脱着プレート１２は、表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂを備えており、表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂを積層して、表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂの間に超音波振動子２を防水構造で挟着している。表面プレート１２Ａは貫通孔１２ａを開口しており、この貫通孔１２ａに振動面２Ａを位置させて超音波振動子２を表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂに挟着して固定している。裏面プレート１２Ｂは、超音波振動子２を嵌入する凹部１２ｂを設けて、この凹部１２ｂに超音波振動子２を嵌入している。図７の脱着プレート１２は、裏面プレート１２Ｂに凹部１２ｂを設けているが、表面プレートに凹部を設けて、この凹部に超音波振動子を嵌入することもできる。
超音波振動子２と表面プレート１２Ａとの間を防水構造とするために、表面プレート１２Ａと超音波振動子２との間にパッキン１６を挟着している。図７に示す超音波霧化機１は、超音波振動子２と裏面プレート１２Ｂとの間にもパッキン１６を挟着して防水構造としている。ただし、超音波霧化機は、必ずしも超音波振動子と裏面プレートとの間を防水構造とする必要はない。それは、超音波振動子と表面プレートとの間を防水構造とする脱着プレートを超音波霧化室のケーシングの下面に固定して、超音波霧化室の溶液が漏れるのを阻止できるからである。パッキン１６は、ゴム状弾性体のＯリングである。Ｏリングのパッキン１６は、超音波振動子２の振動面２Ａの外周縁と表面プレート１２Ａとの対向面に配設されて、超音波振動子２の振動面２Ａと表面プレート１２Ａとの間を防水構造として、この間から水が漏れるの阻止する。さらに、超音波振動子２の外周と裏面プレート１２Ｂとの間を防水構造で連結する。
パッキン１６は、テフロン（登録商標）、シリコン、天然または合成ゴム等のゴム状弾性体である。このパッキン１６は、超音波振動子２と表面プレート１２Ａとの間、超音波振動子２と裏面プレート１２Ｂとの間に、弾性変形して押しつぶされる状態で挟着されて、超音波振動子２と表面プレート１２Ａ及び裏面プレート１２Ｂの表面に隙間なく密着して連結部分を防水構造とする。ただし、パッキン１６には、銅、シンチュウ、アルミニウム、ステンレス等の金属をリング状に加工した金属パッキンも使用できる。
図７と図８に示す脱着プレート１２は、表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂの片側縁を蝶番１７で連結している。この脱着プレート１２は、裏面プレート１２Ｂと表面プレート１２Ａとを開いて、超音波振動子２を簡単に脱着できる。超音波振動子２を交換するとき、裏面プレート１２Ｂと表面プレート１２Ａが開かれる。この状態で、古い超音波振動子を取り出して新しい超音波振動子２とパッキン１６を所定の位置に入れる。その後、裏面プレート１２Ｂと表面プレート１２Ａを閉じて、超音波振動子２が交換される。閉じられた裏面プレート１２Ｂと表面プレート１２Ａは、蝶番１７の反対側を止ネジ（図示せず）で連結し、あるいは超音波霧化室４のケーシング１３に固定して連結される。
以上の超音波霧化機１は、パッキン１６を使用して防水構造としているが、パッキンの位置にコーキング材を充填して防水構造とすることもできる。さらに、図７に示す超音波霧化機１は、脱着プレート１２を表面プレート１２Ａと裏面プレート１２Ｂからなる２枚の金属プレート、あるいは非金属の硬質プレートで構成しているが、脱着プレート１２は図１１ないし図１３に示すように１枚のプレートとすることもできる。この脱着プレート１２は、金属プレートあるいは非金属硬質プレートで、超音波振動子２を配設する凹部１２ｂを上方に、あるいは貫通孔１２ａを開口して設けている。
図１１の超音波霧化機１は、脱着プレート１２の凹部１２ｂに超音波振動子２を入れて、超音波振動子２の外周部分の上下にパッキン１６を配置している。さらに、脱着プレート１２の開口部にリングプレート１８を固定している。リングプレート１８は、超音波振動子２の上面に配置しているパッキン１６を押圧して、超音波振動子２を凹部１２ｂに防水構造で固定する。凹部１２ｂは底に貫通孔１２ｃを設けて、リード線１９を外部に引き出している。
図１２の超音波霧化機１は、パッキンとリングプレートを使用することなく、脱着プレート１２の凹部１２ｂに入れた超音波振動子２をコーキング材２０で接着して防水構造で固定している。この超音波振動子２もリード線１９を凹部１２ｂの底部に開口している貫通孔１２ｃから外部に引き出している。貫通孔１２ｃとリード線１９との間にもコーキング材２０を充填して、水漏れしない防水構造としている。
図１３の超音波霧化機１は、脱着プレート１２に貫通孔１２ａを開口しており、この貫通孔１２ａに振動面２Ａを位置させて、超音波振動子２を脱着プレート１２の下面に固定している。超音波振動子２を脱着プレート１２に固定するために、脱着プレート１２の底面には固定具２１を固定している。超音波振動子２は、外周部分の上下に配置したパッキン１６を介して防水構造で脱着プレート１２に固定している。固定具２１は段差凹部を有するリング状で、外周縁部を貫通する固定ネジ２２が脱着プレート１２にねじ込まれて脱着プレート１２に固定されている。固定具２１は、段差凹部の底面で超音波振動子２の下面に配置しているパッキン１６を押圧して、超音波振動子２を脱着プレート１２に防水構造で固定する。固定具２１は、段差凹部の底面に貫通孔２１Ａを設けており、ここからリード線１９を外部に引き出している。
図９と図１０は、超音波霧化機１を固定する超音波霧化室４を示す。これ等の図に示す超音波霧化室４は、ケーシング１３の底面に開口部１３Ａを設けて、この開口部１３Ａを防水構造で閉塞するように脱着プレート１２を固定している。脱着プレート１２は、パッキン２３を介して防水構造でケーシング１３に固定される。脱着プレート１２を固定するために、ケーシング１３の底面には固定金具２４を固定している。固定金具２４はＬ字状で、これを貫通する止ネジ２５で脱着プレート１２を押圧して超音波霧化室４のケーシング１３に固定する。この構造で超音波霧化室４に固定される複数の超音波振動子２は、ケーシング１３の底面から上面に向かって溶液を超音波振動させる。この脱着プレート１２は、超音波霧化室４のケーシング１３の底面に、開口部１３Ａを閉塞するように、しかも脱着できるように装着される。
脱着プレート１２は、図１４に示すように、超音波霧化室４の溶液中に浸漬して、溶液を超音波振動させることもできる。この構造は、簡単に脱着プレート１２を超音波霧化室４に脱着できるように配置できる。溶液中に浸漬される超音波霧化機１は、たとえば図１２に示す構造として、超音波振動子２の振動面２Ａを除く部分を防水構造として脱着プレート１２に固定している。
超音波振動子２や超音波電源３が超音波霧化室４の溶液を加熱すると、溶液の品質が低下する。この弊害は、超音波振動子２を強制的に冷却して解消できる。さらに、好ましくは超音波電源３も冷却する。超音波電源３は直接には溶液を加熱することはないが、周囲を加熱して間接的に溶液を加熱する。超音波振動子２や超音波電源３は、図６に示すように、これ等に冷却パイプ１４を熱結合する状態で配設、すなわち、冷却パイプ１４を接触させる状態で配設して冷却できる。冷却パイプ１４は、冷却機で冷却した液体や冷媒、あるいは地下水や水道水等の冷却水を流して超音波振動子２と超音波電源３を冷却する。
超音波振動で溶液面Ｗにできる液柱Ｐは、送風機構２７から風が吹き付けられる。送風機構２７から液柱Ｐに吹き付ける風は、液柱Ｐを溶液面Ｗと平行な方向に曲げる。液柱Ｐは、吹き付けられる風によって、図２と図３に示すように先端部が吹き流されるように曲げられ、あるいは全体が傾斜するように曲げられる。送風機構２７が液柱Ｐを溶液面Ｗと平行な方向に曲げる形状は、送風機構２７が液柱Ｐに吹き付ける風の風量と風速と吹き付ける領域による。液柱Ｐの先端部分に風を吹き付けると、図に示すように先端部分が吹き流されるように曲がり、液柱の全体に風を吹き付けると、図示しないが、液柱の全体が傾斜するように垂直方向から曲げられる。液柱Ｐに吹き付けられる風の風速が速くなると液柱Ｐが曲がる程度が大きくなる。送風機構２７は、好ましくは、液柱Ｐの先端部が、液柱Ｐの基部の中心を通る垂直軸ｍ（溶液面Ｗに垂直な軸）となす角度（α）が１５度以上、さらに好ましくは３０度以上となるように、液柱Ｐに風を吹き付ける。
送風機構２７は、液柱Ｐに風を吹き付けるファン２９を備える。送風機構２７は、図２、図４及び図５に示すように、超音波霧化室４の内部に配設され、あるいは図３に示すように、超音波霧化室４に連結している循環ダクト３０の内部に配置される。超音波霧化室４に設けられたファン２９は、超音波霧化室４の内部の空気を吸入して液柱Ｐに吹き付ける。循環ダクト３０に設けているファン２９は、循環ダクト３０内を循環される空気を加速して、液柱Ｐに吹き付ける。
図１５の超音波分離装置は、溶液供給管３１でもって超音波霧化室４に溶液を供給するもので、溶液供給管３１の内部の溶液を超音波振動させて、超音波霧化室４の空間部４Ａに排出してミストに霧化する。この装置は、溶液供給管３１の途中に超音波振動子２を固定している。超音波振動子２は、図１６に示すように、溶液供給管３１の周囲に固定されて、内部の溶液を移送方向に向かって超音波振動し、あるいは図１７に示すように、溶液供給管３１のコーナー部に、内部の溶液を移送方向に超音波振動させるように固定される。図１６の溶液供給管３１の直線部分に固定される超音波振動子２は、傾斜する方向に、あるいは横方向に超音波振動を放射する。この超音波振動子２は、溶液供給管３１の周囲に固定できるので、図の鎖線で示すように、溶液供給管３１の上面に固定することもできる。
溶液供給管３１は、図１５ないし図１７に示すように水平方向に、あるいは図１８に示すように上り勾配に傾斜し、あるいはまた図示しないが、下り勾配に傾斜する姿勢で超音波霧化室４に連結される。上り勾配に傾斜する溶液供給管３１から排出される溶液は、途中で曲がって先端部から下向きに落下する。この姿勢の溶液供給管３１は、溶液供給管３１から出た溶液が大きく曲がって落下する。また、水平な姿勢の溶液供給管３１も途中で曲がって先端部分は下向きに落下する。溶液供給管３１は、垂直方向に対して交差する姿勢で超音波霧化室４に連結されて、排出する溶液を自重で曲がって落下させる。
図１５ないし図１８に示す超音波分離装置は、超音波霧化室４の底部に溶液を貯溜しており、貯溜された溶液の溶液面Ｗよりも上方の空間部４Ａに、溶液供給管３１でもって溶液を供給している。ただ、超音波分離装置は、溶液供給管から超音波霧化室の空間部に供給された溶液を底部に貯溜することなく超音波霧化室から排出することもできる。
図２と図３に示す超音波分離装置は、図１９の拡大図に示すように、溶液面Ｗを遮蔽物３２で被覆している。遮蔽物３２は、液柱Ｐを突出させる貫通孔３２Ａを開口している。この遮蔽物３２は、溶液面Ｗと超音波霧化室４の気中とを遮蔽して、溶液が気中に気化するのを防止する。この構造は、溶液が気化し、気化された溶液がミストと一緒に凝集して回収されるのを少なくできる。超音波霧化室４で溶液が気化されると、この気化された気体は、溶液を霧化してなるミストよりも目的物質の濃度が低くなる。それは、溶液のミストは、表面過剰な状態で気中に霧化されるので、目的物質の濃度が気化された気体よりも高くなっているからである。
遮蔽物３２は、溶液に浮設されるプラスチックシート、プラスチックプレート、あるいは超音波霧化室４に水平に固定される金属プレート等の溶液を透過させないシートやプレートである。遮蔽物３２は、貫通孔３２Ａの周囲に隔壁３２Ｂを設けて、遮蔽物３２の上に落下する溶液を、遮蔽物３２の下の溶液から分離する。すなわち、遮蔽物３２の上に落下する溶液が遮蔽物３２の下の溶液に混合されないようにしている。超音波霧化室４は、遮蔽物３２の上面に供給される溶液を下の溶液から分離して排出する排出口３５を設けている。遮蔽物３２の上に落下する溶液は、図２、図３及び図１９の矢印Ａで示すように、遮蔽物３２の下の溶液から分離して超音波霧化室４から排出される。遮蔽物３２の上に落下する溶液は、一部がミストとなって高濃度の目的物質を分離した残りの溶液である。したがって、この溶液は、目的物質の濃度が遮蔽物３２の下の溶液よりも低くなる。遮蔽物３２の上の溶液を遮蔽物３２の下の溶液に混合すると、遮蔽物３２の下の溶液の目的物質の濃度が低下する。これに対して、遮蔽物３２の上の溶液を、遮蔽物３２の下の溶液に混合しないで排出すると、ミストが分離された溶液が、遮蔽物３２の下の溶液の目的物質濃度を低下させることがなく、常に目的物質濃度の高いミストを発生できる。
図１５の超音波分離装置は、溶液供給管３１から排出する溶液を超音波霧化室４の底に蓄え、この溶液を原液槽１１に循環させている。原液槽１１の溶液はポンプ１０に吸入され、ポンプ１０が吸入した溶液を溶液供給管３１に供給する。溶液供給管３１から溶液が供給される超音波霧化室４は、オーバーフローさせて溶液を原液槽１１に循環させる。この装置は、目的物質が分離されるにしたがって、溶液に含まれる目的物質の濃度が低下する。したがって、溶液の目的物質濃度が低くなると、溶液全体を交換する。また、図１５の矢印Ｂで示すように、超音波霧化室４の溶液を原液槽１１に循環することなく外部に排出して、原液槽１１に含まれる目的物質の濃度が低下するのを防止することもできる。
さらに、図３の超音波分離装置は、超音波霧化室４の溶液に気泡を供給する気泡装置２８を設けている。気泡装置２８は、超音波霧化室４の溶液中に気泡供給部２８Ａを配設しており、この気泡供給部２８Ａから溶液に気泡を供給している。このように、超音波霧化室４の溶液に微細な気泡を供給する超音波分離装置は、溶液中のガス溶解度を上昇させることにより、溶液中で発生するキャビテーションを促進して、溶液を超音波振動で効率よくミストに霧化できる特長がある。
さらに、図３に示す超音波分離装置は、超音波霧化室４の溶液温度を制御する温度制御機構７５を備える。温度制御機構７５は、溶液の温度が所定の温度以下となるように溶液を冷却する冷却器７６を備える。この温度制御機構７５は、超音波霧化室４に貯溜された溶液の温度を温度センサー７７で検出すると共に、冷却器７６を制御して溶液の温度を３０℃以下に保持する。このように、温度制御機構７５で溶液の温度を制御する超音波分離装置は、気泡装置２８から供給される気泡の溶解度を高くできる。
超音波霧化室４で霧化された溶液のミストは、回収部５に流入される。ミストを回収部５に流入させるために、図２と図３の装置は、回収部５を循環ダクト３０で超音波霧化室４に連結しており、図４の装置は、超音波霧化室４を回収部５に内蔵しており、図５の装置は、回収部５の上部に超音波霧化室４を配設している。図４と図５の装置は、回収部５の容積を、超音波霧化室４に比較して充分に大きく、たとえば、超音波霧化室４の容積の２〜１００倍、好ましくは５〜５０倍、さらに好ましくは５〜２０倍としている。図５の装置は、超音波霧化室４と回収部５の上部を連通路であるダクト２６を介して連結して一体構造としている。超音波霧化室４で霧化したミストは、ゆっくりと降下して回収部５に溶液として回収される。
図２と図３の回収部５は、ミストを冷却して凝集させる冷却用熱交換器３３を内蔵している。冷却用熱交換器３３は、熱交換パイプ３４にフィン（図示せず）を固定している。熱交換パイプ３４に冷却用の冷媒や冷却水を循環させて、熱交換器３３は冷却される。超音波霧化室４で霧化されたミストは、一部が気化して気体となるが、気体は回収部５の熱交換器３３で冷却され、結露して凝集されて回収される。回収部５に流入されるミストは、熱交換器３３に衝突し、あるいは互いに衝突して大きく凝集し、または熱交換器３３のフィン等に衝突して大きく凝集して溶液として回収される。ミストと気体を熱交換器３３で凝集して回収した空気は、循環ダクト３０を介して再び超音波霧化室４に循環される。
図４と図５の回収部５は閉鎖チャンバーであって、ここに供給されるミストは外部に排出されない。したがって、回収部５に供給されたミストは、互いに衝突して大きく凝集し、あるいは、邪魔板等に衝突して大きく凝集して溶液として回収される。回収部５において、ミストをより速やかに回収するために、図４と図５の回収部５は、溶液を散水するノズル６を備える。ノズル６は、循環ポンプ１５を介して回収部５の底部に連結される。循環ポンプ１５は、回収部５に回収された溶液を吸入して、ノズル６から噴霧させる。
図の超音波分離装置は、回収部５の上部と側面にノズル６を配設している。上部のノズル６は、下向きに溶液を噴霧する。側面のノズル６は、水平方向に溶液を噴霧する。ノズル６から噴霧される溶液は、超音波霧化機１で霧化されたミストに比較して充分に大きな水滴であって、回収部５の内部を速やかに落下し、落下するときに、回収部５の内部に浮遊しているミストに衝突して、ミストを回収しながら落下する。したがって、回収部５に浮遊するミストを効率よく速やかに回収できる。
図の超音波分離装置は、ノズル６を上と側面とに配設しているが、回収部５の下部にノズルを配設することもできる。下部のノズルは、上向きに溶液を噴霧する。このノズルは、回収部５の天井に溶液を衝突させる速度で、あるいは、天井の近傍まで上昇する速度で溶液を噴霧する。天井の近傍まで上昇するように噴霧される溶液は、天井の近傍で下向きに方向を変えて落下するので、上昇するときと降下するときにミストに接触して、ミストを効率よく回収する。
図２０の回収部５は、内部に複数枚の邪魔板７を配設している。邪魔板７は、隣接するものとの間にミストを通過できる隙間を設けて、垂直の姿勢で配設している。垂直の邪魔板７は、ミストを表面に衝突させて付着する溶液を自然に流下させて回収できる。図の邪魔板７は、表面を凹凸面として、ミストをより効率よく接触させて回収できるようにしている。
さらに、図２０の回収部５は、ミストを強制送風して撹拌するファン９を設けている。ファン９は、回収部５のミストを撹拌する。撹拌されるミストは、互いに衝突して凝集し、あるいは、邪魔板７の表面に衝突して凝集する。凝集するミストは、速やかに落下して回収される。図のファン９は、回収部５のミストを下向きに送風して循環させる。
図２１の超音波分離装置は、ミストを振動して互いに衝突する確率を高くするミスト振動器８を回収部５に設けている。ミスト振動器８は、回収部５の気体を振動させる電気振動−機械振動変換器と、この電気振動−機械振動変換器を駆動する振動電源とを備える。電気振動−機械振動変換器は、可聴周波数の音を放射するスピーカーや、可聴周波数よりも高い超音波を放射する超音波振動子等である。電気振動−機械振動変換器が、ミストを効率よく振動させるために、電気振動−機械振動変換器から放射される振動を回収部５で共振させる。このことを実現するために、電気振動−機械振動変換器は、回収部５で共振する周波数で振動させる。いいかえると、回収部５を電気振動−機械振動変換器から放射される振動に共振する形状に設計する。
超音波は人間の可聴周波数を越える高い周波数であるので、耳には聞こえない。このため、超音波を放射するミスト振動器８は、回収部５の気体を激しく振動させて、いいかえると、電気振動−機械振動変換器の出力を極めて大きくして、人間に音の害を与えることがない。このため、超音波はミストを激しく振動して、効率よく衝突させて、速やかに回収できる特長がある。
以上の超音波分離装置は、回収部５に、ミストを効率よく凝集させる装置を配設するので、ミストをより速やかに凝集させて高濃度の溶液とすることができる。さらに、図示しないが、本発明の超音波分離装置は、回収部に、溶液を噴霧するノズルと、ミストを撹拌するファンと、ミストを振動させる振動器の全てを内蔵させて、最も効率よくミストを凝集できる。また、ミストを凝集させるふたつの装置を内蔵して、ミストを効率よく凝集させることもできる。
超音波霧化室４と回収部５は、好ましくは不活性ガスを充填する。この装置は、不活性ガスによって、超音波霧化室４や回収部５における溶液の変質が防止される。このため、より高品質な状態で高濃度の溶液を得ることができる。
１…超音波霧化機
２…超音波振動子 ２Ａ…振動面
３…超音波電源
４…超音波霧化室 ４Ａ…空間部
５…回収部
６…ノズル
７…邪魔板
８…ミスト振動器
９…ファン
１０…ポンプ
１１…原液槽
１２…脱着プレート １２Ａ…表面プレート １２Ｂ…裏面プレート
１２ａ…貫通孔 １２ｂ…凹部
１２ｃ…貫通孔
１３…ケーシング １３Ａ…開口部
１４…冷却パイプ
１５…循環ポンプ
１６…パッキン
１７…蝶番
１８…リングプレート
１９…リード線
２０…コーキング材
２１…固定具 ２１Ａ…貫通孔
２２…固定ネジ
２３…パッキン
２４…固定金具
２５…止ネジ
２６…ダクト
２７…送風機構
２８…気泡装置 ２８Ａ…気泡供給部
２９…ファン
３０…循環ダクト
３１…溶液供給管
３２…遮蔽物 ３２Ａ…貫通孔 ３２Ｂ…隔壁
３３…熱交換器
３４…熱交換パイプ
３５…排出口
７５…温度制御機構
７６…冷却器
７７…温度センサー
Ｗ…溶液面
Ｐ…液柱
２…超音波振動子 ２Ａ…振動面
３…超音波電源
４…超音波霧化室 ４Ａ…空間部
５…回収部
６…ノズル
７…邪魔板
８…ミスト振動器
９…ファン
１０…ポンプ
１１…原液槽
１２…脱着プレート １２Ａ…表面プレート １２Ｂ…裏面プレート
１２ａ…貫通孔 １２ｂ…凹部
１２ｃ…貫通孔
１３…ケーシング １３Ａ…開口部
１４…冷却パイプ
１５…循環ポンプ
１６…パッキン
１７…蝶番
１８…リングプレート
１９…リード線
２０…コーキング材
２１…固定具 ２１Ａ…貫通孔
２２…固定ネジ
２３…パッキン
２４…固定金具
２５…止ネジ
２６…ダクト
２７…送風機構
２８…気泡装置 ２８Ａ…気泡供給部
２９…ファン
３０…循環ダクト
３１…溶液供給管
３２…遮蔽物 ３２Ａ…貫通孔 ３２Ｂ…隔壁
３３…熱交換器
３４…熱交換パイプ
３５…排出口
７５…温度制御機構
７６…冷却器
７７…温度センサー
Ｗ…溶液面
Ｐ…液柱
Claims (4)
- アルコールを含む水溶液を複数の超音波振動子(2)の超音波振動でミストに霧化し、霧化されたミストを凝集させて回収して、アルコールを溶液から分離する溶液の超音波分離方法において、
超音波振動でできる溶液面(W)の液柱(P)に、液柱(P)の前段に設けた送風機構により、液柱(P)の片側から横方向に風を吹き付けて、風を吹き付けるのと反対側から排出して、液柱(P)の片側から反対側に流れる風でもって液柱(P)を溶液面(W)と平行な方向に曲げると共に、
溶液面(W)を、液柱(P)を突出させる貫通孔(32A)のある遮蔽物(32)で被覆して、溶液面(W)と気中とを遮蔽物(32)で遮蔽して、溶液が気中に気化するのを防止することを特徴とする溶液の超音波分離方法。 - アルコールを含む水溶液を超音波霧化室(4)に供給して超音波振動でミストに霧化し、霧化されたミストを凝集させて回収して、アルコールを溶液から分離する溶液の超音波分離方法において、
溶液供給管(31)でもって、超音波霧化室(4)の空間部(4A)に溶液を供給すると共に、溶液供給管(31)の内部で、溶液を超音波振動させて排出してミストに霧化することを特徴とする溶液の超音波分離方法。 - アルコールを含む水溶液が供給される超音波霧化室(4)と、この超音波霧化室(4)の内部において、溶液を超音波振動でミストに霧化する複数の超音波振動子(2)と、この超音波振動子(2)に接続されて超音波振動子(2)に高周波電力を供給して超音波振動させる超音波電源(3)と、複数の超音波振動子(2)で霧化されたミストを凝集させて回収する回収部(5)とを備え、超音波霧化室(4)で霧化されたミストを回収部(5)で回収してアルコールを溶液から分離する装置であって、
複数の超音波振動子(2)で超音波振動されて溶液面(W)にできる液柱(P)に片側から風を吹き付けて反対側から排出する送風機構(27)を液柱(P)の前段に備えており、送風機構(27)が液柱(P)に片側から反対側に送風する風でもって液柱(P)を溶液面(W)と平行な方向に曲げるようにしてなり、
かつ、前記超音波霧化室(4)の溶液面(W)に、液柱(P)を突出させる貫通孔(32A)を設けている遮蔽物(32)を配設して、溶液面(W)と超音波霧化室(4)の気中とを遮蔽して、溶液が気中に気化されるのを防止している溶液の超音波分離装置。 - アルコールを含む水溶液が供給される超音波霧化室(4)と、この超音波霧化室(4)の内部において、溶液を超音波振動でミストに霧化する超音波振動子(2)と、この超音波振動子(2)に接続されて超音波振動子(2)に高周波電力を供給して超音波振動させる超音波電源(3)と、超音波振動子(2)で霧化されたミストを凝集させて回収する回収部(5)とを備え、超音波霧化室(4)で霧化されたミストを回収部(5)で回収してアルコールを溶液から分離する装置であって、
超音波霧化室(4)に溶液を供給する溶液供給管(31)を連結しており、この溶液供給管(31)は、超音波霧化室(4)の空間部(4A)に溶液を供給すると共に、超音波振動子(2)を備えており、この超音波振動子(2)で溶液供給管(31)の内部で溶液を超音波振動させながら超音波霧化室(4)に排出してミストに霧化するようにしてなる溶液の超音波分離装置。
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