JP6175238B2 - 工業部品を洗浄するための装置 - Google Patents

Description

本出願は、工業部品、特に、熱交換器を洗浄するための方法及び装置に関する。

熱交換器、及び、スプール配管、バルブ、建具、管材等のような他の工業部品は動作中に汚れるようになり、定期的な洗浄を必要とする。汚れるようになる構成部品の種類は産業によって異なる。洗浄は重要である。何故ならば、これらの構成部品の動作効率は、適切な熱交換、流れ、速度、混合、制御が工業プロセス中に起こるのを可能にするために、清浄で汚れのない表面に依存するからである。

ここに記載する種類の工業部品を洗浄するための従来的な方法は、高圧水を使用して、汚物を機械的に取り除き且つ洗浄すること、汚物を分解するために化学的に濯ぎ落とし或いは浸漬すること、機械的に（研磨）洗浄すること、又は、それらの３つの全ての組み合わせることを含む。

２つの媒体の間の熱エネルギの交換を行うために、熱交換器が使用される。一部の場合には、この交換はプロセス流体を冷却する目的のためであり得る。他の場合には、それは流体の温度を上昇させるためであり得る。殆どの場合、媒体は、熱が通らなければならない材料、典型的には、ある種の金属チューブ（金属管）によって分離される。極めて一般的な種類の熱交換器は「シェル及びチューブ」設計(“shell and tube” design)であり、そこでは、１つの媒体が複雑な構成又はより大きなシェルの内側のチューブの「束」(“bundle”)を通じて流れ、そこを通じて、第二媒体がチューブの束を通じて蛇行経路によって流れる。典型的なシェル及びチューブ熱交換器の実施例が図１ａ及び１ｂに示されており、それらはそのような装置の複雑性を実証する働きをする。図１ａ中に参照番号１０２によって示され且つ図１ｂ中に参照番号１０３によって示される熱交換器は、（シェルから部分的に引き出された状態で示された）直線チューブ熱交換器の束又は屈曲「Ｕチューブ」設計を概ね有する熱交換器チューブ１０６を含む。図１ａには、屈曲又は「Ｕ」チューブ１０２設計があり、図１ｂには、より一般的な直線チューブ１０３設計がある。シェル１０４は、チューブ束１０２又は１０３を通じるバフル１０５によって方向付けられる、蛇行経路を介する媒体の１つのための導管として働き、そこでは、媒体は熱交換器チューブ１０６の外径１０７と接触する。チューブシート１０８は、束のような特別な配置においてチューブ１０６を保持するよう働き、（シェルとチューブとの間で）２つの媒体を分離し且つ第二媒体が熱交換器チューブの内径を通過するのを可能にするよう働く。保守中、束を含むチューブの内径及び外径の両方は、汚物で汚れるようになり得るので、チューブを通じる流速及び／又はチューブの伝熱特性が否定的に影響され、その結果、全体プロセスにおいて効率損失を招く。プレート熱交換器を含む多くの他の種類の熱交換器設計があり、プレート熱交換器では、交互の空間が交互の媒体で充填されるよう、２つ又はそれよりも多くの流体媒体が、近接して離間した積重ねにおいて構成される薄い金属プレートによって分離される。プレート熱交換器設計は、媒体間の接触のための大きな表面積をもたらすが、熱交換器のコンパクト性、典型的には熱交換器を分解し得ないという事実、及び、従来的な洗浄方法のためにアクセス可能なプレート表面がほんの少しであることの故に、洗浄が特に困難である。

同様に、チューブ部分、パイプスプール、バルブ、及び、他の構成部品、熱交換器の上流及び下流の両方は、全体プロセスの効率が低減される程度まで汚れるようになり、これらの構成部品は、典型的には、それらが整列する熱交換器のスケジュールと類似するスケジュールに基づく洗浄を必要とする。熱交換器を含まないシステム中の他の工業部品も汚れるようになり、洗浄を必要とし得る。

汚れ(fouling)の組成は、プロセス媒体中に存在する媒体及び条件（温度、圧力、速度、表面特性等）によって決定される。例えば、石油及びガス産業において、重い原油は、ビチュメン及びアスファルテン汚れを提示し、それらはチューブを大幅に制約し、一部の場合には、チューブ、バルブ、及び、熱交換器を完全に塞ぎ得る。化学産業において、重合体又は部分的に重合化された汚物は一般的であり、食品産業では、重い脂肪、カラメル化された砂糖、及び、微生物汚物がしばしば見られる。冷却水に由来する硬いスケーリング(scaling)も水が冷却媒体として使用される全ての産業に亘って見られる。

汚れた工業部品の洗浄は、高圧水ジェット（吹付け）を使用して行われるのが最も一般的である。この技法は、１５，０００〜５０，０００ｐｓｉの間にある手持ち式で自動化された高圧ポンプを使用して、汚染材料を取り除くために様々な水ストリームを汚染部分に供給することを含む。この技法は、多くの汚物の溶解性の欠如及び汚物のコンクリート性の故のみならず、チューブ束、交換器プレート、バルブ部分又はチューブ区画の複雑性の故にも、複雑化された表面には限定的な成功を有し、それは水ジェットによって洗浄されるべき表面の大部分に対する直接的な衝撃を不可能にする。水吹付け技法は極めて危険でもあり、操作者が防護服を着用することを要求し、毎年北米中の数千の作業場で致死を含む怪我を引き起こす。その上、高圧水ジェット方法は極めて時間がかかる。汚れの大部分を取り除くために、単一の熱交換器が、３人の作業員で、最大で１週間の毎日２４時間の連続的な吹付けを必要とし得る。

プロセス流体が汚物を分解するよう設計される化学物質と置換される化学的濯ぎ落し戦略(chemical rinse strategy)を用いても、熱交換器、チューブ、及び、バルブのような工業部品の化学洗浄を行い得る。この方法は大量の危険な化学物質を必要とすることが多く、システム内の複雑化された流動パターンの故に、或いは、チューブの目詰まりの故に（化学リンス液はチューブを通じて流動し得ない）、汚物を完全に除去することに失敗することが多い。

典型的には、最も極端な場合においてだけ、（サンドブラストのような）研磨剤を用いた純粋に機械的な洗浄方法が使用される。部分的にはこれらの技法が高圧水ジェットと同じ危険性及び欠陥の一部で悩まされることの故であるが、洗浄される部分の材料に対する潜在的な表面衝撃（損傷）の故でもある。

構成部品を洗浄する他の選択肢は、工業部品が超音波エネルギの助けを受けて洗浄されるタンクを記載する”Ultrasonic Cleaning Tank”という名称のカナダ国特許第２，４１２，４３２号(Knox)中に記載されるような超音波エネルギの使用を伴う。

本発明は従来技術の問題を解決することを目的とする。

容器で構成される装置が提供され、容器には、超音波変換器が超音波エネルギを方向付けるような方法において固定され、それは、適切な洗浄流体と組み合わせられるとき、容器内に収容される熱交換器のような工業部品を洗浄するために使用され得る。液体容量に対する超音波変換器の比率は、１ガロン当たり５〜２５ワットの間の容器内の公称エネルギ密度をもたらすが、変換器の配置（間隔）及び動作（出力及び種類）は、特定の場所において、洗浄されるべき物体内又は周りで、１ガロン当たり２０ワットよりも大きい不均一なエネルギ密度をもたらす。容器内での２〜１０波長の間の距離での変換器の間隔は、均一なエネルギ場をもたらすよう設計され、それは、洗浄されるべき構成部品が収容される容積の容器内で、通常よりも高いエネルギ密度を維持する。

容器で構成される装置が提供され、容器には、超音波変換器が２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの間の周波数で超音波エネルギを方向付けるような方法において固定され、それは、適切な洗浄流体と組み合わせられるとき、容器内収容される工業部品、特に熱交換器を洗浄するために使用され得る。変換器の周波数は、熱交換器のような工業規模の構成部品を洗浄するのに適した超音波エネルギの波長をもたらす２０〜３０ｋＨｚの間で作動され得る。

装置の１つの実施例において使用される変換器は、“Ultrasonic Transducer”という名称の米国特許第５，２００，６６６号(Walter et al.)に記載されるような「プッシュプル」設計(“push pull” design)の使用によって、２５ｋＨｚの公称中心周波数で、各２０００ワットのエネルギを供給する。Walter et al.において、金属ロッドは、ロッドの各端部に取り付けられる変換器又は変換装置の内側に積み重ねられる圧電結晶素子の膨張及び収縮を通じて、ロッドの両端部での超音波エネルギの適用によって共振させられる。厚みモードと呼ぶこともある圧電素子の長手方向の膨張及び収縮によって創成される振動は、ロッド長さが同期作動し且つロッドの各端部に取り付けられる変換器素子の共振周波数に正しく同調されることを保証することによって、（ロッドの軸に対する）径方向振動として共振ロッドによって主として表わされる。

上述した実施例において使用されるロッド変換器からの超音波エネルギの径方向放射の故に、変換器の間隔は、容器内の均一なエネルギ場を保証するために重要である。通常、変換器から伝達されるエネルギは、変換器からの距離の二乗に比例して径方向に減少（減衰）する。これを防止するために、変換器は２〜１０波長、典型的には、好適周波数範囲内の２〜２４インチの間の積分波長距離で離間する。この配置は約５〜１０波長の変換器からの距離で平面変換器の音響近似を創成し、物体が洗浄されるべき容積内のより一層均一なエネルギ密度をもたらす。容器内の出力密度を、米国ガロンにおける容器の容積によって除算されたワットにおいて、液体容器内の全ての変換器の総出力として計算し得る。好ましくは、容器５００が最少液体レベルまで洗浄流体で一杯であるとき、１０〜６０ワット／ガロンの間の出力密度をもたらす。洗浄されるべき構成部品の周りのような容器の特定の容積のためにも出力密度を計算し得る。

他の特徴によれば、変換器を２５ｋＨｚの典型的な中心周波数を備える２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの間で共振させ且つ個々の共振ロッド変換器毎に５００〜３０００ワットの間を散逸させ或いは浸漬可能なプレート式変換器に関して最大で６００００ワットを散逸させるのに適した形態の電気エネルギを供給する適切な電子発電機によって、変換器に電力供給し得る。

他の特徴によれば、変換器は電子発電機によって制御される公称周波数（例えば、２５ｋＨｚ）で動作可能であり、変換器の周波数は、最大電力出力を維持するために、公称周波数の周りで変動することが許容され、定常波による機器へのキャビテーション損傷(cavitation damage)を防止するために意図的に変動させ得る。一部の状況では、変換器が僅かに異なり且つ可変の周波数で動作するのを許容するよう、隣接する変換器の間の音波の位相の如何なる制御をも回避するのが好ましくあり得る。少なくとも一部の状況では、可変の周波数の効果は、動的なエネルギ場を創成し、それは洗浄作用を強化し、同時に、高エネルギの定常波による構成部品への損傷の潜在性を低減する。

他の特徴によれば、汚物の正しい評価に基づく適切な洗浄流体が提供され、洗浄されるべき構成部品を汚すことが必要である。アスファルテン、ビチュメン、及び、他の重い原油派生物のために、Alberta州CalgaryのWoodrising Resources Ltd.によって製造されるParatene D-728のような中性ｐＨ付近を備える水性脱脂溶液が、優れた性能及び比較的簡単な廃棄をもたらすことが分かった。一部の場合には、特定の汚物の除去を強化するために、少量の溶液を水性溶液に加え得る。一部の他の場合には、ポリマ、エポキシ、スケール(scale)等のような特殊な汚物に対処するために、強い酸性の又は基本的な洗浄流体を使用することが必要である。従って、容器の構造における材料の選択は重要であり、通常（又は「炭素」）鋼は、厳格に中性付近の用途において、容器壁として並びに構造素子として十分に性能を発揮するが、非中性洗浄流体の場合における腐食を避けるために、壁材料としてはステンレス鋼が好ましい。当業者は予期される洗浄流体及び汚物に基づき他の構造材料も使用し得る。

他の特徴によれば、既存の熱交換器のシェル又は改変シェルによって液体容器を形成し得る。

従って、ある特徴によれば、工業部品を洗浄するための装置が提供され、当該装置は、洗浄液を収容するための液体囲壁を定める液体容器と、洗浄液内の動作周波数及び波長を有し且つ２〜１０波長の間隔で液体容器の少なくとも一部に固定される超音波変換器とを含む。動作中、超音波変換器は、液体容器の構成部品受取り領域内で、液体容器の平均出力密度よりも大きい出力密度を生成する。

他の特徴によれば、工業部品を洗浄する方法が提供され、当該方法は、超音波変換器を、洗浄液中の超音波変換器の動作周波数及び波長に基づく２〜１０波長の間の間隔で、液体容器の少なくとも一部に固定するステップと、最少液体レベルに達し且つ全ての超音波変換器が洗浄液中に浸漬されるよう、洗浄液を液体容器内に導入するステップと、工業部品を洗浄液内に導入するステップと、液体容器の平均出力密度よりも大きい液体容器の構成部品受取り領域内の出力密度を生成するよう超音波変換器を作動するステップとを含む。

他の特徴によれば、変換器は２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの間の周波数を生成し得るし、２５ｋＨｚの中心周波数の周りの周波数を生成し得る。変換器の少なくとも一部は、２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの間の異なる周波数を生成し得る。変換器の少なくとも一部は、位相外にあり得る。

他の特徴によれば、変換器を液体容器の内表面に又は液体容器の外表面に固定し得る。変換器は、プレート型変換器又は共振ロッド変換器であり得る。共振ロッド変換器は、１つ又は２つの活性超音波ヘッドを含み得る。変換器は、液体で充填されるとき、液体容器内に１０〜６０ワット／ガロンの間の出力密度を生成し得る。変換器を液体容器の内表面に対して垂直、水平、及び／又は、対角に取り付け得る。変換器の頂部にあるコンプライアント締付け及び共振ロッドの軸に沿う動作を制限しないマウント装置を使用して、変換器を取り付け得る。

ある特徴によれば、液体容器は、開放頂部を有する液体タンクであり得る。液体容器は、取り外し可能な或いは後退可能な頂部カバーを有し得る。液体容器は、２フィート〜１５０フィートの間の長さ及び６インチ〜１２フィートの間の直径にあり得る一組の熱交換器チューブを受け入れるよう十分に大きくあり得る。液体容器の底部は、平坦、凹面、又は、Ｖ形状であり得る。

ある特徴によれば、液体容器は、一組の熱交換器チューブを収容する外側シェルであり得る。

ある特徴によれば、液体容器は、７〜１１の間のｐＨを有する水性脱脂界面活性剤溶液を含み得る。水性洗浄液は、溶媒添加剤、酸性溶液、及び、アルカリ性溶液のうちの少なくとも１つを含み、水性洗浄液は、酸性溶液を含み、水性洗浄液は、アルカリ溶液を含む。

これらの及び他の機能は添付の図面を参照する以下の記載から明らかになるであろう。図面は例示の目的のためだけであり、如何様にも限定的であることは意図されない。

典型的なチューブ及びシェル熱交換器を示す分解斜視図であり、チューブの束とシェルとを示している。 図１ａに示されるチューブ及びシェル熱交換器を示す側断面図である。 工業部品を洗浄するための装置を示す斜視図である。 ５インチ×３０インチの熱交換器を洗浄するよう設計される工業部品を洗浄するための装置を示す斜視図である。 図３ａに示される装置の一部を示す端面図である。 図３ａに示される装置を示す平面図である。 図３ａに示される装置を示す側面図である。 垂直向きタンクを有する工業部品を洗浄するための代替的な装置を示す斜視図である。 図４ａに示される代替的な装置の一部を示す平面図である。 図４ａに示される代替的な装置の一部を示す側面図である。 熱交換器のシェルから構成される熱交換器チューブを洗浄するための装置の一部を示す側面図である。 図５ａに示される装置を示す端面図である。 より小さな熱交換器及びバルブを洗浄するよう設計される工業部品を洗浄するための代替的な装置を示す斜視図である。 図６ａに示される代替的な装置を示す平面図である。 図６ａに示される代替的な装置を示す側面図である。 共振ロッド式変換器の一例を示す概略図である。 プレート型変換器の一例を示す概略図である。 装置内に変換器を取り付けるために使用し得る変換器マウントの一部を示す側面図である。 最大６インチ×３１インチの大きさの工業部品を洗浄するよう設計される代替的な装置を示す斜視図である。

超音波洗浄は、表面汚物と洗浄流体との間の反応（相互作用）の速度を劇的に増大するために、表面付近の通常の液体拡散層を粉砕する超音波の使用を利用する。加えて、入射音波によって誘発される圧縮及び希薄化によってその表面付近で液体内に創成されるキャビテーション(cavitation)が、高圧で高温の微細ジェットを創成し、微細ジェットは、その表面で汚物を物理的に混乱させ且つ汚物を洗浄液内に移動させるのを助ける。

超音波を、適切な洗浄液、例えば、中性ｐＨ付近の水性の界面活性溶液／脱脂剤と組み合わせることによって、上述した従来的な方法によって必要とされる時間の僅かの時間内で構成部品を効果的に洗浄し得る。

本議論は、超音波洗浄タンクの改良に関し、それは効率を増大し、且つ、より大きい或いはより複雑な工業部品に対する使用を含めて、超音波タンクを使用し得る状況を広げる。

具体的には、洗浄タンクとの関連において使用される超音波変換器(ultrasonic transducer)は、２〜１０波長の間で離間する、２〜６波長の間で離間する、或いは、６〜１０波長の間で離間するように、互いに比較的近接して配置される。これは超音波変換器によって生成される超音波を互いに干渉させる。そうすることによって、タンクを通じる超音波の貫入が増大されるよう、洗浄タンク内の超音波に起因する出力密度の勾配を変更し得ることが分かった。ここに記載する原理が理解されるや否や、当業者は超音波変換器によって生成される超音波とこれらの超音波によって洗浄液内に誘発される出力密度との間の関係を理解するであろう。超音波変換器は、隣接する超音波変換器の周波数及び相が同時に制御されないように操作され、それは静電気を形成を防止し、場合によっては、洗浄液内の有害な定常波を防止する。

図２を参照すると、容器２００が示されており、容器２００は、側壁２０２及び２０３と、端壁２０４及び２０５と、傾斜し且つ湾曲した底板２０１と、浸漬部分を支持し且つ浸漬部分が端壁２０５内に滑り込むのを防止する端部バフル２０６とを有する。容器(container)２０６は、液体を収容する容器(vessel)のための適切な構造的設計実務を使用して構成され、典型的には、垂直及び水平な強化ビーム、支持プレート等のような構造素子を含む。ここではそれらの構造素子を詳細に記載しないが、この種の容器設計に通じた当業者は、それらの構造素子を理解するであろう。容器２００の側壁２０２及び２０３の内側は、超音波変換器２０７を備え、超音波変換器２０７は、約４波長（例えば、中心間が１０インチ）離間するよう、頂部マウント２０８及び底部マウント２０９を使用して取り付けられる。底板２０１の上に位置する容器２００内に配置される長い物体への近接性を維持するために、超音波変換器の取付け高さは、底板２０１の傾斜に従うのが好ましい。タンク内の大きな構成部品による接触からの超音波変換器２０７に対する偶発的な損傷を防止するために、防護バー２１０が超音波変換器２０７の間に位置付けられる。容器２０００の移動を容易化し、洗浄のために容器２００内に懸架される物体を支持するために使用されるスリングを容易化するために、容器２００は持上げラグ２１１を備えるのが好ましい。洗浄流体の除去を促進するために、排水ポート２１３を含め得る。地上の及び傾斜輸送車両からの容器２００の移動を促進するために、滑材(skid)組立体２１２を設計に組み込み得る。

図３ａ乃至３ｄは、熱交換器及び他の構成部品を洗浄するために最大で直径５フィート及び長さ３０フィートに構築される、図３ａ中に参照番号３００によって概ね示される例示的な装置を示している。他の実施例において概要を既述した機能に加えて、この実施例は、手摺３０８及び階段３０６，３０７によるアクセスを備える、支材（strut）３０５によって支持された常設歩道（catwalk）で構成される。作業者の安全性を向上するために並びに使用の容易性のために、これらの構成部品を含め得る。側壁３０９及び３１０、端壁３１１及び３１２、並びに、傾斜底部３１３に加えて、容器は、その上の硬い又は可撓なカバーの固定を許容する支持体３１４も備え得る。液体容器が加熱されるならば、カバーは液体容器内の温度を維持するのを助けるために使用される。カバーは蒸発損失を防止するためにも使用される。超音波変換器３１５からの電気ケーブルが、好ましくは、ケーブルラン（電路）３１６，３１７，３１８内に集められ、ケーブルラン内で、電気ケーブルは容器から出て、超音波変換器に信号をもたらす電気増幅器（発電機）に接続される。

図４ａ乃至４ｃは、部分からの破片が容器の底部に容易に落ち且つ破片(debris)を容易に排出又は排水し得るよう、パイプ区画及び熱交換器の浸漬に適合するように構成される、装置の代替的な垂直実施例及び垂直に向けられるタンクからの利益を享受する他の種類の構成部品を示している。この容器は、４つの側壁４０３，４０４，４０５，４０６と、底板４０７と、取り外し可能な頂部カバー４０８とで構成される。超音波変換器４０９は、４５度の角度に取り付けられ、約１０波長（約２４インチ）離間し、且つ、防護体４１０によって分離されるように示されている。防護体４１０は、タンク内にある間並びに浸漬又は取外し中、洗浄される構成部品からの接触による変換器に対する如何なる偶発的な損傷をも防止する。洗浄流体又は破片及び汚物の下方層の便利な除去のために、排水ポート４１１が設けられる。動作中のタンクの取外し及び支持を容易化するために、持上げラグ４１２，４１３，４１４が設けられる。

図５ａ及び５ｂは、装置の代替的な実施例を示しており、そこでは、容器は熱交換器自体のシェルによって形成され、変換器はシェル内に取り付けられる。この実施例において、シェル５０１は、圧力容器チューブの形態の側壁から成る洗浄容器を形成する。変換器は任意の便利な方法によって、この場合には、超音波変換器５０２を所定位置に保持するバフル５０３の使用を通じて、シェルの内側に取り付けられ、原位置で、換言すれば、束をシェル５０１から取り外すことを必要とせずに、交換機の束の洗浄のための超音波エネルギをもたらす。バフル５０３は、入口５０５から出口５０６への動作中の液体流の蛇行経路を促進するよう、チューブの束のバフルと協働するよう設計される。変換器５０２に電気エネルギを伝送するために使用される配線のために、シェルマニホールド５０４に加えられるプレートでの固有に安全なインターフェースがもたらされるのが好ましい。この構造において使用される変換器５０２は、不活性の非伝導性流体が充填された、商業的に入手可能な固有に安全な種類である。描写したように、変換器５０２は、水平に取り付けられたロッド型の変換器である。しかしながら、当業者によって理解されるように、シェルに外的に結合されるプレート型の変換器や、シェル内にその他の方法で支持される浸漬可能な変換器も使用し得る。

図６ａ乃至６ｃは、熱交換器、バルブ等のような、より小さな構成部品の洗浄のために構築された、装置のより小さい実施例を示している。図６ａ中に参照番号６００によって概ね示される装置は、側壁６０３及び６０４と、端壁６０５及び６０６と、底板６０７とで構成され、底板は、側壁に垂直に取り付けられ且つ端壁６０５及び６０６に水平に取り付けられる変換器６０８を備える。容器の容積は、より大きな実施例の一部よりも有意に小さいので、変換器間隔は然程重要でなく、この実施例では、変換器は約７波長間隔又は約１７インチ間隔で取り付けられる。装置は、折畳み防護板６０９を備えるのが好ましく、防護板６０９は変換器を保護し、且つ、変換器に所要の電気エネルギを供給するのに必要とされる配線のための導管を提供する働きをする。装置は、好ましくは、支材６１１によって所定位置に保持される常設歩道６１０と、排水栓６１２と、フォークリフトを用いた容易な取扱いのための滑材チューブ６１３とを更に備える。持上げラグ６１４が、洗浄中に、持ち上げられるべき容器に並びに容器内のスリング構成部品に設けられるのが好ましい。

（例えば、２５ｋＨｚにある交流電流の形態の）超音波出力を変換器に供給するために、電子超音波発電システムが使用される。適切な電子発電機は、NJ州Trentonに位置するCrest Ultrasonics Corp.から入手可能である。選択される発電機の種類は、使用者の好み及び特定の設計の仕様に依存する。変換器は電気配線を介して発電機に接続され、電気配線は、各変換器を、適切な電気エネルギの供給源に接続する。一部の実施例では、各変換器は発電機が変換器に電力供給することを要求し得る。他の実施例では、１つ又はそれよりも多くの変換器が単一の発電機によって給電されることを可能にする商業的に入手可能な変換器／発電機の機器を使用し得る。一部の状況では、構成部品を積極的に洗浄するタンクの特定領域だけがあるように、特定の変換器のみが活性であり得る。他の状況では、例えば、構成部品の特定部分を洗浄するために、特殊化されたタンクが特定領域内に変換器のみを取り付け得る。

図７は、ロッド超音波変換器７００の実施例を示している。変換器７００は結合装置７０２及び７０３によって所謂「変換器ヘッド」７０４及び７０５に取り付けられる共振ロッド７０１を有し、「変換器ヘッド」７０４及び７０５は、電気的に直列に接続され且つカウンタウェイト／シートシンク質量体７０７で裏打ちされた圧電結晶体７０６の積重ねで（内的に）構成され、カウンタウェイト／シートシンク質量体７０７は、交互に起こる電気電圧の影響の下で膨張収縮し、カプラ７０２及び７０３を介して共振ロッド７０１に伝達される振動を創成する。圧電結晶素子の各積重ねは、固有共振周波数を概ね有し、それらの一部は、結晶の径方向の膨張及び収縮をもたらし、それらの一部は、材料の軸方向（又は厚さ方向）の膨張及び収縮をもたらす。これらの典型的なロッド変換器は、結晶積重ね及び共振ロッドのシステムの共振周波数に同調される周波数で概ね動作する。ここに記載する好適実施例において、使用される周波数は、２０〜３０ｋＨｚの間であり、２５ｋＨｚが通常動作周波数である。ロッド変換器を液体タンク内に垂直、水平、又は、対角向きに取り付け得る。ロッド変換器がタンク内に取り付けられるとき、これらのロッド変換器の間隔は、超音波の伝搬の方向のために考慮される。例えば、図７に示すロッド変換器７０１を用いるならば、比較的僅かのエネルギが変換器ヘッド７０４及び７０５から外向きに伝搬する。よって、その間隔は、軸方向、即ち、端から端に配置されるロッドよりもむしろ、径方向において、即ち、平行なロッドの間で測定される。他の種類の超音波変換器も商業的に入手可能であり、適切な状況においてここに記載する実施例中で使用し得る。例えば、他の種類の変換器は、単一ヘッド共振ロッド変換器、（参照番号８１０によって示される図８中に示されるような）浸漬可能なプレート式変換器等を含む。プレート変換器は商業的に入手可能であり、プレート変換器を容器の外壁に結合し得るし、或いは、プレート変換器を完全に取り囲み、浸漬されるよう設計し得る。従って、ここに記載する実施例に超音波エネルギを供給するために使用し得る様々な変換器がある。変換器の取付け及び容器の設計は、容器内に超音波エネルギの均一な場をもたらすよう選択される各様式の変換器のために最適化されなければならない。

図９は、ここに記載する装置において使用し得る変換器マウント９００の実施例を示している。マウント(mount)９００は、頂部マウント９０１と、変換器９１２を所定位置に固定する底部マウント９０２とを有する。その設計は、変換器の頂部ヘッド用のクランプを含み、クランプはヘッド９０３２つのガスケット９０４及び９０５の間に緩やかに締め付け、マウントチューブ９０６が変換器の重量を垂直位置において支持する。底部マウントは、好ましくは、変換器の底部ヘッド９０７を固定せず、むしろ、それは動作中の最適な振動出力のために変換器の自由な垂直運動を許容し、同時に、ガイド板９０９とマウント板９１０との間に挟装されるコンプライアント制限ガスケット９０８を用いて、水平平面内での下方変換器ヘッド９０７の運動を制限し、よって、容器の搬送中の振動又はトルクからの損傷を防止する。頂部マウント９０１は、容易な保守取外しのために、容器壁９１１にボルト止めされ、底部マウント９０２は、溶接又は他の適切な締結具によって容器に固定される。

図１０は、６フィートの幅×３１フィートの長さの熱交換器に適合するよう構築された洗浄工業部品のための装置１０００を示している。この容器は、図９中に示される変換器マウントを含み、図７に記載する種類の８６個の二重ヘッド共振ロッド変換器を使用する。

Claims (41)

1. 工業部品を洗浄するための装置であって、
   液体容器と、
   超音波変換器とを含み、
   前記液体容器は、洗浄液を収容するための液体囲壁を定める側壁を有し、
   前記超音波変換器は、二次元平面内で前記液体容器の内表面に固定的に固定される共振ロッド変換器を含み、前記洗浄液内の動作周波数及び波長を有し、且つ、前記超音波変換器の軸に対して径方向において隣接する超音波変換器の間で２〜１０波長の間隔で前記液体容器の少なくとも一部に固定され、
   前記液体容器は、前記液体容器の前記側壁に対して前記波長の５〜１０倍の距離だけ前記超音波変換器から外向きに垂直に離間する構成部品受取り領域を有し、
   前記超音波変換器は、動作中、各共振ロッド変換器の出力密度が相互作用して、前記液体容器内の平均出力密度よりも大きく且つ均一な、前記液体容器の前記構成部品受取り領域内の出力密度を生成するように離間する、
   装置。
2. 前記超音波変換器は、２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの間の周波数を生成する、請求項１に記載の装置。
3. 前記超音波変換器の少なくとも一部は、２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの間の異なる周波数を同時に生成する、請求項１に記載の装置。
4. 前記超音波変換器の少なくとも一部は、位相外にある、請求項１に記載の装置。
5. ２５ｋＨｚの中心周波数の周りの周波数を生成する、請求項２に記載の装置。
6. 前記共振ロッド変換器は、１つ又は２つの超音波変換器ヘッドを含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記液体容器は、開放頂部を有する液体タンクである、請求項１に記載の装置。
8. 前記液体容器は、取り外し可能な或いは後退可能な頂部カバーを備える液体タンクである、請求項１に記載の装置。
9. 前記液体容器は、一組の熱交換器チューブを受け入れるよう十分に大きい、請求項１に記載の装置。
10. 前記一組の熱交換器チューブは、２フィート〜１５０フィートの間の長さ及び６インチ〜１２フィートの間の直径である、請求項９に記載の装置。
11. 前記液体容器は、傾斜した底表面を含む、請求項１に記載の装置。
12. 前記底表面は、平坦、凹面、又は、Ｖ形状である、請求項１１に記載の装置。
13. 前記超音波変換器は、液体で充填されるときに、前記液体容器内に１０〜６０ワット／ガロンの間の出力密度を生成する、請求項１に記載の装置。
14. 前記超音波変換器は、前記液体容器の内表面に対して垂直に取り付けられる、請求項１に記載の装置。
15. 前記超音波変換器は、前記超音波変換器の頂部にあるコンプライアント締付け及び前記共振ロッド変換器の軸に沿う運動を制約しないマウント装置を使用して取り付けられる、請求項１４に記載の装置。
16. 前記超音波変換器は、前記液体容器の内表面に対して水平に或いは対角に取り付けられる、請求項１に記載の装置。
17. 前記液体容器は、一組の熱交換器チューブを収容する外側シェルである、請求項１に記載の装置。
18. 前記液体容器は、７〜１１の間のｐＨを有する水性脱脂界面活性剤溶液を含む、請求項１に記載の装置。
19. 前記液体容器は、溶媒添加剤、酸性溶液、及び、アルカリ性溶液のうちの少なくとも１つを含む水性洗浄液を含む、請求項１に記載の装置。
20. 前記液体容器は、酸性溶液を含む水性洗浄液を含む、請求項１に記載の装置。
21. 前記液体容器は、アルカリ性溶液を含む水性洗浄液を含む、請求項１に記載の装置。
22. 工業部品を洗浄する方法であって、
    共振ロッド超音波変換器を、洗浄液中の前記共振ロッド超音波変換器の動作周波数及び波長に基づく、径方向において隣接する超音波変換器の間の２〜１０波長の間の間隔で、二次元平面内で液体容器の少なくとも一部の内表面に固定的に固定するステップと、
    前記液体容器内に洗浄液を導入するステップと、
    工業部品を前記洗浄液内に導入し、前記工業部品を前記波長の５〜１０倍の距離だけ前記超音波変換器から外向きに垂直に離間する前記液体容器の構成部品受取り領域内に位置付けるステップと、
    前記液体容器内の前記超音波変換器によって生成される平均出力密度よりも大きく且つ均一な前記液体容器の前記構成部品受取り領域内の出力密度を生成するよう、前記超音波変換器を作動させるステップとを含む、
    方法。
23. 前記共振ロッド超音波変換器を作動するステップは、２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの間の周波数で前記超音波変換器を作動するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記共振ロッド超音波変換器の少なくとも一部は、２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの間の異なる周波数を同時に生成する、請求項２２に記載の方法。
25. 前記共振ロッド超音波変換器の少なくとも一部は、位相外にある、請求項２２に記載の方法。
26. 前記共振ロッド超音波変換器は、２５ｋＨｚの中心周波数の周りの周波数を生成する、請求項２３に記載の方法。
27. 前記共振ロッド超音波変換器は、１つ又は２つの超音波変換器ヘッドを含む、請求項２２に記載の方法。
28. 前記液体容器は、開放頂部を有する液体タンクである、請求項２２に記載の方法。
29. 前記液体容器は、取り外し可能な或いは後退可能な頂部カバーを備える液体タンクである、請求項２２に記載の方法。
30. 前記工業部品は、一組の熱交換器チューブである、請求項２２に記載の方法。
31. 前記一組の熱交換器チューブは、２フィート〜１５０フィートの間の長さ及び６インチ〜１２フィートの間の直径にある、請求項３０に記載の方法。
32. 前記液体容器は、傾斜した底表面を含む、請求項２２に記載の方法。
33. 前記底表面は、平坦、凹面、又は、Ｖ形状である、請求項３２に記載の方法。
34. 前記超音波変換器は、液体で充填されるときに前記液体容器内に１０〜６０ワット／ガロンの間の出力密度を生成する、請求項２２に記載の方法。
35. 前記超音波変換器は、前記液体容器の内表面に対して垂直に取り付けられる、請求項２２に記載の方法。
36. 前記共振ロッド超音波変換器は、前記共振ロッド超音波変換器の頂部にあるコンプライアント締付け及び前記共振ロッド超音波変換器の軸に沿う動作を制約しないマウント装置を使用して取り付けられる、請求項３５に記載の方法。
37. 前記液体容器は、一組の熱交換器チューブを収容する外側シェルである、請求項２２に記載の方法。
38. 前記液体容器は、７〜１１の間のｐＨを有する水性脱脂界面活性剤溶液を含む、請求項２２に記載の方法。
39. 前記液体容器は、溶媒添加剤、酸性溶液、及び、アルカリ性溶液のうちの少なくとも１つを含む水性洗浄液を含む、請求項２２に記載の方法。
40. 前記液体容器は、酸性溶液を含む水性洗浄液を含む、請求項２２に記載の方法。
41. 前記液体容器は、アルカリ性溶液を含む水性洗浄液を含む、請求項２２に記載の方法。
    

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