JP6703250B2 - 粒子分離方法及び粒子分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体に含まれた互いに異なる粒子同士を分離するための粒子分離方法及び粒子分離装置に関する。

固体粒子同士をその特性によって分離するプロセスは、固固分離プロセスと呼ばれる（非特許文献１参照）。固固分離プロセスには、例えば、分級、重選、比重選別、及び磁選などが知られている。分級は、流体中における粒子運動の差を利用してそれらの大きさごとに粒子を分離する。重選は、密度の異なる２種類の粒子を、それらの密度の中間値を有する液体を利用して分離する。比重選別は、密度の差に起因して生じる沈降速度を利用して分離する。磁選は、磁界内に配置された粒子に作用する磁力を利用して粒子を分離する。

また、固液混合物を固形成分と液体成分とに分離するプロセスは、固液分離プロセスと呼ばれる（非特許文献２参照）。固液分離プロセスには、例えば、沈降分離、濾過及び遠心分離などが知られている。沈降分離は、液体中に懸濁している粒子の沈降現象を利用する。濾過は、濾材を利用して、液体中に懸濁している不溶解物質を補足粒子と濾液とに分離する。遠心分離は、遠心力を利用して粒子を分離する。

また、これらの方法に対して、化学薬品等を添加する操作を加えることで、分離の促進や精度及び効率を向上させる技術も知られている。

日刊工業新聞社液相中の粒子分散・凝集と分離操作 粉体工学会編 ４章 日刊工業新聞社気相中の粒子分散・凝集と分離操作 粉体工学会編 ５〜７章 Mitome, H., 2001. Micro-bubble and sonoluminescence. Jpn. J. Appl.Phys.40, 3484−3487.

しかしながら、上述した種々の分離技術は、その利用に際して適用条件が課せられる。

例えば、沈降分離は、粒子の密度と液体の密度の差による粒子の沈降もしくは浮上を利用する。従って、粒子と液体の密度差が小さい場合には、粒子を分離することが難しい。一例として、ポリスチレン粒子（密度：１．０５ｇ／ｃｍ^３）と水（密度：０．９９８ｇ／ｃｍ^３）では、密度差が小さいので、沈降分離によって水とポリスチレン粒子とを分離することは難しい。また、沈降分離では、同一密度で径の異なる粒子に関して、粒子径で分級することも難しい。

分離膜及び濾過は、膜を通過する際に膜の目地より大きい粒子を捕獲して液体と粒子とを分離する。また、目地の大きさを適宜選択することにより、粒子径の異なる粒子同士を分離することもできる。しかし、粒子を含む液体が膜を通過する度に粒子が膜に残って堆積していくので、膜の定期的なメンテナンスが必要である。

遠心分離は、遠心力を利用する。そのため、遠心式分離装置では装置が大型になることや、密度が異なる粒子の分離には不適である。

また、分離プロセスに超音波を利用する技術も知られている（非特許文献３）。超音波を利用する分離技術は、主にメガヘルツ帯の超音波を使用し、超音波によって形成される定在波とその音響放射力によって粒子を分離する。従って、超音波がメガヘルツ帯である場合には定在波の波長が短くなるので、粒子の分離対象がマイクロメートル以下になってしまう。また、超音波がメガヘルツ帯である場合には、液体との密度が異なる粒子が分離対象となる。

従って、上述した分離技術は、それぞれの技術に応じて適用可能な条件を有する。従って、分離対象である粒子の性質や粒子を含む液体の性質によって分離技術を選択する必要がある。そこで、当該技術の分野では、分離技術の使用時に課せられる適用条件を緩和し、使いやすい分離技術が望まれていた。

そこで、本発明は、適用可能な対象の条件を緩和できる粒子分離方法及び粒子分離装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態は、溶存ガスを含む液体に含まれた第１粒子と第２粒子とを分離する粒子分離方法であって、液体に対して第１条件に基づく超音波を照射することにより、液体中に溶存ガスを気泡として発生させると共に、気泡が付着した第１粒子及び第２粒子を超音波の腹に集合させる第１凝集力を発生させて、気泡が付着した第１粒子及び第２粒子を含む混合粒子群を維持する第１ステップと、第１ステップの後、液体に対して第２条件に基づく超音波を照射することにより、第１凝集力よりも弱い第２凝集力を発生させて、混合粒子群の維持を停止する第２ステップと、第２ステップの後、液体に対して第３条件に基づく超音波を照射することにより、液体中に溶存ガスを気泡として発生させると共に、第１凝集力よりも弱く、且つ、第２凝集力よりも強い第３凝集力を発生させて、気泡が付着した第１粒子を含む第１粒子群を超音波の第１腹位置において維持し、気泡が付着した第２粒子を含む第２粒子群を超音波の第２腹位置において維持する第３ステップと、を含む。

この方法によれば、まず、第１ステップにおいて液体に対して第１条件に基づく超音波を照射する。この超音波の照射により、液体中に気泡が発生する。次に、この気泡に超音波が作用すると、気泡に第１凝集力が生じる。この第１凝集力によって、気泡が超音波の腹に集められる。ここで、気泡が超音波の腹に向かって移動するとき、気泡は第１粒子又は第２粒子に付着する。また、第１粒子又は第２粒子の表面に直接に気泡が発生することもある。気泡は第１凝集力によって超音波の腹に集まるので、気泡が付着した第１粒子又は第２粒子も気泡とともに超音波の腹に集まり、混合粒子群を形成する。次に、第２ステップにおいて、第２条件に基づく超音波を液体に照射する。第２条件に基づく超音波による第２凝集力は第１凝集力より弱い。従って、第１粒子及び第２粒子は重力に抗して粒子群を維持できなくなり、それぞれの粒子の特性に応じて沈降を始める。このとき、液体に照射される超音波はゼロではないので、液体中には僅かながら気泡が存在する。次に、第３ステップにおいて、第３条件に基づく超音波を液体に照射する。第３条件に基づく超音波による第３凝集力は第１凝集力より弱いが、第２凝集力より強い。沈降中の第１粒子及び第２粒子には再び群を形成するに足りる力が作用する。そして、沈降中の第１粒子及び第２粒子はそれぞれの特性に対応して沈降する速度が異なる。従って、第３凝集力が作用した場合には、それぞれの位置に近い超音波の腹の位置に再び群を維持する。従って、第１粒子は第１腹位置に集められ、第２粒子は第２腹位置に集められるので、第１粒子と第２粒子とが分離される。従って、粒子分離方法は、液体中に生じさせた気泡に超音波が作用して生じる力を利用するものであるので、分離対象である第１粒子及び第２粒子の特性や液体特性の影響を受け難い。従って、本発明の粒子分離方法は、適用可能な対象の条件を緩和できる。

第１条件、第２条件及び第３条件は、超音波の強度を規定し、第３条件により規定される超音波の強度は、第１条件により規定される超音波の強度よりも小さく、且つ、第２条件により規定される超音波の強度よりも大きくてもよい。これらの条件は、容易に制御し且つ容易に設定することが可能である。従って、第１粒子と第２粒子とを容易に分離することができる。

第１条件、第２条件及び第３条件は、超音波の周波数の値を規定するための条件であり、第３条件により規定される値は、第１条件により規定される値以下であり、且つ、第２条件により規定される値よりも大きくてもよい。また、第１条件、第２条件及び第３条件は、超音波の周波数の値を規定するための条件であり、第３条件により規定される値は、第１条件により規定される値以上であり、且つ、第２条件により規定される値よりも小さくてもよい。これらの条件は、容易に制御し且つ容易に設定することが可能である。従って、第１粒子と第２粒子とを容易に分離することができる。

第１ステップ、第２ステップ及び第３ステップでは、液体を収容する容器の底側から液体の液面に向けて超音波を照射してもよい。これらのステップによれば、液体において鉛直方向に超音波の節と腹とが交互に形成される。従って、第１粒子群と第２粒子群とを鉛直方向に沿った異なる腹の位置に維持することができる。

本発明の別の形態は、溶存ガスを含む液体に含まれた第１粒子と第２粒子とを分離する粒子分離装置であって、液体を収容する容器と、容器に収容された液体に対して超音波を照射する超音波照射手段と、超音波照射手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、液体に対して第１条件に基づく超音波を照射することにより、液体中に溶存ガスを気泡として発生させると共に、気泡が付着した第１粒子及び第２粒子を超音波の腹に集合させる第１凝集力を発生させて、気泡が付着した第１粒子及び第２粒子を含む混合粒子群を維持し、液体に対して第２条件に基づく超音波を照射することにより、第１凝集力よりも弱い第２凝集力を発生させて、混合粒子群の維持を停止し、液体に対して第３条件に基づく超音波を照射することにより、液体中に溶存ガスを気泡として発生させると共に、第１凝集力よりも弱く、且つ、第２凝集力よりも強い第３凝集力を発生させて、気泡が付着した第１粒子を含む第１粒子群を超音波の第１腹位置において維持し、気泡が付着した第２粒子を含む第２粒子群を超音波の第２腹位置において維持する制御を行う。

この粒子分離装置は、液体中に生じさせた気泡に超音波が作用して生じる力を利用するものであるので、分離対象である第１粒子及び第２粒子の特性や液体特性の影響を受け難い。従って、粒子分離装置は、適用可能な対象の条件を緩和できる。

粒子分離装置は、混合粒子群、第１粒子群及び第２粒子群を移動させる粒子群移動手段をさらに備えてもよい。この粒子群移動手段によれば、例えば、分離後の第１粒子群及び第２粒子群を排出口といった場所まで移動させることができる。

本発明によれば、適用可能な対象の条件を緩和できる粒子分離方法及び粒子分離装置が提供される。

本実施形態に係る粒子分離装置の構成を模式的に示す図である。 本実施形態に係る粒子分離方法の主要な工程を示す図である。 粒子分離方法において水槽内で生じている現象を模式的に示す図である。 粒子分離方法において水槽内で生じている現象を模式的に示す図である。 粒子分離方法において水槽内で生じている現象を模式的に示す図である。 粒子分離方法において水槽内で生じている現象を模式的に示す図である。 実施例１の結果を説明するための写真である。 実施例２の結果を説明するための写真である。 実施例３の結果を説明するための写真である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、本実施形態の粒子分離方法に用いる粒子分離装置について説明する。図１に示されるように、粒子分離装置１は、水槽２に満たされた水３に含まれた第１粒子Ｐ１と第２粒子Ｐ２とを分離する。粒子分離装置１は、水槽２と、制御装置７（制御手段）と、超音波振動装置８（超音波照射手段）と、回収手段９（粒子群移動手段）と、を有する。

水槽２は、分離対象である第１粒子Ｐ１と第２粒子Ｐ２とを含む水３を収容する。水３は、溶存ガスとしての空気を含む。

制御装置７は、超音波振動装置８に入力される制御信号を発生する。制御装置７は、条件設定部１１と、信号発生器１２と、増幅回路１３と、整合装置１４とを有する。

条件設定部１１は、超音波振動装置８の駆動条件を設定する。条件設定部１１は、種々の設定データが記録される。設定データは、水３といった粒子を含む液体の種類、液体に溶存するガスの種類、分離対象である粒子の種類などの条件と、それらの条件における分離処理に適した超音波振動装置８の駆動条件とが関連付けられたデータである。駆動条件は、超音波の強度に関する時間履歴、又は、超音波の周波数に関する時間履歴などを含む。条件設定部１１は、分離処理に用いられる液体、溶存ガス、分離対象である粒子の性質などに基づいて、照射すべき超音波振動装置８の駆動条件を決定する。

信号発生器１２は、条件設定部１１から出力された設定データに基づいて、超音波振動装置８を駆動するための制御信号を生成する。信号発生器１２には、例えば、ファンクションジェネレータが用いられる。増幅回路１３は、信号発生器１２において生成された制御信号を増幅する。整合装置１４は、増幅回路１３と超音波振動装置８とのインピーダンスを整合させる。なお、整合装置１４は、必要に応じて備えればよい。

超音波振動装置８は、水槽２に満たされた水３に超音波を照射する。超音波振動装置８は、制御装置７から入力される制御信号に基づいて、所定の周波数及び所定の強度を有する超音波を放射する。制御信号は、例えば所定の電圧値と周波数とを有する交流の電圧信号であり、超音波振動装置８は、当該電圧信号を受けて振動子が振動する。超音波振動装置８は、１９ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下であり、６０Ｗ以下の強度を有する超音波を放射する。このような超音波振動装置８として、例えば、ボルト締めランジュバン型振動子が用いられる。超音波振動装置８は、水槽２の底部に接着により取り付けられる。なお、超音波振動装置８は、振動子が取り付けられた板をフランジ締結により固定する態様であってもよい。超音波振動装置８から照射された超音波は、水槽２の底面と水面との間で定在波を生じさせる。

回収手段９は、分離された第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２を水槽２の外部へ排出する。回収手段９は、操作棒１６と、排出部１７と、を有する。操作棒１６は、分離された第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２を排出部１７へ投入可能な位置へ移動させる。操作棒１６は、例えば、水槽２の水面から水中へ差し込まれる棒体である。操作棒１６は、水槽２の外部から作業者又はロボットハンド等の装置により水槽２内において動かされる。排出部１７は、排出部１７に投入された粒子を水槽２の外部へ排出する。

次に、上記粒子分離装置１を用いた粒子分離方法について、図２に示された手順とその手順により生じる現象とを示しつつ説明する。

図３の（ａ）部に示されるように、まず、水槽２に水３を満たす（ステップＳ１）。水３の量は、照射される超音波の周波数と関連する。水槽２における液面高さは、水中を進む超音波の波長よりも高くなるように設定される。具体的には、水槽２における液面高さは、水中における超音波の波長の１．５倍以上に設定される。一例として、液面高さは、１２０ｍｍである。水中の超音波の波長は、式（１）により示される。

λ：水中における超音波の波長。
ｃ：音速。
ｆ：超音波の発信周波数。
例えば、水３の水温が２０℃であり、制御信号の周波数が２０ｋＨｚである場合、波長（λ）は約７４ｍｍである。従って、粒子群を形成する場合は、液面高さは少なくとも４０ｍｍ程度は必要である。

次に、図３の（ｂ）部に示されるように、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２を水３に投入する（ステップＳ２）。本実施形態では、大径粒子として直径が８００μｍである第１粒子Ｐ１と、小径粒子として直径が４００μｍである第２粒子Ｐ２と、を例に説明する。

次に、図３の（ｃ）部に示されるように、第１条件に基づく超音波を水３に照射する（ステップＳ３）。このステップＳ３（第１ステップ）では、溶存ガスである空気を気泡Ｂとして発生させる。またこのステップＳ３では、気泡Ｂが付着した第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２を超音波の腹ＶＢに集合させる第１凝集力を発生させ、そして、気泡Ｂが付着した第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２を含む球状の混合粒子群を維持する。第１条件は、水３に溶存する空気を気泡として出現させ得る強度と周波数であり、且つ、気泡Ｂに対して音響放射力の一つである第１ビヤネスク力を作用させ得る強度と周波数である。例えば、超音波振動装置８から放射される超音波は、振幅電圧が３００ｍＶであり、周波数が１９．０ｋＨｚである制御信号に起因する。

水３に超音波が照射されると、水槽２内に音波が伝搬し、水槽２内に定在波Ｗが形成される。そして、音圧の変化に伴い、水３に溶存していた空気が気泡Ｂとして出現する。この気泡Ｂは、いわゆるキャビテーション現象に類似する作用に起因して生じるものである。気泡Ｂは、蒸気性キャビテーション気泡が発生する音圧変動ではないが、水３に溶存していた空気により発生するキャビテーションに起因するものであり、ガス性キャビテーションの一種である。キャビテーションとは、圧力変動に伴う液相から気相への相変化現象をいう。キャビティ（Cavity）とは、空洞が基となっており、液中に空洞（気泡）ができることをいう。ポンプのインペラ等で発生するものもあるが、本実施形態では、超音波による音圧変動から発生するものをいう。

気泡Ｂは、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２に付着する。また、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２の表面に直接に初生する場合もあり得る。ここで、水槽２に満たされた液体が、脱気した精製水である場合には、気泡Ｂの核となるものが存在しないので、気泡Ｂは発生しない。水３に溶存する気体の種類には特に制限はなく、空気、二酸化炭素、その他のガスであればよい。

そして、図４の（ａ）部に示されるように、気泡Ｂが付着した第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２は、音響放射力により音圧の腹（振幅変動が大きな位置）へと集まり始める。本実施形態の構成では、気泡Ｂに作用する音響放射力は、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２に直接に作用する音響放射力よりも大きい。従って、水槽２内における第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２の移動は、気泡Ｂに作用する音響放射力が支配的である。第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２に直接に作用する音響放射力が支配的であった場合には第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２は音圧の節へと移動する。しかし、粒子に作用する音響放射力は、非常に弱く、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２を重力に抗して浮上させることができない。本実施形態では、気泡Ｂに作用する音響放射力が支配的であるので第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２は音圧の腹へ移動する。

ここで、気泡Ｂに作用する音響放射力は、第１ビヤネスク力とも呼ばれる。第１ビヤネスク力は、定在波音圧変動による音響放射力であり、式（２）により示される。

Ｆ_ＰＢＦ：第１ビヤネスク力の大きさ。
Ｖ：気泡の体積。
∇Ｐ：圧力勾配。
〈〉：照射する超音波の１周期分の時間平均。

この気泡Ｂの運動に誘起され、水槽２内に液相運動が誘起される。水槽２内の液相運動は、下部中心部では音圧の腹が円錐の頂点となる上昇流が発生する。腹から上部では、上昇流が発生する。一方、水面は、水平方向に流れ壁面付近で下降流ができ、循環流が形成される。

図４の（ｂ）部に示されるように、音圧の腹ＶＢの付近では、気泡Ｂが付着した第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２が球状に集まる。この第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２が球状に密集している状態を、混合粒子群ＧＡと呼ぶ。この混合粒子群ＧＡは、先に述べた音響放射力である第１ビヤネスク力に加え、別の力によって球状が維持される。この別の力は、第２ビヤクネス力と呼ばれる。第２ビヤクネス力は、同じ周波数且つ同じ位相で振動する気泡Ｂ同士が互いに引き合う力である。従って、ステップＳ３において、第１条件に基づく超音波に起因して発生する第１凝集力とは、第１ビヤネスク力と第２ビヤネスク力とに起因する力である。

次に、水３に対して第２条件に基づく超音波を照射する（ステップＳ４）。このステップＳ４（第２ステップ）では、第１凝集力よりも弱い第２凝集力を発生させて、混合粒子群ＧＡの維持を停止させる。具体的には、制御装置７は、超音波振動装置８に入力する制御信号の振幅電圧を、３００ｍＶから８０ｍＶ（第２条件）まで連続的に変化させる。この電圧の変化は、一例として約５秒間で行われる。

ここで、本実施形態に係る分離方法は、水槽２において、水槽上部には小径粒子が多く存在し、水槽下部には大径粒子が多く存在する分布状態を形成することが重要である。例えば、第１条件から第２条件まで電圧を階段状（ステップ状）に変化させた場合を想定する。この階段状の変化によれば、気泡運動が急激に弱くなり、液相運動も弱くなる。従って、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２は、まとった状態で沈降してしまう。一方、本実施形態のように、第１条件から第２条件まで徐々に電圧を下げた場合には、重力の影響が大きい大径粒子から沈殿していき、粒子存在分布を分離に適した状態にできる。

図４の（ｃ）部に示されるように、超音波による音圧振幅が小さくなると、気泡Ｂの音圧変動による膨張収縮運動（界面運動）が小さくなると共に気泡径も小さくなる。これにより、第１ビヤネスク力及び第２ビヤネスク力に起因する浮力が小さくなる。界面運動と腹へ向かう並進運動とを含む気泡の運動が弱くなるので、水槽２内の循環流をなす水槽中心部の上昇流が弱くなる。従って、腹ＶＢで凝集されていた混合粒子群ＧＡは、重力に抗して、腹で定在できず徐々に崩壊し沈降を始める。

ここで第２ビヤネスク力とは、気泡Ｂ間に働く音響放射力をいう。２個の気泡が互いに同じ周期且つ同じ位相をもって界面運動する際には引力として作用する。一方、位相が１８０°ずれている場合には斥力として作用する。第２ビヤネスク力は、式（３）により示される。

図５の（ａ）部に示されるように、沈降の速度は、ストークス則によれば、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２の粒子径によって異なる。具体的には、粒子径の大きい粒子が、粒子径の小さい粒子よりも早く沈降する。すなわち、粒子径の大きい粒子は、沈降速度が大きい。従って、ステップＳ４が開始されて時間が経過するにつれて、水槽２の下方には大径粒子が多く存在し、その上方に小径粒子が存在する状態に移行する。例えば、この第２条件に基づく超音波を照射する期間は、約５秒間継続される。

すなわち、ステップＳ４では、約５秒の時間を設けて第１条件から第２条件へ移行し、第２条件の状態を約５秒間維持する。

ここで、ステップＳ４では、第２条件に基づく超音波の出力をゼロにしない。例えば、振幅電圧を０ｍＶに設定した場合、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２に付着していた気泡Ｂは、水３に溶解し、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２のみが沈降する。又は、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２の付近に存在していた気泡Ｂは水３に溶解し、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２のみが沈降する。そして、振幅電圧を再度上昇させたとき、音圧の腹に粒子を運ぶ気泡Ｂが第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２の付近に存在しないため、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２を瞬時に発生させることができなくなる。そこで、本実施形態では、第２条件を第１条件よりも小さく、且つゼロ以上としているので、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２の周囲に残存する気泡Ｂの気泡核も粒子とともに移動する。従って、電圧上昇時には、この気泡核が瞬時に成長することで粒子付近に気泡Ｂが発生し、速やかに音圧の腹へ粒子を牽引することが可能になる。その結果、より精密な分離が可能となる。

次に、水３に対して第３条件に基づく超音波を照射する（ステップＳ５）。このステップＳ５（第３ステップ）では、水３に空気を気泡Ｂとして再び発生させる。また、気泡Ｂが付着した第１粒子Ｐ１を含む第１粒子群Ｇ１を超音波の第１腹位置ＶＢ１において維持する。さらに、気泡Ｂが付着した第２粒子Ｐ２を含む第２粒子群Ｇ２を超音波の第２腹位置ＶＢ２において維持する。具体的には、制御装置７は、超音波振動装置８に入力する制御信号の振幅電圧を、８０ｍＶから１４０ｍＶ（第３条件）まで連続的に変化させる。

ここで、第３条件に基づく超音波は、第１凝集力よりも弱いが、第２凝集力よりも強い第３凝集力を生じさせる。第２条件から第３条件に変化させたとき、超音波振動装置８に入力される振幅電圧が増加する。従って、気泡運動が活発化し液相運動も大きくなる。しかし、第３凝集力が第１凝集力と同等であるような条件とした場合には、水槽２の下部で凝集した第１粒子群Ｇ１が、液相運動によって第１腹位置ＶＢ１から離脱する。そして、第１粒子Ｐ１は、水槽２の上部における第２腹位置ＶＢ２において第２粒子Ｐ２とともに再凝集し、再び混合粒子群ＧＡを形成してしまう可能性がある。

図５の（ｂ）部に示されるように、第３条件に起因する音圧振幅の増大に伴い、気泡Ｂの界面運動及び並進運動が活発になる。気泡Ｂの径が大きくなることで、第２ビヤネスク力、浮力及び上昇流が大きくなり、気泡Ｂが第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２を牽引して音圧の腹で再凝集させる。ここで、ステップＳ５の直前状態では、大径粒子である第１粒子Ｐ１が水槽２の下部に多く存在し、小径粒子である第２粒子Ｐ２が水槽２の上部に多く存在する。ここで、第３条件に基づく超音波を照射すると、それぞれ粒子は最寄りの腹に集まってくる。具体的には、図５の（ｃ）部に示されるように、第１粒子Ｐ１は、第１腹位置ＶＢ１に集まり、第１粒子Ｐ１が凝集した第１粒子群Ｇ１を形成する。また、第２粒子Ｐ２は、第２腹位置ＶＢ２に集まり、第２粒子Ｐ２が凝集した第２粒子群Ｇ２を形成する。

次に、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２を排出する（ステップＳ６）。図６の（ａ）部に示されるように、操作棒１６を水３に入れると、操作棒１６に気泡Ｂが付着する。この気泡Ｂは、例えば、操作棒１６の表面に存在する傷が気泡核となって発生した気泡である。また、操作棒１６の周囲に発生した気泡Ｂが操作棒１６の表面に付着したものである。

そして、操作棒１６に付着した気泡Ｂと第２粒子Ｐ２に付着した気泡Ｂとの間において、第２ビヤクネス力が作用する。従って、第２粒子群Ｇ２が操作棒１６の移動に引き寄せられる。図６の（ｂ）部に示されるように、操作棒１６を排出部１７の上部まで移動させた後に、制御信号の振幅電圧を小さくする。そうすると、第２粒子群Ｇ２が崩れて排出部１７に沈降していく。

なお、第２粒子群Ｇ２を移動させ得る範囲は、気泡Ｂが発生し且つ凝集力が有効に作用する範囲である。従って、第２粒子群Ｇ２がこの範囲から外れると第２粒子群Ｇ２は当初凝集していた音圧の腹に再凝集する。そこで、排出部１７が移動可能な範囲外に設けられている場合には、制御信号の電圧又は周波数を調整する。この調整により、水中に存在する定在波の節と腹との位置を変更して、移動可能な範囲を変更することができる。

本実施形態の粒子分離装置１及び粒子分離方法によれば、ステップＳ３において水３に対して第１条件に基づく超音波を照射する。この超音波の照射により、まず、水３の中に気泡Ｂが発生する。次に、この気泡Ｂに超音波が作用すると、気泡Ｂに第１凝集力が生じる。この第１凝集力によって、気泡Ｂが超音波の腹ＶＢに集められる。ここで、気泡Ｂが超音波の腹ＶＢに向かって移動するとき、気泡Ｂは第１粒子Ｐ１又は第２粒子Ｐ２に付着する。また、第１粒子Ｐ１又は第２粒子Ｐ２の表面に直接に気泡Ｂが発生することもある。気泡Ｂは第１凝集力によって超音波の腹ＶＢに集まるので、気泡Ｂが付着した第１粒子Ｐ１又は第２粒子Ｐ２も気泡Ｂとともに超音波の腹ＶＢに集まり、混合粒子群Ａを形成する。次に、ステップＳ４において、第２条件に基づく超音波を液体に照射する。第２条件に基づく超音波による第２凝集力は第１凝集力より弱い。従って、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２は重力に抗して粒子群を維持できなくなり、それぞれの粒子の特性に応じて沈降を始める。このとき、水３に照射される超音波はゼロではないので、水３には僅かながら気泡Ｂが存在する。次に、第３ステップにおいて、第３条件に基づく超音波を液体に照射する。第３条件に基づく超音波による第３凝集力は第１凝集力より弱いが、第２凝集力より強い。沈降中の第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２には再び群を形成するに足りる力が作用することになる。そして、沈降中の第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２はそれぞれの特性に対応して沈降する速度が異なる。従って、第３凝集力が作用した場合には、それぞれの位置に近い超音波の腹の位置に再び群を維持する。従って、第１粒子Ｐ１は第１腹位置ＶＢ１に集められ、第２粒子Ｐ２は第２腹位置ＶＢ２に集められるので、第１粒子Ｐ１と第２粒子Ｐ２とが分離される。従って、粒子分離装置１及び粒子分離方法は、水３に生じさせた気泡Ｂに超音波が作用して生じる力を利用するものであるので、分離対象である第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２の特性や液体特性の影響を受け難い。従って、粒子分離装置１及び粒子分離方法は、適用可能な対象の条件を緩和できる。

また、第１条件、第２条件及び第３条件は、超音波の強度であり、第３条件により規定される超音波の強度は、第１条件により規定される超音波の強度よりも小さく、且つ、第２条件により規定される超音波の強度よりも大きい。これらの条件は、容易に制御し且つ容易に設定することが可能である。従って、第１粒子と第２粒子とを容易に分離することができる。

また、ステップＳ３、ステップＳ４及びステップＳ５では、液体を収容する容器の底側から液体の液面に向けて超音波を照射する。これらのステップによれば、液体において鉛直方向に超音波の節と腹とが交互に形成される。従って、第１粒子群Ｇ１と第２粒子群Ｇ２とが鉛直方向に沿った異なる腹の位置に維持することができる。

また、本実施形態に係る粒子分離装置及び粒子分離方法では、メガヘルツ帯の超音波ではなく、数１０キロヘルツ帯の超音波を用いる。メガヘルツ帯の超音波を利用した場合、上記式（１）によれば定在波の波長が短くなる。従って、分離対象となる粒子の直径が小さくなってしまう。一方、本実施形態に係る粒子分離装置及び粒子分離方法のように数１０キロヘルツ帯の超音波を利用することにより、音圧の振幅を大きくすると共にキャビテーション気泡を活発に作用させることが可能になる。従って、本実施形態に係る粒子分離装置及び粒子分離方法は、同一種で径の異なる粒子を、粒子径により分級し、さらに前記分級された粒子群を操作することができる。

なお、上述した実施形態は本発明に係る粒子分離装置及び粒子分離方法の一例を示すものである。本発明に係る粒子分離装置及び粒子分離方法は、実施形態に係る粒子分離装置及び粒子分離方法に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、変形し又は他のものに適用したものであってもよい。

＜変形例１＞
例えば、上記実施形態では、それぞれのステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５において水３に照射される超音波の強度、換言すると超音波振動装置８に入力される制御信号の振幅電圧を第１条件、第２条件及び第３条件として規定した。これら第１条件、第２条件及び第３条件は、超音波の周波数の値を規定するための条件であってもよい。超音波の周波数の値を規定するための条件は、式（４）に示される制御信号の周波数と共振周波数との差分である。従って、第１条件、第２条件及び第３条件により規定される値とは、制御信号の周波数と共振周波数との差分の絶対値である。ここでいう共振周波数とは、振動子と水槽が有する共振周波数であり、水槽や水量等の質量などの変数により決定される。式（４）に示されるように、第３条件により規定される第３差分（｜ｆ３−ｆｒ｜）は、第１条件により規定される第１差分（｜ｆ１−ｆｒ｜）以下である。また第３差分（｜ｆ３−ｆｒ｜）は、第２条件により規定される第２差分（｜ｆ２−ｆｒ｜）よりも大きい。この場合には、まず、共振周波数（ｆｒ）、第１差分、第２差分及び第３差分が与えられる。第１差分、第２差分及び第３差分は式（４）の条件を満たすように設定される。そしてこれらの値から、実際に印加される制御信号の周波数（ｆ１，ｆ２，ｆ３）が決定される。

ｆ１：第１条件に規定される制御信号の周波数。
ｆ２：第２条件に規定される制御信号の周波数。
ｆ３：第３条件に規定される制御信号の周波数。
ｆｒ：共振周波数。

＜変形例２＞
また、超音波の周波数の値を規定するための条件は、式（５）のように示される超音波の周波数であってもよい。そして、第３条件により規定される超音波の周波数（ｆ３）は、第１条件により規定される超音波の周波数（ｆ１）以下であり、且つ、第２条件により規定される超音波の周波数（ｆ２）よりも高い。この場合には、例えば、第１条件として制御信号の周波数を２０．２ｋＨｚの共振周波数に設定する。

ステップＳ３からステップＳ４に移行したとき、超音波の周波数が共振周波数である第１周波数ｆ１から共振周波数から外れた第２周波数ｆ２に変化する。共振周波数付近の周波数帯では、周波数が変化すると、インピーダンスが周波数によって変化する。具体的には、インピーダンスが高くなる。従って、インピーダンスの増加によって水槽２に照射できる超音波の強度が減少するので、定在波の位置も周波数の変化に伴い変化する。具体的には、定在位置は、超音波の強度と周波数の変化による波長の変化（上記式（１））に基づいて変化する。従って、定在位置の変化は、式（１）の影響が大きい。

そうすると、混合粒子群ＧＡが維持されているステップＳ４において照射されている第１周波数の超音波から、ステップＳ５において第２周波数の超音波に変更すると、第１粒子Ｐ１及び第２粒子Ｐ２を音圧の腹に定在させていた気泡Ｂへの力（第１ビヤネスク力）が弱くなり、混合粒子群ＧＡの輪郭が不明瞭になり沈降が始まる。そして、小径粒子である第２粒子Ｐ２よりも大径粒子である第１粒子Ｐ１の方が沈降する力が大きいため、第１粒子Ｐ１から混合粒子群ＧＡを離脱し、沈降が始まる。従って、ステップＳ５により、第１粒子Ｐ１（大径粒子）が水槽２の下部に集まり、第２粒子Ｐ２（小径粒子）が水槽２の上部に集まった状態が形成される。

＜変形例３＞
また、超音波の周波数の値を規定するための条件は、式（６）のように示される超音波の周波数であってもよい。そして、第３条件により規定される超音波の周波数（ｆ３）は、第１条件により規定される超音波の周波数（ｆ１）以上であり、且つ、第２条件により規定される超音波の周波数（ｆ２）よりも低い。この場合には、例えば、第１条件として制御信号の周波数を２０．２ｋＨｚの共振周波数に設定する。

＜変形例４＞
また、上記実施形態では、第２ビヤネスク力を利用した回収手段９を備えていた。本発明の粒子分離装置は、別の原理を利用した回収装置を備えていてもよい。例えば、回収装置は、両端が開放されている中空のガラス管であってもよい。このガラス管を粒子群に近づけて、ガラス管内に粒子を侵入させる。そして、ガラス管の他方の管端を閉じ、水槽から取り出す。また、もしくは、ガラス管の他方の管端にポンプの吸い込み側を取り付けてもよい。ガラス管を粒子群に近づけた状態で水と一緒に粒子を吸い込むことにより回収してもよい。

＜変形例５＞
また、上述した制御信号の周波数及び振幅電圧は一例であり、これらの数値に限定されない。液体の種類、溶存ガスの種類、分離対象である粒子の種類に応じて、これらの数値はそれぞれの種類に応じた値を選択できる。

＜実施例１＞
実施例１では、電圧を規定した条件に基づく粒子分離方法の作用効果を確認した。この実施例１では、第１粒子として直径が８００μｍであるポリスチレンを用いた。第１粒子の密度は１．０５ｇ／ｃｍ^３であり、沈降速度は１０．３６ｍｍ／ｓである。また、実施例１では、第２粒子として直径が４００μｍであるポリスチレンを用いた。また、第２粒子の密度は１．０５ｇ／ｃｍ^３であり、沈降速度は４．１５ｍｍ／ｓである。第１条件として制御信号の電圧を３００ｍＶとした。第２条件として制御信号の電圧を８０ｍＶとした。第３条件として制御信号の電圧を１４０ｍＶとした。制御信号の周波数は、第１条件、第２条件及び第３条件において共通とし、１９．０ｋＨｚとした。

第１条件に基づくステップＳ３を実行すると、図７の（ａ）部に示されるように、水槽２の上部に混合粒子群ＧＡが形成された。次に、図７の（ａ）部を撮像した直後からステップＳ４を実行した。そして、図７の（ａ）部を撮像した時刻から約５秒後、制御信号の電圧は１４０ｍＶに変化した。このとき、図７の（ｂ）部に示されるように、混合粒子群ＧＡから第１粒子Ｐ１の脱落が始まった。次に、図７の（ｂ）部を撮像した時刻から約５秒間は、ステップＳ４の状態を維持した。つまり、制御信号の電圧を１４０ｍＶの一定値とした。このとき、第２粒子Ｐ２も脱落が進み、混合粒子群ＧＡは消失した。そして、図７の（ｃ）部に示されるように、水槽２の底側に第１粒子Ｐ１が多く存在し、その上側に第２粒子Ｐ２が多く存在する状態が現れた。次に、第３条件に基づくステップＳ５を実行した。そうすると、図７の（ｄ）部に示されるように、水槽２の底側において第１粒子群Ｇ１の形成が開始され、水槽２の上側において第２粒子群Ｇ２の形成が開始された。そして、図７の（ｄ）部が撮像された時刻から約２秒経過後、図７の（ｅ）部に示されるように、第１粒子Ｐ１を含む第１粒子群Ｇ１と、第２粒子Ｐ２を含む第２粒子群Ｇ２と、の形成が完了し、分離が完了した。

従って、電圧を規定した条件に基づく分離方法によれば、第１粒子Ｐ１と第２粒子Ｐ２とを精度良く分離できることがわかった。

＜実施例２＞
実施例２では、操作棒１６を用いた粒子群の移動を確認した。この実施例２では、第１粒子として直径が６００μｍであるポリスチレンを用いた。第１粒子の密度は１．０５ｇ／ｃｍ^３であり、沈降速度は７．４３ｍｍ／ｓである。第１条件として制御信号の電圧を３００ｍＶとし、制御信号の周波数を２０．０ｋＨｚとした。

図８の（ａ）部に示されるように、操作棒１６の先端を水中に配置すると操作棒１６に気泡が付着した。図８の（ｂ）部及び（ｃ）部に示されるように、操作棒１６を粒子群Ｇに近づけると、第２ビヤネスク力によって、粒子群Ｇが操作棒１６に引き寄せられた。そして、図８の（ｄ）部及び（ｅ）部に示されるように、操作棒１６を水槽２の壁面に近づけていくと、第２ビヤネスク力が弱くなって重力が支配的となり、粒子群Ｇは操作棒１６から離脱して水槽２の底へ下降した。そして、粒子群Ｇは再び超音波の腹の領域へ移動した。

従って、操作棒１６を用いることにより第２ビヤネスク力が支配的である領域内において、粒子群の位置を操作できることがわかった。

＜実施例３＞
実施例３では、周波数を規定した条件に基づく粒子分離方法の作用効果を確認した。この実施例３では、第１粒子として直径が８００μｍであるポリスチレンを用いた。第１粒子の密度は１．０５ｇ／ｃｍ^３であり、沈降速度は１０．３６ｍｍ／ｓである。また、実施例１では、第２粒子として直径が４００μｍであるポリスチレンを用いた。また、第２粒子の密度は１．０５ｇ／ｃｍ^３であり、沈降速度は４．１５ｍｍ／ｓである。第１条件として制御信号の周波数を２０．２ｋＨｚとした。第２条件として制御信号の周波数を２１．０ｋＨｚとした。第３条件として制御信号の周波数を２０．３ｋＨｚとした。制御信号の振幅電圧は、第１条件、第２条件及び第３条件において共通とし、３００ｍＶとした。

第１条件に基づくステップＳ３を実行すると、図９の（ａ）部に示されるように、水槽２の上部に混合粒子群ＧＡが形成された。次に、図９の（ａ）部を撮像した直後からステップＳ４を実行した。そして、図９の（ａ）部を撮像した時刻から５秒後に、制御信号の周波数は２１．０ｋＨｚに変化した。このとき、図９の（ｂ）部に示されるように、混合粒子群ＧＡから第１粒子Ｐ１の脱落が始まった。次に、図９の（ｂ）部を撮像した時刻から５秒間は、ステップＳ４の状態を維持した。つまり、制御信号の周波数を２１．０ｋＨｚの一定値とした。このとき、第２粒子Ｐ２も脱落が進み、混合粒子群ＧＡは消失した。そして、図９の（ｃ）部に示されるように、水槽２の底側に第１粒子Ｐ１が多く存在し、その上側に第２粒子Ｐ２が多く存在する状態が現れた。次に、第３条件に基づくステップＳ５を実行した。そうすると、図９の（ｄ）部に示されるように、水槽２の底側において第１粒子群Ｇ１の形成が開始され、水槽２の上側において第２粒子群Ｇ２の形成が開始された。そして、図９の（ｄ）部が撮像された時刻から０．５秒経過後、図９の（ｅ）部に示されるように、第１粒子Ｐ１を含む第１粒子群Ｇ１と、第２粒子Ｐ２を含む第２粒子群Ｇ２と、の形成が完了し、分離が完了した。なお、Ｓ５の周波数は２０．２ｋＨｚである。

従って、周波数を規定した条件に基づく分離方法によれば、第１粒子Ｐ１と第２粒子Ｐ２とを精度良く分離できることがわかった。

１…粒子分離装置、２…水槽、３…水（液体）、Ｐ１…第１粒子、Ｐ２…第２粒子、７…制御装置（制御手段）、８…超音波振動装置（超音波照射手段）、９…回収手段（粒子群移動手段）、Ｂ…気泡、ＧＡ…混合粒子群、Ｇ１…第１粒子群、Ｇ２…第２粒子群、ＶＢ１…第１腹位置、ＶＢ２…第２腹位置。

Claims (7)

1. 溶存ガスを含む液体に含まれた第１粒子と第２粒子とを分離する粒子分離方法であって、
   前記液体に対して第１条件に基づく超音波を照射することにより、前記液体中に前記溶存ガスを気泡として発生させると共に、前記気泡が付着した前記第１粒子及び前記第２粒子を前記超音波の腹に集合させる第１凝集力を発生させて、前記気泡が付着した前記第１粒子及び前記第２粒子を含む混合粒子群を維持する第１ステップと、
   前記第１ステップの後、前記液体に対して第２条件に基づく超音波を照射することにより、前記第１凝集力よりも弱い第２凝集力を発生させて、前記混合粒子群の維持を停止する第２ステップと、
   前記第２ステップの後、前記液体に対して第３条件に基づく超音波を照射することにより、前記液体中に前記溶存ガスを気泡として発生させると共に、前記第１凝集力よりも弱く、且つ、前記第２凝集力よりも強い第３凝集力を発生させて、前記気泡が付着した前記第１粒子を含む第１粒子群を前記超音波の第１腹位置において維持し、前記気泡が付着した前記第２粒子を含む第２粒子群を前記超音波の第２腹位置において維持する第３ステップと、を含む、粒子分離方法。
2. 前記第１条件、前記第２条件及び前記第３条件は、前記超音波の強度を規定し、
   前記第３条件により規定される前記超音波の強度は、前記第１条件により規定される前記超音波の強度よりも小さく、且つ、前記第２条件により規定される前記超音波の強度よりも大きい、請求項１に記載の粒子分離方法。
3. 前記第１条件、前記第２条件及び前記第３条件は、前記超音波の周波数の値を規定するための条件であり、
   前記第３条件により規定される値は、前記第１条件により規定される値以下であり、且つ、前記第２条件により規定される値よりも大きい、請求項１に記載の粒子分離方法。
4. 前記第１条件、前記第２条件及び前記第３条件は、前記超音波の周波数の値を規定するための条件であり、
   前記第３条件により規定される値は、前記第１条件により規定される値以上であり、且つ、前記第２条件により規定される値よりも小さい、請求項１に記載の粒子分離方法。
5. 前記第１ステップ、前記第２ステップ及び前記第３ステップでは、前記液体を収容する容器の底側から前記液体の液面に向けて前記超音波を照射する、請求項１〜４の何れか一項に記載の粒子分離方法。
6. 溶存ガスを含む液体に含まれた第１粒子と第２粒子とを分離する粒子分離装置であって、
   前記液体を収容する容器と、
   前記容器に収容された前記液体に対して超音波を照射する超音波照射手段と、
   前記超音波照射手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記液体に対して第１条件に基づく超音波を照射することにより、前記液体中に前記溶存ガスを気泡として発生させると共に、前記気泡が付着した前記第１粒子及び前記第２粒子を前記超音波の腹に集合させる第１凝集力を発生させて、前記気泡が付着した前記第１粒子及び前記第２粒子を含む混合粒子群を維持し、
   前記液体に対して第２条件に基づく超音波を照射することにより、前記第１凝集力よりも弱い第２凝集力を発生させて、前記混合粒子群の維持を停止し、
   前記液体に対して第３条件に基づく超音波を照射することにより、前記液体中に前記溶存ガスを気泡として発生させると共に、前記第１凝集力よりも弱く、且つ、前記第２凝集力よりも強い第３凝集力を発生させて、前記気泡が付着した前記第１粒子を含む第１粒子群を前記超音波の第１腹位置において維持し、前記気泡が付着した前記第２粒子を含む第２粒子群を前記超音波の第２腹位置において維持する制御を行う、粒子分離装置。
7. 前記混合粒子群、前記第１粒子群及び前記第２粒子群を移動させる粒子群移動手段をさらに備える、請求項６に記載の粒子分離装置。