JP6918287B2

JP6918287B2 - 音響振動による流体処理装置及び流体処理方法

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Publication number: JP6918287B2
Application number: JP2016198424A
Authority: JP
Inventors: 千真梅木; 大谷　裕一; 裕一大谷
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2036-10-06
Also published as: JP2018059686A

Description

本発明は、流体におけるスケールの析出、付着の防止、抑制、あるいは除去を目的とし、各種流体設備を停止せずに連続的に運用でき、化学薬品を使用せず、又は、化学薬品の使用を大幅に低減し、物理的手段によって行う音響振動による流体処理装置及び流体処理方法に関する。

配管の内壁や熱交換器の表面に、流体中のカルシウムやシリカ等の無機物質や、スライム等の有機物質が付着して生じるスケール障害は、配管の閉塞や熱効率の低下を引き起こし、水や油、その他流体を使用する多くの設備において、非常に大きな問題となっている。一般に、クーリングタワーやボイラー等では、化学薬品添加によってスケール障害を抑制する措置が取られているが、化学薬品による水質汚染の発生に加え、大きな経済的損失を余儀なくされている。また、温泉設備や地熱発電設備に目を向けると、一般的な用廃水と比較して無機物質を多量に含む地熱水の利用においては、スケール対策が最大の課題であり、熱利用や地熱発電の普及において、大きな妨げとなっていた。

物理的手段による流体処理装置の内、超音波を利用するスケール防止、除去装置が多数考案されている。（例えば、特許文献１：特開２０１５−１２３４２５号公報）。一般に超音波は、ホモジナイザーや洗浄機に用いられており、強力な音圧によってスケールが防除されることは容易に想像でき、実際に超音波照射によってスケール析出が防止されることが実験的にも確かめられている。（例えば、非特許文献1：「超音波照射による伝熱面へのスケール析出防止」安田啓司他、化学工学論文集、第３０巻第４号（２００４）ｐ５４９−５５０）しかし、超音波を利用したスケール防除方法は、広く一般に利用されるまでには至っていない）。

一方、特許文献２（特開２０１０−１１０６６７号公報）では、物理的手段による流体処理装置の内、電磁処理を利用するスケール防止、除去する処理装置について記載されている。

特開２０１５−１２３４２５号公報特開２０１０−１１０６６７号公報

「超音波照射による伝熱面へのスケール析出防止」安田啓司他、化学工学論文集、第３０巻第４号（２００４）ｐ５４９−５５０

前記の通り、超音波を利用したスケール防除方法は、広く一般に利用されるまでには至っていない。その理由は次に示す通りである。
（１）装置の耐久性：超音波発生部は通常ランジュバン素子が用いられており、反射波や使用環境の影響で比較的簡単に破損する。また、実際の用廃水や地熱水中での長時間運転では、超音波発生部以外にも、例えば電極接合部等の破損が避けられない。
（２）消費エネルギー：超音波発生のために多大な電力を消費する。
（３）局所的作用：超音波が直接照射される箇所に対して、局所的にしかスケール防除効果が作用しない。
（４）材料侵食：キャビテーションの発生により、配管等の金属材料そのものが侵食される。

本発明の課題は、従来の超音波処理法とは異なり、可聴音域、あるいはそれ以下の低周波数域の音響振動を利用することで、従来生じていた、配管等の内壁へのスケール等の付着を防止、抑制することが実用レベルで可能な音響振動による流体処理装置及び流体処理方法を提供することである。

請求項１に係る発明は、内部を液状の流体が流動する設備の内壁表面上に、振動数が１０Ｈｚ以上から１，０００Ｈｚ以下の範囲であり、前記流体に対応した固有の固有振動モードの力学的共振振動の音響振動を、前記固有振動モードの内で異なる固有振動モードを切り替えながら付与する振動装置を有することを特徴とする流体処理装置である。請求項２に係る発明は、電磁処理を併用することで、スケール等の付着、スライム等の付着を防止、又は抑制効果を高めるための電磁処理装置を設けた請求項１記載の流体処理装置である。請求項３に係る発明は、前記固有振動モードを振動計、又はマイクロフォンによって探査できる機構が備えられ、それによって探査特定した振動数を記憶し、プログラムして駆動される機構が備えられたことを特徴とする請求項１又は２記載の流体処理装置である。請求項４に係る発明は、内部を液状の流体が流動する設備の内壁表面上に、振動数が１０Ｈｚ以上から１，０００Ｈｚ以下の範囲であり、前記流体に対応した固有の固有振動モードの力学的共振振動の音響振動を、前記固有振動モードの内で異なる固有振動モードを切り替えながら付与することを特徴とする流体処理方法である。請求項５に係る発明は、電磁処理を併用することで、スケール等の付着、スライム等の付着を防止、又は抑制効果を高める請求項４記載の流体処理方法である。請求項６に係る発明は、前記固有振動モードを振動計、又はマイクロフォンによって探査し、それによって探査特定した振動数を記憶し、プログラムして駆動することを特徴とする請求項４又は５記載の流体処理方法である。

実証実験系を示す斜視図である。振動スピーカー取付座（振動伝達部）を示す図である取付座と振動スピーカーの写真である。実証実験結果を示すしゃしんである。模擬スケール付着実験系を示す概念図である。模擬スケール付着実験結果を示すグラフである。水中クラドニ図形実験系を示す正面断面概念図である。水中でのクラドニ図形を示す写真である。

本発明の実施の形態による流体処理装置は、内部を用廃水や油等の流体が流動する配管や熱交換器等の設備に、低周波を含む音響振動を付与するための手段を設けたことを特徴とする流体処理装置である。

本発明の実施の形態による流体処理装置は、内部を用廃水や油等の流体が流動する配管や熱交換器等の設備に、前記設備の内壁表面上に、前記流体に対応した固有の固有振動モードの力学的共振振動を付与するための手段を設けたことを特徴とする流体処理装置である。

ここで、前記力学的共振振動の振動数とは異なる振動数の他の力学的共振振動を１又は２以上付与するための手段を設けたことを特徴とする。

本発明の実施の形態による流体処理装置は、低周波を含む音響振動を発生させる振動装置と、それを駆動する周波数発生装置、及び電源装置を備え、配管や熱交換器等の設備、及び／又は、用廃水や油等の流体自体に音響等の振動を伝達する振動伝達部を備え、流体を含む設備系の共振現象、及び／又は、流体中を伝播する音響等の疎密波によって、配管等の内壁表面上に、固有振動モードの力学的共振振動を発生させ、同振動を凝縮体の性質を利用して広範囲に伝達し、スケール等の付着、スライム等の付着を防止、又は抑制させた流体処理装置である。

ここで、前記振動装置が、機械振動を発生させる機械振動発生部、又は音響スピーカーである。前記低周波を含む音響振動の振動数は、０．１Hｚ以上から２０，０００Hz以下の範囲が好ましい。低周波を含む音響振動の振動数が、０．１Hｚ未満であると、実用利用に適する固有振動数に該当し難くなり、低周波を含む音響振動の振動数が、２０，０００Hzを超えると、音響スピーカーで振動を発生させることが困難になる。

また、前記低周波を含む音響振動の振動数は、１０Hｚ以上から１，０００Hz以下の範囲がより好ましい。低周波を含む音響振動の振動数が、１０Hｚ以上の場合、実用利用に適する固有振動数に該当する確率が高まり、低周波を含む音響振動の振動数が、１，０００Hz以下の場合、振動の振幅が大きくなり、スケール等の付着防止効果が著しく増加する。好適な使用方法は、前記振動数の範囲内で、振幅の大きい、低モードの共振振動数から２つ以上のモードを選択して、それを切り換えて利用することである。

前記固有振動モードを振動計、又はマイクロフォンによって探査できる機構が備えられ、それによって探査特定した振動数を記憶し、プログラムして駆動される機構が備えられている。

更に、電磁処理、及び／又は薬品処理とが併用されて、スケール等の付着、スライム等の付着防止、又は抑制効果を高めた流体処理装置とする。

更に、本発明の実施の形態による流体処理装置は、前記低周波を含む音響振動を利用し、材料加工、食品加工等、各種流体の性状変化を生じさせることを特徴とする流体処理装置である。

本発明の実施の形態による流体処理方法は、内部を用廃水や油等の流体が流動する配管や熱交換器等の設備に、前記設備の内壁表面上に、前記流体に対応した固有の固有振動モードの力学的共振振動を付与するための手段を設けたことを特徴とする流体処理方法である。

ここで、前記力学的共振振動の振動数とは異なる振動数の他の力学的共振振動を１又は２以上付与するための手段を設けたことを特徴とする。

本発明の実施の形態による流体処理方法は、流体を含む設備系の力学的共振現象を利用し、音響等の振動を印加することでスケール付着防止、又は抑制を行う流体処理方法であって、
低周波を含む音響振動を発生させる振動装置と、それを駆動する周波数発生装置、及び電源装置を備え、配管や熱交換器等の設備、及び／又は、用廃水や油等の流体自体に音響等の振動を伝達する振動伝達部を備え、流体を含む設備系の共振現象、及び／又は、流体中を伝播する音響等の疎密波によって、配管等の内壁表面上に、固有振動モードの力学的共振振動を発生させ、同振動を凝縮体の性質を利用して広範囲に伝達し、スケール等の付着、スライム等の付着を防止、又は抑制させる流体処理方法である。

ここで、前記振動装置が、機械振動を発生させる機械振動発生部、又は音響スピーカーとする。前記低周波を含む音響振動の振動数は、０．１Hｚ以上から２０，０００Hz以下の範囲が好ましい。低周波を含む音響振動の振動数が、０．１Hｚ未満であると、実用利用に適する固有振動数に該当し難くなるという問題点があり、低周波を含む音響振動の振動数が、２０，０００Hzを超えると、音響スピーカーで振動を発生させることが困難になるという問題点がある。

また、前記低周波を含む音響振動の振動数は、１０Hｚ以上から１，０００Hz以下の範囲である。低周波を含む音響振動の振動数が、１０Hｚ未満であると、実用利用に適する固有振動数に該当する確率が低下するという問題点があり、低周波を含む音響振動の振動数が、１，０００Hzを超えると、振動の振幅が小さくなり、スケール等の付着防止効果が著しく減少するという問題点がある。好適な使用方法は、前記振動数の範囲内で、振幅の大きい、低モードの共振振動数から２つ以上のモードを選択して、それを切り換えて利用することである。

更に、電磁処理、及び／又は薬品処理とが併用されて、スケール等の付着、スライム等の付着防止、又は抑制効果を高めた流体処理方法とする。

また、本発明の実施の形態の流体処理方法は、低周波を含む音響振動を利用し、材料加工、食品加工等、各種流体の性状変化を生じさせることを特徴とする流体処理方法である。

更に、本発明の実施の形態による流体処理方法は、前記低周波を含む音響振動を利用し、材料加工、食品加工等、各種流体の性状変化を生じさせることを特徴とする流体処理方法である。

（実施例１）
固体の固有振動モードを可視化する、クラニド図形についての実施例について記載する。

さて、配管等の材料である金属やプラスチック等の固体は、空気と比較して密度が高く、音響等の振動を良く伝達する。配管系を流れる水や油等の流体自体も、同様に密度が高く、音響等の振動を良く伝達する。一般に、固体や液体のような凝縮体は、音響等の振動を遠方まで、極力減衰せずに伝達する性質がある。また、流体が流れている状態の配管系や熱交換器等には、力学的な共振振動数である固有振動モードを有しており、この振動モードは、配管系を構成する材料、形状及び状態、流体の流量等々に依存する。

固体の固有振動モードを可視化する現象として、「クラドニ図形」に関する実験が知られている。「クラドニ図形」とは、金属板等の板状の材料を振動させ、板の上に粒子を撒くことで、振動モードごとに板上に現れる図形である。物体が振動によって共振を起こすと、振動の節と腹が現れるが、振動数が大きくなると腹と節の数が増え、それぞれの振動数が低い方から順番に１次モード、２次モードという。物体によりこれらのモードが現れる振動数は異なり、各モードの振動数を固有振動数という。さて、板が共振振動している状態で、粉体等の粒子を板上に撒くと、振幅が大きな腹からは跳ね除けられ、振動していない節に集まり、所謂「クラドニ図形」が現れる。

発明者は、水中に板状の金属板を配置し、その上にガラスビーズ粒子を撒き、凝縮体である液体中でも、粒子によるクラドニ図形が現れ、振動モードによって容易にその形を変え得ることを確認した。実験系を図７（水中クラドニ図形実験系）に、実験結果を図８（水中でのクラドニ図形）に示す。

図７の水中クラドニ図形実験系は、アクリルＢＯＸ２１と、前記アクリルＢＯＸ２１の底部に配置された振動スピーカー３１と、前記振動スピーカー３１を駆動する低周波発生器４１と、アンプ４２とで構成されている。前記アクリルＢＯＸ２１内には、水が投入されており、底部にステンレス板が配置され、その上にはガラスビーズが、配置されている。

流体中におけるスケール形成の過程は複雑であるが、付着対象物である配管材等の表面の性状や状態に強い影響を受けることは疑いない。よって、配管材等の被付着物体が大きく振動している場合には、スケール形成にも影響すると推定される。発明者による前記実験によって、流体中にある固体表面上の粒子が、振動により容易に移動することが確認されたが、これは当然、スケール結晶粒子にも当てはまる。

そこで発明者は、流体が流れる配管等の設備系に対して、異なる固有振動モードを切り換えながら、振動を印加することで、被付着物体表面上に析出したスケール結晶粒子が、常時力学的に表面上を引きずられることになり、その結果、スケール形成が防止、又は抑制されると予想した。

図５に、模擬スケール付着実験系を示す。恒温水槽２０内に、水を投入し、恒温水槽２０の底部に、振動スピーカー３０を配置し、パソコン４０にて、前記振動スピーカー３０を駆動している。
前記のように、スケール形成が防止、又は抑制される事を確認するために、代表的なスケール物質の一つであるCaCO₃の析出過程を再現し、模擬スケール付着実験を行った。カルシウムスケール性を有する水の模擬水として、10mM KCl水溶液1Lに対しCaCl₂・2H₂O：1.300g, Na₂CO₃：1.500g/L（CaCO₃に換算し1,000mg/L）を添加した水溶液を用意した。また、試料として、20mm × 10mm寸法のマイクロセラミックヒーター（坂口電熱株式会社製／MS-1）に、18mm × 10mm × 0.2mmの銅板を両面テープで貼り付けた、局所加熱装置を用意した。尚、銅板の表面は、#400のサンドペーパーで磨き細かい傷を付け、スケールが付着し易いように加工している。上記模擬水：200mLをビーカーに入れ、これを20℃の恒温水槽に浸し、模擬水中に局所加熱ができる上記試料を挿入する。セラミックヒーターに30Vの交流電圧を印加すると、銅板表面は模擬水中で約70℃で安定化する。このように模擬水を局所的に加熱すると、以下の反応式に従って銅板表面にCaCO₃が析出する。

CaCl₂ + 2NaHCO₃
→ 2NaCl + Ca(OH₃)₂

→（加熱） CO₂ + H₂O
+2NaCl + CaCO₃

本試料を、24時間通電、加熱を行った後、試料を真空デシケータ内で完全に乾燥させ、これを電子天びんで秤量し、銅板表面へのCaCO₃付着量を測定した。

本系に対する音響振動の影響を評価するため、振動スピーカー（ハンファＱセルズジャパン株式会社／HS-BUS002）を恒温水槽の外側に接触させ、実験系に音響振動を印加した。音響振動の信号は、パソコンの周波数作成ソフトウェア（Audacity ver. 2.1.2）によって作成し、また、本実験系の固有共振振動数は、印加する音響振動の振動数を徐々に変化させながら、実験系及び液面の振動が極大となる振動数を、目視確認することで選定した。

因みに、固体の固有振動モードに関する問題は、非線形現象であり、計算で求めることは非常に難しいが、実際の固有振動モードは、上記の方法で比較的簡単に確認することができる。この方法で確認した固有共振振動数を、低周波数側から２点、91Hz、121Hzを選定し、これを各５秒間ずつ、交互に出力するよう上記ソフトウェアにプログラムし、出力20Wで、音響振動を実験系へ連続的に印加した。本実験系を図５（模擬スケール付着実験系）に示す。

さて、発明者は、水系のスケール付着防止法として、特開２００５−２８８４３６、特開２０１０−１１０６６７に開示する、水系の電磁処理法を提唱し、既に実用利用している。本実験では、電磁処理との複合効果も同時に確認するため、以下の４条件
（１）未処理、
（２）電磁処理、
（３）音響振動、
（４）電磁処理＋音響振動のハイブリッド処理の比較を行った。
（２）、及び（４）の電磁処理については、発明者が特開２００５−１９９２７４において提唱した、机上試験方法によって、当該模擬水の電磁処理適合周波数を8kHz、出力電流4Aを選定し、静置状態にて1min.の電磁処理を行った。
本実験結果を図６（模擬スケール付着実験結果）に示す。

（１）未処理の場合、銅板表面に5.15mg（片側のみの平均値）のCaCO₃スケールが析出・付着しているのに対して、（２）事前に電磁処理を行った試料は3.07mg、（３）本発明で提案する音響振動印加では1.05mgと、スケール付着量が大きく抑制されていることがわかる。また、（４）電磁処理と音響振動のハイブリッド処理の場合、同スケール付着量は僅か0.03mgと、非常に良くスケール付着が抑制されることが明らかになった。尚、本グラフには示していないが、固有共振振動数から外れた振動数であっても、振動によって一定程度のスケール付着抑制効果が認められた。

電磁処理に関しては、スケール付着の防止、又は抑制効果に加え、スケールの軟化が生じることが確認されている。（例えば、「交流電磁場処理による排水管のスケール防止効果」梅木千真他、用水と廃水、４２巻２号、（２００７）、ｐ５８−６４）従って（４）の結果は、電磁処理によって軟化したスケールが、音響振動により、付着が大幅に抑制されたものと推定できる。

（実施例２）
先の実施例１の実験結果を受け、発明者は、実際の温泉設備（山梨県北杜市）のスケールに対して、実証実験を行った。
図１は、実証実験系の図である。液体処理装置１０は、振動装置１と、ヨークコイル３と、
前記振動装置１と、ヨークコイル３を駆動する周波数発生装置２とで構成されている。
配管５，５１には、温泉水６が注入され、排水７で温泉水が、排出されている。
ここで、振動装置１は、振動伝達部４に固定されている。

表１に、当該温泉設備の水質分析結果を示す。尚、成分分析は吸光光度計を用いた比色法により行った。

表１に示す通り、本温泉水は全硬度（特にMg）が高く、カルシウム、マグネシウムスケールを生じやすい性質である。本温泉設備の温泉排水に図１に示す実証実験設備を３セット同時に設置し、（１）未処理、（２）電磁処理、（３）音響振動＋電磁処理のハイブリッド処理の各効果について、２ヶ月間の実証実験を行った。因みに、（２）、及び（３）に係る電磁処理については、発明者が提案した特開２０１０−１１０６６７による方法であり、また、当該温泉水と電磁処理との適合性については、同じく発明者が提案した特開２００５−１９９２７４に示す方法で確認し、本温泉水に対しては、周波数8kHz、出力電流5Aの交流電流を特殊フェライト製のヨークコイルに印加している。また、（３）に係る音響振動は、音響振動の振動数を徐々に変化させながら、温泉水を通水中のポリカーボネート配管に印加し、配管の振動が極大となる振動数を、振動計にて確認することで選定した。本実験系においては、低周波数側から48Hz、72Hzを選定し、これを図１（実証実験系）に示す振動スピーカーによって、各10秒間ずつ交互に、出力10Wにて、連続的に印加した。

尚、振動スピーカー取付座（振動伝達部）の構造を図２（振動スピーカー取付座（振動伝達部））に、取付座の写真を図３（取付座と振動スピーカーの写真）に示すが、実際の構造はここに示したものに限定する必要はなく、要するに、配管系と流体に対して効率よく振動を伝達できればよい。

図４（実証実験結果）は、２ヶ月間温泉排水を通水した後の配管の断面写真である。左列は排水出口付近の塩化ビニール製配管、右列は入口付近のポリカーボネート製配管であり、上段から（１）未処理、（２）電磁処理、（３）ハイブリッド処理を行った結果である。（１）未処理の場合、硬質なスケールが配管の全面に渡りびっしりと付着している。それに対して、（２）従来技術である電磁処理を行った場合、配管の上部側にはほとんどスケールが付着しておらず、配管の下部側に軟化したスケールが堆積している。一方、本発明に含まれる（３）ハイブリッド処理を行った場合、配管の全面に渡ってほとんどスケールの付着、及び残留が見られず、非常に良好なスケール付着防止効果が確認された。

前記２ヶ月間の実証試験後のポリカーボネート製配管を硝酸洗浄し、同配管の洗浄前後の質量比較から、単位表面積当りのスケール付着量を定量した結果を表２に示す。本発明を適用することで、スケール付着量を未処理時と比較し、20%程度まで大幅に低減できることを確認した。

本発明によれば、従来の超音波処理法とは異なり、可聴音域、あるいはそれ以下の低周波数域の音響振動を利用することで、従来の問題点を解決し、実用利用に耐える音響振動による流体処理装置及び流体処理方法を提供することができる。更には、小さな入力エネルギーに対して、大きな力学的振動を、流体表面に、広範囲に作用させることができることから、反応効率を高めた反応槽等、各種材料加工や、食品加工等へ応用することもでき、流体処理、及び加工関連の産業の発展に寄与することができる。

１振動装置
２周波数発生装置
３ヨークコイル
４振動伝達部
５、５１配管
６温泉水
７排水
８模擬水
９試料
１０流体処理装置
２０恒温水槽
２１アクリルボックス
３０、３１振動スピーカー
４０パソコン
４１低周波発生器
４２アンプ

Claims

内部を液状の流体が流動する設備の内壁表面上に、振動数が１０Ｈｚ以上から１，０００Ｈｚ以下の範囲であり、前記流体に対応した固有の固有振動モードの力学的共振振動の音響振動を、前記固有振動モードの内で異なる固有振動モードを切り替えながら付与する振動装置を有することを特徴とする流体処理装置。
電磁処理を併用することで、スケール等の付着、スライム等の付着を防止、又は抑制効果を高めるための電磁処理装置を設けた請求項１記載の流体処理装置。
前記固有振動モードを振動計、又はマイクロフォンによって探査できる機構が備えられ、それによって探査特定した振動数を記憶し、プログラムして駆動される機構が備えられたことを特徴とする請求項１又は２記載の流体処理装置。
内部を液状の流体が流動する設備の内壁表面上に、振動数が１０Ｈｚ以上から１，０００Ｈｚ以下の範囲であり、前記流体に対応した固有の固有振動モードの力学的共振振動の音響振動を、前記固有振動モードの内で異なる固有振動モードを切り替えながら付与することを特徴とする流体処理方法。
電磁処理を併用することで、スケール等の付着、スライム等の付着を防止、又は抑制効果を高める請求項４記載の流体処理方法。
前記固有振動モードを振動計、又はマイクロフォンによって探査し、それによって探査特定した振動数を記憶し、プログラムして駆動することを特徴とする請求項４又は５記載の流体処理方法。