JPH03193105A - 脱泡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体の脱泡、特に音響エネルギによる気泡除去
に係わる。

周知のように液体中の泡の行動は音響場の影響を受は得
るため、気泡の除去に超音波エネルギを使用することが
提案されてきた。この種の方法の１つは、例えば米国特
許第４２０５９６６号に開示されているように、音響エ
ネルギを用いて泡を破壊し、それによって気体を液体中
に分散又は溶解させることからなるか、このようにする
と気体が液体中に更に堅固に保持されて残るため、特に
その後の液体処理時に泡が再形成される危険が少しでも
ある場合には余り適していない。別の方法として、例え
ば米国特許第３８５３５００号には、音響エネルギて小
さい泡を塊状に集めてより大きい泡にし、この大きい泡
の大きい浮力を利用して液面に浮上させる方法が開示さ
れている。

やはり後者タイプの方法に係わる米国特許第４３１６７
３４号に記述されているように、音響場内の泡は放射圧
の作用を受け、その結果小さい泡が波節領域（ｎｏｄａ
ｌ　ｒｅｇｉｏｎｓ）方向に移動し、且つ大きい泡が波
腹領域（ａｎｔｉｎｏｃｌａｌ　ｒｅｇｉｏｎｓ）方向
に移動する。これらの異なる反応は泡の共振周波数か音
響場の周波数より小さいか大きいかによって決定され、
且つ前記共振周波数は泡の直径に反比例して変化する。

従って理論的には、小さい泡が大きい泡とは異なる音響
場内位置に運ばれるのであるから、放射方向の力は流れ
からの泡の分離に関してはその使用が限定されると考え
られる。それても小さい泡は、流体媒質中の他の様々な
効果に起因して、互いに結集しようとする傾向を示す。

結集した泡は単一の大きな泡になることもあればならな
いこともあるが、いずれにしても小さい泡か集まってで
きた大きな群は同し大きさの単一の泡と似たような行動
を示す。特に、これらの泡をより速く液面に浮上させる
ような浮力か得られる。

小さい泡を結集させる方法の１つとして例えば米国特許
第４３３９２４７号では、複数の超音波トランスジュー
サを細長い円筒形フローチャンバの回りに配置し、音響
エネルギが該チャンバの中心に向けられるように該チャ
ンバと共振して作動させるようにしている。−点に集め
られた音響エネルギは液体流中に整流拡散（ｒｅｃｔｉ
ｆｉｅｄ　ｄｉＨｕｓｉｏｎ）を発生させ、その結果液
体中に溶解している小さい泡がチャンバの中心部て成長
し、形成された太きい泡が液体流の表面に浮上する。こ
の先行技術特許明細書に記載のメカニズムては、チャン
バが長手方向振動モードを存するため、泡が結集により
液面に浮上するのに十分な浮力を得るまで集まる複数の
波節か軸線方向に従って直列状に存在するようになって
いる。

米国特許第４３９８９２５号では、液体容器内の複数の
平行な水平面上に波節を形成するように超音波発生手段
を操作することにより、気泡を波節に保持する超音波定
在波の能力を利用している。振動周波数の複数の段階的
変化によって、波節のレヘルは段階的に変化する。これ
らの段階及びそのタイミングは、泡が液中で漸次上方に
運ばれ、液体からより速く除去されるように選択される
。

米国特許第４３１６７３４号では、音響エネルギが液中
ての定在波の樹立に使用されるのではなく、泡を衝突さ
ぜ且つ自着さぜる振動の発生と、泡を静止した液体の表
面に移動させるのに十分な放射圧の発生とに使用される
に過ぎない。この方法は、減衰作用の極めて高い液体（
溶融ガラス）を例にとって説明されているが、水及び有
機溶媒のようなより一般的な液体では、類似の圧力作用
を得るのに過大なエネルギ入力が必要であろう。液体の
加熱溶融ガラスの場合は重要てはない−は限定要因にな
り得る。

液体から気泡を取除くための公知の方法は多かれ少なか
れ泡の浮力に依存するため、操作の速度が必然的に遅く
、導管を流れる液体に連続的に使用する場合には通常、
装置を過剰に大きくし得ない限り流体速度を制限しなけ
ればならない。また、導管の断面積を大きくしてもそれ
に比例した改善は得られない。なぜなら、その場合は泡
と液面との間の最大距離が大きくなるからである。米国
特許第４３９８９２５号に記載の方法で脱泡を促進する
試みは余り効果がないと思われる。なぜなら、この方法
は基本的にやはり泡の浮力に依存しており、また静止し
た液体にしか使用できないという欠点を有するからであ
る。

本発明の目的の１つは、液体から気泡を除去するための
装置であって、液体−気体混合物の容器と、該容器の周
縁方向に作用して気泡を容器の周縁領域に移動させる放
射圧を有する音響エネルギ場を該容器内に発生させる手
段と、移動した気泡を除去すべく前記周縁領域内に具備
された分離手段とを含む装置を提供することにある。

本発明の装置は特に連続流システムに使用するのに適し
ており、液体−気体混合物か前記容器の役割を果たす導
管の中を流れ、且つ分離手段が前記音響エネルキ場の少
なくとも一部分の下流て前記周縁領域内に配置されて、
この部分の液体から気体を回収し且つ除去するようにな
っている。

分離手段は有利には、導管内て該導管の周縁壁から距離
をおいて長手方向に延びる仕切りを含み、この仕切りと
導管の周縁壁との間に排気手段に連通する流体通路が形
成され、その結果この流体通路に流れ込む液体流が前記
仕切りの内側で導管内を流れる液体流から分離されるよ
うに構成される。

本発明の別の目的は、容器内の液体から気泡を除去する
方法を提供することにある。この方法は、音響エネルギ
場を容器の内部に作用させて液中に容器の周縁方向の放
射圧を発生させ、この放射圧によって周縁領域に移動し
た気泡を容器内の液体から分離することからなる。

以下、添付図面に基つき実施例を挙げて本発明をより詳
細に説明する。

第１図に示した装置は、トランスジューサセクション２
とセパレータセクション４とティフユーザセクション６
とを直列状に含む導管の形態を有する。この装置のトラ
ンスジューサセクションにはフランジ１０を介して供給
管８か接続されており、この供給管を介して、液体流か
ら除去すべき気泡Ｇを含む液体りが軸線方向に導入され
る。

トランスジユーザセクションは導管の周縁部を構成する
円筒壁１２を有し、この壁に導管を実質的に包囲する超
音波トランスジューサ１４が取り付（つられている。こ
の周縁トランスジューサは完全な円筒体又は一連のセク
メントの形態を有し得、液体カラムの基本共振周波数か
又はそれに近い周波数で音響場を発生させるように設計
されている。

前記基本共振周波数（ｆｒ）は、長さが無限の円筒形カ
ラムの場合には、下記の式 ％式％ 前記式中、ｂはカラムの半径、Ｃはカラム内の液体の伝
搬速度を表ず。

基本共振周波数に近い周波数でトランスジューサを励起
させると、トランスジユーザセクションの円形周縁部に
沿って本質的に導管の内面に圧力波節が形成され、その
一方で圧力波腹がトランスジューサセクションの軸線方
向中央領域に発生する。その結果、円筒形音響場が発生
し、この音響場内で放射圧か周縁に向かって外側方向に
作用する。

１−ランスジューサセクション２のすぐ下流のセパレー
タセクション４ては、中空ボディ１８が導管周辺断面と
つながったボア（ｂｏｒｅ）２０を有する。但し、この
ボアの中には管状デイバイダ２２が同心的に配置されて
おり、液体流を通ず外側管状スペース２４と主要中央通
路２６との間の分離壁を構成している。このディバイダ
を包囲する外側管状スペースの出口には、ティクオフ通
路２８か設けられている。

中央通路２６を流れる液体流はデイフユーザセクション
６を通って排出管３２に到達する。デイフユーザセクシ
ョンでは、導管がトランスジューサセクションと同じ断
面積になるまで末広状に広がった部分３０を含む。この
ティフユーザセクションの断面積の増加は、既存の特定
長さのパイプに装置を挿入し易くする効果がある。

供給管８を介して導入される液体流中の臨界サイズより
大きい気泡は、トランスジューサセクション２の音響場
の放射圧の作用てすぐに導管壁１２の方向に移動する。

小さい気泡は先ず中央領域に送られ、−緒に動きながら
急速に結集し、その後外側方向に移動する。このように
して気泡は、導管の壁の表面に隣接する周縁補集ゾーン
に集められる。トランスジューサセクションの出口では
、液体流の中央部分、即ち気泡が除去された部分がセパ
レータセクション及びデイフユーザセクションを通って
流れ続け、液体流の周縁環状部分、即ち気泡が集中して
いる部分かボア２０とディバイタ２２との間の環状スペ
ース２４に入り、ティクオフ通路２８を通って装置から
流出する。

この装置はこのようにして、気泡を含まない液体流を連
続的に供給する。この装置は勿論、気泡無含有液の静止
貯蔵物を供給することもできる。

周縁部に移動した気泡は、脱泡した液体を中央領域から
取出し且つ脱泡すべき液体を新たに導入する時にも、そ
のままそこに留どまっている。これは、気泡を浮力だけ
の作用で浮上させてゆっくり除去する場合には、周縁領
域が気泡で飽和されていない限り重要ではない。

ティクオフ通路２８方向に分岐した液体流は液体法全体
の極めて僅かな部分しか占め得ない。なぜならこの分流
部分は、特にパイプの流量を最大にした状態では、導管
の中央部を流れる流体と比較して速度が遅いからである
。気泡を集中的に含む抽出液は貯蔵タンク（ｓｅｔｔｌ
ｉｎｇ　ｖｅｓｓｅｌ）に集め、大きくなった気泡をそ
の浮力によって除去し、次いで残った液体を装置の下流
又は上流で主要液体流に戻すようにし得る。

図面では、装置が上方へ垂直に流れる液体流を処理する
のに適した方向を有するが、導管の外側周縁領域におけ
る気泡の集中は重力とは関係ないため、この方向は本質
的な問題ではない。水平流システムの場合には、気泡の
浮力を利用すべく分流通路を管状スペース２４の上部に
配置し得るか、多くの操作条件では、管状スペースを通
る液体流だけに依存して装置から気泡を運び出すことが
できる。

気泡の浮力に依存する場合には、導管を全体的に水平に
配置し、液体流がこの導管の上半分だけを通るようにす
るとよい。これを第２図に示した。

図面では、固体充填物（ｓｏｌｉｄ　１ｎｆｉｌｌ）３
６、又は場合によっては静止液で支持された直径に沿っ
た膜によって導管の下半分には液体流が通らないように
なっている。導管の下半分を占める物質は、定在波パタ
ーンが変わらないように、液体流と同じ音響インピーダ
ンスを有するものを選択する。このようにすれば、波腹
が液体通路の下方境界線レベルに位置した状態で、前述
のごとき定在波システムの半分が得られる。音響エネル
ギが分離気泡に下方への圧力を加えることは全くない。

円形断面の導管を使用する第１図の装置は、超音波場を
中央領域の音響強度及び圧力振幅が増加するように集束
させることができるという利点を有する。極めて大きい
エネルギ入力を使用しなくても、急激な圧力勾配を発生
させることができる。

但し、導管の横断面は別の形状にすることもできる。好
ましい具体例として、導管の断面は細長い形状であって
もよい。この場合は対向し合うトランスジューサが該断
面の長い方の一対の側面のほぼ全体を占めるようにして
、これら側面の間に定在波を樹立せしめ、気泡をこれら
側面の両方に向けて移動させるようにする。このような
構造では、流体通過断面が一定であれば、より高い超音
波周波数を使用することができ、その結果小さい気泡の
除去が促進される。第２図に示した半円形流体通路と同
様の方法て、重力の作用により分離処理を促進すること
もできる。そのためには、細長い断面の長い方の側面を
水平にし、且つ断面の下半分を例えば固体物質で満たす
か又は別の方法て密閉する。

更に別の変形例として、同心的内壁及び外壁にトランス
ジューサを取付すな環状流体通路を具備して、気泡を前
記壁の両方に向けて移動させるようにすることもできる
。この実施例及び矩形断面を使用する前記実施例、即ち
定在波の軸線が互いに平行な境界線の間に延びるような
実施例では、通路の片側にトランスジューサを具備し且
つ反対側にリフレクタを具備して定在波を樹立すること
ができる。

音響エネルギの波長は複数の要因によって決定される。

必要な共振条件を満たすためには、この波長が流体通路
の横断方向の寸法（半径又は幅）に適合していなければ
ならない。この寸法自体は設計された質量流量に左右さ
れる。泡の初期サイズ１弓 も関係がある。なぜなら、前記した移動メカニズムでは
、泡の大きさが波長に対して小さくなければならないか
らである。例えば、水中の泡がＮＴＰで１ｍｍの場合は
、音響エネルギ周波数が約１５０ｋＨｚを大幅に上回ら
ないようにしなければならない。

下限については、約２０ｋｆ（ｚ以下の周波数で操作す
るのは望ましくないと思われる。なぜなら、その場合は
トランスジューサ移動幅を大きくしなければならないた
め、機械的問題が生じ得るからである。本発明は超音波
周波数には限定されないが、超音波範囲にする方が好ま
しい。

トランスジューサセクションの軸線方向長さは勿論、泡
を全部又は十分な割合で外側補集ゾーンに移動させるの
に必要な最小限の通路長さに関連する。しかしながら、
トランスジユーザの長さには問題はない。なぜなら、複
数の音響エネルギ源をタンデム状に配すればどんな長さ
にもできるからである。このような情況では、音響エネ
ルギパターンの影響がエネルギ源の長さを幾らか越える
ため、エネルギ源グループを連続して直列に配置しなく
ても連続的音響場が得られることが判明した。

多くの工業的プロセスでは、総ての泡を完全に除去する
必要はない。このような場合には、装置の長さを短縮し
且つ断面積を拡大することができる。その結果、対向し
合うトランスジューサの間のスペースが広くなり、従っ
て共振周波数が低くなっても構わない。周波数が低くな
ると直径の小さい泡への作用は低下するが、直径の大き
い泡の除去ということに限れば、必要なレベルの脱泡が
より容易に実施されるからである。

液体速度が十分であれば、遠心力を用いて分離プロセス
を促進することもできる。第３図の装置では、Ｕ形流体
通路４２がインピーダンス整合した固体ボディ４４を有
する。このボディは前記通路と同じ幅を有し、前記通路
の外側面４６に取付けられｂ ている。このＵ形通路の入口及び出口部分には夫々これ
らの部分の長さにわたって一対のトランスジューサ４８
．５０が具備されている。これらのトランスジューサは
前述のように機能して、泡を前記通路の内側面５２の方
向に移動させ、分流通路５４に送り込む。液体流がＵ形
管の湾曲部５６に沿って流れる時は、泡が遠心力の作用
で該湾曲部の内側に移動しようとする。泡は液体より密
度が低いからである。その結果、出口部分の排気口に通
じる通路への泡の集中が促進される。この作用は、第３
図の形態のユニットを複数個積重して例えば螺旋形流体
通路を形成することにより更に増大し得る。

第３図に示した固体ボディ４４は流体通路の断面の形状
に応じて別の形態を有し得る。例えば、矩形断面の流体
通路の場合はこの通路をそのままにして、片側の外部側
面にインピーダンス整合した固体ボディを取付け、対向
し合うトランスジューサが通路の幅と固体ボディの幅と
を組合わせな長さにわたって機能するようにし得る。こ
のような構造では、デイフユーザと内部充填物の前後の
同じような遷移流構造部とを省略し得る。

条件によっては、液体量に対する泡の量が多すぎて、こ
の装置では分離を部分的にしか行えないこともある。そ
の場合は、存在する液体流を別の対応装置に導入して残
りの泡を除去するようにし得る。勿論、操作は液体の再
循環又は別の装置の使用によって必要なだけ繰り返すこ
とができる。

本発明は様々な用途に使用できる。例えば、粘稠液から
その中に含まれた気泡を除去する必要は通常、乾燥粉末
材料をベースの液体の流れの中に少しずつたらす製造工
程で発生する。粉末が空気を運び、この空気が粉末を液
体中に分散した後で泡を形成するからである。これらの
泡を除去しないと、その存在に起因して製品の密度が異
なってくるため問題が生じ得る。貯蔵タンクでの気泡の
除去は時間がかかる上に、連続流には使用できな９ い。サイクロン及び真空分離器のような公知の装置は高
価であり、しかも信頼性か余り高くない。

本発明の方法は、特定の波長の超音波エネルギに対する
固体粒子及び気泡の異なる反応を利用するため、これら
の問題を伴わずに容易に使用することができる。

別の例として、エンジンのベアリングには潤滑油及び冷
却剤という２つの機能を果たすものとして潤滑油が必要
とされることがある。その場合は、空気の同伴を制限し
ないとオイル流の冷却能が低下する。この場合は真空塔
を用いて空気を除去し得るが、この方法を使用するとオ
イルが泡立つため更に別の問題が生じ得る。本発明を使
用すれば、このような問題は生じない。

本発明の方法は必要であれば繰返し使用され、液体中の
泡の完全な除去を必要とするプロセス、例えば半導体チ
ップの製造中に使用される洗浄水からの気体の除去にも
適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一実施例を示す軸線方向断面図
、第２図及び第３図は第１図の装置の変形例を示す説明
図である。 ２・・・・・・トランスジューサセクション、４・・・
・・・セパレータセクション、６・・・・・・デイフユ
ーザセクション、２２・・・・・仕切り。 図面の浄書（内容に変更なし） 一一一一一ノ 特開平３−１９３１０５　（７）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）液体から気泡を除去するための装置であって、液
   体−気体混合物の容器と、該容器の周縁方向に作用して
   気泡を容器の周縁領域に移動させる放射圧を有するよう
   な音響エネルギ場を該容器内に発生させる手段と、移動
   した気泡を除去すべく前記周縁領域に具備された分離手
   段とを含む装置。
2. （２）連続流システムに含まれており、液体−気体混合
   物が前記容器の役割を果たす導管の中を流れるようにな
   っており、且つ分離手段が前記音響エネルギ場の少なく
   とも一部分の下流で前記周縁領域に具備されている請求
   項１に記載の装置。
3. （３）分離手段が、導管内で該導管の周縁壁から距離を
   おいて長手方向に延びている仕切りを含む請求項１又は
   ２に記載の装置。
4. （４）容器内の液体から気泡を除去するための方法であ
   って、音響エネルギ場を容器の内部に作用させて液中に
   容器の周縁方向の放射圧を発生させ、この放射圧によっ
   て気泡を周縁領域に動かし、この周縁領域で容器内の液
   体から気泡を分離することからなる方法。
5. （５）液体−気体混合物が前記容器の役割を果たす導管
   の中を流れるようにする請求項４に記載の方法。