JPH0647346A - 超音波発生源およびこれを用いた浮遊粒子収集装置 - Google Patents

超音波発生源およびこれを用いた浮遊粒子収集装置

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JPH0647346A
JPH0647346A JP24375392A JP24375392A JPH0647346A JP H0647346 A JPH0647346 A JP H0647346A JP 24375392 A JP24375392 A JP 24375392A JP 24375392 A JP24375392 A JP 24375392A JP H0647346 A JPH0647346 A JP H0647346A
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ultrasonic wave
ultrasonic
resonates
tube
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Hiroyuki Yamane
宏之 山根
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い集塵効果を実現できる高音圧の超音波を
発生させ、この超音波を用いて効率良く粉塵等の浮遊粒
子を除去する。 【構成】 浮遊粒子を含んだ流体が導入される中空な管
１と、この管１内に配置され、自身が固有周波数で共振
した際にその内部に形成される音場も共振状態となるよ
うにその寸法が定められた円筒形の振動板２と、この振
動板２を固有周波数で共振させて超音波を放射させる超
音波駆動源３とを設け、強力超音波により浮遊粒子を収
集する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高音圧の超音波を気体
中などに放射することの可能な超音波発生源に関し、さ
らに、この超音波発生源を用いて煙、油、ダスト、有害
ガス等の浮遊粒子を含んだ流体からこれら浮遊粒子のみ
を収集するための浮遊粒子収集装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来使用されている集塵装置には、粉塵
を重力作用により沈降させる重力式、各種衝突物に衝突
させる等して粉塵の慣性力により分離捕集する慣性力
式、粉塵に遠心力を与えて分離捕集する遠心力式、水
滴、水膜、気泡等により粉塵を捕集する洗浄式、フィル
ターに粉塵を付着させて分離捕集する濾過式、粉塵に電
荷を与えてこの静電力により吸着、捕集する電気式など
がある。
【０００３】しかしながら、上述した従来の集塵装置に
あっては、濾過式を除いていずれも大掛かりな装置を必
要とし、かつ、電気式のように高電圧を必要とすること
もあるために安全性を十分に確保する必要がある、とい
う問題があった。
【０００４】一方、濾過式の集塵装置にあっては、フィ
ルターのみならずこのフィルターに気体を導入する送風
機等を必要として集塵装置全体のコストが嵩む、という
問題があった。また、粒子径が小さい粉塵を捕集するに
は目の細かいフィルターを必要とし、このような目の細
かいフィルターは目詰りしやすいために頻繁に粉塵除
去、フィルター交換等の作業を行わなければならない。
しかも、目の細かいフィルターは空気抵抗が大きいた
め、上述の送風機に大容量のものを必要としてさらにコ
ストが嵩む結果となっていた。
【０００５】そこで、浮遊粒子に対して超音波を放射し
てこの浮遊粒子を励振し、これらを互いに凝集させて大
粒子にすることにより浮遊粒子を除去する超音波式集塵
装置（たとえば、特開昭５０−２５９２６号公報、特開
昭５０−３５７６６号公報、特開昭５０−１５５４７２
号公報）が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
超音波式集塵装置では、浮遊粒子に向けて放射される超
音波の音圧を十分に確保できる超音波源が実現されてい
なかったので、特開昭５０−２５９２６号公報、特開昭
５０−３５７６６号公報にも述べられているように、気
体中を進行する浮遊粒子に対して十分な凝集力を与える
ことが困難であり、これら公報に開示されているように
フィルター等他の集塵手段と併用して、詳細には他の集
塵手段の前処理工程としてしか使用されていなかった。
本出願人の実験結果によれば、気体中の浮遊粒子を凝集
する集塵効果を十分に得るためには、超音波の音圧は最
低150[dB]以上必要であるが、従来の超音波源は高々140
[dB]の音圧しか得られず、その集塵効果は不十分であっ
た。
【０００７】本発明の目的は、高い集塵効果を実現でき
る高音圧の超音波が発生可能な超音波発生源、およびこ
の超音波発生源を用いて効率良く粉塵等の浮遊粒子を除
去できる浮遊粒子除去装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１、図
７、図１０、図１１、図１６〜図１８に対応付けて説明
すると、請求項１の発明は、超音波を気体中などに放射
するための超音波発生源１０に適用され、そして、上述
の目的は、自身が固有周波数で共振した際にその内部に
形成される音場も共振状態となるようにその寸法が定め
られた円筒形の振動板２と、この振動板２を固有周波数
で共振させて超音波を放射させる超音波駆動源３とを備
えることにより達成される。超音波駆動源３により、振
動板２の周方向に曲げ振動が起るようにこの振動板２を
共振させることもできる。また、振動板２が外筒振動板
２とこの外筒振動板２の内部に配置された内筒振動板２
とを備えるときは、超音波駆動源３により、外筒振動板
２および内筒振動板２を一体に駆動する。また、請求項
４の発明は、自身が固有周波数で共振した際にその周囲
に形成される音場も共振状態となるようにその寸法が定
められた長方形状の振動板２０と、この振動板２０を固
有周波数で共振させて超音波を放射させる超音波駆動源
３とを備えることにより上述の目的を達成している。こ
の場合も、超音波駆動源３により、振動板２０の長手方
向に曲げ振動が起るようにこの振動板２０を共振させる
ことができる。さらに、請求項６の発明は、浮遊粒子を
含んだ流体が導入される中空な管１と、この管１の中に
配置され、自身が固有周波数で共振した際にその内部に
形成される音場も共振状態となるようにその寸法が定め
られた円筒形の振動板２と、この振動板２を固有周波数
で共振させて超音波を放射させる超音波駆動源３とを備
えた浮遊粒子収集装置を構成することにより、上述の目
的を達成している。管１を円筒形に形成した場合、振動
板２は管１の中に同心円状に配置され、あるいは、振動
板２の軸線が管１の軸線に対して所定角度で交わるよう
に配置される。振動板２の軸線を斜めに配置した場合
は、管３０の略接線方向に沿って流体を導入する回転導
入手段３５、３６を設けてもよいし、管３０の両端３０
ａ、３０ｂを略閉塞状態にし、あるいは、管３０の軸線
Ａが上下方向に延在するようにしてもよい。振動板２の
上流および下流のうち少なくとも一方に、前記流体から
前記浮遊粒子を分離する分離タンク４１を配置してもよ
く、この分離タンク４７に、比重差に応じて分離タンク
４７から特定の流体を取り出す回収手段４８を設けても
よい。また、吸着物質供給手段４４により、浮遊粒子を
吸着する吸着物質４２を振動板２の上流から流体内に供
給してもよい。そして、請求項１７の発明は、浮遊粒子
を含んだ流体が導入される中空な管１と、この管１の中
に配置され、自身が固有周波数で共振した際にその内部
に形成される音場も共振状態となるようにその寸法が定
められた長方形状の振動板２０と、この振動板２０を前
記固有周波数で共振させて超音波を放射させる超音波駆
動源３とを備えた浮遊粒子収集装置を構成することによ
り、上述の目的を達成している。
【０００９】
【作用】
−請求項１、４− 超音波駆動源３により振動板２、２０を共振させ、さら
にこの振動板２、２０の内部あるいは周囲に形成される
音場を共振状態にしているので、振動板２、２０から放
射される超音波の音圧は、振動板のみの共振を考慮した
従来の振動板から放射される音圧に比較して格段に向上
する。 −請求項６、１７− 超音波駆動源３により駆動された振動板２からは、従来
の超音波源では放射し得なかった高音圧を有する超音波
が放射され、その周囲にある流体およびこれに含まれる
浮遊粒子を励振する。励振された浮遊粒子は互いに衝
突、凝集してより大きな浮遊粒子の集合体を形成し、重
力等の作用により収集される。
【００１０】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。
【００１１】
【実施例】
−第１実施例− 図１(ａ)は、本発明による超音波発生源の一実施例を示
す側面図、同図(ｂ)はジェネレータの詳細を示す回路図
である。この図において、１０は本実施例に係る超音波
発生源、２は円筒形の振動板である。３は超音波振動を
発生する超音波振動子（ドライバー）、４はこの超音波
振動子からの超音波振動を振動板２に伝達するホーンで
あり、このホーン４の先端は振動板２の側面にねじ止め
されている。
【００１２】これら超音波振動子３およびホーン４は、
振動板２の有する固有周波数（共振周波数）でこの振動
板２を駆動し、振動板２の周方向に曲げ振動が優勢に起
るようにこの振動板２を共振させて固有周波数（共振周
波数）の超音波を放射させる。加えて、振動板２は、放
射された超音波によりこの振動板２内に形成される音場
が共振状態となるようにその寸法、材質、形状等が定め
られている。したがって、この観点からホーン４の形状
・材質、振動板２の形状・材質およびホーン４のねじ止
め位置等が定められている（詳細は後述）。なお、本実
施例では、振動板２、ホーン４ともに疲労強度が大き
く、損失の少ないアルミニウム合金（ジュラルミンな
ど）やチタン合金で形成されている。
【００１３】ここで、曲げ振動とは、弾性体の板が伸縮
の生じない面を持ち、かつ、その面が屈曲するように変
形する振動をいい、たわみ振動とも呼ばれる。曲げ振動
は、曲げ波が一定方向に伝播することにより生じ、本実
施例では、この曲げ波が振動板２の周方向に伝播する。
曲げ波は、棒状や板状などの弾性体に生じる曲げの変形
が伝わる波であり、板状の物体では面と垂直な方向に変
位が生じる横波の一種である。図２に、振動板２に励起
された曲げ振動、曲げ波を模式的に表したものを示す。
【００１４】振動板２の周方向に曲げ振動が優勢に起る
ようにこの振動板２を共振させる条件は、次式により与
えられる。
【数１】 ここに、 fm：共振周波数 ｒ：振動板の半径 ｈ：振動板の肉厚 ｍ：振動モードの次
数 Ｅ：振動板の材質のヤング率 ρ：振動板の材質の
密度 である。
【００１５】また、振動板２内に形成される音場が共振
状態となる条件は、本発明者の研究結果によれば、次式
で与えられる。
【数２】 但し、fmsは共振周波数、βmsはベッセル（Bessel）関
数を用いた漸化式の根、ｃは音速である。加えて、音場
共振条件を満足するための振動板の全長は別の式により
与えられる。したがって、共振周波数fm＝fmsを定めれ
ば、(１)、(２)式および振動板の全長を規定する別式を
用いて、内部に形成される音場が共振状態となる振動板
２の寸法（半径ｒ、肉厚ｈ、全長）が定められる。
【００１６】本発明者による数値計算の結果、これら３
つの式をともに満足する振動板２の寸法は、一例として
図３に示すような組合せである。本発明者は、図３に示
す寸法の振動板２について超音波放射実験を行ったとこ
ろ、従来の超音波源では得られなかった160[dB]以上の
音圧を発生できることを確認した。また、上述の(１)式
のみを満足する寸法の振動子２について超音波放射実験
を行ったところ、高々140[dB]程度の音圧しか発生でき
ないことも確認している。参考までに、音圧レベルと粒
子速度の実効値との関係を図４に示す。
【００１７】図１に戻って、５は超音波振動子３を駆動
するジェネレータであり、振動板２が予め定められた共
振周波数で振動するように超音波振動子３を駆動する。
この際、ホーン４、振動板２に与えられた振動エネルギ
ーの一部は熱エネルギーに変換され、これらホーン４等
が熱膨張して形状変化が生じ、超音波の周波数変動を招
くおそれがあるので、ジェネレータ５はホーン４から振
動周波数をフィードバックしてこれを一定範囲内に収め
る周波数制御機能を備えている。
【００１８】すなわち、図１(ｂ)に示すように、ホーン
４には振動センサ１１が設けられ、この振動センサ１１
からはホーン４の振動周波数に比例する電圧信号が出力
される。センサ１１からの信号と、ジェネレータ５内に
設けられた基準電圧発生器１２からの基準電圧との偏差
は偏差器１５ａで求められる。この偏差電圧は、減算器
１５ｂで駆動電圧発生器１３からの駆動電圧から減算さ
れ、この減算された駆動電圧により電圧制御発振器１４
が駆動されて超音波振動子３駆動用の信号が出力され
る。このように、ホーン４の振動周波数がフィードバッ
クされ、この振動周波数と基準電圧発生器１２から出力
される基準電圧に対応する周波数との差分が小さくなる
ように電圧制御発振器１４が発振されて振動周波数が一
定範囲内に収められる。なお、本実施例では、振動板２
から放射される超音波の周波数は20[kHz]±500[Hz]とし
た。６はアンプであり、ジェネレータ５からの駆動信号
を増幅する。アンプ６の出力は振動板２の大きさとの関
係で定まり、本実施例ではおよそ500[W]〜1000[W]程度
の出力である。
【００１９】以上のような構成において、ジェネレータ
５、アンプ６を介して超音波振動子３を駆動すると、振
動子３で発生された超音波振動がホーン４を介して振動
板２に伝達され、振動板２の周方向に曲げ振動が優勢に
起るようにこの振動板２が共振し、振動板２近傍の気体
がこの振動板２により加速されて超音波が放射される。
加えて、振動板２から放射された超音波によりこの振動
板２内に形成される音場が共振状態となる。
【００２０】この際、本実施例では振動板２が円筒形に
形成されているので、この振動板２による超音波音場
は、振動板２の軸線に直交する平面上において図５(ａ)
に示すようなものになり、振動板２の内部では中心に集
中する音場が形成される。また、振動板２の軸線に沿っ
た平面上における超音波音場は図６に示すようなものに
なり、軸線Ａに沿った部分では図６に示すように振動板
２から図中左右に広がる超音波振幅分布および音圧分布
が得られる。したがって、振動板２の内部に気体などの
超音波伝播媒質があれば、この媒質は軸線Ａに沿って左
右に加速され、超音波風が生じる。この超音波風は、音
圧160[dB]時において約７[m/sec]程度の音速である。ま
た、振動板２の軸線Ａに沿う気流が一旦この振動板２内
を通過すれば、この気流をきっかけとして超音波風はこ
の気流に沿った方向にのみ流れ、きっかけとなる気流が
止んでも超音波風が一方向にのみ流れ続けることが確認
されている。あるいは、フィンなどにより超音波風の風
圧が局所的に大きくなる箇所を設ければ、気流などによ
るきっかけを設けずに超音波風を一方向に流すことが可
能である。
【００２１】従って、本実施例によれば、超音波振動子
３およびホーン４により円筒形の振動板２を共振させ、
さらにこの振動板２の内部に形成される音場を共振状態
にしているので、従来の超音波源ではなし得なかった高
音圧の超音波を発生させることができる。円筒形の振動
板を、その材質、寸法、形状で定まる固有周波数で共振
させて超音波を放射する超音波源はすでに提案されてい
るが（たとえば特公昭５７−７７９１号公報）、このよ
うな超音波源から放射される超音波の音圧は集塵効果を
十分に得られるほど高くない。本発明では、振動板２の
みならずこの振動板２内に形成される音場まで共振状態
におかれるので、振動板２から放射される超音波の音圧
は従来のそれに比較して格段に向上し、上述のごとく本
発明者の実験結果によれば、160[dB]以上の音圧を実現
することができる。なお、本実施例と請求の範囲との対
応において、超音波振動子３、ホーン４は一体となって
超音波駆動源を構成している。
【００２２】−第２実施例− 図７は、上述の第１実施例に示す超音波発生源を用いた
集塵装置の一実施例を示す断面図、図８は同斜視図であ
る。なお、以下の説明において、上述の各実施例と同様
な構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡
略化する。
【００２３】これらの図において、１は防音カバーを兼
ねた円筒形の中空ダクトであり、このダクト１内には、
たとえば送風機などにより図８に示す方向に気流Ｗが形
成されている。ダクト１には、例えば内燃機関、焼却炉
等からの排気、溶接機からのヒューム、あるいは外気等
が導入され、広い意味での浮遊粒子を含む気体が導入さ
れる。上述の超音波発生源１０は、その振動板２がダク
ト１に対して同心円状となるようにこのダクト１内に配
置されている。
【００２４】なお、本実施例ではホーン４がダクト１を
貫通して設けられているが、このダクト１の貫通点は、
ホーン４からの振動エネルギーと振動板２からの振動エ
ネルギーとがちょうど釣り合う点とされており、互いに
振動を打ち消し合うことによりホーン４からの振動がダ
クト１に伝達されないように構成されている。
【００２５】以上のような構成において、ジェネレータ
５、アンプ６を介して超音波振動子３を駆動した状態
で、ダクト１内に浮遊粒子を含む気体を導入すると、振
動子３で発生された超音波振動がホーン４を介して振動
板２に伝達され、振動板２の周方向に曲げ振動が優勢に
起るようにこの振動板２が共振し、振動板２近傍の気体
がこの振動板２により加速されて超音波が放射される。
加えて、振動板２から放射された超音波によりこの振動
板２内に形成される音場が共振状態となる。
【００２６】この際、本実施例では振動板２が円筒形に
形成され、この外方に同心円状のダクト１が配置されて
いるので、この振動板２による超音波音場は、振動板２
の軸線に直交する平面上において図５(ｂ)に示すような
ものになり、振動板２とダクト１との間では均一音圧、
振動板２内方では中心に集中する音場が形成される。
【００２７】従って、振動板２から放射される超音波に
よりダクト１内を流通する浮遊粒子が励振され、超音波
の振動方向に沿って振動する。この際、超音波の音速は
空気中で約340[m/sec]であるのに対し、ダクト１内部の
気体の流速は3〜10[m/sec]程度であるから、振動板２近
傍の浮遊粒子は、気体の流速に影響されることなく音速
に近い速度で振動されるものと考えられる。そして、こ
れら浮遊粒子が超音波の音速に近い速度で振動し、これ
ら粒子どうしが互いに衝突、凝集してより大きな粒子の
集合体を形成することにより集塵が行われる。特に、浮
遊粒子は、超音波の振幅分布（図６参照）、すなわち超
音波により与えられる粒子速度に応じて凝集される傾向
にあるので、凝集された浮遊粒子集合体１１は図９に示
すように超音波の波長に対応した間隔でダクト１の内壁
に付着する。なお、本発明者の実験結果によれば、超音
波振動板２から放射される超音波の音圧が160[dB]以上
と高いため、図９に示すように超音波発生源１０の上流
において集塵がほとんど行われ、超音波発生源１０の下
流ではダクト１の内壁に付着する粒子はほとんどなかっ
た。
【００２８】従って、本実施例によれば、従来なし得な
かった、たとえば160[dB]以上の高音圧を有する超音波
を超音波発生源１０から放射し、この超音波により気体
中の浮遊粒子を励振してこの浮遊粒子を高速（超音波の
音速）で飛行させ、浮遊粒子どうしを互いに凝集させて
浮遊粒子の集塵を行っているので、粒子どうしの凝集、
すなわち集塵がきわめて効率良く行われる。このため、
従来の超音波式集塵装置と異なり、本実施例の装置単体
で十分な集塵効果が得られ、後段にフィルター等の他の
集塵手段を設ける必要がなくなる。これにより、超音波
式集塵装置の有する有利な点を享受することが初めて可
能となる。すなわち、超音波による集塵は大掛かりな装
置も必要とせず、かつ、フィルターを用いた集塵装置の
ように頻繁に掃除、手入れをする必要もないため、経済
効率に優れている。さらに、電気式のように高電圧が露
出する部分もなく、安全性の面からも優れた集塵であ
る。
【００２９】また、図５に示すように、音圧の最も集中
する振動板２の中心部はダクト１内の風速が最も大きい
箇所であるため、この面からも効率の良い集塵を行うこ
とができる。さらに、振動板２自体はフィルターに比較
して空気抵抗が格段に小さいため、たとえば溶接ヒュー
ムにより上昇気流が形成されている場合のように、ダク
ト１内の気流が自然に流れていれば送風機等を別途用い
ることなく集塵を行うことができ、この面からも経済効
率に優れている。加えて、ダクト１内を一方向に気流が
流れていれば、上述のごとくその後送風が停止しても振
動板２からの超音波風により同一方向に気流が形成され
るため、究極的には一方向に一度でも気流を発生させる
手段さえあれば送風機等は不要である。
【００３０】なお、本実施例の集塵装置は、浮遊粉塵を
衝突・凝集させて集塵を行っているので、浮遊粒子の数
が多いほど集塵を短時間に行える。そこで、集塵装置の
上流に噴霧器等を配置して水、溶剤等の粒子を気体中に
混合して迅速な集塵を図ることもできる。この場合、溶
剤は目的の浮遊粉塵に対して親和性のある物質であるこ
とが好ましい。さらに、粉塵のみならずガス、匂い物質
等を水、溶剤等の粒子で吸着し、この粒子を集塵するこ
とにより脱臭、溶剤回収、ガス回収等も行うことができ
る（詳細は第５実施例で詳述）。ここで、本実施例と請
求の範囲との対応において、ダクト１は管を構成してい
る。
【００３１】−第２実施例の変形例− 上述の第２実施例では超音波振動子３、ホーン４に対し
て振動板２を１枚配置していたが、振動板２の配置枚数
に限定はなく、例えば図１０に示すように、ダクト１内
に振動板２を同心円状に２枚配置してもよい。このよう
に、振動板２の枚数を増加させると、これら振動板２の
間の音圧が均一になる、という利点がある。ここに、２
枚の振動板２はそれぞれ外筒振動板および内筒振動板を
それぞれ構成している。
【００３２】−第３実施例− 図１１は、本発明による集塵装置の一実施例を示す側面
図である。本実施例と上述の一実施例との相違点は、振
動板の形状にある。すなわち、本実施例では、振動板２
０が長方形状に形成され、長手方向の中心線がダクト１
の軸線に略一致するようにこのダクト１内に配置されて
いる。
【００３３】また、本実施例においては、超音波振動子
３およびホーン４は、振動板２０の有する固有周波数
（共振周波数）でこの振動板２０を駆動し、振動板２０
の長手方向に曲げ振動が優勢に起るようにこの振動板２
０を共振させて固有周波数（共振周波数）の超音波を放
射させる。加えて、振動板２０は、放射された超音波に
よりダクト１内に形成される音場が共振状態となるよう
にその寸法、材質、形状等が定められている。したがっ
て、この観点からホーン４の形状・材質、振動板２０の
形状・材質およびホーン４のねじ止め位置等が定められ
ている。一例として振動板２０の寸法を図１４に示す。
【００３４】振動板２０からの放射超音波の角度依存性
は図１３に示すとおりである。従って、本実施例の集塵
装置では、図１５に示すように、凝集された浮遊粉塵は
前後、斜め左右の４箇所に集塵されるので、この箇所に
集塵トレー２１を用意しておけばよい。従って、本実施
例によっても、上述の一実施例と同様の作用効果を得る
ことができる。
【００３５】−第４実施例− 図１６は、上述の第１実施例に示す超音波発生源を用い
た集塵装置の他の実施例を示す斜視図である。図におい
て、３０は竪形円筒形に形成され、上端３０ａのみが閉
鎖された集塵装置本体であり、開口された下端３０ｂに
は円板状の反射板３１が支持具３２を介して吊持されて
いる。本体３０の下部には、下方に向かうにしたがって
先細りになる円錐状のガイド筒３３が取り付けられ、こ
のガイド筒３３の下端には集塵トレー３４が設けられて
いる。
【００３６】本体３０の下部、上部のそれぞれには、こ
の本体３０内に集塵すべき気体を導入しあるいは本体３
０内の気体を排出する給気ダクトおよび排気ダクト３
５、３６がそれぞれ設けられている。これら給気ダクト
３５および排気ダクト３６は、それぞれ本体３０の軸線
Ａに対して近付き、および離れる方向に回転する螺旋状
に形成されている。したがって、給気ダクト３５から本
体３０内に気体が導入されると、この気体は図中実線で
示すような方向で激しく回転しつつ上昇し、この回転運
動を保ったまま排気ダクト３６から排出される。つま
り、これらダクト３５、３６および本体３０により遠心
式集塵装置の一種であるサイクロンが構成される。
【００３７】本体３０の上部には、上述の第１実施例に
示す超音波発生源１０が排気ダクト３６の若干下方に配
置されている。この超音波発生源１０は、その振動板２
の軸線が本体３０の軸線Ａに対して所定の角度をもって
交わるように配置されている。これは、上述のように超
音波発生源１０により超音波が放射されると振動板２の
軸線に沿って超音波風が発生するため、この風を本体３
０の内壁に衝突させてこの本体３０内に強制的に回転流
を生じさせるためである。したがって、本体３０の容量
にもよるが、送風機などにより給気ダクト３５から本体
３０内に強制的に送風する必要はない。超音波発生源１
０により発生される回転流の方向は、給気ダクト３５、
排気ダクト３６により実現される回転流の方向と等しい
必要はなく、逆に、これら双方の回転方向が逆であると
気体が本体３０内で激しく攪拌され、後述の集塵効果が
より高まる。３７は、超音波発生源１０の若干下方に配
置され、本体３０の内壁に沿って周方向に設けられた散
水ノズルであり、これら散水ノズル３７には不図示の給
水管を介して水が供給される。
【００３８】以上のような構成において、ジェネレータ
５、アンプ６を介して超音波振動子３を駆動した状態
で、給気ダクト３５を介して本体３０内に浮遊粒子を含
む気体を導入すると、振動子３で発生された超音波振動
がホーン４を介して振動板２に伝達され、振動板２の周
方向に曲げ振動が優勢に起るようにこの振動板２が共振
し、振動板２近傍の気体がこの振動板２により加速され
て超音波が放射される。加えて、振動板２から放射され
た超音波によりこの振動板２内に形成される音場は共振
状態となる。特に、本実施例では、本体３０の上端３０
ａが閉塞され、下端３０ｂには反射板３１が配置されて
おり、これら本体３０の両端はほぼ閉塞状態にあるた
め、これら両端が開口されている場合に比して本体３０
内部の音圧が高くなる。
【００３９】従って、振動板２から放射される超音波に
より本体３０内を回転運動しながら浮上する浮遊粒子が
励振され、これら粒子どうしが互いに衝突、凝集してよ
り大きな粒子の集合体を形成する。この粒子集合体は、
本体３０内部で生起された回転運動にしたがって回転
し、その遠心力により本体３０の内壁に付着する。そし
て、浮遊粒子がある程度付着した段階で、散水ノズル３
７により内壁を洗い流せば、この浮遊粒子は本体３０の
内壁およびガイド筒３３内壁を伝って集塵トレー３４に
集められる。このようにして集塵作業が行われる。
【００４０】したがって、本実施例によっても、上述の
各実施例と同様の作用、効果を得ることができる。特
に、本実施例によれば、ダクト３５、３６により浮遊粒
子に与えられる遠心力とあいまって効率のよい集塵が行
え、さらに本体３０の両端がほぼ閉塞状態にあることか
ら、本体３０内の超音波の音圧をさらに高めることがで
き、超音波による集塵効果を更に高めることができる。
また、本体３０が竪形に構成されているので、この本体
３０内壁に付着した浮遊粒子の集合体を洗い流す等の除
去作業が容易である。なお、本実施例と請求の範囲との
対応において、本体３０は管を、給気ダクト３５および
排気ダクト３６は回転導入手段をそれぞれ構成してい
る。
【００４１】−第５実施例− 図１７は、本発明による液体中の浮遊粒子収集装置の一
実施例を示す斜視図である。この図において、４０は円
筒形の中空管路であり、この管路４０内には不図示の液
体ポンプなどにより、図１７に示す方向Ｗに沿って臭い
粒子、ガスなど広い意味での浮遊粒子を含む液体が導入
される。ここにおける浮遊粒子は、活性炭などの吸着物
質による化学的、物理的吸着により除去されうるもので
ある。上述の超音波発生源１０は、その振動板２が管路
４０に対して同心円状となるようにこの管路４０内に配
置されている。
【００４２】４１は、超音波発生源１０下流の管路４０
に介装された集塵ボックスであり、この集塵ボックス４
１は下方に向かうに従って先細りとなるようにその断面
形状が形成されている。集塵ボックス４１の下部にはス
ラッジ状の活性炭４２が沈殿しており、この活性炭４２
は、モータ４３で回転駆動されるスクリューコンベア４
４によりリターン管路４５内に導入され、超音波発生源
１０上流の管路４０内に戻される。
【００４３】以上のような構成において、ジェネレータ
５、アンプ６を介して超音波振動子３を駆動した状態
で、管路４０内に浮遊粒子を含む液体を導入すると、振
動子３で発生された超音波振動がホーン４を介して振動
板２に伝達され、振動板２の周方向に曲げ振動が優勢に
起るようにこの振動板２が共振し、振動板２近傍の液体
がこの振動板２により加速されて超音波が放射される。
加えて、振動板２から放射された超音波によりこの振動
板２内に形成される音場は共振状態となる。
【００４４】従って、振動板２から放射される超音波に
より管路４０内を流通する浮遊粒子は、活性炭４２と臭
い粒子等との衝突によりこの粒子が活性炭４２に吸着さ
れた状態で活性炭４２どうしが凝集して集合体４６（図
９の符号１１に相当する）を形成する。この浮遊粒子集
合体４６は、管路４０内を流通する液体とともに下流に
流れ、集塵ボックス４１内に至った段階で流速が急激に
低下することによりその比重にしたがって沈降し、この
集塵ボックス４１内で沈殿する。このようにして集塵作
業、あるいは臭い粒子等の除去作業が行われる。
【００４５】従って、本実施例によれば、従来なし得な
かった高音圧を有する超音波を超音波発生源１０から放
射し、この超音波により液体中の浮遊粒子どうしを互い
に凝集させて浮遊粒子の集塵、除去を行っているので、
粒子どうしの凝集、すなわち集塵がきわめて効率良く行
われる。よって、本実施例によっても、上述の各実施例
と同様の作用効果を得ることができる。
【００４６】特に、本実施例では臭い粒子等の除去を活
性炭を用いて行っており、活性炭はその粒子径が小さい
ほど吸着能力が優れているが、あまり粒子径が小さいと
活性炭自体が浮遊粉塵となってしまう、という問題があ
った。しかしながら、本実施例によれば、浮遊粉塵化し
た微粒子の活性炭であってもこれを効率よく液体から分
離することができるため、従来適用が困難であった微粒
子の活性炭が使用可能となり、吸着性能を飛躍的に向上
することができる、という優れた効果を奏することがで
きる。なお、集塵ボックス４１は振動板２の下流のみな
らず、上流に設けてもよく、上流、下流の双方に設けて
もよい。ここに、管路４０は管を、集塵ボックス４１は
分離タンクを、活性炭４２は吸着物質を、スクリューコ
ンベア４４およびリターン管路４５は吸着物質供給手段
をそれぞれ構成している。
【００４７】−第５実施例の変形例− 上述の第５実施例に示す浮遊粒子収集装置は、粉塵や臭
い粒子除去のみならず、油水分離など比重の異なる液体
を分離する工程にも用いることができる。これら液体の
粒子は、互いに凝集して集合体を形成し、その比重に応
じて分離される。この場合、図１８に示すように、超音
波発生源１０の下流に大型のタンク４７を形成し、比重
に応じて取り付け高さの異なる液体排出管４８をタンク
４７に設ければよい。管路４０の径を10[cm]、タンク４
７の径を２［m］とすれば、管路４０内を流速10[m/sec]
で流れてきた液体は、タンク４７内を2.5[cm/sec]とい
う十分遅い速度で沈降するので、このタンク４７内にお
いて十分な液体分離作業が行われる。ここに、タンク４
７は分離タンクを、液体排出管４８は回収手段をそれぞ
れ構成している。
【００４８】なお、上述した音場振動条件を与える各式
を用いることなく、他の式により、あるいは、理論式に
とらわれずにいわゆるトライアンドエラー方式により上
述した振動板共振および音場共振の条件を満足する振動
板等の諸寸法を求めることも、本発明の範囲内のもので
ある。また、本発明の超音波発生源、浮遊粒子収集装置
は、その細部が上述の各実施例に限定されず、種々の変
形が可能である。一例として、本発明の浮遊粒子収集装
置は単体で使用されるのみならず、たとえば気体の集塵
を行う場合は、集塵装置の下流（たとえば集塵トレーが
配置される箇所）に本出願人等が既に提案した静電式集
塵装置（実願平３−67262号参照）等を配置して凝集し
た粉塵の完全な回収を図ってもよい。また、本発明の浮
遊粒子収集装置は、煙突や空調用ダクトに付設されるの
みならず、自動車等の排気管やエンジンのエアクリーナ
部といった小規模なものにも適用可能である。加えて、
気体中を浮遊する液体粒子、たとえば霧などの除去も可
能である。さらに、上述の各実施例ではダクト、集塵装
置本体、管路などが円筒形に形成されていたが、これに
限らず、断面多角形、断面矩形の中空筒状ダクト等であ
っても本発明が適用可能である。
【００４９】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、超音波駆動源により振動板を共振させ、さらにこ
の振動板の内部あるいは周囲に形成される音場を共振状
態にしているので、振動板から放射される超音波の音圧
は従来の振動板の共振のみを考慮した振動板から放射さ
れる超音波の音圧に比較して格段に向上し、たとえば、
140[dB]程度の音圧を発生し得る寸法、形状を備えた従
来の超音波源に対して、上述したいわゆる音場共振条件
を考慮して設計することにより、160[dB]以上の音圧を
有する超音波を放射することができる。そして、このよ
うな160[dB]以上の高音圧を有する超音波を超音波発生
源から放射してこの超音波により気体中の浮遊粒子を励
振し、浮遊粒子どうしを互いに凝集させて浮遊粒子の集
塵を行っているので、粒子どうしの凝集、すなわち集塵
がきわめて効率良く行われる。このため、従来の超音波
式集塵装置と異なり、本実施例の装置単体で十分な集塵
効果が得られ、後段にフィルター等の他の集塵手段を設
ける必要がなくなる。これにより、超音波式集塵装置の
有する有利な点を享受することが初めて可能となる。す
なわち、超音波による集塵は大掛かりな装置も必要とせ
ず、かつ、フィルターを用いた集塵装置のように頻繁に
掃除、手入れをする必要もないため、経済効率に優れて
いる。さらに、電気式のように高電圧が露出する部分も
なく、安全性の面からも優れた集塵である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である超音波発生源を示す
側面図である。
【図２】第１実施例の振動板の振動モードと変位分布を
示す図である。
【図３】第１実施例の振動板の寸法の一例を示す図であ
る。
【図４】音圧と粒子速度の実効値との関係を示す図であ
る。
【図５】第１実施例の振動板による超音波音場を示す側
面図である。
【図６】第１実施例の振動板による超音波振幅分布およ
び音圧分布を示す図である。
【図７】本発明の第２実施例である超音波発生源を用い
た集塵装置を示す断面図である。
【図８】同斜視図である。
【図９】本実施例の集塵装置による集塵状態を示す模式
図である。
【図１０】第２実施例の変形例を示す側面図である。
【図１１】本発明の第３実施例である超音波を用いた集
塵装置を示す側面図である。
【図１２】第３実施例の振動板の振動モードと変位分布
を示す図である。
【図１３】第３実施例の振動板の超音波音場の角度依存
性を示す図である。
【図１４】第３実施例の振動板の寸法の一例を示す図で
ある。
【図１５】第３実施例の集塵トレーの位置を示す図であ
る。
【図１６】第４実施例の集塵装置を示す斜視図である。
【図１７】第５実施例の浮遊粒子収集装置を示す斜視図
である。
【図１８】第５実施例の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
Ａ 軸線 １ ダクト ２、２０ 振動板 ３ 超音波振動子 ４ ホーン １０ 超音波発生源 １１、４６ 浮遊粒子集合体 ２１ 集塵トレー ３０ 集塵装置本体 ３５ 給気ダクト ３６ 排気ダクト ４０ 管路 ４１ 集塵ボックス ４２ 活性炭 ４４ スクリューコンベア ４５ リターン管路 ４７ タンク ４８ 排出管

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 自身が固有周波数で共振した際にその内
    部に形成される音場も共振状態となるようにその寸法が
    定められた円筒形の振動板と、 前記振動板を前記固有周波数で共振させてこの振動板か
    ら超音波を放射させる超音波駆動源とを備えたことを特
    徴とする超音波発生源。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の超音波発生源におい
    て、 前記超音波駆動源は、前記振動板をその周方向に曲げ振
    動が起るように共振させることを特徴とする超音波発生
    源。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の超音波発生源
    において、 前記振動板は、外筒振動板とこの外筒振動板の内部に配
    置された内筒振動板とを備え、 前記超音波駆動源は、前記外筒振動板および内筒振動板
    を一体に駆動することを特徴とする超音波発生源。
  4. 【請求項４】 自身が固有周波数で共振した際にその周
    囲に形成される音場も共振状態となるようにその寸法が
    定められた長方形状の振動板と、 前記振動板を前記固有周波数で共振させてこの振動板か
    ら超音波を放射させる超音波駆動源とを備えたことを特
    徴とする超音波発生源。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の超音波発生源におい
    て、 前記超音波駆動源は、前記振動板をその長手方向に曲げ
    振動が起るように共振させることを特徴とする超音波発
    生源。
  6. 【請求項６】 浮遊粒子を含んだ流体が導入される中空
    な管と、 この管内に配置され、自身が固有周波数で共振した際に
    その内部に形成される音場も共振状態となるようにその
    寸法が定められた円筒形の振動板と、 前記振動板を前記固有周波数で共振させてこの振動板か
    ら超音波を放射させる超音波駆動源とを備えたことを特
    徴とする超音波発生源を用いた浮遊粒子収集装置。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の浮遊粒子収集装置にお
    いて、 前記超音波駆動源は、前記振動板をその周方向に曲げ振
    動が起るように共振させることを特徴とする浮遊粒子収
    集装置。
  8. 【請求項８】 請求項６または７に記載の浮遊粒子収集
    装置において、 前記管は円筒形に形成されていることを特徴とする浮遊
    粒子収集装置。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載の浮遊粒子集塵装置にお
    いて、 前記振動板は前記管内に同心円状に配置されていること
    を特徴とする浮遊粒子収集装置。
  10. 【請求項１０】 請求項８に記載の浮遊粒子収集装置に
    おいて、 前記振動板は、その軸線が前記管の軸線に対して所定角
    度で交わるようにこの管内に配置されていることを特徴
    とする浮遊粒子収集装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の浮遊粒子収集装置
    において、 前記管の略接線方向に沿って前記流体を前記管内に導入
    する回転導入手段を備えていることを特徴とする浮遊粒
    子収集装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の浮遊粒子収集装置
    において、 前記管の両端は略閉塞状態にあることを特徴とする浮遊
    粒子収集装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１１または１２に記載の浮遊粒
    子収集装置において、 前記管はその軸線が上下方向に延在するように配置され
    ていることを特徴とする浮遊粒子集塵装置。
  14. 【請求項１４】 請求項６に記載の浮遊粒子収集装置に
    おいて、 前記振動板の上流および下流のうち少なくとも一方に配
    置され、前記流体から前記浮遊粒子を分離する分離タン
    クを備えたことを特徴とする浮遊粒子収集装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の浮遊粒子収集装置
    において、 前記分離タンクにはその比重差に応じてこの分離タンク
    から特定の流体を取り出す回収手段が設けられているこ
    とを特徴とする浮遊粒子収集装置。
  16. 【請求項１６】 請求項６に記載の浮遊粒子収集装置に
    おいて、 前記浮遊粒子を吸着する吸着物質を前記振動板の上流か
    ら前記流体内に供給する吸着物質供給手段を備えたこと
    を特徴とする浮遊粒子収集装置。
  17. 【請求項１７】 浮遊粒子を含んだ流体が導入される中
    空な管と、 この管内に配置され、自身が固有周波数で共振した際に
    その周囲に形成される音場も共振状態となるようにその
    寸法が定められた長方形状の振動板と、 前記振動板を前記固有周波数で共振させてこの振動板か
    ら超音波を放射させる超音波駆動源とを備えたことを特
    徴とする超音波発生源を用いた浮遊粒子収集装置。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載の浮遊粒子収集装置
    において、 前記超音波駆動源は、前記振動板をその長手方向に曲げ
    振動が起るように共振させてこの振動板から超音波を放
    射させることを特徴とする超音波発生源を用いた浮遊粒
    子収集装置。
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