JPS61220786A - 音波による液体浄化装置 - 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】 （イ）発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明は音波による液体浄化装置に関するものであり
、飲料水や工業用水の水質の汚濁改善及びその他の液体
の液質改善に用いられる。

〔従来の技４Ｉ／Ｉ］ 我が国における水質汚濁の現状をみると、カドミウム、
シアン、アルキル水銀等の有害物質に対しては排水規制
の強化が反映して、かなりの改善がみられてきたが、生
活環境の保全に関係する河川、湖沼、等については、か
なり深刻な問題となっているのが現状である。すなわち
、これを河川、湖沼における有機汚濁の水質指標である
ＢＯＤ。

ＣＯＤに関する環境基準に対する達成率でみてみると、
河川が６５４３％、湖沼が４１．７％と依然として低い
水準にある。海洋についても、東京溝や伊勢溝等のよう
に大きな汚染源がある閉鎖性水域においては、依然とし
て低い水準にあるのが現実である。また、水道水につい
ても、人間の飲用に供されることから、安全であること
はもとより、異常な匂いがあっては飲用に適さないので
、水道水をつくる水道原水は可能な限り清浄なものを必
要とするが、水道原水となる河川や湖沼が汚染されてい
ることから、良質な水道原水が得にく７Ｓａう１、Ｔい
る。特に、近年、天然湖沼や貯水池における富栄養化に
よって、藻類が異常に繁殖することに起因して、異臭味
水の被害が生じている。

また、工業用水では一般に薬品沈澱により水質処理をお
こなっているが、これはコロイド状汚濁物質の除去にと
どまるものであり、溶解した無機物や有機物等を十分除
去することが困難である。また、海洋汚染による漁業被
害についても、油濁、赤潮等の発生による水産生物の死
滅や成育不良または成育不能等の被害がでている。これ
らの問題を打開するためには、水質を清浄化する有効な
新しい技術が必要である。

従来、水質改善や液質改善のために、水中や液中から汚
濁物質を除去するための技術としては、前記の如き薬品
沈澱等の化学的方法や、濾過等の物理的方法がある。

［発明が解決しようとする問題点］ しかるにこれら化学的、物理的方法は装置が大型化し、
かつ交換サイクルも短く、高価なものになっている。

こｑは上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、
化学的薬品を必要とせず、簡単な装置で、容易かつ確実
に水中若しくは液中の汚濁物資を除去することができ、
目づまり等による部品の変換の必要もない液体浄化装置
を提供することを目的とするものである。

（ロ）発明の構成 ［問題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明の音波による液体浄化装
置は、被処理液体を収容する容器内に音波を放射し得る
振動子と前記音波を反射し得る反射板を対向してかつ相
対間隔可変に配設し、かつ前記振動子と前記反射板との
間の任意の位置における前記被処理液体を抽出し得る抽
出装置を備えることを特徴としている。

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説
明する。

第１図において、１は浄化装置であり、浄化装置１は円
筒形または矩形断面を有するパイプ状の被処理液体２を
収容し得る密閉容器３の一端に、ピストン状万肉射板４
を取りつけ、他の端に、圧電セラミック等の振動子５を
取りつけである。振動子５は音波放射器となっており、
密閉容器３の内部に音波を放射することができる。ピス
トン状の反射板４は反射板４と振動子５との間隔りを変
えることができる構造になっており、密閉容器３の中に
放射した音波が定在波を生ずるように調整する。すなわ
ち、反射板４と振動子５との間隔りを変えて、定在波を
発生させる。そのための条件は次のように示される。す
なわち、放射する音波の波長をλとしたとき、Ｌを次の
ような値に設定する。

Ｌ　−（２ｍ＋１　＞＊　（λ／４）・　（１）ｍ＝０
．１．２．３．・・・ ただし、ここでは、（１）式により厳密に詳述するため
の補正項、等の記述については省略しである。

第２図は（１）式に基づいて、反射板４と振動子５との
間隔りの値を純水の場合と空気の場合について計算した
結果を示すものである。第２図において、Ｃ＝　Ｉ　Ｑ
　Ｑ、ｍ／　Ｓ、と記入している線は純水の場合であり
、Ｃ＝３３１ｍ／ｓ、と記入している線は空気の場合で
ある。いずれの場合についても、ｍ＝０．１，２、の３
通りについて、示している。第２図により、振動子５で
発生する音波の周波数に対して、反射板４と振動子５と
の間隔りをどのように設定すれば、密閉容器３の中に放
射した音波が定在波を生ずるかが明らかとなる。

反射板４の上面中央にはパイプ７が立設されており、パ
イプ７は密閉容器３を支持しているフレーム板８上に突
出している。パイプ７の上端部の外面にはうツク１１が
形成されており、ラック１１はビニオン１２に噛合して
いる。フレーム板８に支持されているモータ１３を駆動
すると、その回転がビニオン１２を介してラック１１に
伝達され、反射板４が上下動し、これによって前記の距
１１１Ｌの調整が行われる。

密閉容器３の壁面には、小さな穴６が複数個あけである
。この穴６を通過して、浄化しようとしている水等の被
処理液体２が一馬閘で３の内部に浸入して、密閉容器３
の内部に液体が常に充満した状態となる。

また、密閉容器３内には被処理液体を抽出するための抽
出装置１４が配設される。抽出装置１４はフレーム２１
に支持されているブロック１５を備えている。ブロック
１５はモータ１６、モータ１６に直結しているプーリ１
７によって駆動されガイドレール１８に沿って、円滑に
移動することができる。

支柱用パイプ２２に固定されているフレーム２１は支柱
用バイブ２２の外表面に刻まれているスプライン等によ
りステイ２３と同一の角度で回転するが、上下方向には
滑合状態で滑ることができる。ステイ２３には歯車２４
が取りつけられていて、モータ２５に取りつけられてい
る歯車は２６と噛みあっていて１、モータ２５の回転に
よって、フレーム２１が任意の角度へ回転することがで
きる。またステイ２３にはモータ２９が取りつけられモ
ータ２９の軸にビニオン３０が取りつけられている。ビ
ニオン３０は支柱’ｌプ２．］２に設けられたうツク３
５と嵌合していて、支柱用バイブ２２を上下駆動する。

ブロック１５には被処理液体を吸引するための吸込口２
７が取りつけられて開口している。吸込口２７は、パイ
プ２８と接続して汚濁濃度の濃い液体が密閉容器３から
外部へ輸送される。このパイプ２８は柔軟性に富むもの
であり、後述するように吸込口２７の位置は密閉容器３
の内部の任意の位置へ移動できる。パイプ２８は支柱用
バイブ２２の中を通ってポンプ３１に接続されている。

汚濁物質の吸引に当たってはこのポンプ３１が使用され
る。

吸込口２７の近傍には第４図に示すように、投光用ファ
イバー３２と受光用ファイバー３３が対向して位置する
。投光用ファイバー３２と受光用ファイバー３３は光フ
ァイバー３４によって、支柱用バイブ２２の中を通って
、密閉容器３の外部に連結されていて、光応用による計
測を可能にしている。

すなわち・汚濁物質の濃度を露十濱号するたり光用ファ
イバー３２から密閉容器３内に充満している流体（本発
明においては液体に限定するものではなく気体、混層流
体を包含して考えることが出来る）に光を照射し、受光
用ファイバー３３によって受光する。

照射する光は半導体レーザ光またはアルゴンレーザ光、
等を使用するが、場合によっては発光ダイオードやキセ
ノンランプ光、等を使用してもよい。受光用ファイバー
３３による受光は受光素子、ホトダイオード等を使用す
る。

汚濁物質の種類によっては、照射した光を吸収し、吸収
した光の一部を入射光と異なる波長の光として放射し、
それが蛍光である場合もある。このような場合は蛍光ス
ペクトルの分析を行うなどの方法も考えられる。しかし
、光の減衰の旦を測定するのみで、位置による汚濁物質
のＩａＪ［の差が得られれば十分な場合もあるであろう
。また、太陽光等の外乱光を取り除くための回路構成等
も考えられる。いずれにしても、本発明においては、よ
りよい形での自動化測定の手段が取られ、本発明の目的
とする汚濁物質の高効率除去を実現するものとして、シ
ステマテイクな構成を当然志向することになる。

光信号を転送するための光ファイバー３４の材質は石英
系、多成分ガラス系、プラスチック、多結晶系、等いず
れのものでもよい。

なお、第１図は一例を示すものであるから、メータ類３
８、ポンプ３１等を密閉容器３の近傍に配置しているが
、もちろん、遠隔地点に配置してもよい。

また１、多数の吸込口からなる吸水パイプ網を取りつけ
て、汚濁濃度の濃い液体だけを効率よく回収するように
してもよい。

［作用］ 以上のように構成された浄化装置１の作用は次の通りで
ある。

定在波を発生している音場では、音圧分布または粒子速
度は、進行波と反射波が互いに干渉するため、同位相と
なって重なる部分の腹と、逆位相で重なる部分の節が、
交互に分布する状態となる。

ところで、液体を媒体とした音場中に浮遊している汚濁
物質には音波の放射圧によって、力が加わる。すなわち
、振動子５から放射する音圧と媒体における放射圧の関
係を数式的に示すと、単位面積当たりの放射圧をｐｒと
すれば、次のようになる。

Ｐｒ＝Ｐ’　ｎ＋、ｏｖ　（ｖｎ）・　（２）ここに、
■は粒子速度、ρは媒体の密度、ｎは汚濁物質表面の法
線ベクトル、可は二次の効果まで考慮した音圧Ｐの時間
平均値である。

二次の効果まで考慮した音圧Ｐの平均値Ｐ′は音響媒体
が無限の広がりをもつ場合には、Ｐ２　　　　　ρ■２ Ｐ′＝２−　　　　・・・（３） ２ρＣ２ で表わされる。但し、音圧Ｐと粒子速度■との間には、
平面波の場合、Ｐ＝ρＣＶ、の関係が成り立つ。

いま、法線ベクトルｎが１の場合について、上記の（２
）式及び（３）式を使って計算した結果を示すと、第３
図のようになる。第３図において、横軸に示す音圧（Ｎ
／ｍ２）Ｐは振動子５から密閉容器３の中に放射した音
波の音圧であり、縦軸に示す放射圧（Ｎ／ｍ２）Ｐｒは
密閉容器３の中の媒体に作用している圧力である。音場
中に浮遊している汚濁物質は放射圧を受ける。第３図に
おいて、ρ＝１．２１にｇ／ｍ３、Ｃ＝３４３ｍ／ｓで
示した線は空気の場合であり、完全反射面と書いである
線は定在波における腹の部分の圧力であり、完全吸収面
と書いである線は定在波における節の部分の圧力である
。ρ＝１０００ＫＯ／ｍ３゜Ｃ−１４３０ｍ／Ｓと書い
である線は水の場合である。

この式から汚濁物質に作用する単位面積当たりの力Ｐｒ
は振動子５から密閉容器３の中に放射した音波の音圧に
比べると、かなり小さいことが分るが、しかし、とにか
く、密閉容器３の内部に振動子５から音波を放射してい
れば、汚濁物質にカが作用することは間違いない。その
ため、一般には、波長に比べて小さな汚濁物質には、音
圧の腹から節に向かう力が作用して、最終的には節の位
置に汚濁物質が移動する。その結果、節の位置に汚濁物
質が多量に停留することになる。一般にと書いた理由は
汚濁物質の一部の物については、音圧の腹から節に向か
うのではなく、逆に音圧の節から腹の方向に移動が起る
ことも考えられるからである。どのような条件に支配さ
れるかを考えてみると次のようなことが言える。

汚濁物質は放射圧の結果によって、音場の中で音波の伝
播方向に振動する。汚濁物質に作用する放射圧は音波の
エネルギー密度に比例することは当然であるが、■汚濁
物質の大きさくここで、対象とする汚濁物質の大きさは
当然音の波長に比べて遥かに小さいものを対象とする）
、■媒体の密度、■汚濁物質の密度、■汚濁物質の圧縮
性、■音波の波数ｋ　（ｋ＝２π／λ、但し、λ：波長
）、等の影響を受けるはずであり、−概に、節の位置嵌
り物質が移動し、そこに、停留するものと断定すること
はできないからである。

汚濁物質の比重が比較的重い場合には音圧の節から腹へ
向かう力を受け、汚濁物質の比重が比較的軽い場合には
腹から節へ向かう力を受けることになるものと考えられ
る。いずれにしても、音波によって、特定の箇所に汚濁
物質が移動し、停留することは間違いない。

前述のように、音波により汚濁物質等は特定の場所に移
動し、停留することは明瞭であるが、第２図からも明ら
かなように、停留する場所を的確に把握することは単純
ではない。それは、前述のように、汚濁物質に作用する
放射圧は音波のエネルギー密度に比例することは当然で
あるが、■汚濁物質の大きさくここで、対象とする汚濁
物質の大きさは当然音の波長に比べて遥かに小さむくも
のを対象とするが）、■媒体の密度、■汚濁物質の密度
、■汚濁物質の圧縮性、■音波の波数ｋ（ｋ＝２π／λ
、但し、λ：波長）、等の影響を受けるはずであり、−
概に、節の位置に汚濁物質が移動、７”５ｑこに・停留
するものと断定することはできないからである。そこで
本発明においては、汚濁物質の回収効率を飛躍的に向干
させるために、次のような方法を採用している。

すなわち、前述の第４図に示すように、吸込口２７と投
光用ファイバー３２と受光用ファイバー３３が接近して
おり、これらは一体のまま、密閉容器３のいかなる場所
へも汚濁物質の停留場所を的確に追跡しながら、スムー
ズに自動制御の手法を応用して、移動し、汚濁物質を極
めて効率的に吸引回収する。

従って、吸込口２７と投光用ファイバー３２と受光用フ
ァイバー３３は密閉容器３の任意の場所に、第５図のコ
ンピュータのＣＰＵに基づいて出される指令通りに移動
することになる。第５図について、説明すると次のよう
になる。第１図に示したモータ４台、すなわち、１３，
１６．２５゜２９はそれぞれ、ロータリーエンコーダま
たはタコジエネによる内界センサーを有し、マイクロプ
ロセラ１ナー及びコントロラーで構成されるクローズド
システム７％って、指令通りの回転角が保証される。そ
れに加えて、外界センサーからの情報がＣＰＬＩに入力
され、上記システムと結合して、吸込口２７と投光用フ
ァイバー３２と受光用ファイバー３３は密閉容器３の任
意の場所に指令通りに移動し停止する。そうして、ＣＰ
Ｕからの次の指令待ちの状態に入り、また次の指令によ
って、密閉容器３の任意の場所に指令通りに移動し停止
する。

密ｍ容器３の壁面等には非接触タイプの位置センサー列
３６が取りつけてあり、外界センサーとしての機能を有
していて、ＣＰＬＩへ位置を知らせる信号を転送する。

ＣＰＵからの指令は次のようなものとなる。

（１）反射板４と振動子５との間隔しを変えて、定在波
を発生させるように反射板４を移動させる。

間隔りの値はＣＰＵのレジスターまたはフロッピーデス
クにメモリーされている値を使用する。また、ＣＰｔＪ
にマイコンを使用しているので、即座に演算して、演算
結果に基づいて、間隔りの指令をアウトプットしてもよ
い。（坩篩誂！戸；２７と投光用ファイバー３２と受光
用ファイバー３３を決められたプログラムに従って、移
動する。（３）吸込口２７と投光用ファイバー３２と受
光用ファイバー３３の各位置において、汚濁物質の濃度
を測定する指令をＣＰＬＩからアウトプットする。

（４）汚濁物質の濃度が規定以上になっていることをコ
ンピュータが確認すると、吸込口２７が開口して、ある
いはポンプ３１が起動を開始して、汚濁物質が吸引され
る。（５）汚濁物質の濃度が規定以下であれば、汚濁物
質の吸引は行なわれず、ＣＰＵからの指令に基づいて、
次の位置に移動を開始する。（６）汚濁物質の濃度が最
大の場所を追跡するためのプログラミングは容易にソフ
ト的に組むことができるから、そのソフトに基づいて、
最も汚濁物質の回収効率を高めた状態で作動させること
ができる。

また、パイプ２８の途中に汚濁ＩＪＪＩを検出するセン
サ３７を設け、汚濁濃度を表示するメータ類３８に汚濁
濃度を表示するとともに、設定値を超えた場合に、１ル
ー４１が働いて、ボ１１の運転が開始停止が行えるよう
にすることもできる。

汚濁濃度を検出するセンサ３７とポンプ３１の間にはフ
ィルター４２があり、このフィルター４２によって、汚
濁物質が線通される。フィルター４２はサイクロン型式
のものでもよい。

また、密閉容器３は、第１図に示すように、フレーム板
８に取りつけられているが、このフレーム板８として浮
き板を使用すれば、密閉容器３が汚濁処理をしようとす
る湖沼や貯水池の水面近くに、浮いた状態でセットされ
ることもできる。第１図はその一例を示したものであり
、密閉容器３が垂直状に描かれているが、フレーム板８
密閉容器３の側面に取りつけて、密閉容器３を水面と平
行になるように、セットしてもよいであろう。

以上述べた説明では、１個の場合について述べているが
、もちろん１個に限定するものではなく、多数並べて、
汚濁処理の効率化を計る方がより実際的である。また、
本処理手法において、汚濁濃度を検出するセンサ３７、
汚濁濃度を表示するメータ類３８、リレー４１等を取り
除いて、空彊ｐ操作する簡略型のシステムとすることも
考えられるが、基本的には、音波を利用して、汚濁濃度
を濃い部分と薄い部分に分離して、汚濁１１度の濃い部
分だけを積極的に吸引し、濾過する点において共通する
ものであり、本手法の範囲に包含されるものである。

（ハ）発明の効果 この発明によれば水質汚濁等の浄化を極めて有効に行う
ことができる。すなわら、この発明は音波を利用するこ
とによって、汚濁濃度の濃い部分と薄い部分に液体等を
分離し、濃い部分だけを濾過するため、汚濁物質の浄化
効率が極めて優れている。従って、湖沼や貯水池におけ
る富栄養化によって、藻類が異常に繁殖することに起因
して起る水質の汚濁等の清浄化に極めて有効である。ま
た、この発明は工業用水の浄化等においても、次のよう
な点で優れている。すなわち、工業用水では一般に薬品
沈澱により水質処理を行っているが、これはコロイド状
汚濁物質の除去にとどまるものであり、溶解した無機物
や有機物等を完全に除去することが困難である。しかし
、本発明によれば、溶解した無機物や有機物を完全に除
去することができる。従って、本発明は工業用水等の浄
化に極めて有用である。さらに、本発明は汚濁濃度をレ
ーザー光等を用いて、自動計測し、汚濁１度の最大の位
置をコンピュータ制御によって、自動的に追跡し、汚濁
濃度の濃い液体だけをコンピュータの指令に従って、効
率よく回収するようにして、これを浄化することができ
る。

このように、この発明によれば、化学薬品を必要とせず
、簡単な装置で、容易かつ確実に水中若しくは液中の汚
濁物質を除去することができ、目づまり等による部品の
交換の必要もなく液体浄化装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係わる浄化装置を示す縦
断面構成説明図、第２図は音波の周波数と撮動子と反射
板の距離りどの関係を示すグラフ、第３図は音圧と放射
圧の関係を示すグラフ、第４図は抽出装置を示す斜視説
明図、及び第５図は浄化装置の作用を制御する制御装置
を示すブロック図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被処理液体を収容する容器内に音波を放射し得る振動子
   と前記音波を反射し得る反射板を対向してかつ相対間隔
   可変に配設し、かつ前記振動子と前記反射板との間の任
   意の位置における前記被処理液体を抽出し得る抽出装置
   を備えることを特徴とする音波による液体浄化装置