JPWO2006070839A1 - 溶液の超音波分離方法とこの方法に使用される超音波分離装置 - Google Patents

Abstract

溶液の超音波分離方法と装置は、複数の超音波振動子で溶液を超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを凝集させて回収して、溶液を分離する。この方法と装置は、上端に噴霧口１２を開口している筒体６内に溶液を充填し、この筒体６内の溶液に、噴霧口１２に向かって超音波振動を与えて、噴霧口１２からミストに霧化して飛散させる共に、噴霧口１２から飛散されるミストに搬送気体を供給し、搬送気体中でミストを霧化させる。

Description

本発明は、２種以上の物質を含む混合物から特定の物質の濃度の高い高濃度な溶液を分離し、あるいは溶液に含まれる目的物質を分離する方法と装置に関し、とくに、酒や酒原料等のアルコール溶液から更に高濃度のアルコールを分離する方法や装置、あるいはガソリンから目的物質を分離するのに最適な分離方法と装置に関する。

本発明者は、アルコールから高濃度なアルコールを分離する装置を開発した。（特許文献１参照）
特開２００１−３１４７２４号公報

この分離装置は、アルコール溶液を閉鎖構造の超音波霧化室に充填し、この超音波霧化室のアルコール溶液を超音波振動子で超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを凝集させて回収して高濃度のアルコール溶液を分離する。この分離装置が高濃度のアルコールを分離できるのは、以下の動作による。

アルコールは水よりも溶液の表面に移行しやすく、表面の溶液はアルコールの濃度が高くなっている。この状態で超音波振動させると、高濃度なアルコールが超音波振動のエネルギーで空気中にミストとなって微細な粒子で放出される。空気中に放出されたミストはアルコール濃度が高くなっている。アルコール濃度の高い表面の溶液がミストとなりやすいからである。したがって、ミストを凝集して回収すると、高濃度のアルコール溶液が分離される。この方法は、溶液を加熱しないで高濃度のアルコール溶液を分離できる。このため、少ないエネルギー消費で高濃度に目的物質を分離できる。また、加熱しないので目的物質を変質させることなく分離できる特長もある。

この装置は、超音波振動させて効率よくミストとすることが大切である。また、単位時間にミストにする量を多くするために、図１に示すように、多数の超音波振動子１０２が使用される。この装置は、全ての超音波振動子１０２が効率よく溶液をミストに霧化できない。それは、超音波振動が溶液をミストに霧化する効率が、気中のミスト濃度に関係するからである。気中のミスト濃度が高くなると、溶液がミストになる効率は著しく低下する。このため、図１において、下流側の超音波振動子１０２が溶液をミストにする量は、上流側の超音波振動子１０２の数分の１以下と著しく少なくなる。下流の気中には高濃度のミストが含まれるからである。このため、多数の超音波振動子を設けても、個数に相当する溶液量をミストに霧化できない欠点がある。この欠点は、多量の空気を供給して、気中のミスト濃度を低くすることで少なくできる。ただ、多量の空気を供給すると、多量の空気から霧化されたミストを凝集する必要があって、回収効率が低くなる。このため、空気量を少なくしながら、溶液を効率よくミストに霧化することが大切である。

本発明の第１の目的は、このことを実現すること、すなわち、搬送気体量を少なくしながら、複数の超音波振動子で効率よく溶液をミストに霧化する溶液の超音波分離方法と装置を提供することにある。

さらに、本発明の第２の目的は、超音波振動子自体が効率よく溶液をミストに霧化する溶液の超音波分離方法と装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。

本発明の溶液の超音波分離方法は、複数の超音波振動子で溶液を超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを凝集させて回収して、溶液を分離する。超音波分離方法は、上端に噴霧口１２を開口している筒体６内に溶液を充填し、この筒体６内の溶液に、噴霧口１２に向かって超音波振動を与えて、噴霧口１２からミストに霧化して飛散させる共に、噴霧口１２から飛散されるミストに搬送気体を供給し、搬送気体中でミストを霧化させる。

本発明の溶液の超音波分離方法は、筒体６を円筒形とし、あるいは、噴霧口１２に向かって細くなる円錐ホーンを使用し、あるいはまた、エクスポーネンシャルホーンを使用することができる。

さらに、本発明の溶液の超音波分離方法は、噴霧口１２の周囲に搬送気体を噴射することができる。噴霧口１２から噴射する搬送気体には、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性な搬送気体を使用することができる。

本発明の溶液の超音波分離装置は、溶液を超音波振動させてミストに霧化する複数の超音波振動子２と、超音波振動子２に接続されて超音波振動子２に高周波電力を供給して超音波振動させる超音波電源３と、超音波振動子２で霧化されたミストを凝集させて回収する回収部５とを備え、超音波霧化室４で霧化されたミストを回収部５で回収して溶液から分離する。超音波分離装置は、超音波振動子２の上方に、上端に噴霧口１２を開口している筒体６を配設しており、この筒体６内に溶液を充填して、超音波振動子２が噴霧口１２に向かって溶液に超音波振動を与えて溶液を噴霧口１２からミストに霧化して放出する。さらに、筒体６は、噴霧口１２から噴霧されるミストに搬送気体を供給する噴気口１４を開口して、この噴気口１４を搬送気体源に連結しており、搬送気体源から供給される搬送気体を噴気口１４からミストに供給して、噴霧口１２から噴霧されるミストを搬送気体中に供給し、霧化されたミストを回収部５で凝集して回収する。

本発明の溶液の超音波分離装置は、筒体６を円筒形とし、あるいは、噴霧口１２に向かって細くなる円錐ホーンとし、あるいはまた、エクスポーネンシャルホーンとすることができる。

本発明の溶液の超音波分離装置は、噴霧口１２の周囲に噴気口１４を開口することができる。さらに、本発明の溶液の超音波分離装置は、搬送気体源が、噴気口１４に、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性な搬送気体を供給することができる。

本発明の溶液の超音波分離方法と超音波分離装置は、搬送気体量を少なくしながら、複数の超音波振動子で効率よく溶液をミストに霧化できる特長がある。それは、本発明が、上端に噴霧口を開口している筒体内に溶液を充填し、この筒体内の溶液に、噴霧口に向かって超音波振動子で超音波振動を与えて、噴霧口からミストに霧化して飛散させる共に、噴霧口から飛散されるミストに搬送気体を供給し、搬送気体中でミストを霧化させるからである。本発明は、筒体内の上端の噴霧口から飛散されるミストに搬送気体を供給してミストを霧化させるので、筒体の噴霧口には、ミスト濃度の低い搬送気体を常に供給する状態として、効率よくしてミストに霧化できる。このため、複数の超音波振動子を使用するにも関わらず、下流側で搬送気体のミスト濃度が高くなって、ミストに霧化する効率を低下させることなく、また、多量の搬送気体を供給することなく溶液を効率よくミストに霧化できる。このように、空気量を少なくしながら、溶液を効率よくミストに霧化できる本発明の方法と装置は、霧化されたミストを凝集して回収する回収効率も向上できる。さらに、本発明は、筒体内に充填した溶液に超音波振動を与えて、上端の噴霧口からミストに霧化するので、超音波振動子自体が効率よく溶液をミストに霧化できる特長もある。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための方法と装置を例示するものであって、本発明は方法と装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

本発明の溶液の超音波分離装置は、少なくとも２種の物質を含む溶液から高濃度の特定溶液を分離する。本発明は、溶液の溶媒と溶質を特定するものではないが、溶媒は、主として水であるが、水以外にもアルコール等の有機溶媒も使用できる。溶液は、例えば以下のものである。
(1) 清酒、ビール、ワイン、食酢、みりん、スピリッツ、焼酎、ブランデー、ウイスキー、リキュール
(2) ピネン、リナロール、リモネン、ポリフェノール類などの香料、芳香成分ないし香気成分を含む溶液
(3) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合した物質を含む溶液
(4) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をハロゲンによって置き換えた物質を含む溶液
(5) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基を水酸基によって置き換えた物質を含む溶液
(6) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をアミノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(7) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボニル基によって置き換えた物質を含む溶液
(8) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をカルボキシル基によって置き換えた物質を含む溶液
(9) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をニトロ基によって置き換えた物質を含む溶液
(10) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をシアノ基によって置き換えた物質を含む溶液
(11) 飽和炭化水素であるアルカン、シクロアルカン、不飽和炭化水素であるアルケン、シクロアルケン、アルキン、もしくはエーテル、チオエーテルあるいは芳香族炭化水素のうちいずれかに属する有機化合物、もしくはそれらの結合体の少なくとも一つの水素原子もしくは官能基をメルカプト基によって置き換えた物質を含む溶液
(12) 前述の(3)〜(11)の溶液に含まれるいずれか一つ以上の原子を金属イオンによって置換した物質を含む溶液
(13) 先述の(3)〜(11)の溶液に含まれる分子のうち任意の水素原子、炭素原子もしくは官能基を(3)〜(11)の分子のうち任意の分子で置き換えた物質を含む溶液

２種以上の物質を含む溶液を超音波振動させて溶液からミストを分離し、分離したミストを凝集して回収すると、ミストから回収された溶液と、ミストにならないで残存する溶液とで、含有物質の濃度が異なる。たとえば、アルコール水溶液を超音波振動でミストに霧化し、霧化されたミストを回収すると、ミストにならないで残存するアルコールよりも高濃度なアルコールとなる。ミストを凝集して回収した溶液のアルコール濃度が高いのは、超音波振動によって、アルコールが水よりもミストに霧化されやすいからである。

ミストから回収された溶液と、ミストにならない溶液とで含有物質の濃度が異なるようになるひとつの理由は、溶液に含まれる物質が表面に移行して表面過剰となる割合が異なるからである。表面過剰となる物性の強い溶液は表面濃度が高くなるので、これを超音波振動させて表面の溶液をミストにして霧化させると、ミストは表面過剰となりやすい物質の濃度が高くなる。したがって、このミストを凝集して回収すると、表面過剰の物性が強い物質の濃度を高くできる。すなわち、溶液から高濃度の物質を含むものを分離できる。

以下、溶液をアルコールとして、アルコールから高濃度なアルコールを分離する方法と装置を示す。ただし、本発明は溶液をアルコールには特定しない。ミストに霧化して分離できる前述した溶液、あるいはその他の溶液の分離に使用できるからである。

図２ないし図４に示す超音波分離装置は、溶液の一部を超音波振動でミストに霧化する超音波霧化機１、３０１、４０１と、この超音波霧化機１、３０１、４０１で霧化されたミストを凝集させて回収する回収部５、３０５、４０５とを備える。超音波霧化機１、３０１、４０１は、溶液が供給される閉鎖構造の超音波霧化室４、３０４、４０４と、この超音波霧化室４、３０４、４０４の溶液を超音波振動させてミストに霧化する複数の超音波振動子２、３０２、４０２と、各々の超音波振動子２、３０２、４０２の上方に配設している筒体６、３０６、４０６と、超音波振動子２、３０２、４０２に接続している超音波電源３、３０３、４０３を備える。

図２の超音波分離装置は、超音波霧化室４と回収部５とを別々に離して、循環ダクト７で連結している。図３の超音波分離装置は、回収部３０５に超音波霧化室３０４を内蔵させ、図４の超音波分離装置は、回収部４０５と超音波霧化室４０４とでひとつの気密チャンバーを構成して、回収部４０５と超音波霧化室４０４とを一体構造としている。

これ等の超音波分離装置は、超音波霧化室４、３０４、４０４で霧化された溶液のミストを、閉鎖構造の回収部５、３０５、４０５に流入させる。回収部５、３０５、４０５は、微細なミストを凝集させて高濃度のアルコール溶液として回収する。ミストは、気体ではないので、必ずしも冷却しないで凝集させて回収できる。ただ、ミストを冷却して速やかに回収できる。

溶液はポンプ１０、３１０、４１０で超音波霧化室４、３０４、４０４に供給される。超音波霧化室４、３０４、４０４は、供給される全ての溶液をミストとして霧化させない。全ての溶液を霧化して回収部５、３０５、４０５で回収すると、超音波霧化室４、３０４、４０４に供給する溶液と、回収部５、３０５、４０５で回収される溶液のアルコール等の目的物質の濃度が同じになるからである。超音波霧化室４、３０４、４０４に供給された溶液は、ミストとして霧化して容量が少なくなるにしたがって、目的物質の濃度が低下する。このため、ミストに含まれる目的物質の濃度も次第に低下する。超音波霧化室４、３０４、４０４の溶液は、目的物質濃度が低下すると新しいものに入れ換えられる。

超音波霧化室４、３０４、４０４は、たとえば、目的物質の濃度が１０〜５０重量％である溶液を霧化して、目的物質の濃度が低下した後、溶液を新しいものに入れ換える。一定の時間経過すると溶液を新しいものに入れ換える方法、すなわちバッチ式に溶液を交換する。ただ、超音波霧化室４、３０４、４０４に、ポンプ１０、３１０、４１０を介して溶液を蓄えている原液槽１１、３１１、４１１を連結し、原液槽１１、３１１、４１１から連続的に溶液を供給することもできる。この装置は、超音波霧化室４、３０４、４０４の溶液を排出しながら、原液槽１１、３１１、４１１から溶液を供給して、超音波霧化室４、３０４、４０４の溶液のアルコール等の目的物質濃度が低下するのを防止する。また、図２の矢印Ａで示すように、超音波霧化室４の溶液を原液槽１１に循環することなく外部に排出して、原液槽１１に含まれる目的物質の濃度が低下するのを防止することもできる。

超音波霧化室４、３０４、４０４の溶液は、超音波霧化機１、３０１、４０１でミストに霧化される。超音波霧化機１、３０１、４０１で霧化されたミストは、溶液よりも目的物質の濃度が高い。したがって、超音波霧化機１、３０１、４０１で溶液をミストに霧化し、ミストを凝集して回収することで、高濃度な溶液を効率よく分離できる。

超音波霧化室４、３０４、４０４には筒体６、３０６、４０６を配設している。筒体６、３０６、４０６は、各々の超音波振動子２、３０２、４０２の上方に配設されて、超音波振動子２、３０２、４０２で超音波振動される溶液から効率よくミストを飛散させる。筒体６、３０６、４０６は、上端に噴霧口１２、３１２、４１２を開口している筒状としている。筒体６、３０６、４０６は、内部に溶液を充填し、筒体６、３０６、４０６内の溶液に、噴霧口１２、３１２、４１２に向かって超音波振動を与えて、噴霧口１２、３１２、４１２からミストに霧化して飛散する。図の超音波振動子２、３０２、４０２は、上方に超音波を放射する。したがって、超音波振動子２、３０２、４０２の上方に、垂直な姿勢で配設している。図の筒体６、３０６、４０６は、上端に向かって次第に細くなる円錐ホーンである。ただし、筒体は、内面の形状をエクスポーネンシャルカーブとするエクスポーネンシャルホーンとすることもできる。円錐ホーンやエクスポーネンシャルホーンの筒体６、３０６、４０６は、内部に効率よく超音波振動を伝達させて、溶液を能率よくミストに霧化できる特徴がある。ただ、本発明は、筒体を、円筒形状、楕円筒状、多角筒状とするとすることもできる。

筒体６、３０６、４０６の下端開口部の内形は、超音波振動を効率よく内部に伝達できるように、超音波振動子２、３０２、４０２の外形より小さく、あるいは大きくして、超音波振動される液柱Ｐが内面に沿って上昇するようにする。たとえば、筒体６、３０６、４０６の下端の開口部の内径は、超音波振動子２、３０２、４０２の外径の５０〜１５０％、好ましくは６０〜１００％とする。

さらに、筒体６、３０６、４０６の高さと噴霧口１２、３１２、４１２の大きさは、筒体６、３０６、４０６の内部に沿って、いいかえると筒体６、３０６、４０６の内面と液柱Ｐとの間に気層ができないように、超音波振動による液柱Ｐが筒体６、３０６、４０６の内部に沿って上昇し、噴霧口１２、３１２、４１２の近傍でミストとなって飛散するように設計される。ただ、液柱Ｐが噴霧口１２、３１２、４１２から突出するように、いいかえると筒体６、３０６、４０６を液柱Ｐよりも低くすることもできる。したがって、筒体６、３０６、４０６の高さと噴霧口１２、３１２、４１２の大きさは、超音波振動子２、３０２、４０２の大きさ、出力、周波数等によって最適値に設計される。

図の筒体６、３０６、４０６は、下端を溶液の液面よりも下方に、噴霧口１２、３１２、４１２を液面よりも上方に配設する。この筒体６、３０６、４０６は、液面よりも下方の超音波振動を内部に案内し、液面から上方にある噴霧口１２、３１２、４１２からミストとして飛散させる。

図５の筒体６は、超音波振動子２から上方に離して配設され、図６と図７の筒体６０６、７０６は、底部に超音波振動子６０２、７０２を配設して、超音波振動子６０２、７０２で下端の開口部を液密に閉塞している。下端を超音波振動子６０２、７０２で閉塞する筒体６０６、７０６は、内部に溶液を供給する流入口６１３、７１３を開口している。

さらに、図７の筒体７０６は、複数の分岐筒７０６Ａ、７０６Ａに分岐している。各々の分岐筒７０６Ａ、７０６Ａは、上端を細くする円錐ホーンである。各々の分岐筒７０６Ａ、７０６Ａは、下端を開口して上端に噴霧口７１２、７１２を開口している。隣接する分岐筒７０６Ａ、７０６Ａの境界は、超音波振動の反射を少なくして効率よく分岐筒７０６Ａ、７０６Ａの内部に伝導するように、下端に向かって次第に幅の狭くなるテーパー状として下端縁を先鋭な形状としている。各々の分岐筒７０６Ａ、７０６Ａは、溶液を供給するために流入口７１３を開口している。この筒体７０６は、流入口７１３から溶液が供給される。供給された溶液は、超音波振動子７０２から放射される超音波振動の超音波を、複数の分岐筒７０６Ａ、７０６Ａに分岐して案内する。各々の分岐筒７０６Ａ、７０６Ａの内部で溶液は超音波振動されて液柱となり、上部の噴霧口７１２、７１２からミストに霧化されて飛散される。

さらに、筒体６、６０６、７０６は、噴霧口１２、６１２、７１２から霧化されるミストに搬送気体を供給する噴気口１４、６１４、７１４を開口して、この噴気口１４、６１４、７１４を気体供給源に連結している。気体供給源から供給される搬送気体は噴気口１４、６１４、７１４からミストに供給され、噴霧口１２、６１２、７１２から噴霧されるミストは搬送気体中に霧化される。この状態で霧化されたミストを含む搬送気体が回収部５、６０５、７０５で凝集させて溶液を回収する。

図５ないし図７の筒体６、６０６、７０６は、壁面を二重構造として平面の内部にダクト１５、６１５、７１５を設けている。ダクト１５、６１５、７１５は、筒体６、６０６、７０６の上端に開口している噴気口１４、６１４、７１４に連結している。ダクト１５、６１５、７１５に供給される搬送気体は、噴気口１４、６１４、７１４から排出される。噴気口１４、６１４、７１４は、筒体６、６０６、７０６上端の周囲に、スリット状に開口されている。スリット状の噴気口１４、６１４、７１４は、搬送気体をリング状に排気する。リング状に排気される搬送気体の内側にミストが放出される。この構造の筒体６、６０６、７０６は、ミストを新鮮な搬送気体の内側に噴霧する。このため、溶液を効率よくミストに霧化できる。ミストが溶液濃度の低い搬送気体中に霧化されるからである。

図５ないし図７の筒体６、６０６、７０６は、連結ダクト１６、６１６、７１６に脱着できるように連結している。連結ダクト１６、６１６、７１６には、図示しないが、複数の筒体を連結している。図５の筒体６は、下端の外周に雄ネジ１７を設け、連結ダクト１６には筒体６の雄ネジ１７をねじ込む雌ネジ穴１８を設けている。筒体６は、雄ネジ１７を雌ネジ穴１８の雌ネジにねじ込んで、連結ダクト１６に連結される。連結ダクト１６は、内部に搬送気体の供給ダクト１９を設けている。筒体６は、連結ダクト１６に連結される状態で、ダクト１５の入口を連結ダクト１６の供給ダクト１９に連結して、連結ダクト１６の供給ダクト１９から筒体６のダクト１５に搬送気体が供給される。図５の筒体６は、雄ネジ１７の上方と底面とに、リング溝を設けて、ここにＯリング２０、２１を入れている。Ｏリング２０、２１は、筒体６を連結ダクト１６に連結する状態で、雌ネジ穴１８の内面に密着して、連結ダクト１６と筒体６との連結部の気体漏れを阻止する。すなわち、筒体６を気密な状態で連結ダクト１６に連結する。

図６と図７の筒体６０６、７０６は、下端に円柱状の連結部６２２、７２２を設け、この連結部６２２、７２２を挿入する連結穴６２３、７２３を連結ダクト６１６、７１６に設けている。連結穴６２３、７２３は、連結ダクト６１６、７１６を上下に貫通して設けている。連結部６２２、７２２と連結穴６２３、７２３との気体漏れを阻止するために、連結部６２２、７２２の上部に設けたリング溝にＯリング６２０、７２０を入れて、連結穴６２３、７２３の下部に設けたリング溝にＯリング６２１、７２１を入れている。Ｏリング６２０、７２０、６２１、７２１は、連結部６２２、７２２と連結穴６２３、７２３の隙間を閉塞して、筒体６０６、７０６を連結ダクト６１６、７１６に気密に気体漏れしないように連結する。筒体６０６、７０６を連結ダクト６１６、７１６に連結して、筒体６０６、７０６のダクト６１５、７１５の入口は連結ダクト６１６、７１６の供給ダクト６１９、７１９に連結され、連結ダクト６１６、７１６の供給ダクト６１９、７１９から筒体６１６、７１６のダクト６１５、７１５に搬送気体が供給される。

さらに、これ等の図に示す筒体６０６、７０６は、脱着連結具６２４、７２４を介して超音波振動子６０２、７０２を脱着できるように連結している。脱着連結具６２４、７２４は、上方を開口する装着室６２５、７２５を内部に設けている。この装着室６２５、７２５に超音波振動子６０２、７０２を固定している。図の脱着連結具６２４、７２４は、装着室６２５、７２５に超音波振動子６０２、７０２を駆動するための電源回路部品６２６、７２６も収納している。電源回路部品６２６、７２６は、リード線６２７、７２７を介して超音波振動子６０２、７０２に接続されて、超音波振動子６０２、７０２に電気信号の超音波出力を出力する。超音波振動子６０２、７０２は、装着室６２５、７２５の開口部を気密に閉塞する。したがって、超音波振動子６０２、７０２は、その周囲を、パッキン６２８、７２８を介して装着室６２５、７２５の開口部に密着している。超音波振動子６０２、７０２で水密に閉塞される装着室６２５、７２５に、電源回路部品６２６、７２６を収納している。このため、電源回路部品６２６、７２６を水密構造とする必要はない。図の脱着連結具６２４、７２４は、装着室６２５、７２５に超音波振動子６０２、７０２と電源回路部品６２６、７２６を内蔵するので、超音波振動子６０２、７０２と電源回路部品６２６、７２６を簡単に交換できる特徴がある。ただ、脱着連結具は、装着室に超音波振動子のみを収納し、超音波振動子に接続しているリード線を脱着連結具の外側に引き出して、電源回路に接続する構造とすることもできる。この脱着連結具は、超音波振動子を必ずしも水密構造に固定する必要はない。

脱着連結具６２４、７２４は、筒体６０６、７０６の下端に、下方に開口して設けている連結凹部６２９、７２９に脱着できるように連結される。脱着凹部６２９、７２９は、内面に雌ネジを設けている。脱着連結具６２４、７２４は、脱着凹部６２９、７２９に挿入できる外形として、脱着凹部６２９、７２９の雌ネジにねじ込む雄ネジを外周に設けている。雄ネジを雌ネジにねじ込んで、脱着連結具６２４、７２４は脱着凹部６２９、７２９に連結される。脱着凹部６２９、７２９は筒体６０６、７０６の内部に連通しているので、脱着連結具６２４、７２４は筒体６０６、７０６に液密な構造で連結する必要がある。このため、脱着凹部６２９、７２９の内面と脱着連結具６２４、７２４の外周との間にＯリング６３０、７３０を挟着している。Ｏリング６３０、７３０は、Ｏリング６３０、７３０と脱着連結具６２４、７２４との間を液密な状態で連結して、筒体６０６、７０６の下端の脱着凹部６２９、７２９を脱着連結具６２４、７２４で液密に閉塞する。

以上の超音波霧化機１、３０１、４０１、６０１、７０１は、超音波振動子２、３０２、４０２、６０２、７０２を超音波振動させて、溶液をミストとして筒体６、３０６、４０６、６０６、７０６の噴霧口１２、３１２、４１２、６１２、７１２から飛散させる。溶液は、筒体６、３０６、４０６、６０６、７０６の内部で超音波振動され、噴霧口１２、３１２、４１２、６１２、７１２からミストとして飛散される。図の超音波霧化機１、３０１、４０１、６０１、７０１は、超音波振動子２、３０２、４０２、６０２、７０２を上向きに配設している。超音波振動子２、３０２、４０２、６０２、７０２は、底から筒体６、３０６、４０６、６０６、７０６の内部に向かって上向きに超音波を放射して、溶液を超音波振動させ、溶液を筒体６、３０６、４０６、６０６、７０６の内部で押し上げて、噴霧口１２、３１２、４１２、６１２、７１２からミストとして飛散させる。超音波振動子２、３０２、４０２、６０２、７０２は、垂直方向に超音波を放射する。

図２の超音波霧化機１は、複数の超音波振動子２と、これ等の超音波振動子２を超音波振動させる超音波電源３とを備える。超音波振動子２は、筒体６の下方に固定される。

超音波霧化室４で霧化された溶液のミストは、回収部５に流入される。ミストを回収部５に流入させるために、図２の装置は、回収部５を循環ダクト７で超音波霧化室４に連結しており、図３の装置は、超音波霧化室３０４を回収部３０５に内蔵しており、図４の装置は、回収部４０５の上部に超音波霧化室４０４を配設している。図３と図４の装置は、回収部３０５、４０５の容積を、超音波霧化室３０４、４０４に比較して充分に大きく、たとえば、超音波霧化室３０４、４０４の容積の２〜１００倍、好ましくは５〜５０倍、さらに好ましくは５〜２０倍としている。図４の装置は、超音波霧化室４０４と回収部４０５の上部を連通路であるダクト４０８を介して連結して一体構造としている。超音波霧化室４０４で霧化したミストは、ゆっくりと降下して回収部４０５に溶液として回収される。

さらに、図２の装置は、筒体６の噴霧口１２から飛散するミストを効率よく回収して循環ダクト７に循環させるために、筒体６の噴霧口１２の上方に、ミストの吸入部９を設けている。図に示す吸入部９は、円筒状のパイプで、筒体６の上方に垂直の姿勢で配置している。筒状のパイプである吸入部９は、下端を筒体６の上部に配置して、上端を超音波霧化室４の上方に延長している。図に示す吸入部９は、筒体６の上端縁に位置して、円筒状パイプの下端縁を配置している。ただ、吸入部は、下端部を筒体の上部にラップする状態で配置することも、あるいは、下端縁を筒体の上端縁から離して配置することもできる。さらに、吸入部９の下端の開口部は、筒体６の噴霧口１２よりも広い開口面積としており、筒体６の上端から飛散されるミストを漏れなく回収できるようにしている。吸入部９の上端は、超音波霧化室４の上部で連結されており、この連結部を循環ダクト７に連結して、吸入部９で回収されたミストを循環ダクト７に循環させるようにしている。ただ、吸入部は、必ずしも設ける必要はない。

図２の回収部５は、ミストを冷却して凝集させる冷却用熱交換器３３を内蔵している。冷却用熱交換器３３は、熱交換パイプ３４にフィン（図示せず）を固定している。熱交換パイプ３４に冷却用の冷媒や冷却水を循環させて、熱交換器３３は冷却される。超音波霧化室４で霧化されたミストは、一部が気化して気体となるが、気体は回収部５の熱交換器３３で冷却され、結露して凝集されて回収される。回収部５に流入されるミストは、熱交換器３３に衝突し、あるいは互いに衝突して大きく凝集し、または熱交換器３３のフィン等に衝突して大きく凝集して溶液として回収される。ミストと気体を熱交換器３３で凝集して回収した空気は、循環ダクト７を介して再び超音波霧化室４に循環される。

さらに、回収部は、図示しないが、搬送気体に含まれる目的物質であるアルコール等の蒸気を吸着剤に吸着させて回収することもできる。この回収部は、たとえば、加熱された回収気体で吸着剤に吸着されたアルコールを排出し、回収気体を冷却して排出されたアルコールを結露させて回収することができる。この回収部は、たとえば、空隙に吸着剤を設けているローターと、このローターを回転させる回転駆動機構とで構成することができる。ローターは、回転軸の方向に搬送気体を通過できる空隙を有するハニカムローターである。吸着剤には、たとえば、ゼオライト、活性炭、酸化リチウム、シリカゲルのいずれか、もしくはこれらの混合物が使用できる。この回収部は、回転駆動機構でローターを所定の速度で回転させて、蒸気を吸着させる吸着領域と、吸着した蒸気を排出する再生領域とに移動させる。ローターが吸着領域に移動されると、目的物質であるアルコールの蒸気を含む搬送気体が空隙に通過されて、搬送気体に含まれる目的物質のアルコールが吸着剤に吸着される。ローターが回転して再生領域に移動されると、吸着した目的物質のアルコールを排出する。排出された目的物質のアルコールは、回収気体を冷却して回収される。ローターの吸着領域を通過した搬送気体は、再び超音波霧化室に移動される。

図３と図４の回収部３０５、４０５は閉鎖チャンバーであって、ここに供給されるミストは外部に排出されない。したがって、回収部３０５、４０５に供給されたミストは、互いに衝突して大きく凝集し、あるいは、邪魔板等に衝突して大きく凝集して溶液として回収される。回収部３０５、４０５において、ミストをより速やかに回収するために、図３と図４の回収部３０５、４０５は、溶液を散水するノズル３３６、４３６を備える。ノズル３３６、４３６は、循環ポンプ３３５、４３５を介して回収部３０５、４０５の底部に連結される。循環ポンプ３３５、４３５は、回収部３０５、４０５に回収された溶液を吸入して、ノズル３３６、４３６から噴霧させる。

図の超音波分離装置は、回収部３０５、４０５の上部と側面にノズル３３６、４３６を配設している。上部のノズル３３６、４３６は、下向きに溶液を噴霧する。側面のノズル３３６、４３６は、水平方向に溶液を噴霧する。ノズル３３６、４３６から噴霧される溶液は、超音波霧化機３０１、４０１で霧化されたミストに比較して充分に大きな水滴であって、回収部３０５、４０５の内部を速やかに落下し、落下するときに、回収部３０５、４０５の内部に浮遊しているミストに衝突して、ミストを回収しながら落下する。したがって、回収部３０５、４０５に浮遊するミストを効率よく速やかに回収できる。

図の超音波分離装置は、ノズル３３６、４３６を上と側面とに配設しているが、回収部３０５、４０５の下部にノズルを配設することもできる。下部のノズルは、上向きに溶液を噴霧する。このノズルは、回収部の天井に溶液を衝突させる速度で、あるいは、天井の近傍まで上昇する速度で溶液を噴霧する。天井の近傍まで上昇するように噴霧される溶液は、天井の近傍で下向きに方向を変えて落下するので、上昇するときと降下するときにミストに接触して、ミストを効率よく回収する。

さらに、図８の回収部８０５は、内部に複数枚の邪魔板８３７を配設している。邪魔板８３７は、隣接するものとの間にミストを通過できる隙間を設けて、垂直の姿勢で配設している。垂直の邪魔板８３７は、ミストを表面に衝突させて付着する溶液を自然に流下させて回収できる。図の邪魔板８３７は、表面を凹凸面として、ミストをより効率よく接触させて回収できるようにしている。

さらに、図８の回収部８０５は、ミストを強制送風して撹拌するファン８３８を設けている。ファン８３８は、回収部８０５のミストを撹拌する。撹拌されるミストは、互いに衝突して凝集し、あるいは、邪魔板８３７の表面に衝突して凝集する。凝集するミストは、速やかに落下して回収される。図のファン８３８は、回収部８０５のミストを下向きに送風して循環させる。なお、この図において、８０１は超音波霧化機を、８０２は超音波振動子を、８０３は超音波電源を、８０４は超音波霧化室を、８０６は筒体をそれぞれ示している。

図９の超音波分離装置は、ミストを振動して互いに衝突する確率を高くするミスト振動器９３９を回収部９０５に設けている。ミスト振動器９３９は、回収部９０５の気体を振動させる電気振動−機械振動変換器と、この電気振動−機械振動変換器を駆動する振動電源とを備える。電気振動−機械振動変換器は、可聴周波数の音を放射するスピーカーや、可聴周波数よりも高い超音波を放射する超音波振動子等である。電気振動−機械振動変換器が、ミストを効率よく振動させるために、電気振動−機械振動変換器から放射される振動を回収部９０５で共振させる。このことを実現するために、電気振動−機械振動変換器は、回収部９０５で共振する周波数で振動させる。いいかえると、回収部９０５を電気振動−機械振動変換器から放射される振動に共振する形状に設計する。なお、この図において、９０１は超音波霧化機を、９０２は超音波振動子を、９０３は超音波電源を、９０４は超音波霧化室を、９０６は筒体をそれぞれ示している。

超音波は人間の可聴周波数を越える高い周波数であるので、耳には聞こえない。このため、超音波を放射するミスト振動器９３９は、回収部９０５の気体を激しく振動させて、いいかえると、電気振動−機械振動変換器の出力を極めて大きくして、人間に音の害を与えることがない。このため、超音波はミストを激しく振動して、効率よく衝突させて、速やかに回収できる特長がある。

以上の超音波分離装置は、回収部５、３０５、４０５、８０５、９０５に、ミストを効率よく凝集させる装置を配設するので、ミストをより速やかに凝集させて高濃度の溶液とすることができる。さらに、図示しないが、本発明の超音波分離装置は、回収部に、溶液を噴霧するノズルと、ミストを撹拌するファンと、ミストを振動させる振動器の全てを内蔵させて、最も効率よくミストを凝集できる。また、ミストを凝集させるふたつの装置を内蔵して、ミストを効率よく凝集させることもできる。

超音波霧化室４、３０４、４０４、８０４、９０４と回収部５、３０５、４０５、８０５、９０５は、好ましくは不活性ガスを充填する。この装置は、不活性ガスによって、超音波霧化室４、３０４、４０４、８０４、９０４や回収部５、３０５、４０５、８０５、９０５における溶液の変質が防止される。このため、より高品質な状態で高濃度の溶液を得ることができる。

本発明の溶液の超音波分離方法と装置は、低濃度のアルコールから高濃度のアルコールを分離するように、２種以上の物質を含む混合物から特定の物質の濃度の高い高濃度な溶液を分離し、あるいは溶液に含まれる目的物質を分離するのに利用できる。

従来の超音波分離装置が多数の超音波振動子で溶液をミストに霧化する状態を示す概略断面図である。 本発明の一実施例にかかるの溶液の超音波分離装置を示す概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかるの溶液の超音波分離装置を示す概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかるの溶液の超音波分離装置を示す概略構成図である。 図２に示す超音波分離装置の筒体を示す断面正面図である。 筒体の他の一例を示す断面正面図である。 筒体の他の一例を示す断面正面図である。 本発明の他の実施例にかかるの溶液の超音波分離装置を示す概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかるの溶液の超音波分離装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１、３０１、４０１、６０１、７０１、８０１、９０１…超音波霧化機
２、３０２、４０２、６０２、７０２、８０２、９０２…超音波振動子
３、３０３、４０３、８０３、９０３…超音波電源
４、３０４、４０４、８０４、９０４…超音波霧化室
５、３０５、４０５、８０５、９０５…回収部
６、３０６、４０６、６０６、７０６、８０６、９０６…筒体 ７０６Ａ…分岐筒
７…循環ダクト
４０８…ダクト
９…吸入部
１０、３１０、４１０…ポンプ
１１、３１１、４１１…原液槽
１２、３１２、４１２、６１２、７１２…噴霧口
６１３、７１３…流入口
１４、６１４、７１４…噴気口
１５、６１５、７１５…ダクト
１６、６１６、７１６…連結ダクト
１７…雄ネジ
１８…雌ネジ穴
１９、６１９、７１９…供給ダクト
２０、６２０、７２０…Ｏリング
２１、６２１、７２１…Ｏリング
６２２、７２２…連結部
６２３、７２３…連結穴
６２４、７２４…脱着連結具
６２５、７２５…装着室
６２６、７２６…電源回路部品
６２７、７２７…リード線
６２８、７２８…パッキン
６２９、７２９…連結凹部
６３０、７３０…Ｏリング
３３…冷却用熱交換器
３４…熱交換パイプ
３３５、４３５…循環ポンプ
３３６、４３６…ノズル
８３７…邪魔板
８３８…ファン
９３９…ミスト振動器
Ｐ…液柱

Claims (12)

1. 超音波振動子(2)で溶液を超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを凝集させて回収して、溶液を分離する溶液の超音波分離方法において、
   上端に噴霧口(12)を開口している筒体(6)内に溶液を供給し、溶液を超音波振動させて、筒体(6)の噴霧口(12)から排出してミストに霧化して飛散させる共に、ミストに搬送気体を供給して、搬送気体中でミストに霧化させる溶液の超音波分離方法。
2. 筒体(6)が円筒形である請求項１に記載される溶液の超音波分離方法。
3. 筒体(6)に噴霧口(12)に向かって細くなる円錐ホーンを使用する請求項１に記載される溶液の超音波分離方法。
4. 筒体(6)にエクスポーネンシャルホーンを使用する請求項１に記載される溶液の超音波分離方法。
5. 噴霧口(12)の周囲に搬送気体を噴射する請求項１に記載される溶液の超音波分離方法。
6. 噴霧口(12)から噴射する搬送気体に、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性な搬送気体を使用する請求項５に記載される溶液の超音波分離方法。
7. 溶液を超音波振動させてミストに霧化する複数の超音波振動子(2)と、超音波振動子(2)に接続されて超音波振動子(2)に高周波電力を供給して超音波振動させる超音波電源(3)と、超音波振動子(2)で霧化されたミストを凝集させて回収する回収部(5)とを備え、超音波霧化室(4)で霧化されたミストを回収部(5)で回収して溶液から分離する装置であって、
   超音波振動子(2)の上方に、上端に噴霧口(12)を開口している筒体(6)を配設しており、この筒体(6)内に溶液を供給して、超音波振動子(2)が溶液を超音波振動させて溶液を噴霧口(12)から排出してミストに霧化して放出するようにしており、
   さらに、筒体(6)は、霧化されるミストに搬送気体を供給する噴気口(14)を開口して、この噴気口(14)を搬送気体源に連結しており、搬送気体源から供給される搬送気体をミストに供給して、ミストを搬送気体中に霧化し、霧化されたミストを回収部(5)で凝集して回収するようにしてなる溶液の超音波分離装置。
8. 筒体(6)が円筒形である請求項７に記載される溶液の超音波分離装置。
9. 筒体(6)が、噴霧口(12)に向かって細くなる円錐ホーンである請求項７に記載される溶液の超音波分離装置。
10. 筒体(6)が、エクスポーネンシャルホーンである請求項７に記載される溶液の超音波分離装置。
11. 噴霧口(12)の周囲に噴気口(14)を開口している請求項７に記載される溶液の超音波分離装置。
12. 搬送気体源が、噴気口(14)に、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性な搬送気体を供給する請求項７に記載される溶液の超音波分離装置。
    

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