液体を超音波処理する装置
【課題】、振動伝達ソノトロード面の近距離範囲内のキャビテーションと、それと関連する振動伝達ソノトロード面の摩耗とを、５０％以上乃至完全に抑制することができる装置を提供すること。
【解決手段】少なくとも１個のソノトロード（１）を有する超音波システム（２）を具備し、このソノトロードが円筒状反応容器（５）に挿入され、液体が少なくとも１つの入口（４）と少なくとも１つの出口を経て円筒状反応容器（５）を通過する、作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、音響出力が５０〜２０，０００Ｗの超音波によってキャビテーションを発生させて液体を超音波処理するための装置において、円筒状反応容器（５）の有効横断面積が、円筒状反応容器（５）内のインサート（１０）によって振動伝達ソノトロード面（３）から間隔をおいて、少なくとも少しずつ連続的に減少するように形成されていることを特徴とする。
【解決手段】少なくとも１個のソノトロード（１）を有する超音波システム（２）を具備し、このソノトロードが円筒状反応容器（５）に挿入され、液体が少なくとも１つの入口（４）と少なくとも１つの出口を経て円筒状反応容器（５）を通過する、作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、音響出力が５０〜２０，０００Ｗの超音波によってキャビテーションを発生させて液体を超音波処理するための装置において、円筒状反応容器（５）の有効横断面積が、円筒状反応容器（５）内のインサート（１０）によって振動伝達ソノトロード面（３）から間隔をおいて、少なくとも少しずつ連続的に減少するように形成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１個のソノトロードを有する低周波−高出力−超音波システムを具備し、このソノトロードが反応容器に挿入され、液体が少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口を経て反応容器を通過する、低周波−高出力−超音波によって液体を超音波処理するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
低周波−高出力−超音波（ＮＦＬＵＳ）は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜６０ｋＨｚ、例えば２０ｋＨｚで、音響出力が１０Ｗよりも高く、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば８，０００Ｗの音響出力の超音波である。超音波を発生するために例えば圧電システムまたは磁歪システムが使用される。線形の音響変換器と平面状または湾曲したプレート変換器またはパイプ共振器が知られている。低周波−高出力−超音波は食品、化粧品、顔料およびナノ材料のような液体を処理するために数多く使用される。処理液体に対する低周波−高出力−超音波の作用は主として、液体内で発生したキャビテーションに基づいている。液体を超音波処理する際にキャビテーションが発生する。このキャビテーションは公知のごとく、（振動を伝達するソノトロード面の）大きな振幅の振動を液状媒体に伝達するソノトロードの面を摩耗することになる。ソノトロード材料、例えばチタンのこの材料削り取り屑は、超音波処理された液体内に達する。従って、摩耗はソノトロードの交換コストを必要とし、超音波処理すべき液体を汚染することになる。
【０００３】
摩耗と材料削り取りを減少または抑制するために、過去において種々の方法が知られている。
【０００４】
特許文献１では、低周波−高出力−超音波で処理される反応容器内でキャビテーションを完全にまたは大幅に抑制する圧力が反応容器内で発生させられる。それによって、摩耗と材料削り取りが大幅にまたは十分に減少する。しかしながら、液体に対するキャビテーションの作用も大幅にまたは十分に弱まる。
【０００５】
特許文献２により、ソノトロードと超音波処理媒体との間の層によって振動伝達ソノトロード面自体のキャビテーション摩耗を大幅にまたは十分に減少させる方法が知られている。しかしながら、振動伝達層が摩耗し、この層の補充／交換が必要となる。
【０００６】
振動伝達ソノトロード面から十分に離れた範囲に、低周波−高出力−超音波を収斂させるための解決策が知られている。収斂のために装置の三次元的な寸法が大きいという欠点がある。例えば水内で２０ｋＨｚの場合の音波長が約６０〜８０ｃｍであり、レンズの適切な寸法が波長の少なくとも１０倍であるので、収斂するための超音波レンズは、６００ｍｍよりも大きな直径を有する。更に、キャビテーションが音場を攪乱する。
【０００７】
低周波−高出力−超音波を例えば水のような結合液内に供給することができる（例えば特許文献３参照）。この結合液は振動を容器の壁、例えばガラスに伝達する。この容器の反対側には、超音波処理すべき液体が存在する。それによって、出力損失、従って超音波処理作用の低下を生じることになる。振動する容器壁の摩耗／削り取りが生じる。
【０００８】
音伝達面のコーティングまたは表面効果によって、摩耗の遅延または減少が達成される。しかしながら、コーティングは高価であり、作用が時間的に制限される。更に、表面を被覆した材料の削り取り屑が液体内に達する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ＤＥ １９９ ３８ ２５４．９
【特許文献２】ＤＥ １０ ２００４ ０２５ ８３６ Ａ１
【特許文献３】ＤＥ １０２ ４３ ８３７．４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の根底をなす課題は、振動伝達ソノトロード面の近距離範囲内のキャビテーションと、それと関連する振動伝達ソノトロード面の摩耗とを、５０％以上乃至完全に抑制することができる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は本発明に従い、請求項１に記載の発明によって解決される。合目的な実施形は従属請求項の対象である。
【００１２】
この特徴によれば、キャビテーションを大幅に減少するかまたは完全に回避する、圧力−振幅−特性曲線の近くまたは上方の圧力／振幅組み合わせを、反応容器内において振動伝達ソノトロード面の近距離範囲内に発生し、キャビテーションを生じる、圧力−振幅−特性曲線の下方の圧力／振幅組み合わせを、反応容器内において前記近距離範囲に接続する範囲内に少なくとも領域的におよび少なくとも一時的に発生する。
【００１３】
例えば水または油、エマルジョン、懸濁液または分散液のような液体内におけるキャビテーション形成は、所定の温度、例えば２０℃および所定の音周波数、例えば２０ｋＨｚの場合、振幅Ａと液体圧力ｐに依存する。上記条件下では、各振幅Ａについて最高液体圧力ｐｍａｘ（Ａ）が存在する。この最高液体圧力よりも高い圧力では、キャビテーションの発生が完全に抑制される。というのは、ｐ＞ｐｍａｘ（Ａ）の場合、局所的な真空気泡の発生が不可能になるように、液体が振動伝達ソノトロード面に押し付けられるからである。従って、それとは逆に、各液体圧力ｐについて、最小振幅Ａｍｉｎ（ｐ）が存在する。この最小振幅よりも小さい振幅では、キャビテーションが生じない。
【００１４】
方法に従って作動する装置は、反応容器の有効横断面積が、ソノトロード面から間隔をおいて、少なくとも少しずつ連続的に減少するように形成されている。
【００１５】
このような装置は単独配置または複数個を直列配置してもよいし、異なる変形の組み合わせからなっていてもよい。場合によっては、個々の要素、例えばノズルおよび／またはソノトロードおよび／または入口および／または出口を複数個配置してもよい。その際、複数のソノトロードは平行にまたは向き合わせて配置してもよいし、共にキャビテーション領域の方へ向けてもよい。ソノトロードは中央からずれた位置に配置してもよいし、キャビテーション領域の方へ斜めに向けてもよい。同様に、振動を伝達しないようにソノトロードを支持し、圧力を漏らさぬようにソノトロード反応容器に挿入することができる。ソノトロードは、平らでない表面、例えば凹形または凸形に湾曲した表面を有していてもよい。
【００１６】
１つまたは複数の出口を側方に配置してもよいし、ソノトロードに向き合わせて配置してもよい。１つの出口は付加的に絞り、例えばニードル弁またはボール弁を備えていてもよい。絞りは手動でまたは自動的に調節可能である。入口圧力または流速は手動でまたは自動的に調節可能である。そのために、ノズル間隔および／またはノズル開口が調節可能である。反応容器内のインサートも調節または制御可能に形成されている。調節は反応容器内の圧力に依存してあるいは出力またはキャビテーション形成に依存して行うことができる。
【００１７】
ノズルはキャビテーション耐性の材料からなっていてもよいし、コーティングしてもよい。ソノトロードまたは反応容器も同様である。反応容器は場合によっては縮小個所だけをキャビテーション耐性の材料によって形成してもよいし、コーティングしてもよい。
【００１８】
反応容器の長さは共鳴長さに合わせることができる。
【００１９】
供給ポンプは例えば歯車ポンプでもよいし、遠心ポンプでもよい。
【００２０】
手段はプレート変換器、円形浸漬変換器、プレート浸漬変換器および槽にも適している。
【００２１】
本発明による手段は、キャビテーションが振動伝達ソノトロード面に直接発生しないかまたは大幅に減少し、それに対して反応容器の他のところでは液体にとって有効なキャビテーションが発生するという利点がある。これにより、振動伝達ソノトロード面の摩耗が大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、振動伝達ソノトロード面の近距離範囲内のキャビテーションと、それと関連する振動伝達ソノトロード面の摩耗とを、５０％以上乃至完全に抑制することができる装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】反応容器内の圧力とソノトロードの振幅に依存してキャビテーションの発生を示す図
【図２】装置の第１変形を示す図
【図３】図２の変形に類似する変形を示す図
【図４】第２の種類の装置を示す図
【図５】図４の装置に類似する変形を示す図
【図６】他の種類の装置を示す図
【図７】本発明による装置を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、複数の実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。
【００２５】
図１は、液体圧力ｐｍａｘ（Ａ）のおおまかな変化を示している。この液体圧力よりも高い液体圧力では、キャビテーションの発生が完全に抑制される。というのは、ｐ＞ｐｍａｘ（Ａ）の場合、局所的な真空気泡が発生しなくなるように、液体が振動を伝達するソノトロード面に押し付けられるからである。これとは逆に、すべての液体圧力ｐについて、最小振幅Ａｍｉｎ（ｐ）が存在する。この最小振幅よりも小さな振幅では、キャビテーションが発生しない。最高液体圧力ｐｍａｘ（Ａ）と最小振幅Ａｍｉｎ（ｐ）は種々の液体について経験的に調べることが可能である。例えば振動伝達面のキャビテーションエロージョンまたは高周波音波放出が測定値として役立つ。高周波音波放出はキャビテーション気泡の爆発的な収縮の際のメガヘルツ範囲の振動の発生を利用する。
【００２６】
振動伝達ソノトロード面からの異なる距離Ｄにおける振幅Ａの本発明による変化によってあるいは振動伝達ソノトロード面からの異なる距離Ｄにおける液体圧力ｐの変化によってあるいは両変化の組み合わせによって、上記の近距離範囲内ではキャビテーションの発生が大幅に減少するかまたは完全に抑制され、一方、音場内のこの近距離範囲外では液体を処理するためのキャビテーションが可能になる。そのために、近距離範囲内においては液体圧力ｐがｐｍａｘ（Ａ）近くの圧力、すなわちｐ＞０．７×ｐｍａｘ（Ａ）またはｐｍａｘ（Ａ）よりも高い圧力に選定されるかあるいは振幅ＡがＡｍｉｎ（ｐ）近くの振幅、すなわちＡ＜１．３×Ａｍｉｎ（ｐ）またはＡｍｉｎ（ｐ）よりも小さな振幅に選定される。音場内の近距離範囲外では、液体圧力がｐｍａｘ（Ａ）よりも低いかあるいは振幅がＡｍｉｎ（ｐ）よりも大きな振幅まで増大する。
【００２７】
近距離範囲は振動伝達ソノトロード面の前の０〜５０ｍｍ、好ましくは０〜１０ｍｍ、例えば０〜２ｍｍの距離Ｄを含む。
【００２８】
振動伝達ソノトロード面から異なる距離Ｄ内における振幅Ａの変化と、振動伝達ソノトロード面から異なる距離Ｄ内における液体圧力ｐの変化と、この両変化の組み合わせは、例えば図２〜７に示した装置によって達成される。
【００２９】
装置は次の原理を利用する。
・図２及び図３に示した、振動伝達ソノトロード面の近距離範囲内における圧力上昇。
・図４及び図５に示した、振動伝達ソノトロード面の近距離範囲外における反応容器内の横断面縮小。
・図６及び図７に示した、振動伝達ソノトロード面の近距離範囲外における媒体を介しての振幅増幅。
すべての原理の組み合わせも可能である。
【００３０】
図２〜７におけるすべての変化にとって低周波−高出力−超音波システム２のソノトロード（音極）１が共通している。このソノトロードのソノトロード面３は反応容器５に挿入されている。媒体の供給は適当な開口４を経て行われる。ソノトロード１の運転時に反応容器５内では音場６が形成される。
【００３１】
低周波−高出力−超音波システム２の図示の隣にはそれぞれ、ソノトロード面３からの距離Ｄに対する圧力Ｐの変化が示してある。
【００３２】
図２に示した装置の場合には、環状ノズルとして形成された開口４を経て媒体を供給することにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内の圧力ｐが値ｐ１まで上昇するので、そこのキャビテーションは大幅に減少するかまたは完全に回避される。振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲外では、圧力ｐが値ｐ２まで低下し、音場６内でキャビテーションが発生する。
【００３３】
装置は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜３０ｋＨｚ、例えば２０ｋＨｚの低周波−高出力−超音波で運転される。
【００３４】
その際、５０〜２０，０００Ｗ、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば８，０００Ｗの音響出力で作動する。振動伝達ソノトロード面３では、音を液体に伝達するために、０〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、例えば１０μｍの振幅が使用される。振動するソノトロード１は反応容器５に対して、Ｏリングや振動を伝達しないフランジのような圧力を漏らさぬシールによって封止されている。０〜５０リットル、好ましくは１〜１０リットル、例えば５リットルの容積の反応容器５が使用される。反応容器５は種々の材料、好ましくは鋼、アルミニウム、品質を改良した金属、例えば特殊鋼からなっている。
【００３５】
ねばねばしたものからさらさらしたものまでの媒体、好ましくはさらさらした媒体、例えば水または油は、反応容器壁の上側範囲内の適当な開口４、好ましくはノズル、例えば高圧ノズル、管または特殊供給部を通って、反応容器５内に供給され、振動伝達ソノトロード面３の方へ案内される。媒体が５〜９０°、好ましくは２０〜８０°、例えば４５°の角度でおよびｐｍａｘ（Ａ）近くの圧力またはｐｍａｘ（Ａ）よりも高い圧力ｐで振動伝達ソノトロード面３に当たることにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内ではキャビテーションが大幅に減少するかまたは完全に回避される。この圧力ｐは例えば振幅が１０μｍのときに例えば２０バールである。
【００３６】
選択されたソノトロード１は好ましくはλ／４に相当する長さ、例えば６０ｍｍが反応容器５内に挿入されている。
【００３７】
反応容器５内において振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲外で圧力が降下することにより、値ｐｍａｘ（Ａ）を下回るので、反応容器５内において振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外側の範囲内でキャビテーションが可能となる。例えば、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲外の圧力が１．５バールに降下し得るので、１０μｍの振幅の場合、水内でキャビテーションが可能である。超音波処理された媒体は反応容器５の下側範囲、好ましくは側壁または底、例えば底の中央から排出される。圧力ｐ２の媒体の排出は制御して、または制御しないで行われ、例えばセル内の圧力ｐに影響を与えることができるようにするために制御して行われる。近距離範囲内または近距離範囲外の媒体の値は、いろいろなセンサ、例えば圧力センサを介して検出し、評価し、そしてプロセス最適化のために使用可能である。
【００３８】
この使用方法は、反応容器５内の任意の数のソノトロード１、例えば１個のソノトロード１、好ましくは５個までのソノトロード１によって行うことができる。
【００３９】
ポンプ圧力は必要な圧力ｐｍａｘ（Ａ）に依存して、適当なポンプを選択することによって、例えば制御可能な歯車ポンプを用いて発生させることが可能である。
【００４０】
図３に示した装置の場合には、媒体の適当な供給部、ここでは中央ノズル７として形成された供給部によって、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内で圧力ｐが値ｐ３まで高められるので、そこではキャビテーションが大幅に減少するかまたは完全に回避される。振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲外では、圧力ｐが値ｐ４まで降下し、音場６内でキャビテーションが発生する。
【００４１】
装置は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜３０ｋＨｚ、例えば２０ｋＨｚの低周波−高出力−超音波によって運転される。
【００４２】
その際、５０〜２０，０００Ｗ、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば８，０００Ｗの音響出力によって作動させられる。振動伝達ソノトロード面３では、液体に音を伝達するために、０〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、例えば２０μｍの振幅が使用される。振動するソノトロード１は、Ｏリングや振動を伝達しないフランジのような圧力を漏らさぬシールによって、反応容器５に対して封止されている。容積が０〜５０リットル、好ましくは１〜１０リットル、例えば５リットルの反応容器５が使用される。反応容器５は種々の材料、好ましくは鋼、アルミニウム、品質を改良した金属またはセラミックスからなっている。
【００４３】
ねばねばしたものからさらさらしたものまでの媒体、好ましくはさらさらした媒体、例えば油は、ノズル、例えば高圧ノズル、管または特殊供給部を通って、反応容器底の中央から振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内に供給される。媒体が自由に選択可能な角度、例えば９０°の角度でおよびほぼｐｍａｘ（Ａ）またはｐｍａｘ（Ａ）よりも高い圧力ｐで振動伝達ソノトロード面３に当たることにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内でのキャビテーションが大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【００４４】
選択されたソノトロード１は好ましくはλ／４に相当する長さ、例えば６０ｍｍが反応容器５内に挿入されている。
【００４５】
反応容器５内において振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外側で圧力が降下することにより、値ｐｍａｘ（Ａ）を下回るので、反応容器５内において音場６内でキャビテーションが可能となる。近距離範囲外の反応容器５内の圧力は例えば５バールである。
【００４６】
超音波処理された媒体は反応容器５の下側範囲、好ましくは側壁または下側の底、例えば下側の底の中心から離れたところから排出される。圧力ｐ４の媒体の排出は制御して、または制御しないで行われ、例えば、セル内の圧力ｐに影響を与えることができるようにするために制御して行われる。近距離範囲内または近距離範囲外の媒体の値は、いろいろなセンサ、例えば圧力センサを介して検出し、評価し、そしてプロセス最適化のために使用可能である。この使用方法は、反応容器５内の任意の数のソノトロード１、例えば１個のソノトロード１、好ましくは５個までのソノトロード１によって行うことができる。
【００４７】
図４は、装置の他の変形を示している。この変形の場合、流通液体内において、近距離範囲外の横断面縮小によって、音場６内の圧力低下が生じるので、この個所でキャビテーションが発生し一方、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内ではキャビテーションが大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【００４８】
装置は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜３０ｋＨｚ、例えば１９ｋＨｚの低周波−高出力−超音波によって運転される。
【００４９】
その際、５０〜２０，０００Ｗ、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば８，０００Ｗの音響出力によって作動させられる。振動伝達ソノトロード面３では、液体に音を伝達するために、０〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、例えば２０μｍの振幅が利用される。振動するソノトロード１は、Ｏリングや振動を伝達しないフランジのような圧力を漏らさぬシールによって、反応容器５に対して封止されている。容積が０〜５０リットル、好ましくは１〜１０リットル、例えば５リットルの円筒状反応容器５が使用される。反応容器５は種々の材料、好ましくは鋼、アルミニウム、品質を改良した金属、例えばチタンからなっている。反応容器５の内部の中心に、または中心からずれた位置に、横断面縮小部８が設けられている。この横断面縮小部８は液体が流れる際にベンチュリ効果による局所的な圧力低下を生じることになる。横断面縮小部８の寸法、形状および反応容器５内での高さは変更可能である。
【００５０】
ねばねばしたものからさらさらしたものまでの媒体、好ましくはさらさらした媒体、例えば顔料は、適当な開口４、好ましくはノズル、例えば標準ノズル、管または特殊供給部を通って、反応容器壁の上側範囲から振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内に供給される。ｐｍａｘ（Ａ）に近い圧力または圧力ｐｍａｘ（Ａ）よりも高い圧力ｐで媒体を供給することにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内においてキャビテーションの発生が大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【００５１】
選択されたソノトロード１は例えばλ／４に相当する長さ、例えば６０ｍｍが反応容器内に挿入されている。
【００５２】
反応容器５の内部の横断面縮小部８により、媒体は横断面縮小部８の最小直径に達する前にせき止め作用を受ける。それによって、この個所の上方の反応容器５内の圧力ｐは、媒体のキャビテーションを可能にするには高すぎる。従って、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内では、キャビテーションが大幅に減少するかまたは発生しない。横断面縮小部８の下方では、ベンチュリ効果によって減張、すなわち媒体の減張による圧力低下が生じ、それに伴いキャビテーションが可能になる。この範囲において圧力ｐは値ｐｍａｘ（Ａ）よりも低い。超音波処理された媒体は反応容器５の下側範囲から、好ましくは下側の底の中央からまたは円筒状反応容器５の下側の側壁から排出される。媒体の排出は制御してまたは制御せずに行うことができ、例えばセル内の圧力ｐに影響を及ぼすことができるようにするために制御して行うことができる。近距離範囲内と外の媒体の値は、種々のセンサ、例えば圧力センサを介して検出し、評価し、そしてプロセス最適化のために使用可能である。
【００５３】
この使用方法は、反応容器５内の任意の数のソノトロード、例えば１個のソノトロード１、好ましくは５個までのソノトロード１によって行うことができる。その代わりに、横断面縮小部８がソノトロード１から適当に離れている場合、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外でベンチュリ効果による局所的な圧力低下が行われるかぎり、流れ方向を逆にすることができる。
【００５４】
図５は類似の装置を示している。この装置の場合、近距離範囲外の横断面縮小部８により、流れる液体の圧力低下が音場６内で発生する。従って、この個所でキャビテーションが発生し、一方、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内ではキャビテーションが大幅に減少するかまたは完全に回避される。付加的に組み込まれた絞り部９によって、静的な背圧が発生し、この背圧はソノトロード１の一層大きな機械的振幅を可能にする。
【００５５】
装置は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜３０ｋＨｚ、例えば１７ｋＨｚの低周波−高出力−超音波で運転される。
【００５６】
その際、５０〜２０，０００Ｗ、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば１６，０００Ｗの音響出力によって作動させられる。振動伝達ソノトロード面３では、液体に音を伝達するために、０〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、例えば１５μｍの振幅が利用される。振動するソノトロード１は、Ｏリングや振動を伝達しないフランジのような圧力を漏らさぬシールによって、反応容器５に対して封止されている。容積が０〜５０リットル、好ましくは１〜１０リットル、例えば３リットルで端部が円錐形に先細になっている円筒状の反応容器５が使用される。反応容器５は種々の材料、好ましくは鋼、アルミニウム、品質を改良した金属またはガラスからなっている。反応容器５の内部の中心に、または中心からずれた位置に、横断面縮小部８が設けられている。この横断面縮小部８は液体が流れる際にベンチュリ効果による局所的な圧力低下を生じることになる。横断面縮小部８の寸法、形状および反応容器５内での高さは変更可能である。
【００５７】
ねばねばしたものからさらさらしたものまでの媒体、好ましくはさらさらした媒体、例えば菜種油は、適当な開口４、好ましくはノズル、例えば標準ノズル、管または特殊供給部を通って、反応容器壁の上側範囲から振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内に供給される。ｐｍａｘ（Ａ）に近い圧力または圧力ｐｍａｘ（Ａ）よりも高い圧力ｐで媒体を供給することにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内でキャビテーションの発生が大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【００５８】
選択されたソノトロード１は例えばλ／４に相当する長さ、例えば６０ｍｍが反応容器５内に挿入されている。
【００５９】
反応容器５の内部の横断面縮小部８により、媒体は横断面縮小部８の最小直径に達する前にせき止め作用を受ける。それによって、この個所の上方の反応容器５内の圧力ｐは、媒体のキャビテーションを可能にするには高すぎる。従って、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内では、キャビテーションが大幅に減少するかまたは発生しない。最小の横断面の下方では、ベンチュリ効果によって減張、すなわち媒体の圧力低下が生じ、それに伴いキャビテーションが可能になる。圧力ｐは値ｐｍａｘ（Ａ）よりも低い。超音波処理された媒体は反応容器５の下側範囲から、好ましくは下側の底の中央からまたは円筒状反応容器５の下側の側壁から排出される。媒体の排出は制御してまたは制御せずに行うことができ、例えばセル内の圧力ｐに影響を及ぼすことができるようにするために制御して行うことができる。近距離範囲内と外の媒体の値は、種々のセンサ、例えば圧力センサを介して検出し、評価し、そしてプロセス最適化のために使用可能である。付加的に組み込まれた絞り部９によって、静的な背圧が発生し、この背圧はソノトロード１の一層大きな機械的振幅を可能にする。
【００６０】
この使用方法は、反応容器５内の任意の数のソノトロード１、例えば１個のソノトロード１、好ましくは５個までのソノトロード１によって行うことができる。その代わりに、横断面縮小部８がソノトロード１から適当に離れている場合、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外でベンチュリ効果による局所的な圧力低下が行われるかぎり、流れ方向を逆にすることができる。
【００６１】
図６は装置の他の変形を示している。この変形の場合、反応容器を適当に採寸することによって、ここでは円錐形に先細になった反応容器５として形成することにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外に向かって媒体の連続的な振幅増大が可能になるので、近距離範囲内においてはキャビテーションが大幅に減少するかまたは完全に回避され、一方、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外ではキャビテーションが発生する。その際、反応容器の長さは好ましくはｎ×λ（液体）／２（ｎ∃１）、ここでは４×λ（液体）／２である。ゆっくり流れる媒体の場合の流れ方向と流速は重要ではない。特殊なケースでは流れないようにすることができる。反応容器５の有利な形状は例えば指数関数的形状または横断面の段階的変化である。
【００６２】
装置は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜３０ｋＨｚ、例えば２０ｋＨｚの低周波−高出力−超音波で運転される。
【００６３】
その際、５０〜２０，０００Ｗ、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば８，０００Ｗの音響出力で作動する。振動伝達ソノトロード面３では、音を液体に伝達するために、０〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、例えば２０μｍの振幅が利用される。振動するソノトロード１は反応容器５に対して、Ｏリングや振動を伝達しないフランジのような圧力を漏らさぬシールによって封止されている。０〜５０リットル、好ましくは１〜１０リットル、例えば４リットルの容積の反応容器５が使用される。反応容器５は種々の材料、好ましくは鋼、アルミニウム、品質を改良した金属、例えばハステロイ（Hasteloy）からなっている。反応容器は異なる角度、好ましくは鋭角、例えば１５°で底の方へ円錐台状に先細にすることができる。
【００６４】
ねばねばしたものからさらさらしたものまでの媒体、好ましくはさらさらした媒体、例えばディーゼル油は、適当な開口４、好ましくはノズル、例えば標準ノズル、管または特殊供給部を通って、反応容器壁の上側範囲から振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内に供給される。キャビテーションのために必要な媒体圧力ｐ以下で媒体を供給することにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内でキャビテーションの発生が大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【００６５】
選択されたソノトロード１は好ましくはλ／４に相当する長さ、例えば６０ｍｍが反応容器５内に挿入されている。
【００６６】
反応容器の構造的な横断面縮小部によって、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外の振幅は、面積に比例して、値Ａｍｉｎ（ｐ）よりも上昇し、例えば１０倍上昇する。この範囲においてキャビテーションが発生する。この値はその都度λ−半分−ステップで上昇する。それによって、個々のまたは複数のキャビテーション領域が反応容器５内に発生し得る。キャビテーション領域の数、形状および大きさは構造に依存する。超音波処理された媒体は反応容器５の下側範囲から、好ましくは円錐台状の反応容器５の下側の底の中央から排出される。媒体の排出は制御して、または制御せずに行うことができ、例えばセル内の圧力ｐに影響を及ぼすことができるようにするために制御して行うことができる。近距離範囲内または近距離範囲外の媒体の値は、いろいろなセンサ、例えば圧力センサを介して検出し、評価し、そしてプロセス最適化のために使用可能である。
【００６７】
この使用方法は、反応容器５内の任意の数のソノトロード１、例えば１個のソノトロード１、好ましくは５個までのソノトロード１によって行うことができる。
【００６８】
図７は、図６に関連して説明したような装置を示し、この装置は反応容器の形状だけが異なっている。この装置では、円錐体１０が円筒状反応容器５内に設けられている。
【００６９】
装置は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜３０ｋＨｚ、例えば２０ｋＨｚの低周波−高出力−超音波で運転される。
【００７０】
その際、５０〜２０，０００Ｗ、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば８，０００Ｗの音響出力で作動する。振動伝達ソノトロード面３では、音を液体に伝達するために、０〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、例えば１０μｍの振幅が利用される。振動するソノトロード１は反応容器５に対して、Ｏリングや振動を伝達しないフランジのような圧力を漏らさぬシールによって封止されている。０〜５０リットル、好ましくは１〜１０リットル、例えば５リットルの容積の反応容器５が使用される。反応容器５は種々の材料、好ましくは鋼、アルミニウム、品質を改良した金属またはポリマーからなっている。円錐体は反応容器５の内部の中央に配置され、種々の材料、好ましくは金属、非金属またはセラミックスからなっている。円錐体１０は振動伝達ソノトロード面３の方へ鋭角状に、好ましくは５〜３０°の角度で、例えば１５°で先細になっている。それによって、ソノトロード１からの距離Ｄが増大するにつれて横断面が縮小する。この横断面縮小は適当な設計の場合液状媒体内の振幅増大を生じる。
【００７１】
ねばねばしたものからさらさらしたものまでの媒体、好ましくはさらさらした媒体、例えばエマルジョンは、適当な開口４、好ましくはノズル、例えば標準ノズル、管または特殊供給部を通って、反応容器壁の上側範囲から振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内に供給される。その際、ゆっくり流れる媒体の場合の流れ方向と流速は重要ではない。特殊なケースでは流れないようにすることができる。キャビテーションのために必要な媒体圧力ｐ以下で媒体を供給することにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内でキャビテーションの発生が大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【００７２】
選択されたソノトロード１は好ましくはλ／４に相当する長さ、例えば６０ｍｍが反応容器５内に挿入されている。
【００７３】
反応容器の構造的な横断面縮小部によって、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲外の振幅は、面積に比例して、値Ａｍｉｎ（ｐ）よりも上昇し、例えば１０倍上昇する。この範囲においてキャビテーションが発生する。この値はその都度λ−半分−ステップで上昇する。それによって、個々のまたは複数のキャビテーション領域が反応容器５内に発生し得る。キャビテーション領域の数、形状および大きさは構造に依存する。超音波処理された媒体は反応容器５の下側範囲から、好ましくは円錐台状の反応容器５の下側の底の中央から排出される。媒体の排出は制御してまたは制御せずに行うことができ、例えばセル内の圧力ｐに影響を及ぼすことができるようにするために制御して行うことができる。近距離範囲内または近距離範囲外の媒体の値は、いろいろなセンサ、例えば圧力センサを介して検出し、評価し、そしてプロセス最適化のために使用可能である。
【００７４】
この使用方法は、反応容器５内の任意の数のソノトロード１、例えば１個のソノトロード１、好ましくは５個までのソノトロード１によって行うことができる。
【符号の説明】
【００７５】
１：ソノトロード
２：低周波−高出力−超音波システム
３：ソノトロード面
４：開口
５：反応容器
６：音場
７：中央ノズル
８：横断面縮小部
９：絞り部
１０：円錐体
Ｐ：圧力
Ａ：振幅
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１個のソノトロードを有する低周波−高出力−超音波システムを具備し、このソノトロードが反応容器に挿入され、液体が少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口を経て反応容器を通過する、低周波−高出力−超音波によって液体を超音波処理するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
低周波−高出力−超音波（ＮＦＬＵＳ）は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜６０ｋＨｚ、例えば２０ｋＨｚで、音響出力が１０Ｗよりも高く、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば８，０００Ｗの音響出力の超音波である。超音波を発生するために例えば圧電システムまたは磁歪システムが使用される。線形の音響変換器と平面状または湾曲したプレート変換器またはパイプ共振器が知られている。低周波−高出力−超音波は食品、化粧品、顔料およびナノ材料のような液体を処理するために数多く使用される。処理液体に対する低周波−高出力−超音波の作用は主として、液体内で発生したキャビテーションに基づいている。液体を超音波処理する際にキャビテーションが発生する。このキャビテーションは公知のごとく、（振動を伝達するソノトロード面の）大きな振幅の振動を液状媒体に伝達するソノトロードの面を摩耗することになる。ソノトロード材料、例えばチタンのこの材料削り取り屑は、超音波処理された液体内に達する。従って、摩耗はソノトロードの交換コストを必要とし、超音波処理すべき液体を汚染することになる。
【０００３】
摩耗と材料削り取りを減少または抑制するために、過去において種々の方法が知られている。
【０００４】
特許文献１では、低周波−高出力−超音波で処理される反応容器内でキャビテーションを完全にまたは大幅に抑制する圧力が反応容器内で発生させられる。それによって、摩耗と材料削り取りが大幅にまたは十分に減少する。しかしながら、液体に対するキャビテーションの作用も大幅にまたは十分に弱まる。
【０００５】
特許文献２により、ソノトロードと超音波処理媒体との間の層によって振動伝達ソノトロード面自体のキャビテーション摩耗を大幅にまたは十分に減少させる方法が知られている。しかしながら、振動伝達層が摩耗し、この層の補充／交換が必要となる。
【０００６】
振動伝達ソノトロード面から十分に離れた範囲に、低周波−高出力−超音波を収斂させるための解決策が知られている。収斂のために装置の三次元的な寸法が大きいという欠点がある。例えば水内で２０ｋＨｚの場合の音波長が約６０〜８０ｃｍであり、レンズの適切な寸法が波長の少なくとも１０倍であるので、収斂するための超音波レンズは、６００ｍｍよりも大きな直径を有する。更に、キャビテーションが音場を攪乱する。
【０００７】
低周波−高出力−超音波を例えば水のような結合液内に供給することができる（例えば特許文献３参照）。この結合液は振動を容器の壁、例えばガラスに伝達する。この容器の反対側には、超音波処理すべき液体が存在する。それによって、出力損失、従って超音波処理作用の低下を生じることになる。振動する容器壁の摩耗／削り取りが生じる。
【０００８】
音伝達面のコーティングまたは表面効果によって、摩耗の遅延または減少が達成される。しかしながら、コーティングは高価であり、作用が時間的に制限される。更に、表面を被覆した材料の削り取り屑が液体内に達する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ＤＥ １９９ ３８ ２５４．９
【特許文献２】ＤＥ １０ ２００４ ０２５ ８３６ Ａ１
【特許文献３】ＤＥ １０２ ４３ ８３７．４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の根底をなす課題は、振動伝達ソノトロード面の近距離範囲内のキャビテーションと、それと関連する振動伝達ソノトロード面の摩耗とを、５０％以上乃至完全に抑制することができる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は本発明に従い、請求項１に記載の発明によって解決される。合目的な実施形は従属請求項の対象である。
【００１２】
この特徴によれば、キャビテーションを大幅に減少するかまたは完全に回避する、圧力−振幅−特性曲線の近くまたは上方の圧力／振幅組み合わせを、反応容器内において振動伝達ソノトロード面の近距離範囲内に発生し、キャビテーションを生じる、圧力−振幅−特性曲線の下方の圧力／振幅組み合わせを、反応容器内において前記近距離範囲に接続する範囲内に少なくとも領域的におよび少なくとも一時的に発生する。
【００１３】
例えば水または油、エマルジョン、懸濁液または分散液のような液体内におけるキャビテーション形成は、所定の温度、例えば２０℃および所定の音周波数、例えば２０ｋＨｚの場合、振幅Ａと液体圧力ｐに依存する。上記条件下では、各振幅Ａについて最高液体圧力ｐｍａｘ（Ａ）が存在する。この最高液体圧力よりも高い圧力では、キャビテーションの発生が完全に抑制される。というのは、ｐ＞ｐｍａｘ（Ａ）の場合、局所的な真空気泡の発生が不可能になるように、液体が振動伝達ソノトロード面に押し付けられるからである。従って、それとは逆に、各液体圧力ｐについて、最小振幅Ａｍｉｎ（ｐ）が存在する。この最小振幅よりも小さい振幅では、キャビテーションが生じない。
【００１４】
方法に従って作動する装置は、反応容器の有効横断面積が、ソノトロード面から間隔をおいて、少なくとも少しずつ連続的に減少するように形成されている。
【００１５】
このような装置は単独配置または複数個を直列配置してもよいし、異なる変形の組み合わせからなっていてもよい。場合によっては、個々の要素、例えばノズルおよび／またはソノトロードおよび／または入口および／または出口を複数個配置してもよい。その際、複数のソノトロードは平行にまたは向き合わせて配置してもよいし、共にキャビテーション領域の方へ向けてもよい。ソノトロードは中央からずれた位置に配置してもよいし、キャビテーション領域の方へ斜めに向けてもよい。同様に、振動を伝達しないようにソノトロードを支持し、圧力を漏らさぬようにソノトロード反応容器に挿入することができる。ソノトロードは、平らでない表面、例えば凹形または凸形に湾曲した表面を有していてもよい。
【００１６】
１つまたは複数の出口を側方に配置してもよいし、ソノトロードに向き合わせて配置してもよい。１つの出口は付加的に絞り、例えばニードル弁またはボール弁を備えていてもよい。絞りは手動でまたは自動的に調節可能である。入口圧力または流速は手動でまたは自動的に調節可能である。そのために、ノズル間隔および／またはノズル開口が調節可能である。反応容器内のインサートも調節または制御可能に形成されている。調節は反応容器内の圧力に依存してあるいは出力またはキャビテーション形成に依存して行うことができる。
【００１７】
ノズルはキャビテーション耐性の材料からなっていてもよいし、コーティングしてもよい。ソノトロードまたは反応容器も同様である。反応容器は場合によっては縮小個所だけをキャビテーション耐性の材料によって形成してもよいし、コーティングしてもよい。
【００１８】
反応容器の長さは共鳴長さに合わせることができる。
【００１９】
供給ポンプは例えば歯車ポンプでもよいし、遠心ポンプでもよい。
【００２０】
手段はプレート変換器、円形浸漬変換器、プレート浸漬変換器および槽にも適している。
【００２１】
本発明による手段は、キャビテーションが振動伝達ソノトロード面に直接発生しないかまたは大幅に減少し、それに対して反応容器の他のところでは液体にとって有効なキャビテーションが発生するという利点がある。これにより、振動伝達ソノトロード面の摩耗が大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、振動伝達ソノトロード面の近距離範囲内のキャビテーションと、それと関連する振動伝達ソノトロード面の摩耗とを、５０％以上乃至完全に抑制することができる装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】反応容器内の圧力とソノトロードの振幅に依存してキャビテーションの発生を示す図
【図２】装置の第１変形を示す図
【図３】図２の変形に類似する変形を示す図
【図４】第２の種類の装置を示す図
【図５】図４の装置に類似する変形を示す図
【図６】他の種類の装置を示す図
【図７】本発明による装置を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、複数の実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。
【００２５】
図１は、液体圧力ｐｍａｘ（Ａ）のおおまかな変化を示している。この液体圧力よりも高い液体圧力では、キャビテーションの発生が完全に抑制される。というのは、ｐ＞ｐｍａｘ（Ａ）の場合、局所的な真空気泡が発生しなくなるように、液体が振動を伝達するソノトロード面に押し付けられるからである。これとは逆に、すべての液体圧力ｐについて、最小振幅Ａｍｉｎ（ｐ）が存在する。この最小振幅よりも小さな振幅では、キャビテーションが発生しない。最高液体圧力ｐｍａｘ（Ａ）と最小振幅Ａｍｉｎ（ｐ）は種々の液体について経験的に調べることが可能である。例えば振動伝達面のキャビテーションエロージョンまたは高周波音波放出が測定値として役立つ。高周波音波放出はキャビテーション気泡の爆発的な収縮の際のメガヘルツ範囲の振動の発生を利用する。
【００２６】
振動伝達ソノトロード面からの異なる距離Ｄにおける振幅Ａの本発明による変化によってあるいは振動伝達ソノトロード面からの異なる距離Ｄにおける液体圧力ｐの変化によってあるいは両変化の組み合わせによって、上記の近距離範囲内ではキャビテーションの発生が大幅に減少するかまたは完全に抑制され、一方、音場内のこの近距離範囲外では液体を処理するためのキャビテーションが可能になる。そのために、近距離範囲内においては液体圧力ｐがｐｍａｘ（Ａ）近くの圧力、すなわちｐ＞０．７×ｐｍａｘ（Ａ）またはｐｍａｘ（Ａ）よりも高い圧力に選定されるかあるいは振幅ＡがＡｍｉｎ（ｐ）近くの振幅、すなわちＡ＜１．３×Ａｍｉｎ（ｐ）またはＡｍｉｎ（ｐ）よりも小さな振幅に選定される。音場内の近距離範囲外では、液体圧力がｐｍａｘ（Ａ）よりも低いかあるいは振幅がＡｍｉｎ（ｐ）よりも大きな振幅まで増大する。
【００２７】
近距離範囲は振動伝達ソノトロード面の前の０〜５０ｍｍ、好ましくは０〜１０ｍｍ、例えば０〜２ｍｍの距離Ｄを含む。
【００２８】
振動伝達ソノトロード面から異なる距離Ｄ内における振幅Ａの変化と、振動伝達ソノトロード面から異なる距離Ｄ内における液体圧力ｐの変化と、この両変化の組み合わせは、例えば図２〜７に示した装置によって達成される。
【００２９】
装置は次の原理を利用する。
・図２及び図３に示した、振動伝達ソノトロード面の近距離範囲内における圧力上昇。
・図４及び図５に示した、振動伝達ソノトロード面の近距離範囲外における反応容器内の横断面縮小。
・図６及び図７に示した、振動伝達ソノトロード面の近距離範囲外における媒体を介しての振幅増幅。
すべての原理の組み合わせも可能である。
【００３０】
図２〜７におけるすべての変化にとって低周波−高出力−超音波システム２のソノトロード（音極）１が共通している。このソノトロードのソノトロード面３は反応容器５に挿入されている。媒体の供給は適当な開口４を経て行われる。ソノトロード１の運転時に反応容器５内では音場６が形成される。
【００３１】
低周波−高出力−超音波システム２の図示の隣にはそれぞれ、ソノトロード面３からの距離Ｄに対する圧力Ｐの変化が示してある。
【００３２】
図２に示した装置の場合には、環状ノズルとして形成された開口４を経て媒体を供給することにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内の圧力ｐが値ｐ１まで上昇するので、そこのキャビテーションは大幅に減少するかまたは完全に回避される。振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲外では、圧力ｐが値ｐ２まで低下し、音場６内でキャビテーションが発生する。
【００３３】
装置は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜３０ｋＨｚ、例えば２０ｋＨｚの低周波−高出力−超音波で運転される。
【００３４】
その際、５０〜２０，０００Ｗ、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば８，０００Ｗの音響出力で作動する。振動伝達ソノトロード面３では、音を液体に伝達するために、０〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、例えば１０μｍの振幅が使用される。振動するソノトロード１は反応容器５に対して、Ｏリングや振動を伝達しないフランジのような圧力を漏らさぬシールによって封止されている。０〜５０リットル、好ましくは１〜１０リットル、例えば５リットルの容積の反応容器５が使用される。反応容器５は種々の材料、好ましくは鋼、アルミニウム、品質を改良した金属、例えば特殊鋼からなっている。
【００３５】
ねばねばしたものからさらさらしたものまでの媒体、好ましくはさらさらした媒体、例えば水または油は、反応容器壁の上側範囲内の適当な開口４、好ましくはノズル、例えば高圧ノズル、管または特殊供給部を通って、反応容器５内に供給され、振動伝達ソノトロード面３の方へ案内される。媒体が５〜９０°、好ましくは２０〜８０°、例えば４５°の角度でおよびｐｍａｘ（Ａ）近くの圧力またはｐｍａｘ（Ａ）よりも高い圧力ｐで振動伝達ソノトロード面３に当たることにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内ではキャビテーションが大幅に減少するかまたは完全に回避される。この圧力ｐは例えば振幅が１０μｍのときに例えば２０バールである。
【００３６】
選択されたソノトロード１は好ましくはλ／４に相当する長さ、例えば６０ｍｍが反応容器５内に挿入されている。
【００３７】
反応容器５内において振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲外で圧力が降下することにより、値ｐｍａｘ（Ａ）を下回るので、反応容器５内において振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外側の範囲内でキャビテーションが可能となる。例えば、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲外の圧力が１．５バールに降下し得るので、１０μｍの振幅の場合、水内でキャビテーションが可能である。超音波処理された媒体は反応容器５の下側範囲、好ましくは側壁または底、例えば底の中央から排出される。圧力ｐ２の媒体の排出は制御して、または制御しないで行われ、例えばセル内の圧力ｐに影響を与えることができるようにするために制御して行われる。近距離範囲内または近距離範囲外の媒体の値は、いろいろなセンサ、例えば圧力センサを介して検出し、評価し、そしてプロセス最適化のために使用可能である。
【００３８】
この使用方法は、反応容器５内の任意の数のソノトロード１、例えば１個のソノトロード１、好ましくは５個までのソノトロード１によって行うことができる。
【００３９】
ポンプ圧力は必要な圧力ｐｍａｘ（Ａ）に依存して、適当なポンプを選択することによって、例えば制御可能な歯車ポンプを用いて発生させることが可能である。
【００４０】
図３に示した装置の場合には、媒体の適当な供給部、ここでは中央ノズル７として形成された供給部によって、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内で圧力ｐが値ｐ３まで高められるので、そこではキャビテーションが大幅に減少するかまたは完全に回避される。振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲外では、圧力ｐが値ｐ４まで降下し、音場６内でキャビテーションが発生する。
【００４１】
装置は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜３０ｋＨｚ、例えば２０ｋＨｚの低周波−高出力−超音波によって運転される。
【００４２】
その際、５０〜２０，０００Ｗ、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば８，０００Ｗの音響出力によって作動させられる。振動伝達ソノトロード面３では、液体に音を伝達するために、０〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、例えば２０μｍの振幅が使用される。振動するソノトロード１は、Ｏリングや振動を伝達しないフランジのような圧力を漏らさぬシールによって、反応容器５に対して封止されている。容積が０〜５０リットル、好ましくは１〜１０リットル、例えば５リットルの反応容器５が使用される。反応容器５は種々の材料、好ましくは鋼、アルミニウム、品質を改良した金属またはセラミックスからなっている。
【００４３】
ねばねばしたものからさらさらしたものまでの媒体、好ましくはさらさらした媒体、例えば油は、ノズル、例えば高圧ノズル、管または特殊供給部を通って、反応容器底の中央から振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内に供給される。媒体が自由に選択可能な角度、例えば９０°の角度でおよびほぼｐｍａｘ（Ａ）またはｐｍａｘ（Ａ）よりも高い圧力ｐで振動伝達ソノトロード面３に当たることにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内でのキャビテーションが大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【００４４】
選択されたソノトロード１は好ましくはλ／４に相当する長さ、例えば６０ｍｍが反応容器５内に挿入されている。
【００４５】
反応容器５内において振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外側で圧力が降下することにより、値ｐｍａｘ（Ａ）を下回るので、反応容器５内において音場６内でキャビテーションが可能となる。近距離範囲外の反応容器５内の圧力は例えば５バールである。
【００４６】
超音波処理された媒体は反応容器５の下側範囲、好ましくは側壁または下側の底、例えば下側の底の中心から離れたところから排出される。圧力ｐ４の媒体の排出は制御して、または制御しないで行われ、例えば、セル内の圧力ｐに影響を与えることができるようにするために制御して行われる。近距離範囲内または近距離範囲外の媒体の値は、いろいろなセンサ、例えば圧力センサを介して検出し、評価し、そしてプロセス最適化のために使用可能である。この使用方法は、反応容器５内の任意の数のソノトロード１、例えば１個のソノトロード１、好ましくは５個までのソノトロード１によって行うことができる。
【００４７】
図４は、装置の他の変形を示している。この変形の場合、流通液体内において、近距離範囲外の横断面縮小によって、音場６内の圧力低下が生じるので、この個所でキャビテーションが発生し一方、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内ではキャビテーションが大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【００４８】
装置は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜３０ｋＨｚ、例えば１９ｋＨｚの低周波−高出力−超音波によって運転される。
【００４９】
その際、５０〜２０，０００Ｗ、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば８，０００Ｗの音響出力によって作動させられる。振動伝達ソノトロード面３では、液体に音を伝達するために、０〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、例えば２０μｍの振幅が利用される。振動するソノトロード１は、Ｏリングや振動を伝達しないフランジのような圧力を漏らさぬシールによって、反応容器５に対して封止されている。容積が０〜５０リットル、好ましくは１〜１０リットル、例えば５リットルの円筒状反応容器５が使用される。反応容器５は種々の材料、好ましくは鋼、アルミニウム、品質を改良した金属、例えばチタンからなっている。反応容器５の内部の中心に、または中心からずれた位置に、横断面縮小部８が設けられている。この横断面縮小部８は液体が流れる際にベンチュリ効果による局所的な圧力低下を生じることになる。横断面縮小部８の寸法、形状および反応容器５内での高さは変更可能である。
【００５０】
ねばねばしたものからさらさらしたものまでの媒体、好ましくはさらさらした媒体、例えば顔料は、適当な開口４、好ましくはノズル、例えば標準ノズル、管または特殊供給部を通って、反応容器壁の上側範囲から振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内に供給される。ｐｍａｘ（Ａ）に近い圧力または圧力ｐｍａｘ（Ａ）よりも高い圧力ｐで媒体を供給することにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内においてキャビテーションの発生が大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【００５１】
選択されたソノトロード１は例えばλ／４に相当する長さ、例えば６０ｍｍが反応容器内に挿入されている。
【００５２】
反応容器５の内部の横断面縮小部８により、媒体は横断面縮小部８の最小直径に達する前にせき止め作用を受ける。それによって、この個所の上方の反応容器５内の圧力ｐは、媒体のキャビテーションを可能にするには高すぎる。従って、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内では、キャビテーションが大幅に減少するかまたは発生しない。横断面縮小部８の下方では、ベンチュリ効果によって減張、すなわち媒体の減張による圧力低下が生じ、それに伴いキャビテーションが可能になる。この範囲において圧力ｐは値ｐｍａｘ（Ａ）よりも低い。超音波処理された媒体は反応容器５の下側範囲から、好ましくは下側の底の中央からまたは円筒状反応容器５の下側の側壁から排出される。媒体の排出は制御してまたは制御せずに行うことができ、例えばセル内の圧力ｐに影響を及ぼすことができるようにするために制御して行うことができる。近距離範囲内と外の媒体の値は、種々のセンサ、例えば圧力センサを介して検出し、評価し、そしてプロセス最適化のために使用可能である。
【００５３】
この使用方法は、反応容器５内の任意の数のソノトロード、例えば１個のソノトロード１、好ましくは５個までのソノトロード１によって行うことができる。その代わりに、横断面縮小部８がソノトロード１から適当に離れている場合、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外でベンチュリ効果による局所的な圧力低下が行われるかぎり、流れ方向を逆にすることができる。
【００５４】
図５は類似の装置を示している。この装置の場合、近距離範囲外の横断面縮小部８により、流れる液体の圧力低下が音場６内で発生する。従って、この個所でキャビテーションが発生し、一方、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内ではキャビテーションが大幅に減少するかまたは完全に回避される。付加的に組み込まれた絞り部９によって、静的な背圧が発生し、この背圧はソノトロード１の一層大きな機械的振幅を可能にする。
【００５５】
装置は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜３０ｋＨｚ、例えば１７ｋＨｚの低周波−高出力−超音波で運転される。
【００５６】
その際、５０〜２０，０００Ｗ、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば１６，０００Ｗの音響出力によって作動させられる。振動伝達ソノトロード面３では、液体に音を伝達するために、０〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、例えば１５μｍの振幅が利用される。振動するソノトロード１は、Ｏリングや振動を伝達しないフランジのような圧力を漏らさぬシールによって、反応容器５に対して封止されている。容積が０〜５０リットル、好ましくは１〜１０リットル、例えば３リットルで端部が円錐形に先細になっている円筒状の反応容器５が使用される。反応容器５は種々の材料、好ましくは鋼、アルミニウム、品質を改良した金属またはガラスからなっている。反応容器５の内部の中心に、または中心からずれた位置に、横断面縮小部８が設けられている。この横断面縮小部８は液体が流れる際にベンチュリ効果による局所的な圧力低下を生じることになる。横断面縮小部８の寸法、形状および反応容器５内での高さは変更可能である。
【００５７】
ねばねばしたものからさらさらしたものまでの媒体、好ましくはさらさらした媒体、例えば菜種油は、適当な開口４、好ましくはノズル、例えば標準ノズル、管または特殊供給部を通って、反応容器壁の上側範囲から振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内に供給される。ｐｍａｘ（Ａ）に近い圧力または圧力ｐｍａｘ（Ａ）よりも高い圧力ｐで媒体を供給することにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内でキャビテーションの発生が大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【００５８】
選択されたソノトロード１は例えばλ／４に相当する長さ、例えば６０ｍｍが反応容器５内に挿入されている。
【００５９】
反応容器５の内部の横断面縮小部８により、媒体は横断面縮小部８の最小直径に達する前にせき止め作用を受ける。それによって、この個所の上方の反応容器５内の圧力ｐは、媒体のキャビテーションを可能にするには高すぎる。従って、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内では、キャビテーションが大幅に減少するかまたは発生しない。最小の横断面の下方では、ベンチュリ効果によって減張、すなわち媒体の圧力低下が生じ、それに伴いキャビテーションが可能になる。圧力ｐは値ｐｍａｘ（Ａ）よりも低い。超音波処理された媒体は反応容器５の下側範囲から、好ましくは下側の底の中央からまたは円筒状反応容器５の下側の側壁から排出される。媒体の排出は制御してまたは制御せずに行うことができ、例えばセル内の圧力ｐに影響を及ぼすことができるようにするために制御して行うことができる。近距離範囲内と外の媒体の値は、種々のセンサ、例えば圧力センサを介して検出し、評価し、そしてプロセス最適化のために使用可能である。付加的に組み込まれた絞り部９によって、静的な背圧が発生し、この背圧はソノトロード１の一層大きな機械的振幅を可能にする。
【００６０】
この使用方法は、反応容器５内の任意の数のソノトロード１、例えば１個のソノトロード１、好ましくは５個までのソノトロード１によって行うことができる。その代わりに、横断面縮小部８がソノトロード１から適当に離れている場合、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外でベンチュリ効果による局所的な圧力低下が行われるかぎり、流れ方向を逆にすることができる。
【００６１】
図６は装置の他の変形を示している。この変形の場合、反応容器を適当に採寸することによって、ここでは円錐形に先細になった反応容器５として形成することにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外に向かって媒体の連続的な振幅増大が可能になるので、近距離範囲内においてはキャビテーションが大幅に減少するかまたは完全に回避され、一方、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外ではキャビテーションが発生する。その際、反応容器の長さは好ましくはｎ×λ（液体）／２（ｎ∃１）、ここでは４×λ（液体）／２である。ゆっくり流れる媒体の場合の流れ方向と流速は重要ではない。特殊なケースでは流れないようにすることができる。反応容器５の有利な形状は例えば指数関数的形状または横断面の段階的変化である。
【００６２】
装置は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜３０ｋＨｚ、例えば２０ｋＨｚの低周波−高出力−超音波で運転される。
【００６３】
その際、５０〜２０，０００Ｗ、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば８，０００Ｗの音響出力で作動する。振動伝達ソノトロード面３では、音を液体に伝達するために、０〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、例えば２０μｍの振幅が利用される。振動するソノトロード１は反応容器５に対して、Ｏリングや振動を伝達しないフランジのような圧力を漏らさぬシールによって封止されている。０〜５０リットル、好ましくは１〜１０リットル、例えば４リットルの容積の反応容器５が使用される。反応容器５は種々の材料、好ましくは鋼、アルミニウム、品質を改良した金属、例えばハステロイ（Hasteloy）からなっている。反応容器は異なる角度、好ましくは鋭角、例えば１５°で底の方へ円錐台状に先細にすることができる。
【００６４】
ねばねばしたものからさらさらしたものまでの媒体、好ましくはさらさらした媒体、例えばディーゼル油は、適当な開口４、好ましくはノズル、例えば標準ノズル、管または特殊供給部を通って、反応容器壁の上側範囲から振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内に供給される。キャビテーションのために必要な媒体圧力ｐ以下で媒体を供給することにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内でキャビテーションの発生が大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【００６５】
選択されたソノトロード１は好ましくはλ／４に相当する長さ、例えば６０ｍｍが反応容器５内に挿入されている。
【００６６】
反応容器の構造的な横断面縮小部によって、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲の外の振幅は、面積に比例して、値Ａｍｉｎ（ｐ）よりも上昇し、例えば１０倍上昇する。この範囲においてキャビテーションが発生する。この値はその都度λ−半分−ステップで上昇する。それによって、個々のまたは複数のキャビテーション領域が反応容器５内に発生し得る。キャビテーション領域の数、形状および大きさは構造に依存する。超音波処理された媒体は反応容器５の下側範囲から、好ましくは円錐台状の反応容器５の下側の底の中央から排出される。媒体の排出は制御して、または制御せずに行うことができ、例えばセル内の圧力ｐに影響を及ぼすことができるようにするために制御して行うことができる。近距離範囲内または近距離範囲外の媒体の値は、いろいろなセンサ、例えば圧力センサを介して検出し、評価し、そしてプロセス最適化のために使用可能である。
【００６７】
この使用方法は、反応容器５内の任意の数のソノトロード１、例えば１個のソノトロード１、好ましくは５個までのソノトロード１によって行うことができる。
【００６８】
図７は、図６に関連して説明したような装置を示し、この装置は反応容器の形状だけが異なっている。この装置では、円錐体１０が円筒状反応容器５内に設けられている。
【００６９】
装置は作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、好ましくは１５〜３０ｋＨｚ、例えば２０ｋＨｚの低周波−高出力−超音波で運転される。
【００７０】
その際、５０〜２０，０００Ｗ、好ましくは１００〜２０，０００Ｗ、例えば８，０００Ｗの音響出力で作動する。振動伝達ソノトロード面３では、音を液体に伝達するために、０〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ、例えば１０μｍの振幅が利用される。振動するソノトロード１は反応容器５に対して、Ｏリングや振動を伝達しないフランジのような圧力を漏らさぬシールによって封止されている。０〜５０リットル、好ましくは１〜１０リットル、例えば５リットルの容積の反応容器５が使用される。反応容器５は種々の材料、好ましくは鋼、アルミニウム、品質を改良した金属またはポリマーからなっている。円錐体は反応容器５の内部の中央に配置され、種々の材料、好ましくは金属、非金属またはセラミックスからなっている。円錐体１０は振動伝達ソノトロード面３の方へ鋭角状に、好ましくは５〜３０°の角度で、例えば１５°で先細になっている。それによって、ソノトロード１からの距離Ｄが増大するにつれて横断面が縮小する。この横断面縮小は適当な設計の場合液状媒体内の振幅増大を生じる。
【００７１】
ねばねばしたものからさらさらしたものまでの媒体、好ましくはさらさらした媒体、例えばエマルジョンは、適当な開口４、好ましくはノズル、例えば標準ノズル、管または特殊供給部を通って、反応容器壁の上側範囲から振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内に供給される。その際、ゆっくり流れる媒体の場合の流れ方向と流速は重要ではない。特殊なケースでは流れないようにすることができる。キャビテーションのために必要な媒体圧力ｐ以下で媒体を供給することにより、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲内でキャビテーションの発生が大幅に減少するかまたは完全に回避される。
【００７２】
選択されたソノトロード１は好ましくはλ／４に相当する長さ、例えば６０ｍｍが反応容器５内に挿入されている。
【００７３】
反応容器の構造的な横断面縮小部によって、振動伝達ソノトロード面３の近距離範囲外の振幅は、面積に比例して、値Ａｍｉｎ（ｐ）よりも上昇し、例えば１０倍上昇する。この範囲においてキャビテーションが発生する。この値はその都度λ−半分−ステップで上昇する。それによって、個々のまたは複数のキャビテーション領域が反応容器５内に発生し得る。キャビテーション領域の数、形状および大きさは構造に依存する。超音波処理された媒体は反応容器５の下側範囲から、好ましくは円錐台状の反応容器５の下側の底の中央から排出される。媒体の排出は制御してまたは制御せずに行うことができ、例えばセル内の圧力ｐに影響を及ぼすことができるようにするために制御して行うことができる。近距離範囲内または近距離範囲外の媒体の値は、いろいろなセンサ、例えば圧力センサを介して検出し、評価し、そしてプロセス最適化のために使用可能である。
【００７４】
この使用方法は、反応容器５内の任意の数のソノトロード１、例えば１個のソノトロード１、好ましくは５個までのソノトロード１によって行うことができる。
【符号の説明】
【００７５】
１：ソノトロード
２：低周波−高出力−超音波システム
３：ソノトロード面
４：開口
５：反応容器
６：音場
７：中央ノズル
８：横断面縮小部
９：絞り部
１０：円錐体
Ｐ：圧力
Ａ：振幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個のソノトロード（１）を有する超音波システム（２）を具備し、このソノトロードが円筒状反応容器（５）に挿入され、液体が少なくとも１つの入口（４）と少なくとも１つの出口を経て円筒状反応容器（５）を通過する、作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、音響出力が５０〜２０，０００Ｗの超音波によってキャビテーションを発生させて液体を超音波処理するための装置において、
円筒状反応容器（５）の有効横断面積が、円筒状反応容器（５）内のインサート（１０）によって振動伝達ソノトロード面（３）から間隔をおいて、少なくとも少しずつ連続的に減少するように形成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
横断面積が線形に減少するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
横断面積が指数関数的に減少するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
横断面積が円錐状に減少していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
横断面積がピラミッド状に減少していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
横断面積が段階的に減少していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
インサート（１０）が交換可能に形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
振動伝達ソノトロード面（３）からのインサート（１０）の距離が調節可能であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
液体の流れ方向がソノトロード（１）の方に向いていることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の装置。
【請求項１】
少なくとも１個のソノトロード（１）を有する超音波システム（２）を具備し、このソノトロードが円筒状反応容器（５）に挿入され、液体が少なくとも１つの入口（４）と少なくとも１つの出口を経て円筒状反応容器（５）を通過する、作動周波数が１５〜１００ｋＨｚ、音響出力が５０〜２０，０００Ｗの超音波によってキャビテーションを発生させて液体を超音波処理するための装置において、
円筒状反応容器（５）の有効横断面積が、円筒状反応容器（５）内のインサート（１０）によって振動伝達ソノトロード面（３）から間隔をおいて、少なくとも少しずつ連続的に減少するように形成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
横断面積が線形に減少するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
横断面積が指数関数的に減少するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
横断面積が円錐状に減少していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
横断面積がピラミッド状に減少していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
横断面積が段階的に減少していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
インサート（１０）が交換可能に形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
振動伝達ソノトロード面（３）からのインサート（１０）の距離が調節可能であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
液体の流れ方向がソノトロード（１）の方に向いていることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１９２４０９（Ｐ２０１２−１９２４０９Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１３４７９７（Ｐ２０１２−１３４７９７）
【出願日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【分割の表示】特願２００８−５２７４７８（Ｐ２００８−５２７４７８）の分割
【原出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【出願人】（５０５１８６８０９）ドクター ヒールシャー ゲーエムベーハー (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【分割の表示】特願２００８−５２７４７８（Ｐ２００８−５２７４７８）の分割
【原出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【出願人】（５０５１８６８０９）ドクター ヒールシャー ゲーエムベーハー (4)
【Ｆターム（参考）】
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