JP4278095B2 - Ultrasonic radiator, ultrasonic radiation unit, ultrasonic radiation device, and ultrasonic treatment device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、気中、液中などの流体中において、超音波を放射するための超音波放射体、超音波放射装置、及び、これを用いた超音波処理装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic emitter, an ultrasonic emission device, and an ultrasonic processing apparatus using the same for emitting ultrasonic waves in a fluid such as air or liquid.
従来より、液体等に超音波を照射して、乳化、分散、破砕、化学反応促進等を起こさせたり、固体表面を洗浄するなどの処理を行うことが知られている。
例えば、特許文献1には、攪拌槽内の槽内壁に、超音波発振子が取り付けられ、超音波が槽中心に向けて発信されるものが反応装置が記載されている。
また、特許文献2には、有底円筒状の反応槽の中心に、超音波エネルギーを放射する円柱状または円筒状の放射体を配置し、放射体の側面、又は他端及び側面が放射面として反応槽内に超音波を放射する反応装置が記載されている。
Conventionally, it is known to perform treatments such as irradiating a liquid or the like with ultrasonic waves to cause emulsification, dispersion, crushing, acceleration of chemical reaction, or washing a solid surface.
For example,
Further, in
しかしながら、特許文献1に記載の反応装置では、槽壁面の一部に超音波発振子を配置し、これから超音波を槽中心に向かって放射するものであり、超音波エネルギーの放射面積も小さいため、層内の超音波音場の分布が不均一になる。また、放射される超音波エネルギーも小さいので、反応の処理量が少ない。また槽内に超音波発振子が配置されており、処理する液体が高温あるいは低温などの場合には、発振子の性能劣化等も危惧される。
However, in the reaction apparatus described in
また、特許文献2に記載の反応装置では、槽の中心から径方向外側に向かった超音波を放射するため、特許文献1よりも超音波の分布は均一に近けることができる。しかしながら、放射体の先端部分(他面)近傍では、放射体の軸線方向及びこれに直交する径方向には超音波が放射されるが、斜め先端方向には超音波が放射されない。従って、やはり、放射体周囲の超音波の音場分布は不均一となる。
さらに、放射体として、直径がλ/3〜λ/4の円柱状放射体あるいは円筒状放射体を用ている。この程度の細い径を持つ円柱などでは、長さをnλ/2となるように調整すると、共振による軸線方向の振動は励起され、軸線方向に大きく振動させることができる。従って、この円柱の先端方向へは強い超音波が放射できる。しかし、この円柱は、径が細いため、径方向には共振しておらず、径方向の振動は励起されにくい。具体的には、径方向には、縦振動による伸縮に伴い、ポアソン比に従って、径方向に伸縮する振動が現れるだけである。従って、この放射体を用いても、径方向(側面方向)への超音波振動の強度はさほど大きくできない。
Moreover, in the reaction apparatus described in
Further, a cylindrical radiator or a cylindrical radiator having a diameter of λ / 3 to λ / 4 is used as the radiator. In a cylinder having such a small diameter, when the length is adjusted to be nλ / 2, the vibration in the axial direction due to resonance is excited and can be vibrated greatly in the axial direction. Therefore, strong ultrasonic waves can be emitted toward the tip of the cylinder. However, since this cylinder has a small diameter, it does not resonate in the radial direction, and vibration in the radial direction is difficult to be excited. Specifically, in the radial direction, only expansion and contraction in the radial direction appears in accordance with the Poisson's ratio with expansion and contraction due to longitudinal vibration. Therefore, even if this radiator is used, the intensity of ultrasonic vibration in the radial direction (side surface direction) cannot be increased so much.
そこで、径を太くして、径方向振動が共振となる円板状あるいは短円柱状の放射体とすることも考えられる。しかし、これらの形状の放射体では、径方向には大きな振幅が得られるものの、軸線方向に短い形状であるため、この軸線方向について短い範囲しか超音波振動を放射することができない。 In view of this, it is conceivable to increase the diameter so as to form a disk-shaped or short-cylindrical radiator that resonates in the radial vibration. However, although these shapes of radiators provide a large amplitude in the radial direction, they have a short shape in the axial direction, and therefore can radiate ultrasonic vibration only in a short range in the axial direction.
そこで、放射体(円柱)の径を大きくかつ長くする、つまり太く長い棒とすることが考えられる。放射体の径を、径方向の共振が起こるほど大きくすると、軸線方向の振動の他に、径方向の振動とが励起される。従って、径方向にも大きく振動するように思われる。
しかしながら、このようにしても、十分に大きな径方向の振動を得ることができないことが判ってきた。このような太くて長い円柱を振動させた場合、軸線方向振動と径方向振動が互いに影響し合うため、径方向振動は、放射体(円柱)の軸線方向について、径方向振動が大きい部分と小さい部分とが交互に並び、しかも、隣り合う径方向振動の大きい部分同士の振動は逆相になる。このため、互いの径方向振動を阻害するためであると考えられる。
また、このようにすると、先端面より先端側、基端面より基端側、及び径方向には超音波放射できても、斜め基端側や斜め先端側には超音波を放射できないため、超音波の音場はやはり不均一になる。
Therefore, it is conceivable to increase the diameter of the radiator (cylinder) and make it long, that is, a thick and long rod. When the diameter of the radiator is increased so that radial resonance occurs, vibration in the radial direction is excited in addition to vibration in the axial direction. Therefore, it seems to vibrate greatly also in the radial direction.
However, it has been found that even in this way, a sufficiently large radial vibration cannot be obtained. When such a thick and long cylinder is vibrated, the axial vibration and the radial vibration influence each other. Therefore, the radial vibration is small and large in the axial direction of the radiator (cylinder). The portions are alternately arranged, and the vibrations between the adjacent portions having large radial vibrations are in opposite phases. For this reason, it is considered to be for inhibiting mutual radial vibration.
In addition, in this case, even though ultrasonic waves can be emitted from the distal end surface to the distal end side, from the proximal end surface to the proximal end side, and in the radial direction, ultrasonic waves cannot be emitted to the oblique proximal end side or the oblique distal end side. The sound field of sound waves is still non-uniform.
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、周囲の広い範囲にわたり強い超音波を放射できる超音波放射体、さらには、超音波音場の分布を均一にしやすい超音波放射体を提供することを目的とする。また、これに適した放射ユニットを提供することを目的とする。さらには、これらの超音波放射体を用いて、超音波を放射する超音波放射装置を提供することを目的とする。さらには、これを用いて、超音波音場分布をより均一に近づけた、あるいは、より多くの流体を処理可能な超音波処理装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and is an ultrasonic radiator capable of emitting strong ultrasonic waves over a wide range of surroundings, and further, an ultrasonic radiator that facilitates uniform distribution of an ultrasonic sound field. The purpose is to provide. Moreover, it aims at providing the radiation | emission unit suitable for this. Furthermore, it aims at providing the ultrasonic radiation apparatus which radiates | emits an ultrasonic wave using these ultrasonic radiators. Furthermore, it is an object of the present invention to provide an ultrasonic processing apparatus that can use this to make the ultrasonic sound field distribution more uniform or process more fluid.
そして、その解決手段は、軸線方向に延びる形態を有する超音波放射体であって、上記軸線方向に直交する径方向に相対的に大きな径方向寸法を有する径大放射部と、隣接する上記径大放射部よりも相対的に小さな径方向寸法を有する径小放射部とが、上記軸線方向基端側から、上記径小放射部、径大放射部の順に交互に複数並ぶ放射部を備え、上記放射部は、この超音波放射体に所定周波数の超音波振動を加えたとき、上記軸線方向に、上記径小放射部を腹とし、上記径大放射部を節とする共振をするとともに、各々の上記径大放射部で上記径方向に一次共振し、かつ、隣り合う径大放射部同士が逆相に振動する形状を有し、複数の前記径小放射部のうち、少なくともいずれかの径小放射部は、隣接する前記径大放射部から離れるほど上記径方向の寸法が徐々に小さくなる形態を有する縮径放射部を含む超音波放射体である。 And the solution means is an ultrasonic radiator having a form extending in the axial direction, the large-diameter radiation portion having a relatively large radial dimension in the radial direction orthogonal to the axial direction, and the adjacent diameter. A small radiating portion having a radial dimension relatively smaller than the large radiating portion includes a radiating portion alternately arranged in order of the small radiating portion and the large radiating portion from the axial base end side, The radiating part resonates with the small-diameter radiating part as an antinode and the large-diameter radiating part as a node in the axial direction when an ultrasonic vibration of a predetermined frequency is applied to the ultrasonic radiating body. each of the large-diameter radiation unit at a primary resonance in the radial direction, and the large-diameter radiation portion between the adjacent have a shape which oscillates in the opposite phase, among the plurality of the small-diameter radiation unit, at least one of The smaller the radiating part, the farther away from the adjacent large radiating part, the above An ultrasound emitter comprising reduced diameter emitting portion in the form of dimension decreases gradually.
本発明の超音波放射体では、径小放射部と径大放射部とが交互に並ぶ放射部を備えており、この放射部は、軸線方向に径小放射部を腹とし径大放射部を節として共振するとともに、この周波数で、径大放射部がそれぞれ径方向に一次共振し、かつ、隣り合う径大放射部同士が逆相に振動する。
このように、軸線方向にも共振させているため、軸線方向寸法として適切な値を選択すれば、径小放射部と径大放射部とを交互に幾つも形成することで、軸線方向に長い超音波放射体を形成することができる。従って、軸線方向に広い範囲に亘って、超音波を放射することができる。
一方、各々の径大放射部では、径方向に一次共振するから、径方向に大きな振動を得ることができ、各径大放射部から径方向に強力な超音波を放射することができる。
つまり、この超音波放射体では、放射部は、径小放射部と径大放射部とが交互に並んでいるから、径大放射部を設けた数だけ、軸線方向に超音波を径方向に放射する部位を作ることができ、径方向の大きな振幅を、軸線方向に長い範囲に渡って得ることができる。
The ultrasonic radiator of the present invention includes a radiating portion in which a small-diameter radiating portion and a large-diameter radiating portion are alternately arranged, and the radiating portion has a small-diameter radiating portion as an abdomen in the axial direction. While resonating as a node, the large radiating portions resonate in the radial direction at this frequency, and adjacent large radiating portions vibrate in opposite phases.
As described above, since the resonance is also performed in the axial direction, if an appropriate value is selected as the axial dimension, a plurality of small-diameter radiating portions and large-diameter radiating portions are alternately formed, so that they are long in the axial direction. An ultrasonic emitter can be formed. Therefore, ultrasonic waves can be emitted over a wide range in the axial direction.
On the other hand, since each large-radiation part resonates primarily in the radial direction, large vibrations can be obtained in the radial direction, and powerful ultrasonic waves can be radiated from each large-radiation part in the radial direction.
That is, in this ultrasonic radiator, since the radiating portion is arranged with the small-diameter radiating portion and the large-diameter radiating portion alternately, the ultrasonic wave is radially directed in the axial direction by the number of the large-diameter radiating portions. A radiating part can be created, and a large radial amplitude can be obtained over a long range in the axial direction.
また、この超音波放射体では、径大放射部同士の間に、これらより径小の径小放射部が位置している。この径小放射部では、径小の形態であるため、共振時に、軸線方向の振動は大きく生じるが、径方向の振動はあまり生じない。このため、隣り合う径大放射部同士が互いに逆相に振動しても、径小放射部の存在によって、互いが互いの振動を阻害することがないため、径大放射部において、効率よく径方向振動を励起することができる。かくして、この超音波放射体では、径大放射部から径方向に強力な超音波を放射することができる。
しかも、本発明の超音波放射体では、縮径放射部において、その表面が軸線方向にも径方向にも斜交する。しかも、放射部では、ある周波数で、軸線方向には径小放射部を腹とする共振が生じ、径方向には、径大放射部で一次共振する。このため、径大放射部に隣接する縮径放射部でもその表面が振動するから、この縮径放射部からも超音波が放射される。しかもその方向は、軸線方向及び径方向に斜交する方向、即ち、斜め基端方向(径方向より基端側に傾いた方向)、あるいは、斜め先端方向(径方向より先端側に傾いた方向)となる。このため、斜め方向に放射される超音波により、容器内などに放射体から放射される超音波で形成される音場の強度を均一になしやすい。
なお、処理槽の形状や欲する超音波の音場分布等に応じて、縮径放射部の位置や数等を変更するとよい。
Further, in this ultrasonic radiator, a small-diameter radiation portion having a smaller diameter is located between the large-diameter radiation portions. Since the small-diameter radiation portion has a small-diameter configuration, vibration in the axial direction is greatly generated at the time of resonance, but vibration in the radial direction is not so much generated. For this reason, even if adjacent large-diameter radiating portions vibrate in opposite phases with each other, the presence of the small-diameter radiating portions does not inhibit each other's vibration. Directional vibration can be excited. Thus, with this ultrasonic radiator, it is possible to radiate powerful ultrasonic waves in the radial direction from the large-diameter radiation portion.
Moreover, in the ultrasonic radiator of the present invention, the surface of the reduced-diameter radiating portion is oblique in both the axial direction and the radial direction. Moreover, in the radiating portion, resonance with the small-diameter radiating portion as an antinode occurs in the axial direction at a certain frequency, and in the radial direction, primary resonance occurs in the large-diameter radiating portion. For this reason, since the surface of the reduced diameter radiating portion adjacent to the large diameter radiating portion vibrates, ultrasonic waves are also emitted from the reduced diameter radiating portion. Moreover, the direction is a direction oblique to the axial direction and the radial direction, that is, an oblique proximal direction (a direction inclined toward the proximal side from the radial direction), or an oblique distal direction (a direction inclined toward the distal side from the radial direction). ) For this reason, the intensity of the sound field formed by the ultrasonic waves radiated from the radiator in the container or the like is easily made uniform by the ultrasonic waves radiated in the oblique direction.
In addition, it is good to change the position of the reduced diameter radiation | emission part, the number, etc. according to the shape of a processing tank, the sound field distribution of the desired ultrasonic wave, etc.
なお、本発明の超音波放射体の形状としては、たとえば、円柱(角柱)形状の径大放射部同士の間に、それにつながる円錐台(角錐台)状の縮径部からなる径小放射部、あるいは縮径部とそれにつながる円板状(角板状)の緩衝部とからなる径小放射部を挟んだ形状などが挙げられる。
さらに、上下の一部を除去した一部切り欠き球同士が、切り欠き部分で接して、あるいは円板状の緩衝部を介して上下に繋がる形状も挙げられる。この形態の超音波放射体では、一部切り欠き球がそれぞれその径が伸縮する呼吸振動を生ずる。なお、この形態の超音波放射体の場合には、径大放射部と径小放射部との境界が明確ではないが、一部切り欠き球のうち、径方向に球の直径とほぼ同程度の寸法を備えている部分が径大放射部であり、一部切り欠き球のうちそれより基端側あるいは先端側の球部分を、あるいはこれに加えて緩衝部を径小放射部と考えればよい。
As the shape of the ultrasonic radiation of the present invention consists example, between the adjacent large diameter radiating portion of the circular column (prismatic) shape, a truncated cone connected thereto (truncated pyramid) shape of the reduced diameter portion smaller diameter Examples include a radiation portion or a shape having a small diameter radiation portion sandwiched between a reduced diameter portion and a disk-shaped (square plate-shaped) buffer portion connected thereto.
Further, there may be mentioned a shape in which partially-notched spheres from which part of the upper and lower portions are removed are in contact with each other at the notched portion or connected vertically via a disk-shaped buffer portion. In the ultrasonic radiator of this form, the partially-notched spheres generate respiratory vibrations whose diameters expand and contract. In the case of the ultrasonic radiator of this form, the boundary between the large-diameter radiating portion and the small-diameter radiating portion is not clear, but among the partially cut-out spheres, the diameter is approximately the same as the diameter of the sphere. The part with the dimensions is the large-diameter radiating part, and the part of the notch sphere on the proximal side or the distal end side, or in addition to this, the buffer part is considered as the small-diameter radiating part. Good.
縮径放射部は、径大放射部から離れるほど径方向寸法が徐々に小さくなる形態ならば良く、一定割合で縮径する場合(円錐台、角錐台形状)の他、なめらかな凹形状や、球面状などなめらかな凸形状などとすることもできる。
なお、縮径放射部における傾斜面の面積をある程度確保するため、縮径放射部のうち径大放射部から最も離れた部分における径方向寸法を、径大放射部の径方向寸法の60%以下とすると良い。
また、縮径放射部を複数備える場合には、処理槽の形状や欲する超音波の音場分布に応じて、各縮径放射部を互いに同じ形状(または対称な形状)とすることも、互いに異なる形状とすることもできる。
The reduced-diameter radiating portion only needs to have a form in which the radial dimension gradually decreases as the distance from the large-radiating portion increases, and in addition to a case where the diameter is reduced at a constant rate (conical frustum, truncated pyramid shape), a smooth concave shape, It can also be a smooth convex shape such as a spherical shape.
In order to secure a certain area of the inclined surface in the reduced diameter radiating portion, the radial dimension of the reduced diameter radiating portion farthest from the large radiating portion is 60% or less of the radial dimension of the large radiating portion. And good.
In addition, when a plurality of reduced-diameter radiating portions are provided, the reduced-diameter radiating portions may have the same shape (or symmetrical shape), depending on the shape of the treatment tank and the desired sound field distribution of the ultrasonic wave. Different shapes are possible.
さらに、上記の超音波放射体であって、複数の前記径小放射部のうち、最も基端側の径小放射部が、前記縮径放射部を含む超音波放射体とすると良い。 Further, in the above-described ultrasonic radiator, it is preferable that, among the plurality of small-diameter radiating portions, the proximal-side small-diameter radiating portion is an ultrasonic radiator including the reduced-diameter radiating portion.
本発明の超音波放射体では、最も基端側の径小放射部が縮径放射部を含む形態となっている。この縮径放射部では、その表面が軸線方向にも径方向にも斜交する一方、その表面が振動するから、この縮径放射部からも超音波が放射される。しかもその方向は、最も基端側の径小放射部においては、軸線方向及び径方向に斜交する斜め基端方向(径方向より基端側に傾いた方向)となる。このため、放射体よりも斜め基端側の方向にも超音波を放射することができるから、放射体から放射される超音波で処理槽内に形成される音場の強度を均一になしやすい。 In the ultrasonic radiator of the present invention, the most small-diameter radiation portion on the proximal end side includes the reduced-diameter radiation portion. In the reduced-diameter radiation portion, the surface is oblique in both the axial direction and the radial direction, while the surface vibrates, so that ultrasonic waves are also emitted from the reduced-diameter radiation portion. In addition, the direction is the oblique base end direction (a direction inclined toward the base end side from the radial direction) that is oblique to the axial direction and the radial direction in the radially small radial portion on the most base end side. For this reason, since it is possible to radiate ultrasonic waves in a direction obliquely proximal to the radiator, it is easy to uniformly make the intensity of the sound field formed in the processing tank by the ultrasonic waves radiated from the radiator. .
さらに、上記2項のいずれかに記載の超音波放射体であって、複数の前記径小放射部のうち、最も先端側に位置する径大放射部より先端側に位置する径小放射部が、前記縮径放射部を含む超音波放射体とすると良い。
Further, in the ultrasonic radiator according to any one of the
本発明の超音波放射体では、最も先端側の径小放射部が縮径放射部を含む形態となっている。この縮径放射部では、その表面が軸線方向にも径方向にも斜交する一方、その表面が振動するから、この縮径放射部からも超音波が放射される。しかもその方向は、最も先端側の径小放射部においては、軸線方向及び径方向に斜交する斜め先端方向(径方向より先端側に傾いた方向)となる。このため、放射体よりも斜め先端側の方向にも超音波を放射することができるから、放射体から放射される超音波で処理槽内に形成される音場の強度を均一になしやすい。 In the ultrasonic radiator of the present invention, the most small-diameter radiation portion on the most distal end side includes the reduced-diameter radiation portion. In the reduced-diameter radiation portion, the surface is oblique in both the axial direction and the radial direction, while the surface vibrates, so that ultrasonic waves are also emitted from the reduced-diameter radiation portion. In addition, the direction is the oblique tip direction (a direction inclined toward the tip side from the radial direction) that obliquely crosses the axial direction and the radial direction in the small-diameter radiation portion on the most distal side. For this reason, since an ultrasonic wave can be radiated in the direction toward the oblique tip side of the radiator, the intensity of the sound field formed in the processing tank is easily made uniform by the ultrasonic wave radiated from the radiator.
さらに、上記いずれか1項に記載の超音波放射体であって、この超音波放射体の放射部をなす材質のヤング率E及び密度ρ、前記所定周波数frをを用い、下記式(1)によって得た縦振動の波長λzに対し、
λz=(E/ρ)1/2/fr … (1)
各々の前記径小放射部における最も小さな径方向寸法を、λz/2.6以下としてなる超音波放射体とすると良い。
Furthermore, the ultrasonic radiator according to any one of the above, wherein the Young's modulus E and the density ρ of the material forming the radiating portion of the ultrasonic radiator are used, and the predetermined frequency fr is used. For the wavelength λz of the longitudinal vibration obtained by
λz = (E / ρ) 1/2 / fr (1)
It is preferable that the smallest radial dimension in each of the small-diameter radiating portions is an ultrasonic radiator having λz / 2.6 or less.
一般に、縦振動(軸線方向の振動)の波長に比して直径が十分小さな細棒については、縦振動が励起されやすく、径方向振動の大きさは微少であることが知られている。放射部をなす材質のヤング率をE、密度をρ、周波数をfrとすると、縦振動の音速Czは、Cz=√(E/ρ)=(E/ρ)1/2で与えられる。また、その波長λzは、λz=Cz/fr=(E/ρ)1/2/frで与えられる。
しかるに、棒の径が大きくなると、縦振動のみならず、これをに直交する径方向振動(径方向伸縮波)が励起されるようになり、これらの波が相互に結合、影響し合うようになる。
In general, it is known that for a thin rod having a sufficiently small diameter compared to the wavelength of longitudinal vibration (vibration in the axial direction), longitudinal vibration is easily excited and the magnitude of radial vibration is very small. When the Young's modulus of the material forming the radiating portion is E, the density is ρ, and the frequency is fr, the sound velocity Cz of the longitudinal vibration is given by Cz = √ (E / ρ) = (E / ρ) 1/2 . The wavelength λz is given by λz = Cz / fr = (E / ρ) 1/2 / fr.
However, when the diameter of the rod increases, not only longitudinal vibration but also radial vibration (radial stretching wave) orthogonal to this is excited, so that these waves are coupled to each other and affect each other. Become.
径小放射部と径大放射部が交互に並ぶ超音波放射体において、基端側から軸線方向の超音波振動を超音波放射体に与えて駆動した場合、径小放射部を介して自身より先端側にある径大放射部に軸線方向の超音波振動が伝えられる。この際、径小放射部における最小の径方向寸法が、縦振動の波長λzに対しその半分(λz/2)程度以上の大きさであるとする。すると、径小放射部を通じてそれより先端側の径大放射部に超音波振動を伝えるにあたり、この径小放射部のうち最小の径方向寸法を有する部分において、軸線方向振動だけでなく、径方向への振動が生じ、その大きさが無視できなくなる。このため、この径小放射部のうち最小の径方向寸法を有する部分を通じて、軸線方向の超音波振動を先端側に伝えるに当たって、伝送効率が低下し、結果として、超音波放射体から放射できる超音波エネルギーが低下すると考えられる。 In an ultrasonic radiator in which a small-diameter radiating portion and a large-diameter radiating portion are alternately arranged, when driven by applying ultrasonic vibration in the axial direction to the ultrasonic radiator from the base end side, the self-radiation portion is transmitted through the small-diameter radiating portion. The ultrasonic vibration in the axial direction is transmitted to the large-diameter radiation portion on the tip side. At this time, it is assumed that the minimum radial dimension in the small-diameter radiation portion is about half (λz / 2) or more of the longitudinal vibration wavelength λz. Then, when transmitting ultrasonic vibration through the small-diameter radiation portion to the large-diameter radiation portion on the tip side, not only the axial vibration but also the radial direction in the portion having the smallest radial dimension in the small-diameter radiation portion. Vibration occurs, and its magnitude cannot be ignored. For this reason, in transmitting the ultrasonic vibration in the axial direction to the tip side through the portion having the smallest radial dimension among the small-diameter radiating portions, the transmission efficiency is lowered, and as a result, the ultrasonic radiation that can be radiated from the ultrasonic radiator is reduced. It is thought that the sonic energy decreases.
これに対し、λz/2程度よりも小さく、具体的には、本発明の超音波放射体のように、径小放射部のうち最小の径方向寸法をλz/2.6以下とすると、この径小放射部のうち最小の径方向寸法を有する部分では、選択的に軸線方向の振動が主として励起されるので、この部分を通じて、それより先端側の径大放射部へ超音波振動エネルギーを効率よくに伝えることができる。 On the other hand, if it is smaller than about λz / 2, specifically, the smallest radial dimension of the small-diameter radiation portion is λz / 2.6 or less as in the ultrasonic radiator of the present invention, In the portion having the smallest radial dimension in the small-diameter radiating portion, the vibration in the axial direction is selectively excited mainly, so that the ultrasonic vibration energy is efficiently transmitted to the large-diameter radiating portion on the tip side through this portion. I can tell you well.
さらに、上記のいずれか1項に記載の超音波放射体であって、連結部分のない一体の金属塊からなる超音波放射体とすると良い。 Furthermore, it is preferable that the ultrasonic radiator according to any one of the above-described items is an ultrasonic radiator made of an integral metal lump having no connection portion.
本発明の超音波放射体は、連結部分のない一体の金属塊からなるため、連結部分の連結ネジがゆるんだり、連結部分から超音波放射体の一部が脱落するなどの心配が無く、高温下、低温下、あるいは熱サイクル、熱衝撃などがかかる等の厳しい環境下において使用し
ても、耐久性、信頼性が良好である。
Since the ultrasonic radiator of the present invention is made of an integral metal lump without a connecting portion, there is no worry that the connecting screw of the connecting portion is loosened or a part of the ultrasonic radiator is dropped from the connecting portion. Durability and reliability are good even when used under severe conditions such as under low temperature, low temperature, thermal cycle, and thermal shock.
また他の解決手段は、前記のいずれか1項に記載の超音波放射体であって、互いに連結する連結部分が前記径小放射部に位置する形態とした放射ユニットを複数連結してなる超音波放射体である。 According to another aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic radiator according to any one of the above-described embodiments, wherein a plurality of radiation units each having a connection portion connected to each other are positioned in the small-diameter radiation portion. It is a sound wave emitter.
本発明の超音波放射体は、複数の放射ユニットを連結して超音波放射体を構成している。このため、超音波放射体の形状の変更、修理などに容易に対応することができる。
しかも、互いに連結する連結部分が径小放射部に位置する形態とした放射ユニットを用いている。前述したように、径小放射部では、径小であるため、主として軸線方向の振動が励起される。このため、この径小放射部が放射ユニット同士の連結部分となるように、放射ユニットを形成することで、一方の放射ユニットから他方の放射ユニットへの超音波エネルギーの伝送が、主として縦振動(軸線方向振動)の伝送によって行われ、効率よく超音波エネルギーを伝送することができる。
The ultrasonic radiator of the present invention is constituted by connecting a plurality of radiation units. For this reason, it is possible to easily cope with a change or repair of the shape of the ultrasonic radiator.
In addition, a radiation unit is used in which the connecting portions connected to each other are located in the small-diameter radiation portion. As described above, since the small-diameter radiation portion is small in diameter, vibration in the axial direction is mainly excited. For this reason, the transmission of ultrasonic energy from one radiation unit to the other radiation unit is mainly performed in the longitudinal vibration ( Axial vibration) is transmitted, and ultrasonic energy can be transmitted efficiently.
また、放射ユニットを形成し、これらを連結して一体化し超音波放射体とする方が、前述のように超音波放射体を連結部分のない一体の金属塊からなるものとし、金属塊から切削等で製造するよりも安価となる。また、各放射ユニット毎に共振周波数を調整することができるなど、超音波放射体の各部及び全体の周波数調整も容易である。 In addition, when the radiation unit is formed and connected and integrated to form an ultrasonic radiator, the ultrasonic radiator is formed of an integral metal lump without a connecting portion as described above, and is cut from the metal lump. It becomes cheaper than manufacturing by etc. Moreover, the resonance frequency can be adjusted for each radiation unit, and the frequency adjustment of each part and the whole of the ultrasonic radiator is easy.
なお、この超音波放射体に用いる複数の放射ユニットは、互いに同種形状であっても異種形状であっても良い。また、1つの放射ユニット内に、1つの径大放射部が含まれている放射ユニットとしても、複数の径大放射部(従ってこれらの間には径小放射部も)が含まれている放射ユニットでもとしても良い。
また、放射ユニット同士の連結は、互いに強固に連結でき、超音波振動を適切に伝送できる手法であれば、いずれの手法でも良い。例えば、互いの連結面にネジ孔を穿設し、連結面同士を突き合わせて、両方のネジ孔に跨るように埋め込んで配置したボルトで締結する手法が挙げられる。また、一方の放射ユニットを他方の放射ユニットにネジ止めする手法を取ることもできる。
The plurality of radiation units used for this ultrasonic radiator may be the same shape or different shapes. In addition, a radiation unit in which one large-diameter radiating portion is included in one radiating unit is also a radiation in which a plurality of large-diameter radiating portions (and thus also small-diameter radiating portions are included between them). It can be a unit.
Further, the radiation units may be coupled to each other as long as they can be firmly coupled to each other and can appropriately transmit ultrasonic vibrations. For example, there is a technique in which screw holes are drilled in the connecting surfaces, the connecting surfaces are butted together and fastened with bolts that are embedded and arranged so as to straddle both screw holes. It is also possible to take a technique in which one radiation unit is screwed to the other radiation unit.
さらに、上記の超音波放射体をなす複数の前記放射ユニットのうちの1つとなる放射ユニットとすると良い。
あるいは、少なくとも前記軸線方向の端部に、同種または異種の他の放射ユニットまたは超音波放射源を連結可能とする連結構造を有し、上記他の放射ユニットと連結することにより、請求項7に記載の超音波放射体の一部をなす放射ユニットとするのが好ましい。
Furthermore, it is good to set it as the radiation | emission unit used as one of several said radiation | emission units which comprise said ultrasonic radiator.
Alternatively, at least at the end in the axial direction, there is a connection structure capable of connecting other radiation units or ultrasonic radiation sources of the same type or different types, and by connecting to the other radiation units, Preferably, the radiation unit forms part of the described ultrasonic emitter.
本発明の放射ユニットを用いることにより、処理槽の形状や処理槽内の音場分布、超音波振動源から供給される超音波振動エネルギーの多寡などに応じて、適宜の形状のユニットを選択して、適切な性能・特性を持つ超音波放射体を形成することができる。 By using the radiation unit of the present invention, a unit having an appropriate shape is selected according to the shape of the treatment tank, the distribution of the sound field in the treatment tank, the amount of ultrasonic vibration energy supplied from the ultrasonic vibration source, and the like. Thus, an ultrasonic radiator having appropriate performance and characteristics can be formed.
あるいは、前記のいずれか1項に記載の超音波放射体と、この超音波放射体に固着され、前記軸線方向基端側からこの超音波放射体に超音波振動を与える超音波振動源と、を含む超音波放射装置とすると良い。 Alternatively, the ultrasonic radiator according to any one of the above, an ultrasonic vibration source fixed to the ultrasonic radiator, and applying ultrasonic vibration to the ultrasonic radiator from the axial direction proximal end side; An ultrasonic radiation device including
本発明の超音波放射装置では、前述の超音波放射体とこれに超音波振動を与える超音波振動源とを含んでいる。この超音波放射装置によれば、広い範囲に亘って、強力な超音波を放射することができる超音波放射装置となし得る。また、超音波音場の分布を均一にしやすく、放射面積の大きな超音波放射装置となし得る。
なお、超音波振動源としては、ボルト締めランジュバン型超音波振動子など公知の超音波振動子や、超音波振動子とこれに接続され超音波エネルギーを伝送するための超音波伝
送体とからなるものなどが挙げられる。また、複数の超音波振動子とこれらの振動エネルギーを集積して伝送するためのパワー合成装置とからなる超音波振動源も含まれる。
The ultrasonic radiation apparatus of the present invention includes the above-described ultrasonic radiator and an ultrasonic vibration source that applies ultrasonic vibrations thereto. According to this ultrasonic radiation device, an ultrasonic radiation device capable of emitting powerful ultrasonic waves over a wide range can be obtained. Moreover, it is easy to make the distribution of the ultrasonic sound field uniform, and an ultrasonic radiation device having a large radiation area can be obtained.
The ultrasonic vibration source includes a known ultrasonic vibrator such as a bolted Langevin type ultrasonic vibrator, an ultrasonic vibrator, and an ultrasonic transmission body connected to the ultrasonic vibrator for transmitting ultrasonic energy. Things. Further, an ultrasonic vibration source including a plurality of ultrasonic vibrators and a power synthesizer for collecting and transmitting these vibration energies is also included.
さらに、流体を収容する処理槽と、上記処理槽内に少なくとも前記放射部を配置してなる請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の超音波放射体と、この超音波放射体に固着され、前記軸線方向基端側からこの超音波放射体に超音波振動を与える超音波振動源と、を含む超音波処理装置とすると良い。 Furthermore, the ultrasonic radiator of any one of Claims 1-7 which arrange | positions the said radiation | emission part in the processing tank which accommodates a fluid, and the said processing tank, This ultrasonic radiator And an ultrasonic vibration source that applies ultrasonic vibration to the ultrasonic radiator from the axial base end side.
本発明の超音波処理装置では、処理槽と、処理槽内に放射部を配置した前述の超音波放射体と、超音波振動源とを備えている。このため、処理槽内に広い範囲に亘って超音波の音場を作ることができる。あるいは、分布が均一な超音波音場を作ることができ、多くの被処理物を適切に超音波処理することができる。また、放射ユニットを連結して超音波放射体を形成する場合には、放射ユニットを適宜組み合わせることで、処理槽の形状に応じて、各所に適切な超音波を放射して、処理に適切な超音波の音場を形成することができる。 In the ultrasonic processing apparatus of this invention, the processing tank, the above-mentioned ultrasonic radiator which has arrange | positioned the radiation | emission part in the processing tank, and the ultrasonic vibration source are provided. For this reason, an ultrasonic sound field can be created over a wide range in the treatment tank. Alternatively, an ultrasonic sound field having a uniform distribution can be created, and many objects to be processed can be appropriately ultrasonicated. In addition, when an ultrasonic radiator is formed by connecting radiation units, by appropriately combining the radiation units, appropriate ultrasonic waves are radiated to various places according to the shape of the treatment tank, and suitable for processing. An ultrasonic sound field can be formed.
なお、被処理物としては、気体、液体のほか、流動体(流動性のある固体と液体の混合物など)、超臨界流体などの流体や、水や溶剤、洗浄液などの液体中に浸漬された機械部品等の被洗浄物が挙げられる。
また、超音波処理としては、被処理物に対して超音波を照射することによって、所望の変化を被処理物に与えられる処理で有ればいずれの処理をも含む。例えば、超音波の照射による、乳化、分散、破砕、脱泡、化学反応の促進、汚泥の水処理、燃料改質、被洗浄物の洗浄などが挙げられる。
In addition to gases and liquids, the object to be treated was immersed in a fluid (such as a fluid solid-liquid mixture), a fluid such as a supercritical fluid, or a liquid such as water, a solvent, or a cleaning liquid. Examples include objects to be cleaned such as machine parts.
In addition, the ultrasonic treatment includes any treatment as long as it is a treatment that imparts a desired change to the workpiece by irradiating the workpiece with ultrasonic waves. For example, emulsification, dispersion, crushing, defoaming, promotion of chemical reaction, water treatment of sludge, fuel reforming, washing of objects to be washed, etc. by ultrasonic irradiation can be mentioned.
本発明の実施の形態に関する実施例1,2,4及び変形例1〜4,6を、図面を参照して説明する。
Examples 1, 2, and 4 and
まず、本発明の第1の実施例について、図1〜図3を参照して説明する。本実施例1に係る超音波処理装置100は、超音波振動源4、超音波発振回路5、処理槽60,及び、超音波放射体10とからなる。このうち、超音波振動源4は、圧電セラミックを用いた公知のボルト締めランジュバン型超音波振動子2と、これによって発生させた超音波振動を超音波放射体10に伝送するための超音波伝送体3とからなる。また、超音波発振回路5は、超音波振動子2を所定周波数(共振周波数fr)で駆動するため公知の駆動回路である。超音波放射体10は、処理槽60内に配置され、超音波振動源4から伝えられた超音波振動により、処理槽60内の被処理流体Pに超音波を放射して、被処理流体Pについて所望の処理(乳化、分散、破砕等)を行う。なお、処理槽60は、処理槽本体61と、この処理槽本体61の側面のうち高さ方向略中央に接続され、被処理流体Pを処理槽本体61内に流入させる流入管62と、処理槽本体61の側面のうち上部と下部に接続され、処理された被処理流体Pを処理槽本体61から排出する2本の排出管63A,63Bとからなる。
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The
上述したように、超音波振動源4は、超音波振動子2及び超音波伝送体3とからなり、軸線AXに沿って同心に配置され、連結ネジ6によって互いに連結されている。また、超音波放射体10は、超音波伝送体30の先端(図1(b)中下端)の連結ネジ7によって連結されている。
As described above, the
この超音波放射体10は、ステンレス鋼(SUS304)の金属塊を削り出しによって作成してなる金属ブロック体であり、図2に示すように、3つの径大放射部21,22,
23を有している。また、最も基端側(図1(b)中上方)の径大放射部21の基端側、径大放射部21と22,22と23との間、及び最も先端側(図1(b)中下方)の径大放射部23の先端側に、それぞれ、径大放射部よりも径小の径小放射部11,12,13,14を有している。
The
23. Further, the base end side of the large-
本実施例では、超音波を放射する放射部80は、全体である超音波放射体10に等しい。このうち径大放射部21,22,23は、いずれも直径Dmaxの円板状であり、径小放射部11等に比して、軸線AXに直交する径方向(図中左右方向)に最も径大の形態を有している。
一方、径小放射部11は、基端面10B(11B:直径D1)を上底面とし、基端側(図中上方)ほど径方向に縮径する円錐台形状の縮径放射部11をなしている。また、先端放射部14も、先端面10T(14T:直径D4)を上底面とし、先端側(図中下方)ほど径方向に縮径する円錐台形状の縮径放射部14をなしている。また、径小放射部12は、このうち軸線方向中央の仮想最小径面10K1(直径D2)をそれぞれの上底面とし、この仮想最小径面10K1に近づくほど径方向に縮径するように配置された2つの円錐台形状の縮径放射部12A,12Bからなる。さらに、径小放射部13も、このうち軸
線方向中央の仮想最小径面10K2(直径D3)をそれぞれの上底面とし、この仮想最小径面10K2に近づくほど径方向に縮径するように配置された2つの円錐台形状の縮径放射部13A,13Bからなる。上述したように、本実施例1の超音波放射体10では、各径小放射部11等の最も小さな径は、いずれも同じ寸法とされている(D1=D2=D3=D4)。
In the present embodiment, the radiating
On the other hand, the small-
図2を参照すれば容易に理解できるように、この超音波放射体10のうち、径小放射部11,径大放射部21,及び径小放射部12Aからなる第1部分81と、径小放射部12B、径大放射部22,及び径小放射部13Aからなる第2部分82と、径小放射部13B、径大放射部23,及び径小放射部14からなる第3部分83とは、互いに合同の形態を有している。
従って、これらの部分81,82,83の軸線AX方向寸法H1,H2,H3はいずれも同じである。
なお、この超音波放射体10の基端面10Bには、超音波伝送体30との結合のための連結ネジ孔18が穿設されている。
As can be easily understood with reference to FIG. 2, the
Therefore, the dimensions AX direction dimensions H1, H2, and H3 of these
A connecting
この超音波処理装置100において、超音波発振回路5により超音波振動子2を図1(b)に矢印で示すように、軸線AXに沿う方向に振動(以下、縦振動ともいう。)させると、基端面10Bを通じて、超音波放射体10にも縦振動が伝えられる。
なお、超音波伝送体3のフランジ部3Fは、縦振動の節となって振動しない位置に選択されており、このフランジ部3Fで、図示しない公知の固着手段によって、超音波伝送体3が処理槽本体61に固着され、それによって、超音波振動子2及び超音波放射体10も処理槽本体61に固着されている。
In the
In addition, the
ところで、超音波放射体10をなす材質のヤング率Ez及び密度ρから求められる縦振動の音速Czは、Cz=√(Ez/ρ)となる。従って、周波数frの場合の波長λzは、λz=(Ez/ρ)1/2/frとなる。
そこで本実施例1の超音波放射体10は、超音波放射体10(径大放射部21等)の最大径Dmaxをλz/2.6を越え、さらには、λz/2を越える寸法とし、この超音波放射体10、特に各径大放射部21等において、径方向振動が励起される形態としている。
By the way, the acoustic velocity Cz of the longitudinal vibration obtained from the Young's modulus Ez and the density ρ of the material forming the
Therefore, in the
この超音波放射体10の第1,第2,第3部分81,82,83のような径の大きな(太い)共振体では、縦振動と径方向振動とが相互に作用し結合するため、縦振動につい
ては、細棒を伝わる場合の縦振動の音速よりも、見かけの縦振動の音速が遅くなる。また、厚みの薄い円板の径方向振動の音速よりも、見かけの径方向の音速が遅くなる。
そこで、本実施例では、縦振動及び径方向振動の音速と寸法との関係を勘案して、超音波放射体10(第1,第2,第3部分81,82,83)の形状を、基端面10Bから所定周波数frの縦振動が伝えられると、各部分81等において、その中心部分を節とし、軸線方向にも径方向にも一次共振の形態となるようにしてある。従って、超音波放射体10全体では、軸線AX方向に、径小放射部を腹とし、径大放射部を節とする共振をする形状としている。さらに具体的には、図2に矢印で示すように、基端面10B,仮想最小径面10K1,10K2、及び先端面10Tを腹とし、径大放射部21,22,23の中央部分をそれぞれ節とする共振が生じる形態としてある。さらに、各々の径大放射部21,22,23において、その径方向にも、径大放射部の中心(軸線部分)を節とし、側面21S,22S,23Sを腹とした一次共振をする形状としてあり、具体的には、前述の形状としてある。
In a large-diameter (thick) resonator such as the first, second, and
Therefore, in this embodiment, the shape of the ultrasonic radiator 10 (first, second, and
ついで、図3に、この超音波放射体10を共振させた場合の変形状態を、超音波放射体10のうち、第1部分81について示す。この超音波放射体10は、図3に示すように、実線で示す位相φ=0度の時点での形状に対し、二点鎖線で示す位相φ=90度の時点では、径大放射部21については、その径(Dmax)が大きくなるとともに、この径大放射部21、縮径放射部11,12Aの厚み(H1、図中上下方向寸法)が小さく(薄く)なるように変形する。
なお、図示していないが、位相φ=−90度の時点では、これとは逆に、径大放射部2については、その径が小さくなるとともに、第1部分81の厚みが大きくなるように変形する。また、図3においては、変形の様子を理解しやすくするため、変形量を強調して記載しているが、実際の変形量は、図3に示すより遙かに小さなものである。
Next, FIG. 3 shows a deformed state when the
Although not shown in the figure, at the time when the phase φ = −90 degrees, the diameter of the large-
超音波放射体10のうち、他の部分、即ち、第2部分82及び第3部分83にも、同様の変形が生じる。
但し、第1部分81と隣り合う第2部分82は、第1部分81とは軸線方向にも径方向にも逆相に振動し、さらに、第2部分82と隣り合う第3部分83は、第2部分82とは逆相に、従って第1部分81と同相に振動、変形する。
つまり、図2に矢印で示すように、径大放射部21,22,23についてみれば、これらはいずれも径方向に共振するが、隣り合う径大放射部同士(例えば、21と22,22と23)は、逆相に振動する。
Similar deformations occur in the other portions of the
However, the
That is, as shown by the arrows in FIG. 2, the
そして、このような共振を生じた超音波放射体10では、それぞれの径大放射部21,22,23において、径方向の一次共振により、その側面21S,22S,23S(円筒面)が大きく振動して、図2に矢印で示すように、径方向に強力な超音波を放射することができる。また、基端面10B及び先端面10Tにおいても、軸線方向に大きく振動して、軸線方向の基端側及び先端側(図中上方及び図中下方)に強力な超音波を放射することができる。
In the
また、図3における実線と二点鎖線とを比較すれば判るように、第1部分81では、その基端面10Bにおいて、径方向にほとんど変形しないことが判る。つまり、この基端面10Bでは、軸線方向の振動(縦振動)のみが生じることが判る。基端面10Bの径D1を小さく(細く)し、D1≦λz/2.6としてあるからであると考えられる。
このため、超音波振動源4(超音波伝送体3)から伝えられる縦振動を、この基端面10Bで効率よく受け止めて、超音波振動エネルギーを先端側(図中下方)に伝えることができる。
このことは、図3に示す仮想最小径面10K1についても同様である。即ち、基端面10Bから伝えられた超音波振動は、径大放射部21において径方向振動を励起するとと
もに、仮想最小径面10K1では、縦振動のみを生じさせる。このため、この第1部分81に隣り合う第2部分82に対して、この仮想最小径面10K1を通じて、効率よく超音波振動エネルギーを伝送することができる。
さらに、第2部分82に伝えられた超音波振動エネルギーが同様にして、効率よく第3部分83に伝えられる。
かくして、この超音波放射体10では、基端面10Bから受け入れた超音波振動エネルギーを次々に効率よく先端側に伝送しながら、径方向にも斜め基端側や先端側にも超音波を放射することができる。
Further, as can be seen by comparing the solid line and the two-dot chain line in FIG. 3, it can be seen that the
For this reason, the longitudinal vibration transmitted from the ultrasonic vibration source 4 (ultrasonic transmission body 3) can be efficiently received by the
The same applies to the virtual minimum diameter surface 10K1 shown in FIG. That is, the ultrasonic vibration transmitted from the
Furthermore, the ultrasonic vibration energy transmitted to the
Thus, the
さらに、図3における実線と二点鎖線とを比較すれば判るように、本実施例の超音波放射体10では、基端側に向かって縮径する縮径放射部11の傾斜面及び、先端側に向かって縮径する縮径放射部12Aの傾斜面3S及び先端放射部4の傾斜面4Sについても、その傾斜面11S,12ASに直交する方向に振動成分を持つことが判る。つまり、本実施例の超音波放射体10では、縮径放射部11,12Aの傾斜面11S,11ASのそれぞれからも、その傾斜面の直交する方向、つまり軸線AXに斜交する方向、具体的には、斜め基端側あるいは斜め先端側に向かって超音波が放射されることが判る。
これは、第2部分82及び第3部分83についても同様であり、縮径放射部12B,13A,13B,14の傾斜面12BS,13AS,13BS,14Sのそれぞれからも、斜め基端側あるいは斜め先端側に向かって超音波が放射される。
Further, as can be seen by comparing the solid line and the two-dot chain line in FIG. 3, in the
The same applies to the
例えば、基端面10Bと同じ径を有する円柱状の超音波放射体を仮想すれば判るように、円柱型の超音波放射体でも、径方向及び軸線方向には超音波を放射することができる。しかし、本実施例1の超音波放射体10とは異なり、斜め基端側あるいは斜め先端側に向かって超音波を放射することはできない。
従って、本実施例1の超音波放射体10を処理槽本体61内に設置して、超音波を放射させれば、径方向及び軸線方向に強力な超音波を放射できるだけでなく、各傾斜面11S〜14Sから、それぞれ超音波放射体1の斜め基端側や斜め先端側にも超音波を放射することができる。かくして、処理槽本体61内において生じる超音波の音場を均一にしやすい。従って、被処理流体Pの処理を均一にしやすくなる。特に、傾斜面11Sからは、放射部80よりも斜め基端側に超音波を放射できる、また、傾斜面14Sからは、放射部80よりも斜め先端側に超音波を放射できるので、円柱状の超音波放射体では届きにくい部分まで超音波を照射することができ、音場をより均一になしやすい。
For example, as can be understood by assuming a cylindrical ultrasonic radiator having the same diameter as the
Therefore, if the
さらに、この超音波放射体1は、傾斜面11S〜14Sを有しており、斜め基端側や斜め先端側にも超音波を放射することができるから、円柱形状の超音波放射体よりも超音波放射面積が大きい。このため、この超音波放射体10を用いた超音波放射装置1によれば、基端面10Bを通じて伝えた超音波振動のエネルギーを被処理流体Pに向かって効率よく放射することができる。かくして、この超音波放射体10を用いた超音波処理装置100では、多くの被処理流体Pを処理槽60において処理することができる。
Furthermore, since this
(変形例1)
ついで、実施例1の第1の変形例を、図4を参照して説明する。本変形例1に係る超音波放射体210は、実施例1と同じくステンレス鋼からなる。しかし、実施例1の超音波放射体10(図2参照)と比較すれば容易に理解できるように、径大放射部221,222,223、径小放射部211,212,213,214を含む放射部280は、それぞれ実施例1の径大放射部21,22,23、径小放射部11,12,13,14を含む放射部80とほぼ同様の形状である。
但し、実施例1における、超音波放射体10と超音波伝送体30とを一体に形成したものである点で異なる。即ち、前述した実施例1では、超音波放射体10を超音波伝送体30と連結ネジ7で連結した(図1参照)。これに対し、本変形例1の超音波放射体
210は、径大放射部221,222,223、及び径小放射部211,212,213,214を含む放射部280のほか、超音波伝送部231を一体に備えている点で異なる。
なお、この超音波放射体210は、超音波伝送部231において、その連結面231Cに、超音波振動子2との連結のための連結ネジ孔231Nが穿設してある。
(Modification 1)
Next, a first modification of the first embodiment will be described with reference to FIG. The
However, the difference is that the
The
従って、実施例1の超音波放射体10及び超音波伝送体30に代えて、本変形例1の超音波放射体210をその連結ネジ孔231Nを用いて超音波振動子2に取り付けて、超音波放射装置とし、これを用いた超音波処理装置とすることができる。この超音波処理装置においても、超音波振動子2を超音波振動させれば、放射部280が軸線AX方向に、径大放射部221,222,223を節とし、径小放射部211,212,213,214を腹として共振する。これとともに、それぞれの径大放射部221,222,223において、その径方向にも一次共振する。従って、この超音波放射体210でも、側面21S,22S,23Sから径方向に、また、上底面211Bから軸線方向基端側に、また、先端面210Tから軸線方向先端側に強力な超音波を放射できる。そのほか、各縮径放射部221,212A,212B,213A,213B,214のそれぞれの傾斜面から
も、斜め基端側あるいは斜め先端側に向けて超音波を放射することができる。
Therefore, instead of the
かくして、本変形例1の超音波放射体210を用いた超音波放射装置でも、最も基端側の縮径放射部211の斜め基端側や、最も先端側の縮径放射部214の斜め先端側にも超音波を放射することができる。従って、この超音波放射体210を用いた超音波処理装置では、処理槽本体61内において生じる超音波の音場を均一にしやすい。従って、この超音波放射体210を用いた超音波処理装置でも、被処理流体Pの処理を均一にしやすくなる。
Thus, even in the ultrasonic radiation apparatus using the
さらに、この超音波放射体210でも、径小放射部211等を設けてあるので、斜め基端側や斜め先端側にも超音波を放射することができるから、超音波の放射面積が大きくできる。基端上底面203Bを通じて伝えた超音波振動のエネルギーを被処理流体Pに向かって効率よく放射することができる。従って、この超音波放射体210を用いた超音波処理装置でも、多くの被処理流体Pを処理槽60において処理することができる。
Furthermore, since this
さらに、本変形例1の超音波放射体210においては、超音波振動を伝送する超音波伝送部231と、超音波を放射する放射部280(径大放射部221等、径小放射部211等)とが一体の金属ブロックで形成されている。従って、超音波放射体10と超音波伝送体30とを連結ネジ7で連結した実施例1の超音波処理装置1及び超音波放射装置100と異なり、高温下、高圧下、低温下などでの処理、腐食性の高い液体の処理、清浄性の高い液体の処理、熱サイクル、熱衝撃が掛かる等、厳しい条件下で超音波処理装置を使用する場合にも、使用することができ、連結ネジ7を使用しないため、連結ネジ7のゆるみを生じることがない、クリーニングが容易であるなどの耐久性、信頼性が良好である。
Furthermore, in the
(変形例2)
ついで、実施例1の第2の変形例を、図5を参照して説明する。本変形例2に係る超音波放射体310は、実施例1における第1部分81等と同様な形状の放射ユニット311,312,…,3N1を複数(Nヶ)連結してなる。各放射ユニット311,321,…,3N1は、いずれも、円板形状の径大部312,322,…,3N2と、これに基端側で隣接する円錐台形状の径小部313,323,…,3N3、及び径大部に先端側で隣接する円錐台形状の径小部314,324,…,3N4とを有している。
(Modification 2)
Next, a second modification of the first embodiment will be described with reference to FIG. The
また、これらの放射ユニット311等は、そのユニット基端面311B,321B,…,3N1B、及びユニット先端面311B,321B,…,3N1Bのうち、最も先端側のユニット先端面3N1Tを除く面に、それぞれ連結ネジ孔318,319,328,
329,…,3N8がそれぞれ穿設されている。
従って、各放射ユニット311等は、放射ユニット3N1のユニット先端面3N1Tに連結ネジ孔が無いことを除き、互いに合同の形態をなしている。
In addition, these
329,..., 3N8 are drilled.
Accordingly, the
各放射ユニット311等は、連結ネジ332等を用いて互いに連結されている。具体的には、例えば、放射ユニット311と321とが、ユニット先端面311Tとユニット基端面321Bとが突き合わせて当接され、連結ネジ孔319,328を用いて、連結ネジ332により連結(締結)されている。かくして、各放射ユニット311等は、全体として、径大部312等を径大放射部312等とし、径小部313等を径小放射部313等とする超音波放射体310(放射部380)を構成している。
なお、放射ユニット311と321とは、隣り合う径小部314と323とで、1つの径小放射部302を構成する。同様にして、径小放射部303,…,30Nが構成されている。また、各放射ユニット311等の径小部313等は、それぞれが円錐台形状の縮径放射部313,314,323,…,3N3,3N4となる。
Each
The
この超音波放射体310(放射体380)についても、前述した実施例1に係る超音波放射体10と同様に、超音波伝送体3に接続し、超音波振動子2を超音波振動させれば、放射部380が軸線AX方向に、径大放射部321,322,…,3N2を節とし、径小放射部313,302,303,30N,3N4を腹として共振する。これとともに、それぞれの径大放射部312,322,…,3N2において、その径方向にも一次共振する。従って、この超音波放射体310でも、径大放射部321等の側面から径方向に、また、基端面310Bから軸線方向基端側に、また、先端面310Tから軸線方向先端側に、それぞれ強力な超音波を放射できる。そのほか、各縮径放射部313等のそれぞれの傾斜面からも、斜め基端側あるいは斜め先端側に向けて超音波を放射することができる。
This ultrasonic radiator 310 (radiator 380) is also connected to the
かくして、本変形例2の超音波放射体310を用いた超音波放射装置でも、縮径放射部313の斜め基端側や縮径放射部3N4の斜め先端側にも超音波を放射することができる。従って、この超音波放射体310を用いた超音波処理装置では、処理槽本体内において生じる超音波の音場を均一にしやすい。従って、この超音波放射体310を用いた超音波処理装置でも、被処理流体Pの処理を均一にしやすくなる。
Thus, even in the ultrasonic radiating device using the
さらに、この超音波放射体310でも、径小放射部313,302等を設けてあるので、超音波の放射面積が大きくでき、超音波振動のエネルギーを被処理流体Pに向かって効率よく放射することができる。従って、この超音波放射体310を用いた超音波処理装置でも、多くの被処理流体Pを処理槽において処理することができる。
Further, since this
さらに、本変形例2の超音波放射体310では、放射ユニット311等を用いるので、処理槽の形状(例えば深さ)に合わせ、適数個の放射ユニット311等を組み合わせて、適切な軸線方向長さの超音波放射体を形成したり、処理槽などの変更に合わせて適宜形状を変更することができる利点がある。
また、前述の実施例1及び変形例1に係る超音波放射体10,210に比して、各放射ユニット311等は、製作容易で安価にできる。このため、超音波放射体310全体としても安価にできる。また、超音波放射体の一部について、傷その他の不具合が生じた場合でも、その部分を含む放射ユニットについて、修理、交換等をすれば足りるので、修理や交換も容易で安価にできる。
Furthermore, since the
Further, compared to the
さらに、各放射ユニット311等について、共振周波数frを調整してから、互いに組み付けて超音波放射体310を構成することができるので、調整が容易で、特性の良好な超音波放射体を得やすい利点もある。
一方、前述の実施例1及び変形例1に係る超音波放射体10,210では、放射部80
,280が全体で1つの金属塊から構成されていたため、高温、高圧、低温、熱衝撃、熱サイクル等の掛かる厳しい環境下などにおいても、連結ネジのゆるみ、放射ユニットの脱落等が生じないので、信頼性、耐久性が高い利点がある。
Furthermore, since the
On the other hand, in the
, 280 is composed of a single metal block as a whole, so that the connecting screw will not loosen and the radiation unit will not fall off even under severe conditions such as high temperature, high pressure, low temperature, thermal shock, thermal cycle, etc. Has the advantages of high reliability and durability.
(変形例3)
ついで、実施例1の第3の変形例について、図6を参照して説明する。図1を参照すれば容易に理解できるように、本変形例3の超音波処理装置400において、超音波放射体10は、実施例1に係る超音波放射体10と同じものである。
但し、図1と対比すれば理解できるように、実施例1では、単一の超音波振動子2を用いたのに対し、本変形例3では、超音波放射源404のうち、超音波伝送体3に接続されている超音波振動子409として、2つの超音波振動子402A,402Bの出力をパワー合成装置407で合成したものとしている点で異なる。また、2つの超音波振動子402A,402Bを同時に同位相で駆動するため、出力の大きな超音波発振回路405を用いる点でも異なる。
(Modification 3)
Next, a third modification of the first embodiment will be described with reference to FIG. As can be easily understood with reference to FIG. 1, in the
However, as can be understood by comparing with FIG. 1, the single
本変形例3におけるパワー合成装置407のうち、パワー集成板407Aは、略円環板状の金属ブロックであり、その側面のうち、ちょうどその軸線を挟んで対向する位置に、超音波振動子402Aと402Bとが、連結ネジ406A,406Bを用いて連結されている。また、パワー集成板407Aの内周には、略円柱状の変換コラム407Bが締まり嵌め状態で密着して嵌挿されている。
このため、2つの超音波振動子402A,402Bを同相で振動させると、パワー集成板407Aが共振して、径方向振動(図6(b)において水平方向振動)を生じる。すると、このパワー集成板407に嵌挿された変換コラム407Bが、図中矢印で示すように、軸線AX方向に共振する。そこで、この軸線方向の振動(縦振動)を超音波伝送体3を介して超音波放射体10に伝えるのである。
In the
Therefore, when the two
この際、超音波伝送体3から取り出しうる超音波エネルギーは、概略、2つの超音波振動子402A,402Bから出力したエネルギーの和となる。従って、本変形例3の超音波処理装置400では、2つの超音波振動子402A,402Bを用いることで、超音波放射体10から、実施例1の場合よりも強力な超音波を放射させることができ、被処理流体Pをより強力な超音波で処理することができる。
At this time, the ultrasonic energy that can be extracted from the
ついで、本発明の実施例2に係る超音波放射体510について、図7,図8を参照して説明する。本実施例2に係る超音波放射体510は、実施例1のそれと同じくステンレス鋼からなる。また、実施例1の超音波放射体10(図2参照)と比較すれば容易に理解できるように、径大放射部521,522,523、縮径放射部511A,512A,512B,513A,513B,514Aは、それぞれ実施例1の径大放射部21,22,23、縮径放射部11,12A,12B,13A,13B,14とほぼ同様の形状である。
Next, an
しかし、本実施例2の超音波放射体510においては、各径小放射部511,512,513,514に、それぞれ緩衝部511C,512C,513C,514Cを備えている点で、実施例1の超音波放射体10と異なる。具体的には、最も基端側の縮径放射部511Aの基端側(図中上方)に、円板状の緩衝部511Cを備えている。また、縮径放射部512Aと512Bとの間、及び縮径放射部513Aと513Bとの間に、それぞれ円板状の緩衝部512C,513Cを備えている。さらに、最も先端側の縮径放射部514Aの先端側(図中下方)にも円板状の緩衝部514Cを備えている。このため、径小放射部511は、縮径放射部511Aと緩衝部511Cとからなる。同様に、径小放射部512は、縮径放射部512A,512Bと緩衝部512Cとから、径小放射部513は、縮径放射部513A,513Bと緩衝部513Cとからなり、径小放射部514は、
縮径放射部514Aと緩衝部514Cとからなる。
However, in the
It consists of a reduced
本実施例2の超音波放射体510は、径大放射部521,522,523、径小放射部511,512,513,514からなる放射部580を有し、超音波を放射するこの放射部580が全体である超音波放射体510に等しくなっている。このうち径大放射部521,522,523は、いずれも実施例1と同じく直径Dmaxの円板状であり、径小放射部511等に比して、軸線AXに直交する径方向(図中左右方向)に最も径大の形態を有している。
一方、径小放射部511等は、いずれも円錐台形状の縮径放射部511A等と緩衝部511C等を有しており、このうち最小の径をなす緩衝部511C等は、いずれも実施例1と同径とされている(D1=D2=D3=D4)。
The
On the other hand, each of the small-
また、この超音波放射体510のうち、径小放射部511(緩衝部511C及び縮径放射部511A)と、径大放射部521と、径小放射部512のうち基端側半分(縮径放射部512A及び緩衝部512Cの基端側半分)とからなる第1部分581の軸線方向寸法H1’は、軸線方向に共振するように、実施例1とは若干異なる値にしてある。径小放射部512のうち先端側半分(緩衝部512Cの先端側半分及び縮径放射部512B)と、径大放射部522と、径小放射部513のうち基端側半分(縮径放射部513A及び緩衝部513Cの基端側半分)とからなる第2部分582の軸線方向寸法H2’は、H2’H1’としてある。さらに、径小放射部513の先端側半分(緩衝部513Cの先端側半分と縮径放射部513B)と、径大放射部523、径小放射部514(縮径放射部514A及び緩衝部514C)とからなる第3部分583の軸線方向寸法H3’も、H3’H1’としてなる。
Further, among the
本実施例2の超音波放射体510を、図1に示す実施例1の超音波放射体10に代えて、その連結ネジ孔518を用いて超音波伝送体3に取り付けて超音波振動させれば、軸線AX方向に共振するとともに、径大放射部521等において、その径方向にも一次共振させることができる。
図7に、この超音波放射体510を共振させた場合の変形状態を、超音波放射体510のうち、第1部分581について示す。この超音波放射体510においても、実施例1の場合とほぼ同様に、実線で示す位相φ=0度の時点での形状に対し、二点鎖線で示す位相φ=90度の時点では、径大放射部521については、その径(Dmax)が大きくなるとともに、第1部分581の厚み(H1’)が小さく(薄く)なるように変形する。
従って、この超音波放射体510によっても、各径大放射部の側面から径方向に、また、基端面510Bから軸線方向基端側に、また、先端面510Tから軸線方向先端側に強力な超音波を放射できる。そのほか、各々の縮径放射部511A,512A等から、斜め基端側、あるいは斜め先端側にも超音波を放射することができる。かくしてこの超音波放射体510を用いても、処理槽本体61内の音場を均一になすことができ、また、多くの被処理流体Pを処理槽60において処理することができる。
The
FIG. 7 shows a deformed state when the
Therefore, this
なお、本実施例2の超音波放射体510では、細い径(D1等)の円板状の緩衝部511C,512C等を設けたため、実施例1の場合に比して、最も径の小さい部分(緩衝部)において、確実に軸線AX方向の振動(縦振動)のみが選択的に励起される。このため、超音波振動エネルギーの伝送効率がさらに向上し、同じ超音波振動子を用いて駆動しても、さらに多くのエネルギーを超音波として放射できる。
In the
(変形例4)
ついで、実施例2の変形例(変形例4)を、図9を参照して説明する。本変形例4に係る超音波放射体610は、実施例2における第1部分581等と同様な形状の放射ユニット611,612,…,6N1を複数(Nヶ)連結してなる。各放射ユニット611,6
21,…,6N1は、いずれも、円板形状の径大部612,622,…,6N2と、これに基端側で隣接する円錐台形状の径小部613,623,…,6N3、及び径大部に先端側で隣接する円錐台形状の径小部614,624,…,6N4とを有している。
(Modification 4)
Next, a modified example (modified example 4) of the second embodiment will be described with reference to FIG. The
.., 6N1 are disk-shaped
また、径小部613,614等は、円錐台形状の縮径部613A,614A,623A,624A,…,6N3A,6N4Aと、これに続く円板状の緩衝部613C,614C,623C,624C,…,6N3C,6N4Cとを含んでいる。
さらに、これらの放射ユニット611等には、それぞれ連結ネジ孔618,619,628,629,…,6N8がそれぞれ穿設されており、各放射ユニット611等は、放射ユニット6N1の先端側に連結ネジ孔が無いことを除き、互いに合同の形態をなしている。
Further, the
Further, these
各放射ユニット611等は、連結ネジ632等を用いて互いに連結されている。具体的には、例えば、放射ユニット611と621とが、連結ネジ孔619,628を用いて、連結ネジ632により連結(締結)されている。かくして、各放射ユニット611等は、全体として、径大部612等を径大放射部612等とし、径小部613等を径小放射部613等とする超音波放射体610(放射部680)を構成している。
なお、放射ユニット611と621とは、隣り合う径小部614と623とで、1つの径小放射部602を構成する。同様にして、径小放射部603,…,60Nが構成されている。
The
The
この超音波放射体610(放射体680)についても、前述した実施例2に係る超音波放射体510と同様に、超音波伝送体3に接続し、超音波振動子2を超音波振動させれば、放射部680が軸線AX方向に、径大放射部621,622,…,6N2を節とし、径小放射部613,602,603,60N,6N4を腹として共振する。これとともに、それぞれの径大放射部612,622,…,6N2において、その径方向にも一次共振する。従って、この超音波放射体610でも、径大放射部621等の側面から径方向に、また、基端面610Bから軸線方向基端側に、また、先端面610Tから軸線方向先端側に、それぞれ強力な超音波を放射できる。そのほか、各縮径放射部613等のそれぞれの傾斜面からも、斜め基端側あるいは斜め先端側に向けて超音波を放射することができる。かくしてこの超音波放射体610を用いても、処理槽本体内の音場を均一になすことができ、また、多くの被処理流体Pを処理槽において処理することができる。
This ultrasonic radiator 610 (radiator 680) is also connected to the
さらに、本変形例4の超音波放射体610でも、前述した変形例2と同様、放射ユニット611等を用いるので、処理槽の形状(例えば深さ)に合わせ、適数個の放射ユニット611等を組み合わせて、適切な軸線方向長さの超音波放射体を形成したり、処理槽などの変更に合わせて適宜形状を変更することができる利点がある。
また、一体型の超音波放射体に比して、各放射ユニット611等を、安価に製作でき、超音波放射体610全体としても安価となる。また、超音波放射体の修理や交換も容易で安価にできる。各放射ユニット611等について、共振周波数などの調整が容易で、特性の良好な超音波放射体を得やすい。
Further, since the
Further, each
(参考例1)
ついで、参考例1について、図10〜図12を参照して説明する。本参考例1に係る超音波処理装置700は、実施例1と同様の超音波振動源4及び超音波発振回路5のほか、処理槽760,及び、超音波放射体710からなる。
このうち、超音波放射体710は、処理槽760内に配置され、超音波振動源4から伝えられた超音波振動により、処理槽760内の被処理流体Pに超音波を放射して、被処理流体Pについて所望の処理を行う。なお、本参考例1の処理槽760は、処理槽本体761と、この処理槽本体761の側面のうち上部に接続され、被処理流体Pを処理槽本
体761内に流入させる流入管762と、処理槽本体761の側面のうち下部に接続され、処理された被処理流体Pを処理槽本体761から排出する排出管763とからなる。
(Reference Example 1)
Next, Reference Example 1 will be described with reference to FIGS. The
Among these, the
本参考例1に係る超音波放射体710は、実施例1のそれと同じくステンレス鋼からなる。また、この超音波放射体710は、4つの太く高さの低い(厚みの小さい)円板状の径大放射部721,722,723,724と、これらの間及び径大放射部721の基端側と径大放射部724の先端側に位置し、径大放射部721等よりも径小で円板状の緩衝部711,712,713,714,715とからなり、実施例1の超音波放射体10(図2参照)と比較すれば容易に理解できるように、円錐台形状の縮径放射部を有していない。
The
各々の径大放射部721等は、いずれも直径Dmax、厚さTmの円板状であり、緩衝部711等は、いずれも直径Dkの円板状である。
なお、この超音波放射体710の基端面710Bには、超音波伝送体30との結合のための連結ネジ孔718が穿設されている。
Each of the large-
A connecting
この超音波処理装置700において、超音波発振回路5により超音波振動子2を図10に矢印で示すように、軸線AX方向に縦振動させると、基端面710Bを通じて、超音波放射体710にも縦振動が伝えられる。
In this
この超音波放射体710のうち、径大放射部721等の軸線方向寸法(厚み)Tmは、λz/2よりかなり小さくされている。このため、このような径の大きく(太く)、これに比して厚みの薄い径大放射部721等(共振体)では、主として径方向振動が励起されるため、径大放射部721等の径Dmaxを、径大放射部721等が径方向について一次共振する寸法に選択しておけば、極めて大きな径方向振動が得られる。
一方、緩衝部711等の径Dkは、λz/2.6以下とされている。このため、緩衝部711のような径の小さい(細い)部分では、主として軸線方向振動(縦振動)が励起されるため、基端側(図中上方)から先端側(図中下方)に向かって、超音波振動エネルギーを次々に伝えることができる。また、図11に矢印で示すように、径大放射部721,722等は、隣り合う径大放射部同士が互いに逆相の径方向振動をする。しかしながら、これらの間には、径方向振動が生じず、縦振動をする緩衝部711等が介在しているため、各径大放射部721等の径方向振動を互いが抑制し合うこともない。このため、各径大放射部721等それぞれを、効率よく、大きく径方向振動させることができる。
Of this
On the other hand, the diameter Dk of the
図10に示す参考例1の超音波放射体710をその連結ネジ孔718及び連結ネジ7を用いて超音波伝送体3に取り付けて超音波振動させれば、軸線AX方向に共振するとともに、径大放射部721等において、その径方向にも一次共振させることができる。
図12に、この超音波放射体710を共振させた場合の変形状態を、超音波放射体710の一部について示す。この超音波放射体710においても、実施例1の場合とほぼ同様に、実線で示す位相φ=0度の時点での形状に対し、二点鎖線で示す位相φ=90度の時点では、径大放射部721については、その径(Dmax)が大きくなるとともに、径大放射部721及び緩衝部711,712の厚みが小さく(薄く)なるように変形する。
If the
FIG. 12 shows a deformation state when the
従って、この超音波放射体710によっても、各径大放射部の側面から径方向に、また、基端面710B及び径大放射部711の基端側面721Bから軸線方向基端側に、また、先端面710T及び径大放射部714の先端側面724Tから軸線方向先端側に、強力な超音波を放射できる。かくして、この超音波放射体710を用いても、多くの被処理流体Pを処理槽760において処理することができる。
Therefore, also with this
(参考例2)
ついで、参考例1の変形例(参考例2)を、図13を参照して説明する。本参考例2に係る超音波放射体810は、参考例1における径大放射部721及びこれに隣接する緩衝部711,712などと同様な形状の放射ユニット811,812,…,8N1を複数連結してなる。各放射ユニット811,821,…,8N1は、いずれも、円板形状の径大部82,822,…,8N2と、これに基端側で隣接する径小の円板状の径小部813,823,…,8N3、及び径大部82等に先端側で隣接する径小の円板状の径小部814,824,…,8N4とを有している。
(Reference Example 2)
Next, a modification ( Reference Example 2 ) of Reference Example 1 will be described with reference to FIG. The
さらに、これらの放射ユニット811等には、それぞれ連結ネジ孔818,819,828,829,…,8N8がそれぞれ穿設されており、各放射ユニット811等は、放射ユニット8N1の先端側に連結ネジ孔が無いことを除き、互いに合同の形態をなしている。
Further, these
各放射ユニット811等は、連結ネジ832等を用いて互いに連結されている。具体的には、例えば、放射ユニット811と821とが、連結ネジ孔819,828を用いて、連結ネジ832により連結(締結)されている。かくして、各放射ユニット811等は、全体として、径大部812等を径大放射部812等とし、径小部813等を径小放射部813等とする超音波放射体810(放射部880)を構成している。
なお、放射ユニット811と821とは、隣り合う径小部814と823とで、1つの径小放射部802を構成する。同様にして、径小放射部803,…,80Nが構成されている。
The
In addition, the
この超音波放射体810(放射体880)についても、前述した参考例1に係る超音波放射体710と同様に、超音波伝送体3に接続し、超音波振動子2を超音波振動させれば、放射部880が軸線AX方向に、径大放射部821,822,…,8N2を節とし、径小放射部813,802,803,…,80N,8N4を腹として共振する。これとともに、それぞれの径大放射部812,822,…,8N2において、その径方向にも一次共振する。従って、この超音波放射体810でも、径大放射部821等の側面から径方向に、また、基端面810B及び径大放射部812の基端側面812Bから軸線方向基端側に、また、先端面810T及び径大放射部8N2の先端側面8N2Tから軸線方向先端側に、それぞれ強力な超音波を放射できる。かくしてこの超音波放射体810を用いても、多くの被処理流体Pを処理槽において処理することができる
Similarly to the
さらに、本参考例2の超音波放射体810では、前述した変形例2,4と同様、放射ユニット811等を用いるので、処理槽の形状(例えば深さ)に合わせ、適数個の放射ユニット811等を組み合わせて、適切な軸線方向長さの超音波放射体を形成したり、処理槽などの変更に合わせて適宜形状を変更することができる利点がある。
また、一体型の超音波放射体に比して、各放射ユニット811等を、安価に製作できる。超音波放射体810全体としても安価となる。また、超音波放射体の修理や交換も容易で安価にできる。各放射ユニット811等について、共振周波数などの調整が容易で、特性の良好な超音波放射体を得やすい。
Further, in the
Further, each
(実施例4)
ついで、本発明の実施例4について、図14〜図16を参照して説明する。本実施例4に係る超音波処理装置900は、実施例1と同様の超音波振動源4及び超音波発振回路5のほか、処理槽960,及び、超音波放射体910からなる。
このうち、超音波放射体910は、処理槽960内に配置され、超音波振動源4から伝えられた超音波振動により、処理槽960内の被処理流体Pに超音波を放射して、被処理流体Pについて所望の処理を行う。なお、本実施例4の処理槽960は、処理槽本体961と、この処理槽本体961の上面のうち軸線AXより図中左方に接続され、被処理
流体Pを処理槽本体961内に流入させる流入管962と、処理槽本体961の下面のうち軸線AXより右方に接続され、処理された被処理流体Pを処理槽本体961から排出する排出管963とからなる。
Example 4
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The
Among these, the
本実施例4に係る超音波放射体910は、実施例1のそれと同じくステンレス鋼からなる。また、この超音波放射体910は、球形から上下を一部除去した一部切り欠き球形状の第1,第2,第3部分981,982,983が切り欠き部分で互いに連なった形状をしている。
第1部分981等は、いずれも直径Dmax、軸線方向寸法(高さ)Tbの一部切り欠き球状である。
The
Each of the
この実施例4の超音波放射体910では、径大放射部と径小放射部との境界が明確ではない。しかし、第1,第2,第3部分981,982,983において、それぞれ軸線方向(図中上下方向)の中央部分、つまり、径方向に球の直径とほぼ同程度の寸法を備えている部分を径大放射部921,922,923と考え、これより基端側あるいは先端側の部分を縮径放射部911,912A,912B,913A,913B,914と考える。また、縮径放射部911,914は、径小放射部911,914と、及び縮径放射部912Aと912Bは径小放射部912と、縮径放射部913Aと913Bと径小放射部913と考えることができる。
なお、この超音波放射体910の基端面910Bには、超音波伝送体30との結合のための連結ネジ孔918が穿設されている。
In the
Note that a connecting
この超音波処理装置900において、超音波発振回路5により超音波振動子2を図14に矢印で示すように、軸線AX方向に縦振動させると、基端面910Bを通じて、超音波放射体910にも縦振動が伝えられる。
すると、この超音波放射体910の第1部分981等では、径方向にも軸線方向にも、さらには、これらの斜交する方向にも一次共振し、図16に示すように、位相φ=0度の時点に対し、位相φ=90度の時点では、第1部分981がその中心部分を節として、全体に膨張する。つまり、この超音波放射体910では、第1部分981等は、共振により大きく膨張と収縮を繰り返す呼吸振動をする。
しかも、図15における矢印を参照すれば容易に理解できるように、第1,第2,第3部分981,982,983は、隣り合う部分と互いに逆位相で呼吸振動をすることが判る。
In this
Then, in the
Moreover, as can be easily understood by referring to the arrows in FIG. 15, it can be seen that the first, second, and
従って、図14に示す実施例4の超音波放射体910をその連結ネジ孔918及び連結ネジ7を用いて超音波伝送体3に取り付けて超音波振動し2によって超音波振動させれば、軸線AX方向にも、径方向にも、これらに斜交する方向にも共振し、第1,第2,第3部分981,982,983について、それぞれ呼吸振動させることができる。
Therefore, if the
従って、この超音波放射体910によれば、この基端面910B及び先端面910Tから基端方向及び先端方向に超音波が放射されるのみならず、第1,第2,第3部分981,982,983から、それぞれほぼ全方向にわたって、強力な超音波を放射できる。かくして、この超音波放射体910を用いれば、処理槽本体961内の音場をより均一になすことができる。また、多くの被処理流体Pを処理槽960において処理することができる。
Therefore, according to the
(変形例6)
ついで、実施例4の変形例(変形例6)を、図17を参照して説明する。本変形例6に係る超音波放射体1010は、実施例4における第1部分981などと同様な形状の放射ユニット1011,1012,…,10N1を複数(Nヶ)連結してなる。放射ユニット
10N1を除く、各放射ユニット1011,1021,…は、いずれも、球の上下を一部除去した一部切り欠き球状をなしている。また、最も先端側に配置される放射ユニット10N1については、球の上部のみ一部除去した一部切り欠き球形状とされている。
これらの放射ユニットでは、径大部と径小部の境界が明確でない。しかし、各放射ユニット1011,1021等において、それぞれ軸線方向(図中上下方向)の中央部分、つまり、径方向に球の直径とほぼ同程度の寸法を備えている部分を径大部1012,1022,…,10N2と考え、これより基端側あるいは先端側の部分を径小部1013,1014,1023,1024,…,10N3,10N4と考えればよい。
(Modification 6)
Next, a modified example (modified example 6) of the fourth embodiment will be described with reference to FIG. The
In these radiation units, the boundary between the large diameter portion and the small diameter portion is not clear. However, in each
さらに、これらの放射ユニット1011等には、それぞれ連結ネジ孔1018,1019,1028,1029,…,10N8がそれぞれ穿設されており、各放射ユニット1011等は、放射ユニット10N1の先端側に連結ネジ孔が無く、切り欠きもなく球面状にされていることを除き、互いに合同の形態をなしている。
Further, these
各放射ユニット1011等は、連結ネジ1032等を用いて互いに連結されている。かくして、各放射ユニット1011等は、全体として、径大部1012等を径大放射部1012等とし、径小部1013等を径小放射部1013等とする超音波放射体1010(放射部1080)を構成している。
なお、放射ユニット1011と1021とは、隣り合う径小部1014と1023とで、1つの径小放射部1002を構成する。同様にして、径小放射部1003,…,100Nが構成されている。
The
The radiating
この超音波放射体1010(放射体1080)についても、前述した実施例4に係る超音波放射体910と同様に、超音波伝送体3に接続し、超音波振動子2を超音波振動させれば、放射部1080が軸線AX方向に、径大放射部1021,1022,…,10N2を節とし、径小放射部1013,1002,1003,…,100N,10N4を腹として共振する。これとともに、それぞれの径大放射部1012,1022,…,10N2において、その径方向にも一次共振する。さらに、各放射ユニット1011等は軸線方向及び径方向に斜交する方向にも振動し、全体として呼吸振動をする。
従って、この超音波放射体1010によれば、この基端面1010Bから基端方向に超音波が放射されるのみならず、各放射ユニット1011等から、それぞれほぼ全方向にわたって、強力な超音波を放射できる。かくして、この超音波放射体1010を用いれば、処理槽本体961内の音場をより均一になすことができる。また、多くの被処理流体Pを処理槽960において処理することができる。
This ultrasonic radiator 1010 (radiator 1080) can also be connected to the
Therefore, according to the
さらに、本変形例6の超音波放射体1010でも、前述した変形例2,4及び参考例2と同様、放射ユニット1011等を用いるので、処理槽の形状(例えば深さ)に合わせ、適数個の放射ユニット1011等を組み合わせて、適切な軸線方向長さの超音波放射体を形成したり、処理槽などの変更に合わせて適宜形状を変更することができる利点がある。
また、一体型の超音波放射体に比して、各放射ユニット1011等を、安価に製作できる。超音波放射体1010全体としても安価となる。また、超音波放射体の修理や交換も容易で安価にできる。各放射ユニット1011等について、共振周波数などの調整が容易で、特性の良好な超音波放射体を得やすい。
また、本変形例6の超音波放射体1010では、先端に配置した放射ユニット1N01を、先端側に連結ネジ孔が無く、切り欠きもなく球面状にしてある。これにより、この超音波放射体1010の先端方向について、まんべんなく超音波を放射することができるのでさらに好ましい。
Further, the
In addition, each
Further, in the
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうま
でもない。
例えば、実施例4及び変形例6においては、緩衝部を設けていないが、実施例1に対する実施例2のように、緩衝部を設ける形態の超音波放射体とすることもできる。
また、上述の各実施例及び変形例では、第1部分81等や放射ユニット311等が互いに合同の形状を有するものについて例示した。つまり、同じ形の第1部分等が軸線方向に並ぶ形態とした。しかし、同じ共振周波数で共振する第1部分等、あるいは放射ユニットで有れば、異なる形状を適宜混合しても良く、例えば、実施例1に示す第1部分81径大部722等、図2参照)と、参考例1に示す第2部分(図11参照)と、実施例4に示す第3部分983(図15参照)をが連なった形状の超音波放射体を用いることもできる。同様に、異なる形状の放射ユニットを適宜連結して超音波放射体とすることもできる。
In the above, the present invention has been described with reference to the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and it is needless to say that the present invention can be appropriately modified and applied without departing from the gist thereof.
For example, although the buffer part is not provided in Example 4 and
In the above-described embodiments and modifications, the
さらに、上述の実施例1,2、参考例1及び変形例1〜4、参考例2等では、いずれも径大放射部21等を円柱形状としたが、例えば正八角柱などの角柱形状としても良い。これに伴い、縮径放射部も角錐台形状とすることができる。但し、放射される超音波の強度が、軸線AXの周方向について変動する場合があるから、円柱形状とするのが好ましい。
Furthermore, in the above-described Examples 1 and 2 , Reference Example 1,
また、上述の実施例1,2及び変形例1〜4では、縮径放射部を円錐台形状とし、傾斜面を錐面とした。しかし、縮径放射部は、基端側あるいは先端側に向かうほど縮径する形態として有れば良く、なめらかな凹形状や、球面状などなめらかな凸形状とすることもできる。さらに、先端放射部については、先端上底面を有さず、錐状(円錐、角錐形状)の他、なめらかな凹形状や、球面状などなめらかな凸形状などとすることもできる。
In Examples 1 and 2 and
さらに、上記した変形例2,4,6では、いずれも1つの放射ユニット中に1つの径大部(径大放射部)のみを含むものとしたが、複数の径大部とこの間に位置する径小部とを含む形態とすることもできる。 Further, in the above-described modification examples 2, 4, and 6, all of the radiation units include only one large-diameter portion (large-diameter radiation portion). It can also be set as the form containing a small diameter part.
さらに、処理槽60等の処理槽本体61等は、上述の各実施例では略直方体形状としたしかし、これに限らず、軸線AXを中心軸とする円筒状、その他、処理を行う流体の性状、処理槽内に生させる超音波音場の均一性の程度などに応じて適宜の形状とすることができる。定在波を発生させにくくして、超音波音場の均一性を向上させるため、処理槽本体の壁面を、軸線AXやこれに直交する径方向に対して斜交する平面や曲面とすることができる。また、流入管、流出管の径、本数、位置などは、被処理流体、被処理物の性質に応じて適宜選択すればよい。また、連続処理ではなくバッチ処理を行うべく、流入管や流出管を備えない処理槽を用いることもできる。
Furthermore, the processing tank
また、上述した実施例等では、超音波放射体10等をステンレス鋼で作成した例を示したが、処理する被処理物や処理条件などに応じて適宜の材質を選択すれば良く、例えば、ハステロイ、インコネル、チタン、チタン合金、アルミニウム、ジュラルミンなどの金属や、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックなどを用いることができる。
また、実施例等では、超音波振動子2として、圧電セラミックを用いたボルト締めランジュバン型超音波振動子を用いた例を示したが、超音波振動を発生できる超音波振動子で有れば良く、磁歪材料、電歪材料を用いた超音波振動子などを用いることもできる。
また、実施例等では、処理槽に被処理流体Pを満たし、この被処理流体について、乳化等の処理を行う例を示した。しかし、処理槽に水や洗浄液などと、機械部品その他の被処理物とを入れ、超音波により被処理物の洗浄を行うこともできる。
Moreover, in the above-described embodiments, etc., an example in which the
Further, in the examples, etc., an example in which a bolted Langevin type ultrasonic vibrator using piezoelectric ceramic is used as the
Moreover, in the Example etc., the processing tank P was filled with the to-be-processed fluid P, and the example which processes emulsification etc. about this to-be-processed fluid was shown. However, it is also possible to put water, a cleaning liquid, and the like and machine parts and other objects to be treated into the treatment tank and clean the objects to be treated with ultrasonic waves.
AX 軸線
1,401,701,901 超音波放射装置
10,210,310,410,510,610,710,810,910,1010 超音波放射体
100,400,700,900 超音波処理装置
2,402A,402B,409 超音波振動子
3 超音波伝送体
3F フランジ部
4,404 超音波振動源
5,405 超音波発振回路
6,7,406A,406B 連結ネジ
407 パワー合成装置
407A パワー集成板
407B 変換コラム
60,760,960 処理槽
61,761,961 処理槽本体
62,762,962 流入管
63,763,963 流出管
80,280,380,480,580,680,780,880,980,1080 放射部
81,581,981 第1部分
82,582,982 第2部分
83,583,983 第3部分
10B 基端面
10T,210T,310T,510T,610T 先端面
10K1,10K2 仮想最小径面
11,12,12A,12B,13,13A,13B,14 径小放射部(縮径放射部)11B,14T,211B,214T,3N1T 上底面
11S,12AS,12BS,13AS,13BS,14S 傾斜面
18,518 連結ネジ孔
21,22,23 径大放射部
211,212,212A,212B,213,213A,213B,214 径小放射部(縮径放射部)
221,222,223 径大放射部
231 超音波伝送部
231C 連結面
231F フランジ部
231N 連結ネジ孔
311,321,3N1 放射ユニット
311B,321B,3N1B ユニット基端面
311T,321T,3N1T ユニット先端面
313,314,323,324,3N3,3N4 径小部、径小放射部(縮径放射部)302,303,30N 径小放射部(縮径放射部)
312,322,3N2 径大部、径大放射部
318,319,328,329,3N8 連結ネジ孔
332,333,33N 連結ネジ
511,512,513,514 径小放射部
511A,512A,512B,513A,513B,514A 縮径放射部
511C,512C,513C,514C 緩衝部
521,522,523 径大放射部
611,621,6N1 放射ユニット
602,603,60N 径小放射部
612,622,6N2 径大部、径大放射部
613,614,623,624,6N3,6N4 径小部、径小放射部
613A,614A,623A,624A,6N3A,6N4A 縮径部、縮径放射部
613C,614C,623C,624C,6N3C,6N4C 緩衝部
618,619,628,629,6N8 連結ネジ孔
632,633,63N 連結ネジ
711,712,713,714,715 径小放射部(緩衝部)
721,722,723,724 径大放射部
811,821,8N1 放射ユニット
802,803,80N 径小放射部
812,822,8N2 径大部、径大放射部
813,814,823,824,8N3,8N4 径小部、径小放射部(緩衝部)
818,819,828,829,8N8 連結ネジ孔
832,833,83N 連結ネジ
911,912,913,914 径小放射部
921,922,923 径大放射部
911,912A,912B,913A,913B,914 縮径放射部
1011,1021,10N1 放射ユニット
1002,1003,100N 径小放射部
1012,1022,10N2 径大部、径大放射部
1013,1014,1023,1024,10N3,10N4 径小部、径小放射部
1018,1019,1028,1029,10N8 連結ネジ孔
1032,1033,103N 連結ネジ
AX axis 1,401,701,901 Ultrasonic radiation apparatus 10, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 1010 Ultrasonic radiator 100, 400, 700, 900 Ultrasonic treatment apparatus 2, 402A , 402B, 409 Ultrasonic vibrator 3 Ultrasonic transmission body 3F Flange portion 4,404 Ultrasonic vibration source 5,405 Ultrasonic oscillation circuit 6, 7, 406A, 406B Connection screw 407 Power synthesizer 407A Power assembly plate 407B Conversion column 60, 760, 960 Treatment tank 61, 761, 961 Treatment tank body 62, 762, 962 Inflow pipe 63, 763, 963 Outflow pipe 80, 280, 380, 480, 580, 680, 780, 880, 980, 1080 Radiation section 81,581,981 first part 82,582,982 second part 83,583 83 3rd part 10B Base end surface 10T, 210T, 310T, 510T, 610T Front end surface 10K1, 10K2 Virtual minimum diameter surface 11, 12, 12A, 12B, 13, 13A, 13B, 14 Small diameter radiation part (reduction diameter radiation part) 11B, 14T, 211B, 214T, 3N1T Upper bottom surface 11S, 12AS, 12BS, 13AS, 13BS, 14S Inclined surface 18, 518 Connecting screw holes 21, 22, 23 Large-radiation portions 211, 212, 212A, 212B, 213, 213A , 213B, 214 Small-diameter radiation part (reduced-diameter radiation part)
221, 222, 223 Large-
312, 322, 3
721, 722, 723, 724 Large-
818, 819, 828, 829, 8N8 Connection screw holes 832, 833,
Claims (9)
上記軸線方向に直交する径方向に相対的に大きな径方向寸法を有する径大放射部と、
隣接する上記径大放射部よりも相対的に小さな径方向寸法を有する径小放射部とが、
上記軸線方向基端側から、上記径小放射部、径大放射部の順に交互に複数並ぶ放射部を備え、
上記放射部は、
この超音波放射体に所定周波数の超音波振動を加えたとき、
上記軸線方向に、上記径小放射部を腹とし、上記径大放射部を節とする共振をするとともに、
各々の上記径大放射部で上記径方向に一次共振し、かつ、隣り合う径大放射部同士が逆相に振動する
形状を有し、
複数の前記径小放射部のうち、少なくともいずれかの径小放射部は、
隣接する前記径大放射部から離れるほど上記径方向の寸法が徐々に小さくなる形態を有する縮径放射部を含む
超音波放射体。 An ultrasonic emitter having a configuration extending in an axial direction,
A large-diameter radiation portion having a relatively large radial dimension in the radial direction perpendicular to the axial direction;
A small-diameter radiation portion having a relatively small radial dimension than the adjacent large-diameter radiation portion,
From the base end side in the axial direction, comprising a plurality of radiation portions alternately arranged in order of the small-diameter radiation portion, the large-diameter radiation portion,
The radiating part is
When ultrasonic vibration of a predetermined frequency is applied to this ultrasonic radiator,
In the axial direction, the small-diameter radiating portion is an antinode, the large-diameter radiating portion is a node and a resonance,
In each of the large-diameter radiation unit and the primary resonance in the radial direction and it has a shape in which large-diameter radiation portion adjacent to vibrate in opposite phase,
Among the plurality of small-diameter radiating portions, at least one of the small-diameter radiating portions is
An ultrasonic radiator including a reduced-diameter radiation portion having a configuration in which the radial dimension gradually decreases as the distance from the adjacent large-diameter radiation portion increases .
複数の前記径小放射部のうち、最も基端側の径小放射部が、前記縮径放射部を含む
超音波放射体。 The ultrasonic radiator according to claim 1 ,
Among the plurality of small-diameter radiating portions, an ultrasonic radiator in which the most small-diameter radiating portion on the proximal end side includes the reduced-diameter radiating portion.
複数の前記径小放射部のうち、最も先端側に位置する径大放射部より先端側に位置する径小放射部が、前記縮径放射部を含む
超音波放射体。 The ultrasonic radiator according to claim 1 or 2 , wherein
Among the plurality of small-diameter radiating portions, an ultrasonic radiator in which a small-diameter radiating portion located on the distal end side from the large-diameter radiating portion located closest to the distal end includes the reduced-diameter radiating portion.
この超音波放射体の放射部をなす材質のヤング率E及び密度ρ、前記所定周波数frをを用い、下記式(1)によって得た縦振動の波長λzに対し、
λz=(E/ρ)1/2/fr … (1)
各々の前記径小放射部における最も小さな径方向寸法を、λz/2.6以下としてなる超音波放射体。 The ultrasonic radiator according to any one of claims 1 to 3 ,
Using the Young's modulus E and density ρ of the material forming the radiating portion of the ultrasonic radiator, and the predetermined frequency fr, with respect to the wavelength λz of the longitudinal vibration obtained by the following equation (1),
λz = (E / ρ) 1/2 / fr (1)
An ultrasonic radiator in which the smallest radial direction dimension in each of the small-diameter radiation portions is λz / 2.6 or less.
連結部分のない一体の金属塊からなる
超音波放射体。 The ultrasonic radiator according to any one of claims 1 to 4 , wherein
An ultrasonic emitter consisting of an integral metal mass with no connecting parts.
互いに連結する連結部分が前記径小放射部に位置する形態とした放射ユニットを複数連結してなる
超音波放射体。 The ultrasonic radiator according to any one of claims 1 to 4 , wherein
An ultrasonic radiator formed by connecting a plurality of radiation units, each of which has a connecting portion connected to each other and located in the small-diameter radiation portion.
この超音波放射体に固着され、前記軸線方向基端側からこの超音波放射体に超音波振動を与える超音波振動源と、
を含む
超音波放射装置。 The ultrasonic radiator according to any one of claims 1 to 6 ,
An ultrasonic vibration source that is fixed to the ultrasonic radiator and applies ultrasonic vibrations to the ultrasonic radiator from the axial base end side;
Including an ultrasonic radiation device.
上記処理槽内に少なくとも前記放射部を配置してなる請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の超音波放射体と、
この超音波放射体に固着され、前記軸線方向基端側からこの超音波放射体に超音波振動を与える超音波振動源と、を含む
超音波処理装置。 A processing tank for storing a fluid to be processed or a fluid and the processing target;
The ultrasonic radiator according to any one of claims 1 to 6 , wherein at least the radiation portion is disposed in the treatment tank.
An ultrasonic processing apparatus comprising: an ultrasonic vibration source that is fixed to the ultrasonic radiator and applies ultrasonic vibration to the ultrasonic radiator from the axial base end side.
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