(57)【要約】【課題】効率の高い気泡の発生と壊滅を起こすことができる、キャビテーションの発生方法とその発生装置を提供する。【解決手段】水中でピストンを往復運動させることにより、周囲の水を振動させ、水もしくは質量体の慣性を利用して、圧力を変動させると、気泡の発生と、壊滅を繰り返すことが可能となる。さらに水中の特定場所で気泡の発生と壊滅が起こるように慣性ピストンと加圧ピストンを機構を備えている。この装置は気泡壊滅時に大きな衝撃波を発生するが、この現象は流体機械で発生するキャビテーション現象と同じものである。このキャビテーション現象を利用することを特徴とする装置及び発生方法。【選択図】図３
2004298856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの往復運動により、水等の液体を振動させると、液体もしくは質量体の慣性により液体の圧力が変動し、気泡の発生と、壊滅を繰り返すことが可能となる。この時、気泡が壊滅すると、大きな衝撃波を発生するが、この現象は流体機械で発生するキャビテーション現象と同じものである。
このキャビテーション現象を利用することを特徴とする装置及びその発生方法。
【請求項２】
請求項１に記載の発明の構成に加えて、
液中の振動ピストンは電動機回転軸の回転運動をピストンのストローク値の半分を電動機回転軸心に対し偏心した軸（クランクピン）により駆動されるが、電動機回転軸心に対称に偏心配置した、対向ピストン方式を採用することにより、ピストンの往復運動による振動及び騒音を軽減することを特徴とする、キャビテーション発生装置及びその発生方法。
【請求項３】
請求項２に記載の発明の対向ピストンを偶数組（例えば２組）設けて、回転数制御装置により、一方の速度および位相を他方に対し差を持たせることにより、液体の振動数及び振幅を調整可能とすることを特徴とする、キャビテーション発生装置及びその発生方法。
【請求項４】
請求項１に記載の発明の構成に加えて、
液中での気泡の発生はピストン振動数およびその振幅により決まる深さより深いところで起こるが、液槽の上部に液体に替わる質量体（金属等）の慣性ピストンを配置し、気泡の発生と壊滅を慣性ピストンの下部のみと限定させることを特徴とする、キャビテーション発生装置及びその発生方法。
【請求項５】
請求項１及び４に記載の発明の構成に加えて、
気泡の発生と壊滅場所をさらに限定するため、加圧ピストンもしくは加圧膜を設けて、加圧ピストンもしくは加圧膜下部（振動ピストン側）の圧力をバネ機構とポンプ等による昇圧装置により、キャビテーションが発生する圧力より、高い圧力を保持して、気泡の発生と壊滅が加圧ピストンもしくは加圧膜上部のみで起こる構成とすることを特徴とするキャビテーション発生装置及びその発生方法。
【請求項６】
請求項１及び５に記載の発明の構成に加えて、
液槽中の液体に溶解する気体は気泡壊滅時の衝撃波の機械力を大幅に減ずることとなるが、脱気装置を設け液槽の気泡発生壊滅部へ脱気液を供給もしくは循環させることにより、効果的な気泡の発生壊滅を起こすことを特徴とする、キャビテーション発生装置及びその発生方法。
【０００１】
【発明の詳細な説明】
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水等の液体中で気泡の発生と壊滅を繰り返し行い、気泡壊滅時の衝撃波（以下キャビテーションと称する）を生じさせる方法と装置に関する。
本装置により発生されるキャビテーションは衝撃波による機械力が大きく洗浄、殺菌（滅菌）等の幅広い分野に利用可能である。
【０００３】
【従来の技術】
キャビテーションとは、一般には流体機械等で、流体の流れの乱れ等により局所的に圧力が低下し、流体の飽和蒸気圧力まで圧力が減少すると、液体が沸騰蒸発して気泡となり、さらに、次の瞬間に圧力が回復して飽和蒸気圧力以上となると、その気泡が壊滅する現象であり、気泡が壊滅する時、大きな衝撃波を発生する。この衝撃波の機械力は非常に大きくポンプ、水車等の流体機械の金属製構成部品に対し壊食を起こすことにより、害悪と見なされている。
【０００４】
流体機械では、このキャビテーション対し耐蝕材料（硬質合金）の採用とキャビテーションの発生しにくい流路形状の採用等により対策しているが、前者の方式は壊食に対する寿命を若干延ばすだけで、根本的な対策となる材料は現在のところ入手不可能である。また後者の流路形状の変更は、一般に構造が大型、もしくは複雑となり性能低下、及びコストアップの要因となり好ましくない。
【０００５】
このような、大きな衝撃波を有益に利用する技術として、水等の液体中に超音波発生装置を設けたり、高圧水を水中に噴射したり、もしくは圧縮空気を液中に噴射すること等によりキャビテーションを発生させ、洗浄等に利用する装置が、すでに開発実用化されている。しかしながら、これらの装置は、気泡の発生壊滅現象から見て効率の悪い方式である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的とするところは、効率が高く確実に、気泡の発生と壊滅を起こすことができ、さらに応用範囲の広い、キャビテーションの発生方法とその発生装置の提供にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の基本原理を
【図１】により説明する。
１は円筒状の上部が大気に解放された液槽１であり、下部に振動ピストン４が設けられ、クランク軸８の回転運動が、クランクピン６とクランクロッド５のクランク機構により、上下運動に変換され、振動ピストン４が液槽１の内壁を上下に滑動する構成となっている。クランク軸８は電動機１９等により回転駆動されるが、図示省略した。
【０００８】
【図１】のごとく液槽１に液を満たし、クランク軸８を回転させれば、振動ピストン４は上下に往復運動し、振動ピストン４の上部に満たした液も、振動ピストン４とともに上下に往復運動することとなる。
なお振動ピストン４の下部は圧縮性気体（空気等）が充填され、振動ピストン４の往復運動への影響を最小とする構成としている。なお振動ピストン４にはシール（Ｏリング）４ａが設けられており液２がクランク機構側へ漏れないようになっている。
【０００９】
このときの液槽１内の挙動を以下に考察する。
液槽１内の液２に働く力は振動ピストン４による加速度と液体の質量との積となり、これを液槽１の断面積で割れば液２の慣性により発生する圧力となる。ついで液槽液面３に加わる大気圧を加えれば、液２の絶対圧力を求めることができる。
【００１０】
液面からＨ（ｍ）の深さの圧力ＰＨ（Ｐａ）は、クランク軸８の回転角速度をω（ｒａｄ／ｓ）とし、クランクピンの偏心量をａ（ｍ）とすれば、振動ピストン４と液２の往復運動は、次の式で示すことができる。ただし、この式は気泡発生までの状態を示す。すなわち気泡が発生すればその上部の液の運動状態が変化するためである。これは気泡発生により水２の加速度が振動ピストン４より低下するからである。
振動ピストンの上下方向の移動量（ｍ）        ：  ｚ＝ａ  ｓｉｎωｔ（式１）
振動ピストンの上下方向の速度      （ｍ／ｓ）：  ｖ＝ａωｃｏｓωｔ（式２）
振動ピストンの上下方向の加速度（ｍ∧２／ｓ）：  α＝−ａω∧２ｓｉｎωｔ    （式３）
【００１１】
液２の往復運動による圧力は、液面からＨまでの液体の質量と上記（式３）の加速度の積が、振動ピストン４により与えられる力となり、これの液槽断面積の商を求めれば、液２が振動ピストン４から与えられる圧力となり。さらに液面に加わる大気圧を加えて、
ＰＨ＝Ｐａ−ＳＨγａω∧２ｓｉｎωｔ／Ｓ  （Ｐａ）        （式４）
ここで    Ｐａ    ：  大気圧  （Ｐａ）
Ｓ      ：  液槽断面積  （ｍ∧２）
γ      ：  液体の比重  （ｋｇ／ｍ∧３）
式４から容易に理解できるように液槽断面積Ｓは消去され圧力の挙動には関係しなくなる。
【００１２】
以下に液体に水を採用した場合の計算例を示す。
2004298856.tif 000003
上記計算では    大気圧は１０１３２５Ｐａ
水のγは１０００ｋｇ／ｍ∧３        とした。
また            振動数＝ω／２／π  Ｈｚ  である。
【００１３】
式４で得られる圧力ＰＨ（Ｐａ）の最低圧力が水の飽和蒸気圧力（Ｐｖ）より低くなれば液２の１部が、沸騰蒸発して気泡を発生する。
上記
【図１】の計算例では、水の飽和蒸気圧（Ｐｖ）は１５℃で１７１０Ｐａ、２０℃で２３４０Ｐａであることから、気泡発生の限界水深ＨＬは約０．５ｍとなる。
水の飽和蒸気圧力以下に圧力の低下する時間は振動数から容易にわかるように数ｍｓｅｃと短時間であり、発生する気泡は飽和圧力以下に低下した領域の全域で起こることとなる。
また気泡が発生するには、気化熱を必要とし周囲の水から熱の供給を受けるにしても瞬時の現象であり、気泡は大きく成長できず、気泡の径は小さく数ｍｍ以下となる。
【００１４】
上記を式で表せば
ＨＬ＝（Ｐａ−Ｐｖ）／（γａω∧２）  （ｍ）              （式５）
となる。ここで
ＨＬ：気泡発生の限界水深      （ｍ）
Ｐｖ：水の飽和蒸気圧力        （Ｐａ）
式４から容易に判断できるように、水面からの深さＨが深くなれば深くなるほど、最低圧力が低くなるので、気泡の発生は、先ず振動ピストン１のピストン面で起こり、次いでその上部へ波及する。振動ピストン１の位置が気泡発生の限界水深ＨＬより、深すぎる場合は、深さＨＬまで気泡の発生は起こらない。なぜな
ら
【図１】の例では振動ピストン近傍での気泡発生が最も多く、上部になるにしたがい気泡発生量は減少する。これは気泡が発生すれば、気泡発生部の容積が増加し、その分、気泡発生部より上部の水の加速度αが小さくなるためである。
【００１５】
発生した気泡は次の瞬間に水の圧力が回復することにより、壊滅（崩壊して元の水となり消滅）する。その時大きな衝撃波を発生してキャビテーション現象となる。従来のものと比較して本発明の方式は、次の特徴を持っている。
【００１６】
▲１▼  気泡の発生容積（気泡発生部水量に対する気泡容積比率）が大きく、気泡発生範囲が大きい。
装置構成から容易に判断できるように、気泡発生容積は振動ピストン４の押しのけ容積の数％から数十％に調整可能であり、気泡発生範囲は振動ピストン面から限界水深ＨＬまでの範囲となる。
洗浄等に従来から採用されている超音波、高圧水の噴流等の方式ではキャビテーションが影響するのは超音波の振動子が設置される側であり、また高圧水の噴流側であり、その裏側での影響は激減することとなる。
これに対し本方式の場合、気泡の発生と壊滅はあらかじめ設定された空間で起こり洗浄等の対象物が少々複雑な構造であっても、その裏側を含み、全表面でキャビテーション現象が起こすことが可能である。
このことは従来のこの種装置が主に器具、機器の洗浄に利用されるのに対し、本方式を医療関係もしくは厨房関係の器具、機器の殺菌（滅菌）にも採用できる能力を有することとなる。
【００１７】
▲２▼  気泡発生／壊滅の効率が高い
ピストンの往復運動は、ほぼ気泡発生、壊滅のためのみに消費され、他のキャビテーション発生方式に比し、画期的に高効率運転が可能である。
【００１８】
ただ
【図１】の構成では、以下の課題があり、そのまま実用化するのは実際的でない。
▲１▼振動ピストンの構成
【図１】の構成の振動ピストンではクランク軸から見て回転アンバランスが大きく、計算例の構成で運転すると、大きな振動と騒音を発生することとなる。クランク軸８にカウンターウエイトを設けることも考えられるが、液体の質量が大きく影響して回転アンバランスを効果的に低い値とすることは困難である。
また計算例の運転条件では振動ピストン径に対しストロークが小さく、このことも装置の設計、製作をを難しくしている。
【００１９】
これは振動ピストン径小さくしてストロークを大きくすることも設計計算上は可能であるが、振動ピストンの滑動速度が高くなり振動ピストン近傍での気泡の発生比率が増大することとなり装置効率の大幅低下をもたらすためである。
【００２０】
この対策とし対向ピストン方式を考案発明した。以下対向ピストン方式について
【図２】で説明する。
クランク軸８はクランク軸心を中心に回転するが、クランクピン６はクランク軸８を中心とするクランクピン軌道上を回転する。クランクピン軌道の直径は振動ピストン１４のストローク量（偏心量の２倍）である。対向する振動ピストンのクランクピン位置はクランクピン軌道の対称位置に配置される。
【００２１】
さらに
【図２】ではクランクロッドを廃止してクランクピンにより振動ピストン軸受けを直接往復運動させる構成としている。
振動ピストンは往復運動と共に
【図２】のごとく、首振り運動もすることとなるが、クランクピンの偏心量はピストン径にたいし十分小さいので、クランクロッドがある場合と実質的に変わらない（首振り運動は無視できる）。もちろんクランクロッドがあってもかまわない。
【図２】はクランク軸８の回転角０度（下死点で細線で表示）、６０度（破線）、１２０度（１点鎖線）及び１８０度（上死点で実線で表示）における、左右の振動ピストン１４の状態を図示している。
【００２２】
上記のごとく、左右の振動ピストン１４に加わる力及び動きは常にクランク軸８の軸心に対称となる。すなわち対向ピストン方式は回転アンバランスを理論的にゼロとすることが可能であり、装置の振動及び騒音を大幅に軽減することができる。
【００２２】
▲２▼運転方法
振動ピストンは上記構成で電動機により駆動されるが、回転体部の慣性により応答速度が遅く、起動停止に時間を要すると共に被洗浄機器の交換等の待機中も、気泡発生と壊滅が起こり、取り扱いが面倒である。
【００２３】
本発明では、この対策として、対向ピストンを複数組み設け、それぞれにインバーター等の回転数制御装置を設けて、それぞれの回転数および移相差を制御するようにし、合成振幅の大きさ、気泡の発生／中断を早い応答で制御可能する。
【００２４】
例えば２組の振動ピストンの移相差を零度とすれば合成振幅は最大となり、また移相差を１８０度とすれば、合成振幅は零となる。従って装置の起動、待機および停止時には、それぞれのインバーターの移相差を１８０度（逆移相）とすることにより、気泡の発生および壊滅を非常に小さく（ほぼ零と）する事が可能となり、起動停止が素早く実行できると共に待機時（被洗浄機器の入れ替え等）に電動機の停止が不要となり、作業効率向上が達成できる。
【００２５】
またそれぞれの振動ピストンの振動数に差を持たせれば、気泡発生の大きさを周期的に変えることも可能となる。（振動数差を周期とする、うなり振動運転となる）
【００２６】
▲３▼気泡発生／壊滅深さ
【図１】の例では気泡発生の限界深さＨＬが０．５ｍと大きく、取り扱いが面倒であり、自由度が低い、もっと、浅く決まった場所で気泡の発生と消滅が起こる方が好ましい。
【００２７】
この対策として本発明では気泡発生／壊滅場所上部に慣性ピストン４４を設けることとした。（
【図３】参照ください）慣性ピストン４４は気泡発生場所上部に金属製（金属製とすれば比重が大きいことによりコンパクトで慣性の大きなピストンの設計が可能となるためで金属製にこだわる必然性はない、要は慣性ピストンの質量の問題である。）の摺動可能な慣性ピストンを吊り下げるもので、ピストンの慣性により液中での気泡が発生する深さを効果的に浅くすることが可能となる。
【００２８】
慣性ピストン４４の下部圧力は
ＰＨ＝Ｐａ−（Ｋ＋Ｗａω∧２ｓｉｎωｔ）  ／Ｓ  （Ｐａ）          （式６）
となる、ここで
Ｗ      ：  慣性ピストンの質量  （Ｋｇ）
Ｋ      ：  吊り装置の力  （Ｎ）
であり、他の記号は式４に同じである。
吊り装置の力を０とすれば式６は式４のＳ＊Ｈ＊γをＷに置き換えたものであり、慣性ピストン４４をステンレスもしくは鋼製とすれば、気泡発生限界水深ＨＬより深さを、慣性ピストンと水の比重差により約８分の１とすることが可能となる。
【００２９】
さらに吊り装置の力を調整することにより、大気圧の影響を回避する事も可能となる。
すなわち、吊り装置の力を大きくすれば、気泡発生壊滅部の平均圧力を比較的容易に低下させることが出来る。前述の計算例のごとく最高圧力が約２気圧まで上昇させる必要なくなり、適切な最高圧力値とすることが可能となり、装置の運転範囲を広げることができ、駆動動力低減も見込むことができる。
【００３０】
【図３】では慣性ピストン４４を吊り下げる為、板バネを配置したが、慣性ピストン４４が摺動可能で式６の機能を満たせば、バネにはコイルバネ、皿バネもしくは空圧バネ等が採用可能であり、吊り装置の構成にこだわるものでない。
【００３１】
▲４▼振動ピストン部での気泡の発生
【図１】の例では気泡の発生と壊滅は振動発生用ピストンの振動数とストロークにより決まった深さより深い領域で発生するが、理論的には振動ピストン面での、特に振動ピストン近傍での発生比率が大きくなる。特に▲１▼の対向ピストン方式では構成が複雑なため、振動ピストン近傍での気泡の発生比率大きくなり効率の悪い構成となってしまう恐れがある。
液槽の径を大きくしたり、小さくしたりして気泡発生壊滅部を限定することを検討したが、上記状況を変えることは実質的に難しい。
【００３２】
この対策として本発明では
【図３】のごとく、気泡発生と壊滅を液槽１の特定区間に規定するための摺動可能な加圧ピストン５４もしくは加圧膜５５（図示省略）を設け、加圧ピストン５４より下部の圧力が装置の運転中、常に液体の飽和蒸気圧より低くならない圧力にまで、バネ機構等５６と加圧ポンプ５８により加圧する構成とした。この結果により、加圧ピストン５４下部では気泡の発生と壊滅が発生しない、もしくは発生しにくい構成する事が出来る。
【図３】では加圧ポンプ５８の液の供給源は次項で説明するタンク６１としているが、別の系統からの圧力液であってもかまわない。
また加圧圧力の調整は絞り弁５９により実行できるようにしている。
【００３３】
加圧ピストン５４の代わりに液槽１の振動ピストン室の振動を気泡発生壊滅部へ伝達する加圧膜５５を配置してもよい。加圧膜５５の特徴は加圧ピストン５４に比し、軽量化可能なことにある。
【００３４】
▲５▼液体に含有する気体
通常の液体中には大気中の窒素、酸素、炭酸ガス等の気体が含まれているが、これらの気体は気泡発生時に気泡発生の核となり易く、気泡の生成を容易とするが、キャビテーション発生装置の本来の目的である気泡壊滅時に、次の特性を示す。
蒸気中の気体は蒸気が元の液体になる（水の場合復水と称する。）より、遙かに元の液体に含有（溶け込み）し難い。すなわち、気泡が壊滅するのが遅れる、もしくは完全に壊滅せず、次の気泡発生段階で確実に気泡発生の核となる。この結果、気泡壊滅時の衝撃波の強さを大幅に弱めることとなる。
【００３５】
この対策として本発明では気泡発生／壊滅する際、脱気液を液槽に供給もしくは循環させ、気体含有による衝撃波の効果低減を回避する。脱気液生成には脱気タンクを配置し、真空ポンプ等により液体に含有する気体の除去を実施する。
【図３】はその１例を示すもので、タンク６１（脱気タンク）内の脱気液を循環ポンプ６２により液槽１の気泡発生壊滅部６０へノズル６４を介して供給し、慣性ピストン中心部ラビリンス６５を経由してタンク６１へ循環させる。タンク６１には真空ポンプ６３を配置し気泡発生壊滅部からの循環液から、効果的に脱気する構成となっている。
【００３６】
この構成は液槽１の気泡発生壊滅部へノズル６４から供給される脱気液による旋回液流の遠心力が気泡を旋回流の中心部へ集める効果を利用するためである。この結果気泡発生部内の液体は効果的に脱気液に置換することができる。
さらに、”▲５▼気泡発生／壊滅深さ、
【００２９】”で説明のごとく、この構成では気泡発生壊滅部の平均圧力を絞り弁６９により容易に調整可能となり、例えば大気圧以下とすることも可能となり振動ピストン駆動動力の低減が可能となる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態例について、より具体的に図面を参照して説明する
、
【図１１】は装置の正面断面図であり、
【図１２】は装置の振動発生部（振動対向ピストン装置）の平面断面図である。
【００３８】
【図１１】及び
【図１２】で１は液槽で、数気圧から十数気圧の圧力に耐えうる必要から円筒構造とするのが良いが、この形状にこだわる必要はない。
１０は振動発生部で振動発生部用円筒１１に納められ、液槽１の円筒中心軸を直交して貫通する構成であり、液槽１の貫通部にはシールのためシール（Ｏリング）１１ａが設けられる。
振動発生部用円筒１１の両端には電動機１９が据えられ電動機軸１８が円筒の中心軸を回転する構成となっている。円筒の中央には電動機軸１８を回転支持するための軸受けが配置され円筒内壁に支持される構成となっている。
振動発生部円筒１１の円筒側壁には２組の振動対向ピストンの為の円形の窓があけられシリンダ１２がそれぞれの窓にはめ込まれている。振動発生部円筒１１は液槽１を貫通するためシリンダ１２の先端は円筒１１の側壁形状に加工されている。
【００３９】
それぞれの電動機軸１８は対向ピストン１４の為の２組の偏心円板１６と３個のフライホイール１７を貫通し、スプライン構造により回転トルクが伝達される。偏心円板の外周に軸受け１５がはめ込まれ、さらにその外周に振動ピストン１４がはめ込まれている。
軸受け１８はボール軸受けを想定して配置したが、ローラ軸受け、もしくは滑り軸受けでもよい。
２組の偏心円板１６の中心軸（電動機軸１８）に対する偏心量は、振動ピストンのストローク量の半分であり、また偏心方向は逆（位相が１８０度ずれている）となっている。このことにより
【図１２】の左右の振動ピストン１４は電動機軸１８の回転により対向して往復運動する。
【００４０】
一方の振動ピストン１４に対し一方（内側の）の偏心円板１６が、また他方の振動ピストン１４に対し他方（外側の）の偏心円板１６が作用するように構成されているのは、電動機軸１８の回転を、それぞれの振動ピストン１４に対しバランスよく往復運動に伝達するためである。
振動ピストン１８が往復運動するに要するトルクは電動機軸１８の平均回転トルクの数倍から十数倍となり、そのままでは滑らかな回転ができないが、この対策として複数（３個の）のフライホイール１７を設け、さらに偏心円板１６とフライホイール１７を複数のピン１６ａで結合する構成としている。
【００４１】
振動ピストン１４の往復運動により発生する回転アンバランスは偏心円板１６，フライホイール１７及びピン１６ａにより吸収され、電動機軸１８へ伝達比率は低減される。
【００４２】
【図１１】では振動対向ピストン装置の上半分はピストンの上死点の状態を示し、下半分はピストンの下死点の状態を示している。
【図１２】では２組の対向ピストン装置を図示しているが、上半分は一方の振動対向ピストン装置であり、上死点の状態にあり、下半分は他方の振動対向ピストン装置であり、下死点の状態を示している。すなわち本図は振動ピストンの位相差が１８０度の状態を示している。
また図示省略したが、
【図１２】の上下の電動機１９が、それぞれにインバーター等の回転数制御装置により、それぞれの回転数および移相差を制御するようにして、合成振幅の大きさ、気泡の発生／中断を早い応答で制御可能としている。
【００４３】
円筒形状の液槽１の上部には円筒形状の慣性ピストン４４が配置され、上下に滑動可能な構成となっている。慣性ピストン４４にはＯリングによるシール４４ａ機構が設けられ液槽１と慣性ピストン４４間でのキャビテーションの発生を防ぐ構成としている。
また
【図１１】では図示省略したが、
【図３】と同様慣性ピストン４４は吊り具４６により水槽１側壁からつるされる構成となっている。
【００４４】
液槽１の気泡発生壊滅部下部には加圧ピストン５４が配置されている。
加圧ピストン５４液水槽１側壁間にバネ機構５６が設けられ加圧ピストン５４を下方へ引っ張る構成となっており、この結果加圧ピストン５４の上部と下部で圧力差が生じる。
【図３】と同様加圧ピストン下部へ加圧ポンプ５８等による、加圧水の供給が必要であるが、図示省略した。
また加圧ピストン５４にはＯリングによるシール５４ａ機構が設けられ水槽１と加圧ピストン５４間でのキャビテーションの発生を防ぐ構成としている。
【００４５】
振動ピストン４４面から見て発生した気泡が壊滅するとき時には気泡発生壊滅部６０内で起こる衝撃波ほどではないが、相当大きな衝撃が加わることとなり、軸受け１５，偏心円板１６及びピン１６ａ強度を高める必要がある。この衝撃を和らげるために緩衝膜２０を振動ピストン面に設けることとしている。緩衝膜２０は弾性材料であればよく、ゴム膜プラスチック膜等が採用可能である。
【００４６】
本発明の第２の実施の形態例について、具体的に
【図１３】及び
【図１４】を参照して説明する。
第２の実施の形態例の機能は液体の殺菌（滅菌）装置で、飲料水、風呂水、プール等の水の殺菌を循環させて行うものである。
【図１３】の構成は、
【図３】の構成のタンク（脱気タンク）６１の代わりに貯液槽（浴槽、プール）等を配置したもので、その他の構成は
【図３】と変わりない。
【００４７】
また
【図１４】は気泡発生壊滅部６０への給水（被殺菌水）とその戻り水を説明する図で複数のノズル６４から給水される。
この構成により水もしくは貯湯等の殺菌を以下のごとく効果的に実行する。
飲料水源、浴槽、またはプール等からの水は一つのもしくは複数のノズル６４からキャビテーション発生装置の気泡発生壊滅部の外周部に旋回流を形成しながら流入し、気泡発生壊滅部中心部から排出するが、気泡発生壊滅部６０全域で起こる衝撃波により流入液に含まれる細菌類は短時間で死滅する。
キャビテーション発生装置による殺菌（滅菌）は以下の理由により、他方式に比し効果的である。
【００４８】
▲１▼給水中に含まれる細菌類は生命体であり、気体の含有比率が高く、気泡発生時の核となり易い。すなわち細菌は気泡壊滅時に最も大きな衝撃波を受けることとなる。
▲２▼気泡発生壊滅部全域での気泡発生と、給水による旋回流により気泡発生壊滅部での水の滞留時間は均一化され、一部の給水が殺菌されずに排出されることが無く、確実な殺菌が達成できる。
▲３▼従来採用されている高温方式に比し桁違いにエネルギー消費量が少なく効率が高い。
▲４▼塩素や薬剤注入方式と比し、薬害を考慮する必要がない。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の効果を以下に箇条書きとした。
１  高効率のキャビテーション発生
２  方向性の無いキャビテーション発生。
３  対向ピストンによる振動・騒音の低減
３  複数の対向ピストン装置による気泡発生壊滅制御の高度化
４  慣性ピストンおよび加圧ピストン採用による気泡の発生壊滅領域の限定化
５  含有気体の低減による効果の高いキャビテーションの発生
【００５０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本原理を説明するための装置断面図である。
【図２】本発明の対向ピストンの構成を模式的に説明する図である。
【図３】本発明のアイデアを説明するための装置断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態例を示す装置正面断面図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態例を示す装置平面断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態例を示す装置断面図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態例の被殺菌水の流れを示す図である。
【符号の説明】
１        液槽
２        液
３        液面
４        振動ピストン
５        クランクロッド
６        クランクピン
７        軸受け
８        クランク軸
１０        振動発生部
１１        振動発生部用円筒
１１ａ      シール（Ｏリング）
１２        振動ピストン用シリンダ
１４        振動ピストン
１４ａ      シール（Ｏリング）
１５        軸受け
１６        偏心円板
１６ａ      ピン
１７        フライホィール
１８        駆動機軸（電動機軸）
１９        電動機
２０        緩衝膜
４４        慣性ピストン
４４ａ      シール（Ｏリング）
４６        吊り具
５４        加圧ピストン
５４ａ      シール（Ｏリング）
５５        加圧膜
５６        バネ機構
５７        加圧機構
５８        加圧ポンプ
５９        絞り弁
６０        気泡発生壊滅部
６１        タンク
６２        循環ポンプ
６３        真空ポンプ
６４        ノズル
６５        ラビリンス
６９        絞り弁
【図１】
2004298856.tif 000004
【図２】
2004298856.tif 000005
【図３】
2004298856.tif 000006
【図１１】
2004298856.tif 000007
【図１２】
2004298856.tif 000008
【図１３】
2004298856.tif 000009
【図１４】
2004298856.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成15年6月11日(2003.6.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水等の液体中で気泡の発生と壊滅を繰り返し行い、気泡壊滅時の衝撃波（以下キャビテーションと称する）を生じさせる方法と装置に関する。
本装置により発生されるキャビテーションは衝撃波による機械力が大きく洗浄、殺菌（滅菌）等の幅広い分野に利用可能である。
【０００３】
【従来の技術】
キャビテーションとは、一般には流体機械等で、流体の流れの乱れ等により局所的に圧力が低下し、流体の飽和蒸気圧力まで圧力が減少すると、液体が沸騰蒸発して気泡となり、さらに、次の瞬間に圧力が回復して飽和蒸気圧力以上となると、その気泡が壊滅する現象であり、気泡が壊滅する時、大きな衝撃波を発生する。この衝撃波の機械力は非常に大きくポンプ、水車等の流体機械の金属製構成部品に対し壊食を起こすことにより、害悪と見なされている。
【０００４】
流体機械では、このキャビテーション対し耐蝕材料（硬質合金）の採用とキャビテーションの発生しにくい流路形状の採用等により対策しているが、前者の方式は壊食に対する寿命を若干延ばすだけで、根本的な対策となる材料は現在のところ入手不可能である。また後者の流路形状の変更は、一般に構造が大型、もしくは複雑となり性能低下、及びコストアップの要因となり好ましくない。
【０００５】
このような、大きな衝撃波を有益に利用する技術として、水等の液体中に超音波発生装置を設けたり、高圧水を水中に噴射したり、もしくは圧縮空気を液中に噴射すること等によりキャビテーションを発生させ、洗浄等に利用する装置が、すでに開発実用化されている。しかしながら、これらの装置は、気泡の発生壊滅現象から見て効率の悪い方式である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的とするところは、効率が高く確実に、気泡の発生と壊滅を起こすことができ、さらに応用範囲の広い、キャビテーションの発生方法とその発生装置の提供にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の基本原理を
【図１】により説明する。
１は円筒状の上部が大気に解放された液槽１であり、下部に振動ピストン４が設けられ、クランク軸８の回転運動が、クランクピン６とクランクロッド５のクランク機構により、上下運動に変換され、振動ピストン４が液槽１の内壁を上下に滑動する構成となっている。クランク軸８は電動機１９等により回転駆動されるが、図示省略した。
【０００８】
【図１】のごとく液槽１に液を満たし、クランク軸８を回転させれば、振動ピストン４は上下に往復運動し、振動ピストン４の上部に満たした液も、振動ピストン４とともに上下に往復運動することとなる。
なお振動ピストン４の下部は圧縮性気体（空気等）が充填され、振動ピストン４の往復運動への影響を最小とする構成としている。なお振動ピストン４にはシール（Ｏリング）４ａが設けられており液２がクランク機構側へ漏れないようになっている。
【０００９】
このときの液槽１内の挙動を以下に考察する。
液槽１内の液２に働く力は振動ピストン４による加速度と液体の質量との積となり、これを液槽１の断面積で割れば液２の慣性により発生する圧力となる。ついで液槽液面３に加わる大気圧を加えれば、液２の絶対圧力を求めることができる。
【００１０】
液面からＨ（ｍ）の深さの圧力ＰＨ（Ｐａ）は、クランク軸８の回転角速度をω（ｒａｄ／ｓ）とし、クランクピンの偏心量をａ（ｍ）とすれば、振動ピストン４と液２の往復運動は、次の式で示すことができる。ただし、この式は気泡発生までの状態を示す。すなわち気泡が発生すればその上部の液の運動状態が変化するためである。これは気泡発生により水２の加速度が振動ピストン４より低下するからである。
振動ピストンの上下方向の移動量  （ｍ）    ：    ｚ＝ａ  ｓｉｎωｔ（式１）
振動ピストンの上下方向の速度    （ｍ／ｓ）：    ｖ＝ａωｃｏｓωｔ（式２）
振動ピストンの上下方向の加速度  （ｍ∧２／ｓ）：
α＝−ａω∧２ｓｉｎωｔ      （式３）
【００１１】
液２の往復運動による圧力は、液面からＨまでの液体の質量と上記（式３）の加速度の積が、振動ピストン４により与えられる力となり、これの液槽断面積の商を求めれば、液２が振動ピストン４から与えられる圧力となり。さらに液面に加わる大気圧を加えて、
ＰＨ＝Ｐａ−ＳＨγａω∧２ｓｉｎωｔ／Ｓ  （Ｐａ）        （式４）
ここで    Ｐａ    ：  大気圧  （Ｐａ）
Ｓ      ：  液槽断面積  （ｍ∧２）
γ      ：  液体の比重  （ｋｇ／ｍ∧３）
式４から容易に理解できるように液槽断面積Ｓは消去され圧力の挙動には関係しなくなる。
【００１２】
以下に液体に水を採用した場合の計算例を示す。
2004298856.tif 000011
2004298856.tif 000012
【００１３】
式４で得られる圧力ＰＨ（Ｐａ）の最低圧力が水の飽和蒸気圧力（Ｐｖ）より低くなれば液２の１部が、沸騰蒸発して気泡を発生する。
上記
【図１】の計算例では、水の飽和蒸気圧（Ｐｖ）は１５℃で１７１０Ｐａ、２０℃で２３４０Ｐａであることから、気泡発生の限界水深ＨＬは約０．５ｍとなる。
水の飽和蒸気圧力以下に圧力の低下する時間は振動数から容易にわかるように数ｍｓｅｃと短時間であり、発生する気泡は飽和圧力以下に低下した領域の全域で起こることとなる。
また気泡が発生するには、気化熱を必要とし周囲の水から熱の供給を受けるにしても瞬時の現象であり、気泡は大きく成長できず、気泡の径は小さく数ｍｍ以下となる。
【００１４】
上記を式で表せば
ＨＬ＝（Ｐａ−Ｐｖ）／（−γａω∧２）  （ｍ）            （式５）
となる。ここで
ＨＬ：気泡発生の限界水深    （ｍ）
Ｐｖ：水の飽和蒸気圧力      （Ｐａ）
式４から容易に判断できるように、水面からの深さＨが深くなれば深くなるほど、最低圧力が低くなるので、気泡の発生は、先ず振動ピストン１のピストン面で起こり、次いでその上部へ波及する。振動ピストン１の位置が気泡発生の限界水深ＨＬより、深すぎる場合は、深さＨＬまで気泡の発生は起こらない。なぜなら
【図１】の例では振動ピストン近傍での気泡発生が最も多く、上部になるにしたがい気泡発生量は減少する。これは気泡が発生すれば、気泡発生部の容積が増加し、その分、気泡発生部より上部の水の加速度αが小さくなるためである。
【００１５】
発生した気泡は次の瞬間に水の圧力が回復することにより、壊滅（崩壊して元の水となり消滅）する。その時大きな衝撃波を発生してキャビテーション現象となる。従来のものと比較して本発明の方式は、次の特徴を持っている。
【００１６】
▲１▼  気泡の発生容積（気泡発生部水量に対する気泡容積比率）が大きく、気泡発生範囲が大きい。
装置構成から容易に判断できるように、気泡発生容積は振動ピストン４の押しのけ容積の数％から数十％に調整可能であり、気泡発生範囲は振動ピストン面から限界水深ＨＬまでの範囲となる。
洗浄等に従来から採用されている超音波、高圧水の噴流等の方式ではキャビテーションが影響するのは超音波の振動子が設置される側であり、また高圧水の噴流側であり、その裏側での影響は激減することとなる。
これに対し本方式の場合、気泡の発生と壊滅はあらかじめ設定された空間で起こり洗浄等の対象物が少々複雑な構造であっても、その裏側を含み、全表面でキャビテーション現象が起こすことが可能である。
このことは従来のこの種装置が主に器具、機器の洗浄に利用されるのに対し、本方式を医療関係もしくは厨房関係の器具、機器の殺菌（滅菌）にも採用できる能力を有することとなる。
【００１７】
▲２▼  気泡発生／壊滅の効率が高い
ピストンの往復運動は、ほぼ気泡発生、壊滅のためのみに消費され、他のキャビテーション発生方式に比し、画期的に高効率運転が可能である。
【００１８】
ただ
【図１】の構成では、以下の課題があり、そのまま実用化するのは実際的でない。
▲１▼振動ピストンの構成
【図１】の構成の振動ピストンではクランク軸から見て回転アンバランスが大きく、計算例の構成で運転すると、大きな振動と騒音を発生することとなる。クランク軸８にカウンターウエイトを設けることも考えられるが、液体の質量が大きく影響して回転アンバランスを効果的に低い値とすることは困難である。
また計算例の運転条件では振動ピストン径に対しストロークが小さく、このことも装置の設計、製作をを難しくしている。
【００１９】
これは振動ピストン径小さくしてストロークを大きくすることも設計計算上は可能であるが、振動ピストンの滑動速度が高くなり振動ピストン近傍での気泡の発生比率が増大することとなり装置効率の大幅低下をもたらすためである。
【００２０】
この対策とし対向ピストン方式を考案発明した。以下対向ピストン方式につ
いて
【図２】で説明する。
クランク軸８はクランク軸心を中心に回転するが、クランクピン６はクランク軸８を中心とするクランクピン軌道上を回転する。クランクピン軌道の直径は振動ピストン１４のストローク量（偏心量の２倍）である。対向する振動ピストンのクランクピン位置はクランクピン軌道の対称位置に配置される。
【００２１】
さらに
【図２】ではクランクロッドを廃止してクランクピンにより振動ピストン軸受けを直接往復運動させる構成としている。
振動ピストンは往復運動と共に
【図２】のごとく、首振り運動もすることとなるが、クランクピンの偏心量はピストン径にたいし十分小さいので、クランクロッドがある場合と実質的に変わらない（首振り運動は無視できる）。もちろんクランクロッドがあってもかまわない。
【図２】はクランク軸８の回転角０度（下死点で細線で表示）、６０度（破線）、１２０度（１点鎖線）及び１８０度（上死点で実線で表示）における、左右の振動ピストン１４の状態を図示している。
【００２２】
上記のごとく、左右の振動ピストン１４に加わる力及び動きは常にクランク軸８の軸心に対称となる。すなわち対向ピストン方式は回転アンバランスを理論的にゼロとすることが可能であり、装置の振動及び騒音を大幅に軽減することができる。
【００２２】
▲２▼運転方法
振動ピストンは上記構成で電動機により駆動されるが、回転体部の慣性により応答速度が遅く、起動停止に時間を要すると共に被洗浄機器の交換等の待機中も、気泡発生と壊滅が起こり、取り扱いが面倒である。
【００２３】
本発明では、この対策として、対向ピストンを複数組み設け、それぞれにインバーター等の回転数制御装置を設けて、それぞれの回転数および移相差を制御するようにし、合成振幅の大きさ、気泡の発生／中断を早い応答で制御可能する。
【００２４】
例えば２組の振動ピストンの移相差を零度とすれば合成振幅は最大となり、また移相差を１８０度とすれば、合成振幅は零となる。従って装置の起動、待機および停止時には、それぞれのインバーターの移相差を１８０度（逆移相）とすることにより、気泡の発生および壊滅を非常に小さく（ほぼ零と）する事が可能となり、起動停止が素早く実行できると共に待機時（被洗浄機器の入れ替え等）に電動機の停止が不要となり、作業効率向上が達成できる。
【００２５】
またそれぞれの振動ピストンの振動数に差を持たせれば、気泡発生の大きさを周期的に変えることも可能となる。（振動数差を周期とする、うなり振動運転となる）
【００２６】
▲３▼気泡発生／壊滅深さ
【図１】の例では気泡発生の限界深さＨＬが０．５ｍと大きく、取り扱いが面倒であり、自由度が低い、もっと、浅く決まった場所で気泡の発生と消滅が起こる方が好ましい。
【００２７】
この対策として本発明では気泡発生／壊滅場所上部に慣性ピストン４４を設け
ることとした。（
【図３】参照ください）慣性ピストン４４は気泡発生場所上部に金属製（金属製とすれば比重が大きいことによりコンパクトで慣性の大きなピストンの設計が可能となるためで金属製にこだわる必然性はない、要は慣性ピストンの質量の問題である。）の摺動可能な慣性ピストンを吊り下げるもので、ピストンの慣性により液中での気泡が発生する深さを効果的に浅くすることが可能となる。
【００２８】
慣性ピストン４４の下部圧力は
ＰＨ＝Ｐａ−（Ｋ＋Ｗａω∧２ｓｉｎωｔ）  ／Ｓ  （Ｐａ）          （式６）
となる、ここで
Ｗ      ：  慣性ピストンの質量  （Ｋｇ）
Ｋ      ：  吊り装置の力  （Ｎ）
であり、他の記号は式４に同じである。
吊り装置の力を０とすれば式６は式４のＳ＊Ｈ＊γをＷに置き換えたものであり、慣性ピストン４４をステンレスもしくは鋼製とすれば、気泡発生限界水深ＨＬより深さを、慣性ピストンと水の比重差により約８分の１とすることが可能となる。
【００２９】
さらに吊り装置の力を調整することにより、大気圧の影響を回避する事も可能となる。
すなわち、吊り装置の力を大きくすれば、気泡発生壊滅部の平均圧力を比較的容易に低下させることが出来る。前述の計算例のごとく最高圧力が約２気圧まで上昇させる必要なくなり、適切な最高圧力値とすることが可能となり、装置の運転範囲を広げることができ、駆動動力低減も見込むことができる。
【００３０】
【図３】では慣性ピストン４４を吊り下げる為、板バネを配置したが、慣性ピストン４４が摺動可能で式６の機能を満たせば、バネにはコイルバネ、皿バネもしくは空圧バネ等が採用可能であり、吊り装置の構成にこだわるものでない。
【００３１】
▲４▼振動ピストン部での気泡の発生
【図１】の例では気泡の発生と壊滅は振動発生用ピストンの振動数とストロークにより決まった深さより深い領域で発生するが、理論的には振動ピストン面での、特に振動ピストン近傍での発生比率が大きくなる。特に▲１▼の対向ピストン方式では構成が複雑なため、振動ピストン近傍での気泡の発生比率大きくなり効率の悪い構成となってしまう恐れがある。
液槽の径を大きくしたり、小さくしたりして気泡発生壊滅部を限定することを検討したが、上記状況を変えることは実質的に難しい。
【００３２】
この対策として本発明では
【図３】のごとく、気泡発生と壊滅を液槽１の特定区間に規定するための摺動可能な加圧ピストン５４もしくは加圧膜５５（図示省略）を設け、加圧ピストン５４より下部の圧力が装置の運転中、常に液体の飽和蒸気圧より低くならない圧力にまで、バネ機構等５６と加圧ポンプ５８により加圧する構成とした。この結果により、加圧ピストン５４下部では気泡の発生と壊
滅が発生しない、もしくは発生しにくい構成する事が出来る。
【図３】では加圧ポンプ５８の液の供給源は次項で説明するタンク６１としているが、別の系統からの圧力液であってもかまわない。
また加圧圧力の調整は絞り弁５９により実行できるようにしている。
【００３３】
加圧ピストン５４の代わりに液槽１の振動ピストン室の振動を気泡発生壊滅部へ伝達する加圧膜５５を配置してもよい。加圧膜５５の特徴は加圧ピストン５４に比し、軽量化可能なことにある。
【００３４】
▲５▼液体に含有する気体
通常の液体中には大気中の窒素、酸素、炭酸ガス等の気体が含まれているが、これらの気体は気泡発生時に気泡発生の核となり易く、気泡の生成を容易とするが、キャビテーション発生装置の本来の目的である気泡壊滅時に、次の特性を示す。
蒸気中の気体は蒸気が元の液体になる（水の場合復水と称する。）より、遙かに元の液体に含有（溶け込み）し難い。すなわち、気泡が壊滅するのが遅れる、もしくは完全に壊滅せず、次の気泡発生段階で確実に気泡発生の核となる。この結果、気泡壊滅時の衝撃波の強さを大幅に弱めることとなる。
【００３５】
この対策として本発明では気泡発生／壊滅する際、脱気液を液槽に供給もしくは循環させ、気体含有による衝撃波の効果低減を回避する。脱気液生成には脱気タンクを配置し、真空ポンプ等により液体に含有する気体の除去を実施する。
【図３】はその１例を示すもので、タンク６１（脱気タンク）内の脱気液を循環ポンプ６２により液槽１の気泡発生壊滅部６０へノズル６４を介して供給し、慣性ピストン中心部ラビリンス６５を経由してタンク６１へ循環させる。タンク６１には真空ポンプ６３を配置し気泡発生壊滅部からの循環液から、効果的に脱気する構成となっている。
【００３６】
この構成は液槽１の気泡発生壊滅部へノズル６４から供給される脱気液による旋回液流の遠心力が気泡を旋回流の中心部へ集める効果を利用するためである。この結果気泡発生部内の液体は効果的に脱気液に置換することができる。
さらに、”▲５▼気泡発生／壊滅深さ、
【００２９】”で説明のごとく、この構成では気泡発生壊滅部の平均圧力を絞り弁６９により容易に調整可能となり、例えば大気圧以下とすることも可能となり振動ピストン駆動動力の低減が可能となる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態例について、より具体的に図面を参照して説明する
、
【図４】は装置の正面断面図であり、
【図５】は装置の振動発生部（振動対向ピストン装置）の平面断面図である。
【００３８】
【図４】及び
【図５】で１は液槽で、数気圧から十数気圧の圧力に耐えうる必要から円筒構造とするのが良いが、この形状にこだわる必要はない。
１０は振動発生部で振動発生部用円筒１１に納められ、液槽１の円筒中心軸を直交して貫通する構成であり、液槽１の貫通部にはシールのためシール（Ｏリング）１１ａが設けられる。
振動発生部用円筒１１の両端には電動機１９が据えられ電動機軸１８が円筒の中心軸を回転する構成となっている。円筒の中央には電動機軸１８を回転支持するための軸受けが配置され円筒内壁に支持される構成となっている。
振動発生部円筒１１の円筒側壁には２組の振動対向ピストンの為の円形の窓があけられシリンダ１２がそれぞれの窓にはめ込まれている。振動発生部円筒１１は液槽１を貫通するためシリンダ１２の先端は円筒１１の側壁形状に加工されている。
【００３９】
それぞれの電動機軸１８は対向ピストン１４の為の２組の偏心円板１６と３個のフライホイール１７を貫通し、スプライン構造により回転トルクが伝達される。偏心円板の外周に軸受け１５がはめ込まれ、さらにその外周に振動ピストン１４がはめ込まれている。
軸受け１８はボール軸受けを想定して配置したが、ローラ軸受け、もしくは滑り軸受けでもよい。
２組の偏心円板１６の中心軸（電動機軸１８）に対する偏心量は、振動ピストンのストローク量の半分であり、また偏心方向は逆（位相が１８０度ずれている）となっている。このことにより
【図５】の左右の振動ピストン１４は電動機軸１８の回転により対向して往復運動する。
【００４０】
一方の振動ピストン１４に対し一方（内側の）の偏心円板１６が、また他方の振動ピストン１４に対し他方（外側の）の偏心円板１６が作用するように構成されているのは、電動機軸１８の回転を、それぞれの振動ピストン１４に対しバランスよく往復運動に伝達するためである。
振動ピストン１８が往復運動するに要するトルクは電動機軸１８の平均回転トルクの数倍から十数倍となり、そのままでは滑らかな回転ができないが、この対策として複数（３個の）のフライホイール１７を設け、さらに偏心円板１６とフライホイール１７を複数のピン１６ａで結合する構成としている。
【００４１】
振動ピストン１４の往復運動により発生する回転アンバランスは偏心円板１６，フライホイール１７及びピン１６ａにより吸収され、電動機軸１８へ伝達比率は低減される。
【００４２】
【図４】では振動対向ピストン装置の上半分はピストンの上死点の状態を示し、下半分はピストンの下死点の状態を示している。
【図５】では２組の対向ピストン装置を図示しているが、上半分は一方の振動対向ピストン装置であり、上死点の状態にあり、下半分は他方の振動対向ピストン装置であり、下死点の状態を示している。すなわち本図は振動ピストンの位相差が１８０度の状態を示している。
また図示省略したが、
【図５】の上下の電動機１９が、それぞれにインバーター等の回転数制御装置により、それぞれの回転数および移相差を制御するようにして、合成振幅の大きさ、気泡の発生／中断を早い応答で制御可能としている。
【００４３】
円筒形状の液槽１の上部には円筒形状の慣性ピストン４４が配置され、上下に滑動可能な構成となっている。慣性ピストン４４にはＯリングによるシール４４ａ機構が設けられ液槽１と慣性ピストン４４間でのキャビテーションの発生を防ぐ構成としている。
また
【図４】では図示省略したが、
【図３】と同様慣性ピストン４４は吊り具４６により水槽１側壁からつるされる構成となっている。
【００４４】
液槽１の気泡発生壊滅部下部には加圧ピストン５４が配置されている。
加圧ピストン５４液水槽１側壁間にバネ機構５６が設けられ加圧ピストン５４を下方へ引っ張る構成となっており、この結果加圧ピストン５４の上部と下部で圧力差が生じる。
【図３】と同様加圧ピストン下部へ加圧ポンプ５８等による、加圧水の供給が必要であるが、図示省略した。
また加圧ピストン５４にはＯリングによるシール５４ａ機構が設けられ水槽１と加圧ピストン５４間でのキャビテーションの発生を防ぐ構成としている。
【００４５】
振動ピストン４４面から見て発生した気泡が壊滅するとき時には気泡発生壊滅部６０内で起こる衝撃波ほどではないが、相当大きな衝撃が加わることとなり、軸受け１５，偏心円板１６及びピン１６ａ強度を高める必要がある。この衝撃を和らげるために緩衝膜２０を振動ピストン面に設けることとしている。緩衝膜２０は弾性材料であればよく、ゴム膜プラスチック膜等が採用可能である。
【００４６】
本発明の第２の実施の形態例について、具体的に
【図６】及び
【図７】を参照して説明する。
第２の実施の形態例の機能は液体の殺菌（滅菌）装置で、飲料水、風呂水、プール等の水の殺菌を循環させて行うものである。
【図６】の構成は、
【図３】の構成のタンク（脱気タンク）６１の代わりに貯液槽（浴槽、プール）等を配置したもので、その他の構成は
【図３】と変わりない。
【００４７】
また
【図７】は気泡発生壊滅部６０への給水（被殺菌水）とその戻り水を説明する図で複数のノズル６４から給水される。
この構成により水もしくは貯湯等の殺菌を以下のごとく効果的に実行する。
飲料水源、浴槽、またはプール等からの水は一つのもしくは複数のノズル６４からキャビテーション発生装置の気泡発生壊滅部の外周部に旋回流を形成しながら流入し、気泡発生壊滅部中心部から排出するが、気泡発生壊滅部６０全域で起こる衝撃波により流入液に含まれる細菌類は短時間で死滅する。
キャビテーション発生装置による殺菌（滅菌）は以下の理由により、他方式に比し効果的である。
【００４８】
▲１▼給水中に含まれる細菌類は生命体であり、気体の含有比率が高く、気泡発生時の核となり易い。すなわち細菌は気泡壊滅時に最も大きな衝撃波を受けることとなる。
▲２▼気泡発生壊滅部全域での気泡発生と、給水による旋回流により気泡発生壊滅部での水の滞留時間は均一化され、一部の給水が殺菌されずに排出されることが無く、確実な殺菌が達成できる。
▲３▼従来採用されている高温方式に比し桁違いにエネルギー消費量が少なく効率が高い。
▲４▼塩素や薬剤注入方式と比し、薬害を考慮する必要がない。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の効果を以下に箇条書きとした。
１  高効率のキャビテーション発生
２  方向性の無いキャビテーション発生。
３  対向ピストンによる振動・騒音の低減
３  複数の対向ピストン装置による気泡発生壊滅制御の高度化
４  慣性ピストンおよび加圧ピストン採用による気泡の発生壊滅領域の限定化
５  含有気体の低減による効果の高いキャビテーションの発生


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本原理を説明するための装置断面図である。
【図２】本発明の対向ピストンの構成を模式的に説明する図である。
【図３】本発明のアイデアを説明するための装置断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態例を示す装置正面断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態例を示す装置平面断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態例を示す装置断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態例の被殺菌水の流れを示す図である。
【符号の説明】
１        液槽
２        液
３        液面
４        振動ピストン
５        クランクロッド
６        クランクピン
７        軸受け
８        クランク軸
１０        振動発生部
１１        振動発生部用円筒
１１ａ      シール（Ｏリング）
１２        振動ピストン用シリンダ
１４        振動ピストン
１４ａ      シール（Ｏリング）
１５        軸受け
１６        偏心円板
１６ａ      ピン
１７        フライホィール
１８        駆動機軸（電動機軸）
１９        電動機
２０        緩衝膜
４４        慣性ピストン
４４ａ      シール（Ｏリング）
４６        吊り具
５４        加圧ピストン
５４ａ      シール（Ｏリング）
５５        加圧膜
５６        バネ機構
５７        加圧機構
５８        加圧ポンプ
５９        絞り弁
６０        気泡発生壊滅部
６１        タンク
６２        循環ポンプ
６３        真空ポンプ
６４        ノズル
６５        ラビリンス
６９        絞り弁


【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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