(57)【要約】【課題】キャビテーションによる洗浄、殺菌、汚泥の可溶化、化学物質の分解などの効果を効率よく得るキャビテーション発生装置を提供する。【解決手段】周波数ｆ１と周波数ｆ１のほぼ２倍の周波数ｆ２とで共振する振動子と、前記振動子の出力端面に連結され、前記周波数ｆ１付近で共振する固体ホーンと、前記固体ホーンの出力端面に連結され、前記周波数ｆ２付近で共振するダイアフラムとを具備し、前記振動子に前記周波数ｆ１と前記周波数ｆ２の成分を含んだ高周波信号を入力する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に超音波を照射してキャビテーションを発生させる超音波キャビテーション発生装置において、周波数ｆ１と周波数ｆ１のほぼ２倍の周波数ｆ２とで共振する振動子と、前記振動子の出力端面に連結され、前記周波数ｆ１付近で共振する固体ホーンと、前記固体ホーンの出力端面に連結され、前記周波数ｆ２付近で共振するダイアフラムとを具備し、前記振動子に前記周波数ｆ１と前記周波数ｆ２の成分を含んだ高周波信号を入力することを特徴とする超音波キャビテーション発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波キャビテーション装置において、前記ダイアフラムの面外方向振幅速度の、前記周波数ｆ１の位相φ１と前記周波数ｆ２の位相φ２との位相差Δφ＝φ２−φ１が、−π〜０、望ましくは−３π／４〜−π／４であることを特徴とする超音波キャビテーション装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超音波キャビテーション装置において、前記ダイアフラムの面外方向振幅速度の、前記周波数ｆ１の超音波強度に対する、前記周波数ｆ２の超音波強度の比率が０．０１〜１０、望ましくは０．１〜３であることを特徴とする超音波キャビテーション装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の超音波キャビテーション発生装置において、前記周波数ｆ１および前記周波数ｆ２の成分を含む信号波形を生成する波形発生部と、前記波形発生部からの出力信号を増幅して、前記振動子にパワーを供給する増幅部と、前記ダイアフラムの面外方向振動をセンシングする振動センサ部と、前記振動センサの出力信号を周波数分析し、前記波形発生部へ制御信号を出力する分析制御部とを備え、前記ダイアフラムの面外方向振幅速度の、前記周波数ｆ１の位相φ１と前記周波数ｆ２の位相φ２との位相差Δφ＝φ２−φ１が、−π〜０、望ましくは−３π／４〜−π／４となるように前記波形発生部からの出力信号を制御することを特徴とする超音波キャビテーション装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の超音波キャビテーション発生装置において、前記周波数ｆ１および前記周波数ｆ２の成分を含む信号波形を生成する波形発生部と、前記波形発生部からの出力信号を増幅して、前記振動子にパワーを供給する増幅部と、前記ダイアフラムの面外方向振動をセンシングする振動センサ部と、前記振動センサの出力信号を周波数分析し、前記波形発生部へ制御信号を出力する分析制御部とを備え、前記ダイアフラムの面外方向振幅速度の、前記周波数ｆ１の超音波強度に対する前記周波数ｆ２の超音波強度の比率が０．０１〜１０、望ましくは０．１〜３となるように、前記波形発生部からの出力信号を制御することを特徴とする超音波キャビテーション装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の超音波キャビテーション発生装置において、前記ダイアフラムの代表寸法をＤ、処理される液体の前記周波数ｆ２における波長をλ２とし、処理される液体が、前記ダイアフラムの出力端面から距離Ｄ２／λ２の領域を必ず通過することを特徴とする超音波キャビテーション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体中に照射される超音波によるキャビテーション作用によって、洗浄、殺菌、汚泥の可溶化、化学物質の分解などを行なう超音波キャビテーション発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体中に強力な超音波を照射すると、液体中の微小気泡が膨張、圧壊するキャビテーション現象が発生する。キャビテーション気泡の圧壊に伴い、強力な衝撃波が生じ、また、大きなせん断応力が生じるため、これらに起因する機械的作用が得られる。このようなキャビテーションの機械的作用を利用した従来技術として、例えば、特許文献１に開示されている洗浄方法や、特許文献２に開示されている水処理装置などが挙げられる。
【０００３】
また、キャビテーション気泡が急激に収縮する過程において、気泡内には高圧、高温の場が形成されるため、水分子が容易に分解されて、酸化力の強いヒドロキシラジカルが生じる。特許文献３や特許文献４では、このような超音波キャビテーションの化学作用によって液体中の有害な化学物質や有機物を分解する技術が開示されている。
【０００４】
一般に、非特許文献１に記載されているように、超音波キャビテーションは周波数が低いほど少ない音響パワーで生じさせることができる。また、非特許文献２に記載されている、超音波キャビテーションによる大腸菌破壊実験の結果に見られように、超音波振動面の変位振幅が大きいほど、高い処理効果が得られる。
【０００５】
一方、上述に示した従来技術においては、キャビテーションの生成に費やされるエネルギーが、液体中に照射される超音波エネルギーのごく一部に過ぎないため、処理効率が低く、一般に処理コストが高くなりがちである。これに対し、特許文献５には、超音波の基本波と、基本波の約２倍の周波数の第２高調波を重畳し、負圧に強調した音圧波形を形成することによって、超音波キャビテーションの作用効率を向上させる技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２７８５０２２号明細書
【特許文献２】
特開２００１−３３４２６４号公報
【特許文献３】
特開２０００−３００９８２号公報
【特許文献４】
特開２００１−３２７９６３号公報
【特許文献５】
国際公開第９４／０６３８０号パンフレット
【非特許文献１】
アプライディド  ソノケミストリー、ウィリー  ヴィー・シー・エイチ（２００２年）、第３９頁から第４１頁（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｏｎｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ（２００２）、ＰＰ３９−４１）
【非特許文献２】
超音波技術便覧（新訂版）：日刊工業新聞社、１９９１年、ＰＰ８５７−８５８
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特許文献５に開示されている従来技術では、大きな変位振幅が出せず、キャビテーションの機械的作用を効率良く得られないという問題があった。
【０００８】
また、数十ｋＨｚの比較的低い超音波を利用する方が効率が良いが、このような低い周波数の超音波を発生する振動系は、機械的Ｑ値が非常に大きい。そのため、基本波のほぼ２倍の周波数の第２高調波成分はほとんど減衰してしまい、基本波に第２高調波を重畳した振動出力を効率的に得ることができなかった。
【０００９】
一方、基本波成分と第２高調波成分の振動を、別々の振動子によってそれぞれ発生させ、液体中で重畳する場合には、大きな変位振幅を発生させると、それぞれの振動面近傍でキャビテーションが起こり、そこに生じたキャビテーション気泡層が液体への音響パワー伝送を妨げてしまう問題があった。
【００１０】
さらに、基本波成分と第２高調波成分を、別々の振動子によってそれぞれ発生させ、集束音場を形成することによって、液体中の焦点付近で重畳する場合には、キャビテーション作用領域が非常に狭くなってしまい、且つ、低周波数の超音波発生装置では、装置が大型化してしまう問題があった。
【００１１】
本発明は、上記従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであり、液体中にキャビテーションを発生させる超音波キャビテーション発生装置であって、大きな変位振幅を発生し、且つ、安定して高いキャビテーションの発生効率が得られる超音波キャビテーション発生装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による超音波キャビテーション発生装置は、周波数ｆ１および前記周波数ｆ２の成分を含む信号波形を生成する波形発生部と、前記波形発生部からの出力信号を増幅して、前記振動子にパワーを供給する増幅部と、前記周波数ｆ１と周波数ｆ１のほぼ２倍の周波数ｆ２とで共振する振動子と、前記振動子の出力端面に連結され、前記周波数ｆ１で共振する固体ホーンと、前記固体ホーンの出力端面に連結され、前記周波数ｆ２で共振するダイアフラムとを具備し、前記振動子に前記周波数ｆ１と前記周波数ｆ２の成分を含んだ高周波信号を入力するように構成される。
【００１３】
本発明では、さらに、必要なら、前記ダイアフラムの面外方向振動をセンシングする振動センサ部を備え、該振動センサの出力信号を周波数分析して、前記周波数ｆ１の位相φ１と前記周波数ｆ２の位相φ２との位相差を制御できるように構成される。
【００１４】
本発明では、さらに、必要なら、前記振動センサの出力信号を周波数分析して、前記周波数ｆ１の超音波強度に対する、前記周波数ｆ２の超音波強度の比率を制御できるように構成される。
【００１５】
本発明による超音波キャビテーション発生装置は、さらに、必要なら、前記ダイアフラムの直径をＤ、処理される液体の前記周波数ｆ２における波長をλ２とし、処理される液体が、前記ダイアフラムの出力端面から距離Ｄ２／λ２の領域を必ず通過するように構成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従って、本発明に係る超音波キャビテーション発生装置について説明する。
【００１７】
図１は、本発明による超音波キャビテーション発生装置の一実施例の構成の概要を示す側面図である。図１において、１００は周波数ｆ１およびｆ２の成分を含む電気信号を発生する波形発生器である。１０は振動子であり、前記波形発生器１００の電気信号で励振され、電気的振動を機械的振動に変換する周波数ｆ１と、周波数ｆ１のほぼ２倍の周波数ｆ２とで機械的に共振する。振動子１０の出力端面には、前記周波数ｆ１付近で機械的に共振する段付き固体ホーン２０が取り付けられており、段付き固体ホーン２０の入力端面は振動子１０の出力端面に取り付けられており、段付き固体ホーン２０の出力端面には、前記周波数ｆ２付近で機械的に共振するダイアフラム３０が取り付けられている。なお、振動子１０および固体ホーン２０は中実であるが、ダイアフラム３０は薄皿状であるので、断面で示した。
【００１８】
図２は、上記振動子１０および固体ホーン２０をより具体的に断面図で示した構成図である。振動子１０は軸対称のボルト締めランジュバン型振動子であり、円柱状の前打板１１と円柱状の裏打板１２が締結ボルト１３によって連結され、その間に、リング状の圧電素子１４および１５が設けられている。リング状の圧電素子１４および１５は、共に軸方向に分極されており、それぞれの分極方向が逆向きになるように電極板１７を挟んで配置されている。圧電素子１４の圧電素子１５とは反対側の面には電極板１６が取り付けられている。電極板１６および１７は共にワッシャ状であり、両面が導電面とされている。また、電極板１６および１７の開口部は締結ボルト１３より大きいものとされており、これらが締結ボルト１３により短絡されることは無い。電極板１６および１７の一部は引き出し端子の形になされていて、これらの間には、前記波形発生器１００の電気信号が加えられる。圧電素子１５の電極板１７の反対側の面は締結ボルト１３によって連結された裏打板１２に接する。これにより、圧電素子１５にも、前記波形発生器１００の電気信号が加えられる。電極板１６側の端子は接地され、したがって、振動子１０は接地電位にある。１８は振動子出力端面である。図に一点鎖線で示すのは回転中心となる軸である。
【００１９】
振動子出力端面１８には軸対称段付きホーン２０が締結ボルト２４により結合されている。さらに、軸対称段付きホーン２０の振動子出力端面２２には、軸対称ダイアフラム３０が、例えば、溶接により貼り付けられている。
【００２０】
通常、リング状の圧電素子１４および１５が円柱状の前打板１１と円柱状の裏打板１２でサンドイッチ状に締結ボルト１３によって連結された構造の振動子１０は、軸方向に半波長共振させて用いるが、直径を適当な寸法にすることによって、半波長共振周波数の約２倍の周波数でも共振させることができる。例えば、前打板１１および裏打板の直径を６０ｍｍ、軸方向長さを７０ｍｍ、材質をアルミニウム合金とし、締結ボルト１３のボルト径を２０ｍｍ、軸方向長さを１１０ｍｍ、材質をステンレス鋼とし、圧電素子１４および１５の外径を６０ｍｍ、内径を４０ｍｍ、軸方向の厚さを、それぞれ、１０ｍｍとして、数値解析によりインピーダンス特性を計算すると図３（Ａ），（Ｂ）のようになる。
【００２１】
図３（Ａ）は横軸に周波数、縦軸に振幅をとった特性であり、図３（Ｂ）は横軸に周波数、縦軸に位相（度）をとった特性である。図３（Ａ），（Ｂ）から明らかなように、約１５ｋＨｚと約３０ｋＨｚでインピーダンスの振幅が極小値を持ち、さらに位相もほぼ０となっており、約１５ｋＨｚと約３０ｋＨｚに共振周波数を持ったものとなっていることが分かる。これらの共振周波数における振動モードは、約１５ｋＨｚでは振動子全体の軸方向半波長共振であって、約３０ｋＨｚでは圧電素子１４および１５の径方向拡がり振動の共振である。
【００２２】
上記と同様の寸法、材質で、１Ｖの入力電圧に対する振動子出力端面１８の中心部の振幅速度の周波数特性を数値解析によって求めると図４（Ａ），（Ｂ）のようになる。図４（Ａ）は横軸に周波数、縦軸に入力電圧１Ｖ当たりの振幅速度をとった特性であり、図４（Ｂ）は横軸に周波数、縦軸に位相（度）をとった特性である。
【００２３】
図４（Ａ）から明らかなように、約１５ｋＨｚと約３０ｋＨｚとで、高い応答性が得られる。また、図４（Ｂ）から明らかなように、振動子出力端面１８の中心部における約１５ｋＨｚと約３０ｋＨｚの各成分の位相は約９０度ずれ、小さな周波数変化によって大きく変わってくる。
【００２４】
上記軸対称段付きホーン２０は、軸方向長さｌが、周波数ｆ１でほぼ共振する寸法となっている。例えば、軸対称段付きホーン２０の入力端面２１（振動子１０の振動子出力端面１８と密着している）側の直径を６０ｍｍ、出力端面２２側の直径を４０ｍｍとし、入力端面２１側および出力端面２２側の軸方向長さを共に８０ｍｍとし、材質をアルミニウム合金とすると、約１５ｋＨｚで半波長共振する固体ホーンが得られる。
【００２５】
軸対称段付きホーン２０の出力端面２２に取り付けられた軸対称ダイアフラム３０は、例えば、厚さが２ｍｍ、出力端面２２に取り付けるための立ち上がり部が１ｍｍとされたステンレス鋼であり、約３０ｋＨｚで面外方向にたわみ共振するようになっている。
【００２６】
ここで、軸対称ダイアフラム３０の振動特性について検討する。軸対称ダイアフラム３０の材質の密度をρ、ヤング率をＥ、ポアソン比をσとすると、周囲を固定端とした半径ａ、厚さｈの円形振動板における１次共振角周波数ωは、式（１）に示すようになる。
【００２７】
【数１】
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したがって、周波数ｆ２の値にあわせて、軸対称ダイアフラム３０の材質、肉厚および直径を設定すればよい。例えば、軸対称ダイアフラム３０の材質をステンレス鋼とすると、約３０ｋＨｚが１次共振周波数となる円形振動板の直径および肉厚は、それぞれ３６ｍｍおよび２ｍｍとなる。軸対称ダイアフラム３０の側面の肉厚を２ｍｍとすれば、軸対称ダイアフラム３０全体の外径は直径４０ｍｍとなり、上述した１５ｋＨｚ軸対称段付きホーンの出力端面２２の直径と同寸法となる。
【００２８】
図５（Ａ），（Ｂ）は、上述した１５ｋＨｚ軸対称段付きホーン２０と、３０ｋＨｚ軸対称ダイアフラム３０からなる振動伝送体の入力端面２１と出力端面３２との、それぞれの中心部の振幅に対する周波数応答を示した特性図である。図５（Ａ）は横軸に周波数、縦軸に相対振幅をとった特性であり、図５（Ｂ）は横軸に周波数、縦軸に位相（度）をとった特性である。図５（Ａ）から明らかなように、約１５ｋＨｚと約３０ｋＨｚの周波数において、高い応答性が得られる。また、図５（Ｂ）から明らかなように、入力端面２１と出力端面３２の、それぞれの中心部における、約１５ｋＨｚと約３０ｋＨｚの各成分の位相は、約９０度ずれており、小さな周波数変化で大きく変わってくる。
【００２９】
このように、図２に示す構成によって、周波数ｆ１と、周波数ｆ１のほぼ２倍の周波数ｆ２とで機械的に共振する振動子、軸対称段付きホーンおよび軸対称ダイアフラムの結合構造が得られることが分かる。すなわち、周波数ｆ１およびｆ２で共振する振動子１０と、周波数ｆ１で共振する固体ホーン２０と、周波数ｆ２で共振するダイアフラム３０とを連結させることにより、周波数ｆ１の成分に周波数ｆ２の成分を重畳した、大振幅の機械的振動を発生させることができる。
【００３０】
図６（Ａ），（Ｂ）は、上述した１５ｋＨｚ軸対称ボルト締めランジュバン型振動子１０、１５ｋＨｚ軸対称段付きホーン２０および３０ｋＨｚダイアフラム３０からなる振動系に、周波数ｆ１の成分の超音波強度／周波数ｆ２の成分の超音波強度＝１／３とし、周波数ｆ１の超音波の位相φ１と周波数ｆ２の超音波の位相φ２との位相差Δφ（＝φ２−φ１）の値を−πとする電圧波形を入力したときの、ダイアフラム３０の出力端面３２の振幅速度波形を数値解析によって求めた波形図である。図６（Ａ）は横軸に電圧印加からの時間、縦軸に印加された電圧の瞬時値をとった特性であり、図６（Ｂ）は横軸に電圧印加からの時間、縦軸に振動速度をとった特性である。図６（Ｂ）から分かるように、負に強調された大振幅の機械的振動が得られている。このような第２高調波を重畳した機械的振動を、液体中で励起させることにより、振幅速度波形と同様な音圧波形が液体中にも形成される。
【００３１】
次に、周波数ｆ１に周波数２ｆ１の第２高調波成分を重畳させた音圧を外圧力とした場合の、キャビテーション現象に対する効果を説明する。
【００３２】
図７（Ａ）は水中における外圧力が周波数１５ｋＨｚ、振幅１．４ａｔｍで変化している様子を示す図、図７（Ｂ）は、平衡時気泡半径１μｍの気泡が図７（Ａ）に示す外圧力の変化の下で気泡半径が変化する様相を示す図、図７（Ｃ）は気泡の挙動によって気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃圧を、差分法により数値解析した結果を示した応答図である。いずれも横軸は時間である。図７（Ａ）、（Ｂ）を対照して分かるように、外圧力が負圧に振れることによって気泡は膨張するが、その最大気泡半径は２μｍ程度であり、発生する衝撃圧も極めてわずかである。
【００３３】
一方、図８（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は、平衡時気泡半径を１μｍとし、１５ｋＨｚ成分の超音波強度／３０ｋＨｚ成分の超音波強度＝１／１とし、１５ｋＨｚ成分の超音波の位相φ１と３０ｋＨｚ成分の超音波の位相φ２との位相差Δφ＝φ２−φ１の値を−π／２とする電圧波形を入力し、図７（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）を計算したときと同様に、外圧力の超音波強度の変化と、全体の強度が等しくなるように重畳した外圧力が作用したときの、水中における気泡半径の変化と、気泡の挙動によって気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃圧を、差分法により数値解析した結果を示した応答図である。いずれも横軸は時間である。
【００３４】
図８（Ａ）と図７（Ａ）を対比して明らかなように、外圧力の超音波強度の変化と、全体の強度は等しい条件であるにもかかわらず、図８（Ｂ）から分かるように、最大気泡半径は約１００μｍに達し、図８（Ｃ）から分かるように、約４５０ａｔｍもの強い衝撃波が発生する。
【００３５】
図９は、上記の位相差Δφを変化させ、その他の条件は図８（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）における解析と同じにして、気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃波をΔφに対して示した位相差特性図である。図９から明らかなように、位相差Δφを−π〜０、望ましくは−３π／４〜−π／４とすることによって、気泡の圧壊を伴うキャビテーションを効率よく発生させ、強い衝撃圧を発生させることができる。したがって、ダイアフラム３０の出力端面３２の面外方向の振幅速度における、周波数ｆ１およびｆ２の位相差が、上記条件となるような電圧波形を波形発生器１００で生成し、振動子１０を駆動すればよい。
【００３６】
図１０は、上記の位相差Δφを−π／２とし、外圧力の全体の強度は一定として、１５ｋＨｚ成分の超音波強度に対する３０ｋＨｚ成分の超音波強度比を変化させ、その他の条件は図８（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）における解析と同じにして、気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃波を、上記超音波強度比に対して示した特性図である。図１０から明らかなように、上記超音波強度比を０．０１〜１０、望ましくは０．１〜３とすることによって、気泡の圧壊を伴うキャビテーションを効率よく発生させ、強い衝撃圧を発生させることができる。したがって、ダイアフラム３０の出力端面の面外方向の振幅速度における、周波数ｆ１およびｆ２の超音波強度比が、上記条件となるような電圧波形を波形発生器１００で生成し、振動子１０を駆動すればよい。
【００３７】
図１１は、本発明による超音波キャビテーション発生装置の他の実施例を示した構成図である。本実施例は、ダイアフラム３０の振動の情報をフィードバックして、振動子１０への入力波形を逐次制御し、キャビテーションを効率よく、安定して得られるようにしたものである。ダイアフラム３０の出力端面３２の反対側の面（内面）には、振動センサ４０が設けられている。実際には、例えば、ＰＶＤＦ素子などをダイアフラム３０の出力端面内面に貼り付けるなどしておけばよい。
【００３８】
振動センサ４０からの出力信号は、Ａ／Ｄ変換部５０によりデジタル信号に変換され、周波数分析装置５１によって周波数ｆ１およびｆ２の強度と位相が計算され、波形発生器１１０へ出力される。波形発生器１１０は、周波数分析装置５１からの出力信号を参照して、ダイアフラム３０の振幅速度の、周波数ｆ１成分の位相φ１と周波数ｆ２成分の位相φ２との位相差Δφ＝φ２−φ１が、−π〜０、望ましくは−３π／４〜−π／４となるように、且つ、ダイアフラム３０の振幅速度の、周波数ｆ１成分の超音波強度に対する周波数ｆ２成分の超音波強度の比率が、０．０１〜１０、望ましくは０．１〜３となるように、電圧波形を調整する。波形発生器１１０からの出力信号は、電力増幅器１２０で増幅され、振動子１０へ入力される。
【００３９】
このような振動制御を逐次行うことにより、音響負荷の変化などが生じた場合にも、第２高調波を重畳による効率的なキャビテーションの発生を、安定して生じさせることができる。ここで言う音響負荷とは、固体ホーン２０より先のキャビテーション領域を含む水を意味する。例えば、キャビテーションが起きている場合には振動面近傍に多数のキャビテーション気泡が存在するため、キャビテーションが起きていない水よりも音響負荷が小さくなる。
【００４０】
キャビテーションがどの程度起こるかは、振動面の振幅、水中気泡核の数、流速、含有気体の種類など、様々な因子によって決まると考えられる。例えば、流速を例にとれば、ゆっくりとした流速では、振動面近傍に多数のキャビテーション気泡が存在するが、流速が早くなるにつれて発生したキャビテーション気泡が振動面から流れによって取り除かれていくため、音響負荷が大きくなる。
【００４１】
図１２は、図１および図１１に示した本発明によるキャビテーション発生装置を用いて効果のある処理槽の構造例を示した断面図である。
【００４２】
図１２に示した処理槽は、処理容器６０と蓋７０からなる。振動子１０、フランジ付きの固体ホーン２０、およびダイアフラム３０から構成される振動系は、処理容器６０の底面と、ダイアフラム３０の出力端面が対向するように配置され、固体ホーン２０のフランジを、処理容器６０と蓋７０でクランプすることにより、支持されている。前記フランジの支持部は、液体が漏れないように、ゴムなどのシール材８１および８２などによってシールされている。処理容器６０の底面には、ダイアフラム３０と同軸上に設けられた液体の流入口６１が設けられており、処理容器６０の側面には、液体の排出口６２が設けられている。図に太い線で示すのは、非処理水の流れである。
【００４３】
図１および図１１に示したような本発明によるキャビテーション発生装置は、ダイアフラム３０の出力振幅が非常に大きいため、ダイアフラム３０の出力端面近傍における近距離音場では強い衝撃圧を発生するキャビテーション気泡が非常に多く得られるが、この領域に発生したキャビテーション気泡層によって、音響エネルギーの伝搬が阻止されるため、遠距離音場では十分なキャビテーション効果を得られない。ダイアフラム３０の代表寸法をＤ、液体中の超音波の波長をλとすると、近距離音場はダイアフラム３０の出力端面からＤ２／λで定義できる。本発明においては、波長が短い第２高調波の周波数ｆ２における液体中の波長λ２で近距離音場を決定する必要があるため、図１２においては、ダイアフラム３０の出力端面と、処理容器６０の底面との距離は、Ｄ２／λ２以下とするのが良い。このような構造により、処理される液体は、流入口６１から処理槽内に入り、強いキャビテーション効果が効率よく得られる領域を必ず通過し、排出口６２から排出されるため、液体全体に効率的にキャビテーション作用を与えることができる。
【００４４】
ここで、ダイアフラム３０について代表寸法と言う言い方をしたのは、ダイアフラムの断面形状が種々の形を取り得るからである。上述の実施例のように、固体ホーン２０も含めて軸対称構造とすると、ダイアフラム３０の軸に垂直な断面形状は円形であり、代表寸法と外径とは同じものとなる。しかし、ダイアフラムの断面形状は円形である必要は無く、特に第２高調波の周波数がダイアフラム３０の共振周波数となるように汎用性を持って設計するには、種々の形を取り得ることとなる。例えば、ダイアフラムの断面計上が正方形の場合には一片の長さが代表寸法であり、長方形の場合には長辺の長さを代表寸法とすれば良い。
【００４５】
【発明の効果】
液体中に超音波を照射してキャビテーションを発生する超音波キャビテーション発生装置において、周波数ｆ１と周波数ｆ１のほぼ２倍の周波数ｆ２とで共振する振動子と、前記振動子の出力端面に連結され、前記周波数ｆ１付近で共振する固体ホーンと、前記固体ホーンの出力端面に連結され、前記周波数ｆ２付近で共振するダイアフラムとよりなる振動系により気泡の圧壊を伴うキャビテーションを効率よく発生させ、強い衝撃圧を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波キャビテーション発生装置の一実施例の構成の概要を示す側面図。
【図２】図１の軸対称ボルト締めランジュバン型振動子および軸対称段付きホーンをより具体的に断面図で示した構成図。
【図３】（Ａ）は図１の軸対称ボルト締めランジュバン型振動子のインピーダンス特性図であり、横軸に周波数、縦軸に振幅をとった特性を示す図、（Ｂ）は、同じく、横軸に周波数、縦軸に位相（度）をとった特性を示す図。
【図４】（Ａ）は軸対称ボルト締めランジュバン型振動子の出力端面における振幅速度の周波数応答を示した特性図であり、横軸に周波数、縦軸に入力電圧１Ｖ当たりの振幅速度をとった特性を示す図、（Ｂ）は、同じく、横軸に周波数、縦軸に位相（度）をとった特性を示す図。
【図５】（Ａ）は、１５ｋＨｚ軸対称段付きホーンと、３０ｋＨｚ軸対称ダイアフラムからなる振動伝送体の入力端面と出力端面との、それぞれの中心部の振幅に対する周波数応答を示した特性図であり、横軸に周波数、縦軸に相対振幅をとった特性を示す図、（Ｂ）は、同じく、横軸に周波数、縦軸に位相（度）をとった特性を示す図。
【図６】（Ａ）は、上述した１５ｋＨｚ軸対称ボルト締めランジュバン型振動子、１５ｋＨｚ軸対称段付きホーンおよび３０ｋＨｚダイアフラムからなる振動系の入力電圧と出力振幅速度の波形を示した特性図であり、横軸に電圧印加からの時間、縦軸に印加された電圧の瞬時値をとった特性を示す図、（Ｂ）は、同じく、横軸に電圧印加からの時間、縦軸に振動速度をとった特性を示す図。
【図７】（Ａ）は水中における外圧力が周波数１５ｋＨｚ、振幅１．４ａｔｍで変化している様子を示す図、（Ｂ）は、平衡時気泡半径１μｍの気泡が（Ａ）に示す外圧力の変化の下で気泡半径が変化する様相を示す図、（Ｃ）は気泡の挙動によって気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃圧を、差分法により数値解析した結果を示した応答図。
【図８】基本波と第２高調波を重畳した外圧力に対するキャビテーション気泡の挙動を示した応答図であり、図７（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）を計算したときと同様に、外圧力の超音波強度の変化と、全体の強度が等しくなるように重畳した外圧力が作用したときの、水中における気泡半径の変化と、気泡の挙動によって気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃圧を、差分法により数値解析した結果を示した応答図。
【図９】基本波と第２高調波の位相差Δφを変化させ、その他の条件は図８（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）における解析と同じにして、気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃波をΔφに対して示した位相差特性図。
【図１０】基本波と第２高調波の位相差Δφを−π／２とし、外圧力の全体の強度は一定として、１５ｋＨｚ成分の超音波強度に対する３０ｋＨｚ成分の超音波強度比を変化させ、その他の条件は図８（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）における解析と同じにして、気泡中心から１ｍｍの位置に生じる衝撃波を、上記超音波強度比に対して示した特性図。
【図１１】本発明による超音波キャビテーション発生装置の他の実施例を示した構成図。
【図１２】本発明による超音波キャビテーション発生装置を用いる処理槽の構造を示した断面図。
【符号の説明】
１０…振動子、１１…前打板、１２…裏打板、１３…締結ボルト、１４，１５…圧電素子、１６，１７…電極板、１８…振動子出力端面、２０…軸対称段付きホーン、２１…ホーン入力端面、２２…ホーン出力端面、３０…ダイアフラム、３２…ダイアフラム出力端面、４０…振動センサ、５０…Ａ／Ｄ変換部、５１…周波数分析装置、１００，１１０…波形発生器、１２０…電力増幅器、６０…処理容器、６１…流入口、６２…排出口、７０…蓋、８１，８２…シール材。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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