(57)【要約】  本発明は、液状媒体のキャビテーション処置に関し、水又は他の液相の具体的な含有率が総質量の約３５〜４０％を超える媒体に関する。この方法は、分散、均質化及び乳化、混合、粉状化、解凝集の各プロセスにおいて効率的である。この方法は、組成が異なる複数の液状媒体の同時キャビテーション処置の方法であって、上記処置により、音響キャビテーションモードが、流動機械振動システム、即ち、有限長の矩形チャネルの内側の二重共振作用によって形成され、その対向する面において、複数の音響振動が同相で発生する、方法であり、前記機械振動システム、即ち、矩形チャネルの隙間は、作動液とともに、被処置液状媒体を供給する付加流動チャネルを有し、付加流動チャネルの材料の具体的な音響抵抗は、作動液の音響抵抗に近く、隙間の幅ｈは、システムチャネルの基本周波数に等しい周波数での作動液における波長の４分の１の倍数であり、システムチャネルの壁の振動の振幅は、流動チャネルを有する作動液の内部体積全体にわたって、且つ、適切な液状媒体内において、十分に成長した音響キャビテーションモードを発生させることを特徴とする方法である。この方法によって、異なる複数の媒体を、混合することなく、単一の流動型反応器で処置することが可能であり、このことは、多品種製品の同時生産、並びに、ある製品タイプから別の製品タイプへの、生産の迅速な再調節を伴うプロセスサイクルにおいて都合がよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成が異なる複数の液状媒体の同時キャビテーション処置の方法であって、前記処置により、音響キャビテーションモードが、流動機械振動システム、即ち、有限長の矩形チャネルの内側の二重共振作用によって形成され、その対向する面において、複数の音響振動が同相で発生する、方法であり、前記機械振動システム、即ち、矩形チャネルの隙間は、被処置液状媒体を供給する付加流動チャネルを有し、付加流動金属の材料の具体的な音響抵抗は、作動液の音響抵抗に近く、隙間の幅ｈは、システムチャネル壁の基本周波数に等しい周波数での作動液における波長の４分の１の倍数として選択され、システムチャネルの壁の振動の振幅は、流動チャネルを有する作動液の内部体積全体にわたって、且つ、適切な液状媒体内において、十分に成長した音響キャビテーションモードを発生させることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液状媒体のキャビテーション処置に関し、水又は他の液相の具体的な含有率が総質量の約３５〜４０％を超える媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
音響超音波キャビテーションは、様々な経済分野において、以下のプロセス（非特許文献１〜６）を実施する為に効率的に使用されることが知られている。
・分散
・均質化及び乳化
・混合
・粉状化
・解凝集
【０００３】
これは、実務においては、多成分媒体（乳濁液、懸濁液、水溶液、及び水溶液系）の生成、水、乳などの食品の超音波殺菌（消毒）、工具及び医療器具の洗浄等のプロセスに関する。
【０００４】
超音波反応器の構成で実施される液状媒体の処置方法は、先行技術（非特許文献１）のように利用可能である。この方法は、液体の体積内で、ロッド放射器により超音波を発生させるものであり、ロッド放射器の端部には超音波発信源、通例では圧電放射器が装備されている。
【０００５】
ロッド放射器の形状、並びにロッド放射器の端部に複数の圧電放射器を取り付けることの可能性については多数の異なる計画が存在するが、これらはいずれも、ロッド放射器の下端部及び側壁におけるロッド振動の振幅を大きくするように計画されている（非特許文献８）。
【０００６】
これは、実務においては、十分に成長したキャビテーションゾーンが振動面から数センチメートルの距離にあることによる。従って、ロッドの底部は、最も効率的なゾーンと見なされており、これは、被処置液体内の、放射器の平坦な端部と平坦な底部との間で定在波が形成される為である。端部の底部の直径を５０〜７０ｍｍより大きくするのは困難である。被処置媒体の量、並びに、組成が異なる２つ以上の液状媒体を、混合することなく、１つの反応器で同時処置することには、制限がある。
【０００７】
液状媒体の超音波キャビテーション処置の別の方法が、回転パルス式均質化器として実施されている（非特許文献２）。
【０００８】
超音波処理チャンバにおいては、液体の周期的に反転する動きによって、固定子−回転子システムから、キャビテーション効果を有する超音波が形成される。これは、音響キャビテーションと流体力学的キャビテーションとの間の中間的なバージョンである。現時点では、このような均質化器が最も一般的である。それらは、かなりシンプルであり、超音波式よりずっと低コストであり、大量の液体の処置が可能である。
【０００９】
しかしながら、この方法にも、根本的な制限がある。
【００１０】
電気機械システムの効率が低い為（最大１０％）、超音波の電力が２〜３Ｗ／ｃｍ２に制限され、これは、多くのプロセスにとって、例えば、パラフィン油の分解や、砂とコンクリートの混合物の分解などにとって、不十分である。回転パルス式均質化器は、特に、懸濁液が約０．５ｍｍを超えるサイズの固体を含有している場合には、被処置液体の粘度において制限がある。
【００１１】
組成が異なる複数の媒体を同時に均質化することも不可能である。
【００１２】
２０１０年９月８日に出願されたロシア国特許第２４２７３６２号による、乳化化粧品調製品の生産方法も、本質的に同様である。
【００１３】
音響キャビテーションモードは、流動機械振動システム、即ち、有限長の矩形チャネルの内側の二重共振作用によって形成され、その対向する面において、複数の音響振動が同相で発生して、このチャネル壁の基本周波数で定在波が形成され、これらの音響振動が、チャネル壁間の隙間において、準平面定在波を可動多相媒体内に形成し、そのとき、チャネル壁の幅ｈが、この多相媒体において励振される波長の４分の１の倍数であり、チャネル壁の振幅は、乳濁液生産の異なる複数の段階において最適であり、この被処置可動多相媒体の音響キャビテーション閾値を超える。
【００１４】
液状被処置媒体内で音響振動振幅の連続共振強化が形成されて、最大約１００Ｗ／ｃｍ２のエネルギ蓄積を引き起こすことが可能になり、これは、共振周波数の約±１〜２ｋＨｚに近い狭い範囲に集中する。
【００１５】
幾つかある不利点のうちでも特に、流動型反応器が、異なる複数の媒体を混合せずに同時に処置することができない点が不利である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】ブローニン  Ｆ．  Ａ．  （Ｂｒｏｎｉｎ  Ｆ．Ａ．）著「高強度超音波場における固体のキャビテーション損傷及び分散の分析（Ａ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ  ｄａｍａｇｅ  ａｎｄ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｏｆ  ｓｏｌｉｄ  ｉｎ  ｈｉｇｈ−ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｆｉｅｌｄ）  」候補の（工学）論文の著者の要約、ＭＩＳＩＳ、１９６７年
【非特許文献２】チェルビャコフ  Ｖ．  Ｍ．（Ｃｈｅｒｖｙａｋｏｖ  Ｖ．Ｍ．）、オドノルコ  Ｖ．Ｇ．（Ｏｄｎｏｌｋｏ  Ｖ．Ｇ．）著「  回転装置で使用される流体動力学現象及びキャビテーション現象（Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ  ａｎｄ  ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ  ｐｈｅｎｏｍｅｎａ  ｕｓｅｄ  ｉｎ  ｒｏｔａｒｙ  ａｐｐａｒａｔｕｓ）」−  М．  ：  Ｉｚｄ−ｖｏ  Ｍａｓｈｉｎｉｓｔｒｉｅｎｙｅ、２００８年
【非特許文献３】ベルグマン  Ｌ．（Ｂｅｒｇｍａｎ  Ｌ．）著「超音波と、科学及び技術におけるその応用（Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ｓｃｅｎｃｅ  ａｎｄ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」−М．  ：  Ｉｎｏｓｔｒａｎｎａｙａ  ｌｉｔｅｒａｔｕｒａ１９５６年
【非特許文献４】シリチュク  Ｍ．Ｇ．（Ｓｉｒｉｔｙｕｋ  Ｍ．Ｇ．）著「超音波キャビテーションの実験的研究（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）」、Ｌ．Ｄ．ローゼンバーグ（Ｒｏｚｅｎｂｅｒｇ  Ｌ．Ｄ．）編集の「高強度超音波場（Ｐｏｗｅｒｆｕｌ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｆｉｅｌｄｓ）」より、１９６８年
【非特許文献５】マルグリス  Ｍ．Ａ．（Ｍａｒｇｕｌｉｓ  Ｍ．Ａ．）著「音響化学の基本原理  音響場における化学反応（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  ｓｏｎｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ．  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｒｅａｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｆｉｅｌｄｓ）」−  Ｍ．：  Ｖｙｓｓｈａｙａ  Ｓｈｋｏｌａ、１９８４年
【非特許文献６】クフメレフ  Ｖ．Ｎ．（Ｋｈｍｅｌｅｖ  Ｖ．Ｎ．）、ポポヴァ  Ｏ．Ｖ．（Ｐｏｐｏｖａ  Ｏ．Ｖ．）「多機能超音波装置と、農業及び家事における小規模生産条件下でのその応用（Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｕｎｄｅｒ  ｓｍａｌｌ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，  ｉｎ  ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｓ）」，  Ａｌｔ．  Ｇｏｓ．  Ｔｅｋｈ．  Ｕｎ−ｔ  ｉｍ．  Ｉ．Ｉ．Ｐｏｌｚｕｎｏｖａ．−Ｂａｒｎａｕｌ：  Ｉｚｄ−ｖｏ  ＡｌｔＧＴＵ．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、組成が異なる複数の液状媒体の同時キャビテーション処置を、混合を行わずに、１つの流動型反応器で行うことを可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この目的は、機械振動システム、即ち、矩形チャネルの隙間において、液状媒体とともに、被処置液状媒体を供給する付加流動チャネルを有することによって達成され、付加流動チャネルの材料の具体的な音響抵抗は、作動液の音響抵抗に近く、隙間の幅ｈは、システムチャネルの壁の基本周波数に等しい周波数での作動液における波長の４分の１の倍数であり、システムチャネルの壁の振動の振幅は、液状媒体内に流動チャネルが配置された作動液の内部体積全体にわたって、十分に成長した音響キャビテーションモードを形成する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る方法を実施する流動型反応器の断面図を示す。
【図２】本発明に係る方法を実施する一形態を示す写真である。
【図３】本発明に係る方法の一例を実施した場合の振動スペクトルを表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本方法を実施する流動型反応器の断面図を示す。
【００２１】
作動液２としては、具体的な音響抵抗が周知である水を推奨することが可能である。
【００２２】
付加流動チャネル３の材料としては、作動液２が水の場合には、ポリエチレン（密度が０．９２〜０．９４ｇ／ｃｍ３、長手方向の波の速度が約１９００〜１９５０ｍ／秒）又は他の材料を推奨することが可能である。
【００２３】
付加流動チャネル３の壁の厚さは、音響波通過損失を低減する為に最小限でなければならない。
【００２４】
図２は、本方法を実施する一形態を示す。振動システム、即ち、矩形チャネル１は、槽として作られ、作動液２は水である。付加流動チャネル３は、普通のポリエチレン製ホースから作られており、直径が１２ｍｍ、壁厚が１ｍｍである。
【００２５】
使用するポンプは、処置対象の液体の粘度及び組成に応じて、ダイアフラムポンプ、ローブロータリーポンプ、スクリューポンプ、ギヤポンプ等である。
【００２６】
壁（ダイヤフラム）を通過する周波数振動は、約４０ｋＨｚである。振動スペクトルの写真を図３に示す。
【００２７】
測定は、ロステスト（ＲＯＳＴＥＳＴ）の認証を受けた測定セクションを用いて行われ、この測定システムは、４３４４型加速度計及びブリューエルアンドケア（Ｂｒｕｅｌ＆Ｋｊａｅｒ）製２６３５増幅器と、パーソナルコンピュータで信号を記録する高速フーリエ変換機能を有するベレマン（Ｖｅｌｌｅｍａｎ）製ＰＣＳＵ１０００デジタルオシロスコープとで構成される。６０ｋＨｚのピーク分解能を有する線形目盛が使用される。
【００２８】
チャネル（槽）１の幅は４ｃｍであり、これは、この周波数における水中の波長の値に近い。作動液２は、流動モードであってよく、定常状態モードであってもよい。作動液２の流動モードは、チャネル１を、被処置媒体４とともに、必要な最適温度にする場合に都合がよい。
【００２９】
チャネル１の壁の振動の最大振幅は、約５〜６ミクロンであり、これは、作動液２内の音響波の振幅が約１００Ｗ／ｃｍ２であることと合致する（非特許文献３）。
【００３０】
この振動振幅は、作動液２内だけでなく、被処置媒体４を擁するポリエチレン製ホース（付加流動チャネル）３の内側にも、十分に成長したキャビテーションモードを発生させる。
【００３１】
媒体４として、実験において処置されたのは、化粧乳濁液、（重量比で最大２０％の）水を有するパラフィン油（パラフィン含有率は約４０％）、砂とコンクリートの混合物、練り歯磨き、靴クリーム、天然油及び合成油を有するアルコール溶液、ミルク、及び他の混合物であった。
【００３２】
従って、組成が異なる複数の液状媒体の同時キャビテーション処置の為に提案された本方法は、異なる複数の媒体を、混合せずに、単一反応器で処置することを可能にする。このアプローチは、実際の応用において都合がよく、例えば、少量多品種の製品を生産する場合に都合がよい。他の状況では、１つの反応器が、付加流動チャネルを適切に置き換えることにより、化粧調製品から、例えば、食料品又は練り歯磨き、或いは靴クリーム等に、生産を再調節することを可能にする。前述のように、反応器内の置き換え、及び付加流動チャネルの設計は、問題を引き起こさない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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