JP5115929B2 - 液状物質の処理装置 - Google Patents

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本発明は、油水エマルジョンの製造、飲料液や医薬・化粧品の加工、廃水処理などの各種プロセスにおいて、液状物質の微粒化・安定エマルジョン化・均質化・滅菌などを目的とする液状物質の処理装置に係わる。
近年油水エマルジョンの優れた燃焼性能が注目され、長時間安定したエマルジョンを維持するために界面活性剤の添加や撹拌操作に加えて超音波の強い分散乳化作用を利用する目的で２０ｋＨｚ程度の低周波数領域の超音波が照射される（例えば、特許文献１参照）。また、有機廃水のメタン化前処理においても汚泥粒子の可溶化目的で超音波の破砕作用を利用するなど、液状物質の処理では多分野で低周波数領域の超音波が利用されている。
超音波発振法としては圧電型や磁歪型のほかに、ハルトマン法として知られている噴気式がある（例えば、非特許文献１、及び２参照）。この方法は共鳴空洞に高速気流を噴気して発振させる方法で、空洞の直径をｄ，深さをＬ，媒体の音速をＶとすると近似的に周波数Ｎ≒Ｖ／４（Ｌ＋０．３ｄ）の音波が発振される現象に基づくもので、構造簡単で取り扱い容易であるが、超音波を得るためにはＬ及びｄを小さくする必要があり、小型で低周波数領域の超音波発振に利用される。
一方、液状物質のエマルジョン化・均質化・滅菌などを目的として、周知の水蒸気エゼクターによって発生する超音速の衝撃波を利用する方法がある（例えば、特許文献２参照）。この方法は比較的構造が簡便で運転も容易であるが、機械的効率が低いので、駆動エネルギー（水蒸気使用量）を可及的に少なくする設計的配慮が必要とされる。（例えば、非特許文献３）
特開２００６−２８２１５ 特開平４−２５６４２８、及び特表平７−５０６５２７ 日刊工業新聞社発行・飯田康夫著「ソノプロセスのはなし」、など 小林理研ニュースＮｏ．３３．２及びＮｏ．３４．２ 丸善株式会社発行・化学工学便覧「スチームエゼクター」、など
以上の背景に鑑み本発明は、液状物質の微粒化・安定エマルジョン化・均質化・滅菌などを目的とし、可及的に簡単な構成で、水蒸気量などの駆動エネルギーが少なく且つ効果的な処理方法及び装置の創出を課題としている。
上記課題を解決するために、本発明は前記の噴気式超音波発振法とエゼクター法がいずれも駆動源として同一の高圧ガス（水蒸気）を使用することに着目したもので、両法を一体化して、超音波とエゼクターの同時相乗効果により性能を向上せしめると共に、高圧ガスを両者に併用することにより省エネルギー化も図るものである。
また、請求項１に記載の発明は、一端に反射鏡を有する円環室内に高圧ガス噴射口と共鳴空洞とを放射状に多数対峙させて超音波を発振せしめると共に、該円環室の他端を収縮円錐環を介して収縮・拡大ノズル（ラバールノズル）に連結してエゼクターを構築することにより液状物質を吸引・混合せしめて、液状物質に超音波とエゼクターの両効果を同時相乗的に作用せしめることを特徴とする、液状物質の処理装置である。
請求項１に記載の発明によれば、超音波発振装置とエゼクターとが一体化されてコンパクトな構成となるのみならず、前記のように両者の駆動には同一の高圧ガスを共通利用できるので、少ない高圧ガス使用量により超音波とエゼクターの効果を同時相乗的に発揮する装置を構築できる効果がある。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施例の断面図、図２は図１のＡ部詳細図、図３は、図１のＰＰ断面図、をそれぞれ示す。
図において、圧縮空気や水蒸気などの高圧ガス１は高圧ガス入口２より円筒状の高圧ガス室３に供給され、高圧ガス室３を形成する内筒４には噴気孔５を有する噴気ノズル６を放射状に多数（図示例では８ヶ）固定すると共に、内筒４と嵌合する外筒７には共鳴空洞８を有する共鳴器９を噴気孔５と同一中心線上に対峙して固定する。内筒４の外面と外筒７の内面とで構成される円環室１０の一端には反射鏡１１を設け、他端を収縮円錐環１２と結合せしめ該収縮円錐環１２の末端には収縮・拡大ノズル（ラバールノズル）１３を構築する。反射鏡１１は、発振した超音波を的確に反射させるために、噴気ノズル先端６’と共鳴空洞の距離Ｘの約１／２の中心点を焦点とする放物線の回転体で構築するとよい。収縮・拡大ノズル１３の出口には原液入口１４と連通する液室１５を設けると共に、収縮・拡大ノズル１３の出口に対峙して収縮管１６と咽喉管１７とで構成される混合ノズル１８を設け、更にこれに連ねて拡大ノズル１９と処理液出口２０を設けることによって周知のようなエゼクターを構築せしめる。図中、２１は原液、２２は処理液を示す。
以上の構成により、以下高圧ガスとして水蒸気を用いた場合について作用を説明する。高圧ガス室３に供給された水蒸気は噴気孔５から共鳴空洞８に噴射され，共鳴空洞８の直径ｄ＝４ｍｍ，深さＬ＝４ｍｍとして水蒸気中の音速Ｖ≒４００ｍ／秒とすると、発振音波の周波数Ｎ≒Ｖ／４（Ｌ＋０．３ｄ）≒２０ｋＨｚとなり、液状物質処理に適した低周波数領域の超音波が発振される。この超音波は円環室１０から収縮円錐環１２を経て集約されて高密度となり、収縮・拡大ノズル１３に達して水蒸気流と共に進行する。
収縮・拡大ノズル１３から噴出する高速水蒸気流で発生する真空作用で、原液入口１４から液室１５に供給される原液２１を吸引し、気液混合すると同時に水蒸気の急速な凝縮によって衝撃波を生じるので、収縮管１６と咽喉管１７とで構成される混合ノズル１８内において強力な衝撃混合が行なわれ、その後に拡大ノズル１９で静圧を回復して処理液出口２０から排出される。このような周知の水蒸気エゼクター効果に加えて、本法では前記のように収縮円錐環１２で集約された高密度の超音波が混合ノズル１８に達して超音波の強い粒子破砕作用と分散乳化作用が付加されるので、従来のエゼクター処理に比して、より強力な微粒化・安定エマルジョン化・均質化・滅菌などの処理が可能になる。
上記のうち、使用される水蒸気は飽和水蒸気でもよいが、噴気孔５から噴気された際の温度低下により水蒸気の一部が凝縮して後段のエゼクター作用に支障をきたすおそれがあるので、これを防ぐために過熱水蒸気を使用するとよい。また上記では、エゼクターへの原液入口１４は１箇所としているが、特許文献２などに示されているように原液を複数個所から供給する方式を採用することもできることは勿論である。
本発明の実施例の断面図 図１のＡ部詳細図 図１のＰＰ断面図
符号の説明
１ 高圧ガス
２ 高圧ガス入口
３ 高圧ガス室
４ 内筒
５ 噴気孔
６ 噴気ノズル
６’ 噴気ノズル先端
７ 外筒
８ 共鳴空洞
９ 共鳴器
１０ 円環室
１１ 反射鏡
１２ 収縮円錐環
１３ 収縮・拡大ノズル（ラバールノズル）
１４ 原液入口
１５ 液室
１６ 収縮管
１７ 咽喉管
１８ 混合ノズル
１９ 拡大ノズル
２０ 処理液出口
２１ 原液
２２ 処理液

Claims (1)

  1. 一端に反射鏡を有する円環室内に高圧ガス噴射口と共鳴空洞とを放射状に多数対峙させて超音波を発振せしめると共に、該円環室の他端を収縮円錐環を介して収縮・拡大ノズル（ラバールノズル）に連結してエゼクターを構築することにより液状物質を吸引・混合せしめて、液状物質に超音波とエゼクターの両効果を同時相乗的に作用せしめることを特徴とする、液状物質の処理装置。
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