JPH0459937A - 超音波による気泡微細化方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、液中にガスを吹き込んで処理を行うプロセス
、すなわち、水処理における曝気処理や、溶融金属の精
錬、気泡塔等における、超音波による気泡微細化方法お
よびその装置に関するものである。

［従来の技術］ 液中に存在する気泡を微細化する方法には、いくつかの
方法かある。例えは、汚水を生物学的に処理するための
曝気装置に関しては、特開昭６３−１７８８９９号公報
に示されるものかある。この曝気装置１１は、第１０図
に示すように、処理槽中に設置した旋回羽根１２の表面
に多孔質の膜１６を貼り、膜を通してガス７を吹き込み
、該旋回羽根１２を回転させることにより、気泡か多孔
質膜を離脱する際にせん断力を加え、微細気泡を発生さ
せるものである（以下この方法を第１の方法と称する）
。

次に、熔融金属の精錬プロセスにおいては、特開昭５９
−１７９０７９号公報に示されるものがある。この方法
は、第１１図に示すように、ガスを吹き込むノズルの形
状をガスが吐出する際に旋回流が加わるように加工して
あり、このガスが旋回することにより生ずる液（熔融金
属）との接触面のせん断力により、気泡を微細化せしむ
ものである（以下この方法を第２の方法と称する）。

また、超音波による液中気泡の微細化方法として、特開
平１−１２７６２４号公報に示される方法がある。この
超音波による気泡微細化装置は、第１２図に示すように
、ガス７を吹き込むノズル８に超音波を加振し、気泡を
微細化せしめるものである（以下この方法を第３の方法
と称する）。

第１２図中２は超音波振動子、４は液、２０は耐火物を
示す。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、これらの方法には、いくつかの問題点が
あった。

まず、￥Ｓ１の方法においては、ガス吹き込み時点での
気泡微細化は達成できるが、気泡の上昇過程において凝
集合体して粗大な気泡となってしまうことは避は難く、
気泡上昇過程でも気泡を微細な状態で維持するためには
、何らかの気泡微細化手段を別途用いる必要があった。

次に、第２の方法においては、第１の方法の問題点の他
に、ガス吹き込み時の気泡微細化を達成するためには、
ある一定態上のガス吹き込み圧力を確保する必要があっ
た。

最後に、第３の方法においては、第１の方法の問題点の
他に、第１３図に示すように、ノズル８からのガス７吹
き込み量の増大に伴い、ガスの連続相の長さ（以下、こ
の長さを気泡到達距離１４と称する）がある値以上にな
ると、微細化しきれない気泡５が発生するため、工業的
な規模のプロセスへの適用が困難であるという問題があ
った。

本発明は以上のような従来技術に改善を加えて、液中に
存在する気泡の微細化を図ることにより、曝気処理プロ
セスや溶融金属の１＋ｉ！錬プロセス等の反応促進と効
率化を図ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するために、 （１）超音波を加振しながら液中にガスを吹き込んで処
理を行うにあたり、キャビテーション気泡の密なる領域
（以下、キャビテーション領域と称する）内にガスを通
過させることを特徴とする超音波による気泡微細化方法
、（２）超音波を加振しながら液中にガスを吹き込んで
処理を行うにあたり、液中に存在する気泡の通過する範
囲を、超音波加振による生成するキャビテーション領域
で覆うことを特徴とする超音波による気泡微細化方法、 （３）超音波を加振しながら液中にノズルを通してガス
を吹き込むに際し、ノズルの開口部を超音波加振により
生成するキャビテーション領域で覆うことを特徴とする
超音波による気泡微細化方法、 （４）超音波を加振しながら液中にガスを吹き込んで処
理を行うにあたり、ガスの流路を超音波ホーンの内部に
設け、この流路を通じてガスを吹き込む時にノズル先端
に生成するガスの連続相の長さを超音波加振により生成
するキャビテーション領域の到達長さ以下にすることを
特徴とする超音波による気泡微細叱方Ｙ去、 （５）周波数を３０ｋＨｚ以下とすることを特徴とする
前記（１）　、　（２）　、　（３）項または（４）項
記載の超音波による気泡ｍ細化方法、 （６）超音波出力を１００Ｗ以上とすることを特徴とす
る前記（１）　、　（２）　、　（３）　、　（４）項
または（５）項記載の超音波による気泡微細化方法、（
７）ｕ音波加振装置本体と液中に浸漬させた超音波ホー
ンまたは超音波先端チップ（以下、超音波ホーンと称す
る）を備えたことを特徴とする超音波による気泡微細化
装置、 （８）超音波ホーンは、気泡の上昇方向に対し、角度を
つけて設置したことを特徴とする前記（７）項記載の超
音波による気泡微細化装置、（９）超音波ホーンは、液
中に存在する気泡の通過する範囲の３０ｃｍ以内に設置
したことを特徴とする前記（７）項または（８）項記載
の超音波による気泡微細化装置、 （１０）超音波ホーンは、ガスを吹き込むノズル開口部
の３０ｃｍ以内に設置したことを特徴とする前記（ア）
項または（８）項記載の超音波による気泡微細化装置、 （１１）超音波ホーンは、複数、設置することを特徴と
する前記（７）　、　（８）　、　（９）項または（１
０）項記載の超音波による気泡微細化装置、 （１２）超音波ホーンの内部にガス通路を形成し、液中
にガスを吹き込む該超音波ホーンのノズルの孔数を複数
、設けたことを特１穀とする前記（ア）項記載の超音波
による気泡微細化装置、 （１３）超音波ホーン先端径を５ｍｍ以上としたことを
特徴とする前記（７）　、　（８）　、　（９）　、　
（１０）　、　（＋＋）項または（１２）項記載の超音
波による気泡微細化装置、 を要旨とするものである。

［作　　　用〕 まず、本発明者らは、超音波による液中気泡の微細化メ
カニズムを第１図に示す水モデル実験装置により検討し
た。該実験装置を簡単に説明すると、超音波ホーン１　
（材質は、金属でもセラミックス製でも可）の一端に超
音波振動子２を装着し、他端を液４を満たした容器３中
に浸漬し、超音波加振を行うことにより、ガス７をノズ
ル８から吹き込んで生成した気泡５に及ぼす超音波ホー
ン１の先端の超音波振動の影響を調査するためのもので
ある。

その結果、第２図に示すように、超音波の液中加振時に
超音波ホーン１の先端に生ずるキャビテーション領域６
内に侵入した気泡５のみが、微細化することを見いだし
た。これは、気泡の微細化メカニズムとして、キャビテ
ーション領域６内に存在しているキャビテーション気泡
９が圧壊する際に生ずる巨大な衝撃圧が、気泡を形成す
る気泡界面張力以上の力となって、気泡界面に作用する
ためである、と考えられる。

すなわち、液中に存在する気泡５は、ガス吹き込み時で
も、気泡上昇過程においても、キャビテーション領域６
内を通過させれば、微細化することがわかった。この結
果、曝気処理や精錬プロセスにおいて、気泡を微細化す
ることにより、反応の促進や効率の向上、さらには気泡
破裂に伴う液表面の揺動やスプラ・ソシュを低減するこ
とが可能となった。

［実　施　例］ 以下、図に示す実施例について説明する。

まず、第３図に示す実験装置にて、水中に超音波加振し
、超音波ホーン１先端に生成するキャビテーション領域
６の長さ１０に及はす超音波周波数と出力（超音波ホー
ン先端振幅）の影響を調査した。この時、超音波ホーン
１の材質は、チタン製で、超音波ホーンの先端径は４０
ｍｍであった。この結果を第４図に示した。第４図から
、超音波周波数を１０ｋ）ｌｚと２０　ｋＨｚで比へる
と、同一超音波ホーン先端振幅では、低周波数（１０ｋ
）１２）のほうが、キャビテーション領域長さが大きく
なること、また、出力（超音波ホーン先端振幅）が大き
くなるほど、キャビテーション領域長さが大きくなるこ
とがわかった。つまり、超音波による気泡微細化の効率
を向上させるためには、低周波で高出力にすることが有
効であると考えられる。

次に、第３図に示す実験装置にて、水中に超音波加振し
、超音波ホーン１の先端に生成するキャビテーション領
域６の長さ１０に及ぼす超音波ホーン先端径の影響を調
査した。この結果を第５図に示す。第５図から、超音波
ホーン先端径を２０ｍｍと４０ｍｍで比へると、同一超
音波ホーン先端振幅では、超音波ホーン先端径か大きい
（４０ｍｍ）はうが、キャビテーション領域長さが大き
くなることかわかった。つまり、超音波による気泡微細
化の効率を向上させるためには、超音波ホーン先端径を
大きくすることが有効であると考えられる。

そして、第１図に示す実験装置にて、水中に空気を吹き
込んで気泡を生成し、超音波を加振して気泡微細化効果
を調査した。発明者らの観察によれば、吹き込みガス流
量に関係なく、キャビテーション傾域内に侵入した気泡
は、全て当初（＠細化される以前の）気泡径の１／１０
以下に微細化された。

また、第６図に示す実験装置にて、水と空気の二相流れ
に空気の気泡の通る流路断面を全てキャビテーション領
域６で覆うように超音波加振したところ、流路を上昇し
てくる全ての気泡５を微細化することが可能であること
がわかった。図中３は容器、４は水である。

さらに、第７区に示す実験装置にて、空気７を吹き込む
ノズル８の断面を全てキャビテーション領域６で覆うよ
うに超音波加振したところ、気泡到達長さがキャビテー
ション領域よりも小さいガス流量範囲においては、全て
の気泡を微細化することが可能なことがわかった。

そして、第８図に示す実験装置にて、超音波ホーン１の
中にガス７の流路を設け、このガス流路を通して空気を
水中に吹き込み、超音波加振したところ、気泡到達長さ
がキャビテーション領域６よりも小さいガス流量範囲に
おいては、全ての気泡を微細化することが可能なことが
わかった。

最後に、第８図の実験装置における同一超音波加振条件
での気泡微細化が可能な吹き込みガス量の増大を図るた
め、第６図の超音波ホーンのノズル形状を第９図（Ａ）
　、　ＣＢ）　に示すように変更（孔数を増大）し、ガ
ス流路を通じて空気を水中に吹き込み、超音波加振した
ところ、気泡到達長さがキャビテーション領域よりも小
さいガス流量範囲においては、全ての気泡を微細化する
ことが可能なことがわかった。この結果、第８図に示す
ような方法による超音波による気泡微細化の効率向上（
同一超音波加振条件における気泡微細化比率増大）には
、ガス吹き込みノズルの孔数を増大し、気泡到達距離を
減少させることが有効なことがわかった。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明は液中を上昇する気泡をキャ
ビテーション領域内に導いて微細化するものであるから
、気泡の微細化を確実にかつ容易に行うことができ、液
中へのガス吹き込みを行う処理プロセスの効果を著しく
増大させることができる顕著な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実験装置を例示する断面図、第２図は
本発明に係るキャビテーション領域を説明する模式図、
第３図は実験装置を例示する断面図、第４図及び第５図
は実験結果を示す、超音波ホーン先端振幅とキャビテー
ション領域長さとの関係を示す図、第６図、第７図、第
８図は本発明の実施例装置を示す断面図、第９図（Ａ）
及び（Ｂ）は本発明に係るノズルを例示する側面図及び
正面図、第１０図、第１１図（八）、（Ｂ）、Ｍ　１２
図は従来技術の説明図、第１３図は吹き込みガスの連続
相の長さを説明する断面図である。 １・・・超音波ホーン　２・・・超音波振動子３・・・
容器　　　　　４・・・液体 ５・・・気泡 ６・・・キャビテーション領域 ７・・・ガス　　　　　８・・・ノズル９・・・キャビ
テーション気泡 １０・・・キャビテーション領域長さ １１・・・曝気装置　　１２・・・旋回羽根１３・・・
膜体　　　　１４・・・気泡到達距離他４名 第１図 第３図 ＩＯ：キャビテーション領域長さ 第４図 超音ホーン先端振幅（μｍ） 第５図 超音ホーン先端振幅（μｍ） 第 図 ３・容器 第 図 ア （△）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　超音波を加振しながら液中にガスを吹き込んで処理
   を行うにあたり、超音波加振にともない生成するキャビ
   テーション気泡の密なる領域内にガスを通過させること
   を特徴とする超音波による気泡微細化方法。 ２　超音波を加振しながら液中にガスを吹き込んで処理
   を行うにあたり、液中に存在する気泡の通過する範囲を
   、超音波加振により生成するキャビテーション気泡の密
   なる領域で覆うことを特徴とする超音波による気泡微細
   化方法。 ３　超音波を加振しながら液中にノズルまたは羽口を通
   じてガスを吹き込むに際し、ノズルの開口部を超音波加
   振により生成するキャビテーション気泡の密なる領域で
   覆うことを特徴とする超音波による気泡微細化方法。 ４　超音波を加振しながら液中にガスを吹き込んで処理
   を行うにあたり、ガスの流路を超音波ホーンの内部に設
   け、この流路を通じてガスを吹き込む時にノズル先端に
   生成するガスの連続相の長さを超音波加振により生成す
   るキャビテーション気泡の密なる領域の到達長さ以下に
   することを特徴とする超音波による気泡微細化方法。 ５　周波数を３０ｋＨｚ以下とすることを特徴とする請
   求項１、２、３または４記載の超音波による気泡微細化
   方法。 ５　超音波出力を１００Ｗ以上とすることを特徴とする
   請求項１、２、３、４または５記載の超音波による気泡
   微細化方法。 ７　超音波加振装置本体と液中に浸漬させた超音波ホー
   ンまたは超音波先端チップを備えたことを特徴とする超
   音波による気泡微細化装置。 ８　超音波ホーンは、気泡の上昇方向に対し、角度をつ
   けて設置したことを特徴とする請求項７記載の超音波に
   よる気泡微細化装置。 ９　超音波ホーンは、液中に存在する気泡の通過する範
   囲の３０ｃｍ以内に設置したことを特徴とする請求項７
   または８記載の超音波による気泡微細化装置。 １０　超音波ホーンは、ガスを吹き込むノズル開口部の
   ３０ｃｍ以内に設置したことを特徴とする請求項７また
   は８記載の超音波による気泡微細化装置。 １１　超音波ホーンを、複数、設置したことを特徴とす
   る請求項７、８、９または１０記載の超音波による気泡
   微細化装置。 １２　超音波ホーンの内部にガス通路を形成し、液中に
   ガスを吹き込む該超音波ホーンのノズルの孔数を複数、
   設けたことを特徴とする 請求項７記載の超音波による気泡微細化装置。 １３　超音波ホーンの液中に浸漬する側の径を５ｍｍ以
   上としたことを特徴とする請求項７、８、９、１０、１
   １または１２記載の超音波による気泡微細化装置。