JPH05133683A

JPH05133683A - 超音波を用いた乾燥装置

Info

Publication number: JPH05133683A
Application number: JP29400491A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamane; 宏之山根
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-11-11
Filing date: 1991-11-11
Publication date: 1993-05-28

Abstract

(57)【要約】【目的】常温かつ短時間で試料に含まれた水分等を効
率良く除去して乾燥作業を行うことの可能な超音波を用
いた乾燥装置を提供する。【構成】送風機により乾燥すべき試料１の近傍に気流
を発生させ、超音波駆動源３、４により長方形状の振動
板２をその長手方向に曲げ振動が起るように駆動して、
この振動板２から超音波を放射させ、さらに反射部材８
により振動板２から放射された超音波を試料１に向けて
反射させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水分等を含む試料から
この水分等を除去して乾燥、脱水を行う超音波を用いた
乾燥装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、水分等を含んだ試料からこの水分
等を除去して乾燥、脱水を行う方法としては、ヒーター
等により試料に熱を加えて水分等を蒸発させる、送風機
等により試料に気流を当てて水分等を蒸発し、あるいは
水分等を飛散させる、試料を乾燥した外気中に露出す
る、あるいは、遠心分離機、振動機等により水分等を強
制的に分離するような方法があった。一般の乾燥炉はこ
れらの方法を併用しており、すなわち、ヒーターで加熱
した空気を送風機により試料に当てて水分等を蒸発さ
せ、かつ、この試料に振動、回転攪拌等の力を加えて乾
燥を促進させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の乾燥炉は加熱、送風、運動のためのエネルギー
が必要であるとともに、これらエネルギーが必ずしも試
料に含まれた水分等の乾燥に有効に利用されておらず、
所定の乾燥効率を得るためのエネルギーが大量に必要と
なってランニングコストが嵩む、という問題があった。
また、加熱された空気は試料からの水分等の蒸発も加わ
って高温・多湿状態となっているため、速やかに試料近
傍から除去せねばならないが、除去された空気は単に室
外に排出されるのみで熱エネルギー等の再利用も図られ
ておらず、この面からもランニングコストを上昇させる
要因となっていた。

【０００４】さらに、試料の性質によっては、加熱によ
る試料自体の変形、状態変化、あるいは送風・振動によ
る試料自体の変形が不可避であり、従って、試料の変形
等の影響を極力抑制するために加熱量、送風量等を緩や
かにせざるを得ない場合がある。例えば、氷温に近い低
温で貯蔵すべき生鮮品の乾燥を行う場合には、温度上昇
が腐敗温度を上回らないように注意深く加熱する必要が
ある。しかしながら、加熱量、送風量等を緩やかにすれ
ばその分乾燥効率も低下するため、乾燥時間が長時間必
要となる、という問題もあった。

【０００５】本発明の目的は、常温かつ短時間で試料に
含まれた水分等を効率良く除去して乾燥作業を行うこと
の可能な超音波を用いた乾燥装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１に対
応付けて説明すると、本発明は、乾燥すべき試料１に含
まれた水分を除去して乾燥させるための乾燥装置に適用
される。そして、請求項１の発明は、前記試料１から蒸
発する水分を排出するための気流を発生させる送風機
と、長方形状の振動板２と、前記振動板２をその長手方
向に曲げ振動が起るように駆動して、この振動板２から
超音波を放射させる超音波駆動源３、４と、前記振動板
２の両面から放射された超音波を前記試料１に向けて反
射する反射部材８とを設けることにより上述の目的を達
成している。また、請求項２の発明は、請求項１に記載
の乾燥装置において、互いの面が平行となるように前記
振動板２を複数枚配置したものである。

【０００７】

【作用】超音波駆動源３、４により長手方向に曲げ振動
が起るように駆動された振動板２は、その周囲に超音波
を放射する。振動板２から放射された超音波の一部は試
料１に向かって直接進行し、また、一部は反射板８で反
射されて試料１に向かって進行する。試料１近傍まで伝
播された超音波はこの試料１の表面近傍の空気を振動さ
せ、試料１表層の飽和状態にある湿り空気を強制的に乾
燥空気と交換して蒸発・乾燥が促進される。また、超音
波の高音圧は試料１の内部にも影響し、内部の水分を表
面近傍に移動させ、乾燥を促進させる作用がある。そし
て、蒸発させられた水分等の蒸気は、送風機による気流
により試料１近傍から直ちに除去され、排出される。

【０００８】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例につ
いて詳細に説明する。図１〜図２は本発明による超音波
を用いた乾燥装置の一実施例を示す図であって、図１は
平面図、図２は斜視図である。

【００１０】これらの図において、１は水分等が含まれ
た乾燥すべき試料、２はこの試料１の近傍に配置された
長方形状の振動板であり、本実施例では、その面が互い
に平行となるように２枚の振動板２が設けられている。
３は超音波振動を発生する超音波振動子（ドライバ
ー）、４はこの超音波振動子からの超音波振動を振動板
２に伝達するホーンであり、このホーン４は一方の振動
板２の中央部に固着されている。５は２枚の振動板２を
その中心が振動振幅の最大位置において振動されるよう
に連結するためのジョイント金具である。

【００１１】これら超音波振動子３、ホーン４およびジ
ョイント金具５は、振動板２の長手方向に曲げ振動が優
勢に起るようにこの振動板２を駆動して、振動板２から
所定周波数（共振周波数）の超音波を放射させるもので
あり、この観点からホーン４、ジョイント金具５の形状
・材質、振動板２の形状・材質、ホーン４、ジョイント
金具５の固着位置、および振動板２間の距離等が定めら
れている。このような振動板２、振動子３、ホーン４お
よびジョイント金具５は縞モード矩形振動板型超音波音
源と呼ばれ、大容量、高効率の超音波音源として本発明
者等により発明されたものである（例えば日本音響学会
誌，23，3・4合併号，pp.83〜91(昭42)ほか参照）。な
お、本実施例では、振動板２、ホーン４、ジョイント金
具５ともに疲労強度が大きく、損失の少ないアルミニウ
ム合金（ジュラルミンなど）やチタン合金で形成されて
いる。

【００１２】ここで、曲げ振動とは、弾性体の板が伸縮
の生じない面を持ち、かつ、その面が屈曲するように変
形する振動をいい、たわみ振動とも呼ばれる。曲げ振動
は、曲げ波が一定方向に伝播することにより生じ、本実
施例では、この曲げ波が振動板２の長手方向に伝播す
る。曲げ波は、棒状や板状などの弾性体に生じる曲げの
変形が伝わる波であり、板状の物体では面と垂直な方向
に変位が生じる横波の一種である。図３に、振動板が長
方形の場合の曲げ振動、曲げ波を模式的に表したものを
示す。

【００１３】６は超音波振動子３を駆動するジェネレー
タであり、振動板２が予め定められた共振周波数で振動
するように超音波振動子３を駆動する。この際、周囲温
度の変化により、超音波振動子３、ホーン４、振動板
２、およびジョイント金具５を含めた共振周波数が変動
するので、ジェネレータ６はホーン４から振動周波数を
フィードバックしてこれを一定範囲内に収める周波数制
御機能を備えている。なお、本実施例では、振動板２か
ら放射される超音波の周波数は20[kHz]±５００［Ｈ
ｚ］とした。７はアンプであり、ジェネレータ６からの
駆動信号を増幅する。アンプ７の出力は振動板２の大き
さとの関係で定まり、本実施例ではおよそ５００［Ｗ］
〜1000[W]程度の出力である。

【００１４】８は音響反射板であり、振動板２を挾んで
試料１の反対側に設けられている。この反射板８は、振
動板２から放射される周波数の超音波に対して良好な反
射率を有する材質から形成されている。また、この反射
板８の形状は、各反射板８上において振動板２から放射
される超音波が同位相となり、かつ、この超音波が試料
１に向かって有効に反射されるように定められている。
また、本実施例の乾燥装置には不図示の送風機が付設さ
れ、この送風機は、試料１表面において図１に矢印で示
す方向に蒸発水分を排出させるに足る、低速の気流を発
生させている。

【００１５】なお、請求の範囲と実施例との対応におい
て、音響反射板８は反射部材を構成している。

【００１６】以上のような構成において、ジェネレータ
６、アンプ７を介して超音波振動子３を駆動し、この振
動子３が発生する超音波振動をホーン４、ジョイント金
具５を介して振動板２に伝達すれば、振動板２の長手方
向に曲げ振動が優勢に起るようにこの振動板２が駆動さ
れ、超音波が放射される。この際、本実施例では振動板
２が長方形状に形成されているので、この振動板２によ
る超音波音場は、本発明者等の研究結果によれば図４に
示すようなものになる（例えば日本音響学会誌，32，
２，pp.83〜91(昭51)参照）。また、このときの振動板
２の振幅は、振動板２の板厚が1〜5[mm]程度であれば、
振動板２がアルミニウム合金で約20[μm]、チタン合金
で約30[μm]である。なお、本実施例の振動板２によれ
ば、図１２に示すような寸法の振動板によって150[dB]
以上の音圧を発生できることが実験により確認されてい
る。参考までに、音圧レベルと粒子速度の実効値との関
係を図１３に示す。

【００１７】振動板２から放射された超音波の一部は試
料１に向かって直接進行し、また、一部は反射板８で反
射されて試料１に向かって進行する。試料１近傍まで伝
播された超音波は、この試料１近傍の空気を（および試
料１が多孔質物質であれば試料１内部の空気も）５[m/
s]（音圧レベル160[dB]の場合）の粒子速度で振動さ
せ、試料１表層の飽和状態にある空気を乾燥空気と交換
して蒸発・乾燥が行われる。この際、試料１内部の温度
上昇はほとんどないことが本発明者等の実験結果から明
らかになっている。そして、蒸発させられた水分等の蒸
気は、送風機による気流により試料１近傍から直ちに除
去され、排出される。

【００１８】従って、本実施例によれば、超音波により
試料１近傍の空気を５[m/s]（音圧レベル160[dB]の場
合）の粒子速度で振動させ、試料１表層の飽和状態にあ
る空気を乾燥空気と交換して試料１を乾燥させているの
で、従来の乾燥炉に比較して効率良く水分等の除去、乾
燥を行うことができる。すなわち、図５〜図７は本発明
者による実験結果を示す図であり、図５に示すように、
常温の空気を送風した場合の水分の除去割合に比較して
超音波乾燥を付加した場合の水分の除去割合が顕著に向
上していることが理解できる。この超音波乾燥の能率
は、図６に示すように、常温での比較で１／４に乾燥時
間が短縮でき、また図７に示すように加温気流を使用す
ることによって、さらに短縮できる。

【００１９】さらに、送風機による送風は試料１近傍に
存在する湿度の高い空気を除去することが主目的であ
り、送風速度を大きくとる必要もないので、ランニング
コストの低減を図ることもできる。加えて、試料１に振
動、回転攪拌力を加えずとも十分な乾燥効果を得ること
ができるため、この面からもランニングコストの低減を
図ることもできる。

【００２０】しかも、上述のごとく超音波乾燥は試料内
部の温度上昇を招くこともないため、常温のままで試料
１の乾燥を行うことが可能である、という優れた効果も
ある。これにより、高温により変質してしまう生鮮品や
医薬品の乾燥又、綿繊維等の多孔質材料等の空気の通り
にくい材料についての乾燥について変質を招くことなく
短時間で効率良く行うことが可能となる。

【００２１】特に、本実施例では、振動板２から放射さ
れる超音波を直接、あるいは反射板８により反射させて
試料１に向けて伝播させ、この超音波により試料１の乾
燥を行っているので、放射された超音波のほとんどが試
料１の乾燥のために用いられ、この面からも効率の良い
乾燥作業を行うことができる。さらに、本実施例で使用
した振動板２等は上述の縞モード矩形振動板型超音波音
源であり、この種の超音波音源は大容量、高効率な超音
波音源であるので、この面からも効率の良い乾燥を行う
ことができる。

【００２２】なお、本発明の超音波を用いた乾燥装置
は、その細部が上述の一実施例に限定されず、種々の変
形が可能である。一例として、一実施例では２枚の振動
板２を用いていたが、振動板２の枚数に限定はなく、例
えば、図８に示すように３枚、４枚の振動板２を設けて
もよい。本発明の振動板２は共振周波数の関係からその
寸法等に所定の条件があり、必要以上に広くすることが
できない。そこで、振動板２を広くするかわりに振動板
２の枚数を増やすことで、乾燥できる範囲を広くとるこ
とが可能になる。

【００２３】この際、振動板２間を連結するジョイント
金具５も、共振周波数の関係から一定の制約を受ける
が、図１３に示すように、ジョイント金具５の中央部に
凸または凹の段を設けることで、振動板２間の距離を任
意に調整することが可能である。すなわち、図１４(ａ)
のような断面形状が一様なジョイント金具５の場合、こ
のジョイント金具５の長さＬ₀は

【数１】なる関係式で規定され、ｆおよびｃにより一意的に決定
されてしまう。さらに、複数の振動板２から発生される
超音波が互いに干渉してその強度を強め合うように振動
板２間を連結するという条件より、振動板２間の距離も
定まる。この距離は、振動板２の短辺の長さのおよそ２
倍とされる。

【００２４】実際に、このジョイント金具５をジュラル
ミンで構成する場合、ジュラルミンの音速ｃ＝5.0×10⁵
[cm/s]であり、また、ジェネレータ６が発生する超音波
の周波数をｆ＝20[kHz]とすれば、１本のジョイント金
具５の長さＬ₀は

【数２】となる。また、振動板２間を連結するために必要なジョ
イント金具５の本数は、上述の図１２に示した振動板の
値を代入すれば、

【数３】となる。しかしながら、厳密に考えると、振動板２の短
辺の長さが16.88[cm]の場合には長さ12.5[cm]のジョイ
ント金具５を３本連結しても3.7[cm]不足し、逆に、短
辺の長さが19.31[cm]の場合には長さ12.5[cm]のジョイ
ント金具５を３本連結すると1.1[cm]余ってしまう、と
いう不都合が生じる。従って、振動板２間の距離に応じ
てジョイント金具５の長さＬを任意に定めうることが好
ましい。

【００２５】図１４(ｂ)、(ｃ)に示すように、ジョイン
ト金具５の直径を２段（Ｄ₁、Ｄ₂）にすればその長さＬ
を任意に定めることができ、この場合、まず一方の直径
Ｄ₁を定め、

【数４】を満足するようにＤ₂および各段部の長さ（の半分）
ｌ₁、ｌ₂を定めればよい。例えば、断面一様の場合の長
さＬ₀より長くする場合（Ｌ＞Ｌ₀）、図１４(ｂ)に示す
ように中央部を凸の段とすればよい。一方、断面一様の
場合の長さＬ₀より短くする場合（Ｌ＜Ｌ₀）、図１４
(ｃ)に示すように中央部を凹の段とすればよい。

【００２６】また、本発明の乾燥装置に用いられる振動
板２は矩形に限定されず、例えば図９に示すように振動
板２を円筒形に形成してもよい。図９の場合は、振動板
２の中心に音場が集束するので、この中心部に試料１を
配置すればよい。また、反射板８の形状も一実施例に限
定されず、例えば、図１０に示すように円弧状の反射板
８を設けてもよく、あるいは、図１１に示すように角度
の異なる複数の山形の反射板８を設けてもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、振動板から放射されて直接試料に向けられ、およ
び反射板により反射されて試料に向けられた超音波によ
り試料近傍の空気を振動させ、試料表層の飽和状態にあ
る湿り空気を強制的に乾燥空気と交換して水分の蒸発を
促進させているので、従来の乾燥炉に比較して効率良く
水分等の除去、乾燥を行うことができるとともに、ラン
ニングコストの低減を図ることもできる。しかも、超音
波乾燥は試料内部の温度上昇を招くこともないため、常
温のままで試料の乾燥を行うことが可能である。よっ
て、本発明によれば、常温かつ短時間で試料に含まれた
水分等を効率良く除去して乾燥作業を行うことの可能な
超音波を用いた乾燥装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である超音波を用いた乾燥装
置を示す平面図である。

【図２】同一実施例の斜視図である。

【図３】縞モード矩形振動板の振動モードと変位分布を
示す図である。

【図４】縞モード矩形振動板の超音波音場の角度依存性
を示す図である。

【図５】除去された水の重量と経過時間との関係を示す
図である。

【図６】試料の含水率と経過時間との関係を示す図であ
る。

【図７】図６と同様の図である。

【図８】振動板の変形例を示す図である。

【図９】図８と同様の図である。

【図１０】反射板の変形例を示す図である。

【図１１】図１０と同様の図である。

【図１２】振動板の寸法の一例を示す図である。

【図１３】音圧と粒子速度の実効値との関係を示す図で
ある。

【図１４】ジョイント金具の例を示す図である。

【符号の説明】

１試料２振動板３超音波振動子４ホーン５ジョイント金具６ジェネレータ７アンプ８反射板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】乾燥すべき試料から蒸発する水分を排出
するための気流を発生させる送風機と、少なくとも互いに平行な２辺を有する振動板と、前記振動板をその長手方向に曲げ振動が起るように駆動
して、この振動板から超音波を放射させる超音波駆動源
と、前記振動板から放射された超音波を前記試料に向けて反
射する反射部材とを備えたことを特徴とする超音波を用
いた乾燥装置。
【請求項２】請求項１に記載の乾燥装置において、前記振動板は、互いの面が平行となるように複数枚配置
されていることを特徴とする超音波を用いた乾燥装置。