JP2001524355A

JP2001524355A - 超音波装置を組み込んだ水殺菌システム

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Publication number: JP2001524355A
Application number: JP2000522955A
Authority: JP
Inventors: シー．ダーウィン，ローレンス
Original assignee: シー．ダーウィン，ローレンス
Priority date: 1997-12-03
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2001-12-04
Also published as: WO1999027972A1; CA2311806A1; EP1035874A1; CA2311806C; EP1035874A4; US6071473A; WO1999027972A8

Abstract

(57)【要約】方法及び装置が、紫外線水殺菌システムと共に超音波エネルギを使用するために開示される。超音波発信器アセンブリ（３６）が、超音波エネルギを生成するために、殺菌室の一つの端部の中または周りに設置される。超音波振動がその後、定常的及び間欠的ベースで自動的に適用されて、殺菌室内の構成要素を清掃し、水中の溶解鉱物及び有機物質によりスケール付着を引き起こす化学的及び物理的な作用を崩壊する。超音波振動が、水の流れ及び動揺により防止的な清掃作用を生じる。実際の清掃はまた、キャビテーション及び清掃作用により生成される。清掃作用は、殺菌室内のコールド及びホットスポットの変動を生成することにより、殺菌室内にＵＶランプ（１６）を収容する石英管（２６）を均一に清掃できる周波数変調により実現される。超音波振動も殺菌作用を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】・発明の分野本発明は、一般的には水殺菌システムに係わり、より特別には、その様なシス
テムにおいてスケール及び別の好ましくない物質の多重の形成を清掃し防止する
ために超音波を使用する装置及び方法に関する。

【０００２】・発明の背景超音波振動はタンク等の静的な流体システム内の面及び作業対象物の清掃に使
用されてきた。汚染物の形成を破壊したりあるいは防止する空洞を形成するキャ
ビテーションとして知られる方法により、清掃が実施される。超音波清掃の空洞
は主に、圧力の変化を伴い膨張、収縮及び崩壊する気泡によるものであり、それ
により表面からスケールや別の汚染物を分離し取り除く。理論的には空洞は、複
数の核で形成される。複数の核は例えば、液体の中に既に存在する小さな空気の
気泡、液体を含む容器の壁の割れ内のガスの小さなポケット（窪み）又はほこり
粒子あるいは液体内の別の微小粒子等を含む種々の形状を形成できる。幸運にも
、キャビテーションに必要な核は、ほこりの移動のような何らかの変化が必要な
表面に自然に存在しており、従って最も必要な場所に一般的に発生する。これは
多分、汚れた表面の完全な濡れは一般的に発生しないからである。代わりに空気
が、スケール粒子の下で壁の割れ目、あるいはほこり粒子を部分的に囲む膜の内
に留まる場合がある。空気ポケット及び膜は、キャビテーション気泡の核の発生
源として作用することがある。

【０００３】超音波エネルギがキャビテーションを発生する機構について、フレデリック超
音波エンジニアリング社（ＦｒｅｄｅｒｉｃｋＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＥｎｇ
ｉｎｅｅｒｉｎｇ、ＪｏｈｎＷｉｌｅｙａｎｄＳｏｎｓ．Ｉｎｃ．）１９
６５により説明されている。理論的には核は、平衡を崩す何らかの熱的、機械的
又は化学的な変化が流体内に発生するまでは、静止状態のままである。その様な
変化により気泡は成長するか又は崩壊する。超音波は、超音波が伝搬する流体の
圧力の上及び下、正及び負の圧力変動により形成される機械的な乱れの一例であ
る。圧力の減少は、微小気泡の成長を促進する。流体の圧力より高い圧力は、気
泡の成長を妨げるか又は成長を開始した気泡の崩壊の原因となる。成長を開始し
た気泡の突然の崩壊は、気泡の中心で過大な瞬間的圧力を生成し、それにより面
を清浄する。キャビテーションが発生する面に、化学的又は機械的に接着する固
体物質は、従って崩壊する気泡の擦り作用の結果として除去できる。

【０００４】静的な流体システム内の面及び作業対象物の清掃の広範囲な使用にも係わらず
、超音波エネルギは明らかに、流動流体システム内の要素を清浄するためには、
従来技術では有効に適用されていない。水等の流体を輸送する流動流体システム
内の内壁及び要素はまた、流体内の溶解鉱物及び有機物質による、スケールや汚
染物の多重の形成を被る。時間が経過すると、この多重の形成はシステムの効率
的な運転に不利であり且つ質を低下する影響を有することがある。

【０００５】この問題の一例は、殺菌要素として紫外線（ＵＶ）ランプを使用する水殺菌シ
ステムのおいて一般的に見られる。高強度のＵＶランプは一般的に、比較的に高
価な石英管内に収納されており、その周囲を水が流れる殺菌室に設置される。ほ
とんどの有機物質及びより大きな固体物質を除去する多くの水清浄装置がプリフ
ィルタ（前濾過器）を有するにも係わらず、バクテリア、ゴミ及び溶解鉱物を含
む溶解した有機及び無機物質が水中に頻繁に存在する。時間が経過するとこれら
の物質は、石英管及びＵＶの内壁にスケールの形で沈殿し、堆積する。発生した
スケールは、ＵＶの放射を吸収し、遮断し、殺菌処理の効果を減じる。更に、石
英管にスケールが多重形成されることにより、バクテリアや他の微生物が、室壁
及び石英管に陰と呼ばれる場所で生存し、増殖しており、その陰は石英管上のス
ケールの濃度がより高い場所の付近でＵＶ放射の遮断により形成される。

【０００６】水殺菌システム連続的且つ効率的な運転には通常、比較的費用を要する定期的
な保守が必要であり、その場合清掃とスケール落としのためにシステムを停止す
ることを含む。ＵＶ水殺菌要素の場合は、ＵＶランプ及び石英管は、取り外して
、手動で清掃し、再設置できる。ＵＶランプ及び管はしばしば、取り外されて、
交換される。従って石英管を再生し、再使用するために開発された効率的で且つ
費用的に有効な方法は明らかにまだない。

【０００７】米国特許出願第４，７５２，４０１号（４０１特許）において、水泳用プール
及び飲料水用の水処理システムが記述されており、そのシステムでは、ＵＶラン
プにより、ランプ表面に固着し沈殿する傾向にある粒子を分離するために超音波
エネルギに暴露される。４０１特許はしかし、超音波エネルギを発生するために
使用される超音波発信器を単に一般的に記述するだけである。それは使用される
発信器の型式について記述していないし、また発信器のシステム内の正確な位置
についても記述していない。

【０００８】４０１特許に開示されるシステムの可能性のある欠点は、非建設的な妨害及び
節点が定常波の形成により存在する場合があることである。節点は動きが０（ゼ
ロ）の位置であり、もし殺菌室に存在すると、陰の部分又はコールドスポット（
冷点）を生成するので、その場所ではバクテリアや別の微生物が生存し繁殖でき
る。逆に建設的な妨害は、２つの波動が加算する場所で発生するので、振幅を増
幅するかあるいは非節点又はホットスポット（加熱点）と呼ばれる場所を形成す
る。従って単にシステムのどこかに発信器を組み込むような従来技術のシステム
は、石英管の全面に渡る効果的な清掃は出来ないと考えられる。

【０００９】たぶん水殺菌システムにおいて超音波を使用する従来技術において認められる
欠点を反映して、超音波を使用しないこれとは別の清掃方法が石英管上のスケー
ルの多重形成を清掃し防止するために開発されてきた。その様なシステムの１つ
において、手動操作式の内側ワイパー（拭う）システムが石英管の表面のスケー
ルを文字通り機械的に拭うように使用される。それらには多くの欠点があり、こ
れらのワイパーシステムの効果は、使用者による基本的に定常的な信頼性のある
システムの運転のに依存する。その様なシステムの別の欠点は、時間が経過する
とＵＶ放射への暴露がゴム又はエラストマ（弾性高分子体）のワイパーを劣化さ
せる傾向があることである。更に、ワイパーシステムの内部構成要素自体が、陰
の部分を生成し、やはり紫外線殺菌作用の目的を損ないがちなバクテリアや別の
微生物の成長の場所に実際はなってしまう。従って自動式で更に非侵略的な清掃装置を組み込んだ水殺菌システムを有する
ことが望まれる。清掃装置は、時間が経過すると性能が低下するかさばった機械
的な部分を室の内部に含まないことがことが好ましいはずである。更に清掃作業
は均一であり、好ましくない陰の部分を生じないことが必要である。

【００１０】・発明の概要本発明により、超音波は上記（例えば、紫外線水殺菌）の様な動的な流体の用
途と共に使用されており、その場合に水の様な流体が室、導管又は容器を通り案
内されている。考案は超音波発信器を配置するか、又はスケールが発生する構成
要素の中又は周りに発信器を配置することであり、超音波エネルギを照射して構
成要素を清掃し、スケール発生の原因になる化学的及び物理的な作用を粉砕する
ことである。

【００１１】既存の水殺菌システムの欠点を克服するために、本発明では超音波エネルギを
使用することにより、それを照射して石英管に沿ってその周囲及び長手方向に清
掃し、これらの構成要素の性能を低下させるスケール及び残留物の多重形成を防
止及び／又は清掃する。照射された超音波エネルギにより、液のキャビテーショ
ンを生成し、それは清掃される部分の全面に沿って必要であり、その部分からゴ
ミや別の汚染物を微細に吹き飛ばすために十分なエネルギを有する。

【００１２】１つの実施の形態において、システムは石英管の片方又は両方の端部に設置さ
れるリング状の発信器を、定常波のパターンを回避する様な方法で使用する。こ
れとは別の実施の形態において、そのリング状又は別の発信器の配置に適用され
る電圧は、変調（例えば周波数又は位相の変調）されて、定常波の効果を低減又
は排除し、石英管の全面に沿って必要な有効なキャビテーションを生成する。

【００１３】本発明の更に別の実施の形態において、間欠的な超音波パルスが、電子タイミ
ング制御又はスウィッチによる手動により自動的に生成される。超音波の間欠的
用途は、超音波発信器の寿命の延長を補助できる。

【００１４】・詳細な説明図１を参照すると、本発明の例示の実施の形態が、殺菌用要素としてＵＶ放射
を使用する水殺菌装置と共に図示される。記述の実施の形態において、長手方向
に伸長する筒状容器１０は、一つの端部に水入口１２及びもう一方の端部に水出
口１４を有する。記述の容器１０（殺菌室）の殺菌容量は、約４．５から９．１
リットル／分（１から２ガロン／分）である。記述の容器は、厚み約１．５ｍｍ
の３０４ステンレスにより造られる。但し殺菌室は、住宅用及び工業用の用途と
して種々の異なる材料、形状、寸法及び容量であってよく、それらの内の任意の
ものを記述の容器の代わりに使用しても良いことが認識されるべきである。

【００１５】水殺菌要素として機能するＵＶ放射は、容器１０の全長の範囲内で伸長するＵ
Ｖランプ１６から放射される。１基以上のランプを、殺菌室の寸法及び水中の殺
菌されるべき汚染物に応じて使用しても良い。記述の実施の形態のＵＶランプ１
６は、ランプソケット１８に差し込まれる。電源電線２０は、ソケット１８から
伸長しており、変圧器２２に接続しており、変圧器はＵＶランプ１６に電力を供
給するために、順番に１１０ボルト（Ｖ）のレセプタクル２４に差し込まれる。
変圧器２２は約１４Ｗ（ワット）の電力を消費する。殺菌用として、ＵＶランプ
１６は２５４ナノメータ波長のＵＶＣ放射を生成する。ランプの出力は、平方セ
ンチメートル当たり約４２５ミリアンペアで３５マイクロワットである。一般的
な用途において、ＵＶランプ１６は約１０，０００時間の一般運転寿命により連
続使用できる。最も効果的な殺菌効果のために、ＵＶランプを１年毎に交換する
ことが製造者により推奨されている。

【００１６】記述の実施の形態において、ＵＶランプ１６はＵＶランプアセンブリ１７を共
に形成する水密の石英管２６内に収められる。記述の実施の形態のＵＶランプ１
６と石英管２６は、容器１０の全長の範囲で伸長する。石英管は水中に殺菌力の
あるＵＶ放射を最も良く通過させるので、それであることが好ましい。しかし、
ガラスの様な従来技術で知られる別のタイプのＵＶ透過性ランプケースは、水か
らＵＶランプ１６を隔離し、分離するように使用できることが認識されなければ
ならない。これとは別に、もしＵＶランプ１６が水に直接浸漬可能な材料を具備
する場合に、ランプケースは不要にできる。

【００１７】記述の実施の形態のＵＶランプアセンブリ１７は、各容器の端部で突き出るア
センブリの端部と共に、容器１０の中心を通り縦に取り付けられる。突き出る端
部により、容器１０内のＵＶランプアセンブリ１７を支持し、位置決めを補助す
る。端部キャップ３０はその後突き出る端部上に設置されて、容器の端部でねじ
切られたフィティング３２に締め付けられて、ねじ切られたフィティング３２と
キャップ３０の間のシーラントリング３４に接する。記述の端部キャップアセン
ブリは、容器の水密シールの形成を補助する。該アセンブリは容器内にＵＶラン
プアセンブリ１７を保持することを更に補助する。キャップ３０を緩める時に、
ＵＶランプ１６と管２６は容器１０から各々引き抜かれるので、必要に応じてそ
れらの個別の交換が可能である。

【００１８】図２を参照すると、これとは別に、ＵＶランプ１６と石英管２７は、１基の端
部キャップ３０の構造に１つのユニットとして一体化される。この場合には、Ｕ
Ｖランプ１６は端部閉止又は半球形状の石英管２７内に収められる。全体のアセ
ンブリは、その後容器１０の一方の端部のねじ切られたフィティング３２にねじ
込むか又はねじり入れられる。その様なアセンブリにより、容器の片端部だけが
ＵＶランプアセンブリ１７を挿入するために開放される。もう一方の端部はシー
ルされており、その端部において端部キャップの必要性を排除する。この設計に
より、ＵＶランプアセンブリ１７の保守及び交換を容易にしているが、ランプを
取り外すとこの設計では一体の部分である石英管の脱ぎ捨てが必要であり、更に
ランプ自体の使用寿命が尽きる前にユニット全体の交換が必要になる可能性があ
るので、幾分費用を要する。任意の従来のＵＶランプアセンブリが本発明と共に
使用できる。

【００１９】図１に戻ると、記述の実施の形態の容器１０の水入口１２と出口１４は、容器
１０の各端部に溶接された１／４インチＮＰＴのステンレスニップルである。ニ
ップルに接続するゴム又はプラスチック製管は、容器１０との水の通路としての
導管を形成する。水が入口１２に接続する管を通り容器１０に流入し、容器を通
り、ＵＶランプアセンブリ１７を通過し、出口１４に向かって流れる場合に、水
で発生するバクテリアやその他の微生物を殺す紫外線放射により水は照射される
。時間が経過するとしかし、水中の溶解有機及び無機物質は石英管２６に沈殿し
堆積する。このスケールは、ＵＶ放射を吸収及び妨害して、水の再生に使用され
るＵＶユニットに特に重要な殺菌処理効果を低下させる。石英管を清浄でスケー
ルのない状態に維持する好適な方法として、石英管の周囲（円周方向）及びその
長手方向の軸に沿って放射される超音波振動を使用する。照射された超音波振動
は、防止的な清掃作用、実際の清掃作用及び殺菌作用を含む３つの作用を生じる
ように殺菌室内で機能する。防止的な清掃作用は、液の流れ及び動揺によりこの
方法で生成される。好適な実施の形態において、連続的な超音波エネルギが殺菌
室に適用されて液の動揺を生じる。動揺作用において音の波長は、表面の汚染物
（ゴミ）のより速い溶解又は拡散を促進する圧力傾斜を生成する。流れの効果を
生成するために、より高い出力の超音波エネルギがより高い強度の音波を生成す
るように使用される。強い音波はより高い放射圧力を出力するが、それはキャビ
テーションの力ほどは強くない。流れ及び動揺作用は従って、スケール形成の工
程を防止し崩壊するために有効な方法である。

【００２０】実際の清掃が必要な場合に、超音波振動は高パワーの清掃及びキャビテーショ
ン作用を生成するように機能する。清掃については以下でより詳細に記述する。
清掃作用は限界的な（クリティカル）構成要素に照射される一方で、容器自体の
内壁を含み容器内の別の面の清掃においても効果がある。汚染の問題のひどさに
よって、用途（例えば、水殺菌器）及び媒体（例えば、水）、周波数及び超音波
エネルギを適用する期間は、所定の清掃条件を満たすように調整できる。

【００２１】超音波清掃はまた、水殺菌処理を助長する有効な側面的な効果である殺菌作用
も生じる。殺菌作用は超音波清掃において、微生物の核の破砕及び組織の破壊に
より生成される。殺菌作用を生じる超音波の機械的な効果は、キャビテーション
、音の波長の圧力傾斜及び音波により高度に加速された粒子による構造的要素へ
の攻撃に起因する。

【００２２】キャビテーションは、細胞の内側又は外側のいずれでも発生できる。キャビテ
ーションは一般的に核の存在、圧力の好適な組み合わせ、温度、表面張力及び音
源の周波数に依存する。キャビテーションは最初は細胞の内部では発生せずに、
外側で発生し、細胞壁を浸食するか又は破るようにして、細胞の中身をキャビテ
ーション力に暴露する場合がある。音の波長の圧力傾斜も殺菌作用を生じる。細
胞壁は交互に変動する圧力の多回数の発生後に疲労で裂ける。最後に、音波により周りに押し出される粒子の高加速により、やはり組織を破
裂させ、細胞の破砕を生じる高い慣性力を生成する。

【００２３】記述の実施の形態において、殺菌室に取り付けられる発信器アセンブリ３６（
図１）は、防止的な清掃、実際の清掃及び殺菌作用を生じるために電気エネルギ
源を超音波振動に変換するように使用される。周知の如く、発信器アセンブリ３
６の共振周波数は、その偏り（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）及び振動と同様にそ
の寸法及び形状に依存する。最も一般的な形状の発信器は、平円盤、アーチ（弧
）、中空の筒、部分的な球及びリングである。図１に示す実施の形態による発信
器アセンブリはリングの発信器を具備する。リングの発信器は、通常は半径方向
の振動を生じるように使用されるが、端部から放射して、石英管の周囲（円周）
及びその長手方向の軸に沿って振動を発するように加振されても良い。リングの
発信器は、図６と７の説明と共に以下により詳細に記述されるように、金属及び
セラミックのサンドウィッチを形成することが好ましい。リングの発信器に加え
て、別の形状の発信器も超音波エネルギの方向性の性質及び殺菌室の様々な形状
を考慮して、この実施の形態（例えば、円盤の発信器）で使用されても良い。

【００２４】記述の実施の形態のリングの発信器は、ピエゾ電気材料から構成される。ピエ
ゾ電気材料は一般的に、発信器が取り付けられる材料に送信される振動を生じる
適用される交流電圧と実質的に同じ周波数で膨張、収縮する。膨張の行程におい
て、ピエゾ材料はそれと接触する構造部分の慣性力のように膨張を妨げるように
作用する全てのものに対して力を作用させる。特別に処理された特定の種類のセ
ラミック材料、天然の石英及び特定の合成水晶（クリスタル）がピエゾ電気性で
ある。記述の実施の形態において、発信器はＰＺＴ−４として市販されるセラミ
ック製ピエゾ電気材料により構成される。ＰＺＴ−４の形式は特に超音波出力の
発生及び清掃用途に適している。しかし発信器が磁気ひずみ性材料等の別の材料
、あるいは任意の別の適切な材料から構成されても良いことは、当業者にとって
明白である。

【００２５】記述の実施の形態において、発信器アセンブリ３６は、容器１０の外側にそれ
を接着することによりその容器に取り付ける。種々の要素が接着に使用される接
着剤の種類の決定において検討されなければならない。別の事柄において、接着
剤はピエゾ電気材料を溶解又は脱水しないことが好ましく、合理的な温度で乾燥
することが好ましく、良好な電気特性を有することが好ましく、良好な機械的特
性を有することが好ましいはずである。更に接着剤は接着される部分の全面をカ
バーすることが好ましく、乾燥した時に出来るだけ最小の厚みであるべきである
。乾燥が温度の上昇により助長される場合がある。２つの接着部分を共に押しつ
ける場合に、圧力は全ての接着剤を押し出さないように十分低く、更に２つの部
分を接合するために十分高く維持されるべきである。種々のエポキシ樹脂がピエ
ゾ電気発信器を接着するために使用されても良い。記述されたものの他の任意の
別の適切な方法を、発信器を設置又は取り付けのために使用しても良い。

【００２６】記述した実施の形態において、発信器アセンブリ３６は容器１０の外側に設置
されており、超音波エネルギをステンレスの壁を通り容器の内部へ放射する。超
音波エネルギはしかし、図２から４に示すように、容器１０の内部に取り付けら
れるか又は設置される発信器アセンブリ２８により媒体内に送信されても良い。
浸漬された発信器アセンブリ２８により、超音波振動を清掃されるべき面が存在
する容器１０の内部に直接放射できる。発信器アセンブリ２８は接着に加えて又
はその代わりに容器に機械的にトルクを加えても良い。これは、水密シールを形
成するようにアセンブリを確保し、超音波エネルギをＵＶランプアセンブリ１７
に向けて照射する発信器アセンブリの堅固な裏打ちを形成する利点を有する。ア
センブリはまた、水密シールを形成するためにワッシャー及び／又はＯリング等
のゴムシールを通常必要とするツイスト（捻り）ロック機構等の任意の別の適切
な手段により固定できる。更に、コスト的に有効な製作又は製造と同様に据付と
保守を容易にするために、浸漬可能な発信器アセンブリ２８は、ＵＶランプ１６
、ソケット１８及び石英管２７アセンブリ等の別の構成要素の一体の部分を形成
しても良い。しかし発信器アセンブリ３６を容器１０に取り付けるために選択さ
れた方法に関係なく、発信器アセンブリ３６と容器１０の間の密な接続部は、超
音波エネルギの容器内部への適切な伝達にとって好ましい。浸漬可能な発信器ア
センブリはまた、殺菌された水にとって汚染性のない材料から製作されるべきで
ある。

【００２７】図２は、浸漬可能な発信器２８、ＵＶランプ１６、ランプソケット１８及び石
英管２７が単一のユニットに組み込まれるサンドウィッチ式の浸漬可能な発信器
２８アセンブリを図示する。サンドウィッチ式発信器について、図７の記述と共
に以下で説明する。その様な浸漬可能なサンドウィッチ式発信器のために、発信
器アセンブリのピエゾ電気要素及び前又は低濃度要素（内、外両面）は、ＵＶ抵
抗性と同様に高い電気的保護性を具備する材料により絶縁出来る。絶縁材料は更
に、殺菌水にとって汚染性のないものでなければならない。その様な材料はシリ
コン又はテフロンである。アセンブリと石英管の間のこれとは別の水のシール保
護は、アセンブリの前端部の近くに着座するＯリングにより形成できる。

【００２８】図３は本発明の別の実施の形態による浸漬可能な発信器アセンブリの分解図で
あり、そこでは浸漬可能な発信器２８アセンブリ、ＵＶランプ１６、ランプソケ
ット１８及び石英管２７が個別の構成要素を構成する。図２と３で図示される実
施の形態において、浸漬可能な発信器２８アセンブリは、浸漬可能な発信器２８
を容器１０の内側のねじ切られたフィティング４０へ締め付け可能なねじ切られ
た部分２９を具備する。図４は、容器内に組み込まれた図３の浸漬可能な発信器
アセンブリを図示する。

【００２９】図５は容器１０の外側に取り付けられた発信器アセンブリの横断面図である。
超音波信号発生機６０は、発信器アセンブリ３６に発信器リード３７を介して電
力を供給する。変調器、増幅器及びオン／オフ制御器等の別の超音波電気要素と
同様に信号発生機は、個別の制御ユニットとして独立して存在しても良い。これ
とは別に、これらの要素は一体であって、ＵＶランプと同じ電源を使用しても良
い。発生機６０は、発信器アセンブリ３６に供給する無線周波数エネルギを生成
することにより運転しており、発信器アセンブリ３６は順番に液体を通して超音
波エネルギを送る。発信器アセンブリ３６に適用された動力は、石英管２６（図
１）への損傷を防止するために制限されるが、しかし十分なキャビテーションを
生成し、スケールや別の沈殿物の多重形成を防止するために十分高いものである
。記述の実施の形態において好適な電力量は、４０ワット又は以下である。

【００３０】信号発生機６０は、従来式のものであり、調整可能式、固定式のいずれでも良
い。信号発生機６０は発信器により生成される超音波の位相又は周波数を変調す
るために調整可能であることが好ましい。最も単純な実施の形態において、オシ
レータ（発振器）を使用しても良い。信号発生機６０は例えば、フレデリック超
音波エンジニアリング社（ＦｒｅｄｅｒｉｃｋＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＥｎｇ
ｉｎｅｅｒｉｎｇ、ＪｏｈｎＷｉｌｅｙａｎｄＳｏｎｓ．Ｉｎｃ．）１９
６５、の１１３ページに記載される回路形態の一以上の電気要素を組み込んでも
良い。

【００３１】清掃用途において、発信器アセンブリ３６の駆動により生じる好適な周波数は
、約２０から８０キロヘルツ（ｋＨｚ）の範囲にある。この範囲辺りの周波数は
、一般的により高い周波数より清掃用としてより効率的である。これらの周波数
において、気泡は崩壊する前に成長するためにより多くの時間を有する。この様
に気泡はより大きな力により崩壊し、より多くのエネルギを放出する。これらの
周波数のこれとは別の利点は、陰を生じ難いので、音のビーム（線）に直接暴露
されない面をより良好にカバーすることである。実際の使用周波数はしかし、例
えば、殺菌室の寸法と形状、及び発信器アセンブリ３６の物理的な寸法、形状、
質量及び共振周波数に依存しており、好適な周波数より高くても低くても良い。
従って最適の周波数は特定の用途によって変わり得ることが理解できる。従って
本発明は、任意の特定の範囲の周波数に限定されずに、特定の用途で必要な清掃
を実現する任意の範囲の周波数で使用できる。

【００３２】スケールの濃度は一般的に時間経過後に増大するので、スケール形成過程を防
止し崩壊する有効な方法は、電気タイミング制御装置６２を使用して常時及び間
欠的なベースで清掃エネルギを適用することである。この電気制御システムは、
個別の要素又は超音波発生機と一体の部分であって良い。一つの実施の形態にお
いて、連続的な低出力の超音波エネルギを殺菌室に適用して、防止的な清掃のた
めに流れと波動の作用を生成する。より高いエネルギが、キャビテーション及び
清掃作用のために間欠的ベースで適用される。これとは別に、もしより積極的な
清掃が必要な場合には、キャビテーション及び清掃作用を連続的に生成しても良
い。

【００３３】記述の実施の形態において、リングの発信器の内径は、石英管２６の長さを清
掃する送信されたエネルギを有する石英管の外径より少しより大きい。この清掃
作用は周波数変調により実現されることが好ましい。周波数変調は節の生成を防
止するが、その節では異なる方向における一つの周波数の波が交差しており、お
互いに破壊的に干渉して、必要な清掃キャビテーションを減少するか又は排除す
る。種々の波長の波を使用することは従って、清掃キャビテーションが石英管２
６の全長に沿って発生できる。

【００３４】オペレーションにおいて、超音波発信器は、発生源から発生して清掃される面
を横切り遠くへ伝搬する高及び低圧力の波を媒体内に生成する。波の低圧力部分
は、スケールやゴミにより引っかかっている微小な気泡等のひずみ（ストレス）
の場所を通過するので、気泡は膨張する。この膨張は、気泡の瞬時で破滅的な崩
壊を引き起こす高い圧力傾斜が通過するまで継続する。この気泡の崩壊はマイク
ロブラスト（微小な爆風）清掃効果を生じる。

【００３５】超音波の音波が発生源に向かって反射する場合に、反対の方向に進行する波に
よる高及び低圧力の傾斜の重複が生じる。圧力傾斜が等しく且つ向き合う場所に
おいて任意の効果が相殺されて、従ってコールドスポットが生成される。高い圧
力傾斜が等しく且つ低圧力地点が等しい場所において、振幅が拡大し、高い作用
又はホットスポット（加熱点）の部分が発生する。これらのホット及びコールド
スポットは清掃される面を横切る帯の状態で発生する。

【００３６】面全体又は大部分に、高いキャビテーションの清掃作用（ホットスポット）が
作用することを確保するために、超音波エネルギの周波数を変化して、清掃され
る面に沿った異なる場所においてホットスポットの帯を有する波を生成できる。
これは面に沿った清掃作用を生じる。この清掃作用は例えば、超音波発生機内に
発振回路を具備することにより実現できる。変調は例えば、清掃される面の長さ
（発信源から室の端部までの距離）及び全面をカバーするのに適当な周波数と波
長を考慮することが好ましい。

【００３７】記述の実施の形態における清掃作用は、容器１０の端部における発信器アセン
ブリ３６の位置により助長される。この位置により、超音波振動は、容器の一方
の端部からもう一方へ長手方向に向かっても良い。更にその上、一以上の発信器
又は反射器を、必要なオペレーションを生成又は促進するように必要に応じて使
用しても良い。一つの実施の形態において、第２の発信器アセンブリが殺菌室の
もう一方の端部に設置されており、第１の発信器アセンブリの周波数に比べて異
なる周波数の振動を生じるように運転される。上記の様に周波数のその様な変調
は、定常波の減少又は防止を補助する。

【００３８】これとは別に、周波数の変調とは別の手段により、反対方向に進む音の振動に
より生成される定常波を減少又は排除するために、音吸収材料を発信器アセンブ
リ３６から向き合う容器の端部に設置して、音波の反射を防止しても良い。材料
は水に対する汚染性が無く更に耐ＵＶ性を有するのと同様に非常に高い音の吸収
特性を有することが好ましい。その様な材料としてシリコン、テフロン又は炭素
繊維がある。この形態により、石英管の面を横切る超音波の連続的な清掃作用を
生じ、ホット及びコールドスポットの有害な影響を排除し、更に超音波発生機内
の発振回路の必要性も排除する。

【００３９】これとは別の実施の形態において、発信器アセンブリは図６に図示される様な
積層の発信器６４を形成するように幾つかのピエゾ電気材料を具備する。ピエゾ
電気材料は同じ方向において同じ極性の指向性を有する面により機械的に接続す
る。積層の発信器６４の出力は、各個別の発信器／ピエゾ電気材料の出力の合計
である。即ち４基の発信器は共に積層された場合に、４倍の出力を発揮する。積
層された発信器は従って、より少ないエネルギによりより高い出力を生じる。発
信器は、振動の極性を有効に運転するために、正確に整列されなければならない
。

【００４０】更にこれとは別の実施の形態において、発信器アセンブリ３６は合成発信器を
具備しても良い。合成発信器はピエゾ電気性ではない１または２の材料に取り付
けられた一以上のピエゾ電気要素から製作される。システムが、例えば接着剤の
非常に薄い層により気泡の連続がない状態で正しく共に固定された場合に、ピエ
ゾ電気材料及び非ピエゾ電気材料は一つのユニットとして考慮されても良い。

【００４１】普通のタイプの合成発信器は、ピエゾ電気材料にセメントで付けられた２つの
鋼製ブロックから構成されるサンドウィッチ式構造である。図７は、２つのピエ
ゾ電気材料５２が鋼５０とアルミニウム層５４の間に挟まれるサンドウィッチ式
の合成発信器を例示する。図示される実施の形態において、発信器アセンブリの
種々の構成要素が共にボルト５６止めされて、ピエゾ電気要素５２と金属製要素
５０、５４の間のインターフェース（連絡部）における引っ張り応力を防止する
。異なる濃度と弾性定数を有する異種金属の構成要素の使用により、ピエゾ電気
変位を増幅させる。弾性定数及び比重の積のより小さい値を有する端部、即ちこ
こではアルミニウム層の端部は、より大きな振幅で振動する。好適には、殺菌室
はこのより低い値を有する端部に設置されて、容器に向かう超音波エネルギの照
射を補助し、清掃作用を助長する。

【００４２】合成タイプの発信器には別の利点が存在する。例えば、発信器アセンブリの製
作により少ないピエゾ電気材料が使用されても良く、従って費用はより少ない。
またより低い電圧を使用して、同じ電気場強度を生成しても良い。別の実施の形態の反射器は、超音波の必要な分布を生成するように使用されて
も良い。容器１０はまた、必要な反射を形成するような形状にできる。更にその
上、より高い周波数における超音波の方向性の性質により、超音波放射は光学的
な形状の発信器の使用により丁度光の波の様に焦点を合わせるか又は放散するこ
とが出来る。

【００４３】記述の超音波清掃システム及び方法により、汚染物及びスケールの多重形成に
よりそれらの効果を失う殺菌システムに対する自動で且つその上非侵略的な清掃
が可能である。超音波振動を発生する発信器アセンブリの使用により、時間経過
後に品質を低下させ、陰の部分を生じる殺菌室の内側の嵩張った機械的な部分の
必要性を排除する。更に殺菌室を横切る超音波エネルギの清掃により、均一な清
掃を可能にし、陰の部分を排除する。システムは、石英管を再生し再使用する必
要性を排除するので、それはまた費用的に有効である。更にその上、周波数変調
を含む清掃作用は電気的に生成されるので、システムの保守は少ない。清掃保守
のためのシステムの遮断も必要ない。

【００４４】本発明はある特定の実施の形態について記述されてきたが、多くのこれとは別
の修正及び変形が当業者には明かである。例えば超音波清掃技術のこの用途は、
流動する流体に浸漬された種々のタイプのセンサー及びプローブ等を効率的且つ
有効に機能させ、更にスケールの形成がそれらのオペレーションに不利に作用す
る弁等のクリティカルな部分を清浄に保持するために、流動する流体システムに
おける要素を汚染物に対して清浄に保持されなければならない全ての状態におい
て使用可能である。発信器アセンブリの寸法、形状、位置及び周波数はまた、殺
菌室の寸法及び形状に基づいて修正されても良い。従って、本発明は、より以上
に発明的な活動の実施がなしで、特別に記述されたもの以外の別な方法で実施さ
れても良いと理解されるべきである。添付図を参照して、更に上記詳細説明を読むことにより、本発明はより良く理
解できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の１つの実施の形態による超音波発信器アセンブリを組み込む
例示の紫外線水殺菌システムである。

【図２】図２は、本発明の別の実施の形態による単一のユニットとして、ＵＶランプソ
ケット及び石英管と一体化された浸漬可能な発信器アセンブリを図示する。

【図３】図３は、本発明の更に別の実施の形態による浸漬可能な発信器アセンブリの分
解図を示す。

【図４】図４は、殺菌室内に組み込まれた図３の浸漬可能な発信器アセンブリ図示する
。

【図５】図５は、殺菌室の外側に取り付けられた発信器アセンブリの横断面図である。

【図６】図６は、積層された発信器を具備する発信器アセンブリを図示する。

【図７】図７は、サンドウィッチ式の合成型発信器を具備する発信器アセンブリを例示
する。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１１年１１月１７日（１９９９．１１．１７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】殺菌室を具備する流体殺菌装置において、殺菌室が、殺菌のために室へ流体を流入させる流体入口と、室から殺菌された流体を通過させる流体出口と、紫外線ランプからの紫外線の放射が入り口から流入し出口に向かって流れる流
体を照射する殺菌室の長さにわたって長手方向に伸長する紫外線ランプと、紫外線ランプを囲んでいて流れる流体から紫外線ランプを隔離する紫外線透過
性ケーシングであって、流体内の溶解鉱物や有機物質によるスケールの多重形成
を被る該ケーシングと、室内のケーシング及び紫外線ランプを保持するために、殺菌室の端部に取り付
けられるシール部材と、更に発信器が殺菌室の端部に取り付けられており、陰の部分を減少しケーシングの
清掃を可能にするために、紫外線透過性ケーシングの長さに沿って長手方向及び
円周方向に紫外線エネルギを照射する該発信器と、を具備する流体殺菌装置。
【請求項２】発信器がピエゾ電気（圧電）リング式発信器を具備する請求
項１に記載の装置。
【請求項３】発信器が、積層された発信器を形成するために機械的に共に
接続する複数のピエゾ電気材料を具備する請求項１に記載の装置。
【請求項４】発信器が、ピエゾ電気性ではなくて合成発信器を形成する少
なくとも一つの材料に設置される少なくとも一つのピエゾ電気要素を具備する請
求項１に記載の装置。
【請求項５】発信器が、防止的な清掃作用のために、超音波エネルギを送
信して流体の流れと動揺を生成する請求項１に記載の装置。
【請求項６】超音波エネルギの周波数を変化するために、超音波発生機を
更に具備する請求項１に記載の装置。
【請求項７】発信器が、２０から８０ｋＨｚの範囲の周波数の超音波エネ
ルギを送信する請求項１に記載の装置。
【請求項８】発信器アセンブリが、殺菌室内にある請求項１に記載の装置
。
【請求項９】超音波発信器が、複数の周波数の間で周波数が交替で変化す
る超音波エネルギを送信する請求項１に記載の装置。
【請求項１０】超音波発生機に接続していて、発信器アセンブリにより送
信される超音波エネルギの周波数及び間隔を自動的に制御するように形成される
電気タイミング制御システムを更に具備する請求項１に記載の装置。
【請求項１１】殺菌室を具備する流体殺菌装置において、殺菌室が、殺菌のために室へ流体を流入させる入口手段と、室から殺菌された流体を通過させる出口手段と、殺菌手段が流体内の溶解鉱物や有機物質によるスケールの多重形成を被ってお
り、入口手段から流入し出口手段に向かって流れる流体を殺菌するための該殺菌
手段と、室の内部の内に殺菌手段を保持するための手段と、陰の部分を排除することにより殺菌手段を清掃するために、紫外線透過性ケー
シングの長さに沿って長手方向及び円周方向に清掃する交替で変化する周波数の
超音波エネルギを送信するために殺菌室の端部に取り付けられる超音波発信器手
段と、を具備する流体殺菌装置。
【請求項１２】超音波発信器手段が、防止的な清掃作用のために、流体の
流れと動揺を生成するための超音波エネルギを送信する請求項１１に記載の装置
。
【請求項１３】超音波発信器手段アセンブリが、キャビテーション清掃作
用のために十分な周波数の超音波エネルギを送信する請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】超音波発信器手段が、殺菌作用のために十分な周波数の超
音波エネルギを送信する請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】超音波発信器手段が、殺菌室内に設置される請求項１１に
記載の装置。
【請求項１６】超音波発信器手段が電力を超音波エネルギに変換しており
、超音波発信器手段に動力を供給するための手段を更に具備する請求項１１に記
載の装置。
【請求項１７】超音波発信器手段により発信される超音波エネルギの周波
数及び間隔を自動的に制御するために、動力を供給するための手段に接続する電
気タイミング手段を更に具備する請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】殺菌室を具備する流体殺菌装置において、殺菌室が、殺菌のために室へ流体を流入させる流体入口と、室から殺菌された流体を通過させるための流体出口と、紫外線ランプからの紫外線の放射が入り口から流入し出口に向かって流れる流
体を照射する殺菌室の長さにわたって長手方向に伸長する紫外線ランプと、紫外線ランプを囲んでいて流れる流体から紫外線ランプを隔離する紫外線透過
性ケーシングであって、流体内の溶解鉱物や有機物質によるスケールの多重形成
を被る該ケーシングと、室内のケーシング及び紫外線ランプを保持するために、殺菌室の端部に取り付
けられるシール部材と、発信器アセンブリが殺菌室の第１の端部に取り付けられており、紫外線透過性
ケーシングの長さに沿って長手方向及び円周方向に紫外線エネルギを送信する発
信器アセンブリと、更に音吸収材料が殺菌室の第２の端部に取り付けられており、発信器アセンブリに
より発信された超音波エネルギを吸収する音吸収材料と、を具備する流体殺菌装置。
【請求項１９】入口手段と出口手段を有する殺菌室の内で流体を処理する
方法において、該室の長さにわたって長手方向に両者（ケーシングとランプ）が
伸長する紫外線透過性ケーシング内に収納される紫外線ランプを、該室が具備し
ており、該方法が、入り口手段を通り室内に流体を流入させることと、紫外線ランプからの放射により流体を殺菌することと、出口手段を通り室から殺菌された流体を通過させることと、更に陰の部分を排除してケーシングを均一に清掃するために、紫外線透過性ケーシ
ングの長さに沿って長手方向及び円周方向に超音波エネルギが清掃していて、該
室内に交替で変化する周波数の超音波エネルギを照射することと、から構成される手順を具備する、入口手段と出口手段を有する殺菌室内で流体を
処理する方法。
【請求項２０】照射の手順が、防止的な清掃作用のために、流体の流れと
動揺を生成するための実質的に低出力の超音波エネルギを送信する手順を具備す
る請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】照射の手順が、キャビテーション清掃作用のために十分な
周波数の超音波エネルギを送信する手順を具備する請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】照射の手順が、殺菌作用のために十分な周波数の超音波エ
ネルギの送信を具備する請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】照射の手順が、電気タイミング制御システムにより超音波
エネルギの周波数及び間隔を自動的に制御することを具備する請求項１９に記載
の方法。
【請求項２４】流体殺菌室内の要素を清掃する方法において、該要素が流体内の溶解鉱物及び有機物質によるスケールの多重形成を被ってお
り、該方法が室内部に交替で変化する周波数の超音波エネルギを照射する手順を
具備しており、陰の部分を排除しケーシングの均一な清掃を可能にするために、
超音波エネルギが紫外線透過性ケーシングの長さに沿って長手方向及び円周方向
に清掃する、流体殺菌室内の要素を清掃する方法。
【請求項２５】照射の手順が、電気タイミング制御システムにより超音波
エネルギの周波数及び間隔を自動的に制御することを具備する請求項２４に記載
の方法。
【請求項２６】入口手段と出口手段を有する殺菌室内で流体を処理する方
法において、該室の長さにわたって長手方向に両者（ケーシングとランプ）が伸
長する紫外線透過性ケーシング内に収納される紫外線ランプを、該室が具備して
おり、該方法が、入り口手段を通り室に流体を流入させることと、紫外線ランプからの放射により流体を殺菌することと、出口手段を通り室から殺菌された流体を通過させることと、紫外線透過性ケーシングの長さに沿って長手方向及び円周方向に、超音波エネ
ルギを照射することと、反対の方向への超音波エネルギの反射を防止するために超音波エネルギを吸収
することと、から構成される手順を具備する殺菌室内で流体を処理する方法。