特許 6268669 液体中における異物の沈降制御装置及び沈降制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6268669

(24)【登録日】2018年1月12日

(45)【発行日】2018年1月31日

(54)【発明の名称】液体中における異物の沈降制御装置及び沈降制御方法

(51)【国際特許分類】

   C03B 5/16 20060101AFI20180122BHJP

【ＦＩ】

   C03B5/16

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-221660(P2013-221660)

(22)【出願日】2013年10月24日

(65)【公開番号】特開2015-81224(P2015-81224A)

(43)【公開日】2015年4月27日

【審査請求日】2016年8月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100118267

【弁理士】

【氏名又は名称】越前 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】内田 博幸

【審査官】 有田 恭子

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−１３６０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５２３４４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１８１３４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１１８０５３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００９−５４５５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０２６３５３８８（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０３Ｂ １／００−５／４４

Ｂ０１Ｄ ２１／００−２１／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体中を沈降する異物の沈降速度を制御する装置であって、
前記液体よりも比重の大きな異物が前記液体に混合した溶液が投入される貯留槽と、
該貯留槽の内壁に設けられ前記貯留槽内に投入された溶液に向けて重力方向に対して傾斜した方向に超音波を照射する超音波発振器と、
前記貯留槽の内壁に前記超音波発振器に対向して設けられ前記超音波発振器から照射された超音波と重なり合うことで前記溶液中に定在圧力波を生成するための対向波を生じさせる対向波生成手段と、を備え、
前記対向波生成手段は、前記超音波発振器から照射された超音波を前記超音波発振器に向けて反射する反射部材であり、
前記反射部材は、前記貯留槽内の溶液を加熱するための電極を兼用している、
ことを特徴とする液体中における異物の沈降制御装置。

【請求項2】

前記超音波発振器から照射される超音波の強さ、周波数又は照射時間のうち少なくとも一つを変更可能な制御部を備えた、ことを特徴とする請求項１に記載の液体中における異物の沈降制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体中における異物の沈降制御装置及び沈降制御方法に関し、特に、溶融ガラス中における金属粒子の沈降速度を制御するのに好適な、液体中における異物の沈降制御装置及び沈降制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、原子炉施設において排出される高レベル放射性廃棄物の金属粒子が混合された放射性廃液は、ガラスビーズ（以下ガラスとも言う）と共にガラス溶融炉に投入され、溶融炉内にてガラスを溶融することで溶融ガラス内に分散される。具体的には、溶融炉の側壁には、相対向するように一対の電極が配設されており、これら電極に通電することで電極間のガラス及び金属粒子にジュール熱を発生させ、ガラスを加熱溶融する。そして、溶融ガラス中に高レベル放射性廃棄物の金属粒子が分散したガラス融液は、溶融炉の底部から排出されてキャニスタと呼ばれるステンレス製の容器に注入され、ガラス固化体としてキャニスタ内に封入される。

【0003】

ところで、高レベル放射性廃液中における金属粒子としては、例えば、白金属粒子（白金、ロジウム、パラジウム等）が挙げられる。これらの金属粒子は、溶融炉内で溶融された溶融ガラスよりも比重が大きいため、溶融ガラス中を沈降し、溶融炉の底部に堆積する。これにより、炉底の排出口が金属粒子によって閉塞されてしまう可能性が生じ得る。また、溶融炉の側壁に相対向して配置された電極に通電した際、電流が電極間のガラス及び金属粒子よりも炉底に堆積した金属粒子に短絡して流れ易くなり、電極間のガラスを適切に加熱溶融することが困難となる。また、炉底の短絡路を流れる過剰電流によって炉底が焼損する可能性も考えられる。

【0004】

このため、通常、溶融炉内の温度分布を適切に制御することでガラスの粘度を変化させ、金属粒子の沈降速度を制御している。すなわち、溶融炉の底部からガラス融液を速やかに排出する流下運転時以外は、炉底を比較的低温に保って金属粒子の急速な沈降を抑制していた。しかし、高い流動性を必要とする流下運転時には、ガラス温度を高くして粘度を低下させる必要があることから、金属粒子の沈降速度の制御が不十分となり、金属粒子の炉底への堆積が避けられない。

【0005】

この対策として、従来、溶融炉内の底部に機械的な撹拌装置を設け、炉底に沈降した金属粒子を撹拌することで、炉底での堆積を抑制するようにしたガラス溶融炉が知られている。また、溶融炉の側壁に、溶融炉内のガラス融液に向けて超音波を照射する超音波発振器を設け、超音波によってガラス融液中に細かな圧力波を生成することで、ガラス融液中の金属粒子がクラスタ化（凝集）することを抑制し、金属粒子の沈降速度を抑制するようにしたガラス溶融炉が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−１６３２９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、溶融炉内の底部に機械的な撹拌装置を設けたガラス溶融炉においては、撹拌装置によって炉底の溶融ガラスを撹拌することで金属粒子が溶融炉の底部に堆積することを抑制できるものの、撹拌装置が高温のガラス融液に浸漬された状態となっているので、撹拌装置の耐熱性及び耐久性が低く、短い間隔で定期的にメンテナンスしなければならないという問題があった。

【0008】

また、溶融炉内のガラス融液に向けて超音波を照射することで、金属粒子のクラスタ化を抑制するようにしたガラス溶融炉においては、金属粒子のクラスタ化を抑制することにより、金属粒子の沈降速度を抑制することができるものの、ガラス温度を高くしてガラス粘度を低下させる流下運転時には、ガラス粘度の低下に応じて、金属粒子の沈降速度が速まってしまうという問題があった。

【0009】

本発明は、上述した問題点を鑑みて創案されたものであり、液体中を沈降する異物の沈降速度を液体の温度や粘度に因らずに制御することができる、液体中における異物の沈降制御装置及び沈降制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明によれば、液体中を沈降する異物の沈降速度を制御する装置であって、前記液体よりも比重の大きな異物が前記液体に混合した溶液が投入される貯留槽と、該貯留槽の内壁に設けられ前記貯留槽内に投入された溶液に向けて重力方向に対して傾斜した方向に超音波を照射する超音波発振器と、前記貯留槽の内壁に前記超音波発振器に対向して設けられ前記超音波発振器から照射された超音波と重なり合うことで前記溶液中に定在圧力波を生成するための対向波を生じさせる対向波生成手段と、を備え、前記対向波生成手段は、前記超音波発振器から照射された超音波を前記超音波発振器に向けて反射する反射部材であり、前記反射部材は、前記貯留槽内の溶液を加熱するための電極を兼用している、ことを特徴とする液体中における異物の沈降制御装置が提供される。

【0011】

前記制御装置は、前記超音波発振器から照射される超音波の強さ、周波数又は照射時間のうち少なくとも一つを変更可能な制御部を備えていてもよい。

【発明の効果】

【0015】

本発明に係る液体中における異物の沈降制御装置及び沈降制御方法によれば、液体に異物が混合した溶液に向けて、重力方向に対して傾斜した方向に超音波を照射し、該超音波と重なり合う対向波を生じさせることにより、互いに逆向きの二つの超音波を重ね合わせ、溶液中に重力方向に対して傾斜した定在圧力波を生成することができる。

【0016】

溶液中に定在圧力波を生成すると、その節の部分に異物が捕捉されることは既に知られているところであるが、本発明では重力方向に対して傾斜した定在圧力波を生成することにより、節の部分に捕捉された異物は、その傾斜に沿って徐々に沈降することとなり、異物の沈降速度を抑制することができる。

【0017】

したがって、この定在圧力波の生成条件を適宜変更することにより、液体中を沈降する異物の沈降速度を液体の温度や粘度に因らずに制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の第１実施形態に係る液体中における異物の沈降制御装置の説明図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ線断面図、（ｃ）は図１（ｂ）のｃ−ｃ線断面図、である。

【図2】図１（ａ）に示した超音波発振器の詳細説明図である。

【図3】図１（ａ）に示した定在圧力波の作用を示す詳細説明図である。

【図4】本発明の第２実施形態に係る液体中における異物の沈降制御装置の説明図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は図４（ａ）のｂ−ｂ線断面図、（ｃ）は図４（ｂ）のｃ−ｃ線断面図、である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付すことにより重複した説明を省略し、また、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0020】

図１（ａ）〜（ｃ）に、本発明の第１実施形態に係る液体中における異物の沈降制御装置１を示す。この沈降制御装置１は、液体Ｌ中を沈降する異物Ｃの沈降速度を制御する装置であって、液体Ｌよりも比重の大きな異物Ｃが液体Ｌに混合した溶液が投入される貯留槽２と、貯留槽２の内壁に設けられ貯留槽２内に投入された溶液に向けて重力方向に対して傾斜した方向に超音波を照射する超音波発振器３と、貯留槽２の内壁に超音波発振器３に対向して設けられ超音波発振器３から照射された超音波と重なり合うことで溶液中に定在圧力波Ｓを生成するための対向波を生じさせる対向波生成手段４と、を備えている。

【0021】

本実施形態に係る沈降制御装置１は、例えば、原子炉施設から排出された高レベル放射性廃液をガラスビーズと共に溶融するガラス溶融炉に適用される。この場合、ガラス溶融炉の溶融炉本体が上述した貯留槽２に相当する。なお、図１（ａ）に示した沈降制御装置１の縦断面図は、図１（ｂ）におけるａ−ａ線断面図に相当する。

【0022】

溶融炉本体（貯留槽２）には、原子炉施設から排出された高レベル放射性廃液がガラスビーズと共に矢印Ｘで示すように上方から投入される。ガラスビーズは、溶融炉本体（貯留槽２）内にて溶融されて溶融ガラスとなる。この溶融ガラスが上述した液体Ｌに相当する。

【0023】

また、高レベル放射性廃液には、高レベル放射性廃棄物の金属粒子（白金、ロジウム、パラジウム等の白金属粒子）が混合されている。この金属粒子が上述した異物Ｃに相当する。すなわち、本実施形態に係る沈降制御装置１は、溶融炉本体（貯留槽２）内において、溶融ガラス（液体Ｌ）中の金属粒子（異物Ｃ）の沈降速度を制御するものである。なお、以下、本実施形態において、金属粒子が溶融ガラスに混合した溶液を融液と称することとする。

【0024】

図１（ｂ）に示したように、溶融炉本体（貯留槽２）は、例えば、水平断面において四角形状に形成されており、底部は逆四角錐形状に形成されている。溶融炉本体（貯留槽２）の相対向する内壁には、加熱用の主電極５が一対設けられている。これら主電極５に通電することで、主電極５間の液体Ｌにジュール熱が発生し、ガラスが加熱溶融される。

【0025】

溶融炉本体（貯留槽２）の別の相対向する内壁には、主電極５よりも低い位置に、補助電極６が一対設けられている。これら補助電極６は、図１（ｃ）に示したように、溶融炉本体（貯留槽２）内の液位が主電極５よりも低いときに、補助電極６間の液体Ｌにジュール熱を発生させてガラスを加熱溶融するものである。なお、補助電極６は、スペースに余裕があれば、主電極５が設けられた内壁に配設されてもよい。

【0026】

溶融炉本体（貯留槽２）の底部には、溶融ガラス（液体Ｌ）を金属粒子（異物Ｃ）と共に排出する流下ノズル７が設けられており、流下ノズル７の周りには、底部電極８が設けられている。底部電極８と主電極４との間に通電することで、流下ノズル７の近傍のガラスが溶融液化されて詰まることなく異物Ｃと共に排出される。流下ノズル７から排出された液体Ｌは、キャニスタ（図示せず）に注入され、ガラス固化体として封入される。

【0027】

溶融炉本体（貯留槽２）の内壁には、溶融炉本体（貯留槽２）内の溶融ガラス（液体Ｌ）に金属粒子（異物Ｃ）が混合された融液に向けて、重力方向に対して傾斜した方向に超音波を照射する超音波発振器３が設けられている。超音波発振器３は、主電極５が設けられた一対の内壁に、主電極５よりも下方の位置で斜め上方の主電極５に向けて超音波を照射するように配置されている。ここでは、一対の主電極５に対向するように一対の超音波発振器３が配置されているが、いずれか一方のみを配置するようにしてもよい。

【0028】

主電極５は、超音波発振器３と正対するように重力方向に対して傾斜した反射面４ａを有している。この反射面４ａは、超音波発振器３に向けて対向波を生じさせる対向波生成手段４に相当し、反射面４ａを有する主電極５は反射部材を構成している。すなわち、本実施形態では、主電極５が反射部材を兼用している。換言すれば、反射部材は、溶融炉本体（貯留槽２）内の融液を加熱するための電極を兼用していることとなる。

【0029】

このように、反射部材と電極とを兼用させることにより、主電極５とは別に反射部材（対向波生成手段４）を配置する必要がなく、コストダウンを図ることができ、溶融炉本体（貯留槽２）の設計的な余裕も生じる。また、対向波生成手段４を、反射面４ａを有する反射部材により構成することによって、超音波発振器３から照射された超音波を逆方向に反射させることができ、容易に対向波を生じさせることができる。

【0030】

図２に示したように、超音波発振器３は、溶融炉本体（貯留槽２）の内壁に形成された凹部２ａに収容されており、パルス電圧Ｖが印加されることで振動する圧電特性を有する振動子２１と、振動子２１を挟む一対の電極板２２，２３とを備えている。一方の電極板２２は溶融炉本体（貯留槽２）の内壁の一部を成し、他方の電極板２３にはダンパー材２４が装着されている。これら電極板２２，２３には、パルス発生源２５からパルス電圧Ｖ（例えば１００〜３００ボルト程度の負パルス）が印加されるようになっている。振動子２１には、チタン酸バリウムやジルコン酸チタン酸鉛等の特殊な金属粉が加えられたセラミックや水晶等が用いられる。なお、超音波発振器３の構成は、図示した構成に限定されるものではない。

【0031】

振動子２１に電極板２２，２３を介してパルス電圧Ｖが印加されると、振動子２１が振動する。この振動によって双方の電極板２２，２３が振動し、一方の電極板２２から超音波Ｗが溶融炉本体（貯留槽２）内の液体Ｌに照射され、他方の電極板２３の振動はダンパー材２４によって減衰される。一方の電極板２２と凹部２ａとの間には、シール材２６が設けられている。シール材２６は、電極板２２の振動を阻害することなく、液体Ｌが凹部２ａ内に浸入することを防止する。

【0032】

また、パルス発生源２５には、超音波発振器３から照射される超音波Ｗの強さ（振幅）、周波数又は照射時間のうち少なくとも一つを変更可能な制御部２７が接続されている。この制御部２７によって、例えば、液体Ｌの温度、粘度、液位等の条件に応じて、照射される超音波Ｗを適宜調整することができ、定在圧力波Ｓの生成状態を任意に制御することができる。なお、図１（ａ）において、パルス発生源２５は図示省略されているが、制御部２７の内部に収容されている。

【0033】

超音波発振器３から溶融炉本体（貯留槽２）内に照射された超音波Ｗは、図１（ａ）に示したように、主電極５の反射面４ａに反射して対向波となり、その対向波が超音波発振器３から照射された超音波Ｗと重なり合うことで、溶融炉本体（貯留槽２）内の融液（液体Ｌと異物Ｃとの混合液）中に、重力方向に対して傾斜した定在圧力波Ｓが生成される。すなわち、波長、周波数、振幅、速さ（速度の絶対値）が略同一で進行方向が互いに逆向きの二つの超音波が重なり合うことで、溶融炉本体（貯留槽２）の融液中に定在圧力波Ｓが生成される。

【0034】

図３に示したように、定在圧力波Ｓは、交互に形成された腹Ｈと節Ｆとを有し、圧力変動が大きな腹Ｈの部分の金属粒子（異物Ｃ）は、圧力変動が少ない節Ｆの部分に移動し、節Ｆの部分に捕捉される。この定在圧力波Ｓの腹Ｈ及び節Ｆの波面は、重力方向に対して傾斜していることから、捕捉された金属粒子（異物Ｃ）は、自重によって傾斜面を徐々に沈降していくこととなり、沈降速度を抑制することができる。換言すれば、定在圧力波Ｓは、いわゆるフィルターとして作用することとなる。そして、金属粒子（異物Ｃ）の沈降速度は、超音波発振器３から照射される超音波Ｗの強さ、周波数若しくは照射時間のうち少なくとも一つ又はこれらの組み合わせによって任意に制御することができる。

【0035】

例えば、超音波発振器３から照射される超音波Ｗの強さ（振幅）を大きくすると、定在圧力波Ｓの腹Ｈの部分と節Ｆの部分との圧力差が大きくなることから、腹Ｈの部分の金属粒子（異物Ｃ）を節Ｆの部分に移動させる速度を速くすることができる。また、超音波Ｗの周波数を高くすると、定在圧力波Ｓの腹Ｈ及び節Ｆの数が増加することから、金属粒子（異物Ｃ）を捕捉する節Ｆの部分の数を増やすことができ、フィルターとしての目を細かくすることができる。また、超音波Ｗの照射時間を長くすると、定在圧力波Ｓの節Ｆの部分に捕捉される金属粒子（異物Ｃ）の捕捉時間を長くすることができる。

【0036】

したがって、溶融ガラス（液体Ｌ）中を沈降する金属粒子（異物Ｃ）の沈降速度を、溶融ガラス（液体）の温度や粘度等の性状に因らず任意に制御することができる。その結果、例えば、溶融ガラス（液体Ｌ）の温度を高くして粘度を低下させる流下運転時であっても、金属粒子（異物Ｃ）の沈降速度を遅くすることができ、金属粒子（異物Ｃ）が一斉に沈降して底部に堆積することによる問題を回避することができる。

【0037】

また、定在圧力波Ｓの腹Ｈの部分においては、圧力変動が大きく、その撹拌効果によって金属粒子（異物Ｃ）がクラスタ化（凝集）することを抑制することができ、かつ、凝集した金属粒子（異物Ｃ）を分散化することもできる。その結果、金属粒子（異物Ｃ）が凝集することによる沈降速度の増大を抑制することができる。こうして圧力変動の大きな腹Ｈの部分にて分散化された金属粒子（異物Ｃ）は、凝集時よりも遙かに重量が小さい状態で、圧力変動が小さい節Ｆの部分に移動され、節Ｆの部分に捕捉されることで、沈降速度を効果的に抑制することができる。

【0038】

なお、図１（ａ）において、左右の超音波発振器３を定期的に交代させて使用し、定在圧力波Ｓの生成方向を左右で定期的に切り換えることで、金属粒子（異物Ｃ）を左右バランスよく沈降させるようにしてもよい。また、左右の超音波発振器３を同時に使用し、二つの定在圧力波Ｓを交差するように生成することで、金属粒子（異物Ｃ）の沈降速度に変化を与えるようにしてもよい。

【0039】

図４（ａ）〜（ｃ）に本発明の第２実施形態に係る液体中における異物の沈降制御装置１を示す。この第２実施形態に係る沈降制御装置１は、対向波生成手段４として、超音波発振器３に向けて超音波を照射する対向波用超音波発振器４ｂを採用したものである。それ以外の構成については、図１に示した第１実施形態に係る沈降制御装置１と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

【0040】

図４（ａ）に示したように、溶融炉本体（貯留槽２）の内壁には、左右の超音波発振器３と対向するように、対向波用超音波発振器４ｂが設けられている。対向波用超音波発振器４ｂは、超音波発振器３から照射される超音波と略同一の波長、周波数、振幅、速さの超音波（対向波）を、超音波発振器３に向けて照射する。これにより、対向波用超音波発振器４ｂと超音波発振器３との間の融液中に、定在圧力波Ｓが生成される。その結果、上述した第１実施形態と同様に、溶融ガラス（液体Ｌ）中を沈降する金属粒子（異物Ｃ）は、定在圧力波Ｓの節Ｆの部分に捕捉され、沈降速度が抑制される。

【0041】

対向波用超音波発振器４ｂは、照射される超音波の強さ、周波数又は照射時間の少なくとも一つを変更可能な制御部２７ｂに接続されている。したがって、金属粒子（異物Ｃ）の沈降速度は、超音波発振器３と同様に、対向波用超音波発振器４ｂから照射される超音波Ｗの強さ、周波数若しくは照射時間のうち少なくとも一つ又はこれらの組み合わせによって任意に制御することができる。

【0042】

そして、波長、周波数、振幅、速さが略同一で進行方向が互いに逆向きの二つの超音波を重なり合わせることによって、定在圧力波Ｓを生成することができる。なお、本実施形態において、主電極５は、補助電極６が設けられた溶融炉本体（貯留槽２）の内壁の補助電極６よりも上方の位置に配置されている。

【0043】

第２実施形態に係る沈降制御装置１によれば、超音波発振器３から照射された超音波とこれに対向して対向波用超音波発振器４ｂから照射された超音波（対向波）とを重ね合わせることによって定在圧力波Ｓを生成していることから、超音波発振器３から照射された超音波を反射面４ａで反射させて定在圧力波Ｓを生成する第１実施形態に係る沈降制御装置１と比較して、対向波の減衰が少なく、より強く安定した定在圧力波Ｓを生成することができる。

【0044】

また、上述した第１実施形態及び第２実施形態に係る沈降制御装置１によれば、液体Ｌよりも比重の大きな異物Ｃが液体Ｌに混合した融液に向かって重力方向に対して傾斜した方向に超音波を照射し、超音波と重なり合う対向波を生じさせて融液中に傾斜した定在圧力波Ｓを生成し、定在圧力波Ｓの節Ｆの部分に異物Ｃを捕捉することによって異物Ｃの沈降速度を制御することができる。

【0045】

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

【0046】

例えば、水（液体）中を沈降する砂（異物）を、上述した定在圧力波Ｓの節Ｆの部分で捕捉して、砂の沈降速度を制御するようにしてもよい。また、異物は、固体に限られず、液体でもよい。この場合、媒体としての液体（油）に、異物としてそれよりも比重の大きな別の液体（水）を混合しておき、油中を沈降する水を上述した定在圧力波Ｓの節Ｆの部分で捕捉して、水の沈降速度を制御するようにしてもよい。また、第２実施形態に示した対向波用超音波発振器４ｂの位置に反射面４ａを有する反射部材（対向波生成手段４）を配置してもよい。

【符号の説明】

【0047】

１ 沈降制御装置
２ 貯留槽
２ａ 凹部
３ 超音波発振器
４ 対向波生成手段
４ａ 反射面
４ｂ 対向波用超音波発振器
５ 主電極
６ 補助電極
７ 流下ノズル
８ 底部電極
２１ 振動子
２２，２３ 電極板
２４ ダンパー材
２５ パルス発生源
２６ シール材
２７，２７ｂ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】