(57)【要約】  本発明は、音響エネルギを伝播するのに用いられる波発生器の形状を操作すると共に、内部で音響エネルギが液体に印加されるチャンバの形状を選択することにより、超音波音響エネルギを液体流内の所望の位置に制御可能に合焦させる装置。超音波音響波発生器が励起されると、該発生器は、液体がハウジングを通過する際に出口オリフィスを機械的に振動させることなくチャンバ内に含まれる加圧液体に超音波エネルギを印加する。
2005513843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波音響エネルギを液体流内に制御可能に合焦させる装置であって、
刺激されたとき遠位端に位置する先端から超音波振動エネルギを放射する超音波音響波発生器と、
液体を通過させるようにされたチャンバと、
前記チャンバ内に位置し、前記発生器の先端から前記液体に伝達される音響エネルギを受け取って前記エネルギを所望の位置に反射するための少なくとも１つの音響反射面と、
を備える装置。
【請求項２】
前記超音波音響波発生器が超音波ホーンを備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記チャンバは注入口と出口とを備える請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記音響反射面は前記チャンバの少なくとも１つの壁を含む請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記音響反射面は前記音響エネルギを前記チャンバ内の点に合焦させる請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記音響反射面は前記音響エネルギを前記チャンバの外側にある点に合焦させる請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記音響反射面は前記音響エネルギを前記チャンバ内の領域に合焦させる請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記音響反射面は前記音響エネルギを前記チャンバの外側の領域に合焦させる請求項１に記載の装置。
【請求項９】
自己洗浄するようにされている請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記超音波音響波発生器は節面を備える請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記超音波音響波発生器は前記節面に取り付けられている請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
超音波音響エネルギを前記流れ内に制御可能に合焦させることにより液体流の特性を変えるようにされた装置であって、
刺激されたとき超音波振動エネルギを放射する、前記液体流内に浸漬された先端を含む超音波音響波発生器と、
少なくとも１つの音響反射面と、前記超音波音響エネルギを通して前記音響反射面に向ける開口部とを含み、前記液体を受け取り、該液体が貫通して流れることができるようにするチャンバと、
を備え、
前記音響反射面が前記エネルギを少なくとも１つの所望の焦点へ反射することを特徴とする装置。
【請求項１３】
前記超音波音響波発生器が超音波ホーンを備える請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記チャンバは注入口と出口とを備える請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記音響反射面は前記チャンバの少なくとも１つの壁を含む請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
前記音響反射面は前記音響エネルギを前記チャンバ内の点に合焦させる請求項１２に記載の装置。
【請求項１７】
前記音響反射面は前記音響エネルギを前記チャンバの外側にある点に合焦させる請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
前記音響反射面は前記音響エネルギを前記チャンバ内の領域に合焦させる請求項１２に記載の装置。
【請求項１９】
前記音響反射面は前記音響エネルギを前記チャンバの外側の領域に合焦させる請求項１２に記載の装置。
【請求項２０】
自己洗浄するようにされている請求項１２に記載の装置。
【請求項２１】
前記超音波音響波発生器は節面を備える請求項１２に記載の装置。
【請求項２２】
前記超音波音響波発生器は前記節面に取り付けられている請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
超音波音響エネルギを液体流内に制御可能に合焦させることにより、前記液体流に含まれる成分の特性を変える装置であって、
刺激されたとき超音波振動エネルギを所望の方向に放射する、前記液体流内に浸漬された先端を含む超音波音響波発生器と、
音響反射壁を有し、前記液体を受け取るように適合された注入口と前記液体を外側位置へ通過させるように適合された出口とを有するチャンバと、
を備え、
前記音響反射壁が前記先端から伝達された前記エネルギを反射して該エネルギを前記液体流内の所望の位置に合焦させることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響エネルギを伝播するのに用いられる波発生器の形状を操作すると共に、内部で音響エネルギが液体に印加されるチャンバの形状を選択することにより、超音波音響エネルギを液体流内の所望の位置に制御可能に合焦させる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギを制御して印加することにより、流れの特性を変えるか、液体流内に含まれる成分の特性を変えるか、又はこれらの両方を行うことが可能となる。
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願番号第０８／５７６，５４３号
【特許文献２】米国特許第６,０５３，４２４号
【特許文献３】米国特許出願番号第０８／５７６，５２２号
【特許文献４】米国特許第５，８０３，１０６号
【特許文献５】米国特許第５，８６８，１５３号
【特許文献６】米国特許仮出願第６０／２５４，７３７号
【特許文献７】米国特許仮出願第６０／２５４，６８３号
【特許文献８】米国特許仮出願第６０／２５７，５９３号
【特許文献９】米国特許仮出願第６０／２５８，１９４号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、超音波音響エネルギを液体流内に制御可能に合焦させる装置を提供する。該装置は、刺激されたとき、先端から振動の形態で超音波音響エネルギを放射する超音波音響波発生器からなる。先端は、該発生器の遠位端に位置する。該発生器はまた、液体流からの液体を通過させるようにされたチャンバを有する。少なくとも１つの音響反射面は、チャンバ内に位置し、発生器の先端から液体流内に伝達された音響エネルギを受け取り、このエネルギを液体流内の所望の位置に反射して流れに対して所望の影響を生じさせる。
【０００５】
別の実施形態において、装置は、超音波音響エネルギを流れ内に制御可能に合焦させることにより、液体流自体の特性を変えるようにされている。この装置は、液体流内に浸漬された先端で終端する超音波音響波発生器からなり、刺激されたとき、先端から振動の形態で超音波音響エネルギを放射する。チャンバは、液体流から液体を受け取り、該液体がチャンバを貫通して流れることができるようにされている。チャンバは少なくとも１つの音響反射面と開口部とを有し、該開口部を通って、超音波音響エネルギが音響反射面に向けられる。音響反射面は、少なくとも１つの所望の焦点に対してエネルギを反射する。
【０００６】
別の実施形態においては、この装置は、超音波音響エネルギを液体流内に制御可能に合焦させることにより液体流内に含まれる成分の特性を変えるようにされている。この装置は、液体流内に浸漬された先端で終端する超音波音響波発生器を有し、刺激されたとき、所望の方向に振動の形態で超音波音響エネルギを放射する。音響反射壁を有するチャンバもまた提供される。このチャンバは、液体流から液体を受け取るようにされた注入口と液体をチャンバの外側の位置へ通過させるようにされた出口とを有する。音響反射壁は、先端から伝達されたエネルギを反射し、且つこのエネルギを液体流内の所望の位置に合焦させるように作用する。
【０００７】
（定義）
本明細書において使用する用語「液体」は、気体と固体の中間であるアモルファス（非結晶の）状の物質をいい、分子はガスにおけるよりもはるかに高度に密集しているが、固体におけるよりもはるかに密集していない。液体は、単一の成分を有していても良く、多数の成分で作られていても良い。成分は、他の液体、固体、及び／又は気体であっても良い。例えば、液体の特性は、力が加えられた結果として流れることができる液体の能力である。力が印加されると直ちに流れ、その流量が印加された力に正比例する液体は、一般的にニュートン液体と呼ばれる。幾つかの液体は、力が印加されたときに流れにおける異常な応答をし、非ニュートン流れ特性を示す。
【０００８】
本明細書において使用する用語「節」又は「節面」は、超音波音響波発生器の機械的励起軸上の点であって、超音波音響エネルギによって励起されたときに、波発生器の機械的励起運動が生じない点を意味する。節は、当該技術分野、並びに本明細書において、節点又は節面と呼ばれる場合もある。
【０００９】
用語「近接」は、本明細書において、定性的な意味でのみ使用される。すなわち、この用語は、超音波音響波発生器が主としてチャンバ内に含まれる液体のリザーバに超音波エネルギを印加するのに十分なほどチャンバの入口に近いことを意味するのに使用される。この用語は、チャンバからの特定の距離を定義する意味で使用されるものではない。
【００１０】
本明細書において使用する用語「本質的に〜からなる」は、所与の組成物又は生成物の所望の特性に有意な影響を及ぼさない追加の材料の存在を除外するものではない。この種の例示的な材料には、限定ではないが、顔料、酸化防止剤、安定化剤、界面活性剤、ワックス、流動促進剤、触媒、溶媒、粒子状物質、及び組成物の処理性を高めるために加えられる材料が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
一般に、図１は、液体が流れの形態で装置１００を通って移送される際に、合焦された超音波音響エネルギを受けるように適合された装置１００を備える本発明を示す。図１を参照すると、必ずしも縮尺通りではないが、液体流内の所望の位置に超音波振動エネルギを付与する例示的な装置１００が示されている。幾つかの実施形態において、装置１００は、注入口１１０を介して圧力下で液体を受け取るように適合させることができる。このような液体は、ニュートン液体と非ニュートン液体の両方を含む。これらの液体には、例えば、他に加えて、塗料、染色液、エポキシ、プラスチック、食品及びシロップ、乳液、オイルベースの液体、水性液体、溶融金属、アスファルト液、タールを含むことができる。
【００１２】
図１及び図２の実施形態に示すように、装置１００は、幾つかの実施形態においてハウジング１０２内にリザーバ１０４を収容することができるハウジング１０２を備えることができる。チャンバ１４２は、リザーバ１０４と隣接連通して配置することができる。チャンバ１４２は、１つ又は複数の入口１６０を備えることができ、この入口１６０は、断面積と、図１の実施形態において入口１６０の断面積に垂直で入口１６０を通る中心軸１１５とを有する。また、１つ又は複数の出口オリフィス１１２を備えても良い。１つ又は複数の出口オリフィス１１２は、チャンバ１４２から装置１００の外側に通じ、液体をハウジング１０２の外へ通すように適合されている。チャンバ１４２は、ハウジング１０２の壁に機械加工されても良く、或いは、ハウジング１０２が、互いに取り付けられたときに注入口１１０、１つ又は複数の出口オリフィス１１２、リザーバ１０４、及びチャンバ１４２を含むような１つ又はそれ以上の区域（図示せず）を備えても良い。
【００１３】
ハウジング１０２は、第１の端部１０６と第２の端部１０８とを有することができる。ハウジング１０２はまた、次にリザーバ１０４に接続される注入口１１０を備えることができる。注入口１１０は、装置１００に、より具体的にはリザーバ１０４を介してチャンバ１４２に超音波音響エネルギを受けることになる液体を供給するように適合されている。ハウジング１０２の第１の端部１０６は、先端１３６で終端することができる。先端１３６は、図１に示すように、別個の交換可能な構成部品を備えることができる。
【００１４】
或いは、図２は、ハウジング１０２の一体化要素としての先端１３６を示す。更に、先端１３６は、図１及び図２に示すようにハウジング１０２から突出する必要はない。先端１３６内に配置された出口オリフィス１１２は、液体をチャンバ１４２から受け、この液体をハウジング１０２の外へ輸送するように適合されている。
【００１５】
更に詳細に図２を参照すると、チャンバ１４２は、リザーバ１０４と出口オリフィス１１２との間に配置することができるのが分かる。幾つかの実施形態において、チャンバ１４２は、エネルギが配向される点、容積、又は領域として機能する。しかしながら、以下に説明する他の実施形態において、チャンバ１４２の外側及び出口オリフィス１１２の外側にでもエネルギを合焦することができる。超音波エネルギを印加することにより励起された直後の液体は、チャンバ１４２から、出口オリフィス１１２に移って通過する。チャンバ１４２は、出口オリフィス１１２に直接接続されてもよく、或いは、図１及び図２に示すようにチャンバ１４２の一部を形成することができる先細の壁１４４を介してこの２つを相互接続してもよい。
【００１６】
本発明の幾つかの実施形態において、出口オリフィス１１２は、約０．１インチ（２．５４ｍｍ）よりも小さい直径を有すことができる。例えば、出口オリフィス１１２は、約０．０００１インチから約０．１インチ（約０．００２５４ｍｍから約２．５４ｍｍ）の直径を有することができる。別の実施例として、出口オリフィス１１２は、約０．００１インチから約０．０１インチ（約０．０２５４ｍｍから約０．２５４ｍｍ）の直径を有することができる。チャンバ１４２は、先細の壁１４４で終端する約０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）の直径を有することができ、この先細の壁１４４は次いで出口オリフィス１１２につながっている。先細の壁１４４は、切頭円錐台とすることができるが、他の構造も同様に企図される。例えば、図２の実施形態は、中心軸１１５から先細の壁１４４までを測定すると約３０度の収束を有する先細の壁１４４を示す。これに対し、図３の実施形態では、中心軸１１５から先細の壁１４４までを測定すると湾曲した形状を示している。
【００１７】
図１に示す超音波ホーン１１６などの超音波音響波発生器が提供されている。超音波音響波発生器は、超音波ホーン１１６並びに他の超音波音響波発生器を備えることができる。図１の超音波ホーン１１６は、第１の端部１１８と、第２の端部１２０と、節点又は節面１２２と、機械的励起軸１２４と、先端１５０とを有する。
【００１８】
本発明の一態様によれば、超音波ホーン１１６は、最小限の振動エネルギがハウジング１０２、特に出口オリフィス１１２に伝達されるような方法で取り付けることができる。これを達成するために、図１に示すような幾つかの実施形態において、超音波ホーン１１６は、ホーン１１６のハウジング１０２に接触する部分のみが節面１２２上に重なる部分となるように、実質的に節面１２２においてハウジング１０２に取り付けることができる。更に、ホーン１１６は、先端１５０がリザーバ１０４内にあるように装着することができる。最大量の超音波音響エネルギが確実に液体に伝達されるように、超音波ホーン１１６の先端１５０は、チャンバ１４２の入口１６０により定められる面積に等しい面積を含むことができる。
【００１９】
図１に示すように、超音波ホーン１１６は、ホーン１１６の第１の端部１１８がハウジング１０２の外側に位置し、且つ第２の端部１２０がハウジング１０２の内側でリザーバ１０４内に位置して、チャンバ１４２への入口１６０により定められる入口面１６１に近接するがこれを超えて延びないような方法で、ハウジング１０２の第２の端部１０８内に配置され、その節部１２２で固定することができる。
【００２０】
或いは、図示していないが、ホーン１１６からハウジング１０２への機械的振動エネルギの伝達が特に出口オリフィス１１２において最小化される限りは、ホーン１１６の第１の端部１１８と第２の端部１２０の両方は、ハウジング１０２の内側に配置してもよい。
【００２１】
ここで図２を参照すると、超音波ホーン１１６の先端１５０は、断面積を有する。上述のように、チャンバ１４２は、対応する断面積を備えた入口面１６１を有する入口１６０を有する。幾つかの望ましい実施形態において、先端１５０の断面積を通る中心軸１２５は、長手方向の機械的励起軸１２４に対応するか又はこれと一致し、一方、入口面１６１を通る中心軸１１５は、チャンバ１４２を通る第１の軸１１４に対応するか又はこれと一致する。
【００２２】
図２に示すように、第１の軸１１４及び機械的励起軸１２４は、実質的に同軸上に位置を合わせることができる。先端１５０の断面積と入口面１６１の断面積もまた、上述のように、実質的に等しい面積にすることができる。図２のような幾つかの実施形態において、ホーン１１６の先端１５０又は端部は、チャンバ１４２への入口１６０と同軸上で且つ平行に離間して配置することができ、実質的に極めて近接させることができる。この構造は、より多くの振動エネルギをチャンバ１４２内に含まれる液体に合焦させるのに役立つ。
【００２３】
更に、図１から図３に示すような幾つかの実施形態において、超音波ホーン１１６の第１の軸１１４と機械的励起軸１２４は、実質的に平行である。幾つかの実施形態において、第１の軸１１４と機械的励起軸１２４は、ほぼ一致する。他の実施形態において、第１の軸１１４と機械的励起軸１２４は、図１及び図２に示すように実際に一致する。
【００２４】
しかしながら、所望であれば、ホーン１１６の機械的励起軸１２４は、第１の軸１１４に対してある角度をなしていてもよい。例えば、ホーン１１６は、端部１０６、１０８でなく、ハウジング１０２の壁１３０（図示せず）を通って延びてもよい。更に、ホーン１１６の第１の軸１１４及び機械的励起軸１２４のいずれも、垂直である必要はない。
【００２５】
すでに述べたように、用語「近接」は、本明細書において、各図に示す超音波音響波発生器又は超音波ホーン１１６が入口面１６１に接近しており、これにより、液体流がチャンバ１４２から出口オリフィス１１２に入りそこを通る際に超音波音響エネルギをチャンバ１４２内に含まれる液体に主として印加できるようにすることを意味するのに用いられる。
【００２６】
どのような所与の状況においても超音波ホーン１１６の先端１５０と出口オリフィス１１２の外側終端１１３間の実際の距離は、幾つかの因子によって異なり、この因子の幾つかには、加圧液体の流量及び／又は粘度、出口オリフィス１１２の断面積に対する超音波ホーン１１６の先端１５０の断面積、チャンバ１４２の入口面１６１の断面積に対する超音波ホーン１１６の先端１５０の断面積、超音波エネルギの周波数、超音波音響波発生器のゲイン（例えば、超音波ホーン１１６の機械的励起の大きさ）、加圧液体の温度、及び液体が出口オリフィス１１２の外へ通過する速度がある。
【００２７】
一般に、どのような所与の状況においても超音波ホーン１１６の先端１５０とハウジング１０２の第１の端部１０６の出口オリフィス１１２の外側終端１１３間の距離は、必要以上に実験を行うことなく、当業者によって容易に決定することができる。実際には、このような距離は、約０．００２インチ（約０．０５ｍｍ）から約１．３インチ（約３３ｍｍ）の範囲とすることができるが、より大きい距離を採用することも可能である。上記に関わらず、超音波ホーン１１６の先端１５０とチャンバ１４２への入口面１６１間の距離は、約０インチ（約０ｍｍ）から約０．１００インチ（約２．５ｍｍ）の範囲にわたることができる。
【００２８】
超音波ホーン１１６の先端１５０と入口面１６１間の距離により、リザーバ１０４に含まれる液体へエネルギが消失する程度が決まる。従って、先端１５０と入口面１６１間の距離が大きい程、チャンバ１４２内に含まれていない液体に対して消失するエネルギの量が大きくなる。そのため、エネルギ損失、加圧液体の劣化、及び液体が超音波エネルギに曝される結果生じる可能性がある他の悪影響を最小限に止めるために、より短い距離であるのが望ましい。幾つかの実施形態において、これらの距離は、先端１５０がチャンバ１４２の入口面１６１を越えてほとんど突出しない距離から、先端１５０と入口面１６１間が約０．０１０インチ（約０．２５ｍｍ）離間した距離までの範囲にわたる。少なくとも１つの望ましい実施形態において、先端１５０と入口面１６１は、約０．００５インチ（約０．１３ｍｍ）の距離だけ離れている。
【００２９】
ホーン１１６内に超音波振動を発生させるために、超音波ホーン１１６自体は、図３に示すように、ホーン１１６の第１の端部１１８に連結されたバイブレータ２２０を更に備えることができる。バイブレータ２２０は、圧電変換器又は磁気歪み変換器とすることができる。
【００３０】
バイブレータ２２０は、図３に示すようにホーンに直接連結するか、又は細長い導波管（図示せず）により連結することができる。細長い導波管は、どのような所望の入力／出力機械的励起率を有することもできるが、多くの用途に対しては１：１及び１：１．５の比率が一般的である。超音波エネルギは一般的に、約１５ｋＨｚから約５００ｋＨｚの周波数を有することになるが、他の周波数も同様に企図される。バイブレータ２２０は、ホーン１１６を機械的励起軸１２４に沿って振動させる。本発明の実施形態において、超音波ホーン１１６は、バイブレータ２２０により第１の端部１１８に印加される超音波周波数で節面１２２を中心として振動することになる。
【００３１】
本発明の幾つかの実施形態において、超音波ホーン１１６は、一部分又は全体を磁気歪み材料から構成することができる。これらの実施形態において、信号を磁気歪み材料内に誘導して該材料に超音波周波数の振動を引き起こすことができるコイル（これも液体に浸漬することができる）によりホーン１１６の周囲を取り囲むことができる。このような場合、超音波ホーン１１６は、バイブレータ２２０及び超音波ホーン１１６自体として同時に機能することができる。いずれの場合も、ホーン１１６が活性化される際に超音波ホーン１１６の先端１５０から放射する振動エネルギは、チャンバ１４２内に含まれる液体へ伝達される。
【００３２】
図４から図７に、チャンバ１４２の実施可能な実施形態を示す。これらの図の各々は更に、超音波音響波発生器の先端１５０を示す。力線１６２で表される音響エネルギが先端１５０から放射しているのが示されている。図示のように、音響エネルギは、この場合にはチャンバ１４２の側壁により形成される反射面１６４からの余角で反射される。より具体的には、図４を参照すると、音響エネルギの力線１６２は、エネルギの放射線が表面から反射するときの入射角ΘIは反射角ΘRに等しいという反射の法則に従っているのが示される。換言すれば、線Ｎが力線１６２が衝突する反射面１６４上の点に垂直に引かれる場合、線Ｎに対して、力線１６２が表面１６４に衝突する角度又は入射角ΘIは、同一の線Ｎに対して、力線１６２が表面１６４から反射する角度又は反射角ΘRに等しい。
【００３３】
少なくともひとつには、反射面１６４の構造及び音響エネルギが反射面１６４に衝突する入射角ΘIに応じて、液体流内の所望の点又は領域にエネルギを合焦させることができる。図４及び図５を参照すると、先端１５０に対して直線関係で配置された場合の反射面１６４がエネルギをチャンバ１４２内の中心領域に集中させて出口オリフィス１１２の軸１１５に一致する合焦線１６６を形成することになるのが分かる。図６及び図７に、出口オリフィス１１２の軸１１５に一致するより合焦した領域又は点１６８にエネルギを集中させることができる曲線反射面１６４を有するチャンバ１４２を示す。
【００３４】
図４から図７にチャンバ１４２の形状を操作した実施形態を示し、図８には、超音波音響エネルギを所望の方向に伝播させるように超音波音響波発生器の先端１５０の形状も変更した実施形態を示す。図８に示すように、先端１５０の形状を変更することにより、エネルギは、出口オリフィス１１２により近接して、又はそこから更に離れて集中させることができ、出口オリフィス１１２内にでも集中させることができる。図示しないが、焦点１６８が出口オリフィス１１２を超えてハウジング１０２の外側の点又は領域まで及ぶことができる構造が企図される。更に、超音波音響波発生器の先端１５０及び反射面１６４の形状は、所望の効果を得るために合わせて選択することができる。例えば、図８及び図９は、全てが出口オリフィス１１２の軸と一致する複数の焦点１６８並びに合焦線１６６にエネルギが合焦される実施形態を示す。
【００３５】
反射面１６４及び先端１５０の操作は、共に機能して、例えば液体の流量を増大し、液体を霧化し、液体を乳化し、及び／又は液体を空洞化するといった液体流に対して種々の所望の効果を確立するために行うことができる。
【００３６】
図４及び図５に示す合焦線１６６のような合焦線にエネルギを集中させることは、流れに含まれる可能性がある成分をより高いレベルのエネルギに曝すのに有用とすることができる。例えば、流れに含まれる病原体及び粒子物質といった汚染物質を長い時間より高いエネルギレベルに曝すことは望ましい場合があり、エネルギを合焦線１６６に合焦させることによりこれが可能となる。或いは、より高いレベルのエネルギ強度が所望される場合、図５及び図６に示すような点にエネルギを合焦させることが望ましい場合がある。例えば、液体流を乳化するか、又は流量を増大させることが所望される場合、エネルギを焦点１６８に合焦させることによりこれが可能となる。更に、チャンバ１４２内の各焦点を適切に選択することにより、液体流の混合、希釈、及び霧化の程度に影響を与えることができる。
【００３７】
図示する各実施形態において、チャンバ壁は、反射面１６４として機能する。しかしながら、バッフル又は追加壁（図示せず）などの他の構成部品は、チャンバ１４２内に選択的に配置して、この機能を全体的に又は部分的に役立てることができる。本発明は更に、意図された課題を達成するため、先端１５０から放射する超音波音響エネルギを１つ又は複数の適切な方向に配向するように構成された、互換性のある、ユーザが選択可能な超音波発生器及び／又は先端１５０が企図される。また、本発明は、意図された課題を達成するため、超音波音響エネルギを１つ又は複数の適切な方向に配向し反射させる、互換性のある、ユーザが選択可能なチャンバ１４２及び／又は反射面１６４も企図される。
【００３８】
作動中、チャンバ１４２は、リザーバ１０４から直接液体を受け、これを１つ又は複数の出口オリフィス１１２に渡す。チャンバ１４２内に含まれる液体は、超音波ホーン１１６により供給される超音波音響エネルギに曝される。作動中、少量のエネルギがリザーバ１０４自体の中に含まれる液体に対して消失する可能性があるが、超音波ホーン１１６がハウジング１０２から分離されている限り、又は代替的に、節面１２２でハウジング１０２に固定されている限り、極めて多くの大部分のエネルギは、出口オリフィス１１２自体を有意に振動させることなく、チャンバ１４２内に含まれる液体に配向される。ホーン１１６からチャンバ１４２内に含まれる液体に伝達されるエネルギを最大化する１つの方法は、液体へのエネルギ入力源として機能するホーン１１６自体の先端１５０を除いて、ホーン１１６のどのような表面もホーン１１６自体の振動運動、すなわち機械的励起軸１２４に沿った振動運動に対して垂直となることを最低限に抑えるか、又は望ましくは排除することである。チャンバ１４２への入口１６０に対する先端１５０の外形を適切に選択し、及び反射面１６４を適切に配置することにより、超音波音響エネルギは、チャンバ１４２自体に含まれる液体の所望の領域に合焦させることができる。
【００３９】
装置１００の大きさ及び形状は、少なくともひとつには、出口オリフィス１１２の数及び配置並びに超音波ホーン１１６の動作周波数に応じて大きく異なることができる。例えば、ハウジング１０２は、円筒形、矩形、又は他のどのような形状であっても良い。更に、ハウジング１０２が複数の出口オリフィス１１２を有する可能性があるので、出口オリフィス１１２は、限定ではないが、線形パターン又は円形パターンを含むパターン状に配置することができる。更に、出口オリフィス１１２の断面外形及び機械的励起軸１２４に対する出口オリフィス１１２の向きは、装置１００の使用に悪影響を及ぼす結果にはならない。
【００４０】
複数の出口オリフィス１１２に対する超音波エネルギの印加は、種々の方法により達成することができる。例えば、再び図３を参照すると、ホーン１１６の第２の端部１２０は、ハウジング１０２内の全ての出口オリフィス１１２に近接する液体部分に超音波エネルギを印加するために十分な大きさの断面積を有することができる。
【００４１】
本発明の装置１００の１つの利点は、自動洗浄式とすることができることである。液体がリザーバ１０４に供給される圧力と超音波で超音波ホーン１１６を励起することにより発生する力とを組み合わせることにより、ハウジング１０２又は出口オリフィス１１２を有意に振動させることなく、出口オリフィス１１２を遮断するように出現する障害物を除去することができる。
【００４２】
本発明によれば、出口オリフィス１１２は、出口オリフィス１１２がチャンバ１４２を介してリザーバ１０４から加圧液体を受け、該液体をハウジング１０２の外へ通過させる間に、超音波ホーン１１６が超音波エネルギで励起される際に自動洗浄するように適合されている。超音波エネルギにより付与される振動は、高粘性液体の粘度及び流れ特性を明らかに変えると思われる。
【００４３】
更に、この振動はまた、液体供給の圧力又は温度を上昇させることなく、装置１００を通って移動する液体の流量を向上させると思われる。この振動により、出口オリフィス１１２で詰まっている汚染物質が破壊されて流れ出る。またこの振動により、流れに存在する可能性がある他の成分（例えば液体成分）又は添加物との液体の乳化を生じることができ、並びに添加物及び汚染物質をそのような液体中に乳化した状態で維持することができる。
【００４４】
本発明を、以下の実施例により更に説明する。しかしながら、この実施例は、本発明の精神又は範囲を多少なりとも限定するものと解釈すべきではない。
【００４５】
超音波ホーン装置
以下は、上述の特徴の一部を組み込んだ、一般的に各図に示す本発明の例示的な超音波ホーン装置の説明である。
【００４６】
図１を参照すると、本装置のハウジング１０２は、１．３７５インチ（約３４．９ｍｍ）の外径、０．８７５インチ（約２２．２ｍｍ）の内径、及び３．０８６インチ（約７８．４ｍｍ）の長さを有する円筒であった。ハウジングの第２の端部１０８の外側０．３１２−インチ（約７．９−ｍｍ）部分は、１６ピッチのネジ山でネジ切りされていた。第２の端部の内側は、第２の端部の面１２８から第１の端部１０６に向かって０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）の距離だけ延びる勾配付き端部１２６、又は面取り部を有していた。該面取り部が、第２の端部の面においてハウジングの内径を０．７５インチ（約１９．０ｍｍ）まで減少させていた。注入口１１０（入口オリフィスとも呼ばれる）がハウジング内に穴開けされており、その中心は、第１の端部から０．６８８インチ（約１７．５ｍｍ）であり、タップ立てされていた。ハウジングの内壁は、円筒形部分１３０と円錐台部分１３２からなっていた。円筒形部分は、第２の端部の面取り部から第１の端部に向かって第１の端部の面から０．９９２インチ（約２５．２ｍｍ）以内まで延びていた。円錐台部分は、円筒形部分から０．６２５インチ（約１．５９ｍｍ）の距離だけ延びて、第１の端部のネジ切りした開口部１３４で終端していた。ネジ切りした開口部の直径は、０．３７５インチ（約９．５ｍｍ）であり、この開口部は、長さが０．３６７インチ（約９．３ｍｍ）であった。
【００４７】
先端１３６は、第１の端部のネジ切りした開口部内に位置していた。該先端は、円形の肩部１４０を有するネジ切りした円筒１３８からなっていた。肩部は０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）の厚さで０．５インチ（約１２．７ｍｍ）離れた２つの平行な面（図示せず）を有していた。出口オリフィス１１２（突出オリフィスとも呼ばれる）は、肩部に穴開けされて、０．０８７インチ（約２．２ｍｍ）の距離だけネジ切りした部分に向かって延びていた。出口オリフィスの直径は、０．０１４５インチ（約０．３７ｍｍ）であった。出口オリフィスは、０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）の直径を有するチャンバの先端で、及びチャンバを出口オリフィス１１２と接合する円錐台の先細の壁１４４内で終端していた。先細の壁１４４は、垂直から３０°の角度であった。チャンバ１４２は、出口オリフィス１１２から入口面１６１まで延びており、これにより、ハウジング１０２により定められるリザーバ１０４を出口オリフィス１１２に接続していた。
【００４８】
超音波音響波発生器は、円筒形の超音波ホーン１１６であった。ホーンは、２０ｋＨｚの周波数で共振するように機械加工されていた。ホーンは、共振波長の二分の１に等しい５．１９８インチ（約１３２．０ｍｍ）の長さ、及び０．７５インチ（約１９．０ｍｍ）の直径を有していた。ホーン１１６の第１の端部１１８の面１４６は、３／８−インチ（約９．５−ｍｍ）スタッド（図示せず）用に穴開けされタップ立てされていた。ホーン１１６は、機械加工により節点１２２にカラー１４８を備えていた。カラーは、０．０９４−インチ（約２．４−ｍｍ）幅で、ホーンの円筒形面から０．０６２インチ（約１．６ｍｍ）だけ外方に延びていた。ホーン１１６は、カラー１４８の位置でハウジング１０２に取り付けられていた。ホーンをホーンの節点でハウジングに取り付けることにより、振動エネルギのハウジングへの伝達が排除されたか、又は少なくとも実質的に最小化された。カラーの位置でのホーン１１６の直径は、０．８７５インチ（約２２．２ｍｍ）であった。ホーンの第２の端部１２０は、長さ０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）及び直径０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）の小さい円筒状先端１５０で終端していた。このような先端１５０は、長さ約０．５インチ（約１３ｍｍ）の放物線状の円錐台部分１５２によりホーンの円筒状本体から分離されていた。すなわち、断面で見たときのこの円錐台部分の曲線は放物線の形状であった。小さい円筒状先端１５０の面はホーンの円筒状壁に対して垂直で、チャンバへの入口を横断する面から約０．００５インチ（約０．１３ｍｍ）に位置していた。従って、ホーンの先端、すなわちホーンの第２の端部の面１５０は、チャンバへの入口の真上に位置し、該チャンバの入口を横切る平坦な領域と同じ領域であった。
【００４９】
ハウジングの第２の端部１０８は、超音波ホーンを所定の位置に保持するようにも機能するネジ切りしたキャップ１５４により封止されていた。ネジ山は、キャップの先端に向かって０．３１２インチ（約７．９ｍｍ）の距離だけ上方に延びていた。キャップの外径は、２．００インチ（約５０．８ｍｍ）で、キャップの長さ又は厚さは、０．５３１インチ（約１３．５ｍｍ）であった。キャップの開口部は、ホーンを収容するように大きさが定められていた。すなわち、開口部は、０．７５インチ（約１９．０ｍｍ）の直径を有していた。キャップの開口縁部は、ハウジングの第２の端部の面取り部の鏡像である面取り部１５６であった。面取り部におけるキャップの厚さは、０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）で、ネジ山の端部と面取り部の底部との間に０．０９４インチ（約２．４ｍｍ）の間隔を残し、該間隔は、ホーン上のカラーの長さと同一であった。この間隔の直径は、１．１０４インチ（約２８．０ｍｍ）であった。キャップの先端１５８には、ピンスパナを収容するように９０°の間隔を置いて４つの１／４−インチの直径×１／４インチの深さの穴（図示せず）が開けられていた。従って、キャップを締めるとホーンのカラーが２つの面取り部の間で圧迫され、これによりハウジングにより定められるリザーバを密封していた。
【００５０】
１：１．５の入力／出力機械的励起率を有するブランソンの細長いアルミニウム導波管が、３／８−インチ（約９．５−ｍｍ）スタッドにより超音波ホーンに連結されていた。該細長い導波管に、２０ｋＨｚで動作するＢｒａｎｓｏｎ  Ｍｏｄｅｌ  １１２０電源装置（コネチカット州ダンベリー所在のＢｒａｎｓｏｎ  Ｓｏｎｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｍｐａｎｙ）により給電される圧電変換器、Ｂｒａｎｓｏｎ  Ｍｏｄｅｌ  ５０２コンバータが結合されていた。電力消費量がＢｒａｎｓｏｎ  Ｍｏｄｅｌ  Ａ４１０Ａ電力計で監視された。
【実施例１】
【００５１】
流量、噴霧粒子の大きさ、及び粒子速度に対する超音波音響エネルギの影響を測定するために、先端１３６の２つの構造について試験した。第１の構造は、図４に示すものと同一である。この構造を有する２つの異なる先端が実際にテストされた。これらの先端は、ノズル＃３及びノズル＃４で表記されている。各先端又はノズルは、ノズル＃３の出口オリフィス１１２が図４に示す０．００６インチ（約０．１５ｍｍ）の直径「Ｄ」を有する毛管であり、一方、ノズル＃４の出口オリフィスは、０．００８インチ（約０．２０ｍｍ）の直径「Ｄ」を有する毛管であったことを除いては、全寸法が同一であった。
【００５２】
図７の図面は、試験用に先端１３６が図７に示す２つの出口オリフィスの代わりに１つだけの出口オリフィス１１２を有していた点を除き、第２の構造と同一である。この第２の構造は、試験用に「ＥＭＤノズル」と表記された。
【００５３】
粒子の大きさ及び液体の速度を測定するために用いた計測器は、気流測定位相ドップラー粒子分析器であった。流量は、標準的なロトメータを用いて測定された。試験に用いられた液体は、０．８１ｇ／ｍｌの濃度及び２．６７センチストークの粘度を有する２番ディーゼル燃料であった。
【００５４】
データは、超音波電源のオンとオフの両方で、２５０ｐｓｉ、１，０００ｐｓｉ及び２，０００ｐｓｉの圧力で取られた。これらの試験の結果の表は、以下の表Ｉに見られる。「合力（Ｎ／１０００）」と表記した欄は、粘度及び質量流量の読み取り値から計算されている。
【００５５】
表Ｉ−気流測定試験最終段階の結果要約
2005513843.tif 000003
【００５６】
上記で「平均速度」と表記した有意な測定値、液滴速度は、気流測定単位で与えられている。超音波による速度の増加は、圧力に関係なく有意でかつ一定していた。表に示すように、ノズル＃３については、増加率は２０パーセントと３０パーセントの間である。２５０ＰＳＩＧ及び１０００ＰＳＩＧにおける異なるノズルについての速度への影響の更なる比較を、それぞれ図１０及び図１１に示す。各々の場合において、超音波の印加は、液滴速度を増加させた。ＥＭＤインジェクタノズルは速度において最も有意な増加を示し、より高い噴射圧力においてそうであった。
【００５７】
より高い噴射圧力において、超音波を印加した流量は、通常の条件に対する流量に近づく。図１２及び図１３に、異なるノズルについての２５０ＰＳＩＧ及び１０００ＰＳＩＧ試験に対する流量を示す。より高い圧力で超音波が印加されると、ノズルの大きさが増大するにつれて流量が増加する傾向があることが分かった。ＥＭＤノズルは、超音波が印加された際に流量に有意な増加を示した。超音波電源スイッチを入れるとすぐに流量計が立ち上がることになるため、これは、反復試験を通じて検証された。
【００５８】
図１４に、ノズル＃３における計算されたニュートン×１０-3の合力を示す。ニュートンの合力は、速度に流量を乗じることにより求めることができる。スプレーに超音波を付加すると全ての条件においてより高い合力をもたらし、圧力が上昇するにつれて合力の増加がより大きくなることが分かった。この影響は、他のノズル構造についても確認された。図１５及び図１６に、２５０ＰＳＩＧ及び１０００ＰＳＩＧにおける３つのノズルにおける合力をそれぞれ示す。合力の最大の増加は、１０００ＰＳＩＧ条件におけるＥＭＤノズルについて生じる。これは、有意な量の超音波エネルギが超音波ホーンからスプレーへ伝達されたことを示している。
【００５９】
表Ｉと図１２及び図１３のグラフは両方とも、３及び４の番号を付けた両方の先端構造において、超音波の印加で液体の流量が同じ状態に留まるか又は減少することを示している。しかしながら、同一条件下において、流量は先端ＥＭＤノズルを通って増加し、超音波音響エネルギが、図７に示すものに類似した反射面１６４を有する先端内の液体へより効率的に伝達されていることを示している。
【００６０】
関連特許及び関連出願
本出願は、同一出願人による特許及び特許出願のグループの１つである。該グループは、Ｌ．Ｋ．Ｊａｍｅｓｏｎ他の名義による「Ａｎ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｆｏｒ  ＥｍｕｌｓｉｆｙｉｎｇＡ  Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  Ｍｕｌｔｉ−Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ」と題する出願番号第０８／５７６，５４３号、整理番号第１２５３５号、Ｌ．Ｈ．Ｇｉｐｓｏｎ他の名義による「Ａｎ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ＦｏｒＵｌｔｒａｓｏｎｉｃａｌｌｙ  ＰｒｏｄｕｃｉｎｇＡ  Ｓｐｒａｙ  Ｏｆ  Ｌｉｑｕｉｄ」と題する、現在は米国特許第６,０５３，４２４号が付与されている出願番号第０８／５７６，５３６号、整理番号第１２５３６号、Ｌ．Ｈ．Ｇｉｐｓｏｎ他の名義による「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｆｕｅｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ」と題する出願番号第０８／５７６，５２２号、整理番号第１２５３７号、Ｂ．Ｃｏｈｅｎ他の名義による「Ａｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｆｏｒ  Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ  Ｔｈｅ  Ｆｌｏｗ  Ｒａｔｅ  ＯｆＡ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ａｎ  Ｏｒｉｆｉｃｅ」と題する現在米国特許第５，８０３，１０６号が付与されている出願番号第０８／５７６，１７４号、整理番号第１２５３８号、Ｂ．Ｃｏｈｅｎ他の名義による「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｆｌｏｗ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」と題する現在米国特許第５，８６８，１５３号が付与されている出願番号第０８／５７６，１７５号、整理番号第１２５３９号、Ｊａｍｅｓｏｎ他の名義による「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｆｕｅｌ  Ｉｎｊｅｃｔｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｖａｌｖｅ  Ｂｏｄｙ」と題する仮出願第６０／２５４，７３７号、整理番号第１５７８１号、Ｊａｍｅｓｏｎ他の名義による「Ｕｎｉｔｉｚｅｄ  Ｉｎｊｅｃｔｏｒ  Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｆｏｒ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｌｌｙ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」と題する仮出願第６０／２５４，６８３号、整理番号第１５８７２号、Ｊａｍｅｓｏｎ他の名義による「Ｕｎｉｔｉｚｅｄ  Ｉｎｊｅｃｔｏｒ  Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｆｏｒ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｌｌｙ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」と題する仮出願第６０／２５７，５９３号、整理番号第１５８１０号、及びＪａｍｅｓｏｎ他の名義による「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｔｏ  ＳｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙＭｉｃｒｏｅｍｕｌｓｉｆｙ  Ｗａｔｅｒ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  ＮｏｒｍａｌｌｙＩｍｍｉｓｃｉｂｌｅ  Ｆｌｕｉｄｓ  ｉｎｔｏ  ｔｈｅ  Ｆｕｅｌ  ｏｆ  ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣｏｍｂｕｓｔｏｒｓ  ａｔ  ｔｈｅ  Ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ」と題する仮出願第６０／２５８，１９４号を含む。これら各出願の主題は、引用により本明細書に組み込まれる。
【００６１】
本明細書は、本発明の特定の実施形態に関して詳細に説明してきたが、前述の内容を理解すると、これらの実施形態に対する変更、変形、及び等価物を容易に考えることができることが当業者には理解されるであろう。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその任意の等価物の範囲とするべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の装置の一実施形態の断面図である。
【図２】図１の断面図の端部の拡大図である。
【図３】本発明の装置の別の実施形態の断面図である。
【図４】実施可能なチャンバ構造の断面図である。
【図５】実施可能なチャンバ構造の断面図である。
【図６】実施可能なチャンバ構造の断面図である。
【図７】実施可能なチャンバ構造の断面図である。
【図８】実施可能なチャンバ構造の断面図である。
【図９】実施可能なチャンバ構造の断面図である。
【図１０】２５０ＰＳＩＧにおける液滴速度に対する超音波音響エネルギの影響を示すグラフである。
【図１１】１０００ＰＳＩＧにおける液滴速度に対する超音波音響エネルギの影響を示すグラフである。
【図１２】２５０ＰＳＩＧにおける流量に対する超音波音響エネルギの影響を示すグラフである。
【図１３】１０００ＰＳＩＧにおける流量に対する超音波音響エネルギの影響を示すグラフである。
【図１４】圧力が合力に対して有する影響を示すグラフである。
【図１５】２５０ＰＳＩＧにおける合力に対する超音波音響エネルギの影響を示すグラフである。
【図１６】１０００ＰＳＩＧにおける合力に対する超音波音響エネルギの影響を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１０２  ハウジング
１０４  リザーバ
１１０  注入口
１１２  出口オリフィス
１３６  先端
１４２  チャンバ
【図１】
2005513843.tif 000004
【図２】
2005513843.tif 000005
【図３】
2005513843.tif 000006
【図４】
2005513843.tif 000007
【図５】
2005513843.tif 000008
【図６】
2005513843.tif 000009
【図７】
2005513843.tif 000010
【図８】
2005513843.tif 000011
【図９】
2005513843.tif 000012
【図１０】
2005513843.tif 000013
【図１１】
2005513843.tif 000014
【図１２】
2005513843.tif 000015
【図１３】
2005513843.tif 000016
【図１４】
2005513843.tif 000017
【図１５】
2005513843.tif 000018
【図１６】
2005513843.tif 000019
【国際調査報告】
2005513843.tif 000020
2005513843.tif 000021
2005513843.tif 000022