(57)【要約】  本発明は、低周波高エネルギー超音波によって流動性媒体を噴霧にする装置及び方法に関する。本発明によると、上記装置は、超音波システム(2)と、超音波システム(2)における振動面の少なくとも一部と直に接触してかその近くに配置される少なくとも一つの担体要素(1)を備え、流動性媒体(3)は、担体要素(1)によって超音波領域に供給される。【選択図】図３
2013540580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波システムと、
少なくとも一つの担体要素と、を備え、
前記担体要素は、前記超音波システムにおける振動面の少なくとも一部と直に接触するかその近くに配置される、流動性媒体を噴霧又は霧化する装置。
【請求項２】
担体要素は、テープである、請求項１に記載の噴霧又は霧化する装置。
【請求項３】
前記担体要素は、その両側のうちの少なくとも片側で流動性媒体を受け取る、及び/又は、流動性媒体を吸収する構成である、請求項２に記載の噴霧又は霧化する装置。
【請求項４】
前記超音波システムは、15から2000kHzの周波数によって振動する構成である、請求項１から３のいずれかに記載の噴霧又は霧化する装置。
【請求項５】
前記超音波システムは、振幅が1から350μmの超音波を伝播する構成である、請求項１から４のいずれかに記載の噴霧又は霧化する装置。
【請求項６】
前記超音波システムは、出力が5ワットを超える超音波を伝播する構成である、請求項１から５のいずれかに記載の噴霧又は霧化する装置。
【請求項７】
前記担体要素と前記超音波システムの表面との間の距離は、0から100mmである、請求項１から６のいずれかに記載の噴霧又は霧化する装置。
【請求項８】
前記担体要素は、前記超音波システムの表面と接触して圧接されたり、圧縮されたり、引っ張られたりする、請求項１から７のいずれかに記載の噴霧又は霧化する装置。
【請求項９】
前記担体要素は、金属又は金属合金で構成される、請求項１から８のいずれかに記載の噴霧又は霧化する装置。
【請求項１０】
前記担体要素は、複数の貫通穴を有する、請求項１から９のいずれかに記載の噴霧又は霧化する装置。
【請求項１１】
前記超音波システムからの超音波は、前記担体要素と接触している流動性媒体に向けられる、請求項１から１０のいずれかに記載の装置を用いて流動性媒体を噴霧又は霧化する方法。
【請求項１２】
流動性媒体は、流動性媒体と前記超音波システムの振動面との間に前記担体要素が位置するように前記担体要素の片側に配置される、請求項１１に記載の流動性媒体を噴霧又は霧化する方法。
【請求項１３】
流動性媒体は、前記担体要素の両側に配置される、請求項１１に記載の流動性媒体を噴霧又は霧化する方法。
【請求項１４】
前記超音波システムは、前記担体要素側の面において、
a)縦振動か、
b)半径方向振動か、
c)曲げ振動をする、請求項１１から１３のいずれかに記載の噴霧又は霧化する方法。
【請求項１５】
流動性媒体は、
a)水、
b)拡散媒、
c)溶媒、
d)酸、
e)塩基、又は、
f)溶融液である、請求項１１から１４のいずれかに記載の噴霧又は霧化する方法。
【請求項１６】
a)流動性媒体は、前記担体要素を介して供給されるか、
b)流動性媒体は、前記超音波システムによって供給される、請求項１１から１５のいずれかに記載の噴霧又は霧化する方法。
【請求項１７】
流動性媒体は、粒子径、粒子径分布又は処理容量に影響を与える目的で流量を変化させて供給される、請求項１１から１６のいずれかに記載の噴霧又は霧化する方法。
【請求項１８】
前記担体要素の位置、厚み又は特性は、プロセスの間、粒子径、粒子径分布又は処理容量に影響を与える目的で変えられる、請求項１１から１７のいずれかに記載の噴霧又は霧化する方法。
【請求項１９】
前記担体要素は、可動性である、請求項１１から１８のいずれかに記載の噴霧又は霧化する方法。
【請求項２０】
生じた粒子は、流れに乗って移動する、請求項１１から１９のいずれかに記載の噴霧又は霧化する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低周波高出力超音波(NFLUS)によって流動性媒体を噴霧する装置及び方法に関する。
【０００２】
低周波高出力超音波(NFLUS)は、動作周波数が15から2000kHz、好ましくは15から800kHz(例えば、30kHz)であり、音響出力が5Wより大きく、好ましくは50Wから2000W(例えば200W)の超音波である。例えば、圧電又は磁歪システムを超音波発生に用いることができる。線形振動子及び平板若しくは曲板振動子又は管状共振器が知られている。低周波高出力超音波は、流動性媒体(例えば分散媒、溶媒、水、オイル、乳濁液、溶融液、酸、塩基及び他の流体)を噴霧するのに広く利用されている。この目的のために、振幅が1から350μm、好ましくは10から80μm(例えば65μm)の超音波を超音波システムから流動性媒体に伝播させる。
【０００３】
噴霧のために、流動性媒体は、NFLUSにより振動する超音波システムの表面付近に導入される。これは、任意の方向であってもよい。例えば、超音波システムの正面からであったり、超音波システムを通してであったりしてもよい。振動面による衝撃が流動性媒体を加速させることによって、媒体がバラバラになり、より小さい液滴又は粒子(以下単に粒子と呼ぶ)が生じる。より高い周波数からより小さい粒子が基本的には生じる。0.1から2.0μmの粒子サイズは、800から2000kHzの周波数によって生産可能である。しかしながら、かかるシステムでは、それらの処理容量に限界がある。より低い周波数(例えば20から100kHz)では、より高い処理容量が基本的には可能となる。しかしながら、これらのシステムでは、比較的大きな粒子(例えば、5から100μmの範囲)が生じてしまう。
【０００４】
ラムダは、波長であり、共振器における音波伝播速度とNFLUSの周波数から得られる。共振器は、1又は２以上のラムダ/2-構成要素として構成してもよい。ラムダ/2-構成要素として構成される共振器は、適切な長さの単一部材から製造したり、長さがn*ラムダ/2(n ∈ N)の構成要素を複数個用いて(例えば、螺合によって)構築したりしてもよい。ラムダ/2-構成要素は、様々な形状の部材断面(例えば円形、楕円形又は矩形の断面)を有することができる。断面形状及び断面積は、ラムダ/2-構成要素の縦軸に沿って変化させることができる。ラムダ/2-構成要素は、金属若しくはセラミック物質又はガラス、特にチタン、チタン合金、スチール若しくはスチール合金、アルミニウム若しくはアルミニウム合金でできていてもよく、例えばチタングレード5でできていてもよい。
【０００５】
超音波システムは、少なくとも一つの超音波振動子(例えば、圧電セラミックス/圧電振動子)を任意の数の共振器と連結させた構成である。
【０００６】
大気環境下における霧化に加えて、流動性媒体は、非大気環境下(例えば、密封容器(例：反応器又は乾燥塔)において、周囲の大気圧とは異なる気圧下(例えば、より低い気圧、真空、又は、加圧下))や特定の周囲ガス下(例えば、アルゴン又は他の不活性気体)又は特に乾燥又は湿潤条件下で霧化させてもよい。
【０００７】
より低い気圧(減圧気圧)とは、真空(0絶対圧)と大気圧(例えば、1絶対圧)との間(例えば、0.5絶対圧)の気圧である。より高い気圧(正圧)は、気圧が大気圧を越えると見られる。いくつかのシステムでは、1.5絶対圧から100絶対圧の間(例えば、3絶対圧)の容器内圧を用いる。
【０００８】
かかる容器にNFLUSを導入するために、NFLUSシステムを外部に取り付けるか、NFLUS振動子を加圧容器内部に完全に組み込んで容器壁を振動させる。あるいは、振動子(例えば圧電性線形振動子)を容器外に配置して、1又は複数の共振器によって振動を容器内部に導入してもよい。内部容器圧p(i)と周囲圧力p(a)の間に圧力差があるため、このような場合には、１又は複数の共振器の導入部分を封止する適切な手段をとる必要がある。
【０００９】
本発明の目的は、NFLUSの使用時に流動性媒体がより効果的に噴霧可能な方法及び装置を提供することである。
【００１０】
この目的は、請求項1及び11によって特徴付けられる本発明によって成し遂げられる。好適な実施形態は、従属クレームにて詳述されている。
【００１１】
本発明によれば、超音波システムと少なくとも一つの担体要素とを備えた、流動性媒体を噴霧又は霧化する装置及び方法を提供するものであり、この担体要素は、超音波システムにおける振動面の少なくとも一部と直に接触するかその近くに配置される。
【００１２】
担体要素は、好ましくは、実質的に二次元設計の構成部品であり、任意に三次元のものに変更してもよい。
【００１３】
担体要素上かその中において超音波に曝されるように超音波を流動性媒体に印加すると、この媒体を非常に効率よく噴霧又は霧化できることが実験から示された。振動振幅及び/又は振動数のそれぞれに依存し且つ流動性媒体と担体要素の特性及び張力並びに超音波システムと担体要素との間の距離に依存して超音波振動が担体要素に伝播する。その結果、担体要素が約同一周波数で振動するか、担体要素が実質的に静止したまま、担体要素と接触している流動性媒体が振動して噴霧又は霧化される。言い換えると、直径が非常に小さい流動性媒体の液滴は、本発明の装置によって単純且つ効率的な方法により生産でき、振動によって誘導される加速により担体要素の周辺に飛び出す。
【００１４】
ここで、本発明の装置は、少なくとも0.5リットルの媒体を噴霧又は霧化する処理能力をもつように設計されている。このため、上記装置は、少なくとも0.5リットルの流動性媒体を超音波領域に供給可能な流体供給装置又は供給装置を備えてもよい。
【００１５】
担体要素は、テープであることが好ましい。これは、担体要素が実質的に二次元形状の要素であり、その縦軸はその横軸よりも実質的に長く延在していることが好ましいことを意味する。
【００１６】
あるいは、担体要素は、回転運動しながら超音波領域に流動性媒体を供給できる円形又は環状の形状とすることもできる。
【００１７】
担体要素は、その両側のうちの少なくとも片側において流動性媒体を受け取る、及び/又は流動性媒体を吸収する構成である。従って、流動性媒体は、重力及び/又は凝集力若しくは粘着力に起因して片面で受け取ることができ、担体要素の材料への吸収は、例えば、毛細管力による作用であってもよい。
【００１８】
下記の本発明に関する好適な実施形態は、本発明の装置及び本発明の方法に関する。
【００１９】
担体要素を特にテープの形態で用いることによって、実現できる粒子径、粒子径分布、可能な処理容量又は上述したいくつかのパラメータに影響を及ぼすことができる。
【００２０】
好ましくは、超音波システムは、15から2000kHz、特に15から800kHz、そして特に好適な実施形態である15から150kHzの周波数にて振動すべきである。
【００２１】
超音波システムは、振幅が1から350μm、特に振幅が10から80μmの超音波を伝播するように設計されている。
【００２２】
更に、超音波システムは、出力が5ワット以上、特に出力が50から2000ワット、そして特に好適な実施形態では、出力が50から500ワットの超音波を伝播するように設計されている。
【００２３】
担体要素は、超音波システムの表面に当接していてもよい。これによって、担体要素は、超音波システムの表面と接触して圧接されたり、圧縮されたり、引っ張られたりしてもよい。複数の担体要素を使用してもよい。
【００２４】
圧電振動子又は磁歪振動子を超音波発生に用いることができる。
【００２５】
流動性媒体を噴霧又は霧化する本発明の方法は、本発明の装置を用いて実施され、超音波システムからの超音波は、担体要素と接している流動性媒体に向けられる。
【００２６】
この接触は、好ましくは、直接接触(例えば、流動性媒体が担体要素に付着するときの接触、又は、流動性媒体が担体要素によって受け取られるか吸収されるときの接触)である。これは、流動性媒体と担体要素は、超音波に直に曝される担体要素の領域中かその上で少なくとも又は特に接触していることを意味する。
【００２７】
流動性媒体は、担体要素の片側に配置することができ、その結果、担体要素は、流動性媒体と超音波システムの振動面との間に位置することになる。
【００２８】
あるいは、流動性媒体は、担体要素の両側に配置することができる。これは、流動性媒体の第一層が超音波システムと担体要素との間に配置され、流動性媒体の第二層が第一層とは反対側の担体要素に配置されることを意味する。
【００２９】
担体要素を介して流動性媒体を超音波領域に供給できたり、超音波システムにより流動性媒体を供給できたりする。
【００３０】
超音波システムは、担体要素側の面において縦振動及び/又は半径方向振動及び/又は曲げ振動することができる。これは、超音波システムは、担体要素側の面において複雑な振動運動を発することができることを意味する。
【００３１】
水、拡散媒、溶媒、酸、塩基又は溶融液を流動性媒体として用いることができる。
【００３２】
流動性媒体は、担体要素を介して供給されたり、超音波システムによって供給されたりする。
【００３３】
流動性媒体は、複数の供給装置(例：少なくとも一つのスリット型供給装置)を介して供給してもよい。
【００３４】
流動性媒体の供給装置における流量は、1秒当たり0.01から1000ml、特に1秒当たり0.1から100mlであってもよい。
【００３５】
流動性媒体は、様々な流量によって供給することができ、これによって粒子径、粒子径分布及び処理容量へ影響を及ぼすことができる。
【００３６】
本方法は、生じた粒子中の50パーセントを超える粒子について、0.01から500μm(ピーク-ピーク)、特に0.5から100μm、そして好適な実施形態として0.5から10μm(ピーク-ピーク)(例えば2μm未満)の直径となるように実施すべきである。
【００３７】
担体要素は、金属若しくは金属合金、植物繊維若しくは動物繊維、炭素繊維若しくはポリマー、複合体材料又は布でできていてもよい。
【００３８】
特に、担体要素は、複数の貫通穴を有してもよい。ここで、担体要素に穴を空けてもよい。担体要素は、厚みを0.01から10mm、特に0.1から1mmとすることができる
【００３９】
担体要素は、好ましくは柔軟な素材であり、様々な材料(好ましくは完全に閉じていない材料(例：布又は有孔の箔))から構成することができる。担体要素は、互いに異なる複数の素材(特に、金属、金属合金、ガラス、プラスチック、紙、炭素繊維、ウール、植物繊維又は綿)又は互いに異なる複数の素材の組合せでできていてもよい。担体要素は、いくつかの開口部又は凹部(例えば孔、チャネル又は薄い織物の隙間)を有してもよい。担体要素の素材は、例えばテフロン又はロータス効果コーティングを用いた流体撥水性であってもよく、親流体性(例えばナノコーティングによる親水性)であってもよい。担体要素の厚みは、担体要素にわたって変化させてもよい。担体要素は、その長さ又は幅にわたって曲がっていたり、少なくとも空間的に変形していたりしてもよい。具体的には、担体要素は、テープのように形成してもよい。
【００４０】
本発明の工程は、閉鎖系において実施してもよい。系内圧力は、大気圧よりも高くしたり低くしたりしてもよい。
【００４１】
超音波システムの表面の一部は、担体要素の近くか直に接触するように配置され、0から500cm2、特に0から50cm2、そして、特に好適な実施形態として1から5cm2の表面領域を有することができる。
【００４２】
担体要素の位置、厚み又は特性は、工程の間、特に粒子径、粒子径分布又は処理容量に影響を与える目的で変えてもよい。
【００４３】
更に、担体要素を動かしてもよく、及び/又は、生じた粒子を流れに乗せて(好ましくは水平又は垂直に)移動させてもよい。
【００４４】
NFLUS超音波システムと少なくとも一つの担体要素との独創的な組合せは、粒子径、粒子径分布、処理容量又は上述したいくつかのパラメータに影響を及ぼすことができる。特に、所定の超音波システムを用いて粒子径を小さくしつつ処理容量を上げることができる。
【００４５】
担体要素は、超音波システムにおける振動面の少なくとも一部と直に接触してかその近くに配置される。担体要素と超音波システムの表面との間の距離は、0から100mm、好ましくは0から1mm(例えば0.5mm)とすることができる。
【００４６】
担体要素が超音波システムと直に接触する場合、担体要素は、超音波システムと接触して圧接されたり、圧縮されたり、引っ張られたりしてもよい。例えば、担体要素は、超音波システムと接触して引っ張られる。
【００４７】
超音波システムの表面の一部は、担体要素と直に接触してかその近くに配置されるものであり、それは平らであってもよく、少なくとも一方向において凹型、凸型、円形、傾斜、面取り、多形の設計であってもよい。
【００４８】
担体要素の厚みは、例えば、0.01から10mm、好ましくは0.05から1mm(例：0.5mm)であってもよい。担体要素の幅及び長さは、担体要素が超音波システムの表面を部分的又は完全に覆うか、その表面からはみ出るように、各々独立して選択してもよい。
【００４９】
超音波システムの表面の一部は、担体要素と直に接触してかその近くに配置され、好ましくは0から500cm2(例えば、5cm2)であってもよく、それらをプロセスの間変化させてもよい。
【００５０】
担体要素の位置、形状、厚み又は接地圧は、例えば、粒子径に影響を与えるために、プロセスの間変化させてもよい。担体要素の一部は、超音波システムの表面と直に接触してかその近くに配置されているものであり、それを変化させてもよい。例えば、超音波システムに相対して担体要素を連続して動かすことが可能である。この動きを用いて、とりわけ、担体要素の損耗を補償したり、付着物又は汚染物を取り除いたり、粒子径及び粒子径分布に影響を与えたりすることができる。
【００５１】
流動性媒体は、担体要素において任意に選択した少なくとも一方の側に供給したり、超音波システムの表面へ又はそれを通じて供給したり、担体要素と超音波システムの表面との間の空間に供給したりしてもよい。担体要素は、流体を供給するために湿らせても含浸させてもよい。
【００５２】
上記の可能性がある実施形態は、要望通りに組合せることができる。
【００５３】
本発明は、更に、いくつかの例示的な実施形態を参照してより詳細に説明される。
【００５４】
以下の内容が添付の図面に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明にかかる装置の一実施形態。テープ(1)は、超音波システム(2)の表面の一部に非常に接近して設置されている。流体(3)は、テープ(1)より上に配置されている流体供給装置(4)を介して供給される。
【図２】図1と類似する変更形態であるが、2つのテープ(1)を備えており、その間に流体供給装置(4)を介して流体(3)が供給される。
【図３】図1と類似する変更形態であるが、超音波システム(2)は、テープ(1)上に設置されている。流体供給装置(4)は、超音波システム(2)により作動する。超音波システムは、テープ(1)と直に接触する湾曲面を有する。テープ(1)は、超音波システムと接触して送出し及び巻取り装置(5)によって引っ張られ、連続して動くものである。
【００５６】
NFLUS超音波システムと少なくとも一つの担体要素との独創的な組合せは、粒子径、粒子径分布、処理容量又は上述したいくつかのパラメータに影響を及ぼすことができる。全ての変更形態は、供給される流体を噴霧するために、超音波システムの振動面の少なくとも一部と直に接触してかその非常に近くにテープを配置する点が共通している。
【００５７】
図1は、軸対称の超音波システム(2)を示すものであり、例として、共振器と超音波振動子で構成されている。これは、本発明による装置には共振システムが含まれていることを意味する。共振器は、例えば、チタングレード5でできており、例えば直径が40mmである。超音波振動子は、圧電的に作動する。テープが配置された表面は、15から100kHz、好ましくは15から30kHz(例えば30kHz)の動作周波数、10から2000ワット、好ましくは50から100ワット(例えば250ワット)の音響出力、そして0から500μm、好ましくは10から300μm(例えば75μm)の振幅によって振動する。流体(4)は、例えば、オイルであり、20ml/秒、20℃で供給される。テープ(1)は、例えば、ワイヤーメッシュでできている。個々のワイヤーは、直径が0.1mmであり、間隔が例えば0.1mmである。
【００５８】
類似の実施形態が図2に図示されている。流動性媒体が2つのテープ1の間に配置されている。
【００５９】
図3に図示される実施形態に関する特別な特徴は、流動性媒体がテープに浸透するということであり、この目的のために、テープは、孔又は格子構造を有する。
【符号の説明】
【００６０】
1  テープ
2  超音波システム
3  流体
4  流体供給装置
5  送出し及び巻取り装置
【図１】
2013540580.tif 000003
【図２】
2013540580.tif 000004
【図３】
2013540580.tif 000005
【国際調査報告】
2013540580.tif 000006
2013540580.tif 000007
2013540580.tif 000008
2013540580.tif 000009
2013540580.tif 000010
2013540580.tif 000011