(57)【要約】【課題】高温液体を小径液滴に霧化する装置と方法の提供。【解決手段】高温液体を霧化する霧化装置１０が截頭円錐形集中器１６を含む。集中器は頂点を規定し、小径端部と大径端部を有する。小径端部は球形凹面６４を有し、大径端部は球形凸面６８を有する。圧電変換器１２が球形凹面７２を有し、この面は集中器の凸面に取付けられる。円筒形の液滴マニホールド２２が集中器の小径端部の上に置かれ、マニホールド内に液体室を形成し、液体室内に頂点５６が位置する。給送チューブ３０は液面が頂点位置に達するまで高温液体を液体室に導入する。変換器１２の付勢により球形波面を有する音波が変換器の凹面から発せられる。集中器は球形波面を指向的に伝えて頂点位置に集中させ、液体を霧化させる。【選択図】図２
2004358457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温液体を霧化する装置において、
第一端部および第二端部を有し、頂点を規定する円錐形の集中器と、
前記集中器の第一端部に取付けられ、前記頂点から第一半径距離に位置づけられた実質的に球形の表面を有する包囲体と、
前記集中器の第二端部に取付けられ、前記頂点から第一半径距離よりも大きい第二半径距離に位置づけられた実質的に球形の表面を有する変換器と、
軸線を規定し、第一端部および第二端部を有する実質的に円筒形の液滴マニホールドであって、前記集中器の第一端部の上に位置づけられた前記液滴マニホールドの第一端部が、両者間の境界面位置で実質的に流体密のシールをなして、前記集中器に対して押しつけられ、もって前記液滴マニホールド内に液体室を作り、前記液滴マニホールドの軸線が実質的に前記集中器の頂点を通過するような構成の前記液滴マニホールドと、
液面レベルを実質的に頂点に維持するために前記液体室内に高温液体を導入するためのチューブと、
前記液体を液滴に霧化するために前記変換器を付勢して頂点へ向けて音波を発生させる手段とを含む高温液体霧化装置。
【請求項２】
前記境界面位置に過圧を作って前記液体室から液体が漏出することを防ぐための、前記集中器と前記マニホールドとの間の前記境界面を包囲する圧力容器を更に含む請求項１に記載された高温液体霧化装置。
【請求項３】
通路を包囲する壁を有し、該壁を貫通して形成された実質的に円形の開口を有する冷却ドラムであり、前記変換器の一部が前記開口内に位置して前記通路内に延在する前記冷却ドラムと、
前記通路を通して冷媒を通過させるポンプ手段とを更に含み、
前記冷媒が前記通路を通過する際に前記変換器から熱を吸収するようになっている請求項１に記載された高温液体霧化装置。
【請求項４】
高温液体を霧化する装置において、
露出表面を有する液体を保持する手段と、
球状波面を有する音波を発生させる手段と、
前記保持手段内の一点に波面を集中させるために前記音波を指向させる手段と、
前記音波発生手段を前記液体から遮熱するために前記保持手段内の液体から前記発生装置を離隔させるための手段と、
前記一点において前記液体を霧化させて液滴にするために、前記液体の表面レベル位置を、前記保持手段内の前記一点と実質的に一致させて、維持するための手段とを含む高温液体霧化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義の概念で云えば、液体を霧化する装置および方法に係り、具体的には、液体を霧化させるために音波を使用する装置と方法に関するものである。本発明は、非限定的ではあるが、特に高温の液体を霧化する装置として有用である。
【背景技術】
【０００２】
霧化装置は、液体を液滴に変えるために使用できる装置である。ある種の用途では、相対的に高温（すなわち、１００℃を超える）の液体を小径液滴（すなわち、１０μｍ未満）に霧化することが望まれる。例えば、一つの斯かる用途は、プラズマ処理の分野にある。特にプラズマ処理では、高溶融温度を有する物質を小径液滴に霧化することが望ましく、それらの液滴が更に加熱されて、その物質のプラズマを発生させる。事実、その他に高温度の液体の霧化が要求される多数の用途がある。例えば、粉末冶金では、溶融鑞、または、溶融温度が３２０゜Ｃのドライ溶融水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を直径１〜３μｍの液滴に霧化させることを望むかもしれない。
【０００３】
或る周知の霧化装置は、いわゆる超音波霧化装置である。超音波霧化装置の運転で、超音波周波数の音波は霧化すべき液体の液面上の一点に向けられる。超音波が収束する液面上のこの点で表面張力波が発生し、この表面張力波は超音波周波数で振動し、超音波エネルギーに対応する振幅を有する。これにより、十分大きな振幅（すなわち、高エネルギー超音波）の場合に、表面張力波のピークが液体から離れ、液滴として液体表面から放出される。この過程で、形成される液滴の直径は概ね表面張力波の周波数に逆比例する。
【０００４】
超音波霧化装置で超音波を発生させるために頻繁に使用される装置は、圧電変換器である。周知のように、圧電変換器は、加えられる電解に応答して振動し、超音波を発生する。霧化装置に関する限りにおいて、特に重要なことは、圧電変換器が比較的高周波数で作動することができ、したがって液体を比較的小径の液滴に霧化することに使用できる点である。しかしながら、圧電変換器は作動温度範囲が限られている。具体的に云えば、圧電変換器は、典型的には圧電セラミック材料で形成され、その材料のキュリー温度を超えると圧電特性を失う。したがって、高い作動温度ではもはやほぼ全ての材料が与えられた電界に応答して振動を生じなくなってしまう。ほぼ全ての圧電セラミックス材料で、キュリー温度は３００゜Ｃ未満である。一般に、ほぼ全ての圧電変換器は約１００゜Ｃを超えると効果的に作動しなくなる。
【０００５】
圧電変換器を組込んだ超音波霧化装置の効果的な作動を得るために、圧電物質からできるだけ多くのエネルギーを液体の霧化される一点へ向けて伝えることが明らかに望ましい。これを行う有効な方法は、液体と接触する変換器に関連する。しかしながら、前記のとおり、高温液体を霧化する場合には、液体から変換器への熱伝導移動が、変換器の作動に悪影響を及ぼす可能性がある。この事実は、変換器を適切に機能させるために、液体が比較的低温度であることを要求する。かくししたがって、高温度が圧電物質に与える悪影響は、霧化装置における使用を事実上制限している。
【０００６】
前記高温問題を解決するために、高温液体を霧化するために使用されている一型式の超音波霧化装置として、ロッド霧化装置がある。ロッド霧化装置では、圧電変換器がロッドの一端に取付けられ、ロッドの自由端が霧化される高温液体と接触して配置される。圧電変換器が付勢されると、圧電変換器がロッドの自由端を共振周波数で振動させ、発生した振動運動が高温液体を霧化して液滴にする。しかしながら、ロッド霧化装置は、ロッドの長さによって決まる限定された作動周波数範囲を有する。さらに、ほぼ全ての用途で必要とされる高周波数は、短いロッドを必要とする。したがって、前にも述べたように、ロッドを通して変換器に伝わる熱移動が問題を起す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上に鑑み、本発明の目的は、高温度の液体（例えば、３００゜Ｃを超える温度の液体）を小径液滴に霧化する装置と方法を提供することである。本発明の別の目的は、或る作動温度に変換器の温度を維持するために、霧化装置内の高温液体から圧電変換器への距離を置く装置と方法を提供することである。本発明のさらに別の目的は、製造が比較的容易で簡単に使用でき、比較的費用効果のある、液体霧化装置と方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、高温液体を比較的小径の液滴に霧化する装置と方法が提供される。概略的には、本装置は霧化される高温液体を保持する液体室を含む。また、本装置は、液体を霧化する音波を発生させるための圧電セラミックス変換器を含む。さらに、本装置は、室内の液体を変換器から遮熱する截頭円錐形集中器を具備する。
【０００９】
本発明について予測されるように、集中器は中実であることが好ましく、実質的に円錐形になされ、またステンレス鋼材料で形成されることが好ましい。円錐形であるので、この集中器は頂点を定める。さらに、この円錐は截頭されて集中器の第一端部を形成し、この第一端部は集中器の基部（第二端部）に実質的に平行である。本発明の目的のために、集中器の第一端部をカバーするように蔽いを取付けることが重要である。また、この蔽いは実質的に球状表面を有し、この表面が頂点から第一半径距離に位置することが重要である。
【００１０】
本発明の圧電変換器は集中器の第二端部（すなわち基部）に取付けられる。重要なこととして、この変換器は球形表面を有し、この球形表面が頂点から第二半径距離位置にあり、これにより集中器の第一端部に向いた変換器の面が集中器の第一端部に配置された蔽いと実質的に平行になる。この構造において、変換器と頂点との間の第二半径距離は、蔽いと頂点との間の第一半径距離よりも大きい。好適には、変換器は約２ＭＨｚの共振周波数を有する圧電セラミックス材料で形成される。
【００１１】
前記のとおり、集中器および変換器の他に、本発明装置は、実質的にシリンダ形状の中空液滴マニホールドを含む。このマニホールドは、構造的に長手方向軸線を規定し、開放された第一端部と、開放された第二端部の両者を有する。集中器との組合せにおいて、マニホールドはその第一端部を集中器の第一端部上に位置づけられる。このように配置されるので、マニホールドは集中器に押しつけられて、マニホールドと集中器との境界面に実質的に流体密シールを作る。さらに、マニホールドの軸線が、集中器の頂点を通過するように配向される。したがって、集中器の上のマニホールドの内側に液体室が形成され、集中器の第一端部の蔽いが液体室内に位置する。
【００１２】
本発明装置で霧化されるべき液体は、マニホールドと連通して取付けられたチューブを通して液体室内に導入される。重要なことは、このチューブを通る液体の流れを制御して、室内の液面レベルを集中器の頂点と実質的に一致するように維持する点である。
【００１３】
以上の構造に加えて、本発明装置は、幾つかの補助的な構成部品を含む。その一つとして、本装置は、液体室を包囲して組付けられたヒーターを含む。その目的は、前記液体が液体室内にある間、溶融温度よりも高い温度（例えば、３００゜Ｃを超える温度）に液体を維持することである。また、本装置は、集中器とマニホールドの境界面を包囲する圧力容器を含むことができる。この目的は、液体室からの液体の漏れを防止する過圧を境界面に発生させることである。さらに、本装置は、変換器を冷却するための冷却ドラムを含むことができる。その場合、好適には、冷却ドラムが通路を囲む壁を有するとともに、壁を貫通する開口を有し、この開口を通して変換器の一部を通路内に突出している。さらに、流体ポンプを用いることができ、冷媒を通路に通して変換器から熱を吸収し、変換器を１００゜Ｃ未満の温度に維持する。
【００１４】
本装置の運転では、液体供給源から来る高温液体が、液体室内の液面レベルが頂点に達するまで給送チューブを通して液体室内に導入される。例えば、液体は３２０゜Ｃを超える温度のドライ水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）であってよい。液体が液体室内に導入されたならば、圧電変換器が付勢されて実質的に球形の波面を有する音波が圧電変換器から発生する。集中器は、その球形波面を頂点に向けて伝播させる。頂点では、球形波面が液面上の一点に集中し、液体を霧化させて液滴にする。好適には、霧化音波の周波数は約２メガヘルツ（２ＭＨｚ）であり、生じる液滴は直径１〜３ミクロン（１〜３μｍ）の範囲である。液体が霧化されると、液体の液滴が液体室から排出され、液体供給源から来る追加の液体が液体室内に導入されて液面レベルを頂点位置に維持する。
【００１５】
好適には、本装置の運転中、圧力容器が流体密シールを強化するために境界面に過圧を維持し、ヒーターが液体室内の液体温度を３００゜Ｃよりも高く維持する。液体室内の液体温度に関係なく、圧電変換器の温度を、１００゜Ｃよりも低い温度に維持することが好ましい。以上を実現するために、集中器は変換器を液体室との直接接触から実質的に隔てる。また、流体ポンプは、流体を冷却ドラムの通路に通して循環させ、圧電変換器から熱を吸収させて、圧電変換器をその作動温度範囲内に維持する。
【００１６】
本発明の構成およびその新規な特徴は、その構造および作動につき、添付図面を用いた説明によってよく理解できるだろう。
【実施例１】
【００１７】
図１を見ると、本発明の霧化装置が示され、全体として符号１０で指示されている。この霧化装置１０は変換器１２を含み、変換器１２は円錐形の集中器１６の端部１４に配置されている。電源１８は、電線２０によって変換器１２に接続されている。また、霧化装置１０は実質的に円筒形の液滴マニホールド２２を含み、マニホールド２２は円錐形集中器１６の端部２４の上に配置され、マニホールド２２内に液体室２６を有する。さらに、高温液体の供給源２８がチューブ３０によって液体室２６に接続され、液体供給源２８と液体室２６との間に流体連通を作っている。
【００１８】
また、霧化装置１０は、ヒーター３２を含むことができ、ヒーター３２は、マニホールド２２に装着されて液体室２６を包囲する。図示のとおり、ヒーター３２は電線３６によって電源３４に接続されている。霧化装置１０は、さらに圧力容器３８を含むことができ、圧力容器３８は、マニホールド２２の少なくとも一部と、端部２４位置で円錐形の集中器１６の少なくとも一部とを包囲している。本発明の目的の下で、ガス圧縮機４０が圧力ライン４２によって圧力容器３８に接続され、ガス圧縮機４０と圧力容器３８との間に流体連通をなしている。また、霧化装置は、冷却ドラム４４を含むことができ、冷却ドラム４４は、変換器１２に隣接して配置され、供給ライン４８と帰還ライン５０によって流体ポンプ４６に接続されている。好適には、流体ポンプ４６が熱交換器を含み、この熱交換器は冷却流体（例えば、水）から熱を除去する。
【００１９】
図２を見ると、円錐形の集中器１６が、その端部１４と端部２４の間に延在する壁５２を有することが判る。集中器１６はステンレス鋼で形成されている。円錐形の集中器１６は、構造的に、頂点５６、および、その頂点５６を通る軸線５８を規定する。本発明について予測できるように、頂点５６は、円錐形集中器１６が截頭されない場合の、その頂点と一致する空間内の一点に位置する。構造的に、蔽い６０が端部２４で集中器１６に取付けられ、端部１４で他の蔽い６２が集中器１６に取付けられている。端部２４の蔽い６０は、頂点５６から半径距離６６に位置する実質的に球形の凹面６４を有する。端部１４の蔽い６２は、頂点５６から半径距離７０に位置する実質的に球形の凸面６８を有する。本発明の目的の下で半径距離６６は半径距離７０よりも小さい。
【００２０】
本発明では、変換器１２が円形の縁部６９を有し、軸線７１を規定する。また、変換器１２は凹面７２と凸面７４を有する。図示のとおり、縁部６９は面７２および７４と境界をなし、面７２，７４の間に延在する。さらに具体的には、凹面７２は実質的に球形であり、集中器１６の凸面６８と整合する。図示のとおり、凹面７２は、半径距離７０にほぼ等しい曲率半径を有する。凸面７４もまた、実質的に球形であり、半径距離７０よりも大きな曲率半径を有する。図２に示されるとおり、変換器１２は、軸線７１から外方へ直角に、その縁部６９に向かって延びる半径を有する。本発明の目的の下で、半径７６は、縁部６９の、軸線７１から最も離れた部分に延びる。構造的に、変換器１２の凸面７４は、変換器１２の軸線７１が集中器１６の軸線５８と実質的に一致するようにして、蔽い６２の凸面６８に取付けられる。好適には、変換器１２は圧電セラミックス材料で形成される。
【００２１】
さらに図２を見ると、液滴マニホールド２２は、その基端８０と先端８２の間に延在する壁７８を有する。さらに、壁７８は液体室２６を取囲み、長手方向軸線８４を規定する。本発明の目的の下で、マニホールド２２の基端８０が集中器１６の小径端部２４の上に置かれ、マニホールド２２の基端８０と集中器１６の壁５２との間の境界面８６で集中器１６の壁５２に接触して配置される。マニホールド２２の基端８０は、集中器１６の壁５２に緊密に押しつけられて境界面８６位置で流体密シールを形成している。境界面８６位置での圧力は、マニホールド２２の基端８０が境界面８６位置で集中器１６の壁５２に載ることで、マニホールド２２の重量によって生じる。本発明では、集中器１６とマニホールド２２の組合せでマニホールド２２の内側に液体室２６が形成され、液体室２６の一部はマニホールド２２の壁７８と集中器１６の壁５２との間に延在する。幾何学的に、マニホールド２２の軸線８４は、集中器１６の軸線５８と実質的に一致し、集中器１６の頂点５６を通る。
【００２２】
本発明の好適例によれば、圧力容器３８は、マニホールド２２の壁７８に押しつけられて冷却ドラム４４（図示せず）にボルト止めされる壁８８を有する。これに代えて、壁８８を頂点５６の壁５２に対して載せることができる（図示せず）。いずれの場合も壁８８は境界面８６を包囲し、圧力容器３８の壁８８と、集中器１６およびマニホールド２２のそれぞれの壁５２および壁７８との間に圧力室９０を形成する。しかしながら、境界面８６位置に過圧を形成するために、圧力容器３８は、当業者に周知のその他のいずれかの構造であってもよい。本発明では、圧力ライン４２が、圧力容器３８の壁８８を通って圧力室９０内に延び、ガス圧縮機４０（図１）と圧力室９０との間の流体連通を作っている。
【００２３】
さらに図２を見ると、本発明について冷却ドラム４４が通路９４を取囲む壁９２を有し、また内面９６を有することが判る。壁９２および通路９４は実質的に円筒形であることが好ましい。いずれの場合も、通路９４は軸線９８を規定し、その軸線９８から冷却ドラム４４の内面９６に延びる半径１００を有する。さらに、冷却ドラム４４の壁９２は、冷却ドラム４４の頂側１０４に円形開口１０２を有する。この開口１０２は、変換器１２の半径７６よりも小さく、好適には通路９４の半径１００よりも小さい半径１０６を有する。図示のとおり、変換器１２の少なくとも一部が、冷却ドラム４４の開口１０２内にあり、凸面７４の円形部分が開口１０２の周囲の冷却ドラム４４の壁９２に接触する。この位置で変換器１２の一部が通路９４の内部に延在し、凸面７４の円形部分が通路９４内に露出する。供給ライン４８が、冷却ドラム４４の壁９２を通って、冷却ドラム４４の一端１０８位置で通路９４内に延び、帰還ライン５０が冷却ドラム４４の壁９２を通って冷却ドラム４４の他端１１０位置で通路９４内に延在する。したがって、ポンプ４６（図１）は、供給ライン４８および帰還ライン５０を通して通路９４と流体連通状態にある。
【００２４】
霧化装置１０の運転中、液体供給源２８（図１）から来る高温液体１１２は、高温液体１１２の液面が集中器１６の頂点５６に達するまで給送チューブ３０を通して液体室２６内に送られる。例えば、液体１１２は３２０℃を超える温度の液体水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）であってよい。重要な点は、霧化装置１０の作動中、円錐形の集中器１６は、集中器１６の端部２４から端部１４への熱の流れを制限して、変換器１２を最高作動温度よりも低く維持することである。液体１１２の液面１１４が頂点５６に達したならば、電源１８（図１）がＯＮになって変換器１２を付勢する。これに応答して、変換器１２は実質的にその共振周波数で振動する。共振周波数は、好適には、約２メガヘルツ（２ＭＨｚ）以上である。いずれの場合も、変換器１２はその凹面７２から頂点５６へ向けて半径方向へ球形波面１１６を有する音波を発生する。球形波面１１６は蔽い６２を通り、集中器１６の内部５４を通り、蔽い６０を通って伝播され、さらに液体室２６内の頂点５６に伝播される。さらに、球形波面１１６の各部分はその球形波面が集中器１６を通して伝播されるときに、その集中器１６の壁５２を通って端部１４から端部２４へ伝播される。重要なことは、境界面８６における圧力は音波が集中器１６の壁５２を通って伝播することを妨げないことである。いずれの場合も、球形波面１１６のエネルギーは頂点５６に実質的に集中され、液面１１４において液体１１２を液滴１１８に霧化する。液滴１１８の直径は１０ミクロン（１０μｍ）未満であることが好ましい。例えば、液体１１２は水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とすることができ、これが１〜３ミクロン（１〜３μｍ）の直径を有する液滴１１８に霧化される。いずれの場合も液滴１１８は液体室２６内の液体１１２から排出され、液体供給源２８からの追加の液体１１２が給送チューブ３０を通して液体室２６へ導入されて、液体１１２の液面１１４を頂点５６の位置に維持する。
【００２５】
本発明の好適例では、ガス圧縮機４０（図１）がガスを圧力ライン４２に通して圧力容器３８の圧力室９０内へ圧送し、マニホールド２２と集中器１６との境界面８６の位置に過圧を発生させる。境界面８６におけるこの過圧が、その位置での流体密シールを強化し、液体１１２が境界面８６の位置で液体室２６から漏れ出るのを防止する。重要なことは、境界面８６に発生される過圧は変換器１２で発生された音波が集中器１６の壁５２を通して伝播することを妨げないということである。
【００２６】
好適には、霧化装置１０の作動中に、ヒーター３２を作動させるために電源３４（図１）がＯＮになされる。これに応答してヒーター３２が液体室２６内の液体１１２を加熱し、その温度を溶融温度よりも高い温度に維持する。液体１１２は３００゜Ｃを超える温度に維持される。例えば、液体１１２は３２０゜Ｃを超える温度に維持される水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）であってよい。
【００２７】
また、霧化装置１０の運転中に、流体ポンプ４６（図１）を作動させることが好ましい。その作動において、流体ポンプ４６は冷却ドラム４４の通路９４を通して冷媒１２０を圧送する。冷媒１２０は、変換器１２の凸面７４に沿って流れて変換器１２から熱を吸収し、これにより変換器１２を冷却する。冷媒１２０は変換器１２の通路９４内の大気熱も吸収する。その後、流体ポンプ４６は冷媒１２０を帰還ライン５０に通して通路９４から取出し、流体ポンプ４６内の熱交換器で冷媒１２０から熱を取去る。本発明に関して予測できるように、流体ポンプ４６は供給ライン４８、通路９４および帰還ライン５０を通して冷媒１２０を循環させる。流体ポンプ４６は水ポンプでとされ、冷媒１２０は水とされることが好ましい。しかしながら他の液体冷媒またはガス冷却剤を通路９４に通して循環させて、変換器１２を冷却させることができる。重要なことは、変換器１２に電界が作用されたときに、変換器１２が振動し、または音波を発生することを冷却ドラム４４は妨げないということである。
【００２８】
本明細書に具体的に示された霧化装置および方法は、先に述べた本発明の目的を十分に達成でき、利点を与えることができるが、それは単なる本発明の例示であり、特許請求の範囲の記載を除き、本明細書で示した構造または構成の細目に本発明を限定する意図はない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による霧化器の斜視図。
【図２】図１の線２−２に沿って見た霧化器の横断面図。
【符号の説明】
【００３０】
１０  霧化装置
１２  変換器
１４  集中器の端部
１６  集中器
１８  電源
２０  電線
２２  液滴マニホールド
２４  集中器の端部
２６  液体室
２８  液体供給源
３０  給送チューブ
３２  ヒーター
３４  電源
３６  電線
３８  圧力容器
４０  ガス圧縮機
４２  圧力ライン
４４  冷却ドラム
４６  流体ポンプ
４８  供給ライン
５０  帰還ライン
５２  壁
５４  内部
５６  頂点
５８  軸線
６０  蔽い
６２  蔽い
６４  凹面
６６  半径距離
６８  凸面
６９  縁部
７０  半径距離
７１  軸線
７２  凹面
７４  凸面
７６  半径
７８  壁
８０  マニホールドの基端
８２  マニホールドの先端
８４  軸線
８６  境界面
８８  壁
９０  圧力室
９２  壁
９４  通路
９６  内面
９８  軸線
１００  半径
１０２  開口
１１０  冷却ドラムの端部
１１２  高温液体
１１４  液面
１１６  球形波面
１１８  液滴
１２０  冷媒
【図１】
2004358457.tif 000003
【図２】
2004358457.tif 000004