(57)【要約】  本出願は、噴霧器またはスプレー部を用いることによって、振動混合機内で流動化された材料に要素を追加するためのシステムを対象とする。機械的システムは材料を流動化し、混合し、塗布し、乾燥し、結合し、または分離することができる。システムは振動混合機と、第１の材料を含む混合容器と、第２の材料を導入するためのスプレー部とを含みうる。振動混合機は第１の材料の流動床を発生させ、混合容器に結合されたスプレー部は第２の材料を流動床上に導入し、材料を均一且つ均質に混合しうる。
2015525122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料を保持するように構成された混合容器と、
前記混合容器内に第２の材料を導入するように構成されたスプレーノズルと、
前記混合容器内に前記第１の材料の流動床を発生させるための振動混合機と、を含む、材料の組み合わせを混合するためのシステムであって、
前記振動混合機が、
第１の線形方向及び反対の線形方向に移動可能な駆動アセンブリと、
エキセントリックマスが取り付けられたモーターシャフトを有するモーターをそれぞれ含む複数のモーターアセンブリであって、前記エキセントリックマスのそれぞれが重心を有し、前記モーターアセンブリのそれぞれが前記駆動アセンブリに剛体的に接続されて前記エキセントリックマスの前記重心を、前記第１の方向及び前記反対の方向がある平面に対して平行な平面内に回転させるように適合される、複数のモーターアセンブリと、
前記駆動アセンブリと同一の方向に移動可能であり、前記駆動アセンブリに移動可能に接続され、その上に前記混合容器を配置するように構成されたペイロードアセンブリと、
それぞれが前記駆動アセンブリと同一の方向に移動可能であり、前記ペイロードアセンブリに移動可能に接続された複数の反応マスアセンブリと、を含み、
前記エキセントリックマスのそれぞれが、実質的に同一の重量及び慣性特性を有し、前記エキセントリックマスが実質的に同一の回転速度で反対の回転方向に、同一の平面上にある軸の周りに回転可能であり、回転の間、前記第１の方向において前記駆動アセンブリに第１の力を発生させ、前記反対方向において前記駆動アセンブリに第２の力を発生させ、前記駆動アセンブリに実質的に他の力を発生させないように動作可能である、
材料の組み合わせを混合するためのシステム。
【請求項２】
前記振動混合機が、５０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で振動可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記混合容器がさらに、前記第１及び第２の材料をバルク流動パターンで混合するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記混合容器内に、前記バルク流動パターンを導くためのバッフルをさらに含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記バルク流動パターンが、前記第１の材料及び前記第２の材料の微細混合を含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記スプレーノズルが前記混合容器に結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記混合容器に結合された複数のスプレーノズルをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記スプレーノズルが前記混合容器の底部に結合され、前記第２の材料を前記混合容器の前記底部を通して導入する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記混合容器内に乾燥気体を導入するためのスイープガス供給ラインをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記流動床が、前記混合容器が不完全な真空、完全な真空または大気圧より高い圧力にあることによって発生する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記混合容器がさらに、真空源を提供する真空ラインを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記混合容器に結合されたベントをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記混合容器が密封される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記混合容器が前記混合容器内の圧力レベルを制御するための圧力解放バルブを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
ベント、圧力解放バルブ、又は真空ラインに結合されたフィルターをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記混合容器に結合され、前記混合容器を冷却するための冷却ジャケットをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記混合容器に結合され、前記混合容器を加熱するための、前記混合容器の加熱手段をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記混合容器内の材料の温度を検出するための温度センサをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記混合容器内の前記第１の材料及び前記第２の材料の混合度を検出するための近赤外（ＮＩＲ）センサをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
混合容器内に、第１の材料を含む流動床を振動混合機によって発生させる段階と、
前記混合容器内であって前記流動床上に、第２の材料をスプレー部によってスプレーする段階と、を含む、
材料の組み合わせを混合するための方法。
【請求項２１】
前記振動混合機が５０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で振動することができる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記スプレー部が前記混合容器に結合される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記混合容器内の圧力を、ベント、真空、圧力解放バルブ及び密封の少なくとも１つによって制御する段階をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記混合容器内の前記第１及び第２の材料の混合度を、近赤外センサによって検出する段階をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
混合容器内に、第１の材料を含む流動床を機械的に発生させるための振動手段と、
前記混合容器内であって前記流動床上に第２の材料をスプレーするための手段と、を含む、
材料の組み合わせを混合するためのシステム。
【請求項２６】
混合容器内に流動床を発生させるための前記振動手段が、５０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で振動する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記流動床を発生させる手段が、前記第１の材料及び前記第２の材料のバルク混合を誘導するようにさらに構成される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記流動床を発生させる手段が、前記第１の材料及び前記第２の材料の微細混合を誘導するようにさらに構成される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記混合容器内に、バルク流動パターンを導くための第３の材料をさらに含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記スプレー手段が、前記混合容器に結合された、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３１】
前記スプレー手段が、複数のスプレーノズルを含む、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３２】
前記スプレー手段が、前記第２の材料を前記混合容器の底部を通して前記混合容器に導入する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３３】
前記混合容器内にスイープガスを導入するための手段をさらに含む、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３４】
前記混合容器内の圧力を制御するための手段をさらに含む、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３５】
前記圧力を制御する手段が、前記混合容器に真空源を結合するための手段を含む、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記圧力を制御する手段が、前記混合容器に結合されたベントを含む、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３７】
前記混合容器が密封される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３８】
前記混合容器に結合された、前記混合容器を冷却するための手段をさらに含む、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３９】
前記混合容器に結合された、前記混合容器を加熱するための手段をさらに含む、請求項２５に記載のシステム。
【請求項４０】
前記混合容器内の材料の温度を測定する手段をさらに含む、請求項２５に記載のシステム。
【請求項４１】
前記混合容器内の前記第１の材料及び前記第２の材料の混合度を検出するための手段をさらに含む、請求項２５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、「Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｔｈａｔ  Ｆｌｕｉｄｉｚｅｓ，  Ｍｉｘｅｓ，  Ｃｏａｔｓ，  Ｄｒｉｅｓ，  Ｃｏｍｂｉｎｅｓ，  Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ  Ｒｅａｃｔｓ，  ｏｒ  Ｓｅｇｒｅｔａｇｅｓ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」と題する２０１２年５月３１日に出願された米国特許出願第６１／６８９２５６号の優先権を主張する。先行出願の開示は、本出願の一部としてみなされ、本出願に参照により組み込まれている。
【０００２】
本出願は、粒子の塗布、乾燥及び混合の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００３】
スプレー塗布用途のための現在の方法及びシステムは、均一に混合され、塗布され、または結合された材料を生成することはない。これらの方法は、より小さな粒子を均一に塗布しようとする際には特に困難である。多くの流動化装置及びタンブラーは材料をむらなく塗布するための均一な動作を適切に発生させない。同様に、化学反応を用いて材料を結合するための現在の方法はコストを要し、時間を費やす。従来の方法では、反応ガスが反応と共に流動化にも用いられるため、過剰な反応ガスが廃棄される可能性がある。このことは、従来の流動化装置を用いて流動化を発生させるために、その他の材料の追加を必要とする場合もありうる。従来の流動化装置に加えられるその他の材料は通常反応した廃棄物質と共に汚染物質を追加する潜在的な可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，１８８，９９３号明細書
【特許文献２】米国特許第７，８６６，８７８号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本出願は、振動混合技術を利用して材料を流動化し、混合し、塗布し、乾燥し、結合し、化学的に反応させ、及び／または分離する機械的システムおよび方法を対象とする。振動混合技術は、混合ブレードまたは羽根車を使用することなく材料を結合し、混合し、乾燥し、及び／または塗布する優れた方法を提供する。本出願は、材料を均一かつ均質に混合する低周波音響エネルギーを発生させる音響混合機を使用する。本システムはさらに、様々な用途に対して所望の結果物になることができる、複数のノズル、フィルター、加熱冷却方法、ベント、不完全または完全な真空容器及び／または圧力容器を含む。
【０００６】
１つの態様において、本開示は材料を塗布するスプレーに関するシステムに関する。本システムは、混合容器内に流動床を発生させるための音響手段を含む。流動床は第１の材料を含む。本システムはまた、混合容器内であって流動床上に第２の材料をスプレーするための手段を含む。いくつかの実装例において、混合容器内に流動床を発生させるための音響手段は、約５０Ｈｚから約７０Ｈｚの範囲で振動することが可能である。
【０００７】
いくつかの実装例において、本システムはさらに、第１の材料及び第２の材料をバルク流動パターンで混合するための手段を含む。振動混合システムは、第１の材料及び第２の材料の微細混合及びバルク混合の両方を誘導するように構成可能である。いくつかの実装例において、微細混合は、バルク混合に寄与し、バルク混合を促進することができる。いくつかのさらなる実装例において、材料が混合容器内に導入されてバルク流動パターンを導くことができる。
【０００８】
スプレーするための手段は、混合容器に結合されうる。スプレーするための手段は、第２の材料を混合容器の頂部を通して、混合容器の側部を通して、または混合容器の底部を通して混合容器に導入しうる。いくつかの実装例において、スプレーするための手段は複数のスプレーノズルを含みうる。他の実装例において、システムは混合容器に気体を導入するための手段を含みうる。
【０００９】
システムはさらに、混合容器内の圧力を制御するための手段を含みうる。混合容器は、真空源を提供する真空ラインに結合されうる。いくつかの実装例において、システムはさらに、混合容器に結合されるベントを含みうる。他の実装例において、混合容器は密閉されうる。
【００１０】
本システムはさらに、混合容器に結合された混合容器を冷却するための手段を含みうる。いくつかの実装例において、システムは混合容器に結合された混合容器を加熱するための手段を含みうる。
【００１１】
いくつかの実装例において、システムはさらに、現在の混合段階を判定するために、混合容器内の第１の材料及び第２の材料の混合度を検出するための手段を含む。他の実装例において、本システムは混合容器内の材料の温度を測定するための手段を含みうる。
【００１２】
本開示の他の態様において、本システムは、第１の材料を収容する混合容器と、混合容器内に流動床を形成するための振動混合機と、第２の材料を混合容器内に導入するためのスプレー部と、を含む。いくつかの実装例において、振動混合機は５０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で振動することが可能である。
【００１３】
振動混合機は駆動アセンブリを含み、駆動アセンブリは第１の線形方向及び反対の線形方向に移動可能でありうる。振動混合機はまた、エキセントリックマスが取り付けられたモーターシャフトを有するモーターを含む複数のモーターアセンブリを含み、エキセントリックマスのそれぞれは重心を有し、モーターアセンブリのそれぞれは駆動アセンブリに剛体的に接続されて、エキセントリックマスの重心を、第１の方向及び反対の方向がある平面に対して平行な平面内に回転するように適合されうる。
【００１４】
さらに、振動混合機は駆動アセンブリと同一の方向に移動可能であり、駆動アセンブリに移動可能に接続され、その上に混合容器を配置するように構成されたペイロードアセンブリを含みうる。振動混合機は、それぞれが駆動アセンブリと同一の方向に移動可能であり、ペイロードアセンブリに移動可能に接続された複数の反応マスアセンブリを含みうる。エキセントリックマスのそれぞれは、実質的に同一の重量及び慣性特性を有し、エキセントリックマスが実質的に同一の回転速度で反対の回転方向に、同一の平面上にある軸の周りに回転可能であり、回転の間、第１の方向において駆動アセンブリに第１の力を発生させ、反対方向において駆動アセンブリに第２の力を発生させ、駆動アセンブリに実質的に他の力を発生させないように動作可能でありうる。
【００１５】
振動混合システムは、第１及び第２の材料をバルク流動パターンで混合しうる。振動混合システムは、第１の材料及び第２の材料の微細混合及びバルク混合の両方を導入するように構成可能である。いくつかの実装例において、微細混合はバルク混合に寄与し、バルク混合を促進することができ、これはまた微細混合及びバルク混合に含まれうる。
【００１６】
スプレー部は、混合容器に結合されうる。いくつかの実装例において、複数のスプレー部が混合容器に結合されうる。他の実装例において、システムは気体を混合容器に導入するためのガススイープ供給部を含みうる。
【００１７】
振動混合システムはさらに、真空源を提供するための真空ラインを含みうる。流動床は、混合容器内に不完全な真空、完全な真空または高い圧力を用いることによって発生させうる。
【００１８】
いくつかの実装例において、振動システムは、混合容器に結合されたベントを含みうる。他の実装例において、混合容器は混合容器内に圧力を発生させるために密閉されうる。さらに、圧力解放バルブは、混合容器内の圧力レベルを制御するシステム内に含みうる。いくつかの実装例において、システムはさらに、ベント、圧力解放バルブ又は真空ラインに結合されたフィルターを含みうる。
【００１９】
振動混合システムはさらに、混合容器を冷却するために混合容器に結合された冷却ジャケットを含みうる。いくつかの実装例において、システムは加熱のために混合容器に結合された加熱ジャケットを含みうる。
【００２０】
いくつかの実装例において、振動混合システムは、混合容器内の第１の材料及び第２の材料の混合度を検出するための近赤外（ＮＩＲ）センサを含みうる。ＮＩＲセンサは動作中に材料の現在の混合段階を判断しうる。振動システムは、混合容器内の材料の温度を検出するための温度測定デバイスを含みうる。
【００２１】
本開示の他の態様において、材料の組み合わせを振動混合するための方法が説明される。本方法は、混合容器内に、第１の材料を含む流動床を振動混合機によって発生させる段階を含む。振動混合機は５０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で振動することが可能でありうる。本方法はまた、混合容器内であって流動床上に第２の材料をスプレー部によってスプレーする段階を含む。スプレー部は、混合容器に結合されうる。本方法はさらに、ベント、真空、圧力解放バルブ及び密封の少なくとも１つによって混合容器内の圧力を制御する段階を含む。本方法はまた、混合容器内の第１及び第２の材料の混合度を、近赤外センサによって検出する段階を含む。
【００２２】
本発明の前述の、及びその他の目的、態様、特徴及び利点は、添付した図面と組み合わせて以下の説明を参照することにより、より明らかになり、より理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】平板共振混合機の前面立面図である。
【図２】図１の平面共振混合機の右側断面図である。
【図３】図１及び２の平板共振混合機の斜視図である。
【図４】図１から４の平板共振混合機の前面立面図である。
【図５】図１から４の平板共振混合機の伝達力応答のふるまいを表す図である。
【図６】図１から４の平板共振混合機の位相応答のふるまいを表す図である。
【図７】代替的な平板共振混合機の斜視図である。
【図８】他の代替的な平板共振混合機の側面または前面図である。
【図９Ａ】図１の平板共振混合機の概略的なフリーボディダイアグラムである。
【図９Ｂ】平板共振混合機の他の例の概略的なフリーボディダイアグラムである。
【図１０Ａ】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図１０Ｂ】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図１１】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図１２】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図１３】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図１４】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図１５】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図１６】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図１７】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図１８】乾燥のために使用される振動混合システムの例示的な例である。
【図１９】乾燥のために使用される振動混合システムの例示的な例である。
【図２０】乾燥のために使用される振動混合システムの例示的な例である。
【図２１】振動混合システムの実装例の他の例示的な例である。
【図２２】乾燥用途に従う振動混合システムの他の例示的な例である。
【図２３】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図２４Ａ】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図２４Ｂ】混合システムの動作中における混合容器内の材料の温度範囲のグラフである。
【図２５】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図２６】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図２７】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図２８】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図２９】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図３０】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図３１】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図３２】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図３３】振動混合システムの様々な実装形態の例示的な例である。
【図３４】振動混合機に基づくスプレー塗布の１つの実装形態である。
【図３５】従来技術によって塗布された、塗布されていないＡＰＩ材料の図である。
【図３６】振動に基づくスプレー塗布システムによって塗布された、塗布されたＡＰＩ材料の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１から４は、平板共振混合機１０の例の様々な図を示している。共振混合機１０は、剛体構造７に収容された３つの独立可動なマス（中間マス１１、振動体マス１２及びペイロード１３）並びに４つの個別のスプリングベッドまたはスプリングシステム（ペイロードマスはグラウンドスプリング２４に、振動体は中間マススプリング２５に、中間マスはペイロードスプリング２６に、及び中間マスはグラウンドスプリング２７に）を含む。振動体マス１２は、他の２つのマスの間に位置する。中間マス１１は、振動体マス１２の下方に位置する。ペイロード１３は、振動体マス１２の上方に位置する。いくつかの実装形態において、マスの全ては鋼鉄またはある同等な合金から構成される。
【００２５】
振動体マス１２は、２つの振動駆動部３８（例えば２つの直流（ＤＣ）サーボモーター）に剛体的に接続され、振動体マス１２は、２つの固定器具４０及び２つのロックナット４１で振動体を中間マス位置決定支柱４３に接続し、振動体を中間マススプリング２５に接続することによって、中間マス１１に可動に接続される。中間マス１１は、中間マスをグラウンド位置決定支柱５３に接続することによって、剛体構造３７に可動に接続される。中間マスはグラウンドスプリング２７に、４つの固定器具４０及び４つのロックナット４１で接続される。ペイロード１３は、２つの固定器具４１及び２つのロックナット４０でペイロードマスを中間マス支柱５５に接続し、ペイロードマスを中間マススプリング２６に接続することによって、中間マス１１に可動に接続される。中間マススプリング２６に接続されるペイロードマスの一端は停止部３０の上に乗せられ、停止部３０は中間マス支柱５５に接続されたペイロードマスに剛体的に接続される。ペイロード１３はまた、４つの固定器具４０及び４つのロックナット４１でペイロードマスをグラウンド位置決定支柱３９に接続し、ペイロードマスをグラウンドスプリング２４に接続することによって、剛体構造３７に可動に接続される。
【００２６】
図２は、共振混合機１０の右側面図である。中間マス１１は、ペイロードマス１３及び振動体マス１２を並列に支持する。さらに、振動体マス１２はペイロードマス１３に直接接続されてはいない。図２において、モーターシャフト５７の１つ及びエキセントリックマス５６の１つが見えるように、サーボモーター３８の１つのカバーの一部は図示されていない。
【００２７】
他の実装例では、共振混合機１０はさらに、混合チャンバー６０を含む。混合チャンバー６０は中間マス１１またはペイロード１３の何れかに取り付けられる。取り付けられた混合チャンバー６０を有さないマスはまた、それぞれ、取り付けられた混合チャンバー６０を有さないマスにマスを取り付ける、それ自体が弾性である部材取付け部を有する複数のマスに分割されてもよい。
【００２８】
図３及び４を参照すると、共振混合機１０の他の実装例が、図３における観察者に最も近い共振混合機１０の角の部分から要素が除去された状態で示されている。これらの図では、振動駆動部３８の両方を見ることができる。
【００２９】
さらに他の実装例では、追加的なサーボモーター３８が共振混合機１０に取り付けられて、共振混合機１０の動作中に可変の衝撃力を提供することができる。同一のエキセントリックマス５６を有するさらに２つのサーボモーター３８を追加することで、全体の力を打ち消すことができる。これは、時計回りに回転する２つのモーター及び反時計回りに回転する２つのモーターを有して互いに平行であるように全てのモーター軸を設定することによって達成される。エキセントリックマス５６は、最初にモーターの反対向きに回転する対について位相角度を１８０°に設定することによって、全ての力を打ち消すことができるように選択される。モーターが所望の回転周波数に到達すると、エキセントリックマス５６は位相がずれるように動き、そのため衝撃力を発生させる。位相角度の移動は、回転の比に関してモーターの２つを減速し、エキセントリックマスが互いに反対とならないように回転の選択された周波数を再び確立することによって達成される。モーターの減速は、サーボモーター動作制御ユニットを通して達成される。
【００３０】
図１から４に示されるような共振混合機１０の様々な実装例の動作は、サーボモーター３８のシャフト５７のそれぞれの端部に取り付けられた、等しい質量及び慣性特性を有するエキセントリック錘５６のサーボモーター８によって同期回転させることによって、達成される。２つのシャフト５７の回転の同期は、電子制御によって達成される。２つのサーボモーター３８の回転シャフト５７は、互いに平行な方向に向けられ、エキセントリック錘５６が水平軸において互いに反対に、垂直軸において一致するように反対の回転方向で動作する。この配置は、水平方向の力を打ち消しつつ垂直方向の線形的な力を発生させる。
【００３１】
シャフト５７のそれぞれの中心線軸及び取り付けられたエキセントリックマス５６の重心は、マス平面を形成する。１つの回転の過程において、初期位置は、２つの平行なモーターシャフト５７によって画定されたモーター平面の上で、各シャフトの上に、エキセントリック５６と共に互いに対して平行なマス平面を有する。４分の１回転すると、マス平面はモーター平面と一致し、シャフト５７のそれぞれのエキセントリック錘５６は、互いに最も近接する。エキセントリックマス５６によって発生した遠心力は、モーター平面内に伝達される。この力はシャフト５７のそれぞれに対して同一の力の大きさを有するが、反対方向である。このことは、モーターの平面内の力を効果的に打ち消す。半回転すると、マス平面は再びモーター平面に対して垂直となり、エキセントリック５６は全てモーター平面の下に位置する。シャフト５７のそれぞれに働く遠心力は、モーター平面に対して垂直な同一の方向にある。４分の３回転すると、マス平面及びモーター平面は再び一致するが、シャフト５７のそれぞれのエキセントリックマス５６は、互いに離れた方向を向く。ここで再び、エキセントリックマス５６によって発生する遠心力がモーター平面内に伝達される。この力はシャフト５７のそれぞれについて同一の力の大きさであるが反対の方向である。このことは、モーターの平面における力を効率的に打ち消す。完全に１回転すると、マス平面は再びモーター平面に対して垂直となり、エキセントリック５６は全てモーター平面の上方にある。シャフトそれぞれに働く遠心力はモーター平面に対して垂直な同一方向にある。モーター平面に対して垂直に働く力は接続スプリングを通して垂直に中間マス１１に伝達される。そして、線形ガイド及びスプリングを通して、中間マス１１からペイロードマス１３までさらなる伝達が達成される。スプリングベッド２４、２５、２６及び２７を含むスプリングは、中間マス１１を通してペイロードマス１３までの力の伝達を最適化し、支持構造３７及び周囲の環境への伝達を最小化するように選択される。
【００３２】
共振状態における動作は、ペイロードマスの振動レベルと駆動マスの振動レベルとの間の分散が最大化されるときに決定される。この共振条件は、選択されたスプリング／マス系に依存する。スプリング特性及びマスの重量は、共振条件が予定されたペイロード重量に関して達成可能であるように選択される。
【００３３】
共振状態における動作は、所望の混合レベルを達成するために常に必要とされるわけではない。共振に近い動作は、顕著な混合を発生させるための実質的な強さ及び加速度を提供する。所望の混合レベルは、分散の要求と共に時間的な要求を満足することによって設定される。より速くまたはより十分に混合するために、共振に近づけて動作することによって振幅が増加する。動作は典型的には共振から１０Ｈｚの範囲内である。周波数が共振状態に到達すると、小さな変化が大きな結果をもたらす。
【００３４】
混合容器６０は、ペイロードマス３に取り付けられる。伝達された力が、混合する成分を上下に強く動かして副次的な渦流を伴うドーナツ状の流れを発生させる加速度及び変位振幅に変換されるときに、十分な混合が達成される。
【００３５】
さらなる実装例において、更に２つのサーボモーター３８が図１から４に示される共振混合機１０に追加される。２つの追加されたサーボモーター３８は、前述のように同一の物理的特性を有するエキセントリック錘５６に取り付けられる。追加的なモーター３８は、衝撃力を制御しうる。このことは、２組のモーター３８の間の相対的な位相角度を制御することによって達成されてもよい。前述したものと同様に、２組のサーボモーター３８は電気的に制御されて、全ての周波数を通じて全体的な力の打消しを達成する。所望の周波数が達成された後は、２組のモーターの間の相対的な位相角度が、所望の衝撃力が達成されるまで変化される。この構成は様々な力及び周波数を発生させるという追加的な利点を有する。
【００３６】
共振混合機１０の別の実装例において、可変の弾性部材がスプリング２４、２５、２６及び／または２７に対して代替し、共振周波数の変化を提供する。この追加はまた、性能を犠牲にすることなくペイロードにおけるより大きな可変性を可能とする。可変弾性部材は、機械的または電子的に制御可能である。そのようなデバイスの例は、空気が充填されたベローズ、可変長板バネ、コイルスプリングのくさび、圧電バイメタルスプリングであり、またはバネ定数を変化させるまたはそうでなければ影響を与えることもできる弾性部材として使用可能なその他どのような部材であってもよい。
【００３７】
羽根車撹拌の場合のように、バルク液体流動を誘導することによる混合よりもむしろ、共振混合機は媒体全体に渡る音響波の伝搬を通した微視的乱流を誘導することによって混合する。音響エネルギーの周波数がより低く、混合の規模がより大きいため、これは超音波撹拌とは異なる。超音波技術との他の区別可能な違いは、図１から４に示されるように構成された共振混合機デバイスが、産業規模の課題を達成するために十分大きく作ることが可能な、単純であり機械的に駆動する攪拌機であることである。
【００３８】
本明細書に開示された音響撹拌技術と、従来の羽根車撹拌との違いは、完全な混合が発生する規模である。羽根車撹拌では、混合は、エネルギーが粘性力を通して散逸する、より小さな規模の渦に低下される規模の大きな渦流の発生を通して発生する。音響撹拌では、混合は、音響流動を通して発生し、音響流動は、音波の場によって誘導された流体の時間に対して独立な流動である。これは、流体中の音波の吸収及び伝搬によって散逸する運動量の保存に起因する。音響流動は、流体を通して、１００から２００ｕｍ程度に推計された「微視的な」渦を移送する。渦は微視的であるが、音響流動が微視的な渦を流体全体に渡って均一に移送するため、反応物全体は非常に短い時間で良好に混合される。
【００３９】
図１から４における共振混合機１０は、十分な混合可能性を提供することができるように、非常に強い変位および加速度を発生させるために共振状態において動作されてもよい。図５は、図１から４に示された共振混合機１０の、様々な振動周波数での動作に対する応答の態様を示している。グラフは、示された周波数のそれぞれにおいて動作したときの、共振混合機１０によってグラウンドまで伝達された力を示している。点Ａとして示される、共振混合機１０の一次調和周波数における動作及び点Ｂとして示される共振混合機１０の二次調和周波数における動作が、グラフにおいて図示される力のピークによって示されている。動作時に、使用者は、所望の混合レベルに関して適切であるように、三次モードまたはその近傍（すなわち共振混合機１０の三次調和周波数または点Ｃ、またはその近傍）の動作周波数を選択する。
【００４０】
図６は、図１から４に示された共振混合機１０の、様々な振動周波数での動作に対する応答の別の態様を示している。概略的に、図６はペイロードマス１３及び反応マス（例えば、中間マス１１）の運動の位相を示している。約４０Ｈｚの周波数よりも高い場合、ペイロードマス１３と反応マスとの間の位相差は約１８０°であり、このことはこれらが反対方向に動くことを示している。
【００４１】
図７は、低く搭載された振動駆動部を有する３つのマスシステムの別の例を示している。低く搭載された振動駆動システムでは、振動体マス１２及びペイロードマス１３は、ほぼ同一の高さに配置され、共に中間マス１１の上方にある。このことは、マスの相対的な位置が実装例ごとに異なることができることを示している。
【００４２】
図８は、中間位置に搭載された振動駆動部を有する３つのマスシステムの別の例を示している。中間位置に搭載された振動駆動システムでは、単一の線形電磁力トランスデューサ３８が振動体マス１２の中間部に剛体的に取り付けられている。振動体マス１２は、中間マススプリング２５によって中間マス１１に可動に接続される。ペイロードマス１３はスプリング２６によって中間マス１１に可動に接続される。中間マス１１は、グラウンドスプリング２７によって基部３７に可動に接続される。
【００４３】
図９Ａを参照すると、図１から４に示された共振混合機１０の１つの実装例のフリーボディダイアグラムが示されている。以下は共振混合機１０の運動方程式である。
【００４４】
【数１】
2015525122.tif 000003
【００４５】
【数２】
2015525122.tif 000004
【００４６】
【数３】
2015525122.tif 000005
【００４７】
ここで、ｍｘはマスｘであり、
ｍ１はペイロードマスであり、
ｍ２は中間マスであり、
ｍ３は振動体マスであり、
ｋｘはスプリングｘのバネ定数であり、
ｃｘはダッシュポットｘの減衰係数であり、
ｘｘはマスｘの位置であり、
ｖｘはマスｘの速度であり、
ａｘはマスｘの加速度であり、
Ｆは３つの方程式を同時に解くことによる印加された力であり、マスに関する適切な重量及びスプリングに関する適切なバネ定数及び減衰係数は本発明の実装例について選択可能である。当業者であれば本発明の他の実施形態に関しても同様の方程式を立てることが可能であろう。
【００４８】
共振混合機１０の３つのマスシステムの運動を記述する上の３つの運動方程式に対しては無限の数の解がある。システムの最適化は、システムの所望の動作に依存する。一般に、マスおよびスプリングの大きさの選択はペイロードの振幅の増大、グラウンドへ伝達される力の低減及び駆動部の振幅の低下の影響下にある。１つの実装例では、以下のバネの比、ｋ１／ｋ１＝１、ｋ２／ｋ１＝４．６、ｋ３／ｋ１＝３．９、ｋ４／ｋ１＝１．３、及びマスの比ｍ１／ｍ１＝１、ｍ２／ｍ１＝１．１７、ｍ３／ｍ１＝０．６を用いる。ダッシュポットの定数は実装例における自然減衰の結果であり、実際の構成要素ではない。従って、ダッシュポットの定数の値は実施形態が製造された後に試験することによって決定されうる。
【００４９】
３つのマスシステムの制御は、２つの１次的な態様を含む。第１の態様は互いに対するサーボモーターのそれぞれの位相角度または相対位置の制御を含む。これに関するセンサは各モーターのシャフトに取り付けられたレゾルバーである。これらのデバイスは絶対位置信号を、１つのモーターから別のモーターへの位置誤差を追跡する動作制御部に送り返す。次に、動作制御部は、今度は修正信号を計算し、モーターに送り返す。これは、モーターの位相角度を制御コード内に設定された許容範囲内に維持する。
【００５０】
制御システムの第２の態様は、所望の振動振幅の設定および維持である。これは、加速度計でペイロードマスの運動（ｍ１）の振幅を監視することによって達成される。加速度計からの信号は動作制御部に送られ、作業者によって設定された値と比較される。次いで誤差修正信号が計算され、モーターに送られて周波数及び位相角度を増加または減少し、所望の振幅を達成する。
【００５１】
モーターの位相角度の制御はまた２つの態様を有する。第１の態様はモーターのモーターに対する位置の維持であり、第２の態様はシステムに入力される力の強さの制御である。モーターのモーターに対する位置の維持は、システムに入力される得られる力が単一の方向に向くようにするために必要である。このことは、モーターの対の位置を制御することによって達成される。モーターは、２つで一対とされまたは１組とされ、各組は同一の位相角度を有する。モーター対は次いで、等しいが反対の回転周波数を有するように動作について設定される。次いで、位相位置が、スプリング軸の方向に対して平行である単一の方向におけるエキセントリックマスから得られる力を合計するように制御される。力の大きさは、モーター対間の位相角度を制御することによって制御される。モーター対が互いに対して１８０°の位相ずれを有する場合には、結果的に得られる力の合計はゼロである。モーター対間の位相角度がゼロ度となると、得られる力の合計は４つのエキセントリックマスの合計の１００パーセントとなる。これらの極端な場合の間の位相角度は、最大値よりも低い力をもたらす。
【００５２】
図９Ｂは、共振音響混合機の他の例示的な実装例のフリーボディダイアグラムを示す。図９Ｂにおける混合システムは、図９Ａに示される混合システムと同様の働きをするが、構成が異なる。図９Ｂは、１組のスプリングを通してグラウンドに接続された単一のマスを有する混合システムを示している。その一方、図９Ａはグラウンドに接続された２つのマスおよび２組のスプリングを含む。
【００５３】
以下は、図９Ｂに示される振動混合システムの運動方程式である。
【００５４】
【数４】
2015525122.tif 000006
【００５５】
【数５】
2015525122.tif 000007
【００５６】
【数６】
2015525122.tif 000008
【００５７】
混合する物質のために使用されるのに加えて、前述の共振音響混合機は、以下に説明される様々な物質をスプレー塗布するために構成可能である。いくつかの実装例において、共振音響混合機は、振動混合機であることができる。図１０Ａから３３は、スプレー塗布システム１００ａから１００ｗ（一般に塗布システム１００とする）に基づく振動混合機の様々な例の概略図を示している。塗布システム１００のそれぞれは、ペイロードプレート１０２、混合容器１０４及びスプレー部１０６を含む。そのような塗布システムは、処理される材料を流動化するために低い周波数、高い強度の音響エネルギーで材料を混合し、塗布し、乾燥し、結合し及び／または分離することができる。塗布システム１００は、様々な用途において材料を混合し、塗布し、乾燥し、結合し、分離する混合機の能力を改善するために、温度センサ、真空源、圧力ポンプ、加熱ジャケット、冷却ジャケット、フィルター、温度センサ、混合度センサ及びふるいなどの１つ以上の任意選択の構成要素を備えることができる。
【００５８】
一般に、混合システム１００は、液体の小さな液滴（ナノメートルから雨滴の大きさ（〜６ｍｍ））または粉末を、前述の混合機に類似する音響混合機を用いて撹拌される材料に追加する。そのような混合機の追加的な説明は特許文献１及び２に見ることができ、その全体は参照により本明細書に組み込まれている。
【００５９】
図１０Ａは、塗布システム１００ａの例を示している。塗布システム１００は、音響混合機ペイロードプレート１０２、混合容器１０４、スプレー部１０６及び真空ライン１１２を含む。塗布システム１００は、気体媒体を使用することなく、混合容器１０４を０．０２インチから約０．５インチの間の変位振幅で運動させることにより、固体材料を流動化させるように構成される。混合容器１０４は、ペイロードプレート１０２の上部に位置して運動しうる。ペイロードプレート１０２は、約１５Ｈｚから約１０００Ｈｚの間の動作周波数で振動することができる。スプレー用途に関して、ペイロードプレート１０２は、約５０Ｈｚから約７０Ｈｚの周波数であるように構成される。いくつかのスプレー用途に関して、いくつかの実装例において、ペイロードプレート１０２は約１８０Ｈｚの動作周波数まで振動させうる。１つの実装例において、ペイロードプレート１０２は約６０Ｈｚの動作周波数で振動しうる。
【００６０】
動作中は、塗布システム１００は、塗布される材料が混合容器１０４下で振動するペイロードプレート１０２から発生する高い音響エネルギーのために流動床となるようにしうる。１つの実装例において、塗布システム１００は、混合容器１０４が加圧下、大気圧または不十分若しくは完全に真空状態にあるときに固体材料の流動床を形成する。完全な真空が適用される場合、流動床は粒子―粒子間相互作用によって形成されうる。いくつかの実装例において、１次的な混合機構は、内部粒子再配置によって駆動される衝突の結果でありうる。衝突に関する混合プロセスは、加速度がより高くなると増加しうる。いくつかの実装例において、音響波を伝搬する媒体気体がないために混合は音響相互作用なしに行われる。以下にさらに議論するように、塗布システム１００は、材料を流動化するためのハード上に流動床を形成するために行われ、そこでは典型的な気体流動化材はラットホールまたは栓流を形成する。
【００６１】
混合容器１０４は、塗布される材料を内部に含みうる。混合容器１０４は、材料を混合し、結合し、分離し、塗布しまたは乾燥するために使用されるどのような種類の容器であってもよい。さらに、混合容器１０４は、音響混合機内に取り付けることができるどのような大きさであってもよい。１つの実装例において、混合容器１０４は、小さな微細ウェルプレートであってもよい。他の実装例において、混合容器１０４は５００ガロンの材料まで保持できるように構成されてもよい。他の実装例において、混合容器１０４は中間的な大きさを有する。１つの実装例において、混合容器１０４は動作中に最大体積の９０％よりも満たされなくてもよい。材料は粒子、液体又は粉末及び液体の材料の組み合わせであってもよい。
【００６２】
スプレー部１０６は、図１０Ａに示されるように均一な流動床上に塗布材料１１０を導くように構成される。スプレー部１０６は、塗布材料１１０を混合容器１０４内に導入しうる。スプレー部１００６は、液体または固体の形態の材料を放出するためのどのようなデバイスであってもよい。１つの実装例において、スプレー部１０６は噴霧器であってもよい。スプレー部１０６は、混合容器１０４の頂部に沿って位置してもよい。いくつかの実装例において、スプレー部１０６は、混合容器１０４の側部に隣接して位置してもよい（図２７を参照）。さらに他の実装例において、スプレー部１０６は混合容器１０４の底部に結合されてもよい（図１９を参照）。図１０Ｂは、他の例示的な塗布システム１００ａを示しており、スプレー部１０６は混合容器１０４に直接結合されておらず、それでも塗布材料１１０を混合容器１０４に導入する。
【００６３】
多くの様々な種類のスプレー部１０６が、塗布システム１００と組み合わせて用いられてもよい。スプレー部１０６から放出される塗布材料１１０の粒子の大きさは、ナノメートルの大きさから雨滴の大きさまでであることができる。圧力噴霧器（例えば単純なオリフィス、圧力渦、角型スプレー、二重型、反流型及びファンスプレー）、回転型、空気支援型、エアブラスト、静電型、超音波型、音波型、風車型、振動キャピラリー、噴流液体ジェット、沸騰型及び／または圧電型噴霧器を含む産業用標準噴霧器またはスプレー部が、塗布システム１００と結合されてもよい。密度、粘性及び表面張力の流体パラメータと共にノズルの種類もノズルからスプレーされる流体粒子の大きさにおいて大きな役割を果たし、なされる特定の塗布用途に応じて変更されうる。
【００６４】
図１０Ａに示されるように、いくつかの実装例において、真空ライン１１２が混合容器１０４に結合され、混合容器１０４に真空源を導入してもよい。真空源は、混合容器１０４内の圧力に効果を与えうる。真空源は、伴われる材料の種類及び所望の用途に応じて混合容器１０４内に不完全なまたは完全な真空を発生させることができる。
【００６５】
塗布システム１００によって生成された流動床は、均一なバルク混合のために、気体駆動型流動床と比較して、より一貫した材料の反転を有しうる。バルク混合は、混合容器または反応器内部に材料の頂部から底部までの循環を提供する。図１１及び１２は、２つの従来のバルク混合流パターンの例示的な例を示している。図１１において、バルク流パターンは、混合容器１０４の中央で上昇し、側部で下降する。図１２において、バルク流パターンは混合容器１０４の側部で上昇し、中央で下降する。それぞれの流動パターンは、混合容器１０４内の材料の相互作用によって引き起こされうる。材料の相互作用は、混合容器１０４の壁、頂部及び底部の形状を含む混合容器１０４の形状によって引き起こされうる。いくつかの実装例において、第３の材料が混合容器１０４内に導入されて異なるバルク流パターンを形成してもよい。第３の材料は、バッフルまたは混合容器１０４内で混合する材料の流動を変化させ、導きまたは影響を与えるどのような種類の材料であってもよい。
【００６６】
音響混合機は、混合容器１０４内の粒子のバルク混合と共に粒子の微細混合も引き起こすことができる。粒子の微細混合は、粒子―粒子間相互作用及び粒子―容器間相互作用に起因する。粒子―粒子間相互作用は、粒子の拡散様現象及び分離を引き起こす微細混合を発生させる。拡散様現象は、粒子の隣同士の位置交換に対応し、分離は粒子の上下方向の位置交換に対応する。バルク混合と共に微細混合は、新しい材料がスプレー１０６によって出力される微細スプレー噴霧にさらされるようにすることを可能にする。いくつかの実装例において、微細混合は単独で、容器内での材料の分離を引き起こすこととなる。粒子の微細混合は、材料のバルク混合に寄与し、バルク混合を駆動することができる。材料の微細混合とバルク混合との組み合わせは、材料を非常に急速に混合し、単一または複数の微細スプレー噴霧を通して急速に混合容器の内容物全体を移動させうる。
【００６７】
図１０Ａを再び参照すると、塗布システム１００を用いて真空条件下で生成された流動床内にスプレーする場合、スプレー部１０６によって導入された塗布材料１１０は、粒子内に抗力を示すことなくスプレー可能である。
【００６８】
図１３は、大気圧条件下で動作する第２の例示的な塗布システム１００ｂを示す。真空ライン１１２の代わりに、塗布システム１００ｂは混合容器１０４に結合され、混合容器１０４内の大気圧条件を保つためのベント１１８を含む。ベント１１８は、混合容器１０４内へ、及び混合容器１０４の外へ空気を移動することを可能とするどのようなデバイスまたは排出部であってもよい。図１４に示される、他の例示的な塗布システム１００ｃにおいて、混合容器１０４は混合容器１０４内を加圧状態に維持できるように密封される。
【００６９】
図１５は、第４の例示的な塗布システム１００ｄを示している。塗布システム１００ｄは、圧力解放バルブ１２０を含む。圧力解放バルブ１２０は、混合容器１０４に結合されてもよく、混合容器１０４内の圧力レベルを制御するために使用されてもよい。いくつかの実装例において、圧力解放バルブは、スプレープロセスの間、圧力を実質的に一定に保ちうる。１つの実装例において、圧力解放バルブ１２０は、混合容器１０４の頂部に結合される。他の実装例において、圧力解放バルブは、混合容器１０４のいずれの側部にも結合されうる。圧力解放バルブ１２０は、圧力を大気圧に、またはそれ以上に維持するように構成されうる。
【００７０】
図１６は、他の例示的な塗布システム１００ｅを示している。塗布システム１００ｅは、塗布システム１００ａと類似している。しかしながら、塗布システム１００ｅはまた、混合容器１０４に結合された冷却ジャケット１２２を含む。冷却ジャケット１２２は、冷却導入部１２３ａ及び冷却排出部１２３ｂを含む。冷却システム１００ｅが動作している間、仕事は粒子の壁との相互作用と共に、粒子―粒子衝突によって引き起こされる機械的運動から流動化した材料上でなされる。いくつかの実装例において、この流動化した材料上の仕事は、熱として散逸される。熱は不要なものでありえ、冷却ジャケット１２２等の冷却機構は、プロセス中に材料の内容物を所望の温度に保つために混合容器１０４の周囲に取り付け可能である。いくつかの実装例において、室温より低い温度でプロセスを実行することが望ましいことがありうる。冷却ジャケットは、この動作条件を達成する助けにもなることができる。
【００７１】
他の例示的な塗布システム１００ｆにおいて、図１７に示されるように、塗布システム１００ｆは、混合容器１０４に結合された加熱ジャケット１２４を含む。いくつかの実装例において、例えば、スプレーされる材料の粘性低下を維持し、または材料の乾燥を促進させるために、混合容器１０４内の温度を高く保つことが望ましいことがありうる。このように、加熱ジャケット１２４またはバンドヒーターのような加熱機構は、どのようなプロセスの間にも材料の内容物を所望の温度に維持するために、混合容器１０４の周囲に取り付け可能である。図１６に示される冷却ジャケットと同様に、加熱ジャケット１２４は高温の気体または液体などの加熱流体を受容し、放出するための導入部１２５ａ及び排出部１２５ｂを含むことができる。
【００７２】
図１８は、７番目の例示的な塗布システム１００ｇを示す。塗布システム１００ｇは、塗布システム１００ａに類似しているが、乾燥用途のために使用され、混合容器１０４に結合されたガススイープ１２６を含む。混合容器１０４内の材料を乾燥させるために、少量の気体が、混合容器１０４の内部で固体材料との反応のために使用されうる。いくつかの実装例において、スイープガス供給部１２６は、混合容器１０４の頂部に結合されうる。他の実装例において、スイープガス供給部は、混合容器１０４のいずれの側部に結合されてもよい。さらに他の実装例において、スイープガス供給部１２６は、混合容器１０４の底部に結合されうる。流動化が機械的であり気体を必要としないため、塗布システム１００ｇの構成は、粒子の流動化に必要となる、従来の気体流動化装置を用いる場合には廃棄される過剰な反応気体をほとんどまたは全く必要としないようにすることができる。
【００７３】
図１９は、乾燥用途において使用される他の例示的な塗布システム１００ｈを示している。塗布システム１００ｈは、上述の塗布システム１００ｇと類似しているが、スプレー部１０６が頂部ではなく混合容器１０４の底部に結合されている。スイープガス供給部１２６は混合容器１０４の頂部に結合される。混合容器１０４の底部に結合されたスプレー部１０６は、塗布材料１１０を、混合容器１０４の底部を通して導入することができる。
【００７４】
図２０もまた、乾燥用途に使用可能である他の例示的な塗布システム１００ｉを示している。塗布システム１００ｉは、混合容器１０４の底部に結合されたスイープガス供給部１２６を含み、スプレー部１０６は混合容器１０４の頂部に結合されうる。この実装例において、スイープガスは混合容器１０４の底部及び内容物の下を通して導入される気体でありうる。他の実装例において、スイープガス供給部１２６は、混合容器１０４のどの位置に結合されてもよい。混合容器１０４上のスイープガス供給部１２６及びスプレー部１０６の様々な位置は、混合される材料の種類及び使用される塗布材料の種類に依存することができる。いくつかの材料は、混合及びスプレー用途の間、混合容器の頂部に流れる傾向があり、その一方他の材料は混合容器１０４の底部に沈む傾向にある。均一かつむらなく所定の材料を混合し、塗布するために、異なる位置及び角度で塗布材料及び乾燥気体を導入することが望ましいことがありうる。
【００７５】
いくつかの実装例において、様々なスプレー部１０６及びスイープガス供給部１２６の構成に適合するために、混合容器１０４はその外周に渡って様々な位置に多数のポートを含んでもよい。各ポートは、スイープガスライン１２６及びスプレー部１０６の結合を可能とする。ポートはまた特定の用途のために使用されない場合には密封可能である。
【００７６】
図２１は、他の例示的な塗布システム１００ｊを示している。塗布システム１００ｊは、塗布システム１００ａに類似しているが、塗布システム１００ｊはフィルター１２８を含む。フィルター１２８は、図１３に示されるベント１１８、図１５に示される圧力解放バルブ１２０または図１０から１２に示される真空ライン１１２に結合されてもよい。フィルターは、塗布に利用している間に、不要な材料がベント１１８、圧力解放バルブ１２０又は真空ライン１１２を通って通過するのを妨げ、または抑制しうる。
【００７７】
図２２は、１１番目の例示的な塗布システム１００ｋを示している。塗布システム１００ｋもまた、スプレー及び乾燥用途のために使用することが可能であり、ワースター法に従って塗布材料を導入するように構成される。塗布システム１００ｋは、混合容器１０４の底部に結合されたスプレー部１０６、混合容器１０４の頂部に結合されたスイープガス供給部１２６及び混合容器１０４の頂部に結合されたベント１１８を含む。ワースター法において、スプレー部１０６は混合容器の底部に位置し、塗布材料１１０を、塗布される材料の上部に塗布材料１１０をスプレーするノズルを通して導入し、スプレーされる材料が流動床上に落ちることを可能にする。プロセスは、ちょうどスプレーされた分離された粒子及びスプレーされた後の粒子を分離するために仕切りを用いる。粒子は、凝集を防ぐために、流動床に降着しているときに乾燥する。
【００７８】
図２３は、他の例示的な塗布システム１００ｌを示している。塗布システム１００ｌは、塗布システム１００ａに類似しているが、温度測定デバイス１３０を含む。温度測定デバイス１３０は、混合容器１０４内の材料の温度を監視するために、混合容器１０４に追加されうる。いくつかの実装例において、塗布システム１００ｍを示す図２４Ａに示すように、複数の温度測定デバイス１３０が混合容器１０４に適用されうる。温度測定デバイス１３０は、材料が均一に流動化され、混合されまたは塗布されているか否かを判断するために、様々な深さ及び位置に適用されうる。塗布システム１００ｌ及び１００ｍに使用される温度測定デバイス１３０は、温度センサ、熱電対、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）、サーミスタ、または赤外線検出器を含む温度を測定するどのようなデバイスであってもよい。
【００７９】
図２４Ｂは、温度測定デバイス１３０から受け取った温度の読出しのグラフを示している。読出しは、塗布塗布システム１００または連続流動反応器システム２００から行うことができる。材料が均一に流動化されまたは混合される場合、複数の温度の読出しは互いに向かい、値がより近くなる傾向にある。混合または流動化が停止すると、今度は様々な温度読出し部の温度が発散することとなる。
【００８０】
図２５は、１４番目の例示的な塗布システム１００ｎを示している。プロセスを監視するために温度測定デバイス１３０を含める代わりに、図２３及び２４に示されるように、塗布システム１００ｎは近赤外（ＮＩＲ）混合度センサ１３２を含む。混合段階及び塗布プロセスは、ＮＩＲ分光法を実施するのに使用されるＧｏｏｄｒｉｃｈ  ＩＳＲ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ，ＮＪ）から市販されているものなどのＮＩＲセンサ１３２などの検出器の使用によってリアルタイムに監視可能である。ＮＩＲセンサ１３２は、ＮＩＲに対して透明な材料を通して混合容器１０４内で混合する材料を見ることができる。ＮＩＲ分光法は、混合容器１０４内の材料の混合度及び現在の混合段階を決定するために使用することができる。ＮＩＲ分光法はまた、材料がいつ十分に塗布され、湿潤され、乾燥され、または反応するかも決定しうる。
【００８１】
本明細書で説明された塗布システム１００の多くの例において、スプレー部１０６のノズルの形状は様々な形状であってもよく、例えば、限定するものではなく、円錐状、環状及び直線状のジェットであってもよい。図２６は、例示的な塗布システム１００ｏを示している。塗布システム１００ｏは塗布システム１００ａに類似しているが、塗布材料１１０を混合容器１０４内の流動床上に導入するために直線ジェットノズルを有するスプレー部１０６を含む。各用途のために選択されるノズルの種類は、塗布される材料の種類及び使用される塗布材料１１０の種類に依存することができる。
【００８２】
さらに、塗布システム１００は、混合容器１０４に結合された単一のスプレー部１０６または混合容器１０４に結合された複数のスプレー部１０６を有することができる。スプレー部１０６はまた、様々な角度で結合可能である。図２７は、例示的な塗布システム１００ｐを示す。塗布システム１００ｐは、塗布システム１００ａに示されるように混合容器１０４の頂部に結合されたただ１つのスプレー部１０６ではなく、混合容器１０４の様々な位置に結合された複数のスプレー部１０６を含む。複数のスプレー部１０６は、塗布材料１１０を所望の用途および使用される材料に応じて様々な位置及び角度で混合容器１０４内に導入しうる。図２７において、第１のスプレー部１０６は混合容器１０４の側部に結合されて、混合容器１０４内の流動床１０８の頂部に塗布材料１１０を導入し、第２のスプレー部１０６は混合容器１０４の底部に結合されて材料を流動床１０８の下部に導入する。図２８は、複数のスプレー部１０６を含む他の例示的な塗布システム１００ｑを示している。塗布システム１００ｑは、混合容器１０４の頂部にすべて結合された複数のスプレー部１６０を含む。
【００８３】
図２９は、他の例示的な塗布システム１００ｒを示す。塗布システム１００ｒは、塗布システム１００ａに類似しているが、流動化される材料のバルク流動パターンに影響を与えるために、混合容器１０４内に第３の材料１３６を含む。第３の材料１３６は、混合容器１０４内のバルク流動パターンに影響を及ぼし、変化させまたは導くためのいかなる構造であってもよく、バッフルを含む。第３の材料１３６はまた、混合容器１０４のポートを、混合または塗布の使用の間に飛び散る恐れのある材料と接触することから遮蔽するために使用されることも可能である。図３０は例示的な塗布システム１００ｓを示しており、第３の材料１３６（すなわち、ポートバッフル）とともに真空ライン１１０を含み、第３の材料が真空ラインを遮蔽する。塗布システム１００ｓは塗布システム１００ｒと類似しているが、第３の材料は混合容器１０４内の混合パターンを変化させるのではなく、混合容器１０４内のポートを遮蔽するために使用される。同様のバッフルはまた、ベント１１８及び圧力解放バルブ１２０のポートも遮蔽することができる。いくつかの他の実装例において、第３の材料１３６は、材料が混合容器１０４の外及び任意のポートの外に流出するための経路を形成することができる。
【００８４】
本明細書で説明された多数の例示的な塗布システム１００において、混合容器１０４は所望の用途に従って様々な形状及び形態で構成可能である。図３１は、他の例示的な塗布システム１００ｔを示している。塗布システム１００ｔは、球状の底部１４０を有する混合容器１０４を含む。様々な形状の混合容器１０４が、混合容器１０４内の死角領域または材料の固化を低減するために使用可能である。図３２に示されるように、他の例示的な塗布システム１００ｕにおいて、混合容器１０４は一般的に円錐形状１４２を有することができる。混合容器１０４の頂部、壁部及び底部の様々な形状はまた、バルク流動パターンに影響を及ぼすこともでき、所望のバルク流動パターンに基づいて選択することもできる。
【００８５】
図３３は、例示的な連続流動反応器システム２００を示している。連続流動反応器システム２００は、連続流動反応器２０２内の粉末または材料を流動化させることができ、その一方１つ以上の塗布材料１１０が様々な段階で適用される。結合された材料を混合しつつ塗布材料を連続的にまたは間欠的に追加することにより、塊や高い粘性の領域が低減可能である。連続流動反応器システム２００は、様々な段階で塗布材料１１０を導入するために、連続流動反応器２００の側部に結合された複数のスプレー部２０６及び複数の材料導入部２１０を含む。いくつかの実装例において、ただ１つのスプレー部２０６のみが連続流動反応器２０２に結合される。いくつかの実装例において、ただ１つの材料導入部２１０のみが連続流動反応器２０２に結合される。塗布される材料は、連続流動反応器２０２を通して流れることができ、複数のスプレーノズル２０６によって様々な段階でスプレー可能である。追加的な塗布材料１１０が材料導入部２１０を通して様々な段階で、また前述のスプレープロセス後に追加されてもよい。このことは、全ての塗布を必要としない材料があり、様々な材料が塗布せずに追加されることを可能としうるため、有利でありうる。連続流動反応器システム２００は、さまざまな用途、例えば、かつ限定するものではなく、材料の混合、塗布、化学反応、結合または分離に適用可能である。前述の用途のいくつかはより詳細に以下に説明される。
【００８６】
塗布システム１００及び連続流動反応器システム２００は、これらが優れた流動化特性を有するため、スプレー塗布動作に利用されうる。塗布は従来はスプレー部またはノズルを流動化部及びタンブラーに追加することによって適用される。これらの方法は、錠剤などの大きな粒子については良好に作用する。しかしながら、より小さな粒子を均一に塗布しようとする場合、空気圧式流動化装置及びタンブラーは、材料をむらなく塗布するための均一な運動を適切に発生させることができない。塗布システム１００及び連続流動反応システム２００は、ラットホールとなり栓流となる傾向のある粘着性のある粉末を含む、通常の流動化装置で流動化する場合には流動化しにくい材料を有する使用に関して優れた流動化特性を有する。
【００８７】
材料がより小さくなるにつれて、材料はより凝集しやすくなる傾向にある。この現象を呈する材料の１つの例示的なカテゴリーは、典型的には非常に凝集性である薬剤材料を含む。典型的な活性の薬剤原料（ＡＰＩ）は、粉末の粒子寸法及びゲルダート群内に収まる。粉末のゲルダート群は、様々な粉末が空気圧駆動流動化装置内でどのように流動化するかを説明し、特性化するために、ゲルダート教授によって初めて用いられた。Ｃ群粉末は、多少なりとも凝集性のある粉末である。粉末は小さな直径のチューブまたは流路（ラットホール）の中で栓として持ち上がるため、空気圧床や振動空気圧床のような従来の流動化装置を用いてＣ群の粉末を流動化することは極端に困難である。機械的な励振が、前述の現象を回避する助けとするために適用可能であるが、確実に働くことは保証されない。栓流は流動化を引き起こさず、流路は局所的な流動化を発生させるだけであり、材料の一定の均一な反転がない場合には、スプレーは液体が多い領域を発生させ、固着を形成するため、これらは共にスプレー塗布用途には適さない。
【００８８】
材料を均一に流動化させる上述の塗布システム１００のいずれかのような塗布システムを用いることによって、スプレー部は塗布材料上に連続的にスプレーするために用いられることが可能となり、固着部の形成を避けることが可能となる。塗布システム１００は流動床１０８を形成するために空気圧を用いないため、スプレーは真空に近い条件で適用可能である。
【００８９】
塗布システム１００は、ナノサイズの粒子から錠剤の大きさの粒子まで流動床を形成するのに良く適している。流動化が振動のみから形成されるため、塗布システム１００はナノ粒子及び錠剤に至るまでの全ての大きさの粒子を、０ｇから２００ｇの加速度範囲及び約５０Ｈｚから約７０Ｈｚの動作周波数で流動化することができる。１つの実装例において、ペイロードプレート１０２は、約６０Ｈｚの動作周波数で振動しうる。いくつかの他の実装例では、ペイロードプレート１０２は１８０Ｈｚの動作周波数まで振動しうる。いくつかの実装例では、塗布システム１００は、１００ｇまでの加速度の範囲で動作する。
【００９０】
スプレー部１０６は、液体、粉末または任意の組み合わせをスプレーしうる。塗布システム１００は、流動床１０８を形成するために空気圧を用いないため、流動床１０８を保持する混合容器１０４は閉じられまたは密封されてもよく、このことによってナノ粒子１１０のような小さな粉末を、これらを流動床１０８の外に引き出そうとする流動化気体を有することなく、流動床１０８の中にスプレーすることを可能にしうる。
【００９１】
化学反応を実施する場合、必要な時間及び効率は共にコストの面で非常に重要である。本開示は、塗布システム１００を用い、スプレー部１０６を結合することによって機械的に粒子を流動化する方法を含む。スプレー部１０６は、流動化した材料１０８と反応することとなる気体または液体を入力するのに用いられうる。この技術は、特定の気体または液体材料と反応することを必要とするが、従来の流動化装置で流動化媒体として用いられる場合には空気と反応することとなる材料とともに用いることができる。通常の気体流動化装置では、反応気体は流動化と共に反応のためにも用いられ、反応材料を廃棄することとなる。前述のスプレー塗布システム１００を用いて作り出されるような機械的に流動化された媒体を用いることにより、正確な量の反応材料が混合容器１０４内に追加可能である。反応物質は次いで、従来の流動化装置を用いるときには必要であったような、流動化を発生させるその他の材料を追加することなく、流動化の間に反応することが可能となる。そのようなその他の追加材料は、密封した容器が用いられた場合、通常反応した廃棄材料と同様に、潜在的に汚染を追加する可能性がある。
【００９２】
塗布システム１００ａは、多くの用途に適用可能である。この技術の利益を享受することができる様々な産業及び用途のいくつかの例を以下に説明する。
【００９３】
スプレー塗布及び乾燥
第１の例において、塗布システム１００ａは、食品、薬品及び工業などの産業を含む、スプレー塗布及び乾燥用途で使用可能である。従来のスプレー乾燥機は様々な産業で使用されているが、おもな産業は食品、薬品及び工業である。いくつかの例は、各産業が、食品産業の場合にはミルクパウダー、コーヒー、お茶、シリアル及びスパイスの製品を含み、薬品産業の場合には抗生物質、医薬品原料及び添加物の製品を含み、工業産業の場合には塗料の染料及びセラミック材料を含む場合を用いる。スプレー乾燥用途は、塗布用途として前述したのと同じ設備でない場合、類似のものを使用しうる。
【００９４】
医薬品の他のよく知られた塗布法は、ワースター法である。この方法は、互いに離隔した粒子上に、粒子を流動化するのに用いられるよりも高速の気体の流動で材料をスプレーするためのノズルを用いる。このプロセスは、スプレーされたばかりの分離された粒子と、スプレーされた粒子とを分離するための仕切りを用いる。粒子は、凝集を防ぐために、流動床に落ちて戻る際に乾燥する。
【００９５】
上述のシステムの典型的な問題は、これらが、塗布され、乾燥される材料の均一な流動化及び流動を作り出さないことである。これは、不均一な塗布及び液体の多い材料の固着を発生させ、いずれも望ましくない。上述の塗布システム１００によって採用される流動化プロセスは、このプロセスを軽減することができる。塗布システム１００は、ナノサイズの粉末粒子から錠剤の大きさの粒子までの範囲の材料を流動化する。
【００９６】
図３４は、塗布システム１００ａの例示的な用途を示している。より具体的には、図３４は、例示的なＡＰＩ、この場合はイブプロフェンの塗布のために用いられる塗布システム１００ａの拡大図を示している。図１０Ａに示される塗布システム１００ａの構成要素に加えて、図３４はまた塗布材料１１０を保持するタンク１４４からの供給ライン１４６を示している。タンク１４４は、タンク１４４の制御を提供するためのキャビネット１４８に結合される。塗布材料１１０を導入するスプレー部１０６を保護し、塗布システム１００ａ上の遮蔽を提供するフード１５０が、図３４に示される。さらに、図３４は、混合容器１０４に結合された真空供給部１１２を示している。
【００９７】
１つの例において、例示的なＡＰＩ材料（イブプロフェン）はポリマー（テキサス州ビショップのＢＡＳＦ社のイブプロフェン７０）で塗布されたものであった。従来のスプレー乾燥システムによって塗布されたＡＰＩ材料の図が図３５に、光学顕微鏡像及びすぐ下にＳＥＭ像で示されている。従来のスプレー乾燥システムは、ＡＰＩ材料を直径に渡って塗布したが、端部は塗布されないまま残され、多くの粒子の凝集が形成された。図３４に示された塗布システムを使用することにより、イブプロフェンの結晶はポリマーで塗布され、端部もまた塗布された。塗布された粒子はまた、凝集もしなかった。光学顕微鏡を用いた、塗布されたイブプロフェンの像は図３６に示され、ＳＥＭ像はすぐ下に示されている。
【００９８】
スプレー噴霧用途
第２の第１の例において、塗布システム１００はペーストを形成するために固体（粉末）内に微細に分散した液体を組み合わせるためのスプレー噴霧用途に使用可能である。ベーキングにおいて、全ての液体が固体（粉末）に加えられ混合された場合には、最終的に乾燥した粉末の固着部を有し、または粘性の高い領域を有する可能性があることとなることはよく知られている。混合しながら液体を連続的に追加またはパルス状に追加することによって、固着部及び粘性の高い領域を軽減することができる。
【００９９】
塗布システム１００は、バッチ混合のために設計される。乾燥材料の全ては、混合前に混合容器１０４内に追加可能である。いくつかの実装例において、ノズルを混合容器１０４に追加することによって、混合を行いながら液体がパルスとしてまたは連続的な流動として混合容器１０４内に加えられ、固着または粘性の高い領域を軽減しうる。流速、ノズルの種類、ノズルの数、ノズルの位置、混合の強さは、他の多くのシステムおよび材料の特性と共に、混合及び混合した結果物に影響を与えうる。
【０１００】
粘性の高い液体を粉末と共に混合すると、粘性の高い材料は適切に流動せず、混合しない可能性がある。塗布システム１００を利用する本開示において、粉末は混合容器１０４の容器内で混合され、粘性の高い材料がスプレー部１０６を通して追加されうる。次いで、粉末は粘性の高い材料と混合される。
【０１０１】
第３の例において、塗布システム１００ａは、ペーストを形成するために液体内に微細に分散した固体（粉末）を組み合わせるために使用可能である。液体と固体を一緒に混合しようとすると、全ての原料が混合機内にすべて一度に追加される場合には、固体は液体で覆われ、混合されない乾燥した固着物の状態のままとなりうる。乾燥した固着物は十分なせん断で壊すことができるが、粉末のいくつかはせん断に非常に敏感であり、これらの固着物が形成されると、粒子は固着物の破壊の間に破壊することとなる。拡散を通して、液体は時間をかければ乾燥した固着物の中へ浸透することができるが、典型的にはこれは固着物をより固いものとし、より破壊が困難なものとする。せん断に敏感な粉末を用いて、濡れた固い固着物が形成されると、これらの固着物が形成後に壊される場合、損傷が生じることとなる。従って、せん断に敏感な材料を用いる場合、混合時に固着物を形成することを避けることが重要である。本システムの１つの実装例において、液体を混合しながら粉末をゆっくりと加えることにより、塗布システム１００は固着物を形成することなく粉末を液体に混合しうる。
【０１０２】
液体を粉末でスプレー塗布する用途
第４の例において、塗布システム１００ａは、化粧品産業などのように液体を粉末でスプレー塗布するために使用可能である。化粧品産業において、粉末で覆われた液体の微細な液滴はファンデーションを塗るために用いられる。液体を粉末塗布からはがすのに十分なせん断があるまで、それらは粉末で塗布されているため、粉末として働く液滴はせん断に敏感である。そのため、粉末で塗布された液体が粉末として適用されると、クリームのように皮膚上に塗られる。本開示の他の実装例において、材料を形成する方法は、液滴の微細な噴霧を塗布システム１００によって形成された粉末の流動床にスプレーすることによって、粉末で液体をスプレー塗布することを含む。容器は、完全なまたは不完全な真空とすることができ、これはスプレープロセスの間、液滴を分離された状態に維持し、より大きな粒子に結合させない傾向にすることとなる。各液滴は、粒子流動床に浸透し、後から導入される液体の液滴が液滴を捕捉し結合する機会を有する前に塗布される。
【０１０３】
粉末上への粉末のスプレー塗布
第５の例において、塗布システム１００ａは、粉末上への粉末のスプレー塗布のために使用可能である。この技術は、材料が合金化されるポリマー産業において適用されうる。合金化される材料は、全て一定の材料成分率でポリマー押し出し機内に供給される必要があり、またはその他のポリマー材料は、材料及び機械的特性に変動をきたしうる。合金化する材料の多くは少量であり、小さな粒子サイズでありうる。塗布システム１００は、スプレー部１０６を用いて、母材の流動床１０８上に合金化材料をスプレーすることにより、より少量の合金化材料を母材上に塗布するために使用可能である。このことは、合金化材料を合成するために押し出し機内へ供給される材料の量を修正することを可能にする。
【０１０４】
さらに、この技術はまた、少量のＡＰＩを母材に追加する点で、薬品産業に適用可能である。この技術はまた、食品及びスパイス産業とともに塗料産業の使用にも拡張可能である。
【０１０５】
本開示は示された実施形態とともに開示され、詳細に説明されたが、これになされる様々な改良及び改善は、当業者には容易に明らかになるであろう。従って、本開示の思想及び範囲は以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【符号の説明】
【０１０６】
７  剛体構造
１０  共振混合器
１１  中間マス
１２  振動体マス
１３  ペイロード
２４  グラウンドスプリング
２５  中間マススプリング
２６  ペイロードスプリング
２７  グラウンドスプリング
３０  停止部
３７  支持構造
３８  サーボモーター
４０  固定器具
４１  ロックナット
４３  中間マス位置決定支柱
５５  中間マス支柱
５６  エキセントリックマス
５７  モーターシャフト
６０  混合チャンバー
１００、１００ａ〜１００ｗ  塗布システム
１０２  ペイロードプレート
１０４  混合容器
１０６  スプレー部
１１０  塗布材料
１１２  真空ライン
１１８  ベント
１２０  圧力解放バルブ
１２２  冷却ジャケット
１２３ａ  冷却導入部
１２３ｂ  冷却排出部
１２４  加熱ジャケット
１２６  スイープガス供給部
１３０  温度測定デバイス
１３２  ＮＩＲセンサ
１３６  第３の材料
１４４  タンク
１４６  供給ライン
１４８  キャビネット
１５０  フード
２００  連続流動反応器システム
２０２  連続流動反応器
２０６  スプレー部
２１０  材料導入部
【図１】
2015525122.tif 000009
【図２】
2015525122.tif 000010
【図３】
2015525122.tif 000011
【図４】
2015525122.tif 000012
【図５】
2015525122.tif 000013
【図６】
2015525122.tif 000014
【図７】
2015525122.tif 000015
【図８】
2015525122.tif 000016
【図９Ａ】
2015525122.tif 000017
【図３５】
2015525122.tif 000018
【図３６】
2015525122.tif 000019
【図９Ｂ】
2015525122.tif 000020
【図１０Ａ】
2015525122.tif 000021
【図１０Ｂ】
2015525122.tif 000022
【図１１】
2015525122.tif 000023
【図１２】
2015525122.tif 000024
【図１３】
2015525122.tif 000025
【図１４】
2015525122.tif 000026
【図１５】
2015525122.tif 000027
【図１６】
2015525122.tif 000028
【図１７】
2015525122.tif 000029
【図１８】
2015525122.tif 000030
【図１９】
2015525122.tif 000031
【図２０】
2015525122.tif 000032
【図２１】
2015525122.tif 000033
【図２２】
2015525122.tif 000034
【図２３】
2015525122.tif 000035
【図２４Ａ】
2015525122.tif 000036
【図２４Ｂ】
2015525122.tif 000037
【図２５】
2015525122.tif 000038
【図２６】
2015525122.tif 000039
【図２７】
2015525122.tif 000040
【図２８】
2015525122.tif 000041
【図２９】
2015525122.tif 000042
【図３０】
2015525122.tif 000043
【図３１】
2015525122.tif 000044
【図３２】
2015525122.tif 000045
【図３３】
2015525122.tif 000046
【図３４】
2015525122.tif 000047
【国際調査報告】
2015525122.tif 000048
2015525122.tif 000049