(57)【要約】液体燃料を連続燃料燃焼器に噴射するための超音波助勢された連続フロー装置と、オリフィスから出た加圧液体燃料に超音波エネルギーを適用することによって連続フロー燃料燃焼器を改良する方法を開示する。本装置は、加圧された液体を受け入れるようになったチャンバを部分的に定める噴射器すなわちダイ・ハウジングと、加圧された液体の一部に超音波エネルギーを適用するための手段とを含む。出口オリフィスは、チャンバから前庭キャビティを経由して加圧液体を受け入れ、該液体をダイ・ハウジングの外に送るようになっている。超音波エネルギー適用手段が励起されると、該手段は、ダイ先端部を機械的に振動させることなく加圧液体に超音波エネルギーを適用する。
2004516449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を連続燃料燃焼器に噴射するための、超音波助勢された連続フロー装置であって、
加圧された液体燃料を受け入れるようになったチャンバと、
前記チャンバに前記加圧された液体燃料を供給するようになった入口と、
前庭キャビティと出口オリフィスとを有する噴射器先端部と、
を備え、前記前庭キャビティは、通路を介して前記出口オリフィスと互いに接続され、前記出口オリフィスは、前記チャンバから前記加圧された液体燃料を受け入れて、該液体燃料を前記噴射器先端部の外に送るようになっており、
前記噴射器先端部を機械的に振動させることなく前記前庭キャビティの中の前記加圧された液体燃料の一部に超音波エネルギーを適用するための手段が設けられ、前記超音波エネルギー適用手段は、前記前庭キャビティの近傍のチャンバ内に配置されたことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記超音波エネルギー適用手段が、油浸超音波ホーンであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記超音波エネルギー適用手段が、油浸磁歪超音波ホーンであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記出口オリフィスが複数の出口オリフィスであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記出口オリフィスが単一の出口オリフィスであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記出口オリフィスが、約０．０００１から約０．１インチまでの直径を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記出口オリフィスが、約０．００１から約０．０１インチまでの直径を有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記出口オリフィスが出口細管であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記出口細管が、約４：１から約１０：１までの長さ対直径比を有することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記超音波エネルギーが、約１５ｋＨｚから約５００ｋＨｚまでの周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記超音波エネルギーが、約１５ｋＨｚから約１００ｋＨｚまでの周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
液体燃料を連続燃料燃焼器に噴射するための、超音波助勢された連続フロー装置であって、
第１端と第２端とを有するダイ・ハウジングと、
第１端と第２端とを有し、超音波エネルギーで励起するとノードと長さ方向の機械的励起軸線をもつようになった超音波ホーンと、
を備え、前記ダイ・ハウジングは、
前記ダイ・ハウジングの壁によって部分的に定められ、加圧された液体燃料を受け入れるようになったチャンバと、
前記チャンバに前記加圧された液体燃料を供給するようになった入口と、
前記ダイ・ハウジングの第１端に配置され、前庭キャビティと、前記前庭キャビティに互いに接続され前記チャンバから前記加圧された液体燃料を受け入れて該液体燃料を第１軸線に沿って前記ダイ・ハウジングの外に送るようになった出口オリフィスとを有するダイ先端部と、
を定め、前記ホーンは、前記チャンバの中で該ホーンの第１端が前記ダイ・ハウジングの外側に位置し、該ホーンの第２端が前記ダイ・ハウジングの内側に位置し、前記前庭キャビティの近傍に位置するが前記出口オリフィスには超音波エネルギーを適用しないような手法で前記ダイ・ハウジングの第２端に設置されたことを特徴とする装置。
【請求項１３】
前記超音波エネルギーが、約１５ｋＨｚから約５００ｋＨｚまでの周波数を有することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記長さ方向の機械的励起軸線が、前記第１軸線にほぼ並行であることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記超音波ホーンの第２端が、前記ダイ先端部の前庭キャビティへの開口部を定める面積を含む最小面積とほぼ同一か又はそれより小さい断面積を有することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
前記超音波ホーンが、該超音波ホーンの第１端に接続された、長さ方向の機械的励起源としての振動手段を有することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１７】
前記振動手段が圧電トランスデューサであることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記振動手段が磁歪トランスデューサであることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記圧電トランスデューサが、細長い導波管を用いて前記超音波ホーンに接続されたことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記細長い導波管が、約１：１から約１：２．５までの入力：出力機械的励起比を有することを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記超音波エネルギー適用手段が、油浸磁歪超音波ホーンであることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項２２】
オリフィスを出た加圧液体燃料に超音波エネルギーを適用することによって連続フロー燃料燃焼器を改良する方法であって、
加圧された液体燃料を燃料噴射器組立体に供給することを含み、前記燃料噴射器組立体が、
前記燃料噴射器組立体の壁によって部分的に定められ、前記加圧された液体燃料を受け入れるようになったチャンバと、
前記チャンバに前記加圧された液体燃料を供給するようになった入口と、
前記燃料噴射組立体の第１端に設置され、前庭キャビティと出口オリフィスを備え、前記前庭キャビティが前記出口オリフィスに接続され、前記出口オリフィスが、前記チャンバから前記加圧された液体燃料を受け入れて、該液体燃料を燃料噴射器組立体の外に送るようになった燃料噴射器先端部と、
前記前庭キャビティの近傍の前記チャンバ内に配置され、前記ダイ先端部を機械的に振動させることなく前記前庭キャビティの中の前記加圧された液体燃料の一部に超音波エネルギーを適用するための手段と、
を備え、
前記前庭キャビティが、前記チャンバから前記加圧された液体燃料を受け入れて、該液体燃料を出口オリフィスに送る際に、前記燃料噴射器先端部を機械的に振動させることなく、前記超音波エネルギー適用手段を超音波エネルギーで励起することと、
前記燃料噴射器先端部の前記出口オリフィスの外に前記加圧された液体燃料を送ることと、
を含む方法。
【請求項２３】
前記超音波エネルギー適用手段が前記チャンバ内に配置されたことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記超音波エネルギー適用手段が油浸超音波ホーンであることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記超音波エネルギー適用手段が、油浸磁歪超音波ホーンであることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記出口オリフィスが出口細管であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記超音波エネルギーが、約１５ｋＨｚから約５００ｋＨｚまでの周波数を有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記超音波エネルギーが、約１５ｋＨｚから約６０ｋＨｚまでの周波数を有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
前記液体燃料の液滴の速度が、超音波エネルギーによる励起なしのときの同一の出口オリフィスを通して同一のダイ・ハウジングの外に出た同一の加圧液体燃料液滴よりも、少なくとも約２５パーセント高いことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
前記液体燃料の液滴の速度が、超音波エネルギーによる励起なしのときの同一の出口オリフィスを通して同一のダイ・ハウジングの外に出た同一の加圧液体燃料液滴よりも、少なくとも約３５パーセント高いことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３１】
前記加圧された液体燃料液滴のザウタ平均粒径は、超音波エネルギーによる励起なしのときの同一の出口オリフィスを通して同一のダイ・ハウジングの外に出た同一の加圧液体燃料液滴のザウタ平均粒径よりも、少なくとも約５％小さいことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３２】
加圧液体燃料液滴のザウタ平均粒径は、超音波エネルギーによる励起なしのときの同一の出口オリフィスを通して同一のダイ・ハウジングの外に出た同一の加圧液体燃料液滴のザウタ平均粒径よりも、少なくとも約５０％小さいことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３３】
オリフィスを出た加圧液体燃料に超音波エネルギーを適用することによって連続フロー燃料燃焼器を改良する方法であって、
加圧された液体燃料をダイ組立体に供給することを含み、前記ダイ組立体は、ダイ・ハウジングと超音波ホーンからなり、前記ダイ・ハウジングは、
前記ダイ・ハウジングの壁によって部分的に定められ、前記加圧された液体燃料を受け入れるようにされ、第１端と第２端とを有するチャンバと、
前記チャンバに前記加圧された液体燃料を供給するようになった入口と、
前記ダイ・ハウジングの第１端に配置され、前庭キャビティと出口オリフィスを備え、前記前庭キャビティが通路を介して前記出口オリフィスと互いに接続され、前記出口オリフィスが、前記前庭キャビティから前記加圧された液体燃料を受け入れて、該液体燃料を第１軸線に沿ってダイ・ハウジングの外に送るようになったダイ先端部と、
を備え、前記超音波ホーンは、第１端と第２端とを有し、超音波エネルギーで励起するとノードと長さ方向の機械的励起軸線をもつようになっており、前記チャンバの中で該ホーンの第１端が前記ダイ・ハウジングの外側に位置し、該ホーンの第２端が前記ダイ・ハウジングの内側に位置し、前記前庭キャビティの近傍に位置するが前記出口オリフィスには超音波エネルギーを適用しないような手法で前記ダイ・ハウジングの第２端に設置され、
前記出口オリフィスが前記チャンバから前記加圧された液体燃料を受け入れたときに、前記ダイ先端部を機械的に振動させることなく、前記超音波エネルギー適用手段を超音波エネルギーで励起することと、
前記ダイ先端部の前記出口オリフィスの外に前記液体燃料を送ることと、
を含む方法。
【請求項３４】
前記出口オリフィスが出口細管であることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記超音波エネルギーが、約１５ｋＨｚから約５００ｋＨｚまでの周波数を有することを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、超音波連続フロー燃料噴射システムに関する。本発明はさらに、燃料噴射プロセスに超音波エネルギーを適用することによって連続フロー燃料燃焼器を改良するための方法に関する。
【０００２】
（発明の開示）
本発明は、燃料を連続燃焼器に噴射するのに先立ち加圧された液体燃料の一部に超音波エネルギーを適用することによって加圧された液体燃料を噴射するための超音波装置及び方法を提供するものである。この燃焼器の例は、この限りではないが、家庭用及び産業用炉、ボイラ、キルン、焼却炉、スラスト出力ガスタービン、及び、定置、船、又は航空機を含むシャフト出力ガスタービンを含む。
【０００３】
本装置は、加圧された液体燃料を受け取るようになったチャンバを部分的に定める以下ダイ・ハウジングと呼ぶ噴射器ハウジングと、加圧された液体燃料の一部に超音波エネルギーを適用するための手段とを含む。ダイ・ハウジングは、加圧された液体燃料を受け入れるようになったチャンバと、該チャンバに加圧された液体燃料を供給するようになった入口と、以下ダイ先端部と呼ぶ噴射器先端部と、ダイ先端部の壁によって定められ、チャンバから加圧された液体燃料を受け入れて該液体燃料をダイ・ハウジングの外に送るようになった出口オリフィス（又は複数の出口オリフィス）とを含む。前庭キャビティもダイ先端部の壁によって定められる。前庭キャビティは、液体燃料をチャンバから直接受け入れて、該燃料を出口オリフィスに送る。超音波エネルギー適用手段は、前庭キャビティの近傍のチャンバの中に設置され、例えば、油浸超音波ホーンとすることができる。本発明によれば、超音波エネルギー適用手段は、ダイ先端部（すなわち出口オリフィスを定めるダイ先端部の壁）には機械的振動エネルギーが加わらないような手法でチャンバの中に設置される。
【０００４】
超音波燃料噴射装置の一実施形態においては、ダイ・ハウジングは、第１端と第２端とを有し、出口オリフィスは、チャンバから加圧された液体燃料を受け入れて、該加圧された液体燃料を第１軸線に沿って送るようになっている。加圧された液体燃料の一部に超音波エネルギーを適用するための手段は、第１端と第２端とを有する超音波ホーンである。ホーンは、超音波エネルギーによって励起されると、ノードと長さ方向の励起軸線をもつようになっている。ホーンは、該ホーンの第１端がダイ・ハウジングの外側に位置し、該ホーンの第２端がダイ・ハウジングの内側のチャンバの中に位置し、チャンバの中で該第２端が前庭キャビティの近傍に位置し、かつ長さ方向の機械的励起軸線に沿って前庭キャビティの中心軸線にほぼ位置合わせされるような手法でダイ・ハウジングの第２端に設置される。ホーンは、ノードでダイ・ハウジングに固定されることが好ましい。或いは、ホーンの第１端と第２端との両方をダイ・ハウジングの内側に位置させることもできる。
超音波ホーンの長さ方向の励起軸線は、第１軸線にほぼ平行にされることが望ましい。さらに、ホーンの第２端は、ダイ・ハウジングの前庭キャビティへの開口部を定める面積を含む最小面積とほぼ同一か又はそれより大きい断面積をもつことが望ましい。この構成は、前庭キャビティの内部に収容された液体リザーバの中に超音波エネルギーを合焦するものであると考えられる。
【０００５】
超音波燃料噴射装置は、ホーンの第１端に接続された振動手段を有する超音波ホーンを備えることができる。振動手段は、圧電トランスデューサか又は磁歪トランスデューサとすることができる。トランスデューサは、ホーンに直接接続するか又は細長い導波管を用いて接続することができる。細長い導波管は、どんな所望の入力：出力機械的励起比を有することもできるが、多くの用途においては１：１及び１：１．５の比が一般的である。超音波エネルギーは、典型的には約１５ｋＨｚから約５００ｋＨｚまでの周波数を有することになるが、他の周波数も考慮されている。
本発明の一実施形態においては、超音波ホーンは、磁歪材料から部分的に又は全体的に構成することができる。ホーンは、磁歪材料の中に信号を誘起させて該材料を超音波周波数で振動させることが可能なコイル（液体に浸すことができるもの）で取り囲むことができる。こうしたケースでは、超音波ホーンは同時に、トランスデューサと、超音波エネルギーを液体燃料に適用するための手段とすることができる。
【０００６】
本装置は、加圧された液体燃料を受け入れるようになったチャンバを部分的に定めるダイ・ハウジングと、加圧された液体燃料の一部に超音波エネルギーを適用するための手段とを含む。ダイ・ハウジングは、加圧された液体燃料を受け入れるようになったチャンバと、該チャンバに加圧された液体燃料を供給するようになった入口と、ダイ先端部と、ダイ先端部の壁によって定められ、チャンバから加圧された液体燃料を受け入れて該燃料をダイ・ハウジングの外に送るようになった出口オリフィス（又は複数の出口オリフィス）とを含む。
チャンバと出口オリフィスとの間に配置され、ダイ先端部の壁によって定められるのは、前庭キャビティである。前庭キャビティは、キャビティから受け入れた燃料のリザーバとして働く。前庭キャビティは、超音波エネルギーが向けられる合焦位置としても働く。超音波エネルギーを適用することによって励起した燃料が前庭チャンバから出口オリフィスに送られる。
大まかに述べると、超音波エネルギー適用手段は、チャンバの中に設置される。例えば、超音波エネルギー適用手段は、油浸超音波ホーンとすることができる。本発明によれば、超音波エネルギー適用手段は、ダイ先端部（すなわち出口オリフィスを定めるダイ先端部の壁）には機械的振動エネルギーが加わらないような手法でチャンバの中に設置される。
【０００７】
本発明の一実施形態においては、ダイ・ハウジングは、第１端と第２端とを有する。ダイ・ハウジングの一方の端は、ダイ先端部を形成するか又は取替え可能なダイ先端部を受け入れる。いずれの場合も、ダイ先端部は、前庭キャビティと、前庭キャビティから加圧された液体燃料を受け入れて、該加圧された液体燃料を第１軸線に沿って送るようになった出口オリフィスを定める壁を有する。加圧された液体燃料の一部に超音波エネルギーを適用するための手段は、第１端と第２端とを有する超音波ホーンである。ホーンは、超音波エネルギーによって励起されると、ノードと長さ方向の励起軸線をもつようになっている。ホーンは、ダイ・ハウジングの第２端に設置され、該ホーンの第２端がダイ・ハウジングの内側のチャンバの中に位置し、チャンバの中で該第２端が前庭キャビティ１４２の近傍に位置し、かつ長さ方向の機械的励起軸線に沿って前庭キャビティの中心軸線にほぼ位置合わせされるような手法でノードで締結される。
【０００８】
超音波ホーンの長さ方向の励起軸線は、第１軸線にほぼ平行にされることが望ましい。さらに、ホーンの第２端は、長さ方向の機械的励起軸線に沿って前庭キャビティの中心軸線にほぼ位置合わせされ、ダイ・ハウジングの前庭キャビティへの開口部を定める面積を含む最小面積とほぼ同一か又はそれより大きい断面積をもつことになる。超音波ホーンは、超音波エネルギーによって励起されると、前庭キャビティの中の加圧された液体燃料に超音波エネルギーを適用するが、ダイ先端部の壁自体か又は出口オリフィスには振動エネルギーを伝えないようになっている。エネルギーは、チャンバ内の液体燃料に適用されることになるが、該エネルギーの大部分は、前庭キャビティ内部に収容された液体燃料リザーバの中に向けられ、ダイ先端部又は出口オリフィスには影響を与えない。
【０００９】
本発明は、ホーンの第１端に接続された振動手段を有する超音波ホーンの使用を考慮している。振動手段は、圧電トランスデューサか又は磁歪トランスデューサとすることができる。トランスデューサは、ホーンに直接接続するか又は細長い導波管を用いて接続することができる。細長い導波管は、どんな所望の入力：出力機械的励起比を有することもできるが、多くの用途においては１：１及び１：１．５の比が一般的である。超音波エネルギーは、典型的には約１５ｋＨｚから約５００ｋＨｚまでの周波数を有することになるが、他の周波数も考慮されている。
【００１０】
本発明の一実施形態においては、超音波ホーンは、磁歪材料から部分的に又は全体的に構成することができ、磁歪材料の中に信号を誘起させて該材料を超音波周波数で振動させることが可能なコイル（液体に浸すことができるもの）で取り囲むことができる。こうしたケースでは、超音波ホーンは同時に、トランスデューサと、超音波エネルギーを多成分液体燃料に適用するための手段とすることができる。
【００１１】
本発明の一態様においては、出口オリフィスは、約０．１インチ（２．５４ｍｍ）より小さい直径を有することができる。例えば、出口オリフィスは、約０．０００１から約０．１インチ（０．００２５４から２．５４ｍｍ）までの直径を有することができる。さらに別の例としては、出口オリフィスは、約０．００１から約０．０１インチ（０．０２５４から０．２５４ｍｍ）までの直径を有することができる。前庭キャビティは、収束通路の中で終端する約０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）の直径を有することができ、出口オリフィスに通じている。通路は、第１軸線と同軸である中心軸線から測ったときに約３０度だけ広がっている円錐台形状の壁を有することができる。
本発明によれば、出口オリフィスは、単一の出口オリフィスとするか又は複数の出口オリフィスとすることができる。出口オリフィスは、出口細管とすることができる。出口細管は、約４：１から約１０：１までの範囲の長さ対直径比（Ｌ／Ｄ比）を有することができる。もちろん、出口細管は、４：１より小さいか又は１０：１より大きいＬ／Ｄ比を有することもできる。
【００１２】
本発明の一実施形態においては、装置は、液体燃料のスプレーを生成するようになっている。例えば、装置は、液体燃料の霧化スプレーを生成するようになっている。或いは及び／又はそれに加えて、装置は、一様な円錐形状の液体燃料スプレーを生成するように適合させることができる。本発明の別の実施形態においては、装置は、加圧された多成分液体燃料を乳化するように適合させることができる。本発明の別の実施形態においては、出口オリフィスは自己洗浄式である。本発明のさらに別の実施形態においては、装置は、加圧された液体内に空洞を作るように適合することができる。
【００１３】
本装置及び方法は、液体燃料燃焼器の燃料噴射器に使用可能である。例示的な燃焼器は、この限りではないが、ボイラ、キルン、産業用及び家庭用炉、焼却炉を含む。本装置及び方法は、不連続フロー内燃機関（例えば往復ピストン式ガソリン及びディーゼルエンジン）の燃料噴射器に使用可能である。
本装置及び方法はまた、連続フローエンジン（例えばスターリング（登録商標）サイクル熱機関及びガスタービンエンジン）の燃料噴射器にも使用可能である。
本発明の装置及び方法は、多成分液体燃料及び液体燃料添加剤並びにコンタミ物質を乳化させるために使用可能である。
【００１４】
（発明を実施するための最良の形態）
ここで用いられる「液体」又は「液体燃料」という用語は、気体と固体の中間であるアモルファス（非結晶）状の燃料材料のことをいい、分子はガスのときより密集しているが液体のときより密集していない。液体は、単一の成分を有してもよいし、多数の成分から構成されてもよい。成分は、他の液体、固体、及び／又は気体であってもよい。例えば、液体の特性は、力が適用されたときに流れる能力である。力が適用されるとすぐに流れ、適用された力に流量が直接比例する液体は、一般にニュートン液体と呼ばれる。幾つかの液体は、力が加わったときに通常と異なる反応をし、ニュートン流動性を呈さない。
【００１５】
ここで用いられる「ノード」という用語は、超音波エネルギーによって励起されたときにホーンの長さ方向の動きが起こらない超音波ホーンの長さ方向の励起軸線上の点のことをいう。ノードは、当該技術分野においては、この定義はもとより、時にノード点とも呼ばれる。
ここでの「近傍」という用語は、定性的な意味でのみ用いられる。すなわち、この用語は、超音波エネルギーを適用する手段が、前庭キャビティの開口部、主に前庭キャビティに収容された液体（例えば加圧液体燃料）リザーバに超音波エネルギーを適用するのに十分なだけ近いことを指すのに用いられる。この用語は、前庭キャビティからの特定の距離を定める意味で用いられるのではない。
【００１６】
ここで用いられる「本質的に〜から構成される」という用語は、所与の組成物又は生成物の所望の特性に大きな影響を及ぼさない付加的な材料の存在を除外するものではない。この種の例示的材料は、この限りではないが、組成物の加工性を改善するために添加された顔料、抗酸化剤、安定化剤、界面活性剤、ワックス、流動促進剤、溶媒、粒子、及び材料を含む。
【００１７】
大まかに述べると、本発明の装置は、ダイ・ハウジングと、超音波エネルギーを加圧液体燃料（例えば、炭化水素油、炭化水素エマルジョン、アルコール、可燃スラリー、懸濁液等）の一部に適用するための手段とを含む。ダイ・ハウジングは、加圧液体を受け入れるようになったチャンバと、チャンバに加圧液体を供給するようになった入口（すなわち入口オリフィス）と、チャンバから加圧液体を受け入れ、該液体をダイ・ハウジングの出口オリフィスの外に送るようになった出口オリフィス（例えば押出オリフィス）とを部分的に定める。超音波エネルギーを適用するための手段は、チャンバの内部に設置される。例えば、超音波エネルギーを適用するための手段は、部分的にチャンバの中に設置することができ、或いは、超音波エネルギーを適用するための手段は、完全にチャンバの中に設置することができる。
【００１８】
次に図１を参照すると、必ずしも正確に縮尺で表されたものではないが、加圧された液体燃料を連続燃焼器に噴射するための例示的な装置が示されている。装置１００は、加圧された液体燃料を受け入れるようになったチャンバ１０４を部分的に定めるダイ・ハウジング１０２を含む。ダイ・ハウジング１０２は、第１端１０６と第２端１０８とを有する。ダイ・ハウジング１０２はまた、チャンバ１０４に加圧された液体燃料を供給するようになった入口１１０（例えば入口オリフィス）を有する。ダイ・ハウジング１０２の第１端１０６は、ダイ先端部１３６の中で終端することができる。ダイ先端部１３６は、第１端１０６に形成されても良いし、或いは図示されるように別個の交換可能な部品から成っても良い。出口オリフィス１１２（押出オリフィスとも呼ばれる）は、ダイ先端部１３６の中に配置され、チャンバ１０４から加圧液体燃料を受け入れて、該燃料を超音波で第１軸線１１４に沿ってダイ・ハウジング１０２の外に送り出すようになっている。前庭キャビティ１４２もダイ先端部１３６の中に位置し、チャンバ１０４と出口オリフィス１１２との間に配置される。前庭キャビティは、出口オリフィス１１２に直接接続してもよいし、或いはこれら２つを通路１４４を介して互いに接続してもよい。
【００１９】
ダイ・ハウジング１０２の第２端１０８に超音波ホーン１１６が設置される。超音波ホーンは、第１端１１８と第２端１２０を有する。ホーン１１６は、超音波エネルギーによって励起されると、ノード点１２２と長さ方向の機械的励起軸線１２４をもつようになっている。ホーン１１６は、ノード点１２２でダイ・ハウジング１０２に連結される。第１軸線１１４と機械的励起軸線１２４は、ほぼ平行にされることが望ましい。より望ましくは、第１軸線１１４と機械的励起軸線１２４は、図１に示すようにほぼ同軸にされるのがよい。
ホーン１１６は、該ホーン１１６の第１端１１８がダイ・ハウジング１０２の外側に位置し、該ホーン１１６の第２端１２０がダイ・ハウジング１０２の内側のチャンバ１０４の中に位置するような手法でダイ・ハウジング１０２の第２端１０８に設置される。ホーン１１６の第２端１２０は、前庭キャビティ１４２の近傍に位置し、長さ方向の機械的励起軸線に沿って前庭キャビティの中心軸線にほぼ位置合わせされる。
【００２０】
本発明の装置の寸法及び形状は、少なくとも部分的には、出口オリフィス（例えば押出オリフィス）の数及び配置と超音波エネルギー適用手段の作動周波数に応じて、広範囲に変えることができる。例えば、ダイ・ハウジングは、円筒形、矩形、又はその他の形状とすることができる。さらに、ダイ・ハウジングは、単一の出口オリフィスか又は複数の出口オリフィスを有することができる。複数の出口オリフィスを、これに限らないが直線又は円形パターンを含む或るパターンで配置することができる。出口オリフィスの各々は、図示された前庭キャビティに関連付けることができる。同様に、複数の出口オリフィスは、単一の又は複数の前庭キャビティに関連付けることができる。さらに、出口オリフィスの断面形状と、長さ方向の機械的励起軸線に対する出口オリフィスの配向は、燃料噴射システムにおける装置の使用にマイナスの影響を及ぼさないようなものにされる。
【００２１】
超音波エネルギー適用手段は、通常は加圧された液体燃料によって少なくとも部分的に取り囲まれるチャンバ内に配置される、すなわち、チャンバは、超音波エネルギーを適用するための手段の少なくとも一部と液体燃料との両方を含む。こうした手段は、前庭キャビティの中に入っている加圧液体燃料が出口オリフィスを通過する際に、該燃料に超音波エネルギーを適用するようにされる。言い換えれば、こうした手段は、超音波エネルギーを、主に前庭キャビティと各出口オリフィスの付近の加圧液体部分に適用するようになっている。こうした手段は、チャンバの中に全体的に又は部分的に、好ましくは前庭キャビティの近傍に配置することができる。
【００２２】
超音波エネルギー適用手段が超音波ホーンである場合には、ホーンは、図１に示されたハウジングの第１端を通るというようにダイ・ハウジングを通して延びることが好都合である。しかしながら、本発明は、他の構成を包含する。例えば、ホーンは、端部を通るのではなくダイ・ハウジングの壁を通して延びても良い。さらに、第１軸線とホーンの長さ方向の励起軸線のいずれも、垂直となる必要はない。所望であれば、ホーンの長さ方向の機械的励起軸線は、第１軸線に対して或る角度をなしてもよい。しかしながら、超音波ホーンの長さ方向の機械的励起軸線は、第１軸線にほぼ平行となることが望ましい。より望ましくは、超音波ホーンの長さ方向の機械的励起軸線と第１軸線は、図１に示すようにほぼ同軸とされるのがよい。
【００２３】
所望であれば、超音波エネルギーを適用するための２つ以上の手段を、ダイ・ハウジングによって定められたチャンバ内に配置することができる。さらに、単一の手段が、１つ又はそれ以上の出口オリフィスの付近の加圧液体燃料部分か、或いは１つ又はそれ以上の前庭キャビティの中に入っている加圧液体燃料部分に超音波エネルギーを適用しても良い。
本発明によれば、超音波ホーンは、磁歪材料から部分的に又は全体的に構成することができる。ホーンは、磁歪材料の中に信号を誘起させて該材料を超音波周波数で振動させることが可能なコイル（液体に浸すこともできるもの）で取り囲むことができる。こうしたケースでは、超音波ホーンは同時に、トランスデューサと、超音波エネルギーを多成分液体燃料に適用するための手段とすることができる。
【００２４】
複数の出口オリフィスへの超音波エネルギーの適用は、種々の方法によって達成することができる。例えば、超音波ホーンの使用について再び説明すると、ホーンの第２端は、ダイ・ハウジングの全ての出口オリフィスの付近の加圧液体部分に超音波エネルギーを適用するのに十分なだけ大きい断面積をもつことができる。こうしたケースでは、超音波ホーンの第２端は、ダイ・ハウジングの前庭キャビティへの開口部を定める面積を含む最小面積とほぼ同一か又はそれより大きい断面積をもつことが望ましい。或いは、ホーンの第２端は、出口オリフィスに先立つ個々の前庭キャビティの数に等しい数の複数の突出部か又は先端部を有しても良い。こうした場合には、各突出部又は先端部の断面積は、該突出部又は先端部の近傍の前庭キャビティの断面積とほぼ同一か又はそれより小さくされることが望ましい。
超音波ホーンの第２端と出口オリフィス列との間の平面的関係はまた、或るスプレー・パターンを与えるか又は補正する形状（例えば、放物線状、半球体状、又は浅い湾曲を与えるもの）とすることができる。
【００２５】
既に説明したように、ここで用いられる「近傍」という用語は、主に前庭キャビティから出口オリフィスの中に送られる加圧された液体燃料に超音波エネルギーを適用するために、超音波エネルギー適用手段が、出口オリフィスに通じる前庭キャビティへの開口部を定める領域に十分に近接していることを意味する。どんな所与の状況においても、出口オリフィスからの超音波エネルギー適用手段の実際の距離は、加圧された液体燃料の流量及び／又は粘度、出口オリフィスの断面積に対する超音波エネルギー適用手段の端部の断面積、前庭部分への開口部の断面積に対する超音波エネルギー適用手段の端部の断面積、超音波エネルギーの周波数、超音波エネルギー適用手段のゲイン（例えば、超音波エネルギー適用手段の長さ方向の機械的励起の大きさ）、加圧液体の温度、及び出口オリフィスを流出する液体の速度といった因子の数に依存することになる。
【００２６】
一般に、所与の条件における出口オリフィスからの超音波エネルギー適用手段の距離は、当業者であれば必要以上に実験せずに直ちに決定することができる。実際には、こうした距離は、約０．００２インチ（約０．０５ｍｍ）から約１．３インチ（約３３ｍｍ）までの範囲とされるが、これより大きい距離も使用可能である。さらに、超音波エネルギー適用手段と前庭キャビティの開口部との間の距離は、約０インチ（約０ｍｍ）から約０．１００インチ（約２．５ｍｍ）までの範囲とすることができる。「約０インチ」という用語は、超音波エネルギー適用手段が前庭キャビティの中に或る距離だけ実際に突出するという条件を考慮していることに注意されたい。超音波エネルギー適用手段の先端部と前庭キャビティ開口部との間の距離は、前庭キャビティの中に入ろうとするか又は入っているもの以外の燃料に超音波エネルギーが適用される度合いを決めると考えられる、すなわち、距離が大きくなれば、超音波エネルギーを受ける加圧液体の量が多くなる。したがって、通常は、加圧された液体燃料の劣化と、燃料を超音波エネルギーに曝すことに起因するその他の悪影響を最小にするには、距離が短いことが望ましい。幾つかの実施形態においては、これらの距離は、約０．０４０インチ（約１ｍｍ）の前庭キャビティの中への突出から、約０．０１０インチ（約０．２５ｍｍ）の先端部と前庭キャビティとの間隔までの範囲とされることが考慮されている。望ましい一実施形態においては、先端部と前庭キャビティは、約０．００５インチ（約０．１３ｍｍ）の距離だけ離間される。
【００２７】
本発明の装置の１つの利点は、自己洗浄することである。すなわち、加圧された液体燃料に超音波エネルギーを供給する手段を、（オリフィスに超音波エネルギーを直接適用することなく）超音波で励起することによって生じた供給圧力及び力は、出口オリフィス（例えば押出オリフィス）を塞ぎそうな閉塞物を除去することができる。本発明によれば、出口オリフィスは、（該オリフィスに超音波エネルギーが直接適用されることなく）超音波エネルギー適用手段が超音波エネルギーで励起されたときに自己洗浄するようになっており、このとき出口オリフィスは、チャンバから前庭キャビティ経由で、存在する場合には通路を通して加圧液体燃料を受け入れ、該燃料をダイ・ハウジングの外に送る。
超音波エネルギー適用手段は、長さ方向の機械的励起軸線を有する油浸超音波ホーンであることが望ましく、オリフィスに最も近いダイ・ハウジングの中に位置するホーンの端部は、ダイ先端部の中の前庭キャビティの開口部の近傍に位置し、ダイ先端部の中には突出せず、振動エネルギーを出口オリフィスに直接適用しない。
【００２８】
本発明の態様は、加圧された多成分液体燃料を乳化するための装置を包含する。大まかに述べると、乳化装置は上述の装置の構成を有し、出口オリフィスは、超音波エネルギー適用手段が超音波エネルギーで励起され、該出口オリフィスがチャンバから加圧された多成分液体燃料を受け入れたときに、加圧された多成分液体を乳化するようになっている。次いで、加圧多成分液体を、ダイ先端部の出口オリフィスの外に送ることができる。付加したステップは、乳化を増進させることができる。
本発明はまた、加圧多成分液体を乳化する方法を含む。本方法は、加圧液体を上述のダイ組立体に供給するステップと、出口オリフィスがチャンバから加圧液体燃料を受け入れたときに、該出口オリフィスに振動エネルギーを直接適用することなく、（ダイ組立体の中に設置された）超音波エネルギー適用手段を超音波エネルギーで励起するステップと、液体をダイ先端部の出口オリフィスの外に送り、液体を乳化するステップとを含む。
【００２９】
本発明は、液体スプレーを生成する装置を包含する。大まかに述べると、スプレー生成装置は、上述の装置の構成を有し、出口オリフィスは、超音波エネルギー適用手段が超音波エネルギーで励起され、出口オリフィスが加圧液体をチャンバから受け入れ、該液体燃料をダイ先端部の出口オリフィスの外に送るときに、液体スプレーを生成するようになっている。本装置は、特に液体の霧化スプレー（すなわち、非常に微細なスプレーか、又は非常に小さい液滴スプレー）を与えるようになっている。
【００３０】
本装置は、一様な円錐形の液体スプレーを生成するように適合することができる。例えば、本装置は、比較的一様な密度、すなわち円錐形スプレー全体にわたる液滴分布を有する円錐形の液体スプレーを生成するように適合することができる。或いは、本装置は、不規則なパターンのスプレーか又は不規則な密度、すなわち円錐形スプレー全体にわたる分布の液滴を生成するようにしてもよい。不規則なパターン及び／又は密度は、トランスデューサへの電圧を変化させて、ホーンの振動振幅に影響を与えることによって作り出すことができる。ホーンは、断続的に振動して及び／又は異なる周波数で振幅が変化して、スプレー・パターン、スプレー円錐角、及び／又は液体燃料のスプレー密度に多くの影響を与えるように形成することができる。
【００３１】
本発明はまた、液体スプレーを生成する方法を含む。本方法は、加圧された液体を上述のダイ組立体に供給するステップと、出口オリフィスがチャンバから加圧液体燃料を受け入れたときに、該出口オリフィスに振動エネルギーを直接適用することなく、（ダイ組立体の中に設置された）超音波エネルギー適用手段を超音波エネルギーで励起するステップと、液体をダイ先端部の出口オリフィスの外に送って液体スプレーを生成するステップとを含む。本発明の方法によれば、液体の霧化スプレー、一様な円錐形スプレー、不規則パターン・スプレー及び／又は不規則な密度を有するスプレーを生成するように、条件を調整することができる。
【００３２】
本装置及び方法は、液体燃料燃焼器の燃料噴射器に使用可能である。例示的な燃焼器は、この限りではないが、ボイラ、キルン、産業用及び家庭用炉、焼却炉を含む。これらの多くの燃焼器は、本発明の装置及び方法によって有利に取り扱うことができる重液燃料を使用するものである。
内燃機関は、本発明の装置及び方法を燃料噴射器に使用可能なその他の用途も与える。例えば、本装置及び方法は、不連続フロー往復ピストンのガソリン及びディーゼルエンジン用の燃料噴射器に使用可能である。より特定的には、超音波振動を供給する手段は、燃料噴射器内に組み込まれる。振動要素は、燃料がキャビティ、即ち出口オリフィスの中で終端する前庭キャビティに入る際に該燃料と接触するように配置される。振動要素は、振動軸線がオリフィス軸線に平行になるように位置合わせされる。液体燃料に接触する振動要素は、液体燃料が前庭キャビティに入る直前に、該燃料に超音波エネルギーを適用する。前庭キャビティの中に残っている燃料に付加的なエネルギーが加わる。
【００３３】
振動によって、粘性の高い液体燃料の見掛け粘度と流動特性の変化が現れる。また、振動によって、燃料がシリンダに流入する際の燃料流の流量の向上及び／又は霧化の向上が見られる。実際には、装置が燃料の霧化に影響を与える少なくとも２つの明確な方法があると考えられる。第１に、液体の粘度、圧力、温度、流量、及び出口オリフィスの幾何学的形状の特定の組合せを有する液体燃料の干渉性の流れに超音波エネルギーを適用することによって、他の流動パラメータのいずれも変えることなく、該干渉性の流れを霧化プルームに変化させることができる。第２に、存在する霧化プルームに超音波エネルギーを適用することによって、液体燃料液滴の寸法の改善（例えば減少）と、液体燃料プルームの液滴寸法分布の狭まりと、スプレー・パターンに含まれた円錐角の増加が見られる。さらに、超音波エネルギーを適用することによって、オリフィスを出て燃焼チャンバに入る液体燃料液滴の速度と進入度の増加が見られる。振動はまた、出口オリフィスにおける閉塞ごみを破砕及び押し出しする。振動はまた、他の成分（例えば液体成分）か又は燃料流に存在し得る添加剤と共に液体燃料を乳化させることができる。
【００３４】
本方法及び装置は、スターリング（登録商標）ヒートエンジンやガスタービンエンジンのような連続フローエンジンの燃料噴射器に使用可能である。こうしたガスタービンエンジンは、航空機の主及び補助エンジンのようなトルク反作用エンジン、コージェネレーション発電所その他の原動機を含み得る。他のガスタービンエンジンは、ジェット機エンジンのようなスラスト反作用エンジンを含み得る。
本発明の装置及び方法は、液体燃料が燃焼器（例えば内燃機関）の中に導入される位置で、多成分液体燃料、液体燃料添加剤、及びコンタミ物質を乳化させるのに使用可能である。例えば、或る燃料中に混入した水を、燃料／水混合物が燃焼器内で使用可能になるように乳化させることができる。例えば、メタノール、水、エタノール、ディーゼル油、液化プロパンガス、バイオディーゼル油等のような成分を含む混合燃料及び／又は燃料ブレンドも乳化することができる。本発明は、多種燃料機関に使用可能な異なる燃料の流量特性（例えば見掛け粘度）を互いに適合させるのに使用可能であるという、多種燃料機関における利点を有することができる。
【００３５】
或いは及び／又はそれに加えて、燃焼を制御する及び／又は排気物質を減らす方法の１つとして、１つ又はそれ以上の液体燃料に水を加えて、燃焼の直前に成分を乳化させ得ることが望ましい。また、燃焼を制御する及び／又は排気物質を減らす方法の１つとして、１つ又はそれ以上の液体燃料にガス（例えば空気、Ｎ２Ｏ等）を加えて、燃焼の直前に成分を超音波で乳化するか又は混合することも望ましい。
連続フロー燃料噴射システムを改良するために本発明を用いると、液滴の寸法及び分布が改善され、スプレー円錐角が改善され、エネルギー交換とスプレー・プルームの速度が著しく改善され、結果として進入能力が高まる。さらに、１つの特性の有効範囲（例えば速度の増加）は、別の特性（例えば流量又は液滴寸法）の範囲を狭める傾向がある原因因子によって狭められない。
本発明は、以下の実施例によってさらに説明される。しかしながら、こうした例は、本発明の精神又は範囲のいずれも多少なりとも制限するものと解釈されるものではない。
【００３６】
（実施例）
超音波ホーン装置
以下は、上述のさらに望ましい特徴を組み入れた図１に全体的に示すような本発明の例示的な超音波ホーン装置の説明である。
図１を参照すると、本装置のダイ・ハウジング１０２は、１．３７５インチ（約３４．９ｍｍ）の外径と、０．８７５インチ（約２２．２ｍｍ）の内径と、３．０８６インチ（約７８．４ｍｍ）の長さとを有するシリンダであった。ダイ・ハウジングの第２端１０８の外側０．３１２インチ（約７．９ｍｍ）の部分を、１６ピッチのねじ溝をもつようにねじ溝形成した。第２端の内側は、第２端面１２８から第１端１０６に向けて０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）の距離だけ延びる勾配付きの縁１２６、すなわち食付き部を備えていた。食付き部は、第２端面におけるダイ・ハウジングの内径を、０．７５インチ（約１９．０ｍｍ）まで減少するものであった。ダイ・ハウジングの中に入口１１０（入口オリフィスとも呼ばれる）をドリル穿孔し且つテーパさせ、該入口の中心は、第１端から０．６８８インチ（約１７．５ｍｍ）の距離であった。ダイ・ハウジングの内壁は、円筒形部分１３０と円錐台部分１３２から構成されるものであった。円筒形部分は、第２端の食付き部から第１端に向けて、第１端面から０．９９２インチ（約２５．２ｍｍ）まで延びるものであった。円錐台部分は、円筒形部分から０．６２５インチ（約１５．９ｍｍ）の距離だけ延び、第１端のねじ溝付き開口部１３４で終端するものであった。ねじ溝付き開口部の直径は、０．３７５インチ（約９．５ｍｍ）であり、こうした開口部は、長さが０．３６７インチ（約９．３ｍｍ）であった。
【００３７】
第１端のねじ溝付き開口部にダイ先端部１３６を配置した。ダイ先端部は、円形の肩部１４０を有するねじ溝付きシリンダ１３８から構成された。肩部は、厚さが０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）であり、０．５インチ（約１２．７ｍｍ）だけ離間された２つの平行な面（図示せず）を有するものであった。肩部に出口オリフィス１１２（押出オリフィスとも呼ばれる）がドリル穿孔され、ねじ溝部分に向けて０．０８７インチ（約２．２ｍｍ）の距離だけ延びるものであった。押出オリフィスの直径は、０．０１４５インチ（約０．３７ｍｍ）であった。押出オリフィスは、０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）の直径と、前庭キャビティを押出オリフィスに接続する円錐台通路１４４を有するダイ先端部の中の前庭キャビティ１４２で終端するものであった。円錐台通路の壁は、垂直に対して３０度の角度をなすものであった。前庭キャビティは、押出オリフィスからダイ先端部のねじ溝付き部分の端まで延び、これによりダイ・ハウジングによって定められたチャンバを押出オリフィスに接続するものであった。
【００３８】
超音波エネルギー適用手段は、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た。ホーンは、共振波長の半分に等しい５．１９８インチ（約１３２．０ｍｍ）の長さと、０．７５インチ（約１９．０ｍｍ）の直径を有するものであった。ホーンの第１端１１８の面１４６は、ドリル穿孔され、３／８インチ（約９．５ｍｍ）のスタッド（図示せず）のためにタップ付けされた。ホーンは、ノード点１２２にカラー１４８をもつように機械加工された。カラーは、幅が０．０９４インチ（約２．４ｍｍ）であり、ホーンの円筒形の面から外向きに０．０６２インチ（約１．６ｍｍ）まで延びるものであった。したがって、カラーにおけるホーンの直径は０．８７５インチ（約２２．２ｍｍ）であった。ホーンの第２端１２０は、小さい方の円筒形の先端部１５０の中で終端し、長さ０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）、直径０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）であった。こうした先端部は、放物線状の円錐台部分１５２によって、およそ０．５インチ（約１３ｍｍ）の長さだけホーンの円筒形の本体から離間された。すなわち、断面図において見られるようなこの円錐台部分のカーブは、放物線の形状であった。小さい方の円筒形の先端部の面は、ホーンの円筒形の壁の法線であり、開口部から前庭キャビティまでが約０．００５インチ（約０．１３ｍｍ）となるように配置された。したがって、ホーンの先端部の面、すなわちホーンの第２端は、ダイ先端部のねじ溝付き端の中の前庭キャビティへの開口部のすぐ上に配置された。
【００３９】
ダイ・ハウジングの第１端１０８は、超音波ホーンを定位置に保持するようにも働くねじ溝付きキャップ１５４によってシールされた。ねじ溝は、キャップの上部に向けて上向きに０．３１２インチ（約７．９ｍｍ）の距離だけ延びるものであった。キャップの外径は、２．００インチ（約５０．８ｍｍ）であり、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、ホーンに適応する寸法にされた、すなわち開口部は、０．７５インチ（約１９．０ｍｍ）の直径を有するものであった。キャップの開口部の縁は、ダイ・ハウジングの第２端における食付き部の鏡像とされる食付き部１５６であった。食付き部におけるキャップの厚さは、０．１２５インチ（約３．２ｍｍ）であり、ねじ溝の端部と食付き部の底部との間に０．０９４インチ（約２．４ｍｍ）のスペースを残し、該スペースは、ホーン上のカラーの長さと同一にされた。こうしたスペースの直径は、１．１０４インチ（約２８．０ｍｍ）であった。キャップの上部１５８には、直径４・１／４インチ、深さ１／４インチの深孔（図示せず）が、ピン・スパナに適応するように９０度間隔でドリル穿孔された。したがって、ホーンのカラーは、キャップを締め付けることによって、２つの食付き部の間で圧縮され、これによりダイ・ハウジングによって定められたチャンバをシールした。
【００４０】
入力：出力機械的励起比が１：１．５であるブランソンの細長いアルミニウム導波管を、３／８インチ（約９．５ｍｍ）のスタッドを用いて超音波ホーンに連結した。細長い導波管には、圧電性トランスデューサであるブランソン・モデル５０２変換器が連結され、２０ｋＨｚで作動されるブランソン・モデル１１２０電源装置（コネチカット州ダンベリー所在のブランソン・ソニック・パワー・カンパニー）によってパワーが与えられた。パワー消費は、ブランソン・モデルＡ４１０Ａ電力計で監視した。
【００４１】
実施例１
この実施例は、本発明を、燃料として使用可能な炭化水素油のスプレーを生成することに関連付けて説明するものである。この手順は、実施例１と同一の超音波装置（油浸ホーン）の構成を、以下のことを例外として同じ設定で用いて行った。
２つの異なるオリフィスを使用した。一方は、０．００４インチの直径と０．００４インチの長さを有するものであり（Ｌ／Ｄ比が１）、他方は、０．０１０インチの直径と０．００６インチの長さを有するものであった（Ｌ／Ｄ比が０．００６／０．０１０、すなわち０．６）。
使用した油は、ペンシルバニア州エクスポート所在のＬｅｇｂｏｌｄ−Ｈｅｒａｅｕｓ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＨＥ−２００、カタログＮｏ．９８−１９８−００６で示される真空ポンプ油であった。営業用文献には、油の動粘度は、華氏１０４度（４０℃）において５８．１センチポアズ（ｃＰ）であり、華氏２１２度（１００℃）において９．１４ｃＰであると報告されていた。
【００４２】
種々の先端部を備えた油浸ホーンについての、超音波パワーなし、パワー８０ワットのとき、及びパワー９０ワットのときの流量試験を行った。試験の結果を表５に示す。表５においては、「圧力」の列は、ｐｓｉｇ単位の圧力であり、「ＴＩＰ」の列は、細管先端部（すなわち出口オリフィス）のインチ単位の直径及び長さを表し、「パワー」の列は、与えられた電源構成におけるワット単位のパワー消費であり、「流量」の列は、各試験毎に測定されたｇ／分で表される流量を表す。
各試験においては、超音波装置にパワーが与えられたときに、干渉性の油の流れが直ちに霧化されて、微細な液滴の一様な円錐形のスプレーになった。
【００４３】
2004516449.tif 000003
【００４４】
実施例２
この実施例は、油と水のような異種の液体を乳化させることに関連付けて本発明を説明するものである。この実施例においては、水と炭化水素ベースの油からエマルジョンを生成した。試験用に選択された油は、ペンシルベニア州ステートカレッジ所在のキャノン・インストルメント・カンパニーから入手した標準ナンバーＮ１０００、ロットナンバー９２１０２の石油ベースの粘性標準油であった。
油を、上述のようなポンプ、駆動モータ、及びモータ・コントローラによって加圧し供給した。このケースにおいては、ポンプからの出力は、１／４インチのＴ字形の取付具の一方の脚部に接続した。これと反対側のＴ字形の取付具の平行な脚部を、ジョージア州サバナ所在のロス・エンジニアリング・インク社から入手したＩＳＧモーションレス・ミキサーの直径１／２インチのシックス・エレメントの入口に接続した。ミキサーの出口は、超音波装置の油浸ホーンの入口に接続した（図１参照）。
ピストン定量ポンプによって規制された量の水を油の流れの中に入れた。ポンプは、直径９／１６インチ、５ストロークの油圧シリンダから構成された。シリンダのピストンロッドは、可変速度モータによって減速ギアを介して駆動されたジャッキねじによって前進された。モータの速度は、モータ・コントローラを用いて制御された。可撓性のホースによって、シリンダからＴ字形取付具の第３の脚部まで水を引いた。可撓性のホースの出口端は、該可撓性のホースがＴ字形取付具に取り付けられるように内径約０．０３０インチのステンレス鋼の皮下管の長さに嵌合され、油フロー流のほぼ中心（超音波装置の上流）で終端した。
【００４５】
油浸ホーン装置は、直径０．０１４５インチの先端部に嵌合された。油を約２５０ｐｓｉｇまで加圧し、約３５ｇ／分の流量を生じさせた。結果として０．１７ｃｃ／分の水の流量となるように定量ポンプを約３ｒｐｍに設定した。超音波パワーなしのときと、超音波パワー約１００ワットのときの押出物のサンプル（すなわち超音波装置からの液体出力）をとった。サンプルを光学顕微鏡で試験した。パワーなしの超音波装置を通過させたサンプルは、直径が約５０−３００マイクロメートルの範囲である広範囲に分散した水滴を含有した。１００ワットのパワーを受けた超音波装置を通過させたサンプル（すなわち超音波で処理されたサンプル）は、直径が約５から１マイクロメートルより小さい値までの範囲の密集して分布した水滴を含有したエマルジョンであった。
【００４６】
実施例３
この実施例は、本発明を、上述の超音波装置を用いて雰囲気中に噴射されたＮｏ．２ディーゼル燃料のプルーム中の液滴の寸法及び特性に関連付けて説明するものである。ディーゼル燃料は、上述のようなポンプ、駆動モータ、及びモータ・コントローラを用いて超音波装置に送られた。２５０ｐｓｉｇ及び５００ｐｓｉｇの圧力で超音波エネルギー適用有りと無しのときの試験を行った。
ディーゼル燃料は、大気圧１において周囲空気中に噴射された。ディーゼル燃料プルームの全ての試験測定値は、ノズルの真下であるノズルの底面の下方６０ｍｍの位置でとった。ノズルは、直径０．００６インチ、及び長さ０．０２４インチの細管先端部の形態の平らなオリフィスであった。超音波エネルギーの周波数は、２０ｋＨｚであり、トランスデューサ・パワー（ワット単位）は、パワー・コントローラから読み取り、各試験毎に記録した。
【００４７】
英国ウースターシャー、マルヴァーン所在のマルヴァーン・インストルメントＬｔｄ．から入手可能なマルヴァーン・ドロップレット・アンド・パーティクル・サイザー、モデルシリーズ２６００Ｃを用いて液滴寸法を計測した。典型的なスプレーは、多種多様な液滴寸法を含む。スプレー中の液滴寸法分布を特定する際の難点は、直径の種々の表現によって招かれる。パーティクル・サイザーは、液滴直径を測定して、該直径を、スプレーの体積対表面積の比（すなわち、表面積対体積の比がスプレー全体の表面積対体積の比に等しい液滴直径）を表すザウタ平均粒径（ＳＭＤ、Ｄ３２とも呼ばれる）として報告するように設定された。
【００４８】
液滴速度は、メートル毎秒単位の平均速度として報告され、カリフォルニア州マウンテンビュー所在のエアロメトリックスＩｎｃ．から入手可能なエアロメトリックス・フェーズ・ドップラー・パーティクル・アナライザを用いて測定した。フェーズ・ドップラー・パーティクル・アナライザは、モデルＮｏ．ＸＭＴ−１１００−４Ｓの送信器と、モデルＮｏ．ＲＣＶ−２１００−１の受信器と、モデルＮｏ．ＰＤＰ−３２００のプロセッサから構成されるものであった。結果を表２に報告する。
【００４９】
2004516449.tif 000004
【００５０】
表２に報告された結果から分かるように、液体燃料の液滴の速度は、超音波エネルギーによる励起なしのときの同一の出口オリフィスを通して同一のダイ・ハウジングの外に出た同一の加圧液体燃料液滴よりも、少なくとも約２５％大きくすることができる。例えば、加圧液体燃料液滴の速度は、超音波エネルギーによる励起なしのときの同一の出口オリフィスを通して同一のダイ・ハウジングの外に出た同一の加圧液体燃料液滴よりも、少なくとも約３５％大きくすることができる。液滴速度は、通常は、特にチャンバ内の雰囲気が加圧される場合に、スプレー・プルームを燃焼チャンバの中に進入させ分散させる能力に関連すると考えられる。
【００５１】
超音波エネルギーの適用は、液滴速度に影響を与えることに加えて、個々の液滴粒径と粒径分布を減少させる一助とすることができる。大まかに述べると、比較的狭い粒径分布の小粒径の燃料液滴は、非常に大きい液滴より一様にクリーンに燃焼することになると考えられる。表２から分かるように、加圧液体燃料液滴のザウタ平均粒径は、超音波エネルギーによる励起なしのときの同一の出口オリフィスを通して同一のダイ・ハウジングの外に出た同一の加圧液体燃料液滴のザウタ平均粒径よりも、少なくとも約５％小さくすることができる。例えば、加圧液体燃料液滴のザウタ平均粒径は、超音波エネルギーによる励起なしのときの同一の出口オリフィスを通して同一のダイ・ハウジングの外に出た同一の加圧液体燃料液滴のザウタ平均粒径よりも、少なくとも約５０％小さくすることができる。
【００５２】
実施例４
この実施例は、上述の超音波装置を用いて雰囲気中に噴射された水プルーム中の液滴の力又はインパルスに関連付けて本発明を説明するものである。次に図２を参照すると、上述の２０ｋＨｚの超音波装置２００が水平方向の位置に設置される。これらの試験に用いられる細管先端部は、０．０１０インチの長さにわたって０．０１５インチの一定の直径を有し、壁は、出口までの付加的な長さ０．０１５インチにわたって７度だけ広がり、全長は０．０２５インチにされた。フロリダ州ラルゴ所在のアメテック・カンパニーのマンスフィールド・アンド・グリーン事業部によって製作されたモデルＭＬ４８０１−４のフォースゲージ２０２を、入力軸線が細管先端部の放出軸線に同軸になるように配置した。フォースゲージは、該ゲージを入力軸線に沿って動かすように配向された標準マイクロメータ・スライド機構２０４の上に設置した。ゲージの入力シャフト２０６は、直径１インチのプラスチックのターゲット・ディスク２０８に取り付けられた。作動の際に、ターゲット・ディスクは、細管先端部の出口から、０．３７５インチから１．５５インチまでの位置に位置決め可能である。水は、ウォータポンプ２１０（アイオア州ペオスタ所在のＭｉ−Ｔ−Ｍ社によって製作されたＣｈｏｒｅマスター・プレッシャー・ウォータポンプ）によって加圧された。水の流量は、ギルモント・インストルメントＩｎｃ．によって製作されたシリアルナンバーＤ−４６４６のテーパ管フローメータを用いて測定した。
【００５３】
所与の条件の設定のために、以下のようにして試験を進行させた。ターゲットディスクを、細管先端部から０．１２インチ進んだ位置に配置した。次に、使用する場合には超音波パワー供給装置を所望のパワーレベルに予め設定し、次いでウォータポンプをスタートさせて、所望の圧力を確実なものにした。次に、使用する場合には超音波パワーをオンにした。次いで、パワーをワット単位で、流量を生データで、及び衝撃力をグラム単位で読み取った。生データを表３に報告する。
【００５４】
データは、力を単位質量流量当りのグラムで表すために正規化した。正規化したデータを表４に報告する。正規化したデータは、超音波エネルギーを加えることによって、水の単位質量流量当りの衝撃力が増加することを示した。これは、スプレー・プルーム中の個々の液滴の速度の増加に直接的に変換できるように見える。この正規化されたデータは、図３から図６までにグラフで示されている。具体的には、図３は、４００ｐｓｉｇにおける水の単位質量流量当りの衝撃力に対するターゲットまでの距離のプロットである。図４は、６００ｐｓｉｇにおける水の単位質量流量当りの衝撃力に対するターゲットまでの距離のプロットである。図５は、８００ｐｓｉｇにおける水の単位質量流量当りの衝撃力に対するターゲットまでの距離のプロットである。図６は、１０００ｐｓｉｇにおける水の単位質量流量当りの衝撃力に対するターゲットまでの距離のプロットである。
試験における圧力が１０００ｐｓｉに達すると、電源装置によって供給されたパワーが劇的に減衰し、電源装置が補償する能力を超えた程度までシフトした共鳴を超音波組立体が有することが示された。これらの試験についての衝撃効果（すなわち１０００ｐｓｉｇのとき）は減少した。
【００５５】
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【００５６】
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【００５７】
実施例５
この実施例は、本発明を、上述の超音波装置を用いて雰囲気中に噴射されたＮｏ．２ディーゼル燃料のプルーム中の液滴の寸法特性に関連付けて説明するものである。ディーゼル燃料は、上述のようなポンプ、駆動モータ、及びモータ・コントローラを用いて超音波装置に送られた。１００ｐｓｉｇから１０００ｐｓｉｇまでの圧力（増分は１００ｐｓｉｇずつ）で超音波エネルギー適用有りと無しのときの試験を行った。
ディーゼル燃料は、大気圧１において周囲空気中に噴射された。ディーゼル燃料プルームの全ての試験測定値は、ノズルの真下であるノズルの底面の下方５０ｍｍの位置でとった。ノズルは、直径０．００６インチ、及び長さ０．０２４インチの細管先端部の形態の平らなオリフィスであった。超音波ホーンの先端部は、細管先端部の開口から０．０７５インチの距離に配置された。超音波エネルギーの周波数、ボルト、電流は、パワーメータから読み取り、各試験毎に記録した。使用されたワット数は、入手可能なデータから計算した。
【００５８】
英国ウースターシャー、マルヴァーン所在のマルヴァーン・インストルメントＬｔｄ．から入手可能なマルヴァーン・ドロップレット・アンド・パーティクル・サイザー、モデルシリーズ２６００Ｃを用いて液滴寸法を計測した。典型的なスプレーは、多種多様な液滴寸法を含む。スプレー中の液滴寸法分布を特定する際の難点は、直径の種々の表現によって招かれる。パーティクル・サイザーは、全液滴体積の５０％が小直径（Ｄ０．５）の液滴となる液滴直径、全液滴体積の９０％が小直径（Ｄ０．９）の液滴となる液滴直径、及びザウタ平均粒径（ＳＭＤ、Ｄ３２とも呼ぶ）を計測するようにセットされた。スプレーの体積対表面積の比（すなわち、表面積対体積比がスプレー全体の体積対表面積に等しい液滴の直径）を表す。結果を表５に報告する。
【００５９】
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【００６０】
表５から分かるように、本発明の方法及び装置は、ザウタ平均粒径Ｄ０．９及びＤ０．５の著しい減少を与えることができる。この効果は、電源装置が補償する能力を超えた超音波組立体の共鳴シフトに主に起因して、高圧力では減少が見られる。
【００６１】
実施例６
超音波噴射器技術が、燃焼とすすエミッションにどんな影響を与えるかを判断するために、連続フロー燃焼試験を行った。これらの試験は、２０５０ｐｓｉｇの噴射圧力で行った。装置は、窒素ガス（Ｎ２）が充填された４０００ｐｓｉｇシリンダを、Ｎｏ．２ディーゼル燃料が充填された２２００ｐｓｉｇ定格シリンダに接続したものであった。Ｎ２ガスは、２０５０ｐｓｉｇに規制され、Ｔ字形接続部を介して２２００ｐｓｉｇシリンダの空隙容量を占領し、これによりディーゼル燃料が加圧された。燃焼器試験部分は、９０ｐｓｉｇまで加圧され、華氏１０３０度まで加熱された（ここで安定した自動点火が起こった）。
２０５０ｐｓｉｇにおける流量は、霧化実験に使用されたロータメータの範囲を優に超えたので、これらの試験についての質量流量データは記録しなかった。しかしながら、非圧縮性流体についての質量連続方程式及びベルヌーイの方程式によると、流量は、７０ｌｂｍ／ｈｒのオーダーであった。
【００６２】
黒色の裏材を備えたガラス片の炎の反射の明るさを記録するために、ビデオカメラを使用した。炎の明るさを低減させてフィルムの過度な露光を防ぐために、種々の光学フィルタを用いて数分間の試験を記録した。試験の際に、Ｎｏ．２ディーゼル燃料を予め加熱され加圧された試験部分に入れて、この後に自動点火が起こった。図７に示すように、結果として得られた炎は、光学窓の全直径にわたるときに非常に不安定となり、風の中の旗のようにちらついた。この炎は、ノズル先端部からおよそ２インチだけ離れているようにも見えた。
【００６３】
超音波をあてると、図８に示すように、炎はすぐに安定化し、ノズル先端部にくっついているように見えた。言い換えれば、燃料液滴は、ノズル先端部から出た後ほぼ直ちに燃焼し、結果として生じた炎は安定しているように見えた。最も目立った観測では、円錐角がほぼ２倍増加し、炎の縁における空気−燃料の境界があまり明確でなかった。図７及び図８は、円錐角が、超音波なしのケースではおよそ１５０であり、超音波を適用したケースでは２５０であったことを示している。空気−燃料の境界面があいまいであるということは、良好に混合されていることを示す。
両方のフレームが、光学窓の直径全体にわたっていたので、例示的な比較のためのすす濃度に関わる炎温度の分析は行わなかった。しかしながら、超音波の適用によって、超音波なしの混合時間より混合時間が約４１パーセント減少することが求められた。他の試験においては、混合時間の減少はすすエミッションを減少させることが示されている。
【００６４】
（関連出願）
本出願は、特許・商標事務所に同じ日に出願されたものを含む、本出願人に譲渡され現在係属中である特許出願のグループの１つである。このグループには、Ｌ．Ｋ．Ｊａｍｅｓｏｎ他の名義の、整理番号第１２５３５号、発明の名称「加圧された多成分液体を乳化させる装置及び方法」の米国特許出願第０８／５７６，５４３号と、Ｌ．Ｈ．Ｇｉｐｓｏｎ他の名義の、整理番号第１２５３７号、発明の名称「超音波燃料噴射方法及び装置」の米国特許出願第０８／５７６，５２２号と、２０００年１２月１１日に出願されたＬ．Ｊａｍｅｓｏｎ他の名義の、整理番号第ＫＣＸ−３７１号、発明の名称「Ｕｎｉｔｉｚｅｄ  Ｉｎｊｅｃｔｏｒ  Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｆｏｒ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｌｌｙ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」の米国特許出願第６０／２５４，６８３号と、２０００年１２月１１日に出願されたＬ．Ｊａｍｅｓｏｎ他の名義の、整理番号第ＫＣＸ−３７２号、発明の名称「セラミックの弁本体をもつ超音波燃料噴射器」の米国特許出願第０８／５７６，５４３号を含む。これらの特許出願の内容を、引用によりここに組み入れる。
【００６５】
本明細書では、本発明の特定の実施形態について詳細に説明したが、当業者であれば、上記の理解に達すると、これらの実施形態の変形、修正、及び均等物を容易に想起できるであろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求範囲の請求項及びそれらの均等物を含むものとして評価すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の装置の一実施形態を表す断面図である。
【図２】
例示的な超音波装置を用いて雰囲気中に噴射された水プルーム中の液滴の力又はインパルスを計測するのに用いられた装置の図である。
【図３】
液体の質量流量当りの衝撃力に対する距離を表すグラフである。
【図４】
液体の質量流量当りの衝撃力に対する距離を表すグラフである。
【図５】
液体の質量流量当りの衝撃力に対する距離を表すグラフである。
【図６】
液体の質量流量当りの衝撃力に対する距離を表すグラフである。
【図７】
超音波適用なしのＮｏ．２ディーゼル燃料の燃焼スプレーを表す図である。
【図８】
超音波が適用されたＮｏ．２ディーゼル燃料の燃焼スプレーを表す図であり、円錐角度の増加を示す。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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