JP2002530193A - 低周波数振動を利用した高粘度流体の噴霧化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 低い周波数（５０００Ｈｚ未満、好ましくは約１００Ｈｚ〜約１０００Ｈｚ）で選択的に動作し得る装置が、高粘度流体のジェットを単分散液滴に分解する。装置が、室、該室内に配置されたピストン、ハウジング及びピストンに作動的に取付けられた磁気コイルを装置を有するハウジングと、磁気コイル装置を駆動する発振器とを含む。ハウジング及びピストンが、供給される高粘度流体を受入れる貯蔵槽を構成し、この高粘度流体がピストンの振動運動の作用を受けて、供給された流体に圧力摂動を加え、この為、貯蔵槽から放出されるとき、流体が分離して複数の単分散液滴に分解される。更に、液滴を形成するのに必要な電力を最小限にするように、装置の性能を最適にする方法を開示した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術的背景】

本発明は噴霧器、更に具体的には高粘度流体を単分散液滴に噴霧化する噴霧器
に関する。

【０００２】 高粘度流体、即ち、水の粘度（μ_water＝１．０ｃＰ）よりずっと大きな粘度
をもつ流体の噴霧化は、例えば食品処理、金属粉末の生成及びポリマーの生成を
含めた多くの工業的なプロセスにおける基本的なプロセス工程である。例えば、
プラスチック産業では、ポリマー溶液を噴霧化して、プラスチック粉末生成の沈
澱段階における溶媒の蒸発を高める。ポリマーの量が溶媒の量に比例して増加す
るので、ポリマー溶液が更に粘性が強くなる。流体の粘性が増すと、液滴の形成
に抵抗する粘性力が増加し、それに対応して流体を噴霧化するのに必要なエネル
ギが増加する。

【０００３】 典型的な工業的方法は、担体流体、例えば噴霧化の為に高速に加速された空気
の運動エネルギを利用する剪断力の強い空気吹付け噴霧器を使うことである。こ
のような噴霧器は大量の高圧担体ガスを必要とし、本質的に、単分散液滴寸法分
布ほど一般的には望ましくない多分散液滴寸法分布を発生するのが固有の性質で
ある。液滴の形成は、担体ガス及び噴霧化しようとする流体の流れの局部的な状
態、例えば、乱流レベル、運動量束及び混合速度に関係するから、こういう種類
の噴霧化過程の制御も困難である。

【０００４】 水の粘度（μ_water＝１．０ｃＰ）と略等しい粘度をもつ低粘度流体を噴霧化
するのには、液滴発生器が使われている。液滴発生器は、オリフィスに流体を通
し、オリフィスから放出される流体の流れが液滴に分離する傾向をもつように、
ある周波数で流体に擾乱を加えることによって動作する。例えば、１ｍｍ未満の
直径をもつ液滴の流れに流体ジェットを噴霧化する為、インク・ジェット・プリ
ンタの用途に液滴発生器が使われてきた。このような液滴発生器は、流体に擾乱
を与える為に高い周波数、例えば、約５００００ヘルツ（Ｈｚ）の周波数で駆動
される変換器をもっている。

【０００５】 ドレスラー（本願発明者の１人でもある）の米国特許第５２４８０８７号は、
農業噴霧用、吹付け乾燥用及び燃料噴射用の液滴発生器を開示している。この液
滴発生器は、１対又は更に多くの対の圧電変換器と、流体を液滴に噴霧化する為
に流体に高周波数の摂動を加えるピストンとを用いている。特に、この液滴発生
器は約５５５０Ｈｚ、約９６４０Ｈｚ及び約９７８０Ｈｚの周波数で駆動される
。

【０００６】 上に述べた液滴発生器は、高周波数の摂動を用いて低粘度流体を噴霧化する所
期の目的には適当であっても、低周波数の摂動を必要とする高粘度の流体を噴霧
化するには適当ではない。更に、上に述べた液滴発生器では、流体が一定寸法の
室又は貯蔵槽の中に収容されていて、変換器は変換器装置の選ばれた固有周波数
、例えば７０００Ｈｚ、１３０００Ｈｚ及び１７０００Ｈｚと、それから約１０
０Ｈｚの範囲内でしか動作することが出来ない。こういう形式は、液滴発生器の
性能を最適にすることが何処まで出来るか、制限される。

【０００７】 従って、高粘度流体のジェットを単分散液滴に分解する為に低い周波数で選択
的に動作し得る装置に対する要望がある。更に、液滴を形成するのに必要な電力
を最小限にする為に、装置の性能を最適にすることが出来るような装置及び方法
に対する要望がある。

【０００８】

【発明の簡単な要約】

高粘度流体の１以上のジェットを複数の単分散液滴に分解する装置が、ハウジ
ングをもち、このハウジングは、室、該室内に配置されて貯蔵槽を構成するピス
トン、貯蔵槽の中に流体を受入れる為の１以上の入口、及び貯蔵槽から流体を放
出する為の１以上の出口をもっている。磁気コイル装置がハウジング及びピスト
ンに接続される。発振器が磁気コイル装置を駆動して、貯蔵槽内の流体に対して
、約５０００ヘルツ未満、特に約１０００Ｈｚ未満の周波数をもつ圧力摂動を選
択的に加え、貯蔵槽から放出される高粘度流体が複数の単分散液滴に分解される
ようにする。

【０００９】 更に装置は、貯蔵槽内にある流体に対する圧力摂動に応答して、信号を発生す
る圧力変換器と、圧力変換器からの信号に応答して発振器を制御して、高粘度流
体のジェットを複数の単分散液滴に分解する為に全体的に一定のフィラメント長
を保つ制御装置とを含んでいてよい。更に装置は、ピストンの位置に応答して信
号を発生する光学式位置センサと、袋を制御して貯蔵槽の寸法を選択的に変える
制御装置とを含んでいてよい。

【００１０】

【発明の詳しい説明】

図１は、高粘度流体、即ち、水の粘度より大きく、典型的には約１５ｃＰより
大きい粘度をもつ流体の１以上のジェットを複数の単分散液滴に分解する装置１
０を示す。装置１０が全体として、室２２、室２２の中に配置されたピストン３
０、ハウジング２０及びピストン３０に取付けられた磁気コイル装置４０を有す
るハウジング２０と、磁気コイル装置４０を駆動する発振器５０とを有する。ハ
ウジング２０及びピストン３０が、流体の供給を受ける貯蔵槽１２を構成してい
る。貯蔵槽１２に供給される流体がピストン３０の振動運動を受けて、貯蔵槽１
２内にある流体に圧力摂動を加え、この為、貯蔵槽１２から放出されるとき、流
体が分離し、（図３に示すように）複数の単分散液滴に分解される。

【００１１】 実施例では、ハウジング２０が垂直に伸びる円筒形側壁２４と、水平に配置さ
れた下側末端部分又はオリフィス板２６をもち、これがその中に室２２を構成し
ている。側壁２４が１対の入口２８をもち、この入口が側壁２０を通り抜けて、
室２２内に開口し、流体を室２２の中に導入する。ハウジング２０の末端部分２
６が、貯蔵槽１２から流体を放出する為に、複数の出口又はオリフィス２５、典
型的には（図２に一番よく示されているように）５つのオリフィスをもっている
。

【００１２】 ピストン３０が垂直に伸びる側壁３２及び下端部分又はピストン・ヘッド３４
をもっている。垂直の側壁３２がハウジング２０の室２２の中に摺動自在に受入
れられている。垂直に伸びる側壁３２に円周方向に伸びる溝２３を設け、この溝
の中にピストン３０を室２２に対して密封するＯリング２７が入るようにして、
貯蔵槽１２を構成することが望ましい。

【００１３】 磁気コイル装置４０は夫々ハウジング２０及びピストン３０に接続された永久
磁石４２及びコイル４４を有する。例えばコイル４２は、ピストン３０の上端部
分に取付けられた取付け装置４６の周りに支持することが出来る。永久磁石４２
はハウジング２０の上側部分に取付けられた磁気取付け装置４８によって、コイ
ル４４の間で支持することが出来る。実施例では、永久磁石４２が取付け装置４
８を介してオリフィス板２６に頑丈に結合されていて、その間の相対的な運動を
小さくして、ピストン３０からのエネルギの流体に対する結合を最大にする。可
撓性隔膜４５を取付け装置４６及び取付け装置４８の間に配置して、磁石４２及
びコイル４４を室２２から密封することが出来る。

【００１４】 発振器５０、例えば、増幅波発生器が、所定の振幅及び周波数をもつ時間的に
変化する電気信号を発生する。後で詳しく説明するが、発振器５０及び磁気コイ
ル装置４０が組合わさって、縦軸線に沿ってピストン３０を駆動し、貯蔵槽１２
内の流体に圧力摂動を加える。

【００１５】 １実施例では、磁気コイル装置４０及び発振器５０は１００００Ｈｚから直流
（例えば０Ｈｚ）まで選択的に動作し得る。磁気コイル装置４０及び発振器５０
が、約０Ｈｚ〜約５０００Ｈｚ、好ましくは約１０００Ｈｚ未満、最も好ましく
は約１００Ｈｚ及び５００Ｈｚの間に選んだ周波数をもつ圧力摂動を貯蔵槽１２
内の流体に加えるのが典型的である。

【００１６】 装置１０の動作について説明すると、噴霧化しようとする高粘度流体が、入口
２８からハウジング２０及びピストン３０の間の空間に送り込まれる。その後流
体がピストン・ヘッド３４とオリフィス板２６の間を通る。高粘度流体は、約２
０ｐｓｉ〜６０ｐｓｉの圧力で貯蔵槽１２に供給されることが望ましい。

【００１７】 発振器５０を作動して、コイル４４に流れる電流を発生し、この電流が永久磁
石４２の磁界と相互作用する。この電流と磁石の相互作用により、ハウジング２
０の縦軸線に沿ってコイル４４及びピストン３０を駆動する力が発生される。発
振器５０が、電気駆動信号、例えば、単一又は多重周波数に基づく周期的な波を
発生することが望ましい。

【００１８】 ピストン３０がオリフィス板２６に向かって移動すると、ピストン・ヘッド３
４とオリフィス板２６の間の領域にある流体が圧縮され、こうして流体を加速し
てオリフィス２５から押し出す。ピストン３０がオリフィス板２６から後退する
と、オリフィス２５を出ていく流体が減速される。この連続的な加速−減速の流
体運動により、オリフィス２５を出ていく流体の流れが、コイル４４に加えられ
た電流の周波数で、全般的に一様な寸法の液滴に分解される。

【００１９】 図３に示すように、装置１０から放出される流体１４の流れは、最初は互いに
フィラメント１８によってくっついた複数の液滴１６で構成される。流れが別々
の液滴に完全に分解するのに必要な長さが、この分野では「フィラメント長」と
呼ばれている。２０００ｃＰまでの粘度をもつカルボキシメチル・セルロース（
ＣＭＣ）の水溶液が単分散液滴に噴霧化されたが、このとき、正弦状励振の周波
数は、１００〜３０００Ｈｚの範囲に互って変え、これによって液滴の直径は約
１．０ｍｍから約５．０ｍｍまでになった。

【００２０】 図１に戻って説明すると、本発明の別の一面では、装置１０が、ピストン・ヘ
ッド３４に装着された応答の速いダイナミック圧力変換器６０を含んでいて、装
置１０の性能を監視し、特に、ジェットが分解されるフィラメント長を制御する
ことが出来る。フィラメント長の制御は、例えば、ジェットの溶媒又は液滴の流
れが気化し、その為に、分解の前に流体ジェットを凍結させる可能性のある吹付
け乾燥及びその他の用途では特に重要である。

【００２１】 図４は、一定の粘度（７５０ｃＰ）をもつ流体に対し、ある周波数範囲（２０
０Ｈｚ〜３０００Ｈｚ）に互って一定のフィラメント長（４８０ｍｍ）に必要な
ピーク間貯蔵槽圧力のグラフである。フィラメント長は、この範囲の周波数に対
しては殆ど反応がなく、本質的には圧力摂動の関数である。従って、フィラメン
ト長を、１つの周波数における貯蔵槽内の圧力パルスの大きさと相関させること
が出来、この為、圧力変換器６０がある周波数範囲に互る「フィラメント長調整
器」として作用することが出来る。

【００２２】 再び図１に戻って説明すると、圧力変換器６０は、発振器５０に結合された制
御装置７０に結合して、噴霧過程の為の閉ループ制御回路を作ることが出来る。
例えば、制御装置７０は、磁気コイル装置４０に対する信号の電力（電圧及び電
流）を制御して、噴霧過程の間の一定のピーク間貯蔵槽圧力を保ち、こうして一
定のフィラメント長を保つ適当な電子回路又はマイクロプロセッサを含んでいて
よい。更に噴霧器のヘッド内の圧力摂動を監視することにより、噴霧装置の性能
を絶えず監視し、時間的に安定な液滴パターンを得られるように調節することが
出来る。これは、（例えばガスタービンの燃焼器のように）噴霧の分布が重要な
装置では、特に有利であることがある。

【００２３】 本発明は、液滴の分解に必要な電力入力を最小限にする方法をも提供する。例
えば、ピストンの運動の為に、ピストン・ヘッド３４及びオリフィス板２６の間
にある流体が絶えず時間的に変化する圧力の場に曝されるとき、貯蔵槽内には共
振状態が存在する。この共振状態が、圧力摂動がオリフィス２５の中での流体の
加速及び減速に結合される効率を決定する。ピストン３２のヘッド３４に装着さ
れた圧力変換器６０によって測定して所定の圧力摂動（これは上に述べたように
、それによって一定のフィラメント長になる）を保ちながら、ある周波数範囲に
互って相次いで噴霧器を動作させることにより、こういう共振状態が見付けられ
る。各々の周波数で、噴霧器に対する時間的に変化する電圧及び電流を測定し、
電力入力を計算する。

【００２４】 図５は、約０Ｈｚ〜３０００Ｈｚの間の周波数範囲に互って一定のフィラメン
ト長（例えば４８０ｍｍ）を保つのに必要な電力のグラフを示す。曲線の極小値
の場所は、装置に対する最も効率のよい動作周波数（即ち所定のフィラメント長
に必要な電力入力が最小である場所）を定める。この試験では、電力消費量が最
小である点は、約３５０Ｈｚ、８００Ｈｚ、１６００Ｈｚ及び２５００Ｈｚで発
生した。

【００２５】 本発明の別の一面では、貯蔵槽１２の寸法を変えることが出来る。例えば、所
定の流量に対して隙間寸法（ピストン・ヘッド３４とオリフィス板２６の間）を
小さくすると、必要な電力が減少し、図５に示す曲線が下に移動する。所定の流
量に対して隙間寸法を大きくすると、必要な電力が増加し、図５に示す曲線が上
に移動する。

【００２６】 もう一度図１に戻って説明すると、貯蔵槽１２の寸法を変える為に空気又は液
体で満たした袋８０及び光学式位置センサ９０を設けることが出来る。光学式位
置センサ９０を使って、空気袋８０を正確に調整し、ピストン・ヘッド３４及び
オリフィス板２６の間の隙間、或いはその前後にピストン３０が移動し又は振動
するピストン３０の直流位置又は公称位置を最適にすることが望ましい。

【００２７】 この実施例では、袋８０が磁石４２及び取付け装置４６の間に配置されている
。袋８０に空気又は液体を導入すると、取付け装置４６が磁石４２から遠ざかり
、ピストン・ヘッド３４がオリフィス板２６に接近して、貯蔵槽１２の寸法を小
さくする。袋８０から空気を取り出すと、取付け装置４６が磁石４２に接近し、
ピストン・ヘッド３４がオリフィス板２６から遠ざかり、貯蔵槽１２の寸法を大
きくする。光学式位置センサ９０、例えば光ファイバ・センサを、ハウジング２
０に固着し、ピストン３０の側壁３０に通して、所蔵槽１２の寸法又はピストン
・ヘッド３４とオリフィス板２６の間の隙間を間接的に測定することが出来る。

【００２８】 この実施例では、袋８０の寸法は、ポンプ又は送風機（図に示していない）を
通じて、制御装置７０及び光学式位置センサ９０からの入力信号によって制御す
ることが出来る。隙間の寸法を圧力変換器６０からの信号に結合して、装置の性
能を最適にすることが望ましい。

【００２９】 以上の説明から、当業者であれば、貯蔵槽内にある流体に圧力摂動を加える為
に、ピストンを揺動させるアクチュエータ、ソレノイド形装置及びモータ駆動の
カム又はクランク作動機構のようなこの他の駆動機構が適していることがあるこ
とが理解されよう。圧電変換器を用いる従来と異なり、本発明の駆動機構は、噴
霧化を促進する為に、移動するピストンの慣性に頼らず、その代わりに、駆動機
構によって発生される力次第にすることが出来る。例えば、可変ばね機構又はモ
ータ制御のねじ機構のように、貯蔵槽の寸法を変えるこの他の機構が適している
ことがあることが理解されよう。更に、圧力変換器６０はピストン・ヘッド３４
内に取付ける必要はなく、その代わりに、貯蔵槽内の圧力摂動を測定するように
作用し得れば、ハウジング内に装着されていてもよいことが理解されよう。

【００３０】 更に、本発明は既存の噴霧装置と結合して、噴霧の空間的な一様性を高めるこ
とが出来る。例えば、本発明を既存の噴霧装置と結合することにより、噴霧過程
に対する余分のエネルギ入力は、噴霧パターン内の空所が発生することを減らす
傾向をもつ。

【００３１】 本発明のある特長だけを図面に示して説明したが、当業者には色々な変更が考
えられよう。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲内に属するこのような全
ての変更を包括するものであることを承知されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 高粘度流体を噴霧化する本発明の装置の断面図。

【図２】 図１の装置の端面図で、オリフィス板を示す。

【図３】 図１に示す装置によって形成された液滴の側面図。

【図４】 ある周波数範囲に互って一定のフィラメント長を保つのに必要なピーク間貯蔵
槽圧力のグラフ。

【図５】 ある周波数範囲に互って流体ジェットを分解する為に一定のフィラメント長を
保つのに必要な電力のグラフ。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年１２月４日（２０００．１２．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 モレジ，マイケル・ジョセフ アメリカ合衆国、12309、ニューヨーク州、 スケネクタデイ、2475・ブルックシャイ ア・ドライブ、アパートメント・34−４番 (72)発明者 ドレスラー，ジョン・ローレンス アメリカ合衆国、45458、オハイオ州、デ イトン、ウォーターウィック・トレイル、 1216番 Ｆターム(参考） 4D074 AA10 BB10 CC02 CC32 CC56 CC60

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高粘度流体の１以上のジェットを複数の単分散液滴に分解す
   る装置であって、 室と該室に流体を受入れる１以上の入口と該室から流体を放出する１以上の出
   口とを有するハウジング、及び 前記室から放出される流体が複数の単分散液滴に分解されるように、前記室内
   に導入された流体に、周波数約５０００ヘルツ未満の圧力摂動を加える手段 を含む装置。
2. 【請求項２】 前記圧力摂動を加える手段が約１０００ヘルツ未満の周波数
   で選択的に動作し得る、請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 前記圧力摂動を加える手段が約１００ヘルツ〜約５００ヘル
   ツの間で選択的に動作し得る、請求項２記載の装置。
4. 【請求項４】 前記圧力摂動を加える手段が、ピストン、前記ハウジングと
   前記ピストンとに接続された磁気コイル装置、及び該磁気コイル装置を駆動する
   発振器を含む、請求項１記載の装置。
5. 【請求項５】 更に、全体的に一定のフィラメント長を保つ手段を含む、請
   求項１記載の装置。
6. 【請求項６】 更に、前記室内の流体に対する圧力摂動に応答して、信号を
   発生する圧力変換器と、該圧力変換器からの信号に応答して、前記発振器を制御
   して全体的に一定のフィラメント長を保つ制御装置とを含む、請求項１記載の装
   置。
7. 【請求項７】 前記圧力摂動を加える手段が、前記室からの流体が吐出され
   る元になる貯蔵槽を構成するピストンと、前記貯蔵槽の寸法を選択的に変える手
   段とを含む、請求項１記載の装置。
8. 【請求項８】 前記貯蔵槽の寸法を選択的に変える手段が、前記ピストンの
   位置に応答して信号を発生する光学式位置センサと、袋を制御して前記貯蔵槽の
   寸法を選択的に変える制御装置とを含む、請求項７記載の装置。
9. 【請求項９】 高粘度流体の１以上のジェットを複数の単分散液滴に分解す
   る方法であって、 ハウジングを設けると共に該ハウジング内に貯蔵槽を構成するピストンを設け
   る工程、 前記貯蔵槽に供給する流体を導入する工程、 前記ピストンを移動して前記貯蔵槽内の流体に周波数約５０００ヘルツ未満の
   圧力摂動を加える工程、及び 当該流体が複数の単分散液滴に分解されるように、前記貯蔵槽に供給された流
   体を１以上のオリフィスを介して放出する工程 を含む方法。
10. 【請求項１０】 前記圧力摂動を加える工程が、約１０００ヘルツ未満の周
    波数をもつ圧力摂動を加えることを含む、請求項９記載の方法。
11. 【請求項１１】 更に、前記貯蔵槽内にある流体に対する圧力摂動の大きさ
    を監視し、前記圧力摂動の大きさに応答して、前記流体のジェットの分解用のフ
    ィラメント長を制御する工程を含む、請求項９記載の方法。
12. 【請求項１２】 更に、前記貯蔵槽の寸法を変える工程を含む、請求項９記
    載の方法。
13. 【請求項１３】 更に、液滴を形成する為に必要な電力を最小限にする工程
    を含む、請求項９記載の方法。
14. 【請求項１４】 液滴を形成する為に必要な電力を最小限にする工程が、前
    記圧力摂動の周波数を変える工程と前記貯蔵槽の寸法を変える工程の少なくとも
    一方を含む、請求項１３記載の方法。