JP2008509000A - 固体物体と気体とに関わる過程を強める方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、固体物体と気体とに関わる過程を高めるための音波装置であって、気体は物体を取り巻くか、または、少なくとも物体の表面に接触しているような上記装置に関し、この装置は、少なくとも物体の表面に対して、高い強度の音波または超音波を適用するための音波手段を備え、音波装置の使用中に、物体の表面へ高い強度の音波または超音波を伝搬する媒体である気体に対して、高い強度の音波または超音波を直接当てて、物体の表面において層流底層を低減および／または最小化させる。層流底層を減少させることによって、熱伝達効率を高め、および／または、触媒作用の速度を高め、および／または、気体交換を高める。

Description

本発明は、層流底層を減少させて、固体物体と気体との関連する過程を強める音波装置に関する。さらに本発明は、層流底層を減少させることで、固体物体と気体とに関わる過程を高める方法に関する。

温度差が無ければ、いかなる熱流を生じない。従って、空気／気体と、物体の表面との間における熱流束は、気体と表面の間の温度差および表面伝導度に直接比例する。すなわち、
Φ ＝ ｈ （ｔ_ａ − ｔ_ｓ）
ここで、Φは熱流束、ｈは表面伝導度、ｔ_ｓは表面の温度、ｔ_ａは周囲の気体温度である。表面伝導度の単位は、W/m^２Kである。

熱エネルギーは温度が低い方向へ向けて移動する。熱伝達は、伝導、対流、または放射の過程によって起こる。熱は、分子の永久運動に関連したエネルギーであって、温度はこの運動の活発さを示す指標である。異なる温度の物質を接触させると、より活発な分子が有する熱エネルギーのいくらかは、衝突によって、活発でない分子に伝えられる。これは、熱伝導の過程である。これは、不透明な固体を介して、熱が流れられる唯一の方法である。

熱エネルギーが気体を通って移動するには、伝導と併せて、ある領域から別の領域への気体の運動によって、移動されることがある。気体の運動に関連した、この熱移動の過程は、対流と称される。気体の運動が、温度差によって生じた浮力だけによって生じる場合には、かかる過程は自然対流または自由対流と称され、気体の運動が、ファンなどの他の機構によって生じる場合には、かかる過程は強制対流と称される。

ほとんどすべての実際に起こっている気体流において、流れの型は、流れの型が層流であって全面を覆っている層（図２ａの符号２０３を参照）を除けば、流れの体積全体において、乱流である。この層は、層流底層と通称される。この層の厚みは、流れのレイノルズ数の減少関数になっていて、流れの速度が速くなると、層流底層の厚みは減少する。

層流底層を横切る熱移動は、層流の性質に起因して、伝導または放射になる。

放射について見ると、すべての物理的物体は、電磁放射によって絶えずエネルギーを失いつつ、他の物体から入射した放射のうちいくらかを吸収することでエネルギーを得ている。放射による熱移動のかかる過程は、放射物体同士の間の空間に、全く物質が存在しなくても行われる。

伝導について見ると、層流底層を横切る質量の輸送は、拡散によるものだけになる。熱交換器に関する技術においては、気体から固体面への熱の移動ないし伝達に対する主たる障害は、固体面に付着した気体の境界層であることが、良く知られている。気体の運動が完全に乱流である場合でさえ、熱の伝達を妨げる層流底層は存在する。かかる問題点を解決するために、音波を用いて気体を動かしたり、外部の振動発生器を用いて仕切板を振動させたりと、様々な方法および様々なタイプの装置が示唆されてきたけれども、これらの方法はある程度は有効であるにせよ、層流底層を効果的に最小化したり、同時に方法を効率的にするために充分に大きな領域をカバーしたりする能力には、本質的に限りがある。

同様に、触媒表面での気体反応を伴う触媒過程の速度は、とりわけ、気体の分子と触媒表面との間の相互作用、すなわち、触媒表面への反応物の供給および触媒表面からの反応生成物の輸送によって制限される。従って、触媒表面を覆う層流底層を通しての質量輸送は、反応物および反応生成物の拡散によって行われるだけである。

同様に、１種類の気体または気体の混合物を、別の成分の気体と能動的に交換する場合には、容器の内面を洗い流すために必要な時間は、層流底層の気体の交換に要する時間によって制限される。この交換は、拡散によってしか、行われない。

特許文献１は、２つの流体の間における（すなわち、物体と気体／空気との間ではない）熱移動を高める技術に関し、定在波のパターンを確立することによって、層流底層の厚みを最小化し、もって熱伝達を高めている。しかしながら、層流底層を最小化するために定在波のパターンを使用することは、層流底層を極めて効率的にまたは大きく減少させる（従って熱移動を高める）ものではなく、というのは、定在波のパターンの定義は、静止した反復する波節を表面上に含むためである。これらの波節においては、気体分子には、いかなる変位も速度もない。
米国特許第４，５０１，３１９号明細書

特許文献２は、気体タービンの回転可能な羽根で仕事をする方法を開示している。開示された方法は、冷媒として蒸気を用い、ノズル表面上の層流の蒸気膜を破壊することによって、熱伝達を高めている。これは、層流底層を破壊するために衝撃音波を確立することによって行われる。衝撃波によって覆われる表面積は、衝撃波を発生させるのに使用される表面積に匹敵しなければならないので、提案された方法によっては、本発明によって得られるような、大きな領域にわたる、層流底層の減少を（従って熱伝達を高めることは）得ることができない。というのは、超音波は衝撃波に比べて対象となる物体の大きな部分にわたって散乱するためである。
米国特許第４，８３５，９５８号明細書

特許文献３は、熱と電気との両方を生み出すタービン発電機に関する。この開示には、層流の境界層の形成を防ぐために、音響共鳴器（熱交換器の表面に設けたキャビティによって形成される。）を用いるような熱交換器が含まれている。共鳴器は、気体が熱交換器の表面を流れると、音響的な渦巻を発生させて、それにより、表面上の気体に乱流を生み出す。発生した乱流は、層流の層のサイズを減少させるだろうが（図２ａ参照）、生み出された音響エネルギーは充分には大きくないため、充分に有効に層流底層を最小化させることはない。
米国特許第６，６２９，４１２号明細書

特許文献４は、超音波を当てて触媒過程を高め、それにより多孔質の固体触媒上の流体境界膜を乱す技術に関する。この構成では、源／発振器からダイヤフラムを介してその後に気体に伝えられる、超音波の結合の効率が低い。これは、音響インピーダンスに大きな差があることに関連しているが、このことは、あらゆる固体−気体の変遷に当てはまる。
特開平７-１１２１１９号明細書

特許文献５は、超音波を発生させる装置に関する。特許文献５は液体または気体の層を破壊することによって熱伝達を高めるために、超音波が有用であると開示している。さらに、この特許は、分子のブレークダウン、遊離イオンの生成、混合、その他の作用によって、触媒の効果が改善されると言及している。しかしながら、この構成においては、層流底層の破壊について言及されていない。さらに、この構成は、層流底層を有効に破壊するために必要な、充分に高いレベルの音圧を発生させるには、あまり適していない。加えて、触媒効果が改善される原因、つまり、分子のブレークダウンおよび遊離イオンの生成は、液体媒体中の環境においてのみ生じ、気体媒体中では生じない。
米国特許第４，３４７，９８３号明細書

本発明の目的は、とりわけ、上述した従来技術の短所を解決すべく、層流底層を減少させるための装置（および対応する方法）を提供することである。

拡散は遅い過程であるから、あらゆる熱伝達または質量輸送の効率を高めるために、すなわち、触媒過程や、固体表面付近の気体交換のためにも、層流底層の厚みを可能な限り減少させることは極めて有用である。

より詳しくは、本発明の目的は、上述した層流底層と、これに関連した拡散過程についての制限を最小化することである。

本発明のさらに別の目的は、より大きな表面積を効率的にカバーできるやり方で、層流底層を効果的に最小化することである。

本発明の追加的な目的は、層流底層の最小化が、熱伝達の効率を著しく高めるような、実用的な具体化を提供することである。

本発明の追加的な目的は、触媒が固体表面を有し、反応物が気体であるような触媒過程の効率を、層流底層の最小化によって著しく高められるような、実用的な具体化を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、層流底層の最小化が、体積を洗い流して気体の組成物を交換する効率を著しく高めるような、実用的な具体化を提供することである。

これらの目的を達成するための音波装置（および対応する方法）は、固体物体と気体とを伴う過程を高めるための音波装置であって、気体は物体を取り巻くか、または、少なくとも物体の表面に接触しているような上記装置において、この装置が、少なくとも物体の表面に対して、高い強度の音波または超音波を適用するための音波手段を備え、音波装置の使用中に、物体の表面へ高い強度の音波または超音波を伝搬する媒体である気体に対して、高い強度の音波または超音波を直接的に適用し、物体の表面における層流底層の減少および／または最小化をすることを特徴とする。

こうして、物体の表面上における層流底層の最小化または低減が得られる。さらに、層流底層は、大きな領域ないし物体の表面の全体領域にわたって、最小化される。

さらに、高い強度の音波または超音波が、例えば他のタイプの音波に比べて、高い強度を有することに起因して、層流底層の最小化に関しては、より高い効率が得られる。

加えて、高い強度の音波または超音波は、（触媒中に、または、熱伝達させる物体から、または、任意の固体伝達物から、超音波を発生させる代わりに）物体を取り囲む空気／気体（または少なくとも物体の関連する表面を取り囲む空気／気体）において直接発生するので、関連する過程には、より高い効率が得られる。こうして、高い強度の音波／超音波を発生させる固体伝達物と、空気／気体との間の変遷による損失が実質的に存在しないので、強度の減衰を少なくできる。この損失は、他方において、あらゆる固体−気体の変遷に当てはまるが、音響インピーダンスに大きな差があるときには、いつでも発生する。
気体中における高い強度の音波または超音波は、気体の分子に、非常に高い速度と変位とをもたらす。例えば、１６０ｄＢは、２２，０００Ｈｚにおいて、４．５ｍ／ｓの粒子速度と３３μｍの変位に対応する。言い換えれば、分子の運動エネルギーが、著しく増加する。

好ましい実施形態においては、音波手段は、通路を形成している外側部分および内側部分と、開口部と、内側部分に設けられたキャビティとを備え、前記音波手段は、加圧気体を受けて、加圧気体を前記開口部に通すようになっていて、加圧気体は、開口部からキャビティへ向けたジェットとして放出される。

ひとつの実施形態においては、前記表面の温度が、前記気体の温度に比べて高く、前記過程は熱交換過程であって、前記層流底層の減少および／または最小化は、前記物体から前記気体への熱交換を高める。

このように、層流底層の最小化によって伝導が増加するため、表面から周囲の気体／空気への強制的な熱流が得られる。高い強度の音波または超音波は、気体分子と表面との間の相互作用を高め、もって熱伝導を高め、これに続き、表面には受動的または能動的な対流が生じ、すなわち、層流底層の減少に起因して、熱伝達の効率が高められる。

これは、例えば、物体の冷却および／または気体の加熱が求められるとき、物体の表面から周囲の空気／気体への熱伝達が不十分な／少なすぎる場合に望ましい。これは、過大な層流底層が不十分な／減少した熱伝達を引き起こしている場合、または、より小型の熱交換器の使用を望む場合に当てはまる。このように、底層の最小化を最大限に得ることで、表面から空気への熱流を増加させる。

他の実施形態においては、前記表面の温度が、前記気体の温度に比べて低く、前記過程は熱交換過程であって、前記層流底層の減少および／または最小化は、前記気体から前記物体への熱交換を高める。

このように、層流底層の最小化によって伝導が増加するため、周囲の気体／空気から表面への強制的な熱流が得られる。これは、例えば、空気／気体の冷却および／または物体の加熱が求められるとき、周囲の空気／気体から物体の表面への熱伝達が不十分な／少なすぎる場合に望ましい。

ひとつの実施形態においては、前記物体の表面は触媒であって、前記気体は少なくともひとつの触媒反応物を備え、前記過程は触媒過程であって、前記層流底層の減少は、前記触媒過程の速度を高める。

このように、表面に対して高い強度の音波または超音波を適用することによって、触媒表面上にある空気／気体における触媒過程の反応時間が短縮される（すなわち、触媒過程の速度が高まる。）。これにより、気体分子と、触媒表面との間には、強制的な相互作用が確立される。高い強度の音波または超音波は、層流底層を最小化し、もって触媒過程の速度を高めることによって、気体分子と表面との間の相互作用を高める。

この過程は、既に公知であって従来技術によって開示されている、流体中における超音波の関連した触媒過程とは、同等なものではないことに留意されたい。例えば、気体中の実際の音の強度は、超音波の関連した触媒過程において流体に使用される音の強度に比べて、はるかに低いものである。同様に、気体中においては、いかなるキャビテーション過程も存在しない。

これは、例えば、触媒過程の速度が不十分な／遅すぎる場合、または、より小型の触媒の使用を望む場合に好ましい。

ひとつの実施形態においては、前記表面は、所定の体積をもった内面であり、前記過程は、前記気体と、内面に存在していた気体組成物との間における気体の組成を変化させるものであって、前記層流底層の減少は、前記気体の気体分子と、前記内面に存在していた気体の組成物との間の相互作用によって、気体の組成の変化が高められる。

このように、高い強度の音波または超音波を表面に適用することで、表面の層流底層にわたる拡散に必要な時間が短縮されて、体積中の気体交換に必要な洗い流し時間が短縮される。これにより、気体分子と、所定の体積の内面に存在していた気体の組成物との間において、強制的な相互作用が確立される。高い強度の音波または超音波は、気体分子と、表面に存在していた既存の気体組成物との相互作用を高め、すなわち、層流底層を最小化し、もって新たな平衡状態が確立される速度を高めることによって、気体の交換を高める。

これは、例えば、新たな気体混合物による（固体表面にかかわる）洗い流し時間が、新たな平衡状態が確立される時間に比べて、不十分または遅すぎる場合に望ましい。これは、例えば、溶接中に保護気体を使用したり、食品の包装などにおいて、例えば酸素を除去して、保護的な／不活性の気体を充填したりする場合に関連する。

また、本発明は方法にも関連し、かかる方法は、固体物体と気体とに関わる過程を高めるための方法であって、気体は物体を取り巻くか、または、少なくとも物体の表面に接触しているような上記方法において、この方法が、少なくとも物体の表面に対して、音波手段によって、高い強度の音波または超音波を適用する段階を備え、物体の表面へ高い強度の音波または超音波を伝搬する媒体である気体に対して、高い強度の音波または超音波を直接的に適用し、物体の表面において層流底層を低減および／または最小化させる。

装置およびその実施形態に対応した、方法およびその実施形態は、同一の理由から、同一の利点を有する。

本発明による方法の有利な実施形態については、従属請求項に定義されており、以下に詳細に説明される。

また、本発明は、ノズルにも関連し、かかるノズルは、冷却通路を備えたノズルであって、前記冷却通路は、使用中に、前記通路に分配されるような、超音波を発生させる音波装置に結合されている。

また、本発明は、印刷回路基板にも関連し、印刷回路基板には、前記印刷回路基板の少なくとも一部分または基板上の構成要素を、使用中に冷却するように設けられた、少なくともひとつのヒートシンクと少なくともひとつのファンとの両方が配置され、前記印刷回路基板は、使用中に、前記少なくともひとつのヒートシンクの少なくとも一部分に向けて、超音波を発生させる音波装置をさらに備えている。

本発明のこれらのおよびその他の観点については、添付図面に図示した例示的な実施形態を参照することによって明らかになるだろう。

図１ａは、従来技術による、周囲または接触する空気／気体への所定の熱伝達を有する、または、所定の触媒過程の反応時間を有する、または、所定の洗い流し時間を有する、物体を示した模式図である。

図示の物体（１００）は、表面温度Ｔ１を有している。周囲の気体ないし気体（５００）は、破線の箱によって示され、温度Ｔ０にて物体（１００）の関連する表面に接触し、ここで、Ｔ１＞Ｔ０である。

本発明の第１の観点によれば、熱エネルギーは、温度を低下させる方向に移動する傾向がある。熱伝達は、伝導、対流、または、放射の過程によって起こる。熱は、分子の永久運動に関連したエネルギーであって、温度は、この運動の活発さを示す指標である。異なる温度の物質を接触させると、より活発な分子が有する熱エネルギーのいくらかは、衝突によって、活発でない分子に伝えられる。これは、熱伝導の過程である。これは、不透明な固体を通して熱が流れられる唯一の方法である。

従来、この層流底層を減少させるには、例えば、表面上に定在波のパターンを確立するなど、異なる方法が示唆されている。しかしながら、層流底層を最小化するために定在波のパターンを使用することは、層流底層を極めて効率的にまたは大きく減少させるものではなく、というのは、定在波のパターンの定義は、静止した反復する波節を表面上に含むためである。これらの波節においては、気体分子には、いかなる変位も速度もない。別の方法は、衝撃波の使用を示唆しているが、これにも表面の小さい部分しかカバーできないという不都合がある。最後に、表面自体または伝達物のいずれかから、表面に音響的な乱流を発生させ、または、固体から音響エネルギーを伝達することが示唆されている。これらはすべて、層流底層を効率的に減少させるような、非常に高いレベルの強度をもたらすものではない。図１ａに示した状態は、第１の観点として、所定の熱伝達（図１ａの^（１））をもたらす。

本発明の第２の観点によれば、図１ａに模式的に示した物体（１００）は触媒である。反応物は、周囲のまたは接触する気体（５００）であって、反応生成物（１００）は、拡散によって層流底層を通って移動しなければならない。触媒は温度Ｔ１を有し、気体（５００）の形態の反応物は、温度Ｔ０を有する。

従来の方法は、固体のトランスデューサから、固体の棒を介しおよびダイヤフラムを通して、音響エネルギー（高周波振動）を伝達する方法を示唆している。音響エネルギーは、気体（５００）中に放射されて、それにより、多孔質の固体触媒の外面上にある流体境界膜を妨げている。しかしながら、この構成では、ダイヤフラムから気体（５００）に対する超音波の結合が不十分である。これは、音響インピーダンスに大きな差があることに関連しているが、このことは、あらゆる固体−気体の変遷に当てはまる。図１ａに示した状態は、第２の観点として、所定の触媒過程の反応時間（図１ａの^（１））をもたらす。

本発明の第３の観点によれば、図１ａに模式的に示した物体（１００）は、体積の内壁であって、気体（５００）の組成物が交換されようとしている。新たな気体（特に図示せず）と、従前の気体（５００）とは、拡散によって層流底層を通って移動しなければならない。体積の内壁は温度Ｔ１を有し、従前の気体（５００）は温度Ｔ０を有する。

図１ａに示した状態は、第３の観点として、新たな平衡状態が確立されるまでに所定の洗い流し時間（図１ａの^（１））をもたらす。

上に述べた３つの観点は、排他的ではなく、いくつかの過程が同時に生じることもある。

図１ｂは、本発明を適用した場合における、図１ａの物体に関連した、熱伝達、触媒過程の反応時間、および／または、洗い流し時間を示した模式図である。図１ａの物体（１００）を示しているが、本発明が適用された状況である。物体（１００）は、図１ａと同じ温度Ｔ１を有し、周囲のまたは接触する気体（５００）は、図１ａと同じ温度Ｔ０を有する。

第１の観点によれば、物体（１００）（または物体の表面）には、本発明に従って、接触しているまたは取り巻いている気体に対して、高い強度の音波または超音波が提起される。これは、気体の分子に、非常に高い速度と変位とをもたらす。言い換えれば、超音波または高い強度の音波にさらされることで、分子の運動エネルギーが、著しく増加する。図１ｂに示すように、高い強度の音波または超音波は、気体分子と表面との間の相互作用を高め、もって熱伝導を高め、これに続き、表面には受動的または能動的な対流が生じるが、これについては、図２ａおよび図２ｂに関連させて詳しく後述する。本発明の適用によって、所定の熱伝達^（２）は、図１ａの熱伝達（図１ａの^（１））に比べて大きくなる。

熱伝達についての制限は、有効な触媒過程についての制限と同等であるため、本発明によれば、高い強度の音波または超音波を物体の表面に適用することで、触媒面の表面にある空気／気体における触媒過程の反応時間を短縮する方法が得られる。本発明の第２の観点によれば、気体分子と触媒表面との間に強制的な相互作用が確立されるが、というのは、図２ａおよび図２ｂに関連させて詳しく述べるように、高い強度の超音波が層流底層を最小化させるためである。その結果、拡散時間は減少して、触媒過程の速度は高められる。本発明を適用した結果、所定の触媒過程の反応時間（図１ｂの^（２））は、図１ａの触媒過程の反応時間（図１ａの^（１））に比べて、小さく／短縮される。

この過程は、既に公知であって従来技術によって開示されている、流体中における超音波の関連した触媒過程とは、同等なものではないことに留意されたい。例えば、気体中の実際の音の強度は、超音波の関連した触媒過程において流体に使用される音の強度に比べて、はるかに低いものである。同様に、気体中においては、いかなるキャビテーション過程も存在しない。

熱伝達についての制限は、底層を介する有効な拡散についての制限と同等であるため、本発明によれば、高い強度の音波または超音波を物体の表面に適用することで、体積中の組成物を交換するとき、新たな平衡状態が確立されるまでの時間を減少させる方法が得られる。本発明の第３の観点によれば、気体分子と体積の表面にあった既存の気体との間に強制的な相互作用が確立されるが、というのは、図２ａおよび図２ｂに関連させて詳しく述べるように、高い強度の超音波が層流底層を最小化させるためである。その結果、拡散時間は減少して、新たな平衡状態が確立されるまでの速度が高められる。本発明を適用した結果、所定の洗い流し時間（図１ｂの^（２））は、図１ａの洗い流し時間（図１ａの^（１））に比べて、小さく／短縮される。

気体は、例えば、空気、蒸気、または任意の他の種類の気体である。

図２ａは、従来技術における物体の表面上を流れる（乱流の）流れを模式的に示している。図示した物体の表面（２０４）においては、気体（５００）が表面（２０４）を取り囲みまたはこれに接触している。上述の如く、熱エネルギーが気体を通って移動するには、伝導と併せて、ある領域から別の領域への気体の運動がある。気体の運動に関連した、この熱移動の過程は、対流と称される。気体の運動が、温度差によって生じた浮力だけによって生じる場合には、かかる過程は自然対流または自由対流と通称され、気体の運動が、ファンなどの他の機構によって生じる場合には、かかる過程は強制対流と称される。強制対流の状態において、表面（２０４）の近くには層流の境界層（２０１）が存在する。この層の厚みは、流れのレイノルズ数の減少関数になっていて、流れの速度が速くなると、層流の境界層（２０１）の厚みは減少する。流れが乱流になると、層は、乱流境界層（２０２）と、層流底層（２０３）とに分割される。ほとんどすべての実際に起こっている気体流において、流れの型は、流れの型が層流であって表面（２０４）を被覆している層流底層（２０３）を除くならば、流れの体積全体において、乱流である。層流底層（２０３）内の気体分子または粒子（２０５）について見ると、速度（２０６）は、表面（２０４）に対して実質的に平行であって、層流底層（２０３）の速度に等しい。層流底層を横切る熱伝達は、層流の性質に起因して、伝導または放射になる。層流底層を横切る質量の輸送は、拡散によるものだけである。層流底層（２０３）が存在すると、最適ないし効率的な熱伝達や、高い質量輸送は得られない。底層を横切るあらゆる質量輸送は、拡散によらなければならないので、しばしば、全体的な質量輸送を最終的に制限する要因になる。

図２ｂは、本発明によって、物体の表面の周囲または接触する空気／気体（５００）に対して高い強度の音波または超音波を適用した効果である、物体の表面上の流れを模式的に示している。より詳しくは、図２ｂは、高い強度の音波または超音波を表面（２０４）に適用したときの状態を示している。再び、層流層中の気体分子／粒子（２０５）について見ると、超音波を適用する前においては、速度（２０６）は、表面（２０４）に対して実質的に平行であって、層流層の速度と等しくなる。図２ｂの矢印（２０７）にて示すように、表面（２０４）に対して放射された音場の方向において、分子（２０５）の振動速度は著しく高められる。例示すれば、超音波の周波数ｆ＝２２ｋＨｚで、音の強度が１６０ｄＢの場合には、ｖ＝４．５ｍ／秒の最大速度と、±３２μｍの変位が達成される。図２ａにおいては、対応する（垂直な）変位は、実質的にゼロであるが、というのは、分子が表面に沿った層流の空気流に追従するからである。この結果、超音波は、層流底層の最小化によって伝導を増加させることで、表面から周囲の気体／空気（５００）への強制的な熱流を確立する。音の強度は、ひとつの実施形態においては、１００ｄＢ以上である。他の実施形態においては、音の強度は、１４０ｄＢ以上である。望ましくは、音の強度は、およそ１４０〜１６０ｄＢの範囲から選択される。音の強度は、１６０ｄＢを越えても良い。

層流底層が最小化されることで、表面（２０４）から周囲のまたは接触する気体（５００）への熱伝達が増加する効果が得られる（表面の温度が、周囲のまたは接触する気体の温度に比べて高い場合。）。さらに、表面／物体が触媒であって、周囲の気体が反応物である場合には、最小化によって、触媒過程の反応時間が短縮される効果が得られる。加えて、最小化は、洗い流し時間を短縮する効果を有する。

ひとつの実施形態においては、本発明は、天然気体と蒸気から水素を発生させる過程の速度向上のために使用される。この実施形態においては、一般的に知られているように、天然気体と蒸気とは、過程の速度を高めるために、触媒の表面に向けて導かれる。さらに、天然気体または蒸気（または、これらの両方）は、後述するように、超音波が伝搬するための媒体である。上述したように、超音波の影響によって、効率が向上する。

図３ａは、高い強度の音波または超音波を発生させるための、好ましい実施形態による装置（３０１）を模式的に示している。加圧気体は、管またはチャンバ（３０９）から、外側部分（３０５）と内側部分（３０６）とによって形成された通路（３０３）を通って開口部（３０２）へと至り、ここから、加圧気体が内側部分（３０６）に設けたキャビティ（３０４）へ向けられたジェットとして放出される。気体の圧力が充分に高いならば、キャビティ（３０４）に供給される気体中に振動が発生し、その周波数は、キャビティ（３０４）と開口部（３０２）との寸法によって定まる。図３ａに示したタイプの超音波装置は、気体圧力が約４気圧の場合、１６０ｄＢ_ＳＰＬまでの音圧の超音波を発生させることができる。超音波装置は、例えば、真鍮や、アルミニウム、またはステンレス鋼、または、任意のその他の充分に堅い材料であって、使用中に装置がさらされる音圧および温度に耐えられる材料から作られる。図３ａには、動作方法も示されており、発生させた超音波（３０７）は、物体（１００）、すなわち熱交換器または触媒または体積の内部の表面（２０４）へ向けて導かれる。

加圧気体は、物体に接触しまたは取り囲む気体とは、異なる気体でも良いことに留意されたい。

図３ｂは、円板形の円板ジェットの形態である超音波装置の実施形態を示している。好ましい実施形態による図示した超音波装置（３０１）は、いわゆる円板ジェットになっている。装置（３０１）は、環状の外側部分（３０５）と、円筒形の内側部分（３０６）とを備え、内部には、環状のキャビティ（３０４）が窪んでいる。環状の気体通路（３０３）を通って、気体は拡散して、環状の開口部（３０２）へと至り、そこから、キャビティ（３０４）へと運ばれる。外側部分（３０５）は、内側部分（３０６）に対して調節可能になっており、そのために、例えば、外側部分（３０５）の底部にネジまたはその他の調節装置（図示せず）を設け、さらに、所望の間隔が得られたときに、外側部分（３０５）を内側部分（３０６）に対してロックする固定手段（図示せず）を備えると良い。そうした超音波装置は、気体の圧力が４気圧のとき、約２２ｋＨｚの周波数を発生させる。その結果、気体の分子には、４．５ｍ／秒の最大速度で、約２２，０００回／秒の、３６μｍまでの移動が可能になる。これらの値は、超音波装置のサイズと割合についてのアイデアを与えるためだけに含めたものであり、決して、図示の実施形態を制限するものではない。

図３ｃは、図３ｂの超音波装置（３０１）の直径に沿った断面図であって、開口部（３０２）、気体通路（３０３）、およびキャビティ（３０４）の形状を、より明瞭に示している。さらに明らかなように、開口部（３０２）は環状である。気体通路（３０３）と、開口部（３０２）とは、実質的に環状である外側部分（３０５）と、この外側部分の内部に配置された、円筒形の内側部分（３０６）とによって形成されている。開口部（３０２）から放出された気体ジェットは、内側部分（３０６）に形成された、実質的に周囲のキャビティ（３０４）に衝突し、その後に、超音波装置（３０１）を出る。前述したように、外側部分（３０５）は、気体通路（３０３）の外側部分を形成しており、さらに、超音波装置の開口部を形成している内周の外面に沿って、約３０゜の角度にて傾斜していて、ここから、拡散した気体ジェットが膨張する。内周における内面の約６０゜の対応する傾斜と結合されて、上述した傾斜は、外部に開口部（３０２）を形成するような、鋭角の周辺縁部を形成している。内側部分（３０６）は、開口部に対面した外周に、約４５゜の傾斜を有していて、開口部（３０２）を内側から形成している。外側部分（３０５）を内側部分（３０６）に対して調節することで、キャビティ（３０４）に衝突する気体ジェットの圧力を調節できる。キャビティ（３０４）が凹設された、内側部分（３０６）の頂部は、約４５゜の角度にて傾斜していて、超音波装置の開口部において、振動する気体ジェットを膨張させる。

図３ｄは、細長い本体の形状をもった、別の実施形態による超音波装置を示している。図示の超音波装置は、細長くて実質的にレール形状である本体（３０１）を備えていて、本体は、図３ａおよび図３ｂのそれぞれに示した実施形態と、機能的には同等である。この実施形態においては、外側部分は２つの隔てられたレール形状の部分（３０５ａ）および（３０５ｂ）から構成されており、レール形状である内側部分（３０６）と併せて、超音波装置（３０１）を形成している。外側部分（３０５）における２つの部分（３０５ａ）および（３０５ｂ）と、内側部分（３０６）との間には、２つの気体通路（３０３ａ）および（３０３ｂ）が設けられる。前記気体通路のそれぞれは、開口部（３０２ａ）および（３０２ｂ）を有し、気体通路（３０３ａ）および（３０３ｂ）から、内側部分（３０６）に設けられた２つのキャビティ（３０４ａ）および（３０４ｂ）へ向けて、放出された気体を運ぶ。この実施形態のひとつの利点は、レール形状の本体が、円形の本体に比べて、はるかに大きな表面積を覆えることである。この実施形態の他の利点は、超音波装置を押出成形工程で作ることができ、それにより材料費を減らせることである。

図３ｅは、図３ｄと同じタイプの超音波装置であるが、閉じた曲線として形成されたものを示している。図３ｄに示した実施形態による気体装置は、直線状である必要はない。図３ｅは、３つの円形の別々のリングとして形成された、レール形状の本体（３０１）を示している。外側リングは、最も外側の部分（３０５ａ）を形成し、中間のリングは、内側部分（３０６）を形成し、内側のリングは、最も内側の外側部分（３０５ｂ）を形成している。超音波装置における３つの部分が一緒になって、図３ｄの実施形態に示したような断面を形成しており、内側部分には２つのキャビティ（３０４ａ）および（３０４ｂ）が設けられ、最も外側の部分（３０５ａ）と内側部分（３０６）との間の空間には、外側気体通路（３０３ａ）と外側開口部（３０２ａ）とがそれぞれ形成され、内側部分（３０６）と最も内側の外側部分（３０５ｂ）との間の空間には、内側気体通路（３０３ｂ）と内側開口部（３０２ｂ）とがそれぞれ形成されている。この実施形態による超音波装置は、非常に大きな領域を一度に覆うことができ、従って、大きな物体の表面を処理することができる。

図３ｆは、図３ｄと同じタイプの超音波装置であるが、開いた曲線として形成されたものを示している。図示の如く、このタイプの超音波装置は、開いた曲線として形成することもできる。この実施形態においては、機能的部分は、図３ｄに示したものと対応しており、その他の詳細については、かかる部分の説明から明らかであるので、図３ｄについての説明を参照することとする。同様に、図３ｂにおいて説明したような、ひとつの開口部だけを有するような、超音波装置を形成することも可能である。開いた曲線に形成された超音波装置は、処置される物体が、普通でない形状を有している場合に適用可能である。本発明によれば、異なる開いた曲線状に形成された、複数の超音波装置が配設されてなるシステムを構想できる。

図４ａは、ノズルの分解図であって、冷却通路と冷却気体のマニホールドを示している。図示したノズル（６００）は、冷却通路（６０１）とマニホールド（６０２）とを備えている。

ノズルの構造は、例えば、ロケットに使用する場合、ノズル（６００）の内壁に効率的な冷却を確立するという観点から、様々に制限される。
壁が薄すぎると、構造が弱すぎて、使用中に必要な要求条件を満足できない。他方において、壁が厚すぎると、効率的に冷却することが出来ず、内壁の表面温度が高くなり過ぎる。

内壁の冷却は、適当な冷却気体が押し流される、多数の冷却通路（６０１）を備えてなる、中空の壁構造を有することによって、しばしば確立される。

冷却の効率は、とりわけ、以下の項目によって制限される。
− 通路（６０１）の暖かい内壁から冷却気体へ向けての熱伝達の効率。熱のこの部分は、対流によって伝達され、上述の如く、壁の表面上にある層流底層の厚みによって制限される。底層においては、熱の伝達時間は、拡散時間にまで制限される。
− 冷却はまた、気体の温度が高まるとき、冷却気体の密度変化に起因して制限される。高い密度を有する冷たい気体は、気体の速度とノズルの幾何学形状とのために、ノズルの外壁に対して押し当てられる。内面付近の気体が暖かくなって、密度が低くなると、この効果は増幅される。従って、気体における総合的な熱の分配は、暖かい気体と冷たい気体の不十分な混合によって制限される。

図４ｂは、本発明のひとつの実施形態によって、マニホールドに超音波発生器を配置したひとつの例を示している。

図示のマニホールド（６０２）は、例えば、図４に示したものに対応していて、例えば円板ジェットなどの、空力的な超音波発生器（３０１）を備えている。望ましくは、超音波発生器（３０１）は、冷却気体の入口に配置される。超音波発生器（３０１）は、例えば、約４バールの気体圧力の低下によって駆動される。発生させた超音波は、例えばマニホールド（６０２）を介して、通路（６０１）に分配される。

主として、高いエネルギーの超音波は、前述の如く、層流底層を破壊して、壁から気体へのエネルギー輸送を、２倍にまで高める。

加えて、高いエネルギーの超音波は、気体中の非常に速い粒子運動に起因して、冷却気体における暖かい部分と冷たい部分とを混合し、冷却をさらに高める。

特許請求の範囲の記載において、括弧の間に記したいかなる参照符号も、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。「備える」という用語は、特許請求の範囲に列挙された以外の要素または段階が存在することを排除するものではない。特に、「単数」と明記しない限り、そうした要素が複数存在することを排除するものではない。

従来技術による、周囲または接触する空気／気体への所定の熱伝達を有する、または、所定の触媒過程の反応時間を有する、または、所定の洗い流し時間を有する、物体を示した模式図である。 本発明を適用した場合における、図１ａの物体に関連した、熱伝達、触媒過程の反応時間、および／または、洗い流し時間を示した模式図である。 従来技術における物体の表面上を流れる（乱流の）流れを模式的に示している。 本発明によって、物体の表面の周囲または接触する空気／気体に対して高い強度の音波または超音波を適用した効果である、物体の表面上の流れを模式的に示している。 高い強度の音波または超音波を発生させるための、好ましい実施形態を模式的に示している。 円板形の円板ジェットの形態である、超音波装置の実施形態を示している。 図３ｂの超音波装置（３０１）の直径に沿った断面図であって、開口部（３０２）、気体通路（３０３）、およびキャビティ（３０４）の形状を、より明瞭に示している。 細長い本体の形状をもった、別の実施形態による超音波装置を示している。 図３ｄと同じタイプの超音波装置であるが、閉じた曲線として形成されたものを示している。 図３ｄと同じタイプの超音波装置であるが、開いた曲線として形成されたものを示している。 ノズルの分解図であって、冷却通路と冷却気体のマニホールドを示している。 本発明のひとつの実施形態によって、マニホールドに超音波発生器を配置したひとつの例を示している。

Claims (14)

1. 固体物体（１００）と、該固体物体（１００）を取巻く、または該固体物体（１００）のある表面（２０４）に少なくとも接触する気体（５００）とが関連する過程を強める高めるための音波装置であって、該音波装置は、
   少なくとも該物体（１００）の表面（２０４）に対して、高い強度の音波または超音波を当てるための音波手段（３０１）を備え、
   音波装置の使用中に、前記物体（１００）の表面（２０４）へ高い強度の音波または超音波を伝搬する媒体である気体（５００）に対して、高い強度の音波または超音波を直接当てて、これにより前記物体（１００）の表面（２０４）における層流底層（２０３）の減少、および／または最小化を行うことを特徴とする音波装置。
2. 請求項１に記載の音波装置であって、前記音波手段（３０１）は、
   通路（３０３）を画定している外側部（３０５）および内側部（３０６）と、
   開口部（３０２）と、
   該内側部（３０６）に設けられたキャビティ（３０４）とを備え、
   前記音波手段（３０１）は、加圧気体を受けて、該加圧気体を該開口部（３０２）に通すようになっていて、該加圧気体は、該開口部からキャビティ（３０４）へ向けたジェットとして放出されることを特徴とする音波装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の装置であって、前記装置は、
   該表面（２０４）の温度（Ｔ１）が、該気体（５００）の温度（Ｔ０）より高く、
   該過程は熱交換過程であって、前記層流底層（２０３）の減少および／または最小化が、前記物体（１００）から前記気体（５００）への熱交換を高めることを特徴とする音波装置。
4. 請求項１または２のいずれかに記載の装置であって、前記装置は、
   前記表面（２０４）の温度（Ｔ１）は、前記気体（５００）の温度（Ｔ０）より低く、
   前記過程は熱交換過程であって、前記層流底層（２０３）の減少および／または最小化が、前記気体（５００）から前記物体（１００）への熱交換を高めることを特徴とする装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の装置であって、
   該物体（１００）の表面（２０４）は触媒であって、該気体（５００）は少なくともひとつの触媒反応物を備え、
   該過程は触媒過程であって、該層流底層（２０３）の減少が前記触媒過程の速度を高めることを特徴とする装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の音波装置であって、前記音波装置は、
   前記表面（２０４）は、所定の体積をもった内面であって、
   前記過程は、前記気体（５００）と内面に存在していた気体の組成物との間で気体の組成を変化させるものであって、前記層流底層（２０３）の減少は、前記気体（５００）の気体分子と前記内面に存在していた気体組成物との間の相互作用によって、気体の交換が高められることを特徴とする音波装置。
7. 固体物体（１００）と気体（５００）とが関連する過程を強めるための方法であって、気体（５００）は固体物体（１００）を取巻き、または少なくとも物体（１００）の表面（２０４）に接触しているような上記方法において、この方法が、
   音波手段（３０１）によって、少なくとも物体（１００）の表面（２０４）に対して、高い強度の音波または超音波を当てる工程を備え、
   物体（１００）の表面（２０４）へ高い強度の音波または超音波を伝搬する媒体である気体（５００）に対して、高い強度の音波または超音波を直接的に当てて、物体（１００）の表面（２０４）において層流底層（２０３）の減少および／または最小化を実行することを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   前記音波手段（３０１）は、
   通路（３０３）を形成している外側部分（３０５）および内側部分（３０６）と、
   開口部（３０２）と、
   内側部分（３０６）に設けられたキャビティ（３０４）とを備え、
   前記方法は、さらに、
   加圧気体を前記音波手段（３０１）に受け入れる工程と、
   加圧気体を前記開口部（３０２）に通す工程と、
   前記開口部（３０２）からキャビティ（３０４）へ向けたジェットとして、加圧気体を放出させる工程とを備えていることを特徴とする方法。
9. 請求項７または８のいずれかに記載の方法であって、該方法において、
   前記表面（２０４）の温度（Ｔ１）が、前記気体（５００）の温度（Ｔ０）より高く、
   前記過程は熱交換過程であって、前記層流底層（２０３）の減少および／または最小化は、前記物体（１００）から前記気体（５００）への熱交換を高めることを特徴とする方法。
10. 請求項７または８のいずれかに記載の方法であって、該方法において、
    前記方法において、
    前記表面（２０４）の温度（Ｔ１）は、前記気体（５００）の温度（Ｔ０）より低く、
    前記過程は熱交換過程であって、前記層流底層（２０３）の減少および／または最小化は、前記気体（５００）から前記物体（１００）への熱交換を高めることを特徴とする方法。
11. 請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法であって、該方法において、
    前記物体（１００）の表面（２０４）は触媒であって、前記気体（５００）は少なくともひとつの触媒反応物を備え、
    前記過程は触媒過程であって、前記層流底層（２０３）の減少は、前記触媒過程の速度を高める、
    ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 請求項７から１１のいずれか一項に記載の方法であって、前記方法において、
    前記表面（２０４）は、所定の体積をもった内面であり、
    前記過程は、前記気体（５００）と、内面に存在していた気体組成物との間で気体の組成を変化させるものであって、前記層流底層（２０３）の減少は、前記気体（５００）の気体分子と、前記内面に存在していた気体組成物との間の相互作用によって、気体の交換が高められることを特徴とする方法。
13. 冷却通路（６０１）を備えたノズル（６００）であって、前記冷却通路（６０１）は、使用中に、前記通路（６０１）に分配されるような、超音波を発生させる音波装置（３０１）に結合されていることを特徴とするノズル。
14. 水素を発生させるために、天然気体と蒸気とを用いて水素を発生させることを特徴とする、請求項１から６に記載の装置または請求項７から１２に記載の方法の使用。

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