JP2008531257A - 高出力超音波ホーン - Google Patents
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Abstract
化学反応器に使用するための超音波ホーンが、選択された超音波周波数で材料を通る超音波の波長にその長さがほぼ等しい材料のユニット式部品として形成される。ホーンは円錐形に成形された遠位端およびその近位端の取り付け表面、さらに、近位端が反応器の外側に延びた状態で、反応器内部に突出した遠位端によってホーンを流式反応器に取り付けるための、近位端と遠位端との間の取り付け具を有する。ホーンは、反応容器内部に流体密封様式でホーンを密封するために、近位端および遠位端の間に密封をさらに含む。ユニット式の構造および円錐形の遠位端により、ホーンは、ホーンまたはその取り付け具への損傷無しに、高出力の超音波を反応器内部に伝達することが可能である。
Description
発明の分野
本発明は、超音波による、液体媒体中の材料の処理に使用されるプロセス用機器の分野に属する。
本発明は、超音波による、液体媒体中の材料の処理に使用されるプロセス用機器の分野に属する。
先行技術の説明
化学的反応を行うための超音波の使用は周知である。超音波の化学的使用を記載している刊行物の例は、Suslick, K.S., Science, vol. 247, p.1439 (1990)（非特許文献1）、およびMason, T.J., Practical Sonochemistry, A User's Guide to Applications in Chemistry and Chemical Engineering, Ellis Norwood Publishers, West Sussex, England (1991)（非特許文献2）である。開発されている様々な超音波処理システムの内、「プローブ」型システムとして知られるものは、超音波エネルギーを生じさせる超音波変換器を含み、増幅のためにこのエネルギーを超音波ホーンに伝達する。
化学的反応を行うための超音波の使用は周知である。超音波の化学的使用を記載している刊行物の例は、Suslick, K.S., Science, vol. 247, p.1439 (1990)（非特許文献1）、およびMason, T.J., Practical Sonochemistry, A User's Guide to Applications in Chemistry and Chemical Engineering, Ellis Norwood Publishers, West Sussex, England (1991)（非特許文献2）である。開発されている様々な超音波処理システムの内、「プローブ」型システムとして知られるものは、超音波エネルギーを生じさせる超音波変換器を含み、増幅のためにこのエネルギーを超音波ホーンに伝達する。
超音波発生装置は一般に、振動を起こすのに必要とされるパワー、および超音波変換器により発生する熱のために、制限されたエネルギー出力のものである。これらの制限のために、大規模な化学的プロセスに対する超音波の使用は限られた成功しか得られなかった。比較的高い出力で超音波振動を実現する一つの方法は、磁歪駆動超音波変換器の使用によるものであるが、磁歪駆動により実現可能な周波数は、なお大きさにおいて中程度である。磁歪超音波変換器およびこれらの化学的反応における使用の開示は、Ruhman, A.A., et al.米国特許第6,545,060号 B1(2003年4月8日発行)（特許文献1）およびその対応するPCT出願WO 98/22277 (1998年5月28日公開)（特許文献2）、ならびにYamazaki, N., et al.米国特許第5,486,733号(1996年1月23日発行)（特許文献3）, Kuhn, M.C., et al.米国特許第4,556,467号(1985年12月3日発行)（特許文献4）, Blomqvist, P., et al.米国特許第5,360,498号(1994年11月1日発行)（特許文献5）, およびSawyer, H.T.,米国特許第4,168,295号(1979年9月18日発行)（特許文献6）に記載されている。Ruhmanらの特許は、流れの方向に対して振動が放射状に方向付けられ、周波数の範囲が最大30 kHzに制限される連続フロー反応器において超音波振動を発生させる磁歪変換器を開示している。Yamazakiらの特許は、圧電素子および電歪素子（electrostrictive strain element）と共に振動発生源と思われるものの一つとして磁歪が記載される、比較的低いパワーで動作する小規模の超音波ホーンを開示している。Kuhnらの特許は、多数の超音波ホーンおよび100 kHz未満の周波数を供給する発生装置を含む、連続フロー処理装置を開示している。Blomqvistらの特許は、共鳴周波数23.5 kHzで動作する、磁歪粉末複合物を使用する超音波発生装置を開示している。Sawyerらの特許は、3セットの超音波変換器を備える流式（flow-through）反応チューブを開示しており、各セットは、4つの変換器を含み20〜40kHzの周波数で超音波を出力する。これらのシステムは、高い反応収率が必要とされる高処理の反応には適していない。
発明の概要
今や、ホーンに対する損傷無しに振動の高いストレスに耐える特別に設計された超音波ホーンを通して、高エネルギーで超音波が反応システムに供給され得ることが発見されている。最適に、本発明のホーンは特定の超音波周波数での使用のために設計され、異なるホーンが、異なる超音波周波数用に設計されて使用され得る。ホーンは固体の細長い共鳴体であり、この好ましい長さは、選択された周波数でホーンを通した超音波振動の単一の波長にほぼ等しい。ホーンは近位端および遠位端を有し、近位端は超音波変換器に動作可能に連結するように適合され、遠位端は流体反応媒体における浸漬に曝露される。遠位端は、少なくともほぼ一つの点に先細になるよう円錐形に成形され、これにより反応媒体中への超音波振動の透過を増強する。近位端および遠位端の間に位置する、ホーン上の取り付け具は、遠位端が容器の内側になり、近位端が外側になる状態でホーンが反応容器の壁面に取り付けられる事を可能にする。
今や、ホーンに対する損傷無しに振動の高いストレスに耐える特別に設計された超音波ホーンを通して、高エネルギーで超音波が反応システムに供給され得ることが発見されている。最適に、本発明のホーンは特定の超音波周波数での使用のために設計され、異なるホーンが、異なる超音波周波数用に設計されて使用され得る。ホーンは固体の細長い共鳴体であり、この好ましい長さは、選択された周波数でホーンを通した超音波振動の単一の波長にほぼ等しい。ホーンは近位端および遠位端を有し、近位端は超音波変換器に動作可能に連結するように適合され、遠位端は流体反応媒体における浸漬に曝露される。遠位端は、少なくともほぼ一つの点に先細になるよう円錐形に成形され、これにより反応媒体中への超音波振動の透過を増強する。近位端および遠位端の間に位置する、ホーン上の取り付け具は、遠位端が容器の内側になり、近位端が外側になる状態でホーンが反応容器の壁面に取り付けられる事を可能にする。
固体の細長い共鳴体はユニット式の構造であり、これは、個々に形成されて溶接により、またはボルト、クランプ、もしくはパーツを合わせて固定する他の任意の方法の使用により連結される複数の部品または構成要素ではなく、単一の連続的な材料から形成されることを意味する。「連続的」は、共鳴体が内部に空隙を含まないことを意味するが、代わりにその外部寸法に従って十分に密集していることを意味する。
本発明の超音波ホーンは、その収率、反応速度、またはその両方が超音波により増強され得る任意の化学反応の実施において有用であり、特に、原油および原油留分の脱硫において有用である。これらの材料の処理における超音波の使用を開示しているプロセスは、共同で所有される米国特許第6,402,939号(2002年6月11日発行)、米国特許第6,500,219号(2002年12月31日発行)、米国特許第6,652,992号(2003年11月25日発行)、米国特許出願第2003-0051988号 Al (2003年3月20日公開)、および米国特許第6,827,844号(2004年12月7日発行)に開示されている。さらなる開示は、係属中の米国特許出願第10/803,802号(2004年3月17日出願)、第10/857,444号(2004年5月27日出願)、および第10/994,166号(2004年11月18日出願)号に見ることができる。一般に、本明細書において引用される全ての特許、特許出願、および刊行物は、その全体が、それによりもたらされ得る全ての法的目的について、参照により本明細書に組み入れられる。
本発明における上述およびその他の目的、利点、および特徴は、後述の説明から明らかであると思われる。
発明の詳細な説明および好ましい態様
上記のように、本発明の超音波ホーンの長さは、超音波振動の波長を基準として最適に選択される。このようにして一旦超音波周波数を選択すると、ホーンが製造される材料における振動の対応する波長、従ってホーンの最適な長手方向の寸法が決定され得る。超音波周波数として公知の周波数は周知であり、その様々な用途の任意のものにおいて、超音波の使用に詳しい者に容易に明らかとなる。一般に、超音波振動は、約15 kHzから約100 kHzの広い範囲内の周波数を有する。本発明の目的に関して、超音波周波数の好ましい範囲は約15 kHzから約30 kHzであり、最も好ましい範囲は約15 kHzから約20 kHzである。好ましくは、ホーンの長さは、ホーンを通って長手方向に伝わる超音波範囲での振動の全波長共振器としてホーンが動作するようなものである。したがって、ホーンの長さは、好ましくはホーンが選択された周波数で特に共振するように選択される。
上記のように、本発明の超音波ホーンの長さは、超音波振動の波長を基準として最適に選択される。このようにして一旦超音波周波数を選択すると、ホーンが製造される材料における振動の対応する波長、従ってホーンの最適な長手方向の寸法が決定され得る。超音波周波数として公知の周波数は周知であり、その様々な用途の任意のものにおいて、超音波の使用に詳しい者に容易に明らかとなる。一般に、超音波振動は、約15 kHzから約100 kHzの広い範囲内の周波数を有する。本発明の目的に関して、超音波周波数の好ましい範囲は約15 kHzから約30 kHzであり、最も好ましい範囲は約15 kHzから約20 kHzである。好ましくは、ホーンの長さは、ホーンを通って長手方向に伝わる超音波範囲での振動の全波長共振器としてホーンが動作するようなものである。したがって、ホーンの長さは、好ましくはホーンが選択された周波数で特に共振するように選択される。
ホーン構築の材料は同様に変更され得、高いストレスに対してであっても高い強度および靭性の材料が望ましい。金属、およびとりわけ鋼鉄が好ましい。現在の好ましい鋼鉄のクラスは2-A工具鋼として鉄鋼業界で承認されている合金などの合金工具鋼であり、これは、0.95〜1.24%の炭素、4.75〜5.50%のクロム、0.90〜1.4%のモリブデン、0.15〜0.50%のバナジウム、および最大1.00%のマンガンを含有するきめの細かい空冷硬化鋼である。2-A工具鋼がその一つである、合金成分として少なくとも約4重量%の濃度でクロムを含有する鋼鉄が好ましい。ホーンの好ましい特性はホーンの長さの範囲として現れ得、したがって約20cm〜約50cmの長さが好ましく、約30cm〜約35cmの長さが最も好ましい。現在好ましい態様において、ホーンは2-A工具鋼であり、超音波周波数は17.5 kHzであり、かつホーンの長さは約31cmである。
ホーンのユニット式構造は、鋼鉄部品を形成する任意の従来の方法によって実現することができる。これらの方法の例は、従来の機械加工および鋳造である。ホーンの任意の部分の粒子構造または強度を損なうことのない任意の方法を使用することが可能である。ホーンは腐食耐性材料により金属被覆されているか、金属被覆されないままのいずれかである。金属被覆されたホーンは、その全体が金属被覆されているか、または反応容器に延びて液体反応媒体と接触する一部のみが金属被覆されている。さらなる選択肢は、ホーンの反応媒体に浸漬される部分の末端表面のみを金属被覆することである。金属被覆材料の例は、銀それ自体および銀が主な成分である合金を含む銀を素材とする金属である。銅、亜鉛、カドミウム、またはこれらの成分の2つまたは3つ以上の任意の組み合わせからなる合金成分と共に、銀が85重量%もしくはそれ以上、または好ましくは90重量%もしくはそれ以上を構成する合金を使用することが可能である。最も好ましいホーンは、金属被覆されていないA-2工具鋼のホーンである。
本発明の超音波ホーンは縦軸を有する細長い共鳴体であり、好ましくは縦軸について対称的に形作られた回転体である。ホーンが回転体であるかに関わらず、縦軸に垂直な平面における本発明の超音波ホーンの断面は軸の長さに沿って変化する。ホーンは、反応媒体への浸漬および媒体への超音波振動伝達のための、容器内部中に突出する一つの末端、ならびに超音波エネルギー源との有効な接触のための、容器外部の他の末端を有し、反応容器への取り付け用、および具体的には超音波変換器との直接的な連結用に設計される。本明細書および添付の特許請求の範囲の目的のため、超音波変換器と連結された末端でのホーンの先端は近位端として定義され、反応容器中に延びて反応媒体に曝露される先端は遠位端として定義される。反応容器への取り付けのため、ホーンは例えばフランジ、ショルダ、延長部分、ボルト孔等などの取り付け具を含み、好ましい態様においては、取り付け具は近位端および遠位端間の縦軸に沿った距離で配置される。
本発明のある特定の態様において、ホーンの取り付け具は、ホーンの近位端、および近位端に連結された超音波変換器が冷却ジャケットに取り囲まれることを可能にする。これらの態様において、変換器および近位端で超音波エネルギーにより引き起こされる温度の上昇を制御するために、冷却剤はジャケットを通して循環する。ホーンはまた、ホーンが反応チャンバ、冷却ジャケット、またはその両方に入る位置でホーンの周りに封を形成するために、好ましくはOリング、ガスケット、または同様のものを含む。
本発明の好ましい態様における断面の変化は一般に、遠位端の断面が近位端の断面よりも小さく、それにより超音波振動の振幅が、少なくともホーンの長さの一部に沿って遠位端へ向かう方向で、最大振幅まで、かつ最も好ましくは遠位端の最小断面積まで増加していくような変化である。これは、ホーン外形における一つまたは複数の先細区画により達成可能である。断面積の減少の程度は、所望される増幅の程度およびホーンが耐え得る振動ストレスの程度に従って、広く変化し得る。最も良好な結果のために、断面積の縮小の割合（%）は、約20%〜約99%、または最も好ましくは約40%〜約85%の範囲に含まれる。
ホーンの遠位端は円錐形に成形されており、ホーン自体が好ましくは縦軸の周りの回転体であるため、遠位端は好ましくは円錐の形に成形される。錐の角度は決定的なものではなく広く変化する可能性があり、大多数の場合における最良の結果は、錐の角度、すなわち約60度から約87度、または好ましくは約75度から約85度の範囲内である錐軸と錐の側面との間の角度により達成される。
多種多様な超音波変換器の任意のものが、ホーン中で超音波振動を発生させるために使用され得る。本発明のホーンが可能とする高いエネルギーレベルのために、好ましい変換器は、周期的に変化する電圧を磁歪によって超音波領域の機械的な振動に変換するループ形の変換器である。ループは好ましくは、隣接するプレートの各対の間の、プラスチック樹脂またはセラミック接着剤などの誘電体を用いて積層された、磁歪材料の薄い平らなプレートを積み重ねた形で形成される。積み重ねの中のプレートの数は、100〜400枚のプレートの範囲であり得、各プレートの厚さは約50ミクロン〜約250ミクロンの範囲であり得る。
好ましくは各プレートは一般に約3cm〜約25cmの範囲のより小さい幅と共に約5cm〜約50cmの範囲の長さを有するが、各プレートのサイズおよび従ってループのサイズは変化し得る。ループの中央の開口部は、典型的に約0.5cm〜約5cmの範囲である。変換器のループは、導電性ワイヤのコイルが巻きつけられ、巻き線は、変電圧が巻き線の両側にかけられた場合にループ内に磁歪振動を発生するように配置され方向づけられる。巻き線は例えば、ループの長手方向の一つの側面に一方向に、かつ長手方向のもう一つの側面に反対方向に巻き付けられてもよい。
変換器は任意の振動電圧を動力とすることができる。振動は、例えば正弦波形から方形波形の範囲の任意の波形が想定され得る。「方形波形」とは、二つの間の段階的な電圧変化により一定の正の値およびベースラインの間で交番する直流電圧を意味する。ベースラインは負電圧またはゼロ電圧のいずれかであり、ベースラインが負電圧の場合、交番する正および負の電圧は好ましくは同一の大きさである。好ましい電圧の振幅は約140ボルトから約300ボルトであり、約220ボルトの単相が最も好ましく、好ましいワット数は約12キロワットから約20キロワットである。電圧振動の周波数は、所望の超音波周波数を達成するように選択される。好ましい周波数は、約10〜約30キロヘルツの範囲であり、最も好ましくは約15〜約20キロヘルツである。
本発明の超音波ホーンが連続的な流式反応器に使用される場合、流れる反応媒体は遠位端におけるホーンの冷却をもたらす。多くの場合、上述のように、反応媒体から独立している冷却システムを使用してホーンの近位端および超音波変換器を冷却することは有益である。ホーンの近位端および超音波変換器の冷却は、これらのループを、その中を冷却剤が通過または循環するジャケットまたはハウジング中に封入することによって、好都合に達成される。ジャケットは反応容器の外側に存在し、上記のように、ホーンに好ましくは第二の取り付け具が備え付けられることによって、その近位端および変換器が流体密封様式でジャケット中に封入されることが可能となる。水は、ジャケット中の循環にとって、一般に効果的かつ便利な冷却媒体である。
本発明に従う超音波発生装置は、回分式（batch-wise）の反応を促進する回分反応器または連続的な様式で実施される反応用の連続フロー反応器いずれかに使用することが可能である。連続フロー反応器が好ましい。
本発明は様々な実施および構成に可能であるが、具体的な態様の詳細な研究により、本発明の構想およびこれらの適用のやり方の完全な理解と共に反応器が提供されると考えられる。一つのこのような態様は、図面に示されている。
図1は、縦軸12についての回転体である超音波ホーン11の外観図である。ホーンの近位端13は図面上部にあり、遠位端14は下部にある。ホーンの反応容器への取り付けのための、取り付けフランジ15は、近位端と遠位端との間に位置する。溝16は、遠位端に近い場所でホーンを取り囲む。この溝は、反応器の内部壁に対してホーンの周囲を密封するために、Oリングを収容する大きさとされ、かつ反応器の空洞の上端の場所を示す。ホーンの近位端13は平らな表面であり、これに超音波変換器（非表示）が取り付けられ、一方遠位端14は円錐形であり、点17に向かって先細りになっている。近位端と遠位端との間に、ホーンは2つの先細区画、すなわち近位端13に近い上部区画18、および遠位端14に近い下部区画19を含む。
図2は、アセンブリ内部に図1に示される型のホーンおよび超音波変換器22を備える反応器および冷却チャンバアセンブリ21の断面図である。アセンブリ21は、連続流式反応チャンバ23、変換器22を取り囲む冷却ジャケット24、および超音波ホーンの近位端13を含む。反応チャンバ23の拡張部分であり、動作中反応媒体も冷却剤も含まない接続シリンダ25は、反応チャンバ23を冷却ジャケット24に連結する。冷却ジャケット24は、フランジ15を取り付け、このフランジ15でOリング26、27により密封することによって、底部で閉じられている。冷却ジャケット24、反応チャンバ拡張部分23、およびホーン11は、フランジおよびボルト28の配置により、ホーンの取り付けフランジ15のレベルで共に固定される。
超音波変換器22は、熱および電気の両方が絶縁されている電線コイルを巻き付けた、ループ形をした電磁石である。コイルにつながる導線31はジャケットの外側を密封ポート32を通って通過し、外部電源、増幅器、および制御装置（非表示）に接続される。冷却剤注入口33は、冷却剤をジャケット内部に導き、熱せられた冷却剤は冷却剤排出口34を通って排出される。
超音波を用いて処理された反応媒体は、ホーンの縦軸12と同軸である注入ポート35を通って反応チャンバ23に入り、反応チャンバの側面上に横方向に位置づけられる出口ポート36、37を通って反応器から排出される。超音波ホーンの遠位端14が注入ポート35の口の中に直接的に位置づけられることによって、注入される反応媒体は遠位端14に当たり、遠位端14表面上を外向きに放射状に流れ、出口ポート36、37を通って排出される。
電源、増幅器、および制御装置を含む動力構成要素は、民間の供給業者から入手可能な従来の構成要素であり、上記の機能を実行できるように、容易に適合可能である。出力DAC（デジタル-アナログ変換器）またはマイクロプロセッサドライブを備えたAgilent 33220AまたはAdvantek 712のような、コンピュータ制御された任意波形発生器、8038集積回路チップから設計された電圧制御波形発生器が使用可能である。任意波形発生器は、パルス周波数を変換器共振周波数に調整することによって超音波出力を最大にするようにパルスソフトウェアが任意波形発生器を制御する、マイクロプロセッサ上の出力DACにより、またはLab VIEW(登録商標)（National Instruments Corporation, Austin, Texas, USA）コンピュータの機能により、自動同調させることができる。正および負のパルス構成要素は、磁歪効果を最大にする全体的なDC構成要素を提供するように調整することも可能である。
フルブリッジパワー構成の一体型ゲートバイポーラトランジスタを動力構成要素として使用することができる。このような構成の一つは、2つのハーフブリッジプッシュプル増幅器の構成で形成される4つの一体型ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）を使用するフルブリッジパワー構成である。ハーフブリッジ区画のそれぞれは、180度位相がずれた非対称方形パルス列により駆動される。各ハーフブリッジ区画を駆動する正および負のパルス構成要素の相対的な量は、最大の超音波出力のために最適化することが可能である。各IGBTは、オプト絶縁駆動トランジスタによりシグナル供給源から絶縁される。
上記は、主に例示を目的に提供される。なお、本発明の範囲内である、本明細書に開示される装置およびシステムの構成要素、それらの配置、使用する材料、動作条件、および他の特徴のさらなる変更は、当業者に容易に理解されると思われる。
Claims (12)
- 一端が近位端として定義されもう一端が遠位端として定義される縦軸を有する固体の細長い共鳴部を含み、
該細長い共鳴部が、超音波振動が可能な材料のユニット式部品であり、この細長い共鳴部の長さが、選択された超音波周波数で該材料を通る超音波の波長にほぼ等しく、
前記の細長い共鳴部が遠位端で円錐形に成形され、かつ、超音波変換器用に近位端に取り付け表面を有し、かつ前記の細長い共鳴部の流式（flow-through）反応器への取り付け用に、遠位端が流式反応器の内部に延びるように近位端および遠位端の間に取り付け具を有する、
超音波ホーン。 - 前記材料が合金工具鋼である、請求項1に記載の超音波ホーン。
- 前記材料が少なくとも約4%のクロムを含有する合金工具鋼である、請求項1に記載の超音波ホーン。
- 前記材料が鋼鉄であり、かつ前記長さが約20cm〜約50cmである、請求項1に記載の超音波ホーン。
- 前記材料が少なくとも約4%のクロムを含有する合金工具鋼であり、かつ前記長さが約20cm〜約50cmである、請求項1に記載の超音波ホーン。
- 前記の細長い共鳴部が、近位端および遠位端の間に先細区画を含む外形を有する、請求項1に記載の超音波ホーン。
- 反応器の内部壁表面に対してホーンを密封するために、取り付けフランジと遠位端との間に密封手段をさらに含む、請求項1に記載の超音波ホーン。
- 縦軸、および流入する反応混合物を縦軸に沿って導くように配置された注入ポート、および排出ポートを有する反応容器、ならびに
一端が近位端として定義されもう一端が遠位端として定義される縦軸を有する固体の細長い共鳴部を含み、該細長い共鳴部が、超音波振動が可能な材料のユニット式部品であり、この細長い共鳴部の長さが、選択された超音波周波数で該材料を通る超音波の波長にほぼ等しく、前記の細長い共鳴部が遠位端で円錐形に成形され、かつ、超音波変換器用に近位端に取り付け表面を有し、かつ前記の細長い共鳴部の前記反応容器への取り付け用に、遠位端が反応容器の内部に延びるように近位端および遠位端の間に取り付け具を有する、超音波ホーン
を含む、連続流式（flow-through）反応器。 - 前記ホーン材料が合金工具鋼である、請求項8に記載の連続フロー反応器。
- 前記ホーン材料が少なくとも約4%のクロムを含有する合金工具鋼である、請求項8に記載の連続フロー反応器。
- 前記ホーン材料が鋼鉄であり、かつ前記長さが約20cm〜約50cmである、請求項8に記載の連続フロー反応器。
- 前記ホーン材料が少なくとも約4%のクロムを含有する合金工具鋼であり、かつ前記長さが約20cm〜約50cmである、請求項8に記載の連続フロー反応器。
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