JP2010524679A - 超音波ノズル - Google Patents

Abstract

コーティングを基材の外面に塗布するための超音波ノズル。超音波ノズルは、振幅を有する超音波ノズルを有する。振幅は１２０マイクロメートルよりも大きい。

Description

本発明は、流体を基材に塗布するのに使用される超音波ノズルに関する。

様々な作業、特に食品加工は、流体コーティング材料の塗布を伴う。従来、流体コーティング溶液又はスラリーは、噴霧を形成するために、スラリー供給の静水圧のみを使用して噴霧パターンでスラリーを散布する従来の噴霧ノズルによって、食品基材に塗布される。有用かつ効果的である一方で、従来の静水圧スラリーの制限されたオリフィスの放出ノズルの容易さは、多数の不利点を有する。

一つの不利点は、低流速、特に５００ｍＬ／分を下回る流速を適用するのが困難なことである。従来の静水加圧ノズルは、正確な流速でよい噴霧パターンを維持することが困難であることが知られている。これらの低流速は、特に、高価又は高機能な材料を塗布するときに、食品基材への流体添加剤に要求される場合が多い。

別の不利点は、大きい粒径のスラリーを噴霧するのは困難さを伴う。これは、従来の静水加圧ノズルに対するオリフィス径が、典型的には、直径５００μｍを下回るためである。ノズル詰まりは、スラリー塗布の主な不利点の１つであることが知られている。

更に別の不利点は、ノズルの内部上のスラリーの緩やかな蓄積を伴う。この蓄積の後に、ノズルは、徹底的に洗浄されなければならない。様々な要因に応じて、洗浄作業は、少なくとも１日に１回、あるいは１作業シフトに１回の頻度で行われなければならない。したがって、ノズルの洗浄は、通常実行するのに最大で１時間かかる、作業衛生の標準的な要素である。したがって、スラリー蓄積は、メンテナンスサービスの直接コストを必要とする。更に重要なことには、ほとんどの処理ラインは概して連続しているため、スラリー蓄積は、全処理ラインの休止時間のより大きなコストをもたらす可能性がある。

更に別の問題は、毎秒５０メートルを超える速度に達し得る、従来の静水加圧ノズルからの噴霧の運動量にある。そのような噴霧の運動量は、食品と密接に関連した場合、製品の形状及び歯触りを損なう可能性がある。それはまた、加工ライン上の製品の包装配列を混乱させ得る。これらの制限は、製品流に対するノズルの潜在的位置を制限する。

更に別の問題は、過剰噴霧により失われた大量の高価な成分にある。従来のノズルは、大きい液滴直径分布を有し、小さい標的領域に噴霧を含有することを困難にする。大きい液滴直径分布は、相当量の極めて微細な液滴が生成され得ることを意味する。これらの微細液滴は、十分な質量を有さず、周囲環境に失われる場合が多い。更に、これらの微細液滴は、吸入による潜在的な健康上のリスクをもたらす可能性がある。

驚異的に、超音波を使ったスラリーノズルの使用は、食品基材の流体コーティングに劇的な改善をもたらす。

本発明は、コーティングを基材の外面に塗布するための超音波ノズルである。超音波ノズルは、振幅を有する超音波ノズルを有する。振幅は１２０マイクロメートルよりも大きい。

本明細書は、本発明を特に指摘し明確に請求する特許請求の範囲をもって結論とするが、本発明は、添付図面についての以下の説明からより深く理解されるものと考えられ、図面では、同様の参照番号は、同一の要素であるとする。
超音波装置の配列の側面図。 超音波装置の配列の概略図。 本発明の装置及びシステムの切り欠かれた部分及び概略的に示された部分を有する斜視図。 噴霧パターンの平面図。 経時的なノズルへの電力入力の図形表示。

本明細書の図面は、必ずしも一定の比率の縮尺で描かれてはいない。

セクションＩ．は、本発明の特徴を最も良く理解する助けになると思われる用語を提供するものであり、本明細書中でそれらの用語が用いられている文脈に一致しない用語に制限をもたらすものではない。これらの定義は、限定することを意図していない。セクションＩＩ．では、超音波ノズルを組み込むのに使用される装置について説明する。

Ｉ．用語
本明細書で使用するとき、「振幅」は、ノズルチップの振動変位と見なされる。変位は、最大振幅から測定される。

本明細書で使用するとき、「食用基材」又は「基材」は、その上に配置された流体を有することができる、消費に好適ないずれの材料も包含する。いずれの好適な食用基材も、本明細書の本発明に関して使用することができる。好適な食用基材の実施例としては、スナックチップ（例えば、薄切りポテトチップ）、加工スナック（例えば、トルティーヤチップ、ポテトチップ、ポテトクリスプ等の加工チップ）、押出スナック、クッキー、ケーキ、チューイングガム、キャンディ、パン、乾燥果物、ビーフジャーキー、クラッカー、パスタ、ホットドッグ、薄切り肉、チーズ、パンケーキ、ワッフル、乾燥果物フィルム、朝食用シリアル、トースターペストリー、アイスクリームコーン、アイスクリーム、ゼラチン、アイスクリームサンドイッチ、アイスポップ、ヨーグルト、デザート、チーズケーキ、パイ、カップケーキ、イングリッシュマフィン、ピザ、パイ、ミートパティ、及びフィッシュスティックが挙げられるが、これらに限定されない。

食用基材は、いずれの好適な形態であることもできる。例えば、基材は、消費できる状態の最終食品、消費前に更なる調製が必要な食品（例えば、スナックチップの生地、乾燥パスタ）、又はこれらの組み合わせであることができる。更に、基材は堅いことも（例えば、加工スナックチップ）、又は堅くないことも（例えば、ゼラチン、ヨーグルト）できる。

加えて、食用基材は、これらに限定されないが犬用ビスケット及び犬用おやつのようなペットフードを包含することができる。

好ましい実施形態では、基材は、揚げ加工スナックチップである。流体は、いかなる好適な手段によってもスナックチップ上に配置することができる。例えば、流体は、揚げ加工スナックチップを製造するためにチップの生地が揚げられる前に、生地上に配置することができるか、又は流体は、チップが揚げられた後にその上に配置することができる。

１つの実施形態では、加工スナックチップは、米国特許第５，４６４，６４３号（ロッジ（Lodge））、並びに米国特許第６，０６６，３５３号及び米国特許第５，４６４，６４２号（ビラグラン（Villagran）ら）に記載されるもののような加工ポテトクリスプである。

本明細書で使用するとき、「コーティング」という用語は、薄いフィルムを指す。

本明細書で使用するとき、「臨界電力」という用語は、ノズルから液体を噴出するのに十分な最小電力レベルを指す。

本明細書で使用するとき、「流体」という用語は、均質な液体、スラリー及び流動性ペースト、並びに粉末を指す。

本明細書で使用するとき、「圧電効果」という用語は、印加された機械的応力に反応して電圧を生成する、結晶及びあるセラミック材料の能力である。圧電効果は、圧電性結晶が、外部から印加された電圧を受けると、わずかに形状を変化させることができるという点で可逆的である。効果は、音の生成及び検出等、有用に応用される。本明細書で使用するとき、「圧電変換器」という用語は、圧電材料で構築されるアクチュエータ及びセンサーを指す。

本明細書で使用するとき、「磁歪」という用語は、それらが磁場を受けるとそれらの形状を変化させられる、強磁性材料の特性である。磁歪材料は、磁気エネルギーを運動エネルギーに、又は逆に変換することができる。磁歪材料で構築されるアクチュエータ及びセンサーは、磁歪変換器である。本明細書で使用するとき、「磁歪変換器」という用語は、磁歪材料で構築されるアクチュエータ及びセンサーを指す。

本明細書で使用するとき、「位置合せパルス」という用語は、時間内に事象と一致させるように振動ノズルから出てくる噴霧をパルスするために、コンバータの電力レベルを調節することを指す。

本明細書で使用するとき、「固体」という用語は、流体に溶解されない粒子を指す。

本明細書で使用するとき、「粘度調整剤」という用語は、流体の粘度を変化させる、又は他の材料を懸濁する流体の能力を高める材料を指す。

本明細書で使用するとき、「構造化剤」という用語は、流体の粘度を変化させる、又はずり減粘度を与えることによって、他の材料を懸濁する流体の能力を高める材料を指す。

ＩＩ．本発明
本発明の超音波ノズル１４は、材料（例えば、塩、調味料、風味剤、ビタミン、栄養素、又は他の微粒子）のチップ等の基材への正確な送達に基づいて、これらの基材の配列において１つの基材毎に、風味強度及び／又は風味種類を正確に制御する能力を含む、多数の効果をもたらす。更に、超音波ノズルは、基材の正確な領域のみが添加材料を受容するように、所定の量の正確な送達及び基材の正確な標的を提供する。これは、塩の塗布に有用であることができ、例えば、より正確な塗布が、成分表示におけるより低いナトリウム値の表記を可能にすることができる。加えて、超音波ノズルは、そうでなければ失われ得る、基材の外側への高価な添加材料の塗布の回避によってコスト削減の更なる利点を提供し、次に、塗布される材料の再循環流を生成する必要性を最小限に抑えるか、又は排除する追加の利点を有する。

更に、本発明の超音波ノズルは、以下のような多数のプロセス効果を提供する。
ａ．製造休止時間を大幅に削減する、同一生産ライン上の１つの風味／強度から別の風味／強度への速い切り替え。
ｂ．再循環流が、添加材料をその再循環流に添加する恐れなく捕捉されるプロセス領域において、微粒子をここで添加することができるため、製造柔軟性及び効率性の漸進的な増大を可能にする、添加材料の添加を正確に「パルスする」能力（例えば、生地を切った後の未使用の生地、揚げた後のチップの排液からの余分な油等）。
ｃ．多数のノズルが連続して配置されることを可能にし、製品の単一流に多数の効果を提供する、流体又はスラリーのパルス送達（例えば、１つおきの基材若しくはチップ（又はそれらの群）は、感覚的な満腹感を回避するために、異なる風味で味付けされてもよい）。
ｄ．噴霧特性に悪影響を及ぼすことなく、流速を変化させる柔軟性を提供する、変化するライン速度に一致するように、超音波噴霧量を容易に調整すること。
ｅ．超音波による噴霧は、噴霧ノズルの小オリフィスを通過する加圧ジェット流体の運動エネルギーによって生成されないため、超音波ノズルは、典型的には、従来の噴霧ヘッドよりも数倍大きい直径のオリフィスを有するので、詰まりの心配なくはるかに大きい粒径の固体粒子を有するスラリーの塗布を可能にする能力。
ｆ．超音波噴霧は圧力によって生成されず、それは弱い方法で噴霧するため、基材への噴霧の衝撃力を最小限に抑える能力。
ｇ．特別及び／又は不連続の効果を有する製品流を可能にする、様々な位置にノズルを配置し、特定の基材要素を正確に標的にする能力。

正確なポンプ／計量ノズルと連結されると、基材の部分間の変動の心配なく特殊コーティング（例えば、栄養素添加、医薬品化合物等）の均一分布の送達が可能である。

図１を参照すると、スナックチップなどの基材１１（図２に図示）は、超音波ノズル１４を組み込み図１に概略的に示される超音波装置１０を使用して以下のセクションＢで説明される方法に従って風味付けされる。第１に、電力は、制御３１、超音波電力供給１２、加熱要素２９（高粘度流体に対して任意）、及び定量ポンプ（図示せず）に印加される。

図１に示すように、電力は、絶縁チャンバ（図示せず）内に位置する加熱ブロック２９に電力を供給するために、加熱制御２８によって制御される。加熱ブロック２９は、電気抵抗ヒーター（図示せず）を備えてもよく、その温度は、加熱制御２８によって制御される。加熱ブロック２９は、揚げコーン風味等の、基材１１（図２）への流体１９の塗布を容易にするために、その臨界温度を上回って流体１９を加熱するために使用されてもよい。

第２に、制御３１は、以下を有するように設定される。
ａ．低及び高パルス電圧設定。
ｂ．パルス幅（高振幅におけるパルスの持続時間）。
ｃ．遅延時間（光センサー２７からの信号の検出と高電圧パルスの超音波電力供給１２への送信との間の時間）。
ｄ．加熱要素２８に要求される温度（高粘度流体に対して任意）。
ｅ．定量ポンプ（図示せず）に要求される流速。

図１に示すように、第３に、制御３１は、ポンプ及び超音波ノズル１４を開始する。超音波ノズル１４は、制御３１からの低電圧によって決定される低振幅３８（図５に図示）で振動する。光センサー２７が基材（図示せず）を検出するとすぐに、それは制御３１に信号を送信する。制御３１は、次に、高電圧で、事前設定時間及び事前設定パルス幅でパルスを送信する。制御３１からの高電圧のパルスに反応して、超音波電力供給１２は、超音波コンバータ１３に印加されるその駆動電圧を増加させ、その圧電の性質によって、この高駆動電圧を高振動振幅に変換する。この増加した機械的振動振幅は、超音波ノズル１４へのよい超音波連結によって機械的に伝達される。制御ユニットからの高電圧の最終的な短パルスは、最終的に、高振幅３９（図５に図示）において短時間の機械的振動に変換される。高及び低振幅の選択は、噴霧が高振幅３９（図５に図示）においてのみ発生するような選択である。遅延時間の選択は、噴霧が各通過する基材（図示せず）に対して正しく時間が決定されることを確実にする。パルス幅の選択は、噴霧が、過剰噴霧なしで基材（図示せず）の長さによって中断されることを確実にする。

一実施形態では、複数の振動ノズル１４は、カバー付き冷却コンベヤー内の連続ベルト上で搬送されている間に、焼きスナック製品に霧化ミストを吹き付けるために使用されてもよい。

別の実施形態では、流体１９は、連続及び／又は並行して位置する一連の振動ノズル１４を介して塗布されてもよい。直列の振動ノズル１４は、機械の方向に様々なコーティング効果を加える能力、又は流体１９の増加したレベルを与える能力をもたらす。並列した振動ノズル１４は、例えば、調理時に生地シートの挙動がどのようなものであるかを修正するための、歯触り、脂肪吸収を修正するための、又は製品に風味付けするためのコーティングによる生地シートのコーティング等の、製品コーティングの複数のレーン、又は基材全体の潜在的に均一なコーティングを可能にする。

別の実施形態では、噴霧は、制御における高及び低電圧設定が同一の値に設定される、連続モードで塗布されてもよい。

図２を参照すると、基材１１を被覆するための超音波装置１０は、電力供給１２と、コンバータ１３と、振動ノズル１４とを含む。

以下は、超音波装置１０の各構成要素を詳述する。
ｉ．電力供給
図１を参照すると、超音波装置１０は、ケーブルを介してコンバータ１３に電気エネルギーを供給する電力供給１２を備え、高周波数（典型的には、約２０ｋＨｚ〜約２００ｋＨｚ）の電気エネルギーは、例えば、圧電コンバータ装置によって、振動の機械的運動に変換される。

超音波装置１０に供給される電力は、本発明のプロセス中に変動されてもよい。

超音波噴霧に対して、電力レベルは、概して、１５ワット未満である。電力は、電力供給１２上の出力レベルを調整することによって制御される。

要求される電力の正確な大きさは、いくつかの要因による。これらは、ノズルの種類、動作周波数、流体特性（例えば、粘度、固形分）、及び流速を含む。

ノズルの種類及び動作周波数
各ノズルの種類は、その特定の形状及び他の要因によって、概して、同一の流体に対して異なる臨界電力レベルを有する。例えば、４８ｋＨｚのノズルの臨界電力レベルは、実質的な流速で幅の広い噴霧パターンをもたらすために、円錐形の噴霧表面を有して設計され、概して、水を噴霧する際に約３．５〜約４ワットの入力電力になる。同一周波数で動作するが、マイクロフロー動作（非常に小さい噴霧表面）のために設計された別のノズルは、水を噴霧するために約２ワットのみを必要とし得る。

噴霧されている流体の種類は、最小電力レベルに強く影響を及ぼす。高固形分を有するより粘性の高い流体は、概して、最小電力要件を増加させる。例えば、前段落で述べた円錐形の噴霧表面を有する４８ｋＨｚのノズルは、噴霧されている流体が、２０％の固形分のイソプロパノール系材料である場合、少なくとも８ワットの入力電力を必要とし得る。

流体特性
流体（以下を参照）と題するセクションｉｖ．は、超音波噴霧のためのよい候補である流体の更なる情報を提供する。

流量
流速はまた、最小電力レベルを決定する役割を果たす。所定のノズルに対して、ノズルはより高い流速でより激しく動作するため、流速が高くなるほど、必要な電力は高くなる。振動ノズル１４は、数マイクロリットル／分〜約３５０ｍＬ／分超の広範な流速に及ぶことができる。観察の結果として、なおも適切な噴霧又は臨界流速を可能にする最大流速は、約３０ｃｍ／秒からである。一実施例として、２．５ｍｍのオリフィス直径を有する振動ノズル１４に対して、これは、連続噴霧を仮定して、約８８ｍＬ／分からの最大流速になる。特定のノズルの流速範囲は、以下の要因によって決定される。電力供給、動作周波数、オリフィス径、噴霧表面積、及び流体特性。

図２を参照すると、オリフィスの径は、最大及び最小流速の両方を決定する重要な役割を果たす。最大流速は、噴霧表面上に現れる際の流体流の速度に関する。噴霧プロセスは、この表面上に広がり、表面張力波を生成する流体流に依存する。低流速度では、表面力は、流体を「引き付け」、それを表面に粘着させるのに十分強力である。流れの速度が増加すると、表面力が、流れの運動エネルギーによって克服され、流れを表面から完全に分離させる、臨界速度が達せられる。

理論的には、プロセスは圧力と無関係であるため、いずれのオリフィスの径に対しても低流速限界はない。しかしながら、実際面で、下限は存在する。流量が減少すると、速度があまりに低くなり、流体が不均一な円周方向で噴霧表面上に現れ、噴霧パターンを変形させる状態となる。安定した噴霧パターンが重要ではない、いくつかの塗布では（例えば、いくつかの化学反応チャンバ）、この変形は許容され得る。パターンの完全性が不可欠である他の塗布では（例えば、表面コーティング）、低速度流の変形は許容できない。そのような場合において実際には、所定の径のオリフィス３７からの流れの最小速度は、最大速度の約２０％の速度である。最大流速が８８ｍＬ／分である、上記の実施例に対して、最小流速は、約１８ｍＬ／分である。

利用可能な噴霧表面積の量は、所定のノズルからの利用可能な最大流速に影響を及ぼす最終的な要因である。所定のサイズの噴霧表面は、それがどれほどの流体を支持することができ、それでもなお表面張力波を生成するために要求されるフィルムを生成することができるかに関する制限を明らかに有する。表面上に「放出された」量があまりに大きくなると、それは、流体フィルムを維持する表面の能力を圧倒する。

最後の要因である流体特性は、流体のセクションで述べられている。流体が、噴霧することが困難であるほど、所定のノズルに対するその最大流速はより低くなる。

最大持続可能流速は、ノズルのチップの表面積だけではなく、振動ノズル１４の動作周波数によっても決まる。より低い周波数のノズルは、同一の噴霧表面積を有するより高い周波数のノズルよりも、より大きい流速に対応することができる。

要約すると、所定のノズルに対する最大流速を決定することができる要因は、数多くある。しかしながら、いかなる場合においても、これらの要因の１つのみが、限界を設定する。例えば、噴霧しにくい材料を取り扱っている場合、最大流速は、オリフィスの径でも利用可能な表面積でもなく、流体の噴霧可能性のみによって決まる可能性が高い。同様に、容量が利用可能な噴霧表面積の容量を超えるオリフィス３７を備える、振動ノズル１４を有する場合、表面積は制限要因となる。制限要因間のこの相互作用は、所定の塗布のために振動ノズル１４を特定する上で重要である。

ｉｉ．コンバータ
図１を参照すると、上記のように、コンバータ１３の出力は、ブースターアセンブリ１５（図示せず）と呼ばれるもので増幅することができる。しかしながら、振動ノズル１４の選択設計は、十分な振幅利得を生成し、別個のブースターアセンブリの必要性を排除することができる。概して、いずれの種類のコンバータが使用されてもよい。一実施形態では、圧電性ジルコン酸チタン酸鉛結晶（「ＰＺＴ」）コンバータが使用されてもよい。そのようなコンバータの一実施例は、米国コネチカット州ニュータウン、０６４７０に拠点を置くソニックス＆マテリアルズ（Sonics & Materials）によって製造される、バイブラセルモデルＣＶ ３３（VibraCell Model CV 33）である。コンバータ１３の振動の振幅は、電力供給上で設定することができる。例えば、２０ｋＨｚのコンバータは、全振幅設定にて２０μｍの振動振幅を提供する。

ｉｉｉ．振動ノズル
ここで図１を参照すると、概して参照番号１４で言及される超音波ノズル１４の第１の実施形態が示されている。振動ノズル１４は、第１の末端部１７と第２の末端部１８とを含む。振動ノズル１４の第１の末端部１７は、コンバータ１３に接続される。ノズル１４の第２の末端部１８は、流体１９のための出口を提供し、それによって、ノズル１４から出る流体１９は、微細に噴霧され、実際には、基材１１上にミスト又は霧の形で吹き付けられる。第２の末端部１８は、振動ノズルチップ３２を備える。ノズルチップ３２は、オリフィス３７を備える。オリフィス３７は、周囲４２を有する。周囲４２は、約０．１ｃｍ〜約１．０ｃｍであることができる。その名前が示すように、振動ノズルは、ヒトの聴覚範囲を超える高周波数の音波を利用する。

ディスク形状のセラミック圧電コンバータ１３は、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する。コンバータ１３は、電力供給１２から高周波数の信号の形で電気入力を受信し、それを同一の周波数で振動運動に変換する。

振動ノズル１４は、圧電性結晶（図示せず）の励起が、振動ノズル１４の長さに沿って横方向定在波を生成するように構成される。大きい直径の振動ノズル１４に位置する結晶（図示せず）から生じる超音波エネルギーは、振動ノズル１４の長さを横断する際に、定在波として、段階的移行及び増幅を経験する。

図２を参照すると、振動ノズル１４は、節面が結晶（図示せず）間に位置するように設計される。超音波エネルギーが噴霧に効果的であるために、噴霧表面（振動ノズルチップ３２）は、振動振幅が最大である波腹に位置しなければならない。これを達成するために、振動ノズル１４の長さは、半波長の倍数でなければならない。波長が動作周波数によって決まるため、振動ノズル１４の寸法は、周波数によって決定される。一般的に、高周波数の振動ノズル１４はより小さく、より小さい滴を生成し、その結果として、より低い周波数で動作する振動ノズル１４よりも小さい最大流量を有する。

図１を参照すると、振動ノズル１４の長さに及ぶ、大きく、詰まりのない供給チューブ３３を通して、噴霧表面上に導入される流体１９は、振動エネルギーの一部を吸収し、表面上の流体１９に波動を提供する。流体１９が噴霧されるために、噴霧表面の振動振幅は慎重に制御されなければならない。いわゆる臨界振幅を下回ると、エネルギーは、霧化された滴を生成するのに不十分である。振幅が過度に高い場合、流体１９は文字通り引き裂かれ、流体１９の「塊」が噴出され、その状態はキャビテーションとして知られる。入力電力の狭帯域内においてのみ、振幅は、振動ノズル１４に特有の微細な低速度ミストを生成するのに理想的である。

コーティング塗布において、加圧されていない低速度噴霧は、滴が基材１１を跳ね返るよりもむしろ、その上に落ち着くため、過剰噴霧の量を大幅に減少させる。これは、実質的な材料節減及び環境への放出の削減につながる。加えて、噴霧は、補助空気流路に速度の遅い噴霧を取り込むことによって、正確に制御及び形状決定することができる。

約２ｍｍの小さい幅から３０〜６０ｃｍほどの幅の噴霧パターンを生成することができる。図４を参照すると、異なる可能な噴霧パターンが示される。噴霧パターンの幅要件及び要求される流速に応じて、噴霧表面は、非常に小さい直径、又は延長した平らな部分３６を有してもよい。例えば、振動ノズル１４は、円錐状の噴霧表面から生じるコーン形状の噴霧パターン３４を有することができる。典型的には、約５０ｍｍ〜約８０ｍｍの噴霧の包絡線直径を達成することができる。別の実施例は、０．３８〜１．１ｍｍのオリフィスの径を有するマイクロ噴霧パターン３５である。この噴霧パターンは、通常、流速が非常に遅く、狭い噴霧パターンが必要とされる塗布での使用を対象にしている。

振動ノズル１４は、その良好な音響特性、高い引張り強度、及び優れた耐腐食性の理由で、チタンから製造される。

具体的に、好ましい実施形態では、振動ノズル１４は、いずれの形状であることもできる。一実施形態では、振動ノズルは円筒形である。

本発明の振動ノズルは、不定期間、定位置に組成物を保持することができる、当業者に既知のいかなる材料からも製造することができる。軟質材料又は堅くない材料を使用することができるが、実質的に直立した位置の状態のままでいるのに十分堅い材料が好ましい。そのような材料としては、アルミニウム、ステンレス鋼、及びチタン等の金属、ダイヤモンド、並びにこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。

ｉｖ．流体
図２を参照すると、流体１９は、全流速がポンプＲＰＭによって正確に調整される、容積式（以下「ＰＤ」）ポンプで供給される。ＰＤポンプの使用は、流体粘度、流体中の風味成分の濃度、風味付けされている製品のスループット等の要因への流速の依存性を削減することによって有利である。

微細液滴への分散が可能である、いずれの好適な粘度のスナック食品風味流体も、本発明で使用することができる。限定されない実施例として、約０．００１Ｐａ・ｓ（１センチポアズ）から０．５６Ｐａ・ｓ超（５６０センチポアズ）の４３．３℃（華氏１１０度）における粘度を有する流体１９が、本発明で使用されてきた。

単一振動ノズル１４に対する流体１９の望ましい流速は、流体中の風味成分の濃度、風味付けされている製品のスループット、最終製品の望ましい風味強度等に応じて異なってもよい。限定されない実施例として、単一振動ノズル１４に対して、最大で３００ｍＬ／分の流速が本発明で使用されてきた。

流体１９の物理的性質は、いずれの噴霧プロセスの最終的な成功においても中心的役割を果たす。粘度、固形分、構成要素の混和性、及び流体の特定のレオロジー挙動等の要因は、結果に影響を及ぼす。

本発明は、担体又は担体の混合物（例えば、油、ポリプロピレングリコール、及び水）、並びに風味剤、砂糖、スパイス、及び口当たり剤（例えば、レシチン、グリセリン）を含む機能性化合物を含有する流体、並びに所望の味目的及びプロセス可能性への流体変性剤（例えば、マルトデキストリン、カルボキシルメチルセルロース）とともに使用することができる。流体特性は、約０．００１Ｐａ・ｓ〜約０．５Ｐａ・ｓ（１〜約５００ｃｐｓ）の粘度、約４５％よりも小さい固形分、約１８５ｕｍよりも小さい、より好ましくは約１００ｕｍよりも小さい、最も好ましくは約５０ｕｍよりも小さい粒径を有する、自由流動性液体又は、スラリー若しくはペーストとして定義される。

ｖ．プロセスモード
図２を参照すると、超音波装置１０は、典型的には、連続モードで動作される。しかしながら、超音波装置１０はまた、パルス噴霧又は位置合せ噴霧で動作することができる。

ａ．パルス噴霧
パルス超音波噴霧は、例えば、数秒毎に１パルス等の低い繰り返し率で、超音波電力を断続的に動作させることによって達成することができる。基材間の間隙ではなく、一連の速く移動する基材における各基材にコーティングを送達するために、噴霧はパルスされる必要があり、パルスは、開始タイミング及び持続時間で正確に制御される必要がある。

図２を参照すると、流体１９は、一定流速で供給される。パルス噴霧は、超音波電力１２を常に動作中に保持しながら、約２０ｋＨｚからの電力供給１２の振幅を調節することによって達成される。高及び低振幅は、噴霧が高振幅の間のみ発生するように選択される。流体１９は一定流速で供給されるため、流体１９が噴霧されていない低振幅において、それは、毛管力によって振動ノズル１４のオリフィス３７を湿潤させ、噴霧するために高振幅の出現を待つ。高振幅の持続時間（パルス幅）は、基材１１（図１）又はチップの長さにわたって過剰噴霧がないように決定される。理論的には、持続時間は、基材１１が振動ノズル下にある時間、又は基材１１の速度によって割られる基材の長さよりも小さくあるべきである。実際には、媒質の電気機械的反応及び粘度の性質の理由から、より短いパルス持続時間が必要とされる。パルスのタイミングは、光センサー２７（図１に図示）によってトリガーされる。

パルス噴霧を達成するための別の実施形態は、例えば、パルス運動で流体を移動させるポンプを使用して、流体をパルスすることである。パルスの速度は、ポンプＲＰＭによって調整されてもよい。

更に別の実施形態では、加圧空気は、断続的に流体パイプに注入されることができ、少量のエアポケットで流体を定期的に分割する。次いで、パルス噴霧は、エアポケットによって生成された不連続性によって達成される。

更に別の実施形態では、望ましくない領域における材料の堆積を回避するために、流れを定期的に偏向させる／捕捉する／再循環させるために、機械的偏向を採用することができる。

ｂ．位置合せ噴霧
パルス超音波噴霧の制御論理の選択との組み合わせは、新しい製品提供を可能にする新しい処理柔軟性を提供することができる。限定されない一実施例では、２つの振動ノズル１４が同一の列上にあり、それぞれは、異なる調味料を散布し、例えば、以下は、ｘがチップを表し、ｙがチップを表す、考えられる製品の変化形の一部である。
ｉ．例えば、ｘ、ｙ、ｘ、ｙと、１つのチップ毎に風味を入れ替える。
ｉｉ．例えば、ｘ、ｘ、ｘ、ｙ、ｙ、ｙと、チップ数で風味を入れ替える。
ｉｉｉ．例えば、ｘ、ｙ、ｙ、ｙ．．．又はｘ、ｘ、ｘ、ｙと、ｘ対ｙの異なる周波数を有する。
ｉｖ．Ｘｙ、Ｘｙ、ｘＹと、同一チップ上に同一又は異なる強度のいずれかのｘ及びｙを有する。
ｖ．例えば、前半にｘ及び後半にｙと、同一チップ上であるが異なる位置にｘ及びｙを有する。
ｖｉ．上記のいずれかの組み合わせ。
ｖｉｉ．２つに限定されないいかなる数。

基材の他の変化形は、ウェン（Wen）らによる「食用基材上の風味剤塗布（Flavor Application on Edible Substrates）」と題する、２００６年９月２２日出願の現在係属中の同一出願人による、米国特許出願第６０／８４６，５７５号、及びウェン（Wen）らによる「食用基材上の風味剤塗布（Flavor Application on Edible Substrates）」と題する、２００６年９月２２日出願の同第６０／８４６，４４３号に記載される。

組み合わせは、色、画像、及びテキスト情報等の選択肢の視覚効果に風味剤を位置合せすることを含むように、拡張され得る。すぐに可能であることの１つは、位置合せパルス噴霧をデジタル印刷技術と一体化させ、印刷された情報の位置合せされた風味剤との関連を可能にすることである。デジタル印刷技術は、ルーファン・ウェン（LuFang Wen）らによる「食用基材上の画像多様性（Image Variety on Edible Substrates）」と題する、２００４年７月８日出願の現在係属中の同一出願人による、米国特許出願第１０／８８７，０３２号、ルーファン・ウェン（LuFang Wen）らによる「食品塗布のためのインクジェット用インク（Ink Jetting Inks for Food Application）」と題する、２００５年８月１１日出願の同第１１／２０１，５５２号、デチャート（Dechert）らによる「高信頼性及び画像品質を有するスナックのインクジェット印刷（Ink Jet Printing of Snacks with High Reliability and Image Quality）」と題する、２００６年４月２５日出願の同第１１／４１０，６７６号、及びジェフリーＷ．マーティン（Jeffrey W. Martin）による「食用基材上の画像記録（Image Registration on Edible Substrates）」と題する、２００６年４月５日出願の同第１１／３９８，２９４号に開示される。

ｖ．噴霧プロセス
図１を参照すると、超音波噴霧プロセスは圧力に依存しないため、単位時間当たりの振動ノズル１４によって噴霧される流体１９の量は、振動ノズル１４と関連して使用される流体送達システムによって主に制御される。振動ノズル１４に対する流速範囲は、毎秒数マイクロリットルの低さから最大で約４００ｍＬ／分であることができる。特定の振動ノズル１４及び採用される流体送達システムの種類（ギアポンプ、シリンジポンプ、加圧リザーバ、蠕動ポンプ、重力送り等）に応じて、技術は、非常に多様な流量／噴霧可能性を提供することができる。

流体１９を、転動ドラム２３（図３）又はコンベヤー２６（図２）内で基材１１に下方に落ちる微細液滴に縮小するのに十分な、いずれかの好適な流体流速が、本発明に従って使用されてもよい。限定されない実施例として、単一振動ノズル１４に対して、毎分約数マイクロリットルから最大で約４００ｍＬ／分の流体流速が、約０．００１Ｐａ・ｓ（１センチポアズ）〜約０．５６６Ｐａ・ｓ（５６６センチポアズ）の４３．３℃（華氏１１０度）における粘度を有するスラリーで、本発明に従って使用されてきた。振動ノズル１４の振幅は、様々な粘度の流体１９及び／又は流体流速の変化を補うために調整されてもよい。一般的に、流体粘度及び／又は流体流速が増加すると、流体を微細液滴に縮小するために、増加した振動ノズル１４の振幅が要求される。

一般的に、超音波噴霧によって生成される滴は、比較的狭い粒径分布を有する。平均滴径は、特定の種類の振動ノズル１４の動作周波数に応じて、約１８〜約６８マイクロメートルに及ぶ。一実施例として、約４０マイクロメートルの平均滴径の直径を有する２０ｋＨｚにおける振動ノズル１４に対して、滴の９９．９％は、約５〜約２００マイクロメートルの直径範囲に入ることができる。

ｖｉ．材料
様々な材料及び器具が既知であり、これらの目的に好ましいが、電力供給及び変換器は、ソニックス＆マテリアルズ（Sonics & Materials）から入手可能な、バイブロセル７５０（VibroCell 750）である。

ｖｉｉ．任意成分
図２を参照すると、一代替実施形態では、超音波装置１０は、空気装置２０を任意に含んでもよい。空気供給２１は、空気装置２０に流動する圧縮空気の源を提供する。空気装置２０は、転動ドラム２３（図３）又はコンバータ１３に延在することができる、チューブ（図示せず）の形であることができる。空気装置２０は、複数の空気出口を有することができ、そのそれぞれは、例えば、図２に示されるような、振動ノズル１４の開口部に向けられる開口部を有する。振動運動によって、振動ノズル１４から出る流体１９は微細に噴霧され、実際には、転動ドラム２３（図３）内の製品又はコンベヤー２６の基材１１上にミスト又は霧の形で吹き付けられる。空気は、振動ノズルからの噴霧を更に散布するのに役立つことができる。

別の代替実施形態では、振幅ブースターが、要求された振幅を達成するために使用され得る。振幅ブースターは、コンバータ１３と振動ノズル１４との間に挿入することができる。限定されない実施例では、コンバータ１３は、２０μｍの最大振幅を有することができる。要求される１８０μｍの振幅を達成するために、コンバータ１３に対する３つの異なる設計が、振幅を約２０μｍから約１８０μｍに増加させるために使用された。別の限定されない実施例では、コンバータ１３は、約−２０μｍから約１８０μｍに振幅を増加させるために、アトマイザー及び振幅ブースターの両方としての機能を果たす。

図３を参照すると、別の代替実施形態では、転動ドラム２３が、コンベヤー２６（図２に図示）の代わりに使用され得る。スナック食品の調味技術で一般的に使用される種類の中空円筒形転動ドラム２３は、従来の形状である。転動ドラム２３は、開放出口端３３を含む両端で開いている中空ドラムを有することができ、その軸が水平面に対して角度を成して配設される間、手段によってその軸の周囲を回転する。小型放出制御リップ４２が、出口端３３に設けられてもよい。

当該技術分野において既知のように、味付け又は風味付けされるスナック食品は、ドラム２３の上端に送り込まれ、転動ドラム２３が回転すると、スナック食品は転動し、それがリップ４２をわたってドラムから出る下端に向かって重力によって下方に移動する。これは、当該技術分野において既知であり、従来実行されている通りである。

本発明に従って、流体１９は、所定の距離でドラム内に延在するパイプ４１に接続することができる。パイプ４１は、複数の振動ノズル１４を接続するために、その長さに沿って複数のコネクタ４３（末端部のＬコネクタを除いて全てＴコネクタ）を配設している。各ノズルチューブ１４は、出口開口部３６を有する。

以下では、本発明の様々な実施形態を説明する実施例を列挙する。他の様々な変更及び修正が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく実施可能であることが当業者には明白であろう。

（実施例１）

（実施例２）

（実施例３）

本明細書に開示される寸法及び値は、列挙された正確な数値に厳しく限定されるものとして理解されるべきではない。それよりむしろ、特に指定されない限り、こうした各寸法は、列挙された値とその値周辺の機能的に同等の範囲の両方を意味することを意図する。例えば、「４０ｍｍ」として開示した寸法は、「約４０ｍｍ」を意味することを意図したものである。

「発明を実施するための形態」で引用した全ての文献は、関連部分において本明細書に参照により組み込まれるが、いずれの文献の引用も、それが本発明に対する先行技術であることを容認するものと解釈されるべきではない。本書における用語のいずれかの意味又は定義が、参考として組み込まれた文献における同一用語のいずれかの意味又は定義と相反する限りにおいて、本書においてその用語に与えられた意味又は定義が適用されるものとする。

以上、本発明の特定の実施形態を図示、説明したが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく他の様々な変更及び改変を行うことが可能である点は当業者には自明であろう。したがって本発明の範囲に含まれるすべてのこうした変更及び改変を付属の特許請求の範囲において網羅するものである。

Claims (9)

1. コーティングを基材の外部表面に塗布するための超音波ノズルであって、前記超音波ノズルが振幅を含むことを特徴とし、前記振幅が１２０マイクロメートルより大きい、超音波ノズル。
2. コーティングを基材の外部表面に塗布するための超音波ノズルであって、前記超音波ノズルが、
   ａ．第１の端部の表面積を含む第１の端部と、
   ｂ．第２の端部の表面積を含む、前記第１の端部に隣接する第２の端部と、を含むことを特徴とし、前記第１の端部の表面積が、前記第２の端部の表面積より大きい、超音波ノズル。
3. ａ．第１の端部と、
   ｂ．第２の端部と、を含み、
   ｃ．２４０ｇ／ｍＬ未満の流量及び０．５Ｐａ・ｓ（５００ｃｐ）未満の粘度の流体が、前記第１の端部及び前記第２の端部を介して流れることを特徴とする、超音波ノズル。
4. 前記流体が、表面張力変性剤及び粘度変性剤からなる群から選択される、請求項３に記載の超音波ノズル。
5. 前記流体が、油、プロピレングリコール、水、レシチン、グリセリン、マルトデキストリン、及びカルボキシルメチルセルロースからなる群から選択される、請求項３に記載の超音波ノズル。
6. 前記流体が、約０．００１Ｐａ・ｓ〜約０．５Ｐａ・ｓ（約１〜約５００ｃｐｓ）の粘度を有する、請求項３に記載の超音波ノズル。
7. 前記流体が、約０〜約７０％の固体含有量を有する、請求項３に記載の超音波ノズル。
8. ａ．約１２０ｍｍの第１の端部の長さを含む第１の端部と、
   ｂ．約１４０ｍｍの第２の端部の長さを含む、前記第１の端部に隣接する第２の端部と、を含むことを特徴とし、前記第２の端部が、
   超音波チップを含み、前記超音波チップが、流体が通過するオリフィスを含み、前記超音波チップが、約１０ｍｍの周囲を有する、超音波ノズル。
9. 超音波ノズルであって、前記超音波ノズルが材料を含み、前記材料が、アルミニウム、ダイヤモンド、チタン、及びステンレス鋼からなる群から選択される、請求項８に記載の超音波ノズル。

Images