JP2015501205A - 統合ガス供給システムを備えた超音波装置 - Google Patents

Abstract

溶融金属からガス抜きをし、不純物を除去する方法が開示されている。これらの方法は、溶融金属溶液槽の中で超音波装置を動作させるステップと、超音波装置の先端部を介して溶融金属溶液槽の中にパージガスを添加するステップを含むことができる。【選択図】図４

Description

本出願は、２０１２年１０月１０日にＰＣＴ国際特許出願として提出されたものであり、２０１１年１０月１１日に提出された米国特許出願第１３／２７０４０１号に対する優先権を主張し、その開示内容はすべて、それを参照することにより本明細書に援用される。

本明細書に含まれる材料の、著作権を含む、あらゆる権利は、出願人に帰属し、出願人の資産である。出願人は、本明細書に含まれる材料のあらゆる権利を保持しつつ留保するものとし、付与された特許の再現に関連する場合のみ当該材料を再現する許可を与えるが、それ例外の目的では許可しない。

特定の金属製品の加工または鋳造は、溶融金属を含有する溶液槽を必要とし、この溶融金属の溶液槽は、特定の金属に依存して、７００℃〜１２００℃、またはそれ以上の範囲の温度に維持すればよい。所望の金属製品を製造したり鋳造したりするためには、溶融金属溶液槽の中で多くの器具または装置を使用してもよい。これらの器具または装置は、溶融金属溶液槽の中で遭遇する高温によく耐え、長い寿命を有して有益性が増し、特定の溶融金属との反応性が無い場合に限定される必要がある。

また、溶融金属は、それらの中に一種類以上のガスが溶存していたり、および／または不純物がそれらの中に存在していたりすることがあり、これらのガスおよび／または不純物は、所望の金属製品の最終生成物および鋳造、および／または金属製品自体の得られる物理特性に悪影響を与えることがある。溶融金属溶液槽中に存在する溶存ガスや不純物の量を減少させる試みは、完全には成功していない。従って、溶融金属からガスおよび／または不純物を除去する、改善された方法が求められている。

この概要は、詳細な説明において以下に記載されている一通りの概念を簡略化した形式で紹介するために提供されるものである。この概要は、特許請求する主題として必須の、または本質的な特徴を特定することを意図したものではない。また、この要約は、特許請求する主題の範囲を限定するために使用されることを意図したものでもない。

本発明は、溶融金属溶液槽の中の溶存ガス（および／または様々な不純物）の量を低減するための方法（例えば、超音波ガス抜き）に関する。ある実施形態では、当該方法は、溶融金属溶液槽の中で超音波装置を操作するステップと、超音波装置のすぐ近くの溶融金属溶液槽内にパージガスを導入するステップと、を含んでもよい。例えば、溶存ガスは水素を含んでいてもよいし、溶融金属溶液槽はアルミニウムまたは銅（その合金を含む）を含んでいてもよいし、パージガスはアルゴンおよび／または窒素を含んでいてもよい。パージガスは、超音波装置の約５０センチメートル（または２５センチメートル、または１５センチメートル、または５センチメートル、または２センチメートル）以内で、またはチップを通して溶融金属溶液槽に添加してもよい。パージガスは、毎分約０．１〜約１５０リットルの範囲のレートで、もしくは追加としてまたは代わりとして、溶融金属溶液槽からの出力毎時１ｋｇ当たりパージガス毎時約１０〜約５００ミリリットルの範囲のレートで溶融金属溶液槽に添加または導入すればよい。

また、本発明は、超音波装置を開示し、これらの超音波装置は、超音波ガス抜きおよび結晶粒微細化を含む、多くの異なる用途で使用することができる。一例として、該超音波装置は、超音波トランスデューサと、超音波トランスデューサに取り付けられて、先端部を備えるプローブと、ガス注入口、プローブを介するガス流路、およびプローブの先端部のガス吐出口を備えたガス供給システムと、を備える。ある実施形態では、該プローブは、第一端部と第二端部とを備えた細長いプローブであって、第一端部は超音波トランスデューサに取り付けられ、第二端部は先端部を備えていてもよい。また、該プローブは、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミック等、またはこれらの材料の任意の組み合わせを含んでいてもよい。別の実施形態では、該超音波プローブは、統合ガス供給システムがその中を貫通する一体型サイアロンプローブであってもよい。さらに別の実施形態では、該超音波装置は、複数のプローブアセンブリおよび／または超音波トランスデューサごとに複数のプローブを備えていてもよい。

前述の概要および以下の詳細な説明では、例が提供されるが、説明のためだけである。従って、前述の概要および以下の詳細な説明は、限定的なものとみなすべきではない。また、本明細書に記載されたものに加えて、特徴または変形形態が提供されてもよい。例えば、特定の実施形態から派生して、詳細な説明に記載した様々な特徴の組み合わせおよび小組み合わせとなってもよい。

本開示に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、本発明の様々な実施形態を示している。
本発明の実施形態に係る超音波装置の部分断面図を示している。 本発明の別の実施形態に係る超音波装置の部分断面図を示している。 本発明の別の実施形態に係る超音波装置の部分断面図を示している。 本発明の別の実施形態に係る超音波装置の部分断面図を示している。 アルミニウムの理論密度と比較して、実施例１〜実施例４の各々について百分率密度差を示す棒グラフである。 実施例１〜実施例４の各々の水素含有量をｐｐｍで示した棒グラフである。 実施例５〜実施例８について、水素濃度を時間関数としてプロットしたものである。

以下の詳細な説明は、添付図面を参照する。可能な限り、図面および以下の説明では、同一または類似の要素を参照するには、同一または類似の参照番号が使用される。本発明の実施形態を説明することになるが、変更、改作、および他の実施が可能である。例えば、図面に示された要素に対して、置換、付加、または変更を行なってもよいし、本明細書に記載された方法は、開示されたものにステップを置換したり順番を変えたり追加したりすることによって変更されてもよい。従って、以下の詳細な説明は、本発明の範囲を限定するものではない。

用語「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、例えば、少なくとも一つのように複数の選択肢を含むことを意図している。例えば、「一台の超音波装置」、「一つの細長いプローブ」、「一種類のパージガス」等の開示は、特に明記されない限り、一つ、または複数の組み合わせの、超音波装置（例えば、一台または二台以上の超音波装置）、細長いプローブ（例えば、一つまたは二つ以上の細長いプローブ）、パージガス（例えば、一種類または二種類以上のパージガス）等を包含するものである。

本明細書で言及するあらゆる刊行物および特許は、例えば、現在説明中の本発明に関連して使用される、刊行物に記載の構築物および方法論について記載および開示する目的で、参照により本明細書に援用される。テキストを通して記載される刊行物は、本出願の出願日以前にそれらが開示されたという理由だけで提供されている。本明細書で記載したのは、発明者が先行発明のためにその開示に先行する権利を与えられないという告白であるとみなされるべきではない。

出願人は、本発明において、いくつかの種類の範囲を開示している。出願人が何らかの種類の範囲を開示し、または請求の範囲とするとき、出願人の意図は、範囲の終点ならびにその中に包含される任意の下位範囲および下位範囲の組み合わせを含めて、そのような範囲が合理的に包含することができる各々可能な数を個別に開示または請求することである。例えば、本発明のある実施形態では、パージガスを、毎分約１〜約５０リットルの範囲内のレートで溶融金属溶液槽に添加してもよい。流量が毎分約１〜約５０リットルの範囲内にあるという開示によって、出願人は、流量が、約１、約２、約３、約４、約５、約６、約７、約８、約９、約１０、約１１、約１２、約１３、約１４、約１５、約１６、約１７、約１８、約１９、約２０、約２１、約２２、約２３、約２４、約２５、約２６、約２７、約２８、約２９、約３０、約３１、約３２、約３３、約３４、約３５、約３６、約３７、約３８、約３９、約４０、約４１、約４２、約４３、約４４、約４５、約４６、約４７、約４８、約４９、または毎分約５０リットルであってもよいことを列挙する意図がある。さらに、流量は、毎分約１〜約５０リットルのいずれかの範囲内であってもよく（例えば、レートは毎分約２〜約２０リットルの範囲にある）、これはまた、毎分約１リットルと毎分約５０リットルの間にある任意の組み合わせ範囲も含む。これと同じく、本明細書に開示される他のあらゆる範囲も同様に解釈されるべきである。

本発明の実施形態は、溶融金属の超音波ガス抜きのためのシステム、方法、および／または装置を提供することができる。このような溶融金属として、アルミニウム、銅、鋼、亜鉛、マグネシウム等、またはこれらと他の金属の組合せ（例えば、合金）を含んでいてもよいが、限定されるものではない。従って、本発明は、特定の金属または金属合金に限定されるものではない。溶融金属から製品を加工または鋳造するには、溶融金属を収容する溶液槽を必要とし、この溶融金属の溶液槽は高温で維持されることになる。例えば、溶融銅は、約１１００℃の温度で維持されることになるし、溶融アルミニウムは、約７５０℃の温度で維持されることになる。

本明細書で使用されるように、用語「溶液槽」、「溶融金属溶液槽」等は、容器、るつぼ、トラフ、桶、炉、取鍋などを含めて、溶融金属を収容する任意の容器を包含するものである。溶液槽と溶融金属溶液槽という用語は、一括操作、連続操作、半連続操作等を包含し、例えば、溶融金属が通常は静止している場合（例えば、るつぼに関連付けられることが多い）、および溶融金属が通常は動いている場合（例えば、樋に関連付けられることが多い）がある。

多くの器具または装置を使用して、所望の金属製品の最終的な生産または鋳造を行なうだけでなく、溶液槽の中にある溶融金属の状態を監視し、検査し、または変更してもよい。これらの器具または装置は、溶融金属溶液槽の中で遭遇する高温によく耐え、長い寿命を有して有益性が増し、金属がアルミニウム、または銅、または鋼、または亜鉛、またはマグネシウム、など（またはそのいずれかを含む）であっても、その溶融金属との反応性が無い場合に限定される。

さらに、溶融金属はその中に一種類以上のガスが溶存していて、これらのガスは、所望の金属製品の最終的な生産と鋳造、および／または結果としての金属製品自体の物理的特性に悪影響を与える可能性がある。例えば、溶融金属中に溶存するガスは、水素、酸素、窒素、二酸化硫黄等、またはそれらの組み合わせを含むことがある。状況によっては、ガスを除去するか、または溶融金属中のガスの量を減少させることが有利となることもある。一例として、溶存した水素は、アルミニウム（または銅、または他の金属もしくは合金）の鋳造に有害である可能性があり、従って、アルミニウム（または銅、または他の金属もしくは合金）から製造された最終製品の特性は、アルミニウム（または銅、または他の金属もしくは合金）の溶融溶液槽に混入した水素の量を減少させることによって、改善させることができる。質量基準で０．２ｐｐｍを超える、または０．３ｐｐｍを超える、または０．５ｐｐｍを超える溶存水素は、鋳造レートおよび得られるアルミニウム（または銅、または他の金属もしくは合金）の棒と他の製品の品質に有害な影響を与えることになる。水素は、溶融アルミニウム（または銅、または他の金属もしくは合金）を収容する溶液槽上部の雰囲気中に存在して、溶融アルミニウム（または銅、または他の金属もしくは合金）溶液槽に入ることもあれば、溶融アルミニウム（または銅、または他の金属もしくは合金）溶液槽に使用されるアルミニウム（または銅、または他の金属もしくは合金）原料出発材料中に存在していることもある。

溶融金属溶液槽にある溶存ガスの量を減らす試みは、完全には成功していない。多くの場合、これらの処理には、追加の高価な機器、ならびに潜在的に危険な材料が必要となる。例えば、溶融金属の溶存ガス含有量を減少させるために金属鋳造産業で使用される処理は、グラファイトのような材料で作られた回転子で構成されてもよいし、これらの回転子は、溶融金属溶液槽内に配置されてもよい。さらに、溶融金属溶液槽内で回転子の隣の位置に、塩素ガスを添加してもよい。この処理は、本開示を通して「従来の」処理として参照され、多くの場合、業界では回転ガスパージとして参照されている。従来の処理は、例えば、溶融金属溶液槽の中の溶存水素量をある状況下で削減することができるかもしれないが、この従来の処理は、顕著な欠点を有しており、そのうち最たるものはコスト、複雑さ、および潜在的に危険で潜在的に環境に有害な塩素ガスの使用である。

また、溶融金属は、その中に不純物を有していることがあり、これらの不純物は、所望の金属製品の最終的な生産と鋳造、および／または結果としての金属製品自体の物理的特性に悪影響を与える可能性がある。例えば、溶融金属中の不純物として、溶融金属中に存在する必要がなく、望ましくないアルカリ金属または他の金属を含んでいることがある。当業者は認識するであろうが、様々な金属合金中には特定の金属が小さな割合で存在し、そのような金属は不純物とはみなされない。非限定的な例として、不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、鉛等、またはそれらの組み合わせを含むものであってもよい。様々な不純物は、溶融金属溶液槽で使用される、入力としての金属の原料出発材料に存在するので、溶融金属溶液槽（アルミニウム、銅、または他の金属もしくは合金）に入り込むことがある。

本発明の実施形態は、溶融金属溶液槽の溶存ガスの量を低減する方法、または、別の表現で、溶融金属からガス抜きする方法を提供することができる。そのような方法の一つは、溶融金属溶液槽の中で超音波装置を操作するステップと、超音波装置のすぐ近くの溶融金属溶液槽内にパージガスを導入するステップと、を含んでもよい。溶存ガスは、酸素、水素、二酸化硫黄等、またはそれらの組み合わせであってもよいし、それを含むものであってもよい。例えば、溶存ガスは、水素であっても、または水素を含むものであってもよい。溶融金属溶液槽は、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウム等、またはこれらの混合物および／または組み合わせ（例えば、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウム、などの様々な合金を含む）を含んでいてもよい。ある実施形態では、溶融金属溶液槽は、アルミニウムを含んでいてもよいし、別の実施形態では、溶融金属溶液槽は、銅を含んでいてもよい。従って、溶液槽の中の溶融金属は、アルミニウムであってもよいし、あるいは、溶融金属は銅であってもよい。

また、本発明の実施形態は、溶融金属溶液槽の中に存在する不純物の量を低減する方法、または、別の表現で、不純物を除去する方法を提供することができる。そのような方法の一つは、溶融金属溶液槽の中で超音波装置を操作するステップと、超音波装置のすぐ近くの溶融金属溶液槽内にパージガスを導入するステップと、を含んでもよい。不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、鉛等、またはこれらの組み合わせであってもよいし、またはそれを含むものであってもよい。例えば、不純物は、リチウム、またはそのかわりにナトリウムであってもよいし、またはそれを含むものであってもよい。溶融金属溶液槽は、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウム等、またはこれらの混合物および／または組み合わせ（例えば、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウムなどの合金を含む）を含むものであってもよい。ある実施形態では、溶融金属溶液槽は、アルミニウムを含んでいてもよいし、他の実施形態では、溶融金属溶液槽は、銅を含んでいてもよい。従って、溶液槽の中の溶融金属は、アルミニウムであってもよいし、あるいは、溶融金属は銅であってもよい。

本明細書に開示された、ガス抜き方法および／または不純物除去方法に用いられるパージガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、および／またはキセノンのうち一種類以上を含んでいてもよいが、これに限定されない。溶融金属溶液槽の中の特定金属（複数可）とは、感知できるほど反応しない、または溶存しないという条件で、任意の適切なガスがパージガスとして使用されてもよいと考えられる。さらに、複数ガスの混合物または組合せを用いてもよい。本明細書で開示されるいくつかの実施形態によれば、パージガスは不活性ガスであってもよいし不活性ガスを含んでいてもよい、かわりに、パージガスは希ガスであってもよいし希ガスを含んでいてもよい、かわりに、パージガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、またはこれらの組み合わせであってもよいしそれを含むものであってもよい、かわりに、パージガスはヘリウムであってもよいしそれを含むものであってもよい、かわりに、パージガスはネオンであってもよいしそれを含むものであってもよい、かわりに、パージガスはアルゴンであってもよいしそれを含むものであってもよい。さらに、出願人は、いくつかの実施形態では、従来のガス抜き技術が、本明細書に開示された超音波ガス抜き処理と併せて使用されてもよいと考えている。従って、いくつかの実施形態においては、パージガスは、さらに、塩素ガスを含み、塩素ガスを単独でまたは窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、および／またはキセノンの少なくとも一種類と組み合わせて、パージガスとして使用するなどしてもよい。

しかしながら、本発明の他の実施形態では、溶融金属溶液槽に溶存するガスを抜く方法またはその量を低減する方法は、塩素ガスが実質的に存在しない状態で、または塩素ガスが全く存在せずに行われてもよい。本明細書で使用される場合、実質的に存在しないということは、使用されるパージガスの量に基づいて、５重量％以下の塩素ガスは使用してもよいことを意味する。いくつかの実施形態においては、本明細書に開示される方法は、パージガスを導入するステップを含み、このパージガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。

溶融金属溶液槽の中に導入されるパージガスの量は、多くの要因に依存して変化してもよい。多くの場合、本発明の実施形態に係る溶融金属ガス抜き方法で（および／または溶融金属から不純物を除去する方法で）導入されるパージガスの量は、毎分約０．１〜約１５０標準リットル（Ｌ／分）の範囲内に納まるものと思われる。いくつかの実施形態においては、導入されるパージガスの量は、約０．５〜約１００Ｌ／分、約１〜約１００Ｌ／分、約1〜約５０Ｌ／分、約１〜約３５Ｌ／分、約１〜約２５Ｌ／分、約１〜約１０Ｌ／分、約１．５〜約２０Ｌ／分、約２〜約１５Ｌ／分、約２〜約１０Ｌ／分の範囲にあればよい。これらの体積流量の単位は、標準リットル毎分、すなわち、標準温度（２１．１℃）および標準圧力（１０１キロパスカル）におけるものである。

連続または半連続溶融金属作用では、溶融金属溶液槽の中に導入されるパージガスの量は、溶融金属の出力量または生産レートに基づいて変化してもよい。従って、このような実施形態に係る溶融金属ガス抜き方法で（および／または溶融金属から不純物を除去する方法で）導入されるパージガスの量は、溶融金属毎時１ｋｇ当たりパージガス毎時約１０〜約５００ミリリットル（パージガスｍＬ／溶融金属ｋｇ）の範囲内に収まるものと思われる。いくつかの実施形態においては、溶融金属の出力レートに対するパージガスの体積流量の比は、約１０〜約４００ｍＬ／ｋｇの範囲にあればよい、代わりに約１５〜約３００ｍＬ／ｋｇであっても、代わりに約２０〜約２５０ｍＬ／ｋｇであっても、代わりに約３０〜約２００ｍＬ／ｋｇであっても、代わりに約４０〜約１５０ｍＬ／ｋｇであっても、代わりに約５０〜約１２５ｍＬ／ｋｇであってもよい。上記のように、パージガスの体積流量は、標準温度（２１．１℃）および標準圧力（１０１キロパスカル）におけるものである。

本発明の実施形態に沿った溶融金属ガス抜き方法は、溶融金属溶液槽の中にある溶存ガスの約１０重量％以上を除去する効果があり得る、すなわち、溶融金属溶液槽の中にある溶存ガスの量が、ガス抜き処理が採用される前にあった溶存ガスの量から約１０重量パーセントを超える分だけ減少させることができる。いくつかの実施形態においては、溶存ガスの量は、ガス抜き方法が採用される前にあった溶存ガスの量から、約１５重量パーセントを超える分だけ、約２０重量パーセントを超える分だけ、約２５重量パーセントを超える分だけ、約３５重量パーセントを超える分だけ、約５０重量パーセントを超える分だけ、約７５重量パーセントを超える分だけ、または約８０重量パーセントを超える分だけ、削減することができる。例えば、溶存ガスが水素ならば、アルミニウムまたは銅を含む溶融溶液槽の中の水素濃度が（質量基準で）約０．３ｐｐｍまたは０．４ｐｐｍまたは０．５ｐｐｍを超えると有害である可能性があり、多くの場合、溶融金属の水素含有量は、約０．４ｐｐｍ、約０．５ｐｐｍ、約０．６ｐｐｍ、約０．７ｐｐｍ、約０．８ｐｐｍ、約０．９ｐｐｍ、約１ｐｐｍ、約１．５ｐｐｍ、約２ｐｐｍ、または２ｐｐｍを超える値である。本発明の実施形態に開示された方法を採用することによって、溶融金属溶液槽の中にある溶存ガスの量を約０．４ｐｐｍ未満に、代わりに約０．３ｐｐｍ未満に、代わりに約０．２ｐｐｍ未満に、代わりに約０．１〜約０．４ｐｐｍの範囲内に、代わりに約０．１〜約０．３ｐｐｍの範囲内に、代わりに約０．２〜約０．３ｐｐｍの範囲内に減らすことができると考えられる。これらおよび他の実施形態においては、溶存ガスは水素であってもそれを含むものであってもよく、溶融金属溶液槽はアルミニウムおよび／または銅であってもそれを含むものであってもよい。

（例えば、溶融金属を含む溶液槽の中の溶存ガスの量を低減する）ガス抜き方法に関するまたは不純物を除去する方法に関する本発明の実施形態は、溶融金属溶液槽の中で超音波装置を作動させるステップを含んでいてもよい。超音波装置は、超音波トランスデューサと細長いプローブとを備えていてもよく、プローブは第一端および第二端を備えていてもよい。第一端は、超音波トランスデューサに取り付けられ、第二端は、先端部を備え、細長いプローブの先端部は、ニオブを含んでいてもよい。本明細書中に開示される処理工程および方法で採用される超音波装置の例示的かつ非限定的な実例についての詳細は、以下でさらに説明する。超音波ガス抜き処理または不純物を除去する処理に関係するので、パージガスは、溶融金属溶液槽の中で、例えば、超音波装置の近くの場所に導入してもよい。パージガスは、溶融金属溶液槽の中で、超音波装置の先端部の付近の位置に導入されることが多い。パージガスは、溶融金属溶液槽の中で、例えば、超音波装置の先端部の約１００ｃｍ以内、約５０ｃｍ以内、約４０ｃｍ以内、約３０ｃｍ以内、約２５ｃｍ以内、約２０ｃｍ以内などのように、超音波装置の先端部の約１メートル以内に導入してもよいと考えられる。いくつかの実施形態においては、パージガスは、溶融金属溶液槽の中で、超音波装置の先端部の約１５ｃｍ以内に、代わりに約１０ｃｍ以内に、代わりに約８ｃｍ以内に、代わりに約５ｃｍ以内に、代わりに約３ｃｍ以内に、代わりに約２ｃｍ以内に、または代わりに約１ｃｍ以内に導入してもよい。特定の実施形態においては、パージガスは、溶融金属溶液槽の中で、超音波装置の先端部の隣にまたは貫通して導入してもよい。

この理論に拘束されるつもりはないが、出願人は、超音波装置の使用および近接距離へのパージガスの取り込みの間には相乗効果が存在して、溶融金属を含む溶液槽の中の溶存ガス量の劇的な減少をもたらすと考えている。出願人は、超音波装置により生成される超音波エネルギーは、溶融物中にキャビテーション気泡を生成し、その中に溶存ガスが拡散すると考えている。しかし、出願人は、パージガスが存在しないと、キャビテーション気泡の多くは、溶融金属溶液槽の表面に達するまでに崩壊する、と考えている。出願人は、パージガスは、表面に到達する前に崩壊するキャビテーション気泡の量を減らすことができる、および／または溶存ガスを含有する気泡の大きさを増大させることができる、および／または溶融金属溶液槽の中の気泡の数を増やすことができる、および／または溶融金属溶液槽の表面まで溶存ガスを含有する気泡を輸送するレートを増大させることができる、と考えている。実際のメカニズムにかかわらず、出願人は、超音波装置をパージガスの供給源と組み合わせて近接して使用することによって、溶融金属溶液槽から溶存ガスを除去するのに相乗的に改善をもたらすことができ、溶融金属中の溶存ガスの量を相乗的に削減することができる、と考えている。繰り返しになるが、理論に拘束されることは望まないものの、出願人は、超音波装置は、超音波装置の先端部の近接距離でキャビテーション気泡を生成することができると考えている。例えば、直径約２〜５ｃｍの先端部を有する超音波装置に対して、キャビテーション気泡は、崩壊前に、超音波装置の先端部の約１５ｃｍ、約１０ｃｍ、約５ｃｍ、約２ｃｍ、または約１ｃｍ以内であってもよい。パージガスが超音波装置の先端部から遠すぎる距離に添加されても、パージガスは、キャビテーション気泡内に拡散することができないかもしれない。従って、理論に拘束されるものではないが、出願人は、パージガスが溶融金属溶液槽の中で超音波装置の先端部の約２５ｃｍまたは約２０ｃｍ以内に導入されるのが有益であり、超音波装置の先端部の約１５ｃｍ以内、約１０ｃｍ以内、約５ｃｍ以内、約２ｃｍ以内、または約１ｃｍ以内であれば、より有益であると考えている。

本発明の実施形態に係る超音波装置は、その全体が参照により本明細書に援用されている米国特許出願公開第２００９／０２２４４４３号に開示されているように、例えば、アルミニウムや銅などの溶融金属と接触していてもよい。溶融金属中の溶存ガス内容物（例えば、水素）を低減するための超音波装置においては、ニオブまたはその合金を、溶融金属にさらされる場合に該装置を保護するバリアとして、または溶融金属に直接さらされる該装置の構成部品として使用してもよい。

本発明の実施形態は、溶融金属と直接接触する構成部品の寿命を増加させるためのシステムおよび方法を提供することができる。例えば、本発明の実施形態は、ニオブを使用して、溶融金属と接触する材料の劣化を低減し、結果として最終製品の品質を大幅に改善することができる。換言すれば、本発明の実施形態は、ニオブを保護バリアとして使用することによって、溶融金属に接する材料または構成部品の寿命を増加させたり、それらを保護したりすることができる。ニオブは、例えば、高い融点といった、本発明の上述の実施形態を提供するのに役立つ特性を有していると考えられる。また、ニオブは、約２００℃以上の温度にさらされると酸化物保護バリアを形成することもできる。

また、本発明の実施形態は、溶融金属と直接接触する、または相互作用する構成部品の寿命を増加させるためのシステムおよび方法を提供することができる。ニオブは、特定の溶融金属との反応性が低いので、ニオブを用いることで、基板材料が劣化するのを防止することができる。前述の理由で、本発明の実施形態は、ニオブを使用して、基板材料の劣化を低減し、結果として最終製品の品質を大幅に改善することができる。従って、溶融金属との関連でニオブを使うのは、ニオブの高融点と、アルミニウムおよび／または銅などの溶融金属との低い反応性を組み合わせた結果である。

実施形態によっては、ニオブまたはその合金を、超音波トランスデューサと細長いプローブを含む超音波装置で使用してもよい。細長いプローブは、第一端部および第二端部を含み、第一端部は超音波トランスデューサに取り付けられ、第二端部は先端部を含むことになる。この実施形態によれば、細長いプローブの先端は、ニオブ（例えば、ニオブまたはその合金）を含んでいてもよい。上述したように、超音波装置は、超音波ガス抜き処理に使用することができる。超音波トランスデューサは、超音波を生成することができ、トランスデューサに取り付けられたプローブは、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウムなど、またはこれらの混合物および／または組合せ（例えば、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウム等の様々な合金を含む）のような溶融金属を含む溶液槽の中に超音波を送信することになる。

図１は、それを用いて溶融金属中の溶存ガス含有量を低減することができる、ニオブおよび他の材料を超音波装置３００に用いたケースを示している。超音波装置３００は、超音波トランスデューサ３６０、高出力化のためのブースタ３５０、およびトランスデューサ３６０に取り付けられた超音波プローブアセンブリ３０２を備えることが多い。超音波プローブアセンブリ３０２は、細長い超音波プローブ３０４と超音波媒体３１２を備えることが多い。超音波装置３００および超音波プローブ３０４は、一般的に円筒形の形状であるが、これは必要条件ではない。超音波プローブ３０４は、第一端部および第二端部を備え、第一端部は、超音波トランスデューサ３６０に取り付けられた超音波プローブシャフト３０６を備えている。超音波プローブ３０４と超音波プローブシャフト３０６は、様々な材料で構成することができる。例示的な材料として、限定されるものではないが、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミック（例えば、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ジルコニア等）など、またはそれらの組み合わせが挙げられる。超音波プローブ３０４の第二端部は、超音波プローブ先端部３１０を備えていてもよい。超音波プローブ先端部３１０は、ニオブを含んでいてもよい。その代わりに、先端部３１０は、本質的にニオブから成るか、またはニオブを含んでいてもよい。ニオブは、一種類以上の他の金属と合金化されてもよいし、ニオブが別の材料の基層上にメッキまたはコーティングされて層となったものであってもよい。例えば、先端部３１０は内層と外層とから成り、内層はセラミックまたは金属材料（例えば、チタン）を含み、外層はニオブを含んでもよい。この実施形態では、ニオブを含む外層の厚さは、約２５ミクロン未満、または約１０ミクロン未満、またはその代わりに約２乃至約８ミクロンの範囲内であってもよい。例えば、ニオブを含む外層の厚さは、約３乃至約６ミクロンの範囲であってもよい。

超音波プローブシャフト３０６と超音波プローブ先端部３１０は、コネクタ３０８によって連結されてもよい。コネクタ３０８は、シャフト３０６に先端部３１０を取り付ける手段を表してもよい。例えば、シャフト３１０および先端部３１０は、一緒にボルト止めまたは半田付けされてもよい。ある実施形態においては、コネクタ３０８は、シャフト３０６が凹状ねじ切り部を有し、先端部３１０がシャフト３０６に螺合されることを表していてもよい。超音波プローブシャフト３０６と超音波プローブ先端部３１０は、異なる材料でできていてもよいと考えられる。例えば、超音波プローブシャフト３０６は、チタンおよび／またはニオブであってもそれを含むものであってもよいし、超音波プローブ先端部３１０は、ニオブであってもそれを含むものであってもよい。その代わりに、超音波プローブシャフト３０６は、チタンおよび／またはセラミック（例えば、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ジルコニア等）であってもそれを含むものであってもよいし、超音波プローブ先端部３１０は、セラミック（例えば、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ジルコニア等）であってもそれを含むものであってよい。

他の実施形態では、超音波プローブ３０４は、一体成型されたもの、例えば、超音波プローブシャフト３０６と超音波プローブ先端部３１０が同時に製造された単一部品であってもよい。そのような場合、超音波プローブは、例えば、ニオブまたはその合金、セラミック（例えば、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ジルコニア等）、または他の適切な材料を含んでいてもよい。

再び図１を参照すると、超音波装置３００は、内管３２８と、中管３２４と、外管３２０と、保護管３４０と、を備えていてもよい。これらの管または導管は、超音波プローブ３０４の少なくとも一部を取り囲み、一般的に、任意の適切な金属製またはセラミック製の材料で構築することができる。超音波プローブ先端部３１０は、溶融金属溶液槽の中に挿入されることが予測されるが、しかしながら、保護管３４０の一部も溶融金属内に浸されるものと考えられる。従って、保護管３４０は、チタン、ニオブ、セラミック（例えば、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ジルコニア等）、またはこれらの材料の複数の組み合わせであってもそれを含むものであってもよい。管３２８、３２４、３２０、および３４０内に含まれるのは、図１に示すように、流体３２２、３２６、および３４２ということになる。 流体は、液体であってもガス（例えば、アルゴン）であってもよく、その目的は、超音波装置３００、特に、超音波プローブ先端部３１０と保護管３４０を冷却することである。

超音波装置３００は、先端キャップ３４４を備えていてもよい。先端キャップは、保護管３４０とプローブ先端部３１０の間のギャップを埋め、溶融金属が超音波装置３００に入るのを軽減または予防することができる。保護管３４０と同様に、先端キャップ３４４は、例えば、チタン、ニオブ、セラミック（例えば、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ジルコニア等）、またはこれらの材料の複数の組み合わせであってもそれを含むものであってもよい。

超音波プローブ先端部３１０、保護管３４０、または先端キャップ３４４、または三つのすべてが、ニオブを含んでいてもよい。ニオブ単独で使用してもよいし、ニオブが一種類以上の他の金属と合金化されてもよいし、ニオブが別の材料の基層上にメッキまたはコーティングされた層であってもよい。例えば、超音波プローブ先端部３１０、保護管３４０、または先端キャップ３４４、または三つのすべてが、内層と外層を備え、内層はセラミック製または金属製の材料からなり、外層はニオブを含むものであってもよい。超音波装置の部品にニオブが存在すると、装置の寿命を向上させることができ、溶融金属と接触しても化学反応性が低いかまたは全く無く、溶融金属の溶融温度に対して強く、超音波を伝播する能力を有している、と予想される。本発明のいくつかの実施形態によれば、超音波装置の先端部３１０がニオブを含まないとき、先端部は、（例えば、アルミニウムまたは銅の）溶融金属溶液槽の中にわずか約１５〜３０分置いただけで侵食または劣化が見られることもある。対照的に、超音波装置の先端部がニオブを含むときは、先端部は、例えば、少なくとも１時間以上経過後でも侵食または劣化が見られないか最小限で済み、少なくとも２時間後でも、少なくとも３時間後でも、少なくとも４時間後でも、少なくとも５時間後でも、少なくとも６時間後でも、少なくとも１２時間後でも、少なくとも２４時間後でも、少なくとも４８時間後でも、または少なくとも７２時間後でも侵食または劣化が見られない。

別の実施形態では、超音波プローブ先端部３１０は、保護管３４０、または先端キャップ３４４、または三つのすべてが、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、および／またはジルコニアなどのようなセラミックを含んでいてもよい。また、超音波プローブシャフト３０６は、セラミック、またはその代わりに、チタンを含んでいてもよい。

図２は、ニオブ、またはサイアロン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、および／またはジルコニアのようなセラミック、または他の適切な材料を含む他の超音波装置４００を示している。この超音波装置４００は、超音波トランスデューサ４６０、高出力化のためのブースタ４５０、およびトランスデューサ４６０に取り付けられた超音波プローブアセンブリ４０２を備えていてもよい。ブースタ４５０は、約１：１よりも大きい、例えば、約１．２：１〜約１０：１、または約１．４：１〜約５：１のブーストレベルで高出力化を可能にすることができる。高さＨを有するブースタ締め付けアセンブリ４５１を採用してもよく、ここで、高さＨは、異なる長さの超音波プローブを収容するために、必要に応じて変わってもよい。超音波プローブアセンブリ４０２は、図１に示したような細長い超音波プローブと超音波プローブ先端部４１０を備えていてもよい。超音波プローブと先端部は、前述したように、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミックスなど、またはこれらの組み合わせからなり、その混合物、その合金、およびそのコーティングも含まれるが、これらに限定されない、様々な材料から構成される。

超音波装置４００は、その近くの位置に（例えば、溶融金属溶液槽の中に）パージガスを導入する手段を備えていてもよい。図示しない外付けのパージガス注入システムを溶融金属溶液槽内に配置し、注入位置は、図１および／または図２の超音波装置の近くであると考えられている。その代わりに、超音波装置は、その先端部の近くでまたはその先端部からパージガスが放出されるような、パージガス吐出口を備えていてもよい。例えば、パージガスは、超音波装置の先端キャップを通って、および／または超音波装置のプローブを通って放出されてもよい。再び図２を参照すると、超音波装置は、パージガス注入口４２４と、パージガス供給導管４１３に接続された注入室４２５を備えていてもよい。パージガスは、超音波装置４００の先端部４１０またはその近くに位置するパージガス供給空間４１４に供給され、そこを通って放出されてもよい。パージガス供給空間４１４、つまりパージガス吐出口は、例えば、超音波装置の先端部の約５ｃｍ以内、約３ｃｍ以内、約２ｃｍ以内、約１．５ｃｍ以内、約１ｃｍ以内、または約０．５ｃｍ以内のように、超音波装置４００の先端部４１０の約１０ｃｍ以内にあればよいと考えられている。

さらに、超音波装置４００は、超音波先端部および／または超音波プローブおよび／または超音波プローブアセンブリを、超音波装置の先端部４１０の外表面で経験する溶融金属の高い温度とは対照的に、室温に近い温度（例えば、温度は約１５℃〜約７５℃、または約２０℃〜約３５℃の範囲であればよい）に保持するように設計された、超音波冷却システム４２９を備えていてもよい。超音波プローブとアセンブリが、ニオブ、または、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、および／またはジルコニアのようなセラミック、または他の適切な材料を含む場合、超音波冷却システムは必要条件ではないと考えられている。図２の超音波冷却システム４２９は、例えば、内管３２８、中管３２４、外管３２０、保護管３４０、および流体３２２、３２６、３４２を含み、超音波装置の冷却および／または温度制御を行なうように設計された、図１に示したシステムと同様のものであってもよい。流体は液体であってもガスであってもよく、該流体はパージガスと同じ材料であってもよいと考えられている。

図３は、ニオブ、またはサイアロン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、および／またはジルコニアのようなセラミック、または他の適切な材料を含む、さらに別の超音波装置５００を示したものである。この超音波装置５００は、超音波トランスデューサ５６０、高出力化のためのブースタ５５０、およびトランスデューサ５６０に取り付けられた超音波プローブアセンブリ５１０を備えていてもよい。ブースタ５５０は、約１：１よりも大きい、例えば、約１．２：１〜約１０：１、または約１．４：１〜約５：１のブーストレベルで高出力化を可能にすることができる。超音波プローブ５１０は、一体成型であってもよいし、超音波プローブ５１０は、図１に示したものと同様に、超音波プローブシャフトおよびオプションである（交換可能な）超音波プローブ先端部５１１を備えていてもよい。超音波プローブと先端部は、前述したように、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミックスなど、またはこれらの組み合わせからなり、その混合物、その合金、およびそのコーティングも含まれるが、これらに限定されない、様々な材料から構成される。

超音波装置５００は、その近くおよび／または超音波プローブ先端部５１１の近くの位置に、（例えば、溶融金属溶液槽の中に）パージガスを導入する手段を備えていてもよい。上記のように、図示しない外付けのパージガス注入システムを溶融金属溶液槽内に配置し、注入位置は、図３の超音波装置の近くであると考えられている。その代わりに、超音波装置は、その先端部かまたはその近くでパージガスが放出されるような、パージガス吐出口を備えていてもよい。例えば、パージガスは、超音波装置のプローブ／先端部を通って放出されてもよい。再び図３を参照すると、超音波装置は、ブースタ５５０、上部筐体５２０、下部支持筐体５２１、および下側支持筐体カバー５２３を有する室内にパージガス注入口５２２を備えていてもよい。上部筐体５２０は、気密および／または液漏れ防止となっていればよい。パージガス注入口５２２は、パージガス送出導管５２４に接続されるが、これは超音波プローブ５１０内に含まれていてもよい。パージガスは、超音波装置５００の先端部５１１に位置するパージガス注入点５２５（またはパージガス吐出口）に供給され、そこを通って放出されてもよい。そこで、本実施形態では、超音波装置５００は、超音波プローブの先端部にパージガス注入点を有するパージガス注入システムを備えた超音波プローブ５１０を備えていてもよい。

必要に応じて、超音波装置５００は、図１および／または図２に関連して上述したような、超音波冷却システムを備えてもよいが、これは必須ではない。

別の超音波装置が図４に示されている。この超音波装置６００は、超音波トランスデューサ６６０と、高出力化のためのブースタ６５０と、トランスデューサ６６０およびブースタ６５０に取り付けられた超音波プローブ６１０を備えていてもよい。ブースタ６５０は、トランスデューサ６６０と連通することができ、約１：１よりも大きい、例えば、約１．２：１〜約１０：１、または約１．４：１〜約５：１のブーストレベルで高出力化を可能にすることができる。実施形態によっては、ブースタは、チタンのような金属であっても、それを含んでいてもよい。超音波プローブ６１０は、一体成型されたものであってもよいし、超音波プローブ６１０は、図１に示したものと同様に、超音波プローブシャフトおよびオプションである（交換可能な）超音波プローブ先端部を備えていてもよい。 超音波プローブ６１０は、一端がトランスデューサ６６０および／またはブースタ６５０に装着され、他端がプローブの先端部を備える、細長いプローブ（例えば、一般的に円筒形）に、形状やデザインが限定されるものではない。ある実施形態では、プローブは一般的に円筒形であってもよいが、プローブの中央部分は、プローブは二つの先端部を有するが、どちらもトランスデューサ／ブースタに直接取り付けられてはいないように、クランプまたは他の取り付け機構でトランスデューサ／ブースタに固定されていてもよい。しかし、別の実施形態では、プローブは、球状、または先端が球状である円筒状などのように、別の幾何学的形状であってもよい。

超音波プローブ６１０は、前述したように、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミックスなど、またはこれらの組み合わせからなり、その混合物、その合金、およびそのコーティングも含まれるが、これらに限定されない、様々な材料から構成される。特定の実施形態では、超音波プローブ６１０は、セラミック材料であってもよいし、それを含むものでもよい。例えば、超音波プローブは、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ジルコニア、またはそれらの組み合わせであってもよいし、それを含むものでもよく、その代わりにサイアロン、その代わりに炭化ケイ素、その代わりに炭化ホウ素、その代わりに窒化ホウ素、その代わりに窒化ケイ素、その代わりに窒化アルミニウム、その代わりに酸化アルミニウム、またはその代わりにジルコニアであってもよいし、それを含むものでもよい。実施形態によっては、超音波プローブ６１０は、例えば、トランスデューサ／ブースタに取り付けた端からプローブ先端部まで同時に製造された、または組み立てられた単一部品であるというように、一体成型されたものであってもよい。

本明細書に開示された実施形態で使用される典型的なサイアロンは、元素シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）からなるセラミック合金である。また、当業者であれば理解できるであろうが、等級としてα‐サイアロンおよびβ‐サイアロンが存在する。超音波プローブ６１０は、サイアロンを含み、さらに、 そのうち少なくとも（重量で）２０％がα‐サイアロン（またはβ‐サイアロン）であってもよい。理論に束縛されるものではないが、出願人は、β‐サイアロンを少なくとも（重量で）２０％、または（重量で）３０％、または約２０％〜約５０％の範囲の重量パーセントで使用すれば、より頑丈でより耐久性のある（例えば、破損しにくい）超音波プローブを提供することができると考えている。

超音波装置６００は、それ自体および／または超音波プローブ先端部に近い位置にガス（例えば、溶融金属溶液槽の中にパージガス）を導入する手段を備えていてもよい。上記のように、図示しない外付けのパージガス注入システムを溶融金属溶液槽内に配置し、注入位置は、図４の超音波装置の近くであると考えられている。その代わりに、超音波装置は、その先端部の近くでまたはその先端部からガスが放出されるような、ガス供給システムを備えていてもよい。例えば、ガスは、超音波装置のプローブ／先端部を通って放出されてもよい。再び図４を参照すると、超音波装置６００は、ブースタ６５０内の室内にガス注入口６２２を備えていてもよい。ガス注入口６２２は、ブースタ６５０から超音波プローブ６１０の先端部まで延びる、ガス供給導管６２４に接続されてもよい。ガス注入口６２２と一部のブースタ６５０は、気密および／または液漏れ防止された筺体内に収容されてもよい。ガスは、超音波プローブ６１０の先端部に位置するガス注入点６２５（またはガス吐出口）に供給され、そこを通って放出されてもよい。そこで、本実施形態においては、超音波装置６００が、先端部にガス注入点を有するガス供給システムを備えた超音波プローブ６１０を備えていてもよい。

ガス供給導管６２４は、必要条件ではないが、ブースタ６５０内と超音波プローブ６１０のブースタに最も近い部分でより大きい流路を有し、ガス注入点６２５でより小さな流路を有するものとして図４に示されている。例えば、ガス供給導管６２４の太さは、ガス注入口６２２から超音波プローブ６１０の先端部のガス注入点６２５まで概ね同じ太さ（例えば、±１０〜２０％以内）であればよい。

理論に束縛されるものではないが、出願人は、ガス注入点において、超音波プローブの断面積に対してより小さな流路（例えば、断面積）であると、プローブを出るガスの速度がより高くなるので、結果として優れたガス抜きができると考えている。実施形態によっては、ガス供給導管の断面積に対する超音波プローブの断面積の比は（すなわち、ガス注入点またはガス吐出口において）、約３０：１〜約１０００：１、約６０：１〜約１０００：１、または約６０：１〜約７５０：１の範囲であればよい。他の実施形態では、ガス供給導管の断面積に対する超音波プローブの断面積の比は（すなわち、ガス注入点またはガス吐出口において）、約６０：１〜約７００：１、約１００：１〜約７００：１、約２００：１〜約１０００：１の範囲であればよい。これらおよび他の実施形態では、超音波プローブ（例えば、単一の細長いプローブ）の直径に対する長さの比（Ｌ／Ｄ）は、約５：１〜約２５：１、約５：１〜約１２：１、約７：１〜約２２：１、約１０：１〜約２０：１、または約１１：１〜約１８：１の範囲であればよい。

サイアロンのようなセラミック材料を含む超音波プローブを対象とする実施形態では、超音波プローブ６１０をブースタ６５０とトランスデューサ６６０に固定する手段として、取り付けナット６０３を用いることが有益である。取り付けナット６０３は、焼き嵌めのセラミック取り付け具と比べて、優れた耐久性と寿命を提供することができる。取り付けナット６０３は、例えば、チタン、ステンレス鋼等のような様々な材料で構成することができ、より堅牢に固定するために（内部の）ねじ溝の間隔が細かくて、より破損しやすいねじ式のセラミックプローブを用いる必要性を軽減することができる。また、ブースタ６５０は、外側にねじ山を有して、その上に取り付けナット６０３（および、それに伴って、プローブ６１０）を堅牢に固定することができるようにしてもよい。一般的に、プローブの超音波振動特性に悪影響を及ぼさないように、取り付けナットの大きさおよび／または重さを機械的に実現可能な限り低く維持することもまた有益であると考えられる。

特定の実施形態では、プローブ６１０は、その取り付け側の曲率半径６１５を大きくしてもよい。理論に束縛されるものではないが、出願人は、プローブの取り付け側の曲率半径（例えば、取り付けナットへの近接距離）をより小さくすると、特に、ガス抜き処理においてキャビテーションを増加させ、優れた溶存ガス除去を行なうために必要となる、超音波のより高い出力および／または振幅時に、プローブが破壊する可能性が増すと考えている。本明細書で考えられた特定の実施形態では、曲率半径６１５は、少なくとも約１／２インチ（約１．３ｃｍ）、少なくとも約５／８インチ（約１．６ｃｍ）、少なくとも約３／４インチ（約１．９ｃｍ）、少なくとも約１インチ（約２．５ｃｍ）などであればよい。プローブの実際の大きさ（例えば、様々なプローブの直径）に関係なく、そのような曲率半径が望ましいと考えられる。

必要に応じて、超音波装置６００は、図１および／または図２に関連して上述したような、超音波冷却システムを備えてもよいが、しかし、これは必須ではない。再び図４を参照すると、超音波装置６００は、その代わりとして、必要に応じて熱保護筺体６４０を備えてもよい。この筺体は、一般的に、任意の適切な金属材料および／またはセラミック材料で構成することができる。超音波プローブ６１０は、溶融金属の溶液槽の中に配置されることになる、従って、熱保護筺体を用いて、ブースタ６５０と、取り付けナット６０３と、超音波プローブ６１０の一部を過度の熱から遮蔽してもよい。所望であれば、冷却媒体を、熱保護筺体６４０の内部および／または周囲に循環させてもよい。冷却媒体は、液体（例えば、水）またはガス（例えば、アルゴン、窒素、空気等）であってもよい。

図１〜図４に示したものを含め、本明細書に開示された超音波装置は、所定の範囲の出力および周波数で動作させることができる。プローブ径が約１インチ（約２．５ｃｍ）以下の超音波装置の場合、動作電力は、多くの場合、約６０〜約２７５ワットの範囲であればよい。一例として、３／４インチ（約１．９ｃｍ）プローブ径の場合は約６０〜約１２０ワットの動作電力範囲、１インチ（約２．５ｃｍ）プローブ径の場合は約１２０〜約２５０ワットの動作電力範囲を採用すればよい。なんら特定の周波数に限定されるわけではないが、超音波装置を動作させ、そして超音波ガス抜き法を実施するのは、典型的には約１０〜約５０ｋＨｚ、約１５〜約４０ｋＨｚの範囲、または約２０ｋＨｚの周波数であればよい。

本発明の特定の実施形態を説明してきたが、他の実施形態が存在してもよい。さらに、ステップの順序を変更し、および／またはステップを挿入または削除することも含めて、本発明から逸脱することなく、開示された方法のステップはすべて、どのような形ででも変更することができる。明細書は例を含むが、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって示される。また、明細書は構造的特徴および／または方法論的動作に特有の表現で説明してきたが、特許請求の範囲は、上述の特徴または動作に限定されるものではない。むしろ、上述の特定の特徴および動作は、本発明の例示的な実施形態として開示されている。

［実施例］
＜実施例１〜実施例４＞
実施例１〜実施例４においては、開示された方法によって達成することができる、溶融アルミニウム溶液槽中の溶存水素量の低減を実証するために、一連の実験が実施された。なんらかのガス抜き法を使う前に、アルミニウムの対照試料を取り出して実験を行なった（実施例１）。アルミニウムの溶融金属溶液槽は、華氏約１３５０度（７３２℃）の温度で操作した。次いで、従来のガス抜き法である、回転ガス抜き法を用いて、従来の方法による水素除去の有効性を判定した（実施例２）。例３は、本明細書で開示されたような超音波ガス抜き処理、すなわちパージガスの導入と組み合わせて超音波装置を利用した。実施例３においては、超音波装置は、ニオブ先端部を含んでおり、超音波装置の先端がアルミニウム溶液槽に入れられた。超音波装置は、溶融アルミニウムの溶液槽の中で２０、０００Ｈｚ（周波数）で動作させた。超音波装置の操作と同時に、パージガスとしてアルゴンが、溶融金属溶液槽の中に毎分約４．７標準リットルのレート（Ｌ／分）で導入された。アルゴンは、超音波装置の先端部に沿って注入した（注入点と先端部との間の距離は約２ｃｍ未満であった）。実施例４は、従来のガス抜き手法と組み合わせて、超音波ガス抜き処理の両方を利用した。

実施例１（ガス抜き無し）、実施例２（従来のガス抜き後）、実施例３（超音波ガス抜き後）、および実施例４（超音波および従来のガス抜き後）のアルミニウム試料は、真空下で冷却し凝固させた。次いで、各実施例から１立方センチメートル（１ｃｃ＝１ｍＬ）の立方体を測定し、各実施例のアルミニウムの質量と、それに応じて、密度を判定した。アルミニウムは、１ｃｃ当たり２．７グラムの理論密度を有し、アルミニウム中に水素ガスが存在すると、この密度を減少させる。図５は、アルミニウムの理論密度と比較して、実施例１〜実施例４のそれぞれについて、密度の百分率差を示している。図５において、各試料がアルミニウムの理論密度に近い（すなわち、アルミニウムの密度低下の百分率がより低い）ほど、ガス抜き手順がより効果的である。図５に示されているように、超音波手順（実施例３）は、従来の手法（実施例２）と同程度に有効であった、そして両方を組み合わせて使用すると（実施例４）、追加でわずかに改善される。

実施例１〜実施例４のアルミニウム試料は、百万分率（ｐｐｍ）水素含有量（質量ベース）でも評価した。真空下で冷却し凝化させた鋳造試料を水素含有量の観点で分析した。水素含有量の分析は、図６に要約されている。図６において、ｐｐｍ単位の水素含有量が低いほど、そのガス抜き手順はより効果的といえる。図６で明らかなように、超音波手順（例３）は、従来技術（例２）よりも、水素を除去するのに効果的であり、両方を組み合わせて使用しても（例４）なんら付加的な利点は得られなかった。図６のデータはもはや頼りにできない。出願人は、表記されたｐｐｍ水素含有量を判定する際に分析誤差があったと考えている。

＜実施例５〜実施例８＞
実施例５〜実施例８では、溶融アルミニウムの溶液槽の中にある溶存水素を、開示された方法に従ってガス抜きする相対速度を決定するために、一連の実験が実施された。まず、少量のアルミニウムを金属溶液槽の中で溶融し、次いで、華氏約１３５０度（７３２℃）の温度で維持した。ＡＬＳＰＥＫ測定器を使用し、水素含有量の基準測定値をｍｌ／１００ｇの単位で決定した。ＡＬＳＰＥＫ測定器は、電解半セル内における分圧の原理を利用して、溶融アルミニウムの溶存水素量を決定する。超音波装置の先端部をアルミニウム溶液槽に入れ、パージガスのアルゴンを毎分約１標準リットル（Ｌ／分）のレートで溶融金属溶液槽に添加した。実施例５〜実施例７については、超音波装置は、３：１のブースタを使用し、周波数は最大４０，０００Ｈｚまで、もしくはそれを超えて使用することもできるが、２０，０００Ｈｚで操作した。実施例５については、基準値の超音波振動振幅を用いて、超音波電源（ワット）として基準値の電力強度を用いた。実施例６については、超音波振動振幅は基準値の２倍であり、超音波電源の電力強度は、基準値の１．９倍であった。そして、実施例７については、超音波振動振幅は、基準値の３倍であり、超音波電源の電力強度は基準値の３．６倍であった。実施例８については、超音波装置は使用されず、パージガスのアルゴンを添加しただけであった。水素量はＡＬＳＰＥＫ測定器を用いて経時的にモニターし、記録した。各実験の間、水素をアルミニウム溶液槽に添加し、アルゴンガスの添加前の基準値を決定した。

実施例５〜実施例８では、図３に示したものと同様の超音波装置が使用された。超音波装置は、冷却アセンブリを有せず、パージガスは、超音波プローブの先端部を介して注入された。超音波プローブは、直径１インチ（２．５ｃｍ）で、プローブと先端部はどちらも（単一部品として）ハフニウムおよびチタンを含むニオブ合金で構成された。

図７は、パージガスのアルゴンを添加後に（そして、超音波装置を使用した場合は、作動させて）、水素濃度をアルミニウム合金１００ｇ当たりの水素ｍＬ単位で、時間関数としてプロットしたものを示している。図７は、各実施例５〜実施例７が、パージガスのみ使用し超音波装置を使用しない実施例８よりも、（パージガスおよび超音波装置を使用して）大幅に速くアルミニウムから水素をガス抜きしたことを示している。実施例６〜実施例７は、より低い超音波振動振幅、および超音波電源として、より低い基準値の電力強度を用いた実施例５よりもわずかに良い結果となった。

＜実施例９〜実施例１０＞
実施例９〜実施例１０は、（マグネシウム含有の）アルミニウム合金５１５４を使用した連続鋳造実験で、水素およびリチウム／ナトリウム不純物を除去するためにパージガスおよび超音波装置を使用することの有効性を判定する大規模な実験であった。金属溶液槽の温度は、華氏約１３５０度（７３２℃）の温度に維持された。

ナトリウムおよびリチウムの重量パーセント濃度は、分光計を用いて測定し、水素濃度は、溶融アルミニウムのためのＡｌＳＣＡＮ水素分析器を用いて測定した。実施例９は、対照実験であり、実施例９の溶融アルミニウム合金で優勢なナトリウムおよびリチウムの濃度は、それぞれ０．０００８３％（８．３ｐｐｍ）および０．０００３６％（３．６ｐｐｍ）であった。実施例９の水素濃度は、０．４１ｍＬ／１００ｇであった。

実施例１０では、実施例５〜実施例８の超音波装置を使用し、２０，０００Ｈｚで動作させた。実施例１０においては、超音波装置の動作と連動して、溶融金属出力毎時１ｋｇ当たり毎時約８０〜８５ｍＬ（すなわち、１ｋｇの溶融金属当たり８０〜８５ｍＬのパージガス）の体積流量で、アルゴンガスを溶融金属溶液槽に添加した。超音波装置およびアルゴンパージガスを使用した後、溶融アルミニウム合金中のナトリウム濃度は、最低検出限界である０．０００１％（１ｐｐｍ）未満であり、溶融アルミニウム合金中のリチウム濃度は、０．０００３％（３ｐｐｍ）であった。実施例１０の水素濃度は０．３５ｍＬ／１００ｇであり、約１５％の減少であった。

＜実施例１１＞
実施例１１では、図４に示したものと同様の、華氏約１３００度（７００℃）の溶融アルミニウムを含む樋で操作させる、一体型サイアロンプローブを有する超音波装置の耐用年数や寿命を決定する実験を実施した。

超音波装置とプローブは、超音波装置とは無関係な３時間の点検停止を除いて、連続的に動作させた。細長いプローブは、直径３／４インチ（１．９ｃｍ）で、サイアロンで作られ、約２０ｋＨｚ（１９．９７ｋＨｚ）で動作させた。電力強度は６０〜９０ワットであった。デジタル計測器を用いて、プローブの長さを使用前および後に測定した。超音波装置が約２０ｋＨｚで動作している間、プローブ先端部は、溶融アルミニウムを含む樋に約５０時間浸した。この実験の目的のためには不必要であると思われたので、この実験中にパージガスは使用しなかった。５０時間の稼働時間の後、プローブの侵食は０．０１８２インチ（０．０４６２ｃｍ）であると測定された。これは毎時３．６４ｘ１０^−４インチ（９．２５ｘ１０^−４ｃｍ）の侵食速度に変換される。一般的に、超音波プローブは、使用に適さないとみなされる前に、約１／４インチ（約０．６４ｃｍ）の浸食まで耐えることができる。従って、実施例１１のセラミックプローブに対して、理論上の寿命は、６８６時間以上または２８日以上の連続動作ということになる。

このプローブの寿命は、本明細書に記載のように設計され、構成され、または組み立てられていない、他の金属製およびセラミック製の超音波プローブの寿命よりはるかに優れている。

Claims (18)

1. 超音波トランスデューサと、
   前記超音波トランスデューサに取り付けられて、先端部を備えるプローブと、
   ガス注入口と、前記プローブを介するガス流路と、前記プローブの前記先端部のガス吐出口と、を含むガス供給システムと、を備える
   ことを特徴とする超音波装置。
2. 前記プローブは、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミック、またはこれらの組み合わせを含む
   ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波装置。
3. 前記プローブは、一体型部品である
   ことを特徴とする、請求項２に記載の超音波装置。
4. 前記プローブは、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ジルコニア、またはこれらの組み合わせを含む
   ことを特徴とする、請求項３に記載の超音波装置。
5. 前記プローブは、サイアロンを含む
   ことを特徴とする、請求項４に記載の超音波装置。
6. 前記プローブは、細長いプローブであって、前記細長いプローブは前記超音波トランスデューサに取り付けナットで固定される
   ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波装置。
7. 前記プローブは、細長いプローブであって、前記細長いプローブの直径に対する長さの比は、約５：１〜約２５：１の範囲にある
   ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波装置。
8. 前記プローブは、細長いプローブであって、前記ガス吐出口の断面積に対する前記細長いプローブの前記先端部の断面積の比は、約３０：１〜約１０００：１の範囲にある
   ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波装置。
9. 前記超音波装置は、さらに、前記プローブの少なくとも一部を囲む熱保護システムを備える
   ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波装置。
10. 前記熱保護システムの内部で流体が循環する
    ことを特徴とする、請求項９に記載の超音波装置。
11. 前記超音波装置は、さらに、前記超音波トランスデューサと前記プローブとの間にブースタを備える
    ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波装置。
12. 前記ガス注入口が、前記ブースタの中にある
    ことを特徴とする、請求項１１に記載の超音波装置。
13. 溶融金属溶液槽の中の溶存ガスおよび／または不純物の量を低減するための方法であって、
    （ａ）前記溶融金属溶液槽の中で超音波装置を動作させるステップであって、前記超音波装置が、
    超音波トランスデューサと、
    前記超音波トランスデューサに取り付けられて、先端部を備えるプローブと、
    パージガス注入口と、前記プローブを介するパージガス流路と、前記プローブの前記先端部のパージガス吐出口と、を含むパージガス供給システムと、を備えている、当該ステップと、
    （ｂ）前記パージガス供給システムを介して、パージガスを前記溶融金属溶液槽内に毎分約０．１〜約１５０リットルの範囲のレートで導入するステップと、を含む
    ことを特徴とする方法。
14. 前記溶存ガスは、酸素、水素、二酸化硫黄、またはこれらの組み合わせを含むものであるか、
    前記不純物は、アルカリ金属を含むものであるか、
    前記溶融金属溶液槽は、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウム、またはこれらの組み合わせを含むものであるか、
    前記パージガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、塩素、またはこれらの組み合わせを含むものであるか、
    または、これらのいずれかの組み合わせである
    ことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 前記パージガスは、前記溶融金属溶液槽からの出力毎時１ｋｇ当たりパージガス毎時約１０〜約５００ミリリットルの範囲のレートで前記溶融金属溶液槽に導入される
    ことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
16. 前記パージガスは、毎分約１〜約５０リットルの範囲内のレートで前記溶融金属溶液槽に導入されるか、
    前記溶存ガスは、水素を含むものであるか、
    前記溶融金属溶液槽は、アルミニウム、銅、またはこれらの組み合わせを含むものであるか、
    前記パージガスは、アルゴン、窒素、またはこれらの組み合わせを含むものであるか、
    または、これらのいずれかの組み合わせである
    ことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
17. 前記パージガスは、毎分約１〜約１０リットルの範囲内のレートで前記溶融金属溶液槽に導入される
    ことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記パージガスは、前記溶融金属溶液槽からの出力毎時１ｋｇ当たりパージガス毎時約３０〜約２００ミリリットルの範囲のレートで前記溶融金属溶液槽に導入される
    ことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。

Images