JP3859230B2 - オリフィスを流れる液体の流量を大きくする方法および装置 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、オリフィスを流れる液体の流量の変更に関する。
例えば、繊維および不織ウェブを形成するための、例えば熱可塑性ポリマなどの液体の溶融押出は、一般に、複数のオリフィスに溶融ポリマを強制的に通して複数の溶融スレッド線を形成し、複数の溶融スレッド線を、通常は大気である流体に接触させて、フィラメント又は繊維を形成し、それらを縮径させる。縮径されたフィラメント又は繊維は、それからランダムに表面上に堆積され、不織ウェブを形成する。
不織ウェブを形成するために用いられる共通で且つよく知られたプロセスは、メルトブロー法、コフォーミング法、およびスパンボンド法である。
メルトブロー法の文献は、例えばPerry Jr.による米国特許第3,016,599号、Prenticeによる米国特許第3,704,198号、Keller等による米国特許第3,755,527号、Butin等による米国特許第3,849,241号、Butin等による米国特許第3,978,185号、およびWisneski等による米国特許第4,663,220号を含む。V.A.WenteのIndustrial and Engineering ChemistryのVol.48, No.8、ページ1342〜1346（1956年）の“Superfine Thermoplastic Fibers”、V.A.Wente等による米国商務省の技術業務局のワシントンD.C.所在のNavy Research Laboratoryの1954年５月25日付NRL報告書4364（111437）“Manufacture of Superfine Organic Fibers”、およびRobert R.ButinおよびDwight T.LohkampによるJournal of the Technical Association of the Pulp and Paper IndustryのVol.56,No.4のページ74〜77（1973）の“Melt Blowing - A One-step Web Process for New Nonwoven Products”も参照されたい。
コフォーミング法の文献（すなわち、繊維または粒子が形成されるとき、メルトブローされた繊維で混合されるメルトブロー法を開示する文献）が、Anderson等による米国特許第4,100,324号およびHauserによる米国特許第4,118,531号を含む。
最後に、スパンボンド法の文献が、特に、Kinneyによる米国特許第3,341,394号、Dorschner等による米国特許第3,655,862号、Dorschner等による米国特許第3,692,618号、Dobo等による米国特許第3,705,068号、松木等による米国特許第3,802,817号、Porteによる米国特許第3,853,651号、秋山等による米国特許第4,064,605号、Harmonによる米国特許第4,091,140号、Schwartzによる米国特許第4,100,319号、AppelとMormanによる米国特許第4,340,563号、AppelとMormanによる米国特許第4,405,297号、Hartman等による米国特許第4,434,204号、GreiserとWagnerによる米国特許第4,627,811号、およびFowellsによる米国特許第4,644,045号を含む。
溶融押出プロセスによく生じる困難性すなわち問題のいくつかは、例えばポリマの熱崩壊、押出ダイの押込み、繊維径の制限、押出量および生産速度すなわちラインの速さである。縮径流体の温度および速度が、大きな影響を有するが、繊維径は、一般にはポリマが押し出されるオリフィスの径の関数である。いくつかの用途については、10ミクロンより小さい繊維径が望ましい。押出量は、主にポリマのメルト流量の関数であり、一方で生産速度は、押出量に大きく依存するものである。言い換えると、押出量および生産速度は、押し出されている溶融ポリマの粘性に依存する。この困難性と問題は、大きくは、所望の押出量及び／又は生産速度を達成するためにメルトの粘性を処理する努力から生じる。改良されたメルトの粘性制御に基づいて、溶融押出プロセスを改良することができる。
発明の概要
本発明は、加圧液体の一部に超音波エネルギを与えることによって、オリフィスを通る加圧液体の流量を大きくする装置および方法を提供し、前述した困難性および問題を解決する。
この装置は、加圧液体を受け取るチャンバを形成するダイハウジングと、加圧液体の一部に超音波エネルギを印加する手段を備える。ダイハウジングは、加圧液体を受け取るチャンバ、チャンバに加圧液体を供給する入口、およびダイチップの壁により形成された出口オリフィス（又は複数の出口オリフィス）を有し、出口オリフィスは、チャンバから加圧液体を受け取り、液体をダイハウジングの外に流す。一般には、超音波エネルギ印加手段は、チャンバ内に配置される。例えば、超音波エネルギ印加手段は、浸漬した超音波とすることができる。本発明においては、超音波エネルギ印加手段は、超音波エネルギがダイチップ（すなわち出口オリフィスを形成するダイチップの壁）に印加されないようにチャンバ内に配置される。
本発明の１つの具体例において、ダイハウジングが、第１端部および第２端部を有する。ダイハウジングの第１端部が、壁を有するダイチップを有し、この壁は、チャンバから加圧液体を受け取り、且つ第１軸に沿って加圧液体を送る出口オリフィスを形成する。超音波エネルギを加圧液体の一部に印加する手段は、第１端部と第２端部を有する超音波ホーンである。ホーンは、超音波エネルギにより励起するときに、節および機械的な長手方向の励起軸を有する。ホーンの第１端部がダイハウジングの外側に配置され、第２端部がダイハウジング中のチャンバ内に配置され、出口オリフィスに密に近接するように、ホーンは、ダイハウジングの第２端部に設置される。
超音波ホーンの長手励起軸は、第１軸にほぼ平行であるのが望ましい。さらに、ホーンの第２端部が、ダイハウジング内の全ての出口オリフィスを包含する最小領域とほぼ同じか、それよりも大きい横断領域を有するのが望ましい。超音波エネルギにより励起すると、超音波ホーンは、（ダイハウジングにより形成される）チャンバ内の加圧液体に超音波エネルギを印加するが、出口オリフィスを形成する壁を有するダイチップには印加しない。
本発明においては、超音波ホーンを使用し、該ホーンの第１端部にバイブレータ手段を結合する構成とすることができる。バイブレータ手段は、圧電トランスデューサ又は磁気ひずみトランスデューサであってよい。トランスデューサは、ホーンに直接結合されてもよく、細長い導波管を介して結合されてもよい。細長い導波管は、所望の入力:出力の機械的励起比を有するが、多くの用途に対して、１：１および1.5：１の比が典型的である。超音波エネルギは、通常、およそ15ＫＨｚから100ＫＨｚの周波数を有するが、別の周波数を有することもできる。
本発明の態様において、出口オリフィスは、およそ0.1インチ（2.5mm）よりも小さい径を有する。例えば、出口オリフィスは、およそ0.0001インチ（0.00254mm）から0.1インチ（2.54mm）の径を有することができる。また例えば、出口オリフィスは、およそ0.001インチ（0.0254mm）から0.01インチ（0.254mm）の間の径を有する。
本発明によると、出口オリフィスは、１つであっても、又は複数であってもよい。出口オリフィスは、出口細管であってよい。出口細管は、およそ４：１から10：１の範囲の径に対する長さの比（Ｌ／Ｄ比）を有する。当然のことながら、出口細管は、４：１よりも小さいＬ／Ｄ比を有してもよいし、10：１よりも大きい比を有してもよい。
本発明の１つの具体例において、出口オリフィスが自己清浄型である。本発明の別の具体例においては、この装置は、加圧された多成分の液体を乳化することができる。本発明の別の具体例においては、この装置は、液体噴霧を生成することができる。例えば、この装置は、霧状液体噴霧を生成する構成をとる。代わりに及び／又はさらに、この装置は、一様な円錐状の液体噴霧を生成する。本発明の更に別の具体例においては、この装置は、加圧液体にキャビテーションを生じさせる。
本発明は、オリフィスを通る加圧液体の流量を大きくする方法を提供する。この方法は、加圧液体を上述の装置に供給し、出口オリフィスがチャンバから加圧液体を受け取る間に、（ダイチップに超音波エネルギを印加することなく）超音波エネルギ印加手段を超音波で励起し、加圧液体を、ダイチップ内の出口オリフィスの外に送るステップを有する。
本発明による加圧液体の流量は、超音波エネルギによる励起がないときの、同じ出口オリフィスを通る同じダイハウジング外に流れる同じ加圧液体の流量と比べると、少なくとも25％は大きい。ある場合には、加圧液体の流量は、少なくとも75％は大きくなる。また別に、加圧液体の流量が、少なくとも200％は大きくなる場合もある。
一般には、加圧液体の流量を増加することは、加圧液体の温度を大きく上げることなく、及び／又は加圧液体の供給される圧力を大きく上げることなく達成することができる。
本発明は、出口オリフィスがチャンバから加圧液体を受け取り液体をダイチップの出口オリフィスから流出させる間に、超音波エネルギ印加手段を超音波エネルギで励起する（すなわち、超音波ホーンを励起する）ステップが、さらに出口オリフィスを自己清浄するステップを有するようにすることができる。本発明は、出口オリフィスがチャンバから加圧液体を受け取る間に、超音波エネルギ印加手段を超音波エネルギで励起するステップが、加圧された多成分の液体を乳化するステップを有するようにすることもできる。
本発明は、液体をダイチップの出口オリフィスの外に送るステップが、液体噴霧を生成するステップを有するようにすることができ、この液体噴霧は、限定するわけではないが、霧状液体噴霧および一様な円錐状液体噴霧を備える。本発明は、出口オリフィスがチャンバから加圧液体を受け取る間に、超音波エネルギ印加手段を超音波エネルギで励起して、液体をダイチップの出口オリフィスの外に送るステップを有する方法が、加圧液体にキャビテーションを生じさせるステップを有するようにすることができる。
本発明の装置および方法は、加圧液体がオリフィス外に流される場合に関する非常に広い用途を有している。例えば、該装置および方法が、液体燃料の燃焼器用の燃料インジェクタで用いられる。例えば燃焼器は、限定するものではないが、ボイラ、キルン、工業用および家庭用炉、焼却炉を含む。該装置および方法は、不連続流れの内燃機関（例えば、ピストン式ガソリン及びディーゼルエンジン）についての燃料インジェクタで用いられることもできる。該装置および方法は、連続流れの内燃機関（例えば、スターリンサイクル熱機関およびガスタービン機関）についての燃料インジェクタで用いられることもできる。
本発明の装置および方法は、多成分の液体燃料を液体燃料添加剤および異物と同じく乳化するために用いられる。
本発明の装置および方法は、限定するわけではないが、自動車産業、建築業、工業、農業およびロボット産業等の様々な分野で、開回路および閉回路の両方の油圧システムにおける流れ制御を行うために用いられてもよい。
本発明の装置および方法は、例えば超音波で制御された熱拡散バルブ等の装置を用いて液体冷媒の相変化速度を制御するために用いられるようにすることができる。本発明の装置および方法は、様々な食品、特に粘性のある食品に対する物質移動および容器充填作業に有益である。
本発明の方法および装置は、限定するわけではないが、液滴サイズ、液滴サイズの均一性、噴霧パターンの形状及び／又は噴霧密度の均一性等の特性を含んだスプレーにわたって、ある程度の制御を行うことによって、噴霧作業を有益にすることができる。
本発明は、内燃機関に液体燃料を注入するための超音波燃料インジェクタ装置を提供する。該装置は、加圧液体燃料を受け取る構成のチャンバを形成するダイハウジングと、加圧液体燃料の一部に超音波エネルギを印加する手段とを備える。ダイハウジングは、加圧液体燃料を受け取る構成のチャンバと、チャンバに加圧液体燃料を供給する入口と、ダイチップの壁により形成され、チャンバから加圧液体燃料を受け取り、ダイハウジングの外に液体燃料を送る出口オリフィス（又は複数の出口オリフィス）を備える。超音波エネルギ印加手段は、チャンバ内に配置され、例えば浸漬した超音波ホーンであってよい。本発明によると、超音波エネルギ印加手段は、超音波エネルギがダイチップ（ダイチップの壁は出口オリフィスを形成する）に印加されないように、チャンバ内に配置される。
超音波燃料インジェクタ装置の１つの具体例において、ダイハウジングが、第１端部および第２端部を有し、出口オリフィスが、チャンバから加圧液体燃料を受け取り、第１軸に沿って加圧液体燃料を送る。超音波エネルギを加圧液体燃料の一部に印加する手段が、第１端部および第２端部を有する超音波ホーンである。超音波エネルギにより励起されるとき、ホーンは、節および長手方向の機械的な励起軸を有するのに適する。ホーンの第１端部がダイハウジングの外に配置され、第２端部がダイハウジング内側のチャンバ内に配置され、出口オリフィスに密に近接するように、ホーンがダイハウジングの第２端部に設置される。代わりに、ホーンの第１端部と第２端部の両方が、ダイハウジング内部に配置されてもよい。
超音波ホーンの長手励起軸は、第１軸に実質的に平行であるのが望ましい。また、ホーンの第２端部は、ダイハウジングの全ての出口オリフィスを含む最小領域にほぼ等しいか、又はそれよりも大きい横断面領域を有するのが望ましい。
超音波燃料インジェクタ装置は、ホーンの第１端部に結合されるバイブレータ手段を有する超音波ホーンを備えてもよい。バイブレータ手段は、圧電トランスデューサか、磁気ひずみトランスデューサであってよい。トランスデューサは、直接ホーンに結合されるか、または細長い導波管によって結合される。細長い導波管は、所望の入力：出力の機械的な励起比を有することができ、１：１および1.5：１の比が多くの用途に対して典型的である。超音波エネルギは、およそ15ＫＨｚから100ＫＨｚの周波数を典型的には有するが、別の周波数を有してもよい。
本発明は、溶融押出工程を補助するために超音波エネルギを利用して、熱可塑性ポリマ、例えば繊維および不織ウェブの溶融押出を行う装置および方法を提供する。この装置は、ダイハウジングと、溶融熱可塑性ポリマの一部に超音波エネルギを印加する手段とを備える。ダイハウジングは、溶融熱可塑性ポリマを受け取る構成のチャンバと、チャンバに溶融熱可塑性ポリマを供給できる入口オリフィス（すなわち入口）と、チャンバから溶融熱可塑性ポリマを受け取り、ポリマを押し出すことができる押出オリフィス（すなわち出口オリフィス）を形成する。
また本発明は、繊維を形成する方法を提供する。この方法は、溶融熱可塑性ポリマを供給し、ダイ組立体の押出オリフィスを通してポリマを押し出し、スレッド線を形成するステップを有する。ダイ組立体は、ダイハウジングであって、また既に形成された溶融熱可塑性ポリマの一部に超音波を印加する手段でもある。超音波エネルギ印加手段は、少なくとも部分的に溶融熱可塑性ポリマによって囲まれ、溶融熱可塑性ポリマが押出オリフィス（すなわち出口オリフィス）を通過するときに、それに超音波エネルギを印加する。溶融熱可塑性ポリマを押し出している間には、超音波エネルギ印加手段が、超音波エネルギで励起される。押出オリフィス（すなわち出口オリフィス）から出てくるスレッド線は、縮径化され、繊維を形成する。
本発明は、さらに、熱可塑性ポリマから、長さ方向に沿って気泡を閉じ込めた繊維を形成する方法を提供する。この方法は、溶融熱可塑性ポリマを供給し、ダイ組立体の押出オリフィス（すなわち出口オリフィス）を通ってポリマを押し出し、スレッド線を形成する。ダイ組立体は、ダイ組立体と、既に形成された溶融熱可塑性ポリマの一部に超音波エネルギを印加する超音波ホーンであってよい。溶融熱可塑性ポリマを押し出す間、超音波ホーンは、キャビテーションを維持するのに十分な状況の下で、超音波エネルギで励起される。スレッド線は、押出オリフィス（すなわち、出口オリフィス）から出てきて、繊維を形成するように縮径化される。
キャビテーションは、溶融熱可塑性ポリマのスレッド線内に気泡を形成し、この気泡は閉じ込められた状態で残る。繊維を形成するために縮径した場合に、気泡は破壊されずに、伸びる。気泡が存在するために、繊維の密度は、別の方法による気泡が閉じ込められていない同じ繊維の密度よりも小さくなる。例えば、気泡を含んだ繊維の密度は、気泡が閉じ込められていない別の方法による同じ繊維の密度の90％よりも小さい。別の例では、この繊維の密度は、別の方法による気泡のない同じ繊維の密度の20から90％の範囲となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の装置の１つの具体例を図式的に示した横断面図である。
図２および３は、本発明の方法の具体例の１つに従って作られた繊維の顕微鏡写真であって、その繊維の中に、気泡が閉じ込められている。
図４〜８は、超音波エネルギを用いない場合と、２つの異なるパワーレベルで超音波エネルギを与えた場合の、様々な温度でオリフィスを通るポリマ流量をプロットしたものである。
発明の詳細な説明
ここで用いられる用語「液体」は、気体と固体の間の中間のアモルファス（非晶性）の形態を意味し、この状態では、分子は、ガスと比べると非常に高く濃縮されるが、固体と比べると、固体の方がかなり濃縮された状態である。液体は、単一成分であっても、多数の成分からなるものであってもよい。この成分は、別の液体、固体及び／又は気体であってもよい。例えば、液体の特性は、印加された力により流れる能力である。力を印加するとすぐに流れる液体、および流量が印加された力に正比例する液体は、一般にはニュートン液体と呼ばれる。力が印加されるとき、ある液体は異常な流れ応答を行い、非ニュートン流れ特性を示す。
本明細書で使用する用語「熱可塑性ポリマ」および「熱可塑性材料」は、熱に曝されたときに柔らかくなり、室温に冷やされたときにそのもとの状態に戻るポリマをいう。この用語は、溶融押出されることができる全ての熱可塑性ポリマを総称することを意味する。この用語は、２つ以上のポリマ、および別のランダムなブロックコポリマの配合物をも意味する。熱可塑性ポリマの例として、ポリ（オキシメチレン）すなわちポリホルムアルデヒド、ポリ（トリクロロアセトアルデヒド）、ポリ（ｎ−バレルアルデヒド）、ポリ（アセトアルデヒド）、ポリ（プロピオンアルデヒド）等のエンドキャップポリアセタール；ポリアクリルアミド、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（エチルアクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート）等のアクリルポリマ；ポリ（テトラフルオロエチレン）、ペルフッ素化エチレン−プロピレンコポリマ、エチレン−テトラ−フルオロエチレンコポリマ、ポリ（クロロトリフルオロエチレン）、エチレン−クロロトリフルオロエチレンコポリマ、ポリ（ビニリデンフルオリド）、ポリ（ビニルフルオリド）等のフルオロカーボンポリマ；ポリ（６−アミノカプロン酸）すなわちポリ（−カプロラクタム）、ポリ（ヘキサメチレンアジパミド）、ポリ（ヘキサメチレンセバカミド）、ポリ（11−アミノウンデカン酸）等のポリアミド；ポリ（イミノ-1，3-フェニレンイミノイソフタロイル）すなわちポリ（ｍ−フェニレンイソフタルアミド）等のポリアラミド；ポリｐ−キシリレン、ポリ（クロロｐ−キシリレン）等のパリレン；ポリ（オキシ-2，6-ジメチル-1，4-フェニレン）すなわちポリ（ｐ−フェニレンオキシド）等のポリアリールエーテル；ポリ（オキシ-1，4-フェニレンスルホニル-1，4-フェニレンオキシ-1，4-フェニレン−イソプロピリデン-1，4-フェニレン）、ポリ（スルホニル-1，4-フェニレンオキシ-1，4-フェニレンスルホニル-4，4'-ビフェニレン）等のポリアリールスルホン；ポリ（ビスフェノールＡ）すなわちポリ（カルボニルジオキシ-1，4-フェニレンイソプロピリデン-1，4-フェニレン）等のポリカーボネート；ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（テトラメチレンテレフタレート）、ポリ（シクロヘキシレン-1，4-ジメチレンテレフタレート）すなわちポリ（オキシメチレン-1，4-シクロヘキシレンメチレンオキシテレフタレート）等のポリエステル；ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）すなわちポリ（チオ-1，4-フェニレン）等のポリアリールスルフィド；ポリ（ピロメリットイミド-1，4-フェニレン）等のポリイミド；ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（1-ブテン）、ポリ（2-ブテン）、ポリ（1-ペンテン）、ポリ（2-ペンテン）、ポリ（3-メチル-1-ペンテン）、ポリ（4-メチル-1-ペンテン）、1，2-ポリ-1，3-ブタジエン、1，4-ポリ-1，3-ブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、ポリアクリロニトリル、ポリ（ビニルアセテート）、ポリ（ビニリデンクロリド）、ポリスチレン等のポリオレフィン；アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）コポリマ等の前述したコポリマ等を含む。
例えば、熱可塑性ポリマは、上記リストに掲げたポリオレフィンであってよい。さらに、熱可塑性ポリマは、水素および炭素原子のみを含んだポリオレフィンであってよく、１つ以上の不飽和モノマを更に重合することによって調製される。このようなポリオレフィンは、特に、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（1-ブテン）、ポリ（2-ブテン）、ポリ（1-ペンテン）、ポリ（2-ペンテン）、ポリ（3-メチル-1-ペンテン）、ポリ（4-メチル-1-ペンテン）、1，2-ポリ-1，3-ブタジエン、1，4-ポリ-1，3-ブタジエン、ポリイソプレン、ポリスチレン等を含み、同様に２つ以上のポリオレフィンの配合物や、２種以上の異なる不飽和モノマから作られた別のランダムなブロックコポリマも含む。
本明細書で使用する用語「節」は、超音波ホーンの長手励起軸上の点であって、そこでは、超音波エネルギにより励起するときに、ホーンの長手方向の移動が生じない点をいう。節は、この分野では、本明細書と同様に節点と呼ばれる。
用語「密に近接」は、量的な意味においてのみ本明細書では用いられる。すなわち、この用語は、超音波エネルギ印加手段が、出口オリフィス（例えば、押出オリフィス）を通る液体（例えば溶融熱可塑性ポリマ）に超音波エネルギを主に印加するために、出口オリフィス（例えば、押出オリフィス）に十分に近い、ということを意味するために用いられる。この用語は、押出オリフィスからの特定の距離を定めるという意味で用いられるのではない。
本明細書の「メルト流量」は、特定の周期時間にわたって、与えられた温度でオリフィスを通って流れる圧力すなわち負荷のもとでの材料量を指す。メルト流量は、質量を時間で割った単位で表現される（すなわち、グラム／１０分）。メルト流量は、2.160kgの負荷の下で、時間周期を例えば10分間と特定し、温度を180℃と定め、2.0995±0.0051mmのオリフィス径を通って流れた溶融熱可塑性ポリマの質量を測定することによって定められ、（ペンシルバニア州ウィローグローブにあるTinius Olsen Testing Machine Co.）のモデルVE 4-78押出プラストメータを用いて、「押出プラストメータによる熱可塑性ポリマの流量の標準検査法」であるASTM Test Method D1238-82に従って定められた。
本明細書で用いられる用語「本質的に〜からなる」は、与えられた成分または生産物の所望の特性に悪影響を与えない材料の存在までをも排除する意味ではない。この種の材料としては、制限されることなく、顔料、酸化防止剤、安定剤、界面活性剤、ワックス、流れ促進剤、溶剤、組成の加工性を向上するために加えられる粒子および材料が含まれる。
一般には、本発明の装置が、ダイハウジング、および加圧液体（例えば、溶融熱可塑性ポリマ、炭化水素オイル、水、スラリー、サスペンション等）の一部に超音波エネルギを印加する手段を備える。ダイハウジングは、加圧液体を受け取る構成のチャンバ、チャンバに加圧液体を供給する入口（入口オリフィス）、チャンバから加圧液体を受け取り、ダイハウジングの出口オリフィスの外に液体を流す出口オリフィス（例えば、押出オリフィス）を形成する。超音波エネルギ印加手段は、チャンバ内に配置される。例えば、超音波エネルギ印加手段は、部分的にチャンバ内に配置されてもよいし、全体としてチャンバ内に配置されてもよい。
図１を参照すると、正確な縮尺ではないが、オリフィスを通る加圧液体の流量を大きくする装置が例示される。装置１００は、加圧液体（例えば、オイル、水、溶融熱可塑性ポリマ、シロップ等）を受け取るチャンバ１０４を形成する。ダイハウジング１０２は、第１端部１０６と第２端部１０８を有する。ダイハウジング１０２は、チャンバ１０４に加圧液体を供給する入口１１０（例えば、入口オリフィス）を有する。出口オリフィス１１２（押出オリフィスと呼ぶ）は、ダイハウジング１０２の第１端部１０６に配置され、ダイハウジング１０２は、チャンバ１０４から加圧液体を受け取り、第１軸１１４に沿ってダイハウジング１０２の外に液体を流す。超音波ホーン１１６は、ダイハウジング１０２の第２端部１０８に配置される。超音波ホーンは、第１端部１１８と第２端部１２０を有する。ホーン１１６の第１端部１１８がダイハウジング１０２の外に位置し、ホーン１１６の第２端部１２０がダイハウジング１０２の中のチャンバ１０４内で、出口オリフィス１１２に密に近接するように、ホーン１１６が、ダイハウジング１０２の第２端部１０８に設置される。ホーン１１６は、超音波エネルギを励起するときに、節点１２２と、機械的な長手励起軸１２４を有する。第１軸１１４および機械的な励起軸１２４は、実質的に平行となるのが望ましい。また、第１軸１１４と機械的な励起軸１２４は、図１に示されるようにほぼ同軸であることが更に望ましい。
本発明の装置の大きさおよび形状は、出口オリフィス（例えば、押出オリフィス）の数および構成、及び超音波エネルギ印加手段の動作周波数に少なくとも部分的には依存して、幅広く変化する。例えば、ダイハウジングは、円筒形、矩形、または別の形状であってもよい。さらに、ダイハウジングは、単一の出口オリフィスを有していても、または複数の出口オリフィスを有していてもよい。複数の出口オリフィスは、限定するわけではないが、線形または円形のパターンで構成されることができる。
超音波エネルギ印加手段は、チャンバ内に配置されて、少なくとも部分的に加圧液体に囲まれるのが典型的である。この手段は、液体が出口オリフィスを通過するときに、加圧液体に超音波エネルギを印加する。別の説明をすると、この手段は、出口オリフィスの各々に近接している加圧液体の一部に、超音波エネルギを印加する。この手段は、チャンバ内に完全に、あるいは部分的に設置される。
超音波エネルギ印加手段が超音波ホーンであるとき、ホーンは、例えば図１に特定されるハウジングの第１端部を通るように、都合よくダイハウジングを通って延びる。しかしながら、本発明は、別の構成も含む。例えば、ホーンは、端部というよりはダイハウジングの壁を通じて延びてもよい。さらに、第１軸またはホーンの長手励起軸のいずれもが、垂直である必要はない。望ましい場合には、ホーンの長手方向の機械的な励起軸は、第１軸と一定の角度をもってよい。それでもやはり、超音波ホーンの機械的な長手励起軸は、第１軸に実質的に平行であるのが望ましい。また、超音波ホーンの機械的長手励起軸および第１軸は、図１に示されるように、実質的に同軸であるのが望ましい。
望ましい場合には、１つ以上の超音波エネルギ印加手段が、ダイハウジングにより形成されるチャンバ内に配置される。また、単一の手段が、超音波エネルギを、１つ以上の出口オリフィスに近接した加圧液体の部分に印加することもできる。
超音波エネルギを複数の出口オリフィスに印加することは、様々な方法により達成される。例えば、超音波ホーンを用いることに関連して、ホーンの第２端部が、ダイハウジングの全ての出口オリフィスに近接した加圧液体の部分に超音波エネルギを印加するように、十分に大きい横断面領域を有することができる。このような場合、超音波ホーンの第２端部は、ダイハウジングの全ての出口オリフィスを含む最小領域にほぼ等しいか、又はそれより大きい横断面領域を有するのが望ましい（すなわち、最小領域は、同一チャンバ内に生じるダイハウジング内の出口オリフィスの領域の合計に等しいか、またはそれよりも大きい）。代わりに、ホーンの第２端部は、出口オリフィスの数に等しい数の複数の突起、すなわちチップを有してもよい。この例においては、各突起すなわちチップの横断面領域は、突起すなわちチップが密に近接する出口オリフィスの横断面領域と同じか、またはそれよりも小さいことが望ましい。
既に説明したように、用語「密に近接」は、超音波エネルギ印加手段が、出口オリフィスを通る加圧液体に超音波エネルギを主に印加するために、出口オリフィスに十分に近接することを意味するために用いられる。ある状況での超音波エネルギ印加手段と出口オリフィスとの実際の距離は、様々な要素に依存し、そのうちのいくつかは、加圧液体の流量（例えば、溶融熱可塑性ポリマのメルト流量または液体の粘度）、出口オリフィスの横断面領域に相対的な超音波エネルギ印加手段の端部の横断面領域、超音波エネルギの周波数、超音波エネルギ印加手段のゲイン（例えば、超音波エネルギ印加手段の長手方向の機械的な励起の振幅）、加圧液体の温度、および液体が出口オリフィスの外に流れる速度等である。
一般に、ある状況下での出口オリフィスから超音波エネルギ印加手段までの距離は、不適当な実験をしない限りは、当業者であれば容易に決定することができる。実際に、このような距離は、およそ0.002インチ（約0.05mm）から1.3インチ（約33mm）の範囲であるが、さらに大きい距離であっても利用することができる。このような距離は、超音波エネルギが、ちょうど出口オリフィスに入ろうとしている液体以外の加圧液体に印加される超音波エネルギの割合を定め、すなわち、距離が大きくなると、超音波エネルギの影響を受ける加圧液体の量が多くなる。結果的には、加圧液体の劣化や、液体を超音波エネルギに曝すことから生じる別の悪影響を最小限にするために、距離を短くすることが望ましい。
本発明の装置の１つの利点は、該装置が自己清浄することである。すなわち、供給される圧力と、超音波エネルギを加圧液体に供給する手段を（超音波エネルギをオリフィスに直接与えることなく）超音波で励起して発生された力を組み合わせることが、出口オリフィス（押出オリフィス）を詰まらせる可能性のある障害物を取り除くことができる。本発明によると、超音波エネルギ印加手段が、（超音波エネルギをオリフィスに直接与えることなく）超音波で励起されるとき、出口オリフィスが、チャンバから加圧液体を受け取り、液体をダイハウジングの外部に送りながら、出口オリフィスは、自己清浄している構成となっている。超音波エネルギ印加手段は、機械的な長手励起軸を有する浸漬超音波ホーンであり、オリフィスの最も近くでダイハウジング内に配置されるホーンの端部が出口オリフィスに密に近接しているのが望ましいが、出口オリフィスには直接超音波エネルギを印加しない。
本発明は、ダイ組立体の出口オリフィスを自己清浄する方法を含む。この方法は、加圧液体を上述したダイ組立体に供給し、出口オリフィスに直接超音波エネルギを印加せずに出口オリフィスがチャンバから加圧液体を受け取る間、（ダイ組立体内に配置される）超音波エネルギ印加手段を超音波エネルギで励起し、加圧液体をダイチップの出口オリフィスの外に流して、出口オリフィスを詰まらせる可能性のある障害物を取り除くステップを有し、その結果、出口オリフィスが清浄される。
本発明の態様は、加圧された多成分液体を乳化する装置を含む。一般には、乳化装置は、上述の装置の構成を有し、超音波エネルギ印加手段が超音波エネルギで励起されるとき、出口オリフィスがチャンバから多成分の加圧液体を受け取りながら、出口オリフィスが多成分の加圧液体を乳化する構成を有する。それから多成分加圧液体が、ダイチップの出口オリフィスの外部に流れる。この付加的なステップが、乳化を向上する。
本発明は、多成分加圧液体を乳化する方法を含む。この方法は、加圧液体を上述のダイ組立体に供給し、出口オリフィスがチャンバから加圧液体を受け取りながら、超音波エネルギを出口オリフィスに直接与えることなく、（ダイ組立体内に配置された）超音波エネルギ印加手段を超音波エネルギで励起し、ダイチップ内の出口オリフィスの外に液体を送るステップを有し、液体は乳化される。
本発明は、液体噴霧を生成する装置を含む。一般には、噴霧生成装置は、上述した装置の構成を有し、超音波エネルギ印加手段が超音波エネルギで励起されるとき、出口オリフィスがチャンバから加圧液体を受け取り、ダイチップ内の出口オリフィスの外に液体を送りながら、出口オリフィスが、液体噴霧を生成する構成を有する。この装置は、霧状液体噴霧（すなわち、非常に細かい噴霧すなわち非常に小さい液滴の噴霧）を提供する。この装置は、液体の均一な円錐状の噴霧を生成する。例えば、この装置は、円錐状の噴霧にわたって、比較的均一な密度すなわち液滴分布を有する液体の円錐状の噴霧を生成する。代わりに、この装置は、不規則な噴霧パターン及び／又は円錐状の噴霧にわたる不規則な密度すなわち液滴分布を生成してもよい。
本発明は、液体噴霧を生成する方法を含む。この方法は、上述したダイ組立体に加圧液体を供給し、超音波エネルギを直接出口オリフィスに印加することなく、出口オリフィスがチャンバから加圧液体を受け取りながら、（ダイ組立体内に配置された）超音波エネルギ印加手段を超音波エネルギで励起し、液体をダイチップの出口オリフィスの外に送り、液体噴霧を生成するステップを有する。本発明の方法によると、霧状液体噴霧、均一な円錐状噴霧、不規則なパターンの噴霧及び／又は不規則な密度を有する噴霧を生成するように、状況が調整されることができる。
本発明は、加圧液体にキャビテーションを生じさせる装置を提供する。一般に、キャビテーション装置は、上述の装置の構成をとり、超音波エネルギ印加手段が超音波エネルギで励起されるとき、出口オリフィスがチャンバから加圧液体を受け取り、ダイチップ内の出口オリフィスの外に液体を送る間に、加圧液体にキャビテーションを生じさせる。
本発明は、加圧液体にキャビテーションを生じさせる方法を含む。この方法は、上述したダイ組立体に加圧液体を供給し、超音波エネルギを出口オリフィスに直接印加することなく、出口オリフィスがチャンバから加圧液体を受け取る間に、（ダイ組立体内に配置された）超音波エネルギ印加手段を超音波エネルギで励起し、ダイチップ内の出口オリフィスの外に加圧液体を送るステップを有し、その結果、加圧液体がチャンバから受け取られ、出口オリフィスを流れる際に、加圧液体にキャビテーションが生じることになる。
本発明の装置および方法は、加圧液体がオリフィス外に流される非常に幅広い状況に関する。例えば、該装置および方法は、液体燃料燃焼器についての燃料インジェクタで用いられる。燃焼器は、限定するわけではないが、ボイラ、キルン、工業用および家庭用炉、焼却炉等を含む。これらの燃焼器の多くは、本発明の装置および方法により有益に処理される重い液体燃料を利用する。
内燃機関は本発明の装置および方法が燃料インジェクタに利用できる他の用途を示す。例えば、該装置および方法は、不連続流れのピストン式ガソリンおよびディーゼルエンジンについての燃料インジェクタに用いられる。特に、超音波振動を伝達する手段が、燃料インジェクタに組み込まれる。振動エレメントは、燃料が出口オリフィスに入り込む際に燃料と接触するように配置される。振動エレメントは、その振動の軸がオリフィスの軸に平行となるように整列される。液体燃料が出口オリフィスに入り込む直前に、液体燃料と接触する振動エレメントが、燃料に超音波エネルギを印加する。振動は、見かけの粘度と液体燃料の流れ特性を変化させ、流量を改善し、及び／又は、燃料がシリンダに入る際の燃料流の噴霧化を改善する。この振動は、気泡破壊や、出口オリフィスで詰まった汚染物のフラッシングを生じさせる。また、この振動は、燃料ストリーム中に存在している別の成分（例えば液体成分）や添加剤を有する液体燃料の乳化を生じさせる。
この装置および方法は、スターリン熱機関およびガスタービン機関等の連続流れ機関に対する燃料インジェクタに用いられる。このようなガスタービン機関は、飛行機の主エンジンおよび補助エンジンのようなトルク反応エンジン、コージェネレーション発電所、および別の原動機を含む。別のガスタービン機関は、ジェット機エンジン等のスラスト反応エンジンを含む。
本発明の装置および方法は、液体燃料が燃焼器（例えば、内燃機関）に導かれる点で、多成分の液体燃料、また液体燃料の添加剤および汚染物を乳化するために用いられる。例えば、ある燃料に混入した水は乳化されて、燃料／水の混合物が燃焼器内で用いられる。例えばメタノール、エタノール、ディーゼル、液体プロパンガス、バイオディーゼル等の成分を含んだ混合燃料及び／又は燃料配合物も、乳化されることができる。本発明は、多種燃料エンジンにおいて有益であり、多種燃料エンジンで用いられる異なる燃料の流量特性（例えば、見かけの粘度）を相溶するように用いられる。
本発明の装置および方法は、開回路油圧システムと閉回路油圧システムの両方の流れ制御を提供するために用いられてもよい。例えばこの用途には、限定するわけではないが、自動車の変速機、パワーステアリング、ショックアブソーバ、おびアンチロックブレーキシステムや、建築用および農業用機器油圧システムおよび駆動装置や、工業用処理制御機器、流体素子増幅器およびスイッチや、限定するわけではないが、ブリードオフを介した正確な圧力制御、駆動コンポーネントにおける無段速度変化および衝撃のない動作停止を行うように設計されたシステム等のロボット油圧システム、がある。
粘性液体の流れを向上することは、本発明の装置および方法について別の用途を提供する。例えば、本発明は、溶融ビチューメン、粘性ペイント、熱メルト接着剤、シロップ、重油、エマルション、スラリーおよびサスペンション等の流れを向上するために用いられる。
本発明の装置および方法は、例えば、超音波で制御された熱拡散バルブ等を用いることによって、液体冷媒の相変化速度を制御するために用いられてもよい。
本発明の装置および方法は、物質移動及び／又は様々な食品、特に粘性のあるような食品を容器に充填する作業において有益である。例えば、本発明は、限定するわけではないが、マヨネーズ、サラダドレッシング、スプレッド等の食品エマルションを同時に処理して充填する作業に用いられる。
本発明の装置および方法は、例えば、農業用スプレー、ペイント用スプレー、雪生成スプレー装置、スプレー給湿器等による噴霧作業に有益である。本発明は、限定するわけではないが、液滴サイズ、液滴サイズの均一性、噴霧パターンの形状及び／又は噴霧密度の均一性などの特性を有するスプレーにわたって、ある程度の制御を行うことができる。
上述のように、本発明は、熱可塑性ポリマ繊維、および繊維を熱可塑性ポリマから形成する方法に関する。本発明によるこの方法は、まず、溶融熱可塑性ポリマを供給し、ダイ組立体内の出口オリフィス（例えば、押出オリフィス）を通じてそれを押し出し、スレッド線を形成する。ダイ組立体は、前述した装置である。超音波エネルギ印加手段は、溶融熱可塑性ポリマによって少なくとも部分的に囲まれ、ポリマが押出オリフィスを通過する際に、超音波エネルギを溶融熱可塑性ポリマに印加する。溶融熱可塑性ポリマが押し出されている間、超音波エネルギ印加手段は、超音波エネルギにより励起される。押し出されたスレッド線は、それから繊維を形成するように縮径される。
一般に、溶融熱可塑性ポリマを供給し、ポリマを押し出し、ポリマを押し出すことにより生じるスレッド線を縮径するプロセスは、当業者によく知られている手続および方法に従って実行される。例えば、繊維を形成するためにスレッド線を縮径することは、機械的に、又は繊維を流体に入れることによって達成される。繊維が不織ウェブに形成されるときに、後者が典型的に利用される。すなわち、繊維を不織ウェブに形成するには、スレッド線を流体ストリームに接触させ、スレッド線を縮径して、繊維を形成する。縮径されたスレッド線すなわち繊維は、それからランダムに収集面上に堆積される。
不織ウェブは、溶融熱可塑性ポリマを連続的なスレッド線として押し出し、スレッド線を機械的に縮径し、複数の縮径されたスレッド線をトウに集め、（クリンプ加工や仮撚り等の付加的な処理をしたり、又はしなかったりで）トウをステープル繊維に切り、ステープル繊維を不織ウェブにカーディングして、それを既知の手段でボンディングすることによって生成される。
一定の状況下で、超音波エネルギを熱可塑性ポリマの一部、すなわち押出オリフィスを通る熱可塑性ポリマの部分に印加することが、押し出されたスレッド線の気泡の形成を促進する。この気泡は、スレッド線の冷却部分として残り、結果として閉じ込められる。スレッド線を縮径する際に、気泡は伸ばされ、広げられる。
一般に、気泡は、キャビテーションを維持するのに十分な状況下で、押し出されたスレッド線中に形成される。キャビテーションは、強い超音波フィールドにおいて液体中に生じる既知の現象である。液体中に、キャビテーションは、音場の高周波で変化する圧力に応答して膨張および収縮を行う、気体の及び蒸気の泡の形成に関する。しかしながら、溶融熱可塑性ポリマに気泡を形成することは、非常に高い蒸気圧と、比較的高い溶融ポリマの粘性から意外なことであった。
溶融熱可塑性ポリマのキャビテーションは、超音波励起のレベルと、溶融熱可塑性ポリマの押出オリフィスへの流量の関数と考えられる。典型的には、キャビテーションが、誘発されない大きい流量はあるが、例えば、一定の流量すなわち押出量で、キャビテーションは、通常、超音波励起のレベルを大きくすることによって誘発される。
繊維中に気泡が存在するために、この繊維は、気泡の閉じ込められてない別の方法による同一の繊維の密度よりも小さい密度を有する。例えば、この繊維の密度は、気泡の閉じ込められてない別の方法による同一の繊維の密度の90％よりも小さい。また例えば、この繊維の密度は、気泡の閉じ込められてない別の方法による同一の繊維の密度のおよそ20から90％の範囲である。
本発明を、以下の例に従って説明する。しかしながら、これらの例は、本発明の精神または範囲のいずれもを、いかなる意味においても限定するものではないと解釈されるべきである。以下の例で用いられる用語「メルト流量」は、ASTM Method D-1238に従って測定されたメルト流量を意味する。用語「流量」は、本発明の装置内の出口オリフィス（例えば、押出オリフィス）を通る、（例えば、溶融熱可塑性ポリマ、オイル等）加圧液体の実験的に定められた流量を特定するために用いられる。
例１
用いられたポリマは、10分当たり400グラムのメルト流量を有するポリプロピレン（Himont HH-441, Himont Company, Wilmington, Delaware）であり、メルト処理添加剤は有していない。このポリマは、South Carolina, GreenvileのAlex James and Associatesにより製造された定圧バッチ押出機で溶融された。この押出機の主な要素は、1.0インチ（約25mm）径の軸ボアを有して長さおよそ３インチ（約80mm）の圧力バレルを備える。1.0インチ（約25mm）の径とおよそ４インチ（約100mm）の長さを有する加圧ピストンが、バレルの端部に嵌合され、パッキングランドによりシールされた。バレルの対向する端部は、フィルタおよびシールを調整するボルトにより締結されたフランジで嵌合され、バレル組立体の出口にパイプを接続する手段を提供した。動作中、バレル組立体は、埋め込みカートリッジヒータのジャケットの中にそれを締付けることによって加熱された。バレル温度は、バレルの外面に接触した熱電対により検知された。バレル内の溶融材料は、ピストンをバレルに押し込むことによって加圧された。この押し込む力は油圧ラムによって与えられた。システム圧は、ラムに対する油圧ライン上の圧力ゲージによりモニタされた。
ピストンが定圧下でリザーバに押し込まれたとき、溶融ポリマは、リザーバの他端にある出口を通って、およそ４インチ（約10cm）の長さで1/4インチ（約6.4mm）の径をもつステンレス鋼チューブに出てきた。チューブは、図１に示す本発明の装置の入口（例えば、入口オリフィス）に接続された。
図１を参照すると、装置のダイハウジング１０２が、円筒形であって、1.375インチ（約34.9mm）の外径、0.875インチ（約22.2mm）の内径、および3.086インチ（約78.4mm）の長さを有する。ダイハウジングの第２端部１０８の外側部分0.312インチ（約7.9mm）が、16ピッチのネジをきられた。第２端部の内側は、ベベル縁１２６、すなわち斜面を有し、0.125インチ（約3.2mm）の距離で第２端部の面１２８から第１端部１０６まで延びる。斜面は、第２端部の面でのダイハウジングの内径を0.75インチ（約19.0mm）まで小さくした。入口１１０（入口オリフィス）は、ダイハウジングをドリルで穴を開けて作られ、その中心は、第１端部から0.688インチ（約17.5mm）であり、ねじを切られた。ダイハウジングの内側壁は、円筒部１３０と截頭部１３２で構成された。円筒部は、第２端部で斜面から第１端部に向かって延び、第１端部の面から0.992インチ（約25.2mm）の範囲内であった。截頭部は、円筒部から第１端部のねじ開口134まで、0.625インチ（約15.9mm）延びた。ねじ開口の径は、0.375インチ（約9.5mm）であって、このような開口の長さは、0.367インチ（約9.3mm）であった。
ダイチップ１３６は、第１端部のねじ開口に配置された。ダイチップは、円形肩部１４０を有したねじ円筒部１３８からなる。肩部は、0.125インチ（約3.2mm）の厚さを有し、0.5インチ（約12.7mm）離れた２つの平行面（図示せず）を有した。出口オリフィス１１２（押出オリフィス）は、肩部をドリルで穴を開けて作られ、ねじ部に向かって0.087インチ（約2.2mm）延びた。押出オリフィスの径は、0.0145インチ（約0.37mm）であった。押出オリフィスは、ダイチップ内を末端とし、玄関部１４２は、0.125インチ（約3.2mm）の径を有し、截頭部１４４は、玄関部と押出オリフィスを接続した。截頭部の壁は、垂直から約30°の角度をもった。玄関部は、押出オリフィスから、ダイチップのねじ部の端部に延び、ダイハウジングにより形成されたチャンバを押出オリフィスに接続した。
超音波エネルギ印加手段は、円筒形超音波ホーン１１６であった。ホーンは、加工されて、20ＫＨｚの周波数で共振した。ホーンは、共振波長の半分に等しい5.198インチ（約132.0mm）の長さと、0.75インチ（約19.0mm）の径を有した。ホーンの第１端部１１８の面１４６は、ドリルで穴を開けられ、3/8インチ（約9.5mm）の植込ボルト（図示せず）に対してねじを切られた。ホーンは、節点１２２でカラー１４８により加工された。カラーは、0.094インチ（約2.4mm）の幅で、ホーンの円筒面から外方に0.062インチ（約1.6mm）延びた。従って、カラーでのホーンの径は0.875インチ（約22.2mm）であった。ホーンの第２端部１２０は、0.125インチ（約3.2mm）の長さと0.125インチ（約3.2mm）の径をもつ小さい円筒形チップ１５０で終わった。このようなチップは、ホーンの円筒体から、およそ0.5インチ（約13mm）長の放物円錐部１５２により分けられた。すなわち、この円錐部の曲線は、断面図で分かるように、放物線の形状をしている。小さい円筒チップの面は、ホーンの円筒壁に対して垂直であり、押出オリフィスからおよそ0.4インチ（約10mm）のところに位置した。従って、ホーンのチップ面、すなわちホーンの第２端部は、ダイチップのねじ端部における玄関開口のすぐ上方に位置された。
ダイハウジングの第１端部１０８は、ねじキャップ１５４によりシールされ、超音波ホーンを定位に保持する役割を行った。ねじは、0.312インチ（約7.9mm）の距離でキャップの頂部に向かって上方に延びた。キャップの外径は、2.00インチ（約50.8mm）であり、キャップの長さすなわち厚さは、0.531インチ（約13.5mm）であった。キャップの開口は、ホーンを調整する大きさにされ、すなわち、開口は0.75インチ（約19.0mm）の径を有した。キャップの開口の縁は、ダイハウジングの第２端部で斜面の鏡像となる斜面１５６であった。斜面でのキャップの厚さは、0.125インチ（約3.2mm）であり、ねじの端部と斜面の底部の間に0.094インチ（約2.4mm）の間隔を保ち、間隔がホーン上のカラーの長さと等しくされた。このような間隔の径は1.104インチ（約28.0mm）であった。キャップの頂部１５８はドリルで穴を開けられ、ピンスパナを調整するように90°の間隔で４つの1/4インチ径で1/4インチ深さのホール（図示せず）を備えた。ホーンのカラーは、キャップを閉めるときに、２つの斜面の間で圧縮され、ダイハウジングによって形成されるチャンバをシールする。
１：1.5の入力：出力の機械的な励起比を有するブランソン細長アルミニウム導波管が、3/8インチ（約9.5mm）の植込ボルトによって超音波ホーンに接続された。圧電トランスデューサが、この細長い導波管に結合され、このトランスデューサは、ブランソンモデル502コンバータであって、20ＫＨｚで動作するブランソンモデル1120電源によって電力を供給された（Branson Sonic Power Company, Danbury, Connecticut）。電力消費は、ブランソンモデルA410A電力計でモニタされた。
リザーバからダイハウジングに延びるステンレス鋼チューブと、ダイハウジング自身が、チューブおよびダイハウジングの各々に熱電対をつなげる可撓性加熱テープで被われた。リザーバは、およそ177℃の温度に維持され、チューブおよびダイハウジングは、それぞれおよそ190℃と260℃の温度に維持された。ダイチップの温度は、手持ち型の高温計、Digi-Sense Type K Digital Thermometer（Cole-Parmer Instrument Company, Niles, Illinois）で測定するとおよそ190℃であり、押出ポリマの温度はおよそ249℃であることが見出された。１立方インチあたり150ポンドの油圧のゲージ圧（psig）が、油圧ラムによりピストンに与えられた。押出オリフィスからの溶融ポリマの流れが始まるとき、２分間の質量サンプルが、ダイチップの下方２インチ（約５cm）で保持された風袋質量アルミニウムサンプリングパンに収集された。サンプリングパンは、再び重さを測り直され、押出ポリマの流量（グラム／分）が計算された。超音波パワーが、電源を入れられ、パワーが100％で設定されて、80ワットの出力負荷を生じた。サンプルがとられ、流量が前述のように計算された。
ホーンに対する電力が切られると、流量が0.05グラム／分となった。押出圧力は両方の実験の間に一定であるが、ホーンに印加された100％の電力によって、流量が0.345グラム／分となった。同じ押出圧力で、流量は、本発明による超音波エネルギを用いることによって、およそ７倍大きくなった。
超音波電力を印加してサンプルをとると、電力計の読取は僅かに不安定となり、ホーンから発せられる可聴調和の変化が、電力変動のパターンに一致するように見えた。これらの観測結果は、非常に小さい流量が、ホーン／ポリマの界面でキャビテーションを生じさせることを示す。サンプルカップに集められた押し出された繊維の顕微鏡検査が、繊維内に、メルトからのガスのキャビテーション抽出により明らかに形成されたバブルが存在することを明らかにした。繊維の顕微鏡写真が図２に示される。さらに、超音波の影響下で形成され、重力で引っ張られた繊維が、ダイチップのおよそ４フィート（約1.2メートル）下方に配置されたキャッチパンから集められた。これらの繊維の顕微鏡写真が、図３に示されており、これらの繊維内に流入したバブルは、これらの径の数倍大きくされたことを示す。
例２
利用されるポリマが30グラム／10分のメルト流量を有するポリプロピレン（Escorene PP-3445, Exxon Chemical Americas, Houston, Texas 77079）であって、メルト処理添加剤を欠いたものであり、また細長い導波管が、１：１の入力：出力の機械的励起比を有するものと交換することを除いては、例１の手続を繰り返す。さらに、精密大気圧レギュレータと同じく、精密油圧および空気圧ゲージが、押出システムに加えられた。また、硬質材料絶縁ボードの1/4インチ（約6.4mm）厚の層が、熱損失を最小にするためにダイチップに取り付けられた。
６つの試行が、テーブル１に要約した状況および結果をともなって行われた。このテーブルにおいて、「圧力」の欄は、例１に示したpsigの油圧であり、「温度」の欄は、例１で示した押出機、パイプおよびダイハウジングの各々の摂氏温度を特定し、「パワー」の下の「パーセント」の欄は、ホーンに印加された最大超音波パワーのパーセンテージを示し、「パワー」の下の「ワット」の欄は、任意のパワー設定でのパワー消費を示し、「レート」の欄は、各試行に対して測定された流量をグラム／分の単位で表す。

各試行が、押出機を分解し、ポリマをリザーバに供給することが必要であって、ピストンパッキングランドの密性、バレル内のピストンの嵌合、熱テープを用いたステンレス鋼チューブとダイハウジングのラッピング、およびチューブとダイハウジング温度の手動制御に変動を与えることなく押出機を再組立するのは困難であった。このような変動は、他の変動と同様に、ある試行と別の試行との厳格な比較を妨げる。しかしながら、各試行の傾向は、一般的な試行と試行の観測と同様に、意義のあるものである。
超音波エネルギを用いると、押出圧力ないしは温度に関わらず、押出オリフィスを通る溶融ポリマの流量が増加する。改良の程度は、押出圧力および温度の両方の関数として現れる。言い換えると、圧力の影響の方が大きいように思えるが、圧力または温度のいずれかを大きくしても、流量が大きくなる。
例３
この例において、前述の２つの例で用いられた定圧バッチ押出機が、ジョージア、ダウソンビレ（Dawsonville）のJ&M研究所から得られたグリッドメルタ（Grid Melter）,モデルGM-25-1と交換された。この装置は、ポリマを25ポンド毎時（約11キログラム／時）まで処理する能力を有し、1.752cc/回転の排気量をもつ一体式変速ギアポンプを備える。メルトの温度は、プレメルトとメインメルトの２つのゾーンで調節される。圧力は、内部可変バイパスバルブにより制限され、調節され、10psiの単位の分解能をもつディジタル表示器で示される。ポンプ駆動速度は、パネル実装ポテンショメータで制御される。
グリッドメルタを、ポリマを溶融し、加圧するために用いた。これは、前述の例では必要であった、試行の間に装置を分解する必要性をなくした。使用された第１のポリマは、Escorene PP-3445であり（試行1-18）、第２のポリマは、Himont HH-441（試行19-42）であった。ポンプ駆動速度は、ポテンショメータのレンジのおよそ30％で任意に設定され、圧力が、バイパスバルブを調整することによって設定され、制御された。1/4インチ（約6.4mm）径で、９インチ（約23cm）の長さのステンレス鋼チューブが、グリッドメルタの出口からダイハウジングの入口に取り付けられた。チューブおよび押出カップが、２つのゾーンとして熱テープで被われ、この２つのゾーンは、自動加熱制御器により設定され制御された。グリッドメルタおよび押出装置の両方における全ての熱ゾーンは、同じ点に設定された。さらに、グリッドメルタの圧力が、一連の試行の各々の最初にのみ設定された。試行の結果は、テーブル２および３に要約されている。このテーブルにおいて、「圧力」の欄は、psigのグリッドメルタの圧力であり、「温度」の欄は、全ての加熱ゾーンの温度設定点を摂氏温度で同定し、「パワー」の下方の「パーセント」の欄は、ホーンに印加された最大超音波パワーのパーセンテージを示し、「パワー」の下方の「ワット」の欄は、任意のパワー設定でのパワー消費を示し、「レート」の欄は、各試行で測定された流量をグラム／分の単位で示す。

テーブル２および３のデータは、超音波エネルギを用いると、メルトの温度に関係なく、オリフィスを通るポリマの流量が、超音波エネルギを用いない場合の流量と比較して大きくなることを示している。しかしながら、このデータをよく理解するために、このデータが、超音波パワー設定のパーセントと、観測されたメルト流量（グラム／分）の関係としてプロットされた。試行１〜９（テーブル２）のプロットが図４に示され、試行10〜18（テーブル２）のプロットが図５に示される。同様に、試行19〜30および試行31〜42（テーブル３）のプロットが、それぞれ図６および７に示される。最後に図８は、テーブル２による試行１〜３、およびテーブル３による試行19〜21についてのデータを同様にプロットする。
図４〜７、特に図６および７は、超音波パワーを大きくすると、オリフィスを通って観測されたメルト流量が本質的に線形に増加していくことを示唆する。また、メルト流量のこのような増加は、研究された押出温度の各々で生じた。図８は、超音波エネルギを用いない場合には400メルト流量ポリマであったものが、超音波エネルギを用いると、30メルト流量ポリマの押出を可能にすることを示す。この意味することは、当然のことであるが、小さいメルト流量ポリマ（すなわち、大きい分子量ポリマ）の利点は、大きいメルト流量ポリマについて典型的に用いられる処理状態下で理解されることができる。このような利点は、例えば、より高い溶融点、およびより大きい引っ張り強さ等の特性を有する繊維を生成することができる。逆に、本発明の方法は、押出量を犠牲にすることなく、低い温度で与えられたポリマの押出を可能にする。
例４
この例は、押出オリフィスを詰まらせる障害物を取り除く本発明の能力を示す。この例においては、グリッドメルタホッパーが、ミネソタ州セントポールのH.B.Fuller社から得られた実験用圧力感応ホットメルト接着剤HL-1295 ZPで充填された。この樹脂に対して推奨された加熱温度は、149℃であった。メルタ、チューブおよびダイハウジングの加熱ゾーンは、138℃に初期設定された。熱レベルが安定にされたとき、ポンプ駆動は、全速の約15パーセントで始まり、450psigの圧力が発生した。超音波パワーは、この点では用いられなかった。全てのゾーンの温度がおよそ194℃にまで、すなわち樹脂に対して推奨された加熱温度より27℃高い温度にまで上げられた。押出圧力は、およそ130psigで安定にした。この点での押出物は、焦げた臭いがして、煙をだしていた。５分以内に流れを止め、押出圧力を400psigを超えるまで大きくした。この点で、超音波パワー制御器が、50パーセントに設定され、パワーが１秒間オンにされた。流れはすぐに再開し、圧力は先のレベルにまで下がった。黒く炭化した材料の粒子が押出物の中に見ることができた。３分以内に流れを再び止め、前と同じように超音波エネルギを用いて流れを再開した。このサイクルは８回以上繰り返された。各繰り返しの後に、パワー制御は僅かに悪くなり、最後のサイクルの後に、パワー制御の設定が30パーセントのパワーになり、電力計の読みは35ワットとなった。パワー供給は30パーセントのレベルに保たれ、流れが１時間の間に観測された。炭化した粒子を押出物の内部に見ることができたが、試行中に流れを止めなかった。
例５
この例は、例えば炭化水素ベースのオイルのような比較的自由に流れる液体に関する場合の本発明を例示する。この例で用いられる超音波装置は、浸漬ホーンと呼ばれる。典型的な浸漬ホーンの詳細な説明は図１および図１に関する説明部分で見ることができる。
ポンプ、駆動モータ、およびモータ制御器が、イリノイ州シカゴのDayton Electric Mfg.から得られた。ポンプは、1.34立方センチメートル毎回の排気量をもつ油圧ギアタイプであった。システムの高圧側のパイプは、1/4インチ（6.35mm）のステンレス鋼チューブであった。
細管チップは、0.0145インチ（0.368mm）の径のオリフィス開口と、0.087インチ（2.21mm）の長さを有した。従って細管は、６の長さと径の比（Ｌ／Ｄ）を有した。細管の反対側のチップの開口の径は、0.125インチ（3.175mm）であった。開口の壁は、開口がおよそ細管の径に等しくなるまで、30°の角度で狭められた。
超音波装置は、Bransonモデル1120電源によりパワーを供給された。消費したパワーは、Branson A410A電力計でモニタされた。20ＫＨｚの超音波信号が、Bransonモデル502コンバータで変換された。コンバータの出力はアルミニウム1:1ブースタを通じてポートであるホーンに結合された。変換された、ブースタおよびホーンは、超音波スタックを形成した。
BransonモデルJ-4パワー制御器が組み込まれて、パワー供給の出力を全パワー容量のパーセンテージで制御した。
試行中に選ばれたオイルは、ペンシルバニア州ステートカレッジのキャノン社から得られた石油ベースの粘性のある標準オイル、標準番号N1000、ロット番号#92102であった。このオイルは、20℃で4216センチポアズ（cP）（ＳＩ単位系はmPa・s）の粘性、25℃で2716cPの粘性、40℃で839cPの粘性、60℃で235cPの粘性、100℃で40cPの粘性を有した。
流量の試行は、超音波パワーを用いないか、利用可能なパワーの50％を用いたいずれかの場合に、0.0145インチ（0.368mm）径のチップを有する浸漬ホーンで実施した。押出物の温度は、露出した接触熱電対を出口の1/4インチ（6.35mm）以内のストリーム中に配置し、熱電対からの信号を手持ち型の高温計で読み取ることによってモニタされた。これらの試行の結果がテーブル４に示されている。テーブル４において、「圧力」の欄は、psigの圧力であり、「ポンプ」の欄は、パイプの速度を毎分の回転数で示し、「質量」の欄は、集められた試験液体（すなわちオイル）の質量をグラムで表現し、「温度」の欄は、手持ち型高温計から読み取られた温度を定め、「時間」の欄は、液体が集められた時間を秒で表し、「ワット」の欄は、与えられたパワー設定でのパワー消費を示し、「レート」の欄は、各試行で測定された流量をグラム／分で表した。

例６
この例は、以下の違いを除けば、例５で整備された同じ構成の超音波装置（浸漬ホーン）を用いる液体スプレの製造に関する本発明を例示する。
２つの異なるオリフィスが用いられた。１つは、0.004インチ（0.102mm）の径と0.004インチ（0.102mm）の長さ（L/D比１）を有し、他方は、0.010インチ（0.254mm）の径と0.006インチ（0.152mm）の長さ（L/D比0.006/0.010すなわち0.6）を有した。
使用されるオイルは、ペンシルバニア州エキスポートのLegbold-Heraeus Vacuum Products社より利用可能な設計HE-200、カタログ#98-198-006を有する真空ポンプオイルであった。取引書類には、オイルがカ氏104°で58.1センチパオズ（cP）の動粘度を有し、カ氏212°で9.14cPの動粘度を有することが報告されていた。
流量の試行は、超音波パワーがない場合と、80ワットのパワーおよび90ワットのパワーが印加された場合に、様々なチップをもつ浸漬ホーンで実施された。試行の結果がテーブル５に示される。テーブル５において、「圧力」の欄は、psigの圧力であり、「チップ」の欄は、細管チップ（すなわち出口オリフィス）の径および長さをインチ単位で表し、「パワー」の欄は、与えられたパワー設定でのパワー消費をワットで示し、「レート」の欄は、各試行に対して測定された流量をグラム／分で表したものである。
超音波装置が作動したときの全ての試行において、オイルストリームは、すぐに細かい液滴の一様な円錐状噴霧に霧化した。

例７
この例は、以下の例外を除けば、例６で整備した同じ構成の超音波装置を利用した本発明を示す。
２つの異なるオリフィスを用いた。１つは、0.025インチ（0.635mm）の径と0.045（1.14mm）インチの長さ（L/D比1.8）を有し、他方は、0.0145インチ（0.368mm）の径と0.087インチ（2.21mm）の長さ（L/D比6）を有した。
使用した液体は、ニュージャージー州Englewood Cliffs、CPC International、Best Foods Divisionから入手できる、製造者コード#214A5のカロブランドライトトウモロコシシロップであった。このトウモロコシシロップは、25℃で3392cPの動粘度を有した。
流量の試行は、超音波パワーのない場合、90ワットのパワー（利用可能パワーの20％）、および100ワットのパワー（利用可能パワーの30％）を印加された場合の様々なチップを有する浸漬ホーンで実施された。試行の結果は、テーブル６に示されている。テーブル６において、「圧力」の欄は、psigの圧力であり、「パーセント」の欄は、利用可能なパワーのパーセンテージとしてのパワー消費量であり、「ワット」の欄は、与えられたパワー設定でのパワー消費をワットで表し、「レート」の欄は、各試行に対して測定された流量をグラム／分で表したものである。

例８
この例は、本質的に異なる液体の乳化に関する発明を示す。この例において、エマルションは、水と炭化水素ベースのオイルから形成された。試行中の選ばれたオイルは、ペンシルバニア州ステートカレッジのキャノン社から得られた、標準番号N1000、ロット番号#92102の石油ベースの粘性標準オイルであった。
オイルは、例５に説明したポンプ、駆動モータ、およびモータ制御器によって加圧され供給された。この場合において、ポンプからの出力が、1/4インチ（6.35mm）のＴ継手の１つの脚に接続された。Ｔ継手の対向する平行な脚が、Ga，サバンナのRoss Engineering社から得られる６つのエレメントの1/2インチ（12.7mm）径ISG Motionless Mixerの入口に接続された。ミクサの出口は、浸漬ホーン超音波装置（図１参照）の入口に接続された。水がピストン計量ポンプにより、オイルストリームに計量されて供給された。ポンプは、５インチストロークの油圧シリンダで9/16インチの径で構成された。シリンダのピストンロッドは、減速ギアを介して変速モータにより駆動されるねじジャッキにより動かされた。モータの速度はモータ制御器を用いて制御された。水は、可撓性ホースにより、シリンダからＴ継手の第３の脚に向けられた。可撓性ホースの出口の端部は、およそ0.030インチ（0.762mm）の内径をもつステンレス鋼皮下チューブの長さに取り付けられ、可撓性ホースは、Ｔ継手に取り付けられ、オイル流れストリーム（超音波装置の上流）のほぼ中心で終わった。
浸漬ホーン装置は、0.0145インチ（0.368mm）径のチップに取り付けられた。オイルは、およそ250psigに加圧され、およそ35グラム／分の流量を生成した。計量ポンプは、およそ３rpmに設定され、0.17cc／分の水流量を生じた。超音波パワーを用いない場合と、およそ100ワットの超音波パワーを用いた場合とで、押出物のサンプル（すなわち超音波装置からの液体出力）をとった。このサンプルは、光学顕微鏡で検査された。電源の入ってない超音波装置を通過したサンプルは、その径がおよそ50〜300ミクロンの範囲である広く拡散した水滴を含んだ。100ワットのパワーを受け取った超音波装置を通ったサンプル（すなわち超音波処理されたサンプル）は、その径がおよそ５から１ミクロンより小さい範囲である水滴を密に含んだエマルションであった。
以上は特定の具体例に関して詳細に説明したものであるが、当業者であれば、前述の内容を理解したときには、これらの具体例の変更およびそれらに均等なものを考え出すことは容易である。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載およびそれに均等なものとして定められなければならない。

Claims (25)

1. オリフィスを流れる加圧流体の流量を増加させる装置（１００）であって、
   ダイハウジング（１０２）と、超音波ホーン（１１６）とを備え、
   前記ダイハウジング（１０２）が、
   加圧液体を受けるチャンバ（１０４）と、
   前記チャンバ（１０４）に加圧液体を供給する入口（１１０）と、
   前記ダイハウジングの一端（１０６）内に配置され、前記チャンバ（１０４）から加圧液体を受け取り、該加圧液体を第１軸（１１４）に沿って通す出口オリフィス（１１２）と、
   を備え、
   前記超音波ホーン（１１６）は、超音波エネルギによる励起時に超音波振動の節となる節点（１２２）を持ち、かつ、長手励起軸（１２４）を備え、
   前記超音波ホーン（１１６）は、一端（１１８）が前記ダイハウジング（１０２）の外に位置し、他端（１２０）が前記ダイハウジング（１０２）の前記一端（１０６）内に位置するように配置され、
   前記超音波ホーン（１１６）は、前記節点（１２２）において前記ダイハウジング（１０２）により保持され、前記他端（１２０）が前記出口オリフィス（１１２）に近接して位置するように保持された、
   ことを特徴とする装置（１００）。
2. 前記出口オリフィス（１１２）が複数であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記出口オリフィス（１１２）が出口細管であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 超音波エネルギが、１５KHzから１００KHzの周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記長手励起軸（１２４）が前記第１軸（１１４）とほぼ平行であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記超音波ホーン（１１６）の前記第２の端部（１２０）が、前記ダイハウジング（１０２）の全ての出口オリフィスを含む最小領域とほぼ等しいか、またはそれよりも大きい横断面積を有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
7. 前記超音波ホーン（１１６）が、長手方向の機械的励起のソースとしてのバイブレータ手段と、その第１端部で結合されたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記装置が均一な円錐形状の霧状噴霧液体を生成するものであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記加圧液体が溶融された熱可塑性ポリマーであり、前記出口オリフィスが、前記溶融された熱可塑性ポリマーを前記チャンバ（１０４）から受け取り、前記ポリマーを排出するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 加圧ポリマー内にキャビテーションを生成するようになっていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記超音波エネルギは１８KHzから６０KHzの周波数を有するものであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
12. 前記ポリマーは繊維として押し出されるものであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
13. 前記超音波ホーン（１１６）の前記第２の端部（１２０）が、前記ダイハウジング（１０２）の全ての出口オリフィスを含む最小領域とほぼ等しいか、またはそれよりも大きい横断面積を有することを特徴とする請求項９に記載の装置。
14. 前記超音波ホーン（１１６）が，長手方向の機械的励起のソースとしてのバイブレータ手段と、その第１端部で結合されたことを特徴とする請求項９に記載の装置。
15. 前記加圧液体は加圧液体燃料であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
16. 内燃機関への液体燃料の噴射に関する請求項１５に記載の装置の使用。
17. オリフィスを流れる加圧流体の流量を請求項１に記載した装置（１００）を用いて増加させる方法であって、
    前記装置（１００）の入口（１１０）から前記装置（１００）のチャンバ（１０４）に加圧液体を供給し、
    前記装置（１００）のオリフィス（１１２）が該装置（１００）の前記チャンバ（１０４）から加圧液体を受ける間に、該オリフィス（１１２）を形成する壁には超音波が当たらないようにして、前記装置（１００）の超音波ホーン（１１６）により、前記装置（１００）の前記チャンバ（１０４）内の加圧液体に超音波を当てる、
    ことを特徴とする方法。
18. 前記出口オリフィス（１１２）が出口細管であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 超音波エネルギが、１５KHzから１００KHzの周波数を有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 前記チャンバに供給される多成分の液体が乳化することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 前記出口オリフィス（１１２）から液体を通す段階は、噴霧状の液体を生成する段階を含むものであることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
22. 熱可塑性ポリマーから繊維を形成する方法であって、
    前記溶融された熱可塑性ポリマーが押し出されてスレッド線が形成され、該スレッド線を縮径して繊維を形成する段階を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
23. 前記縮径は、液体ストリームが前記ダイからでるときに、前記スレッド線を前記流体ストリームと接触させることによりなされることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記繊維は長さ方向に捕らえられた気泡を有しており、前記超音波ホーン（１１６）は、キャビテーションを維持しながら前記溶融された熱可塑性ポリマーを押し出すのに十分な条件で超音波エネルギで励起されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
25. 不織ウェブを形成する段階を備えることを特徴とする請求項１７から２４のいずれかに記載の方法。

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