JP4065366B2 - 液体を噴霧するための超音波装置 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、一般に、液体を噴霧するための超音波装置に関する。特に、本発明は、少なくとも１つの噴霧ユニットと、すべてのユニットに接続された貯蔵部と、各ユニット内の液面レベルを維持するための手段と、各トランスデューサに接続された高周波電源と、液体を貯蔵部から各トランスデューサを横断して貯蔵部まで循環（加速）させるための手段とを有し、各ユニットが、沈降する不純物および浮遊する不純物をそれぞれ除去するための下部出口（１０）および上部出口（９）を有することによって特徴づけられる超音波装置に関する。
【０００２】
発明の背景
液体を噴霧するための標準的な超音波装置は、通常、単一の噴霧ユニットを有し、上方に方向づけられ、液体で覆われた超音波トランスデューサは、ユニットの底部に配置され、ユニットの上部は開口している（気体で覆われている）。これらの公知の装置は動作上多くの問題を有するため、多くの用途には用いられない。これらの問題は、標準的な公知の装置の各要素が特定の動作を制限するために発生する。
【０００３】
第１に、超音波トランスデューサは、動作中に空気（または気体）に曝されると、ほとんど即座に過熱される。標準的な装置が移動されると、トランスデューサの上方の液面レベルが傾斜し、トランスデューサは空気または気体に曝されることになり得る。トランスデューサの上方に十分な（比較的高い）液柱を配置すると、装置の移動により引き起こされる問題を解決する助けとなり得るが、これはトランスデューサの動作効率に悪影響を及ぼすことになる。
【０００４】
第２に、液体環境によって引き起こされる蓄積された沈殿物および不純物コーティング（析出物）は、超音波トランスデューサの振動表面に悪影響を及ぼす。これらのコーティングは、大抵の場合、トランスデューサの効率を低下させ、熱絶縁層を形成し、最終的にはトランスデューサが過熱することになる。
【０００５】
液体中の不純物は多くの源から発生する。大抵の場合、不純物は最初、液体中に存在し得る。不純物は空気（または気体）と接触することによって液体中に入り得る。不純物は、液体と装置の構成要素（例えば、ポンプ、ガスケット等）との相互作用によって発生することもある。さらに、不純物は、トランスデューサとの相互作用プロセス（例えば、超音波、化学的相互作用、または電気分解による）によって生成されることもある。これらの不純物は、大抵の場合凝集し、さらにトランスデューサ上のコーティング（析出物）の蓄積に貢献する。
【０００６】
第３に、同じ噴霧ユニット内で（噴霧速度および出力を向上させるために）複数のトランスデューサを用いると、液体の乱れ（破壊的な電気エッチング現象を含む）がトランスデューサに影響を与える。
【０００７】
本発明の装置は、上記の欠点を克服し、（トランスデューサが曝される危険なく）装置の位置移動を可能にし、不純物の蓄積を防止する。
【０００８】
さらに、最も公知の噴霧装置は、飛沫サイズの広い統計学的分布を形成する。これは、非常に正確な配送システム（例えば、薬剤、消毒剤、殺菌剤等）を必要とする用途において不利である。本発明の装置の１つの実施態様は、特に、飛沫の直径が約０．５から５．０ミクロンという狭い統計学的分布の形成を可能にすることである。
米国特許第３９０１４４３号は、液体を含む噴霧チャンバと、チャンバ基部に設けられた圧電トランスデューサと、トランスデューサを振動させる一対のトランジスタとを有する超音波噴霧器について記載している。噴霧チャンバは、液体の表面レベルを所定の値に調整するための手段を有する。しかし、米国特許第３９０１４４３号は、上記の欠点のいくつかを解決し克服するが、不純物に関連する深刻な問題の解決法を提供していない。さらに、米国特許第３９０１４４３号は、１つの噴霧チャンバにおける１つのトランスデューサのみに関し、同時に動作する多数のユニットの可能性に関していない。１つより多い動作ユニットの装置については、さらに複雑な解決法が必要である。
【０００９】
発明の要旨
本発明は、液体を噴霧するための超音波装置に関する。この装置は、（ほぼ上方に方向づけられた超音波トランスデューサが底部に配置され、上部が開口した（気体で覆われた））少なくとも１つの噴霧ユニットと、すべてのユニットに接続された貯蔵部と、噴霧中に各ユニット内の最小液面レベルを維持するための手段と、各トランスデューサに接続された高周波電源と、（噴霧される）液体を貯蔵部から各トランスデューサを横断して貯蔵部まで循環させるための手段とを有し、各ユニットは、沈降する不純物および浮遊する不純物をそれぞれ除去するための下部出口（１０）および上部出口（９）を有することによって特徴づけられる。
【００１０】
発明の詳細な説明
本発明において、「トランスデューサ」は、任意の浸漬されたトランスデューサ、機械的な構成要素、電気的な構成要素、または電子的な構成要素に関し、それによって、８００ＫＨｚを上回る振動によって飛沫が形成されるか、浸漬液体が噴霧されるか、またはエアゾールが形成される。さらに、本発明では、「上方に方向づけられた」超音波トランスデューサは、得られた飛沫、噴霧、またはエアゾールの実質的な経路方向に関する。本発明において、「ほぼ上方」は、真の上方からのわずかな角度のずれに関し、これらの小さな角度はゼロではない。
【００１１】
本発明は、液体を噴霧するための超音波装置に関し、特に、飛沫の直径が約０．５から５．０ミクロンという狭い統計学的分布の形成に有用である。この装置は、少なくとも１つの噴霧ユニットを有し、ほぼ上方に方向づけられた超音波トランスデューサは各ユニットの底部に配置され、各ユニットの上部は開口している（気体で覆われている）。
【００１２】
トランスデューサを真の（正確な）上方に向けずに、ほぼ上方に向けることによって利点が得られる。主要な利点は、逃げる重い飛沫の戻り経路に関する。これらの重い飛沫は、上方（飛散方向）に向かってそれほど長い間持続することができる程十分な運動量をもたないため、ユニット内の液体上に落ちて戻る。トランスデューサが正確に上方に向けられると、重い飛沫はその戻り経路に従って、トランスデューサの圧力によって飛沫が出現した液面領域に直接戻る。このように飛沫が戻ると、新たな飛沫の出現が一時的に妨げられ、エアゾール粒子の生成（噴霧）効率に悪影響が及ぼされる。
【００１３】
トランスデューサがほぼ上方（わずかに斜め）に向けられると、重い飛沫の戻り経路は、これらの同じ粒子の出現経路とは一致しない。従って、トランスデューサの効率は、ほぼ上方の斜め角度と関連した公称損失に影響されるだけである。
【００１４】
本発明の装置の実施態様は、１つの噴霧ユニットから約１００個の噴霧ユニットを有する。本発明の装置の好ましい実施態様は、約１２個の噴霧ユニットから約３６個の噴霧ユニットを有する。
【００１５】
本発明において、「パイプ」は、管、ダクト、導管、トンネル、通路等に関する。
【００１６】
本発明の装置は、パイプによってすべてのユニットに接続された貯蔵部と、噴霧中に各ユニット内の最小液面レベルを維持するための手段と、各トランスデューサに接続された高周波電源と、噴霧される液体を貯蔵部およびパイプを通して各トランスデューサを横断して循環させるための手段とによって特徴づけられる。
【００１７】
本発明の装置の好ましい実施態様によると、トランスデューサに供給される電気の動作周波数範囲は、８００ＫＨｚより大きい。この周波数範囲は、極小エアゾール噴霧飛沫（直径０．５から５．０ミクロン）の生成にはるかに有効であることが見出されている。
【００１８】
トランスデューサの動作寿命は、その振動表面に蓄積された不純物および沈殿物の堆積の最小化に依存する。これらの不純物および沈殿物はまた、トランスデューサと液体との間の動作相互作用によっても引き起こされ得る。トランスデューサ表面のコーティング（析出物）の蓄積を防止するための本発明の主要な機構は、（不純物がトランスデューサ上に沈降するのを防止しながら）各トランスデューサを横断して液体を循環させることである。
【００１９】
本発明の装置の好ましい実施態様では、浮遊不純物、沈降不純物、沈殿物、または濾過可能な不純物は、貯蔵部で液体から除去される。どのタイプまたはいくつのタイプの不純物（または沈殿物）を除去するかの選択（およびその除去方法）は、噴霧される液体の性質に応じて機能的に決定される。
【００２０】
液体に担持された不純物（残留物）および沈殿物の物理的吸着および付着特性は、液体の流量にかなり依存する。不溶性、沈降および浮遊プロセスは、静止した（sedentary）貯蔵部（横切る液体がない）において最適である。
【００２１】
動作上、本発明の装置の好ましい実施態様では、貯蔵部は２つのセクションに分離され、すべての（ユニットから貯蔵部を通って通過する）液体が両セクションを通過し、各セクションに入る液体の流量が異なるようにされる。異なる２つの液体速度（liquid velocity）を用いて、不純物および沈殿物の除去プロセスをそれぞれ貯蔵部のセクションで最適に実施できるようにすることによってこれらのプロセスは向上する。
【００２２】
噴霧中に各ユニット内で最小液面レベルを維持するための多くの手段が考えられる。これらの手段としては、液面レベルのセンサ（例えば、浮き、電極等）および各ユニット用の流量補充制御弁の使用が挙げられる。
【００２３】
本発明の装置の好ましい実施態様によると、噴霧中に各ユニット内の最小液面レベルを維持するための手段は、（貯蔵部内で維持された液面レベルがユニット内で所定の液面レベルを提供するように）貯蔵部と位置合わせされた高さを有し、かつ（貯蔵部内の液面レベルが低下するとセンサが作動して、次にセンサが弁を開口させ、それによって、貯蔵部の液面レベルが回復されるまでさらに液体が貯蔵部に添加されるように）液面レベルセンサによって制御される入口弁によって貯蔵部内の液面レベルを維持する、複数のユニットを有する。
【００２４】
本発明において、「位置合わせされた高さ」とは、貯蔵部とユニットとの間の液圧の均一化に関する。この均一化は、液面レベルを同じ高さに物理的に合わせる、またはポンプを用いて高さの相違を補うことによって行われ得る。
【００２５】
本発明の装置の好ましい実施態様によると、各トランスデューサに接続される電源は、電源に接続されたセンサを有する。このセンサは、貯蔵部内の液面レベルが所定の高さ未満になったことが検出されると常に電源を自動的に切るためのものである。
【００２６】
さらに、各トランスデューサに接続された電源は、電源に接続されたセンサを有する。このセンサは、貯蔵部表面の角度が所定の制限外にあることを検出すると常に電源を自動的に切るためのものである。
【００２７】
本発明の装置の好ましい実施態様の他の特徴は、（生成された（噴霧された）蒸気から直径が約５．０ミクロンより大きい飛沫を除去するための）慣性分離サイクロンである。このサイクロン（の特徴）は、すべての噴霧ユニットの上部に取り付けられた共通の蒸気チャンバと、チャンバに取り付けられた（高速空気（または気体）を連続してチャンバ内にチャンバを通過するように供給するための）空気ポンプと、（チャンバ内の空気（または気体）および蒸気がシリンダまたは円錐体の底部に接線に沿って入るように）チャンバに接続された上部が開口した垂直シリンダまたは円錐体とを有する。
【００２８】
動作上、生成された蒸気内の飛沫は、高速空気（または気体）によって噴霧ユニットの上部から運び出される。これらの飛沫がシリンダ（または円錐体）内の螺旋経路に入ると、より重い（より大きな）飛沫は、シリンダ（または円錐体）と衝突し、サイクロン壁に沿って落ちて戻る（最終的に貯蔵部に戻る）。
【００２９】
本発明を図１から図３を参照しながらさらに説明する。これらの図は、本発明の選択された実施態様を詳細に例示し、明確にすることのみを意図し、決して本発明の範囲を限定するものではない。
【００３０】
図１は、基本的な実施態様のタイプの装置の一部を通した液体循環経路の側断面図である。複数の噴霧ユニット（１）を有し、ほぼ上方に方向づけられた超音波トランスデューサ（２）が各ユニットの底部に配置され、各ユニットの上部が開口し（気体で覆われ）、パイプ（４）（５）によってすべてのユニットに接続された貯蔵部（３）と、噴霧される液体を貯蔵部およびパイプを通り、各トランスデューサを横断して循環させるポンプ（６）とによって特徴づけられる、液体を噴霧するための超音波装置の部分が示されている。
【００３１】
動作上、液体は、貯蔵部の（浮遊不純物および沈降不純物が最少である）中央領域から液体分散パイプ（４）にポンピングされる。このポンピングされた液体は、各ユニット内で各トランスデューサの表面を横断するように方向づけられる。このポンピングされた液体の運動エネルギーは、沈降するタイプの不純物がトランスデューサ上で停止するのを最小限に抑える。これらの沈降するタイプの不純物は、流れる液体流と共に運び出される。浮遊するタイプの不純物は同時に液体表面まで上昇する。
【００３２】
（各ユニット内の）液体の表面を規定するのは、液体流出パイプ（５）出口である。流出液体は、流れる液体流中でここまで運搬された浮遊するタイプの不純物および沈降するタイプの不純物の両方を運搬する。この流出液体は、貯蔵部まで戻ることによってその循環を完了する。したがって、不純物は、ユニット内またはトランスデューサ上よりは貯蔵部内に集まる傾向にある。
【００３３】
図２は、好ましい実施態様のタイプの装置の一部を通した液体循環経路の側断面図を示す。複数の噴霧ユニット（１）を有し、ほぼ上方に方向づけられた超音波トランスデューサ（２）が各ユニットの底部に配置され、各ユニットの上部が開口し（気体で覆われ）、パイプ（４）（５）によってすべてのユニットに接続された貯蔵部（３）（７）と、噴霧される液体を貯蔵部およびパイプを通り、各トランスデューサを横断して循環させるためのポンプ（６）とによって特徴づけられる、液体を噴霧するための超音波装置の部分が示されている。
【００３４】
各ユニットは、トランスデューサの表面でポンピングされた液体を方向づける液体入口（逆流防止）オリフィス（８）と、浮遊するタイプの不純物を排出するための表面流出出口（９）と、沈降するタイプの不純物を排出するための底部出口（１０）とを有する。オリフィス（８）は、オリフィス（１０）よりもはるかに大きい直径を有する。
【００３５】
機能上、貯蔵部は、２つのセクションに分離され、（ユニットから貯蔵部を通って通過する）すべての液体が両セクションを通過し、各セクションに入る液体の速度が異なるようにされる。ここで、貯蔵部は、共通の貯蔵部セクション（３）とユニットに固有の貯蔵部セクション（７）とに分離される。
【００３６】
ユニットに固有の貯蔵部セクションは、ユニットからの出口（９）（１０）の延長部である２つの入口と、共通の貯蔵部セクションへの出口（１１）とを有する。機能上、ユニットに固有の貯蔵部は、ユニット入口オリフィス（８）と関連して見たとき、噴霧中に各ユニット内の最小液面レベルを維持するための手段として作用する。この最小液面レベルは、ユニットに対する出口（１１）の高さである。さらに、新しい液体がオリフィス（８）を通ってユニットに入らない場合、貯蔵部セクション（７）からオリフィス（１０）を通ってユニット（１）に液体が逆流する。
【００３７】
図３は、好ましい実施態様のタイプの他の装置の一部を通した液体循環経路の側断面図を示す。複数の噴霧ユニット（１）のうちの１つを有し、ほぼ上方に方向づけられた超音波トランスデューサ（２）がユニットの底部に配置され、ユニットの上部が開口し（気体で覆われ）、パイプ（４）（５）によってすべてのユニットに接続された貯蔵部（３）（７）と、噴霧される液体を貯蔵部およびパイプを通り、各トランスデューサを横断して循環させるためのポンプ（６）とによって特徴づけられる、液体を噴霧するための超音波装置の部分が示されている。
【００３８】
ユニットは、ポンピングされた液体をトランスデューサ表面で方向づける液体入口（逆流防止）オリフィス（８）と、浮遊するタイプの不純物を排出するための表面流出出口（９）と、沈降するタイプの不純物を排出するための底部出口（１０）とを有する。オリフィス（８）の直径は、オリフィス（１０）の直径よりもはるかに大きい。
【００３９】
機能上、貯蔵部は、２つのセクションに分離され、（ユニットから貯蔵部を通って通過する）すべての液体が両セクションを通過し、各セクションに入る液体の速度が異なるようにされる。ここで、貯蔵部は、共通の貯蔵部セクション（３）と、ユニットに固有の貯蔵部セクション（７）とに分離される。
【００４０】
ユニットに固有の貯蔵部セクションは、ユニットからの出口（９）（１０）の延長部である２つの入口と、共通の貯蔵部セクションへの２つの出口（１１）（１２）とを有する。出口（１２）は、直径が非常に小さく、本発明の装置が長期間オフにされ、それによってユニット内の大半の残留液体が共通の貯蔵部（３）に排出されても、貯蔵部セクション（７）内の液面レベルに影響を与えるだけである。
【００４１】
機能上、上部出口（１１）は、共通の上部流出壁（１３）を共有する他のユニット（図示せず）用の同様の上部出口と関連して見た場合でも、噴霧中に各ユニット内の最小液面レベルを維持するための手段として作用する。この最小液面レベルは、ユニットに対する出口（１１）の高さである。共通の上部流出壁は、複数の噴霧ユニットのすべてまたは一部のまわりにある。したがって、共通の上部流出壁を共有する噴霧ユニットはすべて、これらのユニットのいくつかから流出が発生しているときは常に共通の液体貯蔵部内で効果的に動作している。ユニットに新しい液体が入らない場合、貯蔵部セクション（７）内の液体は出口（１０）を通ってユニットに逆流する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 基本的な実施態様のタイプの装置の一部を通した液体循環経路の側断面図である。
【図２】 好ましい実施態様のタイプの装置の一部を通した液体循環経路の側断面図である。
【図３】 好ましい実施態様のタイプの他の装置の一部を通した液体循環経路の側断面図である。

Claims (8)

1. ほぼ上方に方向づけられた超音波トランスデューサ（２）が底部に配置され、上部が開口した少なくとも１つの噴霧ユニット（１）と、前記ユニットのすべてに接続された貯蔵部（３）と、噴霧中に前記各ユニット内の最小液面レベルを維持するための手段と、前記各トランスデューサに接続された電源と、液体を前記貯蔵部から前記各トランスデューサを横断して前記貯蔵部まで循環させるための手段（６）とを有し、前記各噴霧ユニットは、沈降する不純物および浮遊する不純物をそれぞれ除去するための下部出口（１０）および上部出口（９）を有することを特徴とする液体を噴霧するための超音波装置。
2. 前記トランスデューサに供給される電気の動作周波数範囲が、８００ＫＨｚよりも大きい請求項１に記載の装置。
3. 前記貯蔵部は２つのセクションに分離され、あるユニットから前記貯蔵部を通って通過するすべての液体が両セクションを通過し、前記各セクションに入る前記液体の流量が異なるように構成された請求項１に記載の装置。
4. 噴霧中に前記各ユニット内の最小液面レベルを維持するための前記手段が、前記貯蔵部と位置合わせされた高さを有する複数の前記ユニットを有し、前記貯蔵部内で維持される液面レベルが前記ユニット内で所定の液面レベルを提供し、前記貯蔵部内の前記液面レベルが液面レベルセンサによって制御される入口弁で維持され、前記貯蔵部内の前記液面レベルが低下すると前記センサが作動して、前記センサが前記弁を開口させ、それによって前記貯蔵部の液面レベルが回復されるまで前記貯蔵部にさらに液体が添加される請求項１に記載の装置。
5. 前記各トランスデューサに接続された前記電源は前記電源に接続されたセンサを有し、前記センサは前記貯蔵部内の前記液面レベルが所定の高さ未満であることを検出すると常に自動的に電源を切る請求項１に記載の装置。
6. 前記各トランスデューサに接続された前記電源は前記電源に接続されたセンサを有し、前記センサは、前記貯蔵部内の液体の角度が所定の範囲外であることを検出すると常に前記電源を自動的に切るためのものである請求項１に記載の装置。
7. １２から３６の噴霧ユニットを有する請求項１に記載の装置。
8. 生成される蒸気から直径が５．０ミクロンより大きい飛沫を除去するための慣性分離サイクロンを有し、前記慣性分離サイクロンは、前記噴霧ユニットのすべての上部に取り付けられた共通の蒸気チャンバと、前記チャンバ内へ前記チャンバを通過する高速空気を連続的に供給するための前記チャンバに取り付けられた空気ポンプと、前記チャンバ内の空気および蒸気が上部が開口した垂直シリンダまたは円錐体の底部に接線に沿って入るように前記チャンバに接続された前記シリンダまたは前記円錐体とを有する請求項１に記載の装置。

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