JP4130630B2 - 超微細な液滴を有するミストの生成、抽出及び送出のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、加湿、消火、爆発軽減あるいはその他の化学的応用のための非常に微細なミストの生成、抽出及び高処理量の送出に関する。より詳細には、本発明は、水又は液体の水槽から周囲圧力で、非常に微細な液滴を含むミストを生成し、次に、効率的に適用するのに十分に高い処理量で送出するために、旋回流又は螺旋状流れの挙動を使用して、非常に微細な液滴をミストから効率的にエーロゾル化することに関する。

これまで、超音波変換器は、医療用吸入器及び屋内外の適用例としての装飾的噴水のような普通の目的のために、小規模のミスト発生ユニットで使用されてきた。これらの小規模のミスト発生ユニットは、５−１０ｍｌ／ｍｉｎの液体から生成してきた。近年、高処理量のミスト発生器に対する需要に起因して、総処理量を増やすべく圧電変換器の直線的に並べられた配列を有するシステムを実行することにより、加湿適用分野においてかなりの改良が次々となされた。

しかしながら、従来のこれらの高処理ユニットから発生するミストは、概ね、小さい液滴と大きい液滴の両方からなり、ミスト発生ユニットで形成されるミストの抽出及び搬送において利用される方法のため、大部分は、数ミクロン以上の大きさの液滴からなる。例えば、現存する高処理加湿器の設計は、１又は複数のファンを用い、変換器の背後から、ミストを容器から上方に向けて直接的に押し出す。ミストが霧化室からファンにより駆動されるこれらの設計においては、ミストの大きな液滴が液体水槽内に戻る。しかしながら、これらの加湿器において空気流が直接水噴流に吹き付けることは、さらに、加湿器から出てくるミストがミスト噴流の中心に見出されるより粗い水滴の大部分を含むことを余儀なくさせる。これらの吹き付け空気流を基礎にするシステムは、強制対流によって、かなりの量の湿気を搬送する。したがって、末端におけるミストは、依然としてより粗い液滴を含んでいる。さらに、霧化室におけるミストと搬送体（carrier）の滞留時間は、あまりにも短く、安定したエーロゾル形成に適していない。

特許文献１及び２は、現存の高処理加湿器の設計に対する最新の技術例を提供している。ケシェット（Keshet）等の特許文献１は、より高い処理量を達成するために、環状に配列された多数の変換器ユニットを使用している。ケシェットにおいて、空気は、中心のチューブを通過する。また、空気流は、ドーム形をしたトップハット（top-hat）により曲げられ、霧化室又は水槽内に戻る。空気流は、霧化領域に直接吹き付け、ミストを受け取り、上方へ運ぶ。特定の分離装置は、噴流に戻るほどには大きくはないより粗いミスト液滴の分離に関し何も実行しない。別の実施態様では、空気は、個々の変換器を取り囲んでいるチューブを通過する。この空気は、ミストを上方に運ぶ。さらに、装置は、最適なエーロゾルの形成又はより粗い液滴の分離を達成する手段を有していない。また、空気流が上からミスト形成領域に直接吹き付けることは、最適なエーロゾルの形成及び分離に消極的に作用する。

ショーハム（Shoham）等の特許文献２は、増大したミスト処理量及び生成室から共有室へミストを最初に押し出す高速空気流の使用を達成するため、多数の変換器配列を使用する。ショーハムは、高速空気を用い、さらに、サイクロン作用を生じさせるために再度高速空気を用い、また、より大きい液滴を分離するために慣性分離を用いて、強制対流により霧化室から駆動されるミストの後処理について簡単に触れている。円錐形の室の側部に空気の高速噴流を吹き付けることが、ミスト液滴を崩壊させるか又は気化させる。また、高速慣性分離は、気化又は凝縮面の剪断作用を引き起こす。したがって、ミストの搬送及び後処理は、凝集及び液体への凝縮により、ミストをかなり損失させる。

米国特許第５，３００，２６０号明細書 米国特許第５，９２２，２４７号明細書

結果として、従来のミスト発生器で作り出されたこれらのミストは、加湿及びその他の適用にとって不利である多くの欠点を含んでいる。さらに、従来の方法により生成される最大処理量は、伝えられるところによれば、約０．２５ｌ／ｍｉｎ（Ｌｐｍ）に制限され、受け入れられないほどに大きい物理的大きさを持ち、コスト的に高い生成装置を使用している。

数ミクロン以上のミスト液滴（本明細書で大きい液滴と称される）の欠点は、液滴が、凝集により容易に崩壊し、それらの所望の目標地点又は空間に達することなく液体を形成するために消えてしまうということを含んでいる。これらの大きい液滴は、物体により行く手を遮られ、凝縮し、消える。したがって、気体のような流れの挙動を示さない。この挙動は、亀裂や裂け目やその他の領域がミストによって影響を受けない状態にさせる。消失及び凝縮は、適用分野に必要とされる液体の量を非常に大きくさせる。それは、また、取り扱われる領域に副次的な損害を引き起こす溜まった液体が原因で、取り扱われる領域を湿ったままの状態にする。

加湿、消火及び爆発軽減のような特定の適用分野において、非常に小さい液滴の迅速な気化は、効率的な冷却処理を提供するのに重要な特性である。最近の研究においては、発明者たちは、ナノメートル規模に達するミクロン未満の径の液滴において、各液滴の分子は、液滴の表面に向けて移動し易く、いくつかの適用に対して非常によく反応する液滴を作ることに気づいた。したがって、それによって送出されるミストが、非常に小さい液滴を有して形成される、効率的なエーロゾルの形成、抽出、分離及びミスト噴流室からのミストの送出に対する必要性が知られてきている。

本発明は、大部分が約１〜５ミクロン又はそれ以下の非常に微細な液滴からなるミストを生成し、エーロゾル化し、送出する方法及び装置を提供する。本発明は、ほとんどが微細規模のミクロン未満の径のミスト液滴からなる非常に安定したミストを生成することばかりでなく、種々の大きめのミスト液滴を含むミストを生成することのメリットを提供すると同時に、効率性及び処理量におけるメリットも提供する。ミストは、電気的周波数入力を機械的超音波振動に変える電気超音波変換器を使って周囲圧力で発生させられる。ミスト処理量は、周波数及び発振器の表面積の変化を用いて、また、変換器の多数の経路システムを用いて拡大、縮小され得る。送出装置は、小さな領域に対する手動による適用分野、背中に背負って運ばれるように設計されている装置に適した中規模の適用分野、又は、部屋あるいは建物全体に送出される大規模の適用分野に対応して設計され得る。

ミストの質は、水煙の外側部分の辺りに集中する多数の非常に小さいミクロン未満からほんの数ミクロン規模までの液滴を有するミストの水煙を生成するのに十分な周波数及び条件を用いることにより維持される。本発明は、第１に、液滴が形成されている液体の表面から始まる各平面において搬送気体（carrier gas）の円滑な螺旋状流れ又は旋回流を使って水煙から抽出される非常に小さい液滴を提供する。適度の旋回空気流は、発生室から微細なミストの本来の場所での抽出又は受け取り、及び非常に安定しているエーロゾル化したミストの形成を助ける。微細なミストの本来の場所での抽出は、ミストを分離室中に入れることによる慣性分離とは全く異なる。

この場合、旋回流は、適切な円周又は接線成分の速度を維持している間、比較的微弱な軸速度（垂直成分の速度）を作り出す。したがって、搬送気体の流れは、概ね、図に示されるような螺旋状の波状の速度を作り出す。好ましい搬送流は、一般に、大きな液滴噴流（fountain droplets）を放出する１−６インチの高噴出口（spouts）に付随する液滴のキャピラリ・ウェーブ（the capillary wave）の生成を歪ませない。

搬送気体は、旋回流が、噴流柱（fountain column）の中心部分を著しく乱すことなく、より小さな液滴のみを持ち上げる又は同伴するように、抽出柱（extraction column）に接して動かされる。噴流の大きな液滴は、水煙の中心に残され、液体又は水の噴流として溶液の水槽中に戻る。噴流の中心部の乱れが最小限に抑えられていることにより、噴流は、非常に小さな液滴の生成に効率的に動作する。また、円滑な旋回流は、微細なミストを適切に配置されている出口へゆっくりと持ち上げ、折り返し、あるいは運ぶ。１つの実施態様において、微細なミストは、螺旋状の波形中を上方へゆっくりと持ち上げられ、容器の頂部に配置されている出口を通って出力される。

同伴されるより小さい液滴は、エーロゾル化されると考えられる。この場合、十分な滞留時間が、微細な液滴のミストに対して与えられ、排出及び送出の前に非常に安定する。エーロゾル形成、抽出及び０．０５ミクロン〜１０ミクロンの範囲の大きさの液滴の適用は、加湿、消火、爆発軽減、殺菌及び公衆衛生のような適用分野において、非常に効率的であることが見出された。

本発明の目的を達成するために、装置の種々の構成が設けられてもよい。結果として螺旋状流れの構造になる、ミスト発生室の内側の旋回流の形成機構は、そのような流れを導入する接線入口を用いない別の手段により達成されてもよい。多翼型の旋回発生器及び商業的に入手可能な旋回又は渦発生器は、そのような流れを作り出し、そのような流れをミスト発生室に案内するために利用され得る。
エーロゾルミスト用出口に関して、種々の構成が適している。例えば、出口は、容器の上部又は下部で噴流柱に接する方向に向けられていてもよい。あるいは、出口は、抽出容器の頂部に配置されていてもよいし、渦ファインダ・チューブが、微細なエーロゾルミストの上方への排出のために、ミスト発生容器の中心に配置されていてもよい。さらに、出口は、送出のためのエーロゾル化されたミストを集めることを助けるために円錐状に収束する径を有する部材に接続されていてもよい。

別の構成を有するその他の実施例において、噴流柱に接するように配置されている多数の入口が、搬送気体流を向上させるために設けられていてもよい。あるいは、多数の出口が、改良されたミスト排出のために設けられていてもよい。さらに、機能又は処理量を向上させるために、多数の噴霧器又は変換器を使用する装置が設けられてもよい。

本発明及びその種々の実施態様は、たくさんの変換器を用いるミスト発生又は液滴形成、ミスト発生位置への空気流の独自に画定された構成、エーロゾル形成、ミストの安定性、エーロゾルの搬送、ミストの分類、及びミスト流出の構成に関して説明されている。

第１の実施態様においては、本発明は、電源１２、通常は、外部ドライバー、に接続されている１またはそれ以上の圧電変換器１０を装備する。圧電変換器は、ユニットの基部１６にある水槽１４に入っている液体からミストを発生する。水槽及び液体は、周囲圧力及び周囲温度のままであることが適切である。通常、変換器は、液面から約１−２インチ下に沈められているか、さもなければ溶液と物理的に連通状態に配置されている水晶（the crystal）を有する水槽の液体中に沈められている。水槽は、装置の室壁１８の中に入っており、該壁は、図２a、２ｂ、３ａ及び３ｂに示されるように円筒状であることが好ましい。典型的な霧化室２０は、約２−３フィートの高さと約１−２フィートの径であるだろう。大きさ及び容積は、ミスト生成ユニットの大きさに依存して幅広く変化する。

ミスト発生ユニット２０は、進入入口２２および退出出口２４を含み、水槽１４を作り出すべく液体を供給し得る。若干の適用例においては、ミスト発生ユニットのこの変換器区域に示されるようにセンサ２６が設けられ、水槽のレベルを監視するようにしてもよい。また、水槽の入口及び出口を制御し、したがってレベルを調整するシステムが設けられてもよい。

高圧システム又は熱ベースシステムを利用するよりはむしろ、本発明は、高周波数の超音波装置を使って良質の微細なミストの充分に高い処理量の生成を提供する。従来、高周波数の超音波装置を使用することは、そのような微細な大きさのミストの所望の処理量レベル（１〜数ｌ／ｍｉｎ）に対して実用的でないと考えられてきた。本発明により作り出される非常に微細なミスト液滴は、周囲圧力で作り出されるので、高圧又は高熱を扱う高価な技術が、なんら必要とされない。それで、ミストが費用的に効率的に作り出され得る。

上記の実施態様においては、水槽１４に供給される液体は、圧電変換機１０又はその他の超音波発生装置により駆動される超音波にさらされる。変換器は、電気的周波数を機械的振動に変換することにより、液体を霧化し、ミスト液滴を生成する超音波を供給する。圧電装置の機械的振動は、希薄及び圧縮サイクルにより超音波圧力又は超音波を生成する流体の霧化を容易にする。超音波は、空気及び液体が相互に作用する自由表面振動により表面キャピラリ・ウェーブ（surface capillary wave）を生成する。キャピラリ・ウェーブは、波頭において一定の振幅を越えて伸び、霧化された液滴を生成する。非常に小さい液滴は、表面張力に抗して波頭から発生する。このキャピラリ・ウェーブ作用は、ミスト液滴形成の妥当な説として強く支持されている。しかしながら、少なくもいくつかの場合において、希薄状態は、結果的に気泡になる液体の空洞現象（cavitations）を生成する。該気泡は、負圧変位中膨張し、正圧変位中激しく内側に向かって破裂する。これらの空洞現象は、破裂した気泡を圧縮中に小さな液滴として表面に出現させ、霧状のミストを生成する。キャピラリ・ウェーブ作用又は空洞現象の生成にかかわらず、高周波振動により生成される超音波は、液体の霧化を雲状の粒子又はミスト液滴２８をもたらす。霧化処理により生成される液滴の大きさは、溶液の表面張力の立方根、液体の密度、及び振動周波数の２乗によって決まる。したがって、液体の表面張力は、霧化により作り出される液滴の径を制御するのに重要であり、ミスト水煙（the mist plume）を発生するのに用いられる超音波装置の設計に影響を与え得る。霧化を助ける超音波による液滴の大きさを表す式は、次式で与えられる。

ｄ＝０．３４（８πτ／ρｆ^２）^１／３
ここで、τ＝液体の表面張力
ρ＝液体の密度
ｆ＝変換器の励起周波数
ｄ＝液滴の径
ミストを発生する超音波で形成される液滴は、圧力霧化液滴とは異なり、大きさの比較的狭い分布を示す。例えば、概ね、１−５ＭＨｚの圧力変換器による場合において、ある場合は、１−５ミクロンの狭い範囲の径の液滴を達成し得る。また、ある場合は、適切な周波数及び構成を有する圧力変換器を用いて、ミクロン未満の狭い範囲の液滴を達成し得る。液滴の適切なエーロゾル化が達成されると、ミストは、安定するであろう。しかしながら、核生成が適切なエーロゾル化なしに始まると、液滴は、合体し、最終的に液体に凝縮するであろう。商業的に入手可能な代表的変換器は、洗浄及び加湿する医療分野で使用されている。公知の変換器は、１．７ＭＨｚ〜２．４ＭＨｚの振動周波数で作動し、１〜１０ミクロンの水ミストの液滴を生成する。望ましいミスト品質及び小さなナノスケールの液滴によって決まる、より小さい大きさの液滴に対する本発明の設計にしたがって、圧電変換器の周波数及び機構の変更がなされ得る。変換器は、振動する要素の大きさに変えられ、容器からのミスト発生を変更し得る。また、変換器は、２０ＭＨｚ又はそれ以上の機械的振動の周波数に対応し得る。さらにまた、たくさんの圧電振動要素は、霧化要素１０を集合的に形成するために結合して配列され、霧化及びミストの生成を増加させる追加の手段を提供し得る。例えば、１つの実施態様においては、９つの圧電要素の配列は、３×３配列に配列され得る。要素の数は、望まれる処理量に依存して変化し得る。例えば、各要素が２０ｍｌ／ｍｉｎ生成すると仮定すると、この場合、１ｌ／ｍｉｎ発生するのに、５０の要素が必要とされる。増大したミスト発生容量は、微細質の液滴の処理量に役立ち得る。しかしながら、本明細書で説明されるような微細な規模のミストの増大した処理量は、ミスト液滴のエーロゾル化、抽出及び送出に対する本発明により提供されるような改良なしには不可能であることに留意すべきである。変換器要素の数が所定の領域で増大し、装置の大きさの緊密性に対応してぎっしりと詰められているとき、液滴との空気混合効率は、減少し、エーロゾル形成は、効率が悪くなる。最終的に、ミスト発生処理量は、減少され、非効率的となる。したがって、特定の搬送気体流分野の実現が、大規模なミスト発生の達成への鍵である。

ミストの抽出及び送出の報告された方法は、超音波装置により生成されるミストに適用可能であるばかりでなく、その他の方法で生成されるいかなるミスト又は小さな粒子にも適用可能である。その他の可能のある生成手段は、液体表面及び化学的又は物理的な手段により発生させられる小さな粒子（ミクロン未満の大きさの粒子を含む）に焦点を合わせられたレーザー光を含んでいる。したがって、本発明がその他の手段により生成されるそのような液滴又は粒子と組み合わせて用いられることが容易に理解されるであろう。

本明細書における抽出方法は、図１に実施態様に例示されるように、数ミクロンの径から１ミクロン以下の径までのいろいろな規模の非常に微細な液滴を含むミストを送出する装置を提供する。ミストは、高量、高品質で送出される。抽出方法は、高周波数の超音波振動により発生させられるミストの水煙（plume）又は水柱（column）２８から、より小さな液滴を取り除くことにより動作させられる。特に、より小さな液滴は、図２ａに示されるように、水煙２８の中心から離れて集められ、一方、より大きな液滴は、逆に、中心に集められる。本抽出方法及び装置は、ミストが発生するときミストの水煙の中心をほとんど混乱させることがない。むしろ、搬送気体又は空気の流れは、円筒状室２０の基部１６の水煙に対して接する流れ３０を提供する。
接線流れ３０は、図２ａ、２ｂに示されるように、流れ３０が入口３４により示されているように、噴流柱内に入ってくる時点において、該ミスト噴流柱に向けて接するように、水煙２８の円形断面の周囲の外側部分３２に誘導される。霧化室２０内の各平面において、誘導される搬送気体は、室の周囲又は壁に向けてより高速の半径方向の速度を持つ旋回流を作り出す。全体の流れは、シリンダ２０の中心軸の周りに螺旋状に流れる。旋回している搬送気体流の半径速度の中心における速度は、比較的小さく、限界がある。また、螺旋流に応答して、シリンダの中心線における静圧は、容器の側壁１８における圧力に比べてかなり低い。液体の表面３６においてゆっくりと旋回する気体の流れは、エーロゾル形成の環境を提供し、液滴の凝固及び凝集を制限し、したがって、大きな液滴の形成を制限する。
出口３８及び入口３４は、図３ａに示されるように、ミスト室２０の下部部分の近くに入口を有して位置していてもよい。あるいは、その配列は、図３ｂに示されるように入れ替えられてもよい。また、入口３４は、好ましくは液体水槽１４のレベルの真上に出口３８を有して室２０の上部部分の近くに位置していてもよい。容器の表面レベルの近くに出口を有すると、ミストの出口は、たぶんミストが一般的に空気のように振舞うので、いくつかの構成において、より効果的であることが見出された。

本発明のさらなる利点は、多数の成分の液体混合物がミスト源として利用される場合を提供する。この場合、より揮発性の又は低表面張力の成分が、液滴を形成し、垂直柱（vertical columns）に流出する。しかしながら、上記したような構成においては、搬送気体の螺旋状経路は、ミストの同伴及び混合の間に液体表面に戻るこれらのより揮発性の成分のより微細な液滴を搬送するであろう。また、入口３４が室壁１８に対して接するように位置していることが好ましいけれども、出口３８は、効率的なミスト処理量を受け取るために、接するように位置している必要はない。入口３４と出口３８の交替配列にもかかわらず、水煙２８中心を乱すことなく、大きな望ましくない液滴を同伴することなく、円柱壁１８の近くに強い流れを発生させることにより良質の微細なミストの効率的な処理量の遂行は変わることがない。本発明により教示される配列によって作り出される流れの挙動は、微細なミスト液滴を作り出すキャピラリ・ウェーブ及び空洞現象処理を最適化し、改善する。

円筒状の円柱壁１８を設けることは、図に示される所望の接線壁面流に適合する。矩形形状は、しかるべき配慮なしには同様に適合しない。また、水噴流を確保するための設計は、搬送気体の媒体により乱されないし、衝突されない。

より小さな液滴が噴流２８の外側部分３２に位置しているので、搬送気体の接線流れ３０は、より小さな液滴を水煙から分離し、該液滴を装置の出口３８に運ぶろ過器又は選別器として動作する。搬送体の接線流れの結果は、装置の側壁に沿い、室の外壁の近くの搬送気体流の強い旋回である。しかし、図３ａに例示される装置の中心又は室の中心の近くでの搬送気体の流れはほとんどない。図３ａ、３ｂに例示されるように、噴流２８の外側部分３２の近くのミストのより小さな液滴は、室の壁１８に沿う旋回流に合流し、噴水煙の中心に近いより大きな液滴は、滞留し、溶液の容器ベッド１４に戻る。したがって、幾つかの利点を提供する高濃度のより小さな液滴を有するミストが生成される。

図４の実施態様において、接線方向の搬送気体入口３４は、霧化室２０すなわち容器の頂部４０に配置されている。該容器内で、中心に配置されている渦ファインダ・チューブ（vortex finder tube）４２が接線方向の入口の下方に所望の長さ延びており、また、該渦ファインダは、容器の頂部より上に所望の長さ延びている。室の内側の入口より下に延びている渦ファインダ・チューブの望ましい長さは、重要なパラメータであり、ミスト発生器の規模及びシステムの構成に依存して変化する。したがって、渦ファインダ・チューブの延長長さパラメータがしかるべく最適化されるべきである。チューブ４２は、チューブの入口４４に直接到達する噴流液滴を避けるために、僅かに傾斜していてもよい。中心のチューブへの入口は、ミスト流出中により粗い液滴が入ることを減少させるために、ろ過器又はねじれたチューブを含んでいてもよい。搬送気体の下方への旋回流は、示される螺旋状の渦巻き経路３０に従って室の基部１６に達する。この搬送流がユニットの基部に到達すると、搬送気体は、ミスト液滴と混合し、非常に微細な水滴のエーロゾルを形成する。下方に流れる搬送気体は、容器の液面３６で反射して後、経路を反対方向に変え、ミスト４６の形成されたエーロゾルを中心に配置されている渦ファインダ・チューブへ、さらに該チューブを貫通して上方に運ぶ。より大きな噴流は、落下し、粗い液滴は、後方に残される。エーロゾルミスト内の液滴のより細かい分類のために、渦ファインダ・チューブの形状は、円錐状に構成され得る。また、円柱２０の形状は、最適化され得る。この実施態様は、搬送体流のパターン、滞留時間、及び搬送体と液滴の量の観点からエーロゾル形成に対しすばらしい条件を提供する。

全体的なミスト処理量を増大させるために、いくつかの微細なミスト発生装置２が組み合わされ、接続され、一連の室２０を提供する。それにより、搬送気体の所定の入口質量流が、第１の室に供給され、次に続く室が、前のユニットからのミスト流を受け取り得る。追加の微細なミストが集められると、ミストは、出口又は別の次に続くユニットへ進行し得る。室は、ミスト流及び搬送気体流が各室に発生する水煙を乱さないように室壁に接して位置している導管により接続され得る。装置は、モジュール式であってもよいし、互いに連通状態になる装置の数は、自由自在に変えられ得る。

さらなる実施態様において、搬送気体の接線流入口を有する補足的旋回流室（垂直又は水平に向いている）が、主ミスト室又は容器の出口に加えられてもよい。これらの補足的旋回流室は、主噴霧室から放出されるミストを持ち込み、液滴のさらなる分類を達成するために、そのミストを旋回流にさらにさらす。そのような後処理は、特別の目的のために、非常に狭い範囲のミスト液滴の大きさが必要とされるときに望ましい。しかしながら、予め述べたように、そのような後処理は、また、凝固、凝集、及び液滴の気化により、全体的な処理量を減少させるであろう。

装置のいろいろなその他の構成は、本発明の目的を遂行するために設けられ得る。図５ａ及び５ｂに示されるように、円筒状の容器２０は、水平方向に向けられ得る。また、接線入口３４は、搬送気体の旋回流３０を作り出すために位置し得る。示される水平方向に向けられる構成においては、搬送気体は、同様に水平に流れ、ミストの微細な液滴を同伴するであろう。搬送体流の螺旋状経路は、図５ｂの線３０で示されている。本明細書中のその他の構成と同様に、搬送気体の旋回流は、適切な搬送体及び微細なミスト液滴を受け取るための滞留時間を提供し、液滴を分類し、上記の効率的なエーロゾル形成を提供するであろう。次に、ミストは、示されるように渦巻き流で送出される。水平方向に向けられたシステムは、搬送体の滞留時間を改良し、よりよい混合及びエーロゾル形成を提供する。さらに、抽出円柱が水平であるので、よい大きな液滴は、混合中により大きな滞留時間を提供され、重力の助けにより室の基部に戻るであろう。

さらに別の構成が、また、図６に示されるように、予想される。出口３８は、送出用のエーロゾルミストを集めることを助けるために、上方に向けて円錐状に収束する径を有する容器２０の円錐状部分４８に接続され得る。また、図７及び８に例示されるように、噴流柱２８に対して接するように位置している多数の入口３４が搬送気体流を改良するために設けられ得る。あるいは、多数の出口３８が改良されたミスト放出のために設けられ得る。
より複雑な配列においては、機能又は処理量を改良するために、多数の噴霧器又は変換器要素が使用され得る。図９に噴霧器１０の環状配列が示されている。容器２０には、霧化要素の近くに有益な搬送媒体流のための環状壁区域５０が設けられている。空気又は搬送媒体は、変換器の環状配列の間を接線方向に入り、容器の中心へと流れ、微細な良質の液滴のエーロゾル化されたミストを同伴し、続いて放出する。

図１０に、霧化変換器要素１０のいくつかの環状配列が提供されている。旋回する搬送媒体流３０は、微細な良質のミスト液滴を同伴し、エーロゾル化されたミスト４６を容器２０から放出するために、霧化要素間に供給される。変換器要素は、空気流をさらに改良し、噴流の中心部分の乱れを最小化するために、水槽中に配列されてもよい。

いかなる場合においても、ユニットは、モジュールであり、コンパクトである。例えば、ユニットは、矩形状の溝に縦横に変換器１０を適切に配列し、頂部に旋回流搬送気体室２０を配置することによりコンパクトに作られ得る。さらに、ミスト発生ユニットは、霧化されたミストを発生するために、より多くの変換器をユニット基部に加え、旋回流ユニットを、基部を含む変換器の頂部に加えることによりモジュールを作られ得る。そのような構成は、特定の用途の望ましい処理量にしたがって拡張可能なユニットを開発するのに有益であり得る。

ミスト４６を備えるより小さな液滴は、１ミクロン以下又はナノスケールであることが好ましい。５０−１０００ナノメートル（０．０５−１．０ミクロン）、あるいは、１−１０ミクロンまでの液滴からなる高品質のミストは、説明された発生、エーロゾル化、及び抽出方法により実現可能に作られる。また、そのようなミストは、本方法により１Ｌｐｍ又はそれ以上の処理量で生成され得る。本明細書で述べられている装置及び方法の処理量は、数ｍｌ／ｍｉｎから数ｌ／ｍｉｎまで変化し得る。したがって、さまざまな応用に対して拡張可能であり、それによって、必要とされる規模にしたがって、十分微細なミストの処理量が供給される。

適切なエーロゾル形成又はエーロゾル化は、液滴を搬送媒体中で安定に保持する。適切な空気又はその他の搬送媒体は、キャピラリ・ウェーブの形成及び液体表面からの液滴の分裂を歪ませることなしに適切な滞留時間を与えられなければならない。ミスト噴流の表面を横切って空気を吹くファンによる指向性の流れは、微細なミスト発生速度に逆に作用し処理量を減少させる。また、搬送媒体が供給されなくなるとすぐに液滴が凝集し液体を形成する傾向にあるので、大量のミストを生成するために、ウェーブ発生要素の大きな配列が、限られた領域に存在する場合、適切なエーロゾル形成が重要である。本発明は、０．２５から１ｌ／ｍｉｎ又はそれ以上のような大規模なシステムにおいてさえも、液滴が液体表面から放出された後すぐにエーロゾル形成を提供することにより、適切なエーロゾル形成を達成する。
非常に小さな液滴は、ほとんど分子のクラスター状態にあるので、ミスト４６は、非常に微細な液滴からなるとき、液体、蒸気相、あるいは気体プラズマ物質とは対照的に、気相に類似した物質のように特徴的に仕事をする。肉眼的に、ミスト流体は、人の目でやっと見られることができる気相物質のように見えるけれども、肉眼的に、ミスト流体は、水相の小さな液滴を含んでいる。

商業的に入手可能な高処理量加湿器は、本明細書で説明されたミスト処理量及び送出方法を備えていない。さらに、入手可能な加湿器は、大量のより小さなミクロン及びミクロン未満の液滴を有するミストの生成に使用するのにそれほど適していない。したがって、現在入手可能な加湿器の技術は、高処理量レベルで送出される気体相に類似した物質が望ましい消火又は殺菌のようないろいろな適用分野への使用を意図されていない。
本発明は、若干の特定の実施態様に関して説明されているけれども、当業者により本発明の精神から逸脱することなく、多くの修正及び変更がなされ得ることが理解されるであろう。したがって、クレームにより画定される本発明の真の精神及び範囲内に含まれるように、添付のクレームによりそのような修正及び変更の全てを包含することが意図されている。

本発明に係る代表的なミスト発生器の概略正面図である。 搬送媒体進入面での流れの速度ベクトルの概略上面図である。 搬送媒体退出平面での流れの速度ベクトルの概略上面図である。 微細なミストを発生し、送出する本発明に係る装置の１つの実施態様の斜視図である。 微細なミストを発生し、送出する本発明に係る装置の１つの実施態様の斜視図である。 搬送気体の下方へ向けての螺旋流及びミストの中心流出を用いて微細なミストを発生し、送出する本発明に係る装置の１つの実施態様の斜視図である。 水平な流れのために方向付けられている本発明に係る装置の１つの実施態様の斜視図である。 水平な流れのために方向付けられ、搬送気体とミストの水平螺旋流を示している本発明に係る装置の１つの実施態様の斜視図である。 ミスト出口に接続される円錐状に収束する部分を有する本発明に係る装置の１つの実施態様の正面斜視図である。 多数の接線方向に配置されている入口を有する本発明に係る装置の１つの実施態様の正面斜視図である。 ミスト放出用の多数の出口を有する本発明に係る装置の１つの実施態様の正面斜視図である。 いくつかの環状に配列された噴霧器要素、又は変換器要素、及び環状の搬送媒体流のパターンを有する本発明に係る装置の１つの実施態様の概略図である。 いくつかの環状に配列された変換器要素、及び装置に対して環状の搬送媒体を有する本発明に係る装置の１つの実施態様の概略図である。

Claims (39)

1. ａ．その微粒子又は微細な液滴の発生のための物質を供給するステップと、
   ｂ．微粒子又は微細な液滴を前記物質から発生させるステップと、
   ｃ．搬送媒体が微粒子または微細な液滴の噴流柱を取り囲んで旋回するように、微粒子又は微細な液滴の噴流柱に対して搬送媒体の旋回流を誘導するステップと、
   ｄ．搬送媒体と微粒子又は微細な液滴との組み合わせを含むエーロゾル又はミストを作り出すステップと、
   ｅ．エーロゾル又はミストを送出するステップと、
   を備えていることを特徴とする処理量が大きい、エーロゾル又はミストを生成する方法。
2. エーロゾル又はミストを送出する前記ステップは、前記エーロゾル又はミストを上方に向けて偏向させ、前記エーロゾル又はミストがチューブを通り抜けて流れ出るように、搬送媒体の前記旋回流に対して中心に位置しているチューブを装備するさらなるステップを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の処理量が大きい、エーロゾル又はミストを生成する方法。
3. 容器と、
   高周波発生装置と、
   容器内で噴流柱を生成する高周波発生装置に連通状態にある流体を保持する水槽と、
   噴流柱を取り囲んで旋回する搬送媒体の旋回流を供給するように容器に対して位置している旋回流供給装置と、
   ミスト放出のために容器に位置しているミスト出口と、
   を備えていることを特徴とするミストを発生する装置。
4. 高周波発生装置は、圧電変換器又はレーザービームであることを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
5. 旋回流供給装置及びミスト出口が位置している容器の部分は、円筒状であることを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
6. ミスト出口は、噴流柱を取り囲んで旋回している旋回流に接するように位置していることを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
7. 前記噴流柱は、上部部分と下部部分とを含み、ミスト出口は、噴流柱の上部部分を取り囲んで旋回している旋回流に接するように位置していることを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
8. 前記ミスト出口は、チューブの第１の延長部分が、旋回流供給装置の下の地点まで容器内に延び、チューブの第２の延長部分が容器から外へ延びるように、容器の中心に位置しているチューブを含んでいることを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
9. 前記容器は、上方に向かって円錐状に収束する径を有する円錐状部分を含み、ミスト出口は、該円錐状部分に接続されていることを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
10. 前記容器は、ミスト放出のために容器に位置している多数のミスト出口を含んでいることを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
11. 前記旋回流供給装置は、噴流柱を取り囲んで旋回している旋回流に接するように位置している搬送媒体入口を含んでいることを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
12. 前記旋回流供給装置は、噴流柱を取り囲んで旋回している旋回流に接するように位置している、容器の多数の搬送媒体入口を含んでいることを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
13. 前記旋回流供給装置は、搬送媒体の前記旋回流を容器に送るように、前記容器に取り付けられている独立した螺旋状流れ又は旋回流発生装置を含んでいることを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
14. 前記噴流柱は、上部部分と下部部分とを含み、搬送媒体入口は、噴流柱の上部部分を取り囲んで旋回している旋回流に接するように位置し、ミスト出口は、噴流柱の下部部分を取り囲んで旋回している旋回流に接するように位置し、水槽の上に位置することを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
15. 前記高周波発生装置は、組み合わせて配列されているたくさんの圧電変換器からなることを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
16. 前記高周波発生装置は、いくつかの環状に配列されている変換器からなり、前記容器は、容器内における空気の環状流れを引き起こすための環状室を含んでいることを特徴とする請求項３に記載のミストを発生する装置。
17. 容器と、
    高周波発生装置と、
    容器内で中心部分と外側部分とを有する噴流柱を生成する高周波発生装置と連通状態にある流体を保持する水槽と、
    噴流柱の中心部分を大きく乱すことなくかつ噴流柱を取り囲んで旋回するように噴流柱の外側部分の周囲に搬送媒体の流れを誘導するため、噴流柱に対して位置している搬送媒体入口と、
    ミスト放出のため容器に位置しているミスト出口と、
    を備えていることを特徴とするミストを発生する装置。
18. 前記ミスト出口は、チューブの第１の延長部分が、搬送媒体入口の下の地点まで容器内に延び、チューブの第２の延長部分が容器から外へ延びるように、容器の中心に位置しているチューブを含んでいることを特徴とする請求項１７に記載のミストを発生する装置。
19. 前記高周波発生装置は、いくつかの環状に配列されている変換器からなり、搬送媒体の流れは、噴流柱の周囲に旋回流で誘導されることを特徴とする請求項１７に記載のミストを発生する装置。
20. ａ．霧化用液体を供給するステップと、
    ｂ．液体を霧化することにより中心部分を有する噴流柱を生成するステップと、
    ｃ．噴流柱の中心部分を乱すことなく、かつ噴流柱を取り囲んで旋回するように、噴流柱に対して搬送媒体を誘導するステップと、
    ｄ．噴流柱からのミスト液滴を搬送媒体に混合させるステップと、
    ｅ．ミストを放出するステップと、
    を備えていることを特徴とするミストを生成する方法。
21. 噴流柱の中心部分を乱さないように、噴流柱に対して搬送媒体を誘導するステップは、噴流柱に対して接するように搬送媒体を誘導することを含んでいることを特徴とする請求項２０に記載のミストを生成する方法。
22. 噴流柱の中心部分を乱さないように、噴流柱に対して搬送媒体を誘導するステップは、円筒状容器の外壁の近くの搬送媒体の流れの速度が、噴流柱の中心部分の近くの搬送媒体の流れの速度よりも大きいように、外壁を有する円筒状容器内で搬送媒体の旋回流を作り出すことを含んでいることを特徴とする請求項２０に記載のミストを生成する方法。
23. ミスト液滴を搬送媒体に混合させるステップは、ミスト液滴を搬送媒体に同伴させることを含んでいることを特徴とする請求項２０に記載のミストを生成する方法。
24. 放出されるミストは、１０ミクロン以下の径である大量のミスト液滴からなることを特徴とする請求項２０に記載のミストを生成する方法。
25. 放出されるミストは、１ミクロン以下の径である大量のミスト液滴からなることを特徴とする請求項２０に記載のミストを生成する方法。
26. 中心部分を有する噴流柱を生成するステップは、少なくとも１つの高周波発生装置を使って、周囲圧力で遂行されることを特徴とする請求項２０に記載のミストを生成する方法。
27. 前記高周波発生装置各々は、圧電変換器であることを特徴とする請求項２６に記載のミストを生成する方法。
28. 前記高周波発生装置各々の周波数を変えることにより、放出するミストの処理量を拡大、縮小するステップを含んでいることを特徴とする請求項２６に記載のミストを生成する方法。
29. 前記高周波発生装置各々の発振器表面積を変えることにより、放出するミストの処理量を拡大、縮小するステップを含んでいることを特徴とする請求項２６に記載のミストを生成する方法。
30. 高周波発生装置からなる多数の霧化用圧電変換システムを用いることにより、放出するミストの処理量を拡大、縮小するステップを含んでいることを特徴とする請求項２６に記載のミストを生成する方法。
31. ミストを放出する前記ステップは、噴流柱を取り囲んで旋回している旋回流に対して接するように位置している出口を介してミストを誘導することを含んでいることを特徴とする請求項２０に記載のミストを生成する方法。
32. ミストを放出する前記ステップは、噴流柱の上に位置している出口を介してミストを誘導することを含んでいることを特徴とする請求項２０に記載のミストを生成する方法。
33. ミストを放出する前記ステップは、チューブの第１の部分が円筒状容器の内側に延び、チューブの第２の部分が容器から外側に延びるように、円筒状容器の中心に位置しているチューブを介してミストを誘導することを含んでいることを特徴とする請求項２２に記載のミストを生成する方法。
34. ミストを放出する前記ステップは、円錐状に収束する径を有する部材及び該部材に接続される出口を介してミストを誘導することを含んでいることを特徴とする請求項２０に記載のミストを生成する方法。
35. 搬送媒体は、噴流柱を取り囲んで旋回している旋回流に接するように位置している搬送媒体の多数の入口により、噴流柱に対して接するように誘導されることを特徴とする請求項２１に記載のミストを生成する方法。
36. 噴流柱は、上部部分と下部部分とを有する容器内で生成され、搬送媒体は、容器の上部部分で噴流柱を取り囲んで旋回している旋回流に対して接するように誘導され、ミストを放出するステップは、容器の下部部分で噴流柱を取り囲んで旋回している旋回流に接するように位置している出口を介してミストを誘導することを含んでいることを特徴とする請求項２１に記載のミストを生成する方法。
37. 霧化のために液体に化学的添加剤を加え、液体の表面張力を減少させるステップを含んでいることを特徴とする請求項２０に記載のミストを生成する方法。
38. ミストを放出する前記ステップは、少なくとも１ｌ／ｍｉｎの所定の処理量でミストを放出することを含んでいることを特徴とする請求項２０に記載のミストを生成する方法。
39. 前記ミストは、放出後気体として振舞い、且つ液滴の性質を維持することを特徴とする請求項２０に記載のミストを生成する方法。

Images