JP6674376B2 - 溶融金属の脱ガス用排気口付き超音波プローブ - Google Patents

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Description

＜関連出願の相互参照＞
本出願は、2014年11月17日にPCT国際出願されており、また、2013年11月18日に米国出願された米国特許出願第61／905408号に基づく優先権を主張し、この米国特許出願の開示の全体を引用により本明細書に組み込むこととする。
特定の金属物品の加工又は鋳造は、溶融金属を含む溶湯槽を必要とする場合があり、溶融金属の該溶湯槽は、個々の金属によって、700℃〜1200℃の範囲、又はそれ以上の温度で維持される。多くの器具又は装置を、所望の金属物品の製造又は鋳造のために溶融金属槽中で使用することができる。該器具又は装置に対して、金属溶湯槽内でさらされる高温に対する耐性があり、長寿命かつ特定の溶融金属と反応しないという利点を持つことというニーズがある。
また、溶融金属内には、一種類以上のガスが中に溶解しており、かつ／又は不純物、が中に存在することがある。該ガス及び／又は不純物は、所望の金属物品の最終的な製造や鋳造、及び／又は結果的に金属物品自体の物理的特性に悪影響を及ぼす可能性がある。金属溶湯槽中存在する溶解ガス又は不純物の量を低減する試みは、完全には成功していない。従って、溶融金属からガス及び／又は不純物を除去するための装置及び方法の改良に対するニーズがある。
本概要は、簡略化された形で発明の思想を紹介するために開示されたもので、以下の詳細な説明でさらに詳しく説明される。本概要は、特許請求の範囲の主題事項に必須の又は本質的な特徴を特定することを意図していない。また、この要約は、特許請求の範囲の主題事項を制限するために使用することも意図していない。
本発明は、（例えば、超音波脱ガス用の）金属溶湯槽中の溶解ガス（及び／又は種々の不純物）の量を低減するための方法に関する。一実施形態では、本方法は、金属溶湯槽中で超音波装置を操作するステップと、該超音波装置に近接して金属溶湯槽内にパージ用ガスを注入するステップとを含むことができる。例えば、前記溶解ガスには水素があり、前記金属溶湯槽はアルミニウム又は銅（又は、その合金）を含むことができ、かつ、パージ用ガスはアルゴン及び又は窒素を含むことができる。該パージ用ガスは、金属溶湯槽に、超音波装置から約50cm（又は25cm、又は15cm、又は5cm、又は2cm）以内の所に添加することができる。又は、プローブを介して添加することができる。前記パージ用ガスの金属溶湯槽内への添加又は注入は、超音波プローブ当たり約0.1〜約150リットル／分の速度範囲で、又は、追加で又は代替的に、金属溶湯槽から出力キログラム／時間当たり約10〜約500ミリリットル／時間の速度範囲で行うことができる。
本発明では、また、超音波装置が開示され、これらの超音波装置は、超音波脱ガス、及び粒子微細化等のさまざまな用途に使用することができる。一例では、超音波装置は、超音波トランスデューサと、該超音波トランスデューサに取り付けられた超音波プローブとを有し、該プローブは、先端部と、ガス配送システムとを含み、該ガス配送システムは、入気口、前記プローブを通るガス流路、及び排気口を備える。一つの実施形態では、前記プローブは、第１端部及び第２端部を備え、該第１端部には超音波トランスデューサが取り付けられ、第２端部には先端部を含む、細長いプローブにすることができる。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、又はこれらの材料の任意の組合せを含むことができる。別の実施形態では、前記超音波プローブは、集積されたガス配送システムが通る一体型サイアロンプローブにすることができる。さらに別の実施形態では、前記超音波装置は、複数のプローブ・アセンブリ及び／又は超音波トランスデューサごとに複数のプローブを含むことができる。
本発明の一実施形態では、前記超音波プローブは、前記プローブを通って延び、前記プローブの先端部又は該先端部の近傍（例えば、前記プローブの先端部から約25cm又は約20cmの範囲内、又は、該プローブの先端部から約15cm以内か、約10cm以内か、約5cm以内か、約2cm以内か、又は約1cm以内、あるいは前記プローブの先端部）から出る二つ以上のガス配送路を有することができる。本発明の別の実施形態では、前記超音波プローブは、前記プローブを通って延び、前記プローブの先端部又はその近傍から出るガス配送路を含み、さらに、前記プローブの先端部の近傍に凹領域を含むことができる。
前述の概要及び以下の詳細な説明の両方で実施例を開示するが、これらは説明目的でのみ開示される。従って、前述の概要及び以下の詳細な説明は、請求の範囲を限定すると考えるべきではない。さらに、本明細書に記載されたものに機能追加や変形を行うことができる。例えば、特定の実施形態は、本明細書の詳細な説明に記載された特徴の様々な組み合わせ及び部分的な組み合わせに関する場合がある。
添付の図面は、本明細書に組み込まれ本明細書の一部を構成し、本発明の様々な実施形態を示す。本出願の図面には以下のものがある。
本発明の実施形態における複数のガス通路を有する超音波プローブの部分断面図である。 図1Aの超音波プローブの斜視図である。 図1Aの超音波プローブを用いた超音波装置の部分断面図である。 図1A〜1Cの超音波プローブと該超音波プローブ及び装置のブースタとの間のインタフェースの拡大図である。 本発明の実施形態における凹領域を有する超音波プローブの部分断面図である。 図2Aの超音波プローブの斜視図である。 本発明の一実施形態における超音波装置の部分断面図である。 本発明の別の実施形態における超音波装置の部分断面図である。 本発明の別の実施形態における超音波装置の部分断面図である。 本発明の別の実施形態における超音波装置の部分断面図である。 本発明の実施形態における単一のガス通路を有する超音波プローブの部分断面図である。 図7Aの超音波プローブの斜視図である。 実施例1〜4に対する水素濃度の時間変化のグラフである。
以下の詳細な説明では添付の図面を参照する。図面及び以下の説明では、同一又は類似の要素は、可能な限り、同一又は類似の参照番号を用いて参照する。本発明の実施形態を説明するが、変形、応用、及び他の実装形態が可能である。例えば、置換、付加、又は変形が本出願の図面に示された要素に対して行うことができ、そして、本明細書に記載された方法は、開示された方法に対して、ステップを置換、順序変更、又は追加することによって修正することができる。したがって、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。
個数の指定のない用語は、複数個を含むこと、例えば、「少なくとも一つ」を意図する。例えば、「超音波装置」、「細長いプローブ」、又は「パージ用ガス」等の開示は、特に断らない限り、一つ又は複数個を組み合わせた超音波装置（例えば、一つ又は複数の超音波装置）、細長いプローブ（例えば、一つ又は複数の細長いプローブ）、又はパージ用ガス（例えば、一つ又は複数のパージ用ガス）を含むことを意味する。
本明細書で言及するすべての刊行物及び特許は、例えば、該刊行物に記載されている構築物及び方法を説明及び開示する目的で、参照により本明細書に組み込まれ、本明細書に記載の発明に関連して使用されることがある。本明細を通して論じる刊行物は、本出願の出願日以前の開示に関してのみ提示される。本明細書のどのような記載も、本発明に先行する発明によって、本願の開示に先行する権利を本願発明者が奪われたことの承認として解釈されるべきではない。
出願人は、本発明の請求範囲の例のいくつかの種類を開示する。出願人が任意の種類の一つの範囲を開示又は請求する場合、出願人の意図は、そのような範囲が合理的に包含することができる可能な数の各々を、該範囲の端点及び該範囲に包含される任意の下位範囲及び下位範囲の組み合わせを含め、個別に開示又は請求するということである。例えば、本発明の実施形態では、前記パージ用ガスは、超音波プローブあたり約1〜約50リットル／分の速度範囲で金属溶湯槽に添加することができる。流速が約1〜約50リットル／分の範囲にあるという開示によって、出願人は、流速を、該速度範囲内の任意の流速として列挙する意図を持っており、この流速としては、例えば、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、又は約50リットル／分とすることができる。さらに、流速は、約1〜約50リットル／分の任意の範囲内（例えば、約2〜約20リットル／分の範囲にある速度）とすることができ、これはまた、約1〜約50リットル／分の間の範囲の任意の組み合わせを含む。同様に、本明細書に開示した他の全ての範囲も同様に解釈することとする。
本発明の実施形態は、溶融金属の超音波脱ガスのためのシステム、方法、及び／又は装置を提供する。このような溶融金属には、アルミニウム、銅、鋼、亜鉛、マグネシウム等、又は前記金属と他の金属との組み合わせ（例えば、合金）があるが、これらに限定されない。従って、本発明は任意の特定の金属又は金属合金に限定されるものではない。溶融金属からできた物品の加工又は鋳造は、該溶融金属を収容する溶湯槽を必要とする場合があり、該溶融金属の該溶湯槽は高温で維持される。例えば、溶融銅は約1100℃の温度で維持することができるが、溶融アルミニウムは約750℃の温度で維持することができる。
本明細書で使用する場合、用語「溶湯槽」、「金属溶湯槽」等の意味は、溶融金属を格納できる任意の容器を含み、丸型容器、坩堝、溝槽、ローンダー、溶鉱炉、取鍋、等を含む。溶湯槽及び金属溶湯槽という用語は、一括操作、連続操作、半連続操作等の操作を包含するために使用される。例えば、溶融金属がほぼ静止している（例えば、多くの場合、坩堝に対応付けされる）場合や、溶融金属が全体として動いている（例えば、多くの場合、ローンダーに対応付けされる）場合がある。
多くの器具又は装置を、所望の金属物品の最終的な製造又は鋳造のためだけでなく、溶湯槽中の溶融金属の状態の監視、テスト、又は変更のために使用することができる。該器具又は装置に対するニーズとして、金属溶湯槽中でさらされる高温に対する耐性が良好で、長寿命かつ前記溶融金属と反応しないという利点を持つことがある。前記溶融金属は、アルミニウム、又は、銅、鋼、亜鉛、マグネシウム等である（又は前掲の金属を含む）。
また、溶融金属には、一種類以上のガスが中に溶解していることがあり、これらのガスは、所望の金属物品の最終的な製造や鋳造、及び／又は結果的に金属物品自体の物理的特性に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、溶融金属中の溶解ガスには、水素、酸素、窒素、二酸化硫黄等、又はそれらの組み合わせを含む可能性がある。環境によっては、前記ガスを除去するか、又は溶融金属中の前記ガスの量を低減する方が有利な場合がある。例えば、溶解水素は、アルミニウム（又は銅、又は他の金属、又は合金）の鋳造に有害であり、従って、アルミニウム（又は銅、又は他の金属、又は合金）製の完成品の特性の改善は、アルミニウム（又は銅、又は他の金属、又は合金）の溶融溶湯槽中に混入した水素の量を低減することによって達成できる。溶解水素が、質量ベースで0.2ppmより濃い、又は0.3ppmより濃い、又は0.5ppmより濃い場合、鋳造速度、及び、製造されるアルミニウム（又は銅、又は他の金属、又は合金）製のロッド及び他の物品の品質に悪影響を及ぼす可能性がある。水素は、溶融アルミニウム（又は銅、又は他の金属、又は合金）を入れた溶湯槽の上の大気中に存在して溶融アルミニウム（又は銅、又は他の金属、又は合金）の溶湯槽に混入する可能性がある、又は、溶融アルミニウム（又は銅、又は他の金属、又は合金）の溶湯槽内で使用されるアルミニウム（又は銅、又は他の金属、又は合金）の原材料の中に存在することもある。
金属溶湯槽内の溶解ガスの量を削減する試みは、完全には成功していない。多くの場合、これらのプロセスは、危険性が内在する物質だけでなく、付帯設備や高価な設備を取り扱う。例えば、溶融金属の溶解ガス含有量を低減するために金属鋳造産業で使用するプロセスは、グラファイトのような材料で作られたロータから構成されることがあり、これらのロータは金属溶湯槽内に置くことができる。さらに、塩素ガスを、金属溶湯槽内のロータに隣接する位置で金属溶湯槽に添加することができる。このプロセスは、本明細書全体を通じて「従来」方法と呼ぶことにする。本方法は、業界では、しばしば回転ガスパージと呼ばれる。この従来方法は、ある状況では、例えば、金属溶湯槽中の溶解水素の減量に成功したかもしれないが、重要な欠点を有する。この欠点には、少なくとも、コスト、複雑性、及び、潜在危険、環境に有害な塩素ガスの使用がある。
さらに、溶融金属には、複数の不純物を中に含むことがあり、これらの不純物は、所望の金属物品の最終的な製造や鋳造、及び／又は結果的に金属物品自体の物理的特性に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、溶融金属中の不純物は、アルカリ金属、又は、該溶融金属中に存在することが必要なく所望されることもない、他の金属を含むことがある。当業者の認識としては、特定の金属が小さな割合で、さまざまな金属合金内に存在するが、そのような金属は不純物とは考えないということであろう。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、又はこれらの組み合わせの場合がある。種々の不純物が金属溶湯槽（アルミニウム、銅、又は他の金属、又は合金）内に混入する原因は、該金属溶湯槽内に投入されて使用される金属原材料の出発物質の中に元々存在することによる場合が多い。本発明の特定の実施形態では、及び想定されていない実施形態では、前記超音波プローブ及び装置、ならびに対応する方法は、水酸化ナトリウム等のアルカリ金属の不純物を、超音波脱ガス後、例えば、少なくとも（重量で）約3ppm、少なくとも約4ppm、約3〜約10ppm等の開始時の量から、1ppm未満に低減することができる。
アルカリ金属のような望ましくない不純物に加えて、溶融金属には、また、所望の金属物品の最終的な製造及び鋳造、及び／又は結果的に得られる金属物品自体の物理的性質に悪影響を及ぼす可能性のある含有物が存在する可能性がある。含有物の全体の量又は濃度は、一般に、mm2／キログラム（金属1キログラム当たり含有物mm2）の単位で測定される。本発明の特定の実施形態では、及び想定されていない実施形態では、前記超音波プローブ及び装置、ならびに対応する方法は、本明細書で説明したような超音波脱ガス前後の含有物を比較して、含有物の全体量を、少なくとも約50％低減することができる。個々の実施形態では、含有物の全体量は、少なくとも約60％、少なくとも約70％、少なくとも約80％、少なくとも約90％、少なくとも約95％、又は少なくとも約98％、場合によっては99〜100％まで低減できる。
本発明の実施形態は、金属溶湯槽中にある溶解ガスの量を低減するための方法、言いかえれば、溶融金属を脱ガスするための方法を提供することができる。そのような方法の一つは、金属溶湯槽中で超音波装置を操作するステップと、該金属溶湯槽内の該超音波装置の近傍にパージ用ガスを注入するステップと、を含むことができる。前記溶解ガスは、酸素、水素、二酸化硫黄等、又はそれらの組み合わせである場合があり、又は、これらのガスを含む場合がある。例えば、前記溶解ガスは、水素の場合があり、又は水素を含む場合がある。金属溶湯槽は、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウム等、又は、これらの混在物及び／又はこれらの組み合わせ（例えば、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウム、等の種々の合金を含む）を含有する。いくつかの実施形態では、前記金属溶湯槽は、アルミニウムを含有するが、他の実施形態では、金属溶湯槽は銅を含有することができる。従って、該溶湯槽中の該溶融金属は、アルミニウムにすることができるし、あるいは、銅にすることができる。
また、本発明の実施形態は、金属溶湯槽中に存在する不純物の量を低減する方法、又は、言いかえれば、不純物を除去するための方法を提供することができる。このような方法の一つは、該金属溶湯槽中で超音波装置を操作するステップと、該金属溶湯槽内の該超音波装置の近傍にパージ用ガスを注入するステップとを含むことができる。前記不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、鉛等、又はこれらの組み合わせである場合、又は、これらを含む場合がある。例えば、該不純物は、リチウム又はナトリウムの場合があり、又はこれらを含む場合がある。前記金属溶湯槽は、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼鉄、マグネシウム等、又はそれらの混合物及び／又はそれらの組み合わせ（例えば、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウム等の種々の合金を含む）を含有することができる。いくつかの実施形態では、前記金属溶湯槽はアルミニウムを含有するが、他の実施形態では、該金属溶湯槽は銅を含んでいることができる。従って、前記溶湯槽中の前記溶融金属は、アルミニウムにすることができるし、又は、該溶融金属は銅にすることができる。
本明細書に開示された脱ガスの方法及び／又は不純物を除去する方法で使用される前記パージ用ガスには、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及び／又はキセノンのうちの一つ又は複数を含有することができるが、これに限定されない。任意の適切なガスをパージ用ガスとして使用できるように考慮されているが、前提条件としては、前記ガスが前記金属溶湯槽中の特定の一つ又は複数の金属と反応する、又は該金属中に溶解することが検知できるほどには発生しないことがある。さらに、ガスの混合物又は組合せを使用しることができる。本明細書で開示されるいくつかの実施形態によれば、前記パージ用ガスは、不活性ガスであるか、又は不活性ガスを含むことができる。あるいは、前記パージ用ガスは、希ガスであるか、又は希ガスを含むことができる。あるいは、前記パージ用ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、又はそれらの組み合わせであるか、又は、これらのガスを含むことができる。あるいは、前記パージ用ガスはヘリウムであるか、又はヘリウムを含むことができる。あるいは、前記パージ用ガスはネオンであるか、又はネオンを含むことができる。あるいは、前記パージ用ガスはアルゴンであるか、又はアルゴンを含むことができる。さらに、出願人は、いくつかの実施形態では、従来の脱ガス技術を、本明細書に開示した超音波脱ガスプロセスと組み合わせて使用することができるように考慮した。従って、さらにいくつかの実施形態では、前記パージ用ガスは塩素ガスを含むことができ、使用形態としては、塩素ガスをパージ用ガスとして単独で使用する、又は、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及び／又はキセノンの少なくとも1つと組み合わせて使用することができる。さらに、SF6を、パージ用ガスとして単独で使用することができ、又は本明細書で開示した任意の他のパージ用ガス、例えば、窒素、アルゴン、等、と組み合わせて使用することができる。
しかしながら、本発明の他の実施形態では、脱ガスの方法又は前記金属溶湯槽中の溶解ガスの量を低減するための方法は、塩素ガスが実質的に存在しない状態の下で、又は塩素ガスが存在しない状態で実施することができる。本明細書で使用する場合、「実質的に存在しない」は、使用しているパージ用ガスの量に対して、重量で5％以下の塩素ガスしか用いていないことを意味する。いくつかの実施形態では、本明細書に開示した方法は、パージ用ガスを注入するステップを含み、該パージ用ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、及びそれらの組み合わせからなるグループから選択することができる。
金属溶湯槽に注入されるパージ用ガスの量は多くの要因に依存して変化する。多くの場合、本発明の実施形態による溶融金属の脱ガス方法（及び／又は溶融金属から不純物を除去する方法）において注入されるパージ用ガスの量は、超音波プローブ毎に約0.1〜約150標準リットル毎分（リットル／分）の範囲内に入る。当業者には、容易にわかるであろうが、複数の超音波プローブを一台の超音波装置に設置することができ、複数の超音波装置（例えば、1〜20台、2〜20台、2〜16台、4〜12台等の装置）を金属溶湯槽中で利用することができる。したがって、本明細書で開示されるパージ用ガスの流速は、単一の超音波プローブでの流速を記載するようにする。従って、注入されるパージ用ガスの量の範囲は、超音波プローブあたりで、約0.5〜約100リットル／分、約1〜約100リットル／分、約1〜約50リットル／分、約1〜約35リットル／分、約1〜約25リットル／分、約1〜約10リットル／分、約1.5〜約20リットル／分、約2〜約15リットル／分、又は、約2〜約10リットル／分等になる。これらの容積式流速は、標準リットル毎分、すなわち、標準温度（21.1℃）及び標準気圧（101キロパスカル）で表わされる。複数（例えば、装置当たり、2本のプローブ、3本のプローブ、4本のプローブ、1〜8本のプローブ、2〜8本のプローブ、1〜4本のプローブ、等々）の超音波プローブ（又は複数の超音波装置）が金属溶湯槽内で使用される環境では、プローブ毎のパージ用ガスの流速は、プローブ毎に独立に、約0.1〜約50リットル／分、約0.5〜約30リットル／分、約1〜約30リットル／分、約2〜約50リットル／分、約2〜約25リットル／分、約3〜約50リットル／分、又は約4〜約25リットル／分等の範囲にすることができる。
連続的又は半連続的な溶融金属操作において、溶融金属の溶湯槽中に注入されるパージ用ガスの量は、溶融金属の出力量や製造速度によって変えることができる。したがって、このような実施形態による溶融金属を脱ガスする方法（及び／又は溶融金属から不純物を除去する方法）において注入されるパージ用ガスの量は、溶融金属キログラム／時間あたり約10〜約500ミリリットル／時間のパージ用ガス（ミリリットルのパージ用ガス／キログラムの溶融金属）の範囲内にすることができる。いくつかの実施形態では、溶融金属の出力速度に対するパージ用ガスの容積式流速の比は、約10〜約400ミリリットル／キログラム、又は、約15〜約300ミリリットル／キログラム、又は、約20〜約250ミリリットル／キログラム、又は、約30〜約200ミリリットル／キログラム、又は、約40〜約150ミリリットル／キログラム、又は、約50〜約125ミリリットル／キログラムの範囲にすることができる。前述のように、パージ用ガスの容積式流速は、標準温度（21.1℃）及び標準圧力（101キロパスカル）における値である。
本発明の実施形態と同等の溶融金属の脱ガス方法は、前記金属溶湯槽中に存在する前記溶解ガスの重量で約10パーセントを超える量の除去に有効であり得る、すなわち、前記金属溶湯槽中の溶解ガスの量は、脱ガスプロセスを適用する前に存在していた溶解ガスの量から約10重量パーセントを超える量だけ低減することができる。いくつかの実施形態では、存在する溶解ガスの量は、脱ガスプロセスを適用する前に存在していた溶解ガスの量から、約15重量パーセントを超える量だけ、約20重量パーセントを超える量だけ、約25重量％を超える量だけ、約35重量％を超える量だけ、約50重量％を超える量だけ、約75重量パーセントを超える量だけ、又は約80重量パーセントを超える量だけ、低減することができる。例えば、溶解ガスが水素の場合、（質量基準で）約0.3ppm又は0.4ppm又は0.5ppmを超えるアルミニウム又は銅を含む溶融溶湯槽中の水素の濃度は有害であると言える。そして、多くの場合、溶融金属中の水素の含有量は、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、又は2ppmを超える場合がある。なお、本発明の実施形態に開示された方法を採用する場合、前記金属溶湯槽内の前記溶解ガスの量を、約0.4ppm未満、又は約0.2ppm〜約0.3ppm、又は未満、あるいは、約0.1〜約0.4ppmの範囲内、又は約0.1〜約0.3ppmの範囲内、又は約0.2〜約0.3ppmの範囲内に低減することができると予想される。前記の及び他の実施形態では、前記溶解ガスは水素である又は水素を含み、前記金属溶湯槽はアルミニウム及び／又は銅である又はアルミニウム及び／又は銅を含有すると考えてよい。
脱ガス（例えば、溶融金属を含む溶湯槽内の溶解ガスの量の低減）の方法、又は不純物を除去する方法に関する本発明の実施形態は、前記金属溶湯槽内の超音波装置を操作するステップを含むことができる。該超音波装置は、超音波トランスデューサと、細長いプローブとを有し、該プローブは第１端部及び第２端部を有することができる。該第１端部は、前記超音波トランスデューサに取り付けることができ、該第２端部は先端部を有し、前記細長いプローブの前記先端部はニオブを含むことができる。本明細書で開示されるプロセス及び方法で使用することができる超音波装置の例示的かつ請求の範囲を限定しない実施例の詳細は以降で詳述される。前記パージ用ガスは、超音波脱ガスプロセス又は不純物を除去するためのプロセスに関連する場合、前記金属溶湯槽内の、例えば、前記超音波装置の近傍の場所に注入することができる。多くの場合、該パージ用ガスは、前記超音波装置の先端部付近の位置で前記金属溶湯槽中に注入することができる。該パージ用ガスが金属溶湯槽中に注入される範囲は、前記超音波装置の先端部から約1メートル以内、例えば、該超音波装置の先端部から約100cm以内、約50cm以内、約40cm以内、約30cm以内、約25cm以内、又は約20cm以内にすることができるように考慮されている。いくつかの実施形態では、前記パージ用ガスは、前記超音波装置の先端部から、約15cm以内、又は、約10cm以内、又は、約8cm以内、又は、約5cm以内、又は、約3cm以内、又は、約2cm以内、又は、約1cm以内の範囲で、金属溶湯槽中に注入することができる。特定の実施形態では、前記パージ用ガスは、前記超音波装置の先端部に隣接させて、又は該先端部を通して前記金属溶湯槽中に注入することができる。
この理論に拘泥する意図はないが、出願人は、超音波装置の使用と近傍でのパージ用ガスの注入との間には相乗効果があり、溶融金属が入っている溶湯槽内の溶解ガス量の劇的な減少をもたらすことができると考える。出願人は、前記超音波装置によって生成される超音波エネルギーが、溶解ガスがその中に拡散することができるキャビテーション気泡を溶融物内に生成することができると考える。しかしながら、出願人は、前記パージ用ガスが存在しない場合、該キャビテーション気泡の多くは、溶融金属の前記溶湯槽の表面に到達する前に崩壊する可能性があると考える。出願人の思料では、該パージ用ガスは、前記溶湯槽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低減することができる、及び／又は前記溶解ガスを含有する該気泡の大きさを拡大することができる、及び／又は前記金属溶湯槽中の気泡の数を増加させることができる、及び／又は溶解ガスを含有する気泡を前記金属溶湯槽の表面に輸送する速度を増大させることができる、と考える。実際のメカニズムの如何にかかわらず、出願人は、近接地点に置いたパージ用ガスの供給源と組み合わせた超音波装置の使用によって、前記金属溶湯槽からの前記溶解ガスの除去に相乗的な改善効果が起こり、かつ、溶融金属中の溶解ガスの量が相乗的に低減すると考える。再び断っておくが、本理論に拘泥することは望まないが、出願人は、前記超音波装置は、該超音波装置の先端部の近傍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、直径が約2〜5cmの先端部を有する超音波装置の場合、該キャビテーション気泡は、崩壊するまでに、前該超音波装置の先端部から約15cm、約10cm、約5cm、約2cm、又は約1cmの範囲内にあることができる。前記パージ用ガスは、前記超音波装置の先端部から遠すぎる距離で添加される場合、前記キャビテーション気泡中に拡散することができない可能性がある。したがって、理論に拘泥するものではないが、本出願人は、前記超音波装置の先端部の近傍、例えば、該超音波装置の先端部から約25cm又は約20cmの範囲内で、かつ、より有効には、該超音波装置の先端部から約15cm以内、約10cm以内、約5cm以内、約2cm以内、又は約1cm以内で、該パージ用ガスを前記金属溶湯槽中に注入することが有用であると考える。
本発明の実施形態による超音波装置は、例えば、米国特許公開番号2009／0224443号公報に開示されているように、アルミニウムや銅等の溶融金属と接触していることができる。前記公報は、その全体が引用により本明細書に組み込まれることとする。溶融金属内の溶解ガス（例えば水素）の含有量を低減するための装置において、ニオブ又はその合金は、前記装置が前記溶融金属に露出したときに、該装置の保護バリア、又は、該溶融金属に直接さらされている前記装置の構成要素として使用することができる。
本発明の実施形態は、溶融金属と直接接触する部品の寿命を延ばすためのシステム及び方法を開示する。例えば、本発明の実施形態は、溶融金属と接触している材料の劣化を低減するためにニオブを使用し、完成品の品質を顕著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、溶融金属と接触する材料又は成分の寿命を延ばし、又は保護するために、保護バリアとしてニオブを使用する。ニオブは、例えば、高融点というような性質を有し、本発明の上述の実施形態の提供に役立てることができる。さらに、ニオブは、約200℃以上の温度にさらされたときに酸化物の保護バリアを形成することができる。
また、本発明の実施形態は、溶融金属と直接接触するか又は反応する部品の寿命を延ばすためのシステム及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、ニオブの使用によって基板材料を劣化から防止することができる。従って、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、最終製品における顕著な品質改善を達成することができる。従って、溶融金属と結合したニオブは、ニオブの高融点と低反応性という性質をアルミニウム及び／又は銅等の溶融金属と結びつけることができる。
いくつかの実施形態では、ニオブ、又はその合金は、超音波トランスデューサと、細長いプローブとを有する超音波装置内で使用することができる。該細長いプローブは、第１端部及び第２端部を有し、該第１端部は超音波トランスデューサに取り付けることができ、かつ、前記第２端部は先端部を有することができる。本実施形態によれば、前記細長いプローブの先端部は、ニオブ（例えば、ニオブ又はその合金）を含むことができる。上述したように、前記超音波装置は、超音波脱ガス工程で使用することができる。前記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、かつ、前記トランスデューサに取り付けられた前記プローブは、前記超音波を溶融金属が入った溶湯槽に送ることができ、該溶融金属には、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウム等、又は、それら（例えば、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウム、等）の混合物及び／又はそれらの組み合わせがある。
最初に図3を参照して、超音波装置300内のニオブ及び他の材料の使用について説明する。該超音波装置300は溶融金属中の溶解ガス含有量を低減するために使用することができる。超音波装置300は、超音波トランスデューサ360、高出力化用ブースタ350、及び前記トランスデューサ360に取り付けられた超音波プローブ・アセンブリ302を有する。該超音波プローブ・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とを含むことができる。前記超音波装置300及び超音波プローブ304は、通常、形状がほぼ円筒形であることが多いが、これは必要条件ではない。超音波プローブ304は、第１端部及び第２端部を含むことができ、該第１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を有する。超音波プローブ304と超音波プローブシャフト306とは、様々な材料から構成することができる。代表的な材料には、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）等、又はそれらの組み合わせがある。超音波プローブ304の第２端部は、超音波プローブ先端部31を有することができる。超音波プローブ先端部310はニオブを含むことができる。又は、該先端部310は、ニオブを主要な構成物とするか又はニオブで構成することができる。ニオブは、一つ又は複数の他の金属と合金化することができる、又は、ニオブは、別の材料のベース層の上にメッキ又はコーティングされた層とすることができる。例えば、先端部310は内層及び外層を含むことができ、該内層はセラミック又は金属材料（例えば、チタン）を含み、かつ、前記外層はニオブを含むことができる。本実施形態では、ニオブを含有する前記外層の厚さは、約25ミクロン未満、又は約10ミクロン未満、又は約2〜約8ミクロンの範囲内とすることができる。例えば、ニオブを含有する前記外層の厚さは、約3〜約6ミクロンの範囲とすることができる。
超音波プローブシャフト306は、超音波プローブ先端部310と、コネクタ308によって接続することができる。該コネクタ308は、シャフト306と先端部310とを接続するための手段を表す。例えば、該シャフト306と該先端部310とは、一緒にボルト締め、又はハンダ付けすることができる。一実施形態において、コネクタ308は、シャフト306が凹部ネジを含み、先端部310がシャフト306に螺合することができることを表す場合がある。超音波プローブシャフト306と超音波プローブ先端部310とは、異なる材料を含有することができるように考慮されている。例えば、超音波プローブのシャフト306はチタン及び／又はニオブを含有することができるが、一方、超音波プローブ先端部310はニオブである、又はニオブを含有することができる。あるいは、超音波プローブシャフト306をチタン及び／又はセラミック（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）とするか、又は、これらを含有させることができる。一方、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）とするか、又は、これらを含有させることができる。
他の実施形態では、超音波プローブ304は、単一部品とすることができる。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とは同じ構成を有する単一部分とすることができる。このような場合には、前記超音波プローブは、例えば、ニオブ又はその合金、又は、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）、又は他の適切な材料を含むことができる。
再び図3を参照すると、超音波装置300は、内管328、中心管324、外管320、及び保護管340を有することができる。これらの管つまり通路は、超音波プローブ304の少なくとも一部を囲み、一般的には任意の適切な金属又はセラミック材料で構成することができる。超音波プローブ先端部310は、前記金属の溶湯槽中に配置すると予想される。しかしながら、保護チューブ340の一部もまた、溶融金属中に浸漬する場合が考慮されている。従って、保護チューブ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）、又はこれらの材料の複数の組み合わせとすることでき、又はこれらを含有することができる。図3に示すように、流体322、326、及び342が、管328、324、320、及び340内に含まれる。該流体は、液体又はガス（例えば、アルゴン）にすることができ、その目的は、超音波装置300、特に超音波プローブ先端部310及び保護管340を冷却することである。
超音波装置300は、端部キャップ344を含むことができる。該端部キャップは、保護管340とプローブ先端部310との間の間隙を埋めることができ、かつ、溶融金属が超音波装置300内に入ることを軽減又は防止することができる。保護管340と同様に、端部キャップ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）、又はこれらの材料の複数の組み合わせにすることができ、又はこれらを含有することができる。
超音波プローブ先端部310、保護管340、又は端部キャップ344、又はこれら3つすべては、ニオブを含有することができる。ニオブは単独で使用することができ、又は一つ又は複数の他の金属と合金化するか、又は別の材料から成るベース層の上にメッキ又はコーティングされた層にすることができる。例えば、超音波プローブ先端部310、保護管340、又は端部キャップ344、又はこれらの3つのすべては、内層と外層を有することができ、該内層は、セラミック又は金属材料を含有し、かつ、該外層はニオブを含有することができる。超音波装置の複数の部位にニオブが存在すると、該装置の寿命を延ばすことができ、溶融金属と接触するときの化学反応を抑えるか又はなくすことができ、該溶融金属の溶融温度での強度を増すことができ、かつ、超音波を伝播させることができる。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がニオブを含有しない場合、該先端部は、（例えば、アルミニウム又は銅の）金属溶湯槽内にわずか約15〜30分間浸漬された後に、浸食又は劣化を呈することがある。逆に、該超音波装置の該先端部がニオブを含有する場合は、該先端部は、少なくとも1時間又は1時間より後、例えば、少なくとも2時間後、少なくとも3時間後、少なくとも4時間後、少なくとも5時間後、少なくとも6時間後、少なくとも12時間後、少なくとも24時間後、少なくとも48時間後、又は少なくとも72時間後でも、全く又はほとんど浸食又は劣化を呈さないようにできる。
別の実施形態では、超音波プローブ先端部310、保護管340、又は端部キャップ344、又はこれらの3つのすべてはセラミックを含有してもよく、該セラミックには、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、及び／又はジルコニア等がある。また、超音波プローブシャフト306は、セラミック、あるいはチタンを含有することができる。
図4は他の超音波装置400を図示し、該超音波装置400は、ニオブ、又はセラミックを含むことができる。該セラミックは、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、及び／又はジルコニア、又は他の適切な材料でよい。超音波装置400は、超音波トランスデューサ460と、高出力用のブースタ45と、超音波トランスデューサ460に取り付けられた超音波プローブ・アセンブリ402とを含むことができる。該ブースタ450は、ブーストレベルが約1：1を超えるように、出力を増強することができ、例えば、約1.2：1〜約10：1、又は約1.4：1〜約5：1にすることができる。高さHのブースタクランプアセンブリ451を使用することができ、該高さ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とされる高さに変えることができる。超音波プローブ・アセンブリ402は、図3に示す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とを含むことができる。前記超音波プローブと前記その先端部は、上述のように、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミックス等、又はそれらの組み合わせ、又は、それらの混合物、合金、及びコーティングのような様々な材料から構成することができる
超音波装置400は、（例えば、金属溶湯槽内に）超音波装置400の近傍でパージ用ガスを注入するための手段を持つことができる。外部パージ用ガス注入システム（図示せず）が金属溶湯槽内に配置される場合が想定され、かつ注入箇所は、図3及び／又は図4の前記超音波装置の近傍にすることができる。あるいは、該超音波装置は、パージ用ガスの排気口を備え、超音波装置の先端部の近傍又は該先端部でパージ用ガスを排出することができる。例えば、該パージ用ガスは、前記超音波装置の端部キャップを介して、及び／又は前記超音波装置のプローブを介して排出することができる。図4を再び参照すると、前記超音波装置は、パージ用ガス配送路413に接続されたパージ用ガス入口ポート424と注入室425を有することができる。該パージ用ガスは、超音波装置400の先端部410の近傍又は該先端部410に位置するパージ用ガス供給空間414に送達され、該供給空間414を通して排出することができる。該パージ用ガス供給空間414、又はパージ用ガス排気口は、超音波装置400の先端部410から約10cm以内、例えば、前記超音波装置の前記先端部から約5cm以内、約3cm以内、約2cm以内、約1.5cm以内、約1cm以内、又は約0.5cm以内に置くことができるように考慮されている。
さらに、超音波装置400は、超音波冷却システム429を有することができる。該超音波冷却システム429は、室温（例えば、温度は、約15℃〜約75℃の範囲、又は約20℃〜約35℃にできる）に近い温度で、超音波先端部、及び／又は超音波プローブ、及び／又は超音波プローブ・アセンブリを保持するように設計することができ、前記超音波装置の先端部410の外表面が晒される溶融金属の高温とは対照的である。考慮すべきことは、前記超音波プロ−ブ及びアセンブリが、ニオブ、セラミック、又はその他の適切な材料を含む場合、超音波冷却システムが必要とされない場合があるということである。前記セラミックには、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、及び／又はジルコニア等がある。図4の超音波冷却システム429は、図3に示される同様のシステムと類似する場合がある。図3に示すシステムは、例えば、内管328、中心管324、外管320、保護管340、及び流体322、326及び342を有し、前記超音波装置の冷却及び／又は温度制御を行うような構成になっている。前記流体は、液体又はガスとすることができ、かつ、該流体が前記パージ用ガスと同じ材料にすることができることも考慮している。
図5は更に別の超音波装置500を図示している。該装置500は、ニオブ、セラミック、又はその他の適切な材料を有することができる。前記セラミックには、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、及び／又はジルコニア等がある。超音波装置500は、超音波トランスデューサ560、高出力化用ブースタ550、及び、該トランスデューサ560に取り付けられた超音波プローブ・アセンブリ510を有することができる。ブースタ550は、約1：1を超えるブーストレベル、例えば、約1.2：1〜約10：1、又は約1.4：1〜約5：1まで出力を上昇させることができる。超音波プローブ510は、単一部品にすることができる。又は、超音波プローブ510は、図3に示したものと同様に、超音波プローブシャフト及びオプションの（かつ交換可能な）超音波プローブ先端部511を有することができる。該超音波プローブ及び先端部は、上述のように、様々な材料から構成することができる。この材料には、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミックス等、又は、それらの混合物、合金、及びコーティングを含む、それらの組合せがあるが、これらに限定されない。
超音波装置500は、パージ用ガスを（例えば、金属溶湯槽内に）注入するための手段を、超音波装置500及び／又は超音波プローブ先端部511の近くに備えることができる。上記のように、外部にあるパージ用ガス注入システム（図示せず）を前記金属溶湯槽内に配置し、注入箇所が図5の前記超音波装置の近くになるようにすることが考慮されている。あるいは、前記超音波装置は、パージ用ガスの排気口を有し、該超音波装置の近く又は該装置の先端部に排出することができるようにすることができる。例えば、該パージ用ガスは、前記超音波装置のプローブ又は先端部を通して排出することができる。図5を再び参照すると、前記超音波装置は、ブースタ550の部屋におかれたパージ用ガス入口ポート522、上部ハウジング520、下部支持ハウジング521、及び下部支持ハウジングカバー523を有することができる。該上部ハウジング520は、気密性がありかつ／又は防漏れ機能があることができる。前記パージ用ガス入口ポート522は、パージ用ガス配送路524に接続することができ、該供給路524は、超音波プローブ510の中に含まれていることができる。前記パージ用ガスは、超音波装置500の先端部511に位置するパージ用ガス注入点525に配送することができ、かつ、該注入点525を通して排出することができる。したがって、本実施形態において、超音波装置500は、超音波プローブ510を有し、該超音波プローブ510は、前記超音波プローブの前記先端部にパージ用ガス注入口を有するパージ用ガス注入システムを含むことができる。
超音波装置500は、図3及び／又は図4に関連して説明したように、任意で、超音波冷却システムを備えることができるが、これは必須条件ではない。
別の超音波装置を図6に示す。超音波装置600は、超音波トランスデューサ660と、高出力化用ブースタ650と、該トランスデューサ660とブースタ650に取り付けられた超音波プローブ610を有することができる。該ブースタ650は、該トランスデューサ660と連通することができ、かつ、ブーストレベルが約1：1を超えるように、出力を増強することができ、例えば、約1.2：1〜約10：1、又は約1.4：1〜約5：1にすることができる。いくつかの実施形態において、前記ブースタは、チタンのような金属であるか、又はこれらの金属を含有することができる。超音波プローブ610は、単一部品にすることができる。又は、超音波プローブ610は、図3に示したものと同様に、超音波プローブシャフト及びオプションの（かつ交換可能な）超音波プローブ先端部を有することができる。超音波プローブ610は、形状やデザインが細長いプローブ（例えば、略円筒形のプローブ）に限定されるものではなく、一端にトランスデューサ660及び／又はブースタ650が取り付けられ、かつ、他端は前記プローブの先端部を備えている。一実施形態では、前記プローブは略円筒形にすることができるが、該プローブの中央部分がクランプ又は他の取付け機構によって前記トランスデューサ／ブースタに固定され、該プローブが有する2つの先端部が、どちらも前記トランスデューサ／ブースタに直接には結合されないようにすることができる。さらに別の実施形態では、前記プローブは、他の幾何学的形状、例えば、球形、又は先端部に球状部がある円筒形等にすることができる。
超音波プローブ610は、前述のように、種々の材料で構成することができ、この材料には、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミックス等、又は、それらの混合物、合金、及びコーティングを含む、それらの組合せがあるが、これに限定されない。特定の実施形態では、超音波プローブ610は、セラミック材料にするか、又はこれを含有することができる。例えば、前記超音波プローブは、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、又はそれらの組み合わせを含むことができ、代わりにサイアロン、代わりに炭化ケイ素、代わりに炭化ホウ素、代わりに窒化ホウ素、代わりに窒化ケイ素、代わりに窒化アルミニウム、代わりに酸化アルミニウム、代わりにジルコニアとすることができる。いくつかの実施形態では、超音波プローブ610は単体部品にすることができる。例えば、該プローブは、トランスデューサ／ブースタに取付けられた端部から該プローブ先端部まで同一の構造又は組成を有する単一部品にすることができる。
本明細書に開示された実施形態で使用することができる典型的なサイアロンは、元素としてシリコン（Si）、アルミニウム（Al）、酸素（O）、及び窒素（N）を含有するセラミック合金である。また、当業者であれば認識しているように、α-サイアロン及びβ-サイアロンと言うグレードがある。超音波プローブ610はサイアロンを含有することができるが、詳細には、少なくとも（重量で）20％は、α-サイアロン（又はβ-サイアロン）にすることができる。理論に拘泥することを望まないが、出願人の考察では、少なくとも20％（重量）、又は30％（重量）、又は約20％から約50％の範囲の重量比のβ-サイアロンを使用することで、より強く、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。
超音波装置600は、ガスを（例えば、パージ用ガスを金属溶湯槽内に）注入するための手段を、超音波装置600及び／又は超音波プローブ先端部の近くに備えることができる。上記のように、外部にあるパージ用ガス注入システム（図示せず）を前記金属溶湯槽内に配置し、注入箇所が図6の前記超音波装置の近くになるようにすることが考慮されている。あるいは、前記超音波装置は、ガス供給システムを有し、該超音波装置の近く又は該装置の先端部でガスを排出することができるようにすることができる。例えば、該ガスは、前記超音波装置のプローブ又は先端部を通して排出することができる。図6を再び参照すると、前記超音波装置600は、ブースタ650内のチェンバーにおかれたパージ用ガス入口ポート622を有することができる。ガス入口ポート622は、ガス配送路624に接続することができ、該供給路624は、前記ブースタ650から超音波プローブ610の先端部に延びている。入気口622及びブースタ650の一部は、気密及び／又はガス漏れ防止用ハウジング内に含まれていることができる。前記ガスは、超音波プローブ610の先端部に位置するガス注入点625（又は排気口）に配送することができ、かつ、該注入点625を通して排出することができる。したがって、本実施形態において、超音波装置600は、超音波プローブ610を有し、該超音波プローブ610は、前記超音波プローブの前記先端部にガス注入点を有するガス注入システムを持つことができる。
ガス配送路624は、図6に示されているように、ブースタ650内により広い流路を持ち、該ブースタに最も近いところに超音波プローブ610を持ち、かつ、ガス注入点625により狭い流路を有するが、これは必要条件ではない。例えば、ガス配送路624の大きさは、ガス注入点625から超音波プローブ610の前記先端部にある入気口622にかけて、実際上同じ大きさ（例えば、+／-10〜20％以内）にすることができる。
理論に拘泥することを望まないが、出願人は、前記超音波プローブの断面積に比べて前記ガス注入口（例えば、断面積）が狭いと、ガスがプローブから出る際のガスの速度を速くできるので、優れた脱ガス性能を得ることができると考える。いくつかの実施形態では、前記ガス配送路の（すなわち、ガス注入口又は排気口での）断面積に対する前記超音波プローブの断面積の比は、約30：1〜約1000：1、約60：1〜約1000：1、又は約60：1〜約750：1の範囲にすることができる。他の実施形態では、前記ガス配送路の（すなわち、ガス注入点又は排気口での）断面積に対する前記超音波プローブの断面積の比は、約60：1〜約700：1、約100：1〜約700：1、又は約200：1〜1000：1の範囲内にすることができる。これらの実施形態及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）の長さ対直径の比（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、又は約11：1〜約18：1の範囲にすることができる。
サイアロン等のセラミック材料を含む超音波プローブに関する実施形態では、超音波プローブ610を、ブースタ650とトランスデューサ660へ固定するための手段として、取付けナット603を使用することが有益な場合がある。取付けナット603は、焼き嵌めセラミック取り付け材と比較して、優れた耐久性と長寿命性を提供することができる。取付けナット603は、例えば、チタン、ステンレス鋼のような様々な材料で構成することができ、強固に固定するためにファインピッチのネジ（雌ネジ）を持つことができ、該雌ネジに破損しやすいねじ付きセラミックプローブを備える必要性を軽減することができる。また、ブースタ650は雄ねじ部を有することができ、該雄ネジに取付けナット603（従って、プローブ610も合わせて）を確実に固定することができる。一般的に、前記プローブの超音波振動特性が悪影響を受けないように、該取付けナットの大きさ及び／又は重量を機械的に可能な限り小さく／軽く維持することが有益である。
特定の実施形態では、プローブ610は、該プローブの取付け側に半径の大きな曲線部615を持つことができる。理論に拘泥することは望まないが、出願人の考えでは、該プローブの取付け側の半径が小さい（例えば、取付けナットに近い）曲線部では、該プローブの破損する可能性が大きく、特に、脱ガスプロセスにおけるキャビテーションの増大と溶解ガス除去の改善のために必要とされる高出力及び／又は大振幅の超音波の場合、破損する可能性は増大する。本明細書中で議論される特定の実施形態では、曲線部615の半径は、少なくとも約1／2インチ（1.27cm）、少なくとも約5／8インチ（1.5875cm）、少なくとも約3／4インチ（1.905cm）、少なくとも約1インチ（2.54cm）等とすることができる。このような半径の曲線部は、前記プローブの実際のサイズ（例えば、プローブの様々な直径）にかかわらず、望ましい場合がある。
超音波装置600は、図3及び／又は図4に関連して説明したような超音波冷却システムを有することができるが、これは必要条件ではない。図6を再び参照すると、超音波装置600は、代わりに、必要に応じて、熱保護ハウジング640を有することができる。このハウジングは、通常、任意の適切な金属及び／又はセラミック材料から構成することができる。超音波プローブ610は溶融金属の前記溶湯槽中に配置されることになるので、該熱保護ハウジングは、ブースタ650、取付けナット603、超音波プローブ610の一部を過度の熱から遮蔽するために使用することができると予想できる。所望であれば、冷却媒体を、熱保護ハウジング640の内部及び／又は周囲に循環させることができる。冷却媒体は、液体（例えば、水）、又はガス（例えば、アルゴン、窒素、空気等）にすることができる。
本明細書で開示される超音波装置は、図3〜6に示されているものを含め、一定の範囲の電力及び周波数で動作することができる。約1インチ（2.54cm）以下のプローブ径を有する超音波装置の場合、動作電力は、約60〜約275ワットの範囲内になることが多い。一例として、3／4インチ（1.905cm）のプローブ径では、動作電力の使用範囲は、約60〜約120ワットの範囲になり、1インチ（2.54cm）のプローブ径では、動作電力は、約120〜約250ワットの範囲にすることができる。どのような特定の周波数にも限定されないが、前記超音波装置が動作する周波数範囲、及び、前記超音波脱ガス方法を実行する周波数範囲は、一般的には、約10〜約50kHz、約15〜約40kHz、又は約20kHzの範囲内にすることができる。
図7A、図7Bは、図3〜6の超音波装置のいずれかで使用することができる超音波プローブ710を示す。図示のように、超音波プローブ710は、単一部品（一体型部品）として示されているが、図3に関連して上述したように、特定の実施形態では、超音波プローブシャフト及び任意の（及び交換可能な）超音波プローブ先端部を有することができる。さらに、超音波プローブ710は、細長い（例えば、略円筒形の）プローブとして示しているが、この幾何学的形状に限定されるものではない。
超音波プローブ710は、本明細書で議論したように、さまざまな材料から構成することができる。この材料には、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミックス等、又は、それらの混合物、合金、及びコーティングを含め、それらの組合せとすることができるが、これには限定されない。特定の実施形態では、超音波プローブ710は、セラミック材料とする、又はセラミック材料を含有することができる。例えば、超音波プローブ710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、又はそれらの組み合わせ、あるいはサイアロン（例えば、任意のサイアロンは、本明細書に開示）、あるいは炭化ケイ素、あるいは炭化ホウ素、あるいは窒化ホウ素。あるいは窒化ケイ素、あるいは窒化アルミニウム、あるいは酸化アルミニウム、あるいは、ジルコニアにすることができる、又は、それらを含有することができる
超音波プローブ710は、前記プローブの中心にガス流路724を有し、該ガス流路724は、プローブの全長に亘って延び、かつ前記プローブの前記先端部に排気口725を持つ。パージ用ガスは、ガス流路724を通って供給され、超音波プローブ710の前記先端部の排気口725から排出される。いくつかの実施形態では、超音波プローブ710の断面積のガス流路724の（例えば、前記プローブの長さ方向の範囲内の任意の場所での、又は排気口725における）断面積に対する割合は、約30：1〜約1000：1、約60：1〜約1000：1、又は約60：1〜約750：1の範囲にすることができる。他の実施形態では、ガス流路724の断面積に対する超音波プローブ710の断面積の比は、約60：1〜約700：1、約100：1〜約700：1、約50：1〜約500：1、又は約200：1〜約1000：1の範囲とすることができる。これらの実施形態及び他の実施形態では、超音波プローブ710の直径に対する長さの比（L／D）は、約5：1〜約25：1、約5：1〜約15：1、約5：1〜約12：1、約7：1〜約22：1、約7：1〜約14：1、約10：1〜約20：1、又は約11：1〜約18：1の範囲とすることができる。
超音波プローブ710は、当業者に公知の任意の適切な方法、例えば、本明細書に記載の取付けナットを使用して、前記超音波装置に固定することができる。特定の実施形態では、プローブ710は、該プローブの取付け側に半径の大きな曲線部715を持つことができ、これによって、プローブの破損を軽減し、プローブの寿命を延ばすことができる。本明細書中で考慮される特定の実施形態では、曲線部715の半径は、少なくとも約1／8インチ（0.3175 cm）、少なくとも約1／4インチ（0.635cm）、少なくとも約1／2インチ（1.27cm）、少なくとも約5／8インチ（1.5875cm）、少なくとも約3／4インチ（1.905cm）、少なくとも約1インチ（2.54cm）等にできる（例えば、曲線部715の半径は約1／4インチ（0.635cm）に等しくすることができる）。このような半径の曲線部は、該プローブの実際の大きさ（例えば、様々なプローブ直径）に関係なく、望ましい。
図1A〜1Bは、図3〜6の前記超音波装置のいずれかで使用することができる超音波プローブ110を示す。図示のように、超音波プローブ110は、単一部品（一体型部品）として示されているが、図3について上記で説明したように、特定の実施形態では、超音波プローブシャフト及びオプションの（及び交換可能な）超音波プローブ先端部を有することができる。また、超音波プローブ110は、細長いプローブ（例えば、略円筒形のプローブ）として示されているが、この幾何学的形状に限定されるものではない。
超音波プローブ110は、本明細書で説明したように、さまざまな材料から構成できる。この材料には、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミックス等、又は、それらの混合物、合金、及びコーティングを含む組合せがあるが、これに限定されない。特定の実施形態では、超音波プローブ110はセラミック材料を含むことができる。例えば、超音波プローブ110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、又はそれらの組み合わせを含むことができ、代わりにサイアロン（例えば、本明細書に記載の任意のサイアロン）、代わりに炭化ケイ素、代わりに炭化ホウ素、代わりに窒化ホウ素、代わりに窒化ケイ素、代わりに窒化アルミニウム、代わりに酸化アルミニウム、代わりにジルコニアとすることができる。
超音波プローブ110は、複数のガス流路124を有することができ、該流路124は該プローブの全長に亘って延び、対応する排気口125を該プローブの先端部に有する。図1A〜1Bでは、3つのガス流路124を持つプローブ110が示されている。しかしながら、該プローブは、他の実施形態においては、2つのガス流路、又は4つ以上のガス流路を有することができる。また、該ガス流路は前記プローブ内部の任意の場所に配置することができる。図1A〜1Bは、該プローブの中心から外側表面の間の中間部分に、約120度の間隔をおいて配置された、3つのガス流路124を示している。パージ用ガスは、ガス流路124を通して供給され、ガス排気口125から排出されることができる。いくつかの実施形態では、超音波プローブ110の断面積の3つのガス流路124の断面積の合計に対する比（例えば、プローブの長さの範囲内の任意の場所、又は排気口125において）は、約30：1〜約1000：1、約60：1〜約1000：1、又は約60：1〜約750：1の範囲にすることができる。他の実施形態では、超音波プローブ110の断面積の3つのガス流路124の断面積の合計に対する比を、約20：1〜約250：1、約20：1〜約175：1、約30：1〜約200：1、約30：1〜約175：1、約60：1〜約700：1、約100：1〜約700：1、約50：1〜約500：1、又は約200：1〜約1000：1の範囲にすることができる。これら実施形態及び他の実施形態では、超音波プローブの長さ対直径の比（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、又は約11：1〜約18：1の範囲にすることができる。
超音波プローブ110は、当業者に公知の任意の適切な方法、例えば、本明細書に記載の取付けナットを使用して、超音波装置に固定することができる。特定の実施形態では、プローブ110は、プローブの取付け側に大きな半径の曲線部115を持つことができ、これによって、プローブの破損を軽減し、プローブの寿命を延ばすことができる。本明細書で検討される特定の実施形態では、曲線部115の半径は、少なくとも約1／8インチ（0.3175cm）、少なくとも約1／4インチ（0.635cm）、少なくとも約1／2インチ（1.27cm）、少なくとも約5／8インチ（1.5875cm）、少なくとも約3／4インチ（1.905cm）、少なくとも約1インチ（2.54cm）等にできる（例えば、曲線部115の半径は約1／4インチ（0.635cm）に等しくすることができる）。このような半径を持つ曲線部は、該プローブの実際の大きさ（例えば、様々なプローブ直径）に関係なく、望ましい。
図1Cに示す超音波装置100は、超音波トランスデューサ160、高出力化用ブースタ150、及び、該ブースタ150と該トランスデューサ160とに接続された（前述の）超音波プローブ110とを有する。ブースタ150は、トランスデューサ160と連通することができ、かつ、出力を、ブーストレベルが約1：1を超えるように増強することができ、例えば、約1.2：1〜約10：1、又は約1.4：1〜約5：1にすることができる。いくつかの実施形態において、前記ブースタは、チタンのような金属であるか、又はこれらの金属を含有することができる。超音波装置100は、前記ブースタの端部で終端するガス流路にガスを供給する入気口（2つの入気口122を図1Cに示す）を有することができる。該プローブ110は取付けナット103を使用してブースタ150に固定することができる。前記プローブの前記先端部に排気口125を持つ単一のガス配送路124が、図1Cに示されている。二つの他のガス配送路が前記プローブ中には存在するが、図1Cの断面図には示されていない。
図1Dは、図1A〜1Cの超音波装置とプローブの部分拡大図であり、取付けナット103で固定された、ブースタ150とプローブ110との間のインタフェースを示す。単一の入気口（又はガス流路）をプローブ110内の各ガス配送路124に使用することができる、あるいは、単一の入気口を使用し、流路を前記ブースタ内で分割して、前記プローブ内のそれぞれのガス配送路に接続された3つの流路を形成することができる。別の選択枝を図1Dに示す。図1Dでは、入気口122（又はガス流路）はブースタ150の端部にある凹状のガス室118で終端し、パージ用ガスはブースタ150とプローブ110との間に置かれ（かつ、これらで囲まれ）、そして、凹状ガス室118は気密性があるか、又はガス漏れが防止できる。凹状ガス室118は、パージ用ガスの流れをブースタ150からプローブ110内の3つのガス配送路124に誘導するように構成することができる。凹状ガス室118は、任意の適切な幾何学的形状にすることができるが、図1Dでは放物線形状（例えば、コンタクトレンズのような形状）で示されている。
図2A〜図2Bは、図3〜6の超音波装置のいずれかで使用することができる超音波プローブ210を示す。図示のように、単一部品（一体型部品）として示されているが、図3に関連して上記で説明したように、特定の実施形態では、超音波プローブシャフト及び任意の（及び交換可能な）超音波プローブ先端部を有することができる。さらに、超音波プローブ210は、細長い（例えば、略円筒形の）プローブとして示しているが、この幾何学的形状に限定されるものではない。
超音波プローブ210は、本明細書で議論したように、さまざまな材料から構成することができる。この材料には、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミックス等、又は、それらの混合物、合金、及びコーティングを含む、それらの組合せとすることができるが、これには限定されない。特定の実施形態では、超音波プローブ210は、セラミック材料とする、又はセラミック材料を含有することができる。例えば、超音波プローブ210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、又はそれらの組み合わせ、あるいはサイアロン（例えば、任意のサイアロンは、本明細書に開示）、あるいは炭化ケイ素、あるいは炭化ホウ素、あるいは窒化ホウ素。あるいは窒化ケイ素、あるいは窒化アルミニウム、あるいは酸化アルミニウム、あるいは、ジルコニアにすることができるし、又は、それらを含有することができる。
超音波プローブ210は、前記プローブの中心にガス流路224を有し、該ガス流路224は、プローブの全長に亘って延び、かつ前記プローブの前記先端部に排気口225を持つ。プローブ210は、該プローブの前記先端部付近に凹状領域235を複数有することができる。図2A〜2Bでは、凹状領域235を3つ有するプローブ210を図示しているが、しかしながら、該プローブは、他の実施形態においては、1つのみ又は2つの凹状領域、又は4つ以上の凹状領域を持つことができる。また、該凹状領域は、任意の特定の深さ及び／又は幅に限定されるものではない。図2A〜2Bでは、超音波プローブ210の直径の約75％〜85％の直径を持つ凹状領域235が示されているが、三つの凹状領域235の長さの合計は、この三つの凹状領域235の長さの合計に対するプローブ210の長さの比が、約10：1〜約100：1、又は約15：1〜約80：1の範囲にすることができる。
超音波プローブ210は、また、前記プローブの前記先端部に最も近い凹状領域235内に4つのガス排気口225を持っている。これらのガス排気口の一つを図2Aに示す。他の3つは前記プローブの周囲に90度ずつ回転させて置かれている。パージ用ガスは、ガス流路224を通って供給され、前記凹状領域内、かつ超音波プローブ210の前記先端部にある排気口225から排出される。いくつかの実施形態では、ガス流路224の排気口225（すなわち、五つのガス排気口）での断面積に対する、超音波プローブ210の断面積の割合は、約30：1〜約1000：1、約60：1〜約1000：1、又は約60：1〜約750：1の範囲にすることができる。他の実施形態では、該ガス流路の断面積合計に対する超音波プローブ210の断面積の比は、約20：1〜約250：1、約20：1〜約175：1、約30：1〜約200：1、約30：1〜約175：1、約60：1〜約700：1、約100：1〜約700：1、約50：1〜約500：1、又は約200：1〜約1000：1の範囲とすることができる。これらの実施形態及び他の実施形態では、超音波プローブ210の直径に対する長さの比（L／D）は、約5：1〜約25：1、約5：1〜約15：1、約5：1〜約12：1、約7：1〜約22：1、約7：1〜約14：1、約10：1〜約20：1、又は約11：1〜約18：1の範囲とすることができる。
超音波プローブ210は、当業者に公知の任意の適切な方法、例えば、本明細書に記載の取付けナットを使用して、前記超音波装置に固定することができる。特定の実施形態では、プローブ210は、該プローブの取付け側に半径の大きな曲線部215を持つことができ、これによって、プローブの破損を軽減し、プローブの寿命を延ばすことができる。本明細書中で考慮される特定の実施形態では、曲線部215の半径は、少なくとも約1／8インチ（0.3175cm）、少なくとも約1／4インチ（0.635cm）、少なくとも約1／2インチ（1.27cm）、少なくとも約5／8インチ（1.5875cm）、少なくとも約3／4インチ（1.905cm）、少なくとも約1インチ（2.54cm）等にできる（例えば、曲線部215の半径は約1／4インチ（0.635cm）に等しくすることができる）。このような半径の曲線部は、該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、望ましい。
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、開示された方法のどのステップも、本発明から逸脱せずに、ステップの順序の変更及び／又はステップの挿入又は削除を含め、任意の方法で変形することができる。本明細書には例を記載しているが、本発明の請求の範囲は以下に記載の特許請求の範囲によって示される。また、本明細書は、構造的特徴及び／又は方法に関する動作に特有の言語で説明してきたが、特許請求の範囲は、上記の特徴又は動作に限定されるものではない。むしろ、上述の特定の特徴及び動作は、本発明の説明目的の実施形態として開示している。

＜実施例＞
＜実施例1〜4＞
実施例1〜4では、一連のテストを行い、アルミニウムの溶融溶湯槽中の溶解水素を、開示した方法に従って脱ガスすることができる相対速度を決定した。まず、少量のアルミニウムを金属溶湯槽中で溶融した後、温度を約華氏1350度（732℃）に維持した。Alspek分析装置を使用して、ミリリットル／100gの単位で、水素含有量の目盛りの初期値を決定した。Alspek分析装置は溶融アルミニウム中の溶解水素の量を決定するために、電解半電池における分圧の原理を使用する。超音波装置の前記先端部を、アルミニウム溶湯槽に入れ、そして前記パージ用ガスのアルゴンを毎分約１標準リットル（リットル／分）の速度で金属溶湯槽に添加した。実施例1〜4については、前記超音波装置を、3：1ブ〜スタを用いて、20,000Hzで操作したが、40,000Hzまで、又はそれ以上の周波数で使用することができる。実施例１については、基準点の超音波振動振幅、及び前記超音波用電源に対応する基準電力（ワット）を使用した。実施例２については、前記超音波振動振幅を基準点の2倍とし、前記超音波用電源の電力レベルを基準点の1.9倍とした。実施例３については、前記超音波振動の振幅は、基準点の3倍とし、前記超音波用電源の電力レベルは、基準点の3.6倍とした。実施例４については、前記超音波装置は使用しないで、アルゴンパージ用ガスの添加のみを行った。水素の濃度は前記Alspek分析装置を使用して経時的にモニターし、記録した。各々の実験の間、水素を前記アルミニウム溶湯槽内に添加し、そして、アルゴンガス添加前の基準点を決定した。
図5に示したものと同様な超音波装置を、実施例１〜３で使用した。該超音波装置は、冷却アセンブリを持たず、前記パージ用ガスは、前記超音波プローブの前記先端部から注入した。前記超音波プローブは、直径１インチ（2.54cm）で、そして、該プローブ及び該先端部の両方は、（単一部品として）ハフニウム及びチタンを含むニオブ合金から形成した。
図8は、（使用する場合、前記超音波装置を作動して）アルゴンのパージ用ガスを添加した後の水素濃度を、時間の関数として、前記アルミニウム合金100g当たりの水素をミリリットルの単位で示している。図8は、実施例1〜3の各々について、実施例4よりも大幅に高速に（パージ用ガスと超音波装置を使用して）アルミニウムから脱ガスされた水素を示す。実施例4は、パージ用ガスのみを使用し、超音波装置は使用しなかった。実施例2〜3は、実施例1よりもわずかに良好な性能で実行されたが、使用した前記超音波電源の超音波振動振幅が低く基準電力レベルも低い。

＜実施例5〜6＞
実施例5〜6は、アルミニウム合金5154（マグネシウム含有）を使用する連続鋳造実験において、水素及びリチウム／ナトリウム不純物を除去するためにパージ用ガス及び超音波装置を使用したときの効果を確認するための、大規模な試験である。前記金属溶湯槽の温度は、約華氏1350度（732℃）に維持された。
ナトリウム及びリチウムの重量パーセント濃度を、分光計を使用して測定し、水素濃度は溶融アルミニウム用のAlscan水素分析器を使用して測定した。実施例5は制御実験であり、実施例5の溶融アルミニウム合金内に広く混在したナトリウムとリチウムの濃度は、それぞれ、0.00083パーセント（8.3ppm）と0.00036パーセント（3.6ppm）であった。実施例5の水素濃度は0.41ミリリットル／100gでした。
実施例6では、実施例1〜4の前記超音波装置を使用し、20,000Hzで操作した。該超音波装置の作動に連動して、実施例6ではアルゴンガスを前記金属溶湯槽に添加したが、その容積式流速は、溶融金属キログラム／時間の出力当たり約80〜85ミリリットル／時間（すなわち、80〜85ミリリットルのパージ用ガス／キログラムの溶融金属）であった。前記超音波装置及びアルゴンパージ用ガスを使用した後、溶融アルミニウム合金中のナトリウム濃度は、0.0001％（重量で1ppm）の最小検出限界より低く、該溶融アルミニウム合金中のリチウム濃度は0.0003％（重量で3ppm）であった。実施例6の水素濃度は0.35ミリリットル／100gで、約15％減少した。

＜実施例7＞
実施例7では、図6に示すものと同様の単一のサイアロンプローブを有する超音波装置を約華氏1300度（700℃）で溶融アルミニウムが入った溶湯溶湯槽で操作したときの使用可能期間すなわち寿命を決定するための試験を行った。
前記超音波装置及びプローブは、該超音波装置とは無関係の3時間の保守用シャットダウンを除いて、連続的に運転された。前記細長いプローブは、直径が3／4インチ（1.905cm）かつサイアロン製であり、約20kHz（19.97kHz）で操作された。電力レベルは60〜90ワットの間であった。デジタルゲージを用いて、プローブの長さを使用前後で測定した。前記超音波装置を約20kHzで操作している間、前記プローブ先端部を、前記溶融アルミニウムを含む前記溶湯槽に約50時間浸した。パージ用ガスは、本試験の目的のためには不必要であると考え、本試験では使用しなかった。50時間の実行時間後、測定された前記プローブの浸食は0.0182インチ（0.0462cm）であった。これは、変換すると3.64×10〜4インチ（9.2456×10〜4cm）／時間の侵食速度になる。一般的に、超音波プローブの耐久性は、使用に適さないと見なされる迄に、浸食が約1／4インチ（0.635cm）になる。これは、実施例7のセラミック製プローブの連続運転の理論的な寿命で、686時間、又は28日間より長くなる。
このプローブの寿命は、設計、構成、又は構造が本明細書に記載されたようにはなっていない、金属及びセラミック製の他の超音波プローブの寿命よりはるかに長い。

＜実施例8〜11＞
実施例8〜11は、実施例5〜6と同様の方法で実行された。表1は、図7A〜7B（実施例8）の設計、図2A〜2B（実施例9）の設計、及び図1A〜1D（実施例10及び実施例11）の設計を持つサイアロン製プローブを使用した脱ガス実験の結果をまとめたものである。表1には、また、N2の流速、前記超音波装置の電力、及び前記金属溶湯槽中の金属のH2含有量の減少量を示している。表1の結果は、実施例9〜11でのプローブ設計のそれぞれが、前記金属溶湯槽内のH2ガスの量の大幅な低減に成功したこと、そして、それぞれのプローブ設計がH2含有量の顕著な低減に資すること、を示している。理論に拘泥することは望まないが、図2A〜2B（実施例9）の設計によって、凹状領域によるキャビテーション効率を改善することができる。図1A〜1D（実施例10及び実施例11）に関しては、理論に拘泥するものではないが、複数のガス流路の設計によって、全体的なガス流量の増加（1流路で5リットル／分に対して3流路で15〜20リットル／分）が得られるが、単一の流路で前記プローブを出る15〜20リットル／分のガス速度に等価な流路を使用して、前記3流路のプローブから金属を効果的に「吹きだす」速度は、特定の溶融金属の用途に対しては高くなりすぎる可能性がある。
＜実施例12〜24＞
実施例12〜24は、実施例5〜6と同様な方法で実行された。表2は、図7A〜7B（実施例12〜19）の設計と図1A〜1D（実施例20〜24）の設計のサイアロンプローブを使用した脱ガス実験の結果を要約したものである。表2は、前記金属溶湯槽中の金属の脱ガス前後の、N2の流速、前記超音波装置の電力、ナトリウム（Na）含有量の大幅な低減に成功したことを示す。表2の結果は、該プローブ設計の各々がナトリウムの不純物レベルの大幅な低減に成功したことを示している。しかし、予想外であるが、実施例20〜24と図1A〜1Dのそれぞれのプローブ設計で、ナトリウムは検出不可能なレベル（表2ではゼロとして示され、重量では1ppm未満）まで除去された。理論に拘泥することは望まないが、図1A〜1D（実施例20〜24）の改善された設計は、超音波振動の効率及びキャビテーションの効率を低下させることなく、ナトリウム不純物を収集・除去するキャビテーション気泡を増加させることができる。
＜実施例25〜27＞
実施例25〜27は、実施例20〜24と同様の方法で、図1A〜1Dに示した設計を持つ、直径0.875インチ（2.2225cm）のサイアロンプローブを使用して、100ワットで、アルゴンガスの流速が20リットル／分で操作されて、実行された。図1A〜1Dのプローブ設計を持つ前記超音波装置の、溶融金属製品内の前記含有物濃度を大幅に低減する性能を、三つの異なる金属合金（5052、6201、及び4047）を用いて評価し、驚異的な性能を得た。
前記溶融金属のそれぞれのサンプルを真空下で小さなフィルタを通して引き込むことによって、前記超音波脱ガス前後の含有物の量（mm2/kg、平方ミリメートル／キログラム）を決定した。該フィルタを通過して引き込まれる金属の重量が測定され、廃棄された。該フィルタ中の金属は固化することができた。該フィルタは、次に、残りのサンプルから切り出され、含有物の量を決定するPoDFA冶金分析のためにABB研究所に送付された。
表3は、前記超音波脱ガス処理の結果として、総含有量（又は含有濃度）の減少量（%）をまとめたものである。予想外であるが、実施例25〜27の超音波脱ガス実験は、含有物の少なくとも55％を除去することができ、かつ、実施例25では98％を超える含有物を除去することができた。

Claims (13)

  1. 超音波トランスデューサと、
    該超音波トランスデューサに取り付けられた超音波プローブと、
    ガス配送システムと、を有し、
    前記プローブは、先端部と、該プローブを通って延びる３〜５個のガス配送路とを有し、
    前記ガス配送システムは、
    入気口と、
    前記ガス配送路を通るガス流路と、
    前記プローブの前記先端部にある排気口と、を備え、
    前記プローブは、サイアロンを含むこと
    を特徴とする、超音波装置。
  2. 前記プローブは、さらに、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、又はそ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、さらに、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、又はそれらの組み合わせを含むこと
    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、略円筒形の細長いプローブであり、かつ、該細長いプローブの直径に対する長さの比は、5：1〜25：1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。
  5. 前記プローブは、略円筒形の細長いプローブであり、かつ、前記ガス配送路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、30：1〜1000：1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。
  6. 前記トランスデューサと前記プローブとの間にブースタを有し、該ブースタ内に前記入気口があること
    を特徴とする、請求項１に記載の超音波装置。
  7. 前記ブースタの端部にある凹状のガス室が、前記入気口に接続され、かつ、該ガス室によってガスの流れを前記ガス配送路に誘導すること
    を特徴とする、請求項６に記載の超音波装置。
  8. ２〜８個の超音波プローブを有すること
    を特徴とする、請求項１に記載の超音波装置。
  9. 溶解ガス及び／又は金属溶湯槽内の不純物の量を低減するための方法であって、
    (a) 該金属溶湯槽内にある請求項１に記載の超音波装置を操作するステップと、
    (b) 各超音波プローブ当たり0.1〜150リットル／分の範囲の速度で、パージ用ガスを前記ガス配送システムに注入し、該ガス配送システムを経由して、前記金属溶湯槽内に注入するステップと
    を含むこと、を特徴とする方法。
  10. 前記溶解ガスは、酸素、水素、二酸化硫黄、又はそれらの組み合わせを含み、
    前記不純物は、アルカリ金属を含み、
    金属溶湯は、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウム、又はそれらの組み合わせを含み、
    前記パージ用ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、SF6、塩素、又はそれらの組合せを含み、
    前記溶解ガス、前記不純物、前記金属溶湯、及び前記パージ用ガスの任意の組み合わせの場合があること
    を特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 前記パージ用ガスは、超音波プローブ当り1〜50リットル／分の範囲の速度で前記金属溶湯槽中に注入され、
    前記溶解ガスは水素を含み
    金属溶湯は、アルミニウム、銅、又はそれらの組み合わせを含み、
    前記パージ用ガスは、アルゴン、窒素、又はそれらの組み合わせを含み、
    前記パージ用ガス、前記溶解ガス、及び前記金属溶湯の任意の組み合わせの場合があること
    を特徴とする請求項９に記載の方法。
  12. 前記不純物はナトリウムを含み、かつ、前記金属溶湯槽中のナトリウムの量が1ppm未満に低減され、かつ／又は、
    前記金属溶湯槽中の含有物の全体の量が、少なくとも50％減少されること
    を特徴とする請求項９に記載の方法。
  13. 前記金属溶湯槽内において、2〜16台の超音波装置を操作するステップを含むこと
    を特徴とする請求項９に記載の方法。
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