JP2003509209A

JP2003509209A - 液体霧化方法および装置

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Publication number: JP2003509209A
Application number: JP2001524736A
Authority: JP
Inventors: ミオドラッグオルジャカ、; アンドリュータイハント、; ブライアンティー．リース、; ジョージエイ．ニューマン、
Original assignee: マイクロコーティングテクノロジーズ，インコーポレイティド
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 2000-09-21
Publication date: 2003-03-11
Also published as: MXPA02002780A; CA2385324A1; EP1214153A1; IL148743A; US6601776B1; AU7832200A; IL148743A0; WO2001021319A1; BR0014185A; HK1048273A1; CA2385324C; BR0014185B1; AU777249B2

Abstract

(57)【要約】本発明は、流れ速度、温度および濃度のレーザに基づいた測定用の粒子／液滴シーディング；フレームおよびプラズマに基づいた要素分析；ナノ粉末製造；小さなサイズの粒子を生成するためのスプレー乾燥；ミクロン以下のサイズの液滴を生成し、燃焼室に使用される燃料を霧化するためのネブライザー等の様々な用途のために、液体の制御された霧化に関与する。これらおよび他のアトマイザー用途において、液滴および／または粒子サイズの制御は、非常に重大である。用途によってはきわめて小さな液滴が好ましいが（１ミクロン未満）、一方、数ミクロンの尺度の液滴直径が必要な用途もある。本発明は、特定の範囲の直径内に液滴を形成する可撓性を有し、平均液滴のサイズを調整することができるだけではなく、サイズの範囲も同様に調整することができる。アトマイザー（４）自体が、入口端（４８）と出口端（５０）とを有する加熱されたチューブ（４４）の形態である。液体がチューブ内を移動するときに加熱され、チューブを出て減圧領域に入るときに液体は霧化し、非常に微細な液滴を形成する。電流を通すことによってチューブを電気的に加熱することによって、実行中に加熱調整を行うことができ、アトマイザーの作動中に液滴のサイズ調整が可能になる。霧化装着の数種類の実施形態が開示される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の分野）本発明は、液体を霧化するための方法および装置に関する。より具体的には、
液体は、細長い直径の小さなチューブまたは内面積の小さなチャンバの出口で霧
化され、追加加熱装置がチューブまたはチャンバ内の液体を直接加熱する。霧化
装置は、フレームおよびプラズマに基づいた原子スペクトロスコピー、ナノ粉末
製造、レーザに基づいた流れ診断用粒子／液滴シーディング、微粉末製造用スプ
レー乾燥、薬剤送出における吸入用および燃焼室に使用される燃料を霧化するた
めのネブライザー等の多くの用途に有用であるが、それらに限定されない。

【０００２】（発明の背景）均一な液滴サイズ分布で微細に分割されたエーロゾルを生成するアトマイザー
は、既に多くの用途に使用されている。先行技術のアトマイザーのいくつかは、
少なくとも部分的には効果的ではあるが、制御され均一な液滴サイズ分布で微細
に霧化したスプレーを生成することができるアトマイザーの必要性は、依然とし
てある。分析化学１９９０−６２、２７４５〜２７４９頁、クリフォードら著「
超音波吸湿器の原子分光測定法用の連続型超音波ネブライザーへの転換」という
題名の記事は、原子分光測定法のためにもっとも普通に使用されている溶液ネブ
ライザーを検討している。１９８６年４月１５日にスミスに発行された米国特許
第４，５８２，７３１号には、臨界超過流体分子スプレーフィルム溶着および粉
末形成方法が開示されている。レーザ速度計測における粒子およびシーディング
の発生は、フォンカルマンインスティテュートのジェームズＦ．マイヤーズが流
体力学講義シリーズ１９９１−０８で説明している。この参考文献では、均一サ
イズの粒子が使用されるときにレーザ測定の精度が上がることも検討されている
。薬剤を送出するためのネブライザー装置は、１９９６年４月３０日にグリーン
スパンらに発行された米国特許第５，５１１，７２６号に記載されている。この
装置は、圧電結晶を使用して回路を制御し、スプレーされた溶液に電圧を加える
。

【０００３】上記の先行技術のアトマイザーに加えて、燃料を予め加熱するかまたは霧化す
るための様々な方法および装置が、近年、開発されている。これらの装置のうち
には部分的に効果的なものもあるが、燃料を完全に気化し且つ燃料の温度を上げ
てアトマイザーの下流で凝縮を避けることができるアトマイザーが、依然として
必要である。これは、内燃機関のコールドスタートおよびウォームアップサイク
ル中に特に有用である。エンジンを、作動温度未満に大幅に冷却することができ
（天候によって、シャットオフから数分で）次いでスタートした後に、燃焼室に
入る燃料は、蒸気、大きな液滴および液体形態であることが多い。液滴または液
体形態である燃料の大部分は、完全には燃焼しない。この結果として、燃料効率
が減少し（使用されるが未燃焼の燃料）、未燃焼炭化水素の生成が増加する。エ
ンジンが非霧化燃料を効率的に燃焼するほど十分に熱くないだけではなく、後処
理（すなわち、触媒コンバーター）が、操作のこの重汚染生成期間中に非作動で
ある。事実、全炭化水素放出の７０から８０パーセントが、触媒コンバーターの
稼働前に生成される。燃料液滴のサイズを減少し燃焼室に入る燃料の気化を増加
することによって、燃焼される燃料の割合が増加し、それによって、より多くの
熱を生成し、エンジンおよび触媒コンバーターを作動温度にするのに必要な時間
を短縮する。

【０００４】１９７７年３月１５日にフォイアマンに発行された米国特許第４，０１１，８
４３号には、内燃機関に使用される気化燃料が検討されている。燃料噴射された
ＩＣエンジン用のスプレー弁は、１９９０年２月６日にヴァン・ヴェケムらに発
行された米国特許第４，８９８，１４２号に検討されている。１９９２年６月２
日にランバート、シニアらに発行された米国特許第５，１１８，４５１号には、
別の燃料気化装置が書かれている。１９９７年３月１１日にグラディゴーらに発
行された米国特許第５，６０９，２９７号には、燃料アトマイザー装置の数種類
の実施形態が記載されている。内部ヒーターを備えた燃料噴射機は、１９９８年
６月２日にナインズに発行された米国特許第５，７５８，８２６号に開示されて
いる。１９９８年７月１４日にガルシアに発行された米国特許第５，７７８，８
６０号には、燃料気化装置が教示されている。カワサキら著「エンジン性能にお
ける燃料噴射機の霧化の効果」という題名のＳＡＥ技術文書シリーズ＃９００２
６１は、渦パターンを備えた噴射機の使用を検討している。フィッシャーら著「
コールドスタートＨＣ放出を最小限にする燃料噴射戦略」という題名のＳＡＥ技
術文書シリーズ＃９７００４０には、燃料噴射機を変える効果およびコールドス
タート放出レベルにおけるパラメータ制御が記載されている。ツィマーマンら著
「コールドスタート中のＨＣ放出を減少するための内部加熱先端噴射機」という
題名のＳＡＥ技術文書シリーズ＃１９９９−０１−０７９２には、エンジンが作
動温度に到達する前のＨＣ放出における内部的に加熱された燃料噴射機の効果を
測定することが書かれている。

【０００５】（発明の要約）本発明は、流れ速度、温度および凝縮のレーザに基づいた測定をするための粒
子／液滴シーディング；フレームおよびプラズマに基づいた原子スペクトロスコ
ピー；ナノ粉末製造；均一サイズの粉末を生成するためのスプレー乾燥；化学処
理（すなわち、相転移、分散、触媒作用および燃料改質）；吸入用途用および燃
焼室に使用される燃料を霧化するためのネブライザー等の様々な用途のための液
体の制御された霧化に関与する。これらおよび他のアトマイザー用途において、
液滴および／または粒子のサイズ均一性の制御は、重大である。用途によっては
きわめて小さな液滴が好ましいが（１ミクロン未満）、数ミクロンの尺度の液滴
直径が必要な用途もある。しかし、上述の用途の大半は、液滴のサイズが十分に
均一で、微細に分散したスプレー（すなわち、単分散系）を必要とする。別の用
途には、改良された反応、熱および化学平衡率、相転移および均一性のために増
加した表面積の相互作用のために非常に微細な液滴が望ましい。本発明のアトマ
イザーは、制御されたサイズの液滴を形成する可撓性を有し、平均液滴のサイズ
を調整することができるだけではなく、サイズの範囲も同様に調整することがで
きる。アトマイザーを使用する方法は、特定の用途を参照して下記に記載される
。

【０００６】測定業界におけるレーザ技術の使用は過去二、三十年にわたって大幅に増加し
ており、新規および改良技術が発展するにつれて容認を得続けている。レーザ技
術の利点は、光が非侵入的且つ非破壊的であり、レーザビームに固有の凝縮強度
によって、非常に小さな変化をする非常に小さな粒子を非常に正確に検知するこ
とができることである。そのような用途の１つは、レーザビームを使用して速度
測定を行うことであり、レーザドップラー速度計測（ＬＤＶ）として知られてい
る。レーザビームは、動いている粒子に方向を向けられ、粒子の速度が測定され
る。この種類の測定を使用して、ダクトを通る空気等の気体の流れの速度特徴を
研究することが多い。空気または他の気体によって反射されるレーザビーム用に
物体を提供するために、照明されるのに十分に大きい何らかの媒体を導入しなけ
ればならない。デモンストレーションでは、これは一般にスモークで達成される
。しかし、ＬＤＶ等の測定では一般に、ミクロン以下から数ミクロン範囲のわず
かに大きい粒子を必要とする。サイズ感度に加えて、反射媒体は、測定されてい
るパラメータも同様に変えることができる。気体流れの速度特徴を研究するため
に、気体の流れにミクロン以下から数ミクロンの粒子を「シード」して、測定を
可能にし、一方では同時に気体の流れに影響を与えないかまたはこれを劣化しな
いようにする。このシーディング必要条件は、精密且つ信頼性のあるＬＤＶ測定
のために達成するのがもっとも困難な必要条件であることが多い。現在入手可能
な霧化装置をシーディンのために使用するが、一般に、所望の性能を生み出さな
い。低容量と不適切な霧化の組み合わせのため、所望の時間内には測定数が少な
すぎる結果になる。例えば、高速測定をするためには、１分間のうちに数千測定
を獲得しなければならない。これらの測定は、次いで、平均されて、精密な結果
を提供する。

【０００７】本発明は、超熱霧化によって小さく均一サイズの液滴を備えたスプレーを生成
することができる方法および装置を提供する。このアトマイザーは、ＬＤＶ測定
用の粒子シーディング装置として検査され、１分あたりの計測数および信号雑音
比に大幅な改良を提供するように示された。改良は、空気誘導の霧化とは反対に
熱に基づいた霧化方法で作動することによって精密な投与量で液体を微細に霧化
するアトマイザーの最上の能力によって発生する。超熱霧化において、加圧され
た液体は霧化ノズル内で高温に上げられ、結果として再凝縮に対してより抵抗す
る加熱されたスプレーが得られる。この抵抗は、霧化したスプレーが再凝縮なし
で測定セクションへ広がるため、有利であることがわかる。本発明を使用して達
成されるＬＤＶシステム用の粒子シーディングの改良は、風洞検査等の粒子シー
ディングを使用する他のシステムの測定も改良すると予測することができる。こ
の目的のために、本発明のアトマイザーは、懸濁粒子を備えた液体を霧化するた
めに検査された。検査に使用された粒子は３から５ミクロンのサイズ範囲の二酸
化チタンであった。アトマイザーは優良な霧化を達成し、それによって、中立的
に浮力のある意味で気流中の二酸化チタン粒子の均一な取り込みが達成された。
これらの検査結果は、アトマイザーを風洞検査のスモーク生成装置として使用す
ることができることを示す。安定して密で繰り返し可能な制御された容量のスモ
ークストリームが、アトマイザーで容易に生成することができた。

【０００８】本発明のアトマイザーは、従来の粒子シーダーで得ることができるデータ率よ
りも２桁高いデータ率を達成することができることが例証されている。流体およ
び気体の流量、および、アトマイザーへの電力入力を最適化することによって、
広範囲の材料および粒子用に、感度のさらなる改良を得ることができる。さらに
、流れ測定用の粒子シーダーとしてアトマイザーを使用することによって、液滴
サイズおよび密度の精密な実行中の制御が可能になる。現在、固定サイズ分布を
備えた固体シーディング粒子は、異なる粒子サイズを必要とする異なる流れパラ
メータを備えた走行の間で取り替えられなければならない。つまり、アトマイザ
ーは粒子の相互作用を減らす間に液滴サイズと空間の分配を制御し、信号レベル
を最適化する。

【０００９】アトマイザーの別の用途は、フレームおよびプラズマに基づいた要素分析の分
野にある。１９９９年１２月７日にハントらに発行され、「近超臨界および超臨
界流体溶液を備えた熱スプレーを使用する化学蒸着法および粉末形成」という発
明の名称の米国特許第５，９９７，９５６号において、アトマイザーの１つの実
施形態が、ＣＣＶＤ法とともに使用される。このコーティング法において、前駆
物質が溶剤内で溶解し、可燃性燃料として作用する。この溶液は霧化され、ミク
ロン以下の液滴を形成し、酸素ストリームによってフレームへ運ばれそこで燃焼
される。フレームからの熱が、液滴を蒸発させるのに必要なエネルギーを提供し
、前駆物質は反応して基板に蒸着する。ＣＣＶＤシステムを修正することによっ
て、フレーム内の励起した核種からの光放出の測定を行うことができ、これらの
測定は微量成分分析用に分析することができる。そのような用途の１つは、フレ
ームに基づいた原子放出（ＡＥ）スペクトロスコピーを含む。要素分析用にもっ
とも普通に使用される分析技術のうちの２つが、原子吸収スペクトロスコピー（
ＡＡ）とサイクロトロンプラズマ原子放出スペクトロスコピー（ＩＣＰＡＥ）
とである。ＡＡ器具は比較的安価であるが、感度には幾分限界がある（検出限界
）。ＩＣＰＡＥは、ＡＡよりもかなり感度が良いが、かなり高価である。本発
明のアトマイザーは、測定が最新式ＡＡ結果に匹敵する感度であるように、ＡＥ
スペクトロスコピー用のフレームを生成することができることが例証されている
。この感度は、在来のＣＣＶＤ装備に大きな修正を加えることなく達成され、結
果として得られたシステムは最適からはほど遠かった。流体および気体の流量、
アトマイザー設定、フレーム位置、信号統合、および、光学設定を最適化するこ
とによって、感度に対する大幅な改良を得ることができる。本発明のアトマイザ
ーは、ＡＡの価格範囲で非常によく売れる器具で、ＩＣＰＡＥ品質の結果を達
成する。原子スペクトロスコピーにおいて、有機溶液用の効果的な噴霧化および
平均液滴サイズの減少が、結果として、測定感度およびアナライト輸送効率の上
昇になる。さらに、測定チャンバ内で発生する気化過程の運動は、チャンバ内に
存在する大きなエーロゾルの留分によって決定され、これは、ネブライザーによ
って生成された主要エーロゾルの平均直径に直接関係する。

【００１０】フレーム放出スペクトロスコピーにこの霧化装置を使用する可能性は、公知の
ナトリウム濃度のトルエン溶液を使用する予備検査にかけられた。光ファイバ分
光計を使用して、異なるナトリウム濃度の溶液用のナトリウム「Ｄ」ラインの強
度を観察した。検査された最低濃度（１ｐｐｍ）は、容易に検出可能であり、ナ
トリウムラインの信号対雑音比は、そのような低濃度でさえ１０：１を超えて良
好であると目視概算された。システムは、スプレー均一性、ノズル位置等の要因
による小さな変化に非常に感度が高いことがわかった。本発明のシステムは、器
機のコストの何分の１でＩＣＰ検出限界に匹敵する感度を有する。さらに、この
システムは、炭化水素溶液を使用することができる。背景溶剤ピークを減少する
ために、本発明は、ＩＣＰシステム内でまたはＨ−Ｏフレームとともに使用する
ことができる。マイクロウェーブおよび電気アークプラズマ等の他のプラズマを
使用することもできる。そのようなプラズマシステムにおいて、改良された感度
は、本発明を使用して、より微細な霧化、および、霧化するかまたは広がる気体
から稀釈がほとんどないかまたはまったくないことから生じる。

【００１１】アトマイザーは、ナノ粉末（１から１００ｎｍ）を製造するのにも有用である
。微細粉末を製造するには多くの技術が存在しており、化学蒸気凝縮、フレーム
に基づいた凝縮、および、プラズマ処理が挙げられる。これらの技術は、均質で
小さなサイズの粉末を製造するのに有用であるが、非常にエネルギー集約的であ
り、従って高価である。これらの技術と比較して、本発明は大幅な処理コスト削
減を提供する。さらに、アトマイザー処理によって、従来の技術では形成するこ
とができない多数のナノ粉末組成も可能である。液体燃焼蒸気凝縮（ＬＣＶＣ）
において、低コストの環境フレンドリーな、金属を含んだ試薬が、可燃性燃料と
しても作用する溶剤中に溶解している。本発明のアトマイザーを使用して、この
溶液は霧化されミクロン以下の液滴を形成し、これは、次いで、トーチ内で燃焼
され蒸気を形成する。このようにして形成された凝縮可能な核種は、エーロゾル
ナノ粉末として均質に核形成し、これは次いで、分散媒体内にまたは固体コレク
タ上に集められる。予め混合された前駆物質溶液によって、非常に均一なサイズ
および組成の幅広いナノ粉末化合物を合成する多様性が可能になる。ＬＣＶＣ方
法は、取扱および次の処理のために便利な形態であるコロイド分散系として集め
られるナノ粉末を製造することができる。これらのナノ粉末の製造から利益を得
ることができる用途として、網形状セラミック、粉末コーティング、および、流
動的流体が挙げられる。これらの高品質、マルチ構成要素ナノスケール粉末の他
の用途として、電子、光学、磁性、機械および触媒用途が挙げられる。気体相化
学処理用に、粉末またはナノ粉末を導入して反応させるかまたは触媒として作用
させることができる。ＬＣＶＣを備えたアトマイザーを使用する結果として、様
々な高度なナノフェーズ粉末用の簡略で経済的な製造方法が得られる。

【００１２】本発明のアトマイザーのさらに別の有用な用途は、小液滴スプレーを生成する
ための新規ネブライザーとしてのものである。アトマイザーによって、液体溶剤
および燃料の非常に微細な霧化および気化、および、霧化の完全且つ高速な制御
が可能であり、一方、簡略で頑丈な構成要素と中程度の電力必要条件との革新的
な組み合わせを使用する。これらの特徴は、上記説明したように、フレームおよ
び誘導的に連結されたプラズマ原子スペクトロスコピーのサンプル導入、且つ、
質量および原子放出分光測定、薬剤送出、および、燃料分析および噴射等を含む
他の多くの等しく重要な方法に有用である。別の化学処理用途において、有害な
材料をより微細且つ均一に分割することができ、熱、プラズマ、フレームまたは
他の炉によってより安全でより完全な分解が可能である。

【００１３】スプレー乾燥技術が、小サイズ流体の生成に使用される。アトマイザーによっ
て、液体溶剤の非常に微細な霧化および気化、および、霧化程度の完全な制御が
可能である。これらの特徴は、薬剤乾燥粉末の製造のスプレー乾燥方法、および
、食物および化学製品の懸濁およびスラリーの霧化に有用である。本発明は、精
密な粒子サイズを備えたポリマー粉末のより効果的な製造も提供することができ
る。スプレー乾燥方法は、液体を乾燥粉末粒子に変えることに関与する。これは
、流体を乾燥チャンバ内に霧化し、そこで液体の液滴は熱い気流を通り、局部熱
および質量移転状態によって制御される機構を通して固体粒子に変えられる。こ
れらの粒子は次いで集められ、将来の使用のために保管される。アトマイザーの
主たる目的は、表面対質量率が高い液滴のスプレーを生成して、水または他の溶
剤を均一に且つ即座に気化することができることである。スプレー乾燥方法のこ
のステップは、主たる液滴のサイズを規定し、従って、生成される粉末の品質に
有害な影響を与える。タンパクおよびペプチド治療の肺送出等の用途において、
薬剤は、発散または上方気路での溶着を防ぐために、小さなサイズの粒子で送出
されなければならない。本発明のアトマイザーを使用するスプレー乾燥技術の他
の用途は、高性能（高度）セラミックの工業的開発に重要な役割を演じるタイル
および電子プレス粉末を含む。粒子サイズ分布の必要条件に合致できることによ
って、球形粒子形態が生成され、研磨供給原料の取扱がセラミック業界でスプレ
ー乾燥機が広く使用されるための重要な理由である。化学業界用のスプレー乾燥
機も、気体状、粒子状および液体の流出液の形成を最小限にするシステムで様々
な粉末状、粒状および凝集状の製品を製造する。高効率スクラバーシステムおよ
び高性能袋フィルタが粉末の放出を防ぎ、一方、リサイクルシステムが、溶剤、
製品毒性および火災爆発の危険を取り扱う問題を排除する。コーヒー／コーヒー
代替品、食品着色剤、マルトデキストリン、スープミックス、スパイス／ハーブ
エキス、紅茶、トマト、植物タンパク等の粉末または凝集形態の食品を、スプレ
ー乾燥を使用して形成することができる。これらの感熱性製品の形成が、精密仕
様の高栄養および品質の粉末を維持するためにシステムおよび操作の注意深い選
択を必要とするため、アトマイザーのこの用途は有用である。

【００１４】本発明は、燃焼室に送出するための燃料の霧化にも関与し、これらの燃料の燃
焼を高め、それによって、燃料および熱効率を上昇させ、一方、燃焼によって生
成される未燃焼炭化水素汚染物の量を減少する。本明細書に記載された方法およ
び装置は、内燃機関の操作のスタートおよびウォームアップサイクル中に霧化し
た燃料を提供するように使用されるときに、すなわち、燃料消費および汚染物生
成がその最高レベルにあるときに（しかし、本発明はいずれの特定の燃料または
燃焼室とともに使用されることに限定されるよう意図されるものではなく、幅広
い有用な用途を有すると理解すべきである）、特に有益である。エンジンが通常
の作動温度に達する前に作動されるときには（スタートしなければならないすべ
てのエンジンに固有の作用）、エンジンの内部表面（特に取入経路）の周囲温度
が燃料気化過程を妨げ、これらの表面の湿潤を誘発さえする。燃料の非蒸気相は
燃焼せず、そのため、燃料の気化が減少する結果として、燃料消費および汚染物
生成（すなわち未燃焼燃料）が増加し、且つ、特定の電力効率が減少する。小さ
な内腔チューブまたはチャンバを通って燃料をルートづけチューブ内の燃料を急
激に加熱することによって、本発明は、微細に霧化され加熱された燃料を生成し
、液滴はミクロン以下からミクロンの範囲である。この高度に霧化した燃料は、
コールドスタートおよびウォームアップ放出レベルを、エンジンが作動温度に達
成した後に生成されたものに類似したレベルに減少するのに十分なほど徹底的に
燃焼する。

【００１５】加熱され高度に霧化した燃料を提供することによって、本発明の燃料アトマイ
ザーは、燃料噴射機、スロットル本体、取入壁、弁、弁ステム、弁座、弁レリー
フ、シリンダ壁、シリンダヘッド、点火プラグ、点火プラグスレッド、ピストン
ランド、ピストンすきま、ピストン面、ピストンリングおよび他の内燃機関表面
が湿潤してどろどろ状態になるのを回避する。これらの表面に集まる液体燃料は
、燃焼しないことによって燃料消費を増加するだけではなく、ヒートシンクとし
ても作用し、それによって、熱がエンジンに移るのを妨げ、エンジンのウォーム
アップ時間を増加する。アトマイザーは、燃料をエンジン内に噴射する点にある
加熱要素で燃料に直接接触することによって燃料を加熱する。アトマイザーを使
用して、補足噴射機（すなわちコールドスタート噴射機）としてまたは主要燃料
噴射機として、エンジン内の異なる数カ所に燃料を噴射することができる。燃料
を、これらの場所のいずれの組み合わせで、取入マニホールドまたはポート内に
、または、直接、燃焼室、プレチャンバまたは層状チャンバ内に、送出すること
ができる。さらに、アトマイザーを、中央ポート噴射機としてまたはマルチポー
ト噴射システムの個別構成要素として、および、完全な可変流れ燃料送出システ
ムとしてまたは補足コールドスタート噴射システムとして、作動するように構成
することができる。

【００１６】本明細書の実施例およびデータは、ほとんど、ガソリン燃焼内燃機関にむけて
書かれているが、アトマイザーは、いずれの燃焼装置とともに且つ他の燃料とも
同様に使用されるように、霧化した燃料を完全に生成することができることに注
意すべきである。燃料の例として、ガソリン、ジーゼル、灯油、バイオ燃料、加
熱油または気体、Ａ１、ＪＰ−５、ＪＰ−８が挙げられる。有用な用途の例とし
て、２ストロークおよび４ストロークの内燃機関、炉、タービン、および、ヒー
ターが挙げられる。本発明を適用することができる無数の燃料および用途があり
、従って、燃料アトマイザーをいずれの特定の用途に限定することは意図されな
い。この目的のために、「燃焼室」および「燃料」という用語は、本明細書では
、燃料を燃焼し、その燃料の増加した霧化から利益を得ることができるいずれの
装置を意味するように使用されている。しかし、本発明の燃料アトマイザー実施
形態のもっとも有利な使用の１つが、内燃機関のスタートアップ中の放出および
燃料消費を減少することであるため、この用途は第１に調査されなければならな
い。

【００１７】本発明のアトマイザーは、数種類の異なる実施形態として形成することができ
る。基本的な実施形態において、アトマイザーは加熱されたチューブまたはチャ
ンバである。チューブを加熱する方法は、多くの異なる方法から選択することが
でき、下記が挙げられるが、それらに限定されない。すなわち、直接電気抵抗加
熱（抵抗チューブまたは内部加熱要素を使用する）；導電性加熱（チューブを材
料のブロック内に置き、次いで、そのブロックをカートリッジヒーターによって
加熱する）、加熱された流体をそのブロックの上または中を通らせるかまたは他
の加熱手段による；レーザ、赤外線、マイクロウェーブまたは他の放射線エネル
ギー源を使用する放射線加熱；チューブのまわりに方向づけられた熱気体または
液体（油、水、グリコール）、フレーム；または、これらの、および、必要なエ
ネルギー温度に達することができる他の公知の加熱方法の組み合わせである。電
気抵抗加熱は、比較的小さなスペースに大きな範囲の制御可能な加熱を提供する
ため、これが好ましい。基本的な電気的に加熱された実施形態において、電気的
に導電性の／抵抗性のチューブまたはチャンバが使用される。「チューブ」とい
う用語は、構造物の長さに対して小さな内部表面積を有する構造物を示すよう意
図される。これは、長さ対特性内部幅（ＣＩＷ）比を規定することによって良好
に表すことができる。ＣＩＷは、チャンバの平均内部断面積の平方根として表す
ことができる。例えば、側部が３ｍｍの均一な正方チューブは、平均断面積が９
ｍｍ²であり、ＣＩＷは３ｍｍである。このチューブが１２ｍｍの長さであれば
、ＣＩＷは４になる。用途によっては、１ほどの長さ対ＣＩＷ比で作動すること
ができるが、大半の用途では、液体の適切な霧化が発生するために、長さ対ＣＩ
Ｗ比が５０から１００を必要とする。より高いＣＩＷ比は、通常、より微細なよ
り均一な液滴を提供する。１０００を超えるＣＩＷ比が非常に有用である。より
高いＣＩＷ比が背圧を高め、これが用途によっては役に立つことがあり、他方で
は限定的であることもある。実際に必要な内部断面積および長さは、特定の用途
に必要な液体の流れに依存する。２５ｍｌ／分の液体流れ用には、１００の規定
率が予想される。霧化装置の出口は、霧化した液体を必要な場所へ送出するため
に１つまたはそれ以上の液体ポートを含み、これは、特定の用途に依存する（ス
モークチャンバ、取入マニホールド等）。電気的に加熱された実施形態において
、電極は、装置の端へ、接続取付具へ直接接着されるか、または、アトマイザー
の加熱要素部分に電気接触するいずれの導電性物体に接着されるかである。電圧
は、チャンバのまわりの材料（または内部加熱要素）を通って電流を送る電極に
わたって加えられ、それによって、チューブ内部の液体に直接接触する材料を加
熱する。液体は装置を通って広がるため、その温度は、大気状態で液体の沸点を
超えるレベルまで急激に上昇する。しかし、液体は高圧に保たれるため、加熱チ
ャンバ中で液相のままである。装置を通る液体を駆動するのに使用されるポンプ
圧は、液体の沸点を上げるように作用し、従って、大気圧液体の沸点よりもかな
り高い温度に達することができる。装置を出るときに、加熱された液体は準安定
状態であり、周囲大気圧または減圧環境で急激に膨張する。熱い液体のこの急激
膨張は、結果として、液体のきわめて微細な霧化が得られる。そのようにして加
えられた電力は調整可能であり、特定の液体および／または用途に霧化を合わせ
るようにチューブの加熱を較正する。さらに、この調整は「実行中に」行なうこ
とができ、異なる液体の、および／または、異なる霧化必要条件を有する液体の
組み合わせの、制御された霧化を可能にするか、または、特定の用途に必要な平
均粒子サイズおよびサイズ分布を調整する。ここに例示された基本的な実施形態
はまっすぐな円形断面構成を有するが、例えば、コイル状、曲がった、ねじれた
等の他のチャンバ形状を使用して、用途およびスペース必要条件に適合させるこ
とができる。チューブまたはチャンバは断面が円形である必要はなく、正方形、
三角形、楕円形等であってもよい。アトマイザーは、所望の抵抗性、強度、熱特
性等に依存して、広い範囲の異なる材料から作られてもよい。

【００１８】基本的な実施形態に加えて、数種類の変形例がここに開示されている。さらな
る実施形態は、セラミックまたはガラス等の電気的に非導電性の材料から作られ
るチューブまたは本体を有する。中央加熱ワイヤまたは要素がセラミックチュー
ブの長手方向軸に沿って延在し、それによって、液体がチューブを通って加熱装
置のまわりを流れるときに液体に接触してこれを加熱する。セラミックチューブ
は、加熱要素に電気的絶縁および断熱を提供し、また、加熱ワイヤまたは要素に
構造的強度を提供する。他の実施形態は、チャンバの内部表面に沿って一方の端
から他方の端へまたは内部内のいずれのセクション内に延在するらせん形状の加
熱ワイヤを含む。そのような構成は、高流量または増加する加熱に必要なように
、チャンバの長さ当たりの加熱要素の追加表面積を提供する。セラミックのまた
は絶縁したチャンバの実施形態の１つの利点は、より効率的ではあるがあまり頑
丈ではない可能性のある材料製のワイヤ加熱要素を使用することができることで
ある。さらに、アトマイザーの絶縁材料は、電気的絶縁且つ断熱であり、それに
よって、囲繞する構成要素へ熱が移るのを減少し、効率を上げる。第１の実施形
態のように、セラミックチューブの送出端は、１つまたはそれ以上の液体送出ポ
ートを含むことができる。

【００１９】上述の実施形態は、霧化装置および粒子用途の全体的効率を最大限にするよう
に設計された追加修正を組み込むこともできる。上記アトマイザーのいずれも、
複数の、一連のまたは平行なチューブを含むことができる。これらのチューブは
、燃焼室の必要条件または他の要因に依存して、代替サイズ、形状または断面で
あってもよい。例えば、チューブまたはチャンバは、連続して小さな直径であっ
てもよく、アトマイザーを出るときに液体を目標にするために、最初のチューブ
またはチャンバはコイル状形状で、最終チューブはまっすぐな構成であってもよ
い。類似したまたは異なる直径、断面、長さ、厚さ、構成（コイル状、曲がった
、らせん状、マルチチューブ、ねじれた等）およびノズルサイズを有するチュー
ブの特定の組み合わせは、用途に依存する。

【００２０】さらなる修正は、アトマイザーの外側表面に材料を加えることを含む。これら
の材料は、主要チューブと統合されてチューブの厚さを増加した形態であっても
よく、または、スリーブの形態であるか、または、異なる材料（正温度係数（Ｐ
ＴＣ）材料等）がアトマイザーの外側表面に塗布されるか結合されるかまたは他
の方法で接着されたスリーブの形態であってもよい。これらの材料の機能は、ア
トマイザー全体に強度を加えること、温度を安定させるためのヒートシンクまた
は溜として作用すること、および／または、断熱／電気的絶縁のいずれの組み合
わせであってもよい。アトマイザーの全体的形状およびサイズは、用途によって
最適化される。

【００２１】多くの異なる材料を使用して、本発明の液体アトマイザーの様々な構成要素を
作ることができる。加熱要素（ワイヤ、チューブ等）は、液体または必要な熱お
よび圧力によって劣化しないいずれの熱的に／電気的に導電性の／抵抗性の材料
であってもよい。業界では公知であるように、特定の温度を維持するために、Ｐ
ＴＣ材料を使用してもよい。電気的に加熱されたチューブの実施形態において、
導電率、熱伝達、強度および液体抵抗性に関して、ステンレス鋼が満足のいく結
果を有する。電気的に絶縁されたチューブの実施形態において、チューブは、霧
化した液体に対して感度のないいずれの電気的に絶縁な材料から作ることができ
る。熱損失は、断熱材料またはエアギャップを使用することによって、および／
または、チューブの壁厚を増加することによって、最小限にすることができる。

【００２２】多くのアトマイザー電力制御方法を使用して、液体の温度および圧力を制御す
ることができ、それによって、平均液滴サイズ、液滴サイズ分布および他の用途
特定要因を変える。用途によっては、液体の部分沸騰が好ましい。液体の温度が
上がるにつれて、液滴サイズが減少し、気体および蒸気状態の液体の量が増加す
る。用途に依存して、これらの安定した気体および蒸気の重量％は、チャンバを
出る流体の合計の１％、５％、１０％、２０％または４０％の高さでさえあって
もよい。ノズルを出る液体の最適熱力学状態（温度および圧力）が、これらの要
因に基づいて選択される。霧化のレベルおよび液体の流量および特性は、装置の
電力必要条件を直接要求する。先行技術の装置と同様に、必要な電力レベルは、
入力出力比較分析、装置への電力、平均液滴サイズおよび液体タイプ当たりの均
一性によって決定される霧化のレベル、さらに、加熱方法、アトマイザーを形成
するのに使用される材料、熱伝達速度および他の要因によって決定される。装置
は、広い範囲の電力設定にわたって作動することができる。非常に低い電力設定
は、結果として、平均霧化および液滴が２０から１００μｍの範囲になる。しか
し、高電力レベルは結果として、ミクロン以下の霧化になる。先に述べたように
、電力設定は、単に、アトマイザーの材料または加熱要素に加えられる電圧を変
えることによって、アトマイザーの作動中に調整することができる。電力設定は
、結果として、チャンバ内の液体の特定の最大温度が得られる（通常、液体がち
ょうどチャンバを出るときに）。この最大温度は、ミリセカンドの何分の１から
０．０１または０．１秒の短い時間内しか維持されないか、または、液体の霧化
特性およびチャンバを通る流量に依存して、１秒、１０秒または１分もの長さま
で維持されることができる。チャンバに入る液体の圧力も制御されて（上流ポン
プまたは圧力調整器による）、チャンバの入口と出口との間に特定の圧力低下を
提供する。１０ｐｓｉの低下が適切であるが、５０ｐｓｉ、１００ｐｓｉまたは
３００ｐｓｉを超える圧力低下でさえ必要なことがある。ＣＩＷおよびＣＩＷ対
長さ比の変動を使用して、所望の流量および所望の背圧を実現することができる
。必要な温度および圧力を決定する液体霧化特性のいくつかとして、液体および
気体の温度および圧力の関係（沸点等）、表面張力、粘度、および、液体中にあ
るいずれの懸濁固体のレベルおよびサイズが挙げられる。

【００２３】従って、本発明の第１の目的は、特定に用途によって、特定の平均液滴サイズ
および液滴サイズ分布を生成するための制御可能な液体霧化方法を提供すること
である。

【００２４】（好ましい実施形態の詳細な説明）図１において、包括的液体送出システムが全体として２で示される。送出シス
テム２は、送出されるべき液体を含む液体源６を含み、使用される特定の液体は
、特定の用途に依存する。液体供給線８は、プレポンプフィルタ１０を経由して
ポンプ１２の入力に液体を供給する。ポンプ１２は、液体を、ポストポンプフィ
ルタ１４、調整弁１６および流量計１８を通って、最後に、アトマイザー４の入
力４２へ方向づける。電子制御ユニット３は、流量計１８から入力信号を受け取
り、同様に、他の用途特定フィードバック信号も受け取る。これらのフィードバ
ック信号に基づいて、制御ユニット３は、ポンプ１２へおよびアトマイザー４へ
送出するのに適切な電力を決定し、下記にさらに説明されるように、液体流量お
よび霧化のレベルの両方を制御する。さらに、所望であれば、制御ユニット３が
「実行中に」液体圧力を制御することができるように、調整弁１６が電子的に調
整可能であってもよい。

【００２５】液体アトマイザーの特に効率的な実施形態が、図１に４として示されている。
液体は、アトマイザー４に入口ブロック５６の入力４２で入り、セラミックまた
はガラスのチューブ４４の第１の端４８内に方向づけられる。セラミックチュー
ブ４４内に、セラミックチューブ４４の長さ方向に延在するコイル状加熱要素４
６がある（加熱要素４６の一部のみが示されていることに注意されたい）。液体
は、チューブ４４の下へ移動するにつれて、累進的に加熱され、所望の温度を達
成する。液体は、チューブ４４を他方の端５０で出て、出力ブロック５４の微細
内腔５２を通るように強制される。内腔５２に入ると、液体の圧力は、内腔５２
内の摩擦損失のため減少し、内腔５２を出口５８で出ると、液体の圧力は大気圧
へ急激に低下し、従って液体を霧化し、微細液滴スプレーを生成する。入口ブロ
ック５６および出口ブロック５４は、導電性材料で作られ、加熱要素４６の端に
挿入するために内腔６０を含む。内腔６０は、いずれの漏れを排除するように盲
孔であってもよく、依然として、出口および入口のブロックに接触するコイル状
加熱要素４６を保持してそのままにする。締結具６２（ここではねじ山を切った
内腔内のねじとして示されているが、他の締結具を使用してもよい）が、電気ワ
イヤ６４、６６をそれぞれ入口５６および出口５４のブロックへ接続する。ワイ
ヤ６４はアースに接続して示され、ワイヤ６６は制御ユニット３に接続されてい
るが、他の構成を使用してもよいことに注意すべきである。例えば、制御ワイヤ
を入力ブロック５６に接着し、出口ブロック５４をシステムのアースに直接に接
触させること（例えば燃料噴射用途のエンジンヘッド等）も望ましい。

【００２６】本発明のアトマイザーを使用する燃料送出システム７０が、図２に概略的に示
される。燃料タンク７２は、燃料（ガソリン、ジーゼル、ＪＰ−８または他の燃
料）用の保管容器を提供し、これは、燃料線７４および燃料フィルタ７６を経由
してポンプ７８の入口へ供給される。ポンプ７８は燃料を調整器８０へ供給し、
これは、過剰燃料を戻り燃料線８２を経由して燃料流れタンク７２に戻す。燃料
流量計が、アトマイザー８６へ燃料流れを示す信号を提供する。制御ユニット８
８が、必要な霧化のレベル、燃料の種類および他の状態に基づいて、アトマイザ
ーへ電力を供給する。流量計８４が、制御ユニット８８へ燃料流量を補償する信
号を提供してもよい。アトマイザーは、特定の用途およびエンジンの種類に依存
して、微細スプレー９０を燃焼チャンバ、取入マニホールドまたは他のエンジン
場所へ送出する。ポンプ７８および制御ユニット８８は１２ＶＤＣによって電力
供給されているように示されているが、乗物の種類および提供される電圧に依存
して他のＤＣまたはＡＣ電圧を使用することができることを理解しなければなら
ない。

【００２７】図３に移ると、アトマイザー２０のより簡略な実施形態の詳細図が示される。
この実施形態は基本的に、長さＬ、内径Ｄ、壁厚Ｔ、入口端２７および出口端２
８を有する中空チューブ２５である（ここでは円形断面で示されているが、他の
形状を使用することもできる）。チューブ２５は、中に電流が通されるときに温
度が上がるいずれの電気的に導電性の／抵抗性の材料で作ることができる。使用
される実際の材料は、アトマイザーの全体的サイズ、液体の種類、加熱必要条件
、および、他の要因に依存するが、ステンレス鋼が満足のいくものであることが
わかっている。一対の電気ワイヤ２６が、各端に１つずつの電気接点２３、２４
によって、チューブ２５に接続される。接点２３、２４は、溶接、はんだ付け、
または他のいずれの適切な手段によってチューブ２５に接続することができる。
検査または粒子製造装置の一体部分として、出口端２８は装置の金属部分に接触
することができ、それによって、チューブ２５の出口端に接触するために、アー
ス接続を提供する。この構成では、入口端２７の単一の電気接続２３が必要なだ
けである。別の実施形態において、両方の接続２３、２４がアースに接続され、
中央接続３７が電圧ポテンシャルを提供する。中央接続３７は接続２４により近
く位置することができ、それによって、接続３７と接続２３との間の抵抗を大き
くし、一方、接続３７と接続２４との間の抵抗を小さくする。この結果として、
接続３７と接続２４との間により多くの電流が流れ、加熱の２つのレベルが得ら
れる。液体を出口端２８により近くでより高いレベルで加熱することによって、
チューブ内の液体を沸騰させ続ける可能性が減少する。チューブ２５の物理的な
装着は、チューブ２５の内側または外側にねじ山を切った部分、チューブのプレ
ス嵌め、または、適切な強度を与えながらその中に液体を自由に流れされること
ができる他のいずれの手段によって、提供することができる。

【００２８】操作において、液体はアトマイザー２０の入口端２７に入る。電流がアトマイ
ザーのチューブ２５を通って流れ、それによって、チューブの材料およびチュー
ブ内の液体を加熱し、それがチューブ２５の内壁に直接接触する。液体がチュー
ブ２５を通り続けるときに、液体の形態のままであるが、温度は上昇する。チュ
ーブ２５の出口端から出ると、液体の圧力は急激に低下し、結果として液体の霧
化が得られる。それによって生成された霧化した液体は、きわめて小さな液滴（
数ミクロンの桁）から構成され、温度が上昇し、検査装置の内側表面における凝
縮の可能性を減少する。温度は、二相流れ（液体および気体）がチューブ内で発
生することができる点まで、または、液体が完全に気化して結果として気体出力
が得られるよりいっそう高い温度まで、上昇することができることを理解すべき
である。これが望ましい用途もあるが、本発明のアトマイザーの主要な利点は、
液滴サイズを制御できることである。この能力は、ひとたび液体が気化して特定
の材料の原子または分子を形成すると、失われる。また、溶解した材料は、気化
温度でチューブにより沈澱しやすくなり、チューブを通る流体の流れを変える。
追加材料のスリーブ２９は、チューブ２５の長さ全体にわたって設置されてもよ
く、または、チューブの一部に沿ってのみ設置されてもよい。スリーブ２９は、
単に構造強度をアトマイザー２０に加えることができるか、または、アトマイザ
ー２０と他の装置構成要素との間に電気的絶縁および／または断熱を提供するこ
とができる。

【００２９】図４は、本発明のアトマイザー３０のさらなる実施形態３０を例示する。基本
的実施形態と同様に、アトマイザーは、入口端３２と出口端３３とを有する中空
チューブ３１から作られる。しかし、この実施形態では、チューブ３１は、セラ
ミック等の電気的に非導電性の材料から作られることが好ましい。中心に置かれ
た加熱要素３５は、チューブ３１の中心軸に沿って延在する（が、構成によって
は加熱要素３５は中心からずれてもよい）。加熱要素３５への電力は、電気ワイ
ヤ３４によって提供され、これは、加熱要素の各端に接続される。加熱要素３５
のいずれかの端が、装置の金属部分に接続されて、アース接続を提供してもよい
。加熱要素３５の端は、チューブ３１自体の拡張部によって、またはチューブ３
１を支持する取付具によって、支持することができる。加熱要素３５をチューブ
３１内に配置することによって、液体は加熱要素３５を完全に囲繞し、それによ
って、液体に内部的に接触しているだけであるチューブ全体を加熱するのとは反
対に、加熱要素３５の効率を上げる。チューブ３１は加熱要素３５に構造的強度
を与えながら、一方、導電性の装置構成要素から加熱要素３５を絶縁する。図４
にはまた、代替加熱手段９８が示される。加熱手段９８は、前述のようにいずれ
の数の放射線、導電性または他の加熱手段を具備してもよい。加熱必要条件に依
存して、これらの加熱源９８は、上述の電気抵抗加熱手段とともに、または、こ
れに代わって、使用されてもよい。

【００３０】アトマイザーの上述の実施形態のいずれの出口端用に数種類の異なるポートオ
プションが図５に例示される。直径のきわめて小さいチューブの場合には、出口
端は完全に開口していてもよいが、より大きなチューブでは、出口端は閉じてお
り、多くの液体送出ポート９２、９４を含む。チューブが加熱要素である実施形
態において、出口端５０の外側部分に沿ってポート９２を設けることは、結果と
して、加熱要素にもっとも近く従ってチューブの中心にある液体よりも温度が高
い液体を排出することになる。実施形態によっては、単一の、中心に置かれたポ
ート９４を提供することが有利であるが、アトマイザーの効率を最大限にするよ
うにポートの位置、数および構成を調整することができる実施形態もある。液体
が懸濁粒子を含む用途においては、これらのポート９２、９４は、目詰まりを避
けるために、粒子の直径の少なくとも２倍の直径を備えたサイズである。

【００３１】市販の先行技術のアトマイザー装置は、現代のＬＤＶシステムとともに使用さ
れて、自動車エンジンの取入ランナーの取入空気速度を測定した。速度測定は、
エンジンのクランクシャフト位置に協働して行われる。１分間のうちに７８測定
が行われた。結果は図６に示され、各ドットは７８データポイントの１つを示す
。これらの結果は、シーディング用に先行技術の霧化装置を使用する不適切さを
示す。

【００３２】図６に示された先行技術のアトマイザーと同一のＬＤＶ検査構成システムにお
いて、本発明のアトマイザーが検査された。結果は図７に示される。１分間の検
査期間で、シーディング装置として本発明のアトマイザーを使用して１０，００
０測定が達成された。図６に示された先行技術の結果とは対照的に、本発明の装
置は粒子シーディングに非常に重要な利益を提供する。これらの増加した測定は
、空気ストリームに多数の適切なサイズの粒子が供給されたことを示す。適切な
サイズの粒子のみがレーザを反射し、空気の流れ自体には何の影響も与えない。

【００３３】有機溶剤を使用して且つ水を使用してアトマイザーで液滴サイズを測定するこ
とが行われた。有機溶剤での測定はレーザフラウンホファー回折システム（マル
バーン器具モデル２６００ｃ）を使用して行われたが、フェーズレーザドップラ
ーアナライザー（ＰＤＰＡ）を使用して、水での実験用の液滴サイズ分布と速度
とを同時に決定した。図８は、液滴サイズ分布を、アトマイザー電力入力の調整
によって制御することができることを示す。図８から１０に関連して検討された
実験では、１００％のアトマイザー電力が４０ワットに等しいが、所望の霧化を
提供するために４０ワットを超える電力レベルを使用してもよいことが理解され
なければならない。

【００３４】図８から１０に関しては、下記にも注意しなければならない。すなわち、図８
では、縦の目盛りは特定のサイズの粒子の容量％であり、横の目盛りは粒子サイ
ズをミクロンで表す。図９では、縦の目盛りは特定のサイズ未満の全粒子の容量
％であり、横の目盛りは粒子サイズをミクロンで表す（従って、１００％の電力
入力（４０ワット）では、すべての粒子はサイズが４ミクロン未満である）。図
１０では、縦の目盛りはミクロンで表す平均液滴のサイズであり、横の目盛りは
電力入力％である。

【００３５】液滴サイズを選択するこの適応性は、スプレー乾燥、粒子コーティング、ナノ
粉末製造および液体燃料燃焼等の多くの用途で重要である。きわめて小さい液滴
（大半がミクロン以下の範囲であり、検出限界未満である）を、アトマイザー装
置電力入力のより高い範囲内で生成することができる。非常に低い電力入力（２
０％）では、液滴サイズ分布は、２つの顕著なピークを示し（３０μｍ未満）、
１００μｍを超える液滴サイズでより広いピークを伴う。アトマイザー装置電力
が６０％へ上昇すると、ピークはより小さい液滴へ移り、主要ピークは４μｍを
中心とする。これらの作動状況下で４０％（容量で）を超えるエーロゾルが、１
．２μｍ未満の液滴サイズの誤差読取を訂正する何の努力もしないという事実に
もかかわらず、４μｍ未満の直径を有した（図９）。液滴サイズ分布は、低電力
入力の大きな液滴（２０から４０ミクロン）から、中程度電力入力のより小さい
液滴（２から１０ミクロン）へ移る。より高い電力入力では、大半の液滴は、ミ
クロン以下の範囲であり、液滴サイズ分布を適切に捉えるためにマルバーン器具
を使用することはできなかった。ここに呈された結果は、本発明のアトマイザー
装置によって生成されたエーロゾルが非常に狭い範囲の液滴サイズに分布され、
より高い電力レベルでは大半の液滴はミクロン以下の範囲（器具検出未満）であ
ることを例証する。

【００３６】平均液滴サイズは、電力入力が上昇すると、減少する。従って、アトマイザー
性能を、異なる流量およびスプレーチャンバの必要条件用に最適化することがで
きる。結果は、電力入力が上昇すると平均液滴サイズが指数関数的に減少するこ
とを示す（図１０）。異なる溶剤流量（１から５ｍｌ／分）用の平均液滴サイズ
の測定は、より小さな主たる液滴が、増加する流量から生じることを示す。予備
結果は、液滴サイズ分布が従来の空気圧ネブライザーおよび超音波ネブライザー
よりも大幅に狭いことを示す。最適下限の作動状態下でさえ、本発明のアトマイ
ザーを使用する液滴サイズの分布は数ミクロンに限定される。図１１は、最高霧
化設定（電力入力＝４０ワット）でスプレーの中心線で水用の液滴サイズ分布を
示す。縦の目盛りは粒子数であり、横の目盛りは液滴サイズをミクロンで表す。
液滴サイズ分布は、すべての軸方向位置で非常に狭いことに注意されたい。平均
液滴直径は、１から３ミクロンの間であり、５ミクロンよりも大きい液滴はほと
んどない。サウタ平均粒径（液滴サイズ分布の三次および二次のモーメント率）
は、ノズルから０．５”離れておよそ１μｍから、ノズルから１．５”離れて２
．５μｍまで増加する。

【００３７】上述の検査結果は、本発明のアトマイザーで達成された簡単な霧化の増加結果
を超えて、平均液滴サイズおよび液滴サイズ分布の優良な制御を実現することが
できる。アトマイザーに対する電力入力は、変動可能であり、流量（液体、懸濁
およびそれらの組み合わせ）も同様であり、用途に必要な結果を達成する。先に
述べたように、使用されるアトマイザーまたはアトマイザーポートのサイズおよ
び数は、特定の液体または用途のために特化にすることができる。例えば、空気
力学検査に使用されるスモークチャンバでは、多くのアトマイザーを使用して、
検査されている粒子の異なる部分に沿って気流を示すことができる。より小さな
流体流れ検査では、単一のアトマイザーが適切である。検査流れが点から点へ変
わるときには、異なるサイズのアトマイザーを異なる位置で使用して、もっとも
効果的な粒子分布を提供することができる。ナノ粉末の製造において、サイズ、
流量、粉末入力および出口ポートのサイズは、所望の平均粉末直径およびサイズ
分布を生成するために、すべて調整することができる。

【００３８】本発明のアトマイザーの異なる実施形態がきわめて小さな液滴を製造すること
ができることは、図１２に示される写真によって劇的に例示される。アトマイザ
ーを出る霧化したスプレーは、霧化した液体を暗い背景に対照的に示すために、
照明を当てられている。写真の右側へ、霧化した液体が「スモーク」として表れ
る点へ分散されており、これは、多くの上述の用途に特に有効である。

【００３９】燃料霧化に使用されるアトマイザーの基本実施形態の検査は、エンジン動力計
に連結され完全に器機が装備されたツインシリンダ、オーバーヘッドカムの内燃
機関を使用して行われた。エンジンのウォームアップをシミュレートするために
、水道水を使用して、エンジンブロックを出る水が２０℃に安定されるまで、定
常状態操作中にエンジンを冷却した。エンジンのウォームアップは一過性の事象
であるが、行われた検査は、ウォームアップサイクル中に間に合う単一点で有効
である。検査は、比較的高い負荷（１９ｆｔ−ｌｂ）で１２００ＲＰＭで走るエ
ンジン用に、標準噴射機とアトマイザーとの間でＨＣ放出を比較した。アトマイ
ザーチューブに送出された電力は、およそ９０から２１５ワットの間で変動した
。検査の結果は、図１３に見ることができる。縦の目盛りは、百万分率（ｐｐｍ
）でＨＣレベルを示し、横の目盛りは、アトマイザーへの電力入力をワットで示
す。電子燃料噴射機では、ＨＣレベルはおよそ１０，１００ｐｐｍと測定された
。アトマイザーの放出レベルは、ちょうど９０ワットを超える電力がアトマイザ
ーチューブに送出されたときに、およそ８９００ｐｐｍと測定された。アトマイ
ザーへの電力が増加すると、ＨＣ放出は、アトマイザー電力の約１８０ワットま
で大幅に減少した。その点でＨＣレベルがおよそ７１００ｐｐｍと測定され、ア
トマイザーでは１８０ワットを超えて上昇しても大幅な減少はなかった。この検
査は、わずかに温かいエンジンで定常状態で行われたことを理解しなければなら
ない。しかし、ＨＣ放出のもっとも大幅な減少は、エンジン作動の最初の数分内
のエンジンの実際のコールドスタート中に予測することができる。

【００４０】本明細書に使用された用語は、特定の実施形態を説明するためのものであり、
限定する意図はないと理解されるべきものである。本明細書および添付の特許請
求の範囲において、単数形であっても、文脈によって明らかにそうでないと示さ
れるのでない限り、複数形も含むものであることを理解しなければならない。

【００４１】本出願を通して、刊行物が参照されているが、本発明が属する技術状態をより
完全に説明するために、それらの刊行物の全体を本願に参照のために組み込むも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は液体送出システムおよび液体アトマイザーの実施形態のそれぞれの概略
図および断面図の組み合わせであり、断面図は本発明のアトマイザーの詳細を示
す。

【図２】図２は本発明のアトマイザーを使用するスプレー送出システムの概略図である
。

【図３】図３は本発明の液体アトマイザーの別の実施形態の斜視図である。

【図４】図４は本発明の液体アトマイザーのさらに別の実施形態の斜視図である。

【図５】図５は液体アトマイザーの送出端の正立面図である。

【図６】図６は粒子シーディング用の先行技術の霧化装置を使用して得られたＬＤＶ結
果を示す。

【図７】図７は粒子シーディング用の本発明の霧化装置を使用して得られたＬＤＶ結果
を示す。

【図８】図８はアトマイザーへの数電力入力レベル用の４ｍＬ／分の流量でアルコール
の液滴サイズ分布を示す。

【図９】図９はアトマイザーへの数電力入力レベル用の４ｍＬ／分の流量でアルコール
の累積液滴サイズ分布を示す。

【図１０】図１０はアトマイザーへの数電力入力レベル用の４ｍＬ／分の流量でイソプロ
ピルアルコールの平均液滴サイズ分布を示す。

【図１１】図１１は異なる軸方向位置で高霧化レベルでスプレー縁近傍の水霧化の液滴サ
イズ分布を示す。

【図１２】図１２は本発明のアトマイザーを使用して生成された霧化したスプレーを示す
写真である。

【図１３】図１３は比較のために、燃料アトマイザーへ供給された電力の機能として完全
負荷下で低い安定状態ＲＰＭで走行するアトマイザー装備エンジンの炭化水素放
出と、類似状態下で現代の従来の電子燃料噴射（ＥＦＩ）システムからの炭化水
素放出とのグラフである。

【手続補正書】

【提出日】平成１４年４月３日（２００２．４．３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者リース、ブライアンティー．アメリカ合衆国ニュージャージー州 08733 レイクハーストガーランドスクウェア 1918 (72)発明者ニューマン、ジョージエイ．アメリカ合衆国ミシガン州 48108 アンアーバーイー．ハイランドウェイ 3828 Ｆターム(参考） 4D075 AA05 AA31 AA71 AA84 AA86 BB22X BB36X BB93Y EA05 4F033 AA13 BA01 BA03 BA04 BA06 DA01 EA01 FA01 GA01 GA11 HA02 NA01 【要約の続き】ブを電気的に加熱することによって、実行中に加熱調整を行うことができ、アトマイザーの作動中に液滴のサイズ調整が可能になる。霧化装着の数種類の実施形態が開示される。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体を霧化する方法であって、（ａ）第１の端と第２の端とを有するチャンバを提供するステップと、（ｂ）加圧された液体を前記チャンバの前記第１の端にルートづけるステップ
と、（ｃ）前記液体を前記チャンバ内で加熱するステップと、（ｄ）前記霧化した液体の平均液滴サイズおよび液滴サイズ分布が所望の範囲
内に維持されるように、前記液体の圧力および温度を前記チャンバの出口で制御
するステップと、を含む方法。
【請求項２】前記所定の平均液滴サイズは１ミクロン未満である請求項１
に記載の方法。
【請求項３】前記所定の平均液滴サイズは１から５ミクロンの間である請
求項１に記載の方法。
【請求項４】前記所定の平均液滴サイズは５から２０ミクロンの間である
請求項１に記載の方法。
【請求項５】前記液体は、前記チャンバを囲繞する材料に電流を通し、そ
れによって、前記チャンバ内の前記液体を加熱すことによって、加熱される請求
項１に記載の方法。
【請求項６】前記チャンバを囲繞する材料を通る電流は、前記液体の加熱
を調整するように変動し、（ａ）前記霧化した液体の前記平均液滴サイズおよび前記液滴サイズ分布を制
御し、（ｂ）液体流量を変動するように調整し、且つ／または、（ｃ）異なる霧化特性を有する異なる液体用に調整する請求項４に記載の方法
。
【請求項７】前記液体は、前記チャンバに熱的に接続される熱伝導性の材
料の上にまたはその中に加熱された流体を通らせることによって、加熱される請
求項１に記載の方法。
【請求項８】前記加熱された流体は油である請求項７に記載の方法。
【請求項９】前記加熱された流体は水である請求項７に記載の方法。
【請求項１０】前記加熱された流体はグリコールである請求項７に記載の
方法。
【請求項１１】前記加熱された流体は液体系フレームである請求項７に記
載の方法。
【請求項１２】前記加熱された流体は加熱された気体である請求項７に記
載の方法。
【請求項１３】前記チャンバ内で部分沸騰が発生する請求項１に記載の方
法。
【請求項１４】前記液体はその中に懸濁した固体粒子を含み、前記固体粒
子は前記液体の霧化によって分散される請求項１に記載の方法。
【請求項１５】前記チャンバの前記出口にある前記液体は、前記液体の液
滴の形態、および、前記液体から形成された蒸気および気体の形態である請求項
１に記載の方法。
【請求項１６】安定した気体および蒸気が前記チャンバの前記出口にあり
、少なくとも１重量％の霧化液体から構成される請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】安定した気体および蒸気が前記チャンバの前記出口にあり
、少なくとも５重量％の霧化液体から構成される請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】安定した気体および蒸気が前記チャンバの前記出口にあり
、少なくとも１０重量％の霧化液体から構成される請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】安定した気体および蒸気が前記チャンバの前記出口にあり
、少なくとも２０重量％の霧化液体から構成される請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】安定した気体および蒸気が前記チャンバの前記出口にあり
、少なくとも４０重量％の霧化液体から構成される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】前記液体は、前記チャンバの前記第１の端で第１の圧力に
あり、前記チャンバの前記出口で第２の圧力にあり、前記第１の圧力は前記第２
の圧力よりも少なくとも１０ｐｓｉ高い請求項１に記載の方法。
【請求項２２】前記第１の圧力は前記第２の圧力よりも少なくとも５０ｐ
ｓｉ高い請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】前記第１の圧力は前記第２の圧力よりも少なくとも１００
ｐｓｉ高い請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】前記第１の圧力は前記第２の圧力よりも少なくとも３００
ｐｓｉ高い請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】前記液体は、前記チャンバの前記出口で特定の温度であり
、前記チャンバ内の前記液体は、１分未満の間、この温度であるかまたはこれを
超える請求項１に記載の方法。
【請求項２６】前記液体は、前記チャンバの前記出口で特定の温度であり
、前記チャンバ内の前記液体は、１０秒未満の間、この温度であるかまたはこれ
を超える請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】前記液体は、前記チャンバの前記出口で特定の温度であり
、前記チャンバ内の前記液体は、１秒未満の間、この温度であるかまたはこれを
超える請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】前記液体は、前記チャンバの前記出口で特定の温度であり
、前記チャンバ内の前記液体は、０．１秒未満の間、この温度であるかまたはこ
れを超える請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】前記液体は、前記チャンバの前記出口で特定の温度であり
、前記チャンバ内の前記液体は、０．０１秒未満の間、この温度であるかまたは
これを超える請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】前記液体は、（ａ）前記チャンバ内に加熱要素を提供することと、（ｂ）前記加熱要素に電流を通し、それによって、前記チャンバ内の前記液体
を加熱することと、によって加熱される請求項１に記載の方法。
【請求項３１】前記加熱要素を通る電流は、前記液体の加熱を調整するよ
うに変動し、（ａ）前記霧化した液体の前記平均液滴サイズおよび前記液滴サイズ分布を制
御し、（ｂ）液体流量を変動するように調整し、且つ／または、（ｃ）異なる霧化特性を有する異なる液体用に調整する請求項３０に記載の方
法。
【請求項３２】液体を霧化する装置であって、（ａ）第１の端と第２の端とを有するチャンバと、（ｂ）前記液体を前記チャンバ内で加熱する手段であって、前記液体は圧力下
で前記第１の端へ供給され、前記液体は前記チャンバの前記第２の端を出るとき
に霧化する手段と、（ｃ）前記霧化した液体の平均液滴サイズおよび液滴サイズ分布が所望の範囲
内に維持されるように、前記液体の圧力および温度を制御する手段と、を具備する装置。
【請求項３３】前記液体を加熱する前記手段は、（ａ）前記チャンバの端に沿った第１の電気接続と、（ｂ）前記チャンバに沿い、前記第１の電気接続から間隔をおいた第２の電気
接続と、（ｃ）前記電気接続にわたって電圧を提供するための電力源と、を具備し、前記電気接続にわたる電圧は、前記チャンバを囲繞する材料を通る電流を含み
、それによって、前記チャンバ内の前記液体を加熱する請求項３２に記載の装置
。
【請求項３４】前記電気接続にわたる電圧は、前記液体の加熱を調整する
ように変動し、（ａ）前記霧化した液体の前記平均液滴サイズおよび前記液滴サイズ分布を制
御し、（ｂ）液体流量を変動するように調整し、且つ／または、（ｃ）異なる霧化特性を有する異なる液体用に調整する請求項３３に記載の装
置。
【請求項３５】前記液体を加熱する前記手段は、（ａ）前記チャンバ内の加熱要素であって、第１および第２の電気接続を有す
る加熱要素と、（ｂ）前記電気接続にわたって電圧を提供するための電力源と、を具備し、前記接続にわたる電圧は、前記加熱要素を通る電流を含み、それによって、前
記チャンバ内の前記液体を加熱する請求項３２に記載の装置。
【請求項３６】前記接続にわたる電圧は、前記液体の加熱を調整するよう
に変動し、（ａ）前記霧化した液体の前記平均液滴サイズおよび前記液滴サイズ分布を制
御し、（ｂ）液体流量を変動するように調整し、且つ／または、（ｃ）異なる霧化特性を有する異なる液体用に調整する請求項３５に記載の装
置。
【請求項３７】前記加熱要素は、前記チャンバ内に装着された実質的にま
っすぐなワイヤを具備する請求項３５に記載の装置。
【請求項３８】前記加熱要素は、前記チャンバ内に装着されたコイル状ワ
イヤを具備する請求項３５に記載の装置。
【請求項３９】前記チャンバの前記第２の端は開いている請求項３２に記
載の装置。
【請求項４０】前記チャンバの前記第２の端は閉じており、少なくとも１
つのポートを含んで、前記液体が前記チャンバの前記第２の端から出ることがで
きる請求項３２に記載の装置。
【請求項４１】前記液体は懸濁粒子を含み、前記粒子は特定の直径を有し
、前記少なくとも１つのポートは前記懸濁粒子の前記直径の少なくとも２倍の直
径を有する請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】前記少なくとも１つのポートは、複数のポートを含む請求
項４０に記載の装置。
【請求項４３】前記チャンバを囲繞するスリーブをさらに具備する請求項
３２に記載の装置。
【請求項４４】前記チャンバは断面が円形である請求項３２に記載の装置
。
【請求項４５】燃料を霧化する方法であって、（ａ）第１の端と第２の端とを有し長さ対特性内部幅ＣＩＷ比が１より大きい
チャンバを提供するステップと、（ｂ）加圧された液体を前記チャンバの前記第１の端にルートづけるステップ
と、（ｃ）前記燃料を前記チャンバ内で直接加熱するステップと、を含み、前記燃料は、前記チャンバの前記第２の端を出るときに霧化する方法
。
【請求項４６】前記チャンバは、１０から２００の間の長さ対ＣＩＷ比を
有する請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】前記チャンバは、２０から１５０の間の長さ対ＣＩＷ比を
有する請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】前記チャンバは、５０から１００の間の長さ対ＣＩＷ比を
有する請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】前記燃料は、前記チャンバを囲繞する材料に電流を通し、
それによって、前記チャンバ内の前記燃料を直接加熱することによって、加熱さ
れる請求項４５に記載の方法。
【請求項５０】前記チャンバを囲繞する材料を通る電流は、前記燃料の加
熱を調整するように変動し、（ａ）霧化のより微細なまたはより粗いレベルを生成し、（ｂ）燃料流量を変動するように調整し、且つ／または、（ｃ）異なる霧化必要条件を有する異なる燃料用に調整する請求項４９に記載
の方法。
【請求項５１】前記燃料は、（ａ）前記チャンバ内に加熱要素を提供することと、（ｂ）前記加熱要素に電流を通し、それによって、前記チャンバ内の前記燃料
液体を直接加熱することと、によって加熱される請求項４５に記載の方法。
【請求項５２】前記加熱要素を通る電流は、前記燃料の加熱を調整するよ
うに変動し、（ａ）霧化のより微細なまたはより粗いレベルを生成し、（ｂ）燃料流量を変動するように調整し、且つ／または、（ｃ）異なる霧化必要条件を有する異なる燃料用に調整する請求項５１に記載
の方法。
【請求項５３】燃料を霧化する装置であって、（ａ）第１の端と第２の端とを有し長さ対特性内部幅ＣＩＷ比が１より大きい
チャンバと、（ｂ）前記燃料を前記チャンバ内で加熱する手段であって、前記燃料は圧力下
で前記第１の端へ供給され、前記燃料は前記チャンバの前記第２の端を出るとき
に霧化する手段と、を具備する装置。
【請求項５４】前記チャンバは、１０から２００の間の長さ対ＣＩＷ比を
有する請求項５３に記載の装置。
【請求項５５】前記チャンバは、２０から１５０の間の長さ対ＣＩＷ比を
有する請求項５４に記載の装置。
【請求項５６】前記チャンバは、５０から１００の間の長さ対ＣＩＷ比を
有する請求項５５に記載の装置。
【請求項５７】前記燃料を直接加熱する前記手段は、（ａ）前記チャンバの前記第１の端近傍に第１の電気接続と、（ｂ）前記チャンバの前記第２の端近傍に第２の電気接続と、（ｃ）前記電気接続にわたって電圧を提供するための電力源と、を具備し、前記接続にわたる電圧は、前記チャンバを囲繞する材料を通る電流を含み、そ
れによって、前記チャンバ内の前記燃料を直接加熱する請求項５３に記載の装置
。
【請求項５８】前記接続にわたる電圧は、前記燃料の加熱を調整するよう
に変動し、（ａ）霧化のより微細なまたはより粗いレベルを生成し、（ｂ）燃料流量を変動するように調整し、且つ／または、（ｃ）異なる霧化必要条件を有する異なる燃料用に調整する請求項５７に記載
の装置。
【請求項５９】前記燃料を直接加熱する前記手段は、（ａ）前記チャンバ内の加熱要素であって、第１および第２の電気接続を有す
る加熱要素と、（ｂ）前記電気接続にわたって電圧を提供するための電力源と、を具備し、前記接続にわたる電圧は、前記加熱要素を通る電流を含み、それによって、前
記チャンバ内の前記燃料を直接加熱する請求項５３に記載の装置。
【請求項６０】前記接続にわたる電圧は、前記燃料の加熱を調整するよう
に変動し、（ａ）霧化のより微細なまたはより粗いレベルを生成し、（ｂ）燃料流量を変動するように調整し、且つ／または、（ｃ）異なる霧化必要条件を有する異なる燃料用に調整する請求項５９に記載
の装置。
【請求項６１】前記加熱要素は、前記チャンバ内に装着された実質的にま
っすぐなワイヤを具備する請求項５９に記載の装置。
【請求項６２】前記加熱要素は、前記チャンバ内に装着されたコイル状ワ
イヤを具備する請求項５９に記載の装置。
【請求項６３】前記チャンバの前記第２の端は開いている請求項５３に記
載の装置。
【請求項６４】前記チャンバの前記第２の端は閉じており、少なくとも１
つのポートを含んで、前記燃料が前記チャンバの前記第２の端から出ることがで
きる請求項５３に記載の装置。
【請求項６５】前記少なくとも１つのポートは、複数のポートを含む請求
項６４に記載の装置。
【請求項６６】前記チャンバを囲繞するスリーブをさらに具備する請求項
５３に記載の装置。
【請求項６７】前記チャンバは断面が円形である請求項５３に記載の装置
。