JP2004504936A - 漏洩を最小限とするエーロゾル状液体散布方法及び装置 - Google Patents

Abstract

液体（３１）はリザーバ（３０）内で高粘度の固体懸濁液に保持され、毛管要素（３２）によって懸濁液から分離され、毛管要素（３２）は液体を振動オリフィスプレート（１４）に送り、振動オリフィスプレート（１４）から液体がエーロゾル状の液滴として噴射される。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体をエーロゾル状の液滴として散布することに関する。より詳細には、漏洩を最小限としながら液体をエーロゾル化して散布するための新規な方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体を微小液滴として空気中に散布するための装置を開示する特許文献がある（例えば、特許文献１、２参照。）。これらの装置は、微細なオリフィスが貫通するよう設けられた、薄いオリフィスプレートを含む。オリフィスプレートは、散布される液体がオリフィスプレートの下面に接触している状態において、高振動数で振動される。オリフィスプレートの振動動作により、液体がオリフィスプレートのオリフィスを介して汲み上げられ、プレート上面から空気中に噴射される。
【０００３】
同様の液体散布装置を開示する特許文献がある（例えば、特許文献３参照。）。この装置では、芯などの毛管手段を用いて、散布される液体をリザーバから振動プレートの下面まで引き上げる。
【０００４】
同様の振動タイプの液体散布装置を開示する特許文献がある（例えば、特許文献４、５、６、７、８参照。）。
【０００５】
ゲルや固体懸濁液に含まれた香料、空気清浄剤、他の芳香剤のベーパを蒸散させることも知られている。このような蒸散装置を開示する特許文献がある（例えば、特許文献９、１０、１１、１２、１３、１４参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第５，１６４，７４０号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，９３８，１１７号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，５１８，１７９号明細書
【特許文献４】
米国特許第４，７９０，４７９号明細書
【特許文献５】
米国特許第４，７９３，３３９号明細書
【特許文献６】
米国特許第５，５１８，１７９号明細書
【特許文献７】
米国特許第５，５２９，０５５号明細書
【特許文献８】
米国特許第５，９１５，３７７号明細書
【特許文献９】
米国特許第５，４１９，８７９号明細書
【特許文献１０】
米国特許第５，５７５，９９２号明細書
【特許文献１１】
米国特許第５，６３７，４０１号明細書
【特許文献１２】
米国特許第５，６４７，０５２号明細書
【特許文献１３】
米国特許第５，７８８，１５５号明細書
【特許文献１４】
米国特許第５，８８５，７０１号明細書
【特許文献１５】
米国特許第５，１５２，４５６号明細書
【特許文献１６】
米国特許第４，３１４，９１５号明細書
【特許文献１７】
米国特許第４，４１１，８２９号明細書
【特許文献１８】
米国特許第４，４３４，３０６号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
液体香料や液体空気清浄剤などの低粘度の液体を、振動プレート式の散布装置を用いてエーロゾル化する場合、問題が生じる。これらの液体は、極めて微細なオリフィスを容易に通り抜け、また散布装置アセンブリの合わせ面からしみ出たり漏出する傾向がある。散布装置アセンブリにリフィルリザーバが設置されている場合には、液が飛んだりこぼれたりする危険がある。
【０００８】
ある種の香料や芳香剤を、ゲルやコロイド状の固体懸濁液から散布することも知られているが、このような香料や芳香剤は固体懸濁液から蒸発し、ベーパとして拡散される。懸濁液は高濃度、高粘度であるため、振動オリフィスプレートのような液体噴霧装置の微細なオリフィスを通り抜けることはできない。従って、この場合、香料や芳香剤を液滴として散布することはできない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固体懸濁液と振動オリフィスプレートとの間に毛管要素を配することで、懸濁液の液体成分が懸濁液に含まれる他の物質から分離し、これによりプレートのオリフィスを介して液体が汲み上げられ、エーロゾル状の液滴として空気中に散布されるという発見に基づいて案出された。
【００１０】
本発明の一実施形態は、エーロゾル状の液滴を発生させるための新規な装置である。この装置は、所定方向に貫通する微細なオリフィスが形成されたオリフィスプレートと、オリフィスプレートを該所定方向に高振動数で振動させるよう構成された振動器とを含む。オリフィスプレートの下側には、エーロゾル化される液体が収容されるリザーバが設けられている。液体はリザーバ内で固体懸濁液に保持される。毛管要素はリザーバ内で液体と接触し、リザーバからオリフィスプレートまで延出する。このように配置することで、液体が固体懸濁液から分離し、プレートのオリフィスを介して汲み上げられ、エーロゾル状の液体粒子として空気中に噴射される。液体はリザーバ内で固体懸濁液に保持されているため体積粘性係数が高く、流出や漏洩が発生しにくい。
【００１１】
本発明の別の実施形態は、液体をエーロゾル状の微小粒子として空気中に散布するための新規な方法である。この方法は、散布される液体を含む固体懸濁液を形成するステップと、毛管要素を介して液体を固体懸濁液から振動オリフィスプレートの下面まで引き上げるステップとを含む。液体は固体懸濁液から分離され、オリフィスプレートの微細なオリフィスを介して汲み上げられ、エーロゾル状の粒子として空気中に噴射される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１の振動式噴霧装置は、内径センタ穴１２と、円状オリフィスプレート１４とを有する、円形の圧電作動要素１０を含む。円状オリフィスプレート１４は作動器１０の下側で内径センタ穴１２の内側全体に延出すると共に、作動器の内側領域１５とわずかに重なっており、重なった領域１５において作動器１０の下面に固定されている。オリフィスプレート１４を圧電作動要素１０に固定するために任意の接着剤を使用してよいが、腐食性を有する、あるいは作用性の強い液体の噴霧に噴霧装置を使用する可能性がある場合には、接着剤が軟化する傾向があるため、オリフィスプレートを圧電要素にはんだ付けすることが好ましい。また、オリフィスプレート１４が作動要素１０の片側の全面にわたり延出するよう、オリフィスプレート１４の外径を作動要素１０の外径と同じ寸法としてもよい。オリフィスプレート１４は、作動装置１０の上側に固定してもよい。
【００１３】
圧電作動装置１０は、印加される電界と直交する方向において寸法を変化させる圧電特性を有するものであれば、任意の材料で製造することができる。従って、本実施形態において、圧電作動要素１０は、交流電界がその上面と下面に印加されると半径方向に膨張／縮小する必要がある。圧電作動要素１０は、例えば、鉛・ジルコネート・タイタネート（ＰＺＴ）や鉛・メタニオブ酸塩（ＰＮ）からなるセラミック材料で製造することができる。本実施形態では、圧電作動要素の外径は約０．３８２インチ（約０．９７０ｃｍ）、厚さは約０．０２５インチ（約０．０６３ｃｍ）である。センタ穴の内径は約０．１７７インチ（約０．４４９ｃｍ）である。これらの寸法はあくまで一例である。作動要素１０の上面と下面は、導電性被覆（銀、ニッケル、アルミニウムなど）で被覆されており、これによりオリフィスプレートや電気リードのはんだ付けが可能となり、またリードからの電界が作動要素と交差するように印加される。
【００１４】
本実施形態では、オリフィスプレートの直径は約０．２５０インチ（約０．６３５ｃｍ）、厚さは約０．００２インチ（約０．００５ｃｍ）である。オリフィスプレート１４には、わずかに円蓋状に窪んだ中央部１６と、その周囲のフランジ部１８とが形成されている。フランジ部１８は、中央部１６と、オリフィスプレートが作動器１０に固定された部分との間に伸張する。中央部１６の直径は約０．１０３インチ（約０．２６１ｃｍ）であり、オリフィスプレート面から約０．００６５インチ（約０．０１６５ｃｍ）張り出している。中央部には、直径が約０．０００２３６インチ（約０．０００５９９ｃｍ）で、相互に約０．００５インチ（約０．０１２ｃｍ）離間された複数の（例えば、８５個の）小さなオリフィス２０が形成されている。フランジ部１８には直径方向において対向する１対の比較的大きな穴２２が形成されている。これらの穴２２の直径は約０．０２９インチ（約０．０７３ｃｍ）で、これらの穴を介して液体が自由に流れるようになっている。本明細書に示した上記の寸法はあくまで特定の実施形態を説明する目的で示している。また、ここでは円蓋状に窪んだオリフィスプレートを例示したが、回旋状もしくは波型のダイアフラムに類似した形状のオリフィスプレートなど、他の形状のオリフィスプレートを用いてもよい。
【００１５】
オリフィス２０が形成された中央部１６を円蓋状に窪ませることでこの部分の上下運動を大きくすることができ、これによりオリフィスプレートの汲み上げ及びエーロゾル化動作を向上させることができる。中央部１６は円蓋状に窪んだ形状としたが、他にも例えば放物線状やアーチ状など種々の構成が可能である。円蓋状に窪ませる方法以外の手段で中央部１６を補強することもできる。例えば、特許文献（特許文献１５参照）に示されるような、厚みをつけた要素を離間形成した支持部材を使用してもよい。
【００１６】
オリフィスプレート１４は電気鋳造により製造され、この電気鋳造工程においてオリフィス２０と穴２２とを形成することが好ましいが、オリフィスプレート１４を圧延など他の工程で製造してもよい。また、オリフィスと穴とを別々に形成してもよい。製造を容易にするため、オリフィス２０をオリフィスプレートに形成してから、中央部１６を円蓋状に窪ませる。
【００１７】
オリフィスプレート１４の材料としてはニッケルが好適であるが、曲げ力が加えられる間、オリフィスプレートの形状を維持できる強度と可撓性を有するものであれば、他の材料を用いることもできる。ニッケル−コバルト合金やニッケル−パラジウム合金も利用できる。
【００１８】
圧電作動要素１０は、圧電作動要素１０を所定の位置に保持しかつその振動に干渉しなければ、任意の方法で支持されてよい。図示しないグロメット型取り付け方式で作動要素を支持してもよい。
【００１９】
圧電作動要素１０の上面と下面には、導電性被覆（銀、ニッケル、アルミニウムなど）が施されている。図２に示すように、電気リード２６、２８が、作動要素１０の上面と下面の導電性被覆にはんだ付けされている。これらのリードは図示しない交流電圧源から引かれている。
【００２０】
作動要素１０及びオリフィスプレート１４の下側に、液体リザーバ３０が設けられている。リザーバはエーロゾル化される液体を含む固体懸濁液３１を収容している。芯３２はリザーバ内からオリフィスプレート１４の下側に延出しており、芯３２の上端（ループした輪状に形成され、リザーバから突出した部分）が、中央部１６のオリフィス２０部分においてオリフィスプレートに軽く接触している。図３に示されるように、芯３２の上端は横方向にも膨出しているため、芯３２は大きな穴２２の真下に位置し、かつ穴２２と直接流体連通する。実際には、芯を環状に形成すると共に、その直径を円蓋状に窪んだ中央部１６の直径より大きくしてもよい。
【００２１】
芯３２は、リザーバ３０内の液体に対し十分な毛管作用をもたらし、液体をオリフィスプレート１４の下側へ引き上げることの可能な多孔質の可撓性材料で製造することができる。一方で、芯は、オリフィスプレート１４の振動動作に対し認識し得るほどの干渉を起こす圧力をオリフィスプレート１４にかけないように、十分な可撓性を有する必要がある。これらの条件を満たすものであれば、任意の材料（紙、ナイロン、綿、ポリプロピレン、ファイバグラス等）で芯３２を製造することができる。芯３２の形状としては、オリフィスプレートに接触する上端部分がループした輪状に形成された、ナイロンシュニール糸のストランドが好適である。これにより、ストランドの非常に細いファイバがプレート表面まで延長することになる。これらの非常に細いファイバは、液体をオリフィスプレートまで引き上げる毛管作用をもたらす。しかも、これらの細いファイバは、プレートの振動動作と干渉するような認識し得るほどの力をプレートに与えることがない。
【００２２】
芯以外に、他の毛管タイプの液体輸送手段も利用できる。本明細書では、用語「芯」には他の毛管タイプの液体輸送手段も含まれる。
【００２３】
噴霧器の作動において、芯３２もしくは他の液体輸送手段は、毛管作用により液体３１をリザーバ３０から引き上げ、エーロゾル化オリフィス２０の部分でオリフィスプレート１４に接触させる。
【００２４】
同時に、外部ソースからの交流電圧がリード２６、２８を介して作動要素１０の上面及び下面上の導電性被覆に印加される。これにより、作動要素の材料に圧電効果がもたらされ、材料が半径方向に膨張／縮小する。この結果、センタ穴１２の直径はこれらの交流電圧に応じて拡大／縮小する。直径のこのような変化は半径方向の力としてオリフィスプレート１４に加えられ、円蓋状に窪んだ中央部１６を上下に押圧する。これにより、芯３２によってプレート１４の下側に引き上げられた液体に対するポンプ作用が発生する。芯の毛管作用により、液体はオリフィスプレート１４の下側に維持される。この結果、液体３１はプレートの振動によりオリフィス２０を介して上方向に押し上げられ、細かく分離されエーロゾル化された液体粒子としてプレート上面から空気中に噴射される。
【００２５】
本発明に基づけば、固体懸濁液３１は、散布される液体と、液体をコロイド状の懸濁液として保持するための増稠剤とからなる。液体は、１種類以上の揮発性有機化合物を含む空気清浄剤とすることができる。このような香料化合物は様々な香料製造業者（Ｆｉｒｍｅｎｉｓｈ社、高砂香料工業社、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｌａｖｏｒｓ ａｎｄ Ｆｒａｇｒａｎｃｅｓ社、Ｑｕｅｓｔ社、Ｇｉｖａｕｄａｎ−Ｒｏｕｒｅ社他）から入手可能である。これらの香料化合物は合成されたものでも、ベルガモット油、ダイダイ油、レモン油、マンダリンキャラウェー油、シーダーリーフ油、クローヴリーフ油、シーダーウッド油、ゼラニウム油、ラベンダー油、オレンジ油、ハナハッカ油、プチグレン油、ホワイトシーダー油、パッチュリ油、ラビンディン油、ネロリ油、ローズアブソリュート油などの天然油でもよい。香料の製造には、アルデヒド類、ケトン類、エステル類、アルコール類、テルペン類など、種々の化学物質が用いられる。香料は比較的単純な組成、あるいは天然及び合成化学成分を複雑に組み合わせた組成とすることができる。香料入りの油の代表例として、サンダルウッド油、シベット、パッチュリ油などのエキゾチックな成分を含む、木や土のベースを含むものが挙げられる。香料入りの油は、ローズエキスやスミレエキスのようにかすかな花の香りを有してもよいし、ライム、レモン、オレンジなどの所望の果物系の香りをもたらすよう調剤されてもよい。
【００２６】
単独又は天然油との組み合わせで使用される合成タイプの香料組成物は、特許文献（例えば、特許文献１６、１７、１８）に記載されている（これらの特許文献は参照によって本明細書中に援用される。）。他の人工香料組成物として、ゲラニオール、酢酸ゲラニル、オイゲノール、イソオイゲノール、リナロール、酢酸リナリール、フェネチルアルコール、メチリオノン、酢酸イソボルニルなどがある。
【００２７】
香料以外の液体の散布も、本発明に含まれる。例えば、液体溶剤や殺虫剤も同様の方法で散布できる。
【００２８】
散布される液体を懸濁液に保持するための増稠剤として、Ｃａｂｏｔ社（米マサチューセッツ州ボストン）からＣａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ（登録商標）として市販されているタイプのフュームドシリカが使用できる。他のシリカを用いて増稠効果を生み出すこともできる。シリカを用いた場合、シリカ粒子間で水素結合効果が発揮され、この効果によって液体香料が懸濁液に保持されて、増稠効果が得られることがわかった。シリカは、完全に分散された状態では、香料や殺虫剤、溶剤の製剤を液体自身の粘度を増大させずに懸濁液に保持する三次元マトリックスを形成する。しかし、混合物又はマトリックスは全体では７５０センチポワズを超える非常に高い体積粘性係数を有している。この高粘性により懸濁液が非常に流動しにくい状態に維持され、リザーバの取り扱い時に懸濁液が飛散したり、こぼれたりしにくく、また漏出しにくい。固体懸濁液の別の特徴として、剪断応力により体積粘性係数が低下するという、揺変特性を示す点が挙げられる。この特徴により、本発明の実施の際に行われる液体の分離が可能になると考えられている。
【００２９】
一例として、フュームドシリカ（Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ）２％と、粘度が２．２センチポワズの液体香料を用いて製剤を調製した。フュームドシリカを香料によく分散した後の混合物の体積粘性係数は７５０センチポワズであった。
【００３０】
このように固体懸濁液の粘度が非常に高いにも関わらず、振動オリフィスプレート１４は、非常に微細なエーロゾル化された液滴を、連続的かつ効果的に約３０日間以上にわたり一様に形成／分散することができた。その後、分散速度は著しく低下した。
【００３１】
本発明が如何にして体積粘性係数が高い懸濁液から液体のエーロゾル化を達成するのかは定かでないが、液体香料部分が芯３２において固体懸濁液から分離し、低粘度の液体のみが振動オリフィスプレート１４に送られると考えられる。この結論は、エーロゾル化作用が低下した後、リザーバ３０にはゲル状の固体が残されているという事実に基づく。すなわち、混合物の液体部が芯３２を介して毛管作用により引き上げられる一方で、シリカ部分は分離してリザーバ内に留まると考えられる。また、香料とシリカの混合物が揺変特性を有することから、少なくともある程度の分離が振動オリフィスプレート１４の領域で起こっている可能性がある。いずれにしろ、バッテリ駆動型の振動オリフィスプレート噴霧装置において１０センチポワズ以上の高い粘性を有する液体をエーロゾル化するのは困難であるにも関わらず、体積粘性係数が７５０センチポワズ以上の混合物中で液体が懸濁液に保持されている場合には、優れたエーロゾル化を行うことができる。
【００３２】
バッテリ駆動型のオリフィスプレート噴霧装置による液体のエーロゾル化速度は、粘度が２．５センチポワズを超える液体の場合には著しく低下することがわかった。従って、香料や他の液体を体積粘性係数が７５０センチポワズ以上の混合物からエーロゾル化することは可能であるが、混合物からエーロゾル化される際の液体自体の粘度は実質上２．５センチポワズ以下とすべきである。
【００３３】
体積粘性係数が高い、液体含有混合物を使用することで、こぼれたり、漏出する危険を最小限としてリザーバ３０を取り扱い、また交換することが可能となる。また、リザーバに収容される混合物の粘度が高いため、液体がリザーバからこぼれたり、漏出する可能性が最小限となる。これは、毒物に関する懸念を最小にするという点で殺虫剤や溶剤の場合には重要である。
【００３４】
本発明は、人間が吸引した場合に容易に吸収され、結果として肺に重大な傷害（化学性肺炎など）をもたらす可能性のある、ある種の低粘度の液体の中毒作用に対しても予防手段を講じている。不注意による吸引を予防する上で十分な体積粘性係数を提供するには、混合物全体の体積粘性係数を１００セイボルトユニバーサル秒すなわち約２０センチポワズ以上とすることが必要である。
【００３５】
本発明は、液体の漏洩や流出を防止しながら、振動オリフィスプレートを介して非常に低粘度な液体を効果的に散布することを可能とする。これは、液体を非常に高粘度のフュームドシリカ固体懸濁液に懸濁し、毛管作用により低粘度の液体を懸濁液から抽出し、オリフィスプレートに輸送することによって達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に基づく振動式噴霧装置を示す平面図である。
【図２】液体を噴霧装置に供給するためのリザーバを備えた、図１の振動式噴霧装置の正面図である。
【図３】図２中で、図３として示した部分の拡大部分図である。

Claims (7)

1. エーロゾル状の液滴を形成するための装置であって、前記装置が、
   所定方向に貫通する微細なオリフィスが形成されたオリフィスプレートと、
   前記オリフィスプレートを前記所定方向に高振動数で振動させるよう構成された振動器と、
   前記オリフィスプレートの下側に設けられ、エーロゾル化される液体を固体懸濁液に保持した状態で収容するリザーバと、
   前記リザーバ内で前記液体と接触し、前記リザーバから前記オリフィスプレートまで延出する、毛管要素と、
   を含み、
   これにより前記液体が固体懸濁液から分離し、前記オリフィスを介して汲み上げられ、エーロゾル状の液体粒子として空気中に噴射される、
   液滴形成装置。
2. 前記固体懸濁液はフュームドシリカのマトリックスである請求項１に記載の液滴形成装置。
3. 前記マトリックスはコロイド状の懸濁液である請求項２に記載の液滴形成装置。
4. 前記懸濁液の体積粘性係数は２０センチポワズより大きい請求項１に記載の液滴形成装置。
5. 前記毛管要素は芯である請求項１に記載の液滴形成装置。
6. 前記液体の粘度は、実質的に２．５センチポワズ以下である請求項１に記載の液滴形成装置。
7. 液体をエーロゾル状の微小粒子として空気中に散布するための方法であって、前記方法は、
   散布される液体を含む固体懸濁液を形成するステップと、
   毛管要素を介して前記液体を前記固体懸濁液から振動オリフィスプレートの下面まで引き上げるステップと、
   を含み、
   これにより前記液体は前記固体懸濁液から分離され、前記オリフィスプレートの微細なオリフィスを介して汲み上げられ、エーロゾル状の粒子として空気中に噴射される、
   液体散布方法。