JP6318177B2 - 非対称振動をもたらすための装置 - Google Patents

Description

本発明は、広くには、流体環境における固体粒子または流動性気泡の浮揚、浮遊、移動、流動化、または混合に関する。より具体的には、本発明は、適切な非正弦波振動による流体環境における固体粒子または流動性気泡の浮揚、浮遊、移動、流動化、または混合のための装置に関する。

流体（液体または気体）において粒子を浮揚または浮遊させるためのいくつかの既存の方法が、存在している。浮揚の方法として、電磁気、静電気、音波、および空気力学の力の使用が挙げられる。電磁気および静電気による方法は、適切な電磁的性質を有する物質しか浮揚させることができず、流体において気泡を浮揚させることはできない。音波による浮揚の方法は、幅広い範囲の物質において機能するが、物質を特定の音響ノードにおいてのみ浮揚させることができるにすぎず、体積の全体に分散させることができない。空気力学的な浮揚は、粒子を浮遊した状態に保つために空気または他の流体の正味の上方への流れを必要とし、流体内において気泡および固体粒子を同時に浮揚させることができない。

流体における多数の粒子の浮遊（流動化とも称される）は、容器または流体を重力を上回る加速度で振動させることによっても達成することができる。低周波の振動が使用されるとき、主として容器の底との衝突または他の粒子との衝突を通じて、粒子にエネルギーが与えられる。超音波の振動は、流体の本体を介して音波によってエネルギーを伝えることで、粒子を加速させ、浮遊した状態に保つことができ、あるいは振動の終了後も長きにわたって続く液体の或る程度の均質化を達成することができる。しかしながら、粒子が大きく、あるいは高密度である場合には、大量のエネルギーが必要となる可能性があり、多くの場合にキャビテーション（有害となりうる）が生じる。

１９５０年代以降、またはそれ以前に、低周波（約１００Ｈｚ）の上下振動に曝される液体において気泡を浮揚させることができることが知られている。浮揚は、部分的には、液体内を上下に移動するときに振動する気泡の体積に起因すると考えられる。この主題についての文献における力の方程式の解は、振動の周波数および他の因子に依存し、しかしながら振幅には依存せず（加速度の振幅が重力による加速度よりもいくらか大きい限りにおいて）に、気泡が液体の上部から特定の高さに浮揚することを予測している。しかしながら、研究者らが、理由は未だ説明されていないが、振動の振幅が何らかの影響を有することを明らかにしている。

以前の研究者らは、気泡に作用する抗力について、抗力そのものは浮揚に影響しないという誤った結論につながる仮定を行っていた（あるいは、抗力を完全に無視していた）。しかしながら、気泡に作用する抗力は、複雑になる可能性があり、通常は速度に線形に関係するのではない。特に、振動の振幅が大きくなるにつれて、気泡の最大速度は、抗力が速度の平方により比例する領域へと増加しうる。換言すると、気泡が高いレイノルズ数を有している。さらに、研究者らは、おそらくは応答が線形であると誤って仮定しているがゆえに、非正弦波振動の影響も考慮していない。

現状の汎用の振動試験は、単一周波数の試験、正弦波掃引試験、ランダム試験、ならびに落下またはインパルス試験である。これらの試験は、いくつかの現実世界の非正弦波振動への非線形な振動応答によって引き起こされる可能性がある重要な欠陥（または、特徴）を露わにするためには、不充分である。振動試験を、非線形な振動応答を強調または曝露する非正弦波振動を利用することによって、大きく改善することが可能である。振動試験の改善が大いに有益となりうる１つの特定の産業は、電池システム、機上の燃料貯蔵および供給システム、ならびに他の多相システムを含む航空宇宙産業である。適切な振動試験の欠如が、航空宇宙の惨事および高価につく航空機の飛行禁止につながる深刻な結果をもたらしている。

キャビテーションの研究または使用のための現状の装置および方法では、キャビテーションの強さまたは可能性を振動の他の影響とは無関係に制御する能力が、限られている。典型的には、単一の周波数で駆動される超音波トランスデューサが流体に沈められ、超音波の影響は、トランスデューサの表面の付近に集中する。キャビテーションを、出力または他のパラメータを小さくすることによって軽減または解消できるが、超音波の他の所望の効果が小さくなる。シングルバブル音ルミネッセンスを実現するために、研究者らは、一般に、音圧定在波によって単一の気泡を浮揚させ、安定させるが、きわめて特定的な駆動周波数が必要である。より最近に開発された別の方法は、ほぼ半分まで液体で満たされた「水ハンマー管」を使用し、安定な音ルミネッセンスを達成する。単一の周波数で外部から駆動され、いくつかの気泡が取り込まれ、「負」の浮力を被り、管の底へと降下する。この作用を、気泡のサイズおよび音ルミネッセンスに影響を及ぼす振動の周波数または振幅を変化させずに制御することはできない。

地球の重力のもとでの微小重力の影響を近似するための現状の装置として、落下塔、放物線飛行、および植物回転器が挙げられる。落下塔および放物線飛行は、最大約２０秒の短い時間の微小重力を可能にするにすぎない。放物線飛行は、高価であり、航空機の機上で安全に実行することができる実験に限られる。落下塔は、最良のものでも、約１０秒の時間を与えるにとどまり、１日に数回の繰り返しが可能であるにすぎず、下部における大きな減速度ゆえに実行可能な実験の種類が限られる。植物回転器は、水平軸を中心とする回転（または、ランダム回転）を使用し、したがって重力に起因する加速度の時間平均はゼロである。植物回転器においては、長時間の実験を実行することができるが、この技術は、加速度に対してゆっくりと応答する植物などの品物においてのみ機能する。

現状の医療用超音波検査装置は、単一の周波数を使用し、エコーの時間および振幅を測定して人体の内部の画像を形成する。一般的には安全であると考えられているが、いくつかの研究が、胎内で超音波に曝される子供について、弱いが統計的に有意な影響を明らかにしている。結果として、ＦＤＡは、主として組織の加熱の可能性の尺度となるサーマルインデックス（ＴＩ）ならびにキャビテーションおよびキャビテーションに至らないストリーミングの恐れの尺度となるメカニカルインデックス（ＭＩ）など、いくつかの数的指標を使用して、音波の出力を制限する指針を定めている。

本発明の実施形態は、重力の影響を無効にし、逆にし、または強める非対称な上下振動を使用して、流体内で粒子もしくは気泡を浮揚させ、浮遊させ、または混合し、あるいは２つ以上の流体もしくは粒子状物質を混合するための装置および方法を含む。本発明の実施形態は、化学反応および他のプロセスを改善でき、新たな化学反応またはプロセスを可能にすることができる。さらに、本発明の実施形態を、微小重力環境における粒子の配置および残余の加速度の影響への対抗にも使用することができる。本発明の一実施形態は、改良された振動試験のための装置および方法を含む。さらに、本発明の別の実施形態は、振動を使用して電池を改善する装置および方法に関する。

非対称な振動をもたらすための装置が、第１の請求に係る実施形態において説明される。装置は、容器を含む。流体および粒子が、容器内に配置される。容器に取り付けられた振動ドライバが、容器を振動させ、流体を介して粒子に非対称な速度を付与する。

第２の請求に係る実施形態は、容器上に非対称な振動をもたらす方法を説明する。本方法は、流体および粒子を容器内に配置するステップを含む。非対称な運動が、容器に取り付けられた振動ドライバによって流体を介して粒子に付与される。非線形な抗力が、粒子において利用される。

本発明のさらなる応用可能範囲の一部が、以下の詳細な説明において説明される。添付の図面および当業者の知識と併せて理解することで、種々の利点を、添付の特許請求の範囲に記載される手段および組み合わせを含む手段および組み合わせによって実現および達成することが可能である。

添付の図面は、本明細書へと組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の１つ以上の実施形態を示している。図面は、明細書と併せて、本発明の種々の態様を説明する役割を果たす。図面は、１つ以上の実施形態の例示を目的としているにすぎず、本発明を限定しようとするものではない。

本発明の実施形態の側面図である。 理想的な矩形波によって加速させられる、流体で満たされた振動容器の内部の粒子の速度を示す図である。 矩形波に近似する、２つの正弦波形の和である波形を示す図である。

本発明の実施形態は、流体環境における固体粒子または流動性気泡の浮揚、浮遊、移動、流動化、または混合のための装置および方法に関し、とくには適切な非正弦波振動による流体環境における固体粒子または流動性気泡の浮揚、浮遊、移動、流動化、または混合のための装置および方法に関する。

さらに、本発明の実施形態は、とりわけ固体または流動性粒子を有する流動性環境に関係する系を試験する振動試験のための装置および方法、ならびに先行技術において可能であるよりも幅広い範囲の振動周波数、圧力、および気泡サイズにおいてキャビテーションを生み出すとともに、振動の他の影響を制御し、増加させ、軽減し、あるいは排除しつつ、低い周波数および高い周波数の両方においてキャビテーションを制御し、増加させ、軽減し、あるいは排除する装置および方法に関する。

さらに、本発明の実施形態は、キャビテーションの現象および気泡の融合の可能性についての研究の進歩を可能にする装置および方法；おそらくは異なる慣性力に曝される環境における微小重力または部分重力の影響を試験するための方法および装置；とくには低い周波数の非正弦波振動による結晶化、（例えば、合金およびガラスの）固化、解膠、凝集、ゲル化、ゾルゲルプロセス、重合、発泡、音響ストリーミング、質量移動、反応速度、および同様のプロセスの研究、改善、制御、およびモデル化のための装置および方法；正弦波または非正弦波振動を印加することによって電池の供給可能電流を増やし、あるいは電池の充電速度を高めるための装置および方法；キャビテーション、ストリーミング、ならびに他の望ましい影響または望ましくない影響を制御し、軽減し、増大させ、あるいは取り除き、対流を制御し、軽減し、増大させ、あるいは取り除き、さらには燃焼を改善することによって、医療用の超音波を含む超音波を改善および研究するための装置および方法；に関する。

本明細書および特許請求の範囲において使用されるとき、用語「振動（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）」および「振動（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）」は、入れ換え可能に使用される。用語「粒子」は、例えば空気の気泡、気体の気泡、または液体の気泡などの気泡、これらに限られるわけではないが球形、円すい形、円柱形、立方体、これらに組み合わせ、などの任意の形状を有している物質の固体部分、などを含むことができるが、これらに限られるわけではない。用語「流体」は、例えば液体、気体、または液体と気体の組み合わせなど、定まった形状を有さない任意の物質として定義される。

図１は、混合された流体を有し、流体と流体内で浮揚させられた粒子とを有し、あるいは複数の流体および粒子を有している容器１を備えている本発明の実施形態を示している。粒子は、典型的には、ミリメートル程度の直径であるが、分子のように小さくても、ミリメートルよりもはるかに大きい直径でもよい。装置を充分に大きい距離にわたって振動させるために充分に大きく製作できるのであれば、粒子のサイズに制約は存在しない。

ブレース２が、容器１を振動ドライバ３へと取り付ける。電力増幅器４が、マイクロコントローラ５からの駆動波形を増幅し、振動トランスデューサ３を動作させる。加速度計６が、加速度のフィードバックをマイクロコントローラ５へともたらし、次いでマイクロコントローラ５は、フィードバックに応答して駆動波形を修正することができる。一実施形態において、マイクロコントローラ５は、加速度計６からの信号のフーリエ解析を使用し、所望の振動を達成するために駆動波形をどのように調節するかを決定する。所望であれば、マイクロコントローラ５は、プロセスを監視する別のマイクロコントローラまたはコンピュータ（図示せず）へとデータを出力する。柔軟性が不要である場合、ひとたび適切な駆動波形が見出されると、マイクロコントローラ５および加速度計６を、繰り返しの電子波形を出力することができる任意の装置で置き換えることができる。加速度計６に加え、あるいは加速度計６に代えて、音響、光学、電磁気、物理、または化学センサなど、他の観測またはフィードバック機構が存在できる。例えば、光学センサまたはカメラは、不透明な粒子が浮揚させられているか否かを判断することができ、容器の内部の電荷を帯びたプローブは、電荷を保持することができる粒子がプローブに触れたことを検出することができる。一般に加速度計よりも高い周波数応答を有する音響（振動）トランスデューサは、多くの場合に、キャビテーションの消失を検出するための最良のセンサである。

容器１は、多数のさまざまな種類、形状、および材料であってよい。容器１は、バッチ式の動作のための閉じられた容器であってもよいし、連続的または半連続的な方式での動作のためにコネクタまたはバルブを介してより大きな系へと接続されてもよい。一実施形態においては、容器１の側面が鉛直であり、上部および下部が平坦であるが、他の影響のなかでもとりわけさまざまな混合パターン、運動の拡大、あるいは粒子または気泡の安定化を生じさせる他の形状が可能であり、好ましいかもしれない。

振動トランスデューサ３は、通常のオーディオスピーカドライバ、リニアモータ、円運動が歯車、リンク、カム、または他の機構を使用して直線運動へと変換される回転モータ、あるいは充分な大きさおよび速さの振動が可能である任意の他の装置であってよい。柔軟性が望まれる場合、幅広い周波数範囲を有するトランスデューサが好ましい。波形の柔軟性を必要としない特定の目的のために装置が使用される場合、本発明の一実施形態は、非対称なばね、カム、または他の機構などの適切な機構、あるいは２つ以上の調和的に関連付けられた正弦波発生器の組み合わせによって効率的に非対称な加速度を生成するように設計された振動トランスデューサを組み込むことができる。一例（ただし、これに限られるわけではない）においては、スパイダーおよびサラウンドを有するスピーカドライバが使用され、運動の下部において上部よりもばね定数が大きい非対称なばね機構として機能する。振動ドライバの第２の例は、より短い期間についてより大きな加速度を与え、より長い期間についてより低い加速度を与えるように設計されたカムを有する回転モータである。振動トランスデューサの第３の例は、一方が他方の２倍の周波数で、半分の大きさの加速度にて、正しい位相関係で振動する２つの圧電発振器の組み合わせである（周波数が高い方の発振器の加速度の最大値が、周波数が低い方の発振器の最大値およびゼロに整列させられる）。これらの例は、本発明のすべての実施形態ではなく、一部の実施形態の例示として述べられている。

容器１が容器の高さよりもはるかに長い対応する波長を有する周波数で振動させられるとき、内部の流体本体は、容器１と一緒に加速させられる。しかしながら、流体内の粒子は、直接的には加速させられない。粒子は、容器１および流体の慣性系に対して、容器の外部の加速度とは反対向きの加速度に、重力に起因する加速度をプラス（または、マイナス）し、粒子への液体の抗力に起因する加速度をプラス（マイナス）したものに直面する。容器１が充分に長い時間にわたって一定の加速度を有する場合、粒子は、容器１に対する終速度に達する。加速度が充分に大きい場合、終速度は、容器１の加速度の平方根に比例する。容器１に対する移動の総距離は、加速度の平方根に時間を乗算したものに比例する。次いで、容器１は、より大きい加速度で、比例して短い時間にわたって、反対方向に加速させられる。粒子は、今や急速に減速し、方向を逆にし、新たな終速度に達する。交互の加速度のいくつかのサイクルの後で、粒子の速度および運動は、定常状態の振動に達する。

終速度は加速度に線形に関係していないので、平均速度は、重力のもとでの終速度に等しくない。より大きい加速度（容器の内部の慣性系における）が重力と同じ方向である場合、加速度の比および大きさを、平均速度をゼロにするように調節することができ、重力の方向と反対になるように調節することさえ可能である。換言すると、重力の影響を振動の作用によって打ち消すことができ、粒子を流体内で浮揚させることができる。

図２は、理想的な矩形波によって加速させられる容器１内の粒子の運動を示している。粒子の容器１に対する運動は、図２（ｂ）における実線と同様に、振動の周期よりもはるかに小さく終速度に達する。容器１の平均加速度は、ゼロに等しくなければならず、したがって

である。

終速度が加速度（重力による加速度ｇを含む）の平方根に比例する場合、平均速度を、下記の式によって近似することができる。

したがって、平均速度がゼロとなるために、

である。

これらの式を組み合わせると、下記のとおりになる。

ｒ＝２（すなわち、容器が下方へと上方よりも２倍長く、半分の加速度で加速させられる）において、加速度は５ｇおよび２．５ｇである。

先の式は、理想的な状況を説明している。実際の状況においては、時間が、振動段階の早期に終速度に到達するには短すぎ、あるいは終速度にまったく到達できないほどに短い。浮揚の達成は、より大きな加速度が必要とされるが、依然として可能である。

図２（ｂ）における破線は、そのような粒子の速度を示している。平均速度（または、総運動）は、たとえもはや加速度の平方根に比例しなくても、線形に関係しているわけではない。充分な加速度および／または充分に長い期間において、重力を依然として打ち消すことができる。

同様に、完璧な矩形の加速度波は現実的でないが、それが浮揚の障害となるわけではない。浮揚は、一方が他方の周波数の２倍であり、適切な位相および振幅の関係にあるわずか２つの正弦曲線の和である加速度波でさえも可能である。

図３が、そのような波形を示している。上方へのより強い加速度のより短い期間と、下方へのより弱い加速度のより長い期間とを有するほぼ任意の波形を、使用することが可能である。さらに、加速度は、周期的である必要すらない。おそらくはランダムな成分を有する変動する波形が、粒子の移動を増やすために望ましいかもしれない。１つの好ましい実施形態では、図３に示した二重の正弦波形を利用するが、これは決して浮揚を達成できる振動の唯一の形態ではない。

粒子は、流体よりも密度が大きく、上方へと浮揚させることが可能であり、流体よりも密度が小さく、下方へと浮揚させることが可能であり、あるいはその両者が同時に可能である。例えば、実験において、ガラスビーズ、アルミニウム薄片、または微小な鋼ショットが水中で上方へと浮揚させられている一方で、気泡または中空ガラス泡が、下方へと浮揚させられている。気泡塔反応器を、気泡の浮揚および沈下を可能にし、あるいは気泡の上昇速度の精密な制御を可能にすることによって、改善することができる。

重力を正確に打ち消すために必要な加速度は、粒子のサイズ、密度、形状、および粗さ、流体の密度および粘度、ならびに加速度波形の形状に応じてさまざまである。他のすべてを一定に保ちながら、浮揚に必要な加速度が最小となる特定のサイズの粒子が存在する。例えば、数値シミュレーション（物理的な試験によっておおむね確認済み）が、上方への加速度を下方への２倍にして約３０サイクル／秒で振動させられる水中のステンレス鋼球について、好ましいサイズを予測することができる。球の好ましいサイズは、直径にて約０．０５〜約０．３ｍｍであり、より好ましくは約０．１３５ｍｍである。同じ条件のもとでの水中の球形の気泡について、好ましいサイズは、直径にて約０．２〜約１ｍｍであり、より好ましくは直径にて約０．５ｍｍであるが、気泡は圧力のもとで変形するため、球による近似は正確でない。より大きい慣性抗力を有するような形状の粒子は、より速く終速度に達し、より低い速度においては慣性抗力が粘性抵抗よりも支配的であるため、より容易に浮揚させることができる（小さな加速度しか必要としない）。したがって、球は、より長いがより細い同じ密度および質量のワイヤ片と比べて浮揚させることが難しく、薄いシートは、より厚いシートと比べてより容易に浮揚させることができる。

複数の粒子を、たとえ粒子間の相互作用によってプロセスが複雑になるにせよ、同時に浮揚させることができる。振動または他の粒子が、粒子をより小さい粒子へと分解する可能性があり、これは、多くの場合に、浮揚をより容易にする。例えば、水中の大きな気泡は、大気中を落下する大きな雨滴の分解と同様に、水の抗力により分解し、より小さな気泡は、下方へと浮揚させることがより容易である。さらに、空気または他の流体の気泡は、固体粒子によって（固体粒子が完全に浮揚させられるか否かにかかわらず）さらに分解させられる可能性がある。多数の固体粒子を、超音波周波数または他の流動化技術が必要とする循環する流体を必要とすることなく、浮揚および流動化させることができる。粒子の間の相互作用が、粒子の浮揚に必要な加速度の振幅に影響を及ぼす可能性がある。計算流体力学を、この影響をモデル化するために使用することができ、あるいはこの影響を、実験的研究を通じて明らかにすることができる。粒子間の相互作用は、多くの場合に有益な副作用を生む。例えば、粒子は、或る粒子が別の粒子の上流にあって、充分に近い（例えば、球状の粒子における直径２個〜３個分の範囲内）ときに粒子の「キス」を生じさせる他の粒子の航跡によって影響される。粒子は、一時的に塊になり、あるいは他のやり方で相互作用しうる。これらの影響は、比較的控え目な濃度において生じる可能性がある。例えば、わずかに約１体積％の粒子濃度で、球状粒子の間の平均間隔は直径約２．７個分となり、これは粒子間の相互作用にとって充分に近い距離である。

粒子の凝集および／または「キス」は、均一な核生成をもたらすことができる。凝集は、局所的な過飽和につながり、「キス」は、分子を直接的に接触させ、どちらも核生成を助けることができる。振動は、結晶化の助けとなることができるが、本発明が可能にする実施形態のような低い周波数において効果を達成できるか否かは、知られていない。さらに、本発明の実施形態は、流体の全体を容器の体積の全体にわたって同じ量で振動させることによって均一性を向上させる。振動の前または最中に、過飽和および核生成を達成するために、流体を過冷することができ、あるいは非溶媒を加えることができ、もしくは溶媒を除去することができる。

研究者らは、キャビテーションが均質な核生成において役割を果たすことを提案している。しかしながら、キャビテーションは必須ではない。均質な核生成を、キャビテーションを生じさせないように充分に小さい出力の超音波によって達成することができる。キャビテーションが存在しないときに核生成を促進する１つの機構は、流体の本体に対する粒子の速度によって引き起こされるドラフトによってもたらされる粒子間の相互作用である。

キャビテーション
容器の一端に位置する圧縮性の気泡（または、剛直な障壁を形成しない容器の何らかの部分）は、圧力が特定の値を下回って低下する場合に、容器の他端にキャビテーションを引き起こしうる。この値は、一般的には液体の蒸気圧であるが、液体内の気体または固体の含有量などといった他の因子に依存して変化しうる（キャビテーションは、容器の高さが流体における振動の波長に近く、あるいはそれよりも大きい場合にも生じうる）。キャビテーションは、下方への加速度（マイナスｇ）および液体の高さに起因する液体の圧力の変化が、流体の蒸気圧を（ほぼ）差し引いた容器内の初期の圧力よりも大きい場合に生じる。したがって、気泡の存在、不在、または位置、容器の内部の平均圧力、容器の高さ、流体の密度、ならびに振動波形の周波数、振幅、および形状など、キャビテーションの回避または生成のために変更することができるいくつかのパラメータが存在する。

容器の内部の平均圧力を充分に高く保つことで、キャビテーションを回避することができる。例えば、標準大気圧および約３０ｇの下方へのピーク加速度においては、キャビテーションを、高さが約１フィートまでの容器において回避することができる。キャビテーションを、圧縮性の気泡または他の粒子を有さず、あるいは両端に充分に大きい圧縮性の膨張可能な気泡を有する剛体容器において、より低い圧力またはより大きい加速度においても回避することができ、なぜならば、これらの存在する気泡が圧力の変化につれて膨張し、新たな気泡の形成を防止するからである。

キャビテーションを、所望であれば、容器の内部の圧力を下げることによって容易に達成することができる。この圧力の低下を、密封された容器の内部の流体の冷却によって単純に達成することができ、これにより圧力を流体の蒸気圧と同じ低さに下げることによって蒸気または任意の前もって溶解させた気体の気泡を生じさせることができる。したがって、密封された剛体容器の温度を制御することが好ましく、キャビテーションを回避すべき場合、容器を高い圧力または動作温度を安全に下回る温度で密封することができる。容器の内部の圧力を、キャビテーションを所望のとおりに防止または可能にするために、動的に制御することも可能である。

圧力がキャビテーションのために充分に低い場合、振動波形の形状を、キャビテーションを防止すべく気泡を浮揚させるように上述のとおりに調節することができ、あるいは周波数および振幅を同じに保ちつつ、キャビテーションを増すべく負の浮力を抑制して気泡を上部に保つために、波形を反転させることができる。容器の底の形状は、キャビテーション気泡の位置および形状を安定させるために、好ましくは湾曲しており、あるいは円すい形である。

キャビテーションは、圧力の急激な変化によって引き起こされる液体内の気泡（空洞）の核生成および消失である。正弦波振動は、非線形な効果ゆえに圧力の変化の速度よりもさらにもっと迅速なキャビテーションの消失を引き起こすことができる。非正弦波振動は、キャビテーションの速度を増加または減少させることができる。これは、方形波または鋸歯波に類似した波形を生み出すように振動に対してより高い高調波を加えることによって達成することができる。方形波または正しい極性の鋸歯状の波が、キャビテーションの速度を高めることができる一方で、反対の極性は、キャビテーションの速度を下げることができる。キャビテーションの消失の速度を最大化または最小化するための最良の波形は、これらに限られるわけではないが、振動ドライバの制約など多数の因子に依存しうる。

さらに、気泡を１つの振動周波数において浮揚させることができる一方で、より速い周波数の第２の音波の発生源がキャビテーションを引き起こす。第２の音波の発生源の周波数を、気泡のサイズの関数である気泡の固有周波数と同調させることができる。これは、これまで可能であったものよりも幅広い範囲の気泡サイズおよび周波数の使用を可能にする。

本発明は、キャビテーションの研究に良好に適する。本発明は、１ミリメートルを超える比較的大きい気泡の直径で、低い周波数（例えば、数十ヘルツ、またはそれ以下）においてキャビテーションを生成できるため、キャビテーションのプロセスの観察および測定は、はるかに小さい気泡による超音波キャビテーションと比べてはるかに容易である。

水平および多次元振動
本発明の別の実施形態においては、容器が、粒子の分離または混合の改善のために、水平方向に振動させられる。例えば、分離が望まれる場合、気泡塔反応器を、気泡を右方へ、高密度な粒子を左方へと移動させるやり方で水平方向に振動させ、気泡を粒子から分離させることができる。混合が所望される場合、振動を繰り返し反転させることによって、より軽い粒子およびより重い粒子の場所を交代させ、粒子を容器の全幅にわたって水平方向に混合することで、搬送速度、質量移動速度、熱交換、拡散速度、または他のプロセスの速度を高めることができる。同様に、上下方向の振動の形状および／または振幅を、上下方向の混合を改善するために変動させることができる。

振動を、同時に３次元的に加えることもでき、あるいは振動の軸を回転させることもできる。これは、地球周回軌道などの微小重力環境において、粒子の完全な浮揚および残余の加速度を無効にする能力を可能にする。３次元において振動の形状を変動させ、あるいは振動の軸を回転させることで、粒子が３次元的に混合される。

本発明の実施形態は、容器のただ１つの壁の振動または超音波プローブの挿入の代わりに容器全体の振動を含み、振動は、容器の全体にわたって実質的に均一である。この均一性は、いくつかの利点を有する。反応速度、温度、濃度、および圧力のすべてを、容器の全体にわたってより均一にすることができる。

熱対流
さらに、本発明の一実施形態を、流体内の熱対流をなくし、あるいは逆にするために使用することができる。上述の種類の振動は、容器の底の流体の低温層を、より温かい流体を通って容器の上部へと上方に流すことができる。この効果は、上部において加熱され、底部において冷却される液体中のサーモクロミック顔料を使用して実証されている。スローモーションビデオにおいて、より低温の液体が、振動の作用のもとで上昇した。対流を遅くし、あるいは逆にする能力により、結晶化、固化、および燃焼などの化学プロセスを改善することができる。

気体における対流の軽減または解消も、達成可能である。これは、燃焼プロセスを改善することができるが、振動の振幅が大きい場合、火炎の位置を高温気体の運動と一緒に移動させなければならず、そうでないと火炎の強度が変動し、あるいは消えてしまう可能性がある。振動の第２の発生源またはレバーシステムが、火炎を高温ガスの運動に同期した位置に保つために必要とされる。

コロイド、合金、など
本発明の実施形態の他の用途は、異なる密度の２つ以上の不混和の流体を迅速に混合してコロイドを生成することである。振動が増すにつれ、流体間のインターフェイスにおいてリップルが形成されて成長し、最終的に、一方の流体の気泡が他方の流体に取り込まれるように充分に大きくなる。振動が純粋に正弦波振動である場合、気泡は再び安定しようとする傾向であると考えられるが、振動が上述のように非正弦波である場合、適切なサイズの気泡を他方の液体へとさらに浮揚させることができる。振動が続くとき、凝集速度（気泡が互いに衝突して大きな気泡を形成する速度）が振動による気泡の分解速度に実質的に等しくなるまで、より大きな気泡はより小さな気泡へと分解する。コロイドを、数サイクル／秒から超音波の周波数までの幅広い範囲の振動周波数において迅速に生成することができる。コロイドは、振動が維持される限りにおいて持続する。振動の周波数、形状、および振幅を、液滴のサイズを変更し、振動の停止後も長くコロイドの安定性を維持するために充分に液滴を小さくできるように、調節することができる。安定剤を、安定性を改善するために追加することもできる。

この実施形態の一例は、アイスクリームおよび他の冷菓の製造にある。クリーム、フレーバーシロップ、および空気を、室温において徹底的に混合し、後に凍らせることができる。コロイド混合物は、混合物を含む容器を冷凍庫に収容することによってゆっくりと凍らされるように充分に安定かつ充分に微粒子であることができ、その結果、氷の結晶粒が小さい滑らかな質感のアイスクリームがもたらされる。この技術は、冷却時の撹拌という伝統的な方法と比べていくつかの利点を有する。第１に、混合装置を冷却する必要がない。第２に、アイスクリームの混合のための容器が、輸送ならびに／あるいは給仕または販売のための容器となることもでき、その場合には、異なる味の製造の間の設備の洗浄が不要である。冷凍を、冷凍トラックなどにおいて配送の最中に行うことさえ可能であり、おそらくは配送後まで遅らせることができ、溶融の恐れが減少する。

他の用途は、振動の停止後に速やかに分離する合金または固化したコロイドの製造にある。２つ以上の流体を微細なコロイドへと混合でき、混合物を固化させるための冷却プロセスにおいて振動を続けることができる。振動の周波数および振幅を、種々の物質の粒子のサイズを調節するために調節することができる。この技術を、新規または改善された合金、固体発泡体、および同様の材料を生成するために使用することができる。

流動層および気泡塔反応器
流動層反応器の流量と比較して、本発明の実施形態は、流体に対する粒子のより高い速度を達成することができる。流動層においては粒子を流動化する１つの流量（または、狭い範囲の流量）が存在するが、本実施形態の振動の振幅および周波数は、波形の形状を浮揚を維持するように調節することができるため、幅広い範囲にわたって調節可能である。例えば、第２の高調波の振幅を、流動化を達成するように第１の高調波に対して調節することができる。さらに、実施形態は、流体の再循環経路を必要としない。

水処理の用途を含む気泡塔反応器も、本実施形態によって改善または置き換えが可能である。研究者らは、正弦波振動が気泡塔反応器における質量移動速度を高めることができることを発見した。また、気泡の上昇を正弦波振動によって遅くできることにも気が付いた。しかしながら、どのようにして非正弦波振動によって気泡の上昇を完全に停止させることができ、あるいは逆にすることさえ可能であるのかは、発見していない。質量移動速度を高める他に、気泡を浮揚させるための非正弦波振動の使用は、気体の利用を増大させることができ、より短い気泡塔の使用を可能にする。

振動試験
さらに、振動試験を、本発明の実施形態によって改善することができる。現在の振動試験の規格は、正弦波振動、正弦波掃引試験、ランダム試験、および／またはインパルス試験だけを要求している。しかしながら、すでに示したように、周期的ではあるが正弦波ではない振動において、単に第２高調波が加えられただけでも、正弦波形またはランダム波形においては見られていない重要な効果が生じる可能性がある。上下振動が、密度の小さい流体において粒子を浮揚させることができ、上部に集めることさえ可能である一方で、水平方向の振動は、他の効果のなかでもとりわけ、水平方向のストリーミングを生じさせることができる。

特に、電池の試験を、本発明の実施形態によって改善することができる。電池は、電解質流体を横切るイオン粒子の予測可能かつ安定な移動に依存し、したがってこの運動に影響を及ぼす振動にとくに敏感である。綿密な振動試験の必要性が、電池が圧力および／または温度の外的変化に曝される場合に、さらにより重要である。非正弦波振動は、いかなる量の正弦波またはランダム振動試験にも曝されない損傷を引き起こす可能性がある。特に温度の低下によって引き起こされうる圧力の低下に起因して電池の内部に気泡が形成される場合に、キャビテーションが生じうる。電池の容器が通気口を有する場合、振動または熱によって電池の通気が生じて電池の内部の圧力が低下し、冷却後に電池の内部に蒸気の気泡が形成される可能性がある。非正弦波振動はまた、電解質の流れに影響を及ぼし、電池の内部における電解質およびイオンの濃度を変化させる可能性もある。非正弦波振動はまた、対流を減らし、あるいは増やし、電池の過熱を引き起こす可能性もある。また、振動により、イオン粒子が電解液を横切ってより速く流れ、電流のスパイクを引き起こす可能性もある。非正弦波振動は、一方向についてイオンの移動を妨げ、あるいは強めることで、供給される電流または充電に要する電流を増加または減少させる可能性がある。さらに、振動が、ドラフト化の影響に起因して電解質およびイオンの凝集を引き起こす可能性もある。これらすべての理由で、温度および圧力を実際の使用において直面されうる全範囲にわたって変動させつつ、非正弦波形（第１および第２の高調波で構成される図３ｃの波形など）を使用して、リチウムまたは他のきわめて危険な電池の振動試験を行うことが好ましい。

一実施形態において、振動試験方法は、完璧を期すため、または長期間の挙動を確認するために繰り返すことができるいくつかのステップを含む。いくつかの試験においては随意であってよい第１のステップは、蒸気または気体の気泡が形成されるように流体環境の内部の圧力を低下させ、あるいは後のステップにおけるキャビテーションの可能性を高めることである。これは、多くの場合、単に密封された容器の内部の流体を冷却する（さらに、後の工程を通して流体を低温に保つ）ことによって達成できる。あるいは、少量の気泡で流体の一部を置き換えることができるように、容器を通気し、圧力を下げ、容器を再び密封することができる。試験対象の容器に、容器の内部の圧力が高まる場合に流体を減らすための通気の機構（一部のリチウム電池における通気口など）が組み込まれている場合、流体を加熱し、容器を振動させ、あるいは通気口の外部の圧力を下げることで、容器の内部の流体の一部を押し出し、あるいは吸い出すことによって、内部の圧力を下げることができる。次いで、流体の温度を通常へと戻すことができる。

振動試験における次のステップは、関心の対象の軸に沿った種々の正弦および非正弦波形によって充分な時間にわたって容器を振動させることである。特に、所望の各々の周波数において少なくとも３つまたは４つの異なる波形を試験することができる。鉛直（あるいは、或る程度鉛直）な軸に沿って、１つの波形は、小さな気泡の下方への流れおよび流体よりも重い小さな粒子の上方への流れを生じさせるために、充分に非正弦波であってよい。図３に示されるとおりの第１および第２の高調波の和である波形が、一実施形態である。同じまたは類似であるが反転させられている波形が、試験用の別の波形である。この波形は、取り込まれた気泡に対する正弦波振動の負の浮力の影響を抑制し、振動に起因するより重たい粒子の上昇を防止することができる。そのような波形は、キャビテーションの消失の長期的影響を試験するために重要となりうる。圧縮性の気泡に対する正弦波振動の負の浮力の影響に起因して沈む取り込まれた気泡は、新たな気泡のキャビテーションの成長および消失の代わりにそれらの気泡が圧力の変化から成長および収縮できるため、キャビテーションを妨げ、あるいは防止する可能性がある（これは、正弦波は、振動の開始時の短い量のキャビテーションを生じさせることができるにすぎず、ひとたび取り込まれた気泡が流体の下半分へと降下するとわずか数サイクルの後に停止するため、純粋な正弦波がそれだけでは好ましい試験波形でないもう１つの理由である）。試験用の波形の第３の種類は、いくつかの気泡または粒子を容器の至るところに浮揚させるために充分に非正弦波である波形である。充分に広い範囲の浮揚および混合を保証するために、この波形をいくらか変調することが望ましいかもしれない。さらに、異なる波形または振幅を、異なる種類およびサイズの粒子または気泡を浮揚させるために使用することができる。所望により、好ましくはキャビテーションを生じさせるための充分な振幅で、上方および下方の両方に、反復的な衝撃試験を実行することもできる（衝撃試験は、すでに述べた非正弦波試験の部分集団と考えることができるが）。最後に、純粋な正弦波振動を同様に試験することができる。同様の試験を、非正弦波振動が全体の運動をもたらす可能性を試験するために、水平軸について実行することができる。さらに、水平方向の振動試験は、流体を固体の鉛直な構成要素またはプレート間に挟んで有している電池または他の装置において、水平方向の振動が鉛直なプレート間の流体および粒子の水平方向の移動および拡散の速度に影響を及ぼす可能性があるため、重要となりうる。

これらの試験のすべてにおいて、好ましい波形は、トランスデューサへと加えられる電力でも、試験品が存在しないときの試験装置の振動でも、任意の外側の容器の振動でもなく、流体を収容している最も内側の容器の実際の振動である。試験対象の容器または流体が、より大きな物体の一部であり、容器そのものの代わりにこのより大きな物体を振動させることが必要であるか、または望まれる場合、容器に加わる実際の振動波形を測定し、または知ることは、不可能または非現実的かもしれない。そのような場合、内側の容器に関心のすべての振動波形が加えられるように保証するために、第２の高調波（および、おそらくはさらに高次の高調波）の位相および／または振幅を変化させつつ、より多くの波形を試験することができる。例えば、単一の電池が外ケースの内側に複数の個別のセルを含む可能性があり、放熱またはセル間の他の相互作用を試験するために、個別のセルの代わりに電池全体を試験することが望まれるかもしれない。セルが外ケースに堅固には取り付けられていない場合、セルが、電池全体とは異なる形状の波形で振動する可能性がある。好ましくは、加速度計または音響トランスデューサを、内部の１つ以上のセルに取り付けて、基準波形として使用することができる。それが不可能であるものの、外側の電池の振動に対する内部のセルの振動応答が既知である場合、電池の振動を、内部のセルの所望の振動を生じさせるように調節することができる。振動応答が既知でない場合、さまざまな波形を試験しなければならない。多くの場合、適切な波形を、第２の高調波の位相および振幅をゆっくりと掃引しつつ、キャビテーションまたは損傷を引き起こしうる他の非線形な作用を示すことが多い音響トランスデューサまたは他のセンサからの非線形な応答を探すことによって、見付けることができる。

試験を、動作の全範囲に及ぶ種々の温度および圧力、特により低い温度および圧力において繰り返すことができ、或る温度および／または圧力から別の温度および／または圧力への遷移が、上述のようにキャビテーションの可能性を高めることができる。

各々の波形を、累積効果を可能にするために充分な時間にわたって加えることができる。所望により、遷移によって損傷または不具合が引き起こされるか否かを試験するために、試験を、異なる波形の短い時間の交互または循環とすることもできる。

一実施形態は、キャビテーションの消失または振動に対する他の非線形な応答によって引き起こされる音波を検出するための音響トランスデューサまたは他のセンサを含む。特に、キャビテーションおよび他の効果は、各々の波形の印加の開始または終わり、あるいは波形間の遷移においてのみ生じうる。試験の手順は、キャビテーションの消失の証拠となりうるあらゆる例外を記録することができ、それらの試験条件を、損傷の蓄積を確認するために繰り返すことができる。

試験対象の物体がより大きな系の一部である場合、試験をできる限り通常の動作に近い条件下で行うことが好ましく、振動下での性能を振動なしでの性能と比較することが好ましい。例えば、試験対象が電池である場合、好ましくは通常の使用を模擬する回路または充電器において試験され、振動に曝されたときの電圧および電流波形を、振動がないときの波形と比較することができる。試験後に、振動に曝された電池の内部を、振動なしの同じ試験に曝された電池に照らして検査することができる。

振動からの損傷が発見された場合、試験の対象を、内部または外部の振動減衰機構を備えて設計し直すことができる。これに代え、あるいはこれに加えて、危険な振動ならびに／あるいはキャビテーションの消失または他の損傷を引き起こしかねない状況を検出するために、振動センサを追加することができる。さらに、圧力および／または温度の変化あるいは他の変数が不具合の恐れにおける役割を果たすことが示されている場合、それらをセンサによって制御および／または記録することができる。

電池の改良
本発明の他の目的は、正弦波または非正弦波振動の印加を通じて電池セルの供給可能電流を増やし、あるいは電池セルの充電速度を高めるための装置および方法である。水平方向の正弦波振動は、鉛直な電極の間の電解質およびイオンの流れを増加させることで、セルの内部抵抗を減らし、充電および放電の両方において最大電流を大きくする。非正弦波の水平振動は、特定の方向のイオンの移動を生じさせることができる。バイポーラ電池などのように、カソードおよびアノードの間の方向がセルの全体にわたって同じである場合、この移動は、振動波形の極性に応じて、放電を犠牲にして充電を改善でき、あるいは充電を犠牲にして放電を改善することができる。充分に大きい振動の振幅は、セルの充電または充電に必要な電圧の低減にさえも充分であるかもしれない。振動を、必要とされる電流に応じて、動的に増加または減少させることができ、あるいは完全に無くすことが可能である。この柔軟性は、内部短絡の恐れを減らすことによって安全性を向上させる電極間のより大きな分離、および振動を停止させることによって熱散逸を停止させる能力を可能にする。

超音波
本発明の別の用途は、超音波医療の分野にある。超音波波形の形状を、キャビテーションまたは組織の加熱の恐れを低く保ちつつストリーミングを生じさせるように調節することができる。米国特許第５，５２３，０５８号（１９９６年６月４日にＳｈｉｎｉｃｈｉｒｏ Ｕｍｅｍｕｒａに発行された）が、第１および第２の高調波を組み合わせる超音波装置を開示しているが、効果をキャビテーションの増加と記載している。キャビテーションが多少増加する可能性もあるが、それらの観測される効果の大部分は、おそらくは種々のサイズ、形状、または密度の粒子への非正弦波振動のストリーミングまたは混合に起因している。（例として、方形の圧力波を近似するように）適切な位相および振幅の関係で第２の高調波の代わりに奇数次の高調波を加えることで、超音波に対して充分な非線形応答を有する組織または気泡の通過を除き、ストリーミングを生じさせることなくキャビテーションを増加させることができる。反対に、おそらくは三角形の圧力波または適切な極性の鋸歯波を近似することによって正しい位相および振幅の関係を有する高調波を加えることで、圧力の変化の最大速度を小さくしてキャビテーションを減らすことができる。キャビテーションの恐れを減らすことで、超音波をより安全にすることができる。

これらの同じ原理を、医療以外の超音波の使用にも適用することができる。超音波の波形を、キャビテーションの量ならびに混合、ストリーミング、および浮揚の量を制御するために整形し、変化させることができる。

本発明のさらなる結果は、サーマルインデックス（ＴＩ）およびメカニカルインデックス（ＭＩ）に加えて、医療用の超音波の安全性の水準を評価するための第３の指標の必要性が存在しうることの具現化である。この新たな指標は、非正弦波振動によって引き起こされるストリーミングおよび／または混合の可能性について、より良好な尺度をもたらすことができ、反射波において測定される第２の高調波（または、他の偶数次の高調波）の振幅から計算することが可能である。また、追加の高調波が加えられる（あるいは、正弦波への非線形応答によって引き起こされる）とき、ＭＩおよびおそらくはＴＩの定義を、調節することができる。

本発明の以上の説明は、現時点において本発明の最良の態様であると考えられる内容を製作および使用することを当業者にとって可能にするが、当業者であれば、本明細書における具体的な実施形態、方法、および例の変種、組み合わせ、および均等物の存在を、理解および認識できるであろう。したがって、本発明は、上述の実施形態、方法、および例によって限定されるべきではなく、本発明の技術的範囲および技術的思想に包含されるすべての実施形態および方法によって限定されるべきである。

種々の実施形態を上述したが、それらが限定ではなく、あくまでも例として提示されているにすぎないことを、理解すべきである。本明細書は、本発明の技術的範囲を本明細書に記載の特定の形態に限定することを意図しているわけではない。したがって、好ましい実施形態の幅および範囲は、上述した例示の実施形態のいずれによっても限定されるべきでない。上述の説明が、例示であって、限定ではないことを、理解すべきである。むしろ、本明細書は、添付の特許請求の範囲によって定められるとおりの本発明の技術的思想および技術的範囲に含まれ、他のやり方で当業者にとって理解されうるような代案、修正、および均等物を包含するように意図されている。したがって、本発明の技術的範囲は、上記の説明を参照して決定されるべきではなく、むしろ添付の特許請求の範囲をそれらの均等物の全範囲と併せて参照して決定されるべきである。

Claims (14)

1. 非対称な振動をもたらすための装置であって、
   容器と、
   前記容器内に配設された流体および粒子と、
   前記容器に取り付けられており、当該容器を振動させる振動ドライバと、
   前記振動ドライバに設けられ、前記粒子に対する振動の１又は２以上の効果を検知する光学センサと、
   前記振動ドライバ及び光学センサに接続されたマイクロコントローラと
   を備えており、
   前記マイクロコントローラは、
   粒子に対する振動の効果の検知についてのフィードバック信号を前記光学センサから受け、
   前記フィードバック信号を解析して粒子に対する所望の効果を得るための振動の調節を決定し、
   前記フィードバック信号の解析の基づき決定された調節にしたがって、前記振動ドライバにより生成される振動の非対称な特性を調節する第２の信号を出力する、装置。
2. 前記振動ドライバは前記粒子に作用する重力と反対方向の力を当該粒子に与えることができる請求項１に記載の装置。
3. 前記振動ドライバは、２つ以上の波形の和としての振動を供給する請求項１に記載の装置。
4. 前記振動ドライバは、相対的な位相、振幅、周波数、軸、または振動の加速度を変化させることによって非対称を生み出す請求項３に記載の装置。
5. 前記２つ以上の波形のうちの第２の波形の基本周波数は、前記２つ以上の波形のうちの第１の波形の基本周波数の２倍である請求項３に記載の装置。
6. 前記振動ドライバは、異なる周波数の２つの正弦曲線の和としての振動を供給する請求項１に記載の装置。
7. 前記振動ドライバは、圧電トランスデューサ、オーディオスピーカドライバ、リニアモータ、及び他の機構を使用して直線運動へと変換される回転モータからなる群れより選択される請求項１に記載の装置。
8. 前記振動ドライバは、回転運動を直線運動に変換するための機構に接続された回転モータを含む請求項１に記載の装置。
9. 前記特性は周波数である請求項１に記載の装置。
10. 前記特性は波形である請求項１に記載の装置。
11. 前記振動ドライバは、動作上部よりも動作下部において、より高いばね定数を有するばね機構を含む請求項１に記載の装置。
12. 前記振動ドライバは、２つの圧電発信器からの信号にしたがって振動する請求項１に記載の装置。
13. 前記２つの圧電発信器の一つ目は、第１の周波数および第１の振幅であり、
    前記２つの圧電発信器の二つ目は、前記第１の周波数の２倍の第２の周波数、および前記第１の振幅の半分の第２の振幅である請求項１２に記載の装置。
14. 前記マイクロコントローラは、フーリエ解析により前記フィードバック信号を解析する請求項１に記載の装置。
    

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