JP2014509251A - 液体シートを放出する電気流体力学的噴霧ノズル - Google Patents

Abstract

液体シートを用いた、凝集していない単分散の液滴を作るための実施形態を提供する。出口スリットの開口を備えるノズルは、噴霧液がスリットの開口から出るときに、噴霧液を薄い液体シートに成形する。安定したマルチジェット操作は、スリットの端に沿ったノッチを含めることで達成される。ノッチは、液体シートを複数のジェットに分離し、固定した安定的なマルチジェット操作を提供する。いくつかの実施形態において、本発明に記載する液体シートの電気スプレイ技術およびノズルは、高い質量の処理能力および多用途の多重化スプレイシステムを提供し、一方で技術的努力と高い製造コストを低減する。

Description

電気流体力学的噴霧（electrohydrodynamic atomization）は、しばしば電気スプレイ（ＥＳ）と呼ばれるが、将来性および微細な粉末の製造、食品加工、医薬、薬剤学、生物学および化学での実用的な粒子の用途で近ごろ大きな注目を集めている。その技術は、マイクロメートルからナノメートルの範囲のサイズを備える様々な材料の、凝集していない単分散の粒子の製造を可能にする。既知のＥＳシステムでは、細管（または毛細管、キャピラリー）ノズルの出口での液体メニスカスは、スプレイヘッドと参照電極との間に確立した発散電場（divergent electrical field）から生じる電気的ストレスの影響を受ける。しかし細管ノズルの形状が原因で、既知のＥＳシステムは低質量の処理能力（throughput）であり、大規模な実施の実現可能性を困難としている。

最近のいくつかの電気流体力学的噴霧の技術は、質量処理能力を増加していると報告されている。例えば、単一細管のＥＳノズルでは、コーンジェットモード（a cone-jet mode）が発生する電圧の範囲を超える電圧を印加するとき、マルチジェットモード（multi-jet mode）を発生することができる。しかし、単一細管の先頭から始まった複数のジェットは不安定である。多数の個々の細管を一次元の直線配列状に構成することで、スプレイの液体流量の総量を増加することもできる。しかし、個々の細管の一次元の構成は室内実験の目的では容易に作ることが出来るが、工業規模の用途では実用的ではない。さらに、個々の細管のそれぞれが、別々の給水流路および／または分配流路（feeding and/or distribution channel）を使用する。

本発明の第１態様は、電気流体力学的噴霧のためのノズルを提供することである。前記ノズルは、インナーロッド（inner rod）、インナーロッドと同心状に整列されたアウターチューブ（outer tube）、インナーロッドとアウターチューブとの間に規定される環状流路、ノズルのスプレイエンド（a spray end）で円形スリットを形成する環状流路および円形スリットに近接するインナーロッドおよびアウターチューブの少なくとも一方の上に位置する少なくとも１つの帯電可能な（electrically chargeable）ノッチを含む。

他の態様において、電気流体力学的噴霧のシステムを提供する。前記システムはソースエンド（a source end）、スプレイエンド、第１表面を含む第１部品、第２表面を含む第２部品、第１表面と第２表面との間に規定される流路、ノズルのスプレイエンドに出口スリットを形成する流路（例えば、円形の出口スリット、平面的なまたは直線状の出口スリット等）および出口スリットに近接する第１部品と第２部品の少なくとも一方の上に位置する少なくとも１つの帯電可能なノッチを含むノズルを含む。前記システムはさらに、ノズルに電気的につながれ、少なくとも１つの帯電することができるノッチに電圧を供給するように構成される電源、ノズルのソースエンドと流体連通するシリンジポンプ、ノズルを通る噴霧液を押し出すように構成されるシリンジポンプを含んでよい。

さらに他の態様において、本明細書で記載する１つ以上のノズルの構成を使用することができる電気流体力学的噴霧の方法が提供される。例えば、１つの態様において、前記方法はインナーロッド、インナーロッドと同心状に整列したアウターチューブ、インナーロッドとアウターチューブとの間に規定される環流流路、ノズルのスプレイエンドに円形スリットを形成する環状流路、および円形スリットに近接するインナーロッドとアウターチューブの少なくとも一方の上に位置する複数のノッチの提供を含んでもよい。前記方法はさらに、複数のノッチへの電圧の提供すること、およびノズルの環状流路を通して噴霧液を送り出すこと（pumping）を含んでもよい。

本明細書で記載する実施形態は、添付図面と併せて以下の記載を参照することでより理解することができる。

図１は、例示的な電気スプレイシステムの配線図である。 図２は、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの斜視図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの斜視図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、図３Ａおよび図３Ｂの例示的なノズルの平面図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、図３Ａおよび図３Ｂの例示的なノズルの平面図である。 図５Ａ〜図５Ｃは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの画像である。 図５Ａ〜図５Ｃは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの画像である。 図５Ａ〜図５Ｃは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの画像である。 図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの断面図である。 図７は、いくつかの数のノズルに対して、安定したマルチジェット操作を確立するために印加する電圧を示すグラフである。 図８Ａ〜図８Ｃは、６個、１２個および２０個のノッチを備えるノズルについてのスプレイ電流を、適用する電圧の関数として示すグラフである。 図８Ａ〜図８Ｃは、６個、１２個および２０個のノッチを備えるノズルについてのスプレイ電流を、適用する電圧の関数として示すグラフである。 図８Ａ〜図８Ｃは、６個、１２個および２０個のノッチを備えるノズルについてのスプレイ電流を、適用する電圧の関数として示すグラフである。 図９は、液体流量の最大値を噴霧液の導電率の関数として示すグラフである。 図１０は、液体シートノズルの液体流量の最大値の、単一細管ノズルの液体流量の最大値に対する比率を示すグラフである。 図１１は、図１のシステムと共に使用され得る例示的なノズルの平面図である。 図１２は、図１１に示す例示的なノズルの斜視図である。

実施形態は、凝集していない単分散の液滴を製造するように液体シート（または自由液膜、a liquid sheet）を用いる電気流体力学的噴霧を提供する。既知の電気スプレイ（ＥＳ）システムで用いられる細管／管とは対照的に、出口スリットの開口（exit slit opening）を備えるノズルは、噴霧液がスリットの開口から出るので、噴霧液を薄い液体シートに形成する。安定したマルチジェット操作は、スリットの端部に沿ってノッチを含むことにより達成される。ノッチは液体シートをマルチジェットに分離し、定着した（anchoring）安定的なマルチジェット操作を提供する。すなわち、それぞれのノッチが、ノズルの周りで対応するジェットが移動するのを防ぐことにより、対応するジェットを定着させ（anchor）、実質的にジェットの位置を固定（fix）する。いくつかの実施形態において、液体シートの電気スプレイ技術および本明細書に記載するノズルは、高質量の処理能力および多目的の多重化スプレイシステムを提供し、一方で技術的な労力（engineering effort）と高い製造コストを低減する。

例示的な電気スプレイシステム１００の配線図を図１に示す。システム１００は、シリンジポンプ１０２、ノズル１０４および高電圧源１０６を含む。ひとつの例示的な実施形態においてシリンジポンプ１０２は、Ｈａｒｖａｒｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ＰＨＤ２０００シリーズのポンプである。あるいは、シリンジポンプ１０２は、システム１００が本明細書に記載のように機能することを可能とする任意のポンプである。

高電圧源１０６は、ノズル１０４のスプレイエンド１０８に電圧を印加することができるように、ノズル１０４につながっている。１つの例示的な実施形態において、高電圧源１０６は、１３ｋＶから１６ｋＶの範囲の電圧をスプレイエンド１０８に供給する。あるいは高電圧源は、システム１００が本明細書に記載するように機能することができる任意の電圧をノズル１０４に印加してもよい。

システム１００はまた、モニタリングシステム１１０も含む。モニタリングシステム１１０は、顕微鏡レンズ１１２、デジタルカメラ１１４、モニター１１６およびコンピューター１１８を含み、ノズル１０４により作られたスプレイをモニタリングシステム１１０が観察することができる。

システム１００はまた、電流システム１２０も含む。電流システム１２０は、接地１２４と電気的につながり、また抵抗器１２８を越えてリング１２６に電気的につながる回路計（またはマルチメーター、multimeter）１２２を含む。抵抗器１２８を越える電圧を測定することで、電流システム１２０はノズル１０４により作られたスプレイの電流を測定することができる。回路計１２２を通って、リング１２６も接地１２４に電気的につながる。

図２は、システム１００とともに用いることができる、例示的なノズル２００の断面図である。ノズル２００はソースエンド２０２およびスプレイエンド２０４を含む。ノズル２００は、ノズル２００の縦軸２１０に沿ってアウターチューブと同軸状に整列したインナーロッド２０６を含む。環状流路２１２はアウターチューブ２０８の内表面２１４とインナーロッド２０６の外表面２１６との間に規定される。スプレイエンド２０４で、環状流路２１２は円形スリット２１８になる。１つの例示的な実施形態において、円形スリット２１８の内径２２０は２９５０μｍであり、円形スリット２１８の外径２２２は３２５０μｍであり、円形スリット２１８の幅２２４は１５０μｍである。あるいは、円形スリット２１８は、ノズル２００が本明細書で記載するように機能することができる任意の寸法を有してよい。

操作中、シリンジポンプ１０２は圧力を噴霧液に印加し噴霧液はノズル２００に向かって押され、ノズル２００のソースエンド２０２で受けられる。噴霧液はそれから、環状流路２１２に均一に分配され、円形スリット２１８から薄い液体シートとして放出される。図２に示す１つの例示的な実施形態において、放出される液体シートは実質的に円筒形状である。

ノズル２００はさらに、円形スリット２１８に近接する１つ以上のノッチ２３０を含む。本明細書で使用される“ノッチ”は、ノズル２００のスプレイエンド２０４から伸びるノッチ２３０のような、ノズルのスプレイエンドから伸びて突き出た要素を意味する。例えば、このようなノッチは、このようなノッチで分けられたスプレイエンドの他の領域よりもさらにスプレイジェットの方向に伸びても、または突き出してもよい。１つの例示的な実施形態において、ノッチ２３０はインナーロッド２０６およびアウターチューブ２０８の両方の上に位置する。あるいは、ノッチ２３０はインナーロッド２０６またはアウターチューブ２０８のどちらかの上にのみ位置してもよい。高電圧源１０６がノズル２００のスプレイエンド２０４に電圧を印加するとき、ノッチ２３０の形状と構成が、ノッチ２３０における電界の局所的な向上を容易にする。噴霧液が円形スリットに達するとき、噴霧液は環状流路２１２の形状により薄い液体シートとしてノズル２００を出て行く。ノズル２００のスプレイエンド２０４に印加される十分に高い電圧により、液体シートは複数のジェットへ分けられる。それぞれのノッチ２３０で局所的に高まった電界により、それぞれのジェットはノッチ２３０の１つに位置する。さらにスプレイエンド２０４に印加される十分に高い電圧により、安定したマルチジェット操作が達成され得る。いくつかの実施形態において、“安定したマルチジェット操作”は、噴霧液のジェットがノズル２００上のノッチ２３０のそれぞれから放出されることを意味する。

図３Ａおよび図３Ｂは、図１のシステムとともに使用され得る例示的なノズル２００の斜視図である。図４Ａおよび図４Ｂは、図３Ａおよび図３Ｂで示すノズル２００の平面図である。図３Ａおよび図４Ａで示す実施形態は、６個のノッチ２３０を含み、図３Ｂおよび図４Ｂに示す実施形態は２０個のノッチ２３０を含む。ノッチ２３０は円周方向の距離２４０ずつ、円周方向に互いに間隔を空けて配置している。いくつかの実施形態において、円周方向の距離２４０はノッチ２３０の寸法以上である。円周方向の距離２４０は、増大された電界領域を維持しながら、ノッチ２３０の数が最大限になるように選択される。すなわち、ノッチ２３０間の円周方向の距離２４０が小さすぎると、１つのノッチ２３０に発生する電界が近接するノッチ２３０に発生する電界を妨げるであろう。しかし、ノッチ２３０間の円周方向の距離２４０が増大すると、より少ないノッチ２３０がノズル２００上に位置することができる。より少ないノッチ２３０によって、より少ないジェットが作られ、そしてノズル２００の全体的な処理質量は減少する。

図５Ａ〜図５Ｃは、噴霧液の複数のジェット２５０を作るノズル２００の画像である。図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃのノズル２００は、それぞれ６個、１２個、２０個のノッチ２３０を含む。

図６Ａ〜図６Ｌは、図１のシステムに用いられ得る例示的なノズル３００の断面図である。図６Ａ〜図６Ｌに示す実施形態により実現されるように、ノズル３００のいくつかの異なる構成はノズル３００が本明細書で記載するように機能することができる。さらに、ノズル３００の構成は、本明細書に具体的に記載されるものに限定するものでない。

図６Ａ〜６Ｌのそれぞれのノズル３００は、ソースエンド３０２およびスプレイエンド３０４を含む。さらに、それぞれのノズル３００は、ノズル３００の縦軸３１０に沿ってアウターチューブ３０８の同軸上に整列したインナーロッド３０６を含む。環状流路３１２は、アウターチューブ３０８の内表面３１４とインナーロッド３０６の外表面３１６との間に規定される。スプレイエンド３０４で、環状流路３１２は円形スリット３１８になる。さらに、スプレイエンド３０４でインナーロッド３０６はセンターピース（center piece）３２０を含み、アウターチューブ３０８は末端部分（またはエンドポーション、end portion）を含む。それぞれのノズル３００はまた、図２に示すノッチ２３０と実質的に同様に機能する複数のノッチ３３０を含む。図６Ａ〜図６Ｌの実施形態は、それぞれを以下に詳細に記載する。

図６Ａに示すノズル３００の実施形態において、インナーロッド３０６とアウターチューブ３０８の両方ともがノッチ３３０をその上に含む。さらに、センターピース３２０は末端部分３２２に対して、凹部を有しておらず、または延在していない。図６Ａに示す実施形態に操作する間、噴霧液は円形スリット３１８から放出される。

図６Ｂに示すノズル３００の実施形態において、アウターチューブ３０８だけがその上にノッチ３３０を含む。すなわち、インナーロッド３０６はノッチ３３０を含まない。さらに、センターピース３２０は末端部分３２２に対して凹部を有している。図６Ｂに示す実施形態の操作の間、噴霧液は円形スリット３１８から放出される。

図６Ｃに示すノズル３００の実施形態は、図６Ｃに示す実施形態がインナーロッド３０６通って規定される中央流路３４０を含むことを除いては、図６Ａに示す実施形態と実質的に同様である。同様に、図６Ｄに示すノズル３００の実施形態は、図６Ｄに示す実施形態がインナーロッド３０６を通って規定される中央流路３４０を含むことを除いては、図６Ｂに示す実施形態と実質的に同様である。図６Ｃおよび図６Ｄの実施形態において、安定化ガスは中央流路３４０から放出される。放出されるガスは、噴霧液が円形スリット３１８から放出されるときに、噴霧液の薄い液体シートの形状を維持することを容易にする。

図６Ｅおよび図６Ｆに示すノズル３００の実施形態は、安定化ガスの代わりに安定化液体が中央流路３４０から放出されることを除いては、それぞれ図６Ｃおよび図６Ｄに示す実施形態と実質的に同様である。安定化ガスと同様に安定化液体は、噴霧液が円形スリット３１８から放出されるときに、噴霧液の薄い液体シートの形状を維持することを容易にする。図６Ｇに示すノズル３００の実施形態は、センターピース３２０が末端部分３２２に対して延在していることを除いては、図６Ｆに示す実施形態と実質的に同様である。

図６Ｈおよび図６Ｉに示すノズル３００の実施形態は、図６Ｈおよび図６Ｉの実施形態がさらに２つ目のアウターチューブ３５０を含むことを除いては、図６Ｃおよび図６Ｄに示す実施形態とそれぞれ実質的に同様である。２つ目のアウターチューブ３５０は、アウターチューブ３０８と同心状に整列し、２つ目の環状流路３５２は、アウターチューブ３０８の外表面３５４と２つ目のアウターチューブ３５０の内表面３５６との間に規定される。２つ目の環状流路３５２は、スプレイエンド３０４で２つ目の円形スリット３６０になる。

図６Ｈおよび図６Ｉに示す実施形態において、２つ目のアウターチューブ３５０はその上にノッチ３３０を含む。１つ目の円形スリット３１８から放出される噴霧液に加えて、シース液（sheath liquid）が薄い（または細い、thin）液体シートの形状で２つ目の円形スリット３６０から放出される。噴霧液およびシース液（両方ともにノズル３００から放出される）があることにより、粒子の封入（または被覆、encapsulation）が容易になり、ノズル３００から作られる粒子は、シース液の粒子により封入された噴霧液の粒子および／または噴霧液の粒子により封入されたシース液の粒子を含む。図６Ｃおよび図６Ｄに示す実施形態と同様に、中央流路３４０から放出される安定化ガスは、噴霧液およびシース液の薄い液体シート形状を維持することを容易にする。あるいは、図６Ｅ〜図６Ｇと同様に、安定化ガスは中央流路３４０から放出されてもよい。図６Ｊに示す実施形態は、センターピース３２０が末端部分３２２に対して延在していることを除いては、図６Ｉに示す実施形態と実質的に同様である。

図６Ｋに示すノズル３００の実施形態は、図６Ｋに示す実施形態がさらに３つ目のアウターチューブ３７０を含むことを除いては、図６Ｈに示す実施形態と実質的に同様である。３つ目のアウターチューブ３７０は２つ目のアウターチューブ３５０と同心状に整列し、３つ目の環状流路３７２は２つ目のアウターチューブ３５０の外表面３７４と３つ目のアウターチューブ３７０の内表面３７６との間に規定される。３つ目の環状流路３７２はスプレイエンド３０４で円形スリット３８０になる。

図６Ｋに示す実施形態において、３つ目のアウターチューブ３７０はその上にノッチ３３０を含む。１つ目の円形スリット３１８から放出される噴霧液および２つ目の円形スリット３６０から放出されるシース液に加えて、３つ目の円形スリット３８０から外周液（outer liquid）が薄い液体シートの形状で放出される。１つ目の円形スリット３１８、２つ目の円形スリット３６０および３つ目の円形スリット３８０からの液体の放出は、粒子の封入および多層粒子（multilayered particles）の製造を容易にする。図６Ｃおよび図６Ｄに示す実施形態と同様に、中央流路３４０から放出される安定化ガスは、放出される液体の薄い液体シート形状を維持することを容易にする。あるいは、図６Ｅ〜図６Ｇと同様に安定化液体が中央流路３４０から放出されてもよい。

円形スリット３１８、３６０および３８０が階段形状に構成され、アウターチューブ３０８が２つ目のアウターチューブ３５０に対して延在し、２つ目のアウターチューブ３５０が３つ目のアウターチューブ３７０に対して延在していることを除いては、図６Ｌに示す実施形態は図６Ｋに示す実施形態と実質的に同様である。階段形状により、図６Ｋに示す実施形態よりも低い電圧を図６Ｌに示す実施形態に印加して、安定したマルチジェット操作を達成してもよい。図６Ｌおよび図６Ｋに示す実施形態において、３つ目の円形スリット３８０から放出される外周液は、１つ目の円形スリット３１８から放出される噴霧液および２つ目の円形スリット３６０から放出されるシース液のうち少なくとも一方と同じ液体であってよい。あるいは、噴霧液、シース液および外周液は、全て異なる液体であってもよい。さらに、図６Ａ〜図６Ｌに示す実施形態において、特定の流路がガスまたは液体を含むように示されるが、その他にも、ノズル３００が本明細書に記載されるように機能できるように、任意の適切な流体（すなわち、ガス、液体）が任意の流路に供給されてもよい。

本明細書に記載するノズルを使用して複数の実験が実行された。以下の例では、イソプロパノールを噴霧液として選択し、硝酸をイオン添加剤として使用し、噴霧液の導電率を０．００７９μＳ／ｃｍ（純イソプロパノール）から１，０４４μＳ／ｃｍまで変化させた。噴霧液の導電率は導電率計（Ｏｒｉｏｎ １６２Ａ、Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）により測定され、純イソプロパノールの電気抵抗率は研究室で作成した液体セルにより測定した。あるいは、当業者なら容易に理解するように、システム１００が本明細書に記載するように機能することができる任意の噴霧液が使用されてよい。

図７は、異なる数のノッチを有するノズルに対する、安定したマルチジェット操作を確立ために印加する電圧を示すグラフである。グラフは、印加する電圧がノッチの数とともに増加することを実証する。また、安定したマルチジェット操作の確立のために印加する電圧も、供給する噴霧液の流量にわずかに比例するということもわかる。

１つの実施例において、複数のジェット形成の発達（または変遷、evolution）を調べるため、スプレイ電流が測定され、印加する電圧が連続的に上昇しそれから低下させたときのジェットの数が数えられた。図８Ａ〜図８Ｃは、６個、１２個および２０個のノッチを備えるノズルのそれぞれについてのスプレイ電流を、印加する電圧の関数として示すグラフである。スプレイ電流およびジェットの数は印加する電圧の上昇に伴って増加した。安定したマルチジェット操作（ジェットの数がノッチの数と同じである）は、十分に高い印加電圧で達成された。印加する電圧が低下すると、ジェットの数はそれに応じて減少した。さらに、グラフに示すように、ヒステリシス現象が観測された。

他の実施例において、ノズルの質量処理能力を決定するために、様々な導電率の噴霧液を用いてノズル操作に対する最大液体流量（Ｑｍａｘ）を見出した。図９は、最大液体流量を噴霧液の導電率の関数として示したグラフである。グラフは、噴霧している液体の導電率が上昇するにつれてＱｍａｘの値が著しく低下し、高い導電率を有する噴霧液であるほど、安定したマルチジェット操作を確立するのにより強い電界を一般的に使用するという事実に起因することを実証する。グラフはまた、ノッチの数が増加するにつれてＱｍａｘが増加することも実証する。これは、ノッチの数が多量であるほどより多くのジェットを確立することができ、これにより噴霧液の流量および全体の質量処理能力が増加するためである。

図１０は、既知の単一細管ノズルの最大液体流量に対する本明細書に記載の液体シートノズルの最大液体流量の比率を、噴霧液の導電率の関数として示すグラフである。この例において、単一細管ノズルの直径および液体シートノズルの円形スリットの幅は、ともに１５０μｍである。図１０のグラフ内に示すように、０．００７９μＳ／ｃｍの導電率の噴霧液を使用するとき、２０個のノッチを備える液体シートノズルの最大液体流量、すなわちＱｍａｘは、単一細管ノズルの最大流量よりも１６６倍大きかった。さらに、１，０４４μＳ／ｃｍの導電率の噴霧液を使用するとき、２０個のノッチを備える液体シートノズルの最大液体流量は、単一細管ノズルの最大液体流量よりも７０倍大きかった。

とりわけ、２０個のノッチを備える液体シートのノズルのＱｍａｘの値は、２０個の単一細管ノズル全体の液体流量の合計よりも、はるかに高い。この同様の現象は、６個および１２個のノッチを備える液体シートノズルを使用しても観測される。これは、単一細管ノズルの既存の一次元配列および二次元配列に比べて、液体シートノズルが、広い範囲の導電率を有する噴霧液の質量処理能力を劇的に増加させる可能性を持っていることを意味する。

図１１は、システム１００で使用することができる代替ノズル５００の平面図である。図１２は、図１１で示すノズル５００の斜視図である。１つの実施形態において、ノズル５００は第１プレート５０２、第２プレート５０４、ソースエンド５０６およびスプレイエンド５０８を含む。平面的な流路５１０は、第１プレート５０２と第２プレート５０４との間に規定される。平面的な流路５１０は、スプレイエンド５０８で線形のスリット５１２になる。操作中、噴霧液は線形のスリット５１２からのノズル５００から放出される。ノズル２００から放出される薄い液体シートが実質的に円筒形状であるのに対し、ノズル５００から放出される薄い液体シートは実質的に平面状である。

１つの例示的実施形態において、複数のノッチ５１４は、第１プレート５０２および第２プレート５０４の両方の上に位置し、互い違いとなる。あるいは、ノッチ５１４は、第１プレート５０２と第２プレート５０４のうちの１つの上にのみ位置してもよい。ノッチ５１４に電圧を印加することで、ノッチ５１４は薄い液体シートを複数のジェットに分離しやすくなり、実質的にノズル２００のノッチ２３０と同様である。

図１〜６Ｌ、１１、１２に示すノズルは、液体シートを放出するための例示的な手段を構成する。さらに、図２〜６Ｌ、１１、１２に示すノッチは、ノズルから放出された液体シートをマルチジェットに分離するための例示的な手段を構成する。さらに、図６Ｃ〜６Ｌに示すノズルは、ノズルから放出される液体シートの形状を維持するための例示的な手段を構成する。

本明細書で具体的に記載される円筒形状および平面状のノズルに加えて、当業者なら容易に理解するように、本明細書で記載するようにシステム１００を機能することができる任意のノズルの形状および／または構成が利用されてもよい。

本明細書で記載する実施形態は、薄い液体シートを作り出すノズルを用いる電気流体力学的噴霧、すなわち電気スプレイ（ＥＳ）を可能にする。本明細書で記載の方法およびシステムはＥＳシステムの質量処理能力を増加し、複数の単一細管ノズルを用いる既知のＥＳシステムに比べて構成費用および製造費用を低減する。本明細書で記載するノズルは、噴霧液の薄い液体シートを放出するよう構成される環状および／または平面状のスリットを含む。薄い液体シートを複数のジェットに分離するように、またそのジェットを安定的な操作のために固定するように、複数のノッチが環状および／または平面上スリットに含まれる。すなわち、それぞれのノッチは、対応するジェットがノズルの周りに移動するのを防ぐことにより、その対応するジェットを固定し、実質的にその対応するジェットの位置を固定する。本明細書に記載するノズルに電圧が印加されるとき、これらのノッチの局所的な電界の増大が可能になる。さらに、本明細書に記載のノズルの安定的なマルチジェット操作は、様々な導電率を有する噴霧液の広範囲にわたって確立することができる。

さらに、複数列の（an arrays of）単一細管ノズルを用いる既知のＥＳシステムに比べて、複数の液体流れの給水流路および／または分配流路は、本明細書に記載するノズルにはもはや必要でない。このように、本明細書に記載するノズルの構成概念および製作は既知のノズルよりも単純であり、ノズルの構成および／または配置の融通（または柔軟性、flexibility）を可能とする。

本明細書で記載するノズルを利用した実験を通して、ジェットの数および液体流量の両方ともが増加するにつれ、安定したマルチジェット操作を確立するために印加される電圧が増加することが実証された。さらに、本明細書で記載するノズルを通る最大の運用流量は、噴霧液の導電率の関数となった。さらに、いくつかの数のノッチを備える液体シートノズルの最大流量は、並べられた同数の単一細管ノズルの総流量合計よりも常に大きくなる。その結果、本明細書で記載する液体シートノズルは優れたＥＳ技術を可能とする。さらに、噴霧液の液体シートの形状は、既知の単一細管ノズルから放出されるコーンジェットとは対照的に、ノズルのデザインが、限定されるものではないが、環状および／または平面上のスリットを含む様々な幾何学形状を有することを可能にする。

本明細書で例示および記載する開示の実施形態での操作の遂行または実行（execution or performance）の順序は、特に明記しない限り、不可欠な要素ではない。すなわち、特に明記しない限り、任意の順序で操作を遂行してよく、開示の実施形態は、追加的な操作を、または本明細書に記載されるよりも少ない操作を含んでよい。例えば、別の操作の前、同時または後に特定の操作の実行または遂行をすることは、開示の態様の範囲内である。

開示の態様またはその実施形態の要素を取り上げるとき、冠詞“ａ”、“ａｎ”、“ｔｈｅ”および“ｓａｉｄ”は、１つ以上の要素があることを意味することを目的とする。“〜を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）”、“〜を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）”および“〜を有する”は、包括的であり、記載された要素以外に付加的な要素があってもよいことを意味することを意図する。

ここに書かれた記載は、実施例を用いて最良の形態を含む開示を公開し（disclose the disclosure）、また当業者が、任意の装置またはシステムを作ること、および用いること、ならびに任意の取り込まれた方法を実行することを含む開示を実行することも可能である。本開示の特許を受けることが出来る範囲は、請求項によって規定され、また当業者が思いつく他の実施例を含んでもよい。このような他の実施例は、それらが、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と均等な構造要素を有する場合、当該特許の範囲内であることが意図される。

Claims (20)

1. インナーロッドと、
   前記インナーロッドと同心状に整列するアウターチューブと、
   前記インナーロッドと前記アウターチューブとの間に規定され、前記ノズルのスプレイエンドに円形スリットを形成する環状流路と、
   前記円形スリットに近接する前記インナーロッドと前記アウターチューブの、少なくとも一方の上に位置する少なくとも１つの帯電可能なノッチと、
   を含む電気流体力学的噴霧のためのノズル。
2. 前記インナーロッドがその内部を通って規定される中央流路を含む、請求項１に記載のノズル。
3. 前記中央流路が、その内部を通る安定化ガスおよび安定化液体の少なくとも一方の流れを容易にするように構成される、請求項２に記載のノズル。
4. 前記インナーロッドおよび前記アウターチューブと同心状に整列した最外部チューブを更に含み、前記アウターチューブと前記最外部チューブとの間に外側流路が規定される、請求項１に記載のノズル。
5. 前記最外部チューブ上に位置する少なくとも１つの帯電可能なノッチを更に含む、請求項４に記載のノズル。
6. 前記少なくとも１つの帯電可能なノッチが、前記インナーロッドと前記アウターチューブの一方の上にのみ位置する、請求項１に記載のノズル。
7. 前記インナーロッドが前記ノズルのスプレイエンドにセンターピースを含み、前記アウターチューブが前記ノズルのスプレイエンドに末端部分を含み、前記センターピースが前記末端部分に対して凹部を有する、請求項１に記載のノズル。
8. 前記インナーロッドが前記ノズルのスプレイエンドにセンターピースを含み、前記アウターチューブが前記ノズルのスプレイエンドに末端部分を含み、前記センターピースが前記末端部分に対して延在している、請求項１に記載のノズル。
9. 前記少なくとも１つの帯電可能なノッチが複数のノッチを含み、前記複数のノッチが互いに間隔を空けて配置され、前記複数のノッチが帯電している時に、前記複数のノッチの１つにより作られる電界が前記複数のノッチの近接するノッチにより作られる電界によって妨げられない、請求項１に記載のノズル。
10. 電気流体力学的噴霧のシステムであって、
    ノズルであって、
    ソースエンドと、
    スプレイエンドと、
    第１表面を含む第１部品と、
    第２表面を含む第２部品と、
    第１表面と第２表面との間に規定され、前記ノズルの前記スプレイエンドに出口スリ
    ットを形成する流路と、
    前記出口スリットに近接する前記第１部品および前記第２部品の少なくとも一方の上
    に位置する、少なくとも１つの帯電可能なノッチと、
    を含むノズルと、
    前記ノズルに電気的につながれ、前記少なくとも１つの帯電可能なノッチに電圧を供給するように構成された電源と、
    前記ノズルの前記ソースエンドで流体連通し、前記ノズルを通る噴霧液を押し出すように構成されるシリンジポンプと、
    を含む電気流体力学的噴霧のシステム。
11. 前記第１部品が第１プレートを含み、前記第２部品が第２プレートを含み、前記流路が実質的に平面状である、請求項１０に記載のシステム。
12. 液体シートの放出のためのノズル手段をさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記ノズルから放出される液体シートを複数のジェットに分離するためのノッチ手段をさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記ノズルから放出される液体シートの形状を維持するための手段をさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
15. 前記少なくとも１つの帯電可能なノッチが第１ノッチおよび第２ノッチを含み、前記第１ノッチおよび第２ノッチが互いに間隔を空けて配置され、電圧が前記第１ノッチおよび第２ノッチに供給されている時、前記第１ノッチによって作られる電界が前記第２ノッチによって作られる電界を妨げない、請求項１０に記載のシステム。
16. 電気流体力学的噴霧の方法であって、
    ノズルであって、インナーロッド、前記インナーロッドと同心状に整列したアウターチューブ、前記インナーロッドと前記アウターチューブとの間に規定される環状流路、前記ノズルのスプレイエンドに円形スリットを形成する前記環状流路および前記円形スリットに近接する前記インナーロッドおよび前記アウターチューブの少なくとも一方の上に位置する複数のノッチ、を含むノズルを提供することと、
    前記複数のノッチに電圧を供給することと、
    前記ノズルの前記環状流路を介して噴霧液を送り出すことと、
    を含む方法。
17. 前記インナーロッドがその内部を通って規定される中央流路を含み、前記方法が、前記中央流路を通じて安定化ガスを送り出すことをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記インナーロッドがその内部を通って規定される中央流路を含み、前記方法が、前記中央流路を通じて安定化液体を送り出すことをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記インナーロッドおよび前記アウターチューブと同心状に整列した最外部チューブを提供し、前記アウターチューブと前記最外部チューブとの間に外側流路が形成されることと、
    前記外側流路を通してシース液を送り出すことと、
    をさらに含む請求項１６に記載の方法。
20. 電圧の供給が、前記複数のノッチのそれぞれで噴霧液のジェットが形成されるような電圧の提供を含む、請求項１６に記載の方法。

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