特許 7432949 液体金属を処理するソノトロードおよび液体金属を処理する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-08

(45)【発行日】2024-02-19

(54)【発明の名称】液体金属を処理するソノトロードおよび液体金属を処理する方法

(51)【国際特許分類】

   B06B 3/00 20060101AFI20240209BHJP

【ＦＩ】

B06B3/00

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021566324

(86)(22)【出願日】2020-05-12

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-07-22

(86)【国際出願番号】 IB2020054490

(87)【国際公開番号】W WO2020230027

(87)【国際公開日】2020-11-19

【審査請求日】2023-02-16

(31)【優先権主張番号】PL429907

(32)【優先日】2019-05-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】PL

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】521483607

【氏名又は名称】ズロドウスキ，ルカシュ

(74)【代理人】

【識別番号】110000659

【氏名又は名称】弁理士法人広江アソシエイツ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ズロドウスキ，ルカシュ

【審査官】中島 亮

(56)【参考文献】

【文献】西独国特許出願公開第０２７３２６１６（ＤＥ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００６／０３６０３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０２７０９７２６（ＥＰ，Ａ１）

【文献】特表２０１８－５２６２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２１１４６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０６Ｂ １／００－ ３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ソノトロード（１０１）であって、機械的な振動源に接続されるように適合された第１の端部を有し、前記ソノトロード（１０１）の反対側の端部に熱い材料を噴霧するための作動先端（１０５、２０５、４０５、８０５）を有し、第１のシール（１０６）で密封され、かつ前記ソノトロード（１０１）の本体（１０４）と接触する場所において、前記作動先端（１０５、２０５、４０５、８０５）に近いソノトロード本体（１０４）内の定常波の腹の近傍に配置された第２のシール（１０７）で密封された冷却ジャケット（１０３）を有する前記本体（１０４）をさらに有するソノトロード（１０１）において、
前記第１のシール（１０６）が、作動状態で前記ソノトロードにおいて励起された定常波の節の場所の近傍に配置され、
前記第２のシール（５０７、６０７）が、弾性要素（５０８、６０８）および弾性要素（５０８、６０８）を前記熱い噴霧された材料から保護するためのシールド（５０７、６０７）を装備しており、前記弾性要素（５０８、６０８）は可撓性エラストマーであることを特徴とする、ソノトロード（１０１）。

【請求項2】

前記作動先端が、前記ソノトロード（１０１）の前記本体（１０４）の前記作動先端（２０５）であることを特徴とする、請求項１に記載のソノトロード。

【請求項3】

前記作動先端が、前記ソノトロードに着脱可能に接続された要素（４０５、８０５）であることを特徴とする、請求項１に記載のソノトロード。

【請求項4】

前記第２のシールが、金属弾性要素（２０８）と一体化されたポリマーシール（２０７）であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のソノトロード。

【請求項5】

前記第２のシールが、前記作動先端に接続されたダイアフラム（４０７、６０７）であることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のソノトロード。

【請求項6】

前記ダイアフラムが、１００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導性を有する材料で作られていることを特徴とする、請求項５に記載のソノトロード。

【請求項7】

前記ダイアフラムが２０％ＩＡＣＳを超える電気伝導性を有する材料で作られ、前記ダイアフラムが超音波システムの軸方向に１０ｋＮ／ｍｍ以下の剛性を有することを特徴とする、請求項６に記載のソノトロード。

【請求項8】

前記第１のシールがエラストマー製のＯリングであることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載のソノトロード。

【請求項9】

前記本体（１０４）に、前記第１のシールの近傍に弾性フランジ（７１２）が取り付けられることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載のソノトロード。

【請求項10】

機械的に振動するように励起された前記ソノトロードの前記作動先端（１０５、２０５、４０５、８０５）上で金属が溶融される金属処理方法であって、前記ソノトロードが請求項１～９のいずれか一項に記載のソノトロードであることを特徴とする、金属処理方法。

【請求項11】

１６～４００ｋＨｚの周波数範囲内の機械的振動が使用されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記溶融中に、前記ソノトロードがアルゴンで満たされた真空チャンバ内に配置されることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の方法。

【請求項13】

電気伝導性であり、電気コネクタとして機能する前記第２のシールを介して、前記溶融が電流を流して行われることを特徴とする、請求項１０～１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

前記ソノトロードの冷却流体がエチレングリコールを含有する流体であることを特徴とする、請求項１１～１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項15】

前記ソノトロードの冷却流体がオイルミストを含有する流体であることを特徴とする、請求項１１～１３のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ソノトロード、特に機械的振動を液体金属に伝達するように適合された超音波ソノトロードに関する。本発明はまた、超音波アシスト金属合金化の方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

先行技術によれば、超音波周波数振動は、液体金属の処理に使用される。この方法の典型的な用途は、霧化および合金化である。典型的には、超音波システムは、圧電トランスデューサまたは磁歪トランスデューサによって撹拌される。これらのトランスデューサの作動温度上限がほとんどの金属の融解温度よりもはるかに低いという事実により、超音波システムには、例えば液体の流れや噴霧または気体流が適用された高効率の冷却システムを必要とする。

【0003】

超音波処理を安定した様式で行うためには、ソノトロードが液体金属に対して良好な濡れ性を維持し、ソノトロード表面の温度を処理される合金の融点よりも高く維持することが必要である。圧電トランスデューサの作動温度に制限があるため、高温勾配が生じ、ソノトロードの作動時間が短くなる原因となる。同時に、材料の制限と高い疲労負荷により、この現象によって最高作動温度が約７００℃に制限される。

【0004】

超音波周波数振動の用途の１つに液体金属の噴霧がある。ソノトロード－振動システム用の冷却システムを有する超音波噴霧器は、中国特許ＣＮ１４２２７１８号が公知の形態である。液体金属は振動するソノトロードに直接接触し、ソノトロードは液体合金を噴霧し、その液滴は粉体の形で凝固する。圧電セラミックスを含有するシステムの一部は空冷され、ソノトロードは水または空気で独立して冷却され、２つのアクティブな冷却ステップが確実に存在することが保証される。このアプローチの欠点は、すなわち、７００℃を超える温度では熱抵抗が低いことと、液体金属との接触により周波数が大きく変動することである。ソノトロードは、作動先端から１／４λ（機械的定常波長）を超えてのみ冷却される。

【0005】

超音波噴霧で使用される振動部品の熱安定性を維持するための別の方法は、ＵＳ２８８９５８０に記載されるような冷却コイルを使用することである。この方法の欠点は、冷却コイルと振動部品との間の境界で摩擦による機械的損失が大きいことである。

【0006】

金属の超音波撹拌を使用する別の用途として、超音波アシストはんだ付けがある。米国特許文献ＵＳ３８３３１６３には、熱伝導性の高い金属と低い金属からなる超音波システムの適用を通して、液体金属を撹拌する方法が記載されている。高温の部品と直接接触する材料は、熱伝導性の低いチタン製である。その後、高い熱伝導性を有するアルミニウム製のラジエータに接続される。これらの２つの材料の組み合わせは、液体金属からトランスデューサへの効果的な熱伝達の制限と放熱の加速を可能にする。しかしながら、媒体の温度がソノトロードの作動温度を超える場合には、この解決策を適用することはできない。

【0007】

英国特許文献ＧＢ１５９４９７７には、液体金属を均質化するためのソノトロードのための冷却システムが記載されている。導波管（ブースタ）は、定常波節近傍のウォータージャケットによって冷却される。同様の方法が、米国特許文献ＵＳ３７６２３６にも開示されており、液体はんだ中で作動するソノトロードの熱安定性を失わないようにするための水冷システムの使用が記載されている。振動する部品はウォータージャケットで囲まれ、シールは定常波節に配置される。いずれの場合も、ソノトロード冷却システムはソノトロードの前面から少なくとも１／４λに位置し、この解決策は作動温度が７００℃よりも高い材料には使用できない。

【0008】

概して、先行技術の液体冷却方法の重大な欠点は、高温下で材料の疲労強度が低下するために、ソノトロードが機械的に破損しやすいことと、冷却システムのシールがソノトロードを介して伝達される振動に著しく影響されやすいことである。第２の問題は、ポーランド特許出願第Ｐ４２３４０８号で部分的に解決された。その発明は、高温での作動に特化した超音波システムに関する。ソノトロードは、高い熱伝導性を有する材料、好ましくは銅合金－ＣｕＣｒＺｒ、ＣｕＢｅ、またはタングステン焼結体から作製される。ソノトロードを追加の導波管に接続し、当該作動条件下でソノトロードに励起された定常波の節の近傍でシールを直接使用した。この解決策により、縦方向の振動がシールに与える影響が排除され、ソノトロードに対して実質的に静止している信頼性の高い密封システムを使用する可能性が保証された。出願Ｐ．４２３４０８号によるソノトロードの欠点は、特に長期間の使用において機械的損傷を受けやすいことである。これにより、高い振幅増幅の使用が妨げられ、ソノトロードの作動温度が制限される。さらに、ソノトロードは、熱伝導性が高く、かつ超音波部品に一般的に使用される材料よりも機械的特性が低い材料を使用する必要がある。

【0009】

米国特許文献ＵＳ５７７２１００では、２つの締結要素を有するソノトロード実装が記載されている。第１の締結要素は波腹（トランスデューサとの接触点）に、第２の締結要素は波節（ソノトロードの長さの半分）に位置する。作動先端は、本体から１／４波長の位置にある。

【発明の概要】

【0010】

本発明の目的は、機械的な損傷を受けやすいというソノトロードの問題を解決し、信頼性の高い液体材料処理のためのソノトロードおよび液体金属の処理方法を提供することである。

【0011】

ソノトロードであって、機械的な振動源に接続されるように適合された第１の端部を有し、ソノトロードの反対側の端部に作動先端が装備されており、超音波振動が励起される本体が装備されており、本発明による、第１のシールおよび第２のシールを有する本体との接触点で密封された冷却ジャケットが取り付けられている、ソノトロードにおいて、第１のシールが作動温度で励起されたソノトロード内の定常波節から２０ｍｍ以下の距離にあることを特徴とする。ソノトロードの作動温度は、処理される材料の溶融温度と冷却システム効率に依拠する。第２のシールには弾性要素が装着されており、ソノトロードの作動先端から２０ｍｍ以上離れていない。この構成により、ソノトロードは、作動先端からの第１の定常波節の前で効果的に冷却される。発明者が気づいたように、先行技術におけるソノトロードの損傷のしやすさは、先行技術におけるソノトロードが冷却されている波動節で最大の機械的応力が発生するという事実に起因する、という先行技術において指摘されている問題が、これにより解決される。その結果、波節の場所だけでシステムの冷却を確保すると、損傷のリスクが高まる。本発明による解決策は、最大振動振幅に近い場所に密封の使用を必要とし、その結果、追加の弾性要素を使用する必要性がある。さらに、作動先端に近いシールは、頻繁に交換され、消耗品として扱われる必要がある。

【0012】

有利には、作動先端は、ソノトロードの作動面である。

【0013】

あるいは、作動先端は、ソノトロードに別々に接続された部品である。したがって、ソノトロードの本体は消耗品ではないが、先端は消耗品である。先端は第２のシールと一緒に交換することができる。作動先端は、ソノトロードの本体とは異なる材料で作製され得る。

【0014】

有利には、ソノトロードには、第２のシールの追加のカバーが取り付けられている。作動面の過酷な条件により、第２のシールは熱による損傷や液体金属の噴霧の影響を受けやすい。この問題は、金属合金で作られたシールドをシールの近くに配置することで制限される。追加のシールドを使用することで、予想されるサービス時間を作動先端のサービス時間に適応させることが可能になる。

【0015】

有利には、第２のシールは、金属弾性要素と一体化されたポリマーシールである。この解決策により、シールを追加圧縮することなく、ソノトロード本体上にシールを直接配置することを可能にする。本発明の別の有利な実施形態では、第２のシールは、１ｍｍ未満の厚さを有する２つのプレートによって圧縮される。

【0016】

あるいは、第２のシールは、作動先端に接続されたダイアフラムである。好ましくは、ダイアフラムは、１００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導性、好ましくは２０％ＩＡＣＳを超える電気伝導性も有する材料で作られ、超音波システムの軸方向に１０ｋＮ／ｍｍ以下の剛性を有する。硬すぎるダイアフラムは、冷却システムのカバーに振動を伝えてしまう。２０％ＩＡＣＳを超える電気伝導性を有する材料を使用しているため、ダイアフラムの加熱によるその機械的特性への影響は少ない。

【0017】

有利には、第１のシールは、エラストマー製のＯリングである。

【0018】

有利には、ソノトロードの本体には、第１のシールにおいて弾性フランジが装着されている。

【0019】

金属処理のための方法であって、金属が、ソノトロードの作動面上で溶融され、機械的に振動するように励起され、ソノトロードが、請求項１～９のいずれか一項に記載されるように使用されることを特徴とする。

【0020】

有利には、１６～４００ｋＨｚの周波数範囲内の機械的振動が使用される。この範囲の周波数は金属処理に有用であり、機械的な振動源は非常に簡単に利用できる。これらの周波数範囲では、寸法を簡単に調整することができる。

【0021】

有利には、溶融中、ソノトロードは、アルゴンで満たされた真空チャンバに配置される。

【0022】

有利には、溶融は電流の流れによって行われる。有利には、電流は、ダイアフラムである第２のシールを通って流れる。

【0023】

有利には、エチレングリコールが、ソノトロードの冷却流体として使用される。

【0024】

有利には、エチレングリコールと水との混合物が、冷却流体として使用される。

【0025】

本発明の別の有利な実施形態では、第２のシールは、１ｍｍ未満の厚さを有する２つのプレートで圧縮される。本発明の別の好ましい実施形態では、第２のシールは、作動先端によって圧縮されたポリマーまたは金属ダイアフラムで作製される。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1a-8】本発明の主題は、実施形態に示される。 図１ａは、超音波システムを示す図であり、その一部が本発明によるソノトロードであり、そのソノトロードにはトランスデューサが直接接続されている。 図１ｂは、超音波システムを示す図であり、その一部が本発明によるソノトロードであり、導波管を介してソノトロードに接続されたトランスデューサを有する。 図２ａは、本発明の第１の実施形態によるソノトロードの斜視図である。 図２ｂは、本発明の第１の実施形態によるソノトロードの縦断面図である。 図３は、第１の実施形態の第２のシールの拡大図である。 図４ａは、第２の実施形態によるソノトロードの斜視図である。 図４ｂは、第２の実施形態によるソノトロードの縦断面図である。 図５は、第２の実施形態における第２のシールの拡大図である。 図６は、第２の実施形態における第２のシールの変形例の拡大図である。 図７ａは、波節での密封の例を示す拡大図である。 図７ｂは、波節での密封の例を示す拡大図である。 図７ｃは、波節での密封の例を示す拡大図である。 図８は、液体金属の均質化処理中の作動先端を有するソノトロードを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

本発明によるソノトロード１０１は、図１ａおよび図１ｂに示されるシステム等の、液体金属を均質化するための超音波システムの一部を構成し得る。ソノトロード１０１は、超音波源、例えば、トランスデューサ１０２に直接または導波管１０２ａを介して接続される必要がある。ソノトロード本体１０４では、定常波が励起される。これを可能にするために、作動温度における本体１０４の寸法とトランスデューサ１０２の周波数が、適合する必要がある。トランスデューサ１０２とは反対側に配置されたソノトロード１０１の作動先端１０５は、液体金属と直接接触している。ソノトロードの作動先端１０５は振動によって振動し、液体合金の均質化をもたらし、結晶化中の等軸粒成長を確実にする。

【0028】

処理中、ソノトロードは冷却を必要とし、そのため冷却流体の入口１０９ａと出口１０９ｂが取り付けられた冷却ジャケット１０３が装着される。冷却流体は、液体または気液コロイド系、例えばオイルミストであり得る。オイルミストを使用すると、オイルが蒸発する際に吸収されるエネルギーを冷却に利用することができる。本体１０４に接触するジャケット１０３は、第１のシール１０６および第２のシール１０７で密封される。第１のシール１０６は、本体内の定常波の節の近傍に配置されるため、第１のシール１０６に対する本体の変位は無視できる。第２のシール１０７は、ソノトロード本体１０４内の定常波の腹の近傍に配置されるため、可動である必要がある。

【0029】

以下の実施形態に記載されるソノトロード本体１０４は、半波長であり、これは、基部１０４ａから作動先端１０５の端部までの長さにおける作動温度および作動周波数２０ｋＨｚにおいて、音波の半分の長さが適合することを意味する。したがって、本体１０４の軸線に沿って基部１０４ａからの距離値は１つしかなく、ソノトロード励起中に超音波の縦方向の振動が発生しないことを保証する。これは、波節が位置する距離である。基部表面１０４ａおよび作動先端１０５の表面は、本体１０４内で励起された定常波の波腹内に位置する。専門家であれば、定常波の半分の倍数の長さをもち、同様の機能を有するシステムを日常的に製造することができる。例えば、いくつかの場合では、ソノトロードと導波管を１つの要素に統合することが妥当である。

【0030】

本発明の第１の実施形態によるソノトロードは、２０ｋＨｚの公称周波数で作動する少なくとも１つの超音波発生器および超音波トランスデューサを含有する超音波システムの作動要素である。

【0031】

ソノトロードは、図２ａに斜視図で、図２ｂに断面図で示される。本実施形態によるソノトロードは、ソノトロード本体１０４と、冷却ジャケット１０３と、第１のシール１０６と、本体１０４の上面２０５である作動先端と、第２のシール２０７とを含む。

【0032】

冷却ジャケット１０３は、ソノトロード本体の作動先端２０５により近い部分に確保され、一方の側から本体が取り付けられた第１のポリマーシール１０６で密封され、他方の側ではソノトロードの作動先端を構成する作動面２０５の近傍で弾性要素２０８を有する第２のシール２０７で密封されている。

【0033】

作動中のソノトロードの最大応力は、長さλ／４でのその中央（所与の材料－波節における定常波長の１／４）で発生する。ソノトロードは、超音波システムの周波数に対応する周波数で疲労応力を受ける。ソノトロード内の応力は、正弦関数のように波節からの距離とともに減少する。これは、λ／２方向のソノトロードの疲労強度要件がはるかに低いことを意味する。ソノトロードλ／４における絶対最大応力値は、主に振幅と材料の密度に依拠し（Ｒｏｕｃａらによる、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｈｏｒｎｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ ２００９）、高増幅時に４００ＭＰａを超える。ほとんどの建築材料の疲労強度は、温度が上昇するにつれて低下する。特に相同温度（使用温度と融点の比）が１／２になると、その低下は顕著になる。例えば、Ｔｉ６Ａ１４Ｖ（ＡＳＴＭグレード５）合金は、最大６００ＭＰａの疲労強度に達し、１０７３Ｋを超える温度では１００ＭＰａ未満に低下する。同様に、タングステン合金（デジメット、Ｄｅｓｉｍｅｔ）の場合、疲労強度は最大４００ＭＰａに達するが、１５７３Ｋでは２０ＭＰａ未満に低下する。

【0034】

したがって、高温では静的強度の高い材料が存在するにもかかわらず、この範囲の疲労強度が超音波処理の主な制限となっている。これまでのところ、冷却システムまたは隔離に関係なく、超音波システムの有効温度の限界は約１０００Ｋであり、すなわちアルミニウムの融点よりもそれほど高くはなかった。この限界を超えてシステムを動作させるには、窒化ケイ素などの高価なセラミック材料の使用、または連続的なソノトロード冷却システムの使用を必要とする。

【0035】

ソノトロードの作動先端のより近くに冷却システムを提供することにより、ソノトロードの損傷を最も受けやすい部分の温度を低下させることが可能になった。これは、作動先端により近いシールの作動条件を犠牲にして得られたものである。このシールは、ソノトロード本体の定常波の腹に配置されており、作動条件が不利となる原因になる。本発明に精通していない専門家は、適切な密封を確保するという複雑な問題のせいで、そのような解決策をおそらくは考慮しないであろう。

【0036】

ソノトロード本体１０４は、密度に対する引張弾性率が高く、疲労強度が高く、音響損失が低い材料で作製される。典型的には、最先端技術で使用される材料は、チタンまたはアルミニウム合金である。ソノトロードの材料が作動面から冷却液に熱を伝導するという事実を考慮すると、高い熱伝導性を有する材料は、この用途に特に適している。超音波材料の専門家はまた、処理される媒体の特性に応じて、例えば、タングステンまたは銅合金などの他の材料を提案することができるであろう。

【0037】

実施形態によるソノトロード本体１０４は、アルミニウムＰＡ７Ａ合金製で、２９７Ｋの温度で１３６ｍｍの長さを有する。それは、円筒形に始まり円筒形に終わる軸線対称の形状を有するものである。作動温度および処理中、定常波節は、作動表面２０５から７０ｍｍの位置にある。

【0038】

本実施形態では、振動振幅を４倍に増幅するために、基部１０４ａの表面積と作動面２０５の比で決まる段差のあるソノトロードが得られるようにソノトロード本体２０４の形状を設計した。第１の円筒部分と第２の円筒部分との間のソノトロードのプロファイルの変化は、エッジが半径１０ｍｍに丸められることを確実にするようなやり方で行われる。

【0039】

専門家は、特定のニーズおよび選択された材料に応じて、例えば、対数増幅を伴うソノトロード、対称軸線を伴わないソノトロード、または追加のリブを伴うソノトロードなど、異なるソノトロードプロファイルの変更を日常的に提案することができる。ソノトロードのプロファイルを変更しても、波節の場所にはほとんど影響を与えない。しかしながら、試験の結果、有用な周波数の範囲のソノトロード波節は、通常、ソノトロードの長さの半分と、２０ｍｍ拡大したソノトロードの長さの半分の範囲内にあることが示されている。

【0040】

第１のシール１０６は、ソノトロードの作動先端から７０ｍｍの位置にあり、定常波節内にある。したがって、縦方向の振動にさらされることはない。

【0041】

ソノトロード本体１０４の半分の長さで、波節内の縦方向の振動が最小となる場所に、第１の冷却システムシールが配置される。試験では、節から２０ｍｍ未満の距離では、振動振幅が典型的な静的シーラントを使用する程度に低いことが示されている。この観察結果は、波節の場所がソノトロード本体１０４のプロファイル、およびソノトロード本体内の温度および温度分布に依拠するという事実により特に重要である。実施形態において、第２のシールは、ウォータージャケットフランジによって圧縮されたＯリングである。弾性Ｏリングは、ソノトロードの周りで圧縮され、ジャケット１０３と本体１０４との間に冷却システムの閉鎖が生じる。

【0042】

トランスデューサまたは導波管と直接接触する表面１０４ａ上のソノトロード本体１０４は、システムアセンブリのための雌ネジを有する。作動面２０５により近いソノトロードの部分に冷却ジャケット１０３が存在するため、トランスデューサ１０４ａと直接接触する表面は、システム内の機械的損失を通してのみ加熱される。したがって、部品の接合および結合の保持には、典型的な超音波の最先端技術の方法が使用される場合がある。

【0043】

本実施形態では、作動面２０５に隣接して位置する第２のシールは、図３に詳細に示されるように、ジャケット１０３の端部で弾性要素２０８と一体化され、ソノトロード本体１０４の端部で締め付けられたポリマーシール２０７である。これにより、低振幅の超音波および低い冷却液圧が使用される場合に、システムの簡易性が保証される。後続の実施形態において後述する、作動チャンバの近傍で密封するための他の可能な解決策もある。

【0044】

図４ａおよび図４ｂでは、図５に示されるように、ソノトロード本体１０４にねじ込まれた作動先端４０５を有する第２の実施形態によるソノトロードが、ダイアフラム弾性要素５０８を有するダイアフラム４０７に接続されている。ダイアフラム４０７は、作動先端４０５によってソノトロード本体１０４に対して押圧される。さらに、図５に示されるように、ソノトロードはダイアフラム４０７のシールド５１０を装備し、ダイアフラム４０７を、噴霧された材料から保護することができる。有効な解決策は、ジャケット１０３にプレートを装備し、このプレートを使用してダイアフラム４０７をシールド５１０に押圧することである。

【0045】

図４ａおよび図４ｂに示される実施形態では、ソノトロードは、ソノトロード本体にねじ込まれた作動先端を装備する。作動先端は、ソノトロード本体と同じ材料および異なる材料から作製され得る。本発明の好ましい実施形態では、作動先端は、タングステンまたはモリブデン合金などの高融点材料から作製される。作動先端は、図５に示すように、ソノトロード本体にシールを押圧する要素としても機能することができる。作動先端が劣化した後、ダイアフラムも交換され、故障のないシールが保証される。システムの過負荷に起因して、作動先端４０５の質量は、０．０３ｋｇを超えないことが好ましい。

【0046】

ダイアフラム４０７は、様々な材料で作製され得る。低い作動温度では、フッ素化テクノポリマー、例えばバイトンが推奨される。温度がより高い場合には、金属製のダイアフラムを使用すべきであり、例えば３１６スチール製のものを使用する。好ましくは、ダイアフラムは、厚さ０．５ｍｍのＡｍｐｃｏｌｏｙ９５－１００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導性、および２０％ＩＡＣＳを超える電気伝導性を有する銅ベースの材料で作られ、超音波システムの軸方向に１０ｋＮ／ｍｍ以下の剛性を有する。これは、作動先端４０５から冷却液への熱伝達を高めることを可能にする。システムの密封は、作動先端とダイアフラムの接触場所で直接行われる。作動温度がより高い場合には、追加のシールド５１０の使用が特に推奨される。

【0047】

ダイアフラム４０７の代替品としては、例えば、図６に示すように、本体１０４および冷却ジャケットと同じ材料から作製された剛性の高いジャケットシール６０７を使用し、シールと本体１０４の端部との間に柔軟なエラストマー６０８の存在を確保することができる。追加のシールド６１０が使用された後、可撓性エラストマー６０８は、シール６０７とシールド６１０との間で圧縮され得る。シール６０７は、冷却ジャケット１０３のプレートを構成し、本発明の本実施形態では、プレートは１ｍｍ厚であり、他のジャケット壁と同じである。圧縮は、冷却液圧によってプレートを介して実現される。プレートの厚さが薄いため、システムは低い超音波振幅条件でポリマーシールを破壊しない程度に柔軟であると同時に、高冷却液圧を使用することができる。

【0048】

液体材料との相互作用および追加の超音波モードの生成の可能性により、ソノトロードの本体１０４における振動は、軸方向に限定されない。径方向の振動も存在する。そのような場合、基部モードの節に隣接する第１のシールの場所は、冷却ジャケットに対する本体の変位がないことを保証するものではない。これにより、機械的過負荷に起因する、第１のシールの過剰摩耗および／または漏れが発生し得る。

【0049】

したがって、本実施形態では、ソノトロードに弾性フランジ７１２を設け、ソノトロード本体１０４の振動からシステムの残りの部分を隔離した。フランジは、図７ａに詳細に示されている。フランジ７１２は、モノリシック（一体化した）本体の要素であってもよく（図７ａ）、またはソノトロード本体上に押圧されてもよい（図７ｂ）。

【0050】

径方向の振動が小さい場合、図７ｃに示すように、通常のシール７０６ｃが使用され得る。

【0051】

ソノトロードおよびその構成要素は、処理される材料の種類および処理温度に応じて、異なる材料から作製され得る。本発明によるソノトロードの作動原理および金属均質化方法を例示する実施形態を図８に関連して以下に記載する。

【0052】

図８に示される実施形態によるソノトロードは、金属のプラズマ溶融のための超音波アシストシステムの構成要素として真空チャンバ内で作動する。本実施例によるチャンバは、絶対圧２０ｍｂａｒまで４回排気された後、５．０純度のアルゴンで絶対圧１２００ｍｂａｒまで満たされる。

【0053】

ソノトロード１０４の本体は、１：４の振幅増幅を確実にし、グレード５のチタン合金（Ｔｉ６Ａ１４Ｖ）で作製される。ねじ８１１が装着されている。

【0054】

ソノトロードには、技術グレードタングステン製の作動先端８０５が装着されている。作動先端は２０ｇの質量を有しており、六角形の頭部と半円形の凹部を有するＭ８ねじの形で作製される。

【0055】

作動先端を有するソノトロードの温度２９７Ｋでの作動周波数は２０２００Ｈｚであった。作動周波数は、作動条件下でのソノトロード材料の熱膨張のために過大評価されている。ソノトロードの作動先端８０５と本体１０４との間には、グリッドコップ（Ｇｌｉｄｃｏｐ）６０材料製で０．８ｍｍの厚さを有し、可撓性部分５０８を含むダイアフラム５０７が配置される。ダイアフラムの上には、３１６スチール製のダイアフラムシールド５１０が配置される。ダイアフラムは、冷却液８１２を真空チャンバから分離する。

【0056】

本実施例では、冷却液は、温度が１５℃、液体消費量が５ ｌ／分で、エチレングリコールと水を２０：８０の割合で混合したものである。グリコールを添加すると、液体中のキャビテーションが抑制され、超音波電力の損失が制限される。ダイアフラム５０７は、ソノトロードの本体１０４に作動要素８０５を押圧することを通じて直接、および冷却ジャケットの本体上で直接、密封される。

【0057】

液体金属８１３は、タングステン電極８１４と作動要素８０５とダイアフラム５０７との間で維持されるプラズマアーク８１５を介して溶融され、ダイアフラム５０７は同時に、アーク放電を維持するシステムに対して超音波システムのコネクタ電極を構成する。実施例では、Ｔｉ７Ａ１６Ｎｂ合金の３ｇの試料が溶融するまで、１００Ａの直流電流を３０秒間印加することを想定している。作動先端の振幅は１０マイクロメートルである。

【0058】

試料が溶融した後、プラズマアーク８１５は消滅し、合金は超音波の同時影響で溶融する。これにより、樹枝状組織の形成を防止し、再結晶材料と同様の微細構造、すなわち等軸粒を得ることができる。

【0059】

上記の記載の教示を学んだ当業者は、作動先端の近く、あるいは作動先端の場所でソノトロードの冷却を開始するという本発明の本質を維持しつつ、シールのための他の材料や機械的解決策を提案することができるだろう。専門家であれば、提案された第１のシールの実施形態の方法が、事実上、本発明の実施例のすべての記載例に使用できることに容易に気づくであろう。

【0060】

専門家であれば、実施形態のように、異なる作動周波数に合わせてソノトロードを調整することが可能であり、また、機械的な振動源、特に超音波を提案することが容易に可能である。

【図1a】

【図1b】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図5】

【図6】

【図7a】

【図7b】

【図7c】

【図8】