JP2008173624A - 霧化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】磨耗および/または消耗する部材の使用を排して、部材の交換または保守点検が不要あるいはほとんど不要で液体を霧化可能な霧化装置を提供する。
【解決手段】液位維持壁21が水位WFを維持する。表面張力により振動部12の先端面12Fに水が導かれ、振動部12の振動により霧化された開口部30−1によって選択的に分級されて容器20の外部に排出される。好ましくは、表面張力補助部材が振動部12と協働して振動部12の先端面12Fへの水の補給を向上させる。
【選択図】図1(C)

Description

本発明は、圧電素子の振動子を振動させて液体、例えば、水などの液体を霧化する霧化装置に関する。特に本発明は、前記振動子への液体の供給に磨耗・消耗する部材を用いずに耐久性を向上させ、かつ、メンテナンス・フリーにする霧化装置に関する。
超音波振動子を用いて霧を発生させる超音波加湿器は実用化されている。
図12は振動子を用いて超音波により水から霧を発生させる(霧化する)一例としての方法を図解した図である。
圧電振動子10は、圧電素子11と、振動部12と、固定部(または基部)13とを有する。圧電素子11と振動部12とは固定部(または基部)13を介して接続されている。
振動部12は、図解の例示において、断面が湾曲している湾曲部12Aと、断面が平坦な円柱状部12Bとを有する。円柱状部12Bの先端面12FをY方向から見たとき、前記円柱状部12Bの形状は断面積が一定の円であり、湾曲部12Aの断面形状は固定部13から円柱状部12Bに向かって断面積が減少する円である。
圧電素子11は、例えば、PZTであり、圧電素子11に励起電圧が印加されると矢印A1で示した方向に振動子の固有振動数で振動部12を伸縮振動させる。
振動部12の円柱状部12Bの先端面12Fに霧化のための水を提供するため、先端面12Fの下部には円柱形の水供給用綿150が接触している(特許文献1参照)。水供給用綿150は底部が図示しない貯水部に浸漬しており、綿の毛細管現象により水供給用綿150の頂面まで水Wを吸い上げる。水供給用綿150の頂部に吸い上がられた水Wが、圧電振動子10の励起に伴う振動部12の円柱状部12Bの振動により、円柱状部12Bの先端面12Fに沿って上昇され、さらに、円柱状部12Bの先端面12Fに付着した水Wは、振動部12の高速な振動に伴う円柱状部12Bの矢印A2で示す方向の高速振動によって霧化され、矢印55方向へ噴射される。
上述した霧化方法に従って製造された、超音波霧化装置、超音波攪拌装置、超音波洗浄器などの装置が実用化されている。
実用登録第2,544,634号
毛細管現象を利用した水供給用綿150によって振動部12の円柱状部12Bの先端面12Fに霧化の対象となる水を導く霧化装置において、長期間連続運転すると、高速に振動する振動部12の円柱状部12Bと接触している水供給用綿150が磨耗および/または変形し、円柱状部12Bと水供給用綿150の接触が少なくなり、水供給用綿150による円柱状部12Bの先端面12Fへの給水性が低下する。その結果、振動部12で発生される霧の量が低下する、すなわち、霧化性能が低下する。
さらに水供給用綿150の磨耗および/または変形が進んで円柱状部12Bと水供給用綿150の接触が完全に無くなると水供給用綿150による円柱状部12Bの先端面12Fへの給水が停止し、霧化による霧の発生が停止する。
以上から、水供給用綿150の磨耗および/または変形に応じた適切なタイミングで水供給用綿150を交換する必要がある。
したがって、長時間あるいは長期間にわたって連続運転しても、霧化装置に用いる部材の交換または保守点検が不要あるいはほとんど不要で(メンテナンス・フリーで)液体を霧化可能な霧化装置を提供することが要望されている。
また、安定して希望する大きさの霧を噴霧可能な超音波霧化装置を提供することが要望されている。
本発明の霧化装置においては、図12を参照して述べた水供給用綿150などのように磨耗/変形する部材を用いずに霧化を可能とする。そのため、本発明においては、液体の表面張力を引き起こす構造を用いて圧電振動子の振動部の先端面に霧化の対象となる液体を表面張力によって自動的に提供する。
本発明によれば、霧化の対象となる液体を収容する容器と、圧電素子と該圧電素子に接続された振動部とを有し、前記振動部の先端面に前記液体が付着するように前記容器に配設されている圧電振動子と、前記圧電振動子の圧電素子を励起する励起回路とを有する霧化装置が提供される。
好ましくは、前記容器に、該容器内の液体が表面張力によって前記圧電振動子の振動部の先端面に付着するように液位を維持する、液位維持壁を設けた。
また好ましくは、前記液位維持壁は、前記圧電振動子が配設されている前記容器の壁と対向する位置に設けられ、前記液位維持壁の先端を、前記容器内の液体が表面張力によって前記圧電振動子の振動部の先端面に付着するように前記容器内の液位を維持する位置に配置した。
好ましくは、前記容器を、少なくとも容器内の液体の液位よりも高く延出し、かつ前記圧電振動子が配設されている壁と対向する壁面を有し、前記対向する壁面に開口部を設けた構成とし、該対向する壁面が前記液位維持壁を形成し、前記対向する壁面に設けられた開口部の底部が前記液位維持壁の先端を形成する。
また好ましくは、前記圧電振動子の振動部の近傍に、前記振動部との協働による表面張力によって前記振動部の先端面に液体を導く表面張力補助部材が設けられている。
好ましくは、前記励起回路は、前記圧電振動子の振動部の固有の周波数を規定する電圧を間欠的に前記圧電振動子の圧電素子を励起する間欠励起回路を有する。
また好ましくは、前記容器に収容される液体は水を含む液体であり、前記励起回路における間欠的に励起する周期は60Hz〜200Hzである。
さらに好ましくは、前記間欠励起回路は、前記圧電素子の励起を開始するときバースト状のパルス信号が前記圧電素子に印加するように構成されている。
好ましくは、前記振動部の先端面の形状を矩形にし、矩形の先端面を液面に矩形の長辺が垂直方向になるように配置した。
好ましくは、前記容器内に液体を補給する液体補給部を設けた。
また好ましくは、前記振動部の先端面に液体を補給するようにした。
さらに好ましくは、前記振動部の軸線が、前記容器内の液体液面に対して非平行となるように前記圧電素子を配置した。
好ましくは、前記容器壁面と振動部の間に液体に対する漏水防止性能を持ち、振動を緩和する緩衝部材を設け、該緩衝部材を前記容器壁面と前記振動部で挟持した。
前記緩衝部材は、好ましくは、弾性材料で製造される。
好ましくは、前記液位維持壁の前記先端、及び/又は前記液体が前記振動部の前記先端面に導かれる液位に規定された状態で当該液体の液面が接する容器の部分の少なくとも一部に、撥水性の表面処理が施され、あるいは撥水性を有する表面部材が設けられる。
本発明においては、例えば、上述した水供給用綿などのように磨耗/変形する部材を用いず、直接、霧化の対象となる液体を霧化可能な状態で振動部の先端面に導くように構成したので、霧化装置を長時間あるいは長期間連続運転しても、消耗部材の交換などが不要であり、保守もほとんど不要で(メンテナンス・フリーで)ある。
また本発明の霧化装置は、保守・交換部材がないので、霧化装置の周囲に部品交換を見込んだスペースを必要とせず、任意の位置に配設することができる。
本発明の霧化装置は構成が簡単である。
本発明の霧化装置は小型に製造できる。
本発明の霧化装置は、霧化の対象として、水からのみならず、種々の液体から霧を発生することができる。
本発明の霧化装置は、安定して高品質の霧化した霧を提供できる。
さらに本発明によれば、所望の寸法(粒子径)の霧を発生させることができる。
第1実施の形態
図1(A)を主体に参照して本発明の霧化装置の第1実施の形態について述べるが、便宜上構成説明の一部に図1(E)を参照する。
図1(A)は本発明の霧化装置における霧化原理を説明するための第1実施の形態の霧化装置1の部分断面図である。
霧化装置1は、圧電振動子10と、水位WFを規定する正面壁20−1の上端部20aとを有する。ここで、正面壁20−1の上端部20aは、本発明の霧化装置における液位維持壁の先端の一例である。
圧電振動子10は、例えば、図1(E)に図解したように、圧電素子11と、振動部12と、固定部(または基部)13とを有する。圧電素子11は、例えば、PZTである。
圧電振動子10の振動部12は、図1(E)の図解の例示では、固定部13から離れるにつれて直径が小さくなるように湾曲した形状の円柱(円錐台形状)として構成されており、先端面12Fは平坦に形成されているが、図1(A)においては、同一径の円柱形状を例に説明する。
圧電振動子10は、裏面壁20−2を基準として、圧電素子11と固定部13とが容器20の外部に位置し、振動部12の一部が容器20の内部に位置するように、裏面壁20−2に固定されている。圧電振動子10の固定部13は、圧電振動子10を裏面壁20−2に固定する部分である。
振動部12の先端面12Fは、その表面に水Wの表面張力によって水Wが導かれるように、例えば、平坦に形成されている。
また、正面壁20−1は、水Wが過剰な場合にその上端部20aから水Wを溢れさせ、規定の水位WFを維持するもので、この水位WFの維持により、前述の如く振動部12の先端面12Fに水Wをその表面張力によって付着させることができる。前記水位WFの維持手段は、図1(A)の構成に限るものではなく、水位検出センサなどを用いてポンプ装置を制御する手段とすることも可能である。かかる場合であれば、前記正面壁20−1の上端部20a高さは、前述の水位WF維持と関係なく高い寸法に設定できる。
本発明の第1実施の形態の霧化装置における霧化原理を述べる。
図1(A)の図解において、容器20内に収容された霧化の対象となる液体、例えば、水Wは、正面壁20−1の上端部20aにおいて表面張力によって盛り上がり、振動部12の先端面12Fの下端に接した水Wは、振動部12の先端面12Fの平坦な表面を表面張力によってはい上がる。これにより振動部12の先端面12Fには霧化の対象となる水Wが供給される。
このように、正面壁20−1の上端部20aの位置と、振動部12の先端面12Fとの位置を、水Wが振動部12の先端面12Fの平坦な表面に供給される(付着する)水位WFを維持するように選択(調整)すると、例えば、図12に図解した毛細管現象を利用した水供給用綿150を用いずに、霧化の対象となる水Wを振動部12の先端面12Fの面に供給することができ、また供給された水Wが過剰であっても、正面壁20−1の上端部20aから溢れて適正な水位WFを維持することができる。
このように、正面壁20−1の上端部20aは、簡単な構成であるが、表面張力によって水Wを振動部12の先端面12Fに供給するための水位WFを維持する手段として機能する。
振動部12の先端面12Fに霧化のために必要な所望の水Wが供給された状態において、励起回路によって圧電振動子10を励起させると圧電素子11がその固有振動数に応じて、矢印方向A2に振動部12を高速に振動させる。圧電素子11を励起する励起回路については、例えば、図6に図解した励起回路を参照して後述する。
振動部12の振動により、振動部12の先端面12Fに導かれた水Wが霧化されて矢印方向Aに飛ばされる。霧化発生を連続的に行うことにより、発生された霧を連続的に霧排出開口部30−1から容器20の外部に放出することができる。
以上が本発明の第1実施の形態の霧化原理である。
図2は霧化対象液体を水Wとした場合の、振動部12における先端面12Fに付着する水滴の粒子径と、霧化される量の累積体積との関係を示すグラフである。
振動子10の振動条件、能力、性能および周辺の湿度などにも依存するが、通常、表面張力によって振動部12の先端面12Fに付着した10〜20μm程度の粒子径(直径)の水の粒(水滴)が一番霧化されやすい。そのような霧は、図1(A)に矢印の方向Aで示した、振動部12の中心の前方方向に向かって多く進む。
振動部12の先端面12Fにおいて霧化される霧の大きさは種々であるが、その詳細は後述する。
本発明の第1実施の形態の霧化装置1においては、水位WFを維持することにより、水Wの表面張力によって振動部12の先端面12Fに自動的かつ適切な量の水Wが間断なく提供されるので、霧化状態が安定する。
本実施の形態においては、例えば、図12に例示した水供給用綿150のような振動部12に水Wを提供するため振動部12と接触し振動部12の高速な振動による磨耗および/または劣化する部材を用いていないので、そのような部材の交換作業が不要となり、基本的に保守作業のほとんど要らないメンテナンス・フリーの霧化装置を提供できる。
さらに上述した霧化装置においては、例えば、水供給用綿150の交換作業のためのスペースが不要であり、霧化装置を小型に構成できる。さらに、例えば、水供給用綿150の交換作業のためのスペースのための、霧化装置1の周囲のスペースを確保する必要がない。このことは、霧化装置1を設置するには設置場所の制約を受けることが少ないという利点を有する。
本発明の第1実施の形態の霧化装置の用途例を例示する。
本発明の第1実施の形態の霧化装置において霧化される対象の液体は上述した水Wに限らない。本実施の形態において霧を発生させる対象の液体としては、表面張力によって振動部12の先端面12Fに付着し、振動部12の振動によって霧になる、各種の液体、例えば、水、または、香料が含まれる水、化粧水などの液体、液体薬品、液体肥料、液体塗料などの他に、油、ガソリンなどの燃焼系液体などもが対象となる。
例えば、水から霧を発生させた場合、霧化装置1を加湿器などに使用できる。加湿器としては、住宅の居室内の加湿、あるいは、冷蔵庫内の野菜など食物の保湿などに使用することもできる。
他方、香料を含む水、または、肌あれ防止用などの化粧水から霧を発生させると、霧化装置1を、香料を含む霧、または、化粧水の霧を発生させる霧化装置として使用することができる。
また、本実施の形態の霧化装置1として、液体塗料を霧化して霧化塗料を提供することができる。霧化の対象とする液体として、ガソリンなどの燃焼系液体を霧化した場合も同様である。
さらに、本実施の形態の霧化装置を、超音波振動により霧を発生させる、種々の装置、例えば、超音波霧化装置、超音波攪拌装置、超音波洗浄器などとして使用することもできる。
第2実施の形態
図1(B)〜図1(E)を参照して本発明の第2実施の形態について述べる。
第2実施の形態の霧化装置は、図1(A)を参照して述べた本発明の第1実施の形態の霧化原理を適用した霧化装置1Aである。
図1(B)は第2実施の形態の霧化装置1Aの斜視外観図であり、図1(C)は第2実施の形態の霧化装置1Aの内部を図解した断面図である。図1(D)は、図1(C)に図解した霧化装置1Aにおける圧電振動子10と表面張力補助部材50(51、52)の配置を示す正面図である。図1(E)は、図1(D)に図解した圧電振動子10、表面張力補助部材(または水吸引部材)50、および、緩衝部材14の配置を示す霧化装置1の上部から見た断面図である。
第2実施の形態の霧化装置1Aは、箱状の容器20と、圧電振動子10と、水補給部40とを有する構成を基本としている。霧化装置1Aはさらに、圧電振動子10を駆動する励起回路を有する。励起回路については、例えば、図6に図解した励起回路を参照して後述する。また、第1実施の形態と同様の構成要件については同一の符号を付して説明する。
図1(B)、(C)を参照すると、容器20は、正面壁20−1と、裏面壁20−2と、右側面壁20−3と、左側面壁20−4と、上部壁20−5と、底面壁20−6とを有する。
正面壁20−1の上部と上部壁20−5の正面壁20−1近傍の端部とが切り欠きされており、霧化された霧が容器20から放出される霧排出開口部30−1が規定されている。
水補給部40は、例えば、開口部30−1から、容器20内に霧化の対象となる水Wを供給する。
図1(C)、(E)に図解されているように、図1(A)を参照して述べたと同様の圧電振動子10が裏面壁20−2に固定されている。図解の例示では、振動部12は固定部13から離れるにつれて直径が小さくなるように湾曲した形状の円柱(略円錐台形状)として形成されている。圧電振動子10は、例えば、PZTである。
振動部12は、水Wなどの霧化対象の液体と接するので、霧化対象の液体による腐食が少なく、さらに機械的振動に耐えうる材料、例えば、金属、好ましくは、ステンレススチールで形成されることが望ましい。また、振動部12の先端面12Fは、表面張力によって水Wなどの霧化対象の液体が先端面12Fに付着可能なように、平坦に形成されていることが望ましい。
圧電振動子10の励起(駆動)は、励起回路、例えば、図6に図解する励起回路120によって行うことができる。
図1(C)の矢印B方向から見た圧電振動子10の取り付け状態を示す図1(E)を参照してより詳細に圧電振動子10の取り付け状態を述べる。
容器20の裏面壁20−2には凹陥部20−2aが形成さており、この凹陥部20−2aに緩衝部材14を介して、固定部13および振動部12の固定部13の近傍の部分が収容されて固定されている。
裏面壁20−2には振動部12が貫通する孔20−2bが形成されている。孔20−2bは、湾曲した振動部12の外形より幾分大きく形成されており、振動部12が孔20−2bに接触して振動部12の振動特性が変化することを防止するようにしている。
緩衝部材14は押圧により変形する程度の弾性を有するとともに防水性を有する部材、例えば、弾性ゴムを用いたOリング、ゴムパッキンなどである。
圧電振動子10を裏面壁20−2に固定するときの押圧により緩衝部材14が変形して凹陥部20−2aと固定部13との間の隙間をシールし、振動部12と孔20−2bとの隙間から水Wが容器20の外部に漏洩することを防止する漏洩防止機能(シール性)を持つ。さらに緩衝部材14は、圧電素子11の振動により振動する振動部12の振動を抑制する機能(緩衝機能または振動伝達緩和性)を併せ持つ。緩衝部材14を用いると、振動伝達緩和性により振動部12の振動減衰が抑制されるため、振動部12における振動のロスを減少させ、霧化動作を効率よく行うことができるという効果をも奏する。
図1(C)を参照すると、容器20内に正面壁20−1と所定間隔あけて溢水受け部20−7を形成する液位維持壁21が設けられている。
液位維持壁21は、図1(A)を参照して述べた正面壁20−1の上端部20aのように、圧電振動子10の振動部12の先端面12Fに霧化のための水Wが表面張力によって適量自動的に提供されるように、容器20内の水位WFを維持する。
液位維持壁21を容器20内に設けることにより、水補給部40から容器20内に水Wが過剰に供給されたとき、液位維持壁21を越えて溢れた水Wは溢水受け部20−7内に止まり、容器20の外部に溢れ出ない。
図1(C)に図解した例示においては、容器20が配置される水平面20−6a、例えば、床面に対して、裏面壁20−2が所定の角度αだけ傾斜している。その理由は、液位維持壁21の上端部と圧電振動子10の振動部12の先端面12Fとの高さの関係において、振動部12の先端面12Fに水Wが表面張力により自動的に供給されるように水位WFを保つためである。角度αとしては30〜100度(圧電振動子10の中心軸が床面と平行となる場合を90度とする)の範囲で変化できる構成が望ましい。好ましくは、75〜85度である。
例えば、液位維持壁21の上端部を、振動部12の先端面12Fの下端部とほぼ同じ高さ、または、多少低い位置にすれば、霧化の対象となる水Wが振動部12の先端面12Fに供給されながら余剰の水Wが排出されるので、必ずしも、容器20を傾斜させる必要はなく、このとき、角度αは90度である。
好ましくは、図示しない角度調整機構を設け、ユーザが角度調整機構を用いて容器20の角度αを調整し、水位WFの調整、および/または、振動子10の振動部12の先端面12Fへの水の接触状態の調整、発生した霧の選択排出、霧の向きを調整するようにすることもできる。
図1(C)に図解した霧化装置1Aは、第1実施の形態として述べた霧化原理に従って、水補給部40から供給され容器20に収容された水Wを表面張力によって振動部12の先端面12Fに導き、導かれた水Wを振動部12の振動によって連続的に霧化させ、開口部30−1から霧化した霧を容器20の外部に放出することができる。
もし、水補給部40から給水された水Wが過剰な場合、液位維持壁21の上端部から溢れ出るので、水Wの水位WFは振動部12の先端面12Fに表面張力によって霧化に必要な水Wが供給されるように、自動的に維持される。
第2実施の形態においても、図2を参照して上述したように、使用する振動子10の振動条件、能力、性能および周辺の湿度などにも依存するが、通常、振動部12の先端面12Fに表面張力によって付着した10〜20μm程度の粒子径の水滴が一番、霧化されやすい。そのような主要な霧は、図1(C)の図解において、振動部12の中心の前方に向かって多く進む。粒子径の大きな水の粒(水滴)は、十分霧化されず、水を含んだ霧、または、その粒状態のまま、水位WFの面に近い方向に飛ぶ。粒子径の小さな水の粒は、小さく霧化されて上方向に飛ぶ。
図1(B)、(C)に図解した例示においては、大きな霧排出開口部30−1が容器20の正面壁20−1の上部から上部壁20−5の端部に形成されているから、種々の粒子径の霧を広い空間に放出するのに適している。
このような用途例としては、例えば、居室内の加湿に適切である。もし、対象液体に香料、または、香料を含む水を用いれば霧化した香料の散布が可能となる。
また、例えば、本実施の形態の霧化装置1Aをビニルハウスなどの農産物生育空間への適用を考慮した場合、霧化対象の液体に農薬(薬剤または薬物)、肥料、あるいは、農薬などを含む水を用い、霧化した農薬を農産物の消毒などに用いることができる。本実施の形態の霧化装置1Aによる霧化された農薬は、通常の噴霧器による水滴状態の農薬に比較して粒子径が小さく、連続的に噴霧可能という利点を有する。このような農薬を霧化する霧化装置1Aを移動可能にすれば、より広い範囲に霧化した農薬などを散布することが可能となる。
本実施の形態の霧化装置1Aの用途例を述べたが、本実施の形態の霧化装置1Aはこれらの例示に限らず、第1実施の形態において例示したように、霧化した液体を噴霧または散布する種々の用途に適用できる。
第2実施の形態の変形態様
図1(D)、(E)を参照して本発明の第2実施の形態の変形態様を述べる。
第2実施の形態の変形態様の霧化装置(1B)は、振動部12の先端面12Fの周囲に、かつ、先端面12Fの近傍に、第1、第2表面張力補助部材(水吸引部材)51、52を裏面壁20−2に設けたことを特徴とする。第1、第2表面張力補助部材51、52を総称して表面張力補助部材(または水吸引部材)50と呼ぶ。
第1、第2表面張力補助部材51、52は、振動子10の振動部12を挟んで対向する位置に設けられている。第1、第2表面張力補助部材51、52の裏面壁20−2からの高さ(延出寸法)は、裏面壁20−2から、振動部12の先端面12Fとほぼ同程度の高さである。
第1、第2表面張力補助部材51、52は、図1(D)に図解したように、振動部12と協働して振動部12の先端面12Fにおいて水Wなどの霧化対象液体が表面張力によって付着するようにその水位WFを維持する保水機能を示す。換言すれば、第1、第2表面張力補助部材51、52は、振動部12と協働して水Wを保水可能な、振動部12の近傍に対向した位置、および、高さに設けられている。
第1、第2表面張力補助部材51、52を設けることにより、図1(A)および図1(C)を参照して述べた横方向の水位WFの面における振動部12の軸方向における先端面12Fへの表面張力による水Wの補給に加えて、横方向の水位WFの面と直交する縦方向の面(振動部12の径方向)における表面張力によっても振動部12の先端面12Fへの表面張力による水Wの補給が行われる。
すなわち、振動部12の軸方向と径方向の二次元方向における表面張力による、振動部12の先端面12Fへの水Wの補給が行われる。その結果、振動部12の先端面12Fへの安定かつ適切な水Wの補給が可能となる。
例えば、地震などによる霧化装置の振動により、あるいは、容器20の傾斜角度αが変化して水位WFと振動部12の先端面12Fとが離間するような事態が発生しても、振動部12と協働する表面張力補助部材50の表面張力に基づく、給水作用および保水作用により、安定して水Wを振動部12の先端面12Fに提供することができる。
第1、第2表面張力補助部材51、52は少なくとも一方を設ければよいが、対として設けられることが好ましい。他方、振動部12を挟んで3以上の複数の表面張力補助部材を配設することもできる。
表面張力補助部材の形状は、第1図(D)、(E)に例示した、断面が矩形なものに限らず、円形の振動部12を囲むように、振動部12の外径より大きな部分円形(弧)状の形状にすることもできる。このように、表面張力補助部材としては、振動部12の断面形状に応じて水Wを表面張力によって効果的に振動部12の先端面12Fに付着し、はい上がる吸い上げ構造を持つようにすることができる。
第3実施の形態
図3(A)〜(G)は本発明の第3実施の形態の霧化装置1Cの構成を示す図である。第3実施の形態の霧化装置1Cは、霧化によって発生した霧を分級して放出する霧化装置である。分級とは、発生した種々の粒子径の霧のうち、所望の範囲の大きさの粒子径の霧を区分(分類)することをいう。なお、先の実施の形態と同様の構成要件については同一の符号を付して説明する。
第3実施の形態の霧化装置1Cは、箱状の容器20と、振動子10と、霧の分級を可能とする霧排出・水位維持用開口部30と、水補給部40とを有する。霧化装置1Cはさらに振動子10を駆動する励起回路を有する。励起回路については、例えば、図6を参照して後述する。
容器20は、第2実施の形態における容器20と同様、正面壁20−1、裏面壁20−2、右側面壁20−3、左側面壁20−4、上部壁20−5、底面壁20−6とで構成されている。
第3実施の形態においては、正面壁20−1には、水位WFの維持機能の他に、発生した霧の分級を可能とする霧排出・水位維持用開口部30が設けられている。
裏面壁20−2の正面壁20−1の霧排出・水位維持用開口部30が設けられた位置と対向する位置に圧電振動子10が固定されている。
上部壁20−5には、容器20の内部に霧化の対象となる水Wを補給する水補給部40が設けられている。
水補給部40によって容器20に水Wを補給する方法としては、例えば、上部壁20−5に図示しない開口部が設けられており、その開口部を介して水補給部40が容器20内に水を落下させる構成、あるいは、水補給部40から容器20の水中に延びるチューブを接続し、チューブを介して水補給部40から容器20内に水を補給する構成とすることもできる。
水補給部40から容器20に補給する水の量は、圧電振動子10の先端面12Fに導かれた水Wが霧化されることによる水位WFの低下に応じて水Wが振動部12の先端面12Fから離れない程度に行う。例えば、霧化装置1を連続運転した場合、発生する霧の量、すなわち、消費する水量はある程度判るから、例えば、霧化装置1Cの連続運転時間を基準に水補給部40から水を断続的に補給することができる。あるいは、容器20内の水位を測定する水位計を設けて、水位計の計測値と基準値とを比較して水位計の計測値が基準値を下回ったとき水補給部40から所定量の水Wを補給することもできる。これらの水の補給に際しては、ポンプなどを用いた電気回路で構成することができる。
水補給部40による容器20への水Wの補給は、必ずしも、正確である必要はなく、多少余剰であってもよい。その理由は、本実施の形態においては、霧排出・水位維持用開口部30を介して余剰の水が溢れ出ることにより、容器20内の水位WFが維持されるからである。この水位WFの維持は、容器20を傾斜させるなどして、霧排出・水位維持用開口部30の底部30aの位置を調整することにより、最適な状態に調節可能である。
上述した水補給部40による水Wの補給(給水)方法は、第2実施の形態についても適用できる。
容器20は、例えば、アクリル材、ABS樹脂などで製造することができる。
容器20の正面壁20−1の霧排出・水位維持用開口部30の周囲は、霧の発生状態の目視、水の補給状態および/または水位WFの確認のために、透明または準(半)透明にすることができる。その場合、透明アクリル材、透明ガラスなどで霧排出・水位維持用開口部30の周囲を形成することができる。もちろん、霧排出・水位維持用開口部30の周囲が透明または準(半)透明であることが必須ではない。
正面壁20−1の霧排出・水位維持用開口部30の周囲を除く部分の素材は任意である。
上述した容器20の材質などについて、第2実施の形態の霧化装置についても適用できる。
図3(D)に図解したように、裏面壁20−2には、霧排出・水位維持用開口部30と対向する位置に圧電振動子10が取り付けられている。
第3実施の形態における圧電振動子10は、図3(E)に図解したように、圧電素子11と、固定部(または基部)13と、固定部13と同じ径を有する大径部12aと、この大径部12aに一体構成された断面が矩形の矩形部12bとからなる振動部12とを有する。すなわち、第3実施の形態の圧電振動子10の振動部12の矩形部12bの先端面12Fは、図3(C)に図解したように、正面から見た形状が矩形である。
裏面壁20−2への圧電振動子10の固定について述べる。
裏面壁20−2には振動部12の矩形部12bが挿入される孔20−2bが形成され、裏面壁20−2の外側に固定部13および大径部12aを収容して圧電振動子10を固定する圧電振動子取り付け部20−2xが形成されている。
緩衝部材14を裏面壁20−2に形成された孔20−2hに嵌め込み、孔20−2bに振動部12の矩形部12bを挿入させ、振動部12の大径部12aおよび圧電振動子10を圧電振動子取り付け部20−2xに挿入する。そして、圧電振動子10を裏面壁20−2側に押圧して緩衝部材14を変形させた状態で大径部12aを、例えば、接着剤、また、ろうづけ、あるいは、ネジ止めして圧電振動子取り付け部20−2xに固定する。
以上により、振動部12の矩形部12bが容器20の水Wが収容される内側に臨む。
図解の例示では、孔20−2bは振動部12の矩形部12bより大きく形成されており、振動部12が孔20−2bに接触して振動部12の振動特性が変化されることはない。
緩衝部材14は、第2実施の形態における緩衝部材14と同様、例えば、押圧により変形し、防水性のある材料、例えば、弾性ゴムを用いたOリング、または、断面が矩形状の弾性の環状ゴム、ゴムパッキンである。
緩衝部材14は押圧により変形して、圧電振動子取り付け部20−2xと振動部12との間に水Wが漏洩する隙間を作らないか、水Wが孔20−2bから容器20の外部に漏洩しない。
緩衝部材14はこのように、容器20内の水Wが容器20の外部に漏洩することを防止する漏洩防止する機能(シール性)を持つとともに、圧電素子11の振動により振動する振動部12の振動を吸収して抑制する機能(緩衝機能または振動伝達緩和性)を併せ持つ。緩衝部材14の振動伝達緩和性により振動部12の振動減衰が抑制されるため、振動部12における振動のロスを減少させ、霧化動作を効率よく行うことができるという効果をも奏する。
霧排出・水位維持用開口部30による水位維持機能と分級機能について述べる。
圧電振動子10と対向する位置に位置する霧排出・水位維持用開口部30は、図3(A)に図解した例示では、短辺の長さ(高さ)h、長辺(幅)wの横長の矩形として正面壁20−1に形成されている。
霧排出・水位維持用開口部30は、図3(B)に図解したように、表面張力によって振動部12の先端面12Fに霧化のための水Wを供給するため容器20内の水位WFを維持する機能と、圧電振動子10の振動部12の先端面12Fによって発生した霧が容器20の外部に放出(排出)されるときの、所定範囲の粒子径の霧のみ放出するように、放出される霧の大きさを規制する機能(分級機能)とを有する。
そのため、霧排出・水位維持用開口部30は、振動部12で発生して飛ぶ霧の飛散方向の位置に応じた正面壁20−1の位置(通常は振動部12の真正面)に配置され、短辺の長さ(高さ)h、長辺(幅)wの矩形の形状をしている。
図3(B)に例示したように、水の表面張力で霧排出・水位維持用開口部30の正面壁20−1の底部30aより水が幾分盛り上がっている。
水補給部40から補給された水Wのうち霧化に使用できない余剰の水Wが霧排出・水位維持用開口部30の底部30aから溢れて容器20から流れ出る。その結果、仮に霧の発生に対して水補給部40から過剰の水が補給された場合でも、容器20内において圧電振動子10の振動部12の先端面12Fの全てが水W中に埋没して、霧の発生が困難になることがないように、水位WFが水平方向Hにおいてほぼ一定に維持される。このように、霧排出・水位維持用開口部30は第1の水位維持機能を有する。
霧排出・水位維持用開口部30から容器20の外部に流れ落ちる水を溜める部分は図示を省略している。
また、霧排出・水位維持用開口部30は、図3(C)に図解したように、振動部12の矩形部12bの先端面12Fの下部の一部に水が接触し、その水が表面張力によって振動部12の矩形部12bの先端面12Fをはい上がって振動部12の矩形部12bの先端面12Fに付着し、振動部12の振動によって霧化されるように水位WFを一定に維持する第2の水位維持機能を有する。
振動子10の振動部12の矩形部12bの先端面12Fは、表面張力によって水Wがはい上がるように平坦に形成されている。
また、先端面12Fの平坦度の調整や一定のR形状にすることで、噴霧量の調整をすることも可能である。
本実施の形態においても、表面張力によって水Wが振動子10の振動部12の矩形部12bの先端面12Fに補給され、上述した毛細管現象を用いた水供給用綿150を用いないので、磨耗および/または変形する水供給用綿150を交換する必要がない。
このように、本実施の形態の霧化装置は、水補給部40と霧排出・水位維持用開口部30とを用い、かつ、水Wの表面張力を利用しており、単に、図12を参照して述べた水供給用綿150を水補給部40などで代替したものではない。
本実施の形態においても、第2実施の形態においても述べたように、水位WFを所定の状態に維持するため、および/または、後述する発生した霧を分級して所望の大きさの霧を外部に効果的に排出するため、および/または、発生した霧の向き(方向)を規定するため、例えば、図3(B)に図解したように、容器20の正面壁20−1を上向きにして、容器20を所定の角度αで傾斜させることができる。角度αとしては30〜100度の範囲で変化できる構成が望ましく、好ましくは、75〜85度である。
例えば、図示しない角度調整機構を設け、ユーザが角度調整機構を用いて容器20の角度αを調整することにより、水位WFの調整、および/または、振動子10の振動部12の先端面12Fへの水の接触状態の調整を可能とし、さらに霧排出・水位維持用開口部30によって発生した霧の粒子径を規制した排出、霧の排出向きを調整することができる。
なお、通常、霧化装置は、底面を水平な面の上に載置して使用するから、図3(B)に破線示した形状を持ち、その底面20−6aが、例えば、テーブルなどの水平面と一致するような構造にすることもできる。
図3(C)に図解したように、容器20内に位置する振動子10の振動部12の矩形部12bの先端面12Fが部分的に水Wに接触していると、矩形部12bの先端面12Fには表面張力によって水がはい上がる。そして、振動部12の矩形部12bの先端面12Fに付着した水Wが振動部12の振動によって霧化される。
振動部12の振動によって霧化され喪失した水W相当分の先端面12F下部への補充は、霧排出・水位維持用開口部30の水位維持機能によって容器20内の水位WFが維持されている限り、絶えることなく表面張力によって補充される。これにより、振動子10が振動している間、連続的に霧が発生する。なお、容器20内で不足した水Wは水補給部40から補給される。
振動部12の矩形部12bの先端面12Fの下部に付着した水Wが振動部12の振動によって霧化される現象は、図12を参照して述べた現象と同様である。
分級の詳細について述べる。
図2を参照して上述したように、使用する振動子10の振動条件、能力、性能および周辺の湿度などにも依存するが、通常、振動部12の矩形部12bの先端面12Fに表面張力によって付着した10〜20μm程度の粒子径の水滴が一番、霧化されやすい。そのような霧は、図3(F)において振動部12の矩形部12bの中心の前方、すなわち矢印で示した方向Aに向かって多く進む。他方、粒子径の大きな水の粒は、十分霧化されず、水の粒を含んだ霧、または、その粒状態のまま、霧排出・水位維持用開口部30の上辺部30bに向かって飛ぶが、正面壁20−1の上辺部30bに遮られて容器20の外部には飛ばない。水位WFより低い方向に進んだ水の粒、あるいは霧排出・水位維持用開口部30まで到達しなかった水の粒は容器20内の水Wに吸収される。
図3(B)および図3(F)に図解したように、霧排出・水位維持用開口部30の上辺部30bは、そのような霧にならない水の粒(水滴)が容器20の外部に放出(排出)されることを防止可能な位置に位置決めしている。このように位置決めすると、霧排出・水位維持用開口部30の上辺部30bは、所望の寸法(粒子径)の霧を容器20から排出させるとともに、霧にならない水の粒(水滴)などを容器20から排出させないように規制することができる。
また、図3(G)に図解したように、霧排出・水位維持用開口部30の左辺部30cおよび右辺部30dについても、容器20から排出する霧における左右方向成分の寸法(粒子径)規制を行う。
このように、霧排出・水位維持用開口部30は、霧化した霧または霧化しない水の粒(水滴)の寸法(粒子径)を規制して容器20の外部に排出する機能(分級機能)を有する。その結果、ある範囲の寸法(粒子径)に特定された品質の高い霧を霧排出・水位維持用開口部30から排出することができる。
図3(G)に図解したように、霧排出・水位維持用開口部30の長辺(幅)wを適切に設定することにより、左右方向についても分級機能が得られ、その結果、左右の辺部30c、30dの正面壁20−1にぶつかった、十分霧化されず、水の粒を含んだ霧、または、水の粒(水滴)も霧排出・水位維持用開口部30から容器20の外部には排出されない。
図4(A)、(B)は、霧排出・水位維持用開口部30の有無による分級性能の実例を示すグラフである。
図4(A)は分級手段としても機能する霧排出・水位維持用開口部30が設けられた場合の霧の粒度分布を示すグラフである。図4(A)に示す結果は、数μm〜数十μmの粒子径の霧が霧排出・水位維持用開口部30から容器20の外部に排出されていることを示す。
他方、図4(B)は分級手段としても機能する霧排出・水位維持用開口部30が設けらなかった場合の霧の粒度分布を示すグラフである。霧排出・水位維持用開口部30が設けられなかった場合とは、第1、第2実施の形態の霧化装置におけるように、図3(B)における霧排出・水位維持用開口部30の上辺部30bより上の正面壁20−1が除去された場合を意味する。
図4(B)に示す結果は、10μm〜100μmの範囲の比較的大きな粒子径の霧、すなわち、水分を多く含む霧が霧排出・水位維持用開口部30から容器20の外部に排出されたことを示す。
以上から、霧排出・水位維持用開口部30が分級機能(性能)を示すことが理解できる。霧排出・水位維持用開口部30の上辺部30bの位置、換言すれば、霧排出・水位維持用開口部30の高さhの寸法を適宜設定することにより、分級性能を調整することができる。
なお、霧排出・水位維持用開口部30を、図1(C)の液位維持壁21と同様の壁と、図1(B)の霧排出開口部30−1とに分離して、液位維持壁21から溢れた水が容器20の外部に溢れ出ないようにすることもできる。
第3実施の形態の第1の変形態様
好ましくは、第3実施の形態の霧化装置1Cはさらに、図3(C)、(D)に図解した、第1および/または第2表面張力補助部材51、52を備える。
振動部12の矩形部12bに隣接して(近傍に)、振動部12の矩形部12bの両側の位置、好ましくは、両側の対称位置に、第1、第2表面張力補助部材51、52とを設けると、振動部12と第1表面張力補助部材51との間、および、第2表面張力補助部材52と振動部12との間に、表面張力で水Wがはい上がってくる。換言すれば、振動部12と第1および第2の表面張力補助部材51、52との間隔は、第1、第2の表面張力補助部材51、52を設けることにより、水Wが表面張力によって振動部12の矩形部12bまではい上がることが可能な距離にする。
振動部12と第1および第2の表面張力補助部材51、52は、はい上がった水Wを保持する保水効果をも奏する。
このように、第1表面張力補助部材51および第2表面張力補助部材52を設けると、振動部12だけの時に比べて、表面張力による矩形部12bの先端面12Fへの水の補充が適正かつ連続的に効率よく行われる。その結果、霧の発生を効果的に行うことができる。
第1表面張力補助部材51および第2表面張力補助部材52の両者を配設する必要はなく、いずれか一方のみ配設することもできる。他方、振動部12を挟んで3以上の複数の表面張力補助部材を配設することもできる。
表面張力補助部材の形状は、図解を例示した断面が矩形なものに限らず、円形の振動部12を囲むように、振動部12の外径より大きな部分円形(弧)状の形状にすることもできる。このように、表面張力補助部材としては、振動部12の断面に応じて、水を表面張力によって効果的に振動部12の先端面12Fに付着し、はい上がる吸い上げ構造を持つようにすることができる。
第3実施の形態の第2変形態様
図5(A)〜(D)を参照して霧排出・水位維持用開口部30の好ましい形態、および、好ましい圧電振動子10の形態について述べる。さらに、水補給部40による好ましい補給方法を述べる。
図5(A)は正面図であり、図5(B)はA−A線による断面を上から見た図であり、図5(C)はB−B線による断面を側面から見た図である。
図5(D)は、正面図であり、図5(A)の霧排出・水位維持用開口部30と水補給部40の位置を変更した例である。
図5(A)、(B)には、例示として寸法の具体例を示した。もちろん、このような寸法は例示である。ただし、本実施の形態の霧化装置においては、容器20がこの例示のような寸法、すなわち、小型にも構成できる。なお、先の実施の形態と同様の構成要件については同一の符号を付して説明する。
図5(A)に図解されているように、水補給部40によって容器20に水Wを補給する方法としては、例えば、上部壁20−5に形成された開口部を介して傾斜した案内部40aから容器20内に水を落下させることができる。あるいは、水補給部40から容器20の水中に延びるチューブ(図示せず)を接続し、チューブを介して水補給部40から容器20内に水を補給することもできる。
また、図5(D)に図解されるように、水補給部40と霧排出・水位維持用開口部300を左右対称な位置に配置することで、容器20内の水に流れが生じ、容器内20の水が常に新鮮に保たれる。
水位WF維持と分級を行う霧排出・水位維持用開口部30は図3(A)に例示したように、矩形または正方形に限定される訳ではなく、例えば、図5(A)、(B)に図解したように、縦長の楕円形、あるいは、図示しない円、多角形などにすることができる。
霧排出・水位維持用開口部30の形状を如何に設定するかは、霧の発生状況、霧排出・水位維持用開口部30をいかに通過させるかなどの条件に応じて決定する。
図5(A)を参照すると、霧排出・水位維持用開口部30が縦長の楕円形状をしている。振動子10の振動部12の先端面12Fの形状は矩形である。
矩形の先端面12Fの短辺が水面に接し、そして矩形の長辺(図示の例では、縦方向の辺)が垂直方向になるように配置することにより、より安定した霧化が可能となり、かつ、霧化時間が長くなることが確かめられた。その理由は、縦方向の長さがある程度長いと、表面張力によって振動部12の先端面12Fに供給される水が霧化に必要な分の量だけ、安定して供給されるためと考えられる。
実験した振動部12の先端面12Fの寸法は、縦方向(長辺)の長さ約3mm、横方向(短辺)の長さ約1mmであった。
なお、図3(E)に図解したように、振動部12の矩形部12bの先端面12Fの矩形形状は、矩形の対角線の長さが振動部12の大径部12aの直径より小さいように形成されている。もちろん、振動部12の矩形部12bの先端面12Fは、表面張力で付着した水Wを、所定の時間に所定量、霧化できる面積を持つように形成されている。
振動部12の矩形部12bの先端面12Fの矩形形状は、縦方向:横方向の比率を、例えば、1:0.3(矩形)〜1.0:1.0(正方形)の範囲とする。本明細書における矩形には、正方形をも含む。このように、振動部12の先端面12Fの形状は、正方形でもよい。
霧排出・水位維持用開口部30が矩形の場合、例えば、正方形の場合、四隅部分から、水滴を含む霧が容器20の外部に排出される可能性がある。そこで、図5(A)に図解したように、霧排出・水位維持用開口部30の形状を楕円、あるいは、円、または多角形などにすることができる。
このような形状の霧排出・水位維持用開口部30を用いると、矩形の霧排出・水位維持用開口部30を用いた場合に四隅から排出する水滴を含む霧が容器20の外部に排出される可能性を低下することができる。
換言すれば、霧排出・水位維持用開口部30の形状を選択し、その寸法を調節することにより、容器20の外部に排出される霧の分級条件を変化させることができる。
霧排出・水位維持用開口部30は矩形または正方形に限定される訳ではなく、縦長の楕円形、円、多角形など任意の形状にすることができる。
霧排出・水位維持用開口部30の形状を如何に設定するかは、霧の発生状況、霧排出・水位維持用開口部30をいかに通過させるかなどの条件に応じて決定する。
図5(C)に示すように、水補給部40は案内部40aを有し、その先端が振動部12の先端面12Fの近辺に延びている。そのため、水補給部40から供給された水は、自ずと圧電振動子10の振動部12の先端面12Fに注がれ、下部に位置する水位の表面張力作用による先端面12Fへのはい上がりを補うこととなる。その結果、水の表面張力による振動部12の矩形部12bの先端面12Fへの付着が安定し、振動による霧化の安定化をはかることができる。
励起回路
図6を参照して、第1〜第3実施の形態の霧化装置に適用可能な励起回路の1例について述べる。
図6に図解したように、励起回路120は、例えば、バースト回路121と、スイッチ回路122と、昇圧トランス123と、駆動電流検出器124と、分圧器125と、比較器126と、基準電圧発生器127と、電圧制御型発振器(VCO:Voltage Controlled Oscillator))128とを有する。
励起回路120は、負荷に応じて周波数制御が可能な励起回路である。そのため、駆動電流検出器124、分圧器125、比較器126、基準電圧発生器127およびVCO128を用いた負帰還回路を構成している。
ここでいう負荷とは、本実施の形態においては、圧電振動子10の振動部12の先端面12Fに付着する水Wの量などに該当する。
励起回路120の動作を述べる。
図示しない交流電源がバースト回路121に印加される。
バースト回路121は、図7に例示したように、所定の周期τで間欠的に動作してバースト状のパルス信号を出力する。
バースト回路121の出力信号に応じて、スイッチ回路122がVCO128からの出力信号を昇圧トランス123に出力する。
昇圧トランス123にVCO128からの信号が印加されると、昇圧トランス123はその信号を、圧電素子11を駆動可能な電圧レベルまで昇圧して、圧電素子11に印加する。
それにより圧電素子11が励起されて振動し、圧電素子11の駆動に応じて振動部12が振動する。それにより、振動部12の先端面12Fに付着し、表面張力ではい上がった水Wが霧化される。
駆動電流検出器124が圧電振動子10(圧電素子11)の負荷に応じた駆動電流を検出し、分圧器125に出力する。圧電素子11の負荷とは、正確には、圧電素子11に接続されている振動部12の先端面12Fに付着した水Wの量を意味している。振動部12の先端面12Fに付着した水Wの量が多ければ、振動部12、すなわち、圧電素子11の負荷が重いことを意味する。他方、振動部12の先端面12Fに付着した水Wの量が少なければ、振動部12、すなわち、圧電素子11の負荷が軽いことを意味する。
励起回路120は、このように、圧電素子11、換言すれば、振動部12の負荷に応じた、圧電素子11に印加される周波数、換言すれば、VCO128の発振周波数の制御を行う。
駆動電流検出器124で検出した電流を整流した電圧と、VCO128で発生される発振周波数の関係は、図8に図解したようになる。図8において、縦軸は電圧を、横軸は発振周波数をそれぞれ示している。
frは圧電振動子10の共振周波数である。基準電圧発生器27は共振周波数frに対応する基準電圧VrをVCO128に出力する。
曲線CV1は、負荷が基準状態の周波数特性を示し、曲線CV2は負荷が重いときの周波数特性を示し、曲線CV3は負荷が軽いときの周波数特性を示す。
分圧器125は励起回路120において必須の回路ではないが、駆動電流検出器124の検出電流に相当する電圧を分圧して、比較器126に出力する。
比較器126は基準電圧発生器127からの共振周波数frに対応する基準電圧Vrと分圧器125からの出力信号との差の電圧をVCO128に出力する。
VCO128は、入力電圧に応じた周波数の発振信号を生成し、スイッチ回路122に出力する。
以上から圧電素子11は、振動部12の負荷に応じた、VCO128で発生された発振周波数で励起されることになる。
本発明の間欠励起回路を構成している、バースト回路121とスイッチ回路122との協働によって、VCO128の発振周波数信号を周期τで間欠的(周期的に)に昇圧トランス123に出力することにより、特に、圧電素子11の励起を停止させ、振動部12の振動を停止することができる。これにより、振動部12の先端面12Fに付着する水が適切に維持されるので、霧化の性能が低下しない、および/または、霧化が安定に継続して行われる。
その理由は、振動部12が連続的に振動すると、その振動により水Wが振動部12の先端面12Fをはい上がるが、振動部12の振動が停止すると、振動部12の先端面12Fにはい上がる水Wの量が低下する。この繰り返しが極短時間で連続して行われることにより、振動部12の先端面12Fに付着する水Wの量が適切に維持されるためである。換言すれば、振動部12の先端面12Fに過剰な水Wが供給されないためである。よって、過剰な水による振動部12の性能低下および/または霧化の不安定さが回避できる。
好ましくは、励起回路120は、圧電素子11の振動部12の固有の周波数を規定する電圧を周期τで間欠的に圧電振動子の振動部12を励起する。
周期τでバースト状の信号を用いることにより、圧電素子11の立ち上がり時の過渡応答を利用して圧電素子11に印加される電圧が大きくなり、安定に霧化させることができる。すなわち、振動子10の発熱を抑制し、安定して振動子10を動作させることができる。
周期τは、通常、数十Hz〜数100Hzである。
図9(A)、(B)に実験結果を示す。
実験によれば、図9(A)に図解したように、周期τを60Hz、70Hz、80Hzの時間に相当する時間とした場合、発生する霧の粒度分布が数μm〜100μm程度にガウス分布に類似した分布を示すことが判った。実験した周期τとしては、60〜150Hzにおいて、上記結果が得られることが判った。
他方、図9(B)に図解したように、周期τを50Hz、40Hz、30Hz、10Hzと変化させたとき、発生する霧の粒度分布が一致しなかった。
以上の実験によれば霧の粒度分布が数μm〜100μm程度の範囲で分布させるためには、50〜60Hzの間に臨界周波数があることが判った。基本的に周期τは、60Hz以上であればよい。上限周波数は、実験では150Hzまで行ったが、例えば、200Hz〜300Hz程度までは図9(A)に示した分布と同様の霧の粒度分布を示すことが理解できる。
もちろん、圧電振動子10の特性に応じて上述した周波数は変化する可能性がある。
発生する霧の粒度分布は、上述した霧排出・水位維持用開口部30の分級性能に関連する。
図6に図解した励起回路120において、バースト状のパルス信号が圧電振動子10の圧電素子11に印加されればよいので、図6に例示した部分ではなく、例えば、昇圧トランス123の後の部分にバースト状の電圧を圧電素子11に印加する回路を設けてもよい。
図7を参照して、好適な例として、バースト状の信号を間欠的に圧電素子11に印加する場合について述べたが、圧電素子11が周期的に停止する時間があればよいので、バースト状の信号ではなく、所定の周期でオン・オフする矩形パルス信号でもよい。
第4実施の形態
図10を参照して、本発明の第4実施の形態である霧化装置1Dについて述べる。図10は、霧化装置1Dの部分断面図である。
第4実施の形態における霧化装置1Dは、基本構成が第1実施の形態の霧化装置1と圧電振動子10等の傾きを除いては同じ構成となっており、また、霧化原理も同じであるため、ここでは同じ構成要件については同じ符号を付し、相違する部分に異なる符号を付して、その異なる部分を中心に説明する。
霧化装置1Dは、霧化装置1と同様に水位WFを規定する正面壁20−1の上端部20aを有する。ここで、正面壁20−1の上端部20aは、本発明の霧化装置における液位維持壁の先端の一例である。
霧化装置1Dは、その正面壁20−1の上端部20aに、カバー部材20a−1を設けている。このカバー部材20a−1は、正面壁20−1の全幅に亘って設けることが好ましい。また、前記カバー部材20a−1は、フッ素樹脂等の撥水性を有する樹脂を主体とする材料によって形成されており、したがって、このカバー部材20a−1の表面は、非常に液体の切れがよい状態となっている。なお、撥水性とは、水Wを弾くことで、水が浸透しない性質を意味する。
かかるカバー部材20a−1に代えて、前記正面壁20−1の上端部20aに、撥水性の表面処理として、撥水性塗料を塗布する構成あるいは、撥水性の表面処理加工を施すこともできる。
前記撥水性塗料としては、一例としてアクリル樹脂塗料等が掲げられるが、その他周知の範囲で選択することができる。また、撥水性表面処理加工についても、周知の範囲で選択することができる。
上記構成において、霧化装置1Dに微小な振動等が加わると、容器20内の水位WFも変動し、場合によっては破線で示す如く正面壁20−1の上端部20aから水Wが溢れることもある。その瞬間、水位WFが変動水位WF1に下がり、これに伴って圧電振動子10を構成する振動部12への表面張力作用による水Wの付着量が変化し、生成される霧の量も変化することがある。
また、水W表面張力が復活した場合であっても、一旦水Wで表面が濡れた関係から、表面張力が形成される位置が、例えば実線の水位WFで示す正面壁20−1の内面角部から破線の変動水位WF1で示すように正面壁20−1の外面角部に変化し、その結果、些細な振動によっても水Wが正面壁20−1から溢れ出てしまい、水位WFが不安定となり、これに伴って生成される霧も不安定となる。
しかしながら、上述の如く正面壁20−1の上端部20aに、撥水性の表面処理あるいは撥水性を有する表面部材(カバー部材20a−1)を設けることにより、前記カバー部材20a−1の撥水作用によって水Wの表面張力作用が大きくなり、その結果、水Wが溢れない程度の微小な振動によって水位WFが変動しても、水Wの表面張力作用による振動部12への付着の継続が行われ易く、また、大きな振動に伴って正面壁20−1から水Wが溢れる事態が生じても、水切りを速やかに行い、表面張力作用を速やかに復活させることができる。その結果、水Wの表面張力作用による振動部12への付着が速やかに復活される。そして、表面張力が形成される位置は、正面壁20−1の内面角部で安定するため、水位WFが安定することに伴って霧の生成も安定する。
このように、上述の如く撥水構造を具備することにより、一層振動部12からの霧化作用を安定させることができ、霧化装置の信頼性を高めることができる。
かかることは、図1(B)等で説明した水補給部40を具備する構成において、水Wの補給が勢いよく行われ、正面壁20−1から溢れる事態であっても同様に水切りが速やかに行われ、水Wの表面張力作用による振動部12への付着が速やかに復活されるものである。
なお、図10の構成において、圧電振動子10の容器等への取付け等、具体的な構成については、第2実施の形態及び第3実施の形態で説明したとおりであり、これらの実施の形態における霧化装置1A〜1Cにおいても、液位維持壁21の先端又は霧排出・水位維持用開口部30の底部30aに上述した撥水性を有するカバー部材20a−1を設け、又は撥水性の表面処理を施すことが可能である。
第5実施の形態
図11(A)、(B)を参照して、本発明の第5実施の形態である霧化装置1Eについて述べる。図11(A)は、霧化装置1Eの正面から内部を示す断面図である。図11(B)は、霧化装置1Eの右側面から内部を示す断面図である。
霧化装置1Eは、図3(A)〜図3(G)に示す第3実施の形態である霧化装置1Cにおいて、水Wが振動部12の先端面12Fに導かれる水位WFに規定された状態で水Wの水面WSに接する容器20の部分に、撥水性の表面処理が施され、あるいは撥水性を有する表面部材が設けられたことを特徴とする。そのため、以下、霧化装置1Eについて霧化装置1Cと相違する部分を中心に説明し、霧化装置1Cと同一の構成である部材については、同一の符号を付して説明を省略する。なお、図11(A)、(B)では、説明のために圧電振動子10を拡大して示す。
図11(A)、(B)に示すとおり、霧化装置1Eは、容器20を傾けずに底面壁20−6を水平にして用いられ、正面壁20−1の霧排出・水位維持用開口部30によって、水Wが振動部12の先端面12Fに導かれる水位WF(図示省略)に規定される。この水位WFは、水Wが正面壁20−1の霧排出・水位維持用開口部30の底部30aを越えて溢れ出す水位WF−Hと、水Wが表面張力によって振動部12の先端面12Fに導かれなくなる水位WF−Lとの間で規定される。
霧化装置1Eでは、水面WSは、水位WFに規定された状態で容器20の正面壁20−1、裏面壁20−2、右側面壁20−3、左側面壁20−4(以下、「壁20−1〜20−4」ということがある。)と接する。ここで、水面WSと接するとは、図11(A)、(B)に示すように、水面WSに沿った方向において、水面WSと接触することを意味する。
したがって、霧化装置1Eでは、容器20のこれらの壁20−1〜20−4における水位WF−Hと水位WF−Lとの間の部分が、水Wが振動部12の先端面12Fに導かれる水位WFに規定された状態で水Wの水面WSに接する容器20の部分60(以下、単に「容器20の部分60」ということがある。)となる。なお、図の見易さのために、容器20の部分60を図11(A)の右側面壁20−3及び左側面壁20−4のみについて図示するが、正面壁20−1、裏面壁20−2、及び図11(B)についても同様である。
そして、この水位WFで水面WSに接する容器20の部分60に、撥水性の表面処理が施され、あるいは撥水性を有する表面部材が設けられる。
撥水性とは、水Wを弾くことで、水が浸透しない性質を意味する。
撥水性の表面処理としては、上述した霧化装置1Dにおける正面壁20−1の上端部20aと同様に、例えば撥水性塗料を塗布することや、撥水性の表面処理加工を施すことなどができる。また、撥水性を有する表面部材は、上述した霧化装置1Dにおけるカバー部材20a−1と同様に、例えばフッ素樹脂等の撥水性を有する樹脂を主体とする材料によって形成された部材を、接着などにより設けることができる。
これにより、撥水性の表面処理が施され、あるいは撥水性を有する表面部材が設けられた部分では、撥水作用によって水切りが良くなるため、濡れ性による水Wの容器20へのはい上がりが防止される。そのため、水Wの表面張力が水面WSを上方に向かって凸状にするように作用することから、水Wの表面張力により振動部12の先端面12Fへ水Wを供給する作用を大きくすることができる。
また、霧化装置1Eが傾いたり、霧化装置1Eに振動が加わったりして水位WFが変動した場合、水位WFの変動により濡れた水位WFより上方の容器20の壁面に水Wがはい上がる。これにより、水Wの表面張力が水面WSを上方に向かって凹状にするように作用することから、水Wの表面張力による振動部12の先端面12Fへの水Wを供給する作用が小さくなる。しかし、撥水性の表面処理が施され、あるいは撥水性を有する表面部材が設けられた容器20の部分では、撥水作用によって水切りが速やかに行われるため、水Wのはい上がりが防止されて、水Wの表面張力による振動部12の先端面12Fへの水Wを供給する作用を元の状態に速やかに復活させることができる。したがって、表面張力によって、振動部12の先端面12Fへ安定して水Wを供給することができる。
なお、容器20の部分60の少なくとも一部に撥水性の表面処理が施され、あるいは撥水性を有する表面部材が設けられることで、この部分は上記効果を発揮する。ただし、より高い効果を得るためには、容器20の部分60の全体に撥水性の表面処理が施され、あるいは撥水性を有する表面部材が設けられることが好ましい。
また、施工上の理由や、より確実な撥水作用を得るためなどの理由から、撥水性の表面処理が施され、あるいは撥水性を有する表面部材が設けられる部分は、容器20の部分60以外の部分まで広範囲に形成されても良く、さらに壁20−1〜20−4において容器20の部分60を有する壁面の全体に形成されても良い。
霧化装置1Eでは、容器20の部分60は、正面壁20−1、裏面壁20−2、右側面壁20−3、左側面壁20−4に形成されたが、容器20の底面壁20−6を傾斜させて用いることで水Wの水面WSが上部壁20−5及び/又は底面壁20−6に接する場合には、上部壁20−5及び/又は底面壁20−6に撥水性の表面処理を施し、あるいは撥水性を有する表面部材を設けることも可能である。
なお、霧化装置1Eで説明した容器20の部分60に撥水性の表面処理が施され、あるいは撥水性を有する表面部材が設けられた構成は、上述した本発明の実施の形態における全ての霧化装置について適用可能であり、また、霧化装置1Dで説明した水位維持壁の先端に撥水性の表面処理が施され、あるいは撥水性を有する表面部材が設けられた構成と組み合わせて適用することも可能である。
上述した本実施の形態の霧化装置の構成、効果などを整理して述べる。
第1〜第5実施の形態の霧化装置において、容器20内の水補給部40によって水が補給され、振動部12に接触するのは霧化の対象となる水だけであり、図12を参照して述べた、水供給用綿150のような、磨耗および/または変形して交換すべき部材がない。したがって、本実施の形態の霧化装置1は基本的にメンテナンス・フリーである。
第3実施の形態の霧化装置において、霧排出・水位維持用開口部30によって、容器20から外部に排出する霧を分級しているから、所望の範囲の寸法の霧を容器20の外部に排出することができる。すなわち、品質の高い霧を提供できる。
なお、発生する霧の量を制御する方法としては、霧排出・水位維持用開口部30による分級の他、例えば、振動部12の先端面12Fへの水Wの補給量を調整する、あるいは、圧電振動子10の圧電素子11の励起状態を変化させて振動部12の振動数を制御することができる。
前者については、水補給部40からの水Wの補給量を調整する、容器20の傾斜角度を調整して表面張力によって振動部12の先端面12Fにはい上がる水Wの量を調整する、表面張力補助部材(または水吸引部材)50の設置間隔を調整するなどの方法を適用できる。
後者については、上述した励起回路120の動作状態を調整する。
第4及び第5実施の形態の霧化装置において、水位維持壁の先端及び/又は容器20の部分60に撥水性の表面処理が施され、あるいは撥水性を有する表面部材が設けられることで、撥水作用により振動部12の先端面12Fへ水Wを供給する表面張力の作用を大きくすることができる。また、これらの部分が濡れた場合であっても、撥水作用によって水切りが速やかに行われるため、水Wの表面張力を速やかに復活させて、振動部12の先端面12Fへ安定して水Wを供給することができる。
圧電振動子10は、第1〜第3実施の形態において例示した圧電振動子10はもとより、図12を参照して述べた圧電振動子10の形状に限定されないことは勿論である。したがって、種々の特性、形状の圧電振動子を適用できる。ただし、図5(A)に図解した振動部12の先端面12Fが矩形の圧電振動子10が本実施の形態の霧化装置には特に好ましい。
圧電振動子10の材質についても適宜、選択できる。ただし、振動部12の先端面12Fは霧化対象の液体と接触するので、そのような液体によって腐食されない材質、例えば、ステンレススチールが好ましい。
第1および/または第2表面張力補助部材51、52は、例示した断面が矩形のものに限らず、断面が丸でも、三角でもよい。すなわち、第1、第2表面張力補助部材51、52は、振動部12の近傍に位置して、振動部12と共に表面張力によって、振動部12の先端面12Fに適量の水を補給し、保水できればよい。
霧化の対象となる液体として、水について述べたが、霧化の対象となる液体としては、水に限らず、表面張力によって振動部12の先端面12Fに付着し、振動部12の振動によって霧になる、各種の液体、例えば、水、または、香料が含まれる水、化粧水などの水系液体、液体塗料、油、ガソリンなどの燃焼系液体などが対象となる。
容器20の形状および材質について種々例示したが、霧化の対象となる液体を収容でき、圧電振動子10を固定し、液位維持壁21、霧排出・水位維持用開口部30、霧排出開口部30−1などを設けることが可能なその他の種々の形態、材質を選択できる。
本発明の霧化装置は、水をはじめ粘度の低い液体を霧化することが可能であり、空間の加湿あるいは消臭、香料散布を行う空調装置、さらには着色料の塗布、揮発性液体の噴霧など、用途が広く、家庭用から産業用まで幅広く応用できるものである。
本発明の霧化装置における霧化原理を説明するための第1実施の形態の霧化装置の部分断面図である。 第2実施の形態の霧化装置の斜視外観図である。 第2実施の形態の霧化装置の内部を図解した断面図である。 図1(C)に図解した霧化装置における圧電振動子と表面張力補助部材の配置を示す正面図である。 図1(D)に図解した圧電振動子、表面張力補助部材、および、緩衝部材の配置を示す霧化装置1の上部から見た断面図である。 霧化対象液体を水とした場合の、圧電振動子における振動部の先端面に付着する水滴の粒子径と、霧化される量の累積体積との関係を示すグラフである。 本発明の第3実施の形態の霧化装置の構成を示す図である。 本発明の第3実施の形態の霧化装置の構成を示す図である。 本発明の第3実施の形態の霧化装置の構成を示す図である。 本発明の第3実施の形態の霧化装置の構成を示す図である。 本発明の第3実施の形態の霧化装置の構成を示す図である。 本発明の第3実施の形態の霧化装置の構成を示す図である。 本発明の第3実施の形態の霧化装置の構成を示す図である。 図4(A)、(B)は、霧排出・水位維持用開口部の有無による分級性能の実例を示すグラフである。 図5(A)〜(D)は、第3実施の形態の変形態様を図解する図で、図5(A)は正面図であり、図5(B)はA−A線による断面を上から見た図であり、図5(C)はB−B線による断面を側面から見た図であり、図5(D)は正面図で図5(A)の霧排出・水位維持用開口部と水補給部の位置関係を変更した例である。 本発明の実施の形態に適用する振動子の圧電素子を励起する励起回路の回路図である。 励起回路内のバースト回路によるバースト信号の波形図である。 圧電振動子の周波数特性を示す図である。 図9(A)、(B)は、図6に図解した励起回路における動作周期τに起因して発生する霧の寸法分布を示すグラフである。 本発明の第8実施の形態における霧化装置の部分断面図である。 図11(A)、(B)は、本発明の第9実施の形態における霧化装置を図解する断面図である。 従来の霧化装置の構成図である。
符号の説明
10…圧電振動子、11…圧電素子、12…振動部、12F…振動部の先端面、
20…容器、20−1…正面壁、20−2…裏面壁、20−3…右側面壁、20−4…裏側面壁、20−5…上部壁、20−6…底面壁、21…液位維持壁
30…霧排出・水位維持用開口部、30−1…霧排出開口部
40…水補給部、51、52…第1、第2表面張力補助部材
60…水が振動部の先端面に導かれる水位に規定された状態で水の水面が接する容器の部分
120……励起回路

Claims (15)

  1. 霧化の対象となる液体を収容する容器と、
    圧電素子と該圧電素子に接続された振動部とを有し、前記振動部の先端面に前記液体が付着するように前記容器に配設されている圧電振動子と、
    前記圧電振動子の圧電素子を励起する励起回路と
    を有する、霧化装置。
  2. 前記容器に、該容器内の液体が表面張力によって前記圧電振動子の振動部の先端面に付着するように液位を維持する、液位維持壁を設けた、
    請求項1に記載の霧化装置。
  3. 前記液位維持壁は、前記圧電振動子が配設されている前記容器の壁と対向する位置に設けられ、
    前記液位維持壁の先端を、前記容器内の液体が表面張力によって前記圧電振動子の振動部の先端面に付着するように前記容器内の液位を維持する位置に配置した、
    請求項2に記載の霧化装置。
  4. 前記容器を、
    少なくとも容器内の液体の液位よりも高く延出し、かつ前記圧電振動子が配設されている壁と対向する壁面を有し、
    前記対向する壁面に開口部を設けた構成とし、
    該対向する壁面が前記液位維持壁を形成し、
    前記対向する壁面に設けられた開口部の底部が前記液位維持壁の先端を形成する、
    請求項2または3に記載の霧化装置。
  5. 前記圧電振動子の振動部の近傍に、前記振動部との協働による表面張力によって前記振動部の先端面に液体を導く表面張力補助部材が設けられている、
    請求項1〜4のいずれかに記載の霧化装置。
  6. 前記励起回路は、前記圧電振動子の振動部の固有の周波数を規定する電圧を間欠的に前記圧電振動子の圧電素子を励起する間欠励起回路を有する、
    請求項1〜5のいずれかに記載の霧化装置。
  7. 前記容器に収容される液体は水を含む液体であり、
    前記励起回路における間欠的に励起する周期は60Hz〜200Hzである、
    請求項6に記載の霧化装置。
  8. 前記間欠励起回路は、前記圧電素子の励起を開始するときバースト状のパルス信号が前記圧電素子に印加するように構成されている、
    請求項6または7に記載の霧化装置。
  9. 前記振動部の先端面の形状を矩形にし、矩形の先端面を液面に矩形の長辺が垂直方向になるように配置した、
    請求項1〜8のいずれかに記載の霧化装置。
  10. 前記容器内に液体を補給する液体補給部を設けた、
    請求項1〜9のいずれかに記載の霧化装置。
  11. 前記振動部の先端面に液体を補給するようにした、
    請求項10に記載の霧化装置。
  12. 前記振動部の軸線が、前記容器内の液体液面に対して非平行となるように前記圧電素子を配置した、
    請求項1〜11のいずれかに記載の霧化装置。
  13. 前記容器壁面と振動部の間に、前記霧化の対象となる液体に対する漏水防止性能を持ち、振動を緩和する緩衝部材を設け、該緩衝部材を前記容器壁面と前記振動部で挟持した、
    請求項1〜12のいずれかに記載の霧化装置。
  14. 前記緩衝部材は弾性材料で製造されている、
    請求項13に記載の霧化装置。
  15. 前記液位維持壁の前記先端、及び/又は前記液体が前記振動部の前記先端面に導かれる液位に規定された状態で当該液体の液面が接する容器の部分の少なくとも一部に、撥水性の表面処理が施され、あるいは撥水性を有する表面部材が設けられた、
    請求項3〜14のいずれかに記載の霧化装置。
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