JP2009136774A - 液体微粒化装置および液体微粒化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な機構で液体を微粒化して外部に吐出する液体微粒化装置を提供する。
【解決手段】液体微粒化装置１００は、液体収容部４００から供給された液体を微粒化して吐出するものであり、少なくとも吐出部２０と加熱部３０とを備える。吐出部２０は、液体通路部１０を通じて液体収容部４００から供給された液体を外部へ吐出するものである。加熱部３０は、吐出部２０の所定の範囲（先端付近）を所定の温度で加熱するものである。また、加熱部３０により加熱する所定の温度とは、吐出部２０内の液体に自発核生成による沸騰を生じさせ、吐出部２０内に蒸気泡を生成させる温度が想定される。加熱部３０により吐出部２０の所定の範囲を加熱することにより、吐出部２０内に蒸気泡ができる。この蒸気泡が成長すると吐出部２０内の液体が外部に吐出し、液体は微粒化される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体を微粒化させる液体微粒化装置および液体微粒化方法に関し、特に、熱エネルギーを利用した液体微粒化装置および液体微粒化方法に関する。

従来、液体を微粒化する方法には、圧力エネルギーを利用した方法、気体エネルギーを利用した方法、遠心力を利用した方法、振動を利用した方法、熱エネルギーを利用した方法などがあった。このうち、熱エネルギーを利用した液体の微粒化法には、バブルジェット（登録商標）方式、減圧沸騰による微粒化法、スプレーフラッシュ微粒化法がある。

このうちバブルジェット（登録商標）方式は、インク内に設置した微小ヒーターに時間幅が数マイクロ秒程度の極めて短いパルス電力を加えて、数（ｐｌ）程度の単一の液滴をノズルから吐出させる方式である（非特許文献１）。また、減圧沸騰による微粒化法は、微小径ノズルから高圧の液体を常圧場に噴射することで液体を微粒化するものである（非特許文献２）。スプレーフラッシュ微粒化法は、加熱した液体を微小径ノズルから減圧容器に噴射して減圧沸騰を生じさせて微粒化するものである（非特許文献３）。
日本流体力学会 和文機関紙「ながれ」 第２４巻第６号６０３頁〜６０８頁 「バブルジェット（登録商標）プリンタの開発」（浅井朗） 日本機械学会論文集（第２部） ４３巻３７６号（１９７７年） 「減圧沸騰による液体の微粒化」（須磨誓、小泉睦男） 日本機械学会論文集（Ｂ編） ６１巻５８４号（１９９５年４月号） 「減圧場における過熱水のスプレーフラッシュと微粒化の機構」（瀧本昭、Ｅｒａｓｍｕｓ Ｍｈｉｎａ ＲＥＴＥＲ、林勇二郎）

しかしながら、バブルジェット（登録商標）方式は、数（ｐｌ）程度の単一の液滴を吐出するものに過ぎず、微粒化した液体を多量に吐出するものではない。また、バブルジェット（登録商標）方式は、インク内に設置した微小ヒーターに時間幅が数マイクロ秒程度の極めて短いパルス電力を加えるものであるため、ヒーターの制御に特別な制御回路を必要とする。したがって、装置の複雑化は避けられない。

減圧沸騰による微粒化法においては液体を高圧にするための加圧装置が必要となり、スプレーフラッシュ微粒化法においては液体全体を加熱するための加熱装置が必要となり、バブルジェット（登録商標）方式と同様に装置全体が複雑化する。

上記バブルジェット（登録商標）方式において必要なヒーターの制御回路や、減圧沸騰による微粒化法において用いられる液体を高圧にするための加圧装置や、スプレーフラッシュ微粒化法において用いられる液体全体を加熱するための加熱装置のような特別な装置を用いない簡易な機構で液体を微粒化して外部に吐出できる装置があれば、液体を微粒化する装置の応用範囲が拡がり便利である。

そこで、本発明は、簡易な機構で液体を微粒化して外部に吐出する液体微粒化装置および簡易な方法で液体を微粒化して外部に吐出する液体微粒化方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の液体微粒化装置は、供給された液体を外部へ吐出する吐出部と、上記吐出部の所定の範囲を所定の温度で加熱する加熱部とを具備し、上記吐出部の上記所定の範囲を上記所定の温度で加熱し続けることにより上記吐出部内に蒸気泡を生成させ、上記液体を上記蒸気泡により上記吐出部から吐出させて、上記吐出部から吐出させた上記液体と外部との温度差を利用して上記液体を微粒化することを特徴とするものである。これにより、吐出部から吐出した液体を微粒化させるという作用をもたらす。すなわち、上記吐出部と上記加熱部さえ備えていれば、他に特別な装置を備えなくても液体を微粒化することができる。

また、本発明の液体微粒化装置において、上記加熱部で加熱する上記吐出部の所定の範囲は、上記吐出部の先端付近であることを特徴とする。これにより、吐出部から吐出した液体を円滑に微粒化させるという作用をもたらす。

また、本発明の液体微粒化装置において、上記吐出部は、複数のノズル部材により構成され、上記加熱部は、上記複数のノズル部材のそれぞれの所定の範囲を上記所定の温度で加熱する複数のノズル加熱部により構成されていることを特徴とする。これにより、多量の液体を一度に微粒化させるという作用をもたらす。

また、本発明の液体微粒化装置において、上記複数のノズル部材のそれぞれに設けられ、上記複数のノズル部材における液体の通路を遮断する複数のノズル弁と、上記複数のノズル部材のいずれから液体を吐出して微粒化するかの選択を受け付けるノズル弁選択操作部と、上記ノズル弁選択操作部における選択に対応するノズル弁に上記液体の通路を遮断させるノズル弁駆動部とをさらに具備することを特徴とする。これにより、所望の量の液体を一度に微粒化させるという作用をもたらす。

また、本発明の液体微粒化装置において、上記吐出部の所定の位置に上記蒸気泡および液体の逆流を防ぐ逆流防止弁を設けたことを特徴とする。これにより、蒸気泡および液体を液体の供給元に逆流させないという作用をもたらす。

また、本発明の液体微粒化装置において、上記逆流防止弁は、上記液体を通過させる領域である弁室を備えた弁本体と、上記弁室内に移動自由な状態で置かれた移動体と、上記移動体と嵌合する形状をしており、上記弁室における液体の入り口となる入り口開口を有した液体入り口部と、上記弁室における液体の出口となる少なくとも２つの出口開口を有しており、上記少なくとも２つの出口開口が上記移動体により同時に閉じられない位置に設けられている液体出口部とを備え、上記弁室内で上記液体の逆流が生じた場合に、その逆流により上記移動体が移動して上記液体入り口部と嵌合することにより上記入り口開口を閉じることを特徴とする。これにより、上記移動体により蒸気泡を液体の供給元に逆流させないという作用をもたらす。

また、本発明の液体微粒化装置において、上記所定の温度は、少なくとも上記吐出部内の液体に自発核生成による沸騰を生じさせ、上記蒸気泡を生成させる温度であることを特徴とする。これにより、吐出部内に蒸気泡を生成させるという作用をもたらす。

また、本発明の液体微粒化方法は、供給された液体を外部へ吐出する吐出部から吐出された液体を微粒化する液体微粒化方法であって、上記吐出部の所定の範囲を所定の温度で加熱し続けることにより上記吐出部内に蒸気泡を生成させ、上記液体を上記蒸気泡により上記吐出部から吐出させて、上記吐出部から吐出させた上記液体と外部との温度差を利用して上記液体を微粒化することを特徴とするものである。これにより、吐出部から吐出した液体を微粒化させるという作用をもたらす。

また、本発明の液体微粒化方法において、上記加熱する上記吐出部の所定の範囲は、上記吐出部の先端付近であることを特徴とする。これにより、吐出部から吐出した液体を円滑に微粒化させるという作用をもたらす。

また、本発明の液体微粒化方法において、上記所定の温度は、少なくとも上記吐出部内の液体に自発核生成による沸騰を生じさせ、上記蒸気泡を生成させる温度であることを特徴とする。これにより、吐出部内に蒸気泡を生成させるという作用をもたらす。

また、本発明の液体微粒化装置は、液体を収容する開口を有した液体収容部と、上記開口から流出する液体の通路である液体通路部と、上記液体通路部の終端に設けられ、上記液体通路部から供給された液体を外部へ吐出する吐出部と、上記吐出部の所定の範囲を少なくとも上記吐出部内の液体に自発核生成による沸騰を生じさせ、上記蒸気泡を生成させる温度で加熱する加熱部とを具備し、上記吐出部の上記所定の範囲を上記温度で加熱し続けることにより上記吐出部内に蒸気泡を生成させ、上記液体を上記蒸気泡により上記吐出部から吐出させて、上記吐出部から吐出させた上記液体と外部との温度差を利用して上記液体を微粒化することを特徴とするものである。これにより、吐出部から吐出した液体を微粒化させるという作用をもたらす。

本発明によれば、液体の微粒化を簡易な機構で実現することができるという優れた効果を奏し得る。

次に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態における液体微粒化装置１００を示すものである。図１（ａ）は、液体収容部４００および液体微粒化装置１００を示す図である。液体微粒化装置１００は、液体収容部４００から供給された液体を微粒化して吐出するものであり、液体通路部１０と、吐出部２０と、加熱部３０と、逆流防止弁４０とを備える。

なお、上記説明においては、液体微粒化装置１００と液体収容部４００とを別の装置として構成しているが、液体微粒化装置１００に液体収容部４００をも加えたものを本発明における液体微粒化装置としてもよい。また、液体通路部１０または逆流防止弁４０を液体微粒化装置１００外のものとして捉え、上記液体微粒化装置１００の構成から液体通路部１０または逆流防止弁４０を除外したものも本発明における液体微粒化装置としてもよい。

液体通路部１０は、液体収容部４００の開口から流出する液体の通路である。吐出部２０と、加熱部３０と、逆流防止弁４０とは、図１（ｂ）を参照して説明することとする。図１（ｂ）は、図１（ａ）における楕円領域Ａの拡大図である。

吐出部２０は、液体通路部１０を通じて液体収容部４００から供給された液体を外部へ吐出するものである。吐出部２０として、例えばガラス管のような管状のノズル部材が想定されるが、これに限るものではない。そして、吐出部２０は、液体通路部１０の終端に連結されている。

加熱部３０は、吐出部２０の所定の範囲を所定の温度で加熱するものである。吐出部２０の所定の範囲として、吐出部２０の先端部付近（例えば吐出部２０の先端部より約１．５ｍｍ上方にある吐出部２０の外周付近）が想定されるが、これに限るものではない。また、加熱部３０により加熱する所定の温度とは、少なくとも吐出部２０内の液体に自発核生成による沸騰を生じさせ、吐出部２０内に蒸気泡を生成させることができる温度が想定される。

上記加熱部３０の構成として、例えば、加熱部材３１と、電力供給部３２とを備えた構成が想定されるが、これに限るものではない。以下に加熱部３０を上記のように構成した場合について説明する。

電力供給部３２は、加熱部材３１に所定の電力を供給するものである。電力供給部３２は、加熱部材３１に所定の電力を供給する構成で足りる。このため、電力供給部３２は、例えば電源３２ａと加熱部材３１とを直列に接続した簡易な直列回路であってもよい。なお、電源３２ａは、直流電源または交流電源のいずれであってもよい。これにより、複雑な回路構成としなくても液体の微粒化を実現することができる。

加熱部材３１は、電力供給部３２から供給された電力を熱エネルギーに変換するものである。加熱部材３１として、例えばヒーター線を吐出部２０の周囲に巻いたものが想定されるが、これに限るものではない。

図１（ｂ）において加熱部材３１は、吐出部２０の先端付近の外周に設けられているが、これに限るものではなく、吐出部２０の先端付近の内部に設ける構造であってもよい。すなわち、吐出部２０の先端部付近を加熱することができれば、加熱部材３１を配する位置はどこであってもよい。

上記説明した加熱部３０により吐出部２０の先端付近を加熱し続けると、吐出部２０内の液体が過熱限界温度に達する。吐出部２０内の液体が過熱限界温度に達すると、液体と吐出部２０の内側面との界面において自発核生成によると思われる沸騰が生じ、この時の液体の温度に対応する飽和圧力を有した蒸気泡が生成され始める。そして、吐出部２０内の液体の温度がどんどん上昇していくと同時に、その蒸気泡もどんどん成長していく。その蒸気泡の成長により液体は吐出部２０から吐出され、吐出された液体は、液体自身と外部との温度差による圧力差により微粒化される。このメカニズムについてはさらに後述する。

逆流防止弁４０は、吐出部２０の所定の位置に設けられており、吐出部２０内にある蒸気泡および液体が液体通路部１０内に逆流することを防ぐものである。すなわち、吐出部２０内において、例えば蒸気泡の膨張に伴う液体の逆流が発生すると逆流防止弁４０は弁を閉じ、吐出部２０内にある蒸気泡および液体が液体通路部１０へ移動することを防ぐ。

一方、逆流防止弁４０は、液体通路部１０から吐出部２０へ液体が流れ込む際は弁を開き、液体通路部１０から吐出部２０への液体の流れを妨げない。なお、逆流防止弁４０が設けられる吐出部２０の所定の位置として、吐出部２０の後端部が想定されるが、これに限るものではない。逆流防止弁４０の構造の一例を別途図２において説明することとするが、以上のような動作を行うことができれば、逆流防止弁４０はどのような構造であってもよい。

液体微粒化装置１００により液体を微粒化する過程や実験結果は後述するが、液体微粒化装置１００は、加熱等の特別な処理を何ら施していない液体を吐出部２０に供給して、吐出部２０の先端付近を加熱部３０により所定の温度で加熱し続けるという方式で液体の微粒化を実現した。そして、この加熱部３０もバブルジェット（登録商標）方式において行われているヒーターに時間幅が数マイクロ秒程度の極めて短いパルス電力を加えるというような特別な制御を必要としない。この意味で、液体微粒化装置１００は従来にはない新たな方式の液体微粒化装置であると言える。

図２は、本発明の実施の形態における液体微粒化装置１００の逆流防止弁４０の構造の一例を示すものである。図２（ａ）は、液体微粒化装置１００の逆流防止弁４０付近の斜視図である。逆流防止弁４０は、吐出部２０の後端部に設けられており、図２（ａ）に示すように液体通路部１０と吐出部２０との間に位置する。

図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。逆流防止弁４０は、図２（ｂ）に示すように、弁本体４１と、移動体４２とにより構成されている。弁本体４１は、弁室４３を備えており、液体通路部１０と吐出部２０とを連通させている。

移動体４２は、弁室４３内に移動自由な状態で置かれている。移動体４２の形状として、球形状や楕円球形状が想定されるが、これに限るものではない。液体通路部１０の終端１１は、液体通路部１０から弁室４３に供給される液体の入り口に相当する。液体通路部１０の終端１１は、図２（ｂ）に示すように移動体４２の一部が嵌合する形状になっている。そして、液体通路部１０の終端１１の開口１２は、移動体４２の一部が液体通路部１０の終端１１に嵌合すると、閉じられる。なお、図２（ｂ）における液体通路部１０の終端１１の形状を弁本体４１に設けるようにしてもよい。

吐出部２０から液体通路部１０へ向かう液体の流れが生じると、移動体４２は液体通路部１０に向かう方向に移動させられるが、液体通路部１０の終端１１と嵌合して開口１２を閉じるため、吐出部２０から液体通路部１０へ向かう液体の流れを阻止することができる。これにより、吐出部２０内で生成された蒸気泡が液体通路部１０へ移動することを阻止することができる。

一方、吐出部２０の終端２１は、弁室４３内の液体の出口に相当する。吐出部２０の終端２１は、少なくとも２つの開口を有している。そして、この少なくとも２つの開口は、移動体４２により同時に閉じられない位置に設けられている。図２（ｂ）において吐出部２０の終端２１における開口は３つ設けられており、それは開口２３ａ、開口２３ｂおよび開口２４である。開口２３ａおよび開口２３ｂは、それぞれ傾斜面２２ａおよび２２ｂに設けられている。この開口２３ａおよび２３ｂの形状として、例えばくさび形状が想定されるが、これに限るものではない。また、開口２４は、傾斜面２２ａと２２ｂとの間の面２５に設けられている。なお、開口２３ａと、開口２３ｂと、開口２４とが繋がって、全体として一つの開口となっていてもよい。本発明において液体の出口である少なくとも２つの開口は、移動体４２により同時に閉じることができない開口を指しており、必ずしも独立した複数の開口を指し示すものではない。したがって、独立した開口の数が１つであっても本発明の少なくとも２つの開口に相当する場合はある。なお、図２（ｂ）における吐出部２０の終端２１の形状を弁本体４１に設けるようにしてもよい。

図２（ｃ）は、図２（ｂ）を９０度回転させた図である。図２（ｂ）を９０度回転させると、図２（ｃ）に示すように傾斜面２２ａが正面にくる。そして、開口２３ａは、傾斜面２２ａの上端付近をくさび形状に切り取った形状をしている。図２（ｂ）を上記とは逆方向に９０度回転させた場合も、上記図２（ｃ）と同様の外観になる。この場合、図２（ｃ）の傾斜面２２ａは傾斜面２２ｂとなり、開口２３ａは開口２３ｂとなる。

吐出部２０の終端２１を上記のように構成すると、図２（ｃ）に示すように移動体４２が吐出部２０の終端２１の開口２４を閉じてしまっても、開口２３ａおよび開口２３ｂは閉じられない。このため、移動体４２は、液体通路部１０から吐出部２０への液体の流れを移動体４２は妨げない。

図３は、本発明の別の実施の形態における液体微粒化装置を示すものである。図３（ａ）は、本発明の別の実施の形態における液体微粒化装置２００を示すものである。液体微粒化装置２００は、液体通路部２１０と、ノズル部材２２１乃至２２３により構成される吐出部群と、ノズル加熱部２３１乃至２３３により構成される加熱部群と、逆流防止弁２４０とを備える。なお、液体微粒化装置２００において液体微粒化装置１００と同じ機能を有するものについては、同じ名称を用いることとする。

液体通路部２１０と逆流防止弁２４０とについては、図１および図２において説明済みであるため、説明を省略することとする。吐出部群は、液体微粒化装置１００における吐出部２０に対応するもの（ノズル部材）が複数集まったものであり、例えばガラス管のような管状のノズル部材（ノズル部材２２１乃至２２３）により構成されるものである。この吐出部群から液体が吐出され微粒化される。

加熱部群は、液体微粒化装置１００における加熱部３０に対応するもの（ノズル加熱部材）が複数集まったもの（ノズル加熱部２３１乃至２３３）である。加熱部群を構成するノズル加熱部２３１乃至２３３は、吐出部群を構成するノズル部材２２１乃至２２３のそれぞれの先端付近に設けることが想定される。すなわち、ノズル部材２２１の先端付近にノズル加熱部２３１を設け、ノズル部材２２２の先端付近にノズル加熱部２３２を設け、ノズル部材２２３の先端付近にノズル加熱部２３３を設ける。ノズル加熱部２３１乃至２３３は、それぞれノズル部材２２１乃至２２３の先端付近を加熱する。

なお、上記において液体微粒化装置２００における吐出部群を構成するノズル部材および加熱部群を構成するノズル加熱部の数を３つとした場合について説明したが、これに限るものではなく、２つ以上あればいくつあってもよい。また、吐出部２０および加熱部３０について図１で説明した事項は上記吐出部群および加熱部群にも当てはまり、そのことは図１で説明済みであるため、その説明を省略することとする。

液体微粒化装置２００によれば、液体微粒化装置１００よりも微粒化した液体を多量に吐出することができる。そして、吐出群を構成するノズル部材および加熱部群を構成するノズル加熱部の数を用途に応じて変えれば、所望の量の液体を吐出して微粒化させることができる。

図３（ｂ）は、本発明の別の実施の形態における液体微粒化装置３００を示すものである。液体微粒化装置３００は、液体通路部３１０と、ノズル部材３２１乃至３２３により構成される吐出部群と、ノズル加熱部３３１乃至３３３により構成される加熱部群と、逆流防止弁３４０と、ノズル弁３５１乃至３５３により構成されるノズル弁群と、ノズル弁選択操作部３６０と、ノズル弁駆動部３７０とを備える。

なお、液体微粒化装置３００においても液体微粒化装置１００および２００と同じ機能を有するものについては、同じ名称を用いることとする。したがって、液体通路部３１０と、吐出部群と、加熱部群と、逆流防止弁３４０とについては既に説明済みであるため、説明を省略することとする。

液体微粒化装置３００は、図３（ａ）で説明した液体微粒化装置２００とほぼ同じ構成になっている。液体微粒化装置３００と液体微粒化装置２００との相違点は、ノズル弁群と、ノズル弁選択操作部３６０と、ノズル弁駆動部３７０とが液体微粒化装置３００には別途設けられていることである。

ノズル弁群は、ノズル部材における液体の通路を遮断するノズル弁が複数集まったものであり、吐出部群を構成するノズル部材３２１乃至３２３のそれぞれに設けられている。図３（ｂ）においてノズル弁群の一例が示されており、ノズル弁３５１はノズル部材３２１の一端に設けられており、ノズル弁３５２はノズル部材３２２の一端に設けられており、ノズル弁３５３はノズル部材３２３の一端に設けられている。

ノズル弁選択操作部３６０は、ノズル部材３２１乃至３２３のいずれから液体を吐出して微粒化させるかの選択を受け付けるものである。ノズル弁駆動部３７０は、ノズル弁選択操作部３６０において受け付けた選択に応じて、ノズル弁３５１乃至３５３のいずれかを駆動させるものである。

例えば、ノズル部材３２１およびノズル部材３２３のみから液体を吐出して微粒化させるという場合、ノズル弁選択操作部３６０においてノズル部材３２１およびノズル部材３２３のみを選択する。ノズル弁選択操作部３６０においてノズル部材３２１およびノズル部材３２３のみが選択されると、ノズル弁駆動部３７０は、ノズル弁３５１およびノズル弁３５３を開かせ、ノズル弁３５２を閉じさせる。

なお、ノズル弁を閉じると、そのノズル部材から液体が吐出されなくなるため、ノズル弁を閉じたノズル部材に設けられたノズル加熱部における加熱を停止するように構成してもよい。この場合、ノズル弁駆動部３７０がノズル弁を閉じさせると、そのノズル弁に対応するノズル加熱部の電力供給回路のスイッチがＯＦＦになるようにする。一方、ノズル弁駆動部３７０がノズル弁を開かせると、そのノズル弁に対応するノズル加熱部の電力供給回路のスイッチがＯＮになるようにするとよい。以上のように液体微粒化装置３００を構成すると、図３（ｂ）に示すようになる。

図４は、本発明の実施の形態における液体微粒化装置１００において液体が微粒化される過程を示すものである。吐出部２０に液体が供給された状態で加熱部３０により吐出部２０の先端付近の液体を加熱し続けると、吐出部２０内の液体が過熱限界温度に達する。吐出部２０内の液体が過熱限界温度に達すると、液体と吐出部２０の内側面との界面において自発核生成によると思われる沸騰が生じ、図４（ａ）に示すようにこの時の液体の温度に対応する飽和圧力を有した蒸気泡１１０が生成され始める。

そして、加熱部３０により吐出部２０の先端付近の液体を加熱し続けると、時間の経過とともに、吐出部２０において高圧力の蒸気泡１１０が成長して図４（ｂ）の状態になる。蒸気泡１１０が成長すると、蒸気泡１１０の前方の液体が蒸気泡１１０により押し出され、吐出部２０から柱形状の液柱１２０として吐出される。さらに、加熱部３０により吐出部２０の先端付近の液体を加熱し続けると、図４（ｃ）に示すように蒸気泡１１０がさらに成長して、蒸気泡１１０の前方の液体が押し出され、液柱１２０はどんどん伸びていく。

吐出部２０から吐出された液柱１２０は、吐出部２０から吐出される前は吐出部２０内で加熱部３０により加熱されており、高温状態にある。このため、吐出部２０から吐出された液柱１２０は、外部との温度差による圧力差によって、図４（ｃ）に示すように一部蒸気化して微粒化した液体１３０になり始めると推測される。この外部との温度差による圧力差による液柱１２０の微粒化は、図４（ｄ）に示すようにどんどん拡がっていく。

その間にも、加熱部３０は吐出部２０を加熱し続けており、吐出部２０内における蒸気泡１１０はどんどん成長して、図４（ｄ）に示すように吐出部２０の先端を超えて吐出部２０の外部に飛び出す。なお、蒸気泡の成長速度は、液柱１２０の進行方向速度よりも大きいと思われる。このため、この吐出部２０の外部に飛び出した蒸気泡は、液柱１２０に激突する。また、吐出部２０の外部に飛び出した蒸気泡は、外部においてさらに成長して大きくなり、吐出された液体の塊を細かくする。上記説明した吐出部２０の外部に飛び出した蒸気泡の作用も、液柱１２０が微粒化される要因になっていると推測される。

そして、所定時間経過すると以上説明した要因により、図４（ｅ）に示すように液柱１２０は完全に微粒化される。なお、図４（ｃ）から図４（ｅ）のいずれのタイミングかは確認していないが、図４（ｃ）から図４（ｅ）のいずれかのタイミングで破裂音が生じることを本願出願人は確認している。

また、蒸気泡１１０は、図４（ｄ）から図４（ｅ）の際に蒸気泡１１０の後方から供給される液体により吐出部２０の外に向かって押し出される。最終的に蒸気泡１１０は、全て吐出部２０外に押し出される。そして、図４（ｆ）に示すように加熱部３０付近の液体が加熱部３０により加熱され、上記蒸気泡１１０と同様の過程で新たに蒸気泡１１１が生成され始める。この蒸気泡１１１は、加熱部３０の加熱により成長して図４（ｂ）から図４（ｆ）までの動作が行われる。以上の動作は、加熱部３０が吐出部２０の先端付近の液体の加熱を停止するまで、液体微粒化装置１００において繰り返し行われる。

以上のように液体微粒化装置１００においては、吐出部２０から吐出される液体が最初から微粒化された状態にあるわけではなく、吐出部２０から吐出された微粒化されていない液柱１２０が、液柱１２０自身と外部との温度差と、吐出部２０内で生成された蒸気泡１１０の成長等により微粒化されると推測される。

また、図４（ａ）から図４（ｆ）までを１周期と考えると、液体微粒化装置１００は、液体を吐出してその液体を微粒化する動作を１周期としたパルス的微粒化動作を連続して行うことができると言うことができる。

次に、本発明の実施の形態における液体微粒化装置１００によって水を微粒化する実験および結果について図面を参照して説明する。

図５は、図１（ａ）に示した液体微粒化装置１００で水の微粒化を行った際の水の微粒化の様子を示す写真である。吐出部２０として、ガラス管を用いた。このガラス管は、円筒形状をしており、内径が０．２（ｍｍ）で外径が０．７（ｍｍ）である。

また、加熱部材３１として、０．１（ｍｍ）のヒーター線を用いた。そして、そのヒーター線をガラス管の先端から１．５（ｍｍ）離れた所から約１０（Ω）に相当する抵抗分ガラス管に巻き付けた。さらに、ヒーター線に供給する電力を約１．６（Ｗ）とした。なお、図５に示す写真においては、ガラス管の先端付近についてのみ表示してあり、ヒーター線部分については表示していない。

液体収容部４００には水を入れ、液体通路部１０を通じてガラス管に水を送る。そして、ヒーター線に電力を供給するため、電力供給回路のスイッチをＯＮにする。そして、予めセットしておいたビデオカメラによりガラス管の先端付近を撮影する。なお、この際の撮影速度は１６０００（ｆｐｓ）で、シャッター速度は１／１０９０００（ｓ）である。図５の写真においてガラス管の先端から水が吐出される時刻をｔ＝０（μｓ）としてある。

時刻ｔ＝０において水がガラス管の先端から飛び出す。時刻ｔ＝６２．５（μｓ）、０．１９（ｍｓ）、０．５（ｍｓ）、０．６２５（ｍｓ）に示す写真から明らかなように、ガラス管から飛び出した水は、柱形状を維持したまま前方に進む。

そして、時刻ｔ＝０．６８８（ｍｓ）において、ガラス管から飛び出した水の先頭付近は、未だ柱形状を維持しているが、ガラス管から飛び出した水の後ろの方の部分は、柱形状が崩れて周囲に拡がっている。これは、ガラス管から飛び出した水の後ろの方の部分において水の微粒化が開始したからであると言える。

また、時刻ｔ＝０．６２５（ｍｓ）以前のガラス管内の様子と時刻ｔ＝０．６８８（ｍｓ）以後のガラス管内の様子とを比較すると、ガラス管内の色が相違する。すなわち、時刻ｔ＝０．６２５（ｍｓ）以前のガラス管内の色は白い部分が多く見られ、時刻ｔ＝０．６８８（ｍｓ）以後のガラス管内の色は白い部分が少なくなっている。この色の相違の理由は、時刻ｔ＝０．６２５（ｍｓ）以前のガラス管内においては先端部分に未だ水が残っており、時刻ｔ＝０．６８８（ｍｓ）以後のガラス管内においては蒸気泡が成長して、ガラス管の先端付近の水をほとんど押し出してしまったからであると推測される。

時刻ｔ＝０．７５０（ｍｓ）においては、ガラス管から飛び出した水の真ん中付近も柱形状が崩れて周囲に拡がっている。これは、ガラス管から飛び出した水の真ん中付近においても水の微粒化が開始したからであると言える。そして、時刻ｔ＝０．９３８（ｍｓ）においては、ガラス管から飛び出した水の先頭付近まで微粒化している。

図６は、図１（ａ）に示した液体微粒化装置１００で図５における水の微粒化の場合とは条件を変えて、水の微粒化を行った際の水の微粒化の様子を示す写真である。図５における水の微粒化の実験から変えた条件とは、ヒーター線に供給する電力量である。図６においては、ヒーター線に供給する電力を約２．４７（Ｗ）とした。

なお、図６の場合の撮影速度は３２０００（ｆｐｓ）で、シャッター速度は１／２７２０００（ｓ）である。図６の写真においてガラス管の先端から水が吐出される時刻をｔ＝０（μｓ）としてある。

図６の写真においてフレーム１８からガラス管から吐出された柱形状の水の形状が崩れ始め出している。フレーム２２（時刻ｔ＝０．２ｍｓ）においては柱形状の水の先端以外の形状は完全に崩れてしまっている。そして、フレーム３５（時刻ｔ＝０．４３７５ｍｓ）において水は完全に微粒化している。図６の条件で水の微粒化を行う場合、図５の条件で水の微粒化を行う場合に比べてより短時間で水を微粒化している。

また、ガラス管内を見ると、フレーム２０以前のフレームにおいてガラス管内は水で満たされていることが分かる。一方、フレーム２１におけるガラス管内を見ると、ガラス管内の色が変わり始め出しており、段々とガラス管内の蒸気泡が成長してきていることが分かる。そして、フレーム２２においてガラス管内の色を見れば明らかなように、蒸気泡はガラス管の先端まで成長したことが分かる。蒸気泡がガラス管の吐出口の外に向かって成長する速度と柱形状の水が進行する速度とを比べると、蒸気泡がガラス管の吐出口の外に向かって成長する速度の方が大きいことが図６の写真を見ると分かる。

図７は、図１（ａ）に示した液体微粒化装置１００で水の微粒化を行った際の吐出部２０内における蒸気泡の成長の様子を示す写真である。図７の写真において吐出部２０としてガラス管を用い、加熱部３０としてヒーターを用いている。

フレーム３（時刻ｔ＝３１．２５μｓ）において加熱部の中央よりも左側付近に蒸気泡が生成されている様子がフレーム３に写真において黒い点として示されている。その後、蒸気泡は、時間が経過するにつれてガラス管の外側に向かって成長する。この様子がフレーム４からフレーム２５に対応する写真において示されている。そして、フレーム２６（時刻ｔ＝０．７５ｍｓ）において蒸気泡は、ガラス管の先端を飛び出すまでに成長している。

図８は、図１（ａ）に示した液体微粒化装置１００で連続して水の微粒化を行った際の水の微粒化の様子を示す写真である。図５および図６に示した水の微粒化の様子を示す写真は、水が微粒化されるまでの１周期を表すものであるが、図８に示した水の微粒化の様子を示す写真は、水が微粒化される様子を９周期に渡って表したものである。

図８においてガラス管として、内径が０．２９（ｍｍ）で外径が１．１（ｍｍ）のガラス管を用いた。また、ヒーター線に供給する電力を約１．１（Ｗ）とした。また、シャッター速度を１／２７２０００（ｓ）として水の微粒化の様子を撮影した。

図８の写真においては、水が微粒化された状態の写真（フレーム４９、フレーム４１６、フレーム８３９、フレーム１２４３、フレーム１６３０、フレーム２００９、フレーム２３７０、フレーム２７３１、フレーム３０９３）が９つ示してある。９つの写真それぞれの微粒化される過程は、図５または図６に示したものと同様である。

図８においては９周期に渡って水の微粒化の様子を示してあるが、１周期の平均時間Δｔ＝０．１９２５（ｓ）（最大周期＝０．２１１５ｓ、最小周期＝０．１８０５ｓ）であった。したがって、図８における条件で行った水の微粒化の周波数は、約５．２６（Ｈｚ）となる。図８における写真から分かるように、図５および図６に示した水が微粒化するまでの１周期の様子は、再現性のある現象であることが分かる。

また、図８における液体微粒化装置１００で連続して水の微粒化を行った際のガラス管から吐出される水の温度Ｔ_ｊを推算すると、約１７５（℃）と見積もれる。このときの水の飽和圧力は０．９（ＭＰａ）となる。この水の飽和圧力と大気圧との圧力差が、水を微粒化する駆動力の一因となっていると推測される。

なお、ガラス管から吐出される水の温度Ｔ_ｊは、以下の数１を用いて算出した。

加熱される水の質量ｍは、ガラス管の内径が０．２９（ｍｍ）であるため、約３．３×１０^―７（ｋｇ）となるが、実際にガラス管から１回に吐出される水の量はこの半分となる。したがって、加熱される水の質量ｍは、約１．６５×１０^―７（ｋｇ）となる。また、ガラス管の加熱量Ｑは、約１．１（Ｗ）で、その際の水が微粒化される１周期Δｔは、上記示したように約０．１９（ｓ）となる。初期状態における水の温度Ｔ_ｉを２５（℃）とし、水の比熱Ｃ_ｐを４．２×１０^３（Ｊ／（ｋｇＫ））とした。

さらに本願出願人は、ヒーター線に供給する電力量を変えた際の水の微粒化の周波数ｆの変化の様子を図１（ａ）に示した液体微粒化装置１００において行った。その結果を、ガラス管単位長さ当たりの加熱量Ｑ´と水の微粒化の周波数ｆとの関係として表１に示す。

表１によると、ガラス管単位長さ当たりの加熱量Ｑ´を増やすことで水の微粒化の周波数ｆがほぼ直線的に増加することが確認できる。このことは、ガラス管から吐出される水の温度Ｔ_ｊがガラス管単位長さ当たりの加熱量Ｑ´によらず一定であることを示している。また、ガラス管単位長さ当たりの加熱量Ｑ´とガラス管への水の供給量とを連動させて制御することにより、水の微粒化の周波数ｆ（水を微粒化させる速度）を制御することが可能であることを示唆している。

このように、本発明の実施の形態によれば、簡易な構成で液体の微粒化を実現することができる。すなわち、上記説明した吐出部および加熱部による構成のみで吐出部から吐出した液体を微粒化することができる。そして、加熱部は所定の温度で連続して加熱し続けられれば足り、特別な制御を必要としない。また、本発明の実施の形態によれば、液体全体を加熱する加熱装置や液体を加圧する加圧装置等の特別な機器も必要としない。

さらに、本発明の実施の形態によれば、加熱部分が吐出部の所定の範囲（例えば、吐出部の先端付近）であるため、エネルギー損失が極めて少なく、装置の断熱も必要としない。このため、エネルギー効率に優れた液体の微粒化方法と言うことができる。

なお、図５乃至図８において、本発明の液体微粒化装置１００を用いて水の微粒化を行った場合を示したが、本願出願人は、液体微粒化装置１００を用いて灯油等の液体状の燃料をも微粒化することができることを確認している。また、以上において説明した液体の微粒化は、液体の微粒化法として捉えてもよい。

なお、本発明の実施の形態は本発明を具現化するための一例を示したものであり、これに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形を施すことができる。

本発明の活用例として、例えば石油ストーブなどの初期点火用の燃料気化装置に本発明を適用することが考えられる。

本発明の実施の形態における液体微粒化装置１００を示すものである。 本発明の実施の形態における液体微粒化装置１００の逆流防止弁４０の構造の一例を示すものである。 本発明の別の実施の形態における液体微粒化装置を示すものである。 本発明の実施の形態における液体微粒化装置１００において液体が微粒化される過程を示すものである。 図１（ａ）に示した液体微粒化装置１００で水の微粒化を行った際の水の微粒化の様子を示す写真である。 図１（ａ）に示した液体微粒化装置１００で図５における水の微粒化の場合とは条件を変えて、水の微粒化を行った際の水の微粒化の様子を示す写真である。 図１（ａ）に示した液体微粒化装置１００で水の微粒化を行った際の吐出部２０内における蒸気泡の成長の様子を示す写真である。 図１（ａ）に示した液体微粒化装置１００で連続して水の微粒化を行った際の水の微粒化の様子を示す写真である。

符号の説明

１０、２１０、３１０ 液体通路部
１１、２１ 終端
１２、２３ａ、２３ｂ、２４ 開口
２０ 吐出部
２２ａ、２２ｂ 傾斜面
３０ 加熱部
３１ 加熱部材
３２ 電力供給部
３２ａ 電源
４０、２４０、３４０ 逆流防止弁
４１ 弁本体
４２ 移動体
４３ 弁室
４４ 紐
１００、２００、３００ 液体微粒化装置
１１０、１１０ａ、１１１ 蒸気泡
２２１、２２２、２２３、３２１、３２２、３２３ ノズル部材
２３１、２３２、２３３、３３１、３３２、３３３ ノズル加熱部
３５１、３５２、３５３ ノズル弁
３６０ ノズル弁選択操作部
３７０ ノズル弁駆動部
４００ 液体収容部

Claims (11)

1. 供給された液体を外部へ吐出する吐出部と、
   前記吐出部の所定の範囲を所定の温度で加熱する加熱部と
   を具備し、
   前記吐出部の前記所定の範囲を前記所定の温度で加熱し続けることにより前記吐出部内に蒸気泡を生成させ、前記液体を前記蒸気泡により前記吐出部から吐出させて、前記吐出部から吐出させた前記液体と外部との温度差を利用して前記液体を微粒化することを特徴とする液体微粒化装置。
2. 前記吐出部の所定の範囲は、前記吐出部の先端付近であることを特徴とする請求項１記載の液体微粒化装置。
3. 前記吐出部は、複数のノズル部材により構成され、
   前記加熱部は、前記複数のノズル部材のそれぞれの所定の範囲を前記所定の温度で加熱する複数のノズル加熱部により構成されていることを特徴とする請求項１記載の液体微粒化装置。
4. 前記複数のノズル部材のそれぞれに設けられ、前記複数のノズル部材における液体の通路を遮断する複数のノズル弁と、
   前記複数のノズル部材のいずれから液体を吐出して微粒化するかの選択を受け付けるノズル弁選択操作部と、
   前記ノズル弁選択操作部における選択に対応するノズル弁に前記液体の通路を遮断させるノズル弁駆動部と
   をさらに具備することを特徴とする請求項３記載の液体微粒化装置。
5. 前記吐出部の所定の位置に前記蒸気泡および液体の逆流を防ぐ逆流防止弁を設けたことを特徴とする請求項１記載の液体微粒化装置。
6. 前記逆流防止弁は、
   前記液体を通過させる領域である弁室を備えた弁本体と、
   前記弁室内に移動自由な状態で置かれた移動体と、
   前記移動体と嵌合する形状をしており、前記弁室における液体の入り口となる入り口開口を有した液体入り口部と、
   前記弁室における液体の出口となる少なくとも２つの出口開口を有しており、前記少なくとも２つの出口開口が前記移動体により同時に閉じられない位置に設けられている液体出口部と
   を備え、
   前記弁室内で前記液体の逆流が生じた場合に、その逆流により前記移動体が移動して前記液体入り口部と嵌合することにより前記入り口開口を閉じることを特徴とする請求項５記載の液体微粒化装置。
7. 前記所定の温度は、少なくとも前記吐出部内の液体に自発核生成による沸騰を生じさせ、前記蒸気泡を生成させる温度であることを特徴とする請求項１乃至請求項６記載の液体微粒化装置。
8. 供給された液体を外部へ吐出する吐出部から吐出された液体を微粒化する液体微粒化方法であって、
   前記吐出部の所定の範囲を所定の温度で加熱し続けることにより前記吐出部内に蒸気泡を生成させ、前記液体を前記蒸気泡により前記吐出部から吐出させて、前記吐出部から吐出させた前記液体と外部との温度差を利用して前記液体を微粒化することを特徴とする液体微粒化方法。
9. 前記加熱する前記吐出部の所定の範囲は、前記吐出部の先端付近であることを特徴とする請求項８記載の液体微粒化方法。
10. 前記所定の温度は、少なくとも前記吐出部内の液体に自発核生成による沸騰を生じさせ、前記蒸気泡を生成させる温度であることを特徴とする請求項８および請求項９記載の液体微粒化方法。
11. 液体を収容する開口を有した液体収容部と、
    前記開口から流出する液体の通路である液体通路部と、
    前記液体通路部の終端に設けられ、前記液体通路部から供給された液体を外部へ吐出する吐出部と、
    前記吐出部の所定の範囲を少なくとも前記吐出部内の液体に自発核生成による沸騰を生じさせ、前記蒸気泡を生成させる温度で加熱する加熱部と
    を具備し、
    前記吐出部の前記所定の範囲を前記温度で加熱し続けることにより前記吐出部内に蒸気泡を生成させ、前記液体を前記蒸気泡により前記吐出部から吐出させて、前記吐出部から吐出させた前記液体と外部との温度差を利用して前記液体を微粒化することを特徴とする液体微粒化装置。