JP2016147248A - 霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡易であり、しかも霧化効率を高くした霧化装置を提供する。
【解決手段】振動子５を含む超音波振動装置２と、超音波振動装置２に連結する複数の振動板３と、を備える霧化装置１である。複数の振動板３は、それぞれが振動子５の振動に連動して互いに異なる振動モードで振動するように構成され、かつ、互いに対面した状態で所定の微小間隙を介して配置されている。微小間隙に液体を供給する液体供給手段４を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、霧化装置に関する。

液体を霧化する霧化装置は、加湿や殺虫スプレー、石油ファンヒータなどの身近なものから、食品、肥料、塗料などの噴霧乾燥など、幅広い分野で利用されている。このような霧化装置のうち、超音波を用いる霧化装置は、工業的に利用されるものの１つであり、液滴の分離や濃縮に用いられている。超音波霧化は、加熱して分離・濃縮する蒸留法と比べて大幅にエネルギー消費量を削減できる利点がある。

超音波を用いた霧化装置としては、霧化させたい液体を振動板の振動面に直接触れさせるものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。このような霧化装置における霧化方法は、キャピラリー波による方法であり、液表面波の波頭が振動により破断して微小な液滴を生成する方法である。

特開２００３−７１３４３号公報 特許第３３６８５０１号公報

しかしながら、このような霧化方法を採用した霧化装置では、霧化粒子の粒径が周波数に依存するため、例えば小さい（細かい）粒径を得ようとした場合には周波数を高くし、振動面を小さくする必要があり、したがって霧化効率が低くなってしまう。
また、このような霧化方法とは別に、スクイーズ膜効果を用いた霧化方法も知られている。この方法は、振動面との間に微小隙間を設けてこの微小間隙を液滴で満たし、微小間隙を伸縮させることで生じる圧力差によって液滴を霧化させる方法である。
しかし、このような霧化方法を採用した霧化装置にあっては、低周波数の駆動で小さい粒径の霧化粒子が得られるものの、弁機構が必要となるなど構造が複雑になるといった課題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、構造が簡易であり、しかも霧化効率を高くした霧化装置を提供することにある。

本発明の霧化装置は、振動子を含む超音波振動装置と、前記超音波振動装置に連結する複数の振動板と、を備え、前記複数の振動板は、それぞれが前記振動子の振動に連動して互いに異なる振動モードで振動するように構成され、かつ、互いに対面した状態で所定の微小間隙を介して配置され、前記微小間隙に液体を供給する液体供給手段を有したことを特徴とする。

また、前記霧化装置において、前記複数の振動板は、互いに対面して配置された２枚の振動板からなることが好ましい。

また、前記霧化装置において、前記液体供給手段は、液体を供給する供給管を有して構成され、前記供給管は、前記振動板の振動の節位置に配置されて前記微小間隙に向けて開口していることが好ましい。

また、前記霧化装置においては、前記超音波振動装置が単一の装置からなり、この単一の超音波振動装置に複数の振動板が連結していることが好ましい。

本発明の霧化装置によれば、超音波振動装置に連結する複数の振動板を、振動子の振動に連動して互いに異なる振動モードで振動するように構成しているので、振動板間の微小間隙において圧が高い箇所と低い箇所を形成することができ、したがって振動板間にて液体の霧化を高い効率で行うことができ、さらに霧化粒子を小粒径化することもできる。また、超音波振動装置と、複数の振動板と、液体供給手段とによって構成されるので、構造が簡易であり、したがってこの霧化装置を安価に製造することが可能となる。

本発明に係る霧化装置の一実施形態の正面図である。 実験例における霧化の様子を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の霧化装置を詳しく説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明に係る霧化装置の正面図であり、図１において符号１は霧化装置である。

この霧化装置１は、液体を微粒子化、すなわち霧化するもので、超音波振動装置２と、２枚（複数）の振動板３、３と、液体供給手段４とを備えて構成されている。なお、超音波とは、一般的には人間には聞こえない高い周波数の音を指すが、人の可聴域（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度）であっても聞くことを目的としない音波を指すこともある。

超音波振動装置２は、振動子５を含んで形成されており、振動子５が振動板３を振動させることにより、超音波振動を生じさせる。
具体的に、振動子５は、例えば圧電素子や磁歪素子、電歪素子などの電気機械変換素子から構成されている。その中でも、強力な超音波を発生させる振動子５として、ボルト締めランジュバン型振動子（ＢＬＴ：Bolt-clamped Langevin type Transducer）が好適に用いられる。なお、振動子５は、図示を省略する電源回路（電源）から供給される電力によって駆動される。

振動子５は、エクスポネンシャルホーン６と一様棒７とを介して振動板３、３に接続されている。エクスポネンシャルホーン６は、振動子５に取り付けられて、この振動子５による振動を増幅させる（振幅を拡大させる）ものである。一様棒７は、エクスポネンシャルホーン６と振動板３、３との間を連結し、エクスポネンシャルホーン６により増幅された振動を振動板３、３へ伝達するものである。

なお、振動子５から振動板３までの距離は、これら振動板３、３を共に所望のモードで励振させるため、振動子５の振動の半波長（１／２波長［λ／２］）の整数倍に近い長さになるように設定されている。本実施形態では、後述するように上下に配置された２枚の振動板３、３のうち、下側の振動板３までの距離が、振動子５の振動の半波長の整数倍となるように設定されており、したがって上側の振動板３までの距離は、これよりやや長くなっている。ただし、本発明はこれに限定されることなく、上側の振動板３までの距離を半波長の整数倍となるように設定してもよく、２枚の振動板３、３の中間位置までの距離を半波長の整数倍となるように設定してもよい。

２枚の振動板３、３は、互いに対面した状態で所定の微小間隙を介して平行に配置され、その状態で一様棒７の上端に連結されている。これら振動板３、３は、いずれも同一径の円板からなるたわみ振動板であり、それぞれの中心部が一様棒７にねじ止めされて、一様棒７に固定されている。すなわち、一様棒７には、その上端面に雌ねじ（図示せず）が形成されており、振動板３、３には、それぞれの中心部に貫通孔（図示せず）が形成されている。

そして、一様棒７の上端に下側の振動板３が配置され、その上に円環状のスペーサ８が配置され、さらにその上に上側の振動板３が配置される。その際、一様棒７の雌ねじ、下側の振動板３の貫通孔、スペーサ８の孔、上側の振動板３の貫通孔は全て連通するように配置される。その状態で、雄ねじ９が各孔に挿通されて雌ねじに螺着されることにより、２枚の振動板３、３は、互いに対面した状態で所定の微小間隙（スペーサ８の厚さに相当する間隙）を介して一様棒７の上端に連結される。

振動板３は、その材質については特に限定されることなく、例えばジュラルミンやチタンなどの金属板が用いられる。また、これら振動板３、３は、振動子５の振動に連動して互いに異なる振動モードで振動するように構成されている。すなわち、これら振動板３、３は、本実施形態では共に同一径に形成されているものの、互いに異なる厚さに形成されており、これによって単一の振動子５の単一振動に連動して、互いに異なる振動モードで振動するようになっている。

振動板３、３の厚さの差としては、特に限定されることなく、霧化する液体の性状や、目的とする霧化粒子の径等に応じて適宜に設定される。すなわち、対象となる液体を所望の径の霧化粒子とするのに、より所用電力を最小にできる条件となるように、つまり高効率となるように設定される。

なお、本実施形態において、特に上側の振動板３については、後述するように液体を供給するための供給管１０が配置されるため、節円を形成する振動モードとなるように構成される。節円は、例えば振動子５を実際の駆動振動数で駆動させたときの、振動板３上に形成されるクラドニの砂図によって確認することができる。クラドニの砂図は、振動面に細かい粒子を散布することによってたわみ振動のモードを見るためのものであり、このような砂図によって節円が形成されるように、上側の振動板３はその大きさ（直径）や厚さが決定される。

スペーサ８は、例えばワッシャーによって形成されるもので、その厚さによって上下の振動板３、３間の間隙（微小間隙）の幅（距離）が決定される。この微小間隙は、後述するように液体供給手段４によって供給された液体を保持し、保持した液体を加圧させる部位である。この微小間隙の幅も、特に限定されることなく、霧化する液体の性状や、目的とする霧化粒子の径等に応じて適宜に設定される。例えば、数十μｍ〜数百μｍ程度、すなわち十μｍ以上１ｍｍ未満に、微小間隙は形成される。

液体供給手段４は、マイクロシリンジポンプなどの液体供給源１１と、この液体供給源１１に接続された注射針等からなる細径の供給管１０と、を備えて構成されている。液体供給源１１は、霧化対象となる液体を貯留し、この貯留した液体を連続的にまたは間欠的に送出する。霧化対象となる液体としては、特に限定されることなく、種々の液体が用いられる。例えば、本発明の霧化装置が加湿装置に適用される場合には、液体として水が用いられ、殺虫スプレーに適用される場合には各種薬液が用いられ、石油ファンヒータに適用される場合には灯油などが用いられる。また、工業的に用いられる場合には、各種の溶液が用いられる。

供給管１０は、本実施形態では２枚の振動板３のうちの上側の振動板３に配置されている。この上側の振動板３には、前述した節円上の位置に貫通孔（図示せず）が形成されており、この貫通孔に供給管１０が挿通されている。なお、振動板３に節円が複数形成される場合には、内側（一様棒７に近い側）の節円上に貫通孔が形成される。これにより、微小間隙での液体の霧化に対する供給管１０の影響が最小限に抑えられる。

本実施形態では、供給管１０はその外径が貫通孔の内径より小さく形成されており、図示しない支持部材に支持されることで、貫通孔の内壁面に接しないように貫通孔内に挿通されて、微小間隙に向けて開口している。または、貫通孔と供給管１０との間に樹脂等のクッション材が介装されることで、供給管１０は貫通孔の内壁に直接接することなく貫通孔内に配置され、微小間隙に向けて開口している。これにより、振動板３の振動モードに対する供給管１０の影響が最小限に抑えられる。

また、供給管１０の先端は、振動板３、３間の微小間隙内に突出しないように、貫通孔内に配置されている。このような構成によって供給管１０は、前述したように振動板３の振動モードにほとんど影響を与えることなく、さらに振動板３、３による液体の加圧を損なわないようになっている。

このような構成からなる霧化装置１によって液体を霧化するには、超音波振動装置２を駆動させて振動子５を振動させることにより、これに連動させて振動板３、３も振動させる。その際、下側の振動板３と上側の振動板３とは同一径に円板によって形成されているものの、厚さが異なるため、互いに異なる振動モードで振動する。すなわち、単一の超音波振動装置２によって振動子５を単一の周波数で振動させているものの、上下の振動板３、３の厚さを互いに異ならせていることにより、これら振動板３、３を互いに異なる振動モードで振動させることができる。

このように異なる振動モードで振動する振動板３、３間の微小間隙に、液体供給手段４によって予め液体を供給し、あるいは超音波振動装置２の駆動後に液体を供給することにより、微小間隙に液体を満たす。微小間隙に液体を供給すると、毛細管現象によって液体は微小間隙内全体に容易に濡れ拡がり、微小間隙から漏れ出ることなく微小間隙に保持される。

この微小間隙の液体に対して振動板３、３から異なる振動を加え、微小間隙に圧が高い箇所と低い箇所を形成することにより、振動板３、３間にて液体が霧化し、振動板３、３の外周端面間、すなわち微小間隙の外周側開口から霧化粒子が流出する。

ここで、２枚の振動板３、３の厚さ、および微小間隙の幅（距離）を以下のように変えて、水（液体）を霧化させた際の、最小霧化電力を測定した結果を示す。
上側の振動板３として、直径が９５ｍｍで厚さが３ｍｍのジュラルミン製円板を用意した。また、下側の振動板３として、直径が９５ｍｍで厚さが１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍの３種類のジュラルミン製円板をそれぞれ用意した。

なお、上側の振動板３にはその内側の節円の位置に直径１ｍｍの貫通孔をあけ、この貫通孔内に注射器の注射針（供給管１０）から水（液体）を注入するようにした。
また、スペーサ８として、厚さ０．１ｍｍのものと０．５ｍｍのものを用意し、これによって微小間隙の幅（距離）を０．１ｍｍ、０．５ｍｍの２通りにした。
そして、厚さ３ｍｍの上側の振動板３に対して、スペーサ８を２通りに、下側の振動板３を３通りにそれぞれ変えて、霧化を行った。

霧化については、予め注射器によって微小間隙に水を満たしておき、振動子５への供給電圧を上げていくことで行った。そして、間隙から水の霧化が観察された際の最小電力を測定した。なお、共振周波数を振動子５と同じ周波数に近づけるため、それぞれの条件毎に一様棒７の長さを調整した。各条件で測定を３回行い、平均値を求めた。得られた結果を以下の表に示す。

表に示すように、スペーサ８の厚さが０．１ｍｍ、かつ下側の振動板３の厚さが２ｍｍ以下のとき、最小霧化電圧は１Ｗ以下となり、したがって霧化効率が高くなることが分かった。また、最小霧化電力は、スペーサ８の厚さが０．１ｍｍ、０．５ｍｍ共に下側の振動板３の厚さが２ｍｍのときと３ｍｍのときで大きく変化し、２ｍｍのときの方が最小霧化電圧が小さくなることが分かった。

したがって、上側の振動板３と下側の振動板３との厚さが異なり、これによって互いに異なる振動モードで振動する装置の方が、上側の振動板３と下側の振動板３との厚さが同じ３ｍｍであり、互いにほぼ同じ振動モードで振動する装置に比べて、最小霧化電力が低くなり、霧化効率が高くなることが分かった。
なお、霧化の様子を図２に示す。図２では、見やすくするため２値化してある。

本実施形態の霧化装置１にあっては、２枚の振動板３、３を、振動子５の振動に連動して互いに異なる振動モードで振動するように構成しているので、振動板３、３間の微小間隙において圧が高い箇所と低い箇所を形成することができ、したがって振動板３、３間にて液体の霧化を高い効率で行うことができ、さらに霧化粒子を小粒径化することもできる。また、霧化装置１を、超音波振動装置２と複数の振動板３と液体供給手段４とによって構成しているので、構造が簡易になり、したがってこの霧化装置１を安価に製造することができる。

また、複数の振動板３を、互いに対面して配置された２枚の振動板３、３によって形成しているので、霧化装置１をより簡易な構造とすることができる。
さらに、超音波振動装置２を単一の装置によって構成し、この単一の超音波振動装置に２枚（複数）の振動板３、３を連結しているので、霧化装置１をより簡易な構造とすることができる。

また、液体供給手段４の供給管１０を、振動板３の振動の節位置に配置して微小間隙に向けて開口させているので、供給管１０が振動板３の振動に影響を与えることが少なく、したがって微小間隙での液体の霧化に対する供給管１０の影響を最小限に抑えることができる。よって、液体の霧化を高い効率で行うことができる。

以上、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。前述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、前記実施形態では振動板３を２枚用いたが、３枚以上を用い、これらを厚さ方向に平行に配置してもよい。このように３枚以上の振動板を厚さ方向に平行に配置することにより、互いに対向する振動板間の微小間隙を複数形成することができるため、霧化効率を一層高めることができる。

また、前記実施形態では、２枚の振動板３、３の振動モードを異ならせるため、これらの厚さを変えているが、本発明はこれに限定されることなく、例えば直径（大きさ）を変えたり、形状や材質を変えることなどによって互いの振動モードを異ならせてもよい。
さらに、超音波振動装置２から異なる周波数の振動を重ね合わせて複数の振動板に加えることにより、複数の振動板がそれぞれ振れやすい周波数に共振して振動するようにし、これによって複数の振動板の振動モードを異ならせてもよい。

また、前記実施形態では単一の超音波振動装置２に２枚（複数）の振動板３、３を連結したが、例えば２つの超音波振動装置を用意してこれら装置にそれぞれ単一の振動板を設け、これら振動板を互いに対向させて微小間隙を形成することにより、この微小間隙で霧化を行うようにしてもよい。このように構成した場合には、２つの超音波振動装置を互いに異なるモードで振動させることにより、２つの振動板の振動モードを容易に異ならせることができる。

また、前記実施形態では液体供給手段の供給管を２枚の振動板のうちの上側の振動板に配置したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば下側の振動板３に配置してもよく、さらには振動板に配置することなく、微小間隙の外周部開口に直接向けて供給管を配置してもよい。
さらに、前記実施形態では２枚（複数）の振動板を上下に配置して水平方向に拡がる微小間隙を形成したが、振動板を左右に配置することにより、鉛直方向に拡がる微小間隙を形成するようにしてもよい。

１…霧化装置、２…超音波振動装置、３…振動板、４…液体供給手段、５…振動子、８…スペーサ、１０…供給管

Claims (4)

1. 振動子を含む超音波振動装置と、
   前記超音波振動装置に連結する複数の振動板と、を備え、
   前記複数の振動板は、それぞれが前記振動子の振動に連動して互いに異なる振動モードで振動するように構成され、かつ、互いに対面した状態で所定の微小間隙を介して配置され、
   前記微小間隙に液体を供給する液体供給手段を有したことを特徴とする霧化装置。
2. 前記複数の振動板は、互いに対面して配置された２枚の振動板からなることを特徴とする請求項１記載の霧化装置。
3. 前記液体供給手段は、液体を供給する供給管を有して構成され、
   前記供給管は、前記振動板の振動の節位置に配置されて前記微小間隙に向けて開口していることを特徴とする請求項１又は２に記載の霧化装置。
4. 前記超音波振動装置が単一の装置からなり、この単一の超音波振動装置に複数の振動板が連結してい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霧化装置。