JP6539468B2 - 超音波霧化装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体を超音波振動によって霧化する超音波霧化装置に関する。

液体から微細な液滴を生成する（霧化する）装置として超音波振動子を用いた超音波霧化装置が知られている。この超音波霧化装置は、霧化用の液体を貯留した容器の底部などに超音波振動子を配する。超音波振動子が振動すると、液体中で液体微粒子が超音波の伝播方向に振動し、振動エネルギーが液面に集中して液柱が立ち、その液柱の先端部が破断して液体微粒子が飛散して霧が発生する。

このような超音波霧化装置では、霧化量（単位時間当たりの霧化量）を増大させるための様々な改良が行われている。例えば、特許文献１では、超音波振動子の振動効率を向上させて霧化量を増やすために、加圧液体供給装置から超音波振動子の振動面に加圧液体を噴き当てることで、超音波振動子の駆動時に発生し、超音波振動子と液体との接触面に付着した泡や汚れを除去する技術が開示されている。

特開２００８−２６４７０５号公報（段落［０００６］）

超音波霧化装置の開発においては、霧化量の安定化および増大を図るために、特許文献１等に開示される対策をはじめ、振動エネルギーを高めるために超音波振動子の振動面面積を広くするなど様々な対策が検討されている。

しかしながら、前者の対策は、超音波霧化装置が元々持っている能力の維持には有効であるが、霧化量を引き上げるものではない。後者の対策は、当然ながら、搭載された超音波振動子の能力以上の霧化量を得ることはできない。すなわち、いずれの対応も、超音波霧化装置に搭載される超音波振動子の能力以上の霧化量の引き上げに貢献するものではない。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、霧化量を引き上げることのできる超音波霧化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る超音波霧化装置は、霧化用の液体を貯留する容器と、前記容器の底部に前記液体に接触するように配置された超音波振動子と、前記超音波振動子によって形成される振動領域にエアーを供給するエアー供給機構とを具備し、前記エアー供給機構は、前記超音波振動子から発生した超音波を前記振動領域内で反響させる内壁面を有する円筒形部材を有する。

この超音波霧化装置によれば、液体中の超音波振動子によって形成される振動領域にエアーを供給する際、円筒形部材の内壁面が超音波を振動領域内で反響させることによって、振動エネルギーを増大させる。これにより、超音波霧化装置の霧化量を増大させることができる。

本発明に係る超音波霧化装置において、前記円筒形部材が、エアーを前記振動領域の側面から前記振動領域に向けて導入する円筒状のエアー導入部であってよい。

本発明に係る超音波霧化装置において、前記円筒形部材が、前記振動領域に導入されたエアーを前記振動領域の気液界面に向けて案内するガイド部材であってよい。
液体微粒子を振動させて伝播する超音波は、ガイド部材によって、拡散が抑えられ、また、ガイド部材内で反響して、超音波振動子の振動面の直交方向（振動方向）に集中し、より強い振動エネルギーを気液境界面に付与するとともに、エアー導入部による振動領域へのエアーの導入によって振動領域に発生した気泡の殆どがガイド部材によって振動領域の気液界面に集めることができ、霧化量を増大させることができる。

本発明に係る超音波霧化装置において、前記円筒形部材は、当該円筒形部材の前記超音波振動子側端部に対し、前記円筒形部材の気液界面側端部が、水平方向にずれた位置で開口したものであってよい。

このエアー導入部の構成によれば、超音波が重力方向に対して傾斜した方向に伝播し、液柱がその傾斜の向きに傾く。液柱を傾かせることによって、液柱の最頂点に達した液体が重力で液面に落下する際、液柱の片側に液体が落下するので、既に霧化されている液滴を巻き込んで落としてしまう量を低減でき、霧化量が増大する。

前記ガイド部材は、前記液体の気液界面に近付くにつれて管径が小さくなる筒状のガイド部材であってよい。
超音波振動子から発生した超音波が、管径が徐々に小さくなるガイド部材の内周側面で反響、収斂することによって振動エネルギーがより強く集中し、霧化量を増大させることができる。

前記エアー導入部は、多孔質部材からなるエアー吐出部を有するものであってよい。

前記超音波振動子は、前記容器の底部に設けられた貫通口にパッキン材を介して保持され、前記パッキン材は、一端が、前記容器内に開口し、他端が前記エアー発生源に連通されたエアー流通孔を有するものであってよい。これにより、容器内にエアーポンプからのチューブなどを上から垂らす必要がなく、振動領域に直接エアーを導入することができる。

以上のように、本発明の超音波霧化装置によれば霧化量を引き上げることができる。

本発明に係る第１の実施形態の超音波霧化装置１の構成を示す側面断面図である。 本発明に係る第２の実施形態の超音波霧化装置１Ａの構成を示す側面断面図である。 本発明に係る第３の実施形態の超音波霧化装置１Ｂの構成を示す側面断面図である。 本発明に係る第４の実施形態の超音波霧化装置１Ｃの構成を示す側面断面図である。 図４の円環形のエアー導入部１６Ｃの平面図である。 本発明に係る第５の実施形態の超音波霧化装置１Ｄの構成を示す側面断面図である。 本発明に係る第６の実施形態の超音波霧化装置１Ｅの構成を示す側面断面図である。 本発明に係る第７の実施形態の超音波霧化装置１Ｆの構成を示す側面断面図である。 図８のガイド部材２４のＡ−Ａ´断面図である。 本発明に係る第８の実施形態の超音波霧化装置１Ｇの構成を示す側面断面図である。 第８の実施形態の超音波霧化装置１Ｇの変形例を示す側面断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る第１の実施形態の超音波霧化装置１の構成を示す側面断面図である。

同図に示すように、この超音波霧化装置１は、霧化用の液体２を貯留する容器１０を有する。霧化用の液体２は、例えば水道水などであってよい。また、この超音波霧化装置１は超音波振動子１１を有する。超音波振動子１１は容器１０内の液体２に振動面が触れるように配置される。本実施形態においては、超音波振動子１１は容器１０の底部に、直接、又は、図示しないパッキンなどを介して配置される。

超音波振動子１１は、例えば、圧電セラミックなどの振動子と、この振動子の両側面に設けられた電極層などで構成される。各電極層の間には、駆動回路１２によって直流電源１３から生成された高周波電圧が印加される。

駆動回路１２から高周波電圧の印加によって超音波振動子１１が振動すると、液体２中で液体微粒子が、超音波振動子１１の振動面に対して直交する方向である超音波の伝播方向に振動し、振動エネルギーが気液境界面に集中して液柱３が立ち、表面張力が大幅に低下した液柱３の先端部が破断して細かく粉砕された液体微粒子（以下、「液滴４」と呼ぶ。）が飛散する。これら飛散した液滴４は霧となって容器１０の上部に設けられた噴霧口１４より外部に放出される。

ここで、超音波振動子１１の振動によって液体微粒子が超音波の伝播方向に振動する領域を「振動領域５」と呼ぶこととする。図１では点線で示される領域を振動領域５とする。上記超音波は、液体中においては、圧力波として伝播する。

本実施形態の超音波霧化装置１は、この振動領域５にエアーを供給するエアー供給機構を備える。エアー供給機構は、エアー発生源であるエアーポンプ１５と、エアーポンプ１５により発生したエアーを液中の振動領域５に導入するエアー導入部１６と、エアーポンプ１５とエアー導入部１６とを接続するチューブ１７とで構成される。

エアー導入部１６は、液体２中にエアーを微細な気泡６として導入することのできるエアーストーンなどの多孔質材をエアー吐出部として有するものであってよい。多孔質材としては、耐腐食性などに優れる材料、例えば多孔質セラミックスなどが用いられる。

本実施形態の超音波霧化装置１では、例えば、液体２中で少なくとも一方の主面より気泡を発生させる板状のエアー導入部１６が採用される。この板状のエアー導入部１６は、振動領域５に側面よりエアーを導入できるように、振動領域５の側面に一方の主面を対向させた姿勢で配置される。また、高さ位置において、エアー導入部１６は、超音波振動子１１の振動面の高さから上方に離間した位置に配置されてよい。

なお、板状のエアー導入部１６は、振動領域５の側面に対向する一方の主面からのみ気泡を発生させることができるように構成されたものであってよい。

このようにエアー供給機構によって振動領域５に供給されたエアーは、液体２中で気泡６となって振動領域５を上昇する。振動領域５を上昇した気泡６は液柱３の先端部で破裂して液滴４の飛散を増大させる。これにより、超音波霧化装置１の霧化量を増大させることができる。

また、エアー供給機構による振動領域５へのエアーの導入によって液柱３の下方から上方へ向かう上昇気流が発生するので、この上昇気流に液滴４を同伴させて容器１０の上部の噴霧口１４より外部に放出させることができる。さらに、この上昇気流は、液柱３の先端部から飛散した液滴４の一部が液面に飛び込み液相に戻ることを低減できる。

さらに、本実施形態の超音波霧化装置１では、エアー供給機構によって液体２中にエアーが直接導入されるため、液体２中の溶存空気量を増やすことができる。液体２中の溶存空気は霧化現象を発生させるために不可欠であり、液体２中の溶存空気量を適正化できることによって霧化量の増大を図ることができる。具体的な適用例としては、殺菌などを目的として霧化用の液体を煮沸しする場合があり、その場合、液中の溶存空気量が著しく低下してしまうため、霧化に適さなくなる。そこで、細菌等をフィルターで除去したクリーンエアを霧化用の液体中に導入することで、細菌の混入の恐れの無い、霧化を行うことができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明に係る第２の実施形態の超音波霧化装置１Ａの構成を示す側面断面図である。
この実施形態の超音波霧化装置１Ａは、上記の第１の実施形態の超音波霧化装置１の構成に送風ファン１８と仕切板１９が付加されたものである。

本実施形態の超音波霧化装置１Ａを含め多くの超音波霧化装置は、送風ファン１８によりエアーを容器１０内の液体２の液面よりも高い領域に導入することで、この送風ファン１８による気流１８ａに液滴４を同伴させて噴霧口１４より外部に放出させている。送風ファン１８は液体２に浸されないように液面よりも十分高い位置に配置されるため、仕切板１９によって気流１８ａを一旦液面側に案内し、液面側から噴霧口１４に向かう気流１８ｂを生み出している。しかしながら、仕切板１９によって液面側に案内された一部の気流１８ｃは液柱３を斜め上から押しつぶすように働き、霧化量を低下させる可能性がある。

これに対して、本実施形態の超音波霧化装置１では、エアー供給機構による振動領域５へのエアーの導入によって、少なくとも液柱３の近傍領域に上昇気流６ａが発生する。この上昇気流６ａによって、送風ファン１８による液柱３を押しつぶそうとする向きの気流１８ｃを弱めることができ、霧化量の低下を抑えることができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明に係る第３の実施形態の超音波霧化装置１Ｂの構成を示す側面断面図である。
同図に示すように、この実施形態の超音波霧化装置１Ｂでは、２つのエアー導入部１６Ａ、１６Ｂが、振動領域５の側面から振動領域５に向けて、例えば互いに直交する２つの方向からエアーを導入できるように配置される。

さらに、３つ以上のエアー導入部を振動領域５の周囲のそれぞれ異なる位置から振動領域５に向けて、異なる方向からエアーを導入できるように配置してもよい。

このように複数のエアー導入部が振動領域５の周囲の複数の位置から振動領域５に向けて複数の方向からエアーを導入できるように配置されたことによって、振動領域５内により多くの気泡６を導入することができ、霧化量を増大させることができる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明に係る第４の実施形態の超音波霧化装置１Ｃの構成を示す側面断面図である。
同図に示すように、この実施形態の超音波霧化装置１Ｃは、図２に示した第２の実施形態のエアー導入部１６を円環形のエアー導入部１６Ｃに変更したものである。

図５は、円環形のエアー導入部１６Ｃの平面図である。
この円環形のエアー導入部１６Ｃは、振動領域５の全周方向から振動領域５にエアーを導入することができるように円環形に形成される。これにより、振動領域５において、液柱３が発生する超音波振動子１１の振動面の投影中心部に、より多くの気泡６が集まり、霧化量を増大させることができる。

（第５の実施形態）
図６は、本発明に係る第５の実施形態の超音波霧化装置１Ｄの構成を示す側面断面図である。
同図に示すように、この実施形態の超音波霧化装置１Ｄは、図４及び図５に示した第４の実施形態の円環形のエアー導入部１６Ｃを円筒形のエアー導入部１６Ｄに変更したものである。

この円筒形のエアー導入部１６Ｄは、多孔質材の内周側の面からのみ気泡６が発生するように外周側の面はエアーの遮蔽効果を有する被覆材２１により被覆されている。これにより振動領域５に集中してエアーを導入することができ、パワーの高いエアーポンプ１５に変更することなく振動領域５へのエアー導入量を増やすことができる。これにより霧化量の増大を図ることができる。

また、超音波振動子１１から発生した超音波が円筒形のエアー導入部１６Ｄの内周壁面で反響することによって、振動エネルギーの増大を図ることができ、このことからも霧化量を増大させることができる。

なお、第１の実施形態から第４の実施形態のエアー導入部１６、エアー導入部１６Ａ、エアー導入部１６Ｂ及びエアー導入部１６Ｃについても、第５の実施形態のエアー導入部１６Ｄと同様に振動領域５の側の面以外は被覆材により被覆するようにしてもよい。

（第６の実施形態）
図７は、本発明に係る第６の実施形態の超音波霧化装置１Ｅの構成を示す側面断面図である。
同図に示すように、この実施形態の超音波霧化装置１Ｅは、図６に示した第５の実施形態の円筒形のエアー導入部１６Ｄを傾斜円筒形のエアー導入部１６Ｅに変更したものである。

この傾斜円筒形のエアー導入部１６Ｅは、下方の円筒開口部である超音波振動子１１側の開口部２２に対し、上方の円筒開口部である液面側の開口部２３が水平方向にずれた位置関係をなすように傾斜状に形成される。このため傾斜円筒形のエアー導入部１６Ｅ内の傾斜に沿って超音波が伝播し、液柱３がその傾斜の向きに傾く。このように液柱３を傾かせることによって、液柱３の最頂点に達した液体２が重力で液面に落下する際、液柱３の片側に液体２が落下するので、既に霧化されている液滴４を巻き込んで落としてしまう量を低減することができる。したがって、霧化量を増大させることができる。

（第７の実施形態）
図８は、本発明に係る第７の実施形態の超音波霧化装置１Ｆの構成を示す側面断面図である。
本実施形態の超音波霧化装置１Ｆは、図４及び図５に示した第４の実施形態の超音波霧化装置１Ｃの構成に筒体のガイド部材２４が付加されたものである。

ガイド部材２４は、振動領域５に配置され、エアー供給機構による振動領域５へのエアーの導入によって振動領域５に発生した気泡６を振動領域５の気液界面に向けて案内する筒状部材である。

ガイド部材２４の超音波振動子１１側と気液界面側の両端部にはそれぞれ開口部２５、２６が設けられている。また、ガイド部材２４には、エアー供給機構による振動領域５へのエアーの導入によって振動領域５に発生した気泡６を筒体内側の気泡案内空間２７に導入するための開口部である複数の気泡導入部２８が設けられている。

図９は図８のガイド部材２４のＡ−Ａ´断面図である。
円環形のエアー導入部１６Ｃによる振動領域５へのエアーの導入によって振動領域５に発生した気泡６を様々な方向から筒体内側の気泡案内空間２７に導入するために、複数の気泡導入部２８はガイド部材２４の筒体周囲に例えば均等な間隔で設けられる。

本実施形態の超音波霧化装置１Ｆによれば、エアー導入部１６Ｃによる振動領域５へのエアーの導入によって振動領域５に発生した気泡６の殆どがガイド部材２４の気泡案内空間２７によって振動領域５の気液界面に集めることができる。これにより霧化量を増大させることができる。

また、図８に示されるように、ガイド部材２４は液体２の気液界面に近付くにつれて管径が小さくなる筒状であってよい。このようなガイド部材２４を用いれば、超音波振動子１１から発生した超音波がガイド部材２４の内周側面で反響、収斂することによって超音波振動子の振動面の直交方向（振動方向）に集中し、より強い振動エネルギーを気液境界面に付与することができる。これにより霧化量を増大させることができる。

なお、第７の実施形態では円環形のエアー導入部１６Ｃを用いたが、板状のエアー導入部、円筒形のエアー導入部を用いてもよい。

（第８の実施形態）
図１０は、本発明に係る第８の実施形態の超音波霧化装置１Ｇの構成を示す側面断面図である。

この超音波霧化装置１Ｇにおいて、超音波振動子１１は、容器１０の底部にリング状のパッキン材３２を介して保持される。より詳細には、容器１０の底部には貫通口３１が設けられており、この貫通口３１の下部開口側には、取り付けカバー３３との間で、リング状のパッキン材３２を介して超音波振動子１１を収容する空間３５を形成するフランジ部３４が設けられている。リング状のパッキン材３２は、例えばゴム製パッキンなどからなる。このリング状のパッキン材３２の内周側には超音波振動子１１の外縁部を保持する溝３２ａが設けられている。

リング状のパッキン材３２には、一端が容器１０内の液体貯留領域に開口し、他端が容器１０の外に開口したエアー流通孔３２ｂが設けられる。エアー流通孔３２ｂの容器１０の外に開口した端部は、エアーポンプ１５にチューブ１７を介して接続される。

本実施形態の超音波霧化装置１Ｇによれば、エアーポンプ１５からのエアーがパッキン材３２のエアー流通孔３２ｂを通じて容器１０内の振動領域５に供給されるので、既述の第１から第７の実施形態のように、容器１０内に上からチューブ１７を垂らす必要がなく、エアーを直接振動領域に導入することができる。

（変形例）
また、図１１に示すように、パッキン材３２に設けられたエアー流通孔３２ｂの、容器１０内の液体貯留領域に開口した端部に、別のチューブ３６を通じて、エアーストーンなどの多孔質材を用いて構成されたエアー導入部１６Ｆを接続してもよい。

上述においては、エアー導入部を振動領域の近辺に配置することで、液体中に溶解したエアー量が多い、すなわち、溶存空気濃度を高めた液を振動領域に直接導入することができる実施例を用いて説明した。しかし、これに限らず、例えば、振動領域外の霧化用の液体中に気泡を導入することとしてもよい。上記実施例では、振動領域にエアーを導入するため、振動領域の振動特性が変化することがあり、その場合、超音波振動子の振動制御を調整して対応する必要があるが、振動領域に気泡を導入しない場合には、振動特性の調整を行う必要が無い。

上記実施例においては、容器１０の底部に設けた開口に超音波振動子１１を固定し、液体２が、超音波振動子１１の振動面に直接、接触するように配置しているが、例えば、振動可能な隔壁を設けて、振動伝達用液を介して、霧化用の液体２に振動を与える、所謂ダブルチャンバー式の容器としてもよい。また、容器１０の底部を開口せず、容器底部を超音波振動子の一部として利用し、容器底部を振動させる構成としてもよい。

本発明に係る超音波霧化装置は、例えば、超音波加湿器、吸入器（ネブライザ）などへの応用が可能である。

また、エアーに代えて特殊ガスを液体中に導入してもよい。これにより、特殊ガスを溶存させた液体を霧化して噴霧することを目的とした超音波霧化装置を構成することができる。このような超音波霧化装置は、特に、常態でガス状であるオゾン、炭酸ガスなどの溶液噴霧に適する。また、容器内に入れて長期保存ができない薬剤をガスとして液体中に導入し、薬剤を溶存させた液体を霧化して噴霧する薬液混合器として、本発明を応用することができる。

１…超音波霧化装置
５…振動領域
６…気泡
１０…容器
１１…超音波振動子
１５…エアーポンプ
１６…エアー導入部

Claims (6)

1. 霧化用の液体を貯留する容器と、
   前記容器の底部に前記液体に接触するように配置された超音波振動子と、
   前記超音波振動子によって形成される振動領域にエアーを供給するエアー供給機構とを具備し、
   前記エアー供給機構は、
   前記超音波振動子から発生した超音波を前記振動領域内で反響させる内壁面を有する円筒形部材を有する超音波霧化装置。
2. 請求項１に記載の超音波霧化装置であって、
   前記円筒形部材が、
   エアーを前記振動領域の側面から前記振動領域に向けて導入する円筒状のエアー導入部である
   超音波霧化装置。
3. 請求項１又は２に記載の超音波霧化装置であって、
   前記円筒形部材が、
   前記振動領域に導入されたエアーを前記振動領域の気液界面に向けて案内するガイド部材である
   超音波霧化装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波霧化装置であって、
   前記円筒形部材は、当該円筒形部材の前記超音波振動子側端部に対し、前記円筒形部材の気液界面側端部が、水平方向にずれた位置で開口している
   超音波霧化装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波霧化装置であって、
   前記円筒形部材は、前記液体の気液界面に近づくにつれて管径が小さくなる
   超音波霧化装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波霧化装置であって、
   前記円筒形部材は、多孔質部材からなり、且つ、外周面をエアーの遮蔽効果を有する被覆材により被覆されている
   超音波霧化装置。

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