JP6932237B2 - 霧化装置および調湿装置 - Google Patents

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Description

本発明は、霧化装置および調湿装置に関する。
本願は、2018年2月27日に、日本に出願された特願2018−033239に優先権を主張し、その内容をここに援用する。
例えば加湿器、ネブライザー、分離装置等の様々な技術分野において、液体に超音波を照射して霧を発生させる超音波霧化装置が従来から知られている。例えば下記の特許文献1には、超音波振動子が内蔵され、作用液を貯留する作用槽と、作用液中に浸漬され、薬液を貯留する薬剤槽と、を備え、薬剤槽が作用槽に対して着脱可能とされた超音波式ネブライザーが開示されている。特許文献1には、本発明では、作用槽から薬剤槽を容易に取り外すことができるため、作用槽の洗浄や消毒を容易に行うことができる、と記載されている。
特開2016−182192号公報
この種の霧化装置においては、用途によって高粘度の液体を霧化させる必要がある。ところが、高粘度の液体に超音波を照射した場合、低粘度の液体に超音波を照射した場合に比べて、超音波が液体中を伝播する際の減衰量が多い。そのため、多くの超音波が槽の底部から液面に到達するまでの間に減衰し、霧化効率が低下するという問題があった。なお、本明細書において、霧化効率は、霧化効率=霧化量/霧化に要するエネルギー、として定義する。
また、超音波の減衰を少なくする手段として、槽に貯留する液体の量を減らして槽の底面から液面までの距離を短くすることが考えられる。ところが、この場合、槽の傾きや振動等に起因して超音波振動子の上方に液体が存在しなくなると、超音波振動子が空焚き状態となって破損するおそれがある。あるいは、超音波振動子の上方に液体が存在していたとしても、液体の量が少ないために液面で反射した超音波が高い強度で戻り、超音波振動子が破損するおそれがある。
本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、霧化させる液体の粘度に依らず、超音波発生部の信頼性の低下を抑えつつ、高い霧化効率が得られる霧化装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の霧化装置を備えた調湿装置を提供することを目的の一つとする。
上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の霧化装置は、霧状液滴となる第1の液状物を貯留する内部空間と排気口とを有する筐体と、前記筐体に設けられ、前記第1の液状物に超音波を照射することにより前記霧状液滴を発生させる超音波発生部と、前記排気口を介して前記霧状液滴の少なくとも一部を前記内部空間から外部に送出するための気流を発生させる気流発生部と、前記内部空間における前記超音波発生部と前記第1の液状物との間の超音波の伝播経路上に設けられ、前記第1の液状物の減衰係数よりも小さい減衰係数を有する超音波伝播部材と、を備える。
本発明の一つの態様の霧化装置において、前記超音波伝播部材は、前記内部空間を区画する仕切り部材を有し、前記仕切り部材の少なくとも一部は、前記第1の液状物の減衰係数よりも小さい減衰係数を有する材料から構成されていてもよい。
本発明の一つの態様の霧化装置において、前記超音波伝播部材は、前記第1の液状物の粘度よりも低い粘度を有する第2の液状物を含み、前記第2の液状物は、前記仕切り部材によって区画された複数の空間のうち、前記超音波発生部に近い側の空間に貯留され、前記第1の液状物は、前記超音波発生部から遠い側の空間に貯留されていてもよい。
本発明の一つの態様の霧化装置において、前記筐体は、第1の容器と、前記第1の容器の内部空間に対して着脱可能とされた第2の容器と、を備え、前記第2の容器が前記第1の容器の内部空間に装着された状態において、前記第2の容器の少なくとも一部が前記仕切り部材として機能し、前記第2の液状物は、前記第1の容器と前記第2の容器との間の空間に貯留され、前記第1の液状物は、前記第2の容器の内部空間に貯留されていてもよい。
本発明の一つの態様の霧化装置において、前記超音波発生部は、複数の超音波振動子を備え、前記仕切り部材は、前記複数の超音波振動子の各々の上方空間を区画するように設けられていてもよい。
本発明の一つの態様の霧化装置において、前記仕切り部材の厚さは、前記第2の液状物の層厚よりも厚くてもよい。
本発明の一つの態様の霧化装置において、前記仕切り部材は、超音波を前記第1の液状物の特定の領域に向けて集束させる音響レンズ部を備えていてもよい。
本発明の一つの態様の霧化装置において、前記仕切り部材は、超音波を前記第1の液状物の特定の領域に向けて集束させる筒状部を備えていてもよい。
本発明の一つの態様の霧化装置において、前記筒状部は、前記筒状部の内部に前記第1の液状物を流入可能とする流入口を有していてもよい。
本発明の一つの態様の調湿装置は、吸湿性物質を含む液体吸湿材と空気とを接触させることにより、前記空気に含まれる水分の少なくとも一部を前記液体吸湿材に吸収させる吸湿部と、前記吸湿部から供給された前記液体吸湿材に含まれる水分の少なくとも一部を霧化し、除去することによって前記液体吸湿材を再生する霧化再生部と、を備え、前記霧化再生部は、本発明の一つの態様の霧化装置を備える。
本発明の一つの態様の霧化装置によれば、霧化させる液体の種類に依らず、超音波発生部の信頼性を低下させることなく、高い霧化効率を確保することができる。また、本発明の一つの態様によれば、上記の霧化装置を備えた調湿装置を提供することができる。
第1実施形態の霧化装置を示す断面図である。 第2実施形態の霧化装置を示す断面図である。 第3実施形態の霧化装置を示す断面図である。 第4実施形態の霧化装置を示す断面図である。 第5実施形態の霧化装置を示す断面図である。 第6実施形態の霧化装置を示す断面図である。 第7実施形態の霧化装置を示す断面図である。 第8実施形態の霧化装置を示す断面図である。 第8実施形態の霧化装置におけるノズルの斜視図である。 第9実施形態の調湿装置を示す概略構成図である。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、図1を用いて説明する。
図1は、第1実施形態の霧化装置を示す断面図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
図1に示すように、霧化装置50は、筐体51と、超音波発生部52と、気流発生部53と、超音波伝播部材54と、を備えている。
筐体51は、霧状液滴W3となる第1の液状物Fを貯留する内部空間51aと、給気口51bと、排気口51cと、を有している。筐体51は、例えば金属、樹脂等の材料から形成された容器であって、構成材料は特に限定されない。給気口51bには給気管55が接続され、排気口51cには排気管56が接続されている。
第1の液状物Fは、例えば3×10−3Pa・s以上の粘度を有している。このように、第1の液状物Fは、比較的高い粘度を有する液体によって構成されている。第1の液状物Fの具体例として、グリセリン、エチレングリコール、ポリアクリル酸ナトリウム水溶液、ポリエチレングリコール、トリエチレングリコール、塩化カルシウム水溶液、塩化リチウム水溶液、もしくはこれらの混合液が挙げられる。
上記の各材料の音響特性(減衰係数、音響インピーダンス、粘度、音速)を下記の[表1]にまとめて示す。なお、各特性値は、超音波の周波数が1MHz、液温が20℃のときの値である。
Figure 0006932237
材料の粘度をηとし、体積粘度をμとし、密度をρとし、音速をcとし、超音波の周波数をωとしたとき、材料中での超音波の減衰のしやすさを示す減衰係数αは、下記の(1)式で定義される。
α=(2η/3+μ/2)ω/ρc …(1)
また、超音波振動子で生成された超音波の振幅をAとし、超音波の伝搬距離をxとし、超音波が距離xだけ伝搬したときの振幅をAとしたとき、減衰係数αは、下記の(2)式で表される。
A=A×exp(−α/x) …(2)
すなわち、減衰係数は、伝搬する超音波の振幅が、単位長さだけ伝搬する間に、十の何乗分の一になるかを表している。
減衰係数を測定する手法として、パルス法、相関法、残響法等が知られており、測定装置として、例えば超音波減衰音速測定装置が用いられる。
超音波発生部52は、筐体51に設けられ、第1の液状物Fに超音波を照射することにより第1の液状物Fから霧状液滴W3を発生させる。本実施形態において、超音波発生部52は、筐体51の底板に設けられた複数の超音波振動子521を備えている。複数の超音波振動子521の個数は、特に限定されない。ただし、超音波発生部52は、必ずしも複数の超音波振動子521を備えていなくてもよく、1個の超音波振動子521を備えていてもよい。超音波振動子521から第1の液状物Fに超音波を照射する際、超音波の発生条件を調整することによって、第1の液状物Fの液面の特定の個所に超音波を集中させ、第1の液状物Fの液柱Cを生じさせることができる。霧状液滴W3は、液面の任意の個所から発生するが、液柱Cおよびその近傍から特に多く発生する。
気流発生部53は、筐体51の排気口51cを介して霧状液滴W3の少なくとも一部を内部空間51aから外部に送出するための気流を発生させる。本実施形態において、気流発生部53は、給気管55に設けられたブロアから構成されている。なお、気流発生部53は、給気管55に限らず、排気管56に設けられたブロアから構成されていてもよい。
超音波伝播部材54は、筐体51の内部空間51aにおける超音波発生部52と第1の液状物Fとの間の超音波の伝播経路上に設けられている。超音波伝播部材54は、第1の液状物Fの減衰係数よりも小さい減衰係数を有している。超音波伝播部材54が設けられたことにより、超音波発生部52で発生した超音波は、超音波伝播部材54が設けられていない場合と比べて、超音波伝播部材54を介して第1の液状物Fの液面に高い強度で伝播する。
超音波伝播部材54は、筐体51の内部空間51aを区画する仕切り部材541と、第1の液状物Fの粘度よりも低い粘度を有する第2の液状物542と、を有している。第2の液状物542は、仕切り部材541によって区画された複数の空間のうち、超音波発生部52に近い側の空間(仕切り部材541の下側の空間)に貯留され、第1の液状物Fは、超音波発生部52から遠い側の空間(仕切り部材541の上側の空間)に貯留されている。したがって、筐体51の内部空間51aにおいて第1の液状物Fと第2の液状物542とが混ざり合うことはない。
仕切り部材541は、筐体51の内部に水平方向に配置された板状の部材で構成され、内部空間51aを2つの空間に区画する。仕切り部材541は、第1の液状物Fの減衰係数よりも小さい減衰係数を有する材料で構成されている。仕切り部材541の構成材料の具体例として、ゴム、ポリエチレン、ポリスチレン等が挙げられる。なお、仕切り部材541は、全体が上記の材料で構成されていることが好ましいが、少なくとも一部(例えば超音波振動子521の直上)が上記の材料で構成されていればよい。
上記の各材料の音響特性(減衰係数、音響インピーダンス、音速)を下記の[表2]にまとめて示す。なお、各特性値は、超音波の周波数が1MHz、温度が20℃のときの値である。
Figure 0006932237
第2の液状物542は、例えば3×10−3Pa・s未満の粘度を有している。このように、第2の液状物542は、第1の液状物Fの粘度よりも低い粘度を有し、第1の液状物Fの減衰係数よりも小さい減衰係数を有する液体によって構成されている。第2の液状物542の具体例として、水、エタノール、アセトン、もしくはこれらの混合液が挙げられる。
上記の各材料の音響特性(減衰係数、音響インピーダンス、粘度、音速)を下記の[表3]にまとめて示す。なお、各特性値は、超音波の周波数が1MHz、液温が20℃のときの値である。
Figure 0006932237
本実施形態のように、超音波伝播部材54が仕切り部材541と第2の液状物542とから構成されている場合、第1の液状物Fの音響インピーダンスをZとし、第2の液状物542の音響インピーダンスをZとし、仕切り部材541の音響インピーダンスをZとしたとき、下記の(3)式を満たすことが望ましい。
=√(Z・Z) …(3)
すなわち、仕切り部材541の材料として、音響インピーダンスZが第1の液状物Fの音響インピーダンスZと第2の液状物542の音響インピーダンスZとの相乗平均に近いものが選択されることが望ましく、音響インピーダンスZと音響インピーダンスZとの相乗平均に等しいものが選択されることがさらに望ましい。この場合、第2の液状物542と仕切り部材541との界面、および仕切り部材541と第1の液状物Fとの界面における超音波の反射を最小にすることができる。
上記のように、第2の液状物542と仕切り部材541との界面、および仕切り部材541と第1の液状物Fとの界面における超音波の反射が十分に小さく、反射の影響を無視できるとすれば、第2の液状物542の減衰係数をαとし、第2の液状物542の厚さ(超音波の進行距離)をdとし、仕切り部材541の減衰係数をαとし、仕切り部材541の厚さ(超音波の進行距離)をdとしたとき、超音波伝播部材54全体としての減衰係数αtotalは、下記の(4)式で表される。
αtotal=(α・d+α・d)/(d+d) …(4)
したがって、仮に仕切り部材541と第2の液状物542とのいずれか一方の減衰係数が第1の液状物Fの減衰係数よりも大きかったとしても、超音波伝播部材54の全体としての減衰係数が第1の液状物Fの減衰係数よりも小さいという条件を満たせば、後述する本実施形態の霧化装置の効果が得られる。
従来一般の霧化装置は、筐体の内部空間に霧化対象である第1の液状物を貯留し、超音波振動子によって第1の液状物に超音波を照射する構成を有している。また、霧化装置は、第1の液状物の液面の特定の個所に超音波を集中させ、第1の液状物の液柱を生じさせることによって霧状液滴を発生させる。そのため、高い霧化効率を得るためには、超音波振動子で発生した超音波をできるだけ減衰させることなく筐体の底面から液面まで伝播させることが重要である。
減衰係数の定義式である(1)式より、超音波の周波数ωが一定であったとすると、減衰係数は、物質の粘性(粘度および体積粘度)に比例し、密度および音速のべき乗に反比例する。粘性は物質の種類や温度によって数十〜数千倍のオーダーで変化する一方、密度および音速は数倍のオーダーでしか変化しないため、減衰係数は粘性が支配的となる。すなわち、物質の粘性が高い程、減衰係数が大きくなり、超音波が減衰しやすい。したがって、従来一般の霧化装置において、第1の液状物の粘度が高い場合、第1の液状物の粘度が低い場合に比べて超音波の減衰量が多いため、霧化効率が低下する。
これに対して、本実施形態の霧化装置50において、超音波発生部52で発生した超音波は、超音波伝播部材54を介して第1の液状物Fの液面に伝播する。ここで、超音波伝播部材54を構成する第2の液状物542の粘度は第1の液状物Fの粘度よりも低く、第2の液状物542の減衰係数は第1の液状物Fの減衰係数よりも小さい。また、仕切り部材541の減衰係数は第1の液状物Fの減衰係数よりも小さい。すなわち、超音波伝播部材54の全体が第1の液状物Fの減衰係数よりも小さい減衰係数を有しているため、超音波発生部52で発生した超音波は、従来よりも小さい減衰量で第1の液状物Fの液面まで伝播する。
また、本実施形態の構成では、超音波振動子52の上方に常に第2の液状物542と仕切り部材541とが存在しているため、超音波振動子52が空焚きになるおそれもない。このように、本実施形態の霧化装置50によれば、霧化させる第1の液状物Fの粘度(種類)に依らず、超音波発生部52の信頼性を低下させることなく、高い霧化効率を確保することができる。
[第2実施形態]
以下、第2実施形態の霧化装置について、図2を用いて説明する。
第2実施形態の霧化装置の基本構成は第1実施形態と同一であり、超音波伝播部材の構成が第1実施形態と異なる。
図2は、第2実施形態の霧化装置の断面図である。
図2において、第1実施形態で用いた図1と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図2に示すように、本実施形態の霧化装置60においても、第1実施形態と同様、超音波伝播部材64は、仕切り部材641と、第2の液状物542と、を有している。超音波伝播部材64は、筐体51の内部空間51aにおける超音波発生部52と第1の液状物Fとの間の超音波の伝播経路上に設けられている。超音波伝播部材64は、第1の液状物Fの音響透過率よりも高い音響透過率を有している。
仕切り部材641は、第1の液状物Fの音響透過率よりも大きい音響透過率を有する、例えばゴム、ポリエチレン、ポリスチレン等の材料で構成されている。本実施形態の仕切り部材641の厚さは、第1実施形態の仕切り部材541の厚さよりも厚く、第2の液状物542の層厚よりも厚い。霧化装置60のその他の構成は、第1実施形態の霧化装置50と同様である。
本実施形態の霧化装置60においても、霧化させる液体の粘度(種類)に依らずに、超音波発生部52の信頼性を低下させることなく、高い霧化効率を確保することができる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態の霧化装置60においては、第1実施形態に比べて、仕切り部材641を厚くしたことで第2の液状物542の量を減らせるため、筐体51の破損時に第2の液状物542の漏れ量が少なくて済む、等の効果が得られる。
[第3実施形態]
以下、第3実施形態の霧化装置について、図3を用いて説明する。
第3実施形態の霧化装置の基本構成は第1実施形態と同一であり、超音波伝播部材の構成が第1実施形態と異なる。
図3は、第3実施形態の霧化装置の断面図である。
図3において、第1実施形態で用いた図1と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図3に示すように、本実施形態の霧化装置70は、筐体71と、超音波発生部52と、気流発生部53と、超音波伝播部材74と、を備えている。
筐体71は、第1の容器711と、第2の容器712と、を備えている。超音波発生部52は、第1の容器711の底板に設けられている。給気口712bおよび排気口712cは、第2の容器712に設けられている。第1の容器711の構成材料は特に限定されないが、第2の容器712は、第1の液状物Fの音響透過率よりも大きい音響透過率を有する、例えばポリエチレン、ポリスチレン等の材料で構成されている。
第1の容器711は、第2の容器712を内部空間711aに収容可能な大きさを有している。第2の容器712は、第1の容器711の内部空間711aに対して着脱可能とされている。また、第2の容器712が第1の容器711に装着された状態において、第1の容器711と第2の容器712との間に隙間ができないように、第1の容器711の内部空間711aが密閉される構成となっていることが望ましい。例えば第1の容器711と第2の容器712との接触部分にシール材が設けられていてもよい。
超音波伝播部材74は、仕切り部材741と、第2の液状物542と、を有している。超音波伝播部材74は、第1の液状物Fの音響透過率よりも高い音響透過率を有している。本実施形態の場合、第2の容器712が第1の容器711に装着された状態において、第2の容器712の少なくとも一部(底板および側板の一部)は、仕切り部材741として機能する。第1の液状物Fは、第2の容器712の内部空間712aに貯留されている。第2の液状物542は、第1の容器711と第2の容器712との間の空間に貯留されている。
霧化装置70のその他の構成は、第1実施形態と同様である。
本実施形態の霧化装置70においても、霧化させる液体の粘度(種類)に依らずに、超音波発生部52の信頼性を低下させることなく、高い霧化効率を確保することができる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態の霧化装置70においては、使用者が第2の容器712を第1の容器711から取り外すことができるため、各容器711,712を洗浄しやすく、メンテナンス作業を容易に行うことができる、といった効果が得られる。
[第4実施形態]
以下、第4実施形態の霧化装置について、図4を用いて説明する。
第4実施形態の霧化装置の基本構成は第1実施形態と同一であり、超音波伝播部材の構成が第1実施形態と異なる。
図4は、第4実施形態の霧化装置の断面図である。
図4において、第1実施形態で用いた図1と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図4に示すように、本実施形態の霧化装置80において、超音波伝播部材84は、仕切り部材841と、第2の液状物542と、を有している。仕切り部材841は、複数の超音波振動子521の各々の上方空間を区画するように、超音波振動子521毎に設けられている。各仕切り部材841の内部空間に第2の液状物542が貯留されている。各仕切り部材841は、側板841cと頂板841tとを有し、直方体もしくは円筒の箱状に形成されている。各仕切り部材841は、第1の液状物Fの音響透過率よりも大きい音響透過率を有する、例えばポリエチレン、ポリスチレン等の材料で構成されている。
霧化装置80のその他の構成は、第1実施形態と同様である。
本実施形態の霧化装置80においても、霧化させる液体の粘度(種類)に依らずに、超音波発生部52の信頼性を低下させることなく、高い霧化効率を確保することができる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。
第1実施形態の霧化装置50では、複数の超音波振動子521が全て正常に動作することを前提として仕切り部材541の設計や超音波振動子521の駆動条件が決められている。そのため、仮に仕切り部材541が欠損もしくは劣化し、超音波が伝達できなくなると、超音波振動子521が正常に動作していても液柱Cが発生しにくくなり、第1の液状物Fが十分に霧化されないおそれがある。
これに対して、本実施形態の霧化装置80によれば、複数の仕切り部材841のうちのいずれかが欠損もしくは劣化したとしても、他の仕切り部材841および対応する超音波振動子521が正常に動作し、第1の液状物Fが十分に霧化される。また、例えば複数の仕切り部材841のうちの一つが欠損し、第2の液状物542が第1の液状物Fに漏れ出したとしても、第2の液状物542の漏出量は第1実施形態に比べて少なくなる。その結果、第1の液状物Fの濃度が大きく変化しないため、第1の液状物Fを適切に霧化することができる。
[第5実施形態]
以下、第5実施形態の霧化装置について、図5を用いて説明する。
第5実施形態の霧化装置の基本構成は第4実施形態と同一であり、仕切り部材の構成が第4実施形態と異なる。
図5は、第5実施形態の霧化装置の断面図である。
図5において、第4実施形態で用いた図4と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図5に示すように、本実施形態の霧化装置86において、超音波伝播部材87は、仕切り部材871と、第2の液状物542と、を有している。第4実施形態と同様、仕切り部材871は、複数の超音波振動子521の各々の上方空間を区画するように、超音波振動子521毎に設けられている。各仕切り部材871の内部空間に第2の液状物542が貯留されている。
各仕切り部材871は、側板871cと頂板871tとを有し、箱状に形成されている。各仕切り部材871は、第1の液状物Fの音響透過率よりも大きい音響透過率を有する、例えばポリエチレン、ポリスチレン等の材料で構成されている。頂板871tは、下方に窪んだ湾曲面を有している。すなわち、仕切り部材871の頂板871tは、超音波を第1の液状物Fの液面の特定の領域に集束させる音響レンズ部として機能する。なお、各部の構成材料の音速の大小関係によっては、音響レンズ部を構成する頂板871tは、上方に突出した湾曲面を有していてもよい。
霧化装置86のその他の構成は、第1実施形態と同様である。
本実施形態の霧化装置86においても、霧化させる液体の粘度(種類)に依らずに、超音波発生部52の信頼性を低下させることなく、高い霧化効率を確保することができる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態の霧化装置86においては、仕切り部材871が超音波振動子521毎に設けられているため、一部の超音波振動子521が故障したとしても、第1の液状物Fを十分に霧化することができる、といった第4実施形態と同様の効果が得られる。
さらに、本実施形態の霧化装置86においては、仕切り部材871が音響レンズ部として機能する頂板871tを有しているため、超音波が第1の液状物Fの液面の特定の領域に集束しやすい。これにより、霧化効率をさらに向上させることができる。
[第6実施形態]
以下、第6実施形態の霧化装置について、図6を用いて説明する。
第6実施形態の霧化装置の基本構成は第1実施形態と同一であり、仕切り部材の構成が第1実施形態と異なる。
図6は、第6実施形態の霧化装置の断面図である。
図6において、第1実施形態で用いた図1と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図6に示すように、本実施形態の霧化装置90において、超音波伝播部材94は、仕切り部材941と、第2の液状物542と、を有している。超音波伝播部材94は、第1の液状物Fの音響透過率よりも高い音響透過率を有している。
仕切り部材941は、平坦部942と、超音波を第1の液状物Fの特定の領域に向けて集束させる複数のノズル943(筒状部)と、複数の蓋部944と、を備えている。複数のノズル943は、複数の超音波振動子521の各々の上方に、平坦部942から上方に突出して設けられている。各ノズル943は、上部および下部が開口しており、下方から上方、すなわち超音波振動子521から遠ざかる方向に向けて内部空間が狭まった先細りの円錐台状の形状を有している。
複数のノズル943は、仕切り部材941の平坦部942と一体に形成されており、例えばアルミニウム(音響インピーダンス:1.7×10kg/m・s)、真鍮(音響インピーダンス:4.0×10kg/m・s)、銅(音響インピーダンス:4.5×10kg/m・s)、鉄(音響インピーダンス:4.7×10kg/m・s)、ステンレス(音響インピーダンス:4.6×10kg/m・s)等の材料で構成されている。ノズル943が上記の材料で構成されている場合、上記の材料の音響インピーダンスと第2の液状物542の音響インピーダンス(例えば水の音響インピーダンス:1.5×10kg/m・s)との差が十分に大きくなるため、ノズル943の内面での超音波の反射率が高くなって超音波の損失が低減し、霧化効率を高めることができる。
各ノズル943の上部には、各ノズル943の開口を閉塞する蓋部944がそれぞれ設けられている。蓋部944は、第1実施形態の仕切り部材541に用いられたゴム、ポリエチレン、ポリスチレン等、第1の液状物Fの音響透過率よりも大きい音響透過率を有する材料で構成されている。
霧化装置90のその他の構成は、第1実施形態と同様である。
本実施形態の霧化装置90においても、霧化させる液体の粘度(種類)に依らずに、超音波発生部52の信頼性を低下させることなく、高い霧化効率を確保することができる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態の霧化装置90においては、仕切り部材941が各超音波振動子521に対応して配置されたノズル943を備えているため、超音波がノズル943の内部で反射を繰り返し、液面の特定の領域に集束される。その結果、霧化効率をさらに向上させることができる。
[第7実施形態]
以下、第7実施形態の霧化装置について、図7を用いて説明する。
第7実施形態の霧化装置の基本構成は第6実施形態と同一であり、ノズルの構成が第6実施形態と異なる。
図7は、第7実施形態の霧化装置の断面図である。
図7において、第6実施形態で用いた図6と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図7に示すように、本実施形態の霧化装置96において、超音波伝播部材97は、仕切り部材971と、第2の液状物542と、を有している。超音波伝播部材97は、第1の液状物Fの音響透過率よりも高い音響透過率を有している。
仕切り部材971は、第6実施形態における平坦部942を有しておらず、超音波を第1の液状物Fの液面の特定の領域に向けて集束させる複数のノズル943(筒状部)と、複数の蓋部944と、を備えている。ノズル943は、複数の超音波振動子521の各々の上面に接触するように設けられている。各ノズル943の上部には、蓋部944がそれぞれ設けられている。第2の液状物542は、ノズル943の内部空間に貯留されている。
霧化装置96のその他の構成は、第6実施形態と同様である。
本実施形態の霧化装置96においても、霧化させる液体の粘度(種類)に依らずに、超音波発生部52の信頼性を低下させることなく、高い霧化効率を確保することができる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態の霧化装置96においては、超音波振動子521の上方がノズル943と蓋部944とによって密閉された空間となっているため、第6実施形態に比べて、超音波振動がより効果的に増幅され、霧化効率をさらに向上させることができる。
[第8実施形態]
以下、第8実施形態の霧化装置について、図8および図9を用いて説明する。
第8実施形態の霧化装置の基本構成は第6実施形態と同一であり、ノズルの構成が第6実施形態と異なる。
図8は、第8実施形態の霧化装置の断面図である。図9は、第8実施形態の霧化装置におけるノズルの斜視図である。
図8および図9において、第6実施形態で用いた図6と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図8に示すように、本実施形態の霧化装置66において、超音波伝播部材67は、仕切り部材671と、第2の液状物542と、を有している。超音波伝播部材67は、第1の液状物Fの音響透過率よりも高い音響透過率を有している。
仕切り部材671は、平坦部672と、複数のノズル673(筒状部)と、複数の蓋部674と、を備えている。複数のノズル673は、複数の超音波振動子521の各々の上方において、平坦部672から上方に突出して設けられている。
図9に示すように、ノズル673は、第6実施形態と同様、上部および下部が開口した先細りの円錐台状の形状を有している。ただし、第6実施形態と異なり、ノズル673は、ノズル673の内部に第1の液状物Fを流入可能とする複数の流入口673hを有している。複数の流入口673hの個数や位置は、特に限定されない。
蓋部674は、第6実施形態と異なり、ノズル673の内部に設けられている。これにより、ノズル673の内部は、蓋部674によって、第1の液状物Fが貯留される第1空間673eと、第2の液状物542が貯留される第2空間673fと、に区画される。また、複数の流入口673hは蓋部674よりも上方に設けられている。これにより、ノズル673の外部空間と第1空間673eとは、流入口673hを介して連通している。
霧化装置66のその他の構成は、第6実施形態と同様である。
本実施形態の霧化装置66においても、霧化させる液体の粘度(種類)に依らずに、超音波発生部52の信頼性を低下させることなく、高い霧化効率を確保することができる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態の霧化装置66においては、ノズル673に複数の流入口673hが設けられているため、ノズル673の第1空間673eに第1の液状物Fが貯留される。言い換えると、ノズル673の上部(先端側)は、第1の液状物Fの液面の上方にまで延在する。これにより、超音波は、ノズル673によって第1の液状物Fの液面にまで誘導され、第1の液状物Fの液面の特定の領域に効率良く集束される。その結果、霧化効率をさらに向上させることができる。
[第9実施形態]
以下、本発明の第9実施形態について、図10を用いて説明する。
本実施形態では、第1〜第8実施形態で例示した霧化装置を備えた調湿装置について説明する。
図10は、第9実施形態の調湿装置の概略構成図である。
図10に示すように、本実施形態の調湿装置20は、吸湿部21と、霧化再生部24と、第1液体吸湿材輸送流路22と、第2液体吸湿材輸送流路25と、第1空気導入流路30と、第2空気導入流路26と、制御部42と、を備える。また、調湿装置20は、外殻筐体201を備えており、吸湿部21および霧化再生部24は、外殻筐体201の内部空間201cに収容されている。
吸湿部21は、第1貯留槽211と、ブロア212と、吸湿部ノズル213と、を備えている。吸湿部21は、吸湿性物質を含む液体吸湿材Wと外部空間に存在する空気A1とを接触させることにより、空気A1に含まれる水分の少なくとも一部を液体吸湿材Wに吸収させる。吸湿部21は、できるだけ多くの水分を液体吸湿材Wに吸収させることが望ましいが、空気A1に含まれる水分のうちの少なくとも一部の水分を液体吸湿材Wに吸収させればよい。第1貯留槽211の内部には、液体吸湿材Wが貯留されている。液体吸湿材Wについては後述する。第1貯留槽211には、第1空気導入流路30、第1空気排出流路23、および第1液体吸湿材輸送流路22が接続されている。空気A1は、ブロア212によって第1空気導入流路30を介して第1貯留槽211の内部空間に供給される。
吸湿部ノズル213は、第1貯留槽211の内部空間の上部に配置されている。後述する霧化再生部24によって再生された後、第2液体吸湿材輸送流路25を介して吸湿部21に戻された液体吸湿材W1は、吸湿部ノズル213から第1貯留槽211の内部空間に流下し、この際に液体吸湿材W1と空気A1とが接触する。この種の液体吸湿材W1と空気A1との接触の形態は、一般に「流下方式」と呼ばれる。なお、液体吸湿材W1と空気A1との接触形態は、流下方式に限らず、他の方式を用いることができる。例えば第1貯留槽211に貯留された液体吸湿材Wの中に空気A1を泡状にして供給する方式、いわゆるバブリング方式を用いることもできる。
外部空間に存在する空気A1は、ブロア202から第1空気排出流路23の排出口23aに向かう気流を形成し、吸湿部ノズル213から流れ落ちる液体吸湿材Wと接触する。このとき、空気A1中に含まれる水分の少なくとも一部は、液体吸湿材Wに吸収されることによって除去される。吸湿部21では、元々の室内の空気から水分が除去された空気が得られるため、この空気は調湿装置20の外部空間の空気よりも乾燥している。このように、乾燥した空気が第1空気排出流路23を介して室内に排出される。
液体吸湿材Wは、水分を吸収する性質(吸湿性)を示す液体であり、例えば温度が25℃、相対湿度が50%、大気圧下の条件で吸湿性を示す液体が好ましい。液体吸湿材Wは、後述する吸湿性物質を含んでいる。また、液体吸湿材Wは、吸湿性物質と溶媒とを含んでいてもよい。この種の溶媒としては、吸湿性物質を溶解させる、または吸湿性物質と混和する溶媒が挙げられ、例えば水が挙げられる。吸湿性物質は、有機材料であってもよいし、無機材料であってもよい。
吸湿性物質として用いられる有機材料としては、例えば2価以上のアルコール、ケトン、アミド基を有する有機溶媒、糖類、保湿化粧品などの原料として用いられる公知の材料などが挙げられる。それらの中でも、親水性が高いことから、吸湿性物質として好適に用いられる有機材料としては、2価以上のアルコール、アミド基を有する有機溶媒、糖類、保湿化粧品等の原料として用いられる公知の材料が挙げられる。
2価以上のアルコールとしては、例えばグリセリン、プロパンジオール、ブタンジオール、ペンタンジオール、トリメチロールプロパン、ブタントリオール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールなどが挙げられる。
アミド基を有する有機溶媒としては、例えばホルムアミド、アセトアミドなどが挙げられる。
糖類としては、例えばスクロース、プルラン、グルコース、キシロール、フラクトース、マンニトール、ソルビトールなどが挙げられる。
保湿化粧品などの原料として用いられる公知の材料としては、例えば2−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(MPC)、ベタイン、ヒアルロン酸、コラーゲンなどが挙げられる。
吸湿性物質として用いられる無機材料としては、例えば塩化カルシウム、塩化リチウム、塩化マグネシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、塩化亜鉛、塩化アルミニウム、臭化リチウム、臭化カルシウム、臭化カリウム、水酸化ナトリウム、ピロリドンカルボン酸ナトリウムなどが挙げられる。
吸湿性物質の親水性が高いと、例えば吸湿性物質の材料と水とを混合させたときに、液体吸湿材Wの表面(液面)近傍における水分子の割合が多くなる。後述する霧化再生部24では、液体吸湿材Wの表面近傍から霧状液滴を発生させて、液体吸湿材Wから水分を分離する。そのため、液体吸湿材Wの表面近傍における水分子の割合が多いと、水分を効率的に分離できる点で好ましい。また、液体吸湿材Wの表面近傍における吸湿性物質の割合が相対的に少なくなるため、霧化再生部24での吸湿性物質の損失を抑えられる点で好ましい。
液体吸湿材Wのうち、吸湿部21での処理に用いられる液体吸湿材W1に含まれる吸湿性物質の濃度は、特に限定されないが、40質量%以上であることが好ましい。吸湿性物質の濃度が40質量%以上である場合、液体吸湿材W1は、効率良く水分を吸収することができる。
液体吸湿材Wの粘度は、25mPa・s以下であることが好ましい。これにより、後述する霧化再生部24において、液体吸湿材Wの液面に液体吸湿材Wの液柱Cを生じさせやすい。そのため、液体吸湿材Wから効率良く水分を分離することができる。ただし、本実施形態では、霧化再生部24として、霧化させる液体の粘度に依らずに高い霧化効率が得られる第1〜第8実施形態の霧化装置を備えているため、たとえ液体吸湿材Wの粘度が高くても、従来に比べて効率良く水分を分離することができる。
霧化再生部24は、第2貯留槽241と、ブロア242と、超音波振動子521と、誘導管244と、を備えている。霧化再生部24は、第1液体吸湿材輸送流路22を介して吸湿部21から供給された液体吸湿材W2に含まれる水分の少なくとも一部を霧化し、液体吸湿材W2から水分の少なくとも一部を除去することにより液体吸湿材W2を再生する。第2貯留槽241の内部には、再生すべき液体吸湿材W2が貯留されている。第2貯留槽241には、第1液体吸湿材輸送流路22、第2液体吸湿材輸送流路25、第2空気導入流路26、および第2空気排出流路28が接続されている。第2貯留槽241は、第1〜第8実施形態の霧化装置における筐体に相当する。
ブロア242は、外殻筐体201の外部空間から、第2空気導入流路26を介して第2貯留槽241の内部に空気A1を送り込み、第2貯留槽241の内部から、第2空気排出流路28を介して外殻筐体201の外部に流れる気流を発生させる。
超音波振動子521は、液体吸湿材W2に超音波を照射することにより、液体吸湿材W2から水分を含む霧状液滴W3を発生させる。超音波振動子521は、第2貯留槽241の底板に接して設けられている。超音波振動子521から液体吸湿材W2に超音波が照射される際、超音波の発生条件を調整することによって、液体吸湿材W2の液面に液体吸湿材W2の液柱Cを生じさせることができる。霧状液滴W3の多くは、液体吸湿材W2の液柱Cおよびその近傍から発生する。
誘導管244は、液体吸湿材W2から発生した霧状液滴W3を第2空気排出流路28の排気口28aに誘導する。調湿装置20を上方から見たとき、誘導管244は、排気口28aの周囲を囲むように設けられている。
第2空気排出流路28は、霧状液滴W3を含む空気A4を外殻筐体201の外部空間に放出し、調湿装置20の内部から除去する。これにより、液体吸湿材W2から水分を分離することができる。これにより、液体吸湿材W2の吸湿性能が再び高まり、液体吸湿材W2を吸湿部21に戻して再利用することができる。空気A4は、第2貯留槽241の内部で発生した霧状液滴W3を含んでいるため、外殻筐体201の外部空間の空気A2よりも湿っている。このように、加湿された空気A4が第2空気排出流路28を介して室内に排出される。
霧化再生部24を上方から見たとき、排気口28aが超音波振動子521と平面的に重なっていることから、排気口28aの下方に液体吸湿材W2の液柱Cが生じる。そのため、霧化再生部24においては、液体吸湿材W2に生じる液柱Cの周囲を誘導管244が囲む設計とされている。排気口28aと誘導管244と液柱Cとがこのような位置関係にあることで、液体吸湿材W2の液面から上方に向かう気流によって、液体吸湿材W2の液柱Cから発生した霧状液滴W3が排気口28aへと誘導される。
吸湿部21と霧化再生部24とは、液体吸湿材Wの循環流路を構成する第1液体吸湿材輸送流路22と第2液体吸湿材輸送流路25とによって接続されている。第2液体吸湿材輸送流路25の途中には、液体吸湿材Wを循環させるためのポンプ252が設けられている。
第1液体吸湿材輸送流路22は、水分の少なくとも一部が吸収された液体吸湿材Wを吸湿部21から霧化再生部24に輸送する。第1液体吸湿材輸送流路22の一端は、第1貯留槽211の下部に接続されている。第1貯留槽211における第1液体吸湿材輸送流路22の接続箇所は、第1貯留槽211内の液体吸湿材W1の液面よりも下方に位置している。一方、第1液体吸湿材輸送流路22の他端は、第2貯留槽241の下部に接続されている。第2貯留槽241における第1液体吸湿材輸送流路22の接続箇所は、第2貯留槽241内の液体吸湿材W2の液面よりも下方に位置している。
第2液体吸湿材輸送流路25は、水分が除去されて再生された液体吸湿材Wを霧化再生部24から吸湿部21に輸送する。第2液体吸湿材輸送流路25の一端は、第2貯留槽241の下部に接続されている。第2貯留槽241における第2液体吸湿材輸送流路25の接続箇所は、第2貯留槽241内の液体吸湿材W2の液面よりも下方に位置している。一方、第2液体吸湿材輸送流路25の他端は、第1貯留槽211の上部に接続されている。第1貯留槽211における第2液体吸湿材輸送流路25の接続箇所は、第1貯留槽211内の液体吸湿材W1の液面よりも上方に位置し、上述の吸湿部ノズル213に接続されている。
上記では、調湿装置20において、除湿された空気が吸湿部21から第1空気排出流路23を介して排出され、加湿された空気が霧化再生部24から第2空気排出流路28を介して排出される、と説明した。湿度調整機能について、本実施形態の調湿装置20を除湿機能のみを備えた空調装置とする場合には、例えば第1空気排出流路23の空気排出口を室内に向けて配置する一方、第2空気排出流路28の空気排出口を室外に向けて配置した構成とすればよい。もしくは、加湿機能のみを備えた空調装置とする場合には、例えば第2空気排出流路28の空気排出口を室内に向けて配置する一方、第1空気排出流路23の空気排出口を室外に向けて配置した構成とすればよい。また、除湿機能と加湿機能の双方を備えた空調装置とする場合には、第1空気排出流路23および第2空気排出流路28の双方の空気排出口を室内に向けて配置し、制御部42がいずれの空気排出口から空気を排出するかを制御する構成とすればよい。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態の霧化装置においては、筐体に第1の液状物もしくは第2の液状物を流入もしくは流出させるための個所が設けられていなかったが、この種の個所が設けられていてもよい。
また、霧化装置は、第1の液状物の液位を低く保つための機構や制御系を備えていてもよい。さらに、霧化装置は、第1の液状物の液位を低く保ちつつ、筐体の傾き等によって第1の液状物が超音波振動子の上方に無くなった場合にこれを検出し、装置を一時停止する手段や使用者に知らせる手段を備えていてもよい。同様に、第2の液状物が超音波振動子の上方に無くなった場合にこれを検出し、装置を一時停止する手段や使用者に知らせる手段を備えていてもよい。
また、仕切り部材と第2の液状物との界面等、音響透過率が互いに異なる2種の物質の界面に、超音波の反射を抑制する構造物、例えば1/4波長膜、微細凹凸構造等が付与されていてもよい。これにより、超音波の反射損失を抑制し、霧化効率を向上させることができる。
また、上記実施形態では、超音波伝播部材が仕切り部材と第2の液状物とから構成されている構成を例示したが、この構成に代えて、超音波伝播部材の全体が例えばゲルのような固体で構成されていてもよい。一般に、超音波の吸収率は、固体→低粘度液体→高粘度液体の順に高くなる。したがって、超音波伝播部材として固体材料を用いることにより、高粘度液体を用いた場合と比べて、より強度の高い超音波が第1の液状物の液面に伝播する結果、霧化効率を高めることができる。
本発明の霧化装置は、上記の調湿装置の他、例えばネブライザー、分離装置、塗布装置、液体濃縮装置等の各種装置に利用が可能である。

Claims (7)

  1. 霧状液滴となる第1の液状物を貯留する内部空間と排気口とを有する筐体と、
    前記筐体に設けられ、前記第1の液状物に超音波を照射することにより前記霧状液滴を発生させる超音波発生部と、
    前記排気口を介して前記霧状液滴の少なくとも一部を前記内部空間から外部に送出するための気流を発生させる気流発生部と、
    前記内部空間における前記超音波発生部と前記第1の液状物との間の超音波の伝播経路上に設けられ、前記第1の液状物の減衰係数よりも小さい減衰係数を有する超音波伝播部材と、を備え、
    前記超音波伝播部材は、前記内部空間を区画する仕切り部材を有し、
    前記仕切り部材の少なくとも一部は、前記第1の液状物の減衰係数よりも小さい減衰係数を有する材料から構成され、
    前記仕切り部材は、超音波を前記第1の液状物の特定の領域に向けて集束させる筒状部を備え、
    前記筒状部は、前記筒状部の内部に前記第1の液状物を流入可能とする流入口を有する、
    霧化装置。
  2. 前記超音波伝播部材は、前記第1の液状物の粘度よりも低い粘度を有する第2の液状物を含み、
    前記第2の液状物は、前記仕切り部材によって区画された複数の空間のうち、前記超音波発生部に近い側の空間に貯留され、
    前記第1の液状物は、前記超音波発生部から遠い側の空間に貯留されている、請求項1に記載の霧化装置。
  3. 前記筐体は、第1の容器と、前記第1の容器の内部空間に対して着脱可能とされた第2の容器と、を備え、
    前記第2の容器が前記第1の容器の内部空間に装着された状態において、前記第2の容器の少なくとも一部が前記仕切り部材として機能し、
    前記第2の液状物は、前記第1の容器と前記第2の容器との間の空間に貯留され、
    前記第1の液状物は、前記第2の容器の内部空間に貯留されている、請求項2に記載の霧化装置。
  4. 前記超音波発生部は、複数の超音波振動子を備え、
    前記仕切り部材は、前記複数の超音波振動子の各々の上方空間を区画するように設けられた、請求項2に記載の霧化装置。
  5. 前記仕切り部材の厚さは、前記第2の液状物の層厚よりも厚い、請求項2に記載の霧化装置。
  6. 前記仕切り部材は、超音波を前記第1の液状物の特定の領域に向けて集束させる音響レンズ部を備えた、請求項1に記載の霧化装置。
  7. 吸湿性物質を含む液体吸湿材と空気とを接触させることにより、前記空気に含まれる水分の少なくとも一部を前記液体吸湿材に吸収させる吸湿部と、
    前記吸湿部から供給された前記液体吸湿材に含まれる水分の少なくとも一部を霧化し、除去することによって前記液体吸湿材を再生する霧化再生部と、を備え、
    前記霧化再生部は、霧化装置を備え、
    前記霧化装置は、
    霧状液滴となる第1の液状物を貯留する内部空間と排気口とを有する筐体と、
    前記筐体に設けられ、前記第1の液状物に超音波を照射することにより前記霧状液滴を発生させる超音波発生部と、
    前記排気口を介して前記霧状液滴の少なくとも一部を前記内部空間から外部に送出するための気流を発生させる気流発生部と、
    前記内部空間における前記超音波発生部と前記第1の液状物との間の超音波の伝播経路上に設けられ、前記第1の液状物の減衰係数よりも小さい減衰係数を有する超音波伝播部材と、を備える、
    調湿装置。
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