JPH034954A - 超音波霧化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、一般に、供給される液体燃料の如き液体物質
（本明細書では、液体物質とは液体燃料の如き液体は勿
論のこと、懸濁溶液等の液状物をも含むものとして用い
る。）を超音波振動を利用して霧化するための超音波霧
化装置に関し、特に、（１）自動車、船外機、携帯用動
力装置、民生用ヒートポンプ装置の駆動装置等に用いら
れる内燃機関に適用される超音波霧化装置、　（２）ガ
スタービン用燃料噴射ノズル、　（３）工業用、営業用
及び家庭用のボイラ、加熱炉、暖房用バーナ、　（４）
工業用液体噴霧器、例えば食品、医薬品、農薬、肥料等
の液状物の乾燥を目的とする乾燥用噴霧器、調温、調湿
用スプレー　焼粉用噴霧器（セラミック造粒）、噴霧塗
装装置、反応促進器、及び（５）工業用以外の液体噴霧
器、例えば、農薬散布器、消毒液散布器等に好適に用い
られる超音波霧化装置に関する。

〔従来の技術〕

これまで、ガソリンエンジン及びディーゼルエンジンの
ような内燃機関、あるいはボイラーおよびファンヒータ
のような外燃機関等においては、供給される液体燃料を
燃焼させる際、燃焼性能の観点から見て、この液体燃料
を極めて小さい液滴粒径に霧化して供給することが望ま
しい。特に、ガソリンエンジン及びディーゼルエンジン
のような内燃機関においては、好ましいエンジン性能を
得るために、吸気管内に噴射される液体物質すなわち液
体燃料を極めて小さな液滴粒径に霧化し、空気と混合し
てエンジンの燃焼室に供給することが必要とされている
。

従来、液体燃料を極めて小さな液滴粒径に霧化するこの
ような装置として、超音波を利用して、供給される液体
燃料を霧化する超音波霧化装置が知られている。特に、
このとき、ガソリンエンジン等のように、広い流量範囲
（高ターンダウン）にわたって、液体燃料が霧化される
ことを要求される場合には、液体燃料供給手段として電
磁弁を使用し、超音波霧化装置の霧化面に直接、液体燃
料を供給する方法が採用されている。

この種の超音波霧化装置においては、広い燃料供給範囲
にわたって良好な霧化効率を確保するためには霧化面上
に液の薄膜を形成することが必須である。この目的のた
めに、これまで種々の工夫がなされている。

第５図は複数の孔から霧化面に液を供給する方式の超音
波霧化装置を示し、シリンダ１０１、ノズル体１０２、
振動子ホーン１０３、電気−音響変換素子１０４からな
り、シリンダ１０１には、燃料供給路１０５が形成され
、ノズル体１０２には、該燃料供給路１０５に連通ずる
噴射孔１０６が形成されている。噴射孔１０６は、ノズ
ル体１０２の円周上に複数個形成され、噴射孔１０Ｂか
ら噴射される燃料が、振動子ホーン１０３に供給され燃
料を微粒化するものである。

また、第６図は霧化面の全周に液を供給する方式の超音
波霧化装置を示し、アウターシリンダ１１１、インナー
シリンダ１１２、振動子ホーン１１３、電気・音響変換
素子１１４からなり、アウターシリンダ１１１とインナ
ーシリンダ１１２間に燃料供給路１１５が形成され、燃
料はアウターシリンダ１１１の全周から振動子ホーン１
１３に供給され燃料を微粒化するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来の超音波霧化装置においては、
いずれの場合にも振動子ホーンの外周に燃料を供給する
ためのシリンダを配設するために、装置が大型化し、重
量、が増加するという問題を有している。

また、上記超音波霧化装置を内燃機関に適用した場合に
は、内燃機関の負荷変動に応じて、必要とされる燃料を
燃焼に好ましい微細な霧化粒径で、短時間に多量に、有
効かつ効率的に霧化するのが困難である。すなわち、多
量の液体の霧化に必要とされる十分な振幅を得るのが難
しい。なぜならば、上記した振動子ホーンは、中実型で
質量が大きく高振幅を確保しようとすると、高い応力が
発生し材質的にもたないからである。

また、この装置を使用して供給される燃料を霧化するの
に要する電力消費量は大きいという欠点がある。これは
超音波振動発生手段から発生される超音波エネルギーが
超音波振動子ホーンを振動させ、この超音波振動子ホー
ンの振動により、供給きれる燃料を超音波振動子ホーン
の霧化部分で霧化するのに使用される′ので、質量の大
きい中実の超音波振動子ホーンにより燃料を霧化する場
合、大きな振幅を得るために大きな超音波エネルギーが
必要となり、したがって、多量の燃料を霧化するのには
、大きなエネルギーが必要であり、その結果、ホーンに
加わる応力が高くなりすぎて多量の燃料を効率的に霧化
するのが困難となる。

本発明の目的は、例えば内燃機関などの負荷変動に応じ
て、短時間で多量に液体物質を効率的に霧化することが
できる超音波霧化装置を提供することである。

本発明の他の目的は、液体物質を霧化する際に、使用さ
れる電力消費量が少なくてすむ超音波霧化装置を提供す
ることである。

本発明の他の目的は、設定された適正な霧化量を越えて
液体物質が超音波霧化装置の霧化部分に供給された場合
でも、液体物質の霧化が可能である超音波霧化装置を提
供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明の超音波霧化装置は、超音波振動を発
生するための超音波振動発生手段２と、該超音波発生手
段に連結される振動子本体３と、該振動子本体の先端に
形成される振動子ホーン４と、前記振動子本体３の内部
に形成される液体供給路３ａとを有し、前記振動子ホー
ン４は、先端に行くに従って径が大きくなる拡径部４ａ
を有すると共に、該拡径部に中空部４ｂを形成してなり
、該中空部４ｂに前記液体供給路３ａを開口することを
特徴とする。

なお、上記構成に付加した番号は、理解を容易にするた
めに図面と対比させるためのもので、これにより本発明
の構成が限定されるものではない。

〔作用〕

本発明においては、例えば、第１図に示すように、液体
供給管５から供給された液体は、液体供給路３ａ１　噴
射孔３ｂを通って振動子ホーン４の霧化面４ｄに流下し
、霧化面４ｄに至った液体は、超音波振動発生部２から
の超音波振動によって霧化される。そして、中空部を有
する振動子ホーンの拡径部にたわみ振動を発生させ、こ
のとき、液体物質供給機構から超音波振動子ホーンに供
給される液体物質が拡径部に流下した霧化域に達すると
、超音波振動子ホーンに伝達された超音波振動と共に、
超音波振動子ホーンの拡径部に発生するたわみ振動によ
り霧化域の液体物質は、きわめて微細粒径で効率的に霧
化され、この霧化された微細粒径の霧化液滴が、拡径部
から周囲方向へ飛翔する。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。第１
図は、本発明の超音波霧化装置の一実施例を示す断面図
である。

第１図において超音波霧化装ｃ１は、基部に超音波振動
を発生させるための超音波振動発生部２を備え、この超
音波振動発生部２には、振動子本体３が連結されており
、この振動子本体３の先端部には、先端が中空の振動子
ホーン４が形成されている。振動子本体３の内部には、
軸方向に液体供給路３ａが形成されている。該液体供給
路３ａの一端には振動子ホーン４の霧化面４ｄに対向す
る噴射孔３ｂが形成され、他端には振動子本体３の側面
に開口する供給孔３ｃが形成され、該供給孔３ｃに例え
ば燃料噴射弁（図示せず）からの燃料である液体供給管
５が溶接固着されている。そして、この液体供給管５か
ら供給された液体は、液体供給路３ａ１　噴射孔３ｂを
通って振動子ホーン４の霧化面４ｄに到達し、霧化面４
ｄに至った液体は、超音波振動発生部２からの超音波振
動によって霧化される。

次いで、第２図および第３図により上記振動子ホーン４
について説明する。

第２図において、超音波振動子ホーン４は、超音波発生
手段を構成している電気／音響変換素子と接続されてい
る側の端部（第１図上側）から該振動子ホーン４の軸線
方向に沿って円柱上に小径部が形成されており、前記電
気／音響変換素子と反対側の端部（第１図下側）は大径
に形成されていて前記小径部から大径部に到る区間は、
はぼ円錐形状を呈するように拡径部４ａが形成されてい
る。この拡径部に形成されている形状は、曲面形状を有
する末広がり形状を呈するように形成される場合もある
（この場合は、ラッパ形状になる）。

さらに、本発明においては、振動子ホーン４の拡径部４
ａから該振動子ホーン４の小径部の一部まで達するとと
もに前記大径部に開口している中空部４ｂが形成されて
いる。すなわち、振動子ホーン４の端部４ｃにおける振
動が最大振幅となるようにするため、この中空部４ｂは
、前記振動子ホーン４の前記電気／音響変換素子と反対
側の端部４ｃが振動の腹であるように形成されている。

このとき、振動子ホーン４の軸線に対し垂直に中空部４
ｂを横切る平面Ｓで切りとられることによって中空部４
ｂの霧化面４ｄと外周面４ｆとの間に形成されるドーナ
ツ状の断面積は、終端部４ｇから端部４ｃに行くに従っ
てやや減少するか、又は終端部４ｇから端部４ｃに到る
までほぼ一定であるように中空部４ｂが形成されている
。この断面積は、±４０％まで許容される。

上記した断面積を有するように中空部４ｂを形成する簡
便な方法としては、外周面４ｆの傾斜に沿って前記振動
子ホーン４の軸線に向かって形成される拡径形ホーンの
頂角、すなわち外周面４ｆの頂角をθｌとし、内周面４
ｄの傾斜に沿って前記振動子ホーン４の軸線に向かって
形成される中空部４ｂの頂角、すなわち内周面４ｄの頂
角を０２としたときに、頂角θ２が頂角θ１よりも０″
′〜３０好ましくは５〜１０″の角度を持って円錐形状
または円錐曲面形状（ラッパ形状）に中空部４ｂを形成
すれば良い。なお、拡径部が円錐形状であってもラッパ
形状であっても本発明の超音波振動子ホーンの性能に関
しては実質的に差異はないが、拡径部がラッパ形状の場
合、拡径部の頂角としては拡径部の中央（拡径部の開始
部分からその先端に到る外周面の中点）における接線が
振動子ホーンの軸線に向かって形成する角度をもって代
用する。そしてこの角度は円錐形状のホーンの場合と同
様に３０〜６０′であることが好ましい。

また、中空部４ｂの霧化面４ｄと外周面４ｆとの間の肉
厚、すなわち拡径部４ａの肉厚は、拡径部４ａの端部４
ｃにおいて、半径ｄの２０％以下にされている。すなわ
ち、中空部４ｂ形成することによって形成されるこの拡
径部４ａの肉厚を半径ｄの２０％以下にするのは、後で
述べる半径方向の振動を生じやすくするための観点から
である。

本発明の超音波振動子ホーン４によれば、従来の中空部
を形成していない超音波振動子ホーンに比較して、同一
の霧化量を得るために、少ない電力消費ですむと共に、
同一の電力供給であれば、本発明の超音波振動子ホーン
４の方が、従来の超音波振動子ホーンに比較して、多量
の液体物質の霧化が可能となるものである。

さらに、本発明の超音波振動子ホーン４では、液体物質
を効果的に微細粒径で霧化するのに必要な大振幅を得る
ことががきる。したがって、霧化面４ｄにおいて、従来
のものに比較して、大振幅が容易に得られるので、液体
物質を一層小さな粒径で霧化することが容易であると共
に容易に多量に霧化することができる。

上記のことについて述べると、中空部４ｂを形成するこ
とによって、超音波振動子ホーン４の質量が小さくなり
、それ故、超音波振動子ホーン４の霧化面４ｄで、供給
される液体物質を霧化するのに必要な振動エネルギー　
すなわち超音波振動子ホーン４を振動させるための振動
エネルギーは、超音波振動子ホーン４の中空部分の質量
が小さくなった分だけ振動エネルギーが小さくて済むと
共に霧化面４ｄの薄い肉厚のために霧化面４ｄがフレシ
キブル性を有し、かつ霧化面４ｄの端部４Ｃが、最大振
幅を得ることができるように、振動の腹になるように設
定されており、そして超音波発生手段からの振動エネル
ギーが、超音波振動子ホーン４の軸線方向とこの軸線方
向に対して傾斜角度を有する霧化面方向（半径方向）へ
と伝えられ、その結果、霧化面４ｄで複合振動が生じ、
　（以下、たわみ振動と称する）、このたわみ振動が、
霧化面４ｄにおける大振幅を容易に生ぜしめ、したがっ
て、このたわみ振動の大振幅が、液体物質を霧化するの
に必要な有効振幅として有効に働き、霧化面４ｄに供給
される液体物質を微細粒径をもって゛霧化するのにきわ
めて効果的に作用すると共に多量の液体物質を容易に霧
化するのにも効果的に作用し、その結果、電力消費が少
なくてすむものである。

すなわち、たわみ振動を考慮すれば、霧化面４ｄに生じ
る、液体物質を微細に霧化するのに必要な有効振幅は増
大するので、同じ量の振動力ネルギーが霧化面４ｄに与
えられると、本発明の超音波霧化装置では、従来の超音
波霧化装置に比較して、多量の液体物質を極めて微細粒
径で霧化することができる。ここで、液体物質を霧化す
るのに必要な有効振幅は、絶対振幅でなく、霧化面に垂
直な方向の振幅成分であり、とのを効振幅は絶対振幅Ｘ
５ｉｎθで表されるものである。

換言すれば、たわみ振動のために、霧化面に生じる有効
振幅は増大し、これが、液体物質を多量に、かつ微細に
霧化するのに有効に作用するので、同じ量の液体物質を
霧化するのに、なで振動振幅を小さくすることができ、
その結果、超音波振動子ホーンにかかる応力を軽減する
ことができ、超音波振動子ホーンに用いる材料強度の観
点からも選択の範囲が広がる。そして、霧化面となる拡
径部のドーナツ状の断面積が、中空部４ｂの任意の位置
で、はぼ一定になるように形成されているので、応力集
中を招くことなく、材料強度の観点からも好ましい。例
えば、−例として、これまで超音波振動子ホーンに用い
られていた材質を、チタニウムから、アルミニウムに変
更しても、本発明の構成による超音波振動子ホーンの霧
化特性を損なうことなく、充分な耐久性が得られること
が見出された。

また、拡径形の超音波振動子ホーンの拡径部４ａの頂角
が小さい場合、液体物質を霧化するのに必要な有効振幅
は、絶対振幅でなく、霧化面に垂直な方向の振幅成分で
あり、このを効振幅は、絶対振幅Ｘ５ｉｎθで表される
ので、これまで、液体物質の霧化には超音波発生手段か
ら大振幅が必要であったのに、本発明の超音波霧化装置
ではたわみ振動のため液体物質を霧化するのに必要な有
効振動を効果的に生ぜしめるので、超音波振動子ホーン
の拡径部４ａの頂角が小さい場合でも、超音波発生手段
からの小さい振幅によって液体物質の霧化え行えるよう
になった。

このたわみ振動について、第３図を参照して、さらに述
べると、振動が印加される前の静止時には、振動子ホー
ン４の先端は、位Ｒａにあり、また、振動子ホーン４の
収縮時には、振動子ホーン４の先端は、位置ａ′にあり
、さらに、振動子ホーン４の伸長時には、振動子ホーン
４の先端は、位置ａ＃にある。したがって、該振動子ホ
ーン４の先端部半径ｄは、振動子ホーン４の収縮時に大
きくなり、振動子ホーン４の伸張時に小さくなる。

その結果、超音波振動子ホーン４の霧化面４ｄには、超
音波発生手段から印加される通常の絶対振幅となる縦振
動に加えて、振動子ホーン４の軸線方向に対して半径方
向の振動が誘起されると共にこれが加えられ、これによ
って霧化面４ｄは、これらの振動が合成された複合の振
動、すなわちたわみ振動を行うことになる。霧化面４ｄ
におけるこのたわみ振動の発生により、前述したように
有効振幅が増大し、これによって、霧化面４ｄに供給さ
れる液体物質の霧化を、微細粒径をもって多量に霧化す
ることが容易になるものである。

次に本発明の超音波霧化装置の他の実施例を第４図（ａ
）、　（ｂ）、　（ｃ）を参照して述べる。

この実施例において、前述実施例と同様な構成を有して
いる部分には、同一の参照番号を付して、その説明を省
略する。

本実施例では、噴射孔３ｂに対向すると共に間隙を設け
て遮蔽板６を配置している。該遮蔽板６には、第４図（
ｂ）に示すように、複数の固定片６ａが形成されていて
、該固定片６ａを噴射孔３ｂの周囲に溶接固定したもの
である。本実施例においては、噴射孔３ｂから供給され
る燃料流量が増加し、霧化面４ｄに液垂れする場合には
、遮蔽板６に一旦受は止められここで霧化されるため液
体物質の液垂れを防止できる。また、第４図（Ｃ）に示
すように、を底円筒状の遮蔽部材７に、複数の開ロアａ
を設けたものを取付でもよい。

〔発明の効果〕

６以上、説明してきたように本発明の超音波霧化装置に
よれば、液体物質を霧化面に供給せしめるための通路を
、振動子本体の内部に形成したので、従来の振動子本体
の外部に液体供給通路を設ける方式と比較して重量が軽
くなり小型化が図れる。

また、振動子ホーンに中空部を形成することにより、た
わみ振動の発生と超音波振動子ホーンの質量の小ささと
か、液体物質を一層微細に、かつ、多量に霧化させるこ
とを可能にしている。したがって、従来の超音波霧化装
置に比較して、霧化面において、大振幅が容易に得られ
るので、従来のものと比較して同一の霧化量を得るため
には少ない電力消費ですみ、換言すれば、同一の電力供
給であれば、多量の液体物質の霧化が可能となると共に
液体物質を一層小さな粒径で霧化することができる。

さらに、本発明の超音波霧化装置を内燃機関の燃料噴射
装置として用いられた場合には、多量の燃料を必要とす
る負荷変動等にも迅速に応答できると共に微細粒径の霧
化液滴により内燃機関の燃焼室で好ましい燃焼状態を得
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波霧化装置の一実施例の概略断面
図、第２図は本発明に係わる振動子ホーンの断面図、第
３図は振動子ホーンの作用を説明するための図、第４図
（ａ）は本発明の超音波霧化装置の他の実施例の概略断
面図、第４図（ｂ）は遮蔽板の斜視図、第４図（Ｃ）は
遮蔽部材の他側を示す斜視図、第５図及び第６図は従来
の超音波霧化装置の一例を示す概略断面図である。 １・・・超音波霧化装置、２・・・超音波振動発生部、
３・・・振動子本体、３ａ・・・液体供給路、４・・・
振動子ホーン、４ａ・・・中空部、４ｄ・・・霧化面、
５・・・液体供給管、６．７・・・遮蔽部材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波振動を発生するための超音波振動発生手段
   と、該超音波発生手段に連結される振動子本体と、該振
   動子本体の先端に形成される振動子ホーンと、前記振動
   子本体の内部に形成される液体供給路とを有し、前記振
   動子ホーンは、先端に行くに従って径が大きくなる拡径
   部を有すると共に、該拡径部に中空部を形成してなり、
   該中空部に前記液体供給路を開口することを特徴とする
   超音波霧化装置。
2. （２）前記液体供給路の開口部に対向して遮蔽部材を配
   置し、該遮蔽部材を前記中空部に固定したこと特徴とす
   る請求項１に記載の超音波霧化装置。