JPS58202070A - 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】 本発明は灯油・軽油等の液体燃料、水、薬液。

紀録用インク等の液体の霧化装置に関し、さらに詳しく
言えば、圧電振動子等の電気的振動子の超詮波振動を利
用したいわゆる超音波霧化装置に関するものである。

従来、超音波霧化装置には種々の形態の霧化装【ｄが提
案されている。

最も一般的な霧化装置としてホーン型超音波霧化装置が
ある。

この霧化装置はホーン型超音波振動子に圧電振動子を取
り付け、圧′離接動子の振動振中金ホーンにて増巾し、
ホーン先端の振巾最大面に液体をポンプなどで供給し、
霧化するものである。しかしながら、この霧化装置は安
定なホーン振動子の共振状態を保証・維持するために、
その高い加工精度と面倒な固定条件の確保が必要であり
、液体供給ポンプを要するため、装置全体が大型化、高
価格化せざるを得なかった。

また、２０ＣＣ／’分程度の霧化量を得るのに要する電
力は６〜１０７＋トであるにもかかわらず、霧化粒子の
粒径バラツキ、微粒化能力等の霧化性能は十分なもので
はなかった。

第２の超音波霧化装置はいわゆる超音波加湿器に実用化
されているもので、ｅ、僧の底部に圧電振動子を設け、
液面近傍に超音波エネルギーを照射・集中させ、液面に
液柱を形成し、液面での一種０キャヒテーション現象を
利用して霧化するものである。

この霧化装置は、ポンプ等の液体供給手段を必要とせず
、しかも、微粒化能力に簀れものであるが圧電振動子の
超音波エネルギーによる＠接霧化形態をとっているため
、霧化に要するエネルギーが極めて大きく、２０ＣＣ／
分程度の霧化量を得るのに６０〜６０ワツトを要した。

しかも、超音波振動周波数は、１〜２ｆ４にの高い周波
数が必要であるため、その駆動回路は極めて高価になり
、かつ、電波障害発生の可能性が極めて高いものであっ
た。

また、霧化量の安定性が極めて乏しく、液搗・液面高さ
、液体物性による霧化敏変動が著しく、その補償は雨め
て面倒で複雑であった。

第３の超音波霧化装置は、近年インクジェット記録装置
のインク微粒化装置に用いられているもので、第１図に
示すような構成のものである。

すなわち、インク室１の一端にノズル２を設は他端に圧
電振動子３を設ける構成とし、圧電振動子３の超音波振
動による圧力波をノズル２に伝えてノズル２より液滴４
を噴射霧化するものである。

この霧化装置は、ポンプ等の液体供給手段を必要とせず
、しかも極めて低消費電力であり、微粒化液滴の粒径は
かなり小さくすることができ、かつ均一性に富んだもの
であった。

しかしながら、圧電振動子３の振動をインク室１内のイ
ンク（液体）を介してノズル２に伝達する構成であるた
め、溶存空気の極めて少ない液体でないと、いわゆる超
音波キャビテーションによる溶存空気の気泡化が生じ、
安定霧化動作維持が不可能であるという欠点を有してい
た。

一般的な液体は溶存気体を多量に含んでおり、この霧化
装置で霧化するためには溶存気体を除去することが必要
となり、極めて面倒で高価にならざるを得なかった。

本発明は上記従来の欠点を一掃した霧化装置を提供せん
とするものである。

第１の目的は、構成が簡単でコンパクトであり従って低
価格な霧化装置を提供することである。

第２の目的は微粒化能力１粒径バラツキ、霧化パターン
等のいわゆる霧化性能に咬れ、かつ、極めて低消費電力
な霧化装置を実現することである。

さらにＭ３の目的は、溶存気体を多量に含む液体でｒあ
りても極めて安定に霧化することができ汎用性に富んだ
霧化装置を実現することである。

本発明は、上記目的を達成するために以下のような構成
により成るものである。

すなわち、液体を充填するための加圧室と１個又は複数
個のノズルを設けた振動体と、前記振動体を附勢して前
記ノズルを加振する電気的振動子とを備え、前記ノズル
と前記振動体の少なくとも１部とが前記加圧室に臨むよ
う構成すると共に、前記振動体が前記加圧室に対して実
質的に基本振動モードで振動する構成としたものであり
、この構成により少なくとも前記加圧室に臨む部分には
振動の節が発生しない振動モードで前記振動体の振動を
励起し、前記ノズルを加振して前記ノズルから液滴の噴
精を行うものである。

以下本発明の一実施例について図面と共に説明する。

第２図は本発明の一実施例の霧化装置を灯油の霧化装置
として適用した温風機の構成を示す断面図である。

第２図において、外ケース５の上面に操作部６が設けら
れ、制御部７に運転指令を与える。

制御部７は、送風モータ８を起動し、送風ファ／９が起
動される。従って燃焼空気は吸気口１ｏより図の矢印の
ように吸い込まれ、オリフィス１１負圧発生部１２を通
って旋回器１３に送られる。

さらに旋回器１３より霧化室１４に図の矢印の如く旋回
気流となって送られ、燃焼室１６．排気筒１６を通って
排気される。

一方灯油は、タンク１７よりパイプ１８を経て液面高さ
を図中Ａに示す位置に制御するレベレ１９に送られる。

レベレ１９はパイプ２ｏにて霧化部パイプ２ｏ内の液面
は、運転停止時は図のＢの位置にあり、レベレ１９の制
御液面Ａと一致しているが、送風７アン９の起動による
燃焼空気の流れのために発生する負圧発生部１２の負圧
力（例えば−２０〜３　’Ｏｍｍ　Ｈ２Ｏ）により、吸
い上げられ霧化部２１内に灯油を満たし、さらに上昇し
てパイプ２２内の液面位置ＧＫ達する。

以上の動作は、運転指手後３〜６秒程度で終了し霧化部
２１内は灯油が満たされ霧化開始準備が完了する。

次に制御部７は内蔵する霧化部２１の駆動回路を１Ｇ、
ｑ。

起動し、第３図ａ、ｂ又はＣのような交流電圧を霧化部
２１に供給する。ａ　’％−０図の交流電圧供給迩 形態は霧化すべき櫨の大小に応じて事宜選択することが
できる。

この交流電圧の供給によシ霧化部２１は起動し、霧化室
１４に霧化粒子２３を噴霧する。霧化粒子２３ば、旋回
気流と混合され、点火器２４にて点火されて着火し、火
炎は火炎センサ２６にて検知される。２７は対流ファン
である。

このようにして本発明の一実施例を適用した温風機は極
めて構成が簡略化され、かつ制御性の良好なものとする
ことができる。

次に霧化部２１についてさらに詳しく説明する。

第４図は霧化部２１の断面図であって第２図と同符号は
相当物である。

霧化部２１は内部に直径が１０〜１５脳の円筒形で深さ
２〜１５ｍｍ程度の加圧室２゛８を有するボディー２９
ｔｌＣパイプ２ｏおよび２２を接続して構成されており
、パイプ２０．２１と加圧室２８とは連通され図のよう
になっている。ボディー２９は霧化室１４の壁面にビス
３０．３１で固定されている。

３２は外径が１０〜１５ｍ、厚さ０．５〜２８程度の圧
電振動子であり、中央に開口３３を設けた円板状をして
いる。図示していないが円板両側には電極が設けられ、
リード線３４．３５にて第３図ａ　％　Ｏに示した交流
電圧が供給される。

圧電振動子３２は接着層３ｅにて厚さ３０μｍ〜１００
μｍ程度のノズル板３７と相互に接着されており、ノズ
ル板３７の中央部には直径３０μｍ〜１００μｍ程度の
ノズルａ８が複数個設けられている。したがって、ノズ
ル板３７と圧電振動子３ｏとは相互に装着されて一体化
され、１つの振動体を形成している。ノズル板３７は、
さらに接着層３９にて固定部４ｏに接着され固定部４０
はその外周に設けたネジ部４１にてボディー２９に装着
されている。

したがって、前記圧電振動子３２とノズル板３７より成
る振動体が固定部４ｏに固定され、さらにボディー２９
にネジ止め固定されているのである。

圧電振動子３２は、リード線３４．３５を介して制御部
７より第３図ａ”−ｃのような交流電圧が印加されると
、その径方向に伸縮歪を生じて振動する。このため、圧
電振動子３２とノズル板３７とより成る振動体は、固定
部４０にて周辺固定された円板たわみ振動を生じ、この
結果、ノズル３８はその軸方向に加振される。

この結果ノズル３８より霧化粒子２３を噴射することが
できる。４２は気泡であり、前記振動体の振動により発
生するものであって静圧差による気泡の浮力により図の
ようにパイプ２２に排出される。

第５図は上記した振動体の振動状態を説明するものであ
り第４図と同符号は相当物である。

第４図は圧電振動子３ｏが径方向に縮小型を生じた時を
示しており液滴がノズル３８より離れると共に加圧室２
８内は振動体が図のように歪を生じることにより負圧と
なるがノズル３８に発生する灯油の表面張力によりノズ
ル３８からの加圧室２８への空気流入は阻止され、この
結果、パイプ２゜より灯油が吸い土げられ、自給ポンプ
作用を発揮する。

また、圧電振動子３２が逆方向に歪を生じ径方向に伸張
すると、図の破線のような状態となり、この結果ノズル
３８の近傍の圧力上昇が発生して液滴２３が噴射される
。

この動作を第３図ａ　”−ｃのような交流電圧に応じて
繰り返すので、き化パターンが安定で、粒径が小さく均
一な霧化を行うことができ、しかも霧化量調節が簡単な
霧化装置とすることができる。まり灯油の吸い上げ作用
を有するのでポンプ等ノ液体供給手段が不要である。

第５図より明らかなように、加圧室２８内における液体
中の圧力変化の最大点はノズル３８の近傍でありこのた
め、溶存空気を多量に含む液体であっても超音波キャビ
テーションにょる溶存空気の気泡化が生じる以前にノズ
ル３８から噴射されてしまうので、気泡の発生を極めて
少なくすることができる。また、図のようにわずかに気
泡４２が加圧室２８内に発生するけれども、極端に大き
な気泡に成長し、ノズル板３７に接触しなければ、（ｌ
′ 霧化動作にはほとん穫影響を与えることがなく留めて安
定な霧化動作を実現することができる。

なぜならば、ノズル板３７が、第６図のようなたわみ振
動を行い加圧室２８に対して基本モードのたわみ振動を
行っているかぎりはノズル板３７上に稼動の節すなわち
節円か発生せず、このためノズル板３７に気泡４２が接
触することがないからである。

もちろん、ノズル板３７と固定部３９の接合部、すなわ
ち振動体の周辺に気泡４３が溜まることも生じ得るが、
この場合には極端に大きな気泡が溜まることがない限り
振動体の振動に与える悪影響はなく、また、もし図のよ
うに気泡４３が溜まっても大気泡に成長する以前に、加
圧室２８内の静圧分布と気泡４３め浮力とにより、パイ
プ２２に排出されてしまうのである。

このように、加圧室２８に臨む振動体に振動の節が発生
しない基本モードで拡動体を振動させる構成とすること
により溶存気体の多い液体であっても極めて安定に霧化
することができる。

しかしながら、加圧室２とに臨む振動体に節が発生する
ような高次モードで振動体を振動させると以下のような
不都合を生じる。

第６図は上記不都合を説明する錯化部２１の断面図であ
り、第６図と同符号は相当物である。

第６図において、ノズル板３７と圧電撮動子３２より成
る振動体の加圧室２８に臨む部分には図のように節円が
生じている。すなわちこの振動体は２次モードの円板撮
動を行っており、第７図ｄ。

ｂにその平面図と断面図のモデルを示すような２次モー
ドのたわみ振動を行っている。第８図ａ。

ｂに第６図に示す振動体の振動モードである基本モード
を示すが、これと比較して明らかなように円形の振動体
の中央に破線で示す節円か生じるのである。

このような節円か加圧室２８に臨む振動体に生じる振動
により、キャビテーション気泡４２は第６図のように節
円上に吸い寄せら扛、大気泡４４となり、しかもこの気
泡４４はノズル板３７．すなわち振動体に接触して成長
していく。これはこのような振動モードによる加圧室２
８内の片圧分布によるものであり、このようなモードの
撮動体の振動を行うかぎり避けることが不可能である。

気泡４４が大きくなってぐると、振動体の振動に著しい
影響を与え、安定な振動状態を維持し得なくなって振動
状態が変化してしまう。そしてついには振動が完全に停
止し噴霧は中断する。すると気泡４４は図の矢印のよう
に上昇しパイプ２２に排出され、再び正常な振動体の振
動が励起され噴霧が再開するのである。

このような現象は噴霧状態の不規則な脈動現象として現
われるので霧化パターンや霧化量の不安定さを生じてし
まう結果となるのである。

したがって第５図にその構成と動作を、第８図ａ。

ｂにそれをモデル化した動作図を示すように加圧室２８
内に節を生じないような基本モードの振動体の振動を行
い得る構成とすることが、安定な噴霧を行う上で極めて
重要である。

第９図は本発明の霧化装置の他の実施例を示す断面図で
あり、第６図と同符号は相当物である。

Ｍ９図において、ノズル板３７と圧電振動子３０とより
成る振動体自身は第６図と同様に節円が生じる２次モー
ドのたわみ振動をしており、第７図ａ、ｂのような振動
姿態を示している。

しかしながら、加圧室２８とノズル板３７の間には音波
遮断部４６が図のように設けられており、その先端４６
はノズル板３７の振動の節部に接するよう構成されてい
る。４６は空間部であり、振動の節以外の部分が自由に
振動できるようにするためのものであって、これは音波
吸収材等を充填する構成であってもよい。またノズル板
３７と音波遮断部４５の先端４６との間は間隙が存在す
るけれども、加圧室２８が大気圧より低い圧力に保たれ
ているので灯油が空間部４６に漏れることなく、また灯
油の表面張力の作用により空気が加圧室２８に流入する
こともない。

このような構成により、振動体自身は２次モードで動作
するけ扛ども加圧室２８に臨む部分は見かけ上は基本モ
ードで動作させることが可能となる。

すなわち、振動体を加圧室２８に対して実質的に基本モ
ードで振動する構成とすることができる。

従って、第６図の場合のように、加圧室２８内の音圧分
布による大気泡４４の成長とノズル板３７への接触を防
止し、極めて安定性に富んだ精化動作を実現することが
できる。なお、気？＠４３は第５図の場合と同様に振動
に悪影響を与える程成長する以前にその浮力によりパイ
プ２２に排気される。

したがって、振動体自身は２次モードで動作しても加圧
室２８に対して実質的に基本モードで振動するよう構成
することにより安定霧化動作が可能である。

このように第６図または第９図の実施例のような霧化装
置により浸れた霧化性能を発揮することができる霧化装
置を実現することが可能であり、しかも、霧化に要する
エネルギーは著しく小さいものとすることができる。発
明者の実験によればその消費電力は極めて小さく２０Ｃ
Ｃ／分程度の霧化量を得るに要する消費電力は０．１ワ
ット程度であり従来の超音波霧化装置に比し、極めて省
エネルギー性の高い霧化装置を実現することができる以
上に述べたように本発明によれば、液体を充填する加圧
室と、ノズルを設けた振動体と、電気的振動子とを備え
、前記ノズルと少なくとも前記振動体の１部を前記加圧
室に臨む構成とすると共に、前記撮動体が前記加圧室に
対して実質的に基本振動モードで振動するよう構成した
から、構成が極めて簡単でコンパクトであり、従って低
価格であると共に、霧化パターンの安定性、微粒化性能
９粒径バラツキ等の極北性能に唆れ、霧化量制御が簡単
でかつ極めて低消費電力である霧化装置を実現すること
が可能である。さらにノズルを振動させる構成であるた
め溶存気体を多く含む液体であっても霧化動作維持が可
能であり、特に加圧室に対して実質的に基本モードで振
動体が振動する構成とすることにより、非常に安定性に
富んだ霧化動作を実現することができるものであり、極
めて汎用性に富んだ霧化装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波霧化装置の構成を示す断面図、第
２図は本発明の一実施例を適用した温風機の断面図、第
３図ａ、ｂおよびＣは霧化量の大小に応じた圧電振動子
の駆動電圧波形図、第４図は本発明の一実施例を示す霧
化装置の断面図、第５図は晴間霧化装置の動作説明図、
第６図は本発明を説明するために用いた霧化装置の断面
図、第７図ａおよびｂは第６図の霧化装置の振動体の動
作状態を説明する図、第８図ａおよびｂは第５図の霧化
装置の振動体の動作状態を説明する図、第９図は本発明
の他の実施例を示す霧化装置の断面図である。 ２８・・・・・加圧室、３２・・・・・電気的振動子（
圧電振動子）、３３・・・・・・開口、３０．３７・・
・・・・・振動体（圧電振動子、ノズル板）、３８・拳
・・・・・ノズル。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 第３図 第４図 第５図 ｑ ４ρ １％　６　　ｒｌ 第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　液体を充填する加圧室と、１つ又はそれ以上
   のノズルを設けた倣動体と、前記振動体を附勢して前記
   ノズルを加振する電気的振動子とを備え、前記ノズルと
   前記振動体の少なくとも１部とが前記加圧室に臨むよう
   構成すると共に、前記振動体が前記加圧室に対して実質
   的に基本振動モードで振動するよう構、成した霧化装置
   。
2. （２）　　ノズルをノズル板に設け、前記電気的振動子
   を板状の圧電振動子で構成すると共に、前記ノズル板に
   前記圧電振動子を装着して前記振動体とした特許請求の
   範囲第１項に記載の霧化装置。
3. （３）圧電振動子を開口部を有する円板状圧電振動子で
   構成し、ノズルが前記開口部に臨むよう前記円板状圧電
   振動千金前記ノズル板に装着して前記振動体を円板状振
   動体とする共に、前記円板状振動体の振動が円板たわみ
   振動となるよう構成した特許請求の範囲第２項に記載の
   霧化装置。