JPS59112866A - 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、灯油、軽油などの液体燃料、水、薬液、イン
クなどの液体を微粒化するための霧化装置に関し、さら
に詳しく言えば、圧電セラミックなどの電気的振動子の
振動を利用した霧化装置に関するものである。

従来例の構成とその問題点 従来、この種の霧化装置には種々の形式のものが提案さ
れており、大別して以下の２種類の霧化装置がある。

第１のものは、いわゆる超音波霧化装置と呼ばれている
もので、超音波エネルギにより液体表面にキャピラリー
波を発生せしめ、これにより霧化するものであり、第１
図ａおよびｂにその代表例を示す。第１図ａは、ホーン
振動子１にて圧電振動子２の振巾を増巾し、先端３にポ
ンプ４にて液槽５から液体を供給して霧化粒子６を得る
ものであり先端３の表面に送られた液体にキャピラリー
波を発生して霧化させるものである。

才だ、同図すは、ホーン振動子を用いず、液槽子の底部
に圧電振動子８を設けて液中に超音波エネルギーを直接
照射し、液面に生じる液柱９の表面に発生するキャピラ
リー波から霧化粒子１０を発生せしめるものである。

第２のものは、第１図Ｃに示す構成が、その代表例であ
り、インクジエ、ノド記録装置等に用いられている。こ
れはインク室１１の一端にオリフィス１２を、他端に圧
電振動子１３を設け、圧電振動子１３の振動によるイン
ク室１１内の圧力上昇をオリフィス１２に伝えて、霧化
粒子１４を噴射せしめるものである。

しかしながら、これら従来の霧化装置には種々の欠点が
あった。

第１の従来例である超音波霧化装置は、第１図ａおよび
ｂに示す両タイプ共に、超音波エネルギーにより微粒化
を行うものであるので、霧化に要するエネルギーは著し
く太きく、例えば２０　ＣＣ／ｍｉ　ｎ程度の霧化量を
得るのに第１図ａの構成のもので５〜１０ワツト、同図
すのもので２Ｑ〜５ｏワノなるばかりでなく、大電力下
での超音波振動を安定に維持せしめることが必要である
ために、ホーン振動子１の高い加工精度、振動子２．８
の面倒な固定条件の維持、等が必要であり、さらに、ポ
ンプ４を必要としたり、液槽７の液面高さを精密に制御
したりすることが要求され、霧化装置の構成が大型化、
高価格化せざるを得なかった。また特に第１図すのもの
は大電力かつ高周波電力であるため、電波障害を発生せ
しめる可能性があるという欠点もあった。

一方、同図Ｃのような霧化装置は、霧化粒子１４の噴射
パターンが安定で、かつ、霧化・タイミングや霧化量の
調節が非常に簡単であるという長所を有しており、この
ためインクシュ・ント記録装置に応用されているが、イ
ンク室１１中のインクを介して圧電振動子１３の振動に
よる圧力波をオリフィス１２に伝達する構成であるので
、インク中に溶存空気が含まれているとキャビチー・ン
ヨンによる溶存空気の気泡化が発生し、このため安定な
霧化動作を維持できなかった。すなわち、溶存空気を除
去した液体のみが噴霧可能であるというものであったた
め、極めて特殊な用途に限定され、かつ、空気の溶解を
防止しなければならないという面倒な欠点を有するもの
であった。

発明の目的 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ｉくクトであり、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、霧化パターンの安定性、微粒化性能、あ
るいは霧化粒子径の均一性などのいわゆる霧化性能に優
れ、かつ、霧化のタイミングや霧化量調節などの制御性
が極めて良好な霧化装置を提供することである。

さらに第３の目的は、溶存空気を多量に含む液体であっ
ても、キャビテーションによる霧化動作の不安定性や損
傷（エロージョン）の発生を防止し、極めて安定に霧化
することができる汎用性に富んだ霧化装置を提供するこ
とである。

発明の構成 本発明は、上記目的を達成するために、以下に述べる構
成より成るものである。

すなわち、液体が充填される加圧室を有する基体と、前
記加圧室に臨んで設けたノズルと、前記ノズルを付勢し
て液体を加振する電気的振動子とを備え、前記加圧室の
液体の加振される方向に沿う前記加圧室の深さを一４１
前記液体中の音波の波長をλとするとき、ｌ〈λ／４と
なるよう構成したものであυ、前記電気的振動子により
前記ノズルを付勢して前記加圧室に充填された液体を加
振し、前記ノズルから液体を噴霧せしめるものである。

実施例の説明 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図は本発明の霧化装置の一実施例を示す断面図であ
る。

第２図に於て、霧化部１６は、内部に直径が５〜１５咽
、深さ１〜６謳程度の加圧室１６を有する基体１７と、
基体１７に接着された厚さ３０μｍ〜１Ｑ○μｍのノズ
ル板１８、および、ノズル板１８に接着され、直径が６
〜１５ｍｍ、厚さ０．６羽、〜２咽程度の圧電振動子１
９により構成されている。圧電振動子１９は、ノズル板
１８との接着面およびその対向面に電極が設けられ（図
示せず）、リード線２０．２１により基体１了、ノズル
板１８を介して駆動電圧が供給される構成となっている
。

さらに、圧電振動子１９の中央部には、直径２咽〜６晒
程度の円形の開口２２が設けられている。

したがって、ノズル板１８の開口２２に臨む部分は、開
口２２の直径に等しい円板形のノズル部２３を形成して
いる。このノズル部２３の中央には、直径が３０　ｌＬ
ｍ〜１００μｍ程度のノズル２４力玉複数個設けられて
いる。

加圧室１６は、供給口２５、排気口２６により、それぞ
れパイプ２７．２８に接続されており、液体は、後述す
る手段により、霧化動作時のみカロ圧室１６に充填され
る。すなわち、霧化動作イ亭止時は、液面Ａの位置にあ
り、霧化動作時は、液面Ｂの位置となるのである。

基体１７は、ビス２９にて、ケース３０の壁面３１に固
定されている。

次に霧化動作について説明する。

圧電振動子１９は、その厚さ方向に分極処理された圧電
セラミックであり、電極間に電圧が印加されるとその直
径方向に歪が生じるところのいわゆる横効果型を利用し
たものである。第３図ａ、ｂ又はＣのような交流電圧が
圧電振動子１９に加えられると圧電振動子１９は、電圧
の極性に応じて径方向伸縮歪を生じる。圧電振動子１っ
けノズル板１８に接着されているため非対称バイモルフ
構造体となっているので、前述の径方向伸縮歪は、第４
図ａに破線で示す１うにたわみ歪に変換され、圧電振動
子１９とノズル板１８との円環状接着体は、基体１７に
外周が固定された円環状の円板たわみ振動体として動作
する。圧電振動子１９の開口２２に臨むノズル部２３は
、中央にノズル２４を有する薄板円板と考えることがで
き、このノズル部２３が、前述の円環状円板たわみ振動
体により励振されるのである。

第４図すは、圧電振動子１９の直径に沿ったたわみ振動
の振巾δの分布を示すものであり、図から明らかなよう
に、ノズル部２３のみが大きい振巾で振動し、圧電振動
子１９自身の振動振巾は非常に小さいものとなっている
。すなわち、中央のノズル部２３のみがたわみ振動を行
っていると考えることもできる程ノズル部２３と圧電振
動子１９との振巾δの差は大きいのである。

したがって第２図に示すように、ノズル２４の極近傍の
みがノズルの軸方向に加振され、加圧室１６内の液体は
、ノズル２４の近傍のみが加振されて圧力上昇し、ノズ
ル２４より霧化粒子が噴射されるのである。前述したよ
うにノズル２４の加振により加圧室の液体を加振する構
成であるので、加圧室１６内の圧力変化の最大点はノズ
ル２４の極近傍となり、このためキャビテーションによ
り発生する気泡核は、霧化動作に影響を与えるほど犬・
きく成長する以前にノズル２４から噴霧されてしまうの
である。また小さいキャビテーション気泡が生成しても
、加圧室１６内の音場（音圧）のレベル差により、ノズ
ル２４の近傍から加圧室１６の外周に向って放出され、
パイプ２８より排出されてしまう。この結果、キャビテ
ーション気泡が発生しても、安定な霧化動作を持続する
ことかできるのである。

しかしながら、このよう々安定な噴霧動作を実現するた
めには、加圧室１６の深さｌ（第２図の左右方向）は、
ある一定の条件を満たすことが必要である。

第５図はこれを説明するものであり、第５図ａにおいて
、第２図と同符号は相当物である。

第５図ａにおいて、ノズル部２３のたわみ振動により加
圧室１６の液体に加えられる音圧ｐをその加振方向（す
なわち、加圧室１６の深さｌの方向）の位置Ｘに沿って
図示すると、同図すのようになλ り第２図に示す実施例ではｌ＝β１〈ズとなっている。

すなわち液体中の音速をｖ１ノズル部２３の振動周波数
（圧電振動子１９の駆動周波数）ｆ。

とすると ｌ二１１〈＾・ｒ である。

例えば、霧化される液体が灯油であり、圧電振動子の駆
動周波数を５０ｋＨｚとすると となる。

この加圧室１６の深さｌが第５図Ｃのように１２−λ／
４ となると、λ／４の定在波が内生し、ノズル音盾２３の
損傷が促進される可能性が高いば７５へりでなく、音圧
の節が点Ｂ上に生じるので、この点にキャビテーション
気泡が集まってしまい、霧イヒ動ｆ「の不安定さを生む
原因となる。また、同図ｄのように１３＝λ／２ となると、加圧室の中心点Ｓ′　に節７５り、そして、
点Ｓに音圧の最大点（腹）が生じる定在波カニ発生する
。したがって、この場合も、節である点Ｓ′にキャビテ
ーション気泡が集まるため、霧イヒ動イ／￥に不安定さ
を生じ、かつノズル＠じ２３とカロ圧室の底面Ｓとに圧
力の腹が発生するので、ノズル−２３このような第６図
Ｃ又はｄのような定在波の発生は、液体の温度などの環
境条件によって液体中の音速変化が生じるため必ずしも
一定の加圧室１６の深さｌ（すなわち１２または１３）
のみで生じるとは限らない。したがって、このような定
在波の発生を防止して不安定性や損傷の発生をなくする
ためには、あらゆる条件下でｌ　＝　ｎ−＾、（ｎは整
数）となることを防止する必要がありこれを保証するた
めに最も確実で簡単な条件はｌ〈λ／４があらゆる条件
下で満たされるようにすることである。第２図の実施例
ではｅ−１〜５ｍｍとしたがこれは、後述するように灯
油を約６０ｋｌｂで霧化するための霧化装置とするため
であり、前述したように、ｌ＝１〜５配〈７陥となって
いる。

このように、ノズル部２３の中央（最大振巾点）から、
加圧室１６の底面（点ｓ）４での距離ｌをｌ〈λ／４ とすることは、安定な霧化動作の保証と、損傷などの発
生という不都合の防止という観点から極めて重要である
。

さらにまたｌをできるだけ小さい値に保つことは、第４
図に示すような圧電振動子１９とノズル板１８より成る
円環状非対称バイモルフ振動体の外周固定を強固にし、
安定で効率的なたわみ振動を保証するためにも重要であ
る。

なお、ｌは、少なくともほぼノズル部２３に対向する加
圧室１６の底面のみが上記条件を満たせば十分であるこ
とは明らかである。

第２図に示した本発明の一実施例は、種々の応用が可能
であり、その−例として石油温風機に適用した例を第６
図に示す。

゛　　第６図において、第２図と同付号は相当物である
。

３２は温風機ケースで、上面に操作部３３が設けられ制
御部３４に運転指令が与えられる。

制御部２４は運転指令が与えられるど、送風モータ３６
を起動し、送風ファン３θ、負圧ファン３了を起動する
。前記両ファン３６，３了により空気は図の矢印のよう
に流れ、気流合流部３日には−ｐ１（例えば−１α過）
の負圧が発生し、負圧ファン３７の吸込側３９、吐出側
４０間にはＰ２（例えば３０ｍｍＡ　ｑ　）の差圧が発
生する。従って、吸込側３９の圧力は−Ｐ３＝−（Ｐ１
＋Ｐ２）−−４０胡Ａｑの負圧力となる。

この負圧力−Ｐ３　は、固定タンク４１にて制御された
液面Ａに加えられるので、液面Ａは上昇して、霧化部１
５内の加圧室１６を満たし、さらに上昇して液面Ｂの位
置にてつりあう。

したがって、この状態で、第２図に示したように加圧室
１６に灯油が充填された状態が達成され、霧化動作準備
が完了する。

次に制御部３４は、内蔵する発振器を伺勢し、第３図ａ
、ｂ又はＣのような交流電圧を必要とする霧化量に応じ
て圧電振動子１９に与え、結果として同図ａ　％　Ｃに
見合った平均霧化量で、霧化粒子３１が噴霧される。

霧化粒子３１は、円筒状ヒータ４１（予熱されて約４０
０°Ｃになっている）中を通る間に、完全なガス状にな
り、空気との予混合ガスとなってバーす４３の炎口４４
から噴出し、点火器４６にて点火されて、火炎４６を生
成する。

４７はフレームロッド、４８ｉｄ対流フアン、４９ハカ
ートリツジタンクである。

このように本発明の一実施例を液体燃料の霧化装置に用
い、温風機を構成すると温風機自身も、その構成が大巾
に簡素化される。

第７図は他の実施例を示す断面図であって、第２図と同
符号は相当物である。同図においてノズル部２３の中央
には断面が台形状の突起６０が設けられており、この構
成により、ノズル数を増加して霧化能力を増大できる。

これは、突起６Ｑがピストン運動を行うためである。

第８図はさらに他の実施例であり、第２図と同符号は相
当物である。

ノズル部２３の中央には、球かく状の突起５１が設けら
れ、これにより第７図の実施例と同様の効果、および、
噴霧角度θの拡大が可能となり、特に燃焼装置への応用
上、有利である点も太きい。

さらに才だ、図示していないが、第２図のような構成で
、ノズル２４を１個にして、−列の液滴列を生成するこ
とも可能であり、インクジュツト記録装置への応用も非
常に容易である。

このように、本発明の技術思想を超えない範囲で、他に
も数多くの実施形態と応用形態をとることが可能であり
、極めて汎用性に富むものである。

発明の効果 以上に述べたように本発明によれば、加圧室にノズルを
臨ませ、電気的振動子によりノズルを付勢して加圧室の
液体を加振する構成とし、加圧室の液体が加振される方
向の加圧室深さを４１液体中の音波の波長をλとすると
き、 ｌ〈λ／４ となるよう構成したので、極めて構成が簡単でコンパク
トであり低価格であると共に、霧化性能にすぐれ、極め
て制御性の良い霧化装置を実現することができる。そし
て、特に、ノズルを付勢して加圧室の液体を加振し、ｌ
＜λ／４とする構成により、溶存空気を多量に含む液体
であっても、キャビテーションによる霧化動作の不安定
性や損傷の発生を防止し、極めて安定に霧化することか
でき、したがって、著しく汎用性に富んだ霧化装置を提
供することができるものであり、その工業的価値は極め
て多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、ｂおよびＣは従来の霧化装置の断面表 図、第２図は本発明にＩる霧化装置の一実施例を示す断
面図、第３図ａ、ｂおよびＣは、同霧化装置の霧化量に
応じた駆動電圧波形図、第４図ａは同霧化装置の動作を
説明する振動部分の断面図、同図すは、同振動部分の振
巾分布図、第５図ａは同霧化装置の音圧分布を説明する
ための断面図、同図す、ｃおよびｄば、加圧室深さ４と
音圧Ｐの分布を説明する説明図、第６図は同霧化装置を
適用した温風機の構成を示す断面図、第７図は本発明の
他の実施例を示す霧化装置の断面図、第８図は、同さら
に他の実施例を示す霧化装置の断面図である。 １６・・・・・・加圧室、１７・・・・・・基体、１８
・・・・・・ノズル板、１９・・・・・・電気的振動子
（圧電振動子）、２３・・・・・・ノズル部、２４・山
・・ノズル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）液体が充填される加圧室を有する基体と、前記加
   圧室に臨んで設けたノズルと、前記ノズルを付勢して前
   記加圧室の液体を加振する電気的振動子とを備え、前記
   液体が加振される方向に沿った前記加圧室の深さを４１
   前記液体中の音波の波長をλとするとき、 ｌ〈λ／４ となるよう構成した霧化装置。 （′４　ノズルを板状のノズル部に設け、前記電気的振
   動子により前記ノズル部のたわみ振動を励起して前記ノ
   ズルを付勢し前記加圧室の液体を加振する構成とし、前
   記ノズル部が臨む加圧室の深さをｌとするとき ｌ〈λ／４ となるよう構成した特許請求の範囲第１項記載の霧化装
   置。