JPS59354A - 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・軽油などの液体燃料、水、薬液および記
録用インク類などの液体の霧化装置に関するものであり
、さらに詳しく言えば圧電振動子などの電気的振動子の
超音波振動を利用して液体を霧化するところのいわゆる
超音波霧化装＃に関するものである。

従来、この種の霧化装置は種々型式のものが提案され実
用化又は実用化検討がなされている。

最も代表的な超音波霧化装置は、ホーン型超音波霧化装
置であって、第１図ａはその代表的構成を示すものであ
る。図において、ステップ型ホー／１の一端には圧電振
動子２が接着され、ホーン１にエリ圧電振動子２の厚み
振動振ｒｌｌ’に増巾する構成となっている。ホーン先
端の振巾最大面に、液槽３からポンプ４にて液体全供給
する構成としパイプ５の先端から液体をホーン先端に滴
下させ霧化粒子６を得るものである。

第２の超音波霧化装置は加湿装置等に実用化さｎている
もので第１図すのような構成である。すなわち、液槽７
の底面に圧電振動子８を設ける構成とし、液槽中に直接
超音波エネルギーを照射するものであり、液面近傍に集
中さ庇る超音波エネルギーにより液柱９を形成し、液面
近傍に発生するギヤピラリ−波から霧化粒子１０を発生
させるものである。

第３の超音波霧化装置は、第１図Ｃにその構成を示すよ
うに、霧化粒子列１１を噴射することができるものであ
り、近年インクジェット記録装置に多く実用化されてい
る。第１図Ｃより明らかなようにこの超音波霧化装置は
、液室１２の一端に圧電振動子１３を設け、他端にオリ
フィス１４を設けた構成であり、圧電振動子１３の振動
による液室１２内の圧力上昇を、液室１２内の液体を介
してオリフィス１４に伝え、この結果オリフィス１４か
ら霧化粒子１１をかなりの飛散速度をもって噴射するこ
とができるものである。

しかしながら上記従来の超音波霧化装＃け種々の欠点を
有していた。

第１の超音波霧化装置は、ホーン１の安定な振動全保証
するためにホーン１の高い加工精度と面倒な固定条件お
よびホーン先端への液体滴下条件を維持することが必要
であり、しかも液体をホーン１の先端に供給するための
ポンプ４が不可欠であるため、装置全体が大型化・高価
格化せざるを得なかった。

また霧化に要するエネルギーは例えば２０　ｃｃ、Ａｉ
ｎ程度の霧化量を得るのに、約１０　Ｗａｔｔｓ程度で
あるにもかかわらず、微粒化および粒径の均一性などの
いわゆる霧化性能は満足なものではなかった。

第２の超音波霧化装置は、圧電振動子８を１〜２　ＭＨ
ｚの高周波で駆動し高周波の超音波エネルギーに利用す
るものであるので微粒化性能に優れたものであったが、
超音波エネルギーケ直接液体中に照射・集中させる利用
形態であるため、液体の物性や液面の高さによる霧化量
変動が著しく、この補償は極めて困難で面倒であった。

しかも２０ｃｃ／ｍｉｎ程度の霧化量ケ得るに要するエ
ネルギーは、約５　Ｑ　Ｗａｔｔｓと大きく、かつ１〜
２ＭＨ２の高周波であるので電波障害発生の可能性が著
しく高いという重大な欠点を有していた。したがって、
ポンプを必要としないにもかかわらず装置は高価格化せ
ざるを得ないものであった。

第３の超音波霧化装置は、インクジ、ｓソ）プリンタに
使用されている事実から明らかなように、その構造は俺
めて簡単でコンパクトであり、しかもポンプを必要とし
ないという特徴を有するものであり、かつ、噴射距離と
その方向が安定であるという独特な長所を有していたが
、圧電振動子１３の低動による液室１２内の圧力上昇を
液室１２内の液体を介してオリフィス１４に伝達する構
成であるため、溶存空気を多重に含む一般的な液体を使
用した場合には液室１２内にキャビテーション気泡が発
生し、このため安定な霧化動作を維持できないという欠
点を有していた。したがって溶存空気を除去した液体の
みが安定霧化可能であり、一般の液体を霧化するには「
溶存空気を脱気する」という過程が必要とされ極めて汎
用性に欠けるという欠点があった。

本発明はこのような従来の欠点を一掃した超音波霧化装
＃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、低消費電力であるにもかかわらず微粒化
や粒径の均一性および霧化パターン安定性などの霧化性
能に優れた霧化装置を提供することである。

第３の目的は、溶存空気を多量に含む液体であっても安
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。

さらに第４の目的は、最適な霧化動作を保証し工業的生
産が極めて容易な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、ノズルを設
けたノズル部と、前記ノズル部を付勢してノズルを加振
する電気的振動子とを備え、前記ノズルが前記加圧室に
臨むよう構成すると共に、前記ノズル部の共振周波数と
前記電気的振動子の共振周波数とが略々等しくなるよう
構成したものであり、この構成により前記ノズルを加振
して前記ノズルから前記加圧室の液体を噴射・微粒化す
るものである。

以下本発明の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部＃を適用した温風機
の構成を示す断面図である。

第２図において、温風機クース１５の上面には操作部１
６が設けられ制御部１７に運転指令を与えるよう構成さ
几ている。制御部１７に連転開始指令が与えらｎると制
御部１７は送風モータ１８を起動する。

送風モータ１８は燃焼空気全供給する送風ファン１９と
後述する負圧力を発生させる吸引ファン２０とに同軸連
結されている。したがって送風ファン１９により燃焼空
気は吸込口２１から吸い込まれ、オリフィス２２を通っ
て分配室２３に送ら几る。分配室２３より図中矢印のよ
うに第１霧化室２４、第２霧化室２５．２次空気室２６
に送られ、燃焼室２７に至り、排気筒２Ｂより排出され
るＯ　　゛ 一方燃料灯油はタンク２９よりパイプ３０にて液面を略
一定に制御するレベラ３１に送られる。

レベラ３１は灯油液面を図中人の高さに制御する。

したがっで、運転停止時は、パイプ３２内の液面も図中
Ａと同じ高さのＢとなっている。

運転開始されると送風ファ／１９の回動によりオリフィ
ス２２の下流側の負圧発生部３３には負圧力（例えば−
Ｐ＋　＝　−１０ｍｍ　Ａｇ　）が発生し、また吸引フ
ァン２０の高圧側３４と低圧側３６との間にも負圧力差
（例えば、−Ｐ２　＝−３０ｍｍＡｇ）が発生する。高
圧側３４はパイプ３６にて負圧発生部３３に連結さｎて
いるので、低圧側３６は負圧発生部の負圧力（−Ｐ＋）
と吸引ファン２０間の差圧力（−Ｐ２）との和の負圧力
（−ｐニーＰ＋−Ｐ２ニー　４０　ｍｍＡｇ）となる。

低圧側３６はパイプ３６にて霧化部３７に連結さｎ、後
述するようにパイプ３２内の灯油液面Ｂに前述した負圧
力（−Ｐ）’に印加する構成となっている。この結果、
パイプ３２内の灯油液面はＢ位置から上昇し霧化部３７
内ケ灯油で充満して上昇し、パイプ３６内の位置Ｃの高
さに達してつりあう。

以−ヒの動作は送風ファン１９１／ｉｌ：よるプリパー
ジ期間に達成され霧化部３７はこの間に霧化動作準備（
灯油の充填）が完了する。

次に制御部１７は、点火器３８を起動すると共に霧化部
３７を付勢し、霧化ｆｆｌ５３７は図のように第１霧化
室２４、第２霧化室２５に霧化粒子３９を噴霧する。

従って点火器３８により霧化粒子３９は点火さ几で第２
霧化室２５内で瞬時燃焼する。第２霧化室２６内に供給
さ几る空気は、ここで燃焼を維持する程多くないので燃
焼室２了に移動し、着火後は図のように燃焼筒４０の先
端に保炎する火炎４１を形成して燃焼する。第２霧化室
２５から燃焼筒４０の先端に達するまでに霧化粒子３９
は燃焼熱で完全にガス化し、空気と混合されて予混合ガ
スとなって燃焼筒４０の先端に達するので火炎４１は予
混合ガス化燃焼に近い火炎となる。４２はフレームロン
ドであり、火炎の状態全検知し制御部１７にその検知信
号を送るものである。また４３は対流ファンである。

次に本発明の一実施例である霧化部３７についてさらに
詳しく説明する。

第３図は第２（２）の霧化部３７のさらに詳しい構成を
示す断面図であり、第２図と同符号は相当物である。

第３図において第１霧化室２４の壁面４４にビス４６で
固定されたボディー４６は、内部に直径が５〜１５ｍｍ
、深さ１〜５ｍｍ程度の円筒形の加圧室４７が設けられ
、供給口４８．排気口４９によりそ几ぞれパイプ３２お
よびパイプ３６と連通されている。加圧室４７の円形の
一面は厚さ３０μｍ〜１００μｍ程度のノズル板６０で
構成されており、ノズル板５０の外周はボディー４６に
半田付さｎている。ノズル板５０の中央部には球面状の
突起５１が設けられ、この突起５１には直径３０μｍ〜
１ｏ○μｍのノズル５２が複数個設けられている。

さらにノズル板６０には、直径６〜１５ｍｍ、厚さ０．
５〜２ｍｍ程度の円環状圧電振動子６３が半田付にで装
着さ扛ており、圧電拡動子５３の開口５４の直径は２〜
８ｍｒｎ程度となっている。したがってノズル板６０の
開口５４に臨む部分であるノズル部６５はこの開口６４
の直径に等しい２〜８ｍｍの円板状であり、この中央に
突起５１とノズル５２が設けられた構成となっている。

圧電振動子６３は、その厚さ方向に分極処理された圧電
セラミックであって、図示していないがノズル板５０と
の接着面およびそれに対向する面には全面に電極が設け
られている。

６６はリード線であり片方の電極に半田付さｆ。

一方、リード線６７はビス６８にてボディーに固定さｎ
ており、したがって他方の電極にはボディー４６とノズ
ル板５０を介してリード線６７が接続さｎる構成となっ
ている。

リード線５６．５７全介して制御部１７より第４図＆〜
ｅのような交流電圧が圧電振動子６３の電極間に供給さ
几、この電圧により後述するように圧電振動子５３の径
方向振動が励起され、結果としてノズル部５６が圧電振
動子５３に付勢されノズル５２が加振さｎて、霧化粒子
３９がノズル５２より噴霧さ庇る。

第６図ａ、ｂｉ参照してさらに詳しく霧化動作を説明す
る。

第６図ａにおいて第３図と同符号は相当物である。

圧電振動子５３は第４図ａ−ｅのような交流電圧の極性
に応じて図中矢印のようにその直径方向に伸縮歪を生じ
、いわゆる横効果利用による径方向振動を行うものであ
り、一方圧電振動子６３はノズル板５ｏに半田付されて
いるため、結果として第６図ａの破線で示すようなたわ
み振動を生じる。

第５図すは、第５図への断面に沿った位置Ｘにおける振
動振巾δの分布を示すものである。第５図すより明らか
なように、ノズル部６６の振巾δと圧電振動子６３の振
巾δとは著しく大きな差があり、ノズル部５６と比較す
ると圧電振動子５３の振巾は実質上塔に等しいと考える
こともでき、あたかも圧電振動子６３の径方向振動によ
りノズル部６５のたわみ振動が励起ざ几ているように考
えることも可能である。

このような振動状態を励起してノズル部６６會付勢し、
ノズル５２を加振することにより、加圧室４７内の圧力
変化の最大点はノズル５２の近傍のみとすることができ
、この結果灯油のように溶存空気全多量に含む液体であ
っても、キャビテーション気泡の影響ケはとんど受ける
ことなく安定な霧化粒子３９の噴霧を行うことができる
。

ノズル５２からの噴ｍ　Ｎ１１１作は次のようなメカニ
ズムにより行われる。すなわち、ノズル部５５が加圧室
４７側にたわみを生じたとき、ノズル５２の近傍は圧力
の急激な上昇が生じ、この結果ノズル６２より灯油が押
し出され、霧化粒子３９となって飛散する。次に第５図
ａの破線のようにたわみを生じたときノズル６２の近傍
には圧力低下が生じ微小なキャビテーション気泡が発生
するが、この気泡が霧化動作に影響を与える程大きく成
長する以前にノズル部６５は加圧室４７側にたわみを生
じて灯油をノズル６２から押し出す。従って。

極めて微小なキャビテーション気泡を含む灯油は。

そｎが大気泡に成長する以前にノズル５２より噴霧され
てしまう結果となるのである。また、ノズル５２より噴
霧さ几た灯油の体積分だけ加圧室４７内の圧力低下が生
じるがこの圧力はノズル５２に発生する灯油の表面張力
とつりあい、この結果ノズル５２より空気が加圧室４７
に流入することが防止さｎｌかつ、この圧力低下により
パイプ３２より灯油が吸い上げらｎる。したがって。

一種の自給ポンプ作用を果し、灯油を自給しながら霧化
することができるものである。

第６図ａ、　　ｂおよびＣは第６図ａに示した霧化動作
をさらに詳しく説明するためのものであり、第５図ａと
同符号は相当物である。

第６図ａに示した霧化部の振動部は、前述したようにノ
ズル部５５の振巾が圧電振動子５３の振動に比べて著し
く犬きく、第６図すのようにノズル部５６のみがたわみ
振動を行っているように考えることができる。

一方、圧電振動子５３は、それ自体は径方向の歪を生じ
るけれどもノズル板６０との接着構成により振巾が小さ
いといえども非対称バイモルフ振動を生じており、第６
図Ｃのようにノズル板５゜と圧電振動子５３を一体化し
た等価な円形の振動体６９がボディー４６に固定さ几て
たわみ振動をしていると考えることができる。

すなわち、第７図に示すように圧電振動子５３を主体と
した振動体５９全励振源６０とし、この励振源６０によ
りノズル部５５がたわみ振動を生じる負荷６１となって
いると考えることができ、この励振源６１と負荷６１と
が整合するような構成とすることによす極めて安定で効
率的な霧化動作を実現することができるのである。

第８図ａ　％　Ｏはこれを説明するためのものである。

第８図ａは、ノズル部６５の直径がＤｌ、　Ｄ２゜Ｄ３
　となる圧電振動子５３を用いて第べ咀ａの様な振動部
を構成し、圧電振動子６３に供給さｆる交流電圧の周波
数ｆを変化させたときのノズル部６５の最大振巾δ、の
変化を示すものであり、圧電振動子６３（すなわち、振
動体５９）の第１共振周波数ｆｒ２１＋および第２共振
周波数ｆｒ　２２において極太値を示している。

第８図ａにおけるｆ二ｆｒ２１の振巾δｖ’にノズル部
６６の直径りに対してプロットすると第８図すの拳よう
にやはりＤに対してδ、は極太値を示している。ノズル
部６５の直径をＤとするとき、たわみ振動の共振周波数
’ｒｌは ｆｒ　１　”−Ｋ　□　　、２ （Ｋは定数） と表わすことができるから、第８図すのノズル部５６の
直径りにより上記ｆｒｌが変化していると考えることが
可能である。

したがって、Ｄ＝：Ｄ２のとき最大振巾δＰ２が得らｎ
るということは、ノズル部６６の共振周波数ｆｒ１を適
当に選択することによって安定で効率的なノズル部６６
の振動を励起することができることを示している。

第８図Ｃは、このことを示すものであり、圧電振動子６
３の共振周波数ｆｒ２ −ノズル部５６の共振周波数ｆｒ１ という構成にすることにより最も安定で効率的なノズル
部６６の振動を励起することができ、こｎはとりもなお
さず、第７図における励振源６ｏと負荷６１との整合を
とることを意味するものである。

すなわち、第３図の構成の霧化部において、灯油ケ加圧
室４７ＹＣ充填した状態において前述の整合条件が満た
さｎることによって、極めて安定で効率のよい霧化動作
を行うことができることは明らかであろう。

ｆた前述した ｆｒ１’；ｆｒ２ という整合条件は、必ずしも第１共振（１次モード共振
）周波数ｆｒ１１およびｆｒ２ｊでなくてもよい。

すなわち、第９図ａ−ｆに示すように圧電振動子５３（
本実施例の場合はノズル板５０との非対称バイモルフ振
動体５９）、およびノズル部５５１４第１〜第ｎ次の振
動モードで共振することができ、そｎぞｎ　ｆｒ２１　
、　ｆｒ２２１　ｆｒ２３　°””°ｌ　　ｆｒｌｌ　
　ｌ　　ｆｒ１２゜ｆｒ、ＡＩ・・・・・・という多く
の共振周波数を持つことができるから、種々の整合条件
の組み合せができ、’ｒ’Ｍｎ　　＝　’ｒ２ｍ （ｎ、　　ｍは任意の整数） とすることができる。

このような構成の第３図の如き本発明の一実施例により
灯油を霧化させれば前述したように極めて安定で効率の
良い霧化動作を行うことができる。

例えば、２０ｃｃ７％程度の霧化量を得るに要する圧電
振動子６３の消費電力は％Ｗａｔｔｓ程度と極めて小さ
く、かつ、非常に小型、コンパクトで構成が簡単である
。

さらに霧化粒子の粒径は、２０ＫＨｚ〜１００ＫＨ２で
圧電振動子５３を動作させることにより、隠めで小さく
、かつ均一性の優れたものとすることができ、また第２
図のように燃焼機に応用する場合などは、その霧化パタ
ーンの安定性や、霧化動作断続の制御性に優几る点が極
めて有益である。

ｆｒｌｎ　＝＝　ｆｒｚｍ　　という整合条件を略々溝
たすという構成は、安定で効率的な霧化動作を実現する
上で極めて有益であり、前述したキャビテーション気泡
の発生を抑止し、溶存空気を多量に含む灯油であっても
安定に霧化させるための重要な条件の１つである。捷た
、かりにキャビテーション気泡が発生して加圧室４７内
を排気口４９に向って浮上しても、はとんど霧化動作に
影響を及ぼさない。なぜならば加圧室４７内のノズル板
５０近傍のみが霧化動作に影響を与えるからである。

以−ヒのように本発明を灯油の霧化装置に実施した例に
ついて説明したが本発明はこれに限定されるものではな
く様々な実施態様を可能とするものである。

第１０図は、本発明の他の実施例であり、第３第１０図
は、インク６２をタンク６３に入れ、ポンプ６４でイン
ク全加圧室４７に吸い上げる構成としたものであり、ノ
ズル部６５は、１つのノズル５２を有するのみで突起も
有していない。この実施例では図のように霧化粒子であ
るインク粒子３９を直線的に飛行するインク滴列として
噴射することができる。

第１１図ａ、　　ｂにさらに他の実施例であり第１ｏ図
と同符号は相当物である。はとんどの構成は第１０図の
実施例と同様であるが、圧電振動子５３は第１０図のよ
うにその直径方向に（図中矢印）振動するのではなくて
、第１１図ａにおける矢印のようにその厚さ方向に振動
するものであり、ゴム等より成る保持材６６で保持され
ている。すなわち、第１１図すのように圧電振動子５３
の厚み方向の振動によりノズル部５６のたわみ振動が励
起される構成である。

第１２図は、もう１つの他の実施例であり、第１１図ａ
と同符号は相当物である。

第１２図において圧電振動子５３はその径方向に振動し
てたわみ振動を行う構成であるが、この場合は柔らかい
保持材６５で保持さ几ているので周辺自由に近いたわみ
振動を行うよう構成したものである。またノズル部５６
のみが加圧室４７に臨んでいる。

さらに、加圧室４７への液体の充填を自動的に行う必要
がない場合に適しており、他の実施例における排気パイ
プ３６が不要である。

第１３因はさらにもう一つの実施例であり、第３図と同
符号は相当物である。この場合はノズル部６５が２次モ
ードで共振する構成となっており、ざらに中央のノズル
５２と外周のノズル５２′とが設けら几ている。そして
、霧化粒子３９と３９′とは交互にそ扛ぞ扛ノズル５２
．５２’より噴射される。

以−ト述べたように本発明によ扛ば、加圧室とノズルを
有するノズル部と電気的振動子とを備え前記ノズルと加
圧室に臨ませる構成とすると共に前記ノズル部の共振周
波数と前記電気的振動子の共振周波数とが略々等しくな
るよう構成したので極めて構成が簡単でコンパクトで低
価格であり、微粒化や粒径の均−性等の霧化特性に優れ
る上に著しく低消費電力で効率が良く、しかも溶存気体
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
、従って汎用性に富んだ霧化装置全提供することができ
る。

特にノズル部と′電気的振動子との共振周波数を略々一
致させて整合をとる構成により、霧化効率と溶存気体の
多い液体を霧化する場合の霧化動作の安定性を飛躍的に
向上させ、かつ、生産性・汎用性に富んだ優ｎた霧化装
置を実現することができるものでありその工業的価値は
極めて太きいものである。

【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図、
第２図は本発明の一実施例の霧化装置を適用した温風機
の断面図、第３図は同温風機に適用した本発明の一実施
例の霧化装置の断面図、第４図ａ〜ｅは、同霧化装置の
駆動電圧波形図、第５図＆・　ｂは同霧化装置の動作説
明図、第６図ａ、　　ｂおよびＣは同霧化装置の振動部
の振動説明図、第７図は同霧化装置の励振・被励振関係
の説明図、第８図ａ、　　ｂおよびＣは同霧化装置の振
動部の共振周波数と整合条件の説明図、第９図ａ〜ｆは
共振周波数と振動モードの説明図、第１０図は本発明の
他の実施例を示す霧化装置の断面図、第１１図ａ、　　
ｂけ同さらに他の実施例の霧化装置の断面図および動作
説明図、第１２図は他の実施例の霧化装置の断面図、第
１３図はさらに他の実施例の霧化装置の１部の断面図で
ある。 ４７・・・・・・加圧室、５０・川・・ノズル板、６２
・山・・ノズル、５３・・・・・・電気的振動子、５４
・川・・開口、５５・・・・・・ノズル部。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 、５ ）２図 第　３　＠ 第４図 凶 、／ ち 城 ＩＩａ図 第　７　ｒＭ ｉＫｇ図 第９図 ｆｌｔ　　　　　　　’ｉｔ 亦２　　　　　　　　　玩 第１１図 總１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）液体を充填する加圧室と、ノズルを有するノズル
   部と、前記ノズル部を付勢して前記ノズルを加振する電
   気的振動子とを備え、前記ノズルが前記加圧室に臨むよ
   う構成すると共に、前記ノズル部の共振周波数と、前記
   電気的振動子の共振周波数とが略々等しくなるよう構成
   した霧化装置。 （２Ｊ　　前記ノズル部の基本共振周波数と、前記電気
   的振動子の基本共振周波数とが略々等しくなるよう構成
   した特許請求の範囲第１項記載の霧化装置。 （鴎　前記ノズルをノズル板に設け、前記電気的振動子
   を開口を有する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、前記開口に臨むノズル
   板を前記ノズル部とした特許請求の範囲第１項記載の霧
   化装置。 （に）前記圧電振動子を円環状として前記ノズル板に接
   着する構成とした特許請求の範囲第３項記載の霧化装置
   。 （５）　　前記ノズル部および電気的振動子を板状に構
   成し、前記ノズル部と電気的振動子とのたわみ振動共振
   周波数が略々等しく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。