JPS621789B2 - - Google Patents

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
などの液体を微粒化するための霧化装置に関し、
さらに詳しくは、圧電素子などに代表される超音
波振動を利用した霧化装置に関するものである。

第１の目的は、構成が簡単でコンパクトであ
り、したがつて極め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、低消費電力でかつ
微粒化特性の優れた霧化装置を提供することであ
る。

従来、液体の霧化装置には種々のものが提案さ
れているが、その中で特に超音波を利用した霧化
装置には、以下に述べるような霧化装置が提案さ
れている。第１の霧化装置は振幅増幅用ホーン形
振動子を備えた振幅増幅型超音波霧化装置であ
る。これはランジユバン型圧電振動子やフエライ
トコアを用いた磁歪振動子をジユラルミン等で作
られたホーン型振幅増幅器に取り付け、前記振動
子の振動振幅を増幅するとともに、その最大振幅
器にポンプなどの液体供給手段により液体を供給
して霧化するものである。周知のごとく、前記ホ
ーン形振幅増幅器は振動子の機械的安定振動を保
証するために、極めて高い加工精度が要求され、
かつ、機器への取付上の精度も高いものにする必
要があつた。このため、高価になるとともに機器
への実装上の取り扱いも極めて面倒なものであつ
た。さらに、微粒化特性も十分なものではなく、
とりわけ、霧化粒径の均一化の点で好ましいもの
ではなかつた。また、ポンプ等の液体供給手段を
必要とし、霧化量も前記液体供給手段によつて決
定されるため、霧化装置全体としては大型化し、
一層高価なものにならざるを得ないものであつ
た。

第２の霧化装置は加湿器等に実用化されている
もので、液槽の底面に超音波振動子を取りつけ、
超音波を液面に集中して液柱を液面に形成し、液
面での一種のキヤビテーシヨン（キヤピラリー
波）と表現される場合もある）を利用して霧化す
るものである。この霧化装置は液槽の液面から直
接霧化するものであるから、ポンプなどの液体供
給手段を必要としないが、液面と振動子との相対
距離、液温などにより、振動子の動作が著しい影
響を受け、霧化量の安定化が困難であるという欠
点を有していた。また、良好な霧化動作を得るた
めには１〜2MHz，20〜50Wattsという極めて高
い周波数で、大きな電力を必要とするものであ
り、極めて小さい粒径の霧化粒子が得られる利点
を有する反面、霧化粒径のバラツキが大きいとい
う欠点を有していた。さらに、その動作周波数域
の問題から、ラジオ等の種々の機器への電波障害
が発生しやすいという重大な欠点を有するもので
あつた。また駆動回路は前述のような高周波大電
力を発生させる必要から、極めて高価なものにな
らざるを得ず、さらに電波障害抑制用のフイルタ
装置などを必要とするため、一層高価なものとな
つていた。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもの
であつて、超音波を利用した霧化装置の比較的小
型で、低騒音であり、しかも電気的制御が溶易な
ため制御性に優れているという利点を生かしつ
つ、前述の欠点を一掃した霧化装置を提供せんと
するものであり、極めてコンパクト、低価格、低
消費電力である上に、霧化特性の優れた霧化装置
を実現せんとするものである。

以下、本発明を液体燃料燃焼機に適用した一実
施例について図面とともに説明する。

第１図は本発明の霧化装置の一実施例を適用し
た温風暖房機の構成断面図である。第１図におい
て、１は温風機ケースであつて、上面には操作部
２が設けられ、制御器３に制御指令を与えるもの
である。

制御器３に運転指令が操作部２より与えられる
とバーナモータ４が起動され、同軸に取付けられ
た燃焼フアン５、吸引用フアン６が起動する。し
たがつて燃焼空気は吸気口７からオリフイス８を
通り、スワラ９により矢印のように旋回気流とな
つて混合室１０に送り込まれる。

一方、灯油はタンク１１からパイプ１２を経て
レベラ１３に供給され、運転停止時の液面はパイ
プ１４内の液面１５の位置に制御されている。前
述したようにバーナモータ４の運転により燃焼フ
アン５、吸引用フアン６が運転されると、オリフ
イス８により結合部１６は負圧力P₁が発生する。
さらに吸引用フアン６により結合部１６とと吸引
部１７との間には差圧力P₂が発生する。したがつ
て、吸引部１７は大気圧に対して、P₀＝P₁＋P₂だ
け負圧状態になる。この負圧力P₀により灯油の液
面１５は上昇し、霧化部１８内は灯油で充満さ
れ、液面はパイプ１９内の液面２０の位置になつ
てつりあい、図のようになるのである。前記霧化
部１８は混合室１０の壁面２１に図のように傾め
に取付けられている。

前記霧化部１８は制御器３内の駆動回路により
後述するように付勢され、霧化粒子２２を吐出す
る。霧化粒子２２は混合室１０で空気と混合し、
気化部２３を経て、主炎口２４、副炎口２５から
噴出される。この混合気は点火器２６にて点火さ
れ、主火炎２７補助炎２８を形成する。補助炎２
８は気化部２３の温度を十分高めるためのもので
ある。したがつて、火炎２７，２８は点火初期は
完全な青火燃焼炎ではないが、気化部２３が十分
加熱されると完全な青火炎となる。２９は２次空
気噴出口であり、火炎２７の燃焼速度を低く押
え、排気パイプ３０から排出される排ガス中の有
害物質の低減をかかるものであり、また、１次空
気は少なくてよいから主炎口２４から噴出される
混合気の霧化粒子濃度を高くすることができ、点
火器２６による点火を良好にする効果を有するも
のである。３１は炎検知手段であり着火、失火、
空燃比等の炎状態信号を制御器３に送るものであ
る。

また、３２は対流フアンであり、熱交換器３３
に室内空気を送り、温風を室内に吐出するもので
ある。

ここで、本実施例の霧化装置の動作について、
第２図ａ，ｂを参照して説明する。第２図ａ，ｂ
は第１図における霧化部１８に相当する。

第２図ａにおいて、基体３４は直径40mm程度の
円柱状であり、その軸方向断面図から明らかなよ
うに、ホーン状の加圧室３５を内部に有してい
る。加圧室３５の先端には直径30〜80μｍ程度の
ノズル３６が設けられたノズル部３７が、パツキ
ン３８によりシールされて、押え板３９にて固定
されている。

一方、加圧室３５の後端には振動板４０と直径
10〜20mm程度の円板状圧電素子４１とより成る電
気的振動子４２が設けられ、固定部４３は振動板
４０と一体に作られており、基体３４に０リング
４４によりシールされて取り付けられている。連
通部４５により加圧室３５と連通された供給室４
６は電気的振動子４２の全周をとり囲むように構
成され、この供給室に加圧室３５内の気体を排出
する排出部４７と、液体の供給される供給部４８
が設けられ、それぞれ、パイプ１９、パイプ１４
が取り付けられている。

前記電気的振動子４２に交流電圧（交番電力）
が供給されると、第２図ａ，ｂに示すような鼓状
の歪を生じじノズル３６により微小液滴２２を吐
出する。

今、正の半サイクル電圧が電気的振動子４２に
印加されると第２図ａの状態となり、図の矢印の
ように、電気的振動子４２に生じた歪により発生
する圧力上昇により、ノズル３６から、微小粒径
で、かつ均一な粒径の液滴２２が吐出される。逆
に負の半サイクル電圧が電気的振動子４２に印加
されると、第２図ｂ状態となり、電気的振動子４
２の近傍には、その歪により負圧力が発生する。
したがつて、灯油は図の矢印のように供給室４６
から吸い込まれ、供給室４６にはパイプ１４を介
してレベラ１３より灯油が供給される。この時、
ノズル３６は図のように灯油の表面張力効果によ
つて密閉された状態を保ち、したがつて、ノズル
３６からの空気の流入はない。すなわち自給作用
を有するものである。

以上の動作を繰り返すことによつて、灯油はレ
ベラ１３から自動的に加圧室３５に吸い込まれ、
同時にノズル３６からは粒径が小さく、かつ均一
であり、しかも飛散距離が大きく、飛散パターン
の安定した霧化粒子が噴出される。

前記電気的振動子４２の駆動電力は液体（灯
油）を加圧するのみでよいので、従来のような大
きな機械的振動エネルギを得る必要がなく、この
ため極めて小さい電力であり、0.5〜2Watts程度
であつて従来の超音波霧化装置の1/10〜1/100程
度とすることが可能である。

第３図ａ〜ｄは第２図ａ，ｂに示した霧化装置
の特性図である。第３図ａは周波数＝_１に一
定に保つた時の駆動電圧Voと霧化粒子の粒径ｄ
の関係を示すものであり、Voが小さい程、小さ
い粒径の霧化粒子が得られることを示している。
したがつて第３図ｂに示すように、霧化量ｑを一
定（ｑ＝q₁）に保つた時、駆動周波数_０が高い
程、粒径ｄが小さい霧化粒子が得られるのであ
る。

また、第３図ｃに示すように、加圧室３５内の
灯油に対して電気的振動子４２によつて加えられ
る加速度αと、加圧室３５内に発生する圧力波の
絶対値Ｐとは比例関係にあり、一方で、加速度α
と駆動周波数_０との関係は第３図ｄに示すよう
に、 α≒Ｋ・^２ _０ Ｋ：定数 の関係となる。

圧力（負圧力）Ｐがある圧力Pcに達するとキ
ヤビテーシヨンによる気泡が発生し、この気泡が
成長して過大な気泡となると霧化動作が不安定と
なり、ついには、ノズル３６がふさがれてしまつ
て霧化動作が停止してしまう。すなわち、駆動周
波数_０が_０＝ｃに達すると前述した霧化動
作不安定状態に陥るのである。したがつて、_０
≧ｃのような周波数_０にて、第４図ａのよう
な連続波形で駆動すると、前述した霧化動作の不
安定さと生じてしまう。

第５図ａ，ｂは前述したキヤビテーシヨンによ
る気泡の発生状態を示すものである。第４図ａの
ような連続波形の交流電圧（_０＞ｃ）により
電気的振動子４２を駆動すると、第５図ａに示す
ように加圧室３５内に微小気泡４９，５０，５１
が発生する。そして、この微小気泡４９〜５１は
前記電気的振動子４２の振動が続いている間は発
生した場所近傍にとどまつているか、もしくはノ
ズル３６の方向に徐々に移動していく。そして一
定の時間が経過すると第５図ｂのようになり、微
小気泡は成長し、気泡４９′，５０′，５１′とな
り、それらの気泡は図中の矢印のように移動して
結合し、過大気泡５２となる。このような状態
（第５図ｂ）になると、電気的振動子４２の発生
する歪は有効な圧力を発生することができなくな
り、微小液滴２２の吐出方向が図のように不安定
になつたり、ほとんど吐出不可能になつたりす
る。

したがつて、_０＜ｃなる周波数で電気的振
動子４２を駆動することが必要であり、このこと
は吐出液滴２２の微粒化に限界があり、さらに小
さい粒径の液滴吐出が不可能であることを意味す
るものである。

第６図は上記不都合を防止し、キヤビテーシヨ
ン気泡により霧化動作が不安定になることを防止
しつつ、高い周波数_０（_０ｃ）で駆動す
ることができ、したがつて、極めて微小な液滴の
吐出を可能とすることができる振動子駆動部５
３、間欠制御部５４を示すブロツク図である。

振動子駆動部５３は電源部５５、第１の発振器
５６、増幅器５７より構成され、電気振動子４２
に交番電圧を供給する。一方、間欠制御部５４は
第２の発振器５８と、それにより駆動されるスイ
ツチ回路５９より成つている。第１の発振器５６
の出力は第２の発振器５８の出力によりオンオフ
されるスイツチ回路５９により断続されるように
構成されており、したがつて電気的振動子４２に
は、第１の発振器５６の断続波形の出力電圧を、
増幅器５７により増幅した電圧が供給される。第
４図ｂ，ｃは前述の動作を示すものであり、第４
図ｂは増幅器５７の出力波形、同図ｃは第２の発
振器５８の動作波形であり、図中の周期Ttotol中
のＴ_ONの期間だけ、スイツチ回路５９により、第
１の発振器５６の出力が増幅器５７に伝達される
ことを示している。したがつて、電気的振動子４
２はTtotelの期間においてＴ_ONの期間のみ動作
し、Ｔ_OFFの期間は動作停止状態である。第５図
ｃは前記Ｔ_OFF期間中の気泡４９〜５１の移動状
態を示すもであり、図中の矢印のように上昇し、
結合して気泡６０となり排気部４７より排気され
る。

すなわち、一定のＴ_OFF期間だけ、電気的振動
子４２の動作を停止することにより、気泡４９〜
５１が成長して霧化動作の不安定性が発生する前
に、気泡４９〜〜５１を排出することができ、高
い周波数_０（_０ｃ）でも安定な霧化動作
を維持することができる。

もとより、Ｔ_ONは気４９〜５１が成長する以前
にＴ_OFF期間となるような十分短い（気泡の成長
に比べて）時間であることが必要であり、また、
Ｔ_OFFも気泡４９〜５１が加圧室３５から外に上
昇していくのに十分な長い時間であることが必要
である。

したがつて、この間欠制御手段を、霧化量制御
手段と兼用して回路構成の簡略化、低コスト化を
実現する場合には、第４図ｂ，ｃを限界のＴ_ON，
Ｔ_OFFであるとすれば、霧化量を調節する場合、
第４図ｄ，ｅのようにすることが必要である。す
なわち、霧化量調節時のＴ_ON（Ｔ_OFF）は限界値
よりも短い時間（長い時間）であることが必要で
あり、このようにすることにより、霧化量調節時
における霧化動作の安定性を確保しつつ、簡単な
構成で、しかも微粒化特性のすぐれた霧化装置と
することができる。

第７図は、第６図に示した振動子駆動部５３、
間欠制御部５４のさらに詳しい一実施例である。

図において、電源部５５は直流電源６１，６２
から成り、これらは商用電源から必要により、ト
ランスを介して容易に得られる。

第１の発振器５６はトランジスタ６３，６４、
コンデンサ６５，６６、抵抗器６７〜７０より成
り、いわゆるマルチバイブレータにて構成されて
いる。トランジスタ６４のコレクタ出力は電界効
果トランジスタ（以下FETと称す）７１、トラ
ンジスタ７２，７３、コンデンサ７４、抵抗器７
５〜７８より成るスイツチ回路５９を介して、増
幅器５７に供給される。増幅器５７はトランジス
タ７９〜８１、コンデンサ８２，８３、抵抗器８
４〜８７、出力トランス８８より構成され、前記
出力トランス８８の出力な電気的振動子４２に供
給されるよう構成されている。一方、第２の発振
器５８はトランジスタ８９，９０、コンデンサ９
１，９２、抵抗器９３〜９７、連動形可変抵抗器
９８，９９より構成され、その出力はスイツチ回
路５９のトランジスタ７２，７３を介して、
FET７１をオン・オフ制御する。すなわち、第
２の発振器を構成する第２のマルチバイブレータ
の出力によりFET７１がオン・オフするため、
第１の発振器５６を構成する第１のマルチバイブ
レータの出力が間欠的に増幅器５７に供給される
ことになる。

したがつて、電気的振動子４２には前記可変抵
抗器９８，９９の設定値に応じて生じる第４図
ｃ，ｅのようなFET７１のオン・オフにしたが
つて第４図ｂ，ｄのような電圧が供給されるた
め、第５図ａ，ｃのような動作を、それぞれＴ_ON
およびＴ_OFF期間に応じてくり返すものである。

このように、電気的振動子４２を加振するため
の第１の発振器５６のオン・オフを第２の発振器
５８で行う構成にすることにより、高い周波数
_０（_０＞ｃ）で駆動することが可能となり、
キヤビテーシヨン気泡の影響を受けず安定で、し
かも微粒化特性のすぐれた霧化装置とすることが
できる。

可変抵抗器９８，９９は連動構成になつてい
て、調節によるそれぞれの抵抗値の増減が相反す
るように接続されている。よつて、本実施例にお
いては、可変抵抗器９８，９９を調節することに
よりTtotalが一定で、Ｔ_ON，Ｔ_OFFが増減するよ
うな霧化量制御を行うものであり、第４図ｂ，ｄ
のような駆動波形になる。

抵抗器９５はＴ_OFFの最小値を制限する最小停
止時間規制手段であり、同時に、可変抵抗器９
８，９９、抵抗器９４とともに、Ｔ_ONの最大値を
規制する最大駆動時間規制手段の役割も果してい
る。

このように、最小停止時間規制手段、最大駆動
時間規制手段を設けることにより、前述したよう
に、安定なキヤビテーシヨン気泡の加圧室３５か
らの排出を保証することができ霧化動作の安定持
続を実現できるものである。

以上に述べたように本発明によれば、加圧室を
有する基体にノズルを有するノズル部と電気的振
動子とを装着し、振動子駆動部により電気的振動
子を駆動するよう構成するとともに、間欠制御部
を設け、前記電気的振動子を間欠的に駆動するよ
う構成すると共に、前記基体に加圧室の液体を排
出する排出部を設ける構成としたから、構成が簡
単でコンパクトであり、その上低消費電力である
とともに液体の自給作用をも有しているので極め
て低価格な霧化装置を実現することができ、さら
に均一で極めめて小さい粒径の霧化粒子を大量
に、しかも安定に発生することが可能な霧化装置
を提供できるものである。また、間欠動作によつ
てキヤビテーシヨン気泡の成長を防止し、高周波
数での安定動作を実現できるから、微粒化特性が
一層優れた霧化装置を実現できるものであり、そ
の工業的価値は極めて大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を温風暖房機に適用
した断面図、第２図ａ，ｂは霧化部の動作を説明
する拡大断面図、第３図ａ，ｂ，ｃ，ｄは特性
図、第４図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは電気的振動子の
駆動方法を説明するための電圧波形図、第５図
ａ，ｂ，ｃはキヤビテーシヨン気泡の状態を説明
する拡大断面図、第６図は振動子駆動部および間
欠制御部の一実施例を示すブロツク図、第７図は
振動子駆動部および間欠制御部のさらに詳しい一
実施例を示す回路図である。 ３４……基体、３５……加圧室、３６……ノズ
ル、３７……ノズル部、４２……電気的振動子、
５３……振動子駆動部、５４……間欠制御部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加圧室を有する基体と、前記基体に装着さ
   れ、ノズルが設けられたノズル部と、前記基体に
   装着され、前記加圧室内の液体を加振する電気的
   振動子と、前記電気的振動子に交番電力を供給す
   る振動子駆動部とを備え、前記交番電力の前記電
   気的振動子への供給を間欠制御する間欠制御部を
   設けると共に、前記基体に、前記間欠制御部によ
   る前記電気的振動子の動作停止時に前記加圧室内
   の気体を排出する前記排出部を設けた霧化装置。 ２ 間欠制御部は、霧化量の平均値を制御する平
   均霧化量制御部を兼用した構成とした特許請求の
   範囲第１項記載の霧化装置。 ３ 間欠制御部は、電気的振動子が連続して駆動
   される最大時間を規制する最大駆動時間規制手段
   と、前記電気的振動子が連続して駆動停止される
   最小時間を規制する最小停止時間規制手段とのう
   ち、少なくとも一方を備えた特許請求の範囲第２
   項記載の霧化装置。