JPS6244985B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は灯油や軽油等の液体燃料、水、薬液等
の液体の霧化装置に関し、さらに詳しくは、圧電
振動子等の電気的振動子の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置に関す
るものである。

従来、この種の霧化装置として以下に示すよう
なものが提案されている。

第１の超音波霧化装置は振巾増巾型超音波霧化
装置Ａであり、ステンレス等で構成した振巾増巾
用ホーン型振動子に圧電振動子等を装着して振動
させホーン先端の最大振巾面にポンプ等で液体を
滴下し霧化するものである。

第２の超音波霧化装置は液柱型超音波霧化装置
Ｂであり、液槽の底面に圧電振動子を設け、１〜
2MHzの超音波エネルギーを液面近傍に集中して
液柱を形成し、液面近傍での１種のキヤビテーシ
ヨン現象を利用して霧化するものであつて、加湿
装置等に応用されているものである。

またインクジエツト記録装置のインク微粒化装
置として用いられているものに第１図に示すよう
な超音波霧化装置がある。これは、インク室１の
一端にオリフイス２を設け、他端に圧電振動子３
を設け、圧電素子３の振動によりオリフイス２よ
りインク液滴４を噴射するものである。

しかしながら、これらの従来の霧化装置には
種々の欠点があつた。

上記Ａの霧化装置は、安定な振動状態を保証す
るためには、ホーン型振動子の高い加工精度が要
求され、かつ取付方法も面倒であり、さらにポン
プ等の液体供給装置を必要とするため、装置が大
型化・高価格化せざるを得ないものであつた。ま
た、10c.c.／分程度の霧化量を得るのに要する電力
は５〜10Wattsを要するものであるにもかかわら
ず、霧化粒子径やその均一性などの霧化性能は十
分なものではなかつた。

上記Ｂの霧化装置は、霧化性能に優れるもので
あつたが、10c.c.／min程度の霧化量を得るのに40
〜50Wattsの電力を要し、しかも１〜2MHzの高
い周波数を必要とするため、高価な駆動回路を必
要とし、さらに、不要輻射が極めて大きいため、
その抑制装置が極めて高価とならざるを得なかつ
た。また、霧化する液体の物性、液面と圧電振動
子との距離などによる霧化能力の変動は著しいも
のであり、安定な霧化動作の保証は極めて困難で
あつた。

さらに第１図に示した霧化装置は、構成が簡単
でコンパクトであり、霧化に要する電力は極めて
小さいものであつたが、圧電振動子３の振動をイ
ンク室１を介してオリフイス２に伝えて噴射する
構成であるため、灯油等の液体燃料や水等の溶存
空気を多量に含む液体を霧化しようとすると、イ
ンク室１内での超音波キヤビテーシヨンにより溶
存空気が気泡化し、正常な噴霧動作を維持できな
いという欠点があつた。

本発明は上記従来の超音波霧化装置の欠点を一
掃した超音波霧化装置を提供することを目的とす
るものであつて、以下の様な構成により液体の霧
化を行うものである。

すなわち、液体が充填される加圧室を備えた基
体と、前記加圧室に臨むよう設けたノズルを備え
前記基体に装着されたノズル板と、前記ノズル板
に装着され前記ノズルを加振する電気的振動子と
を備え、前記電気的振動子をたわみ振動の共振周
波数近傍の周波数で附勢するよう構成したもので
あり、前記電気的振動子のたわみ振動により前記
ノズルを加振せしめることにより前記加圧室の液
体を前記ノズルより噴射し霧化するものである。

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適用し
た温風機の構成を示す断面図である。図におい
て、温風機ケース１０の上面には操作部１１が設
けられ制御部１２に操作指令を与える。灯油は、
タンク（図示せず）からパイプ１３を通つて液面
を略一定に制御するレベラ１４に送られ、レベラ
１４からパイプ１５を経て霧化部１６に送られ
る。霧化部１６は、排気パイプ１７により、燃焼
フアン１８とオリフイス１９の間の負圧発生部２
０に連通されている。灯油の液面は、運転停止時
において、パイプ１５内の位置Ａにレベラ１４に
て制御されている。

運転時において、燃焼フアン１８が起動される
と、燃焼空気は吸気筒２１よりオリフイス１９を
通つて第１空気路２２より空気室２３に送られ、
図中矢印のような流れとなる。従つて負圧発生部
２０には負圧力が発生し灯油の液面Ａは上昇して
霧化部１６内を充填し排気パイプ１７内の位置Ｂ
まで上昇してつり合うように構成されている。

この状態で制御部１２は、点火器２４を起動す
ると共に霧化部１６を起動し、霧化部１６からは
霧化室２５に霧化粒子２６が噴霧される。この霧
化粒子２６は第２空気路２７、旋回器２８を通つ
て霧化室２５に送られる旋回気流により有効に搬
送・混合されて、気化混合室２９に送られ、点火
器２４にて点火される。気化混合室２９には、旋
回気流噴出口３０が設けられ図のような旋回気流
が空気室２３より噴出する。旋回気流噴出口３０
からの噴出空気は予混合用空気であり保炎する程
の空気量を噴出せず、したがつて火炎３１は、図
のように空気室２３上部に設けた多数の炎孔３２
より噴出する２次空気のまわりに生じ、ここで保
炎し燃焼する。燃焼排ガスは排気筒３３より排出
される。３４はフレームロツドであり、火災状態
検知信号を制御部１２に送るものである。３５は
対流フアンであり室内空気を吸気口３６より吸い
込み・温風を吹出口３７より吐出するものであ
る。次に霧化室２５の壁面３８に取付られた霧化
部１６についてさらに詳しく説明する。

第３図は霧化部１６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。
図において、基体３９は内部に加圧室４０が設け
られ、加圧室４０の一面にはノズル４１を有する
ノズル板４２が設けられている。加圧室４０は直
径10〜15mm、深さ２〜５mm程度の円筒状であり、
ノズル板は厚さ50〜100μｍ程度のの金属性薄板
で構成されている。そしてノズル４１は直径50〜
100μｍで、複数個設けられ、ノズル板４２の曲
面部４３に設けられている。

ノズル板４２には接着層４４にて圧電振動子４
５が接着されている。圧電素子４５は、直径10〜
15mm、厚さ0.5〜1.5mmの円板状であり、中央に開
口部４６を有している。４７は電極であり、Ag
又はNi等の層である。ノズル板４２はその外周
で基体３９に固定されているが取扱いや組立のし
やすさを考慮して、基体本体と固定部４８とにわ
けられた基体３９の固定部４８に接着層４９によ
り接着された後、ビス（図示せず）にて一体化さ
れて図の構造となつている。そしてパツキン５０
にて加圧室４０からの液漏れを防止するよう構成
されている。５１，５２はリード線であり、制御
部１２に含まれる振動子駆動回路より、第４図
ａ，ｂ又はｃのような交流電圧を圧電振動子４５
に供給するものである。圧電振動子４５は上記の
交流電圧印加に応じて、その直径方向に伸縮歪を
生じるように分極処理された圧電セラミツクであ
る。したがつて、第４図ａ，ｂ又はｃのような交
流電圧が印加されると、第５ａ又はｂなどのよう
なたわみ振動を生じる。なぜならば、ノズル板４
２に対し、その片面が接着されて非対称バイモル
フ構造となつているからである。

このようにしてノズル４１が、圧電振動子４５
のたわみ振動により加振されるため、第３図に示
すように、ノズル４１からは、灯油の霧化粒子２
６が圧電振動子の振動周波数に応じて噴射され、
ノズル４１の軸方向に飛散する。

第６図ａおよびｂは、それぞれ、第３図に示し
た霧化部１６の特性を示すものである。第６図ａ
は、霧化量ｑと印加電圧の周波数の関係を示
し、第６図ｂは圧電振動子４５に流れる電流Ｉと
印加電圧の周波数の関係を示す特性図である。

前述したように、圧電振動子４５に第４図ａ，
ｂ，ｃの様な交流電圧を印加すると、第５図ａ又
はｂのようなたわみ振動を生じ第６図ａに示すよ
うに種々の周波数（_１〜_４）で良好な霧化を
行うことができる。

これらの周波数は、第６図ｂに示すように圧電
振動子の共振現象に基づくものであり、たわみ振
動以外の共振も含めた種々の共振周波数_１〜
_４の近傍で効率よく霧化することができる。しか
しながら、例えば、_１（＜20KHz）では、可聴
周波数であるため、動作音が聞こえるので霧化動
作は安定であるが好ましくない。そこで、_２、
又は_３、又は_４での霧化動作周波数の中から
動作周波数を撰ぶことが必要である。

ところで、_２，_３，_４の超音波領域での
共振周波数は、たわみ振動の共振周波数と考えら
れ、_３，_４は、_２の高次モードの共振周波
数である。それぞれの共振周波数_２，_３，
_４での霧化動作の実験により、次の事が明らかに
なつた。

すなわち、超音波領域（＞20KHz）における
最も低い共振周波数_２での霧化動作が最も安定
で効率良い霧化を行うことができ、溶存空気の多
い液体でも気泡発生はほとんどない。しかし、
_３，_４のように高次モードのたわみ共振周波数
では、気泡発生が著しく、霧化効率が悪くなるの
である。これは、高次の振動モードになるほど、
加圧室４０内の音波集中点の数が増加するためキ
ヤビテーシヨン気泡が多く発生すると考えられ
る。

_２での共振周波数における振動モードは、た
わみ振動の超音波領域における最も低次の振動モ
ードであるため、加圧室４０内の音波集中点が
（すなわち振動加速度の最大点が）ノズル４１の
近傍となる。このため、この近傍の灯油は溶存空
気が気泡化する前にノズル４１から噴射されてし
まい、溶存空気の多い液体でも安定にほとんど気
泡を生じることなく噴霧することができるのであ
る。

このように、超音波領域における最も低いたわ
み振動の共振周波数の近傍の周波数で圧電振動子
４５を駆動することにより、溶存空気の多い液体
であつてもキヤビテーシヨン気泡の発生をほとん
ど防止し、極めて安定に、しかも効率よく霧化す
ることができるのである。

また、このような圧電振動子４５の振動により
第３図に示すようにノズル４１から霧化粒子２６
が噴射されると加圧室４０内には、パイプ１５よ
り灯油が自動的に吸い上げられ、一種の自給ポン
プとしての作用をはたす。なぜならば、ノズル４
１はその直径が小さいので、灯油の表面張力によ
りノズル４１からの加圧室４０への空気流入が防
止され、この効果により噴射された灯油の体積に
相当する分だけ、自給されるのである。

ノズル４１から噴射される霧化粒子２６は、そ
の粒径がノズル４１の直径によつて決定されるた
め、均一性に富み、しかも、粒径が小さいものと
することができ、極めて良好な霧化性能を発揮す
ることができる。

このようなたわみ振動の共振周波数近傍で圧電
振動子を動作させ霧化させたときの消費電力は極
めて小さいものである。実験によれば、10c.c.／
min程度の霧化を行う場合、圧電振動子の消費電
力は100m Watts又はそれ以下とすることが可能
であり、駆動回路の損失を考慮しても約
0.5Watts程度又はそれ以下とすることが可能で
ある。

以上に述べたように本発明によれば、加圧室に
ノズルを臨ませたノズル板に、電気的振動子を装
着し、たわみ振動の共振周波数近傍の周波数で前
記ノズルを加振するよう構成することにより、極
めて構成が簡単でコンパクトであり、従つて低価
格であると共に、霧化性能にすぐれ、しかも著し
く低消費電力である霧化装置を提供することがで
きる。さらに、溶存空気の多い液体であつても安
定な霧化動作を行うことができる上に、ポンプ等
の液体供給手段を必要とせず、一層、装置全体を
小型でコンパクトかつ低コスト化することができ
るものであり、その工業的価値は極めて多大なも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の霧化装置の構成を示す側面断面
図、第２図は本発明の一実施例を示す霧化装置を
適用した温風機の構成を示す正面断面図、第３図
は同温風機の霧化部の構成を示す側面断面図、第
４図ａ，ｂ、およびｃは圧電振動子の駆動電圧波
形図、第５図ａ，ｂは圧電振動子の動作説明図、
第６図ａは第３図の霧化装置の霧化量ｑの周波数
特性図、第６図ｂは同霧化装置の圧電振動子の電
流Ｉの周波数特性図である。 ３９……基体、４０……加圧室、４１……ノズ
ル、４２……ノズル板、４５……電気的振動子
（圧電振動子）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体を充填する加圧室を有する基体と、前記
   加圧室に臨むノズルを有し前記基体に装着された
   ノズル板と、前記ノズル板に装着され前記ノズル
   を加振する電気的振動子とを備え、前記電気的振
   動子をたわみ振動の共振周波数近傍の周波数で附
   勢する構成とした霧化装置。 ２ 可聴周波数以上であつて、かつ最も低いたわ
   み振動の共振周波数近傍の周波数で前記電気的振
   動子を附勢する構成とした特許請求の範囲第１項
   記載の霧化装置。