JPS6246226B2 - - Google Patents

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、
インク等の記録用液体の様な、種々の液体を様々
な目的で微粒化するための霧化装置に関し、さら
に詳しく言えば、圧電振動子等の電気的振動子の
超音波振動を利用して液体の微粒化を行うところ
のいわゆる超音波霧化装置に関するものである。

従来、この種の霧化装置は種々の形式のものが
提案され実用化、ないし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、圧電振動子や
磁歪振動子等の超音波振動をホーン形状をした振
巾増巾用振動体に伝達し、ホーン先端の振動振巾
増巾面に液体をポンプ等により滴下して霧化する
ものである。

第２の超音波霧化装置は、液槽の底面に圧電振
動子を設け、液槽の液面近傍に超音波エネルギー
を集中させて液柱を生じさせ、液面近傍での一種
のキヤビテーシヨン現象を利用して霧化するもの
であり、例えば加湿器等に実用化されているもの
である。

第３の超音波霧化装置は、近年フアクシミリ等
の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図に示すように、インク液室１の一
端にオリフイス２を、他端に圧電振動子３を設け
たものであり、圧電振動子３の超音波振動による
液室１内の圧力上昇をオリフイス２の近くに伝達
集中し、その圧力上昇によりインク微粒子４を噴
射し微粒化するものであつて、これに類似した
様々の構成の霧化装置が提案されている。

しかしながら、これら従来の霧化装置は、以下
に述べるような欠点を有しており、応用上の大き
な課題となつている。

第１の従来の超音波霧化装置は、振巾増巾用ホ
ーンを必要とし、安定な振動を保証するためには
高い加工精度と面倒な固定条件維持が要求される
上に、ポンプ等の液体供給装置を必要とするもの
であり、このため装置全体が大型化・高価格化せ
ざるを得ないものであつた。また、霧化に要する
エネルギーは、20c.c.／分程度の霧化量を得るのに
10ワツト程度を要し、しかも、霧化粒子の粒径や
その均一性、霧化パターン安定性等の霧化性能は
十分なものではなかつた。

第２の超音波霧化装置は、極めて小さい霧化粒
子を得ることができ、かつポンプ等の液体供給手
段を要しないという特徴を有するものであつた
が、その超音波振動周波数として、１〜2MHz程
度の高周波が必要であり、しかも、20c.c.／分程度
の霧化量を得るのに50ワツト程度の電力を要する
ものであつた。このためその不要輻射が極めて大
きく、電波障害の発生可能性が高いという重大欠
点を有し、かつ、その駆動回路が極めて高価とな
らざるを得なかつた。さらに、液体の温度や液面
と圧電振動子との距離などによる振動状態の変化
が著しく、結果として安定な霧化動作を維持する
ことが極めて困難であつた。

第３の超音波霧化装置は、霧化粒子径が小さ
く、かつ均一性に優れ、ポンプ等の液体供給手段
を必要としない上に、消費電力が極めて小さいと
いう長所があつたが、インク室１を介して超音波
振動をオリフイス２に伝達するという構成である
ために、超音波によるキヤビテーシヨン気泡がイ
ンク室１内で発生するという欠点を有していた。
このため、インク内の溶存空気を除去することが
必要であり極めて面倒であつた。したがつて、溶
存空気を多量に含む一般的な液体を霧化するため
には、溶存空気を除去する装置を有する霧化装置
とすることが必要であり、装置全体の大型化・高
価格化を余儀なくされるものであつた。

本発明は、上記従来の欠点を一掃した超音波霧
化装置を提供せんとするものである。

第１の目的は構成が極めて簡単でコンパクトで
あり、従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の目的は消費電力が著しく小さく、しかも
微粒化や粒径の均一性等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
つても極めて安定に微粒化することが可能な霧化
装置を実現することである。

本発明はこの目的を達成するために以下に述べ
る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、前
記加圧室に臨んで設けたノズルを有するノズル板
と、開口部を設けた電気的振動子とを備え、前記
ノズルが前記開口部に臨むよう前記ノズル板と前
記電気的振動子とを接着すると共に、前記電気的
振動子の振動方向が前記ノズル板に平行になるよ
うに構成し、かつ、前記電気的振動子の振動を、
その振動方向を変換して前記開口部に臨むノズル
板に伝達する方向変換伝達部を設けたものであ
り、この構成により、前記開口部に臨むノズル板
のたわみ振動を極めて効率良く、かつ安定に励起
し前記ノズルを加振することができるものであ
り、この結果、前記加圧室に充填された液体を前
記ノズルから噴射し、微粒化することが可能とな
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
た石油温風機の構成を示す断面図である。

図において、５は温風機のケースであり、６は
操作部、７は制御部である。

燃料である灯油は、タンク８からパイプ９を経
て液面を一定に制御するためのレベラ１０に送ら
れる。レベラ１０と霧化部１１は、パイプ１２で
接続され、霧化部１１はさらにパイプ１３にて燃
焼フアン１４の上流に設けたオリフイス１５の近
くの負圧発生部１６と結ばれている。灯油の液面
はレベラ１０により、運転停止時は、液面Ａの位
置に制御されているのでパイプ１２内の液面は図
中の液面Ｂとなつている。

操作部６からの運転指令が制御部７に与えられ
ると、制御部７は、燃焼フアン１４を駆動するモ
ータ１７を起動する。したがつて燃焼用空気が吸
気口１８からオリフイス１６を通つて吸い込ま
れ、負圧発生部１６に、例えば、−30〜−50mmAq
程度の負圧力を発生する。そして、旋回器１９に
て旋回気流となつて霧化混合室２０に図の矢印の
ように送られ燃焼室２１を通つて排気筒２２より
排気される。

霧化混合室２０の壁面２３に固定された霧化部
１１は、運転停止時において灯油は充填されてい
ないが、負圧発生部１６に発生した負圧力により
パイプ１２内の液面Ｂが上昇しパイプ１３内の液
面Ｃの位置まで上昇してつりあうので、この結果
として灯油で完全に満たされる。

この霧化部１１への灯油の充填は、燃焼フアン
１４の回転数の上昇に伴う負圧発生部１６の負圧
力の増加と共に行われるので、燃焼フアン１４の
いわゆるプリパージ時間を霧化部１１への充填時
間と兼用することができる。

次に制御部７は、点火器２４を起動し、さらに
霧化部１１を起動する。従つて霧化部１１から
は、霧化混合室２０に霧化粒子２５を噴霧する。
そして点火器２４にて霧化粒子２５は着火され、
火炎２６を形成して燃焼する。火炎状態は炎状態
センサ２７にて検知され、制御部７は、着火検知
信号を受けとると点火器２４の動作を停止する。
なお、２８は対流フアンである。

このように、本発明の一実施例の霧化装置を適
用して温風機を構成すると、温風機の構造も極め
て簡単でコンパクトなものとなる。

次に、霧化部１１についてさらに詳しく説明す
る。第３図は霧化部１１のさらに詳しい構成を示
す断面図であつて、第２図と同符号は相当物であ
る。霧化部１１は、内部にその直径が10〜15mm、
深さ２〜10mm程度の円柱状加圧室２９を有するボ
デイー３０を外かく構造体として構成されてお
り、ビス３１，３２にて霧化混合室の壁面２３に
固定されている。加圧室２９の開口面（円形）を
閉じるように、ノズル板３３が接着層３４にて接
着されている。ノズル板３３は、厚さ30〜100μ
ｍ程度の金属板であり、その中央部には、直径30
〜100μｍ程度のノズル３５が複数個設けられて
いる。ノズル板３３には、直径10〜15mm、厚さ
0.5〜２mm程度の圧電振動子３６が接着層37にて
接着されている。圧電振動子３６の中央部には、
直径２〜５mm程度の開口部３８が設けられ、ノズ
ル板３３の一部３９が、この開口部３８に臨みこ
の開口部３８に臨むノズル板３９にノズル３５が
設けられ、かつ、霧化粒子２５の噴射方向を図の
ように分散するために曲面部４０が設けられてい
る。したがつて、ノズル３５は、圧電振動子３６
の開口部３８と加圧室２９との両方に臨むように
構成されている。圧電振動子３６の開口部３８の
表面４１と、ノズル板の開口部３８に臨む部分３
９とは、接着層３７と同材料の接着材料により形
成される振動方向変換伝達部４２により結合され
ており、後述するように圧電振動子３６の振動を
開口部３８に臨むノズル板３９に有効に伝達する
よう構成されている。４３，４４は電極であつ
て、圧電振動子３６の両面に蒸着又は焼付された
銀、又はニツケル等の金属層である。電極４３に
はリード線４５が、そして電極４４には、ノズル
板３３とボデイー３０を介してリード線４６が接
続されており、リード線４５，４６を介して、制
御部７より、第４図ａ，ｂ又はｃのような交流電
圧が圧電振動子３６に供給されるよう構成されて
いる。供給電圧は霧化すべき霧化量や、タイミン
グなどに応じて第５図ａ又はｂのような交流電圧
として供給することができる。

圧電振動子３６は、第６図にその斜視図を示す
ように、円環状を成した圧電セラミツクであり、
印加電圧に応じて図の矢印のようにその径方向に
伸縮歪を生じるように分極処理したものである。
すなわち、横効果を利用した圧電振動子である。
この圧電振動子３６の振動による霧化動作につい
てさらに説明する。

第７図ａ〜ｃは、第３図の圧電振動子３６の開
口部３８の近傍の拡大断面図であり第３図と同符
号は相当物である。

第７図ａにおいて、圧電振動子３６は、第６図
で説明したように、第４図ａ〜ｃのような交流電
圧を供給されるとその径方向に伸縮する。正の半
サイクル電圧が印加されると、圧電振動子３６は
第７図ａにおいてその開口部３８の方向に変位を
生じようとするが、電極４４側は、接着層３７に
て、ノズル板３３に接着されているので、電極４
３側に比べて小さい変位しか発生しない。従つ
て、第７図ｂに矢印で示すように、その変位分布
は、電極４３側程大きいものとなる。この変位
は、振動方向変換伝達部４２により、開口部３８
に臨むノズル板３９に伝達されノズル板３９に、
点Ｐを支点とするたわみ変位を生じさせるのであ
る。すなわち、点Ｑが点Ｐを支点として点Ｒを駆
動源として下方に変位するのである。逆に負の半
サイクル電圧が圧電振動子３６は前述と逆の変位
を生じ、点Ｐに対する点Ｒ、点Ｑの移動方向も前
述とは逆となる。

第７図ｃは、この様子をモデル化して示したも
のであり、圧電振動子３６の発生する歪により点
ＲがR′およびR″の位置に図のようにノズル板３
３に平行に移動する力を、振動方向変換伝達部４
２により、点ＱのQ′，Q″の位置への移動に変換
して開口部３８に臨むノズル板３９に伝達するこ
とにより、図の矢印のようなノズル板３９のたわ
み振動を励起することができることを示してい
る。

このようにして、開口部３８に臨むノズル板３
９のたわみ振動を極めて容易に起動ししかもノズ
ル板３３に平行に振動する圧電振動子３６の励振
により発生せしめることができる。なお、以上の
説明から明らかなようにノズル板３３の外周は必
ずしも開口部３８に臨むノズル板３９と同一部材
でなくてもよい。

第８図ａ，ｂは、上述したノズル板３９のたわ
み振動の様子を示すものであり、このたわみ振動
によつて、ノズル３５は加振されるのである。

第８図ａ，ｂに示したノズル３５の加振によつ
て、第３図に示すようなノズル３５からの霧化粒
子２５の噴霧が実現される。第８図ｂの状態のと
き、加圧室２９内においてノズル３５近傍には急
激な圧力上昇が発生し、この圧力上昇によりノズ
ル３５から霧化粒子２５が噴霧される。第８図ａ
の状態のとき、ノズル３５の近傍は圧力低下する
が、灯油の表面張力のためにノズル３５から、空
気が流入することはなく、この結果灯油はパイプ
１２より吸い込まれるので、自給ポンプ作用を発
揮することができる。

上述した説明から明らかなように、ノズル板３
９の一回のたわみにより、従つて圧電振動子３６
に印加される交流電圧の一サイクルにより、ノズ
ル３５一個につき１つの霧化粒子が噴霧されるの
で、ノズル３５の直径に応じて、均一で、しかも
小さい粒径の霧化粒子とすることが可能であり、
しかも、その霧化粒子の飛散方向は極めて安定で
ある。そして、その噴射のタイミングや噴霧量の
制御を、第５図ｂの如き印加電圧の間欠供給によ
つて自由に行うことができる。

20c.c.／分程度の霧化量を得るのに要する圧電振
動子３６への入力電力は、0.1ワツト程度でよ
く、極めて低消費電力で、しかも霧化特性に優
れ、自給ポンプ作用を有するコンパクトな霧化装
置を実現することができる。

第７図ａ〜ｃ、および第８図ａ，ｂについての
説明から明らかなように、加圧室２９内の液体
（灯油）に対して圧電振動子３６の振動エネルギ
ーが直接加えられる割合は極めて少なく、ノズル
３５の近傍のみでノズル３５の加振に基づく超音
波振動エネルギーが、加圧室２９内の灯油に加え
られるのみである。このため、加圧室２９内での
超音波キヤビテーシヨンによる溶存空気の気泡化
はほとんどなく、また、ごく小さい気泡化が生じ
てもノズル３５に極めて近いためノズル３５より
噴出されてしまい、霧化動作に影響を及ぼすよう
な大きさまで気泡が成長することはないのであ
る。従つて、溶存空気を多量に含む灯油などの液
体であつても、極めて安定に霧化することが可能
である。

第９図ａ〜ｅは、圧電振動子３６の振動を、そ
の振動方向を変換して開口部３８に臨むノズル板
３９に伝達する振動方向変換伝達部４２を中心と
した他の構成例を示すものであり、第３図と同符
号は相当物である。

第９図ａは振動方向変換伝達部４２が、開口部
３８の表面４１の一部とノズル板３９とを結合す
るよう構成した例であり、またノズル板３９は、
平坦であるが、第３図と同様の霧化動作を実現す
ることができる。そしてノズル３５からの霧化粒
子２５の噴射は直線的になる。

また同図ｂは、振動方向変換伝達部４２を、接
着層３７とは異る材料の接着材料で構成したもの
であり、接着層３７と振動方向変換伝達部４２と
のそれぞれに対し接着材料の性質を独立に撰べる
点で有利である。

同図ｃは、開口部３８の表面４１の一部にも電
極４７を設け、電極４４と結合させたものであ
り、接着層３７と振動方向変換伝達部４２とを半
田又はロウ材などの金属接着材料で構成したもの
であり、接着層３７と振動方向変換伝達部４２と
の環境的、および時間的信頼性を著しく向上する
ことができる。

同図ｄは、同図ｃの電極４７により、開口部３
８の表面４１の全面を被うよう構成したものであ
る。

また、同図ｅは、振動方向変換伝達部４２をリ
ンク状の構造体で構成し、接着層３７を形成する
接着材料にて接着層４８，４９を形成して開口部
３８の表面４１とノズル板３９とを結合するよう
構成したものであり、振動方向変換伝達部４２の
形状を任意に構成することが可能であるという長
所を有している。

なお、同図ｄ，ｅにおいて、接着層３７は、圧
電振動子３６の下面（すなわち電極４４）の全面
をノズル板３３に固着（接着）する構成ではない
けれども、圧電振動子３６の開口部３８に臨むノ
ズル板３９の外周において、圧電振動子３６と接
着される構成であるので、基本的に第７図ａ〜ｃ
に示したような振動状態を励起することができ
る。そして、圧電振動子３６の電気的特性上から
は、同図ｄ，ｅの如き接着構造が望ましい場合も
ある。

第１０図ａ，ｂは、圧電振動子３６が縦効果に
より振動する構成のものを用いた例であり、第３
図と同符号は相当物である。

第１０図ａにおいて、圧電振動子３６は、電極
４３および４４間に供給される交流電圧に応じて
同図中の矢印のように印加電界方向に歪を生じ
る。５０は電極であり、半田で構成された接着層
３７および振動方向変換伝達部４２とにより、ノ
ズル板３９と圧電振動子３６を接着するためのも
のである。また５１は非導電性の接着剤であり、
ノズル板３３は、圧電振動子３６の電極４３とノ
ズル板の絶縁を保つため図のように段差が設けら
れている。

同図ｂは、接着層３７を厚くして、ノズル板３
３を平板構造とし、電極４３とノズル板３３の絶
縁を保つようにしたものである。

第９図、および第１０図に示したように本発明
の実施形態は種々の構成を採用することが可能で
あるが、ノズル板３３に平行に振動する電気的振
動子３６により、その開口部３８に臨むノズル板
３９のたわみ振動を励起する構成とし、かつ、そ
の振動方向変換伝達部４２を設けて前記ノズル板
３９のたわみ振動の励起を極めて容易に行えるよ
うに構成したものであれば、前述した本発明の一
実施例と同様の効果を得ることが可能である。す
なわち、振動方向変換伝達部４２によりノズル板
３９のたわみ振動の励起が極めて効率良く、かつ
安定に行えるのである。

以上述べたように本発明によれば、液体を充填
した加圧室に臨むノズルを設けたノズル板と、開
口部を有する電気的振動子とを、前記ノズルが前
記開口部に臨むよう接着し、振動方向変換伝達部
を設けて、前記電気的振動子の前記ノズル板に平
行な振動をその振動方向を変換してノズル板に伝
達するよう構成したから、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、低消
費電力であるにもかかわらず極めて安定なノズル
板のたわみ振動を励起することができ、従つて非
常に優れた霧化性能を発揮することができる霧化
装置を提供することができる。そして、特にノズ
ル近傍のみのノズル板が、強い超音波振動をする
ので溶存空気を多量に含む一般的な種々の液体で
あつてもキヤビテーシヨンにより発生する気泡の
影響を受けることなく、極めて安定な霧化動作を
実現することが可能な霧化装置を提供することが
できる。さらに、その発生する霧化粒子の制御性
は著しく高く、上述の効果とあいまつて様々の応
用展開が可能であり、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図は従来の超音波霧化装置の断面図、第２
図は本発明の一実施例の霧化装置を適用した温風
機の構成を示す断面図、第３図は同霧化装置のさ
らに詳しい構成を示す断面図、第４図ａ〜ｃは同
霧化装置の圧電振動子の駆動電圧波形例を示す電
圧波形図、第５図ａ，ｂは、同圧電振動子に供給
される電圧波形図、第６図は同圧電振動子の斜視
図、第７図ａ，ｂ，ｃは、振動方向変換伝達部に
よる同圧電振動子からノズル板への振動伝達説明
図、第８図ａ，ｂは同霧化装置のノズル板のたわ
み振動説明図、第９図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは、同
霧化装置の圧電振動子とノズル板の他の実施例を
示す断面図、第１０図ａ，ｂは同圧電振動子とノ
ズル板のさらに他の実施例を示す断面図である。 ２９……加圧室、３３，３９……ノズル板、３
５……ノズル、３６……電気的振動子、３８……
開口部、４２……振動方向変換伝達部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体を充填する加圧室と、前記加圧室に臨む
   よう設けたノズルを有するノズル板と、開口部を
   有する電気的振動子とを備え、前記ノズルが前記
   開口部に臨むよう前記電気的振動子と前記ノズル
   板とを接着すると共に、前記電気的振動子が前記
   ノズル板に平行に振動するよう構成し、かつ、前
   記電気的振動子の振動を、振動方向を変換して前
   記開口部に臨むノズル板に伝達する方向変換伝達
   部とを備えた霧化装置。 ２ 方向変換伝達部を、電気的振動子とノズル板
   を接着する接着材料で構成した特許請求の範囲第
   １項に記載の霧化装置。 ３ 電気的振動子を板状の圧電振動子で構成し、
   ノズル板に接着される側の圧電振動子表面と、開
   口部表面の少なくとも一部とに電極を設け、前記
   電極と前記ノズル板とを半田等の金属材料で接合
   するよう構成した特許請求の範囲第１項又は第２
   項に記載の霧化装置。