JPS6246229B2 - - 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
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置に関
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
波霧化装置であつて、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、ステツプ型ホー
ン１の一端には圧電振動子２が接着され、ホーン
１により圧電振動子２の厚み振動振巾を増巾する
構成となつている。ホーン先端の振巾最大面に、
液槽３からポンプ４にて液体を供給する構成とし
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
れているもので第１図ｂ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、液面近傍に集中される超音波エネ
ルギーにより液柱９を形成し、液面近傍に発生す
るキヤピラリー液から霧化粒子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、近年インクジエツト記録装置
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、他端にオリフイス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
してオリフイス１４に伝え、この結果オリフイス
１４から霧化粒子１１をかなりの飛散速度をもつ
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置は種々
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
動を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
得なかつた。

また霧化に要するエネルギーは例えば20c.c.／
min程度の霧化量を得るのに、約10Watts程度で
あるにもかかわらず、微粒子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つ
た。

第２の超音波霧化装置は、圧電振動子８を１〜
2MHzの高周波で駆動し高周波の超音波エネルギ
ーを利用するものであるので微粒化性能に優れた
ものであつたが、超音波エネルギーを直接液体中
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つた。しかも20
c.c.／min程度の霧化量を得るに要するエネルギー
は、約50wattsと大きく、かつ１〜2MHz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。したがつて、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つた。

第３の超音波霧化装置は、インクジエツトプリ
ンタに使用されている事実から明らかなように、
その構造は極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１
３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イス１４に伝達する構成
であるため、溶存空気を多量に含む一般的な液体
を使用した場合には液室１２内にキヤビテーショ
ン気泡がが発生し、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。したがつて
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つた。

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、構成が簡単でコンパクトであり
従つ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
つ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装置を適用し
た温風機の構成を示す断面図である。

第２図において、温風機ケース１５の上面には
操作部１６が設けられ制御部１７に運転指令を与
えるよう構成されている。制御部１７に運転開始
指令が与えられると制御部１７は送風モータ１８
を起動する。送風モータ１８は燃焼空気を供給す
る送風フアン１９と後述する負圧力を発生させる
吸引フアン２０とに同軸連結されている。したが
つて送風フアン１９により燃焼空気は吸込口２１
から吸い込まれ、オリフイス２２を通つて分配室
２３に送られる。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２８よ
り排出される。

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Ａの高さに制御す
る。したがつて、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となつている。

運転開始されると送風フアン１９の回動により
オリフイス２２の下流側の負圧発生部３３には負
圧力（例えば−P₁＝−10mmAg）が発生し、また
吸引フアン２０の高圧側３４と低圧側３５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３
３に連結されているので、低圧側３５は負圧発生
部の負圧力（−P₁）と吸引フアン２０間の差圧力
（−P₂）との和の負圧力（−Ｐ＝−P₁−P₂＝−40mm
Ag）となる。低圧側３５はパイプ３６にて霧化
部３７に連結され、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）を印加す
る構成となつている。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内を灯油
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。

以上の動作は送風フアン１９によるプリパージ
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、霧化部３７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。

従つて点火器３８により霧化粒子３９は点火さ
れて第２霧化室２５内で瞬時燃焼する。第２霧化
室２５内に供給される空気は、ここで燃焼を維持
する程多くないので燃焼室２７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４
１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
スとなつて燃焼筒４０の先端に達するので火炎４
１は予混合ガス化燃焼に近い火炎となる。４２は
フレームロツドであり、火炎の状態を検知し制御
部１７にその検知信号を送るものである。また４
３は対流フアンである。

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図の霧化部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４５で固定されたボデイー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
それぞれパイプ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５０で構成されており、
ノズル板５０の外周はボデイー４６に半田付され
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〜
100μｍのノズル５２が複数個設けられている。

さらにノズル板５０には、直径５〜15mm、厚さ
0.5〜２mm程度の円環状圧電振動子５３が半田付
にて装着されており、圧電拡動子５３の開口５４
の直径は２〜８mm程度となつている。したがつて
ノズル板５０の開口５４に臨む部分であるノズル
部５５はこの開口５４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つている。

圧電振動子５３は、その厚さ方向に分極処理さ
れた圧電セラミツクであつて、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。

５６はリード線であり片方の電極に半田付さ
れ、一方、リード線５７はビス５８にてボデイー
に固定されており、したがつて他方の電極にはボ
デイー４６とノズル板５０を介してリード線５７
が接続される構成となつている。

リード線５６，５７を介して制御部１７より第
４図ａ〜ｅのような交流電圧が圧電振動子５３の
電極間に供給され、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５５が圧電振動子５３に付勢され
ノズル５２が加振されて、霧化粒子３９がノズル
５２より噴霧される。

第５図ａ，ｂを参照してさらに詳しく霧化動作
を説明する。

第５図ａにおいて第３図と同符号は相当物で
あ。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５３
はノズル板５０に半田付されているため、結果と
して第５図ａの破線で示すようなたわみ振動を生
じる。

第５図ｂは、第５図ａの断面に沿つた位置Ｘに
おける振動振巾δの分布を示すものである。第５
図ｂより明らかなように、ノズル部５５の振巾δ
と圧電振動子５３の振巾δとは著しく大きな差が
あり、ノズル部５５と比較すると圧電振動子５３
の振巾は実質上零に等しいと考えることもでき、
あたかも圧電振動子５３の径方向振動によりノズ
ル部５５のたわみ振動が励起されているように考
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５５を
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
存空気を多量に含む液体であつても、キヤビテー
シヨン気泡の影響をほ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からの噴霧動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５２より灯油が押し出され、霧化粒子３９とな
つて飛散する。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５２の近傍には圧力低下が
生じ微小なキヤビテーシヨ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５５は加圧室４７側にたわみ
を生じて灯油をノズル５２から押し出す。従つ
て、極めて微小なキヤビテーシヨン気泡を含む灯
油は、それ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より噴霧され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
することが防止され、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れる。したがつ
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５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
動に比べて著しく大きく、第６図ｂのようにノズ
ル部５５のみがたわみ振動を行つているように考
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５０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ク振
動を生じており、第６図ｃのようにノズル板５０
と圧電振動子５３を一体化した等価な円形の振動
体５９がボデイー４６に固定されてたわみ振動を
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を励振源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となつ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
成とすることにより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〜ｃ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５５の直径がD₁，
D₂，D₃となる圧電振動子５３を用いて第６図ａ
の様な振動部を構成し、圧電振動子５３に供給さ
れる交流電圧の周波数を変化させたときのノズ
ル部５５の最大振巾δ_Pの変化を示すものであ
り、圧電振動子５３（すなわち、振動体５９）の
第１共振周波数_r21，および第２共振周波数_r2
２において極大値を示している。

第８図ａにおける＝_r22の振巾δ_Pをノズル
部５５の直径Ｄに対してプロツトすると第８図ｂ
のようにやはりＤに対してδ_Pは極大値を示して
いる。ノズル部５５の直径をＤとするとき、たわ
み振動の共振周波数_r1は _r1≒Ｋ・１／Ｄ^２ （Ｋは定数） と表わすことができるから、第８図ｂのノズル部
５５の直径Ｄにより上記_r1が変化していると考
えることが可能である。

したがつて、Ｄ＝D₂のとき最大振巾δ_P2が得ら
れるということは、ノズル部５５の共振周波数
_r1を適当に選択することによつて安定で効率的な
ノズル部５５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５３の共振周波数_r2 ≒ノズル部５５の共振周波数_r1 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５５の振動を励起することができ、これ
はとりもなおさず、第７図における励振源６０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
油を加圧室４７に充填した状態において前述の整
合条件が満たされることによつて、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。

また前述した _r1≒_r2 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_r11および_r21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５
５は第１〜第ｎ次の振動モードで共振することが
でき、それぞれ_r21，_r22，_r23……，_r11，
_r12，_r13，……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わ
せができ、 _r1o≒_r2n （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、20c.c.／分程度の霧化量を得るに要す
る圧電振動子５３の消費電力は1/10Watts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〜100KHzで
圧電振動子５３を動作させることにより、極めて
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
続の制御性に優れる点が極めて有益である。

_r1o≒_r2nという整合条件を略々満たすとい
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、前述したキヤビテーシヨン
気泡の発生を抑止し、溶存空気を多量に含む灯油
であつても安定に霧化させるための重要な条件の
１つである。また、かりにキヤビテーシヨン気泡
が発生して加圧室４７内を排気口４９に向つて浮
上しても、ほ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の近
傍のみが霧化動作に影響を与えるからである。

以上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
図と同符号は相当物である。

第１０図は、インク６２をタンク６３に入れ、
ポンプ６４でインクを加圧室４７に吸い上げる構
成としたものであり、ノズル部５５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はさらに他の実施例であり第１
０図と同符号は相当物である。ほとんどの構成は
第１０図の実施例と同様であるが、圧電振動子５
３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６５で保持されてい
る。すなわち、第１１図ｂのように圧電振動子５
３の厚み方向の振動によりノズル部５５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で保持されているので
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５５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図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５５が２次モードで共振する構成となつてお
り、さらに中央のノズル５２と外周のノズル５
２′とが設けらている。そして、霧化粒子３９と
３９′とは交互にそれぞれノズル５２，５２′より
噴射される。

以上述べたように本発明によれば、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
粒化や粒径の均一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
多い液体であつても極めて安定に霧化することが
でき、従つて汎用性に富んだ霧化装置を提供する
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
用性に富んだ優れ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大きいも
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
ａ，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は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……ノズル板、５２……
ノズル、５３……電気的振動子、５４……開口、
５５……ノズル部。

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。 ２ 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。 ３ 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。 ４ 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。