JPS6246230B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、灯油，軽油などの液体燃料，水，薬
液，インク液などの種々の液体を微粒化するため
の霧化装置に関し、さらに詳しく言えば圧電振動
子や磁歪振動子などの電気的振動子を利用して液
体を微粒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。

従来例の構成とその問題点 従来、超音波を利用した液体霧化装置には種々
の型式のものが提案されており、第１図ａ，ｂお
よびｃに示すように、それらの構成は様々であ
る。

第１図ａの霧化装置は、ホーン１の一端に圧電
振動子２を接着して振巾増巾する構成とし、タン
ク３の液体をポンプ４にて吸い上げ、パイプ５に
よりホーン１の先端に供給するものであり、ホー
ン１の先端の超音波振動エネルギーにより、霧化
粒子６を発生せしめるものである。

また同図ｂは液槽７の底部に圧電振動子８を設
け、超音波振動エネルギーを直接液中に照射して
液柱９を形成し、霧化粒子１０を得るものであ
る。

これらａ，ｂの超音波霧化装置は、振巾増巾の
有無の相異はあるけれども基本的には液体に超音
波エネルギーを与え、液体の振動（波動）を励起
させて霧化するものであり、ａは低周波（20KHz
〜200KHz）、ｂは高周波（1MHz〜2MHz）での超
音波利用霧化装置である。

一方、同図ｃは、上記２つの霧化装置とはその
構成を異にするものであり、近年インクジエツト
記録装置に多く用いられている霧化装置である。
すなわち、霧化粒子１１は液室１２の一端に設け
られた圧電振動子１３の振動による液室１２内の
圧力上昇をオリフイス１４に伝えることによつて
噴射微粒化されるものであり、超音波エネルギー
そのものによつて霧化されるものではなく、オリ
フイス１４と圧電振動子１３とによつて噴霧され
る構成である。

しかしながらこれらａ〜ｃの霧化装置には種々
の問題点があり、その改善が要望されていた。例
えば、ａの霧化装置はポンプ４が必要であり、ま
た安定な超音波振動を励起させるためにはホーン
１の高い加工精度と面倒な固定条件の維持が必要
であつた。このため装置全体が大型化，高価格化
せざるを得なかつた。そして、例えば20c.c.／min
の霧化量を得るに要する電力は10ワツト程度と大
きく、かつ、微粒化および粒径均一性などの霧化
性能も満足すべきものでなかつた。

また、ｂの霧化装置は微粒化能力に優れたもの
であつたが、液体の温度，液面高さなどによる霧
化性能変動が著しく、安定な霧化量を得るのは極
めて困難であつた。そして20c.c.／min程度の霧化
量を得るに要する電力は50ワツト程度と極めて大
きく、かつ、高周波であるので電波障害発生の可
能性が高いという重大な欠点を有していた。

一方、ｃの霧化装置は、その構成が極めて簡単
でコンパクトであるけれども、液体中の溶存気体
がキヤビテーシヨンにより気泡化して液室１２内
に溜まり正常な霧化動作ができないという問題点
を有しており、溶存気体の少ない液体を用いるか
又は溶存気体を除去する工程が必要であつた。こ
のため極めて汎用性に欠け、特殊な用途に限定せ
ざるを得ないものであつた。

発明の目的 本発明はこのような従来の欠点を一掃した霧化
装置を提供せんとするものである。

第１の目的は、極めて構成が簡単でコンパクト
であり、従つて低価格が霧化装置を提供すること
がある。

第２の目的は、低消費電力であり、しかも霧化
性能に優れた霧化装置を提供することである。さ
らに、第３の目的は、極めて安定な霧化動作を保
証することができる霧化装置を提供することであ
る。

発明の構成 本発明は上記目的を達成するために以下述べる
構成より成るものである。

すなわち、液体が充填された加圧室にノズルを
臨ませる構成とし、前記ノズルを設けたノズル板
と電気的振動子とによりたわみ振動体を構成し、
このたわみ振動体をその自由振動の節部で支える
よう構成したものであり、前記電気的振動子によ
り前記ノズル板を付勢して前記ノズルを加振し、
前記ノズルより前記加圧室の液体を噴射・微粒化
するものである。

実施例の説明 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。

運転開始指令が与えられると制御部１７はフア
ンモータ１８を起動し、送風フアン１９，吸引フ
アン２０が回転する。したがつて燃焼空気が吸込
口２１からオリフイス２２を通り空気分配室２３
へと図の矢印のように送られる。さらに空気分配
室２３から、第１霧化室２４、第２霧化室２５、
２次空気室２６へと空気が送られ、燃焼室２７へ
は矢印のようにそれぞれ１次空気，２次空気とし
て送られ排気筒２８より排気される。

一方、灯油はタンク２９よりパイプ３０を経て
レベラー３１に送られる構成となつており、レベ
ラー３１は灯油の液面を図中Ａの高さに制御す
る。このため運転停止時はパイプ３２内に灯油液
面があり図のＢの高さになつている。

運転が開始されると、オリフイス２２の下流側
の負圧発生部３３には、例えば△P₁＝−15mmAq
の負圧力が発生する。負圧発生部３３は吸引フア
ン２０の吐出側３４と連通されており、このため
吸込側３５の圧力は吐出側３４と吸込側３５間の
圧力差△P₂＝−25mmAqと前述の△P₁の和の圧力
となり、△Ｐ＝△P₁＋△P₂＝−40mmAqとなる。
吸込側３５はパイプ３６にて霧化部３７と連通さ
れており、前述の△Ｐ＝−40mmAqの負圧力が霧
化部３７に印加される。この負圧力は後述するよ
うにパイプ３２内の液面Ｂに印加される構成とな
つているので、液面Ｂは吸い上げられて上昇し、
霧化部３７内を灯油で満たしてパイプ３６内の液
面Ｃの位置となるのである。

以上の動作は、いわゆるプリパージ時間（例え
ば５〜10秒間）中に行われ霧化部３７内は灯油が
充填されて霧化動作準備が完了する。

次に制御部１７は、点火器３８を起動すると共
に第３図ａ，ｂ又はｃの様な交流電圧を必要霧化
量に応じて霧化部３７に供給する。従つて霧化部
３７は図のように霧化粒子３９を噴霧する。霧化
粒子３９は第２霧化室２５内で着火し、一瞬の
間、拡散燃焼するが、第２霧化室２５内に送られ
る空気は、ここで燃焼を維持し保炎する程多くな
いので燃焼室２７側に火炎が移行し、保炎筒４０
の先端が保炎するが、ここでの燃焼は青火燃焼と
なりいわゆる予混合燃焼となる。すなわち、霧化
粒子３９は第２霧化室２５から保炎管４０の先端
に到るまでに燃焼熱で気化し、１次空気と混合さ
れ、予混合ガス体となるのである。

このようにして定常燃焼中はいわゆる予混合燃
焼となり青火火炎４１を形成して燃焼する。燃焼
状態はフレームロツド４２にて検知され制御部１
７に検知信号として送られる。なお、４３は対流
フアンである。

次に霧化部３７についてさらに詳しく説明す
る。第４図は、霧化部３７の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。

第１霧化室２４の壁面４４にボデイー４５がビ
ス４６で固定され、ボデイー４５には直径が５〜
10mm、深さが２〜５mm程度の加圧室４７が設けら
れ、加圧室４７はパイプ３２および３６と供給口
４８および排出口４９によりそれぞれ連通してい
る。加圧室４７の一面は、直径が30μｍ〜100μ
ｍのノズル５０を複数個設けた厚さ30μｍ〜100
μｍのノズル板６１で覆われる構成となつてお
り、ノズル５０が加圧室４７に臨むようになつて
いる。

ノズル板５１には、中央に開口５２を有し、外
径５〜10mm、厚さ0.5〜２mm程度の圧電セラミツ
ク５３が接着されている。圧電セラミツク５３は
ノズル板５１との接着面およびその対向面に電極
（図示せず）が設けられており、電極間に供給さ
れる電圧の極性に応じてその直径方向に伸縮歪を
生じる。したがつて、圧電セラミツク５３とノズ
ル板５１とはいわゆるたわみ振動体を構成してい
るのである。このたわみ振動体はノズル板５１側
を導電性ゴムで構成された第１の支持体５４で、
および圧電セラミツク５３側を非導電性ゴムで構
成された第２の支持体５５で支持される構成とな
つており、押え金具５６、ビス５７，５８にて固
定されている。

リード線５９は、圧電セラミツク５３の電極に
半田付され、リード線６０はビス６１にてボデイ
ー４５に接続されている。リード線５９，６０間
には制御部１７より第３図ａ〜ｃのような交流電
圧が供給される。圧電セラミツク５３にはボデイ
ー４５、支持体５４およびノズル板５１を介して
リード線６０が電気的に接続されることになり、
これにより圧電セラミツク５３の電極間に第３図
ａ〜ｃの交流電圧が印加されることとなる。この
交流電圧の極性に応じて圧電セラミツク５３は伸
縮歪を生じ、結果としてノズル板５１と共にたわ
み振動を生じる。このため、ノズル５０はその軸
方向に加振されることとなり、図のように霧化粒
子３９が噴射されるのである。

第５図ａ〜ｃは、このたわみ振動体の振動によ
る霧化動作をさらに詳しく説明する説明図であり
第４図と同符号は相当物である。

第５図ａに示すように、第３図の交流電圧の極
性に応じて圧電セラミツク５３とノズル板５１は
たわみ振動を行い、ノズル５０はその軸方向に加
振される。この振動振巾δの分布を示すのが第５
図ｂであり、ａに示すような構成によりノズル５
０の近傍のみが大きな振巾となるたわみ振動を励
起することを示している。さらに図から明らかな
ように支持体５４，５５で支持された位置xa，
xbにて振動振巾δが零となつており、いわゆる
振動の節が支持体５４，５５にて支持される部分
と一致している。すなわち、第５図ｃにモデル化
して示すように、ノズル板５１と圧電セラミツク
５３より成るたわみ振動体６２が、その自由たわ
み振動の節円が生じる位置xa，xbにて支持され
ていると考えることができるのである。

たわみ振動体６２を節部からみた機械インピー
ダンスは極めて大きいので、この節部で支持する
構成とすることにより極めて安定なたわみ振動を
励起することができ、第５図ｂのように、ノズル
５０からの霧化粒子３９の噴射に望ましい振動振
巾分布を非常に安定して得ることができる。

また、支持体５４，５５をその剛性が圧電セラ
ミツクやノズル板５１と比べて小さいゴムなどで
構成することにより、一層安定な動作を保証し、
かつ圧電セラミツク５３やノズル板５１の振動に
よる機械的損傷を防止することができる。

このようにノズル５０を加振して灯油をノズル
５０から噴射し、微粒化することにより、灯油の
ように多量に溶存空気を含む液体であつても、キ
ヤビテーシヨンの影響をほとんど受けることなく
安定に霧化することができる。なぜならば、ノズ
ル５０自身が加振されて灯油を噴霧する構成であ
るため霧化動作はノズル５０の近傍のみの条件で
決定され、かつ、ノズル５０近傍の灯油はキヤビ
テーシヨン気泡が成長する以前にノズル５０から
噴射されてしまうためである。

また、霧化に要する電力は極めて小さく20c.c.／
min程度の灯油を霧化するために必要な圧電セラ
ミツク５３の入力電力は、0.1〜0.2ワツトであ
る。しかも、ノズル５０の直径と圧電セラミツク
の振動周波数（すなわち、駆動電圧パルス巾）と
によつて霧化粒子３９の大きさは決定されるの
で、非常に均一性に富み、かつ、小さい粒径の霧
化粒子を得ることができる。

加圧室４７内の灯油は、ノズル５０より前述の
ように霧化され、この結果加圧室４７内の灯油体
積が減少するが、ノズル５０から加圧室４７への
空気の流入は灯油のノズル５０に於る表面張力の
ために阻止され、この結果、加圧室内の圧力が低
下する。この圧力低下現象によつて、加圧室４７
へは、パイプ３２から灯油が吸い上げられる結果
となる。

すなわち、ノズル５０から霧化された灯油に相
当する体積の灯油がパイプ３２より自動的に吸い
上げられることになり、一種の自給作用を果たす
わけである。この自給作用により、ポンプなどの
液体供給手段が不要となり、構成の簡素化、低コ
スト化をさらに大巾なものとすることができる。

本実施例の霧化装置は、構成が簡単、かつコン
パクト、低消費電力、良好な霧化性能、一般の溶
存気体を含む液体も安定に霧化できるなどの多く
の特徴を有するものである。

第６図は、本発明の他の実施例を示す霧化装置
の一部の断面図であり、第４図と同符号は相当物
である。図において、たわみ振動体は、ノズル板
５１を中央とし、両面に圧電セラミツク５３ａ，
５３ｂを接着した構成となつており、典型的なバ
イモルフ振動体となつている。この構成は非常に
高効率なたわみ振動の励起が可能である。

第７図は、本発明のさらに他の実施例を示す霧
化装置の一部の断面図であり、第６図と同符号は
相当物である。図において、圧電セラミツク５３
ａ，５３ｂはその中央に電極板６３を有する構成
でバイモルフ構造となつており、ノズル板５１は
電極板６３とは別に図のように接着されている。
この構成によつても第６図の実施例と同様に高効
率なたわみ振動の励起が可能である。

第８図は、本発明のもう１つの他の実施例であ
り、第４図と同符号は相当物である。

図においてノズル５０は１個のみ設けられてお
り１条の霧化粒子列の発生に適している。また、
ノズル板５１は導電性支持体５４に接着層６４に
て接着されて取付けられており、このような構成
の場合には、組立が簡単となり、薄型化がはかれ
る。しかし、支持体５４の剛性がノズル板５１や
圧電セラミツク５３より十分小さいことが高霧化
効率維持のためには必要である。

このように本発明は種々の実施態様をとること
が可能であり、さらにまた第４図、第６図〜第８
図に示した実施例に限定されるものでもない。

発明の効果 本発明によれば、ノズルを設けたノズル板と電
気的振動子とによりたわみ振動体を構成し、前記
ノズルを液体と充填した加圧室に臨むよう構成す
ると共に、前記たわみ振動体をその振動の節部で
支持する構成としたから、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、霧
化性能に優れるにもかかわらず、極めて電力消費
の少ない霧化装置を実現することができ、さらに
溶存気体を多く含む液体であつても安定に霧化す
ることが可能である。

そして、特に振動の節部で振動体を支持する構
成により、非常に安定で高効率なたわみ振動の励
起が可能であり、従つて極めて安定な霧化動作を
保証することができ、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ａ〜ｃは従来の霧化装置の構成を示す断
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ａ〜ｃ
は同霧化装置の霧化量に応じた駆動電圧波形図、
第４図は同霧化装置の詳細な構成を示す断面図、
第５図ａは同霧化装置の霧化動作を説明するため
の同装置の一部の断面図、同図ｂは同装置の振巾
分布図、同図ｃは同霧化装置のたわみ振動体の動
作説明図、第６図は本発明の実施例を示す霧化装
置の一部の断面図、第７図は同さらに他の実施例
を示す霧化装置の一部の断面図、第８図は同もう
１つの他の実施例を示す霧化装置の一部の断面図
である。 ４７……加圧室、５０……ノズル、５１……ノ
ズル板、５２……開口、５３……圧電セラミツク
（電気的振動子）、５４，５５……支持体（支持
部）、６２，５１，５３……たわみ振動体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体が充填される加圧室と、前記加圧室に臨
   むノズルを設けたノズル板と、前記ノズル板を付
   勢する電気的振動子とを備え、前記ノズル板と電
   気的振動子とによりたわみ振動体を構成すると共
   に、前記たわみ振動体を自由振動の節部で支える
   よう構成した霧化装置。 ２ 電気的振動子を開口を設けた円板状圧電振動
   子で構成し、開口にノズルが臨むようノズル板と
   一体化してたわみ振動体を構成すると共に、円板
   の自由たわみ振動の節円部で前記たわみ振動体を
   支え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 たわみ振動体の節部をその両面から支えるよ
   う構成した特許請求の範囲第１項記載の霧化装
   置。 ４ たわみ振動体よりも小さい剛性の支持部によ
   り、たわみ振動体を支持するよう構成した特許請
   求の範囲第１項記載の霧化装置。 ５ 少なくとも一部が導電性材料より成る支持部
   により、たわみ振動体を支持するよう構成した特
   許請求の範囲第１項記載の霧化装置。