JPS6252628B2 - - Google Patents

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JPS6252628B2
JPS6252628B2 JP55077614A JP7761480A JPS6252628B2 JP S6252628 B2 JPS6252628 B2 JP S6252628B2 JP 55077614 A JP55077614 A JP 55077614A JP 7761480 A JP7761480 A JP 7761480A JP S6252628 B2 JPS6252628 B2 JP S6252628B2
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JP
Japan
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cylindrical portion
flanged
ultrasonic
atomizing surface
length
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JP55077614A
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JPS562866A (en
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Eru Baajaa Haauei
Aaru Burando Chaarusu
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SONOTEC
Original Assignee
SONOTEC
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Publication date
Application filed by SONOTEC filed Critical SONOTEC
Publication of JPS562866A publication Critical patent/JPS562866A/ja
Publication of JPS6252628B2 publication Critical patent/JPS6252628B2/ja
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
    • B05B17/0623—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers coupled with a vibrating horn
    • B05B17/063—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers coupled with a vibrating horn having an internal channel for supplying the liquid or other fluent material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B3/02—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency involving a change of amplitude
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/34—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by ultrasonic means or other kinds of vibrations
    • F23D11/345—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by ultrasonic means or other kinds of vibrations with vibrating atomiser surfaces

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Special Spraying Apparatus (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • Pressure-Spray And Ultrasonic-Wave- Spray Burners (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • External Artificial Organs (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波トランスジユーサ組立体、特に
燃料の超音波霧化器に係り、参考としてここに引
用する1979年５月８日付の本出願人の米国特許第
4153201号に開示された型式の霧化器の改良に係
る。
この分野で指摘されているように、プローブ型
電気機械超音波トランスジユーサでは、堅固なフ
ランジの形態でプローブに大直径チツプを設ける
ことによつて霧化性能を改善することができ、且
つスプレーパターン及びスプレー密度はこのフラ
ンジ付き霧化面の幾何学的形状によつて左右され
る。例えば、霧化面がプローブの軸に垂直な平面
であれば、特定のパターン及び密度が作り出され
る。この霧化面が凸状にカーブしていれば、スプ
レーパターンは巾広になり、単位断面積当たりの
霧化粒子の数は平面の場合よりも少なくなる。こ
の霧化面が凹面であれば、スプレーパターンは狭
いものとなり、そして粒子の密度は平面の場合よ
りも高いものとなる。
この型式の超音波トランスジユーサが燃料バー
ナの霧化器として使用される場合には、典型的に
約60゜の頂角を有する広角の円錐状スプレーを作
ることがしばしば所望される。然し乍ら、霧化面
が球状の凸面であるような霧化器は、このような
スプレーパターンを作るのに全く満足なものとは
云えないことが分つた。試験結果が示すところに
よれば、この場合は予想した角度の約半分のスプ
レー角度しか達せられない。更に、霧化面が球状
の凸面であるような堅固なフランジ付きのトラン
スジユーサチツプは非常に駆動が困難であり、燃
料を霧化するのに多量の電力を“くう”ことが分
つた。このような不安定作動では、住宅用又は工
業用オイルバーナーに用いられる燃料霧化器とし
て受け容れられない。
一方、堅固なフランジチツプを有し且つ平らな
霧化面を有するトランスジユーサは安定且つ効率
的に作動するが、この平らな霧化面によつて作り
出されるスプレーパターンは、一般の高圧ノズル
式の燃料バーナーにおいて入り空気との適正な混
合及び良好な炎を与えるのに充分な程の巾がな
い。
それ故、本発明の主たる目的は、霧化粒子が実
質的に霧化面全体から均一に分散され且つ所定の
円錐角を有する様な安定な半内実の円錐状スプレ
ーパターンを作り出すことのできる霧化面を備え
た超音波霧化器を提供することである。
この目的及び他の目的は、駆動装置と、この駆
動装置に結合された超音波ホーン区分とを備え、
この区分は増巾プローブを有し、そしてこのプロ
ーブの外端に霧化面があり、そして更に、液体流
を霧化面へ付与する手段を備えた超音波霧化器に
おいて、上記霧化面が円錐形状を有し、その頂角
は霧化器に対して予め選択されたスプレー角の補
角に等しいことを特徴とする超音波霧化器によつ
て達成される。
円錐状の霧化面はプローブの直径より大きなベ
ース直径を有する堅固なフランジの面を形成し、
そして霧化さるべき液体はプローブを通して軸方
向に延びる流路に供給され、該流路はトランスジ
ユーサのほゞ節振動面に配置された半径方向供給
流路と交差する様になつているのが好ましい。小
直径のプローブとフランジ付チツプ区分との合成
長さは、トランスジユーサの作動周波数に対する
トランスジユーサ物質中での理論的な1/4波長よ
りも小さくすべきであり、そしてプローブとチツ
プとの相対的な長さはそれらの各々の直径をベー
スとして、霧化面での振動振巾を最大にする様に
決定すべきである。プローブ及びチツプの長さが
波動方程式の解によつて決定された最適な長さで
ある場合には、単純な円筒状プローブで得ること
のできる最大振巾の約97％に等しい振動振巾をフ
ランジ付き円錐チツプに対して得ることができ、
従つて振動振巾をわずかに減少するだけで霧化表
面積を実質的に増加することができる。
本発明の前記及び他の特徴及び効果は添付図面
を参照とした好ましい実施例の以下の説明より明
らかとなろう。
第１図を参照すれば、超音波電気機械トランス
ジユーサ１１は、電極デイスク１２を１対の圧電
デイスク１３と１４との間にサンドイツチし次い
でこれらを前部霧化区分１５と後部ダミー区分１
６との間にサンドイツチすることによつて組立て
られる。これら前部区分及び後部区分には一体的
な固定フランジ１７及び１８が各々設けられ、そ
してこの組立体はキヤツプスクリユー即ちアレン
ヘツドスクリユー１９によつて固定され、これら
のスクリユーは固定フランジ１７及び１８、環状
シールリング２０及び２１、そして電極デイスク
１２の整列された穴に挿入されそして装着プレー
ト２２のネジ切りされた穴へネジ込まれる。
組立体の短絡を防止するため、スクリユー１９
は電極デイスクの穴を通過するところにフランジ
付絶縁スリーブ２３が取り巻かれる。電極デイス
クの上部にある端子２４には、一般設計の超音波
周波数電源２６からのケーブル２５を取り付ける
ことができる。装着プレート２２は典型的に燃料
バーナの如き電気的に接地された装置の１部であ
るか又はこの様な装置に取り付けられるので、電
極デイスク以外の組立体の金属部は接地され、そ
れにより、電源の接地接続を経て戻り路が与えら
れる。従つて電極デイスクと前部及び後部トラン
スジユーサ区分との間にある２つの圧電素子にま
たがつて所定の超音波周波数の交流電圧が発生さ
れる。
トランスジユーサの前部霧化区分１５は軸方向
液体付与流路２８と交差する半径方向入口流路２
７をフランジ１７に備えており、軸方向流路２８
は前部区分１５を経て、霧化面２９の中心にある
開口へと前方に延びる。燃料貯溜器３１の如き液
体供給手段から延びた供給管３０は流路２７の入
口へ嵌着された短い管３２により、或いは他の一
般の結合手段により、半径方向入口流路２７へ連
結される。
機能的に云えば、トランスジユーサ１１は対称
的なダブルダミー超音波駆動装置及び振動増巾
器を備えている。駆動装置は電極デイスク１２
と、２つの圧電素子１３及び１４と、後部ダミー
区分１６と、前部霧化区分１５の部分３３とを備
え、この部分は後部ダミー区分１６と同じ寸法を
有している。従つて、前部霧化区分１５の部分３
３は後部ダミー区分と実質的に整合する前部ダミ
ー区分を形成する。
前部霧化区分１５の残りの部分が振動増巾器
を形成し、該増巾器は部分３３と同じ直径で且つ
長さＡの第１の円筒状部分３４と、この部分３４
よりも実質的に小直径で且つ長さＢのプローブ形
態の第２の円筒状部分３５と、上記プローブより
も大直径であるが部分３４よりは非常に小直径で
あり且つ長さＣであるフランジ付きチツプの形態
の第３部分３６とを備えている。液体付与流路２
８の内部は、少なくとも増巾器区分に相当する
出口部分に、減結合スリーブ２７が裏張りされる
のが好ましく、この減結合スリーブは超音波周波
数において著しく減衰する特性を有した物質で作
られる。ポリテトラフルオロエチレンは炭化水素
燃料並びに霧化に用いられる他の大部分の液体に
よつて影響を受けないので減結合スリーブとして
好ましいものである。
振動増巾器は前部霧化区分の一体部分である
が、最適な性能を得るためには、トランスジユー
サ組立体を２段階で設計するのが好ましい。第１
段階では、試験的なトランスジユーサが組み立て
られ、これは最終的なトランスジユーサ組立体の
駆動部と同じものであり、即ち長手方向に対称
的なダブルダミートランスジユーサである。
この試験的なトランスジユーサ組立体の長さ
は、仮定的に選択された作動周波数ｆにおける波
長λの1/2に等しくなる様に次式から計算され
る。
λ＝Ｃ／ｆ 但し、Ｃは前部及び後部区分として選択された物
質中での音速である。この様な物質は良好な音響
伝達性を有していなければならない。これに適し
た物質としては、例えば、アルミニウム、チタ
ン、マグネシウム、及びそれらの合金例えばTi
−6Al−4Vチタン−アルミニウム合金、6061−
T6アルミニウム合金、7025高強度アルミニウム
合金及びAZ61マグネシウム合金が挙げられる
が、その他のものを使用することもできる。
この試験的なトランスジユーサ組立体は次いで
その実際の共振周波数を決定するために試験され
る。上記で計算された長さは、前部及び後部トラ
ンスジユーサ区分の物質で作られた均質な一定直
径円筒における純縦振動に基くものであるから、
フランジ、支持プレート、装着スクリユーの影
響、電極デイスク及び圧電素子の物質が異なるこ
と、シールリングの影響、素子間の嵌着面の不完
全さ、装着位置が節の位置でないこと、燃料管の
結合及び流路の影響、並びに理論的な模型からの
その他のずれの影響が無視されている。これらの
影響は解析が困難でありそしてほとんどの場合に
は解析できないが、これらの影響によつてダブル
ダミートランスジユーサの実際の共振周波数がそ
の理論的な共振周波数から累積的に実質的な量だ
けずれてしまう。実験で決定された共振周波数を
霧化器の作動周波数として用いることにより、最
適な効率で作動する平衡のとれた駆動部が得られ
る。
これ以上の努力がその使用対象物によつて報わ
れる場合には、圧電素子、フランジ、及び小直径
部分に各々対応する色々な直径、密度及び音速の
３つの円筒素子で1/4波長の前部及び後部区分
各々を構成することを考えることによつてダブル
ダミー駆動装置の実際の共振周波数を更によく予
想することができよう。圧電素子及びフランジ寸
法が与えられている場合には、区分の電極端が節
の面（ゼロ変位）にありそしてダミー部の他端が
波腹（ゼロストレス）にある様な状態に対して既
知の微分波動方程式を解くことにより小直径部の
長さを得ることができる。
第２段階においては、長さＡ及び長さＢ＋Ｃが
前記第１段階で決定された経験的作動周波数の1/
４波長である様に計算された段付き増巾区分を合
体した新たな前部霧化区分が作られる。この増巾
区分は１つの均質な物質で作られ且つ単純な幾何
学形状を有しているので、波動方程式を解いて決
定された長さＡ，Ｂ及びＣは、計算に使用された
作動周波数に非常に接近した固有周波数を有する
区分を与える。換言すれば、トランスジユーサを
概念的に平衡駆動部（この共振周波数は実験で
しか正確に決定できない）と、増巾区分（その
共振周波数は不当な困難さを生じることなく理論
的に正確に予想できる）とに分けることにより、
最適な効率で作動する様に整合された駆動部及び
増巾部を有する完全な霧化トランスジユーサを設
計することができる。
以上に述べたトランスジユーサ設計法は本出願
人の前記米国特許第4153201号に開示されてお
り、又該特許には、増巾プローブの端に堅固なフ
ランジ付きの霧化チツプを使用することが望まし
いことについても開示されており、且つ又最良の
結果を得るためにはプローブ及びフランジ付きチ
ツブの合成長さ（即ちＢ＋Ｃ）が増巾区分の大直
径部分の長さＡより小さくなければならないこと
も示されている。その理由は、堅固なフランジ付
きのチツプはプローブの端に大きな負荷を生じこ
れは大きなチツプを持たない単純なプローブに比
べて最大振動振巾の平面の位置を甚だしく変えて
しまうからである。
本出願人の前記特許には、プローブの軸に垂直
な平らな霧化面が好ましいことが開示されてい
る。なぜならば、この様な霧化面の全ての領域
は、チツプが堅固であれば、トランスジユーサの
作動周波数において同じ振巾で振動するからであ
る。それと同時に、霧化粒子の広い分散が所望さ
れる場合には凸状に丸み付けされた霧化面を使用
できることも示唆されている。然し乍ら、本明細
書の初めの部分で述べた様に、この様な凸状の霧
化面のその後の試験によつてそれがあまり満足な
ものでないことがわかつた。
作動状態の下で凸状の霧化面を厳密に観察した
結果、液体付与流路の出口のすぐ近くの環状領域
であつてこの霧化面がプローブの軸に対して実質
的に垂直である様な環状領域に、流体の霧化が局
所化されることが分つた。凸状の霧化面がこの垂
直面とでもつて次第に大きくなる角度を形成する
様な半径方向外側の領域では、非常に少量の液体
しか霧化されない。これらの結果から明らかな様
に、角度のついた面は液体を広角のスプレーへと
霧化するのに有効でない。
然し乍ら、意外なことに、本発明による円錐又
は円錐台形の霧化面は優れた試験結果を生じるこ
とが分つた。試験観察により、液体が円錐面全体
から霧化されることが示され、且つ霧化の方向が
円錐面に対してほゞ垂直であることが示された。
その結果、所望のスプレー頂角の補角に相当する
頂角を有する円錐霧化面を選択するだけで所望の
スプレー頂角を得ることができるに至つた。例え
ば、120゜の頂角を有する円錐霧化面は60゜の頂
角を有する実質的に円錐状のスプレーパターンを
作り出す。
第１図のトランスジユーサの増巾部の外端を示
した側面図である第２図を参照すれば、本発明に
よる円錐台形のフランジ付き霧化チツプが拡大し
て詳細に示されている。
このフランジ付きチツプは、霧化面積が大きい
ので、平らな霧化面の場合と同様に優れた結果を
与える。フランジが堅固なものであることも等し
く重要である。従つて円錐台形の面２９の外縁を
短い円筒ベース部３８によつて支持せねばならな
い。このベース部の長さは、霧化面が均一に振動
し且つトランスジユーサの作動周波数において撓
まない様な所要の剛性を与えるだけに過ぎない長
さでなければならない。というのは、所与の直径
及び円錐角度に対してフランジ付きチツプの質量
を最低減に保持することが所望されるからであ
る。
プローブ及びチツプの全長は霧化面の振動振巾
に重要な作用を及ぼすので、プローブ３５の長さ
Ｂ及びチツプ３６の長さＣをできるだけ正確に決
定することが非常に重要である。平らな面を持つ
たフランジ付チツププローブの場合には、微分波
動方程式の境界条件が単純であり、従つて解析結
果も比較的容易に得られる。円筒状フランジ付き
のチツプを有し且つ平らな霧化面を有したフラン
ジ付きチツププローブの場合は、長さＢとＣとの
間に次の様な関係が解析によつて決定される。
（tan kB）（tan kC）＝S1／S2 但し、ｋは２πｆ／Ｃに等しく、 S1はプローブの断面積であり、そして S2はフランジの断面積である。
然し、円錐チツプに対する解析は、チツプの直
径がその長さに亘つて一定でないので、円筒チツ
プの場合より非常に複雑である。円筒チツプの方
程式を用い、そして円錐チツプを概念的に“等
価”円筒に置き換える様に仮定して円錐チツプ霧
化器を設計する様に試みたが、うまくいかなかつ
た。
この解決の理論は、プローブ及びチツプの相対
的な質量が、それらの各々の長手方向寸法に影響
を及ぼす最も顕著なフアクタであるというもので
あつた。従つて、“等価”円筒チツプと同じ質量
を有する円錐チツプはそれと等価な振動振巾を有
するはずである。それにも拘らず、この簡略化仮
定に基いた寸法を有する円錐チツプ霧化器は満足
なスプレーを生じなかつた。この結果は、球状の
凸状チツプを有したトランスジユーサの同程度に
満足でない前記試験結果と比較した場合に、角度
のついた面では満足な霧化を作り出せないことを
示唆する。
然し乍ら、意外にも、厳密な解析によつて正確
に確立された寸法を持つ円錐チツプを備えた霧化
器によつて良好な霧化が達成された。これは、円
錐霧化面の場合はわずかに寸法を変えただけで霧
化器としての性能を発揮させることができるとい
う重要な作用を明確に実証するものである。
円錐台形の霧化面を持つフランジ付きチツプを
有した1/4波長増巾プローブ区分を構成する３つ
の部分の適当な寸法を確立するのに用いる解析技
術について述べる。
第３図を参照すれば、第２図の増巾区分の小直
径プローブ及び円錐台形チツプ部分が、正規化さ
れた振動振巾対軸方向距離のグラフのスケールに
対して近似的に示されている。座標ｘは軸方向の
位置を表わし、ｒは半径方向の位置を表わしてい
る。プローブの３つの構成部分間の界面はx1、x2
及びx3で示され、小直径プローブとトランスジユ
ーサの他部分との段状の接合部が０であり、そし
て円錐台形チツプの射影された頂点がx4である。
或る１つの周波数ｆの縦波が内実の媒体中に伝
搬する場合の時間に従属しない方程式は次の通り
である。
ｄ／ｄｘ（Ａ（ｘ）ｄηｉ／ｄｘ）＋k2A（ｘ）ηｉ＝
０(1) 但し、ηｉはｉ番目の領域（ｉ＝０、１、２）
における平衡状態からの変位（即ち振動の振巾）
であり、これは位置ｘの関数である。Ai（ｘ）
は各領域の断面積であり、これも位置ｘの関数で
ある。そしてｋは波数であり、これは波の周波数
ｆと媒体中での音の伝搬速度ｃとに対してｋ＝２
πｆ／ｃという関係を持つている。
(1)式は次のような条件の下で有効化される。即
ち、 (a) 正弦波の単１周波数波形が存在する。
(b) 横方向寸法が、選択された周波数の1/4波長
より小さい。
(c) 弾性がリニアである。
ここに述べる場合には、これらの条件が合致す
る。
３つの領域の各々に対する断面積Ai（ｘ）は
次の通りである。
A0（ｘ）＝πr0 2 ０ｘx1 （2a） A1（ｘ）＝πr1 2 x1ｘx2 （2b） A2（ｘ）＝πｒ２（ｘ４−ｘ）／（ｘ４−ｘ２）２x2
ｘx3（2c） ３つの領域に関連した波動方程式は次式で与えら
れる。
ｄ２η０／ｄｘ２＋k2η０＝０ ０ｘx1 （3a） ｄ２η１／ｄｘ２＋k2η１＝ x1ｘx2（3b） ｄ２η２／ｄｕ２＋２／ｕｄη２／ｄｕ＋η２＝０；x2
ｘx3（3c） ｜ｕ≡ｋ（ｘ−x4）｜ 断面積がｘの関数でない領域０及び１において
は、断面積の項が波動方程式から除去できる。領
域２においては、断面積が可変であり、従つて波
動方程式は非常に色々の形態をとる。方程式には
円錐の角度が明確に現われていないが、x4として
の値の選択によつてこのパラメータが独特に確立
される。
式(3)の２次微分方程式は全て解を得ることがで
きる。式（3a）及び（3b）はどちらも単純な調
和関数の解を有する。式（3c）はゼロ次元の球ベ
ツセル方程式の標準式であり、球ベツセル関数と
して知られているその２つの解Ｊ及びＹは０次元
に対しては次のように表わされる。
J0＝ｓｉｎ ｕ／ｕ；Y0＝−ｃｏｓ ｕ／ｕ ３つの解は次式で表わされる。
η０（ｘ）＝A0cos kx＋B0sin kx ０ｘx1 （4a） η１（ｘ）＝A1cos kx＋B1sin kx x1ｘx2 （4b） η２（ｘ）＝Ａ２ｃｏｓ ｋ（ｘ−ｘ４）／ｘ−ｘ４＋
Ｂ２ｓｉｎ ｋ（ｘ−ｘ４）／ｘ−ｘ４ x2ｘx3 （4c） 但し、６個の定数A0、A1、A2、B0、B1、B2は
まだ未知であり、それらの値は領域間の界面及び
区分の端における境界条件の性質に左右される。
境界条件は次のように簡単に表わされる。
(i) 領域間の各界面（ｘ＝x1、x2）において、波
の振巾はその界面にまたがつて継続しなければ
ならず、そして波動によつて生じたストレスに
関連した力も継続しなければならない。
(ii) ｘ＝０において、振動の振巾はゼロでなけれ
ばならない。というのは、これは節の面だから
である。
(iii) チツプの先端（ｘ＝x3）において、ストレス
はゼロにならねばならない。というのは、x3の
平面は波腹だからである。
これらの条件は次の６つの簡単な方程式で表わ
すことができる。
η０（０）＝０（条件） （5a） η０（x1）＝η１（x1） （5b） S0η′０（x1）＝S1η′１（x1）（条件） （5c） η０（x2）＝η２（x2） （5d） η′１（x2）＝η′２（x2） （5e） η′２（x3）＝０（条件） （5f） これら６つの方程式及び微分方程式(3)に対する
解から、６つの未知の定数（Ａ及びＢ）を見つけ
ることができる。この計算にはまだ或る程度不定
なところがある。というのは、これら定数の１つ
に対するこれら定数のいずれかの比を決定するこ
としかできないからである。従つて、これら定数
の１つとして或る値を任意に決めてその残りの定
数を求めることが必要である。これは実際上何ら
の困難さを与えるものではない。というのは、い
かなる場合にも問題となるのは実際上相対的な振
巾だけだからである。
これらの定数を計算する前に、x1、x2、x3及び
x4の値（S0及びS1も）を特定することが必要であ
る。然し乍ら、これはこの解析に関して行なうベ
き主たる過程であり、長さの座標は互いに無関係
ではなく、むしろ全長が1/4波長に等しいという
要件によつて相関されている。
６つの境界条件方程式(5)の各々に波動方程式(3)
の適当な式を代入して境界条件方程式を解くこと
により６行６列の行列式が生じ、これはゼロに等
しくなるようにセツトされる。この行列式を解く
と、４つの座標間の長たらしい代数関係が生じ
る。特性方程式と称するこの関係式は次の通りで
ある。
tan kx1＝Ｓ０／Ｓ１｛ｋ（ａｆ−ｂｅ）ｃｏｓ ｋ（ｘ２−ｘ１）−（ｃｆ−ｅｄ）ｓｉｎ ｋ（ｘ２−ｘ１
）／ｋ（ａｆ−ｂｅ）ｓｉｎ ｋ（ｘ２−ｘ１）＋（ｃｆ−ｅｄ）ｃｏｓ ｋ（ｘ２−ｘ１）｝(6) 但し、 ａ＝−ｃｏｓ ｋ（ｘ２−ｘ４）／ｘ２−ｘ４：ｂ＝−
ｓｉｎ ｋ（ｘ２−ｘ４）／ｘ２−ｘ４ ｃ＝ｋ ｓｉｎ ｋ（ｘ２−ｘ４）／ｘ２−ｘ４＋ｃｏ
ｓ ｋ（ｘ２−ｘ４）／（ｘ２−ｘ４）２ ｄ＝−ｋ ｃｏｓ ｋ（ｘ２−ｘ４）／ｘ２−ｘ４＋ｓ
ｉｎ ｋ（ｘ２−ｘ４）／（ｘ２−ｘ４）２ ｅ＝−（x3−x4）ｋ sin ｋ（x3−x4） −cos ｋ（x3−x4） ｆ＝（x3−x4）ｋ cos ｋ（x3−x4） −sin ｋ（x3−x4） ４つの座標のうちのいずれか３つを任意に選択
すれば、第４番目の座標の独特の値は特性方程式
を解くことによつて計算できる。従つて、明らか
な様に、x2−x1、x3−x2、x4−x3の値及び円筒の
断面積の値を仮定すれば、x1が計算を行なうため
の論理座標となる。座標自体ではなくて実際の成
分長さ、x2−x1等々が特定されることに注意され
たい。これらの量は特性方程式の評価と関数的に
等価であり、著しい簡単化をもたらす。
上記寸法の適当な値を選択する際には次に示す
要件を考慮しなければならない。
(a) 霧化器全体に過大な負荷がかゝらない様にす
るに充分な程、フランジ付チツプの質量を小さ
くしなければならない。
(b) 意図された流量に足る霧化面積を与えるに充
分な程、円錐面を大きくしなければならない。
(c) 所望のスプレー角を生じる様にチツプの円錐
角を選択しなければならない。
(d) チツプ全体を剛体として振動させるに充分な
厚みの円筒部分が円錐のベースになければなら
ない。
(e) 中央の液体供給穴を取り巻く小さく平らな面
を与えるためチツプは当然円錐台形でなければ
ならない。
堅固で且つ低質量であるという相反する要件に
よつて円錐の円筒状ベースの最適長さx2−x1が決
定される。所望のスプレー角によつてチツプの円
錐の頂角が決められ、そして液体付与穴の寸法に
よつてx3における直径が決められる。次いで、所
望の霧化表面積を与える様にx2の直径が決められ
る。次いで、頂角と、x2及びx3における直径とに
よつて距離x3−x2及びx4−x3が決められる。かく
て、小直径区分の長さx1のみが未知の寸法として
残る。x1の値は上記した特性方程式から計算され
る。
x1＝tan-1ｇ（x2−x1；x3−x2；x4−x3；A0／A1；） (6) 但し、ｇはパラメータの三角関数を含む代数式
である。
例 作動周波数が85KHzであり、前部及び後部区分
をアルミニウムで作り、圧電デイスクを鉛−ジル
コニウム−チタネート（PZT）で作り、そして堅
固な銅の電極デイスクを用いた超音波霧化器を設
計した。アルミニウムにおける縦波音波の速度は
約5.13×105cm／秒であるから、作動周波数にお
ける1/4波長は約1.51cmである。
トランスジユーサが本質的に縦モードでしか振
動しない様にするため、各素子の横方向寸法は1/
４波長よりも小さくなければならない。プローブ
の増巾係数はトランスジユーサ本体とプローブと
の断面積の比に等しいので、霧化される液体の霧
化スレツシユホールドを越えるに充分な振動振巾
を得るには、プローブの直径をできるだけ小さく
しなければならない。一方、プローブに液体付与
流路を作り、然も所要の霧化表面積を有した堅固
なフランジ付きのチツプを支持し且つ片持ばりモ
ード即ちむち打ちモードでの振動を防止するに充
分な強度及び剛性をプローブに与えるという必要
性によつてプローブの最小直径が限定される。
これらのことを考慮に入れて、約８の増巾比を
与える様にトランスジユーサの寸法が次の様に選
択された。
PZTクリスタル 1.27cm直径×0.25cm厚み トランスジユーサ本体 1.27cm直径 プローブ 0.46cm直径 フランジ付チツプ 0.70cmベース直径 所望のスプレー円錐の頂角が60゜である場合に
は、それに対応する円錐霧化面の頂角は120゜に
すべきである。円錐フランジの円筒ベースの長さ
（x2−x1）は、このフランジが剛体として振動する
ためには本体0.05cmでなければならない。従つ
て、簡単な幾何学計算から、プローブチツプに対
する円錐霧化面の軸方向全長（x4−x2）は約0.20
cmとなる。実際の霧化面は円錐台形であり、その
面直径は約0.21cmである。従つてx4−x3は0.06cm
である。これは円錐台形面の軸方向長さ（x3−
x2）を約0.14cmに減少する。
要約すれば、特性方程式のパラメータの所定値
は次の通りである。
x2−x1＝0.020インチ（0.051cm） x3−x2＝0.054インチ（0.137cm） x4−x3＝0.026インチ（0.066cm） S0／S1＝0.428 ｋ＝2.670インチ-1（1.050cm-1） 従つて、x1＝0.484インチ（1.230cm）となる。
上記例の寸法で構成された霧化器を試験したと
ころ、適度な安定性を持つたスプレーが作られ、
液体はトランスジユーサの軸に対して約30゜の角
度で（即ち、第２図に矢印Ｘ，Ｙで示された様に
60゜のスプレー円錐角で）大部分の霧化面から霧
化された。所望のスプレー角度が生じるのに加え
て、円錐台形の霧化面は、霧化された液滴がその
後合体する程度を、平らな霧化面により与えられ
るスプレーに比べて著しく減少し、それにより非
常に均一な液適分布を生じさせる。この供試霧化
器を、従来の高圧スプレーノズルの代りに標準オ
イルバーナーに取り付けた時には、元の高圧スプ
レーノズルから発せられる炎に外見上全く良く似
た非常に良好な自己保持炎が発せられた。
以上に述べた厳密な解析結果に基いて設計され
た霧化器により得られた試験結果は、円筒状フラ
ンジチツプに対する方程式を用いるのに必要とさ
れる簡略化仮定によつて設計された増巾チツプを
備えた霧化器の前記試験結果とは異なる。試験結
果のこの相違は驚くほどのものである。なぜなら
ば、プローブ及びチツプの全長の、近似的な解と
理論的に正確な解との差が約10％程度のものに過
ぎないからである。これは、本発明の円錐チツプ
型超音波霧化器の増巾部の長手寸法が非常に厳密
なものであることを強調するものである。
解析を完了するためには、方程式(3)の解の係数
Ａi及びＢiを計算することが所望される。これら
係数は更に別の寸法情報を得るのに必要とされる
ものではないが、増巾区分全体の設計の効率を評
価する上で有用である。先に述べた様に、これら
係数の絶対値は、それらのうちの１つに或る任意
な値が指定された時にのみ得ることができる。こ
こに述べた様に解が非強制振動に対応するもので
ある場合の方程式、即ちチツプ区分に外部から励
起力が付与されない場合の方程式においてはこの
様な状態が一般的である。
領域０に対する解（式4a）の係数の１つに任意
の値を指定することが一般的なやり方である。と
いうのは、増巾区分のこの領域はノズルのダブル
ダミー区分へ結合されるからである。境界条件の
式（5a）によつてA0＝０であるから、任意な値
としてB0＝１が選択された。次いで式(4)を境界
条件関係式(5)へ代入してそれにより生じる同時式
を解くことによつて他の４つの係数が計算され
た。
所与の系に対する結果は次の通りである。
A1＝0.150938961 B1＝0.956888663 A2＝0.000039163 B2＝0.364829648 増巾区分に沿つた位置と、相対的な変位との関
係が第３図にプロツトされている。この相対的な
振巾は、増巾区分を長さ1/4波長、断面積πr0 2の
均一円筒であるとした場合にその各点に生じるで
あろう振巾に対する実際の振巾の比として定めら
れる。チツプの存在による振巾の減少は約３％に
過ぎないということを注意されたい。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による霧化トランスジユーサの
部分断面側面図、第２図は第１図に示したフラン
ジ付きチツプを持つたプローブ区分の拡大詳細側
面図、そして第３図は本発明の増巾プローブに沿
つた距離に対する縦振動振巾を示したグラフであ
る。 １１……超音波トランスジユーサ、１２……電
極デイスク、１３，１４……圧電デイスク、１５
……前部霧化区分、１６……後部ダミー区分、１
７，１８……フランジ、２０，２１……環状シー
ルリング、２２……装着プレート、２３……絶縁
スリーブ、２４……端子、２５……ケーブル、２
６……超音波周波数電源、２７……半径方向入口
流路、２８……軸方向液体付与流路、２９……霧
化面（円錐台形面）、３０……液体供給管、３１
……液体供給手段、……超音波駆動装置、…
…振動増巾器、３４……第１の円筒状部分、３５
……第２の円筒状部分、３６……第３の部分、３
７……減結合スリーブ、３８……円筒状のベース
部。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 所定の超音波作動周波数の縦振動変位を与え
    る出力平面を有した駆動手段を備え、 段付きの超音波ホーンの形態の振動増巾手段を
    更に備え、この振動増巾手段は第１の円筒状部分
    と、第２の円筒状のプローブ部分とを含み、上記
    第１の円筒状部分は上記駆動手段の出力平面に一
    致した入力端を有し、上記第１の円筒状部分の長
    さは上記作動周波数の1/4波長に等しく、上記第
    ２の円筒状プローブ部分は上記第１の円筒状部分
    の他端から延び、そして上記第１部分の直径より
    も実質的に小さな直径を有し、 上記第２の円筒状プローブ部分の外端にあるフ
    ランジ付きチツプを更に備え、このフランジ付き
    チツプの直径は上記プローブ部分の直径よりは大
    きいが、上記第１の円筒状部分の直径よりは小さ
    く、上記フランジ付きチツプの外面は霧化面を形
    成し、 そして、上記駆動手段により生じた振動によつ
    て霧化を行うため上記霧化面へ液体を付与する手
    段を更に備えたような超音波霧化器において、 上記霧化面は凸状の円錐形状を有し、この円錐
    形状の軸は上記縦振動の方向と平行であり、そし
    て上記円錐形状の頂角は霧化液体の予め選択され
    たスプレー円錐角に対する補角であることを特徴
    とする超音波霧化器。 ２ 上記霧化器へ液体を付与する上記手段は、上
    記プローブ部分及びフランジ付きチツプを通して
    軸方向に延びる液体付与流路と、上記霧化面の中
    心にある開口とを備えた特許請求の範囲第１項に
    記載の超音波霧化器。 ３ 上記霧化面は円錐台形面である特許請求の範
    囲第２項に記載の超音波霧化器。 ４ 上記フランジ付きチツプは、上記霧化面が縦
    モードでしか振動しないようにするため、上記円
    錐霧化面と隣接していて且つ上記霧化面のベース
    と同じ直径を有した短い円筒状部分を備えている
    特許請求の範囲第３項に記載の超音波霧化器。 ５ 上記振動増巾手段の上記第１部分は長さＡを
    有し、上記プローブ部分は長さＢを有し、そして
    上記フランジ付きチツプは軸方向長さＣを有し、
    ＢとＣとの和はＡより小さい特許請求の範囲第１
    項に記載の超音波霧化器。 ６ 上記プローブ部分の軸方向長さ、並びに上記
    フランジ付きチツプの円筒状部分及び円錐台形部
    分の軸方向長さは、上記プローブ部分の長さをx1
    とし、上記フランジ付きチツプの円筒状部分の長
    さをx2−x1とし、上記フランジ付きチツプの円錐
    台形部分の長さをx2−x3とし、上記チツプの円錐
    台形部分の外端から上記円錐台形面を含む円錐の
    頂点までの軸方向距離をx3−x4とし、上記プロー
    ブ部分の断面積をS0とし、そして上記フランジ付
    きチツプの円筒部分の断面積をS1とすれば、次の
    ような方程式によつて関係付けされる特許請求の
    範囲第５項に記載の超音波霧化器。 tan kx1＝Ｓ０／Ｓ１｛ｋ（ａｆ−ｂｅ）ｃｏｓ ｋ（ｘ２−ｘ１）−（ｃｆ−ｅｄ）ｓｉｎ ｋ（ｘ２−ｘ
    １    ）／ｋ（ａｆ−ｂｅ）ｓｉｎ ｋ（ｘ２−ｘ１）＋（ｃｆ−ｅｄ）ｃｏｓ ｋ（ｘ２−ｘ１）｝ 但し、 ａ＝−ｃｏｓ ｋ（ｘ２−ｘ４）／ｘ２−ｘ４：ｂ＝−ｓｉｎ ｋ（ｘ２−ｘ４）／ｘ２−ｘ４ ｃ＝ｋ ｓｉｎ ｋ（ｘ２−ｘ４）／ｘ２−ｘ４＋ｃｏｓ ｋ（ｘ２−ｘ４）／（ｘ２−ｘ４）２ ｄ＝−ｋ ｃｏｓ ｋ（ｘ２−ｘ４）／ｘ２−ｘ４＋ｓｉｎ ｋ（ｘ２−ｘ４）／（ｘ２−ｘ４）２ ｅ＝−（x3−x4）ｋ sin ｋ（x3−x4）−cos ｋ（x3−x4） ｆ＝（x3−x4）ｋ cos ｋ（x3−x4）−sin ｋ（x3−x4）
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