JPS6341626B2 - - 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、インクなどの液体を微粒化するための霧化装
置に関し、さらに詳しくは、圧電セラミツクなど
の電気的振動子の超音波振動を利用し、液体をノ
ズルから噴射して微粒化する超音波噴射霧化装置
に関するものである。

従来例の構成とその問題点 従来、この種の霧化装置には種々構成のものが
提案されており、例えば第１図に示すようなイン
ク微粒化装置が代表的なものである。

第１図において、インクカートリツジ室１の中
に設けられたインクカートリツジ２は、パイプ３
にて、インク噴射ヘツドの本体４に設けられた第
１インク室５と接続されている。第１インク室５
は第２インク室６とオリフイス７にて連通され、
第２インク室６の一面は、振動板８および圧電振
動子９より成る振動体が設けられている。

第１インク室５は、オリフイス７と同軸に設け
られたオリフイス１０にて、空気室１１と連通さ
れ空気室１１はオリフイス７および１０と同軸に
設けられたオリフイス１２にて外気に連通されて
いる。

空気室１１はパイプ１３にて、およびインクカ
ートクツジ室１は、パイプ１４にて、エアコンプ
レツサ１５の吐出側と連結され図中の矢印のよう
に空気が流れる構成となつている。

圧電振動子９はパルス電圧で附勢され、第２イ
ンク室６側に歪を生じる。この結果、第２インク
室のオリフイス７に向つて圧力波が伝達され、こ
の圧力波はオリフイス１０に伝えられ、インク液
滴１６が噴射される。オリフイス１２からはエア
コンプレツサ１５により図の矢印のように気流が
噴出されており、この噴出気流は、インク液滴１
６の飛翔特性を改良するものである。

しかしながら、このような霧化装置には以下に
述べるような欠点があつた。

すなわち、第１図において、オリフイス１０は
その前後でインク層と空気層という異質流体に面
しており、オリフイス１０に発生する液体、すな
わちインクの表面張力によつてこの状態が保たれ
ている。インクカートリツジ室１に対し、エアコ
ンプレツサ１５の発生する圧力が印加されてい
る。これは空気室１１に空気を圧送してオリフイ
ス１２から気流を噴出させる構成とした場合、空
気室１１の圧力上昇によりオリフイス１２に発生
する表面張力が破れて、第１インク室５に空気室
１１から空気が流入する可能性があるのでこれを
防止するような圧力関係を維持するためである。

このような構成の場合には、オリフイス１２、
したがつてオリフイス１０の臨む外気圧力が大気
圧に保たれていることが必要条件であり、インク
ジエツトプリンターなどのような特殊な応用の場
合には、ほぼ満足され得るものである。しかしな
がら、オリフイス１２の前方からオリフイス１２
に向つて強風が加えられたり、高圧力下におかれ
たり、逆にオリフイス１２が強い負圧状態下に置
かれたりすると、オリフイス１０前後の適正な圧
力関係がくずれ、第１インク室５に空気が流入し
たり、空気室１１にインクが溢出したりするとい
う欠点があつた。

また、このような霧化装置を燃焼機に応用しよ
うとした場合には、前述したようなオリフイス１
０前後の適正圧力関係の維持が困難な場合が多か
つた。なぜならば、オリフイス１０が密閉燃焼室
に臨む構成となる場合が多く、密閉燃焼室の圧力
変動を防止することが困難であるからである。

従つて、従来の霧化装置は、特殊な応用に限定
されるを得ず、極めて汎用性に欠けるものであつ
た。

発明の目的 本発明は、上記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。

その目的とするところは極めて簡単な構成によ
り霧化粒子を噴射するノズルがどのような圧力下
に置かれても安定に液体噴射し、かつ機能を発揮
することができ、従つて極めて汎用性に富んだ霧
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、液体が充填される加圧室と、加圧室
に臨んで設けられたノズルと、加圧室の液体を加
振する電気的振動子とを備え、前記電気的振動子
の振動により前記ノズルより液体を噴射し微粒化
する構成とすると共に、加圧室に接続した密閉構
造のタンク内の液面にノズルが臨む外気の圧力に
かかわらず前記加圧室の内圧を前記外気の圧力に
略等しいか、それ以下の圧力に維持する内圧維持
手段を設ける構成とし、外気の圧力のいかんにか
かわらず、前記ノズル前後の圧力関係を安定な霧
化動作を保証し得る関係に維持するようにしたも
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。

第２図において、温風機ケース１７の上面に設
けられた操作部１８は制御部１９に運転開始指令
を与える構成となつている。

制御部１９は運転開始指令を受けると、送風モ
ータ２０を起動し、送風フアン２１と差圧発生フ
アン２２が回転される。したがつて燃焼空気が吸
込口２３より図の矢印のように吸い込まれ霧化室
２４、混合室２５、燃焼室２６にそれぞれ設けら
れたスワラー２７，２８、および２９に送られ排
気筒３０より排出される。

一方、燃料である灯油は、タンク３１よりパプ
３２にて液面を一定に制御するレベラ３３に送ら
れレベラ３３からパイプ３４にて霧化部３５に送
られるように構成された燃料供給系により霧化部
３５に供給される。

運転停止時においては、パイプ３４内の液面は
図のＡの位置にレベラ３３にて制御されている。
前述したように送風モータ２０の起動により差圧
発生フアン２２が附勢され、その吐出側３６と吸
込側３７との間には差圧力ΔP₁が発生する。吐出
側３６はパイプ３８にてレベラ３３と接続される
と共に、パイプ３９にて霧化室２４と、そしてパ
イプ４０にてタンク３１と接続されている。

また、吸込側３７は、パイプ４１にて霧化部３
５と接続されている。

このような構成により霧化室２４の圧力P₁は
レベラ３３タンク３１に印加されるのでタンク３
１とレベラ３３は常に霧化室２４の圧力P₁と等
しい圧力となる。

吸込側３７の圧力P₂はこの結果 P₂＝P₁−ΔP₁ という圧力となり、レベラ３３の内圧（すなわち
霧化室２４の圧力P₁）よりもΔP₁だけ低い圧力と
なるのである。

この圧力はパイプ４１および霧化部３５を介し
てパイプ３４内の位置Ａの液面に印加されるので
液面は上昇し霧化部３５内を灯油で充填してパイ
プ４１内の位置Ｂに達するのである。

したがつて、霧化部３５内は灯油で満たされ、
その圧力P₃は位置Ａからの高さをｈ、灯油の密
度をρとするとP₃＝P₁−ρ・ｈとなる。この圧
力関係を図示すると第３図のようになる。P₂を
圧力源（負圧力）としてP₃が発生し、このP₃は
パイプ３４内を灯油が流れる場合に発生する流路
抵抗による変動は生じるけれども基本的には、灯
油の密度ρと位置Ａからの霧化部３５の高さｈお
よび霧化室２４の圧力P₁とにより決定されるも
のであり、外気圧とは無関係となる。すなわち霧
化部３５の内圧P₃と霧化室２４の圧力P₁との圧
力差ΔP₂は、ΔP₂＝P₃−P₁＝−ρ・ｈとなり、P₁
大小に無関係に一定となるのである。また、吸込
側３７の圧力P₂と霧化室２４の圧力P₁との圧力
差もP₂−P₁＝−ΔP₁となり、P₁の変動に無関係に
一定となる。

この圧力関係は、後述する霧化部３５の安定な
霧化動作を保証する上で極めて重要である。

このようにして霧化部３５内には灯油が所定の
圧力てい充填される。

次に霧化部３５は、制御部１９にて付勢され霧
化室２４に霧化粒子４２を噴霧する。霧化粒子４
２は混合室２５に送られ点火器４３にて点火さ
れ、一瞬の間混合室２５で燃焼するが、ここで保
炎する程の空気が供給されていないので燃焼室２
６へ火炎が移行し、保炎筒４４にて保炎され、火
炎４５を形成する。

点火器４３により着火時において、霧化室２４
の圧力P₁は場合によつては、異常に高い圧力と
なるがこの場合も、霧化部３５の内圧P₃および
吸込側３７と霧化室２４との圧力関係は影響を受
けずΔP₁，ΔP₂は一定に保たれるのである。

なお、４６は対流フアンである。

次に霧化部３５についてさらに詳しく説明す
る。

第４図は、霧化部２５のさらに詳しい一実施例
を示す断面図であり、第２図と同符号は相当物で
ある。第４図において、霧化部３５は、内部に直
径が５〜15mm、深さ１〜５mm程度の円筒形の加圧
室４７を設けたボデイー４８と、ボデイー４８が
ビス４９にて固定されたケース５０などにより構
成されている。ケース５０は、ビス５１，５２に
て霧化室２４の壁面に取付られている。

加圧室４７の一面は、厚さ30μｍ〜100μｍの金
属性ノズル板５３で構成され、ノズル板５３の外
周はボデイー４８に半田付されている。

ノズル板５３の中央には突起部５４が設けら
れ、この突起部５４に、直径30μｍ〜100μｍのノ
ズル５５が複数個設けられており、ノズル５５は
加圧室４７の中央に臨んでいる。

さらにノズル板５３には直径５〜15mm、厚さ
0.5〜２mmの円板状の圧電振動子５６が半田付さ
れている。圧電振動子５６の中央部には図のよう
に円形の開口５７が設けられ、この開口５７に突
起部５４が臨んでいる。圧電振動子５６のノズル
板５３との接着面と、その対向面とには図示して
いないが全面に電極が設けられており、リード線
５８が半田付されている。リード線５９はビス４
９にてボデイー４８に接続されており、ノズル板
５３を介して圧電振動子５６の電極と電気的に接
続されている。

このような構成の霧化部３５は次のような動作
原理により霧化粒子４２をノズル５５より噴射す
る。制御部１９からは圧電振動子５６に対し、リ
ード線５８，５９により、第５図ａ，ｂ、又はｃ
如き交流電圧が供給される。

交流電圧の正の半サイクルが印加されると圧電
振動子５６はその径方向に伸張歪を生じ逆に負の
半サイクル電圧の印加により圧縮歪を生じる。す
なわち交流電圧の極性に応じて径方向の伸縮振動
を行う。しかしながら圧電振動子５６はノズル板
５３と接着されて、非対称バイモルフ振動体を形
成しているので、前記の径方向振動は、加圧室４
７の軸方向（第４図の左右方向）のたわみ振動と
なり結果として圧電振動子５６とノズル板５３と
は周辺が固定された複合円板のたわみ振動を行
う。ノズル板５３の中央部は、圧電振動子５６の
開口５７に位置するので、そのたわみ振動の振巾
は、圧電振動子のたわみ振動振巾に比べて非常に
大きくなり、見かけ上、ノズル板５３の中央部
（開口５７に臨む部分）のみがたわみ振動を行う
と見なすことができる。したがつて、ノズル５５
近傍のみが大きく第４図の左右方向に印加電圧の
極性に応じて振動する。加圧室４７側にたわみを
生じたときノズル５５の近傍は圧力上昇が生じ、
ノズル５５からは図のように灯油が霧化粒子４２
となつて噴射される。次に反対側にたわみを生じ
たとき、ノズル５５からの空気の流入はノズル５
５に発生する灯油の表面張力により阻止されてい
るので、結果として噴射された灯油に相当する加
圧室４７内の体積減少は、加圧室４７内の圧力減
少を引き起こし、この圧力減少により、パイプ３
４より灯油が吹い上げられ、自給ポンプ作用を果
すことができる。このようにして、圧電振動子５
６に供給される交流電圧により噴射される霧化粒
子４２の発生タイミングを自由に制御でき、第５
図ａ，ｂ又はｃのような交流電圧供給により平均
霧化量の制御を行うことができる。

また、ノズル５５近傍のみが大振巾で振動する
構成であるので、灯油などの溶存空気を多く含む
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、極めて安定に噴霧するこ
とができる。このように極めて簡単な構成で、し
かも自給ポンプ作用を発揮しながら霧化動作を実
現できるためにはノズル５５からの空気流入を防
止し、かつ安定なノズル５５からの霧化粒子噴射
を保証するためにはノズル５５前後の圧力バラン
スが極めて重要であり、このことは前述の説明よ
り明らかであろう。すなわちノズル５５の臨む外
気の圧力P₁霧化室２４の圧力）に対し、加圧室
４７の圧力P₃は略同等かもしくはそれ以下であ
つて、ノズル５５に発生する灯油の表面張力を破
らない圧力であることが必要であり、この圧力関
係を維持することが安定な霧化動作を保証するた
めの重要な条件である。第２図および第３図にお
いて説明した圧力P₁，P₂，P₃の圧力関係はまさ
に上記圧力関係を示すものであり、これを第４図
中に示すと図のP₁〜P₃となるものであり、第３
図を参照すればノズル５５前後の圧力関係が霧化
室２４の圧力P₁大小に依存しないことは明らか
である。

このような圧力関係により、第６図に示すよう
に、霧化室２４の圧力P₁が変化しても加圧室４
７の圧力P₃およびパイプ４１の圧力P₂はP₁に定
従して変化し、それらの差圧ΔP₁，ΔP₂はP₁の変
化に関係なくほぼ一定に保たれる。したがつて圧
力P₁がどのような圧力レベルに変化しても極め
て良好な霧化動作を維持することができるのであ
る。

第７図は、本発明の他の実施例を示すものであ
り、本発明の一実施例を内燃機関に適用したもの
である。

第７図において、６０は第４図の構成と基本的
に同等な霧化部であり、６１はタンク、６２はレ
ベラであり、液面高さＡ，Ｂは第４図における
Ａ，Ｂに相当する。

シリンダ６３はピストン６４を内部に備え、ピ
ストン６４はクランク６５にて軸６６に回転運転
を与える。６７，６８は吸気弁および排気弁であ
る。６９は、圧力バランス用の開閉弁であり、図
は開状態であつて、霧化粒子７０が霧化部６０よ
りシリンダ６３内に噴射されている。

この内燃機関はデイーゼル機関を示し、開閉弁
６９は、、燃料噴射工程時のみ開くように電気的
に、又は軸６６の回転により機械的に制御され
る。したがつてパイプ７１によりレベラ６２およ
び６１に導入される圧力は、燃料噴射工程時のシ
リンダ６３内圧となる。７２は差圧発生ポンプで
あり、液面を位置Ａから位置Ｂに上昇させるもの
である。

このように霧化部６０のノズルが臨む外気圧
力、すなわち吐出管７２の圧力をタンク６１，レ
ベラ６２などの燃料供給系に印加し、差圧発生用
ポンプ７２にて霧化部６０の内圧を吐出管７３の
圧力と同等もしくはそれ以下の圧力としているの
で先の実施例で詳細に説明したのと同様に内燃機
関であつても、極めて安定に燃料噴霧を行うこと
ができる。

発明の効果 以上のように本発明によれば加圧室にノズルを
臨ませ加圧室の液体を電気振動子にて加振する構
成とし、加圧室に接続された密閉構造のタンクを
設けると共に、タンク内の液面にノズルが臨む外
気の圧力を印加する外気圧印加手段と、前記加圧
室の圧力を前記外気圧力に略等しいか、もしくは
それ以下の圧力に維持する内圧維持手段を設ける
構成としたので、極めて簡単な構成により、ノズ
ルが面する外気の圧力のいかんにかかわらず極め
て安定に霧化粒子を噴射することができ、しかも
良好なポンプ機能を発揮することができる霧化装
置を実現することができ、非常に汎用性に優れ、
使い勝手の良好な霧化装置を提供することができ
るので、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図は従来の霧化装置の断面図、第２図は本
発明の霧化装置の一実施例を適用した温風機の断
面図、第３図は同温風機の圧力関係説明図、第４
図は同霧化装置のさらに詳しい一実施例を示す断
面図、第５図ａ，ｂ，ｃは圧電振動子の騒動電圧
波形図、第６図は第４図の霧化装置の圧力関係の
時間的変化例の説明図、第７図は、本発明の霧化
装置の他の実施例を適用した内燃機関の断面図で
ある。 ２２……差発発生フアン（差圧発生手段）、２
４……外気（霧化室）、３８，３９，４０……パ
イプ（外気圧印加手段）、２２，３３，３９，４
０，４１……内圧維持手段、４７……加圧室、５
５……ノズル、５６……圧電振動子（電気的振動
子）。

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
   んで設けられたノズルと、前記加圧室の液体を加
   振する電気的振動子と、前記加圧室に供給される
   液体を蓄え、前記加圧室に接続された密閉構造の
   タンクとを備え、前記タンク内の液面に前記ノズ
   ルが臨む外気圧力を印加する外気圧印加手段と、
   前記加圧室の内圧を前記外気の圧力に略等しい
   か、それ以下の圧力に維持する内圧維持手段とを
   備えた霧化装置。 ２ 内圧維持手段は、前記タンク内の液面に圧力
   を印加する外気圧印加手段と、前記加圧室と外気
   との間に設けた差圧発生手段とにより構成された
   特許請求の範囲第１項記載の霧化装置。