TWI556873B - Ultrasonic atomization device - Google Patents

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TWI556873B
TWI556873B TW104103252A TW104103252A TWI556873B TW I556873 B TWI556873 B TW I556873B TW 104103252 A TW104103252 A TW 104103252A TW 104103252 A TW104103252 A TW 104103252A TW I556873 B TWI556873 B TW I556873B
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Nobuyuki Kishine
Hatsume Fujita
Asako Furuta
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Ryohin Keikaku Co Ltd
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Description

超音波霧化裝置
本發明關於一種利用超音波振動來霧化容器內的液體之超音波霧化裝置，特別是關於一種小型且藉由少量的消耗電力便能夠有效率地進行霧化之超音波霧化裝置。
以往，已知一種超音波霧化裝置，其利用超音波振動器的超音波振動來將水等液體霧化而用於加濕器或吸入器(inhaler)等之中。此超音波霧化裝置，將超音波振動器設置在容器內的液體中，並將高頻電壓施加到此超音波振動器而產生超音波振動，此超音波振動的能量傳送到液面，使液面的一部分隆起而形成液體隆起部，自此處產生細微的霧化粒子。
利用此超音波振動來產生霧的原理，被認為是對液體賦予超音波振動，以在液面和液體內部產生固有頻率的毛細波(表面張力波，capillary wave)和空洞現象(cavitation)，藉此在液面製造無數個毛細波，以產生霧狀的微細的水滴。
在上述這種以往的超音波霧化裝置中的霧化，因為放任對液體中所放出的超音波振動的指向性，所以並未有效地使用全部的超音波振動的能量來進行霧化，又，因為液體的毛細波也是自然產生，所以自形成於液面上的液體隆起部 所產生的霧化粒子算是偶然得到的產物，而造成霧化效率惡化。進一步，放出到液體中的超音波振動在水面反射，由於此種反射波的超音波振動到達超音波振動器，而干擾到藉由超音波振動器所產生的振動波，其結果，有時會妨礙到藉由超音波振動器所產生的超音波振動，而造成霧化效率惡化。
反過來說，此種情況在以往的超音波霧化裝置中，會造成為了得到預定的霧化量，而使超音波振動器的動作，必須是以包含對於霧化沒有貢獻的無用的超音波振動成分的形式來產生超音波振動，因此意味著必須要有大的驅動電力，而有電力無用地消耗的問題。
又，利用以往的超音波霧化裝置所產生的霧化粒子，是自藉由超音波振動在液面所形成的液體隆起部而放任自然地形成，因為僅是如蒸氣般緩緩升起，所以必須設置風扇等以送風的方式搬送來使所產生的霧飛散到想要的方向。又，因為液體隆起部是形成在液面，所以容易在界面產生液體飛沫，而有液滴容易飛散的問題。
進一步，如上述，以往的超音波霧化裝置，因為用以使超音波振動器進行動作的驅動電力大，所以超音波振盪電路容易發熱，而需要冷卻風扇來冷卻此超音波振盪電路。又，在水用完等這樣的沒有要霧化的液體而變成無負荷狀態的場合，恐怕會因為發熱等而造成超音波振盪電路破損，所以也必須設置破損防止電路。因此，以往的超音波霧化裝置，會有電路和裝置大型化這樣的問題。
針對這些以往的超音波霧化裝置的問題點，提案有 一種超音波霧化裝置(參照專利文獻1)，其在超音波振動器的對向側的液體中配設筒體，該筒體使自超音波振動器朝向遠離的方向傳播的超音波振動集中，藉此有效地利用超音波振動的能量來實現穩定的霧化量，且有助於低消耗電力化和小型化。然而，此發明雖然使用筒體來使超音波振動集中而提高超音波振動的能量來提升霧化效率，但是在液面形成液體隆起部而使霧化粒子自然產生這一點上，與以往的超音波霧化裝置並沒有分別；又，尚未解決下述問題：為了使所產生的霧飛散到想要的方向而必須設置風扇等的問題、在界面產生液體飛沫而液滴容易飛散這樣的問題、及關於來自水面的反射波會妨礙超音波振動順暢地產生這樣的問題。
在此種現況中，本發明人想到將具有多數個微小的貫通孔之多孔板配設在藉由超音波振動而隆起的液面的液體隆起部的部分，來大幅地增加霧化量，而提案一種超音波霧化裝置，其能夠利用少量的消耗電力來有效率地使液體進行霧化(參照專利文獻2)。
[先前技術文獻]
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開2009-28582號公報
專利文獻2：日本特開2013-221633號公報
非專利文獻1：電子資訊通信學會論文誌A Vol.J80-A, No.10, pp.1614-1620, 1997年10月
非專利文獻2：日本機械學會演講論文集, No.114-1(11.3關西支部第86期定時總會演講會)
本發明的目的在於提供一種超音波霧化裝置，其能夠進一步提升本發明人先前已提出的配設有多孔板之超音波霧化裝置的液體霧化性能，更加小型且利用較低的消耗電力便能有效率地進行霧化。
本發明人，為了要提升先前已提出的配設有多孔板之超音波霧化裝置的性能，進行深入的檢討，結果發現，藉由在超音波霧化裝置的超音波振動器的上部，配置具有開口部之墊片狀構件或容器底板，便可更進一步提升液體的霧化性能而完成本發明。
亦即，本發明是將以下內容作為主旨之發明。
(1)一種超音波霧化裝置，將超音波振動給予到容器內的液體而在液面形成液體隆起部及/或飛沫部，來霧化前述液體，該超音波霧化裝置的特徵在於：在前述容器的底部進一步設置凹陷部，並在該凹陷部的底部設置超音波振動器，且以覆蓋該凹陷部的狀態來配置其中心具有開口部之墊片狀構件、或利用具有開口部之容器底板來覆蓋該凹陷部，該容器底板的開口部變成在該凹陷部的中心的開口位置；並且，具備形成有多數個微小的貫通孔之多孔板、及配設機構，該配設機構將此多孔板配設在預定位置；其中，前述多孔板經由彈性保持構件而被安裝在前述配設機構上，藉由此配設機構，前述多孔板的底面，被配設在當超音波振動器動作時會 接觸到所形成的液體隆起部及/或飛沫部之位置。
(2)如前述(1)所述的超音波霧化裝置，其中，前述墊片狀構件的開口部的直徑(d)、或容器底板的開口部的直徑(d)，相對於超音波振動器的直徑(D)之比率(d/D)是在0.4~0.55的範圍內。
(3)如前述(1)或(2)所述的超音波霧化裝置，其中，前述凹陷部的深度(h)，是在藉由前述超音波振動器所產生的超音波的波長(λ)的2~12倍的範圍內。
(4)如前述(1)至(3)中任一項所述的超音波霧化裝置，其中，前述多孔板的厚度是0.02mm~0.05mm，該多孔板的貫通孔的孔徑是0.002mm~0.100mm。
(5)如前述(1)至(4)中任一項所述的超音波霧化裝置，其中，前述多孔板，被配置在比液面更上方且位於自液面算起至與液面的距離是水深的90%的範圍內的位置。
(6)一種超音波加濕器，將超音波振動給予到容器內的水而在水面形成液體隆起部及/或飛沫部，來霧化前述水，該超音波加濕器的特徵在於：在前述容器的底部進一步設置凹陷部，並在該凹陷部的底部設置超音波振動器，且以覆蓋該凹陷部的狀態來配置其中心具有開口部之墊片狀構件、或利用具有開口部之容器底板來覆蓋該凹陷部，該容器底板的開口部變成在該凹陷部的中心的開口位置；並且，具備形成有多數個微小的貫通孔之多孔板、及配設機構，該配設機構將此多孔板配設在預定位置；其中，前述多孔板經由彈性保持構件而被安裝在前述配設機構上，藉由此配設機 構，前述多孔板的底面，被配設在當超音波振動器動作時會接觸到所形成的液體隆起部及/或飛沫部之位置。
(7)一種超音波芳香揮發器，將超音波振動給予到容器內的包含芳香成分的水而在水面形成液體隆起部及/或飛沫部，來霧化前述水，該超音波芳香揮發器的特徵在於：在前述容器的底部進一步設置凹陷部，並在該凹陷部的底部設置超音波振動器，且以覆蓋該凹陷部的狀態來配置其中心具有開口部之墊片狀構件、或利用具有開口部之容器底板來覆蓋該凹陷部，該容器底板的開口部變成在該凹陷部的中心的開口位置；並且，具備形成有多數個微小的貫通孔之多孔板、及配設機構，該配設機構將此多孔板配設在預定位置；其中，前述多孔板經由彈性保持構件而被安裝在前述配設機構上，藉由此配設機構，前述多孔板的底面，被配設在當超音波振動器動作時會接觸到所形成的液體隆起部及/或飛沫部之位置。
依照本發明的超音波霧化裝置，藉由設置在容器的底部的凹陷部的超音波振動器所產生的超音波振動，會在由覆蓋凹陷部的上部之墊片狀構件或具有開口部之容器底板與凹陷部的壁面所形成的空間內反覆地反射，其結果使增強後的超音波振動的能量，自凹陷部的上部的墊片狀構件或容器底板的開口部放出。此增強後的超音波振動的能量集中在液面附近，而在液面形成大的液體隆起部且更形成飛沫部。在此液體隆起部的中心部，會產生自容器的底部朝向液面之液體的 流動(稱為聲音流(sound flow))，藉由此液體的流動所形成的液體隆起部及/或飛沫部，接觸到配設在液面的上方之多孔板，並通過已形成在多孔板上的多數個微小的貫通孔，藉此變成微細的霧狀而有力道地被放出到大氣中。進一步，藉由以覆蓋凹陷部的上部的方式設置墊片狀構件，而能夠防止來自水面的反射波到達且干擾超音波振動器。
另外，藉由設置在容器的底部的凹陷部的超音波振動器所產生的超音波振動，在覆蓋凹陷部的上部之墊片狀構件或容器底板與凹陷部的壁面所形成的空間內反射而產生的反射波、及藉由同樣的超音波振動器所產生的超音波振動在水面反射而產生的反射波，其相異處如下所述。亦即，前者因為是碰撞到墊片狀構件或容器底板、凹陷部的壁面等堅硬面而反射，所以波的性質會變成固定端反射，且反射波的相位會增幅彼此的振幅，而招致能量結合強化的作用。另一方面，後者因為是碰撞到水面這樣的柔軟面而反射，所以波的性質會變成自由端反射，且自超音波振動器所產生的波的相位與來自墊片上的構件和壁面之反射波的相位，使振幅衰減，而招致能量結合弱化的作用。
在本發明這樣的超音波霧化裝置中，在由凹陷部與墊片狀構件或具有開口部之容器底板所包圍的空間內，使超音波振動增強，並藉由形成有多數個微小的貫通孔之多孔板的細分化(subdivision)作用來將這樣大幅增強的超音波振動液體變成微細的霧狀的液滴，而相較於以往的超音波霧化裝置，能夠利用較少的消耗電力便能效率地將超音波振動給予 到液體來得到更大的霧化量。進一步，墊片狀構件或具有開口部之容器底板會防止來自水面的反射波到達超音波振動器，所以超音波振動的能量沒有衰減而能夠有效率地進行霧化。因為這些理由，雖然以往的超音波霧化裝置需要使用100V的交流電源，但是在本發明的超音波霧化裝置中，例如能夠以乾電池等來作為電源，而能夠作為小型且緊湊(compact)的霧化裝置。
又，在本發明的超音波霧化裝置中，因為自多孔板的微小的貫通孔噴出的霧，是藉由超音波振動所產生的聲音流而向貫通孔的開口方向而形成有力道的流動，所以藉由將多孔板的頂面朝向想要的方向並使多孔板的底面接觸到液體，便能夠使霧狀的液滴朝向想要的方向放出且飛散。因此不需要使用風扇等進行送風來將所產生的霧搬運到想要的方向。另外，在本發明中，「液體隆起部」是指超音波振動的能量集中到液面附近而形成的水面的隆起，「飛沫部」是指自「液體隆起部」的頂部，以噴射流狀噴出的液滴，任一種都表示液體的霧化前的狀態。
1‧‧‧容器
2‧‧‧凹陷部
3‧‧‧超音波振動器
4‧‧‧墊片狀構件
5‧‧‧配設機構
6‧‧‧多孔板
7‧‧‧彈性保持構件
8‧‧‧貫通孔
9‧‧‧多孔板保持構件
10‧‧‧液體隆起部或飛沫部
11‧‧‧橡膠襯墊
12‧‧‧振盪電路
13‧‧‧容器底板
14‧‧‧容器底板的開口部
41‧‧‧墊片狀構件的開口部
第1圖是表示本發明的超音波霧化裝置的一例的說明圖。
第2圖是表示本發明的超音波霧化裝置的其他例的說明圖。
第3圖是表示本發明的超音波霧化裝置的其他例的說明圖。
第4圖是本發明的墊片狀構件的剖面圖的一例。
第5圖是表示超音波振動器的動作時的液體隆起部和飛沫部的狀態的一例的照片。
第6圖是表示在沒有墊片狀構件的場合的液體隆起部的狀態的照片。
第7圖是表示在墊片狀構件的開口徑是5.1mm的場合的液體隆起部和飛沫部的狀態的照片。
第8圖是表示在墊片狀構件的開口徑是6.0mm的場合的液體隆起部和飛沫部的狀態的照片。
第9圖是表示在墊片狀構件的開口徑是6.6mm的場合的液體隆起部和飛沫部的狀態的照片。
以下，使用圖式來更詳細地說明本發明。
第1圖是表示本發明的超音波霧化裝置的一例的說明圖。在收容有水等液體之容器1的底部，設置比其他底部更加凹陷之凹陷部2，且在此凹陷部2的底部設置超音波振動器3。在此超音波振動器3的上部，配置有墊片狀構件4或具有開口部14之容器底板13，該墊片狀構件4或該具有開口部14之容器底板13，以從上面覆蓋凹陷部2的狀態來覆蓋凹陷部2。此墊片狀構件4，是其中心具有開口部41之板狀的構件，雖然只要形狀是覆蓋凹陷部2整體的形狀即可，並沒有特別限定，但是例如在凹陷部2的形狀是圓柱狀的場合，也可形成甜甜圈狀，該甜甜圈狀以比凹陷部2的直徑稍微大的外徑來形成。又，如第2圖所示，具有開口部14之容器底板 13，是以從上面覆蓋凹陷部2的狀態來安裝容器1的底板，且在凹陷部2的大約中心的位置設置有開口部14。進一步，具備形成有多數個微小的貫通孔8之多孔板6、及配設機構5，該配設機構5將此多孔板6配設在預定位置，其中，此多孔板6經由(隔著)彈性保持構件7而被安裝在前述配設機構5上。此多孔板6，藉由配設機構5，多孔板6的底面，被配設在當超音波振動器3動作時會接觸到液體隆起部或飛沫部10之位置。多孔板6的厚度是0.1mm以下這樣的非常薄且纖細的構造，所以為了多孔板6的補強及使用方便性而以包圍多孔板6的周圍的方式安裝有多孔板保持構件9。
在本發明的超音波霧化裝置中，在收容水等液體之容器1的底部，例如第1圖所示，經由防止漏水用的環狀橡膠襯墊(rubber packing)11來安裝超音波振動器3。藉由此橡膠襯墊11等而在容器1的底部與超音波振動器3的頂面之間形成凹陷部2。凹陷部2的尺寸，是能夠收容且固定超音波振動器3的尺寸，也可以稍微比超音波振動器3更小。一般來說，超音波振動器3是圓盤狀的形狀，所以凹陷部也可以配合此種超音波振動器的形狀，而只要以比容器1的底部更加朝向下方凹陷成圓柱狀的方式來形成即可，該凹陷部的直徑，也可以稍微比超音波振動器3的直徑更小。
進一步，容器的構成方式，是在此凹陷部2的上部，從上面覆蓋凹陷部2的狀態來配置其中心具有開口部41之墊片狀構件4、或利用容器底板13來覆蓋該凹陷部，且在凹陷部2的位置具有開口部14，以形成空間，該空間是由凹陷部 2與墊片狀構件4或具有開口部之容器底板所包圍。藉由超音波振動器3所產生的超音波振動，在此包圍的空間中，被凹陷部2的壁面與墊片狀構件4或具有開口部14之容器底板13反覆地反射而增強超音波能量。此增強後的超音波能量，通過墊片狀構件4的開口部41、或容器底板13的開口部14，而放出到容器1本體的液體中。
雖然墊片狀構件4，是以覆蓋凹陷部2的狀態來配置，但是不一定要直接固定在容器1上，也可以是經由用以支持墊片狀構件4之構件來間接固定在容器1上，以變成空出間隙的狀態和從容器1的底部稍微浮起的狀態。雖然墊片狀構件4的材質，較佳是金屬製，特別是不鏽鋼製，但是也能夠使用陶瓷製和樹脂製等。
墊片狀構件4的開口部41、或容器底板13的開口部14，從在由凹陷部2與墊片狀構件4或容器底板13所包圍的空間內使超音波能量增強而放出這點、及防止來自水面的反射波到達超音波振動器3這點來考量，其尺寸有較佳範圍，也就是墊片狀構件或容器底板的開口部的直徑(d)，相對於超音波振動器的直徑(D)之比率(d/D)，較佳是在0.4~0.55的範圍內。若比0.4更小，則所產生的超音波能量不能夠有效率地放出到外部；若比0.55更大，則從太早的階段就進行超音波能量的放出，而不能夠得到充分增強的超音波能量，進一步，來自水面的反射波會通過開口部41或開口部14而侵入凹陷部2內，恐怕會減弱超音波振動。
又，前述凹陷部2的深度也具有較佳範圍。從防止 漏水這點來考量，較佳是在1mm以上；但是從使超音波能量增強且放出這點來考量，凹陷部2的深度(h)，較佳是在藉由超音波振動器所產生的超音波的波長(λ)的2~12倍的範圍，更佳是在4~7倍的範圍。例如，在能夠給予1.7MHz的振動之超音波振動器的場合，因為在水溫20℃的水中的超音波的波長是0.87mm，所以，此場合的凹陷部的深度(h)較佳是設為1.7~10.4mm，更佳是設為3.5~6.1mm。
其次，前述形成有多數個微小的貫通孔8之多孔板6，只要是厚度0.02mm~0.05mm程度且形成有多數個貫通孔的金屬製薄板即可，該貫通孔在上下方向(厚度方向)貫通該金屬製薄板；該金屬製薄板也可以是平板狀，也可以是曲板狀、碗狀。在此多孔板上形成的微小的貫通孔，可以採用的孔徑是0.002mm Φ~0.100mm Φ的程度。使用的多孔板在每1cm2設置有480~4500個這種貫通孔。
而且，藉由前述配設機構，將此多孔板6的底面，配設在當超音波振動器動作時會接觸到所形成的液體隆起部及/或飛沫部10之位置。亦即，此多孔板6的底面不需要一直接觸到液體，而是當超音波振動器沒有進行動作時就不會接觸到液體，當超音波振動器進行動作而形成液體隆起部或飛沫部10時就會接觸到液體隆起部或飛沫部10。此時，不希望多孔板6的頂面會變成接觸到液體的狀態，較佳是徹底使多孔板6的頂面接觸到大氣，而將多孔板6配設在僅使霧化的液滴由貫通孔8放出的位置。進一步，此多孔板，相對於在液體中傳播的超音波振動的行進方向不需要配設在垂直方 向，也可以相對於行進方向傾斜地配設。
本發明的超音波霧化裝置，如後述，自容器的凹陷部所設置的超音波振動器放出且增強後的超音波振動，在液體中變成聲音流而朝向液面傳播，如第5圖所示，在液面形成液體的圓錐狀液體隆起部和自此液體隆起部的頂端以噴射流狀放出的液體的飛沫部。此液體隆起部和飛沫部的尺寸，是藉由所使用的超音波振動器的輸出和尺寸等來改變，進一步，如第6圖~第9圖所示，藉由墊片狀構件的有無而改變、及藉由適當地選擇墊片狀構件的開口徑(opening diameter)來形成大的液體隆起部和飛沫部。
針對多孔板，若孔徑變小，則因為表面張力而有水無法通過的臨界的孔徑。在將孔徑設定成比0.15mm更小的場合，就必須想出克服的辦法。在本發明中，因為藉由超音波振動所產生的毛細波和空洞(cavitation)現象，會造成表面張力的剪斷和形成液柱的噴射流的力道，所以即使是孔徑小到0.002mm Φ~0.100mm Φ也能夠通過。亦即，在多孔板的頂面(孔出口附近)只有空氣的場合，因為接觸到多孔板的底面的液體，會藉由超音波振動而變成表面張力被剪斷的狀態，所以能夠容易地通過貫通孔，而藉由噴射流的力道所造成的力量(壓力)會急劇地釋放在多孔板的表面，其結果能夠促進霧化。
形成有此多數個微小的貫通孔8之多孔板6，根據與液體隆起部或飛沫部10接觸位置和接觸狀態等，將液體霧化的程度會有大幅的變化。在多孔板6的底面接觸到液體隆起部或飛沫部10之前，幾乎不會發生液體的霧化，但是從多 孔板6的底面接觸到液體隆起部或飛沫部10的時點開始，便開始霧化，於是霧狀的液滴會自多孔板6的頂面的細孔開始放出。
隨著多孔板6的底面自接觸到飛沫部的頂部的位置朝向下方而逐漸下降，自多孔板6的細孔放出的霧化後的液滴的量會逐漸增加，而霧狀的液滴會在與貫通孔8相同的方向上有力道地噴出。多孔板6，當位於自飛沫部至液體隆起部的高度的大約1/2左右之間時，能夠表現出良好的霧化能力。亦即，即使長時間連續地進行霧化而使容器內的液面下降，只要多孔板6被保持在此範圍內就能夠穩定地達成霧化。但是，若將此多孔板6的位置更加下降到下方而靠近液面，則由於液體的流動而導致在多孔板的微細孔周圍的液體的反射力道變強，而使液體變成不容易通過微細孔，或者，因為已暫時霧化的水滴互相接觸結合而落下並聚集在多孔板6的頂面，所以會減少多孔板6與大氣的接觸面，其結果，會損害多孔板6所產生的霧化作用，而逐漸地減少已霧化的液滴的產生量。
因為此液體隆起部或飛沫部10的高度取決於容器內水深，所以為了在這些設定上達成良好的霧化量，而必須將多孔板6配置在液面的上方且位於自液面算起至與液面的距離是容器內水深的90%的範圍內的位置；進一步，較佳是配置在液面的上方且位於自液面算起至與液面的距離是水深的30%~70%的範圍內的位置。
彈性保持構件7，位於此多孔板6與配設機構5之 間，以使多孔板6在彈性狀態下保持在前述配設機構5上。彈性保持構件7，只要是有彈性的構件，而能夠彈性地保持多孔板，以將多孔板安裝在配設機構5上即可，例如是甜甜圈狀的低硬度的矽橡膠、或是甜甜圈狀的板彈簧等，該低硬度的矽橡膠形成厚度1mm程度的甜甜圈狀，該板彈簧是設置有多數個切入溝之0.1mm程度的薄的圓形不鏽鋼板。可以採用分別在這些彈性保持構件7的內周緣上，安裝用以保持前述多孔板6之多孔板保持構件9，又，在彈性保持構件7的外周緣上，安裝前述配設機構5等，但是不限於此。
前述配設機構5，只要能夠經由彈性保持構件7而將多孔板6配設到上述位置即可，而能夠採用各種的配設機構。如第1圖所示的一例，是正確地規定多孔板6與自容器底部算起的距離之構件，且能夠使液體在配設機構5的內側和外側自由流通的構造，例如，是桌腳狀的構件或具有液體流通用的缺口之筒狀構件等。又，也能夠是如第3圖所示，配設機構5，被裝卸自如地安裝在容器1的開口部，且能夠藉由此配設機構5來將多孔板6安裝配置在預定的位置。
能夠使用以往的超音波振動器來作為超音波振動器3，例如能夠使用將電極夾在壓電陶瓷的上下表面而構成平板狀的壓電型超音波振動器。超音波振動器3被連接到振盪電路12，將高頻率電壓自此振盪電路12施加到超音波振動器3，藉此使超音波振動在與超音波振動器3的振動面垂直的方向上對容器1內的液體振盪。
又，此超音波振動器3，較佳是以與墊片狀構件4 或具有開口部14之容器底板13的底面平行的方式而設置在已述的容器1的底部所設置的凹陷部2的底部，藉此利用凹陷部2來增強超音波能量，且使超音波振動器3的振動面朝向液面，該墊片狀構件4、或具有開口部14之該容器底板13，被配置成覆蓋凹陷部2的上部。若將超音波振動器3的振動面被平行地設置在墊片狀構件4或容器底板13的底面，則能夠有效率地增強超音波能量。
裝在容器中的水等液體，為了達成有效率的霧化，在容器中有較佳的水深。若水深太大，則自超音波振動器放射的超音波振動在朝向液面的途中就會衰減，相反地，若水深太小，則液體的流動受限制而無法產生充分大的液體隆起部。自此點來考量，將容器1內的水深設定在較佳的範圍中，容器內的水深，相對於超音波振動器3的直徑(D)之比率，較佳是在30%~90%的範圍內，更佳是在40%~70%的範圍內。為了使水深經常保持固定，在所具備的機構中，也可設置有在加濕器中所採用的補給用的水槽。
其次，說明本發明的超音波霧化裝置的動作。
若將高頻率電壓施加到超音波振動器3，該超音波振動器3設置在容器1的底部所形成的凹陷部2的底部，則來自超音波振動器3的超音波振動，會振盪且在凹陷部2的液體中朝向上方放射且傳播。此超音波振動，被覆蓋凹陷部2的上部之墊片狀構件4或具有開口部14之容器底板13與凹陷部2的壁面反覆地反射。進一步，在此反射中加入來自振盪中的超音波振動器3所產生的超音波振動，以增強在凹陷部2中 傳播的超音波能量。此增強後的超音波能量，自墊片狀構件4的開口部41、或容器底板13的開口部14，放出到容器1本體的液體中。此時，在水面反射的超音波振動會被墊片狀構件4、或具有開口部14之容器底板遮蔽，而不會侵入到凹陷部2內，藉此，不會產生由於水面的反射波所造成的超音波能量的衰減。藉此，在中心部產生朝向液面流動的聲音流，並變成使液面隆起的流動，而如第5圖所示地在液面形成圓錐狀的液體隆起部10及自此液體隆起部的頂部放出成為噴射流狀的液體的飛沫部。在此液體隆起部及/或飛沫部10的中心部，有朝向液面的流動，但是液體隆起部的外緣部不是靜止的，而是經常有回到容器底部的下降流動且劇烈地振動。
在本發明的超音波霧化裝置中，相較於僅是設置在容器底部之超音波振動器，能夠產生更大的超音波的聲音流，藉此所形成的液體隆起部會產生力道強大的液體流動，以形成更大的液體隆起部及/飛沫部。
此處的「聲音流」是如下所述。在流體中傳播的超音波，能夠以聲音輻射壓(acoustic radiation pressure)的方式成為作用在物體上的力量，「聲音流」是藉由此聲音輻射壓的差異所變成的驅動力而產生，且將液體朝向超音波的傳播方向推壓而流動。亦即，「聲音流」，是藉由在聲音流的傳播過程中的波動能量的一部分被轉換成使液體移動的能量的結果而產生，且流動的驅動力會沿著超音波的傳播路徑分布、存在而變成到達遠方的柱狀(參照非專利文獻1、2)。在本發明的超音波霧化裝置的場合，被認為是在凹陷部2的內 部增強後的超音波能量，會自墊片狀構件4的開口部41或容器底板13的開口部14放出，且在開口部41或開口部14產生朝向液面的強力的聲音流，而在液面形成大的液體隆起部及/或飛沫部。
將具備多數個微小的貫通孔8之多孔板6，配設在液體隆起部或飛沫部10被形成的位置。此多孔板6，例如是藉由薄板狀的矽橡膠製等的彈性保持構件7來彈性地保持而容許比較自由的移動，所以能夠一定程度地對應於液體隆起部或飛沫部10的運動而移動，而能夠以不會大幅地妨礙液體的激烈移動的方式來與液體接觸。此時，在容器內的液體隆起部或飛沫部10中，加入由聲音流所導致的流動，且藉由超音波振動來在液面和液體內部產生毛細波和空洞現象而產生表面張力的剪斷，以使液體變成非常容易微細化的狀態，此狀態的液體，通過貫通孔8且從多孔板6的頂面側開始變成有力道的霧狀的液滴，而被放出到大氣中。
藉由彈性保持構件7來間接保持這種形成有多數個微小的貫通孔8之多孔板6，則能夠使多孔板6彈性地接觸到藉由超音波振動而在液面形成的液體隆起部及/或飛沫部10，以在激烈運動的液體隆起部及/或飛沫部10內的液體不會失去力道的方式下，使多孔板6的底面與液體接觸。此時，液體隆起部及/或飛沫部10內的液體，藉由超音波振動的集中而變成表面張力容易被剪斷的狀態，此狀態的液體接觸到多孔板6會促進液體的表面張力的剪斷，而使表面張力已被剪斷的液體通過貫通孔8且有力道地被放出到大氣中。又，液 體通過貫通孔8的速度，即使在液體變成霧化粒子後也能夠繼續維持，所以能夠在多孔板6的貫通孔8的方向上形成具有規定的速度的液滴。
如以上所述，本發明的超音波霧化裝置，在凹陷部2的底部設置超音波振動器3，藉由此凹陷部2與墊片狀構件4、或具有開口部14之容器底板13來大幅地增強超音波能量，將此增強後的超音波能量自墊片狀構件4的開口部41、或容器底板13的開口部14放出。因此，相較於以往的超音波霧化裝置，能夠將更強的超音波振動給予到容器1內的液體，並且產生朝向液面的大的聲音流，而能夠在液面形成大的液體隆起部及/或飛沫部10。又，以覆蓋凹陷部2的上部的方式來設置墊片狀構件4、或具有開口部14之容器底板13，藉此防止來自水面的反射波到達且干涉超音波振動器3，而能夠防止超音波能量衰減。進一步，藉由利用彈性保持構件所保持的多孔板6的使用來促進以往是放任自然地進行的液面的剪斷作用，所以相較於以往的超音波霧化裝置，在相同條件下能夠大幅地增加霧化量。因此，在想要得到相同的霧化量的場合，相較於以往的超音波霧化裝置，能夠以更小的超音波能量來達成，而能夠省電力化。
又，因為相較於以往的超音波霧化裝置，為了得到相同的霧化量所需要的超音波振動器的驅動電力能夠減少，所以也能夠抑制超音波振盪電路的發熱。因此，在裝置內不需要設置冷卻風扇，以冷卻超音波振動器，進一步也不需要設置破損防止電路，以防止在水用完時等無負荷狀態下的超 音波振盪電路的破損。藉此，能夠進一步地減少消耗電力，並且能夠實現電路和裝置的小型化。具體來說，例如，以往的超音波霧化裝置是使用100V的電源，且需要11W程度的電力，相對於此，本發明的超音波霧化裝置，利用5~6V的電源和2~3W的電力就能夠達成充分的霧化。因此，能夠省略100V的電源線，而能夠僅使用4個1.5V的乾電池來作為驅動電源就可達成充分的霧化。
又，超音波霧化裝置的尺寸也能夠大幅地小型化。例如，以往的超音波霧化裝置，雖然是直徑80mm×高140mm且重量是335g的程度，但是本發明的超音波霧化裝置，能夠設定成直徑65mm、高110mm且重量是170g的程度。因此，雖然以往的超音波霧化裝置難以移動和手持搬運，但是本發明的超音波霧化裝置卻能夠極為容易且輕便地移動和手持搬運。
本發明的超音波霧化裝置，藉由加入水來使用，就能夠直接作為室內用的加濕器來使用。又，因為不需要電源線等，所以能夠輕鬆地手持搬運到室內需要的場所來使用。
又，本發明的超音波霧化裝置，藉由將添加有各種香料和精油(essential oil)、芳香成分之水加入容器中來使用，就能夠直接作為室內用的芳香揮發器(aroma diffuser)來使用。此場合，能夠對應於使用者的喜好來加入各個種類的香料成分而輕鬆地享受香氣。此場合也能夠在室內的任意場所來使用，可考慮例如在起居室中休息時使用，也可以在睡覺時放在枕頭旁使用。
作為在芳香揮發器(aroma diffuser)中使用的精油(essential oil)，例如能夠使用自薰衣草、檜木、甜橙、佛手柑、檸檬草、檸檬、尤加利、迷迭香、伊蘭、天竺葵、茶樹、葡萄柚等採取的精油。只要能夠配合使用者的喜好和現場的氣氛而在這些精油當中，適當地選擇精油且在芳香揮發器中的水裡面加入數滴即可。因為藉由超音波振動而使香味隨著霧氣揮發，所以能夠享受精油本來的香氣。
另外，因為矽橡膠吸收精油成分而造成劣化，所以在將精油添加到水裡面之芳香揮發器中，不能夠使用矽橡膠來作為彈性保持構件。此場合，較佳是使用不鏽鋼製或塑膠製的平板狀的板彈簧。
[實施例]
其次，藉由實施例來說明本發明。
(一)實驗裝置：
在以下的實驗中所使用的超音波霧化裝置，是由下述各構件的式樣所構成的第1圖所示的構造。
˙容器：透明壓克力樹脂製的方形容器
容器的內側尺寸：高度100mm×寬度100mm×縱深(長度)100mm
凹陷部的內徑：13mm
凹陷部的深度：3.7~5.1mm
˙超音波振動器：壓電型超音波振動器，共振頻率1.7MHz
直徑13mm×厚度0.2mm的圓盤狀
˙多孔板：鎳合金製，直徑5.5mm×板厚0.05mm的圓板狀
貫通孔的孔徑是0.005mm Φ，約7000個貫通孔以0.06mm的節距(pitch)來形成交錯狀
˙彈性保持構件：不鏽鋼製板彈簧，外徑26mm×內徑7.4mm×厚度0.1mm的甜甜圈板狀
˙墊片狀構件：外徑21mm×內徑13mm×厚度1.5mm
開口部的直徑：5.1~6.6mm
材質：不鏽鋼(參照第3圖)
˙霧化的液體：自來水
˙驅動電源：直流6.0V，0.42A，2.4W(穩定化電源)
(二)霧化量的測定方法
在上述實驗裝置中加入規定量的自來水，分別將墊片狀構件、及安裝在配設機構上之多孔板，設置在預定的位置，且整體放在電子天秤上。打開電源開關而開始霧化，藉由電子天秤來每隔5秒測定整體的重量變化。結果是，自開始霧化經過1分鐘的時點的重量的減少量，來算出1分鐘的霧化量，且進行換算以求得每1小時的霧化量(ml/hr)。
<實施例1：液體隆起部和飛沫部的觀察>
為了確認墊片狀構件的效果，使用上述超音波霧化裝置的容器和超音波振動器，該超音波霧化裝置是在凹陷部內設置有超音波振動器且在凹陷部上配置有墊片狀構件，自容器的底部注入自來水直到水深變成10mm，藉由電流0.42A、電壓6.0V的直流驅動電壓來使超音波振動器動作，且觀察液體 隆起部和飛沫部的狀態。如表1所示，針對使用各種開孔徑的墊片狀構件的場合和沒有使用墊片狀構件的場合，測定在容器內產生的液體隆起部和飛沫部的尺寸，且觀察其外觀。其結果如表1所示，拍照而得的外觀如第6圖~第9圖所示。
如表1及第6圖~第9圖所示，即使是相同的水量(水深10mm)且相同的條件下的超音波振動，在沒有使用墊片狀構件的場合僅能夠形成小的液體隆起部，但是在使用墊片狀構件的場合就能夠形成高的圓錐狀隆起，進一步可知在開口徑是6.0mm的墊片狀構件的場合，水會自液體隆起部的頂部以噴射流狀地朝向上方飛出，而產生所謂的液體的飛沫部。
<實施例2：霧化量的測定、及墊片狀構件的效果>
使用上述(一)中所述的超音波霧化裝置，且測定在使用各種的開口徑的墊片狀構件的場合的霧化量。另外，此場合也是自容器的底部注入自來水直到水深變成10mm。將凹陷部的深度設為4.65mm，多孔板。經由彈性保持構件也就是板彈簧，並藉由配設機構而配置在與容器底部的距離是水深的126%(距離水面2.6mm)的位置。
亦即，如表2所示，針對在使用各種的開口徑(d)的墊片狀構件的場合及沒有使用墊片狀構件的場合，在配置多孔板之前，驅動超音波振動器來預先測定液體隆起部的高度(H1)和飛沫部的高度(H2)，其次在配置有多孔板的狀態下，驅動超音波振動器而開始霧化，針對各個場合，利用上述(二)的方法來測定開始霧化經過1分鐘後的霧化量。將其結果表示在表2中。
由表2的結果可知，在沒有使用墊片狀構件的場合會形成小的液體隆起部，且是霧化量極少的狀態，但是在使用墊片狀構件的場合不僅會形成大的液體隆起部，自液體隆起部的頂部飛出的噴射流狀的水也會形成飛沫部。再者，此液體隆起部和飛沫部接觸到多孔板，藉此能夠達成在沒有使用墊片狀構件的場合的霧化量的50~100這樣的極大的霧化量。特別是在墊片狀構件的開口部的直徑(d)是5.4~6.6mm，相對於超音波振動器(D)之比率是0.40~0.60的條件時，能夠得到更大的霧化量。
這樣的結果，可以被認為是藉由在容器底部的凹陷部設置超音波振動器，並在凹陷部的上部配置墊片狀構件，且適當地設定此墊片狀構件的開口部的尺寸，藉此大幅地增強由在容器內的液體中傳播的超音波振動所導致的能量，其結果會在液體的表面形成大的液體隆起部和飛沫部，且藉由液體隆起部和飛沫部接觸到多孔板，會達成大的霧化量。
<實施例3：凹陷部的深度的影響>
超音波能量在利用墊片狀構件覆蓋的凹陷部的空間內會被增強，但是考慮到此時的凹陷部的深度(h)也會造成影響，所以藉由與實施例1同樣的方法，在各種的凹陷部2的深度下使超音波振動器進行動作的場合，測定液體隆起部的高度(H1)和飛沫部的高度(H2)。另外，此場合也將水深設為10mm，使用的墊片狀構件的開口部的直徑是6.2mm。將其結果表示在表3中。
如表3所示，可以認為具有此處所示的凹陷部，亦即凹陷部的深度(h)和超音波的波長(λ)之比率滿足4.0~6.0的條件時，任一種都能夠形成良好的液體隆起部和飛沫部，而達成大的霧化量。
<實施例4：多孔板的設置位置的檢討>
藉由與實施例2相同的霧化裝置和條件，但是將相對於液體隆起部或飛沫部之多孔板的設置位置，進行各種改變來進行自來水的霧化，藉由測定此時的霧化量的改變，以檢討相對於液體隆起部或飛沫部之多孔板的較佳的設置位置。此時的容器內的水深保持在10mm，使用的墊片狀構件的開口部的直徑是6.4mm。經由彈性保持構件也就是板彈簧，來將多孔板安裝在配設機構上，並藉由調整配設機構的高度，依照如表4所示的與液面的距離(從液面往上算起的距離)，來將多孔板配置在預定的位置。採用開始霧化經過1分鐘後的測定值來作為霧化量。將其結果表示在表4中。此處的「多孔板的位置」，是在以容器內的水深(與容器底部的距離是10mm)作為100%的場合的與液面的相對距離(%)，例如42%是水深的42%且位於液面上的4.2mm的位置。
如實施例2所示，在墊片狀構件的開口部的直徑是6.4mm且水深是10mm的場合，液體隆起部的高度是3.6mm且飛沫部的高度是4.1mm，所以當多孔板的位置是20%的場合，多孔板被配置在液體隆起部的稍微上部，當多孔板的位置是42%和50%的場合，多孔板被配置在飛沫部的位置，當多孔板的位置是75%的場合，多孔板被配置在快要超過飛沫 部的最上部的位置。由表4的結果可知，多孔板雖然自液體隆起部的頂部朝向飛沫部配置的場合所得到的霧化量最多，但是越朝向飛沫部的上部所得到的霧化量會減少。因此，為了得到多的霧化量，可以將多孔板配置在自液體隆起部的上部到飛沫部的下部之間。
<實施例5；容器內的水深和多孔板的設置位置的檢討>
藉由與實施例2相同的霧化裝置和條件，但是將容器內的水深作各種改變來進行自來水的霧化，以測定此時的霧化量的改變，來檢討在這種霧化裝置中的容器內的水深的影響。使用的墊片狀構件的開口部的直徑是6.4mm，經由彈性保持構件也就是板彈簧，來將多孔板安裝在配設機構上，且相對於各種水深來調整且配置多孔板的位置，來使多孔板與液面的距離一直是水深的26%(自液面向上算起的距離是水深的26%)。採用開始霧化經過1分鐘後的測定值來作為霧化量。將其結果表示在表5中。
進一步，在8mm的水深的場合，將多孔板的位置設 為26%的位置，亦即，在8mm的水深的場合，將多孔板的位置固定在與液面的距離是2.08mm的位置，以相同的霧化裝置和條件來進行規定時間的連續霧化，且調查液面降低1mm時的霧化量。將其結果表示在表6中。
由表5的結果可知，只要將多孔板的位置保持在與液面的距離是水深的26%前後的位置，雖然當初的水深是10mm，但是即使水深變小直到6mm程度也能夠得到相同程度的霧化量。又，由表6的結果可知，即使是在將多孔板固定在規定的位置且液面降低的場合，水深自8mm降低到7mm而多孔板與液面的距離變大1mm，但是即使有此程度的液面的降低仍舊能夠進行良好的霧化。
由這些結果可知，在本發明的超音波霧化裝置中，即使是隨著霧化進行造成容器內的液體量減少而使得水深變小，也能夠在某種程度的範圍中得到相同程度的霧化量。這是因為只要將多孔板配置在自液體隆起部的上部到飛沫部的下部之間，即使隨著霧化進行而使得水深變小也能夠藉由飛沫部來進行霧化。
<實施例6：多孔板的貫通孔的孔徑的檢討>
藉由與實施例2相同的霧化裝置和條件，但是將多孔板的貫通孔的孔徑作各種改變來進行自來水的霧化，以測定此時的霧化量的改變，來檢討關於多孔板的貫通孔的較佳孔徑。另外，此時的容器內的水深保持在10mm，且使用的墊片狀構件的開口部的直徑是5.8mm，並且，多孔板的貫通孔以0.016mm的節距來形成交錯狀，但是，其中，只有孔徑為0.005mm φ的貫通孔另外以0.006mm的節距來形成交錯狀。採用開始霧化經過1分鐘後的測定值來作為霧化量。將其結果表示在表7中。
由表7的結果可知，在多孔板的貫通孔的孔徑是0.005mm Φ的場合，霧化量最多，隨著孔徑越大，霧化量也減少，且在多孔板的貫通孔的孔徑是0.120mm Φ的場合，霧化就不再產生。亦即，可被認為是因為在孔徑是0.120mm Φ的場合，霧化前的液體便會通過貫通孔，且使多孔板的頂面變成一直會接觸到液體的狀態，所以會妨礙多孔板的頂面與空氣接觸，其結果，霧化就不會產生。
[產業利用性]
依照本發明，能夠高效率、簡單且容易地使水等的液體 霧化，同時不需要使用100V的電源，而能夠作為小型、移動和攜帶方便的超音波霧化裝置來使用，有益於作為家庭用和室內用的加濕器和芳香揮發器來使用。
1‧‧‧容器
2‧‧‧凹陷部
3‧‧‧超音波振動器
4‧‧‧墊片狀構件
5‧‧‧配設機構
6‧‧‧多孔板
7‧‧‧彈性保持構件
8‧‧‧貫通孔
9‧‧‧多孔板保持構件
10‧‧‧液體隆起部或飛沫部
11‧‧‧橡膠襯墊
12‧‧‧振盪電路
41‧‧‧墊片狀構件的開口部

Claims (9)

  1. 一種超音波霧化裝置，將超音波振動給予到容器內的液體而在液面形成液體隆起部及/或飛沫部，來霧化前述液體，該超音波霧化裝置的特徵在於：在前述容器的底部進一步設置凹陷部，並在該凹陷部的底部設置超音波振動器，且以覆蓋該凹陷部的狀態來配置其中心具有開口部之墊片狀構件、或利用具有開口部之容器底板來覆蓋該凹陷部，該容器底板的開口部變成在該凹陷部的中心的開口位置；並且，具備形成有多數個微小的貫通孔之多孔板、及配設機構，該配設機構將此多孔板配設在預定位置；其中，前述多孔板經由彈性保持構件而被安裝在前述配設機構上，藉由此配設機構，前述多孔板的底面，被配設在當超音波振動器動作時會接觸到所形成的液體隆起部及/或飛沫部之位置。
  2. 如請求項1所述的超音波霧化裝置，其中，前述墊片狀構件的開口部的直徑(d)、或容器底板的開口部的直徑(d)，相對於超音波振動器的直徑(D)之比率(d/D)是在0.4~0.55的範圍內。
  3. 如請求項1所述的超音波霧化裝置，其中，前述凹陷部的深度(h)，是在藉由前述超音波振動器所產生的超音波的波長(λ)的2~12倍的範圍內。
  4. 如請求項2所述的超音波霧化裝置，其中，前述凹陷部的深度(h)，是在藉由前述超音波振動器所產生的超音波的波長(λ)的2~12倍的範圍內。
  5. 如請求項1至4中任一項所述的超音波霧化裝置，其中，前述多孔板的厚度是0.02mm~0.05mm，該多孔板的貫通孔的孔徑是0.002mm~0.100mm。
  6. 如請求項1至4中任一項所述的超音波霧化裝置，其中，前述多孔板，被配置在比液面更上方且位於自液面算起至與液面的距離是水深的90%的範圍內的位置。
  7. 如請求項5所述的超音波霧化裝置，其中，前述多孔板，被配置在比液面更上方且位於自液面算起至與液面的距離是水深的90%的範圍內。
  8. 一種超音波加濕器，將超音波振動給予到容器內的水而在水面形成液體隆起部及/或飛沫部，來霧化前述水，該超音波加濕器的特徵在於：在前述容器的底部進一步設置凹陷部，並在該凹陷部的底部設置超音波振動器，且以覆蓋該凹陷部的狀態來配置其中心具有開口部之墊片狀構件、或利用具有開口部之容器底板來覆蓋該凹陷部，該容器底板的開口部變成在該凹陷部的 中心的開口位置；並且，具備形成有多數個微小的貫通孔之多孔板、及配設機構，該配設機構將此多孔板配設在預定位置；其中，前述多孔板經由彈性保持構件而被安裝在前述配設機構上，藉由此配設機構，前述多孔板的底面，被配設在當超音波振動器動作時會接觸到所形成的液體隆起部及/或飛沫部之位置。
  9. 一種超音波芳香揮發器，將超音波振動給予到容器內的包含芳香成分的水而在水面形成液體隆起部及/或飛沫部，來霧化前述水，該超音波芳香揮發器的特徵在於：在前述容器的底部進一步設置凹陷部，並在該凹陷部的底部設置超音波振動器，且以覆蓋該凹陷部的狀態來配置其中心具有開口部之墊片狀構件、或利用具有開口部之容器底板來覆蓋該凹陷部，該容器底板的開口部變成在該凹陷部的中心的開口位置；並且，具備形成有多數個微小的貫通孔之多孔板、及配設機構，該配設機構將此多孔板配設在預定位置；其中，前述多孔板經由彈性保持構件而被安裝在前述配設機構上，藉由此配設機構，前述多孔板的底面，被配設在當超音波振動器動作時會接觸到所形成的液體隆起部及/或飛沫部之位置。
TW104103252A 2014-01-31 2015-01-30 Ultrasonic atomization device TWI556873B (zh)

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