JPH03122404A - 超音波霧化装置付燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、一般に、供給される液体燃料を超音波振動を
利用して霧化するための超音波霧化装置付燃焼装置に関
し、工業用、営業用及び家庭用のボイラ、加熱炉、給湯
器、乾燥機、ガスタービン、暖房用バーナ等に好適に用
いられる超音波霧化装置付燃焼装置に関する。

〔従来の技術〕

これまで、ボイラーおよびファンヒータのような燃焼装
置においては、供給される液体燃料を燃焼させる際、燃
焼性能の観点から見て、この液体燃料を極めて小さく且
つ均一性のある液滴粒径に霧化して供給することが望ま
しい。

従来、液体燃料を極めて小さな液滴粒径に霧化するこの
ような装置として、超音波振動を利用して、供給される
液体燃料を霧化する超音波霧化装置が知られている。こ
の種の超音波霧化装置においては、広い燃料供給範囲に
わたって良好な霧化効率を確保するためには、霧化され
た液滴と空気との混合を促進させることにより燃焼を安
定させることが必須である。この目的のために、これま
で種々の工夫がなされている。

例えば、実開昭Ｅ１３−ＩＥ３７０２２号公報において
は、中実で先端にいくに従い拡径する型の振動子ホーン
を用い、霧化された燃料液滴を燃焼室に送りここで点火
プラグにより着火させると共に、空気旋回流により、燃
料液滴を燃焼室に送り込む方式が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の超音波霧化装置においては、
燃料が霧化された後にこの霧化液滴を旋回空気流で搬送
するために、霧化液滴と空気との混合が不均一となり、
燃焼が不安定になるという問題を有している。

また、点火プラグが常時、燃料液滴中に配置されている
ために、点火プラグに媒が付着し着火性が悪くなるとい
う問題を有している。

また、必要とされる燃料を燃焼に好ましい微細な霧化粒
径で、短時間に多量に、有効かつ効率的に霧化するのが
困難である。すなわち、多量の液体の霧化に必要とされ
る十分な振幅を得るのが難しい。なぜならば、上記した
振動子ホーンは、中実型で質量が大きく高振幅を確保し
ようとすると、高い応力が発生し材質的にもたないから
である。

また、この装置を使用して供給される燃料を霧化するの
に要する電力消費量は大きいという欠点がある。これは
超音波振動発生手段から発生される超音波エネルギーが
超音波振動子ホーンを振動させ、この超音波振動子ホー
ンの振動により、供給される燃料を超音波振動子ホーン
の霧化部分で霧化するのに使用されるので、質量の大き
い中実の超音波振動子ホーンにより燃料を霧化する場合
、大きな振幅を得るために大きな超音波エネルギーが必
要となり、したがって、多量の燃料を霧化するのには、
大きなエネルギーが必要であり、その結果、ホーンに加
わる応力が高くなりすぎて多量の燃料を効率的に霧化す
るのが困難となる。

本発明は上記問題を解決するものであって、霧化液滴と
空気との混合を均一化して燃焼を安定させると共に着火
性を向上させることができる超音波霧化装置付燃焼装置
を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、液体物質を霧化する際に、使用さ
れる電力消費量が少なくてすむ超音波霧化装置付燃焼装
置を提供することである。

本発明の他の目的は、設定された適正な霧化量を越えて
液体物質が超音波霧化装置の霧化部分に供給された場合
でも、液体物質の霧化が可能である超音波霧化装置付燃
焼装置を提供することであ石６ 〔課題を解決するための手段〕 そのために本発明の超音波霧化装置は、超音波振動発生
手段２と、該超音波発生手段に連結される振動子ホーン
３と、該振動子ホーンの先端に形成される霧化部４と、
振動子ホーンの外周に配設される液供給部材５および液
供給ノズル部材６と、該液供給部材に形成される燃料供
給路５ａと、該燃料供給路に連通され液供給ノズル部材
に形成される環状の燃料供給路６ａと、該燃料供給路と
前記霧化部の間に配設される点火手段１０ａ及び旋回流
発生手段１２とを有し、前記霧化部４は先端に行くに従
って径が大になる拡径部４ａを存すると共に該拡径部に
中空部４ｂを形成してなり、さらに、前記旋回流発生手
段１２と霧化部４先端との間の距離を霧化部４の直径の
１７４〜３／４の範囲に設定し、点火手段１０ａと振動
子ホーン３の軸との間の距離を、霧化部４の直径の１／
２以上で且つ旋回流発生手段１２と漏電しない位置に設
定することを特徴とする。

なお、上記構成に付加した番号は、理解を容易にするた
めに図面と対比させるためのもので、これにより本発明
の構成が限定されるものではない。

〔作用〕

本発明においては、例えば、第１図に示すように、燃料
は、液体供給路５ａ１８ａを通って振動子ホーン３の霧
化部４に向かって噴霧され、霧化部４に至った液体は、
超音波振動発生部２からの超音波振動によって霧化され
る。このとき、霧化液滴は、点火手段１０ａにより着火
され、且つ、直ちに旋回流発生手段１２により発生した
旋回流で搬送されるため、点火手段１０ａに媒が付着す
ることがなく、且つ燃焼の安定が向上できる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。第１
図は、本発明の超音波霧化装置付燃焼装置の一実施例を
示す断面図、第２図は第１図の■−■線に沿う断面図、
第３図は第１図の■−■線に沿う断面図、第４図は霧化
部の詳細な構造を示す断面図、第５図はその作用を説明
するための図である。

第１図において超音波霧化装置１は、基部に超音波振動
を発生させるための超音波振動発生部２を備え、この超
音波振動発生部２には、振動子ホーン３が連結されてお
り、この振動子ホーン３の先端部には、先端が中空の霧
化部４が形成されている。振動子ホーン３の外周には、
液供給部材５が配設され、該液供給部材５の内周に液供
給ノズル部材６が螺合されている。液供給部材５および
液供給ノズル部材６には、それぞれ液体供給路Ｓａ１６
ａが形成され、燃料供給路６ａは、第３図に示すように
、霧化部４に向けて環状のスリーブが形成されていて、
このスリーブは、液供給部材５および液供給ノズル部材
６の接続部にて燃料供給路５ａに連通している。

上記超音波霧化装置１は、ハウジング７に設けられた支
持部８にて固定され、液供給部材５の外周部には、取付
バンド９により点火装置１０が配設されている。また、
ハウジング７の先端には、超音波霧化装置１を覆う外筒
１１が設けられている。

振動子ホーン３の外周には、点火装置１０の点火プラグ
１０ａおよび旋回羽根１２ａを切り起こした旋回プレー
ト１２が設けられる。第２図に示すように、旋回プレー
ト１２の上部には、切欠部１２ｂが形成され、該切欠部
ｆ２ａと振動子ホーン３の間に点火プラグ１０ａが配置
されている。

これは、点火プラグ１０ａと旋回プレート１２との間の
電気的絶縁を図るためである。なお、ハウジング７は図
示しない送風手段に接続され、空気は超音波霧化装置１
の外周を通って旋回プレート１２方向に流れる。

種々の実験の結果、旋回プレート１２と振動子ボーン３
の霧化部４先端との間の距離りを、霧化部４の直径をＤ
とすると、Ｄ７４〜３Ｄ／４の範囲、好ましくはＤ／２
の位置に設定すれば燃焼の安定性がよいことが判明した
。これは、Ｌを小さくし過ぎると霧化液滴が旋回プレー
ト１２に衝突するし、Ｌを大きくし過ぎると液滴が飛散
してしまうためである。

また、点火プラグ１０ａと振動子ホーン３の軸との間の
距離Ｈは、Ｄ／２以上で且つ旋回プレートと漏電しない
位置、好ましくは、図示の如く点火プラグ１０ａの先端
が霧化部４の外径と一致する位置（Ｄ／２）が好ましい
。これは、この位置が火炎が形成されない位置であるた
め、着火性が良く且つ点火プラグ１０ａに媒が付着しな
いためである。

上記構成からなる本発明の作用について説明する。燃料
は、液体供給路５ａｓ８ａを通って振動子ホーン３の霧
化部４に向かって噴霧され、霧化部４に至った液体は、
超音波振動発生部２からの超音波振動によって霧化され
る。このとき、霧化液滴は、点火プラグ１０ａにより着
火され、且つ、直ちに旋回プレート１２により発生した
旋回流で搬送されるため、点火プラグ１０ａに媒が付着
することがなく、且つ燃焼の安定が向上できるものであ
る。

次いで、第４図および第５図により上記振動子ホー７３
の霧化部４について説明する。

第４図において、振動子ホーン３は、超音波発土手段２
と接続されている側の端部から該振動子ホーン３の軸線
方向に沿って円柱上に小径部が形成されており、反対側
の端部は大径に形成されていて前記小径部から大径部に
到る区間は、はぼ円錐形状を呈するように拡径部４ａが
形成されている。この拡径部に形成されている形状は、
曲面形状を有する末広がり形状を呈するように形成され
る場合もある（この場合は、ラッパ形状になる）。

さらに、本発明においては、霧化部４の拡径部４ａから
該振動子ホーン４の小径部の一部まで達するとともに前
記大径部に開口している中空部４ｂが形成されている。

すなわち、霧化部４の端部４ｃにおける振動が最大振幅
となるようにするため、この中空部４ｂは、端部４Ｃが
振動の腹であるように形成されている。このとき、振動
子ホーン３の軸線に対し垂直に中空部４ｂを横切る平面
Ｓで切りとられることによって中空部４ｂの内周面４ｄ
と外周面４ｆとの間に形成されるドーナツ状の断面積は
、終端部４ｇから端部４Ｃに行くに従ってやや減少する
か、又は終端部４ｇから端部４ｃに到るまでほぼ一定で
あるように中空部４ｂが形成されている。この断面積は
、±４０％まで許容される。

上記した断面積を有するように中空部４ｂを形成する簡
便な方法としては、外周面４ｆの傾斜に沿って前記振動
子ホーン３の軸線に向かって形成される拡径形ホーンの
頂角、すなわち外周面４ｆの頂角を０１とし、内周面４
ｄの傾斜に沿って前記振動子ホーン４の軸線に向かって
形成される中空部４ｂの頂角、すなわち内周面４ｄの頂
角を０２としたときに、頂角θ２が頂角θ、よりもＯ″
〜３０好ましくは５〜１０″の角度を持って円錐形状ま
たは円錐曲面形状（ラッパ形状）に中空部４ｂを形成す
れば良い。なお、拡径部が円錐形状であってもラッパ形
状であっても本発明の超音波振動子ホーンの性能に関し
ては実質的に差異はないが、拡径部がラッパ形状の場合
、拡径部の頂角としては拡径部の中央（拡径部の開始部
分からその先端に到る外周面の中点）における接線が振
動子ホーンの軸線に向かって形成する角度をもって代用
する。そしてこの角度は円錐形状のホーンの場合と同様
に３０〜６０″であることが好ましい。

また、中空部４ｂの内周面４ｄと外周面４ｆとの間の肉
厚、すなわち拡径部４ａの肉厚は、拡径部４ａの端部４
ｃにおいて、半径ｄの２０％以下にされている。すなわ
ち、中空部４ｂ形成することによって形成されるこの拡
径部４ａの肉厚を半径ｄの２０％以下にするのは、半径
方向の振動を生じやすくするための観点からである。

上記のことについて述べると、中空部４ｂを形成するこ
とによって、超音波振動子ホーン３の質量が小さくなり
、それ故、超音波振動子ホーン４の霧化面４ｆで、供給
される燃料を霧化するのに必要な振動エネルギーは、超
音波振動子ホーン３の中空部分の質量が小さくなった分
だけ振動エネルギーが小さくて済むと共に霧化面４ｆの
薄い肉厚のために霧化面４ｆがフレシキブル性を有し、
かつ霧化面４ｆの端部４ｃが、最大振幅を得ることがで
きるように、振動の腹になるように設定されており、そ
して超音波発生手段からの振動エネルギーが、超音波振
動子ホーン３の軸線方向とこの軸線方向に対して傾斜角
度を有する霧化面方向（半径方向）へと伝えられ、その
結果、霧化面４ｆで複合振動が生じ、　（以下、たわみ
振動と称する）、このたわみ振動が、霧化面４ｆにおけ
る大振幅を容易に生ぜしめ、したがって、このたわみ振
動の大振幅が、燃料を霧化するのに必要なを効振幅とし
てを効に働き、霧化面４ｆに供給される燃料を微細粒径
をもって霧化するのにきわめて効果的に作用すると共に
多量の燃料を容易に霧化するのにも効果的に作用し、そ
の結果、電力消費が少なくてすむものである。

このたわみ振動について、第５図を参照して、さらに述
べると、振動が印加される前の静止時には、振動子ホー
ン３の先端は、位置ａにあり、また、振動子ホーン３の
収縮時には、振動子ホーン３の先端は、位置ａ′にあり
、さらに、振動子ホーン３の伸長時には、振動子ホーン
３の先端は、位置ａ＃にある。したがって、該振動子ホ
ーン３の先端部半径ｄは、振動子ホーン３の収縮時に大
きくなり、伸張時に小さくなる。その結果、超音波振動
子ホーン３の霧化面４ｆには、超音波発生手段から印加
される通常の絶対振幅となる縦振動に加えて、振動子ホ
ーン３の軸線方向に対して半径方向の振動が誘起される
と共にこれが加えられ、これによって霧化面４ｆは、こ
れらの振動が合成された複合の振動、すなわちたわみ振
動を行うことになる。

〔発明の効果〕

以上、説明してきたように本発明の超音波霧化装置付燃
焼装置によれば、旋回流発生手段を振動子ホーンの霧化
部の上流側に配置したため、燃焼ガスは、直ちに旋回流
発生手段により発生した旋回流で搬送されることになり
、空気との混合を均一化して燃焼を安定させることがで
きる。

また、点火手段の先端位置が火炎が形成されない位置で
あるため、着火性が良く且つ点火手段への媒の付着を防
止し着火性を向上させることができる。

さらに、本発明の超音波振動子ホーンによれば、従来の
中空部を形成していない超音波振動子ホーンに比較して
、同一の霧化量を得るために、少ない電力消費ですむと
共に、同一の電力供給であれば、本発明の超音波振動子
ホーンの方が、従来の超音波振動子ホーンに比較して、
多量の液体物質の霧化が可能となるものである。

さらに、本発明の超音波振動子ホーンでは、燃料を効果
的に微細粒径で霧化するのに必要な大振幅を得ることが
がきる。したがって、霧化面において、従来のものに比
較して、大振幅が容易に得られるので、燃料を一層小さ
な粒径で霧化することが容易であると共に容易に多量に
霧化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の超音波霧化装置付燃焼装置の一実施
例を示す断面図、第２図は第１図の■−■線に沿う断面
図、第３図は第１図の■−■線に沿う断面図、第４図は
霧化部の詳細な構造を示す断面図、第５図はその作用を
説明するための図である。 １・・・超音波霧化装置、２・・・超音波振動発生部、
３・・・振動子ホーン、４・・・霧化部、４ａ・・・拡
径部、４ｂ・・・中空部、５・・・液供給部材、６・・
・液供給ノズル部材、５ａ、８ａ・・・燃料供給路、１
０ａ・・・点火プラグ（点火手段）、１２・・・旋回プ
レート（旋回流発生手段）。 出　願　人　　　東燃株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波振動発生手段と、該超音波発生手段に連結
   される振動子ホーンと、該振動子ホーンの先端に形成さ
   れる霧化部と、振動子ホーンの外周に配設される液供給
   部材および液供給ノズル部材と、該液供給部材に形成さ
   れる燃料供給路と、該燃料供給路に連通され液供給ノズ
   ル部材に形成される環状の燃料供給路と、該燃料供給路
   と前記霧化部の間に配設される点火手段及び旋回流発生
   手段とを有し、前記霧化部は先端に行くに従って径が大
   になる拡径部を有すると共に該拡径部に中空部を形成し
   てなり、さらに、該旋回流発生手段と霧化部先端との間
   の距離を霧化部の直径の１／４〜３／４の範囲に設定し
   、点火手段と振動子ホーンの軸との間の距離を、霧化部
   の直径の１／２以上で且つ旋回流発生手段と漏電しない
   位置に設定することを特徴とする超音波霧化装置付燃焼
   装置。
2. （２）前記旋回流発生手段に切欠部を形成し、該切欠部
   と振動子ホーンの間に点火手段を配置することを特徴と
   する請求項１に記載の超音波霧化装置付燃焼装置。
3. （３）前記霧化部は、振動子ホーンの軸に垂直な断面積
   が略一定であることを特徴とする請求項１または請求項
   ２に記載の超音波霧化装置付燃焼装置。