JPH0849623A - 液体噴霧装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 噴出圧を上げることができ、噴出量および噴
霧の微細化をより向上させることができる液体噴霧装置
を得る。 【構成】 容器４の出口孔４ｃの内側には筒部４ｂを有
する弁座４ａが設けられる。圧電素子２によって超音波
で駆動される振動ホーン１の先端にはテーパ状の封止弁
部１ａが設けられる。振動ホーン１が縮んで封止弁部１
ａが筒部４ｂから離れると、供給ポンプ６による圧力
で、液体燃料７が封止弁部１ａと弁座４ａとの間に形成
された空間に流入する。振動ホーン１が伸びると、液体
燃料７が、封止弁部１ａと弁座４ａとの間に形成された
空間に閉じこめられる。さらに振動ホーン１が伸びる
と、その過程において、封止弁部１ａがピストンの働き
をして、閉じこめられた液体燃料７ａが加圧され出口孔
４ｃから噴射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、微細な噴霧状の燃料
等を要求する石油バーナや自動車用エンジンなどに噴霧
状の液体を供給する液体噴霧装置およびその製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジン等に超音波振動を利用
して噴霧状の燃料を供給する装置として、例えば、特開
昭５５−２８７５３号公報に記載されたものがある。こ
の装置は、容器に設けられた噴霧口の内側に向けて拡開
する弁座を有するものである。そして、超音波振動子の
振動を拡大する超音波振動ホーンの先端に封止弁が設け
られ、封止弁が弁座に当接する。また、ポンプによって
燃料が容器内に圧入される。超音波振動子の無振動時に
は、ばね圧を受ける超音波振動ホーン先端の封止弁が噴
霧口を塞ぐ。燃料を噴霧するときには、超音波振動子に
よって超音波振動ホーンが伸縮振動し、その伸縮振動に
応じて封止弁が超音波振動ホーンの軸方向に前後運動す
る。その結果、噴霧口は、断続的に開口し、ポンプによ
って圧入されている燃料は、噴霧口から霧状となって噴
射される。

【０００３】特開昭６０−２２０６５号公報や特開昭６
２−２３５５１号公報には、空洞内に閉じこめられた燃
料に対して圧電素子のたわみ振動による超音波振動を加
えて燃料を噴霧状に噴射するものが記載されている。そ
れらの装置では、閉じこめられた燃料に超音波のたわみ
振動による圧力変動を与えて燃料を噴霧することによ
り、燃料を圧入するためのポンプ圧を上げなくても噴霧
粒子を小径化している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の液体噴霧装置
は、噴射圧を、液体の供給圧すなわち容器への液体圧入
のためのポンプ圧に頼っている。従って、噴出量および
噴霧の微細化が十分でないという課題があった。例え
ば、自動車用エンジンに燃料を供給する場合には、低温
時などに不完全燃焼を生ずるという課題があった。実開
昭６３−５４９１６号公報に上記装置と同様の装置が記
載されているが、その装置でも、噴射圧として液体の供
給圧のみが利用されている。自動車用エンジンの場合に
は１０ＭＰａ以上の高圧力によって燃料を噴射させるこ
とが望ましいが、ポンプ圧のみでそれを達成するのは難
しい。噴射圧を上げるために液体圧入のためのポンプ圧
を上げることも考えられるが、そのようにすると以下の
ような問題が生じ、実際には困難である。すなわち、ポ
ンプ圧を上げた場合、ポンプから容器に至る経路が破損
したような場合には高圧のため燃料がエンジン室内に広
範囲に散乱し、燃料が引火性の高いガソリンなどでは大
災害につながる。また、ガソリンのように粘性の低い液
体の場合には、ディーゼル燃料とは異なりピストンとシ
リンダの潤滑が不十分で、ポンプで圧力を上げるのが困
難である。さらに、ポンプ圧を上げるために大きな駆動
エネルギを要し、燃費が悪くなって自動車用などに用い
るには不適切である。特開昭６０−２２０６５号公報や
特開昭６２−２３５５１号公報に記載されたものでは、
圧電素子のたわみ振動による超音波振動にもとづく圧力
変動を用いて液体を噴射しているものの、たわみ振動は
伸縮運動よりも剛性が低いためその発生力が弱い。従っ
て、その圧力変動のみでは、自動車用エンジン等におい
て望ましい１０ＭＰａ以上の高圧力で燃料を噴射するこ
とは困難である。

【０００５】この発明はそのような課題を解決するため
になされたもので、液体の供給圧を上げることなく噴出
圧を上げることができ、噴出量および噴霧の微細化をよ
り向上させることができる液体噴霧装置およびその装置
の製造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
る液体噴霧装置は、外部に連通する出口孔を有し、その
出口孔の周囲に凹部が設けられた弁座が内面に設けられ
た容器と、凹部にはまり合う周囲部を有し弁座に当接す
る封止弁と、封止弁に凹部を抜け出すための前後運動を
与える共振体とを備えたものである。

【０００７】請求項２記載の発明に係る液体噴霧装置
は、伸縮方向に突き出た突起が封止弁における周辺部に
設けられ、その突起にはまり合う穴が容器に設けられた
ものである。

【０００８】請求項３記載の発明に係る液体噴霧装置
は、容器の内周面に接する位置決め手段を共振体が有す
るものである。

【０００９】請求項４記載の発明に係る液体噴霧装置
は、さらに、弁座から出口孔に向かって封止弁との間の
隙間が漸増する傾斜面が設けられたものである。

【００１０】請求項５記載の発明に係る液体噴霧装置
は、さらに、出口孔の外側に逆止弁が設けられたもので
ある。

【００１１】そして、請求項６記載の発明に係る液体噴
霧装置の製造方法は、研磨粒子を含む液体を容器に導入
しながら、加振手段によって液体噴霧装置の共振体を駆
動して凹部を形成する工程を有するものである。

【００１２】

【作用】請求項１記載の発明において、共振体によって
封止弁が開弁すると、封止弁と弁座の凹部との間に形成
される空間に液体が導入される。封止弁が閉弁するとき
に、封止弁の弁作用によってその空間内の液体が密閉さ
れるとともに、ピストン作用によって高圧が加えられ出
口孔から噴射される。請求項２記載の発明において、封
止弁の周辺部に設けられた突起は、封止弁と凹部との位
置決めを行う。請求項３記載の発明において、位置決め
手段は共振体の中心軸の位置決めを行い、その結果、封
止弁が凹部に確実に位置決めされる。請求項４記載の発
明において、弁座から出口孔に向かって設けられた傾斜
面は、封止弁と凹部との間に閉じこめられた液体を効率
よく出口孔に導く。請求項５記載の発明において、逆止
弁は出口孔から容器内に液体が逆流することを防止す
る。請求項６記載の発明において、研磨粒子を含む液体
を容器に導入しながら共振体を駆動して筒部を形成する
工程によれば、実際に使用される封止弁が弁座に凹部を
形成するので、封止弁に正確にはまり合う凹部を形成で
きる。

【００１３】

【実施例】

実施例１．図１はこの発明の第１の実施例による液体噴
霧装置を示す断面図である。図に示すように、容器４の
一端の中央に出口孔４ｃが設けられ、出口孔４ｃの内側
には、容器４の内側に向かって広がる弁座４ａが設けら
れる。さらに、弁座４ａにの周囲に深さ３０μｍ程度の
筒部４ｂが設けられている。容器４内には、例えば１０
ｋＨｚ以上の超音波領域で軸方向に共振する金属製の振
動ホーン１が設置される。振動ホーン１は、例えば先細
の円柱形状であって、細い先端にはテーパ状の封止弁部
１ａが設けられる。容器４の他端において、振動ホーン
１は、共振時の振動の節に当たる位置に設けられた薄い
フランジ部１ｂによって容器４に固定される。封止弁部
１ａは、筒部４ｂを通って弁座４ａに当接された状態
で、フランジ部１ｂのたわみによって一定の封止力が与
えられる。なお、封止弁部１ａと筒部４ｂとの間にわず
かな隙間ができるように、封止弁部１ａと筒部４ｂとが
形成されている。振動ホーン１の太い端部には圧電素子
２が固定される。圧電素子２には、振動ホーン１の共振
周波数と同一周波数の交流電圧が発振器３から加えられ
る。容器４には、パイプ５を通して供給ポンプ６によっ
て２００ｋＰａ程度の低圧で液体燃料７が供給される。
なお、大気圧は１００ｋＰａ程度である。また、容器４
と振動ホーン１とは、ゴムシール８で密封される。

【００１４】次に動作について説明する。発振器３が交
流電圧を発生しないときには、フランジ部１ｂによるば
ね力で封止弁部１ａが弁座４ａに当接している。よっ
て、液体燃料７は出口孔４ｃから外に漏れ出さない。

【００１５】燃料を噴射する時点では、発振器３が駆動
され、発振器３から圧電素子２に交流電圧が供給され
る。すると、圧電素子２は、交流電圧の大きさに比例し
た最大５μｍ程度の振幅で振動ホーン１の軸方向に伸縮
振動する。この伸縮は振動ホーン１に伝えられる。振動
ホーン１は、共振によって伸縮振動を２０倍程度に増大
させ、封止弁部１ａを１００μｍ程度の振幅で軸方向に
前後運動させる。図２（ａ）に示すように、振動ホーン
１が縮んで封止弁部１ａが筒部４ｂから離れると、供給
ポンプ６による圧力で、液体燃料７が封止弁部１ａと弁
座４ａとの間に形成された空間に流入する。次いで、図
２（ｂ）に示すように、封止弁部１ａが筒部４ｂを塞ぐ
まで振動ホーン１が伸びると、液体燃料７のうち、封止
弁部１ａと弁座４ａとの間に形成された空間部分に液体
燃料７ａが閉じこめられる。図２（ｃ）に示すように、
さらに振動ホーン１が伸びると、その過程において、封
止弁部１ａがピストンの働きをして、閉じこめられた液
体燃料７ａが加圧され出口孔４ｃから噴射される。以上
の動作が、交流電圧の周波数に合わせて繰り返される。

【００１６】以上のように、弁座４ａの周囲に封止弁部
１ａにはまり合う筒部４ｂが設けられているので、液体
燃料７ａを閉じこめるとともに封止弁部１ａがピストン
作用を行うことができ、液体燃料の噴射圧を上げること
ができる。また、振動ホーン１は金属塊であるので剛性
が高く、液体燃料７ａの圧縮による反発力に抗して高応
力を伝える伸縮振動をすることができる。ピストン作用
を行う封止弁部１ａの断面積は小さくてよく、その結
果、液体燃料７ａに加えられる圧力を数１０ＭＰａ以上
の高圧にすることができる。噴射圧が高いほど噴射され
る噴霧の粒径が小さくなるので、より微細な噴霧が得ら
れることになる。また、高速の超音波領域で動いている
封止弁部１ａが筒部４ｂにはまり合う瞬間に振動ホーン
１の伸びる慣性力が液体燃料７ａに衝撃力を伝えるた
め、急峻な圧力上昇を得ることができる。この急峻な圧
力上昇がより微細な噴霧を可能にしている。また、封止
弁部１ａの伸縮の程度は小さいので１回あたりの噴出量
は少ないが、伸縮は約１０ｋＨｚ以上の周波数で繰り返
されるので、時間あたりの噴出量を十分多くすることが
できる。交流電圧を加えている期間に比例した噴出量が
得られることは、従来の場合と同様である。なお、封止
弁部１ａは高速で動くので、液体燃料７ａが封止弁部１
ａで加圧される前に供給ポンプ６の圧力によって漏れ出
すということはない。すなわち、液体燃料７ａは、ほぼ
封止弁部１ａのピストン作用によってのみ噴射される。
さらに、閉じこめられた液体燃料７ａがクッションの役
割を果たし衝撃を吸収するので、封止弁部１ａと弁座４
ａの衝突の程度が緩やかになり、封止弁部１ａや弁座４
ａの磨耗による寿命が問題になることはない。

【００１７】図３は第１の実施例による液体噴霧装置に
おける主要構成要素である筒部４ｂおよび弁座４ａの製
造方法を示す説明図である。この製造方法は、精密加工
における超音波加工法に類する方法である。図に示すよ
うに、筒部４ｂが形成されていない容器４の底面４ｄ
に、封止弁部１ａをフランジ１ｂによるばね力で当接さ
せる。封止弁部１ａは、底面４ｄの材料よりも硬い材料
のものとしておく。次いで研磨粒子を含む研磨液９を注
入しながら振動ホーン１を駆動するとよい。すると、封
止弁部１ａが研磨粒子を底面４ｄに叩き付け底面４ｄを
削り取る。削りかすは、研磨液９とともに出口孔４ｃか
ら排出される。このような製造方法によれば、微細な封
止弁部１ａよりも僅かに大きく、かつ、３０μｍ程度の
微少な寸法の筒部４ｂを、実際に使用される封止弁部１
ａに合わせて製作することができる。

【００１８】実施例２．図４はこの発明の第２の実施例
による液体噴霧装置の要部を示す断面図、図５は振動ホ
ーン１の封止弁部１ａを底面からみた底面図である。こ
の液体噴霧装置では、封止弁部１ａの周辺端に、軸方向
に伸びる３箇所の突起部１０が設けられる。各突起部１
０は、封止弁部１ａの断面が円形の場合には断面上で１
２０°の間隔をおいて設けられる。封止弁部１ａの断面
がその他の形状の場合にも、各突起部１０は均等間隔を
もって設けられる。また、弁座４ａには、それらの突起
部１０にはまり合う穴１１が形成される。封止弁部１ａ
の突起部１０の長さは、振動ホーン１が最も縮んだとき
でも突起部１０の先端が筒部４ｂにかかる程度に設定さ
れる。

【００１９】この場合の基本的動作は第１の実施例の場
合と同様であるが、この場合には、振動ホーン１が縮ん
で封止弁部１ａが筒部４ｂから離れたときでも、突起部
１０の側面が筒部４ｂから離れない。また、封止弁部１
ａが筒部４ｂを塞ぐまで振動ホーン１が伸びる過程で
は、突起部１０が筒部４ｂの側内面に沿って穴１１の中
を動く。

【００２０】すなわち、突起部１０の側面が筒部４ｂか
ら離れることがないので、封止弁部１ａが確実に筒部４
ｂにガイドされる。なお、このような穴１１が設けられ
た弁座４ａを形成するには、図３に示すような超音波加
工法に類する製造方法が特に有効である。

【００２１】実施例３．図６はこの発明の第３の実施例
による液体噴霧装置の要部を示す断面図、図７は振動ホ
ーン１のガイド部１２を含む断面図である。この場合に
は、振動ホーン１の側面に外周端が容器４の内周面４ｅ
に接する３つのガイド部１２が設けられる。なお、実際
には、ガイド部１２と内周面４ｅとの間には微少な隙間
が設けられる。各ガイド部１２は、振動ホーン１の断面
が円形の場合には断面上で１２０°の間隔をおいて設け
られる。振動ホーン１の断面がその他の形状の場合に
も、各ガイド部１２は均等な間隔をもって設けられる。
ガイド部１２の軸方向の両面は傾斜部１２ａとなってい
る。

【００２２】この場合の基本的動作は第１の実施例の場
合と同様であるが、この場合には、振動ホーン１が伸縮
するときにガイド部１２が容器４の内周面４ｅに沿って
移動する。このようなガイド部１２が設けられることに
より、振動ホーン１の中心軸が正確に位置決めされ、そ
の結果、封止弁部１ａが確実に筒部４ｂに戻る。また、
伸縮の際に、ガイド部１２の傾斜部１２ａによって、液
体燃料７が容器４の内周面４ｅとガイド部１２との間で
巻き込まれながら移動する。よって、内周面４ｅとガイ
ド部１２との間の摩擦は小さく、ガイド部１２があるこ
とによって伸縮運動が阻害されることはない。また、内
周面４ｅおよびガイド部１２の磨耗も問題とはならな
い。

【００２３】実施例４．図８はこの発明の第４の実施例
による液体噴霧装置の要部を示す断面図である。この液
体噴霧装置では、弁座１３が環状に切り欠かれた導出部
１４がさらに形成されている。導出部１４は、封止弁部
１ａとの間の隙間が出口孔４ｃに向かうほど大きくなる
ように形成されている。

【００２４】この場合の基本的動作は第１の実施例の場
合と同様であるが、封止弁部１ａが伸びていくときに、
封止弁部１ａと弁座４ａとの間に閉じこめられた液体燃
料７ａが、封止弁部１ａとの間の隙間がより大きい導出
部１４の出口孔４ｃに近い側に押し出されていく。従っ
て、閉じこめられた液体燃料７ａが、より抵抗なく出口
孔４ｃから噴出される。なお、図８に部分的に示すよう
な液体噴霧装置において、第２の実施例によるような突
起部１０を設けたり、第３の実施例によるようなガイド
部１２を設けることもできる。また、このような筒部４
ｂおよび導出部１４を有する弁座１３を形成するには、
図３に示す超音波加工法に類する製造方法が特に有効で
ある。その場合、図８に示すような導出部１４を形成す
るには、容器４の底面部４ｄの傾斜角を封止弁部１ａの
傾斜角よりも大きくしておけばよい。

【００２５】実施例５．図９はこの発明の第５の実施例
による液体噴霧装置の要部を示す断面図、図１０は容器
４を底部からみた底面図である。この場合には、液体噴
霧装置の容器４の外底面に逆止弁効果を持つ平板状のチ
ェックバルブ１５の外周縁部が溶接等により固着され
る。チェックバルブ１５には、例えば３つの噴霧孔１６
があけられているが、それらの位置は出口孔１７の位置
とずれている。

【００２６】この場合の基本的動作は第１の実施例の場
合と同様である。振動ホーン１が縮んで封止弁部１ａが
筒部４ｂから離れると、封止弁部１ａと弁座４ａとの間
の部分の圧力は、供給ポンプ６の圧力と同じになる。し
かし、このとき、この圧力よりも、噴霧孔１６の外部の
圧力の方が高い場合も考えられる。そのような場合であ
っても、チェックバルブ１５によって燃料の逆流が防止
される。封止弁部１ａが液体燃料７ａを加圧して、その
圧力の方が噴霧孔１６の外部の圧力よりも高くなると、
チェックバルブ１５がたわみによって下方に開き、燃料
は、出口孔１７および噴霧孔１６を通って噴射される。
このようなチェックバルブ１５は、ディーゼルエンジン
にような約１０ＭＰａ以上の高圧のシリンダ中に燃料を
噴霧する場合に有効である。なお、図９に部分的に示す
ような液体噴霧装置において、第２の実施例によるよう
な突起部１０を設けたり、第３の実施例によるようなガ
イド部１２を設けることもできる。また、第４の実施例
によるような導出部１４を形成してもよい。

【００２７】上記各実施例では、エンジンに燃料を噴射
する場合について説明したが、各液体噴霧装置は、石油
バーナなどエンジン以外で燃料噴射を必要とする場合に
も適用可能である。また、燃料以外の液体を噴霧する用
途にももちろん適用できる。なお、より噴霧量を多くす
るには振動ホーン１の振幅を大きくすればよい。そのた
めには、例えば振動ホーンを長大にして共振周波数を超
音波領域より下げた１０ｋＨｚ以下にすればよい。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、液体噴霧装置が、凹部を有する弁座が設けられた
容器と凹部にはまり合う周囲部を有し弁座に当接する封
止弁とを有する構成になっているので、封止弁のピスト
ン作用によって液体燃料の噴射圧を上げることができ
る。同時に、より微細な噴霧が得られる。

【００２９】請求項２記載の発明によれば、液体噴霧装
置が、伸縮方向に突き出た突起が封止弁における周辺部
に設けられた構成になっているので、封止弁が確実に凹
部にはまり合う効果がある。

【００３０】請求項３記載の発明によれば、液体噴霧装
置が、共振体の側面に容器の内周面に接する位置決め手
段が設けられた構成になっているので、共振体の中心軸
が正確に位置決めされることによって、封止弁が確実に
凹部にはまり合う効果がある。

【００３１】請求項４記載の発明によれば、液体噴霧装
置が、さらに、弁座から出口孔に向かって封止弁との間
の隙間が漸増する傾斜面が設けられた構成になっている
ので、上記効果に加えて、封止弁と凹部との間に閉じこ
められた液体を効率よく出口孔に導き、液体を効率よく
噴霧できる効果がある。

【００３２】請求項５記載の発明によれば、液体噴霧装
置が、さらに、出口孔の外部に逆止弁が設けられた構成
になっているので、上記効果に加えて、出口孔の外部か
ら容器内に液体が逆流することが確実に防止される効果
がある。

【００３３】そして、請求項６記載の発明によれば、液
体噴霧装置の製造方法が、研磨粒子を含む液体を容器に
導入しながら液体噴霧装置において用いられる共振体を
駆動して筒部を形成する工程を有する構成になっている
ので、実際に使用される封止弁が弁座に凹部を形成する
ことになり、封止弁に正確にはまり合う凹部を形成でき
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１の実施例による液体噴霧装置
を示す断面図である。

【図２】 封止弁部および筒部の作用を説明するための
説明図である。

【図３】 液体噴霧装置の製造方法を説明するための説
明図である。

【図４】 この発明の第２の実施例による液体噴霧装置
の要部を示す断面図である。

【図５】 図４に示す振動ホーンを底面からみた底面図
である。

【図６】 この発明の第３の実施例による液体噴霧装置
の要部を示す断面図である。

【図７】 図６に示す振動ホーンのガイド部を含む断面
図である。

【図８】 この発明の第４の実施例による液体噴霧装置
の要部を示す断面図である。

【図９】 この発明の第５の実施例による液体噴霧装置
の要部を示す断面図である。

【図１０】 図９に示す容器を底部からみた底面図であ
る。

【符号の説明】

１ 振動ホーン、１ａ 封止弁部、２ 圧電素子、３
発振器、４ 容器、４ａ 弁座、４ｂ 筒部、４ｃ 出
口孔、１０ 突起部、１２ ガイド部、１４導出部、１
５ チェックバルブ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体をためるものであって、外部に連通
   する出口孔を有し、その出口孔の入口周囲に凹部が設け
   られた弁座が内面に設けられた容器と、 前記凹部にはまり合う周囲部を有し前記弁座に当接する
   封止弁と、 前記封止弁に前記凹部を抜け出す前後運動を与える伸縮
   運動を行う共振体と、 前記共振体にその共振周波数の振動を与える加振手段と
   を備えた液体噴霧装置。
2. 【請求項２】 伸縮方向に突き出た突起が封止弁におけ
   る周辺部に設けられ、その突起にはまり合う穴が容器に
   設けられた請求項１記載の液体噴霧装置。
3. 【請求項３】 共振体は、その側面に容器の内周面に接
   する位置決め手段を有する請求項１記載の液体噴霧装
   置。
4. 【請求項４】 弁座から出口孔に向かって封止弁との間
   の隙間が漸増する傾斜面が設けられた請求項１ないし３
   記載の液体噴霧装置。
5. 【請求項５】 出口孔の外部に逆止弁が設けられた請求
   項１ないし４記載の液体噴霧装置。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５記載の液体噴霧装置を
   製造する方法であって、 研磨粒子を含む液体を容器に導入しながら、加振手段に
   よって液体噴霧装置の共振体を駆動して凹部を形成する
   液体噴霧装置の製造方法。