JPS6244987B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は灯油や軽油などの液体燃料、水、薬液
などの種々の液体を微粒化するための霧化装置に
関し、さらに詳しく言えば、圧電振動子などの電
気的振動子の超音波振動を利用したところのいわ
ゆる超音波式の霧化装置に関するものである。

従来超音波霧化装置には種々の形式のものが提
案され実用化の検討がなされている。

第１の超音波霧化装置は最も古くから検討され
ているものでホーン型超音波振動子に圧電振動子
等を装着し、その振動振巾を振動子で増巾すると
共に、振巾増巾されたホーン先端にポンプ等で液
体を供給して霧化するものである。

また、第２の超音波霧化装置は加湿器等に実用
化されているものであり、液槽の底部に圧電振動
子を設け、液面近傍に超音波エネルギーを集中さ
せ液柱を形成し、液面近傍に発生するキヤピラリ
ー波を利用して霧化する液柱型超音波霧化装置で
ある。さらに、第３の超音波霧化装置としては、
第１図に示す構成のものがある。これは液室１の
一端にオリフイス２を設け、他端に圧電振動子３
を設けたものであり、圧電振動子３の振動による
液室１内の圧力上昇をオリフイス２に伝達し、オ
リフイス２より液滴４を噴射し微粒化するもので
あつて、近年インクジエツト記録装置のインク微
粒化に広く用いられているものである。

しかしながらこれら従来の霧化装置には以下に
述べる様な種々の不都合があつた。

第１の超音波霧化装置は、振巾増巾用ホーン振
動子の高い加工精度と面倒な固定条件の満足が必
要であり、かつ、ポンプ等を必要とするため装置
全体が大型化・高価格化せざるを得ず、さらに例
えば20c.c.／分程度の霧化量を得るに要する電力は
10ワツト程度であるにもかかわらず、十分な微粒
化能力を得ることができなかつた。

また、第２の超音波霧化装置は、ポンプ等を必
要とせず、微粒化能力に優れたものであるが圧電
振動子の駆動周波数は１〜2MHzの高周波であ
り、しかも20c.c.／分程度の霧化量を得るに要する
電力は、約50ワツトと大きなものであつた。

このためその駆動回路が高価となり、また、直
接超音波エネルギーを液中に放射して直接利用す
るので液体の物性や液面の高さによる霧化性能変
動が著しく、その補償は極めて面倒で困難を極め
るものであつた。さらに重大な欠点は、その高周
波・大電力に基づく電波障害発生の可能性が大き
いことであり、広範な実用化の大きな障害であつ
た。

第３の超音波霧化装置は、構成が簡単でコンパ
クトであり、低消費電力であるけれども、圧電振
動子３の振動による液室１内の圧力上昇を液室１
の液体を介してオリフイス２に伝達する構成であ
るので、溶存空気を多量に含む一般的な液体や、
蒸気圧の低い液体を霧化しようとするキヤビテー
シヨンによる気泡が発生し、満足な霧化動作を維
持することができなかつた。したがつて、溶存空
気を除去したインク液の微粒化などの極めて特殊
な用途にしか使用することができなかつた。

本発明は、上記従来の欠点を一掃した超音波霧
化装置を提供せんとするものである。

第１の目的は構成が簡単でコンパクトであり、
かつ極めて低消費電力であり、従つて低価格な霧
化装置を提供することである。

第２の目的は、溶存空気を多量に含む様な一般
的な液体であつても安定に霧化することができる
霧化装置を提供することである。

さらに第３の目的は、霧化粒子の粒径、および
粒径分布を自由に制御でき、従つて広範な使用目
的に適用し得る霧化装置を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するために以下のよ
うな構成により成るものである。

すなわち、液体を充填する加圧室と、前記加圧
室に臨んで設けた複数個のノズルと、前記ノズル
を加振するための電気的振動子とを備え、前記複
数個のノズルの振動振巾に差を設けるよう構成し
たものであり、前記ノズルから任意の粒径分布の
霧化粒子を噴射微粒化するものである。

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５の上面には操
作部６が設けられ、制御部７に運転指令を与える
ようになつている。制御部７は運転開始指令を与
えられると、送風フアンモータ８を起動し、送風
フアン９、および圧力フアン１０が回動する。し
たがつて燃焼空気は吸込口１１よりオリフイス１
２を通つてスワラ１３に送られ、スワラ１３より
霧化室１４、および燃焼室１５に、図の矢印のよ
うに供給され、排気筒１６から排出される。この
とき、オリフイス１２の下流側の負発発生部１７
には、例えば−20mmH₂O程度の負圧力が発生す
る。

一方灯油は、タンク１８からパイプ１９にてレ
ベラ２０に送られ、レベラ２０内の液面Ａは一定
に制御されている。霧化器２１は、霧化室１４の
壁面２２に取付られ、パイプ２３にてレベラ２０
と、そしてパイプ２４にて圧力フアン１０の入口
側２５と接続されている。運転停止時において、
パイプ２３内の灯油の液面は、フイルタ２６を通
つて図のＢの位置に達する状態である。しかしな
がら、運転開始されると、圧力フアン１０、送風
フアン９が回転し前述したように負圧発生部１７
に−20mmH₂Oの負圧力が発生し、かつ、バイプ２
６にて負圧発生部１７と圧力フアン１０の出口側
２７とが接続されているので、入口側２５の圧力
は、圧力フアン１０の発生する圧力差（例えば、
−40mmH₂O）と負圧発生部１７の負圧力（−20mm
H₂O）との和の圧力となり、例えば、−60mmH₂O
の負圧力となる。このためパイプ２３内の液面Ｂ
は上昇し、霧化器２１内を灯油で充満してさらに
上昇し、パイプ２４内の液面Ｃの位置となつてつ
り合うのである。

このようにして、送風フアン９によるプリパー
ジ中に、霧化器２１内には灯油が充填され、霧化
動作の準備が完了するのである。

次に制御部７は、内蔵する発振回路より霧化器
２１を付勢すると共に点火器２８を起動し、霧化
器２１より霧化室１４には霧化粒子２９が噴霧さ
れる。

霧化粒子２９の一部３０は、図に示すように他
の中央部の霧化粒子に比べ、その粒子径が極めて
小さいものになつている。これは、点火器２８に
よる着火を良好に行うためのものであり、全ての
霧化粒子をあまり小さくしすぎると十分な霧化量
を得られず、かつ、十分な噴射距離を得られない
ので、このように一部の霧化粒子３０、すなわち
外周に位置し点火器２８の先端に近い霧化粒子の
みが極めて小さい粒子径となつている。

従つて、点火器２８による着火が極めてスムー
ズに行われ、火炎３１を形成して燃焼し、火炎３
１の状態は、センサ３２にて検知される。

燃焼状態の安定化、および燃焼量の制御は、後
述するようにセンサ３２の信号により制御部７に
て行われ、安定で必要なだけの燃焼が実現でき
る。なお、３３は対流フアンである。

次に、霧化器２１についてさらに詳しく説明す
る。第３図は、霧化器２１の断面図であり第２図
と同符号は相当物である。

霧化器２１は、深さ２〜５mm、直径８〜12mmの
加圧室３４を有する基体３５をケース３６にビス
３７で固定し、ケース３６をビス３８，３９で霧
化室壁面２２に固定して取付られている。

加圧室３４には供給口４０、排気口４２が設け
られ、それぞれパイプ２３，２４と連結されてい
る。また中央部に直径30μｍ〜100μｍの複数個
のノズル４３が設けられた厚さ30μｍ〜100μｍ
のノズル板４４が、この加熱室３４に臨むよう構
成されている。ノズル板４４は、基体３５にその
外周を接着されると共に、直径が８〜12mm、厚さ
0.5〜１mmのリング状圧電セラミツク４５が接着
されている。圧電セラミツク４５の中央には開口
部４６が設けられ、そこに臨むノズル板４４は、
平坦部４７と球状突起部４８が設けられている。
そしてノズル４３は、突起部４８と平坦部４７と
に分布するよう配置されており、図にように適当
な粒径、すなわち良好な燃焼を実現できる程度の
粒径の霧化粒子２９と、良好な着火を行い得ると
ころのより小さい粒径の霧化粒子３０とをそれぞ
れ噴霧するよう構成されている。

圧電セラミツク４５は、リード線４９，５０を
介して制御部７より、第４図ａ，ｂ，又はｃのよ
うな交流電圧を供給され、その直径方向に伸縮歪
を生じる。第４図ａ，ｂ，又はｃのような電圧の
制御は、霧化量をセンサ３２からの信号により調
整して燃焼状態の安定化を行つたり、燃焼量を加
減して必要な最適値に制御する場合の制御方法を
示すものであつて、第５図に示すように、ａ＝Ｔ
_Io／T₂を制御することにより任意の霧化量ｑ_oを
得ることが可能である。

第６図ａは、第３図の霧化器２１の霧化動作を
説明する図であり第３図と同符号は相当物であ
る。圧電セラミツク４５は第４図ａ〜ｃの交流電
圧波形の正負に応じて伸縮歪を生じ、この結果ノ
ズル板４４は図のようなたわみ振動を励起され
る。開口部４６に臨むノズル板４４の平坦部４７
と突起部４８は、第６図ｂにその振動振巾分布を
示すように他の部分に比べて著しく大きい振巾δ
を示す。突起部４８は一種の剛体のように振動す
るため、この部分の振巾はほぼ全体に均一であ
る。したがつて、均一な液滴を得るには、この突
起部４８のみにノズル４３を設ける構成とすれば
よい。

しかし、第６図ａのように平坦部４７にもノズ
ルを設けるよう構成することにより、同図ｂの振
巾分布を参照すれば明らかであるが、振動振巾の
小さいところにノズルが位置することとなる。

振動振巾δと霧化粒子径ｄとは第７図に示すよ
うにほぼ比例関係にあり、このため第６図ａに示
すような霧化粒子の粒径分布を得ることができ、
中央の霧化粒子２９に比し、外周の霧化粒子３０
の粒径のみを小さいものとし、着火性を良くする
ことができる。

第８図ａは、本発明の他の実施例を示す断面図
であり、第６図ａと同符号は相当物である。

この場合ノズル板４４の中央部４７には突起部
がなく、ノズル板中央部４７の振巾分布図ｂより
明らかなように、各々のノズルの振動振巾は中央
のほぼ均一な大振巾部から外周にいくに従つて小
さくなり、これに一致して霧化粒子径も、中央に
ほぼ均一な粒子群が噴射され、外にいくに従つて
小さい粒径の霧化粒子が噴霧されるようになつて
いる。

第６図ａ、あるいは第８図ａに示した実施例の
ように圧電セラミツク４５の振動によりノズル４
３が加振され、霧化粒子２９が噴霧されると共
に、噴霧されることによる加圧室３４内の灯油の
減少分は、パイプ２３より吸い上げられて補充さ
れる。なぜならば、ノズル４３に発生する灯油の
表面張力によりノズル４３から空気が加圧室３４
に流入することを防止されるからである。したが
つて、この霧化装置は、圧電セラミツク４５を駆
動し、ノズル４３を加振するだけで、灯油の微粒
化とレベラ２０からの吸い上げを行うことがで
き、自給作用を備えた霧化装置として動作するこ
とができる。

実験によれば、第３図のような霧化装置により
灯油を20c.c.／分程度霧化するに要する圧電セラミ
ツク４５の消費電力は0.1ワツト程度であり、極
めて省エネルギー性に優れた霧化装置を実現する
ことが可能である。

もう１つの特徴として霧化される液体（すなわ
ち本実施例では灯油）が、溶存空気を多量に含む
ものであつても極めて安定に霧化することができ
る。これは、ノズル４３が加振されることにより
ノズルから液滴を噴霧するという構成であるため
である。すなわち、ノズル４３の近傍が最も振動
振巾が大きく、このため、加圧室３４内の圧力変
化の最大点はノズル４３の近傍のみとなり、この
点でキヤビテーシヨン気泡が発生して成長しよう
としても、気泡化する以前にノズル４３から噴霧
されてしまうからである。また、かりに、気泡化
しても、加圧室３４内の噴霧動作に影響のあるノ
ズル近傍部分は、非常に狭い領域であるので、気
泡は、すぐにこの領域から飛び出て霧化動作に影
響を及ぼさない領域に移動して排気口４２より排
出されてしまうので、実質上霧化動作に対する悪
影響はほとんどない。

したがつて、灯油等のように多量の溶存空気を
含む液体であつても、極めて安定に霧化すること
が可能である。

以上に述べたように本発明によれば、液体を充
填する加圧室に複数個のノズルを臨ませ、前記ノ
ズルを電気的振動子で加振するよう構成し、前記
複数個のノズルの振動振巾に差を設ける構成とし
たから、極めて構成が簡単でコンパクトでありか
つ低消費電力であり、このため極めて低価格であ
ると共に溶存空気を多量に含む液体であつても極
めて安定に霧化することが可能な霧化装置を実現
することができる。特に、複数個のノズルの振動
振巾に差を設ける構成により、任意の粒径と粒径
分布とを極めて簡単に、しかも安定に得ることが
できる霧化装置を提供することが可能である。し
たがつて、一般的な種々液体を様々の用途で霧化
するための汎用性の高い霧化装置を極めて簡単な
構成で実現できるものであり、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構成を示す断面図、
第２図は本発明の一実施例を適用した温風機の構
成を示す断面図、第３図は本発明の一実施例を示
す霧化装置の構成を示す断面図、第４図ａ，ｂお
よびｃは圧電セラミツク駆動電圧波形図、第５図
は霧化能力制御の説明をする特性図、第６図ａ，
ｂはそれぞれ第３図の霧化装置の動作説明用構成
図と振動振巾分布図、第７図はノズルの振動振巾
δと霧化粒子の粒径ｄとの相関を示す特性図、第
８図ａ，ｂはそれぞれ本発明の他の実施例を示す
霧化装置の動作説明を示す構成図と振動振巾分布
図である。 ３４……加圧室、４３……ノズル、４４……ノ
ズル板、４５……圧電セラミツク（電気的振動
子）、４７……平坦部、４８……突起部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体を充填する加圧室と、前記加圧室に臨む
   よう設けた複数個のノズルと、前記ノズルを加振
   する電気的振動子とを備え、前記複数個のノズル
   の振動振巾に差を設けた霧化装置。 ２ ノズルをノズル板に設け、前記電気的振動子
   により前記ノズル板がたわみ振動するよう構成し
   た特許請求の範囲第１項記載の霧化装置。 ３ ノズル板に突起部と平坦部とを設け、前記突
   起部と平坦部とに前記ノズルを設けた特許請求の
   範囲第２項記載の霧化装置。