JPS6311063B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、灯油・軽油等の液体燃料，水，薬
液，記録用インク等の液体を微粒化するための霧
化装置に関するものであり、さらに詳しく言えば
圧電セラミツク，水晶等の圧電振動子の超音波振
動を利用して液体を微粒化するいわゆる超音波霧
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
提案されている。

最も代表的な従来の超音波霧化装置としては、
ホーン型超音波霧化装置がある。この形式のもの
はホーン型に形成した振巾増巾用振動子の一端に
圧電振動子や磁歪振動子を装着し、振巾増巾され
た他端にポンプ等で液体を供給・滴下して霧化す
るものである。この霧化装置は、安定な振動を保
証するために、ジユラルミン等で形成したホーン
型振動子を用いているが、その高い加工精度や、
精密な固定条件を要求される上に、ポンプ等の液
体供給装置を必要とするため霧化装置全体が極め
て大型化・高価格化せざるを得ないものであつ
た。また、微粒化性能も十分なものではなく、粒
径が比較的大きくかつ粒径のバラツキも大きなも
のであつた。さらに、20c.c.／分程度の霧化量を得
るのに５〜10ワツトの電力を要するものであり、
駆動回路も比較的高価であつた。

第２の超音波霧化装置として、いわゆる液柱型
超音波霧化装置がある。この霧化装置は、液槽の
底面に圧電振動子を設け、１〜2MHzの超音波エ
ネルギーを液中に直接入射し、液面近傍に集中さ
せ一種のキヤビテーシヨン現象により液体の微粒
化を行うものであり、例えば加湿器等に実用化さ
れている。しかしながら、この霧化装置は微粒化
性態に優れるものの霧化量の安定化が極めて困難
であり、液体の物性・性質に大きく左右されるの
はもちろんのこと、液面の高さ等による霧化特性
の変動が著しいものであつた。さらに超音波エネ
ルギーにより直接微粒化を行うものであるので、
霧化に要するエネルギーは著しく大きく20c.c.／分
程度の霧化量を得るに要する電力は40〜60ワツト
と極めて大きいものであつた。したがつて、１〜
2MHzで40〜60ワツトの駆動電力を発生するため
の駆動回路も極めて高価であり、その上、不要輻
射が著しく大きいという欠点を有するものであつ
た。

第３の超音波霧化装置として、第１図に示すよ
うな霧化装置が提案されている。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を設ける構成として、圧電振動子３の振動によ
りオリフイス２から液滴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等に
応用がなされているものである。この霧化装置
は、構成が簡単でコンパクトでありポンプ等の液
体供給装置を必要とせず、オリフイス２の直径に
より定まる粒径の均一微粒化が可能であり、しか
も、噴霧方向が極めて安定である上に、霧化に要
するエネルギーが著しく小さいという特徴を有す
るものであつたが、圧電振動子３の超音波振動に
よる圧力波を、液室１内の液体中を通つてオリフ
イス２に伝達することが必要であり、このため液
室１内には低圧力点が生じ、いわゆるキヤビテー
シヨン現象が生じざるを得なかつた。一搬的な液
体の中にはかなりの液存空気が存在しており、第
１図のような装置で微粒化を行うとすると、前述
のキヤビテーシヨン現象による溶存空気の気泡化
が極めて顕著であり、このため、安定な霧化動作
を維持することが不可能であつた。従つて、第１
図の装置による液体の微粒化は、液体中の溶存空
気を除去してから行うよう構成することが必要で
あり霧化装置の構成が極めて面倒であつた。そし
てこの欠点のために、前述した種々の長所を有す
るにもかかわらず広範な応用化が難しく、一部の
限定された実用化のみが行われていた。

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の目的は構成が極めて簡単でコンパクトで
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の目的は消費電力が極めて小さく、かつ微
粒化性能に優れた霧化装置を提供することであ
る。

さらに、第３の目的は、溶存気体を含む液体で
あつても極めて安定に霧化動作を行うことができ
広範な用途に簡単に応用することができる霧化装
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、液体を充填するための加圧室を有す
る基体と、前記加圧室に臨むノズルを有するノズ
ル板と、前記ノズル板に装着され中央に開口を備
えた圧電振動子とを備え、前記圧電振動子の前記
ノズル板との接着面およびその接着面との対向面
に電極を設けると共に、前記圧電振動子が横効果
振動するよう構成し、かつ、前記ノズル板又は基
体と前記接着面に対向する電極との間に交流電圧
を印加する構成としたものであり、この構成によ
り、上記１〜３の目的を達成し、従来の欠点を一
掃した霧化装置を提供することができるものであ
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、温風機のケース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
るように構成されている。燃料である灯油は、カ
ートリツジタンク８から液面Ａが略一定に保たれ
る固定タンク９に送られる。固定タンク９は、パ
イプ１０にて霧化部１１に連結され、霧化部１１
はパイプ１２にて燃焼室空気通路の一部に設けら
れた負圧発生部１３に連結されている。パイプ１
０内の灯油の液面Ｂは、運転停止時は、液面Ａと
同一レベルにあり図のようになつている。

操作部６より運転開始指令が制御部７に送られ
ると、燃焼空気を送風する送風フアン１４が起動
され燃焼用空気が吸込口１５からオリフイス１６
を通り、第１空気路１７を通つて第１空気室１
８，第２空気室１９に送られる。第１空気室１８
の囲りには気化混合部２０が、第２空気室１９の
囲りには燃焼室２１が設けられ、それぞれ旋回気
流孔２２，炎孔２３より空気が噴出し、図のよう
な空気の流れができるように構成されている。２
４は排気孔である。また、燃焼空気の一部は第２
空気路２５を通り、ヒータ２６にて熱風化されて
旋回器２７に送られ、第１霧化室２８内に図のよ
うな旋回熱風気流を発生する。送風フアン１４と
ヒータ２６が起動されて一定時間が経過すると、
第２霧化室２９に発生する正圧力がパイプ３０に
て液面Ａに印加され、かつ、負圧発生部１３に発
生する負圧力がパイプ１２にて霧化部１１に印加
されるために、液面Ｂは上昇して霧化部１１内を
通加し、パイプ１１内の液面ｃの位置に上昇して
つりあい、結果として霧化部１１内は灯油で充填
された状態となる。次に制御部７は霧化部１１を
起動し、霧化部１１は第１霧化室２８，第２霧化
室２９に霧化粒子３１を噴霧する。霧化粒子３１
は、前記旋回器２７より送られる熱風と混合して
気化混合室２０に送られてガス化し、燃焼室２１
に予混合ガスとなつて送られる。そして、点火器
３２にて点火され、炎口２３から噴出する２次空
気のまわりで燃焼し、火炎３３を形成する。３４
はフレームロツドであり、燃焼状態の検出を行う
ものであり、必要に応じて空燃比の調節を行うこ
とができる。ヒータ２６は、気化混合室２０の温
度が十分高くなり、霧化粒子３１のガス化が十分
可能になつた時点で通電停止される。３５は対流
フアンであり、図のように吸込口３６より室内空
気を吸い込み、吹出口３７より温風を吐出するも
のである。

このように、本発明の一実施例を適用した石油
燃焼機（温風機）は、極めて構成が簡略化される
ものである。

次に霧化部１１についてさらに詳しく説明する
第２図は、霧化部１１のさらに詳しい構成を示す
断面図であり、第２図と同符号は相当物である。

霧化部１１は加圧室３８を有する基体３９が固
定部４０にビス（図示せず）にて固定され、固定
部４０はビス４１，４２にて第２霧化室２９の壁
４３に固定されている。加圧室３８は直径10〜15
mm、深さ１〜５mm程度の円筒状の部屋であり、供
給口４４，排気口４５にてそれぞれパイプ１０，
１２と連通されている。加圧室３８の一面に、厚
さ30μm〜100μm程度のノズル板４６が設けられ、
ノズル板４６の装着部４７は、接着層を兼ねた電
極４８にて直径10〜15mm，厚さ0.5〜２mm程度の
圧電セラミツク４９が装着されている。またノズ
ル板４７の非装着部５０は、圧電セラミツク４９
の中央に設けた開口５１に臨むよう設けられてお
り、非装着部５０には曲面部５２が設けられてい
る。曲面部５２には直径３０μm〜100μm程度の
ノズル５３が複数個設けられ、ノズル５３は加圧
室３８に臨んでいる。圧電セラミツク４９にはも
う片方の電極５４が設けられ、電極５４にはリー
ド線５５が半田付されている。リード線５６はビ
ス４１にて固定部４０に接続され、ノズル板４６
等を介して電極４８に電気的に接続されている。
５７は接着層，５８はシール材である。

前記リード線５５，５６により制御部７より第
４図ａ〜ｃのような交流電圧が霧化すべき量に応
じて圧電セラミツク４９に印加され圧電セラミツ
ク４９の超音波振動により図のような霧化粒子３
１の噴射霧化を行うことができる。

次に霧化動作について説明する。

圧電セラミツク４９のような圧電振動子はその
圧電効果が２種類あり、縦効果および横効果と呼
ばれており、圧電セラミツク４９の分極方向に歪
を生じるものを縦効果，分極方向と直角方向に歪
を生じるものを横効果と呼んでいる。

第３図に示した圧電セラミツク４９は第５図に
示すように、ドーナツ状の円板構造であり、圧電
セラミツク４９単体では図の矢印のように、第４
図のような交流電圧に応じて歪を生じ、いわゆる
径方向振動を生じるものであり、前述した圧電振
動子の横効果を利用したものである。

すなわち、横効果の利用により、第３図に示す
ような電極構造で、しかもノズル板４６の面に平
行な振動を行わせることができるのである。

ノズル板４６と圧電セラミツク４９とが接着さ
れているので、ノズル板４６の構造や駆動周波数
によつて第６図ａ又はｂなどのようなたわみ振動
を含む径方向の振動によりノズル５３はその軸方
向に加振される。この結果第３図に示したように
ノズル５３より霧化粒子３１が噴射されるのであ
る。このようにノズル５３を圧電振動子の横効果
による振動にて加振するよう構成することにより
加圧室３８内の圧力の最大変化点すなわち、加速
度の最大点が、ノズル５３のごく近傍になるた
め、溶存気体の多い灯油などの液体であつても安
定に噴霧することができる。したがつて、霧化部
１１は圧電セラミツク４９を横効果による振動に
て振動させることにより第６図ａ又はｂの状態
と、図と反対の状態との繰り返しによるノズル５
３の軸方向振動を生じさせ、結果としてノズル５
３からの霧化粒子３１の噴霧と、パイプ１０から
の自給とを行うことができる。第６図ａは又はｂ
の状態のとき、ノズル５３に発生する灯油の表面
張力により、ノズル５３からの空気の流入が防止
されるため、加圧室３８内の圧力低下が生じてパ
イプ１０より灯油が吸い上げられ、自給ポンプの
役割を果すのである。

このような第６図ａ又はｂの如き振動により灯
油を安定に霧化することが可能であるが、図より
明らかなように、圧電セラミツク４９と接着され
たノズル板４６の装着部４７もやはりノズル５３
の軸方向に沿つてわずかの振動を生じる。第６図
ａ，ｂではモデル化して示したので明示されてい
ないが、実際のノズル５３の軸方向振巾は装着部
４７の最大振巾部りもかなり大きいものとなつて
おり、このため前述した加圧室３８内の最大加速
度点が、ノズル５３のごく近傍に集中しており、
それゆえ溶存空気の多い液体であつても安定に噴
霧することができるのである。すなわち、第６図
ａ，ｂの状態の振動は、非装着部５０のたわみ振
動を負荷とする圧電セラミツク４９の横効果振動
であると考えてよく、このためノズル５３の軸方
向に沿う振巾に比べ圧電セラミツク４９の同方向
振巾が十分小さい状態で霧化できるのであり、こ
のため、上述した効果を得ることができるのであ
る。しかしながら、装着部４７にも第６図ａ，ｂ
のようにノズル５３の軸方向に沿う振動が少し存
在するため、圧電セラミツク４９の駆動電圧をあ
まり大きくすると、加圧室３８内にキヤビラーシ
ヨンによる気泡が発生する。加圧室３８内に気泡
が発生しても霧化特性に与える影響は小さいが多
少の噴射方向の変動も許されないような霧化装置
の実現には不都合を生じる場合もある。

本発明は、このような不都合を防止するために
次に述べるような構成をとることができ、この構
成により溶存空気を多量に含む一般的な液体の噴
霧をも極めて良好に行い得るようにすることがで
きることを見い出した。

第７図ａ，ｂはこのような目的を達成すること
ができる構成をとり圧電セラミツク４９に横効果
による振動を行わせた場合の圧電セラミツク４９
とノズル板４６の非装着部５０との振動の様子を
示したものである。

第７図ａ，ｂより明らかなように圧電セラミツ
ク４９をノズル板４６の装着部４７に接着層４８
にて接着した状態において圧電セラミツク４９は
ほとんどその直径方向の振動のみを行い、一方ノ
ズル板４６の非装着部５０は、ノズル５３の軸方
向の振動、すなわち、たわみ振動を行つているの
である。（第６図ａ，ｂの動作も実際は第７図ａ，
ｂに近いと考えてよい。）このように圧電セラミ
ツク４９が横効果による振動を行い、この振動を
励振源としてノズル板４６の非装着部５０がたわ
み振動を行い、結果としてノズル５３がその軸方
向に加振されるように構成することにより、加圧
室３８内の圧力変化の最大点をノズル５３の近傍
のみに集中することができ、この結果キヤビテー
シヨン気泡が発生する以前に灯油をノズル５３か
ら噴射することができるので、溶存気体の多い液
体の噴霧動作も極めて安定に持続することができ
るのである。

第８図はこの励振関係を明らかにするためのブ
ロツク図であり、圧電セラミツク４９は、ノズル
板４６の非装着部５０を負荷として横効果による
振動を行い、非装着部５０は、圧電セラミツク４
９による励振によりノズル５３の軸方向のたわみ
振動を行うものであることを示している。

このような振動関係を良好に実現せしめるため
には、非装着部５０を負荷とした圧電セラミツク
４９の横効果振動の共振周波数と、負荷である非
装着部５０のたわみ振動の共振周波数とが略一致
した構成にすることが極めて重要であり、このよ
うな構成にすることにより、圧電振動子４９はほ
とんど横効果による径方向の振動のみを行い、か
つ、ノズル板４６の非装着部５０はたわみ振動を
行い、結果としてノズル５３がその軸方向に加振
され、従つて、加圧室３８内のノズル５３のごく
近傍以外には、キヤビテーシヨン気泡が発生する
ような圧力変動の大きい点が生じないという極め
て好ましい霧化動作を実現することができるので
ある。従つて、溶存気体を多量に含む灯油のよう
な液体であつても、極めて安定に噴霧することが
できるのである。

第９図は圧電セラミツク４９を第７図ａ，ｂに
示すような構造にした場合の共振特性を示し、駆
動周波数と圧電セラミツク４９に流れる電流Ｉ
との相関を示すものである。

本実施例の圧電セラミツク４９を第３図のよう
な構成とし、灯油を加圧室３８に充填した場合に
は、第９図のような共振特性を示し、例えば₁お
よび₂のような共振点を有するものとなる。そし
て本発明者は周波数と電流との間の関係からは、
共振点₂の方が₁よりも霧化特性が良好であると
思われるけれども、実際は、共振点₁の方が良好
な霧化特性を示し、この共振点₁が、前述したよ
うに、第６図ａ，ｂ又は第７図のような非装着部
５０のたわみ振動を負荷とした圧電セラミツク４
９の横効果振動の共振であることを確認したので
ある。また、この場合の₂は、圧電セラミツク４
９のたわみ振動の共振周波数そのものであり、こ
の時の噴霧特性は、あまり良好ではなく、前述し
た理由によるキヤビテーシヨンに基く気泡発生が
比較的多いことも同時に確認することができた。

従つて、圧電セラミツク４９を第６図ａ又はｂ
あるいは第７図ａ，ｂのような非装着部５０のた
わみ振動を負荷とした横効果振動に基づく共振周
波数で動作するよう構成することにより、溶存空
気の多い液体でも安定な噴霧を行うことが可能と
なり、特に、第７図ａ，ｂのように、圧電セラミ
ツク４９の横効果による共振周波数と非装着部５
０のたわみ振動の共振周波数とを一致させる構成
として動作させることにより、より安定で良好な
噴霧が可能となることが明確となつたのである。

このような構成による霧化動作は極めて低消費
電力で行うことができ、例えば20c.c.／分程度の霧
化量を得るのに必要な圧電セラミツク４９の消費
電力は、0.1ワツト程度である。しかも、霧化粒
子３１の粒径は、ノズル５３の直径によつて決定
されるので均一性の良好な微小粒径の霧化粒子と
することができ、かつ、噴霧パターンも安定であ
るという特徴を有しているのである。

また、前述のように構造も極めて簡単でコンパ
クトであり、灯油を自給することが可能であるの
でポンプ等を必要とせず、霧化装置全体の構成は
極めて簡単でコンパクト、かつ低価格とすること
が可能である。

以上述べたように本発明によれば、ノズルが加
圧室に臨むよう基体に取りつけられたノズル板に
圧電振動子を装着し、圧電振動子のノズル板への
装着面とその対向面に電極を設け、かつ、この圧
電振動子を横効果振動するよう構成すると共に、
装着面に対向する電極とノズル板又は基体との間
に交流電圧を印加するという構成により、構造が
極めて簡単でコンパクトであり従つて低価格であ
ると共に消費電力が著しく小さく、かつ、霧化性
能に優れた霧化装置を提供することができる。そ
して、特に、溶存気体（空気）を多量に含む液体
であつてもキヤビテーシヨンの影響を受けること
なく極めて安定に噴霧することができるので溶存
気体を除去する等の面倒な工程を必要とせずに一
般的な種々の液体を簡単にかつ安定に霧化するこ
とができる霧化装置を提供できるものである。従
つてその応用範囲は極めて広いものであり、工業
的価値は極めて多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波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の霧化装置を適
用した温風機の構成を示す断面図、第３図は同霧
化装置の断面図、第４図ａ〜ｃは同霧化装置を構
成する圧電セラミツクの霧化量に応じた駆動電圧
波形図、第５図は同圧電セラミツクの歪方向を説
明する外観斜視図、第６図ａ，ｂは同圧電セラミ
ツクとノズル板の動作説明図、第７図ａ，ｂは同
圧電セラミツクとノズル板の最も良好な動作説明
図、第８図は同圧電セラミツクと同ノズル板の非
装着部との相互関係を説明するブロツク図、第９
図は同圧電セラミツクの電流の周波数特性図であ
る。 ３８……加圧室、４６……ノズル板、４７……
装着部、４９……圧電振動子、５０……非装着
部、５１……開口、５３……ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体を充填する加圧室を有する基体と、前記
   加圧室に臨むノズルを有するノズル板と、前記ノ
   ズル板に装着され中央に開口を備えた圧電振動子
   とを備え、前記圧電振動子の前記ノズル板との接
   着面および、その接着面との対向面に電極を設け
   ると共に、前記圧電振動子が横効果振動するよう
   構成し、かつ、前記ノズル板又は基体と前記接着
   面に対向する電極との間に交流電圧を印加する構
   成とした霧化装置。 ２ 交流電圧の周波数を圧電振動子の横効果振動
   の共振周波数に略等しくなるよう構成し、かつ、
   ノズル板の非装着部の共振周波数と前記圧電振動
   子の共振周波数とが略一致する構成とした特許請
   求の範囲第１項記載の霧化装置。