JPS6314654B2 - - 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の霧化装置に関し、さらに
詳しく言えば、圧電振動子等の電気的振動子の超
音波振動を利用した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態の霧化装
置が提案されている。

最も一般的な霧化装置としてホーン型超音波霧
化装置がある。

この霧化装置はホーン型超音波振動子に圧電振
動子を取り付け、圧電振動子の振動振中をホーン
にて増巾し、ホーン先端の振巾最大面に液体をポ
ンプなどで供給し、霧化するものである。しかし
ながら、この霧化装置は安定なホーン振動子の共
振状態を保証・維持するために、その高い加工精
度と面倒な固定条件の確保が必要であり、液体供
給ポンプを要するため、装置全体が大型化、高価
格化せざるを得なかつた。

また、20c.c.／分程度の霧化量を得るのに要する
電力は５〜10ワツトであるにもかかわらず、霧化
粒子の粒径バラツキ、微粒化能力等の霧化性能は
十分なものではなかつた。

第２の超音波霧化装置はいわゆる超音波加湿器
に実用化されているもので、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照
射・集中させ、液面に液柱を形成し、液面での一
種のキヤビテーシヨン現象を利用して霧化するも
のである。

この霧化装置は、ポンプ等の液体供給手段を必
要とせず、しかも、微粒化能力に優れものである
が圧電振動子の超音波エネルギーによる直接霧化
形態をとつているため、霧化に要するエネルギー
が極めて大きく、20c.c.／分程度の霧化量を得るの
に50〜60ワツトを要した。しかも、超音波振動周
波数は、１〜2MHzの高い周波数が必要であるた
め、その駆動回路は極めて高価になり、かつ、電
波障害発生の可能性が極めて高いものであつた。
また、霧化量の安定性が極めて乏しく、液温・液
面高さ、液体物性による霧化量変動が著しく、そ
の補償は極めて面倒で複雑であつた。

第３の超音波霧化装置は、近年インクジエツト
記録装置のインク微粒化装置に用いられているも
ので、第１図に示すような構成のものである。

すなわち、インク室１の一端にノズル２を設け
他端に圧電振動子３を設ける構成とし、圧電振動
子３の超音波振動による圧力波をノズル２に伝え
てノズル２より液滴４を噴射霧化するものであ
る。この霧化装置は、ポンプ等の液体供給手段を
必要とせず、しかも極めて低消費電力であり、微
粒化液滴の粒径はかなり小さくすることができ、
かつ均一性に富んだものであつた。

しかしながら、圧電振動子３の振動をインク室
１内のインク（液体）を介してノズル２に伝達す
る構成であるため、溶存空気の極めて少ない液体
でないと、いわゆる超音波キヤビテーシヨンによ
る溶存空気の気泡化が生じ、安定霧化動作維持が
不可能であるという欠点を有していた。

一般的な液体は溶存気体を多量に含んでおり、
この霧化装置で霧化するためには溶存気体を除去
することが必要となり、極めて面倒で高価になら
ざるを得なかつた。

本発明は上記従来の欠点を一掃した霧化装置を
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
従つて低価格な霧化装置を提供することである。

第２の目的は微粒化能力、粒径バラツキ、霧化
パターン等のいわゆる霧化性能に優れ、かつ、極
めて低消費電力な霧化装置を実現することであ
る。

さらに第３の目的は、溶存気体を多量に含む液
体であつても極めて安定に霧化することができ汎
用性に富んだ霧化装置を実現することである。

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と、前
記加圧室に臨むよう設けたノズルと、前記ノズル
を加振する振動体と、前記振動体を付勢する電気
的振動子とを備え、前記振動体の少なくとも１部
が前記加圧室に臨むよう構成すると共に、前記振
動体が前記加圧室に対して実質的に基本振動モー
ドで振動する構成としたものであり、この構成に
より前記振動体の前記加圧室に臨む部分は振動の
節を発生することなく振動して前記ノズルを加振
し、前記ノズルから液滴を噴霧するものである。

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灯油の
霧化装置として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、外ケース５の上面に操作部６
が設けられ、制御部７に運転指令を与える。

制御部７は、送風モータ８を起動し、送風フア
ン９が起動される。従つて燃焼空気は吸気口１０
より図の矢印のように吸い込まれ、オリフイス１
１負圧発生部１２を通つて旋回器１３に送られ
る。さらに旋回器１３より霧化室１４に図の矢印
の如く旋回気流となつて送られ、燃焼室１５、排
気筒１６を通つて排気される。

一方灯油は、タンク１７よりパイプ１８を経て
液面高さを図中Ａに示す位置に制御するレベラ１
９に送られる。レベラ１９はパイプ２０にて霧化
部２１と連通され、さらに霧化部２１は、パイプ
２２にて負圧発生部１２と連通されている。

パイプ２０内の液面は、運転停止時は図のＢの
位置にあり、レベラ１９の制御液面Ａと一致して
いるが、送風フアン９の起動による燃焼空気の流
れのために発生する負圧発生部１２の負圧力（例
えば−20〜30mmH₂O）により、吸い上げられ霧
化部２１内に灯油を満たし、さらに上昇してパイ
プ２２内の液面位置ｃに達する。

以上の動作は、運転指令後３〜５秒程度で終了
し霧化部２１内は灯油が満たされ霧化開始準備が
完了する。

次に制御部７は内蔵する霧化部２１の駆動回路
を起動し、第３図ａ，ｂ又はｃのような交流電圧
を霧化部２１に供給する。ａ〜ｃ図の交流電圧供
給形態は霧化すべき量の大小に応じて適宜選択す
ることができる。

この交流電圧の供給により霧化部２１は起動
し、霧化室１４に霧化粒子２３を噴霧する。霧化
粒子２３は、旋回気流と混合され、点火器２４に
て点火されて着火し、火炎は火炎センサ２６にて
検知される。２７は対流フアンである。

このようにして本発明の一実施例を適用した温
風機は極めて構成が簡略化され、かつ制御性の良
好なものとすることができる。

次に霧化部２１についてさらに詳しく説明す
る。第４図は霧化部２１の断面図であつて第２図
と同符号は相当物である。

霧化部２１は内部に直径が10〜15mmの円筒形で
深さ２〜５mm程度の加圧室２８を有するボデイー
２９にパイプ２０および２２を接続して構成され
ており、パイプ２０，２２と加圧室２８とは連通
され図のようになつている。ボデイー２９は霧化
室１４の壁面にビス３０，３１で固定されてい
る。

３２は外径が10〜15mm、厚さ0.5〜２mm程度の
圧電振動子であり、中央に円形の開口３３を設け
た環状円板である。図示していないが円板両側に
は電極が設けられ、リード線３４，３５にて第３
図ａ〜ｃに示した交流電圧が供給される。

圧電振動子３２は接着層３６にて厚さ30μm〜
100μm程度のノズル板３７と相互に接着されてお
り、ノズル板３７の中央部には直径30μm〜
100μm程度のノズル３８が複数個設けられてい
る。したがつて、ノズル板３７と圧電振動子３２
とは相互に装着されて一体化され円環状の振動体
を形成している。圧電振動子３２が後述のように
その径方向伸縮歪を生じるので、この振動体は環
状円板形の非対称バイモルフ振動体と考えること
ができる。この振動体によりノズル板３７の中央
部（すなわち圧電振動子３２の開口３３に臨む部
分）が加振され、その結果ノズル３８が加振され
る構成となつている。ノズル板３７は、さらに接
着層３９にて固定部４０に接着され固定部４０は
その外周に設けたネジ部４１にてボデイー２９に
装着されている。

したがつて、前記圧電振動子３２とノズル板３
７より成る振動体が固定部４０に固定され、さら
にボデイー２９にネジ止め固定されているのであ
る。

圧電振動子３２は、リード線３４，３５を介し
て制御部７より第３図ａ〜ｃのような交流電圧が
印加されると、その径方向に伸縮歪を生じて振動
する。このため、圧電振動子３２とノズル板３７
とより成る振動体は、固定部４０にて周辺固定さ
れた環状円板のたわみ振動を生じ、この結果、ノ
ズル板３７の中央部（開口３３に臨む部分）が加
振されてたわみ振動を行い、ノズル３８はその軸
方向（第４図の左右方向）に加振される。

この結果ノズル３８より霧化粒子２３を噴射す
ることができる。４２は気泡であり、前記振動体
の振動により発生するものであつて静圧差による
気泡の浮力により図のようにパイプ２２に排出さ
れる。

第５図は上記した振動体の振動状態を説明する
ものであり第４図と同符号は相当物である。

第５図は圧電振動子３０が径方向に縮小歪を生
じた時を示しており液滴がノズル３８より離れる
と共に加圧室２８内は振動体が図のように歪を生
じることにより負圧となるがノズル３８に発生す
る灯油の表面張力によりノズル３８からの加圧室
２８への空気流入は阻止され、この結果、パイプ
２０より灯油が吸い上げられ、自給ポンプ作用を
発揮する。

また、圧電振動子３２が逆方向に歪を生じ径方
向に伸張すると、図の破線のような状態となり、
この結果ノズル３８の近傍の圧力上昇が発生して
液滴２３が噴射される。

この動作を第３図ａ〜ｃのような交流電圧に応
じて繰り返すので、霧化パターンが安定で、粒径
が小さく均一な霧化を行うことができ、しかも霧
化量調節が簡単な霧化装置とすることができる。
また灯油の吸い上げ作用を有するのでポンプ等の
液体供給手段が不要である。

第５図より明らかなように、加圧室２８内にお
ける液体中の圧力変化の最大点はノズル３８の近
傍でありこのため、溶存空気を多量に含む液体で
あつても超音波キヤビテーシヨンによる溶存空気
の気泡化が生じる以前にノズル３８から噴射され
てしまうので、気泡の発生を極めて少なくするこ
とができる。また、図のようにわずかに気泡４２
が加圧室２８内に発生するけれども、極端に大き
な気泡に成長し、ノズル板３７と圧電振動子３２
より成る円環状の振動体に接触しなければ、霧化
動作にはほとんど影響を与えることがなく極めて
安定な霧化動作を実現することができる。

なぜならば、ノズル板３７と圧電振動子３２よ
り成る円環状の振動体が、第５図のようなたわみ
振動を行い、加圧室２８に対して基本モードのた
わみ振動を行つているかぎりは、すくなくともこ
の円環状の振動体上には振動の節、すなわち節円
が発生せず、このためこの振動体に気泡４２が接
触することがないからである。

もちろん、ノズル板３７と固定部３９の接合
部、すなわち振動体の周辺に気泡４３が溜まるこ
とも生じ得るが、この場合には極端に大きな気泡
が溜まることがない限り振動体の振動に与える悪
影響はなく、また、もし図のように気泡４３が溜
まつても大気泡に成長する以前に、加圧室２８内
の静圧分布と気泡４３の浮力とにより、パイプ２
２に排出されてしまうのである。

このように、少なくとも円環状の振動体の加圧
室２８に臨む部分に振動の節が発生しない基本モ
ードで振動体を振動させる構成とすることにより
溶存気体の多い液体であつても極めて安定に霧化
することができる。

しかしながら、加圧室２８に臨む振動体に節が
発生するような高次モードで振動体を振動させる
と以下のような不都合を生じる。

第６図は上記不都合を説明する霧化部２１の断
面図であり、第５図と同符号は相当物である。

第６図において、ノズル板３７と圧電振動子３
２より成る円環状の振動体の加圧室２８に臨む部
分には、図のように振動の節、すなわち節円が生
じている。すなわち、円環状の振動体は、その円
環の中心円近くに節円が生じるような高次モード
の振動を行つているのである。円環の中央の開口
（圧電振動子３２の開口３３に相当する）を省略
し、環状円板をモデル化した円板としてその振動
姿態を示すと第７図ａ，ｂのようになる。第７図
ａは、その平面図、ｂは断面図を示すものであ
り、円板たわみ振動の２次モード振動を示してい
る。一方、第５図に示した円環状の振動体の振動
姿態と同様に単純な円板モデルの振動として示す
と第８図ａ，ｂのようになり、円板たわみ振動の
１次モードと考えることができ、この説明図から
明らかなように、振動体に節円を生じない振動モ
ードで振動させることが重要なのである。このよ
うな節円が、加圧室２８に臨む円環状の振動体上
に発生すると、キヤビテーシヨン気泡４２は第６
図に示すように節円上に吸い寄せられて大気泡４
４となり、しかもこの気泡４４は円環状の振動体
（ノズル板３７と圧電振動子３２の重なり部分）
に接触しながら成長していく。これは、このよう
な振動モードによる加圧室２８内の音圧分布によ
るものであり、このようなモードで円環状の振動
体が振動するかぎりは避けることが不可能であ
る。気泡４４が大きく成長してくると円環状の振
動体の振動条件に著しい影響を与え、安定な振動
状態の維持が困難となつてしまい、ついには完全
に振動が停止し、ノズル３８からの噴霧が停止し
てしまう。すると気泡４４は図の矢印のように上
昇してパイプ２２に排出され、再び正常な振動が
励起され噴霧が再開されるのである。このような
現象は、噴霧状態の不規則な脈動現象となつて現
れるので霧化パターンや霧化量の不安定さを生じ
てしまう結果となるのである。

前述したような気泡４４による不都合は、振動
体（ノズル板３７と圧電振動子３２よりなる円環
状部分）に気泡４４が触れることにより振動体の
機械的インピーダンスが変化するためであり、こ
の振動体に節を生じないような基本モードで振動
体を振動させることにより上記不都合を解消する
ことができる。また、この円環状の振動体を構成
する部分以外のノズル板３７に気泡が触れた場合
は、振動体の振動に対する影響は小さく、あまり
問題とならない。これは、円環状振動体の機械イ
ンピーダンスに与える影響が小さいためであると
考えられ、このことは、円環状の振動体（圧電振
動子３２とノズル板３７との重なり部分）上にさ
え、節円が生じなければよいことを意味するもの
である。

このように、第５図に示したように、加圧室２
８に臨む円環状の振動体上に節の発生しない基本
モードで振動体を振動させる構成とすることが安
定な噴霧を行う上で極めて重要である。

第９図は本発明の霧化装置の他の実施例を示す
断面図であり、第６図と同符号は相当物である。
第９図において、ノズル板３７と圧電振動子３０
とより成る振動体自身は第６図と同様に節円が生
じる２次モードのたわみ振動をしており、第７図
ａ，ｂのような振動姿態を示している。

しかしながら、加圧室２８とノズル板３７の間
には音波遮断部４５が図のように設けられてお
り、その先端４６はノズル板３７の振動の節部に
接するよう構成されている。４７は空間部であ
り、振動の節以外の部分が自由に振動できるよう
にするためのものであつて、これは音波吸収材等
を充填する構成であつてもよい。またノズル板３
７と音波遮断部４５の先端４６との間は間隙が存
在するけれども、加圧室２８が大気圧より低い圧
力に保たれているので灯油が空間部４６に漏れる
ことなく、また灯油の表面張力の作用により空気
が加圧室２８に流入することもない。

このような構成により、振動体自身は２次モー
ドで動作するけれども加圧室２８に臨む部分は見
かけ上は基本モードで動作させることが可能とな
る。すなわち、振動体を加圧室２８に対して実質
的に基本モードで振動する構成とすることができ
る。従つて、第６図の場合のように、加圧室２８
内の音圧分布による大気泡４４の成長とノズル板
３７と圧電振動子３２よりなる円環状の振動体へ
の接触を防止し、極めて安定性に富んだ霧化動作
を実現することができる。なお、気泡４３は第５
図の場合と同様に振動に悪影響を与える程成長す
る以前にその浮力によりパイプ２２に排気され
る。

したがつて、振動体自身は２次モードで動作し
ても加圧室２８に対して実質的に基本モードで振
動するよう構成することにより安定霧化動作が可
能である。

このように第５図または第９図の実施例のよう
な霧化装置により優れた霧化性能を発揮すること
ができる霧化装置を実現することが可能であり、
しかも、霧化に要するエネルギーは著しく小さい
ものとすることができる。発明者の実験によれば
その消費電力は極めて小さく20c.c.／分程度の霧化
量を得るに要する消費電力は0.1ワツト程度であ
り従来の超音波霧化装置に比し、極めて省エネル
ギー性の高い霧化装置を実現することができる。

以上に述べたように本発明によれば、液体を充
填する加圧室と、加圧室に臨んで設けたノズル
と、前記ノズルを加振する振動体と、前記振動体
を付勢する電気的振動子とを備え、前記振動体の
少なくとも１部を加圧室に臨ませる構成とすると
共に、前記振動体を加圧室に対して実質的に基本
モードで振動させるよう構成したから、構成が極
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、霧化パターンの安定性、微粒化性能、
粒径バラツキ等の霧化性能に優れ、霧化量制御が
簡単でかつ極めて低消費電力である霧化装置を実
現することが可能である。さらにノズルを振動さ
せる構成であるため溶存気体を多く含む液体であ
つても霧化動作維持が可能であり、特に加圧室に
対して実質的に基本モードで振動体が振動する構
成とすることにより、非常に安定性に富んだ霧化
動作を実現することができるものであり、極めて
汎用性に富んだ霧化装置を提供することができ
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を適用した温風
機の断面図、第３図ａ，ｂおよびｃは霧化量の大
小に応じた圧電振動子の駆動電圧波形図、第４図
は本発明の一実施例を示す霧化装置の断面図、第
５図は同霧化装置の動作説明図、第６図は本発明
を説明するために用いた霧化装置の断面図、第７
図ａおよびｂは第６図の霧化装置の振動体の動作
状態を説明する図、第８図ａおよびｂは第５図の
霧化装置の振動体の動作状態を説明する図、第９
図は本発明の他の実施例を示す霧化装置の断面図
である。 ２８……加圧室、３２……電気的振動子（圧電
振動子）、３３……開口、３０，３７……振動体
（圧電振動子、ノズル板）、３８……ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体を充填する加圧室と、前記加圧室に臨ん
   で設けた１つ又はそれ以上のノズルと、前記ノズ
   ルを加振する振動体と、前記振動体を附勢する電
   気的振動子とを備え、前記振動体の少なくとも１
   部が前記加圧室に臨むよう構成すると共に、前記
   振動体が前記加圧室に対して実質的に基本振動モ
   ードで振動するよう構成した霧化装置。 ２ ノズルをノズル板に設け、前記電気的振動子
   を板状の圧電振動子で構成すると共に、前記ノズ
   ル板に前記圧電振動子を装着して前記振動体とし
   た特許請求の範囲第１項に記載の霧化装置。 ３ 圧電振動子を円形の開口部を有する円板状圧
   電振動子で構成し、ノズルが前記開口部に臨むよ
   う前記円板状圧電振動子を前記ノズル板に装着し
   て前記振動体を円環状振動体とすると共に、前記
   円環状振動体の振動が環状円板のたわみ振動とな
   るよう構成した特許請求の範囲第２項記載の霧化
   装置。