JPS6340593B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、灯油・軽油などの液体燃料、水、薬
液、記録用インクなど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、圧電セラミツクなどの電気的振動子の超音波
振動を利用して液体を微粒化するところの超音波
振動を利用した霧化装置に関するものである。

従来の構成とその問題点 従来、この種の霧化装置には様々の構成のもの
が提案されている。

例えば第１図ａに示す構成は最も代表的なもの
であり、ステンレスなどより成るホーン１に圧電
セラミツク２を接着し、ホーン１により圧電セラ
ミツク２の振動を増巾する構成とすると共に液槽
３からポンプ４にて液体をホーン１の先端に供給
するようにしたものである。ホーン１の先端に送
られた液体５は、ホーン１の先端の振動によりい
わめるキヤピラリーウエーブを発生し、図のよう
に霧化粒子６となつて飛散するものである。

第２図の従来の霧化装置として第１図ｂに示す
ものがあり、液槽７の底面に圧電セラミツク８を
装着し、超音波振動エネルギーを直接液中に照射
する構成となつている。液中に照射された超音波
エネルギーにより図のように液面に液柱９を形成
し、液面に発生するキヤピラリーウエーブにより
霧化粒子１０が飛散するものである。

上記第１、第２の従来の霧化装置は振動振中の
増巾の有無の差はあるが基本的に超音波振動によ
るキヤピラリーウエーブを利用するという点で、
いわゆる超音波霧化装置の代表例である。

一方、近年インクジエツト記録装置に利用した
霧化装置であつて、上記第１、第２の従来の霧化
装置とはその微粒化のメカニズムを異にするとこ
ろの第３の従来の霧化装置として第１図ｃのよう
な構成のものがある。これは、インク室１１の一
端にオリフイス１２を設け、他端に圧電振動子１
３と振動板１４よりなる振動体を設ける構成とし
たものであり、圧電振動子１３の振動による圧力
波をオリフイス１２に伝え、オリフイス１２より
インク微粒子１５を噴射するものであり、噴射さ
れたインクに相当する体積のインクは、パイプ１
６より自動的に補充される構成となつている。

このように従来から様々の構成の霧化装置が提
案されているけれども、以下に述べるようにそれ
ぞれ欠点を有し、特殊な用途に限定されざるを得
ないものであつた。

第１の霧化装置は、霧化粒子の微粒化性能や粒
径の均一性、霧化パターンの安定性などのいわゆ
る霧化性能が十分なものではなく、さらにポンプ
４による液体供給系が極めて面倒であつた。また
安定なホーン１の振動を保証するためにはホーン
１の高い加工精度と面倒な固定条件とが要求され
た。このため、装置全体が大型化・高価格化せざ
るを得なかつた。また、例えば20c.c.／minの霧化
量を得るに要する電力は、５〜10wattsと大きい
ものであつた。

第２の霧化装置はポンプなどを必要としないけ
れども、超音波による直接霧化を行うため、液体
の物性や液面高さによる霧化特性の変動が著しく
この補償は困難を極めるものであつた。

霧化に要する電力は著しく大きく、20c.c.／min
の霧化量を得るのに50〜100wattsを要し、しか
も１〜2MHzという極めて高い周波数での動作が
必要であつた。このため、著しく高価なものにな
らざるを得ず、さらに電波障害に発生する可能性
が高いという重大な欠点を有するものであつた。

第３の霧化装置は、いわゆる超音波エネルギー
による霧化ではないために、霧化に要する電力は
著しく小さく、かつ、非常にコンパクトな構成で
あつたが、圧電振動子１３の振動によるインク室
１１内の圧力上昇をオリフイス１２にインクを介
して伝達するという構成であるため、インク中の
溶存空気がいわゆるキヤビテーシヨンにより気泡
化し、安定な霧化ができないという欠点を有して
いた。したがつてインクは溶存空気を除いたもの
を使用せざるを得ず、それゆえ極めて汎用性に欠
けるものであつた。

発明の目的 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・粒径の均一性、霧化パタ
ーンの安定性などのいわゆる霧化性能にすぐれ、
しかも霧化量の制御や霧化タイミングの制御など
の制御性にすぐれた霧化装置を提供することであ
る。

第３の目的は、溶存空気を多量に含む一般的な
液体であつてもキヤビテーシヨンの影響をほとん
ど受けることなく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。

発明の構成 本発明は、上記目的を達成するために以下に述
る構成より成るものである。

すなわち、ノズルを有するノズル板と板状の電
気的振動子とより成るたわみ振動体と、液体が充
填される加圧室を有するボデイーとを備え、前記
加圧室に臨むように前記たわみ振動体を前記ボデ
イーに装着すると共に、前記ノズルの振動と前記
電気的振動子の振動とが互いにほぼ逆位相となる
２次もしくはそれ以上の高次のたわみ振動モード
にて前記たわみ振動体を付勢し、前記ノズルを加
振する構成としたものであり、前記電気的振動子
の振動によりたわみ振動体のたわみ振動を励起し
て前記ノズルを加振し、前記ノズルより前記加圧
室の液体を噴射し微粒化するものである。

実施例の説明 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１７の上面に
は操作部１８が設けられ、制御部１９に運転指令
を与える。運転開始指令が与えられると制御部１
９は送風フアンモータ２０を起動し、送風フアン
モータ２０は、送風フアン２１、吸引フアン２２
を回転させる。したがつて燃焼空気が吸気筒２３
より矢印のように吸い込まれ、オリフイス２４、
負荷発生部２５を通つてフラワー２６に送られ、
スラワー２６より旋回気流となつて霧化室２７に
送られる。そして保炎口２９より燃焼室３０に送
られ排気筒３１より排気される。

一方、灯油はタンク３２よりパイプ３３を経て
レベラー３４に送られ、レベラー３４から霧化部
３５にパイプ３６を経て送られる構成となつてい
る。レベラー３４は運転停止時は灯油の液面をパ
イプ３６内の位置Ａに制御するものである。

吸引フアン２２の吐出側は連通部３７にて負圧
発生部２５に連結され、吸込側は、パイプ３８に
て霧化部３５と連結されている。したがつて運転
が開始されると負圧発生部２５に発生する負圧力
（ΔP₁）と吸引フアン２２の両端間に発生する負
圧力差（ΔP₂）との和負圧力（−ΔP＝−ΔP₁−
ΔP₂）が吸引部３９に発生し、この負圧力（−
ΔP）はパイプ３８、霧化部３５を介してパイプ
３６内の液面Ａに印加される。この結果、パイプ
３６内の液面Ａは上昇し、霧化部３５内を灯油で
充填してパイプ３８内の液面Ｂとなつてつりあう
のである。このようにして運転停止時は空であつ
た霧化部３５内は灯油で満たされる。

次に制御部１９は内蔵する発振器４０を起動し
て霧化部３５を付勢すると共に点火器４１を起動
するにしたがつて、霧化室２７の壁面４２に取付
られた霧化部３５からは、霧化粒子４３が噴霧さ
れ、燃焼空気と混合して保炎口２９より吐出され
る。そして、点火器４１にて点火されて火炎４３
を形成し燃焼する。なお４４は火炎センサ、４５
は対流フアンである。

このようにして、本発明の一実施例の霧化装置
を適用した温風機は極めて簡単な構成となる。

次に、霧化部３５についてさらに詳しく説明す
る。第３図は霧化部３５の詳細な構成を示す断面
図であり、第２図と同符号は相当物である。

第３図において、霧化部３５は直径が約５〜15
mm深さ２〜５mmの加圧室４６を有するボデイー４
７と、ボデイー４７がビス４８にて固定されるケ
ース４９などにより構成され、ケース４９はビス
５０５１にて壁面４２に固定されている。加圧室
４６の一面にノズル板５２が設けられ、ノズル板
５２の外周はボデイー４７に半田付されている。
このノズル板５２は、厚さが30μｍ〜100μｍの金
属性の薄板で構成され、中央部に突起部５３が設
けられており、この突起部５３に直径が30μｍ〜
100μｍのノズル５４が複数個設けられている。

さらに、ノズル板５２には直径５〜15mm、厚さ
0.5〜２mmの円板状圧電振動子５５が半田付され
ている。圧電振動子５５の中央には開口５６が設
けられ、この開口５６にノズル５４が臨んでい
る。圧電振動子５５の両面（図の左右両端）には
図示していないが数μｍ程度の電極層が設けら
れ、この電極層とノズル板５２が半田付されてい
る。圧電振動子５５は、この電極方向に分極処理
された圧電セラミツクであり、リード線５７，５
８により第４図ａ，ｂ又はｃのように交流電圧が
霧化すべき量に応じて供給される。もちろん圧電
振動子に供給される電圧は、交流電圧でなく同図
ｄ，ｅのような直流パルス電圧であつてもよい。
供給された交流電圧の極性に応じて圧電振動子５
５はその径方向に伸縮歪を生じるが、この径方向
伸縮歪は、ノズル板５２と圧電振動子５５とが半
田付されているためにたわみ振動に変換される。
すなわち、ノズル板５２と圧電振動子５５とによ
り非対称バイモルフ振動体が形成され、たわみ振
動体となるのである。このため、ノズル５４も図
の左右方向に加振され、加圧室４６内の灯油はノ
ズル５４より霧化粒子４３となつて噴射され微粒
化されるのである。この霧化粒子４３の粒径はノ
ズル５４の直径と、圧電振動子５５に供給される
交流電圧の繰り返し周波数および電圧の大きさと
によつて決定されるため、均一性にすぐれ、しか
も小さい霧化粒子とすることが可能であり、さら
に霧化パターンも突起部５３の形状とノズル５４
の配置とによつて自由に設定することができ、か
つ安定なパターンとなる。霧化粒子の発生タイミ
ングや霧化量の制御は、第４図ａ〜ｃに示すよう
に交流電圧の供給タイミングを制御するのみで極
めて簡単にかつ確実に制御することができ、非常
に良好な制御性を有している。霧化粒子４３の噴
射はノズル５４が加圧室４６側（第３図の右方
向）に変位を生じたとき行われ、一方反対側（第
３図の左方向）に変位したとき、加圧室４６内へ
は、霧化粒子４３となつて噴射された灯油の体積
に相当する体積の灯油がパイプ３６から吸い上げ
られる。なぜならば、ノズル５４に発生する灯油
の表面張力により、ノズル５４から加圧室への空
気流入が阻止されるからである。

このようにして、圧電振動子５５に交流電圧を
供給するのみで灯油を自給しながら霧化すること
ができるのである。

前述したように霧化動作のメカニズムが超音波
エネルギーにより発生するキヤピラリーウエーブ
を利用したものではないので、圧電振動子５５の
消費電力は著しく小さく、20c.c.／minの霧化量を
得るに要する圧電振動子の入力電力は0.1〜
0.2wattsである。

次に、ノズル板５２と圧電振動子５５より成る
たわみ振動体の動作について、さらに詳しく説明
する。第５図ａ，ｂにおいて、第３図と同符号は
相当物である。

第５図ａ，ｂに破線で示すようにたわみ振動体
の振動モードはノズル５４と圧電振動子５５の振
動位相が逆位相となるものであり、第５図ａ中に
示した太線矢印のようになつている。しかも、第
５図ｃに示すように振動振巾δの径方向分布は、
ノズル５４の近傍の振巾が大きく、圧電振動子５
５の振巾が非常に小さいものとなつている。した
がつて、たわみ振動体の振動によるキヤビテーシ
ヨン発生の可能性が最も大きいのがノズル５４の
近傍となり、かつノズル５４近傍の灯油は溶存空
気が過大気泡化する前にノズル５４から噴射され
てしまうので、灯油のように溶存空気を多量に含
む液体であつてもキヤビテーシヨン気泡の影響を
ほとんど受けることなく、安定に噴射し、微粒化
することができる。また、圧電振動子５５近傍で
のキヤビテーシヨンの発生は、ノズル５４と圧電
振動子５５との振動位相が逆位相であるために、
第５図ａ，ｂの細線矢印で示すような灯油の流れ
が発生してキヤビテーシヨン発生を抑制する方向
（すなわち減圧を抑制する方向）に作用するので
ほとんどこの部分でのキヤビテーシヨンによる溶
存空気の気泡化は防止されしかも、ノズル５４の
近傍で気泡が発生することがあつてもこの気泡は
灯油の流れに沿つて加圧室４６の別周方向に排除
されパイプ３８より排出されてしまう。したがつ
て、この振動モードで振動させるよう構成するこ
とにより安定な圧電振動子の動作が保証されるの
である。

第６図ａはノズル５４と圧電振動子５５とが同
位相の振動モードでたわみ振動するようにした場
合の動作を説明するもので第３図と同符号は相当
物である。第６図ａ中に矢印で示したようにノズ
ル５４と圧電振動子５５とが同位相で振動する場
合も、第６図ｂに示すようにその振巾δの径方向
の分布は、ノズル５４近傍が大きく、圧電振動子
５５の振巾は非常に小さいものとなる。しかしな
がら、このような振動モードで振動させた場合に
は、第６図ａに示すように溶存空気の気泡化が目
立つようになり気泡５９が圧電振動子５５の近傍
や加圧室４６の壁面等に発生し、霧化粒子の噴射
状態に乱れを生じ安定な霧化パターンの維持が不
可能となる。

第７図ａ〜ｅは第５図、第６図の振動モードに
ついてさらに詳しく説明するものであり、第３図
と同符号は相当物である。

第７図ａにおいて、圧電振動子５５とノズル板
５２より構成されるたわみ振動体は、第７図ｂ，
ｃに示すように２つの部分にわけて考えることが
できる。同図ｃの中央ノズル板５２′が開口５６
の内周に沿う固定部６０で周辺固定されてたわみ
振動を行い、一方同図ｂのように圧電振動子５５
とノズル板５２より成る非対称バイモルフ振動体
６１がボデイー４７による固定部６２にて周辺固
定されてたわみ振動していると考えることができ
るのである。なぜならば、同図ｂの振動部分６１
の振動振巾δと同図ｃの振動部分５２′の振動振
巾δ′とはそのレベルに著しく大きな差があるから
である。

同図ｂの振動部分６１は、同図ｃの振動部分５
２′を負荷とする励振源であり、これらの２つの
振動体の共振周波数を一致させ機械インピーダン
スの整合をとることが効率的な霧化動作を実現す
る上で重要である。

ところで、これらの２つの振動体６１，５２′
を集中質量m₂およびm₁でおきかえてモデル化し
て表わすと第７図ｄ，ｅのように一次元での振動
系として考えることができる。すなわち、m₁は
５２′に相当し、1/2m₂は６１の左右の振動部分
である。a₁およびa₂をそれぞれm₁およびm₂の振
動加速度とすると、第５図の振動モード第７図ｅ
に、第６図の振動モードは第７図ｄに相当する。

第７図ｄ，ｅにおいてそれぞれ固定端６２に発
生する振動方向の力F_S、F_S′を考えると、 同図ｄにおいて F_S＝m₂a₂＋m₁a₁ 同図ｅおいて F_S′＝m₂a₂−m₁a₁ となり F_S′＜F_S となることは明白でありm₁とm₂との機械インピ
ーダンスの整合の良さによつては、F_S′はF_Sに比
べて著しく小さいものとすることができる。この
ことは、構造の簡単化と動作の安定化に対して極
めて重要である。

すなわち、前述したF_S′が非常に小さいために、
第５図に示した２次の振動モードでの動作を行う
場合は第６図に示した１次の振動モードの場合と
比較して、ボデイー４７に要求される振動的性性
能が非常に低レベルなものでよいことになる。

つまり、たわみ振動体の振動エネルギーはボデ
イー４７に非常に伝達されにくくなり、ボデイー
４７からみたたわみ振動体の機械インピーダンス
が高くなるわけである。

このため、ボデイー４７の構造が簡単なもので
あつても安定なたわみ振動体のたわみ振動保証す
ることができると共に、ボデイー４７への振動エ
ネルギーの伝達が少ないために、第６図ａのよう
に加圧室４６のいたるところでキヤビテーシヨン
気泡５９が発生することが防止され、安定な霧化
動作を簡単な構造で保証することができるのであ
る。

またボデイー４７からみたたわみ振動体の機械
インピーダンスが高いということはボデイー４７
の取付条件がたわみ振動体に与える影響を非常に
小さいものにするので、非常に取扱いが容易な霧
化装置を実現することが可能である。

このように、ノズル板５２と圧電振動子５５と
の振動位相が互いに逆位相となる２次もしくはそ
れ以上の高次の振動モードで付勢する構成によ
り、ノズル５４、および圧電振動子５５近傍での
キヤビテーシヨン気泡の発生を抑止するような加
圧室４６内の液体の流れを生じさせることがで
き、かつ、ボデイー４７からみたたわみ振動体の
機械インピーダンスを高くし、簡単なボデイー構
造でもボデイー４７自身に振動が伝達されて加圧
室内にキヤビテーシヨン気泡が発生したり、ボデ
イーの取付条件で振動状態が変化したりするとい
う不都合を防止することができ、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
ができる。

第８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３図と同符号は相当物であ
る。この実施例では、ノズル板５２は突起部が設
けられず、従つてノズル５４より複数個の直進す
る液滴列が発生される。

第９図は、さらに本発明の他の実施例を示す断
面図であり、第３図と同符号は相当物である。こ
の実施例では排気パイプは設けられておらず、ノ
ズル５４は１個のみ設けられていて、単一の液滴
列を生成することできる。

第１０図は、さらにもう一つの本発明の実施例
を示す断面図であり第３図と同符号は相当物であ
る。この実施例では圧電振動子５５がたわみ振動
の腹にのみ設けられており、圧電振動子５５上に
振動の節が発生しない振動モードでありさえすれ
ばよいことを示している。またパイプ３６の直径
は、加圧室４６の直径とほとんど同じであるが、
本質的に加圧室４６の形状が本発明に影響するも
のでないことを示している。

このように、本発明の技術思想を逸脱しない範
囲で様々な実施態様をとることができるものであ
る。

発明の効果 以上のように本発明によれば、加圧室に液体を
充填し、前記加圧室にノズル板と電気的振動子と
より成るたわみ振動体を臨ませるようボデイーに
装着する構成とし、ノズルと電気的振動子との振
動の位相が逆位相となる２次もしくはそれ以上の
高次の振動モードで前記たわみ振動体を付勢して
ノズルを加振するよう構成したから、極めて構成
が簡単でコンパクトであり、従つて低価格であ
り、しかも極めて低消費電力であるにもかかわら
ず微粒化、粒径の均一性、霧化パターンの安定
性、霧化動作の制御性に優れた霧化装置を提供す
ることが可能である。

特に、ノズルと電気的振動子との振動が互いに
逆位相となる振動モードでたわみ振動体を付勢す
る構成により、溶俗空気を多量に含む一般的な液
体であつてもキヤビテーシヨンの影響をほとんど
受けることなく極めて安定に霧化することができ
しかも取付条件等の影響を受けにくく取扱いが容
易であるので極めて汎用性に富んだ霧化装置を提
供することが可能であり、その工業的価値は著し
く大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂおよびｃは従来の霧化装置の断面
図、第２図は本発明の一実施例の霧化装置を適用
した温風機の断面図、第３図は同霧化装置の詳細
断面図、第４図ａ，ｂ，ｃ，ｄおよびｅは霧化量
に応じた電気的振動子の駆動電圧波形図、第５図
ａおよびｂは第３図の霧化装置のたわみ振動姿態
を説明する断面図、同図ｃは同たわみ振動体の振
動振巾の径方向分布図、第６図ａは、同たわみ振
動体の他の振動姿態を説明する断面図、同図ｂは
同振動姿態でのたわみ振動体の振動振巾の径方向
分布図、第７図ａ〜ｅは第５図および第６図のた
わみ振動体の振動姿態をモデル化して説明し比較
するための断面図およびモデル図、第８図は本発
明の他の実施例を示す霧化装置の断面図、第９図
は同さらに他の実施例を示す霧化装置の断面図、
第１０図はもう１つの他の実施例を示す霧化装置
の断面図である。 ４６……加圧室、４７……ボデイー、５２……
ノズル板、５３……突起部、５４……ノズル、５
５……電気的振動子（圧電振動子）、５６……開
口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ノズルを有するノズル板と板状電気的振動子
   とより成るたわみ振動体と、加圧室を有するボデ
   イーとを備え、前記加圧室に臨むよう前記たわみ
   振動体を前記ボデイーに装着すると共に、前記ノ
   ズルと前記電気的振動子との振動がほぼ逆位相と
   なる２次もしくはそれ以上の高次のたわみ振動モ
   ードで前記たわみ振動体を付勢して前記ノズルを
   加振する構成とした霧化装置。 ２ 電気的振動子に開口を設け、前記開口に前記
   ノズルが臨むよう前記たわみ振動体を構成した特
   許請求の範囲第１項に記載の霧化装置。 ３ 電気的振動子を円板状圧電振動子で構成し、
   前記たわみ振動体を円形たわみ振動体とした特許
   請求の範囲第１項又は第２項記載の霧化装置。 ４ ノズル板に突起部を設け、前記突起部に複数
   個のノズルを設ける構成とした特許請求の範囲第
   １項、第２項又は第３項に記載の霧化装置。