JPS6366269B2 - - 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
液など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
気的振動子による液体の加振によりノズルから液
体を噴射して微粒化するところの噴射型の霧化装
置に関するものである。

従来例の構成とその問題点 従来この種の霧化装置は、主にインクジエツト
記録装置のインク噴射装置に用いられ、非常にコ
ンパクトで安定な液滴噴射パターンを実現するこ
とができる霧化装置を提供していた。

第１図は、代表的な従来の霧化装置の構成を示
す断面図である。

第１図において、液室１の一端にはノズル２が
設けられ、他端には、振動板３と圧電振動子４と
が相互に接着されて設けられている。また、液室
１は、パイプ５にてタンク６と接続されている。
圧電振動子４に第２図の様なパルス電圧（交流電
圧）が供給されると、振動板３と圧電振動子４と
は、第１図中に破線で示すようなたわみ振動を生
じる。したがつて、液室１内には図の矢印の方向
に圧力波が発生し、ノズル２からは液滴７が第２
図の電圧に応じて噴射される。また、噴射された
液体に相当する体積の液体は、ノズル２に発生す
る液体の表面張力によりパイプ５より自動的に吸
い上げられるのでポンプなどを必要とせずに、液
室１に液体が補充される。

しかしながら、液室１への液体の充墳は極めて
面倒であつた。すなわち、第１図に示すように、
液室１の一部に排気口８を設け、タンク６内の液
体を加圧して液室１に押し込み、ノズル２や排気
口８から溢れ出る状態とした後、ビス９にて閉栓
し、第１図のような状態を実現していた。

このように液室１への液体充墳作業は極めて面
倒であつたので、この作業の自動化が困難であつ
た。したがつて、第１図のように液室１内に液体
を充填したまま長期にわたつて保存することも多
く、液室内の液体の変質やノズル２の目づまりな
どが生じやすいという欠点を有していた。

さらに、液室１内にキヤビテーシヨンによる気
泡が発生したり、ボデイー１０が機械的な衝撃を
受けてノズル２より空気が混入したりすると、圧
電振動子４の振動による圧力波は、この気泡によ
つて吸収されてしまい、ノズル２からの液滴噴射
ができなくなつてしまうという欠点を有するもの
であつた。

このような欠点のため、従来の霧化装置は、非
常に使いにくいものとなり、インクジエツト記録
装置などの特殊な用途にしか実用化され得ず、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の目的は液体の充填が極めて容易であり、
従つて液体の充填過程からの自動化を簡単に実現
することができる霧化装置を提供することであ
る。

第２の目的は、キヤビテーシヨン気泡などを簡
単に、かつ自動的に排出することができるので極
めて安定な霧化動作を保証することができ、従つ
て種々の液体を霧化することが可能であり、汎用
性に富んだ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べ
る構成により成るものである。

すなわち、液体が充填されるための加圧室と、
前記加圧室に臨むように設けたノズルと、前記加
圧室の液体を加振して前記ノズルから噴霧する電
気的振動子と、前記ノズルより低い位置に液面を
略一定に制御する液面制御手段と、液体を前記加
圧室に吸い上げて充填するための負圧力を発生す
る負圧発生手段と、前記加圧室を前記液面制御手
段および負圧発生手段のそれぞれと接続する供給
管および排気管とを備えると共に、液面から前記
加圧室の上端までの高さをｈ、液体の密度をρ、
単位時間当りの噴霧量をＱ、負圧力を−Ｐ、前記
供給管の流路抵抗をγとするとき、 ｜−Ｐ｜≧｜ｈ・ρ｜＋｜γ・Ｑ｜ となるよう構成したものであり、負圧力−Ｐを制
御することにより自由に加圧室への液体の充填を
行うことができ、かつ、噴霧動作中は常に加圧室
が液体で満たされた状態を維持し、キヤビテーシ
ヨン気泡を安定に加圧室から排出して良好な噴霧
動作を保証することができる。

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３図は本発明の一実施例の霧化装置の構成を
示す断面図である。

第３図において、霧化部１０は、壁面１１にビ
ス１２で取り付けられている。霧化部１０は、内
部に直径が５〜15mm、深さ１〜５mmの円筒状の加
圧室１３を有するボデイー１４と、中央部に直径
30μｍ〜100μｍのノズル１５が複数個設けられ、
その厚さが30μｍ〜100μｍのノズル板１６と、中
央部に円形の開口１７を有し、外径５〜15mm、厚
さ0.5〜２mmの円板状圧電振動子１８とにより構
成されており、それらは相互に接着されて図のよ
うな構造になつている。加圧室１３はその上下に
排気口１９と供給口２０が設けられ、排気管２１
および供給管２２と接続されている。供給管２２
は、レベラ２３に接続されており、液体２４の供
給系を形成している。レベラ２３は内部に浮子２
５を有し、支柱２６で支持された連結棒２７を介
してニードル弁２８の開度調節を行い、レベラ２
３の入口２９からの流入液体量を調節する。した
がつてレベラー２３内の液面Ａは略一定に制御さ
れ、図のようにノズル１５よりも低い位置に保た
れる。このレベラ２３の液面高さ制御作用によ
り、供給管２２内の液面Ｂも霧化動作停止時は図
のように液面Ａと同一高さとなり、加圧室１３内
は液体が存在しない空状態となつている。したが
つて、ノズル１５から外部に液体が溢れ出ること
もなく、ノズル１５が液体の変質により目づまり
を生じることもない。さらに長期にわたつて霧化
動作をせずに保存しておく場合には、レベラ２３
も含めて完全に液体を取り除くことも容易である
ので長期保存上の取扱いも簡単である。

次に加圧室１３への液体の充填過程も含めた霧
化動作について説明する。

３０は送風機であつて、その吸気路３１には、
オリフイス３２が設けられている。そして、オリ
フイス３２の下流側の負圧発生部３３に排気管２
１が接続されている。送風機３０が起動される
と、負圧発生部３３の圧力P₃₃は送風機３０の持
つ慣性により第４図のように一定の時定数で徐々
に立ち上り、例えば５〜10秒で所定の負圧力P₃₃
＝−Ｐ＝−40mmH₂Oに達する。この圧力P₃₃＝−
Ｐ＝−40mmH₂Oは、排気管２１、加圧室１３を
介して供給管２２に伝達される。このときノズル
１５からは若干の空気が流入するがノズル１５が
小さいので液面ＢにはほぼP₃₃と同程度の負圧力
が加えられる結果となり、第４図のようなP₃₃の
負圧力の大きさの増大に伴つて液面Ｂは上昇し、
液面Ｃの位置となつてつり合うのである。

このつり合い条件は、液面Ｂと液面Ｃの高さの
差をh₁、液体の密度をρとするとき P₃₃＝−Ｐ＝−h₁・ρ である。したがつて液体が灯油である場合のh₁は h₁＝40mm／0.8＝50mm （ρ≒0.8ｇ／cm³） となる。

このようにして加圧室１３への液体の充填は、
負圧力−Ｐの発生手段である送風機３０を作動さ
せるだけで極めて簡単に行うことができ、かつ、
液面Ｃが加圧室１３よりも高い位置にあるので、
加圧室１３内の空気はその浮力により上昇し、自
動的に排気管２１より排気され、加圧室１３内に
気泡が残留することが防止される。

また、送風機３０の動作を停止し、負圧力−Ｐ
＝０mmH₂Oとするだけで液面Ｃは下降してＢの
位置となり、容易に加圧室１３から液体を抜きさ
り空状態とすることができる。

送風機３０を起動し液体が加圧室１３内に充填
されてから、圧電振動子１８に第５図ａ，ｂ又は
ｃのような交流電圧が噴霧すべき平均霧化量ない
しは噴霧タイミングに応じて供給される。

圧電振動子１８は第３図において、ノズル板１
６との接着面と、それに対向する面（同図の左右
の面）に電極が設けられており（図示せず）、第
５図ａ，ｂ、又はｃのような交流電圧の供給に応
じて、第３図の矢印のようにその直径方向の伸縮
歪を生じる。この伸縮歪は、圧電振動子１８がノ
ズル板１６と相互接着されて非対称バイモルフ振
動体を形成しているのでたわみ振動に変換され
る。このため、ノズル板１６と圧電振動子１８と
のバイモルフ振動体は、第３図の破線のように加
圧室１３の外周を固定端とする円板たわみ振動を
行う。この結果、ノズル１５は、その軸方向（第
３図の左右方向）に大きく加振され、加圧室１３
内の液体はこの振動による加速度により加速噴射
され第３図のように均一で小粒径の液滴３４とな
つて飛翔する。

この液滴３４の大きさは、ノズル１５の直径と
圧電振動子１８に供給される電圧の大きさ、およ
び周波数によつて決定されるので、第５図ａ〜ｃ
のように供給電圧のタイミングコントロールによ
り、均一粒径の液滴の単位時間当りの平均発生量
を自由に制御することができる。

単位時間当りの噴霧量がＱ（cc／sec）であると
き、次のような現象が生じる。

すなわち、レベラ２３から加圧室１３を経てノ
ズル１５より液滴３４が噴射されるわけであるか
ら、この流路を単位時間当りＱの液体が流れるこ
とになる。したがつて、この間の流路の流路抵抗
を流量に対する圧力損失で表わし、 γ（mmH₂O／cc／sec）とすると ΔP＝γ・Ｑ（mmH₂O） だけの圧力損失が発生する。

この圧力損失ΔPは、第３図に示すように液面
ＣがΔhだけ低下し、液面C′になるという結果を
引き起すのである。

もし、この液面C′がさらに低下し、加圧室１３
の上端３５よりも低い位置まで降下してしまう
と、加圧室１３内は液体で満たされた状態ではな
くなつてしまい、キヤビテーシヨンなどにより発
生する加圧室１３内の気泡３６を加圧室１３から
スムーズに排気管２１に排出できなくなつてしま
う。すなわち、加圧室１３内に空気が残り、ノズ
ル板１６の一部に空気が触れるようになるため、
安定な噴霧動作を維持し得なくなるのである。

しかし、もし、液面C′が少なくとも加圧室上端
３５よりも高い位置に保たれているならば、気泡
３６は第３図のようにスムーズに排気管２１へ
と、その浮力により自然に排出されていくので、
安定な噴霧状態を維持しつづけることが可能であ
る。

このような条件は、液体が溶存空気を多量に含
む液体である場合には、キヤビテーシヨン気泡の
発生が避け難いので特に重要であり、さらに、ノ
ズル板１６と圧電振動子１８とより成る振動体の
安定な振動を保証するために不可欠な条件であ
る。この条件を満たすためには、上記の説明から
明らかなように、液面Ａから加圧室１３の上端３
５までの高さをｈとするとき ｜−Ｐ｜≧｜ρ・ｈ｜＋｜γ・Ｑ｜ なる関係を満たすことが必要となる。

この条件を満たすように、レベラ２３、霧化部
１０、および送風機３０（負圧発生手段）、供給
管２２、および排気管２１を構成することが重要
である。

例えば、−Ｐ＝−40mmH₂O、ρ＝0.8ｇ／cm³、γ
＝50mmH₂O／cc／sec、Ｑ＝0.3cc／secである場
合にはｈは、 40≧0.8・ｈ＋50×0.3 を満たすことが必要であり、 ｈ≦31.3mm となるように、電化部１０とレベラ２３との高さ
関係を構成することが必要となるのである。

このように構成することにより、加圧室１３へ
の液体の充填や液体の除去を極めて容易に行うこ
とができ、液体充填過程を含めた起動の自動化を
極めて簡単に実現することができる。そして、動
作停止時は、加圧室１３を空状態にしておくこと
が可能であるので液体の変質などに起因する目づ
まりの発生という不都合を防止することができ
る。さらに、霧化動作中において、一般的な容存
空気を多く含む液体の場合に発生するキヤビテー
シヨン気泡を自然に加圧室１３から排出し、かつ
加圧室１３内を液体で満たした状態を維持して安
定な霧化動作を常に保証することができるので
様々な液体の噴霧を行うことが可能である。

第６図は本発明の他の実施例を示す霧化装置の
断面図であつて、第３図と同符号は相当する構造
物であり説明を省略する。

同図において、ノズル１５は、ノズル板１６の
中央に設けた突起３７に設けられており、液滴３
４は図のように放射状に噴射される。

液面Ｂを液面ＣないしはC′に吸い上げるための
負圧発生手段は、コンプレツサ３８により構成さ
れている。また、液面Ａは、固定タンク３９とカ
ートリツジタンク４０を図のように構成した液面
制御手段２３により略一定に制御されている。

また液面制御手段は、第７図に示すようにオー
バフロータンク４１とオーバフロータンク４１に
タンク４２から液体を汲み上げるポンプ４３とに
よつて構成することもできる。このような構成に
よつて、制御液面Ａをタンク４２よりも高い位置
にすることができ、霧化部１０のタンク４２から
の高さを負圧発生手段の発生する負圧力の大きさ
をあまり大きくしないで高くすることができる。

第８図は、第３図に示した本発明の一実施例の
霧化装置を適用した燃焼機の構成を示す断面図で
あり、第３図と同符号は相当する構造物である。
第８図において、燃焼空気を送る送風機３０は、
モータ４４、フアン４５にて構成され、オリフイ
ス３２の下流に負圧発生部３３を形成している。
燃焼空気は、フアン４５により図の矢印のように
送られ、燃焼室４６に多数の噴口４７より送られ
る。４８は排気筒である。

灯油は、タンク（図示せず）よりパイプ４９を
通つてレベラ２３に送られ、フアン４５によつて
発生される負圧力にて吸い上げられ霧化部１０内
の加圧室に満たされる。制御部５０からは、霧化
部１０の圧電振動子に対して第５図ａ，ｂ又はｃ
のような交流電圧が供給され、同時に点火装置５
１が付勢されて噴霧された灯油の粒子３４は着火
する。

そして、噴口４７から噴出する空気と混合して
拡散燃焼し、火炎５２，５３を形成する。５４は
熱交換器であり、例えば水などを熱媒体としたも
のである。

また、５５は撹拌板であり、拡散燃焼を良好に
行わせると共に、火炎の長くなるのを防止する。

このように本発明の霧化装置は、灯油などの溶
存空気を多く含む液体であつても、キヤビテーシ
ヨン気泡をスムーズに排出しつつ、しかも燃焼時
のみ灯油を加圧室に充填させて噴霧させるという
構成をとつた燃焼機を実現することができ、か
つ、ポンプなどを必要とせず、簡単な燃焼機構の
燃焼機とすることができるので、不使用時に灯油
が霧化部内で変質したりすることもなく、常に安
定な燃焼を行うことができる上に、使いやすく低
価格な燃焼機とすることができる。

発明の効果 以上のように本発明によれば、加圧室にノズル
を臨ませ電気的振動子で加圧室の液体を加振する
構成とし、加圧室と負圧発生手段および液面制御
手段とを排気管および供給管で接続する構成とす
ると共に、負圧力を−Ｐ、液面から加圧室の上端
までの高さをｈ、液体の密度をρ、供給管の流路
抵抗をγ、単位時間当りの噴霧量をＱとするとき ｜−Ｐ｜≧｜ｈ・ρ｜＋｜γ・Ｑ｜ となるよう構成したので、極めて簡単に加圧室へ
の液体の充填および除去を行うことができ、かつ
キヤビテーシヨンなどによる気泡を自然に加圧室
から排出し安定に噴霧することができる霧化装置
を実現することができる。

したがつて、不使用時には加圧室の液体を除去
するという構成とし、使用時のみ自動的に液体を
加圧室に充填して霧化させるという構成が可能で
あるので、ノズルの目づまりや加圧室内での液体
の変質を防止することができ、さらに、溶存空気
を多量に含む一般的な液体も常に安定に霧化する
ことができるので、非常に使い易く汎用性に富ん
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図は従来の霧化装置の断面図、第２図は同
装置の駆動電圧波形図、第３図は本発明の一実施
例を示す霧化装置の断面図、第４図は同霧化装置
の送風機（負圧発生手段）の発生する負圧力の起
動時の立ち上り特性図、第５図ａ，ｂおよびｃは
同霧化装置の平均霧化量に応じた駆動電圧波形
図、第６図は本発明の他の実施例を示す霧化装置
の断面図、第７図は同霧化装置の液面制御手段の
他の構成を示す断面図、第８図は第３図の霧化装
置を適用した燃焼機の断面図である。 １３……加圧室、１５……ノズル、１８……電
気的振動子、２１……排気管、２２……供給管、
２３……液面制御手段（レベラ）、２５……浮子、
３０……負圧発生手段（送風機）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加圧室と、前記加圧室に臨むノズルと、前記
   加圧室の液体を加振し前記ノズルより噴霧する電
   気的振動子と、前記ノズルより低い位置に液面を
   略一定に制御する液面制御手段と、負圧力を発生
   する負圧発生手段と、前記液面制御手段および前
   記負圧発生手段をそれぞれ前記加圧室に接続する
   供給管および排気管とを備え、前記液面から前記
   加圧室上端までの高さをｈ、前記液体の密度を
   ρ、単位時間当りの噴霧量をＱ、前記負圧力を−
   Ｐ、前記供給管の流路抵抗をγとするとき、｜−
   Ｐ｜≧｜ｈ・ρ｜＋｜γ・Ｑ｜となるよう構成し
   た霧化装置。 ２ 負圧発生手段を送風機により構成した特許請
   求の範囲第１項記載の霧化装置。 ３ 液面制御手段を浮子を有するレベラにて構成
   した特許請求の範囲第１項記載の霧化装置。 ４ 液面制御手段をカートリツジタンクおよび固
   定タンクにて構成した特許請求の範囲第１項記載
   の霧化装置。 ５ 液面制御手段をオーバーフロータンクと汲み
   上げポンプとで構成した特許請求の範囲第１項記
   載の霧化装置。