JP4706232B2 - 超音波霧化装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波霧化装置に関する。

液体に超音波を照射すると、液面や液中にキャピラリー波が形成されて液体が激しく分裂し、液体の一部は霧化する。この超音波霧化現象は、超音波加湿器や超音波分留装置などに利用されている。
例えば、出願人らによる特許文献１に記載の超音波によるアルコール分溜装置についても、超音波霧化を利用している。
このアルコール分溜装置では、アルコールを含む液体を注入した液体容器と、この液体容器の底部に設置されたセラミック振動子とを含む霧化装置を備える。 この霧化装置では、セラミック振動子が発生する超音波放射圧を受けた液体が、超音波の放射軸に沿って噴出されて液柱が形成される。この液柱のうち空中との界面の部分は、超音波振動により細かく分裂されたうえ、液柱の本体部分から分離されて霧化される。
特許第３４７９１２０号公報 図１

なお、このようなタイプの超音波霧化装置について、液体を霧化することができる量は、液柱のうち空中との界面の部分の面積、即ち、液柱の表面積に比例する。ここで、超音波振動で噴射する液体の単位時間当りの体積が液柱の形状によらず一定とする。このとき、断面積が小さく、放射軸線上に長く延ばした形状を有する液柱を形成すれば、より大きな液柱の表面積が得られ、ひいては、より多くの単位時間当たりの霧化を行うことができる。

しかしながら、このようなタイプの霧化装置では、底部に設置された超音波振動子から放射する超音波振動が拡散して液柱の断面積が大きくなるため、液柱を超音波の放射軸線上に長く延ばすことが困難である。このため、超音波振動エネルギーに対する液体の単位時間当りの霧化の量を大きくすることができなかった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、効率よく液体を霧化することができる超音波霧化装置を提供することを目的とする。

その方法は、液体に超音波を照射して上記液体を霧化する超音波霧化装置であって、上記液体を収容するための液体容器と、上記液体容器の底部に配設され、上記液体の液面に向け仮想放射軸に沿って超音波を放射する超音波振動子と、基端における断面積に比して先端における断面積が小さく、先端側ほど断面積が小さいか等しい形態を有する筒内空間を備える筒状のノズル部材であって、上記液体容器内において、基端側を上記超音波振動子側に向ける一方、先端側を上記底部から離れる側に向け、上記仮想放射軸が上記筒内空間の基端側の基端開口面内を通る位置に配設されてなり、上記筒内空間内の液体と上記ノズル部材周囲の液体とを連通させる連通路を自身に備え、あるいは、上記液体容器との間に構成するノズル部材と、を備え、前記ノズル部材は、前記液体容器の底部に着脱可能に置かれてなる超音波霧化装置である。

本発明の超音波霧化装置では、ノズル部材について、超音波を放射する超音波振動子の仮想放射軸がその筒内空間の基端側の基端開口面内を通るように配設されている。このため、液体容器内に液体を入れ、ノズル部材の筒内空間内に液体を満たした状態で、超音波振動子で超音波振動を発生させると、この超音波振動は、筒内空間を基端側から先端側に向けて進行することとなる。すると、筒内空間内の液体は、超音波振動させられると共に仮想放射軸方向に押し出されて、ノズル部材の先端から噴出する。なお、液体の噴出に伴って、筒内空間内には連通路から液体が連続的に補給される。

本発明の霧化装置では、この筒内空間は基端における断面積に比して先端における断面積が小さく、先端側ほど断面積が小さいか等しい形態となっているので、先端側に向かうほど超音波エネルギーが集中し、ノズル部材の先端から、液体が勢いよく噴射される。
この噴射により形成される液柱は、ノズル部材を使用しない場合に比して、断面積が小さく、長く伸ばした形状とすることができる。しかも、液柱中を伝わる超音波振動も、より大きくなっている。従って、このような液柱からは、より多くの霧を発生させることができる。
このように、本発明の超音波霧化装置では、ノズル部材で超音波振動子から放射された超音波振動を集束させて、液柱を形成し、また液柱に強い超音波振動を伝えるので、ノズル部材がない場合に比して、より多くの液体を霧化させることができる。
しかも、本発明の超音波霧化装置では、ノズル部材が着脱可能に置かれているので、液体容器やノズル部材の洗浄やメンテナンスが容易にできる。
特に、酒類などの飲料、薬品など清浄であることが要求される液体を霧化する場合や、工業廃水などノズル部材の目詰まりを起こしやすい液体を霧化する場合などに好適に用いることができる。

ここで、ノズル部材のうち、筒内空間の形態は、基端における断面積に比して先端における断面積が小さく、先端側ほど断面積が小さいか等しい形態になっていればいずれの形態でもよい。従って、この筒内空間の形態は、全体が先細のテーパ状の形態でも良いし、円筒状の部分と先細のテーパ状の部分を組み合わせた形態のものでも良い。具体的には、例えば、筒内空間を円錐台形状としたものが挙げられる。また、この筒内空間の断面の径が、基端側ほど指数関数的に大きくなるエクスポーネンシャル形状であると、効率よく超音波エネルギーを集中できるので好ましい。また、この筒内空間の断面の形状は、円形であっても良いし、四角形であっても良い。

超音波振動子としては、液体の霧化に用いる圧電素子や磁歪素子を用いた公知の超音波振動子を用いることができる。
また、超音波振動子は、超音波振動子から放射される超音波の仮想放射軸が液面に対し交差するように配置されていれば良い。仮想放射軸が液面と斜交するように超音波振動子を配置すると良い。液量の変動が生じたときでも振動子から液面までの距離の変動が液面高さの変動に比して少なくなるからである。
さらに、ノズル部材は、超音波振動の仮想放射軸が筒内空間の基端側の基端開口面内を通るように配設されていれば良い。超音波振動を筒内空間に導くことができるからである。なお、仮想放射軸がノズル部材の空間軸心と一致していると、超音波が効率よく筒内空間の液体に伝わるので特に好ましい。

また、連通路については、筒内空間に液体容器内の液体を流入可能な通路であればいずれの形態でも良い。連通路の形態としては、例えば、ノズル部材自身に設けた貫通孔やノズル部材と液体容器との間に設けた間隙などが挙げられる。さらに、後者の場合について、ノズル部材自身を液体容器底面から離して形成した間隙、ノズル部材の底面に切り欠きを設け容器底面との間に設けた間隙、さらに、液体容器底面にノズル部材との間に連通路となる凹溝などを凹設して設けた間隙などが挙げられる。

さらに、上記の超音波霧化装置であって、前記ノズル部材は、前記筒内空間の空間軸心が、前記超音波振動子の前記仮想放射軸に一致する位置に配置されてなる超音波霧化装置とすると良い。

本発明の超音波霧化装置では、筒内空間の空間軸心が、超音波振動子の仮想放射軸に一致しているので、超音波振動子から放射された超音波が、効率よく筒内空間内の液体に伝わる。すると、ノズル部材の先端開口部から、勢い良く液体を噴出することができるので、より効率よく多量の液体を霧化させることができる。

さらに、上記の超音波霧化装置であって、前記ノズル部材と、前記液体容器の底部とは、互いに嵌合または係合して、上記底部に上記ノズル部材を位置決め保持する形態を備える超音波霧化装置とすると良い。

本発明の超音波霧化装置では、ノズル部材と液体容器の底部とは、互いに嵌合または係合して底部にノズル部材を位置決め保持する形態となっている。従って、ノズル部材を液体容器の底部に配置する際に、容易に位置決めして配置することができるので、取り扱いが容易な超音波霧化装置となし得る。

さらに、上記いずれかの超音波霧化装置であって、前記ノズル部材は、前記液体容器に所定量の液体を収容したとき液面、または、液面下で液面近傍となる位置に、前記筒内空間と上記ノズル部材周囲の空間とを連通させる上部連通孔を備える超音波霧化装置とすると良い。

水とアルコール、水と有機溶媒など、互いに比重の異なる物質（液体）の混液を霧化する場合、たとえ互いに混和している場合でも、液面付近では、比重の軽い物質の割合が多くなることが判ってきた。従って、液面付近の液体を霧化し、この霧（微少液滴）を回収すると、処理前よりも比重の軽い物質を比較的多く含む液体を得ることができる。つまり、霧化により、比重の異なる２つの液体を分溜することができる。例えば、水とアルコールの混液では、アルコール濃度の高い液体を回収することができる。

本発明の超音波霧化装置では、ノズル部材に上部連通孔を備える。このため、液体容器に、所定量の液体を注液すると、ノズル部材の先端から吐出され、霧化される液体には、この上部連通孔から筒内空間内に引き込まれた液体を多く含むこととなる。従って、液体として、互いに比重の異なる物質（液体）の混液を用いた場合、この超音波霧化装置によって、比重の軽い液体など、液面付近に多く含まれている成分を多く含む霧を発生させることができ、混液からの液体の分溜などに用いることができる。

本発明にかかる超音波霧化装置の実施例を図１〜図６を参照して説明する。

第１の実施例にかかる超音波霧化装置１０について、図１〜図４を参照して説明する。図１は、本実施例１にかかる超音波霧化装置１０全体の構成を示す説明図である。図２は、本実施例１にかかる超音波霧化装置１０のうち、液体容器１１の底部１１ｔ及び超音波振動子１２の状態を示した説明図であり、（ａ）は、縦断面図、（ｂ）はその上面図である。図３は、ノズル部材１４の説明図であり、（ａ）はノズル部材の縦断面図、（ｂ）はその上面図である。図４は、液体容器１１と、超音波振動子１２と、ノズル部材１４との関係を示す説明図であり、（ａ）は、その縦断面図、（ｂ）は上面図を示す。

まず、本実施例１の超音波霧化装置１０について説明する。本実施例１の超音波霧化装置１０は、図１に示すように、液体ＬＱを収容するための液体容器１１と、液体容器１１の底部１１ｔに配設された複数の超音波振動子１２と、これらの超音波振動子１２を駆動する霧化駆動回路１３と、液体容器１１の底部１１ｔにおいて超音波振動子１２にそれぞれ対応して配置され、着脱可能なノズル部材１４とを備える。

このうち、液体容器１１には、図１に示すように、圧送孔１１ａが設けられている。さらに、この圧送孔１１ａの先端側(図1中、左方向)には、図示しないが、既存の電動ファ
ンによる圧送手段が設けられており、圧送方向ＡＩＮに空気を圧送している。また、この液体容器１１には、圧送孔１１ａに対向する位置に、送出孔１１ｂが設けられている。従って、後述するようにして発生したミストＭＩは、圧送孔１１ａから圧送方向ＡＩＮに圧送される空気に押されて、送出方向ＡＯＵＴに送出される。

また、超音波霧化装置１０のうち超音波振動子１２は、公知の円板状の霧化用圧電素子を用いて超音波振動を発生させるタイプのものである。この超音波振動子１２に、接続された霧化駆動回路１３により駆動電力を加えると、超音波振動子１２は、一方の面から液体容器１１内に向け、超音波振動子１２の軸心に一致する仮想放射軸ＡＸに沿って超音波を放射する(図３参照)。

次いで、実施例１にかかる超音波霧化装置１０のうち、ノズル部材１４について、図２を参照して説明する。
このノズル部材１４は、テーパ形状を有するテーパ部１４ｔと、テーパ部１４ｔの基端側に位置し、径方向外側に突出する形状を有するフランジ部１４ｆと、フランジ部１４ｆの基端側に位置し、底面１４ｂを含む底部１４ｇとからなる。
また、このノズル部材１４の内部は、その空間軸心ＢＸを中心として、基端１４ｋにおける断面積Ｓｋに比して先端１４ｓにおける断面積Ｓｓが小さくなるようにくり抜かれている。具体的には、ノズル部材１４内部の筒内空間１４ｎは、先端１４ｓ側ほど断面積が小さくなる円錐台形状を有している。
さらに、ノズル部材１４の底部１４ｇには、このノズル部材１４を液体容器１１に配置したときに、液体容器１１の底部１１ｔとの間に、筒内空間１４ｎに液体を導入するための連通路を形成する半円筒状の切り欠き部１４ｒが３ヶ所設けられている。

次いで、実施例１にかかる超音波霧化装置１０のうち、液体容器１１の底部１１ｔ、超音波振動子１２及びノズル部材１４の関係について図３〜図４を参照して説明する。
まず、図３に示すように、この液体容器１１の底部１１ｔは、平坦な平坦底面部１１ｈと、この平坦底面部１１ｈより傾斜し略円形に凹む傾斜凹部１１ｅとを含む。この傾斜凹部１１ｅは、略円形リング状の平坦部分である傾斜底面部１１ｄと、これと平坦底面部１１ｈとの間に介在し、傾斜底面部１１ｄから立ち上がる傾斜側面部１１ｃとを含む。なお、傾斜底面部１１ｄの径は、ノズル部材１４のフランジ部１４ｆの径より若干大きくされている。

また、この傾斜凹部１１ｅのうち傾斜底面部１１ｄの中心近傍には、超音波振動子１２の径に比して小さい径を有する貫通孔１１ｆが設けられている。さらに、この貫通孔１１ｆを塞ぐように、液体容器１１の外側方向(図３（ａ）中、下方向)から、液体容器１１の底部１１ｔに超音波振動子１２が固着されてなる。

なお、この状態（図３参照）、即ち、ノズル部材１４を配設しない状態で、霧化駆動回路１３を作動させて、超音波振動子１２に超音波振動ＡＵを発生させた場合には、液体容器１１に収容された液体ＬＱの液面ＬＭが、盛り上がって噴水状に液柱ＬＰ０が形成される。さらに、液柱ＬＰ０を伝わる超音波振動ＡＵによって、液柱ＬＰ０の表面で液体ＬＱ
から液滴が分裂し、ミストＭＩ０が発生する。このようにノズル部材１４を設けない場合でも、超音波振動子１２により、ミストＭＩ０を発生させることができる。

次いで、実施例１にかかる超音波霧化装置１０において、図４に示すように、液体容器１１の底部１１ｔにノズル部材１４を配設する。ノズル部材１４は、傾斜凹部１１ｅの傾斜側面部１１ｃにノズル部材１４のフランジ部１４ｆが当接した状態で配設される。このとき、傾斜凹部１１ｅの傾斜側面部１１ｃの径はノズル部材１４のフランジ部１４ｆより若干大きい径を有している。このため、ノズル部材１４を、その底部１４ｇを下にして、傾斜凹部１１ｅ内に、フランジ部１４ｆを挿入するようにして配置すると、傾斜凹部１１ｅの傾斜側面部１１ｃにフランジ部１４ｆが、平坦底面部１１ｈに底面１４ｂが当接するようにして位置決めすることができる。
従って、超音波霧化装置１０では、ノズル部材１４を液体容器１１の底部１１ｔの傾斜凹部１１ｅ内に置くだけで、超音波振動子１２の仮想放射軸ＡＸとノズル部材１４の筒内空間１４ｎの空間軸心ＢＸとが略一致するように、ノズル部材１４を底部１１ｔに適切に配設することができる。

次いで、実施例１にかかる超音波霧化装置１０について、ノズル部材１４を所定の位置に配設した状態での動作について説明する。
図４に示すように液体容器１１の底部１１ｔに配設された超音波振動子１２は、液体ＬＱの液面ＬＭにむけ仮想放射軸ＡＸに沿って超音波を放射する。
また、ノズル部材１４は、基端１４ｋ側を超音波振動子１２に向ける一方、先端１４ｓを液面の上部方向（図４中、上方向）に向けて液面ＬＭから突出した状態とし、仮想放射軸ＡＸが筒内空間１４ｎの基端１４ｋの開口面内を通る位置に配設されてなる。
このとき、超音波振動子１２から発生した超音波振動ＡＵは、仮想放射軸ＡＸに沿って筒内空間１４ｎを基端１４ｋから先端１４ｓに向けて進行することになる。すると、筒内空間１４ｎ内の液体ＬＱは、超音波振動させられると共に仮想放射軸ＡＸ方向に押し出されて、ノズル部材１４の先端から噴出し、液柱ＬＰを形成する。また、この液体ＬＱの噴出に伴って、筒内空間１４ｎ内には切り欠き部１４ｒと傾斜凹部１１ｅの傾斜底面部１１ｄの間隙から矢印ＩＮ１で示すように液体ＬＱが連続的に補給される。

本実施例１にかかる超音波霧化装置１０では、図２に示すように、この筒内空間１４ｎは基端１４ｋ側開口における断面積Ｓｋに比して先端１４ｓ側開口における断面積Ｓｓが小さい形態となっている。そのため、筒内空間１４ｎでは、先端１４ｓ側に向かうほど超音波エネルギーが集中し、ノズル部材１４の先端１４ｓから、液体ＬＱが勢いよく噴射して液柱ＬＰが形成されると共に、液柱ＬＰに強力な超音波振動が伝えられる。

この噴射により形成される液柱ＬＰ(図４参照)は、ノズル部材１４を使用しないで形成した液柱ＬＰ０(図３参照)よりも、断面積が小さく、長く伸ばした形状とすることができる。しかも、液柱ＬＰ中を伝わる超音波振動も、振幅が大きく強力になっている。従って、このような液柱ＬＰからは、上述のノズル部材１４を使用しない場合に形成される液柱ＬＰ０に比して、多くのミストＭＩを発生させることができる。

特に、この超音波霧化装置１０では、仮想放射軸ＡＸとその筒内空間１４ｎの空間軸心ＢＸが略一致するように配設されている。このため、超音波霧化装置１０では、超音波振動子１２から放射され、ノズル部材１４の筒内空間１４ｎを通る超音波を、空間軸心ＢＸに沿って、効率よく筒内空間１４ｎの液体ＬＱに伝えることができる。従って、この超音波霧化装置１０では、効率よく液体ＬＱを霧化することができる。

また、超音波霧化装置１０では、ノズル部材１４は、前述のとおり、液体容器１１の底部１１ｔに容易に着脱可能である。従って、液体容器１１やノズル部材１４の洗浄やメン
テナンスが容易にできる。このため、液体ＬＱとして酒類などの飲料、薬品などの液体や、工業廃水を用いこれを霧化する場合には好適である。

次に、実施例２にかかる超音波霧化装置２０の説明を図1、図５及び図６を参照して説
明する。本実施例２にかかる超音波霧化装置２０は、実施例１の超音波霧化装置１０におけるノズル部材１４に代えてノズル部材２４を用いている点でのみ相異する。そこで、以下では、実施例１の超音波霧化装置１０と異なる部分を中心に説明し、同様な部分については説明を省略あるいは簡略化する。

本実施例２の超音波霧化装置２０において、液体容器１１、超音波振動子１２、霧化駆動回路１３は、実施例1と同様である（図1参照）。
また、ノズル部材２４も、実施例１におけるノズル部材１４と同じく、図５に示すように、テーパ部２４ｔ、フランジ部２４ｆ及び底部２４ｇからなる。また、ノズル部材２４の内部も、ノズル部材１４と同様にくり抜かれて筒内空間２４ｎは、先端２４ｓ側ほど断面積が小さくなる円錐台形状を有しており、底部２４ｇに半円筒状の切り欠き部２４ｒが３ヶ所設けられている点でも実施例１と同様である。

但し、本実施例２におけるノズル部材２４は、図６に示すように、液体容器１１に所定量の液体ＬＱを収容したとき液面ＬＭ、または、液面ＬＭ以下で液面ＬＭ近傍となる位置に、筒内空間２４ｎとノズル部材２４周辺の空間とを連通させる上部連通孔２４ｊを３ヶ所備える点で実施例１におけるノズル部材１４と相違している。

上述のように、本実施例２の超音波霧化装置２０では、ノズル部材２４に３箇所の上部連通孔２４ｊを備える。このため、液体容器１１に、所定量の液体ＬＱを注液すると、実施例１と同様、ノズル部材２４の先端２４ｓからも、液体ＬＱが液柱ＬＰ２となって吐出され、ミストＭＩ２が発生する。但し、この吐出される液柱ＬＰ２及びミストＭＩ２には、上部連通孔２４ｊから、矢印ＩＮ２で示すようにして、筒内空間２４ｎに引き込まれた液面ＬＭ付近の液体ＬＱＸが、多く含まれることになる。

ところで、前述したように、液体ＬＱに、互いに比重の異なる液体の混液、例えば、水とアルコールの混液を用いると、たとえ互いに混和している場合でも、液面ＬＭ付近（図６中、液面ＬＭ近傍の網掛け部分）の液体ＬＱＸでは、比重の軽い液体（例えば、アルコール）の割合が多くなる。
従って、このような液体ＬＱを用いると、この超音波霧化装置２０では、比重の軽い液体の濃度（例えば、アルコール濃度）の高いミストＭＩ２を発生させることができる。そこで、このミストＭＩ２を回収すれば、液体ＬＱから比重の軽い液体（例えば、アルコール）を回収することができ、水とアルコールの混液からのアルコールの分溜などに好適に用いることができる。

以上において、本発明を実施例１、２に即して説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施例１、２においては、ノズル部材１４、２４について、略円錐形状のものを例示したが、略三角錐形状や略四角錐形状を有したノズル部材であっても良い。
実施例１、２においては、ノズル部材１４、２４を、液体容器１１の底部１１ｔに形成した傾斜凹部１１ｅに当接して配置した例を示したが、ノズル部材は、液体容器から離間して配置しても良い。
また、ノズル部材１４、２４は着脱可能としたが、液体容器に固定しても良い。

実施例１にかかる超音波霧化装置１０全体の構成を示す説明図である。 実施例１にかかる超音波霧化装置１０のうちノズル部材１４の説明図であり、（ａ）はノズル部材の縦断面図、（ｂ）はその上面図である。 実施例１にかかる超音波霧化装置１０のうち液体容器１１の底部１１ｔ及び超音波振動子１２の状態を示した説明図であり、（ａ）は、縦断面図、（ｂ）はその上面図である。 実施例１にかかる超音波霧化装置１０のうち液体容器１１と、超音波振動子１２と、ノズル部材１４との関係を示す説明図であり、（ａ）は、その縦断面図、（ｂ）は上面図である。 実施例２にかかる超音波霧化装置２０のうちノズル部材２４の説明図であり、（ａ）はノズル部材の縦断面図、（ｂ）はその上面図である。 実施例２にかかる超音波霧化装置２０のうち液体容器１１と、超音波振動子１２と、ノズル部材２４との関係を示す説明図であり、（ａ）は、その縦断面図、（ｂ）は上面図である。

１０、２０ 超音波霧化装置
１１ 液体容器
１１ｔ 底部
１２ 超音波振動子
１４、２４ ノズル部材
１４ｋ、２４ｋ 基端
１４ｎ、２４ｎ 筒内空間
１４ｒ、２４ｒ 切り欠き部
１４ｓ、２４ｓ 先端
ＡＸ 仮想放射軸
ＢＸ 空間軸心

Claims (4)

1. 液体に超音波を照射して上記液体を霧化する超音波霧化装置であって、
   上記液体を収容するための液体容器と、
   上記液体容器の底部に配設され、上記液体の液面に向け仮想放射軸に沿って超音波を放射する超音波振動子と、
   基端における断面積に比して先端における断面積が小さく、先端側ほど断面積が小さいか等しい形態を有する筒内空間を備える筒状のノズル部材であって、
   上記液体容器内において、基端側を上記超音波振動子側に向ける一方、先端側を上記底部から離れる側に向け、
   上記仮想放射軸が上記筒内空間の基端側の基端開口面内を通る位置に配設されてなり、
   上記筒内空間内の液体と上記ノズル部材周囲の液体とを連通させる連通路を自身に備え、あるいは、上記液体容器との間に構成する
   ノズル部材と、を備え、
   前記ノズル部材は、前記液体容器の底部に着脱可能に置かれてなる
   超音波霧化装置。
2. 請求項１に記載の超音波霧化装置であって、
   前記ノズル部材は、前記筒内空間の空間軸心が、前記超音波振動子の前記仮想放射軸に一致する位置に配置されてなる
   超音波霧化装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の超音波霧化装置であって、
   前記ノズル部材と、前記液体容器の底部とは、互いに嵌合または係合して、上記底部に上記ノズル部材を位置決め保持する形態を備える
   超音波霧化装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の超音波霧化装置であって、
   前記ノズル部材は、
   前記液体容器に所定量の液体を収容したとき液面、または、液面下で液面近傍となる位置に、前記筒内空間と上記ノズル部材周囲の空間とを連通させる上部連通孔を備える
   超音波霧化装置。

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