JP2005111328A - 携帯用超音波霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 霧粒が多く、粒径の小さい霧化装置は消費電力が多くなる。また超音波伝達水を利用した場合、霧化する液がなくなった時空気と透過膜の間で発生する反射によって圧電素子が機械的ストレスを受ける。
【解決手段】 強制空冷することにより発熱を抑え、その熱を霧粒発生部で液の気化熱によって冷却する。
また、透過膜を圧電素子に対し傾け反射した超音波を圧電素子の上部に配した超音波吸収体に吸収させる。
以上のような構造を持った携帯用超音波霧化装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波を用い液体を霧化する技術に関するものである。

従来技術例としては、
高圧タンク内からノズルを介しての噴霧、液供給ポンプを用いて液体に圧力を加えての噴霧 特許文献１ 参照
液体を加熱して蒸気を発生させての噴霧 特許文献２ 参照
水蒸気流によるベンチュリー効果を利用して水蒸気と混合させての噴霧 特許文献３ 参照
アクリル樹脂等を材料とする吸水体を超音波振動子の先端に当てて液体を霧化させての噴霧 特許文献４ 参照
超音波振動している多孔式振動板に液体を供給し霧化させての噴霧 特許文献５、特許文献６、特許文献７ 参照
超音波振動によるキャビテーション現象を利用した液体霧化による噴霧 特許文献８、特許文献９、特許文献１０ 参照
超音波振動しているホーン型振動体に液体を供給し霧化させての噴霧 特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４ 参照
霧化させる液体表面付近に超音波を集中し霧化させての噴霧 特許文献１５、特許文献１６ 参照

上記のような従来技術があるが、水分や薬液を有効に肌や皮膚に直接吸収させるようにするためには、霧粒が小さく霧粒の量が多いものが必要である。
霧粒が小さく霧粒の量が多いものは据え置き型のものしかなく、携帯用のものは霧粒が大きく霧粒の量が少ないものしかなかった。携帯でき霧粒が小さく霧粒の量が多いものはなかった。

特開２００１−１６１４３８号公報 特開２００１−３５３０２４号公報 特開２００２−１２５７６２号公報 実用新案公報 昭６０−７７３１号公報 特許公報 第２６９８４８８号公報 特開平４−２３６９６２号公報 特開２０００−１４０７２９号公報 特開平７−２１３９６８号公報 特開２００２−９８３７１号公報 特開２０００−２７１５１７号公報 実開昭５８−４８３６５号公報 特開平８−３３２４２５号公報 特開２００１−１４９４７３号公報 特開２００１−３００３７５号公報 特表平６−５０７８３６号公報 特開２０００−３１２８４９号公報 実吉 純一、菊池 喜充、熊本 乙彦 監修 「超音波技術便覧」 日刊工業新聞社 １９６０年 超音波便覧編集委員会 編 「超音波便覧」 丸善株式会社 １９９９年 ニューケラス編集委員会 編 「圧電セラミクスの応用」 学献社 １９８９年 谷腰 欣司 著 「超音波とその使い方」 日刊工業新聞社 １９９４年 「圧電セラミックス・素子とその応用」 株式会社 富士セラミックス ２００２年

本発明が解決しようとする課題は、携帯用超音波霧化装置を小型化する場合、霧粒を小さく霧粒量を多くしようとすると消費電力が増えその結果多くなる発熱の処理と、霧化する液体がなくなったとき、透過膜と空気の間で発生する超音波の反射波が圧電素子に戻ってくることによって圧電素子に与えられる機械的なストレスを回避することである。

本発明は、吸引された外気が超音波伝達液を満たした伝達部の熱を冷却し、その後霧粒発生部に導かれ、発生した霧粒の気化熱で冷却され、霧粒と共にノズル部を通って噴出口から外部へ出ることにより熱の処理を行う。

また、収容部の液がなくなったとき、透過膜に約５〜１０度の角度をつけることで、透過膜と霧粒発生部の空気のあいだで反射した超音波を圧電素子に戻さず、超音波吸収体に吸収させて超音波の反射対策を行う。

本発明は以上に説明したような構成にしたことにより次のような効果がある。
霧粒が小さく、噴出量が多い。また装置に多くの発熱があるにもかかわらず噴出口から出た霧粒の温度は外気温とあまり差はなく、あたたかい空気が外部に出ることはない。

また、収容部の液がなくなったとき、透過膜と霧粒発生部の空気のあいだで反射した超音波が圧電素子に直接もどることがないため、圧電素子に機械的ストレスを与えず圧電素子の寿命が伸び、より多くの電力を圧電素子に与えることもできる。

上記の方法で、小型軽量で電池で動作し旅行や職場などで携帯しうる携帯用超音波霧化装置を提供することができる。

空気吸入口から噴出口に至る空気の流れを次のようにする。
空気吸入口から取り入れた空気を伝達部周囲と、圧電素子下部に分けて導き、伝達部周囲と圧電素子下部を冷却させる。このとき伝達部周囲と圧電素子下部の流路を狭くすることにより空気の流速を高め冷却効果を高めている。そしてファンを通過させ、フィルターを通り霧粒発生部へ流入させる。霧粒発生部から発生した霧粒とともにノズル部内部を通り噴出口から噴出させる。

また、透過膜を圧電素子に対して約８度傾け、収容部の液体がないとき、圧電素子が発生させる超音波が、透過膜と空気の間で反射するとき反射した超音波が超音波吸収体に到達するようにする。

図1は本発明装置の断面図である。
本装置１は、超音波を発生させる圧電素子３と、圧電素子３を保持し、反射した超音波を吸収する超音波吸収体１４と、押さえ１８と、超音波を収容部５に伝える超音波伝達液１９を満たした伝達部４と、透過膜１５と、霧粒になる液体２０を収容する収容部５と、外部の空気を取り入れる空気吸入口１２と、空気の流れを作るファン１３と、吸気通路１１と、水滴がファン１３のほうに入らないようにするためのフィルタ−８と、霧粒発生部１０の周りを囲む突出部７と、霧粒を空気とともに噴出口９へ導くノズル部６と、霧粒と空気を噴出する噴出口９と、電気回路１７と、電池１６と、をそなえる。

圧電素子３は直径が２０ｍｍで共振周波数が２．３ＭＨｚから２．５ＭＨｚであり、発生させる霧粒の大きさは約3μｍである。圧電素子３は超音波吸収体１４で保持され、押さえ１８は超音波吸収体１４を保持している。また圧電素子３は下部の中央に直径１０ｍｍの電極があり、上部は全面が電極であり上部の電極は圧電素子３の周囲と、下部の周囲から３ｍｍを電極とし上部の電極と接続してある。また、圧電素子３の表面は約２５μｍのステンレスの箔を接着してある。駆動電圧は圧電素子３の下部中央の電極と、下部周囲の電極間に印加する。この素子を使用することによって、霧粒の量が水の場合１分間当たり２ｇが確保できた。

伝達部４は、本実施例の圧電素子３を採用した場合、圧電素子３の上表面と霧粒になる液体の液面の距離が２０ｍｍから５０ｍｍであるときに霧粒の量が最大量に対し７割以上確保できる。収容部５の液が完全になくなるまで十分な霧粒の量を確保できるようにするため、圧電素子３と、透過膜１５との距離を２３ｍｍにしている。また伝達部４は細菌の繁殖を抑えるため密閉してある。

透過膜１５は直径１０ｍｍのポリテトラフロロエチレンの薄い膜で、この例では５０μｍのものを使用している。ポリテトラフロロエチレンの採用の理由は毒性がなく、耐熱温度が高いためである。また透過膜１５が厚いと超音波は収容部５の液体に十分伝わらず、霧粒の量は極端に少なくなる。一方薄くすると透過膜１５の強度が低下する。

収容部５は霧粒発生部１０と同じ空間にあり、装置全体を傾けたときでも霧粒が十分発生するように収容部５より霧粒発生部１０の径を大きくした。

収容部５と、突出部７と、ノズル部６の材質はポリテトラフロロエチレンにした。これにより装置使用後水滴が壁面に付着しにくく、洗浄時においても水道水で洗浄後、清潔な布やティッシュペーパー等で拭くだけで水滴を除去でき、菌の繁殖を防ぐことができる。また、収容部５と、突出部７およびノズル部６を取り外せる構造にすることにより洗浄が簡単にできるようにしてある。

圧電素子３の下部と、伝達部４の周囲の冷却と、霧粒を空気とともにノズル部６を通し、噴出口９から噴出させる空気の経路を以下にしめす。

ファン１３によって吸引された空気は、空気吸入口１２から入り、吸気通路１１を通り、２つの流路に分けられる。二つの流路とは、圧電素子３の下部と、伝達部４の周囲である。ここで温められた空気は、ファン１３を通り、吸気通路１１を通り、フィルター８を通過し霧粒発生部１０で霧粒の気化熱によって冷却され、突出部７の下から、ノズル部６の中を通り、噴出口９から噴出する。フィルター８はステンレス製の１００メッシュを使用した。これにより空気は通すが、水滴は通さないフィルター８を実現している。

超音波吸収体１４の穴は、直径１０ｍｍであり、透過膜１５は圧電素子３に対し８度傾けて配置してある。圧電素子３から発生した超音波は、圧電素子３の上部の中央部に集中する性質を持っているため、収容部５の内部の液体がなくなった時、透過膜１５と空気の間で起こる超音波の反射は、透過膜１５の中心付近で起こり、下の方に帰ってきた超音波を超音波吸収体１４に当たるようにすることで、圧電素子３に与えられる超音波の反射波による機械的なストレスを回避する構造となっている。なお超音波吸収体１４の材質はゴムである。

電池１６は、二次電池で、エネルギー密度が最も大きいリチウムイオン電池を使用する。

収容部５に接続される交換式のカートリッジを設置することにより、霧粒になる液体２０を供給することもできる。

サイホンの原理を用いた水位を一定に保つ装置を収容部５に接続することにより、長時間連続的に使用することも可能である。

霧粒になる液体２０を一定量連続的に供給できるポンプ等を用いた装置を接続することにより、長時間連続的に使用することも可能である。

霧粒になる液体２０を間欠的に送るタイマを用いた装置を接続することにより、長時間連続的に使用することも可能である。

霧粒と共に排出する空気は他の気体とする事も可能である。

電気回路１７の中にマイナスイオン発生回路を内蔵することにより、霧粒にマイナスイオンを加えて肌への吸収効果を高めることもできる。

ステンレス製のメッシュは繊維製や不織布またはスポンジ製を使用する事も可能である。

液体に合わせて５０メッシュから４００メッシュの膜のフィルタ−を使用する事も可能とする。

ノズル部６の噴出口９の形状を折り返し構造とし、装置が転倒した場合にも収容部５の霧粒になる液体２０が漏れ出さない様な機能を有することも可能である。

なお、超音波吸収体１４の穴は必ずしも１０ｍｍとする必要はなく、反射波があたる部分のみとしてもよい。

また、圧電素子３の下部に設けられた冷却用の吸気通路にも、流速を早めて冷却効果を高めるための凸部を設けることもできる。

また、電気回路１７のなかの圧電素子駆動回路を圧電素子３の下部に設け、回路の発熱も同時に冷却することも可能である。

伝達部４内の超音波伝達液１９の温度を計測し、計測した温度が予め設定された温度以上になった場合、圧電素子３に対する電力の供給を止める回路をと、圧電素子３に対する電力の供給を止めた状態になった時、温度が下がっても自動復帰しない回路と、再起動するためには、一度電源を切断しなければならない機能を設けることも可能である。

伝達部４内の超音波伝達液１９の温度を計測し、計測した温度が予め設定された温度以上になった場合、発振を停止させる回路を電気回路１７の中の圧電素子駆動回路に有することもできる。

圧電素子３の発振を停止させた状態になったとき、温度が下がっても自動復帰しない回路を電気回路１７の中の圧電素子駆動回路に有し、再起動するためには、一度電源を切断しなければならない機能を有することもできる。

電気回路１７の中の圧電素子駆動回路を圧電素子３の下部に近接して設置することで、圧電素子３への配線を短くし超音波発振によるノイズを低減する事も可能である。

圧電素子３と電気回路１７の中の圧電素子駆動回路との接続に、低融点合金等の金属で、線材をロウ付けし、その線材をばねでひっぱっておき、圧電素子３が温度上昇したとき低融点合金等の金属が溶けて、圧電素子３に対する電力の供給を止めることによって、温度上昇を食い止め、装置全体の過熱を防止する機能を有することもできる。

圧電素子３または、伝達部４に接触させる状態で温度ヒューズを取り付け、圧電素子３と電気回路１７の中の圧電素子駆動回路との接続に該温度ヒューズを介して接続し、圧電素子３が温度上昇したとき該温度ヒューズが切れて、圧電素子３に対する電力の供給を止めることによって、温度上昇を食い止め、装置全体の過熱を防止する機能を有することもできる。

装置の電源をＡＣアダプタのみとし、電池１６を内蔵しないことで、より小型軽量化しコストを抑え連続使用できるようにすることも可能である。また電池を着脱式にすることで同様の効果を得ることもできる。

以上の各機能を組み合わせることによって携帯用超音波霧化装置１を実施することができた。

本発明によって、霧粒が小さく肌に噴霧した時直接肌丘の間に入り込み、吸収されるため、水を用いて肌の保湿の用途だけではなく薬液等を使用することにより金属イオンや、薬効成分を直接肌または皮膚等に吸収させることができるため、医用の利用の可能性もある。

また、携帯用であるため、屋内はもちろん、外出先等でも、芳香剤や消臭剤や殺虫剤を有効に散布させる用途も考えられる。

超音波を発生させる圧電素子３と、超音波を伝達させる伝達部４と、超音波を伝達させる透過膜１５と、霧粒になる液体２０を収容する収容部５と、発生させた霧粒を送風による空気とともに噴出させるノズル部６と、圧電素子３と、圧電素子３の電気回路１７のなかの駆動回路と、ファン１３をケース２内に内蔵した携帯用超音波霧化装置１。

ノズル部６には水滴と霧粒を分離する機能をもった突出部７が装備され、空気は通すが霧粒になる液体２０や水滴は通さないフィルター８を有する。

ノズル部６の噴出口９の形状が、転倒した時に霧粒になる液体２０をケース２の外へ排出しない機能を有する。

符号の説明

１．携帯用超音波霧化装置
２．ケース
３．圧電素子
４．伝達部
５．収容部
６．ノズル部
７．突出部
８．フィルター
９．噴出口
１０．霧粒発生部
１１．吸気通路
１２．空気吸入口
１３．ファン
１４．超音波吸収体
１５．透過膜
１６．電池
１７．電気回路
１８．押さえ
１９．超音波伝達液
２０．霧粒になる液体

Claims (2)

1. 水、薬液など霧粒になる霧化用液体を収容する収容部と、前記霧化用液体に超音波振動を伝達する伝達部と、該伝達部内の超音波伝達液を超音波振動させる圧電素子と、圧電素子を駆動する駆動回路と、前記収容部の液体が霧化する霧粒発生部と、霧粒発生部で発生した霧粒を噴出口から放出させるファンと、からなる超音波霧化装置において、前記ファンは外気を吸引し、霧粒発生部に導入する吸気路内に配置し、前記伝達部は該ファンで吸引された外気によって冷却されるように該吸気路内に収容した事を特徴とする携帯用超音波霧化装置。
2. 前記収容部の下部に有る超音波を透過させる透過膜を、圧電素子に対し傾けて設置し、伝達部内部に超音波吸収体を配置した事を特徴とする請求項１に記載の携帯用超音波霧化装置。
   
   

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