CN101330980A - 静电雾化设备 - Google Patents

Abstract

通过冷却器来冷却发射电极以在发射电极上生成凝结水，通过在发射电极与对向电极之间施加高电压来充电发射电极上的凝结水，由此从发射电极放出带电水微粒的薄雾。提供控制器以根据温度传感器检测的环境温度来改变到预定最低温度的温度降。温度降根据环境温度而变，因而可以通过控制对发射电极的冷却而与环境湿度无关地在发射电极上凝结足量的水。

Description

静电雾化设备

技术领域

本发明涉及生成带电水微粒的薄雾的静电雾化设备。

背景技术

日本专利公开号2005-131549公开了一种设计为将水静电雾化以便生成带电水微粒薄雾的静电雾化设备。该设备被设计成引发水的瑞利分解以便将水雾化为纳米尺寸的带电水微粒的薄雾。这样获得的带电水微粒包含基团(radical)并且长时间保留以便大量扩散到空间中，由此被允许与附着至房间墙壁、衣物或者幕帘的异味有效地反应以去除异味。

该设备具有发射电极，该发射电极被冷却以凝结来自周围空气内的水以便通过放电来雾化凝结的水。在这一例子中，需要冷却控制以在发射电极上稳定地供应水。如果发射电极没有冷却于露点温度以下则不出现水的凝结，而水在过度冷却时会冻结，二者均禁止了雾化。另外，在凝结的水量过量或者不足时无法期待稳定的雾化。因此希望解决上述问题。

鉴于露点温度取决于环境温度和湿度，最好是测量温度和湿度并且基于这些参数进行反馈控制以便确定发射电极的冷却温度。然而，这样的方案有必要使用湿度传感器和温度传感器以及单芯片微型计算机，例如，该微型计算机实现了对环境温度和湿度进行处理的相当复杂的电路以便获得准确的露点温度，这带来相关联的成本增加。

在静电雾化设备并入需要长时间连续雾化操作的此类设备中的情形下，因为过量的凝结水必然会妨碍雾化，所以要求以适当的量连续地供应凝结水。然而，当静电雾化设备并入仅需短时间工作的设备中时，因为考虑到即使过量地生成凝结水，该设备也会在过量生成的水妨碍放电之前就完成它的预定操作，所以主要关注的是快速生成凝结水。因而，在这样的情形下无需基于环境温度和湿度来确定准确的露点温度。

发明内容

鉴于上述问题，实现本发明以提供一种能够以低的制作成本快速开始静电雾化的静电雾化设备。

根据本发明的一种静电雾化设备包括：发射电极；与发射电极对向的对向电极；冷却器，配置为冷却发射电极以便凝结来自大气中的水；以及高电压源，配置为在发射电极与对向电极之间施加高电压以对发射电极上凝结的水进行充电，由此从发射电极顶部放出带电水微粒薄雾。该设备还包括：温度传感器，用于检测环境温度；以及控制器，控制冷却器以便改变发射电极朝着预定最低温度的温度降。控制器配置为独立于环境湿度来控制冷却器。因此，使温度降根据环境温度而变化，这能够控制对发射电极的冷却而无需考虑环境湿度，又保证在发射电极上凝结足量的水。因而，静电雾化设备无需湿度传感器和相关的复杂电路以便以低成本来制作，又有效地用于短时间使用。

优选地，冷却器包括珀耳帖单元，使得发射电极的温度降由施加到珀耳帖单元的电压确定。在这一例子中，依赖于温度降与电压之间的预定关系来施加与环境温度对应的电压以便将发射电极冷却到适当温度以便生成凝结水。热敏电阻器可以用作为温度传感器以生成向珀耳帖单元施加的并且与环境温度成比例变化的电压，由此简化控制电路。

最低温度设置为不出现水冻结的温度如-2℃，使得进行控制以参照到最低温度的温度降与环境温度之间的预定关系来冷却发射电极。因此，发射电极免于冻结并且有效地供应有凝结水。

优选的是基于在所述发射电极的温度与环境温度之间的预定温度误差来校正所检测的环境温度。因此，当用于环境温度的温度传感器远离发射电极时，检测的环境温度可以校正为发射电极邻近的温度以便将发射电极冷却到最优温度。

此外，本发明的静电雾化设备可以包括用于对静电雾化薄雾进行吹风的吹风装置。虽然冷却器暴露于由吹风装置生成的气流以便改变它的冷却效率并带来变化的发射电极冷却温度，但是控制器可以根据气流的流速来调节温度降，即向珀耳帖单元施加的电压，这能够将发射电极冷却到预定最低温度以便保证稳定的静电雾化。

另外，本发明的静电雾化设备优选为包括：放电电流检测装置，配置为检测在发射电极与对向电极之间流动的放电电流；以及冻结判断装置，配置为基于检测的放电电流来判断水冻结。在这一形式中，控制器被配置为在从冻结判断装置接收指示了水冻结的冻结信号时停止冷却发射电极。因此，设备可以在出现冻结之后恢复到供水模式。

另外，控制器可以配置为根据放电电流检测装置所检测的放电电流通过冷却器来改变温度降。由于放电电流根据在发射电极上生成的水量而变化，所以基于放电电流的温度降的校正能够保持在发射电极上供应必要数量的水。

附图说明

图1是根据本发明实施例的静电雾化设备的示意图；

图2是上述设备的剖视图；

图3是上述设备的电路图；

图4是说明操作上述设备的基本概念的曲线图；

图5是说明操作上述设备的基本概念的曲线图；

图6是说明操作上述设备的基本概念的曲线图；

图7是说明操作上述设备的基本概念的曲线图；以及

图8是在放电电流方面说明上述设备的操作的曲线图。

具体实施方式

现在参照图1和图2，对根据本发明一个实施例的静电雾化设备进行说明。如图2中所示，静电雾化设备具有承载发射电极20的喷雾桶40、对向电极30和冷却器50。发射电极20设置于喷雾桶40的中心轴上以使它的后端固接于冷却器50的上部而它的前端在喷雾桶40中凸出。对向电极30成环形且具有中心圆形开口，并且沿着桶40的轴以与在发射电极20前端的放电端轴向间隔开的关系固接于喷雾桶40的前端。发射电极20和对向电极30连接至外部高电压源60。高电压源60包括变压器并且配置为在发射电极20与接地的对向电极30之间施加预定高电压。向发射电极20施加高电压(例如-5.5kV)以便在发射电极20前端的放电端与对向电极30的内周边之间形成高电压电场，由此如随后将讨论的那样对供应到发射电极20上的水进行静电充电，从而从放电端22放出带电水微粒的薄雾M。

在发射电极20与对向电极30之间施加的高电压使库伦力作用在发射电极20前端与对向电极30之间的水，这造成水表面局部膨胀，由此形成泰勒圆锥。然后，电荷聚集在泰勒圆锥的顶端以增加电场强度并且因此增加库伦力，由此进一步发展泰勒圆锥。在库伦力超过水的表面张力时，造成泰勒圆锥反复地分解(瑞利分解)以产生包括纳米尺寸的带电水微粒的大量薄雾。由于薄雾承载于由从发射电极20导向对向电极30的离子风所造成的气流上，所以薄雾朝向对向电极30运动并且从喷雾桶40排出。多个进气口44设置于喷雾桶40的外围壁中以引入空气来维持生成气流。

具有冷却侧的由珀耳帖效应(Peltier-effect)热电模块组成的冷却器50设置于喷雾桶40的底部，该冷却侧耦合到发射电极20以将发射电极20冷却到水的露点温度以下以便在发射电极上凝结环境空气中的湿气。在这一场景下，冷却器50本身限定了将水供应到发射电极20上的馈水装置。冷却器50由串联连接于一对导电电路板51和52之间的多个珀耳帖效应单元54组成，并且被配置为以由外部冷却电源56给出的可变电压所确定的冷却速率来冷却发射电极20。在冷却侧的传导电路板之一热耦合到发射电极20的后端，而在散热器侧的另一传导电路板热耦合到散热板58。散热板58固定到喷雾桶40的后端并且设置有散热片59。

静电雾化设备包括控制器100，该控制器100通过冷却器50来控制发射电极20的冷却，以便将发射电极20保持于适当温度，即足量的水凝结在发射电极上的温度。

除控制器100之外，静电雾化设备包括定时器70、放电电流检测电路80和冻结判断电路82。提供定时器70以设置冷却发射电极20的时间以及在预定冷却时间过去之后使冷却器50断电。冷却器50的冷却时间设置为有望在发射电极上连续生成适当数量的凝结水的时间并且可以设置为进行间歇冷却。当不需要时控操作时，定时器70被关断以禁止它的工作。提供放电电流检测电路80以检测在发射电极20与对向电极30之间流动的放电电流。基于在发射电极20与对向电极之间插入的电阻器81上的电压来测量放电电流。放电电流的测量值输入到控制器100作为对供应到发射电极20上的水量的指示。当放电电流的测量值被判断为指示冻结时，冻结判断电路82提供冻结信号，中断从冷却电源56到冷却器50的电力。在冻结信号消失时，控制冷却器50以继续它的工作。

在详细讨论控制器100之前，先参照图4至图7来说明在环境温度与为了在该环境温度在发射电极上凝结水而需要向珀耳帖单元施加的施加电压之间的关系。如图4中所示，为了将发射电极20冷却到露点以下的温度，要求随着环境温度的上升而增加向珀耳帖单元的施加电压以便促进将该温度下降到露点。

一般而言，在20℃的环境温度，露点温度在100％的环境湿度(相对湿度)稳定于20℃，而在约25％的环境湿度稳定于0℃。然而，本发明的静电雾化设备被设计为尽可能快地生成凝结水而不会使水冻结以供短时间使用。出于这一目的，在任何环境温度都应与环境湿度无关地提供最大的温度降，以便将发射电极冷却到不会造成冻结的最低温度。鉴于静电雾化设备限于短时间使用，最低温度设置为-2℃。因此，在20℃的环境温度向发射电极提供22℃的温度降。图5图示了逼近曲线，该曲线基于为了获得从各个环境温度降到最低温度的温度降而向珀耳帖单元施加的电压的绘图、示出了施加电压与温度降之间的关系。按照从以下电路输出的电压在图3的电路中实现逼近曲线，该电路包括用作为温度传感器的热敏电阻器92以及有选择地将热敏电阻器92与恒定电压源V1串联连接的电阻器94、95和96。热敏电阻器92表现了随着温度增加而电阻降低的负温度系数并且沿着图5的曲线增加向珀耳帖单元施加的施加电压以便随着环境温度的上升而提供大的温度降。

由于热敏电阻器92位于构成控制器100的电子部件的邻近但是远离发射电极20，所以热敏电阻器92所检测的环境温度有望比暴露于周围空间的发射电极邻近的环境温度更高一些。这样的温度差(Δt)是可预测的。例如，当温度差假设为平均3.5℃时，对热敏电阻器92以及电阻器94和95进行调节以利用温度差(Δt)来校正温度-电压曲线(X)以便获得校正的温度-电压曲线(Y)，如图6中所示。利用这一校正，当热敏电阻器92在发射电极20的周围温度为25℃时检测到28.5℃的温度时，最优电压(＝1.6V)施加到发射电极20。也就是说，防止向发射电极20施加与由热敏电阻器92检测到的温度28.5℃对应的电压(＝1.8V)并且因此防止将发射电极20冷却到最低温度以下的温度，由此避免生成过量凝结水或者将凝结水冻结。

另外，本发明的静电雾化设备优选为包括用于生成对散热片进行冷却的气流的冷却扇或者利用在其中并入该设备的电器如空气净化器或者吹风机中生成的气流来冷却散热片。在这一实例中，气流的流速或者温度将伴随着冷却器50对发射电极20的散热效果的变化来改变散热片的冷却效果。也就是说，即使当冷却器50接收由环境温度确定的施加电压时，发射电极20也可能冷却到最低温度以上或者以下的温度，这可能造成生成过量或者不足量的凝结水。例如，当静电雾化设备并入吹风机中以具有有选择地使用柔冷风、柔热风和强热风作为气流的不同情形时，如图7中所示，不同曲线示出了向珀耳帖单元施加的施加电压(V)与降至预定最低温度的温度降(DT＝环境温度-电极温度)之间的关系，如图7中所示，其中表示柔冷风的曲线，●表示柔热风的曲线，而▲表示强热风的曲线。

考虑到上述问题，本发明的静电雾化设备优选为具有对图6的曲线进行校正以便将发射电极20冷却到最低温度的配置。如图3中所示，通过开关98来实现校正，该开关98被配置为在热敏电阻器92与恒定电压源V1之间有选择地连接具有不同电阻的电阻器94、95和96之一。该开关与用于选择气流的温度和流速的开关互锁以便将发射电极20总是冷却到预定最低温度而不受温度和流速变化的影响。

现在参照图3来说明控制器100的操作。控制器100被配置为基于在输入端子101和102之间提供的驱动电压来生成在输出端子103和104之间的施加到珀耳帖单元的电压(V)，并且包括变压器110、开关单元(FET)120和122、电阻器130、131、132和134以及电容器140、142和144。变压器110包括线圈112、114和116。

先对控制器100的基本操作进行说明。当在输入端子101和102之间施加驱动电压时，电流流过电阻器130、电容器140、电阻器131和线圈114以启动充电电容器140，同时电流流过电阻器130、132和134。当对电容器140充电使在电阻器132两端形成超过FET 120的栅极电压阈值的电压时，FET 120接通以使电流流过线圈112、FET 120和电阻器134。随后，当电阻器134两端的电压增加到超过开关单元(晶体管)122的基极电压的阈值时，晶体管122接通以降低电阻器132两端的电压并且关断FET 120。这时，电流流过线圈112和电容器142的并联电路，由此在线圈114形成感应电压。感应电压被施加到与FET 120的栅极相连的节点N。当感应电压变为最大时，FET 120再次接通，这接通晶体管122并且关断FET 120。在FET 120以这一方式重复接通和关断时，在变压器110的线圈116感应的电压由二极管160整流并且由平滑电容器144平滑以提供通过输出端子103和104施加到冷却器50的珀耳帖单元的平滑DC电压(V)。

所施加的电压(V)由FET 120的占空比确定，其中基于与环境温度成比例的出现在热敏电阻器92两端的电压和在发射电极20与对向电极30之间流动的放电电流来控制FET 120的接通和关断。出于这一目的，控制器100包括比较器150，该比较器在它的反相端子(-)接收热敏电阻器92两端的电压并在它的非反相端子(+)接收在电流检测电阻器81两端的电压以便检测放电电流。比较器150的输出连接到晶体管152的基极。当放电电流增加到给出超过由热敏电阻器92两端的电压所确定的参考电压时，晶体管152变为导通以接通LED 154。LED 154光耦合到光敏晶体管124以便在LED 154接通时接通它。因此，通过晶体管126抽取流过电阻器130的电流以由此关断FET 120。也就是说，当在发射电极20上过量地生成凝结水时，放电电流变得大于预定水平以由此缩短关断FET120的时间并降低FET 120的占空比，因而降低在输出端子103和104之间提供的施加电压。当施加电压(V)降低时，发射电极上凝结水的数量减少到使放电电流小于预定水平，这又增加FET 120的占空比并提高施加电压(V)以便加速凝结水的生成。通过重复上述操作，控制对发射电极的冷却以在发射电极上连续供应恒定数量的凝结水以便稳定地保持静电雾化。

由于比较器150的参考电压设置为与环境温度成比例地出现在热敏电阻器92两端的电压，所以保持控制以基于由环境温度所确定的温度降来冷却发射电极，只要放电电流低于预定水平，即在发射电极上以恒定数量生成凝结水，由此在发射电极上保持恒定数量的凝结水。另外，由于借助开关来校正在热敏电阻器92两端的电压，所以可以根据工作环境以最优的温度降来冷却发射电极，所述开关根据静电雾化设备中并入的或者可供静电雾化设备使用的风扇所生成的空气的流速和温度而选择。

虽然在图3中未示出，但是放电电流检测电路80使它的输出被发送到冻结判断电路82，该冻结判断电路82在观测到没有放电电流时判断在发射电极上出现水冻结以发出冷却停止信号，由此中断从冷却电源50到控制器100的输入电压以便暂时停止对发射电极的冷却。在观测到放电电流时，控制器100继续它的控制以便根据环境温度按照温度降来冷却发射电极。冷却停止信号可以用来暂时停止高电压源60。

图8图示了在出现水冻结的情形下与放电电流有关的静电雾化设备的操作。在紧接在操作开始之后的初始时段T0中，在发射电极上没有供应凝结水，使得通过在发射电极与对向电极之间施加的高电压在发射电极与对向电极之间形成放电，生成造成放电电流增加的负离子。随后，放电电流将随着水的凝结的开始而减少、然后随着凝结水的积累而增加以便稳定而连续地生成带电水微粒的薄雾(时间段T1)。当在时间TF出现水冻结时，放电电流变为零以中断冷却直至时间段(T2)过去。在该时间段过去之后，恢复冷却以随着凝结水的积累而增加放电电流以便在后续时间段(T3)保持生成薄雾。以这一方式，当放电电流超过预定水平时，向珀耳帖单元施加的施加电压被控制为降低以便减少冷却速率和能够保持以足量的凝结水稳定地生成薄雾。

由于提供初始时间段T0以便先在发射电极20上给出足量的凝结水并且该时间段是可预测的，所以在这一时间段可以禁止基于放电电流对冷却温度的控制。也就是说，可以仅基于通过在热敏电阻器92两端的电压所检测的环境温度来控制对发射电极的冷却而忽略从放电电流检测电路80的输出。可替选地，可以在放电电流在已经减少到零之后开始再次增加的时刻(Z)确认负离子的生成被终止，并且可以基于在该时刻的放电电流来开始上述控制。另外，预期到放电电流可能不会降低到零，可以基于放电电流的变化速率来判断负离子生成的时段的终止，以便当负离子生成时段终止时基于放电电流开始上述控制。来自放电电流检测电路80的输出可以用来控制在发射电极20与对向电极30之间施加的高电压。在这一例子中，可以在初始时间段T0中禁止施加高电压。

Claims (7)

1.一种静电雾化设备，包括：

发射电极；

与所述发射电极对向的对向电极；

冷却器，配置为冷却所述发射电极以在所述发射电极上凝结来自大气中的水；

高电压源，配置为在所述发射电极与所述对向电极之间施加高电压以对在发射电极上凝结的水进行充电，由此从所述发射电极的顶部放出带电水微粒薄雾；

温度传感器，配置为检测环境温度；以及

控制器，配置为控制所述冷却器以便改变发射电极朝着预定最低温度的温度降，

其中所述控制器配置为独立于环境湿度来控制所述冷却器。

2.如权利要求1所述的静电雾化设备，其中所述冷却器包括珀耳帖单元，所述珀耳帖单元确定与施加的电压成比例的所述温度降，

所述控制器配置为施加电压以便提供与周围温度匹配的温度降。

3.如权利要求1或者2所述的静电雾化设备，其中所述最低温度设置为不出现水冻结的温度。

4.如权利要求2所述的静电雾化设备，其中基于在所述发射电极的温度与环境温度之间的预定温度误差来校正所述检测的环境温度。

5.如权利要求1所述的静电雾化设备，还包括：

吹风装置，用于对静电雾化的薄雾进行吹风，

所述控制器配置为根据所述吹风装置的吹风量通过所述冷却器来改变温度降。

6.如权利要求1所述的静电雾化设备，还包括：

放电电流检测装置，配置为检测在所述发射电极与所述对向电极之间流动的放电电流；以及

冻结判断装置，配置为基于所检测的放电电流来判断水冻结，

所述控制器配置为在从所述冻结判断装置接收到指示水冻结的冻结信号时停止对所述发射电极进行冷却。

7.如权利要求1所述的静电雾化设备，还包括：

放电电流检测装置，配置为检测在所述发射电极与所述对向电极之间流动的放电电流，

所述控制器配置为根据所检测的放电电流通过所述冷却器来改变所述温度降。

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