CN101557879A - 静电雾化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静电雾化装置，其能够使用低耐压电路元件、简化电路结构，并稳定地产生纳米级雾滴。本发明的静电雾化装置，在高电压产生部向提供有将被静电雾化的液体的放电电极施加高电压的过程中，通过输出稳定部来稳定高电压产生部的输出电压，以引起放电而静电雾化该液体。所述高电压产生部包括具有变压器和开关元件的自激振荡型DC/DC转换器；所述输出稳定部，基于在所述开关元件处于导通状态期间所述控制绕组中感应的电压，来调整所述开关元件处于导通状态的时间周期。

Description

静电雾化装置
技术领域
本发明涉及用于产生纳米级雾滴的静电雾化装置。
背景技术
已知一种静电雾化装置，其当将液体(如水)被提供到放电电极时，在放电电极和反向电极(counter electrode)之间施加高电压以在其间引起放电，从而通过液体中产生的瑞利破碎(Rayleigh breakup)雾化放电电极上保持的液体而产生纳米级带电微水滴(即纳米级雾滴)。
带电微水滴具有如下特征，即，包含自由基(radicals)并具有相对长的雾态持续时间，由此能够大量地在目标空间中扩散以有效地作用于附着在例如房间中的墙壁表面、衣服和窗帘上的恶臭物质，并发挥除臭效果。
在存储于水箱中的水通过毛细管现象被提供到放电电极的静电雾化装置中，使用者在每次水箱变空时必须再次将水箱装满水。作为不需要进行上述再装满操作的静电雾化装置，已知设置有用于冷却空气以产生水的热交换部，由热交换器产生的水(即凝结水)被提供到充电电极的静电雾化装置。在这种类型的静电雾化装置中，需要至少大约几分钟的相对长的时间来将由热交换器产生的凝结水送到放电电极。
本申请的申请人提出一种静电雾化装置，包括：用于冷却放电电极以基于空气中的湿气在充电电极的表面上产生凝结水的冷却器；以及用于检测在放电电极和反向电极之间流动的放电电流，并以将放电电流保持在预定值的方式来控制冷却器的控制器(参照下述专利文献1)。
作为使这种类型的静电雾化装置能够稳定地产生雾滴的方法，构思可通过稳定高电压输出电路的输出来进行。考虑可通过直接检测施加到放电电极和反向电极之间的高电压，并基于检测的电压调整高电压输出电路的输出，以使高电压输出电路的输出等于目标值来实现该构思。然而，对于这种直接检测高电压输出电路的输出电压以可调整地稳定高电压输出电路的输出电压的技术，使用能够耐高电压的电路元件(即，高耐压电路组件)构成检测电路是必不可少的。这使得电路结构变得复杂，导致了静电雾化装置的成本和体积的增加。
[专利文献1]日本未审查专利公开公报第2006-122819号
发明内容
鉴于现有技术中的上述问题，本发明的目的在于提供一种能够稳定地产生纳米级雾滴，并简化电路结构的静电雾化装置。
为了达到上述目的，根据本发明的一方面的静电雾化装置，包括：向提供有将被静电雾化的液体的放电电极施加高电压以引起放电的高电压产生部；以及用于稳定所述高电压产生部的输出电压的输出稳定部。在所述静电雾化装置中，所述高电压产生部包括自激振荡型DC/DC转换器，所述自激振荡型DC/DC转换器设置有：具有初级绕组、次级绕组和控制绕组的变压器；和介于所述初级绕组被串联连接在DC电源的正负极之间，并通过一控制端子被施加所述控制绕组中产生的感应电压的开关元件。所述自激振荡型DC/DC转换器，向所述放电电极输出对应于所述开关元件的切换动作而在所述次级绕组中产生的感应电压。所述输出稳定部，基于在所述开关元件处于导通状态期间所述控制绕组中感应的电压，来调整所述开关元件处于导通状态的时间周期。
在该静电雾化装置中，所述输出稳定部基于在所述开关元件处于导通状态期间所述控制绕组中感应的电压，来调整所述开关元件处于导通状态的时间周期，从而稳定高电压产生部的输出电压。因此，与上述的检测高电压产生电路的输出电压以调整并稳定高电压产生电路的输出电压的现有技术相比，所述高电压产生部的输出电压能够使用相对低耐压的电路元件被稳定，不需要将高电压产生部(变压器)的初级侧和次级侧间电绝缘。从而能够稳定地产生纳米级雾滴并简化电路结构。
附图说明
图1为示出本发明的第一实施方式的静电雾化装置的具体电路结构的电路图。
图2为图1的静电雾化装置的框图。
图3为本发明的第二实施方式的静电雾化装置的框图。
图4为示出图3中的静电雾化装置的具体电路结构的电路图。
具体实施方式
参照附图，基于本发明的实施方式来对本发明进行具体说明。
第一实施方式
如图2所示，本发明的第一实施方式的静电雾化装置包括：放电电极1；与放电电极1的远端(distal end)以给定的距离相隔相对而设置的反向电极2，该反向电极2具有作为实质的电极(substantial electrode)的圆形内缘；用于在放电电极和反向电极1、2之间施加高电压以在其间引起放电的高电压产生电路3；以及用于稳定高电压产生电路3的输出电压的输出稳定电路6。在第一实施方式中，设置在静电雾化装置中的反向电极2被接地。在放电过程中，高的负或正电压(如几千伏的负电压)被施加于放电电极1。同时，液体(如水)通过现有的供应器(例如“背景技术”中所述的水箱或冷却器，未图示)被提供到放电电极1。
在水(例如凝结水)附着在放电电极1上的情况下，当放电电压被施加到放电电极1和反向电极2之间时，放电电极1上的水被拉向反向电极2，从而具有被称为“泰勒锥”TC(Taylor cone)的形状，并通过发生在泰勒锥TC顶端的瑞利破碎形成为纳米级带电微水滴，由此实现液体(水)的雾化。在这个过程中，如果放电电压(即高电压产生电路3的输出电压)波动，产生的带电微水滴的数量将不稳定地增加或减少。因此，稳定高电压产生电路3的输出电压对于稳定产生的带电微水滴的数量是必要的。为了满足这个需求，根据第一实施方式的静电雾化装置设置有用于稳定高电压产生电路3的输出电压的输出稳定电路6。
图1为示出第一实施方式的静电雾化装置的具体电路结构的电路图。
高电压产生电路3包括现有的振铃扼流转换器(ringing choke converter)3A和多级(在图示的实施方式中为3级)倍压整流电路3B。振铃扼流转换器3A包括：具有初级绕组L1、与初级绕组L1磁耦合的次级绕组L2、和控制绕组L3的变压器T；由变压器T的初级绕组L1、包含NPN型双极晶体管的开关元件Q1以及电阻器R4形成，并连接到DC电源(平滑电容器C0)的正负极(opposite poles)的串联电路。倍压整流电路3B具有三个二极管D11、D12、D13和三个电容器C11、C12、C13，并被连接到振铃扼流转换器3A的次级绕组L2上。在振铃扼流转换器3A中，变压器T的控制绕组L3的一端子，通过由电容C1和电阻器R2形成的串联电路连接到开关元件Q1的控制端子(基极)。振铃扼流转换器3A还包括：被插入到平滑电容器C0的正端子(即正极)和开关元件Q1的基极之间的电阻器R1；以及具有通过电阻器R3连接到开关元件Q1的发射极的基极、连接到开关元件Q1的基极的集电极以及连接到连接电阻器R4和控制绕组L3的连接点的发射极的包含NPN型双极晶体管的开关元件Q2。
下面简要说明高电压产生电路3的基本操作。当产生了跨接(across)用作DC电源的平滑电容器C0的DC电压时，驱动电流通过电阻器R1被提供到开关元件Q1的基极，以将开关元件Q1切换到导通状态(ON state)，以便开始通过开关元件Q1向变压器T的初级绕组L1提供电流(在这种状态下，次级绕组L2具有与初级绕组L1相反的极性，从而磁能在初级绕组L1中累积)。然后，当跨接电阻器R4的电压随着电流的增加而增大到预定值时，开关元件Q2被切换到导通状态。从而，开关元件Q1的基极通过开关元件Q2接地，由此开关元件Q1被切换到断开状态。响应于开关元件Q1切换到断开状态，开关元件Q2由于提供到电阻器R4的电流中断而被切换到断开状态，并在初级绕组L1中产生反电动势以使在初级绕组L1中累积的磁能被释放到次级绕组L2，从而次级绕组L2中产生感应电压。初级绕组L1中累积的磁能也被释放到控制绕组L3以在控制绕组L3中产生感应电压，这样驱动电流被提供到开关元件Q1的基极以将开关元件Q1切换到导通状态。自激振荡操作将以这种方式反复进行。在开关元件Q1处于断开状态期间在次级绕组L2中产生的感应电压，由倍压整流电路3B整流并增强，然后作为高电压产生电路3的输出电压被施加到放电电极1和反向电极2之间。在上述操作中，越延迟开关元件Q1被切换到断开状态的时间(即将开关元件Q2切换到导通状态的时间)，次级绕组L2中感应的电压就越高；越提前开关元件Q1的被切换到断开状态的时间(即将开关元件Q2切换到导通状态的时间)，次级绕组L2中感应的电压就越低。也就是，高电压产生电路3的输出电压可以通过控制开关元件Q1的切换时间(即导通状态的时间周期)来被调整。
以下具体说明输出稳定电路6。输出稳定电路6，包括用作整流元件的二极管D1、平滑电容器C2、用作控制开关元件Q3的晶体管Q3、两个分压电阻器R6、R7以及齐纳二极管ZD。二极管D1的负极被连接于连接控制绕组L3和电容C1的连接点，平滑电容器C2被插入到二极管D1的正极和接地之间。晶体管Q3采用NPN型双极晶体管，并具有连接到开关元件Q1的基极的集电极、连接到二极管D1的正极的发射极、及连接到齐纳二极管ZD的正极的基极。分压电阻器R6被插入到齐纳二极管ZD的负极和接地之间，分压电阻器R7被插入到齐纳二极管ZD的负极和晶体管Q3的发射极之间。从而，当由通过分压电阻器R6、R7分压跨接平滑电容器C2的电压而获得的电压(作为参考电压)大于将齐纳二极管ZD的齐纳电压和晶体管Q3的基极一发射极电压的相加而得到的合电压(composite voltage，作为阈值电压)时，晶体管Q3被切换到导通状态，从而开关元件Q1的基极电压被降低以使开关元件Q1被切换到断开状态。
以下更具体地说明输出稳定电路6的操作。如上所述，当开关元件Q1在振铃扼流转换器3A的自激振荡期间被切换到断开状态时，初级绕组L1中在图1中的实箭头所指的方向产生反电动势，从而与反电动势具有相同极性的感应电压在控制绕组L3中产生，以通过电容C1和电阻器R2向开关元件Q1提供驱动电流，从而将开关元件Q1切换到导通状态。在这个过程中，二极管D1保持在非导通状态以阻止电流流经输出稳定电路6。从而，不产生参考电压。
与此不同，当开关元件Q1在导通状态时，控制绕组L3中产生的感应电压的极性被反转，从而二极管D1被置于导通状态。从而，控制绕组L3的感应电压通过平滑电容器C2施加到由分压电阻器R6、R7形成的串联电路上，并通过二极管D1整流而形成为参考电压。在这个过程中，因为平滑电容器C2的接地侧电极具有较高的电位，参考电压毫无例外地形成为负电压。该参考电压与次级绕组L2中产生的感应电压成比例。具体地，参考电压随着次级绕组L2中产生的感应电压的升高(即，高电压产生电路3中产生的输出电压的升高)而增大，随着次级绕组L2中产生的感应电压的降低(即，高电压产生电路3中产生的输出电压的降低)而减小。也就是，当高电压产生电路3中产生的输出电压升高时，参考电压的增加速率变得较高，从而将开关元件Q3切换到导通状态的时间提前。由此，缩短开关元件Q1处于导通状态的时间周期，以使得高电压产生电路3中产生的输出电压降低。相反地，当高电压产生电路3产生的输出电压降低时，参考电压的增加速率变低以延迟将开关元件Q3切换到导通状态的时间。从而，延长开关元件Q1处于ON状态的时间周期，以使得高电压产生电路3中产生的输出电压升高。以这种方式，基于上述输出稳定电路6的反馈控制，可调整并稳定高电压产生电路3的输出电压。
在不包含输出稳定电路6的现有静电雾化装置中，开关元件Q1处于导通状态的时间周期通过开关元件Q2被调整。在这种情况下，开关元件Q2的切换时间取决于开关元件Q2的基极电压，从而由于温度变化而有巨大的波动，这导致源于温度变化的高电压产生电路3的输出电压的波动。另外，因为开关元件Q1处于导通状态的时间周期基于开关元件Q1的发射极电流(流经变压器T的初级绕组L1的电流)而被调整，所以难于充分地回应负载波动。
相比之下，根据第一实施方式的具有输出稳定电路6的静电雾化装置，基于在开关元件Q1处于导通状态期间控制绕组L3中感应的参考电压，调整开关元件Q1的导通状态的时间周期，以稳定高电压产生电路3的输出电压。从而，与检测高电压产生电路3的输出电压的现有技术相比，高电压产生电路3的输出电压能够使用相对低耐压的电路元件被稳定，而不需要将高电压产生电路3(变压器T)的初级侧和次级侧电绝缘。由此能够简化电路结构并稳定地产生纳米级雾滴。另外，参考电压的极性，与控制绕组L3在开关元件Q1的断开状态期间产生的感应电压相反。从而，与控制绕组L3在开关元件Q1的断开状态期间产生的感应电压极性相同的参考电压(即正极性)相比，能够扩大施加到开关元件Q1的控制端子(基极)的控制电压(基极电压)的可调范围。这具有能够容易并稳定地调整开关元件Q1的导通状态的时间周期的优点。另外，输出稳定电路6能够由晶体管、电阻器、二极管和电容器组成，与使用微型电子计算机和/或A/D转换器的电路结构相比，有利于简化电路结构。
第二实施方式
如图3所示，如同第一实施方式的静电雾化装置，本发明的第二实施方式的静电雾化装置包括放电电极1、反向电极2、高电压产生电路3和输出稳定电路6。第二实施方式的静电雾化装置的特征在于还包括：通过反向电极2检测在放电电极和反向电极1、2之间流动的放电电流的放电电流检测电路4；以及基于放电电流检测电路4的检测结果，以维持所需要的放电状态的方式来控制高电压产生电路3的输出的控制电路5，其中控制电路5的运行电力(operating power)从参考电压获得。
图4为示出第二实施方式的静电雾化装置的具体电路结构的电路图。在图4中，第一和第二实施方式的高电压产生电路3和输出稳定电路6是相同的。从而，相同的元件或组件均被赋予相同的参考符号，并省略其说明。控制电路5进行反馈控制，包括比较放电电流检测电路4的检测电压输出(即，与放电电流成比例的DC电压)与预定参考电压，以及调整放电电流使得当检测电压大于参考值时，开关元件Q2被切换到导通状态以缩短开关元件Q1的导通状态的时间周期，从而减小放电电流，并且，当检测电压等于或小于参考值时，开关元件Q2被切换到断开状态以延长开关元件Q1的导通状态的时间周期，从而增强放电电流。输出稳定电路6的平滑电容器C2被连接到控制电路5，这样变压器T的控制电流L3中产生的感应电流被二极管D1整流，以使得直流电流(参考电压)通过平滑电容器C2被提供到控制电路5，并被用作运行电力。
在第二实施方式中，控制电路5的运行电力从参考电压获得。由此，不需要单独为控制电路5设置电源电路，有利于降低成本。
如上所述，本发明的静电雾化装置包括：提供有将被静电雾化的液体的放电电极；与放电电极的相对而设置的反向电极；用于在放电电极和反向电极之间施加高电压的高电压产生部；以及用于稳定高电压产生部的输出电压的输出稳定部。在该静电雾化装置中，所述高电压产生部包括自激振荡型DC/DC转换器，所述自激振荡型DC/DC转换器设置有：具有初级绕组、次级绕组和控制绕组的变压器；以及介于所述初级绕组被串联连接在DC电源的正负极之间，并通过一控制端子被施加所述控制绕组中产生的感应电压的开关元件。所述自激振荡型DC/DC转换器，向所述放电电极输出对应于所述开关元件的切换动作而在所述次级绕组中产生的感应电压。所述输出稳定部，基于在所述开关元件处于导通状态期间所述控制绕组中感应的电压，来调整所述开关元件处于导通状态的时间周期。
在该静电雾化装置中，输出稳定部，基于开关元件处于导通状态期间控制绕组中感应的参考电压，来调整开关元件处于导通状态的时间周期。因此，与检测高电压产生电路的输出电压以调整并稳定高电压产生电路的输出电压的现有技术相比，高电压产生部的输出电压能够使用相对低耐压的电路元件被稳定，不需将高电压产生部(变压器)的初级侧和次级侧电绝缘。这能够稳定地产生纳米级雾滴并简化电路结构。
优选的是，在该静电雾化装置中，所述输出稳定部，比较在所述控制绕组中感应的参考电压和预定的阈值电压，并响应所述参考电压和所述阈值电压之间的大小关系的变化，将所述开关元件切换到断开状态。根据该特征，输出稳定部能够用不包括微型电子计算机等的简化的电路结构来实现。
优选的是，所述参考电压的极性，与在所述开关元件处于断开状态期间所述控制绕组中感应的电压的极性相反。根据这个特征，参考电压的极性能够设置为与控制绕组在开关元件处于断开状态期间产生的感应电压的极性相反。从而，在控制开关元件的切换动作中，与开关元件处于断开状态期间控制绕组中产生的感应电压的极性相同的参考电压相比，能够扩大施加到开关元件的控制端子的电压(控制电压)的可调整范围。这能够容易并且稳定地调整开关元件处于导通状态的时间周期。另外，输出稳定电路6能够由晶体管、电阻器、二极管和电容器组成，与使用微型电子计算机和/或A/D转换器的电路结构相比，有利于简化电路结构。
优选的是，所述输出稳定部包括：由整流元件和平滑电容器形成，并连接在所述控制绕组的相对端子之间的串联电路；和当跨接所述平滑电容器的电压大于预定的阈值电压时，被切换到导通状态的控制开关元件，其中，所述开关元件的所述控制端子，以及由所述整流元件和所述平滑电容器形成的所述串联电路的一端子，被连接到所述控制绕组的所述端子中的其中之一，所述控制开关元件被插入到所述开关元件的所述控制端子和连接所述整流元件与所述平滑电容器的连接点之间。根据这个特征，开关元件处于导通状态的时间周期，能够在简化的结构中容易并且稳定地被调整。
优选的是，静电雾化装置中的除所述输出稳定部之外的任何电路，从所述参考电压获得工作电压。根据这个特征，静电雾化装置中的任何电路的工作电压，除了输出稳定部之外，能够从参考电压获得，从而能最小化电源电路，有利于减少成本。
在本说明书中，用以实现某功能的装置的形式被说明的元件或组件，不局限于为实现这样的功能而在本说明书所公开的特定的结构、构造或配置，而可以包括任何其他能够实现这样的功能的诸如单元、机构或组件等的适合的结构、构造或配置。
产业上的利用可能性
根据本发明的一方面的一种静电雾化装置，在从高电压产生部向被提供有将被静电雾化的液体的放电电极施加高电压期间，通过输出稳定部来稳定高电压产生部的输出电压，以引起放电而静电雾化该液体。高电压产生部包括具有变压器和开关元件的自激振荡型DC/DC转换器；输出稳定部，基于在开关元件处于导通状态期间控制绕组中感应的电压，来调整开关元件处于导通状态的时间周期。该静电雾化装置能够稳定地产生纳米级雾滴并简化电路结构。

Claims (5)

1.一种静电雾化装置，其特征在于包括：
向提供有将被静电雾化的液体的放电电极施加高电压以引起放电的高电压产生部；以及
用于稳定所述高电压产生部的输出电压的输出稳定部，其中，
所述高电压产生部包括自激振荡型DC/DC转换器，所述自激振荡型DC/DC转换器设置有：具有初级绕组、次级绕组和控制绕组的变压器；和介于所述初级绕组被串联连接在DC电源的正负极之间，并通过一控制端子被施加所述控制绕组中产生的感应电压的开关元件，所述自激振荡型DC/DC转换器向所述放电电极输出对应于所述开关元件的切换动作而在所述次级绕组中产生的感应电压；以及
所述输出稳定部，基于在所述开关元件处于导通状态期间所述控制绕组中感应的电压，来调整所述开关元件处于导通状态的时间周期。
2.根据权利要求1所述的静电雾化装置，其特征在于：所述输出稳定部，比较在所述控制绕组中感应的参考电压和预定的阈值电压，并响应所述参考电压和所述阈值电压之间的大小关系的变化，将所述开关元件切换到断开状态。
3.根据权利要求2所述的静电雾化装置，其特征在于：所述参考电压的极性，与在所述开关元件处于断开状态期间所述控制绕组中感应的电压的极性相反。
4.根据权利要求3所述的静电雾化装置，其特征在于，所述输出稳定部包括：
由整流元件和平滑电容器形成，并连接在所述控制绕组的相对端子之间的串联电路；和
当跨接所述平滑电容器的电压大于预定的阈值电压时，被切换到导通状态的控制开关元件，其中，
所述开关元件的所述控制端子，以及由所述整流元件和所述平滑电容器形成的所述串联电路的一端子，被连接到所述控制绕组的所述端子中的其中之一；以及
所述控制开关元件被插入到所述开关元件的所述控制端子和连接所述整流元件与所述平滑电容器的连接点之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的静电雾化装置，其特征在于：除所述输出稳定部之外的任何电路，从所述参考电压获得工作电压。
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