JP2006122819A - 静電霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水の補給の手間が不要である上にナノサイズミストの発生のための安定した放電状態を継続させることができるものとする。
【解決手段】放電電極２とこれに対向する対向電極３並びに両電極間に高電圧を印加する高圧電源部４、上記放電電極を冷却して放電電極部分に空気中の水分を基に水を生成させる冷却手段５、上記両電極間の放電状態を監視して所要の放電状態を維持する制御手段Ｃを備える。放電電極２を冷却することで静電霧化させるための水を放電電極上に結露水として生じさせ、放電状態を監視することで結露水の生成と放電による霧化とが継続してなされるようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は静電霧化装置、殊にナノサイズミストを発生させるための静電霧化装置に関するものである。

水が供給される放電電極と対向電極との間に高電圧を印加して放電させることで、放電電極が保持している水にレイリー分裂を生じさせて霧化させることでナノメータサイズの帯電微粒子水（ナノサイズミスト）を生成する静電霧化装置がある。

上記帯電微粒子水は、ラジカルを含んでいるとともに長寿命であって、空間内への拡散を大量に行うことができ、室内の壁面や衣服やカーテンなどに付着した悪臭成分などに効果的に作用し、無臭化することができるといった特徴を有している。

しかし、水タンクに入れた水を毛細管現象によって放電電極に供給するものでは、水タンクへの水の補給を使用者に強いることになる。この手間を不要とするために空気を冷却することで水を生成する熱交換部を設けて、熱交換部で生成した水（結露水）を放電電極に送ることが考えられるが、この場合、熱交換部で結露水を生成してこの水を放電電極まで送るのに少なくとも数分程度の時間がかかってしまう。
特許第３２６０１５０号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、水の補給の手間が不要である上にナノサイズミストの発生のための安定した放電状態を継続させることができる静電霧化装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る静電霧化装置は、放電電極とこれに対向する対向電極並びに両電極間に高電圧を印加する高圧電源部を備えるとともに、上記放電電極を冷却して放電電極部分に空気中の水分を基に水を生成させる冷却手段と、上記両電極間の放電状態を監視して所要の放電状態を維持する制御手段とを備えていることに特徴を有している。放電電極を冷却することで静電霧化させるための水を放電電極上に結露水として生じるようにしたものであり、また放電状態を監視することで、結露水の生成と放電による霧化とが継続してなされるようにしたものである。

ここにおける制御手段は、放電電流値に応じて冷却手段による放電電極の冷却度の制御による放電電極上の結露水量を制御するものを好適に用いることができる。

上記制御手段は、測定した放電電流値と目標放電電流値との差及び放電電流値の時間的変化率に応じて制御を行うものや、放電電極の冷却温度に応じた補正を加えて制御を行うものであると、より適切な制御を行うことができる。

また、上記制御手段は運転開始初期の結露水が放電電極上に生成されていない期間だけ、放電電極の温度検出情報に基づくフィードバック制御を冷却手段に対して行うものが好ましく、この時の制御手段は放電電極の温度検出情報に基づくフィードバック制御の期間を放電電極の冷却温度に応じて決定するものや、運転開始初期の冷却手段の制御を環境温度に基づいて設定された放電電極の冷却温度に応じたもので行うものを好適に用いることができる。

そして、放電電流を検出する放電電流検出回路には、放電回路に挿入された電流検出用の抵抗に流れる電流を加算回路にて基準の電流からの加算として出力電圧で取り出すものが好ましく、放電電圧を検出する放電電圧検出回路には放電電圧検出用の抵抗に流れる電流を加算回路にて基準の電流からの加算として出力電圧で取り出すものが好ましく、いずれのものも出力電圧にオフセット電圧を持たせたものとするのがよい。

高圧電源部における高圧発生手段は、自励式発振で昇圧を行うものであるとともに昇圧された電圧値を変化させる手段を備えたものが好適である。

放電電圧を検出する放電電圧検出回路を備えるとともに、高圧電源部における高圧発生手段は上記放電電圧検出回路の検出出力がフィードバックされるものが好ましい。

更に高圧電源部における高圧発生手段は変調された高圧出力電圧を出力するものが好ましい。

本発明は、静電霧化させるための水を放電電極上に結露水として生じさせてこれを静電霧化するために、水の補給の手間が不要であるのはもちろん、ナノサイズミストの発生を素早く行うことができるものであり、しかも放電状態を監視して静電霧化のための制御を行うことから、結露水の生成と放電による霧化とが継続して安定的になされるものである。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図１に示すように、この静電霧化装置は、放電電極２とこの放電電極２の一端に所要の距離をおいて対向するとともに内周縁が実質的な電極として機能する対向電極３、これら両電極２，３間に放電用の高電圧を印加する高圧電源部４、上記放電電極２の他端が吸熱側に接続されて放電電極２を露点以下の温度に冷却する冷却手段としてのペルチェモジュール５、ペルチェモジュール用の電源部６０を内蔵している電源６、そして制御回路Ｃで構成されたもので、上記対向電極３は接地されており、放電時には放電電極２側に負もしくは正の高電圧（たとえば−４．６ｋＶ）が印加される。図中５０はペルチェモジュール５の放熱側に配された放熱フィン、５１はペルチェモジュール５の温度測定用のサーミスタ、８は環境温度湿度センサである。

上記高圧電源部４は図２にも示すように高圧発生回路４０と放電電圧検出回路４１と放電電流検出回路４２を備えたもので、検出された放電電圧Ｖｖ及び放電電流Ｖｉは上記制御回路Ｃに入力され、制御回路Ｃはこの放電電圧Ｖｖ及び放電電流Ｖｉを基にペルチェモジュール５の冷却度調整による結露水生成量の調整を行う。

すなわち、放電電極２を冷却することで空気中の水分を放電電極２上に結露させた状態で放電電圧を放電電極２と対向電極３との間に印加する時、放電電極２上の水は図３に示すように対向電極３側に引っ張られてテーラーコーンと称される形状のものとなるとともに、そのテーラーコーンの先端においてレイリー分裂が生じてナノメータサイズの帯電微粒子水が生成されることで霧化がなされる。

この時、放電電圧が一定であれば、放電電極２上の水量が少なくなって図３(a)に示すようにテーラーコーンが小さくなれば放電電流も少なくなり、放電電極２上の水量が多くなって図３(c)に示すようにテーラーコーンが大きくなれば放電電流が増大する。ちなみに、−４．４ｋＶの放電電圧の印加時、図３(a)に示す状態では放電電流が３．０μＡ、図３(b)に示す状態では放電電流が６．０μＡ、図３(c)に示す状態では放電電流が９．０μＡであった。

つまり、結露水の量にテーラーコーンの形状が関係しているとともにテーラーコーンの高さから放電電流も変化するわけであり、これ故に放電電流を測定することにより、テーラーコーンの高さ（結露水の量）を知ることができる。ここにおいて、放電電極２上の結露水の量が更に少なくなれば、放電電極２上の水と対向電極３間での放電ではなく、放電電極２と対向電極３との間で放電が生じてオゾンの発生などを招くことになる。逆に放電電極２上の水が更に多くなれば、対向電極３と水との距離が短くなり、短絡電流が流れて狙いの粒子径のミストが得られなくなる。

このためにここではある放電電圧の時の放電電流値から放電電極２上の水の量を推定し、この推定に基づき放電電極２を冷却する冷却手段であるペルチェモジュール５の冷却度調整による結露水生成量の調整を行うものであり、放電電流が少ない時はペルチェモジュール５の印加電圧を上昇させて放電電極２をさらに冷却して結露水を増加させ、放電電流が多い時は冷却度合を緩和させて結露水を減少させる方向へフィードバック制御することで、放電電極２上の結露水の量が常にナノサイズミストの発生に適した量となるようにしているものであり、この結果、放電によるナノサイズミストを発生させる静電霧化が途切れたりすることなく連続的になされるものである。

ただし、放電電圧が変われば、適切な結露水量を表すことになる放電電流値も変化することから、表１に示すように放電電圧Ｖ(n)に応じた最適な放電電流ｉ(n)の範囲を規定し、検出される放電電流ｉ(n)値が上記範囲の中央値ｉ(n)typ付近を維持するようにペルチェモジュール５の印加電圧のデューティ制御を制御回路Ｃが行うようにしている。

また、放電電極２が冷えていない運転開始初期には放電電極２上に結露水が生成されていないことから、上記制御は放電電極２上に結露水が確保されてからのものとし、それまでは放電も行わずにペルチェモジュール５のみを動作させている。つまり、制御回路Ｃは運転開始に伴い、環境温度湿度センサ８で測定される環境温度及び湿度に応じた目標温度Ｔ（露点）を設定し、放電電極２の温度が上記目標温度Ｔを含む所要温度範囲（Ｔ＋１〜Ｔ−１）内に入るまではペルチェモジュール５をその最大能力で作動させる（図４中の区間イ）。そして放電電極２の温度が上記所要温度範囲の上限値Ｔ＋１まで下がれば、制御回路Ｃはペルチェモジュール５のデューティ制御による印加電圧制御を、放電電極２の温度フィードバックによる制御、つまりは周囲の温度及び湿度に応じて予め決定されたデューティ値とし、放電電極２の温度が上記所要温度範囲の下限値Ｔ−１を下回ればデューティを１段下げ、上限値Ｔ１を上回ればデューティを一段上げる制御を行う。そして上限値Ｔ＋１にまで達した時点から結露水が放電電極２上に形成されたと目される所定時間ｔ後に高圧電源部４を作動させて予め設定した所定の高電圧を放電電極２と対向電極３間に印加することで放電を開始すると同時にペルチェモジュール５の印加電圧制御を放電電極２の温度フィードバックによる制御から放電電流に基づくフィードバック制御に切り替える。

なお、上記所要時間ｔは、電極冷却温度（冷却開始前の温度から目標温度を引いた値に相当）ΔＴに応じて変化させることが好ましい。電極冷却温度ΔＴが５℃以下であれば、きわめて結露しやすい状態であり、電極冷却温度ΔＴが１０℃以上であれば結露しにくい状態であることから、たとえば電極冷却温度ΔＴが５℃以下であれば、上記所要時間ｔを３０秒、電極冷却温度ΔＴが５〜１０℃であれば、上記所要時間ｔを６０秒、電極冷却温度ΔＴが１０℃以上であれば、上記所要時間ｔを９０秒とするのである。このような制御を行うことにより、放電開始時の放電電極２上に結露水を確実に確保することができるとともに、放電電極２上に多すぎる結露水が生じている事態を避けることができる。図５はこの点に関するフローチャートを示している。

また、電極冷却温度ΔＴが例えば１０℃以下である場合、放電電極２をフルで冷却させなくても短い時間で目標温度に達する。またペルチェモジュール５におけるペルチェ素子は急激な電圧変化がストレスになるために寿命に影響してしまう。このために放電電極２の電極冷却温度ΔＴの値に応じて運転開始初期のデューティを変化させ、電極冷却温度ΔＴが小さい時にはその値に応じてデューティを低くするようにしてもよい。ペルチェ素子にかかる負荷が小さい駆動を行うことができる。ちなみにここで設定した区間イでのデューティは、電極冷却温度ΔＴに応じて予め設定されたデューティを考慮したものとしておく。図６にこの点のフローを示す。

なお、環境湿度は、外部センサーに寄らずに計測することが可能である。運転開始初期の放電電極２の冷却開始前に放電電極２と対向電極３間に高圧を印加して、この時の放電電流と放電電圧を計測することで電極間抵抗（＝放電電圧（Ｖ）／放電電流（Ａ））を測定するのである。この時点では放電電極２に水が生成されておらず、水がある時よりも電極２，３間の距離も離れているために、霧化が起こらないのはもちろん、微弱な放電電流しか流れないが、この時の電極間抵抗は、空気中の水分量と相関があるために、ここから湿度を推定するのである。この場合、湿度センサを省略することができる。

次に放電電流に基づくフィードバック制御の詳細について説明すると、上記放電開始から各回路が安定するまでの時間Δｔが経過した時点ｔａで制御回路Ｃは放電電圧検出回路４１と放電電流検出回路４２から放電電圧値及び放電電流値の取り込みを開始し、一定時間毎の平均値を演算して得られた放電電圧値によって上記表１に基づく放電電流制御の放電電流値上限ｉ(n)max、目標値（中央値）ｉ(n)typ、下限ｉ(n)minを取得し、測定された放電電流ｉ(n)値が目標値ｉ(n)typとなるようにペルチェモジュール５に加える印加電圧をデューティ制御でフィードバック制御するのであるが、ここではオーバーシュートを避けるために、図７に示すように、時刻ｔａにおいて取り込みを開始した放電電圧値及び放電電流値の平均値v(1)，ｉ(1)がΔｔ時間後の時刻ｔｂにおいて定まり、更に時刻ｔｂにおいて取り込みを開始した放電電圧値及び放電電流値の平均値v(2)，ｉ(2)がΔｔ時間後の時刻ｔｃにおいて定まる時、時刻ｔｂ−ｔｃ間の上記Δｔ時間内の放電電流値の差Δｉ(2)＝ｉ(2)−ｉ(1)を求めるとともに、時刻ｔｂでの放電電圧ｖ(1)と前記表１とから求めた時刻ｔｃでの目標放電電流中央値ｉtyp(1)と、時刻ｔｃでの放電電流値ｉ(2)との差Δｉd(2)とを求め、時刻ｔｂ−ｔｃ間でのペルチェモジュール５の印加電圧のデューティをＤ(2)とする時、このデューティＤ(2)から増分ΔＤ(2)を
ΔＤ(2)＝ａ×Δｉd(2)−ｂ×Δｉ(2)
（ａ，ｂはパラメータ）
で求めて、Ｄ(3)＝Ｄ(2)＋ΔＤ(2)を次の時刻ｔｃ−ｔｄ間でのペルチェモジュール５の印加電圧のデューティとするものであり、時間Δｔ毎に以降順次繰り返することで、つまりは
ΔＤ(n)＝ａ×Δｉｄ(n)−ｂ×Δｉ(n)
をΔｔ毎に求めて、それまでのデューティＤ(n-1)に加算して次のデューティＤ(n)を決定するのである。放電電流値ｉ(n)と目標放電電流中央値ｉtyp(n)との差分Δｉd(n)に加えて、放電電流値の差分Δｉ(n)を考慮することから、前者のみを考慮した場合に生じやすいオーバーシュートを避けることができる。なお、ここで言うデューティ値Ｄ(n)及び増分ΔＤ(n)は、デューティ０〜１００％を２５６分割して割りふったＤ_０〜Ｄ₂₅₅に対応させている。

また、デューティの増加分ΔＤ(n)を求めるにあたり、それまでのデューティＤ(n-1)の値に応じた補正関数Ｆ{Ｄ(1)}を乗算するように、つまり
ΔＤ(n)＝（ａ×Δｉd(n)−ｂ×Δｉ(n))×Ｆ{Ｄ(n-1)}
とするようにしてもよい。この補正関数Ｆ{Ｄ(1)}は、それまでのデューティＤ(n-1)が低い時には小さい値を、デューティＤ(n-1)が高い時には大きい値を持つことで、デューティ全体の重み付けを行っているものであり、デューティが低い時には印加電圧も低くて電極冷却温度ΔＴも低い領域で水もできやすく、これ故にデューティの大幅な変化は結露水の余剰を生じやすくなるために、補正関数Ｆ{Ｄ(1)}はたとえば０．５として変化率を少なくし、逆にデューティが高い時は放電冷却温度ΔＴも高くて結露水ができにくい状態にあることから、補正関数Ｆ{Ｄ(1)}をたとえば２として変化率を大きくするのである。

以上の制御は、検出した放電電圧Ｖ(n)及び放電電流ｉ(n)が前記表１に示した範囲内にある場合で、次のような場合は異常有りと判断して異常処理を行うようにしてある。

まず検出される放電電圧Ｖ(n)が表１に示した範囲外である時、つまりは−４．１ｋＶ未満である時には、印加電圧が不足して正常な放電が維持できず、また−５．２ｋＶを超えている場合は、電界の集中が発生して正常な放電ができなくなることから、制御回路Ｃは放電異常と判断し、この旨をランプ等の報知手段を用いて使用者に知らせるとともに放電を停止する。

また、検出された放電電圧Ｖ(n)に対応する放電電流値上限ｉ(n)maxを超える電流値ｉ(n)が検出された場合、及び放電電流値下限ｉ(n)min未満の電流値ｉ(n)が検出された場合、制御回路Ｃは次の処理を行う。

図８は放電電流値下限ｉ(n)min未満の電流値ｉ(n)が検出された場合のフローを示しており、この場合、放電電極２の温度（電極サーミスタ温度）Ｔｈが０℃を超えているか０℃以下であるかによって処理を振り分けて、前者であればデューティが最大でなければ元の制御フローに戻すものの、デューティが最大であれば放電電極２に水が生じていないと判断するとともに現在の環境で結露水を生成するのはペルチェモジュール５が能力不足していると判断して、環境が変化して電極目標温度が現状値よりも所定値Ｋだけ高くなるまで待機し、所定値Ｋだけ高くなった時点で元の制御フローに戻す。

後者（Ｔｈ≦０℃）である時には、デューティを低下させて一定時間後に検出した放電電流値ｉ(n)が放電電流値下限ｉ(n)min以上になっておれば元の制御フローに戻し、放電電流値下限ｉ(n)minを下回っている状態が続いているならば、環境が変化して電極目標温度が現状値よりも所定値Ｋだけ高くなるまで待機し、所定値Ｋだけ高くなった時点で元の制御フローに戻す。ちなみに前者は放電電極２に水が結露していない状態が考えられ、後者は結露した水が放電電極２上で氷結している状態が考えられる。

次に放電電流値上限ｉ(n)maxを超える電流値ｉ(n)が検出された場合であるが、これは放電電極２上に結露水が過剰に存在する場合が考えられるとともに、この状態では正常な静電霧化を持続することができないことから、この時にはペルチェモジュール５をオフとして、結露水の生成を停止する。図９は具体例を示しており、次回の検出電流値ｉ(n+1)が放電電流値上限ｉ(n+1)maxよりも大きく且つ予め設定してある上限値ｉMaxよりも大きい時には放電をただちに停止し、環境が変わって電極冷却目標温度が高くなった時点で通常の制御フローに戻る。これは放電電極２に水が結露していない状態でコロナ放電が生じている場合が想定されるからである。

また、次回の検出電流値ｉ(n+1)が放電電流値上限ｉ(n+1)maxよりも大きく且つ上限値ｉMax以下である準危険領域である場合には、放電電極２の結露水が過多である場合が考えられるので、いったん放電を停止するとともにペルチェモジュール５のデューティを低下させ、次いで一定時間後に再度高圧を放電極２と対向電極３間に印加して放電を行わせてその時の放電電圧値と電流値を読み込み、この時の電流値が放電電流値上限ｉ(n)maxより低ければ、通常の制御フローに戻し、放電電流値上限ｉ(n)maxよりも大きく且つ上限値ｉMax以下である場合には、放電停止とデューティの低下とを再度行い、上限値ｉMaxを超える場合には放電を停止させ、環境が変わって電極冷却目標温度が高くなった時点で通常の制御フローに戻る。

また、放電電流に基づくペルチェモジュール５の印加電圧のフィードバック制御に際して、前述のようにデューティの増分ΔＤ(n)を（ａ×Δｉd(n)−ｂ×Δｉ(n))×Ｆ{Ｄ(n-1)}で求めている時、放電電流の時間Δｔ間の変化量Δｉ(n)が予め定めた一定値を越える時も、制御回路Ｃが異常が生じていると判断するようにしてある。放電電極２上に水がある状態で放電がなされている時には、放電電流が急激に大きく変化することはないことから、異常が生じていると判断するものであり、この場合も放電を停止（高圧電源部４をオフ）して環境が変わるまで待機状態とする。

このほか、前述のようにペルチェモジュール５の印加電圧を変化させて結露水量を変化させているにもかかわらず、検出される放電電流値が変化しなかったり通常とは逆の方向に増減する場合も異常が生じていると制御回路Ｃが判断できるようにしている。この場合、デューティ値の変化分ΔＤ(n)の積算値をΣΔＤ（ΔＤの符号が変化した時点で積算リセット）、放電電流変化分Δｉ(n)の積算値をΣΔｉ、Ｘを定数とする時、放電電流ｉが１μＡ異常流れている状態において、ｉ≧1μＡ且つΣΔＤ≧Ｘ且つ−1＜ΣΔｉ＜1の時（ペルチェ入力電圧を上げているのにもかかわらず放電電流が変化しない時）は金属放電異常状態が考えられ、ｉ≧1μＡ且つΣΔＤ≧Ｘ且つΣΔｉ≦−1の時（ペルチェ入力電圧を上げているのにもかかわらず放電電流が減少する時）は、水の放電電極２への付き方が悪い状態が考えられ、ｉ≧1μＡ且つΣΔＤ≦−Ｘ且つ−1＜ΣΔｉ＜1の時（ペルチェ入力電圧を下げているのにもかかわらず放電電流が変化しない時）並びにｉ≧1μＡ且つΣΔＤ≦−Ｘ且つΣΔｉ≧1の時（ペルチェ入力電圧を下げているのにもかかわらず放電電流が増加する時）も、金属放電異常状態が考えられることから、制御回路Ｃは上記のいずれの場合も一定時間運転を停止して所要の待機状態を経た後、再度運転を開始する処理を行うようにしている。

次に上記高圧放電部４の具体回路例を示す。図１０は放電電流検出回路４２の具体回路の一例を示しており、放電回路に電流検出用の抵抗Ｒ５を挿入して該抵抗Ｒ５に流れる電流を加算回路にて基準の電流からの加算として出力電圧Ｖｉで取り出すようにしたものである。図中のオペアンプＯＰは、電流検出用抵抗Ｒ５に流れる電流Ｉｄと抵抗Ｒ２に流れる電流ＩＲＥＦとの差が抵抗Ｒ１に流れるように動作する。このものでは抵抗Ｒ１の抵抗値により出力電圧Ｖｉの勾配が決定されるとともに、放電電流が正であっても負であっても放電電流の検出が可能である。ここでのオペアンプＯＰは積分回路により構成される汎用品の使用が可能であり高速の性能は必要としていない。

ちなみに出力電圧Ｖiは、
ＩＯＵＴ＝ＩＲＥＦ−Ｉｄ
Ｖｉ＝ＶＲＥＦ−Ｒ１×ＩＯＵＴ
で決定されるとともに、Ｉｄ＝０の時の出力電圧Ｖi0はＶＲＥＦ−Ｒ１×ＩＲＥＦで表されるオフセット電圧を有している。電流検出抵抗Ｒ５の値は放電回路抵抗が非常に大きいために放電電流に影響を与えない範囲で選定すればよく、図１１はＲ１＝１００ｋΩ、Ｖi0＝１．５（V）にした時の特性を示しており、１μＡを０．１Ｖの出力電圧に変換している。

図１２は高圧電源部４における放電電圧検出回路４１の具体回路の一例を示している。この放電電圧検出回路４１は、上記放電電流検出回路４２とほぼ同様の回路構成を持つもので、電圧検出抵抗Ｒ６に流れる電流をＩｖ、抵抗Ｒ１０に流れる電流をＩＲＥＦ、放電電圧をＶｄとする時、出力電圧Ｖｖは
Ｉｖ＝Ｖｄ／Ｒ６
Ｖｖ＝Ｒ１０（ＩＲＥＦ−Ｉｖ）
で決定されるとともに、Ｖｄ＝０の時の出力電圧Ｖv0はＶＲＥＦ−Ｒ１０×ＩＲＥＦ
で表されるオフセット電圧を有している。このものにおいても、放電が正負のどちらであっても放電電圧Ｖｖを検出することができる。図１３はＲ６＝５００（ＭΩ）、Ｒ１０＝２５０（ｋΩ）、Ｖv0＝１．５（Ｖ）とした時の特性を示しており、０．５（Ｖ）／kＶの出力電圧Ｖｖに変換している。

上記放電電流検出回路４２及び放電電圧検出回路４１において、どちらの場合も放電電極２と対向電極３間に電圧を印加していない時、出力電圧Ｖｉ，Ｖｖに夫々オフセット電圧Ｖi0、Ｖv0が出力されるようにしているのは、回路部品のばらつきによる誤差を計測して補正することで計測誤差を低減させることができるからである。つまり、放電電流出力の勾配は抵抗Ｒ１にのみ依存し、放電電圧出力は抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ１０に依存し、オペアンプＯＰのオフセット電圧やオフセット電流、基準電圧ＶＲＥＦのばらつきは、高圧電圧を印加しない時に発生するオペアンプＯＰの電圧出力として出現することから、この電圧をあらかじめ測定することによって誤差が少ない放電電流及び放電電圧の計測が可能なものである。放電中においても一定時間毎に放電を停止させてこのオフセット電圧を計測することで、温度変化による温度ドリフトをキャンセルすることができる。

図１４は高圧電源部４の高圧発生回路４０の具体例の一例を示しており、図中Ｌ１，Ｌ２は磁気結合された昇圧トランスのコイル、Ｑ１はスイッチングトランジスタ、Ｌ３は一次側の上記コイルＬ１に対してＱ１が発振を継続するように正帰還をかかる方向に接続されたインダクタンスである。電源Ｖ２が印加されると抵抗Ｒ１５を通してスイッチングトランジスタＱ１にベース電流が流れ、これによってスイッチングトランジスタＱ１にコレクタ電流が流れ始めると、インダクタンスＬ３にはスイッチングトランジスタＱ１にベース電流を流す方向に電圧が発生してスイッチングトランジスタＱ１が急激にオン状態になる。

スイッチングトランジスタＱ１のエミッタ電流は抵抗Ｒ１２で検出されてトランジスタＱ２のベースに流れる電圧までスイッチングトランジスタＱ１のエミッタ電流が上昇すると、トランジスタＱ２がスイッチングトランジスタＱ１のベース電流を減少させる。これがきっかけとなってインダクタンスＬ３に反対方向の電圧が発生し、スイッチングトランジスタＱ１は急激にオフになる。これが繰り返されることで発振が継続する。

二次側のコイルＬ２は一次側コイルＬ１の電圧を昇圧して実施例においては負の電圧を取出し、ダイオードＤ１，Ｄ２とコンデンサＣ３，Ｃ４で構成された倍電圧回路を通じて端子ＶＨに接続される放電電極２に供給する。端子Ｇは発振回路のグランドもしくは放電電流検出用の抵抗を介してグランドに接続される。コンデンサＣ８はスイッチングトランジスタＱ１のオン，オフをより高速にしてスイッチングロスを減少させるためのものである。

ダイオードＤ３，Ｄ４とトランジスタＱ２のベース，エミッタの合計の電圧と抵抗Ｒ１２を流れる電流による電圧降下を比較させ、スイッチングトランジスタＱ１がオフするタイミングを決定させているために、抵抗Ｒ１２の値を変えることにより昇圧された発生電圧を変化させることができる。

次に図中の端子ＣＯＮＴ１について説明する。上述のように抵抗Ｒ１２を変化させることで昇圧された高圧の電圧を変化することができるが、ダイオードＤ３、Ｄ４に発生する電圧は、端子ＣＯＮＴ１からの入力でトランジスタＱ４を動作させることにより下げることができる。すなわち端子ＣＯＮＴ１に電圧を加えることで昇圧電圧を制御することが可能なものとなっている。また抵抗Ｒ１２に流れるピーク電流を下げることができる。ダイオードＤ５はスイッチングトランジスタＱ１がオフする時にインダクタンスＬ３が発生するトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４にかかるベース、エミッタ間の逆バイアス電圧がかかることを防止する。

また、図１４中のトランジスタＱ３は抵抗Ｒ１６により常にオン状態にあることから、スイッチングトランジスタＱ１はその発振を停止しており、従って電源が接続されだけで高圧が発生するという感電事故を招きやすい状態を防いでおり、端子ＣＯＮＴ２介してトランジスタＱ３をオフ状態にすることで発振が開始される。

図１５は図１２に示した放電電圧検出回路４１と図１４に示した高圧発生回路４０とを結合させて、高圧の発生電圧のばらつきを少なくしたものを示している。すなわち、端子ＣＯＮＴ１と放電電圧検出回路４１の出力とを接続して放電電圧のモニタ出力を昇圧電圧の制御用のトランジスタＱ４のベースに抵抗Ｒ１７を介して接続している。トランジスタＱ４が動作して昇圧電圧が制御状態にある時、抵抗Ｒ１１にはトランジスタＱ４のベース−エミッタ間の電圧約０．７Ｖが発生しており、この時オペアンプＯＰの出力電圧Ｖｖは
Ｖｖ＝（１＋Ｒ１７／Ｒ１１）×０．７
の関係が成立している。従って、抵抗Ｒ１７と抵抗Ｒ１１の関係を、希望の昇圧電圧をこの時のオペアンプＯＰの出力電圧になるように設定することで、困難であった高圧の昇圧電圧を精度よく発生させることができるようにしたものである。抵抗Ｒ１１，Ｒ１７のどちらかを可変抵抗にすることでより精度よく設定することができる。

ところで、安定した放電がなされている時はトリチェリパルスの発生が見られるとともに、この時の放電は一定周期での放電となるために耳障りに感じられる放電音が聞こえることがある。図１６は上記トリチェリパルスの周期的な放電をみだして放電音の周波数成分を分散させるために、高圧発生回路４０の端子ＣＯＮＴ１にトリチェリパルスの放電周期とは異なる周波数を入力することができるようにしたものである。図においてトランジスタＱ５，Ｑ６、抵抗Ｒ１８〜Ｒ２１、コンデンサＣ７，Ｃ８、ダイオードＤ６，Ｄ７、Ｄ８で構成されるマルチバイブレータＭＢのトランジスタＱ５のコレクタ出力を前記トランジスタＱ４のベースに抵抗Ｒ１７を介して加えることでトランジスタＱ４に変調をかけている。このために高圧発生回路４０が発生する高圧出力電圧にも変調がかかり、このために放電パルスの周波数がみだされて音圧が分散され、放電音が低減する。

図１７に示すように、マルチバイブレータＭＢで変調されるトランジスタＱ４のコレクタを発振用のスイッチングトランジスタＱ１のベースに接続することで、発振を断続的に停止させることで高圧の発生電圧に変調をかけるようにしてもよい。

いずれにしても、高圧の発生電圧に変調をかける変調周波数はトリチェリパルスの放電周波数より低く設定することが好ましい。たとえば、放電周波数が１．５ｋＨｚである場合、変調周波数は６００Ｈｚとする。

本発明の実施の形態の一例の回路図である。 同上のブロック回路図である。 (a)(b)(c)は放電時に放電電極上の結露水で形成されるテーラーコーンの状態を示す説明図である。 同上の放電電極温度制御についてのタイムチャートである。 同上の温度フィードバックに関するフローチャートである。 同上の温度フィードバックに関する他のフローチャートである。 同上の放電電流フィードバックに関する説明図である。 同上の異常検出時のフローチャートである。 同上の異常検出時の他のフローチャートである。 放電電流検出回路の具体回路図である。 同上の出力の説明図である。 放電電圧検出回路の具体回路図である。 同上の出力の説明図である。 同上の高圧発生回路の具体回路図である。 同上の他例の高圧発生回路の具体回路図である。 同上の更に他例の高圧発生回路の具体回路図である。 同上の別の例の高圧発生回路の具体回路図である。

符号の説明

Ｃ 制御回路
２ 放電電極
３ 対向電極
４ 高圧電源部

Claims (13)

1. 放電電極とこれに対向する対向電極並びに両電極間に高電圧を印加する高圧電源部を備えるとともに、上記放電電極を冷却して放電電極部分に空気中の水分を基に水を生成させる冷却手段と、上記両電極間の放電状態を監視して所要の放電状態を維持する制御手段とを備えていることを特徴とする静電霧化装置。
2. 制御手段は放電電流値に応じて冷却手段による放電電極の冷却度の制御による放電電極上の結露水量を制御するものであることを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
3. 制御手段は、測定した放電電流値と目標放電電流値との差及び放電電流値の時間的変化率に応じて制御を行うものであることを特徴とする請求項１または２記載の静電霧化装置。
4. 制御手段は、放電電極の冷却温度に応じた補正を加えて制御を行うものであることを特徴とする請求項３記載の静電霧化装置。
5. 制御手段は運転開始初期の結露水が放電電極上に生成されていない期間だけ、放電電極の温度検出情報に基づくフィードバック制御を冷却手段に対して行うものであることを特徴とする請求項２記載の静電霧化装置。
6. 制御手段は放電電極の温度検出情報に基づくフィードバック制御の期間を放電電極の冷却温度に応じて決定していることを特徴とする請求項５記載の静電霧化装置。
7. 制御手段は運転開始初期の冷却手段の制御を環境温度に基づいて設定された放電電極の冷却温度に応じたもので行うことを特徴とする請求項５または６記載の静電霧化装置。
8. 放電電流を検出する放電電流検出回路を備えるとともに、該放電電流検出回路は放電回路に挿入された電流検出用の抵抗に流れる電流を加算回路にて基準の電流からの加算として出力電圧で取り出すものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の静電霧化装置。
9. 放電電圧を検出する放電電圧検出回路を備えるとともに、該放電電圧検出回路は放電電圧検出用の抵抗に流れる電流を加算回路にて基準の電流からの加算として出力電圧で取り出すものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の静電霧化装置。
10. 出力電圧にオフセット電圧を持たせていることを特徴とする請求項８または９記載の静電霧化装置。
11. 高圧電源部における高圧発生手段が自励式発振で昇圧を行うものであるとともに昇圧された電圧値を変化させる手段を備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の静電霧化装置。
12. 放電電圧を検出する放電電圧検出回路を備えるとともに、高圧電源部における高圧発生手段は上記放電電圧検出回路の検出出力がフィードバックされるものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の静電霧化装置。
13. 高圧電源部における高圧発生手段は変調された高圧出力電圧を出力するものであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電霧化装置。