JP2006239632A - 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得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、制御手段は通常状態での冷却手段の制御を放電電流値に応じて行うものであり且つ非通常時である運転開始初期から上記通常制御への移行のための放電電極部分に結露水が生成されかどうかの判断を放電電流値に基づいて行う。静電霧化させるための水を放電電極上に結露水として確保し、また放電状態を監視することで運転初期から結露水の生成と放電による霧化とを安定的に行わせるものである。
【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得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、上記制御手段は放電電極部分に結露水がある通常状態での冷却手段の制御を放電電流値に応じて行うものであり且つ非通常時である運転開始初期から上記通常制御への移行のための放電電極部分に結露水が生成されかどうかの判断を、放電電流値に基づいて行うものであ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、運転初期から結露水の生成と放電による霧化とが安定してなされるようにしたものである。

上記制御手段は、運転開始初期の非通常時の冷却手段の冷却能力を環境温度に基づいて決定するものであると、結露水が生成されるまでに要する時間を安定化させることができる。

この時、制御手段は、運転開始初期の非通常時の冷却手段の冷却能力を漸次高めながら放電電流値に基づいた結露水の生成判断を行うものであると、湿度が低い時でも結露水が生成されるまでにかかる時間を短くすることができる。

また、制御手段としては、運転開始時から放電電流を定期的に監視して結露水の生成判断を行うものを用いることができるほか、運転開始時から所定時間が経過するまで放電を停止させているとともに上記所定時間が経過した時点で放電を行わせて、この時点の放電電流値に基づいて結露水の生成判断を行うものも用いることができる。

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、しかも放電電流値に応じて冷却手段を制御することから、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り、更には運転初期の結露水が生じるまでの間の制御も放電電流値に基づいて行うものであるために、運転開始初期の放電及び冷却の制御を簡便に行うことができる。

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、８は環境温度センサである。

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、放電電極２上の水量が図３(b)に示す状態から少なくなって図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。

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、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を取り込み、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ものであり、ここではオーバーシュートを避けるために次のように処理している。

すなわち図４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しており、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)を決定している。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Ｄ₁〜Ｄ₂₅₆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。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、それまでは次のような制御を行っている。

すなわち、制御回路Ｃは運転開始に伴い、図５に示すように、環境温度センサ８で測定される環境温度を取り込んでこの環境温度に応じた電極冷却温度Ｔを設定する。つまり環境温度（室温）が１８℃であれば水が氷結する温度−１℃を勘案して温度を１９℃下げることとし、この電極冷却温度Ｔに応じたペルチェ印加電圧を設定する。なお、ペルチェモジュール５は電極冷却温度Ｔと印加電圧とは図６に示す特性を有することから、電極冷却温度Ｔが大となるほど、印加電圧を高くすることになる。この時、ここでは印加電圧をＰＷＭ制御で行っているために、制御回路Ｃは上記印加電圧を得ることができるデューティ（Ｄｕｔｙ）値を電源６に対して出力してペルチェモジュール５の冷却を開始させる。この時、制御回路Ｃは高圧電源部４も同時に作動させて放電を開始するとともに放電電流検出回路４２による放電電流の検出を行う。

放電電極２上に水があれば放電電流が流れることになるが、結露水が生成されるに至っていない時点では正常であれば放電電流は殆ど流れないことになる。このために、ゼロに近い定数Ｉini（μＡ）を設定して、制御回路Ｃは検出された電流値Ｉが定数Ｉini未満であれば、図５の右側のフローに示すように、正常時の動作として放電電圧の印加状態を保ったまま、電流値Ｉの監視を定期的に続け、電流値Ｉが定数Ｉini（μＡ）以上となった時点で前述の放電電流制御の状態に移行する。つまり、放電電極２が冷却されて結露水が付着すれば、放電電極２には高圧が印加されている状態であるために電界の力によって結露水は放電電極２の先端に集まりはじめ、結露水がある程度結集すると放電による静電霧化が開始されるとともに、この時点で通常の放電電流に基づくフィードバック制御に移行するのである。

上記フィードバック制御に移行する条件となる電流値Ｉが定数Ｉini（μＡ）以上となるまでの間、制御回路Ｃは定期的にデューティ値を小刻みに高くしてペルチェモジュール５に印加する電圧を漸次高くしていくことで、結露水の生成を早める処理も行っており、湿度が低い場合に結露水の確保が遅くなってしまうということがない。なお、ここではデューティ値Ｄ(n)が１００％デューティとなるＤ₂₅₆となった時点でもフィードバック制御の状態に移行するようにしてある。

一方、運転開始初期に測定した電流値ＩがＩini（μＡ）以上であれば、放電電極２の先端にゴミが付着していてこのゴミのために金属放電が生じている、あるいは環境の湿度が異常に高い、あるいは前回の運転時の結露水が放電電極２に残っているといったことが考えられることから、この時は次のような処理を行う。

すなわち、図５の左側のフローに示すように、高圧電源部４を停止させるとともにペルチェモジュール５への電圧印加も停止させた状態を一定時間だけ保ち、その後、再度高圧電源部４及びペルチェモジュール５を作動させ、この状態で放電電流値Ｉを計測する。ペルチェモジュール５を一定時間停止させるのは、環境の湿度が異常に高い場合の可能性を無くすためであり、また、前回の運転時の結露水がなくなるのを待つためである。

そして放電及び冷却を再開した時点での放電電流値Ｉが所定値Ｉｐ（Ｉｐの値は上記Ｉiniと同じもしくは少し大）より低ければ、放電電極２に水ができて金属放電から水での放電状態に移行したと判断して、前述のフィードバック制御に移行する。放電電流値Ｉが上記所定値Ｉｐより高ければ、高圧電源部４を停止させて、この状態でデューティ値を一段もしくは複数段高めた状態で放電電極２の冷却を行い、所定時間が経過すれば高圧電源４を作動させて放電電流値Ｉを測定し、再度所定値Ｉｐと比較するということを、デューティ値が１００％（Ｄ₂₅₆）となるまで繰り返す。

放電電極２に水がついていないにもかかわらず放電電流が大の時は、上述のように金属放電を起こしていると考えられるとともに、この状態での放電継続は放電電極２の劣化やオゾンの発生につながるために、高圧放電は定期的に繰り返されることになる電流値Ｉの測定の際にだけなされるようにしているものである。なお、ペルチェモジュール５のデューティ値は上述のように漸増させていくのであるが、最大になってしまって場合は、環境が低温低湿といった結露水の生成に厳しい環境であって、現状のペルチェモジュール５の冷却能力では結露水を確保することができないとの判断で高圧電源４のオフに加えてペルチェモジュール５もオフとする。

図７は放電電極２が冷えていない運転開始初期の制御フローの他例を示しており、制御回路Ｃは運転開始に伴い、環境温度センサ８で測定される環境温度を取り込んでこの環境温度に応じた電極冷却温度Ｔに対応するデューティ値を設定して、ペルチェモジュール５の冷却を開始させ、高圧電源部４を作動させずにペルチェモジュール５による放電電極２の冷却のみを行う状態をしばし継続した後、高圧電源部４を作動させて放電を開始させる。結露水が生成されるであろう時間だけ待って放電を始めるわけであり、この時間は１分以上であることが望ましい。そして、初期の数分間で生成される結露水の量で放電を始めた時の放電電流の上限値として定めたＩmaxの値よりも、放電開始時の放電電流値Ｉが小さければ、放電電極２に正常に水が付いたと判断して前述のフィードバック制御に移行する。水が生じていると推察される時期に放電を開始するために、放電電極２の劣化や摩耗が生じにくくなっているものである。なお、水ができていない場合にもＩ＜Ｉmaxとなってフィードバック制御に移行してしまうが、この状態では放電電流Ｉが殆ど流れていないことから、放電電極２の劣化や摩耗は少ない上に、水ができてしまえば本来の放電電流値での放電状態となるために問題となるほどのことはない。

一方、放電開始時の放電電流値Ｉが上記上限値Ｉmax以上であるならば異常があると判断して、図７において左側のフローに示すように、高圧電源部４を停止させるとともにペルチェモジュール５への電圧印加も停止させた状態を一定時間だけ保ち、その後、再度高圧電源部４の動作による放電のみを再開させて、この状態で放電電流値Ｉを計測する。ペルチェモジュール５を一定時間停止させるのは、環境の湿度が異常に高い場合の可能性を無くすためであり、また、前回の運転時の結露水がなくなるのを待つためである。

そして放電を再開した時点での放電電流値Ｉが所定値Ｉｐ（Ｉｐの値は前記Ｉiniと同じもしくは少し大）より低ければ、放電電極２に付着していた水が殆どなくなったために放電電流が減少したとの判断により、通常のフィードバック制御に移行する。

この時点でも放電電流値Ｉが所定値Ｉｐ以上であれば、異常は水の量が多かったためではなく、逆に水がない状態で金属放電が生じていたからとの判断で、放電を停止させるとともにペルチェモジュール５のみを最大デューティで動作する状態を一定時間保って、放電電極２に水が短時間で生成されるようにした後、放電を開始させて再度放電電流値Ｉを計測し、この電流値Ｉが前記上限値Ｉmaxより小さければ、前述の場合と同様の判断で通常のフィードバック制御に移行し、前記上限値Ｉmax以上であれば、環境が低温低湿といった結露水の生成に厳しい環境であって、現状のペルチェモジュール５の冷却能力では結露水を確保することができないとの判断で高圧電源４のオフに加えてペルチェモジュール５もオフとする。この時、一定時間後に運転を最初から開始させるモードを設けておけば、連続運転中でも回りの環境が代わって結露水を確保できる環境になった時点で正常運転に至るものとなる。

運転開始初期の制御を上記のいずれの制御で行うにせよ、放電電流値に基づいて結露水が生成されたかどうかを判断するものであり、放電電極温度や湿度を測定しなくても運転開始初期を含めて結露水を適切に確保して霧化させることができる。特に精度をあまり期待することができない湿度センサーを用いなくてもすむことや、高圧が印加される放電電極そのものの温度を測定することが困難で放電電極近傍の温度を測定しなくてはならないが故に、放電電極温度も正確に検出することが難しいことなどを考慮すれば、これらの検出部材が不要であるにもかかわらず、適切な制御を行うことができる点で大きな利点を有している。

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。 同上の放電電流フィードバックに関する説明図である。 運転開始初期の動作を示すフローチャートである。 ペルチェモジュールの印加電圧−電極冷却温度の特性図である。 運転開始初期の他の動作を示すフローチャートである。

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
５ ペルチェモジュール

Claims (5)

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た静電霧化装置であって、上記制御手段は放電電極部分に結露水がある通常状態での冷却手段の制御を放電電流値に応じて行うものであり且つ非通常時である運転開始初期から上記通常制御への移行のための放電電極部分に結露水が生成されかどうかの判断を、放電電流値に基づいて行うものであることを特徴とする静電霧化装置。
2. 制御手段は、運転開始初期の非通常時の冷却手段の冷却能力を環境温度に基づいて決定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、放電電流値に基づいて結露水の生成判断を、運転開始初期の非通常時の冷却手段の冷却能力を漸次高めながら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。
4. 制御手段は、運転開始時から放電電流を定期的に監視して結露水の生成判断を行うものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電霧化装置。
5. 制御手段は、運転開始時から所定時間が経過するまで放電を停止させているとともに上記所定時間が経過した時点で放電を行わせて、この時点の放電電流値に基づいて結露水の生成判断を行うものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電霧化装置。