JP2006517468A - 静電噴霧器 - Google Patents

Abstract

静電噴霧器（１）であって、使用時に流体が通過する流路（３）と、流体を噴霧器（１）から退出させる１つまたは複数の噴口（８）と、少なくとも２つの電極（４、６）であって、噴霧器の使用時に、適切な電位が前記電極（４、６）に印加されるときに流体粒子が帯電されるように流体と接触する電極と、を備え、前記電極（４、６）の少なくとも１つは、噴霧器によって発生した電界が集中される個々の電極先端の配列を形成するように、電極（６）から全体的に突出する非繊維性伝導要素（１３）の密接に連続する配列を含む流体接触領域を設ける、静電噴霧器。

Description

本発明は、流体の霧化を必要とする任意の実用システムに応用される静電噴霧器に関する。それは、例えば、燃焼用燃料の供給システムや、家庭用スプレーなどの薬剤、化粧液、および他の合成溶剤を送出する際などの溶液の供給システムに使用可能である。本出願に説明の本発明は、このような特定の応用例のいずれにも限定しようとするものではなく、本出願の最後に含まれる特許請求の範囲内に入る噴霧器のいずれにも応用可能であることを意図するものである。

本発明の構想は一般に、本出願人に知られかつ本明細書に詳述する従来技術からの根本的な脱却を提案することによって静電噴霧器における霧化の向上に関する。

典型的には、従来技術の噴霧器は中心電極および外側電極を備え、この外側電極は、前記中心電極の周辺に配置されかつ相互に十分に離間されて、流体粒子が、噴口を介して退出する前に内部に充填される溝を形成する。このような構成では、通常は中心電極に高い電位が印加され、他方で外側電極が接地される。これらの電位を逆転すると、すなわち、高い電位を外側電極に印加すると、その環境では、操作者が不注意に外側電極に接触すれば感電の危険性が生じるか、または不必要に複雑さが増すことになるセラミック被覆などの追加的な絶縁層を余分に組み込む必要が生じるので実用的ではない。したがって、従来技術のシステムは、もっぱら高い電位を外側電極ではなく中心電極に印加する。

図１は、従来技術の噴霧器が動作する制約条件の幾つかを示す。霧化は、最大の電圧電位と放出流体中に保持された電位電荷の比率と電極ギャップ（電極を隔てる距離）との間の均衡である。従来技術のシステムでは、電極ギャップが増大するにつれて、最大の電圧電位が上昇するが、放出流体中に保持された電位電荷の臨界比率は低減し、よって所与の噴霧器では所与の電極ギャップを超えると相対的に霧化の不良を招く。

本発明の目的の１つは、従来技術のシステムが一般に制約を受ける設計上の厳格な障壁の大部分を除去する、霧化に対して根本的に異なる取り組み方を提供することである。

本発明の構想の範囲内では、他のさらに特定の従来技術のシステムが関連するものと考えられ、したがって以下にそれらを詳述する。

知られている従来技術の１つのタイプは、霧化システムに単一の中心電極を使用するものであり、その電極は、その流体境界面において鋭い先端で終わり、その先端回りに相対的に高い電界を生成するようになっている。このようなシステムの一実施例が米国特許第６２０６３０７号（アーノルド ジェイ ケリー（Ａｒｎｏｌｄ Ｊ Ｋｅｌｌｙ））で開示されており、そこでは電極が、通過する流体中に概ね円錐先端部の形態で突出する。この特許は、図面を詳細に説明する部分で、その先端部が、概ね電極と本体の軸方向に延びる導電性繊維を含む繊維物質から形成され、このような繊維のそれぞれが微細な先端を有し、これらの先端が先端部の表面を協働して構成する。噴口を画定する表面にはこのような繊維がいずれも存在せず、好ましくは平滑にする必要さえある。この特定の噴霧器は一般に、適切に機能するためにその噴口２２と厳密な位置合わせを要する先端部で終わる。したがって、その製造時に厳格な同軸度公差が適用される必要がある。しかも、何らかの理由で、噴霧器の寿命の間にその噴口との先端部の位置合わせが変化すると、必然的に効率低下を来すことになる。

別の繊維状先端部が、別の米国特許第４６２７９０３号（アラン ティー チャップマン（Ａｌａｎ Ｔ Ｃｈａｐｍａｎ））で開示されており、それは、非伝導性（絶縁性）マトリックスで均一に配列された超微細な金属繊維を含む鋭く尖った電極先端部の中に複合断片を使用することを開示する。

従来技術のシステムの別タイプは、釣鐘形状（環状の鋭い縁を有する）で終わる電極先端部を開示する。この構成は、円周方向に整列した噴口を組み込む噴霧器に通常使用される。このような構成の一実施例が、１９９８年７月頃にＤＯＥ（ディーゼルエンジン排ガス研究会（Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ））でエイ ジェイ ケリー（Ａ．Ｊ．Ｋｅｌｌｙ）によって提出された論文の図２に見ることができる。このような電極構成の別の実施例が米国特許第５７２５１５１号（ロバート ヘトリック（Ｒｏｂｅｒｔ Ｈｅｔｒｉｃｋ））で開示されている。

これらの釣鐘形状の電極はそれぞれ、上に呈示した円錐形電極と同様に厳格な同軸度公差を有する。

以上に参照した従来技術の構成はどれも、実現すべき厳格な公差および所与の噴口配置のために選択すべき精密な電極先端の形状が必要である。

本発明の目的の１つは、電極の形状を多様な噴口構成に適用できる噴霧器を提供することである。したがって、本発明は、公差に対しかつ先端部の形状に関する要件の厳格さが緩和された全体的により融通性のあるシステムの提供を目的とする。

本発明の他の目的は、設計および製造がより向上した自由度で実行され、また大量生産に特によく適合する噴霧器を提供することである。

本発明の他の目的は、単一噴口の噴霧器と多噴口の噴霧器の両方で霧化が向上する噴霧器を提供することである。

本発明は、その第１の広範な独自の態様では、静電噴霧器であって、使用時に流体が通過する流路と、流体を噴霧器から退出させる１つまたは複数の噴口と、少なくとも２つの電極であって、噴霧器の使用時に、適切な電位が前記電極に印加されるときに流体粒子が帯電されるように流体と接触する電極と、を備え、前記電極の少なくとも１つは、噴霧器によって発生した電界が集中される個々の電極先端の配列を形成するように、電極から全体的に突出する非繊維性伝導要素の密接に連続する配列を含む流体接触領域を設けることを特徴とする、静電噴霧器を提供する。

このような構成は、それによって電極先端部を特定の噴口に厳密に位置合わせしなければならない複雑な要件が除去されるので有利である。しかもこの構成では、多噴口の噴霧器が、電極先端部が鋭い先端でまたは釣鐘型先端部の場合には鋭い周縁で終わる従来技術のシステムとは異なり、相対的に大きな半径の先端部を備えるように製造可能である。このような構成はまた、有利なことにその噴口からの均一に霧化された噴霧液を実現する。その製造も先に論じた従来技術のシステムに較べて簡素化される。

本発明は、第２の広範な独自の態様では、静電噴霧器であって、使用時に流体が通過する流路と、流体を噴霧器から退出させる１つまたは複数の噴口と、少なくとも２つの電極であって、噴霧器の使用時に、適切な電位が前記電極に印加されるときに流体粒子が帯電されるように流体と接触する電極と、を備え、前記電極の少なくとも１つは、１つまたは複数の小面付き伝導要素を含む流体接触領域を設けることを特徴とする、静電噴霧器を範囲に含む。

第１の独自の態様に関して列挙した同様の利点が、上記の第２の広範な独自の態様に当て嵌まる。これらの利点は、噴霧器が単一の小面付き導体要素のみを備えるときであっても存在する。小面付き伝導要素は、一般には特に摩耗に耐性があるという追加的な利点を有し、したがって、高い振動数の噴射流体を霧化する際に特に有利であり、またとりわけ、霧化の後に霧化流体が爆発的に急増するシステムに応用されるときに有利である。

第３の広範な独自の態様では、静電噴霧器であって、使用時に流体が通過する流路と、流体を噴霧器から退出させる１つまたは複数の噴口と、噴霧器の使用時に流体粒子が帯電されるように流体と接触する少なくとも２つの電極と、を備え、この１つの噴口またはそれぞれの噴口は使用時に高い電位が印加される電極の一部であり、かつ前記電極は、噴霧器によって発生した電界が集中される個々の電極先端の配列を形成するように、電極から全体的に突出する伝導要素の密接に連続する配列を含む流体接触領域を設ける、静電噴霧器である。

この構成は、噴口では電極表面が平滑であることが好ましいという従来技術の考え方から根本的に脱却することを特徴とする。このような態様は文字通り正反対のことを教示する。それは高い電位を噴口電極に印加することも予想する。そうすることによって、従来技術の多くの制約が取り払われる。この構成の特定の利点が図２に示されており、そこでは図１にしたがうシステムの要件であった所与の範囲の電極ギャップに厳密に適合することがもはや要件ではない。放出流体中に保持された電位電荷の比率は、電極ギャップにほとんど無関係に高い。したがって、霧化が向上し、しかも従来技術のシステムに較べてより広範な形状にわたって実現可能である。

さらには、この構成においても第１および第２の広範な独自の態様に関して開示された利点が存在する。

第４の広範な独自の態様では、静電噴霧器であって、使用時に流体が通過する流路と、流体を噴霧器から退出させる１つまたは複数の噴口と、噴霧器の使用時に流体粒子を帯電させるように流体と接触する少なくとも２つの電極と、を備え、この噴口またはそれぞれの噴口は使用時に高い電位が印加される電極の一部であり、かつ前記電極は１つまたは複数の小面付き伝導要素を含む流体接触領域を設ける、静電噴霧器である。

この構成においても、前述の広範な独自の態様に関して提示されたものと同様の利点が存在する。第３の独自な態様の特定の利点は、単一の小面付き伝導要素が噴口の流体接触領域内に配置されるときにも存在する。

以上の広範な独自の態様のいずれかに係る従属的な態様では、これらの要素はダイヤモンド複合物であるかまたはダイヤモンドと同様の特性を有する炭素系複合物である。ダイヤモンドまたは同様の化合物を使用することは、ダイヤモンド複合物の特性が組み合わされるので、特に、それらの硬さ、導電性、および電極自体によって保持可能であることを考慮するとき、とりわけ有利である。

他の従属的な態様では、要素がダイヤモンド被覆の一部を構成する。ダイヤモンド被覆は、それが広範な電極形状に容易に適用可能であり、かつ大量生産に特によく適合するのでとりわけ有利である。

他の従属的な態様では、要素がフラーレン分子である。これらはしばしば、Ｃ_m（ｍ＞４０）化学種の偶数の集まりから構成された正二十面体またはいわゆる「サッカーボール」を有する。この構成は、ダイヤモンドの結晶に較べて、その相対的な平滑さにもかかわらず、霧化に対して驚くほど有利な効果を有する。

他の従属的な態様では、要素が炭素６４複合物である。この追加的な特徴は、その使用によって霧化の向上が実現し、かつシステムの融通性を高め、大量生産に適したものにするのでとりわけ有利である。

他の従属的な態様では、１つまたは複数の要素のサイズが５００ミクロン未満である。このサイズを下回ると、有利なことに噴霧器構成の融通性が高まり、従来技術の電極形状の厳密な公差要件および制約を取り払う。

有利なことに、１つまたは複数の要素のサイズは１０〜１５０ミクロンの範囲内に含まれる。これらの水準では、融通性がさらに一層高まり、他方では有利な霧化特性を維持する。このような範囲内にある噴霧器の製造費も特に有利である。

他の従属的な態様では、第１の電極が前記噴口の配列を組み込み、第２の電極が前記第１の電極から離間され、これらの間で流体の通過を可能にし、前記第２の電極の流体接触表面は、前記噴口配列の基本的に上方に配置された前記要素の配列を組み込む。このような特定の構成の利点の１つは、噴霧器の様々な噴口と噴口の間で特に適切な均衡が取られることによって霧化がさらに向上することである。

有利なことに、噴口と噴口の間に位置するこのような１つのまたはそれぞれの区間の上方に設けられた第２の電極表面には前記要素が存在しなくてもよい。この方式で噴霧器を適合させると、霧化の向上の実現に要する要素の量が減り、かつ同様に大量生産が可能である。

他の従属的な態様では、第１の電極が前記噴口の配列を組み込み、第２の電極が前記第１の電極から離間され、これらの間で流体の通過を可能にし、第１の電極はさらに要素の配列を組み込む。

この構成では、噴口でより高い電界集中が実現可能であり、それは霧化特性の向上をもたらすことになる。

有利なことに、この１つのまたはそれぞれの噴口は基本的に径方向の流れを実現するように適合可能であり、要素の配列は、この１つのまたはそれぞれの噴口を介する流体の通過を可能にするように、この１つのまたはそれぞれの噴口から離間されかつ基本的にこの１つのまたはそれぞれの噴口の上方に配置されたリングの形態を取り得る。

この構成は、物体の周りを取り巻くことが可能であり、他方では、従来技術の、特に、釣鐘形の電極先端を使用するときに明らかな同軸公差に関する制約を取り払うと共に依然として流体の霧化を向上させるので有利である。

図１および２は、先行部分の文脈で詳細に論じてある。

図３は、全体として１と参照符号を付けた静電噴霧器を示す。この噴霧器は、環状でかつ基本的に噴霧器の長手軸と同軸の流体通路３を介して、最初に流体を噴霧器の中に導く流体供給システム２と共同して動作する。流体通路３は、壁４と絶縁体５の間に形成される。この絶縁体は、通路３内の流体を中心電極６から電気的に隔離するように中心電極６の外側表面の回りを取り巻く。

流体は、流体通路３を過ぎて霧化室７に流入する。

壁４の下方領域には、８と参照符号を付けたような噴口の配列が設けてある。

高電圧の電源９が、中心電極６と壁４の両方に接続されている。電源９は、何ら特定の構成に限定しようとするものではなく、例えば、直流（ＤＣ）電源または交流（ＡＣ）電源でもよい。当業者なら当然に、必要であれば、知られた選択肢から印加すべき適切な電位および任意の利点のある時間依存性を選択しよう。電源が共に動作すべき電極は、正電極または負電極でもよいことも本発明の範囲内で予想される。このような変更はいずれも、本出願の熟練の読み手には疑いもなく自明であり、したがって本明細書の目的ではこれ以上詳述しない。

中心電極６は、電極の流体接触面の全体を覆うダイヤモンド被覆１０によって覆われた大きな半径の湾曲部で終わる特徴を有する。

ダイヤモンド被覆１０は、電極の先端１２を形成するように電極から突出する、１１と参照符号を付けたような、例えば、１０ミクロンのダイヤモンド要素から構成される。このような要素サイズでは、被覆に関わる製造方法は機械的な付着方法でよく、そこでは図中の層１３として示した定着剤が、最初に電極表面上に塗布され、次いで要素１１の配列が付着される。当業者ならプラズマ蒸着またはガス蒸着などの他の知られた方法によって電極を被覆することもできよう。プラズマ蒸着法が、特に、ナノスケールの要素の付着では予想されよう。

別法として、要素１１は、図中の１４と参照符号を付けたような炭素６４複合物によって置き換え可能である。要素１４は、概ね球形でもよく、霧化の向上に必要な有利な電界集中を実現する個々の電極先端を形成するように電極から突出する。

本発明は、いわゆる「ダイヤモンド様の」被覆の使用も予想する。これは、ダイヤモンドと同様の特性（例えば、硬さ）を有する炭素系複合物であり得る。

本発明は、例えば、電極表面の特定部分をエッチングして除去することによって電極から突出する要素を形成して、噴霧器によって生成された電界を集中させるための個々の電極先端配列の一部であるように、要素が電極自体と同じ物質であることも予想する。

図４は、図２で使用された構成要素と同一の構成要素にダッシュ付きの同じ参照符号が付けてある静電噴霧器を示す。この実施形態の独特な特徴は、ダイヤモンド被覆１５を壁４’の内側表面上に組み込むことである。さらには、中心電極を接地可能にする一方で、電極９’によって壁電極４’に高い電位を印加しようとするものである。ダイヤモンド被覆１５は噴霧器１’の好ましい構成であるが、他方でこの被覆は、流体粒子が噴霧器を退出するとき、それらに伝導される電位電荷を集中させるために、実際では、当業者の選択によって繊維性伝導物質から構成してもよい。本出願の関連では、流体粒子は、当然に前記流体の実際の分子または原子を含む流体の任意の部分または成分まで意味範囲に包含する。

この構成では、霧化がそれぞれの噴口を介して特に均一に生じる。このような構成の１つの結果が、先に論じたように図２に示されている。

図５は、中心電極１７、絶縁体１８、および壁１９を備える、全体として１６と参照符号を付けた噴霧器の別の実施形態を示す。中心電極１７は、ダイヤモンド被覆２１の中に付着させた要素の配列を組み込む円錐形の先端部２０で終わる特殊性を有する。

図６は、中心電極２４と壁電極２５の間を流動する流体粒子を帯電させるために、これらの間に電位差を印加する電源２３を備える、全体として２２と参照符号を付けた別の噴霧器を示す。この図には、２６と参照符号を付けたような３つの噴口が示されている。例えば、ダイヤモンド被覆中の要素領域が噴口２６の直上に配置され、２７と参照符号が付けられている。第２の領域２８は噴口２９の直上に配置され、他方では第３の領域３０が噴口３１の直上に配置される。３２と参照符号が付けられた区間のような、噴口と噴口の間に位置する区間の直上に配置された部分には要素が存在しない。このような構成によって霧化の向上が実現し、他方で同時に、この種の多噴口霧化を実現するために必要な要素の量を削減する。

図７は、中心電極３４と、基本的に径方向の流れを実現できる噴口３６が設けられた壁電極３５とを備える噴霧器３３を示す。中心電極３４の下方領域周りに、噴霧器によって生成された電界を径方向のいずれにも均一に集中できる要素のリング３７が設けられている。

図８は、流体供給システム３９および電源４０を備える別の噴霧器３８を示す。電源４０は相対的に高い電圧を外側の電極４１に印加し、他方では低い電位が中心電極４２に印加される。外側電極４１は、４３、４４、および４５とそれぞれに参照符号が付けられた幾つかの噴口を組み込む。外側電極４１の内側表面上に、要素４６、４７、および４８の部分が設けられる。このような要素部分のそれぞれは、様々な噴口の入口周りにリングを形成する。これらの部分間の外側電極４１の内側表面にはこのような要素がいずれも存在しない。

図９は、３つの電極５０、５１、および５２を組み込む噴霧器４９を示す。電気的絶縁体５３を電極５０と５１の間に設けることができる。このような構成は多様な方式で電気的に接続可能である。電気接続方式の１つは、電極５２が接地されることになり、他方で非常に高い電位（例えば、３０〜４０ｋＶ）が電極５０に印加されかつ高い電位（例えば、６〜１０ｋＶ）が電極５１に印加される。接続の別の方式は、外側の電極５２に、例えば、３０〜４０ｋＶの非常に高い電位が供給されることになり、他方で６〜１０ｋＶの高い電位が電極５１に印加されかつ電極５０が接地される。他の動作方式は、高い電位が電極５２に印加されることになり、他方で電極５０および５１が接地される。本実施形態では、要素部分５４が噴口５５に隣接して配置されている。５４と参照符号が付けられたような要素部分が、噴霧器の出口通路内の任意適切な箇所に使用可能であることが本発明の範囲内で予想される。

従来技術のシステムの特徴を示す図である。 本発明の１構成の特徴を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る例示的な噴霧器の一部を示す模式的な断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る噴霧器の一部を示す別の模式的な断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る噴霧器の一部を示す別の断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る噴霧器の一部を示す別の断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る噴霧器の一部を示す断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る噴霧器の一部を示す断面図である。 本発明の第７の実施形態に係る噴霧器の一部を示す断面図である。

Claims (16)

1. 静電噴霧器であって、使用時に流体が通過する流路と、前記流体を前記噴霧器から退出させる１つまたは複数の噴口と、少なくとも２つの電極であって、前記噴霧器の使用時に、適切な電位が前記電極に印加されるときに流体粒子が帯電されるように前記流体と接触する電極と、を備え、前記電極の少なくとも１つは、前記噴霧器によって発生した電界が集中される個々の電極先端の配列を形成するように、前記電極から全体的に突出する非繊維性伝導要素の密接に連続する配列を含む流体接触領域を設けることを特徴とする、静電噴霧器。
2. 静電噴霧器であって、使用時に流体が通過する流路と、前記流体を前記噴霧器から退出させる１つまたは複数の噴口と、少なくとも２つの電極であって、前記噴霧器の使用時に、適切な電位が前記電極に印加されるときに流体粒子が帯電されるように前記流体と接触する電極と、を備え、前記電極の少なくとも１つは、１つまたは複数の小面付き伝導要素を含む流体接触領域を設けることを特徴とする、静電噴霧器。
3. 静電噴霧器であって、使用時に流体が通過する流路と、前記流体を前記噴霧器から退出させる１つまたは複数の噴口と、前記噴霧器の使用時に流体粒子が帯電されるように前記流体と接触する少なくとも２つの電極と、を備え、前記１つのまたはそれぞれの噴口は使用時に高い電位が印加される電極の一部であり、かつ前記電極は、前記噴霧器によって発生した電界が集中される個々の電極先端の配列を形成するように、前記電極から全体的に突出する伝導要素の密接に連続する配列を含む流体接触領域を設ける、静電噴霧器。
4. 静電噴霧器であって、使用時に流体が通過する流路と、前記流体を前記噴霧器から退出させる１つまたは複数の噴口と、前記噴霧器の使用時に流体粒子を帯電させるように前記流体と接触する少なくとも２つの電極と、を備え、前記１つのまたはそれぞれの噴口は使用時に高い電位が印加される電極の一部であり、かつ前記電極は１つまたは複数の小面付き伝導要素を含む流体接触領域を設ける、静電噴霧器。
5. 前記要素はダイヤモンド複合物である、前記請求項のいずれかに記載の噴霧器。
6. 前記要素はダイヤモンドと同様の特性を有する炭素系である、前記請求項のいずれかに記載の噴霧器。
7. 前記要素はダイヤモンド被覆の一部を構成する、前記請求項のいずれかに記載の噴霧器。
8. 前記要素はフラーレン分子である、前記請求項のいずれかに記載の噴霧器。
9. 前記要素は炭素６４複合物である、前記請求項のいずれかに記載の噴霧器。
10. １つまたは複数の要素のサイズは５００ミクロン未満である、前記請求項のいずれかに記載の噴霧器。
11. １つまたは複数の要素のサイズは１０〜１５０ミクロンの範囲内に含まれる、請求項７に記載の噴霧器。
12. 第１の電極が前記噴口の配列を組み込み、第２の電極が前記第１の電極から離間され、これらの間で流体の通過を可能にし、前記第２の電極の前記流体接触表面は、前記噴口配列の基本的に上方に配置された前記要素の配列を組み込む、前記請求項のいずれかに記載の噴霧器。
13. 噴口と噴口の間に位置する前記１つのまたはそれぞれの区間の上方に設けられた前記第２の電極表面には前記要素が存在しない、請求項１２に記載の噴霧器。
14. 第１の電極が前記噴口の配列を組み込み、第２の電極が前記第１の電極から離間され、これらの間で流体の通過を可能にし、前記第１の電極はさらに要素の配列を組み込む、請求項１、２および５から１１に記載の噴霧器。
15. 前記１つのまたはそれぞれの噴口は基本的に径方向の流れを実現するように適合可能であり、前記要素配列は、前記１つのまたはそれぞれの噴口を介して流体の通過を可能にするように、前記１つのまたはそれぞれの噴口から離間されかつ基本的に前記１つのまたはそれぞれの噴口の上方に配置されたリングの形態を取る、前記請求項のいずれかに記載の噴霧器。
16. 添付の本文および／または図面の任意適切な組合せで参照しかつ／または例示して以上に説明された噴霧器。
    

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