JP2007167717A - 静電霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで水の補給の手間なくナノサイズミストを発生させる。
【解決手段】放電電極とこれに対向する対向電極及びこの両電極間に高圧を印加する高圧電源部、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静電霧化させるための水を生成させる冷却手段、環境温度を検出する環境温度検出手段、上記検出手段で検出された環境温度に対して予め定めた動作を上記冷却手段に行わせる制御回路を備える。環境湿度に関係なく環境温度に対して予め定めた動作を冷却手段に行わせることで、放電電極への結露水の生成のための制御を簡便化したものである。
【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、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を生成する静電霧化装置がある。上記帯電微粒子水（ナノサイズミスト）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出願人は放電電極そのもの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し、この水を放電によって霧化させるものを提案しているが、この場合、放電電極の冷却制御をどのように行うかが問題となる。露点温度以下に冷却しなくては結露が生じないし、冷やしすぎれば結露させた水が凍結してしまって霧化させることができなくなる。また、生成される結露水が霧化させることができる量よりも多すぎても少なすぎても安定した霧化を行うことができない。

露点温度は環境温度と環境湿度とによって決まることから、この両者を測定して放電電極を何度まで冷やすかを決定するとともにフィードバック制御をかけることが安定した霧化という点で一番確実であるが、これでは温度センサーと湿度センサーとが必要となる上に、環境温度と環境湿度とに対応する好ましい温度に放電電極を保とうとすれば、１チップマイクロコンピュータ等が必要となり、コスト的に問題が多い。

また、長時間使用機器であれば、動作始後すぐに結露水ができなくてもトータルの効果にはあまり影響されず、また放電電極上に形成する結露水の量の過多は放電並びに静電霧化に影響を及ぼしてしまうために安定した連続生成が求められることになるが、短時間の使用しか想定されていない機器などでは、できるだけ早く結露水を生成されることがまず要求されるとともに、結露水が過剰に形成されたとしても放電に問題が生じるような状態まで至るまでに使用が止められてしまうことになるために、湿度センサも併用した厳密な露点情報に基づく制御の必要性はない。
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を適切に行うことができるのはもちろん、低コストで且つ迅速に静電霧化を開始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及びこの両電極間に高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静電霧化させるための水を生成させる冷却手段と、環境温度を検出する環境温度検出手段と、上記検出手段で検出された環境温度に対して予め定めた動作を上記冷却手段に行わせる制御回路とを備えていることに特徴を有している。

環境湿度に関係なく環境温度に対して予め定めた動作を冷却手段に行わせることで、放電電極への結露水の生成のための制御を簡便化したものである。

上記冷却手段がペルチェ素子である場合、制御回路は検出された環境温度に対して予め定めた電圧をペルチェ素子に印加するものを用いることができ、殊に環境温度測定用のサーミスタと抵抗との直列回路に定電圧をかけた際の抵抗の両端電圧をペルチェ素子に印加する電圧とすることで、制御回路をきわめて簡便なものとすることができる。

そして、制御回路は検出された環境温度と生成した水が凍結しない最低温度との温度差分だけ放電電極を冷却する動作を冷却手段に行わせるものであることが好ましい。結露水を生成することができる環境湿度の範囲をもっとも広くとることができると同時に、結露水の生成を凍結を伴うことなく最も早く行うことができる。

制御回路は環境温度検出手段で検出される環境温度と放電電極周辺温度との予め得ている温度差を補正して冷却手段を動作させるものであれば、より確実な動作を得ることができる。

また、静電霧化させたミストを飛散させるための送風手段を備えたものでは、制御回路は上記送風手段による風量及び／又は温度に応じて冷却手段に行わせる動作を補正するものであることが好ましい。

放電電流を検出する放電電流検出手段と、放電電流検出手段で検出した放電電流から水の凍結を判別して制御回路による冷却手段の冷却動作を変更させる凍結判別手段を備えたものであってもよい。凍結が生じてしまった時の無駄な動作を避けることができる。

そして、放電電流を検出する放電電流検出手段を備えるとともに、制御回路は上記放電電流検出手段で検出される放電電流に応じて冷却手段に行わせる動作を補正するものであると、生成される結露水の量が環境湿度によって多すぎたり少なすぎたりする場合に対応することができる。

更には放電電流を検出する放電電流検出手段と、該放電電流検出手段で検出される放電電流から放電状態を判別する判別手段とを備えるとともに、制御回路は上記放電電流検出手段で検出される放電電流に応じて冷却手段に行わせる動作を補正するものであり、上記判別手段は放電異常と判断される時に制御回路を停止させるものであることが、より適切な制御を行える点で好ましい。

本発明は、環境湿度に関係なく現在の環境温度に対して予め定めた動作を冷却手段に行わせるものであり、このために放電電極への結露水の早期生成のための制御を簡便化することができて、水の補給の手間が不要であるとともにナノサイズミストの発生を行うことができるものを安価に提供することができる。

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２は本発明に係る静電霧化装置における静電霧化ユニット１を示しており、筒状のケース１０内には放電電極（図示せず）が配置されているとともに、筒状ケース１０の開口部にはリング状で内周縁が実質的な電極として機能する対向電極３が配置されて、放電電極と対向電極３とが高圧発生回路４ｂを介して高圧回路電源４ａに接続されている。なお、対向電極３は接地されており、放電時には放電電極側にたとえば−５．５ｋＶの高電圧が印加される。

また放電電極２を冷却するための冷却手段としてのペルチェモジュールが上記ケース１０内に収納されているとともに該ペルチェモジュールの放熱側には放熱フィン５１，５２が取り付けられている。上記ペルチェモジュールには環境温度を計測する環境温度センサを備えるペルチェ制御回路６ｂによって電圧が印加される。図中６ａはペルチェ回路電源６ａ、７はタイマー回路である。

図１に上記ペルチェ制御回路６ｂの一例を示す。環境温度センサとしてのサーミスタＲ０と抵抗Ｒ１との直列回路に回路電圧を安定化させるためのツェナーダイオードＺＤが並列に接続されて、この並列回路にペルチェ回路電源６ａからの電源電圧Ｖｄが供給されている。そして上記抵抗Ｒ１の両端電圧をペルチェモジュールに印加する電圧Ｖとして取り出している。

上記サーミスタＲ０は負の温度特性を持つものを用いて、環境温度の上昇に伴ってペルチェモジュールへの印加電圧Ｖが上昇するようにしているが、サーミスタＲ０には温度変化に対する抵抗の変化割合（Ｂ定数）が大きいものを好適に用いることができる。

ここにおいて、上記サーミスタＲ０及び抵抗Ｒ１には、得られる印加電圧Ｖが次の条件を満たすことになるものを用いている。すなわち、放電電極を冷却することで空気中の水分を結露させて水を生成するには放電電極を露点温度以下に冷却しなくてはならないが、この露点温度は環境温度と環境湿度とによって変化する。また、露点温度が水が凍結する温度以下になってしまう時には霧化させることができなくなるために、この凍結温度以下まで冷却してはならない。

ここにおいて、環境温度がある温度、たとえば２０℃であれば、その時の環境湿度（相対湿度）が１００％の時に露点温度が２０℃となり、環境湿度がほぼ２５％の時に露点温度が０℃となる。このために放電電極上で凍結が生じない最低温度（放電電極上では０℃よりも少し低くても凍結に至らないために−２℃程度）まで放電電極を冷却すれば、最も広い湿度範囲内で結露を生じさせることができるとともに凍結も生じることがない。そして、この場合、環境温度と上記凍結が生じない最低温度との差分（上記の例では２２℃）だけ放電電極の温度を下げればよいことになる。

一方、ペルチェモジュールはその印加電圧Ｖを上昇させれば放電電極を何度下げられるかを示す電極冷却温度は図３に示すように大きくなるために、ある環境温度の時に出力すべき印加電圧Ｖを求めることができる。

従って、各環境温度での凍結が生じない最低温度と差分とを求め、求めた差分（電極冷却温度）に対応する印加電圧と環境温度とを図４に●で示すようにプロットできる時、前記サーミスタＲ０と抵抗Ｒ１とを備えたペルチェ制御回路６ｂから出力される印加電圧Ｖが上記プロットの近似曲線となるようにサーミスタＲ０及び抵抗Ｒ１を選定することで、各環境温度下において、放電電極を常に放電電極上で凍結が生じない最低温度に保つことができる。また、サーミスタＲ０は負の温度特性を持つだけでなく、比較的広い温度範囲で抵抗値が変化するために、環境温度に対して求められる印加電圧を得ることに容易に対応することができる。

図２に示したタイマー回路７は必須のものではないが、環境温度に応じた印加電圧Ｖが加え続けられてしまうことに対応するために、印加電圧Ｖが規定時間だけ加えられたならば、ペルチェモジュールへの電圧印加をオフとするために設けたものであり、事前評価により印加電圧Ｖの連続供給で氷結してしまう時間を算出しておくならば、この時間を上記規定時間として用いればよい。

上記タイマー回路７としては、一定時間のオンオフを繰り返す仕様のものであってもよく、この時、一定時間オンさせることで十分な結露水が得られるなら、その結露水が霧化によって消費される時間だけオフにすると効率が良く、また過剰な結露水が生成されることもない。

ところで、サーミスタＲ０が測定する環境温度と放電電極近傍の環境温度との間に差があるとともに前者の温度の方が高いと、高すぎる印加電圧Ｖがペルチェモジュールに加えられて凍結が生じたり、結露水の量が多すぎたりすることになるために、サーミスタＲ０が測定する環境温度と放電電極近傍の環境温度との差（図５中のイ：環境温度によって変化することになるがその平均値でよい）を予めて測定で求めておき、この差の分だけ環境温度に対する印加電圧Ｖをずらせるとよい。放電電極近傍の環境温度が２５℃である時にサーミスタＲ０が測定する環境温度が２８．５℃である時、電圧Ｖａが好ましい印加電圧Ｖであるにもかかわらず、電圧Ｖｂ（Ｖｂ＞Ｖａ）が出力されてしまう事態を避けることができる。

また、この静電霧化装置が例えば空気清浄器や空調機器などの機器に組み込まれるとともに、放熱フィン５１，５２の冷却や発生させたミストＭを飛散させるために上記機器からの送風がが静電霧化装置付近を通過するようにする時は、機器の送風量や風温の影響を受けることになり、この場合、同じ印加電圧Ｖをペルチェモジュールに加えても風量や風温によって放電電極の冷却温度（＝環境温度−電極温度）ΔＴに図６に示すような差が生じることになる。ちなみに図中Ａ１が弱冷風、Ａ２が弱温風、Ａ３が強温風の場合である。

この点に対処するには、たとえばサーミスタＲ０と直列に接続される抵抗Ｒ１を図７に示すように複数の中から選択するスイッチＳＷを設けるとともに、抵抗値の異なる複数の抵抗Ｒ１ａ，Ｒ１ｂを切り換える上記スイッチＳＷが風量切換や冷風温風切換のスイッチに連動するようにしておき、電極冷却条件が悪くなる時、抵抗値の高い方の抵抗Ｒ１ａ（Ｒ１ｂ）がサーミスタＲ０に接続されるようにしておくのである。

図１４は静電霧化動作中の放電電流値の変化を示す。放電電極上の結露水の量が多くなれば、高圧の印加によって対向電極３側に水が大きく引かれるために放電電流が多くなり、結露水が凍結してしまうと放電電流が流れなくなる。従って、放電電流値を測定することにより、凍結状態を判定することができる。図８はこの凍結状態の判定を行って凍結していると判定される時にはペルチェモジュールへの電圧印加をオフとし、凍結した結露水が溶け出すようにするとともに、再度放電が開始されたならばペルチェモジュールへの電圧印加も再開するようにしたものを示しており、図中Ｒｉは電流検出抵抗、８０は凍結判定回路である。

なお、図９もこの凍結判定によるペルチェモジュールのオンオフ動作を含めた動作を示している。また、図９において、放電電極と対向電極３との間に高圧電圧を印加した直後に大きな放電電流が流れているが、これは放電電極２として図１０に示す突起２１を先端に備えて、結露水が放電電極２上に無い時には突起２１と対向電極３との間でマイナスイオン発生のための放電が行われるようにしているためであり、この放電は結露水が生成されて上記突起２１が結露水で覆われるようになった時に停止する。

そして、放電電極２上の結露水の量によって放電電流値が変化することから、この点を基にペルチェモジュールへの印加電圧を補正すれば、放電電極２上に生成される結露水の量を常に一定に保つことができる。つまり、環境温度のみに応じて設定された印加電圧Ｖをペルチェモジュールに加える場合、環境湿度が異なれば生成される結露水の量も異なってくるが、この点を放電電流に基づく印加電圧補正で常に適正な量の結露水を生成することができるものとなる。

上記に対応するペルチェ制御回路６ｂ及び放電電流の判定用の電流判定回路８を備えたものを図１１及び図１２に示す。図１２においてペルチェ制御回路６ｂの駆動用電圧が端子Ｃ，Ｄ間に加えられると、抵抗Ｒ１０，Ｒ８に電流が流れることでスイッチング素子ＦＥＴ１のゲートに電圧が加えられるとともにこの電圧が閾値に達すればスイッチング素子ＦＥＴ１がオンして電流がコイルＬ１、スイッチング素子ＦＥＴ１、抵抗Ｒ５と流れる。そして抵抗Ｒ５に電流が流れると抵抗Ｒ５両端に電圧が発生して抵抗Ｒ６を介してトランジスタＴＲ２のベースに電圧が印加され、この電圧が所定値に達すればトランジスタＴＲ２がオンするためにスイッチング素子ＦＥＴ１にかかっていた電圧がほぼゼロとなってスイッチング素子ＦＥＴ１がオフする。この時、コイルＬ１とコンデンサＣ３の並列回路内で電流が流れ、その誘起電圧がコイルＬ２に現れてコイルＬ２の抵抗Ｒ９側に最大電圧が発生する時にスイッチング素子ＦＥＴ１が再度オンとなる。その後、上記動作を繰り返すことになる。そしてコイルＬ１の両端に電圧が発生するためにコイルＬ３にも巻き線比に比例した電圧が発生し、ダイオードＤ１で整流されることで、ペルチェ素子印加用の電圧Ｖが得られる。

ここにおいて、コイルＬ１の両端電圧は、スイッチング素子ＦＥＴ１のオンオフタイミングで決定されるために、このタイミングが環境温度と放電電流値とに応じて決定されるようにすればよいものであり、このために放電電流の電流検出抵抗Ｒｉの両端電圧をオペアンプＩＣ１の非反転入力端子に入力するとともに、環境温度検出用のサーミスタＲ０と抵抗Ｒ１との５Ｖが加えられる直列回路における抵抗Ｒ１の両端電圧を上記オペアンプＩＣ１の反転入力端子に入力して基準電圧としている。

電流検出抵抗Ｒｉの両端電圧が基準電圧を上回っている場合、増幅された電圧がトランジスタＴＲ１のベースに印加されてトランジスタＴＲ１がオンし、５Ｖ電源と抵抗Ｒ４
とフォトトランジスタＩＣ２で構成される回路に電流が流れてトランジスタＴＲ３のコレクタ電流が流れるようになるが、トランジスタＴＲ３の駆動によってスイッチング素子ＦＥＴ１のゲート電圧を調整できるようにしているために、狙いの放電電流を得ることができる。

また、生成される結露水の量が多くて放電電流が増加するとスイッチング素子ＦＥＴ１のオンオフタイミングを決定しているトランジスタＴＲ３の駆動時間間隔が早くなるために、スイッチング素子ＦＥＴ１は早めにオフする（オン時間が短くなる）ために、コイルＬ１の誘起電圧、つまりはコイルＬ３で発生する電圧も低くなり、ペルチェモジュールに印加される電圧が低くなる。逆に結露水の量が少なくて放電電流が減少し、電流検出抵抗Ｒｉの両端電圧がオペアンプＩＣ１の基準電圧を下回れば、トランジスタＴＲ１がオフしてトランジスタＴＲ３の駆動時間が長くなることから、ペルチェモジュールに印加される電圧Ｖが増加する。

そして前記基準電圧はサーミスタＲ０の抵抗値変化によって変化するために、環境温度によってもペルチェモジュールに印加される電圧が変化するものであり、これ故に環境温度と放電電流とに応じた冷却制御を行えるものである。

ここでは１チップマイクロコンピュータを用いないことでより低コストとなるようにしたものを示したが、環境温度検出用センサが接続された１チップマイクロコンピュータからなる制御回路Ｃに電流検出抵抗Ｒ１の両端電圧を取り込むことで、環境温度と放電電流とに応じた冷却制御並びに放電制御を行ってもよい。

なお、図９で示したマイナスイオン発生のための放電が高圧電圧の印加直後に生じるようにしている場合、検出した放電電流値に応じて放電制御並びに冷却制御を行うものでは問題が生じることから、高圧電圧の印加直後は上記制御を行わず、放電電流がいったんゼロとなって再度上昇した時点Ｙから上記制御を開始するようにしたり、放電電流がゼロとならずにマイナスイオン発生のための放電から静電霧化放電に移行する場合のことを考慮して放電電流の増減割合から上記両種放電を区別して上記制御を開始するようにしたりするのが好ましい。

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。 同上のペルチェ印加電圧と電極冷却温度の特性図である。 同上の環境温度とペルチェ電圧との対応を示す特性図である。 環境温度誤差による影響と対策を示す環境温度とペルチェ電圧との特性図である。 風量・風温の影響を示す特性図である。 他例の回路図である。 別の例のブロック回路図である。 同上の放電電流変化を示すタイムチャートである。 同上の放電電極部の概略斜視図である。 更に別の例のブロック回路図である。 同上のペルチェ制御回路及び電流判定回路の一例の回路図である。 ペルチェ制御回路及び電流判定回路の他例の回路図である。

符号の説明

１ 静電霧化ユニット
Ｒ０ サーミスタ
Ｒ１ 抵抗
Ｖ ペルチェ印加電圧

Claims (8)

1. 放電電極とこれに対向する対向電極及びこの両電極間に高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静電霧化させるための水を生成させる冷却手段と、環境温度を検出する環境温度検出手段と、上記検出手段で検出された環境温度に対して予め定めた動作を上記冷却手段に行わせる制御回路とを備えていることを特徴とする静電霧化装置。
2. 冷却手段がペルチェ素子であり、制御回路は検出された環境温度に対して予め定めた電圧をペルチェ素子に印加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. 制御回路は検出された環境温度と生成した水が凍結しない最低温度との温度差分だけ放電電極を冷却する動作を冷却手段に行わせる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. 制御回路は環境温度検出手段で検出される環境温度と放電電極周辺温度との予め得ている温度差を補正して冷却手段を動作させる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. 静電霧化させたミストを飛散させるための送風手段を備えるとともに、制御回路は上記送風手段による風量及び／又は温度に応じて冷却手段に行わせる動作を補正するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電霧化装置。
6. 放電電流を検出する放電電流検出手段と、放電電流検出手段で検出した放電電流から水の凍結を判別して制御回路による冷却手段の冷却動作を変更させる凍結判別手段を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電霧化装置。
7. 放電電流を検出する放電電流検出手段を備えるとともに、制御回路は上記放電電流検出手段で検出される放電電流に応じて冷却手段に行わせる動作を補正するものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に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手段と、該放電電流検出手段で検出される放電電流から放電状態を判別する判別手段とを備えるとともに、制御回路は上記放電電流検出手段で検出される放電電流に応じて冷却手段に行わせる動作を補正するものであり、上記判別手段は放電異常と判断される時に制御回路を停止させる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。

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