JP2007313461A

JP2007313461A - 静電霧化装置

Info

Publication number: JP2007313461A
Application number: JP2006147379A
Authority: JP
Inventors: Shosuke Akisada; 昭輔秋定; Kenji Obata; 健二小幡
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: EP2022567A1; CN101454084A; CN101454084B; US20090109594A1; TW200803991A; WO2007138920A1; JP4821437B2; US7983016B2; TWI342799B; EP2022567A4

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容易に且つ確実に得る。
【解決手段】放電電極２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と、電極間に放電を生じさせて上記水を霧化する高圧電源４と、放電状態を監視して放電状態に応じて冷却手段を制御する制御手段Ｃとを備える。放電電流値を目標放電電流範囲内に保つ上記制御手段は、運転開始直後の上記水が結露によって生成されるまでの期間もしくは放電電流値が上記目標放電電流範囲に達するまでの期間は、放電電流が目標放電電流範囲に達した後よりも冷却手段の変化割合を低く抑える。初期の水の付き過ぎを回避する。
【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。

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させれば、水を放電電極に送らなくてもすむことになるが、この場合、放電電極の冷却について問題が生じる。放電電極を冷やし過ぎれば結露水が放電電極に付き過ぎることになり、放電電極の冷却が不足すれば結露水が放電電極上に生成されずに霧化が生じなくなるからである。

このために本発明者らは、放電電圧が一定であるなら、結露水が多いと放電電流が増加し、結露水が少ないと放電電流が減少することに着目し、放電電流を監視して、放電電流値に応じて冷却手段の冷却度合いを調整することを提案した。この場合、放電電極上に常に適切な結露水が確保されることになる。

しかし、放電電極上に結露水が生成されるまでの間も上記制御を行えば、制御不能になったり、放電電極上になかなか結露水が生じなかったりする虞がある。
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容易に且つ確実に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、上記両電極間に高電圧を印加して両電極間に放電を生じさせて上記水を霧化する高圧電源と、放電状態を監視して放電状態に応じて上記冷却手段を制御する制御手段とを備えた静電霧化装置であって、放電電流を監視して冷却手段を制御することで放電電流値を目標放電電流範囲内に保つ上記制御手段は、運転開始直後の上記水が結露によって生成されるまでの期間もしくは放電電流値が上記目標放電電流範囲に達するまでの期間は、放電電流が目標放電電流範囲に達した後よりも冷却手段の変化割合を低く抑えるものであることに特徴を有している。

放電電極の熱容量の影響で放電電流に基づく冷却手段の制御は遅れ系になるために、初回に結露水が付き過ぎる傾向がある場合など、結露水の影響で制御が安定するまでに時間がかかっていたが、運転開始直後のぺルチェ印加電圧はその冷却度の変化割合を低く抑えることで初期の水の付き過ぎを回避するものである。

上記制御手段は、放電電流が目標放電電流範囲に達した時点で、冷却手段の冷却度をその時点での値に一定時間だけ保持し、その後も放電電流が放電電流が目標放電電流範囲にあることを確認した後、放電電流値とその変化割合とに応じて決定される式に基いて冷却手段の却割合を変化させる制御に移行するものを好適に用いることができる。

また、制御手段としては、放電電流が目標放電電流範囲に達した時点で、冷却手段の冷却度をその時点での値に一定時間だけ保持し、その後の放電電流値が目標放電電流範囲未満であった場合、冷却手段の変化割合を低く抑えつつ再度冷却手段の冷却度を変化させるものや、放電電流が目標放電電流範囲に達した時点で、冷却手段の冷却度をその時点での値に一定時間だけ保持し、その後の放電電流値が目標放電電流範囲を越える場合、放電電流値とその変化割合とに応じて決定される式に基いて冷却手段の却割合を変化させる制御に移行するもの、運転開始から一定時間経過後も放電電流が目標放電電流範囲以下であった場合、放電電流値とその変化割合とに応じて決定される式に基いて冷却手段の却割合を変化させる制御に移行するもの、運転開始から一定時間内に放電電流が目標放電電流範囲を越える場合、動作を所定時間休止させるものを好適に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は、冷却手段の冷却度合いの変化を抑制するために、安定した制御状態に早期に移行することができるものである。

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、この静電霧化装置は、図３に示すように、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４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５(b)に示す状態から少なくなって図５(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５(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５(a)に示す状態では放電電流が３．０μＡ、図５(b)に示す状態では放電電流が６．０μＡ、図５(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すぎて、大電流が流れることになっ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６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。

ここにおいて、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、放電電極２上に結露水が存在することを前提としている上記放電電流に基づくフィードバック制御（以下では放電電流制御と称す）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、運転開始に伴い、図１に示すように、ペルチェモジュール５の印加電圧を０Ｖから毎秒ＶＰ(Ｖ)の割合で上昇させる（ステップ１０１）。そして定期的に放電電流値Ｉを読み込んで、放電電流値Ｉが目標放電電流値±Ａ（μＡ）以内に入っているかどうかをチェック（ステップ１０２）し、入っている場合には、その時点でぺルチェ印加電圧の毎秒ＶＰ（Ｖ）の上昇を停止（ステップ１０５）させて、その時点でのペルチェ印加電圧を維持し、その後、放電電流値Ｉが目標放電電流値±Ａ（μＡ）の範囲内に入っていることをＮ回（Ｎは１以上の整数）以上繰り返して確認する（ステップ１０６，１０７）。そして放電電流値Ｉが目標放電電流値±Ａ（μＡ）に入っていることがＮ回連続して確認されたならば、その時点から前述の放電電流制御に切り替える（ステップ１０９）。

放電電極２先端にできる結露水の量は、印加電圧がほぼ一定であるなら放電電流値に比例し、同一放電電流値であれば印加電圧に逆比例する。また、印加放電電圧値が大きい場合、目標放電電流値の維持は少ない水量ですむ。そして、結露水が生成されてから上記放電電流制御に入る前段階で放電電極２上に適量の水滴を付けておくことが安定制御に不可欠であり、初期に結露水を付け過ぎると、その後の制御安定化までに時間がかかることになる。

ここにおいて、前述の放電電流制御では前述のように、放電電流の目標値との偏差の定数倍と放電電流の変化の定数倍で計算される制御式に基づいてペルチェモジュール５に印加する電圧を設定しているわけであるが、運転開始直後からこの制御を行った場合、放電電流が流れるまでの期間は電流の変化がないために、目標値との偏差の定数倍で算出されるペルチェ印加電圧は、環境条件によっては多量の結露水を生成してその後の電流収束に時間がかかる場合がある。また、放電電流Ｉ及びペルチェ印加電圧ＶＰが図７に示すような状態になってしまうことがある。

しかし、運転開始直後はペルチェ印加電圧を０Ｖから毎秒ＶＰ(Ｖ)の割合で上昇させることでペルチェ印加電圧の上昇割合を抑制（図７に示す場合の約１／２０に抑制）し、必要な結露水量が得られた時点（放電電流値がその時の印加電圧における目標放電電流値±Ａ（μＡ）に入った時点）で前記放電電流制御に移行させた場合、図２に示すように、早期に放電電流Ｉを目標放電電流範囲内に納めることができる。なお、上記ＶＰ（Ｖ）の値としては０．０１Ｖ前後が適切であるが、この値は電極の容積やぺルチェ素子数、ペルチェ印加電圧などに応じて決定すべき値であり、上記値に限定するものではない。

また、上記ステップ１０７において、放電電流値Ｉが目標放電電流値＋Ａ（μＡ）を越えている場合には即座に放電電流制御に移行させる。放電電流値Ｉが０(μＡ)からある時間経過後に目標放電電流値±Ａ（μＡ）の範囲に入り、その後の放電電流値Ｉの確認時に目標放電電流値＋Ａ（μＡ）を越えている場合、電極に結露水ができているとともにその量が適量よりも多いと判断することができるために、ペルチェ印加電圧を下げて結露水量を低減することになる放電電流制御に移行させることで、安定制御に向かわせるのである。

また上記ステップ１０７において、放電電流値Ｉが目標放電電流値−Ａ（μＡ）未満である時、ペルチェ印加電圧が最大値ＭＡＸに達していないかどうかをチェックし（ステップ１０８）、達していない場合は、ステップ１０１に戻って、結露水が目標量確保できるまで、ペルチェ印加電圧を更に毎秒ＶＰ（Ｖ）電圧づつ上昇させていく。

上記ステップ１０８においてペルチェ印加電圧が最大値ＭＡＸに達している時には、環境条件が厳しく水ができていない場合か水ができているが目標放電電流値−Ａ（μＡ）未満に相当する水量であると判断し、この時には放電電流制御に移行する。ペルチェ印加電圧を最大値ＭＡＸの状態に維持したままであると、その後の環境条件の変化などで結露水量が増減した場合にぺルチェ印加電圧をその変化に追従させることができないからである。なお、上記の時点で結露水ができていない場合は、その後の結露水が生成された時点から結露水の変化に追従できる。なお、上記の時点で結露水ができていない場合は、その後の結露水が生成された時点から結露水の変化に追従できる。

ステップ１０２において、放電電流値Ｉが目標放電電流値±Ａ（μＡ）の範囲内に入っていない時には、ペルチェ印加電圧が最大値ＭＡＸに達しているかどうかをチェックし（ステップ１０３）、最大値ＭＡＸに達していない時にはステップ１０１に戻ってペルチェ印加電圧をＶＰ（Ｖ）／秒の割合で更に上昇させていくが、放電電流値Ｉが目標放電電流値±Ａ（μＡ）の範囲内に入ることなくぺルチェ印加電圧が最大値ＭＡＸに達した時には、放電電流値Ｉを目標放電電流値±Ａ（μＡ）と比較し（ステップ１０４）、放電電流値Ｉが目標放電電流値−Ａ（μＡ）以下であれば、環境条件が厳しくて結露水ができていない場合か、水ができているがその水量が少ないことを意味するために、前述の放電電流制御（ステップ１０９）に移行させる。この場合も、ペルチェ印加電圧を最大値ＭＡＸの状態に維持したままであると、その後の環境条件の変化などで結露水量が増減した場合にぺルチェ印加電圧をその変化に追従させることができないからである。

また、ステップ１０４において、放電電流値Ｉが目標放電電流値＋Ａ（μＡ）より高ければ、放電電流値が初期０(μＡ)から定期的な放電電流読み込み毎に目標放電電流値±Ａ（μＡ）に入ることなく、放電電流が目標値を越えた場合であるから放電電流が急激に上昇したことになり、これは電極に空放電していることが想定されるとともに、この状態で放電電流制御に移行すると、放電電流が高いためにぺルチェ印加電圧を下げるように働いて、さらに電極に水が付かなくなって、正常な制御ができなくなることになる。このためにぺルチェへの電圧印加を停止させて、一定時間休止し、その後再スタートさせる。一定時間の休止中に環境が変化して結露水が得られやすい環境になっておれば、前述の正常安定な霧化運転を期待することができる。

本発明の実施の形態の一例の運転開始初期の動作を示すフローチャートである。同上の放電電流及びペルチェモジュール印加電圧の変化を示すタイムチャートである。同上の回路図である。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。運転開始初期の放電電流及びペルチェモジュール印加電圧の変化を示すタイムチャートである。

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

放電電極とこれに対向する対向電極を備えるとともに、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、上記両電極間に高電圧を印加して両電極間に放電を生じさせて上記水を霧化する高圧電源と、放電状態を監視して放電状態に応じて上記冷却手段を制御する制御手段とを備えた静電霧化装置であって、放電電流を監視して冷却手段を制御することで放電電流値を目標放電電流範囲内に保つ上記制御手段は、運転開始直後の上記水が結露によって生成されるまでの期間もしくは放電電流値が上記目標放電電流範囲に達するまでの期間は、放電電流が目標放電電流範囲に達した後よりも冷却手段の変化割合を低く抑えるものであることを特徴とする静電霧化装置。
制御手段は、放電電流が目標放電電流範囲に達した時点で、冷却手段の冷却度をその時点での値に一定時間だけ保持し、その後も放電電流が放電電流が目標放電電流範囲にあることを確認した後、放電電流値とその変化割合とに応じて決定される式に基いて冷却手段の却割合を変化させる制御に移行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
制御手段は、放電電流が目標放電電流範囲に達した時点で、冷却手段の冷却度をその時点での値に一定時間だけ保持し、その後の放電電流値が目標放電電流範囲未満であった場合、冷却手段の変化割合を低く抑えつつ再度冷却手段の冷却度を変化させ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。
制御手段は、放電電流が目標放電電流範囲に達した時点で、冷却手段の冷却度をその時点での値に一定時間だけ保持し、その後の放電電流値が目標放電電流範囲を越える場合、放電電流値とその変化割合とに応じて決定される式に基いて冷却手段の却割合を変化させる制御に移行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。
制御手段は運転開始から一定時間経過後も放電電流が目標放電電流範囲以下であった場合、放電電流値とその変化割合とに応じて決定される式に基いて冷却手段の却割合を変化させる制御に移行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。
制御手段は運転開始から一定時間内に放電電流が目標放電電流範囲を越える場合、動作を所定時間休止させることを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。