JP2008149244A

JP2008149244A - 静電霧化装置

Info

Publication number: JP2008149244A
Application number: JP2006338881A
Authority: JP
Inventors: Sumio Wada; 澄夫和田; Yutaka Uratani; 豊裏谷; Takamichi Matsumoto; 宇宙松元
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-07-03
Also published as: CN101557879A; TW200833424A; US20100102148A1; TWI343279B; HK1131761A1; EP2091659A1; WO2008072770A1; CN101557879B

Abstract

【課題】簡単な回路構成でありながらナノサイズミストを安定して発生させる。
【解決手段】高電圧発生回路３の出力電圧を安定化する出力安定化回路６が、スイッチング素子Ｑ１がオンしているときに制御巻線Ｌ３に誘起される参照電圧に基づいてスイッチング素子Ｑ１のオン時間を調整する。故に高電圧発生回路３の出力電圧を検出して調整する場合と比較して、回路部品に必要な耐圧性能が低くなるとともに高電圧発生回路３の１次側と２次側（トランスＴの１次側と２次側）を絶縁しなくても高電圧発生回路３の出力電圧が安定化できる。その結果、簡単な回路構成でありながらナノサイズミストを安定して発生させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、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。

液体（例えば、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液体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）を放電電極に供給す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。

これに対して本出願人は、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結露水を生成させる冷却手段と、電極間に流れる放電電流を検出し当該放電電流が所定値を維持するように冷却手段を制御する制御手段とを備えた静電霧化装置を提案している（特許文献１参照）。
特開２００６−１２２８１９公報

しかしながら、特許文献１に記載されている従来例のように、一定量のナノサイズミストを安定して生成するために放電電極への水の供給量を制御する場合、水タンクからの補給又は放電電極部分への結露水生成による補給の何れにおいても応答時間が遅いという問題や制御が複雑になるという問題があった。

そこで、一定量のナノサイズミストを安定して生成するための他の方法として、高電圧を発生する高電圧発生回路の出力を安定化させるという方法がある。かかる方法を実現する場合に、放電電極と対向電極との間に印加される高電圧を検出し、当該検出電圧が所定の目標値と一致するように高電圧発生回路の出力を調整することが考えられる。しかしながら、高電圧発生回路の出力電圧を検出して調整する場合、検出回路を高耐圧の回路部品で構成するとともに、高電圧発生回路の１次側と２次側を絶縁する必要があるため、回路構成が複雑化してコストが上昇し、さらには静電霧化装置の大型化を招くという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、簡単な回路構成でありながらナノサイズミストを安定して発生させることができる静電霧化装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、静電霧化される液体が供給される放電電極と、放電電極に対向配置される対向電極と、放電電極と対向電極の間に高電圧を印加して放電を生じさせる高電圧発生手段と、高電圧発生手段の出力電圧を安定化する出力安定化手段とを備え、高電圧発生手段は、１次巻線並びに２次巻線、制御巻線を有するトランスと、直流電源の両極間に１次巻線を介して直列接続されるとともに制御巻線に生じる誘起電圧が制御端子に印加されるスイッチング素子とを具備し、スイッチング素子のスイッチング動作に伴って２次巻線に生じる誘起電圧を放電電極並びに対向電極に出力する自励発振型の直流／直流コンバータを有し、出力安定化手段は、スイッチング素子がオンしているときに制御巻線に誘起される参照電圧に基づいてスイッチング素子のオン時間を調整することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、出力安定化手段は、制御巻線に誘起される電圧を整流・平滑した前記参照電圧を所定の閾値電圧と比較し、参照電圧と閾値電圧の大小関係が変化したときにスイッチング素子をオフすることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、参照電圧の極性が、スイッチング素子がオフしているときに制御巻線に生じる誘起電圧と逆極性であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、出力安定化手段は、制御巻線の両端間に接続された整流素子並びに平滑コンデンサの直列回路と、平滑コンデンサの両端電圧が所定の閾値電圧を超えたときにオンするスイッチ要素とを有し、スイッチング素子の制御端子と整流素子並びに平滑コンデンサの直列回路の一端が制御巻線の一端に共通接続されるとともに、スイッチング素子の制御端子と整流素子並びに平滑コンデンサの接続点との間にスイッチ要素が挿入されてなることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４の何れか１項の発明において、出力安定化手段以外の回路の動作電圧を参照電圧から得ることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、高電圧発生手段の出力電圧を安定化する出力安定化手段が、スイッチング素子がオンしているときに制御巻線に誘起される参照電圧に基づいてスイッチング素子のオン時間を調整するので、高電圧発生回路の出力電圧を検出して調整する場合と比較して、回路部品に必要な耐圧性能が低くなるとともに高電圧発生手段の１次側と２次側（トランスの１次側と２次側）を絶縁しなくても高電圧発生手段の出力電圧が安定化でき、その結果、簡単な回路構成でありながらナノサイズミストを安定して発生させることができる。

請求項２の発明によれば、マイコン等を使用せずに簡単な回路構成で出力安定化手段が構成できる。

請求項３の発明によれば、参照電圧の極性が、スイッチング素子がオフしているときに制御巻線に生じる誘起電圧と逆極性であるため、スイッチング素子のスイッチング動作を制御するに当たって、参照電圧の極性がスイッチング素子がオフしているときに制御巻線に生じる誘起電圧と同極性である場合と比較して、スイッチング素子の制御端子に印加される電圧（制御電圧）の調整範囲を拡げることができ、その結果、スイッチング素子のオン時間の調整が容易且つ安定して行える。

請求項４の発明によれば、簡単な構成でスイッチング素子のオン時間の調整が容易且つ安定して行える。

請求項５の発明によれば、出力安定化手段以外の回路の動作電圧を参照電圧から得るので、電源回路を削減してコストダウンが図れる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
図２に示すように本実施形態は、放電電極１と、放電電極１の先端と所定の距離をおいて対向配置され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２と、これら両電極１，２間に高電圧を印加して放電を生じさせる高電圧発生回路３と、高電圧発生回路３の出力電圧を安定化する出力安定化回路６とを備えている。ここで、対向電極２は接地されており、放電時には放電電極１側に負もしくは正の高電圧（例えば、数キロボルトの負電圧）が印加される。また、放電電極１へは図示しない供給手段（従来技術で説明した水タンクや冷却手段など）によって液体（例えば、水）が供給される。

ここで、放電電極１上に水分（例えば、結露水）を付着させた状態で放電電圧を放電電極１と対向電極２との間に印加すると、放電電極１上の水は対向電極２側に引っ張られてテーラーコーンＴＣと称される形状のものになるとともに、そのテーラーコーンＴＣ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液体（水）が霧化されるのであるが、放電電圧（高電圧発生回路３の出力電圧）が変動すると帯電微粒子水の生成量も増減して安定しなくなる。したがって、帯電微粒子水の生成量を安定させるためには、高電圧発生回路３の出力電圧を安定化することが必須条件となる。そのために本実施形態では、高電圧発生回路３の出力電圧を安定化させる出力安定化回路６を備えている。

図１は本実施形態の具体回路図を示している。高電圧発生回路３は従来周知のリンギングチョークコンバータ３Ａと多段（図示例では３段）の倍電圧整流回路３Ｂからなる。リンギングチョークコンバータ３Ａは、直流電源（平滑コンデンサＣ０）の両極間にトランスＴの１次巻線Ｌ１とＮＰＮ型のバイポーラトランジスタからなるスイッチング素子Ｑ１と抵抗Ｒ４の直列回路が接続され、トランスＴの２次巻線Ｌ２にダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３とコンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３からなる倍電圧整流回路３Ｂが接続されるとともに、トランスＴの制御巻線Ｌ３の一端がコンデンサＣ１と抵抗Ｒ２の直列回路を介してスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ベース）に接続され、平滑コンデンサＣ０の正極とスイッチング素子Ｑ１のベースの間に抵抗Ｒ１が挿入され、さらにＮＰＮ型のバイポーラトランジスタからなるスイッチング素子Ｑ２のベースが抵抗Ｒ３を介してスイッチング素子Ｑ１のエミッタに接続されるとともにスイッチング素子Ｑ２のコレクタがスイッチング素子Ｑ１のベースと接続され、スイッチング素子Ｑ２のエミッタが抵抗Ｒ４と制御巻線Ｌ３の接続点に接続されて構成されている。

ここで、高電圧発生回路３の基本動作について簡単に説明する。直流電源たる平滑コンデンサＣ０の両端に直流電圧が発生すると、抵抗Ｒ１を介してスイッチング素子Ｑ１のベースに駆動電流が供給されてスイッチング素子Ｑ１がオンし、スイッチング素子Ｑ１を介してトランスＴの１次巻線Ｌ１に電流が供給され、さらに当該電流の増加に伴って抵抗Ｒ４の両端電圧が上昇してスイッチング素子Ｑ２をオンし、スイッチング素子Ｑ１のベースがスイッチング素子Ｑ２を介してグランドに接続されるためにスイッチング素子Ｑ１がオフする。スイッチング素子Ｑ１がオフすると抵抗Ｒ４に電流が流れなくなってスイッチング素子Ｑ２がオフし、１次巻線Ｌ１に蓄積されたエネルギが放出されることで２次巻線Ｌ２に電圧が誘起され、さらに、２次巻線Ｌ２に生じる誘起電圧によって制御巻線Ｌ３にも電圧が誘起されるため、スイッチング素子Ｑ１のベースに駆動電流が供給されてオンするという自励動作を繰り返すことになる。そして、スイッチング素子Ｑ１のオフ時にトランスＴの２次巻線に誘起される電圧が倍電圧整流回路３Ｂで整流・昇圧されて高電圧発生回路３の出力電圧として放電電極１と対向電極２の間に印加される。また、スイッチング素子Ｑ１がオフ（スイッチング素子Ｑ２がオン）するタイミングを遅らせば２次巻線Ｌ２に誘起される電圧が上昇し、反対にスイッチング素子Ｑ１がオフ（スイッチング素子Ｑ２がオン）するタイミングを早めれば２次巻線Ｌ２に誘起される電圧が下降するので、スイッチング素子Ｑ１のオンオフのタイミング（オン時間）を調整することによって高電圧発生回路３の出力電圧を調整することが可能である。

次に、本発明の要旨である出力安定化回路６について説明する。出力安定化回路６は、整流素子たるダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ２、スイッチ要素たるトランジスタＱ３、分圧抵抗Ｒ６，Ｒ７、ツェナーダイオードＺＤで構成される。制御巻線Ｌ３とコンデンサＣ１の接続点にダイオードＤ１のカソードが接続され、ダイオードＤ１のアノードとグランドの間に平滑コンデンサＣ２が挿入される。トランジスタＱ３はＮＰＮ型のバイポーラトランジスタであって、コレクタがスイッチング素子Ｑ１のベースに接続されるとともに、エミッタがダイオードＤ１のアノードに接続され、ベースがツェナーダイオードＺＤのアノードに接続される。分圧抵抗Ｒ６がツェナーダイオードＺＤのカソードとグランドの間に挿入され、分圧抵抗Ｒ７がツェナーダイオードＺＤのカソードとトランジスタＱ３のエミッタの間に挿入される。つまり、平滑コンデンサＣ２の両端電圧を分圧抵抗Ｒ６，Ｒ７で分圧した参照電圧がツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧とトランジスタＱ３のベース・エミッタ間電圧の合成電圧（閾値電圧）よりも高くなるとトランジスタＱ３がオンとなり、その結果、スイッチング素子Ｑ１のベース電位が低下してスイッチング素子Ｑ１がオフすることになる。

続いて、出力安定化回路６の動作を詳しく説明する。上述のようにリンギングチョークコンバータ３Ａが自励発振しているとき、スイッチング素子Ｑ１のオフ時には図１における実線の矢印の向きに誘起電圧が生じるため、制御巻線Ｌ３からコンデンサＣ１並びに抵抗Ｒ２を介してスイッチング素子Ｑ１のベースに駆動電流が供給されてスイッチング素子Ｑ１がオンするが、このときにはダイオードＤ１が導通しないことから出力安定化回路６には電流が流れず、参照電圧も発生しない。

一方、スイッチング素子Ｑ１のオン時には制御巻線Ｌ３に生じる誘起電圧の極性が反転してダイオードＤ１が導通するため、制御巻線Ｌ３の誘起電圧をダイオードＤ１で整流し且つ平滑コンデンサＣ２で平滑した参照電圧が分圧抵抗Ｒ６，Ｒ７の直列回路に印加される。但し、平滑コンデンサＣ２はグランドに接続されている側が高電位となるから、参照電圧は常に負電位となる。この参照電圧は、２次巻線Ｌ２に生じる誘起電圧に比例しており、誘起電圧が上昇（高電圧発生回路３の出力電圧が上昇）すると同じく上昇し、誘起電圧が下降（高電圧発生回路３の出力電圧が下降）すると同じく下降する。すなわち、高電圧発生回路３の出力電圧が上昇すると参照電圧の上昇速度が速くなるためにトランジスタＱ３のオンするタイミングが早くなり、その結果、スイッチング素子Ｑ１のオン時間が短縮されて高電圧発生回路３の出力電圧が下降する。反対に、高電圧発生回路３の出力電圧が下降すると参照電圧の上昇速度が遅くなるためにトランジスタＱ３のオンするタイミングも遅くなり、その結果、スイッチング素子Ｑ１のオン時間が延長されて高電圧発生回路３の出力電圧が上昇する。このようにして出力安定化回路６のフィードバック制御によって高電圧発生回路３の出力電圧を調整して安定化できる。

而して、出力安定化回路６が無い場合はスイッチング素子Ｑ２によってスイッチング素子Ｑ１のオン時間が調整されていたが、スイッチング素子Ｑ２のオンするタイミングがスイッチング素子Ｑ２のベース電圧に依存していて温度変化によるばらつきが大きく、その結果、高電圧発生回路３の出力電圧も温度変化によってばらついてしまうことになる。また、スイッチング素子Ｑ１のエミッタ電流（トランスＴの１次巻線Ｌ１に流れる電流）に基づいてスイッチング素子Ｑ１のオン時間を調整していることから負荷変動に追従できない。

これに対して本実施形態では、高電圧発生回路３の出力電圧を安定化する出力安定化回路６が、スイッチング素子Ｑ１がオンしているときに制御巻線Ｌ３に誘起される参照電圧に基づいてスイッチング素子Ｑ１のオン時間を調整しているので、高電圧発生回路３の出力電圧を検出して調整する場合と比較して、回路部品に必要な耐圧性能が低くなるとともに高電圧発生回路３の１次側と２次側（トランスＴの１次側と２次側）を絶縁しなくても高電圧発生回路３の出力電圧が安定化でき、その結果、簡単な回路構成でありながらナノサイズミストを安定して発生させることができる。しかも、参照電圧の極性が、スイッチング素子Ｑ１がオフしているときに制御巻線Ｌ３に生じる誘起電圧と逆極性（負極性）であるため、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作を制御するに当たって、参照電圧の極性がスイッチング素子Ｑ１がオフしているときに制御巻線Ｌ３に生じる誘起電圧と同極性（正極性）である場合と比較して、スイッチング素子Ｑ１の制御端子（ベース）に印加される制御電圧（ベース電圧）の調整範囲を拡げることができ、その結果、スイッチング素子Ｑ１のオン時間の調整が容易且つ安定して行えるという利点がある。また、出力安定化回路６はトランジスタ、抵抗、ダイオード、コンデンサで構成できるため、マイコンやＡ／Ｄコンバータ等で構成する場合と比較して回路構成が簡素化できるという利点もある。

（実施形態２）
図３に示すように本実施形態は、実施形態１と同様に放電電極１、対向電極２、高電圧発生回路３、出力安定化回路６を備えるとともに、対向電極２を通して両電極１，２間に流れる放電電流を検出する放電電流検出回路４と、放電電流検出回路４の検出結果に基づいて所望の放電状態を維持するように高電圧発生回路３の出力を制御する制御回路５とを備えており、制御回路５の動作電源を参照電圧から得ている点に特徴がある。

図４は本実施形態の具体回路図を示している。但し、高電圧発生回路３並びに出力安定化回路６については実施形態１と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。制御回路５では、放電電流検出回路４から出力される検出電圧（放電電流に比例した直流電圧）を所定の基準電圧と比較し、検出電圧が基準値を越えればスイッチング素子Ｑ２をオンさせることでスイッチング素子Ｑ１のオン時間を短縮して放電電流を減少させるとともに、検出電圧が基準値を下回ればスイッチング素子Ｑ２をオフさせることでスイッチング素子Ｑ１のオン時間を延長して放電電流を増加させるというフィードバック制御を行っている。そして、制御回路５には出力安定化回路６の平滑コンデンサＣ２が接続されており、トランスＴの制御巻線Ｌ３に生じる誘起電圧をダイオードＤ１で整流するとともに平滑コンデンサＣ２で平滑した直流電圧（参照電圧）が制御回路５の動作電源に利用される。

このように本実施形態では、制御回路５の動作電源を参照電圧から得ているので、制御回路５のために別途電源回路を設ける必要がなく、電源回路を削減してコストダウンが図れるという利点がある。

本発明の実施形態１を示す具体回路図である。同上のブロック図である。本発明の実施形態２を示すブロック図である。同上の具体回路図である。

符号の説明

１放電電極
２対向電極
３高電圧発生手段
６出力安定化回路
Ｔトランス
Ｌ１１次巻線
Ｌ２２次巻線
Ｌ３制御巻線

Claims

静電霧化される液体が供給される放電電極と、放電電極に対向配置される対向電極と、放電電極と対向電極の間に高電圧を印加して放電を生じさせる高電圧発生手段と、高電圧発生手段の出力電圧を安定化する出力安定化手段とを備え、
高電圧発生手段は、１次巻線並びに２次巻線、制御巻線を有するトランスと、直流電源の両極間に１次巻線を介して直列接続されるとともに制御巻線に生じる誘起電圧が制御端子に印加されるスイッチング素子とを具備し、スイッチング素子のスイッチング動作に伴って２次巻線に生じる誘起電圧を放電電極並びに対向電極に出力する自励発振型の直流／直流コンバータを有し、
出力安定化手段は、スイッチング素子がオンしているときに制御巻線に誘起される参照電圧に基づいてスイッチング素子のオン時間を調整することを特徴とする静電霧化装置。
出力安定化手段は、制御巻線に誘起される電圧を整流・平滑した前記参照電圧を所定の閾値電圧と比較し、参照電圧と閾値電圧の大小関係が変化したときにスイッチング素子をオフすることを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
参照電圧の極性が、スイッチング素子がオフしているときに制御巻線に生じる誘起電圧と逆極性であることを特徴とする請求項２記載の静電霧化装置。
出力安定化手段は、制御巻線の両端間に接続された整流素子並びに平滑コンデンサの直列回路と、平滑コンデンサの両端電圧が所定の閾値電圧を超えたときにオンするスイッチ要素とを有し、スイッチング素子の制御端子と整流素子並びに平滑コンデンサの直列回路の一端が制御巻線の一端に共通接続されるとともに、スイッチング素子の制御端子と整流素子並びに平滑コンデンサの接続点との間にスイッチ要素が挿入されてなることを特徴とする請求項３記載の静電霧化装置。
出力安定化手段以外の回路の動作電圧を参照電圧から得ることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の静電霧化装置。