JP2009202094A - 静電霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ラジカルを含む帯電微粒子液を大量に発生及び放出させることが可能な静電霧化装置を提供する。
【解決手段】 放電電極１と対向電極２とを具備する静電霧化装置において、放電電極１の先端部１ａを囲むように形成される対向電極２の内面２ｂの少なくとも一部の断面形状を、放電電極１の先端部１ａを中心とし、放電電極１の先端部１ａから対向電極２までの最短距離Ｒを半径として描く円弧線に沿って形成する。加えて、対向電極２に設けた放出孔２ａからは、放電電極１から離れる方向に向けて筒状電極部１０を延設する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、帯電微粒子液を生成する静電霧化装置に関し、詳しくは帯電微粒子液を効率的に生成するための技術に関する。

従来から、放電電極と、放電電極から距離を隔てて位置する対向電極と、放電電極に霧化用の液体を供給する液供給手段と、放電電極と対向電極の間に高電圧を印加する高電圧印加手段とを具備する静電霧化装置が知られている（特許文献１参照）。この静電霧化装置においては、高電圧印加手段によって対向電極と放電電極との間に電界を発生させ、放電電極が保持する液体にマイナス電荷を集中させることで液体に分裂、飛散（所謂レイリー分裂）を繰り返す静電霧化現象を発生させ、この静電霧化現象によってラジカル（活性種）を含むナノメータサイズの帯電微粒子液を生成するようになっている。ここで生じた帯電微粒子液は、イオン風に乗せて装置の外部空間へと放出され、高い保湿効果、脱臭効果、ダニや花粉等のアレルゲン物質の不活性化効果等を発揮する。

図７に示すように、上記した従来の静電霧化装置の対向電極２は、中央に放出孔２ａを有するリング状に形成されており、上記放出孔２ａを放電電極１の先端部１ａと対向させている。したがって、高電圧印加手段４によって対向電極２の内面２ｂと放電電極１の先端部１ａとの間で発生させる電界は、放出孔２ａの周縁部分と該放電電極１の先端部１ａとの間の狭い範囲内でしか強く生じることがなかった（図中矢印参照）。このため、放電電極１の先端部１ａに対する電界の集中度合いが低く、ラジカルを含む帯電微粒子液を大量に発生及び放出させることは困難であった。
特開２００５−１３１５４９号公報

本発明は上記問題点に鑑みて発明したものであって、対向電極と放電電極との間で強力な電界を発生させ、放電電極の先端部に対する電界の集中度合いを増すことで、ラジカルを含む帯電微粒子液を大量に発生及び放出させることが可能な静電霧化装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための本発明は、放電電極１と、放電電極１から距離を隔てて位置する対向電極２と、放電電極１に液体を供給する液供給手段３と、放電電極１の先端部１ａと対向電極２の間に高電圧を印加する高電圧印加手段４とを具備し、放電電極１が先端部１ａに保持する液体に高電圧を印加して生成される帯電微粒子液を放出する静電霧化装置である。そして、放電電極１の先端部１ａを囲むように形成される上記対向電極２の内面２ｂの少なくとも一部の断面形状が、放電電極１の先端部１ａを中心とし、放電電極１の先端部１ａから対向電極２までの最短距離Ｒを半径として描く円弧線に沿って形成されたものであるととともに、上記対向電極２に設けた放出孔２ａからは、放電電極１から離れる方向に向けて筒状電極部１０を延設していることを特徴とする。

このようにすることで、対向電極２の内面２ｂのうち少なくとも放電電極１の先端部１ａを囲んで形成される円弧線部分の全体が、放電電極１の先端部１ａとの間で最短距離Ｒを隔てた部分となり、この対向電極２の円弧線部分と放電電極１の先端部１ａとの間の広範な範囲内で、強力な電界が生じる。加えて、筒状電極部１０の内周面１０ｂと放電電極１の先端部１ａとの間の空間においても電界が生じる。これにより、放電電極１の先端部１ａに対する電界の集中度合いが非常に高くなり、放電電極１に保持する液体に効率的に電荷を集中させて、ラジカルを含む帯電微粒子液を大量に発生させることが可能となる。更に、大量に発生した帯電微粒子液は、放出孔２ａから延設される筒状電極部１０の内周面１０ｂに引き寄せられるように放出孔２ａ内に導入され、筒状電極部１０内を通過して外部空間に吐出される。その結果として、ラジカルを含む帯電微粒子液を、外部空間に大量に放出することが可能となる。

上記構成の静電霧化装置において、上記筒状電極部１０の軸方向は、放電電極１の先端部１ａから対向電極２までの最短距離Ｒを半径として描く円弧線の、上記放出孔２ａを通過する法線方向であることが好適である。このようにすることで、放出孔２ａを通じて筒状電極部１０内に導入された帯電微粒子液を、筒状電極部１０の内周面１０ｂに極力付着させることなく外部に吐出することができる。

また、上記構成の静電霧化装置においては、上記筒状電極部１０の内径をＤ、放電電極１の先端部１ａから対向電極２までの最短距離をＲとしたとき、０．１＜Ｄ／２Ｒ＜１を満たすことが好適である。このようにすることで、性能保障範囲として有効な範囲内にラジカル量を確保することができる。

請求項１に係る発明は、放電電極の先端部を囲むように形成される上記対向電極の内面の少なくとも一部の断面形状が、放電電極の先端部を中心とし、放電電極の先端部から対向電極までの最短距離を半径として描く円弧線に沿って形成されたものであるととともに、上記対向電極に設けた放出孔からは、放電電極から離れる方向に向けて筒状電極部を延設している。したがって、筒状電極部を有する対向電極と放電電極との間で強力な電界を発生させ、放電電極の先端部に対する電界の集中度合いを増すことで、ラジカルを含む帯電微粒子液を大量に発生させることができる。加えて、大量に発生した帯電微粒子液を、筒状電極部の内周面に引き寄せるように放出孔内に導入して外部空間に放出することができる。故に、請求項１に係る発明は、ラジカルを含む帯電微粒子液を大量に生成及び放出させることができるという効果を奏する。

また請求項２に係る発明は、筒状電極部の軸方向を、放電電極の先端部から対向電極までの最短距離を半径として描く円弧線の、上記放出孔を通過する法線方向にしている。したがって、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の効果に加えて、放出孔を通じて筒状電極部に導入された帯電微粒子液を、筒状電極部の内周面に極力付着させることなく外部に吐出させることができるという効果を奏する。

また請求項３に係る発明は、上記筒状電極部の内径をＤ、放電電極の先端部から対向電極までの最短距離をＲとしたとき、０．１＜Ｄ／２Ｒ＜１を満たすものである。したがって、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明の効果に加えて、性能保障範囲として有効な範囲内にラジカル量を確保することができるという効果を奏する。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。図１には、本発明の実施形態における一例の静電霧化装置を、概略的に示している。この静電霧化装置は、棒状を成す放電電極１と、この放電電極１の先端部１ａから距離を隔てて位置するとともに放出孔２ａを中央に有する対向電極２と、この放電電極１の先端部１ａにまで水等の静電霧化用の液体（図示せず）を供給する液供給手段３と、放電電極１及び対向電極２に電気的に接続されて両電極１，２間に高電圧を印加する高電圧印加手段４とを具備している。図示例では放電電極１の先端部１ａを丸まった形状としているが、先鋭形状であってもよい。

本例にあっては上記液供給手段３として、放電電極１をアルミニウム等の熱伝導率の高い材質で形成するとともに、この放電電極１の基端部１ｂを、ペルチェユニット５の冷却部５ａ側に接続させてある。これにより、ペルチェユニット５によって放電電極１自体を冷却して該放電電極１の表面上に結露水を生成させ、この結露水を静電霧化用の液体として用いる構造である。本発明において液供給手段３は特に限定されず、例えば放電電極１を多孔質セラミック等の多孔質材や細孔を有する材質で構成し、この放電電極１の基端部１ｂ側を、液タンク（図示せず）内に貯蔵してある液体内に浸すといった他の構成であってもよい。

そして、本例にあっては、放電電極１の先端部１ａと対向して位置する上記対向電極２の内面２ｂを、放電電極１の先端部１ａを囲むように形成される凹面としている。放電電極１の先端部１ａを通過する平面でこの内面２ｂを切断した断面形状は、放電電極１の先端部１ａを中心とし、この先端部１ａから対向電極２までの最短距離（即ち、放電距離）Ｒを半径として描かれる円弧状の断面形状となっている。

更に具体的に述べると、本例の対向電極２の主体部の内面２ｂは、放電電極１の先端部１ａと対向電極２との最短距離Ｒを半径とする半球状の凹曲面となっている。つまり、放電電極１の先端部１ａを囲むように位置する対向電極２の主体部の、半球状を成す内面２ｂ全体が、放電電極１の先端部１ａとの間に最短距離Ｒを隔てた部分となっている。したがって、この内面２ｂ全体と放電電極１の先端部１ａとの間には、三次元的に広範な範囲内で強力な電界が生じることとなる（図２（ａ）中の矢印参照）。

加えて、本例の対向電極２に円形に開口させてある放出孔２ａの周縁部からは、放電電極１から離れる方向（図中上方）に向けて円筒形の筒状電極部１０を延設している。貫通形成される上記筒状電極部１０は、軸方向の一端側（図中下側）開口が放出孔２ａに連通し、軸方向の他端側（図中上側）開口が外部空間に連通するものであり、この外部空間と連通する他端側開口が吐出口１０ａとなっている。したがって、筒状電極部１０の内周面１０ｂ全体と放電電極１の先端部１ａとの間においても、三次元的に広範な範囲内で電界が生じる（図２（ｂ）中の矢印参照）。

つまり、筒状電極部１０を有する対向電極２と、放電電極１の先端部１ａとの間で生じる電界は、対向電極２の主体部の内面２ｂ全体と放電電極１の先端部１ａとの間で三次元的に生じる電界に、更に、筒状電極部１０の内周面１０ｂ全体と放電電極１の先端部１ａとの間で三次元的に生じる電界を加えた、非常に強力なものとなる。

筒状電極部１０を有する対向電極２は、例えばＳＵＳ３０４等の金属から成る導電性物質を切削、曲げ加工等して一体に形成したものであるが、樹脂成形後に金属めっきを施して形成してもよいし、或いは導電性プラスチック等の導電性物質を用いてもよい。

上記構成を具備する本例の静電霧化装置においては、液供給手段３により放電電極１の先端部１ａに液体を供給して保持させ、この状態で高電圧印加手段４によって、放電電極１の先端部１ａ側がマイナス電極となって電荷が集中するように該放電電極１と対向電極２との間に高電圧を印加する。上記電圧印加で生じた電界により、放電電極１の先端部１ａに保持される液体が帯電し、帯電した液体にクーロン力が働き、液体の液面が局所的に円錐形状に盛り上がる。この円錐形状となった液体（テイラーコーン）の先端に電荷が集中して電荷の密度が高密度となり、高密度の電荷の反発力で弾けるようにして液体が分裂、飛散（所謂レイリー分裂）を繰り返して静電霧化を生じる。上記静電霧化現象により、ラジカル（活性種）を含むナノメータサイズの帯電微粒子液が大量に生成され、イオン風に乗って放出孔２ａから装置外へと放出される。

ここで、本例にあっては上記した通り、筒状電極部１０を有する対向電極２と放電電極１の先端部１ａとの間における広範な範囲内で、非常に強力な電界が生じる。したがって、放電電極１の先端部１ａに電界が一極集中する度合いが非常に高くなり、放電電極１に保持する液体に効率的に電荷が集中して、帯電微粒子液を大量に発生することとなる。

加えて、大量に発生した帯電微粒子液は、放出孔２ａから延設される筒状電極部１０の内周面１０ｂに引き寄せられるように放出孔２ａ内に導入され、そのままイオン風に乗って筒状電極部１０内を通過し、吐出口１０ａから外部空間に向けて吐出される。

つまり、円弧に沿う内面形状の対向電極２に更に筒状電極部１０を延設してあることで、放電電極１の先端部１ａに対して電界を強力に一極集中させて、ラジカルを含む帯電微粒子液を大量生成することができるとともに、この大量生成された帯電微粒子液を、対向電極２の内面２ｂに付着させることなく放出孔２ａを通じて高効率で外部に放出させることができる。結果として、ラジカルを含む帯電微粒子液が、外部空間に大量に放出される。

なお、筒状電極部１０が貫通形成される軸方向は、放電電極１の先端部１ａから対向電極２までの最短距離Ｒを半径として描く円弧線の、放出孔２ａを通過する法線方向（図中真上方向）としている。上記法線方向とすることで、放出孔２ａを通じて筒状電極部１０内に導入された帯電微粒子液を、筒状電極部１０の内周面１０ｂに極力付着させることなく、イオン風に乗せて外部に吐出させることができる。例えば、図示例のように筒状電極部１０の軸方向を上記法線方向に設定した場合と、上記法線方向から３０度傾いた方向に設定した場合とを比較すれば、前者の場合に比較して後者の場合は、外部に放出される帯電微粒子液が大幅に減少する結果（１／１０程度）となる。

図３には、放電電極１と対向電極２における寸法設定と、外部に吐出されるラジカル量との関係を示している。図３（ａ）のように、対向電極２の筒状電極部１０の内径：Ｄ［ｍｍ］、筒状電極部１０の軸方向の高さ：Ｈ［ｍｍ］、対向電極２の半球状を成す主体部の放電電極１側に開口する開口部分２ｃから筒状電極部１０の吐出口１０ａまでの高さ：Ｌ［ｍｍ］、放電電極１の先端部１ａから半球状を成す対向電極２までの最短距離：Ｒ［ｍｍ］とする。放電電極１の先端部１ａと、対向電極２の開口部分２ｃとは、同一高さに位置している。したがって、上記各寸法においては（Ｌ−Ｈ）^２＋（Ｄ／２）^２＝Ｒ^２の関係が成り立つ。

ここで、例えばＬ＝７［ｍｍ］、Ｒ＝５［ｍｍ］の寸法を保持したままＤの寸法を変化させていくと、Ｈの寸法はＤの寸法に依存して決定するとともに、Ｄ／２とＲとの比の変化（即ち、Ｄ／２Ｒの値の変化）に対応して、図３（ｂ）に示すように外部に吐出されるラジカル量が変化する。

つまり、図３（ｂ）に示すように、Ｄ／２とＲとの比が０．４＜Ｄ／２Ｒ＜０．５の範囲内にあるときが最も高効率でラジカルが生成及び吐出されるラジカルピーク時であり、性能保障範囲としてラジカル量をこのラジカルピーク時の５０％以上に確保しようとすると、Ｄ／２とＲとの比を０．１＜Ｄ／２Ｒ＜１の範囲内に収める必要があることが分かる。

なお、同一条件下でＨの寸法だけを変化させた場合のラジカル量の結果は下記表１に示す通りである。表１から、筒状電極部１０の軸方向の高さＨは、Ｈ≧３［ｍｍ］以上を確保することが好ましいことが分かる。表１中のＨ＝０［ｍｍ］の場合とは、つまり対向電極２に筒状電極部１０を設けていない場合であり、この結果からも、対向電極２の放出孔２ａから筒状電極部１０を延設することでラジカル量が増大することが分かる。

また、同一条件下でＲの寸法だけを変化させた場合には、Ｒの寸法が大きくなるほどラジカル量が増加する傾向にある。これは、放電距離である最短距離Ｒが大きくなるほどに、より高電圧で静電霧化現象が開始されるようになるため、放電電極１の先端部１ａに大きなエネルギが投入される結果としてラジカル量が増大するからであると考えられる。

図４〜図６には、各種の変形例を示している。図４（ａ）に概略的に示すように、放電電極１の先端部１ａを中心として最短距離Ｒを半径として描く円弧線に沿って形成された対向電極２には、複数の放出孔２ａが貫設してあってもよい。この場合、複数の放出孔２ａの少なくとも一つから筒状電極部１０を延設してあればよい。また、筒状電極部１０は外部から筒状に視認される必要はなく、図４（ｂ）に概略的に示すように、対向電極２を保持する保持部材６によって対向電極２を覆うとともに、筒状電極部１０の吐出口１０ａだけを露出させる構成であってもよい。

また、図５及び図６に示すように、対向電極２の半球状を成す主体部の、放電電極１側に開口する最大径の開口部分２ｃが、放電電極１の先端部１ａからＡ［ｍｍ］だけ筒状電極部１０側に距離を隔てて位置するように設けてもよい。以下においては、この放電電極１の先端部１ａから対向電極２の開口部分２ｃまでの距離を、リフトアップ高さ：Ａ［ｍｍ］とする。したがって、図５に示す各寸法においては、［（Ｌ＋Ａ）−Ｈ）］^２＋（Ｄ／２）^２＝Ｒ^２の関係が成り立つ。

このようにリフトアップ高さＡを設定し、対向電極２の主体部を、側面視において放電電極１の先端部１ａを覆い隠すことがないように浅く形成した場合であっても、Ｄ／２とＲとの比を０．１＜Ｄ／２Ｒ＜１の範囲内に収めることでラジカル量は確保される。但し、このときは更に２×（Ｒ^２−Ａ^２）^１／２＞Ｄの範囲内となる。具体的な寸法としては、例えばＬ＝３．８３［ｍｍ］、Ｒ＝５［ｍｍ］、Ｈ＝１．５［ｍｍ］、Ｄ＝５［ｍｍ］、Ａ＝２［ｍｍ］である。

なお、対向電極２の凹状を成す内面２ｂの断面形状は、放電電極１の先端部１ａを中心とし且つ最短距離Ｒを半径として描く円弧線に沿って形成されたものであればよく、例えば内面２ｂの断面形状が、複数の直線を連続させた折れ線形状であっても構わない。この場合、対向電極２の半球状を成す主体部の内面２ｂは、放電電極１の先端部１ａから最短距離Ｒを隔てて形成される複数の平面を組み合わせて半球状に構成した面となる。

また、対向電極２の放電電極１側を向く内面２ｂは半球状に限定されるわけではなく、例えば、逆Ｕ字状に電極板を湾曲させた構造であってもよい。この場合であっても、放電電極１の先端部１ａを囲むように形成される対向電極２の内面２ｂの少なくとも一部の断面形状が、放電電極１の先端部１ａを中心とし、放電電極１の先端部１ａから対向電極２までの最短距離Ｒを半径として描く円弧線に沿って形成されたものとなる。勿論この場合においても、対向電極２の内面２ｂの断面形状は、複数の直線を連続させた折れ線形状であってもよい。

本発明の実施形態における一例の静電霧化装置の概略断面図である。 同上の放電電極及び対向電極間の電界を示す説明図であり、（ａ）は筒状電極部を設けない場合、（ｂ）は筒状電極部を設けた場合を示している。 （ａ）は同上の放電電極及び対向電極の寸法関係を示す概略側面図であり、（ｂ）は（ａ）の寸法関係に対するラジカル量の依存性を示すグラフ図である。 （ａ）、（ｂ）は同上の静電霧化装置の他の変形例を示す概略側面図である。 同上の静電霧化装置の変形例の寸法関係を示す概略側面図である。 図５の変形例の対向電極を示す斜視図である。 従来の静電霧化装置の概略断面図である。

符号の説明

１ 放電電極
１ａ 先端部
２ 対向電極
２ａ 放出孔
２ｂ 内面
３ 液供給手段
４ 高電圧印加手段
１０ 筒状電極部
Ｄ 内径
Ｒ 最短距離

Claims (3)

1. 放電電極と、放電電極から距離を隔てて位置する対向電極と、放電電極に液体を供給する液供給手段と、放電電極の先端部と対向電極の間に高電圧を印加する高電圧印加手段とを具備し、放電電極が先端部に保持する液体に高電圧を印加して生成される帯電微粒子液を放出する静電霧化装置において、放電電極の先端部を囲むように形成される上記対向電極の内面の少なくとも一部の断面形状が、放電電極の先端部を中心とし、放電電極の先端部から対向電極までの最短距離を半径として描く円弧線に沿って形成されたものであるととともに、上記対向電極に設けた放出孔からは、放電電極から離れる方向に向けて筒状電極部を延設していることを特徴とする静電霧化装置。
2. 上記筒状電極部の軸方向は、放電電極の先端部から対向電極までの最短距離を半径として描く円弧線の、上記放出孔を通過する法線方向であることを特徴とする請求項１に記載の静電霧化装置。
3. 上記筒状電極部の内径をＤ、放電電極の先端部から対向電極までの最短距離をＲとしたとき、０．１＜Ｄ／２Ｒ＜１を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電霧化装置。

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