JP2010064057A - 静電霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高電圧発生回路の固有周波数の固体によるばらつきがあっても、容易に静電霧化に必要な高電圧を確保することができる。
【解決手段】 霧化電極１と、該霧化電極１に水を供給する水供給手段２と、前記霧化電極１に高電圧を印加する高電圧発生回路３とを備える。霧化電極１に供給された水を前記高電圧の印加によって発生する高電界で静電霧化させる。高電圧発生回路３に固有の周波数に応じて前記高電圧発生回路３への周波数出力を制御する制御手段４を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電霧化現象を利用して帯電微粒子水を生成するための技術に関するものである。

従来から、霧化電極と、霧化電極に水を供給する水供給手段と、霧化電極に高電圧を印加する高電圧発生回路とを備え、前記霧化電極に供給された水を前記高電圧の印加によって発生する高電界で静電霧化させる静電霧化装置が知られている。

従来の静電霧化装置では、高電圧を発生するために制御手段から出力されたパルス信号でＰＷＭ制御を行っており、制御手段から高電圧発生回路に出力する高電圧制御信号の周波数を固定し、デューティ比を変化させることで、高電圧発生回路から出力する高電圧を目標値に到達させている。

ところが、高電圧発生回路には周波数特性があり、特定の固有周波数では大きな増幅率が得られるが、その固有周波数から外れるに従って、増幅率が小さくなってしまう。すなわち、入力電圧が固定されている場合、特定の固有周波数では大きな高電圧が得られるが、この固有周波数から外れるに従って高電圧が小さくなってしまう。

静電霧化を行うには、所定の高電圧を霧化電極に印加する必要があり、従来の高電圧制御信号の周波数を固定した方式では、固有周波数のばらつきが大きな高電圧発生回路ではデューティ比を最大としても静電霧化に必要な高電圧を確保することができない場合がある。

一方、高電圧発生回路の固有周波数は固体によるばらつきが大きく、量産する上でこのばらつきを低コストで小さく抑えることは非常に困難である。
特開２００７−２１３７０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、高電圧発生回路の固有周波数の固体によるばらつきがあっても、容易に静電霧化に必要な高電圧を確保す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。

本発明に係る静電霧化装置は、霧化電極１と、該霧化電極１に水を供給する水供給手段２と、前記霧化電極１に高電圧を印加する高電圧発生回路３とを備え、前記霧化電極１に供給された水を前記高電圧の印加によって発生する高電界で静電霧化させるものである。そして本発明の特徴は、前記高電圧発生回路３に固有の周波数に応じて前記高電圧発生回路３への周波数出力を制御する制御手段４を設けたことにある。

このように構成することで、高電圧発生回路３の固有周波数の固体によるばらつきがあっても、この高電圧発生回路３に固有の周波数に応じて制御手段４により高電圧発生回路３への周波数出力を静電霧化に必要な高電圧となるように自動的に設定することができる。

また、前記制御手段４は、高電圧発生回路３に固有のピーク周波数となるように、制御手段４からの高電圧制御信号の周波数出力を制御するものであることが好ましい。

このように、高電圧発生回路３に固有のピーク周波数となるように、制御手段４からの高電圧制御信号の周波数出力を制御することで、静電霧化に必要な最適の高電圧を確保することができる。

また、前記制御手段４は、高電圧発生回路３で出力される高電圧が静電霧化に必要な高電圧が確保されるように、制御手段４からの高電圧制御信号の周波数出力を制御するものであることが好ましい。

このような構成とすることで、簡単に静電霧化に必要な高電圧となるように周波数出力を設定できる。

また、前記制御手段４は、周波数出力を変化させた際に高電圧発生回路３から出力される高電圧に基づいて周波数出力を制御するものであることが好ましい。

このような構成とすることで、周波数出力を変化させて高電圧発生回路３から出力される高電圧の変化を見ながら、簡単に高電圧発生回路３の固有周波数を検出して、制御手段４からの高電圧制御信号の周波数出力を自動的に設定することができる。

本発明は、上記のように、高電圧発生回路に固有の周波数に応じて前記高電圧発生回路への周波数出力を制御する制御手段を設けてあるので、高電圧発生回路の固有周波数の固体によるばらつきがあっても、制御手段により、高電圧発生回路の固有周波数の固体によるばらつきに対応して、容易に高電圧制御信号の周波数出力を設定して静電霧化に必要な高電圧を確保することができる。

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。

図１には本発明の静電霧化装置５の制御ブロック図が示してある。静電霧化装置５は、霧化電極１と、霧化電極１に水を供給する水供給手段２と、霧化電極１に供給された水を静電霧化するために霧化電極１に供給された水に高電圧を印加するための高電圧発生回路３とを備えている。また、図１において、４はマイコンよりなる制御手段、９は放電電流検出回路、１０は高電圧検出回路、３は高電圧発生回路、５ａは霧化ブロック、７はペルチェ用電源回路である。

添付図面に示す実施形態においては、水供給手段２が、空気中の水分を結露水として生成することで霧化電極１に水を供給するための冷却手段により構成してある例を示している。

図１に示す実施形態においてはペルチェユニット６により冷却手段が構成してあり、冷却手段により空気中の水分を冷却して結露水を生成することで霧化電極１に水を供給するようになっている。

ペルチェユニット６は、熱伝導性の高いアルミナや窒化アルミニウムからなる絶縁板の片面側に回路を形成してある一対のペルチェ回路板を、互いの回路が向き合うように対向させ、多数列設してあるＢｉＴｅ系の熱電素子を両ペルチェ回路板間で挟持すると共に隣接する熱電素子同士を両側の回路で電気的に接続させ、ペルチェ入力リード線を介してなされるペルチェ用電源回路７から熱電素子への通電により一方のペルチェ回路板側から他方のペルチェ回路板側に向けて熱が移動するように構成したものである。更に、上記一方の側のペルチェ回路板の外側には冷却部を接続してあり、また、上記他方の側のペルチェ回路板の外側には放熱部が接続してあり、放熱部としては放熱フィンを挙げることができる。ペルチェユニット６の冷却部には霧化電極１の後端部が接続してある。

添付図面に示す実施形態では霧化電極１に対向するようには対向電極８が配設してある。そして、添付図面に示す実施形態では、ペルチェユニット６と、霧化電極１と、対向電極８とで霧化ブロック５ａを構成してある。

上記構成の静電霧化装置５は、ペルチェユニット６に通電することで、冷却部が冷却され、冷却部が冷却されることで霧化電極１が冷却され、空気中の水分を結露して霧化電極１に水（結露水）を供給するようになっている。

このように霧化電極１に水が供給された状態で上記霧化電極１と対向電極８との間に高電圧発生回路３から高電圧を印加すると、霧化電極１と対向電極８との間にかけられた高電圧により霧化電極１の先端部に供給された水と対向電極８との間にクーロン力が働いて、水の液面が局所的に錐状に盛り上がり（テーラーコーン）が形成される。このようにテーラーコーンが形成されると、該テーラーコーンの先端に電荷が集中してこの部分における電界強度が大きくなって、これによりこの部分に生じるクーロン力が大きくなり、更にテーラーコーンを成長させる。このようにテーラーコーンが成長し該テー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ると、テーラーコーンの先端部分の水が大きなエネルギー（高密度となった電荷の反発力）を受け、表面張力を超えて分裂・飛散（レイリー分裂）を繰り返してマイナス又はプラスに帯電したナノメータサイズの帯電微粒子水を大量に生成するようになっている。生成された帯電微粒子水は静電霧化装置５の外部に放出される。

そして、制御手段４から出力される冷却制御信号に基づいて、ペルチェ用電源回路７からペルチェユニット６に冷却用電圧が出力されてペルチェユニット６の冷却作用により空気中の水分が結露水として生成されて霧化電極１の先端部に結露水が供給される。

この状態で、制御手段４から高電圧制御信号を出力すると、高電圧制御信号に基づいて高電圧発生回路３から高電圧が出力され、霧化電極１に高電圧を印加され、前述のようにして霧化電極１の先端部の水の静電霧化が行われ、ナノメータサイズの帯電微粒子水が生成される。

ここで、放電電流検出回路９により、放電時の電流を検出し、放電電流検出回路９から制御手段４に放電電流信号を出力し、該放電電流信号に基づいて、制御手段４により高電圧発生回路３、ペルチェ用電源回路７をＰＷＭ制御するようになっている。

上記のような静電霧化装置５において、本発明は、マイコンよりなる制御手段４で、高電圧発生回路３に固有の周波数に応じて、静電霧化に必要な高電圧が確保できるように前記高電圧発生回路３への周波数出力を制御するようにしたことに特徴がある。

すなわち、高電圧発生回路３の固有周波数は固体によるばらつきがあるので、高電圧発生回路３の固有周波数に対応して、制御手段４から高電圧発生回路３への高電圧制御信号の周波数出力を制御して静電霧化に必要な高電圧を確保できるように周波数出力を設定するようになっている。

この周波数出力の設定は、静電霧化装置５の初期設定の際に制御手段４により自動的に行われる。

図２には周波数出力の設定の一例の制御フロー図が示してある。すなわち、制御手段４から高電圧制御信号（ＰＷＭデューイ固定、周波数は初期値）を出力して、高電圧発生回路３から高電圧の出力を開始し、高電圧検出回路１０により高電圧を検出して、高電圧信号を制御手段４に入力して高電圧出力を読み込む。次に、周波数を増加させ、周波数を増加させた時の高電圧出力が上昇すれば、更に、周波数を増加させる。高電圧出力が下降すれば、逆に周波数を減少させる。周波数を減少させて高電圧が上昇していた場合は、高電圧が下降するまで周波数を減少する。このようにして、周波数を変更すると共に高電圧が上昇／下降することを確認することで、高電圧発生回路３の固有周波数を検出し、出力する周波数を確定する。

このようにして、高電圧発生回路３の固有周波数の固体によるばらつきがあっても、この高電圧発生回路３に固有の周波数に応じて制御手段４により高電圧発生回路３への周波数出力を静電霧化に必要な高電圧となるように設定することができる。

上記のようにして周波数を変更しながら、高電圧の上昇／下降の確認をすることを繰り返して、高電圧発生回路３の固有周波数をサーチして、高電圧制御信号の周波数を確定するという制御を制御手段４により行う。

図３には本発明の他の実施形態の制御フロー図が示してある。本実施形態においては、制御手段４から高電圧制御信号（ＰＷＭデューイ固定、周波数は初期値）を出力して、高電圧発生回路３から高電圧の出力を開始し、高電圧検出回路１０により高電圧を検出して、高電圧信号を制御手段４に入力して高電圧出力を読み込む。次に、周波数をΔｆだけワンステップ増加させ、周波数をΔｆ増加させた時の高電圧出力が下降（高電圧信号値が減少）した場合は、周波数をΔｆだけワンステップ減少させ、周波数をΔｆ減少させた時の高電圧が上昇（高電圧信号値が増加）する場合は、該高電圧が下降（高電圧信号値が減少）するまで周波数をワンステップ（Δｆ）ずつ減少させることを繰り返し、このようにして周波数をワンステップずつ減少させて高電圧が下降（高電圧信号値が減少）すると、ここがピーク周波数を越えた周波数であると認定できるので、次に、周波数をΔｆだけワンステップだけ増加させて、１つだけ元に戻し、この周波数をピーク周波数であるとみなして出力する周波数を確定する。

一方、上記図３の制御フロー図において、高電圧発生回路３から高電圧の出力を開始し、高電圧出力を読み込み、次に、周波数をΔｆだけワンステップ増加させた時の高電圧が上昇（高電圧信号値が増加）した場合は、周波数をΔｆ増加させ、周波数をΔｆ増加させた時の高電圧が上昇（高電圧信号値が増加）した場合は、該高電圧が下降（高電圧信号値が減少）するまで周波数をワンステップ（Δｆ）ずつ増加させることを繰り返し、周波数を増加させた時の高電圧が下降（高電圧信号値が減少）すると、ここがピーク周波数を越えたピーク周波数を越えた周波数であると認定できるので、次に、周波数をΔｆだけワンステップだけ減少させて、１つだけ元に戻し、この周波数をピーク周波数であるとみなして出力する周波数を確定する。

このようにすることで、高電圧発生回路３が持つ固有のピーク周波数（高電圧出力値が最大となる周波数）をサーチして高電圧制御信号の周波数を確定するという制御を制御手段４により行うことができ、これにより静電霧化に必要な最適の高電圧を確保することができる。

図４は上記図３の制御フローによって高電圧発生回路３が持つ固有のピーク周波数をサーチする一例の順序を説明するためのグラフである。

すなわち、初期値が（１）の場合、ワンステップ（Δｆ）ずつ増加させて、（１）→（２）……（Ｎ）と進み、最初に高電圧出力が低下した（Ｎ）を確認すると、周波数変化の動きを逆にしてΔｆ減少させて（Ｍ）とし、この（Ｍ）をピーク周波数として確定させるというようにして高電圧発生回路３が持つ固有のピーク周波数をサーチする。

上記のようにして高電圧発生回路３の固有周波数をサーチして、高電圧制御信号の周波数を確定するという制御は、静電霧化装置５の初期設定の際に自動的に行われる。

上記のようにして各静電霧化装置５毎に確定された高電圧制御信号の周波数は以後、静電霧化装置５の使用に当たっては固定され、静電霧化装置５の使用時は、制御手段４から高電圧発生回路３に出力する高電圧制御信号の周波数を固定し、デューティ比を変化させることで、高電圧発生回路３から出力する高電圧を目標値に到達させるように制御するようになっている。

なお、図１においては、水供給手段２としてペルチェユニット６の例を示したが、ペルチェユニット６以外の冷却手段であってもよい。また、空気中の水分を結露水として水を供給するものに限定されず、タンクのような水溜め部から毛細管現象や重力等を利用して霧化電極に水を供給するようにしてもよい。

また、図１の実施形態では対向電極８を設けた例を示したが、対向電極８を設けない場合であってもよい。

本発明の静電霧化装置の制御ブロック図である。 同上の一実施形態の制御フロー図である。 同上の他の実施形態の制御フロー図である。 同上の高電圧発生回路が持つ固有のピーク周波数をサーチする一例の順序を説明するためのグラフである。

符号の説明

１ 霧化電極
２ 水供給手段
３ 高電圧発生回路
４ 制御手段

Claims (4)

1. 霧化電極と、該霧化電極に水を供給する水供給手段と、前記霧化電極に高電圧を印加する高電圧発生回路とを備え、前記霧化電極に供給された水を前記高電圧の印加によって発生する高電界で静電霧化させる静電霧化装置において、前記高電圧発生回路に固有の周波数に応じて前記高電圧発生回路への周波数出力を制御する制御手段を設けて成ることを特徴とする静電霧化装置。
2. 前記制御手段は、高電圧発生回路に固有のピーク周波数となるように、制御手段からの高電圧制御信号の周波数出力を制御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. 前記制御手段は、高電圧発生回路で出力される高電圧が静電霧化に必要な高電圧が確保されるように、制御手段からの高電圧制御信号の周波数出力を制御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。
4. 前記制御手段は、周波数出力を変化させた際に高電圧発生回路から出力される高電圧に基づいて周波数出力を制御するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の静電霧化装置。
   

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