JP2011067739A - 静電霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図るとともに安定してラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成することができる静電霧化装置を提供する。
【解決手段】圧電振動子２０は、複数方向に分極され、少なくとも一つの電極２３を高電圧出力面とするとともに、他の少なくとも一つの電極２２ａ，２２ｂを電力供給面として有し、電力供給のための分極厚みは高電圧出力面を構成する分極厚みよりも短く構成することで供給印加電圧を増幅して高電圧出力面から出力する。霧化部３０は、圧電振動子２０の高電圧出力面に電気的に接続され、圧電振動子２０から交流電圧が伝達される。液体供給部４０は、霧化部３０に液体を供給して霧化部３０の先端３０ａにおいて液体を静電霧化させてラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成させる。霧化部３０は毛細管現象を有する部材よりなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、帯電微粒子ミストを生成するための静電霧化装置に関する。

従来の静電噴霧方式としては、一例として特許文献１においては図１０に示すように、高電圧が印加される放電電極１００と、放電電極１００に対向する対向電極１０１と、放電電極１００に霧化させるべき液体を供給する液体供給手段１０２とを有し、放電電極１００に高電圧を印加させて、供給した液体を霧化させるものがある。

上記のような従来例において、静電霧化装置によるナノメータサイズの帯電微粒子ミストを発生させるメカニズムは、放電電極１００に印加された高電圧により放電電極１００の先端部に供給された液体が帯電し、帯電した液体にクーロン力が働き、放電電極１００の先端に供給保持された液体の液面が、局所的に先端が尖った錐状に盛り上がってテーラーコーンとなり、このテーラーコーンの先端部分に電荷が集中して高密度化され、高密度化された電荷の反発力による液体の分裂・飛散を繰り返して静電霧化を行い、ラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成させるようになっている。

上記帯電微粒子ミストは、帯電により被対象物に引き寄せられる機能のほかに、脱臭、除菌などの効果を有しているが、この脱臭、除菌などの発現は、帯電微粒子ミスト中に含まれるラジカルが主な効果要因として作用していると考えられている。

特開２００７−３１３４６０号公報

ところが、上記従来の静電霧化装置にあっては、放電電極１００に印加する電圧を高くするために、高圧トランスが必要であり、装置が大型となってしまうほか、安定化が課題となっていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、小型化を図るとともに安定してラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成することができる静電霧化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数方向に分極され、少なくとも一つの電極を高電圧出力面とするとともに、他の少なくとも一つの電極を電力供給面として有し、電力供給のための分極厚みは前記高電圧出力面を構成する分極厚みよりも短く構成することで供給印加電圧を増幅して前記高電圧出力面から出力するようにした圧電振動子と、前記圧電振動子の高電圧出力面に電気的に接続され、前記圧電振動子から交流電圧が伝達される霧化部と、前記霧化部に液体を供給して前記霧化部の先端において液体を静電霧化させてラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成させる液体供給手段と、を備えた静電霧化装置であって、前記霧化部が毛細管現象を有する部材よりなることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、圧電振動子において、少なくとも一つの電極を高電圧出力面とするとともに、他の少なくとも一つの電極を電力供給面として有し、電力供給のための分極厚みが高電圧出力面を構成する分極厚みよりも短くなっていることにより、供給印加電圧が増幅されて高電圧出力面から出力される。圧電振動子から交流電圧が霧化部に伝達される。液体供給手段により、霧化部に液体が供給されて霧化部の先端において液体が静電霧化されてラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成させる。

このように、複数に分極した圧電振動子の電圧増幅作用による高い電圧を利用して、ラジカルを有する帯電微粒子ミストを放電により発生させることができ、かつ、小型な装置で行える。また、霧化部が毛細管現象を有する部材よりなるので、霧化部に供給された液体について霧化部において安定して少量の液体を先端に移動させることができ、先端で静電霧化される。

その結果、小型化を図るとともに安定してラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成することができることとなる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の静電霧化装置において、前記霧化部を複数有していることを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、複数の霧化部からラジカルを有する帯電微粒子ミストが生成され、大量にラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成することができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の静電霧化装置において、前記霧化部に対してグランドに接続されたグランド電極を有していることを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、霧化部において生成したラジカルを有する帯電微粒子ミストがグランド電極に向かい、ラジカルを有する帯電微粒子ミストに指向性を持たせることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の静電霧化装置において、前記グランド電極のグランドへの配線に、前記霧化部への前記液体の供給を検知する液体供給検知手段を有することを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、液体供給検知手段により霧化部への液体の供給を検知することができる。

本発明によれば、小型化を図るとともに安定してラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成することができる。

（ａ）は実施形態における静電霧化装置の概略全体構成図、（ｂ）は静電霧化装置の一部拡大図。 （ａ）は実施形態における圧電振動子の斜視図、（ｂ）は圧電振動子の縦断面図。 実施形態における静電霧化装置の一部拡大斜視図。 実施形態における静電霧化装置の一部拡大図。 実施形態における静電霧化装置の波形図。 グランド電極の正面図。 （ａ）は別例の静電霧化装置の一部側面図、（ｂ）は別例の静電霧化装置の一部斜視図、（ｃ）は別例の静電霧化装置の一部斜視図。 別例における静電霧化装置の概略全体構成図。 別例における圧電振動子の斜視図。 背景技術を説明するための静電霧化装置の構成図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。なお、以下に示す各図は帯電微粒子ミストを生成するためのメカニズムを説明する上で必要な構成のみを図示した静電霧化装置の模式図となっており、静電霧化装置におけるその他の構成については図示及び説明を省略している。

図１（ａ）に示すように、静電霧化装置１０は、圧電振動子２０と、霧化部３０と、液体供給手段としての液体供給部４０と、グランド電極５０とを備えている。
液体供給部４０は、液溜め機構としてのタンク４１と、液体供給路としてのパイプ４２と、給水機構としてのポンプ４３を具備している。タンク４１は、図示しないタンクホルダに着脱可能に設けられている。タンク４１内には液体（例えば、水）Ｌが溜められている。パイプ４２は一端がタンク４１に接続され、他端側が霧化部３０の上方に延設されている。パイプ４２の途中にはポンプ４３が設けられ、ポンプ４３の駆動によってタンク４１内の液体Ｌがパイプ４２を介して霧化部３０へ供給されるようになっている。霧化部３０に供給された液体Ｌは、霧化部３０において静電霧化され、ラジカルを有する帯電微粒子ミストが生成されることになる。

図２，３に示すように、圧電振動子２０は、矩形板状の圧電体２１と、一次側電極（入力電極）２２ａ，２２ｂと、二次側電極（出力電極）２３を具備している。圧電体２１は、正電圧効果の高いチタン酸ジルコン酸鉛系材料（ＰＺＴ）からなる。圧電振動子２０の長手方向（図２（ｂ）に示す矢印Ｘの方向）における一方の端面側に二次側電極（出力電極）２３が設けられている。また、圧電振動子２０の長手方向Ｘにおける他方側であって、圧電振動子２０の厚み方向（図２（ｂ）に示す矢印Ｙの方向）における両面には一次側電極（入力電極）２２ａ，２２ｂが設けられている。圧電振動子２０は、その厚み方向Ｙと長手方向Ｘの二方向に分極する構成となっている。ここで、圧電体２１における電極２２ａ，２２ｂに挟まれた部位での厚み方向Ｙの厚みが電力供給のための分極厚みｔ１となるとともに、圧電体２１における電極２３と電極２２ａ，２２ｂとの長手方向Ｘの長さが高電圧出力面Ａ２を構成する分極厚みｔ２となり、ｔ１＜ｔ２となっている。この寸法比（ｔ２／ｔ１）は、入力電圧と出力電圧の略増幅比に相当し、本実施形態では１０〜２０倍程度に設定されている。なぜなら、これ以上にすると出力電圧が２０ｋＶ以上にもなり制御が困難となり、そのため１０〜２０倍とするのが好ましい。

図１（ａ）に示すように、一次側電極２２ａ，２２ｂは電力（交流電圧）を供給する電力供給部２４と電気的に接続されるとともに、電力供給部２４により圧電振動子２０の長手方向Ｘの長さに対応した共振周波数の交流電圧が一次側電極２２ａ，２２ｂへ印加されるようになっている。この交流電圧印加に基づいて、圧電振動子２０の長手方向Ｘに強い機械振動（超音波振動）が生じるとともに、図１（ａ）に二点差線で示す波長１／２λを形成する定在波Ｗ１モードで振動する。なお、本来、定在波は縦波の振動であるが、図１（ａ）においては説明の都合上、横波で図示している。この機械振動により、図５に示すように、電力供給部２４から一次側電極２２ａ，２２ｂへ印加された電圧Ｅ１よりも昇圧された高電圧Ｅ２が二次側電極２３に発生する。つまり、長手方向Ｘに対応した共振周波数の交流電圧を厚み方向Ｙの電極２２ａ，２２ｂから入力すると、長手方向Ｘに強い機械振動が生じる。この振動により長手方向Ｘに構成した高電圧出力面Ａ２となる電極２３からは圧電効果による電荷が発生する。その結果、図５に示すように、入力電圧Ｅ１よりも昇圧された高い電圧Ｅ２が振動とともに発生する。

このように圧電振動子２０は、複数方向（本実施形態では厚み方向Ｙと長手方向Ｘ）に分極され、少なくとも一つの電極２３を高電圧出力面Ａ２とするとともに、他の少なくとも一つの電極２２ａ，２２ｂを電力供給面Ａ１として有し、電力供給のための分極厚みｔ１は高電圧出力面Ａ２を構成する分極厚みｔ２よりも短く構成することで供給印加電圧を増幅して高電圧出力面Ａ２から出力することができるようになっている。

図１（ｂ）、図３および図４に示すように、霧化部３０は先端３０ａが尖状をなし、放電のエネルギーを集中させやすい形状としている。霧化部３０は毛細管現象を有する部材から構成されている。具体的には、霧化部３０の部材としては、多孔質のセラミックやフェルトや焼結金属のように毛細管現象を起こすようなものが用いられている。

霧化部３０は接触部材３５を介して圧電振動子２０の高電圧出力面Ａ２に接触するように設けられている。詳しくは、圧電振動子２０の二次側電極２３の霧化部３０側の面の中央部には接触部材３５の一端が接触し、接触部材３５の他端には霧化部３０が配置され、圧電振動子２０の高電圧出力面Ａ２に電気的に接続されている。そして、圧電振動子２０の二次側電極２３に生じる高電圧は、接触部材３５を通じて霧化部３０に印加される（圧電振動子２０から交流電圧が伝達される）。なお、多孔質のセラミックやフェルトを霧化部３０として用いた場合においては、霧化部３０において液体が供給されて当該液体が接触部材３５に触れると導通することになる。

本実施形態では、霧化部３０と圧電振動子２０とはそれぞれ別個に支持されているとともに、霧化部３０と接触部材３５とが固定され接触部材３５が圧電振動子２０の二次側電極２３に接触されている。接触部材３５は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、銅及びアルミ等の金属材料にて弾性を有するように形成され、圧電振動子２０で生じる機械振動が霧化部３０に伝達されることを抑制する。このため、部品点数を増加させることなく、機械振動が霧化部３０に伝達されることを抑制しながら二次側電極２３にて昇圧された高電圧を霧化部３０に印加可能としている。また、二次側電極２３と接触部材３５とは点接触されているため、圧電振動子２０で生じる機械振動が霧化部３０に伝達されることがより確実に抑制できるようになっている。

また、図１（ａ）に示すように、圧電振動子２０における定在波Ｗ１の節Ｆ１となる位置には、圧電振動子２０を保持する保持部材２５，２６が、圧電振動子２０を厚み方向に挟むように設けられている。保持部材２５，２６は弾性体からなり、圧電振動子２０に対して図示しないボルトによって共締めされるとともに、静電霧化装置における図示しない支持部に支持されている。そのため、圧電振動子２０において長手方向に機械振動が生じるが、圧電振動子２０を挟持する保持部材２５，２６がその定在波Ｗ１の節Ｆ１となる位置に設けられていることで、その節Ｆ１に引張・圧縮応力が集中することが抑制できるようになっている。

グランド電極５０は、図６に示すように円環状をなし、霧化部３０に離間して対向配置されている。グランド電極５０は霧化部３０がその中心に位置するように配置されている。グランド電極５０は配線５０ａによりグランドに接続されている。グランド電極５０により、霧化部３０で発生した霧の電荷の放電方向に指向性を持たせて高効率に静電霧化現象を起こすことができる。また、図６に示すように、電極５０の径、即ち、リング穴径を１ｍｍ〜５ｍｍ程度としている。

次に、静電霧化装置１０の作用を説明する。
圧電振動子２０において電力供給部２４から電極２２ａ，２２ｂに交流電圧が供給されると、寸法比（ｔ２／ｔ１）により入力電圧が増幅し、高電圧出力面Ａ２に高電圧が発生する。そして、高電圧出力面Ａ２に接触部材３５を介して接触させた霧化部３０に高い交流電圧が伝達される。霧化部３０に供給した液体が高い交流電圧により帯電する。詳しくは、霧化部３０とグランド電極５０と間に高電圧が印加されて霧化部３０周りにコロナ放電を生じさせ、タンク４１からパイプ４２を介して霧化部３０の先端３０ａに供給された液体が帯電するとともに、帯電した液体にクーロン力が作用する。さらに、霧化部３０の先端３０ａに供給保持された液体の液面が、局所的に先端が尖った錐状に盛り上がってテーラーコーンとなり、このテーラーコーンの先端部に電荷が集中して高密度化されるとともに、高密度化された電荷の反発力による液体の分裂・飛散（レイリー分裂）を繰り返して静電霧化が行われる。また、霧化部３０が毛細管現象を有する部材よりなるので、霧化部３０に供給された液体について霧化部３０において安定して少量の液体を先端３０ａに移動させることができ、先端３０ａで静電霧化される。そして、電気分解によりラジカルを有するナノメータサイズの帯電微粒子ミストが生成される。

そして、放電により霧化された帯電微粒子水となって空気中に飛散する。このとき、グランド電極５０によりミストの電荷が引き付けられミストが指向性を持って飛散する。つまり、高い電圧により帯電させた帯電微粒子ミストは、この状態で異符号の物体に付着しやすくなるなどの機能をもち、被処理物に対して積極的に付着させて仕事をさせることができるが、電気分解による硝酸や過酸化水素等、脱臭や除菌の効果をもつラジカル成分は少なく、大地などに向かって無作為に放電されることでラジカル成分を多く保有する機能ミストとなっている。高効率に被処理部に向けたミスト内で電気分解を起こさせてラジカルを生成させるために、高い電圧で帯電させた微粒子水をグランド電位の電極５０へ向けて放電させる。特に、本実施形態においては、グランド電位の電極５０はリング状に構成し、発生した霧の大部分が通過できるよう、噴霧口の近傍に設置し、放電部（霧化部３０）に対向させており、より好ましいものとなっている。また、図６に示すように、電極５０の径、即ち、リング穴径を１ｍｍ〜５ｍｍ程度としており、より好ましいものとなっている。これにより、霧化部３０の先端３０ａ（霧化作用部）から発生したミストを確実に被処理部の方向へ向けて霧化させることができ、霧化によりラジカルを積極的に生成でき、帯電微粒子ミストにラジカルによる脱臭や除菌の効果を持たせることができる。

生成された帯電微粒子ミストは、グランド電極５０内を通って所望箇所に向けて（図１に示すＸ１矢印方向に向けて）移送される。ラジカルを含んだ帯電微粒子ミストは、脱臭や除菌、アレルゲン不活性化効果、農薬分解効果、有機物分解（汚れ除去）等の効果があり、具体的には、例えば、健康や美容効果が得られる。

以上のごとく本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）圧電振動子２０の高電圧出力面Ａ２に接触部材３５を介して霧化部３０を接触させ、圧電振動子２０からの高い電圧を伝達させ、静電霧化することにより、圧電振動子２０から発生する高電圧と機械振動のうち、高電圧のみを取り出し、霧化部３０へ伝達させることができる。また、霧化部３０が毛細管現象を有する部材よりなり、霧化部３０に供給された液体について霧化部３０において安定して少量の液体を先端に移動させることができ、先端３０ａで静電霧化される。よって、従来の方式と異なり、小型な圧電振動子を用いて高い電圧を発生することができ、その発生した電圧を霧化部３０へ高効率に伝達させ、小型化を図るとともに大量に安定してラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成することができる。

（２）霧化部３０に対してグランドに接続されたグランド電極５０を有しているので、霧化部３０において生成したラジカルを有する帯電微粒子ミストがグランド電極５０に向かい、ラジカルを有する帯電微粒子ミストに指向性を持たせることができる。よって、霧化部３０の先端３０ａ（霧化作用部）から発生した帯電霧を確実に被処理部の方向へ向けて霧化させることができ、霧化によりラジカルを積極的に生成でき、帯電微粒子水のラジカルによる脱臭や除菌の効果を持たせることができる。これにより、性能や利便性を向上させる上で好ましい。

なお、上記実施形態は下記のように変更してもよい。
・図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、霧化部３０を複数設けて、複数の霧化部３０からラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成して大量にラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成するようにしてもよい。図７（ａ）においては接触部材３５の長さ方向に霧化部３０を一直線上に複数並設している。図７（ｂ）においては接触部材３５として先端が円板状のものを用い、円板部に霧化部３０を複数配置している。図７（ｃ）においては圧電振動子２０の電極２３（高電圧出力面Ａ２）に接触部材３５を多数接触させ、各接触部材３５の先端部に霧化部３０を各々設けている。

このようにして霧化部３０を複数有する静電霧化装置１０とすることによって、小型な圧電振動子２０を用いて高い電圧を発生することができ、その発生した電圧を霧化部３０へ伝達させ、大量かつ安定してラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成することができる。

・図８に示すように、グランド電極５０のグランドへの配線５０ａの途中に液体供給検知器５１を設けてもよい。霧化部３０に液体が存在するときには霧化現象が起こり、グランドに電流が流れる。これを液体供給検知器５１で検出することにより液体供給の必要性を検知することができる。このように、グランド電極５０のグランドへの配線５０ａに、霧化部３０への液体の供給を検知する液体供給検知手段としての液体供給検知器５１を有することによって、霧化部３０への液体の供給を制御（液体の量を制御）することができ、効率よく帯電微粒子水を生成することができる。これにより、性能や利便性を向上させる上で好ましいものとなる。

・図２（ａ）においては圧電振動子２０は全体形状として矩形板状をなしていたが、これに代わり、図９に示すように、対向する電極２２ａ，２２ｂの無い部位をテーパ形状にしてもよい。この場合において、圧電振動子２０の長手方向における定在波Ｗ１の節Ｆ１から二次側電極２３にかけての両側面は、二次側電極２３側へ向かうにつれて曲線状に縮幅する構成とすることにより、二次側電極２３側の圧電振動子２０の短手方向の幅Ｈ１は、定在波Ｗ１の節Ｆ１にあたる圧電振動子２０の短手方向の幅Ｈ２よりも短くなっているため、二次側電極２３側へ向かうにつれて圧電振動子２０の断面積が減少し、より効率よく二次側電極２３に昇圧された高電圧の発生が可能となる。

・霧化部３０は先端が尖状のものを用いたが、細い棒状のものを用いてもよい。
・液体を供給するためにポンプ４３を用いたが、例えば毛細管現象によりタンク４１に溜めた液体を霧化部３０に供給するようにしてもよい。

・図１（ａ）においてＬ１０で示す経路でファン等により霧化部３０に空気を送り、霧化部３０で霧化されたミストを所望の箇所に移送させるようにしてもよい。
・圧電振動子２０の圧電体２１はチタン酸ジルコン酸鉛系材料（ＰＺＴ）を用いて構成したが、他の圧電体を用いて圧電振動子２０を構成してもよい。

・液体供給手段として、空気中の水分を結露させて霧化部３０に供給する構成としてもよい。
・グランド電極５０は、リング状のものを用いたが、網目状のものを用いてもよい。

・実施形態において、グランド電極５０は霧化部３０と対向するように設けられたが、これに限らず、グランド電極５０の配置位置は特に限定されない。また、グランド電極５０に相当する部分を帯電除去板や静電霧化装置１０のハウジングで構成してもよい。

１０…静電霧化装置、２０…圧電振動子、２２ａ，２２ｂ…電極、２３…電極、３０…霧化部、３０ａ…先端、４０…液体供給手段として液体供給部、５０…グランド電極、５１…液体供給検知手段としての液体供給検知器、Ａ１…電力供給面、Ａ２…高電圧出力面。

Claims (4)

1. 複数方向に分極され、少なくとも一つの電極を高電圧出力面とするとともに、他の少なくとも一つの電極を電力供給面として有し、電力供給のための分極厚みは前記高電圧出力面を構成する分極厚みよりも短く構成することで供給印加電圧を増幅して前記高電圧出力面から出力するようにした圧電振動子と、
   前記圧電振動子の高電圧出力面に電気的に接続され、前記圧電振動子から交流電圧が伝達される霧化部と、
   前記霧化部に液体を供給して前記霧化部の先端において液体を静電霧化させてラジカルを有する帯電微粒子ミストを生成させる液体供給手段と、
   を備えた静電霧化装置であって、
   前記霧化部が毛細管現象を有する部材よりなることを特徴とする静電霧化装置。
2. 前記霧化部を複数有していることを特徴とする請求項１に記載の静電霧化装置。
3. 前記霧化部に対してグランドに接続されたグランド電極を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の静電霧化装置。
4. 前記グランド電極のグランドへの配線に、前記霧化部への前記液体の供給を検知する液体供給検知手段を有することを特徴とする請求項３に記載の静電霧化装置。

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