JP2011152500A - 静電霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電電極に結露水を生成するための冷却能力は確保したうえで、装置全体をコンパクト化することのできる静電霧化装置を提供する。
【解決手段】本発明において放電電極１を冷却する熱交換手段は、対をなす熱電素子２と、熱電素子２の放熱側に機械的且つ電気的に接続される放熱用通電基板３とを備える。放熱用通電基板３は、熱電素子２を半田接合するための実装面３２を入熱面の反対側に有するランド部３０と、ランド部３０とは空隙をあけて位置する基板本体部３１と、ランド部３０と基板本体部３１とを繋ぐ三本のランド支持部３４とから成る。三本のランド支持部３４によって、互いに相違する複数方向からランド部３０を支持する。
【選択図】図１

Description

本発明は静電霧化装置に関し、詳しくは、静電霧化用の水を結露させるための技術に関する。

帯電微粒子水を発生させることのできる静電霧化装置として、冷却により生成した結露水に電圧を印加することによって帯電微粒子水を生成するものが知られている（特許文献１参照）。この静電霧化装置は図１２に示すようなもので、複数対の熱電素子２を両側から回路板５０で挟み込むことによって熱交換ブロック６０を構成している。回路板５０は、絶縁基板５１の片面に回路パターン５２を形成したものであって、一方の回路板５０の回路パターン５２によって熱電素子２の放熱側（図中下側）の端部同士を電気接続させ、他方の回路板５０の回路パターン５２によって熱電素子２の吸熱側（図中上側）の端部同士を電気接続させている。

そして、上記熱交換ブロック６０の吸熱側の回路板５０に高熱伝導性の冷却板７０を接続させ、この冷却板７０上に、放電電極１を立設させている。また、上記熱交換ブロック６０の放熱側の回路板５０に、専用の放熱部材７１を機械的に接続させている。

上記構成の静電霧化装置において、外部電源により熱電素子２への通電を行うと、熱電素子２の吸熱側が回路パターン５２、絶縁基板５１、冷却板７０を経て放電電極１を冷却させ、放電電極１の表面に結露水を生成させる。放電電極１には高圧リード線８０を接続させており、該高圧リード線８０を介して放電電極１表面の結露水に高電圧を印加することで、静電霧化現象によって帯電微粒子水を生成させる。

しかし、上記した従来の静電霧化装置では、装置全体が大型化するという問題がある。というのも、熱交換手段として、上記のように一対の回路板５０で多数の熱電素子２を挟み込んだような大型の熱交換ブロック６０が必要になり、また、この熱交換ブロック６０からの放熱を効率的に行うために、さらに専用の放熱部材７１を配置する必要があるからである。

特開２００６−０００８２６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、結露水を生成するための冷却能力は確保したうえで装置全体をコンパクト化し、衝撃に対する信頼性も確保することのできる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本発明は、放電電極１と、放電電極１を冷却してその表面に結露水を生成する熱交換手段とを備え、放電電極１が保持する結露水に高電圧を印加して帯電微粒子水を生成する静電霧化装置である。上記熱交換手段は、対をなす熱電素子２と、熱電素子２の放熱側に機械的且つ電気的に接続される放熱用通電基板３とを備えたものである。上記放熱用通電基板３は、熱電素子２を半田接合するための実装面３２と入熱面３３を互いに反対側に有するランド部３０と、ランド部３０とは空隙３５をあけて位置する基板本体部３１と、ランド部３０と基板本体部３１とを繋ぐ複数本のランド支持部３４とから成る。複数本のランド支持部３４によって、互いに相違する複数方向からランド部３０を支持している。

本発明の静電霧化装置によれば、熱電素子２に接続した放熱用通電基板３によって、熱電素子２の放熱と通電を共に行う構成であるから、放電電極１を冷却するための熱交換手段、ひいては装置全体が大幅にコンパクト化される。そして、この放熱用通電基板３では、ランド部３０を基板本体部３１からは区画して設けてあるので、ランド部３０上での半田によるセルフアライメント性が確保されるとともに、ランド部３０はランド支持部３４により複数方向から確実に支持しているので、落下時等の衝撃が加わった際の信頼性は確保されている。

また、本発明の静電霧化装置において、上記放熱用通電基板３は、ランド部３０及びその周囲部分を他の部分よりも薄肉に形成したものであることや、ランド支持部３４をランド部３０よりも薄肉に形成したものであることが好ましい。このようにすることで、熱電素子２を半田接合するために入熱面３３側からランド部３０を局所的に加熱するときの、ランド部３０以外の場所への熱リークを、効果的に抑制することができる。

また、上記放熱用通電基板３は、入熱面３３側においてランド支持部３４をランド部３０よりも凹ませることで、ランド支持部３４をランド部３０よりも薄肉化したものであることがさらに好ましい。このようにすることで、半田接合時のランド部３０から周囲への熱リークを、より効果的に抑制することができる。

また、上記放熱用通電基板３は、導電性の振動吸収体３６によりランド支持部３４を形成したものであることや、振動吸収体３７の表面を導電性膜３８で被覆してランド支持部３４を形成したものであることも好ましい。このようにすることで、ランド部３０やこれに接合される熱電素子２の耐衝撃性をさらに向上させることができる。

そして、本発明の静電霧化装置においては、対をなす熱電素子２の吸熱側同士を、放電電極１または放電電極１の表面に形成した回路パターンを介して電気接続させることで、熱電素子２と放電電極１を一体化させてあることが好ましい。このようにすることで、多数の熱電素子２を配置せずとも放電電極１を高効率で冷却することができ、装置全体のさらなるコンパクト化や省エネルギー化が実現される。

本発明の静電霧化装置によれば、熱交換手段として、対をなす熱電素子と、熱電素子の放熱側に機械的且つ電気的に接続される放熱用通電基板とを備え、さらに、放熱用通電基板が有するランド部と基板本体部とを、複数本のランド支持部によって互いに相違する複数方向から繋いでいるので、放電電極に結露水を生成するための冷却能力を確保したうえで装置全体をコンパクト化し、衝撃に対する信頼性も確保することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における第１例の静電霧化装置の要部斜視図である。 同上の静電霧化装置の概略断面図である。 同上の静電霧化装置に備える放熱用通電基板の平面図である。 （ａ）、（ｂ）は同上の放熱用通電基板の変形例を示す平面図である。 （ａ）、（ｂ）は放熱用通電基板の比較例を示す平面図である。 本発明の実施形態における第２例の静電霧化装置に備える放熱用通電基板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図である。 （ａ）、（ｂ）は同上の放熱用通電基板の変形例を示す平面図である。 本発明の実施形態における第３例の静電霧化装置に備える放熱用通電基板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図である。 （ａ）、（ｂ）は同上の放熱用通電基板の変形例を示す側断面図である。 本発明の実施形態における第４例の静電霧化装置に備える放熱用通電基板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図である。 本発明の実施形態における第５例の静電霧化装置に備える放熱用通電基板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図である。 従来の静電霧化装置を示す断面図である。

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、図２には、本発明の実施形態における第１例の静電霧化装置を概略的に示している。本例の静電霧化装置は、熱電素子２をＰ型とＮ型で一対備え、両熱電素子２の吸熱側に、放電電極１を接合させたものである。熱電素子２としては、ＢｉＴｅ系のペルチェ素子を用いる。熱電素子２の配置は一対に限定されず、Ｐ型とＮ型を複数対備えた配置であってもよい。

放電電極１は、平板状の基台部１ａの中央部分から柱状の放電部１ｂを突設した形状であり、真鍮、アルミニウム、銅、タングステン、チタン等の導電性の金属からなる。なお、放電電極１の材質は金属に限定されず、電気伝導性の高い材質であれば、導電性の樹脂、カーボン等の他の材質を用いてもよい。

導電性材料からなる放電電極１の基台部１ａの底面には、各熱電素子２の吸熱側を、半田又は導電性接着剤で直接的に接合させ、放電電極１と各熱電素子２を一体化させている。つまり、対をなす熱電素子２の吸熱側同士が、冷却対象である放電電極１を介して電気接続され、Ｎ型の熱電素子２からＰ型の熱電素子２への通電によって、該放電電極１が冷却される構造である。

一対の熱電素子２のそれぞれの放熱側には、導電性および熱伝導性の材料（例えばアルミニウム、銅等）からなる放熱用通電基板３を一体に接続させている。放熱用通電基板３は、熱電素子２の通電方向（図中の上下方向）がその厚み方向となるように配置した薄板状の部材である。

一対の放熱用通電基板３は、筒状をなす筐体１０の側周壁１０ａに貫通し、熱電素子２が実装される側の端部を、側周壁１０ａで囲まれる収納空間Ｓ内に突出させた状態で、保持される。筐体１０は、絶縁性材料からなる。各放熱用通電基板３の筐体１０から外側に突出した側の端部同士は、直流電源２０を介して電気接続され、熱交換用の電気回路６を形成する。

つまり、筒状をなす筐体１０は、その収納空間Ｓに放電電極１と熱電素子２と放熱用通電基板３の端部とを収容するものであり、筐体１０の底壁部分には、各放熱用通電基板３が有する入熱面３３を外部に露出させる入熱開口部１０ｂを貫設している。入熱面３３は、半田接合用のビーム入射等を行う部分であり、詳しくは後述する。

さらに、本例の静電霧化装置では、放電電極１の放電部１ｂと対向する位置（図中上方の位置）に、対向電極１１を配している。対向電極１１は、中央に放出孔１２を貫通形成したリング状のものである。対向電極１１には、高電圧を印加するための電圧印加部７を電気的に接続させている。対向電極１１は筐体１０により支持してもよいし、筐体１０とは別の構造で支持してあってもよい。

上記構成からなる本例の静電霧化装置においては、以下のようにして帯電微粒子水を生成する。

つまり、直流電源２０によって、放電電極１を通じてＮ型の熱電素子２からＰ型の熱電素子２に電流が流れるように電圧を印加すると、各熱電素子２の吸熱によって放電電極１が直接的に冷却され、該放電電極１の表面上に結露水が生成される。ここで、対向電極１１側に接続させてある電圧印加部７によって、該対向電極１１に対してプラスの高電圧を印加すると、放電電極１と対向電極１１との間に電界が形成される。この電界により、放電部１ｂが保持する結露水に対してマイナスの高電圧が印加され、該結露水を基にして帯電微粒子水が生成される。

このとき、各熱電素子２からの放熱は、各熱電素子２の放熱側に半田接合される放熱用通電基板３を通じて、効率的に行われる。そのため、本例の静電霧化装置では、特別な放熱部材を別途装着することなく、一対の熱電素子２と一対の放熱用通電基板３を機械的且つ電気的に接合させたコンパクトな構造によって、効率的な放熱（ひいては放電電極１の効率的な冷却）が可能になっている。また、放熱用通電基板３を通じての放熱が筐体１０を介しても行われ、さらに効率的な放熱が可能となる。

なお、対向電極１１を備えない場合であっても、放電電極１の結露水に静電霧化現象を生じさせ、帯電微粒子水を生成することは可能である。具体的には、放電電極１、熱電素子２、放熱用通電基板３および直流電源２０をつなぐ電気回路６中に、該回路全体にマイナスの高電圧を印加するための高圧印加部（図示略）を接続する。これによれば、高電圧印加部によって電気回路６全体にマイナスの高電圧を印加したうえで、電気回路６中の直流電源２０によって両熱電素子２間にオフセット電圧を印加し、電流を流すことができる。両熱電素子２間の通電により放電電極１を冷却するとその表面に結露水が生成され、高電圧印加部によって放電電極１に印加されたマイナスの高電圧が、放電電極１表面の結露水に静電霧化現象を生じさせる。

また、対をなす熱電素子２同士を放電電極１自体で電気接続させるのでなく、図示はしないが、例えば絶縁性材料からなる放電電極１の基台部１ａ表面に回路パターンを形成しておき、該回路パターンを介して電気接続させる構成であってもよい。この場合であっても、放電電極１と熱電素子２をコンパクトに一体化させることができる。

以下においては、本例の静電霧化装置が具備する放熱用通電基板３の構成について、さらに詳述する。

図３等に示すように、熱電素子２に対する通電と該熱電素子２からの放熱とを一部材で行う放熱用通電基板３は、平面視にて長尺矩形状の外形を有する。放熱用通電基板３の長手方向端部には、熱電素子２を実装するためのランド部３０を形成している。ランド部３０は、放熱用通電基板３の大部分をなす基板本体部３１よりも幅狭に形成されたものであり、平面視略正方形状の外形を有している。チップ状であるランド部３０の片面側が、熱電素子２の放熱側端部を半田接合する実装面３２となり、もう片面側が入熱面３３となる。つまり、実装面３２と入熱面３３は、ランド部３０の表裏の位置にある。

四辺で囲まれる矩形状のランド部３０と、ランド部３０よりも幅広である基板本体部３１とは、三本のランド支持部３４によって一体に■がれている。三本のランド支持部３４は、互いに相違する三方向からランド部３０を支持するものであり、ここでは、ランド部３０を中心とした放射状にランド支持部３４が形成されている。

基板本体部３１とランド部３０とは、ランド支持部３４を介してのみ連結されており、ランド支持部３４以外の部分では、基板本体部３１とランド部３０の間に空隙３５を形成している。言い換えれば、平面視にて長尺矩形状の外形を有する基板の長手方向一端部に二箇所の空隙３５部分を貫設し、これにより、該基板の一端部にランド部３０とこれを支持する複数本のランド支持部３４を形成し、該基板のそれ以外の部分を基板本体部３１とした構造である。

上記の放熱用通電基板３によれば、ランド部３０すなわち実装面３２を周囲とは区画し、この実装面３２を熱電素子２の接合面（図中の一点鎖線で囲まれる矩形面を参照）に沿った外形としているので、実装面３２上で溶融された半田は、熱電素子２に対してこれを実装面３２の中央位置に寄せるような表面張力を作用させる。つまり、空隙３５を介して周囲と区画した実装面３２上において、半田によるセルフアライメント性が良好に発揮される。しかも、チップ状のランド部３０は複数方向から強固に支持してあるので、落下等で衝撃が加わった際にも、ランド部３０上の熱電素子２に破損が生じることは防止される。

ランド支持部３４は互いに相違する複数方向からランド部３０を支持する構成であればよく、図４（ａ）、（ｂ）に示すように二方向から支持する構成や、或いは四以上の方向から支持する構成であってもよい。なお、いずれの場合も、ランド部３０を囲む複数辺（本例では四辺）のうち一辺３０ａが放熱用通電基板３の端縁の一部を構成するように設け、ランド支持部３４は、ランド部３０を囲む他辺から延設することが好ましい。また、ランド支持部３４は、各他辺の全部分からではなく、その一部分から延設することが好ましい。

図５には、放熱用通電基板３の比較例を示している。図５（ａ）に示す構造では、強度は高いものの、ランド部３０を周囲と区画して設けていないため、熱電素子２を接合する際の半田によるセルフアライメント性が低いという問題がある。また、図５（ｂ）に示す構造ではランド部３０を周囲とは区画しているためセルフアライメント性が確保されるが、一方向からしか支持していないため強度が低く、衝撃に弱いという問題がある。

次に、本発明の実施形態における第２例の静電霧化装置について、図６、図７に基づいて述べる。なお、第２例の基本的構成は第１例と同様であるため、以下においては第２例の特徴的な構成についてのみ詳述する。

図６に示すように、第２例の放熱用通電基板３では、ランド部３０及びその周囲部分を、他の部分よりも薄肉に形成している。具体的には、ランド部３０と、ランド部３０を支持する全てのランド支持部３４と、基板本体部３１のうちランド部３０およびランド支持部３４を囲む一部領域とを、基板本体部３１の他の領域よりも薄肉に設けている。基板本体部３１の上記一部領域と他の領域と境界（図６（ａ）中の点線を参照）は、図示形状に限定されるわけでなく、少なくともランド部３０とランド支持部３４を他より薄肉にするような境界であればよい。

ランド部３０の実装面３２上で熱電素子２を半田接合するにあたっては、筐体１０の入熱開口部１０ｂ（図２等参照）を通じて入熱面３３に高エネルギービームを入射させる等して、実装面３２を加熱して半田を溶融させる。このとき、少なくともランド部３０とこれに連続するランド支持部３４とが薄肉に設けてあることで、半田接合用のビーム入射のように局所的に且つ短時間で加熱された部分から周囲への熱リークが、効果的に抑制される。したがって、より低い入熱量での半田付けが可能となる。

なお、熱リークの抑制と機械的強度確保の両立を考慮すれば、放熱用通電基板３のベースとなる基板の厚み（つまり、基板本体部３１の上記他の領域の厚み）を０．３〜１ｍｍ程度とし、薄肉部分の厚み（つまり、ランド部３０やランド支持部３４の厚み）を該基板の厚みの３０〜７０％程度に設定することが好ましい。

ところで、上記薄肉部分を形成するにあたって、図６（ｂ）では、実装面３２側（図中上側）と入熱面３３側（図中下側）の両方を他部分より凹ませているが、図７（ａ）のように実装面３２側だけを凹ませてもよいし、図７（ｂ）のように入熱面３３側だけを凹ませてもよい。

次に、本発明の実施形態における第３例の静電霧化装置について、図８、図９に基づいて述べる。なお、第３例の基本的構成は第１例と同様であるため、以下においては第３例の特徴的な構成についてのみ詳述する。

図８に示すように、第３例の放熱用通電基板３では、ランド支持部３４を、ランド部３０および基板本体部３１よりも薄肉化している。ランド部３０と基板本体部３１とは同程度の厚みである。

第３例においても第２例の場合と同様に、半田接合用のビーム入射のように局所的に且つ短時間で加熱された部分から周囲への熱リークが、薄肉化されたランド支持部３４が介在することで抑制され、より低い入熱量での半田付けが可能となる。

ところで、上記薄肉部分を形成するにあたって、ランド支持部３４を実装面３２側と入熱面３３側の両方から凹ませているが、図９（ａ）のように実装面３２側からだけ凹ませることや、図９（ｂ）のように入熱面３３側からだけ凹ませることも好適である。図９（ａ）と図９（ｂ）には、ビーム入射時の温度分布を概略的に示しているが、図示のように、入熱面３３側においてランド支持部３４をランド部３０よりも凹ませた場合には、ビーム入射時の熱リークが一層抑制される。なお、実装面３２側においてランド支持部３４をランド部３０よりも凹ませた場合には、実装面３２上での半田によるセルフアライメント性が向上するという利点もある。

本例においても、熱リークの抑制と機械的強度確保の両立を考慮すれば、基板本体部３１やランド部３０の厚みは０．３〜１ｍｍ程度とし、ランド支持部３４の厚みをこれらの３０〜７０％程度に設定することが好ましい。

次に、本発明の実施形態における第４例の静電霧化装置について、図１０に基づいて述べる。なお、第４例の基本的構成は第１例と同様であるため、以下においては第４例の特徴的な構成についてのみ詳述する。

図１０に示すように、第４例の放熱用通電基板３では、各ランド支持部３４を、基板本体部３１やランド部３０とは別部材の振動吸収体３６により形成している。振動吸収体３６は弾性および導電性を有するものであり、具体的には導電性ゴムや導電性多孔質体からなる。各振動吸収体３６は、基板本体部３１やランド部３０に対して導電性接着剤等を用いて接合させる。

本例の放熱用通電基板３によれば、多数のランド支持部３４でランド部３０を多方向から強固に支持し、且つ、各ランド支持部３４自体で振動を吸収することができる。そのため、落下等で衝撃が加わった際にランド部３０上の熱電素子２に破損を生じることが、さらに確実に防止される。

次に、本発明の実施形態における第５例の静電霧化装置について、図１１に基づいて述べる。なお、第５例の基本的構成は第１例と同様であるため、以下においては第５例の特徴的な構成についてのみ詳述する。

図１１に示すように、第５例の放熱用通電基板３では、基板本体部３１とランド部３０とを複数の振動吸収体３７によって複数方向から連結支持させ、各振動吸収体３７の表面を導電性膜３８で被覆することで、各ランド支持部３４を形成している。

振動吸収体３７は、シリコンやウレタンゴム等の弾性を有するものであればよいが、さらに導電性を付与してもよい。導電性膜３８は、部分めっき、スパッタ、蒸着等の方法で成膜することができ、厚みは数μｍ〜数十μｍ程度とすることが好ましい。

導電性膜３８は、図１１（ｂ）のように実装面３２と入熱面３３の両面側に成膜してもよいし、実装面３２側にだけ成膜してもよい。本例では、導電性膜３８を、振動吸収体３７を跨いで基板本体部３１とランド部３０（実装面３２）の両側に至る範囲で被覆させており、導電性膜３８の実装面３２上の部分において、熱電素子２を半田接合させている。熱電素子２を導電性膜３８上に直接接合させる場合には、導電性膜３８の材質を銅、ニッケル、スズ、銀等とすることが好ましい。

以上、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記各例の実施形態に限定されるものではなく、本発明の意図する範囲内であれば、各例において適宜の設計変更を行うことや、各例の構成を適宜組み合わせて適用することが可能である。

例えば、第２例と第３例を組み合わせた場合には、放熱用通電基板３のランド部３０及びその周囲部分を、他の部分よりも薄肉に形成したうえで、さらに、ランド支持部３４をランド部３０よりも薄肉に形成したものとなる。他の組み合わせも、当業者であれば容易に理解されるものである。

１ 放電電極
２ 熱電素子
３ 放熱用通電基板
３０ ランド部
３１ 基板本体部
３２ 実装面
３３ 入熱面
３４ ランド支持部
３５ 空隙
３６ 振動吸収体
３７ 振動吸収体
３８ 導電性膜

Claims (7)

1. 放電電極と、放電電極を冷却してその表面に結露水を生成する熱交換手段とを備え、放電電極が保持する結露水に高電圧を印加して帯電微粒子水を生成する静電霧化装置において、上記熱交換手段は、対をなす熱電素子と、熱電素子の放熱側に機械的且つ電気的に接続される放熱用通電基板とを備えたものであり、上記放熱用通電基板は、熱電素子を半田接合するための実装面と入熱面を互いに反対側に有するランド部と、ランド部とは空隙をあけて位置する基板本体部と、ランド部と基板本体部とを繋ぐ複数本のランド支持部とから成り、複数本のランド支持部によって、互いに相違する複数方向からランド部を支持していることを特徴とする静電霧化装置。
2. 上記放熱用通電基板は、ランド部及びその周囲部分を、他の部分よりも薄肉に形成したもの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. 上記放熱用通電基板は、ランド支持部をランド部よりも薄肉に形成したものである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。
4. 上記放熱用通電基板は、入熱面側においてランド支持部をランド部よりも凹ませることで、ランド支持部をランド部よりも薄肉化したものであることを特徴とする請求項３に記載の静電霧化装置。
5. 上記放熱用通電基板は、導電性の振動吸収体によりランド支持部を形成したものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の静電霧化装置。
6. 上記放熱用通電基板は、振動吸収体の表面を導電性膜で被覆してランド支持部を形成したものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の静電霧化装置。
7. 対をなす熱電素子の吸熱側同士を、放電電極または放電電極の表面に形成した回路パターンを介して電気接続させることで、熱電素子と放電電極を一体化させたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の静電霧化装置。

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