JP2012121008A

JP2012121008A - 静電霧化装置

Info

Publication number: JP2012121008A
Application number: JP2010276032A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Suzuki; 仁鈴木
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Consumer Electronics Holdings Corp; Toshiba Home Appliances Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Lifestyle Products and Services Corp
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】水分を採取できる環境条件を広げ、空気中からの水分の採取量を増加できる静電霧化装置を提供する。
【解決手段】静電霧化装置11は、吸熱側と放熱側とを備え、熱交換により吸熱側に空気中の水分を採取する熱交換部13を有する。静電霧化装置11は、高電圧が印加され、熱交換部13により採取した水分を自然放電により霧化する電極15を有する。静電霧化装置11は、吸熱側に空気中の水分を氷結させる第１状態と、氷結させた水分を解凍させる第２状態とを周期的に交互に繰り返すように熱交換部13を制御する制御手段16を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、空気中から採取した水分を電極からの放電により霧化する静電霧化装置に関する。

従来、この種の静電霧化装置は、熱電素子としてのペルチェ素子と、高電圧が印加される電極とを備えている。そして、一般に、気温が低いほど空気の保水量は小さくなるため、ペルチェ素子の吸熱側の温度を相対的に下げることにより空気中の水分を結露させ、その結露させた水分を電極に供給することで、この水分を、ラジカルを含むミストヘと霧化して空気中へと飛散させ、脱臭および除菌などを行うように構成されている。

特許第４３７９５３６号公報特許第４３２９６７２号公報

ペルチェ素子の吸熱によって空気中の水分を結露させる場合、例えば冬などの周囲の温度が低い環境下では、空気の保水量が小さいだけでなく、ペルチェ素子の冷却によって空気が氷点下に冷却されると水分が凍ってしまい、水分を採取できなくなるなど、水分を採取することが容易でない。

したがって、周囲温度が低い環境下などでも、空気中から水分をより効果的に採取できる構成が望まれている。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、水分を採取できる環境条件を広げ、空気中からの水分の採取量を増加できる静電霧化装置を提供することを目的とする。

実施形態の静電霧化装置は、吸熱側と放熱側とを備え、熱交換により吸熱側に空気中の水分を採取する熱交換部を有する。また、この静電霧化装置は、高電圧が印加され、熱交換部により採取した水分を放電により霧化する電極を有する。さらに、この静電霧化装置は、吸熱側に空気中の水分を氷結させる第１状態と、この氷結させた水分を解凍させる第２状態とを周期的に交互に繰り返すように熱交換部を制御する制御手段を有する。

第１の実施形態の静電霧化装置を模式的に示し、(a)は熱交換部の第１状態を示す説明図、(b)は熱交換部の第２状態を示す説明図である。同上静電霧化装置の熱交換部の温度制御の一例を示すグラフである。第２の実施形態の静電霧化装置を模式的に示し、(a)は熱交換部の第１状態を示す説明図、(b)は熱交換部の第２状態を示す説明図である。同上静電霧化装置の一部を拡大して示す説明図である。

以下、第１の実施形態の構成を、図面を参照して説明する。

図１において、11は静電霧化装置を示し、この静電霧化装置11は、ＯＨラジカルなどのラジカルを含むピコサイズないしナノサイズの微細なミストＭを発生するものである。そして、この静電霧化装置11は、例えば空気清浄機、エアコンディショナ、あるいは電池式の電気掃除機の充電器など、各種電気機器に好適に用いられるものである。

静電霧化装置11は、熱交換ユニットである熱交換部13と、この熱交換部13の下方に配置された水溜め部14と、長手状の電極15と、熱交換部13の動作を制御する制御手段16とを備えている。

熱交換部13は、複数、例えば２つの(一方および他方の)熱電素子としてのペルチェ素子21，22を備える熱電素子モジュールであるペルチェモジュール23と、伝熱部材である伝熱板24と、放熱部材(ヒートシンク)である放熱板25と、冷却手段である冷却ファン26とを有しており、固定部である図示しない固定台に固定されている。

一方のペルチェ素子21は、(一方の)吸熱側である四角形状の(一方の)吸熱面21aを一側に備え、(一方の)放熱側である四角形状の(一方の)放熱面21bを他側に備え、制御手段16に電気的に接続されている。また、この一方のペルチェ素子21は、吸熱面21aおよび放熱面21bが垂直上下方向に沿うように配置されている。

また、他方のペルチェ素子22は、(他方の)吸熱側である四角形状の(他方の)吸熱面22aを一側に備え、(他方の)放熱側である四角形状の(他方の)放熱面22bを他側に備え、制御手段16に電気的に接続されている。また、この他方のペルチェ素子22は、吸熱面22aおよび放熱面22bが垂直上下方向に沿うように配置されている。さらに、この他方のペルチェ素子22の吸熱面22aおよび放熱面22bは、一方のペルチェ素子21の吸熱面21aおよび放熱面21bよりもそれぞれ面積が大きく形成されている。

そして、これらペルチェ素子21，22は、一方のペルチェ素子21の放熱面21bと他方のペルチェ素子22の吸熱面22aとを順次熱的に接続するように配置されている。さらに、各ペルチェ素子21，22は、制御手段16により駆動制御されることにより、ペルチェ効果によって、吸熱面21a，22aから吸収した熱を放熱面21b，22bから放出できるように構成されている。

また、伝熱板24は、例えばアルミニウムなどの伝熱性が良好な部材により四角形状に形成されており、一方のペルチェ素子21の吸熱面21aに熱的に接続されている。さらに、この伝熱板24は、例えば一方のペルチェ素子21の吸熱面21a(および放熱面21b)と略同等、あるいはそれらよりも大きい四角形状に形成されている。

また、放熱板25は、例えばアルミニウムなどの放熱性が良好な部材により形成されており、他方のペルチェ素子22の放熱面22bに熱的に接続されている。

さらに、冷却ファン26は、放熱板25を冷却することでペルチェ素子21，22による熱移動を補助するものであり、放熱板25に対して他方のペルチェ素子22と反対側、すなわち放熱板25の他側に位置しており、制御手段16に電気的に接続され、この制御手段16により駆動制御されている。すなわち、この冷却ファン26は、放熱板25とともに、ペルチェ素子21，22による熱移動(熱交換)を補助する、熱交換補助部を構成している。

そして、熱交換部13は、一方のペルチェ素子21の吸熱面21aから放熱面21bへと熱移動するとともに、他方のペルチェ素子22の吸熱面22aから放熱面22bへと熱移動し、さらに、放熱板25および冷却ファン26によって放熱することで、全体として、伝熱板24の一方のペルチェ素子21の吸熱面21aと反対側の表面24aを吸熱側とし、放熱板25を放熱側として、吸熱側から放熱側へと熱移動をするように構成されている。

なお、ペルチェ素子21，22は、防湿のためにシールされていることが好ましい。また、伝熱板24の表面24aには、防湿も兼ねて、シート状の結露子を熱的に接続してもよい。さらに、上記伝熱板24、放熱板25、および、冷却ファン26の少なくともいずれかは、ペルチェ素子21，22により充分に吸熱(冷却)および放熱できれば、必須の構成ではない。したがって、伝熱板24を設けない場合には、一方のペルチェ素子21の吸熱面21aが熱交換部13の吸熱側となり、放熱板25あるいは冷却ファン26を設けない場合には、他方のペルチェ素子22の放熱面22bが熱交換部13の放熱側となる。いずれにしても、一方のペルチェ素子21の吸熱面21aに熱的に等価な部分を熱交換部13の吸熱側とし、他方のペルチェ素子22の放熱面22bに熱的に等価な部分を熱交換部13の放熱側とすればよい。

また、水溜め部14は、熱交換部13の一方のペルチェ素子21の吸熱面21aの下方に配置されており、この吸熱面21aから重力落下した水分Ｗが溜められるように構成されている。この水溜め部14は、吸熱面21aの下方に配置された集水部31と、この集水部31の下方に位置するタンク部32と、このタンク部32から電極15の基端部へと水分Ｗを供給する管状の給水部33とを備えている。

集水部31は、タンク部32の上端部に配置されており、下方へと徐々に傾斜した傾斜面31aを上方に有し、この傾斜面31aが例えばタンク部32の中央に向けて配置されている。

また、電極15は、多孔質の部材により形成され吸水性を有する吸水性電極であり、水溜め部14から水分Ｗが供給されるように構成されている。さらに、この電極15は、先端側が縮径された、先細の形状に形成されており、高電圧印加部35と電気的に接続され、この高電圧印加部35によって、例えば０〜−４ｋＶ、好ましくは−６ｋＶ程度の負の直流電圧が印加されている。そして、この電極15は、水溜め部14から供給された水分を吸い上げて、先端側からの自然放電によってＯＨラジカルを含むピコサイズないしナノサイズの微細なミストＭを発生するように構成されている。なお、この電極15は、例えば先端側に対向電極を配置し、この対向電極との間に高電圧を印加するように構成してもよい。また、電極15は、模式的に１本のみを図示するが、複数本あっても構わない。

そして、制御手段16は、例えばマイコンなどの制御装置であり、ペルチェ素子21，22、冷却ファン26、および、高電圧印加部35の駆動を制御している。

具体的に、制御手段16は、電気機器の起動、あるいは所定のスイッチの操作などに伴って静電霧化装置11が起動されると、ペルチェ素子21，22に流れる電流を制御することで、熱交換部13は、一方のペルチェ素子21の吸熱面21aから吸熱するとともに放熱面21bから放熱するとともに、この放熱面21bからの放熱を他方のペルチェ素子21の吸熱面22aから吸熱するとともに放熱面22bから放熱する。さらに、制御手段16が冷却ファン26に流れる電流を制御することで、放熱面22bからの放熱を放熱板25により外気中に放熱するとともに、冷却ファン26によって放熱板25側から空気を吸引してその反対側へと外気へと流すことで、より効率よく吸熱する。この結果、各ペルチェ素子21，22は、それぞれ例えば−２０℃程度の熱移動を行い、熱交換部13としては、例えば−３５℃〜−４０℃程度の熱移動を行うことで、外気温に対して急速な温度差を生じさせ(第１状態)、外気に含まれる水分Ｗが０℃(氷点)以下まで冷却されて伝熱板24の表面24aに霜(氷)Ｆが氷結する(図１(a))。

そして、制御手段16は、上記のように霜Ｆが氷結するように、熱交換部13を第１状態で第１所定時間T1(例えば３分程度)駆動させた後、例えばペルチェ素子21，22および冷却ファン26に供給する電流を遮断してこれらペルチェ素子21，22および冷却ファン26の駆動を停止させることで、図１(b)に示すように、伝熱板24の表面24aに氷結した霜Ｆを解凍して水分Ｗとする(第２状態)。

すなわち、ペルチェ素子21，22および冷却ファン26の停止により、放熱板25に残留した熱が他方のペルチェ素子22の放熱面22bへと移動し、この他方のペルチェ素子22を介して吸熱面22aへと移動するとともに、この吸熱面22aから一方のペルチェ素子21の放熱面21bへと移動し、さらに一方のペルチェ素子21を介して吸熱面21aへと移動して、伝熱板24が放熱板25と略等しい温度へと徐々に復帰する。なお、放熱板25は自然冷却されて、外気温へと徐々に復帰する(図２)。この結果、伝熱板24の表面24aに氷結した霜Ｆが０℃(氷点)以上の温度となることで解凍されて水滴Ｄとなる。

制御手段16は、この第２状態を第２所定時間T2(例えば第１所定時間T1よりも短い時間)継続した後、上記第１状態に復帰させる。このように、制御手段16は、第１状態と第２状態とを交互に繰り返すように熱交換部13を制御することにより、伝熱板24の表面24aには、図１(a)および図１(b)の想像線にそれぞれ示すように、霜Ｆおよび水滴Ｄが徐々に大きく成長する。

そして、ある程度大きく成長した水滴Ｄは、自重によって伝熱板24の表面24aから落下し、その落下した水分Ｗは、集水部31を介して水溜め部14のタンク部32に溜められ、このタンク部32から、給水部33を介して電極15の基端部へと供給される。

この電極15は、供給された水分Ｗを先端側へと吸い上げ、高電圧印加部35により印加された高電圧によって電極15の先端側に電界集中が生じて自然放電が起こり、この電極15の先端側に吸い上げた水分の表面張力を超える電気作用によりピコサイズないしナノサイズ(５００ｐｍ〜５，０００ｐｍ程度)の目に見えないミストＭが分裂して飛散し、外気中に放出され、脱臭および除菌などを行う。

なお、水溜め部14に水分Ｗが溜まっていない場合、静電霧化装置11の起動後、水分Ｗが伝熱板24の表面24aから滴下するまでの間は、ミストＭを発生することができないものの、一旦水分Ｗが滴下する程度まで伝熱板24の表面24aに水滴Ｄが成長した後は、熱交換部13から水分Ｗが電極15へと順次供給されるようになり、ミストＭを連続発生させることができる。また、図１(a)においては、便宜的にミストＭを図示していないが、水溜め部14に水分Ｗが充分に溜まっていれば、熱交換部13が第１状態であるか第２状態であるかに拘らず、電極15からはミストＭを発生させることができる。

このように、上記第１の実施形態によれば、吸水性を有する電極15に対して、熱交換部13の吸熱側に採取した水分Ｗを重力により水溜め部14に集めて吸水させることで、採取したわずかな水分Ｗを効率よく電極15に供給でき、ミストＭを確実に発生させることができる。

次に、第２の実施形態を、図３および図４を参照して説明する。なお、上記第１の実施形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

この第２の実施形態は、上記第１の実施形態の水溜め部14に代えて、図３に示す採取部材としてのシート体41を備えるものである。

このシート体41は、撥水性を有する部材によりシート状に形成され、伝熱板24の表面24aを覆っており、この表面24aに熱的に接続されている。また、このシート体41の下部には、伝熱板24の表面24aの下方へと延びる導水部41aが形成されている。この導水部41aは、図４に示すように、先端側である下端側ほど幅狭、すなわち先細に形成されており、伝熱板24の下方に垂直上下方向に沿って位置する電極15の先端に対向している。したがって、このシート体41は、伝熱板24の表面24aに採取した水分Ｗを集めつつ、重力により下方へと導くように構成されている。

また、電極15は、熱交換部13を固定する固定部である固定台42に一体に形成された取付部である取付台43に、垂直上下方向に沿って固定されている。さらに、この電極15は、上端である先端と、下端である基端とのそれぞれが中間部に対して徐々に細くなるように形成されている。

そして、上記第１の実施形態と同様に、制御手段16が図３(a)に示す第１状態と図３(b)に示す第２状態とを交互に繰り返すように熱交換部13を制御することで、シート体41の表面41bに霜Ｆおよび水滴Ｄが徐々に大きく成長し、ある程度大きく成長した水滴Ｄは、自重によってシート体41の表面41bを伝って導水部41aにより集められつつ、電極15の先端部へと供給される。

さらに、電極15は、高電圧印加部35により印加された高電圧によって電極15の先端側に電界集中が生じて自然放電が起こり、この電極15の先端側に供給された水分の表面張力を超える電気作用によりピコサイズないしナノサイズ(５００ｐｍ〜５，０００ｐｍ程度)の目に見えないミストＭが分裂して飛散し、外気中に放出され、脱臭および除菌などを行う。また、電極15は、先端部に供給された水分Ｗの一部を吸水し、基端部(下端部)の先端側からもミストＭを発生させることができる。

このように、上記第２の実施形態によれば、吸水性を有する電極15の先端側に対して、熱交換部13の吸熱側に配置されたシート体41の表面41bに採取した水分Ｗをシート体41から吸水させることで、採取したわずかな水分Ｗを効率よく電極15に供給でき、ミストＭを確実に発生させることができる。

また、シート体41は、水分Ｗを重力により集めて電極15に供給する導水部41aを備えることで、より効率よく電極15に吸水させることができる。

なお、上記第２の実施形態において、シート体41に導水部41aを設ける代わりに、シート体41の表面41bの近傍に電極15の先端、あるいは基端などを位置させて、熱交換部13の吸熱側に位置するシート体41の表面41bに採取した水分Ｗを電極15に直接吸水させるようにしてもよい。

そして、以上説明した上記各実施形態によれば、吸熱側に空気中の水分を氷結させる第１状態と、この氷結させた水分を解凍させる第２状態とを周期的に交互に繰り返すように熱交換部13を制御することにより、例えば空気中の保水量が相対的に少ない冬などの、低気温・低湿度条件下などでも空気中の水分を採取でき、水分を採取できる環境条件を広げることが可能になるとともに、気温が低いほど空気の保水量は小さいことから、霜Ｆとなるまで、すなわち、より低い温度まで熱交換部13によって空気を冷却することで、より多くの水分Ｗが熱交換部13に氷結するようになり、この氷結した霜Ｆを解凍することにより、空気中からの水分Ｗの採取量を増加できる。

そして、使用者が水分Ｗを外部から補給することなく、空気中から自動的に水分Ｗを採取してミストＭを発生させるため、使い勝手がよい。

また、熱交換部13が、放熱側と冷却側とを順次熱的に接続した複数、例えば２つのペルチェ素子21，22を備えることにより、単独のペルチェ素子で熱移動(熱交換)を行う場合と比較して、各ペルチェ素子21，22の負荷(熱ストレスなど)を軽減できる。さらに、ペルチェ素子の吸熱側と放熱側との温度差が大きい場合、放熱側の熱が吸熱側に影響して吸熱(冷却)効率が低下するおそれがあるものの、上記各実施形態では、個々のペルチェ素子21，22の吸熱面21a，22aと放熱面21b，22bとの温度差が必要以上に大きくなることがないため、冷却効率が低下しにくい。

なお、上記各実施形態において、制御手段16は、熱交換部13を停止させることで第２状態としたが、熱交換部13の吸熱側に霜Ｆとして採取した水分を解凍できれば、熱交換部13を任意に制御してもよい。例えば、制御手段16は、ペルチェ素子21，22に流す電流の向きを、第１状態のときと反対にすることで、ペルチェ素子21，22の放熱面21b，22bから吸熱面21a，22aへと熱移動させて、熱交換部13の吸熱側に霜Ｆとして採取した水分をより積極的に解凍するように構成することなども可能である。

また、熱交換部13は、吸熱側に霜Ｆを氷結させることができれば、ペルチェ素子は単独でもよく、また、３つ以上のペルチェ素子を、放熱側と冷却側とを熱的に順次接続して用いてもよい。

さらに、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

11 静電霧化装置
13 熱交換部
14 水溜め部
15 電極
16 制御手段
21，22 熱電素子としてのペルチェ素子
41 採取部材としてのシート体

Claims

吸熱側と放熱側とを備え、熱交換により吸熱側に空気中の水分を採取する熱交換部と、
高電圧が印加され、前記熱交換部により採取した水分を放電により霧化する電極と、
吸熱側に水分を氷結させる第１状態と、この氷結させた水分を解凍させる第２状態とを周期的に交互に繰り返すように前記熱交換部を制御する制御手段と
を具備したことを特徴とした静電霧化装置。
電極は、吸水性を有し、
熱交換部の吸熱側に採取した水分を重力により集め、前記電極に吸水させる水溜め部を具備した
ことを特徴とした請求項１記載の静電霧化装置。
電極は、吸水性を有し、
熱交換部の吸熱側に採取した水分を前記電極の先端側に吸水させる採取部材を具備した
ことを特徴とした請求項１記載の静電霧化装置。
熱交換部は、放熱側と冷却側とが順次熱的に接続された複数の熱電素子を備えている
ことを特徴とした請求項１ないし３いずれか一記載の静電霧化装置。