JP2012232256A - 静電霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気中からの水分の採取量を増加させるとともに、長時間連続使用した場合でもミストを確実に発生させることが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、吸熱側に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。静電霧化装置11は、高電圧を印加し熱交換部13により採取した水分を放電により両端で霧化可能な吸水性の電極15を有する。電極15は、両端へと細くなる。電極15は、上端側が熱交換部13に所定の間隙を介して対向し熱交換部13により採取した水分を吸水する。電極15は、吸水した水分のうちの余剰水を下端側から排出可能である。
【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。

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。

また、水分の採取量を単に増加させた場合、長時間連続運転をする空気清浄機などでは水分が過剰になることがあり、例えば採取した水分を電極に吸収させてミストを発生させる構成とすると、電極中に余剰水が生じ、ミストが発生しなくなることがある。

特許第４３７９５３６号公報 特許第４３２９６７２号公報

本発明が解決しようとする課題は、空気中からの水分の採取量を増加させるとともに、長時間連続使用した場合でもミストを確実に発生させることができる静電霧化装置を提供することである。

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、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。さらに、この静電霧化装置は、両端へと細くなるように形成され、一端側が熱交換部に所定の間隙を介して対向し熱交換部により採取した水分を吸水するとともに、吸水した水分のうちの余剰水を他端側から排出で、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両端で霧化可能な吸水性の電極を有する。

一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状態を示す明図である。 同上静電霧化装置の一部を拡大して示す斜視図である。 同上静電霧化装置の分解斜視図である。 同上静電霧化装置の電極中の水分状態およびミストの発生状態を(a)ないし(h)の順に示す説明図である。 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。

以下、一実施形態の構成を、図面を参照して説明する。

図１ないし図４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、あるいはエアコンディショナなど、長時間に亘り連続運転させる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に配置された採取部材としてのガイド体であるシート体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、ケース体27に取り付けられて固定部である固定台28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。

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。

また、ケース体27は、中央部に四角形状の開口部27aを有する四角形枠状に形成されており、固定台28に対して固定されている。このケース体27の開口部27aには、伝熱板24が嵌合しており、このケース体27の表面27bと伝熱板24の表面24aとが略面一となっている。

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、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、例えば伝熱板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、例えば放熱板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、シート体14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を覆ってケース体27の表面27bに取り付けられており、伝熱板24の表面24aに熱的に接続されている。また、このシート体14の下部には、ケース体27の表面27bの下方へと延びるガイド部である導水部14aが形成されている。この導水部14aは、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の上端部に対して所定の間隙、例えば０．５ｍｍ程度離間されて対向している。したがって、このシート体14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、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、シート体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、一端である上端と、他端である下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。また、この電極15は、固定台28に一体に形成された取付部である取付台38に、垂直上下方向に沿って固定され、上端部がシート体14の導水部14aの下方に対向して水分を受け取る水受け取り部となっており、下端部が余剰水DWを排水(ドレイン)する排水部となっている。そして、この電極15は、シート体14から供給された水分を吸水して、上下両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。したがって、電極15は、上端部が水受け取り部とミスト発生部とを兼ねており、下端部が排水部とミスト発生部とを兼ねている。なお、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、図５に示すように、例えばΔＴ＝−３５℃〜−４０℃程度の熱移動を行うことで、室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Ｌ)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と伝熱板24との間で、他方のペルチェ素子22の放熱面22b、吸熱面22a、一方のペルチェ素子21の放熱面21b、吸熱面21aを介して熱交換が行われる(図５)。この結果、伝熱板24の表面24aに氷結した霜Ｆが０℃(氷点Ｌ)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(例えば第１所定時間よりも短い時間)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、自重によってシート体14の表面14bを伝って導水部14aにより集められつつ、電極15の上端部へと水分Ｗとして供給される。

このとき、図４(a)に示すように、静電霧化装置11の運転初期に最初に供給された水分Ｗは、電極15の上端部に供給され、図４(b)に示すように、電極15の上端部に吸水されて、電極15の含水量が上端部で一時的に多くなる。そして、高電圧印加部35により高電圧が印加されている電極15では、上端部に電界集中が生じて自然放電が起こり、図４(c)に示すように、この電極15の上端部に供給された水分Ｗ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。

この後、図４(d)に示すように、供給された水分Ｗが電極15の全体に浸透することにより、電極15の潤いが失われてミストＭの発生が一旦停止する。この間、図４(e)に示すように、シート体14からは連続的に水分Ｗが供給され、電極15の潤いが増加してゆく。なお、電極15とシート体14の導水部14aとの間に水滴Ｄが介在している間、すなわち電極15とシート体14の導水部14aとが水滴Ｄにより繋がっている間は、電極15の上端部に電極集中が生じないため、ミストＭは発生しない。また、霜Ｆがシート体14から直接剥がれ落ちて電極15に付着した場合でも、ミストＭは発生しない。

そして、図４(f)に示すように、電極15への水分Ｗの供給が進むと、重力の作用によって電極15の下端部の含水量がさらに上昇し、電極15の下端部に電界集中が生じて自然放電が起こり、ミストＭが発生する。

さらに、電極15の含水量が上昇することにより、図４(g)に示すように、電極15の上端部とシート体14の導水部14aとの間に水滴Ｄが介在しない時間帯では、電極15の上端部および下端部のそれぞれからミストＭが連続的に発生する。

また、環境条件によって水分Ｗが大量に採取された場合、電極15の含水量が過剰となるとミストＭが発生しないため、図４(h)に示すように、電極15の下端部から余剰水DWを排水することにより、静電霧化を阻害する状態から脱することができる。

以上説明した一実施形態によれば、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。

しかも、電極15を上下方向に沿わせているため、電極15に供給された水分Ｗのうち、余剰水DWは電極15の下端部から重力により排水(ドレイン)されるので、長時間の連続運転によって水分Ｗの採取量が過剰となっても電極15中の水分Ｗが過剰になることがなく、電極15から確実にミストＭを発生させることができる。

また、吸水性を有する電極15の上端側に対して、熱交換部13の吸熱側に配置されたシート体14の表面14bに採取した水分Ｗを導水部14aによって集めてシート体14から吸水させることで、採取した水分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。

さらに、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。そして、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、上記一実施形態において、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、本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。この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
15 電極
16 制御手段

Claims (2)

1. 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、
   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、
   両端へと細くなるように形成され、一端側が前記熱交換部に所定の間隙を介して対向し前記熱交換部により採取した水分を吸水するとともに、吸水した水分のうちの余剰水を他端側から排出で、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両端で霧化可能な吸水性の電極と
   を具備したことを特徴とした静電霧化装置。
2. 電極は、上下方向に沿って配置され、上端側が前記熱交換部に所定の間隙を介して対向し前記熱交換部により採取した水分を吸水するとともに、吸水した水分のうちの余剰水を下端側から重力により排出可能である
   ことを特徴とした請求項１記載の静電霧化装置。