JP4232713B2

JP4232713B2 - 静電霧化装置

Info

Publication number: JP4232713B2
Application number: JP2004247494A
Authority: JP
Inventors: 康彦末廣; 秀雄中西; 幹夫品川; 洋須田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: JP2006061833A

Description

本発明は、静電霧化装置に関するものである。

従来から、液体を静電霧化させる静電霧化装置が知られており、例えば、空気清浄機（例えば、特許文献１参照）、インクジェットプリンタ（例えば、特許文献２参照）、静電塗装装置、質量分析計等に応用されている。静電霧化装置は、液体表面の電界が大きくなると表面に働く静電気力によって液体が微粒子化する、いわゆる静電霧化現象を利用して液体を霧化させる装置である。図５に示されるように、このような静電霧化装置１０１は、霧化させる液体Ｗを溜める液溜め部１０２と、この液溜め部１０２の液体Ｗを液溜め部１０２の外部に位置する先端１３０側に搬送する搬送部１０３と、液体Ｗに電圧を印加する液印加電極１０４と、搬送部１０３の先端１３０に対向するように、且つ、搬送部１０３に触れないように配置された対向電極１０５と、液印加電極１０４と対向電極１０５の間に電圧を印加する電圧印加部１０６等により構成され、液体Ｗと対向電極１０５の間に所定電圧（２〜１０ｋＶ）を印加させることにより搬送部１０３の先端１３０から液体Ｗを静電霧化させる（以下、このように静電霧化させる際の電圧を静電霧化電圧という）。
特開２００４−８５１８５号公報特開昭６３−９９９５２号公報

ところで、図５に示されるように、静電霧化開始時の搬送部１０３の先端１３０には、表面張力により凹形状を有する液界面Ｉが形成される。このため、従来の静電霧化装置１０１においては、静電霧化開始時に静電霧化電圧を瞬時に印加すると、搬送部１０３が金属又は導電性セラミック（搬送部１０３を形成した際の電気抵抗が、搬送部１０３内部に存在する液体Ｗの電気抵抗に比べ同等以下となるような体積抵抗を有するセラミック）等の電気伝導性を有する材料により形成されていた場合、液体Ｗが静電気力によりテイラーコーンを形成して液体Ｗから放電する前に、搬送部１０３の先端１３０（特に、突起、角部等）に電界集中が起き、搬送部１０３からコロナ放電が生じることがあった。このため、液体Ｗを静電霧化させる際に、液体Ｗからの放電が起きない又は、安定的に起きないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、静電霧化電圧印加時に搬送部からの放電を防止して、安定した噴霧を得ることができる静電霧化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、霧化させる液体を溜める液溜め部と、導電性があり且つ前記液体を搬送するための毛細管構造を有する搬送部と、前記搬送部に電圧を印加する液印加電極と、前記搬送部の先端に対向するように、且つ、搬送部に触れないように配置された対向電極と、前記液印加電極と前記対向電極との間に電圧を印加する電圧印加部とを備えた静電霧化装置において、前記電圧印加部は、印加電圧により前記搬送部の先端から液体を静電霧化させる前に、印加電圧による電気力により、前記搬送部の先端の液界面が搬送部の最先端を越える位置に凸状に変形する電圧を印加し、その後に液体を静電霧化させる電圧に切り替える制御機能を有したことを特徴とする。

本発明の請求項２は、霧化させる液体を溜める液溜め部と、導電性があり且つ前記液体を搬送するための毛細管構造を有する搬送部と、前記搬送部に電圧を印加する液印加電極と、前記搬送部の先端に対向するように、且つ、搬送部に触れないように配置された対向電極と、前記液印加電極と前記対向電極との間に電圧を印加する電圧印加部とを備えた静電霧化装置において、前記電圧印加部は、無電位状態から徐々に静電霧化電圧まで昇圧する機能を持ち、且つ、無電位状態から前記静電霧化電圧に到達するまでに、前記搬送部の先端に凸状の液界面を形成することができるように昇圧勾配を制御する機能を持つことを特徴とする。

本発明によれば、液体を静電霧化させる際、液印加電極と対向電極の間の電圧を制御して、搬送部の先端の液界面を凸状に変化させた後に、液体を静電霧化させるので、放電開始時に凸状に変形した液界面に電界が集中し易くなる。このため、液体を静電霧化させる際に、安定的に液体から放電させることができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る静電霧化装置について、図１乃至図３を参照して説明する。静電霧化装置１は、液体表面の電界が大きくなると表面に働く静電気力によって液体が微粒子化する、いわゆる静電霧化現象を利用して液体を霧化させる装置であり、霧化させる液体Ｗを溜める液溜め部２と、導電性があり且つ液体Ｗを搬送するための毛細管構造を有する搬送部３と、この搬送部３に電圧を印加する液印加電極４と、搬送部３の先端３０に対向するように、且つ、搬送部３に触れないように配置された対向電極５と、液印加電極４と対向電極５との間に電圧を印加する電圧印加部６とを備えている。

液溜め部２には水等の液体Ｗが収容されており、この液体Ｗと接する位置に、搬送部３の下部が配置されている。搬送部３は、例えば、金属又は導電性セラミック等の導電性を有する材料により形成されており、液体Ｗを液溜め部２の外部に位置する先端３０側に搬送するための連通した穴、スリット、又は多孔質体等の毛細管構造を有している。このような搬送部３として、例えば、外径１００〜１０００μｍ、肉厚５０〜１５０μｍ、先端３０の角部３１の曲率半径１０〜５０μｍ程度のキャピラリを用いることができる。

液印加電極４は、搬送部３に当接するように配置されており、導電性を有する搬送部３を介して液体Ｗに電圧を印加する。対向電極５は、搬送部３の先端３０から所定間隔（２〜３ｍｍ）だけ隔てて配置され、霧化された液体Ｗが通過する開口部５１を電極の中央に有している。

電圧印加部６は、搬送部３の先端３０から液体Ｗを静電霧化させる電圧である静電霧化電圧（４〜７ｋＶ）と、搬送部３の先端３０からコロナ放電が開始される電圧（以下、コロナ放電開始電圧という）より低い電圧であって、搬送部３の先端３０に凸状の液界面Ｉを形成させる電圧である凸界面形成電圧（静電霧化電圧の５０〜８０％程度の電圧）とを、液印加電極４と対向電極５との間に印加する直流電源を備えており、液印加電極４にマイナス電圧を印加し、対向電極５にプラス電圧を印加する。また、電圧印加部６は、液体Ｗを静電霧化させる際、凸界面形成電圧及び静電霧化電圧を印加させて液印加電極４と対向電極５の間の電圧を制御する制御回路を備えている。

次に、液体Ｗを静電霧化させる際の静電霧化装置１の動作を、図２及び図３を参照して説明する。図２には、液体Ｗを静電霧化させる際の印加電圧と時間の関係が示されており、凸界面形成電圧及び静電霧化電圧が、それぞれＶ１及びＶ２で示されている。図２のＡ点に示されるように、液印加電極４と対向電極５の間に電圧が印加されていない状態（電圧Ｖ０）において、液溜め部２内の液体Ｗは、表面張力による毛細管現象により、搬送部３の内部を搬送部３の先端３０まで上昇する。このとき、搬送部３の先端３０には、図３（ａ）に示されるように表面張力により凹状の液界面Ｉが形成される。

電圧印加部６は、この状態から液印加電極４と対向電極５の間に凸界面形成電圧Ｖ１を印加し（図２のＢ点）、一定時間（０．５〜５ｓ）、凸界面形成電圧Ｖ１を保持する。凸界面形成電圧Ｖ１が印加されると、図３（ｂ）に示されるように、液体Ｗの表面の分極により、マイナス電荷が誘起され、そのマイナス電荷と電界Ｅ１によるクーロン力Ｆにより、搬送部３の先端３０の液界面Ｉが、搬送部３の最先端を越える位置に凸状に変形する。

更に、電圧印加部６は、この状態から液印加電極４と対向電極５の間に静電霧化電圧Ｖ２を印加する（図２のＣ点）。静電霧化電圧Ｖ２が印加されると、図３（ｃ）に示されるように、既に液界面Ｉが凸状に変形しているため電界Ｅ２が液界面Ｉ上に集中し、搬送部３の先端３０から放電を起こさずに、凸状に変形した液界面Ｉに形成されたテイラーコーンＴから安定的に放電を起こすようになる。

このように、本実施形態の静電霧化装置１によれば、液印加電極４と対向電極５の間に凸界面形成電圧Ｖ１を印加して、搬送部３の先端３０の液界面Ｉを凸状に変化させた後に、静電霧化電圧Ｖ２を印加して液体Ｗを静電霧化させるので、放電開始時に凸状に変形した液界面Ｉに電界Ｅ２が集中し易くなる。このため、液体Ｗを静電霧化させる際に、安定的に液体Ｗから放電させることができ、安定した噴霧を得ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る静電霧化装置について図３及び図４を参照して説明する。本実施形態における静電霧化装置１は、電圧印加部６が電圧を無電位状態から徐々に静電霧化電圧まで昇圧する機能を有し、液体Ｗを静電霧化させる際の昇圧勾配を制御する機能を有する点で第１の実施形態と異なる。

電圧印加部６は、無電位状態から静電霧化電圧（４〜７ｋＶ）までの任意の電圧を、液印加電極４と対向電極５との間に印加する直流電源を備えており、液印加電極４にマイナス電圧を印加し、対向電極５にプラス電圧を印加する。また、電圧印加部６は、液体Ｗを静電霧化させる際の昇圧勾配を制御する制御回路を備えている。

次に、液体Ｗを静電霧化させる際の静電霧化装置１の動作を説明する。図４のＡ点に示されるように、液印加電極４と対向電極５の間に電圧が印加されていない状態（電圧Ｖ０）において、搬送部３の先端３０には、図３（ａ）に示されるように表面張力により凹状の液界面Ｉが形成される。

電圧印加部６は、この状態から所定の昇圧勾配で徐々に液印加電極４と対向電極５の間に電圧を印加する。電圧印加初期時、液印加電極４と対向電極５の間の電圧がコロナ放電開始電圧以下となるため、搬送部３からコロナ放電は生じず、図３（ｂ）に示されるように、液体Ｗの表面の分極により、マイナス電荷が誘起され、そのマイナス電荷と電界Ｅ１によるクーロン力Ｆにより、搬送部３の先端３０の液界面Ｉが凸状に変形する。なお、図４においては、搬送部３からのコロナ放電を防止することができる大きさの凸状の液界面Ｉが形成される電圧（静電霧化電圧Ｖ２の５０〜８０％程度の電圧）を、凸界面形成電圧Ｖ１として示している（図４のＢ点）。

そして、更に液印加電極４と対向電極５の間の電圧が昇圧され、液印加電極４と対向電極５の間に静電霧化電圧Ｖ２が印加されると（図４のＣ点）、図３（ｃ）に示されるように、既に液界面Ｉが凸状に変形しているため電界Ｅ２が液界面Ｉ上に集中し、搬送部３の先端３０から放電を起こさずに、凸状に変形した液界面Ｉに形成されたテイラーコーンＴから安定的に放電を起こすようになる。なお、このときの昇圧勾配は、凸状の液界面Ｉが形成される前に静電霧化電圧Ｖ２に到達することがないようにするために、電界Ｅ１により液界面Ｉが変形する速度より電圧の変化速度が遅くなるように設定され、例えば、図４のＡ点からＣ点まで時間を０．５〜５ｓ程度とする。

このように、本実施形態の静電霧化装置１によれば、液体Ｗを静電霧化させる際、無電位状態から徐々に静電霧化電圧Ｖ２まで昇圧させることにより、搬送部３の先端３０の液界面Ｉを凸状に変化させた後に、液体Ｗを静電霧化させることができるので、放電開始時に凸状に変形した液界面Ｉに電界Ｅ２が集中し易くなる。このため、液体Ｗを静電霧化させる際に、安定的に液体Ｗから放電させることができる。また、電圧が可変であるため、霧化能力を容易に変化させることができる。

なお、本発明は上記実施形態の構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、第２の実施形態において、昇圧中の昇圧勾配は一定でなくともよく、液界面Ｉの状態に応じて昇圧勾配を変化させてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る静電霧化装置の全体構成を示す断面図。同装置による静電霧化時の印加電圧と時間の関係を示すグラフ。（ａ）は図２又は図４のＡ点における搬送部の先端を示す断面図、（ｂ）は図２又は図４のＢ点における搬送部の先端を示す断面図、（ｃ）は図２又は図４のＣ点における搬送部の先端を示す断面図。本発明の第２の実施形態に係る静電霧化装置による静電霧化時の印加電圧と時間の関係を示すグラフ。従来例による静電霧化装置の全体構成を示す断面図。

符号の説明

１静電霧化装置
２液溜め部
３搬送部
３０先端
４液印加電極
５対向電極
６電圧印加部
Ｉ液界面
Ｗ液体

Claims

霧化させる液体を溜める液溜め部と、導電性があり且つ前記液体を搬送するための毛細管構造を有する搬送部と、前記搬送部に電圧を印加する液印加電極と、前記搬送部の先端に対向するように、且つ、搬送部に触れないように配置された対向電極と、前記液印加電極と前記対向電極との間に電圧を印加する電圧印加部とを備えた静電霧化装置において、
前記電圧印加部は、印加電圧により前記搬送部の先端から液体を静電霧化させる前に、印加電圧による電気力により、前記搬送部の先端の液界面が搬送部の最先端を越える位置に凸状に変形する電圧を印加し、その後に液体を静電霧化させる電圧に切り替える制御機能を有したことを特徴とする静電霧化装置。
霧化させる液体を溜める液溜め部と、導電性があり且つ前記液体を搬送するための毛細管構造を有する搬送部と、前記搬送部に電圧を印加する液印加電極と、前記搬送部の先端に対向するように、且つ、搬送部に触れないように配置された対向電極と、前記液印加電極と前記対向電極との間に電圧を印加する電圧印加部とを備えた静電霧化装置において、
前記電圧印加部は、無電位状態から徐々に静電霧化電圧まで昇圧する機能を持ち、且つ、無電位状態から前記静電霧化電圧に到達するまでに、前記搬送部の先端に凸状の液界面を形成することができるように昇圧勾配を制御する機能を持つことを特徴とする静電霧化装置。