JP4462090B2 - 静電霧化装置 - Google Patents

Description

本発明は、霧化用電極と対向電極との間に高電圧を印加することで液体を静電霧化し、微小な液体を飛散させるための静電霧化装置に関するものである。

従来から毛細管等の液体を搬送する搬送部自体に高電圧を印加することにより、微細な液滴を飛散する静電霧化という技術がある。

このような静電霧化を行う静電霧化装置として例えば特許文献１が知られている。この特許文献１に示された従来例においては、液体を収容したタンク部と、タンク部に収容した液体を毛細管現象で吸い上げて先端の霧化用電極となる針状霧化部に搬送するための吸液体よりなる搬送部と、搬送部の先端の霧化用電極と対向する対向電極と、霧化用電極と対向電極との間に高電圧を印加する高電圧印加回路とを有し、霧化用電極と対向電極との間に高電圧を印加することで、放電箇所となる搬送部の先端の霧化用電極に存在する液体が静電霧化されてナノメータサイズのイオンミストが発生する。

ところで、静電霧化装置によるナノメータサイズのイオンミストの発生のメカニズムは、霧化用電極と対向電極との間にかけられた電圧により霧化用電極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、液体の液面が局所的に円錐形状（テイラーコーン）に盛り上がり、円錐形状となった液体の先端に電荷が集中して電荷の密度が高密度となり、高密度の電荷の反発力ではじけるようにして液体が分裂・飛散（レイリー分裂）して静電霧化を行い、ナノメータサイズのイオンミストが発生すると考えられる。

ところが、従来にあっては霧化用電極の先端の中心に液体を供給する開口部が設けてあるので、静電霧化装置の設置の方向、水頭圧のかかり方、静電霧化中止後の霧化用電極表面の液体の残り方などによって、霧化用電極表面に残った液体が表面張力により凝集しきらず、一部の液体が重力の作用で漏れ出してしまうという問題があった。

特に、霧化用電極の先端が側方に向けた場合（つまり横向きにした場合）、静電霧化運転を停止した直後は、クーロン力が作用していないにもかかわらず、クーロン力により霧化用電極の表面に引出した液体が残る。この霧化用電極の表面に残った液体には、霧化用電極の先端の中心に設けた開口部に液体を引き込んで凝集しようとする表面張力が作用するため、霧化用電極の表面に残った液体が開口部内に吸い込まれて開口部の周囲に安定し凝集しようとするのであるが、この場合、霧化用電極の表面の開口部よりも上方に位置する余剰な液体は上記のように開口部内に吸い込まれるが、霧化用電極の表面の開口部よりも下方に位置する液体は重力により開口部内に引き込むことができなくなり、この開口部内に引き込むことができなかった余剰液体が重力により零れて漏れ出てしまい、このため、霧化用電極の先端が側方に向くように横向きに設置する際の大きな障害となっていた。
特許第３２６０１５０号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、霧化用電極表面からの液体の漏れ出しを防止できる静電霧化装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る静電霧化装置は、液体１を収容するためのタンク部２と、霧化用電極３と、霧化用電極３と対向する対向電極４と、タンク部２に収容した液体１を霧化用電極３の先端に供給するための液体搬送部５とを備え、霧化用電極３と対向電極４との間に高電圧を印加して該印加した高電圧による電界により霧化用電極３先端で液体１が引っ張り上げられて円錐形状を形成して静電霧化する静電霧化装置において、液体搬送部５の端部を有底細筒状をした霧化用電極３内に後端部の開口から嵌め込んで静電霧化電極３の先端部まで至らせ、高電圧印加時に液体１が形成する円錐形状の底面Ａの円周Ｂ上近傍となる霧化用電極３の先端部に液体供給用の開口部６を設けて成ることを特徴とするものである。

このような構成とすることで、例えば、霧化用電極３が横向きとなるように配置したとしても、液体供給用の開口部６が下側に位置するようにすることで、静電霧化運転を停止した直後に霧化用電極３の先端部の表面に残った液体１は開口部６の下方に存在しない又は下方にはごく僅かな量しか存在しないようにでき、表面張力により霧化用電極３の表面に残った液体１が開口部６の周囲に凝集しようとする力で開口部６よりも上方にある余剰な液体１が開口部６内にスムーズに引き込まれて開口部６の周囲に安定して凝集することができ、これにより余剰液体が重力により零れて漏れ出てしまうというおそれがなく、また、液体搬送部の端部５を有底細筒状をした霧化用電極３内に後端部の開口から嵌め込んで静電霧化電極３の先端部まで至らせてあるので、霧化用電極表面からの液体の漏れ出しを防止でき、特に、霧化用電極を横向きにしても液体の漏れ出しを防止でき、この結果、霧化用電極３が横向きとなるように位置させることが可能となる。
また、開口部の周囲に液体が表面張力で凝集しようとする力と、開口部の液体に作用する水頭圧とが釣り合うように設定することも好ましい。

また、霧化用電極３先端の表面の液体供給用の開口部６を、高電圧印加時に液体１が形成する円錐形状の底面Ａの円周Ｂ上に沿ってほぼ均等な間隔となるように２つ以上設けることが好ましい。

このような構成とすることで、例えば、霧化用電極３が横向きとなるように配置したとしても、複数の開口部６のうちいずれかの開口部６が下側に位置するようにすることで、静電霧化運転を停止した直後に霧化用電極３の先端部の表面に残った液体１は下側の開口部６の下方に存在しない又は下方にはごく僅かな量しか存在しないようにでき、表面張力により霧化用電極３の表面に残った液体１が開口部６の周囲に凝集しょうとする力で開口部６よりも上方にある余剰な液体１が開口部６内にスムーズに引き込まれて開口部６の周囲に安定して凝集することができ、これにより余剰液体が重力により零れて漏れ出てしまうというおそれがなく、この結果、霧化用電極が横向きとなるように位置させることが可能となり、しかも、複数の開口部６のいずれが下側に位置するようにしても液漏れしないようにできる。

また、霧化用電極３先端の表面の液体供給用の開口部６を、高電圧印加時に液体１が形成する円錐形状の底面Ａの円周Ｂ上近傍と、霧化用電極３の最先端とに設けることが好ましい。

このような構成とすることで、霧化用電極３を上向き、下向き、横向きのいずれの方向に向けても霧化用電極３の最下部となる箇所にいずれかの開口部６を位置させることができ、霧化用電極３の先端部の表面に残った液体１を最下部に位置する開口部６から引き込ませることができて、液体１が漏れ出すことを防ぐことができる。

本発明は、霧化用電極表面からの液体の漏れ出しを防止でき、特に、霧化用電極を横向きにしても液体の漏れ出しを防止できるので、霧化用電極を横向きにすることも可能となる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。

図１には本発明の静電霧化装置の概略構成図が示してある。静電霧化装置は、液体１を収容するためのタンク部２と、霧化用電極３と、霧化用電極３と対向する対向電極４と、タンク部２に収容した液体１を霧化用電極３の先端に供給するための液体搬送部５と、霧化用電極３と対向電極４との間に高電圧を印加するための高電圧印加回路７とを備えている。

霧化用電極３は有底細筒状をしていてハウジング１０内に内装してあり、この有底筒状をした霧化用電極３の先端部に液体供給用の開口部６を設けてある。一端部がタンク部２内に挿入接続された液体搬送部５の他端部を上記有底細筒状をした霧化用電極３内に後端部の開口から嵌め込んで霧化用電極３の先端部まで至らせてあり、タンク部２内の水のような液体１を液体搬送部５の先端部の開口部６まで搬送するようになっている。ハウジング１０には上記霧化用電極３の先端部と対向するように対向電極４が設けてある。

ハウジング１０の先端にはイオンミスト吐出口１２が形成してあり、後述のようにして発生するナノメータサイズのイオンミストがこのイオンミスト吐出口１２から外部に飛散する。なお、このイオンミスト吐出口１２の下流側には図示を省略しているが感電防止等の安全面により指等が入らないように少なくとも格子形状のようなカバーを設けることが好ましく、格子形状のカバーとしてはシリコン系、有機ホウ素系、高分子型の樹脂系などの帯電防止材で形成したものを用いたり、該格子形状のカバーを接地、若しくは対向電極４に電気的に接続したりするなどして、静電霧化されたイオンミストによって帯電しないようにするのが好ましい。また、３〜１０ｍｍ程度まで開口部隙間を狭めた部位を設けるという方法を採用することも好ましい。

タンク部２は霧化用電極３を備えたハウジング１０に隣接した部位に設けて、霧化用電極３を備えたハウジング１０と一体となった一体型とすることもできるが、図１に示すように霧化用電極３を備えたハウジング１０から離れた位置に分離して配置し、液体搬送部５により離れた位置に設置したタンク部２から霧化用電極３に液体１を搬送するようにしてもよい。この場合は液体搬送部５はフレキシブルな材料を用いることが好ましい。このようにタンク部２を霧化用電極３を備えたハウジング１０から分離して離れた位置に設けることでハウジング１０の外部や外部に面した部位に設けて液体１の補充を容易にすると共に、タンク部２を霧化用電極３よりも上部に設けることで水頭圧を利用して液体１の供給を増大させ、静電霧化を安定させることができる。この際にはタンク部２に弁構造のようなものを設けてタンク部２内の圧力を大気圧に対して若干の負圧になるようにするのが好ましい。

霧化用電極３の先端部は液体供給用の開口部６を設けると共に、エッジを設けないことにより空気放電を抑制し、図２に示すように液体１を霧化用電極３表面に上記開口部６から引出しやすくするために略球面状となっている。但し、霧化用電極３の先端部の形状は、液体１を開口部６から霧化用電極３表面に引出すことができればよいため、フラットな面があったり、多少のエッジがあってもよい。

ここで、高電圧印加回路７から高電圧を印加しない時は、液体搬送部５の先端部の開口部６における液体には主として開口部６の周囲に表面張力の作用で凝集しようとする力と、タンク部２内の液体１の液面レベルと開口部６における液面レベルとの間の高低差による水頭圧とが作用しており、両者のバランスがとれた状態で液体搬送部５の先端部の開口部６の周囲に表面張力の作用で液体１が凝集している。

高電圧印加回路７により発生した数ｋＶの電圧を有する高電圧を印加すると、前述のように霧化用電極３先端の開口部６において上記表面張力の作用で液体１が凝集しようとする力と、液面レベルとの間の高低差による水頭圧とのバランスがとれた液漏れないのない状態で安定して凝集していた液体１に対して、更に印加した高電圧による電界により液体１を開口部６からを引っ張り出そうとするクーロン力が作用し、これにより液体１が引っ張られて図２（ａ）に示すように円錐形状を形成して（つまりテイラーコーン１１が形成され）、テイラーコーン１１の円錐形状となった液体１の先端に電荷が集中して電荷の密度が高密度となり、高密度の電荷の反発力ではじけるようにして液体が分裂・飛散（レイリー分裂）して静電霧化を行い、ナノメータサイズのイオンミストが発生する。

上記のようにして形成されるテイラーコーン１１の大きさは、霧化用電極３の形状、大きさにより異なり、例えば、霧化用電極３の先端部の形状が球面状の場合は、このテイラーコーン１１の円錐の底面Ａの直径は霧化用電極３の先端部の直径の７０〜９０％程度の大きさとなる。そこで、霧化用電極３の直径が１．０ｍｍとすると、テイラーコーン１１の円錐の底面Ａとなる部位は直径０．７〜０．９ｍｍ程度となり、円錐の高さは０．３〜１．０ｍｍ程度となる。また、図６のように霧化用電極３の先端が更に細くなっているものでは、例えば、霧化用電極３の直径が０．７ｍｍとするとテイラーコーン１１の円錐の底面Ａの直径は０．５〜０．６ｍｍ程度の大きさとなる。

霧化用電極３に印加している高電圧を切断すると、クーロン力が無くなるので形成されているテイラーコーン１１がなくなり、霧化用電極３の先端部表面にはクーロン力が作用していないにもかかわらず、クーロン力により霧化用電極３部の表面に引出した液体１が残る。この霧化用電極３の表面に残った液体１には表面張力により該液体１を開口部６の周囲に凝集させようとする力が作用するため、開口部６から引き込まれ、表面張力の作用による凝集しようとする力と水頭圧とのバランスがとれて開口部６の周囲に安定して凝集した状態となろうとするが、引き込むことができなかった余剰な液体１が多いと霧化用電極３表面に残った余剰な液体１は重力により零れ落ちて液体漏れが生じる。

上記のことを、図５のように横向きに配置した霧化用電極３の先端部の最先端中央に液体供給用の開口部６を設けた例で説明すると、図５（ａ）は、高電圧を印加してテイラーコーン１１が形成されている状態であるが、高電圧の印加を停止して静電霧化運転を停止すると、停止直後に霧化用電極３の先端部の表面に残った液体１のうち開口部６よりも上方に位置する液体１は液体１に作用する表面張力により凝集しようとする力で開口部６内に引き込まれて開口部６の周囲に安定して凝集しようとするが、霧化用電極３の先端部の表面に残った液体１のうち開口部６よりも下方に位置する液体１は重力により図５（ｃ）のように下方に垂れ、この下方に垂れる液体１の液量が多いと、重力で零れ落ちて液漏れが生じてしまう。

そこで、本発明においては、高電圧印加時に液体１が形成するテイラーコーン１１（円錐形状）の底面Ａの円周Ｂ上近傍となる霧化用電極３の表面に液体供給用の開口部６を設けることで、上記のような液漏れの発生を防止しようとするようにしている。

すなわち、図２（ｂ）のＢは高電圧を印加した際に霧化用電極３の先端部の表面に形成されるテイラーコーン１１の円錐の底面Ａの円周を示し、このテイラーコーン１１（円錐形状）の底面Ａの円周Ｂ上近傍に開口部６を１乃至複数設けたものであり、例えば、霧化用電極３を図のように横向きに配置した状態で上記１乃至複数の開口部６のうち少なくとも１つの開口部６が下となるようにする。これにより、図２（ａ）のように高電圧印加時に液体１によりテイラーコーン１１が形成されるが、図２（ａ）の高電圧を印加してテイラーコーン１１が形成している状態で、高電圧の印加を停止して静電霧化運転を停止すると、停止直後に霧化用電極３の先端部の表面に残った液体１は全部または殆どが下方に位置する開口部６よりも上方に位置することになり、霧化用電極３の先端部の表面に残った液体１に作用する表面張力により凝集しようとする力で開口部６内に引き込まれて図２（ｃ）のように開口部６の周囲に安定して凝集することができ、これにより開口部６よりも下方に位置する余剰な液体１が重力により零れて漏れ出てしまうというおそれがなく、この結果、霧化用電極３が横向きとなるように位置させることが可能となるのである。

ここで、図２（ｂ）のように、霧化用電極３先端の表面の液体供給用の開口部６を、高電圧印加時に液体が形成する円錐形状の底面Ａの円周Ｂ上に沿ってほぼ均等な間隔となるように２つ以上設けると、複数の開口部６のうちいずれかの開口部６が下側に位置するようにすることで、上記のように液漏れしないようにでき、これにより横向きにする際に霧化用電極３の周方向のどこを下としても液漏れが防止でき、上下方向が特定されない。

液漏れという観点では少なくとも横向きに配置した状態でテイラーコーン１１の底面Ａの円周Ｂの最下部に開口部６が位置すれば良いが、最下部に１つだけ開口部６を設けただけでは高電圧を印加してテイラーコーン１１を形成して静電霧化する際に開口部６から液体を引出し難くなるので、高電圧を印加した際に液体１を引出し易くするためテイラーコーン１１の底面Ａの円周Ｂに複数の上記開口部６を一定間隔で設けることで、液体１を引出し易くなり安定したテイラーコーン１１を形成して安定して静電霧化することができる。

また、図３のように、霧化用電極３先端の表面の液体供給用の開口部６を、上記のように高電圧印加時に液体１が形成するテイラーコーン１１の円錐の底面Ａの円周Ｂ上近傍に設けると共に、更にこれに加えて霧化用電極３の最先端の中央に設けるようにしてもよい。これにより霧化用電極３の設置方向（上向き、下向き、横向き等）に関係なく、霧化用電極３の最下部となる箇所にいずれかの開口部６を位置させることができて、霧化用電極３の先端部の表面に残った液体１を開口部６から引き込ませることができて、液体１が漏れ出すことを防ぐことができる。なお、図３は霧化用電極３を横向きにした例で説明している。

なお、上記開口部６の大きさは、円状の場合は例えば直径が０．０１〜０．２ｍｍ程度のとするのが好ましいが、開口部６の形状は円状にのみ限定されず、スリット状あるいはその他の形状であってもよく、例を図４に示す。この場合、開口部６の開口面積は上記円状の場合と同じ程度にするのが好ましい。

また、直径０．１５ｍｍ程度の円形の開口部６を例にとると、該開口部６の周囲に液体１が表面張力によって凝集しようとする力と釣り合うようなタンク部２からの水頭圧を設定することが望ましく、例えば、３５ｍｍ〜５０ｍｍの程度の水頭圧を設け、また、液体１を霧化用電極３表面に引出して静電霧化させるための静電気力としては例えば８〜１２ｋＶ／ｃｍとなるように高電圧を印加するのが望ましい。

本発明の静電霧化装置の概略構成図である。 同上に用いる霧化用電極の一実施形態を示し、（ａ）は高電圧を印加してテイラーコーンを形成している状態の概略側面図であり、（ｂ）は概略正面図であり、（ｃ）は高電圧の印加を停止した状態の概略側面図である。 同上に用いる霧化用電極の他の実施形態を示し、（ａ）は高電圧を印加してテイラーコーンを形成している状態の概略側面図であり、（ｂ）は概略正面図であり、（ｃ）は高電圧の印加を停止した状態の概略側面図である。 （ａ）（ｂ）は同上に用いる霧化用電極の更に他の実施形態を示す概略正面図である。 従来例の霧化用電極を示し、（ａ）は高電圧を印加してテイラーコーンを形成している状態の概略側面図であり、（ｂ）は概略正面図であり、（ｃ）は高電圧の印加を停止した状態の概略側面図である。 霧化用電極の先端部を更に細くした例を示す概略側面図である。

符号の説明

１ 液体
２ タンク部
３ 霧化用電極
４ 対向電極
５ 液体搬送部
６ 開口部

Claims (4)

1. 液体を収容するためのタンク部と、霧化用電極と、霧化用電極と対向する対向電極と、タンク部に収容した液体を霧化用電極の先端に供給するための液体搬送部とを備え、霧化用電極と対向電極との間に高電圧を印加して該印加した高電圧による電界により霧化用電極先端で液体が引っ張り上げられて円錐形状を形成して静電霧化する静電霧化装置において、液体搬送部の端部を有底細筒状をした霧化用電極内に後端部の開口から嵌め込んで静電霧化電極の先端部まで至らせ、高電圧印加時に液体が形成する円錐形状の底面の円周上近傍となる霧化用電極の先端部に液体供給用の開口部を設けて成ることを特徴とする静電霧化装置。
2. 開口部の周囲に液体が表面張力で凝集しようとする力と、開口部の液体に作用する水頭圧とが釣り合うように設定して成ることを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
3. 霧化用電極先端の表面の液体供給用の開口部を、高電圧印加時に液体が形成する円錐形状の底面の円周上に沿ってほぼ均等な間隔となるように２つ以上設けて成ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の静電霧化装置。
4. 霧化用電極先端の表面の液体供給用の開口部を、高電圧印加時に液体が形成する円錐形状の底面の円周上近傍と、霧化用電極の最先端とに設けて成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の静電霧化装置。

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