JP4475192B2 - 静電霧化装置 - Google Patents

Description

本発明は静電霧化装置、殊にナノサイズミストを発生させるための静電霧化装置に関するものである。

水が供給される放電電極と対向電極との間に高電圧を印加して放電させることで、放電電極が保持している水にレイリー分裂を生じさせて霧化させることでナノメータサイズの帯電微粒子水（ナノサイズミスト）を生成する静電霧化装置がある（特許文献１参照）。

上記帯電微粒子水は、ラジカルを含んでいるとともに長寿命であって、空間内への拡散を大量に行うことができ、室内の壁面や衣服やカーテンなどに付着した悪臭成分などに効果的に作用し、無臭化することができるといった特徴を有している。

しかし、水タンクに入れた水を毛細管現象によって放電電極に供給するものでは、水タンクへの水の補給を使用者に強いることになるから、この手間を不要とするために、放電電極を冷却して放電電極部分に空気中の水分を基に水を生成させる冷却手段を設けたものが考えられる。この場合、上記両電極間の放電状態を監視して放電電極上に水ができたかどうかの判定を行うとともに、水ができたと判定された後は、放電電流値に応じて高電圧印加用の高圧電源及び冷却手段をフィードバック制御することで、温度や湿度といった環境の影響を受けることなく安定した静電霧化動作を得ることができる。

しかし、放電電流に基づくフィードバック制御中に時として放電電極上に結露水が過剰に形成されてしまうことがあり、この場合、放電電極を冷却する冷却手段の制御が不安定になって、正常な静電霧化を継続できないことがある。
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、水の補給の手間が不要である上に結露水が過剰に形成されてしまった時にも安定した静電霧化動作に早期に復帰させることが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、放電電極と、これに対向する対向電極と、この両電極間に高電圧を印加する高圧電源と、上記放電電極を冷却して放電電極部分に空気中の水分を基に水を生成させる冷却手段と、上記両電極間の放電状態を監視して所要の放電状態を維持する制御手段とを備えるとともに、放電電極上の結露水量の過剰状態を検出する検出手段を備えて、上記制御手段は検出手段による過剰結露水の検出により放電及び冷却手段を停止させ、その一定時間後に静電霧化動作を再開させるものであること特徴を有している。結露水量の過剰状態を検出した時にはこの結露水の蒸発を待って静電霧化動作を再開させるようにしたものである。

上記検出手段は、放電電流値と冷却手段の冷却度合とから過剰結露水の検出を行うものを好適に用いることができ、更には放電電流値と冷却手段の冷却度合とその状態の継続時間とから過剰結露水の検出を行うものであると、検出精度を高めることができる。

放電電極上の結露水の蒸発を促す蒸発促進手段を備えて、蒸発促進手段による結露水の蒸発を促した後に静電霧化動作を再開させるものであると、静電霧化動作の再開までの時間を短縮することができる。

また制御手段は、冷却手段を停止させるにあたり、冷却能力を段階的に落とした後に停止させるものであることが冷却手段にかかるストレスの抑制の点で好ましい。

本発明は、静電霧化させるための水を放電電極上に結露水として生じさせてこれを静電霧化するために水の補給の手間が不要なものであり、また結露水量の過剰状態を検出した時にはこの結露水の蒸発を待って静電霧化動作を再開させるために、結露水が過剰となった場合の動作異常を無くして、安定した静電霧化動作状態に戻すことができる。

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と、図２に示すように、この静電霧化装置は、放電電極２とこの放電電極２の一端に所要の距離をおいて対向するとともに内周縁が実質的な電極として機能する対向電極３、これら両電極２，３間に放電用の高電圧を印加する高圧電源部４、上記放電電極２の他端が吸熱側に接続されて放電電極２を露点以下の温度に冷却する冷却手段としてのペルチェモジュール５、ペルチェモジュール用の電源部６０を内蔵している電源６、そして制御回路Ｃで構成されたもので、上記対向電極３は接地されており、放電時には放電電極２側に負の高電圧（たとえば−４．６ｋＶ）もしくは正の高電圧が印加される。図中５０はペルチェモジュール５の放熱側に配された放熱フィンである。

上記高圧電源部４は高圧発生回路４０と放電電圧検出回路４１と放電電流検出回路４２を備えたもので、検出された放電電圧Ｖｖ及び放電電流Ｖｉは上記制御回路Ｃに入力され、制御回路Ｃはこの放電電圧Ｖｖ及び放電電流Ｖｉを基にペルチェモジュール５の冷却度調整による結露水生成量の調整を行う。

すなわち、放電電極２を冷却することで空気中の水分を放電電極２上に結露させた状態で放電電圧を放電電極２と対向電極３との間に印加する時、放電電極２上の水は対向電極３側に引っ張られてテーラーコーンと称される形状のものとなるとともに、そのテーラーコーンの先端においてレイリー分裂が生じてナノメータサイズの帯電微粒子水が生成されることで霧化がなされる。

この時、放電電極２上の水量が少なくなってテーラーコーンが小さくなれば放電電流も少なくなり、放電電極２上の水量が多くなってテーラーコーンが大きくなれば放電電流が増大する。つまり、結露水の量にテーラーコーンの形状が関係しているとともにテーラーコーンの高さから放電電流も変化するわけであり、これ故に放電電流を測定することにより、テーラーコーンの高さ（結露水の量）を知ることができる。ここにおいて、放電電極２上の結露水の量が更に少なくなれば、放電電極２上の水と対向電極３間での放電ではなく、放電電極２と対向電極３との間で放電が生じてオゾンの発生などを招くことになる。逆に放電電極２上の水が更に多くなれば、対向電極３と水との距離が短くなり、短絡電流が流れて狙いの粒子径のミストが得られなくなる。

このために、ある放電電圧の時の放電電流値から放電電極２上の水の量を推定し、この推定に基づき放電電極２を冷却する冷却手段であるペルチェモジュール５の冷却度調整による結露水生成量の調整を行うものであり、放電電流が少ない時はペルチェモジュール５の印加電圧を上昇させて放電電極２をさらに冷却して結露水を増加させ、放電電流が多い時は冷却度合を緩和させて結露水を減少させる方向へフィードバック制御することで、放電電極２上の結露水の量をナノサイズミストの発生に適した量となるようにするものであり、この結果、放電によるナノサイズミストを発生させる静電霧化が途切れたりすることなく連続的になされる。

ただし、放電電圧が変われば、適切な結露水量を表すことになる放電電流値も変化することから、表１に示すように放電電圧Ｖ(n)に応じた最適な放電電流ｉ(n)の範囲を規定し、検出される放電電流ｉ(n)値が上記範囲の中央値ｉ(n)typ付近を維持するようにペルチェモジュール５の印加電圧のデューティ制御を制御回路Ｃが行うようにしている。

放電電流に基づくフィードバック制御の詳細について説明すると、各回路が安定するまでの時間Δｔが経過した時点ｔａで制御回路Ｃは放電電圧検出回路４１と放電電流検出回路４２から放電電圧値及び放電電流値を取り込み、一定時間毎の平均値を演算して得られた放電電圧値によって上記表１に基づく放電電流制御の放電電流値上限ｉ(n)max、目標値（中央値）ｉ(n)typ、下限ｉ(n)minを取得し、測定された放電電流ｉ(n)値が目標値ｉ(n)typとなるようにペルチェモジュール５に加える印加電圧をデューティ制御でフィードバック制御するものであり、ここではオーバーシュートを避けるために次のように処理している。

すなわち図３に示すように、時刻ｔａにおいて取り込みを開始した放電電圧値及び放電電流値の平均値v(1)，ｉ(1)がΔｔ時間後の時刻ｔｂにおいて定まり、更に時刻ｔｂにおいて取り込みを開始した放電電圧値及び放電電流値の平均値v(2)，ｉ(2)がΔｔ時間後の時刻ｔｃにおいて定まる時、時刻ｔｂ−ｔｃ間の上記Δｔ時間内の放電電流値の差Δｉ(2)＝ｉ(2)−ｉ(1)を求めるとともに、時刻ｔｂでの放電電圧ｖ(1)と前記表１とから求めた時刻ｔｃでの目標放電電流中央値ｉtyp(1)と、時刻ｔｃでの放電電流値ｉ(2)との差Δｉd(2)とを求め、時刻ｔｂ−ｔｃ間でのペルチェモジュール５の印加電圧のデューティをＤ(2)とする時、このデューティＤ(2)から増分ΔＤ(2)を
ΔＤ(2)＝ａ×Δｉd(2)−ｂ×Δｉ(2)
（ａ，ｂはパラメータ）
で求めて、Ｄ(3)＝Ｄ(2)＋ΔＤ(2)を次の時刻ｔｃ−ｔｄ間でのペルチェモジュール５の印加電圧のデューティとしており、時間Δｔ毎に以降順次繰り返することで、つまりは
ΔＤ(n)＝ａ×Δｉｄ(n)−ｂ×Δｉ(n)
をΔｔ毎に求めて、それまでのデューティＤ(n-1)に加算して次のデューティＤ(n)を決定している。放電電流値ｉ(n)と目標放電電流中央値ｉtyp(n)との差分Δｉd(n)に加えて、放電電流値の差分Δｉ(n)を考慮することから、前者のみを考慮した場合に生じやすいオーバーシュートを避けることができる。なお、ここで言うデューティ値Ｄ(n)及び増分ΔＤ(n)は、デューティ０〜１００％を２５６分割して割りふったＤ₁〜Ｄ₂₅₆に対応させている。

また、デューティの増加分ΔＤ(n)を求めるにあたり、それまでのデューティＤ(n-1)の値に応じた補正関数Ｆ{Ｄ(1)}を乗算するように、つまり
ΔＤ(n)＝{ａ×Δｉd(n)−ｂ×Δｉ(n)}×Ｆ{Ｄ(n-1)}
とするようにしてもよい。この補正関数Ｆ{Ｄ(1)}は、それまでのデューティＤ(n-1)が低い時には小さい値を、デューティＤ(n-1)が高い時には大きい値を持つことで、デューティ全体の重み付けを行っている。デューティが低い時には印加電圧も低くて電極冷却温度ΔＴも低い領域で水もできやすく、これ故にデューティの大幅な変化は結露水の余剰を生じやすくなるために、補正関数Ｆ{Ｄ(1)}はたとえば０．５として変化率を少なくし、逆にデューティが高い時は放電冷却温度ΔＴも高くて結露水ができにくい状態にあることから、補正関数Ｆ{Ｄ(1)}をたとえば２として変化率を大きくしている。

また、放電電極２が冷えていない運転開始初期には放電電極２上に結露水が生成されていないことから、上記制御は放電電極２上に結露水が確保されてからのものとし、それまでは次のような制御を行っている。

すなわち、制御回路Ｃは運転開始に伴い、ペルチェモジュール５への電圧印加を予め設定してある初期電圧で開始し、高圧電源部４は作動させずにペルチェモジュール５による放電電極２の冷却のみを行う状態をしばし継続した後、高圧電源部４を作動させて放電を開始させる。結露水が生成されるであろう時間だけ待って放電を始めるわけであり、この時間は１分以上であることが望ましい。そして、初期の数分間で生成される結露水の量で放電を始めた時の放電電流の上限値として定めたＩmaxの値よりも、放電開始時の放電電流値Ｉが小さければ、放電電極２に正常に水が付いたと判断して前述のフィードバック制御に移行する。水が生じていると推察される時期に放電を開始するために、放電電極２の劣化や摩耗が生じにくくなっているものである。なお、水ができていない場合にもＩ＜Ｉmaxとなってフィードバック制御に移行してしまうが、この状態では放電電流Ｉが殆ど流れていないことから、放電電極２の劣化や摩耗は少ない上に、水ができてしまえば本来の放電電流値での放電状態となるために問題となるほどのことはない。

一方、放電開始時の放電電流値Ｉが上記上限値Ｉmax以上であるならば異常があると判断して、図４において左側のフローに示すように、高圧電源部４を停止させるとともにペルチェモジュール５への電圧印加も停止させた状態を一定時間だけ保ち、その後、再度高圧電源部４の動作による放電のみを再開させて、この状態で放電電流値Ｉを計測する。ペルチェモジュール５を一定時間停止させるのは、環境の湿度が異常に高い場合の可能性を無くすためであり、また、前回の運転時の結露水がなくなるのを待つためである。

そして放電を再開した時点での放電電流値Ｉが所定値Ｉｐ（Ｉｐの値は前記Ｉmaxと同じもしくは少し小）より低ければ、放電電極２に付着していた水が殆どなくなったために放電電流が減少したとの判断により、通常のフィードバック制御に移行する。

この時点でも放電電流値Ｉが所定値Ｉｐ以上であれば、異常は水の量が多かったためではなく、逆に水がない状態で金属放電が生じていたからとの判断で、放電を停止させるとともにペルチェモジュール５のみを最大デューティで動作する状態を一定時間保って、放電電極２に水が短時間で生成されるようにした後、放電を開始させて再度放電電流値Ｉを計測し、この電流値Ｉが所定値Ｉpより小さければ、前述の場合と同様の判断で通常のフィードバック制御に移行し、前記上限値Ｉp以上であれば、環境が低温低湿といった結露水の生成に厳しい環境であって、現状のペルチェモジュール５の冷却能力では結露水を確保することができないとの判断で高圧電源４のオフに加えてペルチェモジュール５もオフとする。この時、一定時間後に運転を最初から開始させるモードを設けておけば、連続運転中でも回りの環境が代わって結露水を確保できる環境になった時点で正常運転に至るものとなる。

以上のような制御を行う静電霧化装置において、フィードバック制御である放電電流制御を行っている間に、時として過剰な結露水が放電電極２上に形成されてしまうことがある。この場合、結露水Ｗは本来ならば図５(a)に示すように放電電極２の先端から対向電極３側に引っ張られてテーラーコーンＴＣが伸びているべき状態でなくてはならないのに対して、放電電極２の周辺の結露水Ｗの張力が電界により水を引く力よりも強いために、図５(b)に示すようにテーラーコーンＴＣが殆ど無い状態となってしまう。このような状態になれば、放電電流がほとんど流れない状態となるとともに、放電電流制御中は放電電流が小さくなればペルチェモジュール５への印加電圧を上げる制御を行っていることから、時間の経過とともにペルチェモジュール５への印加電圧は最大値まで上昇する。

これ故に、放電電流が０μＡ付近であると同時に、ペルチェモジュール５への印加電圧が最大値付近となっていれば、結露水が過剰な状態にあると判断することができる。従って、図６に示すように、放電電流がある閾値Ｉｙよりも低く、且つペルチェモジュール５への印加電圧Ｖが閾値Ｖｐよりも高ければ結露水が余剰な状態にあると判断して、図１に示すように、ペルチェモジュール５への電圧印加を一定時間停止（放電も停止）させることで、放電電極２上の結露水を蒸発させるのである。そして上記一定時間停止の後は、初期動作から動作を再開させれば正常な放電電流制御へと移行させることができる。休止時間は結露水が蒸発するのに要する時間を考えると、数分とするのが望ましい。

結露水が余剰状態にあるかどうかの判断は、放電電流値とペルチェモジュール５への印加電圧値だけでなく、その状態の継続時間も考慮して行うようにしてもよい。図７はこの場合の余剰水判定フローを示しており、放電電流が閾値Ｉｙよりも低く且つ印加電圧が閾値Ｖｐよりも高いという状態の継続時間が時間閾値Ｔｍより長くなった時に余剰結露水があると判断している。

継続時間も判断基準に入れると、次のような場合の誤認を無くすことができる。すなわち、正常な放電電流制御中に環境の変化により結露水が減少して無くなってしまった場合、放電電流が０μＡとなるとともに、その時はペルチェモジュール５への印加電圧を高くする方向の制御が働くために、時間経過によって印加電圧が最大値付近に達する場合があり、これは上記の結露水の過剰状態の判断基準と一致することになるが、結露水が無くなった場合、ペルチェモジュール５による放電電極２の冷却が進むことで結露水が生成されて通常の放電状態に戻るために、上記状態の継続時間は比較的短時間でしかない。このために継続時間も判定条件に入れることで、結露水が無くなった場合の誤認を無くすことができる。

ところで、結露水が過剰であると判断した場合、制御回路Ｃはペルチェモジュール５を一定時間停止させることで放電電極２上の結露水を蒸発させてしまうのであるが、この蒸発に要する時間は環境条件に依存する。たとえば、３０℃７５％ＲＨといった高温多湿状態では、停止させて２分経過した後も放電電極２の根元に結露水が残ったままであり、完全に蒸発させるためには約６分必要であった。

一方で、次回動作開始時に正常動作を再開させるには、その初期において結露水による影響を受けることがない状態、つまり結露水が全くない状態となっていることが望ましく、また動作を再開させるまでの時間は短いほうが好ましい。

このために、静電霧化で発生させた帯電微粒子を効率よく飛散させるためのファンを備えているものでは、結露水が過剰であるとの判断がなされて一定時間動作を休止させている間に、上記ファンの送風量を強くすれば、放電電極２上の結露水の蒸発を促すことができる。もちろん、ペルチェモジュール５に印加する電圧を逆転させて、放電電極２をペルチェモジュール５で加熱することで結露水の蒸発を促すようにしてもよい。いずれにしても、結露水の蒸発促進を行うことで、正常動作に回復させるまでの時間を短縮することができると同時に、動作再開時に正常な静電霧化動作を得やすくなる。

なお、ペルチェモジュール５をオフとする時には、素子ストレスが発生することから、ペルチェモジュール５のオフは、図８に示すように、段階的（時間間隔ΔＴは例えば３秒）に印加電圧を下げた後にオフとするのが好ましい。印加電圧を徐々に下げることで、ペルチェモジュール５の素子寿命を長くすることができる。

本発明の実施の形態の一例の概略フローチャートである。 同上のブロック回路図である。 同上の放電電流フィードバックに関する説明図である。 運転開始初期の動作を示すフローチャートである。 (a)は正常放電の場合の放電電極周辺の水の状態を示す説明図、(b)は結露水が過剰な状態の場合の放電電極周辺の水の状態を示す説明図である。 結露水の過剰状態判定についてのフローチャートである。 結露水の過剰状態判定についての他例のフローチャートである。 ペルチェモジュールをオフとする時の印加電圧のタイムチャートである。

符号の説明

Ｃ 制御回路
２ 放電電極
３ 対向電極
４ 高圧電源部
５ ペルチェモジュール

Claims (5)

1. 放電電極と、これに対向する対向電極と、この両電極間に高電圧を印加する高圧電源と、上記放電電極を冷却して放電電極部分に空気中の水分を基に水を生成させる冷却手段と、上記両電極間の放電状態を監視して所要の放電状態を維持する制御手段とを備えるとともに、放電電極上の結露水量の過剰状態を検出する検出手段を備えて、上記制御手段は検出手段による過剰結露水の検出により放電及び冷却手段を停止させ、その一定時間後に静電霧化動作を再開させるものであることを特徴とする静電霧化装置。
2. 検出手段は、放電電流値と冷却手段の冷却度合とから過剰結露水の検出を行うものであることを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
3. 検出手段は、放電電流値と冷却手段の冷却度合とその状態の継続時間とから過剰結露水の検出を行うものであることを特徴とする請求項１または２記載の静電霧化装置。
4. 放電電極上の結露水の蒸発を促す蒸発促進手段を備えており、制御手段は蒸発促進手段による結露水の蒸発を促した後に静電霧化動作を再開させるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電霧化装置。
5. 制御手段は、冷却手段を停止させるにあたり、冷却能力を段階的に落とした後に停止させるものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電霧化装置。

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