JP4655883B2 - 静電霧化装置 - Google Patents

Description

本発明は、水を静電霧化させてナノメータサイズの帯電微粒子ミストを発生させる静電霧化装置に関するものである。

従来より、水を静電霧化させてナノメータサイズの帯電微粒子ミストを発生させる静電霧化装置が知られている（例えば特許文献１参照）。静電霧化装置は、放電極と、放電極に水を供給する水供給手段と、放電極に高電圧を印加する電圧印加手段とを備え、放電極に高電圧を印加することで放電極に保持される水を静電霧化させてナノメータサイズの帯電微粒子ミストを発生させるものである。なお、放電極と対向するように対向電極を設けて該放電極と対向電極との間に高電圧を印加してもよいが、対向電極は設けなくてもよいものである。

このような従来の静電霧化装置においては、水の存在下で高電圧を印加するため放電極にマイグレーションが発生してしまうという問題があるものであった。
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、その目的とするところは、放電極の耐マイグレーション性に優れた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請求項１に係る静電霧化装置にあっては、金属材料からなる放電極１と、放電極１に水を供給する水供給手段３と、放電極１に高電圧を印加する電圧印加手段４とを備え、放電極１に高電圧を印加することで放電極１に保持される水を静電霧化させる静電霧化装置において、放電極１の表面に耐マイグレーション性に優れた単体金属又は合金による被膜層８を形成し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、放電極１の耐マイグレーション性を向上させることができるものである。

また、請求項２の発明は、放電極１と、放電極１を冷却して表面に水を結露させて放電極１に水を供給する水供給手段３と、放電極１に高電圧を印加する電圧印加手段４とを備え、放電極１に高電圧を印加することで放電極１に保持される水を静電霧化させる静電霧化装置において、放電極１の基材部７を熱伝導性および導電性の高い単体金属又は合金で形成するとともに、基材部７の表面に耐マイグレーション性に優れた単体金属又は合金による被膜層８を形成し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、放電極１の耐マイグレーション性を向上させることができるものである。

また、請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、放電極１の基材部７をＣｕ又はＣｕ合金にて形成するとともに、被膜層８をＮｉ又はＮｉ合金にて形成し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、放電極１が熱伝導率に優れ効率的に結露水を供給でき、且つ安価な手段で耐マイグレーション性を向上させることができる。

また、請求項４の発明は、請求項１又は２の発明において、被膜層８を耐酸性および耐アルカリ性においても優れた単体金属又は合金にて形成し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、耐マイグレーション性のみならず耐酸性および耐アルカリ性をも向上させることができる。

また、請求項５の発明は、請求項４の発明において、被膜層８をＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｒの単体金属あるいはこれらを基本組成とする合金にて形成し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、高い耐酸性および耐アルカリ性、耐マイグレーション性を得ることができる。

また、請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかの発明において、被膜層８を濡れ性が大きい単体金属又は合金により形成し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、放電極１の表面の濡れ性が向上して所定のテイラーコーンの形成が容易となるものである。

また、請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかの発明において、放電極１の先端部分の被膜層８の厚みｔを他の部分の被膜層の厚みｔ’よりも厚く形成し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、マイグレーションが発生し易い放電極１の先端部の耐マイグレーション性を向上させることができる。

本発明にあっては、放電極の耐マイグレーション性を向上させることができて、耐久性に優れた（寿命の長い）静電霧化装置とすることができる。

以下、本発明の一実施形態について添付図面に基いて説明する。静電霧化装置は、図１（ａ）に示すように放電極１および該放電極１に対向配置した対向電極２と、放電極１に水を供給する水供給手段３と、放電極１と対向電極２との間に高電圧を印加する電圧印加手段４とを備え、電圧印加手段４にて放電極１と対向電極２との間に高電圧を印加することで放電極１に供給した水を静電霧化するものである。静電霧化は、高電圧の印加によって放電極１側が負電極となって電荷が集中するとともに放電極１の表面に付着した水が円錐形状に盛り上がってテイラーコーンが形成され、このテイラーコーンの先端に電荷が集中して高密度となってこの高密度の電荷の反発力ではじけるようにして水が分裂・飛散するレイリー分裂を繰り返すことで行われる。この時、テイラーコーンの形成は放電極１の表面の濡れ性に影響されるもので、濡れ性が小さいと所定のテイラーコーンが形成されず静電霧化される量が確保できないため、放電極１の表面の濡れ性を所定確保する必要がある。

本実施形態の水供給手段３はペルチエ素子５からなる冷却手段を備えたもので、この冷却手段にて放電極１を冷却させて空気中の水分（湿気）を放電極１の先端部の表面に結露させることで水を供給するものである。ペルチエ素子５の放電極１側の端部が冷却部５ａ、その反対側の端部が放熱部５ｂとなっており、冷却部５ａは放電極１に熱的に接続してあるとともに、放熱部５ｂは放熱フィン６に熱的に接続してある。

静電霧化は、上述したように電圧印加手段４にて高電圧を印加して放電極１の先端部に結露した水を静電霧化するのであるが、この時、放電極１にはマイグレーションが発生する惧れがある。図２（ａ）にマイグレーション発生前の放電極１を示し、図２（ｂ）にマイグレーション発生後の放電極１を示す。マイグレーションが発生すると図２（ｂ）に示すように放電極１が変形劣化してしまい、放電極１の先端におけるテイラーコーンの形成が不安定となってしまい、適切な静電霧化を行えなくなる。そこで、放電極１の耐マイグレーション性を向上させるため本発明においては放電極１の表面に被膜層を形成するもので、以下に説明する。

放電極１は、図１（ｂ）に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ（真鍮材）を切削加工して基材部７を形成し、これに表面処理を施して被膜層８を形成する処理を施して製作するものである。基材部７は、棒状部７１の先端に略球状をした膨大部７２を形成したもので、真鍮材で形成することで放電極１の熱伝導性および導電性を確保しており、これにより効率良く放電極１を冷却することができるとともに放電を容易にしている。基材部７の材料としては真鍮材に限定されず、例えばＣｕやその他のＣｕ合金等、熱伝導性および導電性の高い金属材料が好適に用いられる。

基材部７の表面に形成する被膜層８は、本実施形態においては電解メッキによるＮｉメッキ層を形成するもので、Ｎｉメッキにより形成することで安価に生産することが可能となって生産性が向上するものである。

被膜層８の厚みは、ピンホールが形成されるのを防止するため厚みを４μｍ以上とするのが好ましく、本実施形態では余裕をもって２０μｍとしてある。被膜層８のＮｉメッキは無電解メッキで形成してもよいのであるが、無電解メッキであれば、図１（ｂ）に示すように各部位が均一の厚みとなって仕上がるのに対し、電解メッキであれば尖った部位ほどメッキ厚が厚くなる傾向があり、この性質を利用して図３（ａ）に示すようにマイグレーションが最も発生し易い放電極１の先端部の被膜層８の厚みｔを他の部分の被膜層８の厚みｔ’よりも厚く形成することが容易に行われる。また、図３（ｂ）のようにテイラーコーンの形成される部位にのみメッキを施してマイグレーションが最も発生し易い放電極１の先端部に集中的に被膜層８を形成してもよく、これらの構成によって、マイグレーションが発生し易い放電極１の先端部の耐マイグレーション性を向上させることができる。

かかる構成によれば、放電極１の耐マイグレーション性を向上させることができて、耐久性に優れた（寿命の長い）静電霧化装置とすることができる。

なお、本実施形態においては対向電極２を備えた静電霧化装置であったが、対向電極２は必ずしも必要ではなく、接地電位に対して高電圧を放電極１に印加しさえすれば静電霧化は行われる。

次に、他の実施形態について図４、図５に基いて説明する。本実施形態は水供給手段３が図１に示す上実施形態のように冷却手段で放電極１を冷却させて放電極１の先端部に水を結露させるものではなく、図４に示すように、水供給手段３としての水溜め部９１および水搬送手段９２を備えており、水溜め部に溜めている水Ｗを水搬送手段により放電極１ａの先端部に供給するものである。

放電極１ａは例えばＳＵＳ等からなる有蓋筒状をしたもので、その内部に水搬送手段９２が挿入される。水搬送手段９２は、図５に示すように毛細管現象により水を搬送する搬送孔９２ａを有するものや、あるいは毛細管現象により水を搬送する空隙を有する多孔質材からなるものからなり、前記搬送孔９２ａや空隙あるいは放電極１ａと水搬送手段９２との間の隙間９３を毛細管現象により水が搬送されて放電極１ａの先端部の裏側まで水が搬送される。そして、放電極１ａの先端部の裏側まで搬送された水は、放電極１ａの先端部に貫通形成した貫通孔１ｂを通って放電極１ａの表面側に移動して静電霧化されるものである。

本実施形態においても、放電極１ａの耐マイグレーション性を向上させるべく放電極１ａに被膜層８を形成するもので、少なくとも放電極１ａの外表面、好ましくは放電極１ａの露出面全て（外表面、内表面、貫通孔１ｂの内面）に基材のＳＵＳよりも耐マイグレーション性の高い金属にて形成した被膜層８を形成するものである。これにより、上実施形態と同様に放電極１の耐マイグレーション性を向上させることができて、耐久性に優れた静電霧化装置とすることができる。

以上において耐マイグレーション性の向上について説明したが、次に耐酸性、耐アルカリ性の向上について説明する。静電霧化の際には、放電極１に供給される水は常に中性であることはなく酸性やアルカリ性の水が供給されるため、長時間使用していると放電極１が酸やアルカリによって腐蝕する惧れがあるため、放電極１に耐マイグレーション性のみならず耐酸性、耐アルカリ性に優れた被膜層を形成するのが好ましいものである。放電極１は、耐マイグレーション性のみに優れる上述したものと比べて被膜層８のみが異なるものであり、以下に被膜層８について説明する。

被膜層８は、図６に示すように、本実施形態においてはバレルメッキによる電解メッキで三層の被膜層８（８０、８１、８２）を形成するもので、バレルメッキにより形成することで安価に大量生産することが可能となって生産性が向上するものである。

被膜層８は、一層目の被膜層として基材部７の直ぐ表面に厚み１５μｍのＮｉメッキ層８０を形成してあり、次に二層目の被膜層として厚み７μｍのＡｕメッキ層８１を形成してあり、そして三層目の被膜層として厚み３μｍのＣｏを添加したＡｕメッキ層８２を形成してある。

一層目のＮｉメッキ層８０は、基材部７のＣｕと二層目および三層目のＡｕメッキ層８１、８２のＡｕとが相互拡散するのを防止するもので、このためにはＮｉメッキ層８０は少なくとも１μｍ以上の厚みが必要であるが、ピンホールが形成されるのを防止するため厚みを４μｍ以上とするのが好ましく、本実施形態では余裕をもって１５μｍとしてある。

二層目および三層目のＡｕメッキ層８１、８２は、耐酸性、耐アルカリ性、耐マイグレーション性および生産性（バレルメッキが可能である点）に優れるＡｕを用いて放電極１におけるこれらの特性を向上させるもので、三層目のＡｕメッキ層８２にＣｏを添加したＡｕを用いているのは、放電極１の表面の濡れ性を向上させるためと、硬度をＨｖ８０からＨｖ２５０程に上げて傷がつくのを防止するためである。Ａｕメッキ層８１、８２を一層のＣｏを添加したＡｕメッキ層で形成してもよいのであるが、Ｃｏを添加したＡｕメッキ層は厚み３μｍまでしか形成することができないため、最外層となる三層目のＡｕメッキ層８２をこのＣｏを添加した光沢タイプのＡｕメッキ層３μｍで形成するとともに、その内側の二層目のＡｕメッキ層８１をＣｏ無添加である無光沢タイプのＡｕメッキ層７μｍで形成してＡｕ層の厚みを確保している。Ａｕメッキ層８１においてはピンホールが形成されるのを防止するため４μｍ以上とするのが好ましく、本実施形態では余裕をもって７μｍとしてある。

ここで、Ａｕメッキ層を形成した放電極１と、Ａｕメッキ層を形成せずＮｉメッキ層のみを形成した放電極１とについて比較試験を行い、その結果について説明する。

Ａｕメッキ層を形成した放電極１は、基材部７の直ぐ表面にＮｉメッキ層を１μｍ形成するとともにその表面にＣｏ無添加のＡｕメッキ層を１８μｍ形成することで構成してある。Ｎｉメッキ層のみを形成した放電極１は、基材部７の直ぐ表面にＮｉメッキ層を１９μｍ形成することで形成したものである。そして、これらの放電極１をそれぞれ静電霧化装置に組み込んで約１０００時間の連続運転を行い、その後の放電極１の摩耗度合いを計測することで比較試験を行った。

その結果、Ａｕメッキ層を形成した放電極１においては試験前後で無変化で摩耗は見られなかったのに対し、Ｎｉメッキ層のみを形成した放電極１においては、Ｎｉメッキ層が運転前の１９μｍから１２μｍへと減少していた。このＮｉメッキ層は硬度Ｈｖ５００であり、Ａｕメッキ層の硬度Ｈｖ８０と比べてかなり高いため力学的な接触・摩擦による摩耗とは考えられず、一方、ＮｉはＡｕと比べて耐酸性および耐マイグレーション性に劣るため、これらによる化学的な摩耗と考えられる。この結果より、放電極の表面にＡｕメッキ層からなる被膜層を形成することで、耐酸性、耐アルカリ性、耐マイグレーション性が向上して放電極１の摩耗が防止されることが実証された。

次に、放電極１の耐酸性、耐アルカリ性についての試験を行い、その結果について説明する。まず耐酸性については、放電極１を９５℃のＨ_２ＳＯ_４１０％水溶液に１０時間浸漬し、その後、放電極１の摩耗度合いを計測したところ、摩耗は見られなかった。次に耐アルカリ性について、放電極１を９５℃のＮａＯＨ１０％水溶液に１０時間浸漬し、その後、放電極１の摩耗度合いを計測したところ、摩耗は見られなかった。これにより、耐酸性・耐アルカリ性ともに優れていることが分かる。

また、耐マイグレーション性については、上記比較試験にてＡｕメッキ層を形成した放電極１が試験前後で無変化であったことから優れていることが分かる。

また、本実施形態においては耐酸性、耐アルカリ性、耐マイグレーション性に優れる材料としてＡｕを用いたが、特にＡｕに限定されるものではなく、例えばＰｄ、Ｐｔ、Ｃｒの単体金属や、あるいはこれらを基本組成とする合金を用いても同様の効果を得られるものである。

かかる構成によれば、放電極１の耐マイグレーション性のみならず耐酸性および耐アルカリ性をも向上させることができて、耐久性に優れた（寿命の長い）静電霧化装置とすることができる。

本発明の一実施形態を示し、（ａ）は全体構成断面図であり、（ｂ）は放電極の拡大断面図である。 放電極に被膜層を形成しない場合のマイグレーション発生の説明図であり、（ａ）はマイグレーション発生前の状態を示し、（ｂ）はマイグレーション発生後の状態を示す。 （ａ）（ｂ）は放電極に形成する被膜層の例を示す断面図である。 本発明の他の実施形態の全体構成断面図である。 同上における放電極および水搬送手段の拡大断面図である。 耐酸性、耐アルカリ性にも優れた被膜層を形成した放電極の断面図である。

符号の説明

１ 放電極
２ 対向電極
３ 水供給手段
４ 電圧印加手段
８ 被膜層

Claims (7)

1. 金属材料からなる放電極と、放電極に水を供給する水供給手段と、放電極に高電圧を印加する電圧印加手段とを備え、放電極に高電圧を印加することで放電極に保持される水を静電霧化させる静電霧化装置において、放電極の表面に耐マイグレーション性に優れた単体金属又は合金による被膜層を形成して成ることを特徴とする静電霧化装置。
2. 放電極と、放電極を冷却して表面に水を結露させて放電極に水を供給する水供給手段と、放電極に高電圧を印加する電圧印加手段とを備え、放電極に高電圧を印加することで放電極に保持される水を静電霧化させる静電霧化装置において、放電極の基材部を熱伝導性および導電性の高い単体金属又は合金で形成するとともに、基材部の表面に耐マイグレーション性に優れた単体金属又は合金による被膜層を形成して成ることを特徴とする静電霧化装置。
3. 放電極の基材部をＣｕ又はＣｕ合金にて形成するとともに、被膜層をＮｉ又はＮｉ合金にて形成し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. 被膜層を耐酸性および耐アルカリ性においても優れた単体金属又は合金にて形成し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。
5. 被膜層をＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｒの単体金属あるいはこれらを基本組成とする合金にて形成して成ることを特徴とする請求項４記載の静電霧化装置。
6. 被膜層を濡れ性が大きい単体金属又は合金により形成して成ることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の静電霧化装置。
7. 放電極の先端部分の被膜層の厚みを他の部分の被膜層の厚みよりも厚く形成して成ることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の静電霧化装置。

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