JP4900207B2 - 静電霧化装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電霧化現象を利用して帯電微粒子水を生成するための技術に関するものである。

従来から、霧化電極と、該霧化電極を冷却して空気中の水分を結露水として生成することで霧化電極に供給し、高圧電源回路により霧化電極に供給された水に高電圧を印加して静電霧化することで帯電微粒子水を生成する静電霧化装置が知られている。

静電霧化装置における静電霧化の生成は、静電霧化装置の運転始動により始動電圧を印加すると、霧化電極の先端部に供給された水にクーロン力が働いて、水の液面が局所的に錐状に盛り上がり（テーラーコーン）が形成される。このようにテーラーコーンが形成されると、該テーラーコーンの先端に電荷が集中してこの部分における電界強度が大きくなって、これによりこの部分に生じるクーロン力が大きくなり、更にテーラーコーンを成長させる。このようにテーラーコーンが成長し該テーラーコーンの先端に電荷が集中して電荷の密度が高密度となると、テーラーコーンの先端部分の水が大きなエネルギー（高密度となった電荷の反発力）を受け、表面張力を超えて分裂・飛散（レイリー分裂）することでナノメータサイズの帯電微粒子水を生成するものである。

ところで、静電霧化装置の立ち上がり運転開始時に、高圧電源回路から霧化電極に電圧を印加すると、突入電流が流れてテーラーコーンが形成されない状態で空放電（マイナスイオン放電）をし、このため、長期間の使用で霧化電極の先端部が蒸発、磨耗して劣化し、安定した静電霧化ができなくなるという問題があった。

なお、静電霧化装置において、放電電圧の出力を高圧電源回路にフィードバックして高圧の発生電圧のばらつきを少なくするように制御することは特許文献１などにより知られているが、この特許文献１においては、運転開始時の空放電による霧化電極の劣化を抑制するための技術については開示してない。
特開２００７−２１３７０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、運転開始時の空放電による霧化電極の劣化を抑制して長期間安定して静電霧化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、霧化電極１と、霧化電極１に水を供給する水供給手段２と、霧化電極に供給された水を静電霧化するために高電圧を印加するための高圧電源回路３とを備え、高圧電源回路３により高圧電源電圧を印加して霧化電極１に供給された水を静電霧化することで帯電微粒子水を生成する静電霧化装置４において、高電電源電圧の印加開始から静電霧化を開始するまでの期間の電圧を始動電圧、静電霧化が開始された以降における静電霧化を行うための電圧を霧化電圧とし、上記始動電圧の印加開示時に徐々に電源電圧を上昇させて上記霧化電圧よりも高い電圧まで至らせ、始動電圧が霧化電圧よりも高い電圧に至るとこの状態を静電霧化を開始するまで維持し、静電霧化が開始すると始動電圧から霧化電圧に電圧を下げるように制御することを特徴とするものである。

静電霧化が開始されるまでの時間を短くするために始動電圧を静電霧化が安定してできる霧化電圧よりも高い電圧にするに当り、上記のように、構成することで、静電霧化装置４の立ち上がり運転開始時に突入電流が流れないように制御でき、運転開始時の空放電による霧化電極の蒸発、磨耗による劣化を抑制することができる。そして、このように始動電圧の印加開示時に徐々に電源電圧を上昇させて上記霧化電圧よりも高い電圧まで至らせることで運転開始時の空放電による霧化電極の蒸発、磨耗による劣化を抑制しつつ、始動電圧が霧化電圧よりも高い電圧に至るとこの状態を静電霧化を開始するまで維持し、静電霧化が開始すると始動電圧から霧化電圧に電圧を下げるように制御するので、静電霧化開始まで、つまり、霧化電極１の先端部に供給された水がテーラーコーンとして成長し、成長したテーラーコーンの先端に電荷が集中して電荷の密度が高密度となって、高密度となった電荷の反発力が表面張力を超えて分裂・飛散（レイリー分裂）して静電霧化が開始されるまでの時間を短くすることができる。

また、静電霧化装置４の立ち上がり運転開始時に段階的に高圧電源電圧を上昇させて目標電圧となるように制御するものであって、該段階的に上昇させる上昇巾を目標電圧に近くなるほど小さくすることが好ましい。

このような構成とすることで、いっそう確実に静電霧化装置４の立ち上がり運転開始時に突入電流が流れないように制御できる。

本発明は、上記のように構成したので、静電霧化装置の立ち上がり運転開始時に突入電流が流れないように制御でき、運転開始時の空放電による霧化電極の蒸発、磨耗による劣化を抑制して長期間安定して静電霧化ができると共に、静電霧化が開始されるまでの時間を短くすることができる。

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。

静電霧化装置４は、霧化電極１と、霧化電極１に水を供給する水供給手段２と、霧化電極１に供給された水を静電霧化するために霧化電極１に供給された水に高電圧を印加するための高圧電源回路３とを備えている。

添付図面に示す実施形態においては、水供給手段２が、空気中の水分を結露水として生成することで霧化電極１に水を供給するための冷却手段により構成してある例を示している。

図９は本発明に用いる静電霧化装置４の主体を構成する霧化ブロック４ａの概略構成図が示してある。図９に示す実施形態においてはペルチェユニット１１により冷却手段が構成してあり、冷却手段により空気中の水分を冷却して結露水を生成することで霧化電極１に水を供給するようになっている。

ペルチェユニット１１は、熱伝導性の高いアルミナや窒化アルミニウムからなる絶縁板の片面側に回路を形成してある一対のペルチェ回路板１５を、互いの回路が向き合うように対向させ、多数列設してあるＢｉＴｅ系の熱電素子１６を両ペルチェ回路板１５間で挟持すると共に隣接する熱電素子１６同士を両側の回路で電気的に接続させ、ペルチェ入力リード線１７を介してなされるペルチェ用電源３０からの熱電素子１６への通電により一方のペルチェ回路板１５側から他方のペルチェ回路板１５側に向けて熱が移動するように構成したものである。更に、上記一方の側のペルチェ回路板１５の外側には冷却部１３を接続してあり、また、上記他方の側のペルチェ回路板１５の外側には放熱部１２が接続してあり、実施形態では放熱部１２として放熱フィンの例が示してある。ペルチェユニット１１の冷却部１３には霧化電極１の後端部が接続してある。

霧化電極１は絶縁材料からなる筒体１８で囲まれており、筒体１８の周壁には筒体１８内外を連通する窓１８ａが設けてある。また、筒体１８の先端開口部にリング状をした対向電極１４が配設され、霧化電極１の軸心の延長線上にリング状の対向電極１４のリングの中心が位置するように霧化電極１と対向電極１４とが対向している。

上記静電霧化装置４は、ペルチェユニット１１に通電することで、冷却部１３が冷却され、冷却部１３が冷却されることで霧化電極１が冷却され、空気中の水分を結露して霧化電極１に水（結露水）を供給するようになっている。

このように霧化電極１に水が供給された状態で上記霧化電極１と対向電極１４との間に高圧電源回路３から高電圧を印加すると、霧化電極１と対向電極１４との間にかけられた高電圧により霧化電極１の先端部に供給された水と対向電極１４との間にクーロン力が働いて、水の液面が局所的に錐状に盛り上がり（テーラーコーン）が形成される。このようにテーラーコーンが形成されると、該テーラーコーンの先端に電荷が集中してこの部分における電界強度が大きくなって、これによりこの部分に生じるクーロン力が大きくなり、更にテーラーコーンを成長させる。このようにテーラーコーンが成長し該テーラーコーンの先端に電荷が集中して電荷の密度が高密度となると、テーラーコーンの先端部分の水が大きなエネルギー（高密度となった電荷の反発力）を受け、表面張力を超えて分裂・飛散（レイリー分裂）を繰り返してマイナスに帯電したナノメータサイズの帯電微粒子水を大量に生成するようになっている。生成された帯電微粒子水は図９の矢印のように外部に放出される。

図３には本発明の静電霧化装置４の制御ブロック図が示してある。

図３において、８はマイコンよりなる制御部、６は放電電流検出回路、７は高圧電源電圧検出回路、３は高圧電源回路、４ａは霧化ブロック、３０はペルチェ用電源である。

ここで、本発明においては、静電霧化装置４の立ち上がり運転開始時に高圧電源回路３によって放電電極１に高圧電源電圧を印加するに当たり、高圧電源電圧の印加開始時に、図１に示すように徐々に高圧電源電圧を上昇させて目的とする高圧電源電圧値になるように制御部８により制御するようになっている。これにより静電霧化装置４の立ち上がり運転開始時に突入電流が流れないように制御でき、運転開始時の空放電による霧化電極１の蒸発、磨耗による劣化を抑制することができる。

また、図２に示す実施形態においては、静電霧化装置４の立ち上がり運転開始時に徐々に高圧電源電圧を上昇させて目標電圧となるように制御するに当たり段階的に上昇させるように制御部８により制御するようにしてある。そして、このように段階的に上昇させる制御をするにあたって、図２に示すように段階的に上昇させる上昇巾を目標電圧に近くなるほど小さくするように制御するようになっていて、いっそう確実に静電霧化装置４の立ち上がり運転開始時に突入電流が流れないように制御できるものである。

また、図１に示す実施形態や図２に示す実施形態においては、更に、上記のように霧化電極１に対する高圧電源電圧の印加開始時に、図１、図２図に示すように徐々に高圧電源電圧を上昇させて目的とする高圧電源電圧値とした時点から、静電霧化を開始するまでの期間の電圧（これを始動電圧という）を、静電霧化が開始された以降における静電霧化を安定して行うための電圧（これを霧化電圧という）よりも高く設定してある。

すなわち、図１、図２に示すように、静電霧化装置４の立ち上がり運転開始時における放電電極１への高圧電源電圧の印加開始時に、図１に示すように徐々に高圧電源電圧を上昇させて目的とする高圧電源電圧値（つまり始動電圧）にするのであるが、この始動電圧を静電霧化が開始された後に印加する霧化電圧よりも高く設定してある（始動電圧は霧化電圧よりも例えば０．２ｋＶ程度高く設定してある）。

そして、静電霧化検出手段５により静電霧化の開始を検出した後、始動電圧から霧化電圧に印加電圧を下げるように制御部８で制御するようになっている。前述の図３に示す制御ブロック図に示す実施形態では、静電霧化検出手段５を構成する放電電流検出回路６により放電電流を検出することで、霧化電極１の先端部に供給された水がテーラーコーンとして成長し、この成長したテーラーコーンの先端に電荷が集中して電荷の密度が高密度となると、テーラーコーンの先端部分の水が大きなエネルギー（高密度となった電荷の反発力）を受け、表面張力を超えて分裂・飛散（レイリー分裂）した時点、つまり、放電開始を検出するようになっており、放電電流検出回路６による放電開始の電流検出の結果がマイコンよりなる制御部８に入力されることで、制御部８からの制御信号により高圧電源回路３が制御されて、始動電圧から霧化を安定して行うための霧化電圧となるように印加電圧値が下げられる。

安定して静電霧化ができる霧化電圧とは製品によりばらつきがあるが、例えば、この安定して静電霧化ができる霧化電圧が４．８ｋＶであるとすると、始動電圧は上記霧化電圧よりも０．２ｋＶ高い５ｋＶに設定する。ここで、本発明においては、図３のように高圧電源電圧検出回路７を設けて、高圧電源電圧検出回路７により検出された検出値に基づいて高圧電源電圧を安定して霧化ができる霧化電圧（目標電圧）となるように制御部８により制御しており、これにより部品のばらつきや、雰囲気環境による高圧電源電圧値のばらつきを抑え、高圧電源電圧値の精度を上げることができるようになっている。

上記のように、始動電圧を静電霧化が安定してできる霧化電圧よりも高くしてあるので、静電霧化開始まで、つまり、霧化電極１の先端部に供給された水がテーラーコーンとして成長し、成長したテーラーコーンの先端に電荷が集中して電荷の密度が高密度となって、高密度となった電荷の反発力が表面張力を超えて分裂・飛散（レイリー分裂）して静電霧化が開始されるまでの時間を短くすることができる。

ここで、上記のように始動電圧を高く設定して静電霧化が開始されるまでの時間を短くするようにし、さらに、霧化開始以降も始動電圧と同じ高い電圧で静電霧化することが考えられるが、この場合は静電霧化が安定しないので好ましくない。

また、始動電圧を安定して静電霧化ができる霧化電圧と同じにすると、前述のように静電霧化開始までに時間がかかりすぎて好ましくない。

図４には本発明の他の実施形態の制御ブロック図が示してある。本実施形態においては、制御部８に高圧電源電圧の異常を検出する電圧異常検出手段９を設けてある。本実施形態においては、図５に示すように、静電霧化時における電圧制御に当たり、制御部８による運転継続のための高圧電源電圧の制御可能域の上下限（制御可能上限値、制御可能下限値をＢｋＶとする）を、安定して静電霧化が行われる高圧電源電圧域の上下限（つまり、製品により安定して霧化できる霧化電圧（目標電圧）にばらつきがあるので、その霧化電圧のばらつきの上下限を図４で便宜上、静電霧化上限しきい値、静電霧化下限しきい値として表示する。目標電圧はこの静電霧化上限しきい値、静電霧化下限しきい値内に設定される）を超えて設定してある。

そして、高圧電源電圧値が一時的に、製品によりばらつきのある安定して静電霧化が行われる高圧電源電圧域の上下限を超えても、制御部８による運転継続のための高圧電源電圧の制御可能域の制御可能上限値、制御可能下限値を超えていなければ、回路正常時であると判定して制御部８により安定して静電霧化が行われる当該製品の目標電圧になるように制御する。一方、高圧電源電圧が制御部８による運転継続のための高圧電源電圧の制御可能域の上下限値（ＡｋＶ、ＢｋＶ）を越えた時にのみ電圧異常検出手段９で異常として検出するようになっており、このように電圧異常検出手段９で異常として検出した場合は、回路異常時として制御部８からの制御信号により高圧電源回路３による電圧印加を停止、又は静電霧化装置４を停止にする。

したがって、本実施形態によれば、制御部８による運転継続のための高圧電源電圧の制御可能域の上下限内であれば、高圧電源電圧値が一時的に製品によりばらつきのある安定して静電霧化を行われる高圧電源電圧域を超えても、制御部８の制御により目標電圧に戻して継続して静電霧化運転ができる。一方、高圧電源電圧が制御部８による運転継続のための高圧電源電圧の制御可能域の上下限値を越えた際は、これを電圧異常検出手段９で検知し、電圧の異常であると判定して電圧印加を停止又は静電霧化装置４をオフにすることで、安全性を図っている。

図６には本発明の他の実施形態の制御ブロック図が示してある。本実施形態においては、高圧電源回路３に放電電流出力が規定値よりも高くなった場合、高圧電源電圧を低くするめの保護回路１０を設けてある。これによりマイコンよりなる制御部８が暴走したりして機能しないような時に、放電電流出力が規定値よりも高くなっても、保護回路１０により高圧電源電圧を抑制することができ、安全性を確保できる。

上記した実施形態では、霧化電極１に対する高圧電源電圧の印加開始時に、図１、図２に示すように徐々に高圧電源電圧を上昇させて目的とする高圧電源電圧値とした時点から、静電霧化を開始するまでの期間の電圧（これを始動電圧という）を、静電霧化が開始された以降における静電霧化を安定して行うための霧化電圧よりも高く設定した例を示したが、図７、図８のように、霧化電極１に対する高圧電源電圧の印加開始時に、図７、図８に示すように徐々に高圧電源電圧を上昇させて目的とする高圧電源電圧値とするに当たり、目的とする高圧電源電圧値を安定して行える霧化電圧値とするものであってもよい。

この実施形態の場合も、静電霧化装置４の立ち上がり運転開始時に突入電流が流れないように制御でき、運転開始時の空放電による霧化電極の蒸発、磨耗による劣化を抑制することができる。

なお、上記各実施形態においては、水供給手段２として空気中の水分を結露水として生成することで霧化電極１に水を供給するためペルチェユニット１１のような冷却手段の例で示したが、本発明においては、水タンクに溜めた水を毛細管現象などを利用した水搬送手段により霧化電極１の先端部に供給するようなものであってもよい。

本発明の一実施形態の高圧電源回路による電圧印加のタイムチャートを示す図面である。 本発明の他の実施形態の高圧電源回路による電圧印加のタイムチャートを示す図面である。 本発明の一実施形態の制御ブロック図である。 本発明の他の実施形態の制御ブロック図である。 同上の高圧電源電圧と制御部の制御出力との関係を示すグラフである。 本発明の更に他の実施形態の制御ブロック図である。 本発明の更に他の実施形態の高圧電源回路による電圧印加のタイムチャートを示す図面である。 本発明の更に他の実施形態の高圧電源回路による電圧印加のタイムチャートを示す図面である。 本発明の静電霧化装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 霧化電極
２ 水供給手段
３ 高圧電源回路
４ 静電霧化装置

Claims (2)

1. 霧化電極と、霧化電極に水を供給する水供給手段と、霧化電極に供給された水を静電霧化するために高電圧を印加するための高圧電源回路とを備え、高圧電源回路により高圧電源電圧を印加して霧化電極に供給された水を静電霧化することで帯電微粒子水を生成する静電霧化装置において、
   高電電源電圧の印加開始から静電霧化を開始するまでの期間の電圧を始動電圧、静電霧化が開始された以降における静電霧化を行うための電圧を霧化電圧とし、
   上記始動電圧の印加開示時に徐々に電源電圧を上昇させて上記霧化電圧よりも高い電圧まで至らせ、始動電圧が霧化電圧よりも高い電圧に至るとこの状態を静電霧化を開始するまで維持し、静電霧化が開始すると始動電圧から霧化電圧に電圧を下げるように制御することを特徴とする静電霧化装置。
2. 静電霧化装置の立ち上がり運転開始時に段階的に高圧電源電圧を上昇させて目標電圧となるように制御するものであって、該段階的に上昇させる上昇巾を目標電圧に近くなるほど小さく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。

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