JP5202494B2 - 流体搬送装置 - Google Patents

Description

本発明は、室内および室外の任意エリアに対して、例えば加湿空気を気相中に搬送する流体搬送装置に関する。

加湿空気を生成する手段として、水を保持した気化エレメントに対して通風することにより加湿空気を搬送する方式や水を超音波振動により水界面で微細粒子を生成して霧化する方式、又は水を加湿空気発生手段で加熱して蒸発させる方式がある。いずれの方式も、生成した加湿空気は、ファンを用いて気流に乗せることで、遠方領域に搬送される。

前述のように生成した加湿空気をファンを用いて搬送するものにあっては、いずれも加湿装置の吹出口より放出された加湿空気はすぐに拡散してしまうため、吹出口近傍より加湿され、徐々に部屋全体が加湿される。そのため、人や特定の場所に対して加湿を行ないたい場合には、過剰な加湿量が必要となってしまう。特に広い空間において用いる場合には、大きな加湿量が必要となり、結果として加湿装置も大型化してしまう。また、部屋全体が加湿されると、窓の結露や、部分的に過加湿となってカビ繁殖の温床となる。

そこで、生成した加湿空気を加圧して渦輪状空気を生成し、遠方に搬送できるようにしたものが提案されている。渦輪状空気は並進性に優れ、徐々に拡散しながらも渦輪の形を維持して並進する。このため、渦輪を加湿空気により形成することで、渦輪が対象物と衝突して崩壊する場所で加湿空気を拡散させることができる。そのため、加湿したい領域の制御が可能となり、室内、室外に関係なく所定の空間を迅速に加湿することが可能となる。

ところで、前記のような渦輪を用いた加湿装置において、加湿空気を機外へ押し出す手段として直接駆動方式(スピーカー)や、同様に動作するソレノイドを用いた手段がある。スピーカーのようにコイルに矩形波の電流を入力して空気を押し出すための振動板を駆動させる構成では、電流印加時に振動板の変位が矩形波に応答しきれずに、最大振幅位置付近で過渡ひずみが発生し、異音が発生する要因となり、使用者に対して不快感を与えてしまう。

そこで、振動板の変位を規制する部材を付与して過渡ひずみの抑制を行なったり（例えば、特許文献１参照）、振動板を圧縮側に対して凸形状に形成して発生する衝撃音の指向角を拡大することで音を分散させたり（例えば、特許文献２参照）する対策が実施されている。

特開２００７-２６１３７１号公報（図３〜図６） 特開２００７-２６１３７３号公報（図３〜図６）

しかしながら、過渡ひずみを抑制するために振動板の変異を規制する部材を付与したものにあっては、渦輪による加湿空気の搬送量を決める重要な要素である振動板の振幅が大きく取れないこととなり、音の低減効果は認められるものの、本来の求めるべき性能である加湿空気を搬送する量が減少してしまう。

また、発生する音を分散させるために振動板を圧縮側に対して凸形状に形成したものにあっては、空気を押し出す向きが一定でないためにきれいな渦輪が形成できず、渦輪がすぐに壊れてしまい、遠方へ搬送することができない。

このように、従来は発生する異音を低減すると、渦輪の生成に影響を与えてしまうという難点があった。

本発明の技術的課題は、大きな振動振幅で駆動して渦輪を遠方の任意エリアに対して搬送できる構成としても、加振時に発生する異音を抑制することができるようにすることにある。

本発明に係る流体搬送装置は、開口穴を有するとともに、この開口穴の方向に向かってテーパ状に絞られた構造を有する加圧室と、入力信号に基づいて振動板を進退駆動させて、加圧室内の空気を加圧して開口穴から放出させるための駆動装置と、任意波形発生器が生成した信号をローパスフィルタにより振動板の固有振動数以上の周波数成分を除去し、その除去後の信号を、さらに増幅器により増幅することで、振動板の固有振動数より小さい周波数成分の入力信号として、駆動装置に発信する信号発信手段とを備えるものである。

本発明の流体搬送装置によれば、流体搬送量を低下させることなく、加振時に発生する異音を抑制することができる。また、開口穴の方向に向かってテーパ状に絞られた構造を有する加圧室により、加圧された空気が加圧室内で層流となるため、開口穴での風速が上がり、渦輪の飛行距離を延ばすことができる。

本発明の実施の形態１に係る流体搬送装置の全体構成を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態１に係る流体搬送装置の駆動装置を拡大して示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る流体搬送装置の駆動装置の信号入力部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る流体搬送装置の信号が入力されてから加湿空気が渦輪となって出射されるまでの動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る流体搬送装置の駆動装置に入力される信号の特性を示す波形図である。 本発明の実施の形態１に係る流体搬送装置の駆動装置に入力される信号の周波数と音圧の関係を従来と比較して示す波形図である。 本発明の実施の形態２に係る流体搬送装置の全体構成を示す側面断面図である。

実施の形態１．
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図１は本実施の形態１に係る流体搬送装置の全体構成を示す側面断面図、図２はその駆動装置を拡大して示す断面図、図３はその駆動装置の信号入力部の構成を示すブロック図、図４はその信号が入力されてから加湿空気が渦輪となって出射されるまでの動作を示すフローチャート、図５はその駆動装置に入力される信号の特性を示す波形図、図６はその駆動装置に入力される信号の周波数と音圧の関係を従来と比較して示す波形図である。

本実施の形態の流体搬送装置すなわち加湿装置１０２は、図１のように外郭となるキャビネット３０の内部の前面側に加圧室１が形成され、その背面側に駆動装置１００が配置されている。

駆動装置１００は、図２のように最底面となるヨーク１０と、ヨーク１０の中心部に一体成型したセンターポール１１と、センターポール１１の周りに固定配置したマグネット１２と、マグネット１２の上面に固着したプレート１３と、駆動信号が入力されるボイスコイル１４と、センターポール１１に嵌装されボイスコイル１４が巻回されたボイスコイルボビン１５とを有する。

マグネット１２は、ネオジウム、サマリウムコバルト、フェライト、アルニコなど使用している。ボイスコイル１４の巻幅はボイスコイルボビン１５を覆う面積を有しており、ボイスコイル１４に印加する入力電圧により、マグネット１２との間で電磁駆動を行い、ボイスコイルボビン１５全体を図２の上下方向に振動させるようになっている。

また、ボイスコイルボビン１５は、接着層１６によって振動板１０１の定位置に固着されている。振動板１０１は、ボイスコイルボビン１５より大きい外径寸法を有し、硬くて軽い材料から構成されているが、供給される加湿空気が蒸気である場合には、更に蒸気に対して変形することのない耐熱性の機能をも有する材料を用いることが好ましい。更には、振動板１０１と接触するようにゴムなどの振動減衰能の大きい材料が付与されて構成されることにより、加圧室１内で生じる異音の共鳴による増幅などを防ぐこともできる。

振動板１０１の周囲から背面を覆うようにフレーム１７が設けられ、フレーム１７の一端と振動板１０１とがエッジ１８により接続されている。これにより、ボイスコイルボビン１５が振動板１０１およびエッジ１８を介してフレーム１７に保持されるようになっている。ボイスコイルボビン１５及びエッジ１８は一般のスピーカー装置で用いている振動板と異なり、接着層１６への加湿空気の進入を防ぐことを目的として設置されたものである。

これを更に詳述すると、エッジ１８は、振動板１０１の加圧方向に対して突出する断面円弧状を呈し、振動板１０１の振幅長以上の円弧半径（突出量）を有している。また、エッジ１８の材質は、伸縮性を有するゴム材などの弾性材料から形成する必要があるが、硬すぎると加振時に振動板端部でのたわみが生じてしまい、一回の加振で複数の渦輪が生成されてしまうため好ましくない。また、エッジ１８は、その両端の振動板固定部２０とフレーム固定部２１で、振動板１０１とフレーム１７に接続されているが、これら接続部のうち、１箇所以上に部材の振動を抑制する制振材を介在させることで、振動による異音の発生を抑制することができる。

また、ボイスコイルボビン１５とフレーム１７とは、伸縮性を有する部材またはプリーツ状部材から構成されたダンパー２２により接続され、ダンパー２２によってボイスコイルボビン１５が所定の位置に弾性保持されるようになっている。また、ダンパー２２は、ボイスコイルボビン１５がマグネット１２とボイスコイル１４の電磁駆動により上下に動いた際に、その動きの妨げとならないように、かつその上下動に対して左右のぐらつきが起こらないように、支持する機能も持っている。

加湿装置１０２は、駆動装置１００の前面側に加圧室１が形成されているが、この加圧室１の外郭となるキャビネット３０の形状は、直方体形状、円筒状、球形など、様々な形状を採用可能である。加圧室１の底面には、貯水タンク６の水を一時的に貯水する貯水部３が設けられている。貯水部３の周囲には、貯水部３の水を加熱して蒸気を生成する加湿空気発生手段４が設けられており、生成した蒸気を加圧室１に直接導入できるようになっている。また、加圧室１の前壁には、当該加圧室１に導入した加湿空気を任意エリアに向けて放射するための円形の開口穴５が形成されている。

加湿空気発生手段４は、貯水部３の外周に設けられた電熱線で構成されており、電熱線に電流を流すことで発熱させ、その熱を貯水部３内の水に伝導させ加熱することによって、蒸気を発生させるものである。なお、加湿空気発生手段４は、加湿空気を生成できれば良いものであり、例えば水を加熱して蒸気を発生させる方式であれば電熱線の代わりにセラミックヒータやその他ヒータを用いたものでもよく、それ以外の方式として、超音波によって水を霧化する方式や、微細孔ノズルから噴射することで霧化する方式を用いても良い。

開口穴５の面積は、振動板１０１の面積の略１／２から１／１０の範囲に設定されている。開口穴５の面積が振動板１０１の面積の１／２より大きい場合には、振動板１０１の振幅及び加振力を大きくする必要があり、異音が大きくなってしまう問題がある。また、開口穴５の面積が振動板１０１の面積の１／１０より小さい場合には、信号入力を下げることができて異音の問題は殆どなくなるが、生成する渦輪の径が小さくなってしまうため、渦輪の飛行距離が短くなってしまい、振動板の大きさに対して有効に加湿空気を搬送することができない。

キャビネット３０内には、駆動装置１００を所定位置に固定するための設置片４０が内方に突出して形成されているとともに、それよりも背面側に、駆動装置１００によって駆動装置用空気室４１が画成されている。また、キャビネット３０の背面４２には、任意位置に任意形状を有する空気弁（呼吸穴）４３が形成されている。空気弁４３が無い場合は、駆動装置用空気室４１内の圧力の影響をボイスコイルボビン１５を介して駆動装置１００の振動板１０１が受けることとなり、振動板１０１の駆動が邪魔される問題が発生する。空気弁（呼吸穴）４３を設けることで、駆動装置用空気室４１内の圧力を外気の圧力と一緒にすることができ、振動板１０１を自由に動かすことができるようになる。

加圧室１の形状は角型でも円筒状でもよいが、特に図１のように開口穴５方向に向かってテーパ状に絞られた構造とした場合には、加圧された空気が加圧室１内で層流となるため、開口穴５での風速が上がり、渦輪の飛行距離も延びる傾向にあり、好ましい。

また、加圧室１の部材は、供給される加湿空気が蒸気である場合、蒸気に対して変形することのないよう、耐熱性を有する材料を用いることが好ましく、更に熱伝導性の良い材料を用いることにより、加圧室内部壁面の結露を抑制することができる。

更にまた、加圧室１の部材を、ゴムなど、振動減衰能の大きい材料から構成することにより、加圧室１内で生じる異音の共鳴に起因する加圧室１そのものの振動を抑制することができる。

振動方向において貯水部３などの障害物が配置されていると乱流を生じやすくなり、生成した渦輪の初速が得られずに遠方までの搬送が困難となる。振動板１０１により押し出された空気は、加圧室１内で層流を形成することが好ましい。このため、本実施の形態では、駆動装置１００により加振される振動板１０１の振動方向に干渉することのない加圧室１底部に貯水部３を配置している。

駆動装置１００への信号は図３の経路により入力される。つまり、外部より供給される家庭用電源信号５１が、任意波形発生器５２、低周波数帯域のみを透過するローパスフィルター５３、及びアンプ５４を経て駆動装置１００へ入力される。

次に、本実施の形態の加湿装置１０２の動作について図１乃至図６により説明する。
外部から水が供給された貯水タンク６は、タンク収納部に設置される。これにより、配水管８を通して貯水部３に一定量の水が流れ込む。貯水部３に流れ込み貯留された水は、加湿空気発生手段４により加熱されて蒸気が生成され、貯水部３より加圧室１内に蒸気が導入されて満たされ、これにより加圧室１内に加湿空気が生成される。

この状態で駆動装置１００に直流電圧を印加すると、駆動装置１００の振動板１０１が振動し、その振幅により加圧室１内の容積が変動し、開口穴５より加圧室１内の加湿空気が渦輪状空気となって加圧室外へ押し出される。加湿空気は、開口穴５を通過する時に、開口穴５の縁部との摩擦により開口穴縁部近辺では減速して開口穴中央部との間で風速分布ができるときに開口穴縁部で渦流が生成し、全体として渦輪状空気が生成される。生成された渦輪状空気は、渦輪外周部から徐々に拡散し、渦輪の形状が保持できなくなるまで並進する。渦輪が崩壊する地点で搬送された空気が拡散し、渦輪崩壊地点の周辺の湿度を上昇させる。

次に、駆動装置１００の動作を図４のフローチャートに基づき図３を参照しながら説明する。家庭用電源より供給された家庭用電源信号５１は、任意波形発生器５２により矩形波または鋸波に生成される。任意波形発生器５２より生成された矩形波または鋸波は、全帯域の周波数を有する信号となるため、この信号の高周波数帯域をローパスフィルター５３にて除去する。ローパスフィルター５３により高周波数帯域を除去された信号は、アンプ５４にて信号を０．２〜１．５Ｖまで増幅した後、駆動装置１００へ入力され、振動板１０１を加振する。これによって、振動板１０１から発生する高周波数帯域の不快な異音の発生を抑制することができる。特に、図６のように振動板１０１の固有振動数以上の周波数帯域をローパスフィルター５３で除去するように構成することで、振動板１０１の共振によって大きな異音が発生するのを確実に防ぐことができ、振動板１０１から発生する不快な異音の発生を大幅に抑制することができる。

また、ローパスフィルター５３により高周波数帯域を除去された信号をアンプ５４によって昇圧しても、それにより生成される信号には高周波数帯域が含まれないので、振動板１０１から発生する高周波数帯域の不快な異音の発生を抑制しながら、振動板１０１の加振力を大きくすることができる。特に、振動板の固有振動数以上の高周波数帯域をローパスフィルター５３にて除去することによって、容易に振動板の固有振動数以下の低周波数帯域の信号を大きくすることができ、これにより振動板１０１の加振力を大きくすることができる。このため、加湿空気の渦輪による搬送を遠方まで十分に行なうことが可能となる。

なお、任意波形発生器５２によって生成される波形は、立ち上がり入力が大きくそして徐々に減衰する鋸波とすることで、立ち上がり波形により押し出された振動板１０１をゆっくりと初期位置に戻すことができる。これにより、振動板１０１が早く戻ることにより加圧室１内が負圧になり、加圧室１側へ戻される力が渦輪に作用して壊れるという現象を抑制することができ、渦輪の発生を安定的に行うことができる。

また、ローパスフィルター５３は帯域の遮断が急峻であるほど、遮断帯域近辺において生じる異音を抑制することができるので好ましい。このような制御は、チェビシェフフィルターを用いることによって行うことができる。

このような制御信号を加えることにより、図５に示すように、大きい加振力が得られる５０Ｈｚ以下の低周波数帯域を増幅して、振動板１０１の固有振動数以上の周波数帯域を遮断することができ、任意エリアへ渦輪を搬送する能力を低下させずに異音の低減を実現することができる。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２に係る流体搬送装置すなわち加湿装置の全体構成を示す側面断面図であり、図中、前述の実施の形態１と同一部分には、同一符号を付してある。なお、説明に当っては前述の図２を参照するものとする。

本発明の実施の形態に係る加湿装置１０２は、駆動装置１００及び加圧室１が実施の形態１と同様に構成されている。しかし、家庭用電源からの入力信号５１は周波数帯域制限されずにアンプ５３を通って駆動装置１００に入力される。また、加圧室１内において、振動板１０１と加圧室１の開口穴５との間の振動板１０１に近い位置に周波数検出用マイク６１が配置され、開口穴に近い位置にスピーカー６２が配置されている。それ以外の構成は前述の実施の形態１と同様である。

次に、本実施の形態に係る加湿装置の動作について図７に基づき図２を参照しながら説明する。既述したように駆動装置１００に入力される信号は周波数帯域の制限がされていないので、加振時にボイスコイルボビン１５から振動板１０１を伝搬して異音が発生する。発生した異音を周波数検出用マイク６１にて採取して周波数データを取得し、取得した周波数データと逆位相の信号を開口穴に近い位置に配置されたスピーカー６２より出力する。なお、この逆位相の信号は、異音に対してのみ出力されるものであり、通常の加振動作に影響を与えるものではない。

このような構成とすることで、振動板１０１より発生される異音は開口穴付近の逆位相の信号により打ち消されて装置外において音の発生がなくなる。また、このとき逆位相の信号を出力するスピーカー６２は開口穴より内側に配置されることで、渦輪の形成に対して影響を与えない構成とすることができる。

本発明の対象は、加湿空気に限るものではなく、アロマテラピーなどで用いられる香りや、ヒアルロン酸などに代表される保湿成分の搬送としても用いられることを拒むものではない。

前記した構成により、大きな振動振幅で駆動して渦輪を遠方の任意エリアに対して搬送できる構成としても、加振時に発生する異音を逆位相の信号により打ち消して消音することができる。

本発明の活用例として、加湿空気を搬送する加湿装置、香料成分を搬送する芳香装置、またはそれを具備した空気調和装置が考えられる。

１ 加圧室、３ 貯水部、４ 加湿空気発生手段、５ 開口穴、６ 貯水タンク、８ 配水管、１０ ヨーク、１１ センターポール、１２ マグネット、１３ プレート、１４ ボイスコイル、１５ ボイスコイルボビン、１６ 粘性接着層、１７ フレーム、１８ エッジ、２０ 振動板固定部、２１ フレーム固定部、２２ ダンパー、３０ キャビネット、４０ 設置片、４１ 駆動装置用空気室、４２ キャビネットの背面、４３ 空気弁、５１ 家庭用電源信号、５２ 任意波形発生器、５３ ローパスフィルター、５４ アンプ、６１ 周波数検出用マイク、６２ スピーカー、１００ 駆動装置、１０１振動板、１０２ 加湿装置（流体搬送装置）。

Claims (3)

1. 開口穴を有するとともに、該開口穴の方向に向かってテーパ状に絞られた構造を有する加圧室と、
   入力信号に基づいて振動板を進退駆動させて、前記加圧室内の空気を加圧して前記開口穴から放出させるための駆動装置と、
   任意波形発生器が生成した信号をローパスフィルタにより前記振動板の固有振動数以上の周波数成分を除去し、その除去後の信号を、さらに増幅器により増幅することで、前記振動板の固有振動数より小さい周波数成分の入力信号として、前記駆動装置に発信する信号発信手段と
   を備えることを特徴とする流体搬送装置。
2. 装置の構成要素には制振材が付与されていることを特徴とする請求項１記載の流体搬送装置。
3. 前記信号発信手段は、前記入力信号の波形を矩形波又は鋸波として前記駆動装置に発信することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の流体搬送装置。

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