JP5265999B2 - Electrostatic atomizer - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a technique for generating charged fine particle water by utilizing an electrostatic atomization phenomenon.
従来から、霧化電極と、霧化電極に水を供給する水供給手段と、霧化電極に高電圧を印加する高電圧発生回路とを備え、前記霧化電極に供給された水を前記高電圧の印加によって発生する高電界で静電霧化させる静電霧化装置が知られている。 Conventionally, an atomizing electrode, water supply means for supplying water to the atomizing electrode, and a high voltage generating circuit for applying a high voltage to the atomizing electrode, the water supplied to the atomizing electrode is An electrostatic atomizer that performs electrostatic atomization with a high electric field generated by application of a voltage is known.
従来の静電霧化装置では、高電圧を発生するために制御手段から出力されたパルス信号でPWM制御を行っており、制御手段から高電圧発生回路に出力する高電圧制御信号の周波数を固定し、デューティ比を変化させることで、高電圧発生回路から出力する高電圧を目標値に到達させている。 In the conventional electrostatic atomizer, PWM control is performed with the pulse signal output from the control means in order to generate a high voltage, and the frequency of the high voltage control signal output from the control means to the high voltage generation circuit is fixed. Then, by changing the duty ratio, the high voltage output from the high voltage generation circuit reaches the target value.
ところが、高電圧発生回路には周波数特性があり、特定の固有周波数では大きな増幅率が得られるが、その固有周波数から外れるに従って、増幅率が小さくなってしまう。すなわち、入力電圧が固定されている場合、特定の固有周波数では大きな高電圧が得られるが、この固有周波数から外れるに従って高電圧が小さくなってしまう。 However, the high voltage generation circuit has frequency characteristics, and a large amplification factor can be obtained at a specific natural frequency. However, the amplification factor decreases as the frequency deviates from the natural frequency. That is, when the input voltage is fixed, a large high voltage is obtained at a specific natural frequency, but the high voltage decreases as the frequency deviates from this natural frequency.
静電霧化を行うには、所定の高電圧を霧化電極に印加する必要があり、従来の高電圧制御信号の周波数を固定した方式では、固有周波数のばらつきが大きな高電圧発生回路ではデューティ比を最大としても静電霧化に必要な高電圧を確保することができない場合がある。 In order to perform electrostatic atomization, it is necessary to apply a predetermined high voltage to the atomization electrode. In the conventional method in which the frequency of the high-voltage control signal is fixed, the high-voltage generation circuit having a large variation in the natural frequency has a duty cycle. Even if the ratio is maximized, the high voltage necessary for electrostatic atomization may not be ensured.
一方、高電圧発生回路の固有周波数は個体によるばらつきが大きく、量産する上でこのばらつきを低コストで小さく抑えることは非常に困難である。 On the other hand, the natural frequency of the high voltage generation circuit varies greatly among individuals , and it is very difficult to suppress this variation at a low cost in mass production.
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、高電圧発生回路の固有周波数に個体によるばらつきがあっても、容易に静電霧化に必要な高電圧を確保す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。 The present invention has been invented in view of the above-described conventional problems, and easily secures a high voltage necessary for electrostatic atomization even if there is a variation among individuals in the natural frequency of the high voltage generation circuit. It is an object of the present invention to provide an electrostatic atomizer capable of performing the above.
本発明に係る静電霧化装置は、霧化電極1と、該霧化電極1に水を供給する水供給手段2と、前記霧化電極1に高電圧を印加する高電圧発生回路3とを備え、前記霧化電極1に供給された水を前記高電圧の印加によって発生する高電界で静電霧化させるものである。そして本発明の特徴は、前記高電圧発生回路3への高電圧制御信号の周波数出力を制御する制御手段4を設け、前記制御手段4は、前記高電圧制御信号のデューティ比を最大としたときには少なくとも、前記高電圧発生回路3から出力される高電圧として静電霧化に必要な高電圧が確保される周波数を、使用前の初期設定の際に前記制御手段4からの前記高電圧制御信号の周波数出力として自動的に設定し、その後で、前記デューティ比を変化させることで前記高電圧発生回路3から出力される高電圧を静電霧化に必要な高電圧に到達するように制御することにある。
The electrostatic atomizer according to the present invention includes an atomization electrode 1, water supply means 2 for supplying water to the atomization electrode 1, and a high
このように構成することで、高電圧発生回路3の固有周波数に個体によるばらつきがあっても、この高電圧発生回路3の固有の周波数に応じて制御手段4により高電圧発生回路3への周波数出力を静電霧化に必要な高電圧となるように自動的に設定することができる。
With this configuration, even if the natural frequency of the high
また、前記制御手段4は、高電圧発生回路3が持つ固有のピーク周波数となるように、制御手段4からの高電圧制御信号の周波数出力を制御するものであることが好ましい。
The control means 4 preferably controls the frequency output of the high voltage control signal from the control means 4 so as to have a specific peak frequency of the high
このように、高電圧発生回路3が持つ固有のピーク周波数となるように、制御手段4からの高電圧制御信号の周波数出力を制御することで、静電霧化に必要な最適な高電圧を確保することができる。
Thus, by controlling the frequency output of the high voltage control signal from the control means 4 so as to have a specific peak frequency of the high
また、前記制御手段4は、周波数出力を変化させた際に高電圧発生回路3から出力される高電圧に基づいて周波数出力を制御するものであることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the said control means 4 controls a frequency output based on the high voltage output from the high
このような構成とすることで、周波数出力を変化させて高電圧発生回路3から出力される高電圧の変化を見ながら、簡単に高電圧発生回路3の固有周波数を検出して、制御手段4からの高電圧制御信号の周波数出力を自動的に設定することができる。
With such a configuration, the control means 4 can easily detect the natural frequency of the high
本発明は、上記のように、高電圧発生回路に固有の周波数に応じて前記高電圧発生回路への周波数出力を制御する制御手段を設けてあるので、高電圧発生回路の固有周波数に個体によるばらつきがあっても、制御手段により、高電圧発生回路の固有周波数の個体によるばらつきに対応して、容易に高電圧制御信号の周波数出力を設定して静電霧化に必要な高電圧を確保することができる。 The present invention, as described above, since the high voltage generating circuit is provided with control means for controlling the frequency output to the high voltage generating circuit in accordance with the specific frequency, by the individual to the natural frequency of the high voltage generating circuit even if there are variations, the control means, in response to variations due to the natural frequency of the individual high voltage generator circuit, easily ensure a high voltage required for electrostatic atomization by setting the frequency output of the high voltage control signal can do.
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。 Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the accompanying drawings.
図1には本発明の静電霧化装置5の制御ブロック図が示してある。静電霧化装置5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電圧発生回路3とを備えている。また、図1において、4はマイコンよりなる制御手段、9は放電電流検出回路、10は高電圧検出回路、3は高電圧発生回路、5aは霧化ブロック、7はペルチェ用電源回路である。
FIG. 1 is a control block diagram of the
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。 In the embodiment shown in the accompanying drawings, an example is shown in which the water supply means 2 is constituted by a cooling means for supplying water to the atomizing electrode 1 by generating moisture in the air as condensed water. .
図1に示す実施形態においてはペルチェユニット6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。 In the embodiment shown in FIG. 1, the cooling means is constituted by the Peltier unit 6, and water is supplied to the atomizing electrode 1 by generating moisture by cooling the moisture in the air by the cooling means. ing.
ペルチェユニット6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系の熱電素子を両ペルチェ回路板間で挟持すると共に隣接する熱電素子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を介してなされるペルチェ用電源回路7から熱電素子への通電により一方のペルチェ回路板側から他方のペルチェ回路板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の外側には冷却部を接続してあり、また、上記他方の側のペルチェ回路板の外側には放熱部が接続してあり、放熱部としては放熱フィンを挙げることができる。ペルチェユニット6の冷却部には霧化電極1の後端部が接続してある。
The Peltier unit 6 has a pair of Peltier circuit boards in which a circuit is formed on one side of an insulating plate made of alumina or aluminum nitride having high thermal conductivity, facing each other so that the circuits face each other, and arranged in multiple rows. A BiTe-based thermoelectric element is sandwiched between both Peltier circuit boards, and adjacent thermoelectric elements are electrically connected by circuits on both sides, and the Peltier
添付図面に示す実施形態では霧化電極1に対向するように対向電極8が配設してある。そして、添付図面に示す実施形態では、ペルチェユニット6と、霧化電極1と、対向電極8とで霧化ブロック5aを構成してある。
In the embodiment shown in the accompanying drawings paired
上記構成の静電霧化装置5は、ペルチェユニット6に通電することで、冷却部が冷却され、冷却部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。
In the
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8との間に高電圧発生回路3から高電圧を印加すると、霧化電極1と対向電極8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8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又はプラ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静電霧化装置5の外部に放出される。
When a high voltage is applied from the high
そして、制御手段4から出力される冷却制御信号に基づいて、ペルチェ用電源回路7からペルチェユニット6に冷却用電圧が出力されてペルチェユニット6の冷却作用により空気中の水分が結露水として生成されて霧化電極1の先端部に結露水が供給される。
Then, based on the cooling control signal output from the control means 4, a cooling voltage is output from the Peltier
この状態で、制御手段4から高電圧制御信号を出力すると、高電圧制御信号に基づいて高電圧発生回路3から高電圧が出力され、霧化電極1に高電圧を印加され、前述のようにして霧化電極1の先端部の水の静電霧化が行われ、ナノメータサイズの帯電微粒子水が生成される。
When a high voltage control signal is output from the control means 4 in this state, a high voltage is output from the high
ここで、放電電流検出回路9により、放電時の電流を検出し、放電電流検出回路9から制御手段4に放電電流信号を出力し、該放電電流信号に基づいて、制御手段4により高電圧発生回路3、ペルチェ用電源回路7をPWM制御するようになっている。
Here, the discharge
上記のような静電霧化装置5において、本発明は、マイコンよりなる制御手段4で、高電圧発生回路3の固有の周波数に応じて、静電霧化に必要な高電圧が確保できるように前記高電圧発生回路3への周波数出力を制御するようにしたことに特徴がある。
In the
すなわち、高電圧発生回路3の固有周波数は個体によるばらつきがあるので、高電圧発生回路3の固有周波数に対応して、制御手段4から高電圧発生回路3への高電圧制御信号の周波数出力を制御して静電霧化に必要な高電圧を確保できるように周波数出力を設定するようになっている。
That is, since the natural frequency of the high
この周波数出力の設定は、静電霧化装置5の初期設定の際に制御手段4により自動的に行われる。
The setting of the frequency output is automatically performed by the control means 4 when the
図2には周波数出力の設定の一例の制御フロー図が示してある。すなわち、制御手段4から高電圧制御信号(PWMデューティ固定、周波数は初期値)を出力して、高電圧発生回路3から高電圧の出力を開始し、高電圧検出回路10により高電圧を検出して、高電圧信号を制御手段4に入力して高電圧出力を読み込む。次に、周波数を増加させ、周波数を増加させた時の高電圧出力が上昇すれば、更に、周波数を増加させる。高電圧出力が下降すれば、逆に周波数を減少させる。周波数を減少させて高電圧が上昇していた場合は、高電圧が下降するまで周波数を減少する。このようにして、周波数を変更すると共に高電圧が上昇/下降することを確認することで、高電圧発生回路3の固有周波数を検出し、出力する周波数を確定する。
FIG. 2 shows a control flow chart of an example of setting the frequency output. That is, a high voltage control signal (PWM duty fixed, frequency is an initial value) is output from the control means 4, high voltage output is started from the high
このようにして、高電圧発生回路3の固有周波数に個体によるばらつきがあっても、この高電圧発生回路3の固有の周波数に応じて制御手段4により高電圧発生回路3への周波数出力を静電霧化に必要な高電圧となるように設定することができる。
In this way, even if the natural frequency of the high
上記のようにして周波数を変更しながら、高電圧の上昇/下降の確認をすることを繰り返して、高電圧発生回路3の固有周波数をサーチして、高電圧制御信号の周波数を確定するという制御を制御手段4により行う。
Control that the frequency of the high voltage control signal is determined by repeatedly checking the rise / fall of the high voltage while searching for the natural frequency of the high
図3には本発明の他の実施形態の制御フロー図が示してある。本実施形態においては、制御手段4から高電圧制御信号(PWMデューティ固定、周波数は初期値)を出力して、高電圧発生回路3から高電圧の出力を開始し、高電圧検出回路10により高電圧を検出して、高電圧信号を制御手段4に入力して高電圧出力を読み込む。次に、周波数をΔfだけワンステップ増加させ、周波数をΔf増加させた時の高電圧出力が下降(高電圧信号値が減少)した場合は、周波数をΔfだけワンステップ減少させ、周波数をΔf減少させた時の高電圧が上昇(高電圧信号値が増加)する場合は、該高電圧が下降(高電圧信号値が減少)するまで周波数をワンステップ(Δf)ずつ減少させることを繰り返し、このようにして周波数をワンステップずつ減少させて高電圧が下降(高電圧信号値が減少)すると、ここがピーク周波数を越えた周波数であると認定できるので、次に、周波数をΔfだけワンステップだけ増加させて、1つだけ元に戻し、この周波数をピーク周波数であるとみなして出力する周波数を確定する。
FIG. 3 shows a control flow diagram of another embodiment of the present invention. In the present embodiment, a high voltage control signal (PWM duty fixed, frequency is an initial value) is output from the control means 4, high voltage output is started from the high
一方、上記図3の制御フロー図において、高電圧発生回路3から高電圧の出力を開始し、高電圧出力を読み込み、次に、周波数をΔfだけワンステップ増加させた時の高電圧が上昇(高電圧信号値が増加)した場合は、周波数をΔf増加させ、周波数をΔf増加させた時の高電圧が上昇(高電圧信号値が増加)した場合は、該高電圧が下降(高電圧信号値が減少)するまで周波数をワンステップ(Δf)ずつ増加させることを繰り返し、周波数を増加させた時の高電圧が下降(高電圧信号値が減少)すると、ここがピーク周波数を越えた周波数であると認定できるので、次に、周波数をΔfだけワンステップだけ減少させて、1つだけ元に戻し、この周波数をピーク周波数であるとみなして出力する周波数を確定する。
On the other hand, in the control flow diagram of FIG. 3, the high
このようにすることで、高電圧発生回路3が持つ固有のピーク周波数(高電圧出力値が最大となる周波数)をサーチして高電圧制御信号の周波数を確定するという制御を制御手段4により行うことができ、これにより静電霧化に必要な最適の高電圧を確保することができる。
In this way, the control unit 4 performs control to search for a specific peak frequency (a frequency at which the high voltage output value is maximum) of the high
図4は上記図3の制御フローによって高電圧発生回路3が持つ固有のピーク周波数をサーチする一例の順序を説明するためのグラフである。
FIG. 4 is a graph for explaining an example sequence for searching for a specific peak frequency of the high
すなわち、初期値が(1)の場合、ワンステップ(Δf)ずつ増加させて、(1)→(2)……(N)と進み、最初に高電圧出力が低下した(N)を確認すると、周波数変化の動きを逆にしてΔf減少させて(M)とし、この(M)をピーク周波数として確定させるというようにして高電圧発生回路3が持つ固有のピーク周波数をサーチする。
That is, when the initial value is (1), it is incremented by one step (Δf) and proceeds from (1) → (2)... (N). Then, the movement of the frequency change is reversed and Δf is decreased to (M), and this (M) is determined as the peak frequency to search for the inherent peak frequency of the high
上記のようにして高電圧発生回路3の固有周波数をサーチして、高電圧制御信号の周波数を確定するという制御は、静電霧化装置5の初期設定の際に自動的に行われる。
The control of searching for the natural frequency of the high
上記のようにして各静電霧化装置5毎に確定された高電圧制御信号の周波数は以後、静電霧化装置5の使用に当たっては固定され、静電霧化装置5の使用時は、制御手段4から高電圧発生回路3に出力する高電圧制御信号の周波数を固定し、デューティ比を変化させることで、高電圧発生回路3から出力する高電圧を目標値に到達させるように制御するようになっている。
The frequency of the high voltage control signal determined for each
なお、図1においては、水供給手段2としてペルチェユニット6の例を示したが、ペルチェユニット6以外の冷却手段であってもよい。また、空気中の水分を結露水として水を供給するものに限定されず、タンクのような水溜め部から毛細管現象や重力等を利用して霧化電極に水を供給するようにしてもよい。 In FIG. 1, an example of the Peltier unit 6 is shown as the water supply unit 2, but a cooling unit other than the Peltier unit 6 may be used. Further, the water in the air is not limited to supplying water as condensed water, and water may be supplied to the atomizing electrode from a water reservoir such as a tank by using capillary action or gravity. .
また、図1の実施形態では対向電極8を設けた例を示したが、対向電極8を設けない場合であってもよい。
In the embodiment of FIG. 1, the example in which the
1 霧化電極
2 水供給手段
3 高電圧発生回路
4 制御手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Atomization electrode 2 Water supply means 3 High voltage generation circuit 4 Control means
Claims (3)
前記高電圧発生回路への高電圧制御信号の周波数出力を制御する制御手段を設け、
前記制御手段は、前記高電圧制御信号のデューティ比を最大としたときには少なくとも、前記高電圧発生回路から出力される高電圧として静電霧化に必要な高電圧が確保される周波数を、使用前の初期設定の際に前記制御手段からの前記高電圧制御信号の周波数出力として自動的に設定し、その後で、前記デューティ比を変化させることで前記高電圧発生回路から出力される高電圧を静電霧化に必要な高電圧に到達するように制御することを特徴とする静電霧化装置。 An atomizing electrode, water supply means for supplying water to the atomizing electrode, and a high voltage generating circuit for applying a high voltage to the atomizing electrode, and supplying the water supplied to the atomizing electrode to the high voltage in the electrostatic atomizing device for electrostatic atomization in a high electric field generated by the application of,
Control means for controlling the frequency output of the high voltage control signal to the pre-Symbol high voltage generating circuit is provided,
When the duty ratio of the high voltage control signal is maximized, the control means sets at least a frequency at which a high voltage necessary for electrostatic atomization is secured as a high voltage output from the high voltage generation circuit before use. Is automatically set as the frequency output of the high voltage control signal from the control means, and then the high voltage output from the high voltage generation circuit is reduced by changing the duty ratio. An electrostatic atomizer characterized by controlling so as to reach a high voltage required for electroatomization .
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