JP5368726B2 - 静電霧化装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電極に結露等させて供給した水を基にして帯電微粒子水を生成する静電霧化装置に関する。

従来から、ナノメータサイズの帯電微粒子水を生成することのできる静電霧化装置として、放電極と、放電極に空気中の水分を結露または氷結させて水分を供給する水供給手段とを備え、放電極に電圧を印加することで放電極上の水分を霧化させる構成のものが知られている（特許文献１参照）。上記構成の静電霧化装置は、使用者が水を供給せずとも継続的に帯電微粒子水を生成することができ、非常に利便性が高いものになっている。

図７には、上記構成の従来の静電霧化装置１が備える放電極２１を示している。放電極２１は、供給された水分を基にテイラーコーンＴを形成させる先端電極部２１ａと、先端電極部２１ａに連なる柱状の基部２１ｂとを有するものである。この放電極２１で帯電微粒子水を生成するための適量な水分は、通常の使用環境下であれば先端電極部２１ａだけで生成可能である。先端電極部２１ａにおいては、適量の水分が供給されることで、図７（ｂ）に示すような適度な尖頭型のテイラーコーンＴが形成される。

ところで、実際には、先端電極部２１ａ側よりもむしろ基部２１ｂ側において大量の水分が生成される。これは、放電極２１が基部２１ｂ側から冷却されていくことや、先端電極部２１ａよりも基部２１ｂのほうが大きな表面積を有することによる。基部２１ｂ側で大量に生じた水分は、放電極２１への電圧印加で発生する電界によって先端側に引き寄せられ、図７（ｂ）に矢印で示すように先端電極部２１ａにまで移動しようとする。そして、基部２１ｂ側で生じた大量の水分が先端電極部２１ａ側の水分に合流すると、図７（ｃ）に示すように、非常に大きくて不安定なテイラーコーンＴが形成される。テイラーコーンＴが大型化して不安定になると、帯電微粒子水を安定的に生成することが困難になるといった問題が生じる。
特開２００６−１９１４２６号公報

本発明は上記問題点に鑑みて発明したものであって、放電極に結露等させた水を基にして帯電微粒子水を生成する静電霧化装置において、テイラーコーンを安定した寸法形状で形成し、これにより帯電微粒子水を安定的に生成することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明を、放電極２１と、放電極２１に空気中の水分を結露または氷結させて水分を供給する水供給手段２５とを備え、放電極２１に電圧を印加することで放電極２１が保持する水分を霧化させる静電霧化装置１において、上記放電極２１は、供給された水分を基にテイラーコーンＴを形成させる先端電極部２１ａと、先端電極部２１ａに連なる柱状の基部２１ｂと、先端電極部２１ａと基部２１ｂとの境界位置にて該先端電極部２１ａの最大径よりも大径に設けた水切り部２１ｃとから成り、上記先端電極部２１ａの周側面２１ｅは、上記先端電極部２１ａの頂点Ｐと底面Ｓを錐体の頂点と底面にして描いた錐体図形Ｃの周側面よりも、側方に膨出しており、上記水切り部２１ｃは、放電極２１の軸線Ｌ１と略直交する端面２１ｄを先端電極部２１ａ側にむけて有する鍔状の部分とし、この端面２１ｄとの間で、所定の接触角θを維持するテイラーコーンＴが形成されるように設けたものであることを特徴としたものとする。

上記構成の静電霧化装置においては、先端電極部２１ａの最大径よりも大径の水切り部２１ｃを具備することにより、基部２１ｂ側で生じた余剰な結露水Ｗ２が先端電極部２１ａ側の結露水Ｗ１と合流することを防止することができる。仮に、基部２１ｂ側の余剰な結露水Ｗ２が水切り部２１ｃを乗り越えて先端電極部２１ａ側の結露水Ｗ１と合流した場合であっても、大径の水切り部２１ｃとの間で接触角θを維持しようとするテイラーコーンＴの表面張力は、合流した結露水Ｗ２に相当する分量の余剰水Ｗ３をすぐに分離させるように作用する。したがって、放電極２１の先端電極部２１ａに形成されるテイラーコーンＴを、安定して帯電微粒子水Ｍを供給する一定の大きさおよび形状に維持することが可能となる。

加えて、先端電極部２１ａの周側面２１ｅを錐体図形Ｃの周側面よりも側方に膨出させてあることで、放電極２１に結露等を生じさせ始めてから、帯電微粒子水Ｍを安定的に生成できる所定寸法形状のテイラーコーンＴを形成するまでの立ち上げ時間を、短縮することが可能になっている。

また、上記放電極２１の先端電極部２１ａの頂部に、コロナ放電用の針状放電部４０を設けることも好適である。このようにすることで、電極２１の先端電極部２１ａにテイラーコーンＴを形成せずに電圧を印加した場合には、放電極２１の針状放電部４０からコロナ放電を発生させ、マイナスイオンを放出することができる。したがって、先端電極部２１ａで帯電微粒子水Ｍを生成するモードと、先端電極部２１ａで上記マイナスイオンを放出するモードとを、切換えて用いることができる。

請求項１に係る発明は、放電極に結露等させた水を基にして帯電微粒子水を生成する静電霧化装置において、先端電極部と基部との境界位置にて該先端電極部の最大径よりも大径に設けた水切り部を備えたことで、テイラーコーンを安定した寸法形状で形成し、これにより帯電微粒子水を安定的に生成することができるという効果を奏する。加えて、請求項１に係る発明は、先端電極部の周側面を、上記先端電極部の頂点と底面を錐体の頂点と底面にして描いた錐体図形の周側面よりも、側方に膨出させたことで、放電極に結露等を生じさせ始めてから、帯電微粒子水を安定的に生成できる所定寸法形状のテイラーコーンを形成するまでの立ち上げ時間を、短縮することができるという効果を奏する。

また請求項１に係る発明は、前記の効果に加えて、鍔状に設けた水切り部の端面との間で、テイラーコーンを、所定の接触角を維持するように安定的に形成することができるという効果を奏する。
また請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の効果に加えて、帯電微粒子水を生成するモードとマイナスイオンを放出するモードとを、切換えて用いることができるという効果を奏する。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。図１には、本発明の実施形態における一例の静電霧化装置１を示している。本例の静電霧化装置１は、細長い棒状の放電極２１と、支持枠２０によって放電極２１の突出方向に所定の間隔を隔てて対向配置されるリング状の対向電極２２と、上記放電極２１を冷却するペルチェユニット３１とを備えて構成される。放電極２１と対向電極２２とは高電圧印加部３２を介して電気接続させており、高電圧印加部３２の電圧印加によって、放電極２１には対向電極２２との間でマイナスの高電圧が印加されるようになっている。

上記放電極２１は、ペルチェユニット３１によって冷却されることでその外周面に空気中の水分が結露または氷結して供給される。つまり、上記ペルチェユニット３１により本発明の水供給手段２５を構成している。ここで供給された水分に対して電極２１，２２間で高電圧を印加することで、水の補給なしで、ナノメータサイズの帯電微粒子水Ｍが生成可能となっている。なお、氷結によって得られた水分も、放電による高温等で溶けたうえで静電霧化に供される。

上記ペルチェユニット３１は、一対のペルチェ回路板３１ａ，３１ｂ間に熱電素子３１ｃを多数挟持させるとともに、隣接する熱電素子３１ｃ同士を両側のペルチェ回路板３１ａ，３１ｂの回路で電気的に接続させて形成している。図示例では、上側のペルチェ回路板３１ａが冷却側であり、下側のペルチェ回路板３１ｂが放熱側である。冷却側のペルチェ回路板３１ａには絶縁板３１ｄを貼り合せており、この冷却側の絶縁板３１ｄの略中央部に上記放電極２１を立設している。また、放熱側のペルチェ回路板３１ｂには放熱フィン３１ｅを貼り合わせている。

上記放電極２１は、供給された水分を基にテイラーコーンＴを形成させる先端電極部２１ａと、先端電極部２１ａに連なる柱状の基部２１ｂと、先端電極部２１ａと基部２１ｂとの境界位置にて該先端電極部２１ａおよび該基部２１ｂよりも大径に設けた鍔状の水切り部２１ｃとから成る。図２（ｂ）に拡大して示すように、上記水切り部２１ｃの先端電極部２１ａ側を向く端面２１ｄは、放電極２１の軸線Ｌ１と略直交するように形成している。

したがって、図２（ｂ）に示すように、放電極２１を冷却することによって該放電極２１の先端電極部２１ａ側で生成した結露水Ｗ１は、水切り部２１ｃの端面２１ｄに対して、接触角θ（＜９０°）方向の稜線Ｌ２を結んだ尖頭型のテイラーコーンＴを形成することになる。また、図２（ｃ）に示すように、基部２１ｂ側で生成した余剰な結露水Ｗ２は、放電極２１と対向電極２２との間で生じる電界によって基部２１ｂ側から先端電極部２１ａ側に引き寄せられる。しかし、先端電極部２１ａと基部２１ｂとの境界には大径の水切り部２１ｃを設けてあるので、余剰な結露水Ｗ２が水切り部２１ｃを乗り越えることは防止される。

また、仮に余剰な結露水Ｗ２が水切り部２１ｃを乗り越えて先端電極部２１ａ側のテイラーコーンＴに合流したとしても、テイラーコーンＴの表面張力のバランスが崩れることで、すぐに余剰水Ｗ３として分離して飛散する（図２（ｃ）参照）。これは、テイラーコーンＴが水切り部２１ｃの端面２１ｄとの間で上記接触角θを維持しようとするからである。こうして、上記テイラーコーンＴを、安定して帯電微粒子水Ｍを供給する一定の大きさおよび形状に維持することができる。

したがって、高温高湿状態で上記ペルチェユニット３１を長時間作動させた場合のように、基部２１ｂ側に大量の結露または氷結が発生しても、先端電極部２１ａ側に余剰な結露水Ｗ２が合流してテイラーコーンＴが不安定化することはなく、帯電微粒子水Ｍを安定的に供給することが可能である。

これに対し、水切り部２１ｃを設けない従来の放電極２１では、図７（ｃ）に示すように、基部２１ｂ側の余剰な水分がテイラーコーンＴに合流すると、合流後のテイラーコーンＴは、先端電極部２１ａに対して接触角θを保ちながら成長し、結果として先端電極部２１ａを遙かに超えた不安定な寸法形状のものになる。大型化したテイラーコーンＴは対向電極２２側に向けても成長して更に不安定化するので、帯電微粒子水Ｍを安定的に生成することができなくなる。

また、本例の上記先端電極部２１ａにおいては、軸線Ｌ１を囲むように形成される周側面２１ｅを側方に膨出させることで、放電極２１を冷却し始めてから、帯電微粒子水Ｍを安定的に生成できる所定寸法形状のテイラーコーンＴを形成するまでの立ち上げ時間を短縮している。図３には比較例を示しているが、例えばこの比較例のように、先端電極部２１ａの周側面２１ｅを円錐図形の周側面に沿うように形成した場合には、電極２１を冷却し始めてから、帯電微粒子水Ｍを安定的に生成することが可能な寸法形状のテイラーコーンＴを形成するまでの立ち上げ時間が長くなってしまう。

これに対して、本例の先端電極部２１ａの周側面２１ｅは、該先端電極部２１ａの頂点Ｐと底面Ｓを錐体の頂点と底面にして描いた円錐状の錐体図形Ｃ（図２（ａ）参照）の周側面よりも、側方に膨出するように形成している。具体的には、先端電極部２１ａの周側面２１ｅを、先端電極部２１ａの底面Ｓ上に中心点Ｐ１を有する半球状の凸曲面Ｓ１に形成している。上記形状によれば、水切り部２１ｃの端面２１ｄとの間で接触角θを維持する所定寸法形状のテイラーコーンＴが、半球状の先端電極部２１ａに沿って速やかに形成される。しかも、このテイラーコーンＴは一度形成されると崩れ難く、水切り部２１ｃの端面２１ｄとの間で接触角θを維持しながら安定的に帯電微粒子水Ｍを生成することができる。

図４（ａ）、（ｂ）には、先端電極部２１ａの各種変形例を示している。図４（ａ）の変形例では、先端電極部２１ａの周側面２１ｅを、先端電極部２１ａの底面Ｓよりも頂点Ｐ側に寄った軸線Ｌ１上の点を中心点Ｐ２とする略半球状の凸曲面Ｓ２と、上記凸曲面Ｓ２の最大径部分から裾を広げるように滑らかに連続する円錐台側面状の曲面Ｓ３とで形成している。また、図４（ｂ）の変形例では、先端電極部２１ａの周側面２１ｅを、先端電極部２１ａの底面Ｓよりも頂点Ｐ側に寄った軸線Ｌ１上の点を中心点Ｐ２とする略半球状の凸曲面Ｓ２と、上記凸曲面Ｓ２の最大径部分から裾を広げるように連続する円錐台側面状の曲面Ｓ３と、先端電極部２１ａの底面Ｓ上の中心点Ｐ１から等間隔を隔てながら曲面Ｓ３の最大径部分から滑らかに連続して形成される凸曲面Ｓ４とで形成している。

いずれの変形例においても、所定寸法形状のテイラーコーンＴを先端電極部２１ａに沿って速やかに形成することができ、しかも、一度形成したテイラーコーンＴは崩れ難く、水切り部２１ｃの端面２１ｄとの間で接触角θを維持しながら安定的に帯電微粒子水Ｍを生成することができる。

上記構成から成る本例の静電霧化装置１は、例えばドライヤ１１に好適に搭載される。図５は本発明の静電霧化装置１を搭載したドライヤ１１の縦断面図である。このドライヤ１１は、送風路１２および該送風路１２から分岐した分岐路１３を内部に形成した本体ケース１４と、上記送風路１２内に配置されたモータファンから成る送風手段１７と、上記送風路１２内の送風手段１７よりも下流側に配置された温風生成用の加熱部１８と、上記分岐路１３内に配置された上記静電霧化装置１とから成る。上記構成により、使用者に向けて、送風路１２の下流端開口から冷風または温風の少なくとも一方を吹出するとともに、分岐路１３の下流端開口から帯電微粒子水Ｍを吐出するようになっている。

次に、本発明の実施形態における他例の静電霧化装置１について、図６に基づいて説明する。なお、上記した一例の静電霧化装置１と同様の構成については詳しい説明を省略し、一例とは相違する特徴的な構成についてのみ以下に詳述する。

本例の静電霧化装置１においては、放電極２１の先端電極部２１ａの頂部に、コロナ放電用の針状放電部４０を設けている。針状放電部４０は、放電極２１の軸線Ｌ１をその軸線として形成した円錐台状の突起体であり、先端電極部２１ａと一体に形成している。図示例では、針状放電部４０の軸線Ｌ１を挟む両側の接線が交差する角度αを略４５°としているが、この角度αを３５°等の他の角度に形成してもよい。

上記構成の静電霧化装置１によれば、放電極２１の先端電極部２１ａにテイラーコーンＴを形成することなく（即ち、先端電極部２１ａを冷却して水を供給することなく）、放電極２１と対向電極２２との間に高電圧を印加した場合には、放電極２１の針状放電部４０からコロナ放電を発生させることができる。コロナ放電によって空気中の酸素がマイナス帯電し、このマイナス帯電した酸素が空気中の微小な水と結合することで、マイナスイオンとなって放出される。したがって、本例の静電霧化装置１を例えばドライヤ１１に搭載したときには、分岐路１３の下流端開口から帯電微粒子水Ｍを放出するモードと、分岐路１３の下流端開口から上記マイナスイオンを放出するモードとを、切換えて用いることができる。また、上記針状放電部４０は、帯電微粒子水Ｍを放出するモードにおいてはテイラーコーンＴを所定の尖頭型で安定化することにも寄与する。

なお、同様の針状放電部４０を、一例にて図４に記載した変形例に設けた場合であっても、同様の作用効果が得られることは勿論である。

本発明の実施形態における一例の静電霧化装置の概略断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、同上の静電霧化装置に備えた放電極の要部拡大図である。 （ａ）〜（ｃ）は、同上の放電極の比較例を示す要部拡大図である。 （ａ）、（ｂ）は、同上の放電極の変形例を示す要部拡大図である。 同上の静電霧化装置を搭載したドライヤの断面図である。 本発明の実施形態における他例の静電霧化装置に備えた放電極の要部拡大図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の静電霧化装置に備えた放電極を示す要部拡大図である。

符号の説明

１ 電霧化装置
２１ 放電極
２１ａ 先端電極部
２１ｂ 基部
２１ｃ 水切り部
２１ｅ 周側面
２５ 水供給手段
４０ 針状放電部
Ｃ 錐体図形
Ｐ 頂点
Ｓ 底面
Ｍ 帯電微粒子水
Ｔ テイラーコーン

Claims (2)

1. 放電極と、放電極に空気中の水分を結露または氷結させて水分を供給する水供給手段とを備え、放電極に電圧を印加することで放電極が保持する水分を霧化させる静電霧化装置において、上記放電極は、供給された水分を基にテイラーコーンを形成させる先端電極部と、先端電極部に連なる柱状の基部と、先端電極部と基部との境界位置にて該先端電極部の最大径よりも大径に設けた水切り部とから成り、上記先端電極部の周側面は、上記先端電極部の頂点と底面を錐体の頂点と底面にして描いた錐体図形の周側面よりも、側方に膨出しており、上記水切り部は、放電極の軸線と略直交する端面を先端電極部側にむけて有する鍔状の部分とし、この端面との間で、所定の接触角を維持するテイラーコーンが形成されるように設けたものであることを特徴とする静電霧化装置。
2. 上記放電極の先端電極部の頂部に、コロナ放電用の針状放電部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の静電霧化装置。

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