JP5606022B2 - 静電噴霧装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電噴霧現象によりナノサイズの液滴を発生させる静電噴霧装置に関するものである。

従来より、液滴微粒化方法として、熱エネルギー、圧力エネルギー、遠心エネルギー、振動エネルギー及び電気エネルギー等を用いた方法が開発されている。その中でも電気エネルギーを用いた方法（静電噴霧方法）は、従来の液滴微粒化技術で成し得なかったナノサイズの液滴を発生させ得ることから、様々な分野で応用されている。

従来の静電噴霧技術としては、外部からの水を供給する水溜め部と、水溜め部の水を搬送して噴霧することができる中空金属電極（液滴噴霧電極）と、中空金属電極に対向して配置された対向電極と、中空金属電極と対向電極との間に電圧を印加する電圧印加部とを備えた静電噴霧装置が知られている。この静電噴霧装置では、中空金属電極と対向電極との間に高電圧を印加することにより、中空金属電極の先端部に搬送された水を帯電、分裂させる。そして、分裂した水は、レイリー分裂によってナノサイズまで微細化された帯電微粒子水となり、対向電極からのクーロン力によって引き寄せられ、空間中に噴霧排出される。しかしながら、この静電噴霧装置は、水の供給にポンプ等の駆動部を必要とするため、静電噴霧装置が複雑化及び大型化するという問題があった。

そこで、水の供給にポンプ等の駆動部を要しない静電噴霧装置として、外部からの水を供給する水溜め部と、水溜め部の水を毛細管現象によって搬送して噴霧することができる導電性の多孔質セラミック（液滴噴霧電極）と、多孔質セラミックに対向して配置された対向電極と、多孔質セラミックと対向電極との間に電圧を印加する電圧印加部とを備えた静電噴霧装置が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
また、ペルチェユニットの冷却部側に導電性金属から形成された放電極（液滴噴霧電極）を設けた静電噴霧装置も提案さている（例えば、特許文献３参照）。この静電噴霧装置では、放電極を露点以下の温度に冷却することによって放電極の表面に結露水を生成させ、この結露水を空間中に噴霧排出することができる。

特開２００６−３５１７０号公報 特開２００６−３５１７１号公報 特許第３９５２０４４号公報

特許文献１及び２の静電噴霧装置で使用される液滴噴霧電極は、例えば、アルミナ、コージェライト、チタニア、ムライト、ステアタイト及びジルコニア等の固体酸を主材料とする多孔質セラミックであり、強度が高く、加工性が良く、電極磨耗が少ないという利点がある。
しかしながら、多孔質セラミックは、平均気孔率が２０〜４０％程度と低く、また平均気孔径は０．０５〜５μｍ程度と非常に小さいため、吸水性能が低く、水に含まれる不純物等によって気孔（細孔）の目詰りが生じ、時間が経つにつれて吸水性能がさらに低下するという問題がある。また、多孔質セラミック内では、水の拡散速度が遅く、水が液滴噴霧電極の先端部（噴霧部）に到達するまでに時間がかかる。そのため、静電噴霧装置の起動時間が遅くなると共に、液滴噴霧電極と対向電極との間に高電圧を常時印加するとコロナ放電が生じ、環境等に有害なオゾン等の放電生成物が生じるという問題もある。さらに、多孔質セラミックに導電性を付与するために、金属単体又は金属酸化物を導電性材料として配合しているが、固体酸が占める割合が９０％程度であるため、多孔質セラミックの電気抵抗率が依然として高い。そのため、静電噴霧を行う際に、液滴噴霧電極での電力損失が大きくなり、効率的に液滴を噴霧できないという問題もある。

一方、特許文献３の静電噴霧装置で使用される液滴噴霧電極は、導電性金属から形成されているため、液滴噴霧電極自体での電力損失は小さく、効率的に水に自由電子を供給できるという利点がある。
しかしながら、導電性金属から形成される液滴噴霧電極（金属電極）は、気孔を有しておらず、吸水性能をほとんど有していないため、水供給手段として金属電極自身を冷却して金属電極表面で結露した水を噴霧する必要がある。また、この金属電極は、先端部に水を搬送する能力がないため、金属電極の先端部近傍で結露される結露水のみを噴霧しなければならず、充分な噴霧量が得られないという問題がある。さらに、金属電極の先端部に凝集した結露水がレイリー分裂を起す際に、液滴放出に伴うパルス状電流と共に電子放出に伴うパルス状電流が生じており、空間中の窒素や酸素を解離させてオゾン等の放電生成物が生じるという問題もある。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、吸水性能及び導電性に優れた液滴噴霧電極を用いることにより、液滴噴霧電極の先端部（液滴噴霧部）に液体を効率良く搬送させて液体噴霧量の増大、起動時間の短縮及び放電生成物の生成抑制等の効果を与えると同時に液滴噴霧電極での電力損失を抑制し、噴霧性能に優れた静電噴霧装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、三次元網目構造を有する多孔質金属が吸水性能及び導電性に優れているという知見に基づき、この多孔質金属を液滴噴霧電極として用い、この液滴噴霧電極を所定の開口部を有する対向電極と組み合わせることにより、液滴噴霧電極の先端部（液滴噴霧部）に液体を効率良く搬送させて液体噴霧量の増大、起動時間の短縮及び放電生成物の生成抑制等の効果を与え得ると同時に液滴噴霧電極での電力損失を抑制し得ることを見出した。
すなわち、本発明は、液滴噴霧電極と、前記液滴噴霧電極に液体を供給する液体供給部と、前記液滴噴霧電極と対向する位置に設けられた対向電極と、前記液滴噴霧電極と前記対向電極との間に電圧を印加する電圧印加部とを有する静電噴霧装置であって、前記液滴噴霧電極は、三次元網目構造を有する多孔質金属から成り、且つ前記対向電極は、前記液滴噴霧電極側から打ち抜くバーリング加工が施された開口部を有することを特徴とする静電噴霧装置である。

本発明によれば、吸水性能及び導電性に優れた液滴噴霧電極と、所定の開口部を有する対向電極とを組み合わせて用いることにより、液滴噴霧電極の先端部（液滴噴霧部）に液体を効率良く搬送させて液体噴霧量の増大、起動時間の短縮及び放電生成物の生成抑制等の効果を与えると同時に液滴噴霧電極での電力損失を抑制し、噴霧性能に優れた静電噴霧装置を提供することができる。

実施の形態１の静電噴霧装置の概略構成図である。 液滴噴霧電極の部分拡大断面図である。 多孔質金属及び多孔質セラミック（従来例）における平均気孔率と吸水性能との関係を示すグラフである。 多孔質金属及び多孔質セラミック（従来例）における平均気孔率及び平均気孔径と液体の拡散速度との関係を示すグラフである。 多孔質金属及び多孔質セラミック（従来例）の電気抵抗率を示すグラフである。 液滴噴霧電極の先端部の形状を示す図である。 静電噴霧装置において比較的低い電圧を印加した場合の電流波形を示すグラフである。 静電噴霧装置において高い電圧を印加した場合の電流波形を示すグラフである。 対向電極側から見た液滴噴霧電極の概略図である。 バーリング加工を施した開口部を有する対向電極の図である。 実施の形態２の静電噴霧装置の概略構成図である。 実施の形態３の静電噴霧装置の概略構成図である。 液体含有量とコロナ放電開始電圧との関係を示すグラフである。 実施例１及び比較例１の静電噴霧装置の噴霧量を示すグラフである。 実施例１及び比較例１の静電噴霧装置のオゾン発生量を示すグラフである。 実施例２の静電噴霧装置の噴霧量を示すグラフである。 実施例２の静電噴霧装置のオゾン発生量を示すグラフである。 実施例３の静電噴霧装置の噴霧量、オゾン発生量及び放電電流を示すグラフである。

実施の形態１．
本発明の静電噴霧装置は、所定の液滴噴霧電極と、前記液滴噴霧電極に液体を供給する液体供給部と、前記液滴噴霧電極と対向する位置に設けられた対向電極と、前記液滴噴霧電極と前記対向電極との間に電圧を印加する電圧印加部とを有する。
以下、本発明の静電噴霧装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
図１は、本実施の形態の静電噴霧装置の概略構成図である。図１において、静電噴霧装置は、三次元網目構造を有する多孔質金属から構成された液滴噴霧電極１と、液滴噴霧電極１に液体Ｌを供給する液体供給部２と、液滴噴霧電極１と所定の距離を空けて対向する位置に設けられた対向電極３と、液滴噴霧電極１と対向電極３との間に電圧を印加する電圧印加部４とから構成されている。ここで、電圧印加部４は、液滴噴霧電極１に設けられた給電端子５及び対向電極３にリード線を介して接続されている。なお、実際の使用態様においては、液滴噴霧電極１、液体供給部２、対向電極３及び電圧印加部４は、所定の支持体によって固定することができる（図示していない）。支持体としては、特に限定されず、用途にあわせて適宜選択すればよい。

本実施の形態の静電噴霧装置において、液体供給部２から液体Ｌ（例えば、水道水や純水等）を液滴噴霧電極１に供給すると、液体Ｌは、液滴噴霧電極１中で効率良く内部拡散し、液滴噴霧電極１中で均一且つ迅速に拡散する。この状態で液滴噴霧電極１と対向電極３との間に電圧印加部４から電圧を供給すると、液滴噴霧電極１の先端部（液滴噴霧部）に自由電子が移動し、両電極間に電界が形成される。そして、液滴噴霧電極１の先端部に移動した自由電子には電界の影響によってクーロン力が働く。液滴噴霧電極１中の液体Ｌには、液体Ｌの表面張力がクーロン力と反対の方向に働くが、電界強度が増大してクーロン力が液体Ｌの表面張力を上回ると、液滴噴霧電極１の先端部において液体Ｌがレイリー分裂を起こして破砕され、ナノサイズ（一般的に５ｎｍ〜２０ｎｍ）の微小液滴が空間中に噴霧排出される。なお、液滴噴霧電極１の先端部では、レイリー分裂しつつ溜まった液体Ｌは噴霧排出されるため、瞬間的に液体Ｌが枯渇するが、内部拡散によって液滴噴霧電極１の先端部に液体Ｌが連続的に供給されるため、ナノサイズの微小液滴を連続的に空間中に噴霧排出することができる。

多孔質セラミックを液滴噴霧電極１として用いた従来の静電噴霧装置では、液滴噴霧電極１中での液体Ｌの拡散速度が遅く、液体Ｌが液滴噴霧電極１の先端部（噴霧部）に到達するまでに時間がかかるため、液滴噴霧電極１と対向電極３との間の電界強度が一定値を超えると、液滴噴霧電極１から空間中に自由電子が放出され、コロナ放電が生じる。空間中に自由電子が放出されると、空間中に多量に存在する窒素や酸素等の中性分子を原子に解離させ、窒素酸化物やオゾン等の放電生成物を生じさせる。特に、オゾンは、低濃度であればその殺菌力により殺菌効果等を示すが、高濃度であると異臭の原因となったり、樹脂等の物質を劣化させたりする。そのため、放電生成物の発生をできるだけ抑制しなければならない。
一方、多孔質金属を液滴噴霧電極１として用いた本実施の形態の静電噴霧装置では、液滴噴霧電極１中での液体Ｌの拡散速度が速く、液滴噴霧電極１中で均一且つ迅速に拡散し、液体Ｌが液滴噴霧電極１の先端部（噴霧部）に到達するのに時間を要しない。そのため、静電噴霧装置の起動時間が早くなると共に、上記のようなコロナ放電の発生を防止して放電生成物の発生を抑制することができる。

液滴噴霧電極１は、三次元網目構造を有する多孔質金属から構成される。三次元網目構造とは、スポンジ等の樹脂発泡体と同様の構造である。ここで、液滴噴霧電極１の部分拡大断面図を図２に示す。図２において、液滴噴霧電極１を構成する多孔質金属は、金属１１中に気孔１２を有する。この多孔質金属は、多孔質セラミックに比べて平均気孔率や平均気孔径が大きい。そのため、液体Ｌ中に含まれる不純物による目詰まりを抑制しつつ、ポンプ等の駆動部を要することなしに液体供給部２からの液体Ｌを液滴噴霧電極１の先端部（液滴噴霧部）に効率的に搬送することができる。また、この多孔質金属は導電性に優れているため、液滴噴霧電極１における電力損失も抑制することができる。

多孔質金属は、フィルター、触媒担持体及び燃料電池用ガス拡散層等の用途で一般的に使用されており、公知の方法に準じて製造することができる。例えば、多孔質金属の原料である金属粉末と、溶媒とを含むスラリーにバブル（泡）を導入した後、そのスラリーを所望の形状に成形した後、焼結させればよい。或いは、多孔質金属の原料である金属粉末と、高温焼成によって分解消失するバインダ樹脂と、溶媒とを含むスラリーを所望の形状に成形した後、脱脂及び焼結させればよい。

多孔質金属を構成する金属としては、特に限定されず、例えば、チタン、銅及びニッケル等の金属；金、銀及び白金等の貴金属；並びにニッケル合金及びコバルト合金等の合金が挙げられる。これらは、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。中でも、チタンは、触媒効果によってオゾン等の放電生成物の生成を抑制すると共に、電気腐食や電気磨耗に対する耐性が良好であり、長期にわたって液滴噴霧電極１の形状を保持して静電噴霧を安定して行なうことができるため最も好ましい。
多孔質金属の製造に用いられる溶媒としては、特に限定されず、例えば、水等が挙げられる。また、多孔質金属の製造に用いられるバインダ樹脂としては、特に限定されず、アクリル樹脂、エポキシ樹脂及びポリエステル樹脂等が挙げられる。
焼結温度についても特に限定されず、使用する材料にあわせて適宜調整すればよい。

多孔質金属は、６０％以上９０％以下の平均気孔率、及び５０μｍ以上６００μｍ以下の平均気孔径を有することが好ましい。平均気孔率が６０％未満であると、液体Ｌの十分な吸収性能が得られず、噴霧量が十分でないことがある。一方、平均気孔率が９０％を超えると、電極としての強度が十分でないことがある。また、平均気孔径が５０μｍ未満であると、液体Ｌに含まれる不純物等によって気孔中に目詰まりが生じることがある。一方、平均気孔径が６００μｍを超えると、電極としての強度が十分でないことがある。

ここで、多孔質金属及び多孔質セラミック（従来例）における平均気孔率と吸水性能との関係を示すグラフを図３に示す。図３は、多孔質金属として多孔質チタン（平均気孔率：９０％）及びＳＵＳ３１６Ｌ（平均気孔率：８２％）、多孔質セラミックとしてチタニア（平均気孔率：３１％）及びムライト（平均気孔率：３４％）を用いた結果である。
図３のグラフからわかるように、多孔質セラミックであるチタニア及びムライトの単位体積当たりの吸水量は、それぞれ０．１７ｃｃ／ｃｍ^３及び０．１９ｃｃ／ｃｍ^３と少ないのに対し、多孔質金属である多孔質チタン及びＳＵＳ３１６Ｌの単位体積当たりの吸水量は、それぞれ０．３８ｃｃ／ｃｍ^３及び０．５ｃｃ／ｃｍ^３と多い。つまり、平均気孔率が高いと吸水性能が増大すると言える。よって、多孔質金属を液滴噴霧電極１として使用することにより、液滴噴霧電極１中で多くの液体Ｌを保持することが可能となる。

次に、多孔質金属及び多孔質セラミック（従来例）における平均気孔率及び平均気孔径と液体Ｌの拡散速度との関係を示すグラフを図４に示す。液体Ｌの拡散速度は、液体供給の開始から微小液滴が噴霧排出されるまでに必要な時間（すなわち、静電噴霧装置の起動時間）と関連する。図４は、多孔質金属として多孔質チタンＡ（平均気孔率：８６．４％、平均気孔径：５０μｍ）及び多孔質チタンＢ（平均気孔率：８１．２％、平均気孔径：３０μｍ）、多孔質セラミックとしてチタニア（平均気孔率：３１％、平均気孔径：０．４μｍ）及びムライト（平均気孔率：３４％、平均気孔径：０．３μｍ）を用い、一方の端部に純水１ｃｃをシリンジで供給した際の純水の移動距離を所定の時間ごとに測定した結果である。なお、これらの測定サンプルの形状は、直径５ｍｍ、長さ１０ｃｍの丸棒形状とした。
図４のグラフからわかるように、多孔質セラミックであるチタニア及びムライトにおける純水の移動距離は、６０秒を経過しても２０ｍｍ未満と短いのに対し、多孔質金属である多孔質チタンＡ及びＢにおける純水の移動距離は、６０秒を経過すると８０〜９０ｍｍと長い。つまり、平均気孔率及び平均気孔径が大きい多孔質金属は、多孔質セラミックに比べて拡散速度が速いと言える。よって、多孔質金属を液滴噴霧電極１として使用することにより、静電噴霧装置の起動時間を短縮することが可能となる。

また、多孔質セラミックを液滴噴霧電極１として使用した場合、電圧印加直後には微小液滴が噴霧排出されず、液滴噴霧電極１と対向電極３との間にコロナ放電が生じること、又は液滴の噴霧速度が液体Ｌの拡散速度よりも速いことに起因して、オゾン等の放電生成物が生じる。しかし、多孔質金属を液滴噴霧電極１として使用した場合、液体Ｌの拡散速度が噴霧速度よりも速くなるため、オゾン等の放電生成物の発生を抑制することが可能となる。

また、多孔質金属は、金属から構成されているため、導電性に優れており、液滴噴霧電極１における電力損失を抑制することができる。
ここで、多孔質金属及び多孔質セラミック（従来例）の電気抵抗率を示すグラフを図５に示す。図５は、多孔質金属として多孔質チタン及びＳＵＳ３１６Ｌ、多孔質セラミックとしてチタニア及びムライトを用いた結果である。
図５のグラフからわかるように、多孔質セラミックであるチタニア及びムライトの電気抵抗率は、それぞれ１×１０^１２Ω・ｍ及び１×１０^１４Ω・ｍと大きいのに対し、多孔質金属である多孔質チタン及びＳＵＳ３１６Ｌの電気抵抗率は、それぞれ８×１０^−７Ω・ｍ及び５×１０^−６Ω・ｍと小さい。つまり、多孔質金属は、多孔質セラミックに比べて電気抵抗率が低い（すなわち、導電性に優れている）と言える。よって、多孔質金属を液滴噴霧電極１として使用することにより、液滴噴霧電極１における電力損失を抑制することが可能となる。

液滴噴霧電極１中の液体Ｌを微小液滴として空間中に効率良く噴霧排出させるためには、液体Ｌへ自由電子を供給し、液体Ｌの表面張力を上回る電界を液滴噴霧電極１の先端部（噴霧部）へ与える必要がある。液滴噴霧電極１の先端部の電界強度は、先端部の形状と密接に関係しているため、電界が集中し易い形状に液滴噴霧電極１の先端部を形成する必要がある。
液滴噴霧電極１の先端部の形状としては、特に限定されず、例えば、図６に示すような角柱（Ａ）、角錐（Ｂ）、三角（Ｃ）、円柱（Ｄ）及び円錐（Ｅ）等が挙げられる。また、図６に示すような角柱（Ａ）の先端部に四角突起を形成したもの（Ｆ）や、球状突起を形成したもの（Ｇ）も使用可能である。さらに、三角（Ｃ）の先端をＲ加工すれば、液滴噴霧電極１と対向電極３との間に高電圧が印加された場合でも、先端部での電界強度を緩和させることができ、オゾン等の放電生成物の発生を抑制しつつ、微小液滴を空間中に噴霧排出することができる。
また、液滴噴霧電極１の本体部（先端部以外の部分）の形状としては、特に限定されず、例えば、四角柱や円柱等が挙げられる。また、本体部の直径（或いは一辺の長さ）は、特に限定されず、製造する静電噴霧装置の大きさにあわせて適宜調整すればよい。

上記のような形状を有する液滴噴霧電極１は、特に限定されず、公知の方法に準じて製造することができる。例えば、厚さ０．５ｍｍ〜２ｍｍｍのシート状の多孔質金属を作製した後、所望の形状に切断して所望の形状に加工すればよい。加工方法としては、特に限定されず、例えば、ワイヤーカット、レーザーカット、プレス打ち抜き、削りだし、手切断、折り曲げ等の各種方法により行なえばよい。

上記のように、液滴噴霧電極１の先端部の形状は、電界が集中し易い形状が好ましいが、例えば、先端形状が円錐の液滴噴霧電極１を用いた静電噴霧装置において、比較的低い電圧（４ｋＶ以上７ｋＶ以下）を印加すると、図７に示すようにマイクロ秒〜ミリ秒の周期でパルス状の電流波形が観測される。これは、液滴噴霧電極１の先端部において液体Ｌがレイリー分裂を起こし、帯電した微小液滴が対向電極３へ到達する際に流れる液滴電流であり、一定周期毎に上記の現象が生じることによりパルス状の電流が観測されているためであると考えられる。なお、この液滴電流の波形は、ベースラインから逸脱しているものの、この場合においてはオゾン等の放電生成物の発生は確認されない。

しかし、印加電圧を高く（７Ｖ超過）すると、図８に示すようにベースラインから大きく逸脱して液滴電流が観測される。この原因は、コロナ放電によるものであり、コロナ放電の電流波形に液滴電流が重なった波形となる。そして、この場合においてはオゾン等の放電生成物の発生が確認される。また、印加電圧を更に高くすると、パルス状の液滴電流の波形は消滅してコロナ放電の波形のみとなり、パルス状の液滴電流の後にオゾン等の放電生成物に起因するイオン電流がブロード状に多く観測される。そして、この場合においては多量のオゾン等の放電生成物の発生が確認される。
よって、以上の理由から、本実施の形態の静電噴霧装置では、４ｋＶ以上７ｋＶ以下の電圧を印加することが好ましい。

また、液滴噴霧電極１の先端部には、液体噴霧量を増大させる観点から、撥水化処理を施してもよい。
液滴噴霧電極１の先端部を撥水化処理した場合、多孔質金属の内部拡散によって液滴噴霧電極１の先端部に到達した液体Ｌが液滴噴霧電極１の先端部で球状の液滴となる。この時、液滴噴霧電極１と対向電極３との間に電圧を印加すると、対向電極３に近接した球状の液滴側に自由電子が集まり、対向電極３との間で電界が形成される。対向電極３との距離が液滴の直径分短くなるため、電界強度が大きくなって電界によるクーロン力が液体Ｌの表面張力を上回り易くなり、微小液滴が空間中に効率良く噴霧排出される。
撥水化処理の方法としては、特に限定されず、例えば、フッ素系樹脂等の撥水性樹脂でコーティングすればよい。また、撥水化処理は、液滴噴霧電極１の先端部のみ行なえばよく、その他の部分は行なう必要は特にない。

対向電極３としては、特に限定されないが、液滴噴霧電極１との間に電界を形成し、液滴噴霧電極１の先端部に溜まった液体Ｌを電界により空間中に噴霧排出させるものであるため、その材質は導電性を有する金属及び導電性樹脂等が好ましい。また、液体Ｌを効率良く噴霧排出させるためには電気抵抗が低い金属がより好ましい。さらに、対向電極３には、放出される液体Ｌが付着することがあるため、放出される液体Ｌに対する耐食性に優れたタングステン、モリブデン、ステンレス及びニッケル合金等が特に好ましい。

液滴噴霧電極１の先端部と対向電極３との間の距離は、両電極間に形成される電界強度に大きな影響を与え、短くなると液滴噴霧電極１への印加電圧を低減できると共に絶縁性を高めることができる反面、対向電極３に対してコロナ放電やアーク放電を誘発し易いという欠点がある。逆に、当該距離が長くなると、対向電極３に対するコロナ放電やアーク放電を誘発し難くなる反面、液滴噴霧電極１への印加電圧を増大させる必要があると共に絶縁性も低下する。従って、これらの相反する特性を最適化すべく、使用する液滴噴霧電極１及び対向電極３の種類に応じて適宜調整する必要がある。一般的には、液滴噴霧電極１の先端部と対向電極３との間の距離は、３ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。この範囲の距離であれば、コロナ放電やアーク放電を誘発し難いと共に、液滴噴霧電極１への印加電圧も低減することが可能となる。

対向電極３は、液滴噴霧電極１の先端部の電界強度を高めると共に、液滴噴霧電極１からの微小液滴が対向電極３に付着せずに空間中に噴霧排出されるように、開口部を有する。
また、対向電極３は、液滴噴霧電極１の先端部が対向電極３の開口部に対して均一な距離となるように配置することが好ましい。液滴噴霧電極１の先端部と対向電極３の開口部とを均一な距離で配置することにより、液滴噴霧電極１の先端部には電界の偏りが生じず、均一な電界が形成される。その結果、オゾン等の放電生成物の生成を抑制しつつ、微小液滴を空間中に安定に噴霧排出することができる。

対向電極３及び対向電極３に形成される開口部の形状としては、特に限定されず、何れの形状でも構わない。また、電界の偏りを防止する観点から、液滴噴霧電極１の先端部が対向電極３の開口部の中心となるように設けることが好ましい。
ここで、開口部を有する対向電極３の例を図９に示す。図９は、対向電極３側から見た液滴噴霧電極１の概略図である。図９に示されているように、対向電極３及び対向電極３に形成される開口部は、様々な形状とすることができ、複数の対向電極３を設けてもよい。対向電極３及び対向電極３に形成される開口部の形状としては、例えば、正方形、長方形、円及び楕円等が挙げられる。

対向電極３の開口部の大きさは、液滴噴霧電極１の大きさや、液滴噴霧電極１と対向電極３との間の距離と関係しており、これらの条件にあわせて適宜調整する必要がある。
先端部の直径（或いは一辺の長さ）が０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の液滴噴霧電極１を用いると共に、液滴噴霧電極１の先端部と対向電極３との間の距離が３ｍｍ以上５ｍｍ以下である場合、対向電極３の開口部の直径（或いは一辺の長さ）は、好ましくは５ｍｍ以上１３ｍｍ以下、より好ましくは７ｍｍ以上９ｍｍ以下である。特に、直径（或いは一辺の長さ）が大きいほど、液体Ｌの噴霧量が多くなると共に、オゾン等の放電生成物の発生が少なくなる。開口部の直径（或いは一辺の長さ）が５ｍｍ未満であると、液滴噴霧電極１から噴霧排出された微小液滴が対向電極３に衝突する確率が増加し、空間中への液体Ｌの噴霧量が減少すると共に、オゾン等の放電生成物が多量に発生することがある。一方、開口部の直径（或いは一辺の長さ）が１３ｍｍを超えると、液滴噴霧電極１への印加電圧を大きくする必要があり、電圧印加部４に多大な負荷がかかると共に絶縁性が低下する。

対向電極３に開口部を形成する方法としては、特に限定されず、公知の方法に準じて行なえばよい。中でも、開口部の内面における微小突起の生成を抑制するため、液滴噴霧電極１側方向からの打ち抜き加工やレーザ加工を行なうことが好ましい。特に、対向電極３に対して図１０に示すようなバーリング加工を施せば、開口部の内面における微小突起の生成を抑制することができる。開口部の内面において微小突起が存在すると、液滴噴霧電極１の先端部と微小突起との間で局所的な電界集中が起こり、液滴電流が発生し難くなると共に、コロナ放電が発生し易くなる。また、条件によってはアーク放電が発生することもあるため、液滴噴霧電極１の先端部に埃等が蓄積した際に発火する可能性もある。

液滴噴霧電極１と対向電極３との間に電圧を供給する電圧印加部４は、特に限定されず、公知の電圧印加手段を用いればよい。この電圧印加手段は、直流又は交流のいずれでもよいが、液滴噴霧電極１に直流の正電圧を印加した場合、電気腐食によって液滴噴霧電極１を劣化させる可能性がある。そのため、液滴噴霧電極１には直流の負電圧を印加することが好ましい。この場合、例えば、水を噴霧すると、レイリー分裂により破砕された微小液滴は負に帯電され、正に帯電されている皮膚に引き寄せられるため、皮膚に潤いを与えることが可能となる。
なお、液滴噴霧電極１に直流電圧を印加する場合、同一極の帯電した微小液滴が連続的に供給されることとなるため、静電噴霧装置の近傍では帯電した微小液滴によって空間電荷が生じ、液滴噴霧電極１の先端部の電界強度が緩和されて液体Ｌの噴霧量が低下することがある。そのため、液滴噴霧電極１に交流電圧を印加することで、両極性の微小液滴を生成させ、空間電荷の発生を抑制してもよい。

液滴噴霧電極１と対向電極３との間に印加する電圧としては、４ｋＶ以上７ｋＶ以下であることが好ましい。印加電圧が４ｋＶ未満であると、液滴噴霧電極１と対向電極３との間に形成される電界強度が弱く、液体Ｌの表面張力を超えることができない場合がある。一方、印加電圧が７ｋＶを超えると、電圧印加部４の負荷が大きくなると共に絶縁性が低下する。加えて、液滴噴霧電極１と対向電極３との間に高い電界強度がかかるため、電子放出が生じ、オゾン等の放電生成物が生じる場合がある。

液滴噴霧電極１に液体Ｌを供給する液体供給部２としては、特に限定されず、公知の液体供給手段を用いればよい。例えば、液体供給部２は、液体Ｌを滴下する手段を備えた液体貯蔵部であることができ、液滴噴霧電極１と液体供給部２とを空間を介して非接触とすることができる。このような構成とすれば、滴噴霧電極１と液体供給部２とが空間を介して非接触としてあるので、組み込み設計の自由度が高まる。或いは、液体供給部２は、液体Ｌの搬送手段を介して液滴噴霧電極１と接続された液体貯蔵部としてもよい。

本実施の形態の静電噴霧装置に用いることが可能な液体Ｌとしては、特に限定されず、例えば、水道水、純水及び結露水が挙げられる。また、インクジェットや静電塗装等の静電噴霧現象を利用した装置として、本実施の形態の静電噴霧装置を用いることもできる。

上記のような構成を有する静電噴霧装置は、吸水性能及び導電性に優れた液滴噴霧電極１を用いることにより、液滴噴霧電極１の先端部（液滴噴霧部）に液体Ｌを効率良く搬送させて液体噴霧量の増大、起動時間の短縮及び放電生成物の生成抑制等の効果を与えると同時に、液滴噴霧電極１での電力損失を抑制することができる。

実施の形態２．
図１１は、本実施の形態の静電噴霧装置の概略構成図である。図１１において、放電電流制御手段６を設けたこと以外は実施の形態１の静電噴霧装置と同様である。
静電噴霧装置における静電噴霧現象は、電界によるクーロン力が液体Ｌの表面張力を上回った時点でレイリー分裂を起こし、微小液滴を噴霧排出する現象である。しかし、液滴噴霧電極１の先端部における電界強度が高くなると、液滴噴霧電極１から自由電子が対向電極３に向けて放出され、オゾン等の放電生成物を生成する。上記でも述べたようにオゾン等の放電生成物は有害な物質であるため、その排出を抑制する必要がある。

図７に示すように比較的低い電圧を印加して電界強度をある程度抑えた場合には、オゾン等の放電生成物の発生はなく、微小液滴による電流波形が観測されるのに対して、図８に示すように印加電圧を高くして電界強度を上げた場合には、ベースラインから逸脱した位置から微小液滴の電流波形が観測される。これは、コロナ放電の波形に微小液滴による電流波形が重なったことに起因しており、約−２０μＡの放電電流が測定され、オゾンの生成が確認される。そこで、本実施の形態の静電噴霧装置では、電圧印加部４の出力電流を制御する放電電流制御手段６を設けることにより、放電電流を減少させてコロナ放電を抑制し、オゾン等の放電生成物の発生を低減することが可能となる。

ここで、微小液滴の噴霧量は、電界強度によって主に決定されることから、大きな放電電流は要求されない。そのため、放電電流は−１５μＡ以上０μＡ未満に抑えることが好ましい。この範囲の放電電流であれば、オゾン等の放電生成物の生成を十分に低減することができる。放電電流が−１５μＡを超えると、オゾン等の放電生成物の生成を十分に低減することができない。
放電電流制御手段６としては、放電電流を制御可能な手段であれば特に限定されず、公知の手段を用いることができる。例えば、放電電流制御手段６として、電圧印加部４のインピーダンスを制御する手段等が挙げられる。また、放電電流値を検知して印加電圧にフィードバックすることにより、印加電圧を可変して放電電流を制御する方法もある。
このような構成を有する静電噴霧装置は、オゾン等の放電生成物の生成をより一層低減させることができる。

実施の形態３．
図１２は、本実施の形態の静電噴霧装置の概略構成図である。図１２において、液体供給部２に液体供給量制御手段７を設けたこと以外は実施の形態１の静電噴霧装置と同様である。
液滴噴霧電極１の先端部から微小液滴を空間中に噴霧排出するためには、液滴噴霧電極１と対向電極３との間の電界強度をある程度高める必要があるが、電界強度が高すぎるとオゾン等の放電生成物の発生の原因となるコロナ放電が生じる。液体供給部２に液体供給量制御手段７を設けることにより、液体供給量を制御してコロナ放電開始電圧を調整することができるため、コロナ放電の発生を抑制することが可能となる。

ここで、液体（純水）含有量とコロナ放電開始電圧及び放電電流との関係を示すグラフを図１３に示す。図１３では、先端部が三角形状の液滴噴霧電極１と、直径８ｍｍの開口部を有する対向電極３とを備え、液滴噴霧電極１の先端部と対向電極３との間の垂線距離を３ｍｍとした静電噴霧装置を作製し、液体含有量を変化させた場合のコロナ放電開始電圧を測定した。
図１３のグラフからわかるように、液体含有量が０ｃｃの場合にはコロナ放電開始電圧が−４．９ｋＶ、放電電流が−１２．８μＡであったのに対し、液体含有量が０．２ｃｃの場合にはコロナ放電開始電圧が−６．１ｋＶ、放電電流が−２０．４μＡであった。つまり、液滴噴霧電極１の液体含有量により、コロナ放電が生じる電圧値が異なると言える。よって、液体供給部２に液体供給量制御手段７を設けることで液滴噴霧電極１の液体含有量を制御することにより、コロナ放電を抑制してオゾン等の放電生成物の発生を防止することが可能となる。

以下、実施例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
液滴噴霧電極１として、直径４ｍｍの丸棒の先端部を三角形状（先端角度３０°）に加工した多孔質金属からなる液滴噴霧電極１と、直径１０ｍｍの開口部を有する対向電極３とを備え、液滴噴霧電極１の先端部と対向電極３との間の垂線距離を３ｍｍとした静電噴霧装置を作製した。ここで、金属多孔質体としては、多孔質チタン（平均気孔率：９０％、平均気孔径：５０μｍ）及びＳＵＳ３１６Ｌ（平均気孔率：８２％、平均気孔径：３００μｍ）を用いた。

（比較例１）
比較例として、多孔質金属の代わりに多孔質セラミックを用いて、実施例１と同様にして静電噴霧装置を作製した。ここで、多孔質セラミックとしては、チタニア（平均気孔率：３１％、平均気孔径：０．４μｍ）及びムライト（平均気孔率：３４％、平均気孔径：０．３μｍ）を用いた。

上記の実施例１及び比較例１で得られた静電噴霧装置について、単位時間当たりに噴霧排出される微小液滴の重量を測定することによって噴霧量を求めた。具体的には、静電噴霧装置を４２Ｌのアクリルチャンバー内に設置した後、液滴噴霧電極１に−６ｋＶの負の直流電圧を印加し、当該電圧印加前のアクリルチャンバー内の絶対湿度の変化から噴霧量を算出した。その結果を図１４に示す。
図１４のグラフからわかるように、液滴噴霧電極１に多孔質金属（多孔質チタン及びＳＵＳ３１６Ｌ）を用いた実施例１の静電噴霧装置は、液滴噴霧電極１に多孔質セラミック（チタニア及びムライト）を用いた比較例１の静電噴霧装置に比べて、噴霧量が約２倍と多かった。

次に、上記の実施例１及び比較例１で得られた静電噴霧装置について、単位時間当たり発生するオゾンの重量を測定した。具体的には、液滴噴霧電極１の近傍にオゾン吸引部を設け、液滴噴霧電極１に−６ｋＶの負の直流電圧を印加した際のオゾン濃度及び吸引ガス流量からオゾン発生量を算出した。その結果を図１５に示す。
図１５のグラフからわかるように、液滴噴霧電極１にチタニアを用いた静電噴霧装置のオゾン発生量は０．０６ｍｇ／ｈであったのに対し、液滴噴霧電極１にチタニアを用いた静電噴霧装置のオゾン発生量は０．０２５ｍｇ／ｈであった。これは、図５に示すように、チタニアの電気抵抗率がムライトの電気抵抗率に比べて２桁程度低いためであると考えられる。
一方、液滴噴霧電極１に多孔質金属を用いた静電噴霧装置では、図５に示すように、多孔質金属の電気抵抗率が多孔質セラミックの電気抵抗率よりも１０桁以上低いにも関らず、オゾン発生量は同程度であった。また、液滴噴霧電極１に多孔質チタンを用いた静電噴霧装置は、液滴噴霧電極１にＳＵＳ３１６Ｌを用いた静電噴霧装置に比べて、オゾン発生量が顕著に少なかった。これは、チタン自身の触媒硬化によってオゾンを分解したためであると考えられる。

（実施例２）
実施例２では、液滴噴霧電極１の形状を種々変えたこと以外は実施例１と同様にして静電噴霧装置を作製した。ここで、液滴噴霧電極１には、直径５ｍｍの丸棒の先端部を円錐形状（頂角３０°）、円筒形状、半球形状に加工したものを用いた。また、液滴噴霧電極１を構成する多孔質金属には、多孔質チタン（平均気孔率：８２％、平均気孔径：３００μｍ）を用いた。
次に、得られた静電噴霧装置について、上記と同様の方法を用いて噴霧量及びオゾン発生量を求めた。噴霧量の結果を図１６、オゾン発生量の結果を図１７に示す。
図１６及び１７の結果からわかるように、液滴噴霧電極１の先端部形状が円錐形状であるものが、噴霧量及びオゾン発生量が最も多く、続いて円筒形状、半球形状の順で噴霧量及びオゾン発生量が多かった。これは、本実施例のような構成の対向電極３に対しては、円錐形状、円筒形状、半球形状の順で電界強度が高いためであると考えられる。

（実施例３）
実施例３では、対向電極３の開口部の大きさを種々変えた静電噴霧装置を作製し、噴霧量及びオゾン発生量を求めた。
直径４ｍｍの丸棒の先端部を三角形状（先端角度３０°）に加工した多孔質チタン（平均気孔率：８２％、平均気孔径：３００μｍ）からなる液滴噴霧電極１と、各直径の開口部を有する対向電極３とを備え、液滴噴霧電極１の先端部と対向電極３との間の垂線距離を４．６ｍｍとした静電噴霧装置を作製した。
次に、得られた静電噴霧装置について、−５．７ｋＶの負の直流電圧を印加し、上記と同様の方法を用いて噴霧量及びオゾン発生量を求めると共に、放電電流も測定した。その結果を図１８に示す。
図１８の結果からわかるように、対向電極３の開口部の直径が大きくなるほど、噴霧量が多く、オゾン発生量が少なくなった。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、吸水性能及び導電性に優れた液滴噴霧電極１を用いることにより、液滴噴霧電極１の先端部（液滴噴霧部）に液体Ｌを効率良く搬送させて液体噴霧量の増大、起動時間の短縮及び放電生成物の生成抑制等の効果を与えると同時に液滴噴霧電極１での電力損失を抑制し、噴霧性能に優れた静電噴霧装置を提供することができる。

１ 液滴噴霧電極、２ 液体供給部、３ 対向電極、４ 電圧印加部、５ 給電端子、 ６ 放電電流制御手段、７ 液体供給量制御手段、１１ 金属、１２ 気孔、Ｌ 液体。

Claims (7)

1. 液滴噴霧電極と、前記液滴噴霧電極に液体を供給する液体供給部と、前記液滴噴霧電極と対向する位置に設けられた対向電極と、前記液滴噴霧電極と前記対向電極との間に電圧を印加する電圧印加部とを有する静電噴霧装置であって、
   前記液滴噴霧電極は、三次元網目構造を有する多孔質金属から成り、且つ前記対向電極は、前記液滴噴霧電極側から打ち抜くバーリング加工が施された開口部を有することを特徴とする静電噴霧装置。
2. 前記液滴噴霧電極の先端形状が三角形状であり、且つ前記三角形状の先端がＲ加工されていることを特徴とする請求項１に記載の静電噴霧装置。
3. 前記液滴噴霧電極の先端部の直径又は一辺の長さは０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、前記液滴噴霧電極の先端部と前記対向電極との距離は３ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、前記開口部の直径又は一辺の長さは５ｍｍ以上１３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電噴霧装置。
4. 前記多孔質金属は、６０％以上９０％以下の平均気孔率、及び５０μｍ以上６００μｍ以下の平均気孔径を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の静電噴霧装置。
5. 前記多孔質金属を構成する金属はチタンであることを特徴する請求項１〜４のいずれか一項に記載の静電噴霧装置。
6. 前記電圧印加部の出力電流を制御する放電電流制御手段をさらに有し、前記液滴噴霧電極と前記対向電極との間の放電電流を−１５μＡ以上０μＡ未満に制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の静電噴霧装置。
7. 前記液滴噴霧電極の先端部には撥水化処理が施されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の静電噴霧装置。

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