JP5654822B2 - 静電霧化装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電霧化装置に関するものである。

従来、放電電極と対向電極（被放電電極）との両電極間への高電圧印加と共に放電電極に水を供給し、帯電微粒子水とマイナスイオンとを発生させる静電霧化装置が知られている。この種の静電霧化装置としては、対向電極を接地し、放電電極側にマイナスの高電圧を印加するのが一般的であるが、放電電極側を接地し、対向電極側にプラスの高電圧を印加するものがある（例えば特許文献１参照）。このようにすると、放電電極（霧化電極）から発生する質量の軽いマイナスイオンは対向電極に付着して対象物の帯電が防止され、また質量の大きい帯電微粒子水は対象物に効果的に供給されるようになる。

特開２００８−１４９２４３号公報

ところで、静電霧化装置では、放電電極に付着する液体量が変化すると放電が安定しなくなるため、放電電流の検出に基づいて放電を制御する必要がある。
本発明の目的は放電電極に付着する液体量が変化しても放電を安定させることができる静電霧化装置を提供することである。

本発明の一形態に従う静電霧化装置は、放電電極と、該放電電極との間で放電させるための被放電電極と、前記放電電極に霧化のための液体を供給する液体供給手段と、前記被放電電極に高電圧を印加する高電圧発生手段と、を備えた静電霧化装置であって、前記高電圧発生手段と前記被放電電極との間に介在し、両者間に流れる電流を検出する放電電流検出手段と、前記放電電流検出手段によって検出された放電電流に基づいて、所定の放電電流となるよう前記高電圧発生手段の高電圧の印加を制御する制御手段とを備え、前記放電電流検出手段は、前記高電圧発生手段と前記被放電電極との間に第１抵抗を設けるとともに、該第１抵抗と前記被放電電極との間に第２抵抗の一端を接続して前記第１抵抗に流れる電流をその第２抵抗側に流れるように構成し、前記第１抵抗にかかる電圧とその抵抗値とから前記第１抵抗に流れる電流を求めるとともに、前記第２抵抗の一端の電圧とその抵抗値とから前記第２抵抗に流れる電流を求め、求めた各電流から前記被放電電極側に流れる電流を前記放電電流として求める。

静電霧化装置の一形態によれば、放電電極に付着する液体量が変化しても放電を安定させることができる。

は第１実施形態の静電霧化装置のブロック回路図である。 は第２実施形態の静電霧化装置のブロック回路図である。 は変形例の静電霧化装置のブロック回路図である。

〔１〕本発明の一形態に従う静電霧化装置は、放電電極と、該放電電極との間で放電させるための被放電電極と、前記放電電極に霧化のための液体を供給する液体供給手段と、前記被放電電極に高電圧を印加する高電圧発生手段と、を備えた静電霧化装置であって、前記高電圧発生手段と前記被放電電極との間に介在し、両者間に流れる電流を検出する放電電流検出手段と、前記放電電流検出手段によって検出された放電電流に基づいて、所定の放電電流となるよう前記高電圧発生手段の高電圧の印加を制御する制御手段とを備え、前記放電電流検出手段は、前記高電圧発生手段と前記被放電電極との間に第１抵抗を設けるとともに、該第１抵抗と前記被放電電極との間に第２抵抗の一端を接続して前記第１抵抗に流れる電流をその第２抵抗側に流れるように構成し、前記第１抵抗にかかる電圧とその抵抗値とから前記第１抵抗に流れる電流を求めるとともに、前記第２抵抗の一端の電圧とその抵抗値とから前記第２抵抗に流れる電流を求め、求めた各電流から前記被放電電極側に流れる電流を前記放電電流として求める。
〔２〕前記静電霧化装置の一例によれば、前記放電電流検出手段は、前記高電圧発生手段と前記第１抵抗との間に第３抵抗を介して接続され、前記高電圧発生手段と前記第１抵抗との間の電圧を検出する第１オペアンプと、前記第１抵抗と前記被放電電極との間に前記第２抵抗を介して接続され、前記第１抵抗と前記被放電電極との間の電圧を検出する第２オペアンプとを備えて構成された。
〔３〕前記静電霧化装置の一例によれば、 前記放電電流検出手段は、前記高電圧発生手段であるトランスの２次側巻線途中の所定巻数位置と接続され、その所定巻数位置の電圧を前記第１抵抗の一端の電圧として検出する第１オペアンプと、前記第１抵抗と前記被放電電極との間に前記第２抵抗を介して接続され、前記第１抵抗と前記被放電電極との間の電圧を検出する第２オペアンプとを備えて構成された。
〔４〕前記静電霧化装置の一例によれば、前記液体供給手段は、前記放電電極を冷却しその周囲の空気中の水分を結露させて前記放電電極に液体を供給するように熱電素子を用いて構成された。
〔５〕前記静電霧化装置の一例によれば、前記液体供給手段は、前記放電電極に液体を供給するための水溜め部を有して構成された。

（第１実施形態）
図１に示すように、静電霧化装置１は、放電電極２と、対向電極３と、高電圧発生回路４と、熱電素子駆動回路５と、制御回路（マイコン）６とを含む。放電電極２は、導電性を有する金属部材からなり、対向して配置された対向電極３に突出した略円柱状をなす。対向電極３の中央部は、放電電極２の上面を覆うドーム状に形成され、その中央部の開口がミスト吐出口３ａとなっている。また、対向電極３のドーム状に形成された周辺は、放電電極２に対して平面状をなしている。対向電極３は、高電圧発生回路４に接続されている。放電電極２の先端部は、対向電極３のミスト吐出口３ａに向けて設置され、その基端部には熱電素子７が当接配置されている。
熱電素子７は、例えばＢｉＴｅ系の熱電材料からなり、複数のＮ型とＰ型の熱電素子を、放電電極２と対向して配置された放熱電極８にそれぞれ電気的に接続されている。放熱電極８は、熱電素子７の冷却作用による発熱を放出するために平板状をなす。また、放熱電極８は、熱電素子７を駆動するための電圧を供給する熱電素子駆動回路５に接続されている。この場合、放電電極２は、熱電素子７を含む電気回路の一部を構成している。従って、熱電素子駆動回路５は、放熱電極８を介して熱電素子７に電源（数ボルト）を供給し、冷却作用を生じさせる。そして、熱電素子７は、放熱電極８を介して放熱動作を行いながら放電電極２を冷却することによって、空気中の水分から放電電極２に結露水を生じさせる。

高電圧発生回路４は、電源回路９と、高圧トランス部１０とを含む。高圧トランス部１０は、電源回路９からの電圧を昇圧するトランス１１を有する。電源回路９は、直流電源回路とスイッチング回路とを含み、トランス１１の１次側巻線１１ａが接続されている。電源回路９は、トランス１１の１次側巻線１１ａにパルス状の電源電圧Ｖｉｎを印加させる。トランス１１は、１次側巻線１１ａに印加されたパルス状の電源電圧Ｖｉｎを高電圧の２次電圧に昇圧して２次側巻線１１ｂから出力する。２次側巻線１１ｂのプラス端子には、ダイオードＤ１のアノードが接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、抵抗Ｒ１を介して対向電極３と接続されている。従って、２次側巻線１１ｂから出力される２次電圧は、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ１を介して対向電極３にプラスの高電圧（数キロボルト）として印加される。

ここで、静電霧化装置１において、放電電極２の電位は、熱電素子駆動回路５にて数ボルトが印加されるものの、数キロボルトの高電圧が印加される対向電極３側から見れば接地電位（ゼロボルト）に近い電位となっている。そして、放電電極２の先端部に結露水を保持した状態で対向電極３に対して高電圧が印加されると、放電電極２と対向電極３との間に放電が生じる。

放電動作において、放電電極２の先端部に保持された結露水は、帯電しクーロン力の働きにより結露水の液面が局所的に円錐形状（テーラーコーン）に盛り上がる。円錐形状に盛り上がった水は、その先端に電荷が集中して電荷密度が高密度となり、互いの電荷の反発力で弾けて、分裂・飛散（レーリー分裂）が繰り返されて静電霧化が行われる。そして静電霧化が行われ、活性種を含んだナノメータサイズの帯電微粒子水を大量に発生させる。発生した帯電微粒子水がミスト吐出口３ａを通って放出される。

ところで、静電霧化装置１は、放電電極２上の結露水が少なくなると、テーラーコーンが小さくなり、その先端と対向電極３までの距離が長くなって、放電電流Ｉ２が少なくなる。そして、放電電極２の水の量がさらに少なくなると、放電電極２上に結露水と対向電極３との間での放電ではなくなって、放電電極２と対向電極３との間での放電（空気放電）となり、静電霧化に移行しなくなる。

反対に、放電電極２上の結露水の量が多くなると、テーラーコーンが大きくなり、その先端と対向電極３までの距離が短くなって、放電電流Ｉ２が増大する。そして、放電電極２上の結露水がさらに多くなると、対向電極３と結露水との距離が短くなり過ぎて、短絡電流が流れて狙った粒子径のミストが得られないとともに大量のオゾンが発生してオゾン濃度が高くなる。

従って、空気放電を未然に防止するとともに、放電電極２に結露水が付着し過ぎて放電電流Ｉ２が流れ過ぎ大量のオゾンが発生するのを未然に防止する必要がある。つまり、制御回路６は、２次電圧を空気放電が発生する電圧（空気放電電圧）以下にするとともに、放電電流Ｉ２が流れ過ぎるときに２次電圧を低下させてオゾン濃度が高くならないように、トランス１１にてその２次電圧を発生させる電源回路９の制御を行っている。

このような制御を行うのに際し、制御回路６は、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ１との間のノードＮ１と、抵抗Ｒ１と対向電極３との間のノードＮ２における電圧を入力し、放電電流Ｉ２を算出する。

詳述すると、ノードＮ１の電圧Ｖ１は、抵抗Ｒ２を介してオペアンプ２１の非反転入力端子に入力される。オペアンプ２１の非反転入力端子は、自身の出力端子と抵抗Ｒ４を介して接続され、オペアンプ２１の出力信号が抵抗Ｒ４を介して帰還されている。オペアンプ２１の出力端子は制御回路６の入力端子に接続されている。オペアンプ２１の反転入力端子は、所定電圧ＶＤを抵抗分割する抵抗Ｒ６，Ｒ７間のノードＮ３に接続されている。オペアンプ２１の反転入力端子には、所定電圧ＶＤを分圧した基準電圧Ｖｔｈが入力される。つまり、オペアンプ２１は、ノードＮ１の電圧Ｖ１を増幅した出力電圧Ｖｓ１を制御回路６に出力する。

同様に、ノードＮ２の電圧Ｖ２は、抵抗Ｒ３を介してオペアンプ２２の非反転入力端子に入力される。オペアンプ２２の非反転入力端子は、自身の出力端子と抵抗Ｒ５を介して接続され、オペアンプ２２の出力信号が抵抗Ｒ５を介して帰還されている。オペアンプ２２の出力端子は制御回路６の入力端子に接続されている。オペアンプ２２の反転入力端子は前記ノードＮ３に接続され、該端子には前記基準電圧Ｖｔｈが入力される。つまり、このオペアンプ２２においても、ノードＮ２の電圧Ｖ２を増幅した出力電圧Ｖｓ２を制御回路６に出力する。

ここで、抵抗Ｒ１を流れる電流Ｉ１は、ノードＮ１，Ｎ２における電圧Ｖ１，Ｖ２の差と抵抗Ｒ１の抵抗値から算出できる。また、抵抗Ｒ３を流れる電流Ｉ３は、ノードＮ２の電圧Ｖ２と抵抗Ｒ３の抵抗値から算出できる。従って、電流Ｉ３と電流Ｉ１との差分（Ｉ１−Ｉ３）から放電電流Ｉ２が算出できる。制御回路６は、このような放電電流Ｉ２を算出する式を備え、出力電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２（電圧Ｖ１，Ｖ２）から放電電流Ｉ２の値を算出している。そして、制御回路６は、算出された放電電流Ｉ２に基づいて電源電圧Ｖｉｎの大きさを調整し、トランス１１の２次側巻線１１ｂから出力される２次電圧を上記した好適な範囲内となるように制御する。

このように対向電極３にプラスの高電圧を印加する構成を採用する本実施形態の静電霧化装置１においても放電電流Ｉ２を高精度に検出でき、放電電極２に付着する結露水の量が変化しても放電を安定させ、空気放電やオゾンの大量発生を未然に防止する制御が可能となっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）放電電極２と対向する対向電極３には、トランス１１の２次側巻線１１ｂで生じる高電圧がダイオードＤ１、抵抗Ｒ１を介して印加される。抵抗Ｒ１とダイオードＤ１との間のノードＮ１の電圧Ｖ１は抵抗Ｒ２を介してオペアンプ２１に入力される。抵抗Ｒ１と対向電極３との間のノードＮ２の電圧Ｖ２は抵抗Ｒ３を介してオペアンプ２２に入力される。そして、制御回路６は、オペアンプ２１，２２から出力された出力電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２に基づいてノードＮ１，Ｎ２の電圧Ｖ１，Ｖ２を認識し、抵抗Ｒ１，Ｒ３の抵抗値から自身に流れる電流Ｉ１，Ｉ３を求め、放電電流Ｉ２を算出している。このように対向電極３にプラスの高電圧を印加する構成を採用した本実施形態の静電霧化装置１においても放電電流Ｉ２を高精度に検出でき、検出した放電電流Ｉ２に基づいて適切な制御を実施できる。そのため、空気放電やオゾンの大量発生を未然に防止しながら、好適量の帯電微粒子水を生成することができる。

（２）放電電極２への液体供給としては、熱電素子７を用いて放電電極２自身を冷却し、空気中の水分から結露水を生じさせて供給する構成としている。そのため、液体を貯留・供給する装置が不要であり、また外部から液体を貯留させる手間を省略することができる。

（第２実施形態）
以下、本発明を具体化した第２実施形態を図面に従って説明する。尚、本実施形態において、前記第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

図２に示すように、本実施形態の静電霧化装置３０では、高電圧発生回路３１の高圧トランス部３２において、トランス１１の２次側巻線１１ｂの途中の所定巻数位置にダイオードＤ２のアノードが接続される。カソードは、オペアンプ２１の非反転入力端子に接続されている。この場合、２次側巻線１１ｂの所定巻数位置で生じる電圧Ｖ３がダイオードＤ２を介してオペアンプ２１に入力される電圧と、第１実施形態におけるノードＮ１の電圧Ｖ１が抵抗Ｒ２を介してオペアンプ２１に入力される電圧とが同様となるようにダイオードＤ２のアノードの２次側巻線１１ｂに対する接続位置（巻数位置）が設定されている。つまり、２次側巻線１１ｂの途中の所定巻数位置で生じる電圧Ｖ３は２次側巻線１１ｂの全体で生じる電圧よりも十分に低電圧のため、第１実施形態で用いた降圧のための抵抗Ｒ２が不要となり、高耐圧で高価なこの抵抗Ｒ２を省略した構成となっている。

因みに、このようにオペアンプ２１の非反転入力端子の接続態様が変更されても、オペアンプ２１から出力される出力電圧Ｖｓ１は第１実施形態と同様になるため、制御回路６での放電電流Ｉ２の算出が同様に可能となっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）前記第１実施形態の作用効果（１）と同様に、対向電極３に高電圧を印加する構成を採用しても、放電電流Ｉ２を高精度に検出でき、適切な制御を実施できる。

（２）トランス１１の２次側巻線１１ｂの途中の所定巻数位置から低い電圧Ｖ３をダイオードＤ２を介してオペアンプ２１に入力して、前記第１実施形態と同様に放電電流Ｉ２の検出が行われる。これにより、降圧のために第１実施形態で用いた抵抗Ｒ２が不要、すなわち高耐圧で高価な抵抗Ｒ２を省略できるため、装置３０の低コスト化に寄与することができる。

（３）本実施形態においても、放電電極２への液体供給として熱電素子７を用いることから、液体を貯留・供給する装置が不要で、また外部から液体を貯留させる手間を省略することができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記各実施形態では、放電電極２に液体を供給する手段として熱電素子７を用いて構成したが、例えば図３に示す静電霧化装置４０のように、水溜め部４１を設けるとともに、水溜め部４１内の液体を毛細管現象等を利用して放電電極４２に供給し、放電電極４２と対向電極４３との間で放電させる構成としてもよい。この場合、放電電極４２に例えば水溜め部４１内の基端部から先端部に向けて細い孔等を設け、毛細管現象が生じるようにする。尚、図３では、第１実施形態の高電圧発生回路４を備えているが、図２に示す第２実施形態の高電圧発生回路３１に替えてもよい。

・被放電電極は、上記各実施形態のような対向電極３の他、放電電極２との間で放電が生じるものであれば足り、必ずしも放電電極２と対向しているものに限らない。例えば、放電電極２の周囲を取り囲むように構成してもよい。
・上記各実施形態における回路構成は一例であるため、例えば高電圧発生回路４，３１の回路構成を適宜変更してもよい。
・上記各実施形態では、放電電極２を熱電素子７を含む電気回路の一部として構成したが、放電電極２側の電気回路と熱電素子７側の電気回路とを独立して構成してもよい。

〔付記Ａ〕
放電電極との間に放電を発生させる被放電電極に高電圧を供給する高電圧発生手段から前記被放電電極に流れる電流である放電電流を検出する放電電流検出手段を備え、
前記放電電流検出手段は前記高電圧発生手段と前記被放電電極とを電気的に接続する経路に配置される第１抵抗と、前記第１抵抗を通過して前記被放電電極に向けて流れる電流を分流する経路に配置される第２抵抗とを備え、前記第１抵抗を流れる電流および前記第２抵抗を流れる電流を用いて前記放電電流を検出する
静電霧化装置。
〔付記Ｂ〕
前記放電電流検出手段は前記第１抵抗よりも前記高電圧発生手段側の部分の電圧を検出し、その電圧を用いて前記第１抵抗を流れる電流を検出し、前記第１抵抗と前記第２抵抗との間の部分の電圧を検出し、その電圧を用いて前記第２抵抗を流れる電流を検出する
付記Ａに記載の静電霧化装置。
〔付記Ｃ〕
前記放電電流検出手段は前記高電圧発生手段を構成する２次側巻線の電圧を検出し、その電圧を用いて前記第１抵抗を流れる電流を検出し、前記第１抵抗と前記第２抵抗との間の部分の電圧を検出し、その電圧を用いて前記第２抵抗を流れる電流を検出する
付記Ａに記載の静電霧化装置。
〔付記Ｄ〕
前記放電電流に基づいて前記高電圧を制御する制御手段をさらに備える
付記Ａ〜Ｃのいずれか一項に記載の静電霧化装置。
〔付記Ｅ〕
前記制御手段は空気放電が発生しにくくなるように前記放電電流に基づいて前記高電圧を制御する
付記Ｄに記載の静電霧化装置。
〔付記Ｆ〕
前記制御手段はオゾンが発生しにくくなるように前記放電電流に基づいて前記高電圧を制御する
付記ＤまたはＥに記載の静電霧化装置。
〔付記Ｇ〕
前記制御手段は前記放電電極と前記被放電電極との間に短絡電流が流れにくくなるように前記放電電流に基づいて前記高電圧を制御する
付記ＤまたはＥに記載の静電霧化装置。

１ ：静電霧化装置
２ ：放電電極
３ ：対向電極（被放電電極）
３ａ ：ミスト吐出口
４ ：高電圧発生回路
５ ：熱電素子駆動回路
６ ：制御回路（制御手段）
７ ：熱電素子（液体供給手段）
８ ：放熱電極
９ ：電源回路
１０ ：高圧トランス部
１１ ：トランス（高電圧発生手段）
１１ａ：１次側巻線
１１ｂ：２次側巻線
２１ ：オペアンプ（第１オペアンプ、放電電流検出手段）
２２ ：オペアンプ（第２オペアンプ、放電電流検出手段）
３０ ：静電霧化装置
３１ ：高電圧発生回路
３２ ：高圧トランス部
４０ ：静電霧化装置
４１ ：水溜め部（液体供給手段）
４２ ：放電電極
４３ ：対向電極
Ｄ１ ：ダイオード
Ｄ２ ：ダイオード
Ｎ１ ：ノード
Ｎ２ ：ノード
Ｎ３ ：ノード
Ｒ１ ：抵抗（第１抵抗、放電電流検出手段）
Ｒ２ ：抵抗（第３抵抗、放電電流検出手段）
Ｒ３ ：抵抗（第２抵抗、放電電流検出手段）
Ｒ４ ：抵抗
Ｒ５ ：抵抗
Ｒ６ ：抵抗
Ｉ１ ：電流
Ｉ２ ：放電電流
Ｉ３ ：電流
Ｖ１ ：電圧
Ｖ２ ：電圧
Ｖ３ ：電圧
ＶＤ ：電圧
Ｖｉｎ：電源電圧
Ｖｓ１：出力電圧
Ｖｓ２：出力電圧
Ｖｔｈ：基準電圧

Claims (5)

1. 放電電極と、該放電電極との間で放電させるための被放電電極と、前記放電電極に霧化のための液体を供給する液体供給手段と、前記被放電電極に高電圧を印加する高電圧発生手段と、を備えた静電霧化装置であって、
   前記高電圧発生手段と前記被放電電極との間に介在し、両者間に流れる電流を検出する放電電流検出手段と、
   前記放電電流検出手段によって検出された放電電流に基づいて、所定の放電電流となるよう前記高電圧発生手段の高電圧の印加を制御する制御手段と
   を備え、
   前記放電電流検出手段は、
   前記高電圧発生手段と前記被放電電極との間に第１抵抗を設けるとともに、該第１抵抗と前記被放電電極との間に第２抵抗の一端を接続して前記第１抵抗に流れる電流をその第２抵抗側に流れるように構成し、前記第１抵抗にかかる電圧とその抵抗値とから前記第１抵抗に流れる電流を求めるとともに、前記第２抵抗の一端の電圧とその抵抗値とから前記第２抵抗に流れる電流を求め、求めた各電流から前記被放電電極側に流れる電流を前記放電電流として求めることを特徴とする静電霧化装置。
2. 請求項１に記載の静電霧化装置において、
   前記放電電流検出手段は、
   前記高電圧発生手段と前記第１抵抗との間に第３抵抗を介して接続され、前記高電圧発生手段と前記第１抵抗との間の電圧を検出する第１オペアンプと、
   前記第１抵抗と前記被放電電極との間に前記第２抵抗を介して接続され、前記第１抵抗と前記被放電電極との間の電圧を検出する第２オペアンプと
   を備えて構成されたことを特徴とする静電霧化装置。
3. 請求項１に記載の静電霧化装置において、
   前記放電電流検出手段は、
   前記高電圧発生手段であるトランスの２次側巻線途中の所定巻数位置と接続され、その所定巻数位置の電圧を前記第１抵抗の一端の電圧として検出する第１オペアンプと、
   前記第１抵抗と前記被放電電極との間に前記第２抵抗を介して接続され、前記第１抵抗と前記被放電電極との間の電圧を検出する第２オペアンプと
   を備えて構成されたことを特徴とする静電霧化装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の静電霧化装置において、
   前記液体供給手段は、前記放電電極を冷却しその周囲の空気中の水分を結露させて前記放電電極に液体を供給するように熱電素子を用いて構成されたことを特徴とする静電霧化装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の静電霧化装置において、
   前記液体供給手段は、前記放電電極に液体を供給するための水溜め部を有して構成されたことを特徴とする静電霧化装置。

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