JP6637851B2

JP6637851B2 - 静電噴霧発生装置

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Publication number: JP6637851B2
Application number: JP2016143136A
Authority: JP
Inventors: 利秀辻; 吉田　哲雄; 哲雄吉田
Original assignee: Hochiki Corp
Current assignee: Hochiki Corp
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2036-07-21
Also published as: JP2018012068A

Description

本発明は、水、海水、薬液等の液体の微粒子に帯電して放出させる静電噴霧発生装置に関する。

従来、水等の液体の微粒子を帯電して放出させる静電噴霧発生装置にあっては、噴射ノズルの噴射空間側に配置した誘導電極部と、噴射ノズルの内部に配置されて水系の消火剤に接触する水側電極部とを備え、電源により誘導電極部と水側電極部との間に電圧を加えることにより生じる外部電界を、噴射ノズルにより噴射過程にある水系の消火剤に印加して、噴射粒子を帯電させるようにしている。

このような静電噴霧発生装置によれば、平均粒子径が２０〜２００μｍの微粒子を放出させることができ、例えばウォーターミスト消火設備に使用した場合には、帯電散布ヘッドから散布する水粒子を帯電させることにより、クーロン力により高温燃焼面への水粒子の付着はもとより、燃焼材のあらゆる面への水粒子の付着がおこり、帯電していない通常の水粒子と比較して、濡らし効果が大幅に増大して消火力を高めることができる。

また、水噴霧冷房設備に使用した場合には、噴霧水に帯電させることにより、クーロン力により人の皮膚に対する付着量が増加し、清涼感を高めることができる。

特開２００９−１０６４０５号公報特開２００９−１０３３３５号公報

しかしながら、従来の静電噴霧発生装置にあっては、平均粒子径が２０〜２００μｍといった微粒子を帯電して放出させているが、平均粒子径を数ミクロン以下とする用途があり、従来の静電噴霧発生装置では、平均粒子径を数ミクロン以下とする微粒子を帯電して放出することは困難であり、この点が解決課題として残されている。

本発明は、平均粒子径を数ミクロン以下とする微粒子を帯電して放出可能とする静電噴霧発生装置を提供することを目的とする。

（静電噴霧発生装置）
本発明は、静電噴霧発生装置に於いて、
液体柱を解放空間に放出する絶縁体材質で作られた液体ノズル部と、
加圧された液体を液体ノズル部に導く絶縁体材質で作られた液体導管部と、
液体導管部の内部に配置されるか、又は、液体導管部の一部分を導体材質とすることで構成される、液体と接触する液体側電極と、
液体ノズル部の周囲に配置される気体ノズル部を有し、液体ノズル部から開放空間に放出される液体柱の所定位置である噴霧化点において、気体ノズル部からの気体流を作用させることにより液体柱を微粒子化して微粒子を含んだ気流の流れである噴霧流を生成する絶縁体材質で作られた気体導管部と、
解放空間に位置する噴霧化点を囲んで配置され、導体材質で作られた電極導体を絶縁体材質により被覆した略リング形状を持つ誘導電極と、
を備え、
電源部から液体側電極と誘導電極間に所定の電圧を与えることで帯電した微粒子の噴霧流を放出させることを特徴とする。

（誘導電極の配置位置）
誘導電極は、解放空間中であって、リング中心が液体ノズル部の噴霧化点の同軸上の解放空間側に位置すると共にリング部分が円錐状に広がる噴霧流の外側に位置し、更に、気体ノズル部からの気体流の噴出に伴い周囲から外気が流入される隙間を設けて保持される。

（液体圧力減衰部）
静電噴霧発生装置は、更に、液体導管部の液体供給側に、供給された液体の圧力を低下させ、かつ、均一な流速に変換させることにより、液体ノズル部から解放空間に放出される液体柱の形成状態と流速を、供給される液体の圧力調整により管理させる液体圧力減衰部が設けられる。

（オリフィス部とレフレクタ部）
液体圧力減衰部は、供給された液体の流量を絞るオリフィス部と、オリフィス部の流出側に配置されて流体の圧力を低下させ、かつ、均一な流速に変換させるレフレクタ部を備える。

（電極供給電圧）
電源から液体側電極と誘導電極間に印加する電圧を±０．５ｋＶ〜±２０ｋＶの範囲（＋０．５ｋＶ〜＋２０ｋＶ又は−０．５ｋＶ〜−２０ｋＶの範囲）にする。

（アースケーブルの非接地）
電源部から誘導電極に電圧印加ケーブルを接続すると共に液体側電極にアースケーブルを接続し、アースケーブルを接地せずに、グランド電位に対しフローティング電位とする。

（基本的な効果）
本発明の静電噴霧発生装置によれば、液体柱を解放空間に放出する絶縁体材質で作られた液体ノズル部と、加圧された液体を液体ノズル部に導く絶縁体材質で作られた液体導管部と、液体導管部の内部に配置されるか、又は、液体導管部の一部分を導体材質とすることで構成される、液体と接触する液体側電極と、液体ノズル部の周囲に配置される気体ノズル部を有し、液体ノズル部から開放空間に放出される液体柱の所定位置である噴霧化点において、気体ノズル部からの気体流を作用させることにより液体柱を微粒子化して微粒子を含んだ気流の流れである噴霧流を生成する絶縁体材質で作られた気体導管部と、解放空間に位置する噴霧化点を囲んで配置され、導体材質で作られた電極導体を絶縁体材質により被覆した略リング形状を持つ誘導電極とを備え、電源から液体側電極と誘導電極間に所定の電圧を与えることで帯電した微粒子の噴霧流を放出させるようにしたため、気体ノズル部による気体流を液体ノズル部から放出される液体柱に作用させることで、液体柱を微粒子化して平均粒子径が数ミクロン以下となる微粒子を含んだ気流の流れとなる噴霧流を生成し、液体側電極と誘導電極間に所定の電圧を与えることで噴霧流の微粒子に帯電させて放出させることができ、水、薬液等の液体から平均粒子径が数ミクロン以下となる帯電した微粒子は、クーロン力により適宜の対象物へ効率良く付着し微粒子の付着に伴う例えば消火や冷却といった効果を大幅に増大することができ、噴霧空間における粉じん又は臭気原因物質の吸着量を増大することができる。

（誘導電極の配置位置による効果）
また、誘導電極は、解放空間中であって、リング中心が液体ノズル部の噴霧化点の同軸上の解放空間側に位置すると共にリング部分が円錐状に広がる噴霧流の外側に位置し、更に、気体ノズル部からの気体流の噴出に伴い周囲から外気が流入される隙間を設けて保持されるようにしたため、この誘導電極の配置によって、生成される帯電した微粒子の比電荷が１．０ｍＣ／Ｋｇ以上となり、この大きな比電荷で数ミクロン以下となる帯電した微粒子を確実に生成できることが確認されている。

（液体圧力減衰部による効果）
また、静電噴霧発生装置は、更に、液体導管部の液体供給側に、供給された液体の圧力を低下させ、かつ、均一な流速に変換させることにより、液体ノズル部から解放空間に放出される液体柱の形成状態と流速を、供給される液体の圧力調整により管理させる液体圧力減衰部が設けられ、液体圧力減衰部は、供給された液体の流量を絞るオリフィス部と、オリフィス部の流出側に配置されて流体の圧力を低下させ、かつ、均一な流速に変換させるレフレクタ部を備えるようにしたため、液体ノズル部から安定して連続的に流体柱が放出され、これに気体ノズル部からの気体流を当てて確実に数ミクロン以下の微粒子を生成すると共に帯電させて放出できる。

また、液体導管部に供給する液体の圧力を調整することで、帯電した微粒子の噴霧量を必要に応じて適宜に調整可能とする。

（電極供給電圧による効果）
また、電源から液体側電極と誘導電極間に印加する電圧を＋０．５ｋＶ〜＋２０ｋＶ又は−０．５ｋＶ〜−２０ｋＶの範囲にすることで、火花放電の発生を防止できる。

（アースケーブルの非接地による効果）
また、電源部から誘導電極に電圧印加ケーブルを接続すると共に液体側電極にアースケーブルを接続し、アースケーブルを接地せずに、グランド電位に対しフローティング電位としたため、電源部から高圧電圧を印加していても、利用者が誘導電極と液体側電極の両方を同時に触れない限り短絡電流が流れることがなく、誘導電極と液体側電極の両方を同時に触れれるような状況はほとんど想定できず、その結果、アースケーブルを接地してグランド電位とした場合に比べ、より高い安全性が確保可能となる。

本発明による静電噴霧発生装置の実施形態を断面で示した説明図図１の静電噴霧発生装置を放出側から見て示した平面図図１の静電噴霧発生装置に設けられた液体導管部の気体ノズル部側を取り出して示した説明図

［静電噴霧発生装置の構造］
図１は本発明による静電噴霧発生装置の実施形態を断面で示した説明図、図２は図１の静電噴霧発生装置を放出側から見て示した平面図、図３は図１の静電噴霧発生装置に設けられた液体導管部の気体ノズル部側を取り出して示した説明図であり、図３（Ａ）にノズル開口側から見た平面を示し、図３（Ｂ）に軸穂方向の断面を示す。

図１に示すように、静電噴霧発生装置１０は、液体供給部材１２、装置本体１４、ノズル部材２２で構成され、液体供給部材１２、装置本体１４、ノズル部材２２は絶縁材質で作られている。液体供給部材１２、装置本体１４、ノズル部材２２の絶縁材質としては、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ウレタン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン樹脂、セラミックス（アルミナセラミックス）、ガラス琺瑯の少なくとも１種を絶縁材質に用いて形成されている。

液体供給部材１２の端部には配管取付ねじ部１５ａが形成され、軸方向に液体供給穴１５が形成され、外部のポンプ等で加圧された水や薬剤等の加圧された液体が供給される。液体供給部材１２に供給される液体の圧力は例えば０．１〜１．０ＭＰａの範囲で調整される。

液体供給穴１５が連通した内部流路には液体圧力減衰部４６が設けられる。液体圧力減衰部４６には、流入側からストレーナ４８、オリフィス５０及びレフレクタ部５２が配置されている。

液体供給部材１２に続いて設けられた装置本体１４の内部には軸方向に流路が形成された液体側電極１６が組み込まれている。液体側電極１６は金属の導電剤材質で作られている。液体側電極１６の導電剤材質は、金属以外に、導電性を有する樹脂、繊維束、ゴムなどを用いて形成されていてもよく、また、これらを組み合わせた複合体を用いて形成されていてもよい。

液体側電極１６には装置本体１４の横方向の取付穴に対し防水電極端子４２がねじ込み固定され、防水電極端子４２の先端が電気的に接触固定されている。

装置本体１４の先端側は円錐形の絞り部に続いて軸部が形成され、内部の軸方向に液体導管部１８が形成され、液体導管部１８の先端に液体ノズル部２０が開口されている。

装置本体１４の先端外側に配置されたノズル部材２２は内部に気体導管部３６が形成され、気体導管部３６に対し右側から空気供給管３４が連結固定され、空気供給管３４によりコンプレッサー等から例えば０．６〜０．７ＭＰａ程度に圧縮された空気が供給される。

ノズル部材２２と装置本体１４の先端には気体ノズル部２４が形成されている。気体ノズル部２４は、図３に示す装置本体１４の先端に開口した液体ノズル部２０の外周テーパ面のスパイラル方向に複数本の導気溝部６０が形成されており、導気溝部６０の外側に、図１に示すように、ノズル部材２２の先端のテーパ穴が位置することで、気体ノズル部２４が形成されている。

気体ノズル部２４は液体ノズル部２０から放出される液体柱３８に対し、導気溝部６０を介して圧縮された空気をスパイラル状に噴出し、液体ノズル部２０から開放空間に放出される液体柱３８の所定位置である噴霧化点Ｐにおいて、気体ノズル部２４からの気体流を作用させることにより液体柱３８を微粒子化して微粒子を含んだ気流の流れである噴霧流４０を生成させる。

液体ノズル部２０及び気体ノズル部２４の先端側の解放空間には誘導電極２６が配置される。誘導電極２６は先端のリング部を解放空間に位置する噴霧化点Ｐを囲んで配置され、導体材質で作られた電極導体２８を絶縁体材質で作られた絶縁被覆３０で覆っており、リング部は図２に示すように、放射状に配置された３本の電極保持アーム３２によりノズル部材２２に対し支持固定されている。

ここで、誘導電極２６のリング部は、ノズル部材２２の先端側の解放空間中であって、リング中心Ｑが液体柱３８の噴霧化点Ｐの同軸上の解放空間側（外側）に位置すると共に円錐状に広がる噴霧流４０の外側に位置し、更に、気体ノズル部２４からの気体流の噴出に伴い周囲から外気が流入される外気流入空間３５が形成される隙間を設けて保持される。

誘導電極２６における電極導体２８は導電性をもつ金属であり、金属以外に、導電性を有する樹脂、繊維束、ゴムなどを用いて形成されていてもよく、また、これらを組み合わせた複合体を用いて形成されていてもよい。

また、誘導電極２６における絶縁被覆３０の絶縁材質としては、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ウレタン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン樹脂、セラミックス（アルミナセラミックス）、ガラス琺瑯の少なくとも１種を絶縁材質に用いて形成されている。

液体側電極１６と誘導電極２６に対しては電源部５４からの電圧印加ケーブル５６とアースケーブル５８が接続され、液体側電極１６に対するアースケーブル５８は本実施形態では接地されている。電源部５４は、液体側電極１６と誘導電極２６の間に＋０．５ｋＶ〜＋２０ｋＶ又は−０．５ｋＶ〜−２０ｋＶの範囲の直流（交流またはパルス状）の所定の電圧を印加すると、誘導電極２６のリング部の周囲に所定の外部電界が形成され、噴霧化点Ｐで生成された微粒子に帯電させ、帯電された微粒子の噴霧流４０を放出させる。

例えば、誘導電極２６に直流電圧を印加した場合には、誘導電極２６の極性に応じて、正電荷と負電荷のいずれか一方の電荷で帯電した微粒子が生成される。また、交流、パルス状で電圧を印加すると、交互に切り替わる誘導電極２６の極性に応じ、選択的に正電荷あるいは負電荷で帯電した微粒子が生成される。

また、電源部５４は誘導電極２６に印加する電圧を、−５ｋＶ〜２０ｋＶの範囲の所定の一定電圧としてもよいし、±５ｋＶ〜±２０ｋＶの範囲で変動させてもよい。そして、このように印加電圧を±５ｋＶ〜±２０ｋＶの範囲にすると、火花放電の発生が防止され、安全を確保しながら帯電した微粒子の噴霧流４０が生成される。

［静電噴霧装置の動作］
図１に示す静電噴霧装置１０を使用する場合には、ポンプ等で加圧された液体を配管取付ねじ部１５ａに連結した配管により供給させ、また、空気供給管３４によりコンプレッサ等からの圧縮空気を供給させ、更に、電源部５４により液体側電極１６と誘導電極２６の間に±５ｋＶ〜±２０ｋＶの範囲の所定の電圧を印加させる。

液体供給穴１５から供給された加圧液体は、液体圧力減衰部４６のストレーナ４８からオリフィス５２で絞られてレフレクタ部５２に入り、オリフィス５２通る際に減圧され、レフレクタ部５２を通る際に均一な流速に変換され、液体導管部１８を通って先端の液体ノズル部２０に送られ、液体ノズル部２０から解放空間に柱状の形態を保った液体柱３８を放出させる。

ここで、液体供給穴１５に供給される加圧液体の圧力を調整することで、液体ノズル部２０から放出される液体柱３８の形成状態と流速（放出量）を調整して管理することができる。

空気供給管３４から供給される圧縮空気は気体導管部３６から気体ノズル部２４に送られ、図２及び図３に示したスパイラル配置された導気溝部６０から開放空間に放出され、所定位置となる噴霧化点Ｐで液体ノズル部２０から放出される液体柱３８に当たって作用することで、液体柱３８を微粒子化して平均粒子径が数ミクロン以下の微粒子を含んだ気体の流れである噴霧流４０が生成される。

噴霧化点Ｐで生成される噴霧流４０の微粒子は、一定電圧が印加された誘導電極２６のリング部にて形成される外部電界により誘導帯電され、帯電した微粒子群の噴霧流４０が放出される。

このように空気流の作用で液体柱３８を噴霧化させる噴霧化点Ｐと誘導電極２６のリング中心Ｑとの位置関係として、微噴霧化点Ｐの同軸上の解放空間側にリング中心Ｑを位置させたことで、誘導電極２６の誘導電解により帯電された微粒子の比電荷は１．０〜２０ｍＣ／ｋｇとなっており、この大きな比電荷で確実に帯電した微粒子を生成できることが確認されている。

［本発明の変形例］
（液体側電極）
上記の実施形態は、液体導管部の内部に導体材質で作られた液体側電極を配置しているが、絶縁体材質で作られた液体導管部の一部分を導体材質とすることで液体側電極を構成しても良い。

（アースケーブルの非接地）
また、上記の実施形態は、液体側電極に接続するアースケーブルをグランドに接地しているが、アースケーブルをグランドに接地せずに、グランドから浮いたフローティング電位としてもよい。このようにアースケーブルをグランドに接地せずにフローティング電位とすることで、利用者が誘導電極と液体側電極の両方を同時に触れない限り短絡電流が流れることがなく、誘導電極と液体側電極の両方を同時に触れるような状況はほとんど想定できず、その結果、アースケーブルを接地してグランド電位とした場合に比べ、より高い安全性が確保可能となる。

（その他）
また本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。

１０：静電噴霧発生装置
１２：液体供給部材
１４：装置本体
１５：液体供給穴
１６：液体側電極
１８：液体導管部
２０：液体ノズル部
２２：ノズル部材
２４：気体ノズル部
２６：誘導電極
２８：電極導体
３０：絶縁被覆
３２：電極保持アーム
３４：空気供給管
３６：気体導管部
３８：液体柱
４０：噴霧流
４２：防水電極端子
４６：液体圧力減衰部
４８：ストレーナ
５０：オリフィス
５２：レフレクタ部
５４：電源部
５６：電圧印加ケーブル
５８：アースケーブル
６０：導気溝部

Claims

液体柱を解放空間に放出する絶縁体材質で作られた液体ノズル部と、
加圧された液体を前記液体ノズル部に導く絶縁体材質で作られた液体導管部と、
前記液体導管部の内部に配置されるか、又は、前記液体導管部の一部分を導体材質とすることで構成される、前記液体と接触する液体側電極と、
前記液体ノズル部の周囲に配置される気体ノズル部を有し、前記液体ノズル部から開放空間に放出される液体柱の所定位置である噴霧化点において、前記気体ノズル部からの気体流を作用させることにより前記液体柱を微粒子化して微粒子を含んだ気流の流れである噴霧流を生成する絶縁体材質で作られた気体導管部と、
前記解放空間に位置する前記噴霧化点を囲んで配置され、導体材質で作られた電極導体を絶縁体材質により被覆した略リング形状を持つ誘導電極と、
を備え、
電源から前記液体側電極と前記誘導電極間に所定の電圧を与えることで帯電した微粒子の前記噴霧流を放出させることを特徴とする静電噴霧発生装置。
請求項１記載の静電噴霧発生装置に於いて、
前記誘導電極は、前記解放空間中であって、リング中心が前記液体ノズル部の前記噴霧化点の同軸上の解放空間側に位置すると共にリング部分が円錐状に広がる前記噴霧流の外側に位置し、更に、前記気体ノズル部からの前記気体流の噴出に伴い周囲から外気が流入される隙間を設けて保持されたことを特徴とする静電噴霧発生装置。
請求項１記載の静電噴霧発生装置に於いて、更に、前記液体導管部の液体供給側に、供給された液体の圧力を低下させ、かつ、均一な流速に変換させることにより、前記液体ノズル部から解放空間に放出される前記液体柱の形成状態と流速を、前記供給される液体の圧力調整により管理させる液体圧力減衰部が設けられたことを特徴とする静電噴霧発生装置。
請求項３記載の静電噴霧発生装置に於いて、前記液体圧力減衰部は、供給された液体の流量を絞るオリフィス部と、前記オリフィス部の流出側に配置されて前記流体の圧力を低下させ、かつ、均一な流速に変換させるレフレクタ部を備えたことを特徴とする静電噴霧発生装置。
請求項１記載の静電噴霧発生装置に於いて、前記電源部から前記液体側電極と前記誘導電極間に印加する電圧を＋０．５ｋＶ〜＋２０ｋＶ又は−０．５ｋＶ〜−２０ｋＶの範囲にしたことを特徴とする静電噴霧発生装置。
請求項１記載の静電噴霧発生装置に於いて、前記電源部から前記誘導電極に電圧印加ケーブルを接続すると共に前記液体側電極にアースケーブルを接続し、前記アースケーブルを接地せずに、グランド電位に対しフローティング電位としたことを特徴とする
静電噴霧発生装置。