KR101942124B1 - 정전 분무 장치 및 그 정전 분무 장치를 이용하여 정전 분무를 하는 방법 - Google Patents

정전 분무 장치 및 그 정전 분무 장치를 이용하여 정전 분무를 하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은, 저가격인 한편 복잡하지 않은, 배치 및 구성상의 변동이 허용되는 정전 분무 장치를 제공하는 것이다. 정전 분무 장치는, 스프레이 부위, 스프레이 부위와 전기적으로 접속 가능한 스프레이 전극 (1), 기준 전극 (2), 및 스프레이 전극 (1) 과 기준 전극 (2) 사이에 전압을 인가하는 전원 장치 (4) 를 구비한다. 기준 전극 (2) 은, 스프레이 전극 (1) 과 당해 기준 전극 (2) 사이에 전압이 인가된 때에, 정전 분무되는 물질이 스프레이 부위로부터 분무되도록 배치되어 있다. 전원 장치 (4)는, 스프레이 부위의 전기적 특성을 감시하고, 감시된 스프레이 부위의 전기적 특성 및 미리결정된 지표에 따라 스프레이 전극 (1) 과 기준 전극 (2) 사이에 인가되는 전압을 조절한다. 스프레이 부위로부터 분무되는 물질의 전하가, 기준 전극 (2) 에 있어서의 적어도 동량의 반대 전하의 생성에 의해 평형화되도록 스프레이 전극 (1) 및 기준 전극 (2) 이 배치되어 있다.

Description

정전 분무 장치 및 그 정전 분무 장치를 이용하여 정전 분무를 하는 방법{ELECTROSTATIC ATOMIZER, AND METHOD FOR ELECTROSTATICALLY ATOMIZING BY USE OF THE SAME}
본 발명은 정전 분무 장치 및 정전 분무 장치를 사용하기 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 정전 분무를 위해서 전력을 공급하는 전원 장치를 갖는 정전 분무 장치에 관한 것이지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다.
정전 분무란, 분무되는 물질에 알맞은 전기장을 주어 그 물질을, 보통, 액체로부터 미세 액적으로서 분산시키는 기술이다. 분무되는 물질에 근접하는 전극 (스프레이 전극) 과 그 스프레이 전극의 근방의 적어도 1개의 다른 전극 사이에 전압이 인가된다. 알맞은 조건하에 있어서, 전기장에서 액체는, 실질적으로 단분산 입자의 스프레이로 무산된다. 그러한 전기장을 액체 메니스커스에게 주면, 그 메니스커스는, 테일러 콘을 형성해, 거기로부터 액적 류가 방출된다.
본 기술 분야에 있어서의 정전 분무의 일반적인 형태는, 이른바 “포인트-투-플레인 (point-to-plane)”의 정전 분무를 포함하고, 여기에서는, 분무되는 대상물은 액체의 반대 극성으로 대전되고 그 자체가 대향 전극 (counter-electrode) 또는 방전 전극이 된다. 이 구성은, 미국 특허 제7,150,412호에 예시된 바와 같이, 정전 분무된 대전 액적이 이들 2개의 전극들 사이에 생성된 전기장의 경로를 따르므로, 액체의 전부 또는 대부분이 타깃에 이르고, 그 타깃을 피복할 수 있다. 같은 원리를 따라, 분무되는 대상물은 대신에, 미국 특허 제4,801,086호 및 미국 특허 제3,735,925호에 개시된 바처럼, 어스 (earth) 또는 접지 (ground) 될 수도 있다.
다르게는, 구성은, 분무 장치 자체 내부의 2 이상의 전극간에 전기장이 생성되도록 배치된 3개 이상의 전극을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 미국 특허 제6,302,331호에서, 대향 전극이 근접하고 있는 것에 기인하여 분무되는 액체의 어느 정도의 부분적인 방전도 있지만, 대전된 액적의 대부분은 장치로부터 방출되어 미리 결정되지 않은 대상물에 이른다.
정전 분무 장치로부터 분무되는 액적의 크기, 전하 및 유량은, 부분적으로, 분무되는 물체의 물리적 특성과 또한 분무 위치에 있어서의 전기장 강도에 의해 정해진다. 분무되는 물질, 특히 액체가 도전성, 점성, 및 표면장력에 관한 알맞은 물리적 특성을 갖는 경우, 전하 및 크기가 실질적으로 균일한 분포를 지닌 입자의 스프레이가, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 존재하는 특정의 전기장에 대해 실현될 수도 잇다. 그 특정의 전기장은, 통상, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 특정의 전압을 인가하는 것에 의해 얻어진다.
전기장은 전극 지오메트리 (geometry) 에 따라 변화하기 때문에, 특정의 전압은, 다른 요인 중에서, 전극들의 이격 (즉, 스프레이 전극일 수도 있는 분무 장치로부터 물질의 방출 지점간의 거리) 과 제 2 전극 (기준 전극) 에 의존할 것이다. 예를 들면, 액체 조성이 적절한 물리적 특성을 갖도록 제제되는 경우, 특정의 전압은, 예를 들면, 제조 오차내의 변화에 기인하는, 스프레이 전극 및 기준 전극의 기하학적 배치의 변화를 보상하기 위한 조정이 필요하다.
다르게는, 액체의 물리적 특성과 관련되는 뱃치 (batch) 마다의 변화에서 또는, 여러 종류의 제제 원료의 물리적 특성과 관련되는 뱃치 마다의 변화에서 생길 수도 있는 등의 분무 액체의 제조 오차내에서 변화가 존재하는 경우에는, 알맞은 스프레이를 실현하기 위하여 특정의 전압을 조정할 필요가 있을 수도 있다.
그러므로, 분무 장치로부터 물질을 적절히 방출하기 위해서, 스프레이 부품의 기하학적 배치의 변화, 분무되는 제제 및 물질의 뱃치간의 차이 및 분무되는 물질의 특성에 영향을 미칠 수도 있는 환경 조건의 변화에 관계없이, 모든 정전 분무 장치의 상태 및 성능을 감시할 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 물질의 분무에 관해서, 정전 분무 장치가, 물질을 저장하고 그 물질을 스프레이 위치에 공급하기 위한 리저버를 갖는 경우에, 리저버에서 물질의 레벨을 판단할 수 있는 것이 바람직하고, 특히, 그 리저버가 비었는지 또는 실질적으로 비었는지를 판단할 수 있는 것이 바람직하다. 이런 식으로, 장치의 사용자는, 교환 리저버를 제공할 필요가 있는 타이밍을 찾을 수 있고, 분무될 것이 남지 않을 때에, 물질을 분무하려고 하는 것으로 에너지가 낭비되지 않는다.
분무 상태를 감시할 이들 필요성에 관하여, 수많은 해결 방법이 당해 기분 분야에 개시되어 있다. 예를 들면, 국제공개 제2005/097339호의 장치는, 전압 감시 회로 및 전류 감시 회로를 구비하는 장치를 제공하고, 그 전압 감시 회로 및 전류 감시 회로는, 인가되는 전압 및 이미터 (또는 스프레이) 전극과 방전“대향”전극 사이에 흐르는 전류를 감시한다. 미국 특허 출원 공개 제2009/0134249호에 개시되는 장치는, 분무 전극과 대향 전극 사이의 방전 전류를 측정하여, 분무 전극상의 수분 응축물이 정전 분무에 의해 분산되도록 전극간에 알맞은 전압을 인가하는 것을 확립한다. 국제공개 제2007/144649호의 전원 장치는, 당해 장치의 제 1 전극과 제 2 전극을 통해 흐르는 방전 전류를 감시하고, 이에 따라, 전극간에 인가되는 전압을 순응시킨다. 국제공개 제2008/072770호의 정전 분무 장치는, 자려 발진형 DC/DC 컨버터에 적응함으로써, 분무 전극의“상류 (upstream)”의 전압을 감시한다.
전류를 감시하고 장치 또는 주위 환경 조건의 변화에 따라 분무 조건을 적응시키는 이들의 수단 및 다른 수단에서는, 방전 전극에서의 전류를 측정하는 것으로 제 1 전극 (통상은 스프레이 전극) 과 제 2 전극 (통상은 방전 전극) 사이의 방전 전류를 검출하는 점에 있어서 불이익이 생긴다. 이러한 경우, 스프레이 전극에서 생성되는 입자의 전부, 또는 일정한 비율이, 전극간에 인가되는 전기장에 의해 방전 전극의 방향으로 지향될 필요가 있다. 경우에 따라서는, 1개 이상의 추가 전극 또는 다른 수단을 이용하여, 분무되는 입자의 대부분이 방전 전극을 오염시키지 않고 물질의 과도한 낭비가 회피되도록 그 분무되는 입자를 지향시킨다.
방전 전극의 방전 전류를 측정하는 것에 의한 정전 분무의 추정 감시는, 그러한 감시가, 방전 전극에 이르는 정전 스프레이 부위에서 생기는 하전 물질의 대표적인 양에 관한 가정에 근거하는 한, 부정확하다. 이 양은, 장치 지오메트리의 변화, 분무되는 물질의 존재 여부, 분무되는 물질의 물리적 특성 및 주변 환경 조건에 대해, 특히, 민감하다.
한편, 스프레이 전극에 흐르는 전류를 측정하면, 하전 입자에 의해 전달되는 전류의 정확한 값이 반영되지만, 이는, 정전 분무 장치에는 비실용적인데, 정전 분무 장치가, 고전압 신호 (통상은, 수 kV) 로 흐르는 매우 낮은 전류 레벨 (통상은, 고압 스프레이 전극에 의해 나타내어지는 1-100μA) 을 정확하게 검출하는 것을 요구하기 때문이다.
흔히, 분무되는 물질을 포함하는 리저버는 정전 분무 장치의 사용자에게는 보이지 않고, 특히, 정전 분무 장치가 당분간 사용되었다면, 그 리저버의 충전양에 대해 바로 알 수 없다. 정전 분무 장치에 관한 것이든지 또는 그렇지 않든지간에, 액면을 검출, 감시, 또는 측정하는 다양한 장치 및 방법이 당업자에게는 알려져 있다. 예를 들면, 미국 특허 제5,627,522호에는, 피펫 프로브를 주기적으로 액중에 내리고, 액체중 프로브와 공기중 프로브 사이의 정전용량의 변화를 검출하는 것에 의해 리저버의 액면이 검지된다. 다른 알려진 방법이 유럽 특허 제0887658호에 개시되어 있고, 여기에서는, 리저버 중의 액면에 반사되는 전자기파의 위상 이동을 기준치와 비교하고, 그것에 의해, 리저버의 잔존 액면에 관한 정보를 제공한다. 미국 특허 제6,796,303호에 개시된 것과 같이 사용량을, 소정의 수의 사용량에 도달될 때까지, 카운트해 리저버의 충전양을 추측할 수도 있고, 장치가 빈 용기라는 것을 알린다. 1회분 사용량 (dose amount) 이, 예를 들면, 주위의 환경 조건의 변화에 기인하는, 장치의 성능 변동에 따라 변화하는 경우에, 이러한 시스템은 적절하지 않다. 같은 기술이, 미국 특허 제4,817,822호에 개시되어 있다. 리저버를 감시하는 다른 간접적인 방법은, 유량 측정장치를 사용하는 것으로 행해질 수 있다. 예를 들면, 국제공개 제2008/142393 A1에서, 그러한 장치는, 이격된 한 쌍의 압력 센서 사이의 압력 강하를 측정한다.
미국 특허 제7150412호 미국 특허 제4801086호 미국 특허 제3735925호 미국 특허 제6302331호 국제공개 제2005/097339호 미국 특허출원 공개 제2009/0134249호 국제공개 제2007/144649호 국제공개 제2008/072770호 미국 특허 제5627522호 유럽 특허 제0887658호 미국 특허 제6796303호 미국 특허 제4817822호 국제공개 제2008/142393 A1
상술한 기술은 모두, 이들 기술이, 추가 전자 부품 또는 기계 부품을 필요로 하고, 이들 부품은, 그들의 연관된 복잡성으로, 특히, 소비자에 대해 또는 저비용 비즈니스의 마켓에 대해, 통상 소비 전력의 점에서 대량 생산에 알맞지 않고, 제조시 또는 사용시에 있어서, 고장 또는 오염에 대해 취약하다는 점에 있어서 만족스러운 것은 아니다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위하여 이루어졌고, 본 발명의 목적은, 정전 분무의 대상이 되는 물질을 안정적으로 정전 분무 장치의 외부로 방출할 수 있는, 간단한 구성의 정전 분무 장치를 제공하는 것이다. 또, 본 발명의 부차적인 목적은, 예를 들면, 주변의 환경 조건 및 정전 분무 그 자체 상태에 따라 정전 분무의 출력을 조정하는 것이 가능한 정전 분무 장치를 제공하는 것이다.
여유가 있는 제조 오차에 기인하여, 저가격으로 그리고 복잡성을 억제하면서, 지오메트리상의 변동 (geometrical variance) 및 구성상의 변동 (formulation variance) 이 수용될 수 있고, 주변의 환경 조건 및 정전 분무 그 자체 상태에 따라 정전 분무의 출력을 조정하는 것이 가능한 정전 분무 장치의 제공이 바람직하다.
본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 정전 분무되는 물질에 대해 전기적으로 작용함으로써, 당해 물질을 정전 분무하는 스프레이 부위;
상기 스프레이 부위와 전기적으로 접속 가능한 스프레이 전극; 기준 전극으로서, 상기 스프레이 전극과 당해 기준 전극 사이에 전압이 인가된 때에, 상기 정전 분무되는 물질이 상기 스프레이 부위로부터 분무되도록 배치되는, 상기 기준 전극; 및 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 전압을 인가하고, 상기 스프레이 부위의 전기적 특성을 감시하고 감시된 상기 스프레이 부위의 전기적 특성에 따라 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 인가되는 전압을 조절하는 전원 장치를 구비하고, 또한, 상기 스프레이 부위로부터 분무되는 물질의 전하가 상기 기준 전극에서의 적어도 동량의 반대 전하에 의해 평형화되도록 상기 스프레이 전극 및 상기 기준 전극이 배치되어 있는, 정전 분무 장치가 제공된다.
이렇게 전하의 평형을 취함으로써, 전하가 평형화된 정전 분무 시스템이 제공된다. 전하 평형 시스템 (전하가 평형화된 시스템) 에 있어서, 정전 분무 장치의 외부로 지향되는 정전 분무된 하전종의 안정적 흐름 (steady flow) 을 생성하기 위해서는, 동량의 반대 전하가 기준 전극에 의해 생성되어, 전하를 평형화하는데 사용되는 것이 바람직하다.
정전 분무되는 물질은 1종 이상의 액체, 기체 또는 고체, 또는 이들의 조합일 수 있다.
통상적으로, 기준 전극은, 예를 들면, 당해 기준 전극의 근방에 강한 전기장을 생성하기 위하여 명확한 날카로운 에지 또는 포인트를 가짐으로써, 공기 입자를 이온화하여 반대 전하의 입자를 용이하게 생성하도록 구성된다. 스프레이 전극 및 기준 전극으로부터 방출된 반대로 하전된 입자는, 부분적으로, 또는 전체적으로, 서로 방전할 수도 있지만, 이 양태는 본 정전 분무 장치의 관점에서 유의미한 것은 아니다. 스프레이 부위에서 생성된 하전 입자의 일부가 기준 전극에 도달하고, 기준 전극에 의해 방전된다. 이것은 전하 평형 시스템의 하나의 원리이다. 이 경우, 기준 전극에 도달하지 않았던 하전 입자만이, 반대 전하의이온화된 대기 입자와 평형화될 것이다. 그렇지만, 전력 효율적인 하전 입자의 생성을 위해서는, 기준 전극에 있어서의 입자의 부분적 방전이 일어나지 않도록 보장하는 것이 바람직하다.
장치가 절연되어 있을 때, 혹은 플로우팅 (floating) 하고 있을 때, 즉, 주전원 장치 등의 대형의 전하 리저버와 전기적으로 접속하고 있지 않을 때, 전하 평형 시스템이 실현될 수 있다. 전지로 가동되는 장치에 대하여, 장치 전체가 절연되고 있으므로, 전하 평형이 얻어질 것이다. 주전원으로 가동되는 장치에서는, (예를 들면 충분한 전기적 절연을 통해서), 주전원의 콘센트에의 정미 (net) 전하 흐름이 제로가 되도록 보장하는 것이 중요하다.
전하 평형 시스템에서는, 하전 입자의 종류는 문제되지 않는데, 본 장치에서는, 인가되는 고전압의 극성에 따라, 부대전된 대기 이온과 확실히 평형이 되도록 정대전된 하전 입자를 생성할 수 있고 또한, 정대전된 대기이온과 확실히 평형이 되도록 부대전된 하전 입자를 동등하게 생성할 수 있기 때문이다. 그렇지만, 통상적으로, 반대로 대전된 입자의 효율적인 전하 평형 동작을 위해서, 알맞은 전압을 인가하든가, 혹은, 전극 및/또는 유전체 지오메트리를 변경함으로써, 전기장을 변화시킬 필요가 있다.
제 1 양태에 따른 분무 장치의 전하 평형 원리에는 많은 이점이 있다. 스프레이 전류는 반대로 대전된 이온의 방출에 의해 반영되므로, 기준 전극에 있어서 정확한 스프레이 전류의 측정이 가능하다. 또, 알맞은 형상의 기준 전극으로, 정전 분무에 의해 생성되는 하전 입자의 수를 제한할 수 있는데, 이는, 본 시스템이, 기준 전극에 의해 평형화할 수 있는 수의, 정전 분무되는 하전 입자만을 생성할 수 있기 때문이고, 그 결과, 안정된 정전 분무를 한다. 기준 전극에 있어서의 전류가 스프레이 전극에 의해 방출되는 총 전류를 나타내기 때문에, 정전 분무 이외의 요인에 기인하는 스프레이 전극에 있어서의 하전 손실을 최소한으로 유지하도록 보장하는 것이 중요하다. 하전 손실은, 예를 들면 스프레이 전극에 있어서의 전기화학 반응을 통하여, 일어날 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에서, 각각 물질을 분무하는 제 1 스프레이 부위 및 제 2 스프레이 부위; 상기 제 1 스프레이 부위와 전기적으로 접속되는 제 1 전극; 상기 제 2 스프레이 부위와 전기적으로 접속되는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전압을 인가하는 전원 장치를 구비하고, 상기 제 1 스프레이 부위 및 상기 제 2 스프레이 부위는, 제 1 리저버 및 제 2 리저버에 각각 저장된, 분무되는 물질에 대해 분무시에 전기적으로 작용하도록 배치되고, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전압이 인가된 때에, 상기 제 1 리저버에 저장된 물질이 상기 제 1 스프레이 부위로부터 분무되고, 상기 제 2 리저버에 저장된 물질이 상기 제 2 스프레이 부위로부터 분무되고, 상기 제 1 스프레이 부위 또는 상기 제 2 스프레이 부위로부터 분무되는 물질의 전하가, 상기 제 1 스프레이 부위 또는 상기 제 2 스프레이 부위에 있어서 각각 생성되는 적어도 동량의 반대의 전하에 의해 평형화되도록 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극이 배치되는, 정전 분무 장치가 제공된다. 상기 전원 장치는 또한 상기 제 1 스프레이 부위 또는 상기 제 2 스프레이 부위의 전기적 특성을 감시하고, (i) 감시된 상기 제 1 스프레이 부위 또는 상기 제 2 스프레이 부위의 전기적 특성 및 (ii) 미리결정된 지표에 따라 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가되는 제 1 전압 또는 제 2 전압을 조절한다. 바람직한 실시형태에서, 상기 전원 장치는, 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극에 있어서의 전류를 각각 측정함으로써 상기 제 1 스프레이 부위 또는 제 2 스프레이 부위에 있어서의 전류를 감시한다.
본 발명의 제 3 양태에서는, 물질을 분무하고, 정전 분무되는 물질에 대해 분무시에 전기적으로 작용하는 스프레이 부위; 상기 스프레이 부위와 전기적으로 접속되는 스프레이 전극; 기준 전극으로서, 상기 스프레이 전극과 당해 기준 전극 사이에 전압이 인가된 때에, 상기 정전 분무되는 물질이 상기 스프레이 부위로부터 분무되도록 배치되는, 상기 기준 전극; 및 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 전압을 인가하고, 간접적으로 상기 스프레이 부위에 있어서의 스프레이 전류를 감시하고, 상기 스프레이 전류가 임계치보다 저하되는 때를 검출하는 전원 장치를 구비하고, 또한, 상기 스프레이 부위로부터 분무되는 물질의 전하가 상기 기준 전극에 의하여 생성되는 적어도 동량의 반대의 전하에 의해 평형화되도록 상기 스프레이 전극 및 상기 기준 전극이 배치되는, 정전 분무 장치가 제공된다.
그러므로, 본 발명의 제 3 양태에 있어서, 전원 장치는 수명의 종료 (end-of-life) 시까지, 즉, 액체 리저버가 비워질 때까지 감시를 실시하도록 구성된다. 일 실시형태에 있어서, 그 수명의 종료 상태는, 기준 전극에 있어서의 전류의 측정에 의한 스프레이 전류의 감시에 의해 검출된다. 전하 평형의 원리에 근거해, 스프레이 부위가 하전 입자를 생성하지 않으면, 기준 전극에 있어서의 등가의 전류도 제로까지 떨어지고, 이것은, 상기의 전류 감시 회로를 통하여 검출될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 별도의“감시”전극이 액체 리저버에 침지되고, 예를 들면, 감시 전극과 기준 전극 사이에 접속되는 분압기를 형성하는 2개의 저항기의 접합부에 있어서의 전압을 측정함으로써, 그 전압 레벨이 감시된다. 알맞은 형상의 감시 전극을 이용함으로써, 감시 전극이 액면의 내에 또는 상측에 위치하는지에 따라, 그 전압 레벨은 변화한다. 또 다른 실시형태에 있어서, 리저버의 액면 (liquid level) 은, 예를 들면, 광학 센서 또는 용량 센서에 의해 감시될 수도 있다.
본 발명의 정전 분무 장치는, 정전 분무되는 물질에 대해 전기적으로 작용함으로써, 당해 물질을 정전 분무하는 스프레이 부위; 상기 스프레이 부위와 전기적으로 접속 가능한 스프레이 전극; 기준 전극으로서, 상기 스프레이 전극과 당해 기준 전극 사이에 전압이 인가된 때에, 상기 정전 분무되는 물질이 상기 스프레이 부위로부터 분무되도록 배치되는, 상기 기준 전극; 및 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 전압을 인가하고, 상기 스프레이 부위의 전기적 특성을 감시하고 감시된 상기 스프레이 부위의 전기적 특성에 따라 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 인가되는 전압을 조절하는 전원 장치를 구비하고, 또한, 상기 스프레이 부위로부터 분무되는 물질의 전하가 상기 기준 전극에서의 적어도 동량의 반대 전하에 의해 평형화되도록 상기 스프레이 전극 및 상기 기준 전극이 배치되도록 구성된다.
또한, 본 발명의 정전 분무 장치는, 각각 물질을 분무하는 제 1 스프레이 부위 및 제 2 스프레이 부위; 상기 제 1 스프레이 부위와 전기적으로 접속되는 제 1 전극; 상기 제 2 스프레이 부위와 전기적으로 접속되는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전압을 인가하는 전원 장치를 구비하고, 상기 제 1 스프레이 부위 및 상기 제 2 스프레이 부위는, 제 1 리저버 및 제 2 리저버에 각각 저장된, 분무되는 물질에 대해 분무시에 전기적으로 작용하도록 배치되고, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전압이 인가된 때에, 상기 제 1 리저버에 저장된 물질이 상기 제 1 스프레이 부위로부터 분무되고, 상기 제 2 리저버에 저장된 물질이 상기 제 2 스프레이 부위로부터 분무되고, 상기 제 1 스프레이 부위 또는 상기 제 2 스프레이 부위로부터 분무되는 물질의 전하가, 상기 제 1 스프레이 부위 또는 상기 제 2 스프레이 부위에 있어서 각각 생성되는 적어도 동량의 반대의 전하에 의해 평형화되도록 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극이 배치되도록 구성된다.
본 발명의 정전 분무 장치는, 물질을 분무하고, 정전 분무되는 물질에 대해 분무시에 전기적으로 작용하는 스프레이 부위; 상기 스프레이 부위와 전기적으로 접속되는 스프레이 전극; 기준 전극으로서, 상기 스프레이 전극과 당해 기준 전극 사이에 전압이 인가된 때에, 상기 정전 분무되는 물질이 상기 스프레이 부위로부터 분무되도록 배치되는, 상기 기준 전극; 및 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 전압을 인가하고, 간접적으로 상기 스프레이 부위에 있어서의 스프레이 전류를 감시하고, 상기 스프레이 전류가 임계치보다 저하되는 때를 검출하는 전원 장치를 구비하고, 또한, 상기 스프레이 부위로부터 분무되는 물질의 전하가 상기 기준 전극에 의하여 생성되는 적어도 동량의 반대의 전하에 의해 평형화되도록 상기 스프레이 전극 및 상기 기준 전극이 배치되도록 구성된다.
본 발명의 실시형태는, 첨부 도면을 참조해 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 전하 평형의 정전 분무 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 전원 장치의 일례를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 제 1 전극, 제 2 전극, 캐비티, 및 전원 장치의 다른 예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 제 1 전극, 제 2 전극, 캐비티, 및 전원 장치의 또 다른 예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전 분무 장치의 또 다른 예를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다른 정전 분무 장치를 나타내며, 2개의 캐비티, 2개의 전극 및 2개의 스프레이 부위를 가지고, 1개의 스프레이 부위에 대한 스프레이 전극은 또한 다른 스프레이 부위에 대한 기준 전극이고, 그 역도 성립되는 것을 나타낸다.
도 1의 (a)~(d)는, 본 발명에 따른 정전 분무 장치의 제 1 실시형태를 나타낸다. 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 은, 유전체 (3) 에 의해 분리되어, 제 1 전극 (1) 과 제 2 전극 (2) 사이에 직시선 (direct line-of-sight) 이 없다. 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 은, 동작 가능한 상태로 전원 장치 (4) 에 접속되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 제 1 전극 (스프레이 전극) (1) 은, 정전 스프레이 부위 (5) 를 가지고, 거기로부터 물질 (분무 물질) 이 분무되고, 제 1 전극 (1) 은 스프레이 전극 (1) 으로 칭해질 수도 있다. 스프레이 전극 (1) 은, 정전 스프레이 부위 (5) 에 전기적으로 접속 가능하다. 마찬가지로, 제 2 전극 (2) 은, 기준 전극 (2) 으로 기재될 수도 있고, 팁 (tip; 6) 을 가진다.
도 1의 (a) 는, 동작중에, 전원 장치 (4) 가 스프레이 전극 (1) 과 기준 전극 (2) 사이에 인가되는 고전압을 제공하는 것을 나타낸다. 이 예에서는, 스프레이 전극 (1) 은, 금속성 캐필러리 (즉, 스테인리스 강 캐필러리, 예를 들면, 304형 스틸 캐필러리) 등의 도전성 도관과 분무되는 물질, 즉, 알맞은 액체를 포함한다. 기준 전극 (2) 은, 금속 핀 (스테인리스 스틸 핀, 예를 들면, 304형 스틸 핀) 등의 도전성 로드 (conductive rod) 를 가진다. 바람직하게는, 유전체 (3) 는, 비도전성이며, 즉 비도전성 재료로부터 구성되고, 유전체 (3)은, 선단부 (leading edge; 7) 를 가진다. 유전체 (3) 의 알맞은 재료에는 나일론, 폴리프로필렌이 포함된다. 유전체 (3) 는, 스프레이 전극 (1) 및 기준 전극 (2) 에 근접되어 있다.
도 1의 (b) 는, 예를 들면 1 ~ 30 kV의 사이의 고전압 (예를 들면, 3 ~ 7 kV) 이 스프레이 전극 (1) 과 기준 전극 (2) 사이에 인가될 때의 정전 분무 장치를 나타낸다. 이 경우, 전극간에 전기장이 형성되어 유전체 (3) 에 쌍극자가 유도된다. 이 한정되지 않는 예에 있어서, 스프레이 전극 (1) 은 정으로 대전되고 있고, 기준 전극 (2) 은 부로 대전되어 있지만, 그 역 또한 가능하다. 부의 쌍극자가, 정의 스프레이 전극 (1) 에 가장 가까운 유전체의 표면에 생기고, 정의 쌍극자가, 부의 제 2 전극 (2) 에 가장 가까운 유전체 (3) 의 표면에 생긴다. 대전된 가스 및 물질종이, 스프레이 전극 (1) 및 기준 전극 (2) 에 의해 방출된다.
스프레이 전극 (1) 의 정전 스프레이 부위 (5) 로부터 분무되는 물질의 전하와 적어도 동량의 전하가 기준 전극 (2) 에 의해 생성된다. 기준 전극 (2) 에 의하여 생성되는 전하는 분무 물질의 극성과는 반대의 극성을 갖는다. 그러므로, 분무 물질의 전하는 기준 전극 (2) 에 의하여 생성되는 전하에 의해 평형화된다.
도 1의 (c) 는, 정의 스프레이 전극 (1) 으로부터 발생하는 정으로 대전된 종이, 스프레이 전극 (1) 에 근접하는 유전체 (3) 의 표면에 축적되는 예를 나타낸다. 마찬가지로, 부의 기준 전극으로부터 발생하는 부로 대전된 종이, 기준 전극 (2) 에 근접하는 유전체 (3) 의 표면 (측면) 에 축적된다. 도 1의 (d) 에 나타낸 바처럼, 이 전하 축적의 결과로서, 전기장이 재형성되고, 정으로 대전된 스프레이 전극 (1) 으로부터 발생하는 정 대전 종은, 정전 스프레이 부위 (5), 및 스프레이 전극 (1) 에 근접하는 유전체 (3) 의 표면으로부터 밀어내어지고, 최종적으로 정전 분무 장치로부터 방출된다. 그러므로, 유전체 (3) 는, 하전 입자의 적어도 일부가 기준 전극 (2) 에 도달하지 않도록, 정전 스프레이 부위 (5) 로부터 분무되는 물질을, 정전 분무 장치로부터 멀리 지향시키는 지향 수단 (directing means) 으로서 기능한다.
통상, 스프레이 전극으로부터 발생하는 대전된 종은, 대전된 가스 및 미립자 종을 포함한다. 대전된 가스종은 스프레이 전극에서 생성되고, 대전된 미립자종은 정전 스프레이 부위 (5) 에서 생성된다. 마찬가지로, 부로 대전된 기준 전극 (2) 으로부터 생기는 대전된 종이, 기준 전극 (2) 에 근접하는 유전체 (3) 의 표면으로부터 밀어내어져 최종적으로 정전 분무 장치로부터 방출된다. 이러한 식으로, 1개의 전극으로부터 다른 전극으로의 대전된 종의 흐름은 전혀 존재하지 않거나 혹은 거의 존재하지 않는다. 이 예에 있어서, 스프레이 전극 (1) 및 기준 전극 (2) 은, 전극간에 고전압의 인가시 형성되는 전기장의 중심이 정전 스프레이 부위 (5) 및 기준 전극 (2) 의 팁 (6) 에 집중되도록 배치된다.
유전체의 사용은, 정전 분무 장치로부터 멀어지는 방향으로 하전 입자의 흐름을 가장 비용이 들지 않게 생성하는 것을 가능하게 한다. 그렇지만, 다른 수단이 이용될 수 있다. 예를 들면, 하전 입자의 움직임을 편향시키는 자계 발생기 (지향 수단) 를 사용하여 자계를 인가함으로써, 소망 방향으로 하전 입자의 흐름을 생성할 수 있다. 다르게는, 같은 효과를 얻기 위해서, 팬과 같은 기류 발생 장치 (기류 발생 수단) 에 의해 생성된 기류에 의해, 하전 입자의 흐름이 생성될 수 있다. 다르게는, 최적인 스프레이 성능을 얻기 위해서, 상술한 기술을 알맞게 조합할 수 있다.
전원 장치 (4) 는, 정의 전하를 갖는 물질 및 부의 전하를 갖는 물질이 교대로 스프레이 부위 (5) 로부터 분무되도록 스프레이 전극 (1) 과 기준 전극 (2) 사이에 인가되는 전압의 극성을 주기적으로 변화시킬 수 있다.
도 1에서, 정전 스프레이 부위 (5) 와 기준 전극 (2) 의 팁 (6) 사이에, 약 8 mm 이격되어 있는 것이 알맞다. 통상, 정전 스프레이 부위 (5) 및 기준 전극 (2) 의 팁 (6) 은, 유전체 (3) 의 선단부 (7) 에서 대략 1 mm 후미진 위치에 있다. 다른 도전성 재료 및 형상이 그 전극에 알맞게 이용할 수 있고, 상기 도전성 재료에는, 티탄, 금, 은 및 다른 금속 등의 금속이 포함되고 반도체 재료도 가능하다.
도 2는, 본 발명의 실시형태에 따른 전원 장치 (4) 의 구성도의 일례를 제공한다. 전원 장치 (4) 는, 전원 (21), 출력 값을 갖는 고전압 발생 장치 (22), 기준 전극 (262) 의 전류 및 스프레이 전극 (261) 에 있어서의 출력 전압을 감시하도록 구성된 감시 회로 (전압감시 수단) (23), 및 고전압 발생 장치 (22) 의 출력 전압이 원하는 값을 갖도록 고전압 발생 장치 (22) 를 제어하도록 구성된 제어 회로 (제어 수단) (24) 를 구비한다. 많은 실제 용도를 위해서, 제어 회로 (24) 는 마이크로프로세서 (241) 을 구비할 수도 있고, 그 마이크로프로세서는, 환경 조건 (기온, 습도 및/또는, 대기압), 액체량, 액면, 그리고 선택적인 사용자 설정등의 다른 피드백 정보 (25) 에 기초하여, 출력 전압 및 스프레이 시간을 더 조정할 수 있도록 구성된다.
전원 (21) 은 당업계에 알려져 있다. 전원 (21) 은 주전원 또는 적어도 하나의 전지를 포함한다. 전원 (21) 은, 저전압 전원 장치 및 직류 (DC) 전원이다. 예를 들면, 1개 이상의 볼타 셀을 조합하여 1개의 전지를 구성할 수도 있다. 알맞은 전지는 하나 이상의 AA- 또는 D-셀 전지를 포함된다. 전지의 개수는, 필요한 전압 레벨과 전원의 소비 전력에 의해 정해진다. 우리는, 3 V를 공급하는 2개의 AA 전지가, 마이크로프로세서의 동작을 위한 충분한 전압 레벨을 제공할 수 있다는 것과, 스프레이 전류 0.8μA 및 출력 전압 5.5 kV (전형적인 값) 로 12.5%의 스프레이 듀티 사이클에 대해 2개월에 이르기까지 정전 분무 장치를 동작시키는데 충분한 전력을 제공할 수 있다는 것을 알아냈다.
통상, 고전압 발생 장치 (22) 는, DC를 AC로 변환하는 자려 발진 회로 (221), AC에 의해 구동되는 변압기 (222), 및 변압기 (222) 에 접속되는 컨버터 회로 (223) 를 구비한다. 매우 전력 효율이 높고, 비용 대비 효과가 높은 변압기 구동 회로는, 전류 제한이 적용되는 급전 푸시풀 토폴로지라는 것을 우리는 알아냈다. 상기 구동 회로의 전류 제한은, 변압기의 포화 상태를 회피하기 위하여 제공된다. 통상, 컨버터 회로는, 차지 펌프와 정류 회로를 구비한다. 컨버터 회로는, 소망 전압을 생성하고, AC를 다시 DC로 변환한다. 전형적인 컨버터 회로는, 콕크로프트-월턴 (Cockcroft-Walton) 발생 장치이다.
감시 회로 (23) 는, 전류 피드백 회로 (231) 을 구비하고, 또한, 용도에 따라서는, 전압 피드백 회로 (232) 를 구비할 수도 있다. 전류 피드백 회로 (231) 는, 기준 전극 (262) 에서의 전류를 측정한다. 정전 분무 장치는 전하 평형 되기 때문에, 이 전류를 측정해 참조함으로써, 정전 스프레이 부위 (5) 에서의 전류를 정확하게 감시할 수 있다. 이 방법에 의하면, (i) 고가이고, 복잡하고, 혼란을 일으키는 측정 수단을 정전 스프레이 부위 (5) 에 제공할 필요가 없고, 또한, (ii) 측정 전류에 대한 방전 전류의 기여를 추정할 필요도 없다. 전류 피드백 회로 (231) 는, 예를 들면 변류기 등의 종래의 어떠한 전류 측정 장치를 포함할 수도 있다.
바람직한 실시형태에 있어서, 기준 전극에 있어서의 전류는, 기준 전극과 직렬로 접속된 세트 레지스터 (피드백 저항기) 에 있어서의 전압을 측정함으로써 측정된다. 일 실시형태에 있어서, 세트 레지스터에 있어서의 측정 전압은, 아날로그-디지털 (A/D) 컨버터를 이용하여 판독되고, 일반적으로 아날로그-디지털 컨버터는 마이크로프로세서의 일부이다. A/D 컨버터를 구비한 알맞은 마이크로프로세서는, Microchip 사제의 PIC16F18** 패밀리 제품의 마이크로프로세서이다. 디지털 정보는, 제어 회로 (24) 에 출력을 공급하기 위하여 마이크로프로세서에 의해 처리된다.
A/D 컨버터 회로의 결점은, A/D 변환에 의해, A/D 변환 시간에 기인하는 제어 반응의 지연이 생길 수도 있다는 점이다. 또, 정전 분무 처리의 전류 레벨은 지극히 낮고 (수 마이크로암페어), A/D 변환을 위한 충분한 전류를 공급하기 위해서는, 전류를 더 증폭할 필요가 있다. 이것은, 연산 증폭기를 이용하는 것으로 실현될 수도 있고, 이는 전원 장치의 비용 및 총소비 전류를 증가시킬 수 있다.
바람직한 실시형태에 있어서, 세트 레지스터에서 측정된 전압은, 비교기를 이용하여, 미리결정된 일정 기준 전압 레벨에 대해 비교된다. 비교기는, 매우 낮은 전류 입력 (일반적으로, 나노암페어 이하) 을 필요로 하고 응답 속도가 빠르고, 보통, 마이크로프로세서에는, 그 목적을 위해서 비교기가 끼워 넣어진다. 예를 들면, 상술한 Microchip 패밀리의 PIC16F1824는, 입력 전류가 매우 낮고 일정한 기준 전압을 갖는 알맞은 비교기를 제공한다. 비교기에 대한 기준 전압 레벨은, 이 마이크로프로세서에 또한 포함되는 D/A 컨버터를 이용하여 설정되어, 선택 가능한 32 기준 전압 레벨들을 제공한다. 통상 동작에서는, 이 회로는, 기준 전압의 크기 및 피드백 저항기에 의해 결정되는 요구 레벨보다 측정 전류가 높은지 또는 낮은지를 검출할 수 있고 그 정보를 제어 회로에 공급한다.
정확한 전압 값에 대한 지식이 요구되는 용도에 있어서, 감시 회로 (23) 는 또한, 전압 피드백 회로 (232) 를 구비하고, 스프레이 전극 (261) 에 대한 인가 전압을 측정한다. 일반적으로, 인가 전압은, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 접속되는 분압기를 형성하는 2개의 저항기의 접합부에 있어서의 전압을 측정함으로써 직접 감시된다. 다르게는, 인가 전압은, 같은 분압기의 원리를 이용하여, 콕크로프트-월튼 발생 장치 안의 노드에서 전개되는 전압을 측정함으로써 감시될 수도 있다. 마찬가지로, 전류 피드백에 관해서, 피드백 정보는, A/D 컨버터를 통하여 혹은, 비교기를 이용하여 피드백 신호를 기준 전압 값과 비교함으로써, 처리될 수도 있다.
제어 회로 (24) 는, 발진기 (221) 의 진폭의 크기, 주파수, 또는 듀티 사이클, 또는 전압의 온-오프 시간 (혹은, 이들의 조합) 을 제어함으로써, 고전압 발생 장치 (22) 의 출력 전압을 제어한다. 이 예에 있어서, 제어 회로 (24) 는, 미리결정된 주파수로 교류의 버스트를 생성하도록 발진기 (221) 에 지시하는 것에 의해 고전압 발생 장치 (22) 의 출력 전압을 제어하고, 이에 의해 교류의 버스트의 지속 시간 및/또는 듀티 사이클은 출력 전압을 결정한다. 제어 회로 (24) 는, 비교기로부터의 출력으로서 정전 스프레이 부위 (5) 의 감시 전류를 나타내는 신호를 수신하고, 고전압 발생 장치의 출력 값을 원하는 값으로 변경하기 위해서, 미리결정된 지표에 따라 AC의 버스트의 지속 시간 및/또는 듀티 사이클을 조정한다. 제어 회로 (24) 는, 펄스 폭 변조 (PWM) 스킴을 사용 (펄스 폭 변조 신호를 사용) 하도록 구성되어, PWM 듀티 사이클에 대한 제한 값을 설정함으로써, 고전압 발생 장치의 출력 전압에 대한 조절 가능한 제한을 제공할 수도 있다. 통상, 제어 회로 (24) 는, 마이크로프로세서 (241) 의 출력 포트이며, PWM 신호를 공급할 수 있다. 스프레이 듀티 사이클 및 스프레이 간격이 또한, 같은 PWM 출력 포트를 통하여 제어될 수도 있다. 분무 동안, PWM 신호가 인가된다. 그 전압은, PWM 신호의 듀티 사이클을 변경함으로써, 또는 피드백 정보에 기초하여 PWM 신호를 고속으로 온 (ON), 그리고 오프 (OFF) 함으로써, 조정될 수 있다. 제어 회로 (24) 의 펌 웨어의 실장은, 요구되는 보상 스킴에 의해 정해진다. 예를 들면, 스프레이 전류를 일정하게 유지하기 위하여 출력 전압이 조정될 필요가 있는 경우에, 단지, 전류 피드백의 비교기 출력에 기초하여 PWM 신호의 자동 셧다운 (auto-shutdown) 및 자동 리스타트 (auto-restart) 를 구성하는 것에 의하여, 단순한 피드백 제어를 실현할 수 있다. 이러한 타입의 구성은, 상술한 PIC16F1824 마이크로컨트롤러에 제공되어 있다.
고전압 발생 장치의 최소 출력 전압 Vm의 고정확도 제어가 요구되지 않는 경우, 제어 회로 (24) 는, 예를 들면, 고전압 발생 장치 (22) 에 공급되는 전류를 측정함으로써, 고전압 발생 장치 (22) 에 공급되는 전력을 감시하는 것에 의해 Vm를 설정하도록 구성될 수도 있다. 유리하게는, 이런 식으로 전압을 제어함으로써, AC의 버스트의 평균 지속 시간을 고전압 발생 장치 (22) 에 의한 전력 소비의 지표 (indicator) 로서 이용할 수 있다. 예를 들면, 전력 소비가 10% 감소하는 것은, 스프레이 전극 (261) 과 기준 전극 (262) 사이의 저항이 10% 감소하는 것을 의미하도록 취해지고, 이것은, 고전압 발생 장치 (22) 의 출력을 소망 레벨로 유지하기 위하여 피드백 전류를 약 10% 증가함으로써 보상된다. 그러므로, 많일 그렇지 않으면 고가의 부품 및/또는 추가 전력 소비를 필요로 하게 되는, 고전압 발생 장치 (22) 의 출력 전압을 감시할 필요 없이, Vm에 대한 최소 전압 한계가 제공될 수 있다. 전력 소비의 측정에 관한 결점은, 그 정확성이, 고전압 회로에 있어서의 전력 손실에 영향을 받는다는 점이다.
또한, 주위의 온도, 습도, 대기압, 분무 물질의 액체량, 분무 물질의 액면에 기초하여 전압 또는 듀티 사이클/스프레이 간격을 보상할 필요성에 기초하여, 마이크로프로세서 (241) 에 대한 입력 (25) 이 제공될 수 있다. 그 정보는, 아날로그 정보 또는 디지털 정보의 형태로 제공될 수 있고, 마이크로프로세서에 의해 처리된다. 통상, 아날로그 신호에 대해서는 A/D 변환이 제공되고 디지털 정보에 대해서는, 데이터 종 (예를 들면, I2C) 에 따라 통신 포트가 제공된다. 마이크로프로세서는, 상기 PWM 출력 포트를 통하여 미리결정된 스킴을 사용해, 입력 정보에 기초하여, 스프레이 간격, 스프레이 온 시간, 또는 인가 전압을 변경하는 것에 의해 스프레이의 품질 및 안정성을 높이기 위한 보상을 제공할 수 있다.
일례로서, 전원 장치는 온도 보상을 위해서 사용되는 서미스터 등의 온도 검지 소자 (온도 센서) 를 구비할 수도 있다. 일 실시형태에 있어서, 전원 장치는, 온도 검지 소자에 의해 검지된 온도의 변화에 따라 스프레이 간격을 변화시키도록 구성된다. 스프레이 간격은, 전원 장치의 온 그리고 오프 시간의 총계이다. 예를 들면, 전원 장치가 35초의 사이클릭 스프레이 간격 동안 온으로 되고 (그 시간 동안, 전원 장치는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 고전압을 인가한다), 145초간 오프로 되는 (그 시간 동안, 전원 장치는 위와 같이 고전압을 인가하지 않는다) 주기적인 스프레이 간격의 경우, 그 스프레이 간격은 35 + 145 = 180초이다. 스프레이 간격은, 온도가 상승하면 스프레이 간격이 설정점으로부터 증가하고, 온도가 저하되면 스프레이 간격이 설정점으로부터 감소하도록, 전원 장치의 마이크로프로세서에 내장된 소프트웨어에 의해 변경될 수도 있다. 스프레이 간격의 증가 및 감소는, 분무되는 물질의 특성에 의해 정해질 수도 있는 미리결정된 지표에 따르는 것이 바람직하다. 편의상, 스프레이 간격의 보상 변화량은, 스프레이 간격이 0 ~ 60℃ (예를 들면,10 ~ 45℃) 의 사이에서만 변화하도록 제한될 수도 있고, 그에 의해, 온도 검지 소자에 의해 등록된 극단적인 온도는 오류 (fault) 로 간주되어 고려되지 않고, 고온 및 저온에 대해서는, 최적이지는 않지만 용인할 수 있는 스프레이 간격이 제공된다. 다르게는, 스프레이 간격의 온 및 오프 시간은, 스프레이 간격을 일정하게 유지하도록 조정되어, 기온이 올라가거나 또는 내려갈 때에 스프레이 간격내에서 스프레이 시간을 증가 또는 감소시킬 수도 있다.
전원 장치 (4) 는, 분무되는 물질의 특성을 검출하고, 그 분무되는 물질의 특성에 관한 정보를 결정하는 검사 회로를 더 구비할 수 있다. 검사 회로가 결정한 분무되는 물질의 특성에 관한 정보가, 제어 회로 (24) 에 제공된다. 제어 회로 (24) 는, 그 정보를 이용하여, 적어도 하나의 전압 제어 신호를 보상한다. 상기 전압 제어 신호란, 주위의 환경 조건 (예를 들면, 온도, 습도 및/또는 대기압, 및/또는 분무량) 의 검출에 의해 얻어진 결과에 따라 생성된 신호이며, 출력 전압 또는 스프레이 간격을 조정하기 위한 신호이다. 전원 장치 (4) 는, 주위의 압력 (대기압) 을 감시하기 위한 압력 센서를 구비할 수 있다.
많은 용도에 있어서, 액체 리저버가 비었을 때 사용자에게 경고하는 것이 바람직하다. 알맞은 경고는, LED 또는 LCD 스크린 등의 시각 신호, 또는 버저 또는 스피커 등의 음성 신호의 형식일 수도 있다. 액면에 관한 정보는, 상기 액면 센서를 통해 제공될 수도 있다. 발명자들은, 비용 대비 효과가 우수한 해결 방법은 기존의 전류 피드백 정보를 사용하는 것이라는 것을 알아냈다. 액체 리저버가 비었을 때, 정전 분무 프로세스는 정지하고, 그 결과, 전류는 제로로 감소된다. 제로 전류 상태를 검지한 후, 마이크로프로세서는, 미리결정된 스킴에 기초하여 반응할 수도 있으며, 예를 들면, 고전압 신호를 정지하고 상기의 경고를 사용자에게 트리거 (trigger) 할 수도 있다.
예를 들면, 전원 장치는, 기준 전극 (2) 에 있어서의 전류를 측정함으로써, 액체 리저버에 있어서의 분무되는 물질의 잔류량의 임계치를 감시할 수 있는 감시 회로를 더 구비할 수 있다.
그러한 스킴은 간단하고 비용 대비 효과적이지만, 그 유용성은, 환경 조건 및 전극 구성에 의존한다. 본 발명자들은, 액체를 정전 분무 프로세스에 사용할 수 없을 때에, 어느 전극 구성의 조합 (예를 들면, 양쪽 모두의 전극이 날카로운 선단부를 가지고 강력한 전기장을 형성하는 것) 및 환경 조건 (예를 들면, 고습) 에 의해 양쪽 모두의 전극으로부터 대기 이온이 생성될 수도 있다는 것을 알아냈다. 전하 평형의 원리에 근거해, 본 시스템은, 같은 양의 정 및 부의 대기 이온을 생성하고, 이 때문에 피드백 회로에 전류가 존재하게 된다. 그 결과, 본 시스템은, 리저버가 비었다는 것을 검지할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해, 제 2 감시 시스템이 도입될 수도 있다. 비용 대비 효과가 우수한 제 2 시스템은, 액체 리저버에 침지되는 별도의“감시”전극을 가진다. 그 전극의 전압 레벨은, 예를 들면, 감시 전극과 기준 전극 사이에 접속되는 분압기를 형성하는 2개의 저항기의 접합부에 있어서의 전압을 측정함으로써 감시되고, 그 정보는, 마이크로프로세서에 공급되어 거기서 처리된다. 감시 전극이 액체중에 침지되어 있을 때에는, 그 전위는 스프레이 전극과 같다. 한편, 감시 전극이 액체 밖에 있을 때, 그 전위는 더 낮아질 것이고, 실제의 값은, 감시 전극과 액체 사이의 대기의 도전성에 의존한다. 감시 전극의 팁은, 본 시스템의 불안정을 유발하는 가능한 이온 발생의 영향을 감소하기 위하여 둥근 형상과 충분히 작은 크기인 것이 이상적이다. 분압기 회로는 정전 분무 프로세스에 비해 상당한 전력을 소비할 수도 있기 때문에, 감시 전극은, 분무 프로세스의 처음에 액면을 확인하도록 접속되고 그 후에 다음으로 남겨진 스프레이 시간에는 비접속될 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다. 일반적으로, 그러한 접속은, 알맞은 릴레이를 통해 실현된다.
편의상, 감시 전극 및 스프레이 전극은, 도 3을 참조하여 기재된 바와 같이, 일치할 수도 있다. 즉, 스프레이 전극 (1) 은 또한 감시 전극의 역할을 할 수 있다. 도 3은, 본 발명에 따른 정전 분무 장치의 제 2 실시형태를 나타낸다. 정전 분무 장치는, 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 를 포함하고, 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 은 도전성이며, 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 의 어떠한 부분간에 직시선이 없는 한, 서로 절연되어 있다. 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2)는 유전체 (3) 에 의해 분리되어 있다. 편의상, 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 의 적어도 하나가 로드를 구비한다. 제 2 전극 (2) 은 핀을 구비하고 핀 전극인 것이 바람직하다. 이 예에 있어서, 핀 전극은, 날카롭고 스테인리스 스틸의 핀이며, 예를 들면, 304형 스테인리스 스틸의 핀이며, 직경은 0.6 mm이다. 핀 전극은, 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 중 타방의 전극에 대해 기준 전극이며, 그 타방의 전극은 스프레이 전극이다. 스프레이 전극 (1) 은, 캐비티 (9) 에 저장되는 분무 물질 (8) 에 대해 전기적으로 작용한다. 분무 물질 (8) 이 액체인 경우에, 스프레이 전극 (1) 은, 상기 액체를 저장하는 캐비티 (9) 로 당해 액체를 통하여 전기적으로 접속된다.
본 실시형태에 있어서, 스프레이 전극 (1) 은, 캐비티 (9) 내에 배치된다. 스프레이 전극 (1) 은, 스테인리스 스틸의 핀이며, 예를 들면, 304형 스테인리스스틸의 핀이며, 직경은 0.6 mm이다. 적어도 스프레이 전극 (1) 의 도전부가 캐비티 (9) 내에 배치되어 있다면, 스프레이 전극 (1) 은, 다른 재질 및 다른 형상일 수 있다. 이 예에서는, 캐비티 (9) 가 액체로 충전되어 장치가 동작하고 있을 때, 스프레이 전극 (1) 의 적어도 하나의 노출된 도전부가, 분무되는 액체 (8) 에 침지되도록 스프레이 전극 (1) 의 일부가 캐비티 (9) 내에 위치된다. 스프레이 전극 (1) 은 캐비티 (9) 의 벽을 관통하고, 캐비티 (9) 의 외측의 스프레이 전극 (1) 의 일부는 고전압 전원 장치 (4) 에 도전 접속된다. 이 예에 있어서, 캐비티 (9) 내에 위치하는 스프레이 전극 (1) 의 일부는 날카로운 팁을 포함하고, 그 팁은, 캐비티 (9) 의 공간 (volume) 내로 돌출된다. 캐비티 (9) 내에 위치하는 스프레이 전극의 팁은, 다른 지오메트리일 수 있으며, 캐비티 (9) 내에 돌출하는 날카롭지 않은 팁, 혹은 캐비티 (9) 의 내벽 (10) 과 동일 평면상에 위치하는 날카롭지 않은 팁이 포함된다. 일 실시형태에 있어서, 적어도 하나의 노출 도전면의 표면 영역은, 스프레이 전극의 직경보다 크며, 예를 들면, 도전면은 플레이트를 구비하고, 그 플레이트는 캐비티 (9) 의 벽을 관통하는 스프레이 전극의 일부와 도전 접속된다. 편의상, 그 플레이트는, 캐비티 (9) 의 내벽 (10) 에 매립될 수도 있다. 다른 실시형태에 있어서, 스프레이 전극은, 캐비티 (9) 의 내벽 (10) 을 따라 수평 방향으로 배치되는 부분을 구비할 수 있다. 이 부분은 또한, 적어도 하나의 부분, 바람직하게는 다수의 부분을 구비하고, 가장 바람직하게는, 그 표면의 전체가 캐비티와 대향하고, 도전성을 가지며 캐비티 (9) 의 내부 공간에 노출된다. 그렇게 배치된 상기 부분은, 캐비티 (9) 의 내벽 (10) 에 전체 또는 부분적인 밴드를 형성할 수도 있다. 이런 식으로, 정전 분무 장치의 캐비티 (9) 가 이상적인 직립 상태로 놓여지지 않을 때, 즉, 기울어져 있을 때에 캐비티 (9) 내의 액체 (8) 은, 스프레이 전극 (1) 의 도전부에 노출된다.
본 실시형태에 있어서, 캐비티 (9) 는, 개구부 (11) 를 통하여 캐비티 (9) 의 외부에 유체를 공급할 수 있다. 개구부 (11) 는, 개구부 (11) 와 통하는 캐비티 (9) 내의 모든 액체가, 미사용시에 있어서, 액체의 표면 장력에 의해 개구부 (11) 내에 유지되도록 결정된 크기를 갖는다. 이 예에 있어서, 개구부 (11) 는, 폭이 좁은 노즐과 같은 세관 (12) 을 갖는다. 세관 (12) 은, 예를 들면, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PFT), 혹은 다른 내약품성 재료로부터, 캐비티 (9) 와 같은 재질로 성형된다. 개구부 (11) 는, 다른 형태를 취할 수도 있으며, 단관, 캐필러리, 또는 오리피스를 포함한다. 액체가 분무되는 부위 (스프레이 부위) 는, 개구부 (11) 과 함께 배치되는 것이 바람직하다. 스프레이 부위는, 유전체 (3) 에 의해 기준 전극 (2) 으로부터 분리되어 있는 것이 바람직하다. 스프레이 부위도, 기준 전극 (2) 과 직시선 관계에 있지 않는 것이 특히 바람직하다.
캐비티 (9) 의 내벽 (10) 은 특별한 처리를 필요로 하지 않지만, 캐비티 (9) 의 내벽 (10) 을, 실질적으로 비수성의 액체가 분무된다면, 발유 처리로 처리하는 것이 바람직하고, 실질적으로 수성의 액체가 분무된다면, 소수 처리로 처리하는 것이 바람직할 수도 있다. 그 경우, 스프레이 전극 (1) 의 도전부가 노출되어 있다면, 스프레이 전극 (1) 이 또한 처리될 수도 있다.
선택적으로, 캐비티 (9) 는, 사용중에, 정전 분무 장치로부터 액체가 분무됨에 따라, 리저버 (13) 로부터 캐비티 (9) 내로 흐르도록 리저버 (13) 와 유체 연통된다. 예를 들면, 리저버 (13) 및 캐비티 (9) 는, 한번의 정전 분무에 있어서 분무되는 물질의 양 만큼, 리저버 (13) 에 남아 있는 물질이 캐비티 (9) 내에 가해지도록 구성될 수 있다. 캐비티 (9) 는 리저버 (13) 에 장착될 수도 있다. 캐비티 (9) 및 임의로 제공되는 리저버 (13) 가 대기에 대해 직접적으로 개방되어 있지 않은 것이면, 액체가 정전 분무 장치로부터 분무될 때, 펌프, 콜랩싱 리저버 (미국 특허 출원 11/582674의 콜랩서블 리저버 등), 위크 (wick) 시스템, 또는 에어 블리드 (air bleed) 시스템이, 소비된 액체의 용적분을 보충하기 위해, 그리고 디바이스로부터 액체의 장기간 분무, 예를 들면, 연속적으로 1시간 이상 분무가 진공력에 의해 방해되는 것을 회피하기 위해 요구된다. 소비된 액체의 용적을 보충하는 시스템은 당업계에 알려져 있다.
도 3에 나타낸 바처럼, 사용자가 정전 분무 장치를 사용 상태로 유지하는 경우에, 리저버 (13) 은, 캐비티 (9) 보다 연직 상방에 위치된다. 그 때문에, 분무시에, 분무되는 물질이 중력에 의해 리저버 (13) 로부터 캐비티 (9) 로 이동한다.
정전 분무 장치는, 분무되는 물질을 리저버 (13) 로부터 캐비티 (9) 로 공급하는 펌프 공급 수단을 더 포함할 수 있다. 이 펌프 공급 수단은, 바람직하게는 전기적으로 작동되며, 예를 들면, 전동 펌프이다.
도 4는, 본 발명의 제 3 실시형태를 나타낸다. 제 3 실시형태에서는, 제 1 전극 (1) 은, 캐비티 (9) 의 벽을 관통한다. 제 1 전극 (1) 은, (i) 캐비티 (9) 안에 배치되고 캐비티 (9) 에서 액체 (8) 에 도전되게 노출되는 적어도 하나의 부분, (ii) 캐비티 (9) 의 외부에 배치되고 스프레이 부위 (5) 에 인접하게 배치되는 부분, 및 (iii) 캐비티 (9) 의 외부에 배치되고 전원 장치 (4) 에 도전되게 접속되는 부분을 구비한다. 스프레이 부위 (5) 는, 캐비티 (9) 의 외측 개구부에 위치되는 것을 특징으로 한다. 이 예에 있어서, 캐비티 (9) 의 개구부는, 캐비티 (9) 의 돌출부로서 형성되어 있다. 제 1 전극 (1) 은 스프레이 전극이며, 제 2 전극 (2) 은 기준 전극이다. 스프레이 전극 (1) 및 기준 전극 (2) 은, 서로 절연되어 있으며, 바꾸어 말하면, 스프레이 전극 (1) 및 기준 전극 (2) 은 서로 직시선 관계에 있지 않다.
도 5는, 본 발명의 정전 분무 장치의 제 4 실시형태를 나타내며, 스프레이 전극 (제 1 전극) (1), 기준 전극 (제 2 전극) (2), 캐비티 (9), 및 전원 장치 (4) 를 나타낸다. 이 예에 있어서, 스프레이 전극 (1) 은, 캐필러리를 포함한다. 스프레이 전극 (1) 의 캐필러리는 도전성을 가지며, 캐비티 (9) 에 저장된 분무되는 물질에 대해, 유체 (액체) 를 통하여, 전기적으로 작용한다. 스프레이 전극 (1) 의 캐필러리 및 기준 전극 (2) 은, 전원 장치 (4) 에 도전되게 접속된다.
분무되는 물질은, 모관현상에 의해, 캐필러리의 팁 (스프레이 부위 (5)) 으로 이동해, 상술한 원리와 같은 방식으로, 팁으로부터 정전 분무된다.
도 6은, 본 발명의 정전 분무 장치의 제 5 실시형태를 나타낸다. 본 실시예에 있어서, 제 1 전극 (1) 은 제 1 캐비티 (제 1 리저버) (9a) 와 통하고 제 2 전극 (2) 은 제 2 캐비티 (제 2 리저버) (9b) 와 통한다. 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 은, 전원 장치 (4) 에 도전되게 접속된다. 제 1 캐비티 (9a) 는 개구부 (11a) 를 구비하고, 그 개구부 (11a) 는 외측 말단부를 갖는 도관을 가진다. 제 1 캐비티 (9a) 의 도관은, 스프레이 부위 (5a) (제 1 스프레이 부위) 를 가진다. 마찬가지로, 제 2 캐비티 (9b) 는 개구부 (11b) 를 구비하고, 그 개구부 (11b) 는 외측 말단부를 갖는 도관을 가진다. 제 2 캐비티 (9b) 의 도관은 스프레이 부위 (5b) (제 2 스프레이 부위) 를 가진다. 사용중 (분무시) 에, 제 1 캐비티 (9a) 또는 제 2 캐비티 (9b) 중 어느 하나는, 분무되는 물질 (제 1 물질) 을 저장하지만, 제 1 캐비티 (9a) 및 제 2 캐비티 (9b) 의 양쪽 모두는, 같거나 또는 다른 분무 물질 (제 2 물질) 을 저장할 수도 있다. 제 1 캐비티 (9a) 및 제 2 캐비티 (9b) 의 적어도 하나는 분무되는 물질로서 액체를 저장하는 것이 바람직하다.
즉, 제 1 전극 (1) 은, 제 1 캐비티 (제 1 리저버) (9a) 에 저장된 분무 물질 (액체) 을 통하여 제 1 스프레이 부위 (5a) 에 전기적으로 접속되고, 제 1 전극 (1) 및 제 1 스프레이 부위 (5a) 는 분무 물질에 대해 전기적으로 작용한다. 마찬가지로, 제 2 전극 (2) 은, 제 2 캐비티 (제 2 리저버) (9b) 에 저장된 제 2 분무 물질을 통하여 제 2 스프레이 부위 (5b) 에 전기적으로 접속되고, 제 2 전극 (2) 및 제 2 스프레이 부위 (5b) 는 제 2 분무 물질에 대해 전기적으로 작용한다.
도 6에 따른 전하 평형 장치는, 제 1 전극 (1) 또는 제 2 전극 (2) 중 어느 하나의 전기적 특성을 측정하고, 스프레이 부위 (5a) 또는 스프레이 부위 (5b) 중 어느 하나를 감시된다. 예를 들면, 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 중 어느 하나의 전류가 측정될 수도 있고, 스프레이 부위 (5a) 또는 스프레이 부위 (5b) 중 어느 하나의 스프레이 전류가 감시된다. 그렇지만, 현실에서는, 마이크로프로세서의 전원 장치의 접지 단자 (ground) 에 가장 가까운 전위에 있는, 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 의 전류가 측정된다. 이런 식으로, 고전압 신호의 저전류의 측정에 있어서의 노이즈가 회피되게 된다.
또한, 제 1 전극 (1) 및 제 2 전극 (2) 은, 1개의 전원에 의해 전기적으로 바이어스될 수 있다.
본 발명자들은, 온/오프 시간의 12.5%의 듀티 사이클에 따라 제 1 전극 (1) 과 제 2 전극 (2) 사이에서 약 5.2 kV+/-0.2 kV 의 고전압을 제공하도록 구성된 본 발명에 따른 정전 분무 장치에 의해서, Atrium Innovation Ltd사 (Pipe House, Lupton Road, Wallingford, United Kingdom) 의 프렌치 라벤더의 방향제를 30일의 간격 동안 연속적으로 분무하는 것에 성공하였다. 본 발명의 실시형태에 따른 장치에 의해 정전 분무를 실시하기 위하여 다른 수치를 사용할 수도 있다는 것이 인식될 것이고, 그 사용되는 수치는, 예를 들면, 환경 요인, 장치 구성, 및 분무되는 물질에 의존한다. 다른 알맞은 액체는, 20℃에서의 저항률이 1×103 내지 1×106Ω·m 범위이고 표면 장력이 20 내지 40 mN·m-1 범위이도록 구성되는 액체를 포함한다.
분무되는 물질에는, 방향제, 살충제, 약품 등의 활성 성분, 또는 이들 활성 성분들의 조합을 포함할 수도 있다.
덧붙여 본 발명은 다음과 같이 기재될 수 있다. 즉, 본 발명의 정전 분무 장치는: 물질을 분무하고 정전 분무되는 물질과 사용시에 통하도록 배치되는 스프레이 부위; 상기 스프레이 부위와 통하는 스프레이 전극, 및 기준 전극으로서, 상기 스프레이 전극과 당해 기준 전극 사이에 전압이 인가된 때에, 상기 정전 분무되는 물질이 상기 스프레이 부위로부터 분무되도록 배치되어 있는, 상기 기준 전극; 및 전원 장치를 포함하고, 상기 전원 장치는: 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 전압을 인가하고; 상기 스프레이 부위의 전기적 특성을 감시하고; 감시된 상기 스프레이 부위의 전기적 특성 및 미리결정된 지표에 따라 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 인가되는 전압을 조절하도록 동작 가능하고; 또한 상기 스프레이 부위로부터 분무되는 물질의 전하가, 상기 기준 전극에서의 적어도 동량의 반대 전하의 생성에 의해 평형화되도록 상기 스프레이 전극 및 상기 기준 전극이 배치되어 있다.
본 발명의 정전 분무 장치는, 제 1 스프레이 부위에서 분무되는 물질의 극성과는 반대의 극성의 전하를 갖는 물질을 분무하는 제 2 스프레이 부위를 더 구비하고; 상기 기준 전극은, 상기 제 2 스프레이 부위와 통하는 추가 전극이며; 상기 제 1 스프레이 부위는 상기 스프레이 전극에 의해 제 1 극성으로 대전되어 있고, 상기 제 2 스프레이 부위는 상기 추가 전극에 의해 상기 제 1 극성과는 반대의 극성으로 대전되어 있고, 상기 스프레이 전극 및 추가 전극은 1개의 전원에 의해 전기적으로 바이어스된다.
본 발명의 정전 분무 장치는, 추가 물질을 분무하고 분무되는 추가 물질과 사용시에 통하도록 배치되는 제 2 스프레이 부위를 더 구비하고, 상기 기준 전극은, 상기 제 2 스프레이 부위와 통하도록 배치되어 있고, 사용시에 상기 기준 전극과 상기 스프레이 전극 사이에 전압이 인가된 때에, 제 1 스프레이 부위로부터 물질이 분무되고 상기 제 2 스프레이 부위로부터 상기 추가 물질이 분무된다.
본 발명의 정전 분무 장치는, 상기 분무되는 물질을 함유하는 제 1 리저버와 상기 분무되는 추가 물질을 함유하는 제 2 리저버를 더 구비하고; 상기 스프레이 전극 및 상기 스프레이 부위는, 상기 제 1 리저버에 함유된 상기 분무되는 물질과 유체 연통되고 상기 기준 전극 및 상기 제 2 스프레이 부위는, 상기 제 2 리저버에 함유된 상기 분무되는 추가 물질과 유체 연통된다.
본 발명의 정전 분무 장치는, 물질을 분무하고 각각의 제 1 및 제 2 용기 (container) 에 함유되는 정전 분무 물질과 사용시에 통하도록 배치되는 제 1 스프레이 부위 및 제 2 스프레이 부위; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전압이 인가되는 때에, 제 1 용기에 있는 정전 분무 물질이 제 1 스프레이 부위로부터 분무되고 제 2 용기에 있는 정전 분무 물질이 제 2 스프레이 부위로부터 분무되도록 배열되는, 상기 제 1 스프레이 부위와 통하고 있는 제 1 전극 및 상기 제 2 스프레이 부위와 통하고 있는 제 2 전극; 및 전원 장치를 구비하고, 상기 전원 장치는: 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전압을 인가하도록 동작 가능하고; 제 1 스프레이 부위 또는 제 2 스프레이 부위로부터 분무되는 물질의 전하가 각각 제 1 스프레이 부위 또는 제 2 스프레이 부위에서 적어도 동량의 반대의 전하의 생성에 의해 평형화되도록 제 1 전극 및 제 2 전극이 배치되어 있다.
본 발명의 일부 실시형태들은, 바람직하게는 전원 장치가 기준 전극에 있어서의 전류를 측정함으로써 스프레이 부위에 있어서의 전류를 감시하도록 동작 가능한, 정전 분무 장치를 개시한다. 일 실시형태에서, 전원 장치는 변류기에 의해 기준 전극에 있어서의 전류를 측정하도록 동작 가능하다. 추가 실시형태에서, 전원 장치는, 기준 전극에 직렬로 접속된 저항기에 있어서의 전압을 측정함으로써 기준 전극에 있어서의 전류를 측정하도록 동작 가능하다.
바람직하게는, 전원 장치는, 전압을 인가하는, (i) 주전원 장치 또는 (ii) 1개 이상의 전지를 포함한 전원 장치를 포함한다.
또한, 전원 장치는, 당해 전원 장치에 의해 스프레이 전극과 기준 전극 사이에 인가되는 전압을 제공하는 고전압 발생 장치를 더 구비하는 것이 바람직하다. 일 실시형태에서, 고전압 발생 장치는, 발진기, 컨버터 및 정류 회로를 구비한다. 추가 실시형태에서, 전원 장치는 또한 발진 회로에 있어서의 발진의 크기, 주파수 또는 듀티 사이클을 제어함으로써 인가 전압을 조절하는 제어 수단을 구비한다.
본 발명의 일부 실시형태들은, 전원 장치가 또한 상기 발진 회로로 하여금 미리결정된 주파수로 교류의 버스트를 발생시킴으로써 인가 전압을 조절하게 하고, 상기 교류의 버스트의 지속 시간 및/또는 듀티 사이클은 인가 전압의 값을 결정하는, 정전 분무 장치를 개시한다. 바람직하게는, 버스트를 인가하는 지속 시간은, 마이크로프로세서에 의해 제공되는 펄스 폭 변조 신호를 이용하는 것으로 제어되며, 마이크로프로세서는, 아날로그-디지털 컨버터를 통하여 전류 및 전압을 측정한다. 이런 식으로, 피드백 정보의 미리결정된 출력 전압 응답은 마이크로프로세서 펌웨어의 부분일 수도 있고, 필요하다면, 전원 장치 회로 하드웨어에 대한 변화 없이, 용이하게 변화될 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태들은, 하전 입자의 적어도 일부가 기준 전극에 도달하지 않도록, 상기 스프레이 부위로부터 분무되는 물질을 상기 정전 분무 장치로부터 멀리 지향시키는 지향 수단을 더 구비하는, 정전 분무 장치를 개시한다. 바람직하게는, 상기 지향 수단은, 상기 스프레이 부위의 근방에 배치된 유전체를 구비하여, 분무시에, 분무되는 물질의 극성과 같은 극성을 갖는 전하가, 상기 유전체의 측면에 있어서의 상기 스프레이 부위의 근방에 축적되고 그 전하는 상기 스프레이 부위로부터 분무되는 물질을 상기 정전 분무 장치로부터 멀리 지향시킨다. 바람직하게는, 유전체는 또한, 스프레이 전극과 기준 전극 사이에 배치되어 있다. 일 실시형태에서, 유전체는 또한 스프레이 부위와 기준 전극 사이의 선분을 차단하도록 배치되어 있다.
따라서, 본 발명의 실시형태에 있어서, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 형성된 전기장의 형상의 변경은 제 1 전극과 제 2 전극의 주위 그리고 특히 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 유전체 재료를 사용하여 달성될 수도 있다. 유전체 재료는 하전 입자를 끌어당기고, 이는 결국 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 존재하는 전기장을 변화시킨다. 특히 바람직한 전극들과 유전체의 배치에서, 스프레이 전극에 평행한 방향으로 하전 액적에 가해지는 강한 힘을 생성하기 위하여 전기장이 형성된다. 이상적으로는, 정전 분무에 의해 정전 분무기로부터 분무되는 하전 물질에 의해 얻어지는 모멘텀은 기준 전극쪽 인력을 극복하기에 충분할 것이고, 안정한 정전 분무 하전 입자 류가 획득된다.
상기 유전체 재료의 이용이 정전 분무 장치로부터 멀리 지향되는 하전 입자 류를 생성하기 위한 가장 비용 대비 효과적인 방법이라는 것을 알게되었지만, 다른 수단이 또한 사용될 수도 있다. 일 실시형태에서, 하전 입자의 움직임을 편향시키고 원하는 방향에서 하전 입자 류를 생성하기 위하여 자계가 인가된다. 예를 들면, 정전 분무 장치로부터 멀리 하전 입자를 지향시키도록 스프레이 전극 근방에 자석이 적절히 배치된다. 다른 실시형태에서, (예를 들면, 팬에 의해 생성되는) 기류가 같은 효과를 달성하기 위하여 사용된다. 또 다른 실시형태에서, 위의 기술들의 알맞은 조합이, 가장 최적인 스프레이 성능을 달성하기 위하여 사용된다. 예를 들면, 그러한 기류 발생 장치는, 정전 분무 장치로부터 멀리 하전 입자를 지향시키기 위하여 스프레이 전극을 따라 배치된다.
따라서, 추가 실시형태에서, 지향 수단은, 스프레이 부위로부터 분무된 하전 물질의 움직임을 편향시키기 위한 적합한 특성을 갖는 자계를 발생시키는 자계 발생기를 포함한다.
본 발명의 일부 실시형태는, 지향 수단이 스프레이 부위로부터 분무된 하전 물질의 움직임을 편향시키는 기류를 발생시키기 위한 기류 발생 수단을 포함하는, 정전 분무 장치를 개시한다.
본 발명의 일부 실시형태는, 전원 장치가, 정 전하를 갖는 물질 및 부 전하를 갖는 물질이 교대로 상기 스프레이 부위로부터 분무되도록 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 인가되는 전압의 극성을 주기적으로 변화시키는, 정전 분무 장치를 개시한다. 예를 들면, 그러한 전극들의 극성 변화는, 정 극성을 갖는 고전압과 부 극성을 갖는 고전압을 발생시킬 수 있는 적절한 고전압 발생 장치를 사용하여 달성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태는, 분무되는 물질은 액체이며, 스프레이 부위는, 스프레이 전극과 기준 전극 사이에 전압이 인가되지 않을 때에는, 상기 분무되는 물질의 적어도 일부가 상기 액체의 표면장력에 의해 상기 스프레이 부위에 유지되게 하는 치수를 갖도록 구성되는, 정전 분무 장치를 개시한다.
본 발명의 일부 실시형태는, 스프레이 전극이 스프레이 부위에 그리고 당해 스프레이 부위와 인접하게 위치되지 않는, 정전 분무 장치를 개시한다. 예를 들면, 일 실시형태에서, 정전 분무 장치는 분무되는 물질을 유지하는 캐비티를 더 구비하고, 스프레이 전극은 적어도 부분적으로 캐비티 안에 위치되도록 배치되어 있다. 바람직하게는, 스프레이 부위는 캐비티의 돌출부이며, 돌출부는 캐필러리, 노즐, 또는 개구부를 구비하는 도관을 포함한다. 일 실시형태에서, 스프레이 전극은, 분무되는 물질을 통하여 스프레이 부위와 전기적으로 접속된다.
본 발명의 일부 실시형태는, 스프레이 전극이 스프레이 부위에 위치되거나 또는 당해 스프레이 부위에 인접하게 위치되는 것에 의해, 당해 스프레이 부위와 전기적으로 접속되는, 정전 분무 장치를 개시한다. 일 실시형태에서, 스프레이 전극은, 외측 말단부를 갖는 도관을 구비하고, 스프레이 부위는 외측 말단부의 팁을 포함한다. 바람직하게는, 도관은 캐비티와 통하고, 캐비티는 리저버와 통하도록 배치되고, 분무시에, 분무되는 물질이 리저버로부터 캐비티로 보내진다. 바람직하게는, 리저버는, 분무시에 분무되는 물질이 중력에 의해 캐비티로 보내지도록 배치된다. 예를 들면, 리저버는 캐비티 위에 제공되고, 흐름 경로가 리저버와 캐비티 사이에 형성된다. 일 실시형태에서, 1회의 정전 분무 작동에 있어서 분무되는 물질의 용적이 리저버에 남아있는 물질에 의해 캐비티에서 대체되도록 리저버와 캐비티가 배치된다. 다른 실시형태에서, 정전 분무 장치는 펌프 공급 수단을 더 구비하고, 이는 바람직하게는 전기적으로 작동되어, 분무되는 물질을 리저버로부터 캐비티로 공급한다. 예를 들면, 펌프는 리저버와 캐비티 사이에 제공된다.
본 발명의 일부 실시형태는, 전원 장치가 스프레이 전극과 기준 전극 사이에 인가되는 전압을 감시하는 전압 감시 수단을 더 구비한, 정전 분무 장치를 개시한다. 일 실시형태에서, 정전 분무 장치가 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 접속되어 분압기를 형성하는 2개의 저항기를 더 구비하고, 전압 감시 수단은, 2개의 저항기의 접합부에 있어서의 전압을 측정한다. 추가 실시형태에서, 전원 장치는, 스프레이 전극과 기준 전극 사이에 전압을 인가하는 고전압 발생 장치를 더 구비하고, 전압 감시 수단은, 고전압 발생 회로 안의 노드에 있어서 전개된 전압을 측정한다. 다른 실시형태에서, 전압 감시 수단은, 고전압 발생 회로로부터의 전력 소비에 관한 데이터와 함께, 스프레이 부위에 있어서의 스프레이 전류를 감시함으로써 간접적으로 전압을 감시한다. 이 실시형태는 저비용 용도에 특히 적합하다. 출력 전압은, 고전압 발생 회로에서의 전력 소비에 관한 정보와 함께, 스프레이 전류 피드백 정보를 사용하여 간접적으로 감시된다. 그러나, 출력 전압의 간접적인 감시는 실질적인 부정확성을 도입할 수도 있으므로, 정확한 고전압 출력 값이 중요하지 않다면, 유용하다.
본 발명의 일부 실시형태는, 전원 장치가 제어 회로를 더 구비하고, 제어 회로는 적어도 하나의 전압 제어 신호를 제공하는 마이크로프로세서를 구비하고, 전압 제어 신호는, 전원 장치에 의해 스프레이 전극과 기준 전극 사이에 인가되는 전압의 특성을 결정하고, 마이크로프로세서는, 전원 장치에 의해 감시된 전류 또는 전압의 값을 처리함으로써 전압 제어 신호를 제공하는, 정전 분무 장치를 개시한다. 일 실시형태에서, 제어 회로는, 온도, 습도 및/또는 대기압 및/또는 분무량을 포함하는, 주위의 환경 조건에 관한 적어도 하나의 전압 제어 신호를 보상하도록 구성된다. 일 실시형태에서, 전원 장치는, 주위의 온도를 감시하는 온도 센서를 더 구비하고, 주위의 온도에 관한 정보는, 제어 회로에 제공되고, 적어도 하나의 전압 제어 신호를 보상하기 위하여 사용된다. 다른 실시형태에서, 전원 장치는, 주위의 습도를 감시하는 습도 센서를 더 구비하고, 주위의 습도에 관한 정보는, 제어 회로에 제공되고 적어도 하나의 전압 제어 신호를 보상하기 위하여 사용된다. 추가 실시형태에서, 전원 장치는 주위의 압력을 감시하는 압력 센서를 더 구비하고, 주위의 압력에 관한 정보는 제어 회로에 제공되어, 적어도 하나의 전압 제어 신호를 보상하기 위하여 사용된다.
통상적으로, 검사 회로는, 전기 식별자 (electrical identifier), 이를테면 RF 태그, 비휘발성 메모리 (NVM) 또는 마이크로프로세서에 의해 구성되고, 이는 예를 들면, (i) RF 태그를 위한 RFID 회로 또는 (ii) 비휘발성 메모리 (NVM) 를 판독하는 송신 프로토콜 등의 회로를 사용하여 식별자 (identifier) 를 검출한다. 전기 식별자는 캐비티, 또는 액체 저장 리저버에 접속되고, 적합한 회로의 충분한 근방에 제공되고, 그 적합한 회로에 의해 검출 및 식별될 수 있다. 이 경우에, 적합한 회로는 전기 식별자의 식별 (identity) 을 송신할 수 있으므로, 전원 장치의 제어 회로에, 분무 물질에 관한 정보를 송신할 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태는, 전원 장치가 분무되는 물질의 특성을 검출하고, 분무되는 물질의 특성에 관한 정보를 결정하는 검사 회로를 더 구비하고, 분무되는 물질의 특성에 관한 결정된 정보가 제어 회로에 제공되고 상기 적어도 하나의 전압 제어 신호를 보상하기 위하여 사용되는, 정전 분무 장치를 개시한다.
바람직하게는, 제어 회로는, 전원 장치에 의해 인가되는 전압의 간격, 듀티 사이클, 진폭 또는 온-오프 시간의 어느 하나 또는 조합을 변화시키는 것에 의해 보상을 제공하도록 동작 가능하다.
따라서, 제어 회로는, 하전 종의 안정된 유량을 제공하기 위하여, 환경 피드백 신호를 처리하고 미리결정된 지표에 기초하여 보상을 제공할 수 있기 때문에 유리하다. 바람직하게는, 마이크로프로세서는 하전 종의 안정한 양을 제공하기 위하여, 입력 정보를 처리하고, 미리결정된 지표에 기초하여 보상을 제공할 것이다. 따라서, 그 보상은, 출력 전압을 조정하고 스프레이 간격 및 듀티 사이클, 또는 그의 조합을 조정함으로써 수행될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 미리 결정된 지표는 마이크로프로세서의 펌웨어의 일 부분이고, 조정은 상기 마이크로프로세서의 출력 포트를 통해 수행된다. 간격 및 펄스 폭 변조 신호를 조정하는 것은 출력 전압을 변경시킨다. 한편, 펄스 폭 변조 신호의 온-오프 시간을 조정하는 것은 스프레이 간격 및 듀티 사이클을 변경시킬 것이다.
본 발명의 일부 실시형태는, 전원 장치가 상기 기준 전극에 있어서의 전류를 측정함으로써, 분무되는 물질의 잔류량의 임계치를 감시할 수 있는 감시 회로를 더 구비한, 정전 분무 장치를 개시한다. 정전 분무의 전류는, 예를 들면, 잔류 정전 분무 물질이 임계치보다 낮아질 때에 전류의 감소를 감시함으로써, 감시된다. 본 발명에 따르면, 마이크로프로세서는 전류 피드백 회로의 사용에 의해 응답할 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태는, 정전 분무 장치가 제 1 스프레이 부위로부터 분무되는 물질의 극성과는 반대의 극성의 전하를 갖는 물질을 분무하는 제 2 스프레이 부위를 더 구비하고, 상기 기준 전극은 상기 제 2 스프레이 부위와 전기적으로 접속되고, 상기 제 1 스프레이 부위는, 상기 스프레이 전극에 의해 제 1 극성으로 대전되며, 상기 제 2 스프레이 부위는, 상기 기준 전극에 의해 상기 제 1 극성과는 반대의 극성으로 대전되고, 상기 스프레이 전극 및 상기 기준 전극은, 1개의 전원에 의해 전기적으로 바이어스되는, 정전 분무 장치를 개시한다.
본 발명의 일부 실시형태는, 정전 분무 장치가, 정전 분무되는 제 2 물질에 대해 전기적으로 작용함으로써, 당해 제 2 물질을 정전 분무하는 제 2 스프레이 부위를 더 구비하고, 기준 전극은, 제 2 스프레이 부위와 전기적으로 접속 가능하게 배치되어, 분무시에 기준 전극과 스프레이 전극 사이에 전압이 인가된 때에, 제 1 스프레이 부위로부터 물질이 분무되고 제 2 스프레이 부위로부터 제 2 물질이 분무되는, 정전 분무 장치를 개시한다.
정전 분무 장치는, 분무되는 물질을 저장하는 제 1 리저버; 및 분무되는 제 2 물질을 저장하는 제 2 리저버를 더 구비하고, 스프레이 전극 및 스프레이 부위는, 제 1 리저버에 저장된 분무되는 물질에 대해 유체를 통하여 전기적으로 작용하고, 기준 전극 및 제 2 스프레이 부위는, 제 2 리저버에 저장된 분무되는 제 2 물질에 대해 유체를 통하여 전기적으로 작용한다.
본 발명의 추가의 양태에서, 스프레이 부위의 전기적 특성을 감시하는 단계; 및 스프레이 전극 또는 제 1 전극과 기준 전극 또는 제 2 전극 사이에 인가되는 전압을 조절하는 단계를 포함하는 정전 분무 장치를 이용한 정전 분무를 실시하는 방법이 제공된다.
본 발명은 이와 같이 설명되었지만, 동일한 방식이 많은 방식으로 변화될 수도 있다는 것이 분명할 것이다. 그러한 변화는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나는 것으로 여겨져서는 아니되고, 당업자에게 자명한 모든 그러한 변경들은 다음의 청구항들의 범위내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (54)

  1. 정전 분무되는 물질에 대해 전기적으로 작용함으로써, 상기 물질을 정전 분무하는 스프레이 부위;
    상기 스프레이 부위와 전기적으로 접속 가능한 스프레이 전극;
    기준 전극으로서, 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 전압이 인가된 때에, 상기 정전 분무되는 물질이 상기 스프레이 부위로부터 분무되도록 배치되어 있는, 상기 기준 전극; 및
    상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 전압을 인가하고, 상기 스프레이 부위의 전기적 특성을 감시하고, 감시된 상기 스프레이 부위의 전기적 특성에 따라 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 인가되는 전압을 조절하는 전원 장치를 구비하고,
    또한, 상기 스프레이 부위로부터 상기 분무되는 물질의 전하가 상기 기준 전극에 있어서의 적어도 동량의 반대 전하에 의해 평형화되도록 상기 스프레이 전극 및 상기 기준 전극이 배치되어 있고,
    상기 전원 장치는, 상기 기준 전극에 있어서의 전류를 측정함으로써 상기 스프레이 부위에 있어서의 전류를 감시하는, 정전 분무 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하전 입자의 적어도 일부가 상기 기준 전극에 도달하지 않도록, 상기 스프레이 부위로부터 상기 분무되는 물질을 상기 정전 분무 장치로부터 멀리 지향시키는 지향 수단을 더 구비하는, 정전 분무 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 지향 수단은, 상기 스프레이 부위의 근방에 배치된 유전체를 구비하여, 분무시에, 상기 분무되는 물질의 극성과 같은 극성을 갖는 전하가, 상기 유전체의 측면에 있어서의 상기 스프레이 부위의 근방에 축적되고 상기 전하는 상기 스프레이 부위로부터 상기 분무되는 물질을 상기 정전 분무 장치로부터 멀리 지향시키고,
    상기 유전체는, 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 배치되어 있는, 정전 분무 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전원 장치는, 제어 회로를 더 구비하고,
    상기 제어 회로는, 적어도 하나의 전압 제어 신호를 제공하는 마이크로프로세서를 구비하고,
    상기 전압 제어 신호는, 상기 전원 장치에 의해 상기 스프레이 전극과 상기 기준 전극 사이에 인가되는 상기 전압의 특성을 결정하고,
    상기 마이크로프로세서는, 상기 전원 장치에 의해 감시된 전류 또는 전압의 값을 처리함으로써 상기 전압 제어 신호를 제공하고,
    상기 제어 회로는, 온도, 습도, 대기압, 및 분무량 중 하나 이상을 포함하는, 주위의 환경 조건에 관한 적어도 하나의 전압 제어 신호를 보상하도록 설정되고,
    상기 제어 회로는, 상기 전원 장치에 의해 인가되는 전압의 간격, 듀티 사이클, 진폭 또는 온-오프 시간의 어느 하나 또는 조합을 변화시키는 것에 의해 보상을 제공할 수 있는, 정전 분무 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 스프레이 부위로부터 분무되는 물질의 극성과는 반대의 극성의 전하를 갖는 물질을 분무하는 제 2 스프레이 부위를 더 구비하고,
    상기 기준 전극은 상기 제 2 스프레이 부위와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 스프레이 부위는 상기 스프레이 전극에 의해 제 1 극성으로 대전되며, 상기 제 2 스프레이 부위는 상기 기준 전극에 의해 상기 제 1 극성과는 반대의 극성으로 대전되고,
    상기 스프레이 전극 및 상기 기준 전극은, 1개의 전원에 의해 전기적으로 바이어스되는, 정전 분무 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    정전 분무되는 제 2 물질에 대해 전기적으로 작용함으로써, 상기 제 2 물질을 정전 분무하는 제 2 스프레이 부위를 더 구비하고,
    상기 기준 전극은, 상기 제 2 스프레이 부위와 전기적으로 접속 가능하게 배치되어, 분무시에, 상기 기준 전극과 상기 스프레이 전극 사이에 전압이 인가된 때에, 제 1 스프레이 부위로부터 물질이 분무되고 상기 제 2 스프레이 부위로부터 상기 제 2 물질이 분무되는, 정전 분무 장치.
  7. 각각 물질을 분무하는 제 1 스프레이 부위 및 제 2 스프레이 부위;
    상기 제 1 스프레이 부위와 전기적으로 접속되는 제 1 전극;
    상기 제 2 스프레이 부위와 전기적으로 접속되는 제 2 전극; 및
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전압을 인가하는 전원 장치를 구비하고,
    상기 제 1 스프레이 부위 및 상기 제 2 스프레이 부위는, 제 1 리저버 및 제 2 리저버에 각각 저장된, 상기 분무되는 물질에 대해, 분무시에, 전기적으로 작용하도록 배치되고,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전압이 인가된 때에, 상기 제 1 리저버에 저장된 물질이 상기 제 1 스프레이 부위로부터 분무되고, 상기 제 2 리저버에 저장된 물질이 상기 제 2 스프레이 부위로부터 분무되고,
    상기 제 1 스프레이 부위 또는 상기 제 2 스프레이 부위로부터 분무되는 물질의 전하가, 상기 제 1 스프레이 부위 또는 상기 제 2 스프레이 부위에 있어서 각각 생성되는 적어도 동량의 반대의 전하에 의해 평형화되도록 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극이 배치되는, 정전 분무 장치.
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