WO2007142022A1 - 静電霧化装置 - Google Patents

Abstract

　静電霧化装置は、放電電極、放電電極に対向する対向電極、放電電極に液体を供給する液体供給手段、及び放電電極と対向電極との間に高電圧を印加する高電圧発生手段を備える。放電電極上に供給された液体には高電圧の印加により静電気が帯電して、放電電極の先端から液体の帯電微粒子が放出される。放電電極と対向電極との間に生じる放電状態を検出する検知手段が備えられ、検知手段の検出結果に基づいて、所定の放電状態を維持するように高電圧発生手段の電圧出力を制御するコントローラが備えられる。放電電極に印加する放電電圧を調整することにより、所定の放電状態に対応する生成量で帯電微粒子を継続的に発生させる。

Description

明 細 書

静電霧化装置

技術分野

[0001] 本発明は、ナノサイズミストを発生させるための静電霧化装置に関するものである。

背景技術

[0002] 国際特許公開 WO 2005/097339は、ナノメータサイズの帯電微粒子水（ナノサイズミ スト)を生成する従来の静電霧化装置を開示している。この装置では、水が供給され る放電電極と対向電極との間に高電圧を印加して放電させることで、放電電極が保 持して 、る水にレイリー分裂を生じさせて霧化させるようになって!/、る。このような帯電 微粒子水は、ラジカルを含んでいるとともに長寿命であって、空間内への拡散を大量 に行うことができ、室内の壁面や衣服やカーテンなどに付着した悪臭成分などに効 果的に作用し、無臭化することができるといった特徴を有している。この装置では、放 電電極を冷却して放電電極部分に空気中の水分を基に結露水を生成させる冷却手 段と、電極間に流れる放電電流を検出し、放電電極と対向電極との間に印加する放 電電圧を所定の値に保ちながら、放電電流が所定値を維持するように冷却手段を制 御するコントローラが設けられて 、る。

[0003] し力しながら、放電電圧を所定の値に維持しながら、放電電流が所定の値となるよう に放電電極の冷却温度を制御することで所定量の液体を放電電極上に供給すること で、ナノメータサイズの帯電微粒子の発生を継続して行う制御方式では、放電電流の 検出の時点力 放電電極の冷却による結露水の生成までに、応答時間が長くなると いう問題があった。

発明の開示

[0004] 本発明は上記の問題点に鑑みて為されたものであり、供給される液体量の制御に 代えて、放電電圧を調整することによりナノメータサイズの帯電微粒子のミストを安定 して継続的に発生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。

[0005] 本発明に係る静電霧化装置は、放電電極、放電電極に対向する対向電極、放電 電極に液体を供給する液体供給手段、及び放電電極と対向電極との間に高電圧を 印加する高電圧発生手段を備える。放電電極上に供給された液体には高電圧の印 加により静電気が帯電して、放電電極の先端の放電端から液体の帯電微粒子が放 出される。この装置には、放電電極と対向電極との間に生じる放電状態を検出する 検知手段が備えられると共に、検知手段の検出結果に基づいて、所定の放電状態を 維持するように高電圧発生手段の電圧出力を制御するコントローラが備えられる。こ のため、所定の放電状態を、ナノメータサイズの帯電微粒子を所定量発生させる放 電状態とすることで、放電電極に印加する放電電圧を調整することにより、放電電極 上に供給される液体の量の大きく左右されることなぐ常に所定の放電状態を維持し て、帯電微粒子の生成を安定して継続させることができる。

[0006] 上記の所定の放電状態は、放電電極と対向電極との間に流れる放電電流によって 判断することが好ましい。この場合、上記の検知手段は放電電流を検出し、上記のコ ントローラには所定の放電状態を規定する放電電流の目標値が与えられ、コントロー ラは検出された放電電流が所定の目標値となるように高電圧発生手段をフィードバッ ク制御する。

[0007] 静電霧化装置は、更に、上記の目標値を予め決められた範囲内から選択する目標 値設定手段を備えることが好ましい。これにより、ナノメータサイズの帯電微粒子の生 成量の調整を行うことができる。

[0008] 目標値の範囲としては、ゼロ、即ち放電電流を発生させな!/、値を設定することがで きる。この場合、コントローラは高電圧発生手段の電圧出力をゼロとすることができ、 目標値設定手段によって、装置の停止を行うことができる。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]本発明の一実施形態に係る静電霧化装置を示すブロック図。

[図 2]同上の静電霧化装置に使用する高電圧発生手段、コントローラ、放電電流検 知手段を示す回路図。

[図 3]同上の静電霧化装置における放電電流とこれに対応する検出電圧との関係を 示すグラフ図。

[図 4]本発明の他の実施形態に係る静電霧化装置を示すブロック図。

発明を実施するための最良の形態 [0010] 本発明に係る静電霧化装置は、ナノメータオーダーのマイナス帯電微粒子のミスト を発生させるもので、このミストを対象空間に放出することで、対象空間内に存在する 物質の脱臭、殺菌、分解を行う。本発明において、ナノメータオーダーとは、 3nm以 上で lOOnm以下の範囲を示す。

[0011] 図 1に示すように、本発明の一実施形態に係る静電霧化装置は、先端が放電電極 20となった霧ィヒノズル 10と、放電電極 20に対向して配置された対向電極 30と、放電 電極 20と対向電極 30との間に高電圧を印加する高電圧発生手段 60、及び高電圧 の値を制御するコントローラ 70とで構成される。霧化ノズル 10の後端には加圧タンク 40が接続され、加圧タンク 40に貯えた液体、例えば水が霧化ノズル 10を通して放電 電極 20先端の放電端 21に供給される。この加圧タンク 40が液体を放電電極 20へ供 給する液体供給手段を形成する。本発明の静電霧化装置は、水以外にも各種の液 体を使用することが可能であるが、本実施形態においては、液体として水を使用した 例に基づいて説明する。

[0012] 放電電極 20の先端に供給された水は表面張力によって液玉となり、高電圧、例え ば、 8kVのマイナス電位を放電電極 20に与えることで、放電電極 20先端の放電 端と対向電極 30のとの間に高電圧電界が発生し、この液玉を静電気で帯電させて、 放電電極の先端力もマイナスに帯電した水の帯電微粒子のミスト Mとして放出する。 放電電極 20と対向電極 30との間に高電圧が印加されると、放電電極 20の先端に保 持された水と対向電極 30との間にクーロン力が働いて、水の表面が局所的に盛り上 力 Sつてティラーコーン TCが形成される。すると、ティラーコーン TCの先端に電荷が集 中してこの部分における電界強度が大きくなつて、この部分に生じるクーロン力が大 きくなり、更にティラーコーン TCを成長させる。その後、クーロン力が水 Wの表面張力 を超えると、ティラーコーンが分裂 (レイリー分裂)を繰り返し、ナノメータオーダーの 帯電微粒子水のミストを大量に生成させるものである。このミストは、放電電極 20から 対向電極 30に向けて流れるイオン風によって引き起こされる空気流に乗って対向電 極 30を通過する形で放出される。

[0013] 加圧タンク 40には補給タンク 50から水がポンプ 52によって補給され、加圧タンク 40 内の水位が常に一定となるように制御されて、放電電極 20先端に供給される水に一 定の水頭圧を作用させている。このため、加圧タンク 40にはレベルセンサー 42が設 けられ、レベルセンサー 42で検知する水位が常に一定となるようにポンプ 52がコント ローラ 70によって制御される。

[0014] 霧化ノズル 10は管体で形成され、放電電極 20を形成する先端部は毛細管となり、 後端の加圧タンク 40から先端の放電電極 20に至る部分の内径は、毛細管現象を起 こさないように設定され、放電電極 20先端に供給される水の液玉に、水頭圧が作用 するようになつている。霧化ノズル 10の内径は毛細管となる先端部分に向けて次第 に小さくなり、毛細管である放電電極先端では水が表面張力によって液玉となる。こ の水頭圧は、表面張力によって液玉が形成されるのを阻害しない値に設定され、高 電圧が印加されることにより形成されるティラーコーン TCにこの水頭圧が作用する。 放電電極 20へ水が供給されて ヽる状態にお!ヽては、放電電極 20と対向電極 30と の間に印加する電圧が大きくなると、両電極間に流れる放電電流が大きくなることが 判明している。この放電電流を所定の値に維持することで、ナノメータオーダーの帯 電微粒子のミストを所定量発生させることができるものである。すなわち、放電電流が 大きくなると、放電電極 20の先端の放電端に形成されるティラーコーンが拡大して、 帯電微粒子の生成量が増加する。本発明は、この関係に基づいて、所定量の帯電 微粒子のミストを安定的に発生させるように構成されたものであり、予め設定する放電 状態、すなわち、目標値として設定された値に、放電電流が維持されるように放電電 圧を調整することで、目標値で規定される量の帯電微粒子のミストを発生させる制御 を行うものである。

[0015] このため、本実施形態においては、図 1に示すように、放電電極 20から対向電極 3 0に流れる放電電流を検知してその値ををコントローラ 70へ出力する放電電流検知 手段 80を備える。コントローラ 70には所定の目標値が与えられ、高電圧発生手段 60 からの出力される放電電圧を調整する制御出力を高電圧発生手段 60に送り、検知さ れた放電電流に基づくフィードバック制御によって放電電圧を変化させて、放電電流 を目標値に一致させる。

[0016] この目標値は目標値設定手段 90によって可変とされ、放電電極 20から放出される 帯電微粒子のミストの生成量を調整する。 [0017] 図 2は、上記の高電圧発生手段 60、放電電流検知手段 80、コントローラ 70及び目 標値設定手段 90を実現する電気回路を示す。高電圧発生手段 60は公知の絶縁型 DC/DCコンバータで構成され、絶縁トランスとスイッチング素子 Q1を備える。スイツ チング素子 Q1は直流電源 Eの両端間で、絶縁トランスの一次卷線 L1と抵抗 R12と直 列に接続される。絶縁トランスの 2次卷線 L2にはダイオード Dl, D2とコンデンサ C3 , C4からなる倍電圧整流回路が接続されている。絶縁トランスの補助卷線 L3は、直 流電源 Eの両極間に直列接続された抵抗 R15,コンデンサ C2の接続点とスィッチン グ素子 Q1のベースとの間で、抵抗 R13と直列に接続される。スイッチング素子 Q1の ベース ェミッタ間に制御用のスイッチング素子 Q2が接続され、スイッチング素子 Q 2のベースが抵抗 R14を介して抵抗 R12とスイッチング素子 Q 1のェミッタの接続点に 接続されている。

[0018] スイッチング素子 Q1がオンして絶縁トランスの 1次卷線 L1に電流が流れると抵抗 R 12の両端電圧が上昇すると、スイッチング素子 Q2がオンして、スイッチング素子 Q1 がオフされ、これに伴って、スイッチング素子 Q2がオフする。その後、絶縁トランスの 2 次卷線 L2に生じる誘起電圧によって補助卷線 L3に電圧が誘起されるため、スィッチ ング素子 Q1のベース電位が上昇してスイッチング素子 Q1がオンすることになり、スィ ツチング素子 Q1がオンオフを繰り返すことで、二次卷線 L2の両端に高電圧を誘起さ せ、この電圧を放電電極 20と対向電極 20との間に印加する。

[0019] 高電圧発生手段 60の出力電圧、即ち放電電圧は、コントローラ 70からの制御出力 によって調整される。この制御出力は、スイッチング素子 Q2のベースに与えられてス イッチング素子 Q2がオンするタイミングを変化させることで、二次卷線 L2に誘起する 電圧を変化させる。即ち、スイッチング素子 Q2がオンするタイミングを遅らせば 2次卷 線 L2に誘起される電圧が上昇し、反対にスイッチング素子 Q2がオンするタイミングを 早めれば 2次卷線 L2に誘起される電圧が下降する。

[0020] ここで、コンデンサ C2には動作停止用のスイッチング素子 Q3が並列に接続されて おり、ベース ェミッタ間に接続されて 、るスィッチ SW3を開 、てスイッチング素子 Q 3をオフしているときにだけスイッチング素子 Q1をスイッチングして高電圧を発生させ ることができ、スィッチ SW3を閉じてスイッチング素子 Q3をオンしている間はスィッチ ング素子 Qlが常時オフするために高電圧発生手段の動作が不能とされる。このスィ ツチ SW3のオンオフ、すなわち高電圧発生手段 60の運転.停止の切換は、本実施 形態の静電霧化装置を搭載する電気機器 (例えば、空気清浄機や冷蔵庫など)の制 御回路（図示せず）によって行われる。

[0021] 放電電流検知手段 80は、オペアンプ OP1を用いた電流 電圧コンバータとして構 成されており、オペアンプ OP1の反転入力端子には抵抗 R9を介して直流電源 Eの 正極が接続されるとともに抵抗 R6を介して対向電極 2が接続される。直流電源 Eから 抵抗 R9を介して流れる基準電流と対向電極 2から抵抗 R6を介して流れる放電電流 とを加算した電流が、オペアンプ OP1の反転入力端子と出力端子の間に接続された 抵抗 R10に流れる。この結果、オペアンプ OP1の出力端には反転入力端子への入 力電流 (放電電流）に比例した検知電圧 Vxが出力されることになる（図 3参照)。抵抗 R10にはコンデンサ C1が並列に接続されて出力電圧の応答を速めている。また、ォ ぺアンプ OP1の非反転入力端子に直流電源 Eの電源電圧を分圧抵抗 R7, R8で分 圧した基準電圧を入力することにより、放電電流が零のときにも基準電圧に比例した 検知電圧 (オフセット電圧）が出力されるようになって!/、る。

[0022] コントローラ 70はコンパレータ CPを備え、直流電源 Eの電源電圧を抵抗 R2、 R3で分 圧して作成する放電電流の目標値であるスレツショルド電圧 Vthと、放電電流検知手 段 80から出力される検知電圧 Vxとがコンパレータ CPで比較される。コンパレータ CP は抵抗 R1を介して制御出力を高電圧発生手段 60のスイッチング素子 Q2のベースへ 送り出すものであり、検知電圧 Vxがスレツショルド電圧 Vthを超えてコンパレータ CP の出力がハイレベルになるとスイッチング素子 Q2のベースに電流が流れ、スィッチン グ素子 Q2がオンするタイミングを早め、その結果スイッチング素子 Q 1がオフするタイ ミングが早められて 2次卷線 L2に誘起される電圧が下降するために高電圧発生回路 3の出力が下降し、放電電流が減少することになる。一方、検出電圧 Vxがスレツショ ルド電圧 Vthよりも低くなつてコンパレータ CPの出力がローレベルになると抵抗 R1を 介してコントローラ 70からスイッチング素子 Q2のベースに電流が流れなくなり、スイツ チング素子 Q1がオフするタイミングを遅くして 2次卷線 L2に誘起される電圧が上昇 するため、高電圧発生手段 60の出力が上昇し、放電電流が増加することになる。つ まり、放電電流検知手段 80で検出される検知電圧とスレツショルド電圧 Vthとの差を なくすように、コントローラ 70が高電圧発生手段 3からの放電電圧をフィードバック制 御し、その結果、放電電極 20と対向電極 20の間に流れる放電電流を目標値に維持 して一定量の帯電微粒子水のミストを安定して生成することができる。

[0023] 目標値設定手段 90は、スィッチ SW1と分圧抵抗 R4との直列回路、スィッチ SW2と分 圧抵抗 R5との直列回路を備え、各直列回路がそれぞれコントローラ 70の分圧抵抗 R 2へ並列に接続される。スィッチ SW1、 SW2のオンオフの組み合わせにより、コンパ レータ CPに入力されるスレツショルド電圧 Vth、すなわち、放電電流の目標値を所定 の範囲から選択して、帯電微粒子水の生成量を可変とする。

[0024] 尚、目標値設定手段 90が、スレツショルド電圧 Vthとして上記のオフセット電圧 (放 電電流がゼロの時にコンパレータに与えられる検知電圧）以下の電圧を設定できるよ うにしておけば、コンパレータ CPの出力が常にハイレベルとなって、スイッチング素 子 Q2が常時オンとなり、スイッチング素子 Q1のスイッチング動作を禁止して高電圧 発生手段 60を停止させることができる。この場合、高電圧発生手段 60の運転'停止 を切り換えるためのスイッチング素子 Q3やスィッチ SW3を削減できて、部品点数を 少、なくすることができる。

[0025] 図 4は本発明の静電霧化装置の他の実施形態を示し、ここでは、放電電極 120へ 水を供給する手段として、放電電極 120を冷却して周囲の空気中に含まれる水分を 放電電極 120上に結露させること冷却器を使用している。本実施形態の静電霧化装 置は放電電極 120とこの放電電極 120に対向して配置される対向電極 130とを備え る。対向電極 130は導電性材料の基板に円形孔 132が形成され、円形孔の内周縁 が放電電極 120先端の放電端 121と所定の距離で離間する。この装置には、放電電 極 120に結合してこれを冷却させる冷却器 140及び高電圧発生手段 160が備えられ る。冷却器 140は放電電極 120を冷却して周囲空気に含まれる水蒸気を放電電極 1 20上に凝集させて水を放電電極に供給する。高電圧発生手段 160は放電電極 120 と対向電極 130との間に高電圧を印加して、放電電極 120上の水を帯電させて放電 端力 水の帯電微粒子として霧化させる。

[0026] 冷却器 140はペルチヱモジュールで構成され、放電電極 120の放電端 121と反対 側の端部にペルチェモジュールの冷却側を結合したもので、ペルチェモジュールを 構成する熱電素子へ一定の電圧を印加することで、放電電極を水の露点以下の温 度に冷却する。ペルチェモジュールは、一つの熱伝導体 141、 142の間に複数の熱 電素子 143を並列に接続して構成され、冷却用電源回路 40から与えられる可変の電 圧によって決まる冷却速度で放電電極 120を冷却する。冷却側となる一方の熱伝導 体 141は放電電極 120に結合し、放熱側となる他方の熱伝導体 142には放熱フィン 14 6が形成される。このペルチヱモジュールには放電電極 120の温度を検出するための サーミスタ 148が設けられる。

[0027] 高電圧源 160は、前述の実施形態と同様の構成を備え、所定の高電圧を放電電極 120と接地された対向電極 130との間に印加するもので、負または正の電圧 (例えば 、—4. 6kV)を放電電極 120に与える。

[0028] 本実施形態の静電霧化装置は、前述の実施形態と同様に構成された放電電流検 知手段 180、目標値設定手段 190、コントローラ 170を備える。

[0029] コントローラ 170は、検知する放電電流が目標値設定手段 190で選択された目標 値となるように、高電圧発生手段 160の電圧出力を制御することに加えて、冷却回路 150を制御してペルチヱモジュールによる放電電極 120の冷却温度を調整する。こ のため、コントローラ 170は室内環境の温度を検出する温度センサー 171とサーミス タ 148に接続され、環境温度に応じて放電電極 120の温度を調整して、放電電極 12 0上に適切な量の結露水が生成される状態を維持する。

[0030] 本実施形態にお!、ても、検知する放電電流に基づ 、て放電電流が目標値となるよ うに放電電圧をフィードバック制御することにより、目標値で規定される所定量の帯電 微粒子のミストを生成することができるものであり、冷却温度を厳格に制御することな く適切な量の帯電微粒子のミストを安定して発生させることができる。

Claims

請求の範囲

[1] 放電電極と、

上記放電電極と対向する対向電極と、

上記放電電極に液体を供給する液体供給手段と、

上記放電電極と上記対向電極との間に高電圧を印加して両電極間に放電を生じさ せ、放電電極上の液体に静電気を帯電させて放電電極先端の放電端から液体の帯 電微粒子を放出させる高電圧発生手段とを備えた静電霧化装置であって、 上記放電電極と上記対向電極との間に生じる放電状態を検知する検知手段が備え られ、

上記検知手段の検知結果に基づ!/、て、所定の放電状態を維持するように上記高電 圧発生手段の電圧出力を制御するコントローラを備えたことを特徴とする静電霧化装 置。

[2] 上記検知手段は上記の放電電極と上記の対向電極との間に流れる放電電流を検 出し、前記コントローラは上記の検出手段が検出する放電電流を所望の目標値に一 致させるように高電圧発生手段をフィードバック制御することを特徴とする請求項 1記 載の静電霧化装置。

[3] 上記の目標値を予め決められた範囲内から選択する目標値設定手段を備えたこと を特徴とする請求項 2記載の静電霧化装置。

[4] 上記の範囲はゼロを含み、前記制コントローラは、上記目標値がゼロに選択された ときに、上記高電圧発生手段の電圧出力を停止することを特徴とする請求項 3記載 の静電霧化装置。