WO2009107515A1

WO2009107515A1 - 静電霧化装置

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Publication number: WO2009107515A1
Application number: PCT/JP2009/052674
Authority: WO
Inventors: 幸広桝田
Original assignee: パナソニック電工株式会社
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2009-09-03
Also published as: JP2009202094A; JP5330711B2; EP2251092B1; TW200940180A; EP2251092A4; CN101959609A; US8453952B2; CN104624419A; US20110006139A1; TWI351986B; EP2251092A1

Abstract

　放電電極（２０）と、対向電極（３０）と、放電電極（２０）と対向電極（３０）との間に電圧を印可する電圧印加装置（５０）と、放電電極（２０）に液体を保持させる液体供給装置（４０）とを備える静電霧化装置において、対向電極（３０）を、放電電極（２０）を囲むような開口（３１）を有する球面（３２）と、開口（３１）から延設される筒状部（３４）とから構成するものである。当該静電霧化装置によって、放電電極の先端部（２１）に電界が集中し、帯電微粒子液を大量に発生させることができ、さらに筒状部（３４）の内周面に発生させた帯電微粒子液を引き寄せて、吐出口（３５）から放出することができる。

Description

静電霧化装置

　本発明は、帯電微粒子液を生成する静電霧化装置に関する。

　従来から、日本国公開特許公報２００５－１３１５４９に見られるような静電霧化装置がある。前記日本国公開特許公報に開示された静電霧化装置は、放電電極と、放電電極から距離を隔てて位置する対向電極と、放電電極に霧化用の液体を供給する水搬送部（液供給手段）と、放電電極と対向電極の間に高電圧を印加する高電圧印加部（高電圧印加手段）とを備えている。静電霧化装置では、高電圧印加部によって対向電極と放電電極との間に電界を発生させて、放電電極が保持する液体にマイナス電荷を集中させる。これによって、液体に分裂、飛散（所謂レイリー分裂）を繰り返す静電霧化現象を発生させる。この静電霧化現象によってラジカル（活性種）を含むナノメータサイズの帯電微粒子液が生成される。帯電微粒子液は、イオン風に乗って静電霧化装置の外部空間へと放出される。その結果、静電霧化装置によれば、高い保湿効果、脱臭効果、ダニや花粉等のアレルゲン物質の不活性化効果等が得られる。

　上述の静電霧化装置の対向電極は、中央に開口（放出孔）を有するリング状に形成されている。この対向電極は、放電電極の先端部が開口内に臨むように配置されている。したがって、高電圧印加部によって対向電極の内面と放電電極の先端部との間で発生する電界は、放出孔の周縁部分と放電電極の先端部との間の狭い範囲内でしか強くならない。そのため、放電電極の先端部に対する電界の集中度合いが比較的低い。したがって、ラジカルを含む帯電微粒子液を大量に発生及び放出させることが難しかった。

　本発明は上記問題点に鑑みて為され、本発明の課題は、対向電極と放電電極との間で強力な電界を発生させ、放電電極の先端部に対する電界の集中度合いを増すことで、ラジカルを含む帯電微粒子液を大量に発生及び放出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。

　本発明に係る静電霧化装置は、放電電極と、前記放電電極から距離を隔てて位置する対向電極と、前記放電電極の先端部に液体を保持させる液供給手段と、前記先端部に保持された液体から帯電微粒子液が生成されるように前記放電電極の先端部と前記対向電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備えている。ここで、前記対向電極は、前記帯電微粒子液を外部に放出するための開口を有している。前記対向電極における前記放電電極側の表面は、前記放電電極の先端部を囲むような凹面である。前記対向電極の前記開口の周縁からは、前記放電電極から離れる方向に向けて筒状電極部が延設されている。

　この発明によれば、前記対向電極における前記放電電極側の表面と前記放電電極の先端部との間の広範な範囲内で、強力な電界が生じる。加えて、前記筒状電極部の内周面と前記放電電極の先端部との間の空間においても電界が生じる。そのため、前記放電電極の先端部に対する電界の集中度合いが非常に高くなる。これによって、前記放電電極に保持された液体に効率的に電荷が集中し、ラジカルを含む帯電微粒子液を大量に発生させることができる。更に、帯電微粒子液は、前記筒状電極部の内周面に引き寄せられるようにして前記対向電極の開口内に導入され、前記筒状電極部内を通過して外部空間に吐出される。その結果、ラジカルを含む帯電微粒子液を、外部空間に大量に放出することができる。

　好ましい形態では、前記表面の少なくとも一部は、前記放電電極の先端部を中心とする一様な半径の球面である。

　この発明によれば、前記表面の少なくとも一部と前記放電電極の先端部との間の広範な範囲内で、強力な電界を生じさせることができる。

　好ましい形態では、前記筒状電極部の軸方向は、前記開口の中心を通過する前記球面の径方向と一致している。

　この発明によれば、前記開口を通じて前記筒状電極部内に導入された帯電微粒子液を、前記筒状電極部の内周面に極力付着させることなく外部に吐出することができる。

　好ましい形態では、前記筒状電極部の内径をＤ、前記球面の半径をＲとしたとき、０．１＜Ｄ／２Ｒ＜１を満たす。

　この発明によれば、ラジカル量を性能保障範囲として有効な範囲内に収めることができる。

本発明の一実施形態の静電霧化装置の概略断面図である。同上における放電電極及び対向電極間の電界の説明図であり、Ａは筒状電極部がない場合、Ｂは筒状電極部がある場合を示している。Ａは同上における放電電極及び対向電極の寸法関係を示す概略側面図、Ｂは同図Ａの寸法関係に対するラジカル量の依存性を示すグラフである。Ａ，Ｂは同上の静電霧化装置の変形例を示す概略側面図である。同上の静電霧化装置の変形例の寸法関係を示す概略側面図である。同上の静電霧化装置の変形例の対向電極を示す斜視図である。

　図１は、本発明の一実施形態の静電霧化装置１０を概略的に示している。本実施形態の静電霧化装置１０は、放電電極２０と、対向電極３０と、液供給装置（液供給手段）４０と、電圧印加装置（高電圧印加手段）５０とを備えている。

　放電電極２０は、棒状に形成されている。また、放電電極２０の先端部２１は球形状に形成されている。一方、放電電極２０の基端部２２は板状に形成されている。また、放電電極２０は、アルミニウム等の金属の中でも熱伝導率が比較的高い材料により形成されている。なお、放電電極２０の先端部２１は、球形状ではなく、先鋭形状であってもよい。

　電圧印加装置５０は、放電電極２０及び対向電極３０それぞれに電気的に接続され、放電電極２０と対向電極３０との間に電圧を印加するように構成されている。ここで、電圧印加装置５０が放電電極２０と対向電極３０との間に印加する電圧の値は、放電電極２０の先端部２１に保持された液体から帯電微粒子液が生成されるような値である。また、電圧印加装置５０は、放電電極２０の先端部２１側がマイナス電極となって電荷が集中するように放電電極２０と対向電極３０との間に電圧を印加する。

　液供給装置４０は、放電電極２０の先端部２１に静電霧化用の液体（図示せず）を供給するように構成されている。本実施形態では、静電霧化用の液体として水を用いている。液供給装置４０は、放電電極２０と、ペルチェユニット４１とを利用して構成されている。ペルチェユニット４１の冷却部４２は、放電電極２０の基端部２２と接触している。つまり、放電電極２０の基端部２２と冷却部４２とは熱結合している。液供給装置４０は、ペルチェユニット４１によって放電電極２０自体を周囲の空気の露点温度以下となるまで冷却するように構成されている。つまり、液供給装置４０は、結露（表面結露）を利用して、放電電極２０の先端部２１に水を保持させる。そして、静電霧化装置１０では、結露によって放電電極２０の表面に付着した水（結露水）を静電霧化用の液体として用いる。なお、液供給装置４０は上記の例に限定されない。例えば、液供給装置４０は、放電電極２０と、液体を貯蔵する液タンク（図示せず）とを利用して構成されていてもよい。この場合、放電電極２０を多孔質セラミック等の多孔質材や細孔を有する材料で形成し、その基端部２２を、前記液タンク内の液体に浸すようにすればよい。

　対向電極３０は、金属材料により半球形の器状に形成された主体部３３を有している。主体部３３の中央には、帯電微粒子を外部に放出するための円形の開口（以下、「第１の開口」という）３１が形成されている。対向電極３０は、主体部３３の内面３２を放電電極２０側に向けた状態で、放電電極２０の先端部２１から距離を隔てて配置されている。すなわち、対向電極３０の内面３２が、対向電極３０における放電電極２０側の表面となる。

　この内面３２は、放電電極２０の先端部２１を囲むような半球状の凹面（凹曲面）である。放電電極２０の先端部２１を通過する平面で対向電極３０を切断した断面において、内面３２の輪郭線は、放電電極２０の先端部２１を中心とし、先端部２１と対向電極３０との最短距離（すなわち放電距離）Ｒを半径として描かれる円弧線である。

　特に本実施形態では、対向電極３０の内面３２は、放電電極２０の先端部２１を中心とする一様な半径Ｒの球面（半球面）である。つまり、放電電極２０の先端部２１を囲む内面３２を有する対向電極３０の主体部３３全体が、放電電極２０の先端部２１との距離が最短距離Ｒである部分となっている。したがって、主体部３３全体と放電電極２０の先端部２１との間には、三次元的に広範な範囲内で強力な電界が生じる（図２Ａ中の矢印参照）。

　また、対向電極３０は、筒状電極部３４を有している。筒状電極部３４は、金属材料により両端が開放された円筒形に形成されている。筒状電極部３４は、対向電極３０の主体部３３の外面における第１の開口３１の周縁から、放電電極２０から離れる方向（図１における上方向）に向けて延設されている。筒状電極部３４の内部は、軸方向の一端側（図１中における下端側）で対向電極３０の第１の開口３１に連通している。また、筒状電極部３４の内部は軸方向の他端側（図１中における上端側）で外部空間と連通している。よって、静電霧化装置１０では、筒状電極部３４の軸方向の他端側の開口３５が帯電微粒子液の吐出口となる。なお、以下では、開口３５を吐出口という。

　筒状電極部３４は、主体部３３と一体に形成されている。よって、筒状電極部３４と主体部３３とは電気的に接続されている。そのため、電圧印加装置５０が放電電極２０と対向電極３０との間に電圧を印加した際には、放電電極２０と主体部３３との間だけではなく、放電電極２０と筒状電極部３４との間にも電圧が印加される。したがって、筒状電極部３４の内周面３６全体と放電電極２０の先端部２１との間においても、三次元的に広範な範囲内で電界が生じる（図２Ｂ中の矢印参照）。

　そのため、対向電極３０と放電電極２０の先端部２１との間には、主体部３３の内面３２全体と放電電極２０の先端部２１との間で三次元的に生じる電界に、筒状電極部３４の内周面３６全体と放電電極２０の先端部２１との間で三次元的に生じる電界を加えた非常に強力な電界が生じる。

　主体部３３と筒状電極部３４とは、例えば、ＳＵＳ３０４等の金属からなる導電性材料を切削、曲げ加工等して一体に形成されている。しかしながら、主体部３３と筒状電極３４とは、樹脂成形後に金属めっきを施して形成されていてもよい。また、主体部３３と筒状電極部３４には導電性材料として導電性プラスチック等を用いることができる。

　次に、帯電微粒子液を発生させる際の静電霧化装置１０の動作について簡単に説明する。まず、液供給装置４０により放電電極２０の先端部２１に液体を供給し、これによって、放電電極２０の先端部２１に液体を保持させる。次に、電圧印加装置５０によって放電電極２０と対向電極３０との間に電圧を印加する。このときに生じる電界によって、放電電極２０の先端部２１に保持された液体が帯電する。そうすると、帯電した液体にクーロン力が働き、液体の液面が局所的に円錐形状に盛り上がる。この円錐形状となった液体（テイラーコーン）の先端に電荷が集中して電荷の密度が高密度となると、高密度の電荷の反発力で弾けるようにして液体が分裂、飛散（所謂レイリー分裂）を繰り返す静電霧化現象が起こる。静電霧化現象により、ラジカル（活性種）を含むナノメータサイズの帯電微粒子液が大量に生成される。生成された帯電微粒子液は、イオン風に乗って第１の開口３１を通って筒状電極部３４内に入り、吐出口３５から静電霧化装置１０外へと放出される。

　ここで、本実施形態の静電霧化装置１０では、上述したように対向電極３０と放電電極２０の先端部２１との間における広範な範囲内で、非常に強力な電界が生じる。したがって、放電電極２０の先端部２１に電界が一極集中する度合いが非常に高くなる。そのため、放電電極２０に保持された液体に効率的に電荷が集中する。これによって、帯電微粒子液が大量に発生する。

　加えて、帯電微粒子液は、筒状電極部３４の内周面３６に引き寄せられるように第１の開口３１内に導入される。そして、帯電微粒子液は、そのままイオン風に乗って筒状電極部３４内を通過し、吐出口３５から外部空間に向けて吐出される。

　つまり、本実施形態の静電霧化装置１０によれば、主体部３３の第１の開口３１の周縁から筒状電極部３４が延設されているので、放電電極２０の先端部２１に対して電界を強力に一極集中させることができる。そのため、ラジカルを含む帯電微粒子液を大量に生成することができる。また、生成された帯電微粒子液を、対向電極３０の内面３２に付着させることなく第１の開口３１を通じて高効率で外部に放出させることができる。結果として、ラジカルを含む帯電微粒子液が、外部空間に大量に放出される。

　本実施形態では、筒状電極部３４の軸方向を、放電電極２０の先端部２１を中心とし、最短距離Ｒを半径として描く円弧線における第１の開口３１を通過する法線方向（図１中における真上方向）と一致させている。つまり、筒状電極部３４の軸方向は、第１の開口３１の中心を通過する前記球面の径方向と一致している。

　このようにすれば、帯電微粒子液が筒状電極部３４の内周面３６に付着し難くなる。そのため、帯電微粒子液を、筒状電極部３４の内周面３６に極力付着させることなく、イオン風に乗せて外部に吐出させることができる。例えば、筒状電極部３４の軸方向が前記法線方向から３０度傾いた方向に設定された静電霧化装置１０と、図１に示すように筒状電極部３４の軸方向が前記法線方向と一致するように設定された静電霧化装置１０とを比較すると、前者から外部に放出される帯電微粒子液の量は、後者から外部に放出される帯電微粒子液の量よりも大幅（１／１０程度）に減少する。

　図３Ｂは、放電電極２０と対向電極３０における寸法設定と、外部に吐出されるラジカル量との関係を示している。図３Ａのように、筒状電極部３４の内径をＤ［ｍｍ］、筒状電極部３４の高さ（軸方向の長さ）をＨ［ｍｍ］、対向電極３０の高さをＬ［ｍｍ］とする。ここで、対向電極３０の高さとは、対向電極３０の主体部３３における放電電極２０側の開口（以下、「第２の開口」という）３７から筒状電極部３４の吐出口３５までの長さである。また、Ｒの単位を［ｍｍ］とする。なお、図３Ａに示す例では、放電電極２０の先端部２１と、対向電極３０の第２の開口３７とは、同一高さに位置している。したがって、図３Ａに示す例では、（Ｌ－Ｈ）^２＋（Ｄ／２）^２＝Ｒ^２の関係が成り立つ。

　ここで、例えばＬ＝７［ｍｍ］、Ｒ＝５［ｍｍ］の寸法を保持したままＤの寸法を変化させていく。この場合、上記の式よりＨは、Ｄに依存して決定される。また、Ｄ／２とＲとの比の変化（即ち、Ｄ／２Ｒの値の変化）に対応して、図３Ｂに示すように外部に吐出されるラジカル量が変化する。

　図３Ｂに示すように、０．４＜Ｄ／２Ｒ＜０．５の範囲内に、最も高効率でラジカルが生成及び吐出されるラジカルピークがある。そして、性能保障範囲としてラジカル量をこのラジカルピーク時の５０％以上に確保しようとすると、Ｄ／２とＲとの比を０．１＜Ｄ／２Ｒ＜１の範囲内に収める必要があることが分かる。

　なお、同一条件下でＨだけを変化させた場合のラジカル量の結果は下記表１に示す通りである。表１から、筒状電極部３４の高さＨは、Ｈ≧３［ｍｍ］以上を確保することが好ましいことが分かる。表１中のＨ＝０［ｍｍ］の場合とは、対向電極３０に筒状電極部３４を設けていない場合である。この結果からも、対向電極３０に筒状電極部３４を設けることでラジカル量が増大することが分かる。

　また、同一条件下でＲだけを変化させた場合には、Ｒが大きくなるほどラジカル量が増加する傾向にある。これは、Ｒが大きくなるほどより高電圧で静電霧化現象が開始されるようになって放電電極２０の先端部２１に大きなエネルギが投入され、結果としてラジカル量が増大するからであると考えられる。

　図４～図６には、各種の変形例を示している。図４Ａに概略的に示すように、対向電極３０には、複数の第１の開口３１が貫設してあってもよい。この場合、主体部３３の外面における複数の第１の開口３１の少なくとも一つの周縁から筒状電極部３４が延設されていればよい。また、筒状電極部３４は必ずしも外部から筒状に視認される必要はない。例えば、図４Ｂに概略的に示すように、静電霧化装置１０は、対向電極３０を保持する保持部材６０を備えていてもよい。保持部材６０は、筒状電極部３４の吐出口３５だけを露出させた状態で対向電極３０を覆うように構成されている。

　また、対向電極３０の第２の開口３７と放電電極２０の先端部２１とは必ずしも同一高さである必要はない。例えば、図５及び図６に示すように、静電霧化装置１０は、第２の開口３７と放電電極２０の先端部２１との距離がＡ［ｍｍ］となるように構成されていてもよい。以下においては、放電電極２０の先端部２１から対向電極３０の第２の開口３７までの距離を、リフトアップ高さ：Ａ［ｍｍ］とする。したがって、図５に示す例においては、［（Ｌ＋Ａ）－Ｈ）］^２＋（Ｄ／２）^２＝Ｒ^２の関係が成り立つ。

　図５及び図６に示す例では、リフトアップ高さＡを設定し、対向電極３０の主体部３３は、側面視において放電電極２０の先端部２１を覆い隠すことがないように浅く形成されている。このような場合であっても、Ｄ／２とＲとの比を０．１＜Ｄ／２Ｒ＜１の範囲内に収めることでラジカル量を確保できる。但し、このときは更に２×（Ｒ^２－Ａ^２）^１／２＞Ｄの範囲内となる。具体的な寸法としては、例えばＬ＝３．８３［ｍｍ］、Ｒ＝５［ｍｍ］、Ｈ＝１．５［ｍｍ］、Ｄ＝５［ｍｍ］、Ａ＝２［ｍｍ］である。

　なお、対向電極３０の断面における内面３２の輪郭線は、放電電極２０の先端部２１を中心とする半径Ｒの円弧線と厳密な意味で同一である必要はなく、当該円弧線に概ね沿うようになっていればよい。例えば、前記輪郭線は、複数の直線を連続させた折れ線であってもよい。この場合、対向電極３０の主体部３３の内面３２は、放電電極２０の先端部２１から半径Ｒを隔てて形成される複数の平面を組み合わせて半球状に構成した凹面となる。

　また、対向電極３０の内面３２は半球状の凹面に限定されない。例えば、対向電極３０は、逆Ｕ字状に電極板を湾曲させた構造であってもよい。この場合であっても、対向電極３０の断面における内面３２の輪郭線の少なくとも一部が放電電極２０の先端部２１を中心とする半径Ｒの円弧線に沿うように対向電極３０を形成すればよい。勿論この場合においても、対向電極３０の断面における内面３２の輪郭線は、複数の直線を連続させた折れ線とすることができる。

Claims

　放電電極と、
　前記放電電極から距離を隔てて位置する対向電極と、
　前記放電電極の先端部に液体を保持させる液供給手段と、
　前記放電電極の先端部に保持された液体から帯電微粒子液が生成されるように前記放電電極の先端部と前記対向電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備える静電霧化装置であって、
　前記対向電極は、前記帯電微粒子液を外部に放出するための開口を有し、
　前記対向電極における前記放電電極側の表面は、前記放電電極の先端部を囲むような凹面であり、
　前記対向電極の前記開口の周縁からは、前記放電電極から離れる方向に向けて筒状電極部が延設されていることを特徴とする静電霧化装置。
　前記表面の少なくとも一部は、前記放電電極の先端部を中心とする一様な半径の球面であることを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
　前記筒状電極部の軸方向は、前記開口の中心を通過する前記球面の径方向と一致していることを特徴とする請求項２記載の静電霧化装置。
　前記筒状電極部の内径をＤ、前記球面の半径をＲとしたとき、０．１＜Ｄ／２Ｒ＜１を満たすことを特徴とする請求項２記載の静電霧化装置。