WO2013047168A1

WO2013047168A1 - 静電霧化装置

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Publication number: WO2013047168A1
Application number: PCT/JP2012/073049
Authority: WO
Inventors: 泰浩小村; 浅野　幸康; 須田　洋; 純平大江; 昌治町; 彩香住元
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2013-04-04
Also published as: EP2762236A4; EP2762236A1; US20140209710A1; CN103781555A; JP2013075265A

Abstract

本発明に係る静電霧化装置は、液体（１０）に電場を与えるための電極（放電電極（１）と対向電極（２））と、前記液体（１０）に電場を与えて静電霧化させるために前記電極（放電電極（１）と対向電極（２））に駆動電圧を印加する電圧印加手段（４）と、を備える。前記駆動電圧は、所定周波数で振動する電圧である。前記駆動電圧の振動の基準となる基準値は負である。

Description

静電霧化装置

　本発明は、帯電微粒子水を発生させる静電霧化装置に関する。

　文献１（日本国公開特許公報第２００６－２７２０９２号）には、静電霧化装置が開示されている。この静電霧化装置は、霧化電極と、霧化電極に対向する対向電極と、霧化電極の先端に液体を搬送する搬送供給体を備え、霧化電極の先端と対向電極の間に電圧を印加することで、霧化電極の先端に搬送された液体を静電霧化して帯電微粒子水を生成する。

　ところで、文献１に示す静電霧化装置において、多量の帯電微粒子水を発生させるには、液体に大きなエネルギーを与えるために霧化電極の先端と対向電極の間に印加される電圧を大きくすることが考えられるが、この場合、アーク放電が生じる恐れがある。このようにアーク放電に移行すると、エネルギーが無駄に消費されて結果として帯電微粒子水を多量に発生させることができず、また、放電の制御が不能になったり、音鳴りが生じたりすることも懸念される。

　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、アーク放電が生じることを抑制しつつ、帯電微粒子水の量を増やすことができる静電霧化装置を提供することを課題とする。

　本発明に係る第１の形態の静電霧化装置は、液体に電場を与えるための電極部と、前記液体に電場を与えて静電霧化させるために前記電極部に駆動電圧を印加する電圧印加手段と、を備える。前記駆動電圧は、所定周波数で振動する電圧である。前記駆動電圧の振動の基準となる基準値は負である。

　本発明に係る第２の形態の静電霧化装置では、第１の形態において、前記基準値は、前記駆動電圧の振動の中心値、または、前記駆動電圧の一周期の平均値である。

　本発明に係る第３の形態の静電霧化装置では、第１または第２の形態において、前記駆動電圧の最大値は、０以上である。

　本発明に係る第４の形態の静電霧化装置では、第１または第２の形態において、前記駆動電圧は、交流電圧である。

　本発明に係る第５の形態の静電霧化装置では、第１または第２の形態において、前記駆動電圧の最大値は負である。

　本発明に係る第６の形態の静電霧化装置では、第１～第５の形態のいずれかにおいて、前記駆動電圧の最大値は、前記液体の静電霧化が開始される負の電圧である放電開始電圧よりも大きい。

　本発明に係る第７の形態の静電霧化装置では、第１～第６の形態のいずれかにおいて、前記電極部は、前記液体を保持する放電電極を備える。前記電圧印加手段は、前記駆動電圧を前記放電電極に印加するように構成される。

　本発明に係る第８の形態の静電霧化装置では、第７の形態において、前記電極部は、前記放電電極に対向して配置される対向電極を備える。前記対向電極は、前記液体の静電霧化により発生したミストを通す開口を有する。前記駆動電圧は、前記対向電極の電位を基準とする電圧である。

　本発明に係る第９の形態の静電霧化装置では、第１～第６の形態のいずれかにおいて、前記電極部は、前記液体を保持する放電電極と、前記放電電極に対向して配置される対向電極と、を備える。前記対向電極は、前記液体の静電霧化により発生したミストを通す開口を有する。前記電圧印加手段は、前記駆動電圧を前記対向電極に印加するように構成される。前記駆動電圧は、前記放電電極の電位を基準とする電圧である。

　本発明に係る第１０の形態の静電霧化装置では、第１～第９の形態のいずれかにおいて、前記所定周波数は、高周波である。

　本発明に係る第１１の形態の静電霧化装置では、第１０の形態において、前記所定周波数は、５０ｋＨｚ～２５０ｋＨｚである。

　本発明に係る第１２の形態の静電霧化装置では、第１～第１１の形態のいずれかにおいて、前記電圧印加手段が圧電素子を用いたものである。

　本発明に係る第１３の形態の静電霧化装置では、第１～第１２の形態のいずれかにおいて、前記放電電極に前記液体を供給する液供給手段をさらに備える。

本発明の一実施形態の静電霧化装置の概略図である。上記静電霧化装置において電圧印加手段によって放電電極に印加される駆動電圧を示すグラフである。第１変形例の上記駆動電圧を示すグラフである。第２変形例の上記駆動電圧を示すグラフである。第２変形例の上記駆動電圧と放電開始電圧との関係を示すグラフである。第２変形例の上記駆動電圧と放電開始電圧との関係を示すグラフである。上記静電霧化装置のペルチェユニットを示す断面図である。上記静電霧化装置の比較例において電圧印加手段によって放電電極に印加される駆動電圧を示すグラフである。

　図１は、本発明の一実施形態の静電霧化装置を示す。図１に示す本実施形態の静電霧化装置は、液体１０に電場を与えるための電極部を備える。電極部は、放電電極１と、放電電極１に対向する対向電極２を備えている。また、静電霧化装置は、放電電極１に液体１０を供給するペルチェユニット７で構成された液供給手段と、放電電極１に供給された液体に電圧を印加して静電霧化を生じさせる電圧印加手段４を備えている。

　放電電極１は、液体１０を保持するために用いられる。たとえば、放電電極１は、導電性材料により棒状に形成されている。放電電極１の先端部は、液体１０を静電霧化させるための霧化部として用いられる。すなわち、放電電極１は棒状に形成されてその先端部が霧化部となる。

　対向電極２は、導電性材料により板状に形成される。対向電極２は、液体１０の静電霧化により発生したミストを通す開口２１を有する。対向電極２は、放電電極１に対向して配置される。本実施形態では、対向電極２は接地されている。したがって、対向電極２の電位は０Ｖである。すなわち、対向電極２は円環状に形成され、放電電極１の先端に対向する位置に設けられ、接地されている。

　液供給手段を構成するペルチェユニット７には、冷却部を構成する絶縁板５と、放熱部を構成する放熱フィン６が設けられている。

　ペルチェユニット７は、図７に示すように、一対のペルチェ回路板８と、両ペルチェ回路板８で挟持されたＢｉＴｅ系の熱電素子９とで構成されている。

　各ペルチェ回路板８は、熱伝導性の高いアルミナや窒化アルミニウムからなる絶縁板の片面側に回路を形成したものであり、両ペルチェ回路板８は互いの回路が向き合うように対向している。

　熱電素子９は両ペルチェ回路板８の間において多数並べて設けられており、隣接する熱電素子９同士は両側のペルチェ回路板８が有する回路で電気的に接続されている。

　一方のペルチェ回路板８の外側には絶縁板５が接続され、他方のペルチェ回路板８の外側には放熱フィン６が接続されている。

　図１に示すように絶縁板５のペルチェユニット７と反対側の面には放電電極１が立設され、この放電電極１は絶縁板５を介して前記一方のペルチェ回路板８に熱的に接続されている。

　ペルチェユニット７の熱電素子９に図示しないペルチェ入力リード線を介して通電がなされると、絶縁板５が設けられた一方のペルチェ回路板８側から放熱フィン６が設けられた他方のペルチェ回路板８側に向けて熱が移動し、これによって絶縁板５が冷却される。そして、このように絶縁板５が冷却されることで放電電極１が冷却され、これにより空気中の水蒸気が放電電極１の先端部に結露して放電電極１に水（結露水）が付着する。このようにして、放電電極１に液体１０が供給される。

　電圧印加手段４は例えば圧電素子を用いた発振回路等で構成されている。電圧印加手段４は放電電極１に接続されている。電圧印加手段４によって放電電極１に印加される電圧（駆動電圧）は、周波数が５０ｋＨｚ～２５０ｋＨｚの範囲内で設定された高周波の電圧であり、図２に示すように中心値が負となる。

　このように、電圧印加手段４は、液体１０に電場を与えて静電霧化させるために電極部に駆動電圧を印加するように構成される。

　図２に示すように、本実施形態では、駆動電圧は、所定周波数で振動する電圧である。駆動電圧の振動の基準となる基準値は負である。

　駆動電圧の波形は、正弦波である。駆動電圧の所定周波数は、高周波であり、たとえば、５０ｋＨｚ～２５０ｋＨｚである。基準値は、駆動電圧の振動の基準となる値（電圧）であり、本実施形態では駆動電圧の振動の中心値（－５ｋＶ）である。駆動電圧の振幅は５ｋＶである。したがって、駆動電圧の最大値は０ｋＶであり、駆動電圧の最小値は－１０ｋＶである。そのため、駆動電圧の最大値は０［ｋＶ］以上である。

　本実施形態では、対向電極２は、接地されている。したがって、電圧印加手段４は、放電電極１と対向電極２との間に駆動電圧が発生するように、放電電極１に電位（負の電位）を与える。

　また、駆動電圧の基準値は、たとえば、駆動電圧の一周期の平均値であってもよい。また、印加電圧（駆動電圧）は高周波であればよく、その波形は正弦波に限定されるものではない。たとえは、駆動電圧の波形は、のこぎり波、矩形波、三角波などであってもよい。

　本実施形態の静電霧化装置を用いて静電霧化を生じさせるには、まず、ペルチェユニット７を駆動して前述のように放電電極１の先端部に結露水（液体１０）を供給する。また、電圧印加手段４によって放電電極１に前記高周波の電圧（駆動電圧）を印加する。

　すると、放電電極１と対向電極２との間に印加された高周波の電圧（駆動電圧）により、放電電極１の先端部に保持された水（液体１０）と対向電極２との間にクーロン力が働き、水の液面が局所的に錐状に盛り上がり（テーラーコーン）が形成される。

　このテーラーコーンの先端には電荷が集中してこの部分における電界強度が大きくなって、当該部分に生じるクーロン力が大きくなり、更にテーラーコーンを成長させる。

　そして、このようにテーラーコーンが成長してテーラーコーンの先端に電荷が集中すると、テーラーコーンの先端部分の水（液体１０）が大きなエネルギー（高密度となった電荷の反発力）を受け、表面張力を超えて分裂・飛散を繰り返す。

　これにより負に帯電したナノメータサイズの帯電微粒子水が発生する。

　このように生成された帯電微粒子水はナノメータサイズのミストであって非常に小さいため、長時間浮遊し、また、拡散性も高い。

　また、この帯電微粒子水にはヒドロキシラジカルやスーパーオキサイド等の活性種を有しているため、臭いの成分やアレルゲン物質、ウイルスや菌を効果的に分解、不活性化あるいは抑制あるいは除菌することができる。

　以上述べたように、本実施形態の静電霧化装置は、放電電極１と、この放電電極１に液体１０を供給する液供給手段（ペルチェユニット７）と、放電電極１に供給された液体１０に電圧を印加して静電霧化を生じさせる電圧印加手段４を備えた静電霧化装置であって、電圧印加手段４が高周波で且つ中心値が負である電圧を液体１０に印加するものである。

　換言すれば、本実施形態の静電霧化装置は、液体１０に電場を与えるための電極部と、液体１０に電場を与えて静電霧化させるために電極部に駆動電圧を印加する電圧印加手段４と、を備える。駆動電圧は、所定周波数で振動する電圧である。駆動電圧の振動の基準となる基準値は負である。

　特に、本実施形態の静電霧化装置では、基準値は、駆動電圧の振動の中心値である。

　特に、本実施形態の静電霧化装置では、駆動電圧の最大値は、０以上である。

　特に、本実施形態の静電霧化装置では、電極部は、液体１０を保持する放電電極１を備える。電圧印加手段４は、駆動電圧を放電電極１に印加するように構成される。

　特に、本実施形態の静電霧化装置では、所定周波数（駆動電圧の所定周波数）は、高周波である。

　特に、本実施形態の静電霧化装置では、放電電極１に液体１０を供給する液供給手段（本実施形態では、ペルチェユニット７）をさらに備える。

　ここで、本実施形態では、前記静電霧化を生じさせるにあたって、電圧印加手段４が放電電極１に対して前記高周波で且つ基準値（本実施形態では中心値）が負である電圧を印加するため、アーク放電が生じることを抑制できる。

　すなわち、放電電極１に印加される電圧（駆動電圧）が図２に示されるように、高周波で且つ正方向の最大値が０Ｖであると、印加電圧（駆動電圧）の絶対値は一時的に放電開始電圧（液体１０の静電霧化が開始される負の電圧）Ｖｄの絶対値を下回る。そのため、一時的に静電霧化が中止される。その結果、アーク放電が継続して生じることが防止される。

　また、このようにアーク放電が生じ難いため、エネルギーを帯電微粒子水の生成に用いることができ、生成される帯電微粒子水の量を増やすことが可能になる。

　なお、電圧印加手段４により放電電極１に印加される高周波の電圧（駆動電圧）が図８のように基準値（本実施形態では中心値）が０Ｖの電圧であると、前述のテーラーコーンが形成され難くなる。このため、生成される帯電微粒子水の量を増やすためには、前記高周波の印加電圧（駆動電圧）の基準値（本実施形態では中心値）が負であることが好ましい。

　以上述べたように、本実施形態の静電霧化装置によれば、アーク放電が生じることを抑制しつつ、生成される帯電微粒子水の量を増やすことができる。

　駆動電圧は、図２に示す例（基本例）に限定されない。たとえば、本実施形態の静電霧化装置の第１変形例では、電圧印加手段４は、図３に示す駆動電圧を生成するように構成されていてもよい。

　第１変形例の駆動電圧は、主に基準値が基本例の駆動電圧（図２参照）と異なる。すなわち、第１変形例の駆動電圧の基準値（中心値）は－２ｋＶである。したがって、第１変形例の駆動電圧の最大値は３ｋＶであり、最小値は－７ｋＶである。そのため、第１変形例の駆動電圧の最大値は正である。換言すれば、駆動電圧は、交流電圧である。

　このように、第１変形例の印加電圧（駆動電圧）は、図３に示すうように正負が繰り返し入れ換わる交流電圧である。すなわち、本実施形態の静電霧化装置では、電圧印加手段４によって液体１０に印加される電圧が交流である。

　この場合、電圧印加時に生じる電場の静電気力によって放電電極１近傍の空気イオンが捕捉されるので、多量の活性種を含む帯電微粒子水を生成することができる。

　このように、放電電極１に印加される電圧（駆動電圧）が図３に示されるように、高周波で且つ正方向の最大値が正（すなわち交流電圧）であると、印加電圧（駆動電圧）の絶対値は一時的に放電開始電圧の絶対値を下回るためアーク放電が継続して生じることが防止される。

　また、本実施形態の静電霧化装置の第２変形例では、電圧印加手段４は、図４に示す駆動電圧を生成するように構成されていてもよい。

　第２変形例の駆動電圧は、主に基準値が基本例の駆動電圧と異なる。すなわち、第２変形例の駆動電圧の基準値（中心値）は－１０ｋＶである。したがって、第２変形例の駆動電圧の最大値は－５ｋＶであり、最小値は－１５ｋＶである。そのため、第２変形例の駆動電圧の最大値は負である。

　すなわち、駆動電圧は、図４のように正方向の最大値が負に設定されるものであってもよい。

　このように、放電電極１に印加される電圧（放電電圧）が図４に示すように常に負となる場合も放電がアーク放電に移行することを抑制できる。

　例えば図５に示すように、放電開始電圧Ｖｄが印加電圧（駆動電圧）の最大値と最小値との間にある場合、上記図２や図３に示す例と同様、印加電圧（駆動電圧）の絶対値は一時的に放電開始電圧Ｖｄの絶対値を下回る。そのため、一時的に静電霧化が中止される。その結果、アーク放電が継続して生じることが防止される。

　すなわち、駆動電圧の最大値は、液体１０の静電霧化が開始される負の電圧である放電開始電圧Ｖｄよりも大きいことが好ましい。

　また、図６のように印加電圧（駆動電圧）の絶対値が放電開始電圧Ｖｄの絶対値よりも大きくても、以下の理由によりアーク放電が継続して生じにくくなる。

　すなわち、印加電圧が直流電圧であると、電極間距離の最も小さなところが最も小さいのでその１点のみで放電する。しかし、印加電圧が高周波の電圧であると、電極間の抵抗値だけでなくコンデンサー容量等も考慮されて、電極間距離の多少の違いではインピーダンス（抵抗）に違いが現れず多数の点で放電が生じる。このため、印加電圧が高周波の電圧であると、アーク放電には移行し難くなる。

　また、本実施形態の静電霧化装置では、電圧印加手段３によって液体１０に印加される電圧の周波数が５０ｋＨｚ～２５０ｋＨｚである。すなわち、所定周波数は、５０ｋＨｚ～２５０ｋＨｚである。

　そのため、電圧印加手段３のコストとサイズを抑えたまま、大量の酸性成分を生成することができる。

　また、本実施形態の静電霧化装置では、電圧印加手段４が圧電素子を用いたものである。

　そのため、電圧印加手段４のコストとサイズを抑制できる。

　また、本実施形態の静電霧化装置は、放電電極１に対向する対向電極２を備える。換言すれば、本実施形態の静電霧化装置では、電極部は、放電電極１に対向して配置される対向電極２を備える。対向電極２は、液体の静電霧化により発生したミスト（帯電微粒子水）を通す開口２１を有する。駆動電圧は、対向電極２の電位（本実施形態では０Ｖ）を基準とする電圧である。

　そのため、本実施形態の静電霧化装置によれば、放電電極１と対向電極２との間に発生する電界強度を高めることができて、帯電微粒子水の量を増やすことができる。

　なお、本実施形態の対向電極２は放電電極１との間の電界強度を高めて帯電微粒子水を多量に発生させるために設けたものであり、省略可能である。

　また、本実施形態では、電圧印加手段４から放電電極１に高周波の電圧を印加したが、上記実施形態と同様の高周波の電圧が放電電極１に供給された液体１０にかかるように対向電極２に電圧を印加しても構わない。すなわち、電圧印加手段４は放電電極１に供給された液体１０に前記高周波の電圧を印加するものであればよい。

　より詳しく説明すると、本実施形態の静電霧化装置の別の例では、電極部は、液体を保持する放電電極１と、放電電極１に対向して配置される対向電極２と、を備える。対向電極２は、液体の静電霧化により発生したミスト（帯電微粒子水）を通す開口２１を有する。電圧印加手段４は、駆動電圧を対向電極２に印加するように構成される。駆動電圧は、放電電極１の電位を基準とする電圧である。この例では、放電電極１は、たとえば、接地され、０Ｖの電位を有する。

　また、前記実施形態において電圧印加手段４によって放電電極１又は対向電極２に印加される電圧の周波数は５０ｋＨｚ～２５０ｋＨｚの範囲外の高周波であってもよい。

　また、液供給手段はペルチェユニット７に限定されるものではなく、タンク等で構成される水溜部から放電電極１に毛細管等を利用して水を供給する等の公知の技術を用いてもよい。また、液供給手段によって放電電極１に供給される液体１０は水に限定されない。

Claims

　液体に電場を与えるための電極部と、
　前記液体に電場を与えて静電霧化させるために前記電極部に駆動電圧を印加する電圧印加手段と、
　を備え、
　前記駆動電圧は、所定周波数で振動する電圧であり、
　前記駆動電圧の振動の基準となる基準値は負である
　ことを特徴とする静電霧化装置。
　前記基準値は、前記駆動電圧の振動の中心値、または、前記駆動電圧の一周期の平均値である
　ことを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
　前記駆動電圧の最大値は、０以上である
　ことを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
　前記駆動電圧は、交流電圧である
　ことを特徴とする請求項３記載の静電霧化装置。
　前記駆動電圧の最大値は負である
　ことを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
　前記駆動電圧の最大値は、前記液体の静電霧化が開始される負の電圧である放電開始電圧よりも大きい
　ことを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
　前記電極部は、前記液体を保持する放電電極を備え、
　前記電圧印加手段は、前記駆動電圧を前記放電電極に印加するように構成される
　ことを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
　前記電極部は、前記放電電極に対向して配置される対向電極を備え、
　前記対向電極は、前記液体の静電霧化により発生したミストを通す開口を有し、
　前記駆動電圧は、前記対向電極の電位を基準とする電圧である
　ことを特徴とする請求項７記載の静電霧化装置。
　前記電極部は、
　　前記液体を保持する放電電極と、
　　前記放電電極に対向して配置される対向電極と、
　を備え、
　前記対向電極は、前記液体の静電霧化により発生したミストを通す開口を有し、
　前記電圧印加手段は、前記駆動電圧を前記対向電極に印加するように構成され、
　前記駆動電圧は、前記放電電極の電位を基準とする電圧である
　ことを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
　前記所定周波数は、高周波である
　ことを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
　前記所定周波数は、５０ｋＨｚ～２５０ｋＨｚである
　ことを特徴とする請求項１０記載の静電霧化装置。
　前記電圧印加手段が圧電素子を用いたものである
　ことを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
　前記放電電極に前記液体を供給する液供給手段をさらに備える
　ことを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。