JP4665839B2 - 静電霧化装置 - Google Patents

Description

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。

液体（例えば、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いる液体にレイリー分裂を生じさせて霧化させることでナノメータサイズの帯電微粒子水（ナノサイズミスト）を生成する静電霧化装置がある。

上記帯電微粒子水は、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。

しかし、水タンクに入れた水を毛細管現象によって放電電極に供給するものでは、水タンクへの水の補給を使用者に強いることになる。この手間を不要とするために空気を冷却することで水を生成する熱交換部を設けて、熱交換部で生成した水（結露水）を放電電極に供給することが考えられるが、この場合、熱交換部で結露水を生成してこの水を放電電極まで送るのに少なくとも数分程度の時間がかかってしまう。

これに対して本出願人は、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当該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制御手段とを備えた静電霧化装置を提案している（特許文献１参照）。
特開２００６−１２２８１９公報

しかしながら、特許文献１に記載されている従来例のように、一定量のナノサイズミストを安定して生成するために放電電極への水の供給量を制御する場合、水タンクからの補給又は放電電極部分への結露水生成による補給の何れにおいても応答時間が遅いという問題や制御が複雑になるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、液体の供給量を制御する場合に比較して制御が簡単であり且つ応答時間を早くできる静電霧化装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、静電霧化される液体が供給される放電電極と、放電電極に対向配置される対向電極と、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、放電電極と対向電極の間に高電圧を印加して放電を生じさせる高電圧発生手段と、前記両電極間の放電状態を検出する検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて所望の放電状態を維持するように高電圧発生手段の出力を制御する制御手段とを備え、前記検出手段は、前記両電極間に流れる放電電流を検出し、前記制御手段は、検出手段が検出する放電電流値を所望の目標値に一致させるように高電圧発生手段の出力をフィードバック制御することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記目標値を予め決められた範囲内で任意の値に設定する目標値設定手段を備えたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記目標値設定手段は、前記目標値として零を設定可能であり、前記制御手段は、設定された目標値が零であるときは高電圧発生手段の出力を停止することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、放電電極と対向電極の両電極間に生じる放電状態を検出手段で検出し、検出手段の検出結果に基づいて所望の放電状態を維持するように制御手段が高電圧発生手段の出力を制御することにより、一定量のナノサイズミストを安定して生成することができ、しかも、液体の供給量を制御する場合に比較して高電圧発生手段の出力制御の方が簡単であり且つ応答時間を早くできる。さらに、放電状態を示す指標として放電電流を検出し、放電電流値を所望の目標値に一致させるように制御手段が高電圧発生手段の出力をフィードバック制御することにより、高電圧発生手段の出力制御が簡単に行える。

請求項２の発明によれば、目標値設定手段で目標値を変えることによってナノサイズミストの生成量が可変できる。

請求項３の発明によれば、目標値設定手段で目標値を零に設定することによって、高電圧発生手段を停止してナノサイズミストの生成を止めることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１に示すように本実施形態は、放電電極１と、放電電極１の先端と所定の距離をおいて対向配置されるとともに内周縁が実質的な電極として機能する対向電極２と、これら両電極１，２間に高電圧を印加して放電を生じさせる高電圧発生回路３と、対向電極２を通して両電極１，２間に流れる放電電流を検出する放電電流検出回路４と、放電電流検出回路４の検出結果に基づいて所望の放電状態を維持するように高電圧発生回路３の出力を制御する制御回路５とを備えている。ここで、対向電極２は接地されており、放電時には放電電極１側に負もしくは正の高電圧（例えば、数キロボルトの負電圧）が印加される。また、放電電極１へは従来技術で説明した冷却手段（図示せず）によって液体（例えば、水）が供給される。

ここで、放電電極１上に水分（結露水）を付着させた状態で放電電圧を放電電極１と対向電極２との間に印加すると、放電電極１上の水は対向電極２側に引っ張られてテーラーコーンＴＣと称される形状のものになるとともに、そのテーラーコーンＴＣの先端においてレイリー分裂が生じてナノメータサイズの帯電微粒子水が生成されることで液体（水）が霧化されるのであるが、この時、放電電圧（両電極１，２間に印加される電圧）が一定であれば、放電電流の減少とともにテーラーコーンＴＣも縮小して帯電微粒子水の生成量が減少し、放電電流の増加とともにテーラーコーンＴＣも拡大して帯電微粒子水の生成量が増加することが判っている。すなわち、上述のように放電状態と帯電微粒子水の生成量との間には相関関係が存在するから、例えば、放電電圧を調整して放電電流が一定になるようにフィードバック制御すれば、放電電極１に対する液体の供給量にかかわらずに一定量の帯電微粒子水を安定して生成することができるものである。

そのために本実施形態では、対向電極２を通して流れる放電電流を放電電流検出回路４で検出し、制御回路５において、その検出値（放電電流値）を所望の目標値と比較するとともに検出値と目標値の差をなくすように高電圧発生回路３を制御して出力電圧（放電電圧）を増減している。

図２は本実施形態の具体回路図を示している。高電圧発生回路３は従来周知の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータからなり、直流電源Ｅの両極間に絶縁トランスの１次巻線Ｌ１とスイッチング素子Ｑ１と抵抗Ｒ１２の直列回路が接続され、絶縁トランスの２次巻線Ｌ２にダイオードＤ１，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。また、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の接続点とスイッチング素子Ｑ１のベースとの間に絶縁トランスの補助巻線Ｌ３が抵抗Ｒ１３を介して接続されるとともに、スイッチング素子Ｑ１のベース−エミッタ間に制御用のスイッチング素子Ｑ２が接続され、さらにスイッチング素子Ｑ２のベースが抵抗Ｒ１４を介して抵抗Ｒ１２とスイッチング素子Ｑ１のエミッタの接続点に接続されている。すなわち、スイッチング素子Ｑ１がターンオンして絶縁トランスの１次巻線Ｌ１に電流が流れると抵抗Ｒ１２の両端電圧が上昇してスイッチング素子Ｑ２がターンオンし、スイッチング素子Ｑ１のベースがスイッチング素子Ｑ２を介してグランドに接続されるためにスイッチング素子Ｑ１がオフし且つ抵抗Ｒ１２に電流が流れなくなることでスイッチング素子Ｑ２もターンオフするが、その後、絶縁トランスの２次巻線Ｌ２に生じる誘起電圧によって補助巻線Ｌ３にも電圧が誘起されるため、スイッチング素子Ｑ１のベース電位が上昇してスイッチング素子Ｑ１がターンオンするという動作を繰り返す、いわゆる自励式のコンバータとなっている。また、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次巻線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次巻線Ｌ２に誘起される電圧が下降するので、スイッチング素子Ｑ２のオンオフのタイミングを調整することによって高電圧発生回路３の出力電圧を変化させることが可能である。

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−エミッタ間に接続されているスイッチＳＷ３を開いてスイッチング素子Ｑ３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、スイッチＳＷ３を閉じてスイッチング素子Ｑ３をオンしている間はスイッチング素子Ｑ１が常時オフするために高電圧を発生させることができなくなっている。なお、スイッチＳＷ３のオンオフ、すなわち高電圧発生回路３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。

放電電流検出回路４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、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、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）に比例した電圧（検出電圧）Ｖｘが出力されることになる（図３参照）。ここで、抵抗Ｒ１０と並列に接続されたコンデンサＣ１によって出力電圧の応答を速めている。また、オペアンプ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電圧（オフセット電圧）が出力されるようになっている。

制御回路５は、直流電源Ｅの電源電圧を分圧して放電電流の目標値に対応したスレッショルド電圧Ｖthを作成する分圧抵抗Ｒ２，Ｒ３と、放電電流検出回路４から出力される検出電圧Ｖｘとスレッショルド電圧Ｖthを比較するコンパレータＣＰとを具備し、コンパレータＣＰの出力端子が抵抗Ｒ１を介して高電圧発生回路３の制御用スイッチング素子Ｑ２のベースに接続されて構成されている。すなわち、検出電圧Ｖｘがスレッショルド電圧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抵抗Ｒ１を介して制御回路５からスイッチング素子Ｑ２のベースに電流が流れ、スイッチング素子Ｑ２がオフするタイミングが早められて２次巻線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がスレッショルド電圧Ｖthよりも低くなってコンパレータＣＰの出力がローレベルになると抵抗Ｒ１を介して制御回路５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、スイッチング素子Ｑ２がオフするタイミングが遅められて２次巻線Ｌ２に誘起される電圧が上昇するため、高電圧発生回路３の出力が上昇し、放電電流が増加することになる。つまり、放電電流検出回路４で検出される検出電圧とスレッショルド電圧Ｖthとの差をなくすように、制御回路５が高電圧発生回路３の出力をフィードバック制御し、その結果、放電電極１と対向電極２の間に流れる放電電流を一定値に維持して一定量の帯電微粒子水（ナノサイズミスト）を安定して生成することができる。しかも、特許文献１に記載されている従来例のように放電電流１への液体（水）の供給量を制御する場合に比較して、上述のように高電圧発生回路３の出力を制御する方が回路構成等が簡単であり且つ応答時間を早くできるという利点がある。

ところで、制御回路５においては、スイッチＳＷ１と分圧抵抗Ｒ４の直列回路並びにスイッチＳＷ２と分圧抵抗Ｒ５の直列回路が分圧抵抗Ｒ２と互いに並列に接続されており、スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオンオフによってスレッショルド電圧Ｖth、すなわち、放電電流の目標値を互いに異なる値に設定可能であるから、目標値設定手段たるスイッチＳＷ１，ＳＷ２及び抵抗Ｒ４，Ｒ５の直列回路で目標値を変えることによって帯電微粒子水の生成量が可変できるものである。但し、スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオンオフは手動で行うようにしてもよいし、上述した電気機器の制御回路がオンオフ制御するようにしても構わない。

ここで、スレッショルド電圧Ｖthとしてオフセット電圧以下の電圧（放電電流の目標値を零以下）に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るからスイッチング素子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回路３を停止させることができる。この場合、高電圧発生回路３の運転・停止を切り換えるためのスイッチング素子Ｑ３やスイッチＳＷ３を削減できるという利点がある。

本発明の実施形態を示すブロック回路図である。 同上の具体回路図である。 同上における放電電流検出回路の出力特性図である。

符号の説明

１ 放電電極
２ 対向電極
３ 高電圧発生手段
４ 放電電流検出回路
５ 制御回路

Claims (3)

1. 静電霧化される液体が供給される放電電極と、放電電極に対向配置される対向電極と、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、放電電極と対向電極の間に高電圧を印加して放電を生じさせる高電圧発生手段と、前記両電極間の放電状態を検出する検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて所望の放電状態を維持するように高電圧発生手段の出力を制御する制御手段とを備え、前記検出手段は、前記両電極間に流れる放電電流を検出し、前記制御手段は、検出手段が検出する放電電流値を所望の目標値に一致させるように高電圧発生手段の出力をフィードバック制御することを特徴とする静電霧化装置。
2. 前記目標値を予め決められた範囲内で任意の値に設定する目標値設定手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。
3. 前記目標値設定手段は、前記目標値として零を設定可能であり、前記制御手段は、設定された目標値が零であるときは高電圧発生手段の出力を停止することを特徴とする請求項２記載の静電霧化装置。

Images