JP4581561B2 - 静電霧化装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電霧化装置、殊に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。

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水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を生成する静電霧化装置がある。

上記帯電微粒子水（ナノサイズミスト）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）を放電電極に送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。
特許第３２６０１５０号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、水の補給の手間が不要である上にナノサイズミストの発生を素早く且つ適切に行う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ものである。

上記課題を解決するために本発明に係る静電霧化装置は、放電電極とこれに対向する対向電極を備えるとともに、上記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水を生成させる冷却手段と、環境温度及び環境湿度に応じて冷却手段による放電電極の冷却温度を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は放電電極の温度を検出して環境温度及び環境湿度に応じて求められた露点以下で且つ氷結しない温度域に上記冷却温度をフィードバック制御するものであることに特徴を有している。現在の環境温度と環境湿度とに応じた適切な温度に放電電極を冷却するために、静電霧化させるための水が放電電極上に適切に生じるものである。

殊に、上記制御手段は放電電極の温度を検出して環境温度及び環境湿度に応じて求められた露点以下で且つ氷結しない温度域に上記冷却温度をフィードバック制御するものであるために、霧化させるための結露水の生成が連続的に且つ安定的になされることになる。

制御手段は放電電極の冷却開始時に冷却手段を高出力で作動させて所定温度まで冷却された時点で冷却手段を温度維持動作に移行させるものであると、霧化させるための水の生成を早急に行うことができる。

この時、所定温度が環境温度と環境湿度とに応じて定めた維持すべき温度であれば、最速で結露させることができ、所定温度が環境温度と環境湿度とに応じて定めた維持すべき温度よりも高い温度であれば、オーバーシュートを低減させることができる。

放電電極の冷却温度は環境温度と環境湿度とに対応するテーブルで予め与えられていると、簡便に温度制御を行うことができる。

また、放電電極の冷却温度は環境温度と環境湿度とを関数とする数式に基づいて求めていると、より精密な温度制御を行うことができる。

放電電極の冷却温度は温度測定誤差や温度勾配等を見込んだ補正がなされたものとしておくことで、より精度の高い温度制御を行うことができて、結露水の確実な生成及び過剰な結露水の生成の防止を行うことができる。

このほか、制御手段は冷却温度に対して予め設定された冷却吸熱量に基づいて放電電極を冷却温度まで冷却するものであってもよい。放電電極の温度を検出する温度センサーが不要となる。

そして制御手段は氷結となる環境条件に対して動作を停止させるものであると、無駄な装置運転を避けることができる。

また、制御手段が放電電極に結露が発生する条件でのみ放電電極と対向電極間に放電を行わせるものであると、無駄な放電状態を避けることができる。

本発明は、現在の環境温度と環境湿度とに応じた適切な温度に放電電極を冷却するために、静電霧化させるための水を放電電極上に適切に生じさせることができるものであり、殊に結露水を放電電極に連続的に且つ安定的に供給することができるものであり、水の補給の手間が不要であるのはもちろん、ナノサイズミストの発生を素早く且つ適切に行うことができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図４は本発明に係る静電霧化装置における静電霧化ユニット１を示しており、筒状のケース１０内には先端が針状となった放電電極２が配置されているとともに、筒状ケース１０の開口部にはリング状で内周縁が実質的な電極として機能する対向電極３が配置されて、放電電極２と対向電極３とが放電用高圧電源４に接続されている。なお、対向電極３は接地されており、放電時には放電電極２側にたとえば−５．５ｋＶの高電圧が印加される。

また放電電極２を冷却するための冷却手段としてのペルチェモジュール５の吸熱側が放電電極２に接続されて設けられている。図中５０はペルチェモジュール５の放熱側に配された放熱フィン、６はペルチェモジュール用の電源である。

また、放電電極２の温度測定用の温度センサーＳ３が設けられているとともに、ケース１０外には環境温度及び環境湿度の測定用の温度センサーＳ１並びに湿度センサーＳ２が設けられている。

図３は上記静電霧化ユニット１を備えた静電霧化装置の全体を示しており、図中７は放熱フィン５０に風を送って放熱を促す放熱ファン、８は上記の放電用高圧電源４やペルチェモジュール用の電源６の動作を制御する制御回路Ｃが実装された回路基板であり、該回路基板７上には動作表示のための複数の発光部Ｌ１〜Ｌ４が設けられている。

図２に回路ブロックを示す。上記制御回路Ｃは前述の各センサーＳ１〜Ｓ３が接続された環境条件判断部と、ペルチェモジュール（の電源）が接続されたペルチェモジュール制御部と、放電部（放電用高圧電源４）が接続された放電電圧制御部を備えたものとして構成されており、該制御回路Ｃは環境温度Ｔｈと環境湿度Ｒｈとの組み合わせに対して設定すべき放電電極２の温度（冷却温度）に関するテーブル（下表参照）を備えている。なお、下表における冷却温度Ｔａ，Ｔｂ，ＴｃはＴａ＜Ｔｂ＜Ｔｃの関係にあって、例えば冷却温度Ｔａ＝−４〜−２℃であり、また表中の「↑」は下欄よりも高い温度、「→↑」は左欄及び下欄よりも高い温度であることを示しており、実際には夫々に露点より低い温度で且つ氷結してしまうことがないある温度もしくはある温度範囲が書き込まれている。また空白欄は、結露せずに氷結してしまう等の理由によってペルチェモジュール５をオフとしてしまう領域を示している。

ちなみに上記の表は、使用したペルチェモジュール５における電極冷却温度に対する必要吸熱量のデータ（図５参照）に基づいて設定したもので、図中Ａ１が結露領域、Ａ２は氷結領域を示している。両者の境界をここでは−１℃にしているが、−４℃まで結露領域Ａ１として扱うことが可能である。

今、上記静電霧化装置による静電霧化の開始スイッチ（図示せず）を投入すれば、制御回路Ｃは図１に示すように環境温度Ｔｈと環境湿度Ｒｈとを上記センサーＳ１，Ｓ２から取り込み、得られた環境温度Ｔｈと環境湿度Ｒｈとに対応する冷却温度のデータを上記テーブルから取り込む。この時、テーブルが空白であればペルチェモジュール５をオフとするとともに放電もオフ状態とし、加湿が必要であることを示す要加湿警告の発光部Ｌ２を点灯させるとともに静電霧化中であることを表示するための発光部Ｌ１を消灯する。

テーブルが空白でなければ、制御回路Ｃは温度センサーＳ３で検出される放電電極２の温度がテーブルに書き込まれた温度となるまでペルチェモジュール５を動作させて冷却するとともに、放電電極２の温度がテーブルに書き込まれた温度に達すれば、以降は放電電極２の温度がテーブルに書き込まれた設定温度±１０％の範囲（この範囲は一例であり、これに限定されるものではない）内に納まるように、あるいはテーブルに温度範囲が書き込まれている時にはその温度範囲内に納まるようにペルチェモジュール５への印加電圧を温度センサーＳ３の出力を基にフィードバック制御し、また放電電極２と対向電極３との間の放電を開始させるとともに要加湿警告の発光部Ｌ２の消灯と、静電霧化中であることを表示する発光部Ｌ１の点灯とを行う。

制御回路Ｃは上記制御を繰り返すことで、放電電極２の表面に結露を生じさせて静電霧化させる水を放電電極２の表面に常に確保するものであり、多すぎない上に少なすぎることもない水が放電電極２の表面に結露によって確保されることから、放電による静電霧化も途切れたりすることなく連続的になされる。

上記のように放電電極２の温度がテーブルに書き込まれた温度にまで冷却された時点で放電を開始するほか、図６に示すように、上記時点から所定時間が経過した時点で放電を開始したり、あるいは図７に示すように、放電電極２の温度が放電開始温度に達した時点で放電を開始したりしてもよい。なお、ここでいう放電開始温度は、上記冷却温度と同様に環境温度と環境湿度との組み合わせに対して夫々予め設定したものである。

またペルチェモジュール５による放電電極２の冷却を開始してから所定時間が経過した時点で放電を開始するようにしてもよい。いずれにしても放電電極２への直接放電を防止して放電電極２の摩耗を防ぐために、放電電極２の表面に結露水が生じていると考えられる状態で放電を開始する。

ペルチェモジュール５による放電電極２の冷却について更に詳しく説明すると、テーブルから読み出した冷却温度まで放電電極２を冷却するにあたっては、まずはペルチェモジュール５をフルパワーで動作させて上記冷却温度まで放電電極２の温度を下げ、その後、は放電電極２の温度がテーブルから得られた冷却温度付近を維持するように、ペルチェモジュール５の冷却能力制御がたとえばデューティ制御で行われる。

ここでのデューティ制御は制御回路ＣからのＰＷＭ出力のパルス波形に応じた直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータから出力してペルチェモジュール５に印加するとともに、上記直流電圧をたとえば０．５Ｖ〜３．０Ｖの間で０．１Ｖ単位で変化させることで行っている。なお、ペルチェモジュール５に対する印加電圧波形を制御（ＰＷＭ制御）することによって冷却能力を制御するようにしてもよい。

図８はある環境温度と環境湿度に対して上限温度がＴ１、下限温度Ｔ２の温度範囲が前記テーブルに書き込まれている場合の制御の一例を示しており、運転開始当初は上限温度Ｔ１に達するまではデューティ９８％（あるいは１００％）のフルパワー冷却、上限温度Ｔ１より低くなれば、下限温度Ｔ２より低い時にデューティ(Duty)を一段もしくは複数段下げ、上限温度Ｔ１と下限温度Ｔ２の範囲内に位置するならばデューティを一段上げる。図９中のイはフルパワーによる冷却期間、ロはデューティ制御による冷却期間を示している。

フルパワーでの冷却は温度Ｔ１＋ｔ（ｔはたとえば２）までとし、下限温度Ｔ２より低い時にデューティを一段下げ、上限温度Ｔ１と下限温度Ｔ２の範囲内あるいは温度Ｔ１＋ｔと下限温度Ｔ２の範囲内に位置するならばデューティを一段上げるという制御を行ってもよい。図１０はこの場合の放電電極２の温度の推移例を示している。

図１１に示すように、上限温度Ｔ１と下限温度Ｔ２の範囲内に温度Ｔが入れば現状のデューティを維持するようにしてもよい。また、ここでは上限温度Ｔ１の条件でのフルパワー冷却は、運転開始当初のみとし、２回目以降はデューティを１段階上げるようにしている。

図１２に更に別の例を示す。ここでは運転開始当初、上限温度Ｔ１に達するまではデューティ９８％（あるいは１００％）のフルパワー冷却を行い、上限温度Ｔ１と下限温度Ｔ２の範囲内に温度Ｔが入れば、最初だけデューティを最低レベル（たとえばデューティ１％）まで落とすようにしている。これは下限温度Ｔ２よりも低くなるオーバーシュートを避ける（あるいはオーバーシュート量を少なくする）ためである。いったん温度Ｔが上限温度Ｔ１より下がったのちは、Ｔ＞Ｔ１でデューティを１段階上げ、Ｔ＜Ｔ２でデューティを１段階下げ、Ｔ２＜Ｔ＜Ｔ１では現状のデューティを維持する制御に移行する。

このほか、図１３に示すように、仮デューティ値を決定して、運転開始当初のフルパワー冷却の後の温度Ｔが上限温度Ｔ１と下限温度Ｔ２の範囲内に入った時には上記仮デューティ値で駆動するようにしてもよい。ペルチェモジュール５にある電圧を加えた時に何度温度を下げることができるかはそのペルチェモジュールによって決まっており、たとえば図１４(a)に示すように、１．０Ｖを印加した時に１０℃温度が下がり、１．５Ｖを印加した時に１５℃温度が下がる時、１０℃温度を下げたい時には１．０Ｖをペルチェモジュール５に印加すればよいわけである。つまり、運転開始時の放電電極２の温度と、上記下限温度Ｔ２との温度差から、放電電極２を上限温度Ｔ１と下限温度Ｔ２の範囲（の下限温度Ｔ２寄り）の温度にするためにペルチェモジュール５に印加すべき電圧は予めわかっており、またＤＣ／ＤＣコンバータの出力とＰＷＭ出力のデューティ値との関係も図１４(b)に示すように予めわかっていることから、運転開始時の放電電極２の温度と、上記下限温度Ｔ２との温度差から上記の仮デューティ値を決定して、この仮デューティ値で駆動するのである。この場合、下限温度Ｔ２よりも低くなるオーバーシュートはもちろん、上限温度Ｔ１よりも高くなるオーバーシュートも抑えることができることになる。なお、いったんいったん仮デューティ値で駆動する状態となってから、Ｔ＞Ｔ１でデューティを１段階上げ、Ｔ＜Ｔ２でデューティを１段階下げ、Ｔ２＜Ｔ＜Ｔ１では現状のデューティを維持する制御に移行する。

上記の制御例では、環境温度がある温度範囲内で且つ環境湿度がある温度範囲内にある時に、放電電極２の温度をある温度範囲内に保つようにしているが、より精密な制御を行うようにしてもよいのはもちろんである。たとえば、環境温度Ｔｈ、環境湿度Ｒｈ，飽和水蒸気圧Ｐｓ、水蒸気圧Ｐ、補正温度α（α＝０〜−３程度）とする時、

で求められる電極冷却温度Ｔｓに放電電極２の温度を保つのである。上記の式を多項式の近似曲線に変換して電極冷却温度Ｔｓを求めてもよい。なお、補正温度αは、センサー入力信号のばらつきや外乱が原因で実際の露点温度よりも高い温度に設定されてしまうことがないようにするために導入した項目である。

ちなみに、前記テーブルも上記の式を演算して得られる値を基に設定したもので、温度５℃刻み、湿度約１０％刻みの場合、ある温度範囲で且つある湿度範囲（たとえば温度３０〜３５℃、湿度６０〜７０％）には１℃刻みの露点温度曲線が複数本入ることになることから、そのうちのもっとも低い露点温度曲線の温度（実際には上記補正温度αが加算されるために算出される露点温度よりも−２℃ほど低い温度）をテーブル中に書き込んでいる。

また、テーブルを用いる場合にしても、たとえば環境温度が２５℃で環境湿度が３０％の時の冷却温度をＴ１１、環境温度が３０℃で環境湿度が３０％の時の冷却温度をＴ１２、環境温度２５℃で環境湿度が４０％の時の冷却温度をＴ１３、環境温度が３０℃で環境湿度が４０％の時の冷却温度をＴ１４と設定したテーブルを設けておき、測定された環境温度が２６℃、環境湿度が３４％であるならば、上記温度Ｔ１１〜Ｔ１４から比例計算によって環境２６℃、環境湿度が３４％の時の冷却温度を求めて、放電電極２の温度をこの冷却温度に保つようにすれば、結露量の制御に関してより細かい制御を行うことができる。テーブルにおける温度刻みや湿度刻みをたとえば２℃刻みと２％刻みのように小さくしても細かい制御を行うことができることになるのはもちろんであり、このように細かく制御することで、過剰な結露水生成を抑制することができる。

このほか、環境温度と冷却温度との差に応じてデューティ比を変更するようにしてもよい。環境条件に適した制御を行うことができることになるために、安定した立ち上がりを得ることができる。

ところで、温度センサーＳ３は放電電極２の温度を測定するためのものであるが、サーミスタなどで構成される温度センサーＳ３は、高電圧が印加される放電電極２に直接設けるわけにはいかず、このために絶縁板などを介して放電電極２の温度を測定することになる。この場合、放電電極２と温度センサーＳ３との間には温度勾配が存在するとともに、この温度勾配は図１５（図中Ｄは放電電極温度、Ｈは温度センサーＳ３で測定される温度）に示すように、ペルチェモジュール５の印加電圧を大きくするほど大きくなる。従って、前記テーブルはこの点を考慮した温度補正値で補正しておくことが好ましい。この温度勾配は一次近似直線の式として表すことができるために、該式によって電極冷却温度を導いてもよい。

以上の各例では放電電極２の温度を測定する温度センサーＳ３を設けたものを示したが、温度センサーＳ３は必ずしも必要ではない。冷却温度に対する冷却吸熱量（図１６）を予め求めておき、放電電極２をある温度まで冷却するにあたっては冷却吸熱量を基に冷却することでその温度まで放電電極２を冷却することができる。

また環境温度と環境湿度とを測定する温度センサーＳ１及び湿度センサーＳ２が静電霧化ユニット１に設けられているものを示したが、外部のセンサーから環境温度と環境湿度の情報が制御回路Ｃに伝達されるようにしたものであってもよい。

この他、放電電流を監視する放電電流監視部を制御回路Ｃに設けておくことが望ましい。放電電極２に結露水が無い状態で放電が生じている場合には放電電流の増加でこれを検知することができるために、放電停止処理を行うことができる。ちなみに図６及び図７における放電異常状態かどうかの判断は上記放電電流監視部による放電電流監視によって行っている。

また放電電極２上に氷結が生じた場合、放電電流が１μＡ以下となり、氷結したものが溶解したならば瞬時に大きな放電電流が流れ、水が少なくなると放電電流が小さくなることから、氷結が生じたかどうか、静電霧化が正常に行われているかどうかも検出することができ、氷結が生じた時の処理（たとえばペルチェモジュール５への電源供給停止やデューティ比変更）などを適切に行うことができる。特に氷結が生じた時にはこれを溶解させて霧化させるという処理を行うことで、静電霧化の停止時間を短縮することができる。

本発明の実施の形態の一例の動作の一例を示すフローチャートである。 同上のブロック回路図である。 同上の斜視図である。 同上の静電霧化ユニットの概略断面図である。 結露領域と氷結領域についての説明図である。 同上の動作の一例のフローチャートである。 同上の動作の他例のフローチャートである。 同上のペルチェモジュールの温度制御に関するフローチャートである。 同上の動作説明図である。 同上の他例の動作説明図である。 同上のペルチェモジュールの温度制御の他例のフローチャートである。 同上のペルチェモジュールの温度制御の更に他例のフローチャートである。 同上のペルチェモジュールの温度制御の別の例のフローチャートである (a)はペルチェモジュールの印加電圧と電極温度との関係の説明図、(b)はデューティとＤＣ／ＤＣコンバーター出力との関係を示す説明図である。 放電電極温度と温度センサーとの間の温度勾配の説明図である。 冷却温度と吸熱量との説明図である。

符号の説明

１ 静電霧化ユニット
２ 放電電極
３ 対向電極
５ ペルチェモジュール
Ｃ 制御回路

Claims (10)

1. 放電電極とこれに対向する対向電極を備えるとともに、上記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水を生成させる冷却手段と、環境温度及び環境湿度に応じて冷却手段による放電電極の冷却温度を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は放電電極の温度を検出して環境温度及び環境湿度に応じて求められた露点以下で且つ氷結しない温度域に上記冷却温度をフィードバック制御するものであることを特徴とする静電霧化装置。
2. 制御手段は放電電極の冷却開始時に冷却手段を高出力で作動させて所定温度まで冷却された時点で冷却手段を温度維持動作に移行させる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。
3. 所定温度が環境温度と環境湿度とに応じて定めた維持すべき温度であることを特徴とする請求項２記載の静電霧化装置。
4. 所定温度が環境温度と環境湿度とに応じて定めた維持すべき温度よりも高い温度であることを特徴とする請求項２記載の静電霧化装置。
5. 放電電極の冷却温度は環境温度と環境湿度とに対応するテーブルで予め与えられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電霧化装置。
6. 放電電極の冷却温度は環境温度と環境湿度とを関数とする数式に基づいて求めていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電霧化装置。
7. 放電電極の冷却温度は温度測定誤差や温度勾配等を見込んだ補正がなされていることを特徴とする請求項５または６記載の静電霧化装置。
8. 制御手段は冷却温度に対して予め設定された冷却吸熱量に基づいて放電電極を冷却温度まで冷却する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。
9. 制御手段は氷結となる環境条件に対して動作を停止させるものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の静電霧化装置。
10. 制御手段は放電電極に結露が発生する条件でのみ放電電極と対向電極間に放電を行わせるものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の静電霧化装置。

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