JP4329710B2 - 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（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のための安定した放電状態を継続させる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並びに両電極間に高電圧を印加する高圧電源部を備えるとともに、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、上記両電極間の放電状態を監視して所要の放電状態を維持する制御手段とを備え、上記冷却手段の制御を放電電流値に応じて行う上記制御手段は、測定した放電電流値が目標放電電流値より小である時、冷却手段による冷却を強め、測定した放電電流値が目標放電電流値より大である時、冷却手段による冷却を弱めるものであるとともに、上記冷却を強める率よりも冷却を弱める率を小さくしているものであることに第１の特徴を有している。放電電極を冷却することで静電霧化させるための水を放電電極上に結露水として生じるようにしたものであり、また制御手段が上記冷却手段の制御を放電電流値に応じて行うにあたり、測定した放電電流値が目標放電電流値より小である時に冷却手段による冷却を強める率よりも、測定した放電電流値が目標放電電流値より大である時に冷却手段による冷却を弱める率を小さくすることで、オーバーシュート、殊に放電電流値が下がり過ぎてしまうことを抑えることが容易となる。

また本発明は、放電電極とこれに対向する対向電極並びに両電極間に高電圧を印加する高圧電源部を備えるとともに、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、上記両電極間の放電状態を監視して所要の放電状態を維持する制御手段とを備え、上記冷却手段の制御を放電電流値に応じて行う上記制御手段は、測定した放電電流の目標放電電流値を越える最大値と、目標放電電流値より低い最小値との和の半分を値を予測値として、該予測値で上記両値の取得後の冷却手段の駆動制御を行うものであることに第２の特徴を有している。放電電極を冷却することで静電霧化させるための水を放電電極上に結露水として生じるようにしたものであり、また収束値を予測して駆動制御するために、早期に収束させることができる。

いずれの場合においても、上記制御手段は、測定した放電電流値が目標放電電流値の差が所定範囲内であり且つ一定時間変化がない時、冷却手段の駆動制御を微小量だけ変更するものであってもよい。目標電流値により近づけることができる。

本発明は、静電霧化させるための水を放電電極上に結露水として生じさせてこれを静電霧化するために、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行うことができるものであり、しかも放電電流値に応じて冷却手段を制御することから、結露水の生成と放電による霧化とが継続して安定的になされるものであり、更に第１の特徴とするところによれば、測定した放電電流値が目標放電電流値より小である時、冷却手段による冷却を強め、測定した放電電流値が目標放電電流値より大である時、冷却手段による冷却を弱めるものであるとともに、上記冷却を強める率よりも冷却を弱める率を小さくしているものであるために、オーバーシュート、殊に放電電流値が下がり過ぎてしまうことを抑えることが容易となって安定した放電状態の移行及び安定状態の継続を図ることができ、第２の特徴とするところによれば、収束値を予測して駆動制御するために、早期に収束させることができて、やはり安定した放電状態の移行及び安定状態の継続を図ることができる。

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１に示すように、この静電霧化装置は、放電電極２とこの放電電極２の一端に所要の距離をおいて対向す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３、これら両電極２，３間に放電用の高電圧を印加する高圧電源部４、上記放電電極２の他端が吸熱側に接続されて放電電極２を露点以下の温度に冷却する冷却手段としてのペルチェモジュール５、ペルチェモジュール用の電源部６０を内蔵している電源６、そして制御回路Ｃで構成されたもので、上記対向電極３は接地されており、放電時には放電電極２側に負もしくは正の高電圧（たとえば−４．６ｋＶ）が印加される。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、５１はペルチェモジュール５の温度測定用のサーミスタ、８は環境温度湿度センサである。

上記高圧電源部４は図２にも示すように高圧発生回路４０と放電電圧検出回路４１と放電電流検出回路４２を備えたもので、検出された放電電圧Ｖｖ及び放電電流Ｖｉは上記制御回路Ｃに入力され、制御回路Ｃはこの放電電圧Ｖｖ及び放電電流Ｖｉを基にペルチェモジュール５の冷却度調整による結露水生成量の調整を行う。

すなわち、放電電極２を冷却することで空気中の水分を放電電極２上に結露させた状態で放電電圧を放電電極２と対向電極３との間に印加する時、放電電極２上の水は図３に示すように対向電極３側に引っ張られてテーラーコーンと称される形状のものとなるとともに、そのテーラーコーン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霧化がなされる。

この時、放電電圧が一定であるとすると、放電電極２上の水量が少なくなって図３(a)に示すようにテーラーコーンが小さくなれば放電電流も少なくなり、放電電極２上の水量が多くなって図３(c)に示すようにテーラーコーンが大きくなれば放電電流が増大する。ちなみに、−４．４ｋＶの放電電圧の印加時、図３(a)に示す状態では放電電流が３．０μＡ、図３(b)に示す状態では放電電流が６．０μＡ、図３(c)に示す状態では放電電流が９．０μＡであった。

つまり、結露水の量にテーラーコーンの形状が関係しているとともにテーラーコーンの高さから放電電流も変化するわけであり、これ故に放電電流を測定することにより、テーラーコーンの高さ（結露水の量）を知ることができる。ここにおいて、放電電極２上の結露水の量が更に少なくなれば、放電電極２上の水と対向電極３間での放電ではなく、放電電極２と対向電極３との間で放電が生じてオゾンの発生などを招くことになる。逆に放電電極２上の水が更に多くなれば、対向電極３と水との距離が短くなり、短絡電流が流れて狙いの粒子径のミストが得られなくなる。

このためにここではある放電電圧の時の放電電流値から放電電極２上の水の量を推定し、この推定に基づき放電電極２を冷却する冷却手段であるペルチェモジュール５の冷却度調整による結露水生成量の調整を行うものであり、放電電流が少ない時はペルチェモジュール５の印加電圧を上昇させて放電電極２をさらに冷却して結露水を増加させ、放電電流が多い時は冷却度合を緩和させて結露水を減少させる方向へフィードバック制御することで、放電電極２上の結露水の量が常にナノサイズミストの発生に適した量となるようにしているものであり、この結果、放電によるナノサイズミストを発生させる静電霧化が途切れたりすることなく連続的になされるものである。

ただし、放電電圧が変われば、適切な結露水量を表すことになる放電電流値も変化することから、表１に示すように放電電圧Ｖ(n)に応じた最適な放電電流ｉ(n)の範囲を規定し、検出される放電電流ｉ(n)値が上記範囲の中央値ｉ(n)typ付近を維持するようにペルチェモジュール５の印加電圧のデューティ制御を制御回路Ｃが行うようにしている。

また、放電電極２が冷えていない運転開始初期には放電電極２上に結露水が生成されていないことから、上記制御は放電電極２上に結露水が確保されてからのものとし、それまでは環境温度湿度センサ８で測定される環境温度及び湿度と、サーミスタ５１にて間接的に測定することができる放電電極２の温度とに基づいてペルチェモジュール５を制御駆動し、結露水が放電電極２上に形成されたと目される所定時間ｔ後に高圧電源部４を作動させて予め設定した所定の高電圧を放電電極２と対向電極３間に印加することで放電を開始すると同時にペルチェモジュール５の印加電圧制御を放電電極２の温度フィードバックによる制御から放電電流に基づくフィードバック制御に切り替える。

上記運転開始初期の制御は、サーミスタ５１を用いずに次のようにしてもよい。すなわち、制御回路Ｃは運転開始に伴い、環境温度を取り込んでこの環境温度に応じた電極冷却温度を設定し、この電極冷却温度に応じたペルチェ印加電圧（に対応するデューティ値）を設定する。ペルチェモジュール５における電極冷却温度と印加電圧とは線形の特性を有することから、電極冷却温度が大となるほど、印加電圧を高くすることになる。そして制御回路Ｃは高圧電源部４も同時に作動させて放電を開始するとともに放電電流検出回路４２による放電電流の検出を行う。

放電電極２上に水があれば放電電流が流れることになるが、結露水が生成されるに至っていない時点では正常であれば放電電流は殆ど流れないことになるから、ゼロに近い定数Ｉini（μＡ）を設定して、制御回路Ｃは検出された電流値Ｉが定数Ｉini未満であれば、正常時の動作として放電電圧の印加状態を保ったまま、電流値Ｉの監視を定期的に続け、電流値Ｉが定数Ｉini（μＡ）以上となった時点で通常の制御の状態に移行するのである。放電電極２に結露水が集まって静電霧化が開始されると、この時点で通常の放電電流に基づくフィードバック制御に移行することになる。

運転開始初期はペルチェモジュール５のみを作動させて放電電極２の冷却のみを行う状態をしばし継続した後、高圧電源部４を作動させて放電を開始させるようにしてもよい。結露水が生成されるであろう時間だけ待って放電を始めるわけであり、この時間は１分以上であることが望ましい。そして、初期の数分間で生成される結露水の量で放電を始めた時の放電電流の上限値として定めたＩmaxの値よりも放電開始時の放電電流値Ｉが小さければ、放電電極２に正常に水が付いたと判断して前述のフィードバック制御に移行する。

次に放電電流に基づくフィードバック制御の詳細について説明すると、上記放電開始から各回路が安定するまでの時間Δｔが経過した時点ｔａで制御回路Ｃは放電電圧検出回路４１と放電電流検出回路４２から放電電圧値及び放電電流値の取り込みを開始し、一定時間毎の平均値を演算して得られた放電電圧値によって上記表１に基づく放電電流制御の放電電流値上限ｉ(n)max、目標値（中央値）ｉ(n)typ、下限ｉ(n)minを取得し、測定された放電電流ｉ(n)値が目標値ｉ(n)typとなるようにペルチェモジュール５に加える印加電圧をデューティ制御でフィードバック制御するのであるが、ここではオーバーシュートを避けるために、図７に示すように、時刻ｔａにおいて取り込みを開始した放電電圧値及び放電電流値の平均値v(1)，ｉ(1)がΔｔ時間後の時刻ｔｂにおいて定まり、更に時刻ｔｂにおいて取り込みを開始した放電電圧値及び放電電流値の平均値v(2)，ｉ(2)がΔｔ時間後の時刻ｔｃにおいて定まる時、時刻ｔｂ−ｔｃ間の上記Δｔ時間内の放電電流値の差Δｉ(2)＝ｉ(2)−ｉ(1)を求めるとともに、時刻ｔｂでの放電電圧ｖ(1)と前記表１とから求めた時刻ｔｃでの目標放電電流中央値ｉtyp(1)と、時刻ｔｃでの放電電流値ｉ(2)との差Δｉd(2)とを求め、時刻ｔｂ−ｔｃ間でのペルチェモジュール５の印加電圧のデューティをＤ(2)とする時、このデューティＤ(2)から増分ΔＤ(2)を
ΔＤ(2)＝ａ×Δｉd(2)−ｂ×Δｉ(2)
（ａ，ｂはパラメータ）
で求めて、Ｄ(3)＝Ｄ(2)＋ΔＤ(2)を次の時刻ｔｃ−ｔｄ間でのペルチェモジュール５の印加電圧のデューティとするものであり、時間Δｔ毎に以降順次繰り返すことで、つまりは
ΔＤ(n)＝ａ×Δｉｄ(n)−ｂ×Δｉ(n)
をΔｔ毎に求めて、それまでのデューティＤ(n-1)に加算して次のデューティＤ(n)を決定するのである。放電電流値ｉ(n)と目標放電電流中央値ｉtyp(n)との差分Δｉd(n)に加えて、放電電流値の差分Δｉ(n)を考慮することから、前者のみを考慮した場合に生じやすいオーバーシュートを避けることができる。なお、ここで言うデューティ値Ｄ(n)及び増分ΔＤ(n)は、デューティ０〜１００％を２５６分割して割りふったＤ₀〜Ｄ₂₅₅に対応させている。

ここにおいて、上記式に基づいてペルチェモジュール５のデューティ（印加電圧）を上記のように制御する場合、オーバーシュート量を小さく且つ収束するまでの時間が短くなるように上記パラメータａ，ｂを設定するのであるが、これらパラメータａ，ｂが定数であると、オーバーシュートの影響で時として結露水の水量が変動し、これが原因で上記デューティ制御でのデューティ制御の振幅が大きくなって、目標値（目標放電電流値）が低い時など、放電電流が０μＡとなってしまう事態が生じる虞がある。

この点に対処するために、ここでは図５に示すようにΔｉｄ(n)の値に応じてパラメータａの値を異ならせている。ちなみに、Δｉｄ(n)が０未満の時は計測放電電流が目標値以上の時であり、０以上時は計測放電電流が目標値以下の時である。

また、図５において、ａ１１＜ａ１２＜ａ１３＜ａ１４ であり且つａ２１＜ａ２２＜ａ２３＜ａ２４＜ａ２５もしくはａ１１〜ａ１４が同じ値且つａ２１〜ａ２５が同じ値であるが、この時、ａ１１＜ａ２１、ａ１２＜ａ２２、ａ１３＜ａ２３、ａ１４＜ａ２４とすることで、放電電流が目標値よりも小さい時は、急速に目標値に近づくようにペルチェモジュール５に対するデューティ値を大きく上昇させるが、計測放電電流値が目標値を越えた時には、ペルチェモジュール５に対するデューティ値の低下率を抑えて急激に下がることがないようにしている。つまり、冷却による結露水の水量に応じて変化する放電電流値は、目標値に向けて大きくなる時は急速に大きくなるが、目標値を超えたために下げる場合は、徐々に放電電流値が小さくなるようにすることで、目標値以下になりにくくしているわけである。このために、目標放電電流値が低い場合でも、安定した静電霧化を行うことができるものとなっている。

ところで、偏差Δｉｄ(n)にパラメータａを乗じてΔＤ(n)を求めている関係上、放電電流を目標値に近づけても、常に偏差分が残ってしまって目標値に完全に一致させることはできない。このために、放電電流値が目標値近傍で停滞していた場合、目標値に近づけるために、次のようにデューティを変化させてもよい。

つまり、Δｉｄ(n)が−０．５≦Δｉｄ(n)≦０．５の範囲において、−０．５≦Δｉｄ(n)＜０の場合、測定した放電電流値は目標値以上であることから、この時は
ΔＤ(n)＝ａ×Δｉｄ(n)−ｂ×Δｉ(n)
の計算式を用いて算出したΔＤ(n)の値が数回（たとえば５回）連続して変化しない時、ΔＤ(n)を−１としてデューティ値を１段だけ下げる。このデューティ値の減少により、ペルチェ印加電圧が減少して結露水も減少し、この結果放電電流も減少して目標値に近づく。

逆にΔｉｄ(n)が０＜Δｉｄ(n)≦０．５の時は測定した放電電流が目標値以下であることから、この時は算出したΔＤ(n)の値が数回（たとえば５回）連続して変化しない時、ΔＤ(n)を＋１としてデューティ値を１段だけ上げることで、ペルチェ印加電圧を増加して結露水を増加させることで、放電電流を増加させる。

放電電流値を微小分だけ増減させることで目標値に近づけるのである。ただし、目標値に十分近づけば（たとえば、±０．２となれば）この制御は止めてしまうことが好ましい。

このほか、放電電流値の収束は図６に示すように、制御初期のＴ１時において目標値を超えた最大値をとり、その後、Ｔ２時に目標値より低く且つ以降の制御下では最小値となる値をとり、更にその後は目標値との偏差が徐々に少なくなっていくということでなされるが、この場合、上記最大値と最小値の平均値に収束することが多いために、上記Ｔ１時のデューティ値をＤt1(n)、Ｔ２時のデューティ値をＤt2(n)とすると、Ｔ２時点以降のデューティ値を（Ｄt1(n)＋Ｄt2(n)）／２の値としてしまうようにしてもよい。つまり、収束デューティ値を初期段階で予測してこの予測値で駆動することで、早く収束させることができる。

このような制御は、次のようにして行うことができる。すなわち、図７において、高圧印加を始めたＴ０時点でのペルチェモジュール５に対するデューティをＤ(x)、ΔＴ時間後のＴ１時のデューティをＤ(y)とすると、Ｄ(y)＞Ｄ(x)であるこから、Ｄmax（初期では値を持たない）の設定モードに入り、時刻Ｔ５でのＤ(n)がΔＴ時間前である時刻Ｔ４のＤ(a)より小さければ、Ｔ５時点でＤmax＝Ｄ(a)とするとともに、Ｄmin（初期では値を持たない）の設定モードに入る。

そして時刻Ｔ１４のＤ(n)が直前の時刻Ｔ１３のＤ(b)より大きければ、時刻Ｔ１４時点でＤmin＝Ｄ(b)として、Ｄave＝（Ｄmax＋Ｄmin）／２を演算し、時刻Ｔ１５時点でペルチェモジュール５をデューティＤaveで駆動することを例えば１分間継続する。

その後、Ｄmax及びＤminをクリアして通常の動作に戻るとともに新たなＤmax及びＤminを求める動作を開始し、図中のＴ２２時点でのデューティＤ(c)を新たなＤmin、時刻Ｔ２４時点でのデューティＤ(d)を新たなＤmaxとして、時刻Ｔ２６から再度しばらくの間、Ｄave＝（Ｄmax＋Ｄmin）／２での駆動を行う。図８は上記動作に関するフローチャートである。

なお、この場合においても放電電流値が目標値近傍で停滞した場合、前述の目標値に近づけるために放電電流値を微小分だけ増減させることは有効である。

本発明の実施の形態の一例の回路図である。 同上のブロック回路図である。 (a)(b)(c)は放電時に放電電極上の結露水で形成されるテーラーコーンの状態を示す説明図である。 同上の放電電流フィードバックに関する説明図である。 同上のパラメータに関する説明図である。 他の実施の形態の一例における説明図である。 同上のタイムチャートである。 同上のフローチャートである。

符号の説明

Ｃ 制御回路
２ 放電電極
３ 対向電極
４ 高圧電源部

Claims (3)

1. 放電電極とこれに対向する対向電極並びに両電極間に高電圧を印加する高圧電源部を備えるとともに、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、上記両電極間の放電状態を監視して所要の放電状態を維持する制御手段とを備えた静電霧化装置であって、上記冷却手段の制御を放電電流値に応じて行う上記制御手段は、測定した放電電流値が目標放電電流値より小である時、冷却手段による冷却を強め、測定した放電電流値が目標放電電流値より大である時、冷却手段による冷却を弱めるものであるとともに、上記冷却を強める率よりも冷却を弱める率を小さくしているものであることを特徴とする特徴とする静電霧化装置。
2. 放電電極とこれに対向する対向電極並びに両電極間に高電圧を印加する高圧電源部を備えるとともに、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、上記両電極間の放電状態を監視して所要の放電状態を維持する制御手段とを備えた静電霧化装置であって、上記冷却手段の制御を放電電流値に応じて行う上記制御手段は、測定した放電電流の目標放電電流値を越える最大値と、目標放電電流値より低い最小値との和の半分を値を予測値として、該予測値で上記両値の取得後の冷却手段の駆動制御を行うものであることを特徴とする静電霧化装置。
3. 制御手段は、測定した放電電流値と目標放電電流値との差が所定範囲内であり且つ一定時間変化がない時、冷却手段による冷却を微少分だけ強めるまたは抑えるものであることを特徴とする請求項１または２記載の静電霧化装置。