JP4329739B2 - 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高電圧を発生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電流値に応じて上記冷却手段による放電電極の冷却度合を調整して前記放電電極上の結露水量を制御する制御手段と、放電電圧を検出する放電電圧検出回路と、高圧電源部における放電電極への印加用の高電圧を発生する高圧発生手段とを備え、上記高圧発生手段は、定電圧特性を有するとともに高圧発生手段における出力電圧調整用のトランジスタのベース−エミッタ間の温度特性と反対の温度特性を有している素子を介して上記放電電圧検出回路の検出出力がフィードバックされるものであることに特徴を有している。放電電圧検出回路の検出出力を高圧発生手段にフィードバックして高圧の発生電圧のばらつきを少なくしたものであり、また定電圧特性を有する素子を介在させることで精度を高めたものである。

しかも、定電圧特性を有する素子が、高圧発生手段における出力電圧調整用のトランジスタのベース−エミッタ間の温度特性と反対の温度特性を有しているために、更に精度が高いものである。

定電圧特性を有する素子に高圧の発生電圧値の調整用の抵抗を直列に挿入しておれば、抵抗値に応じて高電圧を調整することができる。

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、しかも放電状態を監視して静電霧化のための制御を行うことから、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る。また、放電電圧検出回路の検出出力を高圧発生手段にフィードバックしているために、高圧の発生電圧のばらつきを少なくすることができ、またフィードバックにあたり、定電圧特性を有する素子を介在させているために、発生させる高電圧の精度を高めることができる。

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２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、放電電極２上の水量が少なくなってテーラーコーンが小さくなればその先端と対向電極３までの距離が長くなって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テーラーコーンが大きくなれば放電電流が増大する。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で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る虞があるとともに、この時には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過ぎて、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。

上記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３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ることで、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Ｄ_０〜Ｄ₂₅₅に対応させている。

また、デューティの増加分ΔＤ(n)を求めるにあたり、それまでのデューティＤ(n-1)の値に応じた補正関数Ｆ{Ｄ(1)}を乗算するように、つまり
ΔＤ(n)＝（ａ×Δｉd(n)−ｂ×Δｉ(n))×Ｆ{Ｄ(n-1)}
とするようにしてもよい。この補正関数Ｆ{Ｄ(1)}は、それまでのデューティＤ(n-1)が低い時には小さい値を、デューティＤ(n-1)が高い時には大きい値を持つことで、デューティ全体の重み付けを行っているものであり、デューティが低い時には印加電圧も低くて電極冷却温度ΔＴも低い領域で水もできやすく、これ故にデューティの大幅な変化は結露水の余剰を生じやすくなるために、補正関数Ｆ{Ｄ(1)}はたとえば０．５として変化率を少なくし、逆にデューティが高い時は放電冷却温度ΔＴも高くて結露水ができにくい状態にあることから、補正関数Ｆ{Ｄ(1)}をたとえば２として変化率を大きくするのである。

以上の制御は、検出した放電電圧Ｖ(n)及び放電電流ｉ(n)が前記表１に示した範囲内にある場合で、上記範囲外である時の異常処理については説明を省略する。

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、上記フィードバック制御は放電電極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の出力値とペルチェモジュール５への印加電圧とから放電電極２上に結露水が生成されたと目される時間までペルチェモジュール５のみを作動させたり、あるいはペルチェモジュール５の印加電圧を段階的に上げつつ放電電極２と対向電極３との間に高電圧を間欠的に印加して、その時の放電電流値をみることで結露水が生じているかどうかを確認するといった制御を行うことができるが、この点についてもここでは詳細な説明を省略する。

次に上記高圧放電部４の具体回路例を示す。図４は放電電流検出回路４２の具体回路の一例を示しており、放電回路に電流検出用の抵抗Ｒ５を挿入して該抵抗Ｒ５に流れる電流を加算回路にて基準の電流からの加算として出力電圧Ｖｉで取り出すようにしたものである。図中のオペアンプＯＰは、電流検出用抵抗Ｒ５に流れる電流Ｉｄと抵抗Ｒ２に流れる電流ＩＲＥＦとの差が抵抗Ｒ１に流れるように動作する。このものでは抵抗Ｒ１の抵抗値により出力電圧Ｖｉの勾配が決定されるとともに、放電電流が正であっても負であっても放電電流の検出が可能である。ここでのオペアンプＯＰは積分回路により構成される汎用品の使用が可能であり高速の性能は必要としていない。

ちなみに出力電圧Ｖiは、
ＩＯＵＴ＝ＩＲＥＦ−Ｉｄ
Ｖｉ＝ＶＲＥＦ−Ｒ１×ＩＯＵＴ
で決定されるとともに、Ｉｄ＝０の時の出力電圧Ｖi0はＶＲＥＦ−Ｒ１×ＩＲＥＦで表されるオフセット電圧を有している。電流検出抵抗Ｒ５の値は放電回路抵抗が非常に大きいために放電電流に影響を与えない範囲で選定すればよく、図５はＲ１＝１００ｋΩ、Ｖi0＝１．５（V）にした時の特性を示しており、１μＡを０．１Ｖの出力電圧に変換している。

図６は高圧電源部４における放電電圧検出回路４１の具体回路の一例を示している。この放電電圧検出回路４１は、上記放電電流検出回路４２とほぼ同様の回路構成を持つもので、電圧検出抵抗Ｒ６に流れる電流をＩｖ、抵抗Ｒ１０に流れる電流をＩＲＥＦ、放電電圧をＶｄとする時、出力電圧Ｖｖは
Ｉｖ＝Ｖｄ／Ｒ６
Ｖｖ＝Ｒ１０（ＩＲＥＦ−Ｉｖ）
で決定されるとともに、Ｖｄ＝０の時の出力電圧Ｖv0はＶＲＥＦ−Ｒ１０×ＩＲＥＦ
で表されるオフセット電圧を有している。このものにおいても、放電が正負のどちらであっても放電電圧Ｖｖを検出することができる。図７はＲ６＝５００（ＭΩ）、Ｒ１０＝２５０（ｋΩ）、Ｖv0＝１．５（Ｖ）とした時の特性を示しており、０．５（Ｖ）／kＶの出力電圧Ｖｖに変換している。

上記放電電流検出回路４２及び放電電圧検出回路４１において、どちらの場合も放電電極２と対向電極３間に電圧を印加していない時、出力電圧Ｖｉ，Ｖｖに夫々オフセット電圧Ｖi0、Ｖv0が出力されるようにしているのは、回路部品のばらつきによる誤差を計測して補正することで計測誤差を低減させることができるからである。つまり、放電電流出力の勾配は抵抗Ｒ１にのみ依存し、放電電圧出力は抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ１０に依存し、オペアンプＯＰのオフセット電圧やオフセット電流、基準電圧ＶＲＥＦのばらつきは、高圧電圧を印加しない時に発生するオペアンプＯＰの電圧出力として出現することから、この電圧をあらかじめ測定することによって誤差が少ない放電電流及び放電電圧の計測が可能なものである。放電中においても一定時間毎に放電を停止させてこのオフセット電圧を計測することで、温度変化による温度ドリフトをキャンセルすることができる。

そして、高圧電源部４の高圧発生回路４０であるが、図１に示すように、磁気結合された昇圧トランスのコイルＬ１，Ｌ２、スイッチングトランジスタＱ１、一次側の上記コイルＬ１に対してスイッチングトランジスタＱ１が発振を継続するように正帰還をかける方向に接続されたインダクタンスＬ３等で構成されたもので、電源Ｖ２が印加されると抵抗Ｒ１５を通してスイッチングトランジスタＱ１にベース電流が流れ、これによってスイッチングトランジスタＱ１にコレクタ電流が流れ始めると、インダクタンスＬ３にはスイッチングトランジスタＱ１にベース電流を流す方向に電圧が発生してスイッチングトランジスタＱ１が急激にオン状態になる。

スイッチングトランジスタＱ１のエミッタ電流は抵抗Ｒ１２で検出されてトランジスタＱ２のベースに流れる電圧までスイッチングトランジスタＱ１のエミッタ電流が上昇すると、トランジスタＱ２がスイッチングトランジスタＱ１のベース電流を減少させる。これがきっかけとなってインダクタンスＬ３に反対方向の電圧が発生し、スイッチングトランジスタＱ１は急激にオフになる。これが繰り返されることで発振が継続する。

二次側のコイルＬ２は一次側コイルＬ１の電圧を昇圧して実施例においては負の電圧を取出し、ダイオードＤ１，Ｄ２とコンデンサＣ３，Ｃ４で構成された倍電圧回路を通じて端子ＶＨに接続される放電電極２に供給する。端子Ｇは発振回路のグランドもしくは放電電流検出用の抵抗を介してグランドに接続される。コンデンサＣ６はスイッチングトランジスタＱ１のオン，オフをより高速にしてスイッチングロスを減少させるためのものである。

ダイオードＤ３，Ｄ４とトランジスタＱ２のベース，エミッタの合計の電圧と抵抗Ｒ１２を流れる電流による電圧降下を比較させ、スイッチングトランジスタＱ１がオフするタイミングを決定させているために、抵抗Ｒ１２の値を変えることにより昇圧された発生電圧を変化させることができる。ダイオードＤ５はスイッチングトランジスタＱ１がオフする時にインダクタンスＬ３が発生するトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４にかかるベース、エミッタ間の逆バイアス電圧がかかることを防止する。また、図中のトランジスタＱ３は抵抗Ｒ１６により常にオン状態にあることから、スイッチングトランジスタＱ１はその発振を停止しており、従って電源が接続されだけで高圧が発生するという感電事故を招きやすい状態を防いでおり、端子ＣＯＮＴ２介してトランジスタＱ３をオフ状態にすることで発振が開始される。

そして、上述のように抵抗Ｒ１２を変化させることで昇圧された高圧の電圧を変化させることができ、ダイオードＤ３，Ｄ４に発生する電圧は、端子ＣＯＮＴ１からの入力でトランジスタＱ４を動作させることにより下げることができる。すなわちトランジスタＱ４のベースに電圧を加えることで昇圧電圧を制御することが可能であり、また抵抗Ｒ１２に流れるピーク電流を下げることができる。

ここにおいて、図１に示すように、放電電圧検出回路４１の放電電圧のモニタ出力を昇圧電圧の制御用のトランジスタＱ４のベースに定電圧特性を有する素子（図１ではツェナーダイオード）Ｚを介して接続している。トランジスタＱ４が動作して昇圧電圧が制御状態にある時、抵抗Ｒ１１にはトランジスタＱ４のベース−エミッタ間の電圧約０．７Ｖが発生しており、この時、放電電圧検出回路４１のオペアンプＯＰの出力電圧Ｖｖは、抵抗Ｒ１１と上記定電圧素子Ｚとで定まる値に上記ベース−エミッタ間電圧０．７を乗じたものとなる関係が成立している。従って、低電圧素子Ｚと抵抗Ｒ１１の関係を、希望の昇圧電圧をこの時のオペアンプＯＰの出力電圧になるように設定することで、困難であった高圧の昇圧電圧を精度よく発生させることができる。加えるに、トランジスタQ4のベース−エミッタ間電圧は、PN接合の温度特性によって周囲温度の上昇と共に下がるために、本来ならば温度上昇に伴って高圧発生電圧の低下を招くのであるが、上記定電圧素子Ｚの存在によりこの低下を防いで、発生電圧の精度を更に高くすることができる。

定電圧素子Ｚとしては、上記のツェナーダイオードのほか、図８に示すようにトランジスタＱ５と抵抗Ｒ２０，Ｒ２１を用いて構成してもよい。ちなみに、図９はトランジスタＱ４のコレクタ電圧を縦軸に、放電電圧検出回路出力を横軸にとった時の回路特性を示すものであるが、図中のイは定電圧素子Ｚに代えて抵抗を用いた場合を、ロは定電圧素子Ｚにツェナーダイオードを用いた場合を、ハは図５に示したトランジスタと抵抗とからなる定電圧素子Ｚを用いた場合を示している。定電圧素子Ｚを用いた場合、抵抗を用いた場合よりも変化が急峻であり、このために高圧発生精度を上げることができる。

ところで、トランジスタＱ４のベース−エミッタ間のＰＮ接合は約−３ｍＶ／℃の負の温度特性を有していることから、定電圧素子Ｚとして逆の正の温度特性をもつものを用いるとともに、トランジスタＱ４と定電圧素子Ｚとを近接させて同じ温度で動作させることで、更に温度の影響の受けない高圧発生回路４０を構成することができる。ツェナーダイオードを用いる場合、ツェナー電圧が５Ｖ付近で温度係数がゼロになり５Ｖ以上で正の温度係数になる５Ｖ以上のものを用いることで、上記の負の温度係数を打ち消して高圧発生電圧の温度特性をゼロにすることができる。

図７に示すように、定電圧素子Ｚに直列に抵抗（可変抵抗でも良い）Ｒａを挿入してもよい。抵抗Ｒａの抵抗値によりトランジスタＱ４の動作点をコントロールすることができるために、図８に示すように高圧の発生電圧の調整が可能となる。

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。 同上の放電電流フィードバックに関する説明図である。 放電電流検出回路の具体回路図である。 同上の出力の説明図である。 放電電圧検出回路の具体回路図である。 同上の出力の説明図である。 他例の回路図である。 放電電圧特性図である。 更に他例の回路図である。 同上の放電電圧特性図である。

符号の説明

Ｃ 制御回路
Ｚ 定電圧素子
２ 放電電極
３ 対向電極
４ 高圧電源部
４０ 高圧発生回路
４１ 放電電圧検出回路

Claims (2)

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電流値に応じて上記冷却手段による放電電極の冷却度合を調整して前記放電電極上の結露水量を制御する制御手段と、放電電圧を検出する放電電圧検出回路と、高圧電源部における放電電極への印加用の高電圧を発生する高圧発生手段とを備え、上記高圧発生手段は、定電圧特性を有するとともに高圧発生手段における出力電圧調整用のトランジスタのベース−エミッタ間の温度特性と反対の温度特性を有している素子を介して上記放電電圧検出回路の検出出力がフィードバックされるものであることを特徴とする静電霧化装置。
2. 定電圧特性を有する素子に高圧の発生電圧値の調整用の抵抗を直列に挿入していることを特徴とする請求項１記載の静電霧化装置。

Images