JP2005149983A - Ion generation element and ion generating device having the same - Google Patents

Ion generation element and ion generating device having the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion generating element which can generate ion by field emission and an ion generating device having the same. <P>SOLUTION: The device is provided with an ion generating element 5 using carbon nanotubes 12 and a voltage level setting circuit 2 for outputting an impressing voltage to impress on the ion generating element 5. Based on the impressing voltage given by the voltage level setting circuit 2, a high electric field is generated by the carbon nanotubes 12. Based on the collision and ionization of the electrons with water molecules emitted by the carbon nanotubes 12 by field emission in this high electric field, the ion is generated. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、イオンを発生するイオン発生素子に関し、特に電界放出によってマイナスイオンおよびプラスイオンを発生するイオン発生素子およびそれを備えたイオン発生装置に関する。   The present invention relates to an ion generating element that generates ions, and more particularly to an ion generating element that generates negative ions and positive ions by field emission, and an ion generating apparatus including the same.

近年、居住空間の高気密化に伴い清潔で快適な居住空間を実現するための技術、特に、居住空間内の空気を清浄化する技術の開発が切望されている。このような空気の清浄化には従来から対象となる空間内の空気を吸い込み、適宜フィルタを通して吐き出す循環気流を生じさせて、この循環気流中に存在する浮遊物を当該フィルタに逐次捕捉する空気調和機が広く用いられていた。   In recent years, development of a technology for realizing a clean and comfortable living space, particularly a technology for purifying the air in the living space, has been eagerly desired with the high airtightness of the living space. For such air purification, air conditioning in which air in a target space has been conventionally sucked in, and a circulating airflow that is appropriately discharged through a filter is generated, and floating substances present in the circulating airflow are sequentially captured by the filter. The machine was widely used.

しかしながら、この種の空気調和機においては、浮遊物の除去は本体内に吸い込まれた空気に対して行なわれるのみであり居住空間の全体に清浄化効果を及ぼすことが困難であるという問題があった。たとえば、室内に配置された家具の裏側、居室の各部等空気の澱みが生じやすく、清浄化が必要な箇所においては十分な効果を期待し得ないという問題があった。また、本来の性能を維持するためにもフィルタの清掃および交換等が不可欠であり、これらを含む複雑なメンテナンス作業を強いられるという問題もあった。さらに、居住空間内の浮遊物には塵埃、煙塵等の微粒子と共にカビ菌、大腸菌等の細菌類が含まれている。上述したフィルタを用いた空気調和機では微粒子等については有効な除去を行うことができるが、人体に有害な細菌類等についてはそのフィルタへの捕捉下において繁殖し、循環気流と共に居住空間内に戻されるため十分な除菌効果すなわち除去効果が得られないという問題があった。近年においては、抗菌材料製のフィルタを用い細菌類の除去効果を高めるようにした空気調和機も実用化されているが、満足する性能が得られていないのが実情である。   However, in this type of air conditioner, there is a problem that the removal of suspended matters is only performed on the air sucked into the main body and it is difficult to exert a cleaning effect on the entire living space. It was. For example, there is a problem that air stagnation is likely to occur on the back side of furniture arranged in a room, each part of a living room, and a sufficient effect cannot be expected in places where cleaning is required. Further, in order to maintain the original performance, it is indispensable to clean and replace the filter, and there is a problem that complicated maintenance work including these is required. Furthermore, the suspended | floating matter in living space contains bacteria, such as mold | fungi and Escherichia coli, with microparticles, such as dust and smoke. In the air conditioner using the filter described above, fine particles can be effectively removed. However, bacteria harmful to the human body are propagated under the trapping of the filter, and enter the living space along with the circulating airflow. There is a problem that a sufficient sterilization effect, that is, a removal effect cannot be obtained because it is returned. In recent years, an air conditioner using a filter made of an antibacterial material to enhance the effect of removing bacteria has been put into practical use, but the actual situation is that satisfactory performance has not been obtained.

このような問題点を解消すべく、特開2003−123940号公報においては空間内にイオンを放出することにより、当該空間内の空気を清浄化するという新しい発想に基づく清浄化の方式が提案されている。この方式は、対象となる空間に対して気流を放出する通気路の途中にプラスイオンおよびマイナスイオンを略同量程度、発生するイオン発生装置を配置し、当該気流と共に対象となる空間に放出するものである。当該プラスイオンおよびマイナスイオンは、空気中の水蒸気を放電現象によりイオン化することによって生成されるものであり、水素イオン(H+)または酸素イオン(O2 -)の周囲に複数の水分子が付随した形態いわゆるクラスタイオンの形態をなしている。 In order to solve such problems, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-123940 proposes a cleaning method based on a new idea of purifying air in the space by releasing ions into the space. ing. In this method, an ion generator that generates approximately the same amount of positive ions and negative ions is arranged in the middle of an air passage that discharges airflow to the target space, and discharges it into the target space together with the airflow. Is. The positive ions and negative ions are generated by ionizing water vapor in the air by a discharge phenomenon, and a plurality of water molecules are attached around hydrogen ions (H + ) or oxygen ions (O 2 ). It is in the form of so-called cluster ions.

空気中に放出されたこれらのイオンは、浮遊粒子に凝集されて相互に化学反応し、活性物質としての過酸化水素(H22)または水酸基ラジカル(・OH)となり浮遊粒子から水素を抜き取る酸化反応により浮遊粒子を不活性化し、また浮遊細菌を殺菌する。この空気清浄化は、対象となる空間内に放出され、当該空間の全体に広がるイオン作用によりなされる。 These ions released into the air are aggregated into suspended particles and chemically react with each other to form hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) or hydroxyl radical (.OH) as an active substance and extract hydrogen from the suspended particles. It inactivates suspended particles by an oxidation reaction and sterilizes suspended bacteria. This air purification is performed by ion action that is released into the target space and spreads throughout the space.

また、これらのイオンは浮遊細菌に作用して、これらを殺菌し、さらには臭い分子および有害分子に作用して、無臭化および無害化することから対象空間の全体に行き渡って清浄化効果を十分に得ることができる。なお、空間内に放出されるこのクラスタイオンは自然界に存在するイオンであり、人体に影響を及ぼすものではない。
特開2003−123940号公報
In addition, these ions act on airborne bacteria, sterilize them, and also act on odorous molecules and harmful molecules, making them non-bromide and harmless. Can get to. The cluster ions released into the space are ions existing in the natural world and do not affect the human body.
JP 2003-123940 A

しかしながら、従来のイオン発生装置は、放電現象によってイオンを発生させる方式を採用しており、電極間に高電圧を印加する必要がある。したがって、イオンを生成するためのイオン発生素子の小型化が困難であり、また、電力消費量も大きいという問題がある。また、放電現象により実用上必要としないイオンやラジカルおよび多量のオゾンが生成されてしまうという問題もある。   However, the conventional ion generator employs a method of generating ions by a discharge phenomenon, and it is necessary to apply a high voltage between the electrodes. Therefore, it is difficult to reduce the size of an ion generating element for generating ions, and there is a problem that power consumption is large. In addition, there is a problem that ions and radicals and a large amount of ozone that are not required in practice are generated due to the discharge phenomenon.

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、電界放出によってイオンを発生させることが可能なイオン発生素子およびそれを備えたイオン発生装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and it is an object of the present invention to provide an ion generation element capable of generating ions by field emission and an ion generation apparatus including the ion generation element. .

本発明は空気中に存在する水分子と電子との衝突電離に基づいてイオンを生成するイオン発生素子であって、第1および第2の電極素子と、第1および第2の電極部の一方に対応して付着し、第1および第2の電極素子に与えられる印加電圧に基づいて、第1および第2の電極素子間において高電界を生じさせて電子を放出するための電子放出素子とを備える。   The present invention provides an ion generating element that generates ions based on impact ionization of water molecules and electrons existing in air, and includes one of a first electrode element and a second electrode part. And an electron-emitting device for emitting electrons by generating a high electric field between the first and second electrode elements based on an applied voltage applied to the first and second electrode elements. Is provided.

本発明のイオン発生装置は、空気中に存在する水分子と印加電圧に基づく電界放出により放出される電子との衝突電離に基づいてイオンを生成するイオン生成部と、イオン生成部に与える印加電圧を調整するための電圧設定部とを備える。印加電圧は、生成されたイオンを捕捉する周波数に設定され、かつ減衰振幅の電圧レベルに設定される。   The ion generator of the present invention includes an ion generator that generates ions based on impact ionization of water molecules present in air and electrons emitted by field emission based on an applied voltage, and an applied voltage that is applied to the ion generator. And a voltage setting unit for adjusting. The applied voltage is set to a frequency at which the generated ions are captured, and is set to a voltage level of attenuation amplitude.

本発明のイオン発生素子により、水分子と電子との衝突電離に基づくイオンを生成することができるため不要なイオンを生成することなく、所望のイオンを生成することができる。   With the ion generating element of the present invention, ions based on impact ionization of water molecules and electrons can be generated, so that desired ions can be generated without generating unnecessary ions.

本発明のイオン発生装置により、生成されたイオンを捕捉することができるためスパッタリング現象を抑制して所望のイオンを生成することができる。   Since the generated ions can be captured by the ion generator of the present invention, the sputtering phenomenon can be suppressed and desired ions can be generated.

以下において本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお図中における同一符号は同一または相当部分を示すものとする。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol in a figure shall show the same or an equivalent part.

図1は、本発明の実施の形態に従うイオン発生装置1の主要部の概略構成図である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a main part of an ion generator 1 according to an embodiment of the present invention.

図1を参照して、本発明の実施の形態に従うイオン発生装置1は、イオンを発生させるイオン発生素子5と、イオンを発生させるための印加電圧の電圧レベルを設定する電圧レベル設定回路2と、電圧レベル設定回路2を制御するための制御回路4と、制御回路4内のタイミング制御に用いられる発振器3とを備える。電圧レベル設定回路2と、制御回路4と、発振器3とで電圧設定部を構成する。   Referring to FIG. 1, ion generator 1 according to an embodiment of the present invention includes an ion generating element 5 that generates ions, a voltage level setting circuit 2 that sets a voltage level of an applied voltage for generating ions, and The control circuit 4 for controlling the voltage level setting circuit 2 and the oscillator 3 used for timing control in the control circuit 4 are provided. The voltage level setting circuit 2, the control circuit 4, and the oscillator 3 constitute a voltage setting unit.

電圧レベル設定回路2は、電圧Vin(−5V)を駆動電圧として電圧Voutを出力する。電圧レベル設定回路2は、電圧Vinの電圧レベルを降圧して出力(−20V)する降圧回路6と、電圧Vinの電圧レベルを昇圧して出力(10V)する昇圧回路7と、トランジスタNT1〜NT3とを含む。トランジスタNT1は、降圧回路6を介して電圧Vinと接続され、制御回路4からの制御信号n1に応答して降圧回路6の出力電圧を電圧Voutとしてイオン発生素子5に出力する。トランジスタNT2は、電圧Vinと接続され、制御回路4からの制御信号n3に応答して電圧Vinを電圧Voutとしてイオン発生素子5に出力する。トランジスタNT3は、昇圧回路7を介して電圧Vinと接続され、制御回路4からの制御信号n2に応答して昇圧回路7の出力電圧を電圧Voutとしてイオン発生素子5に出力する。   The voltage level setting circuit 2 outputs the voltage Vout using the voltage Vin (−5 V) as a drive voltage. The voltage level setting circuit 2 includes a step-down circuit 6 that steps down and outputs the voltage level of the voltage Vin (−20 V), a step-up circuit 7 that steps up and outputs the voltage level of the voltage Vin (10 V), and transistors NT1 to NT3. Including. The transistor NT1 is connected to the voltage Vin via the step-down circuit 6, and outputs the output voltage of the step-down circuit 6 to the ion generating element 5 as the voltage Vout in response to the control signal n1 from the control circuit 4. The transistor NT2 is connected to the voltage Vin, and outputs the voltage Vin as the voltage Vout to the ion generating element 5 in response to the control signal n3 from the control circuit 4. The transistor NT3 is connected to the voltage Vin via the booster circuit 7, and outputs the output voltage of the booster circuit 7 to the ion generating element 5 as the voltage Vout in response to the control signal n2 from the control circuit 4.

図2は、本発明の実施の形態に従うイオン発生素子5の概略構成図である。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram of ion generating element 5 according to the embodiment of the present invention.

図2を参照して、イオン発生素子5は、陽極板10と、陰極板11と、陰極板11に付着して設けられた電子放出素子であるカーボンナノチューブ12とを含む。本構成は、いわゆるペースト型のカーボンナノチューブの構成である。   Referring to FIG. 2, ion generating element 5 includes an anode plate 10, a cathode plate 11, and a carbon nanotube 12 that is an electron-emitting device provided attached to cathode plate 11. This configuration is a so-called paste-type carbon nanotube configuration.

ここで、電界放出に基づくイオン生成について説明する。   Here, ion generation based on field emission will be described.

電界放出とは、電極直前の電界強度が109[V/m]程度になると、外部のポテンシャルが急激に降下し、電極表面のポテンシャル障壁が非常に薄くなって内部の電子がトンネル効果によって障壁を通過して外部(真空もしくは大気中)に放出される確率を持つようになるという現象である。この電界強度が109[V/m]という非常に大きな電界強度を得るために、本発明の実施の形態においてはカーボンナノチューブを用いている。 In the field emission, when the electric field strength immediately before the electrode becomes about 10 9 [V / m], the external potential drops rapidly, the potential barrier on the electrode surface becomes very thin, and the internal electrons are blocked by the tunnel effect. It is a phenomenon that it has a probability of being released to the outside (vacuum or in the atmosphere) through the. In order to obtain a very large electric field strength of 10 9 [V / m], carbon nanotubes are used in the embodiment of the present invention.

一般的に、カーボンナノチューブ(以下、CNTsと称することとする)は、グラファイト状の炭素原子面を丸めた円筒が1個または複数個入れ子状に配列した繊維状構造を有し、その直径はナノメートルオーダと極めて微細な物質で構成されている。   In general, carbon nanotubes (hereinafter referred to as CNTs) have a fibrous structure in which one or a plurality of cylinders with rounded graphite-like carbon atomic surfaces are arranged in a nested manner, and the diameter thereof is nano. It is composed of metric order and extremely fine substances.

CNTsは、その構造によって金属から半導体と幅広い電気特性を持ち、微小で表面積が大きい、また長さマイクロメートルオーダにも達するため、非常にアスペクト比(長さ/直径比)が大きく中空であるという独特の形状を有する。特に、このCNTsの先端は、ナノメートルオーダの径を持つ半球状で形成されており、印加電圧による電界の集中が容易に得られ、低い印加電圧で電界放出を実現することができる。   CNTs have a wide range of electrical properties from metals to semiconductors depending on their structure, and are very small, have a large surface area, and reach a length on the order of micrometers, so they have a very large aspect ratio (length / diameter ratio) and are hollow. Has a unique shape. In particular, the tip of the CNTs is formed in a hemispherical shape having a diameter on the order of nanometers, and electric field concentration due to the applied voltage can be easily obtained, and field emission can be realized with a low applied voltage.

次式は、図2に示されるカーボンナノチューブ12を用いたイオン発生素子5における電界強度Eを示す。   The following formula shows the electric field strength E in the ion generating element 5 using the carbon nanotube 12 shown in FIG.

Figure 2005149983
Figure 2005149983

電極間距離dを10〜50μm、カーボンナノチューブの先端の曲率半径を40〜50nm、印加電圧|V|を15〜21Vに設定することにより、電界強度が109[V/m]程度とすることができる。したがって、上記で説明したように電界放出に必要な高電界の電界強度を得ることができる。また、低電圧で電界放出が生じる高電界を生じさせることができ、消費電力を低減することができる。なお、カーボンナノチューブの特性は、通常の電極に用いられる金属と異なり、電界強度が上記109[V/m]程度よりも低い107[V/m]程度で電界放出が生じるという実験結果も得られている。したがって、カーボンナノチューブを用いることにより、より効果的な電界放出を行うことができる。また、低電圧であるため小型の電池等(太陽電池を含む)を用いて、イオンを発生させる事が可能であり、装置を小型化するとともに、携帯することも可能である。また、不要なイオンやラジカルおよび多量のオゾンを生成することなく、所望のクラスタイオンを生成することができる。 By setting the distance d between the electrodes to 10 to 50 μm, the radius of curvature of the tip of the carbon nanotube to 40 to 50 nm, and the applied voltage | V | to 15 to 21 V, the electric field strength should be about 10 9 [V / m]. Can do. Therefore, as described above, a high electric field strength necessary for field emission can be obtained. In addition, a high electric field that generates field emission at a low voltage can be generated, and power consumption can be reduced. In addition, the characteristics of carbon nanotubes are different from metals used for normal electrodes, and there is an experimental result that field emission occurs when the electric field strength is about 10 7 [V / m] lower than about 10 9 [V / m]. Has been obtained. Therefore, more effective field emission can be performed by using carbon nanotubes. In addition, since the voltage is low, ions can be generated using a small battery or the like (including a solar battery), and the apparatus can be miniaturized and portable. Further, desired cluster ions can be generated without generating unnecessary ions and radicals and a large amount of ozone.

上述したように本発明は、低電圧での電子放出、化学的安定性、物理的強靭性を併せ持つ電子放出素子であるCNTsを用いてイオンを生成する。   As described above, the present invention generates ions using CNTs that are electron-emitting devices having electron emission at a low voltage, chemical stability, and physical toughness.

具体的には、負電極に付着されたCNTsの先端から放出された電子が水分子に衝突する。この電子衝突によって、水分子の電子による衝突電離(解離)に基づきマイナスイオンとしてのO2 -(H2O)m(m:自然数)と、プラスイオンとしてのH+(H2O)n(n:自然数)とが生成される。この点、プラスイオンH+(H2O)nは、水分子と高いエネルギ(約5[eV]程度)を有する電子との衝突に基づいて生成される。一方、マイナスイオンO2 -(H2O)mは、酸素の電子親和力が大きいため電子付着が起こりやすく低いエネルギ(約1[eV])を有する電子との衝突においても生成される。 Specifically, electrons emitted from the tips of CNTs attached to the negative electrode collide with water molecules. O 2 (H 2 O) m (m: natural number) as negative ions and H + (H 2 O) n (positive ions as positive ions based on impact ionization (dissociation) of water molecules due to electrons. n: natural number) is generated. In this respect, positive ions H + (H 2 O) n are generated based on collisions between water molecules and electrons having high energy (about 5 [eV]). On the other hand, the negative ions O 2 (H 2 O) m are generated even in collisions with electrons having a low energy (about 1 [eV]), because the electron affinity of oxygen is large and electron attachment is likely to occur.

一方で、衝突電離に基づき生じたプラスイオンH+(H2O)nは、負電極のカーボンナノチューブに電界に従って引き寄せられる。この際、この生じたプラスイオンH+(H2O)nは高エネルギ粒子であり、これがカーボンナノチューブおよび負電極に衝突するとその接触した付近において破壊が生じるいわゆるスパッタリング現象が生じる可能性がある。 On the other hand, positive ions H + (H 2 O) n generated by impact ionization are attracted to the carbon nanotubes of the negative electrode according to the electric field. At this time, the generated positive ions H + (H 2 O) n are high-energy particles, and when they collide with the carbon nanotube and the negative electrode, there is a possibility that a so-called sputtering phenomenon occurs in which breakage occurs in the vicinity of the contact.

したがって、本実施の形態においては、生成したプラスイオンH+(H2O)nによるスパッタリング現象によってカーボンナノチューブおよび負電極が破壊されないようにイオンを電極間で捕捉(trapping)する。 Therefore, in the present embodiment, ions are trapped between the electrodes so that the carbon nanotube and the negative electrode are not destroyed by the sputtering phenomenon caused by the generated positive ions H + (H 2 O) n .

このイオンの捕捉について説明すると、高周波電界において高周波電界中を荷電粒子が運動する場合に周波数が高くなると荷電粒子が対向する電極に到達しないうちに電圧の極性が反転して電界の向きが逆になり、荷電粒子が引き戻されるという場合が生じる。したがって最初の荷電粒子の位置によっては対向する電極に到達することなく常に電極内を往復運動し続けるという現象が起こり得る。この状態を荷電粒子の捕捉(trapping)という。   This ion trapping will be explained. When charged particles move in a high-frequency electric field in a high-frequency electric field, if the frequency increases, the polarity of the voltage is reversed before the charged particles reach the opposite electrode, and the direction of the electric field is reversed. Thus, the charged particles may be pulled back. Therefore, depending on the position of the first charged particle, a phenomenon may occur in which the electrode always continues to reciprocate without reaching the opposing electrode. This state is called trapping of charged particles.

本発明では電極間でこのプラスイオンを捕捉することによりスパッタリング現象を抑制して所望のイオンを生成する。   In the present invention, by capturing these positive ions between the electrodes, the sputtering phenomenon is suppressed and desired ions are generated.

具体的には、所望の高周波電界を与えることにより、スパッタリング現象を抑制する。   Specifically, the sputtering phenomenon is suppressed by applying a desired high-frequency electric field.

図3は、本発明の実施の形態に従う電子の自由行程分布確率を説明する図である。   FIG. 3 is a diagram illustrating the free path distribution probability of electrons according to the embodiment of the present invention.

図3を参照して、縦軸は、分布確率Pを示す。横軸は、平均自由行程を基準(1.00)とした場合の自由行程λの係数が示されている。この分布確率の図に示されるように平均自由行程以下の電子の割合は約63%である。また、平均自由行程以上の電子の割合は約37%である。   With reference to FIG. 3, the vertical axis indicates the distribution probability P. The horizontal axis indicates the coefficient of the free stroke λ when the mean free stroke is set as a reference (1.00). As shown in the distribution probability diagram, the proportion of electrons below the mean free path is about 63%. Further, the ratio of electrons above the mean free path is about 37%.

電界強度が108[V/m]程度の場合この平均自由行程の電子が有するエネルギは3eV程度である。したがって、3eV以上のエネルギを有する電子は約全体の37%であることがわかる。そのうち、特に、プラスイオンH+(H2O)nを生成するためには平均自由行程以上の電子である必要がある。なお、5eV程度以上のエネルギを有する電子は約全体の数十%は存在する。 When the electric field strength is about 10 8 [V / m], the energy of electrons in this mean free path is about 3 eV. Therefore, it can be seen that about 37% of the electrons have an energy of 3 eV or more. Among them, in particular, in order to generate positive ions H + (H 2 O) n , the number of electrons must be equal to or greater than the mean free path. Note that there are several tens of% of the electrons having energy of about 5 eV or more.

図4は、電界中における荷電粒子の移動を説明する図である。   FIG. 4 is a diagram for explaining the movement of charged particles in an electric field.

図4(a)に示されるように、カーボンナノチューブ12から放出された電子eは、自由行程λ進んで水分子と衝突する。この衝突電離によりマイナスイオンO2 -(H2O)mと、プラスイオンH+(H2O)nとが生成される。本例においては、プラスイオンH+(H2O)nについて主に説明する。 As shown in FIG. 4A, the electrons e emitted from the carbon nanotubes 12 travel with a free path λ and collide with water molecules. By this impact ionization, negative ions O 2 (H 2 O) m and positive ions H + (H 2 O) n are generated. In this example, positive ions H + (H 2 O) n will be mainly described.

図4(b)は、生成されたプラスイオンH+(H2O)nの電界の向きに従った移動を説明する図である。 FIG. 4B is a diagram for explaining the movement of the generated positive ions H + (H 2 O) n according to the direction of the electric field.

図4(b)に示されるようにプラスイオンH+(H2O)nは陰極板11方向に移動する。したがって、上述したように陰極板11付近でスパッタリング現象が生じる可能性がある。 As shown in FIG. 4B, the positive ions H + (H 2 O) n move toward the cathode plate 11. Therefore, as described above, a sputtering phenomenon may occur in the vicinity of the cathode plate 11.

ここで、プラスイオンH+(H2O)nがx進む図が示されている。このプラスイオンが陰極板11付近に到達する前に電界の向きを反転すなわち極性を変えることにより陰極板11に到達する前にプラスイオンH+(H2O)nが対抗する陽極板10に引き寄せられ上述したイオンの捕捉(trapping)を行うことができる。 Here, a diagram is shown in which positive ions H + (H 2 O) n advance x. Before the positive ions reach the cathode plate 11, the direction of the electric field is reversed, that is, the polarity is changed, so that the positive ions H + (H 2 O) n are attracted to the opposing anode plate 10 before reaching the cathode plate 11. The above-described ion trapping can be performed.

図5は、本発明の実施の形態に従う高周波電界の生成を説明する図である。   FIG. 5 is a diagram illustrating generation of a high-frequency electric field according to the embodiment of the present invention.

図5(a)では、制御回路4が発振器3の発振信号に応答して制御信号n1〜n3を出力している。具体的には、時刻t1に制御信号n1が「H」レベルに設定される。時刻t2に制御信号n1は「L」レベルに設定されるとともに、制御信号n2は「H」レベルに設定される。時刻t3に制御信号n2は「L」レベルに設定されるとともに、制御信号n3は「H」レベルに設定される。時刻t4に制御信号n3は「L」レベルに設定される。   In FIG. 5A, the control circuit 4 outputs control signals n1 to n3 in response to the oscillation signal of the oscillator 3. Specifically, the control signal n1 is set to the “H” level at time t1. At time t2, control signal n1 is set to “L” level, and control signal n2 is set to “H” level. At time t3, the control signal n2 is set to the “L” level, and the control signal n3 is set to the “H” level. At time t4, the control signal n3 is set to the “L” level.

図5(b)では、制御信号n1〜n3に従って出力される印加電圧Voutが示されている。具体的には、制御信号n1〜n3に従って減衰波形の印加電圧Voutが出力される。   FIG. 5B shows the applied voltage Vout output according to the control signals n1 to n3. Specifically, the applied voltage Vout having an attenuation waveform is output according to the control signals n1 to n3.

図5(c)では、与えられる印加電圧Voutに従って生成される電界Eが示されている。   FIG. 5C shows the electric field E generated according to the applied voltage Vout.

図5(b)に示されるようにカーボンナノチューブにより高電界が生成され、印加電圧に従って減衰波形の電界Eが生成される。最大の高電界−Emに到達した時刻t1aにおいて、電界放出が行われる。具体的には、カーボンナノチューブの先端から電子が放出され、イオンすなわちプラスイオンH+(H2O)nおよびマイナスイオンO2 -(H2O)mが生成される。この時刻t1aから時刻t2までの区間、生成されたイオンが電界の向きに従って移動する。時刻t2から時刻t3の区間は電界の向きが逆向きであるため、この電界の向きに従ってプラスイオンが移動する。また、時刻t3から時刻t4の区間はまた電界の向きが変わり、電界の向きに従ってプラスイオンH+(H2O)nが移動する。したがって、このような高周波高電界に従ってプラスイオンH+(H2O)nを電極間中で捕捉することができる。 As shown in FIG. 5B, a high electric field is generated by the carbon nanotube, and an electric field E having a decay waveform is generated according to the applied voltage. At time t1a when the maximum high electric field −Em is reached, field emission is performed. Specifically, electrons are emitted from the tip of the carbon nanotube, and ions, that is, positive ions H + (H 2 O) n and negative ions O 2 (H 2 O) m are generated. During the period from time t1a to time t2, the generated ions move according to the direction of the electric field. Since the direction of the electric field is opposite in the section from time t2 to time t3, the positive ions move according to the direction of the electric field. In addition, the direction of the electric field changes again from the time t3 to the time t4, and the positive ions H + (H 2 O) n move according to the direction of the electric field. Therefore, positive ions H + (H 2 O) n can be trapped between the electrodes in accordance with such a high frequency high electric field.

カーボンナノチューブから放出された電子の自由行程がλxである場合、以下の式が成り立つようにすればスパッタリング現象を起こすことなく、イオンを捕捉することができる。   When the free path of electrons emitted from the carbon nanotube is λx, ions can be trapped without causing a sputtering phenomenon if the following equation is established.

λx≧x(xは、プラスイオンが電界の向きにしたがって移動する最大距離)
本実施の形態においては、上述したように平均自由行程の電子が約3eV程度のエネルギを有する。したがって、上述したように水分子と衝突してプラスイオンH+(H2O)nを生成する電子は5eV以上のエネルギを有するため平均自由行程以上の自由行程を有する。
λx ≧ x (x is the maximum distance that positive ions move according to the direction of the electric field)
In the present embodiment, as described above, the electrons in the mean free path have energy of about 3 eV. Therefore, as described above, electrons that collide with water molecules and generate positive ions H + (H 2 O) n have an energy of 5 eV or more and therefore have a free path greater than the mean free path.

したがって、本例においては、一例としてλxを電子の平均自由行程として、与えられる高周波高電界の周波数を計算する。   Therefore, in this example, as an example, the frequency of a high frequency high electric field to be applied is calculated by using λx as the mean free path of electrons.

Figure 2005149983
Figure 2005149983

ここでEyは、電子の平均自由行程進んだ位置における電界強度を示している。また、積分区間としては、高周波高電界の周期Tの区間におけるT/4〜T/2であり、角速度ωを用いて表すとπ/2ω〜π/ωとなる。また、平均自由行程は、0.44×10-6mとする。また、移動度μ:3×10-42/(V・t)とする。 Here, Ey indicates the electric field strength at a position advanced by the mean free path of electrons. Further, the integration interval is T / 4 to T / 2 in the interval of the period T of the high frequency high electric field, and is expressed as π / 2ω to π / ω in terms of the angular velocity ω. The mean free path is 0.44 × 10 −6 m. Further, the mobility μ is set to 3 × 10 −4 m 2 / (V · t).

上記の(1)、(2)式に基づいて計算すると、f=約80MHzの周波数の高電界を生成することにより、スパッタリング現象を起こすことなく、イオンを捕捉することができる。   When calculated based on the above formulas (1) and (2), ions can be captured without generating a sputtering phenomenon by generating a high electric field having a frequency of f = about 80 MHz.

図6は、本発明の実施の形態に従うイオン発生装置の概観図である。   FIG. 6 is a schematic view of an ion generator according to the embodiment of the present invention.

図6を参照して、ここでは、装置内部を被覆するカバー本体51と、送風機52と、送風機52を支持し、カバー本体と連結される支持部53とを備える。   Referring to FIG. 6, here, a cover main body 51 that covers the inside of the apparatus, a blower 52, and a support portion 53 that supports the blower 52 and is connected to the cover main body are provided.

送風機52は、気流を生成し、放出する。したがって、本構成により、生成された電極間のイオンが送風機52で外部に放出され、たとえば部屋の周囲全体に広がるイオン作用により空気清浄化を行うことができる。   The blower 52 generates and discharges an air flow. Therefore, by this structure, the ion between the produced | generated electrodes is discharge | released outside with the air blower 52, For example, air cleaning can be performed by the ion effect which spreads the whole circumference | surroundings of a room.

図7は、本発明の実施の形態に従うカーボンナノチューブの構造を説明する図である。   FIG. 7 is a diagram illustrating the structure of the carbon nanotube according to the embodiment of the present invention.

図7(a)を参照して、ここでは単層カーボンナノチューブ(single-wall carbon nanotube:SWCNT)が示されている。ここでは、一つ一つが寄り集まった集合体が示されている。   Referring to FIG. 7 (a), single-wall carbon nanotubes (SWCNT) are shown here. Here, a collection of one by one is shown.

図7(b)を参照して、ここでは多層カーボンナノチューブ(multi-wall carbon nanotube:MWCNT)が示されている。上層のチューブが下層のチューブを被覆する構造で多層構造となっている。   Referring to FIG. 7B, here, a multi-wall carbon nanotube (MWCNT) is shown. The upper layer tube has a multilayer structure in which the lower layer tube is covered.

図8は、別のイオン発生素子の構造図である。   FIG. 8 is a structural diagram of another ion generating element.

図8(a)は、図2と異なる別のイオン発生素子5aを示している。イオン発生素子5aは、基板電極22と、ゲート電極20と、絶縁層21と、カーボンナノチューブ12とを備える。   FIG. 8A shows another ion generating element 5a different from FIG. The ion generating element 5 a includes a substrate electrode 22, a gate electrode 20, an insulating layer 21, and a carbon nanotube 12.

カーボンナノチューブ12は、基板電極22と電気的に結合される。   Carbon nanotube 12 is electrically coupled to substrate electrode 22.

図8(b)は、イオン発生素子5aの構造を説明する図である。   FIG. 8B is a diagram illustrating the structure of the ion generating element 5a.

図8(b)に示されるように基板電極22と、ゲート電極20とが絶縁層21を介して対向して設けられる。ゲート電極20および絶縁層21の中央付近は円柱状に空隙が設けられており、その中央にカーボンナノチューブ12が配置される。すなわち、カーボンナノチューブ12を取り囲むようにゲート電極20および絶縁層21が設けられているいわゆるスピント型の構成である。この構成においては、カーボンナノチューブ12の先端から周囲を取り囲むゲート電極20に電子が放出される。   As shown in FIG. 8B, the substrate electrode 22 and the gate electrode 20 are provided to face each other with the insulating layer 21 therebetween. Near the center of the gate electrode 20 and the insulating layer 21, a space is provided in a columnar shape, and the carbon nanotube 12 is disposed in the center. That is, this is a so-called Spindt type structure in which the gate electrode 20 and the insulating layer 21 are provided so as to surround the carbon nanotube 12. In this configuration, electrons are emitted from the tip of the carbon nanotube 12 to the gate electrode 20 that surrounds the periphery.

次式は、図8に示されるカーボンナノチューブ12を用いたイオン発生素子5における電界強度Eを示す。   The following equation shows the electric field strength E in the ion generating element 5 using the carbon nanotube 12 shown in FIG.

Figure 2005149983
Figure 2005149983

本構成においても、上記の図2で説明したのと同様の方式に従って、スパッタリング現象を起こすことなく、イオンを捕捉することができる。   Also in this configuration, ions can be trapped without causing a sputtering phenomenon according to the same method as described in FIG.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明の実施の形態に従うイオン発生装置1の主要部の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the principal part of the ion generator 1 according to embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に従うイオン発生素子5の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the ion generating element 5 according to embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に従う電子の自由行程分布確率を説明する図である。It is a figure explaining the free stroke distribution probability of the electron according to embodiment of this invention. 電界中における荷電粒子の移動を説明する図である。It is a figure explaining the movement of the charged particle in an electric field. 本発明の実施の形態に従う高周波電界の生成を説明する図である。It is a figure explaining the production | generation of the high frequency electric field according to embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に従うイオン発生装置の概観図である。It is a general-view figure of the ion generator according to embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に従うカーボンナノチューブの構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the carbon nanotube according to embodiment of this invention. 別のイオン発生素子の構造図である。It is a structural diagram of another ion generating element.

符号の説明Explanation of symbols

1 イオン発生装置、2 電圧レベル設定回路、3 発振器、4 制御回路、5,5a イオン発生素子、6 降圧回路、7 昇圧回路、10 陽極板、11 陰極板、12 カーボンナノチューブ、20 ゲート電極、21 絶縁層、22 基板電極、51 カバー本体、52 送風機、53 支持部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion generator, 2 Voltage level setting circuit, 3 Oscillator, 4 Control circuit, 5, 5a Ion generating element, 6 Buck circuit, 7 Boost circuit, 10 Anode plate, 11 Cathode plate, 12 Carbon nanotube, 20 Gate electrode, 21 Insulating layer, 22 substrate electrode, 51 cover body, 52 blower, 53 support part.

Claims (10)

空気中に存在する水分子と電子との衝突電離に基づいてイオンを生成するイオン発生素子であって、
第1および第2の電極素子と、
前記第1および第2の電極部の一方に対応して付着し、前記第1および第2の電極素子に与えられる印加電圧に基づいて、前記第1および第2の電極素子間において高電界を生じさせて前記電子を放出するための電子放出素子とを備える、イオン発生素子。
An ion generating element that generates ions based on impact ionization of water molecules and electrons existing in air,
First and second electrode elements;
A high electric field is applied between the first and second electrode elements based on an applied voltage applied to the first and second electrode elements, corresponding to one of the first and second electrode portions. An ion generating device comprising: an electron emitting device for generating and emitting the electrons.
前記電子放出素子は、カーボンナノチューブに相当する、請求項1記載のイオン発生素子。   The ion generating element according to claim 1, wherein the electron-emitting element corresponds to a carbon nanotube. 前記カーボンナノチューブは、単層構造である、請求項2記載のイオン発生素子。   The ion generating element according to claim 2, wherein the carbon nanotube has a single-layer structure. 前記カーボンナノチューブは、多層構造である、請求項2記載のイオン発生素子。   The ion generating element according to claim 2, wherein the carbon nanotube has a multilayer structure. 前記高電界は、高周波高電界であって、
前記高周波高電界の周波数は、前記生成されたイオンが前記高周波高電界にしたがって移動する最大の距離が前記電子放出素子から放出される前記電子の平均自由行程の距離よりも短くなるように設定される、請求項1記載のイオン発生素子。
The high electric field is a high frequency high electric field,
The frequency of the high-frequency high electric field is set so that the maximum distance that the generated ions move according to the high-frequency high electric field is shorter than the distance of the mean free path of the electrons emitted from the electron-emitting device. The ion generating element according to claim 1.
前記イオンはマイナスイオンとしてのO2 -(H2O)m(m:自然数)と、プラスイオンとしてのH+(H2O)n(n:自然数)とを含む、請求項1記載のイオン発生素子。 The ion according to claim 1, wherein the ions include O 2 (H 2 O) m (m: natural number) as negative ions and H + (H 2 O) n (n: natural number) as positive ions. Generating element. 空気中に存在する水分子と印加電圧に基づく電界放出により放出される電子との衝突電離に基づいてイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオン生成部に与える前記印加電圧を調整するための電圧設定部とを備え、
前記印加電圧は、生成された前記イオンを捕捉する周波数に設定され、かつ減衰振幅の電圧レベルに設定される、イオン発生装置。
An ion generator that generates ions based on impact ionization between water molecules present in the air and electrons emitted by field emission based on an applied voltage;
A voltage setting unit for adjusting the applied voltage applied to the ion generation unit,
The ion generator is set to a frequency at which the generated ions are captured and set to a voltage level of an attenuation amplitude.
前記電圧設定部は、
高周波信号を発振する発振回路と、
前記発振回路から出力される前記高周波信号に応答して制御信号を出力する制御回路と、
前記制御回路から出力される制御信号に応じて出力する電圧レベルを調整する電圧レベル設定回路とを含む、請求項7記載のイオン発生装置。
The voltage setting unit includes:
An oscillation circuit for oscillating a high-frequency signal;
A control circuit that outputs a control signal in response to the high-frequency signal output from the oscillation circuit;
The ion generator of Claim 7 including the voltage level setting circuit which adjusts the voltage level output according to the control signal output from the said control circuit.
前記イオン生成部で生成した前記イオンを撒布するための送風機をさらに備える、請求項7記載のイオン発生装置。   The ion generator of Claim 7 further equipped with the air blower for distributing the said ion produced | generated by the said ion production | generation part. 前記電圧設定部は、電池で駆動される請求項7記載のイオン発生装置。   The ion generator according to claim 7, wherein the voltage setting unit is driven by a battery.
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