JP2007165266A - イオン発生方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不要な電磁波を抑制しオゾンの発生も抑制して、効率良く高濃度のイオンを発生させることが可能となるイオン発生方法及びその装置を提供する。
【解決手段】誘電体のセラミックスからなる誘電体基板５１の両表面にイオン発生電極５２と誘導電極５３を配置したイオン発生素子５と、ソフトスイッチング方式によるインバータ動作により、このイオン発生素子５の電極５２，５３間で継続的に暗流放電を行わせる電圧条件の交流電圧を印加する高周波インバータ回路３と、を備えた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオンを発生させることにより、空気中のカビや細菌の不活性化等を行うイオン発生方法及びその装置に関するものである。

イオン発生装置は、針状、ワイヤ状又はグリッド状等の電極間で放電を行うものや、誘電体基板の表面に形成した電極間で放電を行うもの（例えば、特許文献１参照）があるが、従来はいずれも、電極間に高電圧を印加してコロナ放電によりイオンを発生させるものがほとんどであった。しかしながら、コロナ放電を行うと、イオンだけでなく、オゾンも大量に発生することになり、しかも、放電に伴って可視光の他に紫外線やＸ線等の電磁波も放射することになる。オゾンや紫外線等は、殺菌の効果は得られるが、人体に有害であるだけでなく、書籍、家具、文化財等にも重大な損傷を与えるおそれがある。

そこで、電極を積層すると共に、これらの電極間の空気の湿度を高めて暗流放電を行わせることにより、オゾンの発生や電磁波の放射を抑制するイオン発生装置が従来から提案されている（例えば、特許文献２参照）。このように電極間を高湿度とすることにより静電容量を高めると、低電圧で安定した暗流放電を継続的に行わせることができるようになる。また、暗流放電では、不要な電磁波を抑制し、オゾンの発生もなくすことができる。

ところが、上記イオン発生装置は、湿度を高めるために加湿器等が必要となり、装置が大型で高価になるだけでなく、定期的に水を供給しなければならないという問題があった。しかも、このイオン発生装置を用いると、イオン濃度だけでなく湿度も上昇するので、湿度を嫌う環境では利用できないという問題もあった。また、従来のイオン発生装置で用いられる印加電圧の周波数では、暗流放電によるイオンの発生効率がコロナ放電に比べて低いので、十分なイオン濃度を得るためには、この印加電圧の周波数を高める必要がある。しかしながら、電極への印加電圧の周波数を高めると、スイッチング損失や電圧・電流サージ等が増大してインバータ回路の効率が低下し、スイッチングノイズも大きくなるという問題が生じていた。
特開２００５−３２５５４号公報 特開２００３−３３９８３２号公報

本発明は、誘電体基板の両表面に電極を配置したイオン発生素子に、ソフトスイッチング方式によるインバータ回路からの交流電圧を印加して、これらの電極間に継続的に暗流放電を行わせることにより、不要な電磁波を抑制しオゾンの発生も抑制して、効率良く高濃度のイオンを発生させることが可能となるイオン発生方法及びその装置を提供しようとするものである。

請求項１のイオン発生方法は、誘電体からなる誘電体基板の両表面に電極を配置したイオン発生素子を用いたイオン発生方法において、このイオン発生素子の電極間に、ソフトスイッチング方式によるインバータ回路からの交流電圧を印加して、これらの電極間で継続的に暗流放電を行わせることによりイオンを発生させることを特徴とする。

請求項２のイオン発生装置は、誘電体からなる誘電体基板の両表面に電極を配置したイオン発生素子と、ソフトスイッチング方式によるインバータ動作により、このイオン発生素子の電極間で継続的に暗流放電を行わせる電圧条件の交流電圧を印加するインバータ回路と、を備えたことを特徴とする。

請求項３のイオン発生装置は、前記イオン発生素子における誘電体基板の一方の表面に配置された電極が、尖端部を有する鋸状パターンを多数配置したものであることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、イオン発生素子の電極間で暗流放電を行わせるので、不要な電磁波を抑制しオゾンの発生も抑制することができるようになる。また、このイオン発生素子は、電極間の誘電体基板を介して暗電流を安定して流すことができるので、電極と誘電体基板の表面との間の通常の大気中であっても、安定して暗流放電を継続させることができる。しかも、このイオン発生素子の電極間に交流電圧を印加するインバータ回路は、ソフトスイッチング方式が用いられるので、イオン発生効率を高めるために周波数を高くしても、スイッチング損失等やノイズの増大を抑制することが可能となり、暗流放電によって高濃度のイオンを発生させることができるようになる。

請求項２の発明によれば、インバータ回路が適度な電圧条件の交流電圧を印加することにより、イオン発生素子の電極間で暗流放電を行わせるので、不要な電磁波を抑制しオゾンの発生も抑制することができるようになる。また、このイオン発生素子は、電極間の誘電体基板を介して暗電流を安定して流すことができるので、電極と誘電体基板の表面との間の通常の大気中であっても、上記電圧条件によって安定して暗流放電を継続させることができる。しかも、このイオン発生素子の電極間に交流電圧を印加するインバータ回路は、ソフトスイッチング方式が用いられるので、イオン発生効率を高めるために周波数を高くしても、スイッチング損失等やノイズの増大を抑制することが可能となり、暗流放電によって高濃度のイオンを発生させることができるようになる。

請求項３の発明によれば、イオン発生素子の一方の電極が尖端部を有する鋸状パターンを多数配置したとなるので、各尖端部で電場が集中することにより、誘電体基板の上面との間で放電が起こりやすくなり、イオンの発生効率を高めることができるようになる。

以下、本発明の最良の実施形態について図１〜図５を参照して説明する。

本実施形態では、文化財の保存のために用いるイオン発生方法及びその装置について説明する。このイオン発生装置は、図１に示すように、ＡＣ電源１からの電力を整流回路２と高周波インバータ回路３と高周波高電圧トランス４を介してイオン発生素子５に供給するようになっている。ＡＣ電源１は、商用周波数の交流電力を供給する電源である。また、整流回路２は、この交流電力を直流に変換する回路であり、ＰＦＣ変換回路や高調波抑制回路等を含むものであってもよい。ただし、このイオン発生装置が蓄電池等の直流電源を用いる場合には、これらのＡＣ電源１と整流回路２は不要となる。

イオン発生素子５は、図２及び図３に示すように、誘電体基板５１の上面と下面にイオン発生電極５２と誘導電極５３を配置したものであり、絶縁基板５４上に載置されて固定されている。誘電体基板５１は、ほぼ方形のセラミックス板（誘電率が３．０以上のものが好ましい）であり、絶縁基板５４は、この誘電体基板５１よりもわずかに大きい方形のセラミックス板である。イオン発生電極５２は、誘電体基板５１の上面にパターン形成された導電性金属膜であり、一端部に接続用の端子５２ａが形成されている。また、誘導電極５３は、誘電体基板５１の下面全面に配置されるように、絶縁基板５４の上面に形成された金属膜であり、誘電体基板５１が載置されていない部分に端子５３ａが形成されている。これらの電極５２，５３は、アルミニウム、銅、金、タンタル若しくはタングスタン等の単独金属、又は、これらの合金を、スパッタや蒸着又はスクリーン印刷等の方法によってパターン形成している。

上記イオン発生電極５２は、図２に示すように、頂角が鋭角となって尖端部を有する二等辺三角形状の導電性金属膜を１又は２以上並べて鋸状パターンとしたものを多数形成したものであり、これらの鋸状パターンの二等辺三角形状の底辺部を互いに導電性金属膜の細線で繋いで１つの電極パターンとしている。

高周波インバータ回路３は、図４に示すように、パワー半導体デバイス（例：ＭＯＳ−ＦＥＴ）と逆並列ダイオードから成るスイッチングブロックＱ_１〜Ｑ_４、ロスレスキャパシタスナバで構成され、高周波高電圧トランス４のリーケージインダクタンスと容量性負荷であるイオン発生素子５により負荷共振を起こす。また、ブリッジ電圧に対するブリッジ電流の位相を遅らせるため、回路の共振周波数はスイッチング周波数より低くなるように設定されている。よって、ターンオンスイッチング時、スイッチングブロックの電流は逆並列ダイオード側に流れており、この時パワー半導体デバイスの電圧及び電流は完全にゼロである。従って、ゼロ電圧及びゼロ電流ソフトスイッチング（ＺＶＳ＆ＺＣＳ）を実現する。また、ターンオフスイッチング時にロスレスキャパシタスナバの効果で電圧はゼロから滑らかに立ち上がるため、ゼロ電圧ソフトスイッチング（ＺＶＳ）を実現する。ロスレスキャパシタスナバはブリッジ間だけでなく、上下ブリッジアームのどちらか一方にパワー半導体デバイスと並列接続されていても、同様の効果が得られる。このことから、高周波スイッチングを行う際に無視できないパワー半導体デバイスの出力寄生容量Ｃ_１〜Ｃ_４もロスレスキャパシタスナバとして働かせることが可能であり、本インバータのゼロ電圧ソフトスイッチング動作を妨げることなく、補助する役目をもつ。したがって、スイッチング損失、急峻なｄＶ／ｄｔやｄｉ／ｄｔによるスイッチングサージ及び電磁ノイズが抑制される。

上記高周波インバータ回路３は、例えば２３ｋＨｚ以上の高い周波数、即ち一般のイオン発生装置のインバータ回路よりも高周波の出力を行うように設定されている。また、ソフトスイッチング方式により、正弦波に近い正負平衡な出力を行うように設定されている。この高周波インバータ回路３から出力された高周波電圧は、高周波高電圧トランス４で高電圧に変換されて、イオン発生素子５の端子５２ａと端子５３ａに印加される。この際、イオン発生素子５に印加される高周波高電圧は、イオン発生電極５２と誘導電極５３との間で暗流放電が行われるような比較的低い電圧条件となるように、高周波高電圧トランス４での昇圧を調整している。ただし、この暗流放電を行わせるための電圧条件は、イオン発生素子５の構成、即ち誘電体基板５１の材質や厚さ等、及び、電極５２，５３の形成パターン等により相違する。

上記構成によれば、イオン発生素子５のイオン発生電極５２と誘導電極５３との間、より詳細にはイオン発生電極５２と誘電体基板５１の上面との間で暗流放電が行われるので、この大気中でイオンが発生して高濃度のイオンクラスタが生成され、このイオンクラスタの防カビ効果や殺菌効果によって周囲の文化財の保護を行うことができるようになる。しかも、暗流放電を行うので、コロナ放電の場合と異なり、不要な電磁波を抑制してオゾンの発生も抑制することができるようになるので、紫外線やＸ線等及びオゾンによって文化財が損傷を受けるのを防止することもできる。

ここで、針状、ワイヤ状又はグリッド状等の電極間で暗流放電を行う場合には、イオンの生成効率が低くなり、この電圧を高めるとコロナ放電に移行しやすくなって安定した暗流放電を維持することができなくなる。しかしながら、本実施形態では、イオン発生素子５の電極５２，５３間に介在する誘電体基板５１中を暗電流が安定して流れるので、イオン発生電極５２とこの誘電体基板５１の上面との間で、湿度を高めることなく、通常の大気中であっても安定した暗流放電を継続させることができるようになる。

また、このイオン発生素子５には、ソフトスイッチング方式による高周波インバータ回路３からの高周波電圧が印加されるので、この高周波インバータ回路３でのスイッチング損失を減少させて電力効率を高めることができると共に、スイッチングノイズ等も低減することができるようになる。しかも、インパルスや矩形波状の高周波交流では、スイッチング損失、急峻なｄＶ／ｄｔやｄｉ／ｄｔによるスイッチングサージ及び電磁ノイズが発生するため、本実施形態では、このようなソフトスイッチング方式による高周波インバータ回路３を用いることにより、高周波の場合にも、これらのスイッチング損失等やノイズの増大を抑制することが可能となる。従って、従来のイオン発生装置で用いられるインバータ回路の周波数では、暗流放電によるイオンの発生効率が低すぎるが、高周波出力を行う高周波インバータ回路３を用いることによって、この暗流放電により高濃度のイオンを発生させることができるようになる。

図５に、イオン発生素子５に印加する電圧の周波数を変化させた場合の、イオン数とオゾン濃度の変化を示す。イオン発生素子５は、誘電体基板５１が誘電率３９のセラミックス板を用い、イオン発生電極５２は酸化ルテニウム、誘導電極５３は白金−銀を用いた場合を示す。また、温度は２７〜２８℃、湿度は４６〜５９％の環境で、イオン数とオゾン濃度の測定を行った。イオン発生素子５への印加電圧として、高周波のピーク間が６．５ｋＶの場合と、６．７ｋＶの２種類の場合について測定したが、いずれの場合の同じ傾向を示し、周波数が２３ｋＨｚ以上になると、発生するイオン数が増大することが確認された。また、オゾン濃度についても、周波数が２３ｋＨｚ以上になると、急激に減少することが確認された。

なお、上記実施形態で示したイオン発生電極５２や誘導電極５３の形成パターンは、この実施形態の場合に限定されず、イオン濃度を高めるために任意のパターンで形成することができる。さらに、上記実施形態では、これらイオン発生電極５２と誘導電極５３の間にセラミックス製の誘電体基板５１を用いる場合を示したが、誘電体からなる誘電体基板であれば、必ずしもセラミックスに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、文化財の保存を目的とすることから、正負均衡なイオンを発生するために、高周波インバータ回路３の出力波形を正負平衡な正弦波とする場合を示したが、例えば室内のマイナスイオンを増加する目的で空気清浄機等に用いる場合には、マイナスイオンが多く発生するように、デューティ比が５０％とはならないように正負不均衡な波形の出力を行うようにすることもできる。

さらに、上記実施形態では、高周波インバータ回路３にフルブリッジ方式を用いた場合について示したが、ロイヤー回路をはじめとするプッシュプル方式やシングルエンデッド・プッシュプル方式等も同様な動作が可能である。この場合もロスレスキャパシタスナバを同様に接続することで、ソフトスイッチングが可能となり、スイッチング損失、急峻なｄＶ／ｄｔやｄｉ／ｄｔによるスイッチングサージ及び電磁ノイズが抑制される。

本発明の一実施形態を示すものであって、イオン発生装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態を示すものであって、イオン発生素子の構成を示す平面図である。 本発明の一実施形態を示すものであって、イオン発生素子の構造を模式的に示す縦断面正面図である。 本発明の一実施形態を示すものであって、高周波インバータ回路の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態を示すものであって、イオン発生素子に印加する電圧の周波数と発生するイオン数及びオゾン濃度の関係を示すグラフである。

符号の説明

３ 高周波インバータ回路
４ 高周波高電圧トランス
５ イオン発生素子
５１ 誘電体基板
５２ イオン発生電極
５２ａ 端子
５３ 誘導電極
５３ａ 端子

Claims (3)

1. 誘電体からなる誘電体基板の両表面に電極を配置したイオン発生素子を用いたイオン発生方法において、
   このイオン発生素子の電極間に、ソフトスイッチング方式によるインバータ回路からの交流電圧を印加して、これらの電極間で継続的に暗流放電を行わせることによりイオンを発生させることを特徴とするイオン発生方法。
2. 誘電体からなる誘電体基板の両表面に電極を配置したイオン発生素子と、
   ソフトスイッチング方式によるインバータ動作により、このイオン発生素子の電極間で継続的に暗流放電を行わせる電圧条件の交流電圧を印加するインバータ回路と、
   を備えたことを特徴とするイオン発生装置。
3. 前記イオン発生素子における誘電体基板の一方の表面に配置された電極が、尖端部を有する鋸状パターンを多数配置したものであることを特徴とする請求項２に記載のイオン発生装置。

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