JP2007188852A - ：半導体セラミックを用いたイオン風発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のイオン風発生装置では大きな電圧を印加出来ないために風量が不足し実用には限界があった。またオゾンが多く発生するという欠点があり、さらに電極の破損や汚損が避けられないという課題があった。
【解決手段】 電極を炭化硅素や炭化硅素と窒化硅素の混晶の半導体で構成することにより放電電圧を大きく取ることが出来、イオン風量を多く発生させることが出来る。さらに電極の電子によるエッチング破損を防ぐことが出来、放電電極の放電端が複数の尖頭で設けられていることによりオゾンの発生量を低減出来る。また電極が半導体であるので通電によるジュ−ル熱で電極を加熱クリ−ニング出来、常に安定したイオン風の発生装置を提供出来る。
【選択図】図２

Description

本発明はイオン風を発生させる装置に関する。更に詳しくは、マイナスイオン風を発生させる装置に関する。マイナスイオンの効用としての適用は、例えば山地や森林など樹木の多い所での植物の枝葉から放散されるアルファピネンなどの揮発成分がマイナスイオンを大量に作り出している所、あるいは滝の近傍や波打ち際などの水泡が発生する所でのレ−ナルト効果によるマイナスイオンを大量に発生させる所などは古くから保養、療養地あるいは森林浴場、湯治場としてこれらマイナスイオンの多い環境が選ばれ利用されている。空気中のイオンはプラスイオンとマイナスイオンがあり、場所や時間、天候などでその多寡は変化しますが、マイナスイオンが多い空間は爽やかで疲れが取れ、ストレスの解消に繋がる等の効果が知られています。

またマイナスイオンの多い所では食物が腐りにくいことも古くから知られています。木炭を使った野菜などの保管は、炭から放出されるマイナスイオンの効用であることが知られています。このマイナスイオンの多い空間を人工的に作り出す装置が本願発明のマイナスイオン風発生装置です。病院、美容院、車中、倉庫、サイロ、保管庫、冷蔵庫、保養施設、老人ホ−ム、パチンコ店、ゲ−ムセンタ−、地下街等々広範な場所で利用が出来ます。

技術背景

従来のイオン風発生装置は図１に示す針状３ａや線状３ｂや板状３ｃの金属製放電電極３と二枚の金属製平行板対向電極４と直流高電圧電源５で構成された装置である。この電極間に直流高電圧（放電電圧）Ｖが印加される。この放電電圧Ｖはこの直流高圧電源５の出力回路定数である放電インピ−ダンスＺと整合設計されているものである。放電インピ−ダンスＺは金属電極自体の抵抗Ｒと空中放電インピ−ダンスＺａの合成インピ−ダンスＺとして計算される。この構成で電極間に電子ｅが電気力線６に沿って放電されます。

放電された電子ｅは空気分子に衝突し運動エネルギ−を与え、空気分子は電気力線６方向と反対の方向に加速され流動し風となって空間に放出されます。以下この一連の動作を起風と表記します。

このとき放電電子ｅは一部の空気をイオン化し、電気力線６に沿って流動します。これが連続的におこりイオン風７が発生します。

しかしながらこれらの装置でのイオン風７の風量や風力は放電電圧Ｖの大きさに比例することがわかっていますが、電極が金属製であるため金属の固有抵抗が小さく回路の放電インピ−ダンスＺを大きく取れないため電極間に大きな放電電圧Ｖを印加することが出来ません。整合された放電電圧Ｖ以上の高電圧を印加すると、火花放電が起き騒音と大量のオゾンが発生し、風が発生しなくなる現象があります。この様な現象があるため大きな放電電圧Ｖを印加することが出来ません。このことにより従来の装置では風量を多くすることが出来ないという問題があった。

また、これ等の金属電極において、両電極では高電界による静電誘導で浮遊塵埃が静電吸着され、塵挨などでの汚れが速く蓄積し、保守の手間がかかる等の煩雑な問題があった。

更にこの汚れの蓄積は直流高電圧電源５の回路の出力インピ−ダンスＺを小さくしたり、大きくしたり変化させ電極間の電界を不安定にします。このインピ−ダンスＺの変化があると放電電圧Ｖが不安定になり、異常放電の火花放電が起き、直流高電圧電源５の回路が短絡状態になり直流高電圧電源５にダメ−ジを与え、また雑音が発生し、さらに高濃度のオゾンを発生させるなどの問題を引き起こしていました。またこの異常放電によって金属電極がエッチング腐食され、進行して電極表面が凹凸に荒れ、ますます異常放電が起きやすくなって装置の劣化が加速され使用出来なくなる等の問題があった。

本発明の装置は放電電極１と対向電極２を例えば図２の様に二枚の平行板対向電極２で構成し、これらの電極を炭化珪素または炭化珪素と窒化珪素の混晶半導体（以下本電極材料という）で作ることにより、直流高電圧電源５の出力インピ−ダンスＺを大きく取れるように出来、前記の課題を解決することが出来ます。

さらに詳しくは本電極材料は多結晶半導体であり固有抵抗ρが１０^−３〜１０^２（Ωｃｍ）と金属の固有抵抗値１０^−５（Ωｃｍ）比較し二桁以上の大きな値で制作することが出来ます。

本電極材料で構成した放電電極１と二枚の平行板対向電極２間には大きな放電電圧Ｖを印加することが出来るため、安定した電界が維持出来、風量の大きなイオン風７を発生させることが出来ます。

図２（ａ）に示す構成において図２（ｂ）の本装置の一部破断側面図に示す様に放電電極１は三角波状にして複数の尖頭１３を設けて一定の距離Ｌで２二枚の平行板対向電極２と平行に対向させて設置し二枚の平行板対向電極２間隔Ｄの中心線の延長線上に水平に設置し放電電極１に直流高電圧電源５のマイナス極を接続し二枚の平行板対向電極２をプラス極に接続して放電電圧Ｖを印加すると放電電極１から二枚の平行板対向電極２に向かって電気力線６と反対の方向に電子ｅの流れが出来ます。さらに電子ｅは高電界により加速され空気分子と衝突して空気分子に運動エネルギ−を与え空気の流動を電気力線６方向と反対の方向に起こさせます。このとき電子の一部は空気の構成分子の結合軌道の外殻軌道にトラップされてマイナスに帯電したマイナスイオン分子となります。このマイナスに帯電した空気イオンが加速流動されて空間に運ばれることになります。これが本発明のイオン風発生装置によるイオン風７です。

さらに二枚の平行板対向電極２の形状は図３の様に二枚の平行板８、矩形筒９、台形筒１０、円筒１１、円錐台形筒１２に形成することが出来ます。この様に形成した対向電極２は効率の高いイオン風７を励起出来ます。

またさらに図４示す板状や円筒状の放電電極１の放電先端を三角波状にして複数の尖頭１３を設けることによりオゾンの発生を低減させることが出来ます。放電電極先端が一つである場合、この先端の電荷密度の高い領域ではエネルギ−も大きくコロナ放電による発光が見られオゾンが発生します。この電荷密度を複数の放電先端に分担させることにより各先端での電荷密度を低減させることが出来るのでオゾンの発生量を抑えることが出来ます。

さらに従来の電極では帯電による塵埃の付着で電極の汚損、また電子によるエッチングでの破損が問題になっていましたが、本電極材料は炭化硅素、あるいは炭化硅素と窒化硅素の混晶のセラミックであるため耐候性、耐熱性が金属よりはるかに優れているので電子によるエッチングで破損することがありません。本電極材料は半導体であり通電によりジュ−ル発熱させ加熱することが出来ます。本電極に加熱用電極１４を設け適当な加熱電源１５を接触電極１８に接続し電流を流すことにより放電電極１が加熱され帯電粒子の電荷を中和し塵埃の付着を押さえることが出来ます。

さらには放電電極１を１００℃〜４００℃に昇温することにより電極表面に熱によるポンプアップ電子が励起し放電しやすくなり、より強いイオン風を励起させます。

またさらに図５（ａ）、（ｂ）に示す様に耐熱絶縁セラミック支持体１６に電極保持スリット溝１７を設け、接触電極１８を図５（ｂ）の様に組み込み構成し放電電極１と二枚の平行板対向電極２自体に加熱用電極１４を設け図７の配線図に示す方法で切換連動スイッチ２６により直流高電圧電源５をＯＦＦにして加熱電源１５をＯＮにし交流、または直流を印加通電し４００℃〜５００℃に強く加熱するとことにより付着した汚れを焼き切りクリ−ニングすることが出来ます。

さらに起風のマイナスイオンの量を多くするために、概装置の二枚の平行板対向電極２のイオン風の出口近傍に図２に示すように図６（ａ）、（ｂ）イオン風の流れ方向に向けた絶縁方形端子２１の先端を円錐状に窪ませて、円錐窪み２２の中心にニ−ドル（針）電極２０（図６（ａ）、（ｂ）参照）を設け、ニ−ドル２０の先端を円錐から出ないよう構成し、ニ−ドル２０の他端に接続端子１９を設け概電源５のマイナス極に接続する。この様に構成することによりニ−ドル電極２０の先端より空間に向かって電子ｅが放電され空気がマイナスイオン化され概起風に乗り空間に大量のマイナスイオンを放散させることが出来ます。

図２のように構成したイオン風発生装置において直流高電圧電源５のマイナス極を三角波状複数尖頭１３が設けられた放電電極１に接続し、プラス極を二枚の平行板対向電極２に接続します。このとき放電電極１から二枚の平行板対向電極２の間隙に向かって放電電子ｅが電気力線６の方向と反対方向に電気力線６に沿って放出されます。放電電子ｅの数量が多いとイオン風７の風量が比例して増えます。放電電子ｅの数量は電気力線６の本数に比例し、電気力線６は電界強度に比例します。すなわち放電電子ｅは放電電圧Ｖに比例します。

また概構成の放電電極１は放電端が複数設けられているので複数の尖頭放電端１３の個々の放電端電荷密度を小さくすることが出来ます。

放電電子ｅは電気力線６と反対の方向に電気力線６に沿って加速を受けます。
この過程で電子は空気分子と衝突し空気分子に運動エネルギ−を与え空気を流動させます。このとき電子の一部は空気分子にトラップされ、空気はマイナスに帯電したマイナスイオン風７となり、二枚の平行板対向電極２で囲まれた空間を放電電極１の方向と反対の開口部の方向に向かって開放空間に放出されます。

イオン風発生装置を上記の様に構成することにより概放電電極１と二枚の平行板対向電極２とにより、この高電圧電源回路５の出力インピ−ダンスＺを高インピ−ダンスＺで回路構成出来るので印加電圧Ｖを従来の電圧より高い電圧Ｖを用いることが出来、強く風量の多いイオン風７を起風出来ます。また放電電極１を上記のように構成することにより放電端での電荷密度の集中を分散させてオゾンの発生量を少なく抑えることが出来ます。電極のエッチング破損もなく、また放電電極１、二枚の平行板対向電極２を通電加熱することにより電極の汚れを焼き切り、常にクリ−ンな電極の維持が出来、安定したイオン風を起風出来ます。

図２に示すように放電電極１と二枚の平行板対向電極２は炭化硅素と窒化硅素の混晶の固有抵抗値が１〜１０×１０^２（Ωｃｍ）の半導体材料で板を製作し、放電電極１の形状を大きさ３ｍｍ×５０ｍｍ×１００ｍｍの長方形の板の長辺の一辺を三角波状の尖頭１３を４個設ける。

さらに放電電極１の５０ｍｍの短辺両側の３ｍｍの厚さ方向に通電加熱用電極１４をニッケルを焼付けて設ける。

二枚の平行板対向電極２は概材料で３ｍｍ×５０ｍｍ×１００ｍｍの寸法のものを２枚作成し、短辺５０ｍｍの両側の厚さ方向に通電用電極１４を概方法で設ける。

２枚の二枚の平行板対向電極２を３０ｍｍの間隔で平行に設置し、長辺１００ｍｍ側を放電電極１の複数の尖頭電極１３との距離を３０ｍｍに対向させ設置し、二枚の平行板対向電極２の間隔の中心にくるように放電電極１を設置する。

放電電極１と二枚の平行板対向電極２は耐熱絶縁セラミック支持体１６で支持する。耐熱絶縁セラミック支持体１６は図５の様に電極保持スリット溝１７を設け、溝の底に接触電極１８を図５（ｂ）のようにして挿入して電源接続端子１９で図５（ａ）のように両側から固定する。

図２に示す上記の構成で図７に示す配線と切換連動スイッチ２６を接続し、直流高電圧電源５は直流１５ＫＶに設定し印加するとイオン風が３リットル／秒観察され、オゾン量は０．０１ｐｐｍ以下が観測された。またマイナスイオンの数量は装置から１メ−トルの所で８０万個以上観測された。

上記実施のおおよそ１００時間後、直流高電圧電源５を切換連動スイッチ２６でｏｆｆにし、加熱電源１６に交流１００Ｖ電源を印加し３分間通電加熱した。

放電電極１、二枚の平行板対向電極２ともに加熱加温出来、クリ−ニングも問題なく実施出来た。

本発明の装置は上記のように構成がシンプルで複数の装置をまとめて設置することもでき、また単独装置でも大きさの自由度があり狭い空間や広い空間にも対応できる。さらにメンテナンスも容易であり、病院、美容院、車中、倉庫、サイロ、保管庫、冷蔵庫、保養施設、老人ホ−ム、パチンコ店、ゲ−ムセンタ−、地下街等々広範な場所で空気環境の保全が必要なところに利用が出来ます。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は従来のイオン風発生装置の電極概略斜視図 （ｄ）はイオン風発生の原理説明図 （ａ）、（ｂ）は本発明の実施態様の斜視図と一部破断側面図 は本発明の対向電極２の形状を示す斜視概略図 は本発明の放電電極１の形状を示す斜視概略図 （ａ）は本発明の加熱用電極１４と加熱用接触電極１８の構成断面図 （ｂ）は加熱用電極１４と加熱用接触電極１８の組込み説明斜視図 はイオン発生ニ−ドル電極２０の斜視図と断面図 は本発明の実施態様の配線及び切換連動スイッチ２６の説明上面図

符号の簡単な説明

１ 放電電極
２ 二枚の平行板対向電極
３ 金属製放電電極
３ａ 針状放電電極
３ｂ 線状放電電極
３ｃ 板状放電電極
４ 金属製対向電極
５ 直流高電圧電源
６ 電気力線
７ イオン風
８ 平行板形電極
９ 矩形筒電極
１０ 台形筒電極
１１ 円筒電極
１２ 円錐台形筒電極
１３ 三角波状複数尖頭
１４ 加熱用電極
１５ 加熱電源
１６ 耐熱絶縁セラミック支持体
１７ 電極保持スリット溝
１８ 接触電極
１９ 接続端子
２０ ニ−ドル電極
２１ 絶縁方形端子
２２ 円錐窪み
２３ 絶縁台座
２４ 接続電線
２５ 端子止めネジ穴
２６ 切換連動スイッチ
ｅ 放電電子
Ｖ 放電電圧
Ｚ 出力回路インピ−ダンス、
Ｚａ 空中放電インピ−ダンス
Ｒ 電極抵抗
Ｄ 二枚の平行板対向電極２の間隔
Ｌ 放電電極１と二枚の平行板対向電極２間距離

Claims (3)

1. 放電電極１と対向電極２の素材が炭化珪素かつ／または炭化珪素と窒化珪素の混晶の半導体で構成されたイオン風発生装置。
2. 放電電極１が三角波状で複数の尖頭１３を設けてあることを特徴とする請求項１記載のイオン風発生装置。
3. 放電電極１と対向電極２に加熱用電極１４を設け通電加熱による電極のクリ−ニングが出来ることを特徴とする請求項１、請求項２記載のイオン風発生装置。

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