JP2007533075A - イオン生成の方法及び装置 - Google Patents

Abstract

陽イオンと陰イオンを生成するための方法と装置は、間隙によって離隔した電極を含み、これらの電極には、生成されたイオンを電極間の間隙の中に移動させて、前記間隙の実質的に中央領域の中にイオンを蓄積する推移中の残留時間を示す周波数で、交流イオン化電圧が供給される。静電界、又は前記間隙を通過する流れる空気流又はその他の気体流が、生成されたイオンを前記間隙の中から搬送する。生成された陽イオンと陰イオンの自己平衡は、前記間隙の周りに配置された電極の少なくとも１つへのイオン化電圧の容量結合を使用して達成される。

Description

本発明は、気体イオンを効率的に捕集するためにコロナ放電における自己平衡イオン雲の生成によって静電帯電した目標物を中和することが可能なイオンを効果的に生成し捕集するため、及び帯電した物体に対するイオンの移動を容易にするための方法及び装置に関する。

静電帯電した物体の近傍における空気又はその他の気体のイオン化に基づく従来の静電気中和システムが、導電性、半導電性、及び電気的絶縁性の物体を放電するために使用されている。しかし、周知の静電気中和システムの効率は非常に低い。それは、生成されるイオンの約９５〜９９％を捕集して、帯電した物体を放電することができないからである。この理由は、コロナ放電がイオンを生成するために高電界を必要とし、この高電界がコロナ放電電極の間の間隙の中でイオンを移動させ、イオンの大部分をコロナ放電電極の間の間隙から離れることを防ぐからである。この結果、イオン電流は主としてこれらの電極の間を流れ、電荷中和のための捕集されたイオン出力は極端に低い。この低い効率が、従来のＤＣコロナ放電装置及び産業用すなわち交流（５０〜６０Ｈｚ）コロナ放電中和システムに適用されている。その上、周波数範囲０．１〜１０ＭＨｚで動作する周知の高周波コロナ放電中和システムは、コロナ放電電極の浮遊容量によって作られる非常に高いイオンの再結合と大きな電力損失を特徴とする。

したがって、イオンを生成し、電気的にバランスさせ、生成されたイオンを移動させるという１連の過程を最適化することで高い効率を伴う静電気中和のためのイオンを生成する方法及び装置が望まれている。

本発明によれば、帯電した物体の静電気中和のための陽イオン及び陰イオンの生成が、コロナ放電における気体又は空気のイオン化によって実施される。双極性コロナ放電が、交流のイオン化電圧の発電機に接続された電極を有するイオン化室又はイオン化モジュールの中で実施される。理想的には、静電気中和の目的のために、コロナ放電は、陽イオンと陰イオンの実質的に同等の混合物を含む双極性イオン雲を生成する。イオンの雲は、イオン化室の電極の間の間隙の中央領域において連続的に振動（oscillate）する。この振動するイオン雲の濃度は、電極間の形状と間隙の間隔及びイオン雲における気体状イオンの移動度に相関して、イオン化室に印加される交流電圧の振幅と周波数の特定の組合せを使用することによって、間隙の中央領域において増加する。

間隙の中央領域において振動するイオン雲は、近くの物体の上の静電電荷を中和するためのイオンの効率的な捕集を促進する。帯電した物体をイオン化室の近くの、間隙の間隔の数倍以内に位置付けて、帯電した物体自体によって生成される電界の影響の下でイオンを移動させる。物体がイオン化室から比較的長い距離に位置する場合には、イオン化室を通って流れる気体又は空気などの追加の搬送機構が、帯電した物体を静電気中和するために間隙からイオンを捕集することができる。

イオン化室の電極の間で振動する生成されたイオンの雲が、陰イオンと陽イオンのイオン平衡と混合、及び中和のために帯電した物体へイオンを容易に搬送するためのコロナ放電電流の効率的な使用を促進させる。

次に図１を参照すると、１個又は複数個の整列する尖ったイオン化電極２を使用するイオン化室１の断面が示されている。本発明によれば、静電気中和用のイオン源がイオン化室１によって備えられ、イオン化室１は、比較的小さな半径又は鋭利な尖端（又は細いワイヤ）を有する電極２（すなわちイオン化電極）と、鋭利な尖端（又は細いワイヤ）にすることができるが比較的大きな半径の円形であることが好ましい電極３（すなわち対向電極又は基準電極）とを含む。

イオン化室１は、コロナ電極用の機械的な電気的に絶縁する支持物４を含み、電極間の所望の間隙Ｇを伴ってある一定の距離を維持する。イオン化電極２及び対向電極３を、実質的に１つの平面の中に位置付けることができ、好ましくは静電気中和を必要とする物体５の静電帯電表面と平面平行の関係で支持することができる。帯電した物体５を定置式又は移動式（例えば、プラスチックや紙や布などの絶縁ウェブ）にすることができる。

次に図２を参照すると、長くて細いワイヤの形のイオン化電極６を使用するイオン化室１の断面図が示されている。この場合、イオン化室１は、イオン化コロナ・ワイヤ６に沿って又はこの周りに延在するように位置付けられた２個の対向電極７及び８を備えてもよい。ワイヤ６は露出した導電性表面、例えば金属表面を有してもよく、又は図２ａに断面で示すような誘電体表面コーティング６ａを有してもよい。これらの対向電極７、８も又、露出した導電性表面、又は図２ａに断面で示すワイヤ電極と同様の誘電体コーティングを有してもよい。

次に図３を参照すると、ファン９などの気体又は空気移動装置の近傍に置かれたイオン化室の断面が示されている。この装置９はジェット・ノズル、空気ダクトなどであってもよい。イオン化室１は、気体流又は空気流を（例えば支持物４を通るダクトを介して）通すように空気力学的に構成することができる。この場合には、空気移動装置９をイオン化室１の下流側９ａ又は上流側９に置くことができる。

次に図４のブロック図を参照すると、交流のイオン化電圧源１０に接続されたイオン化室の電極２が示されている。イオン化室のこの電極２又は整列した電極２の群は、キャパシタ１２を通じて、又は代りに直接若しくは抵抗結合によって、交流高電圧源１０に連結されている。イオン化電極２が高電圧源１０に容量結合され、対向電極３は直接又は電流モニタリング回路１３を介して接地されていることが好ましい。こうして、陽イオン及び陰イオンの雲１４が、存在する電界の影響の下においてこれらの電極２、３の間の間隙間隔Ｇ内で電極２と電極３の間で振動を起す。

次に図５のａ、ｂを参照すると、付勢された電極の間に形成されたイオン化室の内部における波形とイオン雲の動きを示すチャート又はプロットが示されている。図５のａは、高電圧Ｖ（ｔ）と時間（ｔ）の関係を、一例として高電圧源１０によって提供される台形状波形の１サイクルによって示している。もちろん、交流電圧の正弦波形、方形波形、又はその他の周期的波形をイオン化室１の電極に加えることができる。図５のｂは、一例として濃度（＋）（Ｎ）を有するプラス・イオンと濃度（−）（Ｎ）を有してイオン雲を形成するマイナス・イオンとの気体の動きを示し、イオン雲の時間経過における位置は、時間によって変化する印加電圧によって生成される電界に依存する。

電圧Ｖ（ｔ）が正の半サイクルにおいて時間と共にしきい値Ｖｏまで上昇すると、正の極性のコロナ放電が始まる。このしきい値Ｖｏはコロナ開始電圧として知られ、イオン化室の幾何学的形状寸法を含む多くのパラメータの関数である。電極間の電圧がＶｏよりも高い時間中に、コロナ放電は例えば正の極性を有するイオン雲を生成する。電界も又、電極間の電位勾配が原因で間隙領域に存在し、イオン雲はこの電界に応答して動き（正の極性の間に）イオン化電極２から離れ、（負の極性の間に）対向電極３から離れる。

イオン雲の移動速度はイオン移動度μによって決定され、イオン移動度μは電界強度の単位当りのイオンの速度として定義される。ほとんどの状況では、イオン移動度は、イオンが電極間の間隙を横切る時間中には比較的一定であると考えることができる。イオン移動度μがほとんどの気体について報告されていることは都合がよい。イオン移動度の平均値はイオンの電荷の極性に依存し、気体の分子組成及び温度や圧力などの物理的パラメータによって変化する。

本発明によれば、電極に印加される所望の電圧及び周波数は、イオン化室１のコロナ電極２、３の間隙の幾何学的形状寸法と気体イオン移動度によって定義することができる。

コロナ開始電圧Ｖｏも又、イオン化電極の幾何学的形状寸法、気体の組成、物理的パラメータ、及び印加される電圧の極性に依存する。これらの開始電圧を計算することができ、又は実験によって明確にすることもできる。双極性コロナ放電を維持するために、イオン化室の電極に印加される時間によって変化する交流電圧Ｖ（ｔ）の振幅は、最高コロナ開始電圧Ｖｏと少なくとも同じか又はより高いことが必要である。イオン化電極と対向電極との間の間隙Ｇにおけるイオン・ドリフト速度Ｕ（ｔ）は下記の式、
Ｕ（ｔ）＝μＥ（ｔ） 式（１）
（ただし、Ｅ（ｔ）は、電極間隙においてイオン雲が横断する時間と経路にわたる電界である）によって得られる。次元解析を簡単にして本発明の適用を例証する目的のために、Ｅ（ｔ）をＶ（ｔ）／Ｇとして近似化することができ、この結果、ドリフト速度を、
Ｕ（ｔ）＝μ×（Ｖ（ｔ）／Ｇ） 式（２）
（ただし、μは、上述のように雲のための平均イオン移動度であり、簡単にするために陽イオン及び陰イオンの平均イオン移動度として取ることもできる）として近似化することができる。

１気圧及び２１℃の温度における空気についてのμの一般的数値は、約１．５×１０^−４［ｍ^２／Ｖ＊ｓ］である。実際的には、所定のイオン化室と気体組成についてのＥとμの値の統計的分布の両方をさらに正確に説明するために、数値計算を使用することができる。

印加される電圧Ｖがコロナ開始電圧Ｖｏより低いレベルに低下すると、イオン雲は、結果として得られる電界の影響の下で、印加電圧が極性を変えるときまで、ある一定の期間だけ移動し続ける。この時点からさらに、イオン雲は出発してイオン化電極３に向かって逆にドリフトする。結局、印加電圧は負のイオン化しきい値に達し、この時点で陰イオンが放出される。この時点で、陽イオン雲はイオン化電極に向かってドリフトし続け、これらのイオンは両方とも混合して、放出される陰イオンと再結合する。負の半サイクルが続くと、陰イオン雲は同様に動いて、上述のように式（１）で与えられるドリフト速度でイオン化電極から離れる。イオン雲が間隙を形成する電極の間を出て戻るために必要な時間は、イオン化室におけるイオンの滞留時間Ｔである。この滞留時間は又、放出から、帯電した物体の電界の影響の下、又は気体の流れ、又は電極との再結合及び衝突によるかのいずれかによって除去されるまでの、イオンの寿命を説明する統計量でもある。

イオン化室におけるコロナ放電の出力は、滞留時間に適合する交流電圧の周波数における正に帯電したイオン雲と負に帯電したイオン雲を提供することによって最適化することができる。これは、電極間の優勢的に中央領域において振動するイオン雲を創出する。実際には、これは、イオン化電極の近くで創出されたイオン雲は時間Ｔの期間中に間隙の中央領域の中に移動できることを意味し、ただし
Ｔ＝Ｇ／（２Ｕ（ｔ））＝Ｇ／（２μＥ（ｔ）） 式（３）
であり、これは式（２）を使用して
Ｔ＝Ｇ^２／（２μＶ（ｔ）） 式（４）
によって近似することができる。

したがって、間隙の中央領域で振動するイオン雲の条件を満たすために、完全サイクルを達成するための印加イオン化電圧の振動数ｆは
ｆ＝（１／２）Ｔ＝Ｕ（ｔ）／Ｇ＝（μＶ（ｔ））／Ｇ^２ 式（５）
であることが必要である。

式（５）は、より高い印加電圧によって最高イオン化室効率を提供するためには周波数を上げる必要があることを示している。さらに又、イオン移動度が気体の組成、温度、及び圧力に強く依存することがよく知られている。したがって、より高いイオン移動度の条件の下では、印加電圧の周波数も増加するはずである。さらに、高すぎる周波数の使用を避けるために、電極間の間隙も増すことができる。

一例として、通常の大気条件における空気中の平均イオン移動度はμ＝１．５×１０^−４ｍ^２／Ｖ＊ｓに近く、鋭利な尖端のための平均コロナ開始電圧は約Ｖｏ＝４０００Ｖであり、したがって印加電圧は約Ｖ＝６０００Ｖでなければならず、イオン化室の電極間の間隙はＧ＝１．５×１０^−２ｍであってもよい。式（５）を適用すると、大気圧条件における例示的な空気イオン化室の最適周波数をｆ＝４ｋＨｚとして得られる。

コロナ電極間の間隙の中央領域において振動するイオン雲については、反対極性の電極に向かう移動に帰することが可能なイオン損失は減少する。さらに、このようなイオン雲はイオン化電界から離れる方向性のある動き（directed movement）を持たないが、代りに中央領域で振動し、こうして帯電した物体の静電界はイオン化室のコロナ・ギャップからイオンを容易に捕集して高度に効率的な静電気中和をもたらすことができ、これは比較的低い強度の静電界によって達成されて、イオンを帯電した物体に対して移動させることができる。この方式で、イオン中和は、間隙のすぐ近くに位置する非常に低いレベルの残留電荷によって帯電した物体を放電することができる。

多くの場合に、帯電した物体をイオン化室から短い距離に置くことはできない。イオン化室からより長い距離にわたってイオンを供給するために、イオン化室を空気又は気体移動装置の近傍に位置付けることができる。したがって、イオン化室をファン９、９ａなどの気体移動装置から下流側又は上流側に位置付けることができ、イオン化室を空気力学的に空気又は気体の流れを「通す」ように構成又は作ることができる。こうして、電極間の間隙の中央領域で振動するイオン雲を空気流又は気体流の中で容易に動かして、帯電した物体に対するより長い距離にわたって供給することができる。結果として、比較的緩慢な気体流とわずかな気体消費量によって、効率的な電荷中和を、イオン化室と帯電した物体との間の長い距離にわたって達成することができる。

イオン化室に印加される交流電圧のために、容量結合１２を高電圧源１０とイオン化電極２の間に使用することができる。接地された対向電極を有するイオン化電極に容量結合された高電圧の従来の電線路周波数源（５０〜６０Ｈｚ）は、電気的に平衡したイオン流を提供することはできないが、代りに通常、陽イオンと陰イオンの異質の移動度に部分的に帰することができる強い正の極性の片寄りを有する出力イオンを生成する。

対照的に、本発明によるコロナ電極間の中央領域において連続的に振動し、イオン化電極２への容量連結を含むイオン雲は、イオンの自己平衡を提供する。詳細には、ある理由で振動するイオン雲の中に追加量の一極性のイオンが蓄積された場合、これらのイオンはイオン化電極の上に付着して、容量結合１２を介してバイアス電圧オフセットを確立し、容量結合１２は、バイアス・オフセットとＶｏに達するために必要な時間的に変化する高周波電圧との組合せ値を変えることによって雲の中のイオン平衡を回復する。対向電極３を上述のように、接地するか又は電流又は電圧感知回路１３によって地面に接続することができる。

したがって、本発明の方法と装置は、イオン化室の中央領域において振動する平衡した陽イオンと陰イオンの雲を確立し、イオン化室からイオンを効率的に捕集して、低静電界又は流れる空気流又はその他の気体流を介して帯電した物体に向けて動かすことができる。

１個又は複数個の尖ったイオン化電極を使用するイオン化室の図式的断面図である。 コロナ・ワイヤの形をなすイオン化電極を使用するイオン化室の図式的断面図である。 図２のコロナ電極の断面図である。 気体又は空気移動装置の近傍に置かれたイオン化室の図式的断面図である。 交流のイオン化電圧源に接続されたイオン化室のブロック図である。 イオン化室における電圧波形及びイオン雲の移動を示すプロットである。

Claims (23)

1. 間隙の両端間に離隔した一対の電極を含むモジュールの内部で気体中にイオンを生成するための方法であって、
   電極間の間隙の中で陽イオンと陰イオンを生成するために前記電極に交流のイオン化電圧を印加するステップと、
   前記間隙の中の実質的に中央において陽イオンと陰イオンを確立するために、交流のイオン化電圧の周波数を選択するステップと
   を含む方法。
2. 前記イオン化電圧の周波数を
   μ＊Ｖ（ｔ）／Ｇ^２
   （ただし、μはイオン移動度、Ｖ（ｔ）はイオン化電圧の振幅、Ｇは電極間の間隙の寸法）として確立するために、生成されるイオンの移動度を考慮して前記イオン化電圧の前記振幅を選択するステップを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記生成されたイオンの前記間隙の中における残留時間を
   ｆ＝（１／２）Ｔ
   （ただし、ｆは周波数、Ｔはイオン残留時間）
   として確立するために、前記イオン化電圧の周波数を選択するステップ
   を含む請求項１に記載の方法。
4. 前記生成されたイオンを前記間隙の中から選択的に動かすステップ
   を含む請求項１に記載の方法。
5. 前記間隙を通じて流れ気体を導入して、生成されたイオンを前記間隙の中から前記流れ気体中に搬送するステップ
   を含む請求項４に記載の方法。
6. 前記間隙の近傍に配置された帯電した物体の静電界に応答して前記間隙の中から前記生成されたイオンを移動させるステップを
   含む請求項４に記載の方法。
7. 前記交流のイオン化電圧が、前記間隙の中における陽イオンと陰イオンの生成を自己平衡させるために前記電極対の少なくとも１つに容量結合されている請求項１に記載の方法。
8. 前記気体を実質的に妨げられない流れとして前記間隙を通過させる請求項５に記載の方法。
9. 前記間隙が、これを前記流れ気体が実質的に妨げられずに通過するように空気力学的に構成されている請求項５に記載の方法。
10. 気体中において陽イオンと陰イオンの供給物を生成するための装置であって、
    選択された寸法の間隙の両端間に離隔した一対の電極を含むモジュールと、
    前記間隙の中で実質的に中央に集中する陽イオンと陰イオンを生成するための選択された周波数で、交流極性の時間的に変化する電圧を前記電極対に供給するための、前記電極対に結合された交流のイオン化電圧源と
    を含む装置。
11. 前記周波数が、
    μ＊Ｖ（ｔ）／Ｇ^２
    （ただし、μは気体におけるイオン移動度、Ｖ（ｔ）は時間的に変化するイオン化電圧の振幅、及びＧは間隙の寸法）
    として選択される請求項１０に記載の装置。
12. 前記電圧源が、前記間隙の中における生成されたイオンの残留時間を確立するための周波数、実質的に
    ｆ＝１／２Ｔ
    （ただし、ｆは周波数、Ｔは滞留時間）
    で交流のイオン化電圧を供給する請求項１０に記載の装置。
13. 生成されたイオンを前記間隙の中から搬送するための流れ気体源を含む請求項１０に記載の装置。
14. 前記流れ気体が空気であり、生成されたイオンを前記間隙の中から流れる空気流の中で搬送するための、前記間隙に対して配置されたファンを含む請求項１３に記載の装置。
15. 前記間隙が、帯電した物体の静電界に応答して前記間隙の中から生成されたイオンを移動させるために、前記帯電した物体の近傍に配置される請求項１０に記載の装置。
16. 前記交流のイオン化電圧源と交流極性の時間的に変化する電圧を電極に供給するための前記電極対の少なくとも１つとの間の容量結合を含み、前記間隙の中における陽イオンと陰イオンの生成を自己平衡する請求項１０に記載の装置。
17. 前記間隙が、これを流れ気体が実質的に妨げられずに通過するように空気力学的に構成されている請求項１０に記載の装置。
18. 陽イオンと陰イオンを生成するための装置であって、
    間隙を形成するための電極手段と、
    前記電極手段に結合されて、生成されたイオンが前記間隙において実質的に中央に維持されるように選択された周波数で交流のイオン化電圧を前記電極手段に供給するための電源手段と
    を含む装置。
19. 前記周波数が、
    μ＊Ｖ（ｔ）／Ｇ^２
    （ただし、μはイオン移動度、Ｖ（ｔ）はイオン化電圧、及びＧは間隙の寸法）
    として選択される請求項１８に記載の装置。
20. 前記電源手段が前記電極手段に容量結合されている請求項１８に記載の装置。
21. 生成されたイオンが前記間隙の中から選択的に搬送される請求項１８に記載の装置。
22. 前記生成されたイオンが、前記間隙の近傍に配置された静電界に応答して搬送される請求項２１に記載の装置。
23. 前記間隙を通じて気体を流し、生成されたイオンを前記間隙の中から流れ気体の状態で搬送するための手段を含む請求項２１に記載の装置。

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