JP2008016237A - 管型イオン供給機構及びこれを用いた除電器 - Google Patents

Abstract

【課題】気流中に設置しても飛散しにくく、気流の変動によっても安定した放電が確保できる素子型の電極を用いて、省スペースで、簡便に、かつ十分気流と混合された高濃度イオンを局所的に供給する管型イオン供給機構及びこれを用いた除電器を提供する。
【解決手段】 誘電体６と、該誘電体表面に配設される微細な突起を有する放電極５と、前記誘電体の裏面に配設される誘導電極７とを有してなるイオン発生素子を管型の搬送路８内に設置し、該イオン発生素子により生成する正負イオンを、気流によって搬送し、物体表面に照射することで、対象物表面の静電気を中和する除電器において、気流に圧力勾配を設けることで発生する噴流の作用を受ける範囲内に該イオン発生素子を設置し、該噴流の作用により気流とイオンを混合することを特徴とする管型イオン供給機構及びこれを除電器の筐体内に取り付けた除電器。
【選択図】図４

Description

本発明はイオン供給機構及びこれを用いた除電器に関し、より詳しくは電極にて発生した正イオン及び負イオンを気流の作用によって効率よく混合・搬送し、物体表面に局所的にイオンを照射する管型イオン供給機構およびこれを用いた除電器に関する。

一般的な従来のイオン発生器・除電器は、例えば、従来型除電器の場合では、先鋭な針形状のイオン発生電極に高電圧電源により高電圧を印加して、先端部における局所的に極大となる電界強度の作用でコロナ放電を生じさせ、空気を電離することでイオンを発生させる（特許文献１〜６参照）。

上記特許文献１〜３に記載される針形状のイオン発生電極では、圧力変動や流体の作用による放電のバラツキを低減させるため、気流と離れた場所に、流体の乱れを起こさないように、針の先端部を設置する方法が用いられている（図１参照）。

イオン濃度は針先端部で極大となるために、この方法では、発生するイオンを効率的に気流で搬送することが困難であった。また、イオンを含まない流路と含む流路が混在し、濃度分布に偏りが生じるという課題を有していた。従って、除電性能の低下は避けられなかった。

また、上記特許文献４では、安定した放電を生じさせるため、電極の下流側にテーパー状の絶縁部材を設け、また文献５では、気圧変動を抑えるために、流速が可変なノズルを電極の下流側に設けている。しかしながらこれらの方法においてもイオンと気流が混合される以前に局所的な高イオン濃度場が形成されるため、静電反発や拡散によるイオンの損失が大きく、効率的な混合は困難であった。

一方、針電極を用いた除電器において、気流を電極部位もしくはその近傍を通過させることで、イオン濃度を上昇させる方法も考案されている（図２、特許文献６〜９参照）。

特許文献６においては、電極を気流が巻き込むように層流を形成しており、また、特許文献７においては、縮流部分の中心軸に針電極を突出して配置している。さらに、特許文献８においては、気流との混合を促進させるために電極中心に気体噴出機構を設けている。特許文献９においては、気流を針に噴出しても安定したコロナ放電を得るために針電極の下流側に縮流部分を設けている。

上記特許文献のうち、特に特許文献６、７に記載されているような構成の場合、気体の流速ならびに圧力変動によってコロナ放電が不安定になりやすいという課題を有していた。また針と同程度の非常に狭い孔を気流が通過するために、埃や湿気による電極や流通経路への不純物の付着が問題となっていた。

さらに針形状のイオン発生電極は、該電極への印加電圧によって発生した同極性のイオンが瞬時に反発し、指向性を持ったイオン流として飛散する傾向にあるため、特許文献８のような構成でも均一なイオン濃度を得ることが困難で、特許文献９における構成では、管路内へのイオンの付着による消失が顕著となるという問題があった。

また、通常用いられる針型除電器では先端が鋭利なため、万が一電極が飛散して物体や人体に刺さった場合には非常に危険であるために、安全性の確保のため、気流中心部に電極を設置することは現実的ではなかった（図２参照）。

一方、放電極と誘導電極を表面に配設した誘電体をイオン発生素子として用い、針形状ではなく、板状、あるいは管状のイオン発生素子によってイオンを発生、搬送する方法、ならびに除電器が開発された（特許文献１０〜１５参照）。

特開２００５−１９６９７７号公報 特開２００５−７８９９０号公報 特開平１１−３４７５０５号公報 特開２００４−３１９３５８号公報 特開２００４−２１３９８８号公報 特開平５−４７４９０号公報 特開平１１−１７６５５７号公報 特開平８−１３１９８０号公報 特開２００４−９５２７１号公報 特公平２−２２９９８号公報 特公平３−４９１９８号公報 特開２００４−２２５９８３号公報 特開２００４−２５１４９７号公報 特開２００４−３６２８５５号公報 特許第２７９４１１７号明細書

特許文献１０〜１５に示す技術では、誘電体を介し放電電極と誘導電極との間で高電圧を印加して局所的に放電させイオンを発生させるため、物理的な先鋭構造を持たないフラットな形状となっている。また局所部分での放電を利用しているため、針形状のイオン発生電極に比べ、低電圧、低消費電力で同等のイオン量を発生させることが可能になり、さらに、放電電極にコーティング層なる絶縁保護層を形成することで、電界集中により安定して正負両イオンを発生させることが可能になるため、針形状のイオン発生電極が抱えていた問題が低減されている。また、雰囲気の変動に依らず、安定したイオンを供給することが可能となった。

しかしながら、針型素子が有する生成したイオンが自己電場で指向性を持って加速されるという特徴を、素子型電極は有してないため、生成したイオンは電極近傍に滞ることが問題となる。
特に、特許文献１０、１１の一部で示されるように、管の外壁にイオン発生素子を設置したり、特許文献１２、１３で示されるように、薄膜状の素子をなだらかな層流中に設置したりしても、イオンと流体が十分に混合せず、所望の除電性能が得られない（図３参照）。また特許文献１１の図７Ａのように素子状の電極を管路内に設置すると、電源との接点などの構造が複雑になるだけでなく、管路のほとんどが閉塞されるために十分な量の気流を搬送することが困難となる。特許文献１４においては、素子の上流側に拡大管構造を設置して素子に気流を衝突させているが、この場合においても気流はなだらかに素子面を通過するために、生成したイオンを気流と混合させることは困難である。さらに、例えばイオンと気流を混合させるために、特許文献１５に示されるようにプロペラに埋設された素子などの複雑な形態が必要となることが問題となっている。

特にAC型電源を印加することで１つのイオン発生素子から正イオンと負イオンを周期的に交互に発生させるものでは、発生したイオンが電極近傍に局在し、空間的にイオン濃度が不均一になってしまうという欠点を有している。
また、イオン濃度の調整が容易な高周波成分を含む直流成分を有する高電圧電源（パルス波など）を印加した場合では、正極性のイオン発生素子と負極性のイオン発生素子がそれぞれ必要であり、イオンバランスの確保が困難となる。また、コスト及び省スペースの点でのメリットが見込めない。

そこで本発明の課題は、気流中に設置しても飛散しにくく、気流の変動によっても安定した放電が確保できる素子型の電極を用いて、省スペースで、簡便に、かつ十分気流と混合された高濃度イオンを局所的に供給する管型イオン供給機構ならびにこれを用いた除電器を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明は、下記構成を有する。

すなわち、本発明は、誘電体と、該誘電体表面に配設される微細な突起を有する放電極と、前記誘電体の裏面に配設される誘導電極とを有してなるイオン発生素子を管型の搬送路内に設置し、該イオン発生素子により生成する正負イオンを、気流によって搬送し、物体表面に照射することで、対象物表面の静電気を中和する除電器において、気流に圧力勾配を設けることで発生する噴流の作用を受ける範囲内に該イオン発生素子を設置し、該噴流の作用により気流とイオンを混合することを特徴とする管型イオン供給機構である。

また、本発明においては、気流の圧力勾配の形成法が、管型搬送路の径よりも十分小さいノズルをイオン発生素子の上流側に設置することができる。

さらに、本発明においては、気流の圧力勾配の形成法が、気流中に含まれる粉塵の除去機能を兼ね備えることができる。

また、本発明においては、気流の圧力勾配の形成法が、気流の脈動を低減させるバッファ機能を兼ね備えることができる。
またさらに、本発明は、このような管型イオン供給機構を、除電器の筐体内に取り付けた除電器である。

本件請求項１に係る発明によれば、イオン発生素子を気流の圧力勾配下に設置することで、噴流の作用により流体とイオンを効率よく混合し、高濃度のイオンを供給できるとともに、高速の除電が可能となる。
本件請求項２に係る発明によれば、特に複雑な機能を有することなく、ノズルを素子の上流側に配置することで、簡便にかつ省スペースの小型除電器を提供できる。

本件請求項３に係る発明によれば、高濃度イオンを供給できると同時に、粉塵の除去機能をも兼ね備えることが可能となる。

本件請求項４に係る発明によれば、上記効果に加えて、除電性能の低下をもたらす気流の脈動を低減させることができる。
本件請求項５に係る発明は、除電効果が良い除電器を得ることができる。

以下、 本発明のイオン発生素子の詳細について添付図面に基づき説明する。
図１、２は、それぞれ従来の針型電極を用いた管状イオン供給機構、図３は、微細電極素子を層流中に設置した比較例、図４は本発明の一例のイオン供給機構の構成図、図５は本発明の一例のイオン供給機構の構成図、図６はノズルと素子との位置関係を表す説明図、図６の（１）〜（４）の配置ならびに針型除電器での除電時間を表１に示す。

図７は図５の配置における上流側ノズルと電極中心部の距離に対する除電特性の変化を示す説明図、図８はノズルの有無による除電性能の比較のグラフ、図９はイオン照射対象物の表面電位の時間変動を示すグラフである。

本発明に係るイオン発生素子は、誘電体と、該誘電体表面に配設される微細な突起を有する放電極と、前記誘電体の裏面に配設される誘導電極とを有してなるイオン発生素子を管型の搬送路内に設置し、該イオン発生素子により生成する正負イオンを、気流によって搬送し、物体表面に照射することで、対象物表面の静電気を中和する除電器において、流体に圧力勾配を設けることで発生する噴流の作用を受ける範囲内に該イオン発生素子を設置し、該噴流の作用により流体とイオンを混合することを特徴とする管型イオン供給機構ならびに除電器である。

上記発明の実施形態のその一つは、即ち、図４に示すように、イオン発生素子は誘電体６、誘導電極５ならび微細な突起を有する放電極７で構成され、該イオン発生素子を管の中心部に設置できるようにリング状の構造を設け、気流は１から導入され、ノズル構造２およびスリット３、９を通過する際に形成される圧力勾配の作用で生成する噴流の効果で撹拌され、イオンと効率よく混合される。放電極には、望ましくは、高周波、例えば圧電トランスによって生成する６０〜１００ｋＨｚの高周波交流高電圧（電圧は１ｋＶ以上）を印加することで、両極イオンを発生させるのが最も効果的である。正負それぞれの放電極を同一素子上に配設し、それぞれの極性のパルス電圧を印加しても良いが、それぞれの電源ならびに配線が必要であり、装置構造が複雑となる。気流の流量としては、数リットル／分程度でも十分な除電性能が得られるが、望ましくは２０Ｌ〜１００Ｌ／分である。１００Ｌ／分以上の流量では、イオン発生が正と負で周期的に行われるため、対象物への影響を低減させるため、十分な周波数を有する高圧電源を用いるとより効果的である。また、噴流を得るために圧力勾配の形成機構（例えばノズル）と、素子の距離を効果的な位置に調整し、噴流によってイオンの搬送が効率的に行われるようにすると効果的である。

図５は本発明のもう一つの実施形態であり、イオン発生素子を気流と平行に、放電極６、板状の誘電体５ならびに誘導電極７を設置したものである。３によって形成される噴流４の作用によって、気流はイオン発生領域である放電極６近傍を通過し、イオンと効率よく気流が混合される。電源としては、前記（図４）の形態と同様に高周波交流高圧電源が最も適しているが、図５の形態では、正負それぞれの放電極を上面及び下面に別途設置し、それぞれの極性のパルス電圧を印加しても良い。

図６は図４に示した形態において、最も良い除電効率が得られる形態を検証するために気流とノズルの配置を変えた例である。図６の（１）〜（３）が本発明の形態である、ノズルによる圧力勾配によって形成される噴流下に素子が置かれたケースであり、（４）は噴流の外に置いた比較例である。

表１は図６の（１）〜（４）に対応した除電時間、即ち帯電プレート上の電圧が１０００Ｖもしくは−１０００Ｖから１００Ｖもしくは−１００まで電圧が降下するのに要する時間を示している。素子から帯電プレートまでの距離は５０mmとした。比較として図１に示した針型電極を用いた結果では１．１秒であった。

表１の結果より、本発明（１）、（２）の配置では比較例より良好な除電性能が得られたが、（３）は性能は良いものの、イオンバランスが崩れた。また比較例である（４）は気流とうまく混合できないために除電性能が低下した。すなわち、本発明においては、ノズル下流の噴流の中に素子を置き、さらに気流の下流側もしくは横に向けてイオンを生成する場合が最も良い結果が得られた。噴流の形成方法としては、本実施例で示したような縮流、拡大流の組み合わせによるノズル構造が最も簡便であるが、他の圧力勾配形成法、例えば目の粗いフィルタや、多孔体、邪魔板、旋回流などによるものも用いることができる。

図６の（１）の形態においては、副次的な効果として、インパクターによる粗大粒子の慣性捕集が期待できる。すなわち、ノズルによって形成した噴流が素子表面に衝突する際に、粗大粒子は流線から外れて素子表面に慣性衝突し、捕捉されるために、気体中の埃などを捕集する効果を素子が兼ねることが可能であり、除電対象物に埃などが付着することを抑制することができる。このための素子ならびに保持プレートの材質としては、気流が衝突しても振動したり、はく離しない材質が望ましく、例えば、誘電体にはセラミックス、マイカなど、保持材には、ステンレスなどの金属、プラスチックやセラミックスが適している。また素子に配設される放電電極と誘導電極は、スパッタリングやエッチングなどの微細加工で形成される薄膜が適しており、気流の衝突や噴流などではく離がおきないように、誘電体と十分な接着強度を有する必要がある。このためには高温下でのメタライゼーションや、電極へのコーティングなどが有効である。

図７は図５の実施形態におけるノズルと電極中心位置の距離に対する除電特性の変化を表したグラフである。試験にはノズルとして４ｍｍ程度のものを用い、電源には６７ｋＨの高周波高電圧を用いた。図７によって、ノズルが素子に近すぎると層流、あるいは乱流発達領域に近づき、イオンと流体がうまく混合できないため、除電性能が低下する。一方、離れすぎると、流速分布が発達し、再び性能が低下した。従って、素子が圧力勾配の生じる、噴流の位置にある場合、図７においては４０〜５０ｍｍ付近において最も良い条件が得られる。これはノズル径の約１０倍の長さに相当する。

図８は管の出口から帯電プレートまでの距離を変えて求めた除電時間の変化を示している。この場合、ノズルと素子の距離は４０ｍｍに固定し、流量は２８Ｌ／分とした。本発明である素子上流にノズルを設置した場合は、比較例であるノズルが無いものに比べて、３０〜５０％の除電性能の向上が見られた。

本発明の実施形態その２においては、２８Ｌ／分での除電特性であるが、高周波高圧電源を用いているためイオンの発生量は十分多いので、さらに流量を上昇させれば、さらなる除電性能の向上を見込むことができる。ただし、噴流の発達領域は流量の関数であり、最も除電性能が向上するノズルと素子の最適な距離は、流量によって変化するため、上記事例である４０ｍｍの限りではない。

本発明においては、ノズルを素子上流側に設置することで、気流の脈動を低減できるという副次的な効果が見られた。図９は帯電プレートへのイオン照射中における０Ｖ付近の時間的な電圧変化を検証したグラフである。本図に示すように比較であるノズル無しの場合においては、ポンプ、この場合ではダイヤフラムポンプ、の脈動によって顕著に電圧の揺らぎが見られる。これに対して本発明では、ノズルでのバッファ効果によって気流の脈動が低減され、結果として電圧の揺らぎを低減することが可能となった。バッファ効果を得るための噴流の形成方法としては、上記ノズル構造が最も簡便であるが、イオンと気流を効率よく混合させるための他の圧力勾配形成法、例えば目の粗いフィルタや、多孔体、邪魔板、旋回流などによるものも用いることができる。

図１、２は、それぞれ従来の針型電極を用いた管状イオン供給機構、図３は、、図４は、図５は本発明の一例のイオン供給機構の構成図、図６は、表１は図６の（１）〜（４）の配置に相当する除電性能を示す表、図７は、図８は、図９は除電に関する特性を示すグラフである。本発明のイオン発生素子の一実施例を示す構造図 従来の針型電極を用いた管状イオン供給機構 微細電極素子を層流中に設置した比較例 本発明の実施形態その１のイオン供給機構の構成図 本発明の実施形態その２のイオン供給機構の構成図 ノズルと素子との位置関係を表す説明図 図５の配置における上流側ノズルと電極中心部の距離に対する除電特性の変化を示す説明図 ノズルの有無による除電性能の比較のグラフ イオン照射対象物の表面電位の時間変動

符号の説明

１ 気流
２ ノズル構造
３ スリット
４ 合流気流
５ 放電極
６ 誘電体
７ 誘導電極
８ 管型の搬送路
９ スリット
１０ 誘導電源
１１ 放電用高圧電源

Claims (5)

1. 誘電体と、該誘電体表面に配設される微細な突起を有する放電極と、前記誘電体の裏面に配設される誘導電極とを有してなるイオン発生素子を管型の搬送路内に設置し、該イオン発生素子により生成する正負イオンを、気流によって搬送し、物体表面に照射することで、対象物表面の静電気を中和する除電器において、気流に圧力勾配を設けることで発生する噴流の作用を受ける範囲内に該イオン発生素子を設置し、該噴流の作用により気流とイオンを混合することを特徴とする管型イオン供給機構。
2. 前記、気流の圧力勾配の形成法が、管型搬送路の径よりも十分小さいノズルをイオン発生素子の上流側に設置することを特徴とする、請求項１に記載した管型イオン供給機構。
3. 前記、気流の圧力勾配の形成法が、気流中に含まれる粉塵の除去機能を兼ね備えることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載した管型イオン供給機構。
4. 前記、気流の圧力勾配の形成法が、気流の脈動を低減させるバッファ機能を兼ね備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載した管型イオン供給機構。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一つの管型イオン供給機構を、除電器の筐体内に取り付けた除電器。
   

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