JP2010092671A - イオン生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 特にオゾン発生と放電針の汚れを抑制できるイオン生成装置を提供する。
【解決手段】 イオン生成装置１は、正負１対又は２対以上の放電針２ａ，２ｂを配置してなる放電電極と放電針に対向して配置した接地電極３ａ，３ｂとの間に高電圧を印加する高圧電源４を備え、高電圧により放電針２ａ，２ｂの先端に電界を集中してコロナ放電を発生させ、正負のイオンを生成する。高圧電源４は、正及び負の直流高圧電源１１ａ，１１ｂと巻線トランスからなる交流電圧部１２ａ，１２ｂとを含み、正の直流高圧電源１１ａの出力に巻線トランスの交流出力を重畳して正の放電針２ａに印加し、負の直流高圧電源１１ｂの出力に巻線トランスの交流出力を重畳して負の放電針２ｂに印加する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電気を除去する除電器として用いられるイオン生成装置に関する。

除電器用のイオン生成装置（イオナイザ）には、次のような実用上の基準や性能が要求されている。
（１）除電時間を短くするため、できるだけ小さいスラスタの正・負等量のイオン群が大量に発生すること。
（２）近年、低電圧動作の半導体素子等の除電も要求されることが多くなっているので、イオン群の分布の不均一性等に基づくイオンのアンバランスが極力生じないこと。
（３）コロナ放電利用のイオナイザでは、オゾンの発生も伴うが、オゾン濃度は極力小さいこと。
（４）長時間使用で放電針の集塵作用による汚れが少ないこと。
（５）できるだけ小型・軽量で安価な構成の電源であること。
（６）長時間使用では、放電針の消耗等に起因するイオン量の変化やイオンのアンバランスが生じるが、これも極力軽減すること。

上記（１）については、既存のコロナ放電利用イオナイザでほぼ満足するものが提供されているが、以下の理由により（２）〜（６）の要求をすべて満たすものは、実際上実現されていない。

例えば、特許文献１に示されるような直流電源を用いる方式では（２）及び（４）を満足せず、圧電トランス方式の高周波交流電源では周波数が高すぎて、（３）を満足しない。また、低周波の商用周波数の交流電源方式では、巻線型の高圧トランスが必要となるため、装置全体が大型で重量が重くなり、（５）を満足できない。更に、（６）を満たすことは、従来のどの方式でも困難であった。
実開平５−３１２００号公報

本発明は、以上の問題を解決するものとして、特に上記（３）のオゾン発生と（４）の放電針の汚れを抑制できるイオン生成装置を提供することを目的とする。

本発明は、絶縁材の本体に正負１対又は２対以上の放電針を配置してなる放電電極と、該放電針に対向して配置した接地電極と、該放電針と該接地電極との間に高電圧を印加する高圧電源とを備え、該高電圧により該放電針の先端に電界を集中してコロナ放電を発生させ、正負のイオンを生成するイオン生成装置において、
前記高圧電源は、正及び負の直流高圧電源と巻線トランスからなる交流電圧部とを含み、前記正の直流高圧電源の出力に前記巻線トランスの交流出力を重畳して正の放電針に印加し、前記負の直流高圧電源の出力に前記巻線トランスの交流出力を重畳して負の放電針に印加することを特徴とする。

本発明によれば、直流可変電源と汎用の小型トランスを組み合わせたハイブリッド型の電源を使用し、且つ低周波交流（商用電源）を採用することにより、小型・軽量化を図ることができる。

イオン量やオゾン量は放電電流に依存するので、イオンのアンバランスのみならずイオン量の調整により除電時間を変えることも可能であり、また、長期使用の全イオン量低下による除電性能の低下（イオンバランスのみでなく除電時間も長くなる）の問題を解決すると共に、メンテナンスの手間を大幅に改善することができる。

また、除電対象の位置に電位センサを配置し、これと組み合わせたマルチモードの電圧制御方式を採用し、更に放電針の電流情報も用いることで、イオンバランス情報が得て、イオンバランス制御機能を備えることができる
本発明の実施形態では、以下の構成を備える。

巻線トランスは、２出力型の単相トランスである。

巻線トランスは、１次側入力の周波数が１０Ｈｚから１ｋＨｚの範囲にある。

正の直流高圧電源の出力及び負の直流高圧電源の出力を変化させて、高圧電源から放電針に印加される電圧を変えることにより、正負のイオンのイオンバランスを制御するようにする。

正の直流高圧電源の出力及び負の直流高圧電源の出力を変化させる手段として、正負の直流高圧電源の入力側にトライアックによる位相制御型の交流電源を備え、正負の直流高圧電源の出力側に抵抗とＦＥＴを直列接続した回路を備える。

上記正負の直流高圧電源を備えたイオン生成装置においては、被除電物体の電位を計測する電位センサの出力を高圧電源にフィードバックすることにより、該被除物体の電位が正負偏りを生じないように前記正及び負の直流高圧電源の出力を調整して、放電針への印加電圧を変えるようにする。

図１は、本発明の実施形態に係るイオン生成装置（以下「イオナイザ」という）の構成を示す。本実施形態では、コロナ放電は放電針の印加電圧がコロナ開始電圧以上であるときに生じる現象であることを利用して、直流バイアス電源と商用交流電源を組み合わせてバイアス可変方式の、イオンバランス調整可能なハイブリッド電源を構成し、装置全体の小型軽量化を図ると共に直流での集塵を減らすようにしている。

このイオナイザ１は、絶縁材の本体に正負１対（又は２対以上）の放電針２ａ，２ｂを配置してなる放電電極と、各放電針に対向して配置した接地電極３ａ，３ｂと、対応する放電針２ａ，２ｂと接地電極３ａ，３ｂとの間に高電圧Ｖp，Ｖn を印加する高圧電源４とを備え、その高電圧により各放電針２ａ，２ｂの先端に電界を集中してコロナ放電を発生させ、正（＋）負（−）のイオンを生成して除電対象物に向けて送るように構成されている。

除電対象物と放電針２ａ，２ｂとの間に電位センサ５が配置される。電位センサ５は、例えば、音又型振動子を利用した電界測定型の小型電位センサで構成される。この電位センサ５からの電位信号は、除電対象物に対するイオンバランスを表す情報として、後述の直流可変電源部１０に入力される。

高圧電源４は、後述のように出力を制御するための手段としてマイクロコンピュータを内蔵した直流可変電源部１０と、その可変直流電圧により出力電圧が調整される正極側及び負極側の直流電圧生成部１１ａ，１１ｂと、各直流電圧生成部１１ａ，１１ｂに接続された交流電圧生成部１２ａ，１２ｂとで構成される。すなわち、高圧電源４は、直流電源と交流電源を組み合わせたハイブリッド電源として構成されている。

ここで、直流電圧生成部１１ａ，１１ｂは、後述のようにコッククロフト・ウォルトン回路等の電子回路で構成されるため、軽量であるが、商用交流電源からの電力を特定のトランス等で昇圧する方式では、交流生成部が大型で重量も増大することになる。そこで、交流生成部を汎用のトランス等のみで構成するために、放電開始電圧より若干小さい直流バイアス電圧に交流電圧を重畳させることでコロナ放電を制御する方式を採用している。

各直流電圧生成部１１ａ，１１ｂの、各交流電圧生成部１２ａ，１２ｂと反対側の端は、それぞれ抵抗Ｒip、Ｒinを介して接地されると共に直流可変電源部１０に接続され、それによって各抵抗を流れる電流ｉp、ｉn の値が直流可変電源部１０に入力される。

直流可変電源部１０は、上記のように入力される電流ｉp、ｉn の値（電流情報）や電位センサ５からの電位信号（除電対象物に対するイオンバランスを表す情報）に応じて、各直流電圧生成部１１ａ，１１ｂの生成電圧を調整する後述の電圧信号αp、δp 及びαn、δnを出力する。

次に、上記直流電圧及び交流電圧生成部の構成について説明する。

まず、正極側と負極側の各直流電圧生成部１１ａ，１１ｂは、図２に示すように、各トライアックＴp、Ｔn により位相制御される交流電源（電圧）ｖp、ｖnと、その出力側に接続された倍電圧整流回路２１ａ、２１ｂとを備え、上記直流可変電源１０から各トライアックＴp、Ｔn のゲートに加えられる電圧信号αp、αn により、出力電圧の大きさを調整できる。

ここで、倍電圧整流回路２１ａ、２１ｂは、汎用のコッククロフト・ウォルトン回路と同様に、ダイオードＤとコンデンサＣを図示のように複数段接続して構成されるもので、正極側の倍電圧整流回路２１ａは、交流電圧Ｖp をプラス側でｍ段階に整流して増幅し、負極側の倍電圧整流回路２１ｂは、交流電圧Ｖn をマイナス側でｎ段階に整流して増幅するようになっている。

また、汎用のコッククロフト・ウォルトン回路では、電圧を上げるのは容易であるが、降下させることは困難である。そこで、倍電圧整流回路２１ａ、２１ｂに、ＦＥＴ２２ａ、２２ｂと抵抗Ｒp、Ｒn をそれぞれ直列接統した回路を図のように接続することにより、電圧を降下させるようにする。

図示の回路構成によれば、正極側のトライアックＴp とＦＥＴ２２ａの各ゲート電圧αp、δp を制御することにより、正極側の直流電圧Ｖdpを増減することができる。また、負極側のトライアックＴn とＦＥＴ２２ｂの各ゲート電圧αn、δn を制御することにより、負極側の直流電圧Ｖdnも増減することが可能となる。

一方、正極及び負極側の交流電圧生成部１２ａ，１２ｂは、図２に示すように、一次側に交流電源（電圧）ｖacを入力し（一次側入力の周波数は１０Ｈｚから１ｋＨｚの範囲にあることが好ましい。）、二次側に２つの出力ｖap、ｖanを生成する２出力型の単相トランス１２の各二次側巻線部で構成される。そして、各二次側巻線部を前述の倍電圧整流回路２１ａ、２１ｂとそれぞれ直列に接続することで、ハイブリッド方式のイオナイザ用電源を構成している。

このようにして、倍電圧整流回路２１ａ、２１ｂで生成される直流電圧Ｖdp、Ｖdnに、交流電圧生成部１２ａ，１２ｂで生成される交流電圧ｖap、ｖanが重畳されて得られる出力Ｖp（＝Ｖdp＋ｖap）及びＶn（＝Ｖdn＋ｖan）を、正極側及び負極側の放電針２ａ，２ｂにそれぞれ印加すれば、商用周波数の周期で放電するオゾンの少ないイオン発生器を実現することができる。

次に、直流電圧部を調整するための方法を説明する。

前述のように倍電圧整流回路２１ａ，２１ｂの出力電圧を調整するには、入力である交流電圧ｖp、ｖn の振幅を可変にする必要がある。このため、本発明では、前述のトライアックＴp、Ｔn により交流電圧を位相制御する方式を採用している。図３は、トライアックにより位相制御された交流電圧波形を示す。

この交流電圧波形を、インダクタンス(チョークコイル)Ｌを通してコッククロフト・ウォルトン回路に入力するとき、交流電圧の等価振幅ｖp は近似的に、図３の波形の実効値を（√２）倍したものと考えることができる。すなわち、
（数１）
Ｖp ＝（√２）√｛１／π（∫^π _αＶmp^２ sin^２θｄθ）｝
＝Ｖmp √｛１−（α／π）＋（１／２π）sin２α｝ ・・・（１）
この式から、位相制御された交流電圧の振幅Ｖｍｐで規格化した等価振幅Ｖp／Ｖmpを求めると次式となる。
（数２）
Ｖp／Ｖmp ＝√｛１−（α／π）＋（１／２π）sin２α｝ ・・・（２）
式(２)において、位相角αを変化させてＶp／Ｖmp の値を数値計算した結果のグラフを図４に示す。この結果より、位相角αを変化させれば、コッククロフト・ウォルトン回路の等価振幅を変化させることができるので、図２のハイブリッド電源の直流生成電圧を変化させることができる。

以上のように、図２においてトライアックＴp、Ｔn のゲート電圧αp、αn を調整して、倍電圧整流回路２１ａ，２１ｂの出力電圧Ｖdp、Ｖdnを素早く上昇させることは容易であるが、降下させるのは回路の性質上困難である。そこで、出力電圧を素早く降下させるために、負荷抵抗Ｒp、Ｒnと直列に接続したＦＥＴ２２ａ，２２ｂをそのゲート電圧δp、δn によりＰＷＭ（パルス幅変調）制御するようにする。

そのため、図１に示すように、放電針２ａ，２ｂと除電対象物との間に配置した電位センサ５により、正（＋）負（−）のイオンによる電界を測定し、イオンバランスを表す情報として、直流可変電源１０に供給する。

ここで、上記の電位センサの出力をｖ_δ、正・負の放電針２ａ，２ｂの放電電流をｉp ，ｉnとし、これらをベクトル表示した[ｖ_δ ｉp ｉn ]と、正・負の倍電圧整流回路２１ａ，２１ｂの出力（バイアス電圧）Ｖdp及びＶdnを調整するための制御変数αp、δp及びαn ，δnをベクトル表示した[αp δp αn δn]との関係は、次の変換式で表される。
（数３）

式(３)から明らかなように、本実施形態のイオンバランス制御機能を備えたイオナイザは、３入力４出力の他変数制御系である。そして、制御バラメータｆ_１１〜ｆ_４３を実験的に定めれば、要求される制御性能を実現できる。これらの制御パラメータは、単なる定数ではなく、入力に対して場合分けを伴う関数形になると予想される。これらの具体的な数値は、実際のハイブリッド型電源を用いたイオナイザの仕様や実験結果から決定可能である。

このようなイオナイザが実現すれば、短期的な使用のみならず長期的な使用においても、殆どメンテナンス不要な稼動を実現できる。

本実施形態によれば、以下の効果が得られる。

上記のようなハイブリッド電源は、正・負極とも放電針への印加電圧が自動制御され、また、その設定値は自由に変えられる。このため、正・負等量のイオン群を大量に発生できると共に、除電時間を短くすることができる。

図示のイオナイザは、除電対象のイオンバランスを電位センサで検出して電源側にフィードバックする構成になっているので、イオンバランスが良好な除電器が提供される。

コロナ放電利用のイオナイザにおいては、放電針への印加周波数が数キロヘルツ（ｋＨｚ）程度以上に高くなると、オゾン生成率が許容値以上になる場合があり、長時間の使用時に問題となる。これに対し、本実施形態は、商用周波数を利用する方式であるため、生成されるオゾン濃度は、実測によれば極めて少なく、長時問の使用にも十分実用性がある。

イオナイザの電源として直流電源を採用するのが、オゾン発生の点で有利であるが、直流特有の電気集塵作用のため、放電針の汚れによる性能劣化が指摘されている。これに対し、実施形態のようにハイブリッドタイプの電源によれば、放電針を準交流的に電圧印加しているため、放電針の汚れはかなり軽減されるものと期待される。

イオナイザの電源として商用周波数を用いると、巻線型の昇圧トランスが必要となるため、一般に装置全体の寸法と重量が大きくなる欠点があったが、実施形態のように、直流電源部を電子回路で構成し、交流生成部のみを汎用の出力トランスを用いて構成することで、電源部が小型・軽量・安価に構成できる利点を有する。これは、イオナイザの普及にとって重要である。

本実施形態のようにハイブリッド電源を利用してイオンバランス制御機能を備えたイオナイザは、マルチモード（多変数）制御システムとなるが、それらの制御パラメータは、イオナイザの仕様やハイブリッド電源の測定実験から決定することができる。

このようなイオナイザが実用化されることで、短期的な使用は勿論、長期的な使用による電極の消耗によるイオンバランスやイオン量の変動を自動的に調整することが可能になるので、除電器は、ほぼメンテナンスフリーの稼動が可能になる。

本発明の実施形態に係るイオン生成装置の構成を示す図。 直流電源と交流電源を組み合わせたイオナイザ用ハイブリッド電源を示す回路図。 倍電圧整流回路の入力側でトライアックにより位相制御された交流電圧波形を示す図。 位相制御角αと規格化した等価振幅の関係を示すグラフ。

符号の説明

１…イオナイザ、２ａ，２ｂ…放電針、３ａ，３ｂ…接地電極、４…高圧電源、５…電位センサ、１０…直流可変電源部、１１ａ，１１ｂ…直流電圧生成部、１２ａ，１２ｂ…交流電圧生成部、２１ａ，２１ｂ…倍電圧整流回路、２２ａ，２２ｂ…ＦＥＴ。

Claims (6)

1. 絶縁材の本体に正負1対又は２対以上の放電針を配置してなる放電電極と、該放電針に対向して配置した接地電極と、該放電針と該接地電極との間に高電圧を印加する高圧電源とを備え、該高電圧により該放電針の先端に電界を集中してコロナ放電を発生させ、正負のイオンを生成するイオン生成装置において、
   前記高圧電源は、正及び負の直流高圧電源と巻線トランスからなる交流電圧生成部とを含み、前記正の直流高圧電源の出力に前記巻線トランスの交流出力を重畳して正の放電針に印加し、前記負の直流高圧電源の出力に前記巻線トランスの交流出力を重畳して負の放電針に印加することを特徴とするイオン生成装置。
2. 前記巻線トランスは２出力型の単相トランスであることを特徴とする請求項１記載のイオン生成装置。
3. 前記巻線トランスの１次側入力の周波数が１０Ｈｚから１ｋＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項１又は２記載のイオン生成装置。
4. 前記正の直流高圧電源の出力及び前記負の直流高圧電源の出力を変化させて、前記高圧電源から前記放電針に印加される電圧を変えることにより、前記正負のイオンのイオンバランスを制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のイオン生成装置。
5. 前記正の直流高圧電源の出力及び前記負の直流高圧電源の出力を変化させる手段として、前記正負の直流高圧電源の入力側にトライアックによる位相制御型の交流電源を備え、前記正負の直流高圧電源の出力側に抵抗とＦＥＴを直列に接続した回路を備えたことを特徴とする請求項４記載のイオン生成装置。
6. 請求項４又は５記載のイオン生成装置において、被除電物体の電位を計測する電位センサを備え、該電位センサの出力を前記高圧電源にフィードバックすることにより、該被除物体の電位が正負偏りを生じないように前記正及び負の直流高圧電源の出力を調整して、前記放電針への印加電圧を変えることを特徴とするイオン生成装置。
   

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