JP2012079423A - イオン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の放電電極を備えるイオン発生装置において、オゾンの発生量を抑制することのできるイオン発生装置を提供する。
【解決手段】第１実施形態の静電霧化装置は、複数の放電電極２と、放電電極２に高電圧を印加するための高電圧印加部４とを備えている。そして、隣接する放電電極２の放電部２ａ間の距離Ｌを、一方の放電電極２の電界の影響を受けて他方の放電電極２の放電部２ａにおける電界強度が低下する距離としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン放出用の放電電極と、該放電電極に高電圧を印加するための高電圧印加部とを備えたイオン発生装置に関するものである。

従来、イオンミストを発生させるイオン発生装置として、特許文献１に開示されるような静電霧化装置が知られている。特許文献１の静電霧化装置は、放電電極に水を保持させた状態で、その放電電極と相手側電極との間に高電圧を印加し、放電電極が保持している水にレイリー分裂を生じさせることによりイオンミストを生成するものである。

具体的には、ペルチェモジュールにより放電電極を冷却して空気中の水分を放電電極上に結露させ、その結露水を放電電極に保持させた状態で、放電電極と相手側電極との間に高電圧を印加するようにしている。そして、その高電圧の印加に伴って放電電極側から相手側電極側に引っ張られて所謂テイラーコーンと称される円錐形状に盛り上がった結露水の先端にレイリー分裂を生じさせるようにしている。

特許文献１の静電霧化装置により生成されたイオンミスト中には、除菌や脱臭等の作用を有する活性種（ラジカル）が含まれており、同イオンミストは内在する活性種に基づく脱臭作用や、ウイルス又はカビ菌の除去・抑制、アレルゲン物質の不活性化等の作用を有している。

また、特許文献１の静電霧化装置では、複数の放電電極を設け、各放電電極に関し、各先端部分の冷却温度がほぼ同一で、且つ高電圧印加時の各先端部分の電界強度がほぼ同一になるように構成している。これにより、各放電電極からのイオンミストの放出を同時に且つ安定して行うことが可能となり、イオンミスト量を増大させることができる。

特開２００６−２０５０１３号公報

ところで、放電電極において放電を起こしてイオンを発生させるイオン発生装置では、異臭等の原因となるオゾンが放電時に発生する。とくに、特許文献１の静電霧化装置のように複数の放電電極を設けた場合には、放電電極の数に応じてオゾンの発生量が増加しやすくなることから、オゾンの発生量の低減がより強く求められている。

本発明は、本研究者らによる鋭意研究の結果、複数の放電電極を備えるイオン発生装置において、隣接する放電電極間の距離を特定の範囲内とした場合に、オゾンの発生量が減少することを見出したことに基づいてなされたものである。本発明の目的は、複数の放電電極を備えるイオン発生装置において、オゾンの発生量を抑制することのできるイオン発生装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のイオン発生装置は、複数のイオン放出用の放電電極と、該放電電極に高電圧を印加するための高電圧印加部とを備えたイオン発生装置であって、隣接する前記放電電極の放電部間の距離を、一方の放電電極の電界の影響を受けて他方の放電電極の前記放電部における電界強度が低下する距離としたことを特徴とする。

このイオン発生装置において、隣接する前記放電電極の放電部間の距離を、一方の放電電極の電界の影響を受けて他方の放電電極の電界強度が９５％以下に低下する距離とすることが好ましい。

このイオン発生装置において、隣接する前記放電電極の放電部間の距離を、他方の電極に対して一方の電極を無限遠から近づけたときに、一方の放電電極の電界の影響を受けて他方の放電電極の前記放電部における電界強度が低下し始める距離とすることが好ましい。

このイオン発生装置において、一方の放電電極の電界の影響を受けて他方の放電電極の前記放電部における電界強度が低下し始める距離は、前記電界強度が５％低下する距離であることが好ましい。

このイオン発生装置において、隣接する前記放電電極の前記放電部のイオン放出方向における位置を異ならせることが好ましい。
このイオン発生装置において、前記複数の放電電極のうちの少なくとも２以上の放電電極は、それぞれの前記放電部が共通の一点を指向するように配置されていることが好ましい。

このイオン発生装置において、前記放電電極の前記放電部に水を供給するための水供給手段を備え、前記放電電極は前記放電部に供給された水を静電霧化することが好ましい。
このイオン発生装置において、前記水供給手段は熱交換器を備え、該熱交換器により前記放電電極を冷却することによって前記放電部に結露水を供給することが好ましい。

このイオン発生装置において、前記水供給手段は水溜め部を備え、該水溜め部に貯留された水を前記放電部に供給することが好ましい。

本発明によれば、複数の放電電極を備えるイオン発生装置において、オゾンの発生量を抑制することのできるイオン発生装置を提供できる。

第１実施形態におけるイオン発生装置の概略構成図。 放電電極周辺における反応を示す説明図。 第２実施形態におけるイオン発生装置の概略構成図。 第３実施形態における発生装置の概略構成図。 第４実施形態における発生装置の概略構成図。 電界強度とラジカル発生効率との関係を示すグラフ。

以下、本発明のイオン発生装置を静電霧化装置に具体化した実施形態を図面に従って説明する。
［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態の静電霧化装置は、導電性部材からなる板状の電圧印加部材１を備え、この電圧印加部材１上に５本の放電電極２が一列に立設されている。各放電電極２は全体として基端から先端に向かって縮径する円錐状をなし、その先端部分が球状に形成されている。そして、放電電極２の球状部分の先端が放電部２ａとなっている。また、各放電電極２は周囲の液体を毛管現象によって吸い上げることが可能な多孔質材料により形成されている。

各放電電極２の放電部２ａの前方位置には、各放電電極２に対向するように配置されたリング状の対向電極３がそれぞれ設けられている。電圧印加部材１と各対向電極３とは高電圧印加部４を介して電気的に接続され、対向する放電電極２と対向電極３との間に高電圧が印加されるように構成されている。

また、静電霧化装置は水溜め部５を備え、この水溜め部５の内部に電圧印加部材１が配置されている。そして、電圧印加部材１及び各放電電極２の基端部分が水溜め部５に貯留された水の中に浸かった状態となっている。このように構成することにより、各放電電極２は、毛管現象により水溜め部５内の水を吸い上げて、先端の放電部２ａに水を供給する。第１実施形態においては、放電電極２及び水溜め部５により水供給手段が構成されている。

このように構成された第１実施形態の静電霧化装置によれば、水溜め部５内に貯留される水が毛管現象によって各放電電極２の放電部２ａへと供給される。そして、各放電電極２の放電部２ａ表面に水が保持された状態で、放電電極２がマイナス電極となって電荷が集中するように、高電圧印加部４により放電電極２と対向電極３との間に高電圧が印加される。これにより、各放電電極２の放電部２ａに保持された水は、静電気力によって対向電極３側に引き上げられてテイラーコーンと称される形状を形成しつつ、レイリー分裂を繰り返して、ナノメータサイズの微粒子からなるイオンミストとして放出される（静電霧化）。

ここで、第１実施形態の静電霧化装置では、隣接する放電電極２の放電部２ａ間の距離Ｌを次のように設定している。すなわち、高電圧印加部４によって各放電電極２と各対向電極３との間に高電圧を印加した状態において、隣接する放電電極２のうちの一方の放電電極２の電界の影響を受けて、他方の放電電極２の放電部２ａにおける電界強度が低下する距離としている。なお、上記電界強度の低下は、他方の放電電極２が単独で存在する場合の電界強度を基準とするものである。

このように構成することにより、静電霧化時に生じるオゾンの発生量を低減させることができる。図２に示すように、放電電極２と対向電極３との間に高電圧を印加して静電霧化を生じさせた際には、各放電電極２の周囲にオゾンが発生する。このとき、隣接する放電電極２の各放電部２ａ間の距離Ｌが上記の範囲内であると、一方側の放電電極２で発生したオゾンは、放電時に他方側の電極から放出された電子によって形成される、電子が豊富に存在する場の中に曝されるようになる。

そして、上記場の中に曝されたオゾンは、周囲の電子及び水分子との反応を経てヒドロキシラジカルへと変換される（図２に示す反応式を参照）。つまり、オゾンがヒドロキシラジカルの発生源として利用されるようになる。その結果、異臭等の原因となるオゾンの発生量が低減し、かつ除菌や脱臭等の作用を有するヒドロキシラジカルの発生量が増加する。

なお、上記電界強度の低下は放電効率の低下を招き、引いては発生するイオンミスト量の低下を招くことになる。そのため、所定の放電効率を確保しつつ、オゾンの低減効果を得るという観点において、隣接する放電電極２の各放電部２ａ間の距離Ｌを、上記電界強度が９０〜９５％に低下する距離とすることが好ましい。また、上記距離Ｌを、他方の放電電極２に対して一方の放電電極２を無限遠から近づけたときに、一方の放電電極２の電界の影響を受けて他方の放電電極２の放電部２ａにおける電界強度が低下し始める距離（例えば、電界強度が５％低下する距離）とした場合には、オゾンの低減効果を得つつ、かつ放電電極２の放電効率を最大にすることができる。

次に、第１実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）第１実施形態の静電霧化装置は、複数の放電電極２と、放電電極２に高電圧を印加するための高電圧印加部４とを備えている。そして、隣接する放電電極２の放電部２ａ間の距離Ｌを、一方の放電電極２の電界の影響を受けて他方の放電電極２の放電部２ａにおける電界強度が低下する距離としている。

上記構成によれば、隣接する放電電極２のうちの一方側の放電電極２で発生したオゾンは、放電時に他方側の電極から放出された電子によって形成される、電子が豊富に存在する場の中に曝されるようになる。そして、上記場の中に曝されたオゾンは所定の反応を経てヒドロキシラジカルへと変換される。つまり、オゾンをヒドロキシラジカルの発生源として利用することが可能となるのである。このように、高電圧印加時に発生したオゾンがヒドロキシラジカルへと変換されることによって、静電霧化装置から発生したイオンミストは含有オゾン量が抑制され、かつ含有ヒドロキシラジカル量が高められたイオンミストとなる。

（２）好ましくは、隣接する放電電極２の放電部２ａ間の距離Ｌを、一方の放電電極２の電界の影響を受けて他方の放電電極２の放電部２ａにおける電界強度が９５％以下に低下する距離とする。このように構成した場合には、オゾン発生量に対するヒドロキシラジカル発生量の比率が大きく向上する。つまり、オゾン発生量を効果的に抑制しつつ、ヒドロキシラジカル発生量を効果的に高めることができる。

（３）好ましくは、隣接する放電電極２の放電部２ａ間の距離Ｌを、他方の放電電極２に対して一方の放電電極２を無限遠から近づけたときに、一方の放電電極２の電界の影響を受けて他方の放電電極２の放電部２ａの電界強度が低下し始める距離（例えば、電界強度が５％低下する距離）とする。このように構成した場合には、オゾン発生量の低減効果を得つつ、かつ放電電極２の放電効率を最大にすることができる。

（４）第１実施形態の静電霧化装置は、放電電極２の放電部２ａに水を供給するための水供給手段として、水溜め部５を備え、放電電極２内における毛管現象により水溜め部５内の水を吸い上げて、先端の放電部２ａに水を供給するように構成している。上記構成によれば、放電電極２の放電部２ａに多量の液体を供給することができるため、同時に多量の静電霧化を行うことができる。

［第２実施形態］
以下、本発明を具体化した第２実施形態を図面に従って説明する。第２実施形態の静電霧化装置は、水供給手段の構成が第１実施形態と異なっている。したがって、以下では第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図３に示すように、第２実施形態においては、水溜め部５が省略されている。そして、電圧印加部材１及び放電電極２を熱伝導性の材料により形成するとともに、電圧印加部材１の下面に対して、放電電極２を冷却するための熱交換器６を接続している。熱交換器６としては、放電電極２から熱を吸収して放電電極２を冷却可能な構成であればよく、例えばペルチェモジュールや冷熱サイクルを好適に用いることができる。

第２実施形態の静電霧化装置では、熱交換器６が水供給手段として機能する。熱交換器６の作動により放電電極２が冷却された状態となると、放電電極２の周囲の空気中の水分が結露する。そして、放電電極２の表面に結露水が付着することによって、放電電極２の放電部２ａに水が供給される。

次に、第２実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（５）第２実施形態の静電霧化装置は、放電電極２の放電部２ａに水を供給するための水供給手段として熱交換器６を備え、熱交換器６により放電電極２を冷却して結露水を付着させることによって放電部２ａに水を供給するように構成している。上記構成によれば、放電電極２の放電部２ａに供給する水を空気中から取得するようにしているため、装置に水を補給する必要がない。

［第３実施形態］
以下、本発明を具体化した第３実施形態を図面に従って説明する。第３実施形態の静電霧化装置は、各放電電極２の配置構成が第２実施形態と異なっている。したがって、以下では第２実施形態と同様の構成については同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図４に示すように、第３実施形態においては、隣接する放電電極２の放電部２ａの位置が、イオンミストの放出方向おいて異なるように放電電極２が配置されている。具体的には、電圧印加部材１の上面を段状に形成するとともに、電圧印加部材１の各段上に放電電極２をそれぞれ配置することによって各放電電極２の放電部２ａのイオンミストの放出方向における位置を異ならせている。なお、各放電電極２の放電部２ａから放出されるイオンミストの放出方向は全て同じ（平行）になっている。また、本実施形態では、放電電極２の放電部２ａのイオンミストの放出方向における位置が、中央側へ向かって徐々に高くなる（放出方向の下流側に位置する）ように配置している。

次に、第３実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（６）第３実施形態の静電霧化装置では、隣接する放電電極２の放電部２ａのイオン放出方向における位置を異ならせている。上記構成によれば、隣接する２つの放電電極２において、イオン放出方向における下流側（高い位置）に位置する電極から放出された電子によって形成される、電子が豊富に存在する場を、上流側（低い位置）に位置する放電電極２から放出されるイオンミストの放出経路上に位置させることができる。これにより、上流側に位置する放電電極２から発生したオゾンは、隣接する電極から放出された電子によって形成される、電子が豊富に存在する場の中に曝されやすくなる。よって、オゾンと電子とを効率よく接触させることができ、オゾンからヒドロキシラジカルへの変換効率を向上させることができる。

［第４実施形態］
以下、本発明を具体化した第４実施形態を図面に従って説明する。第４実施形態の静電霧化装置は、各放電電極２の配置構成が第２実施形態と異なっている。したがって、以下では第２実施形態と同様の構成については同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図５に示すように、第４実施形態においては、各放電電極２の放電部２ａが共通の一点を指向するように放電電極２を配置している。つまり、各放電電極２の放電部２ａから放出されるイオンミストの放出方向が共通の一点にて交わるように構成されている。具体的には、電圧印加部材１の上面を凹曲面状に形成し、同凹曲面上に放電電極２を配置することによって、各放電電極２の放電部２ａが共通の一点を指向するように構成している。

次に、第４実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（７）第４実施形態の静電霧化装置では、各放電電極２について、各放電部２ａが共通の一点を指向するように配置している。上記構成によれば、隣接する２つの放電電極２において、互いの放電電極２によって形成される、電子が豊富に存在する場を、隣接する放電電極２から放出されるイオンミストの放出経路上に位置させ合うことができる。つまり、一方の放電電極２によって形成される電子が豊富に存在する場を、他方の放電電極２から放出されるイオンミストの放出経路上に位置させることができる。そして、同時に他方の放電電極２によって形成される電子が豊富に存在する場を、一方の放電電極２から放出されるイオンミストの放出経路上に位置させることができる。これにより、オゾンと電子とを効率よく接触させることができ、オゾンからヒドロキシラジカルへの変換効率をより向上させることができる。

なお、本発明の上記各実施形態は、以下のように変更してもよい。
・ 各実施形態において、放電電極２の数は少なくとも２つ以上であればよく、４つ以下であってもよいし、６つ以上であってもよい。

・ 各実施形態において、複数の放電電極２のすべてが隣接する放電電極２に対して上述の範囲内に位置している必要はなく、最も近傍に位置する放電電極２に対して上述の範囲よりも離れて位置する放電電極２が存在していてもよい。

・ 各実施形態では、複数の放電電極２を一列に配置していたが、放電部２ａ間の距離Ｌを除く放電電極２の配置構成は特に限定されるものではない。
・ 第１実施形態において、放電電極２は、毛管現象により放電部２ａへ液体を供給可能な構成であれば、多孔質材であることに限定されない。

・ 第３及び第４実施形態では、電圧印加部材１の形状を変更することにより各放電電極２の各放電部２ａの位置を調整していたが、各放電電極２の長さや形状を変化させることにより各放電部２ａの位置を調整するようにしてもよい。

・ 第３の実施形態について、各放電電極２の放電部２ａの位置を、全体として規則的に変化させる必要はなく、少なくとも隣に位置する放電電極２との関係において、放電部２ａのイオンミストの放出方向における位置が異なっていればよい。

・ 第４の実施形態において、全ての放電電極２の放電部２ａが共通の一点を指向している必要はなく、複数の放電電極のうちの少なくとも隣接する２つの放電電極２の放電部２ａが共通の一点を指向していればよい。

・ 複数の放電電極２の放電部２ａについて、鉛直方向（重力方向）における位置を異ならせるようにしてもよい。オゾンは空気よりも重い気体であることから、高い位置から低い位置へ移動する傾向がある。そのため、上記のように構成した場合には、高い位置に位置する放電電極２にて発生したオゾンは、低い位置に位置する放電電極２から放出された電子によって形成される、電子が豊富に存在する場に向かって下方に移動することになる。これにより、オゾンと電子とを効率よく接触させることができ、オゾンからヒドロキシラジカルへの変換効率を向上させることができる。

・ 上記各実施形態の構成は、静電霧化装置に限られるものではなく、放電電極において放電を起こしてイオンを発生させるイオン発生装置に適用することができる。

次に、各試験例を挙げて上記実施形態をさらに具体的に説明する。
試験例１及び２として、２つの放電電極を有する静電霧化装置を用意した。装置の基本的な構成は図１に示す構成を採用した。試験例１及び２は２つの放電電極の放電部間の距離（以下、電極間距離と記載する。）のみが異なっており、電極間距離がそれぞれ１２ｍｍ、９ｍｍに設定されている。また、コントロールとして放電電極を１つのみ備える静電霧化装置を用意した。コントロールの構成は、放電電極が１つである点を除いて試験例１及び２と同様である。そして、各例の静電霧化装置について、オゾン発生量に対するラジカルの発生量により規定されるラジカル発生効率（ラジカル発生量／オゾン発生量）を測定した。なお、各測定時において放電電極には印加した高電圧は全て一定である。

まず、試験例１及び２について、両放電電極に高電圧を印加した際の一方側の放電電極の放電部における電界強度を測定するとともに、その値について、両電極間距離が無限遠である場合の電界強度に対する割合（％）を算出した。その結果、電極間距離が１２ｍｍである試験例１において測定された電界強度は、両電極間距離が無限遠である場合の電界強度に対して９８．３％であった。また、電極間距離が９ｍｍである試験例２において測定された電界強度は、両電極間距離が無限遠である場合の電界強度に対して９４．２％であった。

次いで、各例の静電霧化装置から発生されたイオンミスト中のラジカル量を電子スピン共鳴（ＥＳＲ）−スピントラップ法を用いて測定した。測定条件は以下のとおりである。
スピントラップ剤：ＤＥＰＭＰＯ（５−Ｄｉｅｔｈｏｘｙｐｈｏｓｐｈｏｒｙｌ−５−ｍｅｔｈｙｌ−１−ｐｙｒｒｏｌｉｎｅ−Ｎ−ｏｘｉｄｅ）
捕集液量：１ｃｃ
捕集距離：１０ｍｍ
暴露時間：２０ｍｉｎ
次いで、各例の静電霧化装置から発生するオゾン量を測定した。具体的には、１１０ｌのチャンバー内にて各例の静電霧化装置を作動させてイオンミストを放出させ、同チャンバー内のオゾン量を測定した。測定条件は以下のとおりである。

使用機器：オゾン量計測装置（Ｄｙｌｅｃ社製、ＭＯＤＥＬ１１００）
測定時間：２０ｍｉｎ
サンプリング流量：１．５ｌ／ｍｉｎ
そして、測定された各例のラジカル量及びオゾン量から、ラジカル発生効率を算出した。図６は各例の電界強度及び電極間距離とラジカル発生効率との関係を示すグラフである。図６に示されるように、放電電極を１つのみ有するコントロールと比較して、所定の距離内に配置された２つの放電電極を有する試験例１及び２は共にラジカル発生効率が向上している。とくに、電界強度が９５％以下である試験例２では、コントロールと比較してラジカル発生効率が２倍以上となっており、ラジカル発生効率がより顕著に向上していることがわかる。

Ｌ…放電部間の距離、１…電圧印加部材、２…放電電極、２ａ…放電部、３…対向電極、４…高電圧印加部、５…水溜め部、６…熱交換器。

Claims (9)

1. 複数のイオン放出用の放電電極と、該放電電極に高電圧を印加するための高電圧印加部とを備えたイオン発生装置であって、
   隣接する前記放電電極の放電部間の距離を、一方の放電電極の電界の影響を受けて他方の放電電極の前記放電部における電界強度が低下する距離としたことを特徴とするイオン発生装置。
2. 請求項１に記載のイオン発生装置において、
   隣接する前記放電電極の放電部間の距離を、一方の放電電極の電界の影響を受けて他方の放電電極の前記放電部における電界強度が９５％以下に低下する距離としたことを特徴とするイオン発生装置。
3. 請求項１に記載のイオン発生装置において、
   隣接する前記放電電極の放電部間の距離を、他方の電極に対して一方の電極を無限遠から近づけたときに、一方の放電電極の電界の影響を受けて他方の放電電極の前記放電部における電界強度が低下し始める距離としたことを特徴とするイオン発生装置。
4. 請求項３に記載のイオン発生装置において、
   一方の放電電極の電界の影響を受けて他方の放電電極の前記放電部における電界強度が低下し始める距離は、前記電界強度が５％低下する距離であることを特徴とするイオン発生装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のイオン発生装置において、
   隣接する前記放電電極の前記放電部のイオン放出方向における位置を異ならせたことを特徴とするイオン発生装置。
6. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のイオン発生装置において、
   前記複数の放電電極のうちの少なくとも隣接する２つの放電電極は、それぞれの前記放電部が共通の一点を指向するように配置されていることを特徴とするイオン発生装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のイオン発生装置において、
   前記放電電極の前記放電部に水を供給するための水供給手段を備え、前記放電電極は前記放電部に供給された水を静電霧化することを特徴とするイオン発生装置。
8. 請求項７に記載のイオン発生装置において、
   前記水供給手段は熱交換器を備え、該熱交換器により前記放電電極を冷却することによって前記放電部に結露水を供給することを特徴とするイオン発生装置。
9. 請求項７に記載のイオン発生装置において、
   前記水供給手段は水溜め部を備え、該水溜め部に貯留された水を前記放電部に供給することを特徴とするイオン発生装置。

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