JP2012174398A

JP2012174398A - イオン発生素子

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Publication number: JP2012174398A
Application number: JP2011033028A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Tokai; 伊知郎東海
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2012-09-10
Also published as: WO2012111372A1

Abstract

【課題】簡単な機構で、効率良く、イオン発生電極で生成されたイオンを、ケーシングの開口部から風路に放出することが可能なイオン発生素子を提供する。
【解決手段】イオン発生電極１に皿状の反射体４をイオン放出用の開口部を有するケーシング３内に設置することにより、風路に向かう方向、すなわち開口部に対して平板型の反射体と比較して垂直方向の指向性が鋭いため、ケーシングのイオン放出用の開口部から、効率よく風路にイオンを放出することが可能なイオン発生素子を提供することができる。
【選択図】図５

Description

この発明は、空中で放電してイオンを発生するイオン発生素子の電極形状に関する。

大気中におけるコロナ放電によって生成された正イオン、負イオンの両極性のイオンを放出して、空気中に正イオンであるＨ^＋（Ｈ_２Ｏ）_ｍと、負イオンであるＯ₂ ^-（Ｈ₂Ｏ）_n（ｍ、ｎは自然数）を略同等量発生させることにより、両イオンが空気中の浮遊カビ菌やウィルスの周りを取り囲み、その際に生成される活性種の水酸基ラジカル（・ＯＨ）の作用により、前記浮遊カビ菌等を不活化することが可能なイオン発生装置に関する発明が本発明者等によって既になされている（例えば、特許文献１および２を参照）。コロナ放電によって生成された正イオンおよび負イオンは、イオン発生電極周辺の電界の向きに沿って拡散し、通常、送出手段（例えば、送風ファン）によって空間に放出される。

このような大気中におけるコロナ放電を利用したイオン発生に関し、図１に示すように、イオン発生電極に印加されている電位と同電位を持った平板状の反射板をイオン発生電極の背後に設置することにより、イオン発生電極で生成されたイオンを反発させて空間に放出するイオン発生素子が特許文献３に記載されている。

また、金属シャーシ内に設置されたイオン発生電極とシャーシの間に絶縁体で形成した反射体を設置することにより、イオン発生電極とシャーシ間の放電を防止し生成されたイオンを反発させて空間に放出するイオン発生素子構造が特許文献４に記載されている。

特開２００３−４７６５１特開２００２−３１９４７２特開２００９−２９５４４０特開昭６２―１２７０６４

通常、イオン発生素子には高電圧が印加されており、また、イオン発生電極は針状に形成された尖端部を有していることから、人体への安全を考慮して、イオン発生素子は図２に示すようにイオン放出用の開口部を有するケーシング内に設置して使用される。また、前記イオン放出用の開口部は、人間が直接触れることができないようにするために、直径１０ｍｍ以内であることが望ましい。

しかしながら、特許文献３に記載されているイオン発生素子では、図２に示すようにイオン発生電極をイオン放出用の開口部を有するケーシング内に設置した場合、風路に向かう方向、すなわち開口部に対して垂直方向の電界の指向性がよくないため、ケーシングのイオン放出用の開口部から、効率よく風路にイオンが放出されないという課題があった（図３参照）。

そこで、この発明の目的は、簡単な機構で、効率良く、イオン発生電極で生成されたイオンを、ケーシングの開口部から風路に放出することが可能なイオン発生素子を提供することである。

この発明に従ったイオン発生素子は、針状に形成された尖端部を有し、高電圧を印加されることによって前記尖端部においてイオンを発生させるイオン発生電極と、イオン放出方向とは逆方向にイオン発生電極の尖端と対向する位置に皿状の導電性材料でなる反射体を備え、イオン発生電極と反射体に同極性の電位が印加される。

また、この発明に従ったイオン発生素子においては、イオン発生電極の尖端が平面視した反射体の図形の中心となるように形成されることが好ましい。

また、この発明に従ったイオン発生素子においては、前記皿状の反射体の断面が円弧（半径が一定）であることが好ましい。

また、この発明に従ったイオン発生素子においては、前記皿状の反射体の断面が、放物線であることが好ましい。

また、この発明に従ったイオン発生素子においては、前記皿状の反射体の断面が、台形であることが好ましい。

また、この発明に従ったイオン発生素子においては、前記皿状の反射体の断面が、周縁部が隆起した平板であることが好ましい。

また、この発明に従ったイオン発生素子においては、前記皿状の反射体の深さが、前記針状イオン発生電極の先端よりも浅いことが好ましい。

また、この発明に従ったイオン発生素子においては、前記皿状の反射体が、前記針状イオン発生電極と機械構造上離れていてもよい。

この発明によれば、イオン発生電極をイオン放出用の開口部を有するケーシング内に設置した場合においても、風路に向かう方向、すなわち開口部に対して平板型の反射体と比較して垂直方向の指向性が鋭いため、ケーシングのイオン放出用の開口部から、効率よく風路にイオンを放出することが可能なイオン発生素子を提供することができる。

また、反射体をイオン発生電極を回転軸として形成する球体の一部とすることにより、イオン発生電極先端部と反射体との距離が前後、左右のどの方向も同じ長さとなり、イオン発生電極先端で発生したイオンが電極先端と反射体の両方から均等に反発力を受ける。これにより、風路に向かう方向の指向性が鋭いイオン発生素子を提供することができる。

また、反射体をイオン発生電極を回転軸とする長く伸びた球体の一部、または放物面とすることにより、放電電極先端部と反射体との距離が上下に比して前後、左右方向が近くなり、イオン発生電極先端で発生したイオンが反射体から強く反発力を受けイオンが収束される。このことにより、風路に向かう方向の指向性が非常に鋭いイオン発生素子を提供することができる。

また、反射体をイオン発生電極を中心軸とする倒立多角錐体とすることにより、反射体を球体の一部として形成するのと同様に、イオン発生電極先端で発生したイオンが反射体から強く反発力を受けイオンが収束される。このことにより、風路に向かう方向の指向性が鋭いイオン発生素子を提供することができる。

また、イオン発生電極の先端は反射体の上端よりも突出するようにすることにより、イオン発生電極先端からのイオン発生を反射体が抑制するという逆効果を無くし、指向性が鋭いイオン発生素子を提供することができる。

また、イオン発生電極は反射体と機械的に接続されずに形成することで、従来のイオン発生電極を使用し反射体のみを追加することが出来るため、特殊部品を調達する必要が無くなり製造コストを下げることができる。

以上のように、この発明に基づいたイオン発生素子によれば、高電圧部に触れることを防止するために、イオン発生電極をイオン放出用の開口部を有するケーシング内に設置した場合でも、風路に向かう方向、すなわち開口部に対して垂直方向の電界の指向性が鋭いため、効率よく風路にイオンを放出することが可能なイオン発生素子を提供することができる。

従来のイオン発生素子の電極構造を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は全体図である。従来のイオン発生素子をイオン放出用の開口部を有するケーシング内に設置した場合を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は全体図である。従来のイオン発生素子をイオン放出用の開口部を有するケーシング内に設置した場合のイオン放出の様子を示す概略図である。本発明の第１実施形態に係るイオン発生素子の電極構造を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は全体図である。本発明の第１実施形態に係るイオン発生素子をイオン放出用の開口部を有するケーシング内に設置した場合のイオン放出状態を示す概念図である。本発明の第２実施形態に係るイオン発生素子の電極構造を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は全体図である。本発明の実施形態に係るイオン発生素子の電極構造と電界強度の関係を表すグラフ。本発明の実施形態に係るイオン発生素子の電極構造と電界強度の関係を表すシミュレーション結果（平板反射板の場合）。本発明の実施形態に係るイオン発生素子の電極構造と電界強度の関係を表すシミュレーション結果（放物線型反射板の場合）本発明の第３実施形態に係るイオン発生素子の電極構造を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は全体図である。本発明の第４実施形態に係るイオン発生素子の電極構造を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は全体図である。本発明の第５実施形態に係るイオン発生素子の電極構造を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は全体図である。本発明の第６実施形態に係るイオン発生素子の電極構造を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は全体図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図４は、本発明の第１実施形態に係るイオン発生素子の電極構造を示す図である。図４に示すイオン発生素子は、針状イオン発生電極１と導電性材料で形成される皿状の反射体４で構成されており、針状イオン発生電極１と皿状の反射体４は電気的に接続されている。皿状の反射体４はイオン発生電極を回転軸とする回転体として形成される球体の一部であり、その断面形状は、円弧（半径が一定）となっている。また、針状イオン発生電極は球体の直径を軸として皿状の反射体から突出して配置される。さらに針状イオン発生電極の上方から見るとき、皿状反射体が形成する円の中心に設置される。また、この時の反射体とイオン発生電極との接点からイオン発生電極の先端までの長さをイオン発生電極の高さとする。

外部電圧印加回路（図示せず）から前記イオン発生素子に高電圧を印加し、針状イオン発生電極１の先端付近の電界強度がある一定以上になるとコロナ放電を生じ、イオンが生成される。生成されたイオンは、針状イオン発生電極１周辺の電界の向きに沿って拡散し、空間に放出される。イオン発生素子に正の電圧を印加した場合は正イオンが反発して放出され、負の電圧を印加した場合は負イオンが反発して放出される。

図５は、本発明の第１実施形態に係るイオン発生素子をイオン放出用の開口部を有するケーシング内に設置した場合のイオンの放出状態を示す概念図である。図５に示すように、イオン発生電極と同電位で断面が円弧（半径が一定）である皿状の反射体によって、イオンが創出されるイオン発生電極先端部と反射体との距離が前後、左右のどの方向も同じ長さとなり、イオン発生電極先端で発生したイオンが電極と反射体の両方から均等に反発力を受ける。平板型の反射板では放電電極に対して前後方向、左右方向が離れるほど、放電電極先端と反射板との距離が離れてしまうので、距離の２乗に反比例する反発力が大きく異なってしまう。これに対して球体などの形状によれば、前後左右方向どの方向からも同じ大きさで反発力を受けるのでイオン発生電極からケーシングの開口部の間の、風路に向かう方向の電界の指向性が鋭くなっている。

したがって上記構成によれば、イオン発生素子をイオン放出用の開口部を有するケーシング内に設置した場合においても、風路に向かう方向、すなわち開口部に対して垂直方向の電界の指向性が鋭いため、効率よく風路にイオンを放出することが可能なイオン発生素子を提供することが可能となる。

上述した本発明に係るイオン発生素子は、空気調和機、除湿器、加湿器、空気清浄機、冷蔵庫、ファンヒータ、電子レンジ、洗濯乾燥機、掃除機、殺菌装置などの電気機器に搭載することが可能である。

係る電気機器には本発明に関わるイオン発生素子を複数備えて、各々正イオンと負イオンを発生するように構成することが出来る。また、ケーシングの開口部を通過した正イオン、負イオンの両方のイオンを空気中に送出する送出手段（例えば、送風ファン）を搭載するのがよい。

さらに、発生させる正イオンをH+(H2O)m(mは任意の自然数)、負イオンをO2-(H2O)n(ｎは任意の自然数)とするときには、このようなイオン発生装置を搭載する電気機器であれば、機器本来の機能に加えて、搭載したイオン発生素子から放出された正イオン、負イオンの作用により空気中のカビや菌を不活化してその増殖を抑制すること等ができ、室内環境を所望の雰囲気状態とすることが可能となる。
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係るイオン発生素子の電極構造を示す図である。
基本的な構造は実施例１と同じであるが、本実施例では実施例１の球体の一部をなす反射体の代わりに放物面若しくは長球体の一部をなす反射体とした。実施例１のときよりも、反射体の前後方向、左右方向に加えて上下方向（針状電極の軸方向）が放電電極に近くなりより強い反発力を呈する。このため、実施例１よりも収束された電界を形成することが可能となり、より強い志向性を持ってイオンを放出することが出来る。

（検証）
また、電磁界解析ソフトウェア「JMAG（JSOL社製）」を使用して、シミュレーションによって本発明に係るイオン発生素子の電極構造による効果の確認を行った。結果を表１及び図８ａ、図８ｂに示す。

例えば、第１実施形態に係るイオン発生素子のイオン発生電極の長さを５ｍｍに、皿状の反射体の直径を１４ｍｍに、深さを４ｍｍにした場合、イオン発生電極の先端から１ｍｍ上方において、開口部に垂直な方向の電界の平均電界強度を確認すると、放電針の真下に円盤状反射板を設ける電極構造に比べ、約１０％増加している結果が得られた。

また、例えば、第２実施形態に係るイオン発生素子のイオン発生電極の長さを５ｍｍに、皿状の反射体の幅を１４ｍｍに、深さを４ｍｍにした場合、イオン発生電極の先端から１ｍｍ上方において、開口部に垂直な方向の電界の平均電界強度を確認すると、従来の放電針の真下に円盤状反射板を設ける電極構造に比べ、約１３％増加している結果が得られた。

表１において各々の電極構造で比較すると、針先から０．５ｍｍ以上離れた場所では、いずれも深さ４ｍｍの場合が最も電界強度が高い結果となっている。

このことは、反射体の周縁部がエッジを形成しており電界集中が発生すること、および周縁部がイオン発生電極先端に近づくことに起因すると考えられる。イオン放出の指向性はイオン発生電極先端部及び反射体周縁部で発揮される反発力によって方向づけられる。

そのため、イオン発生電極の足元部分（反射体と接している部分）から反射体周縁部に至る中間部分の形状は必ずしも曲率を有する必要はないこと、さらには省略が可能なことが読み取れ、反射体はイオン発生電極と一体に形成されていることを必要とせず電気的な接続のみを要することが分かる。

（第３の実施形態）
本実施例は基本的に実施例１と同じ構造であるが、反射体を放電電極の足元ではなく、途中に設けた。反射体が空中に位置することとなり、実施例１と比較して基板等への取り付けに自由度が増える。効果は同様である。

（第４の実施形態）
上記検証を総合的に判断すると、反射体の中心部から周縁部に至る途中部分の影響は小さく、断面が必ずしも曲率を持っていることが条件にはならない。また、反射体がイオン発生電極を中心として前後左右の方向に均等であればいいので、反射体はイオン発生電極を回転軸とする回転体である必要もなく、回転体に近いものであればよい。つまり、イオン発生電極を中心とする複数の三角形の連続体である倒立多角錐体であれば同様の効果を得ることが出来るものと判断される。この例を図９に示す。図９では１６角形としたが多角形であれば多少の差はあるものの同様の効果が得られるものと考える。

（第５の実施形態）
反射体の最下部に開口部を設けて、イオン発生電極をこの開口を貫通する状態で設置した例。効果が得られるものと考える。上記検証を総合的に判断すると、反射体の中心部から周縁部に至る途中部分の影響は小さく省略可能であると考えられ、針尖端と反射体周縁部相対的な距離のみ確保するために、イオン発生電極を固定する基板と異なる基板に反射体を設置した。実施例３と同様の効果が期待できる。

（第６の実施形態）
本実施例は基本的に実施例１と同じ構造であるが、反射体を平板型としながらも周縁部を少し立ち上げた形状とした。検証により反射体の周縁部とイオン発生電極先端部が電界形成に大きく働くことから、形状を単純化したものである。実施例１と比較して反射板の形状自由度が増える。周縁部とイオン発生電極との距離が他の例と同じように配置されることで同様の効果が得られる。

本発明によれば、針状の放電電極を有するイオン発生素子において発生したイオンを強い志向性を持って放出させることが可能となり、特に針状電極が安全のためにケース内から突出しないように構成されたイオン発生装置においてイオンの有効な送出が出来る。

また、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において各部の構成等を適宜に変更して実施することも可能である。

１針状イオン発生電極
２平板状の反射板
３開口部を有するケーシング
４断面が円弧（半径が一定）である皿状の反射体
５イオン
６断面が放物線である皿状の反射体
７イオン発生電極と一体に形成された皿状の反射体
８断面が台形である皿状の反射体
９底部に開口を持つ皿状の反射体
１０基板

この発明に従ったイオン発生素子は、針状に形成された尖端部を有するイオン発生電極に、電圧が印加されることによって前記尖端部でイオンを発生させるイオン発生素子において、前記尖端部に対向する皿状の導電性材料でなる反射体を備え、該反射体は、前記イオン発生電極を回転軸とする回転体であって、前記尖端部が該反射体の中心線上にあり、前記イオン発生電極に構造上接続されておらず、前記イオン発生電極及び前記反射体が同電位としてある。
この発明にあっては、イオン発生電極を回転軸とする回転体である反射体及びイオン発生電極が同電位としてあることにより、イオン放出方向に係る指向性が鋭くなる。このため、イオン発生電極をイオン放出用の開口部を有するケーシング内に設置した場合においても、該ケーシングのイオン放出用の開口部から、効率よくイオンを放出することが可能となる。また、イオン発生電極に反射体が構造上接続されていないことによって、イオン発生電極に反射体が構造上接続された特殊部品を製造する必要がなく製造コストを下げることができる。

また、この発明に従ったイオン発生素子においては、前記反射体が、前記回転軸を含む断面の形状が円弧状であることが好ましい。
この発明にあっては、反射体が、回転軸を含む断面の形状が円弧状であることによって、イオン発生電極の尖端部と反射体との距離が回転軸方向に交差する方向で短くなり、イオン発生電極の尖端部で発生したイオンが反射体から強く反発力を受けイオンが収束される。このため、イオン放出方向に係る指向性が鋭いイオン発生素子を提供することができる。

また、この発明に従ったイオン発生素子においては、前記反射体が、前記回転軸を含む断面の形状が放物線状であることが好ましい。
この発明にあっては、反射体が、回転軸を含む断面の形状が放物線状であることによって、イオン発生電極の尖端部と反射体との距離が回転軸方向に交差する方向で短くなり、イオン発生電極の尖端部で発生したイオンが反射体から強く反発力を受けイオンが収束される。このため、イオン放出方向に係る指向性が鋭いイオン発生素子を提供することができる。

また、この発明に従ったイオン発生素子においては、前記反射体が、周縁部が隆起した平板状であることが好ましい。
この発明にあっては、反射体が、周縁部が隆起した平板状であることによって、イオン発生電極の尖端部と反射体との距離が回転軸方向に交差する方向で短くなり、イオン発生電極の尖端部で発生したイオンが反射体から強く反発力を受けイオンが収束される。このため、イオン放出方向に係る指向性が鋭いイオン発生素子を提供することができる。

また、この発明に従ったイオン発生素子においては、針状に形成された尖端部を有するイオン発生電極に、電圧が印加されることによって前記尖端部でイオンを発生させるイオン発生素子において、前記尖端部に対向する皿状の導電性材料でなる反射体を備え、該反射体は、前記イオン発生電極を中心とする倒立多角錐体であって、前記尖端部が該反射体の中心線上にあり、前記イオン発生電極に構造上接続されておらず、前記イオン発生電極及び前記反射体が同電位としてあることが好ましい。
この発明にあっては、イオン発生電極を中心とする倒立多角錐体である反射体及びイオン発生電極が同電位としてあることにより、イオン放出方向に係る指向性が鋭くなる。このため、イオン発生電極をイオン放出用の開口部を有するケーシング内に設置した場合においても、該ケーシングのイオン放出用の開口部から、効率よくイオンを放出することが可能となる。また、イオン発生電極に反射体が構造上接続されていないことによって、イオン発生電極に反射体が構造上接続された特殊部品を製造する必要がなく製造コストの下げることができる。

また、この発明に従ったイオン発生素子においては、前記尖端部が前記反射体の周縁部より軸方向に突出していることが好ましい。
この発明にあっては、イオン発生電極の尖端部が反射体の周縁部より軸方向に突出していることにより、イオン発生電極の尖端部からのイオン発生を反射体が抑制するという逆効果を無くし、イオン放出方向に係る指向性が鋭いイオン発生素子を提供することができる。

この発明に基づいたイオン発生素子によれば、イオン発生電極を回転軸とする回転体である反射体及びイオン発生電極が同電位としてあることにより、イオン放出方向に係る指向性が鋭くなる。このため、イオン発生電極をイオン放出用の開口部を有するケーシング内に設置した場合においても、該ケーシングのイオン放出用の開口部から、効率よくイオンを放出することが可能となる。また、イオン発生電極に反射体が構造上接続されていないことによって、イオン発生電極に反射体が構造上接続された特殊部品を製造する必要がなく製造コストを下げることができる。

Claims

針状に形成された尖端部を有するイオン発生電極に、高電圧を印加されることによって前記尖端部においてイオンを発生させるイオン発生素子において、
イオン放出方向とは逆方向に前記イオン発生電極の尖端と対向する位置に皿状の導電性材料でなる反射体を備え、前記イオン発生電極と前記反射体に同極性の電位が印加されることを特徴とするイオン発生素子。
前記イオン発生電極の尖端が平面視した前記反射体の図形の中心となるように形成されることを特徴とする請求項１に記載のイオン発生素子。
前記皿状の反射体は前記イオン発生電極を回転軸とする回転体であって、断面が円弧であることを特徴とする、請求項２に記載のイオン発生素子。
前記皿状の反射体は前記イオン発生電極を回転軸とする回転体であって、断面が放物線であることを特徴とする、請求項２に記載のイオン発生素子。
前記皿状の反射体は前記イオン発生電極を中心とする倒立多角錐体であることを特徴とする、請求項２に記載のイオン発生素子。
前記皿状の反射体は前記イオン発生電極を回転軸とする回転体であって、断面が周縁部が隆起した平板であることを特徴とする、請求項２に記載のイオン発生素子。
前記イオン発生電極と前記皿状の反射体が構造上接続されず、電気的にのみ接続されることを特徴とする請求項１〜６に記載のイオン発生素子。
前記皿状の反射体の深さが、前記放電電極の高さ以下であることを特徴とする請求項１から７に記載のイオン発生素子。