JP2012212640A

JP2012212640A - バリア放電イオナイザ

Info

Publication number: JP2012212640A
Application number: JP2011092466A
Authority: JP
Inventors: Masanori Watanabe; 正則渡邉; Yasuo Suzuki; 泰雄鈴木; Tadao Toda; 忠夫戸田
Original assignee: Plasma Ion Assist Co Ltd
Current assignee: Plasma Ion Assist Co Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-11-01

Abstract

【課題】印加電圧が低く且つ放電プラズマの利用効率及び放熱性に優れたイオナイザを安価に提供する。
【解決手段】ガス流通孔を有する２枚のバリア放電電極板を相互に固着し、前記流通孔の壁面に沿ってＵ字形又はＶ字形の切欠部を設けてバリア放電ギャップを形成する。また、バリア放電電極板にアルミニウム又はアルミニウム合金板を用い、その表面を陽極酸化することによってバリア誘電体膜を形成する。更に、前記陽極酸化膜の表面に比誘電率の高い誘電体被膜を積層することによって印加電圧を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、室内空気清浄器等に使用するバリア放電イオナイザの電極構成及び電極材料に関する。

コロナ放電を利用したイオナイザは、半導体生産工程などで発生した静電気の中和や室内の塵埃を取り除く空気浄化装置など広い分野で使用されている。一般的には、放電針と呼ばれる針の先端に高電圧を印加し、コロナ放電を発生させて空気をイオン化し、発生させたプラスイオンやマイナスイオンを送風機などにより帯電物に吹き付けることで静電気を中和させる。

前記放電針方式では、空気流と放電プラズマを接触させるため、放電電極間のギャップは数ｍｍとなり、放電プラズマを生起せしめるために数ｋＶ以上の直流又は交流電圧を印加する必要があり、消費電力が大きくなるだけでなく、前記放電針の先端部が劣化し易い（特許文献１参照）。これらの課題を解決する方法として、マイクロプラズマ技術が開発されているが、プラズマ生成の機械的構成も微細部材の複合化が必要となっているため、民生用用途向けなどでのプラズマ応用の大きな制約となっている。

また、複数の流通口を形成した一対の金属板からなり、該金属板の対向する板面の少なくとも一方の表面に誘電体膜を形成したバリア放電方式のイオナイザが開発されている（特許文献２参照）。誘電体膜の表面は、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲の高低差と任意の平面パターン形状とをもった凹凸が形成されて、対向する金属板の板面は、相互に面着固設されて、両金属板間に電圧を印加してプラズマ放電を生起させる技術である。

特開２００５−０２１３１９号公報特開２００７−２５０２８４号公報

特許文献２で開示される技術では、誘電体膜の表面は数１０μｍの凹凸が形成されていて対向する金属板の板面は相互に面着固設されている。従って、両金属板間に電圧を印加して放電プラズマを発生させても放電プラズマは面着固設された凹凸空間内に発生し、この空間内に閉じ込められる。従って、有効に利用できるイオンは流通孔の壁面近傍で生成される放電プラズマに限定され、放電プラズマの大部分は無効になるという課題があった。

本発明が解決しようとする課題は、印加電圧が低く且つ放電プラズマの利用効率及び放熱性に優れたイオナイザを安価に提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために成されたもので、下記のバリア放電イオナイザを提供する。

請求項１に係る発明は、１個以上の流通孔が穿設された２枚のバリア放電電極板が相対向して配置され、少なくとも一方の対向面は誘電体膜が形成され、両バリア放電電極板間に放電プラズマを生起させるバリア放電イオナイザにおいて、前記バリア放電電極板がアルミニウム板、又はアルミニウム合金板、又はアルミニウムメッキ板であって、その表面の少なくとも対向面にアルミニウム陽極酸化膜が形成されていることを特徴とするバリア放電イオナイザである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の前記アルミニウム板、又はアルミニウム合金板、又はアルミニウムメッキ板の対向面に形成される陽極酸化膜の厚さが１０μｍ乃至５０μｍであることを特徴とするバリア放電イオナイザである。

請求項３に係る発明は、請求項１及び２に記載の前記バリア放電電極板の間隔が１０μｍ乃至１００μｍであることを特徴とするバリア放電イオナイザである。

請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれかに記載の前記アルミニウム陽極酸化膜表面に、該陽極酸化膜の比誘電率より大きな比誘電率を有する誘電体被膜が積層されていることを特徴とするバリア放電イオナイザである。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の前記誘電体被膜の厚さが０．１μｍ乃至１０ μｍであることを特徴とするバリア放電イオナイザである。

請求項６に係る発明は、請求項１から５のいずれかに記載のバリア放電イオナイザにおいて、前記バリア放電電極板の前記流通孔の形状及びサイズがほぼ同一であって、前記バリア放電電極板に穿設された流通孔壁面に沿うて、相対向する電極板の一部にバリア放電ギャップとなる切欠部を有することを特徴とするバリア放電イオナイザである。

請求項７に係る発明は、請求項６に記載の前記切欠部が前記流通孔の壁面に沿ってＵ字形又はＶ字形に設けられ、前記切欠部のサイズが前記バリア放電ギャップの間隔をＨ、流通孔壁面からの奥行きをＤとするとき、ＨとＤの比が０．５≦Ｄ／Ｈ≦３であることを特徴とするバリア放電イオナイザである。

請求項８に係る発明は、１個以上の流通孔が穿設された３枚以上のバリア放電電極板が相対向して配置され、相対向する電極板の少なくとも一方の対向面は誘電体膜が形成され、各電極板間に放電プラズマを生起させるバリア放電イオナイザであって、前記バリア放電電極板の前記流通孔の形状及びサイズがほぼ同一であり、前記バリア放電電極板に穿設された流通孔壁面に沿うて、相対向する電極板の一部にバリア放電ギャップとなる切欠部を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のバリア放電イオナイザである。

請求項９に係る発明は、請求項１から８のいずれかに記載のバリア放電イオナイザにおいて、前記２枚以上のバリア放電電極板は相互に面着固定され、作動領域の少なくとも１点で絶縁性接着剤等で接着固定されていることを特徴とするバリア放電イオナイザである。

本発明に係るバリア放電イオナイザによれば、バリア放電電極板の前記流通孔の壁面に沿ってＵ字形又はＶ字形の切欠部、即ちバリア放電ギャップを形成することによって、印加電圧を低減でき且つ放電プラズマの利用効率を向上することができる。また、バリア放電電極板にアルミニウム又はアルミニウム合金を用いることによって、誘電体膜として陽極酸化膜を容易に形成することができ、放熱性に優れたイオナイザを安価に提供することできる。

本発明に係るバリア放電イオナイザの概略構成の一部を示す図である。本発明に係る対向するバリア放電電極板間に設けられる放電ギャップの各種形状を示す図である。本発明に係るバリア放電イオナイザの印加電圧と放電電流の関係を示す図である。

本発明に係るバリア放電イオナイザは、複数の流通孔を穿設した２枚のバリア放電電極板を相対向して配置し、該電極板の少なくとも一方の対向面には誘電体膜が形成されており、両バリア放電電極板間に直流又は交流電圧を印加して放電プラズマを発生させるバリア放電イオナイザであって、前記バリア放電電極板にアルミニウム又はアルミニウム合金、或いは鉄板等にアルミニウムメッキした合成基板を使用し、その表面の少なくとも対向面に前記誘電体膜としてアルミニウム陽極酸化膜を形成する。

図１に本発明に係るバリア放電イオナイザの概略構成の一部を示す。バリア放電電極板であるアルミニウム基板１ａ、１ｂにはガスが流通する流通孔２が穿設されている。該流通孔２の大きさ、形状及び開孔率は特に特定されるものではないが、円形の場合の直径は数ｍｍ程度、開孔率は３０乃至６０％が好適である。また、基板の厚さは機械的精度が維持できる必要があり、０．３ｍｍ乃至２ｍｍであることが望ましい。

アルミニウム基板１ａ、１ｂの表面は誘電体膜３としてアルミニウム基板の陽極酸化によってアルミニウム酸化膜３を形成することができる。アルミニウム陽極酸化膜３の厚さは、特に限定されるものではないが、両電極間に印加する電圧に耐える厚さが必要で、１０μｍ乃至２００μｍ、好ましくは２０μｍ乃至１００μｍであるである。また、必要に応じて封孔処理してもよい。陽極酸化膜３は対向する電極板のいずれか一方の表面に形成すればよいが、加工上は膜厚を考慮して両基板表面に形成することが望ましい。

更に、本発明によれば、前記陽極酸化膜３の表面に、前記アルミニウム陽極酸化膜の比誘電率より大きな比誘電率を有する誘電体被膜、ＭｇＯ膜、ＴｉＯ_２膜、ＢａＴｉＯ_３膜、ダイヤモンドライクカーボン膜（以下、ＤＬＣ膜とも記す）、Ｓｉ_３Ｎ_４膜などの誘電体膜を積層することができる。これらの誘電体膜を積層することによって、放電電圧の低減、安定なコロナ放電が可能になる。積層する誘電体膜の厚さは０．１μｍ乃至１０μｍ、好ましくは０．３μｍ乃至２μｍである。

前記相対向するバリア放電電極板１ａ、１ｂの前記流通孔２の形状及びサイズをほぼ同一とし、前記バリア放電電極板に穿設された流通孔２の内壁面に沿うて、相対向する電極板の一部にバリア放電を発生させる放電ギャップとなる切欠部４を設ける。該切欠部４は相対向する電極板１ａ、１ｂの少なくとも一方の電極板の流通孔端部に設け、対向する電極板との間に形成される切欠部４が前記流通孔の壁面に沿ってＵ字形又はＶ字形になるように設ける。該切欠部のサイズは両電極間の間隔が１０μｍ乃至２００μｍ、好ましくは２０μｍ乃至１００μｍ、奥行きは１０μｍ乃至２００μｍ、好ましくは２０μｍ乃至１００μｍであるである。前記バリア放電ギャップの間隔をＨ、流通孔壁面からの奥行きをＤとするとき、ＨとＤの比が０．５≦Ｄ／Ｈ≦３であることが好適である。

前記切欠部４は、図２（ａ）に示すように、相対向する電極板１ａ、１ｂの一方の流通孔端部に切欠部４を設け、対向する電極板と固着したときにＵ字形の放電ギャップを形成する構造、同図（ｂ）は相対向する電極板１ａ、１ｂの両方の流通孔端部に切欠部４を設けてＵ字形の放電ギャップを形成する構造、また同図（ｃ）はＶ字形の放電ギャップを形成する構造を示している。前記放電ギャップの形状はこれらに限定されるものではない。

本発明によれば、形状及びサイズがほぼ同一の流通孔が穿設された３枚以上の前記バリア放電電極板を相対向して積層配置し、各積層電極間に前記バリア放電ギャップを形成し、奇数番目の電極板と偶数番目の電極板をそれぞれ電気的に接続して両電極板間にバリア放電電圧を印加する。このような構成にすることによって、各電極板間でバリア放電を発生させることができ、前記流通孔内のイオン発生量を大きくすることができる。

更に、本発明によれば、少なくとも２枚の前記バリア放電電極板は相互に面着固定して前記バリア放電ギャップの間隔を所定間隔（１０μｍ乃至２００μｍ）に精度よく保持する必要がある。バリア放電によって電極板の温度が上昇すると、電極板にそりが発生して前記放電ギャップが変化する。作動領域の大きさにもよるが、作動領域の少なくとも１点で絶縁性の接着剤等で接着固定することによって、前記バリア放電ギャップの変化を抑制することができる。特に、３枚以上のバリア放電電極板を積層する場合は、放電電流によって加熱されて電極板の温度が上昇すると前記放電ギャップの間隔が変化して安定なコロナ放電が維持できなくなる。

また、バリア放電電極板と同形状、ほぼ同サイズの流通孔を有する熱伝導率に優れた金属板、例えば、アルミニウム板や銅板で前記バリア放電電極板をサンドイッチ状に挟むことによって放熱することができ、前記バリア放電電極板の変形を抑制することができる。

本発明に係る第１実施例に用いたバリア放電イオナイザの要部断面図を図１に示す。本実施例で用いたバリア放電イオナイザはバリア放電電極板１ａ、１ｂとしてアルミニウム合金板を用いた。電極基板１ａ及び１ｂには直径５ｍｍの流通孔２を１０ｍｍ間隔に配列し、有効作動領域を４ｃｍ^２とした。電極基板１ａの前記流通孔の周囲に沿うて、前記バリア放電ギャップの間隔Ｈが３０μｍ、流通孔壁面からの奥行きＤが１００μｍとなるように切欠部４を設けた。電極基板１ｂには切欠部は設けなかった。

前記バリア放電電極板１ａ、１ｂの給電端子部分以外の表面はホウ酸溶液中で陽極酸化して厚さ２０μｍの酸化アルミニウム被膜３を形成した。該酸化アルミニウム被膜を９５℃の熱水中で２４時間封孔処理を行った。封孔処理後、１２０℃の大気中で３時間乾燥し、その表面に厚さ１μｍのダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜（図示せず）を積層した。本発明によれば、前記積層誘電体被膜は８００Ｖ以上の耐電圧特性を示した。

前記バリア放電電極板１ａと１ｂの流通孔を位置合わせして圧接し、作動領域の中央部の一部と周辺部を耐熱性接着剤（オーデック社製セラマボンド５７１）で固着した。作動領域の中央部と周辺部を接着剤で固着することによって、前記放電ギャップを３０〜３５μｍに保持することができた。

前記バリア放電電極板１ａと１ｂの間に３３ｋＨｚ、３００Ｖ乃至１２００Ｖの交流電圧を印加してコロナ放電を発生させた。印加電圧と放電電流の関係を図４に示す。バリア放電は前記切欠部及びその近傍で発生し、図４に破線で示すように放電開始電圧は５８０±１５Ｖで、放電電流は印加電圧の増加に対して単調増加した。

本発明に係る第２の実施例では、バリア放電電極１ａ、１ｂには実施例１と同じ形状及び寸法のものを使用し、給電端子部分以外の表面はホウ酸溶液中で陽極酸化して厚さ２０μｍの酸化アルミニウム被膜３を形成した。該酸化アルミニウム被膜を９５℃の熱水中で２４時間封孔処理を行った。封孔処理後、１２０℃の大気中で３時間乾燥し、その表面に厚さ１μｍの酸化チタニウム（ＴｉＯ_２）被膜（図示せず）を積層した。

前記バリア放電電極板１ａと１ｂの流通孔を位置合わせして圧接し、作動領域の中央部の一部と周辺部を耐熱性接着剤で固着した。前記バリア放電電極板１ａと１ｂの間に３３ｋＨｚ、３００Ｖ〜１２００Ｖの交流電圧を印加してコロナ放電を発生させた。図４に実線で示すように放電開始電圧は５３０±１５Ｖで、放電電流は印加電圧の増加に対して単調増加した。

放電開始電圧は前記誘電体被膜に依存し、二次電子放出係数の大きい酸化マグネシウム（ＭｇＯ）や比誘電率の大きいＢａＴｉＯ_３被膜やＳｒＴｉＯ_３被膜を積層することによって放電開始電圧を低減することができる。
「他の実施形態」
上記実施形態では、基板材質としてアルミニウム合金材料を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば熱膨張係数の小さい鉄系基板にアルミニウムメッキした基板を用いることによって、使用中の温度上昇による放電特性の変動を回避することができる。また、他の実施形態として、前記バリア放電電極板を３枚以上積層し、各対向するバリア放電電極板間に前記バリア放電ギャップを形成することによって、流通ガスのイオン濃度を増加することができる。

１ａ、１ｂ：バリア放電電極板
２：流通孔
３：誘電体膜（アルミニウム陽極酸化膜）
４：切欠部

Claims

１個以上の流通孔が穿設された２枚のバリア放電電極板が相対向して配置され、少なくとも一方の対向面は誘電体膜が形成され、両バリア放電電極板間に放電プラズマを生起させるバリア放電イオナイザにおいて、前記バリア放電電極板がアルミニウム板、又はアルミニウム合金板、又はアルミニウムメッキ板であって、その表面の少なくとも対向面にアルミニウム陽極酸化膜が形成されていることを特徴とするバリア放電イオナイザ。
前記アルミニウム板、又はアルミニウム合金板、又はアルミニウムメッキ板の対向面に形成される陽極酸化膜の厚さが１０μｍ乃至５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のバリア放電イオナイザ。
前記バリア放電電極板の間隔が１０μｍ乃至１００μｍであることを特徴とする請求項１及び２に記載のバリア放電イオナイザ。
前記アルミニウム陽極酸化膜表面に、該陽極酸化膜の比誘電率より大きな比誘電率を有する誘電体被膜が積層されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のバリア放電イオナイザ。
前記誘電体被膜の厚さが０．１μｍ乃至１０μｍであることを特徴とする請求項４に記載のバリア放電イオナイザ。
１個以上の流通孔が穿設された２枚のバリア放電電極板が相対向して配置され、少なくとも一方の対向面は誘電体膜が形成され、両電極板間に放電プラズマを生起させるバリア放電イオナイザにおいて、前記バリア放電電極板の前記流通孔の形状及びサイズがほぼ同一であって、前記バリア放電電極板に穿設された流通孔壁面に沿うて、相対向する電極板の一部にバリア放電ギャップとなる切欠部を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のバリア放電イオナイザ。
前記切欠部は前記流通孔の壁面に沿ってＵ字形又はＶ字形に設けられ、前記切欠部のサイズが前記バリア放電ギャップの間隔をＨ、流通孔壁面からの奥行きをＤとするとき、ＨとＤの比が０．５≦Ｄ／Ｈ≦３であることを特徴とする請求項６に記載のバリア放電イオナイザ。
１個以上の流通孔が穿設された３枚以上のバリア放電電極板が相対向して配置され、相対向する電極板の少なくとも一方の対向面は誘電体膜が形成され、各電極板間に放電プラズマを生起させるバリア放電イオナイザであって、前記バリア放電電極板の前記流通孔の形状及びサイズがほぼ同一であり、前記バリア放電電極板に穿設された流通孔壁面に沿うて、相対向する電極板の一部にバリア放電ギャップとなる切欠部を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のバリア放電イオナイザ。
１個以上の流通孔が穿設された２枚以上のバリア放電電極板が相対向して配置され、少なくとも一方の対向面は誘電体膜が形成され、両バリア放電電極板間に放電プラズマを生起させるバリア放電イオナイザにおいて、前記２枚以上のバリア放電電極板は相互に面着固定され、作動領域の少なくとも１点で絶縁性接着剤等で接着固定されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のバリア放電イオナイザ。