JP2013077408A

JP2013077408A - イオン発生装置及び空気清浄装置

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Publication number: JP2013077408A
Application number: JP2011215781A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kawai; 正徳河合; Tomoyoshi Yoshioka; 智良吉岡; Naoko Yamamoto; 直子山本; Tetsuya Ezaki; 哲也江崎; Yasuhisa Shiroyama; 泰久白山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: JP5303020B2; WO2013046834A1

Abstract

【課題】安全性が高く、室内空間に高濃度のイオンを放出することができるイオン搬送路を備えたイオン発生装置及び空気清浄装置を実現する。
【解決手段】イオンを発生させるイオン発生素子１と、イオン発生素子１を壁面に有し、発生したイオンを放出口８から放出するイオン搬送路６とを備えたイオン発生装置１０において、イオン搬送路６は、内側に第１の誘電体層４、該誘電体層の外側に金属層５を有し、第１の誘電体層４の厚さに応じて、金属層５に所定の電圧を印加することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、正イオン又は負イオンを発生させるイオン発生装置及びこれを用いた空気清浄装置に関する。

近年、コロナ放電により正イオンあるいは負イオンを発生させるイオン発生装置が、空気清浄装置などに多く搭載され、実用化されている。イオン発生装置には大きく別けると２種類あり、負イオンだけを発生させるものと、正イオン及び負イオンを発生させるものがある。前者のイオン発生装置は、リラックス効果を生むことができ、後者のイオン発生装置は、空気中に浮遊するカビ菌やウィルスの分解、ニオイの除去、集塵等などの効果を生むことができる。

そして、上記の効果を促進するためには、空間内へ放出させるイオンの量を増加させれば良い。しかしながら、コロナ放電によって発生させたイオンは、イオン発生装置のイオン搬送路内面に接触し、イオン搬送路内面に留まってしまうため、空間内に放出するイオン量が減少するという課題があった。

この課題を解決するために、特許文献１には図９のように、絶縁されている外側のダクト８１及び導電性を有する内側のダクト８２からなる搬送路８３を備え、内側のダクト８２にイオンと同極性の直流電圧を印加する除電装置が開示されている。この装置によれば、内側のダクト８２とイオンとの間に電気的な反発力を生じさせ、イオンが搬送路８３の内側に接触することを防止することができ、搬送路８３を通過するイオンの減少を抑制することが可能となる。

特開２００８―９１１４５号公報（平成２０年４月１７日公開）

しかしながら、特許文献１に示された除電装置の搬送路８３は、導電性を有する内側のダクト８２が酸化し、錆びてしまうという問題がある。なぜならば、コロナ放電等でイオンを発生させる場合、同時にヒドロキシルラジカルやオゾンといった活性種も発生することが知られている。これらの活性種は強い酸化力を持っているため、導電性を有する内側のダクト８２を酸化させるからである。さらに、搬送路８３の内側のダクト８２には、全体的に同じ電圧が印加されているため、電位勾配が形成されず、効率良く放出方向へイオンを導くことは出来ないといった課題も存在した。

そこで、本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、耐久性が高く、コロナ放電により発生されたイオンが効率良く空間内へ高濃度のイオンを放出することができるイオン搬送路を備えたイオン発生装置及び空気清浄装置を実現することにある。

本発明に係るイオン発生装置は、イオンを発生させるイオン発生素子と、イオン発生素子を壁面に有し、発生したイオンを放出口から放出するイオン搬送路とを備えたイオン発生装置において、イオン搬送路は、内側に第１の誘電体層、該誘電体層の外側に金属層を有し、第１の誘電体層の厚さに応じて、金属層に所定の電圧を印加することを特徴とする。

また、イオン搬送路は、金属層の外側に第２の誘電体層を有しても良い。また、第１の誘電体層は、金属層を接地状態としたときに、イオン発生量が最大値近傍になるように、厚さ設定されても良い。また、第１の誘電体層の厚さは、イオン発生素子から放出口方向に、厚くなっても良い。前記イオン発生装置を備えた空気清浄装置を構成しても良い。

本発明によれば、耐久性が高く、室内空間に高濃度のイオンを放出することができるイオン搬送路を備えたイオン発生装置及び空気清浄装置を実現することができる。

実施形態１に係るイオン発生装置の断面図である。実施形態１に係るイオン発生素子の構成図である。実施例１に係るイオン発生装置の実験系の構成図である。実施例１に係るイオン発生装置のイオン電流測定結果である。比較例に係るイオン搬送路の断面図である。比較例に係るイオン発生装置のイオン電流測定結果である。実施例２に係るイオン発生装置のイオン電流測定結果である。実施形態２に係るイオン発生装置の断面図である。従来技術に係る除電装置のイオン搬送路を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。

＜実施形態１＞
図１は、本発明の一つの実施形態を示すイオン発生装置１０の断面図である。イオン発生装置１０は、イオン発生素子１、第１の電圧印加装置２、送風部３、誘電体層４及び金属層５から構成されるイオン搬送路６と、第２の電圧印加装置７を備える。

図２は、図１において破線で囲まれたイオン発生素子１を上方から見た拡大構成図である。イオン発生素子１は、コロナ放電を起こし、正イオン、及び負イオンの少なくともいずれかを生じさせるために、放電電極１１及び対向電極である誘電電極１２により構成されている。放電電極１１は、針状の先端部１１ａを有している。誘電電極１２は、環状の金属板より形成され、かつ放電電極に対して貫通孔を有している。この貫通孔は、コロナ放電により発生するイオンを外部へ放出するための開口部である。本実施形態では、貫通孔は１つであり、貫通孔の平面形状は例えば円形状である。放電電極１１の先端部１１ａが誘導電極１２の貫通孔のほぼ中央に配置されるように、放電電極１１及び誘導電極１２を支持基板１３で固定する。放電電極１１の針状の先端部１１ａは、支持基板１３の表面側に突き出しており、放電電極１１の他端部は、第１の電圧印加装置２に接続されている。この状態で、イオン発生素子１は、イオン搬送路６の一部に設置されている。

図１の第１の電圧印加装置２は、放電電極１１及び誘導電極１２に接続され、放電電極１１及び誘導電極１２間でイオンを発生させるために、各々の電極に正または負の電圧を印加する。送風部３は、ファン等によって構成され、空気取り入れ口から取り込まれた空気を送風することで発生したイオンを送り、放出口８から空間にイオンを放出する。送風部３の風力、及び風速は、強いほど発生したイオンをより遠くに、また広く拡散させることができるが、風力が強いとファンの運転音も大きくなるため、装置の仕様により、適宜設定する。また、送風部３は、装置の仕様によってはなくても良い。

イオン搬送路６は、その壁面にイオン発生素子１が設置されており、イオン発生素子１が取りつけられている部分を除いて、内側に誘電体層４、外側に金属層５という構成である。またイオン搬送路６は、断面略矩形、断面略円形、断面略半円形など、内部が空洞である筒形状であれば、何れの形状でもよく、その片方の開口部近傍に送風部３が設けられている。

誘電体層４は、通常、主にポリスチレン、ポリカーボネート、アクリルなどの樹脂等が用いられ、イオン搬送路６の内壁を構成する。金属層５は、導電性、加工性、汎用性の高いものが適しており、例えば銅、アルミニウムなどが用いられ、誘導体層４の外側に設けられる。第２の電圧印加装置７は、金属層５に接続され、正または負の電圧を印加する。また、電圧が印加されている金属層５が、イオン発生装置の外側にむき出しになっているのは危険であるため、金属層５のさらに外側に第２の誘電体層を設けるほうが好ましい。

第１の電圧印加装置２、及び第２の電圧印加装置７により印加する電圧値は、装置の仕様、設置環境等により適宜設定する。また、第１の電圧印加装置２、及び第２の電圧印加装置７は、図１に示したように別々に設置しても良いし、一つの回路で双方を制御できるようにしても良い。

次に、上記のイオン発生装置１０によって空間へイオンを放出するまでについて説明する。イオン発生素子１の放電電極１１及び誘電電極１２に、第１の電圧印加装置２より電圧を印加し、コロナ放電を生じさせる。ここで、放電電極１１に正電圧を印加すると正イオンが発生し、負電圧を印加すると負イオンが発生する。発生したイオンは、イオン搬送路６の内空間に放出され、送風部３により放出口８の方向へ流される。

しかし、一部のイオンはイオン搬送路６の誘電体層４に接触してしまうので、誘電体層４は、発生しているイオンと同極性に帯電してしまう。さらに、経時的に多くのイオンが誘電体層４に接触すると、イオン発生素子１近辺の誘電体層４は、イオン発生素子１に印加されている電圧よりも高い電位を内側表面に形成してしまうため、イオン発生素子１で発生したイオンは、イオン搬送路６内に形成される電界分布によってイオン発生素子１に回収されてしまうことも起こりうる。

そこで、誘電体層４の外側に設けられている金属層５に第２の電圧印加装置７により所定の電圧を印加することで、誘電体層４の内側の表面電位を低下させる。これによって、イオン発生素子１に回収されるイオンを減少させることができる。さらに、イオン発生素子１に回収されるイオン及び誘電体層４に接触するイオンの割合が少なくなるように、金属層５に印加する電圧を調整することで、効率良くイオンを放出口８から空間に放出することができる。

上記の実施形態１と同様のイオン発生装置を用いて、金属層５に印加する電圧と放出されるイオン量の関係を調べる実験を行った。図３は、イオン発生装置１とそのイオン発生量測定器９からなる実験系を上から見た構成図を示しており、正イオンを発生させるイオン発生装置１０ａと、負イオンを発生させるイオン発生装置１０ｂを用いて、同時に正負両イオンを発生させる。発生したイオン量は、イオン発生装置の放出口８から約４１ｃｍ離して配置したイオン量測定器９に流れるイオン電流の大きさにより測定される。

実験では、誘電体層４にポリカーボネートを使用し、厚さを０．５ｍｍとした。正イオンを発生させるイオン発生装置１０ａでは、放電電極１１に５ｋＶの直流電圧、誘導電極１２に放電時間のＤｕｔｙ比が５％である５〜０ｋＶのパルス電圧を印加し、負イオンを発生させるイオン発生装置１０ｂでは、イオン発生装置１０ａと逆極性の電圧を各電極に印加した。

図４は、金属層５へ印加する電圧とそのときに測定されたイオン電流の関係図である。縦軸は、規格化したイオン電流を、横軸は、金属層５への印加電圧（ｋＶ）を示す。実線は正イオン、破線は負イオンを発生させたときの実験結果である。ただし、両方の実験結果を同時に表示し、比較しやすいように、負イオンにおける実験結果は、横軸の極性を逆にして表示している。例えば、負のイオンを発生させるときに、金属層５に−１．５ｋＶを印加して実験を行った場合、図４のグラフ上では極性を逆にした１．５ｋＶのところへ実験結果を記す。同様に、負のイオンを発生させるときに、金属層５に２．０ｋＶを印加した場合、図４のグラフ上では−２．０ｋＶのところへ実験結果を記す。

図４より、正イオンを発生させた場合と負イオンを発生させた場合ではほぼ同傾向であることがわかる。さらに、正イオンは、金属層５に印加する電圧が−０．８〜０．４ｋＶの範囲で効率良くイオンが放出されており、負イオンは、−０．６〜０．６ｋＶの範囲で効率良くイオンが放出されていることがわかる。これらより、イオンを空間へ効率よく放出するためには、金属層５に印加する電圧を調整した方が良いことがわかる。

＜比較例＞
次に、実施例１のイオン発生装置とイオン搬送路の構成を変化させた比較例とを用いて、イオンの発生量を測定した結果について説明する。図５は、実験で用いたイオン搬送路の断面図であり、（Ａ）本発明のイオン搬送路、（Ｂ）誘電体層４ｂのみにより構成されるイオン搬送路、及び（Ｃ）イオン搬送路の内側が金属層５ｃ、外側が誘電体層４ｃで構成されるイオン搬送路である。それぞれのイオン搬送路での実験条件は実施例１で行った実験条件と等しく、図３に示す実験系を用いて行った。正イオン及び負イオンを発生させるためにイオン発生素子１に印加する電圧も同条件であり、正イオンを発生させる場合、放電電極１１に５ｋＶの直流電圧、誘導電極１２に放電時間のＤｕｔｙ比が５％である５〜０ｋＶのパルス電圧を印加し、負イオンを発生させる場合、イオン発生装置１０ａと逆極性の電圧を各電極に印加した。

図６は、（Ａ）〜（Ｃ）の各イオン搬送路におけるイオン発生量の測定結果である。ただし、正負両イオンの実験結果を同時に表示するために、負イオンにおけるイオン電流の値は極性を逆にして表示している。本発明のイオン搬送路を用いた（Ａ）の実験においては、実施例１と同じく誘電体層４の厚さを０．５ｍｍとし、正イオン用イオン発生装置１０ａ及び負イオン用イオン発生装置１０ｂの金属層５に０ｋＶの電圧を印加した。その結果、正イオンは７．４ｎＡ、負イオンは−７．４ｎＡのイオン電流が得られた。

この実験に対して、（Ｂ）の実験においては、正イオンは４．６ｎＡ、負イオンは−４．４ｎＡのイオン電流が得られた。（Ｂ）の結果が（Ａ）よりも悪い結果になった原因は以下が考えられる。正イオンを発生する場合を考えると、（Ｂ）の場合、発生した一部の正イオンは、イオン搬送路の誘電体層４ｂの内側表面に接触し、発生している正イオンと同極性に誘電体層４ｂを帯電させる。さらに、経時的に多くの正イオンが誘電体層４ｂに接触すると、イオン発生素子１近辺の誘電体層４ｂは、イオン発生素子１に印加される電圧よりも高い電位を内側表面に形成してしまい、その結果、イオン発生素子１で発生したイオンは、誘電体層４ｂよりも低電位のイオン発生素子１に回収されてしまう。このようにして空間に放出されるイオン量が少なくなったと考えられる。それに対して、（Ａ）は高い電位を持つ誘電体層４の外側に金属層５を設け、第２の電圧印加装置７により金属層５に低い電圧を印加することで、誘電体層４の内側表面の電位を下げることができるため、イオン発生素子１に回収されることを防ぐことができる。負イオンを発生する場合も同様である。そのため、（Ｂ）のイオン搬送路よりも（Ａ）のイオン搬送路におけるイオン発生量が多く計測されたと考えられる。

また、（Ｃ）の実験において、正イオン用イオン発生装置１０ａではイオン搬送路内側の金属層５ｃに３．９ｋＶの電圧を印加し、負イオン用イオン発生装置１０ｂでは、逆極性の−３．９ｋＶの電圧を印加した。金属層５ｃへの印加電圧は、効率よくイオンが発生するように調整した。その結果、正イオンは７．１ｎＡ、負イオンは−７．５ｎＡのイオン電流が得られた。これは、（Ａ）の実験で得られた正負イオンの発生量と同程度の結果を得ることができた。しかし、（Ｃ）のイオン搬送路は、本発明である（Ａ）のイオン搬送路と異なり、イオン搬送路の内側が金属層５ｃからなるため、イオンとともに発生するヒドロキシルラジカルやオゾンにより酸化され、錆びてしまう。ヒドロキシルラジカルやオゾンは強い酸化力を有するため、金属と反応し、金属を酸化させる。そのため、（Ｃ）のイオン搬送路は、（Ａ）のイオン搬送路より耐久性が低いという課題がある。また、（Ｃ）のイオン搬送路は内側の金属層５ｃに直接電圧を印加するため、強い衝撃等により、イオン発生素子１が外れ、金属層５ｃとイオン発生素子１の電極が接触し、ショートを起こし、故障してしまう可能性もある。（Ａ）のイオン搬送路は、金属層５の内側を誘電体層４で覆っているため、上記のような危険性がなく、安全性の高い設計になっている

次に、イオン発生装置１における誘電体層４の厚さと金属層５に印加する適切な電圧の関係を調べるために、実施例１と同様の図３に示す実験系を用いて、実験を行った。誘電体層４の厚さを（ａ）０．１ｍｍ、（ｂ）０．５ｍｍ、（ｃ）２ｍｍとした３つの場合について、金属層５に印加する電圧と放出されるイオン量の関係を測定し、それぞれの結果から効率よくイオンが発生する金属層５への印加電圧を調べた。実験条件は実施例１で行った実験条件と等しく、正イオン及び負イオンを発生させるためにイオン発生素子１に印加する電圧も同条件である。

図７は、誘電体層４の厚さが前記（ａ）〜（ｃ）の場合に、金属層５へ印加する電圧とそのときに測定されたイオン電流の関係図である。縦軸は規格化したイオン電流を、横軸は金属層５への印加電圧（ｋＶ）を示す。実線は正イオン、破線は負イオンを発生させたときの実験結果である。ただし、両方の実験結果を同時に表示し、比較しやすいように、負イオンにおける実験結果は、図４と同様に横軸の極性を逆にして表示している。

図７（ａ）〜（ｃ）より、正イオン発生時において、適切な金属層５への印加電圧は、（ａ）誘電体層４が０．１ｍｍのとき１．０ｋＶ、（ｂ）誘電体層４が０．５ｍｍのとき０ｋＶ、（ｃ）誘電体層４が２ｍｍのとき−０．８ｋＶであり、負イオン発生時において、適切な金属層５への印加電圧は、（ａ）誘電体層４が０．１ｍｍのとき−１．０ｋＶ、（ｂ）誘電体層４が０．５ｍｍのとき０ｋＶ、（ｃ）誘電体層４が２ｍｍのとき０．９ｋＶである。

これらの結果から、誘電体層４の厚さによって、金属層５に印加する適切な電圧の大きさが変化することがわかる。例えば、誘電体層４が薄い場合、金属層５の電圧が誘電体層４の内側表面の電位に影響を与えやすいため、誘電体層４の内側表面に形成したい電位に近い電圧を金属層５に印加すれば良い。また、誘電体層４が厚い場合、金属層５の電圧が誘電体層４に影響を与えにくくなるため、誘電体層４の内側表面に形成したい電位と差の大きい電圧を金属層５に印加しなければならない。

さらに、実験結果より誘電体層４の厚さが０．５ｍｍのとき、金属層５に印加する電圧をほぼ０ｋＶにすると、イオンが効率よく放出されていることがわかる。このとき、金属層５は接地状態にすれば良いので、消費電力を０にすることができ、さらに、第２の電圧印加装置７は必要ないので、部品の削減にもなる。

＜実施形態２＞
次に、前記実施形態１に示したイオン発生装置１０と異なるイオン搬送路６構成である実施形態２について、図８を用いて説明する。図８では誘電体層４の厚さが、放出口８に近付くにつれ、厚くなる。このように構成することで、誘電体層４の内側表面にかかる電圧の勾配を調整することができるようになるため、イオン発生素子１で発生したイオンを放出口８の方向へ送りやすくなる。

例えば、実施形態１のイオン搬送路６では、誘電体層４の厚さがほぼ均一であるため、イオン発生素子１近辺の誘電体層４の内側表面は高い電位を持ち、放出口８近辺の誘電体層４の内側表面は低い電位を持つ。このときの誘電体層４の内側表面の電位状態は勾配がきついため、勾配を調整すればより効率よくイオンを放出することが可能になると考えられる。また、比較例で示した（Ａ）イオン搬送路の内側が金属層５ａで構成されるイオン搬送路では、イオン搬送路の内側の電位は均一であるため、発生したイオンを放出口８の方向へ送る効果は生じない。

しかし、図８のように誘電体層４の厚さを変化させることで、外側の金属層５に印加された電圧が誘電体層４に与える影響が変化するため、それに合わせて誘電体層４の内側表面の電圧勾配も変化する。イオン発生素子１近辺の誘電体層４表面の電位は高いため、誘電体層４の厚さを薄くし、金属層５に印加する電圧の影響を与えやすくする。放出口８近辺の誘電体層４表面の電位は低いため、誘電体層４の厚さを厚くし、金属層５に印加する電圧の影響を与えにくくする。この結果、金属層５に電圧を印加する前よりも誘電体層４表面の電位勾配を緩やかになり、効率良くイオンを外部空間へ放出することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、本発明の実施例で用いた放電電極１１及び誘導電極１２の形状及び印加電圧は、電極間の距離、発生させたいイオン量等に応じて設定される。それに応じて金属層５に適切な印加電圧も設定される。また、送出手段として送風部３を用いたが、送風部３による効果は、イオンをより広い範囲に拡散させるためであり、目的に応じては送風部３がない構成でも良い。

また、本発明に係るイオン発生装置は、空気清浄装置に搭載することが可能である。なお、ここでいう空気清浄装置は、空気調和機、除湿器、加湿器、空気清浄機、ファンヒ−タ等であり、主として、家屋の室内、ビルの一室、病院の病室、自動車の車室内、飛行機の機内、船の船室内等の空気を調整すべく用いられる装置である。

１イオン発生素子
２第１の電圧印加装置
３送風部
４、４ａ、４ｂ誘電体層
５、５ａ金属層
６イオン搬送路
７第２の電圧印加装置
８放出口
９イオン量測定器
１０、１０ａ、１０ｂイオン発生装置
１１放電電極
１２誘電電極
１３支持基板
８１外側のダクト
８２内側のダクト
８３搬送路

例えば、実施形態１のイオン搬送路６では、誘電体層４の厚さがほぼ均一であるため、イオン発生素子１近辺の誘電体層４の内側表面は高い電位を持ち、放出口８近辺の誘電体層４の内側表面は低い電位を持つ。このときの誘電体層４の内側表面の電位状態は勾配がきついため、勾配を調整すればより効率よくイオンを放出することが可能になると考えられる。また、比較例で示した（Ｃ）イオン搬送路の内側が金属層５ｃで構成されるイオン搬送路では、イオン搬送路の内側の電位は均一であるため、発生したイオンを放出口８の方向へ送る効果は生じない。

Claims

イオンを発生させるイオン発生素子と、
前記イオン発生素子を壁面に有し、発生したイオンを放出口から放出するイオン搬送路とを備えたイオン発生装置において、
前記イオン搬送路は、内側に第１の誘電体層、該誘電体層の外側に金属層を有し、
前記第１の誘電体層の厚さに応じて、前記金属層に所定の電圧を印加することを特徴とするイオン発生装置。
前記イオン搬送路は、前記金属層の外側に第２の誘電体層を有することを特徴とする請求項１に記載のイオン発生装置。
前記第１の誘電体層は、前記金属層を接地状態としたときに、イオン発生量が最大値近傍になるように、厚さ設定されたことを特徴とする請求項１に記載のイオン発生装置。
前記第１の誘電体層の厚さは、前記イオン発生素子から前記放出口方向に、厚くなることを特徴とする請求項１に記載のイオン発生装置。
請求項１〜４のいずれかに記載のイオン発生装置を備えることを特徴とする空気清浄装置。