JP2014022338A - イオン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 正イオンと負イオンの放電電極の放電音からなる騒音を効率よく低減できるイオン発生装置を提供する。
【解決手段】
本発明のイオン発生装置１は、電極に交流電圧を印加する電圧印加手段と、電圧印加手段により正イオンを発生する第１の電極と、電圧印加手段により負イオンを発生する第２の電極とを備えたイオン発生装置であって、第１の電極と第２の電極にそれぞれ印加する交流電圧の周期に時間差△ｔを設け、第１の電極及び第２の電極から発生する複数の周波数成分からなる騒音レベルのうち最大となる周波数をＦｓとしたとき、時間差を△ｔ＝１／（Ｆｓ×２）として、それぞれの電極に交流電圧を印加することを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、イオン発生装置に関する。

近年、電極に電圧を印加することによって生ずる放電現象を利用して、イオンを生成するイオン発生装置が実用化されている。イオン発生装置により生成されたイオンは、例えば、空気中の浮遊細菌の不活化、有害物質の浄化、脱臭効果等を有する。

このようなイオン発生装置は、電極を有するイオン発生素子と、電極に直流又は交流の高電圧を印加する高電圧印加回路を備える。直流の高電圧は、実効値が大きく、電極に印加するとオゾンが多く発生するため、実効値が小さい交流の高電圧を電極に印加するのが一般的である。

代表的な交流の高電圧としては、正弦波或いは逆鋸波・矩形波等の非正弦波の交流電圧があるが、いずれも放電を何度も繰り返し行うことによる放電音が生じる。

また、イオン発生装置は、上述したような空気中の浮遊細菌の活性化等を促進すべく、イオンの発生量を増加させることが望まれるが、そのために電極に印加する電圧を大きくすると、これに伴って放電音がさらに大きくなる。

近年、イオン発生装置は、公共の場のみならず一般家庭で使用されることも多く、一般家庭向けのイオン発生装置が広く普及している。一般家庭は、通常、屋外に比べて周囲環境の騒音レベルが低いため、そのような環境で使用されるイオン発生装置としては、それ自身が発する騒音をいかに抑制するかが重要である。

特許文献１は、光触媒モジュールを複数組合せた大型の脱臭装置に関するものである。図１０は、２つの光触媒モジュールを駆動するための波形図である。Ａは、第1高圧発生器に供給される電圧波形であり、Ｂは、第1放電部に供給されるパルス波形である。また、Ｃは、第２高圧発生器に供給される電圧波形であり、Ｄは、第２放電部に供給されるパルス波形である。特許文献１の脱臭装置では、図１０に示すように、２つの光触媒モジュールに供給される高電圧の位相を光触媒モジュール毎にずらせることにより、放電電極と対極との間で発生する放電音を低減できるとされている。

特許文献２は、放電を発生させて殺菌・浄化する装置に好適な高電圧パルス発生用の電源装置に関するものである。図１１に示す３つの波形は、それぞれ任意の周波数成分の騒音レベルを表わし、横軸に時間を、縦軸に任意の周波数の騒音レベルを表わしている。単一の放電手段に対して、第１の駆動信号から所定の遅延時間ｔｄ後に第２の駆動信号が供給されるように、第１の駆動信号と第２の駆動信号が同期した放電電圧を繰り返し印加することにより、第１の駆動信号による放電音の騒音（波形Ａ）と第２の駆動信号による放電音の騒音（波形Ｂ）が互いに打ち消され、第１の駆動信号と第２の駆動信号による放電音の合成騒音（波形Ｃ）が低減する。このため、特許文献２では、遅延時間ｔｄを適宜設定することにより、任意の周波数成分の騒音を低減できるとされている。

特開２００２−２３８９８４ 特開２００５−２６９３１９

しかしながら、特許文献１は、高電圧の位相をずらせることにより、放電周期に依存する放電音が重ならず騒音が小さくなるが、放電周期の倍数に相当するような高周波成分の騒音が新たに生じるという問題があった。

また、最近では正負イオンを放出するイオン発生装置が実用化されているが、特許文献１は、正極側で放電させて正イオンを放出するものであり、正と負の両方のイオンを放出するときに、正負イオンの高電圧をどのように位相をずらせるのか教示しておらず、上記の正負イオンを発生させるイオン発生装置には適用することができない。

また、特許文献２は、単一の放電手段に第１の駆動信号と第２の駆動信号を印加することにより、任意の周波数成分の騒音を低減するものであるが、特許文献１のような複数の放電手段や、正と負の両方の放電手段を備えるものに対して、それぞれの放電手段に第１の駆動信号と第２の駆動信号をどのように供給するのか教示していない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、正イオンと負イオンの放電電極の放電音からなる騒音を効率よく低減できるイオン発生装置を実現するものである。

上記の課題を解決するため、本発明のイオン発生装置は、電極に交流電圧を印加する電圧印加手段と、電圧印加手段により正イオンを発生する第１の電極と、電圧印加手段により負イオンを発生する第２の電極とを備えたイオン発生装置であって、第１の電極と第２の電極にそれぞれ印加する交流電圧の周期に時間差△ｔを設け、第１の電極及び第２の電極から発生する複数の周波数成分からなる騒音レベルのうち最大となる周波数をＦｓとしたとき、時間差を△ｔ＝１／（Ｆｓ×２）として、それぞれの電極に交流電圧を印加することを特徴とする。

また、時間差△ｔは、第１の電極の交流電圧の周期を第２の電極の交流電圧の周期より遅らせたものであることを特徴とする。

また、本発明のイオン発生装置は、電極に交流電圧を印加する電圧印加手段と、電圧印加手段により正イオンを発生する第１の電極と、電圧印加手段により負イオンを発生する第２の電極とを備えたイオン発生装置であって、第１の電極の交流電圧の周波数と、第２の電極の交流電圧の周波数とを異ならせ、それぞれの電極に交流電圧を印加することを特徴とする。

また、第１の電極の交流電圧の周波数と、第２の電極の交流電圧の周波数が２Ｈｚ以上異なることを特徴とする。

また、第１の電極の交流電圧の周波数よりも、第２の電極の交流電圧の周波数が大きいことを特徴とする。

本発明のイオン発生装置によれば、正イオンと負イオンの放電電極の放電音からなる騒音を効率よく低減できる。

本発明の実施例１のイオン発生装置の構成を示すブロック図である。 本発明のイオン発生装置が備えるイオン発生素子と電圧印加回路の構成を示す模式図である。 本発明のイオン発生装置が備えるイオン発生素子と電圧印加回路の他の構成を示す模式図である。 本発明のイオン発生装置が備える電圧印加回路の構成を示す模式図である。 正負のイオン発生素子に印加する高電圧パルスの電圧波形を示す図である。 正負のイオン発生素子に印加する高電圧パルスの時間差と騒音レベルの関係を示す図である。 正負のイオン発生素子から放出されるイオンを示す図である。 正負のイオン発生素子に印加する高電圧パルスの電圧波形を示す図である。 正負のイオン発生素子に印加する高電圧パルスの周波数差と騒音レベルの関係を示す図である。 特許文献１の放電波形を示す図である。 特許文献２の放電波形を示す図である。

以下に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、実施例１のイオン発生装置１の構成を示すブロック図である。イオン発生装置１は、イオン発生装置１全体を制御する制御部２、イオン発生素子３、電圧印加回路４、図示しないファンを駆動するファンモータ５、ファンモータ５の駆動を制御するモータ駆動回路６を備える。

イオン発生素子３は、図２に示すような、針形状の放電電極３１１とリング形状の誘導電極３１２とからなるイオン発生素子３１や、図３に示すような、針形状の放電電極３２１と針形状の誘導電極３２２とからなるイオン発生素子３２などを用いることができる。

図２及び図３において、電圧印加回路４は、放電電極３１１、３２１に高電圧を印加する電圧印加手段である。例えば、図２において、電圧印加回路４によって放電電極３１１に電圧が印加されて電位差が与えられると、放電電極３１１近傍は局所的に強電界になる。すると、放電電極３１１付近でコロナ放電が起こり、イオンが発生する。電圧印加回路４によって放電電極３１１に印加される電圧は、誘導電極３１２に対して正の電圧、または、負の電圧のどちらか一方が、発生させるイオンの極性に応じて印加される。

ところで、放電電極３１１の近傍で発生したイオンは誘導電極３１２に接触することによって消滅する。図３に示す誘導電極３２２は針形状であり、図２に示す誘導電極３１２に比べて表面積が小さいので、針形状の誘電電極３２２によって捕獲されるイオンの量が減る。従って、図３に示すイオン発生素子３２によって発生するイオン濃度は、図２に示すイオン発生素子３１によって発生するイオン濃度よりも高濃度になる。

また、図２では、イオン発生素子３１が放電電極３１１、誘導電極３１２を夫々１つずつ備えることとしたがこれに限られるものではない。例えば、電圧印加回路４に対して、放電電極３１１及び誘導電極３１２の電極対が２つ配されていてもよい。該構成とすることにより、一方の放電電極３１１に誘導電極３１２に対して正の電圧を印加し、他方の放電電極３１１に誘導電極３１２に対して負の電圧を印加して同時に正負イオンを生成することができる。これは、図３のイオン発生素子３２においても同様である。

実施例１のイオン発生装置１では、図２に示したイオン発生素子３１と電圧印加回路４を、正イオン生成用と負イオン生成用の２組備えたもので説明するが、当然ながらこれに限られるものではなく、図３に示したイオン発生素子３２と電圧印加回路４を２組備えるものでもよく、上記のように電圧印加回路４を共有するものであってもよい。

以下、本実施例のイオン発生装置１において、正負のイオン発生素子に印加する高電圧パルスの電圧波形を変えたときの騒音試験とその試験結果について説明する。

（イオン発生素子及び電圧印加回路の構成）
図２に示すイオン発生素子３１を正イオン用と負イオン用として２つ備えた構成で、騒音の試験を行った。上述したように各電極対には電圧印加回路４が接続されている。放電電極３１１は、直径約１ｍｍ、長さ約５ｍｍの針電極であり、周囲には、直径約１３ｍｍのリング形状に形成された誘導電極３１２が配置されている。

本実施例では試験の際に波形変更を容易とするために、電圧印加回路４は、図４に示すように信号発生器４１とアンプ４２を備えたものを用いた。ここでは、信号発生器４１として株式会社エヌエフ回路設計ブロック製のマルチファンクションジェネレータＷＦ１９７３を、アンプ４２として株式会社エヌエフ回路設計ブロック製のＡＣ／ＤＣ増幅器ＨＶＡ４３２１を用いた。

（印加電圧）
図５は、正負のイオン発生素子に印加した高電圧パルスの電圧波形を示す図である。本試験において信号波形は信号発生器４１によって生成し、これをアンプ４２で昇圧することで生成した高電圧パルスを放電電極３１１に印加している。具体的には、本試験において、誘導電極３１２は夫々一端に接地用端子（不図示）を有し、各設置用端子は接地電位（０Ｖ）に接続される。そして、正イオンを生成する放電電極３１１には、図５に示すように誘導電極３１２に対して、ピーク電圧が＋９ｋＶである逆鋸波の正の高電圧パルスを印加している。また、負イオンを生成する放電電極３１１には、誘導電極３１２に対してピーク電圧が−９ｋＶである負の高電圧パルスを印加している。

（高電圧パルスの電圧波形）
高電圧パルスの電圧波形は上述したように信号発生器４１によって生成する。本試験においては、正負の電圧波形の周波数はどちらも１２０Ｈｚで一定である。また、正のピーク電圧は、急峻に立上るとともに、緩やかに立下がる波形となっており、負のピーク電圧は、急峻に立下がるとともに、緩やかに立上る波形となっている。

ここで、実施例１のイオン発生装置１では、正のピーク電圧が立上る時間ｔ１と、負のピーク電圧が立下がる時間ｔ２とが同時ではなく、時間差△ｔを設けて一方が遅れて供給されることを特徴とする。例えば、図５の電圧波形では、負のピーク電圧から２５０μ秒遅れて正のピーク電圧が供給されている。

（高電圧パルスの電圧波形と騒音）
本試験において、騒音の計測にはリオン株式会社製の騒音計ＮＡ−２８を使用した。具体的には、騒音計の集音用マイクをイオン発生素子３から１５０ｍｍ離間した位置に固定し、集音用マイク及びイオン発生素子３を金属製の遮音ボックス内に収めて放電時の騒音レベルを測定した。

図６は、上述した正と負のピーク電圧に時間差△ｔを与え、騒音の周波数成分毎に騒音レベルを測定したグラフである。なお、図６において、ＡＰと示した騒音レベルは、全周波数成分の騒音を合計したものを示している。

図６に示すように、各周波数成分の騒音レベルと合計した騒音レベルＡＰは、正のピーク電圧と負のピーク電圧の時間差△ｔに対して強弱しながら変動している。また、騒音レベルＡＰの変動は、正負のピーク電圧が同期した時間差△ｔが０秒において、最も大きい騒音レベル（２０００Ｈｚ）の変動と連動しており、騒音レベルＡＰの変動は２０００Ｈｚの騒音レベル変動が要因となっていることが判る。

そして、この最も大きい騒音レベルが最小となる時間差△ｔを図６から求めると、約２５０μｓｅｃであり、最も大きい騒音レベルの周波数をＦｓとすると、騒音レベルが最小となる時間差△ｔは、２５０μｓｅｃ＝１／（２０００Ｈｚ×２）、すなわち、△ｔ＝１／（Ｆｓ×２）の関係式から求めることができる。

したがって、上記の試験の結果より、最も大きい騒音レベルの周波数Ｆｓを変動の谷間となるように、正負のピーク電圧の時間差△ｔを設定することにより、騒音レベルＡＰを効果的に低減することができる。

なお、本試験によれば、図５のように、負のピーク電圧から正のピーク電圧を遅らせて供給したが、正のピーク電圧から負のピーク電圧を遅らせて供給しても、全体の騒音レベルＡＰを同程度低下することができた。

上述したように、最も大きい騒音レベルの周波数Ｆｓを変動の谷間となるように、正負のピーク電圧の時間差△ｔを設定することにより、騒音レベルＡＰを効果的に低減することができるが、さらに騒音レベルを低下する方法として、正負の高電圧パルスの電圧波形の周波数を低下させてもよい。印加電圧の実効値と放電音の騒音レベルには相関関係があり、周波数を低下させると、印加電圧の実効値が小さくなり音波の周波数全域の騒音レベルを低下させることができる。本試験では、正負の高電圧パルスの電圧波形の周波数を１２０Ｈｚに固定して行っているが、同一波形のまま電圧波形の周波数を低下させれば印加電圧の実効値が低下する。従って放電音の騒音レベルを低下できる。

ここで、高電圧パルスの電圧波形の周波数は基本周波数として放電音の周波数成分を構成することになる。従って、高電圧パルスの電圧波形の周波数は人の聴覚が鈍感になる１０００Ｈｚ以下に設定することが望ましい。さらに人の聴覚特性を考慮すれば、５００Ｈｚ以下に設定することがより望ましい。

一方、同一波形のまま高電圧パルスの周波数を低下すると印加電圧の実効値が低下するので、過度に周波数を低下するとイオンの発生量が低下、つまりイオン濃度が低下する。したがって、電圧波形の周波数は、維持すべきイオン濃度と外部環境（他の要素に起因する騒音状態）を勘案して適宜設定する必要が有る。使用状況に応じて使用者が適宜電圧波形の周波数を変更可能に形成するとよい。

なお本願発明者らの試験によれば電圧波形の周波数を１００Ｈｚ程度まで低下してもイオン濃度に顕著な低下はみられなかったが、さらに周波数を低下させたところイオン濃度の低下が認められた。従って、イオン濃度の維持を考慮すれば、電圧波形の周波数は１００Ｈｚ以上であることが望ましい。

（イオン濃度）
本試験によれば、負のピーク電圧から正のピーク電圧を遅らせた場合も、正のピーク電圧から負のピーク電圧を遅らせた場合も、全体の騒音レベルＡＰを低下させうる点では、同じ効果が得られている。しかし、図５のように、負のピーク電圧を先に供給し、正のピーク電圧を遅らせる方が、正負のイオンをバランスよく放出するということで好ましい。この理由について、図７に示す正負のイオン発生素子の模式図を用いて説明する。

図７は、正負のイオン発生素子から生成されるイオンを示した模式図である。図７（ａ）は、正と負の両方放電電極に放電電圧が印加されている状態を示し、図７（ｂ）は、正の放電電極には放電電圧が印加されておらず、負の放電電極だけに放電電圧が印加されている状態を示している。

それぞれの放電電極３１から生成される正と負のイオンは、本来はファンの送風によって外部に放出されるものであるが、一部のイオンは逆極性の相手側の放電電極３１に引き付けられ消滅してしまう。特に負イオンは正イオンよりも移動度が大きいため、図７（ａ）のように正イオンよりも先に放電電極３１に引き付けられ消滅し、結果的に正イオンよりも負イオンの放出量が減少することになる。

そこで、負のピーク電圧を先に供給し、正のピーク電圧を遅らせた場合、図７（ｂ）のように、負イオンが生成される段階では、正イオンの放電電極３１には電圧が印加されていないため、負イオンが引き付けられることがなくなり、また、遅れて正イオンの放電電極３１に電圧が印加された段階でも、負イオンはファンの送風によって正イオンの放電電極３１から遠ざかっているので引き付けられることがなくなる。

したがって、負のピーク電圧を先に供給し、正のピーク電圧を遅らせて供給することにより、負イオンを減少させることなく、正負イオンをバランスよく放出することができる。

図８は、実施例２の高電圧パルスの電圧波形を示す図である。実施例２の高電圧パルスの電圧波形は、正と負の周波数が異なり周波数差を設けたことを特徴としている。高電圧パルスの電圧波形を除き、イオン発生装置１等の他の構成は、実施例１と同一であるため詳細な説明を省略する。

（高電圧パルスの電圧波形）
高電圧パルスの電圧波形は上述したように信号発生器４１によって生成する。図８では、正の電圧波形の周波数が１２０Ｈｚであり、負の電圧波形の周波数が１４０Ｈｚであり、正と負の電圧波形で２０Ｈｚの周波数差△ｆを設けている。これにより、正と負のピーク電圧が供給されるタイミングがずれて時間差が生じる。

（高電圧パルスの電圧波形と騒音）
図９は、上述した正負の周波数差△ｆを変えた場合について、周波数成分毎の騒音レベルを示したグラフである。なお、図９において、ＡＰは全周波数成分の騒音を合計した騒音レベルを示している。

全体の騒音レベルＡＰは、正負の周波数を異ならせて周波数差△ｆを設けることにより、減少している。図８に示すように、正負の周波数差△ｆは、大きく異ならせる必要はなく、２Ｈｚ位の周波数差△ｆでも騒音レベルＡＰを低減できることが分かる。なお、図８では、正の周波数を１２０Ｈｚにして、負の周波数を１４０Ｈｚに大きくしているが、正負の周波数を逆にしても、騒音レベルに対して同様の効果が得られた。

（イオン濃度）
実施例２の高電圧パルスの電圧波形において、正負の周波数を異ならせて大小関係を逆にした場合も、騒音レベルに対して同様の効果が得られるが、上述したように、負イオンは正イオンよりも移動度が大きく、逆極性の放電電極に引き付けられて減少しやすい。このような負イオンの減少を抑制するためには、負イオンの周波数を大きくすることが好ましい。負イオンの周波数を正イオンよりも大きくすることにより、ピーク電圧が供給される回数が多くなりイオンの生成量が増加するので、負イオンの減少分を補って正イオンとバランスさせることができる。

以上、各実施例を用いて説明したように、本発明のイオン発生装置によれば、電極に交流電圧を印加する電圧印加手段と、電圧印加手段により正イオンを発生する第１の電極と、電圧印加手段により負イオンを発生する第２の電極とを備え、第１の電極と記第２の電極にそれぞれ印加する交流電圧の周期に時間差△ｔを設けたり、第１の電極と第２の電極のそれぞれの交流電圧の周波数を異ならせることにより、正イオンと負イオンの放電音からなる騒音を効率よく低減することができる。

１ イオン発生装置
２ 制御部
３、３１、３２ イオン発生素子
４ 電圧印加回路
５ ファンモータ
６ モータ駆動回路
３１１、３２１ 放電電極
３２１、３２２ 誘導電極
４１ 信号発生器
４２ アンプ

Claims (5)

1. 電極に交流電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記電圧印加手段により正イオンを発生する第１の電極と、
   前記電圧印加手段により負イオンを発生する第２の電極と、
   を備えたイオン発生装置であって、
   前記第１の電極と前記第２の電極にそれぞれ印加する交流電圧の周期に時間差△ｔを設け、
   前記第１の電極及び前記第２の電極から発生する複数の周波数成分からなる騒音レベルのうち最大となる周波数をＦｓとしたとき、
   前記時間差を△ｔ＝１／（Ｆｓ×２）として、それぞれの電極に交流電圧を印加することを特徴とするイオン発生装置。
2. 前記時間差△ｔは、前記第１の電極の交流電圧の周期を前記第２の電極の交流電圧の周期より遅らせたものであることを特徴とする請求項１に記載のイオン発生装置。
3. 電極に交流電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記電圧印加手段により正イオンを発生する第１の電極と、
   前記電圧印加手段により負イオンを発生する第２の電極と、
   を備えたイオン発生装置であって、
   前記第１の電極の交流電圧の周波数と、前記第２の電極の交流電圧の周波数とを異ならせ、それぞれの電極に交流電圧を印加することを特徴とするイオン発生装置。
4. 前記第１の電極の交流電圧の周波数と、前記第２の電極の交流電圧の周波数が２Ｈｚ以上異なることを特徴とする請求項３に記載のイオン発生装置。
5. 前記第１の電極の交流電圧の周波数よりも、前記第２の電極の交流電圧の周波数が大きいことを特徴とする請求項３または４に記載のイオン発生装置。