JP2014107202A - イオン発生装置及び電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高価な電子部品を必要とせず、小型化が可能で、イオン発生量を増加させることができるイオン発生装置を提供する。
【解決手段】イオン発生装置は、パルス状電圧を整流するためのダイオード９と、前記ダイオードを介して整流された電圧が印加される放電電極２１と、前記放電電極の周囲を囲むように配置される誘導電極２２とから構成されるイオン発生素子２を備えたイオン発生装置であって、前記誘導電極２２は、前記放電電極２１の長手方向に延びる筒形状であり、前記誘導電極の内面において、長手方向の全領域で前記放電電極と対向するように配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、イオン発生装置及び電気機器に関し、特に、放電電極と誘導電極とを有するイオン発生装置及びこのイオン発生装置を備えた電気機器に関するものである。

放電現象により正イオンと負イオンを発生させるイオン発生装置は、浮遊カビ菌の不活化や有害物質の浄化、脱臭等の効果を目的として広く実用化されている。イオン発生装置は、通常、イオンを発生させるためのイオン発生素子と、イオン発生素子に高電圧を供給するための高圧トランスと、高圧トランスを駆動するための高電圧発生回路と、コネクタなどの電源入力部により構成されている。

イオン発生素子で実用化されているものの一例としては、金属線や鋭角部を持った金属板、針形状の金属などを放電電極とし、大地電位の金属板などを誘導電極としたもの、あるいは誘導電極を大地として特に誘導電極を配置しないものである。この種類のイオン発生素子では空気が絶縁体の役割を果たす。このイオン発生素子は、電極に高電圧を印加した際に、放電電極となる針形状などの鋭角部をした電極の先端で電界集中が生じ、その先端の極近部分の空気が絶縁破壊することで放電現象を得る方式である。

イオン発生装置において、イオン発生効率を上げるためには放電パワーを上げる必要がある。また、さまざまな商品への搭載用途を拡大するためには、イオン発生装置を小型化・薄型化する必要がある。

特許文献１には、上記に説明したイオン発生装置の一例として、交流電圧を用いたイオン発生装置が開示されている。

図７は、該文献に示されたイオン発生装置７００の機能ブロック図である。イオン発生装置７００は、イオン発生素子７０ａ、７０ｂを備え、それぞれ、針形状の放電電極７１ａ、７１ｂと、リング形状の誘導電極７２ａ、７２ｂを有する。これらイオン発生素子７０ａ、７０ｂと並列に静電容量７３ａ、７３ｂが配置されている。該文献によれば、静電容量７３ａ、７３ｂにより、波形をなまらせたパルス電圧が放電電極７１ａ、７１ｂに印加される。これにより、パルス電圧のピーク値が低下するため、耳障りな放電音を抑制できる。また、パルス電圧の波形をなまらせることにより放電時間が長くなるため、イオン発生量が増大し、イオン発生効率が向上する。また、静電容量７３ａ、７３ｂはパルス波形をなまらせる程度の容量を有しておればよいので、直流高電圧を得るほどの容量は必要がない。このため、静電容量７３ａ、７３ｂを小型化・薄型化することができイオン発生装置の小型化・薄型化が容易となる。

特開２０１０−４９９７７号公報

以上のように特許文献１に記載されている技術を用いれば、高圧コンデンサを追加することによって放電時間を長く維持することが可能となり、イオン発生量の増加を実現できる。

本願発明者らはイオン発生素子構造を鋭意検討の結果、電極形状等を特定形状に規定することによって同様に放電時間を長く維持する手法を見出した。本発明の目的は、小型化が可能であり、かつ安価でイオン発生量を増加させることができるイオン発生装置を提供するものである。

本発明に係るイオン発生装置は、パルス状電圧を整流するためのダイオードと、前記ダイオードを介して整流された電圧が印加される放電電極と、前記放電電極の周囲を囲むように配置される誘導電極とから構成されるイオン発生素子を備えたイオン発生装置であって、前記誘導電極は、前記放電電極の長手方向に延びる筒形状であり、前記誘導電極の内面において、長手方向の全領域で前記放電電極と対向するように配置されている。

また、前記パルス状電圧は、５００Ｈｚ以下の周波数で発振し、ピーク到達時間が２０μ秒以下であってもよい。

また、前記放電電極の上端部は、前記誘導電極の上端部と同じかそれよりも高い構成であってもよい。

また、前記放電電極と前記誘導電極との間に誘電体が配置されていてもよい。

また、前記誘導電極の外周面に対向して対向電極が設けられ、前記対向電極は前記放電電極と同電位となるように電気的に接続されていてもよい。

本発明に係る電気機器は、上記のいずれかに記載のイオン発生装置と、前記イオン発生装置で生じたイオンを送風気流に乗せて電気機器の外部に送るための送風手段を備えている。

本発明によれば、高価な電子部品を必要とせず、小型化が可能で、イオン発生量を増加させることができるイオン発生装置を提供することが可能となる。

実施形態１に係るイオン発生装置の一構成例を示すブロック図である。 （ａ）は、本実施形態に用いるイオン発生素子の概略図であり、（ｂ）は、断面図である。 実施形態１に係るイオン発生装置の回路構成例である。 実施形態２に係る誘導電極の例を示した図である。 実施形態３に係る誘導電極の例を示した図である。 実施形態４に係るイオン発生装置の一構成例を示すブロック図である。 従来技術におけるイオン発生装置の機能ブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

＜実施形態１＞
図１は、本実施形態に係るイオン発生装置１００の一構成例を示すブロック図である。イオン発生装置１００は、制御部１、イオン発生素子２、電圧印加回路３、ファンモータ４、モータ駆動回路５を備える。

制御部１は、イオン発生装置１００を構成する各回路に接続され、イオン発生装置１００全体を制御する。イオン発生素子２は、誘導電極及び放電電極の電極対によって構成され、静電容量を有している。イオン発生素子２は、電圧印加回路３によって高電圧を印加され、イオンを生成する。電圧印加回路３は、制御部１及びイオン発生素子２と電気的に接続され、イオン発生素子２に対し高電圧を印加することによりイオンを発生させる。送風手段としてのファンモータ４は、モータ駆動回路５と電気的に接続され、モータ駆動回路５により図示しないファンを駆動する。ファンモータ４が動作してファンが稼働することにより気流を形成し、該気流によってイオンを空中に広く放出するものである。なおイオンは気流に搬送されなくても拡散効果によっても空中に拡がる効果があるため、遠方にイオンを輸送する必要がないような利用条件であればファンモータ４及びモータ駆動回路５は必ずしも必要ではない。

図２（ａ）は、本実施形態に用いるイオン発生素子２の概略図であり、図２（ｂ）は、断面図である。なお、図２（ａ）においては、支持基板２３を含めた構成を示している。

イオン発生素子２は、例えば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のものである。図に示すように、イオン発生素子２は、放電電極２１及び誘導電極２２により構成されている。放電電極２１は、針状の先端部２１１を有している。誘導電極２２は、例えば金属により構成され、放電電極２１の長手方向に延びる中空の円筒形状であり、かつ放電電極の個数に対応している。放電電極２１の先端部２１１は、誘導電極２２の上端面２２１と同じ高さか、もしくは誘導電極２２の上端面２２１よりも上方に突き出るように配置されており、誘導電極２２の内面の全領域において放電電極２１と対向している。

誘導電極２２の開口部２２２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ものである。本実施形態では、開口部２２２は１つであり、開口部２２２の平面形状は例えば円形状である。誘導電極２２の形状は、円筒形状に限定されることなく、筒状の形状であればよいが、筒状の誘導電極２２の内面の静電容量の偏りを防ぐためには、円筒形状がより望ましい。

放電電極２１の長手方向が誘導電極２２の開口部２２２のほぼ中央に配置されるように、放電電極２１及び誘導電極２２を支持基板２３で固定する。放電電極２１の針状の先端部２１１は、支持基板２３の表面側に突き出しており、放電電極２１の他端部は、電圧印加回路３に接続されている。この状態で、イオン発生装置１００は、例えば風路を構成するイオン発生ケース（図示せず）の一部に設置される。このとき、放電電極２１の先端部２１１はイオン発生ケース内に向いている。

一般に、誘導電極２２は放電電極２１の近くに配置して、放電電極２１の先端部２１１の電界強度を増加する目的で使用される。また、針形状の放電電極２１では先端部２１１のみに選択的に放電が発生することが意図されるため、誘導電極２２は極端に放電電極２１と近づけることはない。

具体的には数ｋＶ程度の電圧を印加する場合に、放電電極２１と誘導電極２２との間は４〜５ｍｍ程度離して配置される。例えば誘導電極２２がリング形状の場合、その内径は８〜１０ｍｍ程度が設定される。

すなわち、放電電極２１の針先端部以外からの意図しない放電が発生しないように誘導電極２２が配置されるものであるので、誘導電極２２の形状を円筒形状にする本願発明の場合であっても同様の配慮をなせば、意図しない放電を回避することができる。

また、本発明はイオン発生装置に利用するものであるため、発生したイオンを外部に放出する必要がある。誘導電極２２を筒状にすることにより、放電電極２１と誘導電極２２との対向面積を増やすと、イオンが誘導電極２２に回収されやすくなり、外部に放出するイオン濃度が低下する要因となる可能性がある。放電電極２１の先端部２１１が誘導電極２２の上端面２２１よりも下に配置されると、生成したイオンは誘導電極２２に速やかに回収されるため、例えば放電電極２１と誘導電極２２との間に強制的なガス流を形成するなどしなければ外部へのイオン放出量が低下してしまう。

このため、上述したように、放電電極２１の先端部２１１が鉛直上方に向いて配置される場合に、円筒形状の誘導電極２２の上端面２２１と放電電極２１の先端部２１１とは高さ方向に一致、もしくは、放電電極２１の先端部２１１の方が高い構成とする。この場合、針先端から形成される電気力線は主として、針先端に近い誘導電極部位、すなわち誘導電極の上端面近傍へとつながる。

円筒形状の誘導電極２２が下方に延伸する場合、延伸する長さに応じて放電電極２１と誘導電極２２との対向面積は増加するのに対し、針先端から下方に延伸した部位へつながる電気力線は誘導電極２２の上端面２２１近傍へつながる電気力線よりも少なくなる。すなわち、先端部２１１で発生したイオンを回収する効果を軽微に抑えながら、放電電極２１と誘導電極２２との間で形成される静電容量を増加することが可能となる。

イオン回収を抑制するには誘導電極２２上端からの針先端の突出し量を大きく設定すれば良い。ただしこの場合、誘導電極２２が針先端から離れることとなるため、針先端で形成される電界強度が低下する要因となる。よって電界強度低下によるイオン発生量の低下と、発生したイオンの誘導電極２２への回収抑制による放出イオン量の増加とを比較しながら、上記針先端の突出し量を決定すればよい。

なお、誘導電極２２の円筒長さは特に規定されないが、静電容量が増加するためには放電電極２１との距離に対して同等以上の長さを有していると良い。概ね１倍以上であれば明瞭に静電容量性を示すのでより望ましい。

電圧印加回路３を放電電極２１及び誘導電極２２に接続し、各々の電極に正または負の電圧を印加することでコロナ放電を起こし、正イオン、負イオンの少なくともいずれかを発生させる。

図３は、イオン発生装置１００における回路構成例を示している。本実施形態では、図２で用いたイオン発生素子２を２個用意し、正イオンを発生させるイオン発生用素子２ａと負イオンを発生させるイオン素子２ｂとして用いる。

イオン発生装置１００は、上述のイオン発生素子２ａ、２ｂと、電源入力コネクタ６、電源回路７、トランス８、ダイオード９ａ、９ｂにより構成され、例えばイオン発生ケース内に配置されている。

電源入力コネクタ６は、一部がイオン発生ケース内部に配置されており、また、他の一部がイオン発生ケースの外部に露出しており、外部から電源コネクタ接続できる構造になっている。電源入力コネクタ６は、入力電源としての直流電源や交流電源の供給を受ける部分である。電源入力コネクタ６は、電源回路７に電気的に接続されている。

電源回路７は、ＤＣ１２Ｖを入力電源とし、トランス８の１次側に電気的に接続されている。このトランス８は、一次側に入力された電圧を二次側に出力するためのものである。トランス８の二次側の一方は、ダイオード９ａを通じてイオン発生素子２ａの放電電極２１ａに電気的に接続されるとともに、ダイオード９ｂを通じてイオン発生素子２ｂの放電電極２１ｂに電気的に接続されている。また、トランス８の二次側の他方はイオン発生素子２ａ、２ｂのそれぞれの誘導電極２２ａ、２２ｂに電気的に接続されている。この電源回路７及びトランス８によってトランス８の２次側に正負振動する高電圧のパルス幅が短時間のパルス状電圧が発生する。このパルス幅が短時間のパルス状電圧は、ピーク電圧が概ね２０μ秒以内に出現し、２００μ秒以内程度で減衰する短時間のパルス状電圧であり、周波数は１００Ｈｚから５００Ｈｚである。すなわち、パルス幅に対して２桁以上の周期で発振するパルス状電圧である。

上記パルス幅が短時間のパルス状電圧は、ダイオード９ａ、９ｂによって整流され、正のイオン発生素子２ａの放電電極２１ａ及び負のイオン発生素子２ｂの放電電極２１ｂにそれぞれ正の電圧及び負の電圧が印加される。

ここで、正のイオン発生素子２ａ或いは負のイオン発生素子２ｂは静電容量性を有しているので、上記パルス状電圧を印加することによって一旦充電されたのちに放電電極周辺でのプラズマ発生に伴って、徐々に減圧していく。

本発明のイオン発生素子においては、誘導電極２２を筒状にすることにより、放電電極２１と誘導電極２２との対向面積を増やし、静電容量を増加させている。この結果、該電極対に蓄えるエネルギーが増加するために、プラズマ発生に伴って該電極対の電位が低下する速度を緩やかにすることができ、放電時間を長く維持することが可能となるのでイオン発生量を増加させることができる。

また、誘導電極２１の形状を円筒状に変更するという極めて簡易な方法で本効果を得ることができるため、高価な高圧コンデンサを使用する必要がない。

また、本構成では放電電極２１ａ、２１ｂの針先端が誘導電極２２ａ、２２ｂの上端面よりも上に突き出しているため、針先端部の上部は開放空間となり、外部空間にイオンを放出しやすいという効果もある。

＜実施形態２＞
次に、実施形態２について説明する。本実施形態では、誘導電極の上端面の形状が上記実施形態とは異なる。

図４（ａ）は上端面にＲ加工を施した誘導電極２２ｃの断面図である。Ｒ加工により、誘導電極の上端面の角部を丸く削ることにより、誘導電極端部での電界集中とそれによる意図しない放電を抑制することができる。

また、図４（ｂ）は上端面付近に曲げ加工を施した誘導電極２２ｄの断面図である。図に示すように、誘導電極の上端面に丸みを持たせて外側に曲げ加工を施している。このように曲げ加工することで、図４（ａ）と同様、電界集中とそれによる意図しない放電を抑制することができる。

本実施形態に示すように、誘導電極２２が概ね円筒形状を有しながら、端面、特に上端面での先鋭な部位を排除するような構造とすることで、意図しない放電を抑制することができる。

＜実施形態３＞
次に、実施形態３について説明する。本実施形態では、放電電極と誘導電極の間に誘電体を配置した点が上記実施形態のいずれとも異なる。

図５（ａ）は、図４（ｂ）の放電電極２１と誘導電極２２ｃの構成に加え、さらに放電電極２１と誘導電極２２ｃの間に誘電体１１ａを内部に配置した例である。ここで、誘電体１１ａは比誘電率が１よりも大きければ特に指定されない。ＡＢＳ（ＡｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅＢｕｔａｄｉｅｎｅＳｔｙｒｅｎｅ）等の樹脂を用いれば安価に構成することが可能である。

本構成では、放電電極２１と誘導電極２２ｃとの間に誘電体１１ａが介在するため、放電電極２１と誘導電極２２ｃとが互いに対向することがなくなる。このため、アーク放電への移行を抑制し、放電電極２１の先端部２１１以外からの放電を防ぐ効果を有する。また、誘電体は一般に比誘電率が１以上であるため、誘電体１１ａを用いない構成に比べ、放電電極２１と誘導電極２２ｃ間で形成される静電容量を容易に増加させることが可能となる。

また、図５（ｂ）は図４（ｂ）の放電電極２１と誘導電極２２ｃ間の空間すべてが誘電体１１ｂで充填され、空隙がない構成である。本構成では、図５（ａ）に示した構成よりも、比誘電率が増加するため、さらに静電容量を増加する効果がある。また、放電電極２１と誘導電極２２との対向空間を誘電体１１ｂで充填しているため、放電電極２１の針先端以外の意図しない放電が発生することを抑制することが可能となる。

＜実施形態４＞
次に、実施形態４について説明する。本実施形態では、誘導電極の外周面に対向して対向電極を配置した点が、上記実施形態のいずれとも異なる。

図６は、イオン発生装置２００における回路構成例を示している。図３の回路構成と異なる点は、正のイオン発生素子及び負のイオン発生素子の構成であり、正イオン発生素子２ｅには放電電極２１ｅと誘導電極２２ｅに加え、対向電極２４ｅが誘導電極２２ｅの外周面に対向して配置される。該対向電極２４ｅは放電電極２１ｅと電気的に導通状態であり、同電位となっている。また、負のイオン発生素子２ｆにおいても同様の対向電極２４ｆが配置される。なお、誘導電極２２ｅ、２２ｆと対向電極２４ｅ、２４ｆの高さはほぼ同じにするのが望ましい。

本構成であれば、誘導電極２２ｅと対向電極２４ｅが、また誘導電極２２ｆと対向電極２４ｆがそれぞれ電極対となって静電容量を有することとなり、これらが放電電極２１ｅと誘導電極２２ｅが、また放電電極２１ｆと誘導電極２２ｆのそれぞれの電極対の静電容量と電気的に並列に配置される。このため、静電容量は両者の和となるので、静電容量が増加し、プラズマ発生に伴う電位低下の速度を緩やかにでき、放電時間を長くする効果がある。

なお、図６においては、対向電極を誘導電極の外周部全域に対向するように配置する例を示しているが、必ずしもその必要はなく、誘導電極の外周面の一部と対向するように配置してもかまわない。

さらに、実施形態３に示した誘電体を誘導電極２２ｅ、２２ｆと対向電極２４ｅ、２４ｆの間に配置してもよい。この場合、さらに静電容量は増加する。

また、対向電極の外周面にさらに誘導電極と同電位の電極を設けるなどの構成を用いれば、さらに静電容量は増加する。部品点数の増加に伴う製造コストの上昇や、デバイスサイズを勘案して設計すればよい。

以上説明したような構成とすることにより、高価な電子部品を必要とせず、小型化が可能で、イオン発生量を増加させることができるイオン発生装置を提供することが可能となる。

本発明に係るイオン発生装置は、室内にイオンを放出する空気清浄機、空気調和機、加湿器、除湿器等の電機機器に好適に利用できる。

１ 制御部
２ イオン発生素子
３ 電圧印加回路
４ ファンモータ
５ モータ駆動回路
６ 電源入力コネクタ
７ 電源回路
８ トランス
９ａ、９ｂ ダイオード
１１ａ、１１ｂ 誘電体
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｅ、２１ｆ 放電電極
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｅ、２２ｆ 誘導電極
２３ 支持基板
２４ｅ、２４ｆ 対向電極
１００、２００ イオン発生装置

Claims (6)

1. パルス状電圧を整流するためのダイオードと、
   前記ダイオードを介して整流された電圧が印加される放電電極と、
   前記放電電極の周囲を囲むように配置される誘導電極とから構成されるイオン発生素子を備えたイオン発生装置であって、
   前記誘導電極は、前記放電電極の長手方向に延びる筒形状であり、前記誘導電極の内面において、長手方向の全領域で前記放電電極と対向するように配置されてなるイオン発生装置。
2. 前記パルス状電圧は、５００Ｈｚ以下の周波数で発振し、ピーク到達時間が２０μ秒以下である請求項１記載のイオン発生装置。
3. 前記放電電極の上端部は、前記誘導電極の上端部と同じかそれよりも高い構成である請求項１または請求項２記載のイオン発生装置。
4. 前記放電電極と前記誘導電極との間に誘電体が配置されている請求項１から請求項３のいずれかに記載のイオン発生装置。
5. 前記誘導電極の外周面に対向して対向電極が設けられ、
   前記対向電極は前記放電電極と同電位となるように電気的に接続されている請求項１から請求項４のいずれかに記載のイオン発生装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のイオン発生装置と、
   前記イオン発生装置で生じたイオンを送風気流に乗せて電気機器の外部に送るための送風手段を備えた電気機器。