JP2014127378A - イオン発生装置およびこれを備えた空気清浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 効率よくイオンを放出することができるイオン発生装置、およびこれを備えた空気清浄装置を実現することにある。
【解決手段】 本願発明に係るイオン発生装置は、放電電極２および誘導電極３間に電圧を印加し、イオンを発生させるイオン発生装置において、誘導電極３には、発生させるイオンと同極性のバイアス電圧を印加し、放電電極２には、発生させるイオンと同極性のパルス状電圧及びバイアス電圧を印加することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、空気清浄機などに搭載されるイオン発生装置およびこれを備えた空気清浄装置に関するものである。

イオン発生装置には、放電電極および誘導電極間に電圧を印加し、放電電極の近辺でコロナ放電を生じさせることで、正イオンあるいは負イオンを発生させ、放出するものがある。近年、市販されている空気清浄装置に搭載されているイオン発生装置は大きく別けると２種類あり、負イオンだけを放出するものと、正イオンおよび負イオンを放出するものがある。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、集塵等の効果を生むことができる。このような効果は、放出するイオン量を多くすることで、一層高めることができる。そのため、放出するイオン量を増加させる提案がされている。

例えば、特許文献１には、イオンの発生量に対する外部への放出量を増加させることができるイオン発生装置が開示されている。図１２は、特許文献１のイオン発生装置のマイナスイオン生成回路を示す回路図である。マイナスイオン生成回路１０１は、イオン放出用の針電極１０２と、低電位側の対向電極１０３と、対向電極１０３をグランド電位より高い所定電位に設定する抵抗１０４が備えられる。この構成によると、針電極１０２と対向電極１０３との電位差が、対向電極１０３をグランド電位とした場合よりもマイナスイオンの発生量自体は減少する。これに対して、対向電極１０３の電位がグランド電位よりも高くされることから、対向電極１０３をグランド電位とした場合よりも対向電極１０３への付着量が減少し、外部への放出量が増加する。

特開２０１０−１８７７６６号公報（平成２２年９月２日公開）

しかしながら、特許文献１では、針電極に直流電圧が印加されており、常に針電極と対向電極の間に電位差が存在するため、針電極と対向電極の間に電界が形成される。そのため、発生したイオンの一部は、その電界に沿って対向電極に付着してしまうといった問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、効率よくイオンを放出することができるイオン発生装置、およびこれを備えた空気清浄装置を実現することにある。

本願発明に係るイオン発生装置は、放電電極および誘導電極間に電圧を印加し、イオンを発生させるイオン発生装置において、誘導電極には、発生させるイオンと同極性のバイアス電圧を印加し、放電電極には、発生させるイオンと同極性のパルス状電圧及びバイアス電圧を印加することを特徴とする。

また、放電電極に印加するバイアス電圧の大きさは、誘導電極に印加するバイアス電圧以下であることを特徴としても良い。また、正イオン発生用の放電電極および誘導電極と、負イオン発生用の放電電極および誘導電極と、を備えることを特徴としても良い。また、放電電極は針状の電極であることを特徴としても良い。

本発明によれば、効率よくイオンを放出することができる。また、放電音を減少させ、放電電極の長寿命化を図ることができる。

本発明におけるイオン発生装置の構成例を示した断面図である。 本発明におけて発生したイオンの軌跡を模式的に表した図である。 実施例１におけるバイアス電圧の印加前後の各電極の電圧波形図である。 実施例１におけるバイアス電圧とイオン濃度の関係を表した図である。 実施例１におけるパルス状電圧の周波数とイオン濃度の関係を表した図である。 比較例におけるバイアス電圧の印加前後の各電極の電圧波形図である。 比較例におけるバイアス電圧とイオン濃度の関係を表した図である。 実施例２におけるバイアス電圧の印加前後の各電極の電圧波形図である。 実施例３における正イオンおよび負イオンを発生させる放電素子を示した模式図である。 実施例４におけるイオン発生装置の構成例を示した模式図である。 実施例４における金属壁電圧とイオン濃度の関係を表した図である。 従来技術である特許文献１に係る放電電極に印加する電圧波形図である。

本発明の実施の形態について図面に基づき説明する。図１は、本発明の一つの実施形態を示すイオン発生装置の断面図である。このイオン発生装置９は、放電素子１、電圧印加装置５、６、送風ファン７および風洞８を備える。放電素子１は、針状の放電電極２および孔を有する誘導電極３を備え、放電電極２の先端部を誘導電極３の孔の中央に配置されるように、放電電極２および誘導電極３を基板４で固定する。

また、放電電極２および誘導電極３には、電圧印加装置５、６が接続され、電圧印加装置５、６は、放電電極２および誘導電極３に正あるいは負の電圧を印加する。この構成により、従来は接地状態であった誘導電極３に、発生させるイオンと同極性のバイアス電圧を印加する。また、放電電極２には、正あるいは負のパルス状電圧を印加するとともに、発生させるイオンと同極性のバイアス電圧を印加する。なお、各電極にバイアス電圧を印加させた後においても、放電電極２および誘導電極３間で放電が生じるように、放電電極２および誘導電極３間の電位差を設定する必要がある。

図２は、放電電極２および誘導電極３にバイアス電圧を印加する場合において、発生したイオンの軌跡を表した図である。放電電極２の近辺で発生させるイオンの一部は、発生直後に電気力線に沿って誘導電極３の方向へ引き寄せられるが、誘導電極３がイオンと同極性の電位を持つため、イオンを風洞８の方向へ反発させる。

反発された正イオンあるいは負イオンは、送出手段である送風ファン７によって風洞８を通り、室内空間に放出される。以下、上記の実施形態を用いたいくつかの具体的な実施例について説明する。

図３は、放電電極２にパルス状電圧を印加し、正イオンを発生させた場合の放電電極２および誘導電極３に印加する電圧波形を示す。図３（ａ）は、誘導電極３を接地させ、放電電極２にピーク値がＶ_ｃである正のパルス状電圧を印加し、正イオンを発生させる場合における、各電極の電圧波形である。実線が放電電極２に印加する電圧を示し、破線が誘導電極３に印加する電圧を示す。

実施例１では、上記の印加電圧の状態において、さらに放電電極２および誘導電極３に発生させるイオンと同極性のバイアス電圧Ｖ_ｂを印加した。図３（ｂ）は、正のバイアス電圧Ｖ_ｂを放電電極２および誘導電極３に印加する場合における、各電極の電圧波形である。バイアス電圧Ｖ_ｂを印加したあと、放電電極２には電圧Ｖ_ｂと電圧Ｖ_ｂ＋Ｖ_ｃとの間で変動するパルス状電圧が印加され、誘導電極３には電圧Ｖ_ｂが印加される。

放電を生じる際の放電電極２と誘導電極３間の電位差は、バイアス電圧を印加する前と等しいため、放電電極２の近辺で発生させるイオン量はバイアス電圧を印加する前と変化しないが、誘導電極３が電位Ｖ_ｂを持ち、イオンを反発させる効果を持つため、空間内に放出されるイオン量は増加した。

図４は、放電電極２へピーク値Ｖ_ｃが４ｋＶのパルス状電圧を印加し、誘導電極３を接地させて、正イオンを発生させる状態において、０〜２ｋＶのバイアス電圧Ｖ_ｂを印加したときのバイアス電圧とイオン濃度の関係を表した図である。イオン濃度は、バイアス電圧Ｖ_ｂ＝０の時のイオン濃度を１００とし、基準とする。

図４より、実施例１と同様に、バイアス電圧Ｖ_ｂを大きくしていくにつれ、イオン濃度も高くなっていることがわかる。例えば、バイアス電圧２ｋＶを印加したときには、バイアス電圧を印加していない状態と比較すると、６倍以上のイオン濃度を測定された。

上記のように、従来と同程度の電位差でイオンを発生させる場合において、放電電極２および誘導電極３に発生させるイオンと同極性のバイアス電圧を印加することで、イオンの放出量を格段に増やすことができる。また、実施例１においては放電電極２と誘導電極３の間の電圧差は変化させていないので、放電音はほとんど変化しない。

図５は、放電電極２にパルス状電圧を印加させて、イオンを発生させたときの、パルス状電圧の周波数とイオン濃度の関係を表した図である。実線がＤｕｔｙ比５０％のパルス状電圧を印加させた場合を示し、破線がＤｕｔｙ比５％のパルス状電圧を印加させた場合を示す。このとき、各電極に印加するバイアス電圧は５ｋＶであった。

図５より、放電電極２に印加するパルス状電圧のＤｕｔｙ比を小さくして、消費電力を抑えた状態において、周波数を大きくすると、イオンを効率よく発生させられることがわかる。なお、Ｄｕｔｙ比は固定であるため、周波数を上げても全体の消費電力はほとんど同じである。

＜比較例＞
実施例１では放電電極２にパルス状電圧を印加したが、比較例では放電電極２に直流電圧を印加した場合について説明する。図６は、放電電極２に直流電圧を印加し、正イオンを発生させた場合の放電電極２および誘導電極３に印加する電圧波形を示す。図６（ａ）は、誘導電極３を接地させ、放電電極２に正の電圧を印加し、正イオンを発生させる場合における、各電極の電圧波形である。実線が放電電極２に印加する電圧を示し、破線が誘導電極３に印加する電圧を示す。

比較例でも実施例１と同様に、上記の印加電圧の状態において、さらに放電電極２および誘導電極３に発生させるイオンと同極性のバイアス電圧Ｖ_ｂを印加した。図６（ｂ）は、正のバイアス電圧Ｖ_ｂを放電電極２および誘導電極３に印加する場合における、各電極の電圧波形である。

このとき、放電電極２と誘導電極３間の電位差は、バイアス電圧を印加する前と等しいため、放電電極２の近辺で発生させるイオン量はバイアス電圧を印加する前と変化しないが、誘導電極３が電位Ｖ_ｂを持ち、イオンを反発させる効果を持つため、空間内に放出されるイオン量は増加した。

図７は、放電電極２に４ｋＶの直流電圧を印加し、誘導電極３を接地させて、正イオンを発生させる状態において、０〜３ｋＶのバイアス電圧Ｖ_ｂを印加したときのバイアス電圧とイオン濃度の関係を表した図である。イオン濃度は、バイアス電圧Ｖ_ｂ＝０の時のイオン濃度を１００とし、基準とする。

図７より、バイアス電圧Ｖ_ｂを大きくしていくにつれ、イオン濃度も高くなっていることがわかる。例えば、バイアス電圧２ｋＶを印加したときには、バイアス電圧を印加していない状態と比較すると、３倍以上のイオン濃度が測定された。

ここで、実施例１と比較例を比較すると、バイアス電圧に対するイオン濃度の増加率は、比較例よりも実施例１のほうが大きいことがわかる。これは、放電電極２に印加する電圧をパルス状にすることで、放電させた直後に放電電極２と誘導電極３の電位差が小さくなり、発生したイオンを反発させる効果が強まるからである。

それに対して比較例のように放電電極２に直流電圧を印加すると、放電させた後も放電電極２と誘導電極３の間に高い電位差が存在し、電界が形成されている。そのため、発生したイオンの一部は、その電界に沿って誘導電極３に回収されてしまう。

また、パルス状にすることにより、放電電極２に直流電圧を印加する比較例に比べると消費電力を低く抑えることができるうえ、放電時間を短縮することができるため、放電電極２の長寿命化を図ることができる。

また、イオンの放出量が必要以上に多い場合、放電電極２に印加するパルス状電圧のピーク値を下げることでイオンの放出量を調整することができる。このとき、放電の電位差をバイアス電圧の印加前より小さくするため、放電音を減少させることができる。また、放電の電界強度を低くすることができるため、放電電極２の長寿命化を図ることができる。

以上のことから、放電電極２および誘導電極３にバイアス電圧を印加する場合において、放電電極２に印加する電圧は、直流電圧よりもパルス電圧のほうが好ましいことがわかる。

実施例１では放電電極２にパルス状の電圧波形を印加しつつ、放電電極２および誘導電極３に等しい大きさのバイアス電圧を印加したが、実施例２では放電電極２および誘導電極３に異なる大きさのバイアス電圧を印加した場合を説明する。

図８は、放電電極２にパルス状電圧を印加し、正イオンあるいは負イオンを発生させた場合の放電電極２と誘導電極３に印加する電圧波形を示す。図８（ａ）は、実施例１で説明した図３（ａ）と等しい電圧波形であり、実線が放電電極２に印加する電圧を示し、破線が誘導電極３に印加する電圧を示す。

実施例２では、上記の印加電圧の状態において、さらに放電電極２へバイアス電圧Ｖ_ｂ１、誘導電極３へバイアス電圧Ｖ_ｂ２を印加する。それぞれのバイアス電圧は発生させるイオンと同じ極性とし、バイアス電圧Ｖ_ｂ１はバイアス電圧Ｖ_ｂ２より小さいとする。図８（ｂ）は、放電電極２および誘導電極３に大きさの異なるバイアス電圧を印加する場合における、各電極の電圧波形である。バイアス電圧を印加したあと、放電電極２には電圧Ｖ_ｂ１と電圧Ｖ_ｂ１＋Ｖ_ｃとの間で変動するパルス状電圧が印加され、誘導電極３には電圧Ｖ_ｂ２が印加される。

この状態は、実施例１とは異なり、放電電極２と誘導電極３との間の電位差は、バイアス電圧を印加する前の電位差より小さくなるため、放電電極２の近辺で発生させるイオンの量は減少する。しかしながら、実施例１と同様で、放電電極２および誘導電極３による反発の効果により、効率よくイオンを放出することが可能になる。

また、バイアス電圧を印加する前より放電電極２および誘導電極３間の電位差を小さくするため、放電音を減少させることや、放電による放電電極２の消耗を抑えることができる。そのため、バイアス電圧Ｖ_ｂ１、バイアス電圧Ｖ_ｂ２を調整することで、バイアス電圧を印加する前と同量のイオンを放出させつつ、放電音を減少させ、放電電極２の長寿命化を図ることができる。

実施例１、２では、図１に示すように放電電極２および誘導電極３を１つずつ持つ構成において、正イオンあるいは負イオンのいずれかを発生させたが、実施例３では、放電電極２および誘導電極３を２つずつ持つ構成において、正イオンおよび負イオンを発生させた場合を説明する。

図９は、正イオンおよび負イオンを発生させる放電素子１を示した模式図である。放電素子１は、正イオンを発生させるための放電電極２ａと誘導電極３ａ、負イオンを発生させるための放電電極２ｂと誘導電極３ｂを備え、各々の電極を基板４で固定する。

上記放電素子１を、図１のイオン発生装置に搭載し、本発明を実施することで、正イオンおよび負イオンを同時に効率よく放出させることが可能となる。正イオンおよび負イオンを同時に放出させることにより、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、集塵等の効果を生むことができる。

実施例１、２の放電素子１の近傍に金属壁１０を備えた構成において、イオンを発生させた場合を説明する。図１０（ａ）は、放電素子１の近傍に金属壁１０を備えた本発明の一つの実施形態を示すイオン発生装置の断面図であり、図１０（ｂ）は、このイオン発生装置を開口側から見た構成図である。金属壁１０は、放電素子１の部分を除いた放電素子１近傍の風洞内側に配置され、接続されている電圧印加装置１１により、放電素子１で発生させるイオンと同極性の電圧を印加される。なお、金属壁１０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、アルミニウムなどの材料が用いられる。

図１１は、誘導電極３は接地され、放電電極２はピーク値が５ｋＶのパルス状電圧を印加される状態へ、バイアス電圧３ｋＶあるいは４ｋＶを印加させた実施例３と同様の構成において、金属壁１０に０〜５ｋＶの電圧を印加したときの金属壁電圧とイオン濃度の関係を表した図である。実線がバイアス電圧３ｋＶのときを示し、破線がバイアス電圧４ｋＶのときを示す。

図１１より、金属壁１０へ印加する電圧が、バイアス電圧印加後の誘導電極３にかかる電圧より約１ｋＶほど低いとき、イオン濃度がより高いことがわかる。例えば、金属壁１０に印加する電圧がバイアス電圧より大幅に低いときは、金属壁に接触し消滅するイオンが増え、一方、金属壁１０に印加する電圧がバイアス電圧より高いときは、放電電極２およびに誘導電極３に接触し消滅するイオンが増えると考えられる。

上記の測定結果から、バイアス電圧を印加させている構成において、誘導電極３にかかる電圧より少し低い電圧を印加させた金属壁１０を放電素子１の近傍に設置することで、各電極や壁で消滅するイオンを減らして、より効率よくイオンを室内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、本発明の実施形態では、放電電極２には針状の放電電極を用いているが、細いワイヤー状の電極や、ノコギリ状の電極、または、平板上に先端部が細い形状をパターンニングしたものでも良い。また、送出手段として送風ファン７を用いたが、送風ファン７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ファン７がない構成でも良い。

また、放電電極２および誘導電極３間の電位差と、バイアス電圧は、電極の形状、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。

また、本実施例１、２では正イオンを発生させた場合を述べたが、負イオンを発生させる場合についても放電電極２および誘導電極３に印加する電圧を逆極性にすることで、同様の結果を得ることができることは言うまでもない。

また、本発明に係るイオン発生装置は、イオン発生により各種効果が高められるために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 放電素子
２ 放電電極
３ 誘導電極
４ 基板
５ 電圧印加装置
７ 送風ファン
８ 風洞
９ イオン発生装置
１０ 金属壁
１１ 電圧印加装置

Claims (5)

1. 放電電極および誘導電極間に電圧を印加し、イオンを発生させるイオン発生装置において、
   前記誘導電極には、発生させるイオンと同極性のバイアス電圧を印加し、
   前記放電電極には、発生させるイオンと同極性のパルス状電圧及びバイアス電圧を印加することを特徴とするイオン発生装置。
2. 前記放電電極に印加するバイアス電圧の大きさは、前記誘導電極に印加するバイアス電圧以下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. 正イオン発生用の前記放電電極および前記誘導電極と、
   負イオン発生用の前記放電電極および前記誘導電極と、を備えることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のイオン発生装置。
4. 前記放電電極は針状の電極であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のイオン発生装置。
5. 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。