JP2019021509A - 放電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な使用用途に向けた適切な放電素子を提供する。
【解決手段】放電素子１０は、対向電極３と、針状の放電電極２とを備え、対向電極３と放電電極２とへの電圧の印加によるコロナ放電で、正イオンおよび負イオンの少なくともいずれかを生じさせる。対向電極３と放電電極２との間の電極間距離を、予め設定された設定距離（例えば、第１電極間距離ＤＫ１）にして、放電開始電圧を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コロナ放電によって活性種を生じさせる放電素子に関する。

一般に、針状の放電電極と板状の対向電極との間に高電圧を印加すると、放電電極の先端近傍の空気が絶縁破壊を起こし、部分的な放電を生じることが知られており、この現象はコロナ放電と呼ばれている。近年では、コロナ放電を利用した放電素子が実現されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特許第４０７１７９９号公報 特開２０１４−２９８２１号公報

特許文献１に記載のイオン発生素子は、誘導電極と放電電極とを備えている。そして、誘導電極は、金属板で形成されて円形の貫通孔を有し、貫通孔の周縁部分を屈曲させることで、金属板の板厚よりも貫通孔の壁部が厚くされている。放電電極は、貫通孔の中心であって、貫通孔の厚みの範囲内に位置している。

特許文献２に記載の放電ユニットは、針状の放電電極と、平板状の対向電極（誘導電極に相当）とを備え、放電電極は、対向電極に対して、先端を突出させて配置されている。

上述したように、特許文献１に記載のイオン発生素子と、特許文献２に記載の放電ユニットとでは、誘導電極に対する放電電極の位置が、正反対となっている。ところで、イオン発生器においては、様々な用途が想定されており、それらに求められる特性を満足させるための指標が明確になっていなかった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、様々な使用用途に向けた適切な放電素子を提供することを目的とする。

本発明に係る放電素子は、対向電極と、針状の放電電極とを備え、前記対向電極と前記放電電極とへの電圧の印加によるコロナ放電で、活性種を生じさせる放電素子であって、前記対向電極と前記放電電極との間の距離を電極間距離としたとき、前記電極間距離を予め設定された設定距離にして、放電開始電圧を調整することを特徴とする。

本発明に係る放電素子では、前記対向電極は、平板状で、前記放電電極の周囲を囲むように配置され、前記放電電極は、先端が前記対向電極の表面と同じ高さとされている構成としてもよい。

本発明に係る放電素子では、前記対向電極は、平板状で、前記放電電極の周囲を囲むように配置され、前記放電電極は、先端が前記対向電極の表面よりも外部へ突出している構成としてもよい。

本発明に係る放電素子では、前記対向電極は、導電材で形成されている構成としてもよい。

本発明に係る放電素子では、前記対向電極は、半導電材で形成されている構成としてもよい。

本発明に係る放電素子では、前記対向電極および／または前記放電電極を移動させる移動手段を備え、前記移動手段によって、前記電極間距離を変動させる構成としてもよい。

本発明によると、対向電極と放電電極とを適切な位置に配置することで、所望の放電開始電圧とされ、様々な使用用途に向けて適切な放電素子を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る放電素子の概略を示す概略側面図である。 本発明の第２実施形態に係る放電素子の概略を示す概略側面図である。 本発明の実施の形態に係る放電素子の特性評価を示す特性図表である。 実施例１の電圧波形を示す特性図である。 実施例２の電圧波形を示す特性図である。 実施例３の電圧波形を示す特性図である。 実施例４の電圧波形を示す特性図である。 本発明の第４実施形態に係る放電素子の概略を示す概略側面図である。 図５Ａに示す放電素子の放電部が広がった状態を示す概略側面図である。 本発明の第５実施形態に係る放電素子の概略を示す概略側面図である。 図６Ａに示す放電素子の放電部が広がった状態を示す概略側面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る放電素子について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る放電素子の概略を示す概略側面図である。

本発明の第１実施形態に係る放電素子１０は、基板１、放電電極２、および対向電極３を備えている。

基板１は、中央に孔が設けられた四角平板形状とされ、孔に挿入された放電電極２を保持している。なお、基板１の形状は、これに限らず、例えば、円形や多角形状とされていてもよい。また、以下では説明のため、基板１の表面に対して平行な方向を横方向Ｘと呼び、基板１の表面に対して直交する方向を縦方向Ｙと呼ぶことがある。

放電電極２は、針状とされ、基板１から突出した先端が尖っている。

対向電極３は、基板１のうち、放電電極２の先端が突出した面に設けられている。対向電極３は、放電電極２に対して、横方向Ｘで離間し、周囲を囲むように配置されている。対向電極３は、放電電極２との間でコロナ放電できる材料で形成されていればよく、導電材と半導電材とのいずれであってもよい。

本実施の形態において、対向電極３は、半導電材で形成されており、具体的に、基板１上に形成された銅箔パターンである。なお、この場合、基板１は、ソルダーレジストによって、保護されていてもよい。図１では、対向電極３と放電電極２との位置関係を明確に示すために、対向電極３と基板１との間に隙間が設けられているが、基板１に対して、対向電極３全体が接した構造としてもよい。このように、対向電極３に半導電材を用いた場合では、作りやすさを向上させ、コストを低減できる。また、この構造では、対向電極３と放電電極２との間に電界集中しやすく、放射ノイズを抑えることができる。

放電素子１０では、対向電極３と放電電極２とへ電圧を印加することでコロナ放電を生じさせ、それによって、イオン、電子、ラジカル、およびオゾンなどの活性種を生じさせる。なお、活性種がイオンである場合には、正イオンおよび負イオンのいずれであってもよい。

本実施の形態では、図１に示すように、放電電極２の先端が対向電極３の表面と同じ高さとされている。つまり、放電電極２と対向電極３とが水平に配置されている。これによって、対向電極３と放電電極２とが最も近い配置となるので、電界集中しやすく、放電開始電圧を低下させることができる。本実施の形態において、放電電極２と対向電極３との間の距離（第１電極間距離ＤＫ１）は、約４．５ｍｍとされている。なお、放電開始電圧については、後述する図４Ａないし図４Ｄを参照して、詳細に説明する。

上述した放電素子１０は、窓を有する筐体に覆われていてもよく、外部に開口した窓によって、空気を取り入れたり、活性種を放出したりする。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る放電素子について、図面を参照して説明する。

図２は、本発明の第２実施形態に係る放電素子の概略を示す概略側面図である。なお、第２実施形態では、第１実施形態と略同様の概略構造をしているので、同様の符号を付して、図面および説明を省略する。

第２実施形態では、第１実施形態に対して、放電電極２の位置が異なっている。具体的に、本実施の形態では、放電電極２の先端が対向電極３の表面よりも外部へ突出している。また、対向電極３は、導電材で形成されており、具体的に、導電率の高い金属で形成された金属板である。この構成では、放電電極２の周囲が開放されているので、電界が外へ向かいやすくなる。その結果、外部へのイオン放出量を増加させることができる。また、対向電極３に導電率が高い導電材を用いることで、電界集中に有利に働き、活性種放出量を増加させることができる。

本実施の形態において、放電電極２と対向電極３とでは、横方向Ｘで約４．５ｍｍ（水平距離ＨＬ）離間し、縦方向Ｙで約４．５ｍｍ（垂直距離ＶＬ）離間しており、放電電極２の先端と対向電極３の表面との間の距離（第２電極間距離ＤＫ２）は、約６．４ｍｍとされている。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る放電素子について説明する。なお、第３実施形態では、第１実施形態および第２実施形態と略同様の概略構造をしているので、同様の符号を付して、図面および説明を省略する。

第３実施形態では、対向電極３および／または放電電極２を移動させる移動手段（図示しない）を備えている。例えば、放電電極２を縦方向Ｙで揺動させる構成などとすればよく、それによって、電極間距離を変動させることができる。つまり、図２に示す状態から、徐々に放電電極２を下降させて、図１に示す状態にして放電電極２を停止させるなどすればよい。このように、電極間距離を自在に変動させることで、放電の状況に応じた適切な位置関係とすることができる。つまり、放電中に徐々に位置を変動させて、活性種放出量の低下を避けるなど、使用用途に適した特性を維持することができる。

なお、上述した構成に限らず、例えば、対向電極３を移動させる構成としてもよい。

（特性評価）
次に、本発明の実施の形態に係る放電素子の特性評価について、図面を参照して説明する。

特性評価においては、上述した第１実施形態および第２実施形態に示す構造であって、対向電極３に導電材と半導電材とをそれぞれ用いた実施例を作成した。

図３は、本発明の実施の形態に係る放電素子の特性評価を示す特性図表である。

図３に示すように、実施例１ないし実施例４を作成し、それぞれの特性を評価した。具体的に、実施例１および実施例２は、対向電極３に導電材を用いており、実施例３および実施例４は、対向電極３に半導電材を用いている。また、実施例１および実施例３は、図１のように、放電電極２と対向電極３とが水平に配置されており、実施例２および実施例４は、図２のように、放電電極２が対向電極３に対し突出して配置されている。それぞれの放電開始電圧は、以下に示す図４Ａないし図４Ｄと併せて説明する。

図４Ａは、実施例１の電圧波形を示す特性図であり、図４Ｂは、実施例２の電圧波形を示す特性図であり、図４Ｃは、実施例３の電圧波形を示す特性図であり、図４Ｄは、実施例４の電圧波形を示す特性図である。

図４Ａないし図４Ｄにおいて、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示している。図４Ａないし図４Ｄに示す二点鎖線は、非放電時での電圧波形を示し、実線は、放電時での電圧波形を示している。

非放電時では、正弦波のように、時間の経過に合わせて徐々に電圧が上昇し、最高値に到達すると、徐々に電圧が下降する。非放電時の最高値（Ｖｍａｘ）は、約４．３ｋＶであった。

放電時では、非放電時に似た形で推移し、徐々に電圧が上昇するが、放電が開始した際に放電電流が流れて波形が変形し、最高値での電圧（Ｖ）がＶｍａｘより低下する。そして、最高値に到達した後、徐々に電圧が下降する。放電時において、波形が変形したときの電圧を放電開始電圧（Ｖｓ）とすると、「Ｖｓ＜Ｖ＜Ｖｍａｘ」という関係になる。ここで、「Ｖｍａｘ−Ｖｓ＝ΔＶ」との関係から算出される電圧差（ΔＶ）が大きくなると、容易に放電しやすいことを示している。

実施例１では、放電開始電圧が約２．０ｋＶで、電圧差が約２．３ｋＶであり、イオンの放出量が約３００万個／ｃｃであった。実施例２では、放電開始電圧が約２．６ｋＶで、電圧差が約１．７ｋＶであり、イオンの放出量が約４００万個／ｃｃであった。実施例３では、放電開始電圧が約２．５ｋＶで、電圧差が約１．８ｋＶであり、イオンの放出量が約２８０万個／ｃｃであった。実施例４では、放電開始電圧が約２．８ｋＶで、電圧差が約１．５ｋＶであり、イオンの放出量が約３８０万個／ｃｃであった。

上述したように、対向電極３に半導電材を用いたものは、作りやすさの点で優れており、電極同士を水平に配置したものは、ノイズが少なかった。このように、対向電極３と放電電極２とを適切な位置に配置することで、所望の放電開始電圧とされ、様々な使用用途に向けて適切な放電素子１０を提供することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る放電素子について説明する。なお、第４実施形態では、第１実施形態ないし第３実施形態と略同様の概略構造をしているので、同様の符号を付して、図面および説明を省略する。

図５Ａは、本発明の第４実施形態に係る放電素子の概略を示す概略側面図であって、図５Ｂは、図５Ａに示す放電素子の放電部が広がった状態を示す概略側面図である。

第４実施形態では、第１実施形態に対して、放電電極２の構造が異なっている。具体的に、本実施の形態において、放電電極２は、複数の線状の導電体２ｂを有する放電部と、導電体２ｂを束ねる基部２ａとで構成されている。

導電体２ｂは、例えば、金属、カーボン繊維、導電性繊維、および導電性樹脂といった導電性の材料で形成されている。なお、導電体２ｂは、細い線状に形成されていればよく、例えば、糸状、繊維状、および針金状とされていてもよい。つまり、導電体２ｂは、先端を含む全体が細く形成されており、略針状に相当する。

基部２ａは、基板１の孔に挿入されて、複数の導電体２ｂの下端を保持している。複数の導電体２ｂは、基部２ａを支点にして、上端側が放射状に緩く広がった状態とされている。つまり、放電電極２は、複数の導電体２ｂによって、先端がブラシ状に形成されている。

本実施の形態において、複数の導電体２ｂは、放電電極２と対向電極３との間に高電圧が印加された際、同極性に帯電し、図５Ｂに示すように、横方向Ｘへ放射状に広がる。そして、導電体２ｂの先端と対向電極３との間で放電が生じる。非放電状態では、図５Ａに示すように、広がっていた導電体２ｂが束ねられた状態に戻るが、放電を継続すると、図５Ｂに示すように、導電体２ｂが広がった状態で維持されやすくなる。

ここで、放電が最も安定かつ効率的に行われる部分は、対向電極３に最も近く、横方向Ｘへ大きく広がった導電体２ｂである。つまり、複数の導電体２ｂのうち、放射円状の外側に束ねられ、傾きの大きい導電体２ｂが対向電極３に最も近くなる。本実施の形態では、放電状態において、対向電極３に最も近づく導電体２ｂの先端と、対向電極３の表面とが水平に配置されており、これらの間の距離が電極間距離（第３電極間距離ＤＫ３）とされている。これによって、対向電極３と放電電極２との間に電界集中しやすくし、放電開始電圧を低下させることができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る放電素子について説明する。なお、第５実施形態では、第１実施形態ないし第４実施形態と略同様の概略構造をしているので、同様の符号を付して、図面および説明を省略する。

図６Ａは、本発明の第５実施形態に係る放電素子の概略を示す概略側面図であって、図６Ｂは、図６Ａに示す放電素子の放電部が広がった状態を示す概略側面図である。

第５実施形態では、第４実施形態に対して、放電電極２と対向電極３との位置関係が異なっている。具体的に、放電電極２の先端は、対向電極３の表面よりも外部へ突出している。

図６Ｂに示すように、放電状態では、最も広がった導電体２ｂの先端が対向電極３の端部に対し、鉛直距離で近くなり、横方向Ｘで略一致するように配置されている。つまり、放電状態において、対向電極３に最も近づく導電体２ｂの先端と、対向電極３の端部との間の電極間距離（第４電極間距離ＤＫ４）は、縦方向Ｙと略平行になるように設定されている。これによって、対向電極３と放電電極２との間に電界集中しやすくし、放電開始電圧を低下させるだけでなく、電界が外へ向かいやすくなる。その結果、外部への活性種放出量を増加させることができる。

なお、今回開示した実施の形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

本発明は、針状の放電電極と板状の対向電極とを組み合わせた放電素子、放電装置、および電子機器に、特に有利に適用され得る。電子機器は、例えば、空気清浄器、空気調和器（エアコンディショナー）、冷蔵機器、掃除機、加湿器、除湿器、および電気ファンヒータなどであって、活性種を気流に乗せて送るための送風部を有する電子機器であればよい。

１ 基板
２ 放電電極
２ａ 基部
２ｂ 導電体
３ 対向電極
１０ 放電素子
ＤＫ１ 第１電極間距離
ＤＫ２ 第２電極間距離
ＤＫ３ 第３電極間距離
ＤＫ４ 第４電極間距離
ＨＬ 水平距離
ＶＬ 垂直距離
Ｘ 横方向
Ｙ 縦方向

Claims (6)

1. 対向電極と、針状の放電電極とを備え、前記対向電極と前記放電電極とへの電圧の印加によるコロナ放電で、活性種を生じさせる放電素子であって、
   前記対向電極と前記放電電極との間の距離を電極間距離としたとき、
   前記電極間距離を予め設定された設定距離にして、放電開始電圧を調整すること
   を特徴とする放電素子。
2. 請求項１に記載の放電素子であって、
   前記対向電極は、平板状で、前記放電電極の周囲を囲むように配置され、
   前記放電電極は、先端が前記対向電極の表面と同じ高さとされていること
   を特徴とする放電素子。
3. 請求項１に記載の放電素子であって、
   前記対向電極は、平板状で、前記放電電極の周囲を囲むように配置され、
   前記放電電極は、先端が前記対向電極の表面よりも外部へ突出していること
   を特徴とする放電素子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の放電素子であって、
   前記対向電極は、導電材で形成されていること
   を特徴とする放電素子。
5. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の放電素子であって、
   前記対向電極は、半導電材で形成されていること
   を特徴とする放電素子。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の放電素子であって、
   前記対向電極および／または前記放電電極を移動させる移動手段を備え、
   前記移動手段によって、前記電極間距離を変動させること
   を特徴とする放電素子。

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