JP4224270B2

JP4224270B2 - テスラコイルの放電電極及びそれを含むテスラコイル

Info

Publication number: JP4224270B2
Application number: JP2002267434A
Authority: JP
Inventors: 治井出
Original assignee: 株式会社ナチュラルグループ本社
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: JP2004103520A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物品に高電圧高周波を照射することに適した新規なテスラコイルの放電電極及びそれを含むテスラコイルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
テスラコイルは、著名な発明家であるニコラ・テスラにより発明された高周波共振コイルであり、その放電電極からは、目に見える火花となって高電圧高周波が照射される。テスラコイルは、基本的に、高圧直流電源と、該高圧直流電源に接続され、一次コイル、コンデンサ及び放電ギャップとを含む一次共振回路と、該一次コイル近傍に配置され、一端が接地され、他端に放電電極が設けられた二次コイルとを含む。高圧直流電源から供給される直流により、コンデンサに電気が蓄積されていき、コンデンサの電極間の電圧が高くなっていくが、このコンデンサに接続されている放電ギャップ間にも同じ電圧が印加されていく。そして、電圧が放電ギャップの耐電圧よりも大きくなると放電ギャップでパルス放電が起き、放電ギャップが接続される。これにより、一次コイルにも通電され、一次コイルに振動電流が流れる。そして、二次コイルがこの振動電流に共振し、二次コイルの一端に設けられた放電電極から高電圧高周波が火花となって放射状に照射される。
【０００３】
従来のテスラコイルの放電電極は、大きな火花を発生させるために球状になっている。周知の通り、放電は尖った部分から起きやすいので、放電電極を棒状にすると、電圧が比較的低い時点で放電が起きてしまい、大きな火花を得ることができない。このため、従来のテスラコイルでは、放電電極を球状にすることにより、大きな火花を発生させることを可能にしている。
【０００４】
テスラコイルは、天才的発明家であったニコラ・テスラが、巨大なテスラコイルを利用して電線なしに電力を供給するという壮大な計画を作り上げたこと等で歴史的に有名であるが、現在はほとんど利用されていない。火花を利用して演出効果を高める、映画や舞台等の芸術分野等においてわずかに利用されているに過ぎない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明者は、テスラコイルから発生される高電圧高周波(火花）を種々の物品に照射することにより、種々の有益な効果が得られることを見出した。例えば、水に対してテスラコイルからの火花を照射することにより、水の粘性が低くなり、酸化還元電位が下がって水をおいしくする、生鮮食品に照射することにより生鮮食品の保存を良くする、等の効果が得られることを見出した。しかしながら、従来のテスラコイルは、放電電極が球状であり、放電電極から発せられる火花は、放射状に照射され、物品に対して火花を照射しようとする場合に、物品に照射される火花は、発生する全火花の極一部に過ぎず、エネルギー効率が悪い。一方、電極を棒状にすると、上記の通り、比較的低い電圧で放電してしまい、高電圧高周波を得ることができない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、物品に対して効率的に高電圧高周波を照射できる、新規なテスラコイルの放電電極及びそれを含むテスラコイルを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、鋭意研究の結果、テスラコイルの放電電極を、お椀状の電極と、該お椀状の電極の内側の中央又はその近傍に設けられた棒状電極とで構成することにより、火花の飛ぶ方向を限定することができ、それでいて高電圧の火花が得られることを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明は、お椀状の電極と、該お椀状の電極の内側の中央又はその近傍に設けられた棒状電極とを含む、テスラコイルの放電電極を提供する。また、本発明は、高圧直流電源と、該高圧直流電源に並列に接続された一次コイル及びコンデンサと、該一次コイルに直列に接続された放電ギャップとを含む一次共振回路と、該一次コイル近傍に配置され、一端が接地され、他端に放電電極が設けられた二次コイルとを含むテスラコイルにおいて、前記放電電極が、上記本発明の放電電極であることを特徴とするテスラコイルを提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
上記の通り、本発明のテスラコイルの放電電極は、お椀状の電極と、該お椀状の電極の内側の中央又はその近傍に設けられた棒状電極とを含む。図１に一実施例の断面図を示す。図１に示されるように、本発明の放電電極は、お椀状の電極１２と、該お椀状の電極１２の内側の中央又はその近傍に設けられた棒状電極１４とを含む。両電極は、二次コイル１６に接続されている。お椀状の電極１２の形状は、概ねお椀のような形状をしていればよく、例えば、半球状、半楕円球状等であり、内側の凹面は放物面等の他の形状や、図２に示すような、お椀の底部が平面になっているスープディッシュ状のもの等であってよい。また、お椀の開口部周縁には、お椀の強度を高めるために鍔部を設けてもよい。お椀の横断面は、円形が好ましい。棒状電極１４は、お椀状の電極１２の内側の中央又はその近傍に設けられる。すなわち、お椀の横断面が円形の場合、その円の中心又はその近傍（好ましくは、中心からのずれが半径の３０％以下）を通ることが好ましい。また、棒状電極１４は、お椀を半球状とした場合に、その半径方向又はそれに近い方向に延びるものであることが好ましい。従って、棒状電極１４は、お椀状電極１２を半球状とした場合、その中心を通り、かつ、お椀の開口を含む平面に対して垂直な直線上にあることが最も好ましい。棒状電極１４は、その先端部が、お椀状電極１２の開口面よりも突出することが好ましく、開口面からの突出長さ(図１の距離Ｌ)は、お椀の半径の0.2倍から１倍程度が好ましい。また、棒状電極１４の先端部を小さな球状としてもよい。先端部を小さな球状とすることにより、放電される高電圧高周波(火花）の電圧をさらに高くすることができる。このような小球部の直径は、特に限定されないが、棒状電極１４の棒状部分の直径の1.2倍〜2倍程度が適当である。このような小球状の電極が存在しても火花の飛ぶ方向はほとんど広がらない。
【００１０】
電極の具体的なサイズは、火花を照射する物品の大きさ等に応じて、適宜選択でき、何ら限定されるものではない。お椀状電極１２を半球状とした場合、その半径は、通常、４cm〜２０cm程度であるがこれに限定されるものではない。また、棒状電極１４の直径は、特に限定されないが、通常、３mm〜１５mm程度が適当である。
【００１１】
本発明のテスラコイルは、上記した放電電極１０の構造に特徴があり、テスラコイルの回路自体は周知のものであってよい。テスラコイルの回路自体は、古くから周知であり、本発明のテスラコイルにおいても周知のテスラコイルの回路をそのまま利用することができる。テスラコイルの回路は、高圧直流電源と、該高圧直流電源に並列に接続された一次コイル及びコンデンサと、該一次コイルに直列に接続された放電ギャップとを含む一次共振回路と、該一次コイル近傍に配置され、一端が接地され、他端に放電電極が設けられた二次コイルとを少なくとも含む。すなわち、テスラコイルは、基本的に、例えば図３に示す回路を有する（Ａ、Ｂどちらも可）。すなわち、テスラコイルの回路は、高圧直流電源１７と、一次共振回路１９と、二次コイル１６とを含む。高圧直流電源１７は、通常、交流電源を電源とする周知の高圧直流電圧発生回路（例えば、変圧器と、整流子と、コンデンサを含む）により高圧直流電圧を発生する高圧直流電源回路である。一次共振回路は、一次コイル２２と、コンデンサ１８と、放電ギャップ２０とを少なくとも含む。二次コイル１６の一端は接地され、他端には、先に詳述した放電電極１０が接続されている。
【００１２】
高圧直流電源１７によって印加される直流電圧により、放電ギャップ２０の間及びコンデンサ１８の電極間に高電圧が印加される。電圧が、放電ギャップ２０の耐電圧を上回ると、放電ギャップ２０で放電が起き、放電ギャップ２０が接続されて一次コイル２２に振動電流が流れる。この振動電流に二次コイル１６が共振し、高電圧高周波が放電電極１０から火花となって放電される。
【００１３】
放電時には、棒状電極１４とお椀状電極１２の両方から火花が出る。これらの火花は、従来の球状電極から発せられる火花に比べて火花の進行方向がかなり限定されている。すなわち、棒状電極１４の先端から出る火花は、側面から見て、そのほとんどが約３０度程度の角度の中に向かって進み、お椀状電極１２から出る火花も、側面から見てそのほとんどが約１２０度程度の角度の中に向かって進む。従って、従来の球状電極から出る火花（約２４０度程度に広がる）に比較して、火花の進行方向が大幅に限定されており、より効率的に物品に火花を照射することができる。また、棒状電極のみを設けた場合に比べて、高電圧の火花が発生する。
【００１４】
上記の通り、テスラコイルの回路自体は、従来より周知のものであってよいが、本願発明者は、放電ギャップ２０を、ギャップの大きさを自動的に変更できるものとすることにより、火花の強さ(電圧）をさらに高めることができることを見出した。従って、本発明の好ましい形態では、放電ギャップが、ギャップの大きさを自動的に変更できる放電ギャップである。このような放電ギャップは、例えば、一対の電極と、該一対の電極に挟まれる位置に配置された回転可能な回転電極であって、前記一対の電極のそれぞれと該回転電極との間の距離が、該回転電極の回転により同時に減少したり増大したりするものであり、該回転電極は、駆動手段により回転される。好ましい１実施例を図４に示す。図４に示す実施例は、一対の電極２４，２４’に挟まれる位置に配置された回転可能な、十字型の回転電極２６を具備する。回転電極２６は、少なくとも図４に矢印Ａで示す方向に回転可能である。
【００１５】
回転電極２６が、図４に示すような位置、すなわち、回転電極２６の先端部と一対の電極２４，２４’との距離が短くなる状態では、電圧が所定値以上になれば回転電極２６と一対の電極２４，２４’のそれぞれの間で放電が起き、放電ギャップ２０が接続され、一次共振回路に振動電流が流れる。一方、図５に示すように、回転電極２６が回転して、その先端部と一対の電極２４，２４’との距離が大きくなっている状態では、放電が起きない。従って、放電ギャップの大きさが、放電可能な大きさに固定されている従来の回路に比べて、十分に電気が貯まった後で放電させることができ、より大きな振動電流を流すことができ、ひいては、上記放電電極１０から放射される高電圧高周波(火花）の電圧をより高くすることができる。
【００１６】
なお、上記実施例では、十字型の回転電極を用いたが、回転電極の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、単なる棒状のものであってもよい。回転電極の回転数は、特に限定されないが、図４に示すような十字型の回転電極の場合、通常、１分間当たり１００回転〜３００回転程度が好ましい。また、回転電極２６の先端部と、一対の電極２４，２４’の先端部との距離は、特に限定されないが、通常、最小となる時点で、1.0〜1.5 mm程度が適当である。また、一対の電極２４，２４’は、それぞれ図４の矢印Ｂに示す方向に微小な距離だけ移動できるように構成しておくことが好ましい。これは、例えば、図示しない調節ネジを各電極の基端部に取り付けることにより行うことができる。
【００１７】
使用時には、高圧直流電源から高圧直流電圧を一次共振回路のコンデンサ及び放電ギャップに印加し、二次コイルの放電電極から高電圧高周波(火花）を発生させる。発生する火花は、限定された方向に飛ぶので、火花に当たるところに処理すべき物品を置いておく。物品を置いておく位置は、特に限定されないが、棒状電極の先端部から発せられる火花のほぼ全部がその物品に直接当たる位置に置くことが効率的で好ましい。なお、物品に高電圧高周波を照射する際には、テスラコイルをどのような向きに配置しても構わないが、二次コイルを水平方向ないしは垂直方向（放電電極が下向きになる）に配置した状態で照射することが好ましい。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づきより具体的に説明する。もっとも、本発明は下記実施例に限定されるものではない。特に、テスラコイルは、図３に示す回路要素があれば実現できるので、図３に示されていない要素はいずれも必須的なものではない。
【００１９】
図６に示す回路を有するテスラコイルを作製した。直流高圧電源回路１７の１つの端子１はコンデンサーブロック（複数のコンデンサ１８を並列に接続したもの)１８の＋側に接続され、コンデンサーブロック１８の−側は直流高圧電源回路１７の端子４に接続され、これによってコンデンサブロック１８に直流高電圧が印加される。なお、コンデンサブロック１８全体の静電容量は0.1 μF、印加される直流電圧は5 kVであった。直流電源回路１７には、コンデンサーブロック１８と並列に一次コイル２２（直径１７cm、長さ３cm、巻回数２回）が接続され、一次コイル２２に直列に放電ギャップ２０が設けられている。放電ギャップ２０は、一対の電極２４，２４’と、その間に挟まれる位置に配置される十字型の回転電極２６を含む。一対の電極２４，２４’には、その位置を微調整できるギャップ調節ネジ２８，２８’が設けられており、このネジを回すことにより、電極２４，２４’のそれぞれの位置を図の水平方向に移動させることができ、それによってギャップの大きさを調節できるようになっている。なお、放電時の電極２４，２４’の先端部と、回転電極２６の先端部が最も接近した場合のギャップの大きさは、約１ mmであった。回転電極２６の回転軸は、回転電極駆動モーター３０に接続され、モーター３０により回転電極２６が回転される。モーター３０は、回転コントローラー３２に接続され、その回転数を調節することが可能になっている。放電ギャップの電極２４’の基端側は、コンデンサーブロック１８の−側に接続され、直流高圧電源回路１７の端子４につながっている。直流高圧電源回路１７は、スイッチ＆タイマー３４を介して交流電源３６に接続されている。また、直流高圧電源回路１７は、アースされており、アース線と、スイッチ＆タイマー３４とがパイロットランプ３８を介して接続されている。スイッチ＆タイマーにより、装置のオンオフの切換えが可能であり、タイマー機能により所定の時間だけ作動させることも可能である。前記回転コントローラー３２は、スイッチ４０を介して交流電源３６に接続されており、このスイッチ４０の切換えにより、回転電極２６の回転をオンオフできる。また、直流高圧電源回路１７の端子２及び３には、それぞれ電圧計Ｖ及び電流計Ａが接続されている。
【００２０】
一次コイル２２の近傍には、二次コイル１６が配置されている。本実施例では、二次コイル１６を囲包するように一次コイル２２が巻回されている。二次コイル１１６は、絶縁体から成る直径8 cm、長さ95 cmの筒４２に巻かれ（巻回数１１３０回）、その基端部はアースされ、その先端部には、放電電極１０が接続されている。放電電極１０は、半球状の電極１２と、該半球の中心を通り、該半球の開口面に垂直な方向に延びる棒状電極１４とを含む。半球状電極１２の半径は8.5 cm、棒状電極の長さは14 cm、棒状電極の太さは直径6 mmであった。
【００２１】
上記した構成のテスラコイルの交流電源として、１００Ｖの交流電源を入力し、回転電極２６を１５０回転／分の回転数で回転させたところ、約5 kVの直流高圧が直流高圧電源回路１７からコンデンサブロック１８及び放電ギャップ２０に印加され、放電ギャップ２０が断続的に放電して放電ギャップの接続と切断が繰り返され、二次コイル１６の放電電極１０の棒状電極１４の先端部及び半球状電極１２の内側全面から高電圧高周波が火花として放電された。火花は十分な強さを有していた。
【００２２】
【発明の効果】
本発明により、物品に対して効率的に高電圧高周波(火花）を照射することができる、テスラコイルの放電電極及びそれを含むテスラコイルが提供された。本発明の放電電極を用いると、電極から放電される火花の進行方向が限定され、効率的に物品に火花を照射することができると共に、十分な強さの火花を発生させることができる。また、テスラコイルの一次共振回路中の放電ギャップとして、ギャップの大きさを自動的に変更できる放電ギャップを採用することにより、より強い火花を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電電極の一実施例の模式断面図である。
【図２】本発明の放電電極の他の一実施例の模式断面図である。
【図３】テスラコイルの基本的な回路図である。
【図４】ギャップの大きさを自動的に変更できる放電ギャップの１実施例を示す模式図である。
【図５】図４に示す放電ギャップの回転電極が回転して他の位置に移動した状態を示す模式図である。
【図６】本発明の１実施例のテスラコイルの回路図である。
【符号の説明】
１０放電電極
１２お椀状の電極
１４棒状電極
１６二次コイル
１７直流高圧電源回路
１８コンデンサブロック
２０放電ギャップ
２２一次コイル
２４、２４’ 放電ギャップの一対の電極
２６回転電極
２８、２８’ ギャップ調節ネジ
３０回転電極駆動モーター
３２回転コントローラー
３４スイッチ＆タイマー
３６交流電源

Claims

お椀状の電極と、該お椀状の電極の内側の中央又はその近傍に設けられた棒状電極とを含む、テスラコイルの放電電極。
高圧直流電源と、該高圧直流電源に接続され、一次コイル、コンデンサ及び放電ギャップとを含む一次共振回路と、該一次コイル近傍に配置され、一端が接地され、他端に放電電極が設けられた二次コイルとを含むテスラコイルにおいて、前記放電電極が、請求項１記載の放電電極であることを特徴とするテスラコイル。
前記放電ギャップが、ギャップの大きさを自動的に変更できる放電ギャップである請求項２記載のテスラコイル。
前記放電ギャップが、一対の電極と、該一対の電極に挟まれる位置に配置された回転可能な回転電極であって、前記一対の電極のそれぞれと該回転電極との間の距離が、該回転電極の回転により同時に減少したり増大したりするものと、該回転電極を回転させる駆動手段とを含むものである請求項３記載のテスラコイル。
前記回転電極が、断面十字型の電極であり、該十字型の各先端部と、前記一対の電極のそれぞれの先端部との距離が、該回転電極の回転により減少したり増大したりする請求項４記載のテスラコイル。
放電ギャップを構成する前記一対の電極の間隔が調節可能である請求項４又は５記載のテスラコイル。
前記高圧直流電源が、交流電源を電源とする直流電源回路により構成される請求項２ないし６のいずれか１項に記載のテスラコイル。