JP4422014B2

JP4422014B2 - イオン発生装置

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Publication number: JP4422014B2
Application number: JP2004378427A
Authority: JP
Inventors: 弘西田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: JP2006185758A

Description

本発明は、空気中に浮遊する細菌、カビ菌、ウイルスなどを不活化するために、プラスイオンとマイナスイオンを空間に放出するイオン発生装置に関する。

一般に、事務所や会議室など、換気の少ない密閉化された部屋では、室内の人数が多いと、呼吸により排出される二酸化炭素、タバコの煙、埃などの空気汚染物質が増加するため、人間をリラックスさせる効能を有するマイナスイオンが空気中から減少していく。特に、タバコの煙が存在すると、マイナスイオンは通常の１／２〜１／５程度にまで減少することがあった。そこで、空気中のマイナスイオンを補給するため、従来から種々のイオン発生装置が市販されている。

しかしながら、従来の放電現象を利用したイオン発生装置は、主として負電位の直流高電圧方式でマイナスイオンを発生させるものであり、その目的はリラックス効果を訴求するものであった。そのため、このようなイオン発生装置では、空気中にマイナスイオンを補給することはできるものの、空気中の浮遊細菌等を積極的に除去することはできなかった。

そこで、プラスイオンとマイナスイオンを空間に放出することで、空気中に浮遊する細菌やカビ菌、有害物質などを不活化、分解することが可能なイオン発生装置が特許文献１、２に開示されている。このイオン発生装置は、空気調和機、除湿器、加湿器、空気清浄機、冷蔵庫、掃除機等の電気機器に搭載される。

イオン発生装置では、空気中にプラスイオンであるＨ⁺（Ｈ₂Ｏ）_ｍと、マイナスイオンであるＯ₂ ⁻（Ｈ₂Ｏ）_ｎ（ｍ、ｎは自然数）を発生させる。両イオンが空気中の浮遊カビやウイルスの周りを取り囲み、その際に生成される活性種の水酸基ラジカル（・ＯＨ）の作用により、カビ菌等を不活化する。

イオン発生装置は、イオンを発生するイオン発生素子と、イオン発生素子に高電圧を印加する電圧印加回路を備えている。イオン発生素子は、放電電極および誘導電極を有する放電部と、誘電体とから構成される。誘電体を挟んで外側に放電電極、内側に誘導電極が配置された構造とされ、放電電極および誘導電極が、電圧印加回路のトランスの２次側に接続される。電圧印加回路によって放電部に交流電圧を印加することにより、プラスイオンとマイナスイオンが発生し、ファンの風によってイオンが空間に放出される。
特開２００３−４７６５１号公報特開２００２−３１９４７２号公報

イオン発生装置では、放電部に高電圧が印加される。ところで、ＩＥＣ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎ：国際電気標準会議）規格によれば、イオン発生装置の放電部のうち外側の放電電極は充電部として取り扱われることになり、人が触れるおそれのある部位からは強化絶縁を施しておくことが要求される。強化絶縁は、基礎絶縁と付加絶縁の両方からなる絶縁と同等以上の感電に対する保護を行うことができる単一の絶縁である。

強化絶縁として、絶縁物を設けることが考えられるが、新たな部材を設けるため、構造が複雑となり、コスト高、大型化となる。そこで、空気を絶縁物として、放電部における外側の放電電極から人が触れるおそれのある部位まで必要な距離をおけばよい。この場合、放電電極と人が触れるおそれのある部位との間の最短距離である沿面距離が、規格によって規定されている。ところが、強化絶縁での沿面距離は、付加絶縁での沿面距離の２倍とされる。そのため、必要な沿面距離を確保することは、小型化が要求されるイオン発生装置において、設計上困難な問題となり、しかもイオン発生装置を搭載する電気機器の小型化設計にも影響を及ぼす。

そこで、本発明は、上記に鑑み、絶縁上必要な沿面距離を確保しながら、装置自体およびこの装置を搭載する電気機器の小型化を図れるイオン発生装置の提供を目的とする。

本発明は、イオンを発生する放電部を有するイオン発生素子と、該イオン発生素子に高電圧を印加する電圧印加回路とを備え、前記電圧印加回路は、電源からの電圧をトランスに供給するための１次側回路を有し、前記トランスの２次側に前記放電部が接続され、前記トランスの１次側と２次側とが絶縁されたものである。

具体的には、イオン発生素子は、プラスイオンを発生するプラス側放電部とマイナスイオンを発生するマイナス側放電部とを有する。トランスの２次側に、プラス側放電部とマイナス側放電部とが個別に接続される複数の２次側回路を有し、２次側回路同士が接続されて前記トランスの１次側と２次側とが絶縁される。そして、両放電部の間に、マイナス側放電部からプラス側放電部への電流の流れを許容するようにダイオードが介装されている。

これによって、トランスの１次側と２次側とが絶縁される。そのため、放電部の放電電極は基礎絶縁された充電部として取り扱われ、人が触れるおそれのある部位からは付加絶縁を施しておくことが要求される。付加絶縁での沿面距離は強化絶縁での沿面距離の半分でよいので、放電電極から人が触れるおそれのある部位までの距離を短くできる。

本発明によると、トランスの１次側と２次側とを絶縁することにより、規格によって定められた絶縁を付加絶縁とすることができる。したがって、空気を絶縁物として絶縁を図る場合、放電部のうち外側の放電電極から人が触れるおそれのある部位までの距離を短くでき、イオン発生装置の小型化を図れる。これによって、イオン発生装置を電気機器に搭載するとき、限られたスペースにイオン発生装置を配置することが可能となり、電気機器の小型化にも寄与する。

本実施形態のイオン発生装置を図1に示す。本イオン発生装置は、発生したプラスイオンとマイナスイオンがイオン発生素子１０の電極近傍で中和して消滅することを抑え、発生した両極性のイオンを有効的に空間に放出するために、単一のイオン発生素子でプラスイオンとマイナスイオンを所定周期で交互に発生させる方式ではなく、プラスイオンとマイナスイオンを個別に発生させ、各々を独立して室内に放出する方式（以下、イオン独立放出方式と呼ぶ）を採用した構成としている。

すなわち、イオン発生装置は、イオンを発生する放電部１２、１３を複数、例えば２つ備えたイオン発生素子１０と、イオン発生素子１０に対して所定の電圧印加を行う電圧印加回路２０とを備えている。

イオン発生素子１０は、誘電体１１と、第１放電部１２と、第２放電部１３と、コーティング層１４とからなる。誘電体１１は、上部誘電体１１ａと下部誘電体１１ｂとによって構成される。第１放電部１２は、放電電極１２ａ、誘導電極１２ｂ、放電電極接点１２ｃ、誘導電極接点１２ｄ、接続端子１２ｅ、１２ｆおよび接続経路１２ｇ、１２ｈによって構成される。第２放電部１３は、放電電極１３ａ、誘導電極１３ｂ、放電電極接点１３ｃ、誘導電極接点１３ｄ、接続端子１３ｅ、１３ｆおよび接続経路１３ｇ、１３ｈによって構成される。

第１の放電電極１２ａと誘導電極１２ｂとの間、および第２の放電電極１３ａと誘導電極１３ｂとの間に電圧印加を行い、放電電極１２ａ、１３ａ近傍において放電を行うことにより、それぞれプラスイオン、マイナスイオンを発生させる。

誘電体１１は、略直方体状の上部誘電体１１ａと下部誘電体１１ｂを貼り合わせて成る。例えば縦１５ｍｍ×横３７ｍｍ×厚み０．４５ｍｍとされる。誘電体１１の材料として無機物を選択するのであれば、高純度アルミナ、結晶化ガラス、フォルステライト、ステアタイト等のセラミックを使用することができる。また、誘電体１１の材料として有機物を選択するのであれば、耐酸化性に優れたポリイミドやガラスエポキシなどの樹脂が好適である。ただし、耐食性の面を考えれば、誘電体１１の材料として無機物を選択する方が望ましく、さらに、成形性や電極形成の容易性を考えれば、セラミックを用いて成形するのが好適である。

また、放電電極１２ａ、１３ａと誘導電極１２ｂ、１３ｂとの間の絶縁抵抗は均一であることが望ましいため、誘電体１１の材料としては、密度ばらつきが少なく、その絶縁率が均一であるものほど好適である。

なお、誘電体１１の形状は、略直方体状以外に円板状や楕円板状、多角形板状等であってもよく、さらには円柱状であってもよい。生産性を考えると、本実施形態のように平板状（円板状及び直方体状を含む）とするのが好適である。

第１、第２放電部１２、１３は、お互いが一直線上に並ばないように、直方体状の基材である誘電体１１に対して対角線上に配置される。すなわち、イオン発生素子１０に対していずれの方向から空気流が送られたとしても、第１、第２放電部１２、１３の配列方向が、空気流に対して直交するように、言い換えれば、一方の放電部上を通過した空気流が他方の放電部上を通過しないように、配置される。このような構成とすることにより、イオン独立放出方式の効果を活かし、両放電部１２、１３で発生したイオンの減衰を抑えて、効率的でバランスのよいイオン放出を行うことが可能となる。

放電電極１２ａ、１３ａは、上部誘電体１１ａの表面に、該上部誘電体１１ａと一体的に形成されている。放電電極１２ａ、１３ａの材料としては、例えばタングステンのように、導電性を有するものであれば、特に制限なく使用することができるが、放電によって溶融等の変形を起こさないことが条件となる。

また、誘導電極１２ｂ、１３ｂは、上部誘電体１１ａを挟んで、放電電極１２ａ、１３ａと平行に設けられている。このような配置とすることにより、放電電極１２ａ、１３ａと誘導電極１２ｂ、１３ｂの距離（以下、電極間距離と呼ぶ）を一定とすることができる。これによって、放電電極１２ａ、１３ａと誘導電極１２ｂ、１３ｂ間の絶縁抵抗を均一化して放電状態を安定させ、プラスイオンおよび／またはマイナスイオンを好適に発生させることが可能となる。なお、誘電体１１を円柱状とした場合には、放電電極１２ａ、１３ａを円柱の外周表面に設けるとともに、誘導電極１２ｂ、１３ｂを軸状に設けることによって、電極間距離を一定とすることができる。

誘導電極１２ｂ、１３ｂの材料としては、放電電極１２ａ、１３ａと同様、例えばタングステンのように、導電性を有するものであれば、特に制限なく使用することができるが、放電によって溶融等の変形を起こさないことが条件となる。

接続端子１２ｅ、１３ｅは、放電電極１２ａ、１３ａと同一形成面、すなわち上部誘電体１１ａの表面に設けられ、放電電極接点１２ｃ、１３ｃは、下部誘電体１１ｂの下面に設けられる。接続経路１２ｇ、１３ｇは、上部誘電体１１ａおよび下部誘電体１１ｂに形成されたスルーホールを利用して形成される。放電電極接点１２ｃ、１３ｃは、接続端子１２ｅ、１３ｅおよび接続経路１２ｇ、１３ｇを介して、放電電極１２ａ、１３ａと電気的に導通されている。放電電極接点１２ｃ、１３ｃに銅線やアルミ線などのリード線の一端が接続され、該リード線の他端が電圧印加回路２０に接続され、放電電極１２ａ、１３ａと電圧印加回路２０とが電気的に導通される。

誘導電極接点１２ｄ、１３ｄは、誘導電極１２ｂ、１３ｂと同一形成面、すなわち下部誘電体１１ｂの表面に設けられた接続端子１２ｆ、１３ｆおよび接続経路１２ｈ、１３ｈを介して、誘導電極１２ｂ、１３ｂと電気的に導通されている。誘導電極接点１２ｄ、１３ｄに銅線やアルミ線などのリード線の一端を接続し、該リード線の他端を電圧印加回路２０に接続すれば、誘導電極１２ｂ、１３ｂと電圧印加回路２０とが電気的に導通される。

さらに、放電電極接点１２ｃ、１３ｃと誘導電極接点１２ｄ、１３ｄは全て、誘電体１１の表面であって放電電極１２ａ、１３ａが設けられた面（以下、誘電体１１の上面と呼ぶ）以外の面に設けることが望ましい。このような構成であれば、誘電体１１の上面に不要なリード線などが配設されないので、ファン（不図示）からの空気流が乱れにくく、イオン独立発生方式の効果を最大限に発揮させることが可能となる。

以上のことを考慮して、本実施形態のイオン発生装置１０では、放電電極接点１２ｃ、１３ｃおよび誘導電極接点１２ｄ、１３ｄが全て、誘電体１１の上面に相対する面（以下、誘電体１１の下面と呼ぶ）に設けられている。

なお、本実施形態のイオン発生素子１０において、第１の放電電極１２ａ、第２の放電電極１３ａは鋭角部を持ち、その部分で電界を集中させ、局部的に放電を起こす構成としている。もちろん、電界集中ができれば、上記以外のパターンを用いてもよい。

図２に他の形態のイオン発生素子を示す。ここでは、誘電体１１の大きさの制約上、第１、第２放電部１２、１３の放電部位が対角線上に配置されておらず、第１、第２放電部１２、１３が横並びに配置されている。

第１の放電電極１２ａは、電界集中させ放電を起こす第１放電部位１２ｊと、この周囲もしくは一部を取り囲む第１導電部位１２ｋと、接続端子部１２ｅとを有する。これらは全て同一パターン上にあり、印加される電圧は等しくなる。第２の放電電極１３ａも同様に、第２放電部位１３ｊ、第２導電部位１３ｋ、接続端子部１２ｅを有する。

第１放電部位１２ｊは、プラス電位にてプラスイオンを発生させ、第２放電部位１３ｊは、マイナス電位にてマイナスイオンを発生させる。第１、第２放電部１２、１３が、お互いが風向きに対して一直線上に並ばないように、誘電体１１の形状に対して対角線上に配置できない場合、送風によって、プラスイオンが第２放電部位１３ｊに捕らえられ、中和することが推測される。

そこで、放電を起こす第１、第２放電部位１２ｊ、１３ｊに対し、この周囲もしくは一部を取り囲む第１、第２導電部位１２ｋ、１３ｋが設けられる。このように、第１放電部位１２ｊと同電圧の第１導電部位１２ｋが第１放電部位１２ｊの周囲または一部を取り囲んでいるため、第１放電部位１２ｊから発生したプラスイオンは、逆極性でマイナス電位の第２放電部位１３ｊに達する前に、プラス電位の第１導電部位１２ｋによって反発され、第２放電部位１３ｊに達することを防ぐことができる。第２放電部位１３ｋについても同様である。

電圧印加回路２０は、図３に示すように、入力電源２０１による電圧をトランス２０２に供給するための１次側駆動回路を備え、トランス２０２の２次側回路に第１、第２放電部１２、１３が接続される。１次側駆動回路は、入力抵抗２０４、整流ダイオード２０６、トランス駆動用スイッチング素子２１２、コンデンサ２１１、ダイオード２０７を有する。

入力電源２０１が交流商用電源の場合、入力電源２０１の電圧により、入力抵抗２０４、整流ダイオード２０６を介して、コンデンサ２１１に充電され、規定電圧以上になればトランス駆動用スイッチング素子２１２がオンして、トランス２０２の１次側巻線２０２ａに電圧印加される。その直後、コンデンサ２１１に充電されたエネルギーはトランス２０２の１次側巻線２０２ａとトランス駆動用スイッチング素子２１２を通じて放電され、コンデンサ２１１の電圧はゼロに戻り、再び充電がされ、規定周期で充放電を繰り返す。トランス駆動用スイッチング素子２１２は、無ゲート２端子サイリスタ（サイダック［新電元工業社製］）を採用しているが、若干異なる回路を用いて、サイリスタ（ＳＣＲ）を用いてもよい。また、入力電源２０１は直流電源の場合であっても、上記と同様の動作が得られる回路とすれば、これを問わない。すなわち、電圧印加回路２０の１次側駆動回路としては、特に限定するものではなく、同様の動作が得られる回路であればよい。

トランス２０２は、２つの２次巻線２０２ｂ、２０２ｃを備え、各２次巻線２０２ｂ、２０２ｃがそれぞれ第１、第２放電部１２、１３に接続されて、個別に２つの２次側回路が形成される。すなわち、一方の２次巻線２０２ｂの一端側が第１の放電電極１２ａに接続され、他端側が第１の誘導電極１２ｂに接続される。同様に、他方の２次巻線２０２ｃの一端側が第２の放電電極１３ａに接続され、他端側が第２の誘導電極１３ｂに接続される。１次側駆動回路のトランス駆動用スイッチング素子２１２がオンすることにより、１次側のエネルギーがトランス２０２の２次巻線２０２ｂ、２０２ｃに伝達され、インパルス状電圧が発生する。

そして、２次側回路同士が接続され、トランス２０２の１次側とは絶縁されている。すなわち、２次巻線２０２ｂの一端側と第１の放電電極１２ａとの中間点が２次巻線２０２ｃの一端側と第２の放電電極１３ａとの中間点に接続され、この間にダイオード２０９が介装されている。ダイオード２０９のアノードが第１の放電電極１２ａに接続され、カソードが第２の放電電極１３ａに接続される。

このように、両放電部１２、１３の間にダイオード２０９を挿入することにより、第２の放電部１３から第１の放電部１２に対してバイアス電圧がかけられることになり、第１の放電部１２の電位はプラス側に変位し、第２の放電部１３の電位はマイナス側に変位する。したがって、第１の放電部１２では、プラスイオンがマイナスイオンよりも多く発生し、第２の放電部１３では、マイナスイオンが多く発生する。プラスイオンとしてはＨ⁺（Ｈ₂Ｏ）_ｍであり、マイナスイオンとしてはＯ₂ ⁻（Ｈ₂Ｏ）_ｎである。ｍ、ｎは自然数でＨ₂Ｏ分子が複数個付いていることを意味する。

第１の放電部１２から発生するイオンはプラスイオンとなり、第２の放電部１３から発生するマイナスイオンとでプラス、マイナス略同量のイオンが発生する。空気中にＨ⁺（Ｈ₂Ｏ）_ｍとＯ₂ ⁻（Ｈ₂Ｏ）_ｎを略同量放出させることにより、これらのイオンが空気中の浮遊カビ菌やウィルスの周りを取り囲み、その際生成される活性種の水酸基ラジカル（・ＯＨ）の作用により、不活化することが可能となる。

すなわち、第１、第２の放電部１２、１３を構成する電極間に交流電圧を印加することにより、空気中の酸素ないしは水分が電離によりエネルギーを受けてイオン化し、Ｈ⁺（Ｈ₂Ｏ）_ｍ（ｍは任意の自然数）とＯ₂ ⁻（Ｈ₂Ｏ）_ｎ（ｎは任意の自然数）を主体としたイオンを生成する。これらがファン等により空間に放出される。これらＨ⁺（Ｈ₂Ｏ）_ｍおよびＯ₂ ⁻（Ｈ₂Ｏ）_ｎは、浮遊菌の表面に付着し、化学反応して活性種であるＨ₂Ｏ₂または（・ＯＨ）を生成する。Ｈ₂Ｏ₂または（・ＯＨ）は、極めて強力な活性を示すため、これらにより、空気中の浮遊細菌を取り囲んで不活化することができる。ここで、（・ＯＨ）は活性種の１種であり、ラジカルのＯＨを示している。

正負のイオンは浮遊細菌の細胞表面で式（１）〜式（３）に示すように化学反応して、活性種である過酸化水素Ｈ₂Ｏ₂または水酸基ラジカル（・ＯＨ）を生成する。ここで、式（１）〜式（３）において、ｍ、ｍ'、ｎ、ｎ'は任意の自然数である。これにより、活性種の分解作用によって浮遊細菌が破壊される。したがって、効率的に空気中の浮遊細菌を不活化、除去することができる。

H⁺(H₂O)_m＋O₂ ^-(H₂O)_n→・OH＋1/2O₂＋(m+n)H₂O … (1)
H⁺(H₂O)_m＋H⁺(H₂O)_m'＋O₂ ^-(H₂O)_n＋O₂ ^-(H₂O)_n'→2・OH＋O₂＋(m+m'+n+n')H₂O … (2)
H⁺(H₂O)_m＋H⁺(H₂O)_m'＋O₂ ^-(H₂O)_n＋O₂ ^-(H₂O)_n'→H₂O₂＋O₂＋(m+m'+n+n')H₂O … (3)
以上のメカニズムにより、上記正負イオンの放出により、浮遊菌等の不活化効果を得ることができる。

また、上記式（１）〜式（３）より、空気中の有害物質表面でも同様の作用を生じさせることができる。活性種である過酸化水素Ｈ₂Ｏ₂または水酸基ラジカル（・ＯＨ）が、有害物質を酸化もしくは分解して、ホルムアルデヒドやアンモニアなどの化学物質を二酸化炭素や、水、窒素などの無害な物質に変換することにより、有害物質を実質的に無害化することが可能である。

したがって、ファンを駆動することにより、イオン発生素子１０によって発生させたプラスイオンとマイナスイオンを本体外に送り出することができる。そして、これらのプラスイオンとマイナスイオンの作用により空気中のカビ菌等を不活化し、その増殖を抑制することができる。その他、プラスイオンとマイナスイオンには、コクサッキーウイルス、ポリオウイルス、などのウイルス類も不活化する働きがあり、これらウイルスの混入による汚染が防止できる。また、プラスイオンとマイナスイオンには、臭いの元となる分子を分解する働きがあることも確かめられており、空間の脱臭にも利用できる。

なお、上記したイオン発生装置は、空気調和機、除湿器、加湿器、空気清浄機、冷蔵庫、ファンヒータ、電子レンジ、洗濯乾燥機、掃除機、殺菌装置などの電気機器に搭載される。このような電気機器であれば、機器本来の機能に加えて、搭載したイオン発生装置で空気中のイオン量やイオンバランスを変化させ、室内環境を所望の雰囲気状態とすることが可能となる。

ところで、イオン発生装置は、絶縁のためにケースに内装され、外部から人が触れることができないようにされて、電気機器に搭載される。イオン発生素子１０の放電電極１２ａ、１３ａから人が触れるおそれのある部位までの沿面距離は、ＩＥＣ規格によって定められた距離を確保しなければならない。上記のようにイオン発生装置では、トランス２０２の１次側と２次側とが絶縁されている、すなわち基礎絶縁されているので、放電電極１２ａ、１３ａは、基礎絶縁された充電部として取り扱われる。そのため、人が触れるおそれのある部位からは付加絶縁を施しておくことが要求される。

なお、基礎絶縁は、感電に対する基本的な保護を与える絶縁であり、付加絶縁は、基礎絶縁が破壊した場合の感電に対する保護を与えるため、基礎絶縁に付加して設けられる独立した絶縁である。

付加絶縁での沿面距離は、強化絶縁での沿面距離の半分でよい。そのため、必要な沿面距離を確保したとしても、トランスの１次側と２次側とを絶縁しない場合に比べて放電電極から人が触れるおそれのある部位までの距離を短くすることができる。したがって、イオン発生装置を小型化でき、これを電気機器に搭載する際にも、配置場所の自由度が高まり、設計が容易となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。上記実施形態では、放電部が２つであるが、３つ以上、あるいは１つの場合であっても、同様にトランスの１次側と２次側とを絶縁する。

本発明のイオン発生装置の概略図他の形態のイオン発生素子の平面図電圧印加回路の構成図

符号の説明

１０イオン発生素子
１２第１の放電部
１２ａ第１の放電電極
１２ｂ第１の誘導電極
１３第２の放電部
１３ａ第２の放電電極
１３ｂ第２の誘導電極
２０電圧印加回路
２０１入力電源
２０２トランス
２０９ダイオード

Claims

プラスイオンを発生するプラス側放電部とマイナスイオンを発生するマイナス側放電部とを有するイオン発生素子と、該イオン発生素子に高電圧を印加する電圧印加回路とを備え、前記電圧印加回路は、電源からの電圧をトランスに供給するための１次側回路を有し、前記トランスの２次側に、前記プラス側放電部とマイナス側放電部とが個別に接続される複数の２次側回路を有し、２次側回路同士が接続されて前記トランスの１次側と２次側とが絶縁され、両放電部の間に、前記マイナス側放電部からプラス側放電部への電流の流れを許容するようにダイオードが介装されたことを特徴とするイオン発生装置。