JP4918628B2 - イオン発生装置及びイオン発生素子 - Google Patents

Description

本発明はイオン発生装置、特に小型で高効率でイオンを生成することができるイオン発生装置及びイオン発生素子に関するものである。

クラスタイオンは、殺菌作用及び脱臭作用を有し、室内や自動車の車内の空気を清浄するため或いは冷蔵庫内を清浄にするのに好適である。クラスタイオンを発生させるイオン発生装置として、コロナ放電を利用したイオン発生装置が既知である（例えば、特許文献１参照）。この既知のイオン発生装置では、針状の金属材料で構成される放電電極と、放電電極の先端の周囲を空気ギャップを介して包囲するリング状の誘導電極とを有し、針電極と誘導電極との間に高電圧を印加することにより空気ギャップを介してコロナ放電を発生させている。そして、コロナ放電による電離現象を利用してイオンを発生させている。

別のイオン発生装置として、放電管を用いるオゾン発生装置が既知である（例えば、特許文献２参照）。この既知のオゾン発生装置では、希ガスが封入された２個の単極型の放電管を用い、２個の放電管を所定の間隔の空気ギャップが形成されるように平行に配置し、２個の放電管の電極端子間に高周波数の電圧を印加している。そして、互いに対向する２個の放電管間に空気を流入させ、２個の放電管間に形成される高電界によりオゾンを発生させている。

特開２００８−２９３８０１公報

特開平８−２９０３号公報

針電極を用いてコロナ放電によりイオンを発生させるイオン発生装置では、イオンの発生効率が比較的低いため、生成されるイオン量が少ない欠点がある。このため、針電極に比較的高い放電電圧を印加しなければならず、絶縁不良により火花放電が発生する危険性がある。さらに、特許文献１に記載のイオン発生装置では、プラスイオンとマイナスイオンとを等量発生させるため、プラスイオン発生用のイオン発生装置とマイナスイオン発生用のイオン発生装置との２個のイオン発生装置を用いており、イオン発生装置が大型化する欠点がある。さらに、プラスイオン発生装置用の高圧電源とマイナスイオン発生装置用の高圧電源が必要であり、回路構成も大型化する欠点がある。

特許文献２に記載された２個の放電管を用いるオゾン発生装置は、互いに平行に配置した２個の放電管を用いているため、製造コストが高価になる欠点がある。しかも、イオン発生素子が占める空間が比較的大きく、イオン発生装置が大型化する欠点も指摘されている。

本発明の目的は、イオン生成効率が高く、小型化可能なイオン発生装置を実現することにある。
本発明の別の目的は、イオン生成効率が高く、比較的低い放電電圧でも相当量のイオンを生成することができ、安全性に優れたイオン発生装置を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、簡易な構造で安価に製造できるイオン発生装置を提供することにある。

本発明によるイオン発生装置は、両端が封止され内部に希ガスが封入されている円筒状のガラス管、及び、ガラス管の一端に装着され、前記ガラス管の内部まで延在する電極端子を有する単極型の放電管と、
前記ガラス管の外周面上に密着するように張架され、放電管の一端側から他端側に向けて延在する金属ワイヤにより構成される放電電極と、
前記放電管の電極端子と放電電極との間に接続され、放電管の発光開始電圧を超える放電電圧を印加する交流高圧電源装置とを具え、
前記電極端子と放電電極との間に放電電圧が印加された際、プラスイオン及びマイナスイオンを発生させることを特徴とする。

本発明者が単極型の放電管について種々の実験及び解析を行った結果、単極型放電管の外周面上に一端側から他端側に向けて延在する金属ワイヤを張架し、電極端子と金属ワイヤとの間に交流高電圧を印加すると、放電管の外周面上にコロナ放電が発生し、プラスイオン及びマイナスイオンが発生することが確認された。すなわち、単極放電管の電極端子とガラス管の外周面上に張架した金属ワイヤとの間に、交流の放電電圧を印加する。印加電圧が低い場合、放電管自体が発光せず放電も発生しない。しかし、印加電圧を徐々に高くすると、放電管の内部に封入されている希ガスがプラズマ状態となり、印加電圧が２ｋＶ（ピーク対ピーク電圧）程度になると発光を開始する。さらに印加電圧を高くすると、２．８ｋＶ程度の印加電圧において放電管の発光と共にガラス管の外周面上にコロナ放電が発生することが観測された。そして、コロナ放電により発生するイオン量を測定したところ、プラスイオン及びマイナスイオンの両方のイオンが観測され、そのイオン発生量は市販のイオン発生装置のイオン発生量をはるかに超えるものであった。特に、比較的低い放電電圧を印加するだけで市販品のイオン発生量を大幅に超えるイオン量を発生させることが可能である。

上記実験結果によれば、放電管の電極端子とガラス管の外周面上に張架した金属ワイヤとの間に交流高電圧を印加すると、放電管の内部に封入されている希ガスがプラズマ状態となり、生成されたプラズマと金属ワイヤとの間において、ガラス管及び空気ギャップを介してコロナ放電が発生したものと解される。従って、このような構成の装置において、放電管に封入された希ガスが誘導電極として機能し、金属ワイヤは放電電極として機能し、これら誘導電極と放電電極との間に発生するコロナ放電を有効に利用すれば、イオン発生装置が実現される。

上述した認識に基づき、本発明によるイオン発生装置は、単極型放電管と、放電管の外周面上に密着するように張架した金属ワイヤにより構成される放電電極と、電極端子と放電電極との間に接続した交流高圧電源装置とにより構成される。本発明によるイオン発生素子は、放電管とその外周面上に張架した金属ワイヤとで構成されるため、製造コストが極めて安価であり、しかも占める空間的体積が小さいため、小型で且つ高いイオン生成能力を有するイオン発生素子が実現される。特に、比較的低い印加電圧で放電を開始するため、放電電圧を相当低くすることができ、安全性の面からも有益である。

本発明によるイオン発生素子は、単極型放電管と、その外周面上に張架した金属ワイヤとにより構成されるので、小型で高出力のイオン発生素子が実現される。しかも、発生するイオン量は、市販品と比較して相当多いため、電極端子と放電電極との間に印加される放電管電圧を相当低くすることが可能であり、安全性も確保される。さらに、製造コストも大幅に安価になる。

本発明によるイオン発生装置の一例を示す線図的断面図である。 本発明によるイオン発生装置の変形例を示す線図的断面図である。 ガラス管の外周面とその上に張架された放電電極との関係を模式的に示す図である。

図１は本発明によるイオン発生装置の一例を示す線図的断面図である。イオン発生装置は、単極型の放電管１を有する。放電管１は、両端が封止され希ガスが封入されている円筒状のガラス管２を有する。封入される希ガスとして、キセノンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ヘリウムガス等の各種希ガスを用いることができる。放電管の一端には、ガラス管の内部空間まで延在する電極端子３を装着する。

ガラス管２の外周面上に放電電極として機能する金属ワイヤ４をガラス管の表面上に密着するように装着する。金属ワイヤとして、例えばニッケル線、タングステン線、モリブデン線、タンタル線等の比較的不活性な金属材料を用いることができる。金属ワイヤ４は、放電管の中心軸線Ｌと平行にガラス管の一端側から他端側に向けて延在する線状電極部４ａと、その両端に形成した２つの巻回部４ｂ及び４ｃを有する。２つの巻回部４ｂ及び４ｃにより金属ワイヤ４をガラス管２の外周面上に固定する。この際、線状電極部４ａがガラス管の表面上に密着するように固定する。また、一方の巻回部４ｂは、放電管の半径方向から見て、放電管の中心軸線方向において電極端子３と重なり合うように位置決めする。尚、２つの巻回部４ｂ及び４ｃとガラス管との間に導電性ペーストや導電性ペイントを塗布し焼き付け処理を行って、２つの巻回部をガラス管上に強固に固定することも可能である。また、巻回部を形成する代りに、金属ワイヤの端部に例えば銀ペイントを塗布して焼き付けることにより固定することも可能である。

電極端子３と放電電極を構成する金属ワイヤの他方の端部との間に交流高圧電源装置５を接続する。交流高電圧電源装置５は、高周波発生器６と昇圧トランス７とを有し、電極端子３と放電電極４との間に交流高周波電圧の放電電圧を印加する。印加される放電電圧として、例えば３ｋＶ〜１０ｋＶの高周波電圧を用いることができる。この放電電圧は、生成されるイオン量や放電管のサイズ、放電管のガス圧等を考慮して用途に応じて規定する。また、周波数の範囲として、数十ｋＨｚ程度の周波数範囲に設定する。尚、電源として、商用電源を用いることができ、或いは自動車等に搭載されているバッテリー電源を用いることも可能である。

単極型放電管の電極端子３と放電電極４との間に交流高電圧である放電電圧を印加すると、放電管の内部に封入されている希ガスがプラズマ状態に変換され、発光を開始する。さらに印加電圧を高くすると、放電電極付近からコロナ放電が発生する。すなわち、プラズマ状態の希ガスは誘導電極として作用し、ガラス管の外周面上に張架した金属ワイヤは放電電極として作用する。従って、単極型放電管の電極端子と放電電極との間に放電管の発光開始電圧を超える放電電圧を印加すると、放電電極付近においてコロナ放電が発生し、その電離作用によりプラスイオン及びマイナスイオンが生成される。

図２は、放電電極を構成する金属ワイヤ４をガラス管２の中心線Ｌのまわりに螺旋状に装着した例を示す。このように、放電電極をガラス管の外周面上に螺旋状に巻回すれば、コロナ放電が発生するワイヤ長が一層長くすることができる。

次に、図１に示すイオン発生装置を用いて、実際にイオンを発生させて生成されたイオン量を測定した実験結果について説明する。初めに、以下の実験１を行った。放電管１として、外径が４ｍｍ、内径３ｍｍ、長さ４５ｍｍで、キセノンガスが８０トールのガス圧で封入された放電管を用いた。放電電極を構成する金属ワイヤとして、直径が０．１５ｍｍのニッケル線を２本撚り合わせた撚り線を用いた。実験に際し、周波数が３３ｋＨｚの放電電圧を印加し、放電電圧を上げながらイオンを生成させ、放電管が点灯してから３分後の安定した状態での発生イオン量をイオンカウンタを用いて測定した。印加電圧はピーク対ピーク電圧である。プラス及びマイナスの合計イオン数は単位電力当たりの発生イオン数である。また、イオン発生装置から３５０ｍｍ離れた位置にイオンカウンタを配置し、イオンカウンタの配置位置とは反対側にファンを配置し、緩やかな空気流を流しながら測定した。実験結果を下記の表１に示す。

表 １
印加電圧 正イオン数 負イオン数 合計イオン数
(kV) (×10^４個) (×10^４個) (×10^４個/W)
３．７６ ６８．０ ２４．５ ２６４．３
４．２１ ８６．０ ９．０ １５０．８
４．６５ ６１．５ １．５ ６１．８
他社製品 ２８．０ ３０．０

実験に先立って、印加電圧を徐々に高くして放電管の発光開始電圧及びコロナ放電の放電開始電圧を測定した。放電管の発光開始電圧は１．９４ｋＶであり、イオン発生開始電圧は２．８５ｋＶであった。また、現在市場において流通している市販の針電極を用いたイオン発生装置のイオン発生量も併せて測定した。計測されたイオン数は、正イオン数が２８．０×10^４個、負イオン数は３０×10^４個であった。この実験結果より以下の事項が導き出される。
（ａ）単極型の放電管の電極端子とガラス管の外周面面上に装着した金属ワイヤとの間に、放電管の発光開始電圧を超える放電電圧を印加することにより、プラス及びマイナスのイオンを発生させることが可能である。
（ｂ）市販品との比較結果より、放電管の発光開始電圧以上の交流高電圧の放電電圧を印加すれば、市販の製品よりも大量のイオンを発生させることが可能である。従って、製品として十分な量のイオンを発生させることが可能である。

次に、実験２として、ガラス管と金属ワイヤとの間の間隔を変えて生成されるイオン量を測定した。放電管の外周面上金属ワイヤを密着させた場合、厚さ０．２ｍｍのテープ状のスペーサを介在させて厚さ０．２ｍｍの空気ギャップを形成した場合、及び、厚さが０．３ｍｍのテープ状のスペーサを介在させて厚さ０．３ｍｍの空気ギャップを形成した場合の３種類の素子を作成してイオン量を測定した。尚、印加電圧は、３．７６Ｖに設定した。

表 ２
空気ギャップ 正イオン数 負イオン数 合計イオン数
(ｍｍ) (×10^４個) (×10^４個) (×10^４個/W)
スペーサ無し ８４．０ ９．０ ３００．０
０．２ １９．５ １８．０ １２９．３
０．３ ４．５ ６．５ ７８．５

表２に示すように、ガラス管の表面と金属ワイヤとの間に空気ギャップが存在すると、空気ギャップが厚くなるにしたがって生成されるイオン量が減少する。しかし、ガラス管の表面と金属ワイヤとの間に０．２ｍｍ及び０．３ｍｍの空気ギャップが介在する場合であっても、市販品よりも大量のイオンが発生することが確認された。また、ガラス管の表面と放電電極との間に空気ギャップを介在させた場合、生成されるイオン量は低下するが、プラスイオン量とマイナスイオン量との割合がほぼ等量になる傾向にある。

実験１及び２の結果より、放電管の外周面上に金属ワイヤの放電電極を設け、放電管と金属ワイヤとの間でコロナ放電させる形式のイオン発生装置は、市販品を超えるイオン量を発生させることが可能であることが確認された。

次に、図１及び図２に示す構成のイオン発生装置の原理について検討する。図３は、放電管を構成するガラス管２の表面と放電電極を構成する金属ワイヤ４との界面における接触状態を模式的に示す図である。ガラス管の表面は平坦な湾曲面であるが、微視的に見た場合微少な凹凸やうねりが存在する。また、金属ワイヤ４の表面にも同様に微少な凹凸やうねりが存在する。特に、放電電極として細径の金属ワイヤを複数本撚り合わせた撚り線を用いた場合、ガラス管の表面と放電電極との間に微少な空気ギャップが形成される。従って、ガラス管の表面に金属ワイヤを密着するように取り付けても、ガラス管の表面と金属ワイヤとの間には、微少な接触点１０に加えて数μｍ〜数１００μｍ程度の微少な厚さの空気ギャップ１１が形成されているものと解される。一方、放電管に発光開始電圧を超える放電電圧が印加された場合、放電管内部の希ガスはプラズマ状態となり、誘導電極を構成することになる。このプラズマ状態のガス空間により形成される誘導電極と放電電極である金属ワイヤ４との間には、ガラス管による誘電体層と空気ギャップ１１とが介在し、これらガラス管による誘電体層と空気ギャップを介してコロナ放電が形成され、発生するコロナ放電による電離作用により、空気ギャップ１１の空気がイオン化されるものと解される。

次に、放電電極を構成する金属ワイヤについて説明する。本発明によるイオン発生装置は、放電管とその外周面上に張架した放電電極との間のコロナ放電を利用する。一方、コロナ放電の放電開始電圧は、放電電極の曲率半径と密接な関係があり、放電電極の曲率半径が小さいほど放電開始電圧は低下する。そこで、本発明では、放電電極として細径の金属ワイヤを複数本撚り合わせた撚り線を用いることが望ましい。放電電極として撚り線を用いれば、誘導電極を構成する放電管の外周面に対してより細い金属ワイヤが対向することになり、放電開始電圧を一層低くすることが可能になる。この結果、安全性の面より極めて好適な一方発生装置が実現される。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば放電電極を構成する金属ワイヤに関して、各種金属材料の単線、撚り線を用いることができる。
また、ガラス管の表面上にスペーサを設け、ガラス管の表面と放電電極を構成する金属ワイヤとの間に空気ギャップを形成することも可能である。特に、２００〜３００μｍの厚さのスペーサを設けた場合、プラスイオンの生成量とマイナスイオンの生成量とが等量に近づく傾向にあり、プラスイオンとマイナスイオンとが等量発生させる必要性の高い用途に有益なイオン発生装置が実現される。
また、本発明の実施態様は、単極型の放電管であることを例に説明したが、両極型の放電管に適用するものであってもよい。

１ 放電管
２ ガラス管
３ 電極端子
４ 放電電極
５ 交流高電圧電源装置
６ 高周波発生器
７ 昇圧トランス

Claims (6)

1. 両端が封止され内部に希ガスが封入されている円筒状のガラス管、及び、ガラス管の一端に装着され、前記ガラス管の内部まで延在する電極端子を有する単極型の放電管と、
   前記ガラス管の外周面上に張架され、放電管の一端側から他端側に向けて延在する金属ワイヤにより構成される放電電極と、
   前記放電管の電極端子と放電電極との間に接続され、放電管の発光開始電圧を超える放電電圧を印加する交流高圧電源装置とを具え、
   前記電極端子と放電電極との間に放電電圧が印加された際、プラスイオン及びマイナスイオンを発生させることを特徴とするイオン発生装置。
2. 請求項１に記載のイオン発生装置において、前記放電電極は、放電管の中心軸線に沿ってほぼ平行に延在し又は前記中心軸線のまわりに螺旋状に延在する線状電極部と、線状電極部の両側にそれぞれ形成され、線状電極部の各端部を前記放電管のガラス管に固定する２つの巻回部とを有し、前記線状電極部は、ガラス管の表面上に密着するように固定されていることを特徴とするイオン発生装置。
3. 請求項２に記載のイオン発生装置において、前記放電電極の一方の巻回部は、放電管の中心軸線方向において、前記電極端子の一部と重なり合うように位置することを特徴とするイオン発生装置。
4. 請求項１に記載のイオン発生装置において、前記ガラス管の表面上に放電電極とガラス管表面との間の間隔を規制するスペーサが形成され、前記放電電極は、放電管の中心軸線に沿ってほぼ平行に延在することを特徴とするイオン発生装置。
5. 両端が封止され内部に希ガスが封入されている円筒状のガラス管、及び、ガラス管の一端に装着され、前記ガラス管の内部まで延在する電極端子を有する単極型の放電管と、
   前記ガラス管の外周面上に張架され、放電管の一端側から他端側に向けて延在する金属ワイヤにより構成される放電電極とを有することを特徴とするイオン発生素子。
6. 請求項５に記載のイオン発生素子において、前記放電電極を構成する金属ワイヤは、細径の金属ワイヤを複数本撚り合わせた撚り線により構成したことを特徴とするイオン発生素子。

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