JP5291772B2 - イオン発生装置及び電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、正イオン又は負イオンが発生する放電部を備えるイオン発生装置及びこれを用いた電気機器に関する。

従来より、室内空気の浄化、殺菌あるいは消臭などを行うために、イオン発生装置が使用されている。これらの多くは、イオン発生電極を備えてコロナ放電により発生する正イオンと負イオンを筐体に設けられたイオン放出口から放出させるものである。

イオン発生素子には、例えば、特許文献１に示すように、特に針形状の金属などを放電電極として、これに対向する金属板やグリッドなどを配置したもの、対向電極を配置しないものがある。このイオン発生素子では電極に高電圧を印加した際に、鋭角部をした放電電極の先端で電界集中が生じ、その先端部分と対向電極や接地との間の空気が絶縁破壊することで放電現象が得られる。そして、イオン発生素子により発生したイオンは、搬送路を通じて外部に放出される。

ところで、例えば、搬送路がプラスに帯電していた場合、イオン発生器により発生したマイナスイオンが搬送路に引き寄せられ、放出されるべきイオンが減少することがある。また、この逆の極性においても同様の課題が発生する。この課題を解決するために、例えば、特許文献２のような除電装置が考案されている。図８は、特許文献２に示された除電装置の構成図である。該文献には、搬送路の内面にイオンと同極性の直流電圧を印加して、搬送路の内面とイオンとの間に反発力を生じさせ、イオンが搬送路の内面に接触することを防止する除電装置が開示されている。この装置によれば、搬送路を通過するイオンの減少を抑制することが可能となる。

特開２００５―１３６４９号公報（平成１７年１月２０日公開） 特開２００８―９１１４５号公報（平成２０年４月１７日公開）

しかしながら、上記特許文献２に示されたイオン発生装置においては、発生したイオンと同極性の電圧を印加された搬送路において、搬送路内の電位が上昇しすぎると、周辺にいわゆる高電位の障壁ができ、発生したイオンがスムーズに通過できないことがある。この通過できないイオンは周辺の壁に付着したり、あるいはそのまま消滅したりするため、結果的に放出されるべきイオンが減少する可能性がある。また、イオン発生素子から発生したイオンが、同極性の搬送路内壁と一旦反発しても、必ずしも全てがイオン放出口に進むわけではなく、逆流あるいはその場に滞留し、放出される前に消滅する可能性がある。

また、正イオンと負イオンの搬送路が分かれており、搬送路出口近傍でそれぞれのイオンが混合される構成の場合、電圧を印加された搬送路出口に異なる極性のイオンが吸い寄せられる可能性がある。特に、搬送路出口付近に高い電圧が印加されていた場合、この現象の発生する可能性が高く、室内に高濃度のイオンを放出することができないという問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、イオン発生素子から発生したイオンが、イオン発生器より放出される前に消滅することなく、室内空間に高濃度のイオンを供給することができるイオン発生装置、及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明に係るイオン発生装置は、イオン発生素子と、前記イオン発生素子より発生したイオンを搬送する搬送路と、印加回路を備えたイオン発生装置であって、前記イオン発生素子は、誘導電極と該誘導電極との間でイオンを発生させるための放電電極から構成され、
前記搬送路内には電極が設けられており、前記電極は、前記搬送路のイオン放出側の開口部に近い側に設けられる金属帯部と、前記イオン発生素子を囲繞して搬送路内壁を覆う金属壁部よりなり、前記印加回路は、前記イオン発生素子及び前記電極に電圧を印加するものであり、かつ、前記金属帯部には、前記金属壁部よりも低い電圧を印加することを特徴とする。

また、前記搬送路において、イオン放出側の開口部近傍の電圧と前記イオン発生素子近傍の壁部の電圧との差が、前記イオン発生素子近傍の壁部の電圧とファン側の開口部の電圧との差よりも大きいことを特徴としてもよい。

また、前記搬送路は、異なる複数種類の材料により構成されることを特徴としてもよい。

また、前記放電電極、あるいは前記誘導電極に、パルス状の電圧を印加することを特徴としてもよい。

本発明のイオン発生システムは、上記のいずれかに記載のイオン発生装置を複数用いたイオン発生システムであって、前記複数のイオン発生装置の少なくとも一つは正イオンを発生させ、前記複数のイオン発生装置の少なくとも一つは負イオンを発生させることを特徴とする。

また、本発明の電子機器は、上記のいずれかに記載のイオン発生装置と、前記イオン発生装置で生じたイオンを送風気流に乗せて電気機器の外部に送るための送風部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、室内空間に高濃度のイオンを供給することができるイオン発生装置及び電子機器を実現することができる。

本発明に係るイオン発生装置の断面図である。 本発明に係るイオン発生素子の構成図である。 本発明に係るイオン発生装置の実験構成図である。 本発明に係るパルス放電の説明図である。 本発明に係るイオン発生装置のイオン電流測定結果である。 本発明に係るイオン発生装置の比較実験構成図である。 本発明に係る比較実験結果を示すグラフである。 従来技術を示す除電装置の構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るイオン発生装置１００の模式的断面図である。イオン発生装置１００は、イオン発生素子１、高圧回路２、送風部３、搬送路４、電圧印加回路５を備える。

図２は、イオン発生素子１の構成図である。イオン発生素子１は、例えばコロナ放電を起こし、正イオン、及び負イオンの少なくともいずれかを生じさせるためのものである。イオン発生素子１は、放電電極１１、及び誘電電極１２により構成されている。放電電極１１は、針状の先端部１１ａを有している。誘電電極１２は、環状の金属板より形成され、かつ放電電極の個数に対応して貫通孔を有している。この貫通孔は、コロナ放電により発生するイオンを外部へ放出するための開口部である。本実施の形態では、貫通孔は１つであり、貫通孔の平面形状は例えば円形状である。放電電極１１の先端部１１ａが誘導電極１２の貫通孔のほぼ中央に配置されるように、放電電極１１、及び誘導電極１２を支持基板１３で固定する。放電電極１１の針状の先端部１１ａは、支持基板１３の表面側に突き出しており、放電電極１１の他端部は、高圧回路２に接続されている。この状態で、イオン発生装置１は、後述するイオン発生装置の内部に設置される。このとき、放電電極１１の先端部１１ａはイオン発生装置１００内に設置されている。

高圧回路２は、放電電極１１及び誘導電極１２に接続され、各々に正または負の電圧を印加する。送風部３は、ファン等によって構成され、図示しない空気取り入れ口から取り込まれた空気を送風することで発生したイオンを送り、吹き出し口から外部にイオンを供給する。送風部３の風力、及び風速は、強いほど発生したイオンをより遠くに、また広く拡散させることができるが、風力が強いとファンの運転音も大きくなるため、装置の仕様により、適宜設定すればよい。

搬送路４は、全体が樹脂ケース４１より形成され、その内壁は、金属壁部４２及び金属帯部４３により覆われている。樹脂ケース４１は、通常、主にポリスチレン、ポリカーボネート、アクリルなどの樹脂よりなり、断面略矩形、断面略円形、あるいは、断面略半円形など、内部が空洞である筒形状であって、片方の開口部近傍に送風部３が設けられ、他端の開口部は、イオン発生素子１から発生したイオンが送風部３からの気流により外部に供給されるまでの通路となっている。

金属壁部４２は、搬送路４の内壁の一部において、イオン発生素子１の近傍を覆うように配置されている。例えば、断面略矩形の搬送路４において、イオン発生素子１の配置されている面と、その両側面、イオン発生素子１と対向する面を、金属箔、あるいは金属板で覆うことで、イオン発生素子１を囲繞している。金属壁部４２には、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。

金属帯部４３は、搬送路４の内壁の一部において、発生したイオンが放出される放出口近傍を金属帯で覆うように配置されている。金属帯部４３も金属壁部４２と同様、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。金属壁部４２と金属帯部４３の材料は同じ材料であっても、互いに異なる材料であっても構わない。搬送路内壁において、金属壁部４２及び金属帯部４３で覆う領域、面積については、イオン発生装置１００の仕様により適宜設定すればよい。

電圧印加回路５は、金属壁部４２、金属帯部４３に接続され、それぞれに正または負の電圧を印加する。高圧回路２、及び電圧印加回路５により印加する電圧値は、装置の仕様、装置が設置される環境等により適宜設定、制御可能である。また、高圧回路２、及び電圧印加回路５は、本実施形態に示したように別々に設置しても良いし、一つの回路で双方を制御できるようにしても良い。

図３は、正イオンを発生させるイオン発生装置１００ａと負イオンを発生させるイオン発生装置１００ｂを用いて、金属壁部４２ａ、４２ｂ及び金属帯部４３ａ、４３ｂに印加する電圧と、イオン電流の関係を測定するための装置構成図である。イオン発生装置１００ａ、１００ｂの全長は、１６０ｍｍであり、ファン側の開口部は、幅６２ｍｍ、高さ７２ｍｍ、イオン放出側の開口部は、幅３２ｍｍ、高さ５５ｍｍとした。金属壁部４２ａ、４２ｂは、イオン発生装置１００ａ、１００ｂの内壁に、ファン側の開口部より、ファン側の開口部または高さ程度の幅で設ける。また、イオン発生装置１００ａ、１００ｂのイオン放出側端部より１ｃｍ内壁に、幅１ｃｍの金属帯部４３ａ、４３ｂを設けた。気温２３℃、湿度３３％の条件下において、イオン発生装置１００ａからは正イオン、イオン発生装置１００ｂからは負イオンを発生させ、それらイオンに基づく電流値を測定した。今回用いたイオン発生素子１ａ、１ｂの大きさは、いずれも内径が９ｍｍ、外径が１２ｍｍであり、金属壁部４２ａ、４２ｂ及び金属帯部４３ａ、４３ｂの範囲は、イオン発生素子１ａ、１ｂそれぞれが配置されたイオン発生素子１の配置されている面、その対向面、両側面を全てとした。

ここで、高圧回路２を稼動させ、イオン発生素子１ａ、及びイオン発生素子１ｂに電圧を印加し、正イオン、負イオンをそれぞれ発生させた。放電条件はパルス放電とし、イオン発生素子１ａにおいては、放電電極に対し、５ｋＶのＤＣ電圧を、誘電電極に対しては５〜０ｋＶのパルス電圧を印加した。イオン発生素子１ｂにおいては、放電電極に対し、−５ｋＶのＤＣ電圧を、誘電電極に対しては−５〜０ｋＶのパルス電圧を印加した。いずれもパルス電圧の周波数２ｋＨｚ、ＤＵＴＹ５％とした。

図４は、正極側及び負極側のパルス放電の時間と電圧の関係を示したグラフである。図４において、縦軸は電圧、横軸は時間を示す。図４におけるｔ１はパルス幅、ｔ２は周期を示している。また、図４は、電圧の絶対値を示しており、極性を示すものではない。本実施例でのＤＵＴＹは、ｔ１／ｔ２のパーセントとした。なお、本実施例では、誘電電極側にパルス電圧を印加したが、これに限るものではなく、放電電極側にパルス電圧を印加してもよく、いずれか一方にパルス電圧を印加すればよい。

さらに、電圧印加回路５により、金属壁部４２ａ、４２ｂ及び金属帯部４３ａ、４３ｂにもそれぞれ正、負の電圧をそれぞれ印加し、ファンを用いて送風しイオン発生装置１００ａ、１００ｂから吹き出されるイオン電流をイオンカウンター６にて測定した。本実施例では、金属壁部４２ａには、３．９ｋＶの電圧を印加した状態で、金属帯部４３ａには、０〜４．５ｋＶの電圧を印加し、金属壁部４２ｂには、−３．９ｋＶの電圧を印加した状態で、金属帯部４３ｂには、０〜−４．５ｋＶの電圧を印加した。イオンカウンター６は、イオン発生装置１００ａ、１００ｂの２つのイオン発生装置の中間であって、イオン吹き出し口より４１ｃｍの風路上に設置した。

図５は、金属帯部４３ａ、４３ｂに印加する電圧とイオン電流の関係の測定結果である。（ａ）は、正イオンを発生するイオン発生装置１００ａにおける測定結果、（ｂ）は、負イオンを発生するイオン発生装置１００ｂにおける測定結果である。ただし、（ｂ）においては、正イオン側の（ａ）と比較しやすいように、データを絶対値で表している。例えば、（ｂ）における金属帯部印加電圧１ｋＶは、実際には−１ｋＶであり、同様にイオン電流１ｎＡは、−１ｎＡである。

正イオン側に対しては、おおむね１．０〜２．５ｋＶの範囲で金属帯部４３ａに電圧を印加すると、放出されるイオン電流が高くなることがわかる。さらに言えば、１．５〜２．０ｋＶの範囲内の電圧が特に好ましい。また、負イオン側に対しては、おおむね−１．０〜−２．５ｋＶの範囲でアルミ箔製の金属帯部４３ｂに電圧を印加すると、放出されるイオン電流が高くなることがわかる。さらに言えば、−２．０〜−２．５ｋＶの範囲内の電圧が特に好ましい。つまり、金属帯部４３ａ、４３ｂに印加される電圧は、金属壁部４２ａ、４２ｂに印加される電圧の２５〜６５％が好ましく、さらには５０％前後が特に好ましい。

さらに図５によれば、金属帯部４３ａ、４３ｂに印加する電圧がおおむね３．０ｋＶを越えた時点で急激にイオン電流の低下が見られる。このことから、金属壁部４２ａ、４２ｂに印加する電圧と金属帯部４３ａ、４３ｂに印加する電圧には、おおむね１．５〜３．０ｋＶの差があるほうが好ましい。また、搬送路４において、イオン放出側の開口部に高い電圧が印加されていると、開口部近傍にイオンが滞留して放出されにくくなったり、放出されたとしても、イオンが異極性をもった開口部に吸い寄せられ、消滅する可能性があるため、イオン放出側の開口部の電圧は金属壁部４２ａ、４２ｂの電圧の半分程度が望ましい。

以上の結果より、搬送路内部の電圧を、部位により異ならせることで放出されるイオン量を増加させることが出来た。さらに言えば、イオンが放出される側の電圧をイオン発生素子１近傍の電圧より低くすることで効果が得られることがわかった。なお、イオン放出側の開口部に金属帯部４３を設けず、金属壁部４２のみを設けた場合でも、電圧差が生じることより、ある程度の効果が期待できる。

上記の効果を更に詳細に調べるため、次のような条件を設定し、比較実験を行った。金属壁部４２ａには全て３．９ｋＶの電圧を印加し、金属壁部４２ｂには全て−３．９ｋＶの電圧を印加し、イオン電流を測定した。
〔条件〕
条件Ａ：イオン放出側の開口部の電圧が、０ｋＶになるように搬送路内電圧に３．９ｋＶの勾配を付けて印加
条件Ｂ：イオン放出側の開口部の電圧が、正イオン側で２ｋＶ、負イオン側で−２ｋＶになるように搬送路内電圧に１．９ｋＶの勾配を付けて印加
比較例１：搬送路内電圧に勾配を付けず正イオン側に３．９ｋＶ、負イオン側に−３．９ｋＶを内壁全体に印加
比較例２（図６）：搬送路４ａ、４ｂは樹脂製であり、金属で覆われている部分はない。放電電圧は正イオン側に３．９ｋＶ、負イオン側に−３．９ｋＶを印加
比較例１、２においては、イオン発生素子１ａ、１ｂの大きさ、その他の条件は上記Ａ、Ｂと同条件とした。高圧回路２を稼動させ、イオン発生素子１ａ、及びイオン発生素子１ｂに電圧を印加し、正イオン、負イオンをそれぞれ発生させるとともに、ファンにより送風してイオン発生装置２００ａ、２００ｂから吹き出されるイオン電流をイオンカウンター６にて測定した。

図７は、それぞれのイオン電流の測定結果である。条件Ａにおいては、金属壁部４２に印加される電圧がイオン放出側の開口部に向かって±３．９ｋＶから０ｋＶまで急激に降下している。イオン濃度分布を調べたところ、開口部付近にイオンが集まり、開口部周辺で消滅していると考えられる。条件Ｂにおいては、開口部に向かって±３．９ｋＶから２．０ｋＶに電圧が降下しており、一部搬送路内で消滅するが、概ねスムーズにイオンが放出され、イオン濃度が最も高くなっている。また、比較例１においては、搬送路内が、均一な電圧を印加されており、イオン濃度分布を調べたところ、搬送路４の中央部分でイオンが滞留したまま、放出されずに留まっていることが判明した。また、イオンが放出されたとしても、逆の極性の開口部に吸い寄せられるため、放出されるイオンがさらに減少しており、金属壁部４２を設けない従来の構成である比較例２と比較しても、さほど効果が得られないことがわかった。

以上のような実験結果より、イオン発生装置１００において、イオン放出側の開口部に印加される電圧を、イオン発生素子１近傍の壁部の電圧よりも低く電位勾配を付けて印加することで、イオン発生素子１から発生したイオンがロス無く流れて、高濃度のイオンを室内に供給することができる。さらに、イオン放出側の開口部の電圧は、ある程度の電圧が印加されているほうがより高濃度のイオンを放出することが出来る。また、イオン発生装置において、金属壁部に印加する電圧と金属帯部に印加する電圧との差が、金属壁部に印加する電圧とファン側の開口部の電圧との差よりも大きいほうがイオンの逆流を防ぐ効果があり、好ましい。

本発明に係るイオン発生装置は、室内にイオンを放出する空気清浄機、空気調和機、加湿器、除湿器等の電子機器に好適に利用できる。

１、１ａ、１ｂ イオン発生素子
２ 高圧回路
３ 送風部
４、４ａ、４ｂ 搬送路
５ 電圧印加回路
６ イオンカウンター
１１ 放電電極
１２ 誘電電極
１３ 支持基板
１００、１００ａ、１００ｂ、２００ａ、２００ｂ イオン発生装置

Claims (6)

1. イオン発生素子と、
   前記イオン発生素子より発生したイオンを搬送する搬送路と、
   印加回路を備えたイオン発生装置であって、
   前記イオン発生素子は、誘導電極と該誘導電極との間でイオンを発生させるための放電電極から構成され、
   前記搬送路内には電極が設けられており、
   前記電極は、前記搬送路のイオン放出側の開口部に近い側に設けられる金属帯部と、前記イオン発生素子を囲繞して搬送路内壁を覆う金属壁部よりなり、
   前記印加回路は、前記イオン発生素子及び前記電極に電圧を印加するものであり、かつ、前記金属帯部には、前記金属壁部よりも低い電圧を印加する
   ことを特徴とするイオン発生装置。
2. 前記搬送路において、
   イオン放出側の開口部近傍の電圧と前記イオン発生素子近傍の壁部の電圧との差が、前記イオン発生素子近傍の壁部の電圧とファン側の開口部の電圧との差よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１記載のイオン発生装置。
3. 前記搬送路は、
   異なる複数種類の材料により構成される
   ことを特徴とする請求項１または２記載のイオン発生装置。
4. 前記放電電極、あるいは前記誘導電極に、パルス状の電圧を印加する
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のイオン発生装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のイオン発生装置を複数用いたイオン発生システムであって、
   前記複数のイオン発生装置の少なくとも一つは正イオンを発生させ、
   前記複数のイオン発生装置の少なくとも一つは負イオンを発生させる
   ことを特徴とするイオン発生システム。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のイオン発生装置と、
   前記イオン発生装置で生じたイオンを送風気流に乗せて電気機器の外部に送るための送風部を備えた
   ことを特徴とする電気機器。