JP5470733B2 - 気流発生装置 - Google Patents

Description

空気送風分野における、気流発生装置に関するものである。

従来、この種の気流発生装置は、誘電体内に埋め込まれた、もしくは誘電体表面に貼布された２本の電極に交流高電圧を印加して、誘電体バリアプラズマを発生させて、誘起されるイオン風を利用したものである（例えば、特許文献１参照）。

以下、その気流発生装置について図１１、１２を参照しながら説明する。

図１１に示す通り、誘電体１０１の中に埋没された二本の板状電極１０２に、電圧電源１０３により、交流高電圧が印加される。その結果、図１２に示す通り、誘電体１０１の表面にプラズマ１０４が発生し、誘電体１０１上でイオン風１０５が誘起され、気流発生装置としての機能を発揮することとなる。
特開２００８−１３５４号公報

従来のこの種の気流発生装置は、プラズマの発生点が無秩序であり、プラズマの発生により誘起されるイオン風の方向に一貫性が無いため、誘起できる気流が小さいという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、プラズマにより誘起されるイオン風の方向に一貫性があり、風向が一定、かつ風量が大きい気流発生装置を提供することを目的とする。

本発明の気流発生装置は、上記目的を達成するために、面状誘電体の両面に設けた２つの電極は共に多点の末端を有する電極で構成され、両電極が、前記面状誘電体の面に対し垂直方向で重ならず、一定の隙間を有し、前記２つの電極の内の一方の電極の各多点の末端と他方の電極の各多点の末端が対向し、両電極に交流電圧を印加するとともに、どちらか一方を接地してイオン風を誘起し、前記面状誘電体が、マイカであり、ポリエチレンフィルムと共に形成し、曲面に設置することを特徴とするものである。

また、他の手段は、多点の末端を有する電極は、先端が尖った複数の電極を導線で結合させたことを特徴とするものである。

本発明によれば、プラズマにより誘起されるイオン風の方向に一貫性があり、風向が一定、かつ風量が大きいという効果のある気流発生装置を提供することができ、また、印加電圧値を低くすることが可能となる。

本発明の気流発生装置は、面状誘電体の両面に設けた２つの電極は共に多点の末端を有する電極で構成され、両電極が、面状誘電体の面に対し垂直方向で重ならず、一定の隙間を有し、前記２つの電極の内の一方の電極の各多点の末端と他方の電極の各多点の末端が対向し、前記面状誘電体が、マイカであり、ポリエチレンフィルムと共に形成し、曲面に設置し、両電極に交流電圧を印加するとともに、どちらか一方を接地することを特徴としたものであり、電極間に一定の隙間を有するように構成することで、ブローイング力のベクトルをより面状誘電体と平行にすることができるという作用を有する。結果的に、本発明の気流発生装置から効率的に気流を送り出すことができ、気流の流量も大きくすることができるという作用を有する。また、印加電圧値を低くすることが可能となる。また、柔軟性に富む気流発生装置が得られ、曲面や凹凸面といった平面でない場所に気流発生装置を適切に設置することが可能となる。

また、多点の末端を有する電極は、先端が尖った複数の電極を導線で結合させたことを特徴としたものであり、プラズマが誘起されやすいという作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における気流発生装置を図１に示す。面状誘電体１の片面に多点の末端を有する電極２を、その逆面に板状電極３を設け、多点の末端を有する電極２と板状電極３に電圧電源４により、交流電圧を印加するとともに、どちらか一方を接地してプラズマを誘起する構成とする。ここで、多点の末端を有する電極２と板状電極３は導線５で電圧電源４と接続されている。

図１のＡ−Ａ‘断面図を図２に示す。図２のように、多点の末端を有する電極２と板状電極３の間には、面状誘電体１が絶縁しており、通常は導通しない構成となっている。

図１のＢ−Ｂ‘断面図を図３に示す。図３のように、板状電極３を設置し、多点の末端を有する電極２に交流の高電圧を印加した場合、印加電圧値が放電開始電圧を超えると、プラズマ６が誘起されると同時に、印加した電界によって静電力が発生する。イオンが受けた静電力は、衝突により中性粒子に伝達される。よって、連続流体の観点から、その空間に体積力（ブローイング力）が発生することとなり、速度が誘起される。この速度は、時間平均をとると、多点の末端を有する電極２から板状電極３へ向かう方向を持つこととなり、この流れをイオン風７と呼ぶ。

ここで、多点の末端を有する電極２を接地し、板状電極３に交流の高電圧を印加すると、図４に示す通り、イオン風７は板状電極３から多点の末端を有する電極２の方向へ誘起されることとなる。

図３、図４いずれの場合も、プラズマ６により誘起されるイオン風７は、始点または終点が多点の末端を有する電極２となるため、無秩序な方向を持つことは無く、ある程度一定の方向性を有するため、イオン風７の風量が増し、気流発生装置としての機能を発揮することとなる。

以下に、本発明の気流発生装置の各構成部品の物性、形状の特徴を記す。

面状誘電体１は、体積固有抵抗値が１０⁸Ω・ｃｍ以上かつ１０¹⁵Ω・ｃｍ以下のものであれば、その表裏に設けられた電極間を絶縁することができ、電圧電源４により各電極に高電圧を印加することによりプラズマ６を発生させることができる。

具体的には、フェノール樹脂、ユリア樹脂、ポリエステル、エポキシ、シリコン、ポリエチレン、ポリスチロール、軟質エンビ、硬質エンビ、酢酸セルロース、ポリエチレンテレフタレート、テフロン（登録商標）、生ゴム、軟質ゴム、エボナイト、ステアタイト、ブチルゴム、ネオプレーンなどが挙げられる。

また、面状誘電体１としてガラスを用いると、電気絶縁性、耐火性、耐熱性に優れると同時に汎用的な材料であることから、入手しやすく、本発明の気流発生装置の作製が容易であるという効果を有する。

また、面状誘電体１としてセラミックを用いると、体積固有抵抗値が低いものも多く販売されていることから、放電開始電圧が低い、つまり印加電圧を低く抑えて、プラズマ流れ６を誘起することができるという効果を有する。本発明に用いるセラミックは、アルミナ、ジルコニア窒化ケイ素、窒化アルミを適切な分量で配合したものに加え、それらにチタン酸バリウム、チタン酸カリウムなどを焼結補助剤と共に適宜配合しても良い。

また、面状誘電体１としてマイカ（雲母）を用いると、電気絶縁性、耐熱性共に優れ、高電圧印加しても破壊する可能性が低いという効果を有する。マイカは、シリコンやガラスクロス、ポリエチレンフィルム、エポキシといった接着／補強剤と共に形成したものを用いるのが好ましい。この際、ポリエチレンフィルムのように柔軟性に富むものを利用することで、柔軟性に富む気流発生装置が得られ、曲面や凹凸面といった平面でない場所に気流発生装置を適切に設置することが可能となる。

面状誘電体１の厚さは、０．１ｍｍから２ｍｍの間であることが好ましい。面状誘電体１の厚さがこの範囲であると、実効値換算で４ｋＶから１０ｋＶという電圧でプラズマ６を生成させることが可能となる。しかし、面状誘電体１として、ガラス、セラミック、マイカ以外の材料を用いる場合は、面状誘電体１の厚さや、電源電圧４による印加電圧値、周波数を適宜調節してプラズマを誘起する必要がある。

多点の末端を有する電極２や板状電極３といった電極は、導電性を示す材料からなる。具体的には、亜鉛、アルミニウム、金、銀、銅、白金、ニクロム、イリジウム、タングステン、ニッケル、鉄といった金属や、銀ペーストやカーボンペーストなどの導電性ペーストにポリエステル系樹脂やエポキシ樹脂、ポリウレタン系樹脂、塩ビ系樹脂、フェノール系樹脂などとブレンドした導電性インクを用いても良い。しかし、多点の末端を有する電極２や板状電極３といった電極には、金属を用いるのが好ましい。プラズマの発生において、下記の化学式によりオゾンが発生することとなる。ここで、式中のＭは第３体を示す。

Ｏ₂＋ｅ→２Ｏ＋ｅ
Ｏ＋Ｏ₂＋Ｍ→Ｏ₃＋Ｍ
従って、電極はオゾンにさらされることとなるため、劣化の問題を伴う。このような理由から、耐久性に優れた金属を電極として用いるのが好ましい。

多点の末端を有する電極２の形状は図１に示すように、先端が尖った複数の電極を導線で結合させたものでも良いが、短冊状の電極や円状の電極を使用しても良い。また、多点の末端を有する電極が櫛状であっても良い。プラズマ６を効率良く誘起するためには、図１に示すように先端が尖った形状を持つ方が電界を集中することができるため好ましいため、多点の末端を有する電極２として、櫛状の電極を用いる場合は、先端を図５のように尖らせておく方が良い。

本発明の気流発生装置は、面状誘電体１の表裏に設けた２つの電極のうち、少なくとも片方が多点の末端を有する電極２からなるものであり、図１に示す通り、交流電圧を印加する電極が多点の末端を有する電極２であり、接地する方は板状でも良い。また、図６に示す通り、交流電圧を印加する電極、接地する電極共に多点の末端を有する電極２でも良く、この場合、放電部、受電部共に電界が集中しやすくなるため、プラズマが発生しやすく、電源電圧４による印加電圧値を低くすることが可能となる。

プラズマ６により誘起される気流を大きくするためには、プラズマ生成部位数を高める、また、イオン風７の向きを一定にすることが挙げられる。

前者は、多点の末端を有する電極２の末端数を増やすことで、実現可能となる。多点の末端を有する電極２の先端数が多い場合、プラズマ６が発生する部位が増加し、結果的にイオン風７の発生点も増え、気流を強めることとなる。また、図６のように、交流電圧を印加する電極、接地する電極共に多点の末端を有する電極２とすることで、プラズマの始点と終点が共に一点となるため、プラズマによるイオン風のベクトルが全てのプラズマ発生部位で一定になるため、気流を高めることが可能となる。

後者は、面状誘電体の両面に設けた２つの電極のうち、少なくとも一方が多点の末端を有する電極で構成され、両電極が、前記面状誘電体の面に対し垂直方向で重ならず、一定の隙間を有し、両電極に交流電圧を印加するとともに、どちらか一方を接地することにより実現可能となる。電極間に一定の隙間を設けることで、プラズマ６により発生するイオン風７のベクトルをより面状誘電体１と平行にすることができ、結果的に、本発明の気流発生装置から送り出すことができる気流を高めることができる。この構成の断面図を図７に示す。

電極間の垂直方向の隙間とは、図中のδで示す部分であり、隙間δは、放電開始電圧に係るパラメーターであり、隙間が大きい場合、放電開始電圧は高くなり、逆に隙間が小さい場合には、放電開始電圧は低くなる。よって、この隙間の設定距離に伴い、電源電圧４による印加電圧値を適宜調整することで、プラズマ６を発生させることが可能となる。

電源電圧４は交流電圧を出力できる装置であれば良い。具体的には、高電圧を出力することができる高圧電源装置と、その出力を任意の波形に変換できるパルスジェネレータを備えていれば良い。

出力する電圧パターンはサイン波、矩形波等の周波数を有するものであれば良い。

ここで、出力電圧値は実効値換算で４から１０ｋＶとする、つまりピーク間の電圧値が５．７から１４．１ｋＶであるのが好ましい。本発明において、プラズマ６により誘起されるイオン風７の強さは、プラズマ６の発生度合いに大きく依存する。つまり、ある程度のプラズマ６を発生させないと、イオン風７も検出することができないため、面状誘電体１が破壊しない程度の高い電圧を印加することにより、より気流を強めることが可能となる。

導線５は、高電圧を印加するため、十分な絶縁被覆を施した導線を用いるのが好ましい。その一例として、例えばシリコン被覆導線が挙げられる。

（参考の形態１）
図８に、面状誘電体１の片面に多点の末端を有する電極２として櫛状の電極を、その逆面に板状電極３を設け、これらの電極は、これらの電極を設けた面状誘電体１の面に対し垂直方向で重ならず、隙間を有するように構成したものをスペーサー８を介して積層し、両電極に電源電圧４により、交流電圧を印加し、一方の電極を接地した気流発生装置を示す。また、図９に図８のＡ断面図を示す。

ここで、スペーサー８とは、面状誘電体１を積層する際に、それぞれが接触することを避けるためのものであり、図８に示すように、イオン流７の方向と水平に設置することで、イオン流７の阻害を防止することができる。本発明の気流発生装置では、高電圧を使用しているため、スペーサー８は、絶縁性の高い材料で構成するのが好ましい。

上記の構成で、試作した気流発生装置を用いた風速測定実験の結果を以下に示す。ここで、本実験では、面状誘電体１として、横２．５ｃｍ、縦７．５ｃｍ、厚さ１ｍｍのガラス版を用い、電極はアルミテープを用いて形成した。多点の末端を有する電極２として、先端径３ｍｍの櫛状の電極を用いた。また、板状電極３は横３ｍｍ、縦５．５ｃｍであり、両電極の隙間δは１ｍｍに設定した。これをポリプロピレンからなる横５ｍｍ、縦５ｍｍのスペーサー８を各面状誘電体１の両端部に設置することで８枚積層し、電源電圧４により、５００Ｈｚの電圧をピーク間電圧（以下Ｖ_P-Pとする）８ｋＶから１３ｋＶの間で印加した。ここで、風速の測定は、本気流発生装置の風下側１ｃｍの地点で行った。

本実験より得られた、風速とＶ_Ｐ−Ｐとの関係を図１０に示す。図１０に示す通り、風速とＶ_Ｐ−Ｐとの間には正の相関があり、Ｖ_Ｐ−Ｐが約１３ｋＶの場合、風速が約１ｃｍ／ｓに達することが分かった。風速をさらに高める場合には、前述の通り、Ｖ_Ｐ−Ｐを高める、または隙間δを小さくする、または面状誘電体１の厚みを小さくすることにより、プラズマ６の発生強度を高めることにより可能となる。

面状誘電体の両面に設けた２つの電極のうち、少なくとも一方が多点の末端を有する電極で構成され、両電極に、交流電圧を印加することにより、容易に気流を発生させることができ、それを空気清浄機や除湿機、加湿器といった空気調和機器に取り付けることにより、モーター、ファンのない送風機として適用できる。また、これにより誘起される風量も一定の方向性を有するため、従来のこのような気流発生装置よりも高く、大風量を要求される空気調和機器にも適用可能である。

本発明の実施の形態１の気流発生装置を示す図 同気流発生装置の断面図 同気流発生装置のプラズマ発生領域を示す図 同気流発生装置の他の構成におけるプラズマ発生領域を示す断面図 同気流発生装置の多点の末端を有する電極の形状を示す図 同気流発生装置の電極形状を示す図 同気流発生装置の電極配置間隔を示す図 本発明の参考の形態１の気流発生装置を示す図 同気流発生装置の断面図 同気流発生装置により誘起される風速を示すグラフ 従来の気流発生装置の構成を示す図 同気流発生装置の断面図

符号の説明

１ 面状誘電体
２ 多点の末端を有する電極
３ 板状電極
４ 電圧電源
５ 導線
６ プラズマ
７ イオン風
８ スペーサー

Claims (2)

1. 面状誘電体の両面に設けた２つの電極は共に多点の末端を有する電極で構成され、前記両電極が、前記面状誘電体の面に対し垂直方向で重ならず、一定の隙間を有し、前記２つの電極の内の一方の電極の各多点の末端と他方の電極の各多点の末端が対向し、両電極に交流電圧を印加するとともに、どちらか一方を接地してイオン風を誘起し、
   前記面状誘電体が、マイカであり、ポリエチレンフィルムと共に形成し、曲面に設置することを特徴とする気流発生装置。
2. 多点の末端を有する電極は、先端が尖った複数の電極を導線で結合させたことを特徴とする請求項１に記載の気流発生装置。

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