JP6004645B2 - ノズル除電装置 - Google Patents

Description

この発明は、放電電極を内蔵するノズルから、噴出したイオン流によって、帯電した除電対象を除電するノズル除電装置に関する。

従来から、高圧を印加した放電電極によって生成したイオンをエア流に乗せて噴出する除電装置として、開口の小さいノズル内に放電電極を配置したノズル除電装置が知られている。特に引火の危険性がある環境で用いる除電装置では、放電電極に金属粉などの異物が接触しないように、放電電極をノズル内に収容したノズル除電装置が用いられることが多い。
このようなノズル除電装置では、放電電極に高電圧を印加して、その周囲にイオンを生成しながら、ノズル内に圧縮エアを供給し、生成したイオンをノズルの噴出口から噴出させるようにしている。

特開２００６−１５６２７６号公報

上記ノズル除電装置では、ノズル内部の放電電極で生成したイオンをエア流によって除電対象まで搬送するようにしているため、エア流が弱いとイオンが除電対象まで到達せず、十分な除電ができないことがあった。特に、ノズル先端の噴出口から除電対象までの距離が長くなればなるほど、除電対象まで到達するイオン量が少なくなって、除電が不十分になってしまう。
そこで、放電電極の周囲に供給する圧縮エアの供給圧力を高くして、エア流を高速にし、放電電極で生成されたイオンを、ノズルの噴出口から遠く離れた除電対象まで搬送することが考えられる。

しかし、放電電極による放電は、周囲のエア流が高速になりすぎるとパッシェンの法則に示されるように火花が発生して、安定的にイオンを生成できなくなってしまうことがある。放電電極を設けたノズルへのエアの供給圧力を上げていくと火花が発生するようになり、さらに供給圧力を上げると常時火花が発生する状態になってしまう。このように火花が発生している状態は、安定した放電状態ではない。
一方、エア流が全くなければ、放電電極の周囲に生成されたイオンがその場にとどまってしまうので、これもまた効率的にイオが生成される安定した放電状態ではない。

つまり、安定した放電状態を維持するために、放電電極の周囲に適度な流速のエア流を形成することが必要である。
ところが、生成したイオンを遠方へ到達させるためには、エア流を高速にする必要がある。そしてエア流が高速になって放電が不安定になると、生成されるイオン量が少なくなってしまう。生成されるイオン量が少なくなれば、それが除電対象まで到達したとしても、結果として効率的な除電はできないことになる。つまり、エア供給圧力を調整することによって、特に放電電極から離れたところにある除電対象に対する除電の効率を上げるのには限界があった。

この発明の課題は、ノズルの噴出口から離れた位置にある除電対象に対しても、十分な量のイオンを到達させ、効率的な除電ができるノズル除電装置を提供することである。

この発明は、内部に放電電極を備えた複数の金属製のメインノズルが、間隔を保って本体に設けられ、各放電電極には高電圧を印加するための高電圧電源が接続されるとともに、上記本体内に供給され、メインノズルに導かれた圧縮エアとともに、上記放電電極からの放電によって生成されるイオンをイオン流として噴出させる構成にしたノズル除電装置にを前提とする。
そして、第１の発明は、上記本体内に供給する圧縮エアの供給圧力を、放電が安定する所定の圧力に保つための圧力調整機構と、上記複数のメインノズル間のほぼ中央に設けられたサブエア噴出用の金属製のサブノズルと、このサブノズルに接続され、上記メインノズルに導く圧縮エアの供給流路とは別のサブエアのエア流路と、上記サブエアのエア流路に接続され、上記サブエアの供給圧力を調整するサブエアの圧力調整機構とを備え、上記サブノズルから噴出されたサブエアに、上記メインノズルから噴出されたイオン流を合流させる構成にしたことを特徴とする。

第２の発明は、上記サブエアの流れ方向におけるサブノズルの噴出口の位置を、上記サブエアの流れ方向における上記メインノズルの噴出口の位置と同レベルか、それよりも上流側に位置させたことを特徴とする。

第３の発明は、上記第１または第２の発明の高電圧電源を交流電源とし、各放電電極に交流の高電圧印加する構成にしたことを特徴とする。

第４の発明は、上記第１または第２の発明の高電圧電源を直流電源とし、正の高電圧と、負の高電圧とをそれぞれ別の放電電極に印加する構成にしたことを特徴とする。

この発明は、圧縮エアとともにイオンを噴出するメインノズルとは別に、イオンを搬送するためのエア流を形成するサブノズルを備えることによって、メインノズルのエア流と、サブノズルのエア流とを別々に管理することができる。そのため、メインノズルには、安定した放電状態を得られる条件を満足するエアの供給圧力を設定しながら、サブノズルへのエアの供給圧力を調整して、放電電極で生成されたイオンを目的の除電対象位置まで搬送し、効率的な除電を実現することができる。

特に、複数のメインノズルのほぼ中央にサブノズルを設けたので、サブノズルからのエア流に、より多くのイオンを乗せて搬送することができる。
また、本体内に圧縮エアを供給することによって、メインノズル及び本体内を外部より高圧に保つことができる。従って、外部からメインノズル内へ金属片などの異物が侵入して放電電極に接触することを防止できる。
そのため、引火の危険性がある環境での使用も可能である。

第２の発明によれば、メインノズルから噴出されたイオン流が拡散しないうちに、サブノズルから噴出されるエア流とのエントレイメント効果によって引き寄せられ、合流するので、噴出口から離れた位置までより多くのイオンを搬送することができる。そのため、除電対象に多くのイオンが到達し、さらに効率的な除電ができる。

第３の発明によれば、ひとつの放電電極でプラスイオンとマイナスイオンとを交互に生成することができる。

第４の発明によれば、複数のメインノズルの放電電極のうち、特定の放電電極ではプラスイオンが生成され、他の放電電極ではマイナスイオンが生成されることになる。そのため、複数のメインノズル全体からは、プラスイオンとマイナスイオンとが同時に噴出されるが、サブエアによって複数のメインノズルから噴出されるイオン流が混ざり合い、除電対象に照射されるイオンの極性が部分的に偏ることもなく均一なイオン照射ができる。
また、直流電源はプラス・マイナスの切り換えがないため、常に一定の高電圧を出力してプラスあるいはマイナスのイオンを効率的に生成できるので、交流電源を用いる場合と比べて省エネになる。

図１は実施形態のノズル除電器の平面図である。 図２は実施形態のノズル除電器の側面図である。 図３は図２のIII-III線断面の部分拡大図である。 図４はイオン流の合流状態を説明するための模式図である。 図５はサブエアの効果を確認する検証実験結果を示したグラフである。

この発明の一実施形態を、図１〜図５を用いて説明する。
この実施形態のノズル除電装置は、図１〜３に示すように、本体１に一対のメインノズル４，４と、サブノズル５とを備えている。
上記本体１は、一面を開口させた直方体状のケース部２と、開口を塞ぐ蓋部３とからなり、上記蓋部材３をケース部２にネジ部材６で固定した金属製の部材である。
なお、ケース部２と蓋部３との間には、隙間ができないようにしている。

また、本体１には、上記メインノズル４内に設けた、後で説明する放電電極１７に高電圧を印加するための高電圧発生回路７を設けるとともに、蓋部３には、上記高電圧発生回路７に電源を供給するための配線を接続する接続部８を設けている。そして、この接続部８を介して本体１外に設けた電源制御回路９と高電圧発生回路７とを接続している。
さらに、上記蓋部３には、本体１内の圧力を検出するため、カバー１０内に設けた圧力センサ１１を取り付け、この圧力センサ１１を上記電源制御回路９に接続している。
さらにまた、蓋部３には、本体1内に圧縮エアを供給するためのエア供給口１２を形成し、このエア供給口１２に、供給圧力を調整するための圧力調整機構１３を介して図示しない圧縮エア供給源に連結した圧縮エアの供給流路１４を接続している。

また、サブノズル５は、上記ケース部２の上記一側面上であって上記一対のメインノズル４，４のほぼ中央に設けられているが、本体１の外部にエア供給口５ａを備え、このエア供給口５ａに、上記供給通路１４とは別のエア通路１５を接続している。このエア流路１５には、供給圧力を調整するためのサブエアの圧力調整機構１６を介して図示しない圧縮エア供給源を連結し、圧縮エアをサブノズル５内に導くようにしている。

以下に、メインノズル４の構成を詳細に説明する。
上記一対のメインノズル４，４は、上記ケース部２の一側面に所定の間隔を保って形成した一対の取付孔２ａに取り付けられ、それぞれ取付孔２ａを介してケース部２内と連通している。
上記メインノズル４，４はいずれも同じ構造をしているが、図３に示すように、中心に針状の放電電極１７を保持する電極支持筒１８、内周に雌ねじを形成した筒状の固定部材１９及び先端をロート状にした口金２０で構成される。

電極支持筒１８は、樹脂などの電気的絶縁体で形成された筒部１８ａとその一端に形成したフランジ部１８ｂとからなり、その内部に、中心に放電電極１７を保持した保持部材２１を挿入し、この保持部材２１の周囲に、シリコン系樹脂などの絶縁性材料からなる充填剤２２を充填して保持するようにしている。この充填剤２２により上記放電電極１７と本体１及び口金２０とを電気的に絶縁するとともに、上記口金２０をアースに接続している。
また、上記筒部１８ａの外周には雄ねじを形成している。そして、フランジ部１８ｂをケース部２内に位置させて筒部１８ａを上記取付孔２ａから突出させた状態で、上記雄ねじに上記固定部材１９の雌ねじをねじ止めて、電極支持筒１８をケース部２に固定している。

さらに、電極支持筒１８には、軸方向に貫通する貫通孔１８ｃを複数設けている。この実施形態では、断面が円形の３つの貫通穴１８ｃを、上記放電電極１７を囲むように配置しているが、貫通孔１８ｃの数や形状、配置は特に限定されない。
そして、上記エア供給口１２から本体１内に供給された圧縮エアは、この貫通孔１８ｃを介して噴出し、放電電極１７で生成されたイオンを噴出口４ａから噴出させる。
なお、図３中、符号２３は上記放電電極１７と上記高電圧発生回路７とを接続する配線である。この配線２３中に電流制限抵抗を接続すれば、上記放電電極７に大電流が流れることを防止することができる。

一方、図１に示すサブノズル５は、略Ｌ字状の筒部材２４の一端をエア供給口５ａとするとともに、他端側にロート状の口金２５を取り付けて構成され、その先端を噴出口５ｂとしている。上記エア通路１５からエア供給口５ａを介して内部に導かれた圧縮エアは、上記噴出口５ｂから外部へサブエアとして噴出される。
そして、この実施形態では、上記サブノズル５の噴出口５ｂの位置を、このサブノズル５から噴出されるサブエアの流れ方向における上記メインノズル４の噴出口４ａの位置よりも上流側に位置させるようにしている（図４参照）。

また、上記ケース２内に収容した高電圧発生回路７は、外部電源から入力された電圧を高電圧として、放電電極１７に印加するための回路であり、交流電圧を出力する回路、あるいは直流電圧を出力する回路のいずれでもよい。
交流電圧を出力する場合には、上記一対のメインノズル４の各放電電極１７には同時に同電圧を印加し、両メインノズル４，４から同様にプラスイオンとマイナスイオンとを交互に噴出することができる。

また、直流電圧を出力する場合には、高電圧発生回路７はプラスの電圧を出力するプラス側回路と、マイナスの電圧を出力するマイナス側回路とを備え、これらをそれぞれ別々の放電電極１７に接続する。これにより、一方のメインノズル４からはプラスイオンが噴出され、他方のメインノズル４からはマイナスイオンが噴出されるようにすることができる。

さらに、上記電源制御回路９は、上記高電圧発生回路７を駆動制御させる回路である。この電源制御回路９と上記高電圧発生回路７とでこの発明の高電圧電源を構成している。
また、上記電源制御回路９には、上記圧力センサ１１を接続しているが、この圧力センサ１１が検出した本体1内の圧力が予め設定された圧力以上のときにのみ、上記高電圧発生回路７を制御して放電電極１７に高電圧を印加するようにしている。上記設定圧力は、本体１外の圧力より高い圧力に設定し、上記供給通路１４から供給される圧縮エアによって本体１内の圧力が外部圧力よりも高くなっているときにのみ、放電電極１７に高電圧が印加されるようにしている。言い換えれば、放電電極１７に高電圧が印加されている状態では、常に本体1内外部より高圧になり、上記噴出口４ａからメインノズル４内に異物が侵入して火花が発生したり、周囲に引火したりすることを防止できる。

次に、この実施形態のノズル除電装置の作用を説明する。
このノズル除電装置によって除電を行なう場合には、上記供給流路１４に接続した図示しない圧縮エア源から本体１内、すなわちメインノズル４に圧縮エアを供給する。そして、この時の圧縮エアの供給圧力を上記圧力調整機構１３によって調整し、メインノズル４の貫通孔１８ｃを通過したエア流が上記放電電極１７の安定な放電を維持でき、より効率的にイオンが生成される圧力を保持する。
そして、上記本体１内の圧力が外部圧力より高い圧力になったら、上記高電圧発生回路７から高電圧が放電電極１７に印加され、イオンが生成される。このイオンは上記圧縮エアとともに噴出口４ａからイオン流として噴出する。

一方、サブノズル５には、上記エア流路１５を介して圧縮エアを供給するが、この圧縮エアの供給圧力は、噴出口５ｂから噴出するサブエアが除電対象までイオン流を運ぶために必要な圧力に設定される。すなわち、この供給圧力が大きくなればなるほど、イオン流を噴出口４ａから離れた位置まで到達させることができることになる。
このように、放電電極１７に高電圧を印加しながら、メインノズル４とサブノズル５とにそれぞれ別々に供給圧力を調整した圧縮エアを導くと、メインノズル４から噴出するイオン流をサブエアに乗せて除電対象まで到達させることができる。

なお、上記メインノズル４から噴出するイオン流は、安定した放電を維持するために必要な流速条件を保っているため、噴出口４ａからそれほど遠くまで到達することができない。つまり、離れた除電対象を、短時間で除電することは難しい。
しかし、この実施形態のノズル除電装置は、放電の安定化に影響しないサブエアの供給圧力を調整して上記イオン流を目的の除電対象まで到達させることができるようにしている。

図４は、この実施形態のノズル除電装置におけるイオン流ａがサブエア流ｂと合流し、イオンがサブエア流ｂに乗って流れる状態を模式的に示した図である。
この図４に示すように、上記メインノズル４の噴出口４ａから噴出したイオン流ａは、サブノズル５の噴出口５ｂから噴出したサブエア流ｂと合流位置Ｌ１で合流し、一体となって流れる。

また、この実施形態では、上記したように、サブエア流ｂの噴出方向を基準にして、上記噴出口５ｂの位置を上記噴出口４ａのレベルＬ０より上流側に位置させている。このように、噴出口５ｂを噴出口４ａよりも上流側に位置させると、上記合流位置Ｌ１も上流側、すなわち、合流位置Ｌ１がより噴出口４ａに近くなるということである。このように、イオン流ａとサブエア流ｂとの合流位置Ｌ１が噴出口４ａに近いということは、噴出口４ａから噴出したイオン流ａが拡散しないうちにサブエア流ｂと合流するということである。そのため、より多くのイオンをサブエア流ｂに乗せることができる。

但し、噴出口４ａと５ｂとの位置関係は、この実施形態に限らない。サブノズル５の噴出口５ｂをサブエアの噴出方向において、メインノズルの噴出口４ａと同レベルか上流側に位置させることによって、両流れの合流位置を上流側にすることができるが、イオン流をより効率的にサブエアによって除電対象へ到達させるためのノズルの最適位置は、各流れの流量や、流れ方向と直交する方向における噴出口の相対位置、噴出口の形状などによっても異なるため、状況に応じて設定することが望ましい。

また、図５はサブエアの効果の検証実験結果を示すグラフである。
この検証実験では、メインノズル４内での放電が安定している状態として火花の発生が起こらない状態を目視で判断して、本体１に供給する供給圧力を設定し、サブノズル５への供給圧力を０［ＭＰａ］〜０．３［ＭＰａ］の間で変化させ、噴出口４ａから１．５[ｍ]離れた位置に設けた金属プレートに達したイオンを有効除電電流として計測した。
そして、この有効除電電流値の測定は、上記サブエアの供給圧力以外の条件は一定にして行った。
なお、実験に用いたメインノズル４の噴出口の開口直径は５[ｍｍ]、サブエアノズル５の開口直径は３．７［ｍｍ］、放電電極への印加電圧は１１［ｋＶ_ｐ−ｐ］である。
また、放電電極１７の先端を上記噴出口４ａから５．５［ｍｍ］内側に位置させるとともに、上記噴出口５ｂを、噴出口４ａより約５［ｍｍ］上流側に位置させている。

図５に示すように、サブエア圧が高くなるほど、有効除電電流値が高くなっている。この結果から、サブエアノズル５によってサブエアを噴出させると、メインノズル４だけ（サブエア圧が０［ＭＰａ］）のときには、十分にできなかった除電が可能になることが確認できた。
このように、この実施形態ノズル除電装置は、サブエア流を用いることによって、メインノズル４内の案定した放電を維持しながら、イオンをより遠くへ到達させることができる。

また、上記サブエア流が、一対のメインノズル４，４から噴出されたイオン流を合流させるため、直流の高電圧電源を用いた場合に、一方のメインノズル４からはプラスイオンが噴出し、他方のメインノズル４からマイナスイオンが噴出するようなときにも、これらが混ざり合って、除電対象に対して極性の偏りなくイオンを到達させ、均一なイオン照射もできる。
なお、一般に、交流よりも直流の方が高電圧を効率的に出力きるので、直流の高電圧電源を用いた方が省エネになる。ところが、直流電源を用いた場合には、メインノズル４によって噴出されるイオン極性が異なるので、そのまま除電対象にイオンが照射されると除電対象上で部分的なイオン極性の偏りができてしまうこともある。しかし、この実施形態のようにサブエアを用いれば、そのような問題も起こらない。

この発明のノズル除電装置は、効率的な除電ができるものであるが、特に、放電電極からの距離が離れた除電対象を除電する際に有効である。

１ 本体
２ ケース部
３ 蓋部
４ メインノズル
４ａ 噴出口
５ サブノズル
５ｂ 噴出口
７ 高電圧発生回路
９ 電源制御回路
１２ エア供給口
１４ 供給流路
１５ エア流路
１８ｃ 貫通孔
２０ 口金
２５ 口金

Claims (4)

1. 内部に放電電極を備えた複数の金属製のメインノズルが、間隔を保って本体に設けられ、
   各放電電極には高電圧を印加するための高電圧電源が接続されるとともに、
   上記本体内に供給され、メインノズルに導かれた圧縮エアとともに、上記放電電極からの放電によって生成されるイオンをイオン流として噴出させる構成にしたノズル除電装置において、
   上記本体内に供給する圧縮エアの供給圧力を、放電が安定する所定の圧力に保つための圧力調整機構と、
   上記複数のメインノズル間のほぼ中央に設けられたサブエア噴出用の金属製のサブノズルと、
   このサブノズルに接続され、上記メインノズルに導く圧縮エアの供給流路とは別のサブエアのエア流路と、
   上記サブエアのエア流路に接続され、上記サブエアの供給圧力を調整するサブエアの圧力調整機構とを備え、
   上記サブノズルから噴出されたサブエアに、上記メインノズルから噴出されたイオン流を合流させる構成にしたノズル除電装置。
2. 上記サブエアの流れ方向におけるサブノズルの噴出口の位置を、上記サブエアの流れ方向における上記メインノズルの噴出口の位置と同レベルか、それよりも上流側に位置させた請求項１のノズル除電装置。
3. 上記高電圧電源を交流電源とし、各放電電極に交流の高電圧印加する構成にした請求項１または２に記載のノズル除電装置。
4. 上記高電圧電源を直流電源とし、正の高電圧と、負の高電圧とをそれぞれ別の放電電極に印加する構成にした請求項１または２に記載のノズル除電装置。

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