JP7299806B2 - イオン発生装置、及びイオン発生システム - Google Patents

Description

本発明は、イオン発生装置、及びイオン発生システムに関する。

従来、負イオンを供給する負イオン発生手段（イオン発生装置）を備える空調ダクト装置（イオン発生システム）が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の空調ダクト装置は、送風手段（ファン）と、負イオン発生手段と、表面電位発生手段と、を備えている。

送風手段は、空気を吸気すると共に空気に含まれる塵や埃を除去した後に空気を空気搬送路に送風する。

負イオン発生手段は、高電圧印加電極と高電圧印加電極と対向するように設置された接地電極とを有し、送風手段が送風した空気に負イオン（片イオン）を供給する。

表面電位発生手段は、負イオン発生手段が供給した負イオンによって負極性に帯電した空気に含まれる浮遊物が空気搬送路の内壁面に付着しないように、空気搬送路の内壁面を負極性に帯電させる。

特開２００２－２７７０１０号公報

特許文献１に記載の空調ダクト装置では、表面電位発生手段により、空気搬送路の内壁面が負極性に帯電される。空気搬送路の内壁面が負極性に帯電されることによって、負イオン発生手段からの負イオンの発生が阻害されるおそれがあり、負イオンの発生効率が低下するおそれがあった。

本開示の主な目的は、片イオンの発生効率を向上させることができるイオン発生装置、及びイオン発生システムを提供することにある。

本開示の一態様に係るイオン発生装置は、第１電極と、第２電極と、を備える。前記第１電極は、正イオン及び負イオンの両方を発生する。前記第２電極は、前記正イオン及び前記負イオンの一方を片イオンとして発生する。

本開示の一態様に係るイオン発生システムは、前記イオン発生装置と、ダクトと、ファンと、を備える。前記ダクトは、少なくとも前記片イオンを搬送する搬送路を形成する。前記ファンは、前記搬送路を流れる気流を生成する。

図１は、実施形態１に係るイオン発生装置１を備えるイオン発生システム１０の概略構成図である。 図２は、同上のイオン発生装置１の回路構成図である。 図３Ａは、同上のイオン発生装置１が備える第１電極２１に印加される電圧の波形図である。図３Ｂは、同上のイオン発生装置１が備える第２電極２２に印加される電圧の波形図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものである。図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

（実施形態１）
（１）構成
図１に、本実施形態に係るイオン発生システム１０の概略構成図を示す。

本実施形態のイオン発生システム１０は、イオン発生装置１と、ダクト８と、ファン９と、を備えている。イオン発生システム１０は、イオン発生装置１が発生した負イオン（片イオン）を、ダクト８及びファン９を用いて部屋などの空間に放出することにより、消臭、除菌などを行う空気清浄機能を有する。イオン発生システム１０は、例えば、空気清浄機、エアコンなどに適用可能である。

イオン発生装置１は、第１電極２１と、第２電極２２と、駆動回路３と、整流回路４と、コンデンサＣ２と、を備える。

第１電極２１は、例えば、針状に形成された針電極である。第１電極２１は、搬送路８０に配置されている。具体的には、第１電極２１は、少なくとも先端部（一端部）が搬送路８０内に位置するように配置されている。第１電極２１は、基端部（他端部）が駆動回路３と電気的に接続されている。第１電極２１は、駆動回路３から供給される電力により正イオン及び負イオンの両方を発生させる。第１電極２１による正イオン及び負イオンの発生については、後述する。

第２電極２２は、例えば、針状に形成された針電極である。第２電極２２は、搬送路８０に配置されている。具体的には、第２電極２２は、少なくとも先端部（一端部）が搬送路８０内に位置するように配置されている。第２電極２２は、基端部（他端部）が駆動回路３と電気的に接続されている。第２電極２２は、駆動回路３から供給される電力により正イオン及び負イオンの一方を片イオンとして発生させる。本実施形態では、第２電極２２は、負イオンを片イオンとして発生させる。第２電極２２による負イオンの発生については、後述する。

なお、第１電極２１及び第２電極２２は、針電極に限らず、例えば、複数の金属線が束ねられたブラシ電極であってもよい。

搬送路８０は、ダクト８により形成された空間であり、空気が流れる流路である。ダクト８は、例えば、ポリエチレン、塩化ビニールなどの樹脂により形成された管状の部材である。ダクト８は、周壁８１で囲まれた空間を搬送路８０として形成している。搬送路８０には、ダクト８の一端側に設けられたファン９により、空気が流れる。なお、図１では、搬送路８０及びダクト８が直線状に形成されているが、図１は搬送路８０及びダクト８を概念的に示した図であって、搬送路８０及びダクト８の形状を直線状に限定する趣旨ではない。また、ダクト８は、複数の部材が組み合わさることにより、搬送路８０を形成するように構成されていてもよい。例えば、第１電極２１と、第２電極２２と、第１電極２１及び第２電極２２を支持する支持台と、を有する電極ユニットが、ダクト８に着脱可能に取り付けられ、搬送路８０の一部を形成するように構成されていてもよい。

ファン９は、例えば、シロッコファン、プロペラファンなどであり、送風機能を有する。ファン９は、ダクト８の一端側に形成された給気口８２に向けて空気を送ることにより、搬送路８０を流れる気流を生成するように構成されている。図１中の矢印は、ファン９によって生成される気流の方向を示している。

ダクト８の他端側には、吹出口８３が形成されている。ファン９によって生成された気流は、ダクト８内の搬送路８０を通って、吹出口８３から部屋などの空間に吹出される。

駆動回路３は、第１電極２１と第２電極２２との両方を駆動する。駆動回路３は、第１電極２１から正イオン及び負イオンの両方を発生させる。駆動回路３は、第２電極２２から負イオン（片イオン）を発生させる。具体的には、駆動回路３は、交流電圧Ｖｏ１を出力する電圧出力回路である。駆動回路３の回路構成について、図２を参照して説明する。

本実施形態の駆動回路３は、直流電圧を交流電圧に変換して出力するＤＣ－ＡＣコンバータである。駆動回路３は、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１、トランスＴ１、及びスイッチング素子Ｑ１を備えている。駆動回路３は、一対の入力端子Ｐ１，Ｐ２間に直流電源Ｅ１が電気的に接続されている。直流電源Ｅ１は、所定電圧値（例えば９Ｖ）の直流電圧（入力電圧Ｖｉ）を出力する電源回路である。入力端子Ｐ１は、直流電源Ｅ１の正極端子に電気的に接続されている。入力端子Ｐ２は、直流電源Ｅ１の負極端子、及び回路グランドに電気的に接続されている。入力端子Ｐ１，Ｐ２間には、直流電源Ｅ１から出力された入力電圧Ｖｉが印加される。

一対の入力端子Ｐ１，Ｐ２間には、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ１、及びコンデンサＣ１の直列回路が電気的に接続されている。ダイオードＤ１は、アノードが入力端子Ｐ１に電気的に接続され、カソードが抵抗Ｒ１に電気的に接続されている。コンデンサＣ１は、一端がダイオードＤ１、抵抗Ｒ１、及び入力端子Ｐ１を介して直流電源Ｅ１の正極端子に電気的に接続され、他端が入力端子Ｐ２を介して直流電源Ｅ１の負極端子に電気的に接続されている。

トランスＴ１は、互いに磁気結合された一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２を有する。コンデンサＣ１の両端間には、トランスＴ１の一次巻線Ｌ１とスイッチング素子Ｑ１との直列回路が電気的に接続されている。

一次巻線Ｌ１は、一端がコンデンサＣ１の正極に電気的に接続され、他端がスイッチング素子Ｑ１を介してコンデンサＣ１の負極、及び回路グランドと電気的に接続されている。

スイッチング素子Ｑ１は、コンデンサＣ１の両端電圧に基づいてオンするように構成されている。スイッチング素子Ｑ１は、例えば、サイリスタ、トライアックなどであり、コンデンサＣ１の両端電圧の電圧値が閾値を超えるとオンするように構成されている。スイッチング素子Ｑ１がオンした場合、コンデンサＣ１の両端間が一次巻線Ｌ１を介して導通し、一次巻線Ｌ１及びスイッチング素子Ｑ１に電流が流れる。スイッチング素子Ｑ１は、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流がゼロになると、スイッチング素子Ｑ１がオフし、コンデンサＣ１の両端間が、電気的に絶縁される。

二次巻線Ｌ２は、一次巻線Ｌ１と磁気的に結合されている。二次巻線Ｌ２は、一端が第１電極２１と電気的に接続されている。また、二次巻線Ｌ２は、整流回路４を介して第２電極２２と電気的に接続されている。

整流回路４は、交流電圧を整流するように構成されている。本実施形態では、整流回路４は、交流電圧を半波整流する半端整流回路である。整流回路４は、ダイオードＤ２を有する。ダイオードＤ２は、アノードが第２電極２２と電気的に接続され、カソードが二次巻線Ｌ２の一端と電気的に接続されている。

また、トランスＴ１は、非絶縁型のトランスである。二次巻線Ｌ２は、他端が回路グランドと電気的に接続されている。

また、第２電極２２は、コンデンサＣ２と電気的に接続されている。コンデンサＣ２は、一端が、第２電極２２とダイオードＤ２との接続点と電気的に接続され、他端が、回路グランドと電気的に接続されている。言い換えれば、コンデンサＣ２は、第２電極２２と回路グランドとの間に電気的に接続されている。

（２）動作例
次に、本実施形態のイオン発生装置１の動作例について説明する。

駆動回路３には、直流電源Ｅ１から入力電圧Ｖｉが入力される。駆動回路３に入力電圧Ｖｉが入力されると、抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ１に電流が流れることにより、コンデンサＣ１が充電される。このとき、コンデンサＣ１の両端電圧は、抵抗Ｒ１の抵抗値等によって決まる時定数で上昇する。

そして、コンデンサＣ１の両端電圧が閾値を上回ると、スイッチング素子Ｑ１がオンする。スイッチング素子Ｑ１がオンすると、スイッチング素子Ｑ１及び一次巻線Ｌ１を介してコンデンサＣ１が放電する。このとき、コンデンサＣ１と一次巻線Ｌ１とを含む一次側共振回路により、一次巻線Ｌ１には、高周波の交流電圧が印加される。つまり、一次巻線Ｌ１には、正極性のパルス電圧と、負極性のパルス電圧と、が交互に印加される。

一次巻線Ｌ１に印加される交流電圧は、コンデンサＣ１の放電時間の経過とともに減衰する。一次巻線Ｌ１に印加される交流電圧の電圧値がゼロになるまでの減衰時間は、比較的短い時間（例えば数十μ秒～数百μ秒）である。この減衰時間中は、スイッチング素子Ｑ１は、オン状態を維持する。そして、一次巻線Ｌ１に印加される交流電圧の電圧値がゼロになると、スイッチング素子Ｑ１がオフする。スイッチング素子Ｑ１がオフすると、直流電源Ｅ１からの入力電圧ＶｉによりコンデンサＣ１が再び充電される。

つまり、コンデンサＣ１が充放電を繰り返すことにより、一次巻線Ｌ１に高周波の交流電圧が周期的に印加される。

一次巻線Ｌ１に高周波の交流電圧が印加された場合、電磁誘導により二次巻線Ｌ２の両端間に高周波の交流電圧Ｖｏ１（図３Ａ参照）が発生する。二次巻線Ｌ２に発生する交流電圧Ｖｏ１の電圧値は、一次巻線Ｌ１の両端電圧の電圧値、及び一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２との巻数比などによって決まる。

二次巻線Ｌ２は、第１電極２１と電気的に接続されている。したがって、第１電極２１は、二次巻線Ｌ２の両端間に発生した交流電圧Ｖｏ１が印加される。つまり、第１電極２１は、正極性のパルス電圧と、負極性のパルス電圧と、が交互に印加される。

第１電極２１に高周波の交流電圧が印加されることにより、第１電極２１の先端部でコロナ放電が発生する。このコロナ放電により、正イオン及び負イオンが発生する。

具体的には、第１電極２１に正極性のパルス電圧が印加された場合、コロナ放電により空気中の水分子が電離して水素イオンが生成される。この水素イオンが溶媒和エネルギにより空気中の水分子とクラスタリングする。これにより、Ｈ^＋（Ｈ_２Ｏ）ｍ（ｍは０又は任意の自然数）からなる空気イオンの正イオンが放出される。

また、第１電極２１に負極性のパルス電圧が印加された場合、コロナ放電により空気中の酸素分子又は水分子が電離して酸素イオンが生成される。この酸素イオンが溶媒和エネルギにより空気中の水分子とクラスタリングする。これにより、Ｏ_２ ^－（Ｈ_２Ｏ）ｎ（ｎは任意の自然数）からなる空気イオンの負イオンが放出される。

本実施形態では、第１電極２１に、正極性のパルス電圧と、負極性のパルス電圧と、が交互に印加されるため、正イオンと負イオンとが交互に発生する。

また、二次巻線Ｌ２は、整流回路４（ダイオードＤ２）を介して第２電極２２と電気的に接続されている。ダイオードＤ２により、二次巻線Ｌ２の両端間の交流電圧Ｖｏ１が半波整流される。ダイオードＤ２のカソードが二次巻線Ｌ２と電気的に接続されているため、交流電圧Ｖｏ１における負極性の電圧に相当する脈流電圧が生成される。また、第２電極２２は、コンデンサＣ２と電気的に接続されている。コンデンサＣ２により、脈流電圧が平滑される。つまり、ダイオードＤ２とコンデンサＣ２とで、整流平滑回路が構成されている。したがって、第２電極２２は、交流電圧Ｖｏ１を整流平滑した負極性の整流電圧Ｖｏ２（図３Ｂ参照）が印加される。

第２電極２２に負極性の整流電圧Ｖｏ２が印加されることにより、第２電極２２の先端部でコロナ放電が発生する。このコロナ放電により、負イオンが発生する。

具体的には、第２電極２２に負極性の整流電圧Ｖｏ２が印加された場合、コロナ放電により空気中の酸素分子又は水分子が電離して酸素イオンが生成される。この酸素イオンが溶媒和エネルギにより空気中の水分子とクラスタリングする。これにより、Ｏ_２ ^－（Ｈ_２Ｏ）ｎ（ｎは任意の自然数）からなる空気イオンの負イオンが放出される。

また、本実施形態では、コンデンサＣ２に平滑された整流電圧Ｖｏ２が第２電極２２に印加される。そのため、第２電極２２は、第１電極２１に比べて負イオンを発生させる期間が長く、負イオンの発生量が多い。

ダクト８の一端側にはファン９が設けられている。ファン９が駆動することにより、ダクト８の内側（搬送路８０）を流れる気流が生成される。当該気流は、搬送路８０を通って、ダクト８の他端側に形成された吹出口８３から部屋などの空間に吹出される。また、イオン発生装置１で発生したイオンは、気流により搬送路８０内を搬送され、気流と共に吹出口８３から部屋などの空間に放出される。

本実施形態では、正イオンは、第１電極２１により発生されるのに対し、負イオンは、第１電極２１及び第２電極２２により発生される。さらに、本実施形態では、コンデンサＣ２に平滑された整流電圧Ｖｏ２が第２電極２２に印加される。そのため、第２電極２２は、第１電極２１に比べて負イオンを発生させる期間が長く、負イオンの発生量が多い。したがって、ダクト８の吹出口８３からは、主に負イオンが放出される。当該負イオンにより、例えば空気中の消臭、除菌などを行うことができる。

このように、本実施形態のイオン発生装置１では、搬送路８０において、第１電極２１から正イオン及び負イオンの両方が発生し、第２電極２２から負イオンが発生する。ここで、搬送路８０を形成するダクト８は、樹脂（例えば、ポリエチレン、塩化ビニールなど）により形成されている。樹脂は、負極性に帯電しやすい性質を有している。したがって、ダクト８は、負イオンによって負極性に帯電するおそれがある。ダクト８が負極性に帯電した場合、負イオンを発生させるためのコロナ放電が起きにくくなる。つまり、負イオンの発生が阻害される。

本実施形態のイオン発生装置１では、第１電極２１は、正イオンを発生させるように構成されている。正イオンにより、ダクト８に帯電した負電荷を中和することができる。つまり、本実施形態のイオン発生装置１では、ダクト８の負極性の帯電を抑制することができる。これにより、負イオンを発生させるためのコロナ放電が起きやすくなり、負イオンの発生効率を向上させることができる。したがって、ダクト８の吹出口８３から放出される負イオンの数の増加を図ることができ、例えば空気中の消臭、除菌などの効率を向上させることができる。

さらに、本実施形態のイオン発生装置１では、ダクト８の負極性の帯電を抑制することができるため、第２電極２２をダクト８の吹出口８３付近に配置する必要性がなく、第２電極２２の配置位置に自由度が向上する。したがって、高電圧が印加される第１電極２１及び第２電極２２を、ダクト８の奥側（吹出口８３と反対側）に配置することができ、安全性を向上させることができる。

また、本実施形態のイオン発生装置１では、図１に示すように、第１電極２１は、第２電極２２に対して、搬送路８０における負イオンの搬送方向の上流側に配置されている。つまり、第１電極２１は、第２電極２２よりも、ファン９が生成する気流の上流側に配置されている。したがって、第１電極２１が発生させる正イオンにより、ダクト８における第２電極２２の周囲の除電効率を向上させることができる。これにより、負イオンの発生効率をより向上させることができる。

また、本実施形態のイオン発生装置１では、第１電極２１及び第２電極２２は、共通の駆動回路３によって駆動される。したがって、本実施形態のイオン発生装置１では、第１電極２１と第２電極２２とで個別の駆動回路を設ける場合に比べて、構成の簡略化を図ることができる。

なお、第１電極２１で生成された正イオンは、ダクト８の除電だけでなく、ダクト８の吹出口８３から放出されてもよい。当該正イオンでも、負イオンと同様に、例えば空気中の消臭、除菌などを行うことができる。

（３）変形例
以下に、本実施形態のイオン発生装置１の変形例を列挙する。以下に説明する変形例は、上述した実施形態、又は変形例同士を適宜組み合わせて適用可能である。また、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

上述した例では、第２電極は、片イオンとして負イオンを発生するように構成されていたが、これに限らず、正イオンを片イオンとして発生するように構成されていてもよい。

上述した例では、第２電極は、コンデンサを介して回路グランドに接地されていたが、これに限らず、コンデンサが省略されていてもよいし、回路グランドに接地されていなくてもよい。

また、上述した例では、整流回路４は、半端整流回路で構成されていたが、交流電圧を全波整流する全波整流回路で構成されていてもよい。

１ イオン発生装置
２１ 第１電極
２２ 第２電極
３ 駆動回路
４ 整流回路
８ ダクト
８０ 搬送路
９ ファン
１０ イオン発生システム
Ｃ２ コンデンサ
Ｖｏ１ 交流電圧
Ｖｏ２ 整流電圧

Claims (6)

1. 正イオン及び負イオンの両方を発生する第１電極と、
   前記負イオンを片イオンとして発生する第２電極と、
   負極性のパルス電圧、正極性のパルス電圧の順に、前記負極性のパルス電圧及び前記正極性のパルス電圧が交互に並び、かつ前記各パルス電圧のピーク電圧の絶対値が極性反転する度に減衰する電圧波形である交流電圧を出力する駆動回路と、
   前記駆動回路から出力された前記交流電圧を整流平滑した負極性の整流電圧を出力する整流平滑回路と、を備え、
   前記第１電極は、前記交流電圧が印加されることにより、前記負イオン及び前記正イオンの両方を発生させ、
   前記第２電極は、前記負極性の整流電圧が印加されることにより、前記片イオンのみを発生させる、
   イオン発生装置。
2. 正イオン及び負イオンの両方を発生する第１電極と、
   前記正イオンを片イオンとして発生する第２電極と、
   正極性のパルス電圧、負極性のパルス電圧の順に、前記正極性のパルス電圧及び前記負極性のパルス電圧が交互に並び、かつ前記各パルス電圧のピーク電圧の絶対値が極性反転する度に減衰する電圧波形である交流電圧を出力する駆動回路と、
   前記駆動回路から出力された前記交流電圧を整流平滑した正極性の整流電圧を出力する整流平滑回路と、を備え、
   前記第１電極は、前記交流電圧が印加されることにより、前記負イオン及び前記正イオンの両方を発生させ、
   前記第２電極は、前記正極性の整流電圧が印加されることにより、前記片イオンのみを発生させる、
   イオン発生装置。
3. 前記整流平滑回路は、コンデンサを含み、
   前記コンデンサは、前記第２電極と回路グランドとの間に電気的に接続されている、
   請求項１または２に記載のイオン発生装置。
4. 前記第１電極及び前記第２電極は、少なくとも前記片イオンを搬送する搬送路に配置されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のイオン発生装置。
5. 前記第１電極は、前記第２電極に対して、前記搬送路における前記片イオンの搬送方向の上流側に配置されている、
   請求項４に記載のイオン発生装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載のイオン発生装置と、
   少なくとも前記片イオンを搬送する搬送路を形成するダクトと、
   前記搬送路を流れる気流を生成するファンと、を備える、
   イオン発生システム。

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