JP7315309B2 - イオン風生成機の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオン風生成機の制御方法に関する。

金属電極／絶縁体／金属電極の構成において、金属電極の間に電圧をかけることで空気を帯電させてイオン風を発生させることが知られている。

特許文献１では、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することを特徴とする気流発生装置が教示されている。特許文献１では、かかる気流発生装置は、（１）一方の電極に高電圧を印加することにより、面状誘電体を挟んで対向面に存在する接地された電極へのプラズマを誘起するという作用を有すること、（２）交流電圧を電極に印加することにより、プラズマの形態が安定し、同時に、面状誘電体上で電極から板状接地電極へ向かうブローイング力が誘起され、面状誘電体上でイオン風が生まれるという作用を有することが言及されている。

また、かかるイオン風を熱交換手段として用いることも行われている。例えば、特許文献２では、電極基板と薄膜電極とそれらの間に挟まれた電子加速層とを有する電子放出素子と、薄膜電極から離れて薄膜電極に対向し、少なくとも１つの貫通孔を有するホール電極とを備え、電子放出素子とホール電極とを空気中に設置して、電極基板と薄膜電極との間に第１電圧を印加し、薄膜電極とホール電極との間に第２電圧を印加したとき、第１電圧によって、電極基板で生成された電子が電子加速層で加速されて薄膜電極から空気中に放出され負イオンを生成し、第２電圧によって負イオンを含むイオン風が生成されて貫通孔を通過して被熱交換体へ放出されるように構成された熱交換装置が開示されている。

また、近年では、三電極構成のイオン風発生装置も提案されている。

非特許文献１では、三電極構成のプラズマアクチュエータにおいて、周波数６ｋＨＺ、７ｋＨＺ、１３～１８ｋＨＺで交流１５．６ｋVｐｐ、直流０～３０ｋＶ印加することが開示されている。また、交流電極と直流電極との間の距離が、４０ｍｍ、６０ｍｍ、８０ｍｍであることも開示されている。

非特許文献２では、三電極構成のプラズマアクチュエータにおいて、交流１０．４～２０．８ｋＶ、直流０～２０ｋＶ印加することが開示されている。また、交流電極と直流電極との間の距離が４０ｍｍであることも開示されている。

特開２００９－２４７９６６号公報 特開２０１３－０７７７５０号公報

日本機械学会 ２０１７年度年次大会講演論文集ＮＯ．１７－１、Ｓ０５３０１０２ ２０１２－３２３８．６ｔｈ－ＡＩＡＡ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２５－２８ Ｊｕｎｅ ２０１２

イオン風の風速（体積力）増加とイオン風生成時の低電力化の両立に関して改善の余地があった。

そこで、体積力の高いイオン風を低電力で得ることができる、イオン風生成機の制御方法を提供する必要性が存在する。

本発明者らは、鋭意検討したところ、以下の手段により上記課題を解決できることを見出して、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、下記のとおりである：
〈態様１〉イオン風生成機の制御方法であって、
前記イオン風生成機が、
電極体と、交流電源及び直流電源を備え、
前記電極体が、第一電極層、第二電極層、第三電極層、及び誘電体層を有し、かつ
前記交流電源が、前記第一電極層と前記第二電極層との間に接続されており、それによってこれらの電極層の間に電圧を印加することができ、
前記直流電源が、前記第二電極層と前記第三電極層との間に接続されており、それによってこれらの電極層の間に電圧を印加することができ、
前記第一及び第三電極層が、前記誘電体層の一方の表面の一部に略平行に対向して配置されており、
前記第一電極層と前記第三電極層との間の距離が、１１～３５ｍｍであり、
前記第二電極層が、前記誘電体層の他方の表面の一部に配置されており、
それによって前記交流電源によって前記第一電極層と前記第二電極層との間に電圧を印加し、かつ前記直流電源によって前記第二電極層と前記第三電極層との間に電圧を印加したときに、前記誘電体層から離れる方向にイオン風を発生させることができる、
イオン風生成機であり、
前記交流電源により前記第一電極層と前記第二電極層との間に印加する交流電圧を、６～２０ｋＶｐｐとし、かつ
前記直流電源により前記第二電極層と前記第三電極層との間に印加する直流電圧を、６～２０ｋＶとする、
イオン風生成機の制御方法。
〈態様２〉前記交流電圧を、１１～２０ｋＶｐｐとする、態様１に記載のイオン風生成機の制御方法。

本発明によれば、体積力の高いイオン風を低電力で得ることができる、イオン風生成機の制御方法を提供することができる。

図１は、イオン風生成機の概略図である。図１（ａ）は、イオン風生成機の側面断面図を示しており、図１（ｂ）は、イオン風生成機の上面図を示している。 図２は、イオン風生成機によるイオン風の発生の概念図である。 図３は、実施例１－１～１－４及び比較例３－１の制御条件における、イオン風の体積力と第三電極層の電位の絶対値との関係を示す図である。

《イオン風生成機の制御方法》
例示の態様である図１を参照して説明すると、本発明のイオン風生成機の制御方法は、
イオン風生成機１００が、
電極体１０と、交流電源２０及び直流電源３０を備え、
電極体１０が、第一電極層１２、第二電極層１４、第三電極層１６、及び誘電体層１８を有し、かつ
交流電源２０が、第一電極層１２と第二電極層１４との間に接続されており、それによってこれらの電極層の間に電圧を印加することができ、
直流電源３０が、第二電極層１４と第三電極層１６との間に接続されており、それによってこれらの電極層の間に電圧を印加することができ、
第一電極層１２及び第三電極層１６が、誘電体層の一方の表面の一部に略平行に対向して配置されており、
第一電極層１２と第三電極層１６との間の距離Ａが、１１～３５ｍｍであり、
第二電極層１４が、誘電体層１８の他方の表面の一部に配置されており、
それによって交流電源２０によって第一電極層１２と第二電極層１４との間に電圧を印加し、かつ直流電源３０によって第二電極層１４と第三電極層１６との間に電圧を印加したときに、誘電体層１８から離れる方向にイオン風を発生させることができる、
イオン風生成機であり、
交流電源２０により第一電極層１２と第二電極層１４との間に印加する交流電圧を、６～２０ｋＶｐｐとし、かつ
直流電源３０により第二電極層１４と第三電極層１６との間に印加する直流電圧を、６～２０ｋＶとする、
イオン風生成機の制御方法である。

本発明者らは、上記の方法により、体積力の高いイオン風を低電力で得ることができることを見出した。理論に拘束されることを望まないが、第一電極層と第三電極層との間の距離を１１～３５ｍｍとした状態で、第一電極層と第二電極層との間に交流電圧を印加すると、図２（ａ）に示すように、第一電極層１２と第三電極層１６との間に電界皮膜Ｘが形成され、その結果、空気中の分子のイオン化が促進され、イオンが堆積されると考えられる。この状態で、第二電極層と第三電極層との間に直流電圧を印加すると、図２（ｂ）に示すように、直流電圧によってこのイオンが弾き飛ばされ、弱い直流電圧でも体積力の高いイオン風を得ることができると考えられる。

交流電源により第一電極層と第二電極層との間に印加する交流電圧（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）は、１１ｋＶｐｐ以上、１２ｋＶｐｐ以上、又は１３ｋＶｐｐ以上であることが、交流電圧による上記の電界皮膜を良好に形成する観点から好ましく、また２０ｋＶｐｐ以下、１７ｋＶｐｐ以下、又は１５ｋＶｐｐ以下であることが、エネルギーの消費を抑制する観点から好ましい。

直流電源により第二電極層と第三電極層との間に印加する直流電圧は、６ｋＶ以上、８ｋＶ以上、９ｋＶ以上、１０ｋＶ以上、又は１１ｋＶ以上であることが、イオン風の体積力を大きくする観点から好ましく、また２０ｋＶｐｐ以下、１７ｋＶｐｐ以下、１５ｋＶｐｐ以下、又は１３ｋＶｐｐ以下であることが、エネルギーの消費を抑制する観点から好ましい。

第二電極層を電気的に接地させることが、安全性の観点から好ましい。

第一電極層及び第三電極層は、略平行に対向して配置されている。ここで、本発明において、「略平行」とは、完全な平行に対する角度の差が、１０°以内、５°以内、３°以内、又は１°以内であることを意味するものである。

第一電極層と第三電極層との間の距離は、１１ｍｍ以上、１３ｍｍ以上、１５ｍｍ以上、又は１８ｍｍ以上であることが、交流電圧を印加した際における短絡放電を抑制する観点から好ましく、また３５ｍｍ以下、３３ｍｍ以下、３０ｍｍ以下、２７ｍｍ以下、２５ｍｍ以下、又は２２ｍｍ以下、特に２０ｍｍであることが、交流電圧による上記の電界皮膜を良好に形成する観点から好ましい。

第一及び第三電極層の長さは、互いに異なっていてもよく、又は互いに等しくてもよいが、互いに等しいことが、製造上の観点から好ましい。

第二電極層は、第一電極層と第三電極層との間の領域に対応する位置に配置されていることが、交流電圧による上記の電解皮膜を良好に形成する観点から好ましい。

以下では、本発明の方法において用いるイオン風生成機の各構成について説明する。

〈電極体〉
電極体は、第一電極層、第二電極層、第三電極層、及び誘電体層を有する。

（第一電極層）
第一電極層は、交流電源と接続されている電極層、例えば帯状の電極層である。

第一電極層は、導電性を示す材料で構成されていてよく、例えば、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、鉄等の金属であってよい。また、第一電極層としては、銀ペーストやカーボンペースト等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、フェノール系樹脂等とブレンドした導電性インクを用いることができる。

（第二電極層）
第二電極層は、交流電源及び直流電源と接続されており、好ましくは電気的に接地している電極層、例えば帯状の電極層である。第二電極層は、第一電極層に関して挙げた材料で構成されていてよい。

（第三電極層）
第三電極層は、直流電源と接続されている電極層、例えば帯状の電極層である。第三電極層は、第一電極層に関して挙げた材料で構成されていてよい。

（誘電体層）
誘電体層としては、随意の絶縁体を用いることができ、例えばマイカ、ガラス、セラミック、樹脂等を用いることができる。誘電体層は、例えばシート状の誘電体層であってよい。

セラミックとしては、例えばアルミナ、ジルコニア窒化ケイ素、窒化アルミ二ウム等を用いることができる。

樹脂としては、例えばフェノール樹脂、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、ポリテトラフルオロエチレン、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、ネオプレーン等を用いることができる。

〈交流電源〉
交流電源は、第一電極層と第二電極層との間に接続されており、それによってこれらの電極層の間に電圧を印加することができる交流電源である。交流電源としては、６～２０ｋＶｐｐの交流電圧を印加できる交流電源である限り、随意の交流電源を用いることができる。

〈直流電源〉
直流電源が、第二電極層と第三電極層との間に接続されており、それによってこれらの電極層の間に電圧を印加することができる直流電源である。直流電源は、６～２０ｋＶの直流電圧を印加できる直流電源である限り、随意の直流電源を用いることができる。

実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。

《イオン風生成機の作製》
〈実施例１〉
図１に示すように、誘電体層１８としてのポリテトラフルオロエチレンシート（６０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）の一方の表面に、第一電極層１２及び第三電極層１６としてのアルミニウムテープ（幅５ｍｍ、長さ３５ｍｍ）を、２０ｍｍの間隔で平行に配置した。以下の表１～４においては、この第一電極層と第三電極層との間隔を、「電極間距離」と言及する。

次いで、ポリテトラフルオロエチレンシートの他方の表面の、第一電極層１２と第三電極層１６との間の領域に対応する位置に、第二電極層１４としてのアルミニウムテープ（幅２０ｍｍ、長さ３５ｍｍ）を配置した。

次いで、交流電源を第一電極層と第二電極層との間に接続し、直流電源を第二電極層と第三電極層との間に接続し、かつ第二電極層を電気的に接地させて、実施例１のイオン風生成機を作製した。なお、直流電源は、負極端子が第三電極層側になるようにして接続した。

〈実施例２〉
直流電源の正極端子が第三電極層側になるようにしたことを除き、実施例１と同様にして、実施例２のイオン風生成機を作製した。

〈比較例１～２〉
第一電極層１２と第三電極層１６との間隔を１０ｍｍに変更し、かつ第二電極層１４の幅を１０ｍｍに変更したことを除き、それぞれ実施例１～２と同様にして、比較例１～２のイオン風生成機を作製した。

〈比較例３〉
第一電極層１２と第三電極層１６との間隔を４０～８０ｍｍに変更し、かつこの間隔に応じて第二電極層１４の幅を４０～８０ｍｍに変更したことを除き、実施例１と同様にして、比較例３のイオン風生成機を作製した。

《評価》
第一及び第三電極層の電位を、表１に示している範囲内で変更して、イオン風の体積力を測定した。イオン風の体積力の測定は、各イオン風生成機を電子天秤上に配置し、イオン風を発生させた際の反力を電子天秤により測定することにより行った。

制御条件及び評価結果を表１～４及び図３に示す。なお、表１～４において、「ＧＮＤ」（ｇｒｏｕｎｄ）は、電気的に接地していることを意味するものである。また、第三電極層の電位が負の値を示していることは、直流電源の負極端子が第三電極に接続されていることを意味するものである。

表１では、第一及び第三電極層の電位を表１に示す範囲で変化させたときのイオン風の最大体積力を示している。

表２では、実施例１のイオン風生成機について、第一電極層の電位を、１１ｋＶｐｐ、１４ｋＶｐｐ、１７ｋＶｐｐ、２０ｋＶｐｐに設定しつつ、第三電極層の電位を変化させてイオン風の体積力を個別に評価したものを、それぞれ実施例１－１～１－４と言及している。

表３では、比較例３のイオン風生成機について、電極間距離を４０ｍｍに固定しつつ、第三電極層の電位を変化させてイオン風の体積力を個別に評価したものを、比較例３－１と言及している。

表２及び表３に示したイオン風の体積力と、第三電極層の電位の絶対値との関係を、図３に示している。

表４では、第二電極層と第三電極層との間に直流電圧を印加せず、第一電極層の電位を変化させたときのイオン風の体積力を個別的に評価したものを、実施例１－５と言及している。

表１から、電極間距離が２０ｍｍの実施例１～２のイオン風生成機は、電極間距離が１０ｍｍの比較例１～２のイオン風生成機、及び電極間距離が４０ｍｍの比較例３のイオン風生成機と比較して、イオン風の最大体積力が有意に大きいことが理解できよう。

また、表２～３及び図３から、実施例１－１～１－４及び比較例３－１のイオン風生成機は、第三電極層の電位の絶対値が大きくなると、イオン風の体積力が大きくなる点では共通しているが、比較例３のイオン風生成機では、第三電極の電位の絶対値が１５ｋＶ以上の場合にイオン風を生じているのに対し、実施例１－１～１－４のイオン風生成機では、第三電極の電位の絶対値が６ｋＶ以上の場合にイオン風を生じていることが理解できよう。このことから、実施例１－１～１－４のイオン風生成機は、比較例３のイオン風生成機よりも、低電力で高いイオン風の体積力が得られることが理解できよう。

また、実施例１－１～１－４のような個別の評価は明示していないが、実施例２のイオン風生成機の場合でも、実施例１－１～１－４と同様に、高いイオン風の体積力が得られていた。

また、実施例１－１～１－４のイオン風生成機を比較すると、第一電極層の電位が小さいほど、イオン風の高い体積力が得られることが理解できよう。

なお、表４から、交流電圧のみの印加では、イオン風が殆ど発生しておらず、このことから、交流電圧及び直流電圧の相互作用が、イオン風の生成に寄与していることが確認できよう。

１０ 電極体
１２ 第一電極層
１４ 第二電極層
１６ 第三電極層
１８ 誘電体層
２０ 交流電源
３０ 直流電源
１００ イオン風生成機
Ａ 第一電極層と第三電極層との間の距離
Ｘ 電界被膜
Ｙ イオン風

Claims (1)

1. イオン風生成機の制御方法であって、
   前記イオン風生成機が、
   電極体と、交流電源及び直流電源を備え、
   前記電極体が、第一電極層、第二電極層、第三電極層、及び誘電体層を有し、かつ
   前記交流電源が、前記第一電極層と前記第二電極層との間に接続されており、それによってこれらの電極層の間に電圧を印加することができ、
   前記直流電源が、前記第二電極層と前記第三電極層との間に接続されており、それによってこれらの電極層の間に電圧を印加することができ、
   前記誘電体層が、幅６０ｍｍ、長さ６０ｍｍ、厚さ１ｍｍのポリテトラフルオロエチレンシートであり、
   前記第一及び第三電極層が、前記誘電体層の一方の表面の一部に略平行に対向して配置されている、幅５ｍｍ、長さ３５ｍｍのアルミニウムテープであり、
   前記第一電極層と前記第三電極層との間の距離が、２０ｍｍであり、
   前記第二電極層が、前記誘電体層の他方の表面の一部に配置されている幅２０ｍｍ、長さ３５ｍｍのアルミニウムテープであり、
   それによって前記交流電源によって前記第一電極層と前記第二電極層との間に電圧を印加し、かつ前記直流電源によって前記第二電極層と前記第三電極層との間に電圧を印加したときに、前記誘電体層から離れる方向にイオン風を発生させることができる、
   イオン風生成機であり、
   前記交流電源により前記第一電極層と前記第二電極層との間に印加する交流電圧を、１１～１５ｋＶｐｐとし、かつ
   前記直流電源により前記第二電極層と前記第三電極層との間に印加する直流電圧を、１１～１３ｋＶとする、
   イオン風生成機の制御方法。

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