JP7342391B2

JP7342391B2 - 荷電装置および荷電装置を備える空気清浄機

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Publication number: JP7342391B2
Application number: JP2019051765A
Authority: JP
Inventors: 加奈絵栗田; 健太郎永吉
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2039-03-19
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Description

特許法第３０条第２項適用春期講演会静電気学会ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｅｓｊ．ｏｒｇ／ａｃａｄｅｍｉｃ／ｓｙｕｎｋｉ．ｈｔｍｌ開催日平成３１年３月４日２０１９年度静電気学会春期講演会プログラムｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｅｓｊ．ｏｒｇ／ｃｏｎｔｅｎｔ／ｆｉｌｅｓ／ｐｄｆ／２０１９／Ｐｒｏｇｒａｍ＿ｓｙｕｎｋｉ２０１９．ｐｄｆ電気集じん装置荷電部における鋸歯状放電電極のオゾン生成量時間変化

本発明は、荷電装置および荷電装置を備える空気清浄機に関する。

従来、放電電極からの放電によって、塵埃などの微粒子を帯電させる荷電機能と、オゾンを発生させるオゾン発生機能とを兼用できるようにした電気集塵機が知られている（例えば、特許文献１を参照）。また、１台の装置で高い荷電効率と高いオゾン発生効率とを得られるように、荷電する際は放電電極にプラスの高電圧を印加する一方、オゾンを発生させる際は放電電極にマイナスの高電圧を印加するようにしたものがある（例えば、特許文献２を参照）。また、マイナスの電圧を印加してオゾンを発生させるオゾン発生部と、プラスの高電圧を印加して荷電する荷電部とを、一つのユニット内に配置したものがある（たとえば、特許文献３を参照）。

特開２００２－２８６２４０号公報特開平４－７８４５６号公報特開２００８－２８４４１２号公報

しかしながら、特許文献１は、塵埃を帯電させるための放電の副産物としてオゾンが発生するものであり、発生するオゾン濃度が低くなってしまう。また、特許文献２の装置は、一度にどちらか一方の極性の高電圧しか印加できないので、荷電効率およびオゾン発生効率を同時に高めることができない。また、特許文献３では、荷電効率とオゾン発生効率の両方を同時に高められるものの、オゾン発生部や荷電部、プラスの電圧供給部とマイナスの電圧供給部がそれぞれ必要になる上に、装置の大型化を招いてしまう。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、荷電効率とオゾン発生効率を同時に高めつつ、装置の大型化を抑制することができる荷電装置および荷電装置を備える空気清浄機を提供することを目的とする。

本願の開示する荷電装置の一態様は、表面に不動態被膜が形成される放電電極と、当該放電電極に対向配置される対向電極とを有する荷電部と、放電電極への通電を制御する制御部と、湿度を検出する湿度検出部とを備える。制御部は、湿度検出部で検出される湿度が所定湿度以下のとき、放電電極への通電によって当該放電電極の温度を所定温度以上まで高めるように制御する。

本願の開示する荷電装置および荷電装置を備える空気清浄機の一態様によれば、荷電効率とオゾン発生効率を同時に高めつつ、装置の大型化を抑制することができる。

図１は、実施形態に係る荷電装置を備える電気集塵機が設けられた空気清浄機の概略構成図である。図２は、同上の電気集塵機の構成図である。図３Ａは、同上の電気集塵機が備える実施形態に係る荷電装置の放電電極板の正面図である。図３Ｂは、同上の荷電部の放電電極板の平面図である。図３Ｃは、同上の放電電極板の側面図である。図３Ｄは、同上の放電電極板の放電電極の先端部を断面視で示す説明図である。図４は、同上の電気集塵機が備える制御部を主とするブロック図である。図５は、同上の電気集塵機の制御手順を示すフローチャートである。図６は、実施形態に係る電気集塵機が備える荷電部における放電電極の形状とオゾン濃度との関係を示すグラフである。図７は、同上の放電電極の形状および相対湿度とオゾン生成量との関係を示すグラフである。図８は、相対湿度とオゾン濃度との関係を時間変化で示すグラフである。図９は、放電電極の針数を１１７とした場合におけるオゾン濃度の時間変化を示すグラフである。図１０は、放電電極の針数を５８とした場合におけるオゾン濃度の時間変化を示すグラフである。図１１は、参考例に係る放電電極におけるオゾン濃度湿度特性を示すグラフである。図１２は、放電電極に印加する高電圧の極性とオゾン生成量との関係を時間変化で示すグラフである。

以下に、本願の開示する荷電装置および空気清浄機の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によって、本願の開示する荷電装置および空気清浄機の構造および制御方法が限定されるものではない。また、以下の説明による構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。なお、実施形態の説明の全体を通じて同じ要素には同じ符号を付して説明する。以下の実施形態では、開示の技術にかかる荷電装置を、空気清浄機が備える電気集塵機に適用した場合を示した。しかし、これに限られず、開示の技術にかかる荷電装置は、例えば、放電によりオゾンを発生させることのできる各種装置に適用することができる。

図１は、実施形態に係る荷電装置を備える電気集塵機が設けられた空気清浄機の概略構成図、図２は、同電気集塵機の構成図である。図１に示すように、空気清浄機１は、空気を清浄化するための装置類を収納する筐体１０を備えている。筐体１０は、合成樹脂材で略直方体状に形成されており、室内の空気を吸引する吸込口１１と、清浄化された空気を室内に吹き出す吹出口１２とが形成される。

図１および図２に示すように、筐体１０内には、吸引された空気から大きな塵埃を除去するプレフィルタ１４と、プレフィルタ１４を通過した空気中の塵埃を静電気力によって集塵する複数の電気集塵機２と、電気集塵機２を通過した空気を脱臭処理する脱臭フィルタ５とが設けられる。

電気集塵機２は、それぞれ荷電部３と集塵部４とを備える。本実施形態では、荷電部３が荷電装置として機能する。なお、本実施形態においては、３つの電気集塵機２が筐体１０内に配置されているが、配置される数は何ら限定されない。

プレフィルタ１４は、例えば糸状のＰＥＴ材を編みこんだ網目構造を有し、図示しない樹脂枠で保持される。プレフィルタ１４は、筐体１０の内部に吸い込まれた空気に含まれている比較的大きな塵埃を捕集する。脱臭フィルタ５は、プレフィルタ１４および電気集塵機２で塵埃が除かれた空気から、触媒フィルタによって、例えばアンモニアやメチルメルカプタン等の臭気成分やホルムアルデヒド等の有害成分を取り除く脱臭処理を行う。

また、筐体１０内には、脱臭フィルタ５の下流側に配置されるファン６と、ファン６を回転させるファンモータ６１と、空気清浄機１を制御する制御基板７とが設けられる。

さらに、筐体１０内には、吸込口１１から吸引された空気の塵埃濃度を検出する埃センサ１３と、運転開始操作、運転停止操作などを行う操作表示基板１５とが設けられる。

また、筐体１０には、各電気集塵機２の各集塵部４に電力を供給する単一の集塵部用の定電圧高圧電源部（以下「集塵部用高圧電源４０」とする）が配置される。他方、荷電部３に電力を供給する荷電部用の定電流高圧電源部（以下「荷電部用高圧電源３０」とする）は、３つの荷電部３にそれぞれ配置される。

かかる構成により、空気清浄機１は、ファンモータ６１により駆動されるファン６の回転により、矢印ｆで示すように、吸込口１１から室内空気を吸引し、プレフィルタ１４、電気集塵機２、脱臭フィルタ５を通過させながら空気を清浄し、清浄された空気を吹出口１２より室内に吹き出す。

なお、空気清浄機１の風量設定は、操作表示基板１５の操作に基づいて手動で風量を切換えることができるが、例えば、埃センサ１３の検出信号に基づいて、適切な風量に自動で切換わる自動風量モード設定を設けることもできる。

ここで、実施形態に係る荷電装置を備える電気集塵機２について、図２を参照しながら説明する。図２に示すように、電気集塵機２は、荷電部３と集塵部４とを備える。荷電部３は、通過する空気中に含まれる塵埃などの微粒子を帯電させる。集塵部４は、荷電部３で帯電された微粒子を静電気力により捕集する。荷電装置として機能する荷電部３は、先端が鋭利な鋸歯形状をした荷電部放電電極（以下「放電電極３１０」とする）と、放電電極３１０と異なる極性をもった荷電部対向電極（以下「対向電極３２０」とする）とが、所定の間隔をあけて交互に配置されている。また、対向電極３２０は、平板電極で構成されている。

集塵部４は、平板電極を多数枚平行に配列し、交互に異なる極性の電圧が印加されるよう電気的に接続した構造であり、本実施形態においては、放電電極３１０と同極性のものを集塵部高圧電極（以下「高圧電極４１０」とする）、対向電極３２０と同極性のものを集塵部捕集電極（以下「捕集電極４２０」とする）と呼ぶ。

荷電部３の放電電極３１０と対向電極３２０との間には、電源５０から電源部５５を介して、荷電部用高圧電源３０により高電圧が印加される。荷電部用高圧電源３０は、制御基板７に搭載された制御部７０により荷電部スイッチ３０１，３０２，３０３を介して駆動、制御される。

集塵部４の捕集電極４２０と高圧電極４１０との間には、電源５０から電源部５５を介して、集塵部用高圧電源４０により高電圧が印加される。集塵部用高圧電源４０は、制御基板７に搭載された制御部７０により集塵部スイッチ４０１を介して駆動、制御される。

荷電部用高圧電源３０は、電気集塵機２が内蔵する荷電部３の個数と同数（ここでは３個）が設けられており、各電気集塵機２の荷電部３と１対１に対応して接続される。集塵部用高圧電源４０は、電気集塵機２が内蔵する集塵部４の個数にかかわらず１つであり、すべての集塵部４が並列に接続される。

また、本実施形態に係る電気集塵機２は、図示するように、湿度検出部となる湿度センサ２１０と、温度センサ２２０と、除湿部２３０とを備え、それぞれ制御部７０と電気的に接続されている。湿度センサ２１０は、空気清浄機１または電気集塵機２の周辺の相対湿度を取得するためのセンサであり、これにより荷電部３周辺の相対湿度を検出することができる。温度センサ２２０は、放電電極３１０の表面温度を検出することができる。また、除湿部２３０は、少なくとも荷電部３周辺の相対湿度を低くすることができるものであればよい。除湿部２３０は、例えば、空気清浄機１を設置する室内の除湿が可能なもの、あるいは空気清浄機１または電気集塵機２の周辺の除湿を行うことができるものであればよい。この場合、空気清浄機１または電気集塵機２に取り込まれる空気が除湿されることで、その内部に配置される荷電部３周辺の相対湿度を低くすることができる。あるいは、空気清浄機１に取り込まれた空気を暖めることで荷電部３の周辺の相対湿度を低くするものであってもよい。

ここで、図３Ａ～図３Ｄを参照しながら、荷電部３が備える放電電極３１０について説明する。図３Ａは、実施形態に係る荷電装置の放電電極板の正面図、図３Ｂは、同放電電極板の平面図、図３Ｃは、同放電電極板の側面図、図３Ｄは、同放電電極の先端部を断面視で示す説明図である。図３Ｂに示すように、放電電極３１０は、先端部に複数の突起部３１５が形成された鋭利な鋸歯形状に形成されている。そして、図３Ａおよび図３Ｃに示すように、複数の放電電極３１０が、所定間隔をあけて枠部３１１に連結されている。ここでは、複数の放電電極３１０が、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０４）製の矩形板状の放電電極板３１を切り起こすことで形成されている。

また、本実施形態においては、放電電極３１０の各突起部３１５は、図３Ｄに示すように、不動態被膜３１６が形成されている。

本実施形態における不動態被膜３１６は、三価クロムであり、例えば酸化クロム（III）（Ｃｒ_２０_３）により形成される。すなわち、図３Ｄに示すように、放電電極３１０の先端部に形成された突起部３１５において、ステンレス製の基体３１５ａに酸化クロム（III）（Ｃｒ_２０_３）からなる不動態被膜３１６が形成されている。

次に、電気集塵機２内における塵埃の捕集作用について簡単に説明する。荷電部３の放電電極３１０に正極の高電圧を印加し、対向電極３２０を荷電部用高圧電源３０の接地極（アース）に接続すると、コロナ放電が起こり、この電極間には、電子と空気分子が正に帯電したイオンが満たされる。このうち電子は、放電電極３１０に到達し、荷電部用高圧電源３０に向かって流れる。このときの荷電部３全体での電流を０．２５ｍＡとすると、電極間にはこの電流値に対応してイオンが発生する。

この正イオンで満たされた空間を塵埃が通過する際、その通過時間と放電電極３１０と対向電極３２０とで作られる電界の強さに応じて、イオンと塵埃の衝突による電荷の移動が起こり、塵埃に正の電荷が帯電する。

一方、集塵部４の高圧電極４１０に例えば５ｋＶを印加し、捕集電極４２０を集塵部用高圧電源４０の接地極（アース）に接続すると、両電極の間隔が２ｍｍであれば、２５ｋＶ／ｃｍの静電界が形成される。荷電部３で正に帯電した塵埃は、集塵部４に移動すると、静電界により塵埃と反対極性の捕集電極４２０に吸引される方向に力を受ける。

空気中を浮遊する塵埃は、空気抵抗により直ちに終端速度に到達し、流れ方向と捕集電極４２０方向の速度成分を持った等速運動となる。捕集電極４２０方向の速度成分は、塵埃の電荷量、および、高圧電極４１０と捕集電極４２０の間の静電界の強さ（電界強度）に比例し、流れ方向の速度と集塵部４の奥行で定まる集塵部４の通過時間内に、捕集電極４２０に到達した塵埃が捕集される。

空気中を浮遊する塵埃は十分に小さく、中には捕集電極４２０から遠ざかる方向に動くものもあり、集塵部４を通過している間にすべての塵埃が捕集されるわけではない。しかし、空気清浄機１の運転中、捕集されなかった塵埃は繰り返し空気清浄機１内に取り込まれて電気集塵機２を通過することになるので、捕集されずに集塵部４を通過する塵埃の量は、空気清浄機１の運転開始からの時間の経過にともない次第に減少していく。

本実施形態に係る空気清浄機１は、上述した塵埃の捕集作用を実行しながら、電気集塵機２の荷電部３で生成するオゾンを利用して、例えば空気清浄機１の内部の除菌や、室内の空気の除菌まで果たすことができる。

すなわち、電気集塵機２に荷電装置として設けられた荷電部３において、所定の条件が揃うと、放電電極３１０からのコロナ放電により生成されるオゾン濃度が急激に上昇する現象が起きることが分かった。かかる現象を利用することにより、本実施形態に係る空気清浄機１は、コンパクトな装置でありながらも十分な集塵機能とオゾン発生機能（および除菌機能）とを果たすことができる。

十分なオゾン濃度を得るための条件、すなわちオゾン濃度が急増する条件（所定の条件）を以下に示す。放電電極３１０の材質としては、クロムを含有するステンレス（例えばＳＵＳ３０４）を用い、その形状は、針先（突起部３１５）に電流が集中し電力密度が高くなる形状（例えば鋸歯状）とする。そして、例えば相対湿度（ＲＨ：Relative Humidity）がＲＨ３５％以下とした低湿度雰囲気下において、連続通電により放電電極３１０の先端部となる針先（突起部３１５）を高温にした場合としている。ここで、針先の温度としては、４７０Ｋ以上であることが望ましい。この４７０Ｋは、放電電極３１０の突起部３１５に形成された不動態被膜３１６である酸化クロム（III）（Ｃｒ_２０_３）の一部がオゾンと反応して酸化クロム（VI）（Ｃｒ０_３）に変化することで、酸素分子と反応してオゾンを生成する触媒として作用するようになる温度である。

確かに、一般的には、相対湿度が低くなるほど発生するオゾンの濃度は高くなる傾向があるものの、上記の所定の条件を満たすようにして荷電部３を連続的に稼働させると、オゾンが急増する現象が確認された。しかも、一般的に低湿度の場合に想定されるオゾン濃度の数倍～十数倍の濃度が検出されている。

本実施形態では、荷電部３の放電電極３１０として、厚みを０．１ｍｍとするとともに、形状を鋸歯形状（図３Ｂ参照）とし、安価で耐久性のあるステンレス材料のＳＵＳ３０４を用いて形成したものを採用した。ＳＵＳ３０４は、特別な処理を行わずとも表面に不動態被膜が形成されている。なお、表面に不動態被膜が形成されたステンレス材料としては、ＳＵＳ３０４のほか、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系の材料を用いることができる。また、このときの対向電極３２０は、厚みを０．５ｍｍとするとともに、形状を平板状とし、材料としては放電電極３１０と同様にＳＵＳ３０４を用いて形成したものを採用した。

また、さらに、鋸歯形状とした放電電極３１０の突起部３１５に、三価クロムからなる不動態被膜３１６を形成した。ここで、三価クロムの一つである酸化クロム（III）（Ｃｒ_２０_３）は、放電電極３１０からのコロナ放電によって生成されるオゾンと４７０Ｋ前後で反応し、その一部が強力な酸化剤である六価クロムの酸化クロム（VI）（Ｃｒ０_３）に変化することが分かっている。このときの反応は次の化学反応式で表される。

Ｃｒ_２０_３＋０_３→ ２Ｃｒ０_３

かかる酸化クロム（VI）（Ｃｒ０_３）は、高湿度雰囲気下では不安定であり、直ちに酸化クロム（III）に戻り、触媒としては作用しないことが分かっている。そのため、高湿度雰囲気下においてはオゾンの急増現象は発生しない。一方、酸化クロム（VI）（Ｃｒ０_３）は、低湿度雰囲気下では安定しており、触媒として作用することでオゾンの発生量を急増させると推定される。このときの反応は次の化学反応式で表される。

３０_２→ ２０_３

つまり、低湿度雰囲気下にある放電電極３１０の温度を、放電電極３１０の表面に形成された不動態被膜（酸化クロム（III）（Ｃｒ_２０_３））がオゾンと反応し、不動態被膜を構成する金属元素の六価の化合物（酸化クロム（VI）（Ｃｒ０_３））が生成されるようになる温度（４７０Ｋ）以上となるよう、通電を制御することで、高濃度のオゾンを発生させることができる。

そして、上述の条件下において、以下に示す通電制御を行うことにより、一つの荷電部３で高濃度のオゾンを発生しつつ高効率で荷電することを可能にした。また、本実施形態では、荷電部３の前段部に除湿部２３０を設け（図２および図４を参照）、相対湿度を所望する湿度になるように制御可能としている。すなわち、オゾンの発生量を増加させるには、低湿度雰囲気下が望ましいため、本実施形態における空気清浄機１では、荷電部３の前段部に除湿部２３０を設けることで、除湿の有無によりオゾンの生成量を制御することを可能にしている。

ここで、図４を参照しながら、制御基板７について、制御部７０を主として説明する。図４は、本実施形態の電気集塵機２が備える制御部７０を主とするブロック図である。なお、制御基板７には、荷電部用高圧電源３０、集塵部用高圧電源４０、除湿部２３０およびファンモータ６１へ電力を供給するファンモータ電源（不図示）を制御する制御部も含まれるが、図４では、除湿部２３０および荷電部用高圧電源３０を制御する制御部７０以外の図示を省略している。

制御部７０は、湿度管理部７１０、通電制御部７２０および判定部７３０を有する。制御部７０は、例えばＣＰＵやメモリなどのマイクロコンピュータを有し、所定のプログラムを読み出して処理することで湿度管理部７１０、通電制御部７２０および判定部７３０としての機能を果たす。湿度管理部７１０は、除湿部２３０に接続され、通電制御部７２０は、荷電部用高圧電源３０に接続され、判定部７３０は、湿度センサ２１０および温度センサ２２０に接続されている。

こうして、制御部７０は、湿度センサ２１０が検出した相対湿度に基づいて、判定部７３０により、荷電部３の放電電極３１０の温度を制御する通電制御を開始するか否かを判定する。すなわち、湿度センサ２１０が検出した湿度が、オゾンの急増現象が生じるか否かの境界となる所定湿度（例えばＲＨ３５％）以下のとき、通電制御を実行して、通電制御部７２０により荷電部用高圧電源３０を制御し、例えば電圧を一定に維持しながら電流を大きくし、放電電極３１０の温度を、不動態被膜（酸化クロム（III）（Ｃｒ_２０_３））がオゾンと反応することで、不動態被膜を構成する金属元素の六価の化合物（酸化クロム（VI）（Ｃｒ０_３））が生成される所定温度（例えば４７０Ｋ）以上まで高める。

ここで、所定湿度であるＲＨ３５％や所定温度とした４７０Ｋなどの値は、制御基板７に設けられた記憶部７００に記憶されている。すなわち、記憶部７００は、例えば、揮発性半導体記憶装置を一例とする内部記憶装置または半導体を記憶媒体とする不揮発性の外部記憶装置等である。

記憶部７００は、各種の計測値、取得値、算出値、各種閾値などを記憶することができ、各種の計測値、取得値、算出値は、計測タイミング、取得タイミング、算出タイミング毎に、時系列で記憶部７００に記憶される。

図５は、実施形態に係る電気集塵機２の制御手順を示すフローチャートである。電気集塵機２の制御手順は、空気清浄機１の運転開始をきっかけとして実行される。

図５に示すように、制御部７０は、空気清浄機１の運転開始に応じて、電気集塵機２の運転を開始する（ステップＳ１１）。次に、制御部７０は、荷電部３周辺の相対湿度が、オゾンの急増現象が生じるか否かの境界となる所定湿度（ＲＨ３５％）以下であるかを判断する（ステップＳ１２）。すなわち、制御部７０は、判定部７３０により湿度センサ２１０の検出結果により荷電部３の相対湿度を判断し、荷電部３周辺の相対湿度が、オゾンの急増現象が生じるか否かの境界となる所定湿度（ＲＨ３５％）を超えていれば、ＲＨ３５％以下になるまで待機する。

このとき、荷電部３周辺の相対湿度がＲＨ３５％を超えている場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、制御部７０の湿度管理部７１０は、除湿部２３０を駆動して相対湿度を下げる。そして、湿度センサ２１０の検出結果により荷電部３周辺の相対湿度がＲＨ３５％以下になったと判断すると（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、制御部７０の通電制御部７２０は、通電制御を実行して荷電部用高圧電源３０を制御する（ステップＳ１３）。

そして、制御部７０は、放電電極３１０の表面温度が例えば４７０Ｋ（所定温度）になったか否かを判定する（ステップＳ１４）。このとき、放電電極３１０の表面温度が４７０Ｋ以下であれば（ステップＳ１４：Ｎｏ）、制御部７０の通電制御部７２０は、荷電部用高圧電源３０を制御して放電電極３１０への通電量を増加させ、温度センサ２２０の検出結果により放電電極３１０の表面温度が４７０Ｋ以上になったと判断すると（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、この制御手順を終了する。

このように、本実施形態では、制御部７０は、湿度センサ２１０で検出される相対湿度がＲＨ３５％以下のとき、荷電部用高圧電源３０を制御して、放電電極３１０の表面温度が４７０Ｋ以上となるように放電電極３１０への通電量を制御する。

このように、本実施形態に係る荷電部３では、塵埃を荷電するという本来の機能を維持しつつ、放電電極３１０を、高濃度のオゾンを発生させるオゾナイザとしても機能させることが可能となる。

したがって、荷電装置とオゾナイザとを個別に設ける必要がないので、荷電機能とオゾンによる殺菌機能とを併せもつ高機能の電気集塵機２を大型化することなく実現することができる。そして、かかる電気集塵機２を用いることで、やはり大型化を抑制しつつ、集塵と殺菌との両機能を併せ持つ高機能の空気清浄機１を提供することができる。

また、例えば、荷電する際は放電電極に正極（プラス）の高電圧を印加し、オゾンを発生させる際には放電電極に負極（マイナス）の高電圧を印加することも考えられる。しかし、本実施形態に係る荷電部３では、放電電極３１０にマイナスの高電圧を印加するよりも、放電電極３１０にプラスの高電圧を印加することで、オゾン濃度をより高濃度とすることができる。

ところで、かかる電気集塵機２、あるいはこれを備える空気清浄機１を家庭用として用いる場合、荷電部３において発生させた高濃度のオゾンによって臭気成分の分解を行うことができるが、例えば荷電部３の下流側にオゾン分解触媒などを配置するなどして、高濃度のオゾンがそのまま室内に放出されることがないようにすることが望ましい。

ここで、上述してきた本実施形態における荷電部３のオゾン急増現象について、図６～図１２を用いて説明する。

まず、放電電極３１０の形状が、鋸歯状である場合とワイヤで形成した線状の場合とでオゾン濃度の時間的な変化を比べる。図６は、実施形態に係る電気集塵機２が備える荷電部３における放電電極３１０の形状とオゾン濃度との関係を示すグラフである。なお、このときの荷電部３における相対湿度は２８％であり、風速は１．１ｍ／ｓである。

図６のグラフで分かるように、放電電極がワイヤで形成された線状の電極である場合は、放電電極への通電時間が１２０分を超えてもオゾン濃度に特に変化はないが、放電電極３１０が鋸歯状の場合は、放電電極３１０への通電時間が６０分を過ぎると、オゾン濃度が急激に高くなることが分かった。すなわち、放電電極３１０が鋸歯状の場合、オゾン濃度は、４０ｐｐｂ程度の濃度から、通電時間が６０分から１００分までの４０分間程度で１１０ｐｐｂを超えるほどの濃度まで急激に高くなっている。

この差異は、放電電極３１０の表面に形成された不動態被膜３１６の温度が、オゾン急増現象を生じる温度（４７０Ｋ）に達するか否かが、放電電極３１０の形状の違いによって変わるためであると考えられる。すなわち、放電電極３１０が鋸歯状の場合、放電電極３１０が突起部３１５を有するため、突起部３１５に電流が集中しやすく、不動態被膜３１６の温度が局所的に上昇し、オゾン急増現象を生じる温度（４７０Ｋ）に達したものと考えられる。一方、放電電極３１０がワイヤで形成された線状の場合、突起部を有しないので全体的に均一に温度が上昇してしまい、不動態被膜の温度が局所的に上昇することがなく、オゾン急増現象を生じる温度（４７０Ｋ）に達しなかったものと考えられる。

次に、オゾン濃度の急激な変化が起こる条件となる湿度について説明する。図７は、通電時間に対する放電電極３１０の形状および相対湿度とオゾン生成量との関係を示すグラフである。なお、ここでのオゾン生成量はオゾン濃度と比例関係にあるため、オゾン生成量の増加とオゾン濃度の上昇には強い相関がある。図７に示すように、ＲＨ３０％の低湿度雰囲気下の場合であっても、放電電極がワイヤで形成された線状の電極である場合は、通電時間が１８０分を超えてもオゾン生成量（オゾン濃度）に変化はない。他方、放電電極３１０が鋸歯状の場合、ＲＨ５０％の雰囲気下では、通電時間が１８０分を超えてもオゾン生成量に殆ど変化はないが、ＲＨ３０％の低湿度雰囲気下では、通電時間が６０分を過ぎると、オゾン生成量は、通電開始直後のオゾン生成量の３倍ほどの生成量まで急激に高くなることが分かった。

これは、放電電極３１０の突起部３１５の表面に形成された不動態被膜３１６を構成する酸化クロム（III）（Ｃｒ_２０_３）の一部が、４７０Ｋ以上の温度でオゾンと反応し、酸化クロム（VI）（Ｃｒ０_３）に変化したものの、ＲＨ５０％雰囲気下においては安定せず、直ちに酸化クロム（III）（Ｃｒ_２０_３）に戻り触媒として作用しなかったため、オゾンの急増現象が発生しなかったものと推定される。一方、酸化クロム（VI）（Ｃｒ０_３）は、ＲＨ３０％の低湿度雰囲気下では安定し、触媒として作用することでオゾンの発生量を急増させてしまうと推定される。そこで次に、オゾンの急増現象が起きるか否かの境界となる湿度条件を探索した。

図８は、通電中に荷電部３周辺の相対湿度を変化させることで、通電時間とともにオゾン濃度がどのように変動するのか観察した実験結果を示すグラフである。具体的には、通電時間が０～２５０ｍｉｎ．の間は相対湿度をほぼＲＨ３０％に保ち、通電時間が２５０ｍｉｎ．を経過した時点で相対湿度を上昇させて通電時間が３５０ｍｉｎ．まではほぼＲＨ４０％に保ち、通電時間が３５０ｍｉｎ．を経過した時点で更に相対湿度を上昇させてＲＨ５０％とする条件で、オゾン濃度を測定した。なお、グラフ中の黒丸（●）は通電時間の各時点でのオゾン濃度を表し、白丸（〇）は通電時間の各時点での相対湿度を表す。また、このとき、荷電部３における風速は１．１ｍ／ｓ、放電電極３１０に流れる電流は１５０μＡで一定である。

グラフから分かるように、相対湿度がほぼＲＨ３０％で一定である通電時間が０～２５０ｍｉｎ．の場合、オゾン濃度は、通電時間が３０分を過ぎると、通電開始直後の０．０５ｐｐｍ程度の濃度から急激に高くなり始める。そして、通電時間が８０分を過ぎると、オゾン濃度は０．２ｐｐｍを超えるまで増加し、その後は０．１８～０．２２ｐｐｍの間で安定している。その後、相対湿度を徐々に上げていき、相対湿度をＲＨ４０％程度まで上昇させると、オゾン濃度は急激に低下していくことが分かる。その後、相対湿度を更に上げていき、相対湿度がＲＨ５０％程度まで上昇すると、オゾン濃度は更に低下し、通電開始直後の０．０５ｐｐｍ付近まで戻っている。本実施例では以上の結果を考慮し、オゾン濃度の急激な増加が発生する条件を、ＲＨ３５％以下の低湿度雰囲気下であることとした。

また、図９は、荷電部３における風速を０．０６ｍ／ｓ、相対湿度をＲＨ２０％とし、放電電極３１０の針数（突起部３１５の数）を１１７とした場合におけるオゾン濃度の時間変化を示すグラフ、図１０は、荷電部３における風速を０．０６ｍ／ｓ、相対湿度をＲＨ２０％とし、放電電極３１０の針数（突起部３１５の数）を５８（図９の場合の約半分の針数）とした場合におけるオゾン濃度の時間変化を示すグラフである。なお、このとき、放電電極３１０全体に流れる電流は１５０μＡで一定であるものの、突起部３１５の数が１１７のときと５８のときとでは、１つ１つの突起部３１５に流れる電流が変わるため、突起部３１５における電力密度（単位面積あたりの電力）に差がある。つまり、突起部３１５の数を５８としたときの電力密度は、突起部３１５の数を１１７としたときの電力密度の約２倍になる。

荷電部３における放電電極３１０の針数（突起部３１５の数）が１１７のときは、図９で示したように、通電開始直後は０．０５ｐｐｍ程度のオゾン濃度であるが、通電開始から３０分ほどでオゾン濃度の急増現象が起きており、通電開始から６０分が経過して以降は４～７ｐｐｍまで時間経過とともにオゾン濃度が高くなっていることが分かる。

他方、荷電部３における放電電極３１０の針数（突起部３１５の数）が５８のときは、図１０に示すように、通電開始直後は０．０５ｐｐｍ程度のオゾン濃度であるが、通電開始から１５分ほどでオゾン濃度の急増現象が起きており、通電開始から３０分が経過して以降はオゾン濃度が６～９ｐｐｍで推移していることが分かる。図９と図１０の比較から、放電電極３１０の針数（突起部３１５の数）が少ないほど、すなわち、各々の突起部３１５に流れる電流（電力密度）が大きいほど、オゾンの急増現象は、より短時間で起きることが分かる。

図９と図１０の比較から分かるように、放電電極３１０の形状や不動態被膜３１６の有無、荷電部３周辺における相対湿度などの条件が同じである場合、突起部３１５の数が少ないほど（各々の突起部３１５に流れる電流、すなわち電力密度が大きいほど）、通電開始からオゾン濃度の急増現象が起きるまでの時間は短くなることが分かる。これは、各々の突起部３１５に流れる電流（電力密度）が大きいほど、放電電極３１０の表面に形成された不動態被膜３１６の温度が４７０Ｋに到達するまでの時間が短くなるからであると推定される。

また、図６および図７のグラフより、低湿度の場合のオゾン濃度の急激な上昇は、放電電極３１０の形状がワイヤのような線状ではなく、平板状の鋸歯形状の場合に生じることが分かったが、図１１に示す参考例のように、線状のワイヤからなる放電電極であっても、相対湿度が低くなるにつれて生成されるオゾン濃度が高くなっていくことは知られている。図１１は、参考例に係る放電電極におけるオゾン濃度湿度特性を示すグラフである。

図１１に示すように、確かに相対湿度が高いときよりも低いときの方がオゾン濃度は高いが、この場合のオゾン濃度は、０．０２５ｐｐｍから０．０２９ｐｐｍに増加した程度であり、また、相対湿度が１０％程度変化しても、オゾン濃度の変化量は５％程度でしかない。

その点、本実施形態に係る荷電部３においては、図６～図１０から分かるように、図１１に示した参考例におけるオゾン濃度に対し、その数倍から数十倍の濃度となることが分かる。

図１２は、荷電部３の放電電極３１０に印加する電圧の極性（正極と負極）とオゾン生成量との関係を時間変化で示すグラフである。なお、このときの荷電部３における相対湿度はＲＨ３０％であり、風速は１．１ｍ／ｓ、放電電極３１０に流れる電流は１５０μＡで一定としている。図示するように、放電電極３１０に印加する高電圧の極性が負極の場合、通電開始時点から通電時間が１８０分を超えるまでの間、オゾン生成量（オゾン濃度）は０．１５～０．２ｐｐｍで推移しており、時間経過による変化は殆どない。一方、放電電極３１０に印加する高電圧の極性が正極の場合、通電開始時点では０．０２ｐｐｍだったオゾン生成量が、通電時間が３０分を過ぎると急激に増え始めることが分かる。すなわち、通電時間が３０分を過ぎると、０．０２ｐｐｍ程度だったオゾン生成量が、そこから３０分ほどの間に０．２５ｐｐｍを超えるまで増加し、その後は０．２５～０．３３ｐｐｍの間で安定している。この結果は、オゾンの急増現象が、放電電極３１０に対して負極の高電圧を印加した場合には起こらず、放電電極３１０に対して正極の高電圧を印加した場合にのみ起こる可能性を示唆している。

また、通電開始時点から通電時間が６０分を超えるまでは、放電電極３１０に印加する高電圧の極性を正極としていた場合よりも、印加する高電圧の極性を負極としていた場合の方が、オゾン生成量が多い。一方、通電時間が６０分を超えて以降（すなわちオゾンの急増現象が起きて以降）は、放電電極３１０に印加する高電圧の極性を負極としていた場合よりも、印加する高電圧の極性を正極としていた場合の方が、オゾン生成量が多くなるようになる。よって、本実施形態に係る荷電部３では、放電電極３１０に対し、正極の高電圧を印加するよう制御することで、負極の高電圧を印加するよう制御した場合よりも、オゾン濃度を更に高濃度とすることが可能になると考えられる。

以上、本願の実施例を図面に基づいて説明したが、あくまでも例示であって、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施すことができる。

上述してきた実施形態より、以下に示す荷電装置および空気清浄機１が実現できる。なお、以下の荷電装置は、電気集塵機２における荷電部３に相当する。

（１）表面に不動態被膜３１６が形成される放電電極３１０と、この放電電極３１０に対向配置される対向電極３２０とを有する荷電部３と、放電電極３１０への通電を制御する制御部７０と、湿度を検出する湿度センサ２１０とを備え、制御部７０は、湿度センサ２１０で検出される相対湿度が所定湿度以下のとき、放電電極３１０への通電によってこの放電電極３１０の温度を所定温度以上まで高めるように制御する荷電装置。

かかる構成により、一つの荷電装置において、十分なオゾンの発生が望める。そのため、装置の大型化を抑制しつつ、荷電効率とオゾン発生効率を同時に高めることができる。また、かかる荷電装置を、例えば、電気集塵機２や空気清浄機１に適用することで、これらの大型化も抑制することができる。

（２）上記（１）において、所定湿度は、オゾンの急増現象が生じるか否かの境界となる湿度である、荷電装置。

かかる構成により、上記（１）の効果をより確実に奏することができる。

（３）上記（１）または（２）において、放電電極３１０は突起部３１５を有し、この突起部３１５に不動態被膜３１６が形成されている荷電装置。

かかる構成により、上記（１）または（２）の効果をより確実に奏することができる。

（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、放電電極３１０は、ステンレスで形成される荷電装置。

かかる構成により、低コストで上記（１）から（３）の効果を奏することができる。

（５）上記（４）において、不動態被膜３１６は、酸化クロム（III）（Ｃｒ_２０_３）である荷電装置。

かかる構成により、上記（４）の効果をより確実に奏することができる。

（６）上記（４）または（５）において、所定湿度はＲＨ３５％である荷電装置。

かかる構成により、（４）または（５）の効果をより確実に奏することができる。

（７）上記（１）から（６）のいずれかにおいて、所定温度は、不動態被膜（酸化クロム（III）（Ｃｒ_２０_３））がオゾンと反応して、不動態被膜を構成する金属元素の六価の化合物（酸化クロム（VI）（Ｃｒ０_３））が生成される温度である荷電装置。

かかる構成により、（１）から（６）の効果をより確実に奏することができる。

（８）上記（１）から（７）のいずれかにおいて、所定温度は４７０Ｋである荷電装置。

かかる構成により、（１）から（７）のいずれかの効果をより確実に奏することができる。

（９）上記（１）から（８）のいずれかの荷電装置を備える空気清浄機１において、除湿部２３０をさらに備える、空気清浄機１。

かかる構成により、除湿の有無でオゾンの生成量を制御することが可能となる。また、例えば、荷電装置を有する電気集塵機２や、これを搭載した空気清浄機１の使用環境における湿度に左右されず、上記（１）から（８）のいずれかの効果を確実に奏することができる。

（１０）上記（９）において、制御部７０は、湿度センサ２１０で検出される湿度が所定湿度を超えているとき、除湿部２３０を駆動して荷電部３の湿度を所定湿度以下に制御する空気清浄機１。

かかる構成により、除湿の有無でオゾンの生成量を制御することが可能となる。また、例えば荷電装置を有する電気集塵機２や、これを搭載した空気清浄機１の使用環境における湿度に左右されず、上記（９）の効果を確実に奏することができる。

上述の実施形態および図示の具体的名称、処理、制御、各種のデータなどについては、一例を示すに過ぎず、適宜変更される場合がある。例えば、上述の実施形態では、放電電極３１０を、ＳＵＳ３０４を材料として鋸歯状に形成している。これにより、放電電極３１０の先端に形成される突起部３１５には、三価クロムの一つである酸化クロム（III）（Ｃｒ_２０_３）からなる不動態被膜３１６が形成されるものとした。しかし、必ずしも放電電極３１０の形状が鋸歯形状でなくとも、不動態被膜３１６に電流が集中し電力密度が高くなる突起部３１５を有する形状（例えば、とげ付き線、とげ付き円筒、針付きロッド等の形状）であれば、低湿度雰囲気下でオゾン濃度が急激に上昇する現象が生じるものと推察される。さらに、クロム以外で不動態被膜を形成しやすい金属としては、アルミニウム、ニッケル、チタン等が挙げられ、放電電極３１０に形成された酸化クロム（III）（Ｃｒ_２０_３）の不動態被膜３１６が、これらの金属の不動態被膜に置き換えられた場合であっても、同様の現象が生じるものと推察される。

また、上述の実施形態のより広範な態様は、上述のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。従って、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１空気清浄機
２電気集塵機
３荷電部（荷電装置）
７０制御部
２１０湿度センサ（湿度検出部）
２３０除湿部
３１０放電電極
３１５突起部
３１６不動態被膜
３２０対向電極

Claims

表面に不動態被膜が形成される放電電極と、当該放電電極に対向配置される対向電極とを有する荷電部と、
前記放電電極への通電を制御する制御部と、
湿度を検出する湿度検出部と、を備え、
前記制御部は、
前記湿度検出部で検出される湿度が所定湿度以下のとき、前記放電電極への通電によって当該放電電極の温度を所定温度以上まで高めるように制御する、荷電装置。
前記放電電極は突起部を有し、当該突起部に前記不動態被膜が形成されている、請求項１に記載の荷電装置。
前記放電電極は、ステンレスで形成される、請求項１または２に記載の荷電装置。
前記不動態被膜は、酸化クロム（III）（Ｃｒ2０3）である、請求項３に記載の荷電装置。
前記所定湿度はＲＨ３５％である、請求項３または４に記載の荷電装置。
前記所定温度は、前記不動態被膜がオゾンと反応して、前記不動態被膜を構成する金属元素の六価の化合物が生成される温度である、請求項１から５のいずれか一項に記載の荷電装置。
前記所定温度は４７０Ｋである、請求項１から６のいずれか一項に記載の荷電装置。
請求項１から７のいずれか一項に記載の荷電装置を備える空気清浄機であって、
除湿部をさらに備える空気清浄機。
請求項８に記載の空気清浄機であって、
前記制御部は、
前記湿度検出部で検出される湿度が所定湿度を超えているとき、前記除湿部を駆動して前記荷電部の湿度を前記所定湿度以下に制御する、空気清浄機。