JPWO2017212688A1 - 荷電装置、電気集塵機、換気装置及び空気清浄機 - Google Patents

荷電装置、電気集塵機、換気装置及び空気清浄機 Download PDF

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Abstract

荷電装置（２）であって、互いに向かい合うように配置された第一対向電極（２１）及び第二対向電極（２２）と、第一対向電極（２１）と第二対向電極（２２）との間に配置される放電電極（２３）と、第一対向電極（２１）、第二対向電極（２２）及び放電電極（２３）の少なくとも一つに交流電圧を印加する電源部（１０）とを備え、第一対向電極（２１）と放電電極（２３）との間に第一荷電領域（２１１）が生成され、第二対向電極（２２）と放電電極（２３）との間に第一非荷電領域（２２１）が生成される第一期間と、第一対向電極（２１）と放電電極（２３）との間に第二非荷電領域（２１２）が生成され、第二対向電極（２２）と放電電極（２３）との間に第二荷電領域（２２２）が生成される第二期間とが周期的に繰り返され、第一荷電領域（２１１）及び第二荷電領域（２２２）において、粒子（９０）は同一の極性に荷電される。

Description

本発明は、気体中に含まれる粒子を荷電させる荷電装置、当該荷電装置を備える電気集塵機、並びに、当該電気集塵機を備える換気装置及び空気清浄機などの機器に関する。
従来、空気などの気体中に浮遊する粒子（物質）を、静電気力を利用して除去する電気集塵機が知られている。
このような電気集塵機は、主に、粒子に電荷を与える荷電部（荷電装置）と、この荷電部によって荷電（帯電）された粒子を収集する集塵部とを備えている。荷電部は、互いに向かい合って配置された一組の対向電極と、この一組の対向電極の間に配置された放電電極とを有している。荷電部においては、放電電極と各対向電極との間に直流の高電圧を印加することによってコロナ放電を生成し、これによって粒子は例えば正（プラス）に荷電される。
しかしながら、このような従来の荷電部では、直流高電圧による静電界が放電電極と各対向電極との間の領域で形成されているために、荷電された粒子がこの荷電部を通過する間に対向電極へ向かう静電気力を受けて、対向電極に付着してしまう。このように対向電極に付着した粒子が経時的に堆積してしまい、堆積した粒子（堆積層）によって、放電電極と対向電極との間の距離が縮められることがある。また、粒子が高抵抗物質である場合には、粒子の堆積層で逆電離現象が生じることもある。また、対向電極に一度付着した粒子が再飛散することもある。対向電極に粒子が堆積することによる以上のような現象に伴い、異常な放電であるスパーク（火花放電）が誘発されるおそれがある。スパーク発生時には、放電電極に大電流が流れるために、放電電極自身が発熱し、溶融又は断線に至り、荷電装置の故障を引き起こすおそれがある。
そこで、従来、放電電極と対向電極との間に交流電圧を印加し、交流コロナ放電を生成させる荷電部が提案されている（特許文献１参照）。この場合、交流電圧を印加しているために、荷電粒子は荷電部を蛇行しながら通過し、対向電極への付着を抑制することができる。
特開平１１−２１６３９１号公報
しかしながら、特許文献１に記載の荷電部では、交流コロナ放電を生成させているために、正及び負のイオンの両方が生成される。これに伴い、荷電部において、正に荷電された粒子と負に荷電された粒子とが生成される。このため、これらの荷電された粒子が集塵部へ至るまでの間に、正に荷電された粒子と負に荷電された粒子との間で電荷を中和させてしまい、荷電効率が悪くなるという問題がある。
もっとも、粒子同士の電荷の中和を抑制するために、交流電圧の周波数を低くすることも考えられるが、この場合、粒子の蛇行移動の振幅が大きくなるために電極への付着リスクが高まってしまうという問題が生じる。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、荷電効率の低下を抑制でき、かつ、粒子の電極への付着を抑制できる荷電装置などを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る荷電装置の一態様は、気体中の粒子を荷電させる荷電装置であって、互いに向かい合うように配置された第一対向電極及び第二対向電極と、前記第一対向電極と前記第二対向電極との間に配置される放電電極と、前記第一対向電極、前記第二対向電極及び前記放電電極の少なくとも一つに交流電圧を印加する電源部とを備え、前記交流電圧の印加により、前記第一対向電極と前記放電電極との間に第一荷電領域が生成され、前記第二対向電極と前記放電電極との間に第一非荷電領域が生成される第一期間と、前記第一対向電極と前記放電電極との間に第二非荷電領域が生成され、前記第二対向電極と前記放電電極との間に第二荷電領域が生成される第二期間とが周期的に繰り返され、前記第一荷電領域及び前記第二荷電領域において、前記粒子は同一の極性に荷電され、前記第一非荷電領域及び前記第二非荷電領域における前記粒子の荷電効率は、前記第一荷電領域及び前記第二荷電領域における前記粒子の荷電効率よりも低い。
また、上記課題を解決するために、本発明に係る荷電装置の一態様は、互いに向かい合うように配置された第一対向電極及び第二対向電極と、前記第一対向電極と前記第二対向電極との間に配置された放電電極と、前記第一対向電極、前記第二対向電極及び前記放電電極に電圧を印加する電源部と、を備え、前記第一対向電極の印加電位をＶ１、前記第二対向電極の印加電位をＶ２、前記放電電極の印加電位をＶ３とした場合、前記電源部は、Ｖ３＞Ｖ１かつＶ３≦Ｖ２となる第一期間と、Ｖ３＞Ｖ２かつＶ３≦Ｖ１となる第二期間とを周期的に繰り返するように、又は、Ｖ３＜Ｖ１かつＶ３≧Ｖ２となる第一期間と、Ｖ３＜Ｖ２かつＶ３≧Ｖ１となる第二期間とを周期的に繰り返するように、前記放電電極、前記第一対向電極及び前記第二対向電極に電圧を印加する。
また、上記課題を解決するために、本発明に係る電気集塵機の一態様は、上記荷電装置を備える。
また、上記課題を解決するために、本発明に係る換気装置の一態様は、上記電気集塵機を備える。
また、上記課題を解決するために、本発明に係る空気清浄機の一態様は、上記電気集塵機を備える。
本発明によれば、荷電効率の低下を抑制でき、かつ、粒子の電極への付着を抑制できる荷電装置などを提供できる。
図１は、実施の形態に係る電気集塵機の全体構成の概要を示すブロック図である。 図２は、実施の形態に係る電気集塵機の全体構成の概要を示す外観斜視図である。 図３は、実施の形態に係る荷電装置の回路構成の概要を示す回路図である。 図４は、実施の形態に係る荷電装置の各電極に印加される電位の波形を示すグラフである。 図５は、実施の形態に係る荷電装置の第一期間における動作を示す概略図である。 図６は、実施の形態に係る荷電装置の第二期間における動作を示す概略図である。 図７は、変形例に係る荷電装置の回路構成の概要を示す回路図である。 図８は、変形例に係る換気装置の外観図である。 図９は、変形例に係る空気清浄機の外観図である。 図１０は、変形例に係るエアコンディショナの外観図である。
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。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
（実施の形態）
［１．全体構成］
まず、実施の形態に係る荷電装置及び当該荷電装置を備える電気集塵機の全体構成について図面を用いて説明する。
図１は、本実施の形態に係る電気集塵機１の全体構成の概要を示すブロック図である。図２は、本実施の形態に係る電気集塵機１の全体構成の概要を示す外観斜視図である。
本実施の形態に係る電気集塵機１は、気体中の粒子を収集する装置である。電気集塵機１は、例えば、換気装置の一部として換気システムにおける給気ダクト内などに設置され、流入する気体中の粒子９０の少なくとも一部を除去して、清浄化された気体を吐出する。本実施の形態では、気体の一例として空気が用いられる。
図１に示されるように、電気集塵機１は、機能的には、荷電装置２と、集塵装置４とを備える。なお、図２において、気体が流れる方向をＺ軸方向としている。本実施の形態では、Ｚ軸方向正向きに気体が流れる（図２の矢印参照）。また、Ｚ軸方向に垂直で、互いに直交する二つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向としている。また、図２に示される第一対向電極２１及び第二対向電極２２の配列方向をＸ軸方向としている。気体は、電気集塵機１の外部に配置された送風機などによって、電気集塵機１の内部に導入される。なお、送風機は電気集塵機１の内部に配置されてもよい。
以下、荷電装置２及び集塵装置４について詳細に説明する。
［１−１．荷電装置］
荷電装置２は、電気集塵機１に流入する気体中の粒子９０を荷電（帯電）させる荷電粒子生成部である。荷電装置２について、図１及び図２に加えて、図３を用いて説明する。
図３は、本実施の形態に係る荷電装置２の回路構成の概要を示す回路図である。
図１及び図３に示されるように、荷電装置２は、電源部１０と、電極部２０とを備える。
電極部２０は、気体中の粒子９０を荷電させるためのコロナ放電を発生させる電極である。図２に示される矢印の向きに、電極部２０に流入した粒子９０は、電極部２０において荷電されて、荷電粒子９２として電極部２０から流出する。電極部２０は、互いに向かい合うように配置された第一対向電極２１及び第二対向電極２２と、第一対向電極２１と第二対向電極２２との間に配置される放電電極２３とを備える。なお、第一対向電極２１及び第二対向電極２２は、複数対あってもよい。つまり、第一対向電極２１及び第二対向電極２２は、少なくとも一対あればよい。また、図２に示されるように、第二対向電極２２は、二つの第一対向電極２１と向かい合うように配置されてもよい。
第一対向電極２１及び第二対向電極２２は、図２及び図３に示されるように、平板状の形状を有する。第一対向電極２１及び第二対向電極２２の長さ（図３の横方向の長さ、つまり、気体が流れる方向の長さ）は、例えば３０ｍｍ程度である。第一対向電極２１及び第二対向電極２２を形成する材料は、導電性材料であれば特に限定されない。第一対向電極２１及び第二対向電極２２は、例えばステンレスなどで形成される。
放電電極２３は、その近傍において放電を発生させる電極であり、第一対向電極２１及び第二対向電極２２の近傍と比べて、放電電極２３の近傍の方が、電界強度が大きくなるような形状を有する。本実施の形態では、放電電極２３は、図２及び図３に示されるように、細線状の形状を有する。放電電極２３の直径は、例えば、０．２５ｍｍ程度である。なお、放電電極２３の形状は細線状に限定されない。例えば、鋭角部を有する板状の形状を有してもよい。放電電極２３を形成する材料は、導電性材料であれば特に限定されない。放電電極２３は、例えばステンレス、タングステンなどで形成される。また、放電電極２３と第一対向電極２１及び第二対向電極２２との距離は、例えば、１５ｍｍ程度である。
電源部１０は、電極部２０の第一対向電極２１、第二対向電極２２及び放電電極２３の少なくとも一つに交流電圧を印加する機器である。本実施の形態では、電源部１０は、電源回路１２と、整流部１４とを備える。
電源回路１２は、交流電圧を出力する回路である。本実施の形態では、電源回路１２は、交流電圧として矩形状の波形を有する電圧を出力する。なお、交流電圧の波形は、矩形に限定されない。交流電圧の波形は、例えば、台形波状、三角形状、正弦波状、パルス波状などであってもよい。交流電圧の大きさは、例えば、１１ｋＶ程度であり、周波数は、例えば、１００Ｈｚ以上、１０ｋＨｚ以下程度である。電源回路１２には、例えば商用交流電源などの系統電源（不図示）から電力が供給される。図３に示されるように、本実施の形態では、電源回路１２の一方の出力端子は、第一対向電極２１が接続されたノードＮ１に接続される。また、電源回路１２の他方の出力端子は、第二対向電極２２が接続されたノードＮ２に接続される。なお、本実施の形態では、図３に示されるように、ノードＮ２は接地される。
整流部１４は、電源回路１２から出力された交流電圧を整流して放電電極２３に印加する回路である。整流部１４により、電源回路１２が出力する交流電圧の半周期において、放電電極２３は、第一対向電極２１又は第二対向電極２２のいずれか一方と同電位となる。本実施の形態では、整流部１４は、第一対向電極２１及び第二対向電極２２に印加される電位のうち、高電位となる電位を放電電極２３に印加する。
具体的には、整流部１４は、図３に示されるように、放電電極２３と第一対向電極２１との間に接続された第一整流素子１４１と、放電電極２３と第二対向電極２２との間に接続された第二整流素子１４２とを備える。第一整流素子１４１及び第二整流素子１４２として、例えばダイオードが用いられる。本実施の形態では、第一整流素子１４１のアノードがノードＮ１（つまり、第一対向電極２１）に、第一整流素子１４１のカソードがノードＮ３（つまり、放電電極２３）に、それぞれ接続される。また、第二整流素子１４２のアノードがノードＮ２（つまり、第二対向電極２２）に、第二整流素子１４２のカソードがノードＮ３（つまり、放電電極２３）に、それぞれ接続される。
［１−２．集塵装置］
集塵装置４は、気体中の荷電粒子９２を気体から分離して収集する装置である。集塵装置４には、荷電装置２で荷電された荷電粒子９２を含む気体が導入される。集塵装置４の構成は、荷電粒子９２を気体から分離できる構成であれば、特に限定されない。本実施の形態では、図１に示されるように、集塵装置４は、集塵電源部３０と、集塵電極部４０とを備える。
集塵電源部３０は、集塵電極部４０の各電極に電圧を印加する電源である。
集塵電極部４０は、荷電粒子９２を分離するための電界を形成する電極部である。本実施の形態では、集塵電極部４０は、高電位電極４１及び低電位電極４２を備える。
高電位電極４１は、低電位電極４２に対して高電位となるように集塵電源部３０から電圧が印加される電極である。高電位電極４１の構成は特に限定されない。高電位電極４１は、例えば、絶縁材料からなる基板上に形成された膜状の電極パターン、又は、絶縁材料上に埋め込まれたシート状又はワイヤー状の電極でもよい。また、このような電極パターン上にさらに絶縁膜を設けてもよい。絶縁材料からなる基板としては、例えば、セラミックス、ガラスエポキシなどを主成分として含む基板を用いることができる。電極パターンとしては、例えば、銅などを主成分として含む導電性膜を用いることができる。絶縁膜としては、例えば、シリコン酸化物などの絶縁材料を用いることができる。
低電位電極４２は、高電位電極４１に対して低電位となるように集塵電源部３０から電圧が印加される電極である。低電位電極４２の構成は特に限定されない。低電位電極４２は、例えば、絶縁材料からなる基板上に形成された膜状の電極パターン、又は、絶縁材料上に埋め込まれたシート状又はワイヤー状の電極でもよい。また、このような電極パターン上にさらに絶縁膜を設けてもよい。また、本実施の形態に係る電気集塵機１のように、粒子９０を主に正（プラス）に荷電させる場合には、低電位電極４２に荷電粒子９２が吸着される。そこで、低電位電極４２に吸着した荷電粒子９２を、進行波電界によって除去できる構成を採用してもよい。つまり、低電位電極４２として、例えば、図２に示されるように、複数の線状電極４２２を用いる。そして、荷電粒子９２を低電位電極４２に吸着させる場合には、各線状電極４２２を同電位に維持し、吸着された荷電粒子９２を除去する場合には、複数の線状電極４２２の各々に印加する電圧を変動させることによって進行波電界を形成させてもよい。これにより、集塵装置４のメンテナンス作業を軽減することができる。
高電位電極４１及び低電位電極４２の寸法は、気体の流速などに応じて適宜設計される。高電位電極４１と低電位電極４２との間の距離は、それらに印加する電位などに応じて適宜設計される。当該間隔は、例えば、４ｍｍ程度である。荷電粒子９２を収集する際には、高電位電極４１及び低電位電極４２には、それぞれ、例えば、４ｋＶ程度及び０Ｖの電位が印加される。また、低電位電極４２に付着した荷電粒子９２を除去する際には、低電位電極４２の各線状電極４２２には、進行波電界を形成するための変動電位が印加される。線状電極４２２の幅（図２のＹ軸方向における寸法）は、０．２ｍｍ程度であり、隣り合う線状電極４２２間の間隔は、０．４ｍｍ程度である。この場合、各線状電極４２２に、例えば最大値が８００Ｖ程度の変動電位が印加される。
［２．動作］
次に、本実施の形態に係る電気集塵機１の荷電装置２の動作について図面を用いて説明する。
図４は、本実施の形態に係る荷電装置２の各電極に印加される電位の波形を示すグラフである。図４のグラフ（ａ）には、第一対向電極２１及び第二対向電極２２に印加される電位の波形が示されている。グラフ（ａ）における実線及び破線の波形が、それぞれ、第一対向電極２１に印加される電位Ｖ１の波形、及び、第二対向電極２２に印加される電位Ｖ２の波形を示す。図４のグラフ（ｂ）には、放電電極２３に印加される電位Ｖ３の波形が示されている。
図４のグラフ（ａ）に示されるように、第一対向電極２１には、電源回路１２から出力された交流電圧に対応する電位が印加される。一方、第二対向電極２２は、接地されているため、その電位は０Ｖに維持される。なお、交流電圧の波形は、図４のグラフ（ａ）に示される例に限定されない。例えば、電源回路１２から出力が０Ｖである期間（休止期間）があってもよい。休止期間を設けることによって、コロナ放電のトータル電流量を低減することができるため、荷電装置２における消費電力を低減できる。また、休止期間を設けることによって、コロナ放電によって生じるオゾンの量を低減することもできる。
また、上述したとおり、放電電極２３には、電源回路１２から出力された交流電圧が整流部１４によって整流された電圧が印加される。つまり、放電電極２３には、第一対向電極２１及び第二対向電極２２に印加される電位のうち、高い方の電位と等しい電位が印加される。したがって、図４のグラフ（ｂ）に示されるように、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間においては、第一対向電極２１に−Ｖ０［Ｖ］、第二対向電極２２に０［Ｖ］の電位が印加されているため、放電電極２３には０［Ｖ］の電位が印加される。
以上のように、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間においては、第一対向電極２１側の放電電極２３近傍に、（コロナ放電を生成する）比較的強い電界が形成され、第二対向電極２２側の放電電極２３近傍には、（コロナ放電が生成されない程度の）比較的弱い電界が形成される。このような期間である第一期間における動作について、図５を用いて説明する。
図５は、本実施の形態に係る荷電装置２の第一期間における動作を示す概略図である。
図５に点線の矢印で示される電気力線から分かるとおり、第一期間においては、第一対向電極２１側の放電電極２３近傍に比較的強い電界が形成される。これにより第一対向電極２１と放電電極２３との間にコロナ放電が発生する。コロナ放電が発生することで、正イオン及び負イオン（又は電子）が第一対向電極２１と放電電極２３との間に発生する。ここで、コロナ放電は、電界強度の高い領域、すなわち、放電電極２３付近の領域において主に発生する。この領域で発生した負イオン（又は電子）は、放電電極２３までの短い距離を速やかに移動する。一方、この領域で発生した正イオン９５は、図５に示されるように、放電電極２３付近から第一対向電極２１まで移動する。したがって、第一期間における第一対向電極２１と放電電極２３との間の大部分の領域には、実質的に正イオン９５だけが存在する。これにより、当該領域に導入された粒子は、主に正に荷電される。このように第一期間において第一対向電極２１と放電電極２３との間に形成される領域を以下では第一荷電領域２１１と呼ぶ。なお、第一荷電領域２１１において、負イオンを多く存在させることも可能である。例えば、第一整流素子１４１及び第二整流素子１４２の向きをそれぞれ逆転させることにより、放電電極２３の電位を第一対向電極２１の電位以下として、第一荷電領域２１１において負イオンを多く存在させることができる。
また、第一期間において、第二対向電極２２及び放電電極２３の電位は、共に０［Ｖ］に維持されるため、第二対向電極２２側の放電電極２３近傍における電界強度は、第一荷電領域２１１より低い。このため、当該領域における粒子の荷電効率は、第一荷電領域２１１より低い。本実施の形態では、当該領域における粒子は、実質的に荷電されない。当該領域を以下では、第一非荷電領域２２１と呼ぶ。第一非荷電領域２２１では、０［Ｖ］の電位に維持された第二対向電極２２と−Ｖ０［Ｖ］の電位に維持された第一対向電極２１との間で生成される電界が存在する。第一非荷電領域２２１における空間平均電界のうち、第一対向電極２１及び第二対向電極２２の配列方向（図５の上下方向）における向きは、図５に示されるように、第二対向電極２２から第一対向電極２１に向かう向き（図５の上向き）である。なお、空間平均電界とは、所定の空間における電界の強度及び向きの平均で定義される。この向きは、第一荷電領域２１１における空間平均電界の上記配列方向における向きと一致している。つまり、第一期間においては、第一荷電領域２１１及び第一非荷電領域２２１の各々において、平均すると、第二対向電極２２から第一対向電極２１に向かう向き（図５の上向き）の電界が発生している。したがって、第一期間において、正に荷電された荷電粒子９２は、当該電界の向き（図５の上向き）に力を受ける。
一方、図４に示される時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間においては、第一対向電極２１側の放電電極２３近傍に、（コロナ放電が生成されない程度の）比較的弱い電界が形成され、第二対向電極２２側の放電電極２３近傍には、（コロナ放電を生成する）比較的強い電界が形成される。このような期間である第二期間における動作について、図６を用いて説明する。
図６は、本実施の形態に係る荷電装置２の第二期間における動作を示す概略図である。
図６に点線の矢印で示される電気力線から分かるとおり、第二期間においては、第二対向電極２２側の放電電極２３近傍に比較的強い電界が形成される。これにより第二対向電極２２と放電電極２３との間にコロナ放電が発生する。そして、上述した第一荷電領域２１１と同様に、第二期間における第二対向電極２２と放電電極２３との間の大部分の領域には、実質的に正イオン９５だけが存在する。これにより、当該領域に導入された粒子９０は、主に正に荷電される。このように第二期間において第二対向電極２２と放電電極２３との間に形成される領域を以下では第二荷電領域２２２と呼ぶ。
また、第二期間において、第一対向電極２１及び放電電極２３の電位は、共に＋Ｖ０［Ｖ］に維持されるため、第一対向電極２１側の放電電極２３近傍における電界強度は、第二荷電領域２２２より低い。このため、当該領域における粒子の荷電効率は、第二荷電領域２２２より低い。本実施の形態では、当該領域における粒子は、実質的に荷電されない。当該領域を以下では、第二非荷電領域２１２と呼ぶ。第二非荷電領域２１２では、＋Ｖ０［Ｖ］の電位に維持された第一対向電極２１と０［Ｖ］の電位に維持された第二対向電極２２との間で生成される電界が存在する。第二非荷電領域２１２における空間平均電界のうち、第一対向電極２１及び第二対向電極２２の配列方向（図６の上下方向）における向きは、図６に示されるように、第一対向電極２１から第二対向電極２２に向かう向き（図６の下向き）である。この向きは、第二荷電領域２２２における空間平均電界の上記配列方向における向きと一致している。つまり、第二期間においては、第一荷電領域２１１及び第一非荷電領域２２１の各々において、平均すると、第一対向電極２１から第二対向電極２２に向かう向き（図６の下向き）の電界が発生している。したがって、第二期間において、正に荷電された荷電粒子９２は、当該電界の向き（図６の下向き）に力を受ける。
以上のように、荷電装置２において、電源部１０によって電極部２０に交流電圧が印加されることにより、放電電極２３と第一対向電極２１との間に第一荷電領域２１１が生成され、第二対向電極２２と放電電極と２３の間に第一非荷電領域２２１が生成される第一期間と、第一対向電極２１と放電電極２３との間に第二非荷電領域２１２が生成され、第二対向電極２２と放電電極２３との間に第二荷電領域２２２が生成される第二期間とが周期的に繰り返される。ここで、第一荷電領域２１１及び第二荷電領域２２２において、粒子９０は同一の極性に荷電される。本実施の形態では、粒子９０は正に荷電される。第一非荷電領域２２１及び第二非荷電領域２１２における粒子９０の荷電効率は、第一荷電領域２１１及び第二荷電領域２２２における粒子９０の荷電効率よりも低い。
また、言い換えると、本実施の形態に係る荷電装置２において、図４に示されるように、第一対向電極２１の印加電位をＶ１、第二対向電極２２の印加電位をＶ２、放電電極２３の印加電位をＶ３とした場合、電源部１０は、Ｖ３＞Ｖ１かつＶ３＝Ｖ２となる第一期間と、Ｖ３＞Ｖ２かつＶ３＝Ｖ１となる第二期間とを周期的に繰り返するように、第一対向電極２１、第二対向電極２２及び放電電極２３に電位を印加する。
これにより、荷電装置２では、第一荷電領域２１１又は第二荷電領域２２２のいずれか一方で粒子９０を荷電させることができる。また、本実施の形態に係る荷電装置２においては、第一荷電領域２１１及び第二荷電領域２２２を通過する粒子９０を同一の極性に荷電させる。つまり、単極性イオン（本実施の形態では正イオン）によって、粒子９０を荷電させることができる。したがって、正及び負のイオンによって荷電された粒子９０が混在して、正に荷電された粒子と負に荷電された粒子とで互いに電荷を中和させてしまうことが抑制される。その結果、荷電効率の低下を抑制できる。
また、本実施の形態では、第一期間において、第二対向電極２２に放電電極２３と同じ電位が印加される。このため、例えば、第二対向電極２２に第一対向電極２１と同じ電位が印加される場合より、放電電極２３近傍の局所的電界が緩和される。これに伴いコロナ放電の開始に必要とされる印加電圧が高くなる。これにより、第一荷電領域２１１における空間電界強度を向上させることができる。ここで、荷電装置２を通過する粒子９０の飽和帯電量ｑは、以下の式（１）で表される。
Figure 2017212688
なお、上記式（１）において、ε０は真空の誘電率を、εｓは粒子の比誘電率を、ａは粒子の半径を、Ｅは荷電電界強度（空間電界強度）を、それぞれ表す。上記式（１）に示されるように、飽和帯電量ｑは荷電電界強度Ｅに比例する。したがって、本実施の形態においては、粒子９０の飽和帯電量ｑを増大させることができる。第二期間においても第一期間と同様に、飽和帯電量ｑを増大させることができる。
しかも、本実施の形態では、第一対向電極２１と第二対向電極２２との間に発生する電界の向きは第一期間と第二期間とで逆向きとなる。したがって、荷電粒子９２は、蛇行しながら、第一対向電極２１と第二対向電極２２との間を通過する。これにより、荷電粒子９２が第一対向電極２１及び第二対向電極２２に付着するのを抑制することもできる。
また、上述のとおり、第一期間において、第一荷電領域２１１における空間平均電界のうち、第一対向電極２１と第二対向電極２２との配列方向の成分の向きと、第一非荷電領域２２１における空間平均電界のうち、上記配列方向の成分の向きとは、一致している。また、第二期間において、第二荷電領域２２２における空間平均電界のうち、上記配列方向の成分の向きと、第二非荷電領域２１２における空間平均電界のうち、上記配列方向の成分の向きとは、一致している。したがって、本実施の形態では、第一対向電極２１と第二対向電極２２との間の空間において、第一期間では、平均空間電界の向きは、第二対向電極２２から第一対向電極２１に向かう向きであり、第二期間では、第一対向電極２１から第二対向電極２２に向かう向きである。このように、当該空間全体において、第一期間と第二期間とで、電界の向きが逆転するため、荷電粒子９２は、当該空間のどの位置においても、蛇行しながら当該空間を通過する。したがって、荷電粒子９２が第一対向電極２１及び第二対向電極２２に付着することを抑制できる。
本実施の形態では、第一期間及び第二期間は、粒子９０が第一対向電極２１と第二対向電極２２との間の領域を通過するのに要する通過時間よりも短い。これにより、粒子９０が、第一荷電領域２１１及び第二荷電領域２２２のいずれも通過することなく、荷電装置２から流出することを抑制できる。したがって、粒子９０が荷電されることなく第一対向電極２１と第二対向電極２２との間の領域を通過することを抑制できる。
また、本実施の形態では、第一期間及び第二期間における荷電装置２の状態を、一つの電源回路１２と二つの整流素子だけを用いて電源部１０を構成している。このように、本実施の形態では、電源部１０の構成を簡素化することで、電源部１０の小型化及び低コスト化を実現できる。
［３．まとめ］
以上のように、本実施の形態に係る荷電装置２は、互いに向かい合うように配置された第一対向電極２１及び第二対向電極２２と、第一対向電極２１と第二対向電極２２との間に配置される放電電極２３と、第一対向電極２１、第二対向電極２２及び放電電極２３の少なくとも一つに交流電圧を印加する電源部１０とを備える。当該交流電圧の印加により、第一対向電極２１と放電電極２３との間に第一荷電領域２１１が生成され、第二対向電極２２と放電電極２３との間に第一非荷電領域２２１が生成される第一期間と、第一対向電極２１と放電電極２３との間に第二非荷電領域２１２が生成され、第二対向電極２２と放電電極２３との間に第二荷電領域が２２２生成される第二期間とが周期的に繰り返される。ここで、第一荷電領域２１１及び第二荷電領域２２２において、粒子９０は同一の極性に荷電され、第一非荷電領域２２１及び第二非荷電領域２１２における粒子９０の荷電効率は、第一荷電領域２１１及び第二荷電領域２２２における粒子９０の荷電効率よりも低い。
これにより、荷電装置２では、第一期間においては第一荷電領域２１１で、第二期間においては第二荷電領域２２２で粒子９０を荷電させることができる。また、本実施の形態に係る荷電装置２においては、第一荷電領域２１１及び第二荷電領域２２２を通過する粒子９０を同一の極性に荷電させる。つまり、単極性イオン（本実施の形態では正イオン）によって、粒子９０を荷電させることができる。したがって、正及び負のイオンによって荷電された粒子９０が混在して、正に荷電された荷電粒子と負に荷電された荷電粒子とで互いに電荷を中和させてしまうことが抑制される。その結果、荷電効率の低下を抑制できる。
しかも、第一対向電極２１には、交流電圧が印加されるため、第一対向電極２１と第二対向電極２２との間に発生する電界の向きは第一期間と第二期間とで逆向きとなる。したがって、荷電粒子９２は、蛇行しながら、第一対向電極２１と第二対向電極２２との間を通過する。これにより、荷電粒子９２が第一対向電極２１及び第二対向電極２２に付着するのを抑制することもできる。
また、本実施の形態に係る荷電装置２において、第一期間において、第一荷電領域２１１における空間平均電界のうち、第一対向電極２１と第二対向電極２２との配列方向の成分の向きと、第一非荷電領域２２１における空間平均電界のうち、配列方向の成分の向きとは一致しており、第二期間において、第二荷電領域２２２における空間平均電界のうち、配列方向の成分の向きと、第二非荷電領域２１２における空間平均電界のうち、配列方向の成分の向きとは一致してもよい。
このように、本実施の形態に係る荷電装置２では、第一対向電極２１と第二対向電極２２との間の空間全体において、第一期間と第二期間とで、電界の向きが逆転するため、荷電粒子９２は、当該空間のどの位置においても、蛇行しながら当該空間を通過する。このため、荷電粒子９２が第一対向電極２１及び第二対向電極２２に付着することを抑制できる。
また、本実施の形態に係る電気集塵機１において、第一期間及び第二期間は、粒子９０が第一対向電極２１と第二対向電極２２との間の領域を通過するのに要する通過時間よりも短くてもよい。
これにより、粒子９０が、第一荷電領域２１１及び第二荷電領域２２２のいずれも通過することなく、荷電装置２から流出することを抑制できる。したがって、粒子９０が荷電されることなく第一対向電極２１と第二対向電極２２との間の領域を通過することを抑制できる。
また、本実施の形態に係る電気集塵機１において、電源部１０は、放電電極２３と第一対向電極２１との間に接続された第一整流素子１４１と、放電電極２３と第二対向電極２２との間に接続された第二整流素子１４２とをさらに備える。ここで、交流電圧の半周期において、放電電極２３は、第一対向電極２１又は第二対向電極２２のいずれか一方と同電位であってもよい。
これにより、本実施の形態では、電源部１０の構成を簡素化することできる。したがって、電源部１０の小型化及び低コスト化を実現できる。
また、本実施の形態に係る電気集塵機１は、荷電装置２を備える。
これにより、電気集塵機１は、上述した荷電装置２と同様の効果を奏することができる。
（変形例など）
以上、本発明に係る電気集塵機１について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、荷電装置は、放電電極２３と、第一対向電極２１及び第二対向電極２２との間に生じる浮遊容量の残留電荷を低減する構成を備えてもよい。浮遊容量の残留電荷の影響によって、各電極における電位変化に遅延が生じ得る。このように電位変化に遅延が生じることによって、想定どおりの荷電条件が得られなくなる。これに伴い、例えば、コロナ放電が異常放電となること、荷電時間が想定より短くなることなどが発生し得る。以下、浮遊容量の残留電荷を低減する構成を備える荷電装置について図面を用いて説明する。
図７は、変形例に係る荷電装置２ａの回路構成の概要を示す回路図である。
図７に示されるように、変形例に係る荷電装置２ａは、上記実施の形態に係る荷電装置２に加えて、第一整流素子１４１と並列に接続される第一抵抗素子１６１と、第二整流素子１４２と並列に接続される第二抵抗素子１６２とを備える。このように第一抵抗素子１６１と、第二抵抗素子１６２とを備えることにより、電極間に生じる浮遊容量の残留電荷を低減することができる。ただし、各抵抗素子において、オーム損失が発生するため、各抵抗素子の抵抗値は、浮遊容量による残留電荷の影響を低減し、かつ、オーム損失も抑制できる程度に定められる。各抵抗素子の抵抗値は、例えば、１０ＭΩ程度とすることができる。
また、上記実施の形態では、電源部１０は、Ｖ３＞Ｖ１かつＶ３＝Ｖ２となる第一期間と、Ｖ３＞Ｖ２かつＶ３＝Ｖ１となる第二期間とを周期的に繰り返するように、第一対向電極２１、第二対向電極２２及び放電電極２３に電位を印加したが、電源部１０が印加する電位は、これに限定されない。電源部１０は、Ｖ３＞Ｖ１かつＶ３≦Ｖ２となる第一期間と、Ｖ３＞Ｖ２かつＶ３≦Ｖ１となる第二期間とを周期的に繰り返するように電位を印加してもよい。また、荷電装置２において、粒子９０を負に荷電させる場合には、Ｖ３＜Ｖ１かつＶ３≧Ｖ２となる第一期間と、Ｖ３＜Ｖ２かつＶ３≧Ｖ１となる第二期間とを周期的に繰り返するように電位を印加してもよい。
このような電位を印加する構成により、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。また、当該構成により、例えば第一期間において、第二対向電極２２に第一対向電極２１と同じ電位が印加される場合より、放電電極２３近傍の局所的電界が緩和される。これに伴いコロナ放電の開始に必要とされる印加電圧が高くなる。これにより、第一荷電領域２１１における空間電界強度を向上させることができるため、上記式（１）を用いて説明した通り、荷電装置を通過する粒子９０の飽和帯電量ｑを増大させることができる。第二期間においても第一期間と同様に、飽和帯電量ｑを増大させることができる。
また、上記のような電位を印加する構成を採用する場合、電源部１０の構成を変更してもよい。例えば、放電電極２３を接地し、第一対向電極２１及び第二対向電極２２の各々に電位を印加するための二つの互いに同期された電源回路を備えてもよい。これにより、Ｖ１、Ｖ２及びＶ３の大小関係を任意に設定することができる。
また、集塵装置の構成は、荷電粒子９２を気体から分離できる構成であればよく、上記実施の形態に係る集塵装置４に限定されない。例えば、集塵装置において、気体が流れる方向に対して交差する方向に進行する進行波電界を発生させることによって、荷電粒子９２を気体から分離させてもよい。具体的には、上記低電位電極４２のような複数の線状電極を有する電極を複数配列して、当該電極の各線状電極に変動電圧を印加することによって、電極間に進行波電界を発生させる。そして、それらの電極間に荷電粒子９２が含まれる気体を導入することによって、荷電粒子９２を気体から分離してもよい。これにより、電極に荷電粒子９２が付着することを抑制できる。
また、集塵装置として、帯電させた繊維質フィルタを用いてもよい。これにより簡素化された構成を有する集塵装置を実現できる。
なお、上記実施の形態及び変形例に係る荷電装置及びそれを備える電気集塵機は、様々な機器に利用することができる。例えば、本発明の一態様は、図８に示すような換気装置としても実現することができる。図８は、本変形例に係る換気装置の外観図である。図８に示す換気装置は、例えば、内部に上記実施の形態に係る電気集塵機１を備え、換気システムにおいて用いられる。
また、例えば、本発明の一態様は、図９に示すような空気清浄機としても実現することができる。図９は、本変形例に係る空気清浄機の外観図である。図９に示す空気清浄機は、例えば、内部に上記実施の形態に係る電気集塵機１を備える。
また、例えば、本発明の一態様は、図１０に示すようなエアコンディショナとしても実現することができる。図１０は、本変形例に係るエアコンディショナの外観図である。図１０に示すエアコンディショナは、例えば、内部に上記実施の形態に係る電気集塵機１を備える。
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、又は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
１ 電気集塵機
２、２ａ 荷電装置
１０ 電源部
２１ 第一対向電極
２２ 第二対向電極
２３ 放電電極
９０ 粒子
９２ 荷電粒子
１４１ 第一整流素子
１４２ 第二整流素子
１６１ 第一抵抗素子
１６２ 第二抵抗素子
２１１ 第一荷電領域
２１２ 第二非荷電領域
２２１ 第一非荷電領域
２２２ 第二荷電領域

Claims (9)

  1. 気体中の粒子を荷電させる荷電装置であって、
    互いに向かい合うように配置された第一対向電極及び第二対向電極と、
    前記第一対向電極と前記第二対向電極との間に配置される放電電極と、
    前記第一対向電極、前記第二対向電極及び前記放電電極の少なくとも一つに交流電圧を印加する電源部とを備え、
    前記交流電圧の印加により、前記第一対向電極と前記放電電極との間に第一荷電領域が生成され、前記第二対向電極と前記放電電極との間に第一非荷電領域が生成される第一期間と、前記第一対向電極と前記放電電極との間に第二非荷電領域が生成され、前記第二対向電極と前記放電電極との間に第二荷電領域が生成される第二期間とが周期的に繰り返され、
    前記第一荷電領域及び前記第二荷電領域において、前記粒子は同一の極性に荷電され、
    前記第一非荷電領域及び前記第二非荷電領域における前記粒子の荷電効率は、前記第一荷電領域及び前記第二荷電領域における前記粒子の荷電効率よりも低い
    荷電装置。
  2. 前記第一期間において、前記第一荷電領域における空間平均電界のうち、前記第一対向電極と前記第二対向電極との配列方向の成分の向きと、前記第一非荷電領域における空間平均電界のうち、前記配列方向の成分の向きとは一致しており、
    前記第二期間において、前記第二荷電領域における空間平均電界のうち、前記配列方向の成分の向きと、前記第二非荷電領域における空間平均電界のうち、前記配列方向の成分の向きとは一致している
    請求項１に記載の荷電装置。
  3. 前記第一期間及び前記第二期間は、前記粒子が前記第一対向電極と前記第二対向電極との間の領域を通過するのに要する通過時間よりも短い
    請求項１又は２に記載の荷電装置。
  4. 前記電源部は、前記放電電極と前記第一対向電極との間に接続された第一整流素子と、前記放電電極と前記第二対向電極との間に接続された第二整流素子とをさらに備え、
    前記交流電圧の半周期において、前記放電電極は、前記第一対向電極又は前記第二対向電極のいずれか一方と同電位である
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の荷電装置。
  5. 前記荷電装置は、前記第一整流素子と並列に接続される第一抵抗素子と、前記第二整流素子と並列に接続される第二抵抗素子とをさらに備える
    請求項４に記載の荷電装置。
  6. 互いに向かい合うように配置された第一対向電極及び第二対向電極と、
    前記第一対向電極と前記第二対向電極との間に配置された放電電極と、
    前記第一対向電極、前記第二対向電極及び前記放電電極に電圧を印加する電源部と、を備え、
    前記第一対向電極の印加電位をＶ１、前記第二対向電極の印加電位をＶ２、前記放電電極の印加電位をＶ３とした場合、
    前記電源部は、Ｖ３＞Ｖ１かつＶ３≦Ｖ２となる第一期間と、Ｖ３＞Ｖ２かつＶ３≦Ｖ１となる第二期間とを周期的に繰り返するように、又は、Ｖ３＜Ｖ１かつＶ３≧Ｖ２となる第一期間と、Ｖ３＜Ｖ２かつＶ３≧Ｖ１となる第二期間とを周期的に繰り返するように、前記放電電極、前記第一対向電極及び前記第二対向電極に電圧を印加する
    荷電装置。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の荷電装置を備える
    電気集塵機。
  8. 請求項７に記載の電気集塵機を備える
    換気装置。
  9. 請求項７に記載の電気集塵機を備える
    空気清浄機。
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