JP2008515165A - 空気イオン化モジュールおよび方法 - Google Patents

Abstract

流動する空気または他の気体の流れの中に、一方および反対の極性のイオンを発生させるための空気イオン化モジュールおよび方法は、流動する流れの、その最大流速領域内に取り付けられたフィラメント電極を含む。細いフィラメント電極が多面の多角形形状に取り付けられ、交互に変わる一方および反対の極性の高いイオン化電圧を受けて、フィラメント電極の上流に配置され、電気的に絶縁されたリファレンス電極に向かう強いイオン流を形成する。フィラメント電極の下流の流動する流れの中に配置された別のリファレンス電極は、選択された極性のバイアス電圧を受けて、イオンおよび流動する気体の出口流における、生成された陽極性および陰極性のイオンの量を制御する。

Description

本発明は、帯電物上の静電荷を中和するために、実質的に平衡のとれた量の空気の陽イオンおよび陰イオンを含む気流を発生させる装置および方法に関する。

ある種の周知の除電器（static-charge neutralizers:静電荷中和装置）は、一般に昇圧器（step-up transformer）に印加される交流（ＡＣ）で動作して、先端の鋭い電極に印加される高いイオン化電圧を発生させる。理想的には、そうした中和装置の動作によって、電気的に平衡のとれた量の陽イオンおよび陰イオンからなる移動する気流を発生させて、中和しようとする不所望の静電荷を有する近接した物体へ発生させたイオンを含む気流を向けることができるようにすべきである。

バイアスされた制御格子、フローティング電源などを用いて、移動する気流の中を移送される陽イオンおよび陰イオンの量を実質的に平衡化するための様々な電気回路が知られている。しかし、そうした通常の平衡回路は、一般にかさばった変圧器を含み、手動による平衡化またはオフセット調整の能力が不足している。

さらに通常のイオン化装置は、低効率のイオン生成、および電極先端における高い電流密度に起因するエミッタ電極の腐食を呈し、腐食した電極先端に起因する付随的な粒子状の汚染物を伴う。チタンまたはシリコンで形成された電極は、時間と共にイオン生成効率の低下の一因となる電極腐食の速度を低下させることができるが、複雑な装置における腐食した電極の交換が結果として起こり、きわめて費用のかかるメンテナンスの必要性が高まる。

したがって、容易に修理すること、ならびに好都合には、オフセット制御および手動による平衡化のための調整が可能なメンテナンスに手間のかからない装置を用いて、流動する気流の中に平衡のとれた量の空気イオンを効率的に発生させることが望ましい。

本発明の一実施形態によれば、静電気帯電した物体の方へ、あるいは中和すべき不平衡な空気イオンの環境に向けることができる、実質的に平衡のとれた流動する陽イオンおよび陰イオンの流れを効率的に発生させるために、イオン化モジュールが印加されたＡＣで動作する。イオン化電極は、最大流速の気流領域内に閉じた形に成形された細いワイヤを含み、イオン生成効率および平衡制御を向上させるために、イオン化電極の上流および下流の、一般に異なる距離のところにリファレンス（reference）電極が配置される。イオン化電極には高圧電源回路が接続され、下流のリファレンス電極にバイアスとして供給するために低電圧としてトラップされる。気流の中を流れる陽イオンと陰イオンの平衡化を助けるために、流動する気流の中に絶縁材料からなる出口構造が配置される。

次に図１の側面図を参照すると、実質的に支持ハウジング１７の入力ポートと出力ポート１３、１５の間に並ぶ長手方向の軸のまわりで、ファン・ブレードを回転させるように配置されたファン１１が示してある。本明細書において後で詳しく述べるイオン化電極１９は、絶縁ハウジング１７内のファン１１の下流位置に支持されている。１対のリファレンス電極２１、２３は、絶縁ハウジング１７内の上流および下流の、イオン化電極１９に対して概して異なる距離のところに支持されている。出口ポート１５全体にわたって絶縁格子構造２５が配置され、陽イオンおよび陰イオンを含む流動する気流を、それを通して静電荷が中和される荷電体２０の方へ送る。

高圧電源装置２７は、コンデンサ３１を通してイオン化電極１９に接続された二次巻線である１つの端子、および調整可能な分圧器または電位差計３３を通して接地するように接続された二次巻線である別の端子を有する昇圧器２９を含んでいる。分圧器３３から得られる調整可能なＡＣ電圧は整流され（３５）、ＤＣバイアス電圧として下流のリファレンス電極２３に印加される。もちろん別法として、一方の極性と反対の極性の高いイオン化電圧の間で繰り返し切り換わる電源装置によって、イオン化電極１９に電圧を印加することもできる。電極１９、２１、２３はすべて、絶縁ハウジング１７内に支持されているため、接地から電気的に絶縁されている。

動作時には、実質的に入口ポートと出力ポート１３、１５の間に並ぶ回転軸のまわりのファン１１の回転に応答して、空気が入口ポート１３を通ってハウジング１７に流入する。図５のグラフに示すように、ファン１１の半径方向のブレードによって決まる空気の最大流速３７は、ファン１１の回転軸から半径方向に選択されたある変位のところで生じる。したがって図４Ａ、４Ｂに示すように、イオン化電極１９は、最大気流速度の領域内に、実質的に連続した細い導電性フィラメントとして配置される。細いフィラメントまたはワイヤ１９は、タングステンまたはステンレス鋼、あるいはそうした材料を含む金めっきが施された複合構造で形成され、直径は約２０〜２００ミクロンの範囲内、また十分な機械的強度を与えると同時にイオン化電極１９の全長に沿って高いイオン化電界強度を促すには、５０〜６０ミクロンの範囲であることが好ましい。イオン化電極１９は、絶縁ハウジング１７内で実質的に閉じた形、すなわち多角形のイオン化電極を形成し、その閉じた領域が入口ポートと出口ポート１３、１５の間の気流の方向に対して実質的に垂直に配置された複数の絶縁マウント３９に支持されている。

図４Ｂに示した実施形態では、マウント３９は、最大気流速度が生じる直径にきわめて近い「直径」３７の円に近い、１５面の多角形形状としてイオン化電極ワイヤ１９を支持している。図４Ａに示した実施形態では、イオン化電極ワイヤ１９は、より少ない（５個の）マウント３９で支持され、実質的にファン１１からの最大気流速度領域内に配置された特徴的な五角形を形成している。実質的に閉じた多角形形状のイオン化電極ワイヤ１９の製造しやすさ、および適切な支持に関しては、約５〜７個のマウント３９が好ましい。図４Ａに示した実施形態では、電極ワイヤ１９の両端間に配置されたばね４１が、電極ワイヤを実質的に剛体のマウント３９のまわりで張った状態に維持し、図４Ｂに示した実施形態では、１つまたは複数の弾性のマウント３９が、それによって支持される電極ワイヤ１９の環における張力を維持する。

再び図１を参照すると、イオン化電極１９の上流および下流に配置された１組のリファレンス電極２１、２３が示してある。これらのリファレンス電極２１、２３はそれぞれ、ファン１１によって生成される最大気流速度領域内に、ファン１１の回転軸のまわりに同心円状に取り付けられた１つまたは複数の導電性リング４５、４７を含むことができる。したがって図５のグラフに示すように、同心リングの電極４５、４７を、ファン１１の回転軸から半径４９、５１に近いところ、すなわちファン１１によって生成される最大気流速度領域内およびそのまわりに支持することができる。

図示した図１の回路から、上流のリファレンス電極２１は接続されておらず（すなわち、「フローティング」電位の状態にあり）、最も近い電極１９とはそれらの間の分布容量によって緩やかに容量結合されているにすぎないことに留意すべきである。さらに、上流および下流のリファレンス電極２１、２３内の１つまたは複数の導電性リング４５、４７は、リファレンス電極４５、４７からのイオン化を確実になくすために、例えばイオン化電極ワイヤ１９の直径の１０〜１００倍など、ずっと太い直径の導体で形成される。さらに、上流のリファレンス電極２１は、下流のリファレンス電極２３よりもイオン化電極１９の近くに配置される。これによって、上流のリファレンス電極２１およびイオン化電極１９を通る気流と反対方向の、強いまたは高密度の生成イオンの流れが促され、流動する気流における生成イオンの捕捉が増進される。イオン化電極１９に印加される高いＡＣ電圧の一方の半サイクルの間に生成される一方の極性のイオンは、フローティングリファレンス電極２１の方へ移動して、その電極２１を一方の極性の静電圧に帯電させる。しかし、高いＡＣ電圧の別の半サイクルの間に生成された反対の極性のイオンは、フローティングリファレンス電極２１の方へ移動してその電極２１を放電させ、その電極を反対の極性の静電圧に帯電させる。

定常状態の動作では、反対方向に流れるファン１１からの気流内での捕捉のために、高いイオン電流密度が上流のリファレンス電極２１とイオン化電極１９の間を流れ、リファレンス電極２１の電位は約ゼロボルトに落ち着く。上流のリファレンス電極２１のイオン化電極１９からの間隔は、下流のリファレンス電極２３が設定されるイオン化電極１９からの距離Ｌ_２よりも近い距離Ｌ_１に設定され、間隔Ｌ_１の範囲内のイオン電流を高め、流動する気流の中で生成イオンを巻き込む効率を改善する。

高いイオン化の静電界強度、およびその結果生じるイオン生成を避けるために、下流のリファレンス電極２３は、イオン化電極１９からより大きい距離Ｌ_２に設定され、例えばイオン化電極ワイヤ１９の直径の１０〜１００倍の太い寸法の１つまたは複数のリング状の導体４５、４７を含むことができる。代わりに、下流のリファレンス電極２３は、変圧器２９の二次回路に接続された分圧器３３、および整流器３５を含むＤＣバイアス電源に接続される。このように、一方の極性（通常は負）のＤＣバイアス電圧を下流のリファレンス電極２３に提供して、その一方の極性（負の空気イオンより移動度が大きいため、通常は負）の過剰なイオンをはじくようにする。さらに、分圧器３３が変圧器２９の二次巻線を流れる電流を伝導するように接続されるため、イオン化電極１９に印加される高いＡＣイオン化電圧のそれぞれの半サイクルでイオン生成が高まることによって二次巻線を流れる電流が高まり、下流のリファレンス電極２３により高いバイアス電圧が供給されるようになる。定常状態の動作では、下流のリファレンス電極２３に供給されるＤＣバイアス電圧は、下流のリファレンス電極２３を通る気流の中を平衡のとれた量の陽イオンおよび陰イオンが流れる（通常は負の極性の）電圧とほぼ同じである。図３のグラフに示すように、ゼロ・オフセットまたは陽イオンと陰イオンの平衡のとれた流れを確立するために、そうしたバイアス電圧を約−２３０ボルトとすることができる。図３のグラフによって示すように、実質的な正のオフセット電圧は、印加バイアス・ゼロで下流のリファレンス電極２３を動作させることによって得られる。したがって、イオン化電極１９から距離Ｌ_２の間隔をおいて配置された下流のリファレンス電極２３を通る、生成された陽イオンと陰イオンの平衡のとれた流れに対して、図示した本発明の実施形態では、約−２３０ボルトの負のＤＣバイアスをリファレンス電極２３に印加することができる。ただし、分圧器３３によって与えられるＤＣバイアス電圧は、所望されるように、図３のグラフの曲線４６によって近似される広い範囲の出口イオン流のオフセット電圧を提供するように調整することができる。１つまたは複数のリング状の導体４５、４７、好ましくは図２、３に示した同心配列の２〜６個の導体は、流動する気流の最大速度領域内に配置される。上流のリファレンス電極２１のイオン化電極１９からの距離Ｌ_１に対して、イオン化電極１９から距離Ｌ_２のところにある実質的に共通な平面内に位置する選択された直径の導体４５、４７の数は、ファン１１からの流動する気流の中に生成される陽イオンと陰イオンの平衡のとれた流れを確立するために下流のリファレンス電極２３に求められる、バイアス・レベルに影響を及ぼす。理想的には、整流器３５および分圧器３３を含むバイアス電源は、接地に対して低い出力インピーダンスを示し、高いイオン化電圧およびハウジング１７の外側の放射線放射に対する静電スクリーンとして働く。

本発明の一実施形態では、Ｌ_２／Ｌ_１の比が約１．０１〜１．５の範囲内、好ましくは約１．１５である場合、上流のリファレンス電極２１はイオン化電極１９から約０．２〜１．５インチ、好ましくは約０．５インチに配置され、下流のリファレンス電極２３はイオン化電極１９から約０．３〜２インチ、好ましくは約０．６〜０．７５インチに配置される。

図２を参照すると、実質的には図１に示したものであるがファン１１のない、空気イオン化モジュールの側面図が示してある。そうしたモジュールの複数のものを気流の中に積み重ねて配置し、生成されたイオンを、例えば非帯電性のワークステーションを伴う環境に分配することができる。そうしたモジュールは、本明細書において同様の参照番号を用いて図１に関連して述べた、対応する構成要素に類似の構成要素を含んでいる。下流のリファレンス電極２３は、追加の同心リングの導体４８を含むことが可能であり、また好都合には、そうした各モジュールと共に設置するために、高圧電源およびバイアス電源２７、３５をひとまとめにすることができる。外部の物体によるモジュールの内部構成要素および構造への偶発的な侵入に対する機械的障壁として、出口ポート１５全体に絶縁材料で形成されたスクリーン格子５４が配置されている。電気的絶縁材料からなるそうしたスクリーン格子は、一方の極性の表面電荷を蓄積することが可能であり、その場合、表面電荷がその一方の極性のイオンをはじき、反対の極性のイオンを引きつけて、生成されたイオンの出口流の自己平衡を促す。

したがって、本発明による空気イオン化モジュールまたはイオン生成装置、および生成方法は、気流に対するイオンの移動効率を高めるために、気流と反対の方向に強いイオン流を生じさせる。好都合なバイアス回路は、両極性のイオンの平衡およびイオンの不平衡を含む範囲全体にわたって、出口イオン流のオフセット電圧を調整する。先端の鋭い電極ではなく、細いワイヤ電極に沿ってイオンを発生させて、流動する気流の中の最大気流速度領域全体にわたって分布させるようにする。軸のまわりを回転する半径方向のファン・ブレードを有するファンを伴う動作では、イオン生成および流動する気流に対するイオンの移動を高めるために、細いワイヤのイオン化電極を、実質的にファン・ブレードの回転軸に対して垂直方向を向いた平面内に支持される、閉じた領域の多角形または円として構成することが可能である。

本発明の一実施形態による装置および回路の側面図である。 本発明の別の実施形態によるイオン化装置のセルの側面図である。 出口の気流におけるイオン流のオフセット電圧を、下流のリファレンス電極に印加されるバイアス電圧の関数として示すグラフである。 本発明によるイオン化電極の一実施形態の正面図である。 本発明によるイオン化電極の他の実施形態の正面図である。 本発明による使用に対して、半径方向のファンからの気流の流速が最大になる領域を示すグラフである。

Claims (21)

1. 入口と出口の間を通って流れるガスを閉じ込めるように構成された流路を含むハウジングと、
   イオン化電圧を受けるように、前記入口と出口の中間の前記流路内に配置されたイオン化電極と、
   前記入口と前記イオン化電極の中間の前記流路内に、電気的絶縁状態で配置された第１のリファレンス電極と、
   バイアス電圧を受けるように、前記イオン化電極と前記出口の中間の前記流路内に配置された第２のリファレンス電極と
   を備えたイオン生成装置。
2. 前記イオン化電極が、前記流路を通るガス流路に対して垂直に配置された領域の境界を示す多面の多角形の状態で前記流路内に支持されている、請求項１に記載のイオン生成装置。
3. 前記イオン化電極が、複数の支持要素の間に配置された導電性フィラメントを含む、請求項２に記載のイオン生成装置。
4. 前記フィラメントが環として構成され、前記支持要素の少なくとも１つが、該支持要素のまわりで前記環に弾性的に張力をかける、請求項３に記載のイオン生成装置。
5. 前記複数の支持要素のまわりで前記フィラメントに張力をかけるように配置された弾性部材を含む、請求項３に記載のイオン生成装置。
6. 前記第１のリファレンス電極が前記イオン化電極から距離Ｌ_１の間隔をおいて配置され、前記第２のリファレンス電極が前記イオン化電極から距離Ｌ_２の間隔をおいて配置され、前記距離Ｌ_２が前記距離Ｌ_１より大きい、請求項１に記載のイオン生成装置。
7. Ｌ_２／Ｌ_１の比が約１．０１〜約１．５の範囲内である、請求項６に記載のイオン生成装置。
8. Ｌ_２／Ｌ_１の比が約１．１５である、請求項７に記載のイオン生成装置。
9. 前記イオン化電極が、直径Ｄｗの導電性フィラメントを含み、前記第１および第２のリファレンス電極が、前記直径Ｄｗより大きい直径Ｄｒの導体を含む、請求項１に記載のイオン生成装置。
10. 前記直径Ｄｗが約２０〜約２００ミクロンの範囲内である、請求項９に記載のイオン生成装置。
11. Ｄｒ／Ｄｗの比が約１０〜約１００の範囲内である、請求項１０に記載のイオン生成装置。
12. 前記イオン化電極に接続され、それに対して一方および反対の極性の電圧を、交互に繰り返される間隔の間に供給するイオン化電圧源と、
    前記第２のリファレンス電極に接続され、それに対してＤＣバイアス電圧を供給して、それを通過する生成された陽イオンと陰イオンの比を変えるバイアス電圧源と
    を備えた請求項１に記載のイオン生成装置。
13. 前記イオン化電極に対する前記イオン化電圧源の接続が、それらの間に接続されたコンデンサを含む、請求項１２に記載のイオン生成装置。
14. 前記イオン化電圧源が、供給される交流を受けるための一次巻線、および端子を有する二次巻線を有する昇圧器を含み、
    分圧器が前記二次巻線の端子を接地基準に接続し、前記コンデンサが別の端子を前記イオン化電極に接続し、
    前記バイアス電圧源が前記分圧器に接続され、それから選択可能な交流電圧を受け、それによって前記ＤＣバイアス電圧を発生させる請求項１３に記載のイオン生成装置。
15. ガスの流れが前記流路を通って流れるように、前記流路に対して配置されたファンと、
    前記流路の断面内において通って流れるガスが最大速度となる位置に配置されたリング導体をそれぞれ含む第１および第２のリファレンス電極と、
    を含む請求項２に記載のイオン生成装置。
16. 前記第１および第２のリファレンス電極がそれぞれ、前記流路の断面内において通って流れるガスが最大速度となる位置に配置された同心配列の複数のリング導体を含む、請求項１５に記載のイオン生成装置。
17. 前記イオン化電極が、前記流路の断面内において通って流れるガスが最大速度となる位置に支持されている、請求項１５に記載のイオン生成装置。
18. 前記イオン化電極と、前記第１のリファレンス電極と、第２のリファレンス電極とが、前記ハウジング内に個々のモジュールを形成するように構成されている、請求項１に記載のイオン生成装置。
19. 第１の導電性電極を電気的に絶縁して、通って流れるガスの流れを通過させるステップと、
    前記第１の電極の下流に配置された第２の導電性電極に対して、繰り返し交互に変わる極性のイオン化電圧を供給して、通過するガス流の中を流れる一方および反対の極性のイオンを発生させるステップと、
    前記第２の電極の下流に配置された第３の導電性電極にＤＣバイアス電圧を供給して、通過するガス流の中を流れる生成された陽イオンおよび陰イオンの量を制御するステップと
    を含む、流動するガス流の中にイオンを発生させる方法。
20. 前記第２の電極を、流動する流れの中のガスが最大速度となる領域内に配置することを含む請求項１９に記載の方法。
21. 配置することが、流動する流れの中のガスが最大速度となる領域内に、導電性フィラメントを多面の多角形として取り付けることを含む請求項２０に記載の方法。

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