JP6465849B2 - 長時間除電装置 - Google Patents

Description

この発明は、正負のイオンを同時に放出する除電装置に関する。

従来から、正負のイオンを同時に放出する除電装置として、複数の電極針を備えた装置が知られていた。
この種の装置として、複数の電極針の半数に正の直流高電圧を印加し、残りの半数の電極針に負の直流高電圧を印加することで、正，負のイオンを同時に生成して、それを除電対象に向かって放出させるものがあった。
このような電極針は、長期の使用によって、その先端が腐食やスパッタリングなどで摩耗し、劣化してしまうが、電極針が劣化すると、イオン生成量が減少してしまう。特に、正の直流高電圧が印加された正極の電極針の方が、負の直流高電圧が印加された負極の電極針と比べて劣化しやすく、その分イオン生成量の減少も激しいことが知られている。そのため、使用時間が長くなると、正極の電極針と負極の電極針とで生成されるイオン量に差ができてしまう。その結果、イオンバランスが崩れてしまうという問題があった。
そして、イオンバランスが大きく崩れてしまえば、除電に時間がかかってしまったり、除電対象物を逆帯電させてしまったりして、目的の除電ができないことがあった。

このような問題を解決するために、特許文献１に示す除電装置が知られている。
この従来の除電装置は、電極針を２つのグループに分けている。
そして、第１グループに正の直流高電圧を印加し、第２グループに負の直流高電圧を印加する第１極性パターンと、正負を逆にした第２極性パターンとを交互に実行するが、その際、各グループの放電電流値を検出するようにしている。そして、検出した第１，２グループの放電電流値の差が、所定値よりも大きくなったとき、上記第１，２極性パターンを切り換えるようにしている。
このように、一方のグループの電極針の劣化が進んで、第１，２グループ間の放電電流値の差が所定値より大きくなったときに、極性パターンを切り換えることで、両グループの放電電流値の差が大きくならないようにし、生成されるイオン量の差が大きくならないようにしている。

特開２０１５−０８８４２７号公報

上記従来の装置は、電極針の第１，２グループの放電電流値を検出して、その差が大きくならないようにすることで、イオンバランスを保つようにしている。
ところが、上記放電電流値は、電極針が腐食することによってその先端が変形したり、短くなったりしたときだけでなく、先端近傍に微細な異物が付着することによっても変化する。

図４は、電極針１の先端側の拡大図であり、（ａ）は新品、（ｂ）は長時間使用後の劣化が進んだ状態を示した図である。
図４（ｂ）のように、電極針１は長時間の利用によってその先端２が摩耗して変形してしまい、その全長も短くなってしまう。このように摩耗して劣化した電極針では放電状態が不安定になり、イオンの生成量が減少してしまう。
さらに、上記先端２の近傍には、電場の作用によって大気中の微細な異物３が付着しやすい。ただし、この異物３は電極針１の表面に固着しているのではなく、揺れたり、表面からはなれて飛散したりするものである。

このように、先端２の近傍で、異物３の付着、異物３の揺れ、異物３の離脱、再付着などが起これば、そのたびに放電状態は変化し、上記放電電流値が微妙に変化することになる。そして、従来の除電装置は、この微妙に変化する放電電流値に基づいて、上記極性パターンの切り換えタイミングを制御するようにしていた。
このように、従来の除電装置では、微妙に変化する放電電流値を基にして極性パターンの切り換えを制御しているため、極性パターンの切り換えが頻繁に行なわれることになる。
例えば、電極針１の先端２の近傍に異物３が付着したり、付着している異物３が離脱したり、再付着したりすれば、電極針自体の劣化状況が変わらないのに、放電電流値が変化して、極性パターンが切り換えられることがある。特に、使用時間が長くなって、電極針１の先端２のスパッタリングによる摩耗や先端近傍に付着した異物３の影響が大きくなればなるほど、極性パターンが頻繁に切り換えられることになる。

そして、極性パターンが頻繁に切り換えられるということは、一つの電極針１に対して正，負の直流高電圧が短時間に交互に印加されるということであり、切り換えのたびに印加電圧が立ち上がることになる。このような印加電圧の立ち上がりには、どうしても遅れが出てしまうため、切り換え頻度が多くなれば、電極針１への印加電圧の立ち上がりが遅れる影響で、既定の高電圧に到達せず、安定した放電が持続できなくなってしまう。その結果、一定時間内に生成されるイオン量が少なくなって、除電に時間がかかってしまうという問題が発生する。

この発明の目的は、電極針の劣化に伴うイオンバランスの崩れを防止しながら、イオン生成量の低下も防止でき、効率的な除電が可能な除電装置を提供することである。

この発明は、印加される直流高電圧に応じた極性のイオンを生成する複数の電極針が、第１，２グループに分けられた放電部と、上記放電部に対して正及び負の直流高電圧を出力する正・負高電圧電源部と、上記第１グループに正の直流高電圧が印加されるとともに上記第２グループに負の直流高電圧が印加される第１極性パターンと、上記第１グループに負の直流高電圧が印加されるとともに上記第２グループに正の直流高電圧が印加される第２極性パターンとを交互に選択して上記正・負高電圧電源部から直流高電圧を出力させる制御部とからなる。
そして、上記制御部は、電極針について上記第１又は第２の極性パターンのスタート時からの経過時間を計測する機能と、上記経過時間が１２時間〜２４時間の間で予め設定された設定時間に達したとき、上記第１極性パターンと第２極性パターンとを切り換えるとともに、以後、１２〜２４時間ごとに上記第１極性パターンと第２極性パターンとを切り換える機能と、上記第１又は２の極性パターンのスタート時から、上記設定時間内に上記正・負高電圧電源部からの出力が中断され、その後に上記正・負高電圧電源部からの出力が再開されたとき、上記極性パターンの切り換え時から上記中断時までの経過時間と上記設定時間との差分の時間が経過するまで上記中断前の極性パターンを維持する機能と、上記極性パターンの切り換え時から上記中断時までの経過時間と上記設定時間との差分の時間が上記設定時間よりも短い所定時間以下のときには、上記中断前の極性パターンを維持せず、中断前と異なる極性パターンを選択する機能とを備えている。

第１の発明によれば、第１，第２グループの各電極針に、正の直流高電圧が印加される時間と負の直流高電圧が印加される時間とを等しくすることができる。そのため、長時間の連続運転においても、特定のグループの電極針のみの劣化が進むことを防止できる。
しかも、本発明は、電極針の使用開始からの経過時間を計測し、上記経過時間が１２時間〜２４時間の間で予め設定された設定時間に達したとき、上記第１極性パターンと第２極性パターンとを切り換える。そして、以後、１２〜２４時間ごとに上記第１極性パターンと第２極性パターンとを切り換えるようにしている。
したがって、例えば、図３の実験結果に基づけば、０．００５［ｍｍ］消耗したときに、第１極性パターンと第２極性パターンとの間で切り換えが行われる。このような切り換えの下では、電極針の長さのアンバランスの最大幅は０．００５［ｍｍ］程度になる。言い換えると、正の電圧が印加された電極針が０．００５［ｍｍ］程度消耗したときに、そこに印加される電圧が負極に切り換えられるので、正の電圧が印加されている電極針と負の電圧が印加されている電極針との長さの違いが、最大でも０．００５［ｍｍ］程度になる。
上記のように正の電圧が印加されている電極針と負の電圧が印加されている電極針の長さのアンバランスを０．００５［ｍｍ］の範囲に抑えられるので、イオンバランスを安定させることができる。
また、第１極性パターンと第２極性パターンとの切り換えは、１２〜２４時間ごとに行われるので、各電極針に印加される電圧の立ち上がりの影響を無視でき、イオンバランスが保たれた効率的なイオン生成が可能になる。
さらに、当該除電装置を停止するなどして、電源出力を中断させた場合にも、各電極針に対する正，負の直流高電圧の印加時間の偏りを少なくすることができ、電極針の劣化の偏りを少なくできる。その結果、イオンバランスを保つことができる。

この発明の第１実施形態の回路図である。 第２実施形態の回路図である。 長期使用による電極針の劣化状態を確認する実験結果で、放電時間と電極針の長さの変化との関係を示したグラフである。 電極針の先端側の拡大図であり、（ａ）は使用前、（ｂ）は劣化した状態を示している。

図１に示す第１実施形態は、直流高電圧を出力する正・負高電圧電源部４に、スイッチ回路５，６を介して放電部７が接続された除電装置である。上記放電部７は、複数の電極針１ａ，１ｂからなる。
上記電極針１ａ，１ｂは、図４に示す放電電極１と同様に先端が尖った金属製の針状電極である。そして、全ての電極針１ａ，１ｂは全く同じ形状をしている。
ただし、上記放電部７を構成する上記電極針１ａ，１ｂは、一方のスイッチ回路５に接続された複数の電極針１ａを第１グループＡとし、もう一方のスイッチ回路６に接続された複数の電極針１ｂを第２グループＢとする。なお、電極針１ａ，１ｂの総数はいくつでも構わないが、各グループＡ，Ｂを構成する電極針１ａと１ｂとは同数にしている。
さらに、上記スイッチ回路５，６には、これらスイッチ回路５，６を制御するＣＰＵ８が接続されている。

また、上記正・負高電圧電源部４は、図示しない直流電源と増幅回路とを備え、正の直流高電圧を出力する正側出力端子４ａと負の直流高電圧を出力する負側出力端子４ｂとを備えている。これら正，負側出力端子４ａ，４ｂは、正電圧供給ライン９及び負電圧供給ライン１０によって上記スイッチ回路５，６に接続されている。
上記スイッチ回路５は、上記第１グループＡを上記正電圧供給ライン９又は負電圧供給ライン１０に接続するスイッチ回路であり、スイッチ回路６は、上記第２グループＢを上記正電圧供給ライン９又は負電圧供給ライン１０に接続するスイッチ回路である。

そして、上記ＣＰＵ８は、上記スイッチ回路５，６を制御して、予め設定された設定時間ごとに上記放電部７の第１，２グループＡ，Ｂへの印加電圧の極性を切り換える。
具体的には、スイッチ回路５が正電圧供給ライン９と第１グループＡとを接続するとともにスイッチ回路６が負電圧供給ライン１０と第２グループＢとを接続する第１極性パターンと、スイッチ回路５が負電圧供給ライン１０と第１グループＡとを接続するとともにスイッチ回路６が正電圧供給ライン９と第２グループＢとを接続する第２極性パターンとを、設定時間ごとに交互に切り換えるようにしている。
つまり、この実施形態では、ＣＰＵ８と、上記スイッチ回路５，６とによって、上記第１，２極性パターンを切り換えるこの発明の制御部を構成している。

上記のように、第１，２グループＡ，Ｂに印加される直流高電圧の極性が、設定時間ごとに切り換えられるため、各グループＡ，Ｂに対して正の直流高電圧が印加される時間と、負の直流高電圧が印加される時間とを等しくすることができる。そのため、正極の電極針のみが劣化してイオンバランスが崩れることを防止できる。
しかも、この第１実施形態では、従来の除電装置のように、微妙に変化する放電電流値に基づいて上記極性パターンを切り換えていないため、第１，２極性パターンの切り換えが必要以上に頻繁に行なわれることがない。したがって、印加電圧の立ち上がりの遅れの影響を少なくでき、効率的な除電ができる。
さらに、放電電流値の検知手段を必要としない分、従来装置よりも構造を単純化できるメリットもある。

図２に示す第２実施形態は、スイッチ回路５，６と、正・負高電圧電源部４の接続位置が、図１の第１実施形態と異なる。ただし、第１実施形態と同様の機能を有する構成要素には、図１と同じ符号を用いている。
この第２実施形態では、電極針１ａ，１ｂの第１，２グループＡ，Ｂからなる放電部７とスイッチ回路５，６との間に、電源部４が設けられている。
上記電源部４は、正の直流高電圧を出力する正側高電圧回路１１，１４及び負の直流高電圧を出力する負側高電圧回路１２，１５とからなる。各高電圧回路は、例えば、コッククロフト・ウォルトン回路のような増幅回路と、発振回路などからなり、直流高電圧を出力するものである。

そして、上記スイッチ回路５には、上記正側高電圧回路１１及び負側高電圧回路１２が接続され、これらの正，負側高電圧回路１１，１２の出力側は電圧供給ライン１３によって第１グループＡに接続されている。
一方、上記スイッチ回路６には、上記正側高圧回路１４及び負側高電圧回路１５が接続され、これら正，負側高電圧回路１４，１５の出力側は電圧供給ライン１６によって第２グループＢに接続されている。

さらに、上記スイッチ回路５，６にはＣＰＵ８が接続され、このＣＰＵ８が、予め設定された設定時間ごとに上記スイッチ回路５，６を切り換えて、上記正，負側高電圧回路１１，１２、１４，１５への制御信号を出力し、上記第１，２極性パターンを切り換えるようにしている。
このＣＰＵ８と上記スイッチ回路５，６とでこの発明の制御部を構成している。

上記第１，２極性パターンの具体的な動作は、次のとおりである。
上記ＣＰＵ８によって第１極性パターンが選択されるときには、スイッチ回路５が、ＣＰＵ８と正側高電圧回路１１とを接続して、正側高電圧回路１１を動作させるとともに、スイッチ回路６が、ＣＰＵ８と負側高電圧回路１５とを接続して、負側高電圧回路１５を動作させる。その結果、第１グループＡに、上記正側高電圧回路１１から電圧供給ライン１３を介して正の直流高電圧が印加され、第２グループＢに、負側高電圧回路１５から電圧供給ライン１６を介して負の直流高電圧が印加される。

また、上記第１極性パターンを選択してから、予め設定された設定時間が経過したら、上記ＣＰＵ８は、第２極性パターンが実行されるように、上記スイッチ回路５，６を制御する。
第２極性パターンにおいては、上記ＣＰＵ８から出力される制御信号が、上記スイッチ回路５を介して上記ＣＰＵ８と負側高電圧回路１２を動作させるとともに、スイッチ回路６を介して正側高電圧回路１４を動作させる。その結果、上記第１グループＡに、上記負側高電圧回路１２から電圧供給ライン１３を介して負の直流高電圧が印加され、上記第２グループＢに、上記正側高電圧回路１４から電圧供給ライン１６を介して正の直流高電圧が印加される。

このように、第２実施形態においても、第１，２グループＡ，Ｂに印加される直流高電圧の極性が設定時間ごとに切り換えられるため、各グループＡ，Ｂに対して正の直流高電圧が印加される時間と、負の直流高電圧が印加される時間とを等しくすることができる。そのため、正極の電極針のみが劣化してイオンバランスが崩れることを防止できる。
また、この第２実施形態の除電装置も、放電電流値の検出手段が必要ないため、従来と比べて装置構造をシンプルにできるというメリットがある。

以下に、放電による電極針１ａ，１ｂの劣化状況を確認する確認実験について説明する。
この確認実験は、新品状態で全長１５［ｍｍ］のタングステン製の複数の電極針を用いて行なった。上記複数の電極針を２つのグループに分け、一方のグループの電極針には＋６［ｋＶ］を印加して放電させ、他方のグループには−６［ｋＶ］を印加して放電させ、それぞれの長さを測定した。

その結果は、放電時間と電極針の長さの変化を示した図３に示すグラフのとおりである。図３の実線は、−６［ｋＶ］が印加された負極の電極針の長さ変化を示したグラフで、破線は、＋６［ｋＶ］が印加された正極の電極針の長さ変化を示したグラフである。なお、図３に示した電極針の長さは、各グループを構成する複数の電極針の測定値の平均である。

この結果から、負極の電極針は、放電時間が１００日以上経過した後は長さがほとんど変化しないことが分かった。
一方、正極の電極針は、５０日経過時点で、１４．７５［ｍｍ］であり、新品よりも０．２５［ｍｍ］短くなっていた。ただし、図３からも明らかなように、５０日を経過した後は、正極の電極針もその劣化がほとんどないことが分かった。
そこで、正極の電極針の劣化の進行がなくなる５０日以降の日数を平均値の計算から除外して、放電開始時から５０日間における正極の電極針の１日平均の劣化状況を計算した。その結果、正極の電極針は、１日平均０．００５［ｍｍ］短くなることが分かった。
このように、劣化しやすい正極の電極針でも、１日ではその変化量がわずかであることが確認できた。そこで、ＣＰＵ８に設定する上記設定時間を１日すなわち２４時間にして電極針の劣化によるイオンバランスの崩れを防止するようにした。
そして、上記設定時間を、例えば１日や半日に設定すれば、放電部７へ印加する直流高電圧の、立ちあがりの遅れの影響も無視でき、イオン生成量が不足することもない。

なお、詳細は省略するが、上記タングステン製の電極針に替えて、インコネル（登録商標）製の電極針を用いて上記確認実験を行なった結果も上記とほぼ同様であり、正極の電極針の長さ変化量は、１日で約０．００５［ｍｍ］、負極の電極針の変化量は１日で０．００２［ｍｍ］であった。
この結果から、インコネル（登録商標）製の電極針を用いた場合でも、第１，２極性パターンを切り換えるための設定時間を、それほど短くする必要がないことがわかった。

なお、上記第１，２実施形態の除電装置は、運転開始時には、いつでも第１，２極性パターンのいずれか決まった極性パターンをスタートさせるようにしてもよいが、スタート時の極性パターンを交互にしたり、ランダムに選択してスタートさせたりして、正，負の直流高電圧の印加時間の偏りをより少なくすることができる。
また、上記設定時間内に、除電装置が停止されて正・負高電圧電源部４からの出力が中断した場合には、運転再開後に、中断前の経過時間に続けて時間計測を行ない、中断前の経過時間と設定時間との差分の時間だけ中断前の極性パターンを維持するようにしてもよい。このようにすれば、どの時点で除電装置が停止されたとしても、第１，２極性パターンが維持される時間が等しくなり、より厳密にイオンバランスを保つことができる。

ただし、除電装置の運転中断時に、上記設定時間までの残り時間が非常に短い場合には、運転再開時に、中断前の極性パターンを維持せず、中断前と異なる極性パターンを選択するようにしてもよい。上記中断時の残り時間が短いのに、運転再開時に中断前から続けて時間計測を行なうと、短時間で極性パターンを切り換えることになるが、あまり短い時間で極性パターンを切り換えると、放電が不安定になって、イオン生成が不安定になる可能性があるからである。

なお、上記ＣＰＵ８に設定する設定時間は、正極側のグループと負極側のグループの電極針の劣化度合いの差が、それほど大きくならない範囲で決める必要がある。
電極針の劣化は、電極の材質や先端形状、印加電圧値、外部環境などに依存するので、それらに応じて上記設定時間を設定すればよい。

長時間にわたって、正極の電極針と負極の電極針との劣化状況を同じに保って、効率的な除電が維持できる。

Ａ 第１グループ
Ｂ 第２グループ
１ 電極針
１ａ，１ｂ 電極針
４ 正・負高電圧電源部
５，６ （制御部を構成する）スイッチ回路
７ 放電部
８ （制御部を構成する）ＣＰＵ
１１ 正側高電圧回路
１２ 負側高電圧回路
１４ 正側高電圧回路
１５ 負側高電圧回路

Claims (1)

1. 印加される直流高電圧に応じた極性のイオンを生成する複数の電極針が、第１，２グループに分けられた放電部と、
   上記放電部に対して正及び負の直流高電圧を出力する正・負高電圧電源部と、
   上記第１グループに正の直流高電圧が印加されるとともに上記第２グループに負の直流高電圧が印加される第１極性パターンと、上記第１グループに負の直流高電圧が印加されるとともに上記第２グループに正の直流高電圧が印加される第２極性パターンとを交互に選択して上記正・負高電圧電源部から直流高電圧を出力させる制御部とからなり、
   上記制御部は、
   経過時間を計測する機能と、１２時間〜２４時間の間で予め設定された設定時間ごとに、上記第１極性パターンと第２極性パターンとを切り換える機能と、
   上記正・負高電圧電源部からの出力が中断され、その後に上記正・負高電圧電源部からの出力が再開されたとき、
   上記極性パターンの切り換え時から上記中断時までの経過時間と上記設定時間との差分の時間が経過するまで上記中断前の極性パターンを維持する機能と、
   上記極性パターンの切り換え時から上記中断時までの経過時間と上記設定時間との差分の時間が上記設定時間よりも短い所定時間以下のときには、上記中断前の極性パターンを維持せず、中断前と異なる極性パターンを選択する機能と、
   を備えた長時間除電装置。

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