(57)【要約】【課題】誘電体の表面に汚れなどが付着した場合においても汚れを容易に除去することができる気流発生装置を提供する。【解決手段】実施形態の気流発生装置１０は、固体からなる誘電体２０と、誘電体２０の表面に設けられた第１の電極３０と、第１の電極３０と誘電体２０を介して離間して設けられた第２の電極４０とを備え、第１の電極３０と第２の電極４０との間に電圧を印加して気流を発生させる。第１の電極３０側の誘電体２０の表面２０ａにおける水に対する接触角が８０度以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体からなる誘電体と、
前記誘電体の表面に設けられ、または前記誘電体の表面の近傍に埋設された第１の電極と、
前記第１の電極と前記誘電体を介して離間して設けられた第２の電極と
を備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加して気流を発生させる気流発生装置であって、
前記第１の電極側の前記誘電体の表面のうち、少なくとも、気流を発生させる領域の表面における水に対する接触角が８０度以上であることを特徴とする気流発生装置。
【請求項２】
少なくとも気流を発生させる領域を構成する前記誘電体が、シリコーン樹脂またはポリイミド樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１記載の気流発生装置。
【請求項３】
固体からなる誘電体と、
前記誘電体の表面に設けられ、または前記誘電体の表面の近傍に埋設された第１の電極と、
前記第１の電極と前記誘電体を介して離間して設けられた第２の電極と
を備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加して気流を発生させる気流発生装置であって、
前記第１の電極側の前記誘電体のうち、少なくとも気流を発生させる領域を構成する前記誘電体が、表面に長さが１００ｎｍ以下の複数の突起を有するアルミナまたは窒化ケイ素で構成されていることを特徴とする気流発生装置。
【請求項４】
前記突起が形成されている部分の面積の割合が、単位面積当たり１０〜３０％であることを特徴とする請求項３記載の気流発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、気流発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体機器や流体機器システムの高効率化は、省エネルギの観点から重要な課題である。また、流体機器や流体機器システムにおける振動や騒音の抑制は、プラントの安全性の確保、作業環境の向上の観点から重要な課題である。
【０００３】
このような課題に対応して、物体表面に放電プラズマを生成して気流を発生させ、流体機器における空気力学的特性を制御する気流発生装置が提案されている。この気流発生装置は、一対の電極が誘電体を介して配置されて構成されている。そして、これらの電極間に電圧を印加することで、一方の電極近傍の気体がイオン化されて気流が発生する。
【０００４】
この気流発生装置によれば、物体表面に薄い層状の気流を適宜発生させることが可能である。この発生した気流により、流れの境界層の速度分布を変化させたり、層流から乱流への遷移を強制的に引き起こしたり、渦を発生または消滅させたりするなどの流れの制御を実現することができる。そのため、種々の産業機器の革新的要素技術として、この気流発生装置を利用できる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３１７６５６号公報
【特許文献２】特開２００８−２５４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、屋外などで、上記した気流発生装置を長期間使用した場合、プラズマ発生部に汚れなどが付着し、プラズマの発生を妨げ、適正に気流を発生させることができないことがあった。このようにプラズマ発生部が汚れた場合には、気流発生装置自体を取り替えるか、誘電体の表面をクリーニングする必要があった。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、誘電体の表面に汚れなどが付着した場合においても汚れを容易に除去することができる気流発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の気流発生装置は、固体からなる誘電体と、前記誘電体の表面に設けられ、または前記誘電体の表面の近傍に埋設された第１の電極と、前記第１の電極と前記誘電体を介して離間して設けられた第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加して気流を発生させる。また、前記第１の電極側の前記誘電体の表面のうち、少なくとも、気流を発生させる領域の表面における水に対する接触角が８０度以上である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態の気流発生装置を模式的に示した斜視図である。
【図２】実施の形態の気流発生装置が示された図１のＡ−Ａ断面を模式的に示した図である。
【図３】接触角と気流の速度比との関係を示す図である。
【図４】突起の長さと気流の速度比との関係を示す図である。
【図５】表面粗さＲａと気流の速度比との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、実施の形態の気流発生装置１０を模式的に示した斜視図である。図２は、実施の形態の気流発生装置１０が示された図１のＡ−Ａ断面を模式的に示した図である。
【００１２】
図１および図２に示すように、気流発生装置１０は、誘電体２０と、この誘電体２０の一方の表面２０ａと同一面に露出された第１の電極３０と、この第１の電極３０と誘電体２０の表面からの距離を異にし、かつ誘電体２０の表面と水平な方向（気流を発生させる方向）にずらして離間され、誘電体２０内に埋設された第２の電極４０とを備えている。また、第１の電極３０および第２の電極４０は、それぞれケーブル５０、５１を介して放電用電源６０に電気的に接続されている。
【００１３】
第１の電極３０は、例えば、板状の平板電極で構成される。なお、第１の電極３０の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、断面が円、矩形などの棒状や、導電性の金属を薄く延ばした箔などであってもよい。
【００１４】
ここでは、第１の電極３０を誘電体２０の一方の表面２０ａと同一面に露出するように配置した一例を示しているが、この配置構成に限られるものではない。例えば、第１の電極３０は、誘電体２０の一方の表面２０ａの近傍に埋設されてもよい。また、第１の電極３０は、誘電体２０の一方の表面２０ａに固着されてもよい。なお、第１の電極３０を誘電体２０の一方の表面２０ａに設ける場合、誘電体２０の一方の表面２０ａにおける流体の流れを乱さないように、第１の電極３０を例えば箔状に構成することが好ましい。
【００１５】
第２の電極４０は、例えば、板状の平板電極で構成される。なお、第２の電極４０の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、断面が円、矩形などの棒状や、導電性の金属を薄く延ばした箔などであってもよい。
【００１６】
なお、第１の電極３０の長手方向の長さ（気流の流れ方向に垂直な方向の長さ）と第２の電極４０の長手方向の長さは、等しいか、ほぼ等しく構成されている。また、第２の電極４０は、第１の電極３０と同じ形状であってもよい。
【００１７】
第２の電極４０は、図２に示すように、第１の電極３０と誘電体２０の一方の表面２０ａからの距離を異にし、かつ第１の電極３０から、誘電体２０の一方の表面２０ａの水平な方向（気流を発生させる方向）にずらして配置されている。
【００１８】
なお、第１の電極３０と第２の電極４０とは、両電極間に印加される電圧の範囲で、絶縁破壊を生じない程度に離隔されている。また、第１の電極３０および第２の電極４０は、公知な導電性の材料で構成され、気流発生装置１０が使用される環境に応じて、公知な導電性の材料から適宜に選択された材料で構成される。
【００１９】
誘電体２０は、例えば、図１に示すように、固体からなり、直方体または立方体の形状に構成される。誘電体２０の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、表面が曲率を有する形状であってもよい。誘電体２０の一方の表面２０ａは、水に対する接触角が８０度以上なるように構成されている。
【００２０】
ここでは、誘電体２０の一方の表面２０ａの全面における水に対する接触角を８０度以上とした一例を示すが、この構成に限られるものではない。第１の電極３０が配置される側の誘電体２０の一方の表面２０ａのうち、少なくとも、気流を発生させる領域の表面における水に対する接触角が８０度以上であればよい。
【００２１】
ここで、気流を発生させる領域としては、例えば、第１の電極３０と第２の電極４０との間に電圧を印加することで、バリア放電が誘起される領域、すなわち、低温プラズマが生成される領域が挙げられる。換言すると、気流を発生させる領域としては、第１の電極３０の第２の電極４０側の端縁から、第２の電極４０上に亘る領域が挙げられる。
【００２２】
また、誘電体２０は、シリコーン樹脂またはポリイミド樹脂で構成される。ここでは、誘電体２０全体をこれらの樹脂で構成した一例を示すが、この構成に限られるものではない。誘電体２０のうち、少なくとも気流を発生させる領域を構成する部分が、シリコーン樹脂またはポリイミド樹脂で構成されていればよい。
【００２３】
例えば、複数種の誘電層を積層して誘電体２０を構成してもよく、この場合、例えば、少なくとも、誘電体２０の一方の表面２０ａを構成する誘電体を、シリコーン樹脂またはポリイミド樹脂で構成してもよい。また、誘電体２０の一方の表面２０ａのうち、第１の電極３０の第２の電極４０側の端縁から、第２の電極４０上に亘る部分を構成する誘電体を、シリコーン樹脂またはポリイミド樹脂で構成してもよい。
【００２４】
このように、誘電体２０のうち、少なくとも気流を発生させる領域を構成する部分をシリコーン樹脂またはポリイミド樹脂で構成することで、上記した接触角を得ることができる。ここで、接触角を８０度以上とすることで、撥水性に優れ、例えば、雨水などにより表面の汚れを洗い流すことができる。そのため、例えば、屋外などに気流発生装置１０を設置した場合においても、適正な気流を発生させることができる。
【００２５】
なお、接触角は、誘電体２０の上に０．１ｍｌの水滴を落とし、水滴を光学顕微鏡で横から観察し、誘電体２０と水滴とのなす角度（いわゆる接触角として一般に定義されている誘電体２０の表面と液滴の接線とのなす角度）を測定することで得られる。
【００２６】
また、誘電体２０は、表面に長さが１００ｎｍ以下の複数の突起を有するアルミナまたは窒化ケイ素で構成されてもよい。突起は、例えば、針状、円錐状などの形状を有し、均等に分散して形成されている。この場合、複数の突起を有する側が一方の表面２０ａとなる。
【００２７】
ここでは、誘電体２０全体を上記したアルミナまたは窒化ケイ素で構成した一例を示すが、この構成に限られるものではない。誘電体２０のうち、少なくとも気流を発生させる領域を構成する部分を、上記したアルミナまたは窒化ケイ素で構成してもよい。
【００２８】
例えば、複数種の誘電層を積層して誘電体２０を構成する場合、少なくとも、誘電体２０の一方の表面２０ａを構成する誘電体を、上記したアルミナまたは窒化ケイ素で構成してもよい。また、誘電体２０の一方の表面２０ａのうち、第１の電極３０の第２の電極４０側の端縁から、第２の電極４０上に亘る部分を構成する誘電体を、上記したアルミナまたは窒化ケイ素で構成してもよい。
【００２９】
長さが１００ｎｍ以下の複数の突起の根元の太さは、例えば、３０〜７０ｎｍ程度である。また、突起が形成されている部分の面積の割合は、単位面積当たり１０〜３０％程度である。突起が形成されている部分の面積とは、各突起の根元における突起の底面積を合計した面積である。
【００３０】
突起の長さを１００ｎｍ以下とし、突起が形成されている部分の面積の割合を上記した範囲とすることで、水滴が付着しても濡れることなく、水滴が表面を転がる、いわゆるロータス効果が得られる。これによって、例えば、雨水などにより表面の汚れを洗い流すことができる。そのため、例えば、屋外などに気流発生装置１０を設置した場合においても、適正な気流を発生させることができる。なお、突起の長さや太さ、突起が形成されている部分の面積は、電子顕微鏡などを用いて測定される。
【００３１】
また、誘電体２０をアルミナまたは窒化ケイ素で構成する場合においても、誘電体２０をシリコーン樹脂またはポリイミド樹脂で構成する場合と同様に、少なくとも、気流を発生させる領域の表面における水に対する接触角を８０度以上とすることが好ましい。なお、この場合においても、接触角は、上記した方法と同様の方法で測定することができる。
【００３２】
ここで、上記した突起は次のように形成することができる。
【００３３】
アルミナまたは窒化ケイ素からなる基材の一方の面をＳｉ（ＯＨ）４溶液に浸漬して、溶液を攪拌することで、一方の面に、ＳｉＯ２からなる針状の突起を形成することができる。この際、浸漬時間を調整することで、長さが１００ｎｍ以下の突起を形成することができる。
【００３４】
また、窒化ケイ素を使用する場合、焼結時に、窒化ケイ素の圧粉体（粉末を押し固めたもの）をセラミックス材からなる容器（さや材）に収容し、容器の大きさや焼結時間などを制御することで針状の突起を形成することができる。
【００３５】
誘電体２０の絶縁耐力は、１０ｋＶ／ｍｍ以上となるように設定されることが好ましい。絶縁耐力が１０ｋＶ／ｍｍよりも小さい場合には、電極間に電圧を印加した際に絶縁破壊を生じ、気流の流速が低下する。なお、絶縁耐力は、ＪＩＳ Ｃ２１１０に準拠して測定される。
【００３６】
誘電体２０の一方の表面２０ａの表面粗さＲａ（算術平均粗さ）は、５μｍ以下となるように設定されることが好ましい。表面粗さＲａが５μｍを超える場合には、プラズマの発生状態が変わり、誘電体２０の一方の表面２０ａで気流が乱れ、発生する気流の流速が低下する。
【００３７】
なお、誘電体２０を突起を有するアルミナまたは窒化ケイ素で構成する場合における、一方の表面２０ａの表面粗さＲａとは、突起を除いた状態、すなわち突起を形成していない状態における誘電体２０の一方の表面２０ａの表面粗さである。また、表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６３３に準拠して測定される。
【００３８】
放電用電源６０は、例えば、パルス状（正極性、負極性、正負の両極性（交番電圧））や交流状（正弦波、断続正弦波）の波形を有する電圧を出力する。放電用電源６０は、電圧値、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性などを変化させて、第１の電極３０と第２の電極４０との間に電圧を印加することができる。
【００３９】
次に、気流発生装置１０の作用について説明する。
【００４０】
放電用電源６０から第１の電極３０と第２の電極４０との間に電圧が印加され、一定の閾値以上の電位差となると、第１の電極３０と第２の電極４０との間に放電が誘起される。この放電は、バリア放電とよばれ、第１の電極３０と第２の電極４０との間の誘電体２０の表面２０ａ上や、第２の電極４０上の誘電体２０の表面２０ａの上に、低温プラズマが生成される。
【００４１】
この放電においては、気体中の電子のみにエネルギを与えることができるため、気体をほとんど加熱せずに気体を電離して電子およびイオンを生成することができる。生成された電子やイオンは、電界によって駆動され、それらが気体分子と衝突することで運動量が気体分子に移行する。すなわち、放電を印加することで、図１および図２に示すように、例えば、第１の電極３０の第２の電極４０側の端縁付近から、誘電体２０の表面２０ａに沿う気流７０が発生する。
【００４２】
この気流の大きさや向きは、電極に印加する電圧、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性を変化させることで制御可能である。
【００４３】
また、屋外に設置された気流発生装置１０が雨水に曝された場合、誘電体２０の表面２０ａは、水に対する接触角が８０度以上であり、撥水性に優れるため、雨水は水滴となり、表面２０ａ上を転がり、外部に流れ落ちる。この際、表面２０ａに付着した汚れは、洗い流される。このように、気流発生装置１０は、自浄機構を備えている。また、例えば、気流発生装置１０を洗浄する場合でも、水洗いなどによって、表面２０ａに付着した汚れを容易に洗い流すことができる。
【００４４】
上記した実施の形態の気流発生装置１０によれば、誘電体２０の一方の表面２０ａにおける水に対する接触角を８０度以上とすることで、撥水性に優れた表面２０ａを構成することができる。そのため、雨水に曝された場合、水滴が表面２０ａ上を転がり、表面２０ａに付着した汚れを洗い流すことができる。これによって、気流の発生の妨げとなる汚れを除去できるため、例えば、屋外に気流発生装置１０を設置した場合においても、適正な気流を発生させることができる。
【００４５】
（接触角の影響）
ここでは、誘電体２０の表面２０ａにおける水に対する接触角の影響について説明する。
【００４６】
まず、接触角の影響を調べる際に使用した気流発生装置について説明する。誘電体として、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ステアタイト（メタ珪酸マグネシウム：ＭｇＯ・ＳｉＯ２）を使用し、長さが２００ｍｍ、幅が２０ｍｍ、厚さが０．５ｍｍの３種類の誘電体を形成した。
【００４７】
続いて、各誘電体の表面に、第１の電極３０として機能する、長さが１００ｍｍ、幅が５ｍｍ、厚さが０．１ｍｍの銅リボンを両面テープで固着した。また、各誘電体の裏面に、第２の電極４０として機能する、長さが１００ｍｍ、幅が５ｍｍ、厚さが０．１ｍｍの銅リボンを両面テープで固着した。この際、第１の電極３０から、誘電体の表面と水平な方向（気流を発生させる方向）にずらして第２の電極４０を配置した。
【００４８】
このようにして、誘電体の材料の異なる３種類の気流発生装置を作製した。なお、ステアタイトからなる誘電体を備えた気流発生装置は比較のため作製した。
【００４９】
ここで、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ステアタイトの水に対する接触角は、それぞれ、１００度、８０度、７０度であった。なお、これらの接触角は、誘電体の上に０．１ｍｌの水滴を落とし、水滴を光学顕微鏡で横から観察し、誘電体と水滴とのなす角度を測定することで得られた。
【００５０】
また、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ステアタイトからなる誘電体の絶縁耐力は、それぞれ、２０ｋＶ／ｍｍ、２２ｋＶ／ｍｍ、８ｋＶ／ｍｍであった。なお、これらの絶縁耐力は、ＪＩＳ Ｃ２１１０に準拠して測定した。
【００５１】
作製した３種類の気流発生装置を、一ヶ月間同じ環境の屋外に設置した。一ヶ月後、発生する気流の流速を測定した。
【００５２】
気流の流速の測定は、第１の電極３０と第２の電極４０との間に５ｋＶの交流電圧を印加して気流を発生させた。気流の流速は、第１の電極３０から下流１０ｍｍの位置において、熱線風速計を用いて測定した。
【００５３】
図３は、接触角と気流の速度比との関係を示す図である。なお、図３の縦軸には、屋外放置後の各気流発生装置における気流の流速を、屋外放置する前の、シリコーン樹脂からなる誘電体を備えた気流発生装置における気流の流速で除した気流の速度比を示している。
【００５４】
図３に示すように、接触角が７０度の場合に比べて、接触角が８０度以上の場合には、屋外に設置する前に近い状態で気流を発生することができていることがわかった。これらの結果から、接触角が８０度以上の場合には、誘電体の表面に付着した気流の発生の妨げとなる汚れが除去され、適正な気流が発生されているものと考えられる。
【００５５】
（突起の長さの影響）
ここでは、表面に複数の突起を有するアルミナまたは窒化ケイ素によって誘電体２０を構成した場合における突起の長さの影響について説明する。
【００５６】
アルミナ、窒化ケイ素からなる基材を用意して、それぞれの基材の一方の面をＳｉ（ＯＨ）４溶液に浸漬して、溶液を攪拌することで、一方の面に、ＳｉＯ２からなる針状の突起を形成した。この際、浸漬時間を調整することで、突起の長さを調整した。そして、一方の面に突起が形成された基材を誘電体２０として使用した。
【００５７】
続いて、この誘電体２０の表面および裏面に、それぞれ第１の電極３０、第２の電極４０を両面テープによって固着した。第１の電極３０を固着する際、第１の電極３０を設置する部分に形成された突起は除去して固着した。
【００５８】
また、突起が形成されている部分の面積の割合は、いずれの場合も、単位面積当たり２０％であった。
【００５９】
なお、誘電体、第１の電極３０、第２の電極４０の寸法などは、前述した場合のそれらと同じである。また、ここでは、屋外放置していない状態の気流発生装置について、上記した方法で気流の流速を測定した。また、突起の長さ、突起が形成されている部分の面積は、電子顕微鏡によって測定した。
【００６０】
図４は、突起の長さと気流の速度比との関係を示す図である。図４においても、縦軸には、気流の速度比を示している。なお、ここでも、測定された気流の流速を、前述した、屋外放置する前の、シリコーン樹脂からなる誘電体を備えた気流発生装置における気流の流速で除して気流の速度比を得ている。
【００６１】
図４に示すように、突起の長さが１００μｍ以下では、流速の低下はほとんどないが、突起の長さが１００μｍを超えると流速が大きく低下することがわかった。
【００６２】
（表面粗さの影響）
ここでは、誘電体２０の表面２０ａの表面粗さＲａ（算術平均粗さ）の影響の影響について説明する。
【００６３】
誘電体として、表面粗さの異なる５種類のシリコーン樹脂を用意して、前述した場合と同様に、気流発生装置を作製した。
【００６４】
なお、誘電体、第１の電極３０、第２の電極４０の寸法などは、前述した場合のそれらと同じである。また、ここでは、屋外放置していない状態の気流発生装置について、上記した方法で気流の流速を測定した。また、表面粗さＲａ（算術平均粗さ）は、ＪＩＳ Ｂ０６３３に準拠して測定した。
【００６５】
図５は、表面粗さＲａと気流の速度比との関係を示す図である。図５においても、縦軸には、気流の速度比を示している。なお、ここでも、測定された気流の流速を、前述した、屋外放置する前の、シリコーン樹脂からなる誘電体を備えた気流発生装置における気流の流速で除して気流の速度比を得ている。また、この屋外放置する前の気流発生装置における、シリコーン樹脂からなる誘電体の表面２０ａの表面粗さＲａは、０．５μｍであった。
【００６６】
図５に示すように、表面粗さＲａが５μｍ以下では、流速の大きな低下はないが、表面粗さＲａが５μｍを超えると流速が大きく低下することがわかった。
【００６７】
以上説明した実施形態によれば、誘電体の表面に汚れなどが付着した場合においても汚れを容易に除去することが可能となる。
【００６８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
１０…気流発生装置、２０…誘電体、２０ａ…表面、３０…第１の電極、４０…第２の電極、５０，５１…ケーブル、６０…放電用電源、７０…気流。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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