JP2007209155A - 放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な回路構成で、リアクタの例えば誘電体に蓄積されたエネルギーを効果的に放電エネルギーに利用できるようにして、電源効率の改善を図る。
【解決手段】放電装置１０は、高電圧パルス発生回路１２とリアクタ１４とを有する。高電圧パルス発生回路１２は、直流電源部１６（電源電圧Ｖｃｄ）と、該直流電源部１６の＋端子１８及び−端子２０間に直列接続された過飽和型のトランス２２及び半導体スイッチ２４とを有する。電源電圧Ｖｃｄは、トランス２２を飽和させるのに十分な電圧に設定されている。リアクタ１４は、誘電体によるキャパシタンスＣｃと、空間３０６によるキャパシタンスＣｇとが直列に接続され、さらに、２つのツェナーダイオード５０ａ及び５０ｂをアノード端子同士を接続した直列回路５２を、キャパシタンスＣｇに並列に接続した構成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランスに対して、該トランスが飽和するレベルの高い電圧を印加し、トランスが飽和に達するまでの期間に１つの放電を行わせ、トランスが飽和に至った後に別の放電を行わせる放電装置に関する。

最近、高電圧パルスの放電によるプラズマにより、脱臭、殺菌、有害ガスの分解等を行う技術が適応されるようになってきたが、このプラズマを発生させるために高電圧の極めて幅の狭いパルスを供給できる高電圧パルス発生回路が必要となる。

そこで、従来においては、例えば特許文献１に示すような高電圧パルス発生回路が提案されている。この高電圧パルス発生回路２００は、図９に示すように、直流電源部２０２の両端にトランス２０４、第１半導体スイッチ２０６及び第２半導体スイッチ２０８を直列に接続し、第１半導体スイッチ２０６のアノード端子に一端が接続されたトランス２０４の一次巻線の他端にカソード、第１半導体スイッチ２０６のゲート端子にアノードとなるようにダイオード２１０を接続した極めて簡単な回路である。

そして、第２半導体スイッチ２０８をオンすることにより、第１半導体スイッチ２０６も導通し、トランス２０４の一次巻線に直流電源部２０２の電圧が印加され、該トランス２０４に誘導エネルギーが蓄積される。その後、第２半導体スイッチ２０８をオフさせると、第１半導体スイッチ２０６も急速にターンオフするため、トランス２０４の二次巻線に非常に急峻に立ち上がる極めて幅の狭い高電圧パルスが発生し、出力端子２１２及び２１４より高電圧Ｖｏを取り出すことができる。

この高電圧パルス発生回路２００によれば、高電圧が印加される半導体スイッチを複数個使用することなく、簡単な回路構成で、急峻な立ち上がり時間と極めて狭いパルス幅を有する高電圧Ｖｏを供給することができる。

特開２００４−７２９９４号公報

ところで、上述した高電圧パルス発生回路２００の出力端子２１２及び２１４間にリアクタを接続し、該リアクタにて放電を発生させることが考えられる。特に、無声放電は、アーク放電にならず安定した非平衡プラズマ状態を作り出せることや印加電圧波形に対する制約が少ない等の利点がある。無声放電のリアクタとしては、一対の電極を有し、該一対の電極間に誘電体と空間とを介在させたリアクタを用いることが考えられる。誘電体としては、例えばアルミナが用いられる。

ここで、図１０〜図１３を参照しながら一対の電極間に誘電体３０５と空間が介在されたリアクタ３００での放電作用について説明する。

まず、リアクタ３００は、図１０及び図１１に示すように、誘電体３０５を構成する上下に配された２つのアルミナ板（上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４）を有する誘電体３０５と、上アルミナ板３０２と下アルミナ板３０４との間に形成される空間３０６の間隔を一定に保つための支持板３０８と、上アルミナ板３０２の上面に配された上部電極３１０と、下アルミナ板３０４の下面に設けられた下部電極３１２（図１１参照）とを有する。

このリアクタ３００を等価回路で示すと、図１２に示すように、上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４による誘電体３０５のキャパシタンスＣｃと、空間３０６によるキャパシタンスＣｇとが直列に接続された構成となる。

空間３０６に加わる電圧（空間放電電圧Ｖｇ）は未知であるが、リアクタ３００全体に印加される電圧（出力電圧Ｖｏ）とキャパシタンスＣｃに加わる電圧（誘電体３０５の充電電圧Ｖｃ）がわかれば、以下の関係式から求めることができる。
Ｖｇ＝Ｖｏ−Ｖｃ

誘電体３０５の充電電圧Ｖｃは、電荷をＱ、リアクタ３００に流れる電流をＩｏとすると、
Ｖｃ＝Ｑ／Ｃｃ＝（１／Ｃｃ）×∫Ｉｏｄｔ
となる。

そして、図１２に示すように、高電圧パルス発生回路２００の出力端子２１２及び２１４間にリアクタ３００を接続して、上述した通常の回路動作を行い、第１半導体スイッチ２０６をオフにした後にリアクタ３００に印加される電圧（出力電圧Ｖｏ）の波形は、図１３に示すように、まず、リアクタ３００間に順方向のピーク電圧Ｖｐ１が現れ、続いて逆方向のピーク電圧Ｖｐ２が現れる波形となる。誘電体３０５に印加される電圧（誘電体３０５の充電電圧Ｖｃ）の波形は、出力電圧Ｖｏの順方向のピーク電圧Ｖｐ１が現れる時点において順方向のピーク電圧Ｖｐとなる波形を示す。

一方、空間放電電圧Ｖｇは、上述した計算式に基づいてプロットしてもわかるように、順方向の出力電圧Ｖｏの期間において、ある一定の正電圧Ｖｇ１にクランプされ、逆方向の出力電圧Ｖｏの期間において、ある一定の負電圧Ｖｇ２にクランプされる。

従って、リアクタ３００の空間３０６は、等価回路的にみると、図１２に示すように、２つのツェナーダイオード３１４ａ及び３１４ｂをアノード端子同士を接続した直列回路３１６と、キャパシタンスＣｇとを並列接続した構成となる。

次に、リアクタ３００に印加される電圧（出力電圧Ｖｏ）等の動きについて図１３も参照しながら説明する。

まず、第２の半導体スイッチ２０８をオンにすることによって、第１半導体スイッチ２０６が導通し、トランス２０４の励磁インダクタンスに電流が流れ、該トランス２０４に誘導エネルギーが蓄積される。その後、時点ｔ１０において、第２半導体スイッチ２０８をオフさせると、トランス２０４の励磁インダクタンスに流れていた電流は、リアクタ３００に転流する。

この初期段階では、リアクタ３００の空間３０６のキャパシタンスＣｇに電流Ｉｇが流れて該キャパシタンスＣｇを充電し（図１２の破線Ｐ参照）、放電電圧になった時点で空間３０６の電圧がクランプされ（順方向の放電電圧Ｖｇ１にてクランプ）、電流Ｉｏは直列回路３１６を流れる（図１２の破線Ｑ参照）。このとき、誘電体３０５も同時に急速に充電が始まり、誘電体３０５にエネルギーが蓄積される。

リアクタ３００に流れる電流Ｉｏが零になった時点ｔ１１で誘電体３０５の充電が終了すると同時に、誘電体３０５に蓄積されたエネルギーの一部が放電によって消費される。

その後、電流Ｉｏが逆方向に流れ、これにより、リアクタ３００の空間３０６の静電容量Ｃｇに電流Ｉｇが流れて該静電容量が充電され（図１２の破線Ｒ参照）、放電電圧になった時点で空間３０６の電圧がクランプされ（逆方向の放電電圧Ｖｇ２にてクランプ）、電流Ｉｏは直列回路３１６を流れる（図１２の破線Ｓ参照）。このとき、誘電体３０５に残っていたエネルギーの一部が放電によって消費される。リアクタ３００にて消費されなかったエネルギーは、直流電源部２０２（図９参照）に戻ることになる。その結果、誘電体３０５の充電電圧Ｖｃは０Ｖとなる。

従って、図９に示す高電圧パルス発生回路２００において、第１半導体スイッチ２０６と並列で、且つ、第１半導体スイッチ２０６のカソード側をアノードとするようにダイオード３１８を接続することによって、誘電体３０５を有するリアクタ３００で放電（誘電体バリア放電）を行わせた場合、放電に使用されなかった余分なエネルギーを直流電源部２０２に回生することができる。

しかしながら、誘電体バリア放電を行う図１０のようなリアクタ３００を高電圧パルス発生回路２００で駆動する場合、誘電体３０５に蓄積したエネルギーの処理に困るという問題がある。上述のように、誘電体３０５に蓄積したエネルギーを直流電源部２０２にエネルギー回生する方法もあるが、回生効率が低く、電源の効率にあまり寄与しないという問題がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、簡単な回路構成で、リアクタの例えば誘電体に蓄積されたエネルギーを効果的に放電エネルギーに利用でき、電源効率の改善を図ることができる放電装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、上述の事項に加えて、急峻な放電を実現させることができ、大気圧でのパルスプラズマ技術の応用（ガス処理等）や高密度のプラズマの生成が可能となる放電装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、上述の事項に加えて、前記急峻な放電の前段階に発生する放電を予備放電として利用することができ、広範囲、高密度のプラズマ生成が可能となる放電装置を提供することにある。

本発明に係る放電装置は、電源部の両端に直列接続された過飽和型のトランス及び少なくとも１つの半導体スイッチと、前記トランスの二次側に接続されたリアクタとを有し、前記半導体スイッチのターンオンに伴って前記トランスの二次側に流れる一方向の電流による前記リアクタでの第１の放電と、前記トランスの飽和に伴って前記トランスの二次側に流れる逆方向の電流による前記リアクタでの第２の放電とを発生させることを特徴とする。

これにより、リアクタに蓄積されたエネルギーを効果的に放電エネルギーに利用でき、電源効率の改善を図ることができる。また、第２の放電として、急峻な放電を実現させることができ、大気圧でのパルスプラズマ技術の応用（ガス処理等）や高密度のプラズマの生成が可能となる。さらに、急峻な第２の放電の前段階に発生する第１の放電を予備放電として利用することができる。通常、ストリーマを拡散させた均一なグロー状の放電を発生させる手段として、放電励起エキシマレーザ装置に使われている予備電離パルス放電を用いる方法があるが、この予備電離パルス放電として前記第１の放電を利用することで広範囲で、高密度のプラズマ生成が可能となる。

そして、本発明において、前記リアクタは、一対の電極と、該一対の電極間に介在された誘電体と空間とを有するようにしてもよい。この場合、第１の放電によってリアクタの誘電体に蓄積されたエネルギーが、効果的に放電エネルギーに変換されて第２の放電として発生することになる。

また、本発明において、前記電源部は、電源電圧が供給されるコンデンサを有し、前記半導体スイッチのターンオンに伴う前記コンデンサの放電と、前記トランスの飽和後における前記トランスの一次側の共振に伴う回生エネルギーの伝達によって前記コンデンサへの再充電とが行われるようにしてもよい。

これは、コンデンサに蓄積されたエネルギーの対処方法であり、コンデンサに電荷が残った状態（コンデンサが例えば正電圧となっている状態）でトランスが飽和すると、コンデンサにおいてそのまま放電が続き、コンデンサは逆方向に充電され、コンデンサは負電圧となる。さらに、トランスの一次側において共振が行われると、コンデンサに残っていたエネルギーが回生によってコンデンサに伝達され、コンデンサは再度一方向に充電されて、再び正電圧となる。つまり、コンデンサに残ったエネルギーがトランスの一次側の共振現象によって回生されることから、コンデンサに回生されたエネルギーを次の放電に利用させることができる。

そして、この場合、前記半導体スイッチと並列に、且つ、前記回生エネルギーの前記コンデンサへの伝達による逆方向の電流に対して順方向にダイオードが接続されていてもよい。これにより、コンデンサに残っていたエネルギーが共振現象を利用して回生される際に、その回生に伴う電流が半導体スイッチをバイパスしてダイオードを流れるため、コンデンサへの再充電を効率よく行わせることができる。

また、前記本発明において、前記トランスの一次巻線と並列に、且つ、前記回生エネルギーの前記コンデンサへの伝達による逆方向の電流に対して順方向に第２ダイオードが接続されていてもよい。

この場合、前記共振現象を利用して回生される逆方向の電流が、トランスの一次巻線をバイパスして流れるため、コンデンサへの再充電をスムーズに行わせることができ、コンデンサへの充電効率をさらに向上させることができる。

また、本発明において、前記半導体スイッチと直列に、且つ、前記トランスの飽和後に、前記トランスの一次側に流れる一方向の電流に対して順方向に第３ダイオードが接続されていてもよい。

この場合、半導体スイッチをターンオフしなくても、半導体スイッチと並列に接続されたダイオードを介して回生に伴う逆方向の電流が流れることから、半導体スイッチを駆動制御する回路（制御回路）の構成を簡単にすることができ、コストの低廉化に有利になる。

また、本発明において、前記コンデンサに並列に、且つ、前記一方向の電流に対して順方向に第４ダイオードが接続されていてもよい。この場合、コンデンサの残留電荷を第４ダイオードにて消費させることができる。なお、残留電荷の熱的消費を効率よく行うために、第４ダイオードに直列に抵抗を接続してもよい。

また、本発明において、前記トランスの二次側に、飽和した前記トランスの前記飽和をリセットするためのリセット回路を有するようにしてもよい。これにより、第１の放電→第２の放電というサイクルを繰り返し行うことができ、脱臭、殺菌、有害ガスの分解、浄化等を効率よく行わせることができる。

以上説明したように、本発明に係る放電装置によれば、以下の効果を奏することができる。

（１）簡単な回路構成で、リアクタの例えば誘電体に蓄積されたエネルギーを効果的に放電エネルギーに利用でき、電源効率の改善を図ることができる。

（２）急峻な放電を実現させることができ、大気圧でのパルスプラズマ技術の応用（ガス処理等）や高密度のプラズマの生成が可能となる。

（３）前記急峻な放電の前段階に発生する放電を予備放電として利用することができ、広範囲、高密度のプラズマ生成が可能となる。

以下、本発明に係る放電装置の実施の形態例を図１〜図８を参照しながら説明する。

本実施の形態に係る放電装置１０は、図１に示すように、高電圧パルス発生回路１２とリアクタ１４とを有する。

高電圧パルス発生回路１２は、直流電源部１６（電源電圧Ｖｃｄ）と、該直流電源部１６の＋端子１８及び−端子２０間に直列接続されたトランス２２及び半導体スイッチ２４とを有する。

直流電源部１６は、＋端子１８及び−端子２０間に接続されたコンデンサ２６と、該コンデンサ２６に対して充電を行うコンデンサ充電器２８と、該コンデンサ充電器２８と＋端子１８間に接続されたインダクタ３０とを有する。コンデンサ２６の両端電圧である所定の電源電圧Ｖｃｄは、トランス２２を飽和させるのに十分な電圧に設定されている。

トランス２２は、一次巻線３２と二次巻線３４を有し、該トランス２２の二次巻線３４の第１出力端子３６及び第２出力端子３８から高電圧が取り出されるようになっている。すなわち、二次巻線３４の第１出力端子３６及び第２出力端子３８間には、リアクタ１４が接続される。また、トランス２２の一次側と二次側とが加極性となるように一次巻線３２と二次巻線３４の巻き始めが決定されている。

また、このトランス２２における一次巻線３２の一端４０には、半導体スイッチ２４のアノード端子が接続され、この半導体スイッチ２４に対して並列に第１ダイオード４２が接続されている。この第１ダイオード４２は、そのアノード端子が半導体スイッチ２４のカソード端子に接続され、カソード端子が半導体スイッチ２４のアノード端子に接続されている。

また、トランス２２の一次巻線３２に対して並列に第２ダイオード４４が接続されている。この第２ダイオード４４は、アノード端子が一次巻線３２の一端４０（半導体スイッチ２４のアノード端子）に接続され、カソード端子が一次巻線３２の他端４６に接続されている。なお、第２ダイオードは省略してもよい。第２ダイオードを省略した例を参考として図７に示す。

半導体スイッチ２４は、電流制御形のデバイス又は自己消弧形あるいは転流消弧形のデバイスを用いることができるが、この実施の形態では、ターンオフ時の電圧上昇率（ｄｖ／ｄｔ）に対する耐量が極めて大きく、且つ、電圧定格の高いＳＩサイリスタを用いている。半導体スイッチ２４のゲート端子とカソード端子間には、ＳＩサイリスタのオン／オフを制御する制御回路４８が接続されている。

一方、リアクタ１４は、高電圧パルス発生回路１２におけるトランス２２の第１出力端子３６及び第２出力端子３８間に接続され、図１０及び図１１と同様の構成を有する。すなわち、上下に配された２つのアルミナ板（上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４）を有する誘電体３０５と、上アルミナ板３０２と下アルミナ板３０４との間に形成される空間３０６の間隔を一定に保つための支持板３０８と、上アルミナ板３０２の上面に配された上部電極３１０と、下アルミナ板３０４の下面に設けられた下部電極３１２とを有する。

このリアクタ１４を等価回路で示すと、誘電体３０５（上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４）によるキャパシタンスＣｃと、空間３０６によるキャパシタンスＣｇとが直列に接続され、さらに、２つのツェナーダイオード５０ａ及び５０ｂをアノード端子同士を接続した直列回路５２を、キャパシタンスＣｇに並列に接続した構成となる。

そして、この実施の形態に係る放電装置１０は、トランス２２として、過飽和型トランスを用い、さらに、半導体スイッチ２４のターンオンに伴ってトランス２２の二次側に流れる一方向の電流により、リアクタ１４において第１の放電（順放電）を発生させ（第１モードＭ１）、その後、トランス２２の飽和に伴ってトランス２２の二次側に流れる逆方向の電流により、リアクタ１４において第２の放電（逆放電）を発生させるようにしている（第２モードＭ２）。

ここで、本実施の形態に係る放電装置１０の回路動作について図１〜図５を参照しながら説明する。

なお、図２は、トランス２２の二次側、特に、リアクタ１４に印加される出力電圧Ｖｏ、リアクタ１４の空間３０６に印加される電圧Ｖｇ、リアクタ１４の誘電体３０５に印加される電圧Ｖｃ、リアクタ１４に流れる出力電流Ｉｏの波形を示す図であり、トランス２２の一次側の電圧及び電流の波形は省略する。

また、図３は、トランス２２の一次側、特に、コンデンサ２６の両端電圧Ｖｃｄ、コンデンサ２６に流れる電流Ｉｃｄ、半導体スイッチ２４に流れる電流Ｉｓ、第１ダイオード４２に流れる電流Ｉｄ１の波形を示す図であり、トランス２２の二次側の電圧及び電流の波形は省略する。

まず、直流電源部１６のコンデンサ２６に所定の電源電圧Ｖｃｄが充電されている段階から説明すると、図２及び図３の時点ｔ０において、半導体スイッチ２４がターンオンすると、第１モードＭ１が開始され、トランス２２にコンデンサ２６の両端電圧、すなわち、トランス２２を飽和させるのに十分な所定の電源電圧Ｖｃｄが印加され、トランス２２の一次側において、コンデンサ２６の＋端子１８→トランス２２の一次巻線３２→半導体スイッチ２４→コンデンサ２６の−端子２０の第１経路５４（図１参照）で電流Ｉｃｄが流れる。

また、トランス２２の二次側において、トランス２２の二次巻線３４→第１出力端子３６→誘電体３０５（キャパシタンスＣｃ）→空間３０６（キャパシタンスＣｇ）→第２出力端子３８→二次巻線３４の第２経路５６（図１参照）で出力電流Ｉｏ（図２参照）が流れる。この第２経路５６に出力電流Ｉｏが流れることで、リアクタ１４の第１出力端子３６及び第２出力端子３８間の出力電圧Ｖｏ（図２参照）が上昇する。なお、トランス２２の漏れインダクタンスの影響によって、出力電圧Ｖｏがピーク値に達するまでにある程度時間がかかる。

この第１モードＭ１では、リアクタ１４の空間３０６のキャパシタンスＣｇに電流Ｉｏが流れて該キャパシタンスＣｇを充電し、放電電圧になった時点で空間３０６の電圧がクランプされ（順方向の放電電圧にてクランプ：順放電）、電流Ｉｏは直列回路５２を流れる。このとき、誘電体３０５（上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４）も同時に急速に充電が始まり、誘電体３０５にエネルギーが蓄積される。

そして、出力電圧Ｖｏがピーク値に達した時点ｔ１で、トランス２２が飽和状態となり、トランス２２の二次側のインダクタンスが急激に小さくなる。これにより、図４に示すように、今度は、高電圧に充電されていたリアクタ１４の誘電体３０５から磁気飽和したトランス２２に向かって出力電流Ｉｏが流れる（第２モードＭ２：図２参照）。すなわち、この第２モードＭ２では、リアクタ１４の誘電体３０５に蓄積されていた電荷による起電力によって、誘電体３０５（キャパシタンスＣｃ）→第１出力端子３６→トランス２２の二次巻線３４→第２出力端子３８→空間３０６（キャパシタンスＣｇ）→誘電体３０５（キャパシタンスＣｃ）で示す第３経路５８で、つまり、第２経路５６（図１参照）とは逆方向の経路で出力電流Ｉｏが急激に流れる。

これにより、リアクタ１４の空間３０６のキャパシタンスＣｇが充電され、放電電圧になった時点で空間３０６の電圧がクランプされる（逆方向の放電電圧にてクランプ：逆放電）。この逆方向の出力電流−Ｉｏによる放電（逆放電）によって、誘電体３０５に残存するエネルギーによる電圧Ｖｃが空間３０６に印加され、出力電圧Ｖｏは急峻に低下することとなる。この逆放電によって、誘電体３０５に残っていたエネルギーはすべて消費されることになる。

一方、トランス２２の一次側では、図５に示すように、半導体スイッチ２４がターンオンした時点ｔ０から、コンデンサ２６の＋端子１８→トランス２２の一次巻線３２→半導体スイッチ２４→コンデンサ２６の−端子２０で示す第４経路６０で電流Ｉｃｄ（図３参照）が流れ、コンデンサ２６の両端電圧Ｖｃｄ（図３参照）は徐々に下降する。つまり、コンデンサ２６での一方向の放電が行われる。

その後、コンデンサ２６に電荷が残った状態（コンデンサ２６が例えば正電圧となっている状態）でトランス２２が飽和すると（時点ｔ１以降）、コンデンサ２６においてそのまま放電が続き、コンデンサ２６は逆方向に充電され、電流Ｉｃｄがピーク値になった時点で、コンデンサ２６の両端電圧Ｖｃｄがほぼ零になる。

その後、トランス２２の一次側において共振（コンデンサ２６の容量と配線及び一次巻線３２のインダクタンスによるＬＣ共振）が行われると、コンデンサ２６に残っていたエネルギーが回生によってコンデンサ２６に伝達される。この回生によって、コンデンサ２６の−端子２０→第１ダイオード４２→第２ダイオード４４→コンデンサ２６の＋端子１８で示す第５経路で電流Ｉｃｄが流れ、コンデンサ２６は再度一方向に充電されて、再び正電圧となる。

なお、制御回路４８による半導体スイッチ２４のターンオフは、電流Ｉｃｄが零となった時点ｔ２以降で行われる。

このように、本実施の形態に係る放電装置１０においては、トランス２２として、過飽和型トランスを用い、さらに、半導体スイッチ２４のターンオンに伴ってトランス２２の二次側に流れる一方向の電流により、リアクタ１４において第１の放電（順放電）を発生させ、その後、トランス２２の飽和に伴ってトランス２２の二次側に流れる逆方向の電流により、リアクタ１４において第２の放電（逆放電）を発生させるようにしたので、第１の放電によってリアクタ１４に蓄積されたエネルギーを効率的に放電エネルギーに変換して第２の放電として利用でき、電源効率の改善を図ることができる。

また、第２の放電として、急峻な放電を実現させることができ、大気圧でのパルスプラズマ技術の応用（ガス処理等）や高密度のプラズマの生成が可能となる。

さらに、急峻な第２の放電の前段階に発生する第１の放電を予備放電として利用することができる。通常、ストリーマを拡散させた均一なグロー状の放電を発生させる手段として、放電励起エキシマレーザ装置に使われている予備電離パルス放電を用いる方法があるが、この予備電離パルス放電として前記第１の放電を利用することで広範囲で、高密度のプラズマ生成が可能となる。

特に、この実施の形態に係る放電装置１０においては、図３に示すように、トランス２２の飽和後において、トランス２２の一次側にて共振が行われると、コンデンサ２６に残っていたエネルギーが回生によってコンデンサ２６に伝達され、コンデンサは再度一方向に充電されて、再び正電圧となる。つまり、コンデンサ２６に残ったエネルギーがトランス２２の一次側の共振現象によって回生されることから、コンデンサ２６に回生されたエネルギーを次の放電に利用させることができる。

また、半導体スイッチ２４と並列に、且つ、回生エネルギーのコンデンサ２６への伝達による逆方向の電流に対して順方向に第１ダイオード４２を接続するようにしたので、コンデンサ２６に残っていたエネルギーが共振現象を利用して回生される際に、その回生に伴う逆方向の電流が半導体スイッチ２４をバイパスして第１ダイオード４２を流れるため、コンデンサ２６への再充電を効率よく行わせることができる。

また、トランス２２の一次巻線と並列に、且つ、回生エネルギーのコンデンサ２６への伝達による逆方向の電流に対して順方向に第２ダイオード４４を接続するようにしたので、前記共振現象を利用して回生される逆方向の電流が、トランス２２の一次巻線３２をバイパスして流れるため、コンデンサ２６への再充電をスムーズに行わせることができ、コンデンサ２６への充電効率をさらに向上させることができる。

次に、上述した実施の形態に係る放電装置１０のいくつかの変形例について図６〜図８を参照しながら説明する。

まず、第１の変形例に係る放電装置１０ａは、図６に示すように、上述した本実施の形態に係る放電装置１０とほぼ同様の構成を有するが、半導体スイッチ２４に対して直列に第３ダイオード６４を接続した点で異なる。具体的には、第３ダイオード６４のカソード端子を半導体スイッチ２４のアノード端子に接続し、第３ダイオード６４のアノード端子を一次巻線３２の一端４０（第１ダイオード４２のカソード端子）に接続するようにしている。

これにより、半導体スイッチ２４をターンオフする必要がなくなるため、半導体スイッチ２４を駆動制御する制御回路４８の構成を簡単にすることができる。半導体スイッチ２４としてＳＩサイリスタを用いた場合、通常、ＳＩサイリスタでターンオフを実現するためには、アノード・カソード間を流れる電流とほぼ同じ電流をゲートから引き抜く必要がある。これは、ゲート付近に空乏層を形成するために不可欠な条件であり、そのため大電流を制御することが可能なゲート回路を必要とする。さらに、電流遮断時の高ｄｉ／ｄｔを実現するためには、大電流をスナバ回路を接続することなく遮断する必要があり、信頼性の点で不利になるおそれがある。この第１の変形例では、半導体スイッチ２４としてＳＩサイリスタを用いても、該ＳＩサイリスタをターンオフさせる必要がないため、上述のような懸念を考慮する必要がなく、設計の自由度を向上させることができ、しかも、コストの低廉化に有利になる。

次に、第２の変形例に係る放電装置１０ｂは、図７に示すように、上述した本実施の形態に係る放電装置１０とほぼ同様の構成を有するが、コンデンサ２６に対して並列に第４ダイオード６６を接続した点で異なる。具体的には、第４ダイオード６６のカソード端子をコンデンサ２６の＋端子に接続し、第４ダイオード６６のアノード端子をコンデンサ２６の−端子に接続するようにしている。

これにより、コンデンサ２６の残留電荷を第４ダイオード６６にて消費させることができる。なお、残留電荷の熱的消費を効率よく行うために、図示しないが、第４ダイオード６６に直列に抵抗を接続してもよい。

次に、第３の変形例に係る放電装置１０ｃは、図８に示すように、上述した本実施の形態に係る放電装置１０とほぼ同様の構成を有するが、トランス２２の二次側に、トランス２２の飽和状態をリセットするためのリセット回路６８を有する点で異なる。具体的には、このリセット回路６８は、二次巻線３４とは別に、トランス２２の一次側に対して加極性となるように巻かれたリセット用巻線７０と、このリセット用巻線７０に直列に接続された直流電源７２、抵抗７４及びリアクトル７６とを有する。

そして、第１モードＭ１にて一次巻線３２に電流Ｉｃｄが流れると、二次巻線３４に出力電流Ｉｏが流れると共に、リセット回路６８にも電流が流れ、リアクトル７６に誘導エネルギーが蓄積される。

トランス２２が飽和した段階（第２モードＭ２）で、二次巻線３４に急峻に出力電流Ｉｏが流れて、パルス電圧がリセット回路６８に加わっても、リアクトル７６に蓄積されたエネルギーによってブロックすることができる。

その後、第２モードＭ２が終了して、出力電流Ｉｏがほぼ零となった段階で、リアクトル７６に蓄積されていたエネルギーが解放されて、リセット用巻線７０に電流が流れることで、トランス２２の飽和状態がリセットされることになる。

従って、第１の放電（第１モードでの順放電）→第２の放電（第２モードでの逆放電）というサイクルを繰り返し行うことができ、脱臭、殺菌、有害ガスの分解、浄化等を効率よく行わせることができる。

なお、本発明に係る放電装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係る放電装置の構成を、第１モードでの電流の流通経路と共に示す回路図である。 本実施の形態に係る放電装置において、リアクタに印加される電圧Ｖｏ、リアクタの空間に印加される電圧Ｖｇ、リアクタの誘電体に印加される電圧Ｖｃ、リアクタに流れる電流Ｉｏの波形を示す図である。 本実施の形態に係る放電装置において、コンデンサの両端電圧Ｖｃｄ、コンデンサに流れる電流Ｉｃｄ、半導体スイッチに流れる電流Ｉｓ、第１ダイオードに流れる電流Ｉｄ１の波形を示す図である。 本実施の形態に係る放電装置における第２モードでの電流の流通経路を示す説明図である。 本実施の形態に係る放電装置におけるトランスの一次側での電流の動きを示す説明図である。 第１の変形例に係る放電装置の要部の構成を示す回路図である。 第２の変形例に係る放電装置の要部の構成を示す回路図である。 第３の変形例に係る放電装置の構成を示す回路図である。 従来例に係る高電圧パルス発生回路の構成を示す回路図である。 無声放電で使用される一般的なリアクタの構成を示す斜視図である。 無声放電で使用される一般的なリアクタの構成を示す縦断面図である。 高電圧パルス発生回路の出力端子間に接続されるリアクタの等価回路を示す図である。 従来例に係る高電圧パルス発生回路において、リアクタに印加される電圧Ｖｏ、リアクタの空間に印加される電圧Ｖｇ、リアクタの誘電体に印加される電圧Ｖｃ、リアクタに流れる電流Ｉｏ、リアクタの空間に流れる電流Ｉｇの波形を示す図である。

符号の説明

１０、１０ａ〜１０ｃ…放電装置 １２…高電圧パルス発生回路
１４…リアクタ １６…直流電源部
２２…トランス ２４…半導体スイッチ
２６…コンデンサ ３２…一次巻線
３４…二次巻線 ４２…第１ダイオード
４４…第２ダイオード ４８…制御回路
６４…第３ダイオード ６６…第４ダイオード
６８…リセット回路

Claims (8)

1. 電源部の両端に直列接続された過飽和型のトランス及び少なくとも１つの半導体スイッチと、
   前記トランスの二次側に接続されたリアクタとを有し、
   前記半導体スイッチのターンオンに伴って前記トランスの二次側に流れる一方向の電流による前記リアクタでの第１の放電と、
   前記トランスの飽和に伴って前記トランスの二次側に流れる逆方向の電流による前記リアクタでの第２の放電とを発生させることを特徴とする放電装置。
2. 請求項１記載の放電装置において、
   前記リアクタは、一対の電極と、該一対の電極間に介在された誘電体と空間とを有することを特徴とする放電装置。
3. 請求項１又は２記載の放電装置において、
   前記電源部は、電源電圧が供給されるコンデンサを有し、
   前記半導体スイッチのターンオンに伴う前記コンデンサの放電と、
   前記トランスの飽和後における前記トランスの一次側の共振に伴う回生エネルギーの伝達によって前記コンデンサへの再充電とが行われることを特徴とする放電装置。
4. 請求項３記載の放電装置において、
   前記半導体スイッチと並列に、且つ、前記回生エネルギーの前記コンデンサへの伝達による逆方向の電流に対して順方向にダイオードが接続されていることを特徴とする放電装置。
5. 請求項４記載の放電装置において、
   前記トランスの一次巻線と並列に、且つ、前記回生エネルギーの前記コンデンサへの伝達による逆方向の電流に対して順方向に第２ダイオードが接続されていることを特徴とする放電装置。
6. 請求項４又は５記載の放電装置において、
   前記半導体スイッチと直列に、且つ、前記トランスの飽和後に、前記トランスの一次側に流れる一方向の電流に対して順方向に第３ダイオードが接続されていることを特徴とする放電装置。
7. 請求項３〜６のいずれか１項に記載の放電装置において、
   前記コンデンサに並列に、且つ、前記一方向の電流に対して順方向に第４ダイオードが接続されていることを特徴とする放電装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の放電装置において、
   前記トランスの二次側に、飽和した前記トランスの前記飽和をリセットするためのリセット回路を有することを特徴とする放電装置。
   
   

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