JP2017017850A - プラズマリアクタ用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力側に断線故障が生じた場合に、直流電源からフライバック型昇圧トランスの一次コイルへの通電を停止できる、プラズマリアクタ用電源装置を提供する。
【解決手段】スナバ回路３４は、コンデンサ５１により構成され、スイッチング素子４２と並列に設けられている。分圧回路３５は、２個の分圧用抵抗６１，６２を直列に接続した抵抗直列回路であり、スイッチング素子４２およびスナバ回路３４と並列に接続されている。プラズマリアクタ用電源装置５の出力側における断線故障が発生すると、フライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３に蓄積されたエネルギは、コンデンサ５１に吸収される。これにより、分圧回路３５の分圧用抵抗６１，６２の接続点６３の電位が上昇する。接続点６３の電位が所定電圧を上回ると、それ以後は、スイッチング素子４２がオフに保たれて、ＤＣ電源３１から一次コイル４３への通電が遮断される。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマリアクタに印加される電圧を発生するプラズマリアクタ用電源装置に関する。

エンジン、とくにディーゼルエンジンから排出される排ガスには、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）などが含まれる。

排ガスに含まれるＰＭを除去する手法として、プラズマリアクタを用いて、排ガスに含まれるＰＭを除去する手法が提案されている。プラズマリアクタは、複数の電極パネルを備えている。電極パネルは、たとえば、誘電体に電極を内蔵した構成であり、複数の電極パネルは、排ガスの流れ方向と直交する方向に間隔を空けて対向配置される。プラズマリアクタ用電源装置から電極間にパルス電圧が印加されると、誘電体バリア放電が生じて、電極パネル間に低温プラズマ（非平衡プラズマ）が発生し、電極パネル間を流れる排ガス中のＰＭが酸化により除去される。

電極間には、数ｋＶの高電圧が印加される。この高電圧は、たとえば、プラズマリアクタ用電源装置に内蔵されたフライバック型昇圧トランスで生成される。フライバック型昇圧トランスの一次側（一次コイル）には、直流電源が接続されている。直流電源の発生電圧がフライバック型昇圧トランスの一次側に入力されると、相互誘導作用により、二次側（二次コイル）に一次電圧より高い二次電圧が発生する。そして、その二次電圧がプラズマリアクタの電極間に印加される。

特開２００２−１２９９４９号公報

フライバック型昇圧トランスの二次側（出力側）が断線故障で開放された場合、フライバック型昇圧トランスの一次コイルに蓄積されたエネルギを一次側で消費する必要があるなどの不都合を防ぎ、また開放部に高電圧の出力が印加されることを防止するために、以降は、直流電源からフライバック型昇圧トランスの一次コイルへの通電を停止することが望ましい。

本発明の目的は、出力側に断線故障が生じた場合に、直流電源からフライバック型昇圧トランスの一次コイルへの通電を停止できる、プラズマリアクタ用電源装置を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係るプラズマリアクタ用電源装置は、プラズマリアクタに印加される電圧を発生するプラズマリアクタ用電源装置であって、直流電源と、フライバック型昇圧トランスと、直流電源からフライバック型昇圧トランスの一次コイルへの通電／遮断を切り替えるためにオン／オフされるスイッチング素子と、スイッチング素子と並列に接続されたスナバコンデンサと、スナバコンデンサの両端間の電圧を分圧する分圧回路と、分圧回路による分圧値が所定値を超えた場合に、スイッチング素子をオフにして、直流電源からフライバック型昇圧トランスの一次コイルへの通電を遮断する通電遮断手段とを含む。

この構成によれば、フライバック型昇圧トランスの二次側、つまりプラズマリアクタ用電源装置の出力側に断線故障が生じた場合、一次コイルに蓄積されたエネルギは、プラズマリアクタでの放電により消費されないので、スイッチング素子と並列に接続されたスナバコンデンサに吸収される。これにより、スナバコンデンサの両端間の電圧が上昇する。スナバコンデンサの両端間の電圧を分圧する分圧回路が設けられており、スナバコンデンサの両端間の電圧が上昇すると、それに伴って、分圧回路による分圧値が上昇する。したがって、分圧回路による分圧値が所定値を超えたことを以て、出力側に断線故障が生じたと判断することができる。分圧回路による分圧値が所定値を超えた場合には、スイッチング素子がオフにされて、直流電源からフライバック型昇圧トランスの一次コイルへの通電が遮断される。

よって、出力側に断線故障が生じた場合に、直流電源からフライバック型昇圧トランスの一次コイルへの通電を停止することができる。

なお、出力側に高電圧下での電圧または電流を検出するセンサを設けて、そのセンサの検出値に基づいて、出力側での断線故障を検出する構成が考えられる。しかしながら、高電圧下での電圧や、急峻なパルス電流を検出可能なセンサが高価であるので、当該構成を採用すると、プラズマリアクタ用電源装置のコストが大幅にアップする。これに対し、比較的低い電圧であるスナバコンデンサの両端間の電圧の分圧値を使用する構成では、高価なセンサが不要であり、プラズマリアクタ用電源装置のコストアップを抑制することができる。

スナバコンデンサは、単一のコンデンサにより構成されていてもよいし、複数のコンデンサの直列回路により構成されていてもよい。

分圧回路は、複数の抵抗を直列に接続した回路を備えていてもよい。

また、スナバコンデンサが複数のコンデンサの直列回路により構成される場合、分圧回路は、ツェナーダイオードと抵抗との直列回路を複数のコンデンサのうちの１つに並列に接続した構成を有していてもよい。

本発明によれば、出力側に断線故障が生じた場合に、直流電源からフライバック型昇圧トランスの一次コイルへの通電を停止することができる。また、高電圧下で使用可能な高価なセンサが不要であり、プラズマリアクタ用電源装置のコストアップを抑制することができる。

ＰＭ除去装置の構成を図解的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るプラズマリアクタ用電源装置の概略構成を示す回路図である。 別構成のスナバ回路および分圧回路が採用されたプラズマリアクタ用電源装置５の概略構成を示す回路図である。 図２に示されるプラズマリアクタ用電源装置にエネルギ消費回路が追加された構成を示す回路図である。 図３に示されるプラズマリアクタ用電源装置にエネルギ消費回路が追加された構成を示す回路図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜ＰＭ除去装置＞

図１は、ＰＭ除去装置１の構成を図解的に示す断面図である。

ＰＭ除去装置１は、たとえば、自動車のエンジン（図示せず）から排出される排ガスに含まれるＰＭを除去するための装置であり、エキゾーストパイプなどの排気管２の途中部に介装される。ＰＭ除去装置１は、流通管３、プラズマリアクタ４およびプラズマリアクタ用電源装置５を備えている。

流通管３は、一端部および他端部にそれぞれ排ガス流入口１１および排ガス流出口１２を有する管状（筒状）をなしている。排ガス流入口１１は、排気管２におけるエンジン側の部分２Ａに接続され、排ガス流出口１２は、排気管２におけるエンジン側と反対側の部分２Ｂに接続されている。エンジンから排出される排ガスは、排気管２におけるエンジン側の部分２Ａを流れ、排ガス流入口１１から流通管３に流入して、流通管３を流通し、排ガス流出口１２から排気管２におけるエンジン側と反対側の部分２Ｂに流出する。

プラズマリアクタ４は、流通管３内に配置されている。プラズマリアクタ４は、複数の電極パネル２１を備えている。

電極パネル２１は、四角板状をなし、誘電体２２に電極２３を内蔵した構成、言い換えれば、電極２３をその両面から誘電体２２で挟み込んだ構成を有している。誘電体２２の材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を例示することができる。電極２３の材料としては、タングステンを例示することができる。電極パネル２１は、流通管３における排ガスの流通方向（排ガス流入口１１から排ガス流出口１２に向かう方向）に延び、排ガスの流通方向と直交する方向に等間隔を空けて並列に配置されている。

電極２３には、誘電体２２の積層方向の一端側から順に、プラス配線２４およびマイナス配線２５が交互に接続されている。プラス配線２４およびマイナス配線２５は、それぞれプラズマリアクタ用電源装置５のプラス端子およびマイナス端子と電気的に接続されている。

＜プラズマリアクタ用電源装置＞

図２は、本発明の一実施形態に係るプラズマリアクタ用電源装置５の概略構成を示す回路図である。

プラズマリアクタ用電源装置５は、ＤＣ電源３１、昇圧回路３２、入力フィルタ回路３３、スナバ回路３４、分圧回路３５、故障検出回路３６、制御回路３７およびゲートドライブ回路３８を備えている。

ＤＣ電源３１は、たとえば、１２Ｖの直流電圧を出力する車載バッテリである。

昇圧回路３２は、フライバック型昇圧トランス４１およびスイッチング素子４２を含む。フライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３にスイッチング素子４２が接続されており、このスイッチング素子４２と一次コイル４３との直列回路が入力フィルタ回路３３を介してＤＣ電源３１に接続されている。具体的には、スイッチング素子４２は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であり、そのコレクタがフライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３の一端に接続され、エミッタが接地されている。一次コイル４３の他端は、入力フィルタ回路３３を介して、ＤＣ電源３１のプラス端子に接続されている。

フライバック型昇圧トランス４１の二次コイル４４の一端および他端は、それぞれプラズマリアクタ用電源装置５のプラス端子およびマイナス端子と電気的に接続されている。これにより、二次コイル４４の一端は、プラス端子およびプラス配線２４を介してプラズマリアクタ４の電極２３に接続され、二次コイル４４の他端は、マイナス端子およびマイナス配線２５を介して電極２３に接続されている。

入力フィルタ回路３３は、ＤＣ電源３１の出力電圧を安定させるためのコンデンサなどを含む。

スナバ回路３４は、コンデンサ５１により構成され、スイッチング素子４２と並列に設けられている。すなわち、コンデンサ５１は、一端がスイッチング素子４２のコレクタと電気的に接続され、他端がスイッチング素子４２のエミッタと電気的に接続、つまり接地されている。

分圧回路３５は、２個の分圧用抵抗６１，６２を直列に接続した抵抗直列回路である。分圧回路３５の一端は、スイッチング素子４２のコレクタと電気的に接続され、他端がスイッチング素子４２のエミッタと電気的に接続、つまり接地されている。これにより、分圧回路３５は、スイッチング素子４２と並列に接続され、また、スナバ回路３４と並列に接続されている。

故障検出回路３６は、分圧回路３５の分圧用抵抗６１，６２の接続点６３と電気的に接続されている。故障検出回路３６は、たとえば、コンパレータを含む。コンパレータのプラス入力端子には、接続点６３の電位が入力されるようになっている。一方、コンパレータのマイナス入力端子には、所定電圧が入力されるようになっている。接続点６３の電位が所定電圧以下であるときには、コンパレータの出力端子からローレベル信号が出力され、接続点６３の電位が所定電圧を上回ると（超えると）、コンパレータの出力端子からハイレベル信号が出力される。

制御回路３７は、ＩＣ回路である。制御回路３７には、故障検出回路３６のコンパレータの出力信号が検出信号として入力される。その検出信号がローレベル信号であるときには、制御回路３７は、通常動作により、ゲートドライブ回路３８からスイッチング素子４２のゲートに入力されるゲート電圧を制御する。故障検出回路３６から制御回路３７にハイレベル信号が入力されると、制御回路３７は、通常動作を停止する。通常動作の停止により、それ以後は、スイッチング素子４２がオフに保たれる。また、制御回路３７は、故障検出回路３６からのハイレベル信号の入力に応答して、プラズマリアクタ用電源装置５の出力側（フライバック型昇圧トランス４１の二次側）における断線故障の発生を表す断線故障発生信号を出力する。制御回路３７から出力される断線故障発生信号は、たとえば、車両に搭載されているメータＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）に入力される。メータＥＣＵは、断線故障発生信号の入力に応答して、車両のメータパネルに配設された警告灯を点灯させる。

制御回路３７の通常動作時には、ゲート電圧の制御により、スイッチング素子４２のオン／オフが一定の周期で繰り返される。スイッチング素子４２がオンされると、フライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３に電流が流れ、一次コイル４３にエネルギが蓄積される。その後、スイッチング素子４２がオフされると、一次コイル４３に蓄積されたエネルギが開放されて、一次コイル４３に起電力が生じ、フライバック型昇圧トランス４１の二次コイル４４に巻数比に応じた二次電圧が発生する。スイッチング素子４２のオン／オフが繰り返されることにより、二次電圧がパルス的に発生し、パルス波状に変化する二次電圧（プラズマリアクタ用電源装置５の出力電圧）がプラズマリアクタ４の電極２３間に印加される。プラズマリアクタ用電源装置５の出力電圧が電極２３間に印加されることにより、電極パネル２１（図１参照）間に誘電体バリア放電が生じ、その誘電体バリア放電によるプラズマが発生する。プラズマの発生により、電極パネル２１間を流通する排ガスに含まれるＰＭが酸化（燃焼）されて除去される。

また、スイッチング素子４２がオフされたときに、一次コイル４３から開放されるエネルギの一部により、スナバ回路３４のコンデンサ５１が充電される。コンデンサ５１の充電により、スイッチング素子４２のターンオフ時に生じる過渡的な高電圧（サージ電圧）がスイッチング素子４２に印加されることが抑制され、スイッチング素子４２がその高電圧により破壊されることが抑制される。

＜作用効果＞

プラズマリアクタ用電源装置５の出力側における断線故障が発生すると、フライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３に蓄積されたエネルギは、プラズマリアクタ４での放電により消費されないので、スイッチング素子４２と並列に接続されたスナバ回路３４のコンデンサ５１に吸収される。これにより、コンデンサ５１の両端間の電圧が上昇する。コンデンサ５１の両端間の電圧が上昇すると、それに伴って、分圧回路３５の分圧用抵抗６１，６２の接続点６３の電位が上昇する。接続点６３の電位が所定電圧を上回ると、故障検出回路３６からハイレベル信号（ハイレベルの検出信号）が出力される。このハイレベル信号の出力に応答して、制御回路３７による通常動作が停止され、それ以後は、スイッチング素子４２がオフに保たれて、ＤＣ電源３１からフライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３への通電が遮断される。

よって、プラズマリアクタ用電源装置５の出力側に断線故障が生じた場合に、ＤＣ電源３１からフライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３への通電を停止することができる。

＜プラズマリアクタ用電源装置の他の構成＞

図３は、別構成のスナバ回路７１および分圧回路７２が採用されたプラズマリアクタ用電源装置５の概略構成を示す回路図である。図３において、図２に示される各部に相当する部分には、それらの各部と同一の参照符号が付されている。また、以下では、その同一の参照符号が付された部分の説明を省略する。

プラズマリアクタ用電源装置５では、図３に示されるように、図２に示されるスナバ回路３４および分圧回路３５に代えて、スナバ回路７１および分圧回路７２が採用されてもよい。

スナバ回路７１は、２個のコンデンサ７３，７４の直列回路により構成され、スイッチング素子４２と並列に設けられている。具体的には、２個のコンデンサ７３，７４は、直列に接続されている。このコンデンサ７３，７４の直列回路は、一端がスイッチング素子４２のコレクタと電気的に接続され、他端がスイッチング素子４２のエミッタと電気的に接続、つまり接地されている。これにより、コンデンサ７３，７４の直列回路は、スイッチング素子４２と並列に接続されている。

分圧回路７２は、ツェナーダイオード７５のアノードに抵抗７６の一端を接続した直列回路により構成される。ツェナーダイオード７５のカソードは、スナバ回路７１のコンデンサ７３，７４の接続点に電気的に接続されている。抵抗７６の他端は、スイッチング素子４２のエミッタと電気的に接続、つまり接地されている。これにより、分圧回路７２は、コンデンサ７３と並列に接続されている。ツェナーダイオード７５と抵抗７６との接続点７７の電位が故障検出回路３６に入力されるようになっている。

プラズマリアクタ用電源装置５の出力側における断線故障が発生すると、フライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３に蓄積されたエネルギは、プラズマリアクタ４での放電により消費されないので、スイッチング素子４２と並列に接続されたスナバ回路７１のコンデンサ７３，７４に吸収される。これにより、コンデンサ７３の両端間の電圧が上昇する。コンデンサ７３の両端間の電圧がツェナーダイオード７５のツェナー電圧以上に上昇すると、ツェナーダイオード７５が作動し、抵抗７６に電流が流れることにより、ツェナーダイオード７５と抵抗７６との接続点７７の電位（抵抗７６の電圧）が上昇する。接続点７７の電位が所定電圧を上回ると、故障検出回路３６からハイレベル信号が出力される。このハイレベル信号の出力に応答して、制御回路３７による通常動作が停止され、それ以後は、スイッチング素子４２がオフに保たれて、ＤＣ電源３１からフライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３への通電が遮断される。

この構成によっても、プラズマリアクタ用電源装置５の出力側に断線故障が生じた場合に、ＤＣ電源３１からフライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３への通電を停止することができる。

＜エネルギ消費回路＞

図４は、図２に示されるプラズマリアクタ用電源装置５にエネルギ消費回路８１が追加された構成を示す回路図である。

図２に示されるプラズマリアクタ用電源装置５には、スナバ回路３４のコンデンサ５１に蓄積されるエネルギを消費するためのエネルギ消費回路８１が追加されてもよい。

エネルギ消費回路８１は、スイッチング素子８２および抵抗８３の直列回路により構成される。スイッチング素子８２は、たとえば、ＩＧＢＴである。抵抗８３の一端は、スイッチング素子８２のコレクタと電気的に接続されている。抵抗８３の他端は、スイッチング素子４２のコレクタと電気的に接続されている。スイッチング素子８２のエミッタは、接地されている。

スイッチング素子８２のゲートには、故障検出回路３６（コンパレータ）の検出信号が入力されるようになっている。

プラズマリアクタ用電源装置５の出力側における断線故障が発生すると、フライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３に蓄積されたエネルギは、スナバ回路３４のコンデンサ５１に吸収される。コンデンサ５１の両端間の電圧が上昇に伴って、分圧回路３５の分圧用抵抗６１，６２の接続点６３の電位が上昇し、その電位が所定電圧を上回ると、故障検出回路３６からハイレベルの検出信号が出力される。この検出信号の出力に応答して、制御回路３７による通常動作が停止される。また、ハイレベルの検出信号がスイッチング素子８２のゲートに入力されることにより、エネルギ消費回路８１のスイッチング素子８２がオンになり、コンデンサ５１に蓄積された電荷がエネルギ消費回路８１を流れる。その結果、コンデンサ５１に蓄積されたエネルギがエネルギ消費回路８１の抵抗８３でジュール熱に変換されて消費される。これにより、コンデンサ５１に蓄積されたエネルギを速やかに消失させることができる。コンデンサ５１に蓄積されたエネルギを十分に消失させた後に、スイッチング素子８２をオフさせる。

エネルギ消費回路８１は、図５に示されるように、スナバ回路７１および分圧回路７２が採用されたプラズマリアクタ用電源装置５に追加されてもよい。

＜変形例＞

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。

たとえば、スイッチング素子４２，８２は、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴであってもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

４ プラズマリアクタ
５ プラズマリアクタ用電源装置
３１ ＤＣ電源（直流電源）
３４ スナバ回路（スナバコンデンサ）
３５ 分圧回路
３６ 故障検出回路（通電遮断手段）
３７ 制御回路（通電遮断手段）
３８ ゲートドライブ回路（通電遮断手段）
４１ フライバック型昇圧トランス
４２ スイッチング素子
４３ 一次コイル
４４ 二次コイル
５１ コンデンサ（スナバコンデンサ）
７１ スナバ回路
７２ 分圧回路
７３ コンデンサ（スナバコンデンサ）
７４ コンデンサ（スナバコンデンサ）

Claims (1)

1. プラズマリアクタに印加される電圧を発生するプラズマリアクタ用電源装置であって、
   直流電源と、
   フライバック型昇圧トランスと、
   前記直流電源から前記フライバック型昇圧トランスの一次コイルへの通電／遮断を切り替えるためにオン／オフされるスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子と並列に接続されたスナバコンデンサと、
   前記スナバコンデンサの両端間の電圧を分圧する分圧回路と、
   前記分圧回路による分圧値が所定値を超えた場合に、前記スイッチング素子をオフにして、前記直流電源から前記フライバック型昇圧トランスの一次コイルへの通電を遮断する通電遮断手段とを含む、プラズマリアクタ用電源装置。

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