JP2018078734A - プラズマリアクタ用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電源とフライバック型昇圧トランスとが電気的に切り離されたときにバイパスコンデンサに溜まっている電荷を放出できながら、電力供給効率の向上を図ることができる、プラズマリアクタ用電源装置を提供する。【解決手段】フライバック型昇圧トランス１３の一次コイル２１の一端は、電源ライン１１に接続されている。電源ライン１１には、バッテリＢが接続されている。電源ライン１１とグランドＧとの間には、バイパスコンデンサ１６が電気的に介在されている。また、電源ライン１１におけるヒューズ１２とバイパスコンデンサ１６の接続点との間には、電源リレー３１が設けられている。電源リレー３１と並列に、予備充電リレー３３および予備充電抵抗３４の直列回路からなる予備充電回路３２が接続されている。予備充電リレー３３と予備充電抵抗３４との接続点とグランドＧとの間には、放電リレー１８が電気的に介在されている。【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマリアクタの電極に供給される電力を生成する電源装置に関する。

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。

プラズマリアクタの電極に供給される電力（電極間に印加される電圧）を生成する電源装置は、図３に示されるように、フライバック型昇圧トランス１０１、スイッチング素子１０２、リレー回路１０３、ヒューズ１０４、バイパスコンデンサ（デカップリングコンデンサ）１０５および抵抗１０６を備えている。

フライバック型昇圧トランス１０１の一次コイル１０７の一端は、電源ライン１０８に接続されている。電源ライン１０８には、プラズマリアクタが搭載される車両のバッテリＢのプラス端子が接続されている。一次コイル１０７の他端は、グランドＧに接続されており、一次コイル１０７とグランドＧとの間には、スイッチング素子１０２が電気的に介在されている。フライバック型昇圧トランス１０１の二次コイル１０９は、プラズマリアクタの電極間に接続されている。

リレー回路１０３は、電源リレー１１１、予備充電リレー１１２および予備充電抵抗１１３を含む。電源リレー１１１は、電源ライン１０８に設けられている。予備充電リレー１１２および予備充電抵抗１１３は、互いに直列に接続されて、電源ライン１０８に電源リレー１１１と並列に接続されている。

ヒューズ１０４は、バッテリＢのプラス端子と電源リレー１１１および予備充電リレー１１２との間において、電源ライン１０８に設けられている。

バイパスコンデンサ１０５は、フライバック型昇圧トランス１０１とリレー回路１０３との間において、電源ライン１０８とグランドＧとの間に設けられている。

抵抗１０６は、バイパスコンデンサ１０５とリレー回路１０３との間において、電源ライン１０８とグランドＧとの間に設けられている。

車両のイグニッションスイッチがオフの状態では、電源リレー１１１および予備充電リレー１１２がオフにされて、フライバック型昇圧トランス１０１がバッテリＢから電気的に切り離される。イグニッションスイッチがオンにされると、電源リレー１１１のオンに先立ち、予備充電リレー１１２がオンにされる。予備充電リレー１１２のオンにより、バッテリＢから電源ライン１０８に出力される電流が予備充電抵抗１１３を流れ、バイパスコンデンサ１０５が予備充電される。そして、バイパスコンデンサ１０５の予備充電によりバイパスコンデンサ１０５の電圧とバッテリＢの出力電圧との差が小さくなった後、電源リレー１１１がオンにされるとともに、予備充電リレー１１２がオフにされる。これにより、電源リレー１１１に突入電流が流れることを抑制でき、突入電流による電源リレー１１１の接点の溶着やヒューズ１０４の溶断の発生を抑制できる。

電源リレー１１１がオンの状態で、スイッチング素子１０２がオンにされると、フライバック型昇圧トランス１０１の一次コイル１０７に電流が流れ、一次コイル１０７にエネルギが蓄積される。その後、スイッチング素子１０２がオフにされると、一次コイル１０７に蓄積されたエネルギが開放されて、一次コイル１０７に起電力が生じ、フライバック型昇圧トランス１０１の二次コイル１０９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１０２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がプラズマリアクタ１２１の電極間に印加される。

イグニッションスイッチがオフにされると、電源リレー１１１がオフにされる。電源リレー１１１のオフにより、バイパスコンデンサ１０５に溜まっている電荷が抵抗１０６を通ってグランドＧに放出される。これにより、バッテリＢの交換などの作業が行われる際に、バイパスコンデンサ１０５に電荷が溜まった状態でその作業が行われることを抑制できる。

特開２００７−７５７７８号公報 特開２０１０−２０３４０１号公報

ところが、抵抗１０６が設けられることによって、スイッチング素子１０２のオン時にも、抵抗１０６に電流が流れ、ジュール熱による損失（エネルギ消費）が生じるため、電源装置の電力供給効率（バッテリＢからフライバック型昇圧トランス１０１への電力の供給の効率）が低下してしまう。

本発明の目的は、直流電源とフライバック型昇圧トランスとが電気的に切り離されたときにバイパスコンデンサに溜まっている電荷を放出できながら、電力供給効率の向上を図ることができる、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、直流電源の出力電力からプラズマリアクタの電極に供給される電力を生成する電源装置であって、直流電源に接続される電源ラインと、電源ラインに接続された一次コイルおよび電極に接続される二次コイルを有するフライバック型昇圧トランスと、一端が一次コイルよりも直流電源側で電源ラインに接続され、他端がグランドに接続されたバイパスコンデンサと、電源ラインにおけるバイパスコンデンサの接続点よりも直流電源側の部分に設けられた電源スイッチと、予備充電スイッチおよび予備充電抵抗の直列回路からなり、予備充電スイッチ側の一端が電源ラインにおける電源スイッチよりも直流電源側の部分に接続され、予備充電抵抗側の他端が電源ラインにおける電源スイッチとバイパスコンデンサの接続点との間の部分に接続された予備充電回路と、予備充電スイッチおよび予備充電抵抗の接続点とグランドとの間に電気的に介在された放電スイッチとを含む。

この構成によれば、電源スイッチおよび予備充電スイッチがオフにされた状態では、フライバック型昇圧トランスが直流電源から電気的に切り離されている。また、放電スイッチがオフにされている。フライバック型昇圧トランスに直流電源が電気的に接続される際には、電源スイッチのオンに先立ち、予備充電スイッチがオンにされることにより、電源スイッチに突入電流が流れることを抑制できる。すなわち、予備充電スイッチがオンにされると、直流電源から電源ラインに出力される電流が予備充電抵抗を流れ、バイパスコンデンサが予備充電される。そして、バイパスコンデンサの電圧と直流電源の出力電圧との差が小さくなった後、電源スイッチがオンされるとともに、予備充電スイッチがオフにされる。これにより、電源スイッチに突入電流が流れることを抑制でき、突入電流による電源スイッチの接点の溶着や電源スイッチと直流電源との間に電気的に介在されるヒューズの溶断の発生を抑制できる。

電源スイッチがオンの状態で、フライバック型昇圧トランスの一次コイルの通電／遮断を切り替えるスイッチング素子がオンにされて、直流電源からの電流がフライバック型昇圧トランスの一次コイルに流れると、一次コイルにエネルギが蓄積される。その後、スイッチング素子がオフにされると、一次コイルに蓄積されたエネルギが開放されて、一次コイルに起電力が生じ、フライバック型昇圧トランスの二次コイル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がプラズマリアクタの電極間に印加される。

そして、フライバック型昇圧トランスが直流電源から電気的に切り離される際には、電源スイッチがオフにされて、放電スイッチがオンにされる。これにより、バイパスコンデンサに溜まっている電荷が予備充電抵抗を通ってグランドに放出される。よって、直流電源の交換などの作業が行われる際に、バイパスコンデンサに電荷が溜まった状態でその作業が行われることを抑制できる。

直流電源の出力電力がフライバック型昇圧トランスに供給されるときには、放電スイッチがオフにされることにより、予備充電抵抗に電流が流れないので、予備充電抵抗におけるジュール熱の発生による損失がない。

よって、直流電源とフライバック型昇圧トランスとが電気的に切り離されたときにバイパスコンデンサに溜まっている電荷を放出できながら、電力供給効率の向上を図ることができる。

本発明によれば、直流電源とフライバック型昇圧トランスとが電気的に切り離されたときにバイパスコンデンサに溜まっている電荷を放出でき、直流電源の交換などの作業が行われる際に、バイパスコンデンサに電荷が溜まった状態でその作業が行われることを抑制できる。また、直流電源の出力電力がフライバック型昇圧トランスに供給されるときには、予備充電抵抗におけるジュール熱による損失の発生を抑制でき、その結果、電力供給効率を向上させることができる。

プラズマリアクタ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構成を示す回路図である。 従来のプラズマリアクタ用電源装置の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。

＜プラズマリアクタ＞
図１は、プラズマリアクタ１の構成を図解的に示す断面図である。

プラズマリアクタ１は、車両のエンジン（図示せず）から排出される排ガスからＰＭを除去するために、たとえば、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。プラズマリアクタ１は、ケース（ボディ）３と、ケース３内に収容された複数の電極パネル４とを備えている。

ケース３は、金属製であり、管状（筒状）に形成されている。ケース３の一方の開口は、排ガスを流入させる流入口であり、他方の開口は、排ガスを流出させる流出口である。エンジンから排気管２に排出される排ガスは、排気管２を流通する途中で、流入口からケース３内に流入して、ケース３内を流通し、流出口から流出する。

電極パネル４は、誘電体からなる平板状の誘電体平板５に電極６が厚さ方向に挟み込まれた構成を有している。誘電体平板５の材料である誘電体としては、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を例示することができる。電極６の材料としては、タングステンを例示することができる。

複数の電極パネル４は、たとえば、ケース３の中心線と直交する方向に間隔を空けて、互いに平行をなして（それぞれケース３の中心線方向に延びるように）配置されている。各電極パネル４の電極６は、積層方向と直交する平面に沿う方向で同じ位置に配置され、それらの周縁は、積層方向に互いに対向している（積層方向に重なり合っている）。

電極パネル４の電極６には、電極パネル４の積層方向の一方側から順に、プラス配線７およびマイナス配線８が交互に接続されている。プラス配線７およびマイナス配線８は、それぞれプラズマリアクタ用電源装置９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。

積層方向に互いに隣り合う電極パネル４の電極６間には、プラズマリアクタ用電源装置９から出力されるパルス波状の高電圧が印加される。この高電圧が電極６間に印加されることにより、電極パネル４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。一方、電極パネル４間には、ケース３の流入口側の端部から排ガスが流入し、その排ガスが流出口側の端部に向けて流通する。電極パネル４間におけるプラズマの発生によって、電極パネル４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。

＜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９の構成を示す回路図である。

プラズマリアクタ用電源装置９は、電源ライン１１、ヒューズ１２、フライバック型昇圧トランス１３、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４、スナバコンデンサ１５、バイパスコンデンサ（デカップリングコンデンサ）１６、リレー回路１７および放電リレー１８を備えている。

電源ライン１１には、ヒューズ１２を介して、車両に搭載されているバッテリ（直流電源）Ｂのプラス端子が接続されている。バッテリＢは、たとえば、公称電圧が１２Ｖ（ボルト）の鉛電池である。

フライバック型昇圧トランス１３は、一次コイル２１および二次コイル２２を有している。一次コイル２１の一端は、電源ライン１１に接続されている。一次コイル２１の他端は、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４を介して、グランドＧに接続（接地）されている。二次コイル２２の一端および他端は、それぞれプラス配線７およびマイナス配線８を介して、プラズマリアクタ１において積層方向に互いに隣り合う電極パネル４の電極６（図１参照）に接続されている。

通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４は、たとえば、エンハンスメント型のｎＭＯＳＦＥＴであり、そのドレインがフライバック型昇圧トランス１３の一次コイル２１の他端に接続され、ソースがグランドＧに接続されている。通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４のゲート端子には、ゲートドライブ回路（図示せず）が接続されて、ゲートドライブ回路からパルス電圧（ゲート電圧）が印加される。ゲート端子にパルス電圧が印加されることにより、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４がオンになり、ゲート端子へのパルス電圧の印加がなくなると、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４がオフになる。

スナバコンデンサ１５は、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４と並列に接続されている。すなわち、スナバコンデンサ１５の一端は、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４のドレインに接続され、その他端は、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４のソースに接続（グランドＧに接続）されている。なお、スナバコンデンサ１５は、単一のコンデンサで構成されていてもよいし、直列または並列に接続された複数のコンデンサによって構成されていてもよい。

バイパスコンデンサ１６は、電源ライン１１とグランドＧとの間に電気的に介在されている。具体的には、バイパスコンデンサ１６の一端は、一次コイル２１よりもバッテリＢ側で電源ライン１１に接続されており、その他端は、グランドＧに接続されている。バイパスコンデンサ１６は、単一のコンデンサによって構成されていてもよいし、直列または並列に接続された複数のコンデンサによって構成されていてもよい。

リレー回路１７は、電源リレー３１および予備充電回路３２を含む。

電源リレー３１は、電磁作用により接点が開閉するメカニカルリレー（有接点リレー）であり、電源ライン１１におけるヒューズ１２とバイパスコンデンサ１６の接続点との間に設けられている。

予備充電回路３２は、予備充電リレー３３および予備充電抵抗３４の直列回路からなる。予備充電回路３２は、電源リレー３１と並列に設けられている。具体的には、予備充電回路３２の予備充電リレー３３側の一端は、電源ライン１１におけるヒューズ１２と電源リレー３１との間の部分に接続され、予備充電抵抗３４側の他端は、電源ライン１１における電源リレー３１とバイパスコンデンサ１６の接続点との間の部分に接続されている。予備充電リレー３３は、電磁作用により接点が開閉するメカニカルリレーである。

放電リレー１８は、予備充電回路３２における予備充電リレー３３と予備充電抵抗３４との接続点とグランドＧとの間に電気的に介在されている。放電リレー１８は、電磁作用により接点が開閉するメカニカルリレーである。

＜回路動作＞
車両のイグニッションスイッチがオフの状態では、電源リレー３１および予備充電リレー３３がオフにされて、フライバック型昇圧トランス１３がバッテリＢから電気的に切り離されている。また、放電リレー１８がオフにされている。

イグニッションスイッチがオンにされると、フライバック型昇圧トランス１３にバッテリＢが電気的に接続される。その際には、電源リレー３１のオンに先立ち、予備充電リレー３３がオンにされる。予備充電リレー３３がオンにされると、バッテリＢから電源ライン１１に出力される電流が予備充電抵抗３４を流れ、バイパスコンデンサ１６が予備充電される。そして、バイパスコンデンサ１６の電圧とバッテリＢの出力電圧との差が小さくなった後（たとえば、予備充電リレー３３のオンから所定時間が経過すると）、電源リレー３１がオンされるとともに、予備充電リレー３３がオフにされる。これにより、電源リレー３１に突入電流が流れることを抑制でき、突入電流による電源リレー３１の接点の溶着やヒューズ１２の溶断の発生を抑制できる。

電源リレー３１がオンの状態で、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４がオンにされて、バッテリＢからの電流がフライバック型昇圧トランス１３の一次コイル２１に流れると、一次コイル２１にエネルギが蓄積される。その後、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４がオフにされると、一次コイル２１に蓄積されたエネルギが開放されて、一次コイル２１に起電力が生じ、フライバック型昇圧トランス１３の二次コイルに巻数比に応じた二次電圧が発生する。通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４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がプラズマリアクタ１の電極６間に印加される。

イグニッションスイッチがオフにされると、電源リレー３１がオフにされて、フライバック型昇圧トランス１３がバッテリＢから電気的に切り離される。また、放電リレー１８がオンにされる。これにより、バイパスコンデンサ１６に溜まっている電荷が予備充電抵抗３４を通ってグランドＧに放出される。そして、放電リレー１８のオンから所定時間が経過すると、放電リレー１８がオフにされる。

＜作用効果＞
以上のように、電源リレー３１がオフにされて、フライバック型昇圧トランス１３がバッテリＢから電気的に切り離される際には、放電リレー１８がオンにされて、バイパスコンデンサ１６に溜まっている電荷が放出される。これにより、バッテリＢの交換などの作業が行われる際に、バイパスコンデンサ１６に電荷が溜まった状態でその作業が行われることを抑制できる。

また、バッテリＢの出力電力がフライバック型昇圧トランス１３に供給されるときには、放電リレー１８がオフにされているので、予備充電抵抗３４に電流が流れない。そのため、予備充電抵抗３４におけるジュール熱の発生による損失がない。

よって、バッテリＢとフライバック型昇圧トランス１３とが電気的に切り離されたときにバイパスコンデンサ１６に溜まっている電荷を放出できながら、電力供給効率の向上を図ることができる。

なお、図３に示される構成において、抵抗１０６と電源ライン１０８またはグランドＧとの間に放電リレーを設けることが考えられる。そして、バッテリＢの出力電力がフライバック型昇圧トランス１０１に供給されるときには、放電リレーがオフにされることにより、抵抗１０６におけるジュール熱の発生による損失を抑制することができる。また、フライバック型昇圧トランス１０１がバッテリＢから電気的に切り離される際に、放電リレーがオンにされることにより、バイパスコンデンサ１０５に溜まっている電荷を放出することができる。しかしながら、放電リレーを設けることによって、電源装置の部品点数が増加し、その回路構成が複雑になる。

これに対し、プラズマリアクタ用電源装置９の構成では、図３に示される構成から放電リレー１８が追加されて抵抗１０６が省略されるので、部品点数の増加および回路構成の複雑化を抑制することができる。

＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１４に代えて、ＩＧＢＴなど、他のスイッチング素子が採用されてもよい。

また、放電リレー１８、電源リレー３１および予備充電リレー３３は、メカニカルリレーで構成されるとしたが、それぞれ半導体スイッチからなる放電スイッチ、電源スイッチおよび予備充電スイッチであってもよい。

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。

１：プラズマリアクタ
６：電極
９：プラズマリアクタ用電源装置
１１：電源ライン
１３：フライバック型昇圧トランス
１６：バイパスコンデンサ
１８：放電リレー（放電スイッチ）
２１：一次コイル
２２：二次コイル
３１：電源リレー（電源スイッチ）
３２：予備充電回路
３３：予備充電リレー（予備充電スイッチ）
３４：予備充電抵抗
Ｂ：バッテリ（直流電源）
Ｇ：グランド

Claims (1)

1. 直流電源の出力電力からプラズマリアクタの電極に供給される電力を生成する電源装置であって、
   前記直流電源に接続される電源ラインと、
   前記電源ラインに接続された一次コイルおよび前記電極に接続される二次コイルを有するフライバック型昇圧トランスと、
   一端が前記一次コイルよりも前記直流電源側で前記電源ラインに接続され、他端がグランドに接続されたバイパスコンデンサと、
   前記電源ラインにおける前記バイパスコンデンサの接続点よりも前記直流電源側の部分に設けられた電源スイッチと、
   予備充電スイッチおよび予備充電抵抗の直列回路からなり、前記予備充電スイッチ側の一端が前記電源ラインにおける前記電源スイッチよりも前記直流電源側の部分に接続され、前記予備充電抵抗側の他端が前記電源ラインにおける前記電源スイッチと前記バイパスコンデンサの接続点との間の部分に接続された予備充電回路と、
   前記予備充電スイッチおよび前記予備充電抵抗の接続点とグランドとの間に電気的に介在された放電スイッチとを含む、プラズマリアクタ用電源装置。

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