JP2019193433A - 超高圧電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】感電したとしても、衝撃を小さくすることができ、安価な装置で超高圧電源装置の超高電圧を測定できる回路構成を得る。【解決手段】超高圧電源装置の出力端子間に高抵抗値（例１００ＭΩ）の抵抗器を接続する。さらに抵抗器を高抵抗値（例９９ＭΩ）の抵抗器と低抵抗値（例１ＭΩ）の抵抗器を直列接続して構成し、これらの合成抵抗器により出力高電圧を例として１００分の１に分圧し、低い抵抗器の両端の電圧を測定するようにする。【選択図】 図３

Description

本発明は、超高圧電場を発生するための超高圧電源装置に関する。

食用油等である加熱媒体を６０００Ｖ超の商用交流による電場を作用させて、食品の電場加熱加工処理を行う電場処理フライヤーがある。

また、食品等を冷蔵保存する際に６０００Ｖ超の商用交流による電場を作用させて、食品等の電場処理冷蔵を行う電場処理冷蔵庫がある。

図１に従来技術の電場処理フライヤー及び電場処理冷蔵庫の概要を示す。
図１（ａ）は電場処理フライヤーの構造概念図、図１（ｂ）は電場処理冷蔵庫構造の概念図、図１（ｃ）は、交流電場を発生させるために使用される、交流高電圧発生電源装置である。

図１（ａ）に示した電場処理フライヤーは、食用油等を収容する導電性の外容器１の内部に食用油透過性の導電性の内容器２を有し、外容器１と内容器２との間に高圧電源８から高電圧商用交流を印加する。

電場処理フライヤーには外蓋５が設けられ、外蓋の内側にも内蓋６が設けられる。外容器１と内容器２の間はＰＴＦＥ等からなる絶縁スペーサ３及び４により離間されるとともに電気的に絶縁され、外蓋５と内蓋６の間はＰＴＦＥ等からなる絶縁スペーサ７により離間されるとともに電気的に絶縁されている。
電場処理中は外蓋５及び内蓋６は閉じられ、そのとき外蓋５は外容器１に、内蓋６は内部容器２に電気的に接続される。
外容器１の底部外側に熱源としてシーズヒータ９が配置されている。

図１（ｂ）に示した電場処理冷蔵庫は、直方体形状で正面が開放された、ステンレス等の金属板からなる導電性の外部筐体１１の中に、直方体形状で正面が開放されたステンレス金網又はステンレス有孔板等からなる導電性の内部筐体１２が収納され、内部筐体１２の底の４隅にＰＴＦＥ等からなる絶縁スペーサ１３が設けられ、外部筐体１１の内部に絶縁スペーサ１４を介して間隔を開けて収納され、絶縁スペーサ１２は外部筐体１１と内部筐体１２とを電気的に分離するとともに、間隔を規制している。

図示しないが、外部筐体１１及び内部筐体１２に各々対応する導電性の外扉及び導電性の内扉が設けられている。
外扉は、外部筐体１１と同様にステンレス板等で構成され、内扉は内部筐体１２と同様に通気性確保のためステンレス金網又はステンレス有孔板で構成されている。
外扉と内扉とはＰＴＦＥ等からなる絶縁スペーサにより電気的に分離されているとともに間隔が規制されている。
電場処理中は外扉及び内扉は閉じられ、そのとき外扉は外部筐体１１に、内扉は内部筐体１２に電気的に接続される。

図１（ｃ）に示す交流高電圧発生電源装置８は、単純に変圧器のみで構成されている。
電源装置８の変圧器の１次側巻き線に商用交流ＡＣ１００Ｖが供給され、２次側巻き線から昇圧された商用交流ＡＣ６８００Ｖが出力され、出力端子から電場処理フライヤーの外容器１及び内容器２の間、及び電場処理冷蔵庫の外部筐体１１と内部筐体１２との間に商用交流ＡＣ６８００Ｖが供給される。
なお、外容器１及び外部筐体１１は安全のため接地されている。

電場処理フライヤーも電場処理冷蔵庫も、使用される高電圧は商用交流のみである。商用交流は５０Ｈｚ又は６０Ｈｚとの低い周波数であるため、使用する変圧器は鉄芯が大きくなり、巻線回数も多くなるため大型かつ重量級となり、小型のものでも容積１３Ｌ、重量１０ｋｇ、大きなものではそれぞれその２倍に達し、扱いにくいだけでなく、高価であった。

このことを問題視し、使用される高電圧が商用交流のみであることに格別の根拠はないことに疑問を抱いた発明者らは、試行した結果、特願２０１７−２０１５２０で直流及び高い周波数の交流で電場処理を行うフライヤーを、同じく、特願２０１７−２０８７７７で直流及び高い周波数の交流で電場処理を行う冷蔵庫を提案した。
図２で、特願２０１７−２０１５２０及び特願２０１７−２０８７７７で提案した先願発明に係る電場処理用電源装置の概要を説明する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、高電圧直流電源として著名なコッククロフト・ウォルトン多段倍圧半波整流回路（ＣＣＷ回路）を利用する直流高電圧電源であり、図２（ａ）は概念的構成、図２（ｂ）は具体的な回路構成である。
直流入力から高周波電流を得、高周波電流をダイオードとキャパシタによる倍圧整流回路を積み重ねることにより、各倍圧整流回路毎に２倍の直流電圧を得、最終的には数百万Ｖの直流超高電圧を得ることができる。

図２（ｃ）は，図２（ａ）の半波整流ＣＣＷ回路を両波整流回路に拡張したものであり、より均一な出力電圧を得ることができる。

図２（ｄ）及び図２（ｅ）は、気体燃料あるいは液体燃料の点火装置に用いられているイグナイターであり、方形波の立ち上がり部分及び鋸波の立ち下がり部分の急峻な電圧変化を微分し、その結果得られた高い電圧からフライバックトランスによって１００００Ｖを越える超高電圧を得ることができる。

特開平１０−２７６７４４

ＣＣＷ回路及びイグナイターは小型・軽量の電源装置でありながら１００００Ｖを越える直流超高電圧を容易に得ることができる。裏返していえば、１００００Ｖという日常生活には馴染みのない電圧をＣＣＷ回路又はイグナイターにより身近に利用することになる。
電場処理は基本的に電流が不要なため内部に蓄積される電気エネルギーは少なく、使用者が感電したとしても、傷害がもたらされることは少ないが、電圧が高いため衝撃が大きく、不快である。

また、電源装置の製造時あるいは使用中の障害が発生したときに、出力電圧を測定する必要があっても、１００００Ｖ超の電圧を測定できる測定装置あるいはそのためのプロ−ブは高価である。

この出願においては、使用者が感電したとしても、衝撃を小さくすることができ、安価な装置で超高圧電源装置の超高電圧を測定できる回路構成を得ることを課題とする。

これらの課題を解決するために、電源装置の高電圧出力端子間に高抵抗値（例１００ＭΩ）の抵抗器を接続して感電の危険性を排除しする。
さらに抵抗器を高抵抗値（例９９ＭΩ）の抵抗器と低抵抗値（例１ＭΩ）の抵抗器を直列接続して構成することにより、これらの合成抵抗器により出力高電圧を例として１００分の１に分圧し、低い抵抗器の両端の電圧を測定するように回路構成する。

電場処理時に電源装置及び電場処理装置内に蓄積された電荷は可及的速やかに放電させることが感電事故防止のために必要であるが、低抵抗値の抵抗器は、放電には有効であるが、電場処理中に抵抗器を通じて流れる電流が大きくなり、電源装置の負担が大きくなる。そのため検討した結果、例として１００ＭΩの抵抗器を使用すると１０ｍｓ以内に安全と言える５０Ｖ以下にまで出力端子電圧が低下することが確認された。

なお、電源端子間の出力電圧を１００００Ｖとした場合に抵抗器を流れる電流は１００００Ｖ／１０ＭΩ＝０.１ｍＡであり、電源装置の負担は小さい。

さらに、１００ＭΩを９９ＭΩと１ＭΩの抵抗器を直列接続して構成することにより、出力端子の電圧は９９：１に分割され、１ＭΩの抵抗器の両端に出力端子の電圧の１００分の１の電圧、例えば出力端子電圧が１００００Ｖの場合に般用の電圧計で測定可能な１００Ｖの電圧が現れる。

従来技術の電場処理フライヤー及び電場処理冷蔵庫の正面断面図並びに従来技術の変圧器を用いた電源装置の概要説明図。 先行技術の電源装置の概要説明図。 本発明の実施例１及び実施例２の電源装置の説明図。 本発明の実施例３及び実施例４の電源装置の説明図。 本発明の実施例５及び実施例６の電源装置の説明図。 本発明の実施例７及び実施例８の電源装置の説明図。 本発明の実施例９、実施例１０，実施例１１及び実施例１２の電源装置の説明図。

以下、図３〜図７により、本発明の実施例を説明する。

［実施例１及び実施例２］
図３に示すのは本発明の構成を半波整流ＣＣＷ高圧電源回路に適用した実施例
１及び実施例２である。
図３（ａ）は、感電防止対策のみを講じた実施例１、図３（ｂ）はさらに出力電圧測定用に構成を付加した実施例２の半波整流ＣＣＷ高圧電源回路である。

半波整流ＣＣＷ高圧電源回路は最終段のダイオードＤ12のカソード端子（ＨＶ＋）と励起交流電源の接地端子（ＧＮＤ）が出力端子となり、その間の電圧が出力される。

図３（ｂ）に示す実施例1では、ＨＶ＋端子に９９ＭΩの抵抗器の一端が接続され、９９ＭΩの抵抗器の他端に１ＭΩの抵抗器が接続され、１ＭΩの抵抗器の他端がＧＮＤ端子に接続されている。

電圧測定はＧＮＤ端子に接続された１ＭΩの抵抗器の両端の電圧、例えば１２０Ｖを測定し、得られた値を１００倍することにより、ＨＶ＋端子とＧＮＤ端子との電位差が１２０００Ｖであることが結論される。
なお、ＨＶ＋端子に１ＭΩの抵抗器の一端を接続し、１ＭΩの抵抗器の他端に９９ＭΩの抵抗器を接続し、９９ＭΩの抵抗器の他端をＧＮＤ端子に接続する構成をすると、１ＭΩの抵抗器の９９ＭΩの接続点ＧＮＤ端子との電位差は１０８００Ｖもあるため危険である。

［実施例３及び実施例４］
図４に、半波整流ＣＣＷ高圧電源回路を２個用い、２倍の出力電圧を得る電源装置に本発明の構成を適用した実施例３及び実施例４を示す。
図４（ａ）は感電防止対策のみを講じた実施例３、図４（ｂ）はさらに出力電圧測定用の構成を付加した実施例４の半波整流ＣＣＷ高圧電源回路である。
極性が異なる出力電圧を切り替えて使用、あるいは、半波整流ＣＣＷ高圧電源回路を直列に接続することにより例えば

図４（ａ）に示す実施例３ではＣ1，Ｄ1，・・・Ｃ12，Ｄ12で構成される第１の半波整流ＣＣＷ高圧電源回路の第１の出力端子ＨＶ＋から例えば１２０００Ｖの直流電圧が出力され、Ｃ13，Ｄ13，・・・Ｃ24，Ｄ24で構成される第２の半波整流ＣＣＷ高圧電源回路の第２の出力端子ＨＶ−から例えば−１２０００Ｖの直流電圧が切り替えて出力される。第１の出力端子ＨＶ＋と第２の出力端子ＨＶ−の間に高抵抗値（例えば２００ＭΩ）の抵抗器が接続される。

図４（ｂ）に示す実施例４では、Ｃ1，Ｄ1，・・・Ｃ12，Ｄ12で構成される第１の半波整流ＣＣＷ高圧電源回路の出力端子ＨＶ＋から例えば１２０００Ｖの直流電圧が出力され、Ｃ13，Ｄ13，・・・Ｃ24，Ｄ24で構成される半波整流ＣＣＷ高圧電源回路の出力端子ＨＶ−から例えば−１２０００Ｖの直流電圧が出力され、出力端子ＨＶ＋とる。ＨＶ＋端子と出力端子ＨＶ−との間の電位差は２４０００Ｖに達する。

そのため、感電防止用の抵抗器の抵抗値は１００ＭΩの２倍の２００ＭΩが採用される。
２４０００Ｖの電圧を１２０Ｖとして測定するために必要な電圧分配は１９９対１であるから、分圧用の抵抗器の抵抗値は１９９ＭΩと１ＭΩの組み合わせとなる。

図４（ｂ）の実施例４では、電圧計の両端にかかる電位は−１２０００Ｖと（−１２０００Ｖ＋１２０Ｖ＝）−１１８８０と超低電圧であり、この低電圧が電力供給用交流電源との間に発生するため測定者の安全のためには特殊で高価な絶縁型電圧計を使用する必要がある。
安価な電圧計を使用するための構成を実施例５として図５（ａ）に示す。

図５（ａ）は、実施例５のＣＣＷ高電圧電源回路の出力回路である。
この出力回路は図４（ｂ）の１９９ＭΩの抵抗器Ｒ199Mと１ＭΩの抵抗器R1Mから構成される出力回路を、９９ＭΩの抵抗器Ｒ99Mと１ＭΩの抵抗器Ｒ1Mから構成される出力回路を２個対称形に直列に接続した回路て構成し、それらの接続点を接地している。
この回路においては安価な電圧計２個によりそれぞれ１２０Ｖの直流電圧が計測され、計測された直流電圧値を加えた電圧２４０Ｖを１００倍することにより、ＨＶ＋端子とＨＶ−端子間の電圧２４０００Ｖを得ることができる。

図５（ｂ）は、絶縁電圧計を必要とするが、単一の電圧計により超高電圧を計測するための出力回路である。
図５（ｂ）の出力回路は、９９ＭΩの抵抗器Ｒ99Mと２ＭΩの抵抗器Ｒ2Mと９９ＭΩの抵抗器Ｒ99Mがこの順に接続され、抵抗器Ｒ２Ｍの両端の電圧２４０Ｖを計測し、計測された直流電圧値を加えた電圧２４０Ｖを１００倍することにより、ＨＶ＋端子とＨＶ−端子間の電圧２４０００Ｖを得ることができる。

［実施例７及び実施例８］
図４で説明したＣＣＷ高圧電源回路が独立した２個の交流給電部ＡＣ1及びＡＣ2を必要とするのを簡略化して単一の交流給電部ＡＣにより駆動するように構成した実施例７及び実施例８を図６に示す。
他の構成は共通なので説明は省略する。

図６（ａ）は、出力端子ＨＶ＋とＨＶ−との間に２００ＭΩの抵抗器Ｒ200Mを接続した実施例７である。

図６（ｂ）は、出力端子ＨＶ＋とＨＶ−との間に２００ＭΩの抵抗器Ｒ200Mと２ＭΩの抵抗器Ｒ2Mを接続した実施例８である。

［実施例９〜実施例１２］
これまでに説明した実施例はＣＣＷ高圧電源装置に適用することについて述べた。
電場処理装置においては、ＣＣＷ高圧電源装置の他に、従来技術である変圧器による高圧電源装置、図２（ｂ）に示した、方形波発生回路と、微分回路と、フライバックトランスのような昇圧回路を用いた高圧電源装置、鋸波発生回路と、微分回路と、フライバックトランスのような昇圧回路を用いた高圧電源装置、変圧器と整流回路と直交変換回路を用いた高圧電源装置があり、これらの高圧電源装置においても、感電事故防止及び電圧測定の困難さという問題が有る。
本願発明の構成はこれらの回路にも適用可能であり、図７により実施例９〜実施例１２を示す。

図７（ａ）は、従来技術である変圧器による電源装置に適用した実施例９である。

図７（ｂ）は、図２（ｄ）に示された、方形波発生回路と、微分回路と、昇圧回路を用いた電源装置に適用した実施例１０である。

図７（ｃ）は、図２（ｅ）に示された、鋸波発生回路と、微分回路と、昇圧回路を用いた電源装置に適用した実施例１１である。

図７（ｄ）は、特願２０１７−２０３５２０号及び特願２０１７−２１３４６０号に示された、変圧器と整流回路と直交変換回路を用いた電源装置に適用した実施例１２である。

これまでに説明した実施例は、本願に係る発明の電源装置を電場処理フライヤー及び電場処理冷蔵庫に適用する場合のみであった。
しかしながら、電場処理はフライヤー及び冷蔵庫以外にフライヤーに類似する他の電場処理加熱調理器具、あるいは冷蔵庫に類似する他の低温又は常温の電場処理貯蔵装置にも、本願に係る発明の電源装置を適用することができる。
それだけでなく、１００００Ｖという超高電圧を利用する分野であれば、全ての技術分野において、本願に係る発明の電源装置の構成を適用することにより、安全性が高まるとともに、出力電圧の確認が容易になる。

１ フライヤー外容器
２ フライヤー内容器
３，４，７，１３，１４ 絶縁スペーサ
５ 外蓋
６ 内蓋
８ 高圧電源
９ シーズヒータ
１１ 冷蔵庫外容器
１２ 冷蔵庫内容器
Ｄ1〜Ｄ24 ダイオード
Ｃ1〜Ｃ24 キャパシタ
ＨＶ＋ 超高圧正電圧出力端子
ＨＶ− 超高圧負電圧出力端子
ＧＮＤ 接地端子
Ｒ 抵抗器

Claims (2)

1. 高電圧を供給する電源装置の高電圧出力端子間に高抵抗値の抵抗器を接続したことを特徴とする、高電圧電源装置。
2. 前記抵抗器を前記高電圧を測定可能な低電圧に分圧する低抵抗値の抵抗器と残余の抵抗値の抵抗器を直列に接続して構成したことを特徴とする、高電圧電源装置。

Images