JP6526581B2 - Ozone generator and power supply - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、オゾン発生装置および電源装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to an ozone generator and a power supply.
一般にオゾン発生装置は、強力な酸化作用を持ちつつ残留性の少ないオゾンを生成する装置として知られており、環境に配慮しながら洗浄・殺菌・脱臭・脱色などの用途を求める分野(特に水処理の分野)で積極的に利用されている。 In general, ozone generators are known as devices that generate strong residual ozone while generating less persistent ozone, and fields that require applications such as cleaning, sterilization, deodorization, decoloring, etc. while considering the environment (especially water treatment Are actively used in
このようなオゾン発生装置の基本的な構成としては、誘電体電極と金属電極との間に形成された放電ギャップに原料ガスを流入し、誘電体電極に電源を印加することで、原料ガス中での放電によりオゾンを発生させる仕組みである。 As a basic configuration of such an ozone generation apparatus, the raw material gas is flowed into the discharge gap formed between the dielectric electrode and the metal electrode, and a power supply is applied to the dielectric electrode, so as to be contained in the raw material gas. Is a mechanism to generate ozone by discharge at
ところで、オゾン発生装置によるオゾン生成量を増やすために、金属電極および誘電体電極をそれぞれ複数設けた大容量のオゾン発生装置が知られている。大容量のオゾン発生装置では、誘電体電極の破損等により異常が発生した場合、正常な誘電体電極から、異常が発生した誘電体電極に対して短絡電流が流れ込むことになる。そのため、大容量のオゾン発生装置では、異常が発生した誘電体電極には過電流が流れ、当該誘電体電極に接続されたヒューズが溶断されて、当該誘電体電極を正常な誘電体電極から切り離すことで装置の安定を保つことができる。しかしながら、小容量のオゾン発生装置では、異常が発生した誘電体電極に接続されたヒューズを短絡電流だけで溶断するのには不十分な場合があり、安定したオゾン発生装置の運転ができない場合がある。 By the way, in order to increase the amount of ozone generated by the ozone generator, a large capacity ozone generator provided with a plurality of metal electrodes and a plurality of dielectric electrodes is known. In the case of a large capacity ozone generator, when an abnormality occurs due to damage or the like of the dielectric electrode, a short circuit current flows from the normal dielectric electrode to the dielectric electrode in which the abnormality occurs. Therefore, in the case of a large capacity ozone generator, an overcurrent flows through the dielectric electrode where the abnormality occurs, and the fuse connected to the dielectric electrode is melted down to separate the dielectric electrode from the normal dielectric electrode. Can keep the device stable. However, in a small capacity ozone generator, it may not be sufficient to melt the fuse connected to the dielectric electrode in which an abnormality has occurred with only a short circuit current, and a stable ozone generator may not be able to operate. is there.
実施形態のオゾン発生装置は、金属電極と、複数の誘電体電極と、ヒューズと、電源装置と、を備える。複数の誘電体電極は、原料ガスが流入される放電ギャップを金属電極との間に有し、かつ互いに並列接続される。ヒューズは、誘電体電極毎に設けられ、当該誘電体電極への電流の流れ込みを切断可能である。電源装置は、誘電体電極に対して電源を印加して原料ガスで放電させることによってオゾンを発生させる電源部と、当該電源部から誘電体電極に流れる電流より大きな電流を誘電体電極に流す溶断回路と、電源部または溶断回路に対して誘電体電極を接続する第1スイッチと、を有し、誘電体電極に異常が発生した場合、第1スイッチを制御して誘電体電極を溶断回路に接続することで、当該異常が発生した誘電体電極のヒューズを溶断し、当該ヒューズを溶断した後、第1スイッチを制御して誘電体電極を電源部に接続する。 The ozone generator of the embodiment includes a metal electrode, a plurality of dielectric electrodes, a fuse, and a power supply. The plurality of dielectric electrodes have discharge gaps between which the source gas is introduced and the metal electrodes, and are connected in parallel to one another. A fuse is provided for each dielectric electrode, and can cut off the flow of current to the dielectric electrode. The power supply device applies a power supply to the dielectric electrode and discharges the raw material gas to generate a power supply unit, and a break in which a current larger than the current flowing from the power supply unit to the dielectric electrode flows to the dielectric electrode The circuit has a first switch for connecting the dielectric electrode to the power supply unit or the fusing circuit, and when an abnormality occurs in the dielectric electrode, the first switch is controlled to cut the dielectric electrode into the fusing circuit. By connecting, the fuse of the dielectric electrode in which the abnormality has occurred is blown, and after the fuse is blown, the first switch is controlled to connect the dielectric electrode to the power supply unit.
以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかるオゾン発生装置およびオゾン発生装置の電源装置について説明する。 Hereinafter, an ozone generator according to the present embodiment and a power supply device of the ozone generator according to the present embodiment will be described using the attached drawings.
図1は、本実施形態にかかるオゾン発生装置の概略構成の一例を示す図である。オゾン発生装置10は、例えば、誘電体バリア放電式のオゾン発生装置である。本実施形態にかかるオゾン発生装置10は、図1に示すように、オゾン発生装置本体11と、当該オゾン発生装置本体11を気密状態で収納する収納容器12と、を有する。オゾン発生装置本体11は、金属電極15と、誘電体電極16と、固定電極17と、ステンレスウール18と、を有し、これらがそれぞれ複数設置される。
FIG. 1 is a view showing an example of a schematic configuration of an ozone generator according to the present embodiment. The
本実施形態では、金属電極15は、円筒状の電極である。具体的には、金属電極15は、例えば、ステンレス鋼製の電極である。また、金属電極15は、当該金属電極15の内周面側に冷却水が導入される閉鎖空間21を有する。誘電体電極16は、金属電極15との間に、酸素または乾燥空気等の原料ガスが流入される所定の放電ギャップgを有する。なお、複数の誘電体電極16は、互いに並列接続されている。
In the present embodiment, the
本実施形態では、誘電体電極16は、商用電源Cと接続された電力線Lを介して、他の誘電体電極16と並列接続されている。また、本実施形態では、誘電体電極16は、金属電極15と同軸の円筒状の電極であり、当該誘電体電極16の内周面側に設けられた固定電極17を介して電力線Lに接続されている。また、本実施形態では、誘電体電極16は、当該誘電体電極16と固定電極17との間のギャップの少なくとも一部に設けられたステンレスウール18を介して、固定電極17と接続されている。
In the present embodiment, the
また、オゾン発生装置本体11には、誘電体電極16への電流の流れ込みを切断可能なヒューズ20が誘電体電極16毎に設けられる。本実施形態では、ヒューズ20は、各誘電体電極16の内周面側に設けられた固定電極17と商用電源Cとの間に設けられている。
Further, in the ozone generating apparatus
収納容器12は、ガス入口側空間22と、ガス出口側空間23と、を有する。ガス入口側空間22とガス出口側空間23とは、放電ギャップgを介して繋がっている。また、収納容器12は、ガス入口側空間22に原料ガスを導入するためのガス導入口24を有する。また、収容容器12は、ガス出口側空間23に流入されたガス(以下、オゾンガスと言う)を、外部に排出するためのオゾン化ガス排出口25を有する。また、収納容器12は、金属電極15の閉鎖空間21に冷却水を導入するための冷却水導入口26と、金属電極15と熱交換して高温となった冷却水を外部に排出するための冷却水排出口27と、を有する。
The
上述のオゾン発生装置10においては、その内部のガス入口側空間22に導入された原料ガスが放電ギャップgに流入する。次いで、商用電源Cから誘電体電極16に対して電源(本実施形態では、交流電源)が印加され、放電ギャップg内に流入した原料ガスで誘電体バリア放電が発生する。これにより、放電ギャップg内に流入した原料ガスに含まれる酸素分子は酸素原子に解離し、かつ他の酸素原子が結合することによって、当該原料ガスをオゾン化させたオゾンガスが発生する。その後、発生したオゾンガスはガス出口側空間23に流出し、オゾン化ガス排出口25から外部に排出される。
In the above-described
また、誘電体バリア放電により金属電極15に発生した熱を取り除くため、外部から冷却水導入口26を介して閉鎖空間21内に冷却水を導入する。これにより、金属電極15と冷却水との間で熱交換を行い、当該金属電極15を冷却する。その後、熱交換により高温になった冷却水を、冷却水排出口27を介して外部に排出する。
Further, in order to remove the heat generated in the
さらに、誘電体電極16に絶縁破壊等により異常が発生した場合、当該異常が発生した誘電体電極16に流れる短絡電流によって、当該誘電体電極16と商用電源Cとの間に設けられたヒューズ20が溶断され、当該誘電体電極16が他の誘電体電極16から切り離される。これにより、異常が発生した誘電体電極16に対して、正常な誘電体電極16と金属電極15との間の放電ギャップgに荷電された電荷が流れることを防止できるので、複数の誘電体電極16のうち一部の誘電体電極16に異常が発生しても、正常な誘電体電極16と金属電極15との間で誘電体バリア放電を発生させて、オゾンの生成を継続させることができる。
Furthermore, when an abnormality occurs in the
次に、図2を用いて、本実施形態にかかるオゾン発生装置10の電気的な構成の一例について説明する。
Next, an example of an electrical configuration of the
図2に示すように、本実施形態にかかるオゾン発生装置10が有する電源装置30は、商用電源C(本実施形態では、三相交流電源)から供給される商用電源周波数の交流電源を直流電源に変換するコンバータ31と、当該コンバータ31により変換された直流電源を所定周波数(例えば、1.0〜5.0kHz)の交流電源に変換するインバータ32と、を有する。また、電源装置30は、インバータ32により所定周波数に変換された交流電源を、トランス33を介して、誘電体電極16に印加する。本実施形態では、コンバータ31およびインバータ32が、誘電体電極16に電源を印加して原料ガスで放電させることによって、オゾンを発生させる電源部の一例として機能する。
As shown in FIG. 2, the
オゾン発生装置10の等価回路は、誘電体電極16に相当する静電容量Cgと、放電ギャップgに相当する静電容量Coと、を直列接続した回路となる。そして、放電ギャップgに印加される交流電源の電圧Vo(以下、放電ギャップ電圧と言う)が、所定電圧Vs(以下、放電維持電圧と言う)を超えると、放電ギャップgに流入された原料ガスで誘電体バリア放電を発生させる。誘電体バリア放電は定電圧特性を有するため、誘電体バリア放電が発生している間、放電ギャップ電圧Voは、放電維持電圧Vsに維持される。よって、放電ギャップgの等価回路は、降伏電圧を有するツェナーダイオード34により表される。
The equivalent circuit of the
このように、放電ギャップgが容量性負荷として機能するため、オゾン発生装置10における力率を「1」に近づけるために、放電ギャップgに対してコイル35を直列接続している。本実施形態では、オゾン発生装置10は、放電ギャップgに対してコイル35を直列接続しているが、これに限定するものではなく、放電ギャップgに対してコイル35を並列接続しても良い。
As described above, since the discharge gap g functions as a capacitive load, the
また、電源装置30は、誘電体電極16に電流を流す溶断回路36と、電源装置30または溶断回路36に対して誘電体電極16を接続するスイッチSW1(第1スイッチの一例)と、電源装置30全体の動作を制御する制御部37と、を有する。制御部37は、誘電体電極16に異常が発生した場合、スイッチSW1を制御して溶断回路36と誘電体電極16とを接続して、当該異常が発生した誘電体電極16のヒューズ20に溶断電流を流して当該ヒューズ20を溶断する。ここで、溶断電流は、ヒューズ20を溶断可能とする電流であり、インバータ32から誘電体電極16に流れる電流より大きな電流である。そして、制御部37は、異常が発生した誘電体電極16のヒューズ20を溶断した後、スイッチSW1を制御して誘電体電極16をインバータ32に接続して、オゾンの発生を再開させる。本実施形態では、制御部37は、誘電体電極16に流れる電流の電流値を検出し、検出した電流値が所定値に達した場合に、誘電体電極16に破損等の異常が発生したと判断する。
Further, the
従来のオゾン発生装置では、1つの誘電体電極が破損等して異常が発生した場合、当該異常が発生した誘電体電極に流れる電流が増えて、当該電流によりヒューズが溶断して、当該異常が発生した誘電体電極への電流の流れ込みを遮断することができる。しかしながら、小容量のオゾン発生装置においては、誘電体電極に流れる電流が小さいため、誘電体電極に異常が発生した場合に、当該異常が発生した誘電体電極への電流の流れ込みを切断するヒューズを溶断できず、他の誘電体電極の電圧が下がり、オゾン発生効率が下がることがある。 In the conventional ozone generator, when one dielectric electrode is damaged or the like, and an abnormality occurs, the current flowing to the dielectric electrode where the abnormality occurs is increased, the fuse is melted by the current, and the abnormality is It is possible to block the flow of current to the generated dielectric electrode. However, in a small-capacity ozone generator, since the current flowing to the dielectric electrode is small, when an abnormality occurs in the dielectric electrode, a fuse is used to cut the flow of the current to the dielectric electrode in which the abnormality occurs. It can not be melted and the voltage of other dielectric electrodes is lowered, which may lower the efficiency of ozone generation.
一方、本実施形態にかかるオゾン発生装置10においては、上述したように、誘電体電極16に異常が発生した場合、スイッチSW1を制御して誘電体電極16を溶断回路36に接続する。溶断回路36は、商用電源Cと比べて大きい電流をヒューズ20に流すことができるので、異常が発生した誘電体電極16のヒューズ20を確実に溶断する。これにより、オゾン発生装置10の容量が小さい場合でも、異常が発生した誘電体電極16の切り離しを行うことができるので、オゾン発生効率が下がることを防止して、安定したオゾン発生装置の運転を実現することができる。
On the other hand, in the
本実施形態では、溶断回路36は、誘電体電極16に電流を流す電源c(直流電源の一例)と、当該電源cに対して並列接続されたコンデンサCcと、電源cとコンデンサCcとの間に接続された抵抗Rcと、電源cとコンデンサCcとを並列接続または切断するスイッチSW2(第2スイッチの一例)と、を有する。そして、溶断回路36は、誘電体電極16に異常が発生した場合、スイッチSW2を制御して電源cとコンデンサCcとを並列接続して当該コンデンサCcを充電する。溶断回路36は、コンデンサCcが充電されると、コンデンサCcおよび電源cから誘電体電極16に電流を流す。これにより、溶断回路36は、異常が発生した誘電体電極16への電流の流れ込みを防止するためにヒューズ20を溶断することができる。
In the present embodiment, the fusing
本実施形態では、電源cから誘電体電極16に印加される電圧を、トランス33において電圧変換された交流電源の電圧(例えば、10.0kV)と同じ電圧とする。抵抗Rcの抵抗値は、コンデンサCcの充電に要する充電時間によって決定する。充電時間は、コンデンサCcの静電容量と抵抗Rcの抵抗値の積により求められる。例えば、コンデンサCcの静電容量が3.6μFであり、かつ抵抗Rcの抵抗値が160.0kΩである場合、コンデンサCcの充電に要する充電時間は、3.6μF×160.0kΩ=0.58secとなる。そして、コンデンサCcに流れる電流である充電電流Iは、電源cから印加される電圧を、抵抗Rcの抵抗値で除算した値である。例えば、充電電流Iは、10.0kV/160.0kΩ=63.0mAである。
In this embodiment, the voltage applied from the power supply c to the
次に、図3を用いて、本実施形態にかかるオゾン発生装置10において、ヒューズ20の溶断に要する時間(以下、溶断時間と言う)と、ヒューズ20が溶断される電流(以下、溶断電流と言う)との関係を示す溶断特性について説明する。なお、図3の縦軸は溶断時間を表し、横軸は溶断電流を表す。
Next, with reference to FIG. 3, in the
図3に示すように、ヒューズ20の溶断特性は、溶断時間が比較的長い長時間側(0.15〜1000sec)においては、溶断電流の流れ込みによるヒューズ20の発熱と外部への熱拡散とが安定しており、溶断電流が緩やかに変化する傾向がある。例えば、ヒューズ20を10年間使用する場合、溶断時間が100,000時間以上となるように、ヒューズ20に流れる電流を調整することができる。一方、溶断時間が比較的短い短時間側(0.1〜0.00001sec)においては、溶断電流の流れ込みによりヒューズ20が短時間で発熱するため、溶断電流が急激に変化する傾向がある。すなわち、ヒューズ20の溶断特性は、溶断時間が短時間側になる程、ヒューズ20の心線が溶断する熱量と発熱量とが短い時間で等しくなることを意味する。
As shown in FIG. 3, the melting characteristics of the
以上のヒューズ20の溶断特性によれば、ヒューズ20の心線の温度上昇は、I^2×R×tで表される。ここで、Iは溶断電流であり、Rはヒューズ20の心線の抵抗値であり、tは溶断時間である。そして、定数H=I^2×tが一定となる。よって、溶断時間tは、H×I^2となり、溶断電流Iに対して−2乗の傾きとなる。例えば、図3に示すヒューズ20の溶断特性において、溶断電流I=10.0Aにおいて、溶断時間tが0.14secであるため、溶断特性の傾き(すなわち、定数H)は、10.0^2×0.14=14.0となる。
According to the melting characteristics of the
図4は、本実施形態にかかるオゾン発生装置のコンデンサの静電容量と定数との関係の一例を示す図である。図4の縦軸は定数Hを表し、横軸はコンデンサCcの静電容量を表す。一般的に、定数H=I^2×tを指数関数で表すと、1/(√3)×Io^2×tоとなる。ここで、Ioは溶断電流のピーク値であり、tоは時定数(コンデンサCcの静電容量Fと抵抗Rcの抵抗値との積で求められる充電時間)である。よって、図4に示すコンデンサCcの静電容量と定数Hとの関係によれば、溶断電流Ioは、電源cから印加される直流電圧DCVを、抵抗値Rで除算した値となる。以上によれば、定数Hは、以下の式(1)により表される。式(1)によれば、コンデンサCcは、以下の式(2)により表される。 FIG. 4 is a view showing an example of the relationship between the capacitance and the constant of the capacitor of the ozone generation apparatus according to the present embodiment. The vertical axis in FIG. 4 represents the constant H, and the horizontal axis represents the capacitance of the capacitor Cc. In general, when the constant H = I ^ 2 × t is expressed by an exponential function, it becomes 1 / (√3) × Io ^ 2 × tо. Here, Io is a peak value of the fusing current, and tо is a time constant (charging time determined by the product of the capacitance F of the capacitor Cc and the resistance value of the resistor Rc). Therefore, according to the relationship between the capacitance of the capacitor Cc and the constant H shown in FIG. 4, the fusing current Io is a value obtained by dividing the DC voltage DCV applied from the power supply c by the resistance value R. According to the above, the constant H is represented by the following equation (1). According to equation (1), the capacitor Cc is represented by the following equation (2).
図5は、本実施形態にかかるオゾン発生装置において異常が発生した誘電体電極のヒューズに流れ込む溶断電流の特性の一例を示す図である。図5の縦軸はコンデンサCcから異常が発生した誘電体電極16のヒューズ20に流れる溶断電流を表し、横軸はコンデンサCcから異常が発生した誘電体電極16のヒューズ20に溶断電流を流せる経過時間を表す。ヒューズ20に流れ込む溶断電流がピーク(666.0A)時における経過時間は、54.0μsecである。これを図3に示すヒューズ20の溶断特性に照らし合わせれば、溶断電流が666.0Aかつ経過時間が54.0μsecにおいて、ヒューズ20を溶断可能である。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the characteristic of the fusing current flowing into the fuse of the dielectric electrode in which an abnormality has occurred in the ozone generation apparatus according to the present embodiment. The vertical axis in FIG. 5 represents the fusing current flowing from the capacitor Cc to the
よって、オゾン発生装置10の制御部37は、誘電体電極16の異常が発生してから数秒以内に、スイッチSW1を制御して溶断回路36と誘電体電極16を接続して、異常が発生した誘電体電極16への電流の流れ込みを防止するためにヒューズ20を溶断する。その後、スイッチSW1を制御して電源装置30と誘電体電極16を再接続して、オゾンの生成を再開させる。これにより、正常な誘電体電極16から異常が発生した誘電体電極16への電流の流れ込みを防止できるので、正常な誘電体電極16の電圧が下がり、オゾン発生効率が下がることを防止して、安定したオゾン発生装置の運転を実現することができる。
Therefore, the
このように、本実施形態にかかるオゾン発生装置10によれば、安定したオゾン発生装置の運転を実現することができる。
Thus, according to the
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。この実施形態は、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。 Although the embodiments of the present invention have been described, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. This novel embodiment can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. This embodiment is included in the scope and the gist of the invention, and is included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10 オゾン発生装置
15 金属電極
16 誘電体電極
20 ヒューズ
30 電源装置
31 コンバータ
32 インバータ
36 溶断回路
c 電源
Cc コンデンサ
Rc 抵抗
SW1,SW2 スイッチ
g 放電ギャップ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
原料ガスが流入される放電ギャップを前記金属電極との間に有し、かつ互いに並列接続された複数の誘電体電極と、
前記誘電体電極毎に設けられ、当該誘電体電極への電流の流れ込みを切断可能なヒューズと、
前記誘電体電極に対して電源を印加して前記原料ガスで放電させることによってオゾンを発生させる電源部と、当該電源部から前記誘電体電極に流れる電流より大きな電流を前記誘電体電極に流す溶断回路と、前記電源部または前記溶断回路に対して前記誘電体電極を接続する第1スイッチと、を有し、前記誘電体電極に異常が発生した場合、前記第1スイッチを制御して前記誘電体電極を前記溶断回路に接続することで、当該異常が発生した誘電体電極の前記ヒューズを溶断し、当該ヒューズを溶断した後、前記第1スイッチを制御して前記誘電体電極を前記電源部に接続する電源装置と、
を備えたオゾン発生装置。 With metal electrodes,
A plurality of dielectric electrodes connected in parallel with each other and having discharge gaps between which the source gas flows and the metal electrodes;
A fuse provided for each of the dielectric electrodes and capable of cutting the flow of current into the dielectric electrodes;
A power supply unit that generates ozone by applying a power supply to the dielectric electrode and discharging it with the raw material gas, and a blowout that causes a current larger than the current flowing from the power supply unit to the dielectric electrode to the dielectric electrode A circuit and a first switch for connecting the dielectric electrode to the power supply unit or the fusing circuit, and when an abnormality occurs in the dielectric electrode, the first switch is controlled to perform the dielectric By connecting the body electrode to the fusing circuit, the fuse of the dielectric electrode where the abnormality has occurred is fused and the fuse is fused, and then the first switch is controlled to control the dielectric electrode as the power supply unit. A power supply connected to the
Ozone generator equipped with
当該電源部から前記誘電体電極に流れる電流よりも大きな電流を前記誘電体電極に流す溶断回路と、
前記電源部または前記溶断回路に対して前記誘電体電極を接続する第1スイッチと、を備え、
前記誘電体電極に異常が発生した場合、前記第1スイッチを制御して前記誘電体電極を前記溶断回路に接続することで、当該異常が発生した誘電体電極への電流の流れ込みを切断可能なヒューズを溶断し、当該ヒューズを溶断した後、前記第1スイッチを制御して前記誘電体電極を前記電源部に接続する、電源装置。 A power supply unit that generates ozone by applying a power to a plurality of dielectric electrodes having discharge gaps into which a source gas flows in with the metal electrode and connected in parallel with each other to cause discharge with the source gas When,
A fusing circuit for causing a current larger than the current flowing from the power supply unit to the dielectric electrode to flow to the dielectric electrode;
A first switch connecting the dielectric electrode to the power supply unit or the fusing circuit;
When an abnormality occurs in the dielectric electrode, the flow of current to the dielectric electrode in which the abnormality occurs can be cut off by controlling the first switch to connect the dielectric electrode to the fusing circuit. A power supply apparatus, wherein a fuse is melted and the fuse is melted, and then the first switch is controlled to connect the dielectric electrode to the power supply unit.
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