JP6555562B2 - プラズマ放電装置及び空気清浄機 - Google Patents

Description

本発明は、空気中において放電を発生させるプラズマ放電装置及び空気清浄機に関する。

従来、空気中に浮遊する花粉などの有機物を除去する方法として、暗放電であるコロナ（ストリーマ）放電を利用する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。これは、花粉などをコロナ放電によって低温酸化させて分解する方法である。

特開２００５−３００１１１号公報

しかしながら、従来の方法では、花粉などを分解するまで数時間を要するという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、極めて短時間で空気中の有機物を消滅させるプラズマ放電装置及び空気清浄機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るプラズマ放電装置の一態様は、空気で互いに絶縁された電極対を有する放電部と、前記電極対に印加する電圧パルスを生成するパルス生成回路とを備え、前記電圧パルスは、前記電極対間において放電を開始させる高電圧パルスと、前記高電圧パルスに続いて前記電極対に印加され前記高電圧パルスより電圧値が低い低電圧パルスとを含み、前記パルス生成回路は、前記低電圧パルスを前記電極対に印加する際に出力する出力電流及び出力電圧を制限する制限回路を有する。

また、上記課題を解決するために、本発明に係るプラズマ放電装置の一態様は、複数の電極対を有する放電部と、前記複数の電極対の各々に順次印加する電圧パルスを生成するパルス生成回路とを備え、前記電圧パルスは、前記複数の電極対の各々の電極対間において放電を開始させる高電圧パルスと、前記高電圧パルスに続いて印加され前記高電圧パルスより電圧値が低い低電圧パルスとを含み、前記複数の電極対の各々は、空気で互いに絶縁され、前記パルス生成回路は、前記低電圧パルスを前記複数の電極対の各々に印加する際に出力する出力電流及び出力電圧を制限する制限回路を有する。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る空気清浄機の一態様は、上記プラズマ放電装置を備え、上記空気中の有機物を消滅させる。

本発明によれば、極めて短時間で空気中の有機物を消滅させるプラズマ放電装置及び空気清浄機を提供できる。

図１は、実施の形態１に係るプラズマ放電装置の全体構成の概要を示すブロック図である。 図２は、実施の形態１に係るプラズマ放電装置の詳細構成を示す回路図である。 図３は、実施の形態１に係るパルス生成回路において生成される電圧パルスのパルス波形を示すグラフである。 図４Ａは、実施の形態１に係るプラズマ放電装置の電極対間に有機物が存在しない場合に、電極対間に印加される電圧パルスの波形の一例を示すグラフである。 図４Ｂは、実施の形態１に係るプラズマ放電装置の電極対間に有機物が存在する場合に、電極対間に印加される電圧パルスの波形の一例を示すグラフである。 図５は、電極対間に印加される電流及び電圧と、放電状態との関係を示すグラフである。 図６は、実施の形態２に係るプラズマ放電装置の全体構成の概要を示すブロック図である。 図７は、実施の形態２に係るプラズマ放電装置の詳細構成を示す回路図である。 図８は、実施の形態３に係るプラズマ放電装置の全体構成の概要を示すブロック図である。 図９は、実施の形態３に係るプラズマ放電装置の詳細構成を示す回路図である。 図１０は、実施の形態３に係るパルス生成回路において生成される電圧パルスのパルス波形を示すグラフである。 図１１は、実施の形態４に係るプラズマ放電装置の全体構成の概要を示すブロック図である。 図１２は、実施の形態４に係るプラズマ放電装置の詳細構成を示す回路図である。 図１３は、変形例に係る空気清浄機の外観図である。 図１４は、変形例に係るエアコンディショナの外観図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態１）
［１−１．全体構成］
まず、実施の形態１に係るプラズマ放電装置の全体構成について図面を用いて説明する。

図１は、実施の形態１に係るプラズマ放電装置１００の全体構成の概要を示すブロック図である。

図１に示されるように、本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００は、放電部６と、パルス生成回路２とを備える。

放電部６は、空気６８で互いに絶縁された電極対６０を有する。電極対６０は、第一電極６１及び第二電極６２からなる。第一電極６１と第二電極６２との間は、空気６８で絶縁されている。本実施の形態では、第一電極６１にはパルス生成回路２の出力電圧が印加され、第二電極６２は接地される。また、電極対６０を絶縁する空気６８の圧力は大気圧である。

パルス生成回路２は、電極対６０に印加する電圧パルスを生成する回路である。パルス生成回路２が生成する電圧パルスは、電極対６０間において放電を開始させる高電圧パルスと、高電圧パルスに続いて電極対６０に印加され、高電圧パルスより電圧値が低い低電圧パルスとを含む。また、パルス生成回路２は、低電圧パルスを電極対６０に印加する際に出力する出力電流及び出力電圧を制限する制限回路４０を有する。

本実施の形態では、パルス生成回路２は、さらに、第一生成回路１０と、第二生成回路２０と、合波回路３０とを備える。第一生成回路１０は、上記高電圧パルスに対応する第一パルスを生成する回路である。第二生成回路２０は、上記低電圧パルスに対応し、第一パルスよりパルス幅が大きい第二パルスを生成する回路である。合波回路３０は、第一パルスと第二パルスとを合波して、上記電圧パルスを出力する回路である。

続いて、本実施の形態に係るパルス生成回路２の詳細構成について図面を用いて説明する。

図２は、本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００の詳細構成を示す回路図である。

図２に示されるように本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００は、第一生成回路１０及び第二生成回路２０を制御する制御回路５０を備える。

また、本実施の形態では、制限回路４０は抵抗素子である。制限回路４０を構成する抵抗素子の抵抗値は、第二生成回路２０から出力される出力電圧の値などに基づいて適宜設計されればよい。本実施の形態では、抵抗素子の抵抗値は、２ｋΩ以上３ｋΩ以下程度である。

本実施の形態では、合波回路３０は、第一コイル３１及び第二コイル３２を備えるトランスである。合波回路３０を構成する各コイルの巻数比は、第一生成回路１０及び第二生成回路２０からそれぞれ出力される出力電圧の値などに基づいて適宜設定されればよい。本実施の形態では、第一コイル３１と第二コイル３２との巻数比は、１：１５である。

第一生成回路１０は、第一直流電源１５と、第一コンデンサ１６と、第一スイッチング素子１１とを備える。本実施の形態では、第一生成回路１０は、合波回路３０の第一コイル３１に第一パルスを出力する。

第一直流電源１５は、直流電圧を出力する電源回路である。第一直流電源１５が出力する直流電圧の値は、合波回路３０の特性などに基づいて適宜設定されればよい。本実施の形態では、第一直流電源１５は１ｋＶの直流電圧を出力する。

第一コンデンサ１６は、第一生成回路１０の出力電圧の振動を抑制するための素子であり、第一直流電源１５に並列接続される。第一コンデンサ１６の容量は、第一コイル３１の特性などに応じて適宜設定されればよい。

第一スイッチング素子１１は、第一直流電源１５が出力する直流電圧の一部だけを第一生成回路１０から出力するための素子である。本実施の形態では、第一スイッチング素子１１は、制御回路５０によって導通及び非導通の切り替えを制御されるスイッチングトランジスタである。第一スイッチング素子１１としては、例えば、図２に示されるように、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いることができる。第一スイッチング素子１１は、第一コイル３１に直列接続される。また、第一コイル３１及び第一スイッチング素子１１からなる回路は、第一直流電源１５に並列接続される。

第二生成回路２０は、第二直流電源２５と、第二コンデンサ２６と、四つの第二スイッチング素子２１〜２４と、トランス２７と、ダイオード２８及び２９とを備える。

第二直流電源２５は、直流電圧を出力する電源回路である。第二直流電源２５が出力する直流電圧の値は、トランス２７の特性などに基づいて適宜設定されればよい。本実施の形態では、第二直流電源２５は１００Ｖの直流電圧を出力する。

第二コンデンサ２６は、トランス２７と共にＬＣ共振回路を構成する素子であり、トランス２７の一次側コイル２７１に直列接続される。第二コンデンサ２６の容量は、トランス２７の特性などに応じて適宜設定されればよい。

トランス２７は、一次側コイル２７１と、二次側コイル２７２とを備え、一次側コイル２７１に入力された電圧を、所定の変圧比で変圧して、二次側コイル２７２に出力する素子である。トランス２７の変圧比は、一次側コイル２７１に入力される電圧などに基づいて適宜設定されればよい。本実施の形態では、変圧比（一次側コイルの巻数／二次側コイルの巻数）は、１／１０程度である。

第二スイッチング素子２１〜２４は、フルブリッジ型のインバータ回路を構成する素子である。第二スイッチング素子２１及び２２が直列接続され、第二スイッチング素子２３及び２４が直列接続される。さらに、第二スイッチング素子２１及び２２と第二スイッチング素子２３及び２４とが並列接続される。第二スイッチング素子２１と第二スイッチング素子２２とが接続されるノードと、第二スイッチング素子２３と第二スイッチング素子２４とが接続されるノードとの間に、第二コンデンサ２６及びトランス２７からなるＬＣ共振回路が接続される。本実施の形態では、第二スイッチング素子２１〜２４は、制御回路５０によって導通及び非導通の切り替えを制御されるスイッチングトランジスタである。第二スイッチング素子２１〜２４としては、例えば、図２に示されるように、ＭＯＳＦＥＴを用いることができる。

ダイオード２８及び２９は、トランス２７から出力された交流電圧を直流電圧に変換するための整流素子である。ダイオード２８のアノードにダイオード２９のカソードが接続され、ダイオード２９にトランス２７の二次側コイル２７２が並列接続される。ダイオード２８のカソードとダイオード２９のアノードとから第二生成回路２０の出力電圧が出力される。第二生成回路２０の出力電圧は、制限回路４０、合波回路３０及び放電部６からなる直列回路に印加される。

制御回路５０は、第一生成回路１０及び第二生成回路２０を制御する回路である。制御回路５０は、第一スイッチング素子１１の導通及び非導通の切り替えタイミングを制御することにより、第一生成回路１０から出力される第一パルスのパルス幅、及び、出力タイミングを制御する。また、制御回路５０は、第二スイッチング素子２１〜２４の各々の導通及び非導通の切り替えタイミングを制御することにより、第二生成回路２０から出力される第二パルスの電圧値、パルス幅、及び、出力タイミングを制御する。制御回路５０は、第一パルスに続いて第二パルスが合波回路３０に印加されるように制御を行う。制御回路５０は、例えば、プロセッサ及びメモリを備えるＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップなどを用いて実現できる。

［１−２．電圧パルス］
本実施の形態に係るパルス生成回路２が生成する電圧パルスについて図面を用いて説明する。

図３は、本実施の形態に係るパルス生成回路２において生成される電圧パルスのパルス波形を示すグラフである。図３のグラフ（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、第一生成回路１０から出力される第一パルスＰ１、第二生成回路２０から出力される第二パルスＰ２、及び、パルス生成回路２から出力される電圧パルスＰ０の波形を示す。

図３のグラフ（ｃ）に示されるように、パルス生成回路２から出力される電圧パルスＰ０は、高電圧パルスＰＨと低電圧パルスＰＬとからなる。

図３のグラフ（ａ）に示されるように、第一生成回路１０は、電圧パルスＰ０の高電圧パルスＰＨに対応する第一パルスＰ１を出力する。また、図３のグラフ（ｂ）に示されるように、第二生成回路２０は、電圧パルスＰ０の低電圧パルスＰＬに対応し、第一パルスＰ１よりパルス幅が大きい第二パルスＰ２を生成する。本実施の形態では、第一パルスＰ１のパルス幅Ｔ１は５００ｎｓｅｃ程度であり、第二パルスＰ２のパルス幅Ｔ２は、１０μｓｅｃ程度である。

第一パルスＰ１は、合波回路３０において、電圧値が１ｋＶから１５ｋＶ程度まで昇圧されて、第二パルスＰ２と合波される。このようにパルス生成回路２において、電圧パルスＰ０が生成され、放電部６の電極対６０に印加される。

電圧パルスＰ０のパルス幅Ｔ０及び繰り返し周期ＴＡは、特に限定されないが、例えば、それぞれ１０μｓｅｃ程度及び１００μｓｅｃ程度である。この場合、電圧パルスＰ０の繰り返しの周波数は、１０ｋＨｚ程度である。

［１−３．動作］
本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００の動作について図面を用いて説明する。

図４Ａは、本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００の電極対６０間に有機物が存在しない場合に、電極対６０間に印加される電圧パルスＰ０の波形の一例を示すグラフである。図４Ｂは、本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００の電極対６０間に有機物が存在する場合に、電極対６０間に印加される電圧パルスＰ０の波形の一例を示すグラフである。なお、図４Ａ及び図４Ｂに示されるグラフは、いずれも実験によって得られたグラフである。図５は、電極対６０間に印加される電流及び電圧と、放電状態との関係を示すグラフである。

電極対６０間に有機物が存在しない場合には、図４Ａに示されるように、電極対６０間に、高電圧パルスＰＨ及び低電圧パルスＰＬからなる電圧パルスＰ０が印加される。高電圧パルスＰＨの電圧値は、絶縁破壊電圧以上の電圧値である。本実施の形態では、高電圧パルスＰＨの電圧値は１ｋＶを超える。これにより、電極対６０間において放電が開始される。また、高電圧パルスＰＨに続いて電極対６０間に低電圧パルスＰＬが印加される。これにより、電極対６０間に有機物が存在しない場合には、高電圧パルスＰＨによって開始された放電を比較的安定的に維持できる。本実施の形態では、低電圧パルスＰＬの電圧値は５００Ｖ程度であり、電極対６０間には６０ｍＡ程度の電流が流れる。

ここで、電極対６０間に印加される電圧は、電極対６０間における抵抗値と、制限回路４０を構成する抵抗素子の抵抗値とによって定まる。例えば、制限回路４０を構成する抵抗素子の抵抗値が増大するにつれて、電極対６０間に印加される電圧の値が減少する。本実施の形態では、制限回路４０を構成する抵抗素子の抵抗値は、電極対６０間に印加される電圧が５００Ｖ程度となるように設定される。また、電極対６０間に流れる電流は、第二直流電源２５の出力電力の上限値と、制限回路４０を構成する抵抗素子の抵抗値とによって制限される。例えば、制限回路４０を構成する抵抗素子の抵抗値が増大するにつれて、電極対６０間に流れる電流の値が減少する。本実施の形態では、第二直流電源２５の出力電力の上限値は、３０Ｗ程度に設定される。

低電圧パルスＰＬを電極対６０間に印加している期間における放電の状態は、図５に示される状態Ａに相当する。つまり、この期間においては、電極対６０間において、低電圧パルスＰＬの印加によってグロー放電が生成される。

上述の電極対６０間において発生する放電の状態は、制限回路４０によって特定の状態に制限される。本実施の形態では、制限回路４０が抵抗素子であるため、電極対６０間に印加される電圧値及び電極対６０間に流れる電流値の関係が、図５に示される一点鎖線で示される関係に制限される。一方、放電時における、電極対６０間の電圧及び電流の関係は、図５の実線で示される。このため、電極対６０間における放電の状態は、図５の一点鎖線と実線との交点に相当する状態Ａ及び状態Ｂのいずれかに制限される。電極対６０間に有機物が存在しない場合には、電極対６０間に印加される電圧を５００Ｖ程度に設定することによって、放電状態を図５に示される状態Ａの状態、つまり、グロー放電とすることができる。したがって、電極対６０間に低温プラズマが生成され、放電部６における温度上昇は比較的抑制され、電極対６０の損傷も抑制される。

一方、電極対６０間に花粉などの有機物が存在する場合には、図４Ｂに示されるように、電極対６０間に、高電圧パルスＰＨ１及び低電圧パルスＰＬ１からなる電圧パルスＰ０１が印加される。高電圧パルスＰＨ１の電圧値は、電極対６０間に花粉などの有機物が存在しない場合と同様に図５に示される絶縁破壊電圧以上の電圧値である。これにより、電極対６０間において放電が開始される。また、高電圧パルスＰＨ１に続いて電極対６０間に低電圧パルスＰＬ１が印加される。これにより、高電圧パルスＰＨ１によって開始された放電を維持できる。ただし、電極対６０間に有機物が存在する場合には、有機物によって電極対６０間の抵抗値が低下する。このため、電極対６０間に印加される電圧が低下し、電極対６０間に流れる電流が増大する。本実施の形態では、図４Ｂに示されるように、低電圧パルスＰＬ１の電圧値は、２００Ｖ程度まで低下し、電極対６０間に１５０ｍＡ程度の電流が流れる。低電圧パルスＰＬ１を電極対６０間に印加している期間における放電の状態は、図５に示される状態Ｂに相当する。つまり、低電圧パルスＰＬ１を電極対６０間に印加している期間においては、電極対６０間にアーク放電が生成される。これにより、電極対６０間に存在する有機物はアーク放電によって生成された熱プラズマによって、例えば１秒以下程度の極めて短時間で燃焼されて消滅する。つまり、有機物は、燃焼されることによって、二酸化炭素及び水となる。このように、電極対６０間に有機物が存在する場合には、低電圧パルスＰＬ１を印加している際の電極対６０間における有機物の状態が変化するため、図４Ｂに示されるように、電極対６０間に印加される電圧が安定しない。本実施の形態では、電極対６０間における放電状態が、図５に示される状態Ａと状態Ｂとの間で変動する。

電極対６０間における有機物が消滅した後は、電極対６０間の放電状態は、図５に示される状態Ａ、つまり、グロー放電となり、図４Ａに示されるような電圧パルスＰ０が、電極対６０に印加される。

このように、本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００によれば、空気６８中の花粉などの有機物を極めて短時間で消滅させることができる。また、本実施の形態では、空気６８は、大気圧でよいため、大気中の空気を、圧力調整することなく、そのまま電極対間に導入することができる。このため、空気中の花粉などの有機物を容易に消滅させることができる。

［１−４．まとめ］
以上のように、本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００は、空気６８で互いに絶縁された電極対６０を有する放電部６と、電極対６０に印加する電圧パルスＰ０を生成するパルス生成回路２とを備え、電圧パルスＰ０は、電極対６０間において放電を開始させる高電圧パルスＰＨと、高電圧パルスＰＨに続いて電極対６０に印加され、高電圧パルスＰＨより電圧値が低い低電圧パルスＰＬとを含み、パルス生成回路２は、低電圧パルスＰＬを電極対６０に印加する際に出力する出力電流及び出力電圧を制限する制限回路４０を有する。

これにより、まず、高電圧パルスによって電極対６０間の空気６８による絶縁を破壊した後、続いて電極対６０に印加される低電圧パルスによって放電を維持できる。ここで、低電圧パルスの電圧値を所定の値に設定することにより、電極対６０間においてグロー放電を維持できる。グロー放電によって生成される低温プラズマ内に、空気６８中の花粉などの有機物が入ることで、電極対間の抵抗が低減する。これに伴い電極対６０間に流れる電流が上昇し、かつ、電極対６０間の電圧が低下する。このため、電極対６０間の放電をグロー放電から、より電流量の大きいアーク放電に遷移させることができる。アーク放電によって生成される熱プラズマにおいては、花粉などの有機物は、極めて短時間で燃焼して消滅する。このように、本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００においては、空気中の花粉などの有機物を極めて短時間で燃焼して消滅させることができる。

また、本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００は、低電圧パルスを電極対６０間に印加する際に出力する出力電流及び出力電圧を制限する制限回路４０を有するため、電極対６０間に過大な電流が発生することを抑制できる。したがって、例えば電極対６０間に有機物が入ることに伴ってアーク放電が発生した場合でも、有機物が消滅した後には、電極対６０間の放電をアーク放電から、例えば、グロー放電に遷移させることができる。このため、電極対６０がアーク放電によって損傷することを抑制でき、かつ、プラズマ放電装置１００の消費電力を抑制できる。

また、本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００において、パルス生成回路２は、高電圧パルスＰＨに対応する第一パルスＰ１を生成する第一生成回路１０と、低電圧パルスＰＬに対応し、第一パルスＰ１よりパルス幅が大きい第二パルスＰ２を生成する第二生成回路２０と、第一パルスＰ１と第二パルスＰ２とを合波して、電圧パルスＰ０を出力する合波回路３０とを備えてもよい。

これにより、パルス生成回路２を簡素化された構成で実現することができる。

また、本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００において、空気６８の圧力は大気圧であってもよい。

これにより、例えば、大気中の空気を、圧力調整することなく、そのまま電極対６０間に導入することができる。このため、空気中の花粉などの有機物を容易に消滅させることができる。

また、本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００において、電極対６０間において、低電圧パルスＰＬの印加によってグロー放電が生成されてもよい。

これにより、放電時に電極対６０間における温度上昇を抑制できる。また、放電プラズマ中に花粉などの有機物が入った場合には、アーク放電に遷移することにより、極めて短時間で当該有機物を燃焼して消滅させることができる。また、アーク放電が継続する時間は極めて短いため、放電プラズマ内に有機物が入った場合の電極対６０間における温度上昇を抑制できる。

また、本実施の形態に係るプラズマ放電装置１００において、制限回路４０は、抵抗素子であってもよい。

これにより、容易に、かつ、安価で制限回路４０を実現することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係るプラズマ放電装置について説明する。本実施の形態に係るプラズマ放電装置は、主に制限回路の構成において、実施の形態１に係るプラズマ放電装置１００と相違する。以下、本実施の形態に係るプラズマ放電装置について、実施の形態１に係るプラズマ放電装置１００との相違点を中心に説明する。

本実施の形態に係るプラズマ放電装置の全体構成について図面を用いて説明する。

図６は、本実施の形態に係るプラズマ放電装置２００の全体構成の概要を示すブロック図である。図７は、本実施の形態に係るプラズマ放電装置２００の詳細構成を示す回路図である。

図６に示されるように、本実施の形態に係るプラズマ放電装置２００は、放電部６と、パルス生成回路２０２とを備える。

本実施の形態に係るパルス生成回路２０２は、第一生成回路１０と、第二生成回路２０と、合波回路３０と、制限回路２４０とを有する。

本実施の形態に係るプラズマ放電装置２００では、制限回路２４０は、パルス生成回路２０２の出力電流に応じて出力電圧を制御する回路であり、図７に示される電流検出回路２４１及び制御回路２５０を備える。

電流検出回路２４１は、パルス生成回路２０２の出力電流に対応する信号を出力する回路である。電流検出回路２４１としては、例えばホール素子などを用いることができる。

制御回路２５０は、実施の形態１に係る制御回路５０と同様に、第一生成回路１０及び第二生成回路２０を制御する回路である。ただし、本実施の形態に係る制御回路２５０は、電流検出回路２４１からの信号に基づいて、第二生成回路２０の出力電圧を制御する。制御回路２５０は、例えば、第二生成回路２０の第二スイッチング素子２１〜２４の導通期間の割合（デューティ）を制御することによって、第二生成回路２０の出力電圧を制御する。より具体的には、例えば、制御回路２５０は、電極対６０間における放電状態が図５に示される状態Ａ及び状態Ｂの一方となるように、第二生成回路２０の出力電圧を制御してもよい。例えば、電極対６０間に花粉などの有機物が存在しない場合、つまり、電極対６０間に流れる電流の値が比較的小さい場合には、制御回路２５０は第二生成回路２０の出力電圧値が状態Ａにおける電圧値程度となるように第二生成回路２０を制御する。一方、電極対６０間に有機物が存在する場合、つまり、電極対６０間に流れる電流の値が比較的大きい場合には、制御回路２５０は第二生成回路２０の出力電圧値が状態Ｂにおける電圧値程度となるように第二生成回路２０を制御する。

以上のように、本実施の形態に係るプラズマ放電装置２００においては、制限回路２４０は、パルス生成回路２０２の出力電流に応じて出力電圧を制御する。

これにより、電極対６０間における放電状態を所望の状態とすることができる。また、放電プラズマ中に有機物が入って出力電流が増大した場合に、出力電圧を低下させることによって、電極対６０間に過大な電流が継続的に流れることを抑制できる。したがって、電極対６０が損傷することを抑制でき、かつ、プラズマ放電装置２００の消費電力を抑制できる。さらに、本実施の形態では、制限回路２４０において、抵抗素子を用いる必要がないため、実施の形態１に係るプラズマ放電装置１００と比較して、消費電力をより低減できる。

（実施の形態３）
実施の形態３に係るプラズマ放電装置について説明する。本実施の形態に係るプラズマ放電装置は、主に放電部が複数の電極対を有する点において、実施の形態１に係るプラズマ放電装置１００と相違する。以下、本実施の形態に係るプラズマ放電装置について、実施の形態１に係るプラズマ放電装置１００との相違点を中心に説明する。

［３−１．全体構成］
まず、実施の形態３に係るプラズマ放電装置の全体構成について図面を用いて説明する。

図８は、実施の形態３に係るプラズマ放電装置３００の全体構成の概要を示すブロック図である。

図８に示されるように、本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００は、放電部３０６と、パルス生成回路３０２とを備える。

放電部３０６は、複数の電極対６０ａ〜６０ｄを有する。本実施の形態では、放電部３０６は四つの電極対６０ａ〜６０ｄを有する。電極対６０ａ〜６０ｄは、それぞれ、第一電極６１ａ〜６１ｄ及び第二電極６２ａ〜６２ｄからなる。電極対６０ａ〜６０ｄの各々は、空気６８で互いに絶縁されている。つまり、第一電極６１ａ〜６１ｄと第二電極６２ａ〜６２ｄとの間は、それぞれ空気６８で絶縁されている。本実施の形態では、第一電極６１ａ〜６１ｄにはパルス生成回路３０２の出力電圧が印加され、第二電極６２ａ〜６２ｄは接地される。また、電極対６０ａ〜６０ｄの各々を絶縁する空気６８の圧力は大気圧である。

パルス生成回路３０２は、電極対６０ａ〜６０ｄに印加する電圧パルスを生成する回路である。パルス生成回路３０２が生成する電圧パルスは、電極対６０ａ〜６０ｄの各々の電極対間において放電を開始させる高電圧パルスと、高電圧パルスに続いて電極対６０ａ〜６０ｄに印加され、高電圧パルスより電圧値が低い低電圧パルスとを含む。また、パルス生成回路３０２は、低電圧パルスを電極対６０ａ〜６０ｄに印加する際に出力する出力電流及び出力電圧を制限する制限回路４０を有する。

本実施の形態では、パルス生成回路３０２は、電圧生成回路３０４と、切替回路３０８とを備える。

電圧生成回路３０４は、上述した制限回路４０と、第一生成回路１０と、第二生成回路２０と、合波回路３０とを備える。第一生成回路１０は、上記高電圧パルスに対応するパルス状の第一電圧を生成する回路である。第二生成回路２０は、上記低電圧パルスに対応する直流電圧である第二電圧を生成する回路である。合波回路３０は、第一電圧と第二電圧とを合波して、電圧波を出力する回路である。

切替回路３０８は、合波回路３０から電圧波が入力され、電圧波を電極対６０ａ〜６０ｄに順次出力することにより、電極対６０ａ〜６０ｄの各々に上記電圧パルスを供給する回路である。本実施の形態では、切替回路３０８は、四つのスイッチング素子８１ａ〜８１ｄを備える。切替回路３０８に入力された電圧波は、スイッチング素子８１ａ〜８１ｄに入力される。また、スイッチング素子８１ａ〜８１ｄは、それぞれ、電極対６０ａ〜６０ｄに接続される。これにより、スイッチング素子８１ａ〜８１ｄのうち導通状態とされたものに接続された電極対に電圧パルスが印加される。なお、スイッチング素子８１ａ〜８１ｄとしては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いることができる。また、スイッチング素子８１ａ〜８１ｄは、図示されていない駆動回路からの信号によって制御される。当該駆動回路は、例えば、プロセッサ及びメモリを備えるＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップなどを用いて実現できる。

続いて、本実施の形態に係るパルス生成回路３０２の詳細構成について図面を用いて説明する。

図９は、本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００の詳細構成を示す回路図である。

図９に示されるように本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００は、第一生成回路１０及び第二生成回路２０を制御する制御回路３５０を備える。

また、本実施の形態では、制限回路４０は抵抗素子である。制限回路４０を構成する抵抗素子の抵抗値は、第二生成回路２０から出力される出力電圧の値などに基づいて適宜設計されればよい。本実施の形態では、抵抗素子の抵抗値は、２ｋΩ以上３ｋΩ以下程度である。

本実施の形態では、合波回路３０は、第一コイル３１及び第二コイル３２を備えるトランスである。合波回路３０を構成する各コイルの巻数比は、第一生成回路１０及び第二生成回路２０からそれぞれ出力される出力電圧の値などに基づいて適宜設定されればよい。本実施の形態では、第一コイル３１と第二コイル３２との巻数比は、１：１５である。

第一生成回路１０及び第二生成回路２０は、それぞれ実施の形態１に係る第一生成回路１０及び第二生成回路２０と同様の構成を有する。本実施の形態では、第二生成回路２０の出力電圧は、制限回路４０、合波回路３０、切替回路３０８及び放電部３０６からなる直列回路に印加される。

制御回路３５０は、第一生成回路１０及び第二生成回路２０を制御する回路である。制御回路３５０は、第一スイッチング素子１１の導通及び非導通の切り替えタイミングを制御することにより、第一生成回路１０から出力される第一電圧のパルス幅、及び、出力タイミングを制御する。また、制御回路３５０は、第二スイッチング素子２１〜２４の各々の導通及び非導通の切り替えタイミングを制御することにより、第二生成回路２０から出力される第二電圧の電圧値を制御する。本実施の形態では、制御回路３５０は、第二生成回路２０から直流電圧が出力されるように、第二スイッチング素子２１〜２４を制御する。制御回路３５０は、例えば、プロセッサ及びメモリを備えるＩＣチップなどを用いて実現できる。

［３−２．電圧パルス］
本実施の形態に係るパルス生成回路３０２が生成する電圧パルスについて図面を用いて説明する。

図１０は、本実施の形態に係るパルス生成回路３０２において生成される電圧パルスのパルス波形を示すグラフである。図１０のグラフ（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、第一生成回路１０から出力される第一電圧Ｖ１、及び、第二生成回路２０から出力される第二電圧Ｖ２の波形を示す。また、図１０のグラフ（ｃ１）〜（ｃ４）は、それぞれ、スイッチング素子８１ａ〜８１ｄの時間に対する導通状態の関係を示すグラフである。図１０のグラフ（ｄ１）〜（ｄ４）は、それぞれ、電極対６０ａ〜６０ｄに印加される電圧パルスＰ０の波形を示すグラフである。

図１０のグラフ（ｄ１）〜（ｄ４）に示されるように、パルス生成回路３０２から出力される電圧パルスＰ０は、高電圧パルスＰＨと低電圧パルスＰＬとからなる。

図１０のグラフ（ａ）に示されるように、第一生成回路１０は、電圧パルスＰ０の高電圧パルスＰＨに対応する第一電圧Ｖ１を出力する。本実施の形態では、第一電圧Ｖ１のパルス幅Ｔ１は５００ｎｓｅｃ程度である。また、図１０のグラフ（ｂ）に示されるように、第二生成回路２０は、電圧パルスＰ０の低電圧パルスＰＬに対応する直流電圧である第二電圧Ｖ２を生成する。

第一電圧Ｖ１は、合波回路３０において、電圧値が１ｋＶから１５ｋＶ程度まで昇圧されて、第二電圧Ｖ２と合波される。これにより合波回路３０において電圧波が生成される。このように電圧生成回路３０４において、電圧波が生成され、切替回路３０８に入力される。

切替回路３０８においては、図１０のグラフ（ｃ１）〜（ｃ４）に示されるように、スイッチング素子８１ａ〜８１ｄが順次導通状態とされる。これにより、スイッチング素子８１ａ〜８１ｄにそれぞれ接続された電極対６０ａ〜６０ｄに図１０のグラフ（ｄ１）〜（ｄ４）に示されるような電圧パルスＰ０が印加される。

電圧パルスＰ０のパルス幅Ｔ０（つまり、各スイッチング素子の導通持続期間）は、特に限定されないが、例えば、１０μｓｅｃ程度である。この場合、各電極対における電圧パルスＰ０の繰り返しの周波数は、２５ｋＨｚ程度である。

以上のように、本実施の形態に係るパルス生成回路３０２において電圧パルスＰ０を生成できる。本実施の形態では、低電圧パルスＰＬに対応する電圧として、直流電圧である第二電圧Ｖ２を用い、切替回路３０８において第二電圧Ｖ２をパルス化している。このため、第二生成回路２０においてパルス電圧を生成する必要がないため、第二生成回路２０の構成を簡素化することができる。

［３−３．動作］
本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００の動作についても、実施の形態１に係るプラズマ放電装置１００と同様に動作する。本実施の形態では、各電極対間に存在する有機物はアーク放電によって生成された熱プラズマによって、例えば０．４秒以下程度の極めて短時間で燃焼されて消滅する。

このように、本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００によれば、空気６８中の花粉などの有機物を極めて短時間で消滅させることができる。また、本実施の形態では、空気６８は、大気圧でよいため、大気中の空気を、圧力調整することなく、そのまま電極対間に導入することができる。このため、空気中の花粉などの有機物を容易に消滅させることができる。

［３−４．まとめ］
以上のように、本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００は、複数の電極対６０ａ〜６０ｄを有する放電部３０６と、複数の電極対６０ａ〜６０ｄの各々に順次印加する電圧パルスＰ０を生成するパルス生成回路３０２とを備え、電圧パルスＰ０は、複数の電極対６０ａ〜６０ｄの各々の電極対間において放電を開始させる高電圧パルスＰＨと、高電圧パルスＰＨに続いて印加され高電圧パルスＰＨより電圧値が低い低電圧パルスＰＬとを含み、複数の電極対６０ａ〜６０ｄの各々は、空気６８で互いに絶縁され、パルス生成回路３０２は、低電圧パルスＰＬを複数の電極対６０ａ〜６０ｄの各々に印加する際に出力する出力電流及び出力電圧を制限する制限回路４０を有する。

これにより、まず、高電圧パルスによって各電極対間の空気６８による絶縁を破壊した後、続いて電極対６０ａ〜６０ｄに印加される低電圧パルスによって放電を維持できる。ここで、低電圧パルスの電圧値を所定の値に設定することにより、各電極対間においてグロー放電を維持できる。グロー放電によって生成される低温プラズマ内に、空気６８中の花粉などの有機物が入ることで、電極対間の抵抗が低減する。これに伴い各電極対間に流れる電流が上昇し、かつ、各電極対間の電圧が低下する。このため、各電極対間の放電をグロー放電から、より電流量の大きいアーク放電に遷移させることができる。アーク放電によって生成される熱プラズマにおいては、花粉などの有機物は、極めて短時間で燃焼して消滅する。このように、本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００においては、空気中の花粉などの有機物を極めて短時間で燃焼して消滅させることができる。

また、本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００は、低電圧パルスを各電極対間に印加する際に出力する出力電流及び出力電圧を制限する制限回路４０を有するため、各電極対間に過大な電流が発生することを抑制できる。したがって、例えば各電極対間に有機物が入ることに伴ってアーク放電が発生した場合でも、有機物が消滅した後には、各電極対間の放電をアーク放電から、例えば、グロー放電に遷移させることができる。このため、電極対６０ａ〜６０ｄがアーク放電によって損傷することを抑制でき、かつ、プラズマ放電装置３００の消費電力を抑制できる。

さらに本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００においては、複数の電極対６０ａ〜６０ｄを備えるため、より多くの容積の空気６８における有機物を短時間で消滅させることができる。

また、本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００において、パルス生成回路３０２は、高電圧パルスＰＨに対応するパルス状の第一電圧Ｖ１を生成する第一生成回路１０と、低電圧パルスＰＬに対応する直流電圧である第二電圧Ｖ２を生成する第二生成回路２０と、第一電圧Ｖ１と第二電圧Ｖ２とを合波して、電圧波を出力する合波回路３０と、電圧波が入力され、電圧波を電極対６０ａ〜６０ｄに順次出力することにより、電極対６０ａ〜６０ｄの各々に電圧パルスＰ０を供給する切替回路３０８とを備えてもよい。

これにより、パルス生成回路３０２を簡素化された構成で実現することができる。

また、本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００において、空気６８の圧力は大気圧であってもよい。

これにより、例えば、大気中の空気を、圧力調整することなく、そのまま各電極対間に導入することができる。このため、空気中の花粉などの有機物を容易に消滅させることができる。

また、本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００において、電極対６０ａ〜６０ｄにおいて、低電圧パルスＰＬの印加によってグロー放電が生成されてもよい。

これにより、放電時に各電極対間における温度上昇を抑制できる。また、放電プラズマ中に花粉などの有機物が入った場合には、アーク放電に遷移することにより、極めて短時間で当該有機物を燃焼して消滅させることができる。また、アーク放電が継続する時間は極めて短いため、放電プラズマ内に有機物が入った場合の各電極対間における温度上昇を抑制できる。

また、本実施の形態に係るプラズマ放電装置３００において、制限回路４０は、抵抗素子であってもよい。

これにより、容易に、かつ、安価で制限回路４０を実現することができる。

（実施の形態４）
実施の形態４に係るプラズマ放電装置について説明する。本実施の形態に係るプラズマ放電装置は、主に制限回路の構成において、実施の形態３に係るプラズマ放電装置３００と相違する。以下、本実施の形態に係るプラズマ放電装置について、実施の形態３に係るプラズマ放電装置３００との相違点を中心に説明する。

本実施の形態に係るプラズマ放電装置の全体構成について図面を用いて説明する。

図１１は、本実施の形態に係るプラズマ放電装置４００の全体構成の概要を示すブロック図である。図１２は、本実施の形態に係るプラズマ放電装置４００の詳細構成を示す回路図である。

図１１に示されるように、本実施の形態に係るプラズマ放電装置４００は、放電部６と、パルス生成回路４０２とを備える。

本実施の形態に係るパルス生成回路４０２は、電圧生成回路４０４と、切替回路８とを備える。

電圧生成回路４０４は、第一生成回路１０と、第二生成回路２０と、合波回路３０と、制限回路２４０とを有する。

本実施の形態に係るプラズマ放電装置４００では、制限回路２４０は、パルス生成回路４０２の出力電流に応じて出力電圧を制御する回路であり、図１２に示される電流検出回路２４１及び制御回路４５０を備える。

電流検出回路２４１は、パルス生成回路４０２の出力電流に対応する信号を出力する回路である。電流検出回路２４１としては、例えばホール素子などを用いることができる。

制御回路４５０は、実施の形態３に係る制御回路３５０と同様に、第一生成回路１０及び第二生成回路２０を制御する回路である。ただし、本実施の形態に係る制御回路４５０は、電流検出回路２４１からの信号に基づいて、第二生成回路２０の出力電圧を制御する。制御回路４５０は、例えば、第二生成回路２０の第二スイッチング素子２１〜２４の導通期間の割合（デューティ）を制御することによって、第二生成回路２０の出力電圧を制御する。より具体的には、例えば、制御回路４５０は、各電極対間における放電状態が図５に示される状態Ａ及び状態Ｂの一方となるように、第二生成回路２０の出力電圧を制御してもよい。例えば、各電極対間に花粉などの有機物が存在しない場合、つまり、各電極対間に流れる電流の値が比較的小さい場合には、制御回路４５０は第二生成回路２０の出力電圧値が状態Ａにおける電圧値程度となるように第二生成回路２０を制御する。一方、各電極対間に有機物が存在する場合、つまり、各電極対間に流れる電流の値が比較的大きい場合には、制御回路４５０は第二生成回路２０の出力電圧値が状態Ｂにおける電圧値程度となるように第二生成回路２０を制御する。

以上のように、本実施の形態に係るプラズマ放電装置４００においては、制限回路２４０は、パルス生成回路４０２の出力電流に応じて出力電圧を制御する。

これにより、各電極対間における放電状態を所望の状態とすることができる。また、放電プラズマ中に有機物が入って出力電流が増大した場合に、出力電圧を低下させることによって、各電極対間に過大な電流が継続的に流れることを抑制できる。したがって、電極対６０ａ〜６０ｄが損傷することを抑制でき、かつ、プラズマ放電装置４００の消費電力を抑制できる。さらに、本実施の形態では、制限回路２４０において、抵抗素子を用いる必要がないため、実施の形態３に係るプラズマ放電装置３００と比較して、消費電力をより低減できる。

（変形例など）
以上、本発明に係るプラズマ放電装置について、各実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものではない。

例えば、本発明の一態様は、図１３に示すような空気清浄機としても実現することができる。図１３は、本変形例に係る空気清浄機の外観図である。図１３に示す空気清浄機は、例えば、内部に上記各実施の形態に係るプラズマ放電装置を備え、空気６８中の有機物を消滅させる。このような空気清浄機においては、フィルタによって有機物を除去する必要がないため、フィルタのメンテナンス作業を軽減できる。

また、本発明の一態様は、図１４に示すようなエアコンディショナとしても実現することができる。図１４は、本変形例に係るエアコンディショナの外観図である。図１４に示すエアコンディショナは、例えば、内部に上記各実施の形態に係るプラズマ放電装置を備え、空気６８中の有機物を消滅させる。このようなエアコンディショナにおいては、フィルタによって有機物を除去する必要がないため、フィルタのメンテナンス作業を軽減できる。

また、上記実施の形態２に係る制御回路２５０において、第二生成回路２０の第二直流電源２５の出力電圧を制御することによって、第二生成回路２０の出力電圧を制御してもよい。上記実施の形態４に係る制御回路４５０についても同様である。

また、上記実施の形態３において、直流電源のみで構成された第二生成回路を用いてもよい。これにより、プラズマ放電装置の構成をさらに簡素化することができる。

また、上記各実施の形態に係る制御回路は、専用のハードウェアで構成されてもよく、あるいは、制御回路に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。制御回路は、ＣＰＵまたはプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスクまたはメモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、又は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

２、２０２、３０２、４０２ パルス生成回路
６、３０６ 放電部
１０ 第一生成回路
２０ 第二生成回路
３０ 合波回路
４０、２４０ 制限回路
６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ 電極対
６８ 空気
１００、２００、３００、４００ プラズマ放電装置
３０８ 切替回路
Ｐ０、Ｐ０１ 電圧パルス
ＰＨ、ＰＨ１ 高電圧パルス
ＰＬ、ＰＬ１ 低電圧パルス
Ｐ１ 第一パルス
Ｐ２ 第二パルス
Ｖ１ 第一電圧
Ｖ２ 第二電圧

Claims (10)

1. 空気で互いに絶縁された電極対を有する放電部と、
   前記電極対に印加する電圧パルスを生成するパルス生成回路とを備え、
   前記電圧パルスは、前記電極対間において放電を開始させる高電圧パルスと、前記高電圧パルスに続いて前記電極対に印加され前記高電圧パルスより電圧値が低い低電圧パルスとを含み、
   前記パルス生成回路は、前記低電圧パルスを前記電極対に印加する際に出力する出力電流及び出力電圧を制限する制限回路を有する
   プラズマ放電装置。
2. 前記パルス生成回路は、
   前記高電圧パルスに対応する第一パルスを生成する第一生成回路と、
   前記低電圧パルスに対応し、前記第一パルスよりパルス幅が大きい第二パルスを生成する第二生成回路と、
   前記第一パルスと前記第二パルスとを合波して、前記電圧パルスを出力する合波回路とを備える
   請求項１に記載のプラズマ放電装置。
3. 前記電極対間において、前記低電圧パルスの印加によってグロー放電が生成される
   請求項１又は２に記載のプラズマ放電装置。
4. 複数の電極対を有する放電部と、
   前記複数の電極対の各々に順次印加する電圧パルスを生成するパルス生成回路とを備え、
   前記電圧パルスは、前記複数の電極対の各々の電極対間において放電を開始させる高電圧パルスと、前記高電圧パルスに続いて印加され前記高電圧パルスより電圧値が低い低電圧パルスとを含み、
   前記複数の電極対の各々は、空気で互いに絶縁され、
   前記パルス生成回路は、前記低電圧パルスを前記複数の電極対の各々に印加する際に出力する出力電流及び出力電圧を制限する制限回路を有する
   プラズマ放電装置。
5. 前記パルス生成回路は、
   前記高電圧パルスに対応するパルス状の第一電圧を生成する第一生成回路と、
   前記低電圧パルスに対応する直流電圧である第二電圧を生成する第二生成回路と、
   前記第一電圧と前記第二電圧とを合波して、電圧波を出力する合波回路と、
   前記電圧波が入力され、前記電圧波を前記複数の電極対に順次出力することにより、前記複数の電極対の各々に前記電圧パルスを供給する切替回路とを備える
   請求項４に記載のプラズマ放電装置。
6. 前記複数の電極対において、前記低電圧パルスの印加によってグロー放電が生成される
   請求項４又は５に記載のプラズマ放電装置。
7. 前記空気の圧力は大気圧である
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のプラズマ放電装置。
8. 前記制限回路は、抵抗素子である
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のプラズマ放電装置。
9. 前記制限回路は、前記パルス生成回路の出力電流に応じて出力電圧を制御する
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のプラズマ放電装置。
10. 請求項１〜９のいずか１項に記載のプラズマ放電装置を備え、
    前記空気中の有機物を消滅させる
    空気清浄機。

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