JP7075046B2 - 放電装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電装置に関する。

マルクス回路を用いて、負荷にパルス電圧を供給するパルス発生装置が提案されている。このパルス発生装置は、マルクス回路における複数のコンデンサを並列接続した状態で、電源から複数のコンデンサに充電を行う。これにより、多くの電荷を低電圧にて充電できる。そして、マルクス回路に充電した電荷を負荷に供給する際には、複数のコンデンサを直列接続に繋ぎ替える。これにより、高電圧を負荷に供給することができる。

特開２００８－１１５９５号公報

しかしながら、上記パルス発生装置によってパルス放電負荷へパルス電圧を供給するにあたっては、以下の課題がある。
すなわち、パルス放電負荷において放電を生じさせた後においても、パルス放電負荷に存在する容量成分（例えば、等価電気回路として、パルス放電負荷に直列に接続される誘電体の容量成分）に電荷が残っている場合がある。この電荷を引き抜くことなく、パルス放電負荷に繰り返しパルス電圧を供給すると、パルス放電負荷端の電圧が印加電圧に近づいてしまうことで、電極間電圧が低下し、放電が生じにくくなってしまう。それゆえ、放電後にパルス放電負荷の容量成分に残った電荷を引き抜くべく、マルクス回路を短絡させて、電荷を熱として放出する。

ところが、電荷を熱として放出するということは、電気エネルギーを無駄に捨てていることにもなる。換言すると、捨てることとなる電気エネルギーを、所望の放電電力に上乗せして、パルス放電負荷に供給することが必要となる。それゆえ、エネルギー効率の点において、改善の余地がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率に優れた放電装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、第１放電用電極（２１１）及び第２放電用電極（２１２）と、上記第１放電用電極及び第２放電用電極の少なくとも一方の内側面に配された誘電体層（２２）と、を備えたパルス放電負荷（２）と、
上記パルス放電負荷にパルス電圧を周期的に出力するパルスパワー電源回路部（３）と、を有する放電装置（１）であって、
上記パルスパワー電源回路部（３）は、電気エネルギーを蓄積することができるエネルギー蓄積部（３１）を有し、
上記パルスパワー電源回路部は、上記エネルギー蓄積部と上記パルス放電負荷との間において電気エネルギーを可逆的に移動させることができるよう構成されており、
上記パルスパワー電源回路部は、複数のコンデンサ（Ｃｍ）と複数のスイッチ（ＳＷ）とを有し、複数の上記スイッチのオンオフの切り替えにより、複数の上記コンデンサを互いに直列接続した直列状態と、複数の上記コンデンサを互いに並列接続した並列状態と、を切り替えることができるよう構成されており、上記直列状態にて、上記パルス放電負荷へのパルス電圧の出力を行い、上記並列状態にて、上記パルス放電負荷の上記誘電体層の容量成分（Ｃ２）から上記エネルギー蓄積部への電気エネルギーの回収を行うよう構成されている、放電装置にある。

上記放電装置において、上記パルスパワー電源回路部は、上記エネルギー蓄積部と上記パルス放電負荷との間において電気エネルギーを可逆的に移動させることができるよう構成されている。これにより、パルス放電負荷が放電を実行した後において、誘電体層に電荷が残った場合にも、この電荷による電気エネルギーをパルスパワー電源回路部のエネルギー蓄積部に回収して、蓄積することができる。

これにより、パルス放電負荷における当該放電の次の放電時に、エネルギー蓄積部に蓄積された電気エネルギーを、パルス放電負荷に供給することができる。それゆえ、パルス放電負荷に繰り返し供給する電気エネルギーを節約することができる。その結果、エネルギー効率に優れた放電装置を得ることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、エネルギー効率に優れた放電装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、放電装置の回路図。 実施形態１における、パルス放電負荷の説明図。 実施形態１における、直列状態にある放電装置の回路図。 実施形態１における、並列状態にある放電装置の回路図。 実施形態１における、パルス放電負荷の電極間電圧及び電流の時間変化を示す線図。 実施形態２における、放電装置の回路図。 実施形態２における、並列状態にある放電装置の回路図。 実施形態２における、パルス放電負荷の両極を短絡させた状態にある放電装置の回路図。 実施形態２における、直列状態にある放電装置の回路図。 実施形態３における、直列状態にある放電装置の回路図。 実施形態３における、並列状態にある放電装置の回路図。 実施形態３における、並列状態後の直列状態にある放電装置の回路図。 実施形態４における、直列状態にある放電装置の回路図。 実施形態４における、並列状態にある放電装置の回路図。 実施形態４における、並列状態にある放電装置の回路図であって、コンデンサへの電荷の回収を行う状態を示す図。 実施形態５における、直列状態にある放電装置の回路図。 実施形態５における、並列状態にある放電装置の回路図。 実施形態５における、並列状態にある放電装置の回路図であって、コンデンサへの電荷の回収を行う状態を示す図。 実施形態６における、放電装置の回路図。 実施形態６における、直列状態にある放電装置の回路図。 実施形態６における、並列状態にある放電装置の回路図。

（実施形態１）
放電装置に係る実施形態について、図１～図５を参照して説明する。
本形態の放電装置１は、図１に示すごとく、パルス放電負荷２とパルスパワー電源回路部３とを有する。

パルス放電負荷２は、図２に示すごとく、第１放電用電極２１１及び第２放電用電極２１２と誘電体層２２とを備えている。誘電体層２２は、第１放電用電極２１１及び第２放電用電極２１２の少なくとも一方の内側面に配されている。本形態においては、誘電体層２２は、第１放電用電極２１１及び第２放電用電極２１２の双方の内側面に配されている。

パルスパワー電源回路部３は、パルス放電負荷２にパルス電圧を周期的に出力する。
図１に示すごとく、パルスパワー電源回路部３は、電気エネルギーを蓄積することができるエネルギー蓄積部３１を有する。
パルスパワー電源回路部３は、エネルギー蓄積部３１とパルス放電負荷２との間において電気エネルギーを可逆的に移動させることができるよう構成されている。

パルスパワー電源回路部３は、複数のコンデンサＣｍと複数のスイッチＳＷとを有する。パルスパワー電源回路部３は、複数のスイッチＳＷのオンオフの切り替えにより、直列状態と並列状態とを切り替えることができるよう構成されている。直列状態は、図３に示すごとく、複数のコンデンサＣｍを互いに直列接続した状態である。並列状態は、図４に示すごとく、複数のコンデンサＣｍを互いに並列接続した状態である。

すなわち、パルスパワー電源回路部３は、マルクス回路を形成している。
図３に示すごとく、直列状態にて、パルス放電負荷２へのパルス電圧の出力を行う。図４に示すごとく、並列状態にて、パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分Ｃ２からエネルギー蓄積部３１への電気エネルギーの回収を行う。

図３における破線矢印Ｉｐ及び図４における破線矢印Ｉｃは、それぞれの電流の流れを示す。これらの電流の流れＩｐ、Ｉｃは、正電荷の流れでもある。他の図における、破線矢印Ｉｐ、Ｉｃも同様である。
本形態において、エネルギー蓄積部３１は、複数のコンデンサＣｍによって構成されている。つまり、複数のコンデンサＣｍのそれぞれに、電荷が充電され、電気エネルギーが蓄積される。

図１に示すごとく、パルスパワー電源回路部３は、互いに接続された複数段の回路ユニット４（４Ａ、４Ｂ、４Ｚ）と、直流電源５と、直列スイッチユニット６とを有する。直流電源５は、１段目の回路ユニット４Ａに正極が接続されている。直列スイッチユニット６は、最終段の回路ユニット４Ｚと直流電源５の負極との間に接続されている。

パルスパワー電源回路部３は、複数のスイッチＳＷとして、回路ユニット４に属する第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２と、直列スイッチユニット６に属する第３スイッチＳＷ３とを有する。

回路ユニット４は、スイッチ直列体４１とコンデンサＣｍとを有する。スイッチ直列体４１は、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２とを中間接続点４１Ｍにおいて互いに直列接続してなる。コンデンサＣｍは、スイッチ直列体４１に並列接続されている。回路ユニット４は、スイッチ直列体４１とコンデンサＣｍとの接続部として、第１接続部４２１及び第２接続部４２２を有する。

直列スイッチユニット６は、複数の第３スイッチＳＷ３を互いに直列接続してなる。
最終段の回路ユニット４Ｚの第１接続部４２１が、パルス放電負荷２の第１放電用電極２１１に接続される。
直流電源５の負極と直列スイッチユニット６の一端とは、互いに接続されると共に、パルス放電負荷２の第２放電用電極２１２に接続される。

１段目の回路ユニット４Ａの中間接続点４１Ｍに、直流電源５の正極が接続されている。
ｋ段目の回路ユニット４の中間接続点４１Ｍに、（ｋ－１）段目の回路ユニット４の第１接続部４２１が接続されている。ここで、上記ｋは、２以上の自然数である。なお、パルスパワー電源回路部３が備える回路ユニット４の段数をＮ段とする。このとき、上記ｋは、２～Ｎの自然数である。また、Ｎは、２以上の自然数である。

ｋ段目の回路ユニット４の第２接続部４２２と、（ｋ－１）段目の回路ユニット４の第２接続部４２２との間には、直列スイッチユニット６における第３スイッチＳＷ３が介在している。
１段目の回路ユニット４Ａの第２接続部４２２と直流電源５の負極との間にも、直列スイッチユニット６における第３スイッチＳＷ３が介在している。

本形態において、パルスパワー電源回路部３は、回路ユニット４を３段有する。それゆえ、本形態においては、上記Ｎは３であり、上記ｋは２又は３である。そして、パルスパワー電源回路部３は、複数の回路ユニット４として、直流電源５に近い側から、１段目の回路ユニット４Ａと、２段目の回路ユニット４Ｂと、３段目の回路ユニット４Ｚとを有する。３段目の回路ユニット４Ｚが、最終段の回路ユニット４Ｚとなる。なお、回路ユニット４の段数は、複数段であれば、特に限定されるものではない。

また、直列スイッチユニット６は、互いに直列接続された３個の第３スイッチＳＷ３を有する。直列スイッチユニット６の一端が、最終段の回路ユニット４Ｚの第２接続部４２２に接続され、他端が、直流電源５の負極に接続されている。また、ｋ段目の回路ユニット４の第２接続部４２２と、（ｋ－１）段目の回路ユニット４の第２接続部４２２との間には、第３スイッチＳＷ３が一つずつ介在している。また、１段目の回路ユニット４Ａの第２接続部４２２と直流電源５の負極との間にも、一つの第３スイッチＳＷ３が介在している。

また、各スイッチＳＷには、ダイオードがそれぞれ並列接続されている。第１スイッチＳＷ１に並列接続されたダイオードは、中間接続点４１Ｍ側がアノードとなる向きに接続されている。第２スイッチＳＷ２に並列接続されたダイオードは、中間接続点４１Ｍ側がカソードとなる向きに接続されている。第３スイッチＳＷ３に並列接続されたダイオードは、直流電源５の負極に近い側がアノードとなる向きに接続されている。

また、スイッチＳＷは、パワー半導体素子からなる。そして、これらのパワー半導体素子からなるスイッチＳＷを、駆動回路からの信号によって、適宜オンオフさせることができる。スイッチＳＷとしては、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタの略）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタの略）等を用いることができる。また、パワー半導体素子としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）にて形成したものや、シリコン（Ｓｉ）にて形成したものを用いることができる。

図３に示すごとく、第１スイッチＳＷ１及び第３スイッチＳＷ３をオフ（すなわち開放）にすると共に第２スイッチＳＷ２をオン（すなわち短絡）にすることにより、直列状態が形成される。また、図４に示すごとく、第１スイッチＳＷ１及び第３スイッチＳＷ３をオンにすると共に第２スイッチＳＷ２をオフにすることにより、並列状態が形成される。

すなわち、直列状態を形成する際には、図３に示すごとく、すべての回路ユニット４において、第１スイッチＳＷ１をオフにすると共に第２スイッチＳＷ２をオンにする。また、直列スイッチユニット６のすべての第３スイッチＳＷ３をオフにする。

並列状態を形成する際には、図４に示すごとく、すべての回路ユニット４において、第１スイッチＳＷ１をオンにすると共に第２スイッチＳＷ２をオフにする。また、直列スイッチユニット６のすべての第３スイッチＳＷ３をオンにする。

すべての第１スイッチＳＷ１とすべての第３スイッチＳＷ３とは、駆動回路からの同じ信号によって、同期してオンオフするよう構成することができる。また、すべての第２スイッチＳＷ２は、駆動回路からの同じ信号によって、同期してオンオフするよう構成することができる。ただし、第２スイッチＳＷ２は、第１スイッチＳＷ１および第３スイッチＳＷ３の駆動信号とは異なる駆動信号によって、オンオフする。より具体的には、第２スイッチＳＷ２は、第１スイッチＳＷ１及び第３スイッチＳＷ３がオンのときにオフとする。

なお、放電装置１の起動時においては、まず最初に、パルスパワー電源回路部３のエネルギー蓄積部３１に電気エネルギーを蓄積する。すなわち、このときは、パルスパワー電源回路部３を、図４に示す並列状態として、直流電源５の電源電圧Ｖinを各コンデンサＣｍに印加する。

次に、パルス放電負荷２へ、パルス電圧を出力するにあたっては、パルスパワー電源回路部３を、図３に示す直列状態に切り替える。すなわち、電荷が蓄積された複数のコンデンサＣｍが直列接続された状態となると共に、これらのコンデンサＣｍの直列回路が直流電源５とも直列接続されることとなる。これにより、パルス放電負荷２には、Ｖｉｎ×（Ｎ＋１）の電圧が印加されることとなる。

すなわち、回路ユニット４の段数Ｎに１を加えた数を、電源電圧Ｖｉｎに乗じた電圧が、パルス放電負荷２に印加されることとなる。これにより、パルス放電負荷２において、パルス放電が生じる。ただし、放電後においても、パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分Ｃ２に、一部の電荷が残る。

この状態から、図４に示すごとく、パルスパワー電源回路部３を並列状態に切り替える。すると、互いに並列接続された複数のコンデンサＣｍが、パルス放電負荷２に接続されると共に、直流電源５にも並列接続された状態となる。これにより、パルス放電負荷２における電極間電圧が、電源電圧Ｖｉｎに下がるまで、パルス放電負荷２からパルスパワー電源回路部３へ電流が流れる。すなわち、パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分Ｃ２から電荷が引き抜かれ、マルクス回路の各コンデンサＣｍに、電荷が回収される。

その結果、パルス放電負荷２に残っていた電気エネルギーが、パルスパワー電源回路部３のエネルギー蓄積部３１に回収され、蓄積される。それとともに、パルス放電負荷２の電極間電圧が、低減される。

回収された電気エネルギーは、放電装置１における次の放電に用いられる。次の周期のパルス放電の際には、パルスパワー電源回路部３から、パルス放電負荷２に電圧を出力する。すなわち、上記と同様に、図３に示すごとく、パルスパワー電源回路部３を直列状態とする。これにより、Ｖｉｎ×（Ｎ＋１）の電圧がパルス放電負荷２に印加される。

このとき、前回のパルス放電の後に誘電体層２２から引き抜かれてエネルギー蓄積部３１に回収されていた電荷が、直流電源５からの電荷に重畳して、パルス放電負荷２へ供給される。これにより、再び、パルス放電負荷２において放電が生じる。そして、誘電体層２２の容量成分Ｃ２に電荷が充電される。

以降、図４に示す並列状態と図３に示す直列状態とが、交互に繰り返される。これにより、エネルギーを節約しつつ、パルス放電負荷２におけるパルス放電が効率よく生じる。

パルス放電負荷２は、誘電体バリア放電を生じさせる構造を有する。図２に示すごとく、パルス放電負荷２は、互いに対向配置された第１放電用電極２１１と第２放電用電極２１２とを有する。そして、第１放電用電極２１１の内側面と第２放電用電極２１２の内側面とに、それぞれ誘電体層２２を設けている。一対の誘電体層２２の間に、放電ギャップ２３が形成されている。この放電ギャップ２３に放電を生じさせることで、例えば、プラズマを発生させることができる。また、例えば、放電ギャップ２３に酸素を含む気体を供給しつつ、放電ギャップ２３にプラズマを生じさせることによって、オゾンを発生させることができる。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記放電装置１において、パルスパワー電源回路部３は、エネルギー蓄積部３１とパルス放電負荷２との間において電気エネルギーを可逆的に移動させることができるよう構成されている。これにより、パルス放電負荷２が放電を実行した後において、誘電体層２２に電荷が残った場合にも、この電荷による電気エネルギーをパルスパワー電源回路部３のエネルギー蓄積部３１に回収して、蓄積することができる。

これにより、パルス放電負荷２における当該放電の次の放電時に、エネルギー蓄積部３１に蓄積された電気エネルギーを、パルス放電負荷２に供給することができる。それゆえ、パルス放電負荷２に繰り返し供給する電気エネルギーを節約することができる。その結果、エネルギー効率に優れた放電装置１を得ることができる。

パルスパワー電源回路部３は、複数のコンデンサＣｍと複数のスイッチＳＷとを有する。複数のスイッチＳＷのオンオフの切り替えにより、直列状態と並列状態とを切り替えることができるよう構成されている。直列状態にて、パルス放電負荷２へのパルス電圧の出力を行い、並列状態にて、パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分Ｃ２からエネルギー蓄積部３１への電気エネルギーの回収を行う。すなわち、パルスパワー電源回路部３は、マルクス回路を形成しており、その直列状態と並列状態との切り替えを繰り返すことによって、パルス放電負荷２へのパルス電圧の出力と、パルス放電負荷２からの電気エネルギーの回収とを、交互に繰り返すことができる。それゆえ、効率よく、パルス電圧の出力と電気エネルギーの回収とを行うことができる。

パルスパワー電源回路部３は、複数段の回路ユニット４と直列スイッチユニット６とを有し、図１に示すようなマルクス回路を形成している。これにより、複数のスイッチＳＷを適宜オンオフさせることで、容易かつ効率的に、直列状態と並列状態を実現することができる。その結果、容易に、エネルギー効率に優れた放電装置１を得ることができる。

具体的には、第１スイッチＳＷ１及び第３スイッチＳＷ３をオフにすると共に第２スイッチＳＷ２をオンにすることにより、直列状態を形成し、第１スイッチＳＷ１及び第３スイッチＳＷ３をオンにすると共に第２スイッチＳＷ２をオフにすることにより、並列状態を形成する。これにより、パルス放電負荷２へのパルス電圧の出力と、パルス放電負荷２からの電気エネルギーの回収を、容易かつ確実に行うことができる。

また、上述のように、パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分Ｃ２からの電荷の引き抜きを、パルスパワー電源回路部３の並列状態にて行うため、短時間に多くの電荷を引き抜くことが可能となる。図５は、パルス放電負荷２における電流と、電極間電圧（すなわち、パルスパワー電源回路部３からパルス放電負荷２への出力電圧）の時間変化を示す線図である。ここで、パルスパワー電源回路部３からパルス放電負荷２の第１放電用電極２１１へ向かう出力電流をプラス（すなわち、グラフの電流０よりも上側）、その逆向きの流れをマイナス（すなわち、グラフの電流０よりも下側）として表記してある。

図５に示す時刻ｔ１において、パルスパワー電源回路部３を直列状態に切り替えて、パルス放電負荷２への出力を開始すると、出力電圧が、Ｖｉｎ×（Ｎ＋１）まで立ち上がる。このとき、パルス放電負荷２にプラスのパルス電流が供給される。その後、時刻ｔ２において、パルスパワー電源回路部３を並列状態に切り替えると、印加電圧がＶｉｎまで低下すると共に、電流がマイナス方向に急峻に立ち上がる。つまり、パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分Ｃ２から、多くの電荷が短時間の間に引き抜かれる。

このように、本形態においては、パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分Ｃ２から、多くの電荷を短時間の間に引き抜くことができる。そのため、例えば、放電装置１をオゾナイザに適用した場合、放電電極間に存在するイオンが電極に移動する期間を短くすることができるため、イオンの発熱を抑えることができ、放電ギャップ２３におけるラジカル生成率を向上させることができる。

以上のごとく、本形態によれば、エネルギー効率に優れた放電装置を提供することができる。

（実施形態２）
本形態は、図６～図９に示すごとく、最終段の回路ユニット４Ｚに、付属スイッチ直列体４３を並列接続した、放電装置１の形態である。

すなわち、本形態の放電装置１におけるパルスパワー電源回路部３は、スイッチＳＷとして、互いに直列接続された第４スイッチＳＷ４及び第５スイッチＳＷ５をさらに有する。そして、最終段の回路ユニット４Ｚは、スイッチ直列体４１及びコンデンサＣｍに、付属スイッチ直列体４３を、並列接続してある。付属スイッチ直列体４３は、第４スイッチＳＷ４と第５スイッチＳＷ５との直列体である。

付属スイッチ直列体４３における第４スイッチＳＷ４と第５スイッチＳＷ５との接続点４３Ｍが、パルス放電負荷２の第１放電用電極２１１に接続されている。

パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分からエネルギー蓄積部３１への電気エネルギーの回収を行う際には、図７に示すように、各スイッチＳＷを制御する。すなわち、第１スイッチＳＷ１、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４をオンにすると共に第２スイッチＳＷ２及び第５スイッチＳＷ５をオフにして、並列状態を形成する。これにより、パルス放電負荷２の電極間電圧が低下する。

その後、パルス放電負荷２の電極間電圧が、直流電源５の電源電圧Ｖｉｎまで低下したとき、図８に示すように、各スイッチＳＷを制御する。すなわち、第４スイッチＳＷ４をオフに切り替えるとともに、第５スイッチＳＷ５をオンに切り替える。なお、他のスイッチＳＷは切り替えない。これにより、パルス放電負荷２の第１放電用電極２１１と第２放電用電極２１２とを短絡させる。

そうすると、パルス放電負荷２の誘電体層２２に残っていた電荷が引き抜かれ、第５スイッチＳＷ５及び直列スイッチユニット６（すなわち複数の第３スイッチＳＷ３）を含む短絡回路における抵抗成分において、熱となって放出される。そして、パルス放電負荷２の電極間電圧は、略ゼロとなる。図８における破線矢印Ｉｅは、このときの電流の流れを示す。

その後、次の放電のタイミングにて、図９に示すごとく、パルスパワー電源回路部３を直列状態に切り替えると共に、付属スイッチ直列体４３において、第４スイッチＳＷ４をオン、第５スイッチＳＷ５をオフに切り替える。これにより、パルスパワー電源回路部３からパルス放電負荷２に、Ｖｉｎ×（Ｎ＋１）の高電圧が印加され、再び放電を生じさせることができる。

その他の構成は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態においては、エネルギー蓄積部３１への回収後もパルス放電負荷２の容量成分Ｃ２に残る電荷を引き抜くことができ、パルス放電負荷２の電極間電圧を略ゼロに低下させることができる。すなわち、次の放電の前に、パルス放電負荷２の電極間電圧を充分に低下させ、パルスパワー電源回路部３の出力電圧との電圧差を大きくすることができる。その結果、パルス放電負荷２における放電をより生じさせやすくなる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本形態は、図１０～図１２に示すごとく、パルスパワー電源回路部３が、パルス放電負荷２と直列接続される誘導成分Ｌを有する形態である。
誘導成分Ｌは、パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分Ｃ２と共振可能に構成されている。本形態においては、誘導成分Ｌが、エネルギー蓄積部３１の少なくとも一部を構成している。なお、本形態においては、各回路ユニット４におけるコンデンサＣｍも、エネルギー蓄積部３１の一部を構成する。

なお、誘導成分Ｌは、部品としてのインダクタを設けてもよいし、配線や他の部品に寄生する寄生インダクタンス等を利用してもよい。

パルスパワー電源回路部３は、エネルギー蓄積部３１からパルス放電負荷２への電気エネルギーの移動と、パルス放電負荷２からエネルギー蓄積部３１（すなわち誘導成分Ｌ及びコンデンサＣｍ）への電気エネルギーの移動とを、誘導成分Ｌと容量成分Ｃ２との共振周期の間に実行するよう構成されている。

すなわち、誘導成分Ｌと誘電体層２２の容量成分Ｃ２との直列共振回路における共振周期の間に、図１０に示す直列状態と、図１１に示す並列状態とが、１回ずつ実行されるように、スイッチＳＷを切り替える。

図１０に示す、パルスパワー電源回路部３における直列状態においては、パルス放電負荷２に、Ｖｉｎ×（Ｎ＋１）の電圧が印加される。そして、パルス放電負荷２における第１放電用電極２１１に、プラス電荷が流れ込むように、パルス電流が流れる。このパルス電流は、誘導成分Ｌと容量成分Ｃ２との直列共振回路に流れる。

この直列共振回路の共振周波数に近い周波数にて、パルスパワー電源回路部３を、直列状態と並列状態との間で切り替える。ここで、切り替え周波数は、直列状態から並列状態への切り替えのタイミングの間隔、又は、並列状態から直列状態への切り替えのタイミングの間隔を１周期としたときの周波数である。そして、この切り替え周波数ｆ１が、共振周波数ｆ０に対して、例えば、０．８×ｆ０≦ｆ１≦１．２×ｆ０となるようにする。

図１１に示す並列状態においては、共振回路の共振現象によって、パルス放電負荷２の第１放電用電極２１１から、パルスパワー電源回路部３を介して、第２放電用電極２１２へ向かう電流が流れる。すなわち、誘電体層２２の容量成分Ｃ２における、第１放電用電極２１１側に溜まっていた正電荷が、パルスパワー電源回路部３を介して、容量成分Ｃ２における第２放電用電極２１２側に移動する。

このとき、電流は、複数段の回路ユニット４のコンデンサＣｍに分岐して、再びパルス放電負荷２において合流し、容量成分Ｃ２の第２放電用電極２１２側に流れ込む。これにより、正電荷が、容量成分Ｃ２の第２放電用電極２１２側に充電される。

これと共に、複数段の回路ユニット４のコンデンサＣｍにも、一部の電荷が回収される。また、この並列状態においては、直流電源５が、互いに並列接続されたコンデンサＣｍに接続されているため、これら複数のコンデンサＣｍのそれぞれには、Ｃｍ×Ｖｉｎの電荷が蓄積される。ここで、Ｃｍは、コンデンサＣｍの静電容量の値を示す。なお、複数のコンデンサＣｍの間において、静電容量は同じであってもよいし、異なっていてもよい。ただし、静電容量Ｃｍは、パルス放電負荷２における放電電荷に対して充分な電荷量を保持できる程度であることは求められる。

このように、各部に電荷が蓄積された状態から、所定のタイミングにて、再び直列状態に切り替わる。そうすると、図１２に示すごとく、複数段の回路ユニット４のコンデンサＣｍに蓄積された電荷が、パルス放電負荷２の第１放電用電極２１１へ供給される（破線矢印Ｉｐ参照）。それと共に、容量成分Ｃ２の第２放電用電極２１２側に蓄積されていた正電荷も、共振現象によって第１放電用電極２１１側へ流れ込む（破線矢印Ｉｒｐ参照）。前者の電荷の流れ込みによる出力電圧は、実施形態１と同様に、Ｖｉｎ×（Ｎ＋１）である。この出力電圧に重畳して、共振現象による電圧がパルス放電負荷２に加わる。

これにより、パルス放電負荷２において、放電が生じる。そして、この放電後においても、誘電体層２２における容量成分Ｃ２には、第１放電用電極２１１側に正電荷が残る。この正電荷は、次の並列状態（図１１参照）において、共振現象によって引き抜かれ、上記と同様に、マルクス回路における複数のコンデンサＣｍ、及び誘電体層２２の容量成分Ｃ２における第２放電用電極２１２側に、回収される。

このように、並列状態においては、マルクス回路のコンデンサＣｍに電荷が蓄積されると共に、誘電体層２２の第２放電用電極２１２側に、正電荷が蓄積される。誘電体層２２の第２放電用電極２１２側への正電荷の回収は、換言すると、電荷移動による電気エネルギーが、共振回路における誘導成分Ｌにおいて磁気エネルギーとして回収されることとも言える。つまり、エネルギー蓄積部３１の一部としての誘導成分Ｌに、電気エネルギーが蓄積されていることになる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本形態においては、マルクス回路のコンデンサＣｍへの電荷の回収に加え、共振回路における誘導成分Ｌへの磁気エネルギーの蓄積によって、電気エネルギーを回収することができる。すなわち、より多くの電気エネルギーを次の放電の前に回収しておくことができる。そのため、直流電源５から供給する電力を、より節約することができる。また、次の放電の前に、パルス放電負荷２の電極間電圧をより低減させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
本形態は、図１３～図１５に示すごとく、実施形態２の放電装置に、実施形態３に示した誘導成分Ｌを設けた、放電装置１の形態である。

すなわち、本形態の放電装置１は、パルスパワー電源回路部３における最終段の回路ユニット４Ｚに、付属スイッチ直列体４３を設けている。そのうえで、パルスパワー電源回路部３が、パルス放電負荷２と直列接続される誘導成分Ｌを有する。そして、誘導成分Ｌは、パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分Ｃ２と共振可能となっている。換言すると、本形態は、実施形態２と実施形態３とを組み合わせたものである。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本形態においても、誘導成分Ｌが、エネルギー蓄積部３１の少なくとも一部を構成する。
本形態においては、図１３に示す直列状態と、図１４に示す並列状態とを繰り返す。この切り替え周波数を、誘導成分Ｌと容量成分Ｃ２との共振回路の共振周波数に近い周波数とする。

直列状態においては、図１３に示すごとく、第１スイッチＳＷ１をオフ、第２スイッチＳＷ２をオン、第３スイッチＳＷ３をオフ、第４スイッチＳＷ４をオン、第５スイッチＳＷ５をオフとする。これにより、実施形態３における直列状態（図１０参照）と等価な回路となる。これにより、Ｖｉｎ×（Ｎ＋１）の電圧が、パルス放電負荷２に印加される。また、このとき、パルス電流が、共振回路に流れ、誘電体層２２の容量成分Ｃ２の第１放電用電極２１１側に正電荷が供給される。

次に、図１４に示す並列状態に切り替える。同図に示すように、第４スイッチＳＷ４をオフにするとともに、第５スイッチＳＷ５をオンとする。その他のスイッチＳＷは、実施形態３における並列状態（図１１参照）と同様とする。これにより、第５スイッチＳＷ５と直列スイッチユニット６と、容量成分Ｃ２及び誘導成分Ｌとが直列に接続された閉回路が形成される。この状態において、共振回路の共振現象によって、容量成分Ｃ２の第１放電用電極２１１側に充電されていた電荷が引き抜かれ、第５スイッチＳＷ５及び直列スイッチユニット６を介して、容量成分Ｃ２の第２放電用電極２１２側に移動する（破線矢印Ｉｒｃ参照）。

本形態においては、図１４に示す並列状態において、マルクス回路のコンデンサＣｍを通らずに、容量成分Ｃ２の第１放電用電極２１１側に充電されていた電荷が、容量成分Ｃ２の第２放電用電極２１２側に移動する。それゆえ、容量成分Ｃ２の第１放電用電極２１１側に充電されていた電荷の多くを、容量成分Ｃ２の第２放電用電極２１２側に移すことができる。なお、このとき、電気エネルギーが、誘導成分Ｌにおいて磁気エネルギーに変換されて蓄積される。

また、この並列状態においては、直流電源５が、互いに並列接続されたコンデンサＣｍに接続されている。そのため、直流電源５から各コンデンサＣｍに、破線矢印Ｉｂに示すように、電流が流れ込む。これにより、これら複数のコンデンサＣｍのそれぞれには、Ｃｍ×Ｖｉｎの電荷が蓄積される。ここで、Ｃｍは、コンデンサＣｍの静電容量の値を示す。

そして、次の直列状態（図１３参照）への切り替えによって、複数段の回路ユニット４のコンデンサＣｍに蓄積された電荷が、パルス放電負荷２の第１放電用電極２１１へ供給される（破線矢印Ｉｐ参照）。それと共に、容量成分Ｃ２の第２放電用電極２１２側に蓄積されていた正電荷も、共振現象によって第１放電用電極２１１側へ流れ込む（破線矢印Ｉｒｐ参照）。前者の電荷の流れ込みによる出力電圧は、実施形態１と同様に、Ｖｉｎ×（Ｎ＋１）である。この出力電圧に重畳して、共振現象による電圧がパルス放電負荷２に加わる。

これにより、パルス放電負荷２において、放電が生じる。そして、この放電後においても、誘電体層２２における容量成分Ｃ２には、第１放電用電極２１１側に正電荷が残る。この正電荷は、次の並列状態（図１４参照）において、共振現象によって引き抜かれ、上記と同様に、誘電体層２２の容量成分Ｃ２における第２放電用電極２１２側に、回収される。

上記のようなパルス放電負荷２への断続的な電力の供給動作を、一旦停止させる際には、図１３の直列状態から、図１５に示す状態に切り替える。図１５に示す状態は、マルクス回路を並列状態としつつ、第５スイッチＳＷ５を開放した状態である。これにより、実施形態３の並列状態（図１１参照）と等価な回路となる。そして、複数段の回路ユニット４のコンデンサＣｍに電荷が回収されると共に、誘電体層２２の第２放電用電極２１２側に、一部の正電荷が充電される。

そして、再び放電装置１を起動する際に、これらの電荷として回収された電気エネルギーが、次の放電電力の一部として利用される。
その他の構成は、実施形態３と同様である。

本形態においては、図１４に示すごとく、第２放電用電極２１２側に充電される正電荷を多くすることができ、次の放電の際における放電電力をより大きくすることができる。
その他、実施形態３と同様の作用効果を有する。

（実施形態５）
本形態は、図１６～図１８に示すごとく、パルスパワー電源回路部３がトランス３２を備えた放電装置１の形態である。
本形態の放電装置１は、図１６に示すごとく、実施形態４の放電装置における、マルクス回路とパルス放電負荷２との間に、トランス３２を接続した回路構成を有する。

また、本形態においては、トランス３２の漏れインダクタンスを、誘導成分Ｌｅとして利用している。つまり、この漏れインダクタンスからなる誘導成分Ｌｅと、パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分Ｃ２とが、共振回路を構成する。そして、パルスパワー電源回路部３の直列状態と並列状態との切り替えを、誘導成分Ｌｅと容量成分Ｃ２との共振回路が共振するような周波数、すなわち共振周波数近傍にて行う。

トランス３２は、マルクス回路側の一次巻線３２１と、パルス放電負荷２側の二次巻線３２２とを有する。そして、一次巻線３２１と二次巻線３２２との巻き数比を調整することにより、マルクス回路からの出力電圧を昇圧して、パルス放電負荷２へ供給することができるよう構成されている。

本形態においても、図１６に示す直列状態と図１７に示す並列状態とを、所定の周波数にて切り替えることにより、共振回路の共振現象を利用しつつ、電気エネルギーの回収及び出力を行うことができる。そして、出力時においては、マルクス回路におけるＶｉｎ×（Ｎ＋１）という電圧が、トランス３２においてさらに昇圧される。この昇圧後の電圧に、さらに、共振現象によって、第２放電用電極２１２側からの第１放電用電極２１１への正電荷供給分の電圧が重畳されて、パルス放電負荷２に印加される。

そして、パルス放電負荷２への断続的な電力の供給動作を一旦停止させる際には、図１６の直列状態から、図１８に示す状態に切り替える。これにより、実施形態３の並列状態（図１１参照）と等価な回路となる。そして、複数段の回路ユニット４のコンデンサＣｍに電荷が回収されると共に、誘電体層２２の第２放電用電極２１２側に、一部の正電荷が回収される。
その他の構成は、実施形態４と同様である。

本形態においては、トランス３２によって、マルクス回路の出力電圧をさらに昇圧することができる。それゆえ、パルス放電負荷２に高電圧を容易に印加することができる。また、パルス放電負荷２への出力電圧を維持しつつ、マルクス回路の段数を低減することも可能となる。
その他、実施形態４と同様の作用効果を有する。

（実施形態６）
本形態は、図１９～図２１に示すごとく、パルスパワー電源回路部３が電源保護ユニット４０をさらに有する、放電装置１の形態である。
すなわち、図１９に示すごとく、パルスパワー電源回路部３は、１段目の回路ユニット４Ａと直流電源５の正極との間に介在した電源保護ユニット４０を、さらに有する。

電源保護ユニット４０は、保護用ダイオード４０１と、第６スイッチＳＷ６と、コンデンサＣｍと、第３接続部４２３及び第４接続部４２４と、を有する。第６スイッチＳＷ６は、保護用ダイオード４０１のアノードに接続されたスイッチＳＷである。コンデンサＣｍは、保護用ダイオード４０１と第６スイッチＳＷ６との直列体である保護用直列体４４に並列接続されている。第３接続部４２３及び第４接続部４２４は、保護用直列体４４とコンデンサＣｍとの接続部である。

第３接続部４２３が、１段目の回路ユニット４Ａの中間接続点４１Ｍに接続されている。第４接続部４２４と、直流電源５の負極との間に、直列スイッチユニット６の第３スイッチＳＷ３が介在している。第４接続部４２４と１段目の回路ユニット４Ａの第２接続部４２２との間にも、直列スイッチユニット６の第３スイッチＳＷ３が介在している。

本形態の放電装置１は、実施形態１の放電装置１（図１参照）における１段目の回路ユニット４Ａを、電源保護ユニット４０に置き換えた構成となっている。換言すると、実施形態１の放電装置１（図１参照）における１段目の回路ユニット４Ａにおける第１スイッチＳＷ１を、保護用ダイオード４０１に置き換えている。また、実施形態１の放電装置１（図１参照）における２段目の回路ユニット４Ｂを、１段目の回路ユニット４Ａに置き換えている。

そして、本形態においては、回路ユニット４は２段となっている。つまり、パルスパワー電源回路部３の回路ユニット４の段数Ｎは２である。そして、回路ユニット４と電源保護ユニット４０とを併せたマルクス回路の段数（Ｎ＋１）は、３となる。この段数については、実施形態１と同様に、特に限定されるものではない。

パルス放電負荷２へパルス電圧を出力するにあたっては、パルスパワー電源回路部３を、図２０に示す直列状態に切り替える。これにより、直流電源５と（Ｎ＋１）個のコンデンサＣｍとが直列接続され、パルス放電負荷２には、Ｖｉｎ×（Ｎ＋２）の電圧が印加されることとなる。

パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分から、電荷を回収する際には、図２１に示すごとく、パルスパワー電源回路部３を並列状態にする。これにより、パルス放電負荷２における電極間電圧が、電源電圧Ｖｉｎに下がるまで、パルス放電負荷２からパルスパワー電源回路部３へ電流が流れる（破線矢印Ｉｃ参照）。ここで、パルス放電負荷２からパルスパワー電源回路部３へリプル電流が流入することもある。この場合でも、電源保護ユニット４０の保護用ダイオード４０１によって、リプル電流が堰き止められる。それゆえ、直流電源５へのリプル電流の流入が防がれる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本形態においては、上記のように、パルス放電負荷２からパルスパワー電源回路部３のエネルギー蓄積部３１への電気エネルギー回収の際に、電源保護ユニット４０の保護用ダイオード４０１によって、直流電源５への電流の逆流を防ぐことができる。これにより、直流電源５を保護することができる。また、直流電源５に接続された他の機器へのリプル電流の流入をも防ぐことができ、他の機器の保護にもつながる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ 放電装置
２ パルス放電負荷
２１１ 第１放電用電極
２１２ 第２放電用電極
２２ 誘電体層
３ パルスパワー電源回路部
３１ エネルギー蓄積部

Claims (8)

1. 第１放電用電極（２１１）及び第２放電用電極（２１２）と、上記第１放電用電極及び第２放電用電極の少なくとも一方の内側面に配された誘電体層（２２）と、を備えたパルス放電負荷（２）と、
   上記パルス放電負荷にパルス電圧を周期的に出力するパルスパワー電源回路部（３）と、を有する放電装置（１）であって、
   上記パルスパワー電源回路部（３）は、電気エネルギーを蓄積することができるエネルギー蓄積部（３１）を有し、
   上記パルスパワー電源回路部は、上記エネルギー蓄積部と上記パルス放電負荷との間において電気エネルギーを可逆的に移動させることができるよう構成されており、
   上記パルスパワー電源回路部は、複数のコンデンサ（Ｃｍ）と複数のスイッチ（ＳＷ）とを有し、複数の上記スイッチのオンオフの切り替えにより、複数の上記コンデンサを互いに直列接続した直列状態と、複数の上記コンデンサを互いに並列接続した並列状態と、を切り替えることができるよう構成されており、上記直列状態にて、上記パルス放電負荷へのパルス電圧の出力を行い、上記並列状態にて、上記パルス放電負荷の上記誘電体層の容量成分（Ｃ２）から上記エネルギー蓄積部への電気エネルギーの回収を行うよう構成されている、放電装置。
2. 上記パルスパワー電源回路部は、互いに接続された複数段の回路ユニット（４）と、１段目の上記回路ユニットに正極が接続された直流電源（５）と、最終段の上記回路ユニット（４、４Ｚ）と上記直流電源の負極との間に接続された直列スイッチユニット（６）と、を有し、
   複数の上記スイッチとして、上記回路ユニットに属する第１スイッチ（ＳＷ１）及び第２スイッチ（ＳＷ２）と、上記直列スイッチユニットに属する第３スイッチ（ＳＷ３）とを有し、
   上記回路ユニットは、上記第１スイッチと上記第２スイッチとを中間接続点（４１Ｍ）において互いに直列接続してなるスイッチ直列体（４１）と、該スイッチ直列体に並列接続された上記コンデンサと、を有し、上記スイッチ直列体と上記コンデンサとの接続部として、第１接続部（４２１）及び第２接続部（４２２）を有し、
   上記直列スイッチユニットは、複数の上記第３スイッチを互いに直列接続してなり、
   最終段の上記回路ユニットの上記第１接続部が、上記パルス放電負荷の上記第１放電用電極に接続され、
   上記直流電源の負極と上記直列スイッチユニットの一端とは、互いに接続されると共に、上記パルス放電負荷の上記第２放電用電極に接続され、
   １段目の上記回路ユニット（４、４Ａ）の上記中間接続点に、上記直流電源の正極が接続されており、
   ｋ段目の上記回路ユニットの上記中間接続点に、（ｋ－１）段目の上記回路ユニットの上記第１接続部が接続されており、
   上記ｋは、２以上の自然数であり、
   ｋ段目の上記回路ユニットの上記第２接続部と、（ｋ－１）段目の上記回路ユニットの上記第２接続部との間には、上記直列スイッチユニットにおける上記第３スイッチが介在しており、
   １段目の上記回路ユニットの上記第２接続部と上記直流電源の負極との間にも、上記直列スイッチユニットにおける上記第３スイッチが介在している、請求項１に記載の放電装置。
3. 上記第１スイッチ及び上記第３スイッチをオフにすると共に上記第２スイッチをオンにすることにより、上記直列状態を形成し、上記第１スイッチ及び上記第３スイッチをオンにすると共に上記第２スイッチをオフにすることにより、上記並列状態を形成する、請求項２に記載の放電装置。
4. 上記パルスパワー電源回路部は、上記スイッチとして、互いに直列接続された第４スイッチ（ＳＷ４）及び第５スイッチ（ＳＷ５）をさらに有し、最終段の上記回路ユニットは、上記スイッチ直列体及び上記コンデンサに、上記第４スイッチと上記第５スイッチとの直列体である付属スイッチ直列体（４３）を、並列接続してあり、上記付属スイッチ直列体における上記第４スイッチと上記第５スイッチとの接続点（４３Ｍ）が、上記パルス放電負荷の上記第１放電用電極に接続されている、請求項２又は３に記載の放電装置。
5. 上記パルス放電負荷の上記誘電体層の容量成分から上記エネルギー蓄積部への電気エネルギーの回収を行う際には、上記第１スイッチ、上記第３スイッチ、及び上記第４スイッチをオンにすると共に上記第２スイッチ及び上記第５スイッチをオフにして、上記並列状態を形成し、その後、上記パルス放電負荷の電極間電圧が、上記直流電源の電源電圧まで低下したとき、上記第４スイッチをオフに切り替えるとともに、上記第５スイッチをオンに切り替えることで、上記パルス放電負荷の上記第１放電用電極と上記第２放電用電極とを短絡させるよう構成されている、請求項４に記載の放電装置。
6. 上記パルスパワー電源回路部は、１段目の上記回路ユニットと上記直流電源の正極との間に介在した電源保護ユニット（４０）を、さらに有し、
   上記電源保護ユニットは、保護用ダイオード（４０１）と、該保護用ダイオードのアノードに接続された上記スイッチである第６スイッチ（ＳＷ６）と、上記保護用ダイオードと上記第６スイッチとの直列体である保護用直列体（４４）に並列接続された上記コンデンサと、上記保護用直列体と上記コンデンサとの接続部である第３接続部（４２３）及び第４接続部（４２４）と、を有し、
   上記第３接続部が、１段目の上記回路ユニットの上記中間接続点に接続され、上記第４接続部と、上記直流電源の負極との間に、上記直列スイッチユニットの上記第３スイッチが介在し、上記第４接続部と１段目の上記回路ユニットの上記第２接続部との間にも、上記直列スイッチユニットの上記第３スイッチが介在している、請求項２～５のいずれか一項に記載の放電装置。
7. 上記パルスパワー電源回路部は、上記パルス放電負荷と直列接続される誘導成分（Ｌ）を有し、上記誘導成分は、上記パルス放電負荷の上記誘電体層の容量成分と共振可能に構成されており、上記誘導成分が、上記エネルギー蓄積部の少なくとも一部を構成している、請求項１～６のいずれか一項に記載の放電装置。
8. 上記パルスパワー電源回路部は、上記エネルギー蓄積部から上記パルス放電負荷への電気エネルギーの移動と、上記パルス放電負荷から上記エネルギー蓄積部への電気エネルギーの移動とを、上記誘導成分と上記容量成分との共振周期の間に実行するよう構成されている、請求項７に記載の放電装置。

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