JPH0855670A - コロナ放電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コロナ放電器の長期使用に伴うインピーダン
ス低下に起因する放電停止現象の問題を解決し、長寿命
のコロナ放電装置を提供する。 【構成】 本発明のコロナ放電装置は、コロナ放電器４
と、このコロナ放電器４の電極に高圧交流電圧を供給す
る高圧発生器５と、を具備する。コロナ放電器４は、累
計使用時間の経過とともにインピーダンスが低下する特
性を有する。このコロナ放電器４と並列に配置されてい
るコンデンサ６を具備することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、オゾン発生装置等とし
て用いられるコロナ放電装置に関する。特には、コロナ
放電器のインピーダンスの変化に伴って生じる高圧発生
器の出力電圧の低下を最小限に抑え、寿命延長を図った
コロナ放電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】沿面放電型のオゾン発生装置を例にとっ
て従来技術を説明する。図６は、巻線トランス式の高圧
発生器を有する従来のオゾン発生装置を示す図である。
図６のオゾン発生装置（従来技術１）は、沿面放電型の
コロナ放電器５１と、巻線トランス式の高圧発生器６１
とから構成されている。

【０００３】コロナ放電器５１は、誘電体基板５５と、
この基板５５の表面に設けられた放電極５３と、この放
電極５３に対向するように誘電体基板５５内に相互間隔
を開けて埋設された面状内部電極５７と、これらの内部
電極と接続されており、誘電体基板の裏面まで導出され
ている一対のリード線５９と、を具備する。また高圧発
生器６１は、高周波電源６５とその出力電圧を昇圧する
巻線トランス６３とを具備する。

【０００４】図６のオゾン発生器の動作原理について
は、まだ十分解明されていないが、下記の通りであると
推定される。誘電体基板５５中の一対の電極５７、５
７’に高周波電圧を印加すると、これらの電極間に電界
が生じる。この電界中に導体あるいは半導体である放電
極５３をおくと、電界は放電極５３に集中し、この放電
極５３と誘電体基板５５との間には大きな電位差を生じ
る。この電位差によって、放電極５３の周囲にはコロナ
放電ｃが生じる。このコロナ放電の領域を通過する空気
中の酸素の一部は、コロナ放電によってオゾンとなる。

【０００５】上述の従来のコロナ放電装置は、高圧発生
器を巻線トランスで構成しているため、駆動電圧（コロ
ナ放電器に印加される電圧）をコロナ放電器の放電開始
電圧（コロナ放電器に駆動電圧を印加後瞬時に放電を開
始する電圧）より大きく設定すると、瞬時に放電を開始
する。しかし、その場合、コロナ放電器に高い電圧が常
時印加されるため、コロナ放電器の耐久性に悪影響を与
えていた。一方、コロナ放電器の耐久性に悪影響を与え
ないように、駆動電圧をコロナ放電器の放電開始電圧よ
りも低い値に設定すると、コロナ放電器の放電開始時間
が長くなる。

【０００６】つまり、高圧発生器を巻線トランスで構成
したコロナ放電装置においては、コロナ放電器の放電開
始時間を短くするためには、高圧発生器の駆動電圧をコ
ロナ放電器の放電開始電圧よりも高い値に設定する必要
があり、一方、駆動電圧を放電開始電圧よりも高い値に
設定するとコロナ放電器の耐久性に悪影響を及ぼす。こ
のため、コロナ放電器の放電開始時間を短くするととも
に、耐久性を確保することの両方を実現するには、駆動
電圧に対して相反する対策が必要となる。

【０００７】上述の高圧発生器の駆動電圧に関する問題
を解決するため、圧電トランスをオゾン発生装置の高圧
発生器として利用する技術が提案され実用化されてい
る。図７は、圧電トランス式の高圧発生器を有する従来
のオゾン発生装置を示す図である。図７において、オゾ
ン発生装置１は、コロナ放電（オゾンナイザ）４と、発
振器２及び圧電トランス３を備えた高電圧発生器５とか
ら構成されている。

【０００８】発振器２は、入力電圧Ｖｉを圧電トランス
３に供給する。入力電圧Ｖｉは圧電トランス３の長さ方
向２Ｌで設定される固有共振周波数を有する。圧電トラ
ンス３は、例えばジルコン酸チタン酸鉛等の圧電材料を
用いて、長さ２Ｌ、幅Ｗ、厚みＴの板状の圧電素子３ａ
を基本として構成されている。圧電素子３ａの長さ方向
Ｌ部分（図７の左半分）には、上下面部分にそれぞれ銀
を焼成した入力電力対３ｂ，３ｃが設けられている。電
極３ｂ，３ｃには、それぞれ交流発振器２の電圧Ｖｉを
印加する入力端子３ｅ，３ｆを備えられている。この圧
電素子３ａの左半分は駆動部３Ａを構成する。

【０００９】一方、圧電トランス３ａの残りの長さ方向
Ｌ部分（図７の右半分）の右端面には、出力電極３ｄが
設けられている。この出力電極３ｄには、コロナ放電器
４の一端を接続する出力端子３ｇが設けられている。こ
の圧電素子３ａの右半分は、駆動部３Ａの入力端子の一
端３ｆとともに、出力端子を備えた出力部３Ｂを構成す
る。

【００１０】次に、図７のオゾン発生装置１の高圧発生
器５の動作について説明する。発振器２から圧電トラン
ス３の固有共振周波数（圧電素子３ａの長さ２Ｌで決定
される）の入力電圧Ｖｉを、圧電トランス３の駆動部３
Ａに印加すると、電歪効果により圧電素子３ａの長さ方
向に機械的な振動を発生する。この機械的振動により、
出力部３Ｂには圧電効果による電荷が発生し、出力端子
３ｇ−３ｆ間に高電圧の交流出力（駆動）電圧Ｖｏが発
生する。この駆動電圧Ｖｏが，コロナ放電の放電開始電
圧Ｖ₀₁に達すると、コロナ放電器４は放電を開始する。
放電開始後は、放電持続電圧Ｖ₀₂で放電を持続して、コ
ロナ放電器４はオゾンを発生する。

【００１１】このように、圧電トランス式の高圧発生器
は、コロナ放電器の放電開始後のインピーダンスの低下
に対応して出力電圧が自動的に低下するという、優れた
特性を有している。つまり、圧電トランス式の高圧発生
器とコロナ放電器とは相性が良いといえる。

【００１２】したがって、図７のオゾン発生装置は、放
電によりインピーダンスが減少するコロナ放電器と、コ
ロナ放電器のインピーダンスに対応して駆動電圧が変化
する高圧発生器を備えているため、コロナ放電器に駆動
電圧を印加した直後は放電開始電圧と同じ電圧を発生
し、コロナ放電器が放電を開始した直後には放電持続電
圧（前記放電開始電圧より低い電圧で、かつ放電終了電
圧より高い電圧）を発生することにより、放電開始時間
が短く、かつ耐久性のコロナ放電装置を提供することが
できる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような圧
電トランス式の高圧発生器を有するオゾン発生装置にも
不具合な点はある。というのは、放電時間経過とともに
コロナ放電器の誘電体基板の抵抗が落ちていき、放電時
のインピーダンスが低下する。インピーダンスが低下す
ると、圧電トランスの出力電圧も低下する。圧電トラン
スの出力電圧がコロナ放電器の放電開始に必要な電圧よ
りも低くなると、コロナ放電器は放電しなくなる。な
お、この問題点についての定量的な説明は、本発明と対
比しつつ実施例中において詳しく行なう。

【００１４】本発明は、コロナ放電器の長期使用に伴う
インピーダンス低下に起因する放電停止現象の問題を解
決し、長寿命のコロナ放電装置を提供することを目的と
する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のコロナ放電装置は、対をなす電極を有し、
両電極間に交流電圧を印加されて該電極周辺においてコ
ロナ放電を生ぜしめるコロナ放電器と、このコロナ放電
器の電極に高圧交流電圧を供給する高圧発生器と、を具
備するコロナ放電装置であって；上記コロナ放電器は、
累計使用時間の経過とともにインピーダンスが低下する
特性を有し、さらに、上記コロナ放電器と並列に配置さ
れているコンデンサを具備することを特徴とする。

【００１６】

【作用】コロナ放電器と並列にコンデンサを挿入し、コ
ロナ放電器の放電時の等価抵抗が低下した場合において
も出力電圧の低下を最小限に抑えることで、安定にコロ
ナ放電器を放電させることができる。すなわち、コロナ
放電器の長期安定化が図れる。詳しい原理については実
施例中において述べる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は、
本発明の一実施例に係るオゾン発生装置（コロナ放電装
置）の構成を摸式的に示す図である。図１のオゾン発生
装置１の構成は、大部分図７の従来のオゾン発生装置の
構成と同じである。同様の部分は同じ符号で示されてい
る。異なるのは、コロナ放電器４と並列に、コンデンサ
６が挿入されていることである。コンデンサ６は、コロ
ナ放電器４同様に、一端は圧電トランス３の出力端子３
ｇに接続されており、他端はアースに接続されている。

【００１８】図１のオゾン発生装置１におけるコンデン
サ６の作用について説明する。図２は、図１のオゾン発
生装置の簡略化された等価回路である。コロナ放電器４
の静電容量をＣとすると、コロナ放電器４の等価抵抗Ｒ
_L は、 Ｒ_L ＝ｔａｎθ／ωＣ ・・・・・・・（１） で表される。ここで、θは電圧と電流の位相差である。

【００１９】図２は、圧電トランス３の負荷として、コ
ロナ放電器４及びコンデンサ６を接続した、放電状態で
の等価回路である。ここで、Ｃ₀₁、Ｃ₀₂は入力端及び出
力端容量、Ｌ₀ 、Ｃ₀ 、Ｒ₀ は共振周波数近くでの等価
質量、等価容量及び等価機械抵抗、φは理想変圧器の変
圧比である。

【００２０】図２の等価回路において、昇圧比γ（γ＝
Ｖ₀ ／Ｖ_i ）は、 γ＝γ∞（１／Ｑ₀₂ ² ＋（１＋ａ）² ）^1/2 ／（１／Ｑ₀₂ ² ＋（１＋ａ）² ＋ Ｒ_LOSS／Ｒ_L ） ・・・・・・・（２） で表される。ここで、Ｑ₀₂、γ∞、Ｒ_LOSS、ａ、φ、Ｃ
_L は次式で表される。 Ｑ₀₂＝ωＣ₀₂Ｒ_L ・・・・・・・（３） γ∞＝１／（φωＲ₀ Ｃ₀₂） ・・・・・・・（４） Ｒ_LOSS＝γ∞ ² Ｒ₀ ・・・・・・・（５） ａ＝Ｃ_L ／Ｃ₀₂ ・・・・・・・（６） φ＝Ｌｋ₃₁／（Ｔｋ₃₃（Ｓ₃₃ ^E ／Ｓ₁₁ ^E ）） ・・・・・・・（７） Ｃ_L ＝Ｃ＋Ｃ₁ ・・・・・・・（８） Ｃ₁ は並列に接続したコンデンサの静電容量、Ｌは圧電
トランスの出力部の長さ、Ｔは圧電トランスの厚さ、γ
∞は出力端開放時の昇圧比である。さらに、出力電圧Ｖ
₀ は、 Ｖ₀ ＝γＶ_i ・・・・・・・（９） で表される。

【００２１】図３は、負荷抵抗と出力電圧（Ｖ₀ ）との
関係を示すグラフである。なお図中の並列容量は、図
１、２のコンデンサ６の容量を指す。図３（ａ）は、Ｒ
_L 、Ｃ₁ を変化させた時のＶ₀ の計算値をプロットした
図であり、図３（ｂ）は、実際にＲ_L 、Ｃ₁ を変化させ
て実験を行った場合の実験値をプロットした図である。
両者はよく一致している。

【００２２】したがって、コロナ放電器の等価抵抗に等
しい領域で、出力電圧の特性変化が小さくなるようなコ
ンデンサをコロナ放電器と並列に接続することにより、
圧電トランスの出力電圧が受けるインピーダンスの影響
（コロナ放電器の放電時間経過とともに低下するインピ
ーダンス）を最小限に抑えることができる。したがっ
て、圧電トランスの出力電圧がコロナ放電器の放電開始
に必要な電圧よりも低下することを防止することがで
き、コロナ放電装置の長期安定性を実現できる。

【００２３】また、図３の負荷抵抗１００ｋ〜１０ＭΩ
の出力電圧は、並列接続したコンデンサの容量値を可変
することにより出力電圧が逆転している（並列容量が大
きいほうが出力電圧が高い）。これは、コロナ放電器と
並列に適当な容量値のコンデンサを接続することによ
り、出力電圧の向上を実現できることを意味している。
したがって、圧電トランスの大型化、及び入力電圧の上
昇を行うことなく、出力電圧の向上を図ることが可能と
なる。

【００２４】図３（ｂ）についてさらに説明する。図３
（ｂ）において、コロナ放電器の放電持続電圧の一例
（２．８０ｋＶ）が２点領線で示されている。この場
合、最も好ましい並列容量の値は２９ｐＦ（三角印の特
性線）である。というのは、放電持続電圧近辺での特性
線の傾きが比較的なだらかで、かつ、放電持続電圧以上
となる負荷抵抗領域が、実用的な範囲で広いからであ
る。

【００２５】並列容量７ｐＦ（丸印の特性線）は、放電
持続電圧近辺での特性線の傾きが急すぎて、コロナ放電
器のわずかのインピーダンス低下によっても、出力電圧
が放電持続電圧を割り、放電停止に陥る危険性がある。
一方、並列容量５４ｐＦ（ひし型の特性線）は、放電持
続電圧近辺での特性線の傾きがなだらかなのは良いので
あるが、出力電圧そのものが低すぎて、出力電圧か放電
持続電圧以上となる負荷抵抗の領域が狭くかつ偏ってい
る。このような観点から、最適の並列容量値を選択でき
る。

【００２６】図４は、この発明の一実施例に係る高電圧
発生器の出力電圧（駆動電圧）Ｖ₀とコロナ放電器（オ
ゾナイザ）の放電開始電圧Ｖ₀₁，放電持続電圧Ｖ₀₂及び
放電終了電圧Ｖ₀₃の特性図である。

【００２７】図４において、圧電素子を用いた圧電トラ
ンスの出力電圧（駆動電圧）Ｖ₀ は、発振器の発振開始
直後にＶ₀₁に達し、コロナ放電器は放電を開始する。放
電が開始すると、コロナ放電器のインピーダンスが低下
するので、出力電圧Ｖ₀ は放電持続電圧Ｖ₀₂で安定状態
になり放電を継続して、コロナ放電器はオゾンを発生す
る。

【００２８】コロナ放電器は、時間経過に伴い誘電体基
板の抵抗が低下し、放電時の等価抵抗が低下する。等価
抵抗が低下すると、出力電圧が低下することにつなが
る。出力電圧が低下し、圧電トランスで構成した高圧発
生器の出力電圧が、コロナ放電器電極の放電開始に必要
な電圧よりも低下すると、オゾン発生装置としての機能
を果たさなくなる。すなわちオゾン発生装置の寿命とな
る。すなわち、コロナ放電器の等価抵抗が一定値以下に
なると圧電トランスの出力電圧（駆動電圧）Ｖ₀ が放電
開始電圧Ｖ₀₁を下回ってしまい放電開始時間が長くなっ
たり、コロナ放電器（オゾナイザ）が放電しなくなって
しまう。

【００２９】図１のようにコロナ放電器と並列に適当な
容量のコンデンサを接続すると、図５に示すように圧電
トランスの出力電圧（駆動電圧）Ｖ₀ を等価抵抗の変化
に対して平坦な特性にすることができ、かつ圧電トラン
スの出力電圧（駆動電圧）の向上を実現することができ
る。

【００３０】したがって、コロナ放電器の放電時の等価
抵抗を事前に調べておき、それに対して最適な容量値を
計算により求め、計算から求めた容量値のコンデンサを
並列に挿入することにより、等価抵抗の低下に伴う圧電
トランスの出力電圧（駆動電圧）Ｖ₀ の低下を防止する
ことができる。それにより、オゾン発生装置の長期安定
性を実現できる。

【００３１】また、コンデンサを並列に接続することに
より、出力電圧の向上が実現できるため、圧電トランス
の小型化も可能になる。さらに、コロナ放電器（オゾナ
イザ）だけに限らず、等価的にみて抵抗と容量の並列負
荷であると考えられるものに対して、この発明は適応さ
れることは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は以下の効果を発揮する。 コロナ放電器と並列にコンデンサを挿入することに
より、コロナ放電器の時間経過に伴う放電時のインピー
ダンスの変化に対して、高電圧発生器の出力電圧の低下
を最小限に抑えることができる。したがって、コロナ放
電装置の長期安定化を実現できる。 コロナ放電器と並列にコンデンサを挿入することに
より、圧電トランス、及び入力電圧を大きくする必要な
く出力電圧を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るオゾン発生装置（コロ
ナ放電装置）の構成を摸式的に示す図である。

【図２】図１のオゾン発生装置の簡略化された等価回路
である。

【図３】負荷抵抗と出力電圧（Ｖ₀ ）との関係の一例を
示すグラフである。なお図中の並列容量は、コロナ放電
器に並列に挿入されたコンデンサの容量を示す。

【図４】本発明の一実施例に係る高電圧発生器の出力電
圧（駆動電圧）Ｖ₀ と、コロナ放電器の放電開始電圧Ｖ
₀₁，放電持続電圧Ｖ₀₂及び放電終了電圧Ｖ₀₃との関係を
表す特性図である。

【図５】負荷抵抗と出力電圧（Ｖ₀ ）との関係のたの一
例を示すグラフである。なお図中の並列容量は、コロナ
放電器に並列に挿入されたコンデンサの容量を示す。

【図６】巻線トランス式の高圧発生器を有する従来のオ
ゾン発生装置を示す図である。

【図７】圧電トランス式の高圧発生器を有する従来のオ
ゾン発生装置を示す図である。

【符号の説明】

１ オゾン発生装置 ２ 発振器 ３ 圧電トランス ４ コロナ放電器
（オゾナイザ） ６ コンデンサ ５１ コロナ放電器 ５３ 放電極 ５５ 誘電体基板 ５７ 面状内部電極 ５９ リード線 ６１ 高圧発生器 ６３ 巻線トラン
ス ６５ 高周波電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清原 正勝 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 高橋 明彦 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 長野 信二郎 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対をなす電極を有し、両電極間に交流電
   圧を印加されて該電極周辺においてコロナ放電を生ぜし
   めるコロナ放電器と、 このコロナ放電器の電極に高圧交流電圧を供給する高圧
   発生器と、 を具備するコロナ放電装置であって；上記コロナ放電器
   は、累計使用時間の経過とともにインピーダンスが低下
   する特性を有し、 さらに、上記コロナ放電器と並列に配置されているコン
   デンサを具備することを特徴とするコロナ放電装置。
2. 【請求項２】上記コロナ放電器が、放電極と、誘電体層
   を隔てて放電極に対向する面状電極とを有する請求項１
   記載のコロナ放電装置。
3. 【請求項３】上記コロナ放電器が、放電開始とともにイ
   ンピーダンスが低下する特性を有し、 上記高圧発生器が、コロナ放電器のインピーダンスの低
   下に対応して出力電圧が低下する特性を有する請求項１
   又は２記載のコロナ放電装置。
4. 【請求項４】上記高圧発生器が圧電トランスを有する請
   求項３記載のコロナ放電装置。