JPWO2018220735A1 - 電流遮断素子、およびオゾン発生装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1はこの発明の実施の形態1によるオゾン発生装置の概略構成を示す断面図である。図1において、オゾン発生器本体容器12の内部に、円筒形状の誘電体管1と接地金属電極11が対となって1本の放電管を構成している。図1では放電管の詳細を説明するため、放電管は2本のみ図示されているが、大容量のオゾン発生装置では一つのオゾン発生器本体容器12の内部に数百本の放電管が設置されている。例えば、誘電体管1は円筒形状のガラス管で構成され、接地金属電極11はステンレスからなるパイプで構成され、図示していないスペーサを介して、誘電体管1と接地金属電極11は同心状に配置され、誘電体管1と接地金属電極11の間には狭い放電ギャップ25が形成されている。誘電体管1の片端(右端)は封じられ、他端(左端)は開口形状となっている。誘電体管1の内部に電圧印加電極2が配置されている。ここでは、電圧印加電極2は誘電体管1の内面に蒸着などで形成された金属膜により構成されている。内面に電圧印加電極2が形成された誘電体管1と接地金属電極11で放電管を構成する。電圧印加電極2は、電気接続部材9、電流遮断素子7、給電部材8、給電リード線14を経由して交流電源16内の交流電圧発生部21の出力端に接続されている。交流電圧発生部21の他端は接地され、オゾン発生器本体容器12も接地されている。給電リード線14が接地電位であるオゾン発生器本体容器12を貫通する部分は、ブッシング15により絶縁されている。交流電源16の交流電圧発生部21が発生する交流電圧は、放電ギャップ25において放電が生じるだけの高電圧であり、交流の周波数は、誘電体を介して放電させる、すなわち無声放電を発生させることができる周波数である。交流電圧発生部21は、例えば、電圧3〜7kV、周波数0.5〜5kHzといった高周波の交流電圧を発生する。
(b)給電側の固定電極3と電圧印加電極側の固定電極4間の中間導体5bを介した絶縁距離=L2+L3
(c)給電側の固定電極3と電圧印加電極2間の中間導体5bを介した絶縁距離=L2+L4
絶縁距離は、(a)、(b)、(c)のいずれも十分確保しているため、再度高周波高電圧が給電側の固定電極3に印加されても、上記の絶縁距離を示した部分でアーク放電が発生することはない。通常のオゾン発生器においては、印加電圧実効値は7.5kV以下である場合が多く、またオゾン発生器本体容器12内部のガス圧力を0.07MPa以上で動作させる場合が多い。この場合は絶縁距離=7mm以上とすることで電圧再印加時にアーク放電は発生しない。但し、長期間使用すると誘電体管1の内面が汚損し、絶縁性能が劣化している場合があるので、できれば絶縁距離は上記の2倍以上の14mm以上とすることが望ましい。また、オゾン発生器の運転電圧が低く、例えば4kVの場合には絶縁距離は4mm以上とすることで、電流遮断素子サイズを更に小さくできる。
(b)L2+L3=((誘電体管1の内径)−(0.01〜0.05mm)−(0.01〜0.05mm))×2
=(誘電体管1の内径)×2−(0.04〜0.2mm)
(c)L3+L4=(誘電体管1の内径)−(0.01〜0.05mm)−(0.01〜0.05mm)+(1〜5mm)
=(誘電体管1の内径)+(1〜4.9mm)
図5は、この発明の実施の形態2によるオゾン発生装置の誘電体管1の要部を示す断面図である。実施の形態1では、溶断エレメント5を1つだけ使用する場合を示したが、一つの電流遮断素子7に対して2つの溶断エレメントを使用すると装置の信頼性をアップできる。具体的には、図5に示すように、中間導体51bの両側にヒューズ導体51aおよびヒューズ導体51cを接続し、溶断エレメント51を構成し、中間導体52bの両側にヒューズ導体52aおよびヒューズ導体52cを接続して溶断エレメント52を構成する。給電側の固定電極3と電圧印加電極側の固定電極4の間に中間の固定電極6を配置し、給電側の固定電極3と中間の固定電極6の間に溶断エレメント51を接続し、電圧印加電極側の固定電極4と中間の固定電極6の間に溶断エレメント52を接続する。中間の固定電極6は、熱伝導性の良い固定材6aにより誘電体管1に固定されている。給電側の固定電極3、溶断エレメント51、中間の固定電極6、溶断エレメント52、電圧印加電極側の固定電極4、およびこれらの固定電極が固定されている部分の誘電体管1による基台、で電流遮断素子7を構成する。
(1)ヒューズ導体の幅が小さいので、製造寸法バラツキにより、短絡電流が小さい場合はヒューズ導体が溶断しない場合がある。
(2)溶断時にヒューズ導体や中間導体の一部が溶けて、誘電体に近い場合は誘電体に溶着する場合がある。この場合は中間導体は下に落ちないので絶縁距離が短く、電圧を再度印加した場合に再度短絡してしまう。溶断エレメント2個のうちの1個が動作しない場合にも正常に動作させるには、溶断エレメント51および溶断エレメント52の仕様は、実施の形態1の溶断エレメント5の仕様に合わせるのが良い。
(a)給電側の固定電極3と電圧印加電極側の固定電極4間の絶縁距離=L1+L2
(b)給電側の固定電極3と電圧印加電極側の固定電極4間の中間導体51b、52bを介した絶縁距離=L3+L4+L5
(c)給電側の固定電極3と電圧印加電極2間の中間導体51b、52bを介した絶縁距離=L3+L4+L6
(b)給電側の固定電極3と電圧印加電極側の固定電極4間の中間導体51b、52bを介した絶縁距離=L3+L4+L5
(c)給電側の固定電極3と電圧印加電極2間の中間導体51b、52bを介した絶縁距離=L3+L4+L6
図7は、この発明の実施の形態3によるオゾン発生装置の誘電体管1の要部を示す断面図である。実施の形態1では、給電部材8により給電する側の誘電体管1の端部は開放状態であったが、図7に示すように誘電体管1の開口部に金属製のキャップ29を取付け、給電側の固定電極3とキャップ29の間を接続導体26で電気接続し、キャップ29に給電部材8を電気接続する。電流遮断素子7に短絡電流が流れるとヒューズ導体5a、5cが溶融して飛散し、またアーク放電により中間導体5bが飛散して誘電体管1の開口部から外に飛び出し、これらが他の誘電体の表面に付着し、電気絶縁を保てなくなる場合がある。キャップ29を取付けることにより、ヒューズ導体5a、5c、および中間導体5bが誘電体外部に飛散することがないので、オゾン発生器の信頼性をアップできる。キャップ29の誘電体管1への固定は、キャップ29のカシメ加工や、キャップ内部への無機接着剤塗布など、どのような方法を用いても良い。
図8は、この発明の実施の形態4によるオゾン発生装置に備えられた電流遮断素子の構成を示す拡大断面図である。実施の形態1では、溶断エレメントは誘電体管1の内面に取付ける場合を示したが、図8に示すように、別の円筒形状の誘電体部材27の内面の概略上側に溶断エレメント5を取り付け、誘電体部材27の両側の開口に金属製キャップ29a、29bを取り付け、給電側の固定電極3とキャップ29a間を接続導体26aで電気接続し、電圧印加電極側の固定電極4とキャップ29b間を接続導体26bで電気接続し、誘電体管1から独立して電流遮断素子7を構成しても良い。この場合、円筒形状の誘電体部材27の一部が電流遮断素子7の基台を構成する。実施の形態4による電流遮断素子によれば、誘電体管1、電圧印加電極2とは別の製造工程で電流遮断素子7を製造できるので、ヒューズ製造工程を簡易にでき製造コストを下げることができるというメリットがある。
図9は、この発明の実施の形態5によるオゾン発生装置に備えられた電流遮断素子の構成を示す拡大断面図である。図9に示すように、板状の誘電体部材27を基台として構成された電流遮断素子7を、別の筒形状の第二誘電体部材28の内部に配置しても良い。電流遮断素子7の基台を構成する誘電体部材27は、図示していない方法で第二誘電体部材28に固定されている。第二誘電体部材28の両側の開口に金属製キャップ29a、29bを取り付け、給電側の固定電極3とキャップ29a間を接続導体26aで電気接続し、電圧印加電極側の固定電極4とキャップ29b間を接続導体26bで電気接続している。ヒューズ導体5a、5bで発生した熱は、給電側の固定電極3、電圧印加電極側の固定電極4を経由して誘電体部材27から放散され、いったん筒状の第二誘電体部材28の内部のガスを上昇させ、第二誘電体部材28の表面から外部のガス中に熱伝達で放熱される。間接的な放熱のため、実施の形態1〜4に比べると放熱効率は少し悪くなるものの、誘電体管1、電圧印加電極2、筒形状の第二誘電体部材28とは別の製造工程で電流遮断素子7を製造できるので、ヒューズ製造工程を簡易にできて製造コストを下げることができるというメリットがある。
図10Aおよび図10Bは、この発明の実施の形態6によるオゾン発生装置の電流遮断素子7のうち、誘電体の基台および固定材を除いた、電流が通流する金属部材100の構成を示す平面図である。この金属部材100は実施の形態1〜5における、電流遮断素子の金属部材に適用できる。実施の形態1〜5において、電流が通流する金属部材全体を、厚みの薄い金属の板材、すなわち金属箔をエッチングにより形状加工して、一体として製作することができる。このように金属部材全体をエッチングにより一体として製作することで、電流遮断素子のコストを大幅に下げ、またヒューズ導体の小さい断面形状を精密に加工できるので、電流遮断素子の性能バラツキを抑え、信頼性の高いオゾン発生装置を提供できる。図10Aは、溶断エレメント5が1個の構成を示す平面図であり、給電側の固定電極3、溶断エレメント5(ヒューズ導体5a、中間導体5b、ヒューズ導体5c)、電圧印加電極側の固定電極4の順に接続された金属部材全体を、エッチングにより一体として製作した構成を示している。また、図10Bは、溶断エレメントが2個の構成を示す平面図であり、給電側の固定電極3、溶断エレメント51(ヒューズ導体51a、中間導体51b、ヒューズ導体51c)、中間の固定電極6、溶断エレメント52(ヒューズ導体52a、中間導体52b、ヒューズ導体52c)、電圧印加電極側の固定電極4の順に接続された金属部材全体を、エッチングにより一体として製作した構成を示している。
実施の形態5において、第二誘電体部材28として透明なガラスで構成することで、電流遮断素子7が動作した場合に、中間導体5bが第二誘電体部材28内部の底に落下しているのを目視確認できる。オゾン発生装置を長期間使用した後にオゾン発生器本体容器12を開放して内部点検を行った際に、第二誘電体部材28のヒューズ部を目視点検し、中間導体が底に落ちていれば電流遮断素子7が作動したことを確認できる。第二誘電体部材28の内部が見えないと、例えばキャップ29aとキャップ29bの間の抵抗値を測定して電流遮断素子7が作動したかどうかを確認する必要があるが、第二誘電体部材28を透明なガラスで構成すると目視で判別できるので作業が容易となる。作動したヒューズの取付けられている誘電体管1は絶縁破壊しているのでメンテナンス時に交換する必要があるため、誘電体管1、電圧印加電極2、電流遮断素子7を取り出し、新しい部品と交換する。このように本実施形態7の電流遮断素子を使用することで、オゾン発生装置のメンテナンスを容易に行えるという効果がある。
実施の形態1〜7では、放電管を水平方向に設置する場合を説明したが、放電管が鉛直に、すなわち放電管の管軸方向が重力方向となるように設置される場合は、電流遮断素子7も鉛直方向に向くように取付ければよい。また、放電管が、図1に示すような片側が開放された誘電体管で構成される場合、誘電体管の鉛直方向上側に開口部を配置し、開口部付近に電流遮断素子を取り付ければよい。
Claims (16)
- 中間導体の両側に、過電流が流れることにより溶融するヒューズ導体がそれぞれ接続された溶断エレメントの両側に板状の固定電極がそれぞれ接続され、それぞれの前記固定電極の板面が誘電体の基台の面に固定材により固定されていることを特徴とする電流遮断素子。
- 前記固定電極を3個以上有し、隣り合う前記固定電極の間にそれぞれ前記溶断エレメントが接続されていることを特徴とする請求項1に記載の電流遮断素子。
- 前記基台は筒状であり、前記固定電極は、前記筒状の前記基台の内面に固定されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電流遮断素子。
- 前記溶断エレメントを有する前記基台が、筒状の誘電体の内部に設置されたことを特徴とする請求項1または2に記載の電流遮断素子。
- 前記固定電極と前記溶断エレメントとの接続体である金属部材を一枚の金属板により形成したことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の電流遮断素子。
- 電圧印加電極と接地金属電極の間に誘電体を介して放電ギャップを有する放電管を複数備え、前記放電ギャップを酸素を含むガスが流れるとともに、前記電圧印加電極と前記接地金属電極との間に交流電源からの交流電圧が印加されることにより、前記酸素を含むガスが放電してオゾン化ガスとなるよう構成されたオゾン発生装置において、
前記交流電源から複数の前記放電管のそれぞれの前記電圧印加電極に給電する途中に請求項1から5のいずれか1項に記載の電流遮断素子がそれぞれ接続されていることを特徴とするオゾン発生装置。 - 前記ヒューズ導体が溶融した場合、前記中間導体が重力により落下して前記固定電極との距離が、落下する前よりも大きくなる位置に前記固定電極が固定されるように、前記電流遮断素子が取り付けられていることを特徴とする請求項6に記載のオゾン発生装置。
- 前記電流遮断素子は、前記固定電極が固定されている前記基台の少なくとも一部の面から当該固定電極が固定されている側に向く法線ベクトルが、重力方向の成分を有するように設置されていることを特徴とする請求項7に記載のオゾン発生装置。
- 内部に電圧印加電極が配置された誘電体管と、内面が前記誘電体管の外面と放電ギャップを有するように配置された接地金属電極とで構成された放電管を複数備え、前記放電ギャップに酸素を含むガスが流れるとともに、前記電圧印加電極と前記接地金属電極との間に交流電源からの交流電圧が印加されることにより、前記酸素を含むガスが放電してオゾン化ガスとなるよう構成されたオゾン発生装置において、
複数の前記放電管は、前記交流電源から複数の前記放電管のそれぞれの前記電圧印加電極に給電する途中に請求項3に記載の電流遮断素子がそれぞれ接続されており、
それぞれの前記電流遮断素子は、前記誘電体管が前記基台を構成し、前記固定電極が、前記誘電体管の内面であって前記電圧印加電極が配置されない部分に固定されていることを特徴とするオゾン発生装置。 - 前記電流遮断素子における前記固定電極と前記溶断エレメントとの接続体である金属部材を一枚の金属板により形成したことを特徴とする請求項9に記載のオゾン発生装置。
- 前記ヒューズ導体が溶融した場合、前記中間導体が重力により落下して前記固定電極との距離が、落下する前よりも大きくなる位置に前記固定電極が固定されるように、前記電流遮断素子が取り付けられていることを特徴とする請求項9または10に記載のオゾン発生装置。
- 前記誘電体管は前記誘電体管の管軸方向が水平方向となるよう設置されており、前記電流遮断素子は、前記固定電極が固定されている前記誘電体管の内面の少なくとも一部の面から当該固定電極が固定されている側に向く法線ベクトルが、重力方向の成分を有するように設置されていることを特徴とする請求項11に記載のオゾン発生装置。
- 前記誘電体管は円筒形状であり、管軸方向が水平方向となるよう設置されており、前記固定電極は、前記誘電体管の内面の上側半分のいずれかの位置に固定されていることを特徴とする請求項11に記載のオゾン発生装置。
- 前記放電管の管軸方向が重力方向となるよう、前記放電管が設置されていることを特徴とする請求項11に記載のオゾン発生装置。
- 前記交流電源は、運転中に前記放電管が絶縁破壊したことを検出した場合、予め設定した時間の間出力を停止した後、再び出力を開始するように制御することを特徴とする請求項6から14のいずれか1項に記載のオゾン発生装置。
- 前記交流電源は、出力電圧が予め設定した閾値以下に低下したことを検出した場合に、前記放電管が絶縁破壊したと判断することを特徴とする請求項15に記載のオゾン発生装置。
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