JPWO2020003683A1 - オゾン発生装置の電源装置およびオゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

実施形態のオゾン発生装置の電源装置は、コンバータと、インバータと、キャパシタ群と、トランスと、を備える。コンバータは、商用電源として供給される交流電源を直流電源に変換する。インバータは、直流電源を三相以上の交流電源に変換する。キャパシタ群は、直列接続される複数のキャパシタを有しかつコンバータに対して並列接続される。トランスは、三相以上の交流電源の相毎に設けられる一次側コイルがスター結線される一次側コイル群と、一次側コイル毎に設けられる二次側コイルが直列接続される二次側コイル群と、を有する。また、トランスは、一次側コイル群および二次側コイル群によって三相以上の交流電源を単相の交流電源に変換してオゾン発生装置本体に供給する。一次側コイル群の中性点が、複数のキャパシタの間に接続される。

Description

本発明の実施形態は、オゾン発生装置の電源装置およびオゾン発生装置に関する。

金属電極との間に原料ガスが流入される放電ギャップを有する誘電体電極に対して電圧を印加して放電ギャップ内の原料ガス中で放電させ、当該放電によりオゾンを発生させるオゾン発生装置が開発されている。オゾン発生装置を用いて生成されたオゾンは、水処理に用いられ、処理水の脱臭や、脱色、殺菌等に使用可能である。

オゾン発生装置は、極めて特殊な負荷であるため、専用の電源装置を用いて駆動されている。具体的には、オゾン発生装置用の電源装置は、商用電源として供給される交流電源から変換された直流電源を、専用のインバータによって高周波（例えば、１．０〜２．０ｋＨｚ）の交流電源に変換してトランスを介してオゾン発生装置に供給する。

特開平０９−５９００６号公報

ところで、汎用のインバータは、一般的に、モータの駆動を目的としているため、直流電源を低周波（例えば、６００Ｈｚ未満）の交流電源に変換するものが多い。そのため、オゾン発生装置において、汎用のインバータを用いて直流電源を高周波の交流電源に変換することは難しい。

実施形態のオゾン発生装置の電源装置は、コンバータと、インバータと、キャパシタ群と、トランスと、を備える。コンバータは、商用電源として供給される交流電源を直流電源に変換する。インバータは、直流電源を三相以上の交流電源に変換する。キャパシタ群は、直列接続される複数のキャパシタを有しかつコンバータに対して並列接続される。トランスは、三相以上の交流電源の相毎に設けられる一次側コイルがスター結線される一次側コイル群と、一次側コイル毎に設けられる二次側コイルが直列接続される二次側コイル群と、を有する。また、トランスは、一次側コイル群および二次側コイル群によって三相以上の交流電源を単相の交流電源に変換してオゾン発生装置本体に供給する。一次側コイル群の中性点が、複数のキャパシタの間に接続される。

図１は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置の構成の一例を示す図である。 図２は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の回路構成の一例を示す図である。 図３Ａは、第１の実施形態にかかる電源装置のインバータから出力されるＵ相の交流電源の電圧波形の一例を示す図である。 図３Ｂは、第１の実施形態にかかる電源装置のインバータから出力されるＶ相の交流電源の電圧波形の一例を示す図である。 図３Ｃは、第１の実施形態にかかる電源装置のインバータから出力されるＷ相の交流電源の電圧波形の一例を示す図である。 図４は、第１の実施形態にかかる電源装置のトランスから出力される交流電源の電圧波形の一例を示す図である。 図５は、第２の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の回路構成の一例を示す図である。

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の電源装置およびオゾン発生装置について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置の構成の一例を示す図である。本実施形態にかかるオゾン発生装置は、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は、図１に示すように、オゾン発生装置本体１０と、電源装置１１と、を有する。電源装置１１は、ヒューズ１２を介してオゾン発生装置本体１０に電力を供給する高圧交流電源である。

オゾン発生装置本体１０は、気密容器１０１を有する。気密容器１０１は、原料ガスが導入されるガス入口１０２と、未反応の原料ガスおよびオゾン（Ｏ_３）が排出されるガス出口１０３と、を有する。

気密容器１０１内には、誘電体電極１０４および金属電極１０５が設けられ、誘電体電極１０４と金属電極１０５との間には、原料ガスが流入される放電ギャップ１０６が形成されている。本実施形態では、原料ガスは、酸素、または酸素と窒素の混合ガスである。また、原料ガスのガス圧は、０．１７〜０．２８ＭＰａの絶対圧である。

本実施形態では、金属電極１０５には、ステンレス鋼製等の円筒状の電極を用いる。また、本実施形態では、金属電極１０５は、誘電体電極１０４との間に所定の放電ギャップ１０６を形成するための複数の突起１０５ａ有する。本実施形態では、放電ギャップ１０６の長さは、１．０ｍｍ以下である。

本実施形態では、誘電体電極１０４は、金属電極１０５と同軸の円筒状の電極であり、当該誘電体電極１０４の外周面側に、放電ギャップ１０６を介して金属電極１０５が設けられている。具体的には、誘電体電極１０４は、熱膨張係数が所定値より小さい素材で形成される円筒状の誘電体１０４ａ（以下、円筒状誘電体と言う）を有する。

円筒状誘電体１０４ａは、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、高ケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、セラミックス等により形成される。円筒状誘電体１０４ａの内周面には、導電性の電極１０４ｂ（以下、導電性電極と言う）を有する。

導電性電極１０４ｂは、ヒューズ１２を介して電源装置１１に接続された給電素子１０８（以下、高圧給電端子と言う）と接続されている。また、導電性電極１０４ｂは、金、銀、銅、ステンレス、クロム、錫、亜鉛、ニッケルカーボン、アルミニウム等を、スパッタリング、溶射、蒸着、無電解メッキ、電解メッキ、塗料塗布等の方法により形成される。

オゾン発生装置本体１０には、金属電極１０５の誘電体電極１０４が設けられた側とは反対側に、冷却水流路１０７が設けられている。冷却水流路１０７は、当該冷却水流路１０７に冷却水を導入する冷却水入口１０７ａと、当該冷却水流路１０７を流れて高温となった冷却水が排出される冷却水出口１０７ｂと、を有する。

本実施形態にかかるオゾン発生装置は、電源装置１１から誘電体電極１０４に交流電源を供給して、放電ギャップ１０６に流入される原料ガスで放電（バリア放電または無声放電。以下、誘電体バリア放電と言う。）を発生させる。これにより、誘電体バリア放電によって、原料ガスからオゾンを生成する。

誘電体バリア放電は、放電ギャップ１０６に導入された原料ガスの温度を上昇させるが、冷却水流路１０７に導入される冷却水によって冷却される。これにより、オゾン発生装置は、放電ギャップ１０６に導入された原料ガスの温度の上昇を抑制しつつ、高濃度かつ高収率のオゾンを生成することができる。本実施形態では、オゾン発生装置により生成されるオゾンは、処理すべき水の脱臭や、脱色、殺菌等の水処理に使用される。

図２は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の回路構成の一例を示す図である。本実施形態では、電源装置１１は、商用電源２０１（本実施形態では、三相の交流電源）から供給される交流電源を直流電源に変換して出力するコンバータ２０２と、当該コンバータ２０２により変換された直流電源を三相の交流電源に変換して出力するインバータ２０３と、直列接続される複数のキャパシタ２０６ａを有しかつコンバータ２０２に対して並列接続されるキャパシタ群２０６と、を有する。

本実施形態では、インバータ２０３は、直流電源を、６００Ｈｚ未満の高周波の交流電源に変換する高周波インバータである。また、本実施形態では、インバータ２０３は、直流電源を三相の交流電源に変換しているが、直流電源を三相以上の交流電源に変換するものであれば良い。

具体的には、インバータ２０３は、並列接続されるスイッチング素子対を３つ以上有する。スイッチング素子対は、直列接続された２つのスイッチング素子を有する。そして、インバータ２０３は、スイッチング素子をスイッチングさせることによって、コンバータ２０２により変換された交流電源を、三相以上の交流電源に変換する。

また、本実施形態では、電源装置１１は、インバータ２０３により変換された交流電源を、トランス２０４およびコイル２０５を介して、誘電体電極１０４に供給する。オゾン発生装置本体１０は、誘電体電極１０４に供給された交流電源を、放電ギャップ１０６に流入される原料ガス中で誘電体バリア放電させて、原料ガスからオゾンを生成する。オゾン発生装置本体１０の等価回路は、誘電体電極１０４に相当する静電容量Ｃｇと、放電ギャップ１０６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、オゾン発生装置本体１０は、放電ギャップ１０６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、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１０６に印加される放電ギャップ電圧Ｖｏは、放電維持電圧Ｖｓに維持される。また、放電ギャップ１０６は、放電ギャップ電圧Ｖｏが放電維持電圧Ｖｓを超えると、誘電体バリア放電を発生する特性を有する。よって、放電ギャップ１０６の等価回路は、降伏電圧を有するツェナーダイオードＤにより表される。

このように、放電ギャップ１０６が容量性負荷として機能するため、オゾン発生装置本体１０は、放電ギャップ１０６における力率を「１」に近づけるために、当該放電ギャップ１０６に対してコイル２０５を直列接続している。本実施形態では、オゾン発生装置本体１０は、放電ギャップ１０６に対してコイル２０５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１０６に対してコイル２０５を並列接続しても良い。

本実施形態では、トランス２０４は、インバータ２０３により変換される交流電源を、より高い周波数の交流電源に変換する。具体的には、トランス２０４は、一次側コイル群２０４ａと、二次側コイル群２０４ｂと、を有する。一次側コイル群２０４ａは、スター結線される複数の一次側コイルＣ１を有する。一次側コイルＣ１は、インバータ２０３により変換される三相の交流電源の相毎に設けられる。具体的には、一次側コイルＣ１は、インバータ２０３が有するスイッチング素子対のいずれかに接続される。

一次側コイル群２０４ａの中性点は、キャパシタ群２０６が有するキャパシタ２０６ａの間に接続される。オゾン発生装置は、金属電極１０５が気密容器１０１と溶接されているため、気密容器１０１全体が金属電極１０５と同電位となる。したがって、オゾン発生装置の安全を確保するために、気密容器１０１は接地させる必要があり、それに伴い、トランス２０４が有する二次側コイル群２０４ｂの一方の端も接地される。そのため、本実施形態では、スター結線された一次側コイル群２０４ａの中性点を、キャパシタ群２０６が有する２つのキャパシタ２０５ａの間に接続する。これにより、一次側コイル群２０４ａが有する各相の一次側コイルＣ１から流れるリターン電流の経路を形成する。

二次側コイル群２０４ｂは、直列接続される複数の二次側コイルＣ２を有する。二次側コイルＣ２は、一次側コイルＣ１毎に設けられる。そして、トランス２０４は、一次側コイル群２０４ａおよび二次側コイル群２０４ｂによって、インバータ２０３によって直流電源から変換される三相の交流電源を単相の交流電源に変換してオゾン発生装置本体１０（本実施形態では、誘電体電極１０４）に供給する。

これにより、二次側コイル群２０４ｂから出力される単相の交流電源の電圧波形を、インバータ２０３から出力される三相の交流電源の各相の線間電圧波形を足し合わせた波形とすることができるので、専用のインバータを用いずに、汎用のインバータを用いて高周波の交流電源をオゾン発生装置本体１０に供給することができる。

次に、図３Ａ〜３Ｃおよび図４を用いて、本実施形態かかる電源装置１１のトランスから出力される交流電源の一例について説明する。図３Ａは、第１の実施形態にかかる電源装置のインバータから出力されるＵ相とＶ相の交流電源の線間電圧波形の一例を示す図である。図３Ｂは、第１の実施形態にかかる電源装置のインバータから出力されるＶ相とＷ相の交流電源の線間電圧波形の一例を示す図である。図３Ｃは、第１の実施形態にかかる電源装置のインバータから出力されるＷ相とＵ相の交流電源の線間電圧波形の一例を示す図である。図３Ａ〜３Ｃにおいて、縦軸は、インバータ２０３から出力される各相の交流電源の線間電圧を表し、横軸は、インバータ２０３から出力される各相の交流電源の線間電圧波形の位相を表す。図４は、第１の実施形態にかかる電源装置のトランスから出力される交流電源の電圧波形の一例を示す図である。図４において、縦軸は、トランス２０４から出力される単相の交流電源の電圧を表し、横軸は、トランス２０４から出力される単相の交流電源の電圧波形の位相を表す。

汎用のインバータは、低コスト化のため、パルス幅変調を行った交流電源を出力するものが多い。パルス幅変調では、任意の正弦波を生成するために、直流電源を、高周波のキャリアパルスの集合体に変調する。本実施形態では、インバータ２０３には、汎用のインバータを用い、コンバータ２０２から出力される直流電源を、１周期当たり１パルスのキャリアパルスに変調する。そして、図３Ａ〜３Ｃに示すように、インバータ２０３により直流電源から変換される交流電源が、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の三相の交流電源である場合、Ｕ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、およびＷ相とＵ相のそれぞれの交流電源の線間電圧波形は、その位相が１２０度ずつずれた波形となる。

そのため、トランス２０４の二次側コイル群２０４ｂが有する二次側コイルＣ２を直列接続することにより、トランス２０４は、図４に示すように、インバータ２０３から出力される三相の交流電源それぞれの周波数の３倍の周波数の単相の交流電源を出力することができる。例えば、インバータ２０３から出力される三相の交流電源の周波数が５００Ｈｚである場合、トランス２０４は、１５００Ｈｚの単相の交流電源を出力することができる。なお、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電源の電圧波形の位相が１２０度ずつずれた電圧波形が形成されれば、１パルスに限定されることなく、３の倍数のパルスも実現可能である。

このように、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置によれば、二次側コイル群２０４ｂから出力される単相の交流電源の電圧波形を、インバータ２０３から出力される三相の交流電源の各相の線間電圧波形を足し合わせた波形とすることができるので、専用のインバータを用いずに、汎用のインバータを用いて高周波の交流電源をオゾン発生装置本体１０に供給することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、三相以上の交流電源を単相の交流電源に変換するトランスと、オゾン発生装置本体との間に、当該トランスから出力される単相の交流電源の電圧を、予め設定された電圧に昇圧する昇圧用トランスをさらに備える例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図５は、第２の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の回路構成の一例を示す図である。本実施形態では、電源装置５００は、コンバータ２０２、インバータ２０３、トランス２０４、コイル２０５、およびキャパシタ群２０６に加えて、昇圧用トランス５０１を備える。

昇圧用トランス５０１は、トランス２０４から出力される単相の交流電源を、予め設定された電圧の交流電源に昇圧する。ここで、予め設定された電圧は、オゾン発生装置本体１０に適した電圧である。そして、昇圧用トランス５０１は、予め設定された電圧に昇圧された単相の交流電源を、オゾン発生装置本体１０に供給する。

このように、第２の実施形態にかかるオゾン発生装置によれば、電源効率（電源変換効率）を上げることができるので、電源の容量を下げることが可能となる場合がある。

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、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。

Claims (4)

1. 商用電源として供給される交流電源を直流電源に変換するコンバータと、
   前記直流電源を三相以上の交流電源に変換するインバータと、
   直列接続される複数のキャパシタを有しかつ前記コンバータに対して並列接続されるキャパシタ群と、
   前記三相以上の交流電源の相毎に設けられる一次側コイルがスター結線される一次側コイル群と、前記一次側コイル毎に設けられる二次側コイルが直列接続される二次側コイル群と、を有し、前記一次側コイル群および前記二次側コイル群によって前記三相以上の交流電源を単相の交流電源に変換してオゾン発生装置本体に供給するトランスと、を備え、
   前記一次側コイル群の中性点が前記複数のキャパシタの間に接続される、オゾン発生装置の電源装置。
2. 前記インバータは、前記直流電源を、１周期当たりのパルス数が１パルスまたは３の倍数の前記三相以上の交流電源に変換する請求項１に記載のオゾン発生装置の電源装置。
3. 金属電極と、
   前記金属電極との間に、原料ガスが流入される放電ギャップを有する誘電体電極と、
   前記誘電体電極に交流電源を印加して前記原料ガス中で放電させ、当該放電によりオゾンを発生させる電源装置と、を備え、
   前記電源装置は、
   商用電源として供給される交流電源を直流電源に変換するコンバータと、
   前記直流電源を三相以上の交流電源に変換するインバータと、
   直列接続される複数のキャパシタを有しかつ前記コンバータに対して並列接続されるキャパシタ群と、
   前記三相以上の交流電源の相毎に設けられる一次側コイルがスター結線される一次側コイル群と、前記一次側コイル毎に設けられる二次側コイルが直列接続される二次側コイル群と、を有し、前記一次側コイル群および前記二次側コイル群によって前記三相以上の交流電源を単相の交流電源に変換して前記誘電体電極に供給するトランスと、を備え、
   前記一次側コイル群の中性点が前記複数のキャパシタの間に接続されるオゾン発生装置。
4. 前記インバータは、前記直流電源を、１周期当たりのパルス数が１パルスまたは３の倍数の前記三相以上の交流電源に変換する請求項３に記載のオゾン発生装置。

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