WO2006035506A1 - n相オゾン発生装置 - Google Patents

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WO2006035506A1
WO2006035506A1 PCT/JP2004/014274 JP2004014274W WO2006035506A1 WO 2006035506 A1 WO2006035506 A1 WO 2006035506A1 JP 2004014274 W JP2004014274 W JP 2004014274W WO 2006035506 A1 WO2006035506 A1 WO 2006035506A1
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voltage
ozone
ozone generator
transformer
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Application number
PCT/JP2004/014274
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Inventor
Yoichiro Tabata
Yujiro Okihara
Masayuki Ishikawa
Tetsuya Saitsu
Original Assignee
Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation
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Publication date
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Priority to EP12172289.6A priority patent/EP2520543B1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
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    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/10—Preparation of ozone
    • C01B13/11—Preparation of ozone by electric discharge
    • C01B13/115—Preparation of ozone by electric discharge characterised by the electrical circuits producing the electrical discharge
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    • C01B2201/00—Preparation of ozone by electrical discharge
    • C01B2201/10—Dischargers used for production of ozone
    • C01B2201/12—Plate-type dischargers
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    • C01B2201/40—Preparation of ozone by electrical discharge using several dischargers in series
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    • C01B2201/70—Cooling of the discharger; Means for making cooling unnecessary
    • C01B2201/74—Cooling of the discharger; Means for making cooling unnecessary by liquid
    • C01B2201/76—Water
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    • C01B2201/80—Additional processes occurring alongside the electrical discharges, e.g. catalytic processes
    • C01B2201/84—Treatment with magnetic fields
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    • C01B2201/00—Preparation of ozone by electrical discharge
    • C01B2201/90—Control of the process

Definitions

  • the present invention relates to a large-capacity ozone generator that generates ozone gas by supplying a raw material gas mainly composed of oxygen, and more specifically, an n- phase AC power source configuration of an ozone power source and a discharge cell group of the ozone generator
  • the present invention relates to an n-phase ozone generator configured to be electrically divided into n discharge cell groups (ozone generation units).
  • a conventional large-capacity ozone generator has a configuration as shown in FIG. 10, and a large-capacity ozone generator of about several tens kgZh to several hundred kgZh class has been realized. Using this large-capacity ozone generator, ozone is used in the field of advanced water treatment and pulp bleaching.
  • FIG. 10 shows an example of a conventional large-capacity ozone generator with an ozone generation amount of 35 kgZh.
  • the conventional large-capacity ozone generator 1100 is equipped with a water tank for cooling, a huge tank (diameter ⁇ 3000 ⁇ , length 4500mm) filled with oxygen source gas, 600 diameters ⁇ 40mm, length 2000mm
  • a cylindrical high voltage electrode tube coated with a high voltage electrode 3 is mounted inside the cylindrical glass high voltage tube 5.
  • 2000 is a transformer for supplying high voltage to a plurality of cylindrical glass high voltage tubes 5.
  • 3000 is a plurality of series rear turtles that suppress the inverter output current.
  • 4000 is a single-phase inverter element for outputting a single-phase AC voltage as a direct-current voltage input force.
  • 500 0 is a converter (rectifier) for supplying a DC voltage to be input to the inverter.
  • 6 000 is an input transformer for blocking the third harmonic due to the load of the three-phase commercial AC power supply and the ozone generator.
  • Reference numeral 4100 denotes a drive circuit for driving the inverter element 4000.
  • 4200 is a control circuit of the inverter element 4000.
  • the 4300 is a computer that commands and manages setting conditions such as the state of the ozone generator and the current output to the inverter.
  • Fig. 11 schematically shows the number of tubes that can be mounted when a cylindrical glass tube 5 having a diameter of ⁇ 40 ⁇ is mounted on a 200 mm square cross section.
  • Fig. 12 is a characteristic diagram showing the relationship between the inverter command signal and the inverter output waveform.
  • a three-phase commercial AC power supply is input to the input transformer 6000, and the output of the input transformer 6000 is converted into a DC voltage by the converter 5000, and the converted DC voltage is converted into an inverter. It is input to element 4000 and converted to an AC voltage of about 1 kHz by inverter element 4000.
  • the inverter element 4000 sends the ozone performance condition from the computer 4300 to the control circuit 4200.
  • the control circuit 4200 generates an inverter control signal, and sends the predetermined control signal from the drive circuit 4100 to the inverter element 4000 as shown in FIG.
  • an AC rectangular voltage synchronized with the pulse is output from the inverter.
  • This high voltage AC voltage is applied to the plurality of cylindrical glass high voltage tubes 5 from the high voltage terminal 120 of the large-capacity ozone generator 1100.
  • the other low voltage of the secondary voltage is connected to the ground terminal (low voltage terminal) YG of the large-capacity ozone generator 1100.
  • This conventional ozone generator 1100 is as shown in Table 1 in terms of performance specifications (specs) of a large-capacity ozone generator of 35 kgZh class.
  • the mass ozone generating apparatus the diameter [Phi 3000Paiiotapaiiota, a length of 4000 mm, a very large apparatus to the volume 28 m 3.
  • the power source capacity is 452kW and the load power factor is about 30%, so the load current is 150A, the load voltage is 10kV, the load capacity is 1500kVA, and the transformer 2000 is very large.
  • the characteristic E shows the characteristic of a conventional cylindrical multi-tube ozone generator with an AC voltage frequency of 1 kHz.
  • the discharge resistance characteristics are as shown in 8001a. The larger the capacity, the smaller the discharge resistance (load impedance). For this reason, it is difficult to stably spread silent discharge evenly over a large area of the discharge portion.
  • the characteristics of the frequency and the discharge voltage applied to the ozone generator are as shown in FIG.
  • the characteristic F solid line
  • Characteristic G (dotted line) is the discharge voltage characteristic when the discharge gap length is 0.3 mm and the discharge power density is 0.3 WZcm 2 .
  • the lower the frequency the higher the discharge voltage.
  • the discharge voltage also increases.
  • Conventional shell-and-tube ozone generator the discharge cap length 0. 3- 0. 6 mm approximately, frequency is 1KHz- 3 kHz, the discharge power density ozone is generated issued by setting the conditions of 0. 3WZcm 2 .
  • the operation region of FIG. 14 is 8001b, and the discharge voltage is around lOkV.
  • the discharge voltage becomes higher than 12 kV, so it is not preferable to set the discharge power density higher than 0.3 WZcm 2 for practical use of the device.
  • a plurality of cylindrical glass high-voltage tubes 5 having a diameter of ⁇ 40 ⁇ and a length of 2000 mm are inserted and Volume of conventional ozone generator with ozone generation amount of 7kgZh and conventional ozone generator with ozone generation amount of 70kgZh when operating frequency is 1kHz and discharge power density is 0.3WZcm 2 8003a in Fig. 15 As indicated by 8003b in Fig. 16, the volume was as large as 0.7 m 3 and 56 m 3 respectively.
  • the operating frequency is 1 kHz and the power factor of the ozone generator is as bad as 30%
  • the discharge capacity becomes very large
  • the transformer 2000 and the inverter element 400 0 become very large
  • the large-capacity ozone generator is huge. It was a system.
  • Japanese Patent Application No. 2002-306941 describes that two rectangular plate electrodes and a dielectric material are interposed between two plate electrodes.
  • a large-capacity ozone generator has been proposed in which multiple discharge cells with a discharge space of about 0.1 mm gap are mounted in one chamber.
  • a plurality of discharge cell electrodes mounted in a chamber are connected in parallel, and an AC high voltage is applied between the electrodes, so that a uniform gap is formed in the gap portion of each discharge cell via a dielectric.
  • a dielectric barrier discharge (silent discharge) is generated, and at the same time, a source gas mainly composed of oxygen gas is put into the chamber, and the gas is evenly passed through a discharge gap with a short gap of 0.1 mm on the outer periphery of the discharge cell.
  • a method and structure for taking out a large amount of ozone gas by using a method is shown.
  • the operating frequency is set to 10 kHz, and the discharge power density is reduced to 1.
  • OWZcm 2 as the discharge voltage is lowered.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 6-305706 and Japanese Patent Laid-Open No. 7-240268 an n-phase alternating current power source for outputting an n-phase alternating current and n discharge electrodes in a discharge chamber.
  • a rod is placed, one end of the discharge electrode rod is set to a regular n-gonal position, an n-phase AC voltage is applied to n discharge electrode rods, and a corona near the electrode rod of each electrode.
  • a discharge gas is generated, and a source gas containing oxygen flows along a discharge electrode rod installed in a regular n-square column shape. It has a structure that generates ozone.
  • This multi-phase AC multi-electrode corona discharge device is disclosed as being more efficient than the one-phase corona discharge device because planar discharge between the electrodes can be used for ozone generation.
  • an n-phase alternating current output device for outputting an n-phase alternating current and n discharge electrode rods arranged in the discharge chamber are used for discharging.
  • Set the discharge electrode rod so that one end of the electrode rod is in the position of a regular n-gon, and the discharge electrode rod on the other end is placed close to one apex, that is, in the shape of a regular n-pyramid,
  • An n-phase AC voltage is impressed on the discharge electrode rod, and a corona discharge is generated in the vicinity of the electrode rod between each electrode, and the apex of the positive n pyramid shape from the bottom of the discharge electrode rod installed in a regular n pyramid shape
  • This multi-phase AC multi-electrode corona discharge device is disclosed as being more efficient than the one-phase corona discharge device because planar discharge between the electrodes can be used for ozone generation.
  • a ⁇ -connected (or star-connected) transformer is provided, one end of the secondary side terminal of each transformer is connected to the cylindrical terminal as a common electrode, and the other secondary side terminal is connected to a rod-shaped high-voltage electrode to receive AC high voltage.
  • the ozone generator to be applied is shown.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-25104 discharge cells in which a plurality of dielectrics and high voltage electrodes are provided on one ground electrode (low voltage electrode surface) are stacked in multiple stages.
  • the ozone power source composed of a combination of a three-phase inverter and a three-phase transformer and the discharge cells stacked in multiple stages are divided into three cell groups, and each of the high-voltage electrodes is divided into three phases.
  • An AC high voltage is applied.
  • an embodiment in which four ozone power sources are connected as an example of supplying a plurality of AC high voltages to one discharge chamber as a power source is shown. It has been shown that by using a three-phase ozone power source, three discharge cells can be driven, the power source can be made compact, the power source can be made compact, and the cost can be reduced.
  • an ultra-compact type ozone generator unit 100 shown in FIG. 7 is disclosed!
  • 3 is a very thin (thickness of about 100 m or less) high-voltage electrode sandwiched between thin plate dielectrics 5 having a thickness of 1 mm or less.
  • 7 is a flat plate electrode, a rectangular low voltage electrode with a width of 20 mm, a length of 500 mm and a thickness of several mm.
  • the rectangular low-pressure electrode 7 having a thickness of several millimeters is formed by bonding two etched flat plates, so that the inside of the rectangular low-pressure electrode 7 is configured to take out a water cooling passage and ozone gas.
  • a 0.1 mm protruding spacer is provided on both sides of the rectangular low-voltage electrode 7.
  • the electrode is designed to take out a plurality of ozone gases from the rectangular discharge space.
  • FIG. 7 the water inlet / outlet for cooling the electrode and the ozone gas outlet are not described, but the detailed configuration is described in Japanese Patent Application No. 2002-306941.
  • multiple discharge units 100 are installed in one discharge chamber as shown in Fig. 6, and the power supply frequency starts from 3kHz or less as shown in 8002b in Fig. 14. and high frequency of about 6KHz- 20 kHz, of 360 DENDEN force lWZcm density from 0.
  • an ultra-compact, large-capacity ozone generator 1100 can be configured with a single unit, which is a fraction of the conventional volume.
  • the ozone performance characteristics of the conventional cylindrical multi-tube ozone generator are as follows.
  • the maximum ozone concentration is about 220 g / m 3 as shown by 8005 a in Fig. 17.
  • the maximum ozone concentration is 340 gZm 3 and 1.5 times higher concentration ozone can be obtained with this type of ozone generator.
  • the ozone concentration performance of a large-capacity ozone generator is more important than the maximum ozone concentration in terms of the amount of electricity (ozone yield) required to obtain lkgZh of ozone gas.
  • Figure 17 shows the ozone concentration with emphasis on ozone yield.
  • the cylindrical multi-tube ozone generator is about 180 gZm 3
  • the laminated plate ozone generator is 210 gZm 3 , which can increase the ozone yield by a little less than 20%.
  • discharge characteristics A to D at discharge power density of 1.4 WZcm 2 indicate the characteristics of the laminated plate type ozone generator.
  • Discharge characteristic E is a characteristic of a conventional cylindrical multi-tube type ozone generator. The frequency is 1 kHz and the discharge power density is 0.3 WZcm 2 .
  • the maximum capacity is around 1OkgZh as the single unit capacity of this laminated plate type ozone generator.
  • increasing the capacity of a single machine adds economic limitations such as an increase in power consumption for generating ozone due to an increase in the discharge power factor and badness, and an increase in the peak current of the load current value. Therefore, a restriction is added to the single machine capacity of the ozone generator.
  • the capacity of a single machine is increased, the load impedance of the discharge cell becomes very small, and the control capability of the power supply for stably supplying the amount of ozone generated becomes extremely poor, so the single machine capacity cannot be increased! Problems such as came out.
  • ozone water treatment equipment using ozone and ozone pulp bleaching equipment used for pulp bleaching with ozone require ozone of several tens to several hundred kgZh.
  • a ozone generator of several hundred kgZh class is configured with a cylindrical multi-tube type ozone generator, it will be a large-scale facility of about 200 m 3 due to the electrode shape.
  • the ozone concentration is higher, the ozone concentration is higher, and the pulling force is several tens of kgZh-class. ⁇ ⁇ ⁇ is desired.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 9-59006
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 6-305706
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 7-240268
  • Patent Document 4 Japanese Patent Publication No. 8-22724
  • Patent Document 5 Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-157302
  • Patent Document 6 Japanese Patent Laid-Open No. 10-25104
  • Patent Document 7 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-26405
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 9-59006 is a system in which a plurality of three-phase discharge tubes each having three electrodes formed by a single discharge tube are installed, and the structure of the discharge tube becomes complicated or several tens of times.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 6-305706, Japanese Patent Laid-Open No. 7-240268, Japanese Patent Publication No. 8-22724, and Japanese Patent Laid-Open No. 7-157302 have a regular n prismatic shape in one discharge tube.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 6-305706, Japanese Patent Laid-Open No. 7-240268, Japanese Patent Publication No. 8-22724, and Japanese Patent Laid-Open No. 7-157302 have a regular n prismatic shape in one discharge tube.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 10-25104 discloses a power supply device for an ozone generator using a three-phase current source inverter and a three-phase transformer as an ozone power source. If multiple ozone generators are used, a large-capacity ozone generator can be realized. However, a more compact ozone generator cannot be used to construct a large-capacity power supply of several tens of kgZh class and one lOOkgZh class with a single ozone power source. For this reason, there is a problem that a large-capacity power supply becomes large and a large-capacity ozone device cannot be realized at a lower cost.
  • the entire apparatus is very large as a large-capacity ozone generator of several tens of kgZh class and lOOkgZh class, and the apparatus can be realized at low cost. I helped.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • electricity is supplied to the ozone generator.
  • the configuration including the configuration, ozone power supply configuration and control method it is compact.
  • the object is to reduce the cost and improve the maintainability of the apparatus.
  • the commercial frequency voltage is rectified, the rectified voltage is converted into an alternating voltage of a predetermined frequency by an inverter, and the alternating current of the predetermined frequency is increased by a transformer and a rear tuttle.
  • One discharge chamber having a voltage alternating current, an ozone power source that outputs a high voltage and a low voltage converted into a high voltage alternating current, a high voltage terminal that inputs an alternating high voltage of the ozone power source, and a low voltage terminal that inputs a low voltage;
  • a large-capacity ozone generator comprising a plurality of laminated flat plate type ozone generator units that are laminated in this discharge chamber and are configured by alternately laminating a plurality of flat plate-like high-voltage electrodes and low-pressure electrodes.
  • the ozone power supply converts the rectified voltage into an n-phase AC voltage with a predetermined frequency and outputs an n-phase AC voltage waveform, and an n-phase inverter output from the n-phase inverter.
  • N converters that convert voltage into n-phase high-voltage AC voltage, n-phase transformers, n-phase transformers that output n-phase high-voltage AC voltage, and n high-voltage terminals A plurality of stacked flat plate type ozone generator units are electrically divided into n pieces within a discharge chamber, and one zozo is composed of one low voltage terminal that outputs a low voltage having a common potential.
  • the high voltage electrodes of the ozone generator unit are set to the same high voltage potential, and n high voltage electrode terminals from each ozone generator unit and one low voltage electrode terminal common to all the low voltage electrodes of the ozone generator unit are provided. Connect the n high voltage terminals of the ozone generator unit to the n high voltage terminals of the ozone power supply output and one low voltage electrode of the ozone generator unit to one low voltage terminal of the ozone power output. By connecting the terminal The AC discharge of n-phase is generated at each ozone generating unit, in which so as to generate ozone.
  • the ozone power source is provided between the n-phase transformer and the plurality of ozone generation units, and includes the i low-voltage electrode terminals and the n zozos that share all the low-voltage electrodes of the ozone generation unit.
  • Each of the generator units is equipped with n rear tuttles connected in parallel.
  • the ozone power supply is equipped with a time divider that can divide evenly from 3 phases to n phases, and by inputting a specified phase number signal from the external signal to the time divider, By commanding the divided signal to the inverter, it is possible to variably control to any phase while maintaining stepwise equilibrium from the 3 phase to the n phase.
  • the n rear tuttles or n transformers of the ozone power source are U-shaped cores in which a transformer coil or a rear tuttle coil is wound around the opposite side of the I-shaped core having a polygonal cross-sectional shape. Or, a plurality of L-shaped cores are closely attached to form n transformers or n reactors, and the coils of the n transformers or n rear tuttles are connected in a delta connection or a star connection. It is.
  • the n rear tutors or n transformers of the ozone power source can be configured so that the U-shaped core L or the L-shaped core 1 that is in close contact with the opposite side of the polygonal I-shaped core 1 can be freely attached and detached.
  • the transformer with the n-phase transformer or rear tuttle configuration can be changed to a three-phase / n-phase transformer or rear tuttle configuration.
  • a fuse or a circuit breaker is provided between n high voltage terminals of the ozone power source and n high voltage electrode terminals of the ozone generator unit.
  • a current detector is provided in each of the output parts of the n high voltage terminals of the ozone power source, and if there is a phase in which the current value flowing in each phase is equal to or greater than a predetermined value, the current greater than the predetermined value is Electricity is cut off from the flowing phase, and it operates with n-1 phase.
  • a voltage detector is provided in each of the output part of the n high voltage terminals and the low voltage potential output part of the ozone power source, and the voltage value covering the low voltage potential and each phase is equal to or less than a predetermined value. If there is a phase, the phase having a voltage equal to or lower than the predetermined value is electrically cut off, and the operation is performed with n ⁇ 1 phase.
  • the n-phase AC discharge is generated in each ozone generator to generate ozone.
  • An ozone generator can be realized, and a device that is compact and very inexpensive can be obtained. Also
  • Each n-phase ozone generation unit is equipped with a parallel rear tutor, and the load power factor is improved by parallel resonance between the ozone generation unit and the parallel rear tuttle. Has the effect of reducing the
  • the rear tuttle and transformer that are accessories of the ozone generator have a U-shaped core in which a transformer coil or a rear tuttle coil is wound around the opposite side of the I-shaped core having a polygonal cross-sectional shape.
  • N transformers or rear A tuttle is constructed, and the transformer or rear tuttle is constructed by connecting the n transformers or the rear tutor coils in a ⁇ connection or a star connection, so the rear tuttle and the transformer can be made very small.
  • a time divider capable of equally dividing time from 3 phases to n phases is provided, and by inputting an external signal force designation phase number signal to this time divider, the time divider can By instructing the inverter with a signal that is divided in equal time, it is possible to variably control to any phase from the 3 phase to the n phase while maintaining the balance in steps.
  • the U-shaped core or L-shaped core that is in close contact with the opposite side of the polygonal I-shaped core can be easily attached or removed.
  • phase ozone generation units can be easily disconnected.
  • the current value or voltage of the ozone generation unit for each phase can be monitored to automatically detect the defective ozone generation unit and remove the defective ozone generation device. Even if a part of the generator unit breaks down, it can be easily restored simply by cutting off the connection of the failed phase, and the large-scale system can be restored in a very short time.
  • FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing an outline of the entire system of an n-phase ozone generator constituted by a six-phase inverter, a rear tuttle, and a six-phase transformer in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a main circuit and gate signal circuit diagram of an n-phase inverter according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a system configuration diagram showing a detailed configuration of each component of the n-phase ozone generator in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing the command signal and inverter output waveform of the n-phase inverter of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram showing an inverter control system for arbitrarily varying the number of phases of the inverter according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a structural view showing a laminated flat plate type ozone generator in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a laminated plate type ozone generating unit in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a structural diagram showing an n-phase transformer and a rear tuttle in Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 9 is a structural diagram showing an n-phase transformer and a rear tuttle attaching / detaching mechanism according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 10 is a system configuration diagram showing a schematic configuration of a conventional large-capacity ozone generator.
  • FIG. 11 is a structural diagram showing an electrode structure of a conventional ozone generating unit.
  • Figure 12 shows the inverter command signal and inverter output waveform diagram of the conventional ozone generator.
  • Fig. 13 is a characteristic diagram showing the relationship between the ozone capacity of the ozone generator and the discharge load resistance.
  • Fig. 14 is a characteristic diagram showing the relationship between the operating frequency of the power source of the ozone generator and the applied load voltage.
  • FIG. 15 is a characteristic diagram showing the volume characteristics of an ozone generator with an ozone generation amount of 7 kgZh.
  • FIG. 16 is a characteristic diagram showing the volume characteristics of an ozone generator with an ozone generation amount of 70 kgZh.
  • FIG. 17 is a characteristic diagram showing the ozone performance of the ozone generator.
  • FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing an outline of the entire system of an n-phase ozone generator configured by an n-phase inverter, a rear tuttle, and an n-phase transformer in Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 shows Embodiment 1 of the present invention.
  • the main circuit and gate signal circuit diagram of the n-phase inverter in Fig. 3 is a system configuration diagram showing the detailed configuration of each component of the n-phase ozone generator in Example 1 of the present invention
  • Fig. 4 is the n-phase inverter of the present invention.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing an inverter command signal and an inverter output waveform.
  • 100a-100f is six ozone generator units
  • 1100 is a six-phase (n-phase) ozone generator, and consists of six laminated plate type ozone generator units 100, This is an example of a large-capacity ozone generator with an ozone generation amount of 70 kgZh.
  • 1500 consists of 6 fuser units 100a—6 fuses or circuit breakers 15a—
  • 2000-a is a parallel rear tutor with six parallel rear tutors 201a-201f that also improves power factor by resonating with six ozone generator units 100a-100f.
  • Block 2000-b is a six-phase (n-phase) transformer block consisting of six transformers 202a-202f for supplying high voltage to each of the six ozone generator units 100a-100f
  • 3000 is an inverter
  • a series rear tuttle block consisting of 6 series rear tutors 3 01a-301f that suppress output current
  • 4000 is a 6-phase (6 phase elements consisting of 6 inverter elements 401a-401f for outputting 6-phase voltage from DC voltage input)
  • n-phase) inverter element block 5000 is a converter (rectifier) block composed of a plurality of converters (rectifiers) 5100 and 5200 for supplying DC voltage to be input to each inverter element 401a-401f.
  • 6000 is an input transformer block with multiple input transformers 6100a, 6100b, 6200a and 6200b to cut off the 3rd harmonic due to the load of commercial AC power supply and ozone generator
  • 4100 is 6 phase ( n-phase) Inverter drive circuit for driving the inverter element block 4000
  • 4200 is the control circuit for the 6-phase (n-phase) inverter element block 4000
  • 4300 is for setting the status of the ozone generator and the current output to the inverter, etc. It is a computer that performs the statute and management.
  • XI and X2 are DC voltage input from converter (rectifier) block 5000, Yl, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4, ⁇ 5, and ⁇ 6 are 6-phase ( ⁇ -phase) transformer block 2000-b 6-phase (n-phase) high voltage It is an AC voltage output and is connected to n high voltage terminals that output this n-phase high voltage AC voltage.
  • YG is a common low voltage (ground) of 6-phase AC voltage, and is connected to a low voltage terminal that outputs one low voltage that has a common potential for n high voltages.
  • Dial 1 D6f2 indicates a plurality of diodes provided for each gate command signal of each inverter element 401a-401f
  • 41a-46b indicate a plurality of power transistors provided for each inverter element 401a-401f.
  • the ozone generators shown in Figs. 1 and 3 the water cooling mechanism of the ozone generator, the supply structure of the raw material gas, and the ozone gas extraction mechanism are naturally necessary, but they are not directly related to the present invention. Is not listed.
  • Reference numeral 120 denotes a high voltage terminal for supplying six phases (n phases) of high voltage AC voltages having different phases to each of the six ozone generation units 100a to 100f.
  • commercial AC power is input to the input transformer block 6000 to supply voltage to the ozone generator.
  • the commercial AC power supply and the ozone generator are electrically separated, so that the ON / OFF of the inverter of the ozone generator and the harmonic components from the ozone generator are not superimposed on the commercial AC power supply. It plays the role of cutting.
  • Converter (rectifier) block 5000 receives the secondary voltage of human power transformer block 6000 and rectifies it into a DC voltage.
  • the DC voltage from converter block 5000 is input to 6-phase (n-phase) inverter element block 4000.
  • a predetermined current and frequency (cycle) command is input from the computer 4300 to the control circuit 4200.
  • the control circuit 4200 a 6-phase (n-phase) pulse waveform having a predetermined cycle and divided into 6 phases (n-phase) is generated, and a signal is sent to the inverter drive circuit 4100.
  • the output is increased to the output for driving each inverter element 401a-401f, and an ON-OFF pulse is sent to the inverter drive circuit 4100.
  • the gate signal circuit of the 6-phase (n-phase) inverter element block 4000 is as shown in Fig. 2. al, a2, bl, b2, cl, c2, dl, d2, el, e2, fl, f2
  • the NORORES waveform shown in Fig. 4 is input.
  • al is a phase 0, and an ON signal is input to the gate circuit of the power transistor 41a of the inverter element 401a via the diode Dial with a predetermined pulse width, and the diode D2al is used to input the ON signal.
  • the ON signal is also input to the gate circuit of the power transistor 42b of the next inverter element 401b, and when the power transistors 41a and 42b become conductive, a + voltage is applied between yl and y2 during the pulse width period. Is done.
  • the ON signal is input to the gate circuit of the power transistor 41b of the inverter element 401a via the diode Dla2 and the ON signal is input to the gate circuit of the next inverter element 401b via the diode D2a2.
  • the ON signal is also input to the gate circuit, and the power transistors 41b and 42a become conductive, so that a voltage is applied between the pulse width and yl-y2.
  • the above al and a2 gate signals are alternately turned on and off at a predetermined period T, and an alternating square wave voltage force inverter with period T is output between yl and y2.
  • the alternating current rectangle with the phase t shifted from the alternating current rectangular wave voltage waveform between yl and y2 by alternately turning on the power transistors 42a and 43b of the inverter elements 401b and 401c and turning on the power transistors 43a and 42b alternately.
  • a wave voltage waveform is applied between y2 and y3.
  • an alternating rectangular wave voltage waveform with a phase force shifted by 3 ⁇ 4 is applied between y3 and y4, between y4 and y5, and between y6 and yl.
  • the rectangular AC voltage waveform is the L component of the series rear tuttle and transformer.
  • the 6-phase (n-phase) high-voltage waveform Yl close to the sine wave appears on the secondary side of the 6-phase (n-phase) transformer block 2000—b.
  • the primary side of the 6-phase ( ⁇ -phase) transformer block 2000-b has a circulation connection so that the DC voltage is evenly superimposed and the voltage applied to the inverter is made as low as possible to suppress the withstand voltage of the inverter. .
  • the secondary side outputs a 6-phase (n-phase) high-voltage waveform with a star connection to make the low-voltage potential (ground) common.
  • the six-phase (n-phase) high-voltage waveform Yl, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4, ⁇ 5, and ⁇ 6 can be cut off for every six ozone generator units 100a-100f.
  • the voltage is supplied from the high voltage terminal 120.
  • the low-voltage electrode is returned to the transformer block 2000-b by YG as a common potential (earth) with the device casing.
  • the parallel rear tuttle block 2000 a cocoon, six (n) identical reactors 201a-201f are arranged, and the six-phase (n-phase) transformer block 2000 is arranged.
  • each rear tuttle 201a-201f Connected between the high-voltage output side of the secondary side of b and the low-voltage potential (earth), each rear tuttle 201a-201f is inserted in parallel with each ozone generator unit 100a-100f. Since the load of the ozone generator unit 100 is formed of a dielectric material, it is a capacitive load, the load is an advanced load, and the power factor is as low as about 20%.
  • the ozone generator unit 100 is designed to supply, for example, 10 kW of power, the power factor is low, so a power supply of approximately 50 kVA capacity is supplied to one ozone generator unit 100. You must be able to do it.
  • Transformer block 2000—b and inverter block 4000 must be designed with large capacities, resulting in a problem that the weight and volume become very large at the same time as manufacturing costs. This problem becomes more serious as the volume of ozone generator becomes larger.
  • a parallel IJ reactor block 2000—a is provided on the secondary phase J of the 6-phase (n-phase) transformer block 2000—b, and the parallel IJ reactor blocks 201a, 201b are provided.
  • 201 c, 201d, 201e, 201f and 6 (n) ozone generator units 100a—lOOf are connected to each other in parallel to improve power factor and improve 6-phase (n-phase) )
  • the power factor of transformer block 2000-b and inverse tough lock 4000 is improved, and very compact transformer block 2000-b And an inverter block 4000 can be realized.
  • This 6-phase (n-phase) parallel resonance is a single unit ozone generator unit that uses load current more effectively than parallel resonance, so it can be designed to be smaller than a single-unit resonance rear tutor. There is.
  • the power supply voltage can be designed to be low and the current value flowing through the rear tutor can be reduced, so the series rear tuttle is advantageous in terms of cost.
  • Example 3 will be described with reference to FIG.
  • This Example 3 is equipped with a time divider that can divide evenly from 3 phases to n phases, and by inputting a specified number of phases signal to the time divider from the external signal cover, the time divider force is also divided equally. By instructing the signal to the inverter, it is possible to variably control to any phase while maintaining the balance from 3 phase to n phase in steps.
  • Fig. 5 shows the frequency of the ozone generator in the computer 4300.
  • the computer 4300 calculates the phase time t from the period T and the n phases input to the inverter element block 4000, and the control circuit 4200 and inverter drive circuit 4100 This shows the calculation of the inverter drive command corresponding to the inverter element 401 of each phase.
  • 9001 is an input signal of frequency F
  • 9002 is an input signal of phase number n
  • 9100 is a calculation block.
  • the calculation block 9100 includes a calculation block 9110 for a period T, a calculation block 9120 for a phase time t, and a calculation block 9130 for a phase interval corresponding to the number of phases.
  • the calculation processing for controlling the phase balance by changing the number of phases is omitted.
  • the inverter element 401 Only a part of the inverter element 401 can be operated. It is what I did. In this way, by calculating the phase interval according to the number of phases using a computer, etc., and enabling the inverter to operate with an arbitrary number of phases, the inverter itself can always be operated with a balanced load. By changing the number of phases, the load balance of the ozone generator becomes unbalanced, and there is no need to worry about worsening the power supply cannula.
  • a time divider that can equally divide time from 3 phases to n phases is provided, and by inputting a specified phase number signal from an external signal to the time divider, the signal divided by the time divider force is also given to the inverter. By commanding, it is possible to variably control to any phase while maintaining the balance in stages from the 3 phase to the n phase.
  • Figure 8 shows power factor improvement by resonating with 6-phase (n-phase) series reactor 3000, 6-phase (n-phase) transformer 2000-b that boosts 6-phase (n-phase) AC voltage, and an ozone generator load.
  • a structural diagram of a six-phase (n-phase) parallel rear tuttle 2000-a that performs the above is shown.
  • 21a-21f represents the coil part of the 6-phase (n-phase) transformer or rear tuttle.
  • 22a-22f shows a U-shaped or L-shaped core part of a 6-phase (n-phase) transformer or rear tuttle.
  • 23 shows an I-type core with a hexagonal cross section.
  • 29 shows a band connecting the U-type or L-type cores 22a-22f and the I-type cores 23.
  • a 6-phase (n-phase) transformer and rear tuttle are formed.
  • Example 5 it is possible to reduce the size of the 6-phase (n-phase) transformer by configuring it as an integrated 6-phase (n-phase) transformer.
  • Example 5 will be described with reference to FIG.
  • Figure 9 shows power factor improvement by resonating with 6-phase (n-phase) series reactor 3000, 6-phase (n-phase) transformer 2000-b that boosts 6-phase (n-phase) AC voltage, and an ozone generator load.
  • 6-phase (n-phase) parallel rear tutor 2000 Indicates that the number of phases of a can be easily removed and installed.
  • Example 5 in the integrated six-phase (n-phase) transformer, the U-shaped or L-shaped magnetic core of the six-phase (n-phase) transformer is stopped and the band 29 is removed.
  • the structure in which the magnetic core can be easily removed for each coil 21 is provided, there is an effect that, in particular, the faulty phase transformer can be removed and the system restart of the ozone generator can be accelerated.
  • each of the high-voltage terminals 120 of the 6-phase (n-phase) ozone generator unit and the series fuses or circuit breakers 15a to 15f are provided, and the defective ozone generator unit 1 00 And one phase of the inverter element can be cut off.
  • fuse or circuit breaker 15a-15f connected in series with each high-voltage terminal 120 of the 6-phase (n-phase) ozone generator unit is connected in series with the secondary high-voltage output terminal of the transformer 2000-b. You may do.
  • each phase is automatically operated when the overcurrent flows in the state where the overcurrent flow is interrupted. Will be continued.
  • the circuit breakers 15a-15f as shown in Fig. 3, if the computer 4300 forcibly shuts off from the outside via the circuit breaker operating means 4315, the operation without removing the shut-off phase can be continued. .
  • Example 7 a current detector (not shown) for detecting current flowing in each part of the 6-phase (n-phase) ozone generator is provided, and the input current of the input transformer, the output current, and the output of the converter Current, inverter element output current, series rear tutor output current, transformer output current, parallel rear tutor current, ozone generator unit current The value is automatically detected by the current detector, the defective part is automatically detected, and the system is stopped or the defective phase is separated. The current value of each part is monitored and it is judged whether there is a force within the specified current range, and the defective part of the input transformer, converter, inverter element of each phase, series rear turtle, transformer, parallel rear turtle, and ozone generator unit is checked. Detects and automatically disconnects the phase that caused the device to stop or malfunction.
  • an input transformer input section, output section, converter output section, inverter output section for each phase, series rear turtle section, transformer output section, parallel rear turtle section, current detector in the ozone generator section Input transformer input current value, output current value, converter output current value and inverter output current value of each phase, series rear turtle current value, transformer output current value, parallel rear turtle current value, ozone generator unit current value Is detected at any time, and these current values are loaded into the computer 4300 and monitored for overcurrent exceeding the specified rated conditions or for current below the rated conditions, and current outside the rated current range.
  • the parallel Riatatoru unit identifies the fault location of the ozone generator unit unit, to automatically disconnect the phase became stop or malfunction of the device.
  • Example 8 a voltage detector that detects the voltage of each part of the 6-phase (n-phase) ozone generator is provided, and the input voltage of the input transformer, the output voltage, the converter output voltage, and the inverter output of each phase
  • the voltage detector automatically detects each voltage value of the voltage, series rear turtle, transformer input voltage, transformer output voltage, parallel rear turtle, and ozone generator unit voltage. It is intended to isolate the phase of a stop or malfunction. Monitor the voltage value of each part and judge whether it is within the specified voltage range or not, and detect defective parts of the input transformer, converter and inverter elements of each phase, series rear turtle, transformer, parallel rear turtle, and ozone generator Or stop the device or The phase that has failed is automatically separated.
  • the voltage at each part of the system is monitored at any time, the faulty part is immediately identified, and the phase where the equipment stopped or malfunctioned is automatically separated. Effective for quick equipment repair and re-operation. Also, by monitoring both current and voltage at each location as needed, the failure location can be identified earlier.
  • n-phase ozone generator of the present invention can be applied to advanced water treatment of sewage requiring a high concentration and a large volume of ozone, and a large volume ozone generator in the field of pulp bleaching.

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Abstract

　大容量オゾン発生装置をコンパクトで安価にするとともに、装置のメンテナンス性も向上させる。 オゾン電源は、所定周波数の交流電圧に変換しｎ相の交流電圧波形を出力するｎ相インバータ４０００と、ｎ相の交流電圧をｎ相の高電圧交流電圧に変換するｎ個のリアクトル２０００−ａおよびｎ相のトランス２０００−ｂと、ｎ相の高電圧交流電圧を出力するｎ個の高電圧端子と、共通電位を有する１個の低電圧端子とから構成され、複数個のオゾン発生器ユニット１００は、放電チャンバー内でｎ個に電気的に分割され、それぞれのオゾン発生器ユニットからｎ個の高圧電極端子とオゾン発生器ユニットの全ての低圧電極を共通にした１個の低圧電極端子を引き出し、ｎ個の高電圧端子にｎ個の高圧電極端子を接続し、１個の低電圧端子に１個の低圧電極端子とを接続することにより、ｎ相の交流放電を各オゾン発生ユニットで発生させ、オゾンを発生させる。

Description

n相オゾン発生装置
技術分野
[0001] この発明は、酸素を主体にした原料ガスを供給してオゾンガスを生成する大容量ォ ゾン発生装置に関するもので、詳しくはオゾン電源の n相交流電源構成とオゾン発生 器の放電セル群を電気的に n個の放電セル群 (オゾン発生ユニット）に分割させる構 成とした n相オゾン発生装置に関するものである。
背景技術
[0002] 従来の大容量オゾン発生装置は、例えば、図 10のような構成で、約数十 kgZh— 数百 kgZh級の大容量オゾン発生装置が実現されて ヽる。この大容量オゾン発生装 置を利用して、下水の高度水処理やパルプ漂白分野でオゾンが利用されて 、る。
[0003] 図 10において、従来のオゾン発生量 35kgZh級の大容量オゾン発生装置の一例 を示す。従来の大容量オゾン発生装置 1100は、冷却するための水タンクを配設し、 酸素原料ガスを満たした巨大タンク（直径 Φ 3000πιπι、長さ 4500mm)に、 600本の 直径 Φ 40mm,長さ 2000mmの円筒ガラス高電圧管 5の内部に高電圧電極 3をコー ティングした円筒型高圧電極管を装着する構成である。
[0004] 2000は複数個の円筒ガラス高電圧管 5に高電圧を供給するためのトランスである。
3000はインバータ出力電流を抑制する複数個の直列リアタトルである。 4000は直 流電圧の入力力も単相交流電圧を出力するための単相インバータ素子である。 500 0はインバータに入力する直流電圧を供給するためのコンバータ (整流器)である。 6 000は三相商用交流電源とオゾン発生装置の負荷による第 3高調波を遮断するため の入力トランスである。 4100はインバータ素子 4000を駆動するためのドライブ回路 である。 4200はインバータ素子 4000の制御回路である。 4300はオゾン発生装置の 状態およびインバータに出力する電流等の設定条件指令と管理を行うコンピュータ である。図 11は、直径 Φ40πιπιの円筒ガラス管 5を 200mm角の断面に装着した場 合の装着できる本数を模式的に想定した図を示す。図 12は、インバータの指令信号 とインバータ出力波形との関係を示す特性図である。 [0005] 従来の大容量オゾン発生装置では、三相商用交流電源を入力トランス 6000に入 力し、入力トランス 6000の出力をー且コンバータ 5000によって直流電圧に変換し、 この変換した直流電圧をインバータ素子 4000に入力し、インバータ素子 4000によ つて、約 1kHzの交流電圧に変換している。
インバータ素子 4000は、コンピュータ 4300からオゾン性能の条件を制御回路 420 0に送り、制御回路 4200では、インバータの制御信号を作り出し、所定の制御信号 をドライブ回路 4100からインバータ素子 4000に図 12の 2つの指令信号 7001a、 70 01bの ON— OFF信号として交互に入力することにより、そのパルスに同期した交流 矩形電圧がインバータから出力される。
この交流矩形電圧はインバータ出力電流を抑制する直列リアタトル 3000を介して、 トランス 2000に入力することで、トランスの 2次側から 1kHzの正弦波形に近い約 10k V程度の高電圧交流波形 Y1が出力される。この高電圧交流電圧は、大容量オゾン 発生装置 1100の高圧端子 120から複数個の円筒ガラス高電圧管 5に印加している 。 2次電圧のもう 1つの低圧電圧を大容量オゾン発生装置 1100のアース端子 (低電 圧端子) YGに接続している。このように、オゾン発生装置 1100に高電圧を印加する ことで、高電圧電極 3と低圧電極間に誘電体である円筒ガラス高電圧管 5を介して無 声放電を発生させ、オゾンを生成し、オゾン発生装置 1100のオゾン取出口 110から オゾンィ匕ガスを取り出せるようになって!/、る。
[0006] この従来のオゾン発生装置 1100は、 35kgZh級の大容量オゾン発生装置の性能 仕様 (スペック）では表 1のようになる。大容量オゾン発生装置は、直径 Φ 3000πιπι、 長さ 4000mm、容積 28m3と非常に大きな装置である。また、電源容量は、 452kW で、負荷力率は約 30%程度であるため、負荷電流は 150A、負荷電圧 10kV、負荷 容量は 1500kVAとなり、トランス 2000が非常に大きくなる。
[0007] [表 1] 従来の円筒多管方式のスペック 放電セル体積 20cm X 20cm X 200cm (0.003m3) 放電数 600本 ( ί> 40 -2000)
放電面積 （m2) 150.72
オゾン発生装置のタンク容積 3000 - 4000mm (28m3) 定格オゾン濃度 （g/ms) 180
最大オゾン濃度 （gAn3) 220
オゾン収率 OiWh/kg.03) 11
放電電力密度 （W/cm2) 0.3
放電電力 （kW) 452
オゾン発生量 （kg h) . 41.11
刀 ϊήί量 (L mm 3806.1
動作周波数 CkHz) 1
負荷力率 ） . - 30
負荷電流 （A) 150.72
負荷電圧 (kV) 10
[0008] また、オゾン発生装置のオゾン容量と放電負荷抵抗の関係は、図 13のような特性 図になる。図 13において、特性 Eは、従来の交流電圧の周波数 1kHzで円筒多管式 オゾン発生装置の特性を示す。放電抵抗特性は 8001aのようになり、大容量になれ ばなる程、放電抵抗 (負荷インピーダンス）が小さくなる。そのため、大面積の放電部 分に均等に無声放電を安定的に広げることが難しくなる。
[0009] また、周波数とオゾン発生装置に印加する放電電圧特性は、図 14のような特性図 になる。図 14において、特性 F (実線）は、放電ギャップ長 0. lmm,放電電力密度 1 . 5WZcm2の場合の放電電圧特性である。特性 G (点線）は、放電ギャップ長 0. 3m m、放電電力密度 0. 3WZcm2の場合の放電電圧特性である。周波数が低くなるほ ど、放電電圧は高くなる。さらに、放電電力密度が高くなると、放電電圧も高くなる。 従来の円筒多管式オゾン発生装置は、放電キャップ長が 0. 3— 0. 6mm程度で、 周波数は 1kHz— 3kHzで、放電電力密度が 0. 3WZcm2の設定条件でオゾンが発 生される。そのため、図 14の動作領域は 8001bになり、放電電圧が lOkV前後となる 。また、放電電力密度が 0. 3WZcm2より高くなると、放電電圧が 12kV以上高くなる ため、装置の実用上放電電力密度を 0. 3WZcm2より高くすることは好ましくない。
[0010] さらに、直径 Φ40ππη、長さ 2000mmの円筒ガラス高電圧管 5を複数本挿入し、動 作周波数 1kHzで、放電電力密度 0. 3WZcm2にした場合のオゾン発生量 7kgZh 級の従来のオゾン発生装置および、オゾン発生量 70kgZh級の従来のオゾン発生 装置の容積 ίま、図 15の 8003a、図 16の 8003bに示すように、それぞれ 0. 7m3、 56 m3と大きな容積になっていた。また、動作周波数が 1kHzで、オゾン発生器の力率が 30%と悪いため、放電容量が非常に大きくなり、トランス 2000、インバータ素子 400 0が非常に大きくなり、大容量オゾン発生装置は巨大なシステムになっていた。
[0011] このように、従来の大容量オゾン発生装置を改善するための、技術改善を行うため 、下記のような先行技術があった。
まず、本発明に先立って提案された大容量オゾン発生装置として、日本特願 2002 —306941号には、長方形状の 2枚の平板状電極と 2枚の平板電極間に誘電体を介 して約 0. 1mmギャップの放電空間を設けた放電セルを 1つのチャンバ一内に複数 個装着した大容量オゾン発生装置が提案されている。この装置ではチャンバ一内に 装着した複数個の放電セル電極を並列的に接続し、電極間に交流高電圧を印加す ることにより、誘電体を介して、各放電セルのギャップ部に均一な誘電体バリヤ一放 電 (無声放電)を発生させ、同時にチャンバ一内に酸素ガスを主体にした原料ガスを 入れ、放電セルの外周力 0. 1mmの短ギャップの放電空間に均等にガスを通すェ 夫をして多量のオゾンガスを取出す方法および構造が示されており、動作周波数を 1 0kHzとし、放電電圧の低下とともに、放電電力密度も 1. OWZcm2と性能アップが 図られている。
[0012] また、他の先行技術の日本特開平 9 59006号公報において、無声放電式のォゾ ン発生装置用電源装置として負荷力率およびオゾン発生効率を向上させる目的で 複数個の放電管を並設し、 3相電流形インバータと 3相結線をしたトランスを用いたォ ゾン発生装置用電源装置が提示されている。
[0013] また、他の先行技術の日本特開平 6— 305706号公報、日本特開平 7— 240268号 公報において、 n相交流を出力する n相交流電源と放電チャンバ一内に n個の放電 電極棒を配設し、放電電極棒の一端を正 n角形の位置に放電電極棒を設定し、 n個 の放電電極棒に n相の交流電圧を印加させ、各電極問の電極棒近辺にコロナ放電 を生じさせ、正 n角柱状に設置した放電電極棒に沿って酸素を含んだ原料ガスを流 すことでオゾンを生成する構造にしている。この多相交流多電極コロナ放電装置は 1 相のコロナ放電装置に比べ、各電極間での平面状放電をオゾン生成に利用できるの で、効率が良くなると開示されている。
[0014] また、他の先行技術の日本特公平 8— 22724号公報において、 n相交流を出力す る n相交流出力器と放電チャンバ一内に n個の放電電極棒を配設し、放電電極棒の 一端を正 n角形の位置に放電電極棒を設定し、もう一端の放電電極棒を 1つの頂点 に近接させるように、つまり正 n角錐状に放電電極棒を設置し、 n個の放電電極棒に n 相の交流電圧を印カ卩させ、各電極間の電極棒近辺にコロナ放電を生じさせ、正 n角 錐状に設置した放電電極棒の底辺部から正 n角錐状の頂点に向けて酸素を含んだ 原料ガスを流すことでオゾンを生成する構造にして 、る。この多相交流多電極コロナ 放電装置は 1相のコロナ放電装置に比べ、各電極間での平面状放電をオゾン生成 に利用できるので、効率が良くなると開示されている。 日本特開平 7-240268号公報 と電極棒の配置構成は異なるが同等の発明になって!/、る。
[0015] また、他の先行技術の日本特開平 7— 157302号公報において、 3相交流電源を
Δ結線 (あるいはスター結線)されたトランスを設け、各トランスの 2次側端子の一端を 共通電極として筒体端子に接続し、もう一方の 2次側端子を棒状の高圧電極に交流 高電圧を印加するオゾン発生装置が示されて ヽる。
[0016] また、他の先行技術の日本特開平 10— 25104号公報において、 1つの接地電極（ 低圧電極面）に複数個の誘電体と高圧電極を設けた放電セルを多段に積層するよう にしたオゾン発生器の構成にぉ 、て、 3相インバータと 3相トランスの組み合わせで構 成したオゾン電源と多段に積層した放電セルを 3つのセル群に分割し、それぞれの 高圧電極部に 3相交流高電圧を印加するように構成している。また、他の実施例とし て、電源としては 1つの放電チャンバ一に複数個の交流高電圧を供給する例として 4 つのオゾン電源を接続する実施例が示されて ヽる。 3相オゾン電源にすることで 3つ の放電セルを駆動でき、電源のコンパクトィ匕が図れ、電源部がコンパクトになり、安価 にできることが示されて 、る。
[0017] さらに、他の先行技術の特開 2001— 26405号公報において、オゾン発生器ュ-ッ トをスタック化することで、オゾン発生器の大容量ィ匕とコンパクトに構成できるオゾン発 生装置が示されている。
本発明に先立って提案された前記日本特願 2002-306941号においては、図 7に 示す超コンパクトタイプのオゾン発生器ュニット 100力開示されて!、る。図 7において 、 3は lmm厚以下の薄い平板誘電体 5に挟まれた非常に薄い (厚さ約 100 m以下 )の高圧電極である。 7は平板電極で幅 20mm、長さ 500mmで数 mm厚の長方形型 低圧電極である。そして、 1mm厚以下の薄い平板誘電体 5に挟まれた非常に薄い 高圧電極 3と、数 mm厚の長方形型低圧電極 7とを交互に複数個積層して、大きさ約 200mm X 200mm,長さ 500mmのオゾン発生器ユニット 100が構成される。数 mm 厚の長方形型低圧電極 7はエッチング加工された 2枚の平板板を貼り合せることで、 長方形型低圧電極 7の内部は、水の冷却通路とオゾンガスを取り出す構成になって いる。また、短ギャップ放電空間を形成するために、 0. 1mmの突起状のスぺーサを 長方形型低圧電極 7の両面に設けて構成されている。さらに、長方形状の放電空間 で酸素ガスを均等に流し、オゾン発生性能を高めるために、長方形状の放電空間か ら複数個のオゾンガスを取り出すように工夫された電極になって 、る。図 7にお 、て は、電極を冷却するための水の出入り口、オゾンガス取出口については記載してい ないが、詳細な構成については、日本特願 2002-306941号に記載されている。 日本特願 2002— 306941号においては、 1つの放電チャンバ一に複数個の放電 ユニット 100を図 6のように装着し、図 14の 8002bに示すように、電源周波数は、従 来の 3kHz以下から 6kHz— 20kHz程度に高周波化し、オゾン発生装置の従来の放 電電力密度を 0. 3WZcm2から lWZcm2— 2WZcm2程度にして設計すれば、図 1 5の 8004a、図 16の 8004bに示すように、単機で、従来の容積に itベ、数分の 1とな る超コンパクトの大容量オゾン発生装置 1100を構成できることが示されて 、る。 さらに、オゾン性能特性は、従来の円筒多管式オゾン発生装置では、図 17の 8005 aで示しているように、最大オゾン濃度が 220g/m3程度である力 これに比べて、積 層平板式オゾン発生装置では、図 17の 8005bに示すように、最大オゾン濃度が 340 gZm3となり、 1. 5倍の高濃度オゾンが得られる。大容量オゾン発生装置におけるォ ゾン濃度の性能は、最大オゾン濃度よりも、 lkgZhのオゾンガスを得るための必要な 電力量 (オゾン収率）が重要である。このオゾン収率を重視したオゾン濃度は、図 17 では、円筒多管式オゾン発生装置が約 180gZm3に対し、積層平板式オゾン発生装 置が 210gZm3となり、オゾン収率は 20%弱アップさせることができる。
[0019] 以上、図 11による従来の円筒多管方式のオゾン発生装置と、図 7によるこの発明の 前提となる積層平板式のオゾン発生装置との性能スペックを比較すると、表 2のように なり、大容量化、コンパクト性の面では、積層平板式オゾン発生装置が有利になる。 ただ、装置のシンプル性と組み立ての容易性で、従来の円筒多管方式が有利となり 、製作コストが積層平板式オゾン装置より勝っていた。しかし、この装置のシンプル性 と組み立ての容易性においても、 日本特願 2002— 306941号により、長方形型の性 能の良い積層平板式オゾン発生器が実現できることで、大容量ィ匕においても、積層 平板方式のオゾン発生装置が有利になりつつあることが説明されている。
[0020] [表 2]
Figure imgf000009_0001
しかし、短ギャップ放電装置でかつ周波数が数 kHz以上で、放電電力密度が 0. 5 WZcm2以上に設定したオゾン発生装置においては、図 13のオゾン容量と放電抵 抗の特性力 最大単機容量に限界があることが判明した。図 13において、放電電力 密度 1. 4WZcm2における放電特性 Aから放電特性 Dは積層平板式のオゾン発生 装置の特性を示す。放電特性 Eは従来の円筒多管式のオゾン発生装置の特性で、 周波数は lkHz、放電電力密度 0. 3WZcm2の場合のものである。図 13の積層平板 式の特性領域 8002aで示すように、大容量オゾン発生装置にすると、オゾン発生装 置の放電抵抗が非常に小さくなり、放電を全面に広げ、安定オゾンを発生させること が困難になる。結果として、大容量オゾン発生装置に構成しても、小容量のオゾン発 生装置に比べ、高濃度オゾンが得られなくなり、かつオゾン収率が悪くなることが分 かった。また装置の制御性、安定性を考慮したオゾン発生装置を大容量化するには 実験力も約 20オーム以上の放電抵抗が必要である。従って、本積層平板式のォゾ ン発生装置では、単機容量として、 lOkgZh前後が最大限界容量であることが分か つた。また、単機容量を増すと、放電力率や悪いことや、負荷電流値のピーク電流が 増えることで、オゾンを生成するための消費電力がアップするなどの経済的な制限が 加わる。そのため、オゾン発生装置の単機容量に制限が加わる。さらに、単機容量を 増すと、放電セルの負荷インピーダンスが非常に小さくなるため、オゾン発生量を安 定に供給するための電源の制御能力が極端に悪くなるため、単機容量を大きく出来 な!ヽなどの問題点が出て来た。
[0022] 一方、オゾンを利用するオゾンの水処理装置やオゾンによるパルプ漂白に利用す るオゾンパルプ漂白装置にぉ 、ては、数十 kgZhから数百 kgZhのオゾンが必要で ある。現状で、数百 kgZh級のオゾン発生装置を円筒多管方式のオゾン発生装置の 構成のものを採用すると、電極形状から約 200m3程度の大規模設備となる。そのた め、オゾンを利用する水処理分野やパルプ漂白分野では、よりオゾン収率が良ぐォ ゾン濃度が高ぐし力も単機容量としては数十 kgZh級一 lOOkgZh級の大容量化と 極端なコンパクトィ匕が望まれて 、る。
[0023] 以上のように、単機容量としては数十 kgZh級一 lOOkgZh級の大容量ィ匕したォゾ ン発生装置を構成するには、放電セルを複数個装着できるチャンバ一構成にするだ けでなく、オゾン電源を含めたオゾン発生装置のシステム構成を見直す必要があるこ とが判明した。単純には 1機のオゾン発生ユニットに複数台のオゾン電源を並べ、そ れぞれ電気的に独立させたものでオゾン発生量を制御させる必要があることが判明 した。
[0024] 特許文献 1：日本特開平 9— 59006号公報
特許文献 2:日本特開平 6— 305706号公報 特許文献 3 :日本特開平 7 - 240268号公報
特許文献 4:日本特公平 8 - 22724号公報
特許文献 5 :日本特開平 7-157302号公報
特許文献 6 :日本特開平 10- 25104号公報
特許文献 7 :日本特開 2001—26405号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0025] 日本特開平 9— 59006号公報は、 3電極を 1つの放電管で構成した 3相放電管を複 数個も設置させる方式であり、放電管の構造が複雑になったり、数十 kgZh級一 100 kgZh級の大容量ィ匕が困難であるなどの問題点があった。
[0026] また、日本特開平 6— 305706号、日本特開平 7— 240268号、日本特公平 8— 227 24号、および日本特開平 7— 157302号は、 1つの放電管に正 n角柱状に放電電極 棒を配設し、 n相交流電源にて複数個の平面状放電によってオゾン生成を効率良く 生成するものとして示されているが、本構成では放電管の構造が複雑になり、数十 k gZh級一 lOOkgZh級の大容量のオゾン発生装置を実現させるには放電管自身が 非常に大きくなるなどの問題点があった。
[0027] また、日本特開平 10— 25104号では、オゾン電源として、 3相電流形インバータと 3 相結線をしたトランスを用いたオゾン発生装置用電源装置が開示されており、 3相電 源およびオゾン発生器を複数台用いれば、大容量のオゾン発生装置を実現できるが 、よりコンパクトなオゾン発生器で、 1台のオゾン電源で数十 kgZh級一 lOOkgZh級 の大容量用電源構成が出来ないため、大容量用電源が大きくなり、より安価に大容 量オゾン装置が実現できないなどの問題点があった。
[0028] 以上のように、従来のオゾン発生装置においては、数十 kgZh級一 lOOkgZh級 の大容量のオゾン発生させる装置としては装置全体が非常に大きくなり、安価で装置 を実現させることが出来な力つた。
[0029] この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、大容量オゾン発 生装置をよりコンパクトにし、安価で実現させるため、特に、オゾン発生器に電気を供 給する構成と、オゾン電源構成と、制御方式とを含めた構成において、コンパクトで 安価にするとともに、装置のメンテナンス性も向上させることを目的とするものである。 課題を解決するための手段
[0030] この発明に係る n相オゾン発生装置においては、商用周波数の電圧を整流し、整 流した電圧をインバータで所定周波数の交流電圧に変換し、所定周波数の交流をト ランスおよびリアタトルで高電圧交流化し、高電圧交流化した高電圧と低電圧を出力 するオゾン電源と、オゾン電源の交流高電圧を入力する高圧端子および低電圧を入 力する低圧端子を有する 1つの放電チャンバ一と、この放電チャンバ一内に積層設 置され、平板状の高圧電極および低圧電極を交互に複数積層して構成された複数 個の積層平板式オゾン発生器ユニットとを備えた大容量オゾン発生装置において、 オゾン電源は、整流した電圧を n相の所定周波数の交流電圧に変換し n相の交流電 圧波形を出力する n相インバータと、 n相インバータから出力された n相の交流電圧を n相の高電圧交流電圧に変換する n個のリアタトルおよび n相構成のトランスと、 n相 の高電圧交流電圧を出力する n個の高電圧端子と、 n個の高電圧に対して共通電位 を有する 1個の低電圧を出力する低電圧端子とから構成され、複数個の積層平板式 オゾン発生器ユニットは、放電チャンバ一内で n個に電気的に分割され、 1つのォゾ ン発生器ユニットの高圧電極は同電位の高電圧電位とし、それぞれのオゾン発生器 ユニットから n個の高圧電極端子とオゾン発生器ユニットの全ての低圧電極を共通に した 1個の低圧電極端子を引き出し、オゾン電源出力の n個の高電圧端子にオゾン 発生器ユニットの n個の高圧電極端子を接続し、オゾン電源出力の 1個の低電圧端 子にオゾン発生器ユニットの 1個の低圧電極端子とを接続することにより、 n相の交流 放電を各オゾン発生ユニットで発生させ、オゾンを発生させるようにしたものである。
[0031] また、オゾン電源は、 n相トランスと複数個のオゾン発生ユニットとの間に設けられ、 オゾン発生ユニットの全ての低圧電極を共通にした i個の低圧電極端子と n個のォゾ ン発生ユニットのそれぞれに並列に接続された n個のリアタトルを備えたものである。
[0032] また、オゾン電源は、 3相から n相まで、均等時間分割できる時分割器を備え、外部 信号から指定相数信号を時分割器に入力することにより、時分割器から均等時間分 割した信号をインバータに指令することで、 3相から n相まで段階的に平衡性を保つ て、任意の相に可変制御できるものである。 [0033] また、オゾン電源の n個のリアタトルもしくは n個のトランスは、断面形状を多角形に した I型コア一の周りの対辺に、トランスコイルもしくはリアタトルコイルを巻いた U型コ ァーもしくは L型コア一を複数個密着させることで、 n個のトランスもしくは n個のリアク トルを構成し、前記 n個のトランスもしくは n個のリアタトルのコイルを Δ結線もしくはス ター結線に結線したものである。
[0034] また、オゾン電源の n個のリアタトルもしくは n個のトランスは、多角形の I型コア一の 周りの対辺に密着させた U型コア一または L型コア一を着脱自在な構成にして、 n相 のトランスまたはリアタトル構成とした変成器を 3相一 n相のトランスまたはリアタトル構 成に可変できるものである。
[0035] また、オゾン電源の n個の高電圧端子とオゾン発生器ユニットの n個の高圧電極端 子間にヒューズもしくは遮断するための遮断器を設けたものである。
[0036] また、オゾン電源の n個の高電圧端子の出力部のそれぞれに電流検出器を設け、 各位相に流れる電流値が所定値以上である相があれば、前記所定値以上の電流が 流れている相を電気的に遮断させ、 n— 1相で運転するものである。
[0037] また、オゾン電源の n個の高電圧端子の出力部と低電圧電位出力部のそれぞれに 電圧検出器を設け、低電圧電位と各位相にカゝかる電圧値が所定値以下である相が あれば、前記所定値以下の電圧である相を電気的に遮断させ、 n— 1相で運転するも のである。
発明の効果
[0038] この発明の n相オゾン発生装置は、 n相の交流放電を各オゾン発生装置で発生さ せ、オゾンを発生させるようにしたので、高濃度で、かつオゾン収率の良い大容量の オゾン発生装置が実現でき、し力も、コンパクトで非常に安価な装置が得られる。また
、 n相のオゾン発生ユニット毎に、並列リアタトルを設け、オゾン発生ユニットと並列リア タトルとの並列共振によって、負荷力率を改善するようにしたので、電源容量が下げ られ、インバータゃトランスを非常に小さくできる効果がある。
[0039] また、オゾン発生装置の付属部品であるリアタトル、トランスにお 、て、断面形状を 多角形にした I型コア一の周りの対辺に、トランスコイルもしくはリアタトルコイルを巻い た U型コア一もしくは L型コア一を複数個密着させることで、 n個のトランスもしくはリア タトルを構成し、 n個のトランスもしくはリアタトルのコイルを△結線もしくはスター結線 に結線することによりトランスまたはリアタトル構成したので、リアタトル、トランスが非常 に小さくできる効果がある。
[0040] さらに、上記の効果に加え、 3相から n相まで、均等時間分割できる時分割器を設け 、外部信号力 指定相数信号をこの時分割器に入力することにより、時分割器から均 等時間分割した信号をインバータに指令することで、 3相から n相まで段階的に平衡 性を保って、任意の相に可変制御できる。また、リアタトル、トランスにおいて、多角形 の I型コア一の周りの対辺に密着させた U型コア一または L型コア一を簡単に取り付 けたり、取り外すことが容易にできる。また、電源の n個の高電圧端子と n個の高圧電 極端子間にヒューズもしくは遮断するための遮断器を設けることで、不要な相のォゾ ン発生ユニットを容易に遮断できる。また、各相のオゾン発生ユニットの電流値もしく は電圧を監視し、不具合オゾン発生ユニットを自動的に検出し、その不具合オゾン発 生装置を取り除くようにすることを可能にできるようにしたので、発生器ユニットの一部 が故障しても、故障した相の接続等を遮断するだけで、容易に復旧でき、大規模シス テムを非常に短い時間で復旧できる効果がある。
図面の簡単な説明
[0041] [図 1]図 1はこの発明の実施例 1における 6相インバータ、リアタトルおよび 6相トランス で構成した n相オゾン発生装置の全体システムの概略を示す回路構成図である。
[図 2]図 2はこの発明の実施例 1における n相インバータのメイン回路とゲート信号回 路図である。
[図 3]図 3はこの発明の実施例 1における n相オゾン発生装置の各構成要素の詳細構 成を示すシステム構成図である。
[図 4]図 4はこの発明の n相インバータの指令信号とインバータ出力波形を示す特性 図である。
[図 5]図 5はこの発明の実施例 2におけるインバータの相数を任意に可変させるため のインバータ制御方式を示すブロック図である。
[図 6]図 6はこの発明の実施例における積層平板式のオゾン発生装置を示す構造図 である。 [図 7]図 7はこの発明の実施例における積層平板式のオゾン発生ユニットの概略構成 図である。
[図 8]図 8はこの発明の実施例 3における n相トランス、リアタトルを示す構造図である。 圆 9]図 9はこの発明の実施例 4における n相トランス、リアタトル着脱機構を示す構造 図である。
圆 10]図 10は従来の大容量オゾン発生装置の概略構成を示すシステム構成図であ る。
[図 11]図 11は従来のオゾン発生ユニットの電極構造を示す構造図である。
圆 12]図 12は従来のオゾン発生装置のインバータの指令信号とインバータ出力波形 図である。
圆 13]図 13はオゾン発生装置のオゾン容量と放電負荷抵抗の関係を示す特性図で ある。
圆 14]図 14はオゾン発生装置の電源の動作周波数と印加する負荷電圧の関係を示 す特性図である。
[図 15]図 15はオゾン発生量 7kgZh級のオゾン発生装置の容積特性を示す特性図 である。
[図 16]図 16はオゾン発生量 70kgZh級のオゾン発生装置の容積特性を示す特性図 である。
[図 17]図 17はオゾン発生装置のオゾン性能を示す特性図である。
符号の説明
100a— lOOf 複数個のオゾン発生ユニット
1100 n相オゾン発生装置
15a— 15f 複数個のヒューズもしくは遮断器
1500 ヒューズもしくは遮断器ブロック
201a— 201f 複数個の並列リアタトル
2000— a 並列リアタトルブロック
202a— 202f 複数個のトランス
2000— b n相トランスブロック 301a— 301f 複数個の直列リアタトル
3000 直列リアタトルブロック
401a— 401f 複数個のインバータ素子
4000 n相インバータ素子ブロック
5000 コンバータ（整流器）ブロック
6000 入力トランスブロック
4100 インバータドライブ回路
4200 制御回路
4300 コンピュータ
120 高電圧端子
発明を実施するための最良の形態
[0043] この発明をより詳細に説明するために、添付の図面に従って実施例を説明する。こ の実施例では、便宜上、 6相インバータ、 6相トランスで構成した 6相オゾン発生装置 を例にとって説明する力 n相インバータ、 n相トランスで構成した n相オゾン発生装置 に適用できることはもちろんである。
実施例 1
[0044] 図 1はこの発明の実施例 1における n相インバータ、リアタトルおよび n相トランスで 構成した n相オゾン発生装置の全体システムの概略を示す回路構成図、図 2はこの 発明の実施例 1における n相インバータのメイン回路とゲート信号回路図、図 3はこの 発明の実施例 1における n相オゾン発生装置の各構成要素の詳細構成を示すシステ ム構成図、図 4はこの発明の n相インバータの指令信号とインバータ出力波形を示す 特性図である。
図 3は、図 1におけるコンバータユニット 5000、入力トランス 6000については、省略 して示している。
図 1一図 3において、 100a— 100fは、 6個のオゾン発生器ユニット、 1100は、 6相（ n相）オゾン発生装置で、積層平板式のオゾン発生器ユニット 100を 6個で構成し、ォ ゾン発生量 70kgZh級の大容量オゾン発生装置にした例である。 1500は、 6個の発 生器ユニット 100a— 100fをそれぞれ遮断できる 6個のヒューズもしくは遮断器 15a— 15fからなるヒューズもしくは遮断器ブロック、 2000-aは、 6個の各オゾン発生器ュ- ット 100a— 100fとの共振によって力率改善を行う 6個の並列リアタトル 201a— 201f 力もなる並列リアタトルブロック、 2000— bは、 6個の各オゾン発生器ユニット 100a— 1 00fにそれぞれ高電圧を供給するための 6個のトランス 202a— 202fからなる 6相（n 相）トランスブロック、 3000は、インバータ出力電流を抑制する 6個の直列リアタトル 3 01a— 301fからなる直列リアタトルブロック、 4000は、直流電圧の入力から 6相電圧 を出力するための 6個のインバータ素子 401a— 401fからなる 6相（n相）インバータ 素子ブロック、 5000は、各インバータ素子 401a— 401fに入力する直流電圧を供給 するための複数のコンバータ（整流器） 5100および 5200からなるコンバータ（整流 器)ブロック、 6000は、商用交流電源とオゾン発生装置の負荷による第 3高調波を遮 断するための複数の入力トランス 6100a、 6100b, 6200aおよび 6200b力も成る入 力トランスブロック、 4100は、 6相（n相）インバータ素子ブロック 4000を駆動するため のインバータドライブ回路、 4200は、 6相（n相）インバータ素子ブロック 4000の制御 回路、 4300は、オゾン発生装置の状態およびインバータに出力する電流等の設定 条件旨令と管理を行うコンピュータである。図 1、図 2にお!/、て、 al、 a2、 bl、 b2、 cl 、 c2、 dl、 d2、 el、 e2、 fl、 f2は、 6相（n相）インバータ素子のゲート指令信号を示 す。 XI、 X2はコンバータ（整流器）ブロック 5000からの直流電圧入力、 Yl、 Υ2、 Υ3 、 Υ4、 Υ5、 Υ6は、 6相（η相）トランスブロック 2000— bからの 6相（n相）高電圧交流電 圧出力であり、この n相の高電圧交流電圧を出力する n個の高電圧端子に接続され る。 YGは 6相交流電圧の共通低電圧 (アース)であり、 n個の高電圧に対して共通電 位を有する 1個の低電圧を出力する低電圧端子に接続される。図 2において、 Dial 一 D6f2は、各インバータ素子 401a— 401fの各ゲート指令信号に設けた複数のダ ィオード、 41a— 46bは各インバータ素子 401a— 401fに設けた複数のパワートラン ジスターを示す。図 1、図 3のオゾン発生装置においては、オゾン発生器の水の冷却 機構や原料ガスの供給構造、オゾンガスの取り出し機構については当然必要である が、この発明と直接関係がないため、図には記載していない。 120は、 6個のオゾン 発生ユニット 100a— 100fのそれぞれに位相の異なる 6相（n相）の高電圧交流電圧 を供給するための高電圧端子である。 [0045] 図 1において、入力トランスブロック 6000に商用交流電源を入力し、オゾン発生装 置に電圧を供給する。人力トランスブロック 6000では、商用交流電源とオゾン発生装 置とを電気的に分離することで、オゾン発生装置のインバータの ON— OFFやオゾン 発生装置からの高調波成分が商用交流電源に重畳されないようにカットする役目を している。コンバータ（整流器）ブロック 5000では、人力トランスブロック 6000の 2次電 圧を受け、直流電圧に整流している。コンバータブロック 5000からの直流電圧は、 6 相（n相）インバータ素子ブロック 4000に入力される。 6相（n相）インバータ素子ブロッ ク 4000では、コンピュータ 4300から所定電流、周波数 (周期）指令を制御回路 420 0に入力する。制御回路 4200では、所定の周期で、かつ、 6相（n相）に分けた位相 の 6相（n相）パルス波形を作り出し、インバータドライブ回路 4100に信号が送られる 。インバータドライブ回路 4100では、各インバータ素子 401a— 401fを駆動するため の出力にまで、出力アップして、インバータドライブ回路 4100に ON— OFFパルスが 送られる。 6相（n相）インバータ素子ブロック 4000のゲート信号回路は、図 2のように なっており、 al、 a2、 bl、 b2、 cl、 c2、 dl、 d2、 el、 e2、 fl、 f2【こ ίま、図 4のノ ノレス波 形が入力される。
[0046] 例えば、 alは位相 0で、所定パルス幅で ON信号がダイオード Dialを介して、イン バータ素子 401aのパワートランジスター 41aのゲート回路に ON信号が入力されると ともに、ダイオード D2alを介して、次のインバータ素子である 401bのパワートランジ スター 42bのゲート回路にも ON信号が入力され、パワートランジスター 41aと 42bが 導通状態になることで、パルス幅期間、 yl— y2間に +電圧が印加される。
次に a2に ON信号がダイオード Dla2を介して、インバータ素子 401aのパワートラ ンジスター 41bのゲート回路に ON信号が入力されるとともに、ダイオード D2a2を介 して、次のインバータ素子である 401bのパワートランジスター 42aのゲート回路にも ON信号が入力され、パワートランジスター 41bと 42aが導通状態になることで、パル ス幅期問、 yl— y2間に 電圧が印加される。上記の al、 a2のゲート信号が、所定周 期 Tで交互に ON、 OFF信号が入力されることで、 yl— y2間には、周期 Tの交流矩 形波電圧力 ンバータカゝら出力される。
また、 bl、 b2は、 al、 a2の信号を基準にして、位相は t (=TZn)遅れたパルス信 号がインバータ素子 401b、 401cのパワートランジスター 42a、 43bの ONおよびパヮ 一トランジスター 43a、 42bの ONを交互に繰返すことで、 yl— y2間の交流矩形波電 圧波形から位相 tがずれた交流矩形波電圧波形が y2 - y3間に印加される。
[0047] このようにして、位相力 ¾毎ずれた交流矩形波電圧波形が y 3— y4間、 y4— y5間、 y6 yl間に印加される。この複数個の交流電圧を直列リアタトルブロック 3000の各直列 リアタトル 301a— 301fを介して、 6相（n相）トランスブロック 2000— bに入力すると、 矩形交流電圧波形は直列リアタトルおよびトランスの L成分で、遅れた電流波形がト ランスの 1次側に流れることで、 6相（n相）トランスブロック 2000— bの 2次側に、正弦 波に近い 6相（n相）の高電圧波形 Yl、 Υ2、 Υ3、 Υ4、 Υ5、 Υ6が出力される。直流電 圧が均等に重畳して、インバータにかかる電圧をできるだけ低くして、インバータの耐 電圧を抑制するため、 6相（η相）トランスブロック 2000— bの 1次側は、循環結線にし ている。また、 2次側は低圧電位 (アース）を共通にするため、星型結線で、 6相（n相 )の高電圧波形を出力している。
[0048] 図 3において、 6相（n相）の高電圧波形 Yl、 Υ2、 Υ3、 Υ4、 Υ5、 Υ6は、 6個のォゾ ン発生器ユニット 100a— 100f毎に遮断ができるように、ヒューズもしくは遮断器ブロ ック 1500で、 6個のヒューズもしくは遮断器 15a— 15fを介して、 6個のオゾン発生器 ユニット 100a— 100fのそれぞれに位相の異なる 6相（n相）の高電圧交流電圧を高 電圧端子 120から供給している。低圧電極は、装置の筐体と共通電位 (アース）とし て YGでトランスブロック 2000— bに戻されている。
実施例 2
[0049] この実施例 2においては、並列リアタトルブロック 2000— a〖こ、 6個（n個）の同一のリ ァクトル 201a— 201fを配設しており、 6相（n相）トランスブロック 2000— bの 2次側の 高圧出力側と低圧電位 (アース）間に接続して、各オゾン発生器ユニット 100a— 100 fに対して並列に各リアタトル 201a— 201fを挿入している。オゾン発生器ユニット 10 0の負荷としては、誘電体で形成されているため、容量負荷であり、負荷は進み負荷 で、力率は約 20%程度と低い。そのため、オゾン発生器ユニット 100に、例えば、 10 kWの電力を供給するように設計すれば、力率が低いため、 1つのオゾン発生器ュ- ット 100には、約 50kVA容量の電源を供給できるようにしなければならない。つまり、 トランスブロック 2000— b、インバータブロック 4000の容量を大きな値で設計しなけれ ばならなくなり、製作コストと同時に重量、容積が非常に大きくなる問題点が生じる。こ の問題は大容量のオゾン発生装置になればなる程大きな課題となってくる。
この問題点を解消するため、この実施例 2では、 6相（n相）トランスブロック 2000— b の 2次佃 Jに並歹 IJリアクトノレブロック 2000— aを設け、並歹 IJリアクトノレ 201a、 201b, 201 c、 201d、 201e、 201fと 6個（n個）のオゾン発生器ユニット 100a— lOOfとのそれぞ れの間で並列共振をさせて、力率改善をして、 6相（n相）トランスブロック 2000— bの 2次側部で、 20%以上大幅に高くすることで、トランスブロック 2000— bおよびインバ 一タフロック 4000の力率が改善され、非常にコンパクトなトランスブロック 2000— bお よびインバータブロック 4000を実現することができる。この 6相（n相）並列共振は、単 機のオゾン発生器ユニットで、並列共振を行うより、負荷電流が有効に利用されるた め、単機での共振リアタトルよりも、小さく設計できるというメリットがある。
さらに、オゾン発生器ユニット 100とリアタトルで共振する場合、並列共振以外に直 列共振が多く用いられている。しかし、直列共振方式は大容量オゾン発生装置にな ると、負荷インピーダンスが小さくなるために、供給する負荷電流のコントロールが非 常に難しくなることや、オゾン濃度の制御性が悪くなつたりし、安定性が悪くなる傾向 にある。
なお、小容量のオゾン発生装置においては、電源電圧が低く設計できたり、リアタト ルに流す電流値が小さくできるため、直列リアタトルの方がコスト面で有利である。 実施例 3
次に、図 5により実施例 3を説明する。この実施例 3は、 3相から n相まで、均等時間 分割できる時分割器を備え、外部信号カゝら指定相数信号を時分割器に入力すること により、時分割器力も均等時間分割した信号をインバータに指令することで、 3相から n相まで段階的に平衡性を保って、任意の相に可変制御できるようにしたものである 図 5は、コンピュータ 4300で、オゾン発生器の周波数 F、インバータの駆動する相 数 nを入力し、コンピュータ 4300で、インバータ素子ブロック 4000に周期 Tおよび入 力した n相から位相時間 tを算出し、制御回路 4200、インバータドライブ回路 4100を 介して各相のインバータ素子 401に応じたインバータ駆動指令を算出しているところ を示す。
図 5において、 9001は周波数 Fの入力信号、 9002は相数 nの入力信号、 9100は 演算ブロックである。この演算ブロック 9100は、周期 Tの算出ブロック 9110と、位相 時間 tの算出ブロック 9120と、相数に合った位相間隔の算出ブロック 9130とを含ん でいる。入力信号は周波数 F、相数 n以外にオゾン発生装置の出力制御する負荷電 流指令信号等があるが、ここでは、相数変更による位相の平衡性を制御する発明と 直接関係を要しない入力信号は省略した。また、演算ブロック 9100の演算において も、相数変更による位相の平衡性を制御する演算処理については省略した。
[0051] 次に、動作について説明する。
水処理装置やパルプのオゾン漂白等の大規模システムでは、ほぼ 365日連続運 転することが重要なことである。また、長期間故障で停止すると、オゾン処理をすべき もの力 出来ず処理待ちの原資が増大するという問題が生じる。
このようなことから、大容量オゾン発生装置になればなる程、装置の故障復旧の容 易さが重要になってくる。
大容量オゾン発生装置では、最大 1日程度停止できる定期点検期間において、故 障部分については、随時交換し、定期点検以前に故障した場合は、できるだけ短い 時間で、装置を再開する必要が生じる。そのため、定期点検以前の故障では、的確 に故障部分を検出し、故障した箇所を取り除き、性能が若干落ちても、安定に運転を 再開できるようにする必要がある。
[0052] この実施例 3では、 6相（n相）オゾン発生装置において、装置の 1部が故障した場 合においても、相数を減らしても運転できるようにしたインバータ部の制御に関する実 施例である。図 5では、コンピュータ 4300から、運転するインバータの周波数 Fと相数 nもしくは、不要な相番について、指示すると、周波数 Fと相数 nから相数に合った位 相間隔を演算ブロック 9100で演算し、インバータの制御回路 4200に信号を送り、制 御回路 4200で、パルス信号を作り、インバータドライブ回路 4100を介して、インバー タ素子ブロック 4000における運転した 、部分のインバータ素子 401にのみ運転でき るようにしたものである。 このように、コンピュータ等により、相数に合った位相間隔を演算し、任意の相数に 合ったインバータを運転できるようにすることで、インバータ自身は常に平衡負荷を保 つた状態で運転ができ、相数が変わることで、オゾン発生装置の負荷バランスがとれ なくなり、電源の入カノ ランスを悪くする心配がなくなることになる。すなわち、 3相か ら n相まで、均等時間分割できる時分割器を備え、外部信号から指定相数信号を時 分割器に入力することにより、時分割器力も均等時間分割した信号をインバータに指 令することで、 3相から n相まで段階的に平衡性を保って、任意の相に可変制御でき るものである。
また、故障した相のインバータの結線を取り除く作業をせずに、運転を再開できる 効果がある。
実施例 4
[0053] 次に、実施例 4を図 8により説明する。
図 8は、 6相（n相）の直列リアタトル 3000、 6相（n相）交流電圧を昇圧する 6相（n相 )トランス 2000— bおよびオゾン発生器負荷と共振させることで、力率改善を行う 6相（ n相）並列リアタトル 2000-aを一体構成した構造図を示す。
図 8において、 21a— 21fは 6相（n相）のトランスもしくはリアタトルのコイル部分を示 す。 22a— 22fは 6相（n相）のトランスもしくはリアタトルの U型又は L型のコア一部分 を示す。 23は断面形状が 6角（n角）の I型コア一を示す。 29は U型又は L型のコア一 22a— 22fと I型コア一 23とを接続するバンドを示す。
[0054] 次に動作について説明する。
この実施例 4では、 6相（n相）オゾン発生装置において、 6相（n相）の直列リアタトル 3000、 6相（n相）の卜ランス 2000— bおよび並列リアク卜ル 2000— a (6相（n相）変成 器)を、図 8のように、 6相（n相）に対応して、 6角（n角）形の I型磁性体 29と、 I型磁性 体コア一 29の多角面に、 U型又は L型の磁性体コア一 22a— 22fを組み合わせるこ とで、磁気ループを形成したコア一を作り、この磁気コア一にコイル 21a— 21fを設け ることで、一体型の 6相（n相）トランス、リアタトルを形成している。
このように、一体型の 6相（n相）変成器に構成することで、 6相（n相）変成器を小型 ィ匕することがでさる。 実施例 5
[0055] 次に、実施例 5を図 9により説明する。
図 9は、 6相（n相）の直列リアタトル 3000、 6相（n相）交流電圧を昇圧する 6相（n相 )トランス 2000— bおよびオゾン発生器負荷と共振させることで、力率改善を行う 6相（ n相）並列リアタトル 2000— aの相数を容易に取外しや取付け容易な構造にして!/、る ことを示す。
[0056] 次に動作について説明する。
この実施例 5では、一体型の 6相（n相）変成器において、 6相（n相）変成器の内、 U 型又は L型の磁性体コア一を止めて 、るバンド 29を外すことで、容易に磁性体コア 一をコイル 21毎取り除くことができる構造としたので、特に、故障した相の変成器を取 り除き、オゾン発生装置のシステム再復帰を早めることができる効果がある。
実施例 6
[0057] この実施例 6においては、 6相（n相）オゾン発生器ユニットの各高圧端子 120と直 列〖こヒューズもしくは遮断器 15a— 15fを設け、不良になったオゾン発生器ユニット 1 00、およびインバータ素子の 1相分を遮断できるように構成したものである。
なお、 6相 (n相)オゾン発生器ユニットの各高圧端子 120と直列に接続されるヒユー ズもしくは遮断器 15a— 15fは、トランス 2000— bの 2次側の高電圧出力端子に直列 に接続をしてもよい。
[0058] オゾン発生器ユニット 100毎にヒューズもしくは遮断器 15a— 15fを設ければ、各相 において、過電流が流れると自動的に、過電流が流れた相が遮断された状態で、運 転が続けられることになる。また、遮断器 15a— 15fにおいては、図 3に示すように、コ ンピュータ 4300により遮断器操作手段 4315を介して、外部から強制的に遮断すれ ば、遮断した相を取り除くことなぐ運転が続けられる。
実施例 7
[0059] 実施例 7においては、 6相（n相）オゾン発生装置の各部分に流れる電流を検出する 電流検出器（図示せず)を設け、入力トランスの入力電流、出力電流、コンバータの 出力電流、各相のインバータ素子の出力電流、直列リアタトルの出力電流、トランス の出力電流、並列リアタトルの電流、オゾン発生器ユニットの電流のそれぞれの電流 値を電流検出器で自動的に検出し、不具合部分を自動的に検出し、装置の停止もし くは不具合の相を切り離すようにしたものである。各部の電流値を監視し、所定電流 範囲内である力 ないかの判断をして、入力トランス、コンバータ、各相のインバータ 素子、直列リアタトル、トランス、並列リアタトル、オゾン発生器ユニットの不具合部分を 検出し、装置の停止もしくは不具合になった相を自動的に切り離すようにする。
[0060] オゾン発生器ユニット 100毎に入力トランスの入力部、出力部、コンバータ出力部 および各相のインバータ出力部、直列リアタトル部、トランス出力部、並列リアタトル部 、オゾン発生器部に電流検出器を設け、入力トランスの入力電流値、出力電流値、コ ンバータ出力電流値および各相のインバータ出力電流値、直列リアタトル電流値、ト ランス出力電流値、並列リアタトル電流値、オゾン発生器ユニット電流値を随時検出 し、これらの電流値をコンピュータ 4300に取り込み、指定した定格条件以上の過電 流が流れていないか、定格条件以下の電流が流れていないか監視し、定格電流範 囲外の電流値を示している検出箇所を選出することで、入力トランス、コンバータ部 および各相のインバータ出力部、直列リアタトル部、トランス出力部、並列リアタトル部 、オゾン発生器ユニット部の故障箇所を特定し、装置の停止もしくは不具合になった 相を自動的に切り離すようにする。
大容量のオゾン発生装置では、上記のように、システムの各箇所の電流を随時監 視し、即座に故障箇所を特定し、装置の停止もしくは不具合になった相を自動的に 切り離すことで、迅速な装置の修理および再運転させることに対して効果がある。 実施例 8
[0061] 実施例 8においては、 6相（n相）オゾン発生装置の各部分の電圧を検出する電圧 検出器を設け、入力トランスの入力電圧、出力電圧、コンバータ出力電圧および各相 のインバータ出力電圧、直列リアタトル部、トランス入力電圧、トランス出力電圧、並列 リアタトル部、オゾン発生器ユニット電圧のそれぞれの電圧値を電圧検出器で自動的 に検出し、不具合部分を自動的に検出し、装置の停止もしくは不具合の相を切り離 すようにしたものである。各部の電圧値を監視し、所定電圧範囲内であるか、ないか の判断して、入力トランス、コンバータおよび各相のインバータ素子、直列リアタトル、 トランス、並列リアタトル、オゾン発生器の不具合部分を検出し、装置の停止もしくは 不具合になった相を自動的に切り離すようにする。
[0062] オゾン発生器ユニット 100毎に入力トランスの入力部、出力部、コンバータ出力部 および各相のインバータ出力部、直列リアタトル部、トランス出力部、並列リアタトル部 、オゾン発生器部に電圧検出器を設け、入力トランスの入力電圧値、出力電圧値、コ ンバータ出力電圧値および各相のインバータ出力電圧値、直列リアタトル電圧値、ト ランス出力電圧値、並列リアタトル電圧値、オゾン発生器電圧値を随時検出し、これ らの各電圧値をコンピュータ 4300に取り込み、指定した定格条件範囲内の電圧にて 稼動されているか監視し、定格電圧範囲外を示している検出箇所を選出することで、 入力トランス、コンバータ部および各相のインバータ出力部、直列リアタトル部、トラン ス出力部、並列リアタトル部、オゾン発生器部の故障箇所を特定し、装置の停止もし くは不具合になった相を自動的に切り離すようにする。
大容量のオゾン発生装置では、上記のように、システムの各箇所の電圧を随時監 視し、即座に故障箇所を特定し、装置の停止もしくは不具合になった相を自動的に 切り離すことで、迅速な装置の修理および再運転させることに対して効果がある。 また、各箇所の電流、電圧の両方を随時監視することにより、より早く故障箇所を特 定できる。
産業上の利用可能性
[0063] この発明の n相オゾン発生装置は、高濃度で、かつ大容量のオゾンを必要とする下 水の高度水処理やパルプ漂白分野の大容量オゾン発生装置に適用できる。

Claims

請求の範囲
[1] 商用周波数の電圧を整流し、整流した電圧をインバータで所定周波数の交流電圧 に変換し、所定周波数の交流をトランスおよびリアタトルで高電圧交流化し、高電圧 交流化した高電圧と低電圧を出力するオゾン電源と、前記オゾン電源の交流高電圧 を入力する高圧端子および低電圧を入力する低圧端子を有する 1つの放電チャンバ 一と、この放電チャンバ一内に積層設置され、平板状の高圧電極および低圧電極を 交互に複数積層して構成された複数個の積層平板式オゾン発生器ユニットとを備え た大容量オゾン発生装置にぉ ヽて、
前記オゾン電源は、整流した電圧を n相の所定周波数の交流電圧に変換し n相の 交流電圧波形を出力する n相インバータと、前記 n相インバータから出力された n相の 交流電圧を n相の高電圧交流電圧に変換する n個のリアタトルおよび n相構成のトラ ンスと、 n相の高電圧交流電圧を出力する n個の高電圧端子と、 n個の高電圧に対し て共通電位を有する 1個の低電圧を出力する低電圧端子とから構成され、
前記複数個の積層平板式オゾン発生器ユニットは、前記放電チャンバ一内で n個 に電気的に分割され、 1つのオゾン発生器ユニットの高圧電極は同電位の高電圧電 位とし、それぞれのオゾン発生器ユニットから n個の高圧電極端子とオゾン発生器ュ ニットの全ての低圧電極を共通にした 1個の低圧電極端子を引き出し、前記オゾン電 源出力の n個の高電圧端子にオゾン発生器ユニットの n個の高圧電極端子を接続し 、前記オゾン電源出力の 1個の低電圧端子にオゾン発生器ユニットの 1個の低圧電 極端子とを接続することにより、 n相の交流放電を各オゾン発生ユニットで発生させ、 オゾンを発生させるようにした n相オゾン発生装置。
[2] オゾン電源は、 n相トランスと複数個のオゾン発生ユニットとの間に設けられ、オゾン 発生ユニットの全ての低圧電極を共通にした 1個の低圧電極端子と n個のオゾン発生 ユニットのそれぞれに並列に接続された n個のリアタトルを備えたことを特徴とする請 求項 1記載の n相オゾン発生装置。
[3] オゾン電源は、 3相から n相まで、均等時間分割できる時分割器を備え、外部信号 から指定相数信号を前記時分割器に入力することにより、時分割器から均等時間分 割した信号をインバータに指令することで、 3相から n相まで段階的に平衡性を保つ て、任意の相に可変制御できるようにした請求項 1又は請求項 2記載の n相オゾン発 生装置。
[4] オゾン電源の n個のリアタトルもしくは n個のトランスは、断面形状を多角形にした I型 コア一の周りの対辺に、トランスコイルもしくはリアタトルコイルを巻いた U型コア一もし くは L型コア一を複数個密着させることで、 n個のトランスもしくは n個のリアタトルを構 成し、前記 n個のトランスもしくは n個のリアタトルのコイルを Δ結線もしくはスター結線 に結線したことを特徴とする請求項 1一請求項 3のいずれかに記載の n相オゾン発生 装置。
[5] オゾン電源の n個のリアタトルもしくは n個のトランスは、多角形の I型コア一の周りの 対辺に密着させた U型コア一または L型コア一を着脱自在な構成にして、 n相のトラ ンスまたはリアタトル構成とした変成器を 3相一 n相のトランスまたはリアタトル構成に 可変できるようにしたことを特徴とする請求項 4記載の n相オゾン発生装置。
[6] オゾン電源の n個の高電圧端子とオゾン発生器ユニットの n個の高圧電極端子間に ヒューズもしくは遮断するための遮断器を設けたことを特徴とする請求項 1一請求項 5 の！、ずれかに記載の n相オゾン発生装置。
[7] オゾン電源の n個の高電圧端子の出力部のそれぞれに電流検出器を設け、各位 相に流れる電流値が所定値以上である相があれば、前記所定値以上の電流が流れ ている相を電気的に遮断させ、 n— 1相で運転するようにしたことを特徴とする請求項 1一請求項 4、請求項 6の ヽずれかに記載の n相オゾン発生装置。
[8] オゾン電源の n個の高電圧端子の出力部と低電圧電位出力部のそれぞれに電圧 検出器を設け、低電圧電位と各位相にカゝかる電圧値が所定値以下である相があれ ば、前記所定値以下の電圧である相を電気的に遮断させ、 n— 1相で運転するように したことを特徴とする請求項 1一請求項 4、請求項 6、請求項 7記載の n相オゾン発生 装置。
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