(57)【要約】【課題】オゾン発生装置の鉄心リアクトルにおいて、巻線〜コア間の電圧が８ｋＶｐ程度となるため、絶縁性確保のために鉄心リアクトルの寸法が大きくなっていた。【解決手段】商用電源１を例えば１φ２．８ｋＨｚ、１．６ｋＶｐ程度の矩形波電圧に変換するインバータ２と、放電間隙を有するオゾン発生器３と、上記インバータ及び上記オゾン発生器の間に直列に接続された複数の鉄心リアクトル４１〜４４の直列接続体とを備え、上記複数の鉄心リアクトルのコアが何れも非接地状態とされてなることを特徴とするものである。【選択図】図１
2010168241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータと、放電管を用いたオゾン発生器と、上記インバータ及び上記オゾン発生器の間に直列に接続された複数の鉄心リアクトルの直列接続体とを備え、上記複数の鉄心リアクトルのコアが何れも非接地状態とされてなることを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項２】
上記複数の鉄心リアクトルは、各鉄心リアクトルの巻線の低圧側が何れも当該鉄心リアクトルのコアに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
【請求項３】
上記複数の鉄心リアクトルの各コアは、何れの鉄心リアクトルの巻線に対しても非接続状態としてなることを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
【請求項４】
上記直列接続体における上記鉄心リアクトルの接続形態を変更可能とすることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のオゾン発生装置。
【請求項５】
上記直列接続体における少なくとも１台の上記鉄心リアクトルに複数のタップを設け、何れかの上記タップに配線を接続することを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載のオゾン発生装置。
【請求項６】
上記複数の鉄心リアクトルを互いに同一容量としたことを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載のオゾン発生装置。
【請求項７】
上記複数の鉄心リアクトルを離間させて絶縁保持する板状のフレーム部材と、このフレーム部材に沿うように上記複数の鉄心リアクトルに冷却風を送給する冷却ファンを備えたことを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載のオゾン発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、オゾン発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インバータにより生成された例えば数ｋＨｚ、数ｋＶ程度の電圧が印加された放電間隙に酸素または酸素を含む原料ガスを通流させることによりオゾンを発生させるオゾン発生装置においては、放電間隙を形成するオゾン発生器が電気的に容量性負荷であるため、単独で駆動した場合は負荷力率が非常に低く、インバータの容量が大きくなるという問題がある。このため、インバータから見た力率を改善する目的で、オゾン発生器と直列に鉄心リアクトルが挿入される。また、鉄心リアクトルとオゾン発生器（の容量成分）との間で直列共振を発生させることで、オゾン発生に必要な高電圧を発生している。このとき鉄心リアクトルに印加される電圧は８ｋＶｐ程度であり、その電圧に耐え得る絶縁性能が必要となる。また、直列共振に必要なインダクタンスが比較的大きいため、中空リアクトルではなく鉄心リアクトルとすることで、リアクトルの小型化が図られている。
従来のこのようなリアクトルに関連する技術として、巻線を均等に分割して直列接続することにより個々の巻線の耐圧を下げるようにした樹脂モールドコイルがある（例えば特許文献１参照）。また、軸方向に分割構成された単位巻線を直列に接続したモールドコイル及びその製造方法がある（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−０５７９１０号公報（第２頁、第４図）
【特許文献２】特開平０６−３１８５２２号公報（第２頁、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術では、鉄心リアクトルの利用によりリアクトルの小型化が図られているとはいうものの、コアに鉄心を用い８ｋＶｐ程度の電圧に耐え得る絶縁構成とされているので、重量が例えば数百ｋｇ程度で、容積もなお大きく、オゾン発生装置が大型になる要因になっているという課題があった。また、上記特許文献１に記載されているような技術においては、コイルの層間にかかる電圧が下げられるが、巻線〜コア間にかかる電圧を下げ得るものではなく、小型にすることは困難であった。また、上記特許文献２のような技術は巻線を分割して製造する技術であり、特許文献１と同様に巻線〜コア間にかかる電圧を下げられるものではなく、小型にすることは困難であるという課題があった。
【０００５】
この発明は上記のような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、鉄心リアクトルの巻線〜コア間にかかる電圧を下げることができ、それにより装置を小型化し得ると共に、安価に製造し得るオゾン発生装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るオゾン発生装置は、インバータと、放電管を用いたオゾン発生器と、上記インバータ及び上記オゾン発生器の間に直列に接続された複数の鉄心リアクトルの直列接続体とを備え、上記複数の鉄心リアクトルのコアが何れも非接地状態とされてなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明においては、複数の鉄心リアクトルを直列に接続し、各鉄心リアクトルのコアを何れも非接地状態としたことにより、各鉄心リアクトルの巻線〜コア間にかかる電圧が１個の鉄心リアクトルを使用した場合よりも小さくなり、個々の鉄心リアクトルの絶縁構成としては耐電圧特性を低くすることができる。そのため、絶縁構成が簡素となり鉄心リアクトル全体として小型化することができ、しかも安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るオゾン発生装置の要部構成を示すブロック図。
【図２】図１に示されたオゾン発生器のオゾン発生原理を概念的に説明する図。
【図３】図１に示された鉄心リアクトルの設置状態を概念的に示す図。
【図４】本発明の実施の形態２に係るオゾン発生装置の要部構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るオゾン発生装置の要部構成を示すブロック図、図２は図１に示されたオゾン発生器のオゾン発生原理を概念的に説明する図、図３は図１に示された鉄心リアクトルの設置状態を概念的に示す図である。図において、オゾン発生装置１０は、例えば３φ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、４００Ｖの商用電源１を１φ２．８ｋＨｚ、１．６ｋＶｐ程度の矩形波電圧に変換するインバータ２と、並列に接続された複数の電極対（３１、３２、３３、・・・、３ｎ）を有するオゾン発生器３と、インバータ２及びオゾン発生器３の間に直列に介装された複数（この例では４台）の鉄心リアクトル４（４１〜４４）の直列接続体からなる。各鉄心リアクトル４１〜４４は、何れもコア４１ａ〜４４ａと、そのコア４１ａ〜４４ａにそれぞれ卷回された巻線４１ｂ〜４４ｂにより構成されており、各コア４１ａ〜４４ａは図１に示すようにそれぞれの巻線４１ｂ〜４４ｂの低電位側に電気的に接続されている。
【００１０】
具体例としては、分割構成された鉄心リアクトル４１〜４４は、インダクタンスが何れも１ｍＨ、耐電圧約２ｋＶｐの互いに同一特性のものからなる。そして、図３に示すように、絶縁材からなる板状のフレーム部材５上に、コア４１ａ〜４４ａを２ｋＶｐに耐え得る絶縁距離を確保して相互に離間させて載置しそれぞれ固定する。また、コア４１ａに巻線４１ｂを２ｋＶｐに耐え得る絶縁距離を確保して装着し、同様にコア４２ａに巻線４２ｂを、コア４３ａに巻線４３ｂを、コア４４ａに巻線４４ｂをそれぞれ装着する。さらに、各巻線間を図３に示すように巻線接続部材６１〜６３で電気的にシリーズに接続する一方、各巻線の低圧側と当該鉄心リアクトルのコア間をコア接続部材７１〜７４でそれぞれ電気的に接続する。なお、接続端子８１にはインバータ２の出力が、接続端子８２にはオゾン発生器３が接続される。また、フレーム部材５上の所定部には、並設された鉄心リアクトル４１〜４４を冷却するための冷却ファン９が設けられている。
【００１１】
オゾン発生器３は、図２に示すように対向するように設けられた高圧電極３ａ及び接地電極３ｂと、これら高圧電極３ａ及び接地電極３ｂの間に配設された誘電体３ｃによって構成されている。酸素ガスまたは酸素を含む原料ガスは、誘電体３ｃと接地電極３ｂの間に形成された放電間隙Ａの一方から矢印Ｂで示すように送給される。放電間隙Ａ部分で生じる無声放電Ｃによってオゾンガスが生成される。オゾンガスを含むガスとして矢印Ｄにて示すように放電間隙Ａの他方側へ取り出される。オゾン発生器３は、例えば既存のものを必要に応じて１台あるいは複数台直列に、または並列に接続して用いることができる。
【００１２】
なお、上記オゾン発生器３は、高圧電極３ａと接地電極３ｂからなる電極対の間に、誘電体３ｃと放電間隙Ａからなる空間が挟まれたコンデンサとして作用するので、等価回路としては図１ではそのオゾン発生器３を、電極対３１、３２、３３、・・・、３ｎからなる複数のコンデンサの並列接続体として示している。また、上記インバータ２は、商用電源１の交流を直流に変換する整流手段、変換された直流を所定の周波数、電圧の交流に変換するスイッチング素子及びその制御回路などを含むものであり、例えばＩＧＢＴなどを用いた電圧型インバータ等、既存のものを適宜選択して用いることができる。また、原料ガスの供給源、その送給回路、流量制御装置等、その他の構成は従来のオゾン発生装置と基本的に同様であるので図示及び説明を省略する。
【００１３】
次に上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。図１に示すように、３φ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、４００Ｖの商用電源１から電力がインバータ２に入力されると、インバータ２により変換された例えば１φ２．８ｋＨｚ、１．６ｋＶｐ程度の矩形波電圧が鉄心リアクトル４１〜４４の直列接続体とオゾン発生器３とで構成された直列共振回路に印加される。このとき、直列共振による電圧跳ね上げの結果として、オゾン発生器３の誘電体３ｃを介した高圧電極３ａ及び接地電極３ｂ間に最大で８ｋＶｐ程度の高電圧が印加され、放電空間Ａに無声放電Ｃが生じる。この放電空間Ａに供給された酸素は電気エネルギーを受けて活性化され、解離または励起された酸素の一部がオゾンに変化する。即ち、オゾン発生器３で酸素を原料として、オゾンが生成される。また、上記無声放電によるオゾン生成時に、オゾン発生器３は有効電力を消費する。
【００１４】
より具体的には、オゾン発生装置１０は、オゾン発生量８ｋｇ／ｈ、鉄心リアクトル４に印加される電圧の最大値は約８ｋＶｐであり、周波数は２．８ｋＨｚ、最大電流は７５Ａ、直列共振に必要なインダクタンスは４ｍＨのものを製作した。因みに鉄心リアクトル４を１台で製作した従来のものでは、インダクタンスが４ｍＨ、巻線〜コア間の電圧は最大８ｋＶｐとなる。それに対して、この実施の形態１においてはインダクタンスが何れも１ｍＨである小型に分割された鉄心リアクトル４１〜４４を４台直列に接続したことで、合成インダクタンスは４ｍＨとなり、しかも各コアを当該コアの巻線の低圧側にそれぞれ電気的に接続したことで、１台当たりの巻線〜コア間に加わる電圧は最大２ｋＶｐとなる。このため、絶縁構成はその最大電圧２ｋＶｐに見合う、８ｋＶｐの場合よりも簡素化されたもので良い。
【００１５】
また、各鉄心リアクトル４１〜４４の銅損及び鉄損による発熱を冷却するために、冷却ファン９により冷風を当てるが、このとき板状のフレーム部材５が冷風をガイドする役目をなす。また、コア４１ａ〜４４ａはフレーム部材５上に直接固定されていることにより、鉄心リアクトル４１〜４４からの発熱はフレーム部材５側に伝熱され、放熱される。さらに、従来技術では１台で４ｍＨのインダクタンスを有するように製作された鉄心リアクトルに比べて、１ｍＨ×４台で分割構成したことにより、表面積が増加しているため、発熱量に対する表面積が広くなり、冷却がより効率的に行われる。
【００１６】
上記のように、実施の形態１によれば、オゾン発生器３との共振用のリアクトルとして何れも非接地状態で直列に接続された複数の鉄心リアクトル４（４１〜４４）の直列接続体を用いるようにしたので、個々の鉄心リアクトルの絶縁構成は耐圧を低くすることができる。例えば、巻線〜コア間電圧が８ｋＶｐから２ｋＶｐと大幅に低下するため、巻線〜コア間の絶縁をそれに見合ったものに簡素化できるため、鉄心リアクトル全体として小型化することができる。鉄心リアクトル４のコストはそれを構成する材料（鉄及び銅）の質量に大きく左右されるため、小型化によって材料の使用量が抑制され、低コストで製作することができる。また、各鉄心リアクトルの単位重量が軽くなるため、製作中及び出荷後の搬送や据付が容易に行えるようになる。因みに１台でインダクタンスが４ｍＨとなるようにした鉄心リアクトルでは、重量が約２００ｋｇになり、取り扱いに相当の手間がかかっていた。
【００１７】
また、分割した各鉄心リアクトル４１〜４４のインダクタンスを互いに等しくしたことにより、大量生産が容易となる。また、オゾン発生器３の組立精度等の影響でオゾン発生器の静電容量がばらつくことがあったため、これまでは鉄心リアクトル４をオーダーメイドすることでインダクタンスを調整し、必要な共振周波数を得ていた。これに対し、本発明の実施の形態１によって鉄心リアクトルを大量生産するようにした場合には、例えば、４台の鉄心リアクトルのうち３台だけを使用したり、２台の鉄心リアクトルを並列にしたものを残りの２台の鉄心リアクトルと直列に接続したりするなど、鉄心リアクトルの直列接続体における鉄心リアクトルの接続形態を変更可能とすることによってインダクタンス調整が可能となり、共振周波数の調整を容易にすることも可能となる。また、異なる仕様の製品に対して部材を共通化することもできる。４台のうちの少なくとも１台の鉄心リアクトルに巻線の途中の複数の位置から引き出し線（タップ）を設け、適切なインダクタンスになるタップに配線を接続するようにしてもよい。そうすることにより、インダクタンスをより細かく調整できるようになる。
【００１８】
また、オゾン発生装置１０の設置場所は浄水場や下水処理場といった社会インフラ設備が多く、しかも運転は１日２４時間常時運転であるため、故障時の設備停止による影響は非常に広範囲なものとなる。従って、オゾン発生装置１０に対しては、故障率の低減や故障時の復旧時間の短縮といった高い信頼性が求められるが、この実施の形態１によれば、巻線〜コア間の電圧が低減されることにより、絶縁破壊による故障が起こり難くなるため、故障率が低減され、信頼性も向上する。また、故障を未然に検出するために、例えば巻線〜コア間の絶縁診断が必要となった場合に２ｋＶｐ程度の絶縁診断で済むため、８ｋＶｐの絶縁診断よりも廉価な装置で実施可能であるという利点もある。
【００１９】
さらに、４台の鉄心リアクトル４１〜４４の内、例えば１台の巻線〜コア間の絶縁が破壊された場合にも、故障した鉄心リアクトルだけを取り外し、残りの鉄心リアクトル３台を直列に接続することで、仮復旧が可能となるので、設備停止時間を短縮することができるという利点もある。なお、この場合、オゾン発生器３に印加できる電圧は最大６ｋＶｐ程度となるので、出力を絞った運転となる。
【００２０】
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に係るオゾン発生装置の要部構成を示すブロック図である。図において、鉄心リアクトル４１〜４４の各コア４１ａ〜４４ａは、巻線４１ｂ〜４４ｂとは電気的に接続されておらず、かつ、接地もされていない。なお、このとき各鉄心リアクトル４１〜４４における巻線〜コア間に加わる最大電圧を低減するために、巻線〜コア間の静電容量と、コア〜大地間の静電容量の比が、大凡、
（巻線〜コア間の容量）：（コア〜大地間の容量）＞２：１  ・・・・（式１）
となるように組み立てることが望ましく、さらに好ましくは、上記比が５：１程度となるように組み立てることが望ましい。上記巻線〜コア間の静電容量と、コア〜大地間の静電容量の比が２：１以下になると、巻線〜コア間に加わる最大電圧が増加するようになるので、上記（式１）の範囲内とすることが望ましい。
【００２１】
具体的製造例においては、通常の絶縁材、巻線材、及びコアを用いて組み立てた鉄心リアクトル４１〜４４における、巻線〜コア間の静電容量は約５０ｐＦ、コア〜大地間の静電容量は約１０ｐＦであった。該鉄心リアクトル４１〜４４においては、巻線〜コア間に加わる最大電圧が約１ｋＶｐであり、実施の形態１の構成における最大電圧２ｋＶｐ程度から半減され、その分、コア〜大地間の絶縁構成を緩和することができた。加えて、実施の形態１の構成で必要としたコア接続部材７１〜７４が不要となる。
【００２２】
上記のように実施の形態２によれば、分割された鉄心リアクトル４１〜４４の何れについてもコア４１ａ〜４４ａを巻線４１ｂ〜４４ｂと接続しないように構成する一方、（巻線〜コア間の静電容量）：（コア〜大地間の静電容量）について、（式１）の関係が成立するように構成したので、巻線〜コア間に加わる最大電圧が低減され、鉄心リアクトル４１〜４４をより小型化することができる。さらに、コア接続部材７１〜７４が不要となるため部品が削減され、さらに低コストとなり、信頼性を高めることができるという効果が得られる。
【００２３】
なお、上記実施の形態１、２では、鉄心リアクトルを４台に分割構成した場合について例示したが、必ずしも４台に限定されないことは言うまでもない。また、鉄心リアクトル４１〜４４をフレーム部材５上に直線状に並設した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば千鳥状に配置しても良い。その他、商用電源１の電圧、オゾン発生器３への印加電圧や周波数など、この発明の範囲内で種々の変形や変更が可能であることは当然である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  オゾン発生装置、  １  商用電源、  ２  インバータ、  ３  オゾン発生器、  ３ａ  高圧電極、  ３ｂ  接地電極、  ３ｃ  誘電体、  ４（４１〜４４）  鉄心リアクトル、  ４１ａ〜４４ａ  コア、  ４１ｂ〜４４ｂ  巻線、  ５  フレーム部材、  ６１〜６３  巻線接続部材、  ７１〜７４  コア接続部材、  ８１、８２  接続端子、  Ａ  放電間隙、  Ｃ  無声放電。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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