(57)【要約】【課題】内燃エンジン等用の燃料改質装置、窒素酸化物除去装置、又はスス・フィルタ再生装置の２つの電極間のギャップに電位差を与えるための回路を提供すること。【解決手段】該回路は電源と、一次巻線及び前記電極間を結合するための二次巻線を含む変圧器とを備え、前記電源は前記一次巻線に結合され、スイッチが前記一次巻線に接続されている。
2007520982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
利用装置の２つの電極間のギャップに電位差を与えるための回路であって、
電源と、
一次巻線及び前記電極間を結合するための二次巻線を含む変圧器と、
前記一次巻線の２つの端子の１つに接続された第１のスイッチと、
前記一次巻線の前記２つの端子の他方に接続された第２のスイッチと
を備え、前記電源は前記一次巻線に結合されている回路。
【請求項２】
前記スイッチはそれぞれ、前記電源に接続された第２の端子を更に含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
動作周波数信号源を更に備え、前記両スイッチは、前記動作周波数信号源に結合されている請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記動作周波数信号源は、前記二次巻線を含む回路部の共振周波数の約０．１倍と該共振周波数の約１０倍との間の周波数の信号源を含む請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記両電極を更に備え、前記二次巻線を含む前記回路部は、前記二次巻線を介して結合された前記両電極を含む請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記両スイッチは固体スイッチにより構成され、各スイッチは前記動作周波数信号源に接続された制御端子を含む請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記スイッチは絶縁ゲート・バイポーラトランジスタにより構成される請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記スイッチは電界効果トランジスタにより構成される請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記利用装置は、燃料改質装置、窒素酸化物除去装置、及びスス・フィルタ再生装置のうち１つを含む請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記変圧器は、コアと、該コアを囲む前記一次巻線と、前記一次巻線を囲み複数のセクションに分けて巻かれた前記二次巻線とを含む請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記動作周波数信号源は、約２０ＫＨｚと約１００ＫＨｚとの間の基本周波数の信号の源を含む請求項３に記載の装置。
【請求項１２】
前記動作周波数信号源は、約５００Ｈｚと約２５０ＫＨｚとの間の基本周波数を有し、約５０Ｈｚと約５０ＫＨｚとの間の周波数の変調信号によって変調された動作周波数信号源を含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記動作周波数信号源は、約２０ＫＨｚと約１００ＫＨｚとの間の基本周波数を有し、約２ＫＨｚと約１０ＫＨｚとの間の周波数の変調信号によって変調された動作周波数信号源を含み、前記変調信号はデューティサイクルを決定する可変パルス幅を有する請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記動作周波数信号源は、約２０ＫＨｚと約１００ＫＨｚとの間の基本周波数を有し、約２ＫＨｚと約１０ＫＨｚとの間の周波数の変調信号によって変調された動作周波数信号の源を含み、前記変調信号は約２０％と約１００％の間のデューティサイクルを決定する可変パルス幅を有する請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記動作周波数信号源に結合され、前記利用装置のパラメータを検出するセンサを更に含む請求項３に記載の装置。
【請求項１６】
前記センサは、温度に関係する出力信号を提供するデバイスを含む請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記センサは、圧力に関係する出力信号を提供するデバイスを含む請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記センサは、イベントの発生からの経過時間を計るタイマを含む請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記センサは、複数の状態を取ることができるシステムの各状態の継続時間を検出し、前記検出された継続時間にそれぞれ重みを割り当て、前記検出され重み付けされた継続時間を積算し、前記検出され重み付けされ積算された継続時間が閾値に達した時、出力を提供するデバイスを含む請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
複数の状態を取ることができるシステムの各状態の継続時間を検出するデバイスを含む前記センサは、エンジン荷重とエンジントルクのうち少なくとも１つに関する複数のレンジのそれぞれにおけるエンジン動作の継続時間を検出するデバイスを含む請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記センサは、エンジン荷重とエンジントルクの両方に関する複数のレンジのそれぞれにおけるエンジン動作の継続時間を検出するデバイスを含む請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記センサは、流体流れの成分の濃度に関係する出力信号を出すデバイスを含む請求項１５に記載の装置。
【請求項２３】
前記センサは、ガス流の成分ガス又は混合ガスの濃度に関係する出力信号を出すデバイスを含む請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
ガス流の成分ガス又は混合ガスの濃度に関係する出力信号を出す前記デバイスは、ガス流中の窒素酸化物、窒素、及び酸素のうち少なくとも１つの濃度に関係する出力信号を出すデバイスを含む請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
利用装置の２つの電極間のギャップに電位差を与えるための回路であって、
コアと、該コア内に磁束を誘導する一次巻線と、該コア内の磁束が電圧を誘導するように該コアに対してある方向に巻かれた二次巻線とを含む変圧器と、
電源と、
前記一次巻線に電流を誘導するために前記一次巻線に接続された少なくとも１つのスイッチと
を備え、前記二次巻線は複数のセクションに分けて巻かれ、かつ前記両電極に接続され、前記電源は前記一次巻線に結合されている回路。
【請求項２６】
前記一次巻線は、前記コアの周りに巻かれている請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記コアと前記一次巻線との間に配置された絶縁体を更に含む請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記二次巻線は、前記一次巻線の周りに巻かれている請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記一次巻線と前記二次巻線との間に配置された絶縁体を更に含む請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記少なくとも１つのスイッチは、前記一次巻線の第１端子に接続された第１のスイッチと、前記一次巻線の第２端子に接続された第２のスイッチとを含む請求項２５に記載の装置。
【請求項３１】
前記電源は、前記一次巻線の前記第１端子と第２端子の中間において前記一次巻線に結合されている請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
動作周波数信号源を更に含み、前記両スイッチは、前記動作周波数信号源に結合されている請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】
前記両スイッチは固体スイッチにより構成され、各スイッチは前記動作周波数信号源に接続された制御端子を含む請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記スイッチは絶縁ゲート・バイポーラトランジスタにより構成される請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記スイッチは電界効果トランジスタにより構成される請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
前記動作周波数信号源は、前記二次巻線を含む回路部の共振周波数の約０．１倍と該共振周波数の約１０倍との間の周波数の信号源を含む請求項３２に記載の装置。
【請求項３７】
前記両電極を更に備え、前記二次巻線を含む前記回路部は、前記二次巻線を介して結合された前記両電極を含む請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記利用装置は、燃料改質装置、窒素酸化物除去装置、及びスス・フィルタ再生装置のうち１つを含む請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記動作周波数信号源に結合され、前記利用装置のパラメータを検出するセンサを更に含む請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記センサは、温度に関係する出力信号を出すデバイスを含む請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記センサは、圧力に関係する出力信号を出すデバイスを含む請求項３９に記載の装置。
【請求項４２】
前記センサは、イベントの発生からの経過時間を計るタイマを含む請求項３９に記載の装置。
【請求項４３】
前記センサは、複数の状態を取ることができるシステムの各状態の継続時間を検出し、前記検出された継続時間にそれぞれ重みを割り当て、前記検出され重み付けされた継続時間を積算し、前記検出され重み付けされ積算された継続時間が閾値に達した時、出力を出すデバイスを含む請求項３９に記載の装置。
【請求項４４】
複数の状態を取ることができるシステムの各状態の継続時間を検出するデバイスを含む前記センサは、エンジン荷重とエンジントルクのうち少なくとも１つに関する複数のレンジのそれぞれにおけるエンジン動作の継続時間を検出するデバイスを含む請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記センサは、エンジン荷重とエンジントルクの両方に関する複数のレンジのそれぞれにおけるエンジン動作の継続時間を検出するデバイスを含む請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
前記センサは、流体流れの成分の濃度に関係する出力信号を出すデバイスを含む請求項３９に記載の装置。
【請求項４７】
前記センサは、ガス流の成分ガス又は混合ガスの濃度に関係する出力信号を出すデバイスを含む請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
ガス流の成分ガス又は混合ガスの濃度に関係する出力信号を提供する前記デバイスは、ガス流中の窒素酸化物、窒素、及び酸素のうち少なくとも１つの濃度に関係する出力信号を出すデバイスを含む請求項４７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源に関する。本発明は、可変量の電力を電極ギャップに供給するための電源として開示される。しかし、他の用途においても有用であると考えられる。
【背景技術】
【０００２】
様々なタイプの装置が、様々な目的を達成するために電極ギャップを使用する。例えば、特許文献１〜特許文献７に開示された装置がある。これらの特許文献を本明細書に援用する。これらの特許文献のリストは、全ての関係する技術の完全な検索が行われたこと、又はこれら特許文献よりも適切な技術は存在しないこと、又はこれらの特許文献は特許性にとって重要であることを表明する意図ではない。また、そのような意味に解釈されるべきではない。
【特許文献１】米国特許第５，８８７，５５４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，４３７，２５０号明細書
【特許文献３】米国特許第５，４２５，３３２号明細書
【特許文献４】米国特許第５，４０９，７８４号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００３−０１４３４４５号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００３−０１４３４４２号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００３−０１４０６２２号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の一態様によれば、利用装置の２つの電極間のギャップに電位差を与えるための回路であって、この回路は電源と、一次巻線及び前記電極間を結合するための二次巻線を含む変圧器とを備え、前記電源は前記一次巻線に結合されている。第１のスイッチが前記一次巻線の２つの端子の１つに接続され、第２のスイッチが前記一次巻線の前記２つの端子の他方に接続されている。
【０００４】
本発明の他の態様によれば、利用装置の２つの電極間のギャップに電位差を与えるための回路であって、この回路は電源を備え、更に、コアと、該コア内に磁束を誘導する一次巻線と、該コア内の磁束が電圧を誘導するように該コアに対してある方向に巻かれた二次巻線とを含む変圧器を備える。前記二次巻線は複数のセクションに分けて巻かれ、かつ前記両電極に接続されている。前記電源は前記一次巻線に結合されている。少なくとも１つのスイッチが、前記一次巻線に電流を誘導するために前記一次巻線に接続されている。
【０００５】
本発明のこの態様によれば、具体例として、前記一次巻線は、前記コアの周りに巻かれている。  
また、本装置は、前記コアと前記一次巻線との間に配置された絶縁体を更に含む。  
また、前記二次巻線は、前記一次巻線の周りに巻かれている。  
また、本装置は、前記一次巻線と前記二次巻線との間に配置された絶縁体を更に含む。
【０００６】
本発明によれば、具体例として、２つの電極を有する燃料改質装置、２つの電極を有する窒素酸化物除去装置、及び２つの電極を有するスス・フィルタ再生装置のうち少なくとも１つが内燃エンジンに結合されている。本回路は２つの電極間のギャップに電位差を与える。
【０００７】
本発明によれば、具体例として、前記スイッチはそれぞれ、前記電源に接続された第２の端子を更に含む。  
また、本装置は動作周波数信号源を更に備え、前記両スイッチは、前記動作周波数信号源に結合されている。  
また、前記動作周波数信号源は、前記二次巻線を含む回路部の共振周波数の約０．１倍と該共振周波数の約１０倍との間の周波数の信号の源を含む。  
また、前記二次巻線を含む前記回路部は、前記二次巻線を介して結合された前記両電極を含む。  
また、前記両スイッチは固体スイッチにより構成される。  
各スイッチは前記動作周波数信号源に接続された制御端子を含む。
【０００８】
本発明によれば、具体例として、前記スイッチは絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）により構成される。  
または、前記スイッチは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）により構成される。
【０００９】
本発明によれば、具体例として、前記動作周波数信号源は、約５００Ｈｚと約２５０ＫＨｚとの間の基本周波数の信号の源を含む。  
また、前記動作周波数信号源は、約５００Ｈｚと約２５０ＫＨｚとの間の基本周波数を有し、約５０Ｈｚと約５０ＫＨｚとの間の周波数の変調信号によって変調された動作周波数信号の信号源を含む。  
また、前記変調信号はデューティサイクルを決定する可変パルス幅を有する。  
前記デューティサイクルは約２０％と約１００％の間である。
【００１０】
本発明によれば、具体例として、本装置は、前記動作周波数信号源に結合され、前記利用装置のパラメータを検出するセンサを更に含む。  
また、前記センサは、温度に関係する出力信号を出すデバイスを含む。  
あるいは／更に、前記センサは、圧力に関係する出力信号を出すデバイスを含む。  
あるいは／更に、前記センサは、イベントの発生からの経過時間を計るタイマを含む。
【００１１】
あるいは／更に、前記センサは、複数の状態を取ることができるシステムの各状態の継続時間を検出し、前記検出された継続時間にそれぞれ重みを割り当て、前記検出され重み付けされた継続時間を積算し、前記検出され重み付けされ積算された継続時間が閾値に達した時、出力を出すデバイスを含む。
【００１２】
本発明によれば、具体例として、複数の状態を取ることができるシステムの各状態の継続時間を検出する前記デバイスは、エンジン荷重とエンジントルクのうち少なくとも１つに関する複数のレンジのそれぞれにおけるエンジン動作の継続時間を検出するデバイスを含む。
【００１３】
本発明によれば、具体例として、前記センサは、エンジン荷重とエンジントルクの両方に関する複数のレンジのそれぞれにおけるエンジン動作の継続時間を検出するデバイスを含む。  
あるいは／更に、前記センサは、流体流の成分の濃度に関係する出力信号を出すデバイスを含む。
【００１４】
本発明によれば、具体例として、前記センサは、ガス流の成分ガス又は混合ガスの濃度に関係する出力信号を出すデバイスを含む。
【００１５】
本発明によれば、具体例として、前記センサは、ガス流中の窒素酸化物、窒素、及び酸素のうち少なくとも１つの濃度に関係する出力信号を出すデバイスを含む。
【００１６】
本発明は、以下の詳細な説明と添付の図面を参照することで、理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
下記の記載においては、ある集積回路と他の部品について、特定の回路タイプ及び電源で特定する。多くの場合、これらの特定された回路タイプ及び電源の端子名とピン番号が記述される。このことにより、該特定された回路は、記載された機能を実行する同じ又は任意の他の電源に対して、利用可能な唯一の回路であると解釈されるべきではない。通常、他の回路が、記載された機能を実行する同じ電源及び他の電源に対して、利用可能である。このような他の回路の端子名とピン番号は、本明細書において特定された具体的な回路の端子名とピン番号と同じでないことがある。
【００１８】
特に図１を参照すると、本発明に従って構成された回路２０が、制御システム２２において、１対の電極２６−１、２６−２間のギャップ２４を横切る可変電力電気放電を提供するために使用される。電極２６−１、２６−２は、燃料改質装置、スス・フィルタ再生装置、窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）除去装置等の、この回路を利用する利用装置２８の電極である。回路２０は、これらの用途で実現される時、通常、ディーゼル動力の貨物トラック牽引車等の自動車の１２ＶＤＣ又は２４ＶＤＣ電源等のＤＣ電源３０で動作するように設計される。回路２０は、一次巻線３２−１と二次巻線３２−２を含む高電圧変圧器３２を備える。一次巻線３２−１の中心タップ３４は、電源３０の一方の端子に接続される。一次巻線３２−１の一方の端子３６−１は、スイッチ３８の第１の端子３８−１に接続され、一次巻線３２−１の他方の端子３６−２は、スイッチ４０の第１の端子４０−１に接続されている。スイッチ３８、４０それぞれの残りの端子３８−２、４０−２は、電源３０の他方の端子、すなわち、基準端子（以下、グランド又は基準端子）に接続される。スイッチ３８、４０は、変圧器３２とその負荷（電極２６とギャップ２４の容量を含む）の共振周波数又はその近傍の周波数で操作される。具体的には、これらスイッチは、このタイプの回路２０のギャップ２４に供給されるべき電力を切替えることが可能な固体スイッチである。このタイプのスイッチは、具体的には、パワーＦＥＴ（図１ａ）とＩＧＢＴ（図１ｂ）を含む。適切な例は、インターナショナルレクティファイアー（International Rectifier）社製タイプＩＲＦＰＳ３８１０パワーＭＯＳＦＥＴである。スイッチを操作するためのパルス５０は、スイッチ３８、４０の端子を制御するためにドライバ６２により供給される。
【００１９】
放電は、勿論、本質的に不安定である。この不安定さの周知の例は、稲妻である。大きな残電位エネルギが雲−グランド間ギャップにかかってはいるが、稲妻の典型的な単一のストロークは、１秒の数分の１だけしか持続しない。極めて速く、大気の成分からなる導電路が形成され、稲妻ストロークが発生し、導電路が消散する。従って、雲−グランド間のギャップのインピーダンスは、稲妻ストローク時の大気の成分を通る極めて低いインピーダンスとストローク前後の極めて高いインピーダンスの間を振れる。他のアーク放電でも、勿論ずっと小さな規模ではあるが同じことが発生する。放電がその間に形成され消散する電極２６から見たインピーダンスは、大変低いと大変高いとの間を振れる。
【００２０】
また、ギャップ２４中の成分の構成はそのインピーダンスに影響する。例えば、ギャップ２４中の成分の濃度及び／又は絶縁耐力が変わる場合、ギャップ２４のインピーダンスはそれに応じて変化する。これらの変化の結果、電源２０からギャップ２４に供給される電力をある種の閉ループ制御のもとに変化させることが必要又は望ましい場合がある。
【００２１】
例えば、利用装置２８が燃料改質装置２８であるとする。改質プロセスの初期において、酸素と炭化水素の比は、急激に変化する。この急激な変化は、例えば、大型トラックや軽車両（例えば自動車）のエンジンが、加速と荷重の動的な条件のもとで動作するために発生する。
【００２２】
他の例として、利用装置２８がスス・フィルタ再生システム（以下、スス燃焼機とも呼ぶ）であるとする。スス・フィルタが再生されるエンジンが冷えている場合は、長い間、動作していなかったので、フィルタ内のススをＣＯ２に変換するのに十分にエンジン排気流を加熱するためにより多くの電力がギャップ２４に供給されなければならない可能性がある。他方、スス燃焼機がスス・フィルタを再生するよう要求された時点で、エンジンがしばらくの間、動作していた場合には、スス・フィルタ及び近傍の部品の内部は、フィルタ内のススをＣＯ２に変換するために電極２６からこのシステムにほとんどエネルギを加える必要がないほど十分熱くなっている可能性がある。この場合は、回路２０は、より少ない電力をギャップ２４に供給しなければならない。スス（炭素）からＣＯ２へのプロセスは発熱性であるため、開始後、自己維持する可能性がある。この場合、ギャップ２４に供給される電力量は、更に減少する。
【００２３】
図１の実施形態において、例えばある種のセンサ５４により、制御ループは閉じているか、又は制御が確立される。センサ５４の種類は、本回路が使用される用途と回路２０に関連する制御部μＣ及びドライバ回路６２の特性とに依存する。例えば、スス・フィルタ再生装置において、センサ５４は、サーミスタ、熱電対、又は温度に関係する出力信号を出す他のデバイス、又はスス・フィルタにかかる圧力が再生開始の閾値まで増加した時に信号を出力する圧力変換器等であってよい。センサ５４は、直前の再生以降のエンジン動作時間を計るタイマ等の簡単なものでもよいし、例えば荷重及びトルクに関する異なるエンジン動作範囲ごとのエンジン動作期間を記憶し、これらの動作範囲のそれぞれに対して適切に加重された累計のエンジン動作期間が再生開始の閾値に達した時点を決定するアルゴリズムを使用するシステム等の複雑なものでもよい。ＮＯｘ除去装置又は燃料改質装置において、該センサは、ＮＯｘ、Ｎ２、Ｏ２、又は排出ガスの他の成分の濃度を検出するセンサであってもよい。これらの濃度は、該除去装置の性能と相互に関係する。また、該制御部は直前の再生以降のエンジン動作時間を記録するタイマであってもよいし、又は例えば荷重及びトルクに関する異なるエンジン動作範囲ごとのエンジン動作期間を記憶し、これらの動作範囲のそれぞれに対して適切に加重された累計のエンジン動作期間が再生開始の閾値に達した時点を決定するアルゴリズムを使用するシステム等の複雑なものでもよい。勿論、他の制御方法及び入力が、上記の制御方法及び入力の代りに、又は並列に使用可能である。
【００２４】
本実施形態のスイッチ３８、４０は、図２ａに示した一般的な形式のパルス群５０の源によって駆動される。パルス群５０は５００Ｈｚ〜２５０ＫＨｚの範囲のパルス周波数ｆｐｕｌｓｅ（図の例では５５ＫＨｚ）と例えば１００ｎｓのパルス幅を有する。その周波数は、５０Ｈｚ〜５０ＫＨｚの範囲のパルス繰返し周波数ｆｒｅｐとパルス幅ｔＤによって変調される。デューティサイクルＤはＤ＝ｔＤ×ｆｒｅｐとして定義される（図２ｂ参照）。変調結果のパルス列は、図２ｃ、図２ｄに示した２つの互いに反対位相のドライブ信号６４ａ、６４ｂを生成するために使用される。従って、ギャップ２４に供給する必要がある電力量が比較的低く、Ｄ＝２０％の場合には、５５ＫＨｚパルス６４ａ、６４ｂは、スイッチ３８、４０の制御端子にそれぞれ、それぞれ全体時間の２０％の間、供給される。ギャップ２４に供給する必要がある電力量が最大であり、Ｄ＝１００％の場合には、５５ＫＨｚパルス６４ａ、６４ｂは、スイッチ３８、４０の制御端子に、連続的に、すなわち全体時間の１００％の間、供給される。本実施形態では、ドライバ回路６２は図２ｂの信号によって決められた間隔において図２ａの信号の周波数をおおよそ半分にするために使用され、この半分の周波数信号から図２ｃ、図２ｄに示した２つの互いに反対位相のパルス列６４ａ、６４ｂを生成するが、図２ｃ、図２ｄのパルス列を、利用装置２８の動作を制御するマイクロコンピュータ又はマイクロコントローラ（本明細書ではμＣと総称する）が供給することが可能であることが分かる。勿論、μＣの出力端子におけるドライバ電流は、通常、スイッチ３８、４０を駆動するのに十分でないので、該μＣから出力されるパルス列を、単純にスイッチ３８、４０の制御端子に結合するのではなく、増幅する必要がある可能性が高い。
【００２５】
スイッチ３８、４０のドライバ回路の実施例について説明すると、特に図３を参照して、図２ｂの信号によって変調された図２ａのパルス列は、バッファ／分離回路６０（図の例では光学カプラー）の入力ポート（図の例ではピン２又はピン３）に結合される。光学カプラー６０はテキサスインスツルメンツ（Texas Instruments）社製６Ｎ１３７光学カプラーである。分離回路６０の出力ポート（図の例ではピン５又はピン６）は、ドライバ回路６２の入力ポート（図の例ではピン２又はピン３）に結合される。ドライバ回路６２は、図の例では、Andreycak, Bill,「New Driver ICs Optimize High Speed Power MOSFET Switching Characteristics（新しいドライバＩＣが高速電力ＭＯＳＦＥＴスイッチング特性を最適化する）」Unitrode Application Notes U-118, pp. 3-151--3-165に記載されたＵｎｉｔｒｏｄｅ社製ＵＣ３７０６ドライバＩＣである。この文献を本明細書に援用する。この文献に記載されているように、このドライバ回路６２は、図２ｃ、図２ｄの２つの互いに反対位相の信号（グランドに対する）をピン６とピン１１に出力する。これらの反対位相の出力は、それぞれスイッチ３８、４０の制御端子に結合され、これによりスイッチ３８と一次巻線３２−１の半分を流れる電流とスイッチ４０と一次巻線３２−１の他の半分を流れる電流とが交互する。
【００２６】
２つのスイッチ３８、４０のドライバ回路はデューティサイクルと、動作周波数と、ある範囲の電力をギャップ２４の可変インピーダンスに供給するアーク繰返し周波数とのうち任意の１つ以上を調整することができる。このため、エネルギ要求を満たすことが利用装置２８の適切な動作を保証する。制御部μＣ、ドライバ回路６２は、デューティサイクルＤ、動作周波数、及びアーク繰返し周波数を変えるために、時間及び／又は周波数ドメイン制御方法を含む幾つかの制御方法のうち任意のものを使用できる。制御アルゴリズムは、回路２０が要求された電力を、インピーダンスが広範囲に変わるギャップ２４に供給するように動作する。ギャップ２４のインピーダンスの広範囲の変化は、従来のインピーダンス整合システムが要求された電力をギャップ２４に供給するのを困難にする。また、回路２０によりギャップ２４を横切る２極放電が行われる。該放電が２極であることは、電極２６の腐食を低減し信頼性を向上すると考えられる。変圧器３２のコア３２−３内の磁束は、一次巻線３２−１の中心タップ３４の構成により先ず一方向に、次に反対方向に生成される。すなわち、先ず第１スイッチ３８が閉じ、駆動電流はグランドへと一方向に流れ、次に第１スイッチ３８が開き第２スイッチ４０が閉じるために、第２の方向に流れる。これにより、回路２０の性能に悪影響を与えるコア３２−３内の残留磁束の蓄積の可能性を低減する。
【００２７】
変圧器３２の構成例を図４に示す。変圧器３２の一次巻線３２−１はフェライト・ロッドコア３２−３上に巻かれている。絶縁内側ボビン３２−４はフェライト・ロッド３２−３上に配置され、一次巻線３２−１は内側ボビン３２−４に巻かれている。この例では、一次巻線３２−１は、絶縁体で被覆された１４ＡＷＧワイヤが２４ターン巻かれている。例えば自動車電池３０への接続を容易にするために、２本のリード線が中心タップ３４から引き出されている。絶縁外側ボビン３２−５は一次巻線３２−１上に配置され、二次巻線３２−２は外側ボビン３２−５上に巻かれている。二次巻線３２−２は、万能ワインディング技法を用いて、多数のセクション３２−２−１、３２−２−２、・・・３２−２−（ｎ−１）、３２−２−ｎに分けて巻かれている。セクションの数ｎは、端子３６−１、３６−２間に発生する最大の電位を決定する要素の１つである。ｎ＝７の変圧器３２の例は、端子３６−１、３６−２間に８４ＫＶpeak-to-peakの電位を提供した。ｎ＝４の変圧器３２の例は、端子３６−１、３６−２間に３６ＫＶpeak-to-peakの電位を生じた。この実施形態では、ｎ＝４である。各セクション３２−２−１、３２−２−２、３２−２−３、３２−２−４は絶縁体で被覆された３０ＡＷＧワイヤの１０００ターンを含む。ｎ＝４の変圧器３２は、約１〜３５μＨの範囲のインダクタンスと、ギャップ２４の約４０ｐＦの容量と比較して約４ｐＦの巻線容量とを有していた。変圧器３２の二次巻線３２−２は巻線内容量が低くなるように巻かれる。従って、低巻線内容量は多セクション型万能コイル巻線構成を使用して達成されている。相対的に低い巻線内容量により、回路２０の共振周波数を設定する容量の大部分をギャップ２４が担うことになるために、相対的に高い共振周波数となる。また、ユニバーサルワインディング技法は、均一層状ワインディング技法を用いた場合に比べて巻線層間の電界応力を低減すると考えられる。従って、二次巻線３２−２の導線間の絶縁は更に保護される。
【００２８】
二次側回路３２−２、２６−１、２４、２６−２の相対的により高い共振周波数は、二次巻線３２−２の相対的により大きなワイヤ径と組合わされて、高電圧二次巻線３２−２が、概ね類似の構成を有するがインダクタンスのずっと小さな変圧器の二次側よりも相対的に大きなｄｖ／ｄｔとｄｉ／ｄｔを発生するのを可能にし、かつ、高インダクタンス二次巻線による相対的により高い二次側開放回路電圧特性を提供することができる。相対的に大きなｄｖ／ｄｔとｄｉ／ｄｔは、電極ギャップ２４容量を炭素又は他の不純物の存在によるブレークダウン点まで充電するのを可能にする。このような不純物は、燃焼に関連するギャップ２４においてしばしば発生する寄生抵抗性損ファウリングの原因として知られている。変圧器の一次巻線３２−１に相対的に大きな径の導線を使用することは、ｄｉ／ｄｔとｄｖ／ｄｔ効果を増大させ、アークが生成された後、より多くのエネルギがスパーク・ギャップ２４に供給されるのを可能にする。
【００２９】
相対的により高い共振周波数は、スパーク・ギャップ２４に供給された最適な電圧と電流からすると、より高い周波数で変圧器３２を駆動するのを可能にする。より高い周波数で生成される放電は、空気−燃料混合物にエネルギを供給するのに、より効率的である。なお、ある利用装置２８のギャップ２４は、電極２６間又は近傍において乱流状態に曝される。
【００３０】
スイッチ３８、４０、それに関連するドライバ回路、及び制御アルゴリズムは、変圧器３２を適切に考慮して選択される。中心タップ変圧器一次巻線３２−１はたった２つのスイッチ３８、４０により駆動される。通常、単一のスイッチ用のドライバは、エネルギを蓄積する要素と、ギャップにおける放電に使用されるエネルギを蓄えるための有限の時間とを必要とする。このようなシステムでは、エネルギは通常、コンデンサにかかる電圧として、又は電流が流れているインダクタの磁界に蓄えられる。いずれの場合も、必要な量のエネルギを蓄え／回復するのに要する時間は、上記タイプの変圧器３２の共振周波数での動作を実際上禁止する。上記回路２０の構成は、エネルギ蓄積と回復時間の心配なしにエネルギを変圧器３２の二次巻線３２−２に直接供給するのを可能にする。このようなシステムは、μＣにより適当なドライバ６２を介して駆動され、駆動信号とそれを用いた電極２６間の放電特性及びギャップ２４に供給される電力とを柔軟に変更することができる。また、μＣの使用は、ギャップ２４に供給される電力の閉ループ制御又は時間ベース制御を容易にする。このような制御は多くの利点を有する。アークはギャップ２４の近傍の乱流において適切な構成を有することができる。変圧器二次巻線３２−２の開放回路の能力、ｄｖ／ｄｔとｄｉ／ｄｔ、は二次巻線３２−２パラメータによって決定される。十分な二次巻線３２−２の能力により、実際上、任意の所望のアーク放電パラメータを実現することができる。放電継続時間はμＣからのドライバ制御信号により直接制御することができる。利用装置２８が燃料改質装置である場合、大変薄い又は濃い混合物に応じて性能を最適化するために、また濃い空気−燃料混合物の燃焼による煙と他の望ましくない副生成物との生成を通常の空気−燃料噴霧のレベル内に抑えるために、電極２６を、その間の放電が空気−燃料混合物を所望の深さまで貫くように構成することができる。また、電極配置は、相対的に乱れた空気流に消えることなく耐えるアークの能力を向上させる。
【００３１】
必要な動作条件に達した後、ギャップ２４に供給される電力を低減する能力は、駆動波形デューティサイクルを下げることを可能にし、これによりシステム効率を向上させる。相対的により大きな電力で始まり、次に相対的により低いレベルに供給電力を下げる能力は、例えば低周囲温度スタート時、及び／又は低燃料品質の場合に、空気−燃料混合物の点火を可能にする。また、アーク電力を低減する能力は、電極２６の消耗を減らすことでシステムの耐久性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を理解するのに有用な、簡略化した回路の部分ブロック・部分概略図である。
【図１ａ】本発明を理解するのに有用な、簡略化した回路の部分概略図である。
【図１ｂ】本発明を理解するのに有用な、簡略化した回路の部分概略図である。
【図２ａ】本発明を理解するのに有用な、波形図である。
【図２ｂ】本発明を理解するのに有用な、波形図である。
【図２ｃ】本発明を理解するのに有用な、波形図である。
【図２ｄ】本発明を理解するのに有用な、波形図である。
【図３】本発明を理解するのに有用な、回路の部分ブロック・部分概略図である。
【図４】図１の回路の一部の縦断面図である。
【図５】図１の回路の実施形態の一部の縦断面図である。
【図６】図１の回路の他の実施形態の一部の縦断面図である。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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