(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属電極と、
原料ガスが流入される放電ギャップを前記金属電極との間に有し、かつ互いに並列接続された複数の誘電体電極と、
前記誘電体電極毎に設けられ、当該誘電体電極への電流の流れ込みを切断可能なヒューズと、
前記誘電体電極に対して電源を印加して前記原料ガスで放電させることによってオゾンを発生させる電源部と、当該電源部から前記誘電体電極に流れる電流より大きな電流を前記誘電体電極に流す溶断回路と、前記電源部または前記溶断回路に対して前記誘電体電極を接続する第１スイッチと、を有し、前記誘電体電極に異常が発生した場合、前記第１スイッチを制御して前記誘電体電極を前記溶断回路に接続することで、当該異常が発生した誘電体電極の前記ヒューズを溶断し、当該ヒューズを溶断した後、前記第１スイッチを制御して前記誘電体電極を前記電源部に接続する電源装置と、
を備えたオゾン発生装置。
【請求項２】
前記溶断回路は、前記誘電体電極に電流を流す直流電源と、当該直流電源に対して並列接続されたコンデンサと、前記直流電源と前記コンデンサとの間に接続された抵抗と、前記直流電源と前記コンデンサとを並列接続または切断する第２スイッチと、を有し、前記第２スイッチを制御して前記直流電源と前記コンデンサとを並列接続して当該コンデンサを充電し、前記コンデンサが充電されると、前記コンデンサおよび前記直流電源から前記誘電体電極に電流を流す請求項１に記載のオゾン発生装置。
【請求項３】
前記コンデンサの静電容量は、下記の式を満たす請求項２に記載のオゾン発生装置。
【数３】
0006526581.tif 000004
上記の式において、Ｃｃは前記静電容量であり、Ｒは前記抵抗の抵抗値であり、Ｖは前記直流電源の電圧であり、Ｉは前記直流電源から流れる電流であり、ｔは前記ヒューズの溶断する時間である。
【請求項４】
原料ガスが流入される放電ギャップを金属電極との間に有しかつ互いに並列接続された複数の誘電体電極に対して電源を印加して前記原料ガスで放電させることによってオゾンを発生させる電源部と、
当該電源部から前記誘電体電極に流れる電流よりも大きな電流を前記誘電体電極に流す溶断回路と、
前記電源部または前記溶断回路に対して前記誘電体電極を接続する第１スイッチと、を備え、
前記誘電体電極に異常が発生した場合、前記第１スイッチを制御して前記誘電体電極を前記溶断回路に接続することで、当該異常が発生した誘電体電極への電流の流れ込みを切断可能なヒューズを溶断し、当該ヒューズを溶断した後、前記第１スイッチを制御して前記誘電体電極を前記電源部に接続する、電源装置。
【請求項５】
前記溶断回路は、前記誘電体電極に電流を流す直流電源と、当該直流電源に対して並列接続されたコンデンサと、前記直流電源と前記コンデンサとの間に接続された抵抗と、前記直流電源と前記コンデンサとを並列接続または切断する第２スイッチと、を有し、前記第２スイッチを制御して前記直流電源と前記コンデンサとを並列接続して当該コンデンサを充電し、前記コンデンサが充電されると、前記コンデンサおよび前記直流電源から前記誘電体電極に電流を流す請求項４に記載の電源装置。
【請求項６】
前記コンデンサの静電容量は、下記の式を満たす請求項５に記載の電源装置。
【数４】
0006526581.tif 000005
上記の式において、Ｃｃは前記静電容量であり、Ｒは前記抵抗の抵抗値であり、Ｖは前記直流電源の電圧であり、Ｉは前記直流電源から流れる電流であり、ｔは前記ヒューズの溶断する時間である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、オゾン発生装置および電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にオゾン発生装置は、強力な酸化作用を持ちつつ残留性の少ないオゾンを生成する装置として知られており、環境に配慮しながら洗浄・殺菌・脱臭・脱色などの用途を求める分野（特に水処理の分野）で積極的に利用されている。
【０００３】
このようなオゾン発生装置の基本的な構成としては、誘電体電極と金属電極との間に形成された放電ギャップに原料ガスを流入し、誘電体電極に電源を印加することで、原料ガス中での放電によりオゾンを発生させる仕組みである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１８２１０９号公報
【特許文献２】特開２０１３−１９３８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、オゾン発生装置によるオゾン生成量を増やすために、金属電極および誘電体電極をそれぞれ複数設けた大容量のオゾン発生装置が知られている。大容量のオゾン発生装置では、誘電体電極の破損等により異常が発生した場合、正常な誘電体電極から、異常が発生した誘電体電極に対して短絡電流が流れ込むことになる。そのため、大容量のオゾン発生装置では、異常が発生した誘電体電極には過電流が流れ、当該誘電体電極に接続されたヒューズが溶断されて、当該誘電体電極を正常な誘電体電極から切り離すことで装置の安定を保つことができる。しかしながら、小容量のオゾン発生装置では、異常が発生した誘電体電極に接続されたヒューズを短絡電流だけで溶断するのには不十分な場合があり、安定したオゾン発生装置の運転ができない場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のオゾン発生装置は、金属電極と、複数の誘電体電極と、ヒューズと、電源装置と、を備える。複数の誘電体電極は、原料ガスが流入される放電ギャップを金属電極との間に有し、かつ互いに並列接続される。ヒューズは、誘電体電極毎に設けられ、当該誘電体電極への電流の流れ込みを切断可能である。電源装置は、誘電体電極に対して電源を印加して原料ガスで放電させることによってオゾンを発生させる電源部と、当該電源部から誘電体電極に流れる電流より大きな電流を誘電体電極に流す溶断回路と、電源部または溶断回路に対して誘電体電極を接続する第１スイッチと、を有し、誘電体電極に異常が発生した場合、第１スイッチを制御して誘電体電極を溶断回路に接続することで、当該異常が発生した誘電体電極のヒューズを溶断し、当該ヒューズを溶断した後、第１スイッチを制御して誘電体電極を電源部に接続する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本実施形態にかかるオゾン発生装置の概略構成の一例を示す図である。
【図２】図２は、本実施形態にかかるオゾン発生装置の電気的な構成の一例を示す図である。
【図３】図３は、本実施形態にかかるオゾン発生装置が有するヒューズの溶断特性の一例を示す図である。
【図４】図４は、本実施形態にかかるオゾン発生装置のコンデンサの静電容量と定数との関係の一例を示す図である。
【図５】図５は、本実施形態にかかるオゾン発生装置において異常が発生した誘電体電極のヒューズに流れ込む溶断電流の特性の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかるオゾン発生装置およびオゾン発生装置の電源装置について説明する。
【０００９】
図１は、本実施形態にかかるオゾン発生装置の概略構成の一例を示す図である。オゾン発生装置１０は、例えば、誘電体バリア放電式のオゾン発生装置である。本実施形態にかかるオゾン発生装置１０は、図１に示すように、オゾン発生装置本体１１と、当該オゾン発生装置本体１１を気密状態で収納する収納容器１２と、を有する。オゾン発生装置本体１１は、金属電極１５と、誘電体電極１６と、固定電極１７と、ステンレスウール１８と、を有し、これらがそれぞれ複数設置される。
【００１０】
本実施形態では、金属電極１５は、円筒状の電極である。具体的には、金属電極１５は、例えば、ステンレス鋼製の電極である。また、金属電極１５は、当該金属電極１５の内周面側に冷却水が導入される閉鎖空間２１を有する。誘電体電極１６は、金属電極１５との間に、酸素または乾燥空気等の原料ガスが流入される所定の放電ギャップｇを有する。なお、複数の誘電体電極１６は、互いに並列接続されている。
【００１１】
本実施形態では、誘電体電極１６は、商用電源Ｃと接続された電力線Ｌを介して、他の誘電体電極１６と並列接続されている。また、本実施形態では、誘電体電極１６は、金属電極１５と同軸の円筒状の電極であり、当該誘電体電極１６の内周面側に設けられた固定電極１７を介して電力線Ｌに接続されている。また、本実施形態では、誘電体電極１６は、当該誘電体電極１６と固定電極１７との間のギャップの少なくとも一部に設けられたステンレスウール１８を介して、固定電極１７と接続されている。
【００１２】
また、オゾン発生装置本体１１には、誘電体電極１６への電流の流れ込みを切断可能なヒューズ２０が誘電体電極１６毎に設けられる。本実施形態では、ヒューズ２０は、各誘電体電極１６の内周面側に設けられた固定電極１７と商用電源Ｃとの間に設けられている。
【００１３】
収納容器１２は、ガス入口側空間２２と、ガス出口側空間２３と、を有する。ガス入口側空間２２とガス出口側空間２３とは、放電ギャップｇを介して繋がっている。また、収納容器１２は、ガス入口側空間２２に原料ガスを導入するためのガス導入口２４を有する。また、収容容器１２は、ガス出口側空間２３に流入されたガス（以下、オゾンガスと言う）を、外部に排出するためのオゾン化ガス排出口２５を有する。また、収納容器１２は、金属電極１５の閉鎖空間２１に冷却水を導入するための冷却水導入口２６と、金属電極１５と熱交換して高温となった冷却水を外部に排出するための冷却水排出口２７と、を有する。
【００１４】
上述のオゾン発生装置１０においては、その内部のガス入口側空間２２に導入された原料ガスが放電ギャップｇに流入する。次いで、商用電源Ｃから誘電体電極１６に対して電源（本実施形態では、交流電源）が印加され、放電ギャップｇ内に流入した原料ガスで誘電体バリア放電が発生する。これにより、放電ギャップｇ内に流入した原料ガスに含まれる酸素分子は酸素原子に解離し、かつ他の酸素原子が結合することによって、当該原料ガスをオゾン化させたオゾンガスが発生する。その後、発生したオゾンガスはガス出口側空間２３に流出し、オゾン化ガス排出口２５から外部に排出される。
【００１５】
また、誘電体バリア放電により金属電極１５に発生した熱を取り除くため、外部から冷却水導入口２６を介して閉鎖空間２１内に冷却水を導入する。これにより、金属電極１５と冷却水との間で熱交換を行い、当該金属電極１５を冷却する。その後、熱交換により高温になった冷却水を、冷却水排出口２７を介して外部に排出する。
【００１６】
さらに、誘電体電極１６に絶縁破壊等により異常が発生した場合、当該異常が発生した誘電体電極１６に流れる短絡電流によって、当該誘電体電極１６と商用電源Ｃとの間に設けられたヒューズ２０が溶断され、当該誘電体電極１６が他の誘電体電極１６から切り離される。これにより、異常が発生した誘電体電極１６に対して、正常な誘電体電極１６と金属電極１５との間の放電ギャップｇに荷電された電荷が流れることを防止できるので、複数の誘電体電極１６のうち一部の誘電体電極１６に異常が発生しても、正常な誘電体電極１６と金属電極１５との間で誘電体バリア放電を発生させて、オゾンの生成を継続させることができる。
【００１７】
次に、図２を用いて、本実施形態にかかるオゾン発生装置１０の電気的な構成の一例について説明する。
【００１８】
図２に示すように、本実施形態にかかるオゾン発生装置１０が有する電源装置３０は、商用電源Ｃ（本実施形態では、三相交流電源）から供給される商用電源周波数の交流電源を直流電源に変換するコンバータ３１と、当該コンバータ３１により変換された直流電源を所定周波数（例えば、１．０〜５．０ｋＨｚ）の交流電源に変換するインバータ３２と、を有する。また、電源装置３０は、インバータ３２により所定周波数に変換された交流電源を、トランス３３を介して、誘電体電極１６に印加する。本実施形態では、コンバータ３１およびインバータ３２が、誘電体電極１６に電源を印加して原料ガスで放電させることによって、オゾンを発生させる電源部の一例として機能する。
【００１９】
オゾン発生装置１０の等価回路は、誘電体電極１６に相当する静電容量Ｃｇと、放電ギャップｇに相当する静電容量Ｃｏと、を直列接続した回路となる。そして、放電ギャップｇに印加される交流電源の電圧Ｖｏ（以下、放電ギャップ電圧と言う）が、所定電圧Ｖｓ（以下、放電維持電圧と言う）を超えると、放電ギャップｇに流入された原料ガスで誘電体バリア放電を発生させる。誘電体バリア放電は定電圧特性を有するため、誘電体バリア放電が発生している間、放電ギャップ電圧Ｖｏは、放電維持電圧Ｖｓに維持される。よって、放電ギャップｇの等価回路は、降伏電圧を有するツェナーダイオード３４により表される。
【００２０】
このように、放電ギャップｇが容量性負荷として機能するため、オゾン発生装置１０における力率を「１」に近づけるために、放電ギャップｇに対してコイル３５を直列接続している。本実施形態では、オゾン発生装置１０は、放電ギャップｇに対してコイル３５を直列接続しているが、これに限定するものではなく、放電ギャップｇに対してコイル３５を並列接続しても良い。
【００２１】
また、電源装置３０は、誘電体電極１６に電流を流す溶断回路３６と、電源装置３０または溶断回路３６に対して誘電体電極１６を接続するスイッチＳＷ１（第１スイッチの一例）と、電源装置３０全体の動作を制御する制御部３７と、を有する。制御部３７は、誘電体電極１６に異常が発生した場合、スイッチＳＷ１を制御して溶断回路３６と誘電体電極１６とを接続して、当該異常が発生した誘電体電極１６のヒューズ２０に溶断電流を流して当該ヒューズ２０を溶断する。ここで、溶断電流は、ヒューズ２０を溶断可能とする電流であり、インバータ３２から誘電体電極１６に流れる電流より大きな電流である。そして、制御部３７は、異常が発生した誘電体電極１６のヒューズ２０を溶断した後、スイッチＳＷ１を制御して誘電体電極１６をインバータ３２に接続して、オゾンの発生を再開させる。本実施形態では、制御部３７は、誘電体電極１６に流れる電流の電流値を検出し、検出した電流値が所定値に達した場合に、誘電体電極１６に破損等の異常が発生したと判断する。
【００２２】
従来のオゾン発生装置では、１つの誘電体電極が破損等して異常が発生した場合、当該異常が発生した誘電体電極に流れる電流が増えて、当該電流によりヒューズが溶断して、当該異常が発生した誘電体電極への電流の流れ込みを遮断することができる。しかしながら、小容量のオゾン発生装置においては、誘電体電極に流れる電流が小さいため、誘電体電極に異常が発生した場合に、当該異常が発生した誘電体電極への電流の流れ込みを切断するヒューズを溶断できず、他の誘電体電極の電圧が下がり、オゾン発生効率が下がることがある。
【００２３】
一方、本実施形態にかかるオゾン発生装置１０においては、上述したように、誘電体電極１６に異常が発生した場合、スイッチＳＷ１を制御して誘電体電極１６を溶断回路３６に接続する。溶断回路３６は、商用電源Ｃと比べて大きい電流をヒューズ２０に流すことができるので、異常が発生した誘電体電極１６のヒューズ２０を確実に溶断する。これにより、オゾン発生装置１０の容量が小さい場合でも、異常が発生した誘電体電極１６の切り離しを行うことができるので、オゾン発生効率が下がることを防止して、安定したオゾン発生装置の運転を実現することができる。
【００２４】
本実施形態では、溶断回路３６は、誘電体電極１６に電流を流す電源ｃ（直流電源の一例）と、当該電源ｃに対して並列接続されたコンデンサＣｃと、電源ｃとコンデンサＣｃとの間に接続された抵抗Ｒｃと、電源ｃとコンデンサＣｃとを並列接続または切断するスイッチＳＷ２（第２スイッチの一例）と、を有する。そして、溶断回路３６は、誘電体電極１６に異常が発生した場合、スイッチＳＷ２を制御して電源ｃとコンデンサＣｃとを並列接続して当該コンデンサＣｃを充電する。溶断回路３６は、コンデンサＣｃが充電されると、コンデンサＣｃおよび電源ｃから誘電体電極１６に電流を流す。これにより、溶断回路３６は、異常が発生した誘電体電極１６への電流の流れ込みを防止するためにヒューズ２０を溶断することができる。
【００２５】
本実施形態では、電源ｃから誘電体電極１６に印加される電圧を、トランス３３において電圧変換された交流電源の電圧（例えば、１０．０ｋＶ）と同じ電圧とする。抵抗Ｒｃの抵抗値は、コンデンサＣｃの充電に要する充電時間によって決定する。充電時間は、コンデンサＣｃの静電容量と抵抗Ｒｃの抵抗値の積により求められる。例えば、コンデンサＣｃの静電容量が３．６μＦであり、かつ抵抗Ｒｃの抵抗値が１６０．０ｋΩである場合、コンデンサＣｃの充電に要する充電時間は、３．６μＦ×１６０．０ｋΩ＝０．５８ｓｅｃとなる。そして、コンデンサＣｃに流れる電流である充電電流Ｉは、電源ｃから印加される電圧を、抵抗Ｒｃの抵抗値で除算した値である。例えば、充電電流Ｉは、１０．０ｋＶ／１６０．０ｋΩ＝６３．０ｍＡである。
【００２６】
次に、図３を用いて、本実施形態にかかるオゾン発生装置１０において、ヒューズ２０の溶断に要する時間（以下、溶断時間と言う）と、ヒューズ２０が溶断される電流（以下、溶断電流と言う）との関係を示す溶断特性について説明する。なお、図３の縦軸は溶断時間を表し、横軸は溶断電流を表す。
【００２７】
図３に示すように、ヒューズ２０の溶断特性は、溶断時間が比較的長い長時間側（０．１５〜１０００ｓｅｃ）においては、溶断電流の流れ込みによるヒューズ２０の発熱と外部への熱拡散とが安定しており、溶断電流が緩やかに変化する傾向がある。例えば、ヒューズ２０を１０年間使用する場合、溶断時間が１００，０００時間以上となるように、ヒューズ２０に流れる電流を調整することができる。一方、溶断時間が比較的短い短時間側（０．１〜０．００００１ｓｅｃ）においては、溶断電流の流れ込みによりヒューズ２０が短時間で発熱するため、溶断電流が急激に変化する傾向がある。すなわち、ヒューズ２０の溶断特性は、溶断時間が短時間側になる程、ヒューズ２０の心線が溶断する熱量と発熱量とが短い時間で等しくなることを意味する。
【００２８】
以上のヒューズ２０の溶断特性によれば、ヒューズ２０の心線の温度上昇は、Ｉ＾２×Ｒ×ｔで表される。ここで、Ｉは溶断電流であり、Ｒはヒューズ２０の心線の抵抗値であり、ｔは溶断時間である。そして、定数Ｈ＝Ｉ＾２×ｔが一定となる。よって、溶断時間ｔは、Ｈ×Ｉ＾２となり、溶断電流Ｉに対して−２乗の傾きとなる。例えば、図３に示すヒューズ２０の溶断特性において、溶断電流Ｉ＝１０．０Ａにおいて、溶断時間ｔが０．１４ｓｅｃであるため、溶断特性の傾き（すなわち、定数Ｈ）は、１０．０＾２×０．１４＝１４．０となる。
【００２９】
図４は、本実施形態にかかるオゾン発生装置のコンデンサの静電容量と定数との関係の一例を示す図である。図４の縦軸は定数Ｈを表し、横軸はコンデンサＣｃの静電容量を表す。一般的に、定数Ｈ＝Ｉ＾２×ｔを指数関数で表すと、１／（√３）×Ｉｏ＾２×ｔоとなる。ここで、Ｉｏは溶断電流のピーク値であり、ｔоは時定数（コンデンサＣｃの静電容量Ｆと抵抗Ｒｃの抵抗値との積で求められる充電時間）である。よって、図４に示すコンデンサＣｃの静電容量と定数Ｈとの関係によれば、溶断電流Ｉｏは、電源ｃから印加される直流電圧ＤＣＶを、抵抗値Ｒで除算した値となる。以上によれば、定数Ｈは、以下の式（１）により表される。式（１）によれば、コンデンサＣｃは、以下の式（２）により表される。
【００３０】
【数１】
0006526581.tif 000002
【数２】
0006526581.tif 000003
したがって、Ｈ＝Ｉ＾２×ｔ＝１４．０の条件でヒューズ２０が溶断するため、コンデンサＣｃの静電容量は、３．６μＦ以上である必要がある。
【００３１】
図５は、本実施形態にかかるオゾン発生装置において異常が発生した誘電体電極のヒューズに流れ込む溶断電流の特性の一例を示す図である。図５の縦軸はコンデンサＣｃから異常が発生した誘電体電極１６のヒューズ２０に流れる溶断電流を表し、横軸はコンデンサＣｃから異常が発生した誘電体電極１６のヒューズ２０に溶断電流を流せる経過時間を表す。ヒューズ２０に流れ込む溶断電流がピーク（６６６．０Ａ）時における経過時間は、５４．０μｓｅｃである。これを図３に示すヒューズ２０の溶断特性に照らし合わせれば、溶断電流が６６６．０Ａかつ経過時間が５４．０μｓｅｃにおいて、ヒューズ２０を溶断可能である。
【００３２】
よって、オゾン発生装置１０の制御部３７は、誘電体電極１６の異常が発生してから数秒以内に、スイッチＳＷ１を制御して溶断回路３６と誘電体電極１６を接続して、異常が発生した誘電体電極１６への電流の流れ込みを防止するためにヒューズ２０を溶断する。その後、スイッチＳＷ１を制御して電源装置３０と誘電体電極１６を再接続して、オゾンの生成を再開させる。これにより、正常な誘電体電極１６から異常が発生した誘電体電極１６への電流の流れ込みを防止できるので、正常な誘電体電極１６の電圧が下がり、オゾン発生効率が下がることを防止して、安定したオゾン発生装置の運転を実現することができる。
【００３３】
このように、本実施形態にかかるオゾン発生装置１０によれば、安定したオゾン発生装置の運転を実現することができる。
【００３４】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  オゾン発生装置
１５  金属電極
１６  誘電体電極
２０  ヒューズ
３０  電源装置
３１  コンバータ
３２  インバータ
３６  溶断回路
ｃ  電源
Ｃｃ  コンデンサ
Ｒｃ  抵抗
ＳＷ１，ＳＷ２  スイッチ
ｇ  放電ギャップ
【図１】
0006526581.tif 000006
【図２】
0006526581.tif 000007
【図３】
0006526581.tif 000008
【図４】
0006526581.tif 000009
【図５】
0006526581.tif 000010