(57)【要約】  ３相交流電源と発光ダイオード群との間に設けられる装置であって、一対のスイッチング素子が３相交流電源の３相分直流母線間に並列に接続された３相フルブリッジ回路と、スイッチング素子間の接続部と３相交流電源の対応する相とを接続するリアクトルと、３相フルブリッジ回路の出力側の平滑用コンデンサと、直流電圧検出手段と、電源電圧位相検出手段と、各スイッチング素子のパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調手段と、を有し、パルス幅変調手段は、電源電圧位相と直流母線間の出力電圧とに基づき、パルス幅変調信号を出力する３相交流直流変換装置、およびそれを用いた光化学反応装置と方法、並びにその光化学反応方法を用いたラクタムの製造方法。大容量の発光ダイオード群を、電圧低下現象の発生を抑制しながら、かつ、交流電源側への影響も抑えながら、安定して連続点灯させることができ、光化学反応の安定化に貢献できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３ｋｗ以上の発光ダイオード群を１台で駆動するために３相交流電源と前記発光ダイオード群との間に設けられる電源回路に組み込まれる３相交流直流変換装置であって、
前記発光ダイオード群へと接続される直流母線と、
直列接続された一対のスイッチング素子が前記３相交流電源の３相分前記直流母線間に並列に接続されているとともに、各スイッチング素子が並列接続された逆阻止ダイオードを備えている３相フルブリッジ回路と、
該３相フルブリッジ回路と前記３相交流電源との間に設けられ、前記各一対のスイッチング素子におけるスイッチング素子間の接続部と前記３相交流電源の対応する相とを接続するリアクトルと、
前記３相フルブリッジ回路の出力側の前記直流母線間に接続された平滑用コンデンサと、
前記直流母線間の出力電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記３相交流電源の電源電圧位相を検出する電源電圧位相検出手段と、
前記各スイッチング素子を制御するパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調手段と、を有し、
前記パルス幅変調手段は、前記電源電圧位相と前記直流母線間の出力電圧とに基づき、前記パルス幅変調信号を出力することを特徴とする３相交流直流変換装置。
【請求項２】
前記発光ダイオード群への電流を一定に制御する定電流回路が、複数、前記３相フルブリッジ回路の出力側に並列に設けられている、請求項１に記載の３相交流直流変換装置。
【請求項３】
前記直流母線間の出力電圧が１００Ｖ以上であり、電圧降下が１０％以下に制御される、請求項１または２に記載の３相交流直流変換装置。
【請求項４】
１つの定電流回路が１アンペア以上の一定電流を制御する、請求項２または３に記載の３相交流直流変換装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の３相交流直流変換装置に接続された発光ダイオード群を備えた光照射装置を有することを特徴とする光化学反応装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光化学反応装置を用いることを特徴とする光化学反応方法。
【請求項７】
光の照射先が液体であって、該液体の組成に少なくとも炭素原子が含まれている、請求項６に記載の光化学反応方法。
【請求項８】
前記光の照射先の液体がシクロアルカンである、請求項７に記載の光化学反応方法。
【請求項９】
前記シクロアルカンがシクロヘキサンまたはシクロドデカンである、請求項８に記載の光化学反応方法。
【請求項１０】
前記シクロアルカンと光ニトロソ化剤に光照射することによりシクロアルカノンオキシムを製造する、請求項８または９に記載の光化学反応方法。
【請求項１１】
前記光ニトロソ化剤が塩化ニトロシルまたはトリクロロニトロソメタンである、請求項１０に記載の光化学反応方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の光化学反応方法で製造したシクロアルカノンオキシムを用いることを特徴とするラクタムの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと略称することもある。）群を駆動するための３相交流直流変換装置、その３相交流直流変換装置を用いた光化学反応装置と方法、その光化学反応方法を用いたラクタムの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、３相交流の整流には３相全波整流回路が用いられているが、これは、例えば図２に示すようなスイッチング素子（Ｄ１〜Ｄ６）を組み込んだ３相ブリッジ回路を用いて３相（Ｖａ〜Ｖｃ）の電圧（Ｖａｂ，Ｖｂｃ，Ｖｃａ）のうち最も電圧の高い回路からの電流（ｉａ，ｉｂ，ｉｃのいずれか）を出力電流ｉｏｕｔとして流すことで、常に最も高い電圧を出力電圧Ｖｏｕｔとして出力し続けるよう組まれた回路で実施されていた。【０００３】
この結果、図３に示すように、出力電流ｉｏｕｔ、出力電圧Ｖｏｕｔとしては比較的一定の電流、電圧を得ることができるようになるが、ｉａやｉｂ，ｉｃ（分かりやすくするため、ｉａのみ図示）の電流は本来あるべき正弦波からはかけ離れた形状となり、力率（有効に使える電気）が低下することが問題であった。【０００４】
さらに図４に示すように、出力側の電流と電圧を平滑にするため、平滑用コンデンサＣを出力側に加えたものが図４に示すような平滑コンデンサ付き３相全波整流回路である。これによれば、図３に示すように出力波はさらに一定化するが、平滑用コンデンサＣに貯めた電気がその時に最も流れやすい回路を伝って交流側に戻ることから、この波形はウサギの耳型となってしまい、高調波による交流へのトラブルの原因となる。【０００５】
そこで上記のような問題に対処するために、パルス幅変調（以下、ＰＷＭと略称することもある。）コンバータ技術を用いることが知られている(例えば、特許文献１、２)。これは、例えば、以下に述べるような技術である。図５は、ＰＷＭ制御によるインバータ駆動回路を例示している。ＰＷＭ信号は、入力信号である波形と予め設定した所望の波形を比較して、その差異を測定することでスイッチＳ１、Ｓ２のオンーオフのタイミングおよびその幅を決定することにより、所望の波形を出力する技術である。図示するように入力側で設定した所望の波形に近い出力波形が得られる。このようなＰＷＭ技術をコンバータに応用し、図２や図４に示したような３相全波整流回路に適用することで、ｉａ，ｉｂ，ｉｃのそれぞれの波形を正弦波とし、１次交流側の電圧との位相差を最小とする制御をするよう計算機により制御を行うものである。すなわち、通常はブリッジ回路とコンデンサで整流するが、そこにＰＷＭ制御によるスイッチング素子を用いて整流することにより、２次側の整流を行いながら、定電圧制御をするためのスイッチングを、１次側の電流波形を１次電圧と同期させ、１次側の高調波やノイズ、高周波などの波形歪みを無くすことを可能にする制御である。これにより１次側の変圧器に重畳する高調波およびノイズなどを除去することが可能になる。また、２次側の出力電圧を一定制御することが可能になることから、２次側の定電圧の精度を向上させることができる。その結果、１次側に高調波対策や高周波対応が必要なくなるため、１次側の変圧器を正弦波とすることが可能になり、電圧降下を抑制することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２０１２／０４９７０６号公報
【特許文献２】ＷＯ２００８／１０８１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＬＥＤの駆動には直流電源を必要とし、ＬＥＤの特性からその直流電圧変動範囲をＬＥＤ点灯電圧範囲内に維持することが不可欠であるが、その範囲は狭いので、電圧維持に必要な精度が求められることとなる。大量のＬＥＤを駆動させるためには、例えば、多数のＬＥＤ群を駆動させるためには、多数の定電流装置を必要とするが、その分ノイズや高周波などによる波形歪みが大きくなる。一般的なダイオードコンバータを、ＬＥＤ群を駆動するための３相交流直流変換装置として使用すると、１次側の変圧器に高調波および高周波やノイズを発生させてしまい、電源電圧降下を招く。その結果、ＬＥＤ群駆動用の２次側の出力電圧も低下することになり、結果的にＬＥＤ群に必要とされる最低電圧を下回る事態を招く可能性があることから、ＬＥＤの消灯や点滅現象が発生するおそれがあり、連続点灯を維持することが困難となっていた。【０００８】
そこで、本発明の課題は、大容量の、とくに３ｋｗ以上の発光ダイオード群を１台にて駆動するために使用可能で、発光ダイオードの消灯や点滅現象の発生のおそれを除去可能な３相交流直流変換装置を提供することにある。【０００９】
また、本発明は、上記のような３相交流直流変換装置を備えた光照射装置を有する光化学反応装置と方法、その光化学反応方法を用いたラクタムの製造方法を提供することも課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る３相交流直流変換装置は、３ｋｗ以上の発光ダイオード群を１台で駆動するために３相交流電源と前記発光ダイオード群との間に設けられる電源回路に組み込まれる３相交流直流変換装置であって、
前記発光ダイオード群へと接続される直流母線と、
直列接続された一対のスイッチング素子が前記３相交流電源の３相分前記直流母線間に並列に接続されているとともに、各スイッチング素子が並列接続された逆阻止ダイオードを備えている３相フルブリッジ回路と、
該３相フルブリッジ回路と前記３相交流電源との間に設けられ、前記各一対のスイッチング素子におけるスイッチング素子間の接続部と前記３相交流電源の対応する相とを接続するリアクトルと、
前記３相フルブリッジ回路の出力側の前記直流母線間に接続された平滑用コンデンサと、
前記直流母線間の出力電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記３相交流電源の電源電圧位相を検出する電源電圧位相検出手段と、
前記各スイッチング素子を制御するパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調手段と、を有し、
前記パルス幅変調手段は、前記電源電圧位相と前記直流母線間の出力電圧とに基づき、前記パルス幅変調信号を出力することを特徴とするものからなる。【００１１】
このような本発明に係る３相交流直流変換装置においては、直流への変換部にＰＷＭ制御が可能なスイッチング素子を組み合わせた３相フルブリッジ回路からなるコンバータを使用することで、２次側の高周波やノイズ、１次側に発生する高周波を補正し、歪みのない電源波形にすることが可能となり、１次側の変圧器（リアクトル）での電圧降下が抑制される。また、２次側の直流電圧を一定に制御することが可能な定電圧制御にすることにより、しかも、スイッチング素子を組み合わせた３相フルブリッジ回路にＰＷＭ制御を適用しかつ出力側に平滑用コンデンサを付加することで２次側により安定した電圧供給が可能となることにより、２次電圧の微少な低下の問題をも解消でき、電圧低下に伴うＬＥＤの消灯や点滅現象発生のおそれを除去して、例えば１０ｋｗ以上の大型のＬＥＤモジュールを連続点灯させることも可能となる。【００１２】
上記本発明に係る３相交流直流変換装置においては、上記発光ダイオード群への電流を一定に制御する定電流回路が、複数、上記３相フルブリッジ回路の出力側に並列に設けられている形態を採用できる。複数の定電流回路は、発光ダイオード群の設置形態に応じて配置されればよく、各発光ダイオード群への電力供給回路の各発光ダイオード群直前部位に配置されればよい。定電流回路としては、一般に用いられているもののいずれも使用可能であり、市販の定電流回路を使用できる。【００１３】
また、本発明に係る３相交流直流変換装置においては、上記発光ダイオード群のより安定した点灯動作を確保するために、上記直流母線間の出力電圧が１００Ｖ以上であり、電圧降下が１０％以下に制御されることが好ましい。とくに電圧降下を１０％以下に抑えることにより、大型のＬＥＤモジュールであっても安定して連続点灯させることが可能になる。【００１４】
同様に、大容量の発光ダイオード群のより安定した点灯動作を確保するために、上述の並列に設けられる複数の定電流回路については、１つの定電流回路が１アンペア以上の一定電流を制御できるものであることが好ましい。【００１５】
本発明に係る光化学反応装置は、上記のような３相交流直流変換装置に接続された発光ダイオード群を備えた光照射装置を有することを特徴とするものからなる。上記のような３相交流直流変換装置を適用することにより、発光ダイオード群を安定して連続点灯させることが可能になり、光照射装置による所望の光化学反応を行わせることが可能になる。【００１６】
また、本発明に係る光化学反応方法は、このような光化学反応装置を用いることを特徴とする方法からなる。【００１７】
この本発明に係る光化学反応方法は、とくに大容量の発光ダイオード群を安定して連続点灯させることが要求されるあらゆる光化学反応に。例えば、光の照射先が液体であって、該液体の組成に少なくとも炭素原子が含まれている光化学反応に適用できる。この光の照射先の液体としては、例えば、シクロアルカンを挙げることができる。シクロアルカンとしては、例えば、シクロヘキサンまたはシクロドデカンを挙げることができる。本発明に係る光化学反応方法は、とくにこのようなシクロアルカンと光ニトロソ化剤に光照射することによりシクロアルカノンオキシムを製造する光化学反応に好適である。光ニトロソ化剤としては、例えば、塩化ニトロシルまたはトリクロロニトロソメタンを挙げることができる。【００１８】
本発明に係るラクタムの製造方法は、上記のような光化学反応方法で製造したシクロアルカノンオキシムを用いることを特徴とする方法からなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る３相交流直流変換装置によれば、大容量の発光ダイオード群を使用した発光体を発光させるに際し、電圧低下現象の発生を抑制しながら、かつ、交流電源側への影響も抑えながら、発光ダイオード群を安定して連続点灯させることができるようになる。したがって、この３相交流直流変換装置は大容量の発光ダイオード群を用いて光照射を行う光化学反応装置と方法にとくに有効であり、さらにはその光化学反応方法で製造したシクロアルカノンオキシムを用いるラクタムの製造方法の安定化にも貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施態様に係る３相交流直流変換装置の回路図である。
【図２】従来の３相全波整流回路を例示した回路図である。
【図３】図２および図４の整流回路による出力波形を例示した波形図である。
【図４】図２の３相全波整流回路に平滑用コンデンサを付加した場合を例示した回路図である。
【図５】従来のＰＷＭ制御によるインバータ駆動回路を例示、説明した回路説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る３相交流直流変換装置の回路を示している。図１に示す３相交流直流変換装置１００は、３ｋｗ以上の発光ダイオード群を１台で駆動するために３相交流電源１と発光ダイオード群２との間に設けられる電源回路に組み込まれる３相交流直流変換装置である。３相交流直流変換装置１００は、発光ダイオード群２へと接続される直流母線３と、直列接続された一対のスイッチング素子４が上記３相交流電源１の３相分上記直流母線３間に並列に接続されているとともに、各スイッチング素子４が並列接続された逆阻止ダイオード５を備えている３相フルブリッジ回路６（Ｕ、Ｖ、Ｗの３相分のブリッジ回路）と、該３相フルブリッジ回路６と上記３相交流電源１との間に設けられ、各一対のスイッチング素子４におけるスイッチング素子４間の接続部と３相交流電源１の対応する相（Ｒ、Ｓ、Ｔ）とを接続するリアクトル７と、３相フルブリッジ回路６の出力側の上記直流母線３間に接続された平滑用コンデンサ８と、直流母線３間の出力電圧を検出する直流電圧検出手段９と、３相交流電源１の電源電圧位相を検出する電源電圧位相検出手段１０と、各スイッチング素子４へと接続され、各スイッチング素子４を制御するパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調手段（ＰＷＭ手段）１１と、を有している。パルス幅変調手段１１は、電源電圧位相検出手段１０により検出された電源電圧位相と直流電圧検出手段９により検出された直流母線３間の出力電圧とに基づき、各スイッチング素子４へのパルス幅変調信号を出力する。
【００２２】
本実施態様では、直流電圧検出手段９により検出され帰還された直流母線３間の出力電圧と、予め設定された出力電圧指令１２とが比較されて電圧調整器１３で調整される。調整された電圧の位相と電源電圧位相検出手段１０により検出された電源電圧位相とに基づく電流が、３相フルブリッジ回路６の入力側から帰還された入力電流と比較されて電流調整器１４で調整された後、パルス幅変調手段１１によるパルス幅変調制御に供されるようになっている。
【００２３】
また、本実施態様では、複数の発光ダイオード１５を組み合わせて接続することにより、一つの発光ダイオード群２が形成され、複数の発光ダイオード群２が併設されて、大規模の発光体１６が構成されている。この発光体１６を有する装置が、例えば光化学反応装置に用いられる光照射装置１７として構成されている。この光照射装置１７内に、各発光ダイオード群２への電流を一定に制御する定電流回路１８が、複数、３相フルブリッジ回路６の出力側に対して並列に設けられている。
【００２４】
このように構成された３相交流直流変換装置１００においては、３相交流から直流への変換部にＰＷＭ制御が可能なスイッチング素子４を組み合わせた３相フルブリッジ回路６からなるコンバータが構成されているので、２次側、つまり、３相フルブリッジ回路６の出力側（直流母線３側）の高周波やノイズ、１次側に発生する高周波を補正し、歪みのない電源波形にすることが可能となり、１次側、つまり３相フルブリッジ回路６の入力側（リアクトル７側）での電圧降下が抑制される。また、平滑用コンデンサ８も付加されているので、直流母線３側の直流電圧は平滑な波形にて定電圧制御され、かつ、３相フルブリッジ回路６にＰＷＭ制御を適用することで、変動の少ない安定した電圧供給が可能となる。直流母線３間の出力電圧が１００Ｖ以上である場合、電圧降下を容易に１０％以下に抑えることが可能になり、電圧低下に伴うＬＥＤの消灯や点滅現象発生のおそれを除去して、例えば１０ｋｗ以上の大型のＬＥＤモジュール（発光体１６）を安定して連続点灯させることが可能となる。また、各発光ダイオード群２に対して定電流回路１８（例えば、１アンペア以上の一定電流を制御可能な定電流回路）が設けられているので、各発光ダイオード群２へ供給される電流も安定し、ひいては発光体１６全体に対する電力供給も安定し、大容量の発光体１６についても安定した連続点灯が可能になる。
【００２５】
上記のような３相交流直流変換装置１００に接続された発光ダイオード群２を備えた光照射装置１７は、各種光化学反応装置に適用でき、１台の３相交流直流変換装置１００にて、大容量の発光ダイオード群２であっても、全発光ダイオード群２を安定して連続点灯させることが可能になり、光照射装置１７による所望の光化学反応を安定して行わせることが可能になる。
【００２６】
このような光化学反応装置は各種の光化学反応方法に用いることができ、とくに大容量の発光ダイオード群２を安定して連続点灯させることが要求されるあらゆる光化学反応に適用できる。例えば、光化学反応方法において、光の照射先が液体であって、炭素原子を含むものとすることができる。すなわち、本発明に係る光化学反応方法では、光の照射先は少なくとも１つは液体で構成される原料系とすることができる。原料となる液体は、炭素原子を含む液体であればとくに制限はなく、反応液として可燃性液体、例えばアルカン、シクロアルカンなどの炭化水素類を例示できる。
【００２７】
本発明において、シクロアルカンとしては、特にその炭素数は限定しないが、例えば、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、シクロデカン、シクロウンデカン、シクロドデカンが好ましい。特に、カプロラクタムの原料となるシクロヘキサン、ラウリルラクタムの原料となるシクロドデカンが好ましい。
【００２８】
上記のシクロアルカンおよび光ニトロソ化剤を用いて、光源としての光照射装置１７からの光照射による光化学反応にてシクロアルカノンオキシムが得られる。光ニトロソ化剤には、例えば、塩化ニトロシル、塩化ニトロシルと塩化水素との混合ガスが好ましい。その他、一酸化窒素と塩素との混合ガス、一酸化窒素と塩素と塩化水素との混合ガス、ニトローゼガスと塩素との混合ガス等のいずれも光化学反応系にて、塩化ニトロシルとして作用するので、これらニトロソ化剤の供給形態に限定されるものではない。また、塩化ニトロシルとクロロホルムを光化学反応させて得られるようなトリクロロニトロソメタンをニトロソ化剤として用いてもよい。光化学反応を塩化水素の存在下で行う場合、シクロアルカノンオキシムはその塩酸塩となるが、そのまま塩酸塩の形態でもよい。
【００２９】
上記の光化学反応によって、シクロアルカンの炭素数に応じたシクロアルカノンオキシムを得ることができる。例えば、シクロヘキサンを用いた塩化ニトロシルによる光ニトロソ化反応ではシクロヘキサノンオキシムが得られる。また、シクロドデカンを用いた塩化ニトロシルによる光ニトロソ化反応ではシクロドデカノンンオキシムが得られる。
【００３０】
光化学反応を行って得られたシクロアルカノンオキシムをベックマン転位することによってラクタムが得られる。例えば、シクロヘキサノンオキシムをベックマン転位する反応では以下の反応式［化１］で示すようにεーカプロラクタムが得られる。また、シクロドデカノンオキシムをベックマン転位する反応ではω−ラウロラクタムが得られる。
【００３１】
【化１】
2016059942.tif 000003
【００３２】
なお、上記においては図１を参照して本発明の実施の形態を説明したが、この実施形態は例として示したものであり、本発明の範囲を制限することは意図しない。様々な形態で実施することが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、簡略化や変更を行うことができる。このような実施形態やそれらの変更も、本発明の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、大容量の発光ダイオード群への安定した給電が要求されるあらゆる分野の３相交流直流変換装置に適用でき、とくに大規模な光照射装置を用いるあらゆる光化学反応に適用でき、中でも、シクロアルカノンオキシムの製造、ラクタムの製造に適用して有用なものである。
【符号の説明】
【００３４】
１  ３相交流電源
２  発光ダイオード群
３  直流母線
４  スイッチング素子
５  逆阻止ダイオード
６  ３相フルブリッジ回路
７  リアクトル
８  平滑用コンデンサ
９  直流電圧検出手段
１０  電源電圧位相検出手段
１１  パルス幅変調手段
１２  出力電圧指令
１３  電圧調整器
１４  電流調整器
１５  発光ダイオード
１６  発光体
１７  光照射装置
１８  定電流回路
１００  ３相交流直流変換装置
【図１】
2016059942.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2016059942.tif 000009
2016059942.tif 000010
2016059942.tif 000011
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