(57)【要約】【課題】放電により空気清浄を行うための電源装置において、放電音を低減すること。【解決手段】直流電源１と第１の抵抗２と昇圧トランス３の１次巻線３ａとスイッチング素子４を環状に直列に接続し、ダイオード５のカソードを昇圧トランス３の１次巻線３ａの第１の抵抗２が接続された側に接続し、ダイオード５のアノードを第２の抵抗６の一方の端子に接続し、第２の抵抗６の他方の端子を昇圧トランス３の１次巻線３ａのスイッチング素子４に接続された側に接続し、スイッチング素子４のオン、オフにより、昇圧トランス３の２次巻線３ｂに接続された負荷に高電圧パルスを印加し放電を発生させ、記憶手段４２に予め設定された駆動信号の周波数データをランダムに変調することで放電音の低騒音化が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と第１の抵抗と昇圧トランスとスイッチング素子とダイオードと第２の抵抗と前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と前記駆動手段が生成する駆動信号の周波数を予め設定した記憶手段とを備え、前記直流電源と前記第１の抵抗と前記昇圧トランスの１次巻線と前記スイッチング素子を環状に直列に接続し、前記ダイオードのカソードを前記昇圧トランスの１次巻線の前記第１の抵抗が接続された側に接続し、前記ダイオードのアノードを前記第２の抵抗の一方の端子に接続し、前記第２の抵抗の他方の端子を前記昇圧トランスの１次巻線の前記スイッチング素子に接続された側に接続し、前記スイッチング素子のオン、オフにより、前記昇圧トランスの２次巻線に接続された負荷に高電圧パルスを印加し放電により空気清浄を行うための電源装置であって、前記負荷の放電による騒音を低減するため、前記記憶手段に予め設定された駆動信号の周波数データをランダムに変調したことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
記憶手段に設定された駆動信号の周波数データの最低値を所定の周波数以上とすることを特徴とした請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
記憶手段に設定された駆動信号の周波数データを所定の周波数範囲とすることを特徴とした請求項１記載の電源装置。
【請求項４】
記憶手段に設定された駆動信号の周波数データの平均値を所定の周波数とすることを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項記載の電源装置。
【請求項５】
記憶手段に駆動信号の周波数データのパターンが複数設定され、これをランダムに選択することを特徴とした請求項１〜４のいずれか１項記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧パルスの印加によりストリーマ放電を発生させて殺菌、空気中の有害物質等を浄化する装置に使用可能な高電圧パルス発生用の電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の高電圧パルス発生用の電源装置として昇圧トランスの１次巻線に電流を流して電磁エネルギーを蓄積し、その電流を遮断することによる巻線の反発電圧を２次巻線に伝えて高電圧パルスを得る方法が種々考案されている。以下にこれら従来例の構成と動作について図面を用いて説明する。
【０００３】
図１６は従来の電源装置の構成を示すブロック図で、直流電源１、１次巻線３ａ、２次巻線３ｂを有する昇圧トランス３、スイッチング素子４、ダイオード５、電源装置の負荷７、インダクタ１３、コンデンサ１４が図の通り接続されている。前記負荷７はパルスストリーマ放電をさせる電極構造を有し、電気的には主として静電容量の特性を示す。また駆動手段４１は前記スイッチング素子４を駆動する信号を生成する。
【０００４】
以上の構成において、その動作を説明する。スイッチング素子４が駆動手段４１からの信号によりオンさせられると、直流電源１から昇圧トランス３の１次巻線３ａに図１７に示すような概略直線状に増加する電流が流れ、前記１次巻線３ａに電磁エネルギーが蓄積される。次に駆動手段４１からの信号によりスイッチング素子４がオフさせられると、前記１次巻線３ａに反発電圧が発生する。それが昇圧トランス３の巻線比に応じて２次巻線３ｂに伝達され、２次巻線３ｂに大きな電圧が発生する。これを励振源としてインダクタ１３、コンデンサ１４で共振が起こり、図１７に示すようなピークが高く、幅の狭いパルス電圧が発生し、これが負荷７に印加されることとなる。２次側の共振により、再度昇圧トランス巻線３ａ、３ｂの電圧極性が反転して１次巻線３ａの電圧が直流電源１の電圧を超えるとダイオード５が導通し、直流電源１にエネルギーが回生される。２次側の共振により以上のような動作が繰返される結果、ダイオード５には図１７に示すような回生電流が流れる。これらの基本動作をもとに、さらに出力電圧パルスの立ち上がり速度を上げるために、図１８のように２次側に高圧スイッチ１５を設け、コンデンサ１４の電圧がピークに達した瞬間に高圧スイッチ１５を導通させて負荷７に電圧パルスを印加する方法が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
さらに、放電にともなう騒音を低減する手法としてパルス状の放電電圧の放電周波数を１０ｋｐｐｓ以上または１００ｐｐｓ以下とすることにより、発生する放電音が人間の可聴域以外の周波数となり、その音が騒音として聞こえないか、もしくは聞き取りにくい音とする方法が考案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１０−２２４１８７号公報
【特許文献２】特開２００２−３４５９３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら特許文献１の構成では、出力電圧のピークはスイッチング素子４をオフした直後に発生するが、その波高値はスイッチング素子４のオフ時の速度に大きく依存するため、スイッチング素子４の部品ばらつきの影響を受けやすいという課題を有していた。また、出力電圧のパルス幅は２次側の共振時定数に依存するためパルス幅の制御ができないため負荷７の電極において安定したストリーマ放電を実現できないという課題を有していた。また、スイッチング素子４のオフ時に昇圧トランス３の漏れインダクタンスにより大きなサージ電圧が発生し、それがスイッチング素子４に印加されるためスイッチング素子４に高耐圧が必要になるとともに、スイッチングノイズが大きくなるという課題も有していた。また、２次側回路に高耐圧のスイッチング素子が必要となり、装置の大型化、コストアップにつながるという課題も有していた。
【０００７】
さらに、放電より騒音が発生するがこれを解決するために特許文献２の例ではパルス状の放電電圧の放電周波数を人間の可聴域以外の周波数にしているが、非可聴域である２０ｋＨｚ程度以上の放電周波数では、高圧パルス電源の負荷が非常に重く、装置の大型化とコスト増を招くこと、放電により発生するオゾン等の有害物質の発生が増大するという課題があった。また、１００Ｈｚ程度以下の放電周波数では、放電による殺菌や脱臭といった空気清浄としての所望の性能が得られないという課題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、前記従来の課題を解決するもので、放電の安定化と低騒音化を実現する電源装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電源装置は、直流電源と第１の抵抗と昇圧トランスとスイッチング素子とダイオードと第２の抵抗と前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と前記駆動手段が生成する駆動信号の周波数データを予め設定した記憶手段とを備え、前記直流電源と前記第１の抵抗と前記昇圧トランスの１次巻線と前記スイッチング素子を環状に直列に接続し、前記ダイオードのカソードを前記昇圧トランスの１次巻線の前記第１の抵抗が接続された側に接続し、前記ダイオードのアノードを前記第２の抵抗の一方の端子に接続し、前記第２の抵抗の他方の端子を前記昇圧トランスの１次巻線の前記スイッチング素子に接続された側に接続し、前記スイッチング素子のオン、オフにより、前記昇圧トランスの２次巻線に接続された負荷に高電圧パルスを印加し、放電により空気清浄を行うための電源装置であって、前記負荷での放電時に発生する放電音を低減するために、前記記憶手段に予め設定された駆動信号の周波数データをランダムに変調したものである。
【００１０】
これによって、スイッチング素子のオン幅で出力電圧パルスの波高値およびパルス幅が制御可能となり、特性の安定化が容易となるとともに、放電音の周波数成分が分散することで放電音の低騒音化が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電源装置によれば、出力電圧の波高値およびパルス幅の制御が容易となり、安定した出力電圧パルスを得ることができ、放電音の周波数成分が分散することで音質を耳に聞きやすくなるように改善できるので等価的に低騒音化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の発明は直流電源と第１の抵抗と昇圧トランスとスイッチング素子とダイオードと第２の抵抗と前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と前記駆動手段が生成する駆動信号の周波数データを予め設定した記憶手段とを備え、前記直流電源と前記第１の抵抗と前記昇圧トランスの１次巻線と前記スイッチング素子を環状に直列に接続し、前記ダイオードのカソードを前記昇圧トランスの１次巻線の前記第１の抵抗が接続された側に接続し、前記ダイオードのアノードを前記第２の抵抗の一方の端子に接続し、前記第２の抵抗の他方の端子を前記昇圧トランスの１次巻線の前記スイッチング素子に接続された側に接続し、前記スイッチング素子のオン、オフにより、前記昇圧トランスの２次巻線に接続された負荷に高電圧パルスを印加し、放電により空気清浄を行うための電源装置であって、前記負荷の放電による騒音を低減するため、前記記憶手段に予め設定された駆動信号の周波数データをランダムに変調したことにより、放電音が分散し放電音の音質を改善できるので、等価的に騒音を低減することができる。
【００１３】
第２の発明は、特に第１の発明において、記憶手段に設定された駆動信号の周波数データの最低値を所定の周波数以上とすることにより、放電音が常に連続音となり、耳障りな断続音となるのを防止することができる。
【００１４】
第３の発明は、特に第１の発明において、記憶手段に設定された駆動信号の周波数データを所定の周波数範囲とすることにより、放電音が常に連続音となり、耳障りな断続音となるのを防止することができ、放電によるオゾン等の有害物質の発生を抑制することができる。
【００１５】
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれかの発明において、記憶手段に設定された駆動信号の周波数データの平均値を所定の周波数とすることにより、殺菌や脱臭、集塵といった空気清浄としての性能を確保することができる。
【００１６】
第５の発明は、特に、第１〜４のいずれかの発明の記憶手段に駆動信号の周波数データのパターンが複数設定され、これをランダムに選択することにより、放電音の周波数がさらに広く分散するので、放電による騒音を大幅に低減することができる。
【００１７】
以下、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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
図１〜図７を用いて、本発明の実施の形態１を説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施の形態１における電源装置の構成を示すブロック図である。図１において、直流電源１と第１の抵抗２と昇圧トランス３の１次巻線３ａとスイッチング素子４は環状に直列に接続されている。前記スイッチング素子４は記憶手段４２に予め設定された駆動信号のデータに基づき駆動手段４１によりオン、オフされる。また、ダイオード５のカソードは前記昇圧トランス３の１次巻線３ａの前記第１の抵抗２が接続された側に接続され、前記ダイオード５のアノードは前記第２の抵抗６の一方の端子に接続され、前記第２の抵抗６の他方の端子は前記昇圧トランス３の１次巻線３ａの前記スイッチング素子４に接続された側に接続されている。さらに前記昇圧トランス３の２次巻線３ｂには電源装置の負荷７に相当するパルスストリーマ放電電極が接続されている。
【００２０】
以上の構成において、まず回路の基本動作を図２を用いて説明する。まず記憶手段４２に予め設定された駆動信号の周波数データに基づき駆動手段４１によりスイッチング素子４はスイッチングする。スイッチング素子４がオンすると、直流電源１から負荷７の容量を充電する電流と、昇圧トランス３の励磁インダクタンスに流れる電流が第１の抵抗２を介して供給される。前記負荷７の容量成分を充電する電流は、概略第１の抵抗２と負荷容量の１次換算値との積で表される時定数に基づいて増加する。また、昇圧トランス３の励磁インダクタンスに流れる電流はスイッチング素子４のオンと同時に０から概略直線的に増加する。ここで、前記負荷容量成分を充電する電流が、前記励磁インダクタンスに流れる電流よりも速く立ち上がるように第１の抵抗２の抵抗値を選定することにより、負荷７に印加される出力電圧の立ち上がりを速くすることができる。前記励磁インダクタンスに流れる電流が増加すると、第１の抵抗２による電圧降下が増加し、昇圧トランス３の１次巻線３ａの電圧が負荷容量に充電された電圧の１次換算値より小さくなり、負荷容量の電圧、すなわち出力電圧の低下が始まる。この直後にスイッチング素子４をオフすると、前記励磁インダクタンスに流れていた電流は第２の抵抗６、ダイオード５を環流し、やがて０となる。その後、昇圧トランス３の２次巻線３ｂと負荷７の容量の共振により、図２に示すような共振が発生し、そのエネルギーは主として第２の抵抗６で消費されながら減衰することとなる。以上の一連の動作によりパルス幅が２μｓ程度の高電圧パルス出力を得ることができる。なお、図２に示した波形は、直流電源１の電圧が２８０Ｖ、第１の抵抗２の抵抗値が１５Ω、昇圧トランス３の巻線比が１／３１、同励磁インダクタンスが３７μＨ、負荷７の容量が３７ｐＦ、第２の抵抗６の抵抗値が４．７Ωの場合の例である。
【００２１】
ここで、スイッチング素子４のオン幅を図２よりも小さくした場合の波形を図３に、大きくした場合の波形を図４に示す。基本動作は同様であるが、図３の場合にはスイッチング素子４のオフと同時に直流電源１からのエネルギー注入が停止するため、出力電圧パルスの波高値およびパルス幅がともに図２の場合より小さくなる。逆に、図４の場合にはパルスの波高値およびパルス幅がともに図２の場合より大きくなる。
【００２２】
以上の構成および動作により、スイッチング素子４のスイッチング速度に依存しない出力電圧パルスが得られ、出力電圧パルスの波高値およびパルス幅を制御することができる。また、第１の抵抗２によって直流電源１から供給される電流を抑制できるため、スイッチング素子４の電流容量低減ができる。さらに、第２の抵抗６とダイオード５による電流環流経路があるため、スイッチング素子４のオフ時のサージ電圧を抑制でき、スイッチング素子４に特別な高耐圧を必要とせず、不要輻射も低減できる。
【００２３】
なお、本実施の形態では昇圧トランス３の１次巻線３ａと２次巻線３ｂを同極性としたが、極性を逆としてもよい。また、スイッチング素子４は双方向スイッチとしたが、昇圧トランス３から直流電源１へ導通する片方向スイッチでもよい。
【００２４】
ここで、スイッチング素子４の駆動周波数を記憶手段４２で予め設定した駆動信号の周波数データに基づき変調する。記憶手段４２に設定された周波数データの１例を図５に示す。図５に示すように、駆動周波数のデータは５００Ｈｚを平均値とし、変調幅±７５Ｈｚでランダムに変調されている。これにより、負荷７で発生する放電による騒音のスペクトルを分散させることができ、放電音の音質を改善し、耳に聞きやすくすることができ、等価的に放電音を低減することができる。
【００２５】
以下に図５に示す本実施の形態の駆動周波数データを用いて、負荷７で放電を行った場合の騒音スペクトルを図６に、比較のために駆動周波数を５００Ｈｚで固定した場合の騒音スペクトルを図７に示す。
【００２６】
図７に示すように、駆動周波数５００Ｈｚ固定とした場合には高調波成分のピークレベルが大きく、放電音も耳障りであったが、図６に示す本実施の形態の場合にはスペクトルのピークがなだらかになり、放電音の音質が改善し、耳に聞きやすくすることができ、等価的に放電音を低減することができる。
【００２７】
（実施の形態２）
図１〜図９を用いて、本発明の第２の実施例を説明する。図１〜図７については実施の形態１の通りであるので説明を省略する。
【００２８】
図８に本実施の形態における記憶手段４２に設定された駆動信号の周波数データの１例を示す。データの駆動周波数は実施の形態１と同じく平均値５００Ｈｚでランダムに変調されているが、図８の例では周波数の変調幅は平均値５００Ｈｚを中心に±１５０Ｈｚとし、実施の形態１で示した図５のデータより広くしている。このように周波数の変調幅を広げることで、負荷７の放電音の高調波成分をより分散させることができ、放電音をさらに低減することができる。
【００２９】
以下に本実施の形態の図８に示すデータを用いて負荷７で放電を行った場合の騒音スペクトルを図９に示す。実施の形態１で示した図６の騒音スペクトルと比較し、変調幅を広げることでピークレベルはよりなだらかになり、耳障りな放電音もより低減することができる。
【００３０】
ただし放電音が断続音となるとかえって耳障りとなるので、これを防止するために放電音が連続音として聞こえるように放電周波数は１０Ｈｚ程度以上とするのがよい。
【００３１】
したがって、前記記憶手段４２に設定された駆動信号の周波数データの最低値を１０Ｈｚ程度以上とすることにより、放電音が常に連続音となり、耳障りな断続音となるのを防止することができる。
【００３２】
（実施の形態３）
図１〜図７および図１０〜図１２を用いて、本発明の第３の実施の形態を説明する。図１〜図７については実施の形態１の通りであるので説明を省略する。
【００３３】
負荷７に高電圧パルスを印加し、放電することによりオゾン等の有害物質が発生する。その発生量は図１０に示すように放電周波数と比例関係にあり、放電周波数が大きいほど有害物質も増加する。オゾン等の有害物質を除去するフィルタにはＭｎ、Ｔｉ系の触媒を用い、除去性能を上げるためにフィルタの目を細かく、厚みを増す必要があるが、フィルタによる圧損が増加し風量が低下するためにフィルタ除去性能には上限がある。図１０に示すＣｍａｘは有害物質除去フィルタが有害物質の発生を規定値以内に抑制することのできる許容量の最大値を示し、このとき放電周波数はｆｍａｘであり。実験で求めた結果、ｆｍａｘ＝２ｋＨｚ程度である。
【００３４】
放電周波数をランダムに変調した場合、放電周波数によっては一時的に高濃度の有害物質が発生するが駆動周波数のデータの最大値をｆｍａｘ以内とすることで、有害物質を規定値以内に抑制することができる。
【００３５】
したがって、記憶手段４２の駆動信号の周波数データの最小値を実施の形態２で説明したとおり１０Ｈｚ程度以上でかつ、最大値を２ｋＨｚ以下に設定することにより、放電音が常に連続音となり、耳障りな断続音となるのを防止することができ、有害物質を規定値以内に抑制するとともに、放電音の低減を実現できる。
【００３６】
特に記憶手段４２に設定された駆動信号の周波数データを図１１に示すように、最低値を実施の形態２で説明したとおり１０Ｈｚ程度に、最高値を２ｋＨｚとすることで、駆動信号の周波数変調幅を１０Ｈｚ程度から２ｋＨｚまでに広げることができるので、放電による騒音のスペクトルの分散がさらに広くなり、さらに低騒音化できる。
【００３７】
本実施の形態の駆動周波数パターンを用いて負荷７で放電を行った場合の騒音スペクトルを図１２に示す。図９に示した実施の形態２の騒音スペクトルと比較して、ピークレベルがさらになだらかとなり、実施の形態２よりもさらに低騒音化することができる。
【００３８】
（実施の形態４）
図１〜図７および図１３を用いて、本発明の第４の実施の形態を説明する。図１〜図７については実施の形態１の通りであるので説明を省略する。
【００３９】
図１３に放電周波数と殺菌や脱臭、集塵といった空気清浄としての性能の特性を示す。図１３に示すように、放電周波数と殺菌や脱臭、集塵といった空気清浄としての性能は比例関係にあり、放電周波数が大きいほど空気清浄の性能も増加する。図１３中のＡｍｉｎは空気清浄としての性能下限であり、このときの放電周波数ｆｍｉｎが所望の性能を満足することのできる放電周波数の最小値である。実験で求めた結果ｆｍｉｎは５００Ｈｚである。したがって、記憶手段４２の駆動信号の周波数データの平均値をｆｍｉｎとすることで空気清浄の性能を満足することができる。
【００４０】
（実施の形態５）
図１〜図７および図１４、図１５を用いて、本発明の第４の実施の形態を説明する。図１〜図７については実施の形態１の通りであるので説明を省略する。
【００４１】
図１４に本実施の形態の記憶手段４２の駆動信号の周波数データの１例を示す。図１４に示すとおり、駆動信号の周波数データのパターンはパターンＡ、パターンＢ、パターンＣの３通り設定されており、それぞれの周波数データの平均値はｆｍｉｎ、最小値は１０Ｈｚ、最大値は２ｋＨｚと設定されている。ただし、それぞれのパターンの周波数データはランダムであるので、周波数データはそれぞれ異なる。この異なる周波数データで構成されたパターンをランダムに、例えばパターンＣ→パターンＡ→パターンＢ→・・・のように選択することで、負荷７の放電音の高調波成分の周波数をより分散させることができる。これにより、放電音の音質がさらに改善し耳に聞きやすくすることができ、等価的に放電音を低減することができる。
【００４２】
以下に本実施の形態の図１４の駆動周波数データを用いて負荷７で放電を行った場合の騒音スペクトルを図１５に示す。実施の形態４の図１２に示した騒音スペクトルと比較して、スペクトルのピークレベルがよりなだらかになり、耳障りな放電音を大幅に低減することができる。
【００４３】
したがって、記憶手段４２に駆動信号の周波数データのパターンを複数設定し、これをランダムに選択することで放電音の大幅な低減を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明にかかる電源装置は、出力電圧の波高値およびパルス幅の制御が容易となり、安定した出力電圧パルスを得ることができ、放電音の周波数成分が分散することで音質を改善し、耳に聞きやすくなるように改善が可能となるので、高電圧パルスの印加によりパルスストリーマ放電を発生させて殺菌等を行う装置を空気調和機や空気清浄機等の家電製品に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１における電源装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における電源装置の各部動作波形図
【図３】本発明の実施の形態１における電源装置の異なる条件下の各部動作波形図
【図４】本発明の実施の形態１における電源装置の異なる条件下の各部動作波形図
【図５】本発明の実施の形態１における電源装置の記憶装置に設定された駆動信号の周波数データ図
【図６】本発明の実施の形態１における電源装置の騒音スペクトル図
【図７】本発明の実施の形態１における騒音スペクトルと比較するために駆動信号の周波数を５００Ｈｚ固定とした場合の騒音スペクトル図
【図８】本発明の実施の形態２における電源装置の記憶装置に設定された駆動周波数パターン図
【図９】本発明の実施の形態２における電源装置の騒音スペクトル図
【図１０】本発明の実施の形態３における電源装置の放電周波数と有害物質の発生量の特性を表すグラフ
【図１１】本発明の実施の形態３における電源装置の記憶装置に設定された駆動周波数パターン図
【図１２】本発明の実施の形態３における電源装置の騒音スペクトル図
【図１３】本発明の実施の形態４における電源装置の放電周波数と空気清浄の性能の特性を表すグラフ
【図１４】本発明の実施の形態５における電源装置の記憶装置に設定された駆動周波数パターン図
【図１５】本発明の実施の形態５における電源装置の騒音スペクトル図
【図１６】従来の電源装置の構成を示すブロック図
【図１７】従来の電源装置の各部動作波形図
【図１８】従来の電源装置の異なる構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００４６】
１  直流電源
２  第１の抵抗
３  昇圧トランス
４  スイッチング素子
５  ダイオード
６  第２の抵抗
７  負荷
３ａ  １次巻線
３ｂ  ２次巻線
４１  駆動手段
４２  記憶手段
【図１】
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【図２】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2005237132.tif 000013
【図１２】
2005237132.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2005237132.tif 000017
【図１６】
2005237132.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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