放電装置
【課題】簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させる。
【解決手段】放電装置１０Ａは、直流電源部１８の両端に直列接続されたトランス２４、第１半導体スイッチ２６及び第２半導体スイッチ２８と、トランス２４の出力側に接続されたリアクタ１４とを有し、第１半導体スイッチ２６のターンオンに伴うトランス２４への誘導エネルギーの蓄積と、第１半導体スイッチ２６のターンオフに伴うトランス２４での高電圧の発生と、該高電圧によるリアクタ１４での放電の発生が行われる。リアクタ１４は、一対の電極と、該一対の電極間に介在された誘電体と空間とを有する。そして、トランス２４の二次側にリアクタ１４と直列にインダクタンス５４を接続する。
【解決手段】放電装置１０Ａは、直流電源部１８の両端に直列接続されたトランス２４、第１半導体スイッチ２６及び第２半導体スイッチ２８と、トランス２４の出力側に接続されたリアクタ１４とを有し、第１半導体スイッチ２６のターンオンに伴うトランス２４への誘導エネルギーの蓄積と、第１半導体スイッチ２６のターンオフに伴うトランス２４での高電圧の発生と、該高電圧によるリアクタ１４での放電の発生が行われる。リアクタ１４は、一対の電極と、該一対の電極間に介在された誘電体と空間とを有する。そして、トランス２４の二次側にリアクタ１４と直列にインダクタンス５４を接続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な回路構成にて、低い電圧の直流電源部からインダクタに蓄積させた電磁エネルギーを開放することにより、誘電体を有するリアクタにおいて放電の発生を行わせる放電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、高電圧パルスの放電によるプラズマにより、脱臭、殺菌、有害ガスの分解等を行う技術が適応されるようになってきたが、このプラズマを発生させるために高電圧の極めて幅の狭いパルスを供給できる高電圧パルス発生回路が必要となる。
【０００３】
そこで、従来においては、例えば特許文献１に示すような高電圧パルス発生回路が提案されている。この高電圧パルス発生回路２００は、図６に示すように、直流電源部２０２の両端にトランス２０４、第１半導体スイッチ２０６及び第２半導体スイッチ２０８を直列に接続し、第１半導体スイッチ２０６のアノード端子に一端が接続されたトランス２０４の一次巻線の他端にカソード、第１半導体スイッチ２０６のゲート端子にアノードとなるようにダイオード２１０を接続した極めて簡単な回路である。
【０００４】
そして、第２半導体スイッチ２０８をオンすることにより、第１半導体スイッチ２０６も導通し、トランス２０４の一次巻線に直流電源部２０２の電圧が印加され、該トランス２０４に誘導エネルギーが蓄積される。その後、第２半導体スイッチ２０８をオフさせると、第１半導体スイッチ２０６も急速にターンオフするため、トランス２０４の二次巻線に非常に急峻に立ち上がる極めて幅の狭い高電圧パルスが発生し、出力端子２１２及び２１４より高電圧Ｖｏを取り出すことができる。
【０００５】
この高電圧パルス発生回路２００によれば、高電圧が印加される半導体スイッチを複数個使用することなく、簡単な回路構成で、急峻な立ち上がり時間と極めて狭いパルス幅を有する高電圧Ｖｏを供給することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−７２９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した高電圧パルス発生回路２００の出力端子２１２及び２１４間にリアクタを接続し、該リアクタにて放電を発生させることが考えられる。特に、無声放電は、アーク放電にならず安定した非平衡プラズマ状態を作り出せることや印加電圧波形に対する制約が少ない等の利点がある。無声放電のリアクタとしては、一対の電極を有し、該一対の電極間に誘電体と空間とを介在させたリアクタを用いることが考えられる。誘電体としては、例えばアルミナが用いられる。
【０００８】
ここで、図７〜図１０を参照しながら一対の電極間に誘電体３０５と空間が介在されたリアクタ３００での放電作用について説明する。
【０００９】
まず、リアクタ３００は、図７及び図８に示すように、誘電体３０５を構成する上下に配された２つのアルミナ板（上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４）と、上アルミナ板３０２と下アルミナ板３０４との間に形成される空間３０６の間隔を一定に保つための支持板３０８と、上アルミナ板３０２の上面に配された上部電極３１０と、下アルミナ板３０４の下面に設けられた下部電極３１２（図８参照）とを有する。
【００１０】
このリアクタ３００を等価回路で示すと、図９に示すように、上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４による誘電体３０５のキャパシタンスＣｃと、空間３０６によるキャパシタンスＣｇとが直列に接続された構成となる。
【００１１】
空間３０６に加わる電圧（空間放電電圧Ｖｇ）は未知であるが、リアクタ３００全体に印加される電圧（出力電圧Ｖｏ）とキャパシタンスＣｃに加わる電圧（誘電体３０５の充電電圧Ｖｃ）がわかれば、以下の関係式から求めることができる。
Ｖｇ＝Ｖｏ−Ｖｃ
【００１２】
誘電体３０５の充電電圧Ｖｃは、電荷をＱ、リアクタ３００に流れる電流をＩｏとすると、
Ｖｃ＝Ｑ／Ｃｃ＝（１／Ｃｃ）×∫Ｉｏｄｔ
となる。
【００１３】
そして、図９に示すように、高電圧パルス発生回路２００の出力端子２１２及び２１４間にリアクタ３００を接続して、上述した通常の回路動作を行い、第１半導体スイッチ２０６をオフにした後にリアクタ３００に印加される電圧（出力電圧Ｖｏ）の波形は、図１０に示すように、まず、リアクタ３００間に順方向のピーク電圧Ｖｐ１が現れ、続いて逆方向のピーク電圧Ｖｐ２が現れる波形となる。誘電体３０５に印加される電圧（誘電体３０５の充電電圧Ｖｃ）の波形は、出力電圧Ｖｏの順方向のピーク電圧Ｖｐ１が現れる時点において順方向のピーク電圧Ｖｐとなる波形を示す。
【００１４】
一方、空間放電電圧Ｖｇは、上述した計算式に基づいてプロットしてもわかるように、順方向の出力電圧Ｖｏの期間において、ある一定の正電圧Ｖｇ１にクランプされ、逆方向の出力電圧Ｖｏの期間において、ある一定の負電圧Ｖｇ２にクランプされる。
【００１５】
従って、リアクタ３００の空間３０６は、等価回路的にみると、図９に示すように、２つのツェナーダイオード３１４ａ及び３１４ｂをアノード端子同士を接続した直列回路３１６と、キャパシタンスＣｇとを並列接続した構成となる。
【００１６】
次に、リアクタ３００に印加される電圧（出力電圧Ｖｏ）等の動きについて図１０も参照しながら説明する。
【００１７】
まず、第２の半導体スイッチ２０８をオンにすることによって、第１半導体スイッチ２０６が導通し、トランス２０４の励磁インダクタンスに電流が流れ、該トランス２０４に誘導エネルギーが蓄積される。その後、時点ｔ１０において、第２半導体スイッチ２０８をオフさせると、トランス２０４の励磁インダクタンスに流れていた電流は、リアクタ３００に転流する。
【００１８】
この初期段階では、リアクタ３００の空間３０６のキャパシタンスＣｇに電流Ｉｇが流れて該キャパシタンスＣｇを充電し（図９の破線Ｐ参照）、放電電圧になった時点で空間３０６の電圧がクランプされ（順方向の放電電圧Ｖｇ１にてクランプ）、電流Ｉｏは直列回路３１６を流れる（図９の破線Ｑ参照）。このとき、誘電体３０５も同時に急速に充電が始まり、誘電体３０５にエネルギーが蓄積される。
【００１９】
リアクタ３００に流れる電流Ｉｏが零になった時点ｔ１１で誘電体３０５の充電が終了すると同時に、誘電体３０５に蓄積されたエネルギーの一部が放電によって消費される。
【００２０】
その後、電流Ｉｏが逆方向に流れ、これにより、リアクタ３００の空間３０６の静電容量Ｃｇに電流Ｉｇが流れて該静電容量が充電され（図９の破線Ｒ参照）、放電電圧になった時点で空間３０６の電圧がクランプされ（逆方向の放電電圧Ｖｇ２にてクランプ）、電流Ｉｏは直列回路３１６を流れる（図９の破線Ｓ参照）。このとき、誘電体３０５に残っていたエネルギーの一部が放電によって消費される。リアクタ３００にて消費されなかったエネルギーは、直流電源部２０２（図６参照）に戻ることになる。その結果、誘電体３０５の充電電圧Ｖｃはほぼ０Ｖに近い値となる。
【００２１】
従って、図６に示す高電圧パルス発生回路２００において、第１半導体スイッチ２０６と並列で、且つ、第１半導体スイッチ２０６のカソード側をアノードとするようにダイオード３１８を接続することによって、誘電体３０５を有するリアクタ３００で放電（誘電体バリア放電）を行わせた場合、放電に使用されなかった余分なエネルギーを直流電源部２０２に回生することができる。
【００２２】
しかしながら、このエネルギーの回生に耐え得る順方向電圧特性のよいダイオードがあまり市場に出回っていないことから、コスト的に不利になる。市場に供給されている順方向電圧特性のよいダイオードを使用しても、特性上限界があることから、回路損失を伴い、エネルギーの回生効率の低下、ひいては電源効率の低下につながるという問題がある。
【００２３】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができる放電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に係る放電装置は、直流電源部の両端に直列接続されたトランス及び少なくとも１つの半導体スイッチと、前記トランスの二次側に接続されたリアクタとを有し、前記半導体スイッチのターンオンに伴う前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積と、前記半導体スイッチのターンオフに伴う前記トランスでの高電圧の発生と、前記高電圧による前記リアクタでの放電の発生が行われる放電装置において、前記トランスの二次側に前記リアクタと直列にインダクタンスが接続されていることを特徴とする。
【００２５】
これにより、簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができる。
【００２６】
そして、本発明において、前記リアクタは、一対の電極と、該一対の電極間に介在された誘電体と空間とを有するようにしてもよい。
【００２７】
また、本発明において、前記インダクタンスに並列にダイオードが接続されていてもよい。
【００２８】
この場合、前記トランスでの高電圧の発生に伴って、前記トランスの二次側において一方向に電流が流れることで前記リアクタで順放電が発生し、その後、前記トランスの二次側において逆方向に電流が流れることで前記リアクタで逆放電が発生する場合においては、前記ダイオードを、前記トランスの二次側に流れる前記一方向の電流の方向に対して順方向に接続することが好ましい。
【００２９】
すなわち、前記トランス、前記リアクタ及び前記インダクタンスの順番で接続されている場合、前記ダイオードは、前記トランスと前記インダクタンスとの間にカソードを接続し、前記インダクタンスと前記リアクタとの間にアノードを接続する。
【００３０】
あるいは、前記トランス、前記インダクタンス及び前記リアクタの順番で接続されている場合、前記ダイオードは、前記トランスと前記インダクタンスとの間にアノードを接続し、前記インダクタンスと前記リアクタとの間にカソードを接続する。
【００３１】
前記インダクタンスは、前記トランスの二次側におけるインダクタンスの１０倍以上の値を有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本発明に係る放電装置によれば、簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明に係る放電装置の実施の形態例を図１〜図５を参照しながら説明する。
【００３４】
まず、第１の実施の形態に係る放電装置１０Ａは、図１に示すように、高電圧パルス発生回路１２とリアクタ１４とを有する。
【００３５】
高電圧パルス発生回路１２は、直流電源１５（電源電圧Ｖｄｃ）と高周波インピーダンスを低くするコンデンサ１６とを有する直流電源部１８の両端２０及び２２に直列接続されたトランス２４、第１半導体スイッチ２６及び第２半導体スイッチ２８を有する。
【００３６】
トランス２４は、一次巻線３０と二次巻線３２を有し、該トランス２４の二次巻線３２の両端３６及び３８（出力端子）から高電圧が取り出されるようになっている。すなわち、二次巻線３２の出力端子３６及び３８には、リアクタ１４が接続される。このトランス２４における一次巻線の一端４０には、第１半導体スイッチ２６のアノード端子が接続されている。
【００３７】
また、第１半導体スイッチ２６のゲート端子Ｇとトランス２４における一次巻線３０の他端４２との間にダイオード部４４が接続されている。該ダイオード部４４は、並列とされた２つのダイオード４４ａ及び４４ｂを有し、各ダイオード４４ａ及び４４ｂのアノード端子が第１の半導体スイッチ２６のゲート端子Ｇに接続されている。
【００３８】
なお、第１半導体スイッチ２６に対して並列にダイオード４６が接続されている。つまり、ダイオード４６は、そのアノード端子及びカソード端子が、第１半導体スイッチ２６のカソード端子及びアノード端子に接続され、第１半導体スイッチ２６に対して逆並列接続されている。
【００３９】
図１の例では、第２半導体スイッチ２８が直流電源部１８の負極端子２２側に設けられているが、正極端子２０側に設けても同じ効果をもたらすことはいうまでもない。また、出力もトランス２４からではなく、第１半導体スイッチ２６の両端から取り出すようにしてもよい。
【００４０】
第２半導体スイッチ２８は、自己消弧形あるいは転流消弧形のデバイスを用いることができるが、この例では、アバランシェ形ダイオードが逆並列で内蔵された電力用金属酸化半導体電界効果トランジスタを使用している。第２半導体スイッチ２８のゲート端子とソース端子間には、ゲート駆動回路４８からの制御信号Ｓｃが供給されるようになっている。
【００４１】
第１半導体スイッチ２６は、電流制御形のデバイス又は自己消弧形あるいは転流消弧形のデバイスを用いることができるが、この第１の実施の形態では、ターンオフ時の電圧上昇率（ｄｖ／ｄｔ）に対する耐量が極めて大きく、且つ、電圧定格の高いＳＩサイリスタを用いている。
【００４２】
一方、リアクタ１４は、高電圧パルス発生回路１２におけるトランス２４の出力端子３６及び３８間に接続され、図７及び図８と同様の構成を有する。すなわち、誘電体３０５を構成する上下に配された２つのアルミナ板（上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４）と、上アルミナ板３０２と下アルミナ板３０４との間に形成される空間３０６の間隔を一定に保つための支持板３０８と、上アルミナ板３０２の上面に配された上部電極３１０と、下アルミナ板３０４の下面に設けられた下部電極３１２とを有する。
【００４３】
このリアクタ１４を等価回路で示すと、誘電体３０５（上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４）によるキャパシタンスＣｃと、空間３０６によるキャパシタンスＣｇとが直列に接続され、さらに、２つのツェナーダイオード５０ａ及び５０ｂをアノード端子同士を接続した直列回路５２を、キャパシタンスＣｇに並列に接続した構成となる。
【００４４】
そして、この第１の実施の形態に係る放電装置１０Ａは、トランス２４の二次側にリアクタ１４と直列にインダクタンス５４が接続されている。このインダクタンス５４としては、回路素子としてのインダクタンス、すなわち、リアクトルを接続するようにしてもよいし、トランス２４の二次巻線３２とリアクタ１４との間に接続されている配線によるインダクタンスでもよい。配線によるインダクタンスの場合、部品点数を増加させる必要がないため、配線作業並びにコスト的にも有利である。また、インダクタンス５４として、トランス２４の漏れインダクタンスを含むようにしてもよい。
【００４５】
次に、第１の実施の形態に係る放電装置１０Ａの回路動作について図１の回路図と図２の波形図とを参照しながら説明する。なお、図２は、トランス２４の二次側、特に、リアクタ１４に印加される出力電圧Ｖｏ、リアクタ１４の空間３０６に印加される電圧Ｖｇ、リアクタ１４の誘電体３０５に印加される電圧Ｖｃ、リアクタ１４に流れる出力電流Ｉｏ、リアクタ１４の空間３０６に流れる電流Ｉｇの波形を示す図であり、トランス２４の一次側の電圧及び電流の波形は省略する。
【００４６】
まず、第２半導体スイッチ２８のゲート−ソース間に供給される制御信号Ｓｃが例えば高レベルになることによって、第２半導体スイッチ２８がオンになる。このとき、ダイオード部４４における各ダイオード４４ａ及び４４ｂの逆極性の極めて大きなインピーダンスにより、第１半導体スイッチ２６は、ゲート及びカソード間に正に印加される電界効果によりターンオンする。第１半導体スイッチ２６のアノード電流の立ち上がりは、トランス２４により抑制されるため、電界効果だけでも、正常なターンオンが行われる。
【００４７】
このようにして、第２半導体スイッチ２８及び第１半導体スイッチ２６が導通すると、トランス２４に直流電源１５の電圧Ｖｄｃとほぼ同じ電圧が印加され、トランス２４の一次インダクタンスをＬ１としたとき、トランス２４の一次巻線３０に流れる電流Ｉ１（図１の一点鎖線ｍ参照）は勾配（Ｖ／Ｌ１）で時間の経過に伴って直線状に増加する。
【００４８】
その後、時点ｔ１において、第２半導体スイッチ２８のゲート−ソース間に供給されている前記制御信号Ｓｃが低レベルになることにより、第２半導体スイッチ２８がターンオフし、第１半導体スイッチ２６のカソードからの電流も零、つまり、開放状態となるため、一次巻線３０に流れていた電流Ｉ１は遮断され、一次巻線３０は残留電磁エネルギーによって逆誘起電圧を発生させようとするが、各ダイオード４４ａ及び４４ｂが作用し、一次巻線３０の電流は、第１半導体スイッチ２６のアノード端子→第１半導体スイッチ２６のゲート端子Ｇ→各ダイオード４４ａ及び４４ｂのアノード→各ダイオード４４ａ及び４４ｃのカソードで構成される経路を還流する（図１の一点鎖線ｎ参照）。また、トランス２４の励磁インダクタンスに流れていた電流はリアクタ１４側に転流し、これによって、図２に示すように、リアクタ１４の両端３６及び３８に出力電圧Ｖｏの発生が開始されると共に、トランス２４に発生する誘導起電力によって出力電圧Ｖｏが急峻に上昇する。
【００４９】
この場合、その初期段階では、リアクタ１４の空間３０６のキャパシタンスＣｇに電流Ｉｇ（図１の破線ｐ参照）が流れて該キャパシタンスＣｇを充電し、放電電圧になった時点で空間３０６の電圧がクランプされ（順方向の放電電圧にてクランプ）、電流Ｉｇは直列回路５２を流れる（図１の破線ｑ参照）。このとき、誘電体３０５（上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４）も同時に急速に充電が始まり、誘電体３０５にエネルギーが蓄積される。
【００５０】
リアクタ１４に流れる電流Ｉｏが零になった時点で誘電体３０５の充電が終了すると同時に、誘電体３０５に蓄積されたエネルギーの一部が放電（順放電）によって消費される。
【００５１】
その後、出力電流Ｉｏ（及び電流Ｉｇ）が逆方向に流れ、これにより、リアクタ１４の空間３０６のキャパシタンスＣｇが充電され、放電電圧になった時点で空間３０６の電圧がクランプされる（逆方向の放電電圧にてクランプ）。この逆方向の電流−Ｉｇによる放電（逆放電）によって、誘電体３０５に残存するエネルギーによる電圧Ｖｃが空間３０６に印加され、出力電圧Ｖｏは急峻に低下することとなる。この逆放電によって、誘電体３０５に残っていたエネルギーは消費されることになるが、逆電流が流れるため、かなりのエネルギーがインダクタンス５４に蓄積されることになる。このとき、インダクタンス５４の値Ｌは、トランス２４の二次巻線３２によるインダクタンスの値Ｌｔｏよりも大きい値を有するため、逆電流によるエネルギーは二次巻線３２ではなく、ほとんどがインダクタンス５４に蓄積される。
【００５２】
ここで、インダクタンス５４に蓄積されるエネルギーは、インダクタンス５４の値をＬ、逆放電時にトランス２４の二次側に流れる電流をＩｏとしたとき、（１／２）×Ｌ×Ｉｏ2となる。特に、この第１の実施の形態では、インダクタンス５４の値Ｌを、トランス２４の二次巻線３２におけるインダクタンスの値の１０倍以上としているため（Ｌ≧１０×Ｌｔｏ）、逆放電時に二次巻線３２に蓄積されるエネルギーは、インダクタンス５４を接続しない場合の１／１０以下となり、図６に示す従来の放電装置の場合と比して僅かな量となる。
【００５３】
その後、トランス２４の二次巻線３２に蓄積されていた僅かな量のエネルギーが直流電源部１８に回生されることになる（回生期間）。そのため、第１半導体スイッチ２６に並列に接続されるダイオード４６として、一般に市場に出回っているダイオードを接続しても、該ダイオード４６に起因する回路損失はわずかなものとなり、エネルギーの回生効率の低下を抑えることができる。
【００５４】
一方、逆放電の際にインダクタンス５４に蓄積されていたエネルギーは、この回生期間において、リアクタ１４の誘電体３０５に蓄積される。すなわち、誘電体３０５が充電され、誘電体３０５の両端には充電電圧Ｖｊが発生することになる。
【００５５】
そして、次のサイクルで再びトランス２４の励磁インダクタンスに流れていた電流がリアクタ１４に転流することになるが、このとき、リアクタ１４の空間３０６に、誘電体３０５の充電電圧Ｖｊとトランス２４の出力電圧Ｖｏを加えた電圧が印加されるかたちとなり、上述と同様に、順放電→逆放電→エネルギーの回生が順次行われ、逆放電の期間にインダクタンス５４に蓄積されたエネルギーが回生期間において再び誘電体３０５に蓄積され、誘電体３０５の両端に充電電圧Ｖｊが発生することになる。
【００５６】
従って、第２回目以降の放電では、インダクタンス５４を介して誘電体３０５に蓄積されたエネルギーによる充電電圧Ｖｊを放電に利用することができるため、トランス２４の出力電圧Ｖｏを低く設定することができる。これは、電源効率の向上につながると共に、第２半導体スイッチ２８をオンさせている期間の短縮化につながり、連続して出力される高電圧パルスのパルス周期を短くすることも可能となる。
【００５７】
このように、第１の実施の形態に係る放電装置１０Ａにおいては、トランス２４の二次側にリアクタ１４と直列にインダクタンス５４を接続するようにしたので、簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができる。
【００５８】
なお、直流電源部１８へのエネルギーの回生の量を低減する方法として、順放電時において、出力電圧Ｖｏがピークとなった時点で、第１半導体スイッチ２６をオン（再点弧）にすることにより、リアクタ１４の空間３０６に、誘電体３０５に残存するエネルギーによる電圧と、第１半導体スイッチ２６のオンに伴ってトランスに現れる高電圧とを加算した電圧を加えることで、リアクタ１４への投入エネルギーを向上させることが考えられる。
【００５９】
しかし、この方法の場合、出力電圧Ｖｏのピーク時点で第１半導体スイッチ２６を再点弧させる必要から、第１半導体スイッチ２６及び第２半導体スイッチ２８に対して時間的制御を行うための演算回路等が必要になり、回路構成が複雑になるおそれがある。
【００６０】
しかし、この第１の実施の形態に係る放電装置１０Ａにおいては、単に、インダクタンス５４という受動的な部品を用いるだけでエネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができるため、放電装置１０Ａの回路構成の簡略化、全体的な構造及びサイズの小型化並びにコスト的にも有利になる。
【００６１】
次に、第２の実施の形態に係る放電装置１０Ｂについて図３及び図４を参照しながら説明する。なお、図１と対応するものについては同符号を付してその重複説明を省略する。
【００６２】
この第２の実施の形態に係る放電装置１０Ｂは、図３に示すように、上述した第１の実施の形態に係る放電装置１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、インダクタンス５４に並列にダイオード５６が接続されている点で異なる。
【００６３】
具体的には、この第２の実施の形態に係る放電装置１０Ｂは、トランス２４の二次側が、該トランス２４の二次巻線３２、リアクタ１４及びインダクタンス５４の順番で接続されている。そして、ダイオード５６は、トランス２４とインダクタンス５４との間にカソードが接続され、インダクタンス５４とリアクタ１４との間にアノードが接続されている。
【００６４】
この第２の実施の形態では、順放電時において、順方向の電流（破線ｐ参照）がインダクタンス５４ではなくダイオード５６を通じて流れることから、順放電が急速に進み、急峻なパルス波形を得ることができる。しかも、インダクタンス５４に順放電時のエネルギーが蓄積されることがないため、逆放電時のエネルギーを十分に蓄積させることができ、直流電源部１８へのエネルギーの回生の量を大幅に低減することができる。
【００６５】
また、この第２の実施の形態では、上述したように、順方向の電流がダイオード５６を通じて流れることから、インダクタンス５４の値Ｌをトランス２４における二次巻線３２のインダクタンスの値Ｌｔｏの１０倍以上の値にすることができる。一例として、トランス２４の一次巻線３０のインダクタンスの値を２０μＨ、二次巻線３２のインダクタンスの値Ｌｔｏを２４５μＨとしたとき、インダクタンス５４の値Ｌは２４５０μＨ以上にすることができる。
【００６６】
これにより、図４に示すように、逆放電の開始時点ｔ２から終了時点ｔ３までの時間Ｔ２を第１の実施の形態よりも大幅に長くすることができる。すなわち、リアクタ１４の空間３０６に印加される電圧Ｖｇの波形として、正方向の電圧の出力時間（正電圧パルスのパルス幅Ｔ１）を短く、負方向の電圧の出力時間（負電圧パルスのパルス幅Ｔ２）を長くすることができる。例えば第１の実施の形態では、リアクタ１４の空間３０６に印加される電圧Ｖｇの負電圧パルスのパルス幅Ｔ２は、正電圧パルスのパルス幅Ｔ１の約１．５倍程度であるが、第２の実施の形態では、負電圧パルスのパルス幅Ｔ２は、正電圧パルスのパルス幅Ｔ１の約１０倍以上の長さとなっている。
【００６７】
従って、高電圧パルスの放電によるプラズマにより、脱臭、殺菌、有害ガスの分解、浄化等を行う技術に適用する場合に、一方向の極性（例えば正極性）の短いパルスによる放電と、逆極性（例えば負極性）の長いパルスによる逆放電を順番に出力させることが可能となり、脱臭、殺菌、有害ガスの分解、浄化等を効率よく行わせることができる。
【００６８】
この第２の実施の形態に係る放電装置１０Ｂにおいても、第１の実施の形態と同様に、簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができる。また、放電装置１０Ｂの回路構成の簡略化、全体的な構造及びサイズの小型化並びにコスト的にも有利になる。
【００６９】
上述の第２の実施の形態では、トランス２４の二次側が、該トランス２４の二次巻線３２、リアクタ１４及びインダクタンス５４の順番で接続された例を示したが、その他、図５に示す変形例に係る放電装置１０Ｂａのように、トランス２４の二次側が、該トランス２４の二次巻線３２、インダクタンス５４及びリアクタ１４の順番で接続されていてもよい。この場合、ダイオード５６は、トランス２４とインダクタンス５４との間にアノードが接続され、インダクタンス５４とリアクタ１４との間にカソードが接続される。
【００７０】
この変形例に係る放電装置１０Ｂａにおいても、簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができる。また、放電装置１０Ｂａの回路構成の簡略化、全体的な構造及びサイズの小型化並びにコスト的にも有利になる。
【００７１】
なお、本発明に係る放電装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】第１の実施の形態に係る放電装置の構成を示す回路図である。
【図２】第１の実施の形態に係る放電装置において、リアクタに印加される電圧Ｖｏ、リアクタの空間に印加される電圧Ｖｇ、リアクタの誘電体に印加される電圧Ｖｃ、リアクタに流れる電流Ｉｏ、リアクタの空間に流れる電流Ｉｇの波形を示す図である。
【図３】第２の実施の形態に係る放電装置の構成を示す回路図である。
【図４】第２の実施の形態に係る放電装置において、リアクタに印加される電圧Ｖｏ、リアクタの空間に印加される電圧Ｖｇ、リアクタの誘電体に印加される電圧Ｖｃ、リアクタに流れる電流Ｉｏ、リアクタの空間に流れる電流Ｉｇの波形を示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係る放電装置の変形例の構成を示す回路図である。
【図６】従来例に係る高電圧パルス発生回路の構成を示す回路図である。
【図７】無声放電で使用される一般的なリアクタの構成を示す斜視図である。
【図８】無声放電で使用される一般的なリアクタの構成を示す縦断面図である。
【図９】高電圧パルス発生回路の出力端子間に接続されるリアクタの等価回路を示す図である。
【図１０】従来例に係る高電圧パルス発生回路において、リアクタに印加される電圧Ｖｏ、リアクタの空間に印加される電圧Ｖｇ、リアクタの誘電体に印加される電圧Ｖｃ、リアクタに流れる電流Ｉｏ、リアクタの空間に流れる電流Ｉｇの波形を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｂａ…放電装置 １２…高電圧パルス発生回路
１４…リアクタ １８…直流電源部
２４…トランス ２６…第１半導体スイッチ
２８…第２半導体スイッチ ４４ａ〜４４ｃ、４６、５６…ダイオード
５４…インダクタンス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な回路構成にて、低い電圧の直流電源部からインダクタに蓄積させた電磁エネルギーを開放することにより、誘電体を有するリアクタにおいて放電の発生を行わせる放電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、高電圧パルスの放電によるプラズマにより、脱臭、殺菌、有害ガスの分解等を行う技術が適応されるようになってきたが、このプラズマを発生させるために高電圧の極めて幅の狭いパルスを供給できる高電圧パルス発生回路が必要となる。
【０００３】
そこで、従来においては、例えば特許文献１に示すような高電圧パルス発生回路が提案されている。この高電圧パルス発生回路２００は、図６に示すように、直流電源部２０２の両端にトランス２０４、第１半導体スイッチ２０６及び第２半導体スイッチ２０８を直列に接続し、第１半導体スイッチ２０６のアノード端子に一端が接続されたトランス２０４の一次巻線の他端にカソード、第１半導体スイッチ２０６のゲート端子にアノードとなるようにダイオード２１０を接続した極めて簡単な回路である。
【０００４】
そして、第２半導体スイッチ２０８をオンすることにより、第１半導体スイッチ２０６も導通し、トランス２０４の一次巻線に直流電源部２０２の電圧が印加され、該トランス２０４に誘導エネルギーが蓄積される。その後、第２半導体スイッチ２０８をオフさせると、第１半導体スイッチ２０６も急速にターンオフするため、トランス２０４の二次巻線に非常に急峻に立ち上がる極めて幅の狭い高電圧パルスが発生し、出力端子２１２及び２１４より高電圧Ｖｏを取り出すことができる。
【０００５】
この高電圧パルス発生回路２００によれば、高電圧が印加される半導体スイッチを複数個使用することなく、簡単な回路構成で、急峻な立ち上がり時間と極めて狭いパルス幅を有する高電圧Ｖｏを供給することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−７２９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した高電圧パルス発生回路２００の出力端子２１２及び２１４間にリアクタを接続し、該リアクタにて放電を発生させることが考えられる。特に、無声放電は、アーク放電にならず安定した非平衡プラズマ状態を作り出せることや印加電圧波形に対する制約が少ない等の利点がある。無声放電のリアクタとしては、一対の電極を有し、該一対の電極間に誘電体と空間とを介在させたリアクタを用いることが考えられる。誘電体としては、例えばアルミナが用いられる。
【０００８】
ここで、図７〜図１０を参照しながら一対の電極間に誘電体３０５と空間が介在されたリアクタ３００での放電作用について説明する。
【０００９】
まず、リアクタ３００は、図７及び図８に示すように、誘電体３０５を構成する上下に配された２つのアルミナ板（上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４）と、上アルミナ板３０２と下アルミナ板３０４との間に形成される空間３０６の間隔を一定に保つための支持板３０８と、上アルミナ板３０２の上面に配された上部電極３１０と、下アルミナ板３０４の下面に設けられた下部電極３１２（図８参照）とを有する。
【００１０】
このリアクタ３００を等価回路で示すと、図９に示すように、上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４による誘電体３０５のキャパシタンスＣｃと、空間３０６によるキャパシタンスＣｇとが直列に接続された構成となる。
【００１１】
空間３０６に加わる電圧（空間放電電圧Ｖｇ）は未知であるが、リアクタ３００全体に印加される電圧（出力電圧Ｖｏ）とキャパシタンスＣｃに加わる電圧（誘電体３０５の充電電圧Ｖｃ）がわかれば、以下の関係式から求めることができる。
Ｖｇ＝Ｖｏ−Ｖｃ
【００１２】
誘電体３０５の充電電圧Ｖｃは、電荷をＱ、リアクタ３００に流れる電流をＩｏとすると、
Ｖｃ＝Ｑ／Ｃｃ＝（１／Ｃｃ）×∫Ｉｏｄｔ
となる。
【００１３】
そして、図９に示すように、高電圧パルス発生回路２００の出力端子２１２及び２１４間にリアクタ３００を接続して、上述した通常の回路動作を行い、第１半導体スイッチ２０６をオフにした後にリアクタ３００に印加される電圧（出力電圧Ｖｏ）の波形は、図１０に示すように、まず、リアクタ３００間に順方向のピーク電圧Ｖｐ１が現れ、続いて逆方向のピーク電圧Ｖｐ２が現れる波形となる。誘電体３０５に印加される電圧（誘電体３０５の充電電圧Ｖｃ）の波形は、出力電圧Ｖｏの順方向のピーク電圧Ｖｐ１が現れる時点において順方向のピーク電圧Ｖｐとなる波形を示す。
【００１４】
一方、空間放電電圧Ｖｇは、上述した計算式に基づいてプロットしてもわかるように、順方向の出力電圧Ｖｏの期間において、ある一定の正電圧Ｖｇ１にクランプされ、逆方向の出力電圧Ｖｏの期間において、ある一定の負電圧Ｖｇ２にクランプされる。
【００１５】
従って、リアクタ３００の空間３０６は、等価回路的にみると、図９に示すように、２つのツェナーダイオード３１４ａ及び３１４ｂをアノード端子同士を接続した直列回路３１６と、キャパシタンスＣｇとを並列接続した構成となる。
【００１６】
次に、リアクタ３００に印加される電圧（出力電圧Ｖｏ）等の動きについて図１０も参照しながら説明する。
【００１７】
まず、第２の半導体スイッチ２０８をオンにすることによって、第１半導体スイッチ２０６が導通し、トランス２０４の励磁インダクタンスに電流が流れ、該トランス２０４に誘導エネルギーが蓄積される。その後、時点ｔ１０において、第２半導体スイッチ２０８をオフさせると、トランス２０４の励磁インダクタンスに流れていた電流は、リアクタ３００に転流する。
【００１８】
この初期段階では、リアクタ３００の空間３０６のキャパシタンスＣｇに電流Ｉｇが流れて該キャパシタンスＣｇを充電し（図９の破線Ｐ参照）、放電電圧になった時点で空間３０６の電圧がクランプされ（順方向の放電電圧Ｖｇ１にてクランプ）、電流Ｉｏは直列回路３１６を流れる（図９の破線Ｑ参照）。このとき、誘電体３０５も同時に急速に充電が始まり、誘電体３０５にエネルギーが蓄積される。
【００１９】
リアクタ３００に流れる電流Ｉｏが零になった時点ｔ１１で誘電体３０５の充電が終了すると同時に、誘電体３０５に蓄積されたエネルギーの一部が放電によって消費される。
【００２０】
その後、電流Ｉｏが逆方向に流れ、これにより、リアクタ３００の空間３０６の静電容量Ｃｇに電流Ｉｇが流れて該静電容量が充電され（図９の破線Ｒ参照）、放電電圧になった時点で空間３０６の電圧がクランプされ（逆方向の放電電圧Ｖｇ２にてクランプ）、電流Ｉｏは直列回路３１６を流れる（図９の破線Ｓ参照）。このとき、誘電体３０５に残っていたエネルギーの一部が放電によって消費される。リアクタ３００にて消費されなかったエネルギーは、直流電源部２０２（図６参照）に戻ることになる。その結果、誘電体３０５の充電電圧Ｖｃはほぼ０Ｖに近い値となる。
【００２１】
従って、図６に示す高電圧パルス発生回路２００において、第１半導体スイッチ２０６と並列で、且つ、第１半導体スイッチ２０６のカソード側をアノードとするようにダイオード３１８を接続することによって、誘電体３０５を有するリアクタ３００で放電（誘電体バリア放電）を行わせた場合、放電に使用されなかった余分なエネルギーを直流電源部２０２に回生することができる。
【００２２】
しかしながら、このエネルギーの回生に耐え得る順方向電圧特性のよいダイオードがあまり市場に出回っていないことから、コスト的に不利になる。市場に供給されている順方向電圧特性のよいダイオードを使用しても、特性上限界があることから、回路損失を伴い、エネルギーの回生効率の低下、ひいては電源効率の低下につながるという問題がある。
【００２３】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができる放電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に係る放電装置は、直流電源部の両端に直列接続されたトランス及び少なくとも１つの半導体スイッチと、前記トランスの二次側に接続されたリアクタとを有し、前記半導体スイッチのターンオンに伴う前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積と、前記半導体スイッチのターンオフに伴う前記トランスでの高電圧の発生と、前記高電圧による前記リアクタでの放電の発生が行われる放電装置において、前記トランスの二次側に前記リアクタと直列にインダクタンスが接続されていることを特徴とする。
【００２５】
これにより、簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができる。
【００２６】
そして、本発明において、前記リアクタは、一対の電極と、該一対の電極間に介在された誘電体と空間とを有するようにしてもよい。
【００２７】
また、本発明において、前記インダクタンスに並列にダイオードが接続されていてもよい。
【００２８】
この場合、前記トランスでの高電圧の発生に伴って、前記トランスの二次側において一方向に電流が流れることで前記リアクタで順放電が発生し、その後、前記トランスの二次側において逆方向に電流が流れることで前記リアクタで逆放電が発生する場合においては、前記ダイオードを、前記トランスの二次側に流れる前記一方向の電流の方向に対して順方向に接続することが好ましい。
【００２９】
すなわち、前記トランス、前記リアクタ及び前記インダクタンスの順番で接続されている場合、前記ダイオードは、前記トランスと前記インダクタンスとの間にカソードを接続し、前記インダクタンスと前記リアクタとの間にアノードを接続する。
【００３０】
あるいは、前記トランス、前記インダクタンス及び前記リアクタの順番で接続されている場合、前記ダイオードは、前記トランスと前記インダクタンスとの間にアノードを接続し、前記インダクタンスと前記リアクタとの間にカソードを接続する。
【００３１】
前記インダクタンスは、前記トランスの二次側におけるインダクタンスの１０倍以上の値を有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本発明に係る放電装置によれば、簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明に係る放電装置の実施の形態例を図１〜図５を参照しながら説明する。
【００３４】
まず、第１の実施の形態に係る放電装置１０Ａは、図１に示すように、高電圧パルス発生回路１２とリアクタ１４とを有する。
【００３５】
高電圧パルス発生回路１２は、直流電源１５（電源電圧Ｖｄｃ）と高周波インピーダンスを低くするコンデンサ１６とを有する直流電源部１８の両端２０及び２２に直列接続されたトランス２４、第１半導体スイッチ２６及び第２半導体スイッチ２８を有する。
【００３６】
トランス２４は、一次巻線３０と二次巻線３２を有し、該トランス２４の二次巻線３２の両端３６及び３８（出力端子）から高電圧が取り出されるようになっている。すなわち、二次巻線３２の出力端子３６及び３８には、リアクタ１４が接続される。このトランス２４における一次巻線の一端４０には、第１半導体スイッチ２６のアノード端子が接続されている。
【００３７】
また、第１半導体スイッチ２６のゲート端子Ｇとトランス２４における一次巻線３０の他端４２との間にダイオード部４４が接続されている。該ダイオード部４４は、並列とされた２つのダイオード４４ａ及び４４ｂを有し、各ダイオード４４ａ及び４４ｂのアノード端子が第１の半導体スイッチ２６のゲート端子Ｇに接続されている。
【００３８】
なお、第１半導体スイッチ２６に対して並列にダイオード４６が接続されている。つまり、ダイオード４６は、そのアノード端子及びカソード端子が、第１半導体スイッチ２６のカソード端子及びアノード端子に接続され、第１半導体スイッチ２６に対して逆並列接続されている。
【００３９】
図１の例では、第２半導体スイッチ２８が直流電源部１８の負極端子２２側に設けられているが、正極端子２０側に設けても同じ効果をもたらすことはいうまでもない。また、出力もトランス２４からではなく、第１半導体スイッチ２６の両端から取り出すようにしてもよい。
【００４０】
第２半導体スイッチ２８は、自己消弧形あるいは転流消弧形のデバイスを用いることができるが、この例では、アバランシェ形ダイオードが逆並列で内蔵された電力用金属酸化半導体電界効果トランジスタを使用している。第２半導体スイッチ２８のゲート端子とソース端子間には、ゲート駆動回路４８からの制御信号Ｓｃが供給されるようになっている。
【００４１】
第１半導体スイッチ２６は、電流制御形のデバイス又は自己消弧形あるいは転流消弧形のデバイスを用いることができるが、この第１の実施の形態では、ターンオフ時の電圧上昇率（ｄｖ／ｄｔ）に対する耐量が極めて大きく、且つ、電圧定格の高いＳＩサイリスタを用いている。
【００４２】
一方、リアクタ１４は、高電圧パルス発生回路１２におけるトランス２４の出力端子３６及び３８間に接続され、図７及び図８と同様の構成を有する。すなわち、誘電体３０５を構成する上下に配された２つのアルミナ板（上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４）と、上アルミナ板３０２と下アルミナ板３０４との間に形成される空間３０６の間隔を一定に保つための支持板３０８と、上アルミナ板３０２の上面に配された上部電極３１０と、下アルミナ板３０４の下面に設けられた下部電極３１２とを有する。
【００４３】
このリアクタ１４を等価回路で示すと、誘電体３０５（上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４）によるキャパシタンスＣｃと、空間３０６によるキャパシタンスＣｇとが直列に接続され、さらに、２つのツェナーダイオード５０ａ及び５０ｂをアノード端子同士を接続した直列回路５２を、キャパシタンスＣｇに並列に接続した構成となる。
【００４４】
そして、この第１の実施の形態に係る放電装置１０Ａは、トランス２４の二次側にリアクタ１４と直列にインダクタンス５４が接続されている。このインダクタンス５４としては、回路素子としてのインダクタンス、すなわち、リアクトルを接続するようにしてもよいし、トランス２４の二次巻線３２とリアクタ１４との間に接続されている配線によるインダクタンスでもよい。配線によるインダクタンスの場合、部品点数を増加させる必要がないため、配線作業並びにコスト的にも有利である。また、インダクタンス５４として、トランス２４の漏れインダクタンスを含むようにしてもよい。
【００４５】
次に、第１の実施の形態に係る放電装置１０Ａの回路動作について図１の回路図と図２の波形図とを参照しながら説明する。なお、図２は、トランス２４の二次側、特に、リアクタ１４に印加される出力電圧Ｖｏ、リアクタ１４の空間３０６に印加される電圧Ｖｇ、リアクタ１４の誘電体３０５に印加される電圧Ｖｃ、リアクタ１４に流れる出力電流Ｉｏ、リアクタ１４の空間３０６に流れる電流Ｉｇの波形を示す図であり、トランス２４の一次側の電圧及び電流の波形は省略する。
【００４６】
まず、第２半導体スイッチ２８のゲート−ソース間に供給される制御信号Ｓｃが例えば高レベルになることによって、第２半導体スイッチ２８がオンになる。このとき、ダイオード部４４における各ダイオード４４ａ及び４４ｂの逆極性の極めて大きなインピーダンスにより、第１半導体スイッチ２６は、ゲート及びカソード間に正に印加される電界効果によりターンオンする。第１半導体スイッチ２６のアノード電流の立ち上がりは、トランス２４により抑制されるため、電界効果だけでも、正常なターンオンが行われる。
【００４７】
このようにして、第２半導体スイッチ２８及び第１半導体スイッチ２６が導通すると、トランス２４に直流電源１５の電圧Ｖｄｃとほぼ同じ電圧が印加され、トランス２４の一次インダクタンスをＬ１としたとき、トランス２４の一次巻線３０に流れる電流Ｉ１（図１の一点鎖線ｍ参照）は勾配（Ｖ／Ｌ１）で時間の経過に伴って直線状に増加する。
【００４８】
その後、時点ｔ１において、第２半導体スイッチ２８のゲート−ソース間に供給されている前記制御信号Ｓｃが低レベルになることにより、第２半導体スイッチ２８がターンオフし、第１半導体スイッチ２６のカソードからの電流も零、つまり、開放状態となるため、一次巻線３０に流れていた電流Ｉ１は遮断され、一次巻線３０は残留電磁エネルギーによって逆誘起電圧を発生させようとするが、各ダイオード４４ａ及び４４ｂが作用し、一次巻線３０の電流は、第１半導体スイッチ２６のアノード端子→第１半導体スイッチ２６のゲート端子Ｇ→各ダイオード４４ａ及び４４ｂのアノード→各ダイオード４４ａ及び４４ｃのカソードで構成される経路を還流する（図１の一点鎖線ｎ参照）。また、トランス２４の励磁インダクタンスに流れていた電流はリアクタ１４側に転流し、これによって、図２に示すように、リアクタ１４の両端３６及び３８に出力電圧Ｖｏの発生が開始されると共に、トランス２４に発生する誘導起電力によって出力電圧Ｖｏが急峻に上昇する。
【００４９】
この場合、その初期段階では、リアクタ１４の空間３０６のキャパシタンスＣｇに電流Ｉｇ（図１の破線ｐ参照）が流れて該キャパシタンスＣｇを充電し、放電電圧になった時点で空間３０６の電圧がクランプされ（順方向の放電電圧にてクランプ）、電流Ｉｇは直列回路５２を流れる（図１の破線ｑ参照）。このとき、誘電体３０５（上アルミナ板３０２及び下アルミナ板３０４）も同時に急速に充電が始まり、誘電体３０５にエネルギーが蓄積される。
【００５０】
リアクタ１４に流れる電流Ｉｏが零になった時点で誘電体３０５の充電が終了すると同時に、誘電体３０５に蓄積されたエネルギーの一部が放電（順放電）によって消費される。
【００５１】
その後、出力電流Ｉｏ（及び電流Ｉｇ）が逆方向に流れ、これにより、リアクタ１４の空間３０６のキャパシタンスＣｇが充電され、放電電圧になった時点で空間３０６の電圧がクランプされる（逆方向の放電電圧にてクランプ）。この逆方向の電流−Ｉｇによる放電（逆放電）によって、誘電体３０５に残存するエネルギーによる電圧Ｖｃが空間３０６に印加され、出力電圧Ｖｏは急峻に低下することとなる。この逆放電によって、誘電体３０５に残っていたエネルギーは消費されることになるが、逆電流が流れるため、かなりのエネルギーがインダクタンス５４に蓄積されることになる。このとき、インダクタンス５４の値Ｌは、トランス２４の二次巻線３２によるインダクタンスの値Ｌｔｏよりも大きい値を有するため、逆電流によるエネルギーは二次巻線３２ではなく、ほとんどがインダクタンス５４に蓄積される。
【００５２】
ここで、インダクタンス５４に蓄積されるエネルギーは、インダクタンス５４の値をＬ、逆放電時にトランス２４の二次側に流れる電流をＩｏとしたとき、（１／２）×Ｌ×Ｉｏ2となる。特に、この第１の実施の形態では、インダクタンス５４の値Ｌを、トランス２４の二次巻線３２におけるインダクタンスの値の１０倍以上としているため（Ｌ≧１０×Ｌｔｏ）、逆放電時に二次巻線３２に蓄積されるエネルギーは、インダクタンス５４を接続しない場合の１／１０以下となり、図６に示す従来の放電装置の場合と比して僅かな量となる。
【００５３】
その後、トランス２４の二次巻線３２に蓄積されていた僅かな量のエネルギーが直流電源部１８に回生されることになる（回生期間）。そのため、第１半導体スイッチ２６に並列に接続されるダイオード４６として、一般に市場に出回っているダイオードを接続しても、該ダイオード４６に起因する回路損失はわずかなものとなり、エネルギーの回生効率の低下を抑えることができる。
【００５４】
一方、逆放電の際にインダクタンス５４に蓄積されていたエネルギーは、この回生期間において、リアクタ１４の誘電体３０５に蓄積される。すなわち、誘電体３０５が充電され、誘電体３０５の両端には充電電圧Ｖｊが発生することになる。
【００５５】
そして、次のサイクルで再びトランス２４の励磁インダクタンスに流れていた電流がリアクタ１４に転流することになるが、このとき、リアクタ１４の空間３０６に、誘電体３０５の充電電圧Ｖｊとトランス２４の出力電圧Ｖｏを加えた電圧が印加されるかたちとなり、上述と同様に、順放電→逆放電→エネルギーの回生が順次行われ、逆放電の期間にインダクタンス５４に蓄積されたエネルギーが回生期間において再び誘電体３０５に蓄積され、誘電体３０５の両端に充電電圧Ｖｊが発生することになる。
【００５６】
従って、第２回目以降の放電では、インダクタンス５４を介して誘電体３０５に蓄積されたエネルギーによる充電電圧Ｖｊを放電に利用することができるため、トランス２４の出力電圧Ｖｏを低く設定することができる。これは、電源効率の向上につながると共に、第２半導体スイッチ２８をオンさせている期間の短縮化につながり、連続して出力される高電圧パルスのパルス周期を短くすることも可能となる。
【００５７】
このように、第１の実施の形態に係る放電装置１０Ａにおいては、トランス２４の二次側にリアクタ１４と直列にインダクタンス５４を接続するようにしたので、簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができる。
【００５８】
なお、直流電源部１８へのエネルギーの回生の量を低減する方法として、順放電時において、出力電圧Ｖｏがピークとなった時点で、第１半導体スイッチ２６をオン（再点弧）にすることにより、リアクタ１４の空間３０６に、誘電体３０５に残存するエネルギーによる電圧と、第１半導体スイッチ２６のオンに伴ってトランスに現れる高電圧とを加算した電圧を加えることで、リアクタ１４への投入エネルギーを向上させることが考えられる。
【００５９】
しかし、この方法の場合、出力電圧Ｖｏのピーク時点で第１半導体スイッチ２６を再点弧させる必要から、第１半導体スイッチ２６及び第２半導体スイッチ２８に対して時間的制御を行うための演算回路等が必要になり、回路構成が複雑になるおそれがある。
【００６０】
しかし、この第１の実施の形態に係る放電装置１０Ａにおいては、単に、インダクタンス５４という受動的な部品を用いるだけでエネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができるため、放電装置１０Ａの回路構成の簡略化、全体的な構造及びサイズの小型化並びにコスト的にも有利になる。
【００６１】
次に、第２の実施の形態に係る放電装置１０Ｂについて図３及び図４を参照しながら説明する。なお、図１と対応するものについては同符号を付してその重複説明を省略する。
【００６２】
この第２の実施の形態に係る放電装置１０Ｂは、図３に示すように、上述した第１の実施の形態に係る放電装置１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、インダクタンス５４に並列にダイオード５６が接続されている点で異なる。
【００６３】
具体的には、この第２の実施の形態に係る放電装置１０Ｂは、トランス２４の二次側が、該トランス２４の二次巻線３２、リアクタ１４及びインダクタンス５４の順番で接続されている。そして、ダイオード５６は、トランス２４とインダクタンス５４との間にカソードが接続され、インダクタンス５４とリアクタ１４との間にアノードが接続されている。
【００６４】
この第２の実施の形態では、順放電時において、順方向の電流（破線ｐ参照）がインダクタンス５４ではなくダイオード５６を通じて流れることから、順放電が急速に進み、急峻なパルス波形を得ることができる。しかも、インダクタンス５４に順放電時のエネルギーが蓄積されることがないため、逆放電時のエネルギーを十分に蓄積させることができ、直流電源部１８へのエネルギーの回生の量を大幅に低減することができる。
【００６５】
また、この第２の実施の形態では、上述したように、順方向の電流がダイオード５６を通じて流れることから、インダクタンス５４の値Ｌをトランス２４における二次巻線３２のインダクタンスの値Ｌｔｏの１０倍以上の値にすることができる。一例として、トランス２４の一次巻線３０のインダクタンスの値を２０μＨ、二次巻線３２のインダクタンスの値Ｌｔｏを２４５μＨとしたとき、インダクタンス５４の値Ｌは２４５０μＨ以上にすることができる。
【００６６】
これにより、図４に示すように、逆放電の開始時点ｔ２から終了時点ｔ３までの時間Ｔ２を第１の実施の形態よりも大幅に長くすることができる。すなわち、リアクタ１４の空間３０６に印加される電圧Ｖｇの波形として、正方向の電圧の出力時間（正電圧パルスのパルス幅Ｔ１）を短く、負方向の電圧の出力時間（負電圧パルスのパルス幅Ｔ２）を長くすることができる。例えば第１の実施の形態では、リアクタ１４の空間３０６に印加される電圧Ｖｇの負電圧パルスのパルス幅Ｔ２は、正電圧パルスのパルス幅Ｔ１の約１．５倍程度であるが、第２の実施の形態では、負電圧パルスのパルス幅Ｔ２は、正電圧パルスのパルス幅Ｔ１の約１０倍以上の長さとなっている。
【００６７】
従って、高電圧パルスの放電によるプラズマにより、脱臭、殺菌、有害ガスの分解、浄化等を行う技術に適用する場合に、一方向の極性（例えば正極性）の短いパルスによる放電と、逆極性（例えば負極性）の長いパルスによる逆放電を順番に出力させることが可能となり、脱臭、殺菌、有害ガスの分解、浄化等を効率よく行わせることができる。
【００６８】
この第２の実施の形態に係る放電装置１０Ｂにおいても、第１の実施の形態と同様に、簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができる。また、放電装置１０Ｂの回路構成の簡略化、全体的な構造及びサイズの小型化並びにコスト的にも有利になる。
【００６９】
上述の第２の実施の形態では、トランス２４の二次側が、該トランス２４の二次巻線３２、リアクタ１４及びインダクタンス５４の順番で接続された例を示したが、その他、図５に示す変形例に係る放電装置１０Ｂａのように、トランス２４の二次側が、該トランス２４の二次巻線３２、インダクタンス５４及びリアクタ１４の順番で接続されていてもよい。この場合、ダイオード５６は、トランス２４とインダクタンス５４との間にアノードが接続され、インダクタンス５４とリアクタ１４との間にカソードが接続される。
【００７０】
この変形例に係る放電装置１０Ｂａにおいても、簡単な回路構成で、エネルギーの回生を少なくし、しかも、電源効率を向上させることができる。また、放電装置１０Ｂａの回路構成の簡略化、全体的な構造及びサイズの小型化並びにコスト的にも有利になる。
【００７１】
なお、本発明に係る放電装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】第１の実施の形態に係る放電装置の構成を示す回路図である。
【図２】第１の実施の形態に係る放電装置において、リアクタに印加される電圧Ｖｏ、リアクタの空間に印加される電圧Ｖｇ、リアクタの誘電体に印加される電圧Ｖｃ、リアクタに流れる電流Ｉｏ、リアクタの空間に流れる電流Ｉｇの波形を示す図である。
【図３】第２の実施の形態に係る放電装置の構成を示す回路図である。
【図４】第２の実施の形態に係る放電装置において、リアクタに印加される電圧Ｖｏ、リアクタの空間に印加される電圧Ｖｇ、リアクタの誘電体に印加される電圧Ｖｃ、リアクタに流れる電流Ｉｏ、リアクタの空間に流れる電流Ｉｇの波形を示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係る放電装置の変形例の構成を示す回路図である。
【図６】従来例に係る高電圧パルス発生回路の構成を示す回路図である。
【図７】無声放電で使用される一般的なリアクタの構成を示す斜視図である。
【図８】無声放電で使用される一般的なリアクタの構成を示す縦断面図である。
【図９】高電圧パルス発生回路の出力端子間に接続されるリアクタの等価回路を示す図である。
【図１０】従来例に係る高電圧パルス発生回路において、リアクタに印加される電圧Ｖｏ、リアクタの空間に印加される電圧Ｖｇ、リアクタの誘電体に印加される電圧Ｖｃ、リアクタに流れる電流Ｉｏ、リアクタの空間に流れる電流Ｉｇの波形を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｂａ…放電装置 １２…高電圧パルス発生回路
１４…リアクタ １８…直流電源部
２４…トランス ２６…第１半導体スイッチ
２８…第２半導体スイッチ ４４ａ〜４４ｃ、４６、５６…ダイオード
５４…インダクタンス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源部の両端に直列接続されたトランス及び少なくとも１つの半導体スイッチと、
前記トランスの二次側に接続されたリアクタとを有し、
前記半導体スイッチのターンオンに伴う前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積と、
前記半導体スイッチのターンオフに伴う前記トランスでの高電圧の発生と、
前記高電圧による前記リアクタでの放電の発生が行われる放電装置において、
前記トランスの二次側に前記リアクタと直列にインダクタンスが接続されていることを特徴とする放電装置。
【請求項２】
請求項１記載の放電装置において、
前記リアクタは、一対の電極と、該一対の電極間に介在された誘電体と空間とを有することを特徴とする放電装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の放電装置において、
前記インダクタンスに並列にダイオードが接続されていることを特徴とする放電装置。
【請求項４】
請求項３記載の放電装置において、
前記トランスでの高電圧の発生に伴って、前記トランスの二次側において一方向に電流が流れることで前記リアクタで順放電が発生し、その後、前記トランスの二次側において逆方向に電流が流れることで前記リアクタで逆放電が発生するものであって、
前記ダイオードは、前記トランスの二次側に流れる前記一方向の電流の方向に対して順方向に接続されていることを特徴とする放電装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載の放電装置において、
前記トランス、前記リアクタ及び前記インダクタンスの順番で接続され、
前記ダイオードは、前記トランスと前記インダクタンスとの間にカソードが接続され、前記インダクタンスと前記リアクタとの間にアノードが接続されていることを特徴とする放電装置。
【請求項６】
請求項３又は４記載の放電装置において、
前記トランス、前記インダクタンス及び前記リアクタの順番で接続され、
前記ダイオードは、前記トランスと前記インダクタンスとの間にアノードが接続され、前記インダクタンスと前記リアクタとの間にカソードが接続されていることを特徴とする放電装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の放電装置において、
前記インダクタンスは、前記トランスの二次側におけるインダクタンスの１０倍以上の値を有することを特徴とする放電装置。
【請求項１】
直流電源部の両端に直列接続されたトランス及び少なくとも１つの半導体スイッチと、
前記トランスの二次側に接続されたリアクタとを有し、
前記半導体スイッチのターンオンに伴う前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積と、
前記半導体スイッチのターンオフに伴う前記トランスでの高電圧の発生と、
前記高電圧による前記リアクタでの放電の発生が行われる放電装置において、
前記トランスの二次側に前記リアクタと直列にインダクタンスが接続されていることを特徴とする放電装置。
【請求項２】
請求項１記載の放電装置において、
前記リアクタは、一対の電極と、該一対の電極間に介在された誘電体と空間とを有することを特徴とする放電装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の放電装置において、
前記インダクタンスに並列にダイオードが接続されていることを特徴とする放電装置。
【請求項４】
請求項３記載の放電装置において、
前記トランスでの高電圧の発生に伴って、前記トランスの二次側において一方向に電流が流れることで前記リアクタで順放電が発生し、その後、前記トランスの二次側において逆方向に電流が流れることで前記リアクタで逆放電が発生するものであって、
前記ダイオードは、前記トランスの二次側に流れる前記一方向の電流の方向に対して順方向に接続されていることを特徴とする放電装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載の放電装置において、
前記トランス、前記リアクタ及び前記インダクタンスの順番で接続され、
前記ダイオードは、前記トランスと前記インダクタンスとの間にカソードが接続され、前記インダクタンスと前記リアクタとの間にアノードが接続されていることを特徴とする放電装置。
【請求項６】
請求項３又は４記載の放電装置において、
前記トランス、前記インダクタンス及び前記リアクタの順番で接続され、
前記ダイオードは、前記トランスと前記インダクタンスとの間にアノードが接続され、前記インダクタンスと前記リアクタとの間にカソードが接続されていることを特徴とする放電装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の放電装置において、
前記インダクタンスは、前記トランスの二次側におけるインダクタンスの１０倍以上の値を有することを特徴とする放電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−１８１２９５（Ｐ２００７−１８１２９５Ａ）
【公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３７５８５５（Ｐ２００５−３７５８５５）
【出願日】平成１７年１２月２７日（２００５．１２．２７）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２７日（２００５．１２．２７）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]