特開 2023-103099 オゾン発生器の異常検出装置およびオゾン発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023103099

(43)【公開日】2023-07-26

(54)【発明の名称】オゾン発生器の異常検出装置およびオゾン発生装置

(51)【国際特許分類】

   C01B 13/11 20060101AFI20230719BHJP

【ＦＩ】

C01B13/11 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022003966

(22)【出願日】2022-01-13

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】菅沼 亮太

(72)【発明者】

【氏名】鷹箸 幸夫

(72)【発明者】

【氏名】村田 隆昭

(72)【発明者】

【氏名】久保 貴恵

(72)【発明者】

【氏名】深田 洋行

(72)【発明者】

【氏名】橋本 美智子

【テーマコード（参考）】

4G042

【Ｆターム（参考）】

4G042CA01

4G042CB29

4G042CC23

(57)【要約】

【課題】オゾン発生器を構成する放電管の破損を簡易な構成で正確に検出する。
【解決手段】実施形態の異常検出装置は、入力された第１の交流電圧を予め設定された第２の交流電圧に変換して出力する電力変換装置と、電力変換装置から出力された交流電圧を高電圧に昇圧するトランスと、放電管を内蔵し、トランスによって昇圧された交流電圧が放電管に印加されることでオゾンを生成するオゾン発生器と、を備えるオゾン発生装置に対して用いられる。異常検出装置は、トランスによって高電圧に昇圧された交流電圧を低電圧に変換する分圧回路と、分圧回路を通過した交流電圧をパルス信号に変換して出力し、パルス信号に変換するときに用いる比較電圧がそれぞれ異なる２つ以上の信号変換部と、２つ以上の信号変換部の少なくともいずれかから出力されたパルス信号のパルス幅の変化に基づいてオゾン発生器の異常を検出する異常検出部と、を備える。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力された第１の交流電圧を予め設定された第２の交流電圧に変換して出力する電力変換装置と、前記電力変換装置から出力された交流電圧を高電圧に昇圧するトランスと、放電管を内蔵し、前記トランスによって昇圧された交流電圧が前記放電管に印加されることでオゾンを生成するオゾン発生器と、を備えるオゾン発生装置に対して用いられる異常検出装置であって、
前記トランスによって高電圧に昇圧された交流電圧を低電圧に変換する分圧回路と、
前記分圧回路を通過した交流電圧をパルス信号に変換して出力し、パルス信号に変換するときに用いる比較電圧がそれぞれ異なる２つ以上の信号変換部と、
前記２つ以上の信号変換部の少なくともいずれかから出力された前記パルス信号のパルス幅の変化に基づいて前記オゾン発生器の異常を検出する異常検出部と、
を備える異常検出装置。

【請求項2】

前記異常検出部は、３つ以上の連続するパルス信号について、前回までの複数の前記パルス信号のパルス幅を用いた統計処理によってパルス幅の正常範囲の情報を生成し、最新の前記パルス信号のパルス幅が前記正常範囲に入っていない場合に、前記オゾン発生器に異常があると判定する、請求項１に記載の異常検出装置。

【請求項3】

前記異常検出部は、前回までの複数のパルス信号のパルス幅を用いた統計処理によって、前回までの複数のパルス信号のパルス幅の加重移動平均に１未満の所定の第１の係数を掛けた値を下限とし、前記加重移動平均に１超の所定の第２の係数を掛けた値を上限として、前記正常範囲の情報を生成する、請求項２に記載の異常検出装置。

【請求項4】

前記異常検出部は、異常を検出した場合に、前記電力変換装置を制御して前記オゾン発生器への電源の供給を遮断する、請求項１に記載の異常検出装置。

【請求項5】

交流電圧を出力する電力変換装置と、
前記電力変換装置が出力する交流電力が印加されることでオゾンを発生させるオゾン発生器と、
前記オゾン発生器の異常を検出する検出装置と、を備え、
前記検出装置は、
前記電力変換装置が出力する交流電圧に基づいて、少なくとも２つの基準電圧のそれぞれと比較することで少なくとも２つのパルス信号を生成し、
この生成された少なくとも２つのパルス信号それぞれのパルス幅の変化に基づいて前記オゾン発生器の異常を検出する、オゾン発生装置。

【請求項6】

前記検出装置は、３つ以上の連続するパルス信号について、前回までの複数の前記パルス信号のパルス幅を用いた統計処理によってパルス幅の正常範囲の情報を生成し、最新の前記パルス信号のパルス幅が前記正常範囲に入っていない場合に、前記オゾン発生器に異常があると判定する、請求項５に記載のオゾン発生装置。

【請求項7】

前記検出装置は、前回までの複数のパルス信号のパルス幅を用いた統計処理によって、前回までの複数のパルス信号のパルス幅の加重移動平均に１未満の所定の第１の係数を掛けた値を下限とし、前記加重移動平均に１超の所定の第２の係数を掛けた値を上限として、前記正常範囲の情報を生成する、請求項６に記載のオゾン発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、オゾン発生器の異常検出装置およびオゾン発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

オゾン発生器を構成する放電管が破損し、オゾン発生器が異常となった場合に、その異常を検出する技術がある。この技術では、例えば、オゾン発生器に印加する交流電圧を発生させるインバータに入力する入力電力が規定値以下であり、かつ、当該インバータから出力される出力電流が規定値以上である場合に、オゾン発生器を異常と判定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４０７１０１７号公報

【特許文献2】特開平８－１４６０７１号公報

【特許文献3】特開２０２１－２７６７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記の従来技術においては、入力電力を検出する入力電力検出部と出力電流を検出する出力電流検出部の両方が必要となり、オゾン発生器の異常を検出する装置の回路構成が複雑かつ高コストになるという問題がある。また、インバータ電源の電圧の周波数の変化から異常を検出する装置もあるが、オゾン発生器はオゾン発生量が変化するときに周波数も変化するために、運転にともなう周波数の変化も踏まえて異常を検出することが難しい。

【0005】

そこで、本発明の実際形態の課題は、オゾン発生器を構成する放電管の破損を簡易な構成で正確に検出することができる異常検出装置およびオゾン発生装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の異常検出装置は、入力された第１の交流電圧を予め設定された第２の交流電圧に変換して出力する電力変換装置と、前記電力変換装置から出力された交流電圧を高電圧に昇圧するトランスと、放電管を内蔵し、前記トランスによって昇圧された交流電圧が前記放電管に印加されることでオゾンを生成するオゾン発生器と、を備えるオゾン発生装置に対して用いられる異常検出装置であって、前記トランスによって高電圧に昇圧された交流電圧を低電圧に変換する分圧回路と、前記分圧回路を通過した交流電圧をパルス信号に変換して出力し、パルス信号に変換するときに用いる比較電圧がそれぞれ異なる２つ以上の信号変換部と、前記２つ以上の信号変換部の少なくともいずれかから出力された前記パルス信号のパルス幅の変化に基づいて前記オゾン発生器の異常を検出する異常検出部と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】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】本実施形態にかかる異常検出装置等の機能構成の一例を示す図である。

【図3】本実施形態にかかる異常検出装置が有する信号変換回路の機能構成の一例を示す図である。

【図4】本実施形態にかかる異常検出装置が有する信号変換回路による信号変換の一例を示す図である。

【図5】本実施形態にかかる異常検出装置が有する信号変換回路による信号変換の一例を示す図である。

【図6】本実施形態にかかる異常検出装置が有するＰＬＣの機能構成の一例を示す図である。

【図7】本実施形態にかかる異常検出装置が有するＰＬＣにおけるパルス幅の測定結果の一例を示す図である。

【図8】本実施形態にかかる異常検出装置が有するＰＬＣにおけるパルス幅比の測定結果の一例を示す図である。

【図9】図７と同様、異常検出装置が有するＰＬＣにおけるパルス幅の測定結果の一例を示す図である。

【図10】図８と同様、異常検出装置が有するＰＬＣにおけるパルス幅比の測定結果の一例を示す図である。

【図11】本実施形態にかかる異常検出装置が有するＰＬＣにおける加重移動平均の算出方法を示す図である。

【図12】本実施形態にかかる異常検出装置が有するＰＬＣが算出したパルス幅比の一例を示す図である。

【図13】本実施形態にかかるオゾン発生器の異常時の電圧波形と異常判定を説明する図である。

【図14】本実施形態にかかるＰＬＣによる処理を示すフローチャートである。

【図15】本実施形態にかかる異常検出装置が有する信号変換回路による信号変換の一例を示す図である。

【図16】本実施形態にかかる異常検出装置が有する信号変換回路の機能構成の一例を示す図である。

【図17】本実施形態にかかる異常検出装置が有する信号変換回路による信号変換の一例を示す図である。

【図18】本実施形態にかかる異常検出装置が有する信号変換回路と異常判定を説明する図である。

【図19】本実施形態にかかる異常検出装置が有する信号変換回路と異常判定を説明する図である。

【図20】本実施形態にかかる異常検出装置が有する信号変換回路と異常判定を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、添付の図面を用いて、本発明の実施形態にかかるオゾン発生装置および異常検出装置の一例について説明する。

【0009】

まず、図１、図２を参照して、本実施形態にかかるオゾン発生装置Ａと異常検出装置６の概略構成の一例について説明する。図１は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Ａの概略構成の一例を示す図である。図２は、本実施形態にかかる異常検出装置６等の機能構成の一例を示す図である。

【0010】

オゾン発生装置Ａは、単管のオゾン発生装置の一例である。オゾン発生装置Ａは、オゾン発生器１と、電源装置３と、ヒューズ４と、高圧給電子５と、を備える。オゾン発生器１は、放電管１０を内蔵し、トランス３２によって昇圧されリアクトル３３を通過した交流電圧が放電管１０の電極１１に印加されることでオゾンを生成する。具体的には、オゾン発生器１は、放電管１０と、放電管１０に取付けられた電極１１と、金属電極１２と、放電管１０と電極１１との間に放電ギャップ１４を形成するためのスペーサ１３と、を備える。

【0011】

電源装置３は、電力変換装置３１と、トランス３２と、リアクトル３３と、を備える。電力変換装置３１は、商用電源から入力した交流電圧（第１の交流電圧）を予め設定された周波数（所定周波数）の交流電圧（第２の交流電圧）に変換して出力する。

【0012】

トランス３２は、電力変換装置３１から出力された交流電圧を高電圧に昇圧する。リアクトル３３は、オゾン発生器１とトランス３２との間に接続される。そして、リアクトル３３は、トランス３２で出力された交流電圧をさらに昇圧したり、電力変換装置３１のスイッチング動作で生じる高周波のノイズを抑制したりする。また、リアクトル３３は、オゾン発生器１の異常放電、例えば、オゾン発生器１に内蔵された放電管１０の破損で生じるピンホール（例えば直径１ｍｍ程度）で発生するアーク放電によって、トランス３２に印加される交流電圧に生じる高周波成分を抑制する。

【0013】

このようにして、電源装置３は、ヒューズ４および高圧給電子５を介して、放電管１０の電極１１に交流電圧Ｖｏｐを印加する。そうすると、電極１１と金属電極１２の間の放電ギャップ１４に流入される原料ガス中で放電が起き、当該放電によりオゾン（Ｏ_３）が発生する。電源装置３は、例えば、６００Ｈｚ未満の周波数の交流電圧を、電極１１に印加する。

【0014】

放電ギャップ１４において発生する放電は、いわゆる誘電体バリア放電であり、単に、バリア放電と呼ばれたり、無声放電と呼ばれたりする。また、原料ガスは、酸素や、酸素と窒素の混合ガス、空気等である。また、放電ギャップ１４に流入される原料ガスのガス圧は、例えば、０．１７～０．２８ＭＰａの絶対圧である。

【0015】

放電管１０は、例えば、ガラスやセラミックの誘電体で円筒状に形成され一端は開放し、もう一端はＵの字の形状で、その内面に導電性の金属（例えば、ステンレス）を蒸着させた電極１１を有する。

【0016】

本実施形態では、上述した放電管１０の内面に蒸着された電極１１は、円筒状の電極で誘電体の放電管１０、放電ギャップ１４を介して、金属電極１２が設けられている。また、電極１１の導電性電極は、高圧給電子５と接続される。

【0017】

金属電極１２は、例えば、ステンレス鋼製等の円筒状の電極である。具体的には、金属電極１２は、電極１１と同軸の円筒状の電極であり、電極１１の外周面側に、放電ギャップ１４を介して設けられる。

【0018】

また、金属電極１２は、電極１１との間に放電ギャップ１４を形成するための複数のスペーサ１３を有する。スペーサ１３は、例えば、０．３～１．３ｍｍ程度の放電ギャップ１４を形成する突起である。

【0019】

また、オゾン発生装置Ａでは、金属電極１２の電極１１が設けられる側とは反対側に、冷却水が供給される。これによって、放電ギャップ１４における誘電体バリア放電により発生する熱が冷却水により冷却されるので、放電ギャップ１４内の原料ガスの温度上昇を抑制し、高濃度かつ高収率のオゾンを得ることができる。オゾン発生装置Ａにより生成されるオゾンは、例えば、処理すべき水の脱臭や、脱色、殺菌等の水処理に用いられる。

【0020】

異常検出装置６は、信号変換回路６１と、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）６２と、を備える。信号変換回路６１は、オゾン発生器１に印加される交流電圧Ｖｏｐの波形をパルス信号に変換する回路である。ＰＬＣ６２（異常検出部）は、信号変換回路６１から出力されたパルス信号のパルス幅の変化を認識し、その変化に基づいてオゾン発生器１の異常を検出し、異常を検出した場合に、電力変換装置３１を制御して、オゾン発生器１への電源の供給を遮断する。

【0021】

また、ＰＬＣ６２は、例えば３つ以上の連続するパルス信号について、前回までの複数のパルス信号のパルス幅を用いた統計処理によってパルス幅の正常範囲の情報を生成し、最新のパルス信号のパルス幅が正常範囲に入っていない場合に、オゾン発生器１に異常があると判定する。また、ＰＬＣ６２は、前回までの複数のパルス信号のパルス幅を用いた統計処理によって、前回までの複数のパルス信号のパルス幅の加重移動平均に１未満の所定の第１の係数を掛けた値を下限とし、加重移動平均に１超の所定の第２の係数を掛けた値を上限として、正常範囲の情報を生成する。以下、詳述する。

【0022】

図３は、本実施形態にかかる異常検出装置６が有する信号変換回路６１の機能構成の一例を示す図である。図３に示すように、信号変換回路６１は、分圧回路６１１と、ローパスフィルタ６１２と、アンプ６１３と、コンパレータ６１４（信号変換部）と、を備える。なお、分圧回路６１１に高周波ノイズが発生しないのであれば、ローパスフィルタ６１２はなくてもよい。

【0023】

コンパレータ６１４は、複数設けられる。ここでは、３つのコンパレータ６１４Ａ、６１４Ｂ、６１４Ｃが設けられる。

【0024】

分圧回路６１１は、トランス３２によって高電圧に昇圧されリアクトル３３を介して入力した交流電圧を低電圧に変換する。具体的には、分圧回路６１１は、オゾン発生器１に印加される高電圧（例えば、１０ｋＶ程度）の交流電圧Ｖｏｐを、ローパスフィルタ６１２、アンプ６１３、コンパレータ６１４などの電子回路で信号処理できる電圧レベル（例えば、５Ｖ程度）に変換する分圧回路である。

【0025】

ローパスフィルタ６１２は、分圧回路６１１からの出力電圧Ｖｂに含まれる高周波成分のノイズを減衰させ、後述するコンパレータ６１４における高周波ノイズによるチャタリングの誤動作を防止する。

【0026】

アンプ６１３は、ローパスフィルタ６１２を通過した交流信号（交流電圧）を、所定の増幅度で増幅し、交流信号Ｖｏを出力する。

【0027】

コンパレータ６１４は、ローパスフィルタ６１２を通過した交流信号（交流電圧）をパルス信号に変換して出力する。具体的には、次の通りである。コンパレータ６１４は、入力した交流信号Ｖｏの電圧レベルと、コンパレータ６１４の比較電圧と比較して、その大小関係で出力レベルを切り替える動作をする。なお、コンパレータ６１４として、例えば、ヒステリシス特性を持つコンパレータ（ヒステリシスコンパレータ）を用いる。ヒステリシスコンパレータを用いることで、入力した交流信号Ｖｏの立上り時と立下り時の比較電圧をそれぞれに設定できるので、交流信号Ｖｏに重畳するノイズによる立上りや立下りで発生するチャタリングの誤動作を防止することができる。

【0028】

また、３つのコンパレータ６１４は、パルス信号に変換するときに用いる比較電圧がそれぞれ異なるように設定され、出力のパルス信号はそれぞれで異なる。

【0029】

コンパレータ６１４の動作とオゾン発生器１の正常時および異常時の動作について、図４、図５を用いて説明する。図４、図５は、本実施形態にかかる異常検出装置６が有する信号変換回路６１による信号変換の一例を示す図である。

【0030】

図４（ａ）の波形Ｗ１は、オゾン発生器１が正常動作時にコンパレータ６１４に入力するアンプ６１３の出力信号Ｖｏ（交流信号）である。コンパレータ６１４Ａは、出力信号Ｖｏとコンパレータ６１４Ａに設定された比較電圧ＶｔｈＨ_ＡとＶｔｈＬ_Ａと比較して、出力レベルを切り替える。図４（ａ）において、出力信号Ｖｏの信号レベルが比較電圧ＶｔｈＨ_Ａ以上になった場合にコンパレータ６１４Ａの出力信号ＶｃｏｍｐＡ（図４（ｂ））をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替え、出力信号Ｖｏの信号レベルが比較電圧ＶｔｈＬ_Ａ以下になった場合に出力信号ＶｃｏｍｐＡをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替える。

【0031】

比較電圧ＶｔｈＨ_ＡとＶｔｈＬ_Ａの電圧レベル差を、アンプ６１３の出力信号Ｖｏに重畳するノイズの波高値以上に設定することで、ノイズによるチャタリングの誤動作を防止することができる。

【0032】

上述の例では、オゾン発生器１の正常動作時のため、図４（ａ）のアンプ６１３の出力信号Ｖｏの波形に歪がないため、図４（ｂ）のＶｃｏｍｐＡのパルス信号のパルス幅（パルスがＨｉｇｈレベルの時間長：ｔ１１～ｔ１２、ｔ１３～ｔ１４、ｔ１５～ｔ１６、ｔ１７～ｔ１８）はほぼ一定となる。

【0033】

また、コンパレータ６１４Ｂによる出力信号ＶｃｏｍｐＢ、および、コンパレータ６１４Ｃによる出力信号ＶｃｏｍｐＣについても同様である。なお、図４（ａ）では、コンパレータ６１４Ｃに設定された比較電圧ＶｔｈＨ＿ＣとＶｔｈＬ＿Ｃの図示を省略している。

【0034】

このように、３つのコンパレータ６１４のそれぞれで比較電圧が異なるので、出力信号ＶｃｏｍｐＡ、ＶｃｏｍｐＢ、ＶｃｏｍｐＣのパルス信号のパルス幅が異なる。

【0035】

次に、図５（ａ）の波形Ｗ２は、オゾン発生器１に内蔵する放電管１０に生じた微小孔でアーク放電が発生した際の実測定の出力信号Ｖｏである。アーク放電の発生時に一時的に電圧レベルが０Ｖ付近に低下し、その後、上昇する現象が発生している。上述の図４（ａ）と同一の比較電圧ＶｔｈＨ_ＡとＶｔｈＬ_Ａと比較した場合の出力信号ＶｃｏｍｐＡを図５（ｂ）に示す。アーク放電で一時的に０Ｖに低下し、その後の上昇するタイミングでパルスの立下りと立上りが発生するために、図４（ｂ）の正常動作時と異なり、パルス幅（ｔ２１～ｔ２２、ｔ２３～ｔ２４、ｔ２５～ｔ２６、ｔ２７～ｔ２８）が不均一となる。

【0036】

また、比較電圧ＶｔｈＨ_ＢとＶｔｈＬ_Ｂと比較した場合の出力信号ＶｃｏｍｐＢ、および、比較電圧ＶｔｈＨ_ＣとＶｔｈＬ_Ｃと比較した場合の出力信号ＶｃｏｍｐＣについても同様である。

【0037】

次に、オゾン発生器１の異常動作の検出について説明する。図６は、本実施形態にかかる異常検出装置６が有するＰＬＣ６２の機能構成の一例を示す図である。ＰＬＣ６２は、パルス幅検出器６２１、パルス幅測定器６２２、比較器６２３、比較パルス幅計算器６２４を備える。

【0038】

パルス幅検出器６２１は、信号変換回路６１からの出力信号Ｖｃｏｍｐのパルス信号のそれぞれの立上りと立下りを検出する機能を有する。出力信号Ｖｃｏｍｐはコンパレータ６１４の数だけ存在し、各々に対してパルス幅の検出を行う。

【0039】

パルス幅測定器６２２は、パルス幅検出器６２１によって検出した立上り時刻と、立下り時刻の差分から各パルス幅の時間を算出する。実際にパルス幅の測定をしたときの結果を図７、図９に示す。

【0040】

図７、図９は、本実施形態にかかる異常検出装置６が有するＰＬＣ６２におけるパルス幅の測定結果の一例を示す図である。図７はオゾン発生器１へ一定量の電力を供給する定常運転の場合で、図９はオゾン発生器１への電力を過度的に供給する運転開始時の場合である。

【0041】

比較パルス幅計算器６２４は、最新のパルス幅と比較するために、前回までの各パルス幅の時間を用いて、比較する時間を計算する機能を有する。比較する時間の算出方法の一例に加重移動平均がある。図１１は、本実施形態にかかる異常検出装置６が有するＰＬＣ６２における加重移動平均の算出方法を示す図である。図１１に示すように、最新のパルス幅の時間をｔ_０とし、一個前のパルス幅の時間をｔ_１とし、・・・、ｎ個前のパルス幅の時間をｔ_ｎとする。ｎは１以上の整数とする。ｎ個のパルス幅の時間の加重移動平均したパルス幅の時間ｔ＾は、以下の式（１）で表される。

【0042】

【数1】

【0043】

ただし、ｍ_ｋはｋ個前のパルス幅の時間ｔ_ｋに対する重みづけ係数を表す。すべてのｍ_ｋが同じ値のとき、つまり、ｍ_ｋ＝１／ｎのときは、ｔ＾は重みづけのない移動平均を表す。

【0044】

最新のパルス幅の時間ｔ_０と、加重移動平均したｎ個のパルス幅の時間ｔ＾で比を取り、パルス検出ごとにｙ＝ｔ_０／ｔ＾を計算してパルス幅比ｙを算出する。このときのグラフが図８と図１０である。

【0045】

図８、図１０は、本実施形態にかかる異常検出装置６が有するＰＬＣ６２におけるパルス幅比の測定結果の一例を示す図である。

【0046】

図８は図７に対応し、オゾン発生器１へ一定量の電力を供給する定常運転の場合で計算した。また、図１０は図９に対応し、オゾン発生器１への電力を過渡的に供給する場合で計算した。オゾン発生器１へ一定量の電力を供給する図８の場合は、比をとった値が平均１で、ある分散で広がりをもつ。一方で、オゾン発生器１への電力を過渡的に供給する図１０の場合は、パルス幅を測定し始めた直後に変化量が大きく、徐々にオゾン発生器１へ一定量の電力を供給する場合と同様の状態に近づいている。以上のことから、オゾン発生器１が正常であるか否かを判定する場合に、オゾン発生器１への電力を過渡的に供給する場合で正常と判定したときは、すべての時刻において正常と判定したものとみなすことができる。

【0047】

図１２は、本実施形態にかかる異常検出装置６が有するＰＬＣ６２が算出したパルス幅比の一例を示す図である。最新のパルス幅の時間ｔ_０と、移動平均した３個のパルス幅の時間ｔ＾で比を取ったとき、パルス幅変化の過渡的な段階で、最大のｙ（＝ｔ_０／ｔ＾）が１つ存在する。８回試験を行ったときの最大のｙを求めたものを図１２に示す。平均μが約０．８８４で、標準偏差σが約０．０２７２で、値が分散した。最大のｙが３σに収まるには、以下の式（２）を満たせばよい。
μ‐３σ＜（ｔ_０／ｔ＾）＜μ＋３σ ・・・式（２）

【0048】

また、パルス幅が減少する場合（例えば、オゾン発生器１が電圧印加状態から停止するとき）も同様に考慮すると、式（３）となる。
μ‐３σ＜（ｔ_０／ｔ＾）＜１＋｛１‐（μ‐３σ）｝ ・・・式（３）

【0049】

また、式（３）に図１２の値を代入すると、以下の式（４）となる（「約」は省略）。
０．８０２＜（ｔ_０／ｔ＾）＜１．２０ ・・・式（４）

【0050】

以上から、次のような処理を行う。まず、比較パルス幅計算器６２４は、ｔ＾を計算する。そして、比較器６２３は、以下の式（５）（パルス幅の正常範囲）を満たすか否かを判定する。
０．８０２（第１の係数の例）×ｔ＾＜ｔ_０＜１．２０（第２の係数の例）×ｔ＾ ・・・式（５）

【0051】

つまり、比較器６２３は、パルス幅測定器６２２から出力されたパルス幅の時間ｔ_０と、比較パルス幅計算器６２４で算出したｔ＾を用いて、式（５）を満たすか否かを判定し、満たすときは正常と判定し、満たさないときは異常と判定する。この方法では、加重移動平均に係数をかけてｔ_０と比較するだけなので、計算負荷を軽減し、高速な動作を可能とする。

【0052】

コンパレータ６１４を複数用意し、パルス幅検出器６２１に接続すると、接続した数だけパルス幅の検出を行う。その結果、各々に対してパルス幅の測定および、正常か異常かを判定する比較を行う。

【0053】

オゾン発生器１の異常時の電圧波形を図１３に示す。図１３は、本実施形態にかかるオゾン発生器１の異常時の電圧波形と異常判定を説明する図である。オゾン発生器１への印加電圧を図１３（ａ）に示し、ＰＬＣ６２に入力する信号変換回路６１からの出力信号を図１３（ｂ）に示す。時間がマイナスの領域ではオゾン発生器１は正常に動作している。時間０以降でオゾン発生器１に異常が発生している。

【0054】

比較パルス幅計算器６２４は、３サンプルの移動平均でｔ＾を計算する。その場合、パルス幅（１）～（８）について、過去に３サンプルのデータが蓄積されている時点のパルス幅（４）から比較器６２３で比較可能である。図１３（ｃ）の表では、Ｎｏ．がパルス幅の番号（１）～（８）と対応する。

【0055】

ここで、図１４も併せて参照する。図１４は、本実施形態にかかるＰＬＣ６２による処理を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１において、パルス幅測定器６２２は、各パルス信号のパルス幅を測定する。

【0056】

次に、ステップＳ２において、比較パルス幅計算器６２４は、上述の方法で、１つ前までのパルス信号について、パルス幅の移動平均ｔ＾を算出する。

【0057】

次に、ステップＳ３において、比較器６２３は、パルス幅の時間ｔ_０と、ｔ＾を用いて、式（５）を満たすか否かを判定し、Ｙｅｓの場合は処理を終了し、Ｎｏの場合はステップＳ４に進む。図１３の場合、パルス幅（４）～（６）では式（５）を満たし（つまり、正常と判定）、パルス幅（７）では式（５）を満たさない（つまり、異常と判定）。

【0058】

ステップＳ４において、比較器６２３は、電力変換装置３１に停止信号を送信し、電力変換装置３１はオゾン発生器１への電力供給を遮断する。

【0059】

このように、本実施形態にかかる異常検出装置６によれば、オゾン発生器１を構成する放電管１０の破損を簡易な構成で正確に検出することができる。つまり、電力変換装置３１に入力する入力電力を検出する入力電力検出部や、電力変換装置３１から出力される出力電流を検出する出力電流検出部が無くても、オゾン発生器１の異常を検出することができ、オゾン発生器１の異常を検出する装置の回路構成が複雑かつ高コストになることを防止できる。

【0060】

また、上述のように、ＰＬＣ６２によって、式（５）に示すようなパルス幅の正常範囲の情報を生成し、最新のパルス信号のパルス幅と正常範囲を比較することで、処理が簡潔になる。

【0061】

また、例えば、オゾン発生器１が小型の場合、異常発生時にアーク放電が起きても過電流(アーク電流)が小さいためヒューズ４が切れない場合がある。そういった場合には特に有効である。

【0062】

図１３の場合では、異常放電発生時の検出が可能であることを示した。しかしながら、例えば、放電管１０の電極１１に印加される交流電圧Ｖｏｐが想定よりも低く、コンパレータ６１４の比較電圧よりも低くなると、パルス信号を発生せず、異常放電を検出できない可能性がある。また、例えば、異常放電発生時に交流電圧Ｖｏｐがコンパレータ６１４の比較電圧を下回らないで電圧が回復すると、パルス信号に変化が現れず、異常放電を検出できない可能性もある。

【0063】

放電管１０の電極１１に印加される交流電圧Ｖｏｐが低くなった場合を図１５に示す。コンパレータ６１４Ａ、６１４Ｂ、６１４Ｃの比較電圧は異なる。３つの中で比較電圧が低いコンパレータ６１４Ａ（コンパレータＡ）と、比較電圧が真ん中のコンパレータ６１４Ｂ（コンパレータＢ）は、パルス信号を出力している。しかし、交流電圧Ｖｏｐがコンパレータ６１４Ｃ（コンパレータＣ）の比較電圧を超えないと、コンパレータ６１４Ｃはパルス信号を出力しない。パルス信号を出力しているコンパレータ６１４Ａとコンパレータ６１４Ｂの出力信号に基づいて、異常放電が発生しているのか判定する。このように、交流電圧Ｖｏｐは運転状況によって変化するために、コンパレータの比較電圧は低い方が望ましい場合がある。

【0064】

以下では、Ｖｏｐは、交流電圧の最大電圧を指すものとする。コンパレータ６１４の比較電圧の決め方について、指標となる電圧は、オゾン発生器１の放電開始電圧Ｖｄと、設計上の交流電圧の最大電圧Ｖｏｐの２つである。放電開始電圧Ｖｄ未満では、異常放電は発生しないため、比較電圧を設定する必要はない。そこで、図１６のように、放電開始電圧Ｖｄから設計上の最大電圧Ｖｏｐまでについて複数のコンパレータ６１４で動作できるように、比較電圧を設定する。コンパレータ６１４を３つ設置する場合、例えば、比較電圧を以下のように設定するのがよい。

【0065】

コンパレータ６１４Ａの比較電圧＝Ｖｄ
コンパレータ６１４Ｂの比較電圧＝Ｖｏｐ／３＋２Ｖｄ／３
コンパレータ６１４Ｃの比較電圧＝２Ｖｏｐ／３＋Ｖｄ／３

【0066】

これによれば、３つのコンパレータ６１４の比較電圧が、放電開始電圧Ｖｄから設計上の最大電圧Ｖｏｐまでの三等分点を基準にバランスよく設定されたことになる。なお、ここでは詳細な説明を省略するが、各比較電圧に対して、立ち上がり時の比較電圧ＶｔｈＨと立下り時のＶｔｈＬを設定する。

【0067】

一方で、異常放電が発生しても、電圧降下が０まで落ちない場合を図１７に示す。コンパレータ６１４Ａ、６１４Ｂ、６１４Ｃの比較電圧は異なる。図１７における右方の異常放電発生時までは、コンパレータ６１４Ａ、６１４Ｂ、６１４Ｃのすべてでパルス信号を安定的に出力している。そして、異常放電が発生すると、交流電圧は一時的に低下するが、すぐに回復した。放電管１０が複数挿入されていると、コンデンサの放電現象によって異常放電に電荷が供給され、電圧が下がりにくいことがある。このとき、コンパレータ６１４Ｂとコンパレータ６１４Ｃではパルス幅が短くなることが確認できるが、交流電圧が０まで低下しないために、コンパレータ６１４Ａではパルス幅が短くならず異常放電として判定できない。このように、異常放電が発生しても交流電圧Ｖｏｐは０まで落ちないことがあるので、コンパレータの比較電圧は高い方が望ましい場合がある。

【0068】

以上からわかるように、オゾン発生器１の出力を変更するときに交流電圧が変化するために、コンパレータ６１４を複数個設置することが望ましい。また、複数のコンパレータ６１４の出力信号ＶｃｏｍｐをすべてＰＬＣ６２に入力して、比較器６２３で異常放電か否かを判定することは、オゾン発生器１由来のノイズや、オゾン発生器１の電源由来のノイズによって、ＰＬＣ６２が誤動作するリスクが高まる。このため、パルス信号を出力しているコンパレータ６１４のうち、例えば、比較電圧がもっとも高いコンパレータ６１４のみを比較器６２３で異常放電の判定をすることに使用する手法が考えられる。

【0069】

以下、複数あるコンパレータ６１４のうちいずれを動作させて異常検出をするかについて、３つの手法を説明する。１つ目は、複数あるコンパレータ６１４のうち、ひとつでも異常と検出すれば、ＰＬＣ６２で異常と判定して電源を停止する方法である。この方法を図１８に示す。図１８では、コンパレータ６１４Ｂによるパルス信号に基づいて異常と判定した場合を示している。この手法によれば、ＰＬＣ６２の論理構成が簡素化され、３つの手法の中で最も高速に動作し、電源保護を最優先にできる。

【0070】

２つ目は、パルス幅を検出しているコンパレータ６１４のうち、比較電圧ＶｔｈＨが最も高いコンパレータ６１４のみ、異常検出に用いる方法である。この方法を図１９に示す。図１９では、コンパレータ６１４Ｂによるパルス信号のみに基づいて異常検出を行う場合を示している。この手法によれば、異常を検出するコンパレータ６１４は必ず１つのため、ノイズによる誤動作で異常と判定する可能性が最も低い。

【0071】

３つ目は、パルス幅を検出しているコンパレータ６１４のうち、比較電圧ＶｔｈＨが最も高いコンパレータ６１４と、次に高いコンパレータ６１４を選択し、異常検出に用いる方法である。この方法を図２０に示す。図２０では、コンパレータ６１４Ｂ、６１４Ｃによるパルス信号に基づいて異常検出が行われる場合を示している。コンパレータ６１４が動作し始める比較電圧ＶｔｈＨとほぼ等しい出力電圧Ｖｃｏｍｐでは、周期を繰り返すごとに、電圧の誤差の範囲でコンパレータ６１４が動作したり、動作しなかったりすることがある。

【0072】

そこで、複数のコンパレータ６１４が動作している中で、比較電圧ＶｔｈＨが最も高いコンパレータ６１４（コンパレータ６１４Ｂ）があるパルス幅以上のとき（パルス幅Ｂ≧閾値Ｂ）は、比較電圧ＶｔｈＨが最も高いコンパレータ６１４（コンパレータ６１４Ｂ）を選択する。また、複数のコンパレータ６１４が動作している中で、比較電圧ＶｔｈＨが最も高いコンパレータ６１４（コンパレータ６１４Ｂ）があるパルス幅未満のとき（パルス幅Ｂ＜閾値Ｂ）は、比較電圧ＶｔｈＨが次に高いコンパレータ６１４（コンパレータ６１４Ａ）を選択する。この手法では、出力電圧Ｖｃｏｍｐが比較電圧ＶｔｈＨ付近のときに、コンパレータ６１４の動作の有無で異常を誤検出するリスクを低減することができる。

【0073】

以上、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。

【0074】

例えば、上述の実施形態では、パルス信号のパルス幅をパルスがＨｉｇｈレベルの時間長としたが、これに限定されず、例えば、パルス信号のパルス幅をパルスがＬｏｗレベルの時間長としてもよい。

【符号の説明】

【0075】

１…オゾン発生器、３…電源装置、４…ヒューズ、５…高圧給電子、６…異常検出装置、１０…放電管、１１…電極、１２…金属電極、１３…スペーサ、１４…放電ギャップ、３１…電力変換装置、３２…トランス、３３…リアクトル、６１…信号変換回路、６２…ＰＬＣ、６１１…分圧回路、６１２…ローパスフィルタ、６１３…アンプ、６１４…コンパレータ、６２１…パルス幅検出器、６２２…パルス幅測定器、６２３…比較器、６２４…比較パルス幅計算器、Ａ…オゾン発生装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】