特開 2024-179797 オゾン発生装置用の電源装置

(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】P2024179797

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】オゾン発生装置用の電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241219BHJP

   C01B 13/11 20060101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 E

C01B13/11 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023098933

(22)【出願日】2023-06-16

(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】村田 隆昭

(72)【発明者】

【氏名】高根 直也

(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

5H770

【Ｆターム（参考）】

4G042CA01

4G042CB24

4G042CC03

4G042CC16

4G042CD04

5H770AA09

5H770BA20

5H770CA02

5H770DA01

5H770DA03

5H770DA11

5H770DA41

5H770EA01

5H770HA01Z

5H770HA02Z

5H770HA03Z

(57)【要約】

【課題】共振周波数よりも低い基本周波数で運転したときのオゾン生成効率を改善する。
【解決手段】実施形態のオゾン発生装置用の電源装置は、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を備えるオゾン発生装置に設けられる電源装置であって、入力された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、前記インバータから出力された交流電圧を昇圧する変圧器と、前記オゾン発生器に流れる突入電流を低減するリアクトルと、を備える。前記リアクトルの誘導成分（Ｌ成分）と、前記オゾン発生器の容量成分（Ｃ成分）と、によって決まる共振周波数が、前記インバータの最高周波数よりも高く設定されており、前記電源装置は、前記インバータの出力電圧と基本周波数の間の相関関係情報に基づいて、前記インバータの目標出力電圧に応じた基本周波数を用いて前記インバータを制御する制御部を、備える。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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を備えるオゾン発生装置に設けられる電源装置であって、
入力された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、
前記インバータから出力された交流電圧を昇圧する変圧器と、
前記オゾン発生器に流れる突入電流を低減するリアクトルと、を備え、
前記リアクトルの誘導成分（Ｌ成分）と、前記オゾン発生器の容量成分（Ｃ成分）と、によって決まる共振周波数が、前記インバータの最高周波数よりも高く設定されており、
前記電源装置は、前記インバータの出力電圧と基本周波数の間の相関関係情報に基づいて、前記インバータの目標出力電圧に応じた基本周波数を用いて前記インバータを制御する制御部を、備えるオゾン発生装置用の電源装置。

【請求項2】

前記オゾン発生器から発生したオゾンの量であるオゾン発生量を検出するオゾン発生量検出部を、さらに備え、
前記制御部は、前記オゾン発生量検出部によって検出されたオゾン発生量がオゾン発生量指令値に対して過不足のある場合は、オゾン発生量が前記オゾン発生量指令値に近づくように、前記インバータを制御するときの基本周波数を変更する、請求項１に記載のオゾン発生装置用の電源装置。

【請求項3】

前記制御部は、Ｖ／ｆ制御によって、前記インバータの目標出力電圧に応じた基本周波数を用いて前記インバータを制御する、請求項１に記載のオゾン発生装置用の電源装置。

【請求項4】

前記制御部は、ＰＷＭ制御によって、前記インバータの目標出力電圧に応じた基本周波数を用いて前記インバータを制御する、請求項３に記載のオゾン発生装置用の電源装置。

【請求項5】

前記制御部は、ＰＤＭ制御によって、前記インバータの目標出力電圧に応じた基本周波数を用いて前記インバータを制御する、請求項３に記載のオゾン発生装置用の電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、オゾン発生装置用の電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

オゾン発生装置は、特殊な負荷であるため、専用電源によって駆動している。例えば、オゾン発生装置用の電源装置は、商用電源の一例である三相電源から供給される交流電力を、コンバータにおいて直流電力に変換する。つづいて、電源装置は、コンバータから出力される直流電力を、高周波インバータによって高周波の交流電力に変換した後、トランスを介してオゾン発生装置に供給する。

【0003】

オゾン発生装置を等価回路で表した場合、誘電体電極を表す静電容量と、当該誘電体電極と金属電極との間の放電ギャップを表す静電容量と、を直列接続した回路となる。放電ギャップでは、当該放電ギャップに印加される放電ギャップ電圧が放電維持電圧を超えた場合に、当該放電ギャップに流入される原料ガス内でバリア放電が発生する。そして、当該バリア放電により、原料ガス中に含まれる酸素からオゾンを発生させる。このため、バリア放電は、等価回路で表した場合、定電圧特性を持ち、放電中、放電維持電圧を保持するため、ツェナーダイオードで表される。このように、オゾン発生装置は、容量性負荷となっているため、力率を改善するためにコイルが直列または並列に接続される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４１０８１０８号公報

【特許文献2】国際公開第２０２０／１７９４８４号

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】八木重典著、「バリア放電」、朝倉書店、２０１２年７月２０日、ｐ１４３－１４７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、オゾン発生装置用の電源装置の高調波インバータとして、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって、直流電力を交流電力に変換するインバータを用いた場合、容量性負荷のオゾン発生器と、誘導性負荷の電源装置のリアクトル（出力リアクトル）と、の共振周波数より低いインバータの基本周波数で運転しようとすると、各々の放電管に加わる電力がばらつくことで、オゾン生成効率が悪化する問題が生じる。

【0007】

そこで、本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、共振周波数よりも低い基本周波数で運転したときのオゾン生成効率を改善することが可能なオゾン発生装置用の電源装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態のオゾン発生装置用の電源装置は、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を備えるオゾン発生装置に設けられる電源装置であって、入力された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、前記インバータから出力された交流電圧を昇圧する変圧器と、前記オゾン発生器に流れる突入電流を低減するリアクトルと、を備える。前記リアクトルの誘導成分（Ｌ成分）と、前記オゾン発生器の容量成分（Ｃ成分）と、によって決まる共振周波数が、前記インバータの最高周波数よりも高く設定されており、前記電源装置は、前記インバータの出力電圧と基本周波数の間の相関関係情報に基づいて、前記インバータの目標出力電圧に応じた基本周波数を用いて前記インバータを制御する制御部を、備える。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置の構成の一例を示す図である。

【図2】図２は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の構成の一例を示す図である。

【図3】図３は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置用の電源装置が有するインバータの出力特性の一例を示す図である。

【図4】図４は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の回路図の一例を示す図である。

【図5】図５は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の回路図の一例を示す図である。

【図6】図６は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置の構成図である。

【図7】図７は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置の制御のフローチャートである。

【図8】図８は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置の構成図である。

【図9】図９は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置用の電源装置が有するインバータの出力特性の一例を示す図である。

【図10】図１０は、従来技術にかかるオゾン発生装置の制御のフローチャートである。

【図11】図１１は、第２の実施形態にかかるオゾン発生装置用の電源装置が出力する交流電力の一例を示す図である。

【図12】図１２は、第２の実施形態にかかるオゾン発生装置用の電源装置のうちインバータの出力特性の一例を示す図である。

【図13】図１３は、第２の実施形態にかかるオゾン発生装置用の電源装置が出力する交流電力の一例を示す図である。

【図14】図１４は、第２の実施形態にかかるオゾン発生装置用の電源装置のうちインバータの出力特性の一例を示す図である。

【図15】図１５は、第３の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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用の電源装置について説明する。

【0011】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置１０００の構成の一例を示す図である。本実施形態にかかるオゾン発生装置１０００は、誘電体バリア方式のオゾン発生装置である。図１において、ｙ軸は、後述する気密容器１４の中心軸に沿った軸である。ｘ軸は、ｙ軸に直交する軸である。ｚ軸は、ｙ軸およびｘ軸に直交する軸である。図１に示すように、オゾン発生装置１０００は、装置本体１１、高圧電源１２、ヒューズ１８、電源装置２０等を備えている。装置本体１１は、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の例である。装置本体１１は、気密容器１４、誘電体電極１５、金属電極１６等を備える。

【0012】

気密容器１４は、円筒状の容器である。具体的には、気密容器１４は、ｙ軸方向に沿った中心軸を有する円筒形状の容器である。また、気密容器１４は、その内部に、誘電体電極１５および金属電極１６が収容される。気密容器１４の外周部には、ガス入口１４１、ガス出口１４２、冷却水入口１４３、および、冷却水出口１４４が形成される。気密容器１４は、ガス入口１４１を介して、外部から、酸素を含む原料ガスが供給される。原料ガスの圧力である原料ガス圧は、０．１～０．３ＭＰａ（メガパスカル）とすることが好ましい。そして、気密容器１４は、ガス出口１４２を介して、未反応の原料ガスおよびオゾンを外部へ導出する。また、気密容器１４は、冷却水入口１４３を介して、冷却水が流入される。そして、気密容器１４は、冷却水出口１４４を介して、冷却水を外部へ排出する。

【0013】

誘電体電極１５は、気密容器１４の内部に設けられる。誘電体電極１５は、誘電体部１５１と、導電膜１５２と、高圧供給端子１５３と、を有する。誘電体部１５１は、誘電性の材料を含み、ｙ軸方向に沿った中心軸を有する円筒形状に形成されている。誘電体部１５１の中心軸は、気密容器１４の中心軸と平行（ほぼ平行を含む。）である。高圧供給端子１５３は、導電膜１５２の内側に設けられ、導電膜１５２と電気的に接続されている。

【0014】

金属電極１６は、導電性の材料を含む。金属電極１６は、気密容器１４の内部、かつ、誘電体電極１５の外側に設けられる。金属電極１６は、接地され、接地電位となっている。また、金属電極１６は、スペーサ１６１を有する。スペーサ１６１は、金属電極１６の一部から誘電体電極１５に向かって突出して、金属電極１６と誘電体電極１５との間に放電ギャップ１７を形成（維持）する。また、金属電極１６は、気密容器１４のない周面との間に冷却水が流入される水路１６２を形成する。水路１６２は、気密容器１４の冷却水入口１４３および冷却水出口１４４とつながっている。したがって、冷却水入口１４３から流入される冷却水は、水路１６２を経由して、冷却水出口１４４から排出される。

【0015】

高圧電源１２は、ヒューズ１８および電源装置２０を介して、高圧供給端子１５３と電気的に接続されている。そして、高圧電源１２は、電源装置２０、ヒューズ１８、および高圧供給端子１５３を介して、誘電体電極１５（導電膜１５２）に対して電圧を印加する。これにより、放電ギャップ１７に流入される原料ガス中で放電を発生させ、当該放電によりオゾンを発生させる。冷却水供給部１３は、例えば、ポンプである。冷却水供給部１３は、気密容器１４の冷却水入口１４３から気密容器１４の水路１６２へ冷却水を供給する。

【0016】

次に、図２を用いて、本実施形態にかかるオゾン発生装置１０００が有する電源装置２０の構成の一例について説明する。図２は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置１０００が有する電源装置２０の構成の一例を示す図である。

【0017】

電源装置２０は、高圧電源１２から供給される交流電力を、あらかじめ設定された電圧の交流電力に変換して、当該交流電力の電圧を、誘電体電極１５に印加する。本実施形態では、電源装置２０は、図２に示すように、入力リアクトル２１と、ＶＶＶＦインバータ（Variable Voltage Variable Frequency：可変電圧可変周波数）２２（以下、単に「インバータ」という場合もある。）と、零相リアクトル２３と、抵抗２４と、変圧器２５と、出力リアクトル２６と、を有する。

【0018】

入力リアクトル２１は、高圧電源１２とＶＶＶＦインバータ２２との間に接続され、ＶＶＶＦインバータ２２から出力される交流電力に含まれる高調波を抑制する。

【0019】

ＶＶＶＦインバータ２２は、入力された直流電力を交流電力に変換して出力する。例えば、ＶＶＶＦインバータ２２は、ＰＷＭ制御によって、スイッチング素子をオンオフして、直流電力を交流電力に変換して出力する。本実施形態では、ＶＶＶＦインバータ２２は、高圧電源１２から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータを有する。次いで、ＶＶＶＦインバータ２２は、当該コンバータから出力される直流電力を、ＰＷＭ制御によって、交流電力に変換する。その後、ＶＶＶＦインバータ２２は、交流電力の電圧を、装置本体１１が有する誘電体電極１５に印加する。

【0020】

なお、本実施形態では、ＶＶＶＦインバータ２２には、出力する交流電力の基本波形の基本周波数に比例して、該当出力する交流電力の電圧が高くなるＶＶＶＦインバータを用いているが、直流電力を交流電力に変換するインバータであればよい。また、ＶＶＶＦインバータ２２では、図３に示すように、出力する電圧と周波数の間に相関関係があって、電圧を変更することで周波数を変更できればよいため、パルス密度を変更するＰＤＭ（Pulse-density modulation）制御としてもよい。

【0021】

図２に戻って、零相リアクトル２３は、ＶＶＶＦインバータ２２と高圧供給端子１５３とを接続する配線に流れるキャリア周波数成分の零相電流を打ち消すリアクトルである。抵抗２４は、ＶＶＶＦインバータ２２の零相に電流が流れて、変圧器２５の短絡を防止する。短絡の可能性がなければ、抵抗２４はなくてもよい。

【0022】

変圧器２５は、ＶＶＶＦインバータ２２から出力された交流電圧を昇圧する。具体的には、例えば、変圧器２５は、ＶＶＶＦインバータ２２と誘電体電極１５との間に接続され、ＶＶＶＦインバータ２２から出力される交流電力の電圧を、あらかじめ設定された電圧（例えば、２０００Ｖ、４０００Ｖ）に昇圧する。

【0023】

出力リアクトル２６は、オゾン発生器に流れる突入電流を低減するリアクトルの例である。具体的には、例えば、出力リアクトル２６は、誘電体電極１５に対して直列に接続され、ＶＶＶＦインバータ２２におけるＰＷＭ制御によってスイッチング素子をオフからオンに切り替えた際に誘電体電極１５に流れる突入電流を低減する。

【0024】

本実施形態の回路図の例を図４と図５に示す。図４は、ＶＶＶＦインバータ２２が３相出力の場合で、インバータ出力の相間に対して、変圧器２５、出力リアクトル２６、装置本体１１がそれぞれ接続されている。図５では、零相リアクトル２３と抵抗２４を除いた回路となっている。また、図５はＶＶＶＦインバータ２２が単相出力の場合で、変圧器２５、出力リアクトル２６、装置本体１１が直列接続されている。なお、ＶＶＶＦインバータ２２のスイッチング素子は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラートランジスタ）で記載しているが、その他のスイッチング素子に変更可能である。さらに、ＶＶＶＦインバータ２２のうち交流電力から直流電力に変換する部分では、ダイオード整流を行ってもよい。

【0025】

ところで、装置本体１１は、等価回路で表した場合、誘電体電極１５を表す静電容量と、放電ギャップ１７を表す静電容量とを直列接続した回路となる。また、放電ギャップ１７では、放電ギャップ１７に印加される電圧が、放電ギャップ１７内でバリア放電が発生する電圧である放電維持電圧を超えた場合に、放電ギャップ１７内に流入される原料ガス内でバリア放電を発生させる。当該バリア放電によりオゾンを発生させる。バリア放電が発生している間、放電維持電圧が保持される。したがって、バリア放電は、等価回路で表した場合、定電圧特性を持つツェナーダイオードで表される。このように、装置本体１１は、容量性負荷となっているので、力率を改善するために、電源装置２０は誘導性の電源装置となる。

【0026】

そこで、非特許文献１のように、インバータ電圧に対して電流が進み位相となると、放電が不安定となり、装置本体１１にかかる電圧が低下する問題があるため、インバータ電圧に対して電流が遅れ位相となるようにすることが望ましい。インバータ電圧に対して電流が遅れ位相となる場合、装置本体１１と、電源装置２０と、の共振周波数よりも高周波側で交流電力を調整することなる。したがって、共振周波数で電源装置２０の出力する交流電力が最大となり、インバータの出力可能な最高周波数で出力する交流電力が最小となる。

【0027】

電源装置２０が出力する交流電力Wは、周波数f、バリア放電の放電維持電圧V*、誘電体電極の静電容量C_d、放電ギャップによる静電容量C_g、装置本体にかかるピーク電圧V_０pを用いて、以下の式（１）で表せる。

【数1】

【0028】

交流電力Wの値を調節するときは、構造由来のバリア放電の放電維持電圧V*、誘電体電極の静電容量C_d、放電ギャップによる静電容量C_gは変更できず、周波数fと装置本体にかかるピーク電圧V_０pの２つを変更する。ピーク電圧V_０pを最大値に固定すると、交流電力は周波数に比例するため、共振周波数を低下させると交流電力の最大値が低下する。インバータ電圧に対して電流が遅れ位相となるようにすると、共振周波数がインバータの出力可能な最高周波数より低い値となり、オゾン発生器に供給する必要な交流電力を満たせない可能性がある。

【0029】

そこで、本実施形態では、共振周波数をインバータの出力可能な最高周波数より十分に高く設定する。具体的には、出力リアクトル２６の誘導成分（Ｌ成分）と、装置本体１１（オゾン発生器）の容量成分（Ｃ成分）と、によって決まる共振周波数を、インバータの最高周波数よりも高く設定する。そのためには、例えば、その条件を満たす構造の各部品を採用する。これにより、放電が不安定となる出力リアクトル２６の電圧低下を抑制し、インバータ電圧に対して電流が進み位相でも電力調整をできるようになる。その結果、インバータの最高周波数で最大電力となり、インバータのもつ能力を最大限活用できる。

【0030】

このように、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置１０００によれば、ＶＶＶＦインバータ２２が、Ｖ／ｆ制御により周波数で出力する交流電力を調整するときに、共振周波数をインバータの最高周波数よりも高く設定していることで、オゾン発生装置１０００の放電が不安定で装置本体１１にかかる電圧低下を低減できる。

【0031】

なお、Ｖ／ｆ制御とは、f（周波数）を変化させるときにV（出力電圧）との比率（Ｖ／ｆ）が一定となるように出力電圧を制御するものである。ただし、Ｖ／ｆ制御は、図９のＶ／ｆ制御（１）のように比率（Ｖ／ｆ）が単一のものに限定されず、図９のＶ／ｆ制御（２）のように比率（Ｖ／ｆ）が複数（例えば３つ）のものも含む。また、Ｖ／ｆ制御を具体的に実現する手法としては、例えば、ＰＷＭ制御やＰＤＭ制御があるが、これらに限定されない。

【0032】

そして、上述の制御により、共振周波数よりも低い基本周波数で運転したときのオゾン生成効率を改善することができる。これについて、以下に詳述する。

【0033】

本実施形態のＶＶＶＦインバータ２２に対して電力制御する際に、図６のように、電源装置２０の出力端近傍に電圧検出部２０３と電流検出部２０４を有し、電力計算部２０２で交流電力を計算する。そして、電力比較部２０１によって、電力計算部２０２で計算した交流電力を電力指令値と比較して、過不足があれば、制御部２０９は、ＶＶＶＦインバータ２２の交流電力の出力を調整する。例えば、制御部２０９は、ＶＶＶＦインバータ２２の出力電圧と基本周波数の間の相関関係情報に基づいて、ＶＶＶＦインバータ２２の目標出力電圧に応じた基本周波数を用いてＶＶＶＦインバータ２２を制御する。

【0034】

また、例えば、制御部２０９は、オゾン発生量検出部２０６によって検出されたオゾン発生量がオゾン発生量指令値に対して過不足のある場合は、オゾン発生量がオゾン発生量指令値に近づくように、ＶＶＶＦインバータ２２を制御するときの基本周波数を変更する。

【0035】

また、例えば、制御部は、Ｖ／ｆ制御（ＰＷＭ制御、ＰＤＭ制御など）によって、インバータの目標出力電圧に応じた基本周波数を用いてＶＶＶＦインバータ２２を制御する。

【0036】

図７を用いて、ＶＶＶＦインバータ２２の交流電力の出力調整について説明する。ステップＳ１１において、電力比較部２０１は、電力計算部２０２で計算した交流電力を電力指令値と比較して、過不足がなければステップＳ１１に戻り、過不足があればステップＳ１２に進む。

【0037】

ステップＳ１２において、制御部２０９は、周波数を変更する。ＶＶＶＦインバータ２２の電圧は、図３のようなＶ／ｆ制御により、出力している電圧と周波数の相関関係が決められており、周波数が変更になると、ステップＳ１３において、インバータ電圧も変更になる。Ｖ／ｆ制御で交流電力を変更できるようになると、誘導発動機で使用されている安価な汎用インバータを適用可能となる。

【0038】

なお、制御対象は交流電力だけに限ることはなく、図８のように、装置本体１１のオゾン発生量でもよい。オゾン発生量検出部２０６によって検出したオゾン発生量（オゾン発生器から発生したオゾンの量）と、オゾン発生量指令値を、オゾン発生量比較部２０５で比較し、過不足あれば、制御部２０９は、オゾン発生量を調整するためにＶＶＶＦインバータ２２の交流電力を調整すればよい。

【0039】

次に、Ｖ／ｆ制御による電圧と周波数の関係が１つの比例関係だけではない場合の例を示す。Ｖ／ｆ制御の拡張性により、電圧と周波数の関係をあらかじめ設定することで、比例以外にも設定できる。比例以外に設定する理由は、ピーク電圧V_０pは周波数ごとに変化するため、実際の電源装置２０が出力する交流電力Wは、周波数fに対して比例しないことである。そこで、図９に示すように、電圧が一定のＶ／ｆ制御（１）や、複数（ここでは３つ）の傾きをもつＶ／ｆ制御（２）としてもよい。

【0040】

一方で、従来のＶＶＶＦインバータの電力制御では、図１０のように大きく２つのステップがあった。まず、１つめのステップでは、ステップＳ２１において、交流電力を電力指令値と比較して、過不足がなければステップＳ２１に戻り、過不足があればステップＳ２２に進む。ステップＳ２２において、電圧を変更する。

【0041】

２つ目のステップでは、ステップＳ２３において、電圧と電流から力率を計算し、力率が極大になるように周波数を変更する。つまり、周波数の変更が不要な場合は処理を終了し、周波数の変更が必要な場合は、ステップＳ２４において、周波数を変更する。このように、従来の電力制御方法では、力率を極大になるように制御するため、インバータに求められる電流を極小化し、インバータ定格の小容量化に寄与していた。

【0042】

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第１の実施形態と同様の事項については、重複する説明を適宜省略する。

【0043】

装置本体１１と、電源装置２０と、の共振周波数において、共振周波数の低周波側（共振周波数よりも低周波側。以下同様）で装置本体１１に供給する交流電力を調整するときと、共振周波数の高周波側で装置本体１１に供給する交流電力を調整するときの比較を行う。比較対象は、装置本体１１に供給する交流電力の最大値が同じときに、インバータの出力する電流値とする。インバータの出力電圧は、供給する交流電力が最大のときは、共振周波数の高周波側と低周波側において、同じ出力電圧となる。したがって、インバータの容量を決める要因はインバータの出力する電流値であるため、比較対象としてインバータの出力する電流値を選択した。

【0044】

共振周波数の低周波側と高周波側で交流電力を調整するときの交流電力と周波数応答を図１１に示す。グラフＧ１１に示すように、共振周波数（６００Ｈｚ以上）の低周波側で交流電力を調整するときは、最高周波数で交流電力が最大となり、周波数の低下とともに、交流電力が減少する。また、共振周波数をインバータの最高周波数よりも大きくすることで、電力バランスが悪化することはない。

【0045】

一方で、グラフＧ２１に示すように、共振周波数（２００Ｈｚ）の高周波側で交流電力を調整するときは、共振周波数の２００Ｈｚ近辺で交流電力が最大となり、周波数の増加とともに、交流電力が減少する。図１１では、交流電力の最大値は共振周波数の低周波側と高周波側共に、同じ交流電力の値として、共振周波数の低周波側と高周波側の両者で交流電力を調整可能であることを確認した。

【0046】

そこで、共振周波数の低周波側と高周波側で交流電力を調整するときのインバータの電流（値）と周波数の関係を図１２に示す。グラフＧ１２に示すように、共振周波数の低周波側で交流電力を調整するときは、最高周波数から周波数の低下とともにインバータ電流も減少し、ある周波数で電流値が最小となり、さらに周波数が低下すると電流値は増加する。ある周波数で電流値が最小値ももつ理由は、交流電力の減少とともにインバータ電流が減少する要因と、共振周波数から基本周波数が大きく外れることで力率が低下してインバータ電流が増加する要因と、の影響度合いの違いによるものである。

【0047】

一方で、グラフＧ２２に示すように、共振周波数の高周波側で交流電力を調整するときは、電流値は周波数の増加とともに単調に減少した。インバータ容量は、インバータ電流の最大値で決まる。図１２では、共振周波数の低周波側で交流電力を調節した方（グラフＧ１２）が、インバータ電流の最大値が高いため、共振周波数の高周波側で交流電力を調整する方（グラフＧ２２）よりも定格容量が大きいインバータを選択することになり、高コスト化になってしまう。しかしながら、共振周波数の低周波側で交流電力を調節するときに、図９に示したようにＶ／ｆ制御（１）をＶ／ｆ制御（２）に変更すると、インバータ電流の最大値を抑えることが可能である。

【0048】

Ｖ／ｆ制御を変更したときに、共振周波数の低周波側と高周波側で交流電力を調整するときの交流電力と周波数の関係を図１３に示す。グラフＧ１３に示すように、共振周波数の低周波側で交流電力を調整するときに、交流電力が最小となる周波数を、図１１のときより、大きくした。なお、グラフＧ２３は、共振周波数の高周波側で交流電力を調整するときを示す。

【0049】

その結果、共振周波数の低周波側と高周波側で交流電力を調整するときのインバータの電流と周波数の関係を図１４に示す。共振周波数の低周波側で交流電力を調整するときに、交流電力が最小となる周波数を図１２のときより大きくしたことで、グラフＧ１４に示すように、インバータ電流の最大値が、最高周波数のときに変化した。インバータ電流の最大値となる周波数が変化した理由は、交流電力が最小となる周波数を大きくしたことにより、容量性のインピーダンスが小さくなり、力率が改善したため、交流電力が最小となる周波数でのインバータ電流が減少したためである。共振周波数の低周波側で交流電力を調整する方（グラフＧ１４）が、共振周波数の高周波側で交流電力を調整する方（グラフＧ２４）より、インバータ電流の最大値が半分以下のため、インバータの定格容量が半分以下のインバータを選択可能である。

【0050】

非特許文献１によると、インバータ電圧に対して電流が進み位相となると、放電が不安定のとき、装置本体１１にかかる電圧が低下する問題が指摘されていた。この問題は出力リアクトル２６が昇圧の役割を担っているために生じてしまう。交流電力の調整時に、どの周波数においても力率が最大になるようにインバータが出力電圧と、出力電流と、周波数と、を決めている。放電が不安定になると電流の増加量が減少し、出力リアクトル２６は電流の増加量に応じて昇圧するため、装置本体１１にかかる電圧が低下する。しかしながら、本実施形態では、装置本体１１と、電源装置２０と、の共振周波数をインバータの最高周波数よりも高く設定しているために、出力リアクトル２６の値が小さくなる。その結果、出力リアクトル２６を昇圧する機能はなく、インバータ電流の高調波成分を抑える機能しかない。したがって、放電が不安定になるときに、装置本体１１にかかる電圧が低下する問題が発生しないため、共振周波数よりも低周波側で運転することが可能となった。

【0051】

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第１の実施形態、第２の実施形態の少なくとも一方と同様の事項については、重複する説明を適宜省略する。

【0052】

本実施形態は、電源装置２０内に含まれる出力リアクトル２６の結線順序が、図２と比較して、異なっていても、装置本体１１に交流電力を供給可能な一例を示す。図１５における電源装置２０の構成は、図２と比較して、出力リアクトル２６が、変圧器２５と装置本体１１の間から、零相リアクトル２３と抵抗２４の間に移動した。装置本体１１に交流電力を供給できれば、電源装置２０内の構成要素の順番を入れ替えても問題ない。また、図８のように、零相リアクトル２３と出力リアクトル２６は連結されているため、電源装置２０に誤動作がなければ、零相リアクトル２３または出力リアクトル２６がなくても問題ない。

【0053】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、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】

【0054】

１１…装置本体、１２…高圧電源、１４…気密容器、１５…誘電体電極、１６…金属電極、１７…放電ギャップ、２０…電源装置、２１…入力リアクトル、２２…ＶＶＶＦインバータ、２３…零相リアクトル、２４…抵抗、２５…変圧器、２６…出力リアクトル、１０００…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】