DE102015113362A1

DE102015113362A1 - Ozongenerator

Info

Publication number: DE102015113362A1
Application number: DE102015113362.8A
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Terazawa; Shoji Yokoi; Naoya Takase
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2014-08-15
Filing date: 2015-08-13
Publication date: 2016-02-18
Also published as: US20160046489A1; JP2016042752A

Abstract

Ein Ozongenerator umfasst einen Transformator (12), eine Gleichstromleistungszufuhreinheit (14), die mit einer primären Seite des Transformators (12) verbunden ist, einen Reaktor (16), der mit einer sekundären Seite des Transformators (12) verbunden ist, einen Halbleiterschalter (22), der zwischen einem Ende einer primären Wicklung des Transformators (12) und der Gleichstromleistungszufuhreinheit (14) angeschlossen ist, und eine Steuerungsschaltung (24) zur Implementierung einer EIN-AUS-Steuerung des Halbleiterschalters (22) bei einer eingestellten Schaltfrequenz, um hierdurch eine Spannung an den Reaktor (16) anzulegen. Der Innenraum des Reaktors (16) ist auf Bedingungen eingestellt, um es einfach zu machen, eine elektrische Entladung darin zu erzeugen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ozongenerator, und insbesondere einen Ozongenerator, der beispielsweise für fahrzeuginterne Anwendungen geeignet ist.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik:
Im Allgemeinen umfassen die Entladungsschaltungen für Ozongeneratoren beispielsweise eine Hochfrequenz-Leistungszufuhr (RF-Leistungszufuhr), die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 11-233294 offenbart ist, und Entladungsschaltungen, die in dem japanischen Patent Nr. 3811681 , dem japanischen Patent Nr. 4418212 und der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2014-036502 offenbart sind.
Die Hochfrequenzleistungszufuhr, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 11-233294 offenbart ist, weist eine Oszillationsschaltung, einen Leistungsverstärker zur Verstärkung eines Hochfrequenzsignals, das von der Oszillationsschaltung ausgegeben wird, und eine Anpassungsbox zum Anpassen der Impedanz der Hochfrequenzleistungszufuhr und der Impedanz einer Last auf. Eine elektrische Leistung, die von dem Leistungsverstärker ausgegeben wird, wird über die Anpassungsbox zu der Last zugeführt.
Das japanische Patent Nr. 3811681 und das japanische Patent Nr. 4418212 offenbaren Impulserzeugungsschaltungen des Typs eines offenen Schalters, die aus einer sehr einfachen Schaltungskonfiguration bestehen, die einen Transformator, einen ersten Halbleiterschalter und einen zweiten Halbleiterschalter umfasst, die über einer Gleichstromleistungszufuhr in Reihe geschaltet sind. Der Transformator hat eine primäre Wicklung, die ein Ende aufweist, das mit dem Anodenanschluss des ersten Halbleiterschalters verbunden ist, wobei eine Diode derart angeschlossen ist, dass die zugehörige Kathode mit dem anderen Ende der primären Wicklung verbunden ist und die zugehörige Anode mit dem Gate-Anschluss des ersten Halbleiterschalters verbunden ist.
Wenn der zweite Halbleiterschalter eingeschaltet wird, wird der erste Halbleiterschalter ebenso leitfähig gemacht, wodurch die Spannung der Gleichstromleistungszufuhr an die primäre Wicklung des Transformators angelegt wird, um hierdurch eine Induktionsenergie in dem Transformator zu speichern. Danach wird, wenn der zweite Halbleiterschalter ausgeschaltet wird, der erste Halbleiterschalter ebenso schnell ausgeschaltet, wodurch ein scharfes Ansteigen eines Hochspannungsimpulses, der eine extrem kleine Breite aufweist, über der sekundären Wicklung des Transformators erzeugt wird. Der Hochspannungsimpuls kann von der Impulserzeugungsschaltung durch zugehörige Ausgabeanschlüsse ausgegeben werden.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2014-036502 offenbart eine Impulserzeugungsschaltung, in der ein oszillierender Strom durch die primäre Seite eines Transformators während einer EIN-Zeitdauer eines Halbleiterschalters hindurchgeführt wird, um hierdurch eine Impulsspannung von dem Ausgabeanschluss der sekundären Seite des Transformators während der zugehörigen EIN-Zeitdauer auszugeben.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Ozongenerator ist beispielsweise in einem Fahrzeug angebracht. In dem Ozongenerator für eine Verwendung in fahrzeuginternen Anwendungen wird beispielsweise Ozon, das durch den Ozongenerator erzeugt wird, in einen eingespritzten Kraftstoff synchron mit der Einspritzung des Kraftstoffs in eine Verbrennungskammer gemischt, um hierdurch eine Zündung des Kraftstoffs zu vereinfachen.
In den Impulserzeugungsschaltungen, die in dem japanischen Patent Nr. 3811681 und dem japanischen Patent Nr. 4418212 offenbart sind, wird ein Einschaltbetrieb des Halbleiterschalters zu der Zeit ausgeführt, wenn der Strom in der primären Seite des Transformators null ist (ZCS: Zero Current Switching bzw. Nullstromschalten), wobei ein Ausschaltbetrieb des Halbleiterschalters zu der Zeit ausgeführt wird, wenn der Strom in der primären Seite einen vorbestimmten Spitzenwert einnimmt (hartes Schalten). Folglich gibt es keine Begrenzung bezüglich einer Verringerung eines Schaltverlustes und eines Rauschens.
Die Impulserzeugungsschaltung, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2014-036502 offenbart ist, kann möglicherweise nicht in der Lage sein, eine ausreichende Energiemenge zur Erzeugung von elektrischen Entladungen zuzuführen, da eine Impulsspannung nur während der EIN-Zeitdauer des Halbleiterschalters erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten gemacht worden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ozongenerator bereitzustellen, der in der Lage ist, einen Schaltverlust und Rauschen weiter zu verringern und einen Schaltwirkungsgrad und den Wirkungsgrad, mit dem Ozon erzeugt wird, zu vergrößern.

[1] Ein Ozongenerator gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst einen Transformator, eine Gleichstromleistungszufuhreinheit, die mit einer primären Seite des Transformators verbunden ist, einen Reaktor, der mit einer sekundären Seite des Transformators verbunden ist, einen Halbleiterschalter, der zwischen einem Ende einer primären Wicklung des Transformators und der Gleichstromleistungszufuhreinheit angeschlossen ist, und eine Steuerungsschaltung, die konfiguriert ist, eine EIN-AUS-Steuerung des Halbleiterschalters unter Verwendung einer eingestellten Schaltfrequenz zu implementieren, um hierdurch eine Spannung an den Reaktor anzulegen, wobei ein Innenraum des Reaktors auf Bedingungen eingestellt ist, um es leicht zu machen, eine elektrische Entladung in dem Reaktor zu erzeugen.

Die Bedingungen, um es leicht zu machen, eine elektrische Entladung in dem Reaktor zu verursachen, umfassen einen Unterdruck, der in dem Reaktor etabliert ist, oder eine kleine Entladungslücke zwischen den Entladungselektroden, die in dem Reaktor angeordnet sind, oder beides hiervon.
Da der Unterdruck in dem Reaktor etabliert wird oder die Entladungslücke verringert wird, wird es vereinfacht, dass eine elektrische Entladung in dem Reaktor erzeugt wird. Der primäre Strom des Transformators ist ein oszillierender Strom, der auf der Resonanz einer LC-Schaltung beruht, die zumindest eine Streuinduktivität des Transformators, die Wicklungskapazität des Transformators und die Elektrodenkapazität zwischen den Entladungselektroden des Reaktors umfasst. Dementsprechend ist es nicht notwendig, einen Ausschaltbetrieb des Halbleiterschalters bei dem Spitzenwert des primären Stroms wie in dem Fall gemäß dem Stand der Technik auszuführen. Spezifisch ist es möglich, einen Ausschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter zu der Zeit, wenn der primäre Strom in einer negativen Richtung fließt, auszuführen.
Folglich ist es möglich, den Halbleiterschalter entsprechend einem ZCS einzuschalten und auszuschalten, um hierdurch einen Schaltverlust und ein Rauschen zu verringern und den Schaltwirkungsgrad und den Wirkungsgrad, mit dem Ozon erzeugt wird, zu vergrößern.

[2] In der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sollte die Steuerungsschaltung vorzugsweise einen Einschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter zu der Zeit ausführen, wenn ein primärer Strom des Transformators null ist, und einen Ausschaltbetrieb des Halbleiterschalters zu der Zeit ausführen, wenn der Primärstrom in eine negative Richtung fließt.
[3] In der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der primäre Strom, der während einer EIN-Zeitdauer des Halbleiterschalters fließt, ein oszillierender Strom sein, der auf der Resonanz einer LC-Schaltung basiert, die zumindest eine Streuinduktivität des Transformators, eine Wicklungskapazität des Transformators und eine Kapazität zwischen Entladungselektroden des Reaktors umfasst, wobei die Streuinduktivität derart etabliert sein kann, dass ein Ausschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter während einer Zeitdauer ausgeführt wird, in der der primäre Strom in der negativen Richtung fließt.

Der primäre Strom des Transformators ist bei dem Startpunkt (die Einschaltzeit) der EIN-Zeitdauer des Halbleiterschalters null. Wenn ein Ausschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter während der Zeitdauer ausgeführt wird, in der der primäre Strom in die negative Richtung fließt, kann der Halbleiterschalter zu der Zeit ausgeschaltet werden, wenn der primäre Strom null wird. Folglich ist es möglich, den Halbleiterschalter entsprechend einer ZCS einzuschalten und auszuschalten.

[4] In der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der primäre Strom, der während einer EIN-Zeitdauer des Halbleiterschalters fließt, ein oszillierender Strom sein, der auf der Resonanz einer LC-Schaltung basiert, die zumindest die Streuinduktivität des Transformators, die Wicklungskapazität des Transformators und die Kapazität zwischen Entladungselektroden des Reaktors umfasst. Die EIN-Zeitdauer des Halbleiterschalters kann auf einen Wert eingestellt sein, der länger als eine 1/2-Zeitdauer bzw. 1/2-Periode des primären Stroms ist und kürzer oder gleich einer Zeitdauer bzw. Periode des primären Stroms ist. Da ein Ausschaltbetrieb des Halbleiterschalters während der Zeitdauer ausgeführt werden kann, in der der primäre Strom in die negative Richtung fließt, ist es möglich, den Halbleiterschalter entsprechend einer ZCS einzuschalten und auszuschalten.
[5] In der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann eine Wechselstromspannung an den Reaktor während einer AUS-Zeitdauer des Halbleiterschalters angelegt werden.

Während der AUS-Zeitdauer nach der EIN-Zeitdauer des Halbleiterschalters wird eine Wechselstromspannung, d. h. eine negative Spannung und eine positive Spannung aufeinanderfolgend an den Reaktor angelegt. Die Zufuhr von Energie in den Reaktor wird somit anders als in dem Fall, in dem eine Impulsspannung nur während der EIN-Zeitdauer des Halbleiterschalters erzeugt wird, vergrößert. Der Ozongenerator ist somit in der Lage, Ozon auf effektivere Weise aufgrund eines Synergieeffekts einer elektrischen Entladung, die durch den Unterdruck in dem Reaktor oder die kleine Entladungslücke oder beides hiervon vereinfacht verursacht wird, sowie der vergrößerten Energiezufuhr in den Reaktor zu erzeugen.

[6] In der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der Reaktor ein Elektrodenpaar oder mehrere Elektrodenpaare umfassen, von denen jedes zwei Entladungselektroden, die voneinander durch eine vorbestimmte Lückengröße beabstandet sind, umfasst, wobei der Reaktor Ozon erzeugen kann, indem es einem Quellengas ermöglicht wird, durch einen Raum zwischen zumindest zwei der zwei Entladungselektroden des Elektrodenpaares hindurchzugehen, und dann eine elektrische Entladung zwischen den zwei Entladungselektroden durch die Spannung erzeugt wird, die zwischen die zwei Entladungselektroden angelegt wird.
[7] In der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die Bedingungen, um es einfach zu machen, eine elektrische Ladung in dem Reaktor zu erzeugen, einen Unterdruck umfassen, der in dem Reaktor etabliert wird. Der Unterdruck kann beispielsweise in einen Bereich von –0,01 bis –0,10 MPa fallen.
[8] In der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die Bedingungen, um es einfach zu machen, eine elektrische Entladung in dem Reaktor zu erzeugen, eine kleine Entladungslücke zwischen den Entladungselektroden, die in dem Reaktor angeordnet sind, umfassen. Die Entladungslücke sollte vorzugsweise 10 mm oder weniger sein, vorzugsweise 1 mm oder weniger sein und noch bevorzugter 0,5 mm oder weniger sein.
[9] In der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die Bedingungen, um es einfach zu machen, eine elektrische Entladung in dem Reaktor zu erzeugen, einen Unterdruck, der in dem Reaktor etabliert ist, und eine kleine Entladungslücke zwischen den Entladungselektroden, die in dem Reaktor angeordnet sind, umfassen.
[10] Ein Ozongenerator gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst einen Transformator, eine Gleichstromleistungszufuhreinheit, die mit einer primären Seite des Transformators verbunden ist, einen Reaktor, der mit einer sekundären Seite des Transformators verbunden ist, einen Halbleiterschalter, der zwischen einem Ende der primären Wicklung des Transformators und der Gleichstromleistungszufuhreinheit angeschlossen ist, und eine Steuerungsschaltung, die konfiguriert ist, eine EIN-AUS-Steuerung des Halbleiterschalters unter Verwendung einer eingestellten Schaltfrequenz zu implementieren, um hierdurch eine Spannung an den Reaktor anzulegen, wobei ein Druck in dem Reaktor auf einen Unterdruck eingestellt ist.
[11] Ein Ozongenerator gemäß einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst einen Transformator, eine Gleichstromleistungszufuhreinheit, die mit einer primären Seite des Transformators verbunden ist, einen Reaktor, der mit einer sekundären Seite des Transformators verbunden ist, einen Halbleiterschalter, der zwischen einem Ende einer primären Wicklung des Transformators und der Gleichstromleistungszufuhreinheit angeschlossen ist, und eine Steuerungsschaltung, die konfiguriert ist, eine EIN-AUS-Steuerung des Halbleiterschalters unter Verwendung einer eingestellten Schaltfrequenz zu implementieren, um hierdurch eine Spannung an den Reaktor anzulegen, wobei eine Entladungslücke zwischen Entladungselektroden, die in dem Reaktor angeordnet sind, klein ist.
[12] Ein Ozongenerator gemäß einer vierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst einen Transformator, eine Gleichstromleistungszufuhreinheit, die mit einer primären Seite des Transformators verbunden ist, einen Reaktor, der mit einer sekundären Seite des Transformators verbunden ist, einen Halbleiterschalter, der zwischen einem Ende einer primären Wicklung des Transformators und der Gleichstromleistungszufuhreinheit angeschlossen ist, und eine Steuerungsschaltung, die konfiguriert ist, eine EIN-AUS-Steuerung des Halbleiterschalters unter Verwendung einer eingestellten Schaltfrequenz zu implementieren, um hierdurch eine Spannung an den Reaktor anzulegen, wobei ein Druck in dem Reaktor auf einen Unterdruck eingestellt ist und eine Entladungslücke zwischen Entladungselektroden, die in dem Reaktor angeordnet sind, klein ist.

Der Ozongenerator gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, einen Schaltverlust und ein Rauschen zu verringern und den Schaltwirkungsgrad und den Ozonerzeugungswirkungsgrad zu vergrößern.
Die vorstehend genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung besser ersichtlich, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mittels eines veranschaulichenden Beispiels gezeigt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Ozongenerators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine vertikale Querschnittsdarstellung, die in einer vergrößerten Weise Hauptbauteile eines Reaktors des Ozongenerators zeigt;
3 zeigt eine Querschnittsdarstellung, die entlang einer Linie III-III gemäß 2 entnommen ist;
4 zeigt ein Zeitablaufdiagramm, das eine Verarbeitungssequenz eines Betriebs eines Ozongenerators gemäß einem Bezugsbeispiel zeigt; und
5 zeigt ein Zeitablaufdiagramm, das eine Verarbeitungssequenz eines Betriebs des Ozongenerators gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ein Ozongenerator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst ein Ozongenerator 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Transformator 12, eine Gleichstrom-(DC-)Leistungszufuhreinheit 14, die mit der primären Seite des Transformators 12 verbunden ist, einen Reaktor 16, der mit der sekundären Seite des Transformators 12 verbunden ist, einen Halbleiterschalter (eine Schalteinheit) 22, die zwischen einem Ende 18a der primären Wicklung 18 des Transformators 12 und der Gleichstromleistungszufuhreinheit 14 angeschlossen ist, wobei er eine Diode 20 aufweist, die umgekehrt parallel angeschlossen ist, und eine Steuerungsschaltung 24 für ein Anlegen einer Spannung an den Reaktor 16, indem eine EIN-AUS-Steuerung des Halbleiterschalters 22 implementiert wird.
Die Gleichstromleistungszufuhreinheit 14 wird gebildet, indem eine Gleichstromleistungszufuhr 26 und ein Kondensator 28 parallel geschaltet werden. Folglich sind ein positiver Elektrodenanschluss 30a der Gleichstromleistungszufuhreinheit 14 (ein Knoten zwischen einem positiven (+) Anschluss der Gleichstromleistungszufuhr 26 und einer Elektrode des Kondensators 28) und das andere Ende 18b der primären Wicklung 18 verbunden, wobei der Halbleiterschalter 22 zwischen einem negativen Elektrodenanschluss 30b der Gleichstromleistungszufuhreinheit 14 (ein Knoten zwischen einem negativen (–) Anschluss der Gleichstromleistungszufuhr 26 und der anderen Elektrode des Kondensators 28) und dem einen Ende 18a der primären Wicklung 18 angeschlossen ist. In dem Beispiel gemäß 1 ist der Halbleiterschalter 22 bei dem Teil des negativen Elektrodenanschlusses 30b der Gleichstromleistungszufuhreinheit 14 bereitgestellt. Es ist jedoch ersichtlich, dass die gleichen Vorteile ebenso in dem Fall erhalten werden können, bei dem der Halbleiterschalter 22 bei dem Teil des positiven Elektrodenanschlusses 30a bereitgestellt ist.
Als der Halbleiterschalter 22 kann eine selbstlöschende Vorrichtung oder eine kommutierungslöschende Vorrichtung verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel verwendet der Halbleiterschalter 22 einen Feldeffekttransistor, beispielsweise einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der eine interne Diode 20 aufweist, die umgekehrt parallel angeschlossen ist. Der MOSFET kann ein SiC-MOSFET sein, der SiC (Siliziumkarbid) verwendet.
Die Steuerungsschaltung 24 erzeugt eine Schaltsteuerungssignal Sc zur Implementierung einer EIN-AUS-Steuerung des Halbleiterschalters 22. Das Schaltsteuerungssignal Sc von der Steuerungsschaltung 24 wird dem Gate des Halbleiterschalters 22 zugeführt. Durch die Steuerungsschaltung 24 wird eine EIN-AUS-Steuerung des Halbleiterschalters 22 implementiert.
Wie es in 2 gezeigt ist, umfasst der Reaktor 16 ein Gehäuse 38, das einen hohlen Abschnitt 34 und zumindest ein Elektrodenpaar 40 umfasst, das in dem hohlen Abschnitt 34 des Gehäuses 38 platziert ist. Ein Quellengas 36 wird dem hohlen Abschnitt 34 zugeführt. Das Elektrodenpaar 40 umfasst zwei Entladungselektroden 42, die voneinander durch eine vorbestimmte Lückenlänge Dg beabstandet sind.
Der Reaktor 16 erzeugt Ozon, indem es dem Quellengas 36 ermöglicht wird, durch einen Raum zwischen zumindest zwei Entladungselektroden 42 des Elektrodenpaars 40 hindurchzugehen, um hierdurch eine elektrische Entladung zwischen den zwei Entladungselektroden 42 zu verursachen. Der Raum zwischen zwei Entladungselektroden 42 ist ein Raum, in dem eine elektrische Entladung stattfindet, wobei somit der Raum als ein Entladungsraum 44 definiert ist.
Insbesondere ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Elektrodenpaaren 40 zwischen inneren Wänden (eine innere Wand 46a und die andere innere Wand 46b) des Gehäuses 38, die einander gegenüberliegen, in Reihe oder parallel zueinander angeordnet oder in Reihe und parallel zueinander angeordnet. In dem Beispiel gemäß 2 sind die Elektrodenpaare in Reihe und parallel zueinander angeordnet.
Wie es in 3 gezeigt ist, weist jede der Entladungselektroden 42 eine Stabform auf und erstreckt sich entlang einer Quellengasdurchgangsoberfläche 48, die die normale Richtung in der Hauptflussrichtung des Quellengases 36 aufweist. Jede der Entladungselektroden 42 erstreckt sich zwischen einer Seitenwand 50a und der anderen Seitenwand 50b des Gehäuses 38. Das heißt, die Entladungselektroden 42 erstrecken sich über den hohlen Abschnitt 34 des Gehäuses 38 entlang der Quellengasdurchgangsoberfläche 48, wobei sie an der einen Seitenwand 50a und der anderen Seitenwand 50b des Gehäuses 38 fixiert sind. Die Hauptflussrichtung des Quellengases 36 bedeutet hierbei eine Flussrichtung bzw. Strömungsrichtung des Quellengases 36, das bei dem mittleren Abschnitt mit einer Richtwirkung bzw. einem Richtfaktor strömt. Dies soll Richtungen von Strömungskomponenten ohne Richtwirkung in den Randabschnitten des Quellengases 36 ausschließen.
Jede der Entladungselektroden 42 umfasst einen rohrförmigen dielektrischen Körper 54, der einen hohlen Abschnitt 52 und einen Leiter 56 aufweist, der innerhalb des hohlen Abschnitts 52 des dielektrischen Körpers 54 positioniert ist.
In dem Beispiel gemäß den 2 und 3 weist der dielektrischen Körper 54 eine zylindrische Form auf, wobei der hohle Abschnitt 52 eine kreisförmige Form im transversalen Querschnitt aufweist. Der Leiter 56 weist eine kreisförmige Form im transversalen Querschnitt auf. Es ist ersichtlich, dass die Formen des dielektrischen Körpers 54 und des Leiters 56 nicht auf diese Formen begrenzt sind. Der dielektrische Körper 54 kann eine polygonale zylindrische Form aufweisen, wie beispielsweise eine Dreieck-, eine Viereck-, eine Fünfeck-, eine Sechseck- oder eine Achteck-Form im transversalen Querschnitt. Dementsprechend kann der Leiter 56 eine polygonale Säulenform aufweisen, wie beispielsweise eine Dreieck-, eine Viereck-, eine Fünfeck-, eine Sechseck- oder eine Achteck-Form im transversalen Querschnitt.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel zielt auf eine Erzeugung von Ozon ab. Folglich kann das Quellengas 36 ein Gas sein, das beispielsweise Sauerstoff beinhaltet.
Vorzugsweise ist der Leiter 56 aus einem Material hergestellt, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Molybdän, Wolfram, Edelstahl, Silber, Kupfer, Nickel und einer Legierung besteht, die zumindest eines dieser Materialien umfasst. Als die Legierung kann beispielsweise Invar, Kovar, Inconel (registrierte Handelsmarke) oder Incoloy (registrierte Handelsmarke) verwendet werden.
Ferner kann vorzugsweise der dielektrische Körper 54 aus einem Keramikmaterial hergestellt sein, das bei einer Temperatur gebrannt werden kann, die kleiner als der Schmelzpunkt des Leiters 56 ist. Genauer gesagt sollte der dielektrische Körper 54 vorzugsweise aus einem Einzeloxid oder einem komplexen Oxid oder einem komplexen Nitrid hergestellt sein, das zumindest ein Material beinhaltet, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die beispielsweise aus Bariumoxid, Bismutoxid, Titanoxid, Zinkoxid, Neodymoxid, Titannitrid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Mullit besteht.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Innenraum des Reaktors 16 auf Bedingungen eingestellt worden, um es einfach zu machen, eine elektrische Entladung darin zu erzeugen. Die Bedingungen, um es einfach zu machen, eine elektrische Entladung in dem Reaktor 16 zu erzeugen, umfassen einen Unterdruck, der in dem Reaktor 16 etabliert wird, oder eine kleine Entladungslücke (Lückenlänge Dg) zwischen den Entladungselektroden 42, die in dem Reaktor 16 angeordnet sind, oder beides hiervon. Der Unterdruck kann beispielsweise in einen Bereich von –0,01 bis –0,10 MPa fallen, wobei er in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Quellengases 36, der Anzahl der Elektrodenpaare usw. in geeigneter Weise ausgewählt werden kann. Die Entladungslücke Dg sollte vorzugsweise 10 mm oder weniger sein, weiter bevorzugt 1 mm oder weniger sein und noch mehr bevorzugt 0,5 mm oder weniger sein.
Eine Verarbeitungssequenz eines Betriebs eines Ozongenerators gemäß einem Referenzbeispiel, in dem der Innenraum des Reaktors 16 auf Bedingungen eingestellt worden ist, um es schwierig zu machen, eine elektrische Entladung darin zu erzeugen, wird nachstehend unter Bezugnahme auf 14 beschrieben.
Zuerst wird zu dem Startpunkt t0 des Zyklus 1, wenn der Halbleiterschalter 22 eingeschaltet wird, beispielsweise auf der Grundlage der Eingabe des Schaltsteuerungssignals Sc, eine Spannung, die im Wesentlichen gleich zu der Leistungszufuhrspannung E der Gleichstromleistungszufuhreinheit 14 ist, an den Transformator 12 über die EIN-Zeitdauer T1 des Halbleiterschalters 22 angelegt. Der primäre Strom I1, der durch die primäre Wicklung 18 des Transformators 12 fließt, nimmt linear über der Zeit mit einer Steigung (E/L) zu, wobei L die primäre Induktanz (Anregungsinduktanz) des Transformators 12 bezeichnet. Eine Induktionsenergie wird dann in dem Transformator 12 aufgespeichert.
Danach wird zu dem Zeitpunkt t1, bei dem der primäre Strom I1 einen vorbestimmten Spitzenwert Ip1 erreicht, wenn der Halbleiterschalter 22 ausgeschaltet wird, ein Anlegen einer hohen sekundären Spannung V2 an den Reaktor 16 gestartet, wobei der sekundäre Strom I2 in die positive Richtung fließt. Dann wird zu dem Zeitpunkt t2, bei dem die sekundäre Spannung V2 einen Spitzenwert aufweist, der sekundäre Strom I2 null. Nach dem Zeitpunkt t2 fließt der sekundäre Strom I2 in die negative Richtung.
Der Zyklus 2 wird nach der AUS-Zeitdauer T2 des Halbleiterschalters 22 gestartet, wobei ein Betrieb in der gleichen Art und Weise wie in dem vorstehend beschriebenen Zyklus 1 wiederholt wird. Dementsprechend wird eine hohe sekundäre Spannung V2 an den Reaktor 16 angelegt.
Eine Verarbeitungssequenz eines Betriebs des Ozongenerators 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es, da der Unterdruck in dem Reaktor 16 etabliert ist, einfach, eine elektrische Entladung in dem Reaktor 16 zu erzeugen.
Wie es in 5 gezeigt ist, wird zu einem Startpunkt t10 eines Zyklus 1 der Halbleiterschalter 22 in Reaktion auf das Schaltsteuerungssignal Sc, das ihm zugeführt wird, beispielsweise eingeschaltet. Dann fließt während der EIN-Zeitdauer T1 des Halbleiterschalters 22 ein Strom (primärer Strom i₁(t)) durch die primäre Seite des Transformators 12. Der primäre Strom i₁(t) weist einen oszillierenden Signalverlauf auf, wobei er abwechselnd in positive und negative Richtungen fließt. Der primäre Strom i₁(t) beruht auf der Resonanz einer LC-Schaltung, die zumindest eine Streuinduktivität La des Transformators 12, eine Wicklungskapazität Ca des Transformators 12 und eine Elektrodenkapazität Cb zwischen den Entladungselektroden 42 des Reaktors 16 umfasst.
Gemäß dem Referenzbeispiel ist es, da der primäre Strom I1 während der EIN-Zeitdauer T1 des Halbleiterschalters 22 hoch läuft, schwierig, einen Ausschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter 22 zu der Zeit, wenn der primäre Strom I1 null wird, auszuführen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es jedoch insofern, als eine Wechselstrom-(AC-)Komponente aufgrund einer Resonanz zu der hochlaufenden Komponente hinzugefügt ist, sodass der primäre Strom i₁(t) oszillierend ist, möglich, den Halbleiterschalter 22 zu der Zeit auszuschalten, wenn der Strom null wird, indem ein EIN-Signal für den Halbleiterschalter 22 ausgeschaltet wird, d. h. indem ein Ausschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter 22 ausgeführt wird, während der primäre Strom i₁(t) in die negative Richtung fließt.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere eine Streuinduktivität La derart etabliert, dass ein Ausschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter 22 während einer Zeitdauer bzw. Periode ausgeführt wird, in der der primäre Strom i₁(t) in die negative Richtung fließt. Wie es in 5 gezeigt ist, ist der primäre Strom i₁(t) des Transformators 12 bei dem Startpunkt t10 (Einschaltzeit) der EIN-Zeitdauer T1 des Halbleiterschalters 22 null. Wenn ein Ausschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter 22 während der Zeitdauer ausgeführt wird, in der der primäre Strom i₁(t) in die negative Richtung fließt, kann der Halbleiterschalter 22 zu der Zeit, wenn der primäre Strom i₁(t) null wird, ausgeschaltet werden. Folglich ist es möglich, den Halbleiterschalter 22 entsprechend dem Nullstromschalten (ZCS) einzuschalten und auszuschalten. Die Streuinduktivität La kann etabliert werden, indem beispielsweise die Lücke zwischen den Kernen und den Wicklungen des Transformators 12 (d. h. die Lücken zwischen den Wicklungen und den Kernen) und die Lücke zwischen den Wicklungen auf geeignete Einstellungen justiert werden. Anstatt die Streuinduktivität La zu etablieren, kann der Signalverlauf des Schaltsteuerungssignals Sc, das von der Steuerungsschaltung 24 ausgegeben wird, geändert werden, um eine EIN-Zeitdauer T1 des Halbleiterschalters 22 auf einen Wert einzustellen, der länger als eine 1/2 Periode des primären Stroms i₁(t) ist und kleiner oder gleich einer Periode des primären Stroms i₁(t) ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird des Weiteren eine AC-Spannung (sekundäre Spannung v₂(t)) an den Reaktor 16 während der Zeitdauer (AUS-Zeitdauer T2) von einem Zeitpunkt t11, wenn der Halbleiterschalter 22 ausgeschaltet wird, bis zu einem Startpunkt t13 der nächsten EIN-Zeitdauer T1 angelegt. In 5 ändert sich die sekundäre Spannung v₂(t) allmählich von einer negativen Spannung zu einer positiven Spannung von dem Zeitpunkt t11 an, sie erreicht einen Spitzenwert bei einem im Wesentlichen dazwischenliegenden Punkt bzw. Zwischenpunkt t12 der AUS-Zeitdauer t2 und sie ändert sich danach allmählich hin zu einer negativen Spannung. Während der AUS-Zeitdauer T2 werden folglich eine negative Spannung und eine positive Spannung aufeinanderfolgend an den Reaktor 16 angelegt.
Ein Strom (sekundärer Strom i₂(t)), der durch die sekundäre Seite des Transformators 12 fließt, weist einen oszillierenden Signalverlauf auf, wobei er abwechselnd in positive und negative Richtungen fließt. Während der EIN-Zeitdauer T1 des Halbleiterschalters 22 weist der sekundäre Strom i₂(t) einen oszillierenden Signalverlauf derart auf, dass der sekundäre Strom i₂(t) in einer entgegengesetzten Phase zu dem primären Strom i₁(t) ist und zu der Zeit null wird, wenn der primäre Strom i₁(t) null wird. Während der AUS-Zeitdauer T2 des Halbleiterschalters 22 weist der sekundäre Strom i₂(t) einen oszillierenden Signalverlauf derart auf, dass der sekundäre Strom i₂(t) zu dem Zeitpunkt t12 null wird, wenn die sekundäre Spannung v₂(t) einen Spitzenwert erreicht.
Da der Unterdruck in dem Reaktor 16 des Ozongenerators 10 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel etabliert ist, ist der primäre Strom i₁(t) des Transformators 12 ein oszillierender Strom, der auf der Resonanz der IC-Schaltung beruht, die zumindest die Streuinduktivität La des Transformators 12, die Wicklungskapazität Ca des Transformators 12 und die Elektrodenkapazität Cb zwischen den Entladungselektroden 42 des Reaktors 16 umfasst. Dementsprechend ist es nicht erforderlich, den Halbleiterschalter 22 bei dem Spitzenwert des primären Stroms I1 wie in dem Fall gemäß dem Stand der Technik auszuschalten. Spezifisch ist es möglich, einen Ausschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter 22 zu der Zeit, wenn der primäre Strom i₁(t) in die negative Richtung fließt, auszuführen. Folglich ist es möglich, den Halbleiterschalter 22 entsprechend einer ZCS einzuschalten und auszuschalten, um hierdurch einen Schaltverlust und ein Rauschen zu verringern und den Schaltwirkungsgrad und den Wirkungsgrad, mit dem Ozon erzeugt wird, zu vergrößern.
Als Ergebnis ist der Ozongenerator 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein Ozongenerator für eine Verwendung beispielsweise bei Fahrzeugen geeignet. In einer Anwendung des fahrzeuginternen Ozongenerators wird beispielsweise Ozon, das durch den Ozongenerator erzeugt wird, in einen Einspritzkraftstoff entsprechend der Zeitsteuerung einer Kraftstoffeinspritzung in eine Verbrennungskammer gemischt, um hierdurch eine Zündung des Kraftstoffs zu fördern.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Streuinduktivität La des Transformators 12 derart bestimmt, dass ein Ausschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter 22 während der Zeitdauer ausgeführt wird, in der der primäre Strom i₁(t) in die negative Richtung fließt, oder die EIN-Zeitdauer T1 des Halbleiterschalters 22 wird auf einen Wert eingestellt, der länger als 1/2 Periode bzw. Zeitdauer des primären Stroms i₁(t) ist und kürzer oder gleich einer Periode bzw. Zeitdauer des primären Stroms i₁(t) ist. Folglich ist es möglich, den Halbleiterschalter 22 entsprechend einer ZCS einzuschalten und auszuschalten.
Des Weiteren wird während der AUS-Zeitdauer T2 eine Wechselstromspannung bzw. AC-Spannung (sekundäre Spannung v₂(t)), d. h. eine negative Spannung und eine positive Spannung aufeinanderfolgend an den Reaktor 16 angelegt. Die Energiezufuhr in den Reaktor 16 wird somit anders als in dem Fall, bei dem eine Impulsspannung nur während der EIN-Zeitdauer T1 des Halbleiterschalters 22 erzeugt wird, vergrößert. Der Ozongenerator 10 ist somit in der Lage, Ozon aufgrund eines Synergieeffekts einer elektrischen Entladung, für die es einfach gemacht wird, aufgrund des Unterdrucks oder der kleinen Entladungslücke in dem Reaktor 16 oder beidem zu passieren, und der vergrößerten Energiezufuhr in den Reaktor 16 effizienter zu erzeugen.
Ein Ozongenerator umfasst einen Transformator (12), eine Gleichstromleistungszufuhreinheit (14), die mit einer primären Seite des Transformators (12) verbunden ist, einen Reaktor (16), der mit einer sekundären Seite des Transformators (12) verbunden ist, einen Halbleiterschalter (22), der zwischen einem Ende einer primären Wicklung des Transformators (12) und der Gleichstromleistungszufuhreinheit (14) angeschlossen ist, und eine Steuerungsschaltung (24) zur Implementierung einer EIN-AUS-Steuerung des Halbleiterschalters (22) bei einer eingestellten Schaltfrequenz, um hierdurch eine Spannung an den Reaktor (16) anzulegen. Der Innenraum des Reaktors (16) ist auf Bedingungen eingestellt, um es einfach zu machen, eine elektrische Entladung darin zu erzeugen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 11-233294 [0002, 0003]
JP 3811681 [0002, 0004, 0008]
JP 4418212 [0002, 0004, 0008]
JP 2014-036502 [0002, 0006, 0009]

Claims

Ozongenerator mit: einem Transformator (12); einer Gleichstromleistungszufuhreinheit (14), die mit einer primären Seite des Transformators (12) verbunden ist; einem Reaktor (16), der mit einer sekundären Seite des Transformators (12) verbunden ist; einem Halbleiterschalter (22), der zwischen einem Ende (18a) der primären Wicklung (18) des Transformators (12) und der Gleichstromleistungszufuhreinheit (14) angeschlossen ist; und einer Steuerungsschaltung (24), die konfiguriert ist, eine EIN-AUS-Steuerung des Halbleiterschalters (22) unter Verwendung einer eingestellten Schaltfrequenz zu implementieren, um hierdurch eine Spannung an den Reaktor (16) anzulegen; wobei ein Innenraum des Reaktors (16) auf Bedingungen eingestellt ist, um es einfach zu machen, eine elektrische Entladung in dem Reaktor (16) zu erzeugen.
Ozongenerator nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsschaltung (24) einen Einschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter (22) zu einer Zeit ausführt, wenn ein primärer Strom (I1) des Transformators (12) null ist, und einen Ausschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter (22) zu einer Zeit ausführt, wenn der primäre Strom (I1) in eine negative Richtung fließt.
Ozongenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der primäre Strom (I1), der während einer EIN-Zeitdauer (T1) des Halbleiterschalters (22) fließt, ein oszillierender Strom ist, der auf einer Resonanz einer LC-Schaltung beruht, die zumindest eine Streuinduktivität (La) des Transformators (12), eine Wicklungskapazität (Ca) des Transformators (12) und eine Kapazität (Cb) zwischen Entladungselektroden (42) des Reaktors (16) umfasst; und die Streuinduktivität (La) derart etabliert ist, dass ein Ausschaltbetrieb bei dem Halbleiterschalter (22) während einer Zeitdauer ausgeführt wird, in der der primäre Strom (I1) in eine negative Richtung fließt.
Ozongenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der primäre Strom (I1), der während einer EIN-Zeitdauer (T1) des Halbleiterschalters (22) fließt, ein oszillierender Strom ist, der auf einer Resonanz einer LC-Schaltung beruht, die zumindest eine Streuinduktivität (La) des Transformators (12), eine Wicklungskapazität (Ca) des Transformators (12) und eine Kapazität (Cb) zwischen Entladungselektroden (42) des Reaktors (16) umfasst; und die EIN-Zeitdauer (T1) des Halbleiterschalters (22) auf einen Wert eingestellt ist, der länger als 1/2 Zeitdauer des primären Stroms (I1) ist und kürzer oder gleich einer Zeitdauer des primären Stroms (I1) ist.
Ozongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Wechselstromspannung an den Reaktor (16) während einer AUS-Zeitdauer (T2) des Halbleiterschalters (22) angelegt wird.
Ozongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Reaktor (16) ein Elektrodenpaar oder mehrere Elektrodenpaare (40) umfasst, von denen jedes zwei Entladungselektroden (42) umfasst, die von einander durch eine vorbestimmte Lückenlänge (Dg) beabstandet sind; und der Reaktor (16) Ozon erzeugt, indem es einem Quellengas (36) ermöglicht wird, durch einen Raum zwischen zumindest den zwei Entladungselektroden (42) des Elektrodenpaars (40) hindurchzugehen, und dann eine elektrische Entladung zwischen den zwei Entladungselektroden (42) durch die Spannung erzeugt wird, die zwischen den zwei Entladungselektroden (42) angelegt wird.