JP6217096B2 - 高電圧インバータ及び誘電体バリア放電発生装置とシート材改質装置 - Google Patents
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Description
例えば、大気圧プラズマは、表面処理の一つの手段として、表面の改質や汚染物の除去等、様々な工業製品に応用されている。樹脂等に接着や印刷、コーティング等を施す場合に、大気圧プラズマにより前処理を行うと、表面の濡れ性を向上させて、接着や印刷あるいはコーティング等を容易に仕上りよく行うことが可能になる。
このようなシート材の表面改質処理等のために、大気圧プラズマを生成する誘電体バリア放電を安定して発生させるには、高電圧インバータによって数KVから数十KVの交流高電圧による高電力を、負荷である誘電体を介して対向する放電電極とカウンタ電極間に安定的に供給する必要がある。
その高電圧インバータは、直流もしくは直流成分に脈流が重畳された入力電圧をスイッチングして、トランスの一次側の励磁巻線に励磁電流を流し、二次側の出力巻線から交流高電圧を出力する。
このような従来の高電圧インバータは、基本的には図12に示すように構成されている。この高電圧インバータ100は、商用電源11からの交流電圧を整流・平滑回路12によって整流及び平滑した直流電圧(脈流成分を含んでもよい)を入力電圧Vinとするトランス13と、FET等によるスイッチング素子14および制御回路15を備えている。
制御回路15からスイッチング素子14のゲートに印加されるスイッチング信号Spは、図13の(a)に示すような矩形波であり、このスイッチング信号Spがローレベルの期間がOFF期間であり、ハイレベルの期間がON期間である。Tは1周期である。
このような波形あるいはこれに近い波形の電圧を、この明細書中では交流高電圧と称している。
出力電圧Voutは、出力巻線NsのインダクタンスLsと、その出力巻線Nsの分布容量Cs及び負荷2における等価容量(負荷容量)Coとの合成容量Cとによる並列共振回路によって発生する。
そして、高電圧で交番される出力電圧Voutによって、その出力経路に強い磁場が発生する。その結果、図14に示すように、スイッチング素子14のON/OFFの切り替わり時に出力電流Ioutとして急峻な過渡的な電流が流れ、その直後に振動する過渡電圧(リンギング)が発生する。
このような過渡電圧は、励磁電流のON/OFFの切り替え時に発生するサージ電圧とその減衰振動電圧によるものであり、それが出力電圧Voutの波高値に対して、動作安定時でも10%〜20%に達することもある。
例えば、図12に示した負荷2が誘電体バリア放電器であって、その誘電体バリア放電開始電圧が6KVであった場合、出力電圧Voutのうち6KV未満の部分は誘電体バリア放電に寄与しないことになる。
このような問題は、インバータの出力電圧が高電圧になるほど顕著になるが、出力電圧の波高値が数KVから数十KVの交流高電圧である高電圧インバータに対しては、これまで有効な対策がなされていなかった。
しかし、上述したような高電圧インバータにおけるトランスの二次側にスナバ回路を設けると、共振がずれて所期の出力電圧が得られなくなってしまう。さらに、スナバ回路を構成する各部品の耐圧が出力電圧の3倍程度必要である。しかし、出力電圧が数十KVの場合、既存の部品でそのような耐圧を有するものを入手するのは困難であるから、実質上トランスの二次側にスナバ回路を設けることはできなかった。
それによって、高電圧インバータの効率及び信頼性の低下を防ぎ、発熱も低減し、電磁ノイズの発散を抑制して、周辺機器に対して電波障害を引起すことがないようにする。
上記トランスの出力巻線から出力する上記交流高電圧によって負荷に電流を流す出力回路内に、上記出力巻線と直列に、上記交流高電圧によって対向する電極間に印加される電圧に応じて上記出力回路を遮断又は接続する電圧応答型接続器を接続している。
その電圧応答型接続器は、上記交流高電圧の瞬時値が所定値に達するまでは上記電極間を絶縁状態に保ち、上記交流高電圧の瞬時値が上記所定値に達した後該所定値を超えている間は上記電極間を導通状態に保持し、上記交流高電圧の瞬時値が上記所定値を下回ると上記電極間を急速に絶縁状態に戻す特性を有している。
さらに、上記電圧応答型接続器が発する熱を放熱する手段として、不燃性流体内に上記電圧応答型接続器を浸漬させて収容する容器と、その容器内で上記不燃性流体を対流させる手段とを備えていることを特徴とする。
それによって、高電圧インバータの効率及び信頼性の低下を防ぎ、発熱も低減し、電磁ノイズの発散を抑制して、周辺機器に対して電波障害を引起すことがないようにすることができる。
図1は、この発明による高電圧インバータを電源とする誘電体バリア放電発生装置の一実施形態を示す回路図である。図1において図12と同じ部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略するか簡単にする。
この誘電体バリア放電発生装置1は、高電圧インバータ10とその負荷である放電器20とによって構成されている。
その入力電圧Vinを、FET等によるスイッチング素子14によってスイッチングして、トランス13の励磁巻線Npに励磁電流を流し、そのトランス13の二次側の出力巻線Nsから交流高電圧の出力電圧Vout を出力する。
制御回路15がスイッチング信号Spをパルス幅変調(PWM)制御して、1周期におけるON期間とOFF期間の比率(デューティ)を変えることにより、出力電圧Voutを制御することが可能である。そのスイッチング信号Spの周波数及び周期を変更することもできる。
なお、実際の回路では、励磁巻線Npと並列にスナバ回路を構成するコンデンサとダイオード等が接続され、制御回路15からスイッチング素子14のゲートへの信号線に直列に保護抵抗が接続されているが、この発明には直接関係しないので、図示を省略している。
その出力電圧Voutは、出力巻線NsのインダクタンスLsと、その出力巻線Nsの分布容量Cs及び放電器20の等価容量(負荷容量)Coとの合成容量Cとによる並列共振回路によって発生し、励磁巻線Npと出力巻線Nsの巻数比に応じた高電圧である。
すなわち、電圧応答型接続器18は、出力巻線Nsが発生する交流高電圧の瞬時値が所定値(閾値)に達するまでは対向する電極間を絶縁状態に保ち、その交流高電圧の瞬時値が所定値に達した後該所定値を超えている間は対向する電極間を導通状態に保持する。そして、その交流高電圧の瞬時値が所定値を下回ると対向する電極間を急速に絶縁状態に戻す特性を有する。
高電圧インバータ10の出力回路にこの電圧応答型接続器18を介挿したことによる効果、及び電圧応答型接続器18の詳細等については後述する。
放電電極21は、この実施形態では銅やアルミニウム等の導電性のよい金属線21aの周囲に、絶縁体(誘電体)21bを被覆した丸棒状の複数(図示の例では15本)の放電電極21によって放電電極列を構成している。すなわち、複数の放電電極21が、平板状のカウンタ電極22の対向面22aに平行な面内で、図2で左右方向に互いに隣接する電極同士の外周が接するように並んで、紙面に垂直な方向に延びて配列されている。各放電電極21の直径(φ)は、例えば8mm程度である。
放電電極21と誘電体23との間も、間隔を拡げて示しているが、実際には、例えば表面改質を施すシート材が、一点鎖線の矢印Fで示すように通過できる程度の隙間があればよい。
カウンタ電極22は接地する。放電電極21に印加する電圧は正負逆転しても、作用効果に差異はない。
各放電電極21の径や金属線21aの太さ、絶縁体(誘電体)21bの外周形状、配列間隔や数などは、用途に応じて適宜変更できる。また、各放電電極21を連れ回り可能に、また上下動可能に支持するようにしてもよい。
図3は図14に対応する波形図であり、出力電圧Vout及び出力電流Iout の実線で示す波形と、スイッチング素子14のON/OFF波形は、図14に示した波形と同じである。図3ではそれに、電圧応答型接続器18の導通状態と絶縁状態の変化を示す波形を加えている。一点鎖線で示すレベルの電圧Vaは、出力電圧Vout の波高値(例えば10KV)の10〜20%の電圧(例えば2KV)であり、実線で示すレベルの電圧Vbは、放電器20による誘電体バリア放電の開始電圧(例えば6KV)を示している。
また、その場合の電圧応答型接続器18の導通状態と絶縁状態の変化を示す波形も点線で示している。
図1に示したトランス13の出力巻線Nsに発生する交流高電圧の瞬時値が電圧Vaに達するまでは、電圧応答型接続器18が対向する電極間を絶縁状態に保ち、負荷である放電器20に電流を流す出力回路を遮断している。
上記交流高電圧の瞬時値が電圧Vaに達すると、電圧応答型接続器18が対向する電極間を導通状態にして上記出力回路を接続する。その後、交流高電圧の瞬時値が電圧Vaを超えている間は、電圧応答型接続器18がその電極間を導通状態に保持し、上記出力回路の接続を維持する。
そして、その交流高電圧の瞬時値が電圧Vaを下回ると、電圧応答型接続器18は対向する電極間を急速に絶縁状態に戻し、上記出力回路を遮断する。
電圧応答型接続器18がこのように動作することによって、スイッチング素子14のON/OFFの切り替わり時に、出力電流Ioutとして図3に示したような急峻な過渡的な電流が流れなくなり、振動する過渡電圧(リンギング)の発生も抑制される。また、トランス13の出力巻線Nsの両端子間に振動する過渡電圧(リンギング)が発生したとしても、その波高値は所定値として設定した電圧Vaに達しない。そのため、電圧応答型接続器18によって出力回路が遮断されており、その過渡電圧が放電器20に印加されることはない。
この場合の負荷に印加される出力電Vout と出力電流Iout の波形を、図3に破線で示している。
この場合は、図1に示したトランス13の出力巻線Nsに発生する交流高電圧の瞬時値が電圧Vbに達するまでは、電圧応答型接続器18が対向する電極間を絶縁状態に保ち、負荷である放電器20に電流を流す出力回路を遮断している。
そして、その交流高電圧の瞬時値が電圧Vbを下回ると、電圧応答型接続器18は対向する電極間を急速に絶縁状態に戻し、上記出力回路を遮断する。
この場合の作用効果も前述の場合と同様であるが、負荷である放電器20には、誘電体バリア放電に寄与するレベルの電圧のみを印加し、それに寄与しない過渡電圧を全て遮断することができる。したがって、一層効率を高め、電磁ノイズの発生も抑制することができる。
出力電圧Vout の立ち下がり時間は幾分長くなるが、過渡的な電圧は十分に除去できるので問題はない。この出力電圧波形は、正弦波の裾野の部分で休止時間があるために幾分歪んだ半波の正弦波になる。しかし、高次高調波やスイッチング素子14のON/OFF時に発生するサージ電圧や、それに伴う過渡的な振動電圧が抑圧され、きれいな幾分歪んだ正弦波になることが確認されている。
図6に示す誘電体バリア放電発生装置1′において、図1に示した誘電体バリア放電発生装置1と異なるのは高電圧インバータ10′を構成するトランス13′だけである。
その各トランスT1,T2の励磁巻線Np1,Np2を並列に接続して、スイッチング素子14がONの期間に入力電圧Vinによって同時に励磁する。そして、各トランスT1,T2の出力巻線Ns1,Ns2を互いに直列に接続し、その互いに接続しない方の各端子を、それぞれアース側の出力線16と高圧側の出力線17に接続し、その間に交流高電圧の出力電圧Vout を発生させる。
この場合、各出力巻線Ns1,Ns2の出力電圧波形の時間軸が同期するようにする。また、トランス13′の二次側の共振の鋭さを示すQ値が大きい程出力電圧を高めることができる。
この実施形態でも、高圧側の出力線17に電圧応答型接続器18を、出力巻線Ns1,Ns2と直列に接続して介挿している。この電圧応答型接続器18は、仮想線で示すようにアース側の出力線16に介挿してもよいし、この場合には出力巻線Ns1とNs2の接続部に介挿してもよい。
高電圧インバータにおける電圧変換用のトランスを、同一の特性を持つ3個以上の個別のトランスによって構成してもよい。接続するトランスの数を多くするほど、スイッチング素子14の耐圧が低くて済み、MOSFETであればON抵抗の低い素子を使えることになる。例えば、MOSFETを3個並列駆動する必要があるところを2個並列駆動でもよいことになる。
しかし、実際にはトランスの数に応じてループ長や設置面積が大きくなってしまうため、不要輻射の発生や装置サイズの問題も生じるので、トランスの数は4個位までが実用的な範囲であると考えられる。
電圧応答型接続器18は、内部に対向する電極18a,18bを備えており、その電極間はセラミック等の誘電体または不燃性ガス等で満たされている。電極18a,18bにそれぞれ接続されたリード端子18c,18dが外部に突出しており、それが、図1又は図6に示した出力線16又は17等の出力回路に接続される。
その電極18a,18bの対向面積および間隔(距離)d等を調整して、電極18a,18b間に印加される電圧が、予め設定した電圧値(前述した電圧Va,Vb等の所定値)に達したときに、電極間が絶縁状態から導通状態になるようにすることができる。
そこで、対向する電極間に印加される電圧が、前述した電圧Va又はVbになったときに放電電圧になるように、ガス圧pと電極間距離dとを調整する。望ましくは、図8に示す谷底Bになるように調節すると、損失が最も少なくなる。
このようなサージ吸収部品の従来の用途は、稀に発生する突発的なごく短時間のサージ電圧又は電流を吸収して、機器や回路を保護するために使用されている。そのため、電極間距離が短く、電極面積も狭くした小型のものが多い。
電圧応答型接続器18の対向する電極は、並行平板である以外に凹面電極と凸面電極の組合せなどにしてもよい。また、その電極材料としては、金属の融点が高く、熱伝導性がよく、厚みがあり、必要な電力に応じた面積が十分にあるものが必要になる。
既存のアレスタ(避雷器)にも、耐圧が5KV,6KV,8KVなどの物もあるので、それらを使用することも可能である。
さらに、複数個の電圧応答型接続器18を、図9の(c)に示すように直列に接続したものを並列に接続したり、(d)に示すように並列に接続したものを直列に接続して、直列と並列の組合せの接続をしてもよい。直列又は並列に接続する電圧応答型接続器18の個数は3個以上でもよい。
このようにすれば、電圧応答型接続器18による発熱の分散や、電極の劣化の防止にも有効である。
さらに、この発明で使用する電圧応答型接続器18は、常時動作するため発熱するので、放熱を十分にするのが望ましい。
その容器62の上面開口部に密着して固着される蓋板63に設けた一対の孔に、嵌めこんだ絶縁性のシール材64を通して、電圧応答型接続器18の各リード端子18c、18dを導出させ、電圧応答型接続器18を絶縁油61内に浸漬するように保持している。
電圧応答型接続器18の対向する電極18a,18b(図7参照)は、放熱をよくするために熱伝導性のよい金属で形成して外部に露出させ、その電極より大きな熱容量の絶縁油61に確実に接触させるのが望ましい。
その絶縁油61は、電圧応答型接続器18の電極間のみで放電させるために、電気抵抗が、スイッチング周波数での電極間インピーダンスより、3桁以上高いものがよい。
このような撹拌装置は、特開2005−254073号公報に見られるように公知である。
放熱用の不燃性流体としては、水等の他の液体、窒素N2や二酸化炭素CO2、フロン(CFC又はHCFC)、代替フロン(HFC)などの不燃性ガス又は不活性ガスを用いてもよい。
それによって、電圧応答型接続器18が動作する電圧も下げることはできるが、それでも放熱の促進を図ることは必要である。
次に、この発明によるシート材改質装置の一実施形態を図11によって説明する。
図11は、この発明の一実施形態であるスタンドアロン型のシート材改質装置の概略構成図である。
このシート材改質装置3は、一般にコピーや印刷等に用いられる普通紙やコート紙の他、OHPシートを含む樹脂フィルム、カード、ハガキ等の厚紙や封筒等のシート材の表面を改質処理するための装置である。その改質処理としては、シート材の表面の撥水性を親水化する処理を行うことが可能である。
誘電体バリア放電発生装置1は図1及び図6によって説明したように、高電圧インバータ10(ここでは図1と同じ符号を付している)と放電器20からなる。
放電器20は、複数本の放電電極21とカウンタ電極22及び誘電体23とを有している。その誘電体23は、カウンタ電極22の放電電極21と対向する表面に被着されている。
駆動ローラ33は、図示していないモータによって回転駆動され、搬送ベルト32を矢示B方向へ周回移動(回動)させる。搬送ベルト32は、改質処理を予定するシート材の最大幅よりも大きな幅(図11の紙面に垂直な方向の寸法)を有している。
本体30の下部にはキャスタ37を備えており、このシート材改質装置3を容易に移動させて、画像形成装置などと共に使用できるようにしている。
改質部30Aによる表面改質処理が完了したシート材は、本体30から送出されてシート材積載部50に積載される。
各放電電極21をシート材の移動によって連れ回り可能に支持したり、上下動可能に支持して下方への押圧力を付与し、各放電電極21が常時シート材の表面に接触するようにすれば、なお均一性を向上させ、エネルギーの損失も抑制することができる。
あるいは、電子写真方式の画像形成装置によって画像を形成したシート材を、この改質処理によって親水性を高めてから、ニス等のコート剤を塗布する後処理を行えば、全面に均一にコート剤を塗布することができる。それによって、画像を形成したシート材の表面を保護したり、艶出しして付加価値を高めたりすることが容易になる。
また、この発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、種々の変更、追加、あるいは省略が可能であり、各実施形態は、矛盾しない限り適宜組み合わせて実施することも可能であることは言うまでもない。
10,10′,100:高電圧インバータ 11:商用電源
12:整流・平滑回路 13,13′:トランス 14:スイッチング素子
15:制御回路 16:アース側の出力線 17:高圧側の出力線
18:電圧応答型接続器 18a,18b:対向する電極
18c、18d:リード端子 20:放電器 21:放電電極
21a:金属線 21b:絶縁体 22:カウンタ電極
22a:対向面 23:誘電体
33:駆動ローラ 34:従動ローラ 35:テンションローラ
36:ピンチローラ 37:キャスタ
40:シート材給送部 41:トレイ 50:シート材積載部
60:放熱器 61:絶縁油 62:容器 63:蓋板 64:シール材
65:防爆弁 66:撹拌子 67:撹拌子駆動部
Ls:出力巻線のインダクタンス Cs:出力巻線の分布容量
Co:放電器の等価容量(負荷容量) S:シート材
Vin:入力電圧 Vout:出力電圧
Claims (4)
- 直流電圧若しくは直流成分に脈流が重畳された電圧、若しくは商用電源の交流を全波整流した電圧を入力電圧とし、該入力電圧をスイッチングしてトランスの励磁巻線に励磁電流を流し、該トランスの二次側の出力巻線から交流高電圧を出力する高電圧インバータであって、
前記トランスの出力巻線から出力する前記交流高電圧によって負荷に電流を流す出力回路内に、前記出力巻線と直列に、前記交流高電圧によって対向する電極間に印加される電圧に応じて前記出力回路を遮断又は接続する電圧応答型接続器を接続し、
該電圧応答型接続器は、前記交流高電圧の瞬時値が所定値に達するまでは前記電極間を絶縁状態に保ち、前記交流高電圧の瞬時値が前記所定値に達した後該所定値を超えている間は前記電極間を導通状態に保持し、前記交流高電圧の瞬時値が前記所定値を下回ると前記電極間を急速に絶縁状態に戻す特性を有しており、
前記電圧応答型接続器が発する熱を放熱する手段として、不燃性流体内に前記電圧応答型接続器を浸漬させて収容する容器と、該容器内で前記不燃性流体を対流させる手段とを備えていることを特徴とする高電圧インバータ。 - 前記トランスを、同一の特性を持つ個別の複数のトランスによって構成し、該複数のトランスの各励磁巻線を並列に接続して同時に励磁させるようにし、該複数のトランスの各出力巻線を直列に接続し、かつ該各出力巻線の出力電圧波形の時間軸が同期するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の高電圧インバータ。
- 請求項1又は2に記載の高電圧インバータと、該高電圧インバータの前記トランスの出力巻線から出力する前記交流高電圧が印加される負荷となる放電器とを備え、
該放電器が、放電電極と誘電体を挟んで対向するカウンタ電極とを有し、該放電電極とカウンタ電極との間に前記交流高電圧が印加されることによって、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電による誘電体バリア放電を発生することを特徴とする誘電体バリア放電発生装置。 - 請求項3に記載の誘電体バリア放電発生装置を備え、該誘電体バリア放電発生装置の前記放電電極と誘電体との間を通してシート材を搬送し、前記誘電体バリア放電によって前記シート材を改質することを特徴とするシート材改質装置。
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