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技術 気流発生装置用電源および風力発電装置

出願人 株式会社東芝東芝エネルギーシステムズ株式会社
発明者 田中元史志村尚彦大迫俊樹
出願日 2015年6月23日 (4年10ヶ月経過) 出願番号 2015-125757
公開日 2017年1月12日 (3年3ヶ月経過) 公開番号 2017-008834
状態 拒絶査定
技術分野
  • -
主要キーワード 代表コード 接続導線 プラズマ気流 気流発生装置 風向風速計 摺動型 ノーズコーン ナセル
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (14)

課題

小型化できる気流発生装置電源を提供する。

解決手段

気流発生装置用電源は、風力発電装置に設けられる気流発生装置に交番電圧印加する電源に関する。気流発生装置用電源は、インバータトランス、および切替器を有する。インバータは、交番電圧を発生する。トランスは、インバータに対して複数設けられ、インバータが発生する交番電圧が入力され、これよりも高い電圧値を有する交番電圧を発生する。切替器は、インバータおよびトランスが接続され、インバータから入力される交番電圧を特定のトランスに出力する。

概要

背景

風力発電装置については、風力風向の変化により発電効率が低下することがある。また、風力発電装置については、発電時に騒音が発生することがある。このような発電効率の低下および騒音の発生を抑制するために、風力発電装置の気流発生装置を設けることが検討されている。気流発生装置は、誘電体を挟持する一対の電極からなり、この一対の電極に交番電圧印加されることによりプラズマ気流を発生する。このプラズマ気流により、風力発電装置における発電効率の低下および騒音の発生が抑制される。

図13は、従来の風力発電装置を示したものである。風力発電装置100においては、例えば、翼110に気流発生装置120が複数設けられる。通常、気流発生装置120毎に気流発生装置用電源130が設けられる。

気流発生装置用電源130は、インバータ131およびトランス132からなる。インバータ131は、図示しない外部電源から入力される交番電圧の周波数を気流発生装置120に最適な周波数へと変換する。トランス132は、インバータ131から入力される交番電圧の電圧値を気流発生装置120に最適な電圧値へと変換する。

概要

小型化できる気流発生装置用電源を提供する。気流発生装置用電源は、風力発電装置の翼に設けられる気流発生装置に交番電圧を印加する電源に関する。気流発生装置用電源は、インバータ、トランス、および切替器を有する。インバータは、交番電圧を発生する。トランスは、インバータに対して複数設けられ、インバータが発生する交番電圧が入力され、これよりも高い電圧値を有する交番電圧を発生する。切替器は、インバータおよびトランスが接続され、インバータから入力される交番電圧を特定のトランスに出力する。

目的

本発明が解決しようとする課題は、小型化できる気流発生装置用電源を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

風力発電装置に設けられる気流発生装置交番電圧印加する電源であって、交番電圧を発生するインバータと、前記インバータが発生する交番電圧が入力され、これよりも高い電圧値を有する交番電圧を発生する複数のトランスと、前記インバータおよび前記トランスが接続され、前記インバータから入力される交番電圧を前記トランスの中から選ばれる特定のトランスに出力する切替器と、を有することを特徴とする気流発生装置用電源。

請求項2

前記インバータ、前記トランス、および前記切替器は、前記風力発電装置の回転部に設けられていることを特徴とする請求項1記載の気流発生装置用電源。

請求項3

前記気流発生装置は、前記翼の長手方向に複数設けられていることを特徴とする請求項1または2記載の気流発生装置用電源。

請求項4

前記インバータおよび前記切替器は、前記風力発電装置にそれぞれ1個設けられ、前記トランスは、前記気流発生装置毎に設けられていることを特徴とする請求項3記載の気流発生装置用電源。

請求項5

前記インバータおよび前記切替器は、前記風力発電装置にそれぞれ1個設けられ、前記トランスは、前記翼における長手方向の位置が同等となる気流発生装置からなる群毎に設けられていることを特徴とする請求項3記載の気流発生装置用電源。

請求項6

前記インバータおよび前記切替器は、前記翼毎に設けられ、前記トランスは、前記気流発生装置毎に設けられていることを特徴とする請求項3記載の気流発生装置用電源。

請求項7

請求項1乃至6のいずれか1項記載の気流発生装置用電源を有する風力発電装置。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、気流発生装置電源および風力発電装置に関する。

背景技術

0002

風力発電装置については、風力風向の変化により発電効率が低下することがある。また、風力発電装置については、発電時に騒音が発生することがある。このような発電効率の低下および騒音の発生を抑制するために、風力発電装置のに気流発生装置を設けることが検討されている。気流発生装置は、誘電体を挟持する一対の電極からなり、この一対の電極に交番電圧印加されることによりプラズマ気流を発生する。このプラズマ気流により、風力発電装置における発電効率の低下および騒音の発生が抑制される。

0003

図13は、従来の風力発電装置を示したものである。風力発電装置100においては、例えば、翼110に気流発生装置120が複数設けられる。通常、気流発生装置120毎に気流発生装置用電源130が設けられる。

0004

気流発生装置用電源130は、インバータ131およびトランス132からなる。インバータ131は、図示しない外部電源から入力される交番電圧の周波数を気流発生装置120に最適な周波数へと変換する。トランス132は、インバータ131から入力される交番電圧の電圧値を気流発生装置120に最適な電圧値へと変換する。

先行技術

0005

特開2008−025434号公報

発明が解決しようとする課題

0006

風力発電装置100においては、翼110の大型化により発電効率を向上させることができる。しかし、翼110の大型化に伴い、これに設置される気流発生装置120の個数が増加し、これにより気流発生装置用電源130の個数も増加する。風力発電装置100においては、気流発生装置用電源130の設置場所および設置面積が制限されることから、気流発生装置用電源130の小型化が求められている。

0007

本発明が解決しようとする課題は、小型化できる気流発生装置用電源を提供することである。

課題を解決するための手段

0008

実施形態の気流発生装置用電源は、風力発電装置の翼に設けられる気流発生装置に交番電圧を印加する電源に関する。実施形態の気流発生装置用電源は、インバータ、トランス、および切替器を有する。インバータは、交番電圧を発生する。トランスは、インバータに対して複数設けられ、インバータが発生する交番電圧が入力され、これよりも高い電圧値を有する交番電圧を発生する。切替器は、インバータおよびトランスが接続され、インバータから入力される交番電圧を特定のトランスに出力する。

図面の簡単な説明

0009

第1の実施形態における風力発電装置を示す斜視図である。
第1の実施形態における気流発生装置を示す断面図である。
第1の実施形態における気流発生装置用電源を示す図である。
第1の実施形態におけるインバータを示す図である。
第1の実施形態における気流発生装置用電源の取り付け方法を示す図である。
第1の実施形態における切替器のタイミングチャートを示す図である。
第1の実施形態における気流発生装置に印加される交番電圧の状態を示す図である。
第1の実施形態における切替器のタイミングチャートの他の例を示す図である。
第2の実施形態における気流発生装置用電源を示す図である。
第2の実施形態における切替器のタイミングチャートを示す図である。
第3の実施形態における気流発生装置用電源を示す図である。
第3の実施形態における切替器のタイミングチャートを示す図である。
従来の風力発電装置を示す図である。

実施例

0010

(第1の実施形態)
図1は、風力発電装置を示す斜視図である。図2は、気流発生装置を示す断面図である。図3は、気流発生装置用電源を示す図である。図4は、インバータを示す図である。図5は、気流発生装置用電源の取り付け方法を示す図である。図6は、切替器のタイミングチャートを示す図である。図7は、気流発生装置に印加される交番電圧の状態を示す図である。

0011

図1に示すように、風力発電装置10は、地面に設置されたタワー11を有する。タワー11の頂部には、発電機などを収容するナセル12が設けられている。ナセル12の上部には、風の風向や速度を計測する風向風速計13が設けられている。

0012

ナセル12の風上側には、ロータ14が設けられている。ロータ14は、3枚の翼15を有する。翼15は、ナセル12から突出する発電機の回転軸121(図5)に支持されている。翼15の前縁には、翼端部から翼根部へと向かって、気流発生装置16が3個設けられている。

0013

図2に示すように、気流発生装置16は、第1の電極161、この第1の電極161に離間して配置される第2の電極162、およびこれらの間に少なくとも配置される誘電体163を有する。誘電体163を構成する誘電材料は、使用環境などに応じて、公知の固体状の誘電材料の中から適宜選択される。気流発生装置16においては、第1の電極161および第2の電極162に交番電圧が印加されることにより、第1の電極161側から第2の電極162側へと向かって流れるプラズマ気流が発生する。

0014

図3に示すように、気流発生装置用電源20は、インバータ21、切替器22、およびトランス23を有する。

0015

インバータ21は、風力発電装置10に1個設けられる。インバータ21においては、風力発電装置10の外部に配置される外部電源から交番電圧が入力され、この交番電圧の周波数を気流発生装置16に最適な周波数へと変調する。通常、インバータ21においては、外部電源から入力される交番電圧の周波数よりも高い周波数の交番電圧を出力する。インバータ21が出力する交番電圧の波形としては、正極性負極性正負両極性などのパルス状、正弦波状、断続正弦波状などが挙げられ、特に制限されない。インバータ21としては、特に、出力する交番電圧の周波数を随時変更できるものが好ましい。

0016

図4に示すように、インバータ21は、例えば、AC/DC変換部211および高周波発生部212を有する。

0017

AC/DC変換部211は、交流電圧(AC)を直流電圧(DC)に変換する。 AC/DC変換部211では、図示しないダイオードなどにより、交流電圧(AC)が直流電圧(DC)に変換される。

0018

高周波発生部212は、AC/DC変換部211により変換された直流電圧を使用して、外部電源から入力される交番電圧の周波数よりも高い周波数を有する交番電圧を出力する。交番電圧は、例えば、IGBT絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、FET電界効果トランジスタ)などのスイッチングにより発生される。交番電圧の周波数は、通常、1〜20kHz程度が好ましい。

0019

トランス23は、気流発生装置16毎に設けられる。具体的には、翼15aの気流発生装置16a、16b、16cに対して、トランス23a、23b、23cが設けられる。同様に、翼15bの気流発生装置16d、16e、16fに対して、トランス23d、23e、23fが設けられ、翼15cの気流発生装置16g、16h、16iに対して、トランス23g、23h、23iが設けられる。

0020

トランス23は、インバータ21が発生する交番電圧が入力され、これよりも高い電圧値を有する交番電圧を出力する。出力される交番電圧の電圧値は、通常、数kVが好ましい。

0021

インバータ21およびトランス23は切替器22を介して接続される。切替器22は、風力発電装置10に1個設けられ、インバータ21から入力される交番電圧をトランス23の中から選ばれる特定のトランス23に出力する。

0022

切替器22は、例えば、トランス23と同数スイッチ素子を内蔵し、インバータ21と個々のトランス23との導通を個別に制御する。このような切替器22によれば、個々の気流発生装置16に交番電圧が印加される時間、および交番電圧が印加される周期を調整でき、個々の気流発生装置16を効果的に駆動できる。スイッチ素子の制御は、例えば、切替器22に内蔵された制御部により行われる。

0023

図5に示すように、気流発生装置用電源20は、例えば、ノーズコーン17の内部に設けられる。インバータ21、切替器22は、例えば、発電機の回転軸121の端部に設けられる。トランス23は、例えば、翼15の翼根部側の端面に設けられる。なお、翼15には、例えば、気流発生装置16と同数のトランス23が設けられる。

0024

インバータ21と切替器22との間、切替器22とトランス23との間は、接続導線24により接続される。インバータ21には、風力発電装置10の外部に配置される外部電源から図示しない接続導線により交番電圧が供給される。風力発電装置10における回転部と非回転部との間、例えば、発電機の回転軸121とこれ以外の部分との間における交番電圧の供給は、例えば、スリップリングなどの摺動型の伝達部を介して行われる。

0025

ノーズコーン17などの風力発電装置10の回転部に気流発生装置用電源20が設けられることにより、高周波かつ高圧の交番電圧が摺動型の伝達部に印加されることを抑制できる。これにより、気流発生装置16に安定して交番電圧が印加され、かつノイズの発生も抑制される。

0026

なお、気流発生装置用電源20は、ノーズコーン17の外部、例えば、翼15の内部または外部に設けられてもよい。また、気流発生装置用電源20は、翼15、ノーズコーン17などの回転部に設けられることが好ましいが、トランス23以外のもの、すなわちインバータ21および切替器22については回転部以外に設けられてもよい。回転部にトランス23が設けられていれば、摺動型の伝達部に高い電圧を有する交番電圧が印加されないことから、気流発生装置16に安定して交番電圧が印加され、かつノイズの発生も抑制される。

0027

図6は、切替器22のタイミングチャートを示す図である。
なお、スイッチ素子SWa〜SWiは切替器22に内蔵されており、スイッチ素子SWaにトランス23aが接続され、スイッチ素子SWbにトランス23bが接続され、以下同様にして、スイッチ素子SWc〜SWiにトランス23c〜23iが接続されている。

0028

スイッチ素子SWa〜SWiは、例えば、この順にON状態にされる。スイッチ素子SWiがON状態にされた後、再びスイッチ素子SWa〜SWiがこの順にON状態にされる。このようにしてインバータ21と導通するトランス23が切り替えられることで、1個のインバータ21により全てのトランス23に交番電圧が出力される。すなわち、1個のインバータ21により全ての気流発生装置16に交番電圧が印加される。

0029

図7は、気流発生装置16に印加される交番電圧の状態を示したものである。気流発生装置16には、交番電圧がパルス状に周期的に印加される。交番電圧が印加される周期(T)に対して実際に交番電圧が印加される時間であるパルス幅τ)の比(デューティ比、τ/T)は、1〜5%程度である。

0030

デューティ比が1〜5%程度であることから、インバータ21が実際に個々の気流発生装置16に交番電圧を印加する時間は短い。このようなことから、インバータ21と導通するトランス23が切り替えられることで、1個のインバータ21により、全てのトランス23に交番電圧を出力でき、結果として全ての気流発生装置16に交番電圧を印加できる。

0031

気流発生装置16には、最適な周波数(F)の交番電圧が印加されることが好ましい。最適な周波数(F)は、下記式(1)により求められる。
F=St×(2πn/60)×(Rn/Cn) ……(1)

0032

式中、Stはストロハル数、nは回転数(rpm)、Rnは代表半径、Cnは代表コード長を表す。代表半径(Rn)は、気流発生装置16の代表半径である。代表コード長(Cn)は、代表半径(Rn)における翼15のコード長である。

0033

式(1)から明らかなように、交番電圧の周波数(F)は、代表半径(Rn)および代表コード長(Cn)により変化する。すなわち、気流発生装置16の位置、特に翼15の長手方向における位置により変化する。このため、インバータ21は、切替器22の切り替え、特に導通先である気流発生装置16の位置(翼15の長手方向における位置)が変化するときの切り替えに合わせて、出力する交番電圧の周波数を変更することが好ましい。

0034

例えば、図3に示されるものにおいて、翼15aの長手方向における最も外側の段を1段目とした場合、1段目の気流発生装置16a、2段目の気流発生装置16b、3段目の気流発生装置16cは、翼15の長手方向における位置が異なる。このため、このような順に交番電圧を印加する場合には、インバータ21が発生する交番電圧の周波数を変更することが好ましい。

0035

同様に、翼15bの1段目の気流発生装置16d、2段目の気流発生装置16e、3段目の気流発生装置16fの順に交番電圧を印加する場合、および翼15cの1段目の気流発生装置16g、2段目の気流発生装置16h、3段目の気流発生装置16iの順に交番電圧を印加する場合についても、インバータ21が発生する交番電圧の周波数を変化させることが好ましい。

0036

なお、1段目の気流発生装置16a、16d、16gは、通常、代表半径(Rn)および代表コード長(Cn)が同一であることから、これらに印加される交番電圧の周波数は同一にできる。同様に、2段目の気流発生装置16b、16e、16hに印加される交番電圧の周波数は同一にでき、3段目の気流発生装置16c、16f、16iに印加される交番電圧の周波数は同一にできる。

0037

上記したように交番電圧の周波数が同一である気流発生装置16については、同時に交番電圧が印加されてもよい。例えば、図8に示すように、1段目の気流発生装置16a、16d、16gに対応するスイッチ素子SWa、SWd、SWgが同時にON状態にされた後、2段目の気流発生装置16b、16e、16hに対応するスイッチ素子SWb、SWe、SWhが同時にON状態にされ、さらに3段目の気流発生装置16c、16f、16iに対応するスイッチ素子SWc、SWf、SWiが同時にON状態にされてもよい。

0038

第1の実施形態の気流発生装置用電源20によれば、1個のインバータ21により全ての気流発生装置16に交番電圧が印加されることから、従来のように気流発生装置毎にインバータが設けられる場合に比べて、インバータ21の個数が減少する。これにより、気流発生装置用電源20が小型化される。

0039

なお、第1の実施形態においては、スイッチ素子SWa〜SWiがこの順にON状態にされる単位が繰り返して行われる場合について説明したが、繰り返しの単位内における順は必要に応じて変更できる。また、繰り返しの単位としては、2種以上が採用されてもよい。通常、繰り返しの単位内では、スイッチ素子SWa〜SWiが少なくとも1回はON状態にされることが好ましい。

0040

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態における風力発電装置について説明する。
なお、第2の実施形態の風力発電装置については、第1の実施形態の風力発電装置とは気流発生装置用電源の構成のみが異なることから、気流発生装置用電源についてのみ説明する。

0041

図9は、第2の実施形態における気流発生装置用電源を示す図である。
第2の実施形態における気流発生装置用電源40においては、翼15における長手方向の位置が同等となる気流発生装置16からなる群毎にトランス43が設けられている。

0042

具体的には、1段目の気流発生装置16の群、すなわち、翼15aの気流発生装置16a、翼15bの気流発生装置16d、および翼15cの気流発生装置16gからなる群に対して、1個のトランス43aが設けられている。

0043

同様に、2段目の気流発生装置16の群、すなわち、翼15aの気流発生装置16b、翼15bの気流発生装置16e、および翼15cの気流発生装置16hからなる群に対して、1個のトランス43bが設けられている。また、3段目の気流発生装置16の群、すなわち、翼15aの気流発生装置16c、翼15bの気流発生装置16f、および翼15cの気流発生装置16iからなる群に対して、1個のトランス43cが設けられている。

0044

3個のトランス43に対して、1個のインバータ41および1個の切替器42が設けられている。切替器42は、例えば、トランス43と同数のスイッチ素子を内蔵し、インバータ41と個々のトランス43との導通を個別に制御する。

0045

図10は、切替器42のタイミングチャートを示す図である。
なお、スイッチ素子SWa〜SWcは切替器42に内蔵されており、スイッチ素子SWaにトランス43aが接続され、スイッチ素子SWbにトランス43bが接続され、スイッチ素子SWcにトランス43cが接続されている。

0046

スイッチ素子SWa〜SWcは、例えば、この順にON状態にされる。スイッチ素子SWcがON状態にされた後、再びスイッチ素子SWa〜SWcがこの順にON状態にされる。このようにインバータ41と導通するトランス43が切り替えられることにより、1個のインバータ41により全てのトランス43に交番電圧が出力される。すなわち、1個のインバータ41により全ての気流発生装置16に交番電圧が印加される。

0047

第2の実施形態の気流発生装置用電源40によれば、翼15における長手方向の位置が同等となる気流発生装置16からなる群毎にトランス43が設けられることから、従来のように気流発生装置毎にトランスが設けられる場合に比べて、トランス43の個数が減少する。これにより、気流発生装置用電源40が小型化される。

0048

なお、第2の実施形態においては、スイッチ素子SWa〜SWcがこの順にON状態にされる単位が繰り返して行われる場合を示したが、繰り返しの単位内における順は必要に応じて変更できる。また、繰り返しの単位としては、2種以上が採用されてもよい。通常、繰り返しの単位内では、スイッチ素子SWa〜SWcが少なくとも1回はON状態にされることが好ましい。

0049

(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態における風力発電装置について説明する。
なお、第3の実施形態の風力発電装置については、第1の実施形態の風力発電装置とは気流発生装置用電源の構成のみが異なることから、気流発生装置用電源についてのみ説明する。

0050

図11は、第3の実施形態における気流発生装置用電源を示す図である。
第3の実施形態における気流発生装置用電源50においては、気流発生装置16毎にトランス53が設けられている。また、翼15毎にインバータ51および切替器52が設けられている。

0051

具体的には、翼15aに関して、1個のインバータ51a、1個の切替器52a、および3個のトランス53a、53b、53cが設けられている。同様に、翼15bに関して、1個のインバータ51b、1個の切替器52b、および3個のトランス53d、53e、53fが設けられ、翼15cに関して、1個のインバータ51c、1個の切替器52c、3個のトランス53g、53h、53iが設けられている。なお、インバータ51、切替器52、トランス53は、必ずしも翼自体に配置されている必要はなく、翼以外の部分に配置されてもよい。

0052

個々の翼15において、インバータ51と3個のトランス53とは切替器52を介して接続される。切替器52は、例えば、トランス53と同数のスイッチ素子を内蔵するものであり、インバータ51と個々のトランス53との導通を個別に制御する。

0053

図12は、切替器52のタイミングチャートを示す図である。
なお、スイッチ素子SWa〜SWcは、切替器52aに内蔵されるものであり、トランス53a〜53cに接続されている。スイッチ素子SWd〜SWfは、切替器52bに内蔵されるものであり、トランス53d、53e、53fが接続されている。スイッチ素子SWg、SWh、SWiは、切替器52cに内蔵されるものであり、トランス53g、53h、53iが接続されている。

0054

スイッチ素子SWa〜SWcは、例えば、この順にON状態にされる。スイッチ素子SWcがON状態にされた後、再びスイッチ素子SWa〜SWcがこの順にON状態にされる。同様に、スイッチ素子SWd〜SWfは、例えば、この順にON状態にされるとともに、これが繰り返して行われる。スイッチ素子SWg〜SWiは、例えば、この順にON状態にされるとともに、これが繰り返して行われる。

0055

第3の実施形態の気流発生装置用電源50によれば、翼15毎にインバータ51が設けられることから、従来のように気流発生装置毎にインバータが設けられる場合に比べて、インバータ51の個数が減少する。これにより、気流発生装置用電源50が小型化される。

0056

なお、第3の実施形態においては、スイッチ素子SWa〜SWcがこの順にON状態にされる単位、スイッチ素子SWd〜SWfがこの順にON状態にされる単位、スイッチ素子SWg〜SWiがこの順にON状態にされる単位が繰り返して行われる場合を示したが、繰り返しの単位内における順は必要に応じて変更でき、スイッチ素子SWa〜SWcの群、スイッチ素子SWd〜SWfの群、スイッチ素子SWg〜SWiの群毎に独立して変更できる。

0057

また、繰り返しの単位は2種以上が採用されてもよい。通常、スイッチ素子SWa〜SWcについての繰り返しの単位においては、スイッチ素子SWa〜SWcが少なくとも1回はON状態にされることが好ましく、スイッチ素子SWd〜SWfについての繰り返しの単位においては、スイッチ素子SWd〜SWfが少なくとも1回はON状態にされることが好ましく、スイッチ素子SWg〜SWiについての繰り返しの単位においては、スイッチ素子SWg〜SWiが少なくとも1回はON状態にされることが好ましい。

0058

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、インバータまたはトランスの数を減少させることにより、気流発生装置用電源を小型化できる。
以上、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。

0059

10…風車、11…タワー、12…ナセル、13…風向風速計、14…ロータ、15…翼、16…気流発生装置、17…ノーズコーン、20…気流発生装置用電源、21…インバータ、22…切替器、23…トランス、24…接続導線、40…気流発生装置用電源、41…インバータ、42…切替器、43…トランス、50…気流発生装置用電源、51…インバータ、52…切替器、53…トランス、161…第1の電極、162…第2の電極、163…誘電体、211…AC/DC変換部、212…高周波発生部。

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