JP5677344B2 - オゾン発生装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、オゾン発生装置に関する。

一般的なオゾン発生装置は、気密容器内に配置された誘電体電極と金属電極とを備え、誘電体電極と金属電極６との間には放電ギャップを形成するためのスペーサが挿入されている。ここで、誘電体電極の内面には導電膜が設けられている。

このようなオゾン発生装置において、ガス入口から気密容器内に導入された原料ガスは、誘電体電極と金属電極との間に形成された放電ギャップを流れ、ガス出口から流出される。
この原料ガスの導入と並行して誘電体電極と金属電極との間に高圧電源から交流高電圧をヒューズおよび高圧給電端子を介して印加すると、放電ギャップに誘電体バリア放電が形成され、オゾンが発生する。なお、誘電体バリア放電は単にバリア放電、あるいは無声放電と呼ばれることもある。

この誘電体バリア放電で発生する熱は、金属電極と気密容器とで形成された冷却水流路内に供給される冷却水により冷却される。これにより、放電ギャップのガス温度上昇を抑制し、効率的にオゾンが得られることとなっていた。

特開平１０−１８２１０９号公報

従来の一般的なオゾン発生装置では、放電ギャップ長ｄは０．６ｍｍ〜１．３ｍｍとされ、原料ガスである空気のガス圧ｐは０．１７〜０．２８ＭＰａ（絶対圧）とされていた。

ところで、原料ガスのガス圧ｐと放電ギャップ長ｄとの積は、一般にｐｄ積と呼ばれている。このｐｄ積を一定にすることで、放電の相似則が成立する。これは、ｐｄ積が放電ギャップ中のガス分子数を表すためである。

たとえば、放電ギャップ中を走行する電子の増倍は、ガスの電離係数αと放電ギャップ長ｄの積αｄで表され、
αｄ＝（α／ｐ）（ｐｄ）
と書き換えるとα／ｐは単一衝突による電離を表し、ｐｄ積は放電ギャップ中に含まれる分子数を表す。有名な放電開始電圧を与えるPaschenの法則が、ｐｄ積の関数であるのはこのためである。

これまで用いられてきた放電ギャップ長ｄは先にも述べたように０．６ｍｍ以上の領域にあり、この領域ではｐｄ積のオゾン発生効率に対する最適値は２０ｋＰａ・ｃｍ近くの一定値であり、オゾン発生効率のより一層の向上は困難であった。

本発明の目的は、より高いオゾン発生効率を達成することが可能なオゾン発生装置を提供することにある。

実施形態のオゾン発生装置は、乾燥空気を原料ガスとし、円筒状の高圧電極に対し、同軸に円筒状の低圧電極を配置し、前記高圧電極と前記低圧電極との間に誘電体を介して所定の高電圧を印加して放電させ、前記放電によりオゾンを発生させるオゾン発生装置において、放電ギャップ長ｄが０．３ｍｍ〜０.５ｍｍとされ、前記放電ギャップ長ｄと、前記原料ガスのガス圧ｐと、の積であるｐｄ積が６〜１６ｋＰａ・ｃｍであり、前記放電ギャップ長ｄと、前記原料ガスのガス圧ｐとが、次式を満たすように設定され、
（ｐｄ−２５０ｄ−３．１６） ^２ ＋１５０ｄ≦１２．５
前記高圧電極は、円筒状の誘電体の内周面に設けられており、前記低圧電極の内周面に、前記誘電体の外周面に当接し、当該誘電体との間で前記放電ギャップ長ｄを維持可能に当該低圧電極と同一材料で前記放電ギャップ長ｄに等しい高さの突起を複数設けている。
また、実施形態のオゾン発生装置は、乾燥空気を原料ガスとし、円筒状の高圧電極に対し、同軸に円筒状の低圧電極を配置し、前記高圧電極と前記低圧電極との間に誘電体を介して所定の高電圧を印加して放電させ、前記放電によりオゾンを発生させるオゾン発生装置において、放電ギャップ長ｄが０．３ｍｍ〜０.５ｍｍとされ、前記放電ギャップ長ｄと、前記原料ガスのガス圧ｐと、の積であるｐｄ積が６〜１６ｋＰａ・ｃｍであり、前記放電ギャップ長ｄと、前記原料ガスのガス圧ｐとが、次式を満たすように設定され、
（ｐｄ−２５０ｄ−３．１６） ^２ ＋１５０ｄ≦１２．５
前記高圧電極は、円筒状の誘電体の内周面に設けられており、前記誘電体の外周面に、前記低圧電極の内周面に当接し、当該低圧電極との間で前記放電ギャップ長ｄを維持可能に当該誘電体と同一材料で前記放電ギャップ長ｄに等しい高さの突起を複数設けている。

図１は、実施形態のオゾン発生装置の概要構成説明図である。 図２は、実施形態のオゾン発生装置におけるｐｄ積とオゾン発生効率の説明図である。 図３は、実施形態のオゾン発生装置におけるｐｄ積とオゾン発生効率のより詳細な説明図である。

次に実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態のオゾン発生装置の概要構成説明である。
実施形態のオゾン発生装置１０は、誘電体バリア放電式のオゾン発生装置として構成されている。
オゾン発生装置１０は、大別すると、オゾン発生装置本体１１と、このオゾン発生装置本体１１にヒューズ１２を介して電力を供給する高圧電源（高圧交流電源）１３と、を備えている。

オゾン発生装置本体１１は、気密容器１５を備えている。気密容器１５には、原料ガスが導入されるガス入口１６及び未反応の原料ガス及びオゾン（Ｏ_３）が導出されるガス出口１７が設けられている。
気密容器１５内には、円筒状の誘電体電極（第１電極）２１が配置されている。この誘電体電極２１の外周面に対向して、所定の放電ギャップ２２が保たれた状態で円筒状かつステンレス鋼製の金属電極（第２電極）２３が配置されている。

この金属電極２３の背面と気密容器１５との間には、冷却水が導入される冷却水入口２４と冷却水が導出される冷却水出口２５との間に冷却水流路２６が設けられている。
また、誘電体電極２１は、熱膨張係数の小さい石英ガラス等で形成された円筒状誘電体２１Ａを備えている。円筒状誘電体２１Ａの内周面には、導電電極２１Ｂが形成されている。この導電電極２１Ｂには、ヒューズ１２を介して高圧電源１３に接続された高圧給電端子２１Ｃが接続されている。

ここで、円筒状誘電体２１Ａは、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、高ケイ酸ガラス、アルミのケイ酸ガラス、セラミックスなどにより形成する。
また導電電極２１Ｂは、金、銀、銅、ステンレス、クロム、錫、亜鉛、ニッケルカーボンあるいはアルミニウムをスパッタリング、溶射、蒸着、無電解メッキ、電解メッキ、塗料塗布などにより形成する。

金属電極２３には、誘電体電極２１との間に放電ギャップ２２を形成するために複数の突起２３Ａが形成されている。
上記構成において、放電ギャップ２２の距離に相当する放電ギャップ長ｄは、従来の一般的なオゾン発生装置の放電ギャップ長である０．６ｍｍ〜１ｍｍよりも短い０．３ｍｍ〜０．５ｍｍに設定されている。

また、原料ガス（空気）の圧力である原料ガス圧ｐは、放電ギャップ長ｄと原料ガス圧ｐとの積であるｐｄ積が６〜１６ｋＰａ・ｃｍとされている。
さらに、本実施形態においては、原料ガス圧ｐ（ｋｐａ）とギャップ長ｄ（ｃｍ）とが次式を満たすように設定している。
（ｐｄ−２５０ｄ−３．１６）^２＋１５０ｄ≦１２．５
以下、より詳細に説明する。

図２は、実施形態のオゾン発生装置におけるｐｄ積とオゾン発生効率の説明図である。
図２において、横軸はｐｄ積（ｋＰａ）であり、縦軸はオゾン発生効率（ｇ／ｋＷｈ）である。
図２に示す例においては、オゾン濃度が４０ｇ／Ｎｍ^３であり、電力密度が３ｋＷ／ｍ^２一定の条件で放電ギャップ長ｄをパラメータにしてオゾン発生を行わせた場合のものである。

図２中、放電ギャップ長ｄ＝０．６ｍｍ、１．３ｍｍのグラフは、従来のオゾン発生装置による値を参考のため表示している。
図２に示すように、放電ギャップ長ｄ＝０．６ｍｍ、１．３ｍｍの従来のオゾン発生装置においては、オゾン発生効率に対するｐｄ積の最適値は２０ｋＰａ・ｃｍと、放電ギャップ長ｄに依存せず、ほぼ一定であることがわかる。

これに対し、より放電ギャップ長ｄが短い本実施形態のオゾン発生装置１０においては、放電ギャップ長ｄ＝０．５ｍｍ→放電ギャップ長ｄ＝０．４ｍｍ→放電ギャップ長ｄ＝０．３ｍｍと放電ギャップ長ｄがより短くなるとオゾン発生効率が上昇しながら、ｐｄ積の小さいほうにシフトしていっていることが分かる。
しかしながら、放電ギャップ長ｄ＝０．２ｍｍでは、ｐｄ積の最適値は７．６ｋＰａ・ｃｍまで下がるが、オゾン発生効率ηは、放電ギャップ長ｄ＝０．３ｍｍよりも小さくなってしまっていることが分かる。

したがって、図２によれば、高いオゾン発生効率η（＝６０ｇ／ｋＷｈ以上）を得るには、放電ギャップ長ｄが０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであり、原料ガスのガス圧ｐとの積であるｐｄ積が６〜１６ｋＰａ・ｃｍであることが分かる。
この範囲でオゾン発生効率η（ｇ／ｋＷｈ）は、原料ガスのガス圧ｐ（ｋＰａ）と放電ギャップ長ｄ（ｃｍ）を用いて（２）式を満たす必要があることが分かった。
η＝−（ｐｄ−２５０ｄ−３．１６）^２−１５０ｄ＋７９．５ …（２）

（２）式によれば、少なくとも最高オゾン発生効率７５ｇ／ｋＷｈよりオゾン発生効率ηが１０％低くなる６７ｇ／ｋＷｈを得るためには、
６７≦−（ｐｄ−２５０ｄ−３．１６）^２−１５０ｄ＋７９．５
を満たす必要がある。
すなわち、原料ガスのガス圧ｐ（ｋＰａ）と放電ギャップ長ｄ（ｃｍ）とを用いて、（３）式を満たすようにする必要がある。

（ｐｄ−２５０ｄ−３．１６）^２＋１５０ｄ≦１２．５ …（３）
以上の説明のように、本実施形態によれば、η＝６７ｇ／ｋＷｈ以上の高効率でオゾンを生成することが可能になる。

次により詳細に検討する。
図３は、実施形態のオゾン発生装置におけるｐｄ積とオゾン発生効率のより詳細な説明図である。
図３は、放電ギャップ長ｄ＝０．４ｍｍ一定としたときのオゾン発生効率ηを示している。
図３中、黒丸印（●）は実験値、実線は発明者らが開発したオゾン発生シミュレータのシミュレーション結果である。

ｐｄ積が１０ｋＰａ・ｃｍより小さい領域では、オゾンの生成反応が酸素原子Ｏと、酸素分子Ｏ_２と中性分子Ｍの衝突によってオゾンＯ_３が生成する（４）式で表される３体衝突反応が主要因となっている。
Ｏ＋Ｏ_２＋Ｍ→Ｏ_３＋Ｍ …（４）
すなわち、ガス圧が高いほど、高いオゾン発生効率が得られる。
そして、ｐｄ積が１０ｋＰａ・ｃｍ近辺でオゾン発生効率がほぼ一定となり、放電中のフィラメント放電とよばれる放電収縮によってガス温度上昇が増えるためオゾン発生効率は飽和から低下を示す。この反応は（５）式で示される。
Ｏ＋Ｏ_３→２Ｏ_２ …（５）

そして、温度上昇によって（５）式で表される反応が進み、オゾンが分解されていくこととなる。
ところで、本実施例のオゾン発生装置１０においては、放電ギャップ長ｄが０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであり、この放電ギャップ長ｄを精度よく実現させるためには、従来用いていた放電ギャップ（空間）に挿入するタイプのスペーサを用いることができない。
その理由は、スペーサ自身の厚さが０．１〜０．３ｍｍあり、従来のように円周状に巻きつけるとガス空間を埋めてしまうため、原料ガスが流れなくなり、オゾン発生ができなくなるからである。

そこで、図１に示したように、金属電極２３の表面に突起２３Ａを円周上に３点以上一体に形成したり、あるいは、誘電体電極２１を構成する円筒状誘電体２１Ａの表面に突起を円周上に３点以上一体に形成したりすることで、誘電体電極２１と、金属電極と２３と、を精度良く同軸に保持することが可能となっている。
上述の突起２３Ａについては、金属電極２３であるステンレス鋼製のパイプに金属エッジを押し付けて、つぶすことによって形成している。また、突起２３Ａの形成には金属電極であるパイプを押し出し整形する際、ダイスに一部切れ込みをいれることで突起を形成することも可能である。
また、誘電体電極２１を構成する円筒状誘電体２１Ａの表面に突起を設けるには、溶融した円筒状誘電体２１Ａと同材料のガラスを表面につけるようにすればよい。

また、本実施形態では、ｐｄ積が従来よりも小さい領域を用いることによって、従来よりも小さい０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの放電ギャップ長ｄであってもガス圧ｐを０．３ＭＰａより小さくすることが可能になっている。この結果、オゾン発生装置１０の気密容器１５（筐体）の厚さを薄くできるため、軽量で安価に、高い効率でオゾンを生成することが可能になる。

また、誘電体電極２１の円筒状誘電体２１Ａに導電電極２１Ｂを形成するに当たっては、ステンレス鋼をターゲットとするスパッタリング法によって形成している。
これにより、オゾンや放電の副生成物である硝酸発生があっても長期にわたって高圧側電極である誘電体電極２１の腐食をおさえ、安定したオゾン濃度で高効率オゾンを生成することが可能になる。
また、高圧電極である誘電体電極２１を、円筒状誘電体２１Ａとしての円筒ガラス内面にニッケルめっきによって形成することも可能である。

ところで、上述したオゾン発生装置１０では、放電電力密度Ｗ／Ｓは、（６）式により表すことができる。
Ｗ／Ｓ＝Ｃ_ｇ・ｆ・２Ｖ^＊｛２Ｖ_ｏｐ−（１＋Ｃ_０／Ｃ_ｇ）・２Ｖ^＊｝ …（６）

ここでＷは電力、ｆは電源周波数、Ｖ^＊は放電維持電圧、Ｖ_ＯＰは印加電圧、Ｃ０は単位面積あたりの放電ギャップの静電容量、Ｃｇは単位面積当たりのガラスの静電容量である。放電維持電圧Ｖ^＊は、（７）式により表される。
Ｖ^＊＝２０３ｐｄ＋９００−４００ｅｘｐ（−ｐｄ／６．６６） …（７）
したがって、放電維持電圧Ｖ^＊は、ｐｄ積の関数となる。
すなわち、放電維持電圧Ｖ^＊はｐｄ積に比例の関係となっている。

上述したように、従来のオゾン発生装置の放電ギャップ長ｄ＝１．３ｍｍ、０．６ｍｍでは、オゾン発生効率に対するｐｄ積の最適値は２０ｋＰａ・ｃｍとほぼ一定であった。
しかしながら、実施形態のオゾン発生装置１０によれば、放電ギャップ長ｄを０．３ｍｍ〜０．５ｍｍに小さくし、原料ガスのガス圧ｐとの積であるｐｄ積を６〜１６ｋＰａ・ｃｍとしている。このｐｄ積は従来の０．３〜０．８倍と小さくなる。したがって（７）式の放電維持電圧は最小で０．３倍となる。

上述した（６）式で求めることができる放電電力密度Ｗ／Ｓを本実施形態においても、用いる必要がある。その理由は、装置容積が放電電力密度Ｗ／Ｓに比例するため、同じ冷却容量を用いた場合、同一の放電電力密度Ｗ／Ｓ以上とする必要があるからである。

そして、放電電力密度Ｗ／Ｓを同量以上、投入するには電源周波数を従来の１ｋＨｚより高くする必要がある。具体的には、その電源周波数の範囲は１ｋＨｚ〜３．５ｋＨｚにすることが必要となる。ここで、一般に電源周波数は１０ｋＨｚ以上とすると電波を発生するようになるが、本周波数帯域とすることで電源の発生する電波ノイズを抑制し、高効率オゾンを生成することが可能になる。

そして、生成されたオゾンガスＯ_３は、例えば、水にバブリングすることにより、オゾン水を形成することが可能である。すなわち、実施形態にかかるオゾン発生装置１０を用いて形成されたオゾンあるいはオゾン水は、例えば水処理技術などに適用し、処理されるべき水の脱臭、脱色、及び殺菌等に使用することができる。

本実施形態によれば、原料ガスのガス圧ｐ（ｋＰａ）と放電ギャップ長ｄ（ｃｍ）とを用いて、次式を満たすようにしているため、高効率でオゾンを生成することが可能になる。
（ｐｄ−２５０ｄ−３．１６）^２＋１５０ｄ≦１２．５

また、原料ガスの圧力ｐを０．３ＭＰａより小さくすることによってよりコンパクトで安価な高効率オゾンを生成することが可能になる。
さらに、高圧電極である誘電体電極２１の導電電極２１Ｂを形成するに際して、円筒ガラス内面に導体をターゲットとするスパッタリング法によって形成することによって安定したオゾン濃度で高効率オゾンを生成することが可能になる。特に、高圧電極が誘電体電極２１の円筒状誘電体２１Ａの内面にステンレス鋼をターゲットとするスパッタリング法によって形成することによって耐食性に優れ、安定したオゾン濃度で高効率オゾンを生成することが可能になる。

また、高圧電極が誘電体である同軸円筒ガラス内面に導体をめっきして形成してもよい。
特に、高圧電極が誘電体である同軸円筒ガラス内面にニッケルをめっきして形成することによって耐食性に優れ、安定したオゾン濃度で高効率オゾンを生成することが可能になる。
また、高圧電源１３の電源周波数を１ｋＨｚ〜３．５ｋＨｚとすることができるので、高圧電源１３の発生する電波ノイズが本質的に抑制された状態で、高効率オゾンを生成することが可能になる。

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。

１０ オゾン発生装置
１１ オゾン発生装置本体
１２ ヒューズ
１３ 高圧電源
１５ 気密容器
１６ ガス入口
１７ ガス出口
２１ 誘電体電極
２１Ａ 円筒状誘電体
２１Ｂ 導電電極
２１Ｃ 高圧給電端子
２２ 放電ギャップ
２３ 金属電極
２３Ａ 突起
２４ 冷却水入口
２５ 冷却水出口
２６ 冷却水流路
７５ｇ 最高オゾン発生効率
ｄ 放電ギャップ長
ｐ ガス圧（原料ガス圧）

Claims (8)

1. 乾燥空気を原料ガスとし、円筒状の高圧電極に対し、同軸に円筒状の低圧電極を配置し、前記高圧電極と前記低圧電極との間に誘電体を介して所定の高電圧を印加して放電させ、前記放電によりオゾンを発生させるオゾン発生装置において、
   放電ギャップ長ｄが０．３ｍｍ〜０.５ｍｍとされ、
   前記放電ギャップ長ｄと、前記原料ガスのガス圧ｐと、の積であるｐｄ積が６〜１６ｋＰａ・ｃｍであり、
   前記放電ギャップ長ｄと、前記原料ガスのガス圧ｐとが、次式を満たすように設定され、
   （ｐｄ−２５０ｄ−３．１６） ^２ ＋１５０ｄ≦１２．５
   前記高圧電極は、円筒状の誘電体の内周面に設けられており、
   前記低圧電極の内周面に、前記誘電体の外周面に当接し、当該誘電体との間で前記放電ギャップ長ｄを維持可能に当該低圧電極と同一材料で前記放電ギャップ長ｄに等しい高さの突起を複数設けた、
   オゾン発生装置。
2. 乾燥空気を原料ガスとし、円筒状の高圧電極に対し、同軸に円筒状の低圧電極を配置し、前記高圧電極と前記低圧電極との間に誘電体を介して所定の高電圧を印加して放電させ、前記放電によりオゾンを発生させるオゾン発生装置において、
   放電ギャップ長ｄが０．３ｍｍ〜０.５ｍｍとされ、
   前記放電ギャップ長ｄと、前記原料ガスのガス圧ｐと、の積であるｐｄ積が６〜１６ｋＰａ・ｃｍであり、
   前記放電ギャップ長ｄと、前記原料ガスのガス圧ｐとが、次式を満たすように設定され、
   （ｐｄ−２５０ｄ−３．１６） ^２ ＋１５０ｄ≦１２．５
   前記高圧電極は、円筒状の誘電体の内周面に設けられており、
   前記誘電体の外周面に、前記低圧電極の内周面に当接し、当該低圧電極との間で前記放電ギャップ長ｄを維持可能に当該誘電体と同一材料で前記放電ギャップ長ｄに等しい高さの突起を複数設けた、
   オゾン発生装置。
3. 前記高圧電極は、前記誘電体の内周面に導体をターゲットとするスパッタリング法によって形成されている、
   請求項１又は請求項２記載のオゾン発生装置。
4. 前記導体は、ステンレス鋼である請求項３に記載のオゾン発生装置。
5. 前記高圧電極は、前記誘電体の内周面に導体をめっきして形成されている、
   請求項１又は請求項２記載のオゾン発生装置。
6. 前記導体は、ニッケルである請求項５に記載のオゾン発生装置。
7. 前記原料ガスのガス圧ｐが０．３ＭＰａより小さく設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のオゾン発生装置。
8. 前記高電圧を印加する高圧電源の電源周波数は１ｋＨｚ〜３．５ｋＨｚとされている、
   請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のオゾン発生装置。

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