JP2014118342A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】力率の向上を図り、オゾンを効率よく生成する。
【解決手段】実施形態のオゾン発生装置は、第１電極と第２電極との間に、誘電体及び所定長の放電ギャップを介して所定の高電圧を印加して放電ギャップ中を流れる原料ガスに放電させ、オゾンを発生させるオゾン発生装置である。そして、誘電体の静電容量Ｃｄと、放電ギャップの静電容量Ｃａとが、Ｃｄ＞Ｃａを満たすように、誘電体の厚さ及び放電ギャップ長が設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、オゾン発生装置に関する。

一般のオゾン発生装置においては、ガラス等の誘電体に導電膜を配置した高電圧電極と冷却機能を有している接地側の金属電極との間に放電ギャップを設け、この電極間に酸素を含むオゾン原料ガスを流し、ＡＣ高電圧を印加することにより放電ギャップに誘電体バリア放電が発生して、オゾン化ガスが生成される。誘電体バリア放電は無声放電と呼ばれることもある。

オゾンは熱に弱く、せっかく発生させても、熱で分解されてしまうので、誘電体バリア放電で生じる発熱は、接地側の冷却機能により抑制し、オゾン分解を抑えて、オゾン発生効率の低下を防いでいる。
近年になり、電力密度Ｗ／Ｓが高くなり、また、生成するオゾンの高濃度化により、放電ギャップを短縮化することで冷却効果を高めている。放電空間の平均的な温度上昇ΔＴは、
ΔＴ＝（１／（３・ｋ））×（Ｗ／Ｓ）×ｄ
で表される。
ここで、ｋはガスの熱伝導率、Ｗは放電電力、Ｓは放電面積、ｄは放電ギャップを示す。

特開平１０−１８２１０９号公報

しかしながら、従来のオゾン発生装置においては、必ずしも、交流電源の力率（皮相電力に対する有効電力の割合）は高くなく、投入電力量に対するオゾン発生の効率が低くなっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、力率の向上を図り、オゾンを効率よく生成することが可能なオゾン発生装置を提供することを目的としている。

実施形態のオゾン発生装置は、第１電極と第２電極との間に、誘電体及び所定長の放電ギャップを介して所定の高電圧を印加して放電ギャップ中を流れる原料ガスに放電させ、オゾンを発生させるオゾン発生装置である。
そして、誘電体の静電容量Ｃｄと、放電ギャップの静電容量Ｃａとが、
Ｃｄ＞Ｃａ
を満たすように、誘電体の厚さ及び放電ギャップ長が設定されている。

図１は、第１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、無声放電発生前のオゾン発生装置の放電部の等価回路の説明図である。 図３は、無声放電が発生したときのオゾン発生装置の放電部の等価回路の説明図である。 図４は、放電部のインピーダンスベクトルの説明図である。 図５は、第２実施形態のオゾン発生装置の概要構成説明図である。

次に実施形態について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態のオゾン発生装置の概要構成説明図である。
第１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、ステンレス製の第１電極（電源側電極）１１と、同じくステンレス製の第２電極（接地側電極）１２と、第２電極１２と対向させて、第１電極１１側に配置された誘電体バリア（誘電体）１３と、を備えている。ここで、誘電体バリア１３は、熱膨張係数の小さい誘電体（例えば、石英ガラス）であることが望ましい。また、誘電体バリア１３の第１電極１１と対向する面には、導電膜１３Ａが形成されている。

ここで、第２電極１２と、誘電体バリア１３との間は、スペーサ１４により放電ギャップ長ｄだけ離間されて、放電ギャップＧを形成している。さらに放電ギャップ長ｄは、供給される原料ガスのガス圧力（絶対圧）をｐとした場合に、それらの積ｐ・ｄが所望の値（例えば、放電ギャップ長ｄ＝０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであり、原料ガスが空気である場合には、７〜１６ｋＰａ・ｃｍ）となるように設定されている。

また、第１電極１１には、高電圧交流電源１５が過電流遮断素子（例えば、ヒューズ）１６を介して接続され、第２電極１２は、接地されている。
上記構成において、第１電極１１、第２電極１２、誘電体バリア１３及びスペーサ１４は、気密容器１７内に収納されている。

上記構成において、高電圧交流電源１５により交流高電圧を第１電極１１と、第２電極１２と、の間に印加すると、誘電体バリア１３と、第２電極１２との間で誘電体バリア放電が発生する。

このとき、第１電極１１と第２電極１２との間、より詳細には、誘電体バリア１３と第２電極１２との間には、原料ガスとしての空気がガス入口配管２１によって供給されている。このとき、第２電極１２は、発生したオゾンが分解されないように、冷却水入口配管２２から供給された冷却水ＣＷにより冷却している。そして、冷却後の冷却水ＣＷは冷却水出口配管２３を介して気密容器１７外に排出される。

そして、第２電極１２と誘電体バリア１３の間で発生した誘電体バリア放電により、空気からオゾンガス（Ｏ_３ガス）が生成され、ガス出口配管２４を介して電極外に排出される。
そして生成されたオゾンガスあるいはこのオゾンガス水とバブリングすることにより得られるオゾン水は、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で、より効率的にこれらの処理を行うことができる。

図２は、無声放電発生前のオゾン発生装置の放電部の等価回路の説明図である。
無声放電が形成されるまでのオゾン発生器の放電部の等価回路はキャパシタの直列回路である。誘電体の静電容量Ｃｇ及び放電ギャップの静電容量Ｃａは、それぞれ次式で表される。
Ｃｇ＝εｇ・Ｓ／ｄｇ ……（１）
Ｃａ＝εａ・Ｓ／ｄａ ……（２）
ここで、εｇは誘電体バリア１３の誘電率、Ｓは放電面積、ｄｇは誘電体バリア１３の厚さで、εａは、放電ギャップＧの誘電率、ｄａは放電ギャップＧのギャップ長である。

図３は、無声放電が発生したときのオゾン発生装置の放電部の等価回路の説明図である。
図４は、放電部のインピーダンスベクトルの説明図である。
無声放電が発生したときのオゾン発生装置１０の放電部は、抵抗とキャパシタの直列回路（ＲＣ直列回路）として表される。
このとき、リアクタンスをＸｃとし、抵抗をＲ、放電部のインピーダンスをＺとしたときの抵抗とキャパシタの直列回路のインピーダンスベクトルは、図４に示すようになる。

すなわち、高電圧交流電源１５から見たときの放電部の力率はｃｏｓθで表されるので、電源の小型化を図るために放電部の力率を上げるには、ｔａｎθを小さくすればよい。
ここで、抵抗Ｒは、放電ギャップ長ｄによって定まるので、放電ギャップ長ｄを一定とした場合、放電部の力率を上げるには、リアクタンスＸｃを小さくすればよいことになる。

ところで、リアクタンスＸｃは以下のように表される。
Ｘｃ＝１／（ω・Ｃｇ）
ここで、ωは角周波数である。
したがって、リアクタンスＸｃを小さくするには、誘電体バリア１３の誘電率εｇを大きくすればよく、（１）式より、誘電体バリア１３の厚さｄｇを薄くすればいいことがわかる。

以上より、オゾン発生装置１０の高効率化には、放電ギャップ長ｄを短くすること（放電ギャップＧの静電容量Ｃａが大きくなる）が重要であるとともに、誘電体バリア１３の厚さｄｇを薄くすることが重要である。
具体的には、放電ギャップ長ｄとしては、オゾン発生効率の観点から、ｄ≦０．６ｍｍとするのが好ましい。また誘電体バリア１３の厚さｄｇとしては、ｄｇ＜１．８ｍｍとするのが好ましい。

そして、誘電体の静電容量Ｃｇと放電ギャップＧの静電容量Ｃａの関係はＣｇ＞Ｃａとすることにより、高電圧交流電源１５により印加される全電圧に対して、放電ギャップＧ間に印加される電圧の割合が高くなり、高電圧交流電源１５の力率が向上し、オゾン発生装置１０、ひいては、オゾン発生装置１０を有するオゾン発生システム全体の効率が向上する。
以上の説明のように、本第１実施形態によれば、電源の力率が向上し、オゾン発生装置、ひいては、オゾン発生装置を有するオゾン発生システム全体の効率が向上する。

［２］第２実施形態
図５は、第２実施形態のオゾン発生装置の概要構成説明図である。
図５において、図１の第１実施形態と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
実施形態のオゾン発生装置１０Ｘ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１０Ｘは、円筒状の誘電体電極である第１電極（電源側電極）１１Ｘと、この誘電体電極１１Ｘの外周面に対向して、所定の放電ギャップＧが保たれた状態で円筒状かつステンレス鋼製の第２電極１２Ｘが配置されている。この第２電極１２Ｘの背面と気密容器１７との間には、冷却水が導入される冷却水入口配管２２と冷却水ＣＷが導出される冷却水出口配管２３との間に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１３Ｘを備えている。円筒状誘電体１３Ｘの内周面には、導電電極１３ＸＡが形成されている。この導電電極１３ＸＡには、過電流遮断素子（例えば、ヒューズ）１６を介して高電圧交流電源１５に接続された高圧給電端子１３ＸＢが接続されている。

ここで、円筒状誘電体１３Ｘ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１３ＸＡ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。

ここで、第２電極１２Ｘと、円筒状誘電体１３Ｘとの間は、スペーサ１４により放電ギャップ長ｄだけ離間されて、放電ギャップＧを形成している。この場合において、スペーサ１４は、第２電極１２Ｘとは別体に設けているが、第２電極１２Ｘに微少な突起を設けるように構成することも可能である。

さらに放電ギャップ長ｄは、供給される原料ガスのガス圧力（絶対圧）をｐとした場合に、それらの積ｐ・ｄが所望の値（例えば、放電ギャップ長ｄ＝０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであり、原料ガスが空気である場合には、７〜１６ｋＰａ・ｃｍ）となるように設定されている。

本第２実施形態においても、放電部の力率を上げるには、リアクタンスＸｃを小さくすればよいことになるので、リアクタンスＸｃを小さくするには、円筒状誘電体１３Ｘの誘電率εｇを大きくすればよく、上述した（１）式より、円筒状誘電体１３Ｘの厚さｄｇを薄くすればいいことがわかる。

また、オゾン発生装置１０Ｘの高効率化には、放電ギャップ長ｄを短くすること（放電ギャップＧの静電容量Ｃａが大きくなる）が重要である。

具体的には、放電ギャップ長ｄとしては、オゾン発生効率の観点から、ｄ≦０．６ｍｍとするのが好ましい。また円筒状誘電体１３Ｘの厚さｄｇとしては、ｄｇ＜１．８ｍｍとするのが好ましい。

そして、誘電体の静電容量Ｃｇと放電ギャップＧの静電容量Ｃａの関係はＣｇ＞Ｃａとすることにより、高電圧交流電源１５により印加される全電圧に対して、放電ギャップＧ間に印加される電圧の割合が高くなり、高電圧交流電源１５の力率が向上し、オゾン発生装置１０Ｘ、ひいては、オゾン発生装置１０Ｘを有するオゾン発生システム全体の効率が向上する。

以上の説明のように、本第２実施形態によっても、第１実施形態と同様に、電源の力率が向上し、オゾン発生装置、ひいては、オゾン発生装置を有するオゾン発生システム全体の効率が向上する。

［３］実施形態の変形例
［３．１］第１変形例
以上の各実施形態においては、原料ガスとして空気を用いていたが、酸素濃度９０％以上の原料ガスを用いることで、より高濃度のオゾンを発生させることができ、オゾン発生システムの効率を向上することができる。

［３．２］第２変形例
以上の説明においては、誘電体バリア１３あるいは円筒状誘電体１３Ｘの厚さｄｇを薄くすることで、リアクタンスＸｃを小さくする構成を採っていたが、誘電体バリア１３あるいは円筒状誘電体１３Ｘの厚さを薄くするにしても耐電圧上の限界があるため、厚さｄｇを薄くするのに代えて、あるいは、加えて、上述した（１）式から分かるように誘電体バリア１３のあるいは円筒状誘電体１３Ｘの誘電率εｇを高くする（具体的には、誘電率εｇ≧６とするのが力率向上の観点から有効である）ように構成することも可能である。

［３．３］第３変形例
以上の第１実施形態及び第２実施形態においては、単純にオゾン発生装置外部から原料ガスである空気を供給する構成を採っていたが、蒸発器を設け、液体酸素を気化させて得られる酸素ガスを原料ガスとして供給するようにすることも可能である。

［３．４］第４変形例
以上の説明においては、電源として高電圧交流電源を用いていたが、パルス電源を用いるように構成することも可能である。

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、１０Ｘ オゾン発生装置
１１ 第１電極（平板電極）
１１Ｘ 誘電体電極
１２ 第２電極（平板電極）
１２Ｘ 第２電極（円筒電極）
１３ 誘電体バリア
１３Ａ 導電膜
１３Ｘ 円筒状誘電体
１３ＸＡ 導電電極（円筒電極）
１３ＸＢ 高圧給電端子
１４ スペーサ
１５ 高電圧交流電源
１６ 過電流遮断素子
１７ 気密容器
２１ ガス入口配管
２２ 冷却水入口配管
２３ 冷却水出口配管
２４ ガス出口配管

Claims (7)

1. 第１電極と第２電極との間に、誘電体及び所定長の放電ギャップを介して所定の高電圧を印加して前記放電ギャップ中を流れる原料ガスに放電させ、オゾンを発生させるオゾン発生装置において、
   前記誘電体の静電容量Ｃｇと、前記放電ギャップの静電容量Ｃａとが、
   Ｃｇ＞Ｃａ
   を満たすように、前記誘電体の厚さ及び前記放電ギャップ長が設定されている、
   オゾン発生装置。
2. 前記誘電体として、
   前記誘電体の静電容量Ｃｇと、前記放電ギャップの静電容量Ｃａとが、
   Ｃｇ＞Ｃａ
   を満たす誘電率を有する誘電体を用いた、
   請求項１記載のオゾン発生装置。
3. 前記第１電極及び前記第２電極は、それぞれ平板電極として構成されている、
   請求項１又は請求項２記載のオゾン発生装置。
4. 前記第１電極は円筒電極として構成され、
   前記第２電極は、前記第１電極と同軸に配置された円筒電極として構成されている、
   請求項１又は請求項２記載のオゾン発生装置。
5. 前記所定長を０．６ｍｍ以下とされている、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のオゾン発生装置。
6. 前記所定長を、より好ましくは、０．３ｍｍ〜０.５ｍｍとされている、
   請求項５記載のオゾン発生装置。
7. 前記誘電率が６以上とされている、
   請求項２記載のオゾン発生装置。

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