JP2002029709A - オゾン製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】窒素酸化物を含まないオゾンの製造方法および
装置を提供することを目的とする。 【解決手段】円筒状金属管の内部又は２枚の平行な板状
金属板の間に一本または複数本の金属細線を配設し、金
属細線を負極、金属管または板状金属板を正極としてコ
ロナ放電を発生せしめ、金属管内又は平行金属板の間に
空気を導入してオゾンを製造する方法に於いて、金属細
線の長さ又は／及び印加する電圧を調節して放電電流密
度を０．０２ｍＡ／ｃｍ以下に抑えたことにより窒素酸
化物を含まないオゾンを製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気を原料とし、
コロナ放電によるオゾン製造方法において、その際、空
気中に含まれる窒素の酸化反応による窒素酸化物の生成
を抑え、効率よくオゾンを製造する方法に関する。

【０００２】

【従来技術】現在オゾンは上水道の殺菌から家庭用の冷
蔵庫、空気清浄機に至る多くの殺菌の目的に利用されて
いるが、これは通常の化学反応ではなく、空気中放電に
よるオゾナイザーと言われる次のような構造を持つ装置
により一般に製造されている。即ち、２つの同心円状に
設置した金属管又は２枚の金属平板の、それぞれの間隙
の少なくとも一方の表面をガラスまたはセラミックなど
の誘電体で覆い数ｍｍ以下の間隙に交流の高電圧を印加
し、その場合発生する無声放電またはバリア放電の放電
空間に酸素を含む気体を流入させてオゾンを発生せしめ
たり、時には流入気体とオゾンの混合気よりオゾンのみ
分離して高濃度のオゾンを得る方法である。また、それ
とは別に間隙の空間に放電せしめる方法ではなくセラミ
ックス円筒や平板２枚の内面と外面に金属板を貼り付け
て両電極となし、両極間に交流の高電圧を印加したとき
セラミックス面上に発生する沿面放電を利用したオゾン
発生方法もある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法は原料として空気を使ったとき発生オゾンの１〜
３％の窒素酸化物所謂ＮＯｘが副生し、特に沿面放電の
ものはさらに著しくＮＯｘが生成する。もし湿った空気
を原料とした場合はこれらの窒素酸化物は加水分解によ
って硝酸となり、電極を腐食したまま電極内に蓄積して
絶縁破壊を起こす等多くの問題を抱えている。特に大量
のオゾンを製造する場合は原料として空気を使用せず空
気中の窒素を予め取り除いて高濃度の酸素とし、これを
原料とする事により窒素酸化物が生成しない方法が用い
られ、また予め原料の気体を冷却して水分を除く等、原
料になる気体の精製に多額に費用を必要としている。一
方家庭で使用する殺菌用のオゾン発生では極めて少量の
オゾンを長時間安定に供給する事が求められ、たとえば
脱臭目的に利用されるオゾン発生装置はオゾンの収率は
全く関係なく、如何に装置が安いか、長時間連続して使
えるか、安全かどうかが問題であり、原料の空気は精製
することなく、そのままを使用するのが最も好ましい。

【０００４】特に最近は環境に与える化学物質の影響が
社会問題として大きく取り上げられクロル化合物の燃焼
により発生するダイオキシン問題が常に新聞紙上を賑わ
しているが、ＮＯｘについてもかなり以前からオキシダ
ント公害の元凶として大気汚染の最たるものであり、発
生源である焼却炉、廃気ガスへの対応が求められて来た
事は周知の事実である。従って、空気を原料として放電
によってオゾンを製造する際、極力副生成物である窒素
酸化物の生成を抑える必要がある。本発明は空気を原料
とし、コロナ放電によってオゾンを製造する際に空気中
に含まれる窒素の酸化反応を抑止し副生成物である窒素
酸化物の生成を抑え、効率よくオゾンを製造する方法を
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、円筒状
金属管の内部又は２枚の平行な板状金属板の間に一本ま
たは複数本の金属細線を配設し、金属細線を負極、金属
管または板状金属板を正極としてコロナ放電を発生せし
め、金属管内又は平行金属板の間隙に空気を導入してオ
ゾンを製造する方法に於いて、常温において、金属細線
の長さ又は／及び印加する電圧を調節して放電電流密度
を０．０２ｍＡ／ｃｍ以下に抑えたことを特徴とする窒
素酸化物を含まないオゾンの製造方法である。本発明者
等は先にアンモニア、ＮＯ_X或いはＮＯ₂等の悪臭ガス成
分を含有した空気をコロナ放電によって還元して悪臭ガ
ス成分を除去する方法を見いだし特許申請を行った（特
願平１１−３５５５７８号参照）。この特許出願では金
属細線（単に細線ということがある。）として、予め悪
臭成分の除去触媒として黒色酸化ニッケル担体を表面に
塗布した金属細線を使用すること、及び金属細線を加熱
することを推奨しているが、その後の研究により、常温
において放電電流密度を０．０２ｍＡ／ｃｍ以下に抑
え、又、金属細線に塗布したオゾン分解触媒を使用しな
いことによって、窒素酸化物、一般にＮＯｘと言われて
いるものを生成しないか、殆ど生成することなく、オゾ
ンを発生するのであって、このオゾンは特に少量、また
は微量のオゾンを連続的に供給するのに適しており、従
って、家庭内の脱臭や冷蔵庫の殺菌には極めて良好なオ
ゾン供給源として利用できるのである。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の概要を図１をもっ
て示す。両端が絶縁物２によって塞がれたステンレス製
の円筒状金属管１の一方の端部近傍に空気導入口４を、
他端近傍に排出口５を設ける。円筒状金属管１の中央に
金属細線３を位置せしめる。金属細線の直径は約５０ミ
クロンであり、材質は金属なら何を使用しても良いがタ
ングステンが腐食のない事や硬度が大で真直ぐな線が得
られやすいので最も好ましい。次に空気導入口４より空
気を導入し、金属細線を負、金属管１が正となるように
高圧の直流を印加し電圧を調整してフィラメント放電を
起こす前段階の状態にすれば細線の表面が光るいわゆる
コロナ放電の状態になる。そのままこの状態を持続する
ように、電圧若しくは／及び細線の長さを調整する。こ
の場合はオゾンのみ発生し窒素酸化物の生成はしない
か、極めて少ない。特に放電電流から放電電流密度を算
出し０．０２ｍＡ／ｃｍを限界としてこの数値以下の場
合は窒素酸化物を生成しない。本発明はこの知見に基づ
いてなされたものである。

【０００７】原料空気の導入方法は別にファンや大きな
ポンプに類するものは必要なく、熱帯魚水槽に使用する
超小型の振動膜型の空気ポンプや温度勾配による自然対
流でも十分である。この場合、細線と金属管の間隙は３
ｍｍ〜１５ｍｍ程度が好ましく、間隙が大きくなると印
加電圧が高くなり装置と電源が大きくなる。単細線電極
の場合、細線の直径が５０ミクロン、長さ２００ｍｍの
場合では、印加電圧は３２００Ｖ、放電電流は０．３ｍ
Ａであればコロナ放電電流密度は０．０１５ｍＡ／ｃｍ
である。放電電流密度Ａｄは、電極の長さ１０ｍｍ（１
ｃｍ）当たりの電流値であり、実際に流れた電流値を細
線の長さで除したもので、次の一般式で表される。 Ａｄ＝Ａ／Ｌ Ａ：電流（アンペア） Ｌ：サイ線の長さ（ｃｍ） すなわち直径５０ミクロン、長さ（Ｌ）２００ｍｍの電
極で、負コロナ放電電流が０．３ｍＡの場合その電流密
度は０．０１５ｍＡ／ｃｍとなる。図２に単細線長さ２
７５ｍｍの単細線に放電電流０．２５ｍＡ迄の電流を流
して負コロナ放電を発生させた場合、放電電流に対する
オゾン生成量を示す。なお因みに放電電流０．２５ｍＡ
の放電電流密度は０．００９ｍＡ／ｃｍである。使用す
る電源は、直流及び交流の何れも使用できる。交流の場
合は直流に比して効率は落ちる。即ち、６０Ｈｚの交流
の場合、金属細線の正負が交互に一秒６０回変わるが、
オゾンは細線が負の時に多く生成し、正の時は少ない。
金属細線が正の場合生成するオゾンは負の約１／１０で
あり、これが連続するために直流に比べてオゾンの生成
量は少ない。因みに細線が正の場合は負の場合と比較し
て窒素酸化物の発生は避けられず、その比較を行ったデ
ータを図３に示す。図３における条件は単細線の長さは
２７５ｍｍであり、放電電流を０〜２ｍＡの範囲で変化
させた。放電電流が０．５ｍＡの時の電流密度は０．０
１８ｍＡ／ｃｍ（＝０．５÷２７．５）であり、放電電
流が０．６ｍＡの時の電流密度は０．０２１８ｍＡ／ｃ
ｍ（＝０．６÷２７.５）である。図において、◎は交
流の場合に発生する窒素酸化物であり、○は直流の場合
に発生する窒素酸化物である。 この図より、電流密度
限界０．０２ｍＡ／ｃｍ以上であると、交流の場合僅か
であるが、窒素酸化物が生成し始める。本発明の要点
は、窒素分子の解離エネルギーが９．８ｅＶであるのに
対して酸素の場合は５．３ｅＶで窒素よりも低い事を利
用したものであり、電子エネルギーの調節をコロナ放電
が発生する細線の長さによって調節する事にある。長さ
が限定されたものについては印加電圧で調整する。また
細線の直径が３０ミクロン以下でも構わないが機械的な
強度が低下して金属円筒や平行金属板の中に配置するの
が困難になり、２５０ミクロンを超えると放電電流の調
整が困難になり、安定なコロナ放電を保つのが難しい。
従って本発明で使用する金属細線の径は、好ましくは３
０ミクロンから２５０ミクロンであり、最も好ましいの
は５０ミクロンから１５０ミクロンである。

【０００８】次に細線の数を増やして複細線にすると、
さらに効率よくオゾンを生成する事が出来る。この場合
について説明する。図４（1）は金属管の内部に径の小
さい金属管を配置し、両金属管の間隙に複数の細線（図
では６本）封入した場合、図４（２）は金属管の内部に
径の小さい複数の金属管（図では６本）を配置し、各金
属管内に細線を１本宛封入した場合である。図４（３）
は平行金属板の両端部を封じ、金属板間の間隙の複数の
細線を並列に配置した場合である。なお、この場合、金
属細線だけではなく同じ太さの金属細線、好ましくはタ
ングステン線で作られた網を中心に配設しても良い。こ
のような複細線の場合は通電方法として、直列に通電し
ても並列に通電しても構わないが、直列の場合は当然電
圧を高くする必要がある。

【０００９】以上のようなオゾン生成装置は窒素酸化物
を副生しないから環境上でも極めて大きな利点があり、
特に家庭において使用されるものには最適である。家庭
用で使用する殺菌や消臭装置ではオゾンを多量に必要と
しない。したがって家庭の下駄箱や洋服ダンス内部の脱
臭には極めて微量のオゾンで良いから、電池で小型のイ
ンダクションコイルで昇圧した高圧交流やＴＶの水平発
振のようにオキサイドコアのトランスを使用した昇圧回
路による微弱電流の高圧でも構わない。また家庭用の場
合は工業用に使用されるような乾燥空気や乾燥酸素では
なく通常の非乾燥空気が原料になる。また一部の工業用
でも養鶏場や養豚場での消臭や殺菌、又汚水の処理施設
では、そのままの非乾燥空気が使用されている。従って
従来のオゾン発生装置では窒素酸化物が副生し空気中の
水分と反応して硝酸が出来る。この硝酸は電極の金属を
著しく腐蝕し電極の寿命を短くする要因となっている
が、本発明のオゾン発生装置では窒素酸化物が発生せ
ず、硝酸も出来ない。従って微量オゾンの生成でよい家
庭で使用される殺菌、脱臭、また工業用でも非乾燥空気
を使用するものについては、本発明の小電力で硝酸の生
成がないものが極めて優れた効果を発揮する。

【００１０】

【実施例及び比較例】次に実施例により説明を加える。 実施例１ 図１に示した単細線の装置を使用してオゾン生成の実験
を行った。半径５０ミクロン、長さ２７５ｍｍのタング
ステン製の細線を直径２０ｍｍのステンレス製円筒の中
心に配置し直流電圧を両極に印加した。この時の放電電
流を横軸にオゾン生成量を縦軸にして記録したものが図
２である。この場合の電圧は３８００Ｖであり、タング
ステン線を負極にしたものである。このように電流値が
低くなると電流密度が０．０２／ｃｍ以下となりオゾン
のみ発生し窒素酸化物は発生しない。

【００１１】実施例２ 次に実施例１と全く同様の装置で１００ｐｐｍのアンモ
ニアが共存している空気を原料の気体として窒素酸化
物、即ちＮＯｘがどのように発生するか調べた。その結
果を図３に示す。これは直流と３ｋＨｚの交流を比較例
として印加したがその結果も同時に示す。オゾン生成量
は直流の方が交流に比して遥かに良い。これを説明する
と、先に述べたように、交流の場合商用なら５０回、本
実験の場合は３０００回極性が入れ代わるが負極になっ
た場合と正極になった場合でオゾンの生成量に差があ
り、正極の場合でもオゾンは生成するが負極に比べて生
成量が少ないため両者の平均生成量となり、直流の方が
効率よくオゾンを生成するのである。また放電電流密度
０．０２／ｃｍを超えると窒素酸化物が発生する。

【００１２】実施例３ 次に金属細線が単細線でなく複細線の場合について同じ
実験を行った。即ち図４（１）に示した装置を使用し、
ステンレス円筒の長さ３３５ｍｍのなかに６本の細線を
配設した。細線とステンレス円筒の間隙は１１ｍｍであ
る。細線の直径は８０μｍである。この中に空気を流入
させ、４５００Ｖの直流を印加した時の放電電流とオゾ
ン生成量の関係を図５に示す。オゾンは生成しているが
窒素酸化物であるＮＯｘが生成していない事が良く分か
る。４５００Ｖは細線の表面がコロナに覆われて光って
いる状態の電圧である。通電の方法は細線を（Ｂ）のよ
うに並列にして行った。この場合のオゾン生成効率デー
タを図5の■印で示す。

【００１３】実施例４ 実施例１で使用した単細線の装置を使用して単細線のコ
ロナ極性により窒素酸化物の生成量がどのように変化す
るか比較実験を行った。電圧や電流は実施例１と全く同
様であるが細線が負極の場合、窒素酸化物は全く生成さ
れず、逆に正極の場合は生成をはっきりと確認出来た。
その結果を図６に示す。

【００１４】

【発明の効果】以上述べたように、円筒状金属管の内部
又は２枚の平行な板状金属板の間に一本または複数本の
金属細線を配設し、金属細線を負極、金属管または板状
金属板を正極としてコロナ放電を発生せしめ、金属管内
又は平行金属板の間に空気を導入してオゾンを製造する
方法に於いて、金属細線の長さ又は／及び印加する電圧
を調節して放電電流密度を０．０２ｍＡ／ｃｍ以下に抑
えることによって、窒素酸化物の生成を抑制し少量では
あるが一定量のオゾンを安定して供給する事が出来るの
で、家庭用のオゾン発生機として有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】金属管の内部に径の小さい金属管を配置し、両
金属管の間隙に単数の金属細線を封入した場合を示す。

【図２】単細線に放電電流０．２５ｍＡ迄の電流を流し
て負コロナ放電を発生させた場合、放電電流に対するオ
ゾン生成量を示す。

【図３】図１の装置で１００ｐｐｍのアンモニアが共存
している空気を原料の気体とした場合の窒素酸化物（Ｎ
Ｏｘ）の発生状況を示す。

【図４】（１）は金属管の内部に径の小さい金属管を配
置し、両金属管の間隙に複数の細線（図では６本）封入
した場合、（２）は金属管の内部に径の小さい複数の金
属管（図では６本）を配置し、各金属管内に細線を１本
宛封入した場合、（３）は平行金属板の両端部を封じ、
金属板間の間隙の複数の細線を並列に配置した場合であ
る。

【図５】複細線を使用した場合のオゾンと窒素酸化物の
生成を示す。

【図６】単細線の場合の窒素酸化物の生成量を、負コロ
ナと正コロナとの比較で示す。

【符号の説明】

１．金属管 ２．絶縁物 ３．金属細線 ４．空気導入口 ５．排出口

フロントページの続き (72)発明者 小駒 益弘 埼玉県和光市下新倉843−15 Ｆターム(参考） 4G042 CA01 CC03 CC04 CC07 CC20 CE04

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状金属管の内部又は２枚の平行な板
   状金属板の間に一本または複数本の金属細線を配設し、
   金属細線を負極、金属管または板状金属板を正極として
   コロナ放電を発生せしめ、金属管内又は平行金属板の間
   に空気を導入してオゾンを製造する方法に於いて、金属
   細線の長さ又は／及び印加する電圧を調節して放電電流
   密度を０．０２ｍＡ／ｃｍ以下に抑えたことを特徴とす
   る窒素酸化物を含まないオゾンの製造方法。
2. 【請求項２】 金属細線の直径が３０ミクロンから２５
   ０ミクロンである請求項１記載のオゾン製造方法。