JP2002265203A - オゾンガス発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 オゾンガス発生装置の動作中において、オゾ
ンガスを安定的にかつ効率的に発生させる。 【解決手段】 昇圧トランス３８の二次側に電極１８を
接続し、所定の周波数により前記昇圧トランス３８の一
次側をパルス駆動して前記電極１８間に高電圧を印加
し、放電によりオゾンガスを発生させるオゾンガス発生
装置において、前記昇圧トランス３８の一次側に、商用
の交流電源を整流する整流回路３２と、該整流回路３２
に接続して直流電源とする平滑回路３４と、昇圧トラン
ス３８にパルス的に電圧を印加する発振回路３６とを備
えると共に、前記整流回路３２の前段に、放電時のパル
ス幅を所定時間幅内に保持する制御回路４０を設けたこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はオゾンガス発生装置
に関し、より詳細にはオゾンガス発生装置における電源
制御部の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】オゾンガス発生装置には平行に対向させ
て配置した電極間に交流高電圧を印加し、電極間でのコ
ロナ及び沿面放電（以下、コロナ性放電という場合があ
る）により電極間の酸素を励起してオゾンガスを発生す
る装置がある。図６はオゾンガス発生装置の放電電極を
内蔵している部分の外観図、図７は電極構造を示す断面
図である。図６で１０は電極を収容する本体部であり、
１２は本体部１０の外面に立設した放熱用のフィン、１
４は本体部１０内に空気を導入するための導入管、１６
はオゾンガスを送出する送気管である。導入管１４は空
気を本体部１０内に送入するためのエア機構に連通し、
エア機構により本体部１０内を空気が通流する際に酸素
が励起されてオゾンガスが発生し送気管１６から排出さ
れる。

【０００３】図７で１８a、１８bが電極、２０が電極１
８a、１８bを支持するガラス等の絶縁体である。電極１
８a、１８bはステンレス等の導体を平板状に形成したも
のであり、一定距離離間して配置されている。２２が電
極１８a、１８bが離間して配置された空隙部分であり、
本体部１０に導入された空気が通流して放電される放電
室である。２４は絶縁体２０とフィン１２とを接合する
エポキシ樹脂等の樹脂である。電極１８a、１８bに高電
圧を印加して放電を続けていくと、放電室２２は除除に
高温になっていく。放電室２２が高温になるとオゾンガ
スの発生効率が大きく低下する。フィン１２は放電室２
２の過熱防止の目的で設けられているものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のオゾンガスの発
生装置において問題となる点は、発熱、湿度変化、電極
の劣化等の理由から安定的にオゾンの発生が得られなく
なる点である。発熱、湿度変化、電極の劣化は放電室内
のコロナ性放電を変化させオゾン発生量に著しく影響を
与える。ここで、発熱の場合と湿度変化、電極の劣化の
場合とでは、原因が異なる。すなわち、湿度変化、電極
の劣化の場合はコロナ性放電が発生しにくくなり、オゾ
ン発生量が減少する。これに対して、発熱の場合はコロ
ナ性放電が促進されるがオゾンの分解反応が増大してオ
ゾン発生量が著しく減少する。なお、このどちらの場合
も放電電流を一定の範囲内に制御することによってオゾ
ン発生量を安定化することが可能である。以下、発熱の
場合を例に取って説明する。

【０００５】オゾン発生部が過熱してオゾンガスの発生
効率が低下する理由は、熱によって絶縁破壊電流が低下
し低電圧で放電がおこるため、酸素が未励起状態のまま
放電が起きてしまい、酸素が効果的に励起されないため
であると考えられる。そして、オゾンガスの発生効率が
悪いために余剰エネルギーが熱となってさらに過熱さ
れ、電極の静電容量が変化して放電電流にばらつきが生
じ、安定的にオゾンガスが発生しなくなる。

【０００６】電極の一方あるいは双方は誘電体によって
絶縁されているため、電極から直接放電しない。電極間
に高電圧が印加されると、まず、酸素が励起され空中電
荷が電場加速され酸素分子に衝突し酸素原子が分解され
放電が起きる。これがコロナ放電、沿面放電の始まりと
なる。また、酸素分子に作用するエネルギーによって、
次の２つの反応系が考えられる。 O₂ → 2O(³P) …・ O₂ → O(³P) + O(¹D) …・ との反応は与えられるエネルギーの違いによって変
わる。の反応は4.8(eV)〜6.7(eV)の範囲で起き、の
反応は6.7（eV）以上のエネルギーの場合に起きる。

【０００７】の反応の場合は酸素分子と反応して、O₂
+ O(³P) → O₃ となり、オゾンを生成する。一
方、の反応の場合はオゾンと反応してO(¹D) + O₃→
2 O₂となり、オゾンを分解してしまう。また、オゾンは
放電場中において酸素に分解してしまい、さらに、オゾ
ンは、高温で分解しやすいことはよく知られている。す
なわち、放電場中はオゾンの生成、分解反応が同時にお
き、一種の平衡状態となっている。放電場の条件が変わ
ることでオゾン濃度が変動するのはこのためである。

【０００８】また、放電場の温度が比較的低い時はオゾ
ン発生量は、コロナ性放電の電流に比例する。しかし、
放電室が高温になると、オゾンは分解され、空中放電量
が増加し、オゾン濃度は著しく減少する。したがって、
放電電流を制御することによりオゾン発生量を安定させ
ることが可能である。しかし、昇圧トランスの２次側の
回路における電流は、（１）放電電極をコンデンサと見
なしたときに流れる充放電電流と、（２）オゾン発生に
関わるコロナ性放電電流がある。（１）の充放電電流は
オゾン発生の有無に関わらず回路で一定の電流となるの
に対して（２）のコロナ性放電電流はオゾン発生に大き
く関わるものであり、このコロナ性放電電流を好適に制
御することによってオゾン発生量を安定かさせることが
可能である。

【０００９】本発明は、上述したように従来のオゾンガ
ス発生装置においてはオゾン発生量が時間経過とともに
減少するといった問題を解消すべくなされたものであ
り、コロナ性放電によってオゾンを発生させるオゾンガ
ス発生装置において、より安定的にオゾンを発生させる
ことができるオゾンガス発生装置を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次の構成を備える。すなわち、昇圧トラン
スの二次側に電極を接続し、所定の周波数により前記昇
圧トランスの一次側をパルス駆動して前記電極間に高電
圧を印加し、コロナ及び沿面放電によりオゾンガスを発
生させるオゾンガス発生装置において、電極間のコロナ
及び沿面放電パルスを制御するために入力電流を制御す
る電流制御回路を設けたことを特徴とする。また、前記
制御回路として、入力電流を制御すべく直流電圧値を所
定範囲内に制御する電圧制御回路を設けたことを特徴と
する。また、前記制御回路として、入力電流を制御すべ
く周波数及びデューティを制御する回路を設けたことを
特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るオゾンガス発
生装置の好適な実施形態について、添付図面に基づき詳
細に説明する。実施形態のオゾンガス発生装置は商用交
流電源を電源とした例である。オゾンガス発生装置では
前述したように本体部１０に空気を通流させながら放電
用電極１８a、１８bに高電圧をパルス的に作用させ放電
を発生させる。図２は従来のオゾンガス発生装置での高
電圧発生回路を示す。同図で３０が商用交流電源であ
り、商用の交流を整流回路３２によって全波整流し、平
滑回路３４によって直流電源とする。発振回路３６は所
定の周波数のパルスを発生させるためのもので、このパ
ルスによってトランジスタを制御して昇圧トランス３８
をスイッチングする。これにより、昇圧トランス３８の
二次側に高電圧パルスが発生し、電極１８に高電圧パル
スが印加される。

【００１２】発振回路３６で発生させるパルスの周波数
はオゾンガス発生装置で適宜選択可能であるが、たとえ
ば10kHz〜20kHz程度の周波数のパルスが使用される。ま
た、電極１８に印加する電圧は電極の間隔、コロナ性放
電電流によって適宜設定する。電極の間隔が1mm程度の
場合は8000V〜10000V程度の電圧を印加して放電を起こ
させる。電極１８の間隔がこれよりも狭い場合は、電極
１８に印加する電圧を低くすることができる。このよう
に、オゾンガス発生装置の設計によってパルス周波数及
び印加電圧が適宜選択される。

【００１３】これに対して本発明に係るオゾンガス発生
装置は電極に印加する電圧あるいは電流あるいはコロナ
性放電パルスを常時監視し、これらの値が最適値になる
よう制御する制御回路４０を設けたことを特徴とする。
図１は本発明に係るオゾンガス発生装置の高電圧発生回
路を示す。商用交流電源３０、整流回路３２、平滑回路
３４、発振回路３６及び昇圧トランス３８を使用するこ
とについては図２に示す従来のオゾンガス発生装置と同
様で、制御回路４０を商用交流電源３０と整流回路３２
との間に設けた点のみが異なっている。

【００１４】実施形態のオゾンガス発生装置における制
御回路４０は、本来的には電極１８でのコロナ性放電電
流を制御することを目的としている。電極１８における
コロナ性放電がオゾンガスの発生にもっとも直接的に影
響を及ぼすと考えられるからである。電極１８における
放電は、電極１８にたとえば10kHz〜20kHzで高電圧が印
加されたとしてコロナ性放電が10kHz〜20kHzで発生する
わけではもちろんない。オシロスコープを用いた放電波
形を観察すると、電極１８に印加される電圧により何回
かの放電が発生することがわかる。実験によると、以下
に示すように、この放電時のコロナ性放電電流の制御が
オゾンガスを安定して発生させる上で重要な要因である
ことがわかる。

【００１５】すなわち、昇圧トランスの２次側の回路に
おける電流は、放電電極をコンデンサと見なしたときに
流れる（１）充放電電流と（２）オゾン発生に関わるコ
ロナ性放電電流となる。（１）の充放電電流はオゾン発
生の有無に関わらず回路で一定の電流となる。一方、
（２）の空中コロナ及び沿面放電の電流はオゾン発生に
大きく関わるものであり、図１の制御回路４０に流れ込
む電流値は空中コロナ及び沿面放電量の電流値に比例す
ることがわかった。したがって、制御回路４０に入力さ
れる電流値を測定することによりコロナ性放電の大きさ
を測定することができる。この方法によれば、わざわざ
コロナ性放電の電流値の大きさを測定しなくても制御回
路に入力される電流値を制御することによってオゾン発
生量を制御することができる。すなわち、制御回路４０
は電流制御回路を構成し、制御回路４０によってオゾン
発生量を制御することが可能となる。

【００１６】以下では、共通のオゾンガス発生装置を使
用し、制御回路４０を使用せずに従来と同様な方法でオ
ゾンガスを発生させた場合、コロナ性放電パルス幅を監
視しながらコロナ性放電パルスを制御するようにしてオ
ゾンガスを発生させた場合についてオゾンガスの発生量
を測定した結果を示し、同時にそれが電流制御になって
いることを示す。なお、オゾンガス発生装置は５０mm
×５０mmのステンレス電極、電極間距離1mm、印加電圧1
0000V、電極に導入したエアー流量４リットル/分であ
る。電極には放熱用フィンをつけたが、従来方式による
場合も本発明方式による場合も冷却ファン等で強制的に
冷却することはしなかった。また、本発明方式によるオ
ゾンガス発生装置の制御は制御回路に流入する電流を交
流電流計を使って計ることによって行った。オゾンガス
の発生量は送気管１６から排出されるオゾンガス濃度を
測定したものである。

【００１７】図３は電極１８に高電圧を印加した後、時
間とともにオゾンガスの発生量がどのように変化したか
を測定した結果を示す。グラフAは従来のオゾンガス発
生装置によるもの、すなわち所定の高電圧を所定の周波
数で印加するという、いわば自然放電によってオゾンガ
スを発生させたものである。このグラフAで特徴的な点
は、放電開始直後はオゾンガスの発生量が多いのに対し
て時間が経過するとともにオゾンガスの発生量がへり、
実験停止時にはオゾンガス発生量がもっともすくなくな
っている点であるとくに２４００秒以降急激にオゾン発
生量は減少している。これは、放電が継続することによ
って放電室内の温度が上昇し、これとともにオゾンガス
の生成効率が低下していることを示す。従来のオゾンガ
ス発生装置で電極に放熱用フィンを取り付けて電極（放
電室）の温度が上がらないようにしているのはこのため
である。

【００１８】図４は、図３に示す測定中に空中コロナ性
放電パルスの放電時間幅（以下では、放電パルス幅とい
う）がどのように変動したかを示すグラフである。グラ
フAが自然放電の場合で、放電パルス幅は８．５マイク
ロ秒〜１６．３マイクロ秒の間を変動した。従来方法で
は自然放電によるのにで、とくに放電パルス幅（放電時
間）を制御しないから、かなり大きな範囲で放電時間が
ゆらいでいる。図５は、図３に示す測定中での電源側の
電流の変動を測定した結果である。グラフAが従来方式
の方法による場合を示す。このグラフAでの特徴的な点
は、２４００秒経過後に電流値が大きく上昇している点
である。この電流値の上昇もまた、電極（放電室）が高
温になったためオゾンガスの分解によるものと考えられ
る。電流を上昇させているのに反してオゾンガスが効率
的に発生していない状況である。すなわち、電流を増大
させることによって必ずしもオゾンガスが効率的に発生
するものではない。

【００１９】図３において、グラフB、Cは本発明に係る
オゾンガス発生装置による場合で、放電パルス幅（放電
時間）を制御しながらオゾンガスの発生量が時間ととも
にどのように変動するかを測定した結果を示す。また、
図４、５においてグラフB、Cはその測定中における放電
パルス幅と電流値を示すものである。なお、放電パルス
幅を特定の値に固定して保持するよう制御することは実
際は非常に困難である。したがって、本実験では放電パ
ルス幅を１０マイクロ秒〜１３マイクロ秒の間に制御す
る場合（グラフB相当）と、放電パルス幅を１２マイク
ロ秒〜１４マイクロ秒の間に制御する場合（グラフＣ相
当）の２通りの方法で、オシロスコープにより放電波形
を監視しながら放電パルス幅が所定範囲内となるよう電
流値を制御して行った。

【００２０】図３に示すオゾンガス発生量についての実
験結果は、グラフＢ及びグラフＣとも、時間経過ととも
にオゾンガスの発生量が減少する傾向にあるものの、オ
ゾンガスの減少度合いは従来装置を用いた場合（グラフ
Ａ）にくらべて小さくなっている。すなわち、本実施形
態のオゾンガス発生装置による場合はオゾンガスの発生
量の変動をより小さく抑えることが可能である。グラフ
Ｂ及びグラフＣに示した実験の場合も、従来装置による
場合と同様に時間経過とともに電極（放電室）の温度は
上昇するが、オゾンガスの発生量がそれほど顕著に減少
しないことは、本制御方式がオゾンガスを長時間安定し
て発生させることを可能にする点で有効な方法であるこ
とを示しているものといえる。

【００２１】図４は、上記測定中における放電パルス幅
を示す。放電パルス幅を１０マイクロ秒〜１３マイクロ
秒に制御した状態がグラフＢ、放電パルス幅を１２マイ
クロ秒〜１４マイクロ秒に制御した状態がグラフＣであ
る。グラフＢがグラフＣにくらべて全体として下方にあ
る。図５は、上記測定中における電流値を示す。放電パ
ルス幅を１０マイクロ秒〜１３マイクロ秒に制御した場
合のグラフＢの電流値が、放電パルス幅を１２マイクロ
秒〜１４マイクロ秒に制御した場合のグラフＣの電流値
よりも全体として下方にある。グラフＢ、Ｃに示すよう
に、電流値をある一定の範囲で制御することによって放
電パルス幅も一定の範囲内に制御されることがわかる。

【００２２】なお、グラフＢ中でＰで示した範囲は意図
的に電流値をあげたところである。グラフＡで示す従来
装置の場合は、図５に示すように、２４００秒以降に急
激に電流値が増加したにも係わらず、図３に示すよう
に、オゾン発生量は急激に減少した。図５において、グ
ラフＢのＰ部分で意図的に電流値を急激にあげ、オゾン
発生量を検証してみた結果は、図３に示すようにオゾン
発生量に顕著な変化はみられなかった。このことは、オ
ゾン発生に必要なエネルギー以上のコロナ性放電が発生
すると放電室が高温になり、オゾンの分解反応が促進さ
れ放電電流が増加すると考えられる。グラフＡにおいて
発生量が減少したのはその為である。

【００２３】図３、４、５に示す実験結果は、オゾンガ
ス発生装置では、放電動作中に放電時の放電パルス幅
（放電時間）をオゾンガスの発生効率が良好となる所定
の範囲内に維持するよう制御することが有効であり、そ
の制御方法としては図１に示す制御回路４０等により電
流値あるいは電圧値を所定範囲内に保持するよう制御す
ることが有効であることを示している。電流制御は電気
回路的には電圧制御と同等の結果となり、電流あるいは
電圧を所定範囲内に維持するよう制御することによって
放電パルス幅（放電時間）が所定の範囲内に維持され、
オゾンガスを安定的に発生させることが可能となる。

【００２４】高電圧発生回路に設ける制御回路４０によ
って電流を制御する場合は、電流センサー等によって電
流値をモニターし、電流制御回路によって電流値を所定
の範囲内に制御することができる。また、制御回路４０
によって電圧を制御する場合は、電圧センサー等によっ
て電圧値をモニターしながら、入力電圧の最大値を所定
の範囲内に制御することにより、整流後の直流電圧を制
御することができる。また、制御回路４０によって電圧
を制御する方法として、トライアック等のスイッチング
素子を利用し、電源をONするタイミングを制御して直流
電圧を制御するＯＮ／ＯＦＦ制御や位相制御方式を利用
することもできる。また、直流電流値を制御するには発
振回路３６の発信周波数やデューティを制御することに
よっても可能である。

【００２５】制御回路４０によって電流値あるいは電圧
値を制御する場合、これらの電流値あるいは電圧値はこ
このオゾンガス発生装置に良好な電流値あるいは電圧値
を設定して制御するものである。製品によって、電極の
大きさや電極の間隔、電極に印加する高電圧、オゾンガ
ス発生装置に通流させる空気の流量等はまちまちである
から、個々のオゾンガス発生装置に好適な電流値あるい
は電圧値を設定し、それに基づいてオゾンガス発生装置
の高電圧発生回路を制御する。

【００２６】なお、高電圧発生回路に電流あるいは電圧
を制御する制御回路を設けた場合であっても、電極に放
熱用フィンを設け、冷却ファン等の冷却機構を用いて電
極（放電室）が過熱しないよう温度管理することはもち
ろん有効である。これらの温度管理とともに高電圧発生
回路の電流あるいは電圧を制御する方法を併用すること
によって、さらに効果的にオゾンガスを安定的に発生さ
せることが可能となる。

【００２７】

【発明の効果】本発明のオゾンガス発生装置によれば、
上述したように、電極間のコロナ性放電パルスを制御す
るために入力電流を制御する電流制御回路、電圧制御回
路、周波数及びデューティを制御する回路を設けたこと
によって、放電動作中におけるオゾンガスの発生量を安
定させることができ、使いやすく、かつ安定したオゾン
ガス発生装置を提供することができる等の著効を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るオゾンガス発生装置における高電
圧発生回路の説明図である。

【図２】従来のオゾンガス発生装置における高電圧発生
回路の説明図である。

【図３】オゾンガスが時間経過とともに変動する様子を
示すグラフである。

【図４】放電パルス幅を時間経過とともに変動させた様
子を示すグラフである。

【図５】電流を時間経過とともに変動させた様子を示す
グラフである。

【図６】オゾンガス発生装置の電極を内蔵した部分の外
観図である。

【図７】オゾンガス発生装置の電極部分の構成を示す断
面図である。

【符号の説明】

１０ 本体部 １２ フィン １４ 導入管 １６ 送気管 １８、１８ａ、１８ｂ 電極 ２０ 絶縁体 ２２ 放電室 ３０ 商用交流電源 ３２ 整流回路 ３４ 平滑回路 ３６ 発振回路 ３８ 昇圧トランス ４０ 制御回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 昇圧トランスの二次側に電極を接続し、
   所定の周波数により前記昇圧トランスの一次側をパルス
   駆動して前記電極間に高電圧を印加し、コロナ及び沿面
   放電によりオゾンガスを発生させるオゾンガス発生装置
   において、 電極間のコロナ及び沿面放電パルスを制御するために入
   力電流を制御する電流制御回路を設けたことを特徴とす
   るオゾンガス発生装置。
2. 【請求項２】 前記制御回路として、入力電流を制御す
   べく直流電圧値を所定範囲内に制御する電圧制御回路を
   設けたことを特徴とする請求項１記載のオゾンガス発生
   装置。
3. 【請求項３】 前記制御回路として、入力電流を制御す
   べく周波数及びデューティを制御する回路を設けたこと
   を特徴とする請求項１記載のオゾンガス発生装置。