JP2006265009A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電トランスの素子表面に高電圧が発生している点を利用し、圧電トランスの出力表面から誘電体バリア放電型をおこさせ、この放電を利用して効率的なオゾン生成を行う。
【解決手段】 本発明は電源に接続し駆動する圧電トランス1と、圧電トランス１の出力面に近接する位置に対向して、前面を配置する誘電体よりなる誘電体電極２と、誘電体電極２の背面に設けている背後電極３と、誘電体電極２を冷却する冷却部材４と、圧電トランス１と誘電体電極２の間を純酸素、空気或いは酸素を含む気体を流通させる気体流通部材５とよりなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、大気中の酸素、或いは純酸素中での放電によりオゾンを発生させる発生装置に関するものである。

オゾンの発生法は誘電体バリア放電に代表される電気放電や電気分解、紫外線照射などがあるが、大容量のオゾン生成では誘電体バリア放電が最も効率が高いこともあり、多くの分野で利用されている。
例えば、下水処理の際の殺菌効果にはオゾン濃度Ｃと暴露時間Ｔの積ＣＴ値を高めることが有効であるとされ、より高濃度のオゾンが要求されている。この要求に応えるものとして、誘電体バリア放電を用いた大型のオゾン発生装置があるが、誘電体バリア放電によるオゾンの最大生成効率は理論上４００ｇ／ｋＷｈと報告されているものの（非特許文献１）、現実には最大でも２２４ｇ／ｋＷｈ程度に留まっているのが現状である。誘電体バリア放電によるオゾン生成効率が高いと言われているものの、放電の投入エネルギーがオゾン生成に十分利用されているとは言い難い。そこで、高濃度のオゾンをいかに効率良く生成するかという点が最大の関心であり、オゾンの反応過程からオゾン発生装置の構造最適化に関する研究が国内外問わず多数行われている。

非特許文献２には、１００ｍｍの極短ギャップ構造の誘電体バリア放電型オゾン発生装置により酸素中でオゾン生成を行い、３０５ｇ／Ｎｍ^３の高濃度オゾンが生成効率１２２ｇ／ｋＷｈで得られることを報告した。これは放電ギャップを短かくすることで放電空間で発生した熱を水冷電極で取り除き、オゾンの熱による分解反応を抑止すると同時に、ギャップ間に高電界を形成できるので、オゾンの解離に寄与する低エネルギー電子の存在割合を小さくすることができると述べている。また、最近、非特許文献３に於いて、液体窒素によりオゾン発生装置中の電極をオゾンの融点温度付近まで冷却しオゾン生成を行った結果、濃度１２０ｇ／Ｎｍ^３のオゾンを２１５ｇ／ｋＷｈという高効率で生成できたことを報告し、オゾンの熱による分解反応を極力抑えることができたことによると述べている。更に、非特許文献４に於いて、ＡＣ型ＰＤＰと同じ電極構造を持つ共面放電型オゾン発生装置を開発し、オゾン収量１ｋｇ／ｈ以上の大容量のオゾン発生装置の開発に成功している。

一方、圧電トランスを用いたオゾン発生装置については過去に幾つかの報告例がある（非特許文献５、６、特許文献１他）。ここで、非特許文献５では、圧電トランスとアルミナ製セラミック電極による沿面放電型オゾン発生装置を提案している。非特許文献６では、圧電トランスの発生する高電圧をダイオードと平滑回路により直流に変換し、別途に設けた針電極でコロナ放電を発生させるタイプの小型オゾン発生装置を報告している。また特許文献１では、圧電トランスによる高電圧の交流出力電圧が発生する。この交流出力電圧を用いコロナ放電を利用しオゾンを発生する技術である。

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しかしこれら何れの場合も、圧電トランスは高電圧電源としてのみ用い、配線により外部電極と接続しコロナ放電あるいは沿面放電によりオゾン生成を行っている。この場合、生成できるオゾン濃度は大気中で１００ｐｐｍ以下であり、低濃度のオゾン生成を目的としている。
本発明者等は、圧電トランスの素子表面に高電圧が発生している点に着目し、素子自体を用いて、圧電トランスの出力表面から誘電体バリア放電をおこさせ、この放電を利用して効率的にオゾン生成を効率的に行おうとするものである。

本発明にオゾン発生装置は、電源に接続し駆動する圧電トランスと、圧電トランスの出力面に近接する位置に対向して、前面を配置する誘電体よりなる誘電体電極と、誘電体電極の背面に設けている背後電極と、圧電トランスと誘電体電極の間を純酸素、空気或いは酸素を含む気体を流通させる気体流通部材とよりなることを特徴とするもの、及びこれらに加えて誘電体電極を冷却する冷却部材を付加したことを特徴とする。

本発明のオゾン発生装置では、圧電トランスの側面の広い範囲で誘電体バリア放電をおこさせ、この放電を利用してオゾン生成を行うことが出来ることより、効率的にオゾン生成を行うことが出来る。従って、純酸素原料で約３から２０ｇ／Ｎｍ^３（１４００から９３４０ｐｐｍ）、空気原料を用いて約０．５から３．４ｇ／Ｎｍ^３（２２０から１５７０ｐｐｍ）のオゾン濃度を得ることが出来、２００ｐｐｍ程度のオゾン生成は空気原料で十分対応できるため、大気中の空気を利用した、オゾン発生装置は小規模化が可能であり、運転コストが大幅に削減できる。
また、素子自体を利用し、オゾン発生を行うことより、別途放電を行う部材を不要とすることより設備の小型化、他の設備に簡易に付設して簡易にオゾン生成装置を提供することが出来る等優れた効果を有する。

図１は本発明に使用したオゾン発生装置の概略構成図である。
本発明のオゾン発生装置は、電源６に接続し駆動する圧電トランス１と、圧電トランス１の出力側面に近接して、対向して設けている誘電体よりなる誘電体電極２と、圧電トランス１と反対側の誘電体電極２の背面に設けている背後電極３と、誘電体電極２を冷却する冷却部材４と、圧電トランス１と誘電体２の間を純酸素、空気或いは酸素を含む気体を流通させる気体流通部材５とよりなる。
以下これらを順次説明する。

〈圧電トランス〉
圧電トランス１は、例えばローゼン型のものを、（１／２）λモードで使用する。そしてこの圧電トランス１は、振動の節である長さ方向の中央部を両面から細い短形断面を持つ固定把持具１０で保持して設け、下半分側の圧電トランス駆動部の両面に１次側端子１１，１２を設け、後述する１次側交流電源６０に接続し、圧電トランス駆動部の上先端に２次側電圧端子１３を設けている。

〈誘電体電極〉
誘電体電極２は、例えばガラス等適宜誘電体材料を厚さ１ｍｍ程度に切断し用いる。
そして、前記圧電トランス１の上半分側を覆うように２次側駆動部広い面積を有する側の両面に、対向するように近接して誘電体電極２を設けている。ここで、誘電体電極２と圧電トランス１間の間隙は、例えば０．５ｍｍ程度設けている。
また、圧電トランス１の両面に誘電体電極２を設けているのは、圧電トランスの両面から誘電体バリア放電をおこさせ効率的にオゾンを発生させようとするからであり、片面だけ設けて実施して良いことは言うまでもない。

〈背後電極〉
背後電極３は、圧電トランス１と反対側の誘電体電極２の背面に設けている。この背後電極３は、例えば、アルミニューム等の導電性材料を蒸着して形成するが、金属板等を貼り付けて形成しても良い。
この背後電極３を誘電体の背面に配置することで、誘電体バリア放電をおこすことが出来る。
圧電トランス１の１次側端子１１、１２に、（１／２）λモードに対応する周波数（この場合、約２６ｋＨｚ）の交流電圧を印加すると、圧電トランス１の駆動部両面に高電圧が誘起され、フィラメント状の誘電体バリア放電が電極間で多数発生する。電極間を橋絡したフィラメント状の放電は、誘電体電極に表面電荷として蓄えられ、これが逆電界を形成するため直ちに停止する。このような寿命の短い放電が電極間で時間空間的にランダムに発生するため、気体温度を上昇させることなく電子エネルギーのみを高くできる非熱平衡プラズマが形成でき、効率よくオゾンを生成できる。

〈冷却部材〉
冷却部材４は、前記誘電体電極２を冷却するものであり、誘電体電極２及び誘電体電極２の背面に設けている背後電極３の後方に冷却室４０を形成し、冷却水を循環させて冷却を行う構成となっている。本実施の形態では、装置の大きさ、効率等の関係から冷却水を用いたもの例を示したがこれに限るものではなく他の冷却方法を用いても良い。
ここで、誘電体電極２を冷却することの重要性について述べる。
冷却を行わないで、放電状態の観測状態を図２に示す。図２の発光パターンは圧電トランス表面を垂直方向から観測した。放電発光の観測にはＣＣＤカメラを用いた。図中（ａ）は放電開始直後の発光パターンであり、（ｂ）は放電開始から１分後の発光の様子を示している。放電開始直後、電極表面には放電ギャップをフィラメント状に橋絡した多数のストリーマが電極に衝突したときの放電スポットとして観測された。この図からも判るように、冷却を行わずに、連続して誘電体バリア放電を発生させていると、フィラメント状放電は時間経過とともにそのスポットの輪郭が崩れ、１分後には電極表面にグロー状の発光面として広がる状態に変化した。そこでこの状態において、背後電極３にアセトンを吹きかけたところ、再びフィラメント状放電の輪郭が明確に見えるようになった。これは背後電極３に揮発性の高いアセトンを吹きかけたことで誘電体電極２の内表面も冷却され、放電状態が変化したためと考えられる。このように電極の発熱は放電状態を変化させる。
また、オゾン発生装置に於いて、生成されたオゾンが高温下ではオゾン分子の分解を招くことも考えられ、電極を冷却することで、オゾン生成部位を最適な状態に保つことが可能となる。

〈気体流通部材〉
気体流通部材５は、圧電トランス１と誘電体電極２間の間隙で発生させる誘電体バリア放電より生成するオゾンを速やかに間隙間から排出するためのものであり、オゾン発生装置の空気酸素等の原料ガス導入口５０に接続する図示しないポンプ、或いは圧力を調整した原料酸素ボンベを接続し、酸素を押し出す形式のもの、或いは、逆に生成したオゾンを取り出すガス排出口５１に接続する排出ポンプ５２を設けることにより行う。

〈電源〉
次に、圧電トランス１を駆動する電源について説明すると、
圧電トランス１のトランス駆動部の両面に設けている１次側端子１１，１２間に、（１／２）λモードに対応する周波数（約２６ｋＨｚ）で５０から１００Ｖの正弦波交流電圧を印加する交流電源６０が接続されている。また、圧電トランス発電部の上先端に設けている２次側電圧端子１３の２次側電圧を抵抗６１で分圧し、この分圧電圧と背後電極３とアース間に挿入したコンデンサ６２の端子間電圧とを、オシロスコープ６３に取り込み、リサジュー図形から放電電力を求めている。オシロスコープ上に描かれたリサジュー図形はパーソナルコンピュータ６４に逐次記録される。

本発明は、上述のように構成し、圧電トランス１に交流電源６０の交流電圧５０から１００Ｖを印加すると、誘電体バリア放電が、圧電トランス１と誘電体電極２との間隙で生じる。この状態で排出ポンプ５２を作動させると、大気（或いは純酸素）の原料ガス導入口５０から矢印方向に沿って、オソン発生装置内に引き込まれ、圧電トランス１と誘電体電極２との間隙を経由してガス排出口５１から装置外に引き出される。このとき前記圧電トランス１と誘電体電極２との間隙で生じている誘電体バリア放電により、原料酸素がオゾンに変化して、流通ガスと共に装置外に引き出される。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
図１の実施形態で、圧電トランス１は ６０×１３×２ｍｍのジルコンサンチタン酸鉛系セラミック（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ_３）を用いる。
誘電体電極２は、厚さ１ｍｍ、ソーダガラス板を用いている。また、誘電体電極２と圧電トランス１の間隔は０．５ｍｍに設定した。更に、背後電極３は、アルミニュームを蒸着して形成している。試料ガスには実験室空気（温度２９９Ｋ、湿度４５％）、又は純酸素を用いて、上部のガス排出口５１から排出ポンプ５２を用いて吸引する方式でギャップに供給した。
上記状態で圧電トランスの１次側電圧９４．０Ｖにおいて発生した誘電体バリア放電をさせ、駆動開始してから、濃度がほぼ定常値に達した５分後の値を採用し図３に示した。
横軸のエネルギー密度Ｗ／Ｑ（Ｗ・ｍｉｎ／Ｌ）は、放電電力Ｗをガス流量Ｑで除した量であり、物理的には１つの分子に投入されるエネルギーに相当する。
縦軸は、オゾン濃度Ｃ（ｇ／Ｎｍ^３）を表している

図３に於いて、酸素原料の場合、エネルギー密度を高くするとオゾン濃度はガス流量に拘わらず、１本の曲線にまとまり、飽和する特性を示す。
最大オゾン濃度は、ガス流量０．２９Ｌ／ｍｉｎで２０．３ｇ／Ｎｍ^３であった。
一方、空気を原料とした場合は、ガス流量１．５、１．０Ｌ／ｍｉｎの場合にエネルギー密度を高くするとオゾン濃度は高くなり、酸素原料の場合と同様に３．４ｇ／Ｎｍ^３付近で飽和する傾向を示す。ガス流量がこれより小さい０．５、０．３Ｌ／ｍｉｎになると、エネルギー密度が高くなることによりオゾン濃度は逆に低下した。このように空気を原料とした場合には、エネルギー密度が高くなるとＯ_３の生成と共にＮＯｘが生成され、これがオゾン分子を触媒的に分解する為にオゾン濃度はピークを取った後減少すると考えられるからである。最大オゾン濃度はガス流量１．０Ｌ／ｍｉｎで３．３８ｇ／Ｎｍ^３となり、酸素と比較すると約１／６であった。

次に、図４はそれぞれ酸素と空気を供給した場合の放電電力とオゾン収量の関係を示している。この図４は、前記図３から１時間当たりのオゾン生成量を表すオゾン収量Ｙ（ｇ／ｈ）を求めたものである。
図４からもわかるように、酸素も空気の場合もガス流量が大きい程オゾン収量は多くなり、ガス流量が小さいほど低い放電電力でオゾン収量が飽和することがわかる。オゾン収量の最大値は、酸素と空気の場合でそれぞれ、０．７４、０．２８ｇ／ｈが得られた。
また、図５は図４の曲線の傾きから求めたオゾン生成効率ｈ（ｇ／ｋＷｈ）をエネルギー密度Ｗ／Ｑに対してプロットして表した説明図である。
図５から判るように、酸素、空気の場合もオゾン生成効率はエネルギー密度に対して指数関数的に減少し、原料が酸素の方が空気の場合よりオゾン生成効率が高いことがわかる。また、エネルギー密度Ｗ／Ｑに対する生成効率ｈの減少率ｄｈ／ｄ（Ｗ／Ｑ）（負の傾き）も酸素の方が空気より約５倍小さくなった。最大オゾン生成効率は空気中でＷ／Ｑ＝０．５３Ｗ・ｍｉｎ／Ｌで１３９．６ｇ／ｋＷｈ、酸素中ではＷ／Ｑ＝０．８４Ｗ・ｍｉｎ／Ｌで２２２．７ｇ／ｋＷｈがそれぞれ得られた。特に酸素中で得られたオゾン生成効率２２２．７ｇ／ｋＷｈは、非特許文献３に於いて示されている極低温中でのオゾン生成では、オゾン濃度６５ｇ／Ｎｍ^３で生成効率が２３８ｇ／ｋＷ、１２０ｇ／Ｎｍ^３で生成効率が２１５ｇ／ｋＷｈに次いで高い生成効率を得ることが出来た。特に非特許文献３に於いて示されている技術では、これは電極を極低温まで冷却しており、一般的に液体窒素による冷却システムは装置が大規模にならざるを得ず、装置全体から眺めた運転コスト考慮すると、本発明のオゾン発生装置は、オゾン濃度３ｇ／Ｎｍ^３で生成効率２２３ｇ／ｋＷｈ、２０ｇ／Ｎｍ^３で７９ｇ／ｋＷｈを得ており、生成効率から見ると高効率でオゾン生成が可能である。

本発明によれば、小型で高効率のオゾン生成が可能なオゾン発生装置に利用することが可能である。そして、本発明によれば、２００ｐｐｍ程度のオゾン生成を空気原料で生成が可能であり、特に、燻蒸に区分される病院の集中治療室や感染症病室、製薬会社などの医薬品製造室の強力脱臭、除菌の用途のオゾン発生装置に利用することが可能である。

本発明に使用したオゾン発生装置の概略構成図である。 本発明の放電状態を示す説明図で、（ａ）は放電開始直後の発光パターンであり、（ｂ）は放電開始から１分後の発光の様子を示した観測図である。 本発明のオゾン生成時のエネルギー密度とオゾン濃度の関係を示す説明図である。 本発明によって、酸素と空気を供給した場合の放電電力とオゾン収量の関係を示す説明図である。 本発明のオゾン生成効率をエネルギー密度に対して表した説明図である。

符号の説明

１ 圧電トランス
１０ 固定把持具
１１，１２ １次側端子
１３ ２次側端子
２ 誘電体電極
３ 背後電極
４ 冷却部材
４０ 冷却室
５ 気体流通部材
５０ 原料ガス導入口
５１ ガス排出口
５２ 排出ポンプ
６０ 交流電源
６１ 抵抗
６２ コンデンサー
６３ オシロスコープ
６４ パーソナルコンピュータ

Claims (2)

1. 電源に接続し駆動する圧電トランスと、
   圧電トランスの出力面に近接する位置に対向して、前面を配置する誘電体よりなる誘電体電極と、
   誘電体電極の背面に設けている背後電極と、
   圧電トランスと誘電体電極の間を純酸素、空気或いは酸素を含む気体を流通させる気体流通部材とよりなるオゾン発生装置。
2. 電源に接続し駆動する圧電トランスと、
   圧電トランスの出力面に近接する位置に対向して、前面を配置する誘電体よりなる誘電体電極と、
   誘電体電極の背面に設けている背後電極と、
   誘電体電極を冷却する冷却部材と、
   圧電トランスと誘電体電極の間を純酸素、空気或いは酸素を含む気体を流通させる気体流通部材とよりなるオゾン発生装置。