JP2006298758A - オゾンおよびその他の反応性ガスの発生セルおよびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量かつコストが低く、小型、コンパクトな、オゾンおよびその他の反応性ガスの改良型発生器を提供すること
【解決手段】 高電圧アセンブリと、低電圧アセンブリと、反応性ガスをその中に封じ込める放電領域を画定するために、前記電極の間に配設した少なくとも１つのバリア誘電体部材とを備え、前記放電領域が０．１２７ｍｍ（０．００５）インチ未満の間隙を有する発生セル。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オゾン発生セルおよび前記セルを複数個モジュールとして使用したオゾン発生システム、さらに一般的には反応性ガス発生セルおよびシステムに関するものである。

オゾンは、水処理や高酸化力が必要となる他の用途に従来から利用されている。近年では、半導体産業でもオゾンに対する需要が生まれている。例えば、オゾンは、多層シリコン集積回路の製造、特に絶縁層を設けるのに使用されている。
また、オゾンは半導体の製造工程でも有用であり、例えば炭化水素の除去、一般には洗浄作業に使用されている。オゾンを使用しない場合、これらの作業には、取り扱いが危険であり、オゾンに比べて廃棄が困難な酸を使用することが多い。
ちなみに、オゾンは分解して酸素となるため、前記のような問題を生じない。
半導体産業においてオゾンが使用されるため、オゾン発生装置の需要が高まっている。例えば半導体製造用途には、非常に純度の高いオゾンが必要であるが、現在のオゾン発生器は、エラストマー製シールおよびオゾンを汚染する可能性のある電極材料を使用している。

半導体製造用のオゾン発生器は、低コストかつ製造現場での占有面積がなるべく小さくなるように小型のものでなければならない。ところが、現在のオゾン発生器は大型である場合が多く、また、所要のオゾン発生率を確保するのに付属の冷却装置を必要とすることもある。オゾンの発生量を維持しながら小型化、コンパクト化を図るために、必要な電極面積を多数の小型セルに分散させているオゾン発生器もあるが、これにより、不均一なガスの流れがセルに流入、あるいはセルから流出し、その結果、オゾンの発生効率が減少する。また、半導体産業では、信頼性が多く、ダウン・タイムの少ないオゾン発生器を必要としている。

しかし、現在のオゾン発生器では、オゾンと接触するエラストマー製シールの接合（proliferation）を使用しているものが多く、劣化と漏洩の原因となっている。さらに、標準的なヘリウム漏洩防止法では、通常、正圧がかかるオゾン発生器内を真空にする必要がある。シールの特性により、このようなオゾン発生器では効果的なヘリウム真空漏洩防止ができないことがある。オゾン以外の反応性ガスを発生させる場合にも、同様の問題が発生する場合がある。

本発明の目的は、オゾンおよびその他の反応性ガスの改良型発生器を提供することである。
本発明の他の目的は、軽量かつコストが低く、小型、コンパクトな、オゾンおよびその他の反応性ガスの改良型発生器を提供することである。
本発明の他の目的は、冷却器がなくても高濃度のオゾンを生成する改良型発生器を提供することである。
本発明の他の目的は、信頼性の高い改良型発生器を提供することである。
本発明の他の目的は、エラストマー製シールを使わずに、ほぼ永久的にシールされた改良型発生器を提供することである。
本発明の他の目的は、ヘリウム漏洩検出器で、簡単かつ安全に試験することができる改良型発生器を提供することである。
本発明の他の目的は、質の高い、純粋なオゾンを発生する改良型発生器を提供することである。
本発明の他の目的は、完全モジュール型であって、製造、保管、保守が低コストの改良型発生器を提供することである。
本発明の他の目的は、発生セルにガスをバランスよく一定して供給する改良型発生器を提供することである。
本発明の他の目的は、冷媒が特殊な冷媒ではなく、通常の水で差し支えない改良型発生器を提供することである。
本発明の他の目的は、常温の水道水を冷媒として使用し、高濃度（重量で１５％以上）のオゾンを高率で発生することができる改良型発生器を提供することである。
本発明の他の目的は、冷媒が、高電圧電極の高電圧にさらされることがない改良型発生器を提供することである。

２つのアセンブリを溶接して、電極および電極間にバリア誘電体を備えた永久シール・チャンパを作製して、シールした放電領域を形成することにより、高性能、高信頼性、小型、コンパクトなセルを実現できること、ならびに前記放電領域にある１２７μｍ（５ミル）未満の狭小間隙により、発熱を伴うガス発生過程を冷却構造体の近傍で引起し、精巧な冷却機器を使用することなく高濃度のガスを高率で発生させることができることが明らかとなり、本発明が実現した。
本発明は、位相のずれた（out of phase）電圧を電極間に印加して電位差を発生させて実施することができ、あるいは、電極のうち１つを低電圧電極として指定し、冷却構造体を介して接地することができる。
また、本発明は、分岐管による酸素、オゾン、および冷媒の供給および除去を目的とした一元的発生システムとして接合されるセルのモジュール性を認識したものである。
本発明は、高電圧電極を備える高電圧アセンブリと、低電圧電極を備える低電圧アセンブリとを含む反応性ガス発生セルを特徴としている。
電極問には、反応性ガスを発生する放電領域を画定するバリア誘電体があり、また、放電領域を含むアセンブリ間に永久シールを施したチャンバを形成するために、アセンブリを連結する溶接シール部が設けてある。

好ましい実施例では、アセンブリにカバー・プレートおよびチャンネル・プレートを含む。各カバー・プレートは、凸状の甲殻状であり、各チャンネル・プレートは冷媒チャンネルを含む。一方のチャンネル・プレートは流入路を含み、他方のチャンネル・プレートは流出路を含む。流入路はチャンネル・プレートの外周近くにあり、流出路はチャンネル・プレートの中心近くにある。各チャンネル・プレートは、冷媒流入チャンネルと冷媒流出チャンネルを備えている。

各カバー・プレートは、ステンレス製になっており、各チャンネル・プレートも同様である。高電圧アセンブリは、高電圧電極と、カバー・プレートおよびチャンネル・プレートとの間に電気絶縁用の分離部材を含む。バリア誘電体手段は、各電極と関連したバリア誘電体部材を含む。各バリア誘電体部材は、関連する電極に伝熱性接着剤で取り付けてある。伝熱性接着剤は導電性手段を含む。低電圧電極は、カバー・プレートを含む。放電領域の間隙を設けるためのスペーサ手段があり、この間隙は０．１２７mm（０．００５インチ）未満となっている。低電圧電極は、放電領域とは反対側のバリア誘電体手段上に導電性覆膜を含む。

また、本発明は、高電圧電極を有する高電圧アセンブリと、低電圧電極を有する低電圧アセンブリとを含む発生セルを特徴としている。電極間には、反応性ガスを発生する放電領域を画定するバリア誘電体がある。放電電極の間隙は、０．１２７mm（０．００５インチ）未満である。
さらに本発明は、複数のモジュール発生セルを含む発生システムを特徴としており、各セルは、高電圧電極を有する高電圧アセンブリを含み、低電圧アセンブリは低電圧電極を備え、電極聞にあるバリア誘電体手段は反応性ガスを発生する放電領域を画定している。また、各セルは、放電領域を含むアセンブリ間に永久シールされたチャンバを形成するために、アセンブリを連結する溶接シール部を含んでいる。

好ましい実施例においては、各セルに流入口および流出口を含み、この流入口および流出口が、隣接するセルの流入口および流出口を連結して流入マニフォールドおよび流出マニフォールドを形成している。各流入口には、流入マニフォールド内の圧力を一様にする流れ絞り弁を備え、各セルへの流れの平衡をとっている。

各セルの各アセンブリは、冷媒流入口および冷媒流出口を含み、この流入口および流出口が、隣接するアセンブリの冷媒流入口および冷媒流出口を連結して冷媒流入マニフォールドおよび冷媒流出マニフォールドを形成している。
さらに、本発明は、第１の電極を含む第１のアセンブリと、第２の電極を含む第２のアセンブリとを備える反応性ガス発生システムを特徴としている。電極間には、反応性ガスを発生する放電領域を画定するバリア誘電体手段があり、また、電極間に電圧差を印加する装置がある。溶接シール部がアセンブリを連結し、放電領域を含むアセンブリ間に永久シールされたチャンバを形成している。

好ましい実施例では、各アセンブリにカバー・プレートおよびチャンネル・プレートを含む。各カバー・プレートは、凸状の甲殻状であり、各チャンネル・プレートは冷媒チャンネルを含む。一方のチャンネル・プレートには、流入路を含み、もう一方のチャンネル・プレートには流出路を含む。流入路は、チャンネル・プレートの外周近くにあり、流出路はチャンネル・プレートの中心近くにある。各チャンネル・プレートには、冷媒流入チャンネルと冷媒流出チャンネルを備えている。各カバー・プレートは、各チャンネル・プレートと同じくステンレス製になっている。

第１および第２のアセンブリは、第１および第２の電極と、カバー・プレートおよびチャンネル・プレートとの間に電気絶縁用の分離部材を含む。バリア誘電体手段は、各電極と関連したバリア誘電体部材を含む。各バリア誘電体部材は、関連する電極に伝熱性接着剤で取り付けてある。伝熱性接着剤は、導電性手段を含む。電極は、放電領域とは反対側のバリア誘電体手段上に導電性覆膜を含む。
放電領域の間隙を設けるためのスペーサ手段があり、この間隙は０．１２７mm（０．００５インチ）未満となっている。電圧差を与える装置は、第１および第２の電極と位相のずれた電圧を印加する電源を含む。

加えて、本発明は、複数のモジュール発生セルを含む反応性ガス発生システムを特徴としている。各セルは第１の電極を含む第１のアセンブリと、第２の電極を含む第２のアセンブリと、反応性ガスを発生する放電領域を画定し、電極間にあるバリア誘電体手段を含む。本装置は、電極間に電圧差を印加し、溶接シール部がアセンブリを連結し、放電領域を含むアセンブリ間に永久シールされたチャンバを形成している。

好ましい実施例においては、各セルに流入口および流出口を含み、この流入口および流出口が、隣接するセルの流入口および流出口を連結して流入マニフォールドおよび流出マニフォールドを形成している。

各流入口は、流入マニフォールド内の圧力を一様にする流れ絞り弁を備え、各セルへの流れの平衡をとっている。各セルの各アセンブリは、冷媒流入口および冷媒流出口を含み、この流入口および流出口が、隣接するアセンブリの冷媒流入口および冷媒流出口を連結して、冷媒流入マニフォールドおよび冷媒流出マニフォールドを形成している。電圧差を与える装置は、位相のずれた電圧を第１および第２の電極に印加する電源を含む。

本発明によれば、軽量かつコストが低く、小型、コンパクトな、オゾンおよびその他の反応性ガスの改良型発生器を提供することができる。

その他の目的、特徴および利点は、好ましい実施例に関する以下の説明および添付の図面から当業者に明らかになろう。

高電圧アセンブリ１２および低電圧アセンブリ１４を含む、本発明のオゾン発生セル１０を第１図に示す。
高電圧アセンブリ１２は、チャンネル・プレート１６、および通常はチャンネル・プレート１６にニッケル付けしたカバー・プレート１８を含む。カバー・プレート１８は、溶接面２０となるフレア付外周リムを備えた凸状甲殻状のプレートを有している。カバー・プレート１８とチャンネル・プレート１６の間のニッケル付けにより、チャンネル・プレート１６の蛇行状水チャンネル２２が閉鎖される。高電圧アセンブリ１２は、通常、厚さ２．２９ｍｍ（０．０９０インチ）の高電圧分離誘電体要素２６に取り付けた、直径約８８．９ｍｍ（３．５インチ）で厚さ０．００５０８ｍｍ（０．０００２インチ）の銀被覆を施した高電圧電極２４を含む。分離誘電体２６は、カバー・プレート１８上に、厚さ約０．０７６２ｍｍ（０．００３インチ） 、直径約１０１．６ｍｍ（４インチ）の層２３を成す伝熱性接着剤で取り付けてある。この接着剤は、Ablestick 561Kなどのエポキシ樹脂である。

誘電体２６を高電圧電極２４から分離して絶縁を行うと、冷媒チャンネル２２を流れる冷媒を、電極２４の電圧がチャンネル２２の近くにかかっている場合に必要となる高級なシリコンやその他の液体ではなく、通常の水道水にすることができる。伝熱性接着剤２７は、Ablestick 561Kなどのエポキシ樹脂であって、厚さが約０．０７６２ｍｍ（０．００３インチ）、直径が約１０１．６ｍｍ（４インチ）ある。このエポキシ樹脂は、伝熱特性にすぐれ、バリア誘電体２８の放電面からアセンブリを介してチャンネル・プレート１６に熱を伝達する。しかし、エポキシ樹脂の導電性は高くなく、そのため、貫通穴３２に挿入された導電要素３０が構成する通路によってエポキシ樹脂を分割し、導電性を与えている。

導電性要素３０は、通常、厚さ０．０７６２ｍｍ（０．００３インチ）、直径約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）である。銀など、厚さ約０．００５０８ｍｍ（０．００２インチ）、直径約８８．９ｍｍ（３．５インチ）の金属化層３４を、バリア誘電体の背面に塗布してバリア誘電体２８を横切って電界を広範囲かつ均等に分布させている。層３４には、穴３６を設け、バリア誘電体２８の中央部分の電界を弱めて低電圧アセンブリ１０のオゾン流出路中で火花が発生しないようにしている。

電極２４は、絶縁した高電圧リード線３８を介して通電され、このリード線は分離誘電体２６にある穴４０、チャンネル・プレート１６にある穴４２と４４および伝熱層２３にある穴４６を貫通している。チャンネル・プレート１６は、酸素流入路５０を含み、前記流入路は導路（conduit）５２を介して酸素流入マニフォールド要素５４に連絡している。

複数のモジュール・オゾン発生セル１０を結合した場合に、オゾン発生システムに形成されるマニフォールド内の圧力を一様にするために、絞り弁５６は酸素流入路５０内に配設されている。絞り弁は、各セル１０への酸素の流れの平衡をとる。チャンネル・プレート１６の冷媒チャンネル２２は、導路５８を介して水流入要素５６と連絡し、また、導路６２を介して水流出マニフォールド要素６０と連絡している。

低電圧アセンブリ１４は、チャンネル・プレート７０およびカバー・プレート７２を含み、前記カバー・プレートチャンネル・プレート７０にニッケル付けされ、チャンネル・プレート７０の蛇行状水チャンネル７４を閉鎖している。カバー・プレート７２は、外周リムの付いた一般に凸状または甲殻状をしており、カバー・プレート１８の溶接面２０と対になる溶接面７５を備えている。冷媒チャンネル７４は、導路８０を介して冷媒マニフォールド流入要素７８に連絡し、また、導路８４を介して冷媒マニフォールド冷却要素８２に連絡している。

高電圧アセンブリ１２内の酸素は、アセンブリ１２の中心から半径方向に隔たった酸素流入路５０を介し、周辺部を巡るようにして供給される。 低電圧アセンブリ１４については逆になる。発生したオゾンは、中央に位置する通路８６を介して除去され、この通路は導路８８を経由してオゾン・マニフォールド流出要素９０に連絡している。

低電圧アセンブリ１４はバリア誘電体９２を含み、この誘電休は厚さが０．２５４ｍｍ（０．０１インチ）、直径が１０１．６ｍｍ（４インチ）あり、通常はアルミナ製である。バリア誘電体９２の背面には、バリア誘電体２８の背面にある層３４と同様の導体層９４がある。エポキシ伝熱層９６は、高電圧アセンブリ１２内の層２７と同様な構成になっており、穴９８と導電性要素１００を含み、適切な導電性を確保している。

本実施例の低電圧電極１０２は、実際にはカバー・プレート７２と、導体１００と、バリア誘電体９２の金属化層９４とで構成されているが、必要があれば分離した電極を使用することも可能である。チャンネル・プレート７０およびカバー・プレート７２にあるオゾン流出路８６は、伝熱層９６にある同様の孔１０４および金属化層９４とバリア誘電体９２とにある孔１０６、１０８に連絡しており、そのため、バリア放電領域１１０で発生したオゾンを適切に除去することができる。

セラミック製スペーサ１０９は、厚さ０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）、通常１２０°間隔で配設されており、バリア誘電体２８および９２の間の放電領域にある固定間隙を維持している。この間隙を、通常１２７μｍ（５ミル）未満とできるだけ小さくすることによって、放電領域のガスをバリア誘電体に常に近接させておくことができ、また、バリア誘電体からそれぞれのチャンネル・プレート１６および１７に通じている冷却路をきわめて短く、効率的に配置することができる。これにより、さほど高度の冷却技術、冷却装置および冷媒を使用せずとも、高濃度のオゾンを大量に生成する高性能を実現することができる。

冷媒チャンネルを第２図および３図に詳細に図示する。
図において、チャンネル２２内の、例えば矢印１１２で示す蛇行した水の流れが、冷媒流入マニフォールド要素５７から導路５８およびポート１１４を経由してチャンネル２２内に流れ込むのがわかる。水またはその他の冷媒は、チャンネル２２からポート１１６、導路６２、および冷媒流出マニフォールド要素６０に移動する。ガスまたは酸素マニフォールド流入要素５４は、導路５２を介して酸素を絞り弁５６がある流路５０に供給する。酸素が、絞り弁を経由し、チャンネル・プレート１６の周囲を巡る間に、オゾンは、第４図および５図に示すように、チャンネル・プレート７０の中心にある流路８６を通って除去される。

流路８６は、導路３８と連絡しており、発生したオゾンをガス流出マニフォールド要素９０に供給する。したがって、酸素は周回しながら供給され、酸素から発生したオゾンは、オゾン発生セル１０の中心から取り出される。第５図に矢印１２０で示すように、冷媒チャンネル７４およびチャンネル・プレート７０内の流れは同じく蛇行している。流れは、ポート１２２を介し、導路８０を経由して冷媒流入マニフォールド要素７８から導入され、水は、ポート１２４、導路８４および冷媒流出マニフォールド要素８２を介して取り出される。

第６図に示すように、オゾン発生器１０ａ、１０ｂおよび１０ｃは、積み重なってモジュール状に結合し、オゾン発生システムを構成している。第６図より、溶接面２０ｂおよび７５ｂは、円周ビード１５０に溶接され、放電領域を配設した封止チャンバを構成していることがわかる。

したがって、周状チャンネルすなわち環状チャンネル１５２は、流路５０ｂおよび絞り弁５６ｂを介して流入してくる酸素を受けるように形成されている。酸素流入マニフォールド要素５４ｂと５４ｃは、１５４で突き合わせ溶接され、酸素流入マニフォールド１５５を形成している。同様にオゾン流出マニフォールド要素９０ａおよび９０ｂは１５６で突き合わせ溶接され、オゾン流出マニフォールド１５７を形成している。冷媒流入マニフォールド要素５７、７８および冷媒流出マニフォールド要素６０、８２は同様の形状に加工され、突き合わせ溶接されている。

溶接面２０ｂおよび７５ｂは、このような表面すべての代表例として、直接溶接して合わせた状態を示してあるが、本発明はこれに限定されるものではなく、第７図に示すように、前記溶接面は、表面２０'、７５'を介して互いに溶接でき溶接部分１６２および１６４で中間部材１６０により接合できる。マニフォールド要素５４ｂ、５６ｃ、９０ａ、９０ｂは突き合わせ溶接した垂直なパイプとして示してあるが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。

例えば、第８図のマニフォールド要素９０ａａおよび９０ｂｂは、フレア付端部１７０とストレート端部１７２とを備え、各要素のストレート端部１７２が隣接する要素のフレア付端部１７０にしっかりと収まり、確実にシール溶接できるようになっている。

完全なオゾン発生システム２００は、第９図に示すように、ガス流入口マニフォールド１５５およびガス流出マニフォールド１５７用のコネクタ２０２、２０４と、冷媒流入マニフォールドおよび冷媒流出マニフォールド２１４、２１６、２１８、２２０用の類似のコネクタ２０６、２０８（２１０および２１２は図示せず）とを含む。積み重ねたセル全体は、３組のネジ付ロッドおよびナット２２６、２２８、２３０により２枚の三角形端部プレート２２２および２２４の間に保持されている。
間隙がより狭く、オゾン発生量がより多いオゾン発生セルをより低コストで製造するには、ガス・チャンネル、埋め込み電極、分離およびバリア誘電体を備えた一体型焼成誘電体を作製し、伝熱性エポキシ樹脂がもっとも損傷を受けやすい放電領域近くで伝熱性エポキシ樹脂を使用しないですませるようにすることが考えられる。このようなオゾン発生セルを第１０図に示す。第１０図において、バリア誘電体２５０、接地電極２５２および高電圧電極２５４は、すべて同一の焼成誘電体に埋め込まれており、この誘電体は、第１１図に示すように、複数の周辺部一体パッド２５６、２５８、２６０、２６２、．．．（２６４および２６６は図示せず）を備え、このパッドを一体として、放電領域２７０における間隙を狭め、冷却およびオゾン発生の効率向上を図っている。

以上、２つの電極を名目上高電圧電極および低電圧電極として指定し、低電圧電極を冷媒構造物を介して接地した実施形態について本発明の説明を行ったが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。第１２図に示すように、本発明によるオゾン発生セル１０'は、第１のアセンブリ１２'および第２のアセンブリ１４'を含む。アセンブリ１２'は、チャンネル・プレート１６'およびカバー・プレート１８'を含む。高電圧アセンブリ１２'は、分離誘電体要素２６'上に取り付けた高電圧電極２４'を含む。アセンブリ１４'は、チャンネル・プレート７０'およびカバー・プレート７２'を含む。アセンブリ１４'は、バリア誘電体９２'を含む。分離電極９４'および２４'の両端間の電圧差は、交流駆動電源３００から供給され、位相がずれている。

開示した実施例ではオゾン発生器について述べたが、本発明はその他の反応性ガスの生成にも同様に適用できる。本発明の具体的な特徴は一部の図面だけに示してあるが、これは便宜上そうしたにすぎず、それぞれの特徴は、本発明に従ってその他の特徴のいずれかまたはすべてと組み合わせることが可能である。
当業者なら、以下の請求の範囲内において、他の実施形態を思いつくであろう。

本発明によるオゾン発生セルの略分解断面図である。 第１図に示すオゾン発生器の高電圧アセンブリの略側面図である。 第２図の線３−３に沿った略断面図である。 第１図に示したオゾン発生器の低電圧アセンブリの略側面図である。 第４図の線５−５にそった略断面図である。 第１図に示したオゾン発生セルの積み重ねたモジュールおよびマニフォールドを示す断面図である。 高電圧アセンブリおよび低電圧アセンブリ用の代替溶接シール部の部分切欠き図である。 第６図に示したものとは別の代替マニフォールド構造の略側部断面図である。 第１図に示した複数のオゾン発生セルからモジュール状に構成したガス流入および流出マニフォールド並びに冷媒流入および流出マニフォールドを備えたオゾン発生システムを示す図である。 電極およびバリア誘電体の代替構造の略側部断面図である。 第１０図の線１１−１１に沿った部分平面図である。 両方の電極アセンブリを分離したオゾン発生システムの代替構造の断面図である。

Claims (1)

1. 高電圧電極と、第１のカバー・プレートと、前記高電圧電極と前記第１のカバー・プレートとの間に配設した第１の電気絶縁部材、を含む高電圧アセンブリと、低電圧電極と、第２のカバー・プレートと、前記低電圧電極と前記第２のカバー・プレートとの間に配設した第２の電気絶縁部材、を含む低電圧アセンブリと、反応性ガスをその中に封じ込める放電領域を画定するために、前記電極の間に配設した少なくとも１つのバリア誘電体部材とを備え、前記放電領域が０．１２７ｍｍ未満の間隙を有する発生セル。