JP2008137862A

JP2008137862A - オゾン発生装置

Info

Publication number: JP2008137862A
Application number: JP2006326706A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kodaira; 猛小平
Original assignee: UGAJIN DENKI KK
Current assignee: UGAJIN DENKI KK
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2008-06-19

Abstract

【課題】オゾン発生装置で放電を繰り返すと誘電体の殆んどは酸素原子の励起により窒素酸化物が付着して電極内に穴等が開きオゾンが漏れだし器具全体を破壊するおそれがあるので、分解掃除が容易でリサイクル可能な電極構造を備えたオゾン発生装置を提供する。
【解決手段】同心円筒状に配置された電極２、３間に誘電体４を配置したオゾン発生装置であって、内外電極の一方に原料ガス導入口９と生成したオゾンガス吐出口１０とを具えた前面接続部（前フタ）５、他方に後フタ６をそれぞれ取外し自在に螺着すると共に、後フタ６内に同心円筒状に配置された内外電極２、３の間隔を保持するスペーサ７を配置して各部の分解掃除を容易にする。
【選択図】図１

Description

本発明は無声放電式オゾン発生装置における前後のフタ間に電極と誘電体を配置して分解掃除を容易にしたオゾン発生装置に関する。

無声放電式オゾン発生装置は、同心円筒状に配置された電極間に空気もしくは酸素を含む原料ガスを流通させ電極間に交流高電圧を印加すると、高圧電極と接地電極との間の放電ギャップ間で無声放電（微小なパルス放電の集合）が起こり、この放電ギャップに酸素を含むガスを通過させることにより酸素を励起してオゾンを発生させる。ガスを流入する流入口と生成されたオゾン含有ガスをはき出す流出口を有し、電極内は石英ガラス、セラミック板等の誘電体によって電気絶縁されている（特許文献１）。

特許第３２９０８２０号（第３頁、左欄１１〜１９行、図１）。

放電電極内で窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）が生成されることは良く知られている。また、このＮＯ_Ｘが電極に付着することも電極の動作不良につながるとされている。電極表面では単にＮＯ_Ｘが電極表面に付着しているのでは無く、ガラス等の誘電体表面の酸素原子が励起されたことにより窒素との化学結合による付着物が生成され、その上にＮＯ_Ｘが付着していくと考えられる。従来、窒素酸化物の薄膜によって誘電体表面に絶縁層が出来放電しなくなると考えられてきた。空中放電によるオゾンの生成反応は電極表面で起きているのでなく放電により空中で反応がおきている。よって窒素酸化物の薄膜が故障の原因ではない。
以後、ガラスを誘電体とした例について説明する。ここでガラスの特性を表１（「大学課程電気材料」 (株)オーム社、改訂第２版第３刷、５１頁）に示す。

ガラスは誘電体としての性質を持つ（電位がかかっていないときは、電子双極子に対し勝手な方向を向いているため分極が起きないが、電位をかけると分極する性質がある。）そのため、電極の電位がそのまま、誘電体表面に現れる。電気化学に於いてサイクリック・ボルタンメトリという測定方法があるが、その電極構造に似ている。その時の電位を電位窓といっているが、誘電体表面における電位という意味では同じと考えてよい。水溶液中では電位は非常に低く、誘電体近傍で反応が起こり、直接酸化還元電位を求められる。それに対して空気中の場合では電子は誘電体表面に衝突し電位反転によって空中に放出され反応は空中で起きる。そのため誘電体表面では絶えず電子、イオンの衝突が繰り返されている。図４は電極内の放電現象の説明図で、「オゾン」第１１５頁、エム・ホーバス、ビリアキー・フレセビア（Ｍ．ＨＯＲＶＡＴＨ，ＢＩＬＩＡＫＹＦＬＥＳＥＶＩＥＲ）著、ISBN 0444-99625-7(Vol.20)．セルビア社、に記載されている。

ガラスはケイ素と酸素が結合した物であり、電子、イオンの衝突によって酸素、ケイ素が励起されていることは容易に想像できる。放電によって電極内ではどのような反応が起きているのか説明する。下記反応式は参考文献「オゾンの基礎と応用」杉光英俊著、光琳社刊平成１６年１月３１日再版９６頁"オゾン生成機構"の項を引用したものである。
Ｒ0 Ｏ₂+ｅ → 2Ｏ+ｅ
Ｒ1 Ｏ+Ｏ₂+Ｏ₂ → Ｏ₃+Ｏ₂
Ｒ2 Ｏ+Ｏ₃ → 2Ｏ₂
Ｒ3 Ｏ₃+ｅ→ Ｏ₂+Ｏ+ｅ
このうちＲ０、Ｒ１はオゾン生成反応、Ｒ２、Ｒ３はオゾン分解反応であって、電極内ではオゾン生成反応と分解反応が同時におきている。第３体の存在下でＲ１はＯ_２の代わりに第三体Ｍが関与して、Ｏ+Ｏ₂+Ｍ → Ｏ₃+Ｍの反応が起きると考えられる。また、窒素もＭとして働き以下の反応が考えられる。（参考文献：同前「オゾンの基礎と応用」１０１頁、「窒素化合物のオゾン生成関連反応」の項を引用）
窒素化合物のオゾン生成関連反応
Ｎ_２+ｅ →Ｎ_２（Ａ）, Ｎ_２（Ｂ）, Ｎ_２（Ｃ）＋ｅ → ２Ｎ＋ｅ
Ｎ_２（Ｃ）＋Ｏ₂ → ２Ｏ₂＋Ｎ_２
Ｎ_２（Ｂ）＋Ｏ₂ →
Ｎ_２（Ｃ）＋Ｏ₂ →
Ｎ＋Ｏ₂ → ＮＯ＋Ｏ
Ｎ＋Ｏ_３ → ＮＯ＋Ｏ
Ｎ＋Ｏ_３ → ＮＯ₂＋Ｏ₂
ＮＯ_２＋Ｏ_３ → ＮＯ_３＋Ｏ₂
Ｏ＋ＮＯ_２ → ＮＯ＋Ｏ₂
ＮＯ＋ＮＯ_３＋Ｎ_２ → Ｎ_２Ｏ_５＋Ｎ₂
Ｏ＋Ｎ_２Ｏ_５ → ２ＮＯ_２＋Ｏ₂
つまりオゾン生成反応は酸素単独で起きているとは考えにくく、反応を助ける第３体（物質）として窒素が重要な働きをしている。よって空中放電によるオゾン生成の際に、窒素も励起されているとみてよい。

図３は電極内の放電現象の説明図である。
オゾン発生装置で放電を繰り返すと窒素酸化物が誘電体の面上に生じ、それが成長し、面電極内に橋が生じる。その結果、抵抗が減少し、抵抗値が小さくなると共振条件からはずれるため、放電が停止する。誘電体のほとんどは酸素原子の励起により窒素酸化物は必ず付着するので、誘電体を定期的にクリーニングもしくは交換ができれば、電極内はいつも新しく放電が安定して得られる。ところが、電極内は高電圧がかかるため密閉構造にしないと電極から穴等が開きオゾンが漏れだし器具全体を破壊するおそれがあるので、分解掃除が容易でリサイクル可能な電極構造を備えたオゾン発生装置とすることが望ましい。
電極の等価回路を図２に示したが、内部抵抗の抵抗値は数十ＭΩ以上である。電極に電圧を供給するには、昇圧トランスによって数十ＫＶまで上げられた装置を使う。負荷が図３に示すＲ、Ｃ等価回路となり、Ｌ、Ｒ、Ｃの共振回路となる。放電を繰り返すと窒素酸化物の橋が誘電体に生じ、それがどんどん大きくなり、抵抗が減少する。抵抗値が数ＭΩ程度になると共振条件からはずれて放電が停止する。これを防止するためには誘電体に窒素酸化物を付着させなければ良いが、誘電体のほとんどがその分子構造に酸素原子を持っているため、酸素原子の励起により窒素酸化物が必ず付着する。

誘電体を定期的にクリーニングもしくは交換ができれば、電極内はいつも新しく放電が安定して得られる。ところが、オゾンは腐食性の強い物質でオゾンに使える物質は、ステンレス、テフロン（登録商標）、塩化ビニル、ガラス等があるが電極内は高電圧がかかるため密閉構造にしないと電極から穴等が開きオゾンが漏れだし器具全体を破壊する。従来、分解掃除をおこないリサイクル可能な電極構造はなかった。上記のような装置では、オゾンを破壊することなく均一に分布する状態が望ましい。そこで、本発明では、効率的にオゾンを発生できると共に、分解掃除容易なオゾン発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１は、同心円筒状に配置された電極間に誘電体を配置し、電極間に空気または純酸素もしくはこれに反応触媒ガスを混合した原料ガスを流通させると共に、電極間に交流高電圧を印加し放電させることで酸素を励起して無声放電式にオゾンを発生させる装置であって；前記内外電極の一方に原料ガス導入口と生成したオゾンガス導出口とを具えた前フタ又は前面接続部を設け、前記電極の他方には平行もしくは同心状に配置された内外電極の間隔を保持するスペーサを設けたことを特徴とするオゾン発生装置である。請求項２は、前記外部電極の端部近くは前フタと後フタにそれぞれ螺合され、内部電極の一端は前記スペーサに当接し、他端は前フタを貫通してねじ止めされたオゾンガス導出口を形成してねじ止めされている請求項１に記載のオゾン発生装置である。

図１は、本発明はオゾン発生装置の実施形態を示す断面図である。上記のように、オゾン発生装置で放電を繰り返すと、ガラス分子内の酸素原子の励起によりガラス表面に窒素酸化物が付着して放電が停止する。分解出来れば良いが分解可能な構造とするとその接合部にわずかな空隙が生じ、そこからリークが起き電極内に穴等が開きオゾンが漏れだし器具全体を破壊するおそれがあった。本発明は、分解掃除が容易でリサイクル可能な電極構造を備えた無声放電式オゾン発生装置を提供する。
本発明では、同心円筒状に配置された電極２、３間に誘電体４を配置したオゾン発生装置であって、内外電極の一方に原料ガス導入口９と生成したオゾンガス吐出口１０とを具えた前面接続部（前フタ）５、他方に後フタ６をそれぞれ取外し自在に螺着すると共に、後フタ６内に同心円筒状に配置された内外電極２、３の間隔を保持するスペーサ７を配置して各部の分解掃除を容易にする。また、オゾン発生装置のオゾンガス流出側または原料ガス流入側もしくはガス流入側と流出側のパイプ接続部には、図２について後述するように、パイプ接続端近くに装着するキャップ１７と、キャップの先端に螺合するニップル２１と、キャップ内に挿入したパイプ１６の先端外周に被着されニップル２３の螺合によってキャップ内壁とニップル先端との間に圧入された可撓性のリング２０とからなるパイプジョイント１５を装着してパイプ接合隙間を塞いで通常運転時のオゾンガスの漏出を防止する。

さらに、詳しく述べると、無声放電式オゾン発生装置１において、同心円筒状に配置された内外の電極２、３間に石英ガラスのごとき誘電体４を配置し、その支持部（例えば前記スペーサ７）を接着剤等で固定しない。その代わり両電極間に充分な延面距離をとる。具体的には１０ＫＶに付き１０ｍｍ以上の距離をとる。その間に空気もしくは純酸素と反応触媒ガス（第３体）との混合ガス（以後単にガスと言う）を流通させ電極間に交流高電圧を印加し放電させることで酸素を励起してオゾンを発生させる。内外電極２、３の一方に原料ガス導入口９と生成したオゾンガス吐出口１０とを具えた前面接続部または前フタ５を設け、電極の他方に後フタ６を設けて平行もしくは同心状に内外電極２、３を保持している。また、誘電体４の内面または外面に削成した原料ガス通路（図示省略）を有している。
前面接続部または前フタ５の内部には、図１に示すように、原料ガス導入口９に通じる環状室５ａと、外部電極３と誘電体４との端部を差し込む環状凹所５ｂと、内部電極２の１端に形成した細径部であるオゾンガス吐出口１０を嵌装する中心孔５ａとを有している。環状凹所５ａの内周壁に雌ねじ部１３を設けて外部電極４の外周端部近くを螺合して組み付け、またオゾンガス導出口１０を中心孔５ｃに挿合したのち、ナット１２を用いて締め付ける。また、後フタ６は、外部電極４の端部近くの外周の雌ねじ部１４に螺合され、内部に内外電極の同心的間隔を保持すると共に、内外電極間で生成されたガスを内部電極２からオゾンガス吐出口１０に導く連通路８を備えたスペーサ７を収納する。

図１に示したように、同心円筒状に配置された電極２、３間に誘電体４を配置したオゾン発生装置であって、内外電極の一方に原料ガス導入口９と生成したオゾンガス吐出口１０とを具えた前面接続部（前フタ）５、他方に後フタ６をそれぞれ取外し自在に螺着すると共に、後フタ６内に平行もしくは同心状に配置された内外電極２、３の間隔を保持するスペーサ７を配置し、各部のねじ部を緩めて順次を取り外して分解掃除することが容易である。なお、図１中、符号８ｇはスペーサ７内のガス通路、８ａは内部電極２と誘電体４との間に形成したガス通路である。

上記電極２，３間に１０ｋｖ程度の高電圧交流を印加すると放電が起こるが、この放電は誘電体４によって絶縁されているので、いわゆる雷のようなアーク放電と違い電極間ガスを励起し、励起されたことで発生する電子をキャリアとしている。電極の等価回路は前記図３に示す通り抵抗ＲとコンデンサＣの並列回路となっており、Ｃは電極の規模によっても違うがＰＦ程度で抵抗は数十ＭΩ以上である。

なお、前フタ６を中心に内部電極２、外部電極４はねじが切ってあるので、回しながら挿入する。図示のように内部電極２、外部電極４の間に、筒状の誘電体５を挿入する。その後締め付けねじ１２を内部電極２の吐出部より挿入し、回しながら前フタを締め付ける。前フタは例えばテフロン（登録商標）等の柔らかい材料を使う。締め付けねじによって変形し内部電極のねじの谷に前フタの雌ねじの山が入り込み完全に密封される。さらに、外部電極を締め付けると同時に外部電極と前フタの接続部が密封される。

本発明オゾン発生器における電極の実施形態を示す断面図。電極の等価回路を示す図。電極内の放電現象の説明図。

符号の説明

１オゾン発生器２内部電極
３外部電極４誘電体（石英ガラス管）
５前フタ部（前面接続部）５ａ雌ねじ部
５ｂ環状室５ｃ中心孔
６後フタ６ａ雌ねじ部
７スペーサ８連通路
９原料ガス導入口１０細径部（オゾンガス吐出口）
１１雄ねじ１２締付ねじ
１３、１４雄ねじ

Claims

同心円筒状に配置された内外電極間に誘電体を配置し、電極間に空気または純酸素もしくはこれに反応触媒ガスを混合した原料ガスを流通させると共に、前記電極間に交流高電圧を印加し放電させることで酸素を励起して無声放電式にオゾンを発生させる装置であって、前記内外電極の一方に原料ガス導入口と生成したオゾンガス導出口とを具えて前面接続部を構成させた前フタを設け、内外電極の他方には同心状に配置された内外電極の間隔を保持するスペーサを有する後フタを設けたことを特徴とするオゾン発生装置。
前記外部電極の端部近くは前フタと後フタにそれぞれ螺合され、内部電極の一端は前記スペーサに当接し、他端は前フタを貫通してねじ止めされたオゾンガス導出口を形成してねじ止めされている請求項１に記載のオゾン発生装置。