JP2010260786A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、オゾン発生装置に関する。
【解決手段】本発明のオゾン発生装置は、第一電極、第二電極、少なくとも一つの放電ユニット及び誘電体を含む。前記第一電極及び前記第二電極が間隔を置いて設置される。前記少なくとも一つの放電ユニットが前記第一電極の前記第二電極と隣接する一側に設置される。前記誘電体が前記第二電極の前記第一電極と隣接する一側に、前記放電ユニットと間隔を置いて設置される。前記放電ユニットが少なくとも一つのカーボンナノチューブワイヤを含み、該カーボンナノチューブワイヤが前記第一電極から前記第二電極に向かう方向に沿って延伸し、少なくとも一つのカーボンナノチューブが該カーボンナノチューブワイヤの端部から露出している。
【選択図】図１

Description

本発明は、オゾン発生装置に関し、特にコロナ放電原理によるオゾン発生装置に関するものである。

オゾンが強酸化剤であり、周知の数種の酸化剤において、オゾンの酸化性がフッ素に次ぐので、オゾンは、水及び空気における細菌又はウィルスなどの汚染物を酸化することができ、水、空気及び環境を浄化することに広く応用される。特に、水を浄化する方面において、従来の塩化剤と比べて、オゾンは、より優れた消毒効果を有して、しかも二次汚染はない。

自然界において、オゾンは、紫外線で照射すること又は稲妻が空気の中の酸素を衝撃することによって、形成される。人工でオゾンを生成する方法は、主に、電解方法、紫外線で照射する方法、コロナ放電方法などを有する。コロナ放電は、尖った電極（針電極）の周りに不均一な電界が生じることにより起こる持続的な放電の総称である。この際、針電極周辺に認められる発光部をコロナと呼ぶ。コロナ放電原理を利用するオゾン発生装置は、オゾンを生成する効率が高く、制御が便利で、高い濃度のオゾンを製造することができるので、工業に広く応用される。

陳海▲フウ▼、"複数の針電極を有する二つの電極コロナ放電のボルト・アンペア特性"、高電圧技術、２００７年１０月 Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

前記オゾン発生装置は、第一電極及び、該第一電極と対向する第二電極を含む。前記第一電極の前記第二電極と隣接する表面に、複数の放電ユニットを有して、該放電ユニットが先端又は凸部である。前記第二電極の前記第一電極と隣接する表面は、平面又は曲面である。前記第一電極及び前記第二電極に電圧を印加すると、該第一電極における複数の放電ユニットの末端に複数の電荷を集中し、該複数の放電ユニットと、隣接する放電ユニットの間の空間との間に不均一な電界を形成することができる。前記電圧がコロナ電圧に達する際に、放電ユニットの周囲の空気が電離され、コロナ電流を形成する。前記オゾンを生成する過程は、下記のステップを含む。まず、コロナ電流が自由電子を提供する。次に、前記自由電子と前記酸素における酸素分子とがぶつかり、酸素原子を形成する。その後で、前記酸素原子と前記酸素分子が結合し、オゾン分子を生成する。

前記オゾンを生産する過程において、前記コロナ電流の大きさが前記オゾンの生産効率に大きな影響を与える。前記コロナ電流が大きくなるほど、オゾンの生産効率が大きくなる。非特許文献１には、同じ電圧の下で、前記放電ユニットの端部の直径を減少することによって、前記コロナ電流を増加できることが記載されている。

前記オゾン発生装置における放電ユニットは、細長い金属であり、該細長い金属の端部が放電ユニットの放電端である。しかし、金属材料の特性は、従来の加工条件で細長い金属の端部の直径をマイクロメートルスケール、更にナノメートルスケール以下に加工しにくい。従って、従来のオゾン発生装置において、細長い金属の端部の直径がミリメートルスケールであるので、該オゾン発生装置から形成されたコロナ電流が小さいという欠点がある。

従って、本発明は、大きなコロナ電流を有するオゾン発生装置を提供することを課題とする。

オゾン発生装置は、第一電極、第二電極、少なくとも一つの放電ユニット及び誘電体を含む。前記第一電極及び前記第二電極が間隔を置いて設置される。前記少なくとも一つの放電ユニットが前記第一電極の前記第二電極と隣接する一側に設置される。前記誘電体が前記第二電極の前記第一電極と隣接する一側に、前記放電ユニットと間隔を置いて設置される。前記放電ユニットが少なくとも一つのカーボンナノチューブワイヤを含み、該カーボンナノチューブワイヤが前記第一電極から前記第二電極に向かう方向に沿って延伸し、少なくとも一つのカーボンナノチューブが該カーボンナノチューブワイヤの端部から露出している

前記カーボンナノチューブワイヤの端部が間隔を置いて設置された複数の先端を有し、放電端とした少なくとも一つのカーボンナノチューブが各々の前記先端から露出している。

従来のオゾン発生装置と比べると、本発明のオゾン発生装置において、前記放電ユニットが少なくとも一つのカーボンナノチューブワイヤを含み、該カーボンナノチューブワイヤにおける少なくとも一つのカーボンナノチューブが該カーボンナノチューブワイヤの端部から露出し、放電端が形成され、しかも、該カーボンナノチューブの直径がナノメートルスケールであるので、該放電ユニットを利用したオゾン発生装置は、大きなコロナ電流を有する。

また、前記放電ユニットとしたカーボンナノチューブワイヤが複数の先端を有する場合、放電端とした少なくとも一つのカーボンナノチューブが各々の前記先端から露出するので、前記放電ユニットが複数の放電端を有する。従って、該放電ユニットを利用したオゾン発生装置のコロナ電流の密度を増加することができる。

本発明の実施例に係るオゾン発生装置の構造を示す図である。 本発明の実施例に係るオゾン発生装置における放電ユニットとした非ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤのＳＥＭ写真である。 本発明の実施例に係るオゾン発生装置における放電ユニットとしたねじれ状のカーボンナノチューブワイヤのＳＥＭ写真である。 本発明の実施例に係るオゾン発生装置における、ドローン構造カーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。 ドローン構造カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブセグメントの構造を示す図である。 本発明の実施例に係るオゾン発生装置における放電ユニットとしたカーボンナノチューブワイヤの端部のＳＥＭ写真である。 本発明の実施例に係るオゾン発生装置における放電ユニットとしたカーボンナノチューブワイヤの端部のＴＥＭ写真である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１を参照すると、本発明実施例１は、オゾン発生装置１００を提供する。該オゾン発生装置１００は、第一電極１１０、第二電極１２０、誘電体１３０及び少なくとも一つの放電ユニット１４０を含む。前記第一電極１１０及び前記第二電極１２０が対向して、間隔を置いて設置され、電源２００に電気的に接続される。前記誘電体１３０は、前記第二電極１２０の前記第一電極１１０に隣接する一側に設置される。前記少なくとも一つの放電ユニット１４０は、前記第一電極１１０の前記誘電体１３０に隣接する一側に設置される。

前記電源２００は、直流電源であり、正極２１０及び負極２２０を有する。前記第一電極１１０は、前記負極２２０に電気的に接続され、前記第二電極１２０は、前記正極２１０に電気的に接続されることができる。これにより、前記第一電極１１０が負電圧を有し、コロナ電流を形成する。この場合、前記第一電極１１０は、負極性コロナ放電を起こす。

また、前記第一電極１１０及び前記第二電極１２０が前記電源２００に電気的に接続される方式は、前記接続方式に制限されない。前記第一電極１１０が前記正極２１０に電気的に接続され、前記第二電極１２０が前記負極２２０に電気的に接続されることもできる。これにより、前記第一電極１１０は、正電圧を有して、コロナ電流を形成する。この場合、前記第一電極１１０は、正極性コロナ放電を起こす。また、前記電源２００が交流電源であってもよい。この場合、前記第一電極１１０は、負極性コロナ放電又は正極性コロナ放電を交互に起こすことができる。

前記第一電極１１０及び前記第二電極１２０は、平行して設置された平板状の電極である。前記第一電極１１０と前記第二電極１２０との間に不均一な電界を発生させ、コロナ電流を起こすために、該第一電極１１０及び前記第二電極１２０の少なくとも一部は、対向して設置する必要がある。

また、前記第一電極１１０及び前記第二電極１２０は、それぞれチューブ状の電極であってもよい。該第一電極１１０は、前記第二電極１２０の中空の部分に設置され、該第一電極１１０及び該第二電極１２０が同心で、間隔を置いて設置される。

前記誘電体１３０は、前記第二電極１２０の前記第一電極１１０に隣接する一側に設置され、前記放電ユニット１４０と間隔を置いて、前記第二電極１２０の前記第一電極１１０に面する表面を被覆する。前記誘電体１３０は、例えば、セラミックスのような耐熱絶縁材料からなる。従って、前記第一電極１１０及び前記第二電極１２０に印加した電圧がコロナ電圧より大きい場合、該第一電極１１０と該第二電極１２０との間に電気伝導通路を形成しにくいので、コロナ放電の効果を高めることができる。また、前記誘電体１３０は、例えば、ガラス又はプラスチックのような絶縁体からなることもできる。前記オゾン発生装置１００は、前記誘電体１３０を含まなくてもよい。この場合、前記第一電極１１０と前記第二電極１２０との間に電気伝導通路を形成しないで、前記放電ユニット１４０にコロナ放電を起こすことを確保するために、前記第一電極１１０に印加する電圧は、前記放電ユニット１４０と前記第二電極１２０との間の絶縁破壊電圧より小さい必要がある。

前記放電ユニット１４０は、導電接着剤で接着することなどの方式で、前記第一電極１１０に固定される。前記放電ユニット１４０が二つ以上である場合、該複数の放電ユニット１４０が間隔を置いて設置される。複数の放電ユニット１４０がマトリックスの方式で並べられることが好ましい。各々の放電ユニット１４０は、少なくとも一つのカーボンナノチューブワイヤを含み、該カーボンナノチューブワイヤが前記第一電極１１０から前記第二電極１２０に向かう方向に沿って延伸する。

前記カーボンナノチューブワイヤは、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ又はねじれ状カーボンナノチューブワイヤである。

図２を参照すると、前記非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤは、端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。前記カーボンナノチューブセグメントは、同じ長さ及び幅を有する。さらに、各々の前記カーボンナノチューブセグメントに、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。前記複数のカーボンナノチューブはカーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。

図３を参照すると、前記図２に示すようなカーボンナノチューブワイヤをねじり、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成することができる。ここで、前記複数のカーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブワイヤの中心軸を軸に、螺旋状に配列されている。

前記カーボンナノチューブワイヤを形成する方法は、カーボンナノチューブアレイから引き出してなるドローン構造カーボンナノチューブフィルムを利用する。図４を参照すると、単一の前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２を参照）から引き出して得られ、自立構造を有したものである。単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａにおいて、前記複数のカーボンナノチューブの大部分は、前記カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に、カーボンナノチューブフィルムを引き出す方向に沿って、且つ、同じ方向に沿って配列されている。前記複数のカーボンナノチューブは、分子間力で端と端が接続されている。

微視的には、前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａにおいて、前記同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブ以外に、該同じ方向に沿っておらずランダムな方向を向いたカーボンナノチューブも存在している。ここで、該ランダムな方向を向いたカーボンナノチューブは、前記同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブと比べて、割合は小さい。

図５を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント１４３ｂにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ１４５の長さは実質的に同じである。

前記カーボンナノチューブワイヤを形成する方法は、次の三種がある。第一種は、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの長手方向に沿って、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを所定の幅で切断し、カーボンナノチューブワイヤを形成する。第二種は、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを有機溶剤に浸漬させて、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを収縮させてカーボンナノチューブワイヤを形成することができる。第三種は、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを機械加工（例えば、紡糸工程）してねじれたカーボンナノチューブワイヤを形成する。詳しく説明すれば、まず、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを紡糸装置に固定させる。次に、前記紡糸装置を動作させて前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを回転させ、ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤを形成する。

また、前記ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤを揮発性有機溶剤で処理してもよい。前記揮発性有機溶剤の表面力の作用で前記ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤにおける隣接するカーボンナノチューブが分子間力で緊密に接続されるので、該ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤは、直径及び比表面積が小さくなり、大きな密度、優れた機械強度及び優れた強靭性を有する。

前記カーボンナノチューブワイヤが、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを処理し、形成されたものであり、且つ前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムが、自立構造体を有するので、該カーボンナノチューブワイヤは、自立構造体も有する。該カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、その直径は０．５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。

前記放電ユニット１４０の放電端として、少なくとも一つのカーボンナノチューブが、前記カーボンナノチューブワイヤの端部に露出する。前記カーボンナノチューブは、直径が０．４ナノメートル〜５０ナノメートルである。前記放電ユニット１４０の放電端の直径がナノメートルスケールであるので、該放電ユニット１４０を利用したオゾン発生装置１００は、大きなコロナ電流を有する。

図６及び図７を参照すると、前記カーボンナノチューブワイヤの端部に複数の先端を有する。各々の先端は、分子間力で緊密に結合した複数のカーボンナノチューブを含む。放電端とした少なくとも一つのカーボンナノチューブは、各々の前記先端から露出し、且つ、前記第二電極１２０に向かう方向に沿って延伸する。前記複数の先端が一定の間隔を置いて設置されるので、各々の先端の間の電界シールドを防止することができる。前記先端から露出しているカーボンナノチューブは、分子間力により、その周囲のカーボンナノチューブに結合されるので、大きな放電電圧に耐えることができる。前記先端は、前記カーボンナノチューブワイヤを、電圧を印加して切断する方法、レーザでスキャンする方法及び電子ビームでスキャンする方法によって、形成されたものである。即ち、前記カーボンナノチューブワイヤが複数の先端を有し、各々の先端が少なくとも一つの放電端を有する。従って、前記放電ユニット１４０が複数の放電端を有するので、オゾン発生装置のコロナ電流の密度を増加することができる。

前記放電ユニット１４０の表面に、イオンの衝撃に耐える金属炭化物層を形成し、或いは、複数の金属炭化物粒子を設置する。前記金属炭化物層又は複数の金属炭化物粒子は、少なくとも、前記放電端の表面に設置され、好ましくは、前記放電ユニット１４０における各々のカーボンナノチューブの表面に設置される。前記金属炭化物層又は複数の金属炭化物粒子は、前記放電ユニット１４０が気体を電離して形成されたイオンをカーボンナノチューブに直接衝撃させない。従って、前記放電ユニット１４０がイオンの衝撃に耐え、該放電ユニット１４０の寿命を延長することができる。前記金属炭化物層は、炭化ハフニウム、炭化チタン、炭化ニオブ及び炭化ジルコニウムのいずれか一種であり、好ましくは、炭化ハフニウムである。

前記第一電極１１０と前記誘電体１３０との隙間に酸素を含む乾燥した混合気体を注入する場合、前記第一電極１１０及び前記第二電極１２０に電圧を印加すると、前記オゾン発生装置１００は、動作し始める。これによって、前記放電ユニット１４０の放電端に複数の電荷が集中するので、該放電端の周囲の電界が強くなる。前記放電端の周囲の電界が前記第一電極１１０と前記第二電極１２０との間の電界より大きい場合、該放電端が電子を放出する。放出された電子が前記混合気体における酸素分子に衝撃し、該酸素分子が二つの酸素原子に分解される。前記酸素原子及び前記酸素分子が結合し、オゾン分子を生成する。前記形成されるオゾン分子の数量は、主に、放出された電子の量即ちコロナ電流の大きさによって決定される。前記コロナ電流の大きさは、前記放電ユニット１４０の放電端の直径の減少に伴って増大する。

前記放電ユニットが少なくとも一つのカーボンナノチューブワイヤを含み、該カーボンナノチューブワイヤにおける少なくとも一つのカーボンナノチューブが該カーボンナノチューブワイヤの端部から露出し、放電端が形成され、しかも、該カーボンナノチューブの直径がナノメートルスケールであるので、該放電ユニットを利用したオゾン発生装置は、大きなコロナ電流を有する。

また、前記放電ユニットとしたカーボンナノチューブワイヤが複数の先端を有する場合、放電端とした少なくとも一つのカーボンナノチューブが各々の前記先端から露出するので、前記放電ユニットが複数の放電端を有する。従って、該放電ユニットを利用したオゾン発生装置のコロナ電流の密度を増加することができる。

１００ オゾン発生装置
１１０ 第一電極
１２０ 第二電極
１３０ 誘電体
１４０ 放電ユニット
２００ 電源
２１０ 正極
２２０ 負極

Claims (2)

1. 第一電極、第二電極、少なくとも一つの放電ユニット及び誘電体を含むオゾン発生装置において、
   前記第一電極及び前記第二電極が間隔を置いて設置され、
   前記少なくとも一つの放電ユニットが前記第一電極の前記第二電極と隣接する一側に設置され、
   前記誘電体が前記第二電極の前記第一電極と隣接する一側に、前記放電ユニットと間隔を置いて設置され、
   前記放電ユニットが少なくとも一つのカーボンナノチューブワイヤを含み、
   該カーボンナノチューブワイヤが前記第一電極から前記第二電極に向かう方向に沿って延伸し、
   少なくとも一つのカーボンナノチューブが該カーボンナノチューブワイヤの端部から露出していることを特徴とするオゾン発生装置。
2. 前記カーボンナノチューブワイヤの端部が間隔を置いて設置された複数の先端を有し、
   各々の前記先端に、少なくとも一つのカーボンナノチューブが露出していることを特徴とする、請求項１に記載のオゾン発生装置。