JP2011042545A - Ozonizer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はオゾン発生装置に係り、とりわけ効率が高いオゾンを発生することができるオゾン発生装置に関する。 The present invention relates to an ozone generator, and more particularly to an ozone generator that can generate highly efficient ozone.
周知の如く、一般のオゾン発生装置においては、金属電極と誘電体電極内面に設けた導電電極が一対となって放電電極を構成し、その間にスペーサを挿入することにより微小な放電ギャップを形成している。そして、金属電極と放電電極間の放電ギャップに酸素ガスを含むオゾン原料ガスを流し、両電極間に高電圧を印加することにより放電ギャップ(空間)に無声放電が発生する。この無声放電によりオゾン化ガスが生成される。 As is well known, in a general ozone generator, a metal electrode and a conductive electrode provided on the inner surface of a dielectric electrode constitute a pair of discharge electrodes, and a spacer is inserted between them to form a minute discharge gap. ing. Then, an ozone source gas containing oxygen gas is allowed to flow through the discharge gap between the metal electrode and the discharge electrode, and a high voltage is applied between the two electrodes, thereby generating a silent discharge in the discharge gap (space). Ozone gas is generated by this silent discharge.
図6は、従来のオゾン発生装置の放電部の構成の一例を示す図である(特許文献1)。
図中の符番1は、下部側にガス入口2,ガス出口3が設けられた気密容器を示す。この気密容器1内には、円筒状の誘電体電極(第1の電極)4が配置されている。この誘電体電極4の外側には、該誘電体電極4と一定の距離をおいて金属電極(第2の電極)5が配置されている。この金属電極5が位置する気密容器1の下部,上部には、夫々冷却水入口6,冷却水出口7が設けられている。前記誘電体電極4と金属電極5間には、放電ギャップ8を形成するためにスペーサ9が配置されている。放電ギャップは、通常0.6mm乃至1mmに設定されている。また、ガス圧は、通常0.17MPa乃至0.28MPa(絶対圧)を用いている。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a configuration of a discharge unit of a conventional ozone generator (Patent Document 1).
Reference numeral 1 in the figure indicates an airtight container having a gas inlet 2 and a gas outlet 3 provided on the lower side. A cylindrical dielectric electrode (first electrode) 4 is disposed in the hermetic container 1. A metal electrode (second electrode) 5 is disposed outside the
前記誘電体電極4の内面には、導電電極10が形成されている。この導電電極10には、高圧給電端子11が設けられている。この高圧給電端子11には、ヒューズ12を介して高電圧電源13が接続されている。高電圧電源13からは、ヒューズ12,高圧給電端子11を介して交流(AC)の高電圧が誘電体電極4と金属電極5との間に印加される。
A
こうした構成のオゾン発生器において、オゾン原料ガスがガス入口2から気密容器1内に流入し、その後原料ガスは誘電体電極4と金属電極5との間に形成された放電ギャップ8を流れ、ガス出口3から流出される。この間、誘電体電極4と金属電極5との間に高電圧電源13から交流(AC)の高電圧をヒューズ12および高圧給電端子11を介して印加すると、放電ギャップ8に無声放電が形成され、オゾンが発生する。無声放電で発生する熱は、金属電極5内に供給される冷却水13により冷却される。これにより、放電ギャップ8のガス温度上昇を抑制し、オゾンの熱分解を抑制できる。ここで、冷却水には不凍液を入れてもよいし、油冷であってもかまわない。
In the ozone generator having such a configuration, the ozone source gas flows into the hermetic container 1 from the gas inlet 2, and then the source gas flows through the
ところで、上述したような従来のオゾン発生器は、以下に述べる様な問題がある。
無声放電中は、投入した電力Wは電子とイオンの双方に投入される。このうち、オゾンが生成するのは電子に投入された電力Weのみが寄与し、イオンに投入された電力Wiは寄与しない。オゾン生成反応は、
e+O2 → e+O+O (1)
O+O2+M → O3+M (2)
で表される。ここでeは電子、O2は酸素分子、Oは酸素原子、Mは中性分子、O3はオゾンを表す。
By the way, the conventional ozone generator as described above has the following problems.
During silent discharge, the input power W is input to both electrons and ions. Of these, ozone is generated only by the electric power We input to the electrons, and not by the electric power Wi input to the ions. The ozone generation reaction
e + O 2 → e + O + O (1)
O + O 2 + M → O 3 + M (2)
It is represented by Here, e represents an electron, O 2 represents an oxygen molecule, O represents an oxygen atom, M represents a neutral molecule, and O 3 represents ozone.
また、空気原料からのオゾン生成では(1)式に加えて、
e+N2 → e+N2(A,B) (3)
N2(A,B)+O2 → N2+O+O (4)
の反応によっても酸素原子Oが発生し、(2)式によってオゾンが生成する。ここでN2は窒素分子、N2(A,B)はN2の励起状態を表す。上記(1)〜(4)式は、いずれも電子との反応がきっかけとなってオゾンが発生することがわかる。
In addition to the formula (1), ozone generation from air raw materials
e + N 2 → e + N 2 (A, B) (3)
N 2 (A, B) + O 2 → N 2 + O + O (4)
Oxygen atom O is generated also by the reaction of (2), and ozone is generated by the equation (2). Here, N 2 represents a nitrogen molecule, and N 2 (A, B) represents an excited state of N 2 . It can be seen that in the above formulas (1) to (4), ozone is generated by the reaction with electrons.
上記オゾン発生器では、電子に投入された電力の総電力Wに対する比beは、
be=We/W=We/(We+Wi)
で表され、beが100%ではなく、be=55〜60%であるためにオゾン発生効率の限界が低くなっていた。
In the ozone generator, the ratio be to the total power W of the power input to the electrons is
be = We / W = We / (We + Wi)
Since be is not 100% but be = 55 to 60%, the limit of ozone generation efficiency was low.
本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、オゾン発生装置の電源回路を最適化することによって、比beを100%近い値に向上することによって極めて高い効率でオゾンを発生するオゾン発生装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an ozone generator that generates ozone with extremely high efficiency by improving the ratio be to a value close to 100% by optimizing the power supply circuit of the ozone generator. The purpose is to obtain.
本発明に係るオゾン発生装置は、円筒状の第1の電極と、この第1の電極の外側に該第1の電極を囲むように配置された,第1の電極と対をなす第2の電極と、第1の電極と第2の電極との間に誘電体を介して高電圧を印加して放電プラズマを発生させる高電圧電源と、第1の電極若しくは第2の電極のうち少なくとも一方を冷却する冷却手段とを備えたオゾン発生装置において、前記高電圧がパルス状であり、印加電圧V(V)と放電ギャップd(cm)とガス圧p(Torr)の間にV/(pd)>129V/cmTorrの関係が成立することを特徴とする。 The ozone generator according to the present invention includes a cylindrical first electrode and a second electrode that forms a pair with the first electrode disposed outside the first electrode so as to surround the first electrode. At least one of an electrode, a high voltage power source for generating a discharge plasma by applying a high voltage via a dielectric between the first electrode and the second electrode, and the first electrode or the second electrode In the ozone generator having cooling means for cooling the gas, the high voltage is pulsed, and V / (pd between the applied voltage V (V), the discharge gap d (cm), and the gas pressure p (Torr). )> 129 V / cmTorr is established.
本発明によれば、電子より重いイオンが動けない時間のみ、高電圧を印加することによってオゾン生成に寄与する電子のみに電力を投入することができ、高効率のオゾン発生ができる。 According to the present invention, power can be supplied only to electrons that contribute to ozone generation by applying a high voltage only during a period in which ions heavier than electrons cannot move, and ozone can be generated with high efficiency.
以下、本発明に係るオゾン発生装置について更に詳しく説明する。
本発明のオゾン発生装置は、上述したように、円筒状の第1の電極と、第1の電極と対をなす第2の電極と、高電圧電源と、冷却手段とを備え、前記高電圧がパルス状であり、印加電圧V(V)と放電ギャップd(cm)とガス圧p(Torr)の間にV/(pd)>=129V/cmTorrの関係が成立するような構成となっている。
Hereinafter, the ozone generator according to the present invention will be described in more detail.
As described above, the ozone generator of the present invention includes a cylindrical first electrode, a second electrode paired with the first electrode, a high voltage power source, and a cooling unit, and the high voltage Is a pulse shape, and the relationship of V / (pd)> = 129 V / cmTorr is established among the applied voltage V (V), the discharge gap d (cm), and the gas pressure p (Torr). Yes.
本発明において、前記高電圧がパルス状に印加され、これに引き続き高電圧が印加されない休止期間を設けた回路を備えていることが好ましい。ここで、高電圧はパルス状に1ミリ秒以下の期間、特に10マイクロ秒以下の期間が印加されることが好ましい。 In the present invention, it is preferable to include a circuit in which the high voltage is applied in the form of a pulse, followed by a rest period during which the high voltage is not applied. Here, the high voltage is preferably applied in a pulsed manner for a period of 1 millisecond or less, particularly for a period of 10 microseconds or less.
このように高電圧をパルス状にし、休止期間を設けることによって、移動するのに時間のかかるイオンへのイオン損失(電力Wi)を抑えることが可能になる。電極間を移動するのに10ns程度の短時間しかかからない電子への投入電力は変わらないので、その結果、電子に投入される電力の総電力Wに対する比be
be=We/W=We/(We+Wi)
を100%近い値に向上することによって極めて高い効率でオゾンを発生装置を得ることが可能になる。
By making the high voltage pulse like this and providing a rest period, it is possible to suppress ion loss (power Wi) to ions that take time to move. Since the input power to the electrons that only takes a short time of about 10 ns to move between the electrodes does not change, as a result, the ratio be to the total power W of the power input to the electrons
be = We / W = We / (We + Wi)
By improving the value to a value close to 100%, it becomes possible to obtain an ozone generator with extremely high efficiency.
本発明において、コンデンサに充電した電荷をスイッチによってパルス状に印加する高電圧発生回路、あるいはコイルに流した電流をスイッチによって切り、電圧をパルス状に印加する高電圧発生回路を備えることが好ましい。また、コンデンサに充電した電荷を半導体スイッチによってパルス状に印加する高電圧発生回路ことが好ましい。ここで、半導体スイッチを用いた場合、高電圧を印加しない場合に寿命の点で好ましい。 In the present invention, it is preferable to provide a high voltage generation circuit that applies a charge charged to a capacitor in a pulsed manner by a switch, or a high voltage generation circuit that cuts a current flowing in a coil by a switch and applies a voltage in a pulsed manner. In addition, a high voltage generation circuit that applies a charge charged in the capacitor in a pulsed manner by a semiconductor switch is preferable. Here, when a semiconductor switch is used, it is preferable in terms of life when a high voltage is not applied.
次に、本発明の具体的な実施形態について図1〜図4を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べることに限定されない。
本発明のオゾン発生装置は、図6の装置と比べ、高電圧がパルス状であること、及び印加電圧V(V)と放電ギャップd(cm)とガス圧p(Torr)との関係がV/(pd)>129V/cmTorrの関係にあることを除いて図6の装置と同様な構成となっている。従って、図6の装置と同部材は同符番を付して説明を省略する。
Next, specific embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. Note that the present embodiment is not limited to the following description.
Compared with the apparatus of FIG. 6, the ozone generator of the present invention has a pulsed high voltage, and the relationship between the applied voltage V (V), the discharge gap d (cm), and the gas pressure p (Torr) is V. The configuration is the same as that of the apparatus shown in FIG. 6 except that the relationship is / (pd)> 129 V / cmTorr. Therefore, the same members as those in the apparatus of FIG.
図1(A)は本発明の一実施形態に係るパルス発生回路であり、図1(B)は高電圧電源からパルス発生回路の一構成であるオゾナイザに印加される印加電圧Vaと時間との関係を示すパルス図である。
図1(A)において、直流電源には抵抗(100Ω)211,コイル(214μH)221,充電コンデンサ(4nF)23が順次接続されている。前記コイル221には、高速スイッチであるサイラトロン24が接続され、充電コンデンサ23にはコイル(33μH)222,抵抗(500Ω)212が順次接続されている。これらのコイル222、抵抗212には、オゾナイザ25,ピーキング・コンデンサ(0.5nF)26が夫々並列に配置されている。また、図1(B)において、符号Tは、高電圧が印加されない休止期間を示す。
FIG. 1A shows a pulse generation circuit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B shows a relationship between applied voltage Va and time applied from a high voltage power source to an ozonizer which is one configuration of the pulse generation circuit. It is a pulse diagram which shows a relationship.
In FIG. 1A, a resistor (100Ω) 21 1 , a coil (214 μH) 22 1 , and a charging capacitor (4 nF) 23 are sequentially connected to the DC power source. Wherein the coil 22 1, a thyratron 24 is fast switch is connected, a coil (33μH) 22 2, the resistance (500Ω) 21 2 are sequentially connected to the charging capacitor 23. An
次に、前記パルス発生回路における高電圧の発生の動作について説明する。
まず、直流(DC)高電圧からコイル222と抵抗212を介して充電コンデンサ23を充電する。次に、高速スイッチであるサイラトロン24により、スイッチを閉じると充電コンデンサ23の電圧が反転してマイナスの高電圧がオゾナイザ25に印加される。オゾナイザ25には並列にピーキング・コンデンサ26をつけており、充電コンデンサ23の電荷Qがピーキング・コンデンサ26に移ることでV=Q/Cの高電圧が発生する。ここで、Cはピーキング・コンデンサ26の静電容量0.5nFである。
Next, the operation of generating a high voltage in the pulse generation circuit will be described.
First, the charging capacitor 23 is charged from a direct current (DC) high voltage through the coil 22 2 and the resistor 21 2 . Next, when the switch is closed by the thyratron 24 that is a high-speed switch, the voltage of the charging capacitor 23 is inverted and a negative high voltage is applied to the
なお、以上のコイル222、充電コンデンサ23の数値は放電管直径が7.5cm、長さ20cmに対するものであり、放電面積が0.05m2のものである。オゾン発生装置が巨大になればこの数値は変わるものであるが、コンデンサ容量はほぼ面積に比例して大きくすればよく、またコイルは面積に反比例して小さくすればよい。 The numerical values of the coil 22 2 and the charging capacitor 23 described above are for a discharge tube diameter of 7.5 cm and a length of 20 cm, and a discharge area of 0.05 m 2 . This figure changes if the ozone generator becomes huge, but the capacitor capacity may be increased in proportion to the area, and the coil may be decreased in inverse proportion to the area.
図2はパルス波形の1例である。電圧はピークで16kVが印加されており、電流はピークで30A程度が流れている。このようにパルス化した電圧、電流がオゾン発生装置には流れることになる。パルスが印加されていない期間は、これに引き続き高電圧が印加されない休止期間Tを設けている。なお、図2において、符号aは電流、符号bは電圧、符号cは電力を示している。 FIG. 2 is an example of a pulse waveform. A voltage of 16 kV is applied at the peak, and a current of about 30 A flows at the peak. The pulsed voltage and current flow through the ozone generator. During the period when no pulse is applied, a rest period T during which no high voltage is applied is provided. In FIG. 2, the symbol a represents current, the symbol b represents voltage, and the symbol c represents power.
図3は本発明の効果を示す図であり、空気原料のオゾン発生特性を示す。なお、図3中の符号a,b,cは夫々パルス高電圧が15kV,17kV,19kVの場合を示す。放電ギャップは0.09cmとしており、ガス圧は1292Torr(0.17MPa)の条件である。従来の装置で採用している交流(AC)(図3中の符号d)は、オゾン発生効率がほぼ80g/kWhである。これは電子への投入電力比beが55%に対応している。これに対し、Va=15kV,17kV,19kVのパルス高電圧を印加したときのオゾン発生効率は最大で160g/kWh、最小で84g/kWhの範囲にあり、電子への投入電力比beが100%から55%に対応しており、電源波形のパルス化によって従来のAC以上の高効率オゾン発生が可能になっている。特にオゾン濃度を上げるには高電圧化が必要となっている。その条件としては、印加電圧V(V)と放電ギャップd(cm)とガス圧p(Torr)の間にV/(pd)>129V/cmTorrの関係となることによって高いオゾン濃度においても高いオゾン生成効率が得られる。
なお、図3中の線eはbe=100%の値を示す。高電圧化によってbe=55%からbe=100%に近づき、オゾン生成効率が高くなることが判る。
FIG. 3 is a diagram showing the effect of the present invention and shows the ozone generation characteristics of the air raw material. Note that reference symbols a, b, and c in FIG. 3 indicate cases where the pulse high voltages are 15 kV, 17 kV, and 19 kV, respectively. The discharge gap is 0.09 cm, and the gas pressure is 1292 Torr (0.17 MPa). The alternating current (AC) (symbol d in FIG. 3) employed in the conventional apparatus has an ozone generation efficiency of approximately 80 g / kWh. This corresponds to an input power ratio be to electrons of 55%. On the other hand, the ozone generation efficiency when Va = 15 kV, 17 kV, and 19 kV pulse high voltage is applied is in the range of 160 g / kWh at the maximum and 84 g / kWh at the minimum, and the input power ratio be to the electrons is 100%. Therefore, it is possible to generate ozone more efficiently than the conventional AC by pulsing the power supply waveform. In particular, a higher voltage is required to increase the ozone concentration. The condition is that the relationship between V / (pd)> 129 V / cmTorr among the applied voltage V (V), the discharge gap d (cm), and the gas pressure p (Torr) is high ozone concentration even at a high ozone concentration. Production efficiency is obtained.
A line e in FIG. 3 indicates a value of be = 100%. It can be seen that by increasing the voltage, be = 55% approaches be = 100%, and the ozone generation efficiency increases.
図4は本発明の効果を示すもう一つの図であり、酸素原料のオゾン発生特性を示す。なお、図4中の符号a,bは夫々パルス高電圧が15kV,20kVの場合を示す。放電ギャップは0.09cmとしており、ガス圧は0.17MPaの条件である。従来の装置で採用している交流(AC)(図4中の符号c)は、オゾン発生効率が200g/kWhから100g/kWhの範囲である。これは電子への投入電力比beが60%に対応している。これに対し、Va=15kVのパルス高電圧を印加したときのオゾン発生効率は260g/kWhから150g/kWhの範囲にあり、さらにVa=20kVとしたときのオゾン発生特性は280g/kWhから150g/kWhの範囲にあり、電子への投入電力比beが100%近い値に対応しており、印加電圧V(V)と放電ギャップd(cm)とガス圧p(Torr)の間にV/(pd)>129V/cmTorrの関係となることによって高いオゾン濃度においても高いオゾン生成効率が得られる。
なお、図4中の線dはbe=100%の値を示す。高電圧化によってbe=60%からbe=100%に近づき、オゾン生成効率が高くなることが判る。
FIG. 4 is another diagram showing the effect of the present invention, showing the ozone generation characteristics of the oxygen source. Note that symbols a and b in FIG. 4 indicate cases where the pulse high voltage is 15 kV and 20 kV, respectively. The discharge gap is 0.09 cm, and the gas pressure is 0.17 MPa. The alternating current (AC) (symbol c in FIG. 4) employed in the conventional apparatus has an ozone generation efficiency in the range of 200 g / kWh to 100 g / kWh. This corresponds to an input power ratio be to electrons of 60%. On the other hand, the ozone generation efficiency when Va = 15 kV pulse high voltage is applied is in the range of 260 g / kWh to 150 g / kWh, and the ozone generation characteristic when Va = 20 kV is 280 g / kWh to 150 g / kW. In the range of kWh, the ratio of input power to electrons be corresponds to a value close to 100%, and V / (between applied voltage V (V), discharge gap d (cm) and gas pressure p (Torr). pd)> 129 V / cmTorr, a high ozone generation efficiency can be obtained even at a high ozone concentration.
Note that a line d in FIG. 4 indicates a value of be = 100%. It can be seen that by increasing the voltage, be = 60% approaches be = 100%, and the ozone generation efficiency increases.
上記実施形態に係るオゾン発生装置は、円筒状の誘電体電極4と、この誘電体電極4の外側に該誘電体電極4を囲むように配置された,誘電体電極4と対をなす金属電極5と、誘電体電極4と金属電極5との間に高電圧を印加して放電プラズマを発生させる高電圧電源13と、金属電極5を冷却する冷却手段とを備えたオゾン発生装置において、前記高電圧がパルス状であり、印加電圧V(V)と放電ギャップd(cm)とガス圧p(Torr)の間にV/(pd)>129V/cmTorrの関係が成立する構成となっている。従って、電子より重いイオンが動けない時間のみ、高電圧を印加することによってオゾン生成に寄与する電子のみに電力を投入することができ、高効率のオゾン発生ができる。
The ozone generator according to the above embodiment includes a cylindrical
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。具体的には、上記実施形態ではスイッチとしてサイラトロンを用いているが、寿命の点から半導体スイッチの方が望ましい。ここで、半導体スイッチとしてはSiC、SIサイリスタ、MOS−FET、IG−BTなどが用いられる。半導体スイッチを用いる場合、スイッチング動作の高速化が必要になるが、比較的遅いスイッチであっても磁気圧縮回路などの手段でパルスを高速化してもかまわない。図5は、コイル31とスイッチ32を用い、コイル31に流した電流をスイッチ32によって切り、電圧をパルス状に印加する方式を示す。なお、図5は、スイッチ32を当初閉じ、後で開く方式となっている。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Specifically, in the above embodiment, a thyratron is used as a switch, but a semiconductor switch is more preferable from the viewpoint of life. Here, as the semiconductor switch, SiC, SI thyristor, MOS-FET, IG-BT, or the like is used. When a semiconductor switch is used, it is necessary to speed up the switching operation. However, even a relatively slow switch may increase the pulse speed by means such as a magnetic compression circuit. FIG. 5 shows a method in which the
また、上記実施形態では、金属電極のみを冷却する場合について述べたが、これに限らず、誘電体電極のみ、あるいは金属電極と誘電体電極の両者を冷却してもよい。更に、上記実施形態では、ピーキング・コンデンサを用いて昇圧しているが、ピーキング・コンデンサ以外にパルス・トランスによって昇圧してもかまわない。 Moreover, although the case where only the metal electrode was cooled was described in the said embodiment, it is not restricted to this, You may cool only a dielectric electrode or both a metal electrode and a dielectric electrode. Further, in the above-described embodiment, the voltage is boosted using the peaking capacitor, but the voltage may be boosted by a pulse transformer other than the peaking capacitor.
1…気密容器、2…ガス入口、3…ガス出口、4…誘電体電極(第1の電極)、5…金属電極(第2の電極)、6…冷却水入口、7…冷却水出口、8…放電ギャップ、9…スペーサ、10…導電電極、11…高圧給電子、12…ヒューズ、13…高電圧電源、211,212…抵抗、221,222,31…コイル、23…充電コンデンサ、24…サイラトロン、25…オゾナイザ、26…ピーキング・コンデンサ、32…スイッチ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Airtight container, 2 ... Gas inlet, 3 ... Gas outlet, 4 ... Dielectric electrode (1st electrode), 5 ... Metal electrode (2nd electrode), 6 ... Cooling water inlet, 7 ... Cooling water outlet, DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記高電圧がパルス状であり、印加電圧V(V)と放電ギャップd(cm)とガス圧p(Torr)の間にV/(pd)>129V/cmTorrの関係が成立することを特徴とするオゾン発生装置。 A cylindrical first electrode, a second electrode paired with the first electrode, disposed so as to surround the first electrode outside the first electrode, a first electrode, A high voltage power source for generating a discharge plasma by applying a high voltage via a dielectric between the two electrodes and a cooling means for cooling at least one of the first electrode and the second electrode. In the ozone generator,
The high voltage is pulsed, and a relationship of V / (pd)> 129 V / cmTorr is established among the applied voltage V (V), the discharge gap d (cm), and the gas pressure p (Torr). Ozone generator.
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