JP2012144425A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放電ギャップ長を０．６ｍｍより小さくしても均一な放電ギャップを維持でき、従って均一な放電を行うことができるオゾン発生装置を提供すること。
【解決手段】 １つの実施形態によるオゾン発生装置は、酸素を含む原料ガスの入口およびオゾン化ガスの出口を備えた筒状気密容器を備える。誘電体管および前記誘電体管の内部に設けられた第１の電極を含む放電管が気密容器内に配置されている。放電管との間に放電ギャップを形成するように前記放電管から離間して第１の電極を取り囲むように第２の電極が気密容器内に配置されている。オゾン発生装置は、第１の電極と第２の電極との間に放電電圧を印加するように構成された放電電圧源および第２の電極を囲む冷却水ジャケットをさらに備える。誘電体管は、１２ｍｍ以上、１９ｍｍ以下の外径を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、オゾン発生装置に関する。

一般に、オゾン発生装置は、ガラス等の誘電体で形成された誘電体管を備え、誘電体管の内面には、第１の電極として導電膜が形成されて、誘電体管とともに誘電体電極を構成している。誘電体管の外側には、第１の電極を囲むように円筒状の第２の電極が設けられている。誘電体管と第２の電極と間にはスペーサが挿入され、微小な放電ギャップを形成している。放電ギャップに酸素ガスを含む原料ガスを流す一方、第１の電極と第２の電極の間に高電圧を印加することにより放電ギャップに無声放電を発生させる。この無声放電によりオゾン発生ガスに含まれる酸素がオゾン化され、オゾン化ガスが生成する。

上記オゾン発生装置においては、誘電体管と第２の電極の間の間隔（放電ギャップ長）を短くすることにより高いオゾン発生効率が得られる。しかしながら、放電ギャップ長を短くしすぎると、均一な放電ギャップを維持することが困難となり、均一な放電を行えなくなる。それ故、従来のオゾン発生装置においては、放電ギャップ長は０．６ｍｍ〜１ｍｍであった。

特開平１０−１８２１０９号公報

本発明が解決しようとする課題は、放電ギャップ長を０．６ｍｍより小さくしても均一な放電ギャップを維持でき、従って均一な放電を行うことができるオゾン発生装置を提供することにある。

一実施形態に係るオゾン発生装置は、酸素を含む原料ガスからオゾン化ガスを発生させる。オゾン発生装置は、前記原料ガスの入口および前記オゾン化ガスの出口を備えた筒状気密容器と、前記容器内に配置された誘電体管および前記誘電体管の内部に設けられた第１の電極を含む放電管と、前記放電管との間に放電ギャップを形成するように前記放電管から離間して前記第１の電極を取り囲むように前記気密容器内に配置された第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極との間に放電電圧を印加するように構成された放電電圧源と、前記第２の電極を囲む冷却水ジャケットとを備える。前記誘電体管は、１２ｍｍ以上、１９ｍｍ以下の外径を有する。

第１の実施形態に係るオゾン発生装置の概略断面図である。 第２の実施形態に係るオゾン発生装置の概略断面図である。 オゾン発生装置の効果を示す説明図である。 誘電体管の外径と放電面積との関係を示す特性図である。 放電ギャップ長とガス圧力損失との関係を示す特性図である。 放電ギャップとオゾン発生効率との関係を示す特性図である。 オゾン発生装置の高圧給電子とスチール鋼ウール材の構造を示す概略斜視図である。 一つの実施形態に係るオゾン発生デバイスの構造を示す断面図である。 別の実施形態に係るオゾン発生デバイスの構造を示す断面図である。

一実施形態に係るオゾン発生装置は、酸素を含む原料ガスからオゾン化ガスを発生させるオゾン発生装置である。オゾン発生装置は、前記原料ガスの入口および前記オゾン化ガスの出口を備えた筒状気密容器と、前記容器内に配置された誘電体管および前記誘電体管の内部に設けられた第１の電極を含む放電管と、前記放電管との間に放電ギャップを形成するように前記放電管から離間して前記第１の電極を取り囲むように前記気密容器内に配置された第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極との間に放電電圧を印加するように構成された放電電圧源と、前記第２の電極を囲む冷却水ジャケットとを備える。前記誘電体管は、１２ｍｍ以上、１９ｍｍ以下の外径を有する。

ここで、誘電体管の外径が１２ｍｍｍｍ以上１９ｍｍ以下の範囲を外れると、十分な放電面積を確保すると同時に誘電体管の外径を精度よく保つことができない。

上記オゾン発生装置は、通常のように、第１電極と第２の電極との間に高ＡＣ電圧を印加し、それにより放電プラズマを発生させることにより、酸素を含む原料ガスをオゾン化させる。さらに、原料ガスは、高パルス電圧（パルス幅１ミリ秒以下、特に、１０マイクロ秒以下）に印加することによって、オゾン化させことができる。このパルス電圧操作は、イオン損失が減少されるので、高いオゾン化発生効率に適している。

上記オゾン発生装置において、放電管と第２の電極の作る放電ギャップ長は、０．１５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることが好ましい。ここで、放電ギャップ長が０．１５ｍｍ未満の場合、放電管内でのガスの圧力損失が大きくなり、ガスを放電ギャップ中に十分に流せず、オゾン発生効率が低下する。また、放電ギャップ長が０．３ｍｍを越えると、オゾン発生効率が低下する。

上記オゾン発生装置において、放電ギャップは、スペーサにより確保され得る。スペーサは、放電管および第２の電極とは別体のものであってもよい。別の態様では、スペーサは、前記誘電体管の外周面に形成された凸部により構成され、さらに別の態様では、スペーサは、前記第２の電極の、前記放電管に面する面に設けられた凸部により構成される。

上記オゾン発生装置において、前記第１の電極は、前記誘電体管の内面に密着して形成され、前記オゾン発生装置は、前記誘電体管の内側に配置された断面形状が円形で棒状の高圧給電子と、前記第１の電極と前記高圧給電子との間に両者に接して配置されたステンレス鋼ウール材とを更に具備し得る。ここで、前記高圧給電子の軸方向に添ってスリットが形成され得、このスリットに前記ステンレス鋼ウール材の一部が挟み込まれ、該ステンレス鋼ウール材の他の部分が前記高圧給電子の外周面に巻きつけられ得る。こうした構成にすることにより、簡単な構造で高周波電圧を第１の電極に安定して供給でき、オゾンを高効率で生成できる。

一つの実施形態において、前記放電管と前記第２の電極はオゾン発生デバイスを構成し、複数の該オゾン発生デバイスが前記気密容器内に配置されている。

次に、いくつかの実施形態を、図面を参照して説明する。全図にわたり、同様の要素には同一の符号が付されている。

図１は第１の実施形態に係るオゾン発生装置１０の概略断面図である。

オゾン発生装置１０は、酸素を含む原料ガス（例えば、乾燥空気、酸素ガス）からオゾン化ガスを生成するものであり、例えばステンレス鋼で形成された気密容器１１を具備する。気密容器１１は、円筒状本体１１１を有し、その両端は、端板１１２、１１３により閉じられている。

気密容器１１内には、一端１２１が閉じたガラス製の円筒状誘電体管１２が気密容器１１と同軸的に設けられている。誘電体管１２は、１２ｍｍ以上１９ｍｍ以下の外径を有する。誘電体管１２は、１ｍｍ〜３ｍｍの厚さを有し得る。従来のオゾン発生装置においては、外径７６ｍｍのガラス製誘電体管が用いられてきた。誘電体管１２の内面には、金属（例えば、ニッケルまたはステンレス鋼）で形成された第１の電極１３が形成されている。第１の電極１３は、誘電体管１２とともに誘電体電極を構成する。第１の電極１３を有する誘電体管１２は、放電管２１と称される。

誘電体管１２の外側には、複数のスペーサ１４を介して円筒状の第２の電極１５が第１の電極１３を囲むように、気密容器１１と同軸的に配置されている。スペーサ１４により、誘電体管１２と第２の電極１５との間に放電ギャップ１６が形成される。第２の電極１５は、両端にフランジ１５１および１５２を有し、気密容器１１との間に冷却水ジャケット１７を構成している。

誘電体管１２の内部には、断面形状が円形で棒状の高圧給電子１８が誘電体管１２と同軸的に配置されている。第１の電極１３と高圧給電子１８との間には、ステンレス鋼ウール材１９が第１の電極１３と高圧給電子１８に接するように配置されている。高圧給電子１８と第２の電極１５には、放電電圧源（高電圧発生器）２０が電気的に接続されている。第１の電極１３は、高圧給電子１８およびステンレス鋼ウール材１９を介して高圧電源２０に電気的に接続される。

気密容器１１に設けられたガス導入口１１ａから酸素を含む原料ガスを気密容器１１内に導入し、第１電極１３と第２の電極１５の間に高電圧をパルス状（１パルス１ミリ秒以下、特に、１０マイクロ秒以下）に印加し、放電ギャップ１６内に無声放電を発生させることにより、当該放電ギャップ１６を通過する原料ガスをオゾン化させる。オゾン化ガスは、気密容器１１に設けられたオゾン化ガス導出口１１ｂから導出される。この操作の間、気密容器１１に設けられた冷却水導入口１１ｃから冷却水を冷却水ジャケット１７内に導入し、第２の電極１５を冷却する。冷却水は、気密容器１１に設けられた冷却水導出口１１ｄから導出される。誘電体管１２と第１の電極１３とによって構成される放電管２１、および放電管２１から放電ギャップ１６を形成するように間隔を空けて設けられた円筒状の第２の電極１５は、オゾン発生デバイスを構成する。また、フランジ１５１および１５２は、気密容器１１内を、原料ガス導入口１１ａ側の端部領域により構成される原料ガス室１１１ａと、オゾン化ガス導出口１１ｂ側の端部領域により構成されるオゾン化ガス室１１１ｂとに仕切る隔壁として作用する。

図２は、第２の実施形態に係るオゾン発生装置３０の概略断面図である。

オゾン発生装置３０は、図１に関して説明したオゾン発生デバイス（誘電体管１２および第１の電極１３によって構成される放電管２１と、その放電管２１から放電ギャップ１６を形成するように間隔を空けて設けられた円筒状の第２の電極１５とによって構成される）を複数備える。複数のオゾン発生デバイスは、隔壁１５１と１５２の間にわたって互いに平行に延びている。

図３は、第２の実施形態に係るオゾン発生装置の効果を示す説明図である。図３において、簡便のため、気密容器１１と誘電体管１２のみが示されている。複数の誘電体管１２は、例えば隔壁１５１の正六角形の領域内にコンパクトに収納されている。このように収納される誘電体管１２の総数は、図３から以下のように求めることができる。

気密容器１１に収納される誘電体管１２の総数Ｎは、上記正六角形の１辺Ｂと上記正六角形の中心Ｃの作る正三角形（図３中破線で示す）の内部の誘電体管（中心の誘電体管を除く）の数ｑから次式で求めることができる。

Ｎ＝６ｑ＋１
ここで、図３において、上記正三角形の辺Ａ２により、３つの誘電体管１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃは半分に分割されるので、その半分は０．５と数える。同様に、正三角形の辺Ａ３により、３つの誘電体管１２Ｄ、１２Ｅおよび１２Ｆは半分に分割されるので、その半分は０．５と数える。すなわち、図３に示す例では、ｑは６となり、Ｎは３７である。

誘電体管の段数（中央段から数え、その中央の段を含む）をｐとすると、上記誘電体管の数ｑは、次式によって表される。

ｑ＝ｐ（ｐ−１）／２
すなわち、誘電体管の総数Ｎは、３ｐ（ｐ−１）＋１で求めることができる。なお、図３の場合、誘電体管１２の段数ｐは４段である。

図４は、誘電体管１２の放電面積と誘電体管の外径との関係を示す。図４より、誘電体管の外径を小さくしていくと、放電面積が急に上がる点がいくつか認められる。これは誘電体管の段数ｐが一つ増えて気密容器に収納される点である。気密容器の内径を変えると、この放電面積が急に上がる点が若干移動することになる。この放電面積が急に上がる点を結ぶ曲線ａから、放電面積は、誘電体管の外径が２２ｍｍ以下１２ｍｍ以上の範囲で飽和的に最大値をとることがわかる。

同じ図４に誘電体管の外径の標準偏差を示す。標準偏差は誘電体管の外径が小さいほど小さくなり、高精度であることを示す。しかしながら、この標準偏差は階段状に変化しており、ある外径範囲内では標準偏差は変わらない。誘電体管の外径が２２ｍｍ以下１２ｍｍ以上の範囲内において標準偏差は外径が２０ｍｍから１９ｍｍに変わるところで急に小さくなる。したがって、十分な放電面積を得ることができ、しかも誘電体管の外径の精度を高く保てる放電管の外径の範囲は、１９ｍｍ以下１２ｍｍ以上である。

誘電体管の外径を１９ｍｍ以下１２ｍｍ以上に設定することにより、誘電体管の外径が高精度となり、放電が均一になると同時に、気密容器に収納される誘電体管（放電管）の総数にかかわらず、十分な放電面積が得られるため、放電電力密度を小さくでき、気密容器１１内のガス温度上昇を抑えることができる結果、オゾンの熱分解を抑制し、高効率でオゾンを発生させることができる。

また、放電ギャップ長を小さくするとオゾンを高効率で発生させることができる。しかし、放電ギャップ長を小さくしすぎると、放電ギャップの入口と出口との間でのガスの圧力損失が大きくなり、十分量の原料ガスを流せず、オゾン発生効率が低下するという問題がある。図５は放電ギャップ長と圧力損失の関係を示す。図５より、放電ギャップ長を小さくすると圧力損失が増えてしまうことが明らかである。実用的には、圧力損失は０．１ｂａｒ以下であるので、放電ギャップ長は０．１５ｍｍ以上でなければならないことが図５からわかる。また、酸素ガスを０．２ＭＰａの圧力で気密容器１１に導入し、オゾン濃度が１５０ｇ／Ｎｍ³のオゾン化ガスを生成させた場合におけるオゾン発生効率を図６に示す。図６より、オゾン発生効率は放電ギャップ長が０．３ｍｍ以下の場合が良好であり、圧力損失を考慮した放電ギャップ長の最適値は０．１５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。

すなわち、放電管２１と第２の電極１５との間の放電ギャップの長さを０．６ｍｍよりも小さくしても、精度よくかつ均一な放電を行うことができる。

図７は、上記第１および第２の実施形態に係るオゾン発生装置における高圧給電子１８とステンレススチールウール材１９の構造を示す概略図である。

棒状の高圧給電子１８の軸方向には、スリット１８ａが形成されている。ステンレス鋼ウール材１９の一部はスリット１８ａに挟みこまれ、ステンレス製ウール材１９のその他の部分は高圧給電子１８に巻きつけられている。高圧給電子１８の一端には、電源２０への接続のためのリードＬが接続されている。

このような高圧給電子１８とステンレススチールウール材１９の構造によれば、電源２０（図１、図２参照）からの電圧を第１の電極１３（図１、図２参照）に安定して供給でき、その結果、高効率にオゾンを生成できる。

図８は、図１および図２のオゾン発生装置に用いることができるオゾン発生デバイスの別の態様を示す断面図である。

図８に示すように、円筒状の第２の電極１５の内面に複数の凸部１５ａが一体的に形成されている。放電管２１（より正確には誘電体管１２）の外周面は、凸部１５ａと接しており、均一なギャップ長を有する放電ギャップ１６が形成される。すなわち、凸部１５ａは放電ギャップを確保するスペーサとして機能する。ここで、凸部１５ａの先端の全てが放電管２１の外周面に接している必要はなく、凸部１５ａの一部が放電管２１の外面に接していればよい。

図９は、図１および図２のオゾン発生装置に用いることができるオゾン発生デバイスのさらに別の態様を示す断面図である。

図９に示すように、円筒状の誘電体管１２の外周面に複数の凸部１２ａが一体的に形成されている。円筒状の第２の電極１５の内周面は、凸部１２ａと接しており、均一なギャップ長を有する放電ギャップ１６が形成される。すなわち、凸部１２ａは放電ギャップを確保するスペーサとして機能する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，３０…オゾン発生装置、１１…気密容器、１１ａ…原料ガス導入口、１１ｂ…オゾン化ガス導出口、１１ｃ…冷却水導入口、１１ｄ…冷却水導出口、１１１…気密容器の円筒状本体、１１２，１１３…端板、１１１ａ…原料ガス室、１１１ｂ…オゾン化ガス室、１２…誘電体管、１３…第１の電極、２１…放電管、１４…スペーサ、１５…第２の電極、１６…放電ギャップ、１５１，１５２…フランジ（隔壁）、１７…冷却水ジャケット、１８…高圧給電子、１８ａ…スリット、１９…ステンレス鋼ウール材、２０…放電電圧源（高電圧発生器）、１２ａ，１５ａ…凸部（スペーサ）

Claims (8)

1. 酸素を含む原料ガスからオゾン化ガスを発生させるオゾン発生装置であって、
   前記原料ガスの入口および前記オゾン化ガスの出口を備えた筒状気密容器と、
   前記容器内に配置された誘電体管および前記誘電体管の内部に設けられた第１の電極を含む放電管と、
   前記放電管との間に放電ギャップを形成するように前記放電管から離間して前記第１の電極を取り囲むように前記気密容器内に配置された第２の電極と、
   前記第１の電極と第２の電極との間に放電電圧を印加するように構成された放電電圧源と、
   前記第２の電極を囲む冷却水ジャケットと
   を備え、前記誘電体管が、１２ｍｍ以上、１９ｍｍ以下の外径を有することを特徴とするオゾン発生装置。
2. 前記放電ギャップのギャップ長が０．１５ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下である請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 前記放電ギャップが、スペーサにより確保される請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
4. 前記スペーサが、前記誘電体管の外周面に形成された凸部により構成される請求項３に記載のオゾン発生装置。
5. 前記スペーサが、前記第２の電極の、前記放電管に面する面に設けられた凸部により構成される請求項３に記載のオゾン発生装置。
6. 前記第１の電極が、前記誘電体管の内面に密着して形成され、前記オゾン発生装置は、前記誘電体管の内側に配置された断面形状が円形で棒状の高圧給電子と、前記第１の電極と前記高圧給電子との間に両者に接して配置されたステンレス鋼ウール材とを更に具備する請求項１〜５のいずれか一項に記載のオゾン発生装置。
7. 前記高圧給電子の軸方向に添ってスリットが形成され、このスリットに前記ステンレス鋼ウール材の一部が挟み込まれ、該ステンレス鋼ウール材の他の部分が前記高圧給電子の外周面に巻きつけられていることを特徴とする請求項６に記載のオゾン発生装置。
8. 前記放電管と前記第２の電極はオゾン発生デバイスを構成し、複数の該オゾン発生デバイスが前記気密容器内に配置されている請求項１〜７のいずれか一項に記載のオゾン発生装置。

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