JP2017149597A - オゾン発生装置および電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体電極の絶縁破壊を防止して、オゾン発生装置の信頼性を向上させる。【解決手段】実施形態のオゾン発生装置は、金属電極と、誘電体電極と、電源装置と、を備える。誘電体電極は、金属電極との間に、原料ガスを流入可能な０．５ｍｍ以下の放電ギャップを有する。電源装置は、誘電体電極に交流電流を印加して原料ガスで放電させることによって、オゾンを発生させる。交流電流の周波数ｆ（ｋＨｚ）と、放電ギャップの電力密度Ｗ／Ｓ（ｋＷ／ｍ２）と、の関係が、０．８≦（Ｗ／Ｓ）／ｆ≦１．２である。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、オゾン発生装置および電源装置に関する。

オゾン発生装置は、金属電極と、誘電体電極とを備え、当該金属電極と当該誘電体電極との間に形成される放電ギャップに原料ガスを流入させ、誘電体電極に電流を印加して放電させることでオゾンを発生させる装置である。

ところで、オゾンの発生効率を高めるために、放電ギャップの長さである放電ギャップ長を短くする必要がある。一般的に、放電ギャップ長を０．６ｍｍより短くすることで、オゾンの発生効率を高めることができるが、放電ギャップ長を０．１ｍｍより短くすると、壁への電子の流出によってオゾンの発生効率が下がってしまう。したがって、オゾン発生装置においては、放電ギャップ長を０．３〜０．４ｍｍ程度にすることで、高いオゾンの発生効率を得ることができる。

特開平１０−１８２１０９号公報 特開２０１３−１９３８９３号公報

しかしながら、上述のオゾン発生装置では、放電ギャップ長を短くすると、放電ギャップに生じる電圧が高電圧化する傾向にある。具体的には、放電ギャップ長を０．９ｍｍとし、放電ギャップの電力密度Ｗ／Ｓを２．０ｋＷ／ｍ^２とし、誘電体電極に印加される電流の周波数を１．０ｋＨｚとした場合、放電ギャップに生じる電圧のピーク値が１０．３ｋＶとなる。一方、放電ギャップ長を０．３８ｍｍとし、放電ギャップの電力密度Ｗ／Ｓを２．０ｋＷ／Ｍ^２とし、誘電体電極に印加される電流の周波数を１．０ｋＨｚとした場合、放電ギャップに生じる電圧のピーク値が１１．６ｋＶまで上昇する。放電ギャップからの原料ガスの流出を抑制する封止部は、放電ギャップに生じる電圧のピーク値が１１．０ｋＶを超える場合、異常放電を発生させ、誘電体電極や金属電極が破損する可能性がある。

実施形態のオゾン発生装置は、金属電極と、誘電体電極と、電源装置と、を備える。誘電体電極は、金属電極との間に、原料ガスを流入可能な０．５ｍｍ以下の放電ギャップを有する。電源装置は、誘電体電極に交流電流を印加して原料ガスで放電させることによって、オゾンを発生させる。交流電流の周波数ｆ（ｋＨｚ）と、放電ギャップの電力密度Ｗ／Ｓ（ｋＷ／ｍ^２）と、の関係が、０．８≦（Ｗ／Ｓ）／ｆ≦１．２である。

図１は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置の概略構成の一例を示す内部構成図である。 図２は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の電気的な構成の一例を示す回路図である。 図３は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置におけるオゾン濃度とオゾンの発生効率との関係における放電ギャップ長の変化の一例を示すグラフである。 図４は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置における出力周波数と放電ギャップ電圧との関係における放電ギャップ長の変化の一例を示すグラフである。 図５は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置における出力周波数と放電ギャップ電圧との関係における電力密度の変化の一例を示すグラフである。 図６は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置において放電ギャップ電圧のピーク値が８．０ｋＶ以下となる出力周波数と電力密度との関係の一例を示すグラフである。 図７は、第２の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の電気的な構成の一例を示す回路図である。

以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかるオゾン発生装置および電源装置の一例について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置の概略構成の一例を示す内部構成図である。図１に示すように、オゾン発生装置は、オゾン発生装置本体１５と、ヒューズ２を介してオゾン発生装置本体１５に電力を供給する電源装置（高圧交流電源）１と、を有する。ヒューズ２は、後述する誘電体電極１６への短絡電流の流れ込みを切断可能である。

オゾン発生装置本体１５は、気密容器１４を有する。気密容器１４は、原料ガスが導入されるガス入口１１と、未反応の原料ガスおよびオゾン（Ｏ^３）が導出されるガス出口１２と、を有する。気密容器１４内には、金属電極６、および誘電体電極１６が設けられている。誘電体電極１６は、金属電極６との間に、原料ガスが流入される所定長さの放電ギャップ７を有する。原料ガスとしては、酸素、または酸素と窒素のガスが用いられる。また、原料ガスのガス圧は、０．１７〜０．２８ＭＰａの絶対圧である。

金属電極６には、ステンレス鋼製等の円筒状の電極を用いる。また、金属電極６は、誘電体電極１６との間に放電ギャップ７を形成するための複数の突起等のスペーサ１３ａを有する。放電ギャップ７の長さｄ（以下、放電ギャップ長と言う）は、０．５ｍｍ以下である。

誘電体電極１６は、金属電極６と同軸の円筒状の電極であり、当該誘電体電極１６の外周面側に、放電ギャップ７を介して金属電極６が設けられている。具体的には、誘電体電極１６は、熱膨張係数が所定値より小さい素材で形成された円筒状の誘電体５（以下、円筒状誘電体と言う）を有する。円筒状誘電体５としては、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、高ケイ酸ガラス、アルミのケイ酸ガラス、セラミックス等により形成される。円筒状誘電体５の内周面には、導電性の電極４（以下、導電性電極と言う）を有する。導電性電極４は、ヒューズ２を介して電源装置１に接続された給電素子３（以下、高圧給電素子と言う）と接続されている。導電性電極４は、例えば、金，銀，銅，ステンレス，クロム，錫，亜鉛，ニッケルカーボン，アルミニウム等を、スパッタリング，溶射，蒸着，無電解メッキ，電解メッキ，塗料塗布等の方法により形成される。

金属電極６の裏側には、冷却水流路８が設けられている。冷却水流路８には、当該冷却水流路８に冷却水を導入する冷却水入口９と、当該冷却水流路８を流れた冷却水が導出される冷却水出口１０が接続されている。

このように構成されたオゾン発生装置は、電源装置１から誘電体電極１６の導電性電極４に交流電流を供給して、放電ギャップ７に流入される原料ガスで誘電バリア放電（以下、放電と言う）を発生させ、原料ガスからオゾンを生成する。放電によって原料ガスは高温となるが、冷却水流路８に導入される冷却水によって冷却される。これにより、高濃度かつ高収率のオゾンを生成することができる。オゾン発生装置で生成されたオゾンは、処理すべき水の脱臭、脱色や殺菌等の水処理に使用される。

図２は、電源装置１の電気的な構成の一例を示す回路図である。図２に示すように、商用電源２３（本実施形態では、三相交流電源）から供給される商用電源周波数の交流電流を、直流電流に変換するコンバータ２２と、当該コンバータ２２により変換された直流電流を、所定の出力周波数ｆの交流電流に変換するインバータ２１と、を有する。本実施形態では、インバータ２１の出力周波数ｆは、２．０〜４．５ｋＨｚである。

また、出力周波数ｆに変換された交流電流は誘電体電極１６に印加される。トランス２０を介して昇圧された交流電流は、誘電体電極１６に印加される。誘電体電極１６に印加された交流電流は、放電ギャップ７に流入される原料ガスで放電に供され、原料ガスからオゾンを生成する。

オゾン発生装置本体１５の放電ギャップ７の等価回路は、誘電体電極１６に相当する静電容量Ｃｇと、放電ギャップ７に相当する静電容量Ｃｏとを直列接続した回路となる。そして、放電ギャップ７で放電される交流電流の電圧Ｖо（以下、放電ギャップ電圧と言う）が、所定電圧Ｖ＊（以下、放電維持電圧と言う）を超えると、放電を発生する。放電は、定電圧特性を有するため、放電が発生している間、放電ギャップ７に生じる放電ギャップ電圧Ｖｏは、放電維持電圧Ｖ＊に維持される。よって、放電ギャップ７の等価回路は、降伏電圧を有するツェナーダイオード１８により表される。

このように、放電ギャップ７が容量性負荷として機能することから、放電ギャップ７における力率を「１」に近づけるために、当該放電ギャップ７に対してコイル１９が直列接続されている。本実施形態では、放電ギャップ７に対してコイル１９が直列接続されているが、これに限定するものではなく、放電ギャップ７に対してコイル１９が並列接続されても良い。

ところで、オゾン発生装置では、オゾンの発生効率を高めるために、放電ギャップ長ｄを短くすることが行われている。図３は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置におけるオゾン濃度とオゾンの発生効率との関係における放電ギャップ長の変化の一例を示すグラフである。図３に示すオゾン発生効率は、放電ギャップ７の温度ＷＴが９．０℃で、放電ギャップ７に導入される原料ガスのガス圧が０．２１ＭＰａであり、放電ギャップ７の電力密度Ｗ／Ｓが３．０ｋＷ／ｍ^２である場合におけるオゾン発生効率である。図３に示すように、オゾン発生装置におけるオゾン発生効率は、放電ギャップ長ｄを０．６ｍｍ以下に短くするに従い、高い値が維持されるようになるものの、放電ギャップ長ｄを０．１ｍｍ以下に短くすると、その値が急に低下する。

また、オゾン発生装置では、放電ギャップ長ｄが短くなるに従い、放電ギャップ７に生じる電圧（放電ギャップ電圧Ｖｏ）が高電圧化する傾向がある。図４は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置における出力周波数と放電ギャップ電圧との関係における放電ギャップ長の変化の一例を示すグラフである。図４に示す放電ギャップ電圧Ｖｏは、放電ギャップ７の電力密度Ｗ／Ｓが２．０ｋＷ／ｍ^２である場合における放電ギャップ電圧Ｖｏである。

図４に示すように、放電ギャップ長ｄが０．９ｍｍである場合の放電ギャップ電圧Ｖｏのピーク値Ｖｏｐが１０．３ｋＶであるのに対して、放電ギャップ長ｄが０．３８ｍｍである場合の放電ギャップ電圧Ｖｏのピーク値Ｖｏｐが１１．６ｋＶまで上昇する。放電ギャップ電圧Ｖｏのピーク値Ｖｏｐが１１．０ｋＶを超えると、放電ギャップ７において異常放電が発生して、誘電体電極１６や金属電極６等が破損する可能性が生じる。

以上の理由により、本実施形態では、オゾン発生装置は、放電ギャップ長ｄが０．５ｍｍ以下である場合、誘電体電極１６に供給する交流電源の出力周波数ｆと、放電ギャップ７の電力密度Ｗ／Ｓ（ｋＷ／ｍ^２）との関係を、以下に示す式（１）の通りとする。これにより、放電ギャップ電圧Ｖｏのピーク値Ｖｏｐを１１．０ｋＶ以下に抑えることができるので、放電ギャップ７において異常放電が発生して、誘電体電極１６や金属電極６等が破損する可能性を低減することができる。
０．８≦（Ｗ／Ｓ）／ｆ≦１．２ ・・・（１）

図５は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置における出力周波数と放電ギャップ電圧との関係における電力密度の変化の一例を示すグラフである。図５に示すように、オゾン発生装置においては、出力周波数ｆが高くなるに従って、放電ギャップ電圧Ｖｏが下がる傾向にある。また、電力密度Ｗ／Ｓが高くなるに従って、放電ギャップ電圧Ｖｏが下がる傾向にある。

オゾン発生装置においては、放電ギャップ７に生じる電圧を下げることが、誘電体電極１６の絶縁破壊を防止してオゾン発生装置の信頼性を向上させることができる。また、トランス２０やコイル１９に印加される電流を下げることができるので、低コストのトランス２０やコイル１９を採用することができる。具体的には、オゾン発生装置では、放電ギャップ電圧Ｖｏのピーク値Ｖｏｐを１１．０ｋＶの７０％の８．０ｋＶ以下にすることができれば、その信頼性を向上させることができる。そのため、本実施形態のオゾン発生装置は、放電ギャップ７が０．５ｍｍ以下である場合、誘電体電極１６に供給する交流電源の出力周波数ｆと、放電ギャップ７の電力密度Ｗ／Ｓ（ｋＷ／ｍ^２）との関係を上記の式（１）としている

図６は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置において放電ギャップ電圧のピーク値が８．０ｋＶ以下となる出力周波数ｆと電力密度との関係の一例を示すグラフである。図６に示すように、電力密度Ｗ／Ｓと、出力周波数ｆとは、線形関係であり、下記の式（２）により表される。
（Ｗ／Ｓ）／ｆ＝０．９９２１≒１．０ ・・・（２）

そこで、本実施形態にかかるオゾン発生装置では、上記の式（２）で表される電力密度Ｗ／Ｓと出力周波数ｆとの関係に対して±２０％の許容範囲内で満たす式（１）を適用する。これにより、放電ギャップ電圧Ｖｏのピーク値Ｖｏｐを８．０ｋＶ以下とすることができるので、誘電体電極１６の絶縁破壊を防止して、オゾン発生装置の信頼性を向上させることができる。

このように、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置によれば、放電ギャップ電圧Ｖｏのピーク値Ｖｏｐを８．０ｋＶ以下とすることができるので、誘電体電極１６の絶縁破壊を防止して、オゾン発生装置の信頼性を向上させることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、コイルに流れる交流電流と金属電極に流れる交流電流との位相差を０にするＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路を有する例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図７は、第２の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の電気的な構成の一例を示す回路図である。図７に示すように、本実施形態にかかるオゾン発生装置は、電源装置１およびオゾン発生装置本体１５に加えて、ＰＬＬ回路７０１を有する。ＰＬＬ回路７０１は、コイル１９に流れる第１交流電流および金属電極６に流れる第２交流電流を検出する。また、ＰＬＬ回路７０１は、第１交流電流と第２交流電流の位相差が０になるように、すなわち位相差が０に近い状態となるように電源装置１を制御する。これにより、オゾン発生装置の放電ギャップ７の容量成分がキャンセルされるように、誘電体電極１６に流れる交流電流の周波数を制御できる。

以上説明したとおり、第１から第２の実施形態によれば、誘電体電極１６や金属電極６等が破損する可能性を低減することができる。

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。これら新規な実施形態は、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、特許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。

１ 電源装置
２ ヒューズ
６ 金属電極
７ 放電ギャップ
１６ 誘電体電極
１９ コイル
２１ インバータ
２２ コンバータ
２３ 商用電源
７０１ ＰＬＬ回路

Claims (3)

1. 金属電極と、
   前記金属電極との間に、原料ガスを流入可能な０．５ｍｍ以下の放電ギャップを有する誘電体電極と、
   前記誘電体電極に交流電流を印加して前記原料ガスで放電させることによって、オゾンを発生させる電源装置と、を備え、
   前記交流電流の周波数ｆ（ｋＨｚ）と、前記放電ギャップの電力密度Ｗ／Ｓ（ｋＷ／ｍ^２）と、の関係が、０．８≦（Ｗ／Ｓ）／ｆ≦１．２である、オゾン発生装置。
2. 前記誘電体電極と前記電源装置との間に設けられ、前記放電ギャップにおける力率を１に近づけるコイルと、
   前記コイルに流れる第１交流電流と前記金属電極に流れる第２交流電流とを検出し、かつ前記第１交流電流と前記第２交流電流との位相差が０になるように前記電源装置を制御するＰＬＬ回路と、
   を備えた請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 原料ガスを流入可能な０．５ｍｍ以下の放電ギャップを金属電極との間に有する誘電体電極に対して交流電流を印加して前記原料ガスで放電させることによって、オゾンを発生させる電源装置であって、
   前記交流電流の周波数ｆ（ｋＨｚ）と、前記放電ギャップの電力密度Ｗ／Ｓ（ｋＷ／ｍ^２）と、の関係が、０．８≦（Ｗ／Ｓ）／ｆ≦１．２である電源装置。

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