JP2017160097A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オゾンの発生効率を向上させる。【解決手段】オゾン発生装置は、容器と、第１の電極と、第２の電極と、冷却水供給部と、電力供給部とを備える。容器は原料ガスが供給される中空である。第１の電極は容器の内部に設けられている。第２の電極は第１の電極との間に、０．３ｍｍから０．５ｍｍのギャップをあけて容器の内部に設けられている。冷却水供給部は容器内に冷却水を供給する。電力供給部は第１の電極及び第２の電極に原料ガスからオゾンを発生させる電力を供給する。冷却水供給部が容器に供給する冷却水の水量をＱｗ[ｍ３／ｈ]とする。電力が供給された第１の電極及び第２の電極とのギャップにおける電力密度をＷ／Ｓ[ｋＷ／ｍ２]とする。オゾンの発生量をＹ[ｋｇ／ｈ]とする。この場合、オゾン発生装置は、次の式を満たす。Ｗ／Ｓ≦０．５・（Ｑｗ／Ｙ）２−１．２８５・（Ｑｗ／Ｙ）＋３．４６２【選択図】図１

Description

実施形態は、オゾン発生装置に関する。

酸素を含む原料ガスからオゾンを発生させるオゾン発生装置が知られている。オゾン発生装置は、放電ギャップをあけて配置された一対の電極の間で放電することによって、当該放電ギャップ間の酸素からオゾンを生成する。

特開平１０−１８２１０９号公報 特開２０１３−１９３８９３号公報

しかしながら、オゾン発生装置では、放電ギャップでの電力密度を高めることが難しく、オゾンの発生効率を十分に向上させることができていないといった課題がある。

実施形態は、上記に鑑みてなされたものであって、オゾンの発生効率を向上させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、実施形態のオゾン発生装置は、容器と、第１の電極と、第２の電極と、冷却水供給部と、電力供給部と、を備える。容器は、オゾンの原料ガスが供給される中空である。第１の電極は、前記容器の内部に設けられている。第２の電極は、前記第１の電極との間に、０．３ｍｍから０．５ｍｍのギャップをあけて前記容器の内部に設けられている。冷却水供給部は、前記容器内に冷却水を供給する。電力供給部は、前記第１の電極及び前記第２の電極に、前記原料ガスからオゾンを発生させる電力を供給する。

前記冷却水供給部が前記容器に供給する冷却水の水量をＱｗ[ｍ^３／ｈ]とする。前記電力が供給された前記第１の電極及び前記第２の電極との前記ギャップにおける電力密度をＷ／Ｓ[ｋＷ／ｍ^２]とする。前記オゾンの発生量をＹ[ｋｇ／ｈ]とする。この場合、オゾン発生装置は、次の式を満たす。
Ｗ／Ｓ≦０．５・（Ｑｗ／Ｙ）^２−１．２８５・（Ｑｗ／Ｙ）＋３．４６２

図１は、第１実施形態にかかるオゾン発生装置を示す図である。 図２は、第１実施形態のオゾン発生装置における冷却水の温度分布を示す説明図である。 図３は、第１実施形態のオゾン発生装置におけるオゾン発生効率をパラメータとした電力密度と、冷却水量と、オゾン発生量の関係を示す。 図４は、気密容器の内部構成を説明する部分縦断面図である。 図５は、金属電極及び仕切板を説明する図である。 図６は、冷却水入口及び冷却水出口の別の形態を説明する図である。 図７は、第２実施形態にかかるオゾン発生装置を示す図である。

以下の例示的な実施形態や変形例には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、同様の構成要素には共通の符号が付されるとともに、重複する説明が部分的に省略される。実施形態や変形例に含まれる部分は、他の実施形態や変形例の対応する部分と置き換えて構成されることができる。また、実施形態や変形例に含まれる部分の構成や位置等は、特に言及しない限りは、他の実施形態や変形例と同様である。

実施形態にかかるオゾン発生装置は、冷却水量Ｑｗ、電力密度Ｗ／Ｓを適切に設定することによって、オゾンの発生効率を向上させる。

以下に、実施形態にかかるオゾン発生装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態にかかるオゾン発生装置１１０を示す図である。図１に矢印で示すＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸で示されるそれぞれの方向を、Ｘ方向，Ｙ方向，Ｚ方向とする。図１に示すように、オゾン発生装置１１０は、装置本体１１２と、電力供給部の一例である高圧電源１１４と、冷却水供給部１１６とを備えている。

装置本体１１２は、気密容器１２０と、複数の誘電体電極１２２と、第２の電極の一例である複数の金属電極１２４と、スペーサ１４２とを備える。

気密容器１２０は、Ｙ方向に沿った中心軸を有する円筒形状である。気密容器１２０の外周部には、ガス入口１２６、ガス出口１２８、冷却水入口１３０及び冷却水出口１３２が接続されている。酸素を含む原料ガスが、ガス入口１２６を介して、外部から気密容器１２０内に供給される。ガス出口１２８は、未反応の原料ガス及びオゾン（Ｏ_３）を外部へ排出する。冷却水入口１３０は、気密容器１２０の下部に設けられている。冷却水入口１３０には、冷却水供給部１１６から冷却水が流入する。冷却水出口１３２は、気密容器１２０の上部に設けられている。冷却水出口１３２は、冷却水を外部へ排出する。

複数の誘電体電極１２２は、気密容器１２０の内部に設けられている。複数の誘電体電極１２２は、それぞれがＹ方向に長手方向を向けた状態でＸ方向にほぼ均等な間隔で配列されている。誘電体電極１２２は、誘電体部１３４と、第１の電極の一例である導電膜１３６と、高圧供給端子１３８とを有する。誘電体部１３４は、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、セラミックス等の誘電体材料を含む。誘電体部１３４は、気密容器１２０の中心軸と平行な中心軸を有する筒状（例えば、円筒形状）に形成されている。導電膜１３６は、金、銀、銅、ステンレス、クロム、錫、亜鉛、ニッケル、カーボンあるいはアルミニウム等の導電性の材料を含む。導電膜１３６は、導電性の材料をスパッタリング、溶射、蒸着、無電解メッキ、電解メッキ、塗料塗布等することにより誘電体部１３４の内周面に設けられている。従って、導電膜１３６も筒状（例えば、円筒形状）に形成される。高圧供給端子１３８は、導電膜１３６と電気的に接続されている。

金属電極１２４は、ステンレス鋼製等の導電性の材料を含む。複数の金属電極１２４は、気密容器１２０の内部に設けられている。複数の金属電極１２４は、それぞれがＹ方向に長手方向を向けた状態でＸ方向にほぼ均等な間隔で配列されている。金属電極１２４は、気密容器１２０の中心軸と平行な中心軸を有する筒状（例えば、円筒形状）に形成されている。従って、金属電極１２４は、誘電体電極１２２と平行に配置されている。複数の金属電極１２４は、誘電体電極１２２の外周と対向するように設けられている。複数の金属電極１２４は、導電膜１３６との間に所定の放電ギャップ１４４をあけて配置されている。金属電極１２４は、接地電位と接続されている。複数の金属電極１２４のうち、最も外周に設けられた金属電極１２４ａは、気密容器１２０の内周面との間に冷却水の水路１４６を形成する。水路１４６は、気密容器１２０の冷却水入口１３０及び冷却水出口１３２と繋がっている。水路１４６は、金属電極１２４ａ以外の中央部の金属電極１２４の内側の中空部とも繋がっている。

スペーサ１４２は、金属電極１２４と誘電体電極１２２と間に配置されている。これにより、スペーサ１４２は、金属電極１２４と導電膜１３６との間の放電ギャップ１４４を所定間隔に維持する。具体的には、スペーサ１４２は、０．３ｍｍから０．５ｍｍの放電ギャップ１４４を維持する。

高圧電源１１４は、ヒューズ１４０を介して、高圧供給端子１３８に接続されている。高圧電源１１４は、ヒューズ１４０及び高圧供給端子１３８を介して、高電圧の交流電圧を導電膜１３６に印加する。即ち、高圧電源１１４は、導電膜１３６と金属電極１２４とに、原料ガスの酸素からオゾンを発生させるための電力を供給する。高圧電源１１４は、放電ギャップ１４４において、２ｋＷ／ｍ^２以上の電力密度となるように、高電圧の交流電圧を導電膜１３６に供給する。

冷却水供給部１１６は、例えば、ポンプである。冷却水供給部１１６は、気密容器１２０の冷却水入口１３０と接続され、冷却水入口１３０から気密容器１２０の内部の水路１４６へ冷却水を供給する。

続いて、オゾン発生装置１１０の動作について説明する。オゾン発生装置１１０では、冷却水入口１３０から供給された冷却水が金属電極１２４を冷却している状態で、ガス入口１２６を介して原料ガスが供給されるとともに、高圧電源１１４が導電膜１３６に電力を供給する。これにより、導電膜１３６と金属電極１２４との間の原料ガスに高電圧が印加され、原料ガス中の酸素からオゾンが生成されて、ガス出口１２８から排出される。

ここで、冷却水供給部１１６が供給する冷却水の水量をＱｗ[ｍ^３／ｈ]とする。放電ギャップ１４４における電力密度をＷ／Ｓ[ｋＷ／ｍ^２]とする。オゾン発生量をＹ[ｋｇ／ｈ]とする。オゾン発生装置１１０では、下記の式（１）を満たすように、冷却水量Ｑｗ、電力密度Ｗ／Ｓ、オゾン発生量Ｙが設定される。
Ｗ／Ｓ≦０．５・（Ｑｗ／Ｙ）^２−１．２８５・（Ｑｗ／Ｙ）＋３．４６２ …（１）
これにより、オゾン発生装置１１０によるオゾン発生効率が向上する。この結果、オゾン発生装置１１０の小型化及び製造コストの低下を実現することができる。

図２は、第１実施形態のオゾン発生装置１１０における冷却水の温度分布を示す説明図である。誘電体電極１２２と金属電極１２４との間の放電ギャップ１４４におけるバリア放電で発生した熱量は、冷却水によって温度を下げられる。上述したように冷却水は、気密容器１２０の下部に設けられた冷却水入口１３０から上部に設けられた冷却水出口１３２へと流れる。金属電極１２４は、冷却水によって冷却されるが、冷却水の流れの一部はよどみ、あるいは、短絡するので、図２に色ムラで示すように、温度の分布にムラが生じる。冷却水の最大温度上昇及び平均温度上昇を解析によって求めた結果を表１に示す。原料ガスは、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）によって生成した酸素ガスとともに、窒素ガス及びアルゴンガスを含む。図２に示す例では、冷却水入口１３０から流入する冷却水の温度を１５℃とした。

図３は、第１実施形態のオゾン発生装置１１０におけるオゾン発生効率Ｅｆｆをパラメータとした電力密度Ｗ／Ｓと、冷却水量Ｑｗと、オゾン発生量Ｙの関係を示す。冷却水量／オゾン発生量（＝Ｑｗ／Ｙ）を上げると、同じオゾン発生効率Ｅｆｆで投入できる電力密度Ｗ／Ｓを上げることが可能となる。同じオゾン発生効率Ｅｆｆにおける電力密度Ｗ／Ｓを高くすると、オゾン発生装置１１０をより小型化することが可能となり、製造コストを下げることができる。また、従来のオゾン発生効率を超えるオゾン発生効率Ｅｆｆとして１２４ｇ／ｋＷｈ以上とするには、放電ギャップ長ｄが０．３ｍｍから０．５ｍｍであり、電力密度Ｗ／Ｓが２ｋＷ／ｍ^２の場合、上述の式（１）を満たす必要がある。

図４は、気密容器１２０の内部構成を説明する部分縦断面図である。図４においては、気密容器１２０と誘電体電極１２２以外は省略している。複数の誘電体電極１２２は、気密容器１２０内の六角形の領域内に収容されている。図４に示すように、冷却水入口１３０の中心軸１５０の延長線の位置は、中心軸１５０と交差（例えば、直交）する方向において、冷却水出口１３２の中心軸１５２の位置と異なる。例えば、冷却水入口１３０の中心軸１５０の位置は、中心軸１５０と直交する方向において、冷却水出口１３２の中心軸１５２の位置と、２０ｃｍから３０ｃｍ程度ずれていることが好ましい。これにより、冷却水入口１３０から導入された冷却水が、金属電極１２４等を冷却することなく、冷却水出口１３２から排出されることを抑制できる。従って、冷却水が、金属電極１２４等をより効率よく冷却できるので、オゾンの発生効率を向上させ、且つ、電力密度を高くすることができる。この結果、オゾン発生装置１１０の小型化及び製造コストの低下を実現することができる。

図５は、金属電極１２４及び抵抗板の一例である仕切板１４８を説明する図である。仕切板１４８が、気密容器１２０の内部の冷却水が流れる水路上に設けられていてもよい。仕切板１４８は、冷却水の流れの抵抗となり、冷却水の流れる方向を変える。図５に示すように、例えば、仕切板１４８は、複数の金属電極１２４を含む管群が配置されている領域と、気密容器１２０の外壁との間に設けられていてもよい。これにより、冷却水入口１３０から導入された冷却水が、金属電極１２４が配置されていない外周近傍を流れて、金属電極１２４等を冷却することなく、冷却水出口１３２から排出されることを抑制できる。従って、冷却水が、金属電極１２４等をより効率よく冷却できるので、オゾンの発生効率を向上させ、且つ、電力密度を高くすることができる。この結果、オゾン発生装置１１０の小型化及び製造コストの低下を実現することができる。

図６は、冷却水入口１３０及び冷却水出口１３２の別の形態を説明する図である。図６に示すように、冷却水入口１３０の本数と、冷却水出口１３２の本数は異なっていてもよい。例えば、冷却水入口１３０及び冷却水出口１３２の一方がｎ本であり、冷却水入口１３０及び冷却水出口１３２の他方が２ｎ本である。この場合、２ｎ本である冷却水入口１３０及び冷却水出口１３２の他方は、気密容器１２０の中心軸を垂線とする中心垂直面に対して対称な位置に配置されていることが好ましい。図６に示す例では、冷却水入口１３０の本数が１本であり、冷却水出口１３２の本数が２本である。２本の冷却水出口１３２は、中心垂直面１５４に対して、対称な位置に配置されている。これにより、冷却水入口１３０から導入された冷却水が、金属電極１２４等を冷却することなく、冷却水出口１３２から排出されることを抑制できる。従って、冷却水は、金属電極１２４等をより効率よく冷却できるので、オゾンの発生効率を向上させ、且つ、電力密度を高くすることができる。この結果、オゾン発生装置１１０の小型化及び製造コストの低下を実現することができる。

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態にかかるオゾン発生装置１０を示す図である。図７に矢印で示すＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸で示されるそれぞれの方向を、Ｘ方向，Ｙ方向，Ｚ方向とする。図７に示すように、オゾン発生装置１０は、装置本体１２と、電力供給部の一例である高圧電源１４と、冷却水供給部１６とを備えている。

装置本体１２は、気密容器２０と、誘電体電極２２と、第２の電極の一例である金属電極２４とを備える。

気密容器２０は、筒状の中空である。気密容器２０は、例えば、Ｙ方向に沿った中心軸を有する円筒形状である。気密容器２０は、誘電体電極２２、及び、金属電極２４を収容して保持する。気密容器２０の外周部には、ガス入口２６、ガス出口２８、冷却水入口３０及び冷却水出口３２が筒状に形成されている。酸素を含む原料ガスが、ガス入口２６を介して、外部から気密容器２０に供給される。原料ガスの圧力である原料ガス圧は、０．１ＭＰａ〜０．３ＭＰａとすることが好ましい。 ガス出口２８は、未反応の原料ガス及びオゾン（Ｏ_３）を外部へ導出する。冷却水入口３０には、冷却水供給部１６から冷却水が流入する。冷却水出口３２は、冷却水を外部へ排出する。

誘電体電極２２は、気密容器２０の内部に設けられている。誘電体電極２２は、誘電体部３４と、第１の電極の一例である導電膜３６と、高圧供給端子３８とを有する。誘電体部３４は、誘電性の材料を含む。誘電体部３４は、Ｙ方向に沿った中心軸を有する円筒形状に形成されている。誘電体部３４の中心軸は、気密容器２０の中心軸とほぼ平行である。導電膜３６は、導電性の材料を含む。導電膜３６は、誘電体部３４の内周面に設けられている。高圧供給端子３８は、導電膜３６の内側に設けられ、導電膜３６と電気的に接続されている。

金属電極２４は、導電性の材料を含む。金属電極２４は、誘電体電極２２の外周と対向するように、かつ、囲むように、気密容器２０の内部に設けられている。金属電極２４は、誘電体部３４を挟み、導電膜３６と対向する。金属電極２４は、接地電位と接続されている。金属電極２４は、導電膜３６と放電ギャップ４４をあけて配置されている。金属電極２４は、スペーサ４２を有する。スペーサ４２は、金属電極２４の他の部分から誘電体電極２２へ突出している。これにより、スペーサ４２は、スペーサ４２以外の金属電極２４の部分と誘電体電極２２との間にあけられた放電ギャップ４４を維持する。具体的には、スペーサ４２は、０．３ｍｍから０．５ｍｍの放電ギャップ４４を維持する。金属電極２４は、気密容器２０の内周面との間に冷却水の水路４６を形成する。水路４６は、気密容器２０の冷却水入口３０及び冷却水出口３２と繋がっている。従って、冷却水入口３０から導入された冷却水は、水路４６を経由して、冷却水出口３２から排出される。

高圧電源１４は、ヒューズ４０を介して、高圧供給端子３８と電気的に接続されている。高圧電源１４は、ヒューズ４０及び高圧供給端子３８を介して、高電圧の交流を導電膜３６に印加する。即ち、高圧電源１４は、導電膜３６と金属電極２４とに、原料ガスの酸素からオゾンを発生させるための電力を供給する。高圧電源１４は、放電ギャップ４４において、２ｋＷ／ｍ^２以上の電力密度となるように、高電圧の交流を導電膜３６に供給する。

冷却水供給部１６は、例えば、ポンプである。冷却水供給部１６は、気密容器２０の冷却水入口３０と接続されている。冷却水供給部１６は、冷却水入口３０から気密容器２０の水路４６へ冷却水を供給する。ここで、冷却水供給部１６が、気密容器２０に供給する冷却水の水量をＱｗ[ｍ^３／ｈ]とする。放電ギャップ４４における電力密度をＷ／Ｓ[ｋＷ／ｍ^２]とし、オゾン発生量をＹ[ｋｇ／ｈ]とする。オゾン発生装置１０では、上述の式（１）を満たすように、冷却水量Ｑｗ、電力密度Ｗ／Ｓ、オゾン発生量Ｙが設定される。これにより、オゾン発生装置１０によるオゾン発生効率か向上する。この結果、オゾン発生装置１０の小型化及び製造コストの低下を実現することができる。

上述した各実施形態の構成の形状、配置、個数、機能などは適宜変更してよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

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。

１１０…オゾン発生装置、１１４…高圧電源（電力供給部）、１１６…冷却水供給部、１２０…気密容器、１２４…金属電極（第２の電極）、１２４ａ…金属電極（第２の電極）、１３０…冷却水入口、１３２…冷却水出口、１３６…導電膜（第１の電極）、１４４…放電ギャップ、１４６…水路、１４８…仕切板（抵抗板）、１５０…中心軸、１５２…中心軸、１５４…中心垂直面、１０…オゾン発生装置、１４…高圧電源（電力供給部）、１６…冷却水供給部、２０…気密容器、２４…金属電極（第２の電極）、３０…冷却水入口、３２…冷却水出口、３６…導電膜（第１の電極）、４４…放電ギャップ、４６…水路。

Claims (5)

1. 原料ガスが供給される中空の容器と、
   前記容器の内部に設けられた第１の電極と、
   前記第１の電極との間に、０．３ｍｍから０．５ｍｍのギャップをあけて前記容器の内部に設けられた第２の電極と、
   前記容器内に冷却水を供給する冷却水供給部と、
   前記第１の電極及び前記第２の電極に、前記原料ガスからオゾンを発生させる電力を供給する電力供給部と、
   を備え、
   前記冷却水供給部が前記容器に供給する冷却水の水量をＱｗ[ｍ^３／ｈ]として、
   前記電力が供給された前記第１の電極及び前記第２の電極との前記ギャップにおける電力密度をＷ／Ｓ[ｋＷ／ｍ^２]として、
   前記オゾンの発生量をＹ[ｋｇ／ｈ]とした場合、
   Ｗ／Ｓ≦０．５・（Ｑｗ／Ｙ）^２−１．２８５・（Ｑｗ／Ｙ）＋３．４６２
   を満たすオゾン発生装置。
2. 前記容器の冷却水が流れる水路上に、前記冷却水の流れの抵抗となる抵抗板を更に備える請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 前記容器は、
   前記冷却水が流入する筒状の冷却水入口と、
   前記冷却水を排出する筒状の冷却水出口と、
   を備え、
   前記冷却水入口の中心軸の延長線は、前記冷却水出口の中心軸と異なる位置に配置されている
   請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
4. 前記容器は、
   筒状であって、
   前記冷却水が流入する筒状の冷却水入口と、
   前記冷却水を排出する筒状の冷却水出口と、
   を備え、
   前記冷却水入口及び前記冷却水出口の一方はｎ本であり、
   前記冷却水入口及び前記冷却水出口の他方は２ｎ本であり、
   前記冷却水入口及び前記冷却水出口の前記他方は、前記容器の中心軸を垂線とする中心垂直面に対して、対称な位置に配置されている
   請求項１から３のいずれか１項に記載のオゾン発生装置。
5. 前記第２の電極は筒状であり、
   前記第２の電極の内側に前記冷却水が流れる水路が形成されている
   請求項１から４のいずれか１項に記載のオゾン発生装置。