JP2019055883A

JP2019055883A - オゾナイザ

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Publication number: JP2019055883A
Application number: JP2017179468A
Authority: JP
Inventors: 内藤　将; Susumu Naito; 将内藤; 恵司野田; Keiji Noda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-04-11
Also published as: DE102018121117A1

Abstract

【課題】オゾンの生成効率を向上できるオゾナイザを提供すること。【解決手段】ガスｇの流路２を挟んで互いに対向する、第１電極３aと第２電極３bとの一対の電極３を備える。個々の電極３は、互いに離間した複数の線状電極３０を有する。一対の電極３の対向方向（Ｚ方向）から見たときに、第１電極３aに含まれる複数の線状電極３０と、第２電極３bに含まれる複数の線状電極３０とが、互いに交差して格子５を構成している。この格子５の交差点は、流路２内に放電が発生する放電部６となっている。格子５の構成単位である単位格子５０に含まれる個々の放電部６は、ガスｇの流れ方向（Ｘ方向）とＺ方向との双方に直交する直交方向（Ｙ方向）において、互いに異なる位置に配されている。【選択図】図１

Description

本発明は、放電を用いてオゾンを発生するオゾナイザに関する。

従来から、放電を用いてオゾンを発生するオゾナイザが知られている（下記特許文献１参照）。このオゾナイザは、空気等のガスが流れる流路と、該流路を挟んで互いに対向する一対の電極とを備える。これら一対の電極は、交流電源に接続している。この交流電源を用いて電極間に放電を発生させ、該放電を用いて、上記ガスに含まれる酸素をオゾンに変化させている。

個々の上記電極は、所定間隔をおいて配列した複数の線状電極を有する。上記一対の電極の対向方向から見たときに、一方の電極に含まれる複数の線状電極と、他方の電極に含まれる複数の線状電極とは、格子状に交差している。上記オゾナイザは、上記対向方向から見たときに一対の線状電極が互いに交差する部位（放電部）において、放電が発生するよう構成されている。

特開２０１１−１１１０６号公報

しかしながら、上記オゾナイザは、オゾンの生成効率に改善の余地があった。すなわち、上記オゾナイザでは、互いに隣り合う複数の放電部が、ガスの流れ方向に並んでいる。そのため、上流側の放電部において発生したオゾンが、すぐに下流側の放電部に入り、この放電部の放電に曝される。したがって、下流側の放電部における放電によってオゾンが分解してしまい、オゾンの生成効率が低下しやすい。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、オゾンの生成効率を向上できるオゾナイザを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、ガス（ｇ）に含まれる酸素を、放電によってオゾンに変化させるオゾナイザ（１）であって、
上記ガスが流れる流路（２）と、
該流路を挟んで互いに対向する、第１電極（３_a）と第２電極（３_b）との一対の電極（３）とを備え、
個々の該電極は、互いに離間した複数の線状電極（３０）を有し、上記一対の電極の対向方向（Ｚ）から見たときに、上記第１電極に含まれる複数の上記線状電極（３０_a）と、上記第２電極に含まれる複数の上記線状電極（３０_b）とが、互いに交差して格子（５）をなすよう構成され、該格子の交差点は、上記流路内に上記放電が発生する放電部（６）となっており、
上記格子の構成単位である単位格子（５０）に含まれる個々の上記放電部は、上記ガスの流れ方向（Ｘ）と上記対向方向との双方に直交する直交方向（Ｙ）において、互いに異なる位置に配されている、オゾナイザにある。

上記オゾナイザでは、上記対向方向から見たときに、上記第１電極に含まれる複数の線状電極と、上記第２電極に含まれる複数の線状電極とが、互いに交差して格子をなすよう構成してある。この格子の交差点（放電部）において、放電が発生する。上記格子の構成単位である単位格子に含まれる個々の放電部は、上記直交方向において、互いに異なる位置に配されている。
そのため、単位格子に含まれる、互いに近接した複数の放電部が、上記ガスの流れ方向に並ばなくなる。したがって、上流側の放電部において発生したオゾンが、すぐに下流側の放電部に入りにくくなり、そのためこのオゾンが、下流側の放電部の放電に曝されて分解する不具合を抑制できる。したがって、オゾンの生成効率を向上させることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、オゾンの生成効率を向上できるオゾナイザを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、オゾナイザの部分拡大平面図。実施形態１における、第１電極および絶縁基板の平面図。実施形態１における、第２電極および絶縁基板の平面図。図１の要部拡大図。実施形態１における、オゾナイザの一部の分解斜視図。図１のVI-VI断面図。実施形態１における、オゾナイザの斜視図。実施形態１における、オゾナイザの断面図。実施形態１における、シミュレーションに用いたオゾナイザの説明図であって、オフセット量Ｄを０．０ｍｍとしたもの。実施形態１における、シミュレーションに用いたオゾナイザの説明図であって、オフセット量Ｄを０．１ｍｍとしたもの。実施形態１における、シミュレーションに用いたオゾナイザの説明図であって、オフセット量Ｄを０．２ｍｍとしたもの。実施形態１における、シミュレーションに用いたオゾナイザの説明図であって、オフセット量Ｄを０．４ｍｍとしたもの。実施形態１における、シミュレーションに用いたオゾナイザの説明図であって、オフセット量Ｄを０．５ｍｍとしたもの。実施形態１における、シミュレーションに用いたオゾナイザの説明図であって、オフセット量Ｄを１．０ｍｍとしたもの。実施形態１における、上流からｎ番目の放電部に入ったガス中のオゾン濃度を表したグラフ。実施形態１における、放電部のオフセット量Ｄ及びｔａｎθと、オゾン濃度との関係を表したグラフ。実施形態２における、オゾナイザの平面図。実施形態２における、第１電極および絶縁基板の平面図。実施形態２における、第２電極および絶縁基板の平面図。

（実施形態１）
上記オゾナイザに係る実施形態について、図１〜図１６を参照して説明する。本形態のオゾナイザ１は、ガスｇに含まれる酸素を、放電によってオゾンに変化させる。図５、図６に示すごとく、オゾナイザ１は、ガスｇが流れる流路２と、第１電極３_aと第２電極３_bとの一対の電極３とを備える。一対の電極３は、流路２を挟んで互いに対向している。

図２、図３に示すごとく、個々の電極３は、互いに離間した複数の線状電極３０を備える。図１に示すごとく、一対の電極３_a，３_bの対向方向（Ｚ方向）から見たときに、第１電極３_aに含まれる複数の線状電極３０（以下、第１線状電極３０_aとも記す）と、第２電極３_bに含まれる複数の線状電極３０（以下、第２線状電極３０_b）とが、互いに交差して格子５をなすよう構成されている。この格子５の交差点は、流路２（図６参照）内に放電が発生する放電部６となっている。

図１、図４に示すごとく、格子５の構成単位である単位格子５０に含まれる個々の放電部６は、ガスgの流れ方向（Ｘ方向）とＺ方向との双方に直交する直交方向（Ｙ方向）において、互いに異なる位置に配されている。

本形態では、オゾナイザ１を車両に搭載している。そして、このオゾナイザ１によって生成したオゾンを車両の排管に導入し、排ガスを浄化している。より詳しくは、生成したオゾンを用いて、排ガス中のＮＯをＮＯ₂に酸化し、このＮＯ₂を、排ガスの下流に設けられたＬＮＴ（Lean NOx Trap）を用いて吸着し、排ガスから除去している。

図７、図８に示すごとく、本形態のオゾナイザ１は、複数の絶縁基板７を備える。これら複数の絶縁基板７の間に、ガスｇの流路２が形成されている。本形態では、ガスｇとして空気を用いている。図５、図６に示すごとく、絶縁基板７の表面に、電極３が形成されている。この電極３を、誘電体からなるバリア層４によって被覆してある。本形態では、いわゆる誘電体バリア放電によって放電を発生し、オゾンを生成している。

図７、図８に示すごとく、複数の絶縁基板７は、ケース１０に収容されている。また、このケース１０には、電極３を交流電源（図示しない）に接続するための接続端子１１が設けられている。

図２、図３に示すごとく、個々の電極３は、互いに離間した複数本の線状電極３０と、該複数の線状電極３０を互いに接続する共通部３１とを備える。本形態では、複数の線状電極３０は互いに平行に配されている。また、互いに隣り合う線状電極３０の間隔は全て一定である。第１電極３_aにおいて、線状電極３（第１線状電極３_a）と、Ｘ方向に延びる共通部３１とは、第１角度θ_aで交わっている。また、第２電極３_bでは、線状電極３（第２線状電極３_b）と、Ｘ方向に延びる共通部３１とは、第２角度θ_bで交わっている。これら第１角度θ_a及び第２角度θ_bは、互いに異なる値にされている。これにより、図１、図４に示すごとく、１つの単位格子５０に含まれる、上流側の放電部６_uと、下流側の放電部６_dとが、Ｙ方向にずれた位置に形成されるようにしている。

図１、図６に示すごとく、Ｚ方向から見たときに一対の線状電極３０_a，３０_bが交差する部位（すなわち放電部６）では、線状電極３０_a，３０_bの間隔が最も狭くなる。そのため、この放電部６において、放電が発生する。

上述したように、本形態では、１つの単位格子５０（図４参照）内に含まれる、上流側の放電部６_uと、下流側の放電部６_dとを、Ｙ方向にずれた位置に形成してある。そのため、上流側の放電部６_uにおいて発生したオゾンが、すぐに下流側の放電部６_dに入ることを抑制でき、この放電部６_dの放電に曝されて分解することを抑制できる。また、上記構成を採用すると、図１、図６に示すごとく、上流側の放電部６_uから、この放電部６_uよりも下流に存在しＹ方向位置が等しい別の放電部６_nまでの距離ｄを長くすることができる。そのため、上流側の放電部６_uにおいて発生したオゾンが次の放電部６_nに到達するまでに、オゾンが拡散し、次の放電部６_nに入るオゾンの量を減らすことができる。したがって、次の放電部６_nにおいて分解されるオゾンの量を低減でき、オゾンの生成効率を高めることができる。

本形態の作用効果を確認するため、シミュレーションを行った。まず、図１２に示すごとく、Ｚ方向から見たときに一対の線状電極３０（３０_a，３０_b）が格子状に交差するシミュレーションモデルを作成した。単位格子５０のＸ方向長さ、及びＹ方向長さは、それぞれ２ｍｍにした。最も上流に位置する放電部６_uからの、各放電部６のＸ方向における並び順ｎを、図１２に記す。また、上記シミュレーションでは、流路２（図６参照）のＺ方向長さが約０．８ｍｍであり、バリア層４が形成されていないオゾナイザ１を疑似的に想定した。

また、上記シミュレーションモデルにおいて、Ｘ方向に２０個の放電部６を形成し、各放電部６の位置を、Ｘ方向における下流側に進むに従って、Ｙ方向に少しずつオフセットさせた。放電部６は、Ｘ方向における順番ｎが１つ増加するごとに、Ｙ方向に一定のオフセット量Ｄだけずれるようにしてある。

このオフセット量Ｄを変えて、６個のシミュレーションモデルを作成した。シミュレーションモデル１では、図９に示すごとく、オフセット量Ｄを０．０ｍｍとした。このシミュレーションモデル１は、本発明の範囲外である。また、シミュレーションモデル２では、図１０に示すごとく、オフセット量Ｄを０．１ｍｍとし、シミュレーションモデル３では、図１１に示すごとく、オフセット量Ｄを０．２ｍｍとした。また、シミュレーションモデル４では、図１２に示すごとく、オフセット量Ｄを０．４ｍｍとし、シミュレーションモデル５では、図１３に示すごとく、オフセット量Ｄを０．５ｍｍにした。さらに、シミュレーションモデル６では、図１４に示すごとく、オフセット量Ｄを１．０ｍｍにした。

図１２に示すごとく、上流側の放電部６_uと、その下流に配された放電部６_dとを繋ぐ直線Ｌ₂と、Ｘ方向に平行な直線Ｌ₁とのなす角度をθとする。オフセット量Ｄが０．０ｍｍ（図９参照）の場合は、ｔａｎθ＝０となる。また、オフセット量Ｄが０．１ｍｍ（図１０参照）の場合は、ｔａｎθ＝０．０５となり、オフセット量Ｄが０．２ｍｍ（図１１参照）の場合は、ｔａｎθ＝０．１となる。さらに、オフセット量Ｄが０．４ｍｍの場合（図１２参照）は、ｔａｎθ＝０．２となり、オフセット量Ｄが０．５ｍｍの場合（図１３参照）は、ｔａｎθ＝０．２５となる。また、オフセット量Ｄが１．０ｍｍの場合（図１４参照）は、ｔａｎθ＝０．５になる。

上記シミュレーションモデルを用いて、上流から数えてｎ番目に配された放電部６に、上流側から入るオゾンの量を算出した。シミュレーションでは、一対の電極３に加える交流電圧の周波数を４０ｋＨｚにした。また、ガスｇとして酸素濃度２０％の空気を用い、このガスｇを８ｍ／ｓで流路２に流した。各放電部６において、１回の放電で４０〜１００ｎｇのオゾンが発生すると想定した。これは、１個の放電部６において３．２〜８ｍｇ／ｓのオゾンが発生する条件に相当する。また、下流側の放電部６に入ったオゾンの約１６％が、１回の放電で破壊されると想定した。さらに、オゾンの拡散係数を０．７２３ｃｍ²／ｓとした。

図１５に、上流からｎ番目の放電部６に入ったオゾンの濃度を、各シミュレーションモデルについて算出した結果を示す。同図から、オフセット量Ｄを０．０ｍｍにした場合は、各放電部６に入るオゾンの濃度が多いことが分かる。これは、オフセット量Ｄが０．０ｍｍの場合（図９参照）、互いに隣り合う複数の放電部６（６_u，６_d）がＸ方向に並んでいるためである。そのため、各放電部６において生成されたオゾンの多くが、下流側に配された次の放電部６に入ってしまい、オゾンが破壊されやすくなる。したがって、トータルでのオゾンの生成効率が低くなる。

また、図１５に示すごとく、オフセット量Ｄが０．１〜１．０ｍｍ（すなわち０．０５≦ｔａｎθ≦０．５）の場合は、オフセット量Ｄが０．０ｍｍ（すなわちｔａｎθ＝０）の場合よりも、各放電部６に入るオゾンの濃度が低いことが分かる。これは、各放電部６がＹ方向にオフセットしているため、上流側の放電部６において生成したオゾンが、下流側に配された次の放電部６に入りにくくなり、拡散した少量のオゾンのみが次の放電部６に入るからだと考えられる。そのため、オフセットさせた場合は、オゾンが次の放電部６において分解されにくくなり、オゾンの生成効率を向上できる。

また、図１６に、オフセット量Ｄ（及びｔａｎθ）と、最上流の放電部６から数えて２０番目の放電部６に入ったオゾンの濃度との関係を示す。同図に示すごとく、オフセット量Ｄが０．２〜０．５ｍｍ（すなわちｔａｎθが０．１〜０．２５）のときに、２０番目の放電部６に入るオゾンの濃度が最も低くなる。

また、図１６から、オフセット量Ｄが０．１ｍｍ（ｔａｎθ＝０．０５）と１．０ｍｍ（ｔａｎθ＝０．５）の場合は、オフセット量Ｄが０．２〜０．５ｍｍの場合よりも、２０番目の放電部６に入るオゾンの濃度がわずかに多くなることが分かる。これは、オフセット量Ｄが０．１ｍｍの場合、オフセット量Ｄが比較的少ないため、上流の放電部６において発生したオゾンのうち、拡散して次の放電部６に入るオゾンの割合が若干多くなるからだと考えられる。

また、オフセット量Ｄが１．０ｍｍの場合、図１４に示すごとく、ｎ＝１の放電部６と、ｎ＝３の放電部とが同一直線Ｌ₁上に存在している。つまり、Ｘ方向において１つ隣の放電部６は、Ｙ方向に充分に充分に離すことができるが、２つの隣の放電部６が同一直線Ｌ₁上に配されてしまう。そのため、ｎ＝１の放電部６において発生し、ｎ＝３の放電部６に入るオゾンの割合が若干増えるからだと考えられる。しかしながら、図１６示すごとく、これらオフセット量Ｄが０．１ｍｍ、１．０ｍｍの場合も、オフセット量Ｄが０．０ｍｍの場合と比較すると、充分に、２０番目の放電部６に入るオゾンの濃度を低減できることが分かる。

本形態の作用効果について説明する。図１に示すごとく、本形態では、Ｚ方向から見たときに、第１電極３_aに含まれる複数の線状電極３０_aと、第２電極３_bに含まれる複数の線状電極３０_bとが、互いに交差して格子５をなすよう構成してある。この格子５の交差点（放電部６）において、放電が発生する。また、図１、図４に示すごとく、格子５の構成単位である単位格子５０に含まれる個々の放電部６は、Ｙ方向において、互いに異なる位置に配されている。
そのため、単位格子５０に含まれる、互いに近接した複数の放電部６が、Ｘ方向に並ばなくなる。そのため、上流側の放電部６において発生したオゾンが、すぐに下流側の放電部６に入りにくくなり、このオゾンが、下流側の放電部６の放電に曝されて分解する不具合を抑制できる。したがって、オゾンの生成効率を向上させることができる。

また、本形態では、図４、図１２に示すごとく、一つの単位格子５０に含まれる複数の放電部６のうち、Ｙ方向における距離（すなわちオフセット量Ｄ）が最も短い２つの放電部（６_u，６_d）を通る直線Ｌ₂と、Ｘ方向に平行な直線Ｌ₁とのなす角度θは、下記の式を満たす。
｜ｔａｎθ｜≧０．０５
そのため、下流側の放電部６_dを、上流側の放電部６_uに対してＹ方向へ充分にずらすことができる。したがって、図１５、図１６に示すごとく、上流側の放電部６_uにおいて発生し、拡散して下流側の放電部６_dに入るオゾンの量を低減できる。そのため、オゾンの分解を抑制でき、オゾンの生成効率を高めることができる。

また、上記角度θは、下記の式をさらに満たす。
｜ｔａｎθ｜≦０．５
そのため、図１５、図１６に示すごとく、下流の放電部６に入るオゾンの濃度を充分に低減することができ、オゾンの生成効率を充分に向上させることができる。

なお、上記角度θは、下記の式を満たすことが、より好ましい。
｜ｔａｎθ｜≦０．２５
この場合には、図１６に示すごとく、下流側の放電部６に入るオゾンの濃度をより低減できる。そのため、オゾンの生成効率をより高めることができる。

以上のごとく、本形態によれば、オゾンの生成効率を向上できるオゾナイザを提供することができる。

以下の実施形態においては、図面に用いた符号のうち、実施形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態１と同様の構成要素等を表す。

（実施形態２）
本形態は、線状電極３０の形状を変更した例である。図１８に示すごとく、本形態では、第１線状電極３０_aを、Ｙ方向における一方側から他方側に向かうほど、接線Ｔ_Lの傾きが次第に大きくなる形状にしてある。より詳しくは、本形態では、第１線状電極３０_aを放物線状に形成してある。また、図１９に示すごとく、第２線状電極３０_bを直線状に形成してある。そして、図１７に示すごとく、実施形態１と同様に、Ｚ方向から見たときに、一対の線状電極３０_a，３０_bが互いに交差して格子５をなすよう構成してある。１個の格子単位５０に含まれる個々の放電部６は、Ｙ方向において、互いに異なる位置に配されている。

本形態の作用効果について説明する。上記構成にすると、図１７に示すごとく、複数の放電部６の、Ｘ方向間隔、およびＹ方向間隔を不規則にすることができる。そのため、上流側の放電部６において発生し、拡散したオゾンが、下流側の放電部６に入った瞬間に次の放電が発生し、これが繰り返されることを抑制できる。すなわち、オゾンの再被曝が周期的に発生することを抑制できる。そのため、オゾンの分解をより効果的に抑制でき、オゾンの発生効率をより高めることができる。

なお、本形態では、一方の線状電極３０_aを放物線状に形成したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば指数関数的に変化する形状にしてもよい。また、本形態では、一方の線状電極３０_aのみ湾曲させたが、一対の線状電極３０_a，３０_bを両方とも湾曲させてもよい。

１オゾナイザ
２流路
３電極
３０線状電極
５格子
５０単位格子
６放電部
ｇガス

Claims

ガス（ｇ）に含まれる酸素を、放電によってオゾンに変化させるオゾナイザ（１）であって、
上記ガスが流れる流路（２）と、
該流路を挟んで互いに対向する、第１電極（３_a）と第２電極（３_b）との一対の電極（３）とを備え、
個々の該電極は、互いに離間した複数の線状電極（３０）を有し、上記一対の電極の対向方向（Ｚ）から見たときに、上記第１電極に含まれる複数の上記線状電極（３０_a）と、上記第２電極に含まれる複数の上記線状電極（３０_b）とが、互いに交差して格子（５）をなすよう構成され、該格子の交差点は、上記流路内に上記放電が発生する放電部（６）となっており、
上記格子の構成単位である単位格子（５０）に含まれる個々の上記放電部は、上記ガスの流れ方向（Ｘ）と上記対向方向との双方に直交する直交方向（Ｙ）において、互いに異なる位置に配されている、オゾナイザ。
一つの上記単位格子に含まれる複数の上記放電部のうち、上記直交方向における距離が最も短い２つの上記放電部（６_u，６_d）を通る直線（Ｌ₂）と、上記流れ方向に平行な直線（Ｌ₁）とのなす角度をθとした場合、下記の式を満たす、請求項１に記載のオゾナイザ。
｜ｔａｎθ｜≧０．０５
上記一対の電極のうち少なくとも一方の上記電極の上記線状電極は、上記直交方向における一方側から他方側へ向かうほど、接線（Ｔ_L）の傾きが次第に大きくなる形状に形成されている、請求項１又は２に記載のオゾナイザ。