JP2019182677A - オゾン発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】オゾンを効率よく発生することのできるオゾン発生器を提供する。【解決手段】オゾン発生器１０は、対向配置されている一対の電極２ａ、２ｂと、夫々の電極２ａ、２ｂに設けられている一対の誘電体であり、間にオゾンの原料ガスが流れる隙間５が確保されている一対の誘電体４ａ、４ｂを備えている。夫々の誘電体４ａ、４ｂは、相手の誘電体に対向する表面に凹凸４３が設けられている。原料ガスの流れ方向における凹凸４３の平均ピッチＺＳｍと最大高さ粗さＲｚが、それぞれ、（１）０．８［ｍｍ］≦ＺＳｍ≦２．０［ｍｍ］、（２）０．１［ｍｍ］≦Ｒｚ≦１．０［ｍｍ］を満足する。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、オゾン発生器に関する。

対向配置されている一対の電極と、夫々の電極に設けられている一対の誘電体を備えたオゾン発生器が知られている（例えば特許文献１−３）。一対の誘電体の間には、オゾンの原料ガスが流れる隙間が確保されている。特許文献１、２のオゾン発生器では、高電位側の電極に設けられた誘電体の表面に微細な凹凸を設ける。微細な凹凸により誘電体の表面積が増え、隙間に発生するストリーマ状放電柱の数が増える。その結果、発生するオゾンの量を増やすことができる。

また、特許文献３のオゾン発生器では、誘電体の表面に金属化合物質層を設け、その金属化合物質層の表面に凹凸を設けている。凹凸のピッチＳｍと凹凸の高低差の十点平均粗さＲｚは、夫々、５０［μｍ］≦Ｓｍ≦７００［μｍ］、２０［μｍ］≦Ｒｚ≦１２０［μｍ］を満足するのが良いとされている。凹凸を設けることで、金属化合物質層が放電光を有効に吸収して励起状態となり、かつ、励起状態になった金属化合物層と供給された酸素ガスとの接触状態が良くなり、酸素解離が促進される。

特開平０７−１１８００１号公報 特開平０７−２３７９０４号公報 特開２０１７−１９０２５９号公報

一対の電極の間には周期的あるいはパルス状の電圧が印加され、ストリーマ状の放電柱は離散的に発生する。前回の放電柱で発生したオゾンが同じ場所に滞留していると、次の放電柱が発生するときに周囲に存在し得る原料ガスの量が減ってしまう。また、次の放電が影響して折角生成したオゾンが分解されてしまうこともある。本明細書は、原料ガスの流れに着目し、オゾンを効率的に発生させる技術を提供する。

本明細書が開示するオゾン発生器は、対向配置されている一対の電極と、夫々の電極に設けられている一対の誘電体を備えている。一対の誘電体の間にオゾンの原料ガスが流れる隙間が確保されている。夫々の誘電体は、相手の誘電体に対向する表面に凹凸が設けられている。原料ガスの流れ方向における凹凸の平均ピッチＺＳｍと最大高さ粗さＲｚは、それぞれ、次の条件を満足する。（１）０．８［ｍｍ］≦ＺＳｍ≦２．０［ｍｍ］。（２）０．１［ｍｍ］≦Ｒｚ≦１．０［ｍｍ］。

誘電体の表面に凹凸を設けると、凸部の頭頂面でストリーマ状放電柱が発生し、オゾンが生成される。原料ガスの流れ方向において凸部の両隣に窪みを設けることで、凸部頭頂面付近での原料ガスの流れがスム−ズになり、発生したオゾンが凸の上から速やかに掃気される。その結果、放電柱が発生する毎に凸の上に原料ガスが十分に供給され、オゾンが効率よく発生される。また、滞留したオゾンが次の放電で分解されることもなくなる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例のオゾン発生器の模式的断面図である。 図１の破線矩形IIの範囲における流速分布を説明する図である。 凹凸の平均ピッチＺＳｍと最大高さ粗さＲｚを変数としたときの流速分布の改善効果を示すグラフである。 実施例と比較例のオゾン発生器のシミュレーション結果である。 第１変形例のオゾン発生器の模式的断面図である。 第２変形例のオゾン発生器の模式的断面図である。 第３変形例のオゾン発生器の模式的断面図である。

図面を参照して実施例のオゾン発生器を説明する。図１に、実施例のオゾン発生器１０の模式的断面図を示す。オゾン発生器１０は、対向配置されている一対の電極２ａ、２ｂと、夫々の電極に設けられている一対の誘電体４ａ、４ｂを備えている。一対の誘電体４ａ、４ｂの間には、原料ガスが流れる隙間５が確保されている。なお、オゾン発生器１０は、図１に示す部品のほか、隙間５にオゾンの原料ガス（空気あるいは酸素ガス）を供給する原料ガス供給器と、一対の電極２ａ、２ｂの間に交流電圧あるいはパルス電圧を印加する電源を備えているが、それらの図示は省略した。

原料ガスは、図中の左から右へ流れる。原料ガスの流れ方向に沿って、複数の電極２ａが等ピッチで並んでいる。同様に、原料ガスの流れ方向に沿って、複数の電極２ｂが等ピッチで並んでいる。電極２ａと２ｂは、対向するように配置されている。以下では、説明の便宜上、原料ガスの流れ方向を、ガス流方向と称することにする。

一対の誘電体４ａ、４ｂの夫々は、相手の誘電体と対向する表面に凹凸４３が設けられている。凹凸４３のガス流方向のピッチ（平均ピッチ）を記号ＺＳｍで表す。また、凹凸４３の最大高さ粗さ（即ち、突部４１の頭頂面と窪み４２の底との高低差の最大値）を記号Ｒｚで表す。電極２ａ、２ｂは、ガス流方向に沿ってみたときに突部４１の中央と同じ位置に配置されている。従って、複数の電極２ａ（２ｂ）は、ピッチＺＳｍの間隔でガス流方向に並んでいる。

一対の誘電体４ａ、４ｂの間の隙間５の幅Ｇｐは、０．５〜１．０［ｍｍ］である。一対の電極２ａ、２ｂの間に印加される電圧は、例えば５［ｋＶ］である。また、印加する交流電圧の周波数は、例えば１００［ｋＨｚ］である。

誘電体４ａ、４ｂの表面の突部４１の内部に電極２ａ、２ｂが備えられており、突部４１の両側に窪み４２が設けられているので、対向する突部４１の間でストリーマ状放電柱が発生する。放電柱が発生した箇所でオゾンが発生する。特に、放電柱と誘電体表面との界面でオゾンが発生する。従ってオゾンは突部４１の頭頂面付近で多く発生する。電極２ａ、２ｂの間には周期的あるはパルス状の電圧が印加されるので、放電柱もパルス状に発生する。放電柱が発生するとき、前回の放電柱によって生成されたオゾンが突部４１の近傍に滞留していると、せっかく生成したオゾンが放電によって分解されることがある。また、前回の放電柱によって生成されたオゾンが突部４１の近傍に滞留していると、原料となる酸素が少なくなり、オゾンの生成量が減る。放電柱が発生する毎に生成されたオゾンは突部４１の周辺から速やかに掃気されることが望ましい。

一対の誘電体４ａ、４ｂの間に原料ガスを流すと、ガスの流速は、誘電体４ａ、４ｂの付近では遅く、誘電体４ａ、４ｂから離れるに従って速くなる。即ち、図１の破線矩形IIの範囲に示した速度プロファイルとなる。図２に破線矩形IIの拡大図を示す。誘電体４ａ、４ｂの表面に、ガス流方向に沿って凹凸を設けると、突部４１の頭頂面の周辺では流れがスム−ズになり、流速が増加する。これは、ゴルフボールのディンプルがゴルフボール表面の流れをスム−ズにすることと同じである。

突部４１の頭頂面周辺の流速が増加すると、発生したオゾンが掃気され、次の放電柱発生のときに原料となる酸素が突部４１の周辺に充分に満たされる。その結果、放電柱発生の毎にオゾンが効率よく生成できる。また、前回の放電柱で生成されたオゾンは突部４１の頭頂面から掃気されるので、前回の放電で生成されたオゾンが分解することもない。

図２の実線Ｇ１が、凹凸４３を設けたときの流速分布を表している。図２の破線Ｇ２は、凹凸４３を設けないときの流速分布を表している。凹凸４３を設けることで、誘電体４ａ、４ｂ（突部４１）の表面近くの流速が上昇し、隙間５の中央での流速が低くなる。

突部４１の頭頂面（放電界面）から０．１［ｍｍ］の位置における原料ガスの流速Ｖが、凹凸なしの場合の流速Ｖ０に対して増加する割合ｄＶ（＝（（Ｖ−Ｖ０）／Ｖ０）×１００）を調べた結果を図３に示す。図３の横軸は、平均ピッチＺＳｍ［ｍｍ］を示しており、縦軸は最大高さ粗さＲｚ［ｍｍ］を示している。図３において黒丸は、増加割合ｄＶが１０［％］を超える箇所を示している。黒丸の横の数値が増加割合ｄＶ［％］を示している。図３において、バツ印は増加割合ｄＶが１０［％］未満の箇所を示している。突部４１の頭頂面から０．１［ｍｍ］の位置における流速が、凹凸なしの場合と比較して１０［％］を超えて増加すると、オゾンの発生量が顕著に良くなる。

図３より、突部４１の頭頂面から０．１［ｍｍ］の位置における流速が、凹凸なしの場合と比較して１０［％］を超えて増加するのは次の範囲である。（１）０．８［ｍｍ］≦ＺＳｍ≦２．０［ｍｍ］。（２）０．１［ｍｍ］≦Ｒｚ≦１．０［ｍｍ］。図３においてグレーで示した範囲が、上記（１）と（２）を満足する範囲である。

図４に、一例のシミュレ−ション結果を示す。図４の左側の画像は、凹凸ありの場合の結果を示しており、右側の画像は凹凸なしの場合の結果を示している。凹凸は、平均ピッチＺＳｍが１．０［ｍｍ］であり、最大高さ粗さＲｚは０．１［ｍｍ］である。図４の上段の画像は、放電柱発生から１．４０Ｅ−６［秒］後のオゾン濃度のｐ分布を示している。図４の下段の画像は、放電柱発生から３．０２Ｅ−４［秒］後のオゾン濃度のｐ分布を示している。色が濃いほどオゾン濃度が高いことを示している。下段の画像において、左側の図（凹凸あり）では、突部の周辺（破線で囲った範囲Ａ１）でオゾンが掃気されている。一方、右側の図（凹凸なし）では、誘電体の表面付近（破線で囲った範囲Ａ２）にオゾンが残っているのがわかる。凹凸を設けたことで、突部の頭頂面付近の流速が増加し、オゾンが良く掃気される。その結果、オゾンが効率よく生成できる。

実施例のオゾン発生器の変形例を説明する。図５に第１変形例のオゾン発生器１０ａの断面図を示す。第１変形例のオゾン発生器１０ａでは、凹凸４３ａが曲面で構成されている。また、オゾン発生器１０ａでは、誘電体１４ａ、１４ｂの表面の突部４１の中央（図中の符号Ｐ１が示す箇所）に対してガス流の上流側の表面形状と下流側の表面形状が非対称である。図５のように非対称であっても、実施例のオゾン発生器１０と同様の効果が得られる。

図６は、第２変形例のオゾン発生器１０ｂの断面図である。第２変形例のオゾン発生器１０ｂでは、誘電体２４ａ、２４ｂの表面の凹凸４３ｂが複数の段差で構成されている。このように凹凸４３ｂが複数の段差で構成されていても、実施例のオゾン発生器１０と同様の効果を得ることができる。

図７は、第３変形例のオゾン発生器１０ｃの断面図である。第３変形例のオゾン発生器１０ｃは、上側の誘電体３４ａの凹凸４３ｃと、下側の誘電体３４ｂの凹凸４３ｃが、ガス流方向で４分の１ピッチ（ＺＳｍ／４）だけずれている。このように上側と下側の凹凸のピッチがずれていても実施例のオゾン発生器１０と同様の効果が得られる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。原料ガスの流速は、１００［ｍ／ｓｅｃ］以下であることが望ましい。なお、原料ガスの流速の下限値は１．０［ｍ／ｓｅｃ］程度である。その程度の流速があれば、発生したオゾンが突部４１の上から掃気される。

また、一対の電極２ａ、２ｂの間に印加する交流電圧の周波数（パルス電圧の場合は繰り返し周波数）は、１［ｋＨｚ］以上であることが望ましい。電極は、ガス流方向に点在しているのではなく、広い一枚の電極であってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ａ、２ｂ：電極
４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ：誘電体
５：隙間
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ：オゾン発生器
４１：突部
４２：窪み
４３、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ：凹凸

Claims (1)

1. 対向配置されている一対の電極と、
   夫々の電極に設けられている一対の誘電体であり、間にオゾンの原料ガスが流れる隙間が確保されている一対の誘電体と、を備えており、
   夫々の前記誘電体は、相手の前記誘電体に対向する表面に凹凸が設けられており、前記原料ガスの流れ方向における前記凹凸の平均ピッチＺＳｍと最大高さ粗さＲｚが、それぞれ、
   ０．８［ｍｍ］≦ＺＳｍ≦２．０［ｍｍ］
   ０．１［ｍｍ］≦Ｒｚ≦１．０［ｍｍ］
   を満足する、オゾン発生器。