JP2019199390A - オゾン発生装置 - 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装置を提供する。【解決手段】オゾン発生装置は、第１電極を内部に備えるとともに第１面を備えた第１誘電体であって、第１面に垂直な第１貫通孔を備えた第１誘電体と、第２電極を内部に備えるとともに第２面を備えた第２誘電体であって、第２面に垂直な第２貫通孔を備えた第２誘電体と、を備える。第１面と第２面とが対向するように第１誘電体および第２誘電体が配置されている。第１面または第２面の垂直方向からオゾン発生装置を見た場合に、第１貫通孔の位置と第２貫通孔の位置が重ならないように、第１貫通孔および第２貫通孔が配置されている。第１貫通孔、第１面と第２面との隙間、および第２貫通孔によってオゾンの原料ガスの流路が形成されている。第１貫通孔によって原料ガスの流入口が形成されるとともに、第２貫通孔によって原料ガスの排出口が形成されている。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、オゾン発生装置に関する。

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装置が知られている。一対の電極間に電圧を印加することで微小な柱状のストリーマ放電が起こり、オゾンを発生させることができる。放電により発生したオゾンはガスの流れに従って掃気されることで、所望量のオゾンをオゾン発生装置から供給することができる。例えば特許文献１のオゾン発生装置では、一対のセラミック基板のそれぞれに電極が内蔵されており、複数の貫通孔が形成されている。脱臭対象のガスが貫通孔を通過する。

特開２０１５−７０９２１号公報

電圧を電極間に周期的に繰り返し印加する場合において、Ｎ回目の放電で発生したオゾンを十分に掃気できずに、オゾンが誘電体表面の近傍に滞留してしまう場合がある。すると、次のＮ＋１回目の放電によって、滞留したオゾンが分解されてしまう場合がある。オゾンを効率よく供給することができない。本明細書は、原料ガスの流れに着目し、オゾンを効率的に供給可能な技術を提供する。

本明細書が開示するオゾン発生装置の一実施形態は、第１電極を内部に備えるとともに第１面を備えた第１誘電体であって、第１面に垂直な第１貫通孔を備えた第１誘電体と、第２電極を内部に備えるとともに第２面を備えた第２誘電体であって、第２面に垂直な第２貫通孔を備えた第２誘電体と、を備えたオゾン発生装置である。第１面と第２面とが対向するように第１誘電体および第２誘電体が配置されている。第１面または第２面の垂直方向からオゾン発生装置を見た場合に、第１貫通孔の位置と第２貫通孔の位置が重ならないように、第１貫通孔および第２貫通孔が配置されている。第１貫通孔、第１面と第２面との隙間、および第２貫通孔によってオゾンの原料ガスの流路が形成されている。第１貫通孔によって原料ガスの流入口が形成されるとともに、第２貫通孔によって原料ガスの排出口が形成されている。

第１貫通孔、第１面と第２面との隙間、および第２貫通孔によってオゾンの原料ガスの流路を形成することができる。そして、第１貫通孔の位置と第２貫通孔の位置が重ならないため、ガス流路を屈曲させることができる。これにより、第１貫通孔に流入した原料ガスを第２誘電体の第２面に略垂直にぶつけることで、ガス流れの方向を略垂直に屈曲させることができる。よって、ガス流れの方向を屈曲させない場合に比して、誘電体の表面付近の流速が高くなるように原料ガスの流速分布を制御することができる。誘電体表面でのオゾンの掃気効率を向上できるため、オゾンを効率的に供給することが可能となる。

第１電極には、第２電極よりも高電位の電圧が印加されてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

第２誘電体は、第２面の反対側に第３面を備えていてもよい。第２誘電体は、第３電極を内部にさらに備えていてもよい。第２電極は第２面の近傍に配置されており、第３電極は第３面の近傍に配置されていてもよい。オゾン発生装置は、第４電極を内部に備えるとともに第４面を備えた第３誘電体であって、第４面に垂直な第３貫通孔を備えた第３誘電体をさらに備えていてもよい。オゾン発生装置は、第１電極と第２電極との間に第１電圧を印加し、第３電極と第４電極との間に第２電圧を印加する電圧印加部をさらに備えていてもよい。第３面と第４面とが対向するように第２誘電体および第３誘電体が配置されていてもよい。第３面または第４面の垂直方向からオゾン発生装置を見た場合に、第２貫通孔の位置と第３貫通孔との位置が重ならないように、第２貫通孔および第３貫通孔が配置されていてもよい。第１貫通孔、第１面と第２面との隙間、第２貫通孔、第３面と第４面との隙間、第３貫通孔によってオゾンの原料ガスの流路が形成されていてもよい。電圧印加部は、第１電圧を印加する期間と第２電圧を印加する期間とを重複させなくてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

第１面と第２面との隙間における第１貫通孔から第２貫通孔までの長さをＷとし、第１面と第２面との距離をＤとした場合に、長さＷを距離Ｄで除した値の範囲が５以上３０以下であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

オゾン発生装置１の上面模式図である。 図１のII−II線における模式的断面図である。 第１電極２１〜第４電極２４の各々に印加される電位の波形図である。 比較例における原料ガスの流路の部分拡大図である。 本実施例における原料ガスの流路の部分拡大図である。 ガス流路の断面形状とガス流速の増加割合との関係を示すグラフである。 変形例のオゾン発生装置１ａの上面模式図である。 変形例のオゾン発生装置１ｂの上面模式図である。 変形例における第１電極２１〜第４電極２４の各々に印加される電位の波形図である。

（オゾン発生装置１の構成）
図１に、本実施例のオゾン発生装置１の上面模式図を示す。図２に、図１のII−II線における模式的断面図を示す。図２に示すように、オゾン発生装置１は、第１誘電体１１、第２誘電体１２、第３誘電体１３を備えている。第１誘電体１１は、下面に第１面３１を備えた板状の部材である。第１誘電体１１は、複数の第１電極２１を内部に備えている。また、第１面３１に垂直な第１貫通孔４１を複数備えている。第２誘電体１２は、上面に第２面３２を備えるとともに、第２面３２の反対側の下面に第３面３３を備えた板状の部材である。第２誘電体１２は、第２面３２の近傍に配置されている複数の第２電極２２を内部に備えている。また、第３面３３の近傍に配置されている複数の第３電極２３を内部に備えている。第２誘電体１２は、第２面３２に垂直な第２貫通孔４２を複数備えている。第３誘電体１３は、上面に第４面３４を備えた板状の部材である。第３誘電体１３は、複数の第４電極２４を内部に備えている。また、第４面３４に垂直な第３貫通孔４３を複数備えている。

第１面３１と第２面３２とが対向するとともに、第３面３３と第４面３４とが対向するように、第１誘電体１１、第２誘電体１２、第３誘電体１３が配置されている。第１面３１と第２面３２との隙間によって、放電空間Ｅ１が形成される。第３面３３と第４面３４との隙間によって、放電空間Ｅ２が形成される。第１誘電体１１と第２誘電体１２との距離Ｄ、および、第２誘電体１２と第３誘電体１３との距離Ｄは、０．５〜１．０［ｍｍ］である。

複数の第１貫通孔４１および複数の第２貫通孔４２の位置は、第１面３１および第２面３２の垂直方向Ｙ１からオゾン発生装置１を見た場合に、第１貫通孔４１と第２貫通孔４２とが重ならないように設定されている。同様に、複数の第２貫通孔４２および複数の第３貫通孔４３の位置は、第３面３３および第４面３４の垂直方向Ｙ１からオゾン発生装置１を見た場合に、第２貫通孔４２と第３貫通孔４３とが重ならないように設定されている。

第１貫通孔４１によって、放電空間Ｅ１への原料ガスの流入口が形成される。不図示の原料ガス供給器によって、オゾンの原料ガス（空気あるいは酸素ガス）が第１貫通孔４１に供給される。第２貫通孔４２によって、放電空間Ｅ１からの原料ガスの排出口が形成されている。同様に、第２貫通孔４２によって放電空間Ｅ２への原料ガスの流入口が形成されるとともに、第３貫通孔４３によって放電空間Ｅ２からの原料ガスの排出口が形成されている。従って、第１貫通孔４１、第１面３１と第２面３２との隙間、第２貫通孔４２、第３面３３と第４面３４との隙間、第３貫通孔４３によって、オゾンの原料ガスのガス流路Ｐ１が形成される。図２では、ガス流路Ｐ１を点線の矢印で示している。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、発生したオゾンが誘電体の表面近傍から掃気される。

またオゾン発生装置１は、不図示の電圧印加部を備えている。電圧印加部は、第１電極２１と第２電極２２との間に第１電圧を印加する。第１電極２１が正極、第２電極２２が負極となる。第１電極２１には、第２電極２２よりも高電位の電圧が印加される。同様に、電圧印加部は、第３電極２３と第４電極２４との間に第２電圧を印加する。第３電極２３が正極、第４電極２４が負極となる。第３電極２３には、第４電極２４よりも高電位の電圧が印加される。第１電圧および第２電圧は、交流電圧あるいはパルス電圧である。第１電圧および第２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（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。本実施例では、交流電圧の周波数は１００［ｋＨｚ］である。

（オゾン発生方法）
図３（Ａ）〜図３（Ｄ）に、第１電極２１〜第４電極２４の各々に印加される電位の波形図を示す。正極である第１電極２１に印加される高電位Ｖ１Ｈと、負極である第２電極２２に印加される低電位Ｖ１Ｌによって、第１電圧Ｖ１が規定される。同様に、正極である第３電極２３に印加される高電位Ｖ２Ｈと、負極である第４電極２４に印加される低電位Ｖ２Ｌによって、第２電圧Ｖ２が規定される。

期間Ｔ１において、５［ｋＶ］のパルス状の高電位Ｖ１Ｈが第１電極２１に印加されることで、５［ｋＶ］の第１電圧Ｖ１が第１電極２１と第２電極２２との間に印加される。これにより、対向する第１電極２１と第２電極２２との間で、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、負極（第２電極２２）側の第２誘電体１２の第２面３２の表面と、放電柱と、の界面でオゾンが高濃度に発生する。発生したオゾンは原料ガスが継続的に供給されることで掃気され、外部に供給される。期間Ｔ２では、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２の何れも印加されない。

期間Ｔ３において、５［ｋＶ］のパルス状の高電位Ｖ２Ｈが第３電極２３に印加されることで、５［ｋＶ］の第２電圧Ｖ２が第３電極２３と第４電極２４との間に印加される。これにより、対向する第３電極２３と第４電極２４との間で、ストリーマ状放電柱が発生する。負極（第４電極２４）側の第３誘電体１３の第４面３４の表面と、放電柱と、の界面でオゾンが高濃度に発生する。発生したオゾンは原料ガスが継続的に供給されることで掃気され、外部に供給される。期間Ｔ４では、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２の何れも印加されない。以後、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２が交互に印加される。

図３の波形図に示すように、電圧印加部は、第１電圧Ｖ１を印加する期間Ｔ１と第２電圧Ｖ２を印加する期間Ｔ３とを交互に繰り返すことで、両期間を重複させない。換言すると、第２誘電体１２を挟んで隣り合う放電空間Ｅ１とＥ２で、放電期間が重複しないように、印加する電圧の位相を調整している。これは、第１電圧Ｖ１を印加する期間Ｔ１と第２電圧Ｖ２を印加する期間Ｔ３とが重複してしまうと、第２誘電体１２内で電圧干渉による電界緩和が発生し、ストリーマ放電を発生させるための電位差を得られなくなってしまう場合があるためである。従って、期間Ｔ１と期間Ｔ３との重複を避けることで、確実にオゾンを発生させている。

（効果）
本実施例に係るオゾン発生装置１の効果を、図４および図５を用いて説明する。図４は、比較例における原料ガスの流路の部分拡大図である。比較例は、屈曲していないガス流路Ｐ２を備えている。図５は、本実施例における原料ガスの流路の部分拡大図である。本実施例は、屈曲したガス流路Ｐ１を備えている。発明者らは、放電時に生成されるオゾンの濃度分布を、プラズマ・ガス反応・流れのマルチフィジックス連成解析によって厳密に計算した。その結果、図５に示すように、生成されるオゾンは負極（第２電極２２）側の第２誘電体１２の第２面３２の表面付近（領域Ｒ１）で最も濃度が高いことを見出した。また、放電空間Ｅ１の中央部（領域Ｒ２）は比較的オゾン濃度が低いことを見出した。

また図４の比較例において、ガスの流速分布Ｇ２を示す。比較例のような屈曲していないガス流路Ｐ２を備える場合、流速分布Ｇ２は、誘電体表面付近では放電空間の中央部に比べてガス流速が低くなってしまう。すなわち、高濃度のオゾンが発生する領域Ｒ１でのガス流速が低い。すると、高濃度のオゾンが領域Ｒ１から十分に掃気されず滞留してしまうことを、発明者らは見出した。生成されたオゾンが領域Ｒ１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てしまうことがある。また、前回の放電柱によって生成されたオゾンが領域Ｒ１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少してしまうことがある。オゾン供給装置の性能を大きく低下させてしまう場合がある。

そこで本実施例に係るオゾン発生装置１では、図５に示すように、第１貫通孔４１の位置と第２貫通孔４２の位置とを重ならないように配置することで、ガス流路Ｐ１を屈曲させている。これにより、第１貫通孔４１に流入した原料ガスを第２誘電体１２の第２面３２に略垂直にぶつけることで、ガス流路Ｐ１の方向を略垂直に屈曲させることができる。よって、比較例の流速分布Ｇ２に比して、ガスの排出口が形成されている側（下流側）の第２面３２の表面付近の流速が高くなるような、流速分布Ｇ１を実現することができる。すなわち、高濃度のオゾンが発生する領域Ｒ１でのガス流速を、比較例に比して高めることができる。高濃度のオゾンを領域Ｒ１から十分に掃気することが可能となる。生成したオゾンが放電によって分解されてしまうことを防止できるとともに、原料となる酸素を十分に供給することができるため、オゾンの生成量を増加させることが可能となる。

なお、図５では第１誘電体１１と第２誘電体１２の間の放電空間Ｅ１について説明したが、第２誘電体１２と第３誘電体１３との間の放電空間Ｅ２についても同様の作用および効果が得られる。

（ガス流路の断面形状とガス流速の増加割合との関係）
図５に示すように、放電空間Ｅ１における第１貫通孔４１から第２貫通孔４２までの長さを流路長Ｗとする。また第１面３１と第２面３２との距離をＤとする。第１面３１から「距離Ｄ／１０」の位置Ａ１における流速を、上側流速ＶｆＨとする。第２面３２から「距離Ｄ／１０」の位置Ａ２における流速を、下側流速ＶｆＬとする。また、図４に示すような屈曲していないガス流路における、誘電体表面から「距離Ｄ／１０」の位置Ａ０における流速を、基準流速Ｖｆ０とする。位置Ａ１における上側流速ＶｆＨが、基準流速Ｖｆ０に対して増加する割合ｄＶｆＨ［％］は、下式（１）で示される。
ｄＶｆＨ＝（ＶｆＨ−Ｖｆ０）／Ｖｆ０×１００ ・・・式（１）
また、位置Ａ２における下側流速ＶｆＬが、基準流速Ｖｆ０に対して増加する割合ｄＶｆＬ［％］は、下式（２）で示される。
ｄＶｆＬ＝（ＶｆＬ−Ｖｆ０）／Ｖｆ０×１００ ・・・式（２）

図６は、ガス流路の断面形状とガス流速の増加割合との関係を示すグラフである。図６の横軸は、流路長Ｗを距離Ｄで除した値を示しており、縦軸は増加割合ｄＶｆＨおよびｄＶｆＬ［％］を示している。四角形は上側流速ＶｆＨの増加割合ｄＶｆＨを示し、四角形の横の数値が実際の増加割合ｄＶｆＨ［％］を示している。ひし形は下側流速ＶｆＬの増加割合ｄＶｆＬを示し、ひし形の横の数値が実際の増加割合ｄＶｆＬ［％］を示している。増加割合ｄＶｆＨが０［％］以上である箇所を黒の四角形で示し、負である箇所を白抜きの四角形で示している。同様に、増加割合ｄＶｆＬが１０［％］以上である箇所を黒のひし形で示し、１０［％］より小さい箇所を白抜きのひし形で示している。図６において、流路長Ｗを距離Ｄで除した値が「５以上３０以下」である範囲Ｒ１０において、上側流速ＶｆＨの増加割合ｄＶｆＨが０［％］以上であるとともに、下側流速ＶｆＬの増加割合ｄＶｆＬが１０［％］以上になることが分かる。すなわち範囲Ｒ１０内では、上側流速ＶｆＨを低下させないことと、下側流速ＶｆＬを１０［％］以上増加させることとを両立することが可能である。

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。

（変形例）
貫通孔の形状は、図１に示すような円形に限られない。例えば図７に示すオゾン発生装置１ａのように、スリット形状の複数の第１貫通孔４１ａ、および、スリット形状の複数の第２貫通孔４２ａを備えていてもよい。複数の第１貫通孔４１ａおよび複数の第２貫通孔４２ａの位置は、オゾン発生装置１ａの上面視において、互いに重ならないように配置されている。これにより、ガス流路を屈曲させることができる。

貫通孔の配置位置は、図１に示すように面内に均一に配置する形態に限られない。例えば図８に示すオゾン発生装置１ｂのように、上面視において、複数の第１貫通孔４１ｂの密度が、外周の方が中央よりも高くてもよい。また、複数の第２貫通孔４２ｂの密度が、外周の方が中央よりも高くてもよい。ガスの流速は、オゾン発生装置１ｂの上面視における中央部の方が外周部よりも早くなる傾向がある。そこで、外周部の貫通孔の密度を高めることで、ガスの流速を中央部と外周部とで均一化することが可能となる。

図３に示すように、期間Ｔ３において、第２電極２２と第３電極２３との間に５［ｋＶ］の電位差が発生する。すると、第２誘電体１２内部の第２電極２２と第３電極２３との間で、意図しない放電が発生してしまう恐れがある。そこで図９に示すように、負極側（第２電極２２側）の電圧を変動させる電圧印加シーケンスを採用してもよい。図９の期間Ｔ３では、３［ｋＶ］のパルス状の高電位Ｖ２Ｈを正極（第３電極２３）に印加するとともに、−２［ｋＶ］のパルス状の低電位Ｖ２Ｌを負極（第４電極２４）に印加する。これにより、第３電極２３と第４電極２４との間に印加される第２電圧Ｖ２を５［ｋＶ］に維持しながら、期間Ｔ３における第２電極２２と第３電極２３との間の電位差を３［ｋＶ］に低下させることができる。第２誘電体１２内部での意図しない放電の発生を防止することが可能となる。

本実施例では、第１誘電体１１〜第３誘電体１３の３層の誘電体を備える場合を説明したが、この形態に限られない。４層以上の誘電体を備える形態であってもよい。この場合、隣接する誘電体の間で、貫通孔の位置が重ならないようにすればよい。また、２層の誘電体を備える形態であってもよい。

複数の第１電極２１が、第１面３１に沿って点在している形態を説明したが、この形態に限られない。広い一枚の第１電極２１が、第１面３１に沿って配置されている形態であってもよい。なお、第２電極２２〜第４電極２４についても同様である。

１：オゾン発生装置 １１：第１誘電体 １２：第２誘電体 １３：第３誘電体 ２１：第１電極 ２２：第２電極 ２３：第３電極 ２４：第４電極 ３１：第１面 ３２：第２面 ３３：第３面 ３４：第４面 ４１：第１貫通孔 ４２：第２貫通孔 ４３：第３貫通孔 Ｐ１：ガス流路

Claims (4)

1. 第１電極を内部に備えるとともに第１面を備えた第１誘電体であって、前記第１面に垂直な第１貫通孔を備えた前記第１誘電体と、
   第２電極を内部に備えるとともに第２面を備えた第２誘電体であって、前記第２面に垂直な第２貫通孔を備えた前記第２誘電体と、
   を備えたオゾン発生装置であって、
   前記第１面と前記第２面とが対向するように前記第１誘電体および前記第２誘電体が配置されており、
   前記第１面または前記第２面の垂直方向から前記オゾン発生装置を見た場合に、前記第１貫通孔の位置と前記第２貫通孔の位置が重ならないように、前記第１貫通孔および前記第２貫通孔が配置されており、
   前記第１貫通孔、前記第１面と前記第２面との隙間、および前記第２貫通孔によってオゾンの原料ガスの流路が形成されており、
   前記第１貫通孔によって前記原料ガスの流入口が形成されるとともに、前記第２貫通孔によって前記原料ガスの排出口が形成されている、オゾン発生装置。
2. 前記第１電極には、前記第２電極よりも高電位の電圧が印加される、請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 前記第２誘電体は、前記第２面の反対側に第３面を備えており、
   前記第２誘電体は、第３電極を内部にさらに備えており、
   前記第２電極は前記第２面の近傍に配置されており、前記第３電極は前記第３面の近傍に配置されており、
   前記オゾン発生装置は、
   第４電極を内部に備えるとともに第４面を備えた第３誘電体であって、前記第４面に垂直な第３貫通孔を備えた前記第３誘電体と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に第１電圧を印加し、前記第３電極と前記第４電極との間に第２電圧を印加する電圧印加部と、
   をさらに備えており、
   前記第３面と前記第４面とが対向するように前記第２誘電体および前記第３誘電体が配置されており、
   前記第３面または前記第４面の垂直方向から前記オゾン発生装置を見た場合に、前記第２貫通孔の位置と前記第３貫通孔との位置が重ならないように、前記第２貫通孔および前記第３貫通孔が配置されており、
   前記第１貫通孔、前記第１面と前記第２面との隙間、前記第２貫通孔、前記第３面と前記第４面との隙間、前記第３貫通孔によってオゾンの原料ガスの流路が形成されており、
   前記電圧印加部は、前記第１電圧を印加する期間と前記第２電圧を印加する期間とを重複させない、請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
4. 前記第１面と前記第２面との隙間における前記第１貫通孔から前記第２貫通孔までの長さをＷとし、前記第１面と前記第２面との距離をＤとした場合に、長さＷを距離Ｄで除した値の範囲が５以上３０以下である、請求項１〜３の何れか１項に記載のオゾン発生装置。
   

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