JP2021130598A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】窒素酸化物の生成を抑制可能な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方向に垂直であって表面に第１誘電体層が配置されている第１面を備える第１電極を備える。オゾン発生装置は、第１方向に垂直であって表面に第２誘電体層が配置されている第２面を備える第２電極を備える。 第２面は第１面と対向している。オゾン発生装置は、第１方向と直交する第２方向の一方に配置された原料ガスの流入口と、第２方向の他方に配置された原料ガスの排出口を備える。オゾン発生装置は、第１方向および第２方向と直交する第３方向に垂直な第１反射面を備える第１光反射部を備える。オゾン発生装置は、第３方向に垂直であるとともに第１反射面と対向している第２反射面を備える第２光反射部を備える。第１誘電体層と第２誘電体層との隙間、および、第１反射面と第２反射面との隙間によって、原料ガスの流路が形成されている。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、窒素酸化物の生成を抑制可能なオゾン発生装置に関する。

特許文献１の例に示すようなオゾン発生装置が知られている。オゾン発生装置で発生させたオゾンを用いる技術例えば特許文献１には、関連する技術が開示されている。

特開２０１６−２２１４９９号公報

特許文献１のオゾン発生装置では、窒素酸化物生成抑制のために投入電力密度を低くしている。すると、必要なオゾン量を得るために大面積の放電部（オゾン発生部）が必要となり、装置が大型化する。例えば車等の排気ガスを浄化するために、オゾン発生装置を車載する場合には、搭載スペースが問題となる。

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方向に垂直であって表面に第１誘電体層が配置されている第１面を備える第１電極を備える。オゾン発生装置は、第１方向に垂直であって表面に第２誘電体層が配置されている第２面を備える第２電極を備える。第２面は第１面と対向している。オゾン発生装置は、第１方向と直交する第２方向の一方に配置された原料ガスの流入口を備える。オゾン発生装置は、第２方向の他方に配置された原料ガスの排出口を備える。オゾン発生装置は、第１方向および第２方向と直交する第３方向に垂直な第１反射面を備える第１光反射部を備える。オゾン発生装置は、第３方向に垂直であるとともに第１反射面と対向している第２反射面を備える第２光反射部を備える。第１誘電体層と第２誘電体層との隙間、および、第１反射面と第２反射面との隙間によって、原料ガスの流路が形成されている。

第１電極と第２電極との間の放電により発生した光を、第１光反射部と第２光反射部との間で共振させることができる。窒素酸化物の原因となる活性な励起窒素分子を、共振した光による誘導放出により脱励起することができる。窒素酸化物の生成を抑制することができるため、投入電力密度を高めることが可能となる。また、原料ガスの流路方向と、放電方向と、光共振方向とが互いに直交しているため、オゾンの生成と励起窒素分子の脱励起とが互いに阻害することがない。オゾン生成を効率よく発生できるため、オゾン発生装置の小型化が可能となる。

第１反射面と第２反射面の反射率が異なっていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

第１電極および第２電極は、第３方向の辺長が第２方向の辺長よりも大きい矩形形状であってもよい。第１電極および第２電極は第２方向に間隔を有して複数配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

オゾン発生装置は、第１誘電体層および第２誘電体層に接しているスペーサ部を備えていてもよい。スペーサ部は、第１電極および第２電極が形成されていない領域に配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

第１誘電体層および第２誘電体層の第３方向の両端部は、第３方向に垂直な面に沿う端面を備えていてもよい。第１反射面および第２反射面は、端面に接していてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

第１反射面および第２反射面は平面であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

排気ガス浄化システム１のブロック図である。 実施例１のオゾン発生装置３の上面模式図である。 図２のIII−III線における模式的断面図である。 図２のIV−IV線における模式的断面図である。 励起窒素分子のエネルギー準位と、脱励起での遷移過程を示す図である。 実施例２のオゾン発生装置３ａの上面模式図である。 図６のVII−VII線における模式的断面図である。

（排気ガス浄化システム１の構成）
図１に、実施例１の排気ガス浄化システム１のブロック図を示す。排気ガス浄化システム１は、空気吸入口２、オゾン発生装置３、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４を備える。オゾン発生装置３には、空気吸入口２から空気が供給される（矢印Ｙ１）。空気は、オゾン生成用の原料ガスである。オゾン発生装置３からＮＯｘ吸蔵還元触媒４へは、高濃度のオゾンを含んだ空気が供給される（矢印Ｙ２）。ＮＯｘ吸蔵還元触媒４は、供給されたオゾンを用いて、排気ガス中のＮＯ_２もしくはＮＯ_３を吸蔵する。

（オゾン発生装置３の構成）
図２に、実施例１のオゾン発生装置３の上面模式図を示す。図３に、図２のIII−III線における模式的断面図を示す。図４に、図２のIV−IV線における模式的断面図を示す。図２では、紙面左右方向がｘ方向、紙面上下方向がｙ方向、紙面垂直方向がｚ方向である。図３および図４では、紙面左右方向がｘ方向、紙面上下方向がｚ方向、紙面垂直方向がｙ方向である。ｘ、ｙ、ｚ方向は互いに直交する方向である。

オゾン発生装置３は、第１電極１１、第２電極１２、第１誘電体層２１、第２誘電体層２２、第１光反射部３１、第２光反射部３２、複数のスペーサ部４０、を備えている。第１電極１１の下面には、ｚ方向に垂直な第１面Ｐ１が備えられている。第１面Ｐ１の表面には、第１誘電体層２１が配置されている。第２電極１２の上面には、ｚ方向に垂直な第２面Ｐ２が備えられている。第２面Ｐ２の表面には、第２誘電体層２２が配置されている。第１面Ｐ１と第２面Ｐ２とは、対向している。

図２に示すように、第１電極１１は、ｘ方向の辺長Ｌｘがｙ方向の辺長Ｌｙよりも大きい矩形形状である。第１電極１１は、ｙ方向に間隔を有して４つ配置されている。なお図２では図示を省略しているが、オゾン発生装置３の裏面側（−ｚ方向側）には、第１電極１１と同一形状および同一配置された第２電極１２が４つ配置されている。図４に示すように、複数のスペーサ部４０は、第１誘電体層２１および第２誘電体層２２に接している。複数のスペーサ部４０は、絶縁体である。図２に示すように、オゾン発生装置３の上面視において、複数のスペーサ部４０は、第１電極１１および第２電極１２が形成されていない領域に配置されている。

第１誘電体層２１および第２誘電体層２２のｘ方向の負側端部には、ｘ方向に垂直な面に沿う端面Ｅ１が配置されている。同様に、ｘ方向の正側端部には、ｘ方向に垂直な面に沿う端面Ｅ２が配置されている。端面Ｅ１およびＥ２は、互いに平行な面である。第１光反射部３１は、ｘ方向に垂直な第１反射面ＲＰ１を備えている。第２光反射部３２は、ｘ方向に垂直な第２反射面ＲＰ２を備えている。第１反射面ＲＰ１は端面Ｅ１に接しており、第２反射面ＲＰ２は端面Ｅ２に接している。第１反射面ＲＰ１と第２反射面ＲＰ２とは対向している。第１反射面ＲＰ１および第２反射面ＲＰ２は平面であり、両者の反射率は異なっている。例えば、第１反射面ＲＰ１の反射率ｒ１は、第２反射面ＲＰ２の反射率ｒ２よりも高くてもよい。この場合、反射率ｒ１は９０％以上が好ましく、例えば９９％である（全反射ミラー）。また反射率ｒ２は３０％以上６０％以下が好ましく、例えば５０％である（ハーフミラー）。

第１誘電体層２１と第２誘電体層２２との隙間、および、第１反射面ＲＰ１と第２反射面ＲＰ２との隙間によって、原料ガスの流路Ｃ１が形成されている。＋ｙ方向には、原料ガスの流入口５１が形成されている。−ｙ方向には、原料ガスの排出口５２が形成されている。流入口５１からは空気が供給され（矢印Ｙ１）、排出口５２からは高濃度のオゾンを含んだ空気が排出される（矢印Ｙ２）。

（オゾン発生装置３の動作）
流入口５１からは原料ガスである空気が供給される（矢印Ｙ１）。またオゾン発生装置３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１１と第２電極１２との間に、交流電圧あるいはパルス電圧を印加する。これにより、対向する第１電極１１と第２電極１２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。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る。そして排出口５２からは、高濃度のオゾンを含んだ空気が排出される（矢印Ｙ２）。

原料ガスは空気であるため、窒素を高濃度（約約８０％）に含んでいる。すると、窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ_２、Ｎ_２Ｏなど）が形成されてしまう。ＮＯ、ＮＯ_２は光化学スモッグや酸性雨などを引き起こす環境汚染原因物質であり、Ｎ_２Ｏは二酸化炭素の３１０倍もの温室効果を示すガスである。したがってこれら窒素酸化物の生成を抑制する必要がある。放電時に窒素酸化物の生成に寄与する主な反応ガス種は、エネルギーの高い励起窒素分子である（以後、励起窒素分子をＮ_２ ^＊と記載する場合がある）。放電により、窒素分子（Ｎ_２）の一部は、エネルギーが高く活性な励起窒素分子（Ｎ_２ ^＊）となり、酸素と反応することでＮＯ、ＮＯ_２、Ｎ_２Ｏなどの窒素酸化物が形成されてしまう。ここで高いエネルギーを持つＮ_２ ^＊の脱励起（エネルギーを緩和し活性を抑えること）を促進することができれば、酸素との反応による窒素酸化物の生成を抑制することが可能となる。

Ｎ_２ ^＊を脱励起する方法として、誘導放出がある。誘導放出とは、励起状態の分子が、外部から加えた電磁波（光子）によってより低いエネルギー準位に遷移し、その分のエネルギーを電磁波として放出する現象である。従来のオゾン発生装置では、ネオン管と同様の原理により、ガス放電により発光する。しかし、自然放出のみで光はそのまま外部に放出されるため、誘導放出の効果はほとんど得られない。

そこで本明細書のオゾン発生装置３では、流路Ｃ１の両端に一対の第１光反射部３１および第２光反射部３２を載置することで、光共振構造を備えている。これにより、第１電極１１と第２電極１２との間の放電で発生した光を、一対の光反射部の間で共振させることができる。そして、反射率ｒ２を反射率ｒ１よりも低くすることで、第２光反射部３２の外側に光を放出させることができる（図３、矢印Ｙ３）。光共振器構造により、放電時において、誘導放出による発光を促進することができる（ガスレーザの原理と同様である）。励起窒素分子（Ｎ_２ ^＊）の持つエネルギーの多くを光として外部に放出できるため、Ｎ_２ ^＊の脱励起を促進することが可能となる。窒素の活性を低下させることができるため、酸素との反応による窒素酸化物の生成を抑制することが可能となる。本実施例のオゾン発生装置３では、光共振構造を備えない従来のオゾン発生装置と比較して、同程度のオゾンを発生させる場合における窒素酸化物の濃度を、約１／１０に低下させることが可能である。

（発光の波長域）
図５に、励起窒素分子のエネルギー準位と、脱励起での遷移過程を示す。励起状態には、電子のスピン状態などに対応した多くの準位が存在する。主な脱励起での発光の波長域として、波長２００〜２８０ｎｍ（紫外ＵＶ−Ｃ）、波長３００〜３８０ｎｍ（紫外ＵＶ−Ａ）、波長５５０〜９００ｎｍ（可視：緑〜赤）などが挙げられる。

第２光反射部３２から外部に放出される光（図３、矢印Ｙ３参照）の波長は、適宜選択することが可能である。しかし、脱励起過程に準じた波長を選択することが好ましい。すなわち、脱励起を促進するためエネルギーの高い波長域（近紫外から可視）であることが好ましい。特に、励起窒素分子であるＮ_２（Ａ^３Σ_ｕ ^＋）は準安定状態であり、脱励起が起こりにくい。しかし、エネルギー準位の近いＮＯ（Ａ^２Σ^＋）にエネルギー移動して緩和することで、Ｎ_２（Ａ^３Σ_ｕ ^＋）の脱励起を促進することができる（矢印Ｙ１１）。この場合の光のピーク波長は、２２６ｎｍ（紫外ＵＶ−Ｃ）となる。従って、第２光反射部３２からの放出光の波長域は、２２６ｎｍ近傍の帯域を含むことが好ましい。

（効果）
従来のオゾン発生装置では、窒素酸化物生成抑制のために投入電力密度を低くする必要がある場合がある（例：０．１Ｗ／ｃｍ^２以上及び０．４Ｗ／ｃｍ^２以下）。本実施例のオゾン発生装置３では、光共振構造による誘導放出により励起窒素分子を脱励起できるため、窒素酸化物の生成を抑制することができる。よって、従来のオゾン発生装置に比して、投入電力密度を高めることが可能である（例：少なくとも１０Ｗ／ｃｍ^２以上）。オゾン発生装置３を小型化できるため、車載が可能となる。

本実施例のオゾン発生装置３では、原料ガスの流路方向（ｙ方向）と、放電方向（ｚ方向）と、光共振方向（ｘ方向）とが互いに直交しているため、オゾンの生成と励起窒素分子の脱励起とが互いに阻害することがない。オゾン生成を効率よく発生できるため、オゾン発生装置の小型化が可能となる。

従来のオゾン発生装置では、原料ガスに高純度の酸素を用いる場合がある。しかし、ガス供給部に酸素ボンベもしくは酸素発生装置等が必要となるため、車載環境で使用するにはボンベの補充・交換や搭載スペースなどの点で困難である。本実施例のオゾン発生装置３では、原料ガスが高濃度の窒素を含む場合においても、窒素酸化物の生成を抑制することができる。原料ガスに空気を用いることが可能となるため、ボンベや酸素発生装置等を不要とすることができる。

光共振構造を実現するためには、第１反射面ＲＰ１と第２反射面ＲＰ２とを高精度に平行に配置する必要がある。本実施例のオゾン発生装置３では、互いに平行な面である端面Ｅ１およびＥ２に接するように、第１反射面ＲＰ１および第２反射面ＲＰ２を配置している。これにより、端面Ｅ１およびＥ２をガイド面として機能させることができるため、第１反射面ＲＰ１と第２反射面ＲＰ２とを高精度に平行に配置することが可能となる。

図２に示すように、第１電極１１および第２電極１２は、ｘ方向へ伸びる４本のストライプ形状を備えている。これにより、隣接する第１電極１１の間および第２電極１２の間には、放電が行われない領域Ａ１がストライプ形状に形成されている。領域Ａ１は発光しないため、第１電極１１と第２電極１２との間の放電で発生した光を閉じ込めることができる。すなわち、第１電極１１および第２電極１２が配置されている領域に沿って、ｘ方向へ伸びる導光路を形成することができる。光共振を促進することが可能となる。また図２および図４に示すように、複数のスペーサ部４０は、第１電極１１および第２電極１２が形成されていない領域に配置されている。これにより、スペーサ部４０によって導光路が阻害されることがない。

ガスレーザのように指向性の高い光を生成するために光共振構造を用いる場合には、高価な凹面鏡を配置する必要がある。一方、本実施例のオゾン発生装置３では、誘導放出による脱励起を促進するために光共振構造を用いるため、マルチモードでブロード反射を行えばよい。よって、比較的安価な平面鏡を用いることができるため、オゾン発生装置３の製造コストを抑制することができる。

図６に、実施例２のオゾン発生装置３ａの上面模式図を示す。図７に、図６のVII−VII線における模式的断面図を示す。実施例１のオゾン発生装置３と実施例２のオゾン発生装置３ａとで共通する部位には同一符号を付すことで、説明を省略する。また実施例２に特有の部位については、符号の末尾に「ａ」を付すことで区別する。

オゾン発生装置３ａは、第１電極１１ａ、第２電極１２ａ、第１光反射部３１ａ、第２光反射部３２ａ、第１スペーサ部４１ａ、第２スペーサ部４２ａ、を備えている。図６に示すように、第１電極１１ａは、１枚の板状である。なお図６では図示を省略しているが、オゾン発生装置３ａの裏面側（−ｚ方向側）には、第１電極１１ａと同一形状および同一配置された第２電極１２ａが１つ配置されている。

第１スペーサ部４１ａおよび第２スペーサ部４２ａは、ｙ方向に伸びる直方体形状の絶縁部材である。第１スペーサ部４１ａの−ｘ方向側の側面４１ｓは、第１誘電体層２１および第２誘電体層２２の端面Ｅ１と同一平面内に位置している。同様に、第２スペーサ部４２ａの＋ｘ方向側の側面４２ｓは、第１誘電体層２１および第２誘電体層２２の端面Ｅ２と同一平面内に位置している。図６に示すように、オゾン発生装置３ａの上面視において、第１スペーサ部４１ａおよび第２スペーサ部４２ａは、第１電極１１ａおよび第２電極１２ａが形成されていない領域に配置されている。第１スペーサ部４１ａおよび第２スペーサ部４２ａは、光共振される波長を吸収しない材料（すなわち放電による発光に対して透明な材料）で形成されている。これにより、第２光反射部３２ａの外側に光を放出させることができる（図７、矢印Ｙ３）。

第１スペーサ部４１ａの＋ｘ方向側には、ｙ方向に伸びる平板形状の第１光反射部３１ａが配置されている。第２スペーサ部４２ａの−ｘ方向側には、ｙ方向に伸びる平板形状の第２光反射部３２ａが配置されている。第１光反射部３１ａは、ｘ方向に垂直な第１反射面ＲＰ１を備えている。第２光反射部３２ａは、ｘ方向に垂直な第２反射面ＲＰ２を備えている。 第１反射面ＲＰ１と第２反射面ＲＰ２とは、互いに平行に対向している。

実施例２のオゾン発生装置３ａにおいても、実施例１のオゾン発生装置３と同様の動作および効果を得ることができる。

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）
第１光反射部および第２光反射部の配置態様は、原料ガスの流路方向や放電方向を阻害しないことや、第１反射面ＲＰ１と第２反射面ＲＰ２が平行に対向していることを満たしていれば、様々であって良い。必ずしも第１誘電体層２１および第２誘電体層２２と接触している必要はない。例えば実施例１のオゾン発生装置３（図２〜図４）において、第１光反射部３１は端面Ｅ１から−ｘ方向に離れて配置されていてもよいし、第２光反射部３２は端面Ｅ２から＋ｘ方向に離れて配置されていてもよい。

反射率ｒ１およびｒ２は同一でもよい。この場合、反射率をともに３０％以上６０％以下としてもよい（ハーフミラー）。

本実施例におけるオゾン発生装置の形態は一例である。電極やスペーサの数や形状は、様々な組合せが可能である。

ｚ方向は第１方向の一例である。ｙ方向は第２方向の一例である。ｘ方向は第３方向の一例である。

３：オゾン発生装置 １１：第１電極 １２：第２電極 ２１：第１誘電体層 ２２：第２誘電体層 ３１：第１光反射部 ３２：第２光反射部 ４０：スペーサ部 ５１：流入口 ５２：排出口 Ｅ１およびＥ２：端面 ＲＰ１：第１反射面 ＲＰ２：第２反射面

Claims (6)

1. 第１方向に垂直であって表面に第１誘電体層が配置されている第１面を備える第１電極と、
   前記第１方向に垂直であって表面に第２誘電体層が配置されている第２面を備える第２電極であって、前記第２面は前記第１面と対向している、前記第２電極と、
   前記第１方向と直交する第２方向の一方に配置された原料ガスの流入口と、
   前記第２方向の他方に配置された前記原料ガスの排出口と、
   前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に垂直な第１反射面を備える第１光反射部と、
   前記第３方向に垂直であるとともに前記第１反射面と対向している第２反射面を備える第２光反射部と、
   を備え、
   前記第１誘電体層と前記第２誘電体層との隙間、および、前記第１反射面と前記第２反射面との隙間によって、前記原料ガスの流路が形成されている、オゾン発生装置。
2. 前記第１反射面と前記第２反射面の反射率が異なっている、請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 前記第１電極および前記第２電極は、前記第３方向の辺長が前記第２方向の辺長よりも大きい矩形形状であり、
   前記第１電極および前記第２電極は前記第２方向に間隔を有して複数配置されている、請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
4. 前記第１誘電体層および前記第２誘電体層に接しているスペーサ部であって、
   前記第１電極および前記第２電極が形成されていない領域に配置されている前記スペーサ部を備える、請求項１〜３の何れか１項に記載のオゾン発生装置。
5. 前記第１誘電体層および前記第２誘電体層の前記第３方向の両端部は、前記第３方向に垂直な面に沿う端面を備えており、
   前記第１反射面および前記第２反射面は、前記端面に接している、請求項１〜４の何れか１項に記載のオゾン発生装置。
6. 前記第１反射面および前記第２反射面は平面である、請求項１〜５の何れか１項に記載のオゾン発生装置。

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