JP3107398B2 - オゾン生成方法およびオゾン生成装置 - Google Patents

オゾン生成方法およびオゾン生成装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、請求項１の前提部によるオゾン生成方法お
よび請求項２の前提部によるオゾン生成装置に関する。
オゾンは、いくつかの酸化度を有する元素を含有する
有機物質および無機物質の強力な酸化剤である。オゾン
の複数の適用分野のうち、水質調整のための用途はとり
わけ言及されるべきである。
技術的には、オゾンは、酸素含有気体中の無声放電に
よって生成され得る。無声放電は、火花放電とは異な
り、安定プラズマ放電あるいはコロナ放電として理解さ
れべきである。酸素分子は酸素原子に解離される。次い
で、反応性酸素原子は発熱反応で互いに結合し酸素分子
になり、３原子酸素分子、すなわち、オゾンを形成す
る。オゾン収率は、とりわけ、電界強度および動作温度
に依存する。さらに、気体組成への依存性が観察されて
いる。温度が高くなるとオゾンはより速い速度で酸素分
子に再び分解し、生成するオゾンと分解するオゾンとの
間の平衡が変位することによって利用可能なオゾン濃度
が低くなるということに、動作温度への依存性は基づい
ている。
電界強度をより高くすることによってオゾン収率が同
様に増加するが、これはとりわけ、ギャップを縮小させ
ることおよび比較的高い比誘電率を有する誘電体を選択
することによって達成され得る。比較的高い比誘電率を
有する誘電体としての、ドーピングされたガラスあるい
はセラミック材料は問題がある。確かに、セラミック材
料の誘電体は、不均質であり、均質な材料よりも低い破
壊強度を実質的に有し得るという欠点を有している。さ
らに、高寸法安定性を有する形成体の形態の高グレード
セラミック材料は非常に高価である。さらに、誘電体が
薄くなると、誘電体破壊の危険性が増す。
動作中の機械的応力および熱膨張による折れ曲がりお
よびバックリングと共に、回避し得ない製造の許容度に
よってギャップを縮小するには制限があった。
ギャップ幅の縮小および高比誘電率を有する誘電体を
用いることにより電界強度が高くなるために製造コスト
が著しく上昇するので、経済的制限が設けられた。
まず出発点としてドイツ特許出願第38 19 304 C2号で
は、発明に基礎的であるのは、比較可能な量のエネルギ
ーを用いてオゾン収率をさらに増加させ得る方法および
装置を記載するという課題である。
この課題は、個々の符号で記載される特徴によって、
請求項１の前提部による方法および請求項２の前提部に
よる装置において解決される。
本発明の成功は、いくつかの物理的影響に基づく。
電気／熱伝導構成によって、電極を強制的に冷却する
間、一つには、電極と誘電体との間に直接的な熱伝導接
続が存在するために、もう一つには、ギャップ内部のす
べての地点への熱伝達経路が減少するのに対して、流動
する気体への熱伝導領域は実質的に増加するために、放
電および原子の酸素分子との発熱反応によって生じる熱
の、電極と誘電体との間のギャップ中および誘電体の外
部におけるより良好な輸送が達成される。オゾンは温度
を上昇させると再び分解する傾向があり、その結果、オ
ゾン含有量と酸素含有量の間で温度依存平衡は自己調整
を行うので、効果的な冷却によってオゾンの分解が減少
し、従って収率が向上し得る。
酸素含有気体および生成されたオゾンがほぼ積層した
状態で流れる通常のギャップとは異なり、電気／熱伝導
気体透過性構造によってギャップ中で乱流が生じ、その
結果、直接冷却可能な電極の表面に気体分子が繰り返し
到達し、熱をより良好に放散する。
あるいは、オゾン収率の向上は、電気／熱伝導気体透
過性構造によって増加した電極表面およびギャップの有
効な縮小からも得られる。電気／熱伝導気体透過性構造
によって、電極自体の表面だけではなく、該構造の表面
およびそのイオン化された環境も放電のために利用可能
になる。
実際のギャップを充填する構造によって達成されるの
は、より小さく、局所的に異なる電気的に有効なギャッ
プである。従って、電界は、気体の流路の延長と共に大
幅かつ頻繁に局所的に変化し、オゾン含有気体の良好な
収率が達成される。
しかし、単なる表面増加およびギャップ縮小に加え
て、ホロー陰極効果と称され、広い領域にわたる均質プ
ラズマの生成には通常望ましくない物理的効果がさらに
ある。
ホロー陰極効果とは、同一電位に囲まれた中空スペー
ス内部の集中放電プラズマのことである。しかし、本発
明においては、この効果は、中空スペースが互いに接続
し、従って、中空スペース内でより強力に生成されたオ
ゾンも、さらに遠くまで輸送され得る。またホロー陰極
効果によって、電気／熱伝導気体透過性構成の表面の増
加および部分的なギャップ距離の縮小のみによって期待
され得るオゾン生成の増加よりもさらに多い増加が得ら
れる。
また、電気／熱伝導気体透過性構成によって、より良
好に気体が混合される。これによっても、酸素分子が電
界によって解離され、結果として得られる酸素原子は次
いで酸素分子と結合し、オゾンになるという可能性が高
くなる。オゾン収率はこの効果によっても高くなる。
また、ギャップを一つだけ設ける代わりに、第１の電
極と第２の電極との間に構成され、共通の誘電体によっ
て隔てられる２つのギャップが設けられ得る。いずれの
ギャップも、電気／熱伝導気体透過性構成によって充填
されている。これは、２つの電極と誘電体でギャップを
２つにするという点において、オゾン収率を増加させる
特に経済的な解決法である。
本発明の第１の実施態様は、第１の電極、第２の電極
および誘電体が平板形に成形されることを規定する。電
気／熱伝導気体透過性構成は、この場合も、電極あるい
は誘電体の部分的に不十分な本来の剛性を補償するため
に、有利により広く増加され得る。
本発明のある別の実施態様においては、第１の電極、
第２の電極および誘電体は、円筒形かつ互いに対称に構
成される。この場合、誘電体は第１の電極によって囲ま
れているスペース内に配置され、第２の電極は誘電体に
よって囲まれているスペース内に配置される。ここでも
同様に、電気／熱伝導気体透過性構成は、拡張材として
中央位置合わせのために有利に用いられ得る。
本発明による装置の円筒形で対称な実施形態において
は、多角形表面を有する第２の電極を設けることは有利
である。そうすると、電気／熱伝導気体透過性構成のア
センブリは、第２の電極を引き入れるときに摩擦力が円
形表面よりも小さくなる点において簡易になる。他方
で、構成は、ラジカル（原文ママ）力が活性になるか、
直線方向あるいは誘電体または電極の直径方向に偏差が
生じる場合、エッジ間の平坦な領域に向かって屈曲し得
る。
第２の電極は、中実あるいは中空に構成され得る。中
実構造では、熱放散のために軸方向に沿ってより大きい
断面が利用可能であり、中空の構造は冷却剤による冷却
を可能にする。
第１の電極は、好ましくは、冷却剤中に配置される。
より高いオゾン収率を得るために必要な温度範囲は、強
制的な冷却によって、ギャップ中の高損失出力の間でも
維持され得る。この手段は、ギャップが誘電体外部にあ
るときに特に有効である。
第２の電極からの熱放散は、中空構造の場合には、中
空領域がそこを通過して流れる冷却剤を有するときに向
上し得る。この手段は、ギャップが誘電体内にあるとき
に特に有効である。ギャップが２つある場合には、第１
の電極が冷却剤中に配置され、第２の電極がそれを通っ
て流れる冷却剤を有するときに最善の結果が得られる。
２つの剛性電極を設ける代わりに、円筒形の誘電体の
内部が電気／熱伝導気体透過性構成で完全に充填され、
この構成が同時に第２の電極を構成し得る。このよう
に、電極と電気／熱伝導気体透過性構成との特に適合可
能な組み合わせが達成され得る。
装置が２つのギャップを有する場合は、これらのギャ
ップは気体の流れと並列にあるいは直列に配列され得
る。並列配列のときには流体断面がより大きくなり、直
列配列のときには、より長い反応路が利用可能になる。
電気／熱伝導気体透過性構成は、チップ、粒体、ワイ
ヤあるいは多孔体を含み得、ワイヤ構造はタングル（ta
ngle）、編み組み、織布、不織布、あるいはニットであ
り得る。
粒体を使用する場合は、多孔性粒体であり、それによ
って内側中空空間の表面がオゾン生成のために利用され
得る。
さらに、粒体の代わりにギャップに適合される幾つか
の多孔体あるいは１つの多孔体を用いることも可能であ
る。これらの多孔体はギャップに別々に挿入され得る
か、ギャップに面する電極に接続されるか、さらには電
極の表面と一体化され得る。
再現可能に製造され得、従ってオゾン製造器エレメン
トの特性もまた正確に再現可能であるので、ワイヤニッ
トは特に有利であることが分かった。
装置が円筒形の対称的な構造を有する場合、ニットは
ストッキング状の形状に製造され得、組み立ての間、２
つの電極、すなわち、内側電極および／または誘電体に
わたってただ単に引き出され得る。ニットは、同時に、
誘電体に対する内側電極の中心位置合わせ、および第１
の電極、すなわち外側電極に対する誘電体の中心位置合
わせを仮定し、その結果、共通の中心位置合わせ材の使
用が省かれ得る。
本発明による装置の一つの実施可能な実施態様は、電
気／熱伝導気体透過性構成が、ギャップ容積の１〜50
％、好ましくは４〜20％を占めることを規定する。ワイ
ヤが用いられるとき、実施のために、ワイヤは、0.2mm2
より小さく、好ましくは、0.03mm2よりも小さい断面積
を示す。
メッシュ番号、メッシュ寸法およびワイヤ厚さと共
に、ニット密度、ニットワイヤ数およびニット層の数を
設定することによって、構成のインピーダンスを確立
し、最大オゾン製造のための放電スペースの寸法を設定
し、気体の乱流および内部混合を制御し、冷却および熱
放散を最適化することが可能になる。２つの並列なギャ
ップを用いるときには、これらのギャップもまた最適な
オゾン収率のために設定され得る。
電気／熱伝導気体透過性構成は、耐酸素および耐オゾ
ン性材料からなることが実用的である。この手段によっ
て、均一なオゾン生成特性およびメンテナンス自由度が
与えられる。
本発明は、図示される例示的な実施態様として記載さ
れる。
図１は、本発明による、１つのギャップを有する、基
本的な、選択的に円筒形あるいは平板形である装置の断
面図である。
図２は、本発明による、２つのギャップを有する、基
本的な、選択的に円筒形あるいは平板形である装置の断
面図である。
図３は、中実内側電極を有する、円筒形で対称的な実
施態様における装置の一部切欠斜視図である。
図４は、図３に示されている公知と類似しているが、
中空内側電極を有する装置の一部切欠斜視図である。
図５は、図３および図４に示されているものと類似し
ているが、内側電極を同時に構成する気体透過性構成を
有する一部切欠斜視図である。
図１は、本発明による、１つのギャップを有する、基
本的な、選択的に円筒形あるいは平板形である装置の断
面図である。第１の電極10は参照電位に位置し、第２の
電極12は高電圧電位に位置する。電極10と電極12との間
の中間スペースには、第２の電極12と直接接続している
誘電体14がある。第１の電極10と誘電体14との間の中間
スペースは、ギャップ16を構成する。このスペース内に
は、電気／熱伝導気体透過性構成20がある。ギャップ16
は、ギャップを通って矢印によって示される方向に流れ
る酸素含有気体21を有している。
酸素含有気体21が電界にさらされる限り、気体放電は
酸素分子の酸素原子への分解に影響を与え、次いでこの
酸素原子は結合され、３原子酸素分子、すなわちオゾン
になる。電気／熱伝導気体透過性構成20は、酸素原子の
電気放電および発熱反応によって16に生じる熱を、その
表面の増加および実質的なギャップの縮小によって放散
させ、ホロー陰極効果によってオゾン収率を増加させ
る。
第２の電極12と直接接触する誘電体14の図示される構
成の代わりに、誘電体14は第１の電極10と直接接触して
も存在し得、ギャップ16は誘電体14と第２の電極12との
間で構成され得る。
あるいは、１つのギャップの代わりに２つのギャップ
を設けることが可能である。図２は対応する例示的な実
施態様を示し、この実施態様においては、誘電体14は２
つの電極10および12のうちの一つと直接関連づけられ
ず、電極10と電極12との間の別個の構成要素の形態で配
置され、ギャップ16および18は誘電体14の両側に形成さ
れる。この例示的な実施態様においては、ギャップ16お
よび18の両方とも、電気／熱伝導気体透過性構成20およ
び22を示している。ギャップ16および18は、気体の流れ
に対して並列にも直列にも配列され得る。
図３〜図５は、装置の特殊な円筒形の対称な実施態様
を示している。参照電位にある第１の外側電極10は円筒
形誘電体14を内部に有し、その誘電体の内部に高電位に
ある第２の内側円筒形電極12を有している。第１の電極
10と誘電体14との間および誘電体14と第２の電極12との
間には、ギャップ16および18が形成されている。これら
のギャップは、電気／熱伝導気体透過性構成20および22
によって充填されている。
図３および図４による実施態様において、電気／熱伝
導気体透過性構成20および22は、第２の電極12および誘
電体14を覆って引き出されるストッキング状のワイヤニ
ットからなる。ワイヤニットは0.03mm3未満のワイヤ断
面を有し、ギャップ容積の約10％を満たす。高グレード
スチールが材料として用いられる。第１の電極10および
第２の電極12も同様に高グレードスチールからなる。ガ
ラスは、誘電体14の材料として用いられる。
図３による実施態様において、第２の電極12は中実で
あり、多角形表面を有している。この表面によって電界
均質性が高くなり電荷活性中空スペースの形成が増加す
るだけではなく、一方では摩擦が減少し、他方では平坦
な領域に半径方向の機械的力がかかる場合にニットが移
動する点において、ストッキング状物質の第２の電極12
を覆う引き出しおよび誘電体14中への配置を容易にす
る。
発熱反応によって第１のギャップ16内で生じる熱は、
ストッキング状のワイヤニット20によって第１の電極10
に放散される。第１の電極10は、ヒートシンクを表す、
例えば氷水である冷却剤中に位置する。発熱反応によっ
て第２のギャップ18中に生じる熱は、ストッキング状の
ワイヤニット22によって第２の電極12に放散される。図
３に示される第２の電極12の中実の実施態様において
は、熱放散は、電極によるヒートシンクへの熱伝達によ
って実行される。図４による実施態様において、第２の
電極12は中空であり、例えば、中空を通って流れる気体
である、冷却剤24を有している。この場合、熱は冷却剤
24に伝達され、除去される。
図５に図示される実施態様において、誘電体14内部の
スペース全体が、ワイヤ22からなる織布、ニットあるい
は編み組みで充填される。剛性電極は存在しない。第２
の電極の機能は、織布、ニットあるいは編み組みによっ
てもっぱら仮定される。
特に、織布、ニットあるいは編み組みワイヤの電気／
熱伝導気体透過性構成20および22を有する、本発明によ
る装置の場合、もともと融合し、複数の中空スペースを
備える多かれ少なかれ規則的な構造が存在する。従っ
て、オゾン化される気体は、ワイヤによって顕著に妨害
されることなく構成を通って実質的に自由に流れ得る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブライヒ， ルッツ ドイツ国 デー−50735 コールン， ニーヒラー シュトラーセ 332 (56)参考文献 特開 昭55−3332（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C01B 13/11

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】気体が通過して流れ、電極（10;12）と、
    ギャップ（16、18）を別の電極（10;12）から隔てる誘
    電体（14）との間に構成される少なくとも一つの該ギャ
    ップ（16、18）を有する構成において無声放電によって
    酸素含有気体からオゾンを生成する装置であって、該装
    置において、該ギャップ（16;18）が、該隣接する電極
    （10、12）と電気的かつ熱的に接触している電気／熱伝
    導気体透過性構成（20、22）で充填され、該構成（20、
    22）が、規則的な構造を有し、もともと融合しているス
    ペーサーであって、該スペーサーは中空スペースを多数
    有し、該スペースは一方では同一電位に囲まれ、ホロー
    陰極効果によるプラズマ放電が起こり、他方では気体が
    ある中空スペースから次の中空スペースへと流れ得るよ
    うに互いに接続していることを特徴とする、装置。
  2. 【請求項２】前記構成（20、22）が、編み組み、織布、
    あるいはニットの形態であることを特徴とする、請求項
    １に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記２つのギャップ（16、18）は、第１の
    電極（10）と第２の電極（12）との間に設けられ、か
    つ、共通の誘電体（14）によって隔てられ、該ギャップ
    （16、18）は、前記電気／熱伝導気体透過性構成（20、
    22）で両方とも充填されていることを特徴とする、請求
    項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】前記第１の電極（10）、前記第２の電極
    （12）および前記誘電体（14）が平板形であることを特
    徴とする、請求項２または３に記載の装置。
  5. 【請求項５】前記第１の電極（10）、前記第２の電極
    （12）および前記誘電体（14）が円筒形で対称的に構成
    され、それによって該誘電体（14）は該第１の電極によ
    って囲まれるスペース内に配置され、該第２の電極は該
    誘電体（14）によって囲まれるスペース内に配置され、
    前記スペーサーが中央位置合わせのために用いられるこ
    とを特徴とする、請求項２または３に記載の装置。
  6. 【請求項６】前記第２の電極（12）が多角形表面を呈し
    ていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】前記第２の電極が中実あるいは中空に構成
    されることを特徴とする、請求項５または６に記載の装
    置。
  8. 【請求項８】前記第１の電極（10）が、冷却剤中に配置
    されることを特徴とする、請求項５から７のいずれかに
    記載の装置。
  9. 【請求項９】前記第２の電極（12）が中空領域を有し、
    該中空領域が、該中空領域を通って流れる冷却剤（24）
    を有していることを特徴とする、請求項７または８に記
    載の装置。
  10. 【請求項１０】前記円筒形誘電体（14）の内部は、前記
    電気／熱伝導気体透過性構成（20、22）で完全に充填さ
    れ、該構成は同時に前記第２の電極（12）を構成するこ
    とを特徴とする、請求項５から９のいずれかに記載の装
    置。
  11. 【請求項１１】前記ギャップ（16、18）は、前記気体の
    流れに対して並列あるいは直列に配列されることを特徴
    とする、請求項３から10のいずれかに記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記構成がストッキング状の形状のニッ
    トであり、組み立ての間、前記第２の電極および／また
    は前記誘電体にわたって引き出されることを特徴とす
    る、請求項５に記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記電気／熱伝導気体透過性構成（20、
    22）は、ギャップ容積の約１〜50％を充填することを特
    徴とする、請求項１から11のいずれかに記載の装置。
  14. 【請求項１４】細線が用いられるとき、該細線は0.2mm2
    より小さい断面積を示すことを特徴とする、請求項１に
    記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記電気／熱伝導気体透過性構成（20、
    22）が、耐酸素性および耐オゾン性材料からなる、請求
    項１から13のいずれかに記載の装置。
JP09510758A 1995-09-02 1996-08-30 オゾン生成方法およびオゾン生成装置 Expired - Lifetime JP3107398B2 (ja)

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PCT/DE1996/001612 WO1997009268A1 (de) 1995-09-02 1996-08-30 Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von ozon

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