JP3550383B2 - オゾン発生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、脱臭および殺菌を行なうためにオゾンを発生するようなオゾン発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、酸素元素の高エネルギ同素体としてのＯ_３（オゾン）が脱臭（消臭）、殺菌、カビの生長抑制に有効なことが知られている。
そこで、オゾンを発生させる従来装置としては高電圧コロナ放電によるものと、紫外線によるものとがある。
【０００３】
高電圧コロナ放電によるオゾン発生装置は、気体酸素または空気を高電圧交流放電の中に通し、まずＯ_２→２Ｏの式で示すように酸素原子を生成し、次にＯ＋Ｏ_２＋Ｍ→Ｏ_３＋Ｍ（但し、Ｍは気体中の手近な分子）の式で示すようにオゾンを発生させるものであるが、この従来装置においてはオゾン発生時に有毒な酸化窒素ＮＯｘの発生を伴うと共に、湿度が高くなるとオゾン発生量が減少する問題点があった。
【０００４】
また紫外線によるオゾン発生装置は、肉眼での直視により害を及ぼす問題点があった。
このような問題点を解決するために、従来、特開平１０−３２８２８６号公報に記載のようなオゾン発生装置が既に発明されている。
【０００５】
すなわち、水素イオン導電性の固体電解質の膜を陽極（正極）と陰極（負極）とで挟持して、上記両極間に電流を印加し、陽極側で電解反応により酸素を発生させ、陰極側で還元反応する固体電解素子において、上述の陰極は白金族金属または白金族金属の金属酸化物の第１の触媒と上記固定電解質の粉末とを混合して、上述の膜の一面に第１の触媒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜３．０ｍｇ／ｃｍ^２となる厚さで陰極触媒層を形成し、水分透過性を有する第１の多孔質基材を陰極触媒層に接合したものとし、陽極は酸素過電圧が高い第２の触媒と上記固体電解質の粉末とを混合して、上記膜の他面に第２の触媒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜３．０ｍｇ／ｃｍ^２となる厚さで陽極触媒層を形成し、水分透過性を有する導電部材の相互間が２０ｍｍ以下に構成された第２の多孔質基材を上述の陽極触媒層に接合したものである。
【０００６】
このように構成された固体電解素子の両極間に直流電源により直流電圧を印加すると、陽極側では空気中の水分が電気化学反応によって電気分解され、この結果、次に式（１）、式（２）で示す反応により陽極側の湿度が低下すると共に、オゾンおよび酸素が発生するものである。
【０００７】
Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋１／３Ｏ_３＋２ｅ⁻……（式１）
Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻……（式２）
このように上述の固体電解素子を用いると、除湿を行なうことができると共に、オゾンによる殺菌および消臭を行なうことができる利点がある。
しかしながら、固体電解素子に流れる電流の積算値によりオゾン発生量（オゾン供給量）を検出すべく構成している。このように、オゾン発生量を電流の積算値で検出すると電流が他の要素により不安定となるので、時間当りのオゾン発生量が不正確となるので望ましくない。
【０００８】
そこで、オゾン発生量がクローン量による電気分解生成物であることに着目して、上述の固定電解素子を定電流駆動することが考えられるが、この場合には次のような問題点が発生する。
【０００９】
すなわち、上述の固体電解素子のオゾン発生は空気中の水分を素子内部に吸着させ、その水分を原料として電気分解するものであるから、空気中の相対湿度の増減による影響を受け、相対湿度が小さい時（例えば、エアコンによる除湿運転中）にはオゾン発生には充分な水分を得ることが困難となる。
【００１０】
つまり、オゾン発生量は相対湿度の増加に伴って増加するが、逆に相対湿度が低下した場合にはオゾン発生量は低下する。固体電解素子の駆動を定電流で行ない、オゾン発生の制御を実行している時、相対湿度が低下し、空気中の水分量が減少すると、固体電解素子の電気抵抗値が上昇して、定電流が得られなくなり、この結果、オゾン発生量の制御が困難となる問題点があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、固体電解素子に定電流を通電する定電流駆動回路と、この回路を構成する差動増幅器の入力端子間の電圧により駆動され、空気を冷却する冷却回路とを設けることにより、この冷却回路にて固体電解素子に吸着される水分量の増加を図って、乾燥空気などの低湿度状態下においても良好なオゾン発生量の制御を行なうことができるオゾン発生装置の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明によるオゾン発生装置は、吸湿性固体膜の両面に正負の各電極が配置された固体電解素子を用いてオゾンを発生するオゾン発生装置であって、上記固体電解素子に定電流を通電する定電流駆動回路と、上記定電流駆動回路を構成する差動増幅器の入力端子間の電圧により駆動され、空気を冷却する冷却回路とを備えたものである。
上記構成の差動増幅器はオペアンプで構成してもよく、定電流は単一素子の場合においては約４８ｍＡに設定してもよい。
【００１３】
上記構成によれば、上述の差動増幅器はその入力端子間の電圧の差（電位）が零になるように動作して固体電解素子を定電流駆動するが、湿度が低下すると、固体電解素子に吸収される水分が減少するため該素子の抵抗が上昇し、電源電圧が不足する。このため差動増幅器の入力端子間の電圧は零にならない。
【００１４】
そこで、この入力端子間の電圧により冷却回路を駆動して、この冷却回路の作用で空気を冷却すると、固体電解素子に対する水分吸着量が増加するので、差動増幅器の入力端子間の電圧は自動的に零となり、固体電解素子駆動用の定電流を確保することができる。
【００１５】
したがって、固体電解素子の抵抗が変化しても、常に一定電流を確保することができ、この結果、乾燥空気などの低湿度状態下においても良好なオゾン発生量の制御を行なうことができる。
【００１６】
また上述の定電流駆動回路にて固体電解素子を定電流ドライブさせるので、オゾン発生量の安定を図ることができる。つまり、オゾン発生量はクローン量による電気分解生成物であるから、オゾン発生量の安定化を図るためには定電流ドライブが最適である。
【００１７】
この発明の一実施態様においては、上記冷却回路は電子冷却素子を備えたものである。
上記構成の電子冷却素子としては、ペルチェ効果（Ｐｅｌｔｉｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）を応用した熱電素子や電子冷凍素子などを用いることができる。また電子冷却素子は固体電解素子に供給される気体（空気）の温度よりも充分に低い温度に設定されることが望ましい。
【００１８】
上記構成によれば、電子冷却素子により固体電解素子へ供給される空気を充分に冷却することができると共に、冷却回路を小型コンパクトに構成することができる。
【００１９】
この発明の一実施態様においては、上記固体電解素子と電子冷却素子の冷却面を近接配置したものである。
上記構成によれば、電子冷却素子の冷却面を固体電解素子に近接配置したので、この固体電解素子に吸着される水分量の増加により一層効果的に実行することができる。
【００２０】
【実施例】
この発明の一実施例を以下図面に基づいて詳述する。
図面はオゾン発生装置を示し、図１において１つの入口１と２つの出口２，３（高濃度オゾン吐出口２と、余剰空気３）とを備えたケーシング４を設け、このケーシング４の入口１近傍には送風手段としてのファン５を配設している。
【００２１】
また入口１と一方の出口２とを連通する通路６内には固体電解素子７を配設すると共に、この固体電解素子７の上流近傍には電子冷却素子８を配設している。ここで、上述の固体電解素子７としては固体高分子電解素子を用いてもよく、一方、電子冷却素子８は固体電解素子７に供給される気体（空気）の温度よりも充分に低い温度まで冷却することができるように設定されている。
【００２２】
上述の電子冷却素子８は冷却面９と放熱面（加熱面）１０とを有するペルチェ効果応用素子であって、放熱面１０にはその放熱効果の向上を図る目的で放熱板１１を取付け、この放熱板１１をオゾン発生装置下面に位置させる一方、上記素子８の上部にはアルミなどの良熱伝導性金属板４０を介して冷却フィン４１を取付けている。
【００２３】
なお、上述の出口２は送気ダクトを介してオゾンを供給すべき室などの空間部に連通され、この空間部は吸気ダクトを介して入口１に連通される。また上述の電子冷却素子８の全体を固体電解素子７の上流側近傍に配置し、冷却面９による冷却効果、湿度増大効果が固体電解素子７に効率的に反映されるように構成してもよい。
またファン５の下流部には導入空気を通路６と通路１２とに切換える調整板４２を取付けている。
【００２４】
上述の固体電解素子７は図２に示すように構成されている。
すなわち、陽イオン導電圧（水素イオン導電性）の固体電解質を使用した厚さ約１７０μｍの膜（吸湿性固体膜）１３を設け、この膜１３の一面に陰極触媒層１４を形成している。
【００２５】
この陰極触媒層１４は膜１３と同じ固体電解質の粉末を含んだイソプロピルアルコールと水等の揮発性溶剤に、触媒としての白金黒（プラチナ・ブラック）を混合して、白金黒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜３．０ｍｇ／ｃｍ^２となる厚さで膜１３に塗布または吹き付けたものである。
【００２６】
上述の陰極触媒層１４と共に陰極１５を構成する多孔質素基材１６を設けている。この多孔質素基材１６はカーボンを使用した厚さ約２００μｍの水透過性を有する基材で、具体的にはカーボンペーパー、カーボンクロス等の炭素繊維を用いる。
上述の陰極触媒層１４と多孔質素基材１６との両者により陰極１５が構成される。
【００２７】
一方、上述の膜１３の他面に形成される陽極触媒層１７を設けている。この陽極触媒層１７は膜１３と同じ固体電解質の粉末を含んだイソプロピルアルコールと水等の揮発性溶剤に、ＰｂＯ_２、ＳｎＯ_２、ＦｅＯ_４、ＳｒＦｅＯ_３などの酸素過電圧が高い触媒を混合して、触媒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜３．０ｍｇ／ｃｍ^２となる厚さで膜１３に塗布または吹き付けたものである。
【００２８】
上述の陽極触媒層１７と共に陽極１９を構成する多孔質素基材１８を設けている。この多孔質素基材１８はチタンのエキスパンドメタルに白金メッキした厚さが約１００μｍの水透過性を有する基材であって、この多孔質素基材１８と上述の陽極触媒層１７との両者で陽極１９が構成される。
【００２９】
ここで、上述の膜１３と各極１５，１９とは、約１８０℃の温度、約５０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で約３分間のホットプレスを行なうことにより、互いに物理的に一体化すると共に電気的に接合される。なお、陰極触媒層１４に混合する触媒は、白金黒の他にルテニウム、イリジウム、パラジウムなどの白金族金属または白金族金属の金属酸化物としての酸化イリジウム等であってもよい。
【００３０】
このように構成した固体電解素子７の動作原理は次の通りである。
つまり陽極１９、陰極１５にプラス、マイナスの直流電圧を印加すると、陽極１９側では空気中の水分が電気化学反応によって電気分解される。この結果、次に式（３）、式（４）で示す反応により陽極１９側の湿度が低下すると共に、同極側において、オゾンおよび酸素（副反応生成物）が発生する。
【００３１】
Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋１／３Ｏ_３＋２ｅ⁻……（式３）
Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻……（式４）
したがって、図１に示すように固体電解素子７をケーシング４内に配置し、ファン５にて送風を行なうと、固体電解素子７の陽極１９側で発生したオゾンを送気ダクト（図示せず）を介して、オゾンを供給すべき所定の空間内へ供給することができる。
【００３２】
図３は固体電解素子７の制御回路を示し、この制御回路は定電流駆動回路２０と、冷却回路２１とを備えている。
固体電解素子７に定電流を通電する上述の定電流駆動回路２０は、定電流値の設定を目的として設けられた可変基準電源２２（直流電流）と、増幅用のオペアンプ２３（以下単にオペアンプと略記する）と、抵抗体２４とを備えている。
【００３３】
上述の基準電源２２をライン２５を介してオペアンプ２３の一方の入力端子２３ａに接続し、このオペアンプ２３の他方の入力端子２３ｂは交点２６および抵抗体２４を介してアースに接続すると共に、ライン２７を介して冷却回路２１内のオペアンプ３０の一方の入力端子３０ｂに接続している。
【００３４】
また上述のオペアンプ２３の出力端子２３ｃはライン２８を介して固体電解素子７の陽極１９に接続し、この固体電解素子７の陰極１５はライン２９を介して交点２６に接続している。
【００３５】
一方、上述の定電流駆動回路２０を構成するオペアンプ２３の入力端子２３ａ，２３ｂ間の電圧Ｖｏにより駆動され、空気を冷却して、相対湿度（空気中の水蒸気の分圧がその温度における飽和水蒸気圧の何％にあたるかを表わす値）を増加させる冷却回路２１は、増幅用オペアンプ３０（以下単にオペアンプと略記する）と、電子冷却素子８とを備えている。
【００３６】
上述のオペアンプ３０の他方の入力素子３０ａはライン３１を介して基準電源２２に接続され、このオペアンプ３０の出力端子３０ｃはライン３２を介して電子冷却素子８に接続され、この電子冷却素子８の冷却面９を冷却すべくライン３３を介してアースに接続されている。
【００３７】
このように構成したオゾン発生装置の作用を以下に詳述する。
固体電解素子７に流れる負荷電流ｉは交点２６および抵抗体２４を介して接地され、オペアンプ２３はその各入力端子２３ａ，２３ｂ間の電圧Ｖｏが零になるように差動することで、固体電解素子７を定電流駆動する。
【００３８】
しかし、固体電解素子７周辺の湿度が低下すると、オペアンプ２３が定電流動作を行なおうとしても、固体電解素子７に吸収される水分が少ないため、該素子７の電気抵抗値が上昇し、個体電解素子７の両極１９，１５間電圧が上昇する。このため電源電圧が不足して、所定の電流値（定電流）が得られなくなる。つまり、オペアンプ２３の入力端子間電圧Ｖｏが零でなくなる。
【００３９】
この入力端子間電圧Ｖｏは冷却回路２１におけるオペアンプ３０に印加され（ライン２７からオペアンプ３０の入力端子３０ｂに電流が流れる）、この電圧Ｖｏが該オペアンプ３０にて増幅され、該オペアンプ３０の出力端子３０ｃから電子冷却素子８に対してライン３２を介して電流ｉａが流れ、ペルチェ効果により、その冷却面９が冷却され、この冷却面９に接する冷却フィン４１が冷却される。
【００４０】
上述の冷却フィン４１の冷却により通路６（図１参照）を流通する空気が冷却されると共に、その相対湿度が増大するので、固体電解素子７に吸着される水分量が増加することになる。
【００４１】
この結果、固体電解素子７の抵抗値が復帰して、該素子７に流れる負荷電流ｉが増加し、抵抗体２４に流れる負荷電流ｉと、基準電源２２の電圧Ｅｓと、抵抗体２４の抵抗値Ｒｓとの間において、Ｅｓ−ｉＲｓ＝０の状態つまりＥｓ＝ｉＲｓの状態で、換言すれば入力端子間電圧Ｖｏが零になると、冷却回路２１側のオペアンプ３０の入力端子３０ｂに印加される電圧が自動的に零となり、冷却回路２１による空気の冷却、相対湿度の増大が自動的に中止され、固体電解素子７に対しては定電流駆動回路２０により所定の定電流ドライブを実行することができる。
【００４２】
要するに、湿度の変化により固体電解素子７の抵抗値が変化しても、冷却回路２１の作用にて、該素子７に常に一定の電流を流すことができ、これにより安定したオゾン供給を実行することができるものである。また上述の冷却回路２１は固体電解素子７の抵抗値が上昇した時にのみ自動的に作動するので、複雑な制御手段が一切不要であり、かつ省電力化（バッテリ消費量の低減）を図ることができる。換言すれば、Ｖｏ＝０になるまで電子冷却素子８が冷却、加湿されるものである。
【００４３】
図４は温度をパラメータとして、相対湿度に対するオゾン発生量の変化を示す特性図で、温度が同一の場合には相対湿度が増加する程、オゾン発生量が増加することを示している。つまり加湿によりオゾン発生量が増大することを表わしている。
【００４４】
このように上記実施例のオゾン発生装置は、吸湿性固体膜１３の両面に正負の各電極１９，１５が配置された固体電解素子７を用いてオゾンを発生するオゾン発生装置であって、上記固体電解素子７に定電流を通電する定電流駆動回路２０と、上記定電流駆動回路２０を構成する差動増幅器（オペアンプ３２参照）の入力端子２３ａ，２３ｂ間の電圧Ｖｏにより駆動され、空気を冷却する冷却回路２１とを備えたものである。
【００４５】
上記構成によれば、上述の差動増幅器（オペアンプ３２参照）はその入力端子２３ａ，２３ｂ間の電圧の差（電位）Ｖｏが零になるように動作して固体電解素子７を定電流駆動するが、湿度が低下すると、固体電解素子７に吸収される水分が減少するため該素子７の抵抗が上昇し、電源電圧が不足する。このため差動増幅器（オペアンプ３２参照）の入力端子２３ａ，２３ｂ間の電圧Ｖｏは零にならない。
【００４６】
そこで、この入力端子間の電圧Ｖｏにより冷却回路２１を駆動して、この冷却回路２１の作用で空気を冷却すると、固体電解素子７に対する水分吸着量が増加するので、差動増幅器（オペアンプ３２参照）の入力端子２３ａ，２３ｂ間の電圧Ｖｏは自動的に零となり、固体電解素子駆動用の定電流を確保することができる。
【００４７】
したがって、固体電解素子７の抵抗が変化しても、常に一定電流を確保することができ、この結果、乾燥空気などの低湿度状態下においても良好なオゾン発生量の制御を行なうことができる。
【００４８】
また上述の定電流駆動回路２０にて固体電解素子７を定電流ドライブさせるので、オゾン発生量の安定を図ることができる。つまり、オゾン発生量はクローン量による電気分解生成物であるから、オゾン発生量の安定化を図るためには定電流ドライブが最適である。
【００４９】
また、上記冷却回路２１は電子冷却素子８を備えたものである。
この構成によれば、電子冷却素子８により固体電解素子７へ供給される空気を充分に冷却することができると共に、冷却回路２１を小型コンパクトに構成することができる。
【００５０】
さらに、上記固体電解素子７と電子冷却素子８の冷却面９を近接配置したものである。
この構成によれば、電子冷却素子８の冷却面９に接する冷却フィン４１を固体電解素子７に近接配置したので、この固体電解素子７に吸着される水分量の増加により一層効果的に実行することができる。
【００５１】
この発明の構成と、上述の実施例との対応において、
この発明の吸湿固体膜の正負の電極は、実施例の陽極１９、陰極１５に対応し、
以下同様に、
差動増幅器は、オペアンプ２３に対応するも、
この発明は、上述の実施例の構成のみに限定されるものではない。
【００５２】
【発明の効果】
この発明によれば、固体電解素子に定電流を通電する定電流駆動回路と、この回路を構成する差動増幅器の入力端子間の電圧により駆動され、空気を冷却して、相対湿度を増加させる冷却回路とを設けたので、この冷却回路にて相対湿度を増加させ、固体電解素子に吸着される水分量の増加を図って、乾燥空気などの低湿度状態下においても良好なオゾン発生量の制御を行なうことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のオゾン発生装置を示す断面図。
【図２】固体電解素子の構成を示す断面図。
【図３】オゾン発生装置の電気回路図。
【図４】相対湿度に対するオゾン発生量の変化を示す特性図。
【符号の説明】
７…固体電解素子
８…電子冷却素子
９…冷却面
１３…吸湿性固体膜
１５…陰極（電極）
１９…陽極（電極）
２０…定電流駆動回路
２１…冷却回路
２３…オペアンプ（差動増幅器）

Claims (3)

1. 吸湿性固体膜の両面に正負の各電極が配置された固体電解素子を用いてオゾンを発生するオゾン発生装置であって、
   上記固体電解素子に定電流を通電する定電流駆動回路と、
   上記定電流駆動回路を構成する差動増幅器の入力端子間の電圧により駆動され、空気を冷却する冷却回路とを備えた
   オゾン発生装置。
2. 上記冷却回路は電子冷却素子を備えた
   請求項１記載のオゾン発生装置。
3. 上記固体電解素子と電子冷却素子の冷却面を近接配置した
   請求項２記載のオゾン発生装置。

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