JP3654409B2 - オゾン発生装置用放電セル及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレート型オゾン発生装置に使用される放電セル及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プレート型オゾン発生装置に使用される従来の代表的な放電セルの構造を図８に示す。この放電セルは、所定の隙間をあけて対向配置された面状の高圧電極１及び接地電極２を備えている。高圧電極１及び接地電極２の各対向面には誘電体３，３がコーティングにより形成されている。そして、誘電体３，３の間に所定のギャップ量の放電空隙４を形成するために、この間にはスペーサ５が設けられている。
【０００３】
一方、高圧電極１及び接地電極２の外面側にはヒートシンク６，７が密着して設けられている。高圧電極１の側のヒートシンク６は高圧電源８の高圧端子と接続され、接地電極２の側のヒートシンク７は、高圧電源８の接地端子と共に接地されている。
【０００４】
オゾンを発生させる場合は、ヒートシンク６，７に接続された高圧電源８により高圧電極１と接地電極２の間に高電圧を印加し、誘電体３，３間の放電空隙４に無声放電を発生させる。この状態で放電空隙４に酸素ガス、空気等の原料ガスを流通させることにより、原料ガスの一部が無声放電に曝されてオゾン化される。
【０００５】
実際のプレート型オゾン発生装置では、上記の放電セルを１モジュールとしてその複数を厚み方向に積層して使用する場合が多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のオゾン発生装置用放電セルには次のような問題がある。
【０００７】
誘電体３，３の間に所定のギャップ量の放電空隙４を形成するために、この間にスペーサ５が設けられている。このスペーサ５としては、放電セルを複数積層するときの締め付け力から誘電体３，３を保護するために、弾力性のあるシリコンシートが使用されている。スペーサ５が硬いと、複数の放電セルを積層して締め付けたときの力により、誘電体３，３が破損するおそれがあるからである。
【０００８】
しかし、オゾンは天然の酸化剤のなかではフッ素に次ぐ酸化力を有している。このため、シリコンシートは耐酸化性に優れるとはいえ、オゾンに長期間さらされるとその酸化力ゆえに変質や劣化を避けえない。この点において、従来の放電セルは耐久性に問題があった。
【０００９】
シリコンシートからなるスペーサ５は、放電空隙４の気密性を確保するために、誘電体３，３に対して接着剤により接合されているが、その接合力は強固なものではない。このため、放電空隙４を流通する原料ガスの圧力が制限される。
【００１０】
高圧電極１及び接地電極２は無声放電発生時その放電エネルギーにより発熱する。この発熱は生成されたオゾンの分解を促進するために、オゾン発生効率を低下させる原因になる。これを改善するために、ヒートシンク６，７が直接又はアルミ箔等の熱伝導性に優れた材料のシートを介して高圧電極１及び接地電極２に密着されている。
【００１１】
ここで、接地電極２の側のヒートシンク７としては冷却効率の高い水冷式が採用されるが、高圧電極１の側のヒートシンク６としては、絶縁抵抗率の低い冷却水による短絡を防止するために、空冷式が採用される。しかし、空冷式は水冷式と比べて冷却効率が悪い。このため、従来の放電セルでは、オゾン発生効率の低下を余儀なくされる。
【００１２】
加えて、ヒートシンク６，７は他の構成部材に比べて大きく、空冷式のヒートシンク６は特に大型となる。このため、放電セルの小型化が困難である。
【００１３】
本発明の目的は、耐久性に優れると共に、高い原料ガス圧力を確保でき、しかも小型でオゾン発生効率の高いオゾン発生装置用放電セル及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のオゾン発生装置用放電セルは、複数のセラミック層が層厚方向に積層され一体化されて形成された１又は複数のセラミックブロックを構成体とする。
【００１５】
具体的には、例えば図３〜図５に示すように、複数のセラミック層１１，１２・・が層厚方向に積層され一体化されて形成されたセラミックブロック１０と、セラミックブロック１０内の中間のセラミック層１３をスペーサとして当該セラミック層１３を挟む２つのセラミック層１２，１４間に形成された放電空隙２０と、放電空隙２０を挟む２つのセラミック層１２，１４の反空隙側にあって、隣接する２つのセラミック層１１，１２間及び１４，１５間に封入された２つの面状電極３０，３０とを具備する。
【００１６】
図３〜図５の放電セルでは、放電空隙２０に面する一対のセラミック層１２，１４が誘電体として機能することにより、放電空隙２０で放電が発生し、ここを流通する原料ガスの一部がオゾン化される。ここで、放電空隙２０を形成するスペーサは、中間のセラミック層１３により構成されている。このため、スペーサがオゾンに長期間さらされても、そのスペーサに変質や劣化は生じない。
【００１７】
中間のセラミック層１３を挟む一対のセラミック層１２，１４は、その間のセラミック層１３や他のセラミック層と積層されて一体化されているために、締め付け部のセラミック厚が大きくなる。このため、スペーサが硬いセラミック層１３によって構成されているにもかかわらず、締め付けを大きくしても、一対のセラミック層１２，１４が破損せず、セラミック層１３を含む他のセラミック層も破損しない。
【００１８】
従って、本発明のオゾン発生装置用放電セルは耐久性に優れる。
【００１９】
また、セラミック層１３とこれを挟むセラミック層１２，１４が一体化されているために、セラミック層１２，１４間に形成される放電空隙２０の気密性に優れる。従って、高い原料ガス圧力を確保することもできる。
【００２０】
面状電極３０，３０の冷却については、セラミック層が電気的な絶縁層となり、また、放電空隙２０と同様に、セラミック層をスペーサとすることにより、厚みの薄い冷媒流通路４０が形成される。このため、高圧電極側においても水冷による効率的な冷却が可能となる。また、冷却構造の大型化が回避される。
【００２１】
従って、本発明のオゾン発生装置用放電セルは小型となり、合わせて高いオゾン発生効率を確保できる。
【００２２】
面状電極３０，３０としては、導電板でもよいが、セラミック層の表面にメタライズにより形成した導電性薄膜が、印刷焼成で一体化できる点などから好ましい。この薄膜は、例えば誘電体を構成するセラミック層１２，１４の反空隙側の表面に形成することができる。また、セラミック層１２，１４を挟む２つのセラミック層１１，１５の空隙側の表面に形成することもできる。いずれの場合にも、形成された薄膜は、セラミック層１２，１４とセラミック層１１，１５の間に封入される。この封入は、周辺電極や部品との間の耐電圧向上の点、及び組立時の部品点数の低減による組立性向上の点などから好ましい。なお、面状電極３０，３０の一方は放電空隙２０に露出させることが可能である。
【００２３】
放電空隙２０に原料ガスを導入するガス導入路２１、及び放電空隙２０で生じたオゾンガスを外部に排出するガス排出路２２は、複数のセラミック層１１，１２・・を層厚方向に貫通して形成するのが、構造簡略化、小型化等の点から好ましい。
【００２４】
冷媒流通路４０に冷媒を導入する冷媒導入路４１、及び冷媒導入路４１から外部へ冷媒を排出する冷媒排出路４２についても、複数のセラミック層１１，１２・・を層厚方向に貫通して形成するのが、構造簡略化、小型化等の点から好ましい。
【００２５】
放電空隙２０及び冷媒流通路４０は、図３〜図５では流通方向に直角な方向に分割された複数の流通路により構成されている。これは流体の均一分布の点から好ましく、放電空隙２０ではギャップを精度よく保持できる点、更には沿面放電を期待できる点からも好ましい。
【００２６】
このようなオゾン発生装置用放電セルは、セラミックブロック１０を構成する複数のセラミック層１１，１２・・に各対応する複数枚のセラミックシートを作製するべく、複数枚の焼成前のセラミックシートに加工及び／又は処理を行い、作製された複数枚のセラミックシートを重ね合わせて焼成してセラミックブロック１０となす方法により、簡単に製造される。
【００２７】
なお、セラミックとしては、例えばサファイア、アルミナ、ジルコニア等を挙げることができる。特に好ましいセラミックは電極を入れて一体焼成が可能なアルミナ９０％以上である。
【００２８】
図３〜図５の放電セルでは、放電空隙２０に面するセラミック層１２，１４が誘電体として機能する。放電空隙２０に接するセラミック層表面にはＳｉＯ2 をコーティングするのが好ましい。なぜなら、セラミック層を誘電体に使用すると、オゾン発生効率やオゾン濃度の安定性が低下する場合があるが、放電空隙２０に接するセラミック層表面にＳｉＯ2 をコーティングすると、これらの低下が防止されるからである。その理由は定かではないが、セラミック層の粗い表面が、ＳｉＯ2 のコーティングにより平滑化されることが関係していると考えられる。このコーティング膜は、例えば焼成前のセラミックシートの表面にＳｉＯ2 のペーストを塗布し、セラミックシートと共に焼成することで、簡単に形成される。また、焼成後にＳｉＯ2 を溶射することでも簡単に形成される。
【００２９】
オゾン発生装置用放電セルにおける最近の傾向として、放電空隙２０のギャップを小さくすることが進められている。これは、放電空隙２０のギャップを狭くすることにより、放電空隙２０内の冷却効率が上がり、これによりオゾンガスの高濃度化が可能になること、電子エネルギーレベルの関係でオゾン発生に適した放電効果が得られることなどが理由とされている。
【００３０】
図３〜図５の放電セルでは、この放電空隙１０のギャップ量がセラミック層１３、即ちこれに対応するセラミックシートの厚みによって決定されるため、０．１ｍｍ程度までの厚みなら容易に確保される。しかし、セラミックシートの使用では、０．１ｍｍ以下のギャップ量の実現は難しい。０．１ｍｍ以下のギャップ量を確保するためには、図６及び図７に示すように、複数のセラミック層１１，１２・・が層厚方向に積層されて一体化された２つのセラミックブロック１０Ａ，１０Ｂを、スペーサ及び接合層を兼ねるガラス層９０を介して接合する構成が好ましい。ガラス層９０によると、ギャップ量が０．１ｍｍ以下の放電空隙２０も簡単に形成される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３２】
図１は本発明の実施形態にかかる放電セルを用いたオゾン発生装置の側面図、図２は同オゾン発生装置に使用される上段のエンドプレートの平面図及び底面図、図３は同放電セルの斜視図、図４は図３のＡ−Ａ線断面矢示図、図５は同放電セルを構成する複数のセラミック層を便宜上分解して示した斜視図である。
【００３３】
オゾン発生装置は、図１に示すように、複数（図では４つ）の放電セル１００，１００・・を重ね合わせて上下のエンドプレート６０，７０の間に挟み、それらの四隅部を貫通する４本のタイロッド８０，８０・・により、エンドプレート６０，７０の間に固定した構造になっている。
【００３４】
各放電セル１００は、図３〜図５に示すように、偏平な直方体形状をしたセラミックブロック１０を備えている。セラミックブロック１０は、７層のセラミック層１１〜１７を層厚方向に積層して一体化した構成になっている。各セラミック層は正方形の薄板であるが、それぞれの構造については後で説明する。なお図５では、７層のセラミック層１１〜１７が分離して示されているが、これは構造及び製法を説明するためであり、実際は層厚方向（積層方向）に一体化されて境界のないセラミックブロック１０を形成している。
【００３５】
セラミックブロック１０の中には、放電用の上下一対の面状電極３０，３０が、セラミックブロック１０の上下面に沿って封入されている。面状電極３０，３０の間には、原料ガスが流通する放電空隙２０が、面状電極３０，３０に沿って形成されている。セラミックブロック１０の下面には、冷媒としての冷却水が流通する冷媒流通路４０が、面状電極３０，３０に沿って形成されている。下段の面状電極３０と冷媒流通路４０の間には、アース用の面状電極５０が、面状電極３０，３０に沿って封入されている。放電空隙２０及び冷媒流通路４０は、流体流通方向に直角な方向に分割されている。
【００３６】
セラミックブロック１０の前後の縁部には、放電空隙２０に対して原料ガスの導入及び排出を行うガス導入路２１及びガス排出路２２が、セラミックブロック１０を上下方向に貫通して形成されている。セラミックブロック１０の左右の縁部には、冷媒流通路４０に対して冷媒の導入及び排出を行う冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２が、セラミックブロック１０を上下方向に貫通して形成されている。
【００３７】
セラミックブロック１０を構成する７つのセラミック層１１〜１７のうち、上から１層目のセラミック層１１は絶縁体である。２層目のセラミック層１２は放電用の誘電体である。３層目のセラミック層１３は、放電空隙２０を形成するためのスペーサである。４層目のセラミック層１４は放電用の誘電体である。５層目のセラミック層１５は絶縁体である。６層目のセラミック層１６はアースである。７層目、即ち一番下のセラミック層１７は、冷媒流通路４０を形成するためのスペーサである。これらセラミック層の詳細な構造は以下の通りである。
【００３８】
なお、絶縁体である５層目のセラミック層１５の厚みが十分に厚い場合は、６層目のアース用セラミック層１６がなくても冷媒への電流漏洩が防止されるので、セラミック層１６は省略可能である。
【００３９】
絶縁体である１層目のセラミック層１１には、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部１１ａ，１１ａが、前後の縁部に位置して設けられている。また、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部１１ｂ，１１ｂが、左右の縁部に位置して設けられている。セラミック層１１の厚みは例えば３．０ｍｍである。
【００４０】
誘電体である２層目のセラミック層１２の上面には、導電性の薄膜からなる面状電極３０が、縁部を除いて被覆されている。面状電極３０は接地電極であり、その一部をセラミックブロック１０の外に引き出すために、セラミック層１２には側方に突出する端子部１２ｃが設けられており、その上面にも面状電極３０が被覆されている。一方、セラミック層１２の下面にはＳｉＯ2 がコーティングさている。また、セラミック層１２の前後の縁部には、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部１２ａ，１２ａが設けられており、左右の縁部には、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部１２ｂ，１２ｂが設けられている。セラミック層１２の厚みは例えば０．３ｍｍである。面状電極３０の厚みは例えば１０〜２０μｍである。
【００４１】
放電空隙２０を形成するためのスペーサである３層目のセラミック層１３には、その放電空隙２０の形成のために、前縁部から後縁部に延びる複数のスリット１３ｄ，１３ｄ・・が幅方向に等間隔で設けられている。セラミック層１３の左右の縁部には、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部１３ｂ，１３ｂが設けられている。ガス導入路２１及びガス排出路２２は放電空隙２０に連通するので、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部は設けられていない。セラミック層１３の厚みは、放電空隙２０のギャップを狭くするために例えば０．２ｍｍと薄くされている。
【００４２】
誘電体である４層目のセラミック層１４は、２層目のセラミック層１２を裏返したものである。従って、セラミック層１４の下面には、導電性の薄膜からなる面状電極３０が被覆されている。この面状電極３０は高圧電極である。高圧電極の一部をセラミックブロック１０の外に引き出すために、セラミック層１４には側方に突出する端子部１４ｃが設けられており、その下面にも面状電極３０が被覆されている。一方、セラミック層１４の上面にはＳｉＯ2 がコーティングされている。また、セラミック層１４の前後の縁部には、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部１４ａ，１４ａが設けられており、左右の縁部には、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部１４ｂ，１４ｂが設けられている。セラミック層１４の厚みは、セラミック層１２と同じ例えば０．３ｍｍである。面状電極３０の厚みもセラミック層１２と同じ例えば１０〜２０μｍｍｍである。
【００４３】
絶縁体である５層目のセラミック層１５は、１層目のセラミック層１１と同じものである。このセラミック層１５には、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部１５ａ，１５ａが、前後の縁部に位置して設けられている。また、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部１５ｂ，１５ｂが、左右の縁部に位置して設けられている。セラミック層１５の厚みは、セラミック層１１と同じ例えば３．０ｍｍである。
【００４４】
アースである６層目のセラミック層１６は、２層目のセラミック層１２と同じものである。セラミック層１６の上面には、導電性の薄膜からなるアース用の面状電極５０が、縁部を除いて被覆されている。面状電極５０の一部をセラミックブロック１０の外に引き出すために、セラミック層１６には側方に突出する端子部１６ｃが設けられており、その上面にも面状電極５０が被覆されている。セラミック層１６の前後の縁部には、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部１６ａ，１６ａが設けられており、左右の縁部には、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部１６ｂ，１６ｂが設けられている。セラミック層１６の厚みは、セラミック層１２と同じ例えば０．３ｍｍである。面状電極５０の厚みは、面状電極３０，３０と同じ例えば１０〜２０μｍである。
【００４５】
冷媒流通路４０を形成するためのスペーサである７層目のセラミック層１７は、放電空隙２０を形成する３層目のセラミック層１３を９０度回転させた平面形状をしている。即ち、このセラミック層１７には、冷媒流通路４０を形成するために、一方の側縁部から他方の側縁部に延びる複数のスリット１７ｄ，１７ｄ・・が幅方向に等間隔で設けられている。セラミック層１７の前後の縁部には、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部１７ａ，１７ａが設けられている。冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２は冷媒流通路４０に連通するので、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部は設けられていない。セラミック層１７の厚みはセラミック層１３より厚い例えば２．０ｍｍである。
【００４６】
セラミックブロック１０は、以上７つのセラミック層１１〜１７を一体化することにより構成されている。従って、セラミックブロック１０の３層目には放電空隙２０・・が形成され、７層目には冷媒流通路４０が形成される。また、放電空隙２０に連通するガス導入路２１及びガス排出路２２、並びに冷媒流通路４０に連通する冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２が各層を貫通して形成される。
【００４７】
一方、１層目のセラミック１１と２層目のセラミック層１２の間には、上段の面状電極３０が端子用の突部を除いて封入される。４層目のセラミック１４と５層目のセラミック層１５の間には、下段の面状電極３０が端子用の突部を除いて封入され、５層目のセラミック１５と６層目のセラミック層１６の間には、アース用の面状電極５０が端子用の突部を除いて封入される。
【００４８】
そして、オゾン発生装置は、上記の放電セル１００を重ね合わせて上下のエンドプレート６０，７０間に挟み、それらの四隅部を貫通する４本のタイロッド８０，８０・・により、エンドプレート６０，７０間に固定することにより構成される。隣接する放電セル１００，１００の間はエポキシ接着剤やろう付け等により接合される。ろう付けの場合は、両方の接合面にタングステン等を焼成し、その表面にＮｉメッキ等を施す。各セラミックブロック１０のセラミック層１１〜１７の四隅部には、タイロッド８０を通すための貫通孔が形成されている。
【００４９】
放電セル１００を重ね合わせることにより、各セラミックブロック１０のガス導入路２１同士、ガス排出路２２同士、冷媒導入路４３同士及び冷媒排出路４２同士は、相互に連通することになる。また、１〜３段目のセラミックブロック１０，１０，１０の各下面に形成された冷媒流通路４０は、その下面が下段のセラミックブロック１０の上面により閉じられ、４段目のセラミックブロック１０の下面に形成された冷媒流通路４０は、その下面が下段のエンドプレート７０の上面により閉じられる。
【００５０】
エンドプレート６０，７０は、いずれもステンレス鋼板等の金属板からなる。上段のエンドプレート６０の上面には、図２に示すように、ガス導入管６１、ガス排出管６２、冷媒導入管６３及び冷媒排出管６４が取り付けられている。一方、エンドプレート６０の下面には、４つの凹部６５，６６，６７，６８が設けられている。エンドプレート６０，７０各四隅部には、タイロッド８０を通すための貫通孔が形成されている。
【００５１】
ガス導入管６１は、エンドプレート６０の下面に設けられた凹部６５を介して各セラミックブロック１０のガス導入路２１に連通する。ガス排出管６２は、エンドプレート６０の下面に設けられた凹部６６を介して各セラミックブロック１０のガス排出路２２に連通する。冷媒導入管６３は、エンドプレート６０の下面に設けられた凹部６７を介して各セラミックブロック１０の冷媒導入路４１に連通する。冷媒排出管６４は、エンドプレート６０の下面に設けられた凹部６８を介して各セラミックブロック１０の冷媒排出路４２に連通する。
【００５２】
このようにして構成されたオゾン発生装置の機能は以下の通りである。
【００５３】
エンドプレート６０，７０間に固定された４つの放電セル１００，１００・・においては、接地電極である上段の面状電極３０及びアース用の面状電極５０は接地され、高圧電極である下段の面状電極３０は高圧電源の高圧端子に接続される。
【００５４】
各セラミックブロック１０においては、ガス導入路２１同士、ガス排出路２２同士、冷媒導入路４３同士及び冷媒排出路４２同士は、相互に連通している。また、１〜３段目のセラミックブロック１０，１０，１０の各下面に形成された冷媒流通路４０は、その下面が下段のセラミックブロック１０の上面により閉じられ、４段目のセラミックブロック１０の下面に形成された冷媒流通路４０は、その下面が下段のエンドプレート７０の上面により閉じられている。
【００５５】
従って、ガス導入管６１から装置内に導入された原料ガスは、各セラミックブロック１０の放電空隙２０に並列に供給され、ガス排出管６２から装置外に排出される。同様に、冷媒導入管６３から装置内に導入された冷却水は、各セラミックブロック１０の冷媒流通路４０に並列に供給され、冷媒排出管６４から装置外に排出される。
【００５６】
この状態で高圧電源を作動させると、面状電極３０，３０間に高電圧が印加される。ここで、面状電極３０，３０は、セラミック層１３の内側に形成された放電空隙２０に、セラミック層１２，１４を挟んで対向している。このため、放電空隙２０で無声放電が発生し、ここを流通する原料ガスがオゾン化される。放電空隙２０は、流通方向に直角な方向に分割された構成であるので、内圧制御等に対して放電ギャップ量を精度良く保持することができる。また、沿面放電による放電の重畳が期待でき、これによる電力効率及びオゾン発生効率が可能になる。更に、放電空隙２０に接するセラミック層１２，１４の表面にＳｉＯ2 がコーティングされているので、オゾン発生効率の更なる向上や、オゾン濃度の安定化も図られる。なお、セラミック層１２，１４の表面全体にＳｉＯ2 がコーティングされた場合、セラミック層１２，１３の間、及びセラミック層１２，１３の間には薄いＳｉＯ2 層が介在するが、これもセラミック層であるので、セラミック層１１〜１７の一体性は損なわれない。
【００５７】
また、面状電極３０，３０は、その下方の冷媒流通路４０を流通する冷却水により冷却される。最上段の放電セル１００を除いた放電セル１００では、面状電極３０，３０が上下から冷却水により冷却される。最上段の放電セル１００では、上段のエンドプレート６０による上方からの冷却も期待できる。従って、各段の放電セル１００では、面状電極３０，３０が効果的に冷却される。
【００５８】
ここで、下段の面状電極３０は高圧電極であるが、その下方の冷媒流通路４０との間には、セラミック層１５，１６と、この間に封入されたアース用の面状電極５０とが設けられているので、冷却水による短絡は発生しない。
【００５９】
セラミック層１５の厚みによっては、アースである面状電極５０付きのセラミック層１６を省略することができる。また、冷媒流通路４０は、面状電極３０，３０の下方だけでなく上下両方に設けることも可能である。
【００６０】
放電セル１００の厚み、即ちセラミックブロック１０の厚みは、例えば約７ｍｍとなる。この厚みには冷却部分も含まれている。同一規模の従来装置の場合、冷却部分であるヒートシンクが厚くなるために、上下の放電セル間でヒートシンクを共用する場合にも、セル１個当たりの厚さは６０ｍｍ程度となる。これに比べると、放電セル１００は極めて薄型であることが明かである。
【００６１】
面状電極３０，３０間に放電セル２０を形成するためのスペーサであるセラミック層１３は、オゾンと長期間接触しても変質や劣化を生じない。
【００６２】
セラミックブロック１０は、タイロッド８０，８０・・により厚み方向に締め付けられても、締め付け部の厚みが例えば約７ｍｍも確保されるので、締め付け力が大きい場合も破損を生じない。
【００６３】
放電セル２０を形成するセラミック層１３は、誘電体である上下のセラミック層１２，１４と一体化しているので、放電セル２０に高い気密性を付与する。従って、原料ガス圧力を高くできる。
【００６４】
次に、放電セル１００の製造方法について説明する。
【００６５】
セラミックブロック１０は、基本的に各セラミック層に対応するグリーンシートと呼ばれる焼成前のセラミックシートを重ね合わせ、焼成することにより作製される。
【００６６】
即ち、セラミックブロック１０の１，５層目のセラミック層１１，１５に対応する焼成前のセラミックシートには、ガス・冷媒導入路用及びガス・冷媒排出路用の開口部を形成するための打ち抜き加工を行う。セラミックブロック１０の２，４，６層目のセラミック層１２，１４，１６に各対応するセラミックシートには、流路形成用の開口部を形成するための打ち抜き加工を行うと共に、電極形成用のペーストをスクリーン印刷により塗布する。また、セラミック層１２，１４の反電極側表面にはＳｉＯ2 を塗布する。セラミックブロック１０の３，７層目のセラミック層１３，１７に対応する焼成前のセラミックシートには、ガス・冷媒導入路用及びガス・冷媒排出路用の開口部、並びにガス・冷媒流通路用の開口部を形成するための打ち抜き加工を行う。
【００６７】
これらのセラミックシートを重ね合わせ、１００℃程度に加熱した状態で、プレス機により一体化させた後、還元性雰囲気中で１５００℃程度に加熱して、セラミックを焼結する。
【００６８】
これによりセラミックブロック１０が完成し、放電セル１００が製造される。製造された放電セル１００の使用方法は前述した通りである。
【００６９】
このように、放電セル１００は非常に簡単に製造される。また、量産にも適している。更に、スペーサを任意の形状に加工することができるので、放電空隙２０を設計する際の自由度が上がる。放電空隙２０を流通方向に直角な方向に分割したものは、前述した通り、沿面放電による電力効率の向上、オゾン発生効率の向上及びオゾン濃度の安定化を期待できる。
【００７０】
セラミックシートとしては、アルミナの純度が９０％以上のものが電極との一体焼成の点から好ましい。電極形成のためのペーストとしてはタングステン，モリブデン又は銀を主成分とするものを使用することができる。
【００７１】
図６は本発明の別の実施形態にかかる放電セルの斜視図、図７は同放電セルの分解斜視図である。
【００７２】
この放電セルは、２つのセラミックブロック１０Ａ，１０Ｂを、ガラス層９０を介して接合した構造である。セラミックブロック１０Ａは、前述したセラミック１１，１２により構成されている。セラミックブロック１０Ｂは、前述したセラミック１４，１５，１６，１７により構成されている。ガラス層９０は放電空隙２０を形成するためのスペーサと接合層を兼ねている。つまり、この放電セルは、放電空隙２０を形成するためのセラミック層１３を、ガラス層９０に代えたものである。
【００７３】
この放電セルの製造方法は以下の通りである。セラミックシートを用いてセラミックブロック１０Ａ，１０Ｂを作製する。セラミックブロック１０Ａの下面及びセラミックブロック１０Ｂの上面にはＳｉＯ2 をコーティングしておく。この方法としてはセラミックの焼成後にＳｉＯ2 を溶射する方法でもよい。またガラス層９０の形成用に、例えば０．０５ｍｍ厚の薄いガラス板をスペーサ形状に打ち抜き、その両面に封着用の低融点ガラスを塗布する。最後に、ガラス板を挟んでセラミックブロック１０Ａ，１０Ｂを重ね合わせ融着する。
【００７４】
このようにして製造される上記放電セルでは、放電空隙２０のギャップ量を０．１ｍｍ以下にすることができる。しかも、セラミックブロック１０Ａ，１０Ｂは強固に接合され、前述したセラミックブロック１０と同様の機能を奏する。ガラス板に代えてガラス材の印刷焼成を用いることができる。また、セラミック材の溶射により極薄のスペーサを形成することも可能である。
【００７５】
【発明の効果】
以上に説明した通り、本発明のオゾン発生装置用放電セルは、複数のセラミック層を積層して一体化する構成を採用するので、スペーサ部分を含めた全体の耐久性に著しく優れ、機械的強度も高い。しかも、放電空隙に高い気密性を付与できるので、高い原料ガス圧力を確保できる。更に、小型であり、なおかつ高い冷却効率を確保できるので、オゾン発生効率が高い。
【００７６】
また、本発明の放電セルの製造方法は、この小型で高性能かつ高品質なオゾン発生装置用放電セルを簡単に製造でき、その製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る放電セルを用いたオゾン発生装置の側面図である。
【図２】同オゾン発生装置に使用される上段のエンドプレートの平面図及び底面図である。
【図３】同オゾン発生装置に使用される放電セルの斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面矢示図である。
【図５】同放電セルを構成する複数のセラミック層を便宜上分解して示した斜視図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係る放電セルの斜視図図である。
【図７】同放電セルの分解斜視図である。
【図８】従来の放電セルの断面図である。
【符号の説明】
１０ セラミックブロック
１０Ａ，１０Ｂ セラミックブロック
１１〜１７ セラミック層
２０ ガス流通路
２１ ガス導入路
２２ ガス排出路
３０ 放電用の面状電極
４０ 冷媒流通路
４１ 冷媒導入路
４２ 冷媒排出路
５０ アース用の面状電極
６０，７０ エンドプレート
８０ タイロッド
９０ ガラス層
１００ 放電セル
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレート型オゾン発生装置に使用される放電セル及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プレート型オゾン発生装置に使用される従来の代表的な放電セルの構造を図８に示す。この放電セルは、所定の隙間をあけて対向配置された面状の高圧電極１及び接地電極２を備えている。高圧電極１及び接地電極２の各対向面には誘電体３，３がコーティングにより形成されている。そして、誘電体３，３の間に所定のギャップ量の放電空隙４を形成するために、この間にはスペーサ５が設けられている。
【０００３】
一方、高圧電極１及び接地電極２の外面側にはヒートシンク６，７が密着して設けられている。高圧電極１の側のヒートシンク６は高圧電源８の高圧端子と接続され、接地電極２の側のヒートシンク７は、高圧電源８の接地端子と共に接地されている。
【０００４】
オゾンを発生させる場合は、ヒートシンク６，７に接続された高圧電源８により高圧電極１と接地電極２の間に高電圧を印加し、誘電体３，３間の放電空隙４に無声放電を発生させる。この状態で放電空隙４に酸素ガス、空気等の原料ガスを流通させることにより、原料ガスの一部が無声放電に曝されてオゾン化される。
【０００５】
実際のプレート型オゾン発生装置では、上記の放電セルを１モジュールとしてその複数を厚み方向に積層して使用する場合が多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のオゾン発生装置用放電セルには次のような問題がある。
【０００７】
誘電体３，３の間に所定のギャップ量の放電空隙４を形成するために、この間にスペーサ５が設けられている。このスペーサ５としては、放電セルを複数積層するときの締め付け力から誘電体３，３を保護するために、弾力性のあるシリコンシートが使用されている。スペーサ５が硬いと、複数の放電セルを積層して締め付けたときの力により、誘電体３，３が破損するおそれがあるからである。
【０００８】
しかし、オゾンは天然の酸化剤のなかではフッ素に次ぐ酸化力を有している。このため、シリコンシートは耐酸化性に優れるとはいえ、オゾンに長期間さらされるとその酸化力ゆえに変質や劣化を避けえない。この点において、従来の放電セルは耐久性に問題があった。
【０００９】
シリコンシートからなるスペーサ５は、放電空隙４の気密性を確保するために、誘電体３，３に対して接着剤により接合されているが、その接合力は強固なものではない。このため、放電空隙４を流通する原料ガスの圧力が制限される。
【００１０】
高圧電極１及び接地電極２は無声放電発生時その放電エネルギーにより発熱する。この発熱は生成されたオゾンの分解を促進するために、オゾン発生効率を低下させる原因になる。これを改善するために、ヒートシンク６，７が直接又はアルミ箔等の熱伝導性に優れた材料のシートを介して高圧電極１及び接地電極２に密着されている。
【００１１】
ここで、接地電極２の側のヒートシンク７としては冷却効率の高い水冷式が採用されるが、高圧電極１の側のヒートシンク６としては、絶縁抵抗率の低い冷却水による短絡を防止するために、空冷式が採用される。しかし、空冷式は水冷式と比べて冷却効率が悪い。このため、従来の放電セルでは、オゾン発生効率の低下を余儀なくされる。
【００１２】
加えて、ヒートシンク６，７は他の構成部材に比べて大きく、空冷式のヒートシンク６は特に大型となる。このため、放電セルの小型化が困難である。
【００１３】
本発明の目的は、耐久性に優れると共に、高い原料ガス圧力を確保でき、しかも小型でオゾン発生効率の高いオゾン発生装置用放電セル及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のオゾン発生装置用放電セルは、複数のセラミック層が層厚方向に積層され一体化されて形成された１又は複数のセラミックブロックを構成体とする。
【００１５】
具体的には、例えば図３〜図５に示すように、複数のセラミック層１１，１２・・が層厚方向に積層され一体化されて形成されたセラミックブロック１０と、セラミックブロック１０内の中間のセラミック層１３をスペーサとして当該セラミック層１３を挟む２つのセラミック層１２，１４間に形成された放電空隙２０と、放電空隙２０を挟む２つのセラミック層１２，１４の反空隙側にあって、隣接する２つのセラミック層１１，１２間及び１４，１５間に封入された２つの面状電極３０，３０とを具備する。
【００１６】
図３〜図５の放電セルでは、放電空隙２０に面する一対のセラミック層１２，１４が誘電体として機能することにより、放電空隙２０で放電が発生し、ここを流通する原料ガスの一部がオゾン化される。ここで、放電空隙２０を形成するスペーサは、中間のセラミック層１３により構成されている。このため、スペーサがオゾンに長期間さらされても、そのスペーサに変質や劣化は生じない。
【００１７】
中間のセラミック層１３を挟む一対のセラミック層１２，１４は、その間のセラミック層１３や他のセラミック層と積層されて一体化されているために、締め付け部のセラミック厚が大きくなる。このため、スペーサが硬いセラミック層１３によって構成されているにもかかわらず、締め付けを大きくしても、一対のセラミック層１２，１４が破損せず、セラミック層１３を含む他のセラミック層も破損しない。
【００１８】
従って、本発明のオゾン発生装置用放電セルは耐久性に優れる。
【００１９】
また、セラミック層１３とこれを挟むセラミック層１２，１４が一体化されているために、セラミック層１２，１４間に形成される放電空隙２０の気密性に優れる。従って、高い原料ガス圧力を確保することもできる。
【００２０】
面状電極３０，３０の冷却については、セラミック層が電気的な絶縁層となり、また、放電空隙２０と同様に、セラミック層をスペーサとすることにより、厚みの薄い冷媒流通路４０が形成される。このため、高圧電極側においても水冷による効率的な冷却が可能となる。また、冷却構造の大型化が回避される。
【００２１】
従って、本発明のオゾン発生装置用放電セルは小型となり、合わせて高いオゾン発生効率を確保できる。
【００２２】
面状電極３０，３０としては、導電板でもよいが、セラミック層の表面にメタライズにより形成した導電性薄膜が、印刷焼成で一体化できる点などから好ましい。この薄膜は、例えば誘電体を構成するセラミック層１２，１４の反空隙側の表面に形成することができる。また、セラミック層１２，１４を挟む２つのセラミック層１１，１５の空隙側の表面に形成することもできる。いずれの場合にも、形成された薄膜は、セラミック層１２，１４とセラミック層１１，１５の間に封入される。この封入は、周辺電極や部品との間の耐電圧向上の点、及び組立時の部品点数の低減による組立性向上の点などから好ましい。なお、面状電極３０，３０の一方は放電空隙２０に露出させることが可能である。
【００２３】
放電空隙２０に原料ガスを導入するガス導入路２１、及び放電空隙２０で生じたオゾンガスを外部に排出するガス排出路２２は、複数のセラミック層１１，１２・・を層厚方向に貫通して形成するのが、構造簡略化、小型化等の点から好ましい。
【００２４】
冷媒流通路４０に冷媒を導入する冷媒導入路４１、及び冷媒導入路４１から外部へ冷媒を排出する冷媒排出路４２についても、複数のセラミック層１１，１２・・を層厚方向に貫通して形成するのが、構造簡略化、小型化等の点から好ましい。
【００２５】
放電空隙２０及び冷媒流通路４０は、図３〜図５では流通方向に直角な方向に分割された複数の流通路により構成されている。これは流体の均一分布の点から好ましく、放電空隙２０ではギャップを精度よく保持できる点、更には沿面放電を期待できる点からも好ましい。
【００２６】
このようなオゾン発生装置用放電セルは、セラミックブロック１０を構成する複数のセラミック層１１，１２・・に各対応する複数枚のセラミックシートを作製するべく、複数枚の焼成前のセラミックシートに加工及び／又は処理を行い、作製された複数枚のセラミックシートを重ね合わせて焼成してセラミックブロック１０となす方法により、簡単に製造される。
【００２７】
なお、セラミックとしては、例えばサファイア、アルミナ、ジルコニア等を挙げることができる。特に好ましいセラミックは電極を入れて一体焼成が可能なアルミナ９０％以上である。
【００２８】
図３〜図５の放電セルでは、放電空隙２０に面するセラミック層１２，１４が誘電体として機能する。放電空隙２０に接するセラミック層表面にはＳｉＯ2 をコーティングするのが好ましい。なぜなら、セラミック層を誘電体に使用すると、オゾン発生効率やオゾン濃度の安定性が低下する場合があるが、放電空隙２０に接するセラミック層表面にＳｉＯ2 をコーティングすると、これらの低下が防止されるからである。その理由は定かではないが、セラミック層の粗い表面が、ＳｉＯ2 のコーティングにより平滑化されることが関係していると考えられる。このコーティング膜は、例えば焼成前のセラミックシートの表面にＳｉＯ2 のペーストを塗布し、セラミックシートと共に焼成することで、簡単に形成される。また、焼成後にＳｉＯ2 を溶射することでも簡単に形成される。
【００２９】
オゾン発生装置用放電セルにおける最近の傾向として、放電空隙２０のギャップを小さくすることが進められている。これは、放電空隙２０のギャップを狭くすることにより、放電空隙２０内の冷却効率が上がり、これによりオゾンガスの高濃度化が可能になること、電子エネルギーレベルの関係でオゾン発生に適した放電効果が得られることなどが理由とされている。
【００３０】
図３〜図５の放電セルでは、この放電空隙１０のギャップ量がセラミック層１３、即ちこれに対応するセラミックシートの厚みによって決定されるため、０．１ｍｍ程度までの厚みなら容易に確保される。しかし、セラミックシートの使用では、０．１ｍｍ以下のギャップ量の実現は難しい。０．１ｍｍ以下のギャップ量を確保するためには、図６及び図７に示すように、複数のセラミック層１１，１２・・が層厚方向に積層されて一体化された２つのセラミックブロック１０Ａ，１０Ｂを、スペーサ及び接合層を兼ねるガラス層９０を介して接合する構成が好ましい。ガラス層９０によると、ギャップ量が０．１ｍｍ以下の放電空隙２０も簡単に形成される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３２】
図１は本発明の実施形態にかかる放電セルを用いたオゾン発生装置の側面図、図２は同オゾン発生装置に使用される上段のエンドプレートの平面図及び底面図、図３は同放電セルの斜視図、図４は図３のＡ−Ａ線断面矢示図、図５は同放電セルを構成する複数のセラミック層を便宜上分解して示した斜視図である。
【００３３】
オゾン発生装置は、図１に示すように、複数（図では４つ）の放電セル１００，１００・・を重ね合わせて上下のエンドプレート６０，７０の間に挟み、それらの四隅部を貫通する４本のタイロッド８０，８０・・により、エンドプレート６０，７０の間に固定した構造になっている。
【００３４】
各放電セル１００は、図３〜図５に示すように、偏平な直方体形状をしたセラミックブロック１０を備えている。セラミックブロック１０は、７層のセラミック層１１〜１７を層厚方向に積層して一体化した構成になっている。各セラミック層は正方形の薄板であるが、それぞれの構造については後で説明する。なお図５では、７層のセラミック層１１〜１７が分離して示されているが、これは構造及び製法を説明するためであり、実際は層厚方向（積層方向）に一体化されて境界のないセラミックブロック１０を形成している。
【００３５】
セラミックブロック１０の中には、放電用の上下一対の面状電極３０，３０が、セラミックブロック１０の上下面に沿って封入されている。面状電極３０，３０の間には、原料ガスが流通する放電空隙２０が、面状電極３０，３０に沿って形成されている。セラミックブロック１０の下面には、冷媒としての冷却水が流通する冷媒流通路４０が、面状電極３０，３０に沿って形成されている。下段の面状電極３０と冷媒流通路４０の間には、アース用の面状電極５０が、面状電極３０，３０に沿って封入されている。放電空隙２０及び冷媒流通路４０は、流体流通方向に直角な方向に分割されている。
【００３６】
セラミックブロック１０の前後の縁部には、放電空隙２０に対して原料ガスの導入及び排出を行うガス導入路２１及びガス排出路２２が、セラミックブロック１０を上下方向に貫通して形成されている。セラミックブロック１０の左右の縁部には、冷媒流通路４０に対して冷媒の導入及び排出を行う冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２が、セラミックブロック１０を上下方向に貫通して形成されている。
【００３７】
セラミックブロック１０を構成する７つのセラミック層１１〜１７のうち、上から１層目のセラミック層１１は絶縁体である。２層目のセラミック層１２は放電用の誘電体である。３層目のセラミック層１３は、放電空隙２０を形成するためのスペーサである。４層目のセラミック層１４は放電用の誘電体である。５層目のセラミック層１５は絶縁体である。６層目のセラミック層１６はアースである。７層目、即ち一番下のセラミック層１７は、冷媒流通路４０を形成するためのスペーサである。これらセラミック層の詳細な構造は以下の通りである。
【００３８】
なお、絶縁体である５層目のセラミック層１５の厚みが十分に厚い場合は、６層目のアース用セラミック層１６がなくても冷媒への電流漏洩が防止されるので、セラミック層１６は省略可能である。
【００３９】
絶縁体である１層目のセラミック層１１には、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部１１ａ，１１ａが、前後の縁部に位置して設けられている。また、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部１１ｂ，１１ｂが、左右の縁部に位置して設けられている。セラミック層１１の厚みは例えば３．０ｍｍである。
【００４０】
誘電体である２層目のセラミック層１２の上面には、導電性の薄膜からなる面状電極３０が、縁部を除いて被覆されている。面状電極３０は接地電極であり、その一部をセラミックブロック１０の外に引き出すために、セラミック層１２には側方に突出する端子部１２ｃが設けられており、その上面にも面状電極３０が被覆されている。一方、セラミック層１２の下面にはＳｉＯ2 がコーティングさている。また、セラミック層１２の前後の縁部には、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部１２ａ，１２ａが設けられており、左右の縁部には、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部１２ｂ，１２ｂが設けられている。セラミック層１２の厚みは例えば０．３ｍｍである。面状電極３０の厚みは例えば１０〜２０μｍである。
【００４１】
放電空隙２０を形成するためのスペーサである３層目のセラミック層１３には、その放電空隙２０の形成のために、前縁部から後縁部に延びる複数のスリット１３ｄ，１３ｄ・・が幅方向に等間隔で設けられている。セラミック層１３の左右の縁部には、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部１３ｂ，１３ｂが設けられている。ガス導入路２１及びガス排出路２２は放電空隙２０に連通するので、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部は設けられていない。セラミック層１３の厚みは、放電空隙２０のギャップを狭くするために例えば０．２ｍｍと薄くされている。
【００４２】
誘電体である４層目のセラミック層１４は、２層目のセラミック層１２を裏返したものである。従って、セラミック層１４の下面には、導電性の薄膜からなる面状電極３０が被覆されている。この面状電極３０は高圧電極である。高圧電極の一部をセラミックブロック１０の外に引き出すために、セラミック層１４には側方に突出する端子部１４ｃが設けられており、その下面にも面状電極３０が被覆されている。一方、セラミック層１４の上面にはＳｉＯ2 がコーティングされている。また、セラミック層１４の前後の縁部には、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部１４ａ，１４ａが設けられており、左右の縁部には、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部１４ｂ，１４ｂが設けられている。セラミック層１４の厚みは、セラミック層１２と同じ例えば０．３ｍｍである。面状電極３０の厚みもセラミック層１２と同じ例えば１０〜２０μｍｍｍである。
【００４３】
絶縁体である５層目のセラミック層１５は、１層目のセラミック層１１と同じものである。このセラミック層１５には、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部１５ａ，１５ａが、前後の縁部に位置して設けられている。また、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部１５ｂ，１５ｂが、左右の縁部に位置して設けられている。セラミック層１５の厚みは、セラミック層１１と同じ例えば３．０ｍｍである。
【００４４】
アースである６層目のセラミック層１６は、２層目のセラミック層１２と同じものである。セラミック層１６の上面には、導電性の薄膜からなるアース用の面状電極５０が、縁部を除いて被覆されている。面状電極５０の一部をセラミックブロック１０の外に引き出すために、セラミック層１６には側方に突出する端子部１６ｃが設けられており、その上面にも面状電極５０が被覆されている。セラミック層１６の前後の縁部には、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部１６ａ，１６ａが設けられており、左右の縁部には、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部１６ｂ，１６ｂが設けられている。セラミック層１６の厚みは、セラミック層１２と同じ例えば０．３ｍｍである。面状電極５０の厚みは、面状電極３０，３０と同じ例えば１０〜２０μｍである。
【００４５】
冷媒流通路４０を形成するためのスペーサである７層目のセラミック層１７は、放電空隙２０を形成する３層目のセラミック層１３を９０度回転させた平面形状をしている。即ち、このセラミック層１７には、冷媒流通路４０を形成するために、一方の側縁部から他方の側縁部に延びる複数のスリット１７ｄ，１７ｄ・・が幅方向に等間隔で設けられている。セラミック層１７の前後の縁部には、ガス導入路２１及びガス排出路２２を形成するための開口部１７ａ，１７ａが設けられている。冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２は冷媒流通路４０に連通するので、冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２を形成するための開口部は設けられていない。セラミック層１７の厚みはセラミック層１３より厚い例えば２．０ｍｍである。
【００４６】
セラミックブロック１０は、以上７つのセラミック層１１〜１７を一体化することにより構成されている。従って、セラミックブロック１０の３層目には放電空隙２０・・が形成され、７層目には冷媒流通路４０が形成される。また、放電空隙２０に連通するガス導入路２１及びガス排出路２２、並びに冷媒流通路４０に連通する冷媒導入路４１及び冷媒排出路４２が各層を貫通して形成される。
【００４７】
一方、１層目のセラミック１１と２層目のセラミック層１２の間には、上段の面状電極３０が端子用の突部を除いて封入される。４層目のセラミック１４と５層目のセラミック層１５の間には、下段の面状電極３０が端子用の突部を除いて封入され、５層目のセラミック１５と６層目のセラミック層１６の間には、アース用の面状電極５０が端子用の突部を除いて封入される。
【００４８】
そして、オゾン発生装置は、上記の放電セル１００を重ね合わせて上下のエンドプレート６０，７０間に挟み、それらの四隅部を貫通する４本のタイロッド８０，８０・・により、エンドプレート６０，７０間に固定することにより構成される。隣接する放電セル１００，１００の間はエポキシ接着剤やろう付け等により接合される。ろう付けの場合は、両方の接合面にタングステン等を焼成し、その表面にＮｉメッキ等を施す。各セラミックブロック１０のセラミック層１１〜１７の四隅部には、タイロッド８０を通すための貫通孔が形成されている。
【００４９】
放電セル１００を重ね合わせることにより、各セラミックブロック１０のガス導入路２１同士、ガス排出路２２同士、冷媒導入路４３同士及び冷媒排出路４２同士は、相互に連通することになる。また、１〜３段目のセラミックブロック１０，１０，１０の各下面に形成された冷媒流通路４０は、その下面が下段のセラミックブロック１０の上面により閉じられ、４段目のセラミックブロック１０の下面に形成された冷媒流通路４０は、その下面が下段のエンドプレート７０の上面により閉じられる。
【００５０】
エンドプレート６０，７０は、いずれもステンレス鋼板等の金属板からなる。上段のエンドプレート６０の上面には、図２に示すように、ガス導入管６１、ガス排出管６２、冷媒導入管６３及び冷媒排出管６４が取り付けられている。一方、エンドプレート６０の下面には、４つの凹部６５，６６，６７，６８が設けられている。エンドプレート６０，７０各四隅部には、タイロッド８０を通すための貫通孔が形成されている。
【００５１】
ガス導入管６１は、エンドプレート６０の下面に設けられた凹部６５を介して各セラミックブロック１０のガス導入路２１に連通する。ガス排出管６２は、エンドプレート６０の下面に設けられた凹部６６を介して各セラミックブロック１０のガス排出路２２に連通する。冷媒導入管６３は、エンドプレート６０の下面に設けられた凹部６７を介して各セラミックブロック１０の冷媒導入路４１に連通する。冷媒排出管６４は、エンドプレート６０の下面に設けられた凹部６８を介して各セラミックブロック１０の冷媒排出路４２に連通する。
【００５２】
このようにして構成されたオゾン発生装置の機能は以下の通りである。
【００５３】
エンドプレート６０，７０間に固定された４つの放電セル１００，１００・・においては、接地電極である上段の面状電極３０及びアース用の面状電極５０は接地され、高圧電極である下段の面状電極３０は高圧電源の高圧端子に接続される。
【００５４】
各セラミックブロック１０においては、ガス導入路２１同士、ガス排出路２２同士、冷媒導入路４３同士及び冷媒排出路４２同士は、相互に連通している。また、１〜３段目のセラミックブロック１０，１０，１０の各下面に形成された冷媒流通路４０は、その下面が下段のセラミックブロック１０の上面により閉じられ、４段目のセラミックブロック１０の下面に形成された冷媒流通路４０は、その下面が下段のエンドプレート７０の上面により閉じられている。
【００５５】
従って、ガス導入管６１から装置内に導入された原料ガスは、各セラミックブロック１０の放電空隙２０に並列に供給され、ガス排出管６２から装置外に排出される。同様に、冷媒導入管６３から装置内に導入された冷却水は、各セラミックブロック１０の冷媒流通路４０に並列に供給され、冷媒排出管６４から装置外に排出される。
【００５６】
この状態で高圧電源を作動させると、面状電極３０，３０間に高電圧が印加される。ここで、面状電極３０，３０は、セラミック層１３の内側に形成された放電空隙２０に、セラミック層１２，１４を挟んで対向している。このため、放電空隙２０で無声放電が発生し、ここを流通する原料ガスがオゾン化される。放電空隙２０は、流通方向に直角な方向に分割された構成であるので、内圧制御等に対して放電ギャップ量を精度良く保持することができる。また、沿面放電による放電の重畳が期待でき、これによる電力効率及びオゾン発生効率が可能になる。更に、放電空隙２０に接するセラミック層１２，１４の表面にＳｉＯ2 がコーティングされているので、オゾン発生効率の更なる向上や、オゾン濃度の安定化も図られる。なお、セラミック層１２，１４の表面全体にＳｉＯ2 がコーティングされた場合、セラミック層１２，１３の間、及びセラミック層１２，１３の間には薄いＳｉＯ2 層が介在するが、これもセラミック層であるので、セラミック層１１〜１７の一体性は損なわれない。
【００５７】
また、面状電極３０，３０は、その下方の冷媒流通路４０を流通する冷却水により冷却される。最上段の放電セル１００を除いた放電セル１００では、面状電極３０，３０が上下から冷却水により冷却される。最上段の放電セル１００では、上段のエンドプレート６０による上方からの冷却も期待できる。従って、各段の放電セル１００では、面状電極３０，３０が効果的に冷却される。
【００５８】
ここで、下段の面状電極３０は高圧電極であるが、その下方の冷媒流通路４０との間には、セラミック層１５，１６と、この間に封入されたアース用の面状電極５０とが設けられているので、冷却水による短絡は発生しない。
【００５９】
セラミック層１５の厚みによっては、アースである面状電極５０付きのセラミック層１６を省略することができる。また、冷媒流通路４０は、面状電極３０，３０の下方だけでなく上下両方に設けることも可能である。
【００６０】
放電セル１００の厚み、即ちセラミックブロック１０の厚みは、例えば約７ｍｍとなる。この厚みには冷却部分も含まれている。同一規模の従来装置の場合、冷却部分であるヒートシンクが厚くなるために、上下の放電セル間でヒートシンクを共用する場合にも、セル１個当たりの厚さは６０ｍｍ程度となる。これに比べると、放電セル１００は極めて薄型であることが明かである。
【００６１】
面状電極３０，３０間に放電セル２０を形成するためのスペーサであるセラミック層１３は、オゾンと長期間接触しても変質や劣化を生じない。
【００６２】
セラミックブロック１０は、タイロッド８０，８０・・により厚み方向に締め付けられても、締め付け部の厚みが例えば約７ｍｍも確保されるので、締め付け力が大きい場合も破損を生じない。
【００６３】
放電セル２０を形成するセラミック層１３は、誘電体である上下のセラミック層１２，１４と一体化しているので、放電セル２０に高い気密性を付与する。従って、原料ガス圧力を高くできる。
【００６４】
次に、放電セル１００の製造方法について説明する。
【００６５】
セラミックブロック１０は、基本的に各セラミック層に対応するグリーンシートと呼ばれる焼成前のセラミックシートを重ね合わせ、焼成することにより作製される。
【００６６】
即ち、セラミックブロック１０の１，５層目のセラミック層１１，１５に対応する焼成前のセラミックシートには、ガス・冷媒導入路用及びガス・冷媒排出路用の開口部を形成するための打ち抜き加工を行う。セラミックブロック１０の２，４，６層目のセラミック層１２，１４，１６に各対応するセラミックシートには、流路形成用の開口部を形成するための打ち抜き加工を行うと共に、電極形成用のペーストをスクリーン印刷により塗布する。また、セラミック層１２，１４の反電極側表面にはＳｉＯ2 を塗布する。セラミックブロック１０の３，７層目のセラミック層１３，１７に対応する焼成前のセラミックシートには、ガス・冷媒導入路用及びガス・冷媒排出路用の開口部、並びにガス・冷媒流通路用の開口部を形成するための打ち抜き加工を行う。
【００６７】
これらのセラミックシートを重ね合わせ、１００℃程度に加熱した状態で、プレス機により一体化させた後、還元性雰囲気中で１５００℃程度に加熱して、セラミックを焼結する。
【００６８】
これによりセラミックブロック１０が完成し、放電セル１００が製造される。製造された放電セル１００の使用方法は前述した通りである。
【００６９】
このように、放電セル１００は非常に簡単に製造される。また、量産にも適している。更に、スペーサを任意の形状に加工することができるので、放電空隙２０を設計する際の自由度が上がる。放電空隙２０を流通方向に直角な方向に分割したものは、前述した通り、沿面放電による電力効率の向上、オゾン発生効率の向上及びオゾン濃度の安定化を期待できる。
【００７０】
セラミックシートとしては、アルミナの純度が９０％以上のものが電極との一体焼成の点から好ましい。電極形成のためのペーストとしてはタングステン，モリブデン又は銀を主成分とするものを使用することができる。
【００７１】
図６は本発明の別の実施形態にかかる放電セルの斜視図、図７は同放電セルの分解斜視図である。
【００７２】
この放電セルは、２つのセラミックブロック１０Ａ，１０Ｂを、ガラス層９０を介して接合した構造である。セラミックブロック１０Ａは、前述したセラミック１１，１２により構成されている。セラミックブロック１０Ｂは、前述したセラミック１４，１５，１６，１７により構成されている。ガラス層９０は放電空隙２０を形成するためのスペーサと接合層を兼ねている。つまり、この放電セルは、放電空隙２０を形成するためのセラミック層１３を、ガラス層９０に代えたものである。
【００７３】
この放電セルの製造方法は以下の通りである。セラミックシートを用いてセラミックブロック１０Ａ，１０Ｂを作製する。セラミックブロック１０Ａの下面及びセラミックブロック１０Ｂの上面にはＳｉＯ2 をコーティングしておく。この方法としてはセラミックの焼成後にＳｉＯ2 を溶射する方法でもよい。またガラス層９０の形成用に、例えば０．０５ｍｍ厚の薄いガラス板をスペーサ形状に打ち抜き、その両面に封着用の低融点ガラスを塗布する。最後に、ガラス板を挟んでセラミックブロック１０Ａ，１０Ｂを重ね合わせ融着する。
【００７４】
このようにして製造される上記放電セルでは、放電空隙２０のギャップ量を０．１ｍｍ以下にすることができる。しかも、セラミックブロック１０Ａ，１０Ｂは強固に接合され、前述したセラミックブロック１０と同様の機能を奏する。ガラス板に代えてガラス材の印刷焼成を用いることができる。また、セラミック材の溶射により極薄のスペーサを形成することも可能である。
【００７５】
【発明の効果】
以上に説明した通り、本発明のオゾン発生装置用放電セルは、複数のセラミック層を積層して一体化する構成を採用するので、スペーサ部分を含めた全体の耐久性に著しく優れ、機械的強度も高い。しかも、放電空隙に高い気密性を付与できるので、高い原料ガス圧力を確保できる。更に、小型であり、なおかつ高い冷却効率を確保できるので、オゾン発生効率が高い。
【００７６】
また、本発明の放電セルの製造方法は、この小型で高性能かつ高品質なオゾン発生装置用放電セルを簡単に製造でき、その製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る放電セルを用いたオゾン発生装置の側面図である。
【図２】同オゾン発生装置に使用される上段のエンドプレートの平面図及び底面図である。
【図３】同オゾン発生装置に使用される放電セルの斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面矢示図である。
【図５】同放電セルを構成する複数のセラミック層を便宜上分解して示した斜視図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係る放電セルの斜視図図である。
【図７】同放電セルの分解斜視図である。
【図８】従来の放電セルの断面図である。
【符号の説明】
１０ セラミックブロック
１０Ａ，１０Ｂ セラミックブロック
１１〜１７ セラミック層
２０ ガス流通路
２１ ガス導入路
２２ ガス排出路
３０ 放電用の面状電極
４０ 冷媒流通路
４１ 冷媒導入路
４２ 冷媒排出路
５０ アース用の面状電極
６０，７０ エンドプレート
８０ タイロッド
９０ ガラス層
１００ 放電セル
Claims (7)
- 一対の面状電極の間に誘電体を介して形成された放電空隙を有し、該放電空隙に流通する原料ガスを放電によりオゾン化するプレート型オゾン発生装置用放電セルであって、複数のセラミック層が層厚方向に積層され一体化されて形成された１又は複数のセラミックブロックを構成体としており、前記放電空隙は、セラミックブロック内の中間のセラミック層をスペーサとして当該セラミック層を挟む２つのセラミック層の間に形成されており、前記誘電体は、前記セラミックブロック内の前記放電空隙に面するセラミック層により構成されており、前記面状電極は、前記セラミックブロック内の放電空隙に面するセラミック層の反空隙側で隣接する２つのセラミック層の間に封入されており、且つ前記セラミックブロックは、面状電極から絶縁された位置に、特定のセラミック層をスペーサとして形成された冷媒流通路を有することを特徴とするオゾン発生装置用放電セル。
- 一対の面状電極の間に誘電体を介して形成された放電空隙を有し、該放電空隙に流通する原料ガスを放電によりオゾン化するプレート型オゾン発生装置用放電セルであって、複数のセラミック層が層厚方向に積層され一体化されて形成された複数のセラミックブロックを構成体としており、前記放電空隙は、スペーサ及び接合層を兼ねるガラス層を介して接合された２つのセラミックブロックの間に形成されており、前記誘電体は、前記セラミックブロック内の放電空隙に面するセラミック層により構成されており、前記面状電極は、前記セラミックブロック内の放電空隙に面するセラミック層の反空隙側で隣接する２つのセラミック層の間に封入されており、且つ前記セラミックブロックは、面状電極から絶縁された位置に、特定のセラミック層をスペーサとして形成された冷媒流通路を有することを特徴とするオゾン発生装置用放電セル。
- 前記放電空隙は、セラミック層に沿ってガス流通方向に直角な方向に複数分割されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のオゾン発生装置用放電セル。
- 前記誘電体を構成するセラミック層の放電空隙に接する表面にはＳｉＯ2 がコーティングされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のオゾン発生装置用放電セル。
- 前記セラミックブロックは、複数のセラミック層を層厚方向に貫通して形成されて放電空隙に連通するガス導入路及びガス排出路を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のオゾン発生装置用放電セル。
- 前記セラミックブロックは、複数のセラミック層を層厚方向に貫通して形成されて冷媒流通路に連通する冷媒導入路及び冷媒排出路を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のオゾン発生装置用放電セル。
- 請求項１、２、３、４、５又は６に記載のオゾン発生装置用放電セルを製造する方法であって、セラミックブロックを構成する複数のセラミック層に各対応する複数枚のセラミックシートを作製するために、焼成前のセラミックシートに加工及び／又は処理を行う工程と、作製された複数枚のセラミックシートを重ね合わせて焼成することによりセラミックブロックを作製する工程とを包含することを特徴とするオゾン発生装置用放電セルの製造方法。
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