JP3803401B2 - オゾン発生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はオゾン発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電放電の原理により、酸素含有ガスからオゾンを発生させるオゾン発生器は以前より周知である。従来の構成では２つの電極から成り、これらは通常誘電体で分離されている。電極の少くとも１つと誘電体との間にはガス間隙が設けられていて、該間隙に酸素含有ガスが誘導されている。外部から電極に印加される交流電圧は、誘電体と電極の少くとも１つとの間に放電が生ずるに至るまで高められる。放電状態では酸素分子は分離されて原子状態の酸素となる。原子状態の酸素と分子状態の酸素が反応してオゾンが発生するのである。
【０００３】
性能のよいオゾン発生器を構成する可能性は、熱に変換される電気エネルギのどの位が迅速かつ確実に放電区域から引き出せるかによって決まる。ガス間隙は通常、冷却媒体への熱の移行のための“速さを決める歩幅”に相当するので、従来のオゾン発生器では、とりわけこの目的のためにガス間隙を小さくしている。オゾン発生器の製造技術においては、従って、製造許容差を無くすることによる制限が与えられている。つまり、管式オゾン発生機（ベルスバッハ（Welsbach) 型）の生産にあたって、少くとも２本の管が全長にわたって同一の間隔を保持されねばならない。最近では少くとも１つの電極が誘電体に取着され、これによって誘電体がガス−および冷却手段の空間との間の、直接の境界手段となり得るオゾン発生器（ドイツ連邦共和国特許第３７３１１６８号公報）が周知である。放電が行なわれるガス空間は冷却媒体に包囲された誘電体に直接接近して存在している。オゾン発生のために行われる放電は、表面放電となる。ガスが誘導される管はこの場合セラミックから成る誘電体として作用する。
【０００４】
この種の周知の構成における本質的な欠点は、好適な冷却を実現するためにはセラミック管は、冷却システム（通常は水）とガス導入に関連して機械的に結合せねばならない点にある。うまく実施されたシステムとして、機械的なボルト止めおよび弾性パッキンを利用すること技術上成功できるオゾン発生機を製造できる。しかしながらそうは言っても機械的なパッキンは、製造上コスト高となる。セラミック管を機械的にネジ固定するために、公差が十分小さなセラミック管を製造するには、製造技術またはセラミックの後加工に対する高度な要求を満たさねばならないのである。特殊な適用分野、例えば半導体製造のためのオゾン発生器の製造においては、上記のほか、漏洩密度や微粉発生に対する、より高い要求条件が付け加えられる。機械的なネジ固定および弾性パッキン部材について上記要求を満たすには高いコストをかけねばならないのである。
【０００５】
周知のオゾン発生器では、ガスが流通するセラミック管は通常リング状間隙で包囲されており、該間隙を高い壁内速度（有利な熱の移行のため）で一様な冷却を達成するために冷却媒体が誘導される。
【０００６】
１つの外套管内に共通に包囲された多数の放電管を、管束式熱交換器の技法でまとめることは簡単であるが、個々の管の間隙が機械的なボルト止めとパッキン部材によって決まることが常に上記のような妨げになる。個々の放電管に対してはこの必要とされる間隙によって、熱交換器における“共通容積（Kovolumen)”を生じ、これが“大きすぎる”と冷却強度にマイナスに作用する。“共通容積”の定義に関しては後述する。冷却をよくするために、この場合のような境界を形成するリング状間隙を有する構成において、一様に平均的な壁内速度（熱移行の）を達成するためには冷却水量を極めて高める必要がある。そのとき特有の冷却水消費量Ｓ（得られたオゾンの生産量（ｇ／ｈ）に対して必要な冷却水流量（ｍ³ ／ｈ））は高まり、技術的所要値は１．５ないし５ｍ³ ／ｋｇの範囲にある。また、オゾン生産量に対して予め決められた要求冷却水量（ｍ³ ／ｋｇ）が貫流するとしても、１つの共通する外套管内に多数の放電管を配設した構成にあっては、壁内速度が低下し、従って熱の移行はリング状間隙型の構成に比べて不利となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従って、コンパクトな構成で、かつ良好な冷却を保証できるオゾン発生装置を提供することをすることを基本的な課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は少くとも１本の、誘電体を形成するセラミック管と、高圧電源に接続してセラミック管に取着した放電電極および対向電極とを有し、少くとも１本のセラミック管が冷却手段で冷却され、かつ放電々極の付近に酸素を含有するガスが誘導されているオゾン発生装置であって、少くとも１本のセラミック管（１）の端部がセラミックで作成された端部部材（２）に、酸化物を含有するガラスまたはセラミックろうを用いて接合されていること、および外套管（６）が少くとも１本のセラミック管（１）を包囲しつつ端部部材（２）と接合されており、かつ外套管（６）とセラミック製の端部部材（２）との間の接合部がシールされていることを特徴とする。
【０００９】
オゾン発生装置の誘電体を形成するセラミック管がセラミックで作られた端部部材に、酸化物を含有するガラスもしくはセラミックろうを用いて接合されていること、および外套管がセラミック管を包囲しつつ端部部材と接合されており、かつ外套管とセラミック製の端部部材との間の接合部がシールされていることによって、オゾン発生装置のコンパクトな構成が達成されるのである。セラミック管がろう付け工程によって、ガス分配プレートとして機能する端部部材に、互に密に固定されることで、冷却水の極めて有効な利用が達成できることになるのであって、その際のろう付け工程の温度は３００℃〜１５００℃が使用される。本発明の装置では高いパッキン密度が達成され、管束形式の構造の場合、その際対応する共通容積は、機械的なボルト止めの場合の約２５０・１０^-6ｍ³ に対して、５０〜６０・１０^-6ｍ³ となる（第１表中の図１の欄参照）。このような酸化物含有のろうを使用することによって、１０^-9ｍｂａｒ ｌ／ｓより小さい漏洩率が得られ、これは例えば半導体技術分野でのオゾン使用の要求を満たすものである。金属的な汚染物質にもろうの選択は影響するが、これは本発明による構成で解決される。すなわち、半導体生産分野で使用されるオゾン発生器では重金属を含む痕跡程度の汚染物質でも避けねばならないが、本発明におけるように重大な重金属を使用しないろうの使用により、オゾン発生器から漏出するガス内の、かかる汚染物質は排除されるか、または数ｐｐｍおよびこれ以下に低減する。第二のろう付けで第一のろう付けの場合より高い熔融点を持つろうを使用することで、装置の各構造部において、種々の要求によるろう付け場所を複数のステップでろう付けできる。これによって、ろうで接合された構成がいくつか複合されたものでも製造できるのである。
【００１０】
【実施例】
本発明の実施例を以下図面を参照して説明する。図２は以下に図３を参照して説明するオゾン発生装置の実施例の基礎となる構造を示すもので、同図の構造では多数のセラミック管１が、各々セラミック製の有孔プレート２に結合されており、その際結合は一方では嵌合により、他方では酸素含有のガラス−セラミックろうで、３００と１５００℃間の温度でのろう付けによって行なわれている。
【００１１】
図１は下記に挙げる寸法を具体的に図示した、セラミック製の有孔プレート２の横断面を示しており、本実施例の説明の最後に示した表１は７本の管を有する管状オゾン発生部材を備えたオゾン発生装置に関して、セラミックの機械的なネジ固定を行なった場合と、ろうを用いて接合を行なった場合とにおける幾何学的な冷却データについての一覧表を示している。ここで、
ｒ１：誘電体の管１の外周半径
ｒ２：機械的なネジ固定を行う場合に占有される管１の外周半径
ｍ：付加間隔であって、例えば、２つの孔の間に必要な工具または作業者のための間隔
ｒ３：共通の外套管のための最小の内径に対応する半径
【００１２】
表１ではさらに、外套管の断面積（πｒ₃ ²），個々の管の断面積（πｒ₁ ²）の和ならびに管の長さ１ｍ当りの自由断面積と共通容積が与えられており、その際自由断面積と共通容積は次のように定義される：
自由断面積＝π（ｒ₃ ²−ｎｒ₁ ²），
（ｎ：放電管の数）
共通容積＝（自由断面積）×（管の長さ）
【００１３】
表１から例えば７本のセラミック管の構成における“共通容積”は、機械的なネジ固定を行った場合は、セラミックろうで接合した本発明による構成の場合のほぼ５倍となることが知られる。
【００１４】
図２にはオゾン発生装置の基礎となる構造が示されているが、これを採用して様々な実施例が実現できる。すぐれた実施例が図３に示され、この実施例では多数のセラミック管１が１つの共通のセラミック製の外套管６に包囲されており、その際外套管６はろうによって有孔プレート２に接合されている。好ましい実施例においては通常誘電体を形成するセラミック管１の放電電極（図示しない）は、らせん状でセラミック管１内に装入されていて、該らせん状の電極はセラミック管１の内壁に対して押圧されている。この場合ガスが３で示したセラミック管１の開口を経て、管内に沿って流入し、らせん状の電極と対応する誘電体の間で静電放電が行なわれる。外套管６内には水接続部材７が同様にろうで接合され、この場合流入−および排出される水はセラミック管１の回りを流れる。図３に見られるように有孔プレート２には、同様にセラミックから成る中空円筒４が継ぎ足され、かつ有孔プレート２と一体的に結合されている。このように有孔プレート２と中空円筒４とはセラミック管１の端部の端部部材を構成している。この場合、ろう付けによれば有孔プレート２とセラミック製の中空円筒４の外側をもろうで接合することができる。中空円筒４はガス分配のための空間を形成し、この内部にセラミック管１の開口部が連通している。中空円筒４内にガス接続部材５がろう付けされている。一側には高電圧を供給するため、および場合によっては対向電極のための電圧を供給するための電極接続部材８が、同様な接合技術によって挿着されている。導電結合手段により、外部から印加された電圧は、ガス空間内で個々の放電管に分配される。中空シリンダ４は同様にろう付けされ、あるいはＯ−リングを介してシールされた蓋で閉塞される。
【００１５】
図３の実施例では、すべての接続部とすべての接合場所は酸化物含有のガラスまたはセラミックろうによって接合されている。自明のことながら、使用目的により、さらにまた望ましい構造に実施例を変形することは理に適っている。
【００１６】
基本実施例においては、単に個々のセラミック管１がセラミック有孔プレート２に接合され、これらがガス空間を冷却手段の空間から分離しているに過ぎない。この有孔プレート２はＯ−リングパッキンを周部の溝に装着することで、冷却媒体の流入、排出部を有する外套管６の両端外周部をシールすることができる。自明のことではあるが、外套管６を別の可能性、例えば接着によって耐水，耐圧に閉塞することが考えられる。このような実施態様では、このシール部に対する耐オゾン性の要求は不必要である。ガス空間と冷却手段間のシールが前述のろう付けによって与えられるからである。
【００１７】
内部にセラミック管１が挿着されてガス分配の機能を行う上記セラミック製の成形部の穿孔は、個々の管内のガス流れを平均化する作用を有するものであり、例えば穿孔はノズル孔として形成することができる。
【００１８】
冷却水の限界を定める外套管６を導電性材料で形成した場合は、導電性のある冷却媒体を使用することによって外套管６を、個々の放電管のための対電極として機能することができる。しかし個々の管１と外套管６との間に、導電性の結合材を付加的に取着することもできる。
【００１９】
冷却水の限界を定める外套管６を絶縁体で形成した場合は、該管を通じた電極作用および場合によっては個々の管に対する他の電気伝導性の結合材が必要となる。
【００２０】
図３の実施例においては、ガス空間がセラミック製の有孔プレート２と、第二の、一側を閉鎖した管部材で形成され、これらは相互にろう付けされている。一側を閉鎖した管部材の材料としては、冷却手段の空間のための外套管６の場合に対応して、伝導性があったり、絶縁性のある耐オゾン性の材料が候補にあがる。伝導性のある、例えば特殊鋼を使用するときは、放電に必要な高電圧との接近があるので、絶縁間隔とクリープ変形に対する高い要求が生ずるのである。従って装置のコンパクト性が低下する。この欠点は絶縁性の材料の使用によって解消されるが、とにかくエラストマータイプのＯ−リングのようなパッキン部材を減らすことがここでもコンパクト性につながる。
【００２１】
上述の実施例では、らせん状の放電電極が誘電体内に使用されている。自明のことながら、セラミック管１の中心を貫通する内部高電圧電極を使用することもでき、この場合は中心にある放電電極と誘電体としてのセラミック管１との間のガス間隙内で放電が行なわれる。
【００２２】
他の実施態様例として、セラミック管の外側の放電電極に電圧が印加されるようにすることができ、この場合図３の構成における冷却手段の空間とガスが誘導される空間との逆転が行なわれる。つまりガス空間は外套管６とセラミック管１との間に、一方冷却手段はセラミック管１を通って誘導されることになる。
【００２３】
本発明の装置は、使用されるセラミック構成部品と接合場所の不燃性という利点を有する。これはまた腐蝕性がなく、高純度の酸素と結合した高合金鋼を使用したり、オゾン発生の副産物（多湿性，窒素酸化物との結合）が生じる場合でも、その優位性が損なわれることはない。
【００２４】
表１：ａ）機械的なネジ固定を行った場合と、ｂ）ろうによるろう付けをした場合の、７本の管を設けた管状オゾン発生部材を有するオゾン発生装置の冷却に関する幾何学的データの一覧表。
【表１】

【図面の簡単な説明】
【図１】第１表に示した寸法を具体的に示した、有孔プレートとして形成したセラミック製の端部部材の断面図
【図２】本発明の実施例のオゾン発生装置の基礎となる一部の斜視図
【図３】図２の基礎構造を発展させたオゾン発生装置の実施例の斜視図
【符号の説明】
１ セラミック管
２ 有孔プレート
４ 中空円筒
５ ガス接続部材
６ 外套管
７ 水接続部材
８ 電極接続部材

Claims (15)

1. 誘電体を形成する少くとも１本のセラミック管と、該セラミック管に設けられ高圧電源に接続された放電電極および対電極とを有し、少くとも１本のセラミック管が冷却手段で冷却され、かつ放電電極の付近に酸素を含有するガスが誘導されるオゾン発生装置であって、少くとも１本のセラミック管（１）の端部がセラミックで作成された端部部材（２）に、酸化物を含有するガラスまたはセラミックろうを用いて接合されていること、および外套管（６）が少くとも１本のセラミック管（１）を包囲しつつ端部部材（２）と接合されており、かつ外套管（６）とセラミック製の端部部材（２）との間の接合部がシールされていることを特徴とするオゾン発生装置。
2. 誘電体を形成する多数のセラミック管（１）を端部部材（２）に接合して、管束を形成したことを特徴とする請求項１のオゾン発生装置。
3. 外套管（６）は同様にセラミックから成り、かつ酸化物を含有するガラスまたはセラミックろうによって端部部材（２）と接合されていることを特徴とする請求項１もしくは２のオゾン発生装置。
4. 外套管はパッキン、例えばＯ−リング型パッキンで端部部材に対してシールされていることを特徴とする請求項１もしくは２のいずれかのオゾン発生装置。
5. 放電電極はセラミック管（１）の内部に配設され、その内壁にらせん状に隣接しており、外套管（６）とセラミック管（１）間の空間は冷却手段のための空間を形成しており、冷却手段の流入、排出のための冷却手段接続部材（７）が外套管（６）に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかのオゾン発生装置。
6. らせん状に形成した放電電極は、セラミック管（１）の周壁面に隣接して配設され、外套管（６）とセラミック管（１）間の空間はガス放電空間を形成しており、ガスの流入、排出のためのガス接続部材が外套管（６）に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかのオゾン発生装置。
7. 端部部材（２）は有孔プレートを有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかのオゾン発生装置。
8. 端部部材（２，４）は中空空間を有し、該空間とセラミック管（１）が連通していること、および前記端部部材（２，４）にはガスの流入、排出のためのガス接続部材または冷却手段の流入、排出のための冷却手段接続部材を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかのオゾン発生装置。
9. 端部部材は封鎖状の中空円筒を継ぎ足した有孔プレートで形成されていることを特徴とする請求項８のオゾン発生装置。
10. 端部部材（２，４）は少くとも１つの電極接続部材（８）を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかのオゾン発生装置。
11. 冷却手段接続部材（７）および／またはガス接続部材（５）および／または電極接続部材（８）は、ガラスまたはセラミックろうを用いて外套管および／または端部部材（２，４）に接合されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかのオゾン発生装置。
12. ガラスまたはセラミックろうを用いるろう付けは３００℃〜１５００℃の温度で行われることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかのオゾン発生装置。
13. ガラスまたはセラミックろうは２つの熔融点を有するものが利用され、第２のろう付けの際のろうの溶融点は第１のろう付けの際のろうの溶融点よりも高いことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかのオゾン発生装置。
14. 内部にセラミック管が嵌め込まれるセラミック製の端部部材は、ガス分散の機能を果たし、個々のセラミック管内に対称的なガス流を生じさせる穿孔を備えたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかのオゾン発生装置。
15. 穿孔はノズル孔形状に形成されていることを特徴とする請求項１４のオゾン発生装置。

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