JP3982044B2 - Ozone generation method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば液体等の物質の殺菌、酸化、脱色、脱臭等に用いられる、パルスストリーマコロナ放電方式のオゾン発生装置におけるオゾン発生方法に関し、より具体的には、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電を抑制してオゾン生成効率を高くする方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
パルスストリーマコロナ放電方式のオゾン発生装置では、著しい不平等電界を発生できる相対向した電極を備えたオゾン発生器に、酸素を含む原料ガスを導入し、対向電極間に高速立ち上がりの高電圧のパルス電圧を印加することによって、酸素を含む原料ガス中にストリーマ放電(詳しくは、ストリーマコロナ放電。以下同じ)を発生させ、このストリーマ放電による放電プラズマ中で生成される酸素原子ラジカルからオゾンが生成される。
【0003】
このようなオゾン発生装置の一例を図1に示す。このオゾン発生装置は、円筒電極4の中心軸上にワイヤ電極6を配置した同軸円筒放電管状のオゾン発生器2を有しており、このオゾン発生器2の一端側から、酸素を含む原料ガス14を原料ガス源12から供給すると共に、内外の電極4、6間にパルス電源18からパルス電圧VP を印加する構成をしている。これによって、ワイヤ電極6から円筒電極4に向けてストリーマ放電10が進展して放電プラズマが生成され、それによってオゾンが生成され、オゾン発生器2の他端側からオゾン含有ガス16が取り出される。
【0004】
なお、これと同様の原理に基づくオゾン発生装置の一例が特公平3−64443号公報に開示されている。
【0005】
この種のオゾン発生装置においては、一般的に、放電プラズマ中の換算電界強度E/N(Eは電界、Nはガス粒子密度)が高いほど、オゾン生成に好適となる。高速立ち上がりのパルス電圧VP を印加すると、電極4、6間に強力なストリーマ放電が形成される。ストリーマ放電では空間電荷密度が著しく偏在した形態となり、その空間電荷による空間電界によって著しく強い換算電界が局所的に形成され、これが電極4、6間を進展する。このように著しく強い換算電界強度を持ったストリーマ放電を利用することによって、オゾンを高効率に生成することができるというのが、パルスストリーマコロナ放電方式のオゾン発生装置の特徴である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ストリーマ放電は急峻な電圧変化の部分に発生するので、パルスストリーマコロナ放電方式のオゾン発生装置では、一般的に、ストリーマ放電は印加パルス電圧VP の立上り部分にのみ形成される。その持続時間は高々数十nsである。印加パルス電圧VP のパルス幅がストリーマ放電の持続時間よりも長いと、ストリーマ放電に後続して過渡グロー放電が形成される。対向電極4、6間に印加されるパルス電圧VP によって電極4、6間に生じた著しい不平等電界は、先行ストリーマ放電による空間電荷の再配置によって緩和されるため、過渡グロー放電プラズマにおける換算電界強度E/Nは低い。このため、過渡グロー放電におけるオゾン生成効率はストリーマ放電における場合よりも低く、過渡グロー放電が十分に抑制できないとオゾン生成効率が低下する。
【0007】
従来のオゾン発生装置においてオゾン発生器2の電極4、6間に導入される原料ガス14のガス圧(絶対圧。以下同じ)はほぼ1気圧(大気圧)であるが、この圧力条件下で観測される放電電流IP のパルス幅は、短くても約150ns程度もあり、上記のストリーマ持続時間(数十ns)よりも遙かに長い。つまり従来は、過渡グロー放電による電力投入が抑制できておらず、このためオゾン生成効率が良くなかった。
【0008】
印加パルス電圧VP のパルス幅をストリーマ放電の持続時間程度以下に抑制できれば過渡グロー放電は抑制できるけれども、実用的な装置において印加パルス電圧VP のパルス幅を数十ns程度以下にすることは困難である。これは、オゾン発生器2は等価回路的にはCRの並列回路と見ることができ(Cは電極4、6間の静電容量、Rは放電による抵抗)、しかもこのCおよびRがかなり大きくて時定数がかなり大きく、このようなCR並列回路がパルス電源18に並列に接続された形になっているので、パルス電源18からいくら短パルスのパルス電圧VP を印加しようとしても、このCR並列回路の時定数で決まる時間以下にパルス幅を短くすることは困難だからである。また、仮に、電極4、6間に抵抗器を並列接続して回路全体の合成抵抗値を無理に小さくしようとしても、上記抵抗器で電力損失が発生するので、オゾン生成効率を上げることはできない。
【0009】
そこでこの発明は、ことさら印加パルス電圧のパルス幅を短縮化しなくても、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電を抑制して、オゾン生成効率を向上させることのできるオゾン発生方法を提供することを主たる目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明のオゾン発生方法は、オゾン発生時に、前記オゾン発生器の電極間の原料ガス圧を絶対圧で2気圧以上にすることを特徴としている。
【0011】
発明者達は、オゾン発生器の電極間の原料ガス圧を高圧力化する、具体的には2気圧以上にすることによって、ことさら印加パルス電圧のパルス幅を短縮化しなくても、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電を抑制できることを実験的に見い出した。この方法によって、オゾン生成効率を向上させることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1に示した構成のオゾン発生装置において、直径(内径)40mm、長さ1mの円筒電極4と直径0.4mmのワイヤ電極6とから成る同軸円筒放電管状のオゾン発生器2を用いて、このオゾン発生器2にパルス電源18から図2Aに示すような約150nsのパルス幅のパルス電圧VP を印加した。パルス電圧VP の極性は正負どちらでも良いが、通常はワイヤ電極6が正となる正パルス電圧である。この場合のオゾン発生器2内の、即ち電極4、6間の原料ガス14のガス圧を1.2気圧から2.5気圧まで変化させたときの放電電流IP の観測波形を図2Bに示す。ストリーマ放電域は、前述したように高々数十nsであり(図2Bでは約50nsで図示)、それ以降が過渡グロー放電域である。
【0013】
この図2Bから分かるように、パルス電圧VP の立ち上がり部分に生じるストリーマ放電による電流成分は原料ガス圧を変えても殆ど変わらないけれども、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電による電流成分は、原料ガス圧の上昇に伴い抑制されている。特に、原料ガス圧を2気圧以上にすることによって、過渡グロー放電電流成分が効果的に抑制されることが分かる。
【0014】
電極4、6間の原料ガス圧を上記のように高めた場合のオゾン生成効率の実測例を図3に示す。使用した原料ガスは、露点−60度以下の乾燥空気である。使用したオゾン発生器2および印加パルス電圧VP のパルス幅は、図2の例の場合と同じである。同じ原料ガス圧で複数のデータ点が存在するのは、原料ガス流量等のパラメータを変えて測定したからである。
【0015】
この図3から分かるように、原料ガス圧が1.2気圧〜1.7気圧の場合は、オゾン発生器2から出力されるオゾン含有ガス16中のオゾン濃度を高めるためには多くの投入電力を必要とするのに対して、原料ガス圧が2気圧以上の場合は、投入電力を高めなくてもオゾン含有ガス16中のオゾン濃度を高めることができる。即ち、原料ガス圧を2気圧以上にすることによって、過渡グロー放電が抑制され、オゾン生成効率が向上していることが分かる。その結果、従来よりも安価にオゾンを製造することができる。
【0016】
なお、図2Bから、電極4、6間の原料ガス圧を高くするほど、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電をより効果的に抑制できることが分かるけれども、3気圧以上のガスを扱う場合は、高圧ガス取締法による認可が必要になるので、この認可を不要にする観点からは、電極4、6間の原料ガス圧は2気圧以上3気圧未満にするのが好ましい。
【0017】
また、通常の原料ガス源12の吐出圧力は最高でも7気圧であるので、特殊な原料ガス源12を用いなくて済む観点からは、電極4、6間の原料ガス圧は2気圧以上7気圧以下にするのが好ましい。
【0018】
オゾン発生器2は、上記例のような同軸円筒放電管状のもの以外でも良い。例えば、▲1▼角筒電極の中心軸にワイヤ電極を配置した構造のもの、▲2▼2枚の平行平板電極の間に1本以上のワイヤ電極を配置した構造のもの、等でも良く、これらの場合も上記とほぼ同様の結果が得られる。
【0019】
また、オゾン発生器2は、図4に示す例のように、円筒電極4の中心軸にワイヤ電極6を配置した同軸円筒放電管を、容器8内に複数本並設した構造のものでも良い。そのようにすれば、一度に大量の原料ガス14の処理が可能であり、オゾン製造能力が向上する。この場合の各円筒電極4は支持板9によって容器8ひいてはパルス電源18に電気的に接続されている。各ワイヤ電極6は、図示例のように互いに並列接続しても良いし、直列接続しても良い。
【0020】
パルスストリーマコロナ放電方式のオゾン発生装置では、通常は、オゾン生成効率の観点から、原料ガス14として低露点の乾燥空気または酸素ガスが使用される。低露点の乾燥空気や酸素ガスの供給源は、産業用途としては膜式の精製装置や液化タンクが使用されるので、その供給源からの原料ガス14の吐出圧力は3気圧以上ある。従って、オゾン含有ガス16を供給する負荷22の実効的圧力損失(=負荷の圧力損失+負荷の背圧)が2気圧未満の場合は、図5に示す例のようにオゾン発生器2のガス出口側に背圧弁20を設ければ良い。そのようにすればオゾン発生器2での原料ガス圧を簡単に2気圧以上に調整することができる。一般的用途では、負荷の実効的圧力損失が2気圧以上となることは少ないが、2気圧以上となる場合には、原料ガス源12の吐出圧力を高めれば良い。また、オゾン発生器2での圧力損失は通常0.1気圧程度以下なので、この場合の原料ガス源12は、負荷の実効的圧力損失よりも0.1気圧以上高い吐出圧力にすれば良い。
【0021】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、オゾン発生時にオゾン発生器の電極間の原料ガス圧を2気圧以上にするので、ことさら印加パルス電圧のパルス幅を短縮化しなくても、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電を抑制して、オゾン生成効率を向上させることができる。その結果、従来よりも安価にオゾンを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】オゾン発生装置の一例を示す概略図である。
【図2】パルス電圧波形(A)および原料ガス圧を変えた場合の放電電流波形(B)の観測例を示す図である。
【図3】原料ガス圧を変えた場合のオゾン生成効率の実測例を示す図である。
【図4】オゾン発生器の他の例を示す断面図である。
【図5】オゾン発生装置に負荷を接続した例を示す図である。
【符号の説明】
2 オゾン発生器
4 円筒電極
6 ワイヤ電極
12 原料ガス源
14 原料ガス
16 オゾン含有ガス
18 パルス電源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ozone generation method in a pulse streamer corona discharge type ozone generator used for sterilization, oxidation, decolorization, deodorization and the like of a substance such as a liquid, and more specifically, a transient glow following a streamer discharge. The present invention relates to a method for suppressing discharge and increasing ozone generation efficiency.
[0002]
[Prior art]
In the pulse streamer corona discharge type ozone generator, a source gas containing oxygen is introduced into an ozone generator equipped with opposed electrodes that can generate a significantly unequal electric field, and a high-voltage pulse that rises rapidly between the opposed electrodes. By applying a voltage, streamer discharge (specifically, streamer corona discharge; the same applies hereinafter) is generated in the source gas containing oxygen, and ozone is generated from oxygen atom radicals generated in the discharge plasma by this streamer discharge. The
[0003]
An example of such an ozone generator is shown in FIG. This ozone generator has a coaxial cylindrical discharge
[0004]
An example of an ozone generator based on the same principle is disclosed in Japanese Patent Publication No. 3-64443.
[0005]
In this type of ozone generator, generally, the higher the converted electric field strength E / N (E is the electric field and N is the gas particle density) in the discharge plasma, the more suitable for ozone generation. When a pulse voltage V P rising at a high speed is applied, a strong streamer discharge is formed between the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Since streamer discharge occurs in the portion of the steep voltage change at the ozone generator of the pulse streamer corona discharge method, generally, streamer discharge is formed only to the rising portion of the applied pulse voltage V P. Its duration is at most several tens of ns. When the pulse width of the applied pulse voltage V P is longer than the duration of the streamer discharge, transient glow discharge is formed so as to follow the streamer discharge. Since the significant unequal electric field generated between the
[0007]
In the conventional ozone generator, the gas pressure (absolute pressure; hereinafter the same) of the
[0008]
Although the transient glow discharge can be suppressed if the pulse width of the applied pulse voltage V P can be suppressed to about the duration of the streamer discharge or less, it is not possible to reduce the pulse width of the applied pulse voltage V P to about several tens of ns or less in a practical device. Have difficulty. This is because the
[0009]
Therefore, the present invention mainly provides an ozone generation method capable of suppressing the transient glow discharge following the streamer discharge and improving the ozone generation efficiency without shortening the pulse width of the applied pulse voltage. Objective.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The ozone generation method of the present invention is characterized in that the raw material gas pressure between the electrodes of the ozone generator is set to 2 atm or more in absolute pressure when ozone is generated.
[0011]
The inventors have achieved a streamer discharge without increasing the pulse width of the applied pulse voltage by increasing the pressure of the raw material gas between the electrodes of the ozone generator, specifically by increasing the pressure to 2 atmospheres or more. It was experimentally found that the subsequent transient glow discharge can be suppressed. By this method, the ozone generation efficiency can be improved.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the ozone generator having the configuration shown in FIG. 1, a coaxial cylindrical discharge
[0013]
As can be seen from FIG. 2B, although the current component due to the streamer discharge generated at the rising portion of the pulse voltage V P is hardly changed even when the raw material gas pressure is changed, the current component due to the transient glow discharge following the streamer discharge is the raw material gas. Suppressed with increasing pressure. In particular, it can be seen that the transient glow discharge current component is effectively suppressed by setting the source gas pressure to 2 atmospheres or more.
[0014]
FIG. 3 shows an actual measurement example of ozone generation efficiency when the raw material gas pressure between the
[0015]
As can be seen from FIG. 3, when the raw material gas pressure is 1.2 to 1.7 atmospheres, a large amount of input power is required to increase the ozone concentration in the ozone-containing
[0016]
It can be seen from FIG. 2B that the higher the raw material gas pressure between the
[0017]
Further, since the discharge pressure of the normal
[0018]
The
[0019]
Further, the
[0020]
In the ozone generator of the pulse streamer corona discharge method, dry air or oxygen gas having a low dew point is usually used as the
[0021]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the raw material gas pressure between the electrodes of the ozone generator is set to 2 atm or more when ozone is generated, it is possible to follow the streamer discharge without reducing the pulse width of the applied pulse voltage. Ozone generation efficiency can be improved by suppressing transient glow discharge. As a result, ozone can be produced at a lower cost than in the past.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an example of an ozone generator.
FIG. 2 is a diagram showing an observation example of a discharge voltage waveform (B) when the pulse voltage waveform (A) and the raw material gas pressure are changed.
FIG. 3 is a diagram showing an actual measurement example of ozone generation efficiency when the raw material gas pressure is changed.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another example of an ozone generator.
FIG. 5 is a diagram showing an example in which a load is connected to an ozone generator.
[Explanation of symbols]
2
Claims (1)
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WO2010074195A1 (en) * | 2008-12-27 | 2010-07-01 | Namihira Takao | Pulse discharge generating method and apparatus |
-
1998
- 1998-03-06 JP JP07318998A patent/JP3982044B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPH11246203A (en) | 1999-09-14 |
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