JP4070342B2 - 沿面放電オゾン発生装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、沿面放電により酸素又は空気等のガスからオゾンを発生させる沿面放電オゾン発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、上下水道の殺菌、消臭及び脱色、工業排水の脱臭及び脱色、パルプ漂白、及び、医療機器の殺菌等を行う際にオゾンが使用されている。このようなオゾンを発生させるオゾン発生装置としては、無声放電を用いた装置が一般的に用いられている。すなわち、放電ギャップを介して複数の電極を対向配置し、この複数の電極間に交流電圧を印加すると共に、放電ギャップ内に原料ガスを流通させ、無声放電を生じさせることにより、オゾンの原料ガスからオゾンを生成する装置である。
【0003】
このような無声放電によるオゾン発生装置は、体積が大きく、電気効率が低い等の理由から、近年、沿面放電を用いた平板型のオゾン発生装置もまた研究されている。
【0004】
図6に、曲面構造沿面放電を用いた沿面放電オゾン発生装置の構成例を示す。同図において、沿面放電オゾン発生装置は、ガラスからなる誘電体板1と、この誘電体板1の表面に設けられ、銀ペースト等の導電材料にスクリーン印刷等を施すことにより製作した対をなす電極2,3と、これら電極2,3を被覆する誘電体層4とを備えている。また、誘電体板1の裏面側には、冷却水5により冷却される金属からなるヒートシンク6が、誘電体板1と密着して設けられている。
【0005】
更に、誘電体板1の表面の電極2,3の外側には、図示しないパッキンが配置されており、このパッキン上にガスガイド13が密着して設けられている。この誘電体板1の表面、すなわち誘電体層4とガスガイド13との間のギャップが放電部20となっており、ここにオゾン原料ガス14が供給される。このとき、電極2,3に高電圧を印加すると、誘電体層4の表面に沿面放電18が生じ、この沿面放電18によってオゾン原料ガス14からオゾン16が生成され、放電部20の図示しない出口からオゾン16が取り出される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の沿面放電オゾン発生装置においては、無声放電(ボリューム放電)によるオゾン発生装置と異なり、放電がギャップ全体に発生しない。すなわち、沿面放電オゾン発生装置では、電極近傍で厚さ数100μmの薄いシート状に放電が発生し、オゾンがこの部分からギャップ中に拡散していき、これが放電部の出口で取り出される。
【0007】
そのため、高濃度のオゾンを発生させる場合、発生したオゾンの濃度が高い部分において、放電によって生じる発熱によりガス温度が上昇し冷却水により有効に冷却されず、生成されたオゾンが熱によって分解(逆反応)してしまう場合がある。そのため、オゾン発生効率が低下してしまうという問題があった。
【0008】
このようなオゾンの逆反応を防止するためには、発生するオゾンの濃度、すなわち放電部の出口におけるオゾンの濃度が均一である必要がある。従って、オゾンの拡散時間が放電部におけるガスの滞留時間より短くなければならない。
【0009】
本発明は、以上のような従来技術の課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、放電部の出口におけるオゾン濃度が均一であり、オゾン発生効率の高い沿面放電オゾン発生装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、誘電体板と、前記誘電体板上に導電体材料により形成された1対の電極からなる沿面電極と、前記誘電体板の前記沿面電極の形成されていない面に設置された冷却板と、前記誘電体板の前記沿面電極の形成されている電極面と所定の距離を有して配置されたガスガイド板とからなり、前記電極面と前記ガスガイド板とのギャップに放電部が形成されてなる沿面放電オゾン発生装置において、次のような構成を有することを特徴としている。
【0011】
すなわち、請求項1記載の発明は、前記ギャップ長が、1mm以下であることを特徴としている。
このような請求項1記載の発明によれば、オゾンの拡散時間を放電部におけるガスの滞留時間より短くすることができる。そのため、放電部の出口におけるオゾン濃度を均一とすることができ、オゾンの発生効率を向上させることができる。
【0012】
また、請求項2記載の発明は、前記ギャップ長が、前記放電部の出口における該ギャップ方向のオゾン濃度の偏りが10%以下となるように設定されていることを特徴としている。
このような請求項2記載の発明によれば、放電部の出口におけるギャップ方向のオゾン濃度の偏りが10%以下となるような電極面とガスガイド板のギャップ長を計算で求め、ギャップ長をその値に設定することにより、放電部の出口におけるオゾン濃度を均一とすることができる。
【0013】
また、本発明は、誘電体板と、前記誘電体板上に導電体材料により形成された1対の電極からなる沿面電極と、前記誘電体板の前記沿面電極の形成されていない面に設置された冷却板とからなる2つの装置が、前記各誘電体板の前記沿面電極の形成されている電極面が対向するように配置され、それら対向する電極面のギャップに放電部が形成されてなる沿面放電オゾン発生装置において、次のような構成を有することを特徴としている。
【0014】
すなわち、請求項3記載の発明は、前記ギャップ長が、2mm以下であることを特徴としている。
このような請求項3記載の発明によれば、オゾンの拡散時間を放電部におけるオゾン原料ガスの滞留時間より短くすることができる。そのため、放電部の出口におけるオゾン濃度を均一とすることができ、オゾンの発生効率を向上させることができる。
【0015】
また、請求項4記載の発明は、前記ギャップ長が、前記放電部の出口における該ギャップ方向のオゾン濃度の偏りが10%以下となるように設定されていることを特徴としている。
【0016】
このような請求項4記載の発明によれば、放電部の出口におけるギャップ方向のオゾン濃度の偏りが10%以下となるような電極面のギャップ長を計算で求め、ギャップ長をその値に設定することにより、放電部の出口におけるオゾン濃度を均一とすることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による沿面放電オゾン発生装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0018】
[1.第1の実施の形態]
図1は、本実施の形態による沿面放電オゾン発生装置の構成を示す斜視図であり、図2は、その断面図である。図1に示すように、1はガラスからなる誘電体板であり、2,3は、対をなす電極であり、誘電体板1の表面に設けられ、銀ペースト等の誘電材料にスクリーン印刷等を施すことによって製作されている。4は、電極2,3を被覆する誘電体層である。
【0019】
また、6は、冷却水5(図2参照)によって冷却された金属からなるヒートシンクであり、誘電体板1の裏面側に誘電体板1と密着して設置されている。更に、7は、電極2,3を接続する配線であり、電極2,3と同一材料により同一の製作方法によって誘電体板1上に形成されている。この配線7の一部は、誘電体板1の外側に突出しており、誘電体層4によって被覆されていない配線取出し部8を形成する。また、9は、外部に設けられた高電圧を印加する交流電源であり、リード線10及びバネ式圧着器11を介して配線取出し部8に接続されている。
【0020】
更に、12はパッキンであり、誘電体板1の表面に設けられた電極2,3の外側に配置されている。13はガスガイドであり、上記パッキン12上に密着して配置されている。このガスガイド13には、外部からオゾン原料ガス14を導入するガス入口15と、オゾン16を取り出すガス出口17とが設けられている。また、図2において、誘導体層4の表面とガスガイド13の間隙の長さ、すなわちガスギャップ(以下、単にギャップという)長dは、1mm以下に設定されている。
【0021】
このような構成において、交流電源9から電源2,3に高電圧を印加することにより、誘電体層4の表面(放電部20)に沿面放電18が発生する。この沿面放電18により、オゾン原料ガス14からオゾン16が生成される。
【0022】
ここで、図3は、放電部20におけるオゾンの拡散過程を説明するモデル図である。この図において、誘電体層4とガスガイド13のギャップ長をdとし、このギャップ方向をX軸、ガスの流れ方向をY軸とする。また、沿面放電は、X=0から数100μm(約0.02cm)の範囲に発生しており、この領域で一様にオゾンが生成される。なお、拡散過程の効果のみ見積もるため、オゾン濃度の飽和は考慮しないこととする。
【0023】
ここで、ギャップ間でのオゾンの濃度は、以下の式によって見積もることができる。すなわち、オゾンの数密度を表す基本式は、以下のようになる。
【0024】
【数1】
なお、nは数密度、Dはオゾンの酸素中への拡散係数を表す。
【0025】
また、ガスの流れ方向Yに対するオゾンの数密度を表す基本式は、以下のようになる。
【0026】
【数2】
なお、vは流速を表す。ここで、(1)式及び(2)式を独立に解けばよいが、(2)式は時間tと流れ方向Yの変換を意味するため、(1)式を時間に対して解くことにより、Y方向の分布が求められる。
【0027】
具体的な例を以下に示す。すなわち、単位放電面積当たりの電力密度W/SをW/S=10kW/m2 、オゾン発生効率ηをη=100g/kWhと仮定し、ギャップ長dが0.5mm、1mm、2mm、及び5mmの各場合について計算した。その計算の結果を、図4に示す。
【0028】
図4において、縦軸のNL/NRは、図1及び図2に示す放電部20のオゾン濃度に対するガスガイド13の壁面付近のオゾン濃度の比を表しており、NL/NR=1が、ギャップ方向にオゾン濃度が一様であることを意味する。また、横軸のY/Lは、ガス流れ方向の距離を放電長で規格化したものであり、Y/L=1の点が、図1に示す放電部20の出口、すなわちガス出口17での分布を表している。
【0029】
図4に示す計算結果から、ギャップ長dが0.5mm及び1mmの場合に、ガス出口17においてギャップ方向にオゾン濃度がほぼ一様になることが分かる。すなわち、ギャップdが1mm以下であれば、高濃度のオゾンが発生することが分かる。なお、図示しないが、電力密度W/S=5kW/m2 の場合、及びW/S=1kW/m2 の場合共に、同様の計算結果が得られる。従って、単位放電面積当たりの電力密度によらず、ギャップdを1mm以下に設定することにより、オゾンの拡散時間が放電部20におけるガスの滞留時間より短くなり、それによりガス出口17、すなわち放電部20出口でのオゾン濃度の偏りを数%程度に抑えることができ、高濃度のオゾンを得ることができる。
【0030】
[2.第2の実施の形態]
本実施の形態による沿面放電オゾン発生装置は、図1及び図2に示す第1の実施の形態による沿面放電オゾン発生装置と同様の構成を有している。本実施の形態では、誘電体層4とガスガイド13のギャップdが、放電部20のガス出口17におけるオゾン16の濃度の偏りが10%以下となるように設定されている。なお、オゾン16の濃度の偏りについては、上記式(1)によって見積もる。
【0031】
そして、図4の計算結果から、放電部20のガス出口17におけるオゾン16の濃度の偏りを10%まで許容した場合、ギャップdは2mm以下であればよいことが分かる。沿面放電オゾン発生装置を大型で大容量の装置として製作する場合、部品精度及び組立精度の面を考慮すると、誘電体層4とガスガイド13の間隙、すなわちギャップはできるだけ大きい方が好ましい。従って、ギャップdを2mmとすることにより、装置の大型化が容易で、且つ、工業用製品として耐えうる沿面放電オゾン発生装置を提供することができる。
【0032】
[3.第3の実施の形態]
図5は、本実施の形態による沿面放電オゾン発生装置の構成を示す断面図である。本実施の形態では、第1及び第2の実施の形態において図1に示したガスガイド13を設ける代わりに、誘電体板1、電極2,3、誘電体層4、冷却水5及びヒートシンク6からなる放電電極ユニット30を、対向配置させた構成となっている。この場合、放電電極ユニット30,30の誘電体層4同士が対向するように配置されている。これら誘電体層4,4の間隙の長さであるギャップ長dは2mm以下に設定されている。
【0033】
上述した第1の実施の形態において、図3に示したように、誘導体層4とガスガイド13とののギャップ長dは1mm以下に設定されていたため、放電電極ユニット30,30の誘電体層4,4同士を対向配置させた本実施の形態では、ギャップ長dはその2倍の2mm以下とする。これにより、オゾンの拡散時間が放電部20におけるガスの滞留時間より短くなり、放電部20のガス出口(図示せず)でのオゾン濃度の偏りを数%程度に抑えることができ、高濃度のオゾンを得ることができる。
【0034】
[4.第4の実施の形態]
本実施の形態による沿面放電オゾン発生装置は、図5に示す第3の実施の形態による沿面放電オゾン発生装置と同様の構成を有している。本実施の形態では、誘電体層4,4のギャップ長dが、放電部20のガス出口(図示せず)におけるオゾン16の濃度の偏りが10%以下となるように設定されている。なお、オゾン16の濃度の偏りについては、上記式(1)によって見積もる。
【0035】
上述した第2の実施の形態において、放電部出口におけるオゾン濃度の偏りが10%以下となる為に、誘電体層4とガスガイド13とのギャップ長dを2mm以下に設定していた。本実施の形態では、放電電極ユニット30,30の誘電体層4,4同士を対向配置させているため、ギャップ長dはその2倍の4mm以下であれば、放電部20出口でのオゾン濃度の偏りが10%以下となる。
【0036】
沿面放電オゾン発生装置を大型で大容量の装置として製作する場合、部品精度及び組立精度の面を考慮すると、誘電体層4,4のギャップはできるだけ大きい方が好ましい。従って、ギャップ長dを4mmとすることにより、装置の大型化が容易で、且つ、工業用製品として耐えうる沿面放電オゾン発生装置を提供することができる。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ギャップ長を適切な値に設定することにより、オゾンの拡散時間が放電部におけるガスの滞留時間より短くなり、それにより放電部の出口におけるオゾン濃度を均一とすることができ、オゾン発生効率の高い沿面放電オゾン発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1及び第2の実施の形態による沿面放電オゾン発生装置の構成を示す斜視図
【図2】本発明の第1の実施の形態による沿面放電オゾン発生装置の構成を示す断面図
【図3】同実施の形態による放電部20におけるオゾンの拡散過程を説明するモデル図
【図4】放電部20におけるオゾン分布とギャップ長dの関係を示すグラフ
【図5】本発明の第3及び第4の実施の形態による沿面放電オゾン発生装置の構成を示す断面図
【図6】従来の沿面放電オゾン発生装置の構成を示す断面図
【符号の説明】
1…誘電体板
2,3…電極
4…誘電体層
5…冷却水
6…ヒートシンク
13…ガスガイド
14…オゾン原料ガス
15…ガス入口
16…オゾン
17…ガス出口
18…沿面放電
20…放電部
30…放電電極ユニット
Claims (4)
- 誘電体板と、前記誘電体板上に導電体材料により形成された1対の電極からなる沿面電極と、前記誘電体板の前記沿面電極の形成されていない面に設置された冷却板と、前記誘電体板の前記沿面電極の形成されている電極面と所定の距離を有して配置されたガスガイド板とからなり、前記電極面と前記ガスガイド板とのギャップに放電部が形成されてなる沿面放電オゾン発生装置において、
前記ギャップ長が、1mm以下であることを特徴とする沿面放電オゾン発生装置。 - 誘電体板と、前記誘電体板の同一面上に導電体材料により形成された1対の電極からなる沿面電極と、前記誘電体板の前記沿面電極の形成されていない面に設置された冷却板と、前記誘電体板の前記沿面電極の形成されている電極面と所定の距離を有して配置されたガスガイド板とからなり、前記電極面と前記ガスガイド板とのギャップに放電部が形成されてなる沿面放電オゾン発生装置において、
前記ギャップ長が、前記放電部の出口における該ギャップ方向のオゾン濃度の偏りが10%以下となるように設定されていることを特徴とする沿面放電オゾン発生装置。 - 誘電体板と、前記誘電体板上に導電体材料により形成された1対の電極からなる沿面電極と、前記誘電体板の前記沿面電極の形成されていない面に設置された冷却板とからなる2つの装置が、前記各誘電体板の前記沿面電極の形成されている電極面が対向するように配置され、それら対向する電極面のギャップに放電部が形成されてなる沿面放電オゾン発生装置において、
前記ギャップ長が、2mm以下であることを特徴とする沿面放電オゾン発生装置。 - 誘電体板と、前記誘電体板の同一面上に導電体材料により形成された1対の電極からなる沿面電極と、前記誘電体板の前記沿面電極の形成されていない面に設置された冷却板とからなる2つの装置が、前記各誘電体板の前記沿面電極の形成されている電極面が対向するように配置され、それら対向する電極面のギャップに放電部が形成されてなる沿面放電オゾン発生装置において、
前記ギャップ長が、前記放電部の出口における該ギャップ方向のオゾン濃度の偏りが10%以下となるように設定されていることを特徴とする沿面放電オゾン。
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