JP4102126B2 - オゾン発生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浄水処理や、パルプ漂白、排ガス処理、産業廃水処理、医療器具の殺菌等の目的で、脱臭や脱色等のためのオゾンを発生する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・脱臭・脱色や、工業廃水の脱臭・脱色、パルプ漂白、さらには医療機器の殺菌等、を行うためにオゾンが用いられている。このようなオゾンを発生させる手段として放電によってオゾンを発生させるオゾン発生装置が用いられている。特に、近年、水源の汚濁に伴う富栄養価に基づく水問題や、難分解性物質の混入の問題が懸念され、水道水汚染に象徴される微量レベルの有機物に対処しなければならないケースが増加するとともに、オゾンを用いた高度な処理が求められるようになっている。
【０００３】
上述したような用途に用いられるオゾン発生装置として、対向電極間での無声放電によりオゾンを発生させる方式のものと、沿面電極間での沿面放電によりオゾンを発生させる方式のものが知られている。
【０００４】
図８は無声放電方式のオゾン発生装置の要部構成を示す概念図である。図８に示すオゾン発生装置においては、一対の電極５１ａ，５１ｂを対向して配置し、各電極５１ａ，５１ｂの対向面にそれぞれ誘電体５２ａ，５２ｂを配置し、両誘電体５２ａ，５２ｂの間に放電空間５３を形成している。放電空間５３に原料ガス５４が供給された状態で、電極５１ａ，５１ｂ間に高圧電源５６から高電圧を印加して無声放電を生じさせることにより、オゾン化ガス５５を発生するようにしている。
【０００５】
しかしながら、図８を参照して説明した従来の無声放電方式のオゾン発生装置においては、その性能が放電空間５３の放電ギャップに大きく影響されるにもかかわらず、製造に際して放電領域全域にわたって放電ギャップを精度よく製作することは困難である。そのため放電密度分布に偏りが生じ、それがオゾンの発生効率の低下につながっている。特に、小ギャップ化するときの製造上の寸法管理及び誤差管理には困難が予想され、性能上の不安定さが指摘されている。
【０００６】
図９は沿面放電方式のオゾン発生装置の要部構成を示す概念図である。この方式のオゾン発生装置は、放電空間のギャップ管理の容易さ、および高効率化の観点から近時多く用いられるようになっているものである。図９に示すオゾン発生装置においては、板状に構成された誘電体６２の一方の面上に金属製の複数の電極６１ａが線状にスクリーン印刷等で一定の間隔でストライプ状に配設されており、誘電体６２の他方の面には板状の共通の電極６１ｂが配設されている。電極６１ａの面上に原料ガス６５を流し、電極６１ａ，６１ｂ間に高圧電源６３から高電圧を印加して沿面放電６４を起こさせ、オゾン化ガス６６を生成させる。
【０００７】
図９を参照して説明した沿面放電方式のオゾン発生装置においては、放電ギャップの管理を精度良く行うことができ、またオゾン発生性能を向上させることができるという利点を持っている反面、ストライプ状の電極６１ａが直接放電に曝されるので、イオン衝突により金属製の電極６１ａが劣化してしまうという問題があった。
【０００８】
そこで、特開２００１−３０２２１５号公報に記載されているように、放電ギャップの管理を精度良く行うことができるという沿面放電方式の特性を維持しつつ、放電電極の破損を防止するとともに、オゾンの高濃度化およびオゾン発生効率の向上を図ったオゾン発生装置も提案されている。しかし、ここで提案されているオゾン発生装置は、原料ガスとして比較的高濃度の酸素を用いることを意図したものであり、そのため、酸素発生装置および酸素ガスの管理手段を必要とするので、高コストの装置になる。このような不都合を回避するために、敢えて原料ガスとして空気等を用いることにすると、高濃度のオゾンを高効率で発生させることは非常に困難になる。そればかりでなく、原料ガスに窒素を含む場合、放電に伴う生成オゾン（Ｏ_３）との化学反応により一般にノックス（ＮＯ_Ｘ）と言われる窒素酸化物を生成し、オゾン生成効率を低下させるとともに、大気汚染を引き起こす一因となったりする。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の点を考慮し、原料ガスとしてより安価な空気を使用しつつ高濃度オゾンの発生およびオゾン発生の高効率化を達成し得るオゾン発生装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のオゾン発生装置は、一方の面上に所定間隔をあけて少なくとも一対の放電電極が配置された電極基板と、少なくとも一対の放電電極を覆うように電極基板上に設けられた誘電体と、電極基板上に設けられた誘電体との間にガス流路空間を形成するように誘電体に対して所定間隔をあけて配置された第３電極と、少なくとも一対の放電電極に放電のための高電圧を印加するとともに、第３電極に少なくとも一対の放電電極の一方の電位もしくは中間電位を印加する高圧電源とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
電極基板の少なくとも一対の放電電極が配置された側とは反対側には冷却体を設けるのが望ましい。また、第３電極はガス流路空間とは反対側にコーティングされた誘電体を備えるのが好ましい。さらに、ガス流路空間内に第３電極に対向して配設された放電ピンと、この放電ピンに高電圧を印加し第３電極との間にスパーク放電を発生させるスパーク発生手段とをさらに備えるのが好ましい。さらに、ガス流路空間内に形成される放電空間に紫外線を照射する紫外線照射手段を備えるのが好ましい。
【００１２】
上記目的を達成するために本発明はさらに、一対の放電ユニットと、この一対の放電ユニットのそれぞれに放電のための高電圧を印加する高圧電源とを備え、一対の放電ユニットのそれぞれは、一方の面上に所定間隔をあけて少なくとも一対の放電電極が配置された電極基板と、少なくとも一対の放電電極を覆うように電極基板上に設けられた誘電体とを備え、一対の放電ユニットは、誘電体どうしの間にガス流路空間を形成するように誘電体どうしが所定間隔をあけて対向配置されていることを特徴とするオゾン発生装置を提供するものである。
【００１３】
この発明においても、一対の放電ユニットはそれぞれ、電極基板の少なくとも一対の放電電極が配置された側とは反対側に冷却体を備えるのが好ましい。
【００１４】
各発明において、電極基板はセラミックス材料から構成するのが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態を示すものである。図１において、圧力容器（図示せず）内に納められた、誘電体、例えばガラス材料からなる電極基板３の一方の面上に所定間隔で少なくとも一対の放電電極１ａ，１ｂを配置し、放電電極１ａ，１ｂを覆うように電極基板３上に誘電体２をコーティングしている。放電電極１ａ，１ｂは電極基板３上にスクリーン印刷やエッチング等の技術により高精度に形成することができる。電極基板３の他方の面側には電極基板３を冷却するための冷却体５が電極基板３に熱的に良好に接触する状態で配設されている。冷却体５は冷却水入口ポート９および冷却水出口ポート１０を有し、冷却水入口ポート９から導入された冷却水６が内部を通る過程で電極基板３を冷却し、それによって温められた冷却水は冷却水出口ポート１０から排出される。電極基板３上の誘電体２との間に所定のガス流路空間１１を形成するようにガスガイドを兼ねる板状の第３電極４が配置されている。第３電極４は一般的には金属材料で構成される。ガス流路空間１１は発生オゾンの高濃度化およびオゾンの発生効率の点から１．０ｍｍ程度の割に狭いものである。放電電極１ａ，１ｂには放電発生のために高圧電源１３から１ｋＨ程度で数ｋＶの高電圧が印加される。第３電極４は高圧電源１３の接地電位点もしくは高圧電位点に電気的に接続される。ガス流路空間１１には入口側から酸素を含むオゾン原料ガス７が供給され、ガス流路空間１１内で放電作用の下にオゾンガス８が発生され出口側から排出される。ここでオゾン原料ガス７としては乾燥空気が用いられ、それ故に密閉圧力容器が用いられる。
【００１７】
図２は、電極基板３および放電電極１ａ，１ｂの相互関係を平面方向から見た図として示したものである。電極基板３上の両端縁部に一対の放電電極バス２２ａ，２２ｂ（２２ａのみ図示、２２ｂは省略）が配設され、一方の放電電極１ａは一方の放電電極バス２２ａに接続され、他方の放電電極１ｂは他方の放電電極バス２２ｂに接続される。高圧電源１３からの高電圧は放電電極バス２２を介して放電電極１ａ，１ｂに印加される。図２には、放電電極１ａ，１ｂの線幅が図１に比べて小さく表現されている。放電電極１ａ，１ｂの線幅は各種の寸法とすることができ、例えばミクロンオーダレベルで形成することも可能である。誘電体２は破線で示すごとく、放電電極１ａ，１ｂを覆うように電極基板３上にコーティングされる。
【００１８】
さて、図１のオゾン発生装置において、ガス流路空間１１内にオゾン原料ガス７として乾燥空気を供給しながら、放電電極１ａと放電電極１ｂ、第３電極４との間、または放電電極１ａ、第３電極４と放電電極１ｂとの間に高圧電源１３から高電圧を印加することによって、ガス流路空間１１内に共面放電１２が形成され、オゾン発生特性のよいオゾンガス８となってガス出口から排出される。その場合、冷却体５に冷却水６を通流することによって、電極基板３および誘電体２を介してガス流路空間１１内のガスを冷却することができ、それにより電極近傍での窒素酸化物の生成を抑制する。
【００１９】
本実施の形態によれば、通常、オゾン原料ガス７として用いられる空気に含まれる窒素ガスから共面放電１２によって誘電体２の電極近傍で多量の窒素酸化物が生成されるが、共面放電方向だけでなく、第３電極により対向側にも電界をかけることにより、共面方向の電界を緩和して、オゾンを分解する窒素酸化物の生成を抑制し、また第３電極４により共面放電１２の高さを盛り上げることができ、それによって電極近傍での窒素酸化物の生成を抑制し、窒素酸化物によるオゾンの分解を抑制することができる。したがって、オゾン原料ガス７として安価な空気を用いながら、高オゾン濃度で高オゾン生成効率のオゾン発生装置を提供することができる。
【００２０】
＜第２の実施の形態＞
次に本発明の第２の実施の形態について図３を参照して説明する。図３に示すオゾン発生装置は、図１に示す実施の形態との比較において、第３電極４のガス流路空間１１側に誘電体１６をコーティングしたことを特徴とするものである。他は、図１に示す実施の形態と変わりがない。誘電体１６の材料としては、比較的高熱環境下で用いられる関係上、熱膨張係数が第３電極４のそれと近似したものを用いるのが望ましい。
【００２１】
本実施の形態によれば、第３電極４に誘電体１６をコーティングすることにより、放電による第３電極４の表面の劣化を防止し、第３電極４からの金属ダストの放散を無くすことができ、装置の長寿命化を達成し、信頼性のあるオゾン発生装置を提供することができる。
【００２２】
＜第３の実施の形態＞
図４は本発明の第３の実施の形態を示すものである。図４に示すオゾン発生装置は、図１に示す実施の形態との比較において、第３電極４を冷却体としても機能するように構成するとともに、第３電極４に印加する電圧を、放電電極１ａ，１ｂ間に印加する電圧の中間の電圧とするようにしたことを特徴とするものである。すなわち、この実施の形態における第３電極４は、まず第一に、冷却体５を背中合わせに反転したような構造を持ち、冷却水２６を通流させるために冷却水入口ポート１４および冷却水出口ポート１５を有し、冷却水入口ポート１４から導入された冷却水２６が内部を通る過程でガス流路空間１１内のガスを付加的に冷却する。次に、図１，３の高圧電源１３は２つの高圧電源１３ａ，１３ｂに分割され、両高圧電源１３ａ，１３ｂの出力電圧の和の電圧が放電電極１ａ，１ｂ間に印加され、両高圧電源の中間接続点の電位（電圧）が第３電極４に印加される。このことは換言すれば、第３電極４には、放電電極１ａ，１ｂ間に印加される電圧の中間の電圧が印加される、ということである。他は、図１に示す実施の形態と変わりがない。なお、接地点は種々選定し得るが、図示のごとく、両高圧電源１３ａ，１３ｂの中間接続点を接地点とすることができる。この場合、第３電極４は接地電位となり、放電電極１ａ，１ｂの一方には接地点に対して正の電圧が印加され、他方の放電電極には負の電圧が印加されることになる。
【００２３】
本実施の形態によれば、図１に示す第１の実施の形態の作用効果に加えて、第３電極４による冷却効果によりガス流路空間１１内のガスをさらに効率的に冷却することができ、ガス温度の低減によりオゾンの分解が抑制され、より高効率のオゾン発生装置を提供することができる。また、第３電極４の機能を図１，３の実施の形態と同等に維持しつつ、両放電電極１ａ，１ｂに対して電位差を有するので、第３電極４の表面に電荷を溜めることにより放電電極１ａ，１ｂ間で発生する共面放電が第３電極４側に膨らみ、共面放電電極基板３近傍での強い放電が抑制され、電極基板３近傍での窒素酸化物の生成が抑制され、オゾン生成効率をさらに向上させることができる。
【００２４】
＜第４の実施の形態＞
図５は本発明の第４の実施の形態を示すものである。図５に示すオゾン発生装置は、図１に示す実施の形態を基本とし、それに、スパーク発生装置を付加したものである。ここでスパーク発生装置は、ガス流路空間１１内の出口ポート付近に第３電極４に対向して配設された放電ピン１７と、高圧直流電源１９と、この高圧直流電源１９から充電抵抗２０を介して充電されるコンデンサ２１と、コンデンサ２１の充電電荷を放電抵抗２４を介して放電させるスイッチ２３とを備え手いる。スイッチ２３は例えば１ｋＨｚ程度の繰返し周波数でオン・オフされ、オフの時に、高圧直流電源１９から充電抵抗２０を介してコンデンサ２１を高電圧に充電し、オンの時にその充電電圧を、放電抵抗２４を介して放電ピン１７に印加して、第３電極４との間に紫外線スパーク１８を発生させ、ガス流路空間１１に電子を供給する。
【００２５】
本実施の形態によれば、ガス流路空間１１に多数の電子を存在させることにより放電電極１ａ，１ｂ間の放電電圧を低減させることができ、誘電体２の表面に強く形成される放電による窒素酸化物の生成を抑えて、高効率のオゾン発生装置を提供することができる。
【００２６】
＜第５の実施の形態＞
図６は本発明の第５の実施の形態を示すものである。図６に示すオゾン発生装置は、図１に示すオゾン発生装置におけるガス流路空間１１の入口側に紫外線照射手段として紫外線ランプ２４を配置しており、紫外線ランプ２４からガス流路空間１１内の放電空間に電子を供給する。
【００２７】
本実施の形態によれば、紫外線ランプ２５を配置したことにより、ガス流路空間１１に電子が多数存在することになるため、放電電極１ａ，１ｂ間の放電電圧を低減させ、電界を抑えて、誘電体２の表面で強く形成される放電による窒素酸化物の生成を抑制し、高効率のオゾン発生装置を提供することができる。
【００２８】
＜第６の実施の形態＞
図７は本発明の第６の実施の形態を示すものである。図７に示すオゾン発生装置は、図１に示す電極基板３、放電電極１ａ，１ｂ、誘電体２、および冷却体５からなる第１の放電ユニット３０Ａと、これと同一構造を有する第２の放電ユニット３０Ｂを用意し、両者の一方を１８０度回転した相対位置で、両者の誘電体２が所定の放電ギャップすなわちガス流路空間１１を形成するように対向し、かつ一方の放電ユニットの放電電極１ａと他方の放電ユニットの放電電極１ｂとが対向し、両放電ユニットの誘電体２間にガス流路空間１１が形成されるように配置したものである。ここには図１における第３電極４は設けられていない。高圧電源１３は両放電ユニット３０Ａ，３０Ｂに共通に設けられ、両放電ユニットの放電電極１ａ，１ｂに高電圧を印加する。この実施の形態においては、両放電ユニット３０Ａ，３０Ｂが互いに相手方放電ユニットに対する第３電極として機能する。
【００２９】
本実施の形態によれば、一方の放電ユニットの放電電極１ａ，１ｂとそれに対向する他方の放電ユニットの放電電極１ｂ，１ａとの間にも電界が発生し、そのため一つの放電ユニットにおける放電電極１ａ，１ｂ間の放電電圧が低減し、しかも共面放電１２が対向側に膨らみ、特に窒素を含んだ原料ガスを用いた場合に電極基板の近傍での窒素酸化物の生成を抑制し、誘電体２の表面で強く形成される放電による窒素酸化物の生成を抑えて、高効率のオゾン発生装置を提供することができる。しかも、両放電ユニット３０Ａ，３０Ｂでの放電作用により、効率的なオゾン発生を達成することができる。
【００３０】
＜第７の実施の形態＞
第７の実施の形態は、以上述べた各実施の形態において、放電電極１ａ，１ｂを載置する電極基板３をセラミックス材料によって構成することを特徴とするものである。因みに、セラミックスの熱伝達率はガラスのそれに比べて１０倍以上であり、セラミックスは製作が容易であるという利点を持っている。
【００３１】
本実施の形態によれば、電極基板３を、一般的に用いられるガラス材料に代えて、ガラス材料より熱伝達率の良いセラミックス材料によって構成することにより、冷却効率を一層向上させてガス流路空間１１内のガス温度を一層抑制することができ、生成オゾンの分解を抑制し、より高性能なオゾン発生装置を提供することができる。
【００３２】
なお、上記各実施の形態においては、原料ガスとして乾燥空気を用いるものとして説明した。しかし、それは原料ガスとして相対的に含有酸素の少ない空気を用いても十分高濃度で高効率のオゾン発生装置を構成することができるという意味であって、前述の特開２００１−３０２２１５号公報に記載されているオゾン発生装置が意図している酸素を原料ガスとして用いることが不適当という意味ではない。本発明のオゾン発生装置においても原料ガスとして酸素を用いることは可能であり、そうすることにより、より高濃度で高効率のオゾン発生を実現することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、ガスガイドを兼ねる第３電極を設けることにより、原料ガスに含まれる窒素が共面放電によってオゾンを分解する窒素酸化物の生成を抑制することができ、高濃度で高効率の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】本発明によるオゾン発生装置の第１の実施の形態を示す配置図。
【図２】図１における電極基板、放電電極および誘電体の相互関係を示す平面図。
【図３】本発明によるオゾン発生装置の第２の実施の形態を示す配置図。
【図４】本発明によるオゾン発生装置の第３の実施の形態を示す配置図。
【図５】本発明によるオゾン発生装置の第４の実施の形態を示す配置図。
【図６】本発明によるオゾン発生装置の第５の実施の形態を示す配置図。
【図７】本発明によるオゾン発生装置の第６の実施の形態を示す配置図。
【図８】無声放電方式の一般的なオゾン発生装置を示す配置図。
【図９】沿面放電方式の一般的なオゾン発生装置を示す配置図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ 放電電極
２ 誘電体
３ 電極基板
４ 第３電極
５ 冷却体
６ 冷却水
７ 原料ガス
８ オゾンガス
９ 冷却水入口ポート
１０ 冷却水出口ポート
１１ ガス流路空間
１２ 共面放電
１３ 高圧電源
１３ａ，１３ｂ 高圧電源
１４ 冷却水入口ポート
１５ 冷却水出口ポート
１６ 誘電体
１７ 放電ピン
１８ 紫外線スパーク
１９ 高圧直流電源
２０ 充電抵抗
２１ コンデンサ
２２ａ 放電電極バス
２３ スイッチ
２４ 放電抵抗
２５ 紫外線ランプ
２６ 冷却水
３０Ａ，３０Ｂ 放電ユニット

Claims (6)

1. 一方の面上に所定間隔をあけて少なくとも一対の放電電極が配置された電極基板と、
   前記少なくとも一対の放電電極を覆うように前記電極基板上に設けられた誘電体と、
   前記電極基板上に設けられた前記誘電体との間にガス流路空間を形成するように前記誘電体に対して所定間隔をあけて配置された第３電極と、
   前記少なくとも一対の放電電極に放電のための高電圧を印加するとともに、前記第３電極に前記少なくとも一対の放電電極の一方の電位もしくは中間電位を印加する高圧電源と
   を備えたことを特徴とするオゾン発生装置。
2. 前記電極基板の前記少なくとも一対の放電電極が配置された側とは反対側に設けられた冷却体をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 前記第３電極はガス流路空間側にコーティングされた誘電体を備えていることを特徴とする請求項１記載のオゾン発生装置。
4. 前記第３電極は前記ガス流路空間とは反対側に冷却体を備えていることを特徴とする請求項１記載のオゾン発生装置。
5. 前記ガス流路空間内に前記第３電極に対向して配設された放電ピンと、この放電ピンに高電圧を印加し前記第３電極との間にスパーク放電を発生させるスパーク発生手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のオゾン発生装置。
6. 前記ガス流路空間内に形成される放電空間に紫外線を照射する紫外線照射手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のオゾン発生装置。

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