JP4180179B2 - オゾン発生装置用放電セル - Google Patents

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１４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】
放電空隙４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、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、複数の絶縁体層が、対応する焼成前の絶縁体シートを積層し焼成することにより、層厚方向に一体化されて形成された１又は複数の絶縁体ブロックを主構成体とする。
【００１５】
この絶縁体ブロックは、当該絶縁体ブロック内の中間の絶縁体層をスペーサとして当該絶縁体層を挟む２つの絶縁体層の間に放電空隙を形成する。ここにおける絶縁体としては、機械的強度に優れたセラミックが好適であるが、ガラスでもよい。
【００１６】
一対の面状電極は、その一方又は両方が、放電空隙を挟む絶縁体層の反空隙側に設けられる。一対の面状電極の両方を、放電空隙を挟む絶縁体層の反空隙側に設けた場合は、放電空隙を挟む２つの絶縁体層が誘電体となり、一対の面状電極の一方を、放電空隙を挟む絶縁体層の反空隙側に設けた場合は、一方の側の絶縁体層が誘電体となり、他方の側では、面状電極が絶縁体層の空隙側に設けられて放電空隙に臨むことになる。
【００１７】
放電空隙へのパーティクルの放出を抑制する観点からは、面状電極を放電空隙に臨ませない構成が好ましいが、面状電極が放電空隙に臨む構成は、原料ガスとして触媒作用のある窒素ガス或いは炭酸ガス等を含まない高純度酸素ガスを用いた場合に問題となるオゾン濃度の経時的な低下を抑制するのに有効である。
【００１８】
絶縁体ブロック内に形成された放電空隙の冷却は、次の４つの形態により行われる。
【００１９】
▲１▼ 放電空隙を挟む２つの絶縁体層の両側に位置する２つの絶縁体層の両方に形成された冷媒流通路を流通する液体冷媒により、放電空隙を両側から液冷する（両面液冷）。
▲２▼ 放電空隙を挟む２つの絶縁体層の両側に位置する２つの絶縁体層の一方に形成された冷媒流通路を流通する液体冷媒により、放電空隙を片側から液冷する（片面液冷）。
▲３▼ 当該絶縁体ブロックの両側に配置された一対の空冷ヒートシンクにより、絶縁体ブロック内の放電空隙を両側から空冷する（両面空冷）。
▲４▼ 当該絶縁体ブロックの片側に配置された空冷ヒートシンクにより、絶縁体ブロック内の放電空隙を片側から空冷する（片面空冷）。
【００２０】
本発明のオゾン発生装置用放電セルでは、放電空隙を挟む一対の絶縁体層の一方又は両方が誘電体として機能することにより、放電空隙で放電が発生し、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、放電空隙を形成するスペーサは、絶縁体ブロック内の中間の絶縁体層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。
【００２１】
中間の絶縁体層を挟む一対の絶縁体層は、その間の絶縁体層や他の絶縁体層と積層されて一体化されているために、締め付け部の絶縁体厚が大きくなる。このため、スペーサが硬い絶縁体層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、一対の絶縁体層が破損せず、中間の絶縁体層を含む他の絶縁体層も破損しない。
【００２２】
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。
【００２３】
また、放電空隙用のスペーサを形成する中間の絶縁体層とこれを挟む一対の絶縁体層が一体化されているために、放電空隙の気密性に優れる。従って、高い原料ガス圧力を確保することもできる。
【００２４】
放電空隙の冷却については、中間の絶縁体層をスペーサとして該絶縁体層を挟む一対の絶縁体層の間に放電空隙が形成さるため、放電空隙のギャップを小さくできる。また、中間の絶縁体層もこれを挟む一対の絶縁体層も熱伝導性が良好である。これらのために、絶縁体ブロック及びその内部の放電空隙の冷却性能が本質的に高い。
【００２５】
そして、絶縁体層が電気的な絶縁層となることにより、高圧電極側においても液冷による効率的な冷却が可能となり、高圧電極側及び低圧電極側の両方から放電空隙を液冷する両面液冷の場合は、特に高い冷却性能が得られ、片方（通常は低圧電極側）から液冷する片面液冷の場合でも、高い冷却性能が確保される。従って、高いオゾン発生効率が得られる。
【００２６】
しかも、液体冷媒の流通路が放電空隙と同様に薄く形成されるため、冷却構造の大型化が回避され、片面液冷の場合は、一方の冷却構造が省略されることにより、その小型化が特に顕著であり、製造コストも低減される。
【００２７】
また、絶縁体ブロック及びその内部の放電空隙の冷却性能が本質的に高いため、空冷式でも比較的高い冷却性能が得られ、小型化も可能となる。空冷式は水冷式よりオゾン発生効率は劣るが、ファシリティの制限が少なくて使いやすく安価に製作できる利点がある。空冷式の場合も両側からの空冷（両面空冷）だけでなく、片側からの空冷（片面空冷）も可能である。
【００２８】
このように、本発明のオゾン発生装置用放電セルは、放電空隙の冷却性能に優れることにより、高いオゾン発生効率を確保でき、合わせて冷却構造の大型化を効果的に回避できる。
【００２９】
面状電極としては、導電板でもよいが、絶縁体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、隣接する絶縁体層の間に封入される。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。面状電極は又、放電空隙に対応する部分と通電に必要な部分に限定的に設けることができる。この構成によると、一対の面状電極に挟まれた放電空隙以外の絶縁体に流れる無効電流が減ることで電力効率が向上し、且つ無効電流による発熱が抑えられることでオゾン発生効率も向上する。この構成は、放電空隙が後述する分割形式の場合に特に有効である。
【００３０】
放電空隙に原料ガスを導入するガス導入路、及び放電空隙で生じたオゾンガスを外部に排出するガス排出路は、複数の絶縁体層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。
【００３１】
冷媒流通路に液体冷媒を導入する冷媒導入路、及び冷媒流通路から外部へ液体冷媒を排出する冷媒排出路についても、複数の絶縁体層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。
【００３２】
放電空隙及び冷媒流通路は、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するのが好ましい。この構成は流体の均一分布の点から好ましく、放電空隙ではギャップを精度よく保持できる点、冷媒流通路を仕切るリブ部が熱伝導体となって放電空隙の冷却を促進する点、更には沿面放電を期待できる点からも好ましい。
【００３３】
本発明のオゾン発生装置用放電セルは、絶縁体ブロックを構成する複数の絶縁体層に各対応する複数枚の絶縁体シートを作製するべく、複数枚の焼成前の絶縁体シートに加工及び／又は処理を行い、作製された複数枚の絶縁体シートを重ね合わせて焼成して絶縁体ブロックとなす方法により、簡単に製造される。
【００３４】
なお、絶縁体のなかの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。
【００３５】
【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。
【００３６】
図１は本発明の第１実施形態にかかる放電セルを用いたオゾン発生装置の平面図及び側面図、図２は同オゾン発生装置に使用されるポートプレートの平面図及び底面図、図３は同オゾン発生装置に使用されるボトムプレートの平面図及び底面図、図４は同放電セルを構成する絶縁体ブロックの斜視図、図５は同絶縁体ブロックを構成する複数の絶縁体層を便宜上分解して示した斜視図である。
【００３７】
オゾン発生装置は、図１に示すように、放電セル１００を上下のエンドプレート６０，７０の間に挟み、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。放電セル１００は両面液冷型で、偏平な直方体形状をした複数（図では４個）の絶縁体ブロック１０，１０・・を重ね合わせて、上段のポートプレート１１０と下段のボトムプレート１２０の間に挟んだ構成になっている。ポートプレート１１０及びボトムプレート１２０も絶縁体からなる。絶縁体はここではセラミックであるが、ガラスであってもよい。
【００３８】
各絶縁体ブロック１０は、図４及び図５に示すように、７層の絶縁体層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。各絶縁体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層の絶縁体層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絶縁体ブロック１０を形成している。
【００３９】
絶縁体ブロック１０の中には、放電用の上下一対の面状電極３０，３０が、絶縁体ブロック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。絶縁体ブロック１０の上面には、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。冷媒流通路４０と上段の面状電極３０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。
【００４０】
絶縁体ブロック１０の左右の縁部には、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、絶縁体ブロック１０を上下方向に貫通して形成されている。絶縁体ブロック１０の前後の縁部には、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、絶縁体ブロック１０を上下方向に貫通して形成されている。
【００４１】
絶縁体ブロック１０を構成する７つの絶縁体層１１〜１７のうち、上から１層目の絶縁体層１１は、冷媒流通路４０を形成するためのスペーサである。２層目の絶縁体層１２はアースである。３層目の絶縁体層１３は絶縁体である。４層目の絶縁体層１４は放電用の誘電体である。５層目の絶縁体層１５は、放電空隙２０を形成するためのスペーサである。６層目の絶縁体層１６は放電用の誘電体である。７層目の絶縁体層１７は絶縁体である。これら絶縁体層の詳細な構造は以下の通りである。
【００４２】
なお、絶縁体である３層目の絶縁体層１３の厚みが十分に厚い場合は、２層目のアース用絶縁体層１２がなくても冷媒への電流漏洩が防止されるので、絶縁体層１２が省略可能である。
【００４３】
冷媒流通路４０を形成するためのスペーサである１層目の絶縁体層１１には、その冷媒流通路４０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１１ｄ，１１ｄ・・が幅方向に等間隔で設けられている。絶縁体層１１の左右の縁部には、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１１ａ，１１ａ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。絶縁体層１１の前縁部には端子部１０′を形成するために突起１１ｅが設けられている。絶縁体層１１の厚みは例えば２．０ｍｍである。
【００４４】
アースである２層目の絶縁体層１２の下面には、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の一部を絶縁体ブロック１０の外に引き出すための端子部１０′を形成するために、絶縁体層１２には前方に突出する突起１２ｅが設けられており、その下面にも面状電極５０が被覆されている。絶縁体層１２の左右の縁部には、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、前後の縁部には、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。絶縁体層１２の厚みは例えば０．３ｍｍである。面状電極５０の厚みは例えば１０〜２０μｍである。
【００４５】
絶縁体である３層目の絶縁体層１３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。高圧電極の一部を絶縁体ブロック１０の外に引き出すための端子部１０′を形成するために、絶縁体層１３には前方に突出する突起１３ｅ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。絶縁体層１３の左右の縁部には、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１３ａ，１３ａが設けられている。絶縁体層１３の前後の縁部には、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。絶縁体層１３の厚みは例えば３．０ｍｍである。面状電極３０の厚みは例えば１０〜２０μｍｍｍである。
【００４６】
誘電体である４層目の絶縁体層１４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が左右の縁部に位置して設けられ、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が前後の縁部に位置して設けられている。ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合は、これが絶縁体層１４の下面に実施される。絶縁体層１４の厚みは例えば０．３ｍｍである。
【００４７】
放電空隙２０を形成するためのスペーサである５層目の絶縁体層１５には、その放電空隙２０の形成のために、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１５ｄ，１５ｄ・・が前後方向に等間隔で設けられている。絶縁体層１５の前後の縁部には、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１５ｂ，１５ｂ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。絶縁体層１５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。
【００４８】
誘電体である６層目の絶縁体層１６は、同じく誘電体である４層目の絶縁体層１４と実質同一であり、ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合はこれが上面に実施される。絶縁体層１６の左右の縁部には、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、前後の縁部には、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。絶縁体層１６の厚みは例えば０．３ｍｍである。
【００４９】
絶縁体である７層目の絶縁体層１７の上面には、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は低圧電極である。低圧電極の一部を絶縁体ブロック１０の外に引き出すための端子部１０′を形成するために、絶縁体層１７には前方に突出する突起１７ｅ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。絶縁体層１７の左右の縁部には、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。絶縁体層１７の前後の縁部には、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１７ｂ，１７ｂが設けられている。絶縁体層１７の厚みは例えば３．０ｍｍである。面状電極３０の厚みは例えば１０〜２０μｍｍｍである。
【００５０】
絶縁体ブロック１０は、以上７つの絶縁体層１１〜１７を一体化することにより構成されている。従って、絶縁体ブロック１０の１層目には冷媒流通路４０が形成され、５層目には放電空隙２０・・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。
【００５１】
一方、３層目のセラミック１３と４層目の絶縁体層１４の間には、高圧電極である面状電極３０が封入され、６層目のセラミック１６と７層目の絶縁体層１７の間には、低圧電極である面状電極３０が封入される。これにより、面状電極３０，３０の間には誘電体である絶縁体層１４，１６を介して放電空隙２０が形成される。また、２層目のセラミック１２と３層目の絶縁体層１３の間には、アース用の面状電極５０が封入される。
【００５２】
そして、放電セル１００は、上記の絶縁体ブロック１０を複数段に重ね合わせて上段のポートプレート１１０と下段のボトムプレート１２０の間に挟み、更にこれらを上下のエンドプレート６０，７０間に挟み、４本のタイロッド８０，８０・・により、エンドプレート６０，７０間に固定される。隣接する絶縁体の間は例えばガラス接合されるが、エポキシ接着剤やろう付け等でもよい。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。
【００５３】
絶縁体ブロック１０，１０・・を重ね合わせることにより、各絶縁体ブロック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、２〜４段目の絶縁体ブロック１０，１０，１０の各上面に形成された冷媒流通路４０は、その下面が上段の絶縁体ブロック１０の下面により閉じられる。１段目の絶縁体ブロック１０の上面に形成された冷媒流通路４０は、その上面が上段のポートプレート１１０により閉じられる。
【００５４】
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。絶縁体からなる上段のポートプレート１１０には、図２に示すように、ガス導入口１１１、ガス排出口１１２、冷媒導入口１１３及び冷媒排出口１１４が貫通して設けられており、これらにはガス導入管１１５、ガス排出管１１６、冷媒導入管１１７及び冷媒排出管１１８が接続ポート１１５′，１１６′，１１７′，１１８′を介して接続されている（図１参照）。ここでポートプレート１１０及びボトムプレート１２０は前述したとおりセラミックからなる。これにより、放電セル１００は少なくともガス系統については完全なメタルレス構造となり、金属コンタミネーションの発生を大幅に低減させることが可能になる。ガス配管用の接続ポート１１５′，１１６′は例えばステンレス鋼等からなるが、セラミック又はフッ素樹脂等の非金属にした場合は金属コンタミネーションの発生を大幅に低減させることが可能になる。
【００５５】
上段のエンドプレート６０には、接続ポート１１５′，１１６′，１１７′，１１８′が貫通する切込み乃至貫通孔が設けられている。ポートプレート１１０の下面には、ガス導入口１１１、ガス排出口１１２、冷媒導入口１１３及び冷媒排出口１１４に各連通する流体集合用の凹部１１１′，１１２′，１１３′，１１４′が設けられている。一方、下段のボトムプレート１２０の上面には、図３に示すように、４段目の絶縁体ブロック１０を下方から水冷するために冷媒流通溝１２１，１２１・・が設けられている。
【００５６】
このようにして構成されたオゾン発生装置用放電セルの機能は以下の通りである。
【００５７】
エンドプレート６０，７０間に固定された両面液冷型の放電セル１００は、複数の絶縁体ブロック１０，１０・・を重ね合わせることにより構成されている。各絶縁体ブロック１０では、低圧電極である下段の面状電極３０及びアース用の面状電極５０は接地され、高圧電極である上段の面状電極３０は高圧電源の高圧端子に接続される。
【００５８】
放電セル１００では、各絶縁体ブロック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、相互に連通している。また、各段の絶縁体ブロック１０，１０・・０の各上面には冷媒流通路４０が形成れされ、最下段の絶縁体ブロック１０の下方には、ボトムプレート１２０により冷媒流通溝１２１，１２１・・がその絶縁体ブロック１０の下面に接して形成されている。
【００５９】
従って、ガス導入管１１５から装置内に導入された原料ガスは、各絶縁体ブロック１０の放電空隙２０に並列に供給され、ガス排出管１１６から装置外に排出される。同様に、冷媒導入管１１７から装置内に導入された冷却水は、各絶縁体ブロック１０の冷媒流通路４０及びボトムプレート１２０の冷媒流通溝１２１，１２１・・に並列に供給され、冷媒排出管１１８から装置外に排出される。
【００６０】
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、絶縁体層１５に形成された放電空隙２０に、絶縁体層１４，１６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に接する絶縁体層１４，１６の表面にＳｉＯ₂ をコーティングした場合は、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、絶縁体層１４，１６の表面全体にＳｉＯ₂ がコーティングされた場合、絶縁体層１４，１５の間、及び絶縁体層１５，１６の間には薄いＳｉＯ₂ 層が介在するが、これも絶縁体層であるので、絶縁体層１１〜１７の一体性は損なわれない。
【００６１】
また、各段の絶縁体ブロック１０では、放電空隙２０が、その上方の冷媒流通路４０を流通する冷却水により、上段の面状電極３０と共に上方から冷却される。最下段の絶縁体ブロック１０を除いた絶縁体ブロック１０では、放電空隙２０が、下方の放電セル１００の冷媒流通路４０を流通す冷却水により下段の面状電極３０と共に下方からも冷却される。最下段の放電セル１００では、下段のボトムプレート１２０の冷媒流通路１２１，１２１・・を流通する冷却水により、下段の面状電極３０と共に下方からも冷却される。つまり、全ての絶縁体ブロック１０では、放電空隙２０が、面状電極３０，３０と共に上下、即ち高圧電極側及び低圧電極側の両方から効果的に水冷される。
【００６２】
ここで、上段の面状電極３０は高圧電極であるが、その上方の冷媒流通路４０との間には、絶縁体層１２，１３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。
【００６３】
絶縁体層１３の厚みによっては、アースである面状電極５０付きの絶縁体層１２を省略することができる。また、各絶縁体ブロック１０では、冷媒流通路４０は面状電極３０，３０の上方だけでなく上下両方に設けることが可能である。
【００６４】
放電セル１００を構成する絶縁体ブロック１０の厚みは、例えば約７ｍｍとなる。この厚みには冷却構造も含まれている。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。
【００６５】
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絶縁体層１３は、オゾンと長期間接触しても変質や劣化を生じない。
【００６６】
絶縁体ブロック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。
【００６７】
放電セル２０を形成する絶縁体層１５は、誘電体である上下の絶縁体層１４，１６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。
【００６８】
次に、放電セル１００の製造方法について説明する。
【００６９】
絶縁体ブロック１０は、基本的に各絶縁体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て、焼成することにより作製される。
【００７０】
即ち、絶縁体ブロック１０の２，３，４，６，７層目の絶縁体層１２，１３，１４，１６，１７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を形成するための打ち抜き加工を行う。絶縁体ブロック１０の２，３，７層目の絶縁体層１２，１３，１７に各対応するセラミックシートには、更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、ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合は、絶縁体層１４，１６の反電極側表面にＳｉＯ₂ を塗布する。絶縁体ブロック１０の１層目の絶縁体層１１に対応する焼成前のセラミックシートには、冷媒流通路用の開口部及びガス導入・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。絶縁体ブロック１０の５層目の絶縁体層１５に対応する焼成前のセラミックシートには、放電空隙用の開口部及び冷媒導入・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。
【００７１】
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。
【００７２】
これにより絶縁体ブロック１０が完成し、これを重ね合わせることにより放電セル１００が構成される。構成された放電セル１００の使用方法は前述した通りである。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
図６は本発明の第２実施形態にかかる放電セルに使用される絶縁体ブロックの分解斜視図である。
【００７６】
第２実施形態にかかる放電セルは片面液冷型であり、第１実施形態に係る両面液冷型の放電セルと同様、複数の絶縁体ブロック１０，１０・・を重ねてポートプレートとボトムプレートの間に挟み、これを上下のエンドプレート間に固定することにより構成される。第１実施形態に係る両面液冷型の放電セルとの相違点は、各段の絶縁体ブロック１０の構造である。絶縁体はここでもセラミックであるが、ガラスであってもよい。
【００７７】
各段の絶縁体ブロック１０は、９層の絶縁体層１１〜１９を層厚方向に積層して一体化した構成になっている。１層目の絶縁体層１１は、冷媒流通路４０を形成するためのスペーサである。２層目の絶縁体層１２は絶縁体であり、３層目の絶縁体層１３は放電用の誘電体である。４層目の絶縁体層１４は、１段目の放電空隙２０を形成するためのスペーサである。５層目の絶縁体層１５は放電用の誘電体である。６層目の絶縁体層１６も放電用の誘電体である。７層目の絶縁体層１７は、２段目の放電空隙２０を形成するためのスペーサである。８層目の絶縁体層１８は放電用の誘電体である。９層目、即ち一番下の絶縁体層１９は絶縁体である。
【００７８】
冷媒流通路４０を形成するためのスペーサである１層目の絶縁体層１１には、その冷媒流通路４０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１１ｄ，１１ｄ・・が幅方向に等間隔で設けられている。絶縁体層１１の左右の縁部には、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１１ａ，１１ａが設けられている。絶縁体層１１の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１１ｅ，１１ｅが設けられている。絶縁体層１１の厚みは例えば２．０ｍｍである。
【００７９】
絶縁体である２層目の絶縁体層１２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、左右の縁部に位置して設けられると共に、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、前後の縁部に位置して設けられている。絶縁体層１２の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１１ｅ，１１ｅが設けられている。絶縁体層１２の厚みは例えば０．３ｍｍである。
【００８０】
誘電体である３層目の絶縁体層１３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。この面状電極３０は低圧電極であり、絶縁体層１３の前側の縁部に設けられた突起１３ｅ，１３ｅの一方に引き出されている。ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合は、絶縁体層１３の下面にこれが実施される。また、絶縁体層１３の左右の縁部には、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１３ａ，１３ａが設けられており、前後の縁部には、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。絶縁体層１３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。
【００８１】
放電空隙２０を形成するためのスペーサである４層目の絶縁体層１４には、その放電空隙２０の形成のために、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１４ｄ，１４ｄ・・が前後方向に等間隔で設けられている。絶縁体層１４の前後の縁部には、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。絶縁体層１４の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１４ｅ，１４ｅが設けられている。絶縁体層１４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。
【００８２】
誘電体である５層目の絶縁体層１５は、同じく誘電体である３層目の絶縁体層１３と基本的に同じである。即ち、絶縁体層１５の左右の縁部には、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１５ａ，１５ａが設けられており、前後の縁部には、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１５ｂ，１５ｂが設けられている。絶縁体層１５の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１５ｅ，１５ｅが設けられている。ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合は絶縁体層１５の上面にこれが実施される。絶縁体層１５の厚みは例えば０．３ｍｍである。
【００８３】
誘電体である６層目の絶縁体層１６は、同じく誘電体である３層目の絶縁体層１３と実質的に同じである。即ち、絶縁体層１６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。この面状電極３０は高圧電極であり、絶縁体層１６の前側の縁部に設けられた突起１６ｅ，１６ｅの他方に引き出されている。ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合は絶縁体層１６の下面にこれが実施される。また、絶縁体層１６の両側の縁部には、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、前後の縁部には、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。絶縁体層１５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。
【００８４】
放電空隙２０を形成するためのスペーサである７層目の絶縁体層１７は、４層目の絶縁体層１４と全く同じである。即ち、絶縁体層１７には、放電空隙２０の形成のために、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。絶縁体層１７の前後の縁部には、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１７ｂ，１７ｂが設けられている。絶縁体層１７の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１７ｅ，１７ｅが設けられている。絶縁体層１７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。
【００８５】
誘電体である８層目の絶縁体層１８は、同じく誘電体である３，５，６層目の絶縁体層１３，１５，１６と基本的に同じである。即ち絶縁体層１８の左右の縁部には、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１８ａ，１８ａが設けられており、前後の縁部には、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１８ｂ，１８ｂが設けられている。但し、導電性の薄膜からなる面状電極３０は、絶縁体層１８の下面に被覆されている。この面状電極３０は低圧電極であり、絶縁体層１８の前側の縁部に設けられた突起１８ｅ，１８ｅの一方に引き出されている。ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合は絶縁体層１８の上面にこれが実施される。絶縁体層１８の厚みは例えば０．３ｍｍである。
【００８６】
絶縁体である９層目の絶縁体層１９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１９ａ，１９ａが、左右の縁部に位置して設けられると共に、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１９ｂ，１９ｂが、前後の縁部に位置して設けられている。絶縁体層１９の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１９ｅ，１９ｅが設けられている。絶縁体層１２の厚みは例えば２．０ｍｍである。
【００８７】
絶縁体ブロック１０は、以上９つの絶縁体層１１〜１９を一体化することにより構成されている。従って、絶縁体ブロック１０の１層目（上面）には冷媒流通路４０が形成され、４，７層目には放電空隙２０，２０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。また、各層の突起が合体させ、各突起にスルーホールが設けられることにより、機械的強度に優れた一対の端子部１０′，１０′が形成される。
【００８８】
更に、２層目の絶縁体層１２と３層目の絶縁体層１３の間には、低圧電極である面状電極３０が封入される。５層目のセラミック１５と６層目の絶縁体層１６の間には、高圧電極である面状電極３０が封入される。８層目の絶縁体層１８と９層目の絶縁体層１９の間には、低圧電極である面状電極３０が封入される。
【００８９】
そして、放電セル１００は、上記の絶縁体ブロック１０を複数段に重ね合わせてポートプレートとボトムプレートの間に挟み、更にこれを上下のエンドプレート間に挟んで４本のタイロッドにより上下のエンドプレート間に固定される。
【００９０】
絶縁体ブロック１０，１０・・を重ね合わせることにより、各絶縁体ブロック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、２段目以降の絶縁体ブロック１０，１０・・の各上面に形成された冷媒流通路４０は、その上面が上方の絶縁体ブロック１０の下面により閉じられる。１段目の絶縁体ブロック１０の上面に形成された冷媒流通路４０は、その上面がポートプレートにより閉じられる。最下段の絶縁体ブロック１０の下方には、ボトムプレートにより冷媒流通溝が形成される。
【００９１】
このようにして構成されたオゾン発生装置用放電セルの機能は以下の通りである。
【００９２】
放電セル１００を構成する各絶縁体ブロック１０では、低圧電極である上下の面状電極３０，３０は接地されている。
【００９３】
上段のポートプレートを介して放電セル１００内に導入された原料ガスは、各絶縁体ブロック１０の放電空隙２０，２０に並列に供給され、上段のエンドプレートを介して放電セル１００外に排出される。同様に、上段のエンドプレートを介して放電セル１００内に導入された冷却水は、各絶縁体ブロック１０の冷媒流通路４０及びボトムプレートの上面に形成された冷媒流通溝に並列に供給され、上段のエンドプレートを介して放電セル１００外に排出される。
【００９４】
この状態で、高圧電極である中段の面状電極３０に高電圧を印加すると、上下の放電空隙２０，２０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。各放電空隙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に接する絶縁体層１３，１５，１６，１８の表面にＳｉＯ₂ をコーティングした場合は、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。
【００９５】
また、各段の絶縁体ブロック１０では、上段の放電空隙２０が冷媒流通路４０を流通する冷却水により上側、即ち低圧電極側から冷却される。下段の放電空隙２０は、下方の絶縁体ブロック１０の冷媒流通路４０を流通する冷却水により下側、即ち低圧電極側から冷却される。最下段の絶縁体ブロック１０では、ボトムプレートの冷媒流通溝を流通する冷却水により下側、即ち低圧電極側から冷却される。
【００９６】
高圧電極である中段の面状電極３０は冷却水に触れないので、冷却水による短絡は発生しない。
【００９７】
上下の放電空隙２０，２０は高圧電極側からの冷却を受けないが、放電空隙２０，２０の各ギャップが小さく、且つ絶縁体ブロック１０の熱伝導性が良好であるため、低圧電極側からの冷却のみでも効率的に冷却される。
【００９８】
絶縁体ブロック１０の厚みは、例えば約４ｍｍとなる。この厚みには２つの放電空隙２０，２０とその冷却構造が含まれている。放電セル１００が極めて薄型となることは明かである。
【００９９】
図７は本発明の第３実施形態にかかる放電セルの斜視図、図８は同放電セルに使用される絶縁体ブロックの分解斜視図、図９及び図１０は同放電セルに使用されるヒートシンクの平面図及び正面図である。
【０１００】
第３実施形態にかかる放電セル１００は両面空冷型である。この放電セル１００は、図７に示すように、絶縁体ブロック１０を挟んで空冷式のヒートシンク９０を複数段に重ね合わせることにより構成されている。各段のヒートシンク９０は幅方向に並列する多数の通気孔９１，９１・・を有するアルミ引き抜き材である。最上段のヒートシンク９０と最下段のヒートシンク９０は上下のエンドプレートを兼ねている。
【０１０１】
各段の絶縁体ブロック１０は、図８に示すように、５層の絶縁体層１１〜１５を層厚方向に積層して一体化した構成になっている。１層目の絶縁体層１１は絶縁体である。２層目の絶縁体層１２は放電用の誘電体である。３層目の絶縁体層１３は、放電空隙２０を形成するためのスペーサである。４層目の絶縁体層１４は放電用の誘電体である。５層目の絶縁体層１５は絶縁体である。なお、絶縁体はセラミックであるが、ガラスの使用も可能である。
【０１０２】
絶縁体である１層目の絶縁体層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が両側の縁部に位置して設けられている。絶縁体層１１の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１１ｅ，１１ｅが設けられている。絶縁体層１１の厚みは例えば０．３ｍｍである。
【０１０３】
誘電体である２層目の絶縁体層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。この面状電極３０は、絶縁体層１２の前側の縁部に設けられた突起１２ｅ，１２ｅの一方に引き出されている。ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合は絶縁体層１２の下面にこれが実施される。また、絶縁体層１２の両側の縁部には、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が設けられている。絶縁体層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。
【０１０４】
放電空隙２０を形成するためのスペーサである３層目の絶縁体層１３には、その放電空隙２０の形成のために、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１３ｄ，１３ｄ・・が前後方向に等間隔で設けられている。絶縁体層１３の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１３ｅ，１３ｅが設けられている。絶縁体層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。
【０１０５】
誘電体である４層目の絶縁体層１４は、同じく誘電体である２層目の絶縁体層１２と基本的に同じである。即ち、絶縁体層１４の左右の縁部には、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が設けられている。絶縁体層１４の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１４ｅ，１４ｅが設けられている。但し、導電性の薄膜からなる面状電極３０は、絶縁体層１４の下面に被覆されている。この面状電極３０は、絶縁体層１３の前側の縁部に設けられた突起１４ｅ，１４ｅの他方に引き出されている。ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合は絶縁体層１４の上面にこれが実施される。絶縁体層１４の厚みは例えば０．３ｍｍである。
【０１０６】
絶縁体である５層目の絶縁体層１５は、同じく絶縁体である１層目の絶縁体層１１と同じである。即ち、この絶縁体層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が両側の縁部に位置して設けられている。絶縁体層１５の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１５ｅ，１５ｅが設けられている。絶縁体層１５の厚みは例えば０．３ｍｍである。
【０１０７】
絶縁体ブロック１０は、複数段に重ねられた空冷式のヒートシンク９０，９０・・の間に挟まれる。１段目の絶縁体ブロック１０では、上段の面状電極３０が低圧電極とされ、下段の面状電極が高圧電極とされる。２段目の絶縁体ブロック１０では、上段の面状電極３０が高圧電極とされ、下段の面状電極が低圧電極とされる。以下同様に、高圧電極を対向させて、絶縁体ブロック１０，１０・・が複数段に配置される。
【０１０８】
上段のエンドプレートを兼ねる最上段のヒートシンク９０には、図９に示すように、その下側の絶縁体ブロック１０のガス導入路２１及びガス排出路２２に連通する丸孔状の貫通孔９２が設けられており、これらにはガス導入管９３及びガス排出管９４が接続されている。中間のヒートシンク９０には、図１０に示すように、各段の絶縁体ブロック１０のガス導入路２１同士及びガス排出路２２同士を連通させるために、長孔状の貫通孔９５，９５が設けられている。下段のエンドプレートを兼ねる最下段のヒートシンク９０には、ガス路連通用の貫通孔は設けられていない。
【０１０９】
最上段のヒートシンク９０を介して放電セル１００内に導入された原料ガスは、各絶縁体ブロック１０の放電空隙２０に並列に供給され、最上段のヒートシンク９０を介して放電セル１００外に排出される。この状態で、高圧電極である面状電極３０に高電圧を印加すると、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。各放電空隙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に接する絶縁体層１２，１４の表面にＳｉＯ₂ をコーティングした場合は、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。
【０１１０】
また、各段の絶縁体ブロック１０では、放電空隙２０が上下のヒートシンク９０，９０により高圧電極側及び低圧電極側の両方から空冷される。絶縁体ブロック１０の熱伝導性が良好であるため、空冷式としては放電空隙２０の冷却性能に優れ、オゾン発生効率が向上する。各層の突起を合体させ、各突起にスルーホールを設けることにより、機械的強度に優れた一対の端子部１０′，１０′が形成される。
【０１１１】
絶縁体ブロック１０の厚みは、例えば約１．４ｍｍと非常に薄い。絶縁体ブロック１０の熱伝導性が良好であり、ヒートシンク９０の薄型化も可能であるので、放電セル１００は空冷式としては非常に薄型となる。
【０１１２】
図１１は本発明の第４実施形態にかかる放電セルに使用される絶縁体ブロックの分解斜視図である。
【０１１３】
第４実施形態にかかる放電セルは片面空冷型である。この放電セルは、第３実施形態にかかる両面空冷型の放電セルと同様、絶縁体ブロック１０を挟んで空冷式のヒートシンクを複数段に重ね合わせることにより構成される。第３実施形態にかかる両面空冷型の放電セルとの相違点は、各段の絶縁体ブロック１０の構造であり、絶縁体はセラミックである。
【０１１４】
各段の絶縁体ブロック１０は、第２実施形態にかかる片面液冷型の放電セルに使用される９層構造の絶縁体ブロックから、冷媒流通路に関係する１層目の絶縁体層、冷媒導入路及び冷媒排出路を省略した８層構造になっている。
【０１１５】
絶縁体ブロック１０を構成する８つの絶縁体層１１〜１８のうち、１層目の絶縁体層１１は絶縁体である。２層目の絶縁体層１２は放電用の誘電体である。３層目の絶縁体層１３は、１段目の放電空隙２０を形成するためのスペーサである。４層目の絶縁体層１４は放電用の誘電体である。５層目の絶縁体層１５も放電用の誘電体である。６層目の絶縁体層１６は、２段目の放電空隙２０を形成するためのスペーサである。７層目の絶縁体層１７は、放電用の誘電体である。８層目の絶縁体層１８は絶縁体である。
【０１１６】
絶縁体である１層目の絶縁体層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が両側の縁部に位置して設けられている。絶縁体層１１の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１１ｅ，１１ｅが設けられている。絶縁体層１１の厚みは例えば０．３ｍｍである。
【０１１７】
誘電体である２層目の絶縁体層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。この面状電極３０は低圧電極であり、絶縁体層１２の前側の縁部に設けられた突起１２ｅ，１２ｅの一方に引き出されている。ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合は絶縁体層１２の下面にこれが実施される。また、絶縁体層１２の左右の縁部には、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が設けられている。絶縁体層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。
【０１１８】
放電空隙２０を形成するためのスペーサである３層目の絶縁体層１３には、その放電空隙２０の形成のために、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１３ｄ，１３ｄ・・が前後方向に等間隔で設けられている。絶縁体層１３の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１３ｅ，１３ｅが設けられている。絶縁体層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。
【０１１９】
誘電体である４層目の絶縁体層１４は、同じく誘電体である２層目の絶縁体層１２と基本的に同じである。即ち、絶縁体層１４の左右の縁部には、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、前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１４ｅ，１４ｅが設けられている。ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合は、絶縁体層１４の上面にこれが実施される。絶縁体層１４の厚みは、絶縁体層１２と同じ例えば０．３ｍｍである。
【０１２０】
誘電体である５層目の絶縁体層１５は、同じく誘電体である２，４層目の絶縁体層１２，１４と実質的に同じである。即ち、絶縁体層１５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。この面状電極３０は高圧電極であり、絶縁体層１５の前側の縁部に設けられた突起１５ｅ，１５ｅの他方に引き出されている。ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合は絶縁体層１５の下面にこれが実施される。絶縁体層１５の両側の縁部には、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１５ａ，１５ａが設けられている。絶縁体層１５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。
【０１２１】
放電空隙２０を形成するためのスペーサである６層目の絶縁体層１６は、３層目の絶縁体層１３と全く同じである。即ち、絶縁体層１６には、放電空隙２０の形成のために、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１６ｄ，１６ｄ・・が幅方向に等間隔で設けられており、前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１６ｅ，１６ｅが設けられている。絶縁体層１６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。
【０１２２】
誘電体である７層目の絶縁体層１７は、同じく誘電体である２，４，５層目の絶縁体層１２，１４，１５と基本的に同じである。即ち、絶縁体層１７の左右の縁部には、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。但し、導電性の薄膜からなる面状電極３０は、絶縁体層１７の下面に被覆されている。この面状電極３０は低圧電極であり、絶縁体層１７の前側の縁部に設けられた突起１７ｅ，１７ｅの一方に引き出されている。ＳｉＯ₂ コーティングを行う場合は、絶縁体層１７の上面にこれが実施される。絶縁体層１７の厚みは、絶縁体層１２，１４，１５と同じ例えば０．３ｍｍである。
【０１２３】
絶縁体である８層目の絶縁体層１８は、同じく絶縁体である１層目の絶縁体層１１と同じである。即ち、この絶縁体層１８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１８ａ，１８ａが両側の縁部に位置して設けられている。絶縁体層１８の前側の縁部には、端子部１０′，１０′を形成するために突起１８ｅ，１８ｅが設けられている。絶縁体層１８の厚みは例えば０．３ｍｍである。
【０１２４】
最上段のヒートシンクを介して放電セル内に導入された原料ガスは、各絶縁体ブロック１０の放電空隙２０，２０に並列に供給され、最上段のヒートシンクを介して放電セル外に排出される。この状態で、高圧電極である中段の面状電極３０に高電圧を印加すると、放電空隙２０，２０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。各放電空隙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に接する絶縁体層の表面にＳｉＯ₂ をコーティングした場合は、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。
【０１２５】
また、各段の絶縁体ブロック１０では、上段の放電空隙２０が上側のヒートシンクにより低圧電極側から空冷される。下段の放電空隙２０は下側のヒートシンクにより低圧電極側から空冷される。絶縁体ブロック１０の熱伝導性が良好であるため、片面空冷式としては放電空隙２０の冷却性能に優れ、オゾン発生効率が向上する。各段の絶縁体ブロック１０では又、各層の前縁部に設けられた突起が合体し、各突起にスルーホールが設けられることにより、機械的強度に優れた一対の端子部１０′，１０′が形成される。
【０１２６】
絶縁体ブロック１０の厚みは、例えば約２．２ｍｍと非常に薄く、しかも２つの放電空隙２０，２０を含んでいる。更に、絶縁体ブロック１０の熱伝導性が良好であり、ヒートシンクの薄型化も可能である。従って、放電セルは片面空冷式としては極めて薄型となる。
【０１２７】
なお、上述した実施形態では、高圧電極及び低圧電極ともに、放電空隙を形成する２つの絶縁体層の反空隙側に配置されているが、前述した通り、その一方、通常は安全上の配慮から低圧電極を、放電空隙を形成する２つの絶縁体層の空隙側に配置して放電空隙に臨ませる構成も可能である。この構成によると、電極が触媒として機能するので、触媒ガスを混ぜない高純度の酸素ガスを使用しても、オゾン濃度の経時的な低下が防止される。誘電体が絶縁体を兼ね、絶縁体である絶縁体層が不要になるため、絶縁体ブロックの厚みが低減される。電極間から一方の誘電体が取り除かれることで、印加される放電電圧の低下が可能になる。低い電圧で電流密度を増加させることができ、電源の高効率化、オゾン発生の高効率化が可能になる。
【０１２８】
上述した実施形態では又、面状電極３０は、図１２（ａ）のように、絶縁体ブロック１０の外縁部を除く部分に全面的に設けられているが、図１２（ｂ）のように、放電空隙２０の形状に対応する部分と通電に必要な部分（相互接続部と端子部）に限定的に設けることができる。この構成によると、一対の面状電極に挟まれた放電空隙以外の絶縁体に流れる無効電流が減ることで電力効率が向上し、且つ無効電流による発熱が抑えられることでオゾン発生効率も向上する。
【０１２９】
図１３は放電セル１００における配線構造を示す。積層された複数の絶縁体ブロック１０，１０・・の対応する端子部１０′，１０′・・同士は同じ位置にある。各端子部１０′では、スルーホールが設けられると共に、スルーホールの内面にも面状電極に続く導電性薄膜が被覆されている。そして端子部１０′，１０′・・の各スルーホールに配線１３０を通し、ハンダ付けを行うことにより、端子部１０′，１０′・・は外部と電気的に接続される。この配線構造によれば、複数の絶縁体ブロック１０，１０・・の対応する端子部１０′，１０′・・に対する配線１３０が１本となり、配線１３０の取り付け作業が簡単になる。
【０１３０】
【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、複数の絶縁体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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１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ポート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下段のボトムプレートの平面図及び底面図である。
【図４】同オゾン発生装置に使用される絶縁体ブロックの斜視図である。
【図５】同絶縁体ブロックの分解斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る放電セルに使用される絶縁体ブロックの分解斜視図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る放電セルの斜視図である。
【図８】同放電セルに使用される絶縁体ブロックの分解斜視図である。
【図９】同放電セルに使用される最上段のヒートシンクの平面図及び正面図である。
【図１０】同放電セルに使用される中間のヒートシンクの平面図及び正面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る放電セルに使用される絶縁体ブロックの分解斜視図である。
【図１２】面状電極の形状を示す絶縁体ブロックの分解斜視図である。
【図１３】絶縁体ブロックの配線構造を示す放電セルの部分斜視図である。
【図１４】従来の放電セルの断面図である。
【符号の説明】
１０ 絶縁体ブロック
１１〜１９ 絶縁体層
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 空冷式のヒートシンク
１００ 放電セル
１１０ ポートプレート
１２０ ボトムプレート

Claims (16)

1. 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、複数の絶縁体層が、対応する焼成前の絶縁体シートを積層し焼成することにより、層厚方向に一体化されて形成された１又は複数の絶縁体ブロックを主構成体としており、該絶縁体ブロックは、絶縁体ブロック内の中間の絶縁体層をスペーサとして当該絶縁体層を挟む２つの絶縁体層の間に放電空隙を形成すると共に、該放電空隙を、前記２つの絶縁体層の両側に位置する２つの絶縁体層の両方に形成された冷媒流通路を流通する液体冷媒により、両側から液冷し、且つ前記一対の面状電極の両方を、放電空隙を挟む絶縁体層の反空隙側に設け、放電空隙を挟む２つの絶縁体層を前記誘電体とした構成であることを特徴とするオゾン発生装置用放電セル。
2. 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、複数の絶縁体層が、対応する焼成前の絶縁体シートを積層し焼成することにより、層厚方向に一体化されて形成された１又は複数の絶縁体ブロックを主構成体としており、該絶縁体ブロックは、絶縁体ブロック内の中間の絶縁体層をスペーサとして当該絶縁体層を挟む２つの絶縁体層の間に放電空隙を形成すると共に、該放電空隙を、前記２つの絶縁体層の両側に位置する２つの絶縁体層の両方に形成された冷媒流通路を流通する液体冷媒により、両側から液冷し、且つ前記一対の面状電極の一方を、放電空隙を挟む絶縁体層の反空隙側に設けて、その一方の側の絶縁体層を前記誘電体とし、他方の面状電極を、他方の側の絶縁体層の空隙側に設けて放電空隙に臨ませた構成であることを特徴とするオゾン発生装置用放電セル。
3. 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、複数の絶縁体層が、対応する焼成前の絶縁体シートを積層し焼成することにより、層厚方向に一体化されて形成された１又は複数の絶縁体ブロックを主構成体としており、該絶縁体ブロックは、絶縁体ブロック内の中間の絶縁体層をスペーサとして当該絶縁体層を挟む２つの絶縁体層の間に放電空隙を形成すると共に、該放電空隙を、前記２つの絶縁体層の両側に位置する２つの絶縁体層の一方に形成された冷媒流通路を流通する液体冷媒により、片側から液冷し、且つ前記一対の面状電極の両方を、放電空隙を挟む絶縁体層の反空隙側に設け、放電空隙を挟む２つの絶縁体層を前記誘電体とした構成であることを特徴とするオゾン発生装置用放電セル。
4. 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、複数の絶縁体層が、対応する焼成前の絶縁体シートを積層し焼成することにより、層厚方向に一体化されて形成された１又は複数の絶縁体ブロックを主構成体としており、該絶縁体ブロックは、絶縁体ブロック内の中間の絶縁体層をスペーサとして当該絶縁体層を挟む２つの絶縁体層の間に放電空隙を形成すると共に、該放電空隙を、前記２つの絶縁体層の両側に位置する２つの絶縁体層の一方に形成された冷媒流通路を流通する液体冷媒により、片側から液冷し、且つ前記一対の面状電極の一方を、放電空隙を挟む絶縁体層の反空隙側に設けて、その一方の側の絶縁体層を前記誘電体とし、他方の面状電極を、他方の側の絶縁体層の空隙側に設けて放電空隙に臨ませた構成であることを特徴とするオゾン発生装置用放電セル。
5. 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、複数の絶縁体層が、対応する焼成前の絶縁体シートを積層し焼成することにより、層厚方向に一体化されて形成された１又は複数の絶縁体ブロックを主構成体としており、該絶縁体ブロックは、絶縁体ブロック内の中間の絶縁体層をスペーサとして当該絶縁体層を挟む２つの絶縁体層の間に放電空隙を形成すると共に、該放電空隙を、当該絶縁体ブロックの両側に配置された一対の空冷ヒートシンクにより、両側から空冷し、且つ前 記一対の面状電極の両方を、放電空隙を挟む絶縁体層の反空隙側に設け、放電空隙を挟む２つの絶縁体層を前記誘電体とした構成であることを特徴とするオゾン発生装置用放電セル。
6. 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、複数の絶縁体層が、対応する焼成前の絶縁体シートを積層し焼成することにより、層厚方向に一体化されて形成された１又は複数の絶縁体ブロックを主構成体としており、該絶縁体ブロックは、絶縁体ブロック内の中間の絶縁体層をスペーサとして当該絶縁体層を挟む２つの絶縁体層の間に放電空隙を形成すると共に、該放電空隙を、当該絶縁体ブロックの両側に配置された一対の空冷ヒートシンクにより、両側から空冷し、且つ前記一対の面状電極の一方を、放電空隙を挟む絶縁体層の反空隙側に設けて、その一方の側の絶縁体層を前記誘電体とし、他方の面状電極を、他方の側の絶縁体層の空隙側に設けて放電空隙に臨ませた構成であることを特徴とするオゾン発生装置用放電セル。
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、複数の絶縁体層が、対応する焼成前の絶縁体シートを積層し焼成することにより、層厚方向に一体化されて形成された１又は複数の絶縁体ブロックを主構成体としており、該絶縁体ブロックは、絶縁体ブロック内の中間の絶縁体層をスペーサとして当該絶縁体層を挟む２つの絶縁体層の間に放電空隙を形成すると共に、該放電空隙を、当該絶縁体ブロックの片側に配置された一対の空冷ヒートシンクにより、片側から空冷し、且つ前記一対の面状電極の両方を、放電空隙を挟む絶縁体層の反空隙側に設け、放電空隙を挟む２つの絶縁体層を前記誘電体とした構成であることを特徴とするオゾン発生装置用放電セル。
8. 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、複数の絶縁体層が、対応する焼成前の絶縁体シートを積層し焼成することにより、層厚方向に一体化されて形成された１又は複数の絶縁体ブロックを主構成体としており、該絶縁体ブロックは、絶縁体ブロック内の中間の絶縁体層をスペーサとして当該絶縁体層を挟む２つの絶縁体層の間に放電空隙を形成すると共に、該放電空隙を、当該絶縁体ブロックの片側に配置された一対の空冷ヒートシンクにより、片側から空冷し、且つ前記一対の面状電極の一方を、放電空隙を挟む絶縁体層の反空隙側に設けて、その一方の側の絶縁体層を前記誘電体とし、他方の面状電極を、他方の側の絶縁体層の空隙側に設けて放電空隙に臨ませた構成であることを特徴とするオゾン発生装置用放電セル。
9. 前記放電空隙は、絶縁体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１〜８のいずれかに記載のオゾン発生装置用放電セル。
10. 前記一対の面状電極は、放電空隙に対応する部分と通電に必要な部分に限定的に設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のオゾン発生装置用放電セル。
11. 原料ガスは、触媒作用のあるガスを含まない高純度酸素ガスであることを特徴とする請求項２、４、６又は８に記載のオゾン発生装置用放電セル。
12. ガス配管接続ポートとして非金属を用いたメタルレス構造であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のオゾン発生装置用放電セル。
13. 前記絶縁体は、セラミック又はガラスであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のオゾン発生装置用放電セル。
14. 前記絶縁体ブロックは、複数の絶縁体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１〜１３のいずれかに記載のオゾン発生装置用放電セル。
15. 前記絶縁体ブロックは、複数の絶縁体層を層厚方向に貫通して形成されて液体冷媒の流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１〜４のいずれかに記載のオゾン発生装置用放電セル。
16. 複数の絶縁体ブロックを備え、各絶縁体ブロックは周囲に突出して一体形成された端子部を同じ位置に有し、各端子部に設けられたスルーホールを貫通する共通の導線を介して外部と電気的に接続されることを特徴とする請求項１〜４、１５のいずれかに記載のオゾン発生装置用放電セル。

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