JP4342991B2 - オゾン発生装置 - Google Patents
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- Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)
Description
O2 + e → O + O + e ・・・(1)
O2 + O + M → O3 + M ・・・(2)
なお、式中Mは第三体を意味し、具体的にはAr、He、N2等が挙げられる。
O3 + Wall → O2 + O + Wall ・・・(3)
これは生成したオゾン化ガスが電極表面あるいは誘電体表面に衝突して、分解することを示すものである。オゾン発生管を使用してオゾン化ガスを生成する場合、オゾン発生管内の放電空間で生じる放電により、放電が熱源となり放電空間に接する電極を加熱し、加熱された電極(例えば、円筒高電圧電極)に生成されたオゾン化ガスが接触し、オゾン化ガス中のオゾンが電極の熱により分解され、酸素分子に戻ってしまうことを意味する。
図14は、前記従来技術による短ギャップ化の効果を示すグラフである。ギャップ長を短くする事によって、発生オゾン濃度の高濃度化が可能であること、発生オゾン濃度300g/Nm3発生させるためにはギャップ長約0.2mm以下が必要となることなどが分かる。
この点を解決するために、放電空間に原料ガスのラセン状流路とするための仕切り部材を配設させ、原料ガスの偏流に伴う放電の不均一を防止する技術が開示されている(特許文献2を参照)。この技術によりかなりの成果がもたらされるのであるが、さらに改善された技術の開発が待たれている。
そこで、本発明の課題はオゾン濃度が高いオゾン化ガスを得る技術を提供することである。また、放電空間中でのオゾンの電極等の表面との接触による熱的分解を抑制するとともに放電空間内を酸素を含む原料ガスが均一に流れることができ、かつ放電も均一に発生することができる技術を提供することにある。さらに放電空間内を原料ガスが実質的に均一に流れ、原料ガスの偏流の発生を実質的に防止でき、生成したオゾン化ガスのオゾン発生器内での滞留時間が短くなり、できるだけオゾン濃度が高いオゾン化ガスを得る技術を提供することでもある。また、従来のオゾン発生装置におけるオゾン化ガス側でのオゾン化ガスの分解を、抑制する技術を提供することでもある。
このため、放電空間を中心に原料ガス側とオゾン化ガス側に、それぞれガス溜まりが存在することとなり、このガス溜まり、その中でもオゾン化ガス側のガス溜まりがあるため、一度生成されたオゾン化ガスが分解されてしまうのではないかと推測した。
対向して配置された電極と前記電極の少なくとも一方に誘電体を配置した構成で、その間に酸素を含む原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生装置において、オゾン化ガス側の空間を低減してオゾン化ガスのオゾン発生器内に滞在する時間を低減し、かつ放電が発生する電極の少なくとも一方にガス流路を制限する突起体を備え、前記原料ガスが放電空間を均一に流れることによりオゾン化ガスの発生特性を向上させ、オゾン化ガスの熱的分解を抑制するとともに、放電空間および原料ガスを有効に活用する。
請求項2に係る発明は、円筒接地電極と、その円筒接地電極の内側に空隙を介して同心状に配置した円筒高電圧電極と、前記円筒接地電極と前記円筒高電圧電極の対向する面の少なくとも一方に形成した誘電体層とからなり、前記円筒接地電極の電極長さを電極端部での沿面放電の発生を防止できるよう前記円筒高電圧電極の電極長さよりも長くした構成で、その電極間に酸素を含む原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生管において、オゾン化ガス側の空間の容積を低減する手段をオゾン化ガス側の空間に配置し、固定し、しかも原料ガスの流路を制限する突起体を前記電極の対向する面と面との間に設け、オゾン化ガスの発生特性を向上させることを特徴とする(ただし、前記空間低減部品が前記同心状に対向して配置された電極と接触している場合を除く)。
請求項3に係る発明は、請求項1または2記載のオゾン発生管に備える電極表面の突起体がラセン状、分割ラセン状、櫛歯状、尖歯状から選ばれる形状の突起体であることを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項1または2記載のオゾン発生管のオゾン化ガス側の空間に高電圧電極と同様な形状である筐体を備え、オゾン化ガス側の空間の容積を低減することを特徴とする。
請求項5に係る発明は、請求項1または2記載のオゾン発生管に備え電極表面の突起体がオゾン耐食性金属材料あるいはオゾン耐食性樹脂を用いたことを特徴とする。
請求項7に係る発明は、円筒接地電極と、その円筒接地電極の内側に空隙を介して同心状に配置した円筒高電圧電極と、前記円筒接地電極と前記円筒高電圧電極の対向する面の少なくとも一方に形成した誘電体層とからなり、前記円筒接地電極の電極長さを電極端部での沿面放電の発生を防止できるよう前記円筒高電圧電極の電極長さよりも長くした構成で、その電極間に酸素を含む原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生管と、このオゾン発生管を内蔵する筐体とを備えたオゾン発生装置において、オゾン化ガス側の空間の容積を低減する手段をオゾン化ガス側の空間に配置し、固定し、しかも原料ガスの流路を制限する突起体を前記電極の対向する面と面との間に設け、オゾン化ガスの発生特性を向上させることを特徴とする(ただし、前記空間低減部品が前記同心状に対向して配置された電極と接触している場合を除く)。
請求項8に係る発明は、請求項6または7記載のオゾン発生装置に備え電極表面の突起体がラセン状、分割ラセン状、櫛歯状、尖歯状から選ばれる形状の突起体であることを特徴とする。
請求項9に係る発明は、請求項6または7記載のオゾン発生装置のオゾン化ガス側の空間に高電圧電極と同様な形状である筐体を備え、オゾン化ガス側の空間の容積を低減することを特徴とする。
請求項10に係る発明は、請求項6または7記載のオゾン発生装置に備え電極表面の突起体がオゾン耐食性金属材料あるいはオゾン耐食性樹脂を用いたことを特徴とする。
空間低減部品としては、フッ素樹脂、セラミックス、ガラスなどの絶縁性が高い材質を使用できる。この部品の形状は、オゾン化ガス側の空間に配置し、固定したときに、その周囲をオゾン化ガスが円滑に移動できる形状であればとくに限定されないが、たとえば円筒状電極を使用したオゾン発生管に使用する場合には、電極の形状に類似する円筒状の形状が好ましく、圧力損失などの点から、高電圧電極と同じ直径、もしくはそれ以下の直径を有する円筒状の形状がより好ましい。
さらに、両端部に密閉用のフタを備えた径の大きなチューブ状の容器内に複数個の対向電極構造ユニットを備えるオゾン発生器において、オゾン発生器のオゾン化ガス側に取付ける密閉用のフタに、前記空間低減部品を一体化した構造として取付ける構造も可能である
前記オゾン化ガス側の空間を低減する手段を備えたことにより、オゾン化ガスのオゾン発生器内に滞留する時間を低減することを可能とし、その結果オゾン化ガスの分解を抑制することが達成され、オゾン濃度が高いオゾン化ガスを生成することができる。
ここで、原料ガスの流路を制限するとは、放電空間内に供給された原料ガスの流れて行く方向を制限するという意味であり、突起体により原料ガスはその流路が制限される。たとえばラセン状の突起体であれば、原料ガスの流れは突起体のラセン状に沿っていくように、突起体の形状に応じて原料ガスの流れる方向を規制することとなる。また、たとえば櫛歯状の突起体であれば、原料ガスの流れは突起体により妨げられ、突起体の形状に応じて流れる方向を制限することとなる。
突起体の形状やその配置された部位などにより、原料ガスはその突起体に沿ってほぼ均一に流れ、オゾン生成に好ましくない影響を与えるほどの偏流を生じさせることなく流れるようにすることができ、また、原料ガスは、突起体と衝突し、流れの方向を変え、オゾン生成に好ましくない影響を与えるほどの偏流を生じさせることなく流れるようにすることができる。
前記突起体は電極の長手方向に連続体として配置してもよい(図4の(a))。この連続体の数はとくに制限されない。前記突起体は円筒電極の長手方向に対して所定の間隔で設けられたギャップスペーサでもよい。
この場合も、原料ガスがラセン状の突起体にそって放電空隙内を均一に流通できる。その結果、原料ガスはほぼ実質的に偏流が無くなり、電極の全面で均一な放電が生じるので、オゾン発生効率を向上することができる。
前記分割されたラセン状の突起体は、電極表面にラセン状であって、その一部が取り除かれた形状の突起体ある(たとえば図5)。取り除かれる部位、その長さ、あるラセンと、そのラセンの次のラセンとの間の間隔などは、所期の目的を達成できる限りとくに制限されない。
前記尖歯状の突起体は、電極表面にVの字状の突起体など先が尖った形状の突起体を設けたものであり、その櫛の歯の方向は長手方向や円周方向など任意である(たとえば図8)。尖歯の形状、その長さ、その配置場所などは、所期の目的を達成できる限りとくに制限されない。
そのなかでも、SUS製の金属膜あるいは断面形状が矩形状または円形状のSUS製の針金がとくに好ましい。
本発明では、オゾン発生管あるいはそれを有するオゾン発生装置において、電極を冷却する手段をさらに備えると、生成したオゾン化ガスの分解がさらに抑制され、好ましい結果がもたらされる。ここで、冷却手段はオゾン発生管あるいはそれを有するオゾン発生装置において従来から用いられている一般的な冷却装置を用いればよく、冷媒も一般的な冷媒を用いればよい。また、原料ガスを供給する方法、交流高電圧を印加する方法などは一般的な方法を採用すればよい。
図1に本発明のオゾン発生管の要部の一例を示す。
オゾン発生管の対向電極は、放電空間6側に誘電体3を配置した円筒接地電極1と、放電空間6を介して該円筒接地電極1と同心状に設置した円筒高電圧電極2とからなり、円筒高電圧電極2の表面にラセン形状の突起体8が設けられ、しかも放電空間6のオゾン化ガス5側に高電圧電極と同様な形状を有する耐オゾン性のある絶縁物から構成される空間低減部品9を配置した構成である。ラセン形状の突起体8は高電圧電極の素材と同じ素材で形成されることが望ましい。このラセン形状の突起体8は一つの連続体で電極表面に設けられてもよいし、たとえば2〜4本など複数本の連続体で設けられていてもよい。
前記接地電極と高電圧電極とは電源7により電気的に接続されており、電源7が前記接地電極と高電圧電極間に交流高電圧を印加して、放電空間6において無声放電を発生させる。
オゾン発生器のオゾン化ガス側に取付ける密閉用のフタに、空間低減部品9を一体化した構造として取付ける構造も可能である。
なお、少なくとも一方の電極について、冷媒を用いて冷却する装置(図示してない)にて電極を冷却することにより、オゾン化ガスの分解を抑制し、オゾン発生特性を向上させることが可能となる。
図3では、図1の対向電極構造と類似する構造の対向電極を一つの電極ユニットとすると、電極ユニットを複数本組み合わせたときの構成であり、誘電体3の配置が円筒高電圧電極2側に配置された構成であるが、基本的構成は図1と同様である。図3では、円筒高電圧電極2と円筒接地電極1で構成された電極ユニット毎に、円筒高電圧電極2の表面には、ラセン形状の突起体8が設けられ、オゾン化ガス側の空間に空間低減部品9が設置されている。
前記電極ユニットが複数本となる場合、オゾン発生器はチューブ型、あるいは角柱型パイプ(内側は空洞)(図示されていない)の容器(図示されていない)に、前記電極ユニットが備え付けられており、前記チューブあるいはパイプの両端に扉(図示されていない)をつけた構造でオゾン発生器が構成されている。よって、各電極ユニットに、空間低減部品9を配置するのではなく、オゾン化ガス側の扉(図示されていない)に放電空間低減部品を取付けた扉の構成によっても同様の効果を得ることができる。
なお、少なくとも一方の電極について、冷媒を用いて冷却する装置(図示してない)にて電極を冷却することにより、オゾン化ガスの分解を抑制し、オゾン発生特性を向上させることが可能となる。
図4では、突起体8の取付け形状を原料ガス流れ方向に平行にした場合のもので、基本的な構成は図1と同様である。すなわち、放電空間6側に誘電体3を配置した円筒接地電極1と、放電空間6を介して該円筒接地電極1との間に、4本の板状の突起体8を原料ガス流れ方向に平行に設ける構造をとり、しかも放電空間6のオゾン化ガスガス5側に高電圧電極と同様な形状を有する耐オゾン性のある絶縁物から構成される空間低減部品9を配置した構成である。
なお、少なくとも一方の電極について、冷媒を用いて冷却する装置(図示してない)にて電極を冷却することにより、オゾン化ガスの分解を抑制し、オゾン発生特性を向上させることが可能となる。
図5に前記と異なる原料ガスの流路を制限する突起体8を表面に設けた円筒高電圧電極2と円筒接地電極1とから構成される対向電極の例を示す。すなわち、二本の分割したラセン状の突起体8を配した対向電極の一方からみた平面図と円筒高電圧電極2の側面図を示す。対向電極は、円筒高電圧電極2の表面に分割したラセン形状の突起体8が設けられ、放電空間を介して円筒接地電極1が配置されている構成である。前記突起体8は、下段の突起体の間隔と重ならないようにずらして配している。
試験条件は下記のとおりである。
図9(II)に示されるように、従来例としての三種のオゾン発生器と本発明品のオゾン発生器を使用した。対向電極(ギャップ長は0.5mm)を有するオゾン発生器の放電空間に空気を0.25MPaで供給した。電源から交流電圧を印加し、供給される空気を放電処理し、オゾンを発生させた。なお、円筒接地電極を15℃に冷却した。なお、図9(I)では電力密度W/Q(Wは電力を、Qは流量を示す)とオゾン濃度(g/Nm3)の関係を示す。
図9(I)から明らかなように、オゾン化ガス空間側に空間低減部8を設置することにより、オゾン発生特性が向上していることが明らかである。図9(I)では空気を用いて試験したが、酸素を用いて試験してもほぼ同じ傾向が得られる。
(1)対向して配置された電極の少なくとも一方の電極表面に誘電体を配置した構成で、その対向電極で形成された放電空間内に酸素を含む原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生管を使用してオゾン化ガスを生成する方法において、酸素を含む原料ガスが供給される空間であって、オゾン化ガス側の空間の容積を低減する手段をオゾン化ガス側の空間に備える工程、および電極の対向する面の間に前記供給される原料ガスが放電空間内を均一に流れるように突起体を設ける工程を含むことを特徴とするオゾン生成方法。
(2)対向して配置された電極の少なくとも一方の電極表面に誘電体を配置した構成で、その対向電極で形成された放電空間内に酸素を含む原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生管と、このオゾン発生管を内蔵する筐体とを備えたオゾン発生装置を使用してオゾン化ガスを生成する方法において、酸素を含む原料ガスが供給される空間であって、オゾン化ガス側の空間の容積を低減する手段をオゾン化ガス側の空間に備える工程、および電極の対向する面の間に前記供給される原料ガスが放電空間内を均一に流れるように突起体を設ける工程を含むことを特徴とするオゾン生成方法。
(4)両端が開口された円筒接地電極と、その円筒接地電極の内側に空隙を介して同心状に配置した円筒高電圧電極と、前記円筒接地電極と円筒高電圧電極の対向する面の少なくとも一方に形成した誘電体層とからなり、前記円筒接地電極の電極長さを電極端部での沿面放電の発生を防止できるよう前記円筒高電圧電極の電極長さよりも長くした構成で、その電極間に酸素を含む原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生管と、このオゾン発生管を内蔵する筐体とを備えたオゾン発生装置において、前記互いに対向して配置された電極間で形成される空間に隣接し、オゾン化ガスが排出される側の対向電極端部を揃えていないときに形成されるオゾン化ガス側の空間に、そのオゾン化ガス側の空間の容積を低減する手段を備え、しかも原料ガスの流路を制限する突起体を前記電極の対向する面の間に設け、オゾン化ガスの発生特性を向上させることを特徴とするオゾン発生装置。
2.円筒高電圧電極
3.誘電体
4.原料ガス
5.オゾン化ガス
6. 放電空間
7.電源
8.突起体
9.空間低減部品
11.肉盛ギャップスペーサ
Claims (10)
- 対向して配置された電極と前記電極の少なくとも一方に誘電体を配置し、交流高電圧放電操作を行ったときに沿面距離の不足により生じる絶縁破壊が起きないように、前記電極のいずれか一方の電極長さを、他方の電極長さよりも長くあるいは短くして電極端部をそろえない構成で、その対向電極で形成された放電空間内に酸素を含む原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生管において、耐オゾン性のある空間低減部品をオゾン化ガス側の空間に配置し、固定し、しかも原料ガスの流路を制限する突起体を前記電極の対向する面の間に設けることを特徴とするオゾン発生管(ただし、前記空間低減部品が前記対向して配置された電極と接触している場合を除く)。
- 両端が開口された円筒接地電極と、その円筒接地電極の内側に空隙を介して同心状に配置した円筒高電圧電極と、前記円筒接地電極と前記円筒高電圧電極の対向する面の少なくとも一方に形成した誘電体層とからなり、前記円筒接地電極の電極長さを電極端部での沿面放電の発生を防止できるよう前記円筒高電圧電極の電極長さよりも長くした構成で、その電極間に酸素を含む原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生管において、耐オゾン性のある空間低減部品をオゾン化ガス側の空間に配置し、固定し、しかも原料ガスの流路を制限する突起体を前記電極の対向する面の間に設けることを特徴とするオゾン発生管(ただし、前記空間低減部品が前記同心状に対向して配置された電極と接触している場合を除く)。
- 突起体が円筒電極の長手方向に対して所定の間隔で設けられたギャップスペーサであることを特徴とする請求項1または2記載のオゾン発生管。
- 突起体がラセン状、分割ラセン状、櫛歯状、尖歯状から選ばれる形状の突起体であることを特徴とする請求項1または2記載のオゾン発生管。
- 突起体がオゾン耐食性金属材料あるいはオゾン耐食性樹脂を用いて形成されたことを特徴とする請求項1または2記載のオゾン発生管。
- 対向して配置された電極と前記電極の少なくとも一方に誘電体を配置し、交流高電圧放電操作を行ったときに沿面距離の不足により生じる絶縁破壊が起きないように、前記電極のいずれか一方の電極長さを、電極端部での沿面放電の発生を防止できるよう他方の電極長さよりも長くした構成で、その対向電極で形成された放電空間内に酸素を含む原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生管と、このオゾン発生管を内蔵する筐体とを備えたオゾン発生装置において、耐オゾン性のある空間低減部品を低減する手段をオゾン化ガス側の空間に配置し、固定し、しかも原料ガスの流路を制限する突起体を前記電極の対向する面の間に設けることを特徴とするオゾン発生装置(ただし、前記空間低減部品が前記対向して配置された電極と接触している場合を除く)。
- 両端が開口された円筒接地電極と、その円筒接地電極の内側に空隙を介して同心状に配置した円筒高電圧電極と、前記円筒接地電極と前記円筒高電圧電極の対向する面の少なくとも一方に形成した誘電体層とからなり、前記円筒接地電極の電極長さを電極端部での沿面放電の発生を防止できるよう前記円筒高電圧電極の電極長さよりも長くした構成で、その電極間に酸素を含む原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生管と、このオゾン発生管を内蔵する筐体とを備えたオゾン発生装置において、耐オゾン性のある空間低減部品をオゾン化ガス側の空間に配置し、固定し、しかも原料ガスの流路を制限する突起体を前記電極の対向する面の間に設けることを特徴とするオゾン発生装置(ただし、前記空間低減部品が前記同心状に対向して配置された電極と接触している場合を除く)。
- 突起体が長手方向に対して所定の間隔で設けられたギャップスペーサであることを特徴とする請求項6または7記載のオゾン発生装置。
- 突起体がラセン状、分割ラセン状、櫛歯状、尖歯状から選ばれる形状の突起体であることを特徴とする請求項6または7記載のオゾン発生装置。
- 突起体がオゾン耐食性金属材料あるいはオゾン耐食性樹脂を用いて形成されたことを特徴とする請求項6または7記載のオゾン発生装置。
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