JP5046264B2 - 板型放電セル - Google Patents

Description

本発明はオゾン発生装置に使用される放電セルに関し、特に板状の誘電体を用いた板型放電セルに関する。

オゾン発生装置に使用される放電セルは板型と管型に大別され、板型はさらに円板型と角板型に細分される。板型放電セルは、１対の誘電板の間の放電空隙を狭くしやすいこと、その放電空隙寸法を均等化しやすいことなどから、高濃度オゾンの生成に多用されている。板型放電セルの典型的な構造を以下に説明する。

四角形のセラミック板などからなる誘電板を所定の隙間をあけて対向配置して、その間に放電空隙を形成する。１対の誘電板は、背面側の各表面に被覆形成された電極層を有している。一対の誘電板の間の放電空隙で放電を発生させるべく、各背面側に設けられた電極層の間に所定の高周波高電圧を印加する。この状態で一対の誘電板の間に酸素ガスなどの原料ガスを流通させる。これにより原料ガスがオゾン化する。

放電空隙は一対の誘電板の背面側から強制的に冷却されるのが通例である。一対の誘電板の背面側に冷却部を形成するために、その背面側に誘電板と同様のセラミック系板材が積層される。つまり、板型放電セルの典型的な構造の一つは、セラミック板を積層したセラミック積層構造であり、その一つが特許文献１に記載されたセラミックブロック構造である。

特開平１１−２６８９０２号公報

特許文献１に記載された放電セルでは、ほぼ正方形をした複数枚のセラミック板が板厚方向に積層される。中間の２枚は誘電板であり、放電空隙を形成するためのスペーサーを間に挟む。各セラミック板は、平行な２つの側縁部にその側縁に沿ったガス流通用の貫通孔を有し、他の２つの平行な側縁部に冷媒流通用の貫通孔を有する。１組のガス流通用貫通孔は板厚方向に合体して１組の縦向きガス流路を形成し、１組の冷媒流通用貫通孔は板厚方向に合体して１組の縦向き冷媒流路を形成する。電極層は、ガス流通用貫通孔及び冷媒流通用貫通孔に囲まれた四角形の領域に形成されている。

運転中は、１組の縦向きガス流路の一方に原料ガスが導入される。その原料ガスは２枚の誘電板間に形成された放電空隙を誘電板に平行な方向に流通し、この間にオゾン化して他方の縦向きガス流路から排出される。冷媒としては冷却水が使用され、これが１組の縦向き冷媒流路の一方に導入される。その冷却水は、１組の誘電板の背面側を誘電板に沿って流通して奪熱を行い、他方の縦向き冷媒流路から排出される。

複数枚のセラミック板は焼成により一体化されているが、オゾンガスの汚染防止のためにセラミック板の純度を高めると、焼成による一体化が困難になる。このため、高純度のセラミック板を用いる場合は、焼成による一体化に代えて、ガラス系封止材などによる接合が採用される。

このようなセラミック積層構造の板型放電セルでは、２枚の誘電板の各背面側に被覆形成された電極層への電圧印加のために、各電極層の一部をリード端子として積層体の外へ引き出す必要があり、このリード端子は、特許文献１に記載された放電セルでは、誘電板の側縁部、特に冷媒流通孔が設けられた側縁部を横切って積層体の外に引き出されている。この結果、冷媒流通孔は２分されることになり、その長さが、電極層の１辺の長さに対して制限され、冷却能力の低下を余儀なくされる。貫通孔の長さの不足を孔幅の増大で補おうとすると、内側に形成される電極層が狭くなり、放電面積が犠牲になる。

電極層及びリード端子は短絡防止（絶縁性確保）のために冷媒流通孔から十分に離反させる必要がある。このため、リード端子が通過する部分が広くなり、その分、貫通孔の長さは短くなり、貫通孔の内側に設けられる電極層の面積も狭くなる。

一方、リード端子をガス流通孔のところに設けた場合は、ガス流通孔が分断されることになり、放電空隙における均一なガス流通が困難になる。

本発明の目的は、冷却能力やガス流通を犠牲にすることなく、また放電面積を犠牲にすることなく、電極層への安定な高電圧印加を可能にする板型放電セルを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の板型放電セルは、対向面間に放電空隙を形成するべく対向配置された１対の誘電板と、１対の誘電板の背面側の各表面上に配置された一対の電極層とを備えている。そして、前記１対の誘電板は、各誘電板の外縁部に、交差する２方向において中心を挟んで対設されており、それぞれが外縁に沿った長孔形状に形成されると共に、一方の組がガス流通用、他方の組が冷媒流通用とされた２組の流体流通用貫通孔を有しており、前記一対の電極層は、各誘電板の外縁部に形成された２組の貫通孔に囲まれた領域に設けられると共に、隣接する貫通孔が突き合わされる少なくとも１つの突き合わせ部で、且つ一対の電極層の間で干渉しない突き合わせ部に、電極層から延出し且つ両方の貫通孔から離れて形成された端子部を有している。

本発明の板型放電セルにおいては、１対の誘電板の外縁部にその外縁に沿って２組の長孔形状の貫通孔が設けられており、これらに囲まれた領域に電極層が設けられている。そして、隣接する貫通孔が突き合わされる少なくとも１つの突き合わせ部に、電極層から延出した端子部が両方の貫通孔から離れて形成されている。すなわち、端子部はガス流通用貫通孔にも冷媒流通用貫通孔にも影響を与えない、両貫通孔の突き合わせ部に設けられているのである。このため、両方の貫通孔は端から端まで連続し、十分な長さをもつものになる。また、貫通孔が長く連続したものになるため、貫通孔を狭く長くできる。このために、貫通孔に囲まれる電極層を広くすることができる。

一対の誘電板については、１組のガス流通用貫通孔の一方から他方へ向かうガス流通路を残して、無機系で且つ非金属の接合材により接合されると共に、電極層を封入するべく背面側に絶縁板が前記接合材により接合された構造が好ましい。この電極封入構造により絶縁性が上がり、冷媒流通用貫通孔から電極層までの距離を小さく抑制することができる。また、両貫通孔から端子部までの距離を小さく抑制することができる。ここにおける接合材としてはガラス系封止材が好ましい。

端子部に関しては、前記突き合わせ部において一対の誘電板を板厚方向に貫通し、その突き合わせ部に形成された端子部と導通する給電用の棒状リードを設けるのがよい。この構造により、端子部を積層体の側面から引き出す必要がなくなり、積層方向の端面からの給電により、放電セルの小型化が可能になる。

誘電板の形状に関しては四角形でもよいし円形でもよく、特にその形状を問わない。誘電板の形状が四角形の場合は、平行な１組の側縁部にその側縁に沿った直線状のガス流通用貫通孔が設けられ、他の平行な１組の側縁部にその側縁に沿った直線状の冷媒流通用貫通孔が設けられる。

誘電板の形状が四角形の場合の電極層は、四角形の誘電板の４つの側縁部に各形成された貫通孔より内側に位置する四角形の領域に形成されることになり、且つ隣接する貫通孔が突き合わされる少なくとも１つのコーナー部に端子部を有する構造となる。これらの貫通孔、特に冷媒流通用の貫通孔は、隣接並行する角形電極層の側縁より長く形成することが、冷却性を高める点から好ましい。一方、ガス流通用貫通孔の長さについてもオゾン発生効率の点から、隣接並行する角形電極層の側縁の長さと同等もしくはこれより大きくすることが好ましい。

誘電板の材質としては、アルミナなどのセラミック、サファイア、ガラス、石英等を挙げることができる。誘電板の厚みは剛性、強度を確保し電圧降下を低減するために０．１〜２．０ｍｍが好ましい。誘電板中の不純物を低減すると、オゾン濃度の低下が問題になる。この問題を解決するために、誘電板の少なくとも放電空隙と接する表層部分に酸化チタンを含有させるのがよく、アルミナ基板中に酸化チタンをＴｉ元素量比率で０．００６〜６重量％含有させたバルク材が、オゾン発生特性及びクリーン度の両面から特に好ましい。

本発明の板型放電セルは、１対の誘電板の外縁部にその外縁に沿って２組の長孔形状の貫通孔を設けると共に、これらに囲まれた領域に電極層を設け、隣接する貫通孔が突き合わされる少なくとも１つの突き合わせ部に、電極層から延出した端子部を形成することにより、各貫通孔を長く連続した形状にできる。これにより、高電圧印加に支障をきたすとなく、高度の冷却能力を確保でき、且つ良好なガス流通を確保できる。また、放電面積を最大限まで拡大でき、オゾン発生効率を高めることができる。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す板型放電セルの分解斜視図、図２は同板型放電セルに使用されている誘電板の拡大斜視図、図３は同板型放電セルの模式断面図である。

本実施形態の板型放電セルは、図１及び図３に示すように、正方形をした複数枚の板材を板厚方向に積層した構成になっている。複数枚の板材は高純度のアルミナ板であり、ガラス系の接合層５０を介して接合されている。各板材の四隅部には位置決め用の貫通孔が設けられており、その角部は丸みを付与されている。

中間の２枚は誘電板１０Ａ，１０Ｂである。その厚みは例えば０．２ｍｍである。各誘電板１０の平行な両側縁部には、各側縁に沿った長孔形状の貫通孔１１，１１が設けられている。貫通孔１１，１１はガス流通用であり、両側縁部の両端部を除くほぼ全域に連続的、直線的に設けられている。各誘電板１０の他の平行な両側縁部、すなわち前記貫通孔１１，１１に直角な両側縁部には、各側縁に沿った長孔形状の貫通孔１２，１２が設けられている。貫通孔１２，１２は冷媒流通用であり、両側縁部の両端部を除くほぼ全域に連続的、直線的に設けられている。

各誘電板１０の対向面には、図２及び図３に示すように、貫通孔１１，１１の一方から他方に至る多数の並列したガス流路１３を形成するために、ガス流路１３の部分を除いてセラミックス層１４が積層されている。セラミックス層１４は、アルミナ粉末とガラス粉末とで製造したペーストを対向面のガス流路以外の部分に印刷し、これを所定厚（例えば５０μｍ）まで繰り返した後、ガラス粉末の融点以上の温度で焼成することにより形成されている。

各誘電板１０の背面側の表面には電極層１５が被覆形成されている。電極層１５は、例えば銀ペーストの印刷塗布・焼成により形成される厚みが５μｍの金属薄膜であり、貫通孔１１，１１，１２，１２に囲まれた正方形の領域に設けられている。貫通孔１１，１１，１２，１２、特に冷媒流通用の貫通孔１２，１２の長さＬは、隣接する電極層１５の１辺の長さより大きく設定されている。また、冷媒流通用の貫通孔１２，１２から電極層１５までの距離Ｓは２ｍｍ以上あればよく、２ｍｍ以上の範囲で出来るだけ小さく設定されている。

電極層１５の隣り合う２つのコーナー部は誘電板１０のコーナー部に張り出しており、その先端部は円形の端子部１６になっている。円形の端子部１６は、コーナー部で突き合わされる２つの貫通孔１１，１２から等距離の位置にあり、誘電板１０の隅部に設けられた位置決め用の貫通孔１７は端子部１６の中心部に設けられている。貫通孔１１，１２から端子部１６までの距離も２ｍｍ以上の範囲で出来るだけ小さく設定されている。

そして、一方の誘電板１０Ａにおける端子部１６，１６は、誘電板１０Ａの隣り合う２つのコーナー部に設けられており、他方の誘電板１０Ｂにおける端子部１６，１６は、誘電板１０Ａにおける端子部１６，１６と重ならないように、誘電板１０Ｂの別の隣り合う２つのコーナー部に設けられている。

誘電板１０Ａ，１０Ｂの外側に配置される板材は絶縁板２０Ａ，２０Ｂである。その厚みは例えば２ｍｍである。各絶縁板２０の平行な両側縁部には、貫通孔１１，１１に対応する長孔形状のガス流通用の貫通孔２１，２１が設けられている。各絶縁板２０の他の平行な両側縁部には、貫通孔１２，１２に対応する長孔形状の冷媒流通用の貫通孔２２，２２が設けられている。

絶縁板２０Ａ，２０Ｂの外側に配置される板材は冷媒流路を形成するためのスリット板３０Ａ，３０Ｂである。その厚みは例えば０．５ｍｍである。各スリット板３０の平行な両側縁部には、貫通孔１１，１１，２１，２１に対応する長孔形状のガス流通用の貫通孔３１，３１が設けられている。貫通孔３１，３１の間には、冷媒流路を形成するために多数のスリット３３，３３・・が平行に設けられている。スリット３３，３３・・の両端部は、冷媒流通用の貫通孔２２，２２とオーバーラップするように、各スリット板３０の他の平行な両側縁部に到達している。

スリット板３０Ａ，３０Ｂの更に外側に配置される板材は蓋板４０Ａ，４０Ｂである。一方の蓋板４０Ａの厚みは例えば５ｍｍ、他方の蓋板４０Ｂの厚みは例えば２ｍｍである。一方の蓋板４０Ａには、内側のスリット板３０Ａの貫通孔３１，３１にそれぞれ連通するガス供給孔４１ａ及びガス排出孔４１ｂが設けられている。蓋板４０Ａの裏面には、スリット３３，３３・・の両端部、すなわち貫通孔１２，１２，２２，２２に対応するように１対の凹部が設けられている。そして蓋板４０Ａには、裏面側の１対の凹部に各連通する冷媒供給孔４２ａ及び冷媒排出孔４２ｂが設けられている。

これらの板材は次のようにして接合されている。各板材の接合面にガラス系の接合用ペーストを例えば３０μｍ程度の厚みに塗布する。接合用ペーストは、ガラス粉末をバインダーと混練して所定粘度に調整したものである。接合用ペーストの塗布が終わると、板材を加熱炉に装入し、接合用ペーストをガラス粉末の融点である例えば８５０℃以上の温度で焼成する。接合用ペーストの焼成が終わると、各板材を重ね合せ、四隅部の貫通孔に位置決めピン６０を刺し通す。４本の位置決めピン６０は棒状リードを兼ねており、そのうちの２本は、誘電板１０Ａの裏面に設けられた２つの端子部１６，１６と導通し、残りの２本は、誘電板１０Ｂの裏面に設けられた２つの端子部１６，１６と導通する。最後に、重ね合わせた板材を加熱炉に装入し、接合用ペーストをガラス粉末の融点である例えば８５０℃以上の温度で焼成する。

この焼成により、誘電板１０Ａ，１０Ｂ、その外側の絶縁板２０Ａ，２０Ｂ、その外側のスリット板３０Ａ，３０Ｂ、更にその外側の蓋板４０Ａ，４０Ｂが、ガラス系の接合層５０を介して接合されることになり、本実施形態の板型放電セルが完成する。完成した板型放電セルの特徴は以下のとおりである。

誘電板１０Ａ，１０Ｂの間でガス流路１３，１３が合体することにより、誘電板１０Ａ，１０Ｂの間に放電空隙７０が形成される。ガス流路１３，１３を形成するセラミック層１４，１４の各厚みは例えば５０μｍである。このため、放電空隙７０のギャップ量は例えば１００μｍとなる。誘電板１０の背面側の表面に被覆形成された電極層１５は、端子部１６，１６と共に、誘電板１０とその外側に接合された絶縁板２０との間に封入され絶縁される。

誘電板１０Ａの背面側に設けられた電極層１５は高圧電極である。電極層１５の端子部１６，１６は２本の棒状リード６０，６０により蓋板４０Ａの外側に引き出される。一方、誘電板１０Ｂの背面側に設けられた電極層１５は接地電極である。この電極層１５の端子部１６，１６は別の２本の棒状リード６０，６０により蓋板４０Ａの外側に引き出される。

誘電板１０の貫通孔１１，１１、絶縁板２０の貫通孔２１，２１、スリット板３０の貫通孔３１，３１が板材積層方向に連続することにより、放電空隙７０に連通する縦向きのガス流路８０，８０が積層体内に形成される。また、誘電板１０の貫通孔１２，１２、絶縁板２０の貫通孔２２，２２が板材積層方向に連続することにより、スリット板３０におけるスリット３３，３３・・の両端部に連通する縦向きの冷媒流路が積層体内に形成される。

板型放電セルの運転では、２本の棒状リード６０，６０を介して、誘電板１０Ａの背面側に設けられた電極層１５に所定の高電圧を印加し、残りの２本の棒状リード６０，６０を介して、誘電板１０Ｂの背面側に設けられた電極層１５を接地する。これと共に、積層方向に形成された２つの縦向きガス流路８０，８０の一方に、蓋板４０Ａのガス供給孔４１ａから原料ガスを導入し、積層方向に形成された２つの縦向き冷媒流路の一方に、蓋板４０Ａの冷媒供給孔４２ａから冷却水を導入する。

ガス流路８０，８０の一方に導入された原料ガスは、誘電板１０Ａ，１０Ｂの間に形成された放電空隙７０を一端部から他端部へ向かい、この間にオゾン化されてガス流路８０，８０の他方に至り、蓋板４０Ａのガス排出孔４１ｂから外部へ排出される。２つの冷媒流路の一方に導入された冷却水は、スリット板３０Ａ，３０Ｂの各スリット３３，３３・・を長手方向に流通し、２つの冷媒流路の他方を通って蓋板４０Ａの冷媒排出孔４２ｂから排出される。これにより、誘電板１０Ａ，１０Ｂの間に形成された放電空隙７０が両面側から冷却される。

ここで、積層方向の縦向きガス流路８０を形成する貫通孔１１，２１，３１、例えば誘電板１０の貫通孔１１、１１は、誘電板１０の平行な２辺に沿って細く連続して設けられている。また、積層方向の縦向き冷媒流路を形成する貫通孔１２，２２、例えば誘電板１０の貫通孔１２，１２は、誘電板１０の他の平行な２辺に沿って細く連続して設けられている。すなわち、電極層１５の端子部１６，１６を、貫通孔１１，１２が突き合わされるコーナー部に配置したことにより、誘電板１０の貫通孔１１，１２は、誘電板１０の側縁部に側縁に沿って細く切れ目なく形成されることが可能となった。

このため、縦向きガス流路８０，８０の間に形成された放電空隙７０をガスが幅方向全域で均等な分布で流通する。スリット板３０Ａ，３０Ｂの各スリット３３，３３・・を冷却水が幅方向全域で均等な分布で流通する。特に、誘電板１０の貫通孔１２，１２、絶縁板２０の貫通孔２２，２２の長さＬは、貫通孔１２，１２に隣接平行する電極層１５の１辺の長さより大きい。このため、電極層１５，１５及び放電空隙７０が全幅にわたり効率的に冷却される。

また、電極層１５が誘電板１０と絶縁板２０の間に封入され絶縁性が高いために、電極層１５及び端子部１６，１６から縦向きガス流路８０，８０及び縦向き冷媒流路までの距離を小さくできる。具体的には、異常放電防止のために空気中だと３０ｍｍ以上必要なこの距離が、ここでは２ｍｍ以上となる。このため、電極層１５を周囲の貫通孔近傍まで広げることでき、高効率なオゾン発生が可能となる。また、貫通孔１１，１２の突き合わせ部に端子部１６を設けるにもかかわらず、貫通孔１１，１２を端子部１６に接近させることができ、貫通孔１１，１２の延長も可能になる。貫通孔１１，１２の延長はガス流通効率、冷媒流通効率の向上に寄与するだけでなく、孔幅の縮小につながり、電極層１５の拡大に寄与する。

かくして、本実施形態の板型放電セルでは冷却能の向上、電極面積の拡大により、高効率のオゾン発生が可能になる。また、下記の二次的な理由により、クリーン度の高いオゾンガスが生成される。

原料ガス及びオゾンガスは縦向きガス流路８０，８０の一方から誘電板１０Ａ，１０Ｂ間の放電空隙７０を通り縦向きガス流路８０，８０の一方に至る。ここで、縦向きガス流路８０，８０は高純度アルミナの板材をガラス接合層５０で接合した積層体内に形成されており、両者は汚染源を含まないクリーンな無機系の非金属材料である。また、放電空隙７０は、高純度アルミナ板からなる誘電板１０Ａ，１０Ｂの間にリブ構造のセラミック層１４及びガラス接合層５０により形成されており、セラミック層１４もガラス接合層５０と同じくクリーンな無機系の非金属材料である。

すりなわち、原料ガス及びオゾンガスは、金属に直接接触しないことはもとより、汚染源を含まないクリーンな無機系の非金属材料により形成されたクリーンな流通経路をのみを通過するのである。換言すれば、接ガス部は全てクリーン材料により構成されている。したがって 原料ガス及びオゾンガスの汚染の危険がなく、クリーン度の高いオゾンガスが得られる。

なお、上記実施形態は角板型放電セルであるが、円板型放電セルでもよい。その場合、誘電板１０は、交差する２方向（通常は直角な２方向）において誘電板１０の中心を挟んで対設されるガス流通用の貫通孔１１，１１及び冷媒流通用の貫通孔１２，１２を有する。貫通孔１１，１１の間の領域と貫通孔１２，１２の間の領域が重なる四角形の領域に電極層１５が設けられる。各貫通孔は誘電板１０の外周に沿った円弧状でもよいが、外側が該誘電板１０の外周に沿った円弧、内側が電極層１５に沿った直線かなる半月状の貫通孔の方が孔面積を大きくできる。

本発明の一実施形態を示す板型放電セルの分解斜視図である。 同板型放電セルに使用されている誘電板の拡大斜視図である。 同板型放電セルの模式断面図である。

符号の説明

１０ 誘電板
１１，１２ 貫通孔
１３ ガス流路
１４ セラミック層
１５ 電極層
１６ 端子部
２０ 絶縁板
２１，２２ 貫通孔
３０ スリット板
３１ 貫通孔
３３ スリット
４０ 蓋板
４１ ガス孔
４２ 冷媒孔
５０ ガラス接合層
６０ 棒状リード
７０ 放電空隙
８０ 縦向きガス流路

Claims (7)

1. 対向面間に放電空隙を形成するべく対向配置された１対の誘電板と、１対の誘電板の背面側の各表面上に設けられた一対の電極層とを備えており、
   前記１対の誘電板は、各誘電板の外縁部に、交差する２方向において中心を挟んで対設され、それぞれが外縁に沿った長孔形状に形成されると共に、一方の組がガス流通用、他方の組が冷媒流通用とされた２組の流体流通用貫通孔を有しており、
   前記一対の電極層は、各誘電板の外縁部に形成された２組の貫通孔に囲まれた領域に設けられると共に、隣接する貫通孔が突き合わされる少なくとも１つの突き合わせ部で、且つ一対の電極層の間で干渉しない突き合わせ部に、電極層から延出し且つ両方の貫通孔から離れて形成された端子部を有することを特徴とする板型放電セル。
2. 前記突き合わせ部において一対の誘電板を板厚方向に貫通し、その突き合わせ部に形成された端子部と導通する給電用の棒状リードを備える請求項１に記載の板型放電セル。
3. 前記１対の誘電板は四角形であり、平行な１組の側縁部にその側縁に沿った直線状のガス流通用貫通孔を有すると共に、他の平行な１組の側縁部にその側縁に沿った直線状の冷媒流通用貫通孔を有しており、前記一対の電極層は、四角形の誘電板の４つの側縁部に各形成された直線状の貫通孔に囲まれた四角形の領域に形成されている請求項１に記載の板型放電セル。
4. 前記一対の電極層は、隣接する貫通孔が突き合わされる少なくとも１つのコーナー部で、且つ一対の電極層の間で干渉しないコーナー部に端子部を有する請求項３に記載の板型放電セル。
5. 前記貫通孔は、隣接並行する角形の電極層の側縁より長く形成されている請求項３に記載の板型放電セル。
6. 前記一対の誘電板は、１組のガス流通用貫通孔の一方から他方へ向かうガス流通路を残して、無機系で且つ非金属の接合材により接合されると共に、背面側の電極層を封入するべくその背面側に絶縁板が前記接合材により接合されている請求項１に記載の板型放電セル。
7. 前記貫通孔からその内側の電極層までの離間距離が最小で２ｍｍである請求項６に記載の板型放電セル。