JP5092222B2

JP5092222B2 - 酸素及びオゾン発生装置

Info

Publication number: JP5092222B2
Application number: JP2005289778A
Authority: JP
Inventors: 章広梅田; 浩直沼本; 邦弘鶴田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-10-03
Filing date: 2005-10-03
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2025-10-03
Also published as: JP2007099549A

Description

本発明は、空気中の酸素を分離濃縮して発生させ、さらに濃縮した酸素を原料としてオゾンを発生させる酸素及びオゾン発生装置に関するものである。

従来、空気中の酸素からオゾンを生成させるオゾン発生装置は、取り込んだ空気に無声放電を行い、オゾンを発生させて取り出すものが提案されている（例えば特許文献１参照）。その構成を図４に示す。放電室１には、絶縁体２の外側に形成された面状電極３と内側に形成された線状電極４とによって構成された放電体５が二つ備わっている。それぞれの放電体５には、交流電源６が接続されている。そして空気を流入口７から放電室１に取り込み、高電圧で放電させることで、空気中の酸素をオゾンに化学反応させ、流出口８から取り出している。
特開平７−２３２９０５号公報

しかしながら、空気を原料とした場合、窒素が約７９％含まれているため、酸素のみを原料とした場合と比べてオゾン発生効率が悪い。また、窒素の放電によって生成する窒素酸化物が多く含まれてしまうという課題もあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、酸素ポンプによって濃縮した酸素を原料とし、酸素ポンプの動作に放電時の発熱を利用することによって、酸素とオゾンを効率良く発生させることができる酸素及びオゾン発生装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、酸素イオン導電性を有する固体電解質の両面に電極が形成された酸素ポンプ素子と、誘電体の両面に線状電極と面状電極が形成された放電体とを備え、前記放電体の発熱によって前記酸素ポンプ素子を加熱動作するようにしたものである。

これによって、濃縮酸素をオゾン生成の原料にすることができ、放電の発熱を濃縮酸素の発生に利用することができる。

本発明の酸素及びオゾン発生装置は、消費電力や設置スペース等において効率的にオゾンと酸素の混合ガスを発生させることができる。

第１の発明は、酸素イオン導電性を有する固体電解質の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極が形成された酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子に電圧を印加する直流電源と、誘電体の両面にそれぞれ線状電極と面状電極が形成された放電体と、前記放電体に電圧を印可する交流電源と、前記酸素ポンプ素子と前記放電体を収納する筐体と、前記筐体に設けられた外気を取り込む流入口と放電処理後の内気を取り出す流出口とを備え、前記放電体の発熱によって前記酸素ポンプ素子を加熱動作させることを特徴とするものである。オゾン放電による発熱を酸素ポンプ素子の加熱に利用することにより、消費電力の点や収納スペースの点から効率的であり、窒素酸化物の含有量を減らした酸素及びオゾンの混合ガスを発生させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の放電体と取り込む外気が熱交換されるよう構成されたものである。これにより放電体の熱を外気に伝え、加熱することができるため、流入した空気による酸素ポンプ素子の温度低下を抑えることができる。また、発熱しすぎた放電体の冷却をすることもできる。したがって、混合ガスの発生効率を向上させることが可能となる。

第３の発明は、特に、第１項記載の固体電解質を誘電体としたものである。固体電解質と誘電体を共用することにより、放電体の発熱の伝達効率を向上させることができる。また省スペース化が可能となる。

第４、５の発明は、特に、第１項記載の電極が、固体電解質に接した金属酸化物と前記金属酸化物に接した貴金属との２層で構成されたものである。イオン導電性の金属酸化物を使用することで、酸素の解離吸着、イオン化の反応性を高めることができる。また、貴金属を使用することで、電極面上を等電位化、均熱化することができ、反応効率を向上させることができる。その中で、金属酸化物としては、イオン導電性の点でサマリウムとコバルトを主成分とする複合酸化物が良い。また、貴金属としては、安定性と接着性の点で金が優れている。

第６の発明は、特に、第１、２の固体電解質としてランタンガレートを使用するものである。ランタンガレートはランタンとガリウムを主成分としたペロブスカイト型複合金属酸化物であり、４００℃以上で高い酸素イオン導電性を有す。したがって酸素ポンプ素子の動作温度を抑えることができ、効率的に混合ガスを発生させることができる。

以下、本発明の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における酸素及びオゾン発生装置の断面図である。

酸素イオン導電性の固体電解質９の内側にアノード電極１０、外側にカソード電極１１がそれぞれ形成されて酸素ポンプ素子１２が構成されている。そして酸素ポンプ素子１２が直流電源１３と接続されている。固体電解質９は、酸素イオン導電性を有する金属酸化物であり、イットリア安定化ジルコニア等の汎用的な固体電解質でも良いが、ランタンとガリウムを組成に持つランタンガレート系のペロブスカイト型酸化物がより好ましい。特に輸率がほぼ１．０となるよう他の金属を添加したものが好ましい。本実施の形態ではストロンチウムとマグネシウムを添加して焼結させたランタンガレート（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３）を、一辺２０ｍｍ、厚み０．２ｍｍに加工して用いる。

アノード電極１０とカソード電極１１には、白金や銀などの貴金属、サマリウムとコバルトから成る金属酸化物などを用いる。これらの電極は、スクリーン印刷による塗布や蒸着、スパッタリング等によって形成できる。本実施の形態では、スクリーン印刷によって、サマリウムとコバルトを組成とした複合酸化物（Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３）を１０〜２０μｍの厚みで成形し、さらにその上に金の電極を５〜１０μｍの厚みで積層させた。

そして、その外周を断熱材１４によって覆った。ここで断熱材１４は、シリカの粉末を充填して形成された多孔体で、通気性と断熱性を併せ持つものである。断熱材の厚みは約５０ｍｍである。

筐体１５の内部には、酸素ポンプ素子１２のアノード電極１０の向いに放電体５が設置されている。放電体５は、誘電体１６の両面に形成された面状電極３と線状電極４によって構成されている。そして放電体５は、交流電源６と接続されている。誘電体１６は、樹脂等の有機材料でも良いが、製品寿命を考慮するとガラス等のセラミックスがより好ましい。本実施の形態では、硼珪酸ガラスを使用した。

面状電極３と線状電極４はタングステン製の導電性金属で、スパッタリングによって形成される。ここで、線状電極４の線幅は２．０ｍｍで、線間隔は１．５ｍｍとした。

以上のように構成された酸素及びオゾン発生装置の動作、作用を説明する。

まず、流入口７または流出口８に連結したポンプまたはファン（図示せず）によって外気が放電室１に取り込まれる。次に交流電源６によって放電体５に９．０ｋＶ、９．５ｋＨｚの高電圧が印可され、オゾンが発生する。その際、放電体５は、数１００℃まで発熱することになる。

酸素ポンプ素子１２では、放電体５の熱を受けて温度が上昇する。そして、所定の温度になったとき直流電源１３によって電圧を印可され、酸素ポンプ素子１２に電流が流れる。なお、酸素ポンプ素子１２は、低温では抵抗が高いために自己発熱する。したがって、放電体５の熱が不十分であれば、自己発熱によって補うことができる。

そして、カソ−ド電極１１の外部空間の酸素分子は断熱材１４を通り、カソ−ド電極１１から酸素イオンとして固体電解質９に取り込まれ、アノ−ド電極１０まで移動する。アノ−ド電極１０に到達した酸素イオンは酸素分子となり、放電室１の内部空間に排出される。これにより、オゾン放電の原料として酸素濃度１００％のガスを供給することができる。

発生した酸素とオゾンは、ポンプ等によって流出口８から取り出される。このとき、外気の取り込み流量や、酸素ポンプ素子１２の通電量を変化させることで、発生させる酸素やオゾンの濃度及び流量を変化させることができる。特に、外気の取り込み空気量を０ｍｌ／ｍｉｎとすると、発生する混合ガス中の窒素酸化物を原理的にほぼ０ｍｌ／ｍｉｎとすることができる。そして、以上のような構成によって、ヒータ等の酸素ポンプ素子１２の加熱手段を必要とせずに酸素を分離濃縮することができ、省電力化、省スペース化を図ることができる。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態における酸素及びオゾン発生装置の断面図である。各構成で実施の形態１と共通する点は、説明を省略する。

本実施例の特徴は、流入口７から放電室１に至る外気の流路１７が、放電体の面状電極３と接していることである。そして、断熱材１４の中にヒータ１８が埋め込まれている。

放電室１では、交流電源６によって放電体５に９．８ｋＶ、１０．０ｋＨｚの高電圧を印可し、外気からオゾンが生成される。その際、放電体５は発熱することになる。その熱によって、酸素ポンプ素子１２が加熱されるだけでなく、流路１７を介して外気が加熱される。一方、放電体５は熱を放出することによって冷却される。

酸素ポンプ素子１２は、放電体５の熱とヒータ１８の熱を得て温度が上昇する。そして
、所定温度になったとき直流電源１３によって電圧を印可して動作させる。なお、ヒータ１８は必ずしも必要でない。自己発熱の補助を利用して所定温度まで上昇することも実施の形態１と同様である。そして発生した酸素とオゾンは、ポンプ等によって流出口８から取り出される。このとき、外気の取り込み流量や酸素ポンプ素子１２の通電量、ヒータ１８の電力量を変化させることで、発生させる酸素やオゾンの濃度及び流量を変化させることができる。

以上のような構成によって、実施の形態１と同様な効果に加え、外気を加熱することで酸素ポンプ素子１２の温度低下を抑えることができ、酸素発生効率を高めることができる。また、放電体５を冷却することでオゾン発生効率を向上させることができる。

（実施の形態３）
図３は本発明の第３の実施の形態における酸素及びオゾン発生装置の断面図である。各構成で実施の形態１と共通する点は説明を省略する。

本実施例の特徴は、固体電解質９の面上に面状電極３、線状電極４が形成されたことである。

固体電解質９の面上に形成された放電体５に９．０ｋＶ、９．５ｋＨｚの高電圧を印可すると、取り込まれた外気からオゾンが生成される。その際、放電体５は発熱することになる。その熱によって、酸素ポンプ素子１２が加熱される。それ以後は、実施の形態１と同様である。

このような構成によって、直接に酸素ポンプ素子１２を加熱することができるため、酸素発生効率を高めることができる。また、酸素ポンプ素子と放電体とを共用し、同じスペースに設置することができるため、低コスト化、省スペース化が可能となる。

以上のように、本発明にかかる酸素及びオゾン発生装置は、酸素とオゾンの混合ガスを供給することができるため、空気調和調節機器の応用製品として利用できる。このような電気製品として、例えばエアコン、空気清浄器、送風機、またはそれらが機能の一部として組み込まれた製品があげられる。

発明の実施の形態１における酸素及びオゾン発生装置の断面図発明の実施の形態２における酸素及びオゾン発生装置の断面図発明の実施の形態３における酸素及びオゾン発生装置の断面図従来発明におけるオゾン発生装置の断面図

符号の説明

３面状電極
４線状電極
５放電体
６交流電源
７流入口
８流出口
９固体電解質
１０アノード電極
１１カソード電極
１２酸素ポンプ素子
１３直流電源
１５筐体
１６誘電体

Claims

酸素イオン導電性を有する固体電解質の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極が形成された酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子に電圧を印加する直流電源と、誘電体の両面にそれぞれ線状電極と面状電極が形成された放電体と、前記放電体に電圧を印可する交流電源と、前記酸素ポンプ素子と前記放電体を収納する筐体と、前記筐体に設けられた外気を取り込む流入口と放電処理後の内気を取り出す流出口とを備え、前記放電体による発熱によって前記酸素ポンプ素子を加熱動作させ、さらに前記放電体の前記面状電極と取り込む外気とを接触させ、前記放電体の発生する熱で前記外気が熱せられるよう構成されることを特徴とする酸素及びオゾン発生装置。
固体電解質を誘電体とした請求項１に記載の酸素及びオゾン発生装置。
アノード電極とカソード電極が、固体電解質に接した金属酸化物と前記金属酸化物に接した貴金属との２層で構成された請求項１に記載の酸素及びオゾン発生装置。
金属酸化物がサマリウムとコバルトを主成分とする複合酸化物であり、かつ貴金属が金である請求項３に記載の酸素及びオゾン発生装置。
固体電解質がランタンガレートである請求項１または３に記載の酸素及びオゾン発生装置。