JP6235162B2 - オゾン発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、オゾンの生成を行うオゾン発生装置に関するものであり、特に、コンパクトな構成であっても、高オゾン発生量（＝高濃度×ガス流量）のオゾンガスを生成することができるオゾン発生装置に関する。

オゾンガスは、酸化反応性が高いので、半導体製造分野において多用されている。オゾンガスは、たとえば、ウェハーの絶縁酸化膜を形成するため、オゾンパルプ漂白やオゾン殺菌のためなどに使用されている。

オゾン発生容積密度η（＝Ｙ／Ｖ）を高めるための従来技術として、たとえば特許文献１が存在する。ここで、Ｙはオゾン発生量（＝高濃度×ガス流量）であり、Ｖはオゾンガス発生装置の体積である。

特許文献１に係る技術では、誘電体バリア放電が発生する放電空間における放電ギャップ長を、約１ｍｍから０．４ｍｍ以下へと短くすることで、オゾン濃度は、１００ｇ/ｍ^３から２００ｇ/ｍ^３以上へとなり、高濃度オゾンガスの生成が可能となる。つまり、特許文献１に係る技術では、オゾン発生容積密度ηを約２倍以上高められている。なお、今日では、０．１ｍｍ以下の短ギャップ長において誘電体バリア放電を発生させることで、同一ガス流量で、約３００g/ｍ^３の高濃度オゾン発生が可能となっている。

また、上記構成に加え、超薄型の水冷電極を用いた放電セルを積層して構成されるオゾン発生器を示す従来技術として、たとえば特許文献２，３が存在している。

特許文献２，３に係る技術では、電極厚みが薄くなり、ガス配管および冷却水配管の構成が簡素化されている。これにより、たとえば特許文献１に係る技術に比べ、特許文献２，３に係る技術では、さらにオゾン発生容積密度が高めらえている。

また、特許文献４に係る技術では、原料ガスとしては、窒素を含む酸素ガスを用いて、オゾンガスを生成している。

特許文献４に係る技術では、誘電体バリア放電場において、窒素ガスと酸素ガスとから生成される微量なＮＯ_２ガスが、放電光と相互化学反応を起こす。これにより、酸素原子を効率的に解離でき、その結果として高濃度のオゾンガスが生成される。

また、高純度酸素ガス単体から高濃度のオゾンガスを生成する技術として、特許文献５等が存在している。

当該特許文献５に係る技術では、誘電体バリア放電光と光触媒との相互化学反応を利用することにより、高純度の酸素ガス単体から、高濃度のオゾンガスを生成することが可能となっている。

以上のように、従来より、高濃度オゾンガス生成技術が研究・開発されている。

特開平８−１２３０４号公報 特開２００３−１６０３１０号公報 特開２００４−１４２９６３号公報 特開２００４−３５９５３７号公報 特開２０１１−８８８２１号公報

従来では、放電空間を有する放電セルに交流電圧を印加し、当該放電空間においてオゾンガスを発生させていた。なお、放電セルを多段に積層することにより、大容量のオゾンガスを生成させることが可能となっていた。

従来のオゾン発生装置では、放電セルは、２つの電極面が対面して配設されており、電極間に放電空間が形成されていた。したがって、従来では、放電面は、放電空間に面している一方の電極面と、放電空間に面する他方の電極面であった（つまり、一つの放電セルにおいて、放電空間は一つであり、放電面は二つであった）。

よって、オゾンガスの生成効率を上げる方法手段としては、「放電ギャップ長の短ギャップ化」、「放電面に凹凸を設ける方法」、「放電の電力密度を高める方法」、および「放電面を冷却し放電ガス温度を低下させる方法」に限られていた。

なお、上記のほかに、大容量のオゾンガスを発生させるために、生成効率の高い放電面物質の探求、原料ガス量の増加、発生装置の数を増加なども考えられる。しかしながら、いずれも、装置全体の複雑化・大型化およびコスト高という問題を有している。

そこで、本発明は、装置が複雑化および大型化することなく、低コストにて、さらにオゾン発生容積密度を増加させることができるオゾン発生装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るオゾン発生装置は、誘電体バリア放電が発生する放電セルを有しており、当該誘電体バリア放電によりオゾンの生成を行うオゾン発生装置であって、前記放電セルは、板状の第一の電極部と、空間が形成されるように、前記第一の電極部と対面して配設される、板状の第二の電極部と、前記第一の電極部と前記第二の電極部との間に配設され、前記空間を二つの放電空間として区画する、板状の誘電体仕切板とを、備えている。

本発明に係るオゾン発生装置は、誘電体バリア放電が発生する放電セルを有しており、当該誘電体バリア放電によりオゾンの生成を行うオゾン発生装置であって、前記放電セルは、板状の第一の電極部と、空間が形成されるように、前記第一の電極部と対面して配設される、板状の第二の電極部と、前記第一の電極部と前記第二の電極部との間に配設され、前記空間を二つの放電空間として区画する、板状の誘電体仕切板とを、備えている。

したがって、一つの放電セルに、二つの放電空間を形成することができる。つまり、一つの放電セルに、四つの放電面が形成される。このように、放電面が増加するので、一つの放電セルにおいて生成せれるオゾンガス発生量（＝高濃度×ガス流量）が、より高められる。また、誘電体仕切板は安価であり、放電セルに誘電体仕切板を配設することも簡単である。さらに、誘電体仕切板の厚さは薄いので、極小のスペースを要するのみである。つまり、本発明に係るオゾン発生装置では、装置の複雑化および大型化を防止しつつ、低コストにより、オゾン発生容積密度をさらに増加させることができる。

本発明に係るオゾン発生装置１００の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る放電セル５０の構成を示す拡大断面図である。 実施の形態２に係る放電セル５０の構成を示す拡大断面図である。 誘電体仕切板７に対して、スペーサ４が放射状に配設された様子を示す拡大平面図である。

本発明に係るオゾン発生装置では、放電セルにおいて、電極部間の寸法は１ｍｍ以下である。そして、電極部間の空間に、誘電体で形成された中間閾面（以下、誘電体仕切板と称する）を設ける。これにより、一つの放電セルでは、前記空間において、誘電体バリア放電が発生する放電空間が二つ生成され、放電面が４面と増加する。そして、本発明に係るオゾン発生装置では、一つの放電セルの各放電空間において、誘電体バリア放電を均一に形成し、オゾンガスの高発生量（オゾン発生容積密度を増加）を得る。

以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態に係るオゾン発生装置１００の構成を示す断面図である。また、図２は、オゾン発生装置１００内に配設される放電セル５０の構成を示す拡大断面図である。

ここで、図１に示した構成例では、一つの放電セル５０を有するオゾン発生装置１００が、図示されている。しかしながら、複数の放電セル５０が配列された構成、または複数の放電セル５０が積層させた構成を有する、オゾン発生装置であっても良い（なお、複数の放電セル５０を有する構成の場合、各放電セルの５０構成は、図２に示す構成を有する）。

図１に示すように、オゾン発生装置１００内には、放電セル５０が配設されている。放電セル５０では、誘電体バリア放電が発生する。そして、当該誘電体バリア放電を利用して、放電セル５０においてオゾンガスが生成される。なお、放電セル５０の具体的な構成は、図２を用いて後述する。

また、オゾン発生装置１００の側面には、外部からオゾン発生装置１００内に、原料ガスを供給するガス供給部９ａが配設されている。ここで、原料ガスとして、たとえば、メインの酸素ガスと微量の窒素ガスとから成る混合ガスを採用することができる。ガス供給部９ａからオゾン発生装置１００内に原料ガスを供給し、放電セルの周囲部分からガスを均等に流し込む構成にしているが、ここでの詳細図については、省略する。

当該混合ガスを用いることにより、誘電体バリア放電場において、窒素ガスが、酸素ガスに対して、酸素原子解離を促進させる。これにより、より高濃度のオゾンガスが生成される。

また、オゾン発生装置１００の側面には、オゾン発生装置１００内から外部に、オゾンガスを出力するガス出力部９ｂが配設されている。ここで、オゾンガスは、放電セルにおいて、誘電体バリア放電を利用して、原料ガスから生成される。各放電セル５０において、例えば接地電極（低圧電極１）の中央部での電極構造を工夫して、オゾンガスをガス出力部９ｂへ導く構成を採用できる。

また、図１には、放電セル５０に交流電圧を印加する交流電源５が、図示されている。交流電源５は、インバータを利用して、高周波交流電圧を生成・出力する。また、交流電源５では、出力する電流を制御することにより、放電セル５０で生成されるオゾン量を制御している。

なお、オゾン発生装置１００には、上記のほかに、供給される原料ガスの流量を調整するガス流量調整器、オゾン発生装置１００内の圧力（放電場の圧力）を調整する圧力調整器、および生成されたオゾンガスの濃度等を測定する測定器などが、配設される。図１では、図面簡略化の観点より、これらの機器の図示を書略している。

次に、放電セル５０の構成を、図２を用いて詳細に説明する。

放電セルは、二つの電極部（第一の電極部および第二の電極部）が対面して配置されることにより、形成される。

図２の構成例では、第一の電極部１は、接地電位となる低圧電極１から成る（以下、第一の電極部１は、低圧電極１と称する）。低圧電極１には、交流電源５の一方の端子と電気的に接続されている。

低圧電極１は通常、放電熱の影響を解消するために、水冷もしくは冷媒を用いて冷却される。図２の構成例では、図面簡略化の観点より、当該冷却に関する構造の図示を省略している。

また、図２に示すように、空間１１が形成されるように、低圧電極１と対面して、第二の電極部２，３が配設される。図２の構成例では、第二の電極部２，３は、誘電体部２および高圧電極３から構成されている。誘電体部２の一方の主面側には、空間１１を隔てて、低圧電極１が配設されている。また、誘電体部２の他方の主面は、高圧電極３と接続されている。

高圧電極３は、交流電源５の他方の端子と電気的に接続されている。また、高圧電極３と誘電体部２とは接続されている。したがって、誘電体部２には、高圧電極３を介して高電圧の交流電圧が印加される。つまり、交流電源５により、低圧電極１と誘電体部２との間に、高電圧の交流電圧が印加される。当該交流電圧の印加により、空間１１では、誘電体バリア放電が発生する。

本発明に係る放電セル５０では、図２に示すように、低圧電極１と誘電体部２との間に形成された空間１１に、誘電体仕切板７が配設されている。当該誘電体仕切板７の配設により、当該空間１１は、二つの放電空間６ａ，６ｂが形成される。つまり、低圧電極１と誘電体仕切板７との間に、一方の放電空間６ａが形成され、誘電体部２と誘電体仕切板７との間に、他方の放電空間６ｂが形成される。

上記から分かるように、本発明では、放電セル５０内に誘電体仕切板７を導入することにより、一つの放電セル５０に、二つの放電空間６ａ，６ｂが形成される。なお、誘電体仕切板７の厚さは、たとえば１ｍｍ程度である。また、各放電空間６ａ，６ｂにおけるギャップ長は、１ｍｍ以下（より好ましくは、０．４ｍｍ以下である）。

ここで、誘電体仕切板７は、誘電体から構成される部材である。当該誘電体仕切板７は、薄い厚さの板状の部材であっても良く、または、メッシュ状の（網状の面を有する）、厚さの薄い部材（メッシュ板）であっても良い。

また、各放電空間６ａ，６ｂにおけるギャップ長を一定に保持するために、スペーサ４が配設されている。つまり、低圧電極１と誘電体仕切板７との距離（放電空間６ａのギャップ長）を一定に保持するために、低圧電極１と誘電体仕切板７との間に、スペーサ４が配設される。同様に、誘電体部２と誘電体仕切板７との距離（放電空間６ｂのギャップ長）を一定に保持して、均等に放電を発生させ、均等に原料ガスを放電空間６ａ，６ｂに流し込みさせるために、誘電体部２と誘電体仕切板７との間に、スペーサ４が配設される。

上記の通り、スペーサ４は、放電空間６ａ，６ｂを形成する役割がある。したがって、各ギャップ長の一定保持の観点より、複数のスペーサ４を、各放電空間６ａ，６ｂ内において、配置することが望ましい（より好ましくは、複数のスペーサ４を、均一に配置させる）。

交流電源５を用いて放電セル５０に交流電圧を印加すると、各放電空間６a，６ｂにおいて、高電界の誘電体バリア放電が生成される。なお、より高濃度のオゾンガスを各放電空間６ａ，６ｂで発生させるために、各放電空間６a，６ｂのギャップ長は、１ｍｍ以下であることが望ましい。

以上のように、本実施の形態に係るオゾン発生装置１００では、放電セル５０において、誘電体仕切板７が配設されている。

したがって、一つの放電セル５０に、二つの放電空間６ａ，６ｂを形成することができる。つまり、一つの放電セル５０に、四つの放電面が形成される。このように、放電面が増加するので、一つの放電セル５０において生成せれるオゾンガスが、より高濃度となり、出力できるオゾン発生量（＝オゾン発生濃度×ガス流量）をより高められる結果となる。また、誘電体仕切板７は安価であり、放電セル５０に誘電体仕切板７を配設することも簡単である。さらに、誘電体仕切板７の厚さは薄い（１ｍｍ程度）ので、極小のスペースを要するのみである。つまり、本実施の形態に係るオゾン発生装置１００では、装置の複雑化および大型化を防止しつつ、低コストにより、オゾン発生容積密度ηをさらに増加させることができる。

ところで、上記の誘電体仕切板７の代わりに、金属製の板を配設し、一つに放電セルに二つの放電空間を形成する方法も考えられる。当該金属製の板を採用する方法は、放電セル５０におけるギャップ長が１ｍｍより大きい場合には、組み立て等の観点から、適切である。しかしながら、放電セル５０におけるギャップ長が小さい場合には、当該金属製の板は、下記の理由によりあまり望ましくない。

つまり、金属製の板は、誘電体板に比べ柔らかく、熱容量が小さい。さらに、金属製の板を放電セル内に導入すると、放電空間の１部分でショートする。したがって、これらの事項により、金属製の板を採用した場合には、均一な誘電体バリア放電を安定的に形成することは困難である。

また、金属製の板の両面に誘電体を密着させる方法も考えられる。しかしながら、当該方法を採用した時には、金属材の熱伝導率と誘電体材との熱伝導率との違いによって、誘電体を密着させた金属製の板の平面度が、確保できない。また、金属材と誘電体材との間にボイドが生じることも。さらに、誘電体を金属製の板に貼り付ける際には、高温で焼き付けが必要であるので、当該焼き付け処理により、金属製の板に反りが生じる。よって、これらの事項に起因して、金属製の板の両面に誘電体を密着させる方法は、放電空間６ａ，６ｂにおける均一な誘電体バリア放電の生成の観点から、あまり望ましくない。

したがって、誘電体仕切板７の代わりに金属製の板を採用する手法は、あまり望ましくない。

そこで、本発明では、厚さが約１ｍｍ程度であり、より硬い誘電体材である、誘電体仕切板７を採用している。よって、誘電体仕切板７の平面度は、精度良く保たれる。したがって、放電セル５０に対して交流電圧を印加すれば、誘電体仕切板７を介して、各放電空間６ａ，６ｂにおいて、均一な誘電体バリア放電が発生する。

また、上記したように、誘電体仕切板７として、網状の薄板を採用することもできる。網状の誘電体仕切板７を採用した場合には、放電面積が増大し、より高濃度のオゾンガスが発生でき、出力できるオゾン発生量（＝オゾン発生濃度×ガス流量）をより高められる結果となる。つまり、結果として、オゾン発生容積密度ηをより増大させることが可能となる。

また、スペーサ４を複数設けることにより、各放電空間６ａ，６ｂにおけるギャップ長を、精度よく維持することが可能となる。

ここで、誘電体仕切板７とスペーサ４とを別部位として用意し、組み立てても良い。また、同じ誘電体材料を用いて、誘電体仕切板７とスペーサ４とを一体的（一体化）に形成しても良い。つまり、両主面に複数の突起を有する誘電体仕切板７を成型し、当該突起をスペーサ４として機能させても良い。

上記のように、誘電体仕切板７と複数のスペーサ４とを一体的に形成した場合には、放電セル５０の組み立てが容易となり、加えて、組み立て精度が向上する（特に、ギャップ長を精度よく設定できる）。

＜実施の形態２＞
図３は、オゾン発生装置１００内に配設される、本実施の形態に係る放電セル５０の構成を示す拡大断面図である。

図２と図３との比較から分かるように、実施の形態１に係る放電セル５０と本実施の形態に係る放電セル５０とは、光触媒物質８が追加されていることを除いて、同じ構成である。したがって、以下では、図２で示した放電セル５０と異なる部分に関して、図３に示す放電セル５０の構成を説明する。

なお、本実施の形態に係る放電セル５０を、オゾン発生装置１００内に配設する場合には、原料ガスとして、窒素ガスを含まない、高純度の酸素ガスを採用することも可能である。つまり、本実施の形態に係る放電セル５０を採用した場合には、ガス供給部９ａからオゾン発生装置１００内に、高純度の酸素ガスを供給したとしても、高濃度のオゾンガスを生成することが可能である。

さて、図３に示すように、本実施の形態に係る放電セル５０では、放電空間６ａに面する低圧電極１の主面、放電空間６ａ，６ｂに面している誘電体仕切板７の両主面、および放電空間６ｂに面する誘電体部２の主面において、光触媒物質８が各々形成されている。つまり、４つの放電面に対して、光触媒物質８が形成されている。

なお、光触媒物質８の代わりに、金属もしくは金属酸化物を、上記４つの放電面に形成しても良い。上記金属もしくは金属酸化物は、プラズマ放電場において、上記光触媒物質に変質する。ここで、当該金属として、たとえば、モリブデン、クロム、タングステンなどを採用することができる。また、金属酸化物は、上記に例示した金属の酸化物が採用できる。

以上のように、本実施の形態では、４つの放電面において光触媒物質８（または、金属もしくは金属酸化物）が適用されている。したがって、放電セル５０内に高純度の酸素ガスが侵入すると、４つの放電面に形成された光触媒物質８（または、変質した光触媒物質）において、誘電体バリア放電の放電光エネルギーが吸収される。これにより、酸素ガスと光触媒物質８との間における界面化学反応が活性化し、２つの放電空間６ａ，６ｂにおいて、酸素分子が酸素原子に解離される現象が促進される。これにより、結果として、２つの放電空間６ａ，６ｂにおいて、より高濃度のオゾンガスが生成させる。

＜実施の形態３＞
上記において、誘電体仕切板７の両主面において、複数のスペーサ４を配設することに言及した。本実施の形態では、具体的な、スペーサ４の配列方法に関するものである。図４は、本実施の形態に係る誘電体仕切板７を上面から眺めた平面図である。

図４に示す本実施の形態に係る誘電体仕切板７は、実施の形態１，２で説明した放電セル５０内の誘電体仕切板７に配設される。また、図４では、誘電体仕切板７の一方の主面のみが図示されているが、他方の主面においても、同様の形態で複数のスペーサ４が配置されている。

図４に示すように、本実施の形態に係る誘電体仕切板７の主面には、スペーサ４は、当該誘電体仕切板７の中心から外側に向かって、放射状に配設されている。なお、スペーサ４の数は、図４に例示されたスペーサ４の数に限定されることはなく、任意に選択できる。

また、図４に示すように、誘電体仕切板７の中心部に、生成されたオゾンガスの取り出すガス取り出し部３０を設けても良い。ガス取り出し部３０から取り出されたオゾンガスは、誘電体仕切板７内を通って、オゾン発生装置１００外へ出力されるが、当該オゾンガスの伝搬路は、図示を省略している。

たとえば、本実施の形態に係る誘電体仕切板７を適用する場合には、原料ガスを、誘電体仕切板７の外周から、当該誘電体仕切板７に侵入させる。当該原料ガスは、誘電体仕切板７の中心に向かって進む最中に、放電空間６ａ，６ｂの誘電体バリア放電場に晒され、オゾンガスが生成される。そして、当該オゾンガスは、誘電体仕切板７の中心部に配設されたガス取り出し部３０へと流れ、オゾン発生装置１００へと出力される。

なお、実施の形態１で説明したように、誘電体仕切板７とスペーサ４とから成る一体化された構成を採用することもできる。

以上のように、本実施の形態では、誘電体仕切板７に対して、複数のスペーサ４を放射状に配設する。これにより、たとえば、誘電体仕切板７の外周から内部に向かうガスの流れが、スペーサ４により妨げられることなく、かつ効率良く、放電空間６ａ，６ｂにおいてオゾンガスを生成することができる。

１ 低圧電極
２ 誘電体部
３ 高圧電極
４ スペーサ
５ 交流電源
６ａ，６ｂ 放電空間
７ 誘電体仕切板
８ 光触媒物質
９ａ ガス供給部
９ｂ ガス出力部
１１ 空間
３０ ガス取り出し部
５０ 放電セル
１００ オゾン発生装置

Claims (5)

1. 誘電体バリア放電が発生する放電セル（５０）を有しており、当該誘電体バリア放電によりオゾンの生成を行うオゾン発生装置（１００）であって、
   前記放電セルは、
   板状の第一の電極部（１）と、
   空間（１１）が形成されるように、前記第一の電極部と対面して配設される、板状の第二の電極部（２，３）と、
   前記第一の電極部と前記第二の電極部との間に配設され、前記空間を二つの放電空間（６ａ，６ｂ）として区画する、板状の誘電体仕切板（７）とを、備えている、
   ことを特徴とするオゾン発生装置。
2. 前記誘電体仕切板は、
   網状である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 前記誘電体仕切板は平面視円状を呈し、
   前記誘電体仕切板には、
   前記放電空間を形成するための複数のスペーサ（４）が、一体的に形成されており、前記複数のスペーサはそれぞれ平面視矩形状を呈し
   前記誘電体仕切板は、生成されたオゾンガスを取り出すガス取り出し部（３０）を中心部に有し、
   前記複数のスペーサは、それぞれ
   前記誘電体仕切板において、前記ガス取り出し部から外側に向かって、平面視して長手方向が放射状に配設されている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のオゾン発生装置。
4. 前記放電空間に面する前記第一の電極部、前記放電空間に面する誘電体仕切板、および前記放電空間に面する第二の電極部には、
   光触媒（８）が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のオゾン発生装置。
5. 前記放電空間に面する前記第一の電極部、前記放電空間に面する誘電体仕切板、および前記放電空間に面する第二の電極部には、
   金属または金属酸化物が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のオゾン発生装置。

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