JPH07257904A

JPH07257904A - オゾン発生器

Info

Publication number: JPH07257904A
Application number: JP6074475A
Authority: JP
Inventors: Takeji Uchida; 武治内田; Tsunenori Ootani; 常緑大谷; Yoichi Wakabayashi; 洋一若林; Toshihiko Ikeda; 敏彦池田; Shuichi Yura; 修一由良
Original assignee: OKABE MAIKA KOGYOSHO KK; OKABE MICA KOGYOSHO KK; YASUKAWA CONTROL KK
Current assignee: OKABE MAIKA KOGYOSHO KK; OKABE MICA KOGYOSHO KK; YASUKAWA CONTROL KK
Priority date: 1994-03-18
Filing date: 1994-03-18
Publication date: 1995-10-09
Anticipated expiration: 2016-04-03
Also published as: JP3151465B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高湿度環境下でも短時間で所定のオゾン発生量
が得られ、長寿命で信頼性が高く製造方法が簡単な沿面
放電方式のオゾン発生器を提供する。【構成】誘電体３を少なくとも２層以上とし、放電電極
４と接する誘電体３の表面にその表面が平滑である天然
マイカ板９を配設し、天然マイカ板９の剥離を防止する
ため、天然マイカ板９の端部全周を覆う天然マイカ押さ
え１１を配設し、天然マイカ板９に熱膨張係数の差によ
る機械的ストレスを与えないように、放電電極４の全部
を固定しないで静電気力により吸引密着させて成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、脱臭・殺菌・漂白など
の用途に使用するオゾンの発生器に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在広く実用に供されている放電現象を
利用したオゾン発生器をその放電現象面から分類する
と、上下水道の殺菌や脱臭、脱色など主に産業用として
従来から用いられている無声放電方式と冷蔵庫の脱臭や
トイレの脱臭など主に民生用として近年用いられるよう
になった沿面放電方式がある。無声放電方式は、図４
(a) や特開昭５４−１１９３８９号などが示すように、
低圧電極１と高圧電極２を内蔵した誘電体３を対向させ
て配設し、上記高圧電極２に高周波高電圧を印加して低
圧電極１と誘電体３との間に設けた通常１〜２ｍｍの空
隙１０に酸素を含む原料ガスを通過させ、空隙１０に流
れる原料ガスの電気絶縁を破壊して平等な電界により生
じる静かなグロー放電の一種である無声放電を生じさせ
オゾンを生成する方式である。無声放電方式は、原理上
放電領域として空隙１０を設けることと平等な電界を用
いることから高圧電極２に印加する電圧が比較的高くな
り、また、必要とする体積もその分大きくなるという欠
点を持っている。従ってこの無声放電方式は高電圧を利
用するという観点から見た安全性に対する問題や構造的
な観点から見たスペースファクターに対する問題があ
り、冷蔵庫の脱臭装置やトイレの脱臭装置など民生用途
には殆ど用いられていないのが現状である。沿面放電方
式は、図４(b) に示す様に放電電極４と対向電極５間に
誘電体３を配設し、これら放電電極４と対向電極５間に
高周波高電圧を印加し、放電電極面に酸素を含む原料ガ
スを通過させ、この原料ガスの電気絶縁を破壊して沿面
放電を生じさせオゾンを発生する方式である。放電は、
放電電極４のエッジ部分と対向電極５間に発生する強い
不平等電界により生じる放電現象を利用している。この
方式では、構造的に強い電界を作り出しているため比較
的低い印加電圧でオゾン生成が可能であり、構造上放電
電極４と対向電極５が薄い誘電体３を介して密接してい
るのでオゾン発生器としては非常にコンパクトになる長
所を持っている。従って、高電圧を利用する観点から見
た安全性並びに構造的な観点から見たスペースファクタ
ーは無声放電方式と比較すると飛躍的に向上しており、
冷蔵庫の脱臭装置やトイレの脱臭装置など民生用機器は
もとより、半導体製造工程など一部産業用途にも広く利
用されはじめている。

【０００３】沿面放電方式のオゾン発生器の構成は前述
の如く図４(b) に示すとおりであるが、ここでその性能
を発揮するために重要な要素である誘電体３に求められ
る主な特徴について考察すると、誘電率が大きいこと、
耐オゾン性が優れていること、耐コロナ性が優れている
こと、絶縁破壊電圧が大きいこと、表面が平滑であるこ
と、加工性に優れていることがあげられる。先ず、誘電
体３の誘電率が大きい必要性について沿面放電方式のオ
ゾン発生器の電気的等価回路を用いて説明する。沿面放
電方式のオゾナイザの放電電極４と対向電極５間で誘電
体３が密着している部分に起因する静電容量、即ち非放
電部の静電容量をＣｐとし、放電電極４と対向電極５が
密着していない部分の静電容量、即ち放電部の静電容量
をＣｄとする。Ｃｄは原料ガス層と誘電体３が複合誘電
体を形成していると考えられ、原料ガス層に起因する静
電容量分をＣｇ、誘電体に起因する静電容量分をＣｓと
すると、ＣｄはＣｇとＣｓの直列接続と考えることが出
来る。また、ＣｐとＣｄは並列に接続されているとみな
すことが出来る。これらの電気的等価回路を図４(c) に
示す。今、オゾンの生成は前述の如く原料ガス層の電気
絶縁破壊によって生じるのであるから、オゾン発生器に
印加する電圧Ｅは効率よくＣｇ部分に印加されなければ
ならない。よく知られているように、電源と並列に接続
された静電容量に対してはその静電容量値に関わりなく
電源電圧と同一の電圧がいずれの静電容量に対しても印
加され、直列に接続された静電容量に対してはその静電
容量値に逆比例して電源電圧が印加される。従って、Ｃ
ｐとＣｄには電源Ｅから供給される電圧がそのまま印加
されることとなり、ＣｇとＣｓには、Ｃｄに印加された
電源電圧がその静電容量に逆比例して印加されることに
なる。前述の如く、Ｃｇに電源電圧を効率よく印加する
ためにはＣｓがＣｇより十分に大きい必要があり、静電
容量値はその誘電率の大きさに比例するので、Ｃｓを大
きくするためには誘電体の誘電率が大きい必要がある。
次に、誘電体３の表面が平滑であることの必要性につい
て説明する。沿面放電方式のオゾン発生器においては、
誘電体３の誘電率や厚み、放電電極４の形状や厚み、放
電電極４に印加する電圧を調整して適当な強さの不平等
電界を形成し、効率よくオゾンの生成を行っている。例
えば、誘電体３の厚みや誘電率は対向電極５と放電電極
４との間の電界強度を調節する上で重要な要素であり、
放電電極４が形成する電界が強すぎればオゾン発生器の
単位面積当たりの電流密度が上昇して発熱し、オゾンは
その熱により急速に分解され効率の悪いオゾン発生器と
なる。また、形成した電界強度によっては誘電体３の電
気絶縁破壊を招くこともある。逆に放電電極４が形成す
る電界が弱過ぎる場合には放電が放電電極４の一部分で
しか発生しない現象や放電の持続に必要な初期電子が不
足することに起因して不安定な放電しか発生しない現象
が生じ、効率の悪いオゾン発生器となる。このように沿
面放電方式のオゾン発生器を構成する誘電体３と放電電
極４はオゾン発生に対して重要な意味を持っているが、
放電を形成する放電電極４と放電電極４に接する誘電体
３表面は特に密接な関係を保ちながらオゾンを生成する
放電に寄与している。例えば、放電電極４近傍の誘電体
３表面上に水分の付着が生じた場合には、ここに導電部
が生じたと同一の状態となり、放電電極４に印加される
電圧がこの部分にも印加され、放電電極４の形状で定め
た電界強度が緩和されてオゾン生成能が低下することと
なる。また、例えば空気中に含まれるシリコン蒸気がオ
ゾン発生時の放電現象によって気相化学反応を生じ酸化
シリコンなどの微細な絶縁体固形物となり放電電極４近
傍の誘電体３表面に付着固化して積層した場合には、放
電領域の誘電率の配分が変化し、オゾンの発生能が低下
する。放電電極４近傍の誘電体３表面に対する水分の付
着や固形物の固着は前述のように沿面放電方式のオゾン
発生器のオゾン発生能に対して大きな影響を与えるが、
放電電極４近傍の誘電体表面が平滑であれば接触面積が
小さいことなどの効果により水分の吸着は少なくなり、
固形物の固着は生じ難くなる。また、耐オゾン性が優れ
ていることについてはオゾン発生器の誘電体３が直接オ
ゾンに暴露されることより、耐コロナ性に優れているこ
とについては誘電体３が直接放電にされることより、絶
縁破壊電圧が大きいことに関しては誘電体３に直接高電
圧が印加されることより、加工性が優れていることに関
してはその製造コストが低減される点よりそれぞれ重要
な特徴となることが明らかである。従来から存在する沿
面放電方式のオゾン発生器の多くは、誘電体３としてセ
ラミックを用いている。その主な理由としては、誘電率
が大きいこと、耐オゾン性が優れていること、耐コロナ
性が優れていること、絶縁破壊電圧が大きいことであ
る。

【０００４】誘電体３としてセラミックを用いた沿面放
電方式のオゾン発生器の製造方法は、セラミックをバイ
ンダーに混ぜて紙状の中間材料を作り、２枚の紙状中間
材料に対してタングステンインキで放電電極４、対向電
極５をそれぞれ個別に厚膜印刷し、これらを重ね合わせ
て１５００℃程度の水素炉にて焼結する方法が主流であ
る。誘電体３としてセラミックを用いたオゾン発生器に
おいては、誘電体３が焼結により製造されることから表
面がポーラスになっており、水分の付着、固形物の固着
が生じ易い。従って、湿度の高い環境に放置されたオゾ
ン発生器が所定のオゾン発生能を得るまでに時間を要し
たり、また場合によってはオゾンを全く生成しないなど
の問題を生じていたが、最近ではオゾン発生器に加熱用
抵抗を付加し、この抵抗にオゾン発生とは直接関係の無
い例えば直流１２Ｖの電源を供給してオゾン発生器を加
熱、付着した水分を蒸発させオゾン発生能の水分付着に
対する問題を解決する方法が広がってきた。この加熱用
抵抗はセラミックを製造する段階で紙状の中間材料に所
定の抵抗値を持つように印刷する方法やオゾン発生器製
造後にチップ状の発熱抵抗体を貼付する方法がとられて
いるが、抵抗体に供給する加熱用電源を別途準備する必
要があること、製造工程が増加し、製造コストが上昇す
ることなど多くの問題点を抱えている。また、固形物の
固着に関しては特に有効となる手段は講じられておら
ず、オゾン発生器の寿命を決定する大きな要因となって
いる。

【０００５】従来用いられていた沿面放電方式のオゾン
発生器において平滑な表面を持つ適当な誘電体３の材料
として考えられるのが天然マイカである。よく知られて
いるように、天然マイカはへき開性を有する薄片が層状
をなしている無機絶縁材料であり、その表面は平滑で、
絶縁破壊電圧値が大きく、耐コロナ性、耐オゾン性に優
れており、誘電率もセラミックと同等程度の大きさを有
している。天然マイカは前述の沿面放電方式のオゾン発
生器の誘電体３に必要な条件の多くの部分を満たしては
いるが、実使用上において特にへき開性を有する点につ
いて問題があった。即ち、天然マイカは薄片状の無機質
が層をなしており、機械的応力が加わると積層している
薄片のうち結合力の弱い部分に容易に剥離を生じて天然
マイカ中に空洞を発生し、この空洞に強い電界が作用す
ると空洞内で電源周波数と同一の周波数でボイド放電を
生じる。この狭い空間内で高周波の放電が生じると、空
間内部の空隙は放電による発熱で加熱されて熱膨張を生
じ、これが空洞近傍の天然マイカに対して歪を与え、天
然マイカ層の剥離を広げる結果となる。天然マイカ層に
発生した空洞部分は誘電率が極めて低く、この部分に印
加電圧は集中することとなり、本来放電電極４近傍の原
料ガス空間に分圧されて印加されるべき電圧を低下さ
せ、オゾン発生能を低下させる原因となる。ここで、沿
面放電方式のオゾン発生器の誘電体３にかかる機械的ス
トレスを検討すると、高周波電圧が印加されることによ
るごく僅かな静電気力と、熱膨張に伴う応力、使用者が
オゾン発生器を取り扱う上で与えるストレス、オゾン発
生器を製作する上で加工により与えるストレスが考えら
れる。本発明者らはこれらオゾン発生器製作上あるいは
使用上問題となるであろう機械的ストレスを想定し、曲
げ応力試験、加熱試験など種々の試験を行ったところお
おむね１００μｍ以上の厚みを持つ天然マイカにおいて
は、想定した機械的ストレスにより天然マイカ層中に剥
離を生じることを見いだした。従って、沿面放電方式の
オゾン発生器の誘電体３として天然マイカを使用する場
合には層中に剥離を生じていない１００μｍ以下の厚み
にした天然マイカを使用しなければならないことが判明
した。しかしながら、沿面放電方式の誘電体３の厚み
は、絶縁破壊強度などの観点から３００μｍ〜５００μ
ｍが適当であり、従って１００μｍ以下の厚みの天然マ
イカのみでは実用に供せないことがあきらかとなった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、誘電体３と
してセラミックを用いた沿面放電方式のオゾン発生器の
短所である放電電極４近傍の誘電体３表面への水分の付
着によるオゾン発生能の低下ならびに固形物の固着によ
るオゾン発生能の低下に対して、同じ沿面放電方式であ
りながら高湿度環境においても加熱用抵抗体並びにオゾ
ン発生に直接寄与しない電源は用いることなく素早くオ
ゾンを発生させることができ、かつ固形物の固着が生じ
難い天然マイカを放電電極４に接する誘電体３の表面に
用いて長寿命で安定したオゾン発生能を有するオゾン発
生器を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は誘電体３の構成を少なくとも２層以上と
し、放電電極接触面に天然マイカ板９を用いた。

【０００８】さらに、天然マイカ板９の剥離によるオゾ
ン発生能の低下、信頼性の低下を確実に防止する目的
で、天然マイカ板９の端部全周を覆う天然マイカ押さえ
１１を配設した。

【０００９】また、上記オゾン発生器の放電電極４の全
面を固定しないで電圧印加時の静電気力により天然マイ
カ板９上に放電電極４を吸引密着させることとした。

【００１０】

【作用】本発明者らの実験では天然マイカはおおむね１
００μｍ以下の厚みであれば沿面放電方式のオゾナイザ
の誘電体３に生じる機械的ストレスにも十分耐えうるこ
とを見いだしたので、例えば誘電率の大きな誘電体材料
と天然マイカを層状にすることにより誘電体３としての
合計厚みを確保しかつ誘電体３全体としての合成静電容
量を確保することができ、効率のよい、耐湿性や寿命特
性に優れたオゾン発生器を得ることが出来る。また、加
工性の優れている集成マイカなどの誘電体材料と天然マ
イカとを積層し誘電体３としての合計厚みを確保すれ
ば、誘電体３としてセラミックを用いている沿面放電方
式のオゾン発生器の製造にみられるような高温の水素炉
を用いるなど複雑かつ大がかりな製造工程の必要がな
く、耐湿性や寿命特性に優れた沿面放電式オゾン発生器
を容易に製造することができる。

【００１１】加えて、本発明者らの実験では、天然マイ
カの機械的ストレスによる剥離は天然マイカの端面から
生じ易いことが判明しており、天然マイカ板９の端部全
周を覆う天然マイカ押さえ１１を配設することにより、
天然マイカ板９の剥離を確実に防止し、より機械的スト
レスに強い、天然マイカ板９を放電電極４の接触面に用
いた沿面放電方式のオゾン発生器を得ることができる。
また、この場合には厚み１００μｍ以上の厚みの天然マ
イカ板９を使用することも可能となる。

【００１２】更に、上記構成において放電電極４と天然
マイカ板９の熱膨張係数の差異を吸収する方策として放
電電極４の全面を固定せず、その一部を固定するのみに
とどめることにより放電電極４の熱膨張が天然マイカ板
９に与える機械的ストレスを最小限にとどめることが出
来、オゾン発生器の信頼性を飛躍的に高めることが出来
る。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例の一つについて
図面を参照しながら詳細に説明する。図１(a) は本発明
により完成したオゾン発生器の一部を破面した斜視図、
図１(b) はその断面図である。本オゾン発生器は絶縁板
６、対向電極５、主誘電体８、天然マイカ板９、放電電
極４、天然マイカ押さえ１１の順に積層されており、絶
縁板６に設けられた端子窓１２の部分を通じて放電電極
４と対向電極５間に所定の高周波高電圧を印加すること
により放電電極４近傍の酸素を含む原料ガスで絶縁破壊
を生じさせ、沿面放電を作り出してオゾンを生成するこ
とができる。

【００１４】本オゾン発生器の製造方法の概略を図２を
用いて説明する。本オゾン発生器は図２に示す如く絶縁
板６となる放電電極接続用端子窓１２ａと対向電極接続
用端子窓１２ｂを打ち抜き加工したエポキシ樹脂をバイ
ンダーとする未硬化の集成マイカシート１３、対向電極
５となるステンレス鋼１４、主誘電体８となる放電電極
接続用端子窓１２ａを打ち抜き加工したエポキシ樹脂を
バインダーとする未硬化の集成マイカシート１５、天然
マイカ板９、放電電極４となるステンレス鋼１６、天然
マイカ押さえ１１となる放電電極４の放電に必要な面が
露出でき、放電電極４の一端とは接触し、放電電極４の
他端とは接触しないように切り欠き溝７を作り、天然マ
イカの板９端部全周を覆うことが出来る形状寸法に加工
したエポキシ樹脂をバインダーとする未硬化の集成マイ
カシート１７を積層し、これを約１８０℃の温度にて加
熱圧着したものである。天然マイカ板９の端面は天然マ
イカ押さえ１１により全周を覆われ、剥離が生じ難くな
っており、また、放電電極４の一端は天然マイカ押さえ
１１により固定されているものの他端は天然マイカ押さ
え１１に作られた切り欠き溝７の中でフリーの状態とな
っており、放電による加熱で熱膨張を生じても膨張分を
切り欠き溝７の内部で吸収し、放電面に接する天然マイ
カ板９には何等ストレスを与えない構造になっている。
ここで、放電電極４が固定されていない場合、一般には
放電電極４と天然マイカ板９の間に空隙が生じ、この部
分が見かけ上の空洞となってボイド放電を生じ、オゾン
の生成に対して悪影響をもたらすと考えられるが、放電
電極４と対向電極５間には高周波高電圧が印加されてい
るので、放電電極４は生じた静電気力により天然マイカ
板９表面に吸引密着され放電電極４と天然マイカ板９間
に空洞が生じることはなく、従って放電電極４の全面を
固定することなくともオゾン発生は正常に行われる。

【００１５】本オゾン発生器のオゾン発生特性を図３を
用いて説明する。図３は高湿度環境における本考案のオ
ゾン発生器のオゾン発生能で、原料ガスとして温度３５
℃、相対湿度９５％の空気を毎分１７００ＣＣ流してい
る。本実験に使用した本発明のオゾン発生器は、従来か
らある誘電体３としてセラミックを用いた沿面放電式オ
ゾン発生器と同一の電圧、周波数でドライブした時の低
湿度時の飽和オゾン発生量を合わせて製作したものであ
る。図３のオゾン発生器駆動時間に対するオゾン発生濃
度に着目すれば、本発明のオゾン発生器は約１０分で飽
和オゾン発生量に達しているが、誘電体にセラミックを
用いた従来からあるオゾン発生器では約６０分後によう
やく飽和オゾン発生量に達する。この実験結果が示すよ
うに、天然マイカを放電電極接触面に用いることによ
り、従来の誘電体３としてセラミックを用いた沿面放電
式オゾナイザに比較して明らかに水分の影響を受け難い
ことがわかる。本実施例では天然マイカ押さえ１１を配
設したが、前述した如く、必ずしも天然マイカ押さえ１
１は必要ではなく、天然マイカ板９の厚みを１００μｍ
以下にして用いることにより、十分に実用に耐えるオゾ
ン発生器を構成することが出来る。また、本実施例では
絶縁板６を配設したが、これは構造上放電電極接続端子
と対向電極接続端子間を確実に絶縁することを目的とし
たもので、放電電極接続端子と対向電極接続端子間の距
離を十分に離すかまたは十分な絶縁強度を有する樹脂等
でこれらの部分を覆い、絶縁を保つ場合には必ずしも必
要ではない。むしろオゾン発生器の放熱を考慮した場合
には、金属に比べて熱伝導率が小さい誘電体で絶縁板６
を配設することはさけた方がよいと考えられる。本実
施例で用いたオゾン発生器を構成する材料については、
必ずしも実施例通りである必要はなく、例えば主誘電体
８としてけいそ樹脂をバインダーとした集成マイカを用
いることなども可能であり、放電電極４として導電性の
セラミックを用いることも可能である。また、各構成材
料を積層化する方法についても例えば既に硬化している
適当な誘電体材料を接着剤にてコーティングし、これを
貼り合わせるなど他の方法によっても良い。ただし、こ
の場合積層化した各構成材料間に空隙が生じないよう細
心の注意を払う必要がある。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、前述の如く実用上問題
となる天然マイカの剥離に対する防止を行った沿面放電
方式のオゾン発生器が簡便に得られ、ひいてはオゾンの
発生に直接寄与しない電源や発熱用抵抗体を用いること
無く高湿度環境下においても安定したオゾン発生能が素
早く得られる高性能のオゾン発生器を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のオゾン発生器の一部を破面した斜視図
と断面図

【図２】本発明のオゾン発生器の製造方法の概略説明図

【図３】高湿度環境下における本発明のオゾン発生器の
オゾン発生能を表した図

【図４】無声放電式オゾン発生器の概要図と沿面放電式
オゾン発生器の概略図と沿面放電式オゾン発生器の電気
的等価回路

【符号の説明】

１低圧電極２高圧電極３誘電体４放電電極５対向電極６絶縁板７切り欠き溝８主誘電体９天然マイカ板１０空隙１１天然マイカ押さえ１２ａ放電電極接続用端子窓１２ｂ対向電極接続用端子窓１３絶縁板となる未硬化の集成マイカシート１４対向電極となるステンレス鋼１５主誘電体となる未硬化の集成マイカシート１６放電電極となるステンレス鋼１７天然マイカ押さえとなる未硬化の集成マイカシー
トＣｐ非放電部の静電容量Ｃｄ放電部の静電容量Ｃｇ放電部の静電容量のうちガス層に起因する静電容
量Ｃｓ放電部の静電容量のうち誘電体に起因する静電容
量Ｅオゾン発生器に印加する電圧

【手続補正書】

【提出日】平成６年７月１２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大谷常緑福岡県行橋市西宮市二丁目13番１号安川コントロール株式会社行橋工場内 (72)発明者若林洋一福岡県行橋市西宮市二丁目13番１号安川コントロール株式会社行橋工場内 (72)発明者池田敏彦福岡県中間市大字中間6596番地の１株式会社岡部マイカ工業所内 (72)発明者由良修一福岡県中間市大字中間6596番地の１株式会社岡部マイカ工業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電電極、誘電体、対向電極を順次積層
してなる沿面放電方式のオゾン発生器において、誘電体
の構成を少なくとも２層以上とし、放電電極接触面に天
然マイカを用いたことを特徴とするオゾン発生器。
【請求項２】天然マイカの端部全周を覆う天然マイカ
押さえを配設したことを特徴とする請求項１記載のオゾ
ン発生器。
【請求項３】放電電極の全面を固定しないで電圧印加
時の静電気力により天然マイカ上に放電電極を吸引密着
させることを特徴とする請求項２記載のオゾン発生器。