JPH0741303A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低い印加電圧にてオゾンを発生させることが
でき、供給した電力に対するオゾン発生効率に優れたオ
ゾン発生装置を提供する。 【構成】 接地電極−誘電体−高電圧電極で構成されて
いる無声放電用電極の接地電極−誘電体間あるいは誘電
体−高電圧電極間へ補助電極を導入し、かつ補助電極と
誘電体とのなす角がπ／３(rad)以下の鋭角になるよう
に設置して多くの微小な間隙を形成させて放電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、オゾン発生装置に関
し、特に消費電力に対するオゾン発生量を向上する技術
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】極めて強い酸化力を有するオゾンは、消
毒、漂白、酸化などの目的に用いられており、特に上水
や下水や冷却循環水などの水処理や、し尿処理ならびに
食品分野での殺菌において欠くことができない。

【０００３】オゾンの生成法としてはプラズマ放電法、
電気分解法、紫外線やＸ線や陰極線照射法が挙げられる
が、工業的には、オゾナイザーとよばれる酸素無声放電
法により大量に製造されている。

【０００４】しかしながらそのオゾン発生装置の効率は
悪く、せいぜい数(％)程度のオゾン濃度しか得ることが
できないのが現状である。

【０００５】図９に酸素無声放電法による従来のオゾン
発生装置を示す。この図に示したように、酸素無声放電
法においては平面状接地電極（低圧電極）１と高電圧電
極（高圧電極）２とをある微小な間隔で平行に置き、更
に設置電極との間に空隙が形成されるように、高圧電極
に接して誘電体板３が平行に設置されている構造を有す
る。

【０００６】無声放電によつオゾンの発生は、原料ガス
となる乾燥空気または酸素を、例えば交流の高い起電力
を有する電源４につないだ平面状電極間の空隙部分に導
入し、無声放電させてオゾンを発生させる。

【０００７】分子状酸素からのオゾンを生成する反応
（平衡反応）の機構は（１）式、（２）式の２つの素反
応からなり、全体としての反応は（３）式で表せる。

【０００８】

【数１】 Ｏ₂→２Ｏ−１１８(kcal/mol)（吸熱反応）…（１） Ｏ＋Ｏ₂→Ｏ₃＋２５(kcal/mol)（熱反応）…（２） ３Ｏ₂→２Ｏ₃−６８(kcal/mol)（発熱反応）…（３） 熱力学的な側面だけを考慮した場合、ヘスの法則に基づ
いて、１モルのオゾン分子を生成するために、約３４(k
cal/mol)の熱を外界から加えることが必要となり、１キ
ロワット１時間の電力で、約１.２(kg)のオゾンが発生
することになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のオ
ゾン装置を用いて発生させたオゾンの量は、消費電力か
ら算出されるオゾン量の数(％)〜１５(％)程度にすぎ
ず、残りの電力は熱となってオゾン生成には寄与してい
ない。

【００１０】オゾンの生成量に影響を及ぼす主な因子と
しては、ａ）電極の形状、ｂ）電極間ギャップの大き
さ、ｃ）誘電体の形状及び材質、ｄ）電極の冷却方法、
ｅ）原料ガスの除湿や冷却方法、ｆ）印加電圧の波形等
が挙げられる。

【００１１】上記従来のオゾン発生装置では、数(mm)以
下の均一な電極間ギャップ長（電極間距離）で放電を一
様に発生させることが必要である。

【００１２】しかし、微小なギャップ部分を均一に保つ
ことは困難であり、従って安定な無声放電を得ることは
難しい。特に、オゾン発生装置が大型になるにつれて、
微小で均一な電極間距離を保持することが極めて困難と
なってくる。

【００１３】また、電極間距離を微小にした場合、放電
効率は良くなるが、一方、放電電流によって発生するジ
ュール熱により電極及び誘電体が加熱される。このた
め、吸熱反応である（１）式の酸素原子発生は大きくな
るが、発熱反応である（２）式の逆反応が強くなり、Ｏ
₃が分解してＯ₂に戻ってしまう等の問題がある。

【００１４】更に、上記従来のオゾン装置にては、印加
電圧が電極間距離と原料ガスの圧力で決まる放電開始電
圧に達するとオゾンが発生するが、放電開始電圧より大
きな電圧を加えてもオゾンの発生量は増加しない。

【００１５】このため、オゾン濃度及び量が印加電圧の
大きさで制御することができない。これらの問題を克服
することが重要な課題であり、無声放電を発生させる電
極及び誘電体の構造を従来の平行平板的な構造とは異な
った形状にすることが要請される。

【００１６】本発明は上述した背景のもとになされたも
のであり、無声放電を低い電圧にて行うとともに、供給
した電力がオゾン発生に有効に寄与し、かつオゾン量及
び濃度を印加電圧で制御できるオゾン発生装置を提供す
ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段及び作用】上記課題を解決
するため、請求項１記載の発明は互いに対抗する第１電
極及び第２電極と、前記第１電極と第２電極との間に挿
入された誘電体とを有するオゾン発生部を備えたオゾン
発生装置において、前記各電極の少なくとも一方は、前
記誘電体と傾斜角α（ただしα≠π）にて接触する補助
電極部を有することを特徴とするオゾン発生装置を提供
する。

【００１８】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載のオゾン発生装置において、前記傾斜角αは０＜α≦
π／３(rad)を満たすことを特徴とするオゾン発生装置
を提供する。

【００１９】酸素無声放電法によるオゾン発生におい
て、オゾンの生成量に影響を及ぼす主要な因子として、
電極の形状や電極間距離、電極と誘電体との相対的な幾
何学的配向特性、挿入した誘電体の形状および比誘電
率、電極の冷却方法、原料ガスの除湿や冷却方法、なら
びに電圧の印加方法が挙げられる。

【００２０】請求項１記載の発明においては、上記のよ
うな補助電極部を用いることで、低い印加電圧でも補助
電極と誘電体と接触する近傍で局部的に強い電場を形成
させることができる。尚、補助電極部は任意の方法で構
成することができ、例えば予め作成した補助電極を電極
に接触するように挿入しても良く、また、電極と一体に
形成することもできる。

【００２１】特に、請求項２記載の発明のように、傾斜
角を０＜α≦π／３(rad)とすることで、より強い電場
を形成することができる。

【００２２】このように補助電極部を形成することで、
電極に電圧を印加した際にストリーマーが生起する。そ
のストリーマーの電子なだれと酸素分子が衝突し、酸素
分子が解離をともなう電離や直接電離及び累積電離を起
こしてオゾンの生成が促進される。

【００２３】このようなストリーマーによる酸素分子の
電離は、従来の電極では起こらず、本発明のような特異
な電極構造によって局部的に強い電場が存在する場合の
み可能となる。

【００２４】従って、より低い電圧で、かつ供給した電
力がオゾン発生に有効に寄与できるので、極めて効率良
くオゾンを発生させることができる。また、発生するオ
ゾン量は印加電圧に従って大きくなるので、印加電圧の
大きさによってオゾン発生量を制御できる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、
本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

【００２６】本実施例においては、前述した従来の無声
放電を用いたオゾン発生装置において、接地電極−誘電
体−高電圧電極で構成されている無声放電用電極の接地
電極−誘電体間（あるいは誘電体−高電圧電極間）に補
助電極を挿入した構成とした。

【００２７】この補助電極の一例の説明図を図１に示
す。また、この補助電極を用いたオゾン発生装置１の説
明図を図２に示す。

【００２８】図１のオゾン発生装置においては、補助電
極に接地電極〜高電圧電極間の支持を兼ね備えた図２の
三角波形型電極６を用い、かつ三角波形型電極６と薄板
状の誘電体３とのなす角がπ／３(rad)以下の鋭角にな
るような相対的な幾何学的構造特性とした。

【００２９】図１に示されるように、波形の補助電極６
は誘電体３とのなす角がπ／３(rad)以下の鋭角になる
ような形状とする。この補助電極６をオゾン発生に設置
すると、図２に示されるように多くの微小な間隙部が形
成される。

【００３０】このように、補助電極６と薄い誘電体３と
のなす角がπ／３(rad)以下の鋭角であるので、電極間
の電場の強度は補助電極が薄い誘電体と接触する方向に
向かって大きくなる。

【００３１】従って、接地電極と高電圧電極間の距離を
等しくして同じ電圧を印加した場合、従来のオゾン発生
装置では電場の強度は一定となるが、オゾン発生装置１
では電場の強度は場所によって異なるものの、その強度
は従来のオゾン発生装置よりも常に大きくなり、オゾン
が発生しやすくなる。

【００３２】また接地電極と高圧電極との距離が等しい
場合には従来例よりも低い印加電圧でオゾンを発生させ
ることができる。

【００３３】このように、補助電極６と誘電体３が接触
する近傍で局部的に強い電場が発生し、間隙の原料ガス
の電子衝突電離によって電子なだれと正イオンがつくら
れ、プラズマ状態であるストリーマーが多数発生し、放
電の進展に対しさらに有効な働きをする。

【００３４】このストリーマーの電子なだれのイオン化
作用で原料ガス中の酸素分子と電子とが衝突し、衝突電
離によって酸素原子や励起酸素分子が生成し、酸素分子
と反応してオゾンが生成する。

【００３５】このように酸素分子が解離をともなう電離
や直接電離及び累積電離を起こしてオゾンの生成が促進
される。ストリーマーが多数発生することにより多数の
電子を生成し、原料ガス中の酸素分子と電子とが衝突す
る確率を増やすことができる。

【００３６】尚、発生するオゾン量は電圧が高くなるに
従って増加するので、オゾン量及び濃度を印加電圧の大
きさで制御することができ、消毒、漂白、酸化などの使
用目的に応じて適当な量及び濃度のオゾンを調整でき
る。

【００３７】また、補助電極の形状は誘電体となす角が
小さいものであれば特に制限はない。図１に示すような
斜面角度αの斜面ａ、電極との接触面ｂ、誘電体との接
触面ｃをもつ三角波形型の補助電極６の形状以外のもの
でも強い電場を得ることができる。

【００３８】例えば、図３に示される斜面角度αの斜面
ａ、電極との接触面ｂ、誘電体との接触面ｃをもつ円錐
台の凸型補助電極７、図４に示される斜面角度αの斜面
ａ、電極との接触面ｂ、誘電体との接触面ｃをもつ四角
錐台の凸型補助電極８、図５に示される斜面角度αの斜
面ａ、電極との接触面ｂ、誘電体との接触面ｃをもつ直
方体形状の凸型補助電極９等が挙げられる。

【００３９】尚、図２〜図５においてはαを４５度とし
た。ここで重要なことは、各補助電極（６〜９）の斜面
角度αが、補助電極（６〜９）と誘電体３とのなす角に
対応することであり、αはπ／３(rad)以下の値とする
ことが好ましい。

【００４０】また、補助電極に接地電極〜高圧電極間の
支持を兼ね備えた図３〜図５の凸型電極７〜９を用い、
かつ凸型電極７〜９と薄い円筒状の誘電体３とのなす角
がπ／３(rad)以下の鋭角になるような相対的な幾何学
的構造特性を有する同軸円筒型電極で構成されているオ
ゾン発生装置を図６に示す。

【００４１】図７に補助電極に三角波形型電極６を用
い、かつ三角波形型電極６と薄い円筒状の誘電体３との
なす角が鋭角になるような相対的な幾何学的構造特性を
有する同軸円筒型電極で構成されているオゾン発生装置
を示す。

【００４２】図８に補助電極凸型電極７〜９を用い、か
つ凸型電極７〜９と薄い円筒状の誘電体３とのなす角が
鋭角になるような相対的な幾何学的構造特性を有する同
軸円筒型電極で構成されているオゾン発生装置を示す。

【００４３】上記いずれの補助電極や電極においても、
低い電圧にてオゾンを発生させることができる。

【００４４】以上、補助電極である凸型電極７〜９の形
状として、円錐台、四角錐、直方体形について説明した
が、補助電極である凸型電極と薄板状の誘電体とのなす
角がπ／３(rad)以下の鋭角になるような構造のもの、
例えば６角錐台、８角錐台等の多角錐台や多角錐等であ
れば特に限定はない。

【００４５】尚、上記各図において互いに対抗する一対
の電極５は一方を接地電極、他方を高電圧電極とし、そ
れらの選択はどちらでもよい。

【００４６】上記各オゾン発生装置は特に酸素無声放電
を行う電極部を示したものであるが、実際のオゾン発生
装置では、乾燥空気や酸素ガスなどの流入部と無声放電
を行う電極部および生成したオゾンガスの流出部の各部
が連結かつ外界から遮断して使用するものである。

【００４７】実施例のオゾン発生装置において比誘電率
εの大きな誘電体を用いることによって、より低い印加
電圧でオゾンを発生させることができ、また図２及び図
６〜図８に示した無声放電を行う電極部を多段階構造に
して装置の大型化をはかることによって、オゾンの生成
量を増加させることができる。

【００４８】更に、放電電流によって生じるジュール熱
による電極の加熱を防止するために冷却用ファンを設け
たり、冷却水用の配管を組み込む等の方法を用いること
によって、より効率良くオゾンを生成させることができ
る。

【００４９】尚、電極の形状は平行型あるいは同軸円筒
型等の形状を用いることができ、補助電極と接地電極あ
るいは高電圧電極を一体成型して製作することもでき
る。

【００５０】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、補助電極を
導入し、かつ補助電極と誘電体とのなす角がπ／３(ra
d)以下の鋭角になるように設置して、微小な間隙を形成
させて放電することを特徴とするオゾン発生装置を用い
て、無声放電を発生させるために供給した電力がオゾン
発生に有効に寄与できるので、以下に述べるような種々
の効果を奏する。

【００５１】（１）本発明においては、放電用電極部
は、三角波形型及び凸型のような補助電極と薄板及び薄
円筒状の誘電体と傾斜角をもって接触しているので、そ
れらの接触する近傍の電場の強度が増大し、ストリーマ
ーの生成によってオゾン発生が増幅される。これにより
低い印加電圧でオゾンが発生するので、使用する電源も
小型化できる。

【００５２】（２）高い効率かつ少ない消費電力でオゾ
ン発生することができる。

【００５３】（３）オゾン発生に重要な間隙部を容易に
製作することができる。

【００５４】特に、従来は電極間の距離を一定にするこ
とが困難であったが、本発明によれば間隙部の形状に関
する制約がゆるいので、オゾン発生装置を容易に製造す
ることができる。

【００５５】（４）本発明のオゾン発生装置を用いるこ
とにより、オゾン発生量が印加電圧に従って大きくなる
ので、オゾン濃度及びオゾン量を印加電圧の大きさで制
御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】三角波形型の補助電極の正面図（ａ）及び縦断
面図（ｂ）である。

【図２】オゾン発生装置の電極部の縦断面図である。

【図３】補助電極の正面図（ａ）と縦断面図（ｂ）であ
る。

【図４】補助電極の正面図（ａ）と縦断面図（ｂ）であ
る。

【図５】補助電極の平面図（ａ）と正面図（ｂ）と縦断
面図（ｃ）である。

【図６】オゾン発生装置の無声放電の電極部の縦断面図
である。

【図７】オゾン発生装置の電極部の縦断面図である。

【図８】オゾン発生装置の電極部の縦断面図である。

【図９】従来のオゾン発生装置の電極部の縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１…平面状接地電極 ２…高電圧電極 ３…誘電体 ４…電源 ５…電極 ６…三角波形型補助電極 ７…三角錐台の凸型の補助電極 ８…四角錐台の凸型の補助電極 ９…直方体形状の凸型の補助電極 １０…間隙部

フロントページの続き (72)発明者 羽場 方紀 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式会 社明電舎内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに対抗する第１電極及び第２電極
   と、前記第１電極と第２電極との間に挿入された誘電体
   とを有するオゾン発生部を備えたオゾン発生装置におい
   て、 前記各電極の少なくとも一方は、前記誘電体と傾斜角α
   （ただしα≠π）にて接触する補助電極部を有すること
   を特徴とするオゾン発生装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のオゾン発生装置におい
   て、 前記傾斜角αは０＜α≦π／３(rad)を満たすことを特
   徴とするオゾン発生装置。