JPH08217411A

JPH08217411A - オゾン発生装置

Info

Publication number: JPH08217411A
Application number: JP7050316A
Authority: JP
Inventors: Yuji Aso; 雄二麻生; Kenichi Kato; 憲一加藤; Makoto Imuta; 誠藺牟田; Takaharu Mochizuki; 孝晴望月
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 1995-02-16
Filing date: 1995-02-16
Publication date: 1996-08-27

Abstract

(57)【要約】【目的】コロナ放電素子への硝酸アンモニウムの析出
付着を防止するための加熱ヒータの付設部位と加熱温度
を最適化することにより、ヒータ消費電力を低減するこ
とができるオゾン発生装置を提供する。【構成】本発明のオゾン発生装置は、電極２７のコロ
ナ放電域を流れる空気流中の酸素をオゾンに変化させる
ことによりオゾンを発生する。上記空気流に方向性を持
たせるとともに、上記空気流のコロナ放電域よりも下流
側の装置構成部分を硝酸アンモニウム析出付着温度以上
に加熱する加熱手段１１を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コロナ放電により空気
中の酸素をオゾンに転換するオゾン発生装置に関する。
特には、トイレの脱臭装置用のオゾン発生装置のように
アンモニアを含む空気中で使用されるオゾン発生装置に
おいて、硝酸アンモニウムの析出付着を防止するための
加熱ヒータの省電力化を図ったオゾン発生装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】オゾン脱臭装置を例にとって従来技術を
説明する。オゾン脱臭装置は、オゾン（Ｏ₃ ）の優れた
酸化力によって、アンモニア（ＮＨ₃ ）や硫化水素（Ｈ
₂ Ｓ）等の悪臭成分を酸化分解して臭いの弱いＮＯ₂ や
Ｈ₂ Ｏに変えるものである。このような脱臭装置は、ト
イレや冷蔵庫用の脱臭装置として、近年多いに用いられ
るようになってきた。

【０００３】図１（Ａ）を参照しつつオゾン脱臭装置の
構造を説明する。オゾン脱臭装置１は、吸気口６から排
気口８に至る空気流路７を有する。吸気口６の中にはフ
ァン２が備えられている。このファン２は、空気流路７
に空気を吸引し、同空気流路７に空気流を形成する。

【０００４】空気流路７中には、コロナ放電素子３が備
えられている。コロナ放電素子３の放電電極２７周囲に
はコロナ放電が生じ、空気中の酸素の一部がオゾンに変
換される（Ｏ₂ →２／３Ｏ₃ ）。このオゾンは、主に、
コロナ放電素子３の下流に配置されているオゾン分解触
媒において分解する。このとき、酸化力が極めて強い活
性酸素が生じ、この活性酸素がＮＨ₃ やＨ₂ Ｓ等の悪臭
成分を酸化分解する。そして、オゾン分解触媒４下流の
排気口８からは、脱臭された空気が放出される。

【０００５】コロナ放電素子３の構造について図２を参
照しつつ説明する。コロナ放電素子３は、セラミックス
製の基板２１、絶縁層２５、保護層２９の３層構造を有
する。基板２１上には、一対の面状電極である誘導電極
２３、２３´が設けられている。絶縁層２５上には、放
電電極２７が設けられている。放電電極２７は、誘導電
極２３、２３´と絶縁層２５をはさんで対向しており、
また、両誘導電極２３、２３´間を掛け渡すように設け
られている。誘導電極２３、２３´は、リード３１、３
１´、配線３３を介して高圧高周波電源５に接続されて
いる。

【０００６】基板２１は、絶縁性の高いセラミックス焼
結体（アルミナ、ジルコニア等）で作られている。厚さ
は、０．５〜２．０ｍｍ程度で、ドクターブレード法等
により製造される。絶縁層２５は、セラミックス等の
薄い（５０〜１０００μｍ）膜である。保護層２９は、
セラミックス等の薄い（１０〜２０μｍ）膜である。保
護層２９は、放電電極２７を、空気中での放電に伴う化
学反応により生じるオゾンや硝酸等から保護するために
設けられる。各電極２３、２７は、モリブデンやタング
ステン等の金属メタライズ膜である。スクリーン印刷→
燒結により形成される。

【０００７】図１及び図２の双極型のコロナ放電素子の
動作原理については、以下の通りであると考えられる。
絶縁層２５の下の一対の誘導電極２３、２３´に高周波
高電圧を印加すると、これらの電極２３、２３´間に電
界が生じる。この電界中に導体あるいは半導体である放
電電極２７を置くと、電界は放電電極２７に集中し、こ
の放電電極２７と絶縁層２５との間には大きな電位差を
生じる。この電位差によって、放電電極２７の周囲には
コロナ放電が生じる。

【０００８】基板２１の下面に付設されているのは、コ
ロナ放電素子３を加熱するチップ抵抗ヒータ１３であ
る。コロナ放電素子３を加熱する目的は、コロナ放電素
子３に硝酸アンモニウム等の塩が析出付着するのを防止
するためである。なお、なおチップ抵抗ヒータ１３の付
設位置が本発明のテーマであって、それについては後に
詳述する。チップ抵抗ヒータ１３にはヒータ電源１５が
接続されている。チップ抵抗ヒータ１３とヒータ電源１
５とでコロナ放電装置加熱手段１１を形成する。

【０００９】硝酸アンモニウム等の塩がコロナ放電素子
に析出付着する現象について説明する。沿面放電型のコ
ロナ放電素子が用いられるようになってからしばらくし
て、コロナ放電素子の放電部周辺に白い針状の結晶が付
着したり、塩の膜のようなものが付着したりする現象が
観察された。この結晶を分析したところ、硝酸アンモニ
ウム（ＮＨ₄ ＮＯ₃ ）を主成分とする塩であることが判
明した。硝酸アンモニウムの生成メカニズムとしては、
オゾンによって酸化された窒素酸化物と悪臭成分の一つ
のアンモニアとが反応して硝酸アンモニウムが合成され
るものと考えられている。また、空気中の水分（Ｈ₂
Ｏ）とＮ₂ とＯ₃ とが反応して硝酸アンモニウムが合成
されるとも考えられる。

【００１０】コロナ放電素子に付着した塩は、空気中の
水分を吸収して潮解し、コロナ放電素子に膜のようにへ
ばり付くことがある。放電電極周辺がこのような状態に
なると、コロナ放電が不安定（あるいは放電不能）とな
り、オゾン発生量が少なくなる。そうなると脱臭装置の
性能が落ちるため、何らかの対策が必要となる。

【００１１】放電による副生成物である塩（硝酸塩、硫
酸塩など）により放電が不安定になるのを防ぐ方法とし
て、以下のような従来技術がある。（１）特開平５−１６６５７８（沿面コロナ放電素子
及びその放電面生成物の除去方法）に示されるように、
放電素子にヒータを設置し放電面を１５０℃〜３００°
Ｃに加熱することにより塩そのものを加熱分解する事が
なされているが、現実問題として、上記温度に加熱され
た放電素子を脱臭装置等に組み込む際は、放電素子の保
持方法が耐熱面で問題（保持材のコストアップ）とな
る。

【００１２】（２）同じように、特開平６−９２０３
（オゾナイザ及びオゾナイザを使用したオゾン脱臭機）
に示されるように、オゾナイザ（コロナ放電素子）にヒ
ータを設置してオゾナイザを好ましくは９０〜１２０°
Ｃに加熱すると、塩の付着を防止できるとされている。
さらに、オゾナイザに直接風が当たることによる強制冷
却が起こらないようにフードを設置するなどの工夫がな
されているが、その反面フードそのものが圧損になり、
風量が落ちる欠点があった。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このように、塩付着防
止対策として従来より行われてきたのはコロナ放電素子
を加熱することであった。上述の特開平５−１６６５７
８号は、付着した硝酸アンモニウムを熱分解あるいは昇
華させようというものであり、特開平６−９２０３号は
「付着し、あるいは付着しようとする塩を気散させ」よ
うというものである。

【００１４】たしかに、コロナ放電素子をある程度加熱
すれば、硝酸アンモニウムの付着もなく、長期間安定し
たコロナ放電及び脱臭効果が得られる。しかし、コロナ
放電素子加熱用のヒータの消費電力は、オゾン脱臭装置
全体の消費電力の５０〜９０％にも上り、無視できるレ
ベルではない。また、コロナ放電素子の加熱温度に対応
させてコロナ放電素子回りの部品の耐熱グレードを上げ
なければならず、コロナ放電素子の製造コスト上昇の要
因ともなっていた。

【００１５】本発明は、コロナ放電素子への硝酸アンモ
ニウムの析出付着を防止するための加熱ヒータの付設部
位と加熱温度を最適化することにより、ヒータ消費電力
を低減することができ、コロナ放電素子回り部品の耐熱
グレードを下げて製造コストを低減することのできるオ
ゾン発生装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決すべく、
本発明者らはオゾン発生装置動作時の塩の生成状況を観
察したところ、ファンによる風の流れに対して、オゾン
発生装置の放電部より風下の領域に塩が生成することを
確認した。また、ヒータを搭載したオゾン発生装置の表
面温度には、ヒータの搭載位置および風の流れに対し分
布があることも確認した。つまり、オゾン発生装置をヒ
ータで加熱する際には、かならずしもオゾン発生装置全
体を加熱制御する必要性はなく、塩が生成する領域（放
電部から風下の領域）を加熱制御するだけで、塩を除去
することが可能である事がわかった。つまり、低消費電
力化が可能であることがわかった。

【００１７】すなわち、本発明のオゾン発生装置は、一
対の電極間にコロナ放電を生じさせ、該電極のコロナ放
電域を流れる空気流中の酸素をオゾンに変化させること
によりオゾンを発生するオゾン発生装置において；上記
空気流に方向性を持たせるとともに、上記空気流のコロ
ナ放電域よりも下流側の装置構成部分を硝酸アンモニウ
ム析出付着温度以上に加熱する加熱手段を設けたことを
特徴とする。

【００１８】

【作用】コロナ放電素子に当たる空気流の下流側に硝酸
アンモニウムが析出付着する可能性がある。したがっ
て、その部分を加熱すれば硝酸アンモニウムの付着を防
止できる。また、加熱温度は、従来のように、既に付着
した硝酸アンモニウムを分解したり”気散”させるまで
の温度でなくとも、硝酸アンモニウムの析出付着を防止
するのに必要な温度であればよい。そのような加熱温度
は、大気温度プラス２５℃で実用上は十分である。さら
に安全を見れば大気温度プラス３５℃である。省電力の
観点からは、加熱温度は、大気温度プラス７０℃以下が
好ましい。さらに、大気温度プラス５０℃以下がより好
ましい。

【００１９】本発明の一態様のオゾン発生装置において
は、オゾン発生装置がコロナ放電面を有するコロナ放電
素子を備え、該コロナ放電素子が、上記空気流に対して
コロナ放電面が斜めになるように配置されている。ここ
でコロナ放電面が斜めとは、コロナ放電面に垂直に（真
向に）空気流が当る場合を除く意味である。もっとも好
ましいのは、コロナ放電面が空気流と平行である。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を、本発明の基礎とな
った知見を得る経緯や比較例を混じえながら説明する。
図１は、本発明の一実施例に係るオゾン発生装置を有す
るオゾン脱臭装置を示す図である。（Ａ）は、全体を示
す模式的断面図であり、（Ｂ）は、コロナ放電素子のＢ
−Ｂ断面図である。

【００２１】図１のオゾン発生装置については、コロナ
放電素子３のヒータ１３の付設位置を除いては、従来の
技術の項で説明したとうりである。すなわち、本発明の
オゾン発生装置の特徴は、コロナ放電素子３におけるヒ
ータ１３の付設位置にある。図１の実施例のオゾン発生
装置のコロナ放電素子３では、ヒータ１３は基板２１裏
面の空気流下流側に敷設されている。ちなみに、図１の
コロナ放電素子３の寸法は巾（図１（Ａ）の左右）１５
ｍｍ、長さ（図１（Ａ）の上下）３７ｍｍ、厚さ（図１
（Ｂ）の上下）０．７ｍｍである。なお、保護層２９の
厚さは約１０μｍ、絶縁層２５の厚さは約５０μｍであ
る。

【００２２】以下、本発明を完成するに至った過程で行
った実験について説明する。実験その１以下の条件で実験その１を行った。なお、この実験によ
り、「オゾン発生装置の放電部より風下の領域に塩が生
成する」との知見を得た。（１）本実験におけるコロナ放電素子の仕様・コロナ放電素子のサイズ：長さ３７ｍｍ×幅１５ｍｍ×厚み０．７ｍｍ・コロナ放電素子の材質：電極材料はタングステン、その他はアルミナセラミック
ス・ヒータと取り付け方法：オゾン発生装置の裏面（放電面の反対面）にタングステ
ン＋ニッケルメッキで端子を形成し、チップ抵抗体を半
田付けする。この実験時のヒータの位置はオゾン発生装
置電極の中央部に位置し、コロナ放電素子の表面温度
は、中央部が約５５℃、風上部が約４５℃、風下が約５
０℃であった。

【００２３】（２）本実験におけるオゾン発生装置の仕
様・風の流れに対し、ファン→オゾン発生装置の順で並べ
る・ダクトの断面積：縦６０ｍｍ×横４０ｍｍ・ファンの流量：１００リットル／ｍｉｎ（３）実験時の環境・温度＝２５℃〜３０℃、相対湿度＝５０〜７０％（実
験室内環境）・運転条件：オゾン発生装置、ファン、ヒータともに連
続通電・運転時間：約５００時間

【００２４】（４）結果図３は、実験その１の結果としてのコロナ放電素子表面
の塩析出状況を示す平面図である。図３から分るよう
に、塩析出部４１は放電電極２７の下流側に限られてい
る。

【００２５】実験その２以下の条件で実験その２を行った。なお、この実験によ
り、「オゾン発生装置の表面温度にはヒータの搭載位置
ならびに風の流れに対し分布がある」との知見を得た。（１）本実験におけるコロナ放電素子の仕様・コロナ放電素子のサイズ：長さ３７ｍｍ×幅１５ｍｍ×厚み０．７ｍｍ・コロナ放電素子の材質：電極材料はタングステン、その他はアルミナセラミック
ス・ヒータと取り付け方法：オゾン発生装置の裏面（放電面の反対面）にタングステ
ン＋ニッケルメッキで端子を形成し、チップ抵抗体を半
田付けする。ヒータ電力を可変出来るようにして実験を
行った。

【００２６】（２）本実験におけるオゾン発生装置の仕
様・風の流れに対し、ファン→オゾン発生装置の順で並べ
る・ダクトの断面積：縦６０ｍｍ×横４０ｍｍ・ファンの流量：１００リットル／ｍｉｎ

【００２７】（３）本実験おけるコロナ放電素子表面温
度の測定方法・コロナ放電素子の表面で、風の流れに対し風上、中
央、風下の３点に熱電対を取り付ける。本実験の場合は
ヒータをコロナ放電素子の裏面中央部に設置した。・ファンならびにヒータを動作し（コロナ放電素子は放
電させない）、表面温度が安定した値（１０〜２０分
後）をその時の表面温度とする。・この測定の際コロナ放電素子を放電させない理由は、
放電することにより生じるノイズ電流が熱電対の測定値
に影響を与えるのを防ぐためである。

【００２８】（４）結果図４は、実験その２の結果としての、ヒータへの供給電
力とコロナ放電素子表面温度との関係を表すグラフであ
る。グラフに示すように、中央部が最も表面温度が高
く、風下、風上の順で表面温度は低下する。なお、本実
験時の室温は２７℃であった。

【００２９】実験その３以下の条件で実験その３を行った。なお、この実験によ
り、「オゾン発生装置所定の領域の表面温度を６０℃以
上にすれば塩は生成しない」との知見を得た。（１）コロナ放電素子の仕様実験その２と同じ。（２）オゾン発生装置の仕様実験その２と同じ。

【００３０】（３）本実験におけるコロナ放電素子表面
温度の測定方法・コロナ放電素子の表面で、風の流れに対し放電部より
も風下で、かつ表面温度の最も低い位置に熱電対を取り
付ける。なお、本実験の場合はヒータをオゾン発生装置
裏面中央に設置しているので熱電対を取り付ける位置
は、中央から最も遠い風下の位置になる。・ファンならびにヒータを動作し（コロナ放電素子は放
電させない）、表面温度が安定した値をその時の表面温
度とする。なお、温度調整はヒータ電力を変えることに
より行った。・この測定の際コロナ放電素子を放電させない理由は、
放電することにより生じるノイズ電流が熱電対の測定値
に影響を与えるのを防ぐためである。

【００３１】（４）実験環境・温度＝２７℃、相対湿度＝５０〜７０％（実験室内環
境）・運転条件：オゾン発生装置、ファン、ヒータともに連
続通電・運転時間：約２００時間

【００３２】（５）結果図５は、実験その３の結果としての、コロナ放電素子風
下部の表面温度と塩の生成量との関係を示す図である。
グラフに示すように、風下部表面温度６０℃以上すなわ
ち大気温度プラス３３℃では、オゾン発生装置表面への
塩の生成は全くなかった。またこの時の中央部の温度は
６６℃、風上の温度は４９℃であった。

【００３３】前記３つの知見をもとに、風の流れ対し、
ヒータ位置、放電部の位置を変えた場合に、塩の発生を
抑えることのできる加熱条件がどのようになるかを調べ
た。すなわち、ヒータ位置と放電電極の位置を空気流の
風上、中央、風下の３ケ所で変えて（合計組合せ９通
り）その際のコロナ放電素子の温度分布とヒータ消費電
力を測定した。

【００３４】実験その４以下の条件で実験その４を行った。（１）コロナ放電素子の仕様実験その２と同じ。（２）オゾン発生装置の仕様実験その２と同じ。

【００３５】（３）本実験におけるコロナ放電素子表面
温度の測定方法・コロナ放電素子の表面で、風の流れに対し風上・放電
部・風下の３点に電熱対を取り付ける。・ファンならびにヒータを動作し（コロナ放電素子は放
電させない）、表面温度が安定した値をその時の表面温
度とする。・この測定の際コロナ放電素子を放電させない理由は、
放電することにより生じるノイズ電流が電熱対の測定値
に影響を与えるのを防ぐためである。

【００３６】（４）実験環境・温度＝２７℃ ・運転条件：コロナ放電素子、ファン、ヒータともに連
続通電

【００３７】（５）結果図６は、実験その４の結果としての、ヒータ及び放電電
極の配置条件と塩の析出付着を防止するための加熱条件
とを示す図及びグラフである。ヒータを風上に置いた場合（Ａ・Ｄ・Ｇ）塩の生成を抑える（放電部より風下の領域の表面温度を
６０℃以上にする）には、放電部より風下の温度、つま
りオゾン発生装置全体を６０℃以上にする必要があり、
加熱効率が悪い。ちなみに、ヒータの消費電力は、いず
れも２．０Ｗであった。

【００３８】放電部を風上に置いた場合（Ｂ・Ｃ）塩の生成を抑える（放電部より風下の領域の表面温度を
６０℃以上にする）には、放電部より風下の温度、つま
りオゾン発生装置全体を６０℃以上にする必要があり、
加熱効率が悪い。ちなみに、ヒータの消費電力はＢの場
合１．８Ｗ、Ｃの場合２．７Ｗであった。

【００３９】ヒータならびに放電部を中央もしくは
風下に置いた場合（Ｅ・Ｆ・Ｈ・Ｉ）塩の生成を抑える（放電部より風下の領域の表面温度を
６０℃以上にする）には、中央もしくは放電部より風下
の温度を６０℃以上にする必要があるが、コロナ放電素
子全体を６０℃以上に加熱する必要はない。つまり、
の設置方法が、省電力化に適していることになり、その
なかでも放電部ならびにヒータを風下に設置する（１）
の設計が特に優れている事になる。ちなみに、ヒータの
消費電力はＥ、Ｈの場合１．６Ｗ、Ｆの場合１．７Ｗ、
Ｉの場合１．０Ｗであった。

【００４０】図６は、大気温度とコロナ放電素子の表面
温度との差と塩の付着量との関係を示すグラフである。
このグラフは、図５に似たグラフであるが、横軸を、コ
ロナ放電素子の表面温度そのものから、大気とコロナ放
電素子の表面温度差に変えた点が異なっている。前述の
実験の他、様々な実験を行った結果、塩の付着と真に関
連するのは上記温度差であることが判明した。その理由
は、つぎのように推定される。硝酸塩の生成量には、放
電領域近傍の相対的な水分量、すなわち相対湿度が大き
く影響していると考えられる。ヒーター加熱により放電
領域近傍が室温より高く設定されているため、ファンに
より吸引された空気中に含まれる絶対水分量が一定であ
っても、放電部近傍の相対湿度はそれ以外の部分と比較
して低い値になっているはずである。この相対湿度の違
いが、硝酸アンモニウムの生成反応の進み易さに何らか
の影響を及ぼすものと考えられる。

【００４１】そして、本実験においては、温度差が２５
℃以上なら実用的に許容しうる範囲であり、３５℃以上
なら付着が全く起らず非常に好ましいことが判明した。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のオゾン発生装置は以下の効果を発揮する。ヒータで硝酸アンモニウムの付着しやすい部位のみ
を加熱するので、ヒータ消費電力を必要最小限に設定で
きる。コロナ放電素子を風の流れに対し角度を持って配置
するので、オゾン発生装置そのものの圧損が少ない。風の流れに対し、放電部より風下の温度を管理すれ
ばよいので、ヒータ電力の管理（＝表面温度の設定）が
容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るオゾン発生装置を有す
るオゾン脱臭装置を示す図である。（Ａ）は、全体を示
す模式的断面図であり、（Ｂ）は、コロナ放電素子のＢ
−Ｂ断面図である。

【図２】図１のオゾン脱臭装置のコロナ放電素子の構成
を示す断面模式図である。

【図３】実験その１の結果としてのコロナ放電素子表面
の塩析出状況を示す平面図である。

【図４】実験その２の結果としての、ヒータへの供給電
力とコロナ放電素子表面温度との関係を表すグラフであ
る。

【図５】実験その３の結果としての、コロナ放電素子風
下部の表面温度と塩の生成量との関係を示す図である。

【図６】実験その４の結果としての、ヒータ及び放電電
極の配置条件と塩の析出付着を防止するための加熱条件
とを示す図及びグラフである。

【図７】大気とコロナ放電素子の表面温度差と塩の付着
量との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１オゾン脱臭装置２ファン３コロナ放電素子４オゾン分解触
媒５高圧高周波電源６吸気口７空気流路８排気口１１加熱手段１３チップ抵抗
ヒータ１５ヒータ電源２１基板２３誘導電極２５絶縁層２７放電電極２９保護層３１リード３３高圧配線

フロントページの続き (72)発明者藺牟田誠福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１号東陶機器株式会社内 (72)発明者望月孝晴福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１号東陶機器株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の電極間にコロナ放電を生じさせ、
該電極のコロナ放電域を流れる空気流中の酸素をオゾン
に変化させることによりオゾンを発生するオゾン発生装
置において；上記空気流に方向性を持たせるとともに、上記空気流のコロナ放電域よりも下流側の装置構成部分
を硝酸アンモニウム析出付着温度以上に加熱する加熱手
段を設けたことを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項２】上記オゾン発生装置がコロナ放電面を有
するコロナ放電素子を備え、該コロナ放電素子が、上記
空気流に対してコロナ放電面が斜めになるように配置さ
れている請求項１記載のオゾン発生装置。
【請求項３】上記コロナ放電素子の空気流下流側にの
み加熱手段であるヒータが付設されている請求項２記載
のオゾン発生装置。
【請求項４】上記加熱手段により装置構成部分及びコ
ロナ放電素子を加熱する温度が、大気温度プラス２５〜
７０°Ｃである請求項１〜３いずれか１項記載のオゾン
発生装置。
【請求項５】上記加熱手段により装置構成部分及びコ
ロナ放電素子を加熱する温度が、大気温度プラス３５〜
５０°Ｃである請求項１〜３いずれか１項記載のオゾン
発生装置。