JPH08333103A - 位相制御多電極型オゾナイザー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】従来の電源が高価で、電極間の放電にむらを生
じ易く、効果的なオゾンの生成を阻害する欠陥を補い、
安価で大容量かつ高効率なオゾナイザーとする。 【構成】酸素を含有する気体を放電間隙に流しながら、
交流高電圧を任意に設定した順に内側分割電極２の１２
の電極に印加する。これにより、内側分割電極２の１２
の電極とアース側の外側円筒電極３との間にパルス放電
が円周方向に沿って移動しながら連続的に発生し、オゾ
ンが生成される。このとき、放電により生成されたオゾ
ンが放電時の発熱で分解されにくいように、外側円筒電
極３の外側を冷却液体で冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸素を含有する気体中
で、電極間に高電圧を印加し、パルス状のギャップ間無
声放電あるいは電極間沿面放電により高エネルギー電子
を発生させ、この電子により酸素分子を解離し、これと
未解離の酸素分子を反応させオゾンを生成するオゾナイ
ザーに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、放電によるオゾンの生成効率
は発生させた電子のエネルギーとその密度を高めること
により向上させることができる。このため、従来、金属
電極の一方を誘電体で覆い、電極間に高電圧を印加し
て、絶縁バリア放電あるいは無声放電と称される部分的
な線状パルス放電により電子エネルギーを高め、更に、
インバータを用いた高周波の方形波電源により、電子密
度を高める工夫がなされていた。

【０００３】図１６に、従来の同軸円筒型ギャップ間無
声放電方式によるオゾナイザーの基本構成図を示す。同
軸円筒型無声放電オゾナイザーは、円筒形の金属管３内
に同心円状の誘電体１で表面が覆われたもう１つの電極
２が挿入され、同軸型放電電極が構成されている。通
常、誘電体にガラス管が用いられ、内側に金属薄膜を設
け、この薄膜電極に高電圧が印加される。放電間隙は１
ｍｍ程度に設定され、放電により生成されたオゾンが放
電時の発熱により分解されにくいように、電極壁に熱が
拡散しやすいように配慮されている。放電はパルス状の
ストリーマ形式の微小放電の集合体から成り、絶縁体で
ある誘電体表面に電荷が帯電し、ギャップ間の電界が弱
まり、放電が止む。印加電圧が逆極性になると放電は再
び始る。

【０００４】図１７に、従来の同軸円筒型沿面放電方式
によるオゾナイザーの基本構成図を示す。同軸円筒型沿
面放電オゾナイザーは、セラミックス管１の内側表面に
ストライプ（縞状）の薄い電極２が取り付けられ、セラ
ミックス管１の中にもう一方の円筒電極３が埋め込まれ
ている。交流高圧電流は、これらの電極の間に、ストラ
イプ状電極２群を高電位として印加される。印加電圧が
大きくなると、ストライプ状電極２表面の回りに沿面放
電が発生し、高エネルギー電子が生成される。この電子
により酸素分子が解離され、オゾンが生成される。

【０００５】図１８に、印加電圧が正弦波である場合の
典型的な電圧と電流の波形を示す。この場合、電流はパ
ルス状の放電電流成分と電極間の静電容量に流れる充電
電流成分より成り、オゾン生成に寄与するパルス電流
は、１周期Ｔの内２Δｔ時間しか流れない。このため、
１周期の長さが２Δｔとほぼ同程度に短くなるまで商用
周波数電源を直流変換後にインバータを用いて印加電源
周波数を高め、パルス放電電流密度を増し、オゾン発生
効率を上げている。実際には、放電電流密度が上がり過
ぎると、逆に熱および放電によるオゾンの分解が激しく
なり、実質的なオゾンの生成効率が下がるので、６００
Ｈｚから１ＫＨｚ程度までの高周波電源が使用されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のオゾナイザー
は、商用周波数の単相あるいは三相交流電圧源を整流器
により直流に変換した後、高耐圧のパワートランジスタ
やゲートターンオフサイリスタなどからなるインバータ
により高周波の方形波電圧源に変換し、単一の電源から
電力の供給を行っていた。

【０００７】このため、電源が高価なものとなるばかり
でなく、電極間の放電にむらを生じ易く、効果的なオゾ
ンの生成を阻害する結果となっていた。本発明は、これ
らの欠陥を補い、安価で大容量かつ高効率なオゾナイザ
ーとすることを目的とする。

【０００８】請求項１の発明は、インバータを用いず、
商用周波数の単相もしくは三相交流そのままで、高周波
電源を用いた場合と等価的な高密度放電電流が流れ、且
つむらのない均質で効果的な放電が任意に設定された順
序で行われるよう、放電位相が任意に制御された分割電
極型の安価で大容量かつ高効率なオゾナイザーとするこ
とを目的とする。

【０００９】請求項２の発明は、従来のインバータによ
る高周波の方形電圧源において、複数個のユニットイン
バータの発振位相を制御することにより、むらのない均
質で効果的な放電が任意に設定された順序で行われるよ
う、位相配列された分割電極型の高効率なオゾナイザー
とすることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は以下のように構成した。すなわち、請求
項１の発明は、酸素を含有する気体を流入させた電極間
にパルス状のギャップ間無声放電あるいは電極間沿面放
電させてオゾンを発生させるオゾナイザーにおいて、交
流電力を複数の電力に分割する電力分割手段と、前記電
力分割手段による複数の分割電力の位相を任意に制御す
る位相制御手段と、放電容器内に配置した多電極型放電
電極と、前記多電極型放電電極に給電する順序を任意に
設定する給電順序設定手段と、を備え、前記複数の位相
制御電力を前記多電極型放電電極に任意に設定された順
序で給電して部分的線状パルス放電を連続的に発生させ
ることを特徴とする位相制御多電極型オゾナイザーであ
る。

【００１１】請求項２の発明は、直流電力と、複数のユ
ニットインバータと、発振位相制御器とを用い、前記複
数の分割電力の位相を任意に制御する請求項１の位相制
御多電極型オゾナイザーである。

【００１２】

【作用】まず、電力分割手段により交流電力を複数の電
力に分割した後、位相制御手段により分割電力の位相を
任意に制御する。また、給電順序設定手段により多電極
型放電電極に給電する順序を任意に設定する。このよう
にして、前記複数の位相制御電力を酸素を含有する気体
を流入させた前記多電極型放電電極に任意に設定された
順序で給電すると部分的線状パルス放電が連続的に発生
する。この放電は、給電する位相制御電力の相数に比例
して放電回数が増大し、電極間に生じた位相差に応じた
電位差により、ギャップ間無声放電あるいは沿面放電が
発生する。また、この放電は電極間を移動するので、パ
ルス放電の持続時間が長くなり、電子密度が均質でむら
のない放電が発生すると共に、生成されたオゾンが熱お
よび放電により分解されることが少なくなる。

【００１３】

【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。

【００１４】図１に、請求項１の発明の実施例のオゾナ
イザーに位相制御電力を給電する多電極型放電用電源装
置のブロック図を示す。この放電用電源装置は、交流電
力源としてのマスター発振器５の出力を電力分割手段と
しての電力分割器６に接続し、電力分割器６の出力を複
数の位相制御手段としての移相器７に接続する。各移相
器７の出力は電力増幅器８と変成器９を介してオゾナイ
ザーの各電極群に接続する。給電順序設定手段としての
制御装置１０は、マスター発振器５と、移相器７および
電力増幅器８に接続し、それぞれの機器を制御する。

【００１５】この放電用電源装置は以上のような構成
で、マスター発振器５からの信号を電力分割器６により
複数個に分割し、移相器７および電力増幅器８を用いて
それぞれの位相および振幅を設定する。この時、発振周
波数、位相および振幅は制御装置１０により統括して制
御・調整する。そして、最終出力を変成器９を通して
得、放電容器内に配置したオゾナイザーの各電極群にそ
れぞれ給電する。

【００１６】図２に、請求項２の発明の実施例のオゾナ
イザーに位相制御電力を給電する多電極型放電用電源装
置のブロック図を示す。この放電用電源装置は、商用周
波数の単相あるいは三相の交流電圧源１１を直流に変換
する整流器１２に接続し、整流器１２の出力を複数の高
耐圧のパワートランジスタやゲートターンオフサイリス
タなどから成るユニットインバータ１３に接続する。各
ユニットインバータ１３の出力は低周波変成器１４を介
してオゾナイザーの各電極群に接続する。また、発振位
相制御器１５を各インバータ１３に接続する。

【００１７】この放電用電源装置は以上のような構成
で、交流電圧源１１の単相あるいは三相交流を整流器１
２で直流に変換した後、ユニットインバータ１３により
低周波の方形波電圧源に変換する。この時、発振位相制
御器１５から各ユニットインバータ１３に制御信号を送
り、発振周波数およびその位相を調整する。各ユニット
インバータ１３の出力は、低周波変成器１４を通してオ
ゾナイザーの各電極群へ給電する。

【００１８】次に、本発明の位相制御多電極型オゾナイ
ザーの一例として、電力を１２分割し、全ての出力の振
幅が同じで、且つ、位相が１２分の１周期づつずれるよ
うに制御した交流電源を１２個の分割電極に給電する同
軸円筒型オゾナイザーの実施例について説明する。図３
に、この同軸円筒型オゾナイザーの電極部分の構成図を
示す。同軸円筒型オゾナイザーの電極部分は、誘電体で
あるガラス管１の内壁に設けた金属薄膜を円周方向に１
２分割して内側分割電極２を形成し、ガラス管１の外側
には１ｍｍ程度の放電間隙を空けてガラス管１と同軸の
金属管を設けて外側円筒電極３を形成する。

【００１９】この同軸円筒型オゾナイザーの電極部分は
以上のような構成で、酸素を含有する気体を放電間隙に
流しながら、交流高電圧を任意に設定した順に内側分割
電極２の１２の電極に印加する。これにより、内側分割
電極２の１２の電極とアース側の外側円筒電極３との間
にパルス放電が円周方向に沿って移動しながら連続的に
発生し、オゾンが生成される。このとき、放電により生
成されたオゾンが放電時の発熱で分解されにくいよう
に、外側円筒電極３の外側を冷却液体で冷却する。

【００２０】オゾン発生の印加電圧は商用電源周波数
（５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）の正弦波で、内側分割電
極２の分割電極数は１２なので、位相配列の間隔は３０
°となる。内側分割電極２の分割電極の１つとアース側
の外側円筒電極３との間に生じたパルス電流は、１２分
の１周期（１．７ｍｓあるいは１．４ｍｓ）後には次の
分割電極と外側円筒電極３との間に生じ、これを連続的
に１２回繰り返して移動しながら１周期の間に１回転す
る。

【００２１】図４と図５に、この時に内側分割電極２の
各分割電極に印加される電圧とモデル化した電流の時間
変化を示す。図５の（１）、（２）、（３）は分割電極
の各１番目、２番目、３番目に流れる電流を示す。ま
た、Ｖｔｈはギャップの絶縁破壊が開始するしきい電圧
値である。

【００２２】全体的に見た位相配列電圧によるパルス電
流の発生周波数は、印加周波数の１２倍、すなわち、６
００Ｈｚあるいは７２０Ｈｚとなり、この時アース側の
外側円筒電極に流れる全電流の総和Ｉｔは、内側分割電
極２の各分割電極と外側円筒電極３の間の電気インピー
ダンス、すなわち、静電容量および放電抵抗が全て同一
であるとすると、図６に示す式により、零となる。

【００２３】従来、印加電圧が商用電源周波数の正弦波
である場合、同位相のため、１周期Ｔの内の２Δｔ時間
しかパルス放電が発生しなかった。本発明の実施例の同
軸円筒型オゾナイザーは、１周期Ｔの内に３０°づつ位
相をずらせた交流高電圧を順に１２の分割電極に印加す
る。従って、放電電流密度が従来の１２倍となり、オゾ
ン生成効率が大幅に向上する。一方、誘電体管の表面に
はプラスとマイナスの２つの電荷が同時刻に分布するの
で、移動しやすい電子により、誘電体管は中性化されや
すく、更に、この電荷分布は位相の遅れ方向に移動する
ので、この中性化が一層促進される。このため、パルス
放電を停止させる誘電体表面の帯電が抑えられ、パルス
放電の持続時間が長くなる。この持続時間が長くなる
分、放電休止期間が短くなり、均質でむらのない放電が
発生する。また、消費電力が同じであれば、放電電流密
度が高い分だけ、従来より印加電圧を低くすることがで
きるので、誘電体管の絶縁破壊による損傷が軽減され、
その分寿命が延びるという効果を奏する。

【００２４】ここで、本発明の同軸円筒型オゾナイザー
の電極部分に関し、その他の電極構造とその配置方法に
ついて説明する。同軸円筒型オゾナイザーの大容量化を
行う場合は、以下に述べる電極部分を１構成要素（ユニ
ット）とし、複数のユニットを並列動作させる構成にす
ればよい。

【００２５】図７の電極部分は、位相差によって生じる
電位差のために発生する電極間の放電を防止するため
に、分割電極２を誘電体１の中に埋め込んだものであ
る。

【００２６】図８の電極部分は、小型で高濃度のオゾン
を生成する装置とするため、分割電極２を誘電体１の中
に埋め込み、更に、分割電極２の外側と内側に外側円筒
電極３と内側円筒電極４を設けたものである。分割電極
２に交流高電圧を印加して、分割電極２とアース側の外
側円筒電極３および内側円筒電極４との間の両面で放電
を発生させる。また、冷却は外側円筒電極３の外側と内
側円筒電極４の内側の両方で行う。

【００２７】図９の電極部分は、作成および組み立てが
容易なように、分割電極の形を工夫したもので、分割電
極の周りを誘電体で覆った小円柱電極２を円筒状に並べ
たものである。

【００２８】図１０の電極部分は、図９の小円柱電極２
の外側と内側に図８の電極部分と同じように外側円筒電
極３と内側円筒電極４を設けたものである。

【００２９】図１１の電極部分は、ギャップ間のストリ
ーマ放電と、分割電極間の電位差によって分割電極周辺
で発生する沿面放電を重畳させため、外側円筒電極３の
内壁と内側円筒電極４の外壁を誘電体で覆い、内側円筒
電極４の外壁の誘電体の円周に沿って分割電極２を設け
たものである。ギャップ放電は、アース側の外側円筒電
極３内壁の誘電体と表面を剥き出しにした高電位側の分
割電極２との間で発生する。一方、沿面放電は、アース
側の内側円筒電極４の誘電体と高電位側の分割電極２と
の間で、分割電極２の周りの表面に沿って発生する。ま
た、冷却は外側円筒電極３の外側と内側円筒電極４の内
側の両方で行う。

【００３０】図１２の電極部分は、図１１の電極部分の
分割電極２を外側円筒電極３の誘電体の円周に沿って設
けたものである。

【００３１】次に、図面を参照して平板型オゾナイザー
の実施例について説明する。平板型オゾナイザーは、同
軸円筒型と同じ電極構造であるが、電極とガラスなどの
誘電体が平板状になっている。

【００３２】図１３の平板型オゾナイザーは、電極間の
放電を防止するために、分割電極２を平板状の誘電体１
の中に埋め込んだものである。上下にあるアース側の平
板状電極３と高電位側の分割電極２との間でギャップ放
電を発生させるもので、冷却も上下両面で行う。

【００３３】図１４の平板型オゾナイザーは、分割電極
の形を円柱状にしたもので、分割電極の周りを誘電体で
覆った小円柱電極２を一列に並べたものである。上下両
面で放電および冷却を行う。

【００３４】図１５の平板型オゾナイザーは、ギャップ
間のストリーマ放電と、分割電極間の電位差によって分
割電極周辺で発生する沿面放電を重畳させため、平板状
電極３の表面を誘電体で覆い、その表面に分割電極２を
設けたものである。ギャップ放電は、アース側の上下電
極３と、高電位側の分割電極２との間で発生する。一
方、沿面放電は、アース側の平板状電極３の誘電体と高
電位側の分割電極２との間で、分割電極２の周りの表面
に沿って発生する。

【００３５】

【発明の効果】本発明のオゾナイザーは以上のような構
成で、複数の位相制御電力を多電極型放電電極に任意に
設定された順序で給電して部分的線状パルス放電を連続
的に発生させる。この放電は、給電する位相制御電力の
相数に比例して放電回数が増大し、放電電流密度が上が
る。また、ギャップ間無声放電と沿面放電とを畳重させ
れば、一層放電電流密度が上がる。更に、前述したよう
に、パルス放電を停止させる誘電体表面の帯電が抑えら
れるので、パルス放電の持続時間が長くなり、その分、
放電休止期間が短くなり、より一層放電電流密度が上が
る。また、この放電は電極間を移動するので、電子密度
が均質でむらのない放電が発生する。更に、放電が電極
間を移動することにより、生成されたオゾンが熱および
放電により分解されることが少なくなる。以上により、
オゾンの生成効率が従来に比べ大幅に向上する。また、
消費電力が同じであれば、放電電流密度が高い分だけ、
従来より印加電圧を低くすることができるので、誘電体
管の絶縁破壊による損傷が軽減され、その分寿命が延び
るという派生的な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明の実施例の多電極型放電用電源
装置のブロック図である。

【図２】請求項２の発明の実施例の多電極型放電用電源
装置のブロック図である。

【図３】本発明の実施例の同軸円筒型オゾナイザーの電
極部分の構成図である。

【図４】本発明の実施例の各分割電極の印加電圧の時間
変化を示す図である。

【図５】本発明の実施例の各分割電極の印加電流の時間
変化を示す図である。

【図６】本発明の実施例の外側円筒電極に流れる全電流
の総和を表す式である。

【図７】本発明の実施例の同軸円筒型オゾナイザーのそ
の他の電極構造図である。

【図８】本発明の実施例の同軸円筒型オゾナイザーのそ
の他の電極構造図である。

【図９】本発明の実施例の同軸円筒型オゾナイザーのそ
の他の電極構造図である。

【図１０】本発明の実施例の同軸円筒型オゾナイザーの
その他の電極構造図である。

【図１１】本発明の実施例の同軸円筒型オゾナイザーの
その他の電極構造図である。

【図１２】本発明の実施例の同軸円筒型オゾナイザーの
その他の電極構造図である。

【図１３】本発明の実施例の平板型オゾナイザーの電極
部分の構成図である。

【図１４】本発明の実施例の平板型オゾナイザーの電極
部分の構成図である。

【図１５】本発明の実施例の平板型オゾナイザーの電極
部分の構成図である。

【図１６】従来の同軸円筒型オゾナイザーの電極部分の
構造図である。

【図１７】従来の沿面型オゾナイザーの電極部分の構造
図である。

【図１８】オゾナイザーの典型的電圧・電流特性図であ
る。

【符号の説明】

１ 誘電体 ２ 分割電極 ３ 金属電極 ４ 内側円筒電極 ５ マスター発振器 ６ 電力分割器 ７ 移相器 ８ 電力増幅器 ９ 変成器 １０ 制御装置 １１ 単相あるいは三相の交流電圧源 １２ 整流器 １３ ユニットインバータ １４ 低周波変成器 １５ 発振位相制御器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酸素を含有する気体を流入させた電極間に
   パルス状のギャップ間無声放電あるいは電極間沿面放電
   させてオゾンを発生させるオゾナイザーにおいて、 交流電力を複数の電力に分割する電力分割手段と、 前記電力分割手段による複数の分割電力の位相を任意に
   制御する位相制御手段と、 放電容器内に配置した多電極型放電電極と、 前記多電極型放電電極に給電する順序を任意に設定する
   給電順序設定手段と、を備え、 前記複数の位相制御電力を前記多電極型放電電極に任意
   に設定された順序で給電して部分的線状パルス放電を連
   続的に発生させることを特徴とする位相制御多電極型オ
   ゾナイザー。
2. 【請求項２】直流電力と、複数のユニットインバータ
   と、発振位相制御器とを用い、前記複数の分割電力の位
   相を任意に制御する請求項１の位相制御多電極型オゾナ
   イザー。