JPH0859213A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高濃度で且つ高清浄度のオゾンガスを効率よ
く発生することのできるオゾン発生装置を提供する。 【構成】 誘電体７を挟む電極５，６間に電圧１０を印
加してオゾンを発生させる放電方式のオゾン発生装置に
おいて、前記電極５，６の双方に冷却液流路９と、該流
路を連結する連結管２６とを設け、前記双方の電極を同
一の脱イオン水で循環冷却した。

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係り、
特に誘電体を挟む電極間に電圧を印加してオゾンを発生
する放電式のオゾン発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、オゾンガスはクリーンであるこ
と、強力な殺菌作用を有すること、又強力な酸化作用を
有することなどから、殺菌、浄化の分野だけでなく半導
体産業における超微細加工の分野にも利用範囲を広げて
いる。

【０００３】放電方式のオゾン発生装置としては、その
基本的な構造として図５乃至図９に示すものが実用化或
いは提案されている。これらの各構造において、符号１
３は高圧電極、符号１４はアース電極、符号１５は誘電
体、符号１７は高圧交流電源である。符号１６は放電空
間であり、誘電体１５を挟む高圧電極１３とアース電極
１４間に高圧交流電源１７より電圧を印加することによ
り放電が発生して、放電空間１６に原料ガスである酸素
（Ｏ₂ ）ガスを流すと、オゾン（Ｏ₃ ）ガスが生成す
る。

【０００４】図５に示すオゾン発生装置は、二重の円筒
状の電極１３，１４間にガラス管よりなる誘電体１５を
挟む構造としたものである。図６に示すオゾン発生装置
は、平行平板状の電極１３，１４間に、誘電体１５をそ
の片側の電極１４に接触して配置したものである。図７
に示すオゾン発生装置では、平行平板状の電極１３，１
４の双方の電極の内側に誘電体１５を接触して配置した
ものである。図８に示すオゾン発生装置は、放電密度を
あげるために電極１３に鋸歯状突起を設けたものであ
る。又、図９に示すオゾン発生装置は沿面放電を利用し
たもので、放電は高圧電極１３の両端と誘電体１５の上
面との間に沿った放電空間１６で行われる。尚、いずれ
の形式のオゾン発生装置においても、高圧電極とアース
電極とを逆に接続しても使用可能であることはいうまで
もない。

【０００５】尚、実公昭５８−２４８９６号公報、特公
平６−２１０１０号公報には、従来のオゾン発生装置及
び方法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、特に半導体産業
では、オゾンガスの有する強力な酸化作用、分解作用、
反応促進作用とそのクリーンさに着目し、急速にその利
用範囲が広まっており、特に高濃度、高清浄度のオゾン
ガスを安定して発生できる装置が要求されている。

【０００７】ところで、放電方式のオゾン発生装置で
は、その放電電力の９０％以上が放電部分での発熱とし
て消費される。又、オゾンの分解は発熱反応なので、放
電部分を効率よく冷却し、除熱することがオゾン濃度の
上昇、即ち、オゾンの発生効率の改善のためには不可欠
である。

【０００８】しかしながら、オゾン発生装置では、放電
空間の片側の電極のみを市水で水冷し、他方の電極を風
冷としている場合が多い。このため、冷却効果が低く、
高濃度のオゾンガスを効率よく発生することが難しいと
いう問題点があった。又、市水で双方の電極を循環水冷
しても、市水は導電率が比較的高いため、電流が冷却水
中を通って流れてしまい、双方の電極間で正常な放電が
維持できないという問題を生じる。

【０００９】又、半導体製造プロセスで使用するオゾン
ガスは、極限に近い清浄度が要求される。このため、放
電方式のオゾン発生装置の原料ガスである酸素ガスも純
度９９．９９％以上の高純度酸素ガスの使用が望まし
い。しかしながら、単にこのような高純度酸素ガスを用
いると、放電によるオゾンガスの生成中に経時的なオゾ
ン濃度の低下が生じ、高濃度のオゾンガスを安定して生
成することが難しいという問題がある。このオゾンガス
の濃度低下現象は、純度９９．５％程度の比較的純度の
低い工業用酸素ガスでは現れず、高純度酸素ガスに特有
の現象である。尚、放電方式のオゾン発生装置には前述
のように種々の形式があるが、この高純度酸素ガスを原
料として用いることによるオゾン濃度の低下現象は、程
度の差はあっても全ての構造の装置に共通して現れる現
象である。

【００１０】本発明は上述の事情に鑑みなされたもので
あり、高濃度で且つ高清浄度のオゾンガスを効率よく発
生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。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様のオ
ゾン発生装置は、誘電体を挟む電極間に電圧を印加して
オゾンを発生させる放電方式のオゾン発生装置におい
て、前記電極の双方に冷却液流路と、該流路を連結する
連結管とを設け、前記双方の電極を同一の脱イオン水で
循環冷却したことを特徴とする。

【００１２】本発明の第２の態様のオゾン発生装置は、
誘電体を挟む電極間に電圧を印加してオゾンを発生させ
る放電方式のオゾン発生装置において、原料ガスとし
て、純度９９．９９％以上の高純度酸素ガスに、純度９
９．９９％以上の高純度窒素ガスを０．７から０．８vo
l ％の範囲で添加した混合ガスを用いたことを特徴とす
る。

【００１３】

【作用】本発明の第１の態様によれば、電極の双方に冷
却液循環経路を設けて、双方の電極を同一の脱イオン水
で冷却することから、効率的にかつ簡単な循環経路で双
方の電極を冷却することができる。又、脱イオン水は、
導電率が極めて低いので、双方の電極間に生じるリーク
電流は極めて僅かなものである。このため、従来の市水
による冷却と異なり、双方の電極間の放電が乱されると
いう問題を生じない。

【００１４】本発明の第２の態様によれば、高純度酸素
ガスに、高純度窒素ガスを０．７から０．８vol ％の範
囲で添加した混合ガスを用いることにより、高純度で且
つ高濃度のオゾンガスを経時変化を生じることなく安定
して生成することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図１乃至図
４を参照しながら説明する。

【００１６】図１は、本発明のオゾン発生装置の全体構
成図である。図１においてオゾン発生装置２は、誘電体
を挟む電極間に電圧を印加してオゾンを発生する放電方
式のオゾン発生装置である。原料ガスボンベ１から原料
ガスはオゾン発生装置２に供給され、その内部配管を通
ってオゾン発生装置内の放電空間へ導かれ、そこで原料
ガス中の酸素分子の一部がオゾンとなり、オゾンガスが
生成する。

【００１７】一方、放電電極の冷却媒体は、冷却媒体供
給装置３から供給される。本実施例においては、冷却媒
体として脱イオン水が用いられている。そして、供給装
置３には冷凍機２３が内蔵されており、常に一定温度の
脱イオン水をオゾン発生装置２の電極部分に供給するこ
とができる。又、イオン交換樹脂２２が内蔵されてい
て、放電電極へ供給する脱イオン水の電導度を常時一定
値以下の低電導度に保つことができる。又、この冷却媒
体供給装置３は、冷却媒体の電導度を測定する電導度計
２０を備える。電導度計の出力は、制御回路２１に出力
され、制御回路では電導度が一定値以上に上昇した場合
には、オゾン発生装置の放電を停止する保護回路を備え
ている。

【００１８】図２は、オゾン発生装置の要部を示す断面
図である。高圧電極５には、平板状の誘電体板７が接触
しており、誘電体板７を挟むようにアース側電極６が配
置されている。高圧電極５とアース側電極６の間はスペ
ーサ兼シール材１２により電気的に絶縁されるとともに
外部空間からシールされている。電極押え枠１１は、ア
ース側電極６をスペーサ兼シール材１２に固定するため
のものである。アース側電極６の誘電体板７側は、鋸歯
状の突起を備え、その突起の先端は誘電体板７に接する
か、又は極めて接近して配置されている。そして、アー
ス側電極６の突起と誘電体板７間に形成される空間８が
原料ガスおよび生成したオゾンガスの流路および放電空
間となる。この流路および放電空間８は、紙面に対して
垂直方向に延在している。アース側電極６と高圧電極５
間は交流電源１０に接続され、高電圧が印加され、放電
空間８で放電が発生し、酸素ガスの一部がオゾンガスに
変化する。係る構造によれば、突起の先端部近傍で電界
強度が高くなるため、効率的にオゾンガスを生成でき
る。尚、突起の断面形状としては、正弦波状の波形、又
は台形状としてもよい。

【００１９】本実施例においては、アース側電極６及び
高圧電極５はそれぞれ冷却液流路９を有し、脱イオン水
が循環冷却するようになっている。アース側電極６の冷
却液流路９と高圧電極５の冷却液流路９とは脱イオン水
連結管２６により接続されており、脱イオン水入口管２
５から高圧電極５内に流入した冷却液は、脱イオン水連
結管２６を通り、更にアース側電極６内の冷却液流路９
を通り、脱イオン水出口管２７より冷却媒体供給装置３
に戻るようになっている。

【００２０】電極５と電極６の間には交流電源１０によ
り高電圧が印加されているが、電導度の極めて低い脱イ
オン水を使用しているため、双方の電極間が脱イオン水
の連結管を通って流れる電流はほとんどなく、従って放
電空間８におけるオゾン生成のための放電状態にはなん
ら影響を及ぼすものではない。尚、電導度の低いという
観点から冷却媒体として絶縁油を使用することが考えら
れる。しかしながら、絶縁油は熱伝導率が低く、除去熱
量は脱イオン水に比較して大幅に小さいため、その冷却
効果は十分ではない。このため、あえて絶縁油を使用す
ると、同様な冷却能力を得るためには、放電電極側及び
冷凍機側において除熱に要する伝熱面積を大幅に大きく
する必要があり、装置が大型化する欠点を生じる。

【００２１】又、脱イオン水の電導度は電導度計により
常に監視されており、長期運転に伴うイオン交換樹脂の
劣化等により電導度が上昇した場合には、制御回路の指
令によりオゾン発生装置の運転を停止し、トラブルを未
然に防止することができる。電導度が低く保たれ、電気
絶縁性が確実に確保できる脱イオン水供給装置から供給
される脱イオン水を、高圧電極５の冷却に最初に接続す
ることが脱イオン水を経由してアース側へ流れる電流を
極少におさえる観点から望ましい。

【００２２】尚、脱イオン水連結管２６及び入口管２
５、出口管２７は、当然電気的絶縁性に優れた絶縁材料
からできている。本実施例においては、絶縁性に優れ、
配管の容易さ、簡便性を有する柔軟性に富み、金属イオ
ンの溶出のない有機性樹脂材料の耐圧チューブを用いて
いる。

【００２３】上述のような脱イオン水の冷却循環により
片側電極を空冷した場合に比較して、大幅な冷却効果の
向上が安全かつ確実に達成でき、従来の放電方式のオゾ
ン発生装置では不可能であった２８０ｇ／Ｎｍ³ という
超高濃度のオゾンガスを安定して発生することができ
た。尚、この際の脱イオン水の水温は２０℃であり、流
量は５ｌ／min であり、原料ガス流量は０．５Ｎｌ／mi
n 、原料ガスは０．８vol ％Ｎ₂ ガス添加、室温２３℃
であった。

【００２４】次に、本発明の第２の態様の実施例につい
て説明する。放電方式のオゾン発生装置において、原料
ガスとして純度９９．９９％以上の高純度ガスを単に使
用すると、その理由は明らかではないが、図３に示すよ
うにオゾン濃度が経時的に低下し、安定して高濃度オゾ
ンを発生することができない。これに対して、純度９
９．９９％以上の高純度酸素に、純度９９．９９％以上
の高純度窒素ガスを０．７から０．８vol ％の割合で混
合したガスを原料ガスとして使用すると、図３にみられ
るような経時的なオゾン濃度の低下という問題がなくな
り、当初の高濃度を長期間に渡って維持することができ
る。この場合の２種類のガスの混合手段としては、あら
かじめ混合したガスをボンベに充填したものを使用して
も、又、図１に示すようにボンベ１及びボンベ１Ａから
の２種のガスをオゾン発生装置に供給する直前で混合し
てもよい。

【００２５】尚、上述の本発明は、図２に示すオゾン発
生装置を用いて、比較的純度の低い９９．５％の工業用
酸素ガスを原料としてオゾンを生成したところ、２Ｎｌ
／min の流量でオゾンガス濃度２００ｍｇ／Ｎｌ以上の
超高濃度オゾンガスが得られたという実験結果から導き
出されている。当然のことながら、純度の低い工業用酸
素ガスを原料として生成したオゾンガスは、半導体製品
の加工に使用することはできない。そこで、原料ガスと
して９９．９９％以上の高純度酸素ガスに各種濃度の窒
素ガスを添加する実験を試みたところ、或る混合比で２
００ｍｇ／Ｎｌ以上の超高濃度オゾンガスを安定して発
生できることが判明した。図４は、窒素ガス混合比に対
するオゾン発生濃度を示す。混合比としては、図４に示
すように０．７〜０．８％とするのが適切であり、これ
より窒素ガスの混合比が多くても少なくてもその効果は
十分ではない。

【００２６】なお、以上の実施例は図２に示す構造のオ
ゾン発生装置を用いてオゾンガスを生成する例について
説明したが、本発明のオゾン発生装置の構造は図２に示
す構造に限られるものではなく、図５乃至図９に示すオ
ゾン発生装置においても同様な効果が得られることは言
うまでもない。又、冷却媒体として脱イオン水を用いる
例について説明したが、純水、超純水等は脱イオン水の
概念に含まれることは勿論のことである。このように、
本発明の趣旨を損なうことなく種々の変形実施例が可能
である。尚、各図中同一符号は同一又は相当部分を示
す。

【００２７】

【発明の効果】以上に説明したように本発明の第一の態
様によれば、脱イオン水を放電電極間に循環冷却するこ
とにより、脱イオン水の有する高度の電気絶縁性と、除
熱能力により、高電圧の印加による放電状態を損なうこ
となく、効率的な放電電極の除熱を行うことができる。
従って、高濃度のオゾンガスの生成を効率的かつ安定的
に行うことができる。

【００２８】又、本発明の第二の態様によれば、高純度
の酸素ガスに高純度の窒素ガスを微量添加することによ
り、高効率のオゾン生成を経時的な変化を生じることな
く行うことができ、かつ生成されたオゾンガスは高純度
のものとなる。したがって、半導体プロセス等に使用す
るのに好適な高純度、高濃度のオゾンガスを効率的かつ
安定的に生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】オゾンガス発生装置の概要を示す説明図。

【図２】オゾンガス発生装置の要部を示す断面図。

【図３】オゾンガス発生濃度の時間的な経過を示すグラ
フ。

【図４】高純度酸素ガスに高純度窒素ガスを混合した実
験結果を示すグラフ。

【図５】従来のオゾン発生装置の要部を示す説明図。

【図６】従来のオゾン発生装置の要部を示す説明図。

【図７】従来のオゾン発生装置の要部を示す説明図。

【図８】従来のオゾン発生装置の要部を示す説明図。

【図９】従来のオゾン発生装置の要部を示す説明図。

【符号の説明】

１ 原料ガスボンベ ２ オゾン発生装置 ３ 冷却媒体供給装置 ５，６ 電極 ７ 誘電体板 ８ 流路兼放電空間 ９ 冷却液流路 １０ 交流電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西岡 由紀子 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体を挟む電極間に電圧を印加してオ
   ゾンを発生させる放電方式のオゾン発生装置において、 前記電極の双方に冷却液流路と、該流路を連結する連結
   管とを設け、前記双方の電極を同一の脱イオン水で循環
   冷却したことを特徴とするオゾン発生装置。
2. 【請求項２】 前記オゾン発生装置は、前記脱イオン水
   の循環冷却経路に電導度計を備え、前記脱イオン水の電
   導度が所定の値を超えた場合に前記オゾン発生装置の放
   電を停止する保護回路を更に備えたことを特徴とするオ
   ゾン発生装置。
3. 【請求項３】 誘電体を挟む電極間に電圧を印加してオ
   ゾンを発生させる放電方式のオゾン発生装置において、 原料ガスとして、純度９９．９９％以上の高純度酸素ガ
   スに、純度９９．９９％以上の高純度窒素ガスを０．７
   から０．８vol ％の範囲で添加した混合ガスを用いたこ
   とを特徴とするオゾン発生装置。
4. 【請求項４】 誘電体を挟む電極間に電圧を印加してオ
   ゾンを発生させる放電方式のオゾン発生装置において、 一方の電極は平板状の誘電体板を備え、他方の電極は突
   起を備え、該突起の先端は前記誘電体板に接するか又は
   極めて接近して配置され、前記突起と誘電体板間に形成
   される空間が原料ガスおよび生成したオゾンガスの流路
   および放電空間となることを特徴とする請求項１乃至３
   記載のオゾン発生装置。