JPH09156904A

JPH09156904A - オゾン発生装置

Info

Publication number: JPH09156904A
Application number: JP32411395A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Suwahara; 久諏訪原; Michio Nishino; 民智夫西野; Tomofumi Miyashita; 朋史宮下; Eiji Sasamoto; 栄二笹本
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1995-12-13
Publication date: 1997-06-17

Abstract

(57)【要約】【課題】無声放電式のオゾン発生装置において、従来
不可欠であった誘電体を設けなくても、小消費電力でオ
ゾンを効率良く生成できるようにする。【解決手段】外径数ｍｍ程度のワイヤー状の導線を複
数本束ねて成る高電圧電極１１の同軸外周に、例えば１
８ｍｍのギャップ１２を介して円筒状の接地電極１３
（ＳＵＳ接地電極管）を配設する。前記電極１１、１３
間に、立ち上がりが急峻で且つパルス幅の短い、例えば
立ち上がり時間２００ｎｓｅｃ、パルス幅２μｓｅｃ、
周波数１０００Ｈ_Zのパルス電圧を印加する。すると電
子のエネルギーだけが高く、分子やイオンのエネルギー
は低い放電、すなわち非平衡プラズマ放電が実現でき、
従来のように、Ｏ₂分子との衝突に関与しない電子が多
数流れるストリーマ状放電柱は、発生しない。しかもＯ
₂分子との衝突に必要な電子を発生することができるの
で、少ない消費電力でオゾンが効率良く生成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水処理や屎尿処理
等に利用される無声放電式のオゾン発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】オゾンは極めて強い酸化力を有し、水の
殺菌、脱臭、脱色等の上下水処理や屎尿処理及び食品関
連における殺菌などの多くの用途に使われている。オゾ
ンの生成法には、紫外線照射法、放射線照射法、プラズ
マ放電法、無声放電法及び水の電気分解法等があるが、
工業的には無声放電法が主体である。

【０００３】図１０に無声放電法によるオゾン発生装置
の原理を示す。図１０において高電圧電極１と接地電極
２は、両者間にギャップ３が形成されるように誘電体４
を介在させて並設されている。両電極１，２間に例えば
ＡＣ電圧を印加してギャップ３で無声放電を発生させ、
原料となるガス（乾燥空気もしくは酸素）をこのギャッ
プ３に通すことによりオゾンを発生させている。

【０００４】オゾンＯ₃の理論収率は、Ｏ₂→Ｏ＋Ｏ−１１８Ｋｃａｌ（吸熱反応）Ｏ＋Ｏ₂→Ｏ₃＋２５Ｋｃａｌ（発熱反応）より、３Ｏ₂→２Ｏ₃−６８Ｋｃａｌとなり、Ｏ₃を１ｍｏｌ生成するために３４Ｋｃａｌ必
要となる。従って理論上の収率は１．２ｋｇＯ₃／ＫＷ
ｈとなる。しかし、消費電力に対するオゾンの生成効率
は理論収率に比べて極めて低く数％に過ぎず、残りの９
０数％の電力は熱となってオゾン生成に寄与していない
というのがオゾン発生装置の現状である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】オゾンの生成量に影響
を及ぼす主な因子としては、電極の形状、電極間ギャッ
プの大きさ、誘電体の形状及び材質、電極の冷却方法、
原料ガスの除湿や冷却方法、印加電圧の波形等が挙げら
れる。

【０００６】現在のオゾン発生装置は図１０で示したよ
うに、電極間にギャップが形成されるように誘電体を介
在させてそのギャップ部分で放電を起こさせる無声放電
を応用する構造などが主となっている。図１０において
無声放電が起こると電極と誘電体間のギャップ３に微小
なストリーマ状放電柱が多数発生し、その放電柱の中を
大量の電子が流れる。その際ギャップ部分を流れている
原料ガス中の酸素分子Ｏ₂と電子とが衝突し、衝突電離
によって酸素原子Ｏや励起酸素分子Ｏ₂＊が生成し、酸
素分子Ｏ₂と反応してオゾンＯ₃が生成される（放電の化
学作用）。

【０００７】ここでオゾン生成の原理を図１１とともに
詳細に説明する。図１１において、交流電圧を印加して
無声放電を起こさせる場合、誘電体側の電極１が正で接
地側の電極２が負となるＡＣ電圧の正の半波の電圧上昇
時に、発生した微小なストリーマ状放電柱の中を電子が
接地電極２側から高電位となる誘電体４側に移動し、そ
の電子はある面積で誘電体４の表面に広がって堆積す
る。そして次に発生するストリーマ状放電柱はすでに堆
積している多数の電子を避けて、まだ電子が堆積してい
ない誘電体４の表面の別の箇所に到達して同様に多数の
電子を表面に堆積させる。この繰り返しにより電子が堆
積する箇所が誘電体４の表面に分散して存在するように
なる。電圧の極性が反転して誘電体４側の電極１が負で
接地側の電極２が正になって無声放電が起こると、誘電
体表面に堆積していた電子は前記ストリーマ状放電柱の
中を、今度は電位が高くなる接地電極２側へ移動する。
このように電子が電極と誘電体の間を移動する時に前述
のような原料ガス中の酸素分子Ｏ₂と衝突してオゾンＯ₃
が生成されるわけである。しかし実際には原料ガス中の
酸素分子Ｏ₂と電子とが衝突する確率は低く、従って投
入している電力量の割には生成されるオゾンＯ₃の量が
少ないという問題点がある。

【０００８】また安定な無声放電を発生させるために
は、電極間ギャップ長を１〜２ｍｍ程度以下にするとと
もに、ギャップ長を均一にして放電をギャップ部分で一
様に発生させる必要がある。しかし微小なギャップ部分
を均一に保つことが難しく、従って安定な無声放電が得
られにくい。オゾン発生装置が大形になるほどこの問題
が生じてくる。

【０００９】また電圧印加中に上昇する電極および誘電
体の温度が、電極間が狭いためにギャップ部分に伝わり
やすく、そのため生成されたオゾンＯ₃が分解して酸素
Ｏ₂に戻ってしまうなどの問題があって、オゾンの生成
効率を向上させることが難しい。

【００１０】現在の大型オゾン発生装置は、冷却の容易
性、組み立ての容易性、メインテナンスの容易性等の点
から、同軸円筒型の多管方式が多く用いられている。そ
の中で高圧電極部は、一般には誘電体管としてガラス管
に金属コーティングを施したものが用いられている。放
電時の誘電体自身の温度上昇によるオゾン発生濃度の低
下も問題となっている。しかも構造上、ガラス管の冷却
水による直接冷却も困難である。

【００１１】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
その目的は、従来不可欠であった誘電体を設けなくて
も、少ない消費電力でオゾンを効率良く生成することが
できるオゾン発生装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、所定長さのギ
ャップを介して互いに対向配設される高電圧電極および
接地電極を備え、前記高電圧電極と接地電極間に電圧を
印加して前記ギャップ内に流通させた原料ガス中にオゾ
ンを発生させる無声放電式のオゾン発生装置において、
（１）前記高電圧電極と接地電極の間に、立ち上がりが
急峻で且つパルス幅の短いパルス高電圧を印加してオゾ
ンを発生させることを特徴とし、（２）前記パルス高電
圧は、立ち上がり時間が５００ｎｓｅｃ（５００×１０
^-9ｓｅｃ）程度以下であり、パルス幅が１０００ｎｓｅ
ｃ（１０００×１０^-9ｓｅｃ）程度以下であり、周波数
が５０〜５０００Ｈ_Z程度であることを特徴とし、
（３）前記高電圧電極は、導線を複数本束ねて構成され
ていることを特徴とし、（４）前記高電圧電極は、導体
の外周に導線を複数本配設して構成されていることを特
徴とし、（５）前記高電圧電極は、絶縁体の外周に導線
を複数本配設して構成されていることを特徴とし、
（６）前記高電圧電極は導線で構成され、前記接地電極
は、接地電極の高電圧電極側の面に導線を複数本配設し
て構成されていることを特徴とし、（７）前記ギャップ
長さは４０ｍｍ程度以下であることを特徴と（８）前記
接地電極は平板型の電極で構成されていることを特徴と
し、（９）前記接地電極は円筒型の電極で構成され、当
該円筒型接地電極の同軸内周に高電圧電極が配設されて
いることを特徴としている。

【００１３】（１０）前記高電圧電極と接地電極の間
に、立ち上がりが急峻で且つパルス幅の短いパルス高電
圧を印加すると、電子のエネルギー（電子温度）だけが
高く、分子やイオンのエネルギーは低いという状態の放
電、すなわち非平衡プラズマ放電が実現できる。このた
め従来放電ギャップ中に発生していた、Ｏ₂分子との衝
突に関与しない電子が多数流れるストリーマ状放電柱
は、発生しない。しかもＯ₂分子との衝突に必要な電子
を発生することができるので、少ない消費電力でオゾン
が効率良く生成される。

【００１４】

【発明の実施の形態】オゾンを少ない消費電力で発生さ
せてオゾン生成効率を向上させるには、従来の無声放電
時に、放電ギャップ中に発生したストリーマ状放電柱が
発生することなく、電子とＯ₂分子とが衝突できるよう
にすれば良い。すなわち、Ｏ₂分子との衝突に関与しな
い電子が多数流れていたストリーマ状放電柱を発生させ
ないようにして、かつＯ₂分子との衝突に必要な電子を
発生させられれば良い。これにより少ない消費電力でオ
ゾンを発生させられるので、オゾン生成効率は向上す
る。

【００１５】そのためには電子のエネルギー（電子温
度）だけが高く、分子やイオンのエネルギーは低いとい
う状態を作り出せる放電、すなわち、非平衡プラズマ放
電を用いてオゾン生成を行えば良い。この非平衡プラズ
マ放電を発生させるには、オゾン発生用電極間に立ち上
がりが急峻でかつパルス幅の短いパルス電圧（急峻・短
パルス電圧）を印加する。

【００１６】このような急峻・短パルス電圧を用いると
非平衡プラズマ放電を発生できるとともに、従来のＡＣ
電圧を用いた無声放電方式では不可欠であった誘電体
（例えばガラス管）を電極間に設けなくても非平衡プラ
ズマ放電を発生できるというメリットがある。

【００１７】図１〜図８に、本発明を適用して、誘電体
（例えばガラス管）を電極間に設けない状態のオゾン発
生装置の構造の一例を示す。図１は同軸円筒型のオゾン
発生用放電管の例を示しており、１１は外径数ｍｍ程度
のワイヤー状の導線を複数本束ねて成る高電圧電極であ
る。この高電圧電極１１の同軸外周には、所定長、例え
ば１８ｍｍのギャップ１２を介して円筒状の接地電極１
３（ＳＵＳ接地電極管）が配設されている。

【００１８】また図２は平板型のオゾン発生装置の例を
示しており、前記図１と同様に構成された高電圧電極１
１には、ギャップ２２を介して平板形状の接地電極２３
が対向配設されている。

【００１９】また図３は同軸円筒型のオゾン発生用放電
管の他の例を示しており、３１は高圧導体３２の外周上
に外径数ｍｍ程度のワイヤー状の導線３３を複数本配設
して成る高電圧電極である。この高電圧電極３１の同軸
外周には、所定長のギャップ３４を介して円筒状の接地
電極３５（ＳＵＳ接地電極管）が配設されている。

【００２０】また図４は平板型のオゾン発生装置の他の
例を示しており、前記図３と同様に構成された高電圧電
極３１には、ギャップ４４を介して平板形状の接地電極
４５が対向配設されている。

【００２１】また図５は同軸円筒型のオゾン発生用放電
管の他の例を示しており、５１は絶縁体５２の外周上に
外径数ｍｍ程度のワイヤー状の導線３３を複数本配設し
て成る高電圧電極である。この高電圧電極５１の同軸外
周には、所定長のギャップ５４を介して円筒状の接地電
極５５（ＳＵＳ接地電極管）が配設されている。

【００２２】また図６は平板型のオゾン発生装置の他の
例を示しており、前記図５と同様に構成された高電圧電
極５１には、ギャップ６４を介して平板形状の接地電極
６５が対向配設されている。

【００２３】また図７は同軸円筒型のオゾン発生用放電
管の他の例を示しており、７１は外径数ｍｍ程度のワイ
ヤー状の導線から成る高電圧電極である。この高電圧電
極７１の同軸外周には、所定長のギャップ７２を介して
円筒状の接地電極７３が配設されている。この接地電極
７３は、ＳＵＳ接地電極管７４の内周面に外径数ｍｍ程
度のワイヤー状の導線７５を複数本配設して構成されて
いる。

【００２４】また図８は平板型のオゾン発生装置の他の
例を示しており、前記図７と同様に構成された高電圧電
極７１には、ギャップ８２を介して平板形状の接地電極
８３が対向配設されている。この接地電極８３は、平板
電極８４のギャップ８２側の面に外径数ｍｍ程度のワイ
ヤー状の導線７５を複数本配設して構成されている。

【００２５】

【実施例】次に上記のように構成された図１〜図８の電
極構造を用いて、印加する急峻・短パルス電圧のパルス
幅条件を変えて実施した例を表１に示す。なお、電極構
造の例およびパルス幅以外の印加電圧の例は下記の通り
である。

【００２６】電極構造の例ＳＵＳ接地電極管内径：４０ｍｍ高電圧電極外径：４ｍｍ高電圧電極と接地電極間のギャップ長：１８ｍｍ電極の長さ：４００ｍｍ印加電圧の例パルスの繰り返し数（周波数）：１０００ｃｙｃｌｅ／ｓｅｃパルス電圧の立ち上がり時間：２００ｎｓｅｃ（２００×１０^-9ｓｅｃ）パルス電圧の極性：正極性電圧波高値：ＭＡＸ５０ＫＶｐｅａｋ

【００２７】

【表１】

【００２８】上記のような条件下での接地電極部の単位
面積当たりの放電消費電力に対するオゾン発生量の関係
を図９に示す。この図９によれば、実施例１、実施例２
は従来例に比べて同一の放電消費電力でオゾン発生量が
増加しているのが判る。この理由としては、急峻・短パ
ルス電圧を用いると非平衡プラズマ放電を発生でき、エ
ネルギーのロスであったイオンや分子の加速にいたるこ
となく、電子のみを加速して電子エネルギーを高めるこ
とができるためである。また従来の無声放電の時のよう
にＯ₂分子との衝突に関与しない電子が多数流れていた
ストリーマ状放電柱を発生させることがなくなったた
め、より少ない消費電力でオゾンを発生させられるよう
になった。

【００２９】本発明の実施例で明らかになった主な点は
次のとおりである。

【００３０】（１）パルス幅は１０００ｎｓｅｃ（１０
００×１０^-9ｓｅｃ）程度以下が効果が大きい。

【００３１】（２）パルスの繰り返し数（周波数）は５
０〜５０００ｃｙｃｌｅ／ｓｅｃ程度が望ましい。

【００３２】（３）パルスの立ち上がり時間は５００ｎ
ｓｅｃ（５００×１０^-9ｓｅｃ）程度以下が効果が大き
い。

【００３３】（４）パルスの極性は極性反転タイプもし
くは片極性タイプ（正ｏｒ負）。

【００３４】（５）ＳＵＳ接地電極管内径や高電圧電極
外径および電極の長さは適宜選択することができるが、
ただし高電圧極と接地極間のギャップ長は印加電圧の大
きさとの関係より４０ｍｍ程度以下が望ましい。

【００３５】（６）オゾン発生用放電電極は図１、図
３、図５、図７のようにワイヤー状（線状）電極−円筒
電極の同軸円筒型の形状や、図２、図４、図６、図８の
ようにワイヤー状（線状）電極−平板電極などの電極形
状に容易に適用できる。

【００３６】（７）尚、従来の固体誘電体（例えばガラ
ス管）の有無はどちらでも良いが、固体誘電体がある場
合は電圧の極性が反転する急峻・短パルス電圧波形を印
加することになる。固体誘電体がない場合は極性反転タ
イプ、片極性タイプ（正ｏｒ負）のどちらでも良い。

【００３７】（８）また冷却については特に行わなくて
も従来のオゾン発生方式よりも効率が向上し十分効果が
現れるが、ＳＵＳ接地管の外側から冷却水によって水冷
することにより更にオゾン発生効果が向上する。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、無声放電
式のオゾン発生装置において、高電圧電極と接地電極の
間に、立ち上がりが急峻で且つパルス幅の短いパルス高
電圧を印加してオゾンを発生させるように構成したの
で、次のような優れた効果が得られる。

【００３９】（１）急峻・短パルス電圧を用いることに
より、非平衡プラズマ放電を発生させることができ、エ
ネルギーのロスであったイオンや分子の加速にいたるこ
となく、電子のみを加速して電子エネルギーを高めるこ
とができる。このため少ない消費電力でオゾンを効率良
く生成できるようになった。また従来の無声放電の時の
ようにＯ₂分子との衝突に関与しない電子が多数流れて
いたストリーマ状放電柱を発生させることがなく、より
少ない消費電力でオゾンを発生させられるようになっ
た。

【００４０】（２）従来のＡＣ電圧を用いた無声放電方
式では不可欠であった誘電体（例えばガラス管）を電極
間に設けなくても非平衡プラズマ放電を発生できる。こ
のため、従来の無声放電方式のように、安定な放電を発
生させるために電極間ギャップ長を１〜２ｍｍ程度以下
にしてギャップ長を均一に保持する必要がなく、電極部
の製作が非常に容易になった。

【００４１】また従来のように、電圧印加中に上昇した
温度が、電極間が狭いためにギャップ部分に伝わりやす
くなって、生成されたＯ₃が分解して酸素Ｏ₂に戻ってし
まうようなことはない。さらに本発明による電極構造
は、ギャップ長等の精度が低くてもオゾン発生効率が低
下しないことも確認した。さらに従来方式のように誘電
体を設けなくても良いので、誘電体自身の温度上昇によ
りオゾン発生濃度が低下する事態は避けられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す要部構成図。

【図２】本発明の他の実施例を示す要部構成図。

【図３】本発明の他の実施例を示す要部構成図。

【図４】本発明の他の実施例を示す要部構成図。

【図５】本発明の他の実施例を示す要部構成図。

【図６】本発明の他の実施例を示す要部構成図。

【図７】本発明の他の実施例を示す要部構成図。

【図８】本発明の他の実施例を示す要部構成図。

【図９】放電電力に対するオゾン発生量の関係を示す特
性図。

【図１０】無声放電法によるオゾン生成の概要を示す説
明図。

【図１１】無声放電法によるオゾン生成の原理を示す説
明図。

【符号の説明】

１１，３１，５１，７１…高電圧電極１２，２２，３４，４４，５４，６４，７２，８２…ギ
ャップ１３，２３，３５，４５，５５，６５，７３，８３…接
地電極３２…導体３３，７５…導線５２…絶縁体７４…ＳＵＳ接地電極管８４…平板電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者笹本栄二東京都品川区大崎２丁目１番17号株式会社明電舎内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定長さのギャップを介して互いに対向
配設される高電圧電極および接地電極を備え、前記高電
圧電極と接地電極間に電圧を印加して前記ギャップ内に
流通させた原料ガス中にオゾンを発生させる無声放電式
のオゾン発生装置において、前記高電圧電極と接地電極の間に、立ち上がりが急峻で
且つパルス幅の短いパルス高電圧を印加してオゾンを発
生させることを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項２】前記パルス高電圧は、立ち上がり時間が
５００ｎｓｅｃ（５００×１０^-9ｓｅｃ）程度以下であ
り、パルス幅が１０００ｎｓｅｃ（１０００×１０^-9ｓ
ｅｃ）程度以下であり、周波数が５０〜５０００Ｈ_Z程
度であることを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生
装置。
【請求項３】前記高電圧電極は、導線を複数本束ねて
構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載
のオゾン発生装置。
【請求項４】前記高電圧電極は、導体の外周に導線を
複数本配設して構成されていることを特徴とする請求項
１又は２に記載のオゾン発生装置。
【請求項５】前記高電圧電極は、絶縁体の外周に導線
を複数本配設して構成されていることを特徴とする請求
項１又は２に記載のオゾン発生装置。
【請求項６】前記高電圧電極は導線で構成され、前記
接地電極は、接地電極の高電圧電極側の面に導線を複数
本配設して構成されていることを特徴とする請求項１又
は２に記載のオゾン発生装置。
【請求項７】前記ギャップ長さは４０ｍｍ程度以下で
あることを特徴とする請求項１又は２又は３又は４又は
５又は６に記載のオゾン発生装置。
【請求項８】前記接地電極は平板型の電極で構成され
ていることを特徴とする請求項１又は２又は３又は４又
は５又は６又は７に記載のオゾン発生装置。
【請求項９】前記接地電極は円筒型の電極で構成さ
れ、当該円筒型接地電極の同軸内周に高電圧電極が配設
されていることを特徴とする１又は２又は３又は４又は
５又は６又は７に記載のオゾン発生装置。