JPH10324504A

JPH10324504A - 無声放電式オゾン生成方法及び装置

Info

Publication number: JPH10324504A
Application number: JP13246897A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Muraki; 良爾村木
Original assignee: OONITTO KK
Current assignee: OONITTO KK
Priority date: 1997-05-22
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 1998-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】無声放電式のオゾン生成装置において、オゾ
ン収率又はオゾン濃度を高める。【解決手段】１又は２の誘電体を挟んで対向する電極
の誘電体と電極との隙間又は誘電体同士の隙間に酸素を
含む原料ガスを通過させながら前記電極に交流高電圧を
印加して、無声放電により酸素を解離させてオゾンを生
成する無声放電式オゾン生成装置の使用に際し、交流高
電圧を１〜800回/秒のスイッチング回数で間欠的に印加
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無声放電式のオゾ
ン生成において、印加するエネルギーに対するオゾン収
率を向上させるオゾン生成方法及びオゾン生成装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】無声放電式オゾン生成装置は１又は２の
誘電体を挟んで対向した電極を有し、誘電体と電極との
隙間又は誘電体同士の隙間に酸素を含む原料ガス(高濃
度酸素(PSA酸素)や脱湿空気等)を通過させながら前記電
極に交流高電圧を印加し、無声放電により酸素を解離さ
せてオゾンを生成する。前記隙間は１mm前後で、誘電体
には絶縁耐力の高いガラスやセラミックが用いられる。

【０００３】オゾン生成量は、電極に加えるエネルギー
に比例して増加するから、印加電圧を高めたり、周波数
を高くして放電電流を多くすることでオゾン生成量を増
やすことができる。一般には、誘電体の絶縁耐力を高め
ることに限界があるため、専ら周波数を高める方法によ
り、オゾン生成量を増やしている。とりわけ、半導体技
術の進歩が高周波電源の製造を安価かつ容易にしたこと
から、近年ではオゾン生成装置の小型化、高性能化が進
んでいる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】商用のオゾン生成装置
では、絶対的なオゾン生成量と共に、供給したエネルギ
ーに対するオゾン生成量、すなわちオゾン収率やオゾン
濃度が重要となる。このオゾン収率は、送り込む原料ガ
ス量に対してある値以上に印加エネルギーが増加すると
逆に低下することが判明している。これは、放電による
オゾンの自己分解量の増加が相対的に生成量の増加を上
回ってしまうからである。

【０００５】大型のオゾン生成装置では、誘電体と電極
との隙間又は誘電体同士の隙間をより狭くする(0.5〜0.
1mm)ことにより、印加電圧を抑えつつ空間のエネルギー
を高めると共に、対向する電極を共に強制冷却するなど
して温度上昇を抑制して、オゾンの自己分解を低減さ
せ、オゾン収率を高めるようにしている。ところが、製
造コストの観点から電極間の狭小化には限界がある。ま
た、中小型のオゾン生成装置における一般的な電極の冷
却手段は空冷であり、電極の温度上昇を抑えにくく、オ
ゾン収率はもちろん、とりわけオゾン濃度を高めること
が難しかった。

【０００６】特に、小型のオゾン生成装置に広く用いら
れている沿面放電型オゾン生成装置(対となる電極の形
状、面積が大きく異なり、平面放電型オゾン生成装置と
は違い、誘電体に密着した線状電極の側縁に沿って放電
が生ずる)では、実質的に誘電体と電極との隙間又は誘
電体同士の隙間といったものが存在しないので、電極間
を狭小化することができず、空冷で許される範囲での印
加電圧においてより高いオゾン収率又はオゾン濃度を得
る方法又は装置の提案が未だ見られない現状にある。そ
こで、オゾン生成装置、とりわけ小型のオゾン生成装置
に見られる沿面放電型において、オゾン収率又はオゾン
濃度を高める方法及び装置について検討することにし
た。

【０００７】

【課題を解決するための手段】検討の結果、開発したも
のが、１又は２の誘電体を挟んで対向する電極の誘電体
と電極との隙間又は誘電体同士の隙間に酸素を含む原料
ガスを通過させながら前記電極に交流高電圧を印加し、
無声放電により酸素を解離させてオゾンを生成する無声
放電式オゾン生成装置の使用に際し、交流高電圧を１〜
800回/秒のスイッチング回数で間欠的に印加する無声放
電式オゾン生成方法(以下、間欠放電方法と呼ぶ)であ
る。本発明の間欠放電方法は、交流高電圧を間欠的にす
る(間欠周期における交流高電圧を印加する時間の割合
を負荷率(duty ratio)と呼ぶ)ことで、電極に加える実
質的なエネルギーを低減してオゾン収率を高める。交流
高電圧が高い場合には、負荷率を50％以下にするとオゾ
ン濃度が高くなる。

【０００８】交流高電圧を連続して印加する無声放電式
オゾン生成方法(以下、本発明に対して連続放電方法と
呼ぶ)では、オゾン分解反応はオゾン生成反応よりもゆ
っくりと進行することが知られている。このことは、無
声放電式オゾン生成装置において、交流高電圧の印加開
始直後にオゾンの生成量が瞬間的に増大するが、その後
一定の水準にまで低下する現象からも明らかである。本
発明は、前記オゾン生成とオゾン分解の反応速度の差に
着目して、オゾン生成量がオゾン分解量よりも相対的に
多い時間、すなわち放電開始直後の一定時間のみ交流高
電圧を印可し、オゾン生成量がオゾン分解量よりも相対
的に少ない時間には交流高電圧の印加を停止するとい
う、負荷率を下げた間欠的な交流高電圧の印加によって
供給するエネルギーは相対的に低下させ、オゾン収率を
高めるのである。更に、交流高電圧を高くして負荷率を
50％以下にすると、連続放電方法の場合に比較して高い
オゾン濃度が得られる。

【０００９】本発明の間欠放電方法を適用した装置とし
ては、１又は２の誘電体を挟んで対向する電極の誘電体
と電極との隙間又は誘電体同士の隙間に酸素を含む原料
ガスを通過させながら前記電極に交流高電圧を印加し、
無声放電により酸素を解離させてオゾンを生成する無声
放電式オゾン生成装置において、電極に交流高電圧を印
加する電源回路にこの交流高電圧を１〜800回/秒のスイ
ッチング回数で断続(入/切)するスイッチング回路を付
加した無声放電式オゾン生成装置として構成できる。ス
イッチング回路は、交流高電圧は連続とし、電極と電源
回路との接続を断続することにより電極への交流高電圧
の印加を間欠的にするもの(以下接続断続式と呼ぶ)と、
電極と電源回路とは常時接続しておき、交流高電圧を断
続的に生成して印加するもの(以下発振断続式)とがあ
る。発振断続式はスイッチング回数毎の最初における交
流高電圧の立ち上がりに遅延が生ずるため、交流高電圧
の周波数に比してスイッチング回数が高くなる場合に
は、接続断続式の方が好ましい。

【００１０】本発明において、上記接続断続式の場合、
電源回路と電極との接続が切断されている間にも交流高
電圧が出力されることになる。そこで、同無声放電式オ
ゾン生成装置において、印加する交流高電圧を１〜800
回/秒のスイッチング回数で断続するスイッチング回路
を付加した電極を並列配置し、ある電極に交流高電圧を
印可しない時間に他の電極に交流高電圧を印加できるよ
うに電源回路と各電極との接続をこのスイッチング回数
で順次切り換える無声放電式オゾン生成装置とすれば、
電源回路から連続して出力される交流高電圧を無駄なく
利用し、かつ個々の電極から効率よくオゾンが生成でき
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、回路構成を図示しながら説明する。図１は本発明の
間欠放電方法を適用した基本形態の回路図、図２は１体
の直流電源１により３連のオゾン発生体２,２,２に順次
交流高電圧を印加する形態の回路図である。図１及び図
２の例は、直流電源１とオゾン発生体２とが高圧トラン
ス３(又はDC/ACコンバータ)を介して接続され、高圧ト
ランス３の駆動をスイッチング回路４で断続して間欠的
な交流高電圧をオゾン発生体２の電極に印加するもの
で、電極と電源回路との接続を断続して電極への交流高
電圧の印加を間欠的にする接続断続式にあたる。

【００１２】スイッチング回路４への作動信号は、図１
に見られるように、発振器５で生成した連続高周波を作
動信号で設定したスイッチング回数及び負荷率で間引き
し、連続的な作動信号を間欠的な作動信号に変換する。
スイッチング回路４は前記間欠的な作動信号を受けて高
圧トランス３を断続的に作動させ、オゾン発生体２に間
欠的な交流高電圧を印加する。スイッチング回路４は、
既存のスイッチング素子を用いたもので構わないが、高
いエネルギーを供給する観点から、FETを中心に構成し
たものが望ましい。

【００１３】図２では、エネルギーを供給する直流電源
１は共用としながら、スイッチング回数を３回/秒とし
て、３連に並列配置したオゾン発生体２,２,２を順次駆
動することにより、効率的なエネルギーの利用を図るこ
とができる。本例では、作動信号発生部６において、連
続する作動信号を負荷率約33％の間欠的な作動信号とし
て、これらを１/３秒ずつ遅延させながら各オゾン発生
体２に対応する高圧トランス３に加えることで順次交流
高電圧を印加しているが、このほか、連続する作動信号
を各スイッチング回路へ送り、スイッチング回路自体を
順次１/３秒ずつ作動させるようにしてもよい。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の間欠放電方法及び装置を用い
て、オゾン収率及びオゾン濃度を測定した結果について
説明する。図３は試験に用いた回路図、図４は沿面放電
型オゾン発生体２の一部破断斜視図であり、図５はオゾ
ン発生体２付近の原料ガス及び冷却風の送風関係を表し
た斜視図である。この試験においては、既存の装置を利
用して本発明を実施可能な回路を構成している。このた
め、上述の実施形態における回路(図１参照)とは異な
り、直流電源７に自己発振型高圧電源８を、前記高圧電
源８にオゾン発生体２を接続して、直流電源７と高圧電
源８との間にスイッチング回路４を介在させ、このスイ
ッチング回路４を作動信号発生部６からのスイッチング
回数の作動信号で作動させる構成を用いており、電圧の
立ち上がりに遅延が生ずる発振断続式による交流高電圧
の印加となっている。

【００１５】使用したオゾン発生体２は、図４に見られ
るような沿面放電型のものである。これにより、本発明
が沿面放電型においてより効果があることを実証するこ
とをも兼ねることにした。このオゾン発生体２は、外径
18mm、肉厚0.9mmの硬質ガラス管(誘電体)９の外表面に
膜状電極10、内表面に螺旋状電極(SUS316製、径0.5mm)1
1をそれぞれ密着させて一体化したもので、膜状電極10
には放熱フィン12を取り付けている。図５に見られるよ
うに、オゾン発生体２は、ガラス管９の一方から原料ガ
スとして脱湿空気又は高濃度酸素(PSA酸素,酸素濃度95
％以上)を流し、スイッチング回数0.1〜1000回/秒、負
荷率５〜95％の交流高電圧(数〜十数kV,40kHz)を印加し
て、ガラス管９の他方からオゾン空気(オゾンを含む空
気)を放出する。オゾン発生体２は、放熱フィン12に冷
却風を吹きつけて空冷する。

【００１６】まず、ある電圧値に設定した交流高電圧を
スイッチング回数60回/秒で電極に印加し、その際の負
荷率を５〜95％の範囲で５％おきに変化させた場合に生
成するオゾン濃度を測定した。電極には、原料ガスとし
て脱湿空気(露点温度−50℃以下)を0.5L/min.で供給し
た。図６は測定結果を表した負荷率(DUTY比、横軸横方
向)及び印加電圧(横軸奥行き方向)−オゾン濃度(縦軸)
のグラフである。

【００１７】一般に、印加する交流高電圧には最適値が
あり、その最適値を越えて高い電圧を印可してもオゾン
濃度は減少し、ついには全くオゾン生成をしなくなる。
図６において、負荷率95％を連続放電方法によるオゾン
生成の場合とみなせば、連続放電方法における印加電圧
の最適値は2230Ｖであり、そのときのオゾン濃度は5.6g
/m³である。これに対して、本発明によれば、印加電圧
を高くし、また負荷率が低くなるほどにオゾン濃度は高
くなる。例えば、印加電圧7000Ｖ、負荷率10％において
12.1g/m³という、前記連続放電方法の場合に比べて２倍
以上の高いオゾン濃度が得られている。

【００１８】次に、スイッチング回数を変化させた場合
のオゾン収率及びオゾン濃度を測定した。図７は測定結
果を表したスイッチング回数(繰り返し周波数、横軸)−
オゾン収率(縦軸左)及びオゾン濃度(縦軸右)のグラフで
ある。図７から、スイッチング回数が40〜200回/秒にお
いてオゾン収率、オゾン濃度が共に優れていることがわ
かる。なお、既述したように、今回の試験では電圧の立
ち上がりに遅延が生ずる発振断続式による交流高電圧を
印加するようにしているので、スイッチング回数の高い
範囲では前記遅延の影響によりオゾン収率又はオゾン濃
度が低下している可能性がある。

【００１９】図８〜図11は、脱湿空気を原料ガスとして
本発明による間欠放電方法と従来の連続放電方法とのオ
ゾン濃度及びオゾン収率を測定した結果を表したグラフ
であり、図８が脱湿空気0.5L/min.での本発明、図９は
脱湿空気0.5L/min.での従来、図10は脱湿空気1.0L/min.
での本発明、図11は脱湿空気1.0L/min.での従来の場合
である。間欠放電方法においては印加電圧を約12kV一定
とし、負荷率を変化させて、連続放電方法においては印
加電圧を可変することとした。

【００２０】脱湿空気0.5L/min.の場合、図８及び図９
から、本発明の間欠連続方法では負荷率５％のときに最
高のオゾン濃度13.8g/m³及び最高のオゾン収率26.7g/kW
hが得られ、従来の連続放電方法では印加電圧約2.5kVの
ときに最高のオゾン濃度4.8g/m³、印加電圧約2.2kVのと
きに最高のオゾン収率18.8g/kWhが得られていることが
わかる。また、脱湿空気1.0L/min.の場合、図10及び図1
1から、本発明の間欠連続方法では負荷率11％のときに
最高のオゾン濃度12.3g/m³、負荷率５％のときに最高の
オゾン収率37.1g/kWhが得られ、従来の連続放電方法で
は印加電圧約3.8kVのときに最高のオゾン濃度4.6g/m³、
印加電圧約3.2kVのときに最高のオゾン収率9.7g/kWhが
得られていることがわかる。

【００２１】図12〜図15は、PSAを用いて約95％にまで
濃度を高めた高濃度酸素を原料ガスとして本発明による
間欠放電方法と従来の連続放電方法とのオゾン濃度及び
オゾン収率を測定した結果を表したグラフであり、図12
が高濃度酸素0.5L/min.での本発明、図13は高濃度酸素
0.5L/min.での従来、図14は高濃度酸素1.0L/min.での本
発明、図15は高濃度酸素1.0L/min.での従来の場合であ
る。間欠放電方法においては印加電圧を約12kV一定と
し、負荷率を変化させて、連続放電方法においては印加
電圧を可変することとした。

【００２２】高濃度酸素0.5L/min.の場合、図12及び図1
3から、本発明の間欠連続方法では負荷率９％のときに
最高のオゾン濃度37.2g/m³、負荷率５％のときに最高の
オゾン収率62.7g/kWhが得られ、従来の連続放電方法で
は印加電圧約3.2kVのときに最高のオゾン濃度21.5g/
m³、印加電圧約1.9kVのときに最高のオゾン収率47.0g/k
Whが得られていることがわかる。また、高濃度酸素1.0L
/min.の場合、図14及び図15から、本発明の間欠連続方
法では負荷率18％のときに最高のオゾン濃度29.5g/m³、
負荷率６％のときに最高のオゾン収率63.8g/kWhが得ら
れ、従来の連続放電方法では印加電圧約4.8kVのときに
最高のオゾン濃度19.8g/m³、印加電圧約2.5kVのときに
最高のオゾン収率38.1g/kWhが得られていることがわか
る。

【００２３】以上の結果から、原料ガスが脱湿空気であ
ると高濃度酸素であるとを問わず、本発明による間欠放
電方法が従来の連続放電方法に比べて優位性のあること
が歴然としていることがうかがえる。とりわけ脱湿空気
を原料ガスとした場合、オゾン濃度の最高値の比較では
２倍以上の開きがあり、オゾン収率についてもその改善
の程度が高いことがわかる。

【００２４】

【発明の効果】本発明により、従来に比べてオゾン収率
又はオゾン濃度の高いオゾン生成方法が提供できるよう
になり、とりわけ小型の装置に多用される沿面放電型の
オゾン生成装置において、高濃度オゾンの生成が可能と
なった。こうした本発明の効果は、オゾン生成装置の種
別を問わず、およそ無声放電式に従うすべての装置で見
られるものである。また、オゾン収率の改善は電源回路
又は装置の小型化に結びつき、オゾン濃度の向上は実際
に使用するオゾン空気の生成量を増加させることになる
から、本発明はオゾン生成装置の製造コスト、そして運
用コストを低減させることになる。

【００２５】上述の実施例に見たように、本発明は更に
負荷率の変更によって、特に高電圧印加におけるオゾン
濃度を高くできる特徴を持つ。近年の電子デバイスの進
歩は高電圧高周波関連の装置の高性能化、小型化をもた
らしており、本発明はこうした技術革新を背景として、
より小型で高性能なオゾン生成装置を提供するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のオゾン生成方法を適用した基本形態の
回路図である。

【図２】３連のオゾン発生体に順次交流高電圧を印加す
る形態の回路図である。

【図３】試験に用いた回路図である。

【図４】沿面放電型オゾン発生体の一部破断斜視図であ
る。

【図５】オゾン発生体付近の原料ガス及び冷却風の送風
関係を表した斜視図である。

【図６】負荷率及び印加電圧−オゾン濃度のグラフであ
る。

【図７】スイッチング回数−オゾン収率及びオゾン濃度
のグラフである。

【図８】脱湿空気0.5L/min.における間欠放電方法の負
荷率−オゾン濃度及びオゾン収率のグラフである。

【図９】脱湿空気0.5L/min.における連続放電方法の負
荷率−オゾン濃度及びオゾン収率のグラフである。

【図10】脱湿空気1.0L/min.における間欠放電方法の負
荷率−オゾン濃度及びオゾン収率のグラフである。

【図11】脱湿空気1.0L/min.における連続放電方法の負
荷率−オゾン濃度及びオゾン収率のグラフである。

【図12】高濃度酸素0.5L/min.における間欠放電方法の
負荷率−オゾン濃度及びオゾン収率のグラフである。

【図13】高濃度酸素0.5L/min.における連続放電方法の
負荷率−オゾン濃度及びオゾン収率のグラフである。

【図14】高濃度酸素1.0L/min.における間欠放電方法の
負荷率−オゾン濃度及びオゾン収率のグラフである。

【図15】高濃度酸素1.0L/min.における連続放電方法の
負荷率−オゾン濃度及びオゾン収率のグラフである。

【符号の説明】

１直流電源２オゾン発生体３高圧トランス４スイッチング回路５発振器６作動信号発生部７直流電源８自己発振型高圧電源９硬質ガラス管 10 膜状電極 11 螺旋状電極 12 放熱フィン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１又は２の誘電体を挟んで対向する電極
の誘電体と電極との隙間又は誘電体同士の隙間に酸素を
含む原料ガスを通過させながら前記電極に交流高電圧を
印加し、無声放電により酸素を解離させてオゾンを生成
する無声放電式オゾン生成装置の使用に際し、交流高電
圧を１〜800回/秒のスイッチング回数で間欠的に印加す
ることを特徴とする無声放電式オゾン生成方法。
【請求項２】対向する電極が沿面放電型であることを
特徴とする請求項１記載の無声放電式オゾン生成方法。
【請求項３】１又は２の誘電体を挟んで対向する電極
の誘電体と電極との隙間又は誘電体同士の隙間に酸素を
含む原料ガスを通過させながら前記電極に交流高電圧を
印加し、電極間の放電により酸素を酸化させてオゾンを
生成する無声放電式オゾン生成装置において、電極に交
流高電圧を印加する電源回路に該交流高電圧を１〜800
回/秒のスイッチング回数で断続するスイッチング回路
を付加したことを特徴とする無声放電式オゾン生成装
置。
【請求項４】対向する電極間に酸素を含む原料ガスを
通過させながら前記電極に交流高電圧を印加し、電極間
の放電により酸素を酸化させてオゾンを生成する無声放
電式オゾン生成装置において、印加する交流高電圧を１
〜800回/秒のスイッチング回数で断続するスイッチング
回路を付加した電極を並列配置し、ある電極に交流高電
圧を印可しない時間に他の電極に交流高電圧を印加でき
るように電源回路と各電極との接続を該スイッチング回
数で順次切り換えることを特徴とする無声放電式オゾン
生成装置。