JPH10507736A - オゾン生成方法およびオゾン生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 無声放電によって酸素含有気体からオゾンを生成する方法および装置が記載される。装置は、気体が通過して流れ、電極（１０；１２）と、ギャップ（１６、１８）を別の電極（１０；１２）から隔てる誘電体（１４）との間に構成される少なくとも一つの該ギャップ（１６、１８）を有する構成を備える。該ギャップ（１６；１８）または該少なくとも一つのギャップ（１６；１８）が、該隣接する電極（１０、１２）と電気的かつ熱的に接触している電気／熱伝導気体透過性構成（２０、２２）で充填され、該酸素含有気体（２１）が複数の放電スペースを通り、該放電スペースを構成し、該酸素含有気体（２１）は高電界強度にさらされオゾンに変えられ、該ギャップ（１６、１８）内で生じる反応熱が該電気／熱伝導気体透過性構成（２０、２２）によって該隣接する電極に放散される。

Description

【発明の詳細な説明】 オゾン生成方法およびオゾン生成装置 本発明は、請求項１の前提部によるオゾン生成方法および請求項２の前提部に よるオゾン生成装置に関する。 オゾンは、いくつかの酸化度を有する元素を含有する有機物質および無機物質 の強力な酸化剤である。オゾンの複数の適用分野のうち、水質調整のための用途 はとりわけ言及されるべきである。 技術的には、オゾンは、酸素含有気体中の無声放電によって生成され得る。無 声放電は、火花放電とは異なり、安定プラズマ放電あるいはコロナ放電として理 解されべきである。酸素分子は酸素原子に解離される。次いで、反応性酸素原子 は発熱反応で互いに結合し酸素分子になり、３原子酸素分子、すなわち、オゾン を形成する。オゾン収率は、とりわけ、電界強度および動作温度に依存する。さ らに、気体組成への依存性が観察されている。温度が高くなるとオゾンはより速 い速度で酸素分子に再び分解し、生成するオゾンと分解するオゾンとの間の平衡 が変位することによって利用可能なオゾン濃度が低くなるということに、動作温 度への依存性は基づいている。 電界強度をより高くすることによってオゾン収率が同様に増加するが、これは とりわけ、ギャップを縮小させることおよび比較的高い比誘電率を有する誘電体 を選択することによって達成され得る。比較的高い比誘電率を有する誘電体とし ての、ドーピングされたガラスあるいはセラミック材料は問題がある。確かに、 セラミック材料の誘電体は、不均質であり、均質な材料よりも低い破壊強度を実 質的に有し得るという欠点を有している。さらに、高寸法安定性を有する形成体 の形態の高グレードセラミック材料は非常に高価である。さらに、誘電体が薄く なると、誘電体破壊の危険性が増す。 動作中の機械的応力および熱膨張による折れ曲がりおよびバックリングと共に 、回避し得ない製造の許容度によってギャップを縮小するには制限があった。 ギャップ幅の縮小および高比誘電率を有する誘電体を用いることにより電界強 度が高くなるために製造コストが著しく上昇するので、経済的制限が設けられた 。 まず出発点としてドイツ特許出願第38 19 304 C2号では、発明に基礎的である のは、比較可能な量のエネルギーを用いてオゾン収率をさらに増加させ得る方法 および装置を記載するという課題である。 この課題は、個々の符号で記載される特徴によって、請求項１の前提部による 方法および請求項２の前提部による装置において解決される。 本発明の成功は、いくつかの物理的影響に基づく。 電気／熱伝導構成によって、電極を強制的に冷却する間、一つには、電極と誘 電体との間に直接的な熱伝導接続が存在するために、もう一つには、ギャップ内 部のすべての地点への熱伝達経路が減少するのに対して、流動する気体への熱伝 達領域は実質的に増加するために、放電および原子の酸素分子との発熱反応によ って生じる熱の、電極と誘電体との間のギャップ中および誘電体の外部における より良好な輸送が達成される。オゾンは温度を上昇させると再び分解する傾向が あり、その結果、オゾン含有量と酸素含有量の間で温度依存平衡は自己調整を行 うので、効果的な冷却によってオゾンの分解が減少し、従って収率が向上し得る 。 酸素含有気体および生成されたオゾンがほぼ積層した状態で流れる通常のギャ ップとは異なり、電気／熱伝導気体透過性構造によってギャップ中で乱流が生じ 、その結果、直接冷却可能な電極の表面に気体分子が繰り返し到達し、熱をより 良好に放散する。 あるいは、オゾン収率の向上は、電気／熱伝導気体透過性構造によって増加し た電極表面およびギャップの有効な縮小からも得られる。電気／熱伝導気体透過 性構造によって、電極自体の表面だけではなく、該構造の表面およびそのイオン 化された環境も放電のために利用可能になる。 実際のギャップを充填する構造によって達成されるのは、より小さく、局所的 に異なる電気的に有効なギャップである。従って、電界は、気体の流路の延長と 共に大幅かつ頻繁に局所的に変化し、オゾン含有気体の良好な収率が達成される 。 しかし、単なる表面増加およびギャップ縮小に加えて、ホロー陰極効果と称さ れ、広い領域にわたる均質プラズマの生成には通常望ましくない物理的効果がさ らにある。 ホロー陰極効果とは、同一電位に囲まれた中空スペース内部の集中放電プラズ マのことである。しかし、本発明においては、この効果は、中空スペースが互い に接続し、従って、中空スペース内でより強力に生成されたオゾンも、さらに遠 くまで輸送され得る。またホロー陰極効果によって、電気／熱伝導気体透過性構 成の表面の増加および部分的なギャップ距離の縮小のみによって期待され得るオ ゾン生成の増加よりもさらに多い増加が得られる。 また、電気／熱伝導気体透過性構成によって、より良好に気体が混合される。 これによっても、酸素分子が電界によって解離され、結果として得られる酸素原 子は次いで酸素分子と結合し、オゾンになるという可能性が高くなる。オゾン収 率はこの効果によっても高くなる。 また、ギャップを一つだけ設ける代わりに、第１の電極と第２の電極との間に 構成され、共通の誘電体によって隔てられる２つのギャップが設けられ得る。い ずれのギャップも、電気／熱伝導気体透過性構成によって充填されている。これ は、２つの電極と誘電体でギャップを２つにするという点において、オゾン収率 を増加させる特に経済的な解決法である。 本発明の第１の実施態様は、第１の電極、第２の電極および誘電体が平板形に 成形されることを規定する。電気／熱伝導気体透過性構成は、この場合も、電極 あるいは誘電体の部分的に不十分な本来の剛性を補償するために、有利により広 く増加され得る。 本発明のある別の実施態様においては、第１の電極、第２の電極および誘電体 は、円筒形かつ互いに対称に構成される。この場合、誘電体は第１の電極によっ て囲まれているスペース内に配置され、第２の電極は誘電体によって囲まれてい るスペース内に配置される。ここでも同様に、電気／熱伝導気体透過性構成は、 拡張材として中央位置合わせのために有利に用いられ得る。 本発明による装置の円筒形で対称な実施形態においては、多角形表面を有する 第２の電極を設けることは有利である。そうすると、電気／熱伝導気体透過性構 成のアセンブリは、第２の電極を引き入れるときに摩擦力が円形表面よりも小さ くなる点において簡易になる。他方で、構成は、ラジカル（原文ママ）力が活性 になるか、直線方向あるいは誘電体または電極の直径方向に偏差が生じる場合、 エッジ間の平坦な領域に向かって屈曲し得る。 第２の電極は、中実あるいは中空に構成され得る。中実構造では、熱放散のた めに軸方向に沿ってより大きい断面が利用可能であり、中空の構造は冷却剤によ る冷却を可能にする。 第１の電極は、好ましくは、冷却剤中に配置される。より高いオゾン収率を得 るために必要な温度範囲は、強制的な冷却によって、ギャップ中の高損失出力の 間でも維持され得る。この手段は、ギャップが誘電体外部にあるときに特に有効 である。 第２の電極からの熱放散は、中空構造の場合には、中空領域がそこを通過して 流れる冷却剤を有するときに向上し得る。この手段は、ギャップが誘電体内にあ るときに特に有効である。ギャップが２つある場合には、第１の電極が冷却剤中 に配置され、第２の電極がそれを通って流れる冷却剤を有するときに最善の結果 が得られる。 ２つの剛性電極を設ける代わりに、円筒形の誘電体の内部が電気／熱伝導気体 透過性構成で完全に充填され、この構成が同時に第２の電極を構成し得る。この ように、電極と電気／熱伝導気体透過性構成との特に適合可能な組み合わせが達 成され得る。 装置が２つのギャップを有する場合は、これらのギャップは気体の流れと並列 にあるいは直列に配列され得る。並列配列のときには流体断面がより大きくなり 、直列配列のときには、より長い反応路が利用可能になる。 電気／熱伝導気体透過性構成は、チップ、粒体、ワイヤあるいは多孔体を含み 得、ワイヤ構造はタングル（tangle）、編み組み、織布、不織布、あるいはニッ トであり得る。 粒体を使用する場合は、多孔性粒体であり、それによって内側中空空間の表面 がオゾン生成のために利用され得る。 さらに、粒体の代わりにギャップに適合される幾つかの多孔体あるいは１つの 多孔体を用いることも可能である。これらの多孔体はギャップに別々に挿入され 得るか、ギャップに面する電極に接続されるか、さらには電極の表面と一体化さ れ得る。 再現可能に製造され得、従ってオゾン製造器エレメントの特性もまた正確に再 現可能であるので、ワイヤニットは特に有利であることが分かった。 装置が円筒形の対称的な構造を有する場合、ニットはストッキング状の形状に 製造され得、組み立ての間、２つの電極、すなわち、内側電極および／または誘 電体にわたってただ単に引き出され得る。ニットは、同時に、誘電体に対する内 側電極の中心位置合わせ、および第１の電極、すなわち外側電極に対する誘電体 の中心位置合わせを仮定し、その結果、共通の中心位置合わせ材の使用が省かれ 得る。 本発明による装置の一つの実施可能な実施態様は、電気／熱伝導気体透過性構 成が、ギャップ容積の１〜５０％、好ましくは４〜２０％を占めることを規定す る。ワイヤが用いられるとき、実施のために、ワイヤは、０．２ｍｍ²より小さ く、好ましくは、０．０３ｍｍ²よりも小さい断面積を示す。 メッシュ番号、メッシュ寸法およびワイヤ厚さと共に、ニット密度、ニットワ イヤ数およびニット層の数を設定することによって、構成のインピーダンスを確 立し、最大オゾン製造のための放電スペースの寸法を設定し、気体の乱流および 内部混合を制御し、冷却および熱放散を最適化することが可能になる。２つの並 列なギャップを用いるときには、これらのギャップもまた最適なオゾン収率のた めに設定され得る。 電気／熱伝導気体透過性構成は、耐酸素および耐オゾン性材料からなることが 実用的である。この手段によって、均一なオゾン生成特性およびメンテナンス自 由度が与えられる。 本発明は、図示される例示的な実施態様として記載される。 図１は、本発明による、１つのギャップを有する、基本的な、選択的に円筒形 あるいは平板形である装置の断面図である。 図２は、本発明による、２つのギャップを有する、基本的な、選択的に円筒形 あるいは平板形である装置の断面図である。 図３は、中実内側電極を有する、円筒形で対称的な実施態様における装置の一 部切欠斜視図である。 図４は、図３に示されている装置と類似しているが、中空内側電極を有する装 置の一部切欠斜視図である。 図５は、図３および図４に示されているものと類似しているが、内側電極を同 時に構成する気体透過性構成を有する一部切欠斜視図である。 図１は、本発明による、１つのギャップを有する、基本的な、選択的に円筒形 あるいは平板形である装置の断面図である。第１の電極１０は参照電位に位置し 、第２の電極１２は高電圧電位に位置する。電極１０と電極１２との間の中間ス ペースには、第２の電極１２と直接接続している誘電体１４がある。第１の電極 １０と誘電体１４との間の中間スペースは、ギャップ１６を構成する。このスペ ース内には、電気／熱伝導気体透過性構成２０がある。ギャップ１６は、ギャッ プを通って矢印によって示される方向に流れる酸素含有気体２１を有している。 酸素含有気体２１が電界にさらされる限り、気体放電は酸素分子の酸素原子へ の分解に影響を与え、次いでこの酸素原子は結合され、３原子酸素分子、すなわ ちオゾンになる。電気／熱伝導気体透過性構成２０は、酸素原子の電気放電およ び発熱反応によって１６に生じる熱を、その表面の増加および実質的なギャップ の縮小によって放散させ、ホロー陰極効果によってオゾン収率を増加させる。 第２の電極１２と直接接触する誘電体１４の図示される構成の代わりに、誘電 体１４は第１の電極１０と直接接触しても存在し得、ギャップ１６は誘電体１４ と第２の電極１２との間で構成され得る。 あるいは、１つのギャップの代わりに２つのギャップを設けることが可能であ る。図２は対応する例示的な実施態様を示し、この実施態様においては、誘電体 １４は２つの電極１０および１２のうちの一つと直接関連づけられず、電極１０ と電極１２との間の別個の構成要素の形態で配置され、ギャップ１６および１８ は誘電体１４の両側に形成される。この例示的な実施態様においては、ギャップ １６および１８の両方とも、電気／熱伝導気体透過性構成２０および２２を示し ている。ギャップ１６および１８は、気体の流れに対して並列にも直列にも配列 され得る。 図３〜図５は、装置の特殊な円筒形の対称な実施態様を示している。参照電位 にある第１の外側電極１０は円筒形誘電体１４を内部に有し、その誘電体の内部 に高電位にある第２の内側円筒形電極１２を有している。第１の電極１０と誘電 体１４との間および誘電体１４と第２の電極１２との間には、ギャップ１６およ び１８が形成されている。これらのギャップは、電気／熱伝導気体透過性構成２ ０および２２によって充填されている。 図３および図４による実施態様において、電気／熱伝導気体透過性構成２０お よび２２は、第２の電極１２および誘電体１４を覆って引き出されるストッキン グ状のワイヤニットからなる。ワイヤニットは０．０３ｍｍ³未満のワイヤ断面 を有し、ギャップ容積の約１０％を満たす。高グレードスチールが材料として用 いられる。第１の電極１０および第２の電極１２も同様に高グレードスチールか らなる。ガラスは、誘電体１４の材料として用いられる。 図３による実施態様において、第２の電極１２は中実であり、多角形表面を有 している。この表面によって電界均質性が高くなり電荷活性中空スペースの形成 が増加するだけではなく、一方では摩擦が減少し、他方では平坦な領域に半径方 向の機械的力がかかる場合にニットが移動する点において、ストッキング状物質 の第２の電極１２を覆う引き出しおよび誘電体１４中への配置を容易にする。 発熱反応によって第１のギャップ１６内で生じる熱は、ストッキング状のワイ ヤニット２０によって第１の電極１０に放散される。第１の電極１０は、ヒート シンクを表す、例えば氷水である冷却剤中に位置する。発熱反応によって第２の ギャップ１８中に生じる熱は、ストッキング状のワイヤニット２２によって第２ の電極１２に放散される。図３に示される第２の電極１２の中実の実施態様にお いては、熱放散は、電極によるヒートシンクへの熱伝達によって実行される。図 ４による実施態様において、第２の電極１２は中空であり、例えば、中空を通っ て流れる気体である、冷却剤２４を有している。この場合、熱は冷却剤２４に伝 達され、除去される。 図５に図示される実施態様において、誘電体１４内部のスペース全体が、ワイ ヤ２２からなる織布、ニットあるいは編み組みで充填される。剛性電極は存在し ない。第２の電極の機能は、織布、ニットあるいは編み組みによってもっぱら仮 定される。 特に、織布、ニットあるいは編み組みワイヤの電気／熱伝導気体透過性構成２ ０および２２を有する、本発明による装置の場合、もともと融合し、複数の中空 スペースを備える多かれ少なかれ規則的な構造が存在する。従って、オゾン化さ れる気体は、ワイヤによって顕著に妨害されることなく構成を通って実質的に自 由に流れ得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＥＥ，ＦＩ， ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ， ＳＤ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ブライヒ， ルッツ ドイツ国 デー−50735 コールン， ニ ーヒラー シュトラーセ 332

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．気体が通過して流れ、電極（１０；１２）と、ギャップ（１６、１８）を別 の電極（１０；１２）から隔てる誘電体（１４）との間に構成される少なくとも 一つの該ギャップ（１６、１８）を有する構成において無声放電によって酸素含 有気体からオゾンを生成する方法であって、該方法は、該ギャップ（１６；１８ ）あるいは該少なくとも一つのギャップ（１６；１８）が、該隣接する電極（１ ０、１２）と電気的かつ熱的に接触している電気／熱伝導気体透過性構成（２０ 、２２）で充填され、該酸素含有気体（２１）が複数の放電スペースを通り、該 放電スペースを構成することを特徴とし、該酸素含有気体（２１）は高電界強度 にさらされオゾンに変えられ、該ギャップ（１６、１８）内で発生する反応熱が 該電気／熱伝導気体透過性構成（２０、２２）によって該隣接する電極に放散さ れる、方法。 ２．気体が通過して流れ、電極（１０；１２）と、ギャップ（１６、１８）を別 の電極（１０；１２）から隔てる誘電体（１４）との間に構成される少なくとも 一つの該ギャップ（１６、１８）を有する構成において無声放電によって酸素含 有気体からオゾンを生成する装置であって、該装置は、該ギャップ（１６；１８ ）あるいは該少なくとも一つのギャップ（１６；１８）が、該隣接する電極（１ ０、１２）と電気的かつ熱的に接触している電気／熱伝導気体透過性構成（２０ 、２２）で充填され、該酸素含有気体（２１）が複数の放電スペースを通り、該 放電スペースを構成することを特徴とする、装置。 ３．前記２つのギャップ（１６、１８）は、第１の電極（１０）と第２の電極（ １２）との間に設けられ、かつ、前記共通の誘電体（１４）によって隔てられ、 該ギャップ（１６、１８）は、前記電気／熱伝導気体透過性構成（２０、２２） で両方とも充填されていることを特徴とする、請求項２に記載の装置。 ４．前記第１の電極（１０）、前記第２の電極（１２）および前記誘電体（１ ４）が平板形であることを特徴とする、請求項２または３に記載の装置。 ５．前記第１の電極（１０）、前記第２の電極（１２）および前記誘電体（１４ ）が円筒形で対称的に構成され、それによって該誘電体（１４）は該第１の電極 によって囲まれるスペース内に配置され、該第２の電極は該第１の誘電体（１０ ）によって囲まれるスペース内に配置されることを特徴とする、請求項２または ３に記載の装置。 ６．前記第２の電極（１２）が多角形表面を呈していることを特徴とする、請求 項５に記載の装置。 ７．前記第２の電極が中実あるいは中空に構成されることを特徴とする、請求項 ５または６に記載の装置。 ８．前記第１の電極（１０）が、好ましくは冷却剤中に配置されることを特徴と する、請求項５から７のいずれかに記載の装置。 ９．前記第２の電極（１２）の前記中空領域が、該中空領域を通って流れる冷却 剤（２４）を有していることを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。 １０．前記円筒形誘電体（１４）の前記内部は、前記電気／熱伝導気体透過性構 成（２０、２２）で完全に充填され、該構成は同時に前記第２の電極（１２）を 構成することを特徴とする、請求項５から９のいずれかに記載の装置。 １１．前記ギャップ（１６、１８）は、前記気体の流れに対して並列あるいは直 列に配列されることを特徴とする、請求項３から１０のいずれかに記載の装置。 １２．前記電気／熱伝導気体透過性構成は、チップ、粒体、ワイヤ、あるいは多 孔体を含むことを特徴とする、請求項２から１１のいずれかに記載の装置。 １３．前記電気／熱伝導気体透過性構成（２０、２２）にワイヤが用いられると き、該ワイヤはタングル（tangle）、編み組み、織布、不織布、あるいはニット の形態であり得ることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。 １４．前記電気／熱伝導気体透過性構成（２０、２２）は、ギャップ容積の約１ 〜５０％、好ましくは４〜２０％を充填することを特徴とする、請求項２から１ ３のいずれかに記載の装置。 １５．ワイヤが用いられるとき、該ワイヤは０．２ｍｍ²未満、好ましくは０． ０３ｍｍ²未満の断面積を示すことを特徴とする、請求項１２または１３に記載 の装置。 １６．前記電気／熱伝導気体透過性構成（２０、２２）が、耐酸素性および耐オ ゾン性材料からなる、請求項１から１４のいずれかに記載の装置。