JPS63291803A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、無声放電式のオゾン発生装置に関するもの
である。

〈従来の技術〉 無声放電式オゾナイザは、工業的規模でオゾンを製造す
るために用いられており、その基本的な構造は、第５図
に示すように、対向する二つの金属電極５０の両側ある
いは片側に誘電体層５１を密着させて、両電極を放電空
隙５２を介して配置したものである。ここで、放電空隙
５２の寸法は１〜３１１Ｉ＋１程度が一般的であり、両
金属電極間に高圧電源５３から交流高電圧を印加すると
、放電空隙５２に無声放電が生じる。

無声放電の起こっている空隙５２に酸素を含む原料ガス
を通過させると、放電化学作用により酸素の一部がオゾ
ン０．に変換されオゾン化ガスが得られる。

放電の起こっている空間へ送入された原料ガス中の酸素
Ｏｚは次の反応により一部がオゾンに変わる。

Ｏｚ＋　ｅ　　　−＋０＋Ｏ＋　ｅ　　　　　　−−・
−（１）０＋Ｃｈ＋Ｍ−＋Ｏ１＋Ｍ　　　　　・・・・
（２）但し、Ｏｔ　：酸素梅干　ｏ３　；オゾン分子０
　：酸素原子　　Ｍ；第３物体 ｅ　：放電により生じた電子 一方、生成されたオゾンは次の反応によりその一部が再
び酸素に戻る。

０３＋０　→２０．　　　　　　　・・・・（３）０、
＋ｅ　　−＋Ｏ，＋Ｏ＋ｅ　　　　　・・・・（４）こ
の結果、オゾンの生成反応（（１）、　（２）式〕と分
解反応（（３）、　（４）式〕が釣り合ったところで反
応は平衡し、オゾナイザ出口でオゾン濃度数％のオゾン
化ガスが得られる。

くこの発明が解決すべき問題点〉 このような従来型オゾナイザの欠点としてオゾン生成効
率（オゾン生成量対消費電力量比）が低いことが挙げら
れる。即ち、従来型オゾナイザのオゾン生成効率は熱化
学式から期待される理論値（１２００ｒ／Ｖｈ）に比べ
て著しく小さく、高々９０　ｒ／ｋＷｈ　　（空気原料
の場合）〜２５０　ｒ／ｋＷｈ　　（酸素原料の場合）
にすぎない。

この理由の一つとして次の事が挙げられる。

オゾン生成反応における放電の役割は上記（１）式の反
応、即ち酸素分子の解離を起こさせることであるが、放
電によって生ずる電子のエネルギは比較的広い範囲に分
布しているため、解離だけでなく励起、電離等の現象も
起こり、ガス温度の上昇も起こる。放電により投入され
るエネルギは大路次式で表され、放電電圧Ｖｐと共に増
大する。

Ｗ＝　ｎ−３・（％Ｌ　Ｃｇ・Ｖｐ”　　　　”　（５
）但し、Ｗ；放電エネルギ（ｗａｔｔ） ｎ：放電回数〔回／ｓｅｃ−ｍ”　） Ｓ：電極面積〔ｍ２〕 Ｃｇ：放電部分の空隙の静電容量 （Ｆａｒａｄ　） ｖｐ：放電電圧（Ｖｏｌｔ） 文献によれば一回当たりの放電エネルギが小さいほど、
オゾン生成量は減少するものの、オゾン生成効率は上昇
する。従って、第５図に示すような従来型のオゾナイザ
では放電空隙を短くする程オゾン生成効率は上昇するこ
とになる（Ｃｇは空隙長に反比例し、Ｖｐは空隙長にほ
ぼ比例するため）。

このように従来型のオゾナイザ、即ち第５図に示すよう
な平等電界型の電極形状で放電エネルギを小さくするた
めには、放電空隙を出来る。

だけ小さくする必要があるが、工業用オゾナイザの如き
大型装置では、現在用いられている１〜３ｍｍ以下の空
隙を均一に形成することは事実上不可能といってもよい
ほど困難である。現に、現在用いられている１〜３鵬の
放電空隙ですら、均一かつ一様に形成するためには、材
料・加工法に特別の配慮が必要であり、オゾナイザ製作
コストの低減を困難にしている。

本発明は上述した現用オゾナイザの欠点である「オゾン
生成効率が低いこと」を電極形状を改良することにより
解決するものであるが、その解決方法は従来型オゾナイ
ザにおける放電の形態を吟味することから見い出された
。

第６図は、例えば第５図（ａ）のような電極構造におけ
る放電の形態を示したものである。今、金属電極間に放
電開始電圧以上の電圧を印加すると、放電空隙５２には
、この空隙を橋絡する多数の放電柱５４が観測される。

文献〔例えば、電気学会技術報告第■部１２７号、（昭
和５７年２月）　、Ｐ、１５）によれば、この放電柱は
陰極側が細く（直径０．１〜０．３＋ｎｍ）、陽極側が
太い（直径１〜３ｍｍ）ラッパ状の形状をしており、そ
の数密度は２〜４本／Ｃｉｌ［（オゾン濃度が低いとき
）ないし８〜１２本／ｃｄ［（オゾン濃度が高いとき）
、また放電柱一本当たりの放電電荷量は１〜０．１μＣ
程度といわれている。

さて、オゾン生成の発端となる酸素分子の解離反応（１
）式は、この放電柱５４内の電子により引き起こされる
ものであるから、放電柱の数を増やしてやれば放電空隙
即ち反応空間の容積的な利用率が増大し、オゾン生成量
が増大するであろうことが考えられる。また、全放電電
力を一定に保ったまま放電柱の数を増やせば、放電柱一
本当たりの放電電力は減少するため、先に（５）式で述
谷た理由によりオゾン生成効率も上昇すると考えられる
。このとき、更に何らかの方法で電極間の放電電圧を減
じてやることが出来れば、（５）式から判るように、放
電エネルギは更に減少し一層のオゾン生成効率の向上が
実現できる。

以上述べたように、従来型オゾナイザは、■　平等電界
に近い電極形状を用いているため、放電電圧が高く、従
って放電柱一本当たりの放電エネルギが大きく、オゾン
生成量は多いもののオゾン生成効率が低い。

■　放電柱の数密度が小さく放電反応空間の利用率が悪
いため、酸素分子の解離反応、したがってオゾン生成反
応の効率が低い。

という問題がある。

この発明は、前述のような問題点を解消すべく提案され
たもので、その目的は、無声放電式のオゾナイザにおい
て、比較的簡単な構成により放電電圧を下げることがで
きるとともに放電柱の数密度を増加させることができ、
オゾナイザの性能（オゾン生成量及び生成効率）を向上
させることのできるオゾン発生装置を提供することにあ
る。

〈問題点を解決するための手段〉 この発明に係るオゾン発生装置は、二つの金属電極のい
ずれか一方あるいは両方に誘電体層を密着させ、このよ
うな両電極を放電空隙を介して対向させた無声放電式の
オゾナイザにおいて、誘電体層あるいは金属電極の放電
空隙に接する側の表面に多数の微小な凹凸を設けたもの
である。

凹凸の突起部は、その数密度が２０個／ｃ１１１以上、
曲率半径が放電空隙長のＡ以下とするのが好ましい。

く作　用〉 両電極間に高電圧を印加すると、多数の微小凹凸により
放電空隙の電界分布が歪み、凹凸の突起部の電界強度が
高（なり、突起部近傍からコロナ放電が発生し、続いて
火花放電が発生する。コロナ放電開始電圧は平坦なギャ
ップの放電開始電圧よりも十分低く、放電開始電圧が低
い値となる。

凹凸の突起部の数密度が多く、放電柱が従来よりも多く
の場所で発生し、放電空隙即ち反応空間の空間的利用率
が増大する。

く実　施　例〉 以下、この発明を図示する実施例に基づいて説明する。

第１図に示すように、二つの金属電極１に誘電体２を密
着させ、再読電体２が向い合うように放電空隙４を介し
て対向させる。このような誘電体２の空隙４に接する側
の表面に多数の微小な凹凸５を設ける０両電極１間に高
圧電源装置３から放電開始電圧以上の交流高電圧（５０
Ｈｚ＝１０ＫＨｚ程度）を印加すると、空隙４に放電が
生じ、空隙４を流れる酸素含有気体（空気・酸素等）が
オゾン化される。

ここで、誘電体２に設けられた凹凸５は、後述するよう
に放電開始電圧を下げること、及び放電中の数密度を増
加させることのために設けられたものであり、その突起
部５Ａの曲率半径（ｒｏ）は、コロナ放電の発生を確実
なものとするため、放電空隙長（ｄ）よりも十分小さく
（ｒ０／　ｄ　＜　’Ａ　）する０曲率半径ｒ０が太き
く（ｒ０／ｄ＞Ｖｓ）なると、コロナ放電を経ずしてた
だちに火花放電が発生するためである。また、突起部５
Ａの数密度は、その曲率半径によって上限があるが、少
なくとも２０個／Ｃ−以上とする。

なお、微小凹凸５は、放電空隙の電界分布を歪ませるこ
とによって放電開始電圧を下げたり、放電柱の数密度を
増加させるためのものであるから、金属電極１及び誘電
体２の形状は、第１図に示した形状に限定されるもので
ない。例えば、第２図に示すような種々の変形が可能で
ある。

第２図（ａ）は、凹凸５を有する誘電体２を片方の電極
１のみに配置したもの、第２図（ｂ）は第２図（ａ）に
おいて誘電体２を設けない側の電極１に同様の凹凸５を
設けたものである。また、第２図（ｃｌ、（ｄｉ、（ｅ
）は第１図、第２図（ａ）、（ｂ）の凹凸５の形状を波
型突起から角型突起に変えたものである。

第２図のいずれの場合も、その突起部５Ａの曲率半径は
放電空隙長の〃以下とし、凹凸５の数密度は、突起部の
曲率半径によって上限があるが、少なくとも２０個／　
ｃｄ以上とすることは第１図の場合と同じである。

なお、放電空隙長（第１図の４寸法）は従来型オゾナイ
ザと同程度の１〜３１１１１で良好なオゾン発生性能が
得られるが、０．５　ｍ程度まで小さくすると一層効果
的である。また、放電電圧が従来型に比して著しく低い
ので、５１１ＩＩ１１位まで大きくしてもかまわない。

以上のような構成において、高圧電源装置３から両電極
１間に放電開始電圧以上の電圧を印加すると、放電空隙
４で放電が発生し、空隙４を流れる原料ガスは放電化学
作用によりオゾン化される。この過程を詳しく述べれば
次のようになる。

電圧印加により放電空隙４に形成される電界は、誘電体
２に設けられた多数の微小凹凸５のためにその分布が歪
んでおり、凹凸の突起部５Ａ近傍では、空隙の平均的な
電界よりも高電界になる。このため、印加電圧が大きく
なって突起部５Ａの電界強度がその部分のコロナ放電開
始電界に達すると、この突起部近傍でコロナ放電が発生
する。このコロナ放電によって生じた電子が引き金（初
期電子）となって、引き続き主放電、即ち放電空隙４を
橋絡する火花放電が発生する。このコロナ放電と火花放
電により生じた電子の作用により（１）式に示した酸素
分子の解離反応が行われ、その後（２）式に従ってオゾ
ンが生成される。

第１図の如き突起を有する放電ギャップのコロナ放電開
始電圧は、平坦なギャップの放電開始電圧よりも十分に
低いので、本発明のオゾナイザの放電開始電圧は、従来
型オゾナイザ（平坦な電極で構成されるギャップ）より
も著しく低い値となる。

このため、本発明のオゾナイザの放電電力対印加電圧特
性は第３図中のＢに示すようになり従来σＡに比べて同
一電圧で、より多くの放電電力を得ることができる。従
って、同一電極面積・同一運転電圧であっても、従来型
以上のオゾン生成量が得られる。

また、凹凸の突起部５Ａの数密度が２０個／ｃ１１１以
上と多いので、放電柱６は従来型よりも、より多くの場
所で発生する。このため、放電空隙４即ち反応空間の空
間的利用率が増大し、オゾン生成量が更に増加するだけ
でなく、全放電電力が同一でも放電柱−個当たりの放電
エネルギは小さいのでオゾン生成効率の向上も行われる
。

さらに、コロナ放電に引き続いて発生する主放電（火花
放電）６の形態は、両端が細くなったいわゆる「ビヤダ
ル」状をしており、従来型のように放電柱が陽極側で拡
がることがないため、これによってもオゾン生成効率が
向上する。

従来型のオゾナイザで見られる放電柱の陽極側での拡が
りは陽極側で沿面放電が起こっていることを示している
が、沿面放電は陽極側の誘電体の静電容量を充電しなが
ら誘電体表面に沿って進展するため、このためのエネル
ギが必要であり、このことが従来型オゾナイザのオゾン
生成効率が低いことの一因になっている。

以上述べたことをオゾン生成特性としてまとめると第４
図のようになる。図中Ａは従来型オゾナイザのオゾン生
成効率対印加電圧特性であり、放電開始電圧Ｖａ以上で
オゾン生成が行われるが、印加電圧が低い領域■では放
電柱の数密度が少なすぎる（放電ギャップの弱点部分の
みで放電が起こる）ため、オゾン生成量が少ないだけで
なく生成効率も低い。

印加電圧が中程度の領域■はオゾナイザの適性運転範囲
であり、印加電圧を上げるにつれてオゾン生成効率は若
干低下するものの比較的高効率でオゾン生成が行われる
。さらに、電圧を上げて領域■に入ると、投入された電
力、従ってガス温度の上昇が大きくなり過ぎるため、オ
シン分解反応（３）式が支配的となってオゾン生成効率
は激減する。

一方、本発明によるオゾナイザの特性は第４図のＢのよ
うになり、印加電圧の全ての範囲に渡って従来型を上回
るオゾン生成効率が得られる。即ち、従来型の放電開始
電圧Ｖａより低い電圧ｖｂ以上でオゾン生成が始まり、
印加電圧がｖｂに近い低電圧領域においても誘電体ある
いは金属電極に設けられた凹凸の数だけ放電柱が形成さ
れるので、オゾン生成量・生成効率ともに従来型よりも
高くなる。また、印加電圧をあげて放電電力を増やして
も放電柱−個当たりの放電エネルギが小さく、且つ陽極
側で沿面放電が発生しないので、この場合も従来型を上
回るオゾン生成効率が得られる。

〈発明の効果〉 前述のとおり、本発明によれば無声放電型のオゾナイザ
において、電極の表面に微小の凹凸を設けることによっ
て、放電空隙の電界分布を局所的に歪ませ、オゾン生成
に適した放電形態を実現するようにしたため、従来型の
オゾナイザに比較して次のような効果を奏する。

（ｉ）放電開始電圧が低く同一印加電圧でより多くの放
電電力を得られる。このため同一容量（電極面積）のオ
ゾナイザを用いた場合、従来型よりもオゾン生成量が多
くなる。また、放電電圧が低いことは、高圧電源の出力
電圧を小さくできることを意味しており、高圧電源装置
やオゾナイザ電極の絶縁のための費用を低減させること
に役立つ。

（ｉｉ）放電柱の数密度が大きいため、放電空隙（即ち
オゾン生成反応空間）の利用率が向上し、これによって
もオゾン生成量が増大する。同時に、同一電力に対して
は放電柱−個当たりの放電エネルギが小さいため、オゾ
ン生成が効率的に行われるだけでなく生成されたオゾン
の分解が抑制されオゾン生成効率も上昇する。

（ｔＵ）放電柱の両端が拡がらない、即ち陽極側で沿面
放電が発生することが無いため、沿面放電に起因するエ
ネルギ損失が無い。これによってもオゾン生成効率が向
上する。

（ｉｖ）誘電体あるいは金属電極に設けられた凹凸によ
り原料ガスの乱流度が増し、ガスが放電反応空間内で均
一に混合されるため、生成されたオゾンも空間全体に拡
散され、従来型のように放電柱の中で生成されたオゾン
が放電柱内で再び電子に叩かれて分解することが無い。

このこともオゾン生成効率の上昇に役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るオゾン発生装置を示す概略図、第
２図（ａ）〜（８）は種々の電極形状を示す概略図、第
３図は放電電力特性を示すグラフ、第４図はオゾン生成
特性を示すグラフ、第５図（砥（ｂ）は無声放電式オゾ
ナイザの基本構造を示す概略図、第６図は従来の放電形
態を示す概略図である。 １・・・金属電極、２・・・誘電体、３・・・高圧電源
装置、４・・・放電空隙、５・・・凹凸、５Ａ・・・突
起部、６・・・放電柱

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）二つの金属電極のいずれか一方あるいは両方に誘
   電体層を密着させ、このような両電極を放電空隙を介し
   て対向させ、両電極間に高電圧を印加して前記放電空隙
   に放電を生じさせて、前記放電空隙を流れる原料ガスを
   オゾン化するオゾン発生装置において、 誘電体層あるいは金属電極の放電空隙に接 する側の表面に多数の微小な凹凸を設けたことを特徴と
   するオゾン発生装置。
2. （２）凹凸の突起部の数密度が２０個／ｃｍ＾２以上で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のオゾ
   ン発生装置。
3. （３）凹凸の突起部の曲率半径が、放電空隙長の１／３
   以下であることを特徴とする特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載のオゾン発生装置。