JPS63291804A - 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１〜３Ｂ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ｏ３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
ｏ２　は次の反応により一部がオゾンに変わる。

０２＋ｅ　　→Ｏ＋Ｏ＋ｅ　　　・・（１）０＋０．＋
Ｍ→０．十Ｍ　　　　　・・（２）但し、０□：酸素分
子　　０．ニオシン分子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　→２０２　　　　　・・（３）０３＋ｅ　−
＋０２＋０＋ｅ　　　・・（４）この結果、オゾンの生
成反応（（１）　、　（２）式〕と分解反応Ｃ（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。

（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（１２００，９／ＫＷｈ　）
に比べて著しく小さく、高々９０，９／ＫＷｈ（空気原
料の場合）〜２５０、！９／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。放電によシ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　−Ｓ　・（１／２）　・Ｃ９−Ｖｐ２−（５）
但し、Ｗ：放電エネルギ（ｗａｔｔ） ｎ：放電回数〔回／ＳｅＣ−ｍ２〕 Ｓ：電極面積〔ｍ２〕 Ｃ９：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（（Ｊ’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１〜３朋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゛よい程困難である。現に、現在用
いられている１〜３ｍ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、電気学会技術報告筒■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
０．１〜０．３ｍ）、陽極側が太い（直径１〜３顛）の
ラッパ状の形状をしており、その数密度は２〜４本／ｃ
ｒ／ｌ（オゾン濃度が低いとき）ないし８〜１２本／ｍ
　（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
本当りの放電電力は減少するため、先に（５）式で述べ
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、更に伺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る無声放電式の
オゾナイザにおいて、誘電体層を、その内部および表面
の全体に渡って微小空隙あるいは細孔を有する多孔質物
体で形成したものである。

放電空隙に発生した火花放電をアーク放電に移行させな
いためには、多孔質誘電体と電極との間に緻密質誘電体
を介在させるのが好ましい。また多孔質物体の微小空隙
・細孔の寸法は、１０μｍ〜１頭とするのが好ましい。

（作　用） 両電極間に高電圧を印加すると、多孔質誘電体の微小空
隙・細孔により放電空隙の電界分布が歪み、微小空隙・
細孔の近傍で電界強度が高くなり、微小空隙・細孔部で
ボイド放電が発生し、続いて火花放電が発生する。ボイ
ド放電でトリガされる放電ギャップの火花開始電圧は平
坦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。

微小空隙・細孔の数が多いので、放電柱が従来よりも多
くの場所で発生し、反応空間の空間的利用率が増大する
。

（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、その内部に
微小空隙・細孔を含まない緻密質の誘電体２と、内部に
微小空隙あるいは細孔３Ａを有する多孔質の誘電体３と
を重ね合わせて密着させ、両方の多孔質誘電体３が向か
い合うように放電空隙５を介して対向させる。ここで、
多孔質誘電体３は放電空隙５に接する側の表面にも多数
の微小な細孔３Ａが設けられている。

両電極１間に高圧電源装置４から放電開始電圧以上の交
流高電圧（５０Ｈｚ〜１ＱＫＨｚ程度）を印加すると、
放電空隙５に放電が生じ、放電空隙５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、多孔
質誘電体３に設けられた空隙・細孔３Ａは、放電開始電
圧を下げること、及び放電柱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、その空隙・細孔３Ａの
寸法は原料ガス中における電子の平均自由行程（約１０
μｍのオーダー）より大きいものとする。

但し、その寸法が大きくなりすぎると放電柱の数密度が
減少するため、１Ｍ以下とすることが望ましい。

なお、微小空隙・細孔３Ａは、後述するように、多孔質
誘電体層３内部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２，３の構成
は、第１図に限定されず、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）は誘電体２，３を片方の電極側にのみ配置
したもの、第２図（ｂ）　、　（ｅ）は第１図、第２図
（ａ）の実施例から緻密質誘導体２を省略したものであ
る。

緻密質誘電体２は、放電空隙５に発生した火花放電がア
ーク放電に移行しないようにするために設けられたもの
であるが、本発明では運転電圧を低くできるという特徴
があるため、高圧電源装置４の出力電圧を比較的低く制
限してやれば緻密質誘電体２を省略して多孔質誘電体３
のみとしてもアーク放電への転移を起こさせないことが
できる。

いずれの場合も、その空隙・細孔３Ａの寸法は、原料ガ
ス中における電子の平均自由行程（約１０μｍのオーダ
ー）より大きいものとし、１鵡以下とすることは第１図
の場合と同じである。

放電空隙長（第１図の６寸法）は従来型オゾナイザと同
程度の１〜３顛で良好なオゾン発生性能が得られるが、
０．５　′Ｉａ１程度まで小さくすると一層効果的であ
る。なお、極端な場合としてｄ〒□ｍ。

即ち放電空隙５を多孔質誘電体３で短絡することもでき
る。この場合、オゾン生成は多孔質誘電体内部の空隙３
Ａで発するボイド放電によって行なわれる。また、放電
電圧が従来型に比して著しく低いので、５顛位まで大き
くしてもかまわない。

なお、誘電体２，３の材質としては、絶縁性を有するも
のであれば放電に対して物理的、化学的、熱的に安定な
全ての材料を用いることができる。

また、多孔質誘電体３は、いわゆるバルク状の多孔性絶
縁物（セラミックス・フオーム等）、粉粒体の充填層、
繊維状物体の形成物等が用いられる。

以上のような構成において、高圧電源装置４より両電極
１間に放電開始電圧以上の電圧を印加すると、放電空隙
５で放電が発生し、放電空隙５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。

電圧印加により誘電体２，３及び放電空隙５には電界が
形成されるが、放電空隙５に形成される電界は多孔質誘
電体３の内部及び表面に設けられた多数の微小空隙３Ａ
のためにその分布が歪んでおり、微小空隙３Ａ近傍では
多孔質誘電体３Ｋかかる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微小空隙３Ａ部の電
界強度がその部分の放電開始電界に達すると、この微小
空隙３Ａ部でボイド放電が発生する。このボイド放電に
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５を橋絡する火花放電が発
生する。このボイド放電と火花放電によって生じた電子
の作用によシ（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図の如き多孔質誘電体３の内部あるいは表面のボイ
ド放電でトリガされる放電ギャップの火花開始電圧は、
第５図の多孔質誘電体を有しない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（第５図）よシも著しく低い
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、従来型のＡに比べ
て同一電圧で、より多くの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、微小空隙３Ａは多孔質誘電体３内部及び表面全体
に且つ一様に分布しており、その数が多いので主放電（
火花放電）の放電柱は従来型よりも、より多くの場所で
発生する。このため、放電空隙５における放電の一様性
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、ボイド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シ、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Ｉ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、オゾナイザの適正運転範
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すぎるため、オ
ゾン分解反応（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３
に設けられた多数の微小空隙３Ａのため多くの放電柱６
が形成されるので、オゾン生成量・生成効率共に従来型
よりも高くなる。また、印加電圧を上げて放電電力を増
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。

なお、以上はオゾンの生成について説明したが、全く同
じ構造でオゾン分解装置としても使用できる。この場合
には電極構造を、ｄ＝ｏとして放電空隙を多孔質誘電体
で満たした構造（ボイド放電だけが起こる）とし、さら
に誘電体３の材質をＭｎ　Ｏ，、Ｆｅ２Ｏ，ｊ　Ｎｉ　
Ｏ等のオゾン接触分解用触媒を含有したものとする。そ
してオゾン分解は高温側で促進されるので電極の冷却は
行わないようにする。

（発明の効果） 前述のとおシ、本発明によれば無声放電型のオゾナイザ
において、多孔質誘電体を電極に設け、多孔質誘電体の
微小空隙・細孔により多孔質誘電体の内部及び表面の電
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。このため同一容積（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。

（Ｘｌ）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。

（ホ）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。

【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）〜（ｅ）は種々の電極構成を示す概略図、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（ａ）、Φ）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・・緻密質誘電体 ３・・多孔質誘電体、３Ａ・・微小空隙・細孔４・・高
圧電源装置、５・・放電空隙 ６・・放電柱 ＩＥ　　３　因 第５　図 第　４　図 第６図

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、 誘電体層を、その内部および表面の全体に渡つて微小空
   隙あるいは細孔を有する多孔質物体で形成したことを特
   徴とするオゾン発生装置。
2. （２）誘電体層を二層構造とし、このうち電極に接する
   側の誘電体は微小空隙・細孔を有しない緻密質物体とし
   、他方の放電空隙に接する側の誘電体は微小空隙・細孔
   を有する多孔質物体とした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）多孔質物体の微小空隙・細孔の寸法は１０μｍ〜
   １ｍｍ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。