JPS63291805A

JPS63291805A - オゾン発生装置

Info

Publication number: JPS63291805A
Application number: JP12886987A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Noda; 隆明野田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1987-05-26
Filing date: 1987-05-26
Publication date: 1988-11-29

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）この発明は不平等電界型電極形状を用いたオゾナイザで
あって、オゾン発生性能の向上を図れるオゾン発生装置
に関するものである。

（従来技術とその問題点）コロナ放電を生ずるような不平等電界型電極形状を用い
たオゾナイザのコロナ放電空間に空気等の酸素含有気体
を通過させるとオゾンが生成されることは良く知られて
おり、比較的小規模のオゾン発生器として殺菌・消毒等
の分野で使用されている。

このような方式のオゾナイザにおけるオゾン生成の基本
構成は第４図に示すとおりであり、針状あるいは細線状
の放電電極５０と平板状あるいは円筒状の対向電極５１
の間に高圧電源５２から高電圧（普通直流高電圧が用い
られる）を印加して放電空隙５３にコロナ放電５４を発
生させ、この放電空隙を通過す′る空気等の酸素含有気
体を、コロナ放電の放電化学作用によシオゾ／化するも
のである（次式参照）。普通、オゾン濃度＝数ｐｐｍ〜
数１０　ｐｐｍのオゾン化ガスが得られる。

０２＋ｅ　　−４０＋ｏ＋ｅ　　　・・（１）０＋０２
＋Ｍ→０．十Ｍ　　　　　・・（２）但し、０□：酸素
分子　　Ｏ，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しかしながら、このような不平等電界型のオゾナイザは
、後述するような理由により、■生成されるオゾンの濃
度が低い、■従ってオゾン生成量も少ない、また■オゾ
ン生成効率（オゾン生成量対消費電力比）も低いという
欠点があるため、その利用分野は小規模の殺菌・消毒等
の分野に限られており、工業的規模（オゾン発生量が数
１０１１／ｈ以上）では専ら無声放電型オゾナイザが用
いられる。

無声放電型オゾナイザは、対向する二つの金属電極の両
側あるいは片側の電極に誘電体層を密着させて、両電極
を放電空隙を介して配置したものである。この場合、放
電空隙長としては１〜３朋程度が常用され、電極の配置
は平行平板状あるいは放電空隙長に比べて大きな直径を
有する同軸円筒状といったいわゆる平等電界型のものが
用いられる。

このような誘電体を介した平等電界型の短ギャップに高
電圧を印加すると放電空隙に無声放電が発生し、空隙を
通過する空気等の原料ガスをオゾン化する。この無声放
電型オゾナイザの性能は大略、オゾン濃度　　＝約５．０００〜１０．０００　ｐｐｍ
オゾン発生量　＝約１０，９／ｈ〜１０に９／ｈオゾン
生成効率＝約５０〜７０　ｐ／ＫＷｈの程度である。（
但し、原料ガスとして乾燥空気を用いた場合）一方、不平等電界コロナ放電型オゾナイザの性能は無声
放電型よりも著しく劣っておシ、大略、オゾン濃度　　
＝数１０〜数１００　ｐｐｒｎオゾン発生量　＝数１０
１１／ｈ〜数ｇ／ｈオゾン生成効率＝約ｌＯ〜２０９／
ＫＷｈの程度である。即ち無声放電型オゾナイザに比し
て、オゾン濃度・発生量が少ないだけでなくオゾン生成
効率が極めて低い。このことが、コロナ放電型は無声放
電型よりも構造が簡単で製作も容易であるという特徴に
もかかわらず、大規模用途では使用されないことの大き
な理由である。

このようにコロナ放電型オゾナイザの性能が悪い理由と
して、次のことが考えられる。コロナ放電によって消費
される電力は、その大部分がコロナ電流即ち放電によっ
て生成されたイオンの運動に費やされているものである
から、全電力のうちオゾン生成反応に役立つものは極僅
かしかない。

（放電場においてオゾン生成反応が行われるためには、
放電によシ発生した電子が酸素分子を解離することが必
要条件である。）また、電極間の電界強度の分布は、放
電電極の先端部（曲率の大なる部分）近傍では数１０Ｋ
Ｖ／ｃＴｒＬ以上と大きいため、この領域の電子はその
エネルギも大きく酸素分子の解離が行われるが、放電電
極先端部を離れると電界強度は数ＫＶ／ｃＷＬ以下とな
り電子エネルギも小さくなり、酸素分子の解離が行われ
ないだけでなく、生成されたオゾンの解離・分解や酸素
分子あるいはオゾン分子への付着による電子の消費しか
起こらなくなる。

Ｏ５＋０　　→２０□　　　　　・・（３）０３＋ｅ　
→０□＋Ｏ＋ｅ　　　・・（４）なお、酸素分子の解離
電圧は５．　ｌ　ｅＶ　、オゾン分子の解離電圧は１．
ＯｅＶである。第４図からも判るように、コロナ放電に
おいては、オゾン生成が行われる高電界部分は全放電空
間のごく一部分に限られるため、放電空間即ち反応空間
の空間的利用率は極めて悪い。これがコロナ放電による
オゾン生成量・濃度を低くしている理由である。

以上のように、コロナ放電は、本質的には放電電極近傍
の高電界部分のみがオゾン生成に用いられていること、
その細大部分の空間は低エネルギのイオンや電子で満た
されており、これらオゾン生成に役立たない電荷の運動
によるエネルギロスが大きいことの理由により、オゾン
発生量・濃度・生成効率の全ての面で性能が悪い。

この発明は、このようなコロナ放電型の如く不平等電界
型の電極形状を用いたオゾナイザの問題点を解消すべく
提案されたもので、その目的は比較的簡単な構成により
オゾンの生成効率の向上とオゾン生成量の増大を図るこ
とのできる不平等電界型の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、放電電極、対向電極
、誘電体からなる電極装置を、電界集中部を有する不平
等電界型に構成し、この電極装置に、圧縮機あるいはガ
スボンベ等から、火花放電のみ発生し得る臨界圧力以上
の高圧力の原料ガスを供給するように構成したものであ
る。

原料ガスの圧力は、３に９／ｃｄ・Ｇ以上、電界集中部
の曲率半径は、放電空隙長の１／３以下、放電空隙長は
、１〜３０朋とするのが好ましい。

（作　用）臨界圧力以上の高圧力の原料ガスを供給することにより
、コロナ放電の発生を抑制し、火花放電を発生させて高
効率で多量のオゾンを生成する。

誘電体は火花放電がアーク放電に移行するのを防止する
。

なお、本発明では、高気圧原料ガスを用いるところに特
徴があるが、この特徴は、不平等電界型電極構成を用い
ることによって生かされてくるものである。現在常用さ
れている無声放電型オゾナイザは、平行平板状あるいは
空隙長に比して大きな直径の同芯円筒状といった平等電
界型の電極構成を用いているため、Ｐａ５ｃｈｅｎ　　
の法則から判るようにガス圧力を上げることは放電空隙
長を増すのと同じ働きをし、オゾン生成効率はむしろ低
下する。無声放電型オゾナイザでは放電空隙を狭めた方
がオゾン生成効率が上昇することは良く知られている。

（実　施　例）以下、この発明を図示する一実施例に基づいて説明する
。

これは、空気を原料ガスとした例であり、第１図て示す
ように、オゾナイザ本体１には、針状の放電電極２と、
誘電体３で覆われた平板状の対向電極４が空隙長ｄを隔
てて対向して配置され、これら両電極２，４間に高圧電
源５が接続されている０このような電極装置６内には、空気圧縮機７で加圧され
除湿装置８で除湿乾燥された高圧力の原料空気が導入さ
れ、オゾン化された空気は減圧弁９で所定の圧力まで減
圧された後、オゾン使用設備へ供給される。

ここで、空気圧力は点Ｐにおいて、後に詳述する火花放
電のみ発生し得る臨界圧力以上、例えば３Ｋｐ／７・Ｇ
程度以上の高圧力とする。

空隙長ｄは約１〜３０朋程度とする。１１ｕＬより小で
は、不平等電界を形成することが困難であり、３０間よ
り犬では、高圧電源の出力電圧が大きくなりすぎて実用
的でない。

放電電極２の先端部は、その電界を歪ませ、不平等電界
を形成するために、放電空隙長（ｄ）に比して十分小さ
い曲率半径ｒ。を有する鋭い突、起（ｒ。

／　ｄ　＜　１／３　）とする。

曲率半径ｒ。が大きくなると（ｒｏ／　ｄ　＞　ｔ／３
　）　　。

平等電界とみなせるようになる。尚、曲率半径ｒ。

は、ｒｏ／　ｄ　＜　１／３　　ならば、不平等電界を
形成できるが、不平等性が大きい程、効果的なので、製
作可能な範囲でｒ。を小さくする方がよい。

なお、高圧電源５の極性は後述する理由から交流（正弦
波、両極性インパルス等）とする。膚た誘電体３は、放
電空隙１０で生じた火花放電、がアーク放電に移行する
のを防ぐために設けられている。

以上は、空気が原料の場合であるが、原料ガスとして酸
素ガスを使用することもできる。原料酸素ガスは市販の
酸素ガスボンベから供給してもよいし、空気から圧力ス
ウィング式分離装置等を用いて精製してもよい。圧力ス
ウィング式酸素分離装置を用いる場合には除湿を同時に
行うと経済的である。また、ボンベガスを用いる場合に
は、圧縮機６．除湿装置７を省略できる。

なお、電極装置は、不平等電界型であれば第１図の形状
に限定される必要はなく、例えば第２図に示す如き種々
の形状が使用できる。

第２図（ａ）は誘電体３の表面に多数の突起を設けたも
の、第２図（ｂ）は線状電極対平板電極型で誘電体の表
面を平担面としたもの、第２図（Ｃ）は第２図（ｂ）の
誘電体に多数の突起を設けたもの、第２図（ｄ）は多針
型電極対平板電極型とでも称すべきもので放電電極２を
多数の突起を有する面状電極としたもの、第２図（ｅ）
は第２図（ｄ）において誘電体表面にも多数の突起を設
けたものである。

なお、第２図（ｂ）　、　（ｅ）は線対円筒状に、また
第２図（ｄ）　、　（ｅ）は同芯円筒状に構成すること
もできる。

いずれの場合も、放電電極２あるいは誘電体３における
尖鋭部の寸法（線の半径、針先・突起先端の曲率半径）
は、放電空隙長の１／３以下とし、放電空隙長ｄは１〜
３０２ｕＩ程度とすることは第１図の場合と同じである
。

以上の構成において、次にオゾン発生部１内におけるオ
ゾン生成過程について詳述する。まず、本発明のオゾナ
イザで観測される放電の特性について説明する。

放電電極２と対向電極４間に高圧電源５より交流高電圧
を印加すると、一般的にはコロナ放電（部分破壊）１１
．火花放電（全路破壊）１２が生じる。第１図に示す針
対平板状の如き不平等電界型電極配置において高電圧を
印加すると、普通、まずコロナ放電が現れ、その後、更
に電圧を上げると火花放電が現われるが、酸素のような
電気的負性気体を含むガス中では第３図に示すような特
性が見られる。即ち、ガス圧力を上昇させると火花電圧
は初めは気圧の上昇に伴なって上昇するが、ある圧力で
火花電圧の極太値が現れ、気圧を更に増加させると火花
電圧は一旦急激に低下した後再び上昇する。第３図に示
すような火花電圧の極小値が現れる圧力（臨界圧力Ｐｃ
　と呼ぶ）はガスの成分、電極の形状・寸法等により異
なるが、空気の場合散気圧であり、臨界圧力以下では放
電はコロナを経由して火花に至るが、臨界圧力以上では
コロナを経ずして直ちに火花放電が発生するという現象
が見られる。

以上の事柄は次のように要約される。即ち、第１図の如
き電極に高電圧を印加して放電させた場合、原料ガスの
圧力が臨界値よりも高ければ、コロナ放電を発生するこ
となく火花放電のみを起こさせることができる。また、
この場合の火花電圧は臨界圧力以下での火花電圧よりも
著しく低いという特徴がある。

第１図に示すように、高気圧原料ガスが供給されている
不平等電界型電極に高電圧を印加すると、放電空隙１０
を橋絡する火花放電１２が発生し、原料ガス中の酸素分
子は火花放電により生じた電子により解離され原子状酸
素となり、これらが反応してオゾンが生成される。この
時、原料ガスが高圧力であるためコロナ放電は発生せず
、従ってコロナ電流に起因するところのエネルギ損失が
ないため、極めて効率的にオゾン生成が行われる。

また、従来型ではオゾン生成が行われるコロナ放電は放
電電極近傍のみにしか現われないが、本方式でオゾン生
成に用いられているところの火花放電は放電空隙全体を
橋絡するため、放電空隙全体で効率的にオゾン生成が行
なわれる。

なお、第１図は本発明の詳細な説明をするために、針対
平板状の電極構成としたが、実用的には第２図（ａ）〜
（ｅ）の如く曲率の大なる部分を多数設けて放電空隙中
の不平等電界部分を増やしてやると、火花放電の数も増
し、放電空隙即ち反応空間の利用率が向上するため、更
にオゾン発生量・生成効率が上昇する。

高圧電源５は、第４図の従来型では専ら直流電源が用い
られているが、本発明の如く電極間に誘電体３を有する
場合には、電源の出力電圧波形を交流にする必要がある
。これは、直流電源ではコロナあるいは火花放電により
発生した電荷が誘電体３の表面に蓄積され、それ以降の
放電が生じなくなるためである。

出力電圧波形は、交流即ち時間とともにその極性が変わ
るものであればよいのであるから、商用電源に用いられ
ている正弦波の他、方形波、鋸歯状波、インパルス波形
等の任意の形状が使用できる。また、その繰り返し頻度
（周波数）も商用電源の値（５０Ｈｚ　、　６０Ｈｚ）
に限定されるものではない。むしろ、周波数を高めた方
が単位時間当たりの放電回数が増し、オゾン生成量は増
大する。

なお、以上はガス圧力を高めた場合について説明したが
、第３図に示した現象は基本的にはガス密度が大きくな
ることに起因するものであるから、原料ガスの冷却とい
う手段を併用すれば、前述の臨界圧力以下でも同じ現象
が起こる。原料ガスの加圧と冷却を併用すれば、空気圧
縮機やオゾン発生部および配管類の対圧力性を低減でき
るだけでなく、オゾン発生部の発熱によるオゾン発生量
の発熱によるオゾン発生量の低下を防ぐことができる。

（発明の効果）前述のとおり本発明は放電化学作用によりオゾンを生成
するいわゆるオゾナイザのうち、コロナ放電を利用する
ような不平等電界型電極を有する型式のものに対して、
原料ガス圧力を臨界圧力以上に増すことによってコロナ
放電の発生を抑制し、火花放電のみを発生させるように
構成したため、次のような効果を奏する。

（ｉ）　　従来用いられているコロナ放電は、放電電極
の近傍でしか生じないため、酸素分子を解離させるに十
分なエネルギを持つ電子も、放電電極の近傍にしか存在
せず、放電空隙の大部分の場所はオゾン生成に役立たな
い（即ち、反応空間の利用率が悪い）が、本発明では放
電空隙全体を橋絡する火花放電を利用しているため反応
空間の利用率が高い。また、火花放電に伴って生ずる紫
外線によっても酸素分子の解離が起こるため空間全体で
オゾン生成が行われる。これらにより生成されるオゾン
の量・濃度・効率が大きくなる。

（ｉｉ）　　従来用いられているコロナ放電では、放電
電極の近傍以外はイオンで満たされており、投入された
電力の大部分はこのイオンを運動させるために消費され
ている。即ち、全放電電力のうちオゾン生成に役立つ部
分の割合は極めて少ない。しかし、本発明では、コロナ
放電が発生しないため、こうしたイオン電流に起因する
エネルギロスが無く、オゾン生成効率は著しく向上する
。

また、以上のようなオゾン生成性能の向上だけでなく、倶）　原料ガスの圧力が高いため、その密度が犬きく、
同一容積のオゾナイザではガスの滞留時間を長くできる
ため、生成されるオゾンの量・濃度はさらに増大する。

逆の見方をすると、同一オシン量・濃度を得るためには
、オゾナイザを小型化でき、装置価格の低減に役立つ。

更に、現在常用されている無声放電型オゾナイザと比べ
ても次のような利点がある。

（財）放電空隙長を無声放電型で用いられている１〜３
朋といった小さい値に限定することなく３０朋程度まで
長くしても良好なオゾン生成が行われるため、装置の製
作が容易となり製作費用が低減される。

（ｖ）　　このような長い放電空隙を用いた場合でも、
火花電圧は第３図に見られるようにあまり上昇しないの
で、高圧電源は無声放電型のものと同程度の出力電圧の
ものが使用でき、コストアップにはならない。

【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）は電極装置の種々の態様を示す概略
図、第３図は高気圧空気中の針対平板ギャップの放電特
性を示すグラフ、第４図は従来のコロナ放電型のオゾナ
イザを示す概略図である。１・・オゾナイザ本体（オゾン発生部）２・・放電電極
、３・・誘電体４・・対向電極、５・・高圧電源６・・電極装置、７・・空気圧縮機８・・除湿装置、９・・減圧弁１０・・放電空隙、１１・・コロナ放電１２・・火花放
電３９１図第２図第３図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）放電電極と対向電極を有し、これら電極間に誘電
体を介在させてなる電極装置に高電圧を印加して放電化
学作用により原料ガスをオゾン化させるオゾン発生装置
において、電極装置を電界集中部を有する不平等電界型に構成し、
この電極装置に、火花放電のみ発生し得る臨界圧力以上
の高圧力の原料ガスを供給するように構成したことを特
徴とするオゾン発生装置。
（２）原料ガスは３Ｋｇ／ｃｍ＾２・Ｇ以上の高圧力で
供給され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）電界集中部の曲率半径は放電空隙長の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。
（４）放電空隙長は１〜３０ｍｍであることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載のオ
ゾン発生装置。