JPWO2006103945A1 - 無声放電式プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

無声放電式プラズマ発生装置が、誘電体と、誘電体を挟んで対向配置された１組の電極と、電極間に交流電圧を印加して放電させる交流電源とを含み、放電を発生させる放電空間にガスを供給してプラズマを形成する。電極の少なくとも一方は、誘電体の上に形成された導電性の給電薄膜からなり、誘電体が破損して電極間にアーク放電が発生した場合に、アーク放電が発生した部分の給電薄膜を消滅または酸化させて、アーク放電の発生を停止させる。

Description

本発明は、無声放電式プラズマ装置に関し、特に、誘電体が破損した場合においても、非破損部のみで安全に運転を継続できる導電性薄膜電極を有する無声放電式プラズマ装置に関する。

従来の無声放電式プラズマ装置の一例として無声放電式オゾン発生装置がある。無声放電式オゾン発生装置では、ガラス管を誘電体バリアに用いた電極構造が一般的に採用されている。誘電体バリアが金属電極間に存在することにより、金属電極間で発生した放電はアークに転移することなく、放電の停止と発生を繰り返す。

しかし、金属電極間に異常放電が発生し、温度が上昇したり過大電圧が印加された場合、誘電体の耐電圧性能が損なわれ、絶縁破壊が発生し、誘電体が破損に至る場合がある。誘電体が破損した場合、接地電極と高電圧電極とが短絡状態になり、放電およびオゾン発生が停止し、破損した誘電体の交換が必要となる。このため、オゾン発生装置電極と駆動電源の間に高圧ヒューズが設置され、誘電体破損時には高圧ヒューズを溶断させ、破損箇所を有した電極と駆動電源を切り離すことにより、破損箇所を有した電極以外の非破損電極のみでオゾン発生を継続させている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−１４６０７１号公報

しかし、高圧ヒューズは極めて高価であるとともに、繰返し使用が不可能であるためコストが高くなるという問題があった。
また、高圧ヒューズ自身の電気抵抗値が数十Ω程度となり、電気的、熱的な損失が無視できず、オゾン発生装置のエネルギー効率にも影響を及ぼすという問題もあった。
更に、短絡時にヒューズの溶断不良が発生する場合もあり、安全性についても問題があった。

そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、高圧ヒューズを用いることなく、誘電体が破損した場合に破損箇所への給電を停止し、非破損部のみで安全に運転が継続できる無声放電式プラズマ装置の提供を目的とする。

即ち、本発明は、誘電体と、誘電体を挟んで対向配置された１組の電極と、電極間に交流電圧を印加して放電させる交流電源とを含み、放電を発生させる放電空間にガスを供給してプラズマを形成する無声放電式プラズマ発生装置であって、電極の少なくとも一方が、誘電体の上に形成された導電性の給電薄膜からなり、誘電体が破損して電極間にアーク放電が発生した場合に、アーク放電が発生した部分の給電薄膜を消滅または酸化させて、アーク放電の発生を停止させることを特徴とする無声放電式プラズマ発生装置である。

本発明にかかる無声放電式プラズマ装置では、ガラス管が破損した場合、導電性薄膜電極が短絡電流を瞬時に検知し、導電性薄膜を選択的に自己消失させ、給電を停止する。このため、かかるプラズマ装置では、破損箇所を有するガラス管電極の自己消失部分以外のすべての部分において、電気的短絡を発生することなくプラズマ発生を継続することができる。また、高圧ヒューズを使用しないため、ガラス管電極の小口径化、プラズマ装置のコンパクト化が可能となるとともに、低コスト化が可能となる。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態１にかかるオゾン発生装置の断面図を示す。図１において、オゾン発生装置１００は、所定の空隙長ｄで対向して配置された接地電極１と高電圧電極２とを有する。接地電極１と高電圧電極２は、ともに同軸円筒型の電極であり、その間に少なくとも１つの誘電体３が配置されている。この空隙長ｄを放電空隙長、放電空隙長により形成された空間を放電空間４という。

接地電極１と高電圧電極２の一方または双方は、その内部に水道水または純水が通る冷却水通路５を有し、放電空間４の冷却を行う。
放電空間４には、酸素を含んだガスが原料ガスとして導入され、駆動電源６と接続された給電部材７を介して、接地電極１と高電圧電極２との間に交流高電圧が印加されることにより、無声放電プラズマが発生する。なお、給電部材７は、接地電極１の外側で高電圧電極２と接している。

プラズマ中では、酸素分子が電子と衝突することにより、酸素分子が解離し、三体衝突によりオゾンが生成される。ここでは、端板８、９に固定される接地電極１にはステンレス管を用い、誘電体３にはガラス管を用いた。誘電体３に用いたガラス管はＳＣＨＯＴＴ社より販売されている商品名「ＤＵＲＡＮ」である。「ＤＵＲＡＮ」はホウケイ酸ガラスの１種でＳｉＯ_２含有量が８１％の化学耐久性に優れた硬質ガラス管である。
なお、以下の図においても、同一符合は、同一又は相当箇所を示すものとする。

本実施の形態１にかかるオゾン発生装置１００の放電空隙長ｄは０．６ｍｍ以下である。従って、ガラス管の外径公差が少なくとも放電空隙長ｄの１／２以下となるもの、およびガラスの耐電圧性能を考慮し、長さが１５００ｍｍ、肉厚が０．５ｍｍ以上、外径が３０ｍｍφ以下のガラス管を使用した。本発明において使用したガラス管は、外径が小さいため、機械的に優れた強度を有し、また長手方向の反り量も極めて小さい。
高電圧電極２には、表面処理されたガラス管の内表面に無電解ニッケルメッキにより形成された導電性薄膜を用いた。導電性薄膜は、ガラス管内表面の適度な表面処理により、隙間なく、かつ適度な強度でガラス管と密着させることができる。なお、図１中、矢印はガスの流れる方向を示しており、電極部右側端部より発生したオゾンが取り出される。

図２には、比較のために、全体が５００で表される、従来構造のオゾン発生装置の断面図を示す。
オゾン発生装置５００では、誘電体１０３には、オゾン発生装置１００のガラス管よりも大口径の、外径１００ｍｍ以下のガラス管が使用される。ガラス管内表面にはアルミニウムなどの金属を溶射、スパッタリング、蒸着等することにより高電圧電極１０２が形成されている。
高電圧電極１０２は、ガラス管内表面に表面処理を施さなくても極めて強固な密着度が得られる。膜厚は抵抗値を低く抑えるために、数１００μｍ程度となっている。また、給電部材１０７は、高電圧電極１０２の長手方向に均一に給電するために、端板１０８、１０９に固定された接地電極１０１の内部で複数箇所で高電圧電極１０２と接触している。

このような高電圧電極１０２と接地電極１０１により放電空間１０４が形成され、無声放電が発生する。必要とされるオゾン発生量に応じて電極群の数が調整され、タンク１１１内に設置される。放電空間１０４には酸素を含む原料ガスが、図中に矢印で示した方向に流され、オゾンとして取り出される。更に、駆動電源１０６と給電部材１０７との間には高圧ヒューズ１１０が設置されている。オゾン発生装置５００において、図３に示すように、ガラス管が破損した場合、破損部１１２を介して接地電極１０１と高電圧電極１０２の間にアーク放電（矢印部）が破損後瞬時に発生する。アーク放電の発生に伴い、オゾン発生装置５００には短絡電流が流れ、無声放電およびオゾン発生は停止する。停止したオゾン発生装置５００を再起動するためには、破損したガラス管の交換を余儀なくされる。このため、一般には、駆動電源１０６と給電部材１０７との間に高圧ヒューズ１１０を設置し、ガラス管破損時に流入する短絡電流からオゾン発生装置５００を保護している。
即ち、破損したガラス管に接続された高圧ヒューズ１１０が短絡電流の流入により溶断され、駆動電源１０６と破損したガラス管が電気的に切断されるため、破損したガラス管を新品に交換しなくても、破損していないガラス管のみでオゾン発生を継続することができる。ただし、破損部を有したガラス管は二度とオゾン発生に寄与することはできない。

図４は、図１に示した電極を複数本設置した、本実施の形態にかかる他のオゾン発生装置１５０である。
ここでは、複数本の電極の中に、図５に示すような模擬破損部１０を形成したガラス管１１（内表面には上記に示した無電解ニッケルメッキによる高電圧電極が形成されている）を１本混在させてオゾンの発生を行った。模擬破損部１０は、幅１ｍｍ程度、長さ５ｍｍ程度の貫通穴となっている。オゾン発生装置１５０の運転条件は、印加電圧波高値は５〜１２ｋＶｐ程度、周波数は０．３ｋＨｚ〜１０ｋＨｚである。

従来のオゾン発生装置では、模擬破損部を形成したガラス管を用いた場合、電力投入後瞬時に電気的な短絡状態に陥るため、駆動電源と高電圧電極の間に高圧ヒューズを設置しなければ破損部を有さないガラス管だけでの運転が継続できない。これに対して、本発明にかかるオゾン発生装置１５０では、明確な破損部１０が存在しているにもかかわらず、電気的な短絡は発生せず、破損部１０を有したガラス管１１を含めたすべてのガラス管において放電およびオゾン発生を継続することができた（図４において、放電空間４内のハッチング部は、短絡することなくオゾンを発生している箇所を示す）。

図６は、数分間放電を継続させた後の模擬破損部１０の外観写真である。図６より、模擬破損部１０の周囲１０ｍｍ程度の高電圧電極だけが剥離、消失しているのがわかる（剥離、消失部を符合１２で示す）。
即ち、本発明にかかるオゾン発生装置１５０においてガラス管に破損が生じた場合、従来のオゾン発生装置と同様に破損部を介して瞬時にアーク放電が発生するが、そのアーク放電が発生した瞬間に、過電流（短絡電流）に基づく熱的影響などにより破損部周辺の導電性薄膜で構成される高電圧電極が剥離、蒸発、または昇華などにより消失する。つまり、高電圧電極自身が瞬時にアーク放電による短絡電流を検出し、アーク放電がほぼ停止すると考えられる沿面距離に相当する領域の高電圧電極を自己消失させている。破損部周辺のみの放電を選択的に停止させることができるこの作用は、高圧ヒューズと同様の作用であり、本発明における高電圧電極は無限個の高圧ヒューズが並列に接続されていることと等価であると考えられる。

また、破損部１０の位置、形状および大きさを変化させても同様の効果が確認された。更に、模擬的な破損部を形成せず、オゾン発生装置を異常条件下で運転させることにより、敢えてガラス管を破損させた場合もガラス管は割れることなく、図６と同様にΦ１ｍｍ程度の貫通穴状の破損部が形成され、高電圧電極の自己消失により、破損部周辺のみ放電を選択的に停止することができた。

従来の高圧ヒューズを用いたオゾン発生装置では、ガラス管が破損した場合、破損部を介したアーク放電により短絡電流が流れ、高圧ヒューズが溶断する。高圧ヒューズの溶断により破損部を有したガラス管は駆動電源から切り離され、無声放電は停止する。従って、破損したガラス管の本数分に対応する量だけオゾン発生量が低下してしまう。これに対して、本発明にかかるオゾン発生装置では、破損部の周囲のみ高電圧電極が消失することにより、破損部を有したガラス管には高電圧を印加し続けることが可能であり、破損部の周囲のみ無声放電が停止する。従って、オゾン発生量は殆ど低下しない。

高電圧電極の自己消失効果は、高電圧電極の材質、膜厚とガラス管との密着力に影響される。高電圧電極は、破損時のアーク放電により瞬時に消失する必要があるため、過度な膜厚と密着力は不要である。

図７は、本発明にかかるオゾン発生装置の、ガラス管内表面の十点平均表面粗さＲｚと高電圧電極の膜厚との関係を示したものである。無電解ニッケルメッキの形成条件（条件Ａ）は一定とした。図７において、縦軸に高電圧電極の膜厚（μｍ）を、横軸に無電解ニッケルメッキを実施する前のガラス管内表面の十点平均粗さＲｚ（μｍ）を示す。

ガラスのように表面粗さが極めて小さい基材（Ｒｚ＝０．１μｍ程度）に対しては、高電圧電極は適度な密着度を有して形成することが不可能であり、基材を表面処理し、アンカー効果を付与するのが一般的である。密着度が小さすぎると、部分的な剥離や給電部材設置時に剥離を発生する。基材の材質や形状と高電圧電極素材により付与されるアンカー効果の大小は変化するため、図７に示した結果をもとにメッキ膜厚とガラス管の表面粗さの最適値を決定する必要がある。図７より、Ｒｚが増大する、つまりガラス管内表面の凹凸が大きくなるにしたがい、形成される高電圧電極の膜厚は増加傾向を示すことがわかる。
また、Ｒｚが１０μｍ以上では形成できる高電圧電極の膜厚は０．６μｍ程度でほとんど変化しなくなる。
更に、Ｒｚが１２μｍを超えると、膜厚はほとんど変化しないことに加えて、部分的な剥離が発生する。

以上の結果より、本発明にかかるガラス管に対しては、Ｒｚが１２μｍ以下の場合において適度な密着強度を有した高電圧電極を形成することが可能であることがわかる。Ｒｚが１２μｍを超えると、形成された凹凸の凸部が表面処理され始め、結果として平坦部が増加し、アンカー効果が小さくなる。また、本発明のような管内表面に薄膜を形成する場合、ある膜厚以上になると高電圧電極薄膜の残留応力が無視できなくなり、ガラス管の表面粗さに対して高電圧電極の膜厚は飽和し始める。このため、膜厚の増加は望めず、むしろ部分的な剥離が発生する。

以上のようにして形成した、ガラス管内表面のＲｚが１２μｍの場合のすべての高電圧電極は、自己消失効果を十分に発揮することが確認された。
しかし、Ｒｚが１２μｍ以上の場合、メッキ皮膜の密着強度が低下していることから、アーク放電による外部エネルギーがトリガーとなり、自己消失効果とともに破損部以外での剥離も確認された。従って、ガラス管の内表面の表面粗さＲｚを１２μｍ以下とすることにより、破損部だけでの選択的自己消失効果を達成できる。

また、メッキ液濃度、メッキ液温度およびメッキ時間を調整し、メッキの厚膜化を抑制する残留応力を緩和させた場合（条件Ｂおよび条件Ｃ）、条件Ａの場合と同様に安定かつ均一に高電圧電極が形成できる領域は、条件Ｂでは、Ｒｚが１４μｍ以下で膜厚は１．０μｍ以下、条件Ｃでは、Ｒｚが１５μｍ以下で膜厚は１．５μｍ以下であった。
条件Ｂでは、メッキ液温度とメッキ時間、条件Ｃではメッキ液濃度とメッキ時間を条件Ａから変更した。両者の場合においてもすべての高電圧電極は自己消失効果を十分に発揮することが確認された。

ガラス管破損時の高電圧電極薄膜の自己消失効果は、高電圧電極の膜厚に影響を受けると考えられるが、過度に膜厚が小さいと高電圧電極の抵抗値が上昇し、抵抗による発熱損失を生じることになる。従来のオゾン発生装置においては、高電圧電極の抵抗値に起因する発熱損失を抑制するため、膜厚が極めて厚い導電層を高電圧電極としていた。
これに対して、本発明では、高電圧電極による発熱損失はオゾン発生に関わる放電電力の１％以内としているため、本実施の形態のようにガラス管の長さが１５００ｍｍ程度の場合、高電圧電極の長手方向の抵抗値は、同一高電圧電極内での均一給電と発熱損失を考慮して、１０００Ω以下であることが望ましい。当然のことながら、この抵抗値は、高電圧電極の長さにより変化する。
なお、本実施の形態で用いた無電解ニッケルメッキ皮膜の抵抗率は１０^−６Ω・ｍのオーダであり、バルクのニッケル（１０^−８Ω・ｍ）より２桁程度大きくなっている。

図８（ａ）は、オゾン発生装置の放電空隙長ｄと、高電圧電極における発熱損失が放電電力の１％となる高電圧電極の抵抗値との関係を示したものである。図８（ａ）において、縦軸は高電圧電極の抵抗値（Ω）、横軸は放電空隙長ｄ（ｍｍ）を示し、オゾン発生装置の放電電力密度を０．１、０．２５および０．５Ｗ／ｃｍ^２とした場合の関係を示す。動作周波数は０．３ｋＨｚである。

図８（ｂ）は、図８（ａ）と同条件における、高電圧電極の膜厚（μｍ）と放電空隙長ｄ（ｍｍ）との関係を示したものである。図８（ｂ）より、本発明におけるオゾン発生装置の動作領域においては、高電圧電極の膜厚は０．０５μｍ以上が効果的であることがわかる。つまり、放電空隙長ｄが０．６ｍｍ以下の場合、発熱損失を放電電力の１％以下とするためには、高電圧電極の膜厚は０．０５μｍ以上であればよいことがわかる。

動作周波数が０．３〜１０ｋＨｚにおいて、図７の結果と併せて、高電圧電極の膜厚を０．０５μｍ〜１．５μｍとし、ガラス管破損時の自己消失効果を確認したところ、すべての高電圧電極において自己消失効果が確実に得られることを確認した。
なお、自己消失効果の信頼性から動作周波数は低い方が好ましく、またオゾン発生装置へ印加する電圧波高値を軽減する観点から、動作周波数は０．８〜６ｋＨｚがさらに好ましい。

以上のように、無電解ニッケルメッキによる高電圧電極の膜厚は、基材であるガラス管の表面粗さと発熱損失を考慮することにより規定することができ、コストなどの兼ね合いからさらに最適化することができる。
この結果、本発明におけるオゾン発生装置の動作条件において、ガラス管の破損時に十分な高電圧電極の自己消失効果を達成するためには、高電圧電極を形成する基材の十点表面平均粗さを１５μｍ以下とし、高電圧電極の膜厚を０．０５μｍ以上とするのが良いことがわかった。

無電解メッキの他に、電解メッキ、溶射、蒸着、スパッタリングや導電性塗料塗布により高電圧電極を形成することも可能である。溶射、蒸着、スパッタリングや塗料塗布により高電圧電極を形成する場合、ガラス管の内表面の表面処理は必ずしも必要はないが、電解メッキの場合は無電解メッキと同様の表面処理を施した方が好ましい。図９に、このような方法により形成したさまざまな高電圧電極膜厚とガラス管との密着力の関係を示す。図９において、縦軸が引張試験により得られた密着力（ＭＰａ）、横軸が高電圧電極膜厚（μｍ）を示す。図９より、高電圧電極膜厚が１０μｍを超えると、密着力が上昇しているのがわかる。また、図９におけるすべての電極において、図６と同様の高電圧電極の自己消失効果の確認試験を行ったところ、すべての高電圧電極において、自己消失効果が実現されることが確認された。

一方、図示していないが、膜厚１００μｍを超えると、ガラス管との密着力が５０ＭＰａを超過し、強固な密着度を有した厚膜電極となるため、高電圧電極においては、十分な自己消失効果を得ることができず、アーク放電が持続し、短絡状態に陥った。

即ち、本発明における高電圧電極の自己消失効果は、膜厚１００μｍ以下の高電圧電極において実現できる。従って、無電解ニッケルメッキを高電圧電極とした場合と併せて考えると、自己消失効果に必要な高電圧電極膜厚は０．０５〜１００μｍとなる。
ただし、高電圧電極は自然剥離しない程度の適度な密着度さえ有していれば本発明においては問題ないため、密着度を必要以上に大きくする必要がない膜厚０．０５〜１０μｍで高電圧電極を形成するのがさらに望ましい。

ガラス管の破損部において、短絡電流を検知した高電圧電極は瞬時にアーク放電がほぼ停止するだけの沿面距離を維持して消失する。しかし、アーク放電が停止しても、高電圧電極端部から接地電極へのガラス管を介した沿面放電により、高電圧電極端部は劣化し、消失が進展する可能性がある。従って、高電圧電極端部と接地電極間の最適な沿面距離を把握する必要がある。

本発明にかかるオゾン発生装置１００では、高電圧電極２と接地電極１間の沿面距離Ｌは少なくとも１０ｍｍ必要であると考えられる。図１０に示すように、ガラス管である誘電体３に破損部１４が形成された場合、瞬時的なアーク放電による熱的影響により破損部１４の周辺およそ１０ｍｍ程度の部分が初期消失部分１５として自己消失する。かかる状態を維持し、オゾン発生を継続させると、自己消失部分は高圧電極端部からの沿面放電により、破損部１４から距離Ｌ程度の消失部分進展が確認される場合がある。距離Ｌはおよそ５〜１０ｍｍ程度であった。
しかし、消失部分の進展は高電圧電極端部に酸化物層１３が形成されることにより、自動的に停止し、消失部分の進展は停止する。この酸化物層１３は絶縁体ではなく、幅２ｍｍ程度の半導電性を有する電界緩和層として作用し、沿面放電を停止させるに至っている。
従って、高電圧電極の自己消失部分は、瞬時的なアーク放電の後、破損部１４に対する初期消失部分１５を含めて長手方向の両側へ１０ｍｍ程度の沿面距離Ｌを形成するまで、つまり自己消失範囲が２０ｍｍ程度になるまで、沿面放電により消失を継続する可能性を考えておく必要がある。

図１１、１２は、本発明にかかるオゾン発生装置１００の、高電圧給電部材の配置を示す断面図である。本発明においては、図１１に示すように、給電部材７は、接地電極１の外部で高電圧電極２と接触し、接地電極１内部には存在しないことが望ましい。図１２には給電部材７が接地電極１内部で高電圧電極２に接触されており、給電部材７の接触位置近辺でガラス管が破損し、破損部１６を形成した場合を示す。高電圧電極２の自己消失部分１７は２０ｍｍ程度になる場合が考えられるため、図１２に示した場合においては、自己消失部分１７が給電部材７接触位置にまで進展する。この場合、高電圧電極２は消失しているが、自己消失しない給電部材７から直接接地電極１へ放電経路が形成され、アーク放電が発生し、オゾン発生装置は短絡する。
従って、図１１に示すように、給電部材７は接地電極１の外部、つまり放電空間の外部で高電圧電極２と接触させることにより、高電圧電極２の自己消失を有効に行える。具体的には、接地電極１端部でガラス管の破損が発生し、破損部１６および高電圧電極の自己消失部分１７が形成された場合、給電部材７は接地電極１端部から少なくとも１０ｍｍ以上の沿面距離Ｌを有して設置することが好ましい。このように給電部材７を接触させることにより、放電空間のあらゆる位置におけるガラス管の破損を、短絡を発生させることなく検知することができる。

ここで、実際にガラス管が破損するのは、オゾン出口側（図１１の接地電極右端）であることが多い。従って、給電部材７が原料ガス入口側（図１１の接地電極左端）に設置されていれば、給電部材７が接地電極１内部で高電圧電極２に接触していても問題ない場合もある。一般的な破損部である最下流側から給電部材接触位置まで十分な距離が維持されているため、ガラス管に破損が発生しても、オゾン出口側の一部分だけが自己消失するだけで、その他の部分は正常なオゾン発生を継続する。このため、オゾン発生量はほとんど低下することなく、また短絡することもなく、オゾン発生を安全に継続することができる。

従来のオゾン発生装置では、直径が８０ｍｍ程度の誘電体（ガラス管）が使用されてきた。オゾン発生量とガラス管電極の本数は比例関係にあるため、オゾン発生量を増加させるためにはガラス管本数が増大し、ガラス管を収納するオゾン発生装置タンク径が大きくなる。このため、ガラス管の直径を小さくし、オゾン発生装置タンク内へのガラス管電極の集積度を増加させることにより、オゾン発生量を維持しながらオゾン発生装置タンク径を小さくすることができる。

しかし、ガラス管の直径を小さくした場合、高圧ヒューズを設置することは不可能である。これは、ガラス管の本数および集積度が向上したことにより、隣り合う高圧ヒューズ間の絶縁距離が維持できなくなるためである。例えば、図２に示すように、ガラス管１０３の直径をφＤ_１、隣り合うガラス管間距離をＬ_１、高圧ヒューズ１１０の直径をφＤ_２、隣り合う高圧ヒューズ間距離をＬ_２とすると、オゾン発生装置の放電面積は、ガラス管本数、放電有効長さ、ガラス管外径に比例する。同一オゾン発生装置タンク径を想定し、ガラス管１０３の直径φＤ_１を例えば１／２にすると、タンク１１１内に集積できるガラス管本数はおよそ４倍となり、放電面積は２倍となる。即ち、同じタンク径のオゾン発生装置において２倍のオゾン発生量を得ることができる。従って、ガラス管の直径を小さくすることはコンパクトなオゾン発生装置を提供する上で極めて有効である。

一方、ガラス管１本あたりに１個の高圧ヒューズを設置する場合、ガラス管の直径を小さくすると、隣り合う高圧ヒューズ間の絶縁を維持できなくなる。従来のオゾン発生装置では、例えばφＤ_１＝８０ｍｍ、Ｌ_１＝５ｍｍ、φＤ_２＝２０ｍｍであり、Ｌ_２は、Ｌ_２＝φＤ_１＋Ｌ_１−φＤ_２＝６５ｍｍとなる。ガラス管１０３が、ある位置で貫通破壊したとすると、高圧ヒューズ１１０の端子１ｂはアース電位となる。一般的なオゾン発生装置においては、印加電圧波高値が１０ｋＶ程度であるため、隣の高圧ヒューズ１１０ａの端子２ｂには高電圧が印加されており、端子１ｂと端子２ｂ間には１０ｋＶ程度の高電圧が印加される。酸素を原料とするオゾン発生装置において、ガス圧力０．１ＭＰａ（Ｇ）程度で運転する場合、１０ｋＶ程度の電圧で絶縁破壊を起こさないようにするためには絶縁距離Ｌ_２を１５ｍｍ以上設定する必要がある。この絶縁距離は、高圧ヒューズの温度上昇による絶縁性能の低下および高圧ヒューズの配置位置精度を勘案して決定する。従来例ではＬ_２＝６５ｍｍであり、絶縁を維持することができる。一方、Ｌ_２を１５ｍｍ以上確保するためには、ガラス管直径を３０ｍｍ以上とする必要がある。高圧ヒューズ直径を小さくすると更にガラス管直径を小さくできるが、高圧ヒューズの設計の観点から外径２０ｍｍが技術的な限界であった。即ち、高圧ヒューズを設置し、短絡保護を行う限り、ガラス管直径φＤ_１を３０ｍｍ以下にすることは技術的に困難であり、高圧ヒューズによる短絡保護がオゾン発生装置のコンパクト化への律速となっていた。

本発明に用いるガラス管では、高圧ヒューズを設置する必要がなく、また隣り合う高圧ヒューズ管の絶縁距離を考慮する必要がない。このことから、ガラス管の外径をφ３０ｍｍ以下に小口径化することができる。

更に、耐電圧性能と機械的強度および使用する放電空隙長精度を補償する観点から、ガラス管の外径をφ３０ｍｍ以下とし、かつ肉厚を０．５ｍｍ以上とした。このようなガラス管は、機械的、熱的強度（耐熱性）が極めて優れているため、耐電圧性能が損なわれてガラス管が破損する場合において、いわゆるバラバラになる「割れる」状態にならず、本実施の形態で示したような貫通穴状の部分的な破壊形態を示す。また、高電圧電極の自己消失直前の瞬時的なアーク放電により過大な熱ストレスが印加されても、同様に「割れ」が発生することはない。

従来の高圧ヒューズを設置したオゾン発生装置においては、ガラス管が破損した際、高圧ヒューズが溶断されるが、非破損ガラス管だけでの運転は継続できる。しかし、原料ガスにとっては、放電空間を流れるよりも破損したガラス管の内部から破損部を介して放電空間へ流れる方が圧力損失が小さく、破損したガラス管へ原料ガスが集中して流れ、他の非破損ガラス管が配置される放電空間への原料ガス流量が低下することによりオゾン発生量が低下する場合がある。

これに対して、本発明に用いたガラス管では、破損は微小な貫通穴状となるため、破損部を有したガラス管に大量の原料ガスが流入することがなく、原料ガス流の偏りに起因するオゾン発生量の低下はほとんどない。
一方、外径がφ３０ｍｍを超えると、ガラス管の外径公差が放電空隙長精度を補償できなくなることに加え、ガラス管の破損形態には「割れ」が発生する場合があり、本発明の実施には望ましくない。
しかし、このようなガラス管において、「割れ」が発生せず、貫通穴状の破損が発生した場合、高電圧電極の自己消失効果により破損部以外では正常なオゾン発生を継続することができるため、オゾン発生量の低下を抑制する効果はある。

本発明で使用する「ＤＵＲＡＮ」は、ＪＩＳ規格で示される硬質ガラス管において、１級に相当するガラス管（概ねＳｉＯ_２含有量が８０％以上、耐熱温度２５０℃）である。しかし、２級に相当するガラス管（概ねＳｉＯ_２含有量８０％以下、耐熱温度１８０℃）では機械的、熱的強度が１級に比して低下するため、上記φ３０ｍｍを超えるガラス管と同様に破損形態には「割れ」が含まれるので使用は望ましくない。硬質１級に相当するガラスとしては、ホウケイ酸ガラスの他、石英ガラス、高ケイ酸ガラスがあり、本実施の形態と同様の効果が得られる。また、ＳｉＯ_２含有量は８０％以下であるものの、軟化点が極めて高く優れた耐熱性を有するアルミノケイ酸ガラス（ＳｉＯ_２含有量は６０％以上）などを用いた場合は、本実施の形態と同様の効果が得られた。

また、高電圧電極の自己消失は、瞬間的な短絡により発生するアーク放電による入熱に起因すると考えられる。このため、入熱に対するガラス管選択の基準となる物性値として熱膨張係数（線膨張係数）が挙げられる。本実施の形態で使用した「ＤＵＲＡＮ」の熱膨張係数（２０℃〜３００℃）は３．３×１０^-６Ｋ^-１であった。熱膨張係数が異なる複数の他のガラス管において、図６と同様に模擬破損部を形成し、高電圧電極の自己消失効果の確認試験を実施した。その結果を表１に示す。

表１には各ガラス管の高電圧電極膜厚、熱膨張係数、自己消失効果の有無、および確認試験後のガラス管の状態を併せて示している。表１より、全てのガラス管において、高電圧電極の自己消失が確認でき、本実施の形態と同様の効果が得られた。しかし、熱膨張係数が９．８×１０^-６Ｋ^-１であるガラス管においては、高電圧電極の自己消失は確認できたものの、ガラス管に亀裂が発生した。さらに、熱膨張係数が１０．８×１０^-６Ｋ^-１であるガラス管に至っては「割れ」も発生している。これは、熱膨張係数が大きくなったために、瞬時的なアーク放電による入熱に対して、ガラス管がその形状を維持できず、破損したものと考えられる。

高電圧電極の自己消失が実現できてもガラス管が割れてしまうと、本発明によりオゾン発生装置が短絡することなく運転を継続することができたとしても、原料ガスの流れに不均衡が生じ、オゾン発生量が低下する可能性がある。従って、本発明において使用できるガラス管の熱膨張係数は、およそ１０×１０^-６Ｋ^-１未満であり、アーク放電による入熱により顕著な変形（「割れ」）を発生しない耐熱強度が必要である。

以上のようなガラス管には、例えば、ＳＣＨＯＴＴ社のガラス管では「ＤＵＲＡＮ」の他に「ＡＲ−Ｇｌａｓ」、「ＤＵＲＡＴＡＮ」、「ＤＵＲＯＢＡＸ」、「ＳＵＰＲＥＭＡＸ」、「ＳＵＲＰＲＡＸ」、「ＦＩＯＬＡＸ」、「ＩＬＬＡＸ」、「８２４８」、「８２５０」、「８２５２」、「８２５３」、および「８４８５」などが挙げられる。

また、本発明にかかるオゾン発生装置１００に用いられる誘電体はガラス管に限らず、表１に記載したセラミクス管ＧおよびＨのようなΦ３０ｍｍ以下、肉厚０．５ｍｍ以上、および熱膨張係数が１０×１０^-６Ｋ^-１未満のセラミクス管でもよい。ただし、セラミクス管は成形時にクラックなどが発生しやすいため、好ましくは１．０ｍｍ以上の肉厚が望ましい。このようなセラミクス管においては、本発明で示したガラス管と同様に、異常時における破損形態は貫通穴状の部分的破損となる。このようなセラミクス管に、本発明にかかる導電性薄膜を高電圧電極として設けることにより、高電圧電極の自己消失効果を実現することができた。

以上のように、本発明にかかるオゾン発生装置１００では、φ３０ｍｍ以下、肉厚０．５ｍｍ以上、ＳｉＯ_２含有量６０％以上、好ましくは８０％以上であり、その熱膨張係数が１０×１０^-６Ｋ^-１未満である硬質ガラス管を用いることにより、異常時におけるガラス管の破損形態は貫通穴状の部分的破損にとどまり、「割れ」が発生することはない。
また、かかるガラス管に高電圧電極として、膜厚０．０５〜１００μｍ、好ましくは０．０５〜１０μｍの導電性薄膜を形成し、高電圧を接地電極端部から少なくとも１０ｍｍ以上離れた位置から給電部材にて高電圧電極に給電する。ガラス管が破損した場合には、高電圧電極が短絡電流を瞬時に検知し、顕著なアーク放電を停止できるだけの沿面距離を確保しながら自己消失する。このため、高圧ヒューズなどの高価な保護装置を用いることなく、オゾン発生装置を短絡させず、破損部のみ選択的に放電を停止することができる。なお、φ３０ｍｍ以下、肉厚０．５ｍｍ以上であり、その熱膨張係数が１０×１０^-６Ｋ^-１未満であるセラミクス管においてもガラス管と同様の効果が得られた。

更に、従来の高圧ヒューズを用いたオゾン発生装置のように、破損部を有したガラス管全体を駆動電源から完全に切断するのではなく、破損部のみの放電を停止することから、オゾン発生量の低下がほとんどなく、非破損部のみでの安全な運転を継続することができる。

加えて、高圧ヒューズを用いないことにより、コスト削減および高圧ヒューズによるエネルギー損失の緩和ができる上に、小口径のガラス管を使用できることから、オゾン発生装置のコンパクト化も可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、ガラス管が破損した場合、破損部周辺の高電圧電極が剥離、蒸発、または昇華などにより自己消失することにより、高圧ヒューズを用いることなく短絡保護動作を実現できた。しかしながら、図１３に示すような場合、つまり破損部１８の周囲の高電圧電極が消失する代わりに酸化することによっても、実施の形態１と同様の短絡保護動作を実現できることが確認できた。

図１３は、本実施の形態２にかかるオゾン発生装置の部分断面図である。図１と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。高電圧電極２は実施の形態１と同様に形成された導電性薄膜であり、ガラス管３が破損部１８において貫通破壊を発生した状態を示す。この場合、破損部１８では、高電圧電極２は剥離、蒸発、または昇華などせず、酸化層１９としてガラス管３内表面上に残存している。

しかし、この酸化層１９は電気抵抗値が他の高電圧電極に比べて極めて高く、また完全な絶縁性ではなく半導電性のため電界緩和作用を有する。このため、破損部１８を介して接地電極１と高電圧電極２との間に発生するアーク放電を抑止する効果がある。
従って、破損部１８周囲の酸化層１９のみにおいて高電圧の給電が選択的に停止され、実施の形態１と同様の効果が得られる。

なお、ガラス管の破損時に高電圧電極が消失するか、または酸化層として残存するかは、オゾン発生装置の容量（駆動電源の容量）や短絡電流の大きさに起因すると考えられる。アーク放電による熱的影響が比較的少ない場合や、高電圧電極の材質によっては高電圧電極が消失せず、酸化層として残存し、短絡することなく、オゾン発生量の低下がほとんどない状態で非破損部のみでのオゾン発生を継続することができる。その結果、高価な高圧ヒューズを用いることなく、ガラス管の破損による短絡保護動作を高電圧電極自身が行うことができる。このため、高圧ヒューズを用いないことにより、コストの削減や高圧ヒューズによるエネルギー損失の緩和が可能となるとともに、小口径のガラス管を使用できることから、オゾン発生装置のコンパクト化も可能となる。

実施の形態３．
小容量または中容量のオゾン発生装置、つまりオゾン発生量が１０ｋｇ／ｈ程度以下のオゾン発生装置においては、ガラス管が破損した場合、高電圧電極の自己消失領域は実施の形態１に示したように極めて小さい。

しかし、例えばオゾン発生量が４０ｋｇ／ｈ程度の大容量オゾン発生装置において、実施の形態１で示したような導電性薄膜を高電圧電極として形成し、ガラス管に破損が発生した場合、図１４に示すように、給電部材７と高電圧電極２の接触位置からガラス管３の貫通穴状の初期破損部２０までのすべての高電圧電極がアーク放電による熱的影響により自己消失する場合がある（自己消失部分２１）。

また、瞬時的に流れる短絡電流が１００Ａ程度以上となる場合、破損部を介して給電部材７と接地電極１との間にアーク放電が持続的に発生し、最終的に給電部材７端部と接地電極１との間における顕著なアーク放電による入熱により、ガラス管３にさらに貫通穴状の破損を発生する場合がある（最終破損部２２）。ただし、図１４において、給電部材７は接地電極１の内部において高電圧電極２と接触させていた。

図１５は、４０ｋｇ／ｈクラスの大容量オゾン発生装置において、ガラス管に上記破損が発生した場合の、駆動電源の出力電圧および出力電流波形を示す。時間ｔ＝０ｍｓがガラス管に初期破損部２０が形成された瞬間を示す。
図１５より、ガラス管に破損が発生した瞬間、出力電圧が８ｋＶから４ｋＶ程度に低下し、出力電流は３００Ａから１５０Ａ程度に低下することがわかる。
次に、ｔ＝５０ｍｓにおいて、出力電圧は４ｋＶから２ｋＶ程度にさらに低下するが、出力電流は１５０Ａ程度を維持している。
更に、ｔ＝３５０ｍｓ程度になると、出力電圧はほぼ０ｋＶとなり、出力電流は１５０Ａから２００Ａ程度に増加する。

つまり、ガラス管に破損が発生した瞬間から５０ｍｓまでの間は、高電圧電極２が自己消失し、自己消失部分２１を形成する時間であり、この間にガラス管３内部のガス温度が次第に上昇し始めることを示している。ｔ＝５０ｍｓにおいては、持続的なアーク放電が発生し、電気回路上のインピーダンスが低下するため、５０ｍｓを超えた時間帯では出力電圧が低下し、ｔ＝３５０ｍｓにおいて、最終破損部２２が形成され、完全に電気的に短絡している。

このような大容量オゾン発生装置に、実施の形態１で示した高電圧電極を用いる場合、図１６に示す制御装置を用いて、図１７に示すタイミングチャートによりオゾン発生装置および駆動電源を制御すれば良い。即ち、かかる制御方式を用いることにより、ガラス管が破損した場合でも、上述のような最終破損部を形成せず、オゾン発生設備を停止する必要はない。

具体的には、図１６に示す制御装置で駆動電源の出力電圧および出力電流を監視し、正常運転時（ガラス管の破損がない場合）における出力電圧および出力電流値と比較検出する。正常運転時の出力電圧および出力電流値との差異が増大した場合、運転停止指令を電源回路に発令し、駆動電源を停止させる。

図１７に示すタイムチャートでは、時間ｔ＝０ｍｓにおいて初期破損部が形成され、ｔ＝２０ｍｓの時点で出力電圧および出力電流が正常時と異なることを検知し、運転停止指令を発令する。電源回路においては、Ｔｄ＝１００ｍｓの時間遅れの後出力電圧がゼロとなる。ｔ＝１２０ｍｓの時点では、破損したガラス管においてはアーク放電が発生しているが、アークの持続時間が長くないため、ガラス管の温度上昇は少なく、更なる破損を引き起こす程度ではない。アーク放電によるプラズマが消滅する時間は約０．５ｓ程度であるため、１ｓ後に制御回路から再度運転指令を発令し、オゾン発生装置に電圧を印加する。この時点では、アークプラズマは消滅しているため、正常に電圧を印加することが可能となり、オゾン発生装置の運転を再開することができる。

このような制御方式を用いることにより、短時間だけオゾン発生を停止するだけで、ガラス管の交換などを行うことなくオゾン発生を再開できる。短時間の停止は、大容量のオゾン発生装置が使用されるプラント設備においては、実用上全く問題とはならない。

また、時間１ｓ後にオゾン発生装置に電圧を印加したにもかかわらず、再度出力電圧が低下する場合は、再度運転を停止し、オゾン発生装置を停止する。または、停止時間を１０ｓ程度とし、再度電圧を印加してもよい。アークプラズマの消滅時間が長い場合には、このように１０ｓ程度の停止時間を設けることにより絶縁を回復することができる。１０ｓの停止時間を設けても、まだ出力電圧が低下する場合は何らかの異常が発生したものとしてオゾン発生装置を停止する必要がある。

ここでは、駆動電源の出力電圧および出力電流を監視することにより、確実にガラス管の破損を検出する例を示したが、出力電圧のみ、または出力電流のみの監視による制御方式においても同様の効果を発揮し、制御装置の構成を簡易かつ低コストに実現できる。更には、出力電圧および出力電流値から演算器を介して出力電力を監視する制御方式としても同様の効果を得ることができる。

このような制御が万一失敗し、ガラス管が破損した場合でも、実施の形態１に示したように、給電部材と高電圧電極の接触位置を接地電極外部に設けることにより、給電部材と接地電極が短絡することはない。アークプラズマが消滅すれば、給電部材と接地電極との間の絶縁性能が回復するので再度高電圧を給電部材に印加することができる。

実施の形態１で示したガラス管および高電圧電極にこのような制御方式を用いることにより、短絡電流が１００Ａ程度以上になる大容量オゾン発生装置において、高圧ヒューズを用いることなく、確実にガラス管の破損を検知でき、大容量オゾン発生装置が使用されるプラント全体を停止する必要がなく、極めて短い時間のみオゾン発生を停止するだけで再度安全にオゾン発生を継続することができる。
また、高圧ヒューズを用いないことにより、コスト削減および高圧ヒューズによるエネルギー損失を緩和できる上に、小口径のガラス管を使用できることから、オゾン発生装置のコンパクト化も可能となる。

実施の形態４．
小容量または中容量のオゾン発生装置においても、投入電力密度が例えば０．５Ｗ／ｃｍ^２程度以上と単位放電面積あたりの投入電力が大きくなる場合、実施の形態１で示したような高電圧電極を用いると、実施の形態３と同様に広範囲な自己消失が発生する場合がある。

図１８に示すように、実施の形態１で示したような導電性薄膜を高電圧電極として形成し、投入電力密度を０．５Ｗ／ｃｍ^２程度以上とした場合、給電部材７を接地電極１の端部から少なくとも１０ｍｍ以上離れた位置で高電圧電極２と接触させれば、ガラス管に破損が発生しても実施の形態１と同様の効果が得られる。
しかし、場合によっては、実施の形態３と同様に給電部材７と高電圧電極２の接触位置からガラス管３の貫通穴状の破損部２０までのすべての高電圧電極がアーク放電による熱的影響により自己消失する（自己消失部分２１は点線で表示）。
従って、投入電力密度が大きくなる場合は、実施の形態３で示した制御方法を用い、自己消失部分が給電部材７に到達する前にオゾン発生を停止し、アークを消滅させた後に再起動するのが好ましい。

実施の形態１で示したガラス管および高電圧電極を用いたオゾン発生装置において、投入電力密度が例えば０．５Ｗ／ｃｍ^２程度以上となる場合は、実施の形態３で示した制御方法を用いることにより、高圧ヒューズを用いることなく、確実にガラス管の破損を検知できる。
この結果、オゾン発生装置が使用されるプラント全体を停止させる必要がなくなり、極めて短い時間のみオゾン発生を停止するだけで再度安全にオゾン発生を継続することができる。
また、高圧ヒューズを用いないことにより、コスト削減および高圧ヒューズによるエネルギー損失を緩和できることに加えて、小口径のガラス管を使用できることから、オゾン発生装置のコンパクト化も可能となる。

実施の形態５．
図１９は、実施の形態１で示したオゾン発生装置１００の接地電極１の上に誘電体２３を設けた構造であり、図１９中、図１と同一符合は同一又は相当箇所を示す。
誘電体２３は、ステンレス管からなる接地電極１の内表面にガラスライニングやホウロウ、セラミクス溶射などにより形成することができる。また、誘電体３と同種異径のガラス管を誘電体２３として接地電極１に接合しても良い。

このような構造でも、実施の形態１で示したオゾン発生装置１００と同様に、ガラス管が破損した場合、破損部周辺の高電圧電極が剥離、蒸発、または昇華などにより自己消失または酸化し、アーク放電を自己抑止する。これにより、高圧ヒューズを用いることなく、また短絡することなく、オゾン発生量の低下がほとんどない状態で非破損部のみでのオゾン発生を継続することができる。この結果、高圧ヒューズを用いないことによるコスト削減および高圧ヒューズによるエネルギー損失の緩和が可能となるとともに、小口径のガラス管を使用できることから、オゾン発生装置のコンパクト化も可能となる。

実施の形態６．
図２０は、実施の形態１で示したオゾン発生装置１００の接地電極１を、誘電体２４の内表面に設けた構造であり、図２０中、図１と同一符合は同一又は相当箇所を示す。
誘電体２４にはガラス管やセラミクス管を用いることができる。また、接地電極１には高電圧電極２と同様に無電解ニッケルメッキなどを用い、誘電体２４の内表面に膜厚０．０５〜１００μｍとなる接地電極１を形成すればよい。

かかる構造を用いることにより、上述の自己消失効果が、接地電極１にも付与される。即ち、誘電体２４が破損した場合、破損部周辺の接地電極１が剥離、蒸発、または昇華などにより自己消失または酸化し、アーク放電を自己抑止する。このため、短絡検知の高速化および破損部の電気的切断の信頼性向上につながる。

かかる構造を用いることにより、ガラス管が破損した場合、破損部周辺の接地電極も蒸発、昇華により自己消失または酸化によりアーク放電を抑止する。これにより、高圧ヒューズを用いることなく、また短絡することなく、オゾン発生量の低下がほとんどない状態で非破損部のみでのオゾン発生を継続することができる。この結果、高圧ヒューズを用いないことによるコスト削減および高圧ヒューズによるエネルギー損失を緩和できるとともに、小口径のガラス管を使用できることから、オゾン発生装置のコンパクト化も可能となる。

実施の形態７．
本発明にかかる構造は、実施の形態１で示した円筒多管式オゾン発生装置だけでなく、平行平板型オゾン発生装置にも適用できる。
図２１、２２は、全体が２００で表される、本実施の形態７にかかる平行平板型オゾン発生装置の断面図である。

平行平板型オゾン発生装置２００は、接地電極１と、接地電極１に対向配置された高電圧電極２を含む。高電圧電極２の表面には誘電体３が設けられ、接地電極１と誘電体３との間に放電空間４が形成される。接地電極１と高電圧電極２との間には高周波電源６が接続されている。例えば、平板状電極を円板とした場合、高電圧の給電は、実施の形態１と同様に、接地電極１の外径φ_１の外側の給電箇所２５、または図２１に示すように接地電極１の内径φ_２の内側の給電箇所２６により行われるのが好ましい。

図２１、２２中、矢印はガスの流れる方向であり、電極外周部から電極中央部に向かって流れる。図２１、２２において、当然ながら、給電箇所２５、２６は高電圧電極２の端部から沿面距離Ｌを有する必要がある。

このような構造では、誘電体３が破損した場合、破損部周辺の高電圧電極２が剥離、蒸発、または昇華などにより自己消失または酸化により、アーク放電を抑止する。これにより、高圧ヒューズを用いることなく、また短絡することなく、オゾン発生量の低下がほとんどない状態で非破損部のみでのオゾン発生を継続することができる。この結果、高圧ヒューズを用いないことによるコスト削減および高圧ヒューズによるエネルギー損失の緩和が可能となる。

実施の形態８．
図１に示したオゾン発生装置１００の高電圧電極２が、ステンレス、クロム、金、銀、錫、亜鉛、銅、カーボン、アルミニウムのいずれかを主成分とする場合や、実施の形態１、２で述べたニッケルやニッケルを主成分として含有する導電性化合物からなる場合も、実施の形態１、２で述べた現象を確認することができる。即ち、ガラス管が破損した場合、破損部周辺の高電圧電極が剥離、蒸発、または昇華などにより自己消失または酸化し、アーク放電を自己抑止する。これにより、高圧ヒューズを用いることなく、また短絡することなく、オゾン発生量の低下がほとんどない状態で非破損部のみでのオゾン発生を継続することができる。

ステンレス、クロム、金、銀、錫、亜鉛、銅、アルミニウムは、無電解または電解メッキ皮膜、溶射皮膜、蒸着皮膜、スパッタリング皮膜、塗料塗布として形成するものとして、実施の形態１と同様にガラス管内表面上に形成した場合に確認できた。カーボンは、例えばカーボン超微粒子からなるカーボンスラリーをガラス管内表面上に塗布すれば良い。上記いずれかを含有する導電性化合物も同様に無電解または電解メッキ皮膜、溶射皮膜、蒸着、スパッタリング、塗料として形成することができる。

実施の形態９．
本発明にかかるオゾン発生装置の高電圧電極表面温度は、放電空隙長ｄが０．６ｍｍ、放電電力密度０．５Ｗ／ｃｍ^２の動作条件において、およそ１００℃程度である。ガラス管が破損した場合、瞬時のアーク放電によりさらに温度が急上昇する。このため、融点が１５０〜２００℃程度の金属を高電圧電極に使用した場合、高電圧電極の膜厚にかかわらず、ガラス管破損時に高電圧電極を自己消失させることができる。

このように、温度が急上昇した破損部において、高電圧電極が融解し、ガラス管内表面上に存在できなくなり、選択的に破損部のみ高電圧が給電されなくなる。このため、高圧ヒューズを用いることなく、また短絡することなく非破損部で安全にオゾン発生を継続することができる。

高電圧電極の材料としては、インジウム、リチウムなどの金属が適している。オゾン発生装置の動作条件が変更され、高電圧電極表面温度の最大値が変化する場合は、その最大値に応じた融点を有する金属を電極材料として選択すれば良い。

実施の形態１０．
本実施の形態１０は、本発明の無声放電をレーザ発振器に適用したものである。
図２３の（ａ）〜（ｃ）は、全体が３０１〜３０３で表される、本実施の形態１０にかかる無声放電式ＣＯ_２レーザ発振器の電極構造の断面図である。

（ａ）のレーザ発振器３０１では、円筒状の接地電極１と、誘電体３の内周面に形成された高電圧電極２とが、各々絶縁体２８中に設置され、放電空間４を形成する。高電圧電極２は実施の形態１で示したものと同様の導電性薄膜である。接地電極１の内部には冷却水通路５が形成され、その外周には誘電体２７が設置されている。放電空間４には二酸化炭素を含有するレーザガスが導入され、レーザ発振が行われる。

実施の形態１と同様の高電圧電極２を形成することにより、誘電体が破損した場合、破損部周辺の高電圧電極が短絡電流を瞬時に検知し、高電圧電極２が自己消失または酸化するため、破損部周辺のみ給電を選択的に停止することができる。これにより、高圧ヒューズを用いることなく、また短絡することなく、非破損部のみでのレーザ発振を継続することができる。この結果、高圧ヒューズを用いないことによるコスト削減、および高圧ヒューズによるエネルギー損失の緩和が可能となる。

（ｂ）のレーザ発振器３０２では、誘電体３の内周面に高電圧電極２が形成され、更にその内部に絶縁体２９と冷却水通路５とが設けられている。冷却水は、純水やイオン交換水の他に一般水道水でもよい。絶縁体２９は冷却水による電気的導通を絶縁するものであり、また、異常時に蒸発、昇華により自己消失する高電圧電極２を吸着する吸着剤としても作用する。従って、絶縁体２９には、絶縁性を有し、かつ比較的多孔質、つまり表面積が大きい材質を選定するのが好ましい。高電圧電極２が酸化して、破損部周辺の給電を選択的に停止する場合、絶縁体２９は冷却水の絶縁のみに機能する。

（ｃ）のレーザ発振器３０３では、誘電体３０を平板状に配置するとともに、冷却水通路５を有した接地電極１と、冷却水通路５と絶縁体２９の外周面に形成された高電圧電極２とを配置したものである。かかる構造においても、レーザ発信器３０１、３０２と同様の効果が得られた。

また、レーザ発信器３０１〜３０３のいずれの構造においても、高電圧側の給電箇所は放電空間に面しない部分に設置されているため、高電圧電極２の自己消失効果がより大きくなる。

実施の形態１１．
本実施の形態１１は、本発明の無声放電を有害ガス分解装置に適用したものである。
図２４は、全体が４００で表される希薄有害ガス分解装置の電極構造であり、（ａ）に横断面図、（ｂ）に縦断面図を示す。

ここで有害ガスとは、トルエン、キシレンなどに代表されるＶＯＣ(Volatile Organic Compounds)ガスやフロン、ＰＦＣ(Perfluoro Comounds)などを示す。

有害ガス分解装置４００では、接地電極１、高電圧電極２と、誘電体３とで形成される放電空間４内に吸着剤３１が充填される。また、高電圧電極２内には絶縁体３２を介して冷却水通路５を有する金属管３３が配置される。高電圧電極２は実施の形態１で示した導電性薄膜により形成されている。放電空間４に導入された有害ガスはプラズマで分解されながら同時に吸着剤により吸着除去される。このため、極めて高効率に有害ガスを除害することができる。

有害ガス分解装置４００では、誘電体が破損した場合、破損部周辺の高電圧電極が短絡電流を瞬時に検知し、自己消失または酸化するため、破損部周辺のみ給電を選択的に停止することができる。これにより、高圧ヒューズを用いることなく、また短絡することなく、非破損部のみでの有害ガス分解を継続することができる。この結果、高圧ヒューズを用いないことによるコスト削減および高圧ヒューズによるエネルギー損失の緩和ができるとともに、小口径の誘電体を使用できることから、有害ガス分解装置のコンパクト化が可能となる
なお、実施の形態１０と同様に、異常時に蒸発、昇華により自己消失する高電圧電極２を吸着できるように、絶縁体３２には比較的多孔質な材料を選択するのが好ましい。

実施の形態１２．
本実施の形態１２は、本発明の無声放電を、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)装置やＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置などの半導体製造プロセス装置に適用するものである。図２５は、本発明を適用したＣＶＤ装置の断面図であり、図２６は、本発明を適用したＲＩＥ装置の断面図である。図２５、２６中、図１と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。

例えば、図２５に示すＣＶＤ装置や、図２６に示すＲＩＥ装置では、誘電体３が破損した場合、破損部周辺の高電圧電極が短絡電流を瞬時に検知し、自己消失または酸化するため、破損部周辺のみ給電を選択的に停止することができる。このため、高圧ヒューズを用いることなく、また短絡することなく、非破損部のみでのＲＩＥおよびＣＶＤプロセスを継続することができる。この結果、コスト削減やエネルギー損失の緩和が可能となるとともに、半導体製造装置の停止および大気開放が不要となる。

なお、高電圧側の給電位置は、実施の形態７で示したように接地電極の内側の非放電部であるのが好ましい。また、図２５中に示した矢印は、ガスの流れる方向を示しており、処理するウエハは接地電極１の上に配置される。

また、図２６では、図２５とはガスの流れる方向が異なり、多数の小孔が形成された絶縁性シャワーヘッド３５から原料ガスが導入される。この構造では、接地電極１に実施の形態１で示した導電性薄膜を用いた。処理するウエハは高電圧電極２上に形成された誘電体３上に配置される。絶縁体３６は放電を抑制するガード部である。当然ながら、高電圧電極２とプラズマリアクタ容器３４は絶縁されている。このような構造においても、図２５のＣＶＤ装置と同様の効果が得られた。

本発明の実施の形態１にかかるオゾン発生装置の断面図である。 従来のオゾン発生装置の断面図である。 従来のオゾン発生装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他のオゾン発生装置の断面図である。 模擬破損部の外観写真である。 模擬破損部の外観写真である。 本発明の実施の形態１にかかるオゾン発生装置の、ガラス管内表面の十点平均表面粗さＲｚと高電圧電極の膜厚との関係である。 本発明の実施の形態１にかかるオゾン発生装置の、放電空隙長ｄと、抵抗値、膜厚との関係である。 本発明の実施の形態１にかかるオゾン発生装置の、膜厚と密着力との関係である。 本発明の実施の形態１にかかるオゾン発生装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態１にかかるオゾン発生装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態１にかかるオゾン発生装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態２にかかるオゾン発生装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態３にかかるオゾン発生装置の部分断面図である。 ガラス管に破損が発生した場合の、駆動電源の出力電圧および出力電流波形である。 本発明の実施の形態３で用いる制御装置である。 本発明の実施の形態３で用いるタイミングチャートである。 本発明の実施の形態４にかかるオゾン発生装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態５にかかるオゾン発生装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態６にかかるオゾン発生装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態７にかかるオゾン発生装置の断面図である。 本発明の実施の形態７にかかるオゾン発生装置の断面図である。 本発明の実施の形態１０にかかるレーザ発振器の断面図である。 本発明の実施の形態１１にかかる有害ガス分解装置の断面図である。 本発明の実施の形態１２にかかる半導体製造装置の断面図である。 本発明の実施の形態１２にかかる半導体製造装置の断面図である。

符号の説明

１ 接地電極、２ 高電圧電極、３ 誘電体、４ 放電空間、５ 冷却水通路、６ 駆動電源、７ 給電部材、８ 端板、９ 端板、１００ オゾン発生装置。

Claims (10)

1. 誘電体と、該誘電体を挟んで対向配置された１組の電極と、該電極間に交流電圧を印加して放電させる交流電源とを含み、該放電を発生させる放電空間にガスを供給してプラズマを形成する無声放電式プラズマ発生装置であって、
   該電極の少なくとも一方が、該誘電体の上に形成された導電性の給電薄膜からなり、該誘電体が破損して該電極間にアーク放電が発生した場合に、該アーク放電が発生した部分の該給電薄膜を消滅させて、該アーク放電の発生を停止させることを特徴とする無声放電式プラズマ発生装置。
2. 誘電体と、該誘電体を挟んで対向配置された１組の電極と、該電極間に交流電圧を印加して放電させる交流電源とを含み、該放電を発生させる放電空間にガスを供給してプラズマを形成する無声放電式プラズマ発生装置であって、
   該電極の少なくとも一方が、該誘電体の上に形成された導電性の給電薄膜からなり、該誘電体が破損して該電極間にアーク放電が発生した場合に、該アーク放電が発生した部分の該給電薄膜を酸化させて電気抵抗を増大させ、該アーク放電の発生を停止させることを特徴とする無声放電式プラズマ発生装置。
3. 上記給電薄膜が、略０．０５〜略１００μｍの膜厚を有する導電性薄膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の無声放電式プラズマ発生装置。
4. 上記誘電体の熱膨張係数が、１×１０^−５Ｋ^-１未満であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の無声放電式プラズマ発生装置。
5. 上記給電薄膜が形成される上記誘電体の表面が、略１５μｍ以下の十点平均表面粗さであることを特徴とする請求１または２に記載の無声放電式プラズマ発生装置。
6. 上記給電薄膜が、ステンレス、クロム、金、銀、錫、亜鉛、ニッケル、カーボン、銅、およびアルミニウムからなる材料の群から選択される少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の無声放電式プラズマ発生装置。
7. 上記給電薄膜が、無電解メッキまたは電解メッキにより形成されたメッキ膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の無声放電式プラズマ発生装置。
8. 上記交流電源が、上記給電薄膜に対向して配置される電極の端部から、少なくとも略１０ｍｍの沿面距離を有して、上記放電空間の外部で該給電薄膜に接続されたことを特徴とする請求項１または２に記載の無声放電式プラズマ発生装置。
9. 上記誘電体が、外径が略３０ｍｍ以下で、かつ厚さが０．５ｍｍ以上のガラス管であることを特徴とする請求項１または２に記載の無声放電式プラズマ発生装置。
10. 上記交流電源の出力電圧と出力電流の少なくとも一方を監視し、上記誘電体が破損して上記電極間にアーク放電が発生した場合に、該交流電源を少なくとも０．５秒間停止させて該アーク放電の発生を停止させる制御回路を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の無声放電式プラズマ発生装置。
    

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