WO2014024510A1 - オゾン発生装置 - Google Patents

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WO2014024510A1
WO2014024510A1 PCT/JP2013/057285 JP2013057285W WO2014024510A1 WO 2014024510 A1 WO2014024510 A1 WO 2014024510A1 JP 2013057285 W JP2013057285 W JP 2013057285W WO 2014024510 A1 WO2014024510 A1 WO 2014024510A1
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electrode
protrusion
metal electrode
dielectric
protrusions
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高橋　良一
隆昭 村田
納田　和彦
貴恵 久保
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株式会社東芝
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    • C01B13/11—Preparation of ozone by electric discharge
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C01B2201/30—Dielectrics used in the electrical dischargers
    • C01B2201/32—Constructional details of the dielectrics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T23/00—Apparatus for generating ions to be introduced into non-enclosed gases, e.g. into the atmosphere

Definitions

  • Embodiment of this invention is related with an ozone generator.
  • a general ozone generator includes a dielectric electrode and a metal electrode arranged in an airtight container.
  • a spacer for forming a discharge gap is inserted between the dielectric electrode and the metal electrode.
  • a conductive film is provided on the inner surface of the dielectric electrode.
  • the source gas introduced into the hermetic container from the gas inlet flows through a discharge gap formed between the dielectric electrode and the metal electrode.
  • the source gas that has flowed through the discharge gap flows out from the gas outlet.
  • an alternating high voltage is applied between the dielectric electrode and the metal electrode from a high voltage power source via a fuse and a high voltage power supply terminal.
  • a dielectric barrier discharge is formed in the discharge gap and ozone is generated.
  • the dielectric barrier discharge is sometimes simply referred to as barrier discharge or silent discharge.
  • the heat generated by the dielectric barrier discharge is cooled by the cooling water supplied into the cooling water flow path formed by the metal electrode and the airtight container. Thereby, the gas temperature rise of the discharge gap was suppressed and ozone was to be obtained efficiently.
  • the discharge gap length d is 0.6 mm to 1.3 mm.
  • the gas pressure p of air as the raw material gas was set to 0.17 to 0.28 MPa (absolute pressure).
  • the product of the gas pressure p of the source gas and the discharge gap length d is generally called a pd product.
  • the discharge similarity law is established. This is because the pd product represents the number of gas molecules in the discharge gap.
  • the discharge gap length d used so far was in the region of 0.6 mm or more as described above.
  • the optimum value for the ozone yield of the pd product is a constant value near 20 kPa ⁇ cm. For this reason, it was difficult to further improve the ozone yield.
  • the discharge gap length d it is conceivable to set the discharge gap length d to an optimum value of less than 0.6 mm in order to improve the ozone yield.
  • a stainless steel sheet metal spacer (sheet metal spacer) has been used to form a discharge gap.
  • strength viewpoint will be about 0.2 mm.
  • the discharge gap length is set to 0.4 mm, substantially all the space is filled and it is difficult to use.
  • a dielectric electrode is inserted into the sheet metal spacer, but it can be inserted only at two locations on both ends due to the structure.
  • the metal electrode for example, stainless steel tube
  • the dielectric electrode discharge tube
  • the discharge gap length d does not become a desired value in the central portion where the sheet metal spacer cannot be inserted, and as a result, the ozone generation efficiency (g / kWh) is lower than the theoretical value.
  • an object of the present invention is to provide an ozone generator capable of achieving a higher ozone yield by maintaining the discharge gap length constant in the longitudinal direction even when the discharge gap length is less than 0.6 mm. There is to do.
  • the ozone generator of the embodiment has a cylindrical low voltage electrode coaxially arranged with respect to a cylindrical high voltage electrode, and discharges by applying a predetermined high voltage via a dielectric between the high voltage electrode and the low voltage electrode. And ozone is generated by electric discharge.
  • the discharge gap length d is set to 0.3 mm to 0.5 mm.
  • either the low voltage electrode or the high voltage electrode is formed as a metal electrode, and the other is formed as a dielectric electrode.
  • a projection group having a plurality of projections for holding the metal electrode coaxially while maintaining the discharge gap length with respect to the dielectric electrode is provided on the inner peripheral surface of the metal electrode facing the dielectric electrode.
  • FIG. 1 is an outline composition sectional view of an ozone generator of an embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of the principle of ozone generation in the ozone generator of the embodiment.
  • FIG. 3A is a processing dimension diagram of the dielectric electrode.
  • FIG. 3B is a processing dimension diagram of the metal electrode on which the protrusion is formed.
  • 3C is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3B.
  • FIG. 3D is an explanatory diagram of a state in which a dielectric electrode is inserted into the metal electrode.
  • FIG. 4A is a diagram for explaining the principle of protrusion formation (part 1).
  • FIG. 4B is a diagram for explaining the principle of protrusion formation (part 2).
  • FIG. 4A is a diagram for explaining the principle of protrusion formation (part 2).
  • FIG. 5A is an explanatory diagram (part 1) of a study model for optimizing the arrangement position of each protrusion group in the longitudinal direction of the metal electrode.
  • FIG. 5B is an explanatory diagram (part 2) of a study model in optimizing the arrangement position of each protrusion group in the longitudinal direction of the metal electrode.
  • FIG. 6A is an explanatory diagram of a state in which one peak of a dielectric electrode and a metal electrode is bent.
  • FIG. 6B is an explanatory diagram of a state where the crests of the dielectric electrode and the metal electrode are bent by two or more.
  • FIG. 7A is an explanatory diagram of the state of the metal electrode before insertion of the dielectric electrode.
  • FIG. 7B is an explanatory diagram of the state of the discharge gap when the dielectric electrode is inserted into the metal electrode when the metal electrode is bent.
  • FIG. 8A is an overall view of the finite element method model.
  • FIG. 8B is an enlarged view of the end of the finite element method model.
  • FIG. 8C is a cross-sectional explanatory diagram of the finite element method model.
  • FIG. 9A is an explanatory diagram of a point-plane contact element model when a protrusion is in contact with a dielectric electrode (at the time of contact).
  • FIG. 9B is an explanatory diagram of a point-plane contact element model when the protrusion is not in contact with the dielectric electrode (when not in contact).
  • FIG. 9A is an explanatory diagram of a point-plane contact element model when a protrusion is in contact with a dielectric electrode (at the time of contact).
  • FIG. 9B is an explanatory diagram of a point-plane contact element model when
  • FIG. 10A is a partially broken enlarged perspective view of a finite element method model.
  • FIG. 10B is an explanatory diagram of the arrangement of point-plane contact elements.
  • FIG. 10C is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 10B.
  • 10D is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 10B.
  • 10E is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 10B.
  • FIG. 11A is an explanatory diagram (part 1) of an analysis state using a finite element method model.
  • FIG. 11B is an explanatory diagram (part 2) of the analysis state using the finite element method model.
  • FIG. 11C is an explanatory diagram (part 3) of the analysis state using the finite element method model.
  • FIG. 11A is an explanatory diagram (part 1) of an analysis state using a finite element method model.
  • FIG. 11B is an explanatory diagram (part 2) of the analysis state using the finite element method
  • FIG. 12A is an explanatory diagram of the displacement amount of the metal electrode 18 in the Y direction.
  • FIG. 12B is an explanatory diagram of the amount of displacement in the Y direction of the dielectric electrode 17.
  • FIG. 13 is a partial cross-sectional perspective view of the finite element method model.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram of the deviation amount.
  • Figure 15 is an explanatory view of a relationship between the length L 3 and the maximum deviation amount.
  • Figure 16 is an explanatory view of a relationship between the length L 3 and the maximum deviation amount in the case where the metal electrode is bent to a sine curve shape.
  • FIG. 17A is an explanatory diagram of the state of the metal electrode before insertion of the dielectric electrode.
  • FIG. 17B is an explanatory diagram of the state of the dielectric electrode before insertion.
  • FIG. 17C is an explanatory diagram (part 1) of a problem of friction when a dielectric electrode is inserted due to bending of a metal electrode.
  • FIG. 17D is an explanatory diagram (part 2) of the problem of friction when a dielectric electrode is inserted due to bending of a metal electrode.
  • FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the discharge gap and the ozone yield.
  • FIG. 19 is a diagram showing a total value (N) of reaction forces generated in the protrusion 31 when the discharge gap length d is changed.
  • FIG. N total value
  • FIG. 20 is an explanatory diagram of the relationship between the height of the protrusion and the number of protrusions in contact with the dielectric electrode (number of contact points).
  • FIG. 21 is an explanatory diagram of the contact state of the protrusions when the height of the protrusions is 0.39 mm.
  • FIG. 23B is an explanatory diagram of an actual state of the contact state when the height of the protrusion is 0.41 mm.
  • FIG. 21 is an explanatory diagram of the contact state of the protrusions when the height of the protrusions is 0.39 mm.
  • FIG. 23A is an explan
  • FIG. 26 is an explanatory diagram of the average value of the number of protrusions and the total reaction force.
  • FIG. 28 is a diagram for examining the coaxiality between the dielectric electrode and the metal electrode.
  • FIG. 29 is a diagram for explaining the relationship between the number of protrusions and the degree to which the minimum gap is smaller than the protrusion height.
  • FIG. 30A is a partially broken perspective view in the vicinity of a metal electrode protrusion group forming portion for explaining a more specific protrusion shape.
  • 30B is an enlarged cross-sectional view taken along the direction A in FIG. 30A.
  • FIG. 31 is an explanatory diagram of a modification of the embodiment.
  • Drawing 1 is an outline composition sectional view of an ozone generator of an embodiment.
  • the ozone generator 10 of the embodiment is configured as a dielectric barrier discharge type ozone generator.
  • the ozone generator 10 is roughly divided into an ozone generator main body 11, a storage container 12 that stores the ozone generator main body 11 in an airtight state, and an ozone generator main body 11 in the storage container 12 via a high-pressure insulator 13.
  • a high-voltage power source (high-voltage AC power source) 14 for supplying ozone generation power.
  • the ozone generator main body 11 in the storage container 12 includes a plurality of dielectric electrodes 17 to which power for generating ozone is supplied via a connection plate 15 and a fuse 16 electrically connected to the high-voltage insulator 13, and a dielectric electrode.
  • a cylindrical and stainless steel metal electrode 18 is disposed facing each of the outer peripheral surfaces 17 and maintained in a coaxial state while maintaining a predetermined discharge gap length d.
  • the dielectric electrode 17 is coaxially inserted into the metal electrode 18 from both the left and right directions in FIG. Furthermore, since the dielectric electrode 17 is supplied with a high voltage power source, it functions as a high potential side electrode.
  • a cooling water flow path 19 is formed integrally with the metal electrode 18 on the surface side opposite to the surface of the metal electrode 18 facing the dielectric electrode 17. That is, as a whole, a honeycomb-shaped metal electrode assembly 18A is formed. Here, the metal electrode assembly 18A is grounded, and the metal electrode 18 functions as a low potential side electrode.
  • the cooling water channel 19 provided on the back surface of the metal electrode 18 is provided between a cooling water inlet 21 into which the cooling water provided in the storage container 12 is introduced and a cooling water outlet 22 through which the cooling water is led out. Has been placed.
  • the storage container 12 is provided with a gas inlet 23 through which a raw material gas is introduced and a gas outlet 24 through which unreacted raw material gas and ozone (O 3 ) are led out.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of the principle of ozone generation in the ozone generator of the embodiment.
  • the cylindrical dielectric electrode 17 is disposed in the storage container 12.
  • a cylindrical metal electrode 18 is disposed facing the outer peripheral surface of the dielectric electrode 17 in a state where a predetermined discharge gap length d is maintained.
  • the dielectric electrode 17 includes a cylindrical dielectric 25 formed in a cylindrical shape (test tube) made of quartz glass or the like having a low thermal expansion coefficient as a dielectric having heat resistance and voltage resistance.
  • An electrode coating layer 26 as a conductive electrode (high potential side electrode) is formed on the inner peripheral surface of the cylindrical dielectric 25.
  • a high voltage power supply terminal 27 connected to the high voltage power source 14 via the fuse 16 is connected to the electrode film layer 26.
  • the cylindrical dielectric 25 is formed of quartz glass, borosilicate glass, high silicate glass, aluminum silicate glass, ceramics, or the like.
  • the electrode film layer 26 is formed by sputtering, thermal spraying, vapor deposition, electroless plating, electrolytic plating, coating of paint, or the like using gold, silver, copper, stainless steel, chromium, tin, zinc, nickel carbon or aluminum.
  • the discharge gap length d corresponding to the distance of the discharge gap length d is set to 0.3 mm to 0.5 mm, which is shorter than 0.6 mm which is the discharge gap length of the conventional general ozone generator. Yes.
  • the metal electrode 18 of the present embodiment for example, four convex protrusions 31 are formed on the inner peripheral surface of the stainless steel tube. Then, the diameter D of the inscribed circle inscribed in the tips of the four protrusions 31 is made slightly larger than the diameter of the dielectric electrode 17 as a discharge tube. As a result, by inserting the cylindrical dielectric electrode 17 into the metal electrode 18, the discharge gap length d becomes a desired value (0.4 mm in the above example) by the four protrusions 31.
  • the processing for forming the protrusions 31 on the stainless steel tube constituting the metal electrode 18 is referred to as spacing processing.
  • the dielectric electrode 17 is a tubular (test tube) dielectric (glass or ceramic) in which the electrode film layer 26 is formed on the inner peripheral surface (inner side).
  • FIG. 3A is a processing dimension diagram of the dielectric electrode.
  • FIG. 3B is a processing dimension diagram of the metal electrode on which the protrusion is formed.
  • 3C is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3B.
  • FIG. 3D is an explanatory diagram of a state in which a dielectric electrode is inserted into the metal electrode. 3B to 3D, for easy understanding, the protrusion 31 is exaggerated with respect to the diameter of the stainless steel tube which is the metal electrode 18.
  • the outer diameter of the dielectric electrode (discharge tube) 17 is D1
  • the dielectric electrode 17 has a variation of ⁇ 0.15 mm in manufacturing.
  • the gap between the tip of the protrusion 31 and the dielectric electrode 17 inserted into the metal electrode 18 is ⁇ .
  • D (D1 + 0.15) + ⁇ [mm] (1)
  • the discharge gap length d in the direction center portion CP is within the design range.
  • FIG. 4A is a diagram for explaining the principle of protrusion formation (part 1).
  • FIG. 4B is a diagram for explaining the principle of protrusion formation (part 2).
  • a mold (quenched steel) 41 is inserted into a stainless steel tube constituting the metal electrode 18.
  • the movable punches P1 and P2 are arranged at positions shifted by 90 degrees.
  • fixed punches P11 and P12 are arranged at positions facing the punches P1 and P2, respectively.
  • the movable punch P1 is pressed in the direction of the arrow A1, and the punch P2 is pressed in the direction of the arrow A2.
  • the pressing on the punch P1 and the punch P2 is continued as it is.
  • the protrusion 31 is gradually formed, and the tip of the formed protrusion 31 abuts against the mold 41 as shown in FIG. 4B.
  • the dimension of the mold 41 is set in consideration of the return amount after the pressing stops. With this setting, it is possible to obtain a desired height of the protrusion 31 (for example, 0.40 mm).
  • a plurality (four in FIG. 3) are respectively provided on the same circumference at three locations of the longitudinal ends CT ⁇ b> 1 and CT ⁇ b> 2 and the longitudinal central portion CP of the metal electrode 18.
  • a projection group composed of the projections 31 is arranged. In other words, a total of 12 (3 locations ⁇ 4) protrusions 31 are formed on one metal electrode 18.
  • the position (distance from both ends of the discharge region) of the projection group provided at both longitudinal ends CT1 and CT2 of the metal electrode 18 has a degree of freedom of selection.
  • the discharge gap length d may be different from the height of the protrusion 31 in a place away from the position where the protrusion 31 abuts. In particular, when the metal electrode 18 or the dielectric electrode 17 is bent, the discharge gap length d is different from the height of the protrusion 31.
  • the optimum value of the amount (the distance between the protrusion tip and the discharge tube) when the diameter D of the inscribed circle CI is slightly larger than the diameter D1 of the dielectric electrode 17 was examined.
  • the number of protrusions 31 in one protrusion group is four.
  • the upper limit is limited to the size of the metal electrode 18, but if it is too large, the cost performance in processing decreases. Therefore, from the viewpoint of the insertion friction force of the dielectric electrode 17 when the dielectric electrode 17 or the metal electrode 18 is bent with respect to the number of the protrusions 31, the number of the protrusions 31 is within the range of 3 to 10. The optimum number was examined.
  • FIG. 5A is an explanatory diagram (part 1) of a study model for optimizing the arrangement position of each protrusion group in the longitudinal direction of the metal electrode.
  • FIG. 5B is an explanatory diagram (part 2) of a study model in optimizing the arrangement position of each protrusion group in the longitudinal direction of the metal electrode.
  • the projection groups are provided at the three positions of the longitudinal ends CT1 and CT2 and the longitudinal central portion CP of the metal electrode 18.
  • FIG. 6A is an explanatory diagram of a state in which one peak of a dielectric electrode and a metal electrode is bent.
  • FIG. 6B is an explanatory diagram of a state where the crests of the dielectric electrode and the metal electrode are bent by two or more.
  • the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 are bent more or less. From experience, most of the bent states have one mountain (primary component). On the other hand, there are almost no peaks (more than secondary components) having two or more bends.
  • a bent tube generally has a first order component (amplitude ⁇ 1) to an nth order component ( ⁇ n).
  • the primary component of the bend (corresponding to the amplitude ⁇ 1) is so large as to dominate the entire bend. For this reason, there is no problem even if the second or higher order components (including the amplitude ⁇ 2) are ignored.
  • the tube Even if a small number of two or more peaks were observed, the tube only had no primary component of bending (amplitude ⁇ 1). Further, as described above, since the secondary component (amplitude ⁇ 2) is originally smaller than the primary component, it is considered that the amount of influence on the unevenness of the discharge gap length d is small. From the above, in this embodiment, it is assumed that the tube bend is “one mountain”.
  • FIG. 7A is an explanatory diagram of the state of the metal electrode before insertion of the dielectric electrode.
  • FIG. 7B is an explanatory diagram of the state of the discharge gap when the dielectric electrode is inserted into the metal electrode when the metal electrode is bent. As shown in FIG. 7A, the metal electrode 18 is bent, and when the dielectric electrode 17 is inserted into the metal electrode 18 as it is, the state shown in FIG. 7B is obtained.
  • the discharge gap length d is equal to the height of the protrusion 31 in the portion where the dielectric electrode 17 is in contact with the protrusion 31.
  • the discharge gap length d is different from the height of the protrusion 31 in the portion where the dielectric electrode 17 is not in contact with the protrusion 31.
  • the magnitude of the difference between the discharge gap length d and the height of the protrusion 31 at each portion where the dielectric electrode 17 is not in contact with the protrusion 31 at this time is referred to as a deviation amount.
  • the degree of the deviation amount is dependent on the length (distance) L 3 from the discharge space end that corresponds to the forming position of the protrusion 31. Accordingly, the product design, deviation of the discharge gap length d is necessary to obtain a length such is minimized (distance) L 3.
  • the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 are each handled as a pipe (pipe), and the optimum position of the protrusion 311 where the deviation amount and the deviation amount are minimized is obtained using the finite element method.
  • the amount of warping at the position of the protrusion 31 is zero.
  • the maximum amount of warpage is on the positive side.
  • FIG. 8A is an overall view of the finite element method model.
  • FIG. 8B is an enlarged view of the end of the finite element method model.
  • FIG. 8C is a cross-sectional explanatory diagram of the finite element method model.
  • the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 are modeled as shell elements, and the protrusion 31 is modeled as a point-plane contact element described later.
  • the outer metal electrode 18 is a tube that is bent parabola by 0.50 mm, and the inner dielectric electrode 17 is an ideal straight tube.
  • the diameter of the tube is a neutral plane with respect to the plate thickness.
  • the discharge gap length d is 0.40 mm.
  • the distance between the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 in the finite element method model is 1.95 mm in consideration of the plate thickness of the tube as shown in FIG. 8C. Therefore, the gap in the numerical analysis is 1.95 mm.
  • the analysis model is a full model, but the figure also shows a symmetrical object. Also in FIG. 7A, a symmetrical object is displayed.
  • the protrusion 31 For analysis, finite element method analysis software ANSYS Ver. 13.0 was used. When the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 are in contact with each other, the protrusion 31 generates a reaction force between them. However, when the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 are not in contact, there is no exchange of force. Therefore, in the present embodiment, the protrusion 31 is modeled using a point-plane contact element.
  • FIG. 9A is an explanatory diagram of a point-plane contact element model when a protrusion is in contact with a dielectric electrode (at the time of contact).
  • FIG. 9B is an explanatory diagram of a point-plane contact element model when the protrusion is not in contact with the dielectric electrode (when not in contact).
  • the contact element functions as “contacted when the distance is 1.95 mm”. That is, the length of the contact element can be interpreted as 1.95 mm.
  • the point-plane contact element 31 E corresponding to the protrusion 31 functions when in contact with the shell element 17 S corresponding to the dielectric electrode 17 or the shell element 18 S corresponding to the metal electrode 18. Then, the shell element 17S corresponding to the dielectric electrode 17 or the shell element 18S corresponding to the metal electrode 18 is deformed according to the generated reaction force.
  • FIG. 10A is a partially broken enlarged perspective view of a finite element method model.
  • FIG. 10B is an explanatory diagram of the arrangement of point-plane contact elements.
  • FIG. 10C is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 10B.
  • 10D is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 10B.
  • 10E is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 10B.
  • the position of the point-plane contact element 31E corresponds to the position where the protrusion 31 is provided.
  • the distance of each L 3 from both ends of the shell elements corresponding to the dielectric electrode 17 or the metal electrode 18 (respectively A-A cross section, corresponding to section C-C position) and the center position (B-B
  • the point-plane contact elements 31E corresponding to the protrusions 31 are arranged at four positions at a pitch of 90 degrees on the same circumference (corresponding to the cross-sectional position).
  • FIG. 11A is an explanatory diagram (part 1) of an analysis state using a finite element method model.
  • FIG. 11B is an explanatory diagram (part 2) of the analysis state using the finite element method model.
  • FIG. 11C is an explanatory diagram (part 3) of the analysis state using the finite element method model.
  • the shell element 17S corresponding to the dielectric electrode 17 is held so that the protrusion 31 maintains the contact state when the dielectric electrode 17 is forcibly inserted into the metal electrode 18.
  • the shell element 18S corresponding to the metal electrode 18 is elastically deformed. That is, the shell element 17S corresponding to the dielectric electrode 17 and the shell element 18S corresponding to the metal electrode 18 are elastically deformed so that the gap G between the point-plane contact elements 31E in the finite element method model is 1.95 mm.
  • the respective deformation amounts of the shell element 17S corresponding to the dielectric electrode 17 and the shell element 18S corresponding to the metal electrode 18 at the time of elastic deformation are obtained.
  • the reaction force at the point-plane contact element corresponding to the protrusion 31 is also obtained. Based on the obtained reaction force, the frictional force is predicted as shown in FIG. 11C.
  • FIG. 12A is an explanatory diagram of the displacement amount of the metal electrode 18 in the Y direction.
  • FIG. 12B is an explanatory diagram of the amount of displacement in the Y direction of the dielectric electrode 17.
  • the Y direction is a direction in which the metal electrode 18 (and the shell element 18S corresponding to the metal electrode 18) is warped.
  • the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 are treated as elastic bodies according to the Young's modulus corresponding to each material. Therefore, both are deformed according to their Young's modulus and shape (diameter, plate thickness).
  • the metal electrode 18 is bent in a direction in which warpage is reduced.
  • the dielectric electrode 17 is bent in a direction in which warpage increases. And it is in the state where reaction force f1 and f2 accompanying both curvatures balance as a whole.
  • deviation amount a1 and a2 are described.
  • deviation amount a2 is an end, a projection 31 provided from the edge to the position of L 3, a departure amount between.
  • FIG. 13 is a partial cross-sectional perspective view of the finite element method model.
  • the amount of displacement at each node is obtained from analysis using a finite element method model. Then, the deformed upper gap UG and lower gap LG shown in FIG. 12 are obtained from the node coordinates and the displacement.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram of the deviation amount.
  • the length of the discharge area in the metal electrode 18 is 1.375 m (1375 cm).
  • the largest maximum deviation c is selected from the upper deviations a1, a2 and the lower deviations a1, a2.
  • the maximum deviation amount c will vary according to the length L 3. Therefore, the maximum deviation amount c length L 3 such that the minimum is the optimum value of the projection positions.
  • Figure 15 is an explanatory view of a relationship between the length L 3 and the maximum deviation amount.
  • the maximum deviation c is the minimum, which is the optimum length L 3 .
  • This is the optimum value of the projection position.
  • the above description is that when the metal electrode 18 is bent in a parabolic shape.
  • the optimum value of the formation position of the projection 31 when it is bent in a sine curve shape will be examined.
  • the expression f (x) representing the bent state of the metal electrode 18 is expressed as the expression (3) as described above.
  • Figure 16 is an explanatory view of a relationship between the length L 3 and the maximum deviation amount in the case where the metal electrode is bent to a sine curve shape.
  • L 3 0.0
  • the deviation amount can be minimized by setting the protrusion position to the end.
  • the dielectric electrode 17 easily passes through the first two protrusions 31 (protrusion group) and passes through the last protrusion 31 (which constitutes the third protrusion group from the insertion side). Sometimes friction occurred. Therefore, it was considered that the “bend” is dominant in the abnormal shape that affects the insertion of the dielectric electrode 17.
  • FIG. 17A is an explanatory diagram of the state of the metal electrode before insertion of the dielectric electrode.
  • FIG. 17B is an explanatory diagram of the state of the dielectric electrode before insertion.
  • FIG. 17C is an explanatory diagram (part 1) of a problem of friction when a dielectric electrode is inserted due to bending of a metal electrode.
  • FIG. 17D is an explanatory diagram (part 2) of the problem of friction when a dielectric electrode is inserted due to bending of a metal electrode.
  • the effective inner diameter of the metal electrode 18, that is, the diameter D of the circle inscribed at the tip of the set of protrusion groups is D1 + 0.
  • the value of ⁇ in FIG. 17B must be a positive value (a positive value).
  • ⁇ is referred to as a protrusion tip gap.
  • the inner diameter dimension of the spacing projection 31 was processed so as to fall within the range of D1 + 0.15 to D1 + 0.20 mm.
  • a cylindrical limit gauge of D1 + 0.15 mm and a cylindrical limit gauge of D1 + 0.20 mm were prepared. Then, after processing to form the protrusion 31 on the metal electrode 18, the limit gauge of D1 + 0.15 mm passes, and the limit gauge of D1 + 0.20 mm passes with frictional force, or the limit gauge of D1 + 0.20 mm. The gauge was not allowed to pass.
  • FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the discharge gap and the ozone yield.
  • the height of the protrusion 31 is a value obtained by subtracting the protrusion tip gap ⁇ from 0.40 mm.
  • the finite element method model shown in FIG. 8 is used to change the height of the projection 31 (by changing the gap between the point-plane contact element 31E) and to generate a reaction force generated by the projection 31 (of the point-plane contact element 31E). Reaction force) was calculated.
  • the gap of the point-plane contact element 31E when the actual discharge gap length d is 0.40 mm is 1.95 mm.
  • FIG. 19 is a diagram showing a total value (N) of reaction forces generated in the protrusion 31 when the discharge gap length d is changed.
  • FIG. 20 is an explanatory diagram of the relationship between the height of the protrusion and the number of protrusions in contact with the dielectric electrode (number of contact points). When the height of the protrusion 31 is 0.39 mm, the total reaction force is 88.0 N and the number of contact points is 3.
  • FIG. 21 is an explanatory diagram of the contact state of the protrusions when the height of the protrusions is 0.39 mm.
  • the metal electrode 18 projection 31 formed on the metal electrode 18
  • the dielectric electrode 17 are in contact (pressed) at three locations.
  • a frictional force is generated at the contact portion between the protrusion 31 and the dielectric electrode 17, and the magnitude is obtained by multiplying the total value of the reaction force by the friction coefficient. Value.
  • FIG. 19 and FIG. 20 will be referred to again.
  • FIG. 23B is an explanatory diagram of an actual state of the contact state when the height of the protrusion is 0.41 mm.
  • the reaction force increases, and the reaction force is about seven times that of the case where the protrusion height is 0.39 mm.
  • the optimum value of the protrusion tip gap ⁇ is obtained.
  • the fluctuation of the discharge gap length d can be suppressed to ⁇ 0.1 mm.
  • the height of the protrusion is larger than 0.39 mm, that is, when the protrusion tip gap ⁇ is smaller than 0.01 mm, the number of contact points exceeds three. Therefore, it can be seen that the protrusion tip gap ⁇ is suitably 0.01 to 0.10 mm. That is, when the design value of the discharge gap length d is 0.40 mm, the optimum value of the height of the protrusion 31 is 0.30 to 0.39 mm.
  • three protrusion groups are provided in the longitudinal direction of the metal electrode 18.
  • the protrusions 31 are arranged equally or substantially uniformly, the protrusions 31 can be formed within the physical limit.
  • the number of protrusions 31 was evaluated from 3 to 10 in consideration of the actual manufacturing cost.
  • the reaction force generated at the point-plane contact element 31E was evaluated using the finite element method model shown in FIG. If the reaction force is minimized, the frictional force during insertion is also minimized.
  • the gap between the point-plane contact element 31E was 1.95 mm. This corresponds to an actual height of the protrusion 31 of 0.40 mm.
  • the finite element method model of the metal electrode 18 is bent in a parabolic shape of 0.50 mm.
  • ⁇ , ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 , and ⁇ 4 are as follows.
  • the force for bending the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 need only be f1.
  • an unnecessarily large reaction force f2 is generated due to the wedge effect. This is considered to be the reason why the reaction force is large when the number of protrusions 31 is 3.
  • the reason why the reaction force is large when the number of protrusions 31 is 5 or more will be considered.
  • the number of protrusions 31 is 5 or more, it is considered that the number of contact points increases as the number of protrusions increases. That is, the dielectric electrode is excessively restrained.
  • the number of protrusions should be four or more and small.
  • the coaxiality between the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18. As described above, the optimum value of the height of the protrusion 31 is 0.30 to 0.39 mm when the design value of the discharge gap length d is 0.40 mm.
  • FIG. 28 is a diagram for examining the coaxiality between the dielectric electrode and the metal electrode.
  • the outer diameter of the dielectric electrode 17 dg
  • the inner diameter of the metal electrode 18 ds
  • the deviation (eccentricity) between the central axis of the dielectric electrode 17 and the central axis of the metal electrode 18 py.
  • the height of the protrusion 31 is set to pL
  • the maximum gap between the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 is set to gmax
  • the minimum gap between the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 is set to gmin.
  • the height of the protrusion 31 is 0.30 mm which is the lower limit.
  • the height of the protrusion 31 is low, so that the upper two protrusions do not contact the dielectric electrode as shown in FIG. Further, there arises a problem that the minimum gap gmin becomes smaller than the protrusion height pL.
  • FIG. 29 is a diagram for explaining the relationship between the number of protrusions and the degree to which the minimum gap is smaller than the protrusion height.
  • the degree to which the minimum gap gmin is smaller than the protrusion height pL is defined as (gmin / pL).
  • the calculation conditions are a metal electrode inner diameter of 44.8 mm, a dielectric electrode outer diameter of 44.0 mm, and a protrusion height of 0.3 mm.
  • the degree gmin / pL is 1 or less, so the minimum gap gmin is smaller than 0.3.
  • the height of the protrusion 31 in order to make the gap length d 0.3 mm or more, the height of the protrusion 31 must be 0.315 mm. As described above, the height of the protrusion 31 needs to be finely adjusted depending on the number of protrusions (the number of protrusion points).
  • the fine adjustment amount fine adjustment size depends on the number of protrusions as shown in FIG. Here, it can be seen that when the number of protrusions is 6 or more, there is not much change in gmin / pL.
  • the reaction force is minimum when the number of protrusions is 4, and the reaction force increases as the number of protrusions increases.
  • the number of protrusions is 3, it is special and the reaction force is large.
  • the fine adjustment amount of the height of the protrusion 31 is smaller as the number of protrusions is larger.
  • the fine adjustment amount of the height of the protrusion 31 does not change much.
  • the number of contact points is three as shown in FIG. Therefore, the increase in the number of contact points becomes a condition for excessively constraining the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18, and the total value of the reaction force is increased. Therefore, the number of protrusions constituting one protrusion sentence is 4 or 5 based on the above description.
  • FIG. 30A is a partially broken perspective view in the vicinity of a metal electrode protrusion group forming portion for explaining a more specific protrusion shape.
  • 30B is an enlarged cross-sectional view taken along the direction A in FIG. 30A.
  • each protrusion 31 has a dome shape as shown in FIG. 30B, and the recess 31O on the outer peripheral surface side has, for example, a spherical shape with a curvature radius of 4 mm. Further, the convex portion 31I on the inner peripheral surface side has, for example, a spherical shape with a curvature radius of 5.6 mm.
  • the protrusion 31 is formed so as to smoothly reduce the inner diameter on the inner surface 18I of the metal electrode 18, so that the frictional resistance rapidly increases when the dielectric electrode 17 is inserted into the metal electrode 18. It can be inserted smoothly without increasing.
  • FIG. 31 is an explanatory diagram of a modification of the embodiment.
  • the dielectric electrode 17 is coaxially inserted into the metal electrode 18 from both the left and right directions in FIG.
  • the dielectric electrode 17 moves in the longitudinal direction in the metal electrode 18 due to a pressure change or the like.
  • the dielectric electrodes 17 facing each other will come into contact with each other.
  • the distance between the tip of the protrusion 31 and the dielectric electrode 17 is such that when the dielectric electrode 17 is inserted into the metal electrode 18 when the dielectric electrode 17 or the metal electrode 18 is assumed to be bent. It was determined under the condition that the frictional force is minimized. As a result, it has been found that the distance between the tip of the protrusion 31 and the dielectric electrode 17 needs to be 0.01 mm or more.
  • the discharge gap when the protrusion 31 is in contact with the dielectric electrode 17 is 0.30 mm, and the opposite side is 0.50 mm.
  • the fluctuation of the discharge gap length d can be suppressed to ⁇ 0.1 mm.
  • the distance between the tip of the protrusion 31 and the dielectric electrode 17 is preferably 0.01 to 0.10 mm.
  • the number of protrusions 31 in one protrusion group is such that the frictional force is minimized when the dielectric electrode 17 is inserted into the metal electrode 18 when the dielectric electrode 17 or the metal electrode 18 is assumed to be bent.
  • the number of projections of one projection group 4 is optimal.
  • the discharge gap length is less than 0.6 mm, at least three places are supported in the longitudinal direction, and the discharge gap length is kept constant in the longitudinal direction.
  • a high ozone yield can be achieved. More specifically, when the discharge gap length is within a range of 0.3 mm to 0.5 mm, particularly when the discharge gap length is set to around 0.4 mm, ozone decomposition after high generation is suppressed and the ozone yield is improved. I can plan.
  • the protrusions 31 constituting one protrusion group are provided on the same circumference.
  • the protrusions 31 are not necessarily provided on the same circumference, and are annular and have a belt-like shape having a predetermined width. It is also possible to provide within the region.
  • the band-like region is provided in such a range that the metal electrode can be effectively regarded as an ideal straight pipe in a portion where the protrusion is provided. That's fine.

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Abstract

　実施形態のオゾン発生装置は、円筒状の高圧電極に対し、同軸に円筒状の低圧電極を配置し、高圧電極と低圧電極との間に誘電体を介して所定の高電圧を印加して放電させ、放電によりオゾンを発生させる。ここで、放電ギャップ長ｄが０．３ｍｍ～０．５ｍｍとされている。さらに、低圧電極あるいは高圧電極のいずれか一方が金属電極として形成され、いずれか他方が誘電体電極として形成されている。そして、誘電体電極に対向する金属電極の内周面に、当該金属電極を誘電体電極に対し、放電ギャップ長を保持しつつ同軸に保持するための複数の突起を有する突起群を設けている。

Description

オゾン発生装置
　本発明の実施形態は、オゾン発生装置に関する。
　一般的なオゾン発生装置は、気密容器内に配置された誘電体電極と金属電極とを備えている。そして、誘電体電極と金属電極との間には放電ギャップを形成するためのスペーサが挿入されている。ここで、誘電体電極の内面には導電膜が設けられている。
　このようなオゾン発生装置において、ガス入口から気密容器内に導入された原料ガスは、誘電体電極と金属電極との間に形成された放電ギャップを流れる。そして放電ギャップを流れた原料ガスは、ガス出口から流出される。
　この原料ガスの導入と並行して誘電体電極と金属電極との間に高圧電源から交流高電圧をヒューズおよび高圧給電端子を介して印加する。
　交流高電圧が印加されると、放電ギャップに誘電体バリア放電が形成され、オゾンが発生する。なお、誘電体バリア放電は単にバリア放電、あるいは無声放電と呼ばれることもある。
　この誘電体バリア放電で発生する熱は、金属電極と気密容器とで形成された冷却水流路内に供給される冷却水により冷却される。これにより、放電ギャップのガス温度上昇を抑制し、効率的にオゾンが得られることとなっていた。
　従来の一般的なオゾン発生装置では、放電ギャップ長ｄは０．６ｍｍ～１．３ｍｍとされていた。また、原料ガスである空気のガス圧ｐは０．１７～０．２８ＭＰａ（絶対圧）とされていた。
　ところで、原料ガスのガス圧ｐと放電ギャップ長ｄとの積は、一般にｐｄ積と呼ばれている。このｐｄ積を一定にすることで、放電の相似則が成立する。これは、ｐｄ積が放電ギャップ中のガス分子数を表すためである。
　たとえば、放電ギャップ中を走行する電子の増倍は、ガスの電離係数αと放電ギャップ長ｄの積αｄで表される。
　そして、積αｄを次式のように書き換える。
　　　αｄ＝（α／ｐ）（ｐｄ）
　ここで、／ｐは単一衝突による電離を表し、ｐｄ積は放電ギャップ中に含まれる分子数を表す。有名な放電開始電圧を与えるＰａｓｃｈｅｎの法則が、ｐｄ積の関数であるのはこのためである。
　これまで用いられてきた放電ギャップ長ｄは先にも述べたように０．６ｍｍ以上の領域にあった。放電ギャップ長ｄ＝０．６ｍｍ以上の領域では、ｐｄ積のオゾン収率に対する最適値は２０ｋＰａ・ｃｍ近くの一定値である。このため、オゾン収率のより一層の向上は困難であった。
特開平１０－１８２１０９号公報
　したがって、オゾン収率を向上させるために放電ギャップ長ｄを０．６ｍｍ未満の最適な値とすることが考えられる。
　従来放電ギャップを形成するためにステンレス板金製のスペーサ（板金スペーサ）を使用していた。
　ところで、強度的な観点から使用可能なリング状の板金スペーサの板厚は０．２ｍｍ程度となる。例えば、放電ギャップ長を０．４ｍｍにしようとした場合には、実質的に、スペースを全て埋めてしまい、その使用が困難である。
　また、板金スペーサには、誘電体電極が挿入されるが、構造上、両端部の２箇所にしか挿入できないこととなる。ところで、金属電極（例えば、ステンレス管）と、誘電体電極（放電管）は共に多少なりとも曲がっている。このため、板金スペーサが挿入できない中央部において放電ギャップ長ｄが所望の値とならず、この結果、オゾン発生効率（ｇ／ｋＷｈ）が理論値よりも低下することとなっていた。
　そこで、本発明の目的は、放電ギャップ長を０．６ｍｍ未満とした場合でも、放電ギャップ長を長手方向に一定に維持してより高いオゾン収率を達成することが可能なオゾン発生装置を提供することにある。
　実施形態のオゾン発生装置は、円筒状の高圧電極に対し、同軸に円筒状の低圧電極を配置し、高圧電極と低圧電極との間に誘電体を介して所定の高電圧を印加して放電させ、放電によりオゾンを発生させる。
　ここで、放電ギャップ長ｄが０．３ｍｍ～０．５ｍｍとされている。
　さらに、低圧電極あるいは高圧電極のいずれか一方が金属電極として形成され、いずれか他方が誘電体電極として形成されている。
　そして、誘電体電極に対向する金属電極の内周面に、当該金属電極を誘電体電極に対し、放電ギャップ長を保持しつつ同軸に保持するための複数の突起を有する突起群を設けている。
図１は、実施形態のオゾン発生装置の概要構成断面図である。 図２は、実施形態のオゾン発生装置におけるオゾン発生原理説明図である。 図３Ａは、誘電体電極の加工寸法図である。 図３Ｂは、突起を形成した金属電極の加工寸法図である。 図３Ｃは、図３ＢのＡ－Ａ断面図である。 図３Ｄは、金属電極内に誘電体電極を挿入した状態の説明図である。 図４Ａは、突起形成の原理説明図（その１）である。 図４Ｂは、突起形成の原理説明図（その２）である。 図５Ａは、金属電極の長手方向における各突起群の配置位置の最適化に際しての検討モデルの説明図（その１）である。 図５Ｂは、金属電極の長手方向における各突起群の配置位置の最適化に際しての検討モデルの説明図（その２）である。 図６Ａは、誘電体電極及び金属電極の山一つの曲がりの状態の説明図である。 図６Ｂは、誘電体電極及び金属電極の山が二つ以上の曲がりの状態の説明図である。 図７Ａは、誘電体電極の挿入前の金属電極の状態の説明図である。 図７Ｂは、金属電極が曲がっているときに誘電体電極を金属電極に挿入した場合の放電ギャップの状態の説明図である。 図８Ａは、有限要素法モデルの全体図である。 図８Ｂは、有限要素法モデルの端部拡大図である。 図８Ｃは、有限要素法モデルの断面説明図である。 図９Ａは、突起が誘電体電極に接触している場合（接触時）の点－面接触要素モデルの説明図である。 図９Ｂは、突起が誘電体電極に接触していない場合（非接触時）の点－面接触要素モデルの説明図である。 図１０Ａは、有限要素法モデルの一部破断拡大斜視図である。 図１０Ｂは、点－面接触要素の配置説明図である。 図１０Ｃは、図１０ＢのＡ－Ａ断面図である。 図１０Ｄは、図１０ＢのＢ－Ｂ断面図である。 図１０Ｅは、図１０ＢのＣ－Ｃ断面図である。 図１１Ａは、有限要素法モデルを用いた解析状態の説明図（その１）である。 図１１Ｂは、有限要素法モデルを用いた解析状態の説明図（その２）である。 図１１Ｃは、有限要素法モデルを用いた解析状態の説明図（その３）である。 図１２Ａは、金属電極１８のＹ方向変位量の説明図である。 図１２Ｂは、誘電体電極１７のＹ方向変位量の説明図である。 図１３は、有限要素法モデルの部分断面斜視図である。 図１４は、逸脱量の説明図である。 図１５は、長さＬ３と最大逸脱量の関係の説明図である。 図１６は、金属電極がサインカーブ状に曲がっている場合の長さＬ３と最大逸脱量の関係の説明図である。 図１７Ａは、誘電体電極の挿入前の金属電極の状態の説明図である。 図１７Ｂは、挿入前の誘電体電極の状態の説明図である。 図１７Ｃは、金属電極の曲がりに伴う誘電体電極挿入時の摩擦の問題の説明図（その１）である。 図１７Ｄは、金属電極の曲がりに伴う誘電体電極挿入時の摩擦の問題の説明図（その２）である。 図１８は、放電ギャップとオゾン収率の関係を示す図である。 図１９は、放電ギャップ長ｄを変更したときの突起３１で発生する反力の合計値（Ｎ）を示す図である。 図２０は、突起の高さと、誘電体電極に接触している突起の数（接触点数）と、の関係の説明図である。 図２１は、突起の高さ＝０．３９ｍｍの場合における突起の接触状態の説明図である。 図２２は、突起の高さ＝０．４１ｍｍの場合の接触状態の説明図である。 図２３Ａは、突起の高さ＝０．４１ｍｍの場合の接触状態のシミュレーション結果の説明図である。 図２３Ｂは、突起の高さ＝０．４１ｍｍの場合の接触状態の実際の状態の説明図である。 図２４Ａは、突起群を構成する突起の数＝３の場合の説明図である。 図２４Ｂは、突起群を構成する突起の数＝４の場合の説明図である。 図２４Ｃは、突起群を構成する突起の数＝５の場合の説明図である。 図２４Ｄは、突起群を構成する突起の数＝５の場合の説明図である。 図２５は、突起の数＝３の場合の反発力計算条件の説明図である。 図２６は、突起数と反力合計の平均値の説明図である。 図２７は、突起数＝３の場合の反力のつり合いを説明する図である。 図２８は、誘電体電極と金属電極との同軸度について検討するための図である。 図２９は、突起の数と、最小ギャップが突起高さより小さくなる度合いと、の関係を説明する図である。 図３０Ａは、より具体的な突起の形状を説明するための金属電極の突起群の形成部近傍の一部破断斜視図である。 図３０Ｂは、図３０ＡにおけるＡ方向矢視拡大断面図である。 図３１は、実施形態の変形例の説明図である。
　次に実施形態について図面を参照して説明する。
　図１は、実施形態のオゾン発生装置の概要構成断面図である。
　実施形態のオゾン発生装置１０は、誘電体バリア放電式のオゾン発生装置として構成されている。
　オゾン発生装置１０は、大別すると、オゾン発生装置本体１１と、オゾン発生装置本体１１を気密状態で収納する収納容器１２と、収納容器１２内のオゾン発生装置本体１１に高圧碍子１３を介して、オゾン発生用電力を供給する高圧電源（高圧交流電源）１４と、を備えている。
　収納容器１２内のオゾン発生装置本体１１は、高圧碍子１３に電気的に接続された接続板１５及びヒューズ１６を介してオゾン発生用電力が供給される複数の誘電体電極１７と、誘電体電極１７の外周面のそれぞれに対向して、所定の放電ギャップ長ｄが保たれて同軸状態に保持された円筒状かつステンレス鋼製の金属電極１８が配置されている。
　ここで、誘電体電極１７は、図１中、左右の両方向から金属電極１８内に同軸に挿入されている。さらに誘電体電極１７には、高圧電源が供給されているので、高電位側電極として機能している。
　また、金属電極１８の誘電体電極１７が対向している面とは逆の面側には、金属電極１８と一体に冷却水流路１９が形成されている。すなわち、全体として、蜂の巣状の金属電極集合体１８Ａをなしている。ここで、金属電極集合体１８Ａは、接地されており、金属電極１８は低電位側電極として機能している。
　この金属電極１８の背面に設けられた冷却水流路１９は、収納容器１２に設けられた冷却水が導入される冷却水入口２１と、冷却水が導出される冷却水出口２２と、の間に配置されている。
　さらに収納容器１２には、原料ガスが導入されるガス入口２３及び未反応の原料ガス及びオゾン（Ｏ３）が導出されるガス出口２４が設けられている。
　図２は、実施形態のオゾン発生装置におけるオゾン発生原理説明図である。
　上述したように、収納容器１２内には、円筒状の誘電体電極１７が配置されている。この誘電体電極１７の外周面に対向して、所定の放電ギャップ長ｄが保たれた状態で円筒状の金属電極１８が配置されている。
　ここで、誘電体電極の詳細構成について説明する。
　誘電体電極１７は、耐熱性および耐電圧性を有する誘電体として、熱膨張係数の小さい石英ガラス等で形成された円筒状（試験管状）に形成された円筒状誘電体２５を備えている。円筒状誘電体２５の内周面には、導電電極（高電位側電極）としての電極皮膜層２６が形成されている。この電極皮膜層２６には、ヒューズ１６を介して高圧電源１４に接続された高圧給電端子２７が接続されている。
　上記構成において、円筒状誘電体２５は、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、高ケイ酸ガラス、アルミのケイ酸ガラス、セラミックスなどにより形成する。
　また電極皮膜層２６は、金、銀、銅、ステンレス、クロム、錫、亜鉛、ニッケルカーボンあるいはアルミニウムをスパッタリング、溶射、蒸着、無電解メッキ、電解メッキ、塗料塗布などにより形成される。
　上記構成において、放電ギャップ長ｄの距離に相当する放電ギャップ長ｄは、従来の一般的なオゾン発生装置の放電ギャップ長である０．６ｍｍよりも短い０．３ｍｍ～０．５ｍｍに設定されている。
　次に、ギャップ長ｄ＝０．３０ｍｍ～０．５０ｍｍに設定するために金属電極１８への突起３１の形成方法について詳細に説明する。
　以下の説明においては、実験結果に基づいて、放電ギャップ長ｄの範囲内において、オゾン収率がより高かった放電ギャップ長ｄ＝０．４０ｍｍの場合を主として説明する。
　本実施形態の金属電極１８を形成するに際しては、ステンレス管の内周面に、例えば、４個の凸状の突起３１を形成する。
　そして４個の突起３１の先端に内接する内接円の直径Ｄを、放電管としての誘電体電極１７の直径より少し大きくする。この結果、金属電極１８に円筒状の誘電体電極１７を挿入することにより、４個の突起３１により放電ギャップ長ｄが所望の値（上述の例の場合０．４ｍｍ）になる。
　以下においては、金属電極１８を構成するステンレス管に突起３１を形成するための加工をスペーシング加工と呼ぶことにする。
　上述したように、誘電体電極１７は、内周面（内側）に電極皮膜層２６が形成された管状（試験管状）の誘電体（ガラスあるいはセラミック）である。
　図３Ａは、誘電体電極の加工寸法図である。
　図３Ｂは、突起を形成した金属電極の加工寸法図である。
　図３Ｃは、図３ＢのＡ－Ａ断面図である。
　図３Ｄは、金属電極内に誘電体電極を挿入した状態の説明図である。
　図３Ｂ～図３Ｄにおいては、理解の容易のため、金属電極１８であるステンレス管の直径に対して、突起３１を誇張して図示している。
　図３Ａに示すように、誘電体電極（放電管）１７の外径をＤ１とし、誘電体電極１７には製造上±０．１５ｍｍのばらつきがあるとする。
　ここで、突起３１の先端と金属電極１８内に挿入された誘電体電極１７との隙間をαとする。製造上のばらつきを考慮して、製造された全ての誘電体電極１７を金属電極１８内に挿入可能とするためには、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、全ての突起３１の先端に内接する内接円ＣＩの直径Ｄが（１）式を満たすように突起３１を有する金属電極１８を加工する必要がある。
　　　　Ｄ＝（Ｄ１＋０．１５）＋α　［ｍｍ］　　　　（１）
　上述のように加工した金属電極１８内に誘電体電極１７を挿入すると、金属電極１８あるいは誘電体電極１７において、製造時に想定される曲がりが生じていたとしても、図３Ｄに示すように、長手方向中央部ＣＰにおける放電ギャップ長ｄは、設計範囲内となる。
　次に突起３１の形成方法について説明する。
　図４Ａは、突起形成の原理説明図（その１）である。
　図４Ｂは、突起形成の原理説明図（その２）である。
　まず、図４Ａに示すように、金属電極１８を構成するステンレス管の中に金型（焼入れ鋼）４１を挿入する。そして、例えば、同一円周上に４箇所の突起３１を形成する場合には、可動型のポンチＰ１、Ｐ２を９０度ずらした位置に配置する。さらにポンチＰ１、Ｐ２のそれぞれに対向する位置に、固定型のポンチＰ１１、Ｐ１２をそれぞれ配置する。
　そして、可動型のポンチＰ１を矢印Ａ１方向に押圧し、ポンチＰ２を矢印Ａ２方向に押圧する。
　この結果、金属電極１８には、ポンチＰ１、Ｐ２、Ｐ１１、Ｐ１２の全てが当接することとなる。そこで、ポンチＰ１及びポンチＰ２に対する押圧をそのまま継続する。この結果、突起３１が徐々に形成され、図４Ｂに示すように、形成された突起３１の先端を金型４１に突き当てる。
　このとき、押圧停止後の戻り量を考慮して、金型４１の寸法を設定しておく。この設定により、所望の突起３１の高さ（例えば、０．４０ｍｍ）を得ることが可能となる。
　以上は、突起３１の形成方法の説明であったが、この場合において、最適な突起３１はどのようなものとする必要があるのか、すなわち、突起３１の設計最適値を求めることが重要な課題となる。
　以下、突起３１の設計最適値を求める際に考慮すべき事項について検討する。
　本実施形態においては、図３に示したように、金属電極１８の長手方向両端部ＣＴ１、ＣＴ２及び長手方向中央部ＣＰの３箇所の同一円周上にそれぞれ複数（図３では、４個）の突起３１で構成される突起群を配置している。すなわち、一つの金属電極１８において、合計１２個（３箇所×４個）の突起３１が形成されている。
　本実施形態においては、次の３点について検討する。
　（１）金属電極の長手方向における各突起群の配置位置の最適化
　突起群を金属電極１８の長手方向両端部ＣＴ１、ＣＴ２及び長手方向中央部ＣＰの３箇所に設ける場合、長手方向中央部ＣＰに設ける突起群は放電領域の中央に設けるのが最も好ましい。
　一方、金属電極１８の長手方向両端部ＣＴ１、ＣＴ２に設ける突起群の位置（放電領域の両端からの距離）は選択の自由度がある。
　これに対して、突起３１が当接している位置から離れた場所においては、放電ギャップ長ｄは突起３１の高さとは異なる場合がある。特に金属電極１８あるいは誘電体電極１７が曲がっている場合には、放電ギャップ長ｄは突起３１の高さと異なる。
　したがって、金属電極１８あるいは誘電体電極１７が曲がっている場合でも、放電ギャップ長ｄと突起３１の高さとの差が最小となるような突起群の位置があると考え、金属電極１８の長手方向における各突起群の最適となる配置位置について検討した。
　（２）突起先端と誘電体電極との間の間隔の最適化
　誘電体電極１７あるいは金属電極１８が曲がっている場合には、誘電体電極１７を金属電極１８内に挿入するときに、誘電体電極１７及び金属電極１８がそれぞれ弾性変形する。
　この結果、突起３１において反力が発生する。突起３１に反力が発生した結果、誘電体電極１７の金属電極１８への挿入時に摩擦力が発生する。ここで、摩擦力を低減するためには、突起３１の先端の内接円ＣＩ（図３参照）の直径Ｄは、誘電体電極１７の直径Ｄ１より若干大きくする必要がある。一方、内接円ＣＩの直径Ｄを大きくしすぎると、放電ギャップ長ｄが変化することとなるため上限がある。
　そこで、内接円ＣＩの直径Ｄを誘電体電極１７の直径Ｄ１より若干大きくする際の量（突起先端と放電管の間隔）の最適値について検討した。
　（３）突起数の最適化
　上述したように、本実施形態においては、一つの突起群の突起３１の数は４個である。誘電体電極１７を金属電極１８内に同軸に保持するには、少なくとも突起数は３個以上設ける必要がある。一方、その上限は、金属電極１８の寸法に制限されるが、あまり多くすると、加工におけるコストパフォーマンスが低下する。
　そこで、突起３１の数について誘電体電極１７あるいは金属電極１８が曲がっているときの誘電体電極１７の挿入摩擦力の観点から、突起３１の数が３個～１０個の範囲内で突起３１の個数の最適値について検討した。
　まず金属電極の長手方向における各突起群の配置位置の最適化について検討する。
　図５Ａは、金属電極の長手方向における各突起群の配置位置の最適化に際しての検討モデルの説明図（その１）である。
　図５Ｂは、金属電極の長手方向における各突起群の配置位置の最適化に際しての検討モデルの説明図（その２）である。
　本実施形態においては、突起群は上述したように、金属電極１８の長手方向両端部ＣＴ１、ＣＴ２及び長手方向中央部ＣＰの３箇所に設けるものとしている。
　金属電極１８の長手方向における各突起群の配置位置の最適化とは、図５Ａ、図５Ｂにおいて、長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の最適値を求める問題である。
　この場合において、対称性からＬ１＝Ｌ２、Ｌ３＝Ｌ４であるため。長手方向中央部の支持点は、放電空間の中央となる。よって未知数はＬ３（＝Ｌ４）だけとなり、長さＬ３と全長Ｌの比を求める問題となる。
　ここで、誘電体電極１７及び金属電極１８について曲がりについて考察する。
　図６Ａは、誘電体電極及び金属電極の山一つの曲がりの状態の説明図である。
　図６Ｂは、誘電体電極及び金属電極の山が二つ以上の曲がりの状態の説明図である。
　誘電体電極１７及び金属電極１８は大なり小なり曲がっているのが一般的である。経験上、曲がりの状態としては、山一つ（一次成分）の曲がりを有するものがほとんどである。一方、山が二つ以上の曲がりを有するもの（二次成分以上）はほとんどない。また山一つの場合の曲がり具合を振幅δ１とし、山二つの場合の曲がり具合を振幅δ２とすると、
　　　　δ１＞＞δ２
であり、一般的には、
　　　　δｎ＞＞δｎ＋１
である。
　曲がりの状態における山の数をｎとしたときの曲がり成分をｎ次成分と呼ぶものとすると、上記経験則は、「二次成分の振幅δ２は一次成分の振幅δ１より小さい。」と言い換えることができる。この経験則に従えば、山の一次成分である振幅δ１が最も大きい。曲がっている管は、一般的に一次成分（振幅δ１）からｎ次成分（δｎ）まで持っている。
　しかし、実際的には、図６Ｂに示すように、曲がりの一次成分（振幅δ１に相当）は、曲がりの全体を支配するほど大きい。このため、二次以上の成分（振幅δ２を含む）は無視しても問題はない。
　なお、少数の割合で山が二つ以上のものが観測されたとしても、その管は、曲がりの一次成分（振幅δ１）を持っていなかっただけである。また、上述したように二次成分（振幅δ２）はもともと一次成分に比較して小さいため、放電ギャップ長ｄの不均一への影響量は小さいと考えられる。
　以上のことから、本実施形態においては、管の曲がりは「山一つ」であるものとして検討を進めるものとする。
　まず、長さＬ３が適切でないとどのような問題が発生するかを述べる。
　図７Ａは、誘電体電極の挿入前の金属電極の状態の説明図である。
　図７Ｂは、金属電極が曲がっているときに誘電体電極を金属電極に挿入した場合の放電ギャップの状態の説明図である。
　図７Ａに示すように、金属電極１８が曲がった状態であり、このまま、誘電体電極１７を金属電極１８に挿入した場合には、図７Ｂに示すような状態となる。
　すなわち、図７Ｂにおいて、破線円内に示すように、突起３１に誘電体電極１７が当接している部分では、放電ギャップ長ｄは、突起３１の高さと等しくなる。一方、実線円内に示すように、突起３１に誘電体電極１７が当接していない部分では、放電ギャップ長ｄは、突起３１の高さと異なることとなる。
　このときの突起３１に誘電体電極１７が当接していない各部分における放電ギャップ長ｄの突起３１の高さとの差の大きさを逸脱量と呼ぶものとする。この逸脱量の度合いは、突起３１の形成位置に相当する放電空間端部からの長さ（距離）Ｌ３に依存している。
　したがって、製品設計としては、放電ギャップ長ｄの逸脱量が最少になるような長さ（距離）Ｌ３を求めることが必要となる。
　ここで、より具体的に検討を行う。
　以下においては、誘電体電極１７及び金属電極１８をそれぞれ管（パイプ）として取り扱い、有限要素法を用いて逸脱量と逸脱量が最少となる突起３１１の最適な位置を求めた。
　この場合において、計算上は、誘電体電極１７及び金属電極１８の断面のみを考慮し、それぞれ、直線及び関数ｙ＝ｆ（ｘ）で表される曲線として取り扱う。
　そして、関数ｙ＝ｆ（ｘ）で表される曲線が直線から離間する量を「反り量」と呼ぶものとする。
　金属電極１８の曲がりによる反り量ｙを金属電極１８の長さ方向の関数ｆ（ｘ）と表記すると、現実の金属電極の曲がり方を表現する関数ｆ（ｘ）は、様々考えられる。
　以下、代表例として、放物線の場合とサインカーブの場合とについて検討する。
（Ａ）放物線の場合
　放物線の場合、金属電極の曲がり方を表現する関数ｆ（ｘ）は、例えば、（２）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ただし、ａは、正の値である。
　ｘ＝Ｌ３のとき、（２）式は、以下の通りとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　つまり突起３１の位置における反り量は零である。
　反り量が正側において最大値をとるのは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
の場合である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　反り量が負側の最大値は、ｘ＝０の時である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここで、ａ＞０であり、Ｌ＞Ｌ３なので、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　したがって、ｆ（０）＜０である。
　（Ｂ）サインカーブの場合
　サインカーブの場合、金属電極の曲がり方を表現する関数ｆ（ｘ）は、例えば、（８）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ｘ＝Ｌ３のとき
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
である。つまり、突起３１の位置における反り量は零である。
　反り量の正側の最大値は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
の時である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　また、反り量の負側の最大値は、ｘ＝０のときである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　図８Ａは、有限要素法モデルの全体図である。
　図８Ｂは、有限要素法モデルの端部拡大図である。
　図８Ｃは、有限要素法モデルの断面説明図である。
　図８Ａ～図８Ｃにおいては、誘電体電極１７及び金属電極１８をシェル要素でモデル化し、突起３１については、後述する点－面接触要素としてモデル化している。
　また、図８においては、外側の金属電極１８のみ放物線状に０．５０ｍｍ反っている管とし、内側の誘電体電極１７は、理想的な直管であるものとしている。
　ここで、管体である誘電体電極１７及び金属電極１８をシェル要素でモデル化したため、管の直径は板厚に対する中立面となっている。また誘電体電極１７は、ガラス製とし、中立面直径＝４２．４ｍｍ、板厚Ｔ１７＝１．６ｍｍとしている。また金属電極１８は、ステンレス鋼製とし、中立面直径＝４６．３ｍｍ、板厚Ｔ１８＝１．５ｍｍとしている。
　また、放電ギャップ長ｄは、０．４０ｍｍとしている。
　これらの結果、有限要素法モデルにおける誘電体電極１７と金属電極１８との間の間隔は、図８Ｃに示すように、管の板厚を考慮して１．９５ｍｍとなる。よって、数値解析でのギャップは１．９５ｍｍとなる。解析モデルはフルモデルとしたが、図は対称物も表現されている。図７Ａにおいても、対称物を表示している。
　解析には、サイバネットシステム社製有限要素法解析ソフトＡＮＳＹＳ　Ｖｅｒ．１３．０を使用した。
　突起３１は、誘電体電極１７と金属電極１８とが接触するときは、両者に反力が発生する。しかしながら、誘電体電極１７と金属電極１８とが接触していないときは、力のやり取りはない。そこで、本実施形態においては、点－面接触要素を用いて突起３１をモデル化した。
　図９Ａは、突起が誘電体電極に接触している場合（接触時）の点－面接触要素モデルの説明図である。
　図９Ｂは、突起が誘電体電極に接触していない場合（非接触時）の点－面接触要素モデルの説明図である。
　図９のモデルにおいて、接触要素は、「間隔が１．９５ｍｍのときに接触した」として機能している。つまり、接触要素の長さが１．９５ｍｍと解釈できる。
　図９Ａに示すように、突起３１に相当する点－面接触要素３１Ｅは、誘電体電極１７に相当するシェル要素１７Ｓあるいは金属電極１８に相当するシェル要素１８Ｓと接触しているときに機能する。そして、発生した反力に従って誘電体電極１７に相当するシェル要素１７Ｓあるいは金属電極１８に相当するシェル要素１８Ｓが変形する。
　これに対し、突起３１に相当する点－面接触要素３１Ｅが金属電極１８に相当するシェル要素１８Ｓと接触していないときは、図８Ｂに示すように突起３１に相当する点－面接触要素３１Ｅと誘電体電極１７に相当するシェル要素１７Ｓ及び金属電極１８に相当するシェル要素１８Ｓとの間で力のやりとりはない。
　図１０Ａは、有限要素法モデルの一部破断拡大斜視図である。
　図１０Ｂは、点－面接触要素の配置説明図である。
　図１０Ｃは、図１０ＢのＡ－Ａ断面図である。
　図１０Ｄは、図１０ＢのＢ－Ｂ断面図である。
　図１０Ｅは、図１０ＢのＣ－Ｃ断面図である。
　図１０Ａ～図１０Ｅにおいて、点－面接触要素３１Ｅの位置は突起３１が設けられる位置に相当している。
　本実施形態においては、誘電体電極１７あるいは金属電極１８に相当するシェル要素の両端からそれぞれＬ３の距離（それぞれＡ－Ａ断面、Ｃ－Ｃ断面位置に相当）と中央の位置（Ｂ－Ｂ断面位置に相当）の同一円周上に９０度ピッチで４箇所、突起３１に相当する点－面接触要素３１Ｅを配置した。
　図１１Ａは、有限要素法モデルを用いた解析状態の説明図（その１）である。
　図１１Ｂは、有限要素法モデルを用いた解析状態の説明図（その２）である。
　図１１Ｃは、有限要素法モデルを用いた解析状態の説明図（その３）である。
　この場合において、有限要素法モデルに印加される外力はない。
　したがって、図１１Ａに示すように、放物線状に０．５０ｍｍ反っている金属電極１８内に直管である誘電体電極１７を挿入したときに突起３１（＝点－面接触要素３１Ｅ）により両者が干渉することとなる。
　より詳細には、図１１Ｂに示すように、誘電体電極１７を金属電極１８内に強引に挿入すると突起３１で両者が接触した状態を保持するように、誘電体電極１７に相当するシェル要素１７Ｓ及び金属電極１８に相当するシェル要素１８Ｓが弾性変形する。つまり有限要素法モデルにおける点－面接触要素３１Ｅの間隔Ｇが１．９５ｍｍとなるように、誘電体電極１７に相当するシェル要素１７Ｓ及び金属電極１８に相当するシェル要素１８Ｓが弾性変形する。
　そして、弾性変形時の誘電体電極１７に相当するシェル要素１７Ｓ及び金属電極１８に相当するシェル要素１８Ｓのそれぞれの変形量を求める。同時に突起３１に相当する点－面接触要素における反力も求める。
　そして求めた反力に基づいて、図１１Ｃに示すように、摩擦力を予測することとなる。
　図１２Ａは、金属電極１８のＹ方向変位量の説明図である。
　図１２Ｂは、誘電体電極１７のＹ方向変位量の説明図である。
　ここで、Ｙ方向とは、金属電極１８（及び金属電極１８に相当するシェル要素１８Ｓ）が反っている方向である。
　有限要素法モデルを用いた解析では、誘電体電極１７及び金属電極１８をそれぞれの材質に相当するヤング率に従った弾性体として取り扱っている。よって両者がそれぞれのヤング率と形状（直径、板厚）に従って変形している。
　具体的には、図１２Ａに示すように、金属電極１８は、反りが少なくなる方向に曲げられている。一方、図１２Ｂに示すように、誘電体電極１７は、反りが多くなる方向に曲げられている。
　そして、両者の反りに伴う反力ｆ１、ｆ２が全体として釣り合うような状態となっている。
　次に逸脱量ａ１、ａ２の求め方について説明する。
　ここで、逸脱量ａ１は中央と、端からＬ３の位置に設けられた突起３１と、の間における逸脱量である。また、逸脱量ａ２は端と、端からＬ３の位置に設けられた突起３１と、の間における逸脱量である。
　図１３は、有限要素法モデルの部分断面斜視図である。
　有限要素法モデルを用いた解析から各節点の変位量が求まる。
　そして、節点座標と変位量から、図１２に示す変形後の上側ギャップＵＧと下側ギャップＬＧを求める。
　図１４は、逸脱量の説明図である。
　図１４において、金属電極１８における放電域の長さは、１．３７５ｍ（１３７５ｃｍ）であるものとする。
　逸脱量ａ１，ａ２には、上側ギャップＵＧに起因するものと下側ギャップＬＧに起因するものがあり、計４種類になる。
　まず、上側逸脱量ａ１，ａ２，下側逸脱量ａ１，ａ２のうち最も大きい最大逸脱量ｃを選択する。
　この場合において、最大逸脱量ｃは長さＬ３に従って変化する。
　したがって、最大逸脱量ｃが最小となるような長さＬ３が、突起位置の最適値となる。
　図１５は、長さＬ３と最大逸脱量の関係の説明図である。
　図１５の例の場合、長さＬ３＝０．０５７３ｍ（５７．３ｃｍ）のとき、つまりＬ３／Ｌ＝０．０４２のとき最大逸脱量ｃが最小となるため、これが長さＬ３の最適値つまり突起位置の最適値となる。
　実用的な長さＬ３の最適範囲、すなわち、突起３１の位置としては、条件を様々変化させた結果、Ｌ３／Ｌ＝０．０４～０．０６の間にあるという結果が得られた。
　以上の説明は、金属電極１８が放物線状に曲がっているときのものであった。つぎにサインカーブ状に曲がっている場合の突起３１の形成位置の最適値について検討する。
　ここで、金属電極１８の曲がりの状態を表す式ｆ（ｘ）は、上述したように（３）式として表される。
　上述したのと同様の方法で金属電極１８の有限要素法モデルを用いて、放電ギャップ長ｄの目標値からの逸脱量を求め、長さＬ３と最大逸脱量との関係から実用的な長さＬ３の最適範囲を算出した。
　図１６は、金属電極がサインカーブ状に曲がっている場合の長さＬ３と最大逸脱量の関係の説明図である。
　図１６に示すように、金属電極１８がサインカーブ状に曲がっているときは、Ｌ３＝０．０、つまり突起位置を端にすると逸脱量を最小化できる。
　そして実用的な長さＬ３の最適範囲、すなわち、突起３１の位置としては、条件を様々変化させた結果、Ｌ３／Ｌ＝０．０～０．１の間にあるという結果が得られた。
　次に突起３１の先端と誘電体電極１７との間の間隔の最適化について検討する。
　まず、誘電体電極１７を金属電極１８内に挿入する際の摩擦力について検討する。
　誘電体電極１７又は金属電極１８の寸法精度が低い場合、突起３１を設けた金属電極１８内に誘電体電極１７を挿入するときに、突起３１により誘電体電極１７と金属電極１８との間に摩擦力が発生し、挿入が困難になることが考えられる。
　また、オゾンを生成させた後に挿入した誘電体電極１７引抜くときには、挿入時より、はるかに大きな力が必要であった。
　これは誘電体電極１７の表面に付着した酸化粉が原因と推測されている。
　また、金属電極１８の異常形状としては、「曲がり」と「円形断面が真円でないこと」が考えられる。
　しかしながら、誘電体電極１７は、最初の２箇所の突起３１（突起群）に対しては容易に通過し、最後の（挿入側から三番目の突起群を構成している）突起３１を通過するときに摩擦が発生した。したがって、誘電体電極１７の挿入に影響を及ぼす異常形状は、「曲がり」が支配的であると考えられた。
　図１７Ａは、誘電体電極の挿入前の金属電極の状態の説明図である。
　図１７Ｂは、挿入前の誘電体電極の状態の説明図である。
　図１７Ｃは、金属電極の曲がりに伴う誘電体電極挿入時の摩擦の問題の説明図（その１）である。
　図１７Ｄは、金属電極の曲がりに伴う誘電体電極挿入時の摩擦の問題の説明図（その２）である。
　金属電極１８に設けられた突起３１に内接する内接円の直径をＤとした場合に、誘電体電極１７の外径寸法公差は、図１７Ａに示すように、Ｄ１±０．１５ｍｍである。
　したがって、誘電体電極１７の外形寸法が外形寸法公差の上限である場合（＝Ｄ１＋０．１５ｍｍ）を想定する。このとき、金属電極１８に突起３１を設けることにより金属電極１８の実効的な内径寸法、つまり、一組の突起群の先端に内接する円の直径Ｄは、図１７Ｂに示すように、Ｄ１＋０．１５ｍｍ以上にしなければならない。つまり図１７Ｂにおけるαの値を正の値（プラスの値）としなければならない。
　一方、αを大きくしすぎると放電ギャップ長ｄが所望の値とならないという不都合が生じる。したがって、この観点からすると、αの値は限りなく零にしたい。しかしα＝０の場合、上述したように、図１７Ｄに示す○印の領域で発生する挿入時の摩擦力が上昇することが明らかになっている。
　ここで、αの値の下限値を求める。
　以下、αを突起先端ギャップと呼ぶ。
　今回の試作機では、スペーシング加工の突起３１による内径寸法をＤ１＋０．１５～Ｄ１＋０．２０ｍｍの範囲に入るように加工した。
　具体的には、Ｄ１＋０．１５ｍｍの円筒形の限界ゲージと、Ｄ１＋０．２０ｍｍの円筒形の限界ゲージと、を用意した。そして、金属電極１８に突起３１を形成する加工を行った後に、Ｄ１＋０．１５ｍｍの限界ゲージは通過し、Ｄ１＋０．２０ｍｍの限界ゲージでは摩擦力を持って通過するか、若しくは、Ｄ１＋０．２０ｍｍの限界ゲージが通過しないようにした。
　図１８は、放電ギャップとオゾン収率の関係を示す図である。
　放電ギャップの変動を±０．１０ｍｍとした場合、放電ギャップを０．４０ｍｍに設定すると高いオゾン収率を確保できることが分かった。
　そこで、突起３１の高さは、０．４０ｍｍから突起先端ギャップαを差引いた値となる。
　図８に示した有限要素法モデルを用いて、突起３１の高さを変えて（点－面接触要素３１Ｅのギャップを変えて）、突起３１で発生する反力（点－面接触要素３１Ｅの反力）を計算した。
　図８Ｃに示したように、実際の放電ギャップ長ｄが０．４０ｍｍのときの点－面接触要素３１Ｅのギャップは１．９５ｍｍである。
　図１９は、放電ギャップ長ｄを変更したときの突起３１で発生する反力の合計値（Ｎ）を示す図である。
　図２０は、突起の高さと、誘電体電極に接触している突起の数（接触点数）と、の関係の説明図である。
　突起３１の高さ０．３９ｍｍの場合、反力合計は８８．０Ｎ、接触点数は３である。
　図２１は、突起の高さ＝０．３９ｍｍの場合における突起の接触状態の説明図である。
　図２１に示すように、３箇所で金属電極１８（に形成された突起３１）と誘電体電極１７とが接触して（押しあって）いる。
　この結果、誘電体電極１７を金属電極１８内に挿入するに際して、突起３１と誘電体電極１７との接触部で摩擦力が発生し、その大きさは反力の合計値に摩擦係数を乗じた値となる。
　一方、誘電体電極１７の金属電極１８内への挿入を容易にするためには、反力の合計値を小さくしなければならない。突起３１と誘電体電極１７との接触部における放電ギャップ長ｄは突起高さと等しくなる。つまり本例の場合、０．３９ｍｍとなる。また、接触していない部分の放電ギャップ長ｄは突起３１の高さ（＝０．３９ｍｍ）より大きい。
　ここで、再び図１９及び図２０を参照する。
　図１９において、反力の合計値は、突起３１の高さ＝０．３９ｍｍまでは緩やかに上昇しているが、突起３１の高さ＝０．３９ｍｍを超えると急激に上昇する。また、図２０によれば、接触点数も突起高さ０．３９ｍｍを超えると急激に増加する。例えば、突起３１の高さ＝０．４１ｍｍでは、接触点数＝１２である。つまりすべての突起３１が接触している。
　図２２は、突起の高さ＝０．４１ｍｍの場合の接触状態の説明図である。
　図２３Ａは、突起の高さ＝０．４１ｍｍの場合の接触状態のシミュレーション結果の説明図である。
　図２３Ｂは、突起の高さ＝０．４１ｍｍの場合の接触状態の実際の状態の説明図である。
　誘電体電極１７と金属電極１８との間のギャップは、０．４０ｍｍであるため、突起３１の高さを０．４１ｍｍとした場合のシミュレーション結果では、図２３Ａに示すように、全ての点－面接触要素３１Ｅが接触する。つまり全ての突起３１が干渉することが分かる。
　この結果、突起３１周辺の金属電極１８（金属電極１８に相当するシェル要素１８Ｓ）は外側に変形し、接触点の誘電体電極１７（誘電体電極１７に相当するシェル要素１７Ｓ）は内側に変形する。
　実際には、図２３Ｂに示すように、全ての突起３１が誘電体電極１７に接触する。つまり全ての突起３１が干渉することが分かる。この結果、突起３１の周辺が外側に変形し、接触点の誘電体電極１７は内側に変形する。
　上述したように、局所的な変形に力が費やされるため反力は増大し、反力は突起高さ０．３９ｍｍの場合と比較して、約７倍となる。
　ところで、突起３１の高さ＝０．４０ｍｍは、上述した突起３１の高さ＝０．３９ｍｍと突起３１の高さ＝０．４１ｍｍと、の中間の状態となる。
　また突起３１の高さ＝０．４０ｍｍでは、金属電極１８に０．５０ｍｍの曲がりがあるとした場合には、接触点数は９点となり、反力の合計値は、１６９．０Ｎとなる。これに対し、金属電極１８に曲がりがないとした場合は、突起３１の高さ＝０．４０ｍｍとなると、全ての突起３１が誘電体電極１７に接触することとなるが、管の変形がないため反力はゼロとなる。
　以上の検討から、金属電極１８あるいは誘電体電極１７に曲がりがあるときは、突起３１の高さを放電ギャップ長ｄより若干小さくする必要がある。
　つまり図１７に示した、突起先端ギャップαを設定することが必要となる。
　ここで、突起先端ギャップαの最適値を求める。
　例えば、突起３１の高さが０．１０ｍｍ低くなり、０．３０ｍｍとなると、突起３１が誘電体電極１７と接触したときの放電ギャップ長ｄは０．３０ｍｍとなる。したがって、接触している突起３１の反対側においては、誘電体電極１７との間の放電ギャップ長ｄは０．５０（＝０．３０＋０．１０×２）ｍｍとなる。
　したがって、限界値ではあるが、放電ギャップ長ｄの変動を±０．１ｍｍに抑えることができる。一方、突起高さを０．３９ｍｍより大きくすると、つまり突起先端ギャップαを０．０１ｍｍより小さくすると、接触点数が３を超える。よって突起先端ギャップαは０．０１～０．１０ｍｍが適切であるということがわかる。
　すなわち、放電ギャップ長ｄの設計値が０．４０ｍｍのときにおける、突起３１の高さの最適値は０．３０～０．３９ｍｍとなる。
　図１０に示したように、突起群は、金属電極１８の長手方向に３か所設けられている。
　以下、突起群あたりの突起数の最適値を求める。
　突起群を構成する突起数としては、理論上、突起数＝３～無限大まで選択の範囲がある。
　図２４Ａは、突起群を構成する突起の数＝３の場合の説明図である。
　図２４Ｂは、突起群を構成する突起の数＝４の場合の説明図である。
　図２４Ｃは、突起群を構成する突起の数＝５の場合の説明図である。
　図２４Ｄは、突起群を構成する突起の数＝５の場合の説明図である。
　以下同様にして、均等あるいはほぼ均等に突起３１を配置すれば、物理的な限度の範囲で、突起３１を形成することが可能である。
　ここでは、実際の製造コストなども考慮して、突起３１の数＝３～１０までを評価した。
　具体的には、図８に示した有限要素法モデルで、点－面接触要素３１Ｅで発生する反力を評価した。反力が最小となれば、挿入時の摩擦力も最小となる。点－面接触要素３１Ｅのギャップは１．９５ｍｍとした。これは、実際の突起３１の高さとして、０．４０ｍｍに相当する。
　突起３１の高さ＝０．４０ｍｍという値は、誘電体電極１７と、金属電極１８とが、それぞれ直管である場合の誘電体電極１７と、金属電極１８との間隔と等しい値である。
　しかし、本考察では、上述した場合と同様に、金属電極１８の有限要素法モデルは０．５０ｍｍ放物線状に曲がっているものとする。
　図２５は、突起の数＝３の場合の反発力計算条件の説明図である。
　突起３１の数＝３の場合は、同一円周上に均等に配置した３個の突起３１に相当する３個の点－面接触要素３１Ｅのうち、いずれか一つの位置（θ＝０°）を基準として、θ＝１５°、３０°、４５°、６０°の場合について反発力の計算を行った。
　突起３１の数＝４以上の場合には、突起３１の数＝ｎ（ｎは、４以上の整数）として、φ、θ１～θ４を求めてθ１～θ４の４条件で反発力を計算を行った。
　　　φ＝３６０°／ｎ
　　　θ１＝０°
　　　θ２＝（１／３）×（φ／２）
　　　θ３＝（２／３）×（φ／２）
　　　θ４＝（３／３）×（φ／２）
　例えば、ｎ＝４の場合には、φ，θ１，θ２，θ３，θ４は次式となる。
　　　φ＝３６０°／４＝９０°
　　　θ１＝０°
　　　θ２＝（１／３）×（φ／２）＝（１／３）×（９０°／２）＝１５°
　　　θ３＝（２／３）×（φ／２）＝（２／３）×（９０°／２）＝３０°
　　　θ４＝（３／３）×（φ／２）＝（３／３）×（９０°／２）＝４５°
　図２６は、突起数と反力合計の平均値の説明図である。
　図２６に示すように、突起３１の数＝４の場合の、反力が最小であることがわかる。
　したがって、１箇所の突起群あたりの突起３１の数の最適値は４である。
　この結果、突起群は長手方向に３箇所設けているので、全突起数は１２となる。なお、１箇所の突起群あたりの突起３１の数＝５であっても１箇所の突起群あたりの突起３１の数＝５の場合も１箇所の突起群あたりの突起３１の数＝４の場合には及ばないものの、用いることが可能である。
　ここで、突起３１の数＝３の場合の反力が大きい理由を考察する。
　図２７は、突起数＝３の場合の反力のつり合いを説明する図である。
　誘電体電極１７及び金属電極１８を曲げる力はｆ１だけでよい。しかし３点支持の場合、くさび効果により、不必要に大きな反力ｆ２が発生する。これが突起３１の数＝３の場合の反力が大きい理由であると考えられる。
　次に、突起３１の数＝５以上の場合の反力が大きい理由を考察する。
　突起３１の数＝５以上では、突起数の増加とともに接触点数が増えるためと考えられる。つまり、誘電体電極を過剰拘束している。
　ところで、反力の観点では突起数は４個以上でかつ少ないほうがよい。しかしながら、、もう一つ検討しなければならないことがある。誘電体電極１７と金属電極１８との同軸度である。
　放電ギャップ長ｄの設計値が０．４０ｍｍのときにおける、突起３１の高さの最適値は０．３０～０．３９ｍｍとなるということは、前述した通りである。
　図２８は、誘電体電極と金属電極との同軸度について検討するための図である。
　図２８において、誘電体電極１７の外径＝ｄｇとし、金属電極１８の内径＝ｄｓとし、誘電体電極１７の中心軸と、金属電極１８の中心軸と、のずれ（偏心量）＝ｐｙとし、突起３１の高さ＝ｐＬとし、誘電体電極１７と、金属電極１８と、の最大ギャップ＝ｇｍａｘとし、誘電体電極１７と、金属電極１８と、の最小ギャップ＝ｇｍｉｎとしている。
　突起３１の高さが下限の０．３０ｍｍの場合を考察する。
　突起３１の高さが下限の０．３０ｍｍの場合、突起３１の高さが低いため、図２８に示すように、上側２つの突起は誘電体電極と接触しない。また、最小ギャップｇｍｉｎが突起高さｐＬより小さくなる問題が発生する。
　図２９は、突起の数と、最小ギャップが突起高さより小さくなる度合いと、の関係を説明する図である。
　図２９においては、、最小ギャップｇｍｉｎが突起高さｐＬより小さくなる度合いを（ｇｍｉｎ／ｐＬ）としている。
　計算条件は、金属電極内径４４．８ｍｍ、誘電体電極外径４４．０ｍｍ、突起高さ０．３ｍｍである。
　図２９に示すように、度合いｇｍｉｎ／ｐＬは、１以下となるため、最小ギャップｇｍｉｎは０．３より小さくなる。
　例えば、突起の数が６点の場合、ｇｍｉｎ／ｐＬ≒０．９５となり、最小ギャップｇｍｉｎは、以下の通りとなる。
　　　　ｇｍｉｎ＝０．３×０．９５
　　　　　　　　＝０．２８５ｍｍ
　よって、ギャップ長ｄを０．３ｍｍ以上とするには、突起３１の高さを０．３１５ｍｍとしなければならない。このように、突起の数（突起点数）により突起３１の高さの微調整が必要となる。
　微調整量（微調整の大きさ）は、図２９に示すように突起数に依存する。ここで、突起数６以上では、ｇｍｉｎ／ｐＬに、あまり変化がないことがわかる。
　以上の考察から、突起数について以下のことが言える。
（１）誘電体電極ないしは金属電極が曲がっているとき、その反力は、突起数４のときが最小で、突起数の増加と共に反力が増える。
（２）突起数３のときは特別であり、反力が大きい。
（３）最小ギャップｇｍｉｎが突起高さｐＬより小さくなる度合いｇｍｉｎ／ｐＬは、突起数＝３のとき０．６５となり、上述した突起３１の高さの微調整量が大きくなる。突起３１の高さの微調整量は突起数が多いほど少なくてすむ。
（４）突起数＝６以上では、突起３１の高さの微調整量はあまり変化しない。
　以上のことから、突起数＝３を除外することは明白である。
突起数＝４以上では、突起数の増加とともに反力が増加するので、突起数は少ないほうがよい。
　一方、ｇｍｉｎ／ｐＬの観点では、突起数は少ないほうがよい。そして、突起数６以上でｇｍｉｎ／ｐＬの変化はない。
　よって、適する突起数＝４、５、６である。
　ところで、管を曲げるには、図２１に示したように、接触点数が３あれば十分である。
　したがって、接触点数の増加は、誘電体電極１７と金属電極１８を過剰に拘束する条件となり、反力の合計値が増えることになる。
　したがって、一つの突起文を構成する突起数は、以上の説明に基づけば、４個あるいは５個となる。
　図３０Ａは、より具体的な突起の形状を説明するための金属電極の突起群の形成部近傍の一部破断斜視図である。
　図３０Ｂは、図３０ＡにおけるＡ方向矢視拡大断面図である。
　突起３１は、図３０Ａに示すように、金属電極１８の外周面に４箇所設けられている。各突起３１は、図３０Ｂに示すようにドーム形状をしており、外周面側の凹部３１Ｏは、例えば、曲率半径４ｍｍの球面状をなしている。また内周面側の凸部３１Ｉは、例えば、曲率半径５．６ｍｍの球面状をなしている。
　上記構成によれば、突起３１は、金属電極１８の内面１８Ｉにおいて、なめらかに内径を小さくするように形成されているので、誘電体電極１７の金属電極１８内への挿入時に摩擦抵抗が急激に増加することもなく、スムーズに挿入できるようになっている。
　図３１は、実施形態の変形例の説明図である。
　図１に示したように、本実施形態においては、誘電体電極１７は、図１中、左右の両方向から金属電極１８内に同軸に挿入されていた。
　上記構成において、原料ガスは、ガス入口２３からガス出口２４に向かって一方向に原料ガス及び生成したオゾンガスが流れるため、圧力変化などに伴って誘電体電極１７が金属電極１８内で長手方向に移動してしまい、向かい合った誘電体電極１７同士が当接してしまう虞があった。
　そこで、本実施形態の変形例においては、そのような誘電体電極１７の動きを抑制している。
　誘電体電極１７の動きを抑制するために、本実施形態の変形例は、図３１に示すように、誘電体電極１７の先端部１７Ｔに当接するように移動抑制用突起３１Ｓを複数設けている。
　上記構成によれば、何らかの理由により、誘電体電極１７が先端部１７Ｔ側に移動したとしても、移動抑制用突起３１Ｓに当接して、誘電体電極１７の移動を抑制し、誘電体電極１７同士が当接してしまうことを抑制できる。
　以上説明した実施形態をまとめると以下の通りとなる。
　突起群を設ける位置については、誘電体電極１７あるいは金属電極１８が曲がっていると仮定した場合に、放電ギャップ長ｄの設計値からの逸脱量が最小となる条件で３箇所の突起群の長手方向の位置を算出すると、誘電体電極１７あるいは金属電極１８の曲がりが、放射線状であるとした場合には、Ｌ３／Ｌ＝０．０４２が最適値となった。
　また、曲がり方がサインカーブ状の場合、Ｌ３／Ｌ＝０、つまり突起位置は放電空間の端が最適である。実際の製品設計値としては、Ｌ３／Ｌ＝０．０～０．１の範囲であれば十分に実用に耐える。
　また、突起３１の先端と、誘電体電極１７との間の間隔は、誘電体電極１７あるいは金属電極１８が曲がっていると仮定した場合に、誘電体電極１７を金属電極１８内に挿入したときに摩擦力が最小となる条件で決定した。この結果、突起３１の先端と、誘電体電極１７との間の間隔は、０．０１ｍｍ以上必要であることがわかった。
　この場合において、突起３１の高さが、０．４ｍｍから０．１０ｍｍ小さくなると、突起３１が誘電体電極１７と接触したときの放電ギャップは０．３０ｍｍとなり、その反対側は０．５０ｍｍとなり、放電ギャップ長ｄの変動を±０．１ｍｍに抑えることができる。
　以上のことから、突起３１の先端と、誘電体電極１７との間の間隔は、０．０１～０．１０ｍｍが好ましい。
　さらに、一つの突起群の突起３１の数は、誘電体電極１７あるいは金属電極１８が曲がっていると仮定した場合に、誘電体電極１７を金属電極１８内に挿入したときに摩擦力が最小となる条件で決定した。
　この結果、一つの突起群の突起数＝４が最適であることがわかった。
　以上の説明のように、本実施形態によれば、放電ギャップ長を０．６ｍｍ未満とした場合でも、長手方向に少なくとも３箇所以上支持し、放電ギャップ長を長手方向に一定に維持してより高いオゾン収率を達成することができる。
　より詳細には、放電ギャップ長を０．３ｍｍ～０．５ｍｍの範囲内、特に放電ギャップ長を０．４ｍｍ近傍とした場合に高い生成後のオゾンの分解を抑制してオゾン収率の向上が図れる。
　以上の説明においては、一つの突起群を構成する突起３１は、同一円周上に設けていたが、必ずしも同一円周上に設ける必要はなく、円環状、かつ、所定の幅を有する帯状の領域内に設けるようにすることも可能である。ここで、帯状の領域は、例えば、金属電極が曲がっている状態でも、突起が設けられている部分においては、実効的に金属電極が理想的な直管と見なせるような範囲として設けるようにすればよい。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (7)

  1. 　円筒状の高圧電極に対し、同軸に円筒状の低圧電極を配置し、前記高圧電極と前記低圧電極との間に誘電体を介して所定の高電圧を印加して放電させ、前記放電によりオゾンを発生させるオゾン発生装置において、
    　放電ギャップ長ｄが０．３ｍｍ～０．５ｍｍとされ、
    　前記低圧電極あるいは前記高圧電極のいずれか一方が金属電極として形成され、いずれか他方が誘電体電極として形成され、
    　前記誘電体電極に対向する前記金属電極の内周面に、当該金属電極を前記誘電体電極に対し、前記放電ギャップ長を保持しつつ同軸に保持するための複数の突起を有する突起群を設けた、
    　オゾン発生装置。
  2. 　前記突起群は、少なくとも、放電空間の長手方向の中央部及びそれぞれ前記放電空間の両端から所定距離Ｌ３の位置の３箇所に設けられている、
    　請求項１記載のオゾン発生装置。
  3. 　前記所定距離Ｌ３は、予め設定した基準放電ギャップ長に対する前記放電空間における放電キャップ長の逸脱量が最小となるように定められている、
    　請求項２記載のオゾン発生装置。
  4. 　前記突起群は、４個または５個または６個の前記突起を備えている、
    　　請求項１記載のオゾン発生装置。
  5. 　前記突起群を構成する前記突起は、同一円周上あるいは所定の幅を有する円環状の領域内に配置されている、
    　請求項４記載のオゾン発生装置。
  6. 　前記放電ギャップ長ｄに対し、前記突起の高さを（ｄ－α）とした場合に、
    　０．０１≦α≦０．１０ｍｍ
    とした、
    　請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のオゾン発生装置。
  7. 　前記誘電体電極は、前記金属電極内に挿入されており、
    　前記金属電極は、前記突起の高さよりも高さが高く、挿入された前記誘電体電極の先端に当接して挿入方向への前記誘電体電極の移動を規制する移動抑制用突起が複数形成されている、
    　請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のオゾン発生装置。
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