(57)【要約】【課題】高濃度で高オゾン発生効率を実現できるオゾン発生システムを提供する。【解決手段】実施形態のオゾン発生装置は、オゾン生成部と、濃度維持部と、を備えている。オゾン生成部は、高圧電極に対し、低圧電極を対向配置し、前記高圧電極と前記低圧電極との間に原料ガスを導入する。そして、高圧電極と低圧電極との間に誘電体を介して所定のパルス電圧を印加して放電させ、放電によりオゾンガスを生成する。これと平行して濃度維持部は、オゾン生成部におけるオゾンガスの濃度を、オゾンの生成効率が所定のオゾン生成効率以上となる所定の濃度以下に維持する。【選択図】図１
2014129205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧電極に対し、低圧電極を対向配置し、前記高圧電極と前記低圧電極との間に原料ガスを導入するとともに、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パルス電圧を印加して放電させ、前記放電によりオゾンガスを生成するオゾン生成部と、
前記オゾン生成部における前記オゾンガスの濃度を、前記オゾンの生成効率が所定のオゾン生成効率以上となる所定の濃度以下に維持する濃度維持部と、
を備えたオゾン発生システム。
【請求項２】
前記濃度維持部は、所定の第１圧力の下で前記オゾン生成部において生成されたオゾンガスを吸着し、前記第１圧力よりも低い所定の第２圧力の下で脱着することにより、オゾンガスの濃縮を行うオゾンＰＳＡ装置として構成されている、
請求項１記載のオゾン発生システム。
【請求項３】
前記第１圧力は、大気圧超１０気圧以下である、
請求項２記載のオゾン発生システム。
【請求項４】
前記オゾン生成部は、前記所定のオゾン生成効率は、１５０ｇ／ｋＷｈ以上とされている、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のオゾン発生システム。
【請求項５】
前記オゾンＰＳＡ装置を構成するオゾン吸着剤は室温で用いられている、
請求項２又は請求項３記載のオゾン発生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、オゾン発生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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。
【０００３】
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、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。
【０００４】
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、オゾンの熱分解を抑制して効率的にオゾンが得られることとなっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１８２１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、交流高電圧を印加する通常のバリア放電（交流バリア放電）では、オゾン発生効率は低濃度では２００ｇ／ｋＷｈ程度であり、高濃度である２００ｇ／Ｎｍ３のオゾン濃度ではオゾン発生効率は１００ｇ／ｋＷｈ程度まで下がってしまう。
これに対し、パルス高電圧を印加するパルスバリア放電では低濃度では４００ｇ／ｋＷｈ程度の高効率が得られ、従来のＡＣバリア放電の２倍のオゾン発生効率が可能となるが、オゾン濃度は５０ｇ／Ｎｍ３という低いオゾン濃度でオゾン発生効率が急激に低下し、オゾン発生効率が半減してしまう。
このことは、たとえば、倉本らの論文“ｎｓパルス放電を用いたオゾン生成”電気学会放電研究会資料ＥＤ−８−９４（２００８年）Ｐ５１−５６の図１４（ｂ）において、酸素原料からのオゾン生成ではオゾン濃度が数ｇ／Ｎｍ３では５００ｇ／ｋＷｈという高い効率が得られているが、３０ｇ／Ｎｍ３では効率は半分程度に下がってしまう。単にパルスにしただけではオゾン濃度の上昇とともにオゾン発生効率は低下してしまう。
すなわち、いずれの手法においても、高濃度かつ高オゾン発生効率でオゾンを発生することはできなかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、高濃度で高オゾン発生効率を実現できるオゾン発生システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態のオゾン発生装置は、オゾン生成部と、濃度維持部と、を備えている。
オゾン生成部は、高圧電極に対し、低圧電極を対向配置し、前記高圧電極と前記低圧電極との間に原料ガスを導入する。そして、高圧電極と低圧電極との間に誘電体を介して所定のパルス電圧を印加して放電させ、放電によりオゾンガスを生成する。
これと平行して濃度維持部は、オゾン生成部におけるオゾンガスの濃度を、オゾンの生成効率が所定のオゾン生成効率以上となる所定の濃度以下に維持する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態のオゾン発生システムの概要構成ブロック図である。
【図２】図２は、パルス放電装置の概要構成説明図である。
【図３】図３は、パルス放電装置の原理回路の説明図である。
【図４】図４は、実施形態の効果の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、実施形態のオゾン発生システムの概要構成ブロック図である。
オゾン発生システム１０は、大気から高濃度の酸素を抽出するＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）酸素製造装置１１と、ＰＳＡ酸素製造装置１１から供給された酸素からパルスバリア放電により低濃度オゾンを含むガスである低濃度オゾンガスを生成するパルス放電装置１２と、パルス放電装置１２が生成したガスを加圧してオゾンガスを吸着剤に吸着させ、減圧して高濃度オゾンガスを吸着剤から脱着するオゾンＰＳＡ装置１３と、空気を取り込んで乾燥空気として、オゾンＰＳＡ装置１３に供給し吸着されたオゾンガスを脱着して高濃度オゾンガスとして取り出すための乾燥空気製造装置１４と、低濃度オゾンガスからオゾンガス吸着除去後の残ガスからアルゴンガスを除去して原料酸素ガスとして再利用（リサイクル）するためにパルス放電装置１２に供給するアルゴン除去装置１５と、オゾン発生システム１０全体を制御するコントロール装置１６と、を備えている。
【００１１】
上記構成において、オゾンＰＳＡ装置１３は、オゾンガスを吸着剤に吸着させることにより、パルス放電装置１２内におけるオゾンガスの濃度をオゾンの生成効率が所定のオゾン生成効率以上となる所定の濃度以下に維持する濃度維持部として機能している。
【００１２】
ここで、パルス放電装置１２の概要構成について説明する。
図２は、パルス放電装置の概要構成説明図である。
パルス放電装置１２は、パルスバリア放電式のオゾン発生装置として構成されている。
パルス放電装置１２は、大別すると、パルス放電装置本体２１と、このパルス放電装置本体２１にヒューズ２２を介して電力を供給する高圧電源（高圧直流電源）２３と、を備えている。
【００１３】
パルス放電装置本体２１は、気密容器２５を備えている。気密容器２５には、ＰＳＡ酸素製造装置１１から供給された酸素（Ｏ２：原料ガス）が導入されるガス入口２６及び未反応の原料ガス（Ｏ２）及びオゾン（Ｏ３）が導出されるガス出口２７が設けられている。
【００１４】
気密容器２５内には、円筒状の誘電体電極（第１電極）３１が配置されている。この誘電体電極３１の外周面に対向して、所定の放電ギャップ３２が保たれた状態で円筒状かつステンレス鋼製の金属電極（第２電極）３３が配置されている。
【００１５】
この金属電極３３の背面と気密容器２５との間には、冷却水が導入される冷却水入口３４と冷却水が導出される冷却水出口３５との間に冷却水流路３６が設けられている。
また、誘電体電極３１は、誘電損失の小さいガラス等で形成された円筒状誘電体３１Ａを備えている。円筒状誘電体３１Ａの内周面には、導電電極３１Ｂが形成されている。この導電電極３１Ｂには、ヒューズ２２を介して高圧電源２３に接続された高圧給電端子３１Ｃが接続されている。
【００１６】
ここで、円筒状誘電体３１Ａ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。
また導電電極２１Ｂ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する。
【００１７】
金属電極３３には、誘電体電極３１との間に放電ギャップ３２を形成するために複数の突起３３Ａが形成されている。
上記構成において、放電ギャップ３２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〜１ｍｍよりも短い０．３ｍｍ〜０．５ｍｍに設定されている。
【００１８】
図３は、パルス放電装置の原理回路の説明図である。
パルス放電装置１２は、高圧電源２３（例えば、直流電圧２０ｋＶ）と、この高圧電源２３に直列接続された抵抗１２Ａ、コイル１２Ｂ、充電コンデンサ１２Ｃ、コイル１２Ｄ及び抵抗１２Ｅと、充電コンデンサ１２Ｃ、コイル１２Ｄ及び抵抗１２Ｅと並列に接続されたサイラトロンスイッチ１２Ｆと、を備えている。
【００１９】
またバリア放電回路の等価回路は、直列に接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２と、コンデンサＣ２に並列に接続された放電ギャップ３２の放電ギャップ長ｄに相当する抵抗Ｒ１として表される。
そして、サイラトロンスイッチ１２Ｆを開状態（オフ状態）として、高圧電源２３により、抵抗１２Ａ、コイル１２Ｂを介して充電コンデンサ１２Ｃを充電する。
その後、サイラトロンスイッチ１２Ｆを閉状態（オン状態）とすることにより、充電コンデンサ１２Ｃは、放電状態に移行し、バリアパルス放電がなされることとなる。
【００２０】
次にオゾンＰＳＡ装置１３の構成について述べる。
オゾンＰＳＡ装置１３は、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１と、第２オゾンＰＳＡユニット４１−２と、を備えている。
ここで、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１と、第２オゾンＰＳＡユニット４１−２と、は同一構成であるので、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１について説明する。第１オゾンＰＳＡユニット４１−１及び第２オゾンＰＳＡユニット４１−２は、オゾンを吸着／脱着可能な吸着剤（オゾン吸着剤）を備えており、この吸着剤は、室温で用いられている。
【００２１】
第１オゾンＰＳＡユニット４１−１は、それぞれ２系統に分岐された第１分岐管５１及び第２分岐管５２を備えている。
第１分岐管５１の一方には、第１供給側バルブ６１及び低濃度オゾンガス供給配管５３を介してパルス放電装置１２が接続されている。また、第１分岐管５１の他方には、第１排出側バルブ６２及び高濃度オゾンガス排出配管５４を介して浄水場等の高濃度オゾンガス利用施設に接続されている。
【００２２】
一方、第２分岐管５２の一方には、第２供給側バルブ６３及び乾燥空気供給配管５５を介して乾燥空気製造装置１４が接続されている。また、第２分岐管５２の他方には、第２排出側バルブ６４及び再利用ガス排出管５６を介して、アルゴン除去装置１５が接続されている。
さらに乾燥空気供給配管５５と再利用ガス排出管５６との間には、両者を連通するための連通バルブ６５が設けられており、乾燥空気をアルゴン除去装置１５に供給する際に開状態とされる。
【００２３】
上記構成において、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１と、第２オゾンＰＳＡユニット４１−２と、は、交互に、一方が低濃度オゾンガス中のオゾンを濃縮するためのオゾンガス吸着用として用いられ、他方が濃縮された高濃度オゾンガスを供給するためのオゾンガス脱着用として用いられる。
【００２４】
そこで、以下においては、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１をオゾンガス吸着用として用い、第２オゾンＰＳＡユニット４１−２をオゾンガス脱着用として用いる場合の配管の接続状態について説明する。
【００２５】
この場合には、オゾンガス吸着用として用いられる第１オゾンＰＳＡユニット４１−１は、第１供給側バルブ６１が開状態とされ、第２排出側バルブ６４が開状態とされ、第２供給側バルブ６３が閉状態とされ、第１排出側バルブ６２が閉状態とされる。
この結果、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１には、低濃度オゾンガス供給配管５３を介して低濃度オゾンガスが供給され、オゾンガス吸着後のガスが再利用ガス排出管５６に排出される。
【００２６】
一方、オゾンガス脱着用として用いられる第２オゾンＰＳＡユニット４１−２は、第２供給側バルブ６３が開状態とされ、第１排出側バルブ６２が開状態とされ、第１供給側バルブ６１が閉状態とされ、第２排出側バルブ６４が閉状態とされる。
この結果、第２オゾンＰＳＡユニット４１−２には、乾燥空気供給配管５５を介して乾燥空気が供給され、オゾンガス脱着後の高濃度オゾンガスが高濃度オゾンガス排出配管５４に排出される。
【００２７】
次に第１オゾンＰＳＡユニット４１−１の動作に着目して実施形態の動作を説明する。
まず、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１がオゾンガス吸着用として用いられる場合について説明する。
【００２８】
コントロール装置１６は、オゾンガス吸着用として用いる第１オゾンＰＳＡユニット４１−１に対応する第１供給側バルブ６１を開状態とし、第２排出側バルブ６４を開状態とし、第２供給側バルブ６３を閉状態とし、第１排出側バルブ６２を閉状態とする。
【００２９】
また、コントロール装置１６は、オゾンガス脱着用として用いる第２オゾンＰＳＡユニット４１−２に対応する第２供給側バルブ６３を開状態とし、第１排出側バルブ６２を開状態とし、第１供給側バルブ６１を閉状態とし、第２排出側バルブ６４を閉状態とする。
【００３０】
続いて、ＰＳＡ酸素製造装置１１は、コントロール装置１６の制御下で、大気から高濃度の酸素（Ｏ２）を抽出し、パルス放電装置１２に原料ガスとして供給する。
これにより、パルス放電装置１２は、供給された酸素（原料ガス）にパルスバリア放電を行い、低濃度オゾンを含むガスである低濃度オゾンガスを生成する。
【００３１】
ここで、パルス放電装置１２が原料ガスである酸素に印加するパルスのパルス電圧は、電圧印加時間がイオンの移動にかかる時間（１０マイクロ秒程度）より短くすることによってイオンの伝導損失を低減し、オゾン発生効率が４００ｇ／ｋＷｈという高効率を得ることができる。この値はボルツマンの輸送方程式を解くことで得られる理論限界とほぼ同じ値である。
そして、パルス放電装置１２は、低濃度オゾンガス供給配管及び第１供給側バルブを介して低濃度オゾンガスをオゾンＰＳＡ装置１３の第１オゾンＰＳＡユニット４１−１に供給する。
【００３２】
この場合において、オゾンＰＳＡ装置１３（ひいては、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１）に供給される低濃度オゾンガスの圧力は、図示しないポンプ等により大気圧より高く１０気圧以下の圧力とされている。これは、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１におけるオゾン吸着能力を高めるためである。
【００３３】
この状態においては、低濃度オゾンガス中に含まれるオゾンガスは、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１の吸着剤に選択的に吸着される。そしてオゾンガス吸着後の残ガスは、第２排出側バルブ６４を介してアルゴン除去装置１５に供給される。
そしてアルゴン除去装置１５に供給された残ガスからアルゴンガスが除去された後、酸素を含む残ガスは、再びパルス放電装置１２に原料ガスとして供給されて再利用されることとなる。
【００３４】
上記動作を継続し、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１の吸着剤で吸着されたオゾンガスが所定量を上回るとされた段階で、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１は、オゾンガス脱着用として用いられるようにされる。
この場合において、吸着されたオゾンガスが所定量を上回るか否かの判断は、パルス放電装置１２に供給される酸素の濃度、パルス放電装置１２の放電条件、トータルの放電時間などに基づいて設定される。
【００３５】
そして、コントロール装置１６は、オゾンガス脱着用として用いる第１オゾンＰＳＡユニット４１−１に対応する第２供給側バルブ６３を開状態とし、第１排出側バルブ６２を開状態とし、第１供給側バルブ６１を閉状態とし、第２排出側バルブ６４を閉状態とする。
【００３６】
また、コントロール装置１６は、オゾンガス吸着用として用いる第２オゾンＰＳＡユニット４１−２に対応する第１供給側バルブ６１を開状態とし、第２排出側バルブ６４を開状態とし、第２供給側バルブ６３を閉状態とし、第１排出側バルブ６２を閉状態とする。
【００３７】
続いて、乾燥空気製造装置１４は、コントロール装置１６の制御下で、空気を取り込んで乾燥空気として、オゾンＰＳＡ装置１３の第１オゾンＰＳＡユニット４１−１に供給する。
この場合において、オゾンＰＳＡ装置１３（ひいては、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１）に供給される乾燥空気の圧力は、大気圧以下とされている。これは、第１オゾンＰＳＡユニット４１−１におけるオゾン脱着を容易とするためである。
【００３８】
図４は、実施形態の効果の説明図である。
図４において、オゾン発生効率［ｇ／ｋＷｈ］は、オゾン濃度［ｇ／Ｎｍ３］と電力［ｋＷ］とガス流量［Ｎｍ３／ｈ］を計測し、その比を求めることにより算出した。
図４中、□印で示すように、従来のＡＣバリア放電では、オゾン発生効率は低濃度では２００ｇ／ｋＷｈ程度であり、高濃度である２００ｇ／Ｎｍ３のオゾン濃度ではオゾン発生効率は１００ｇ／ｋＷｈ程度まで下がってしまうこととなっていた。
【００３９】
また、図４中、○印で示すように、従来のパルスバリア放電では、低濃度では４００ｇ／ｋＷｈ程度の高効率が得られ、従来のＡＣバリア放電の２倍の効率が可能となっていたが、５０ｇ／Ｎｍ３という低いオゾン濃度で効率が半減してしまうこととなっていた。
【００４０】
そこで、本実施形態においては、オゾンガスの濃度を、オゾンの生成効率が所定のオゾン生成効率以上となる所定の濃度以下に維持するようにオゾンＰＳＡ装置１３を機能させている。
オゾンＰＳＡ装置１３における導入ガスの圧力を制御することにより、オゾン濃度をオゾンの生成効率が所定のオゾン生成効率以上となるように制御する。
【００４１】
例えば、図４中、△印で示すように、パルス電圧は電圧印加時間がイオンの移動にかかる時間（１０マイクロ秒程度）より短くすることによってイオンの伝導損失を低減し、オゾン濃度１０ｇ／Ｎｍ３において程度に維持することにより、オゾン発生効率を４００ｇ／ｋＷｈという高効率とすることができる。この値は上述したように、ボルツマンの輸送方程式を解くことで得られる理論限界とほぼ同じ値である。
【００４２】
また、同様にして、オゾン濃度２００ｇ／Ｎｍ３においてオゾン発生効率２００ｇ／ｋＷｈという高効率を得ることができる。この効率は従来のＡＣバリア放電のオゾン濃度２００ｇ／Ｎｍ３においてオゾン発生効率１００ｇ／ｋＷｈの倍の高効率となっている。
【００４３】
この場合において、オゾンＰＳＡ装置１３を構成しているオゾン吸着剤は、上述したように室温で用いているため、冷却に必要な余分な電力を用いないため、高効率かつ高濃度オゾンを生成するオゾン生成システムを構築することができる。
【００４４】
また、実施形態にかかるオゾン発生システムを用いて生成された高濃度オゾンあるいはオゾン水は、例えば水処理技術などに適用し、処理されるべき水の脱臭、脱色、及び殺菌等に使用することができる。
【００４５】
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、特許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。
【符号の説明】
【００４６】
１０    オゾン発生システム
１１    ＰＳＡ酸素製造装置
１２    パルス放電装置（オゾン生成部）
１３    オゾンＰＳＡ装置（濃度維持部）
１４    乾燥空気製造装置
１５    アルゴン除去装置
１６    コントロール装置
４１−１    第１オゾンＰＳＡユニット（濃度維持部）
４１−２    第２オゾンＰＳＡユニット（濃度維持部）
５１    第１分岐管
５２    第２分岐管
５３    低濃度オゾンガス供給配管
５４    高濃度オゾンガス排出配管
５５    乾燥空気供給配管
５６    再利用ガス排出管
６１    第１供給側バルブ
６２    第１排出側バルブ
６３    第２供給側バルブ
６４    第２排出側バルブ
６５    連通バルブ
ｄ      放電ギャップ長
【図１】
2014129205.tif 000003
【図２】
2014129205.tif 000004
【図３】
2014129205.tif 000005
【図４】
2014129205.tif 000006