(57)【要約】  本発明は、システム構成を必要最小限に抑えて、高濃度なオゾンを外部に出力することができるオゾンガス発生システムを提供することを目的とする。そして、本発明に係るオゾンガス発生システム（１０００）は、多段に積層された複数の放電セルから構成されるオゾン発生器（２００）を含み、オゾン発生器（２００）は「複数の放電セルは、それぞれ放電面の放電面積ｓｏが約３０ｃｍ２〜１６０ｃｍ２の範囲である」条件(1)、「前記複数の放電セルそれぞれの放電空間に供給する原料ガスの原料ガス流量ｑｏは、０．５Ｌ／ｍｉｎ〜２．５Ｌ／ｍｉｎの範囲である」条件(2)、及び「複数の放電セルそれぞれの放電空間における放電電力密度Ｊは、２．５Ｗ／ｃｍ２〜６Ｗ／ｃｍ２の範囲設定である」条件(3)を満足している。
2019225033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対の平板電極（１，３）に誘電体を介し配置した放電セルを有するオゾン発生器（２００）と、
前記オゾン発生器にオゾン発生用交流電圧を付与するオゾン用電源（１００）とを備え、
前記オゾン発生器に酸素を含んだ原料ガスが供給され、
前記オゾン発生器は、前記放電セルの放電空間に誘電体バリア放電を発生させ、前記放電空間に供給した原料ガスからオゾンガスを生成し、該オゾンガスを外部に出力し、
前記放電セルは、多段に積層された複数の放電セルを含み、
前記オゾン発生器は以下の条件(1)及び条件(2)を満足することを特徴とする、
(1) 前記複数の放電セルは、それぞれ放電面の放電面積ｓｏが３０ｃｍ２以上、１６０ｃｍ２未満の範囲に設定される、
(2) 前記複数の放電セルそれぞれの放電空間に供給する原料ガスの原料ガス流量ｑｏは、０．５Ｌ／ｍｉｎ以上、２．５Ｌ／ｍｉｎ未満の範囲に設定される、
オゾンガス発生システム。
【請求項２】
請求項１記載のオゾンガス発生システムであって、
前記オゾン発生器は以下の条件(3)をさらに満足することを特徴とする、
(3) 前記複数の放電セルそれぞれの放電空間における放電電力密度Ｊは、２．５Ｗ／ｃｍ２以上、６Ｗ／ｃｍ２未満の範囲に設定される、
オゾンガス発生システム。
【請求項３】
請求項２記載のオゾンガス発生システムであって、
前記オゾン発生器は、前記複数の放電セルを所定の冷却温度に冷却する冷却機構をさらに含み、
前記オゾン発生器は以下の条件(4)をさらに満足することを特徴とする、
(4) 前記所定の冷却温度は５℃以上に設定される、
オゾンガス発生システム。
【請求項４】
請求項３記載のオゾンガス発生システムであって、
前記オゾン用電源及び前記オゾン発生器は以下の条件(5)及び条件(6)をさらに満足することを特徴とする、
(5) 前記複数の放電セル全体に供給する総ガス流量Ｑは３．０Ｌ／ｍｉｎ以上である、
(6) 前記複数の放電セル全体に付与する総放電電力ＤＷと前記総ガス流量Ｑとの比である比電力値ＤＷ／Ｑは、６００（Ｗ・min/Ｌ）以上であり、前記総放電電力ＤＷは前記オゾン発生用交流電圧によって規定される、
オゾンガス発生システム。
【請求項５】
請求項４記載のオゾンガス発生システムであって、
前記複数の放電セルそれぞれの放電面は平面視して円状を呈し、
前記オゾン発生器は以下の条件(7)をさらに満足することを特徴とする、
(7) 前記複数の放電セルそれぞれの放電面の直径が７０ｍｍ以上、１４０ｍｍ未満の範囲に設定される、
オゾンガス発生システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうち、いずれか１項に記載のオゾンガス発生システムであって、
前記オゾン用電源は、
出力周波数ｆを２０ｋＨｚ以上、５０ｋＨｚ未満の範囲に設定して、高周波交流電圧を出力するインバータ部（２２）と、
前記高周波交流電圧を高電圧に昇圧して前記オゾン発生用交流電圧を得る昇圧用トランス（２５）とを含む、
オゾンガス発生システム。
【請求項７】
請求項６記載のオゾンガス発生システムであって、
前記昇圧用トランスは内部励磁インダクタンス値Ｌｔを有し、
前記複数の放電セルは全体の静電容量値Ｃ０を有し、
以下の条件式を満足する並列共振周波数ｆｃの近傍に前記出力周波数ｆを設定したことを特徴とする、
条件式：ｆｃ＝１／（２π・（Ｌｔ・Ｃ０）０．５）
オゾンガス発生システム。
【請求項８】
１対の平板電極（１，３）に誘電体を介し配置した放電セルを有するオゾン発生器（２００）と、前記オゾン発生器にオゾン発生用交流電圧を付与するオゾン用電源（１００）とを用いて、オゾンガスを発生するオゾンガス発生方法であって、
前記オゾン発生器に酸素を含んだ原料ガスが供給され、前記オゾン発生器は、前記放電セルの放電空間に誘電体バリア放電を発生させ、前記放電空間に供給した原料ガスからオゾンガスを生成し、該オゾンガスを外部に出力し、前記放電セルは、多段に積層された複数の放電セルを含み、
前記オゾンガス発生方法は、
(1) 前記複数の放電セルそれぞれの放電面の放電面積ｓｏを、３０ｃｍ２以上、１６０ｃｍ２未満の範囲に設定するステップと、
(2) 前記複数の放電セルそれぞれの放電空間に供給する原料ガスの原料ガス流量ｑｏを、０．５Ｌ／ｍｉｎ以上、２．５Ｌ／ｍｉｎ未満の範囲に設定するステップとを備える、
オゾンガス発生方法。
【請求項９】
請求項８記載のオゾンガス発生方法であって、
前記オゾンガス発生方法は以下のステップ(3)をさらに備える、
(3) 前記複数の放電セルそれぞれの放電空間における放電電力密度Ｊを、２．５Ｗ／ｃｍ２以上、６Ｗ／ｃｍ２未満の範囲に設定するステップ、
オゾンガス発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、オゾン用電源と放電現象を利用したオゾン発生器との組合構成により、高濃度なオゾンガスを出力するオゾンガス発生システムに関する。特に、放電ギャップ長ｄを数十μｍ〜数百μｍの範囲の短ギャップにし、放電を用いたオゾン発生器とオゾン用電源との組合で、高濃度なオゾンガスまたは高発生量のオゾンガスを出力できるオゾンガス発生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、放電式のオゾンガス発生装置は、オゾンガスを発生させるための電源供給を行うオゾン用電源と、オゾンガス生成用の放電セル（オゾン発生セル）を内蔵したオゾン発生器との組合せで構成される。【０００３】
放電セルは誘電体を介した放電空間を有しており、オゾン用電源からオゾン発生器に高電圧のオゾン発生用交流電圧を印加することにより、放電セルの放電空間内で誘電体バリア放電（無声放電）を誘起させることができる。誘電体バリア放電を発生している放電空間に、オゾンガスを生成するための触媒ガスを添加した酸素ガスを原料ガスとして採用した放電発生装置、もしくは触媒ガスを添加しない高純度酸素ガスが原料ガスとして供給され、上記誘電体バリア放電面にオゾンガスを生成するための光触媒材料が塗布された放電発生装置の２通りの装置が構成される。これら２通りの放電発生装置それぞれに供給した原料ガスに放電エネルギーを与えることで、触媒を介した高濃度のオゾンガスが生成される。【０００４】
放電セルで生成したオゾンガスを集め、オゾン発生器から所定のオゾン濃度のオゾンガスが取出せる構成にしたものが、オゾンガス発生装置である。オゾンガス発生装置に用いるオゾン発生器としては、例えば、特許文献１で開示されたオゾン発生器がある。【０００５】
種々の先行技術文献で開示されたオゾン発生器は、当然オゾンガスを生成するための触媒ガスを添加することもしくは、放電面に光触媒材料を塗布するように施したオゾン発生器を対象にしている。以後の発明要素においては、原料ガスに触媒ガスを添加した原料ガスもしくは放電面に光触媒材料を塗布するようにしたオゾン発生器であることの明記は省略して、当然上記処置は施されているオゾン発生器を前提として説明する。【０００６】
また、オゾン発生器で単位時間当たりの生成した総オゾン生成量Ｙ(g/h)は、放電セルの放電空間に供給した原料ガスの総ガス流量Ｑ(L/min)とオゾン発生器に投入する総放電電力ＤＷ(W)に対応した量となり、以下の式(1)を満足する。【０００７】
Ｙ=Ｑ・Ｃ…(1)
なお、式(1)における"Ｃ"は、放電セルで生成するオゾン生成濃度(g/m３)である。【０００８】
つまり、オゾン発生器で生成する総オゾン生成量Ｙ(g/h)は、生成したオゾン生成濃度Ｃ(g/m３)と供給した原料ガスの総ガス流量Ｑ(L/min)の積に対応した値となる。【０００９】
ちなみに、放電セルで生成するオゾン生成濃度Ｃ（ｇ/m3）は、単位時間当たりの単位ガス体積Ｖ（ｃｍ３）に注入する放電電力DW（watt＝joule・sec.）に対応する。なお、単に単位ガス体積Ｖ（ｃｍ３）はオゾンガス発生器全体において以下の式(2)を満足する。
Ｖ（ｃｍ３/sec）＝1000・Ｑ/６０…(2) 【００１０】
つまり、放電セルで生成するオゾン生成濃度Ｃ（ｇ/m3）は、オゾン発生セルの単位ガス体積Ｖ（ｃｍ３）に注入する放電エネルギー量（joule/ｃｍ3）に相当する比電力値ＤＷ／Ｑ(W・min/L)によって決まる。【００１１】
したがって、オゾン生成濃度Ｃ(g/m３)は、比電力値ＤＷ／Ｑ(W・min/L)に比例して生成濃度が高くなる。オゾン生成濃度Ｃ(g/m３)は、以下の式(3)で表される。
Ｃ(g/m３)＝Ａ・ＤＷ／Ｑ…(3)【００１２】
なお、式(3)において、"Ａ(g/J)"は、放電セルによる単位放電エネルギー当たりのオゾン生成能力を示した固有の比例定数である。固有値である"Ａ(g/J)"は、電子衝突や放電による種々の触媒化学反応を介してオゾンを生成できる能力値を示す。より詳細に説明すると、この"Ａ(g/J)"は、放電形態、ガス種、放電面材料、ギャップ長ｄに依存する固有値といえる。【００１３】
ちなみに、単位時間当たりの生成した総オゾン生成量Ｙ（ｇ/ｈ）に対し、式(3)で導出されるオゾン生成濃度Ｃを生成する放電セルにおいて、放電空間内に滞在しているオゾン量Ｙｓ（ｇ）は、下記の式(4)で表される。
Ｙｓ（ｇ）＝Ｃ・ｄ・Ｓ／１００００００…(4)【００１４】
式(4)における"ｄ"は、放電ギャップ長（ｃｍ）で、"Ｓ"は、オゾン発生器の総放電面積（ｃｍ2）である。放電セルの放電空間内に滞在しているオゾン量Ｙｓは、オゾンを生成できる能力値Ａや比電力値ＤＷ／Ｑ値だけでなく、放電セル構造因子である放電ギャップ長ｄ、総放電面積Ｓで決まる固定値であって、放電セル構造が決まれば変更ができないパラメータ値でもある。【００１５】
図７は従来のオゾン発生装置における比電力値ＤＷ／Ｑに対する取出しオゾン濃度Ｃｔの特性を示すグラフである。【００１６】
なお、オゾン発生装置における取出しオゾン量Ｙｔは、取出しオゾン濃度Ｃｔと供給するガス流量Ｑとの積にほぼ対応した値となる。つまり、可能な範囲で最大となるガス流量Qの原料ガスを供給して、図７に示した取出しオゾン濃度Ｃｔ値と比電力値ＤＷ／Ｑ値とから、オゾン発生装置における取出しオゾン量Ｙｔ（＝Ｃｔ・Ｑ）の最大値が求まり、注入する放電電力ＤＷ（＝比電力値（ＤＷ／Ｑ）・Ｑ）の最大値も求まる。【００１７】
オゾンガス発生装置においては、式(3)、式(4)で算出したオゾン生成濃度Ｃ、オゾン量Ｙｓのオゾンが発生している。一方、図７に示すように、放電現象を利用するオゾンガス発生装置においては、オゾン発生器の比電力値ＤＷ／Ｑに対する取出しオゾン濃度Ｃｔの特性は、特性８０００ａとなる。特性８０００ａにおいて、低い比電力値ＤＷ／Ｑに対する取出しオゾン濃度Ｃｔの特性を示す接線（二点鎖線）が各放電セルに滞在しているオゾン量Ｙｓに相当するオゾン生成濃度Ｃを示している。【００１８】
一方、高い比電力値ＤＷ／Ｑにおける取出しオゾン濃度Ｃｔは、各放電セルから生成するオゾン生成濃度Ｃ（二点鎖線）から各放電セル内での生成したオゾンを分解する濃度Ｃｄを取り除いた値となる。すなわち、取出しオゾン濃度Ｃｔは、オゾンガス発生装置から取出せる実際のオゾン濃度を示している。【００１９】
ここで、原料ガスとして高純度酸素ガスを用いているオゾン発生器について検討する。このようなオゾン発生器においては、比電力値ＤＷ／Ｑ(W・min/L)に対して決定される、生成オゾン濃度特性（二点鎖線）で示されるオゾン生成能力の主要因は、特許文献２〜特許文献６で示された放電セルの放電空間で発生する誘電体バリア放電（無声放電）であると考えられる。各特許文献が示すように、放電空間における電子衝突による酸素原子の解離量は非常に少なく、この電子衝突を原因としたオゾン生成能力は、高濃度オゾン生成の内で極一部の量に過ぎない。【００２０】
すなわち、総放電電力ＤＷをオゾン発生器に供給し、放電セルの放電空間に誘電体バリア放電を発生させると、「供給された原料ガスに含まれる微量の窒素ガスの触媒作用」、または「放電セルを構成する電極面の全面に配設された光触媒機能」によって、酸素原子の解離量が多くなることから高濃度のオゾンガスを生成することができる。【００２１】
このように、微量の窒素ガス量による酸素原子解離能力や電極面に配設した光触媒の酸素原子解離能力が、オゾンガス発生の主要因となる。【００２２】
放電セル中で生成されるオゾン生成濃度Ｃ(g/m３)は、上述した酸素原子解離能力が高いほど、式(3)で示したＡ(g/J)値が高くなり、放電空間で多量のオゾンガスが生産される。【００２３】
また、放電セルでは、放電エネルギー（Ｊ）を注入することで、Ａ(g/J)をパラメータとした式(3)に従うオゾン濃度のオゾンガスが生成されているが、生成されたオゾンガスは、同時に放電セル内で自己分解と放電ガスとの衝突による分解とがある。この放電セル内でのオゾンガスの自己分解と放電ガスとの衝突による分解との総和であるオゾン分解量は、取り出した雰囲気中での通常のオゾンガスの自己分解量よりも大きい。【００２４】
これは、電子衝突による酸素原子解離が放電空間内において、オゾン生成能力に対比して、大きい割合を占めることを意味する。つまり、放電プラズマ中の電子、イオン、放電ガスとの衝突による生成したオゾンを解離させ酸素に戻すオゾンガスの分解量、及び放電セル内での高濃度オゾン状態のオゾンが自己分解するオゾン分解量が、通常の大気中でのオゾンの分解量に比べ大きくなるため、放電プラズマ中におけるオゾンの分解量が無視できないことを示している。【００２５】
そのため、各放電セル内での生成したオゾンガスを分解する濃度Ｃｄも、投入する総放電電力ＤＷや総ガス流量Ｑに依存する要素となると考えられる。【００２６】
図７で示した従来のオゾンガス発生装置において、装置の実用環境を考慮すると、原料ガスの総ガス流量Ｑとして略２．４Ｌ／ｍｉｎ以上のガス流量域を必要とし、オゾン発生器を冷却する冷却温度を５℃以上にした制約条件にすることが望ましいと想定される。なお、上記オゾン発生器を冷却する冷却温度の制約条件の上限は常温（２０℃）に対し３０℃程度を想定してオゾンガス発生装置が運用されている。【００２７】
上記制約条件下において、高い比電力値ＤＷ／Ｑ（５００W・min/L附近）にして取出しオゾン濃度Ｃｔを高めても、従来のオゾンガス発生装置は、４００ｇ／ｍ３を超える高濃度なオゾンガスを取出すことができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２８】
【特許文献１】特許第３６０７８９０号公報
【特許文献２】特許第３６４２５７２号公報
【特許文献３】特許第４９５３８１４号公報
【特許文献４】特許第５０６９８００号公報
【特許文献５】特許第４８２５３１４号公報
【特許文献６】特許第４９３２０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
従来のオゾンガス発生装置は、既存のオゾン用電源と既存の放電セル形状のオゾン発生器とで構成されている。【００３０】
従来のオゾンガス発生装置では、原料ガスの総ガス流量Ｑが比較的大きい大ガス流量域条件で、総放電電力ＤＷを高め、高い比電力値ＤＷ／Ｑ（５００W・min/L附近）に設定すると、各放電セルにおいて、生成するオゾン生成濃度Ｃに対し、オゾンガス発生装置内でのオゾンガスの分解量が大きいために、取出しオゾン濃度Ｃｔが所定濃度以上高められない状態になっている。【００３１】
このため、従来のオゾンガス発生装置では、取出しオゾン濃度Ｃｔに限界があり、オゾンガス発生装置から取出せるオゾン濃度を大ガス流量域で。より高濃度なオゾンガスを取り出せることができないという問題点があった。【００３２】
特に、図７で示す特性を有する従来のオゾンガス発生装置では、大ガス流量域の比電力値ＤＷ/Ｑに対するオゾン濃度特性において、４００ｇ/ｍ３を超える高濃度（領域９９ａ内の濃度）のオゾンガスを取り出せることができなかった。【００３３】
また、放電セルに関し、放電投入電力を上げ、オゾン生成量を増しても、却ってオゾンガスの分解量が大きくなり、取出せるオゾン濃度が高められない問題があった。また、取出しオゾン量Ｙｔを高めるために、放電投入電力を上げ、放電電力密度を高めると、負荷印加電圧が高くなる問題点もあった。さらに、より高周波周波数の交流出力にすると、オゾン用電源が安定してオゾン発生用交流電圧を供給できない等、電源制御上における放電電力密度が制約を受けてしまう問題点があった。【００３４】
本発明では、上記のような問題点を解決し、システム構成を必要最小限に抑えて、高濃度なオゾンを外部に出力することができるオゾンガス発生システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
この発明に係るオゾンガス発生システムは、１対の平板電極に誘電体を介し配置した放電セルを有するオゾン発生器と、前記オゾン発生器にオゾン発生用交流電圧を付与するオゾン用電源とを備え、前記オゾン発生器に酸素を含んだ原料ガスが供給され、前記オゾン発生器は、前記放電セルの放電空間に誘電体バリア放電を発生させ、前記放電空間に供給した原料ガスからオゾンガスを生成し、該オゾンガスを外部に出力し、前記放電セルは、多段に積層された複数の放電セルを含み、前記オゾン発生器は以下の条件(1)及び条件(2)を満足することを特徴とする。条件(1)及び条件(2)は以下の通りである。条件(1) 前記複数の放電セルは、それぞれ放電面の放電面積ｓｏが３０ｃｍ２以上、１６０ｃｍ２未満の範囲に設定される、条件(2) 前記複数の放電セルそれぞれに供給する原料ガスの原料ガス流量ｑｏは、０．５Ｌ／ｍｉｎ以上、２．５Ｌ／ｍｉｎ未満の範囲に設定される。
【発明の効果】
【００３６】
この発明におけるオゾンガス発生システムは、条件(1)及び条件(2)を満足することにより、各放電セルの放電空間におけるガス滞在時間Ｔｏを短くすることで、電子、イオン、放電ガスとの衝突によるオゾンガス分解量や放電セル内で生成したオゾンの自己オゾン分解量を抑えることができる。【００３７】
その結果、この発明におけるオゾンガス発生システムは、オゾン発生器からより高濃度のオゾンガスを取り出せることが可能になる効果を奏する。【００３８】
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の実施の形態であるオゾンガス発生システムの構成を示す説明図である。
【図２】図１で示したオゾン発生器の放電セルにおける放電面の構造を示す説明図である。
【図３】Ａタイプ〜Ｃタイプ放電セル形状それぞれのオゾン発生器のガス滞在時間Ｔｏに対する総オゾン分解量Ｙｄの特性を示すグラフである。
【図４】Ａタイプ〜Ｃタイプ放電セル形状それぞれのオゾン発生器の比電力値ＤＷ／Ｑに対する取出しオゾン濃度Ｃｔの特性を示すグラフである。
【図５】Ａタイプ〜Ｃタイプ放電セル形状それぞれのオゾン発生器の原料ガスの総ガス流量Ｑに対する取出しオゾン濃度Ｃｔの特性を示すグラフである。
【図６】オゾン用電源の動作周波数ｆに対するＡタイプ〜Ｃタイプ放電セル形状それぞれのオゾン発生器に印加される負荷ピーク電圧Ｖｐの特性を示すグラフである。
【図７】従来のオゾン発生装置における比電力値ＤＷ／Ｑに対する取出しオゾン濃度Ｃｔの特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
＜実施の形態＞
（原理及び概要）
図１はこの発明の実施の形態であるオゾンガス発生システムの構成を示す説明図である。同図に示すように、本実施の形態のオゾンガス発生システム１０００は、１対の平板電極（１，３ａ，３ｂ）に誘電体を介し配置した放電セル（Ｓ１及びＳ２：基本放電セルと定義する）を有するオゾン発生器２００と、オゾン発生器２００にオゾン発生用交流電圧を付与するオゾン用電源１００とを備えている。
【００４１】
そして、オゾン発生器２００内の放電セル（Ｓ１，Ｓ２）の放電空間に誘電体バリア放電を発生させ、この放電空間に供給した酸素ガスを含む原料ガスからオゾンガスを生成し、オゾンガスを外部に取り出している。
【００４２】
オゾンガス発生システム１０００において、１単位の放電セル当たり１つの放電空間（１対の放電面によって形成される空間）と１つのオゾンガス取り出し口を有するように構成されている。以下、放電空間を構成する１対の放電面を「１単位の放電面」あるいは「１放電面」と称する場合がある。また、１単位の放電セルに供給する放電電力ｄｗ(W)、放電面積ｓｏ(cm２)、原料ガス流量ｑｏ(L/min)等は、１単位の放電セル当たりのオゾンガス発生に関するパラメータ記号として小文字で示す。
【００４３】
一方、オゾン発生器２００内の複数の放電セル全体に供給する総放電電力ＤＷ(W)、総放電面積Ｓ(cm２)、原料ガスの総ガス流量Ｑ(L/min)等は、オゾン発生器２００のパラメータ記号として大文字表記で示す。なお、１単位の放電セルやオゾン発生器の違いによって、パラメータ値が変化しない記号については、原則として大文字表記で説明する。
【００４４】
オゾン発生器２００の取出しオゾン濃度Ｃｔを最大にする条件を求めるべく、１単位の放電セルにおいて、放電空間の放電形状に関わる放電面積ｓｏと、１単位の放電空間（放電面）に投入できる放電電力密度Ｊと、１単位の放電空間に流す原料ガス流量ｑｏとの最適化を検討する。
【００４５】
ちなみに、オゾンガス発生システム１０００での放電セルの放電空間の放電ギャップ長ｄの範囲は数十μｍ以上から数百μｍ未満のオゾン発生器に適用する。特に、放電ギャップ長ｄは２０μｍ〜１００μｍの範囲において、その効果がより高められるからである。
【００４６】
放電面積ｓｏ(cm２)を所定面積範囲内に設定し、適用放電ギャップ長ｄの範囲に設定したオゾン発生器おいて、特に、より高濃度のオゾンガスを取り出せる条件としては、１単位の放電セル内に流れる平均ガス流速ｖo/ｄを略（１．６/ｄ）ｃｍ/ｓ未満の範囲内になるようにする。
【００４７】
さらに、１単位の放電セル（１放電面）に供給する原料ガス流量ｑｏを略０．２５Ｌ／ｍｉｎ未満にしている。このため、オゾンガス発生システム１０００の比電力値ｄｗ／ｑｏを高く設定しても、１単位の放電セル内でのオゾンガス生成量ｙ（＝Ｃ・ｑｏ）に対し、オゾンガスの衝突によるオゾン分解と生成したオゾン自身の自己分解とを合わせた総オゾン分解量ｙｄを低く抑えることができ、高濃度なオゾンガスを１単位の放電セルから取出せることができる。
【００４８】
また、１単位の放電セルに供給する放電電力密度が２．５Ｗ／ｃｍ２〜６Ｗ／ｃｍ２範囲内となるように、放電電力ｄｗ(W)とすることで、１単位の放電セルにおけるオゾンガス生成量ｙ（＝Ｃ・ｑｏ）に対し、オゾンガスの衝突によるオゾン分解と生成したオゾン自身の自己分解とを合わせた総オゾン分解量ｙｄを低く抑えることができる。その結果、放電セルから効率良く、オゾンガスの取出しオゾン量ｙｔを最大限に溜めることができる。
【００４９】
さらに、オゾンガス発生システム１０００は、各々が１放電面（１つの放電空間）を有する放電セルＳ１，Ｓ２をｎ段積層してオゾン発生器２００を構成している。したがって、放電面（放電空間）は２ｎ個になり、オゾンガス発生システム１０００は、２ｎ倍の総放電電力ＤＷ（＝２・ｎ・ｄｗ）[Ｗ]を供給するオゾン用電源１００と２ｎ倍の総放電面積Ｓ（＝２・ｎ・ｓｏ）[ｃｍ２]と２ｎ倍の原料ガス流量Ｑ（＝２・ｎ・ｑｏ）[L/min]を達成している。このため、オゾンガス発生システム１０００は、高濃度な取出しオゾン濃度Ｃｔをオゾン発生器から得るとともに、供給するガス流量Ｑに対し、オゾンガスの取出しオゾン量Ｙｔを最大限に高めることができる。
【００５０】
また、オゾン用電源１００から出力する高周波・高電圧のオゾン発生用交流電圧の出力周波数を２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ範囲内で、従来の出力周波数である２０ｋＨｚ以下に比べ高めている。このため、オゾン用電源１００は、オゾン発生器２００に印加するオゾン発生用交流電圧のピーク電圧値を７ｋＶｐ以下にして、総放電電力ＤＷをオゾン発生器２００に供給することができる。
【００５１】
また、放電セル（基本セルＳ１，Ｓ２）の放電面を平面視して円状で構成し、放電面の直径（外径）を小さくすることで、放電セルの放電空間を原料ガスが通過する時間であるガス滞在時間Ｔｏ[ms]を短縮させている。
【００５２】
さらに、放電セルに流れる平均ガス流速ｖo/ｄを略０．０３５／ｄ[cm/s]未満に抑えることで、放電セルで生成するオゾン生成量に対する供給するガス量も抑えられ、放電セル内において高いオゾン生成濃度Ｃを確保して、かつ、オゾンガスの衝突によるオゾン分解と生成したオゾン自身の自己分解とを合わせた分解量Ｙｄを低く抑えている。その結果、オゾン発生器２００から取出せる取出しオゾン濃度Ｃｔを高めることができる。
【００５３】
さらに、オゾン用電源１００を構成する高周波・高電圧トランスとして機能する並列共振用トランス２５の内部励磁インダクタンス値Ｌｔと多段積層された複数の放電セルで構成したオゾン発生器２００自身の静電容量値Ｃ０とにより、並列共振できる動作周波数域に合わせた高周波を出力制御するオゾン用電源１００を構成している。
【００５４】
その結果、オゾン用電源１００は、昇圧用トランスである並列共振用トランス２５の出力部において並列共振回路を形成したオゾン用電源となり、より安定化したオゾン発生用交流電圧をオゾン発生器２００に供給することができる。
【００５５】
（全体構成）
この発明による実施の形態であるオゾンガス発生システムの構成及び特徴を図１〜図６を参照して説明する。
【００５６】
図１はこの発明の実施の形態であるオゾンガス発生システム１０００の構成を示す説明図である。図１に示すように、本実施の形態のオゾンガス発生システム１０００は、オゾンガスを生成するオゾン発生器２００とオゾン発生器２００に総放電電力ＤＷ用のオゾン発生用交流電圧を付与するオゾン用電源１００とを主要構成部として含んでいる。
【００５７】
本実施の形態のオゾンガス発生システム１０００は、半導体製造装置や洗浄装置等の他の装置と共に併設されることが多い。特に、高純度のオゾンガスが求められ、かつ、処理速度を高めることや処理能力をより高めることが要求されている。したがって、オゾンガス発生システム１０００は、既存の装置で得られるオゾン濃度より高濃度なオゾンガスが取出せることや供給するガス流量Ｑに対し、取出しオゾン量Ｙｔが大きくなるシステムが望ましい。
【００５８】
図２は図１で示したオゾン発生器２００の放電セルにおける放電面の構造を示す説明図である。図１及び図２において、オゾンガス発生システム１０００は、オゾンガスを発生させるオゾン発生器２００と、このオゾン発生器２００に総放電電力ＤＷ用のオゾン発生用交流電圧を供給するオゾン用電源１００から構成されている。
【００５９】
オゾン用電源１００は、ＡＣ−ＤＣコンバータ回路部２１、インバータ回路部２２、限流リアクトル２３、電源制御回路２４及び並列共振用トランス２５を主要構成として含んでいる。
【００６０】
インバータ部であるインバータ回路部２２は、ＡＣ−ＤＣコンバータ回路部２１を介して商用電源から入力された電力（電圧）を受け、この電圧を必要な高周波交流に変換して得られる高周波交流電圧を、限流リアクトル２３を介して並列共振用トランス２５に出力する。なお、インバータ回路部２２による高周波交流電圧の出力周波数ｆを２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ範囲内としている。すなわち、オゾン用電源１００の動作周波数ｆは２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの範囲内となる。
【００６１】
なお、本願明細書において、「ＡＡ〜ＢＢ」で示す範囲は、原則、ＡＡ以上ＢＢ未満を示す。
【００６２】
昇圧用トランスである並列共振用トランス２５は、上記高周波交流電圧を高電圧に昇圧してオゾン発生用交流電圧を得て、このオゾン発生用交流電圧をオゾン発生器２００の高電圧端子ＨＶ及び低電圧端子ＬＶ間に供給している。
【００６３】
オゾン発生用交流電圧によってオゾン発生器２００に供給する総放電電力ＤＷが規定される。さらに、並列共振用トランス２５は、後に詳述するように、負荷の力率を改善する措置がなされている。
【００６４】
高電圧端子ＨＶは、オゾン発生器２００内の各放電セルの高圧電極３ａ、及び３ｂに電気的に接続されている。
【００６５】
電源制御回路２４によってＡＣ−ＤＣコンバータ回路部２１及び高周波インバータを含むインバータ回路部２２の電流／電圧を制御することにより、オゾン発生器２００に供給するオゾン発生用交流電圧の電圧値を制御することができる。
【００６６】
オゾン発生器２００は、各々が基本放電面を有する複数の基本セルＳ１，Ｓ２が積層されて構成されている。１対の基本セルＳ１及びＳ２を基本構成としている。基本構成は、接地冷却電極１及び誘電体電極２a、２ｂ、高圧電極３a、３ｂ、及び絶縁板４a、４ｂから構成される。
【００６７】
基本セルＳ１は、下方から上方に向かう、接地冷却電極１、誘電体電極２ａ、高圧電極３ａ、絶縁板４ａの積層構造を含んで構成される。
【００６８】
基本セルＳ２は、上方から下方に向かう、接地冷却電極１、誘電体電極２ｂ、高圧電極３ｂ、絶縁板４ｂの積層構造を含んで構成される。基本セルＳ１，Ｓ２間で接地冷却電極１は共用される。
【００６９】
そして、基本セルＳ１の上方及び基本セルＳ２の下方に低圧冷却板５が設けられる。このような構成の１対の基本セルＳ１，Ｓ２からなる基本構成が多段に積層される。なお、１単位の基本セルは、それぞれ放電空間を形成するための１対の放電面を有する。すなわち、基本セルＳ１及びＳ２からなる基本構成を６段積層した場合、１単位の基本セルが１２個積層されたことになる。
【００７０】
基本セルＳ１及びＳ２の構造の詳細については後述する。所定数の基本構成（基本セルＳ１及びＳ２）が基台１０上に図１の上下方向に積層されて、オゾン発生器２００の主要部となっている。
【００７１】
積層された複数の基本セルは、最上部の基本セル（基本セルＳ１）上に重ねて設けられた積層押え板７と、積層押え板７及び各基本セルを貫通する積層セル押え棒８によって、積層セル押えばね６を介して所定の締め付け力で基台１０に締着されている。
【００７２】
複数の基本セル全体が発生器カバー１１で覆われている。発生器カバー１１は一面を削除した概略の箱状を成し開口周縁部に設けられたフランジをカバー締付けボルト（図示せず）で基台１０に締着されている。発生器カバー１１の開口周縁部と基台１０との間には、Ｏリング（図示せず）が挟まれており発生器カバー１１と基台１０とが形成する内部空間は密閉構造とされている。
【００７３】
基台１０には、この内部空間に、高純度酸素ガス等の原料ガスを供給する原料ガス入口３１が設けられている。原料ガス入口３１から供給された原料ガスＧＩＮは、発生器カバー１１内の内部空間に充満され、複数の放電セルの放電空間の間隙に入り込む。
【００７４】
基台１０には、放電空間にて生成されたオゾンガスをオゾン発生器２００からマニホールドブロック９を介して外部に出すオゾンガス出口３２と放電セルを冷却する冷却水が出入りする冷却水出入口（図示せず）が設けられている。
【００７５】
つまり、オゾンガス出口３２は、基台１０に設けられたオゾンガス通路の端部開口であり、冷却水出入口は基台１０内に設けられた冷却水通路に繋がる（図示省略）。なお、基台１０内に設けられた冷却水通路とオゾンガス通路とは互いに独立した通路で形成している。
【００７６】
このような構成のオゾンガス発生システム１０００において、取出しオゾン量Ｙｔをより高めるために、オゾン発生器２００内の複数の放電セルの放電面（総放電面積Ｓ）に投入する放電電力ＤＷ対する比である放電電力密度Ｊ（＝ＤＷ／Ｓ）を規定する。さらに、取出しオゾン濃度Ｃｔを高められる条件に設定するために、１単位の放電セル（基本セルＳ１あるいはＳ２）に供給する平均ガス流速ｖo/ｄを規定するように、１単位の基本セルの放電面の径を小さくする。このように小さくすることで、１放電セル（基本セル）におけるオゾン分解量ｙｄを低く抑え、高濃度なオゾンガスを取り出せるようにしている。また、各々が基本セルＳ１，Ｓ２を有する複数の放電セルによる多段積層セル構造（ｎ（≧２））で供給ガスを分散させることで、原料ガス流量ｑｏの２ｎ倍の原料ガスの総ガス流量Ｑ（＝2・ｎ・ｑｏ）が供給できるようにしている。
【００７７】
また、オゾン発生器２００内の各放電セルに投入できる放電電力密度Ｊ（＝ＤＷ／Ｓ）を上昇させた場合、所望の総放電電力ＤＷを供給すると、負荷印加電圧Ｖｄが高くなる。この負荷印加電圧Ｖｄを低く抑制して、所望の総放電電力ＤＷを供給して、取出しオゾン量Ｙｔを最大限に確保する目的で、オゾン用電源１００の出力周波数を２０〜５０ｋＨｚまで高めている。なお、負荷印加電圧Ｖｄはオゾン用電源１００から出力するオゾン発生用交流電圧の実効値を示している。
【００７８】
さらに、オゾン用電源１００内において、並列共振用トランス２５の内部励磁インダクタンス値Ｌｔと多段に積層された複数の放電セルを含んで構成したオゾン発生器２００自身の静電容量値Ｃ０とにより、並列共振できる出力周波数の高周波交流電圧をインバータ回路部２２から出力させている。
【００７９】
具体的には、オゾン用電源１００は、以下の式(5)を満足する並列共振周波数ｆｃの近傍に動作周波数ｆを設定している。
【００８０】
ｆｃ＝１／（２π・（Ｌｔ・Ｃ０）０．５）…(5)
その結果、オゾン用電源１００は、並列共振用トランス２５の出力側に並列共振回路を形成したオゾン用電源となり、より安定化したオゾン発生用交流電圧をオゾン発生器２００に供給できる。
【００８１】
図１及び図２に示すように、平面視して接地冷却電極１の周辺端部と一部重複して、複数の放電セル（Ｓ１，Ｓ２）の積層方向に延びるマニホールドブロック９を有している。
【００８２】
接地冷却電極１は、平面視して円状の上面及び下面を放電面として有している。すなわち、接地冷却電極１の上面が基本セルＳ１の放電面となり、接地冷却電極１の下面が基本セルＳ２の放電面となる。すなわち、基本セルＳ１は接地冷却電極１の上面と、誘電体電極２ａの下面とを１対の放電面として、１対の放電面間に放電空間を形成している。同様に、基本セルＳ２は接地冷却電極１の下面と誘電体電極２ｂの上面とを１対の放電面として、１対の放電面間に放電空間を形成している。これら２つの放電空間に発生したオゾンガスを取り出すための開口部１５を設けている。また、基本放電セルＳ１及びＳ２の両面を冷却するために、接地冷却電極１の内部に冷却水経路（図示せず）を有している。
【００８３】
開口部１５は接地冷却電極１の内部に設けられた出力経路１７を介してマニホールドブロック９のオゾンガス出力経路９２に繋がっている。一方、マニホールドブロック９に設けられた冷却水出力経路９１及び冷却水入力経路９３は、接地冷却電極１の内部に設けられた上記冷却水経路と接続されている。
【００８４】
このように、基台１０に設けられた冷却水経路と、マニホールドブロック９に設けられた冷却水出力経路９１及び冷却水入力経路９３と、接地冷却電極１に設けられた冷却水経路とを含んで、オゾン発生器２００の複数の放電セルを冷却する冷却機構が構成される。
【００８５】
また、接地冷却電極１の上面及び下面それぞれ上に、放電ギャップ長ｄ(mm)を構成するための放電スペーサ１３が複数個設けられ、複数の放電スペーサ１３を介して誘電体電極２ａ及び２ｂ並びに高圧電極３a及び３ｂを重ね合わせる。その結果、接地冷却電極１，高圧電極３ａ（誘電体電極２ａ）間、及び、接地冷却電極１，高圧電極３ｂ（誘電体電極２ｂ）間それぞれに放電ギャップ長ｄの放電空間を形成することができる。
【００８６】
さらに、接地冷却電極１の上面及び下面には、１つのオゾン生成法として、オゾンを生成するための光触媒材（図示せず）が塗布されたオゾン発生器構成としている。
【００８７】
接地冷却電極１の外周部から原料ガスＧＩＮが供給される。この際、複数の放電セルの枚数ｎに分散された原料ガス流量ｑｏ（Ｑ／ｎ）が各放電セルに供給される。そして、接地冷却電極１と高圧電極３a、３ｂとの間にオゾン発生用交流電圧が印加されることにより、各放電セルの放電面全面に誘電体バリア放電が形成される。したがって、放電空間内において、誘電体バリア放電の光エネルギーと光触媒の活性化により、放電空間に供給した原料ガスに含まれる酸素ガスの酸素原子解離が促進される。
【００８８】
その結果、オゾン発生器２００は、誘電体バリア放電の特徴である、間欠放電の休止期間で生成した酸素原子と酸素ガスとの三体衝突化学反応が促進され、各放電セルの放電空間において、高効率のオゾン生成能力を発揮することができる。つまり、オゾン発生器２００は、複数の放電セルの総放電面積Ｓと比電力値ＤＷ／Ｑとに比例した濃度のオゾンガスを生成することができる。
【００８９】
接地冷却電極１の外周から原料ガスＧＩＮが供給されているため、各放電セルの放電空間で生成したオゾンガスは、ガスの流れに沿って、接地冷却電極１の中央部の開口部１５に入り、接地冷却電極１内に設けたオゾン通路である出力経路１７を経由して出力オゾンガスＧOUTとして取り出される。
【００９０】
オゾン発生器２００内において各放電セルにより生成されたオゾンガスが集められ、マニホールドブロック９のオゾンガス出力経路９２を介し、最終的にオゾンガス出口３２から所定濃度のオゾンガスが外部に取出される。
【００９１】
オゾン発生器２００から最終的に取り出される取出しオゾン量Ｙｔは、１単位の放電セルそれぞれの放電空間で生成したオゾンガス生成量ｙから各放電空間での放電中の衝突によるオゾン分解量と放電セル中のオゾンの自己オゾン分解量とを合わせたオゾン分解量ｙｄを差し引いた取出しオゾン量ｙｔの総和となる。
【００９２】
図２の各放電セルで単位時間当たりの生成したオゾン生成量ｙ(g/h)は、放電空間に供給した原料ガス流量ｑｏ(L/min)と各放電セルに投入する放電電力ｄｗ(W)に対応し、オゾンが放電面に塗布した光触媒機能が作用することで、以下の式(6)で表される。
【００９３】
ｙ＝ｑｏ・Ｃ…(6)
式(6)において、"Ｃ"は、１単位の放電セルで単位時間当たりの生成するオゾン生成量ｙと放電空間中の原料ガス流量ｑｏとで算出されるオゾン濃度(g/m３)となる。
【００９４】
すなわち、１単位の放電セルに形成される放電空間の体積である１放電空間体積ｄｖ（ｃｍ３）は、以下の式(7)で表される。
ｄｖ（ｃｍ３）＝ｄ・ｓｏ…(7)
【００９５】
したがって、１放電空間で生成した後、放電空間に滞在しているオゾン量ｙｓ（ｇ）は、生成したオゾン生成濃度Ｃ（ｇ/m3）と式(7)で算出された放電空間体積ｄｖ（ｃｍ３）の積に対応したオゾン生成量ｙとなる。
【００９６】
なお、式(7)において、"ｄ"は、放電ギャップ長(cm)、"ｓｏ"は、１単位の放電セルにおける放電面の放電面積(cm２)であり、これらのパラメータ"ｄ"，"ｓｏ"は、放電セル構造を規定する固定値である。
【００９７】
放電セルで生成するオゾン生成濃度Ｃ(g/m３)は、単位時間当たりの単位ガス体積ｄｖ（ｃｍ３）に注入する放電電力ｄｗに対応する。なお、単位ガス体積ｄｖは、１単位の放電セルに関し以下の式(8)（式(2)に同じ）に再度示す。
【００９８】
ｄｖ（ｃｍ３/sec）＝1000・Ｑ/（ｎ・６０）…(8)
つまり、１単位の放電セルで生成するオゾン生成濃度Ｃ(g/m３)は、単位ガス体積ｄｖに注入する放電エネルギー量（joule/cm３）に相当する比電力値ｄｗ／ｑｏ(W・min/L)によって決まり、以下で示す式(9)のように放電空間で滞在しているオゾン量ｙｓ（ｇ）は、比電力値ｄｗ／ｑｏ(W・min/L)に比例して高くなる。
ｙｓ（ｇ）＝Ｃ・ｄ・ｓ/１００００００…(9)
【００９９】
ここでは、１単位の放電セルにおける比電力値ｄｗ／ｑｏで示したが、多段に積層した場合（ｎ倍）の全体の比電力値ＤＷ／Ｑとは同じ比で示されるため、今後、比電力値ＤＷ／Ｑで表記する。
【０１００】
しかし、実際の放電を用いたオゾンガス発生装置においては、取出しオゾン濃度Ｃｔは、図７に示すように、比電力値ＤＷ／Ｑに比例して増加せず、比電力値ＤＷ／Ｑに対する取出しオゾン濃度Ｃｔの特性は特性８０００ａとなる。
【０１０１】
特性８０００ａにおいて、低い比電力値ＤＷ／Ｑの取出しオゾン濃度Ｃｔ特性の接線（二点鎖線）が放電セル（オゾン発生セル）で生成するオゾン生成濃度Ｃ(g/m３)の特性と定義される。
【０１０２】
一方、図７の特性８０００ａに示すように、高い比電力値ＤＷ／Ｑの領域での取出しオゾン濃度Ｃｔは、各放電セルから生成するオゾン生成濃度Ｃから、各放電セル内での生成したオゾンを分解する濃度Ｃｄを取り除いた値となっていると判断できる。
【０１０３】
図７に示すように、原料ガス流量Ｑが略３．０Ｌ／ｍｉｎ以上の大流量域において、オゾン発生器の比電力値ＤＷ／Ｑに対する取出しオゾン濃度Ｃｔの特性８０００ａが所定の濃度値で飽和している。このため、総放電電力ＤＷを増加し比電力値ＤＷ／Ｑを高めても取出しオゾン濃度Ｃｔを高めることができない。
【０１０４】
比電力値ＤＷ／Ｑを高くしても、所定濃度値から取出しオゾン濃度Ｃｔが高くならず、むしろ低下傾向を示す原因は、放電セルで発生した電子、イオン、放電ガスと放電空間で生成したオゾンとの衝突でオゾンガスが分解することと、放電セル内で滞在しているオゾン自身の自己分解が大きいことにある。
【０１０５】
つまり、放電空間で生成したオゾンガスが、放電中の電子空間を通過する際、電子、イオン、放電ガス等と衝突して分解する分解量とオゾン自身の自己分解する自己分解量とを合わせた分解量が大きいことにより、取出しオゾン濃度Ｃｔが低下している。
【０１０６】
放電セル内でオゾン分解する総オゾン分解量Ｙｄ（＝２・ｎ・ｙｄ）は、放電空間中での発生した電子量ｎｅ、放電ガスｎｇの分子量、平均ガス流速ｖo/ｄ、ガス滞在時間Ｔｏ及びガス温度Ｔｇに依存して以下の式(10)で表される。なお、"ｙｄ"は１単位の放電セルのオゾン分解量を意味する。
【０１０７】
Ｙｄ＝Ｂ(ｎｅ,ｎｇ，ｖｏ／ｄ，Ｔｏ，Ｔｇ，Ｃ)…(10)
式(10)に示すように、総オゾン分解量Ｙｄは、Ｂ（…）の関数で求まる。
【０１０８】
したがって、複数の放電セル内でオゾンガスを分解する総オゾン分解量Ｙｄを比電力値ＤＷ／Ｑに対応して低減できれば、取出しオゾン濃度Ｃｔを高めることができる。
【０１０９】
複数の放電セル内でオゾン分解する総オゾン分解量Ｙｄは、複数の放電空間中でのオゾンガスの分解量であるが、図７に示すように、総ガス流量Ｑが略３．０Ｌ／ｍｉｎ以上の大流量域においては、オゾンガスを生成するために投入する総放電電力ＤＷとガス流量Ｑとの比（比電力値ＤＷ／Ｑ）で一義的決まることが分かる。
【０１１０】
このことから、比電力値ＤＷ／Ｑに依存した総オゾン分解量Ｙｄは、オゾン発生器の構造そのもの条件で決まる固有の特性を有していることが分かった。つまり、オゾン発生器の構造やオゾン電源の出力条件を見直せば、比電力値ＤＷ／Ｑに依存した総オゾン分解量Ｙｄも低減でき、かつ取出しオゾン量Ｙｔが高められる。この点に着目したのが本願発明である。
【０１１１】
図２に示す接地冷却電極１における１放電面の断面において、放電セル中での生成したオゾンガスのオゾンの分解量に注目する。
【０１１２】
原料ガス流量Ｑ（原料ガス流量）で原料ガスを供給すると、２ｎ個の１単位の放電セル（基本セルＳ１あるいはＳ２）それぞれに流れる原料ガス流量ｑｏ（＝Ｑ／（２・ｎ））に分散して供給され、１単位の放電セル当たり放電電力ｄｗ（＝ＤＷ／（２・ｎ））を投入する場合を考える。
【０１１３】
この場合、１つの放電空間で生成したオゾンガスのオゾン生成量ｙ[＝Ｙ/（２・ｎ）](g/h)は、放電空間を原料ガスが流れることにより生成される量である。そして、１単位の放電セルでのオゾン生成量ｙは、放電空間を通過する時間であるガス滞在時間Ｔｏと、１放電面における単位周囲長さｌ（ｃｍ）を基準とした放電セルに流れるガス断面ｓav（=ｌ・ｄ）における平均ガス流速ｖo/ｄ（ｃｍ/ｓ）（＝ｑo・0.001/（60・ｓav））とからなる２つの要素と密接に関連する。これら２つの要素は、放電セルの形状で決まる固有値となる。なお、単位周囲長さｌ（ｃｍ）とは、１放電空間を形成する１対の放電面のうち、一の放電面である代表放電面の外周に沿った周囲長さ（ｃｍ）を示す。つまり、１放電面の平均面積ｓav（＝ｓo/2）の放電径の周囲長さ（ｃｍ）が単位周囲長さｌ（ｃｍ）となる。
【０１１４】
ガス滞在時間Ｔｏは、放電空間における電子、イオン、放電ガスと放電面で生成したオゾンガスとの衝突によるオゾン分解量と、放電空間内で滞在しているオゾン自身の自己オゾン分解量の両方に密接に関連する。また、単位周囲長さｌ（ｃｍ）を基準とした平均ガス流速ｖo/ｄ（ｃｍ/ｓ）は、１単位の放電セル内で生成されるオゾン生成能力と密接に関係しており、オゾン生成能力に対しガスの平均ガス流速ｖo/ｄが大きければ、総ガス流量Ｑが大きいことになり、取出せるオゾン濃度が低くなることになる。
【０１１５】
したがって、ガス滞在時間Ｔｏ及びガス温度Ｔｇは、放電空間を通過中のオゾンガスの衝突による分解量とオゾン自身の自己分解量を高める要素となり、放電セル内でのオゾン分解量を高める要因を助長させている。また、放電空間内でオゾンを生成する能力よりも、平均ガス流速ｖo/ｄ（ｃｍ/ｓ）が大きくなると、取出すオゾン濃度Ｃｔが低くなる。
【０１１６】
つまり、１つの放電空間において、投入できる放電電力密度J（＝ｗｄ/ｓｏ）の誘電体バリア放電のエネルギーで生成したオゾンガスのオゾン発生量ｙ[=Ｙ/（２・ｎ）](g/h)のうち、放電空間内に滞在しているオゾン量ｙｓ（ｇ）に関し、このオゾン量ｙｓを高濃度でオゾンを取り出す際には、放電空間におけるガスのガス滞在時間Ｔｏによるオゾン分解量ｙｄの影響が無視できない。
【０１１７】
具体的には、ガス滞在時間Ｔｏが大きいほど、オゾン分解時間が長くなるため、放電ガスとの衝突による分解量と滞在しているオゾン自身の自己分解量との総計であるオゾン分解量ｙｄが大きくなる。
【０１１８】
また、放電空間でオゾンが生成する能力よりも、平均ガス流速ｖo/ｄ（ｃｍ/ｓ）が大きくなると、取出しオゾン濃度Ｃｔが低くなる。
【０１１９】
さらに、放電電力密度Ｊを増すとガス温度Ｔｇが高くなる傾向はあるが、放電面全面を冷却して、放電熱エネルギーを十分に取り除く冷却能力を有すれば、投入できる放電電力密度Jを増した放電セル形状ほどにオゾン分解量ｙｄは増加せず、ある程度冷却能力で抑制できる。
【０１２０】
ガス温度Ｔｇによるオゾン分解については、放電電極面の冷却能力と関連し、十分な冷却能力にすることでガス温度Ｔｇの温度上昇を抑制できる。ガス温度Ｔｇの温度上昇抑制については、オゾン発生器の設計上の必須問題であるため、ここでは、ガス温度Ｔｇによるオゾン分解量の増加については考慮しない。
【０１２１】
次に、通常の３．０Ｌ／ｍｉｎ以上の大流量の原料ガスを流した場合において、放電空間中のガス滞在時間Ｔｏ、単位周囲長さｌ（ｃｍ）を基準した放電空間を流れる平均ガス流速ｖo/ｄ、及び放電電力密度Jに適した放電セル形状について考える。ガス滞在時間Ｔｏは以下の式(11)のようになる。
【０１２２】
Ｔｏ(ms)＝(ｄ・ｓｏ)／ｑｏ…(11)
なお、式(11)において、"ｄ"は、放電ギャップ長（mm）、"ｓｏ"は、１単位の放電セルの放電面における放電面積(cm２)、"ｑｏ"は１放電空間当たりの原料ガス流量(L/min)である。
【０１２３】
一方、"Ｓ"は、オゾン発生器２００内の総放電面積(cm２)を示し、"Ｑ"は、オゾン発生器２００内に供給する原料ガスの総ガス流量(L/min)を示し、"ｎ"は、図１で示したオゾン発生器２００の積層した放電セル（基本セルＳ１及びＳ２の組合せ）の枚数(個)を示し、放電面数としては、２・ｎとなる。
【０１２４】
また、単位周囲長さｌ（ｃｍ）を基準とした放電面に流れる平均ガス流速ｖo/ｄ（cm/s）は、放電セルの形状に依存する。例えば、円板状の放電セルの場合、単位周囲長さｌ（ｃｍ）を基準とした放電セルに流れるガス断面ｓavは、放電面積ｓｏの１／２相当の放電径に流れ込む単位ギャップ長当たりの平均ガス流速ｖoで定義すると以下の式(12)で表される。
【０１２５】
ｖｏ（cm/s）＝ｑｏ／（２π・（ｓｏ／２π）０．５）
＝ｆ（ｓｏ）・｛１／Ｔｏ｝…(12)
なお、単位ギャップ長当たりの平均ガス流速ｖoは、関数ｆ（ｓｏ）と放電空間中のガス滞在時間Ｔｏの逆数に依存する値である。
【０１２６】
また、１放電空間に投入できる放電電力密度Ｊ（W/cm２）は、以下の式(13)で表される。
【０１２７】
Ｊ（W/cm２）＝ＤＷ/Ｓ＝ｄｗ／ｓｏ…(13)
なお、式(13)において、"ＤＷ"は総放電電力である。
【０１２８】
放電空間において、単純に比例してオゾン分解量ｙｄが増加する要素は、ガス滞在時間Ｔｏである。ガス滞在時間Ｔｏが短くなるようにするには、１単位の放電セルの放電面の放電面積ｓｏを小さくして、同じ放電電力ｄｗ[=ＤＷ/（２・ｎ）]を投入すれば、式(11)で示すガス滞在時間Ｔｏが短くなる分、オゾン分解量ｙｄを下げることができる。
【０１２９】
しかしながら、１単位の放電セルの放電面積ｓｏを小さくすると、式(12)で示すように単位周囲長さ（ｃｍ）を基準とした放電面を流れる平均ガス流速ｖo/ｄ（cm/s）が大きくなる。このため、放電面内に供給する原料ガス流量ｑoが低い条件下でも、オゾン取出し濃度Ｃｔを高くすることができる。
【０１３０】
本願発明者は、１単位の放電セルにおける放電面積ｓｏを小さくすれば.放電空間に供給する原料ガス流量ｑoが低い条件で、放電空間でのガス滞在時間Ｔoを短くする条件設定が重要であることを見出した。すなわち、本願発明者は、上記条件設定により、生成したオゾンの衝突によるオゾン分解と滞在しているオゾン自身の自己分解とを含む分解に要する時間が短縮でき、結果として放電空間におけるオゾン分解量ｙｄを減らせることを認識した。
【０１３１】
したがって、高濃度オゾンが取出せるように、平均ガス流速ｖo/ｄを最適条件に設定し、ガス滞在時間Ｔoを短くすることが望ましい。つまり、放電空間で生成したオゾンの取出す際におけるオゾン分解量ｙｄを減らすには、１単位の放電セルにおける放電面積ｓｏを小さくすることが必要である。
【０１３２】
そして、ガス滞在時間Ｔｏを短くする方法として、放電電力密度Ｊが望ましい範囲内になるように放電セルにおける放電面の径を小さくし、径を小さくした放電面により形成される放電空間に投入する放電電力ｄｗを設定する方法が考えられる。この方法によれば、１放電空間におけるオゾン分解量ｙｄを低減でき、結果として、１放電空間からより高濃度で、所定量のオゾンガスが取出せるようになる。
【０１３３】
つまり、本願発明者は、高濃度なオゾンガスを取り出す手段として、１放電空間から高濃度のオゾンガスが取出せるオゾンセル構造（放電面の放電面積ｓｏ）と、放電電力密度Ｊの設定を規定するため、１放電空間に投入する放電電力ｄｗと、平均ガス流速ｖo/ｄを規定範囲内にするための原料ガス流量ｑｏとを含む各種要因の条件範囲を適切に設定することが重要になる。
【０１３４】
さらに、上記した１放電空間に関する条件を維持し、かつ、高濃度のオゾンガスが取出せるガス流量を高める方法として、基本セルＳ１及びＳ２を有する放電セルを多段（ｎ倍）に積層することが望まされる。放電セルをｎ段に積層すると、放電電力ＤＷ（＝２・ｎ・ｄｗ）及び総ガス流量Ｑ（＝２・ｎ・ｑｏ）を高めたオゾンガス発生システムを構成することができ、結果的に比較的大きなガス流量域で高濃度なオゾンガスを取出すことができる。
【０１３５】
加えて、上記構成のオゾンガスシステムにおいて、総放電電力ＤＷ（＝２・ｎ・ｄｗ）と総ガス流量Ｑとを可能な範囲で最大に設定することにより、取出しオゾン量Ｙｔ（＝Ｃｔ・Ｑ）を最大限に高めることができる。
【０１３６】
以上、高濃度オゾンが取り出せるようにするため、オゾン分解量ｙｄを減らす手段として、放電空間におけるガス滞在時間Ｔoを短くできるようにするため、１放電面の放電面積ｓｏを規定値範囲内に小さくしたオゾンガス発生システムにすることが望ましい。
【０１３７】
また、取出しオゾン量Ｙｔを高めるようにするため、総放電電力ＤＷ及び放電電力密度Ｊを規定値範囲内において最適にしたオゾンガス発生システムにすることが望ましい。
【０１３８】
次に、高濃度オゾンが取出せるオゾンガス発生システムとしては、ガス流量が低流量やオゾン発生器をより低温に冷却する手段はあるが、低流量のオゾンガスを必要とする要求分野は限られる。また、オゾン発生器をより低温に冷却する手段は、オゾンガス発生システムに付帯設備が大きくなり、オゾンガス発生システム自身も従来装置に比べ、高価で大きくなることになる。
【０１３９】
以上のことから、高濃度オゾンが取出せるオゾンガス発生システムの制約条件を総ガス流量Ｑのガス流量範囲を略３．０Ｌ／ｍｉｎ以上の大流量のガス流量とし、オゾン発生器２００を冷却する冷却温度を５℃以上にした条件を考える。この条件下で、例えば、一実施例としての４００ｇ／ｍ３以上の高濃度オゾンを取り出せ、かつ、取出しオゾン量Ｙｔを高めたオゾンを取り出せることのできるオゾンガス発生システム１０００を実現させることが必要になる。この場合、オゾン発生器２００の総放電面積Ｓを確保するだけでなく、放電空間に供給する放電電力密度Ｊ及び総放電電力ＤＷを可能な範囲で最大に設定できる安定したオゾン用電源１００を得ることも重要である。
【０１４０】
オゾン用電源１００は、高濃度で、所定量のオゾンガスを得るために、オゾン発生器２００に総放電電力ＤＷを投入してオゾン発生器２００の放電電力密度Ｊを高める必要がある。この場合、オゾン用電源１００のオゾン発生用交流電圧の出力周波数が従来の出力周波数である２０ｋＨｚ未満であると、オゾン発生器２００に印加する負荷電圧が高くなり、オゾン用電源１００、オゾン発生器２００自身の耐電圧強化が必要になる等の問題点が生じる。
【０１４１】
このため、ピーク電圧が７ｋＶｐ（５．０ｋＶｒｍｓ）以下の負荷印加電圧Ｖｄを付与するオゾン用電源１００としては、出力周波数ｆが２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ（２０ｋＨｚ以上、５０ｋＨｚ未満）の高周波のオゾン発生用交流電圧を出力するオゾン用電源することが望ましい。また、出力周波数ｆが３０ｋＨｚを超えるオゾン用電源とすると、電源自身から発するノイズが急激に増え、オゾンガス発生システムに付帯する計測機器や外部機器の誤動作が増大することになる。さらに、オゾン発生器との負荷との共振周波数附近を維持するため、出力周波数ｆの負荷変動に応じた周波数制御が不可欠になり、オゾン用電源として安定な電力を出力させることが非常に困難になる。そのため、オゾン用電源１００の出力周波数ｆは、２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ未満に制限することがより望ましい。
【０１４２】
２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの高周波の負荷印加電圧Ｖｄを付与するオゾン用電源として、以下の２種類の電源が考えられる。
【０１４３】
第１の電源…オゾン用電源のインバータ部とオゾン発生器との間に直列共振回路を設けた電源、
第２の電源…オゾン用電源のインバータ部とオゾン発生器との間に高周波・高電圧トランスを設けた電源。
【０１４４】
第１の電源においては、オゾン用電源の出力側のトランスを無くし、インバータ部とオゾン発生器との間に共振Ｑ値の高い（例えば、Ｑ値が１０以上）直列共振回路を設け、負荷印加電圧Ｖｄまで昇圧するようにする必要がある。第１の電源においては、高周波・高電圧トランスが無いというメリットでオゾン用電源自身をコンパクト化できる。
【０１４５】
しかし、第１の電源は、インバータ部と直列共振回路とオゾン発生器との３つの主要構成部を跨る回路間で共振させるため、共振した負荷電流の帰還電流がインバータ部まで戻ることにより、インバータ部の電源ロスが非常に大きくなる。
【０１４６】
さらに、第１の電源は、負荷印加電圧Ｖｄまで昇圧共振させるため、微妙な負荷条件変動で負荷印加電圧Ｖｄが変化し、インバータ部の動作周波数を制御しても、安定した負荷印加電圧Ｖｄをオゾン発生器に投入することが難しい。加えて、動作周波数が常に可変であるため、電源ノイズが大きくなるなどの問題点がある。
【０１４７】
以上の問題点があるため、実用上は、高周波のオゾン用電源が出力する放電電力ＤＷは１．５ｋＷ未満のオゾンガス発生システムにしか適さない。また、第１の電源である小さなオゾン用電源を複数個搭載することは、オゾン発生器構成の複雑化や制御の複雑化を招き、さらに、オゾン用電源内の制御ロスや部品点数が増える等の問題点が生じる。
【０１４８】
そのため、原料ガスの総ガス流量Ｑ（原料ガス流量）のガス流量範囲を略３．０Ｌ／ｍｉｎ以上とし、上記オゾン発生器を冷却する冷却温度を５℃以上にした条件下で、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度のオゾンガスを取り出すことを目的とした本実施の形態のオゾンガス発生システムには不適である。なぜなら、本実施の形態のオゾンガス発生システムは、比電力値ＤＷ／Ｑが６００Ｗ・min/Ｌ以上を満足する総放電電力ＤＷが必要であるからである。
【０１４９】
第２の電源においては、インバータ部（インバータ回路部２２）とオゾン発生器との間に高周波・高電圧トランス（並列共振用トランス２５）を設けることにより、高周波・高電圧トランスの１次側巻数と２次側巻数との巻数比で決まる一定値で電圧昇圧できる。さらに、トランスの２次側以降で、負荷との並列共振回路を設けることで、負荷に供給する出力周波数と負荷印加電圧Ｖｄとをほぼ一定値にして、総放電電力ＤＷをオゾン発生器２００に供給することができる。
【０１５０】
その結果、インバータ部に共振した負荷電流が帰還電流として戻ることなく、インバータ部の電源ロスを比較的小さくでき、負荷との共振度合に依らず負荷印加電圧Ｖｄが一定で、負荷に安定した総放電電力ＤＷを供給できる。
【０１５１】
このため、第２の電源では、高周波のオゾン用電源が出力する放電電力ＤＷを１．８ｋＷ以上にすることができ、第２の電源は安定した出力をオゾン発生器に投入することができるメリットがある。
【０１５２】
本実施の形態のけるオゾン用電源１００は、上述した第２の電源の要件を満足させている。そして、オゾン用電源１００とオゾン発生器２００とを組み合わせてオゾンガス発生システム１０００を構成している。
【０１５３】
このため、本実施の形態のオゾンガス発生システム１０００は、原料ガスの総ガス流量Ｑのガス流量範囲を略３．０Ｌ／ｍｉｎ以上とし、オゾン発生器２００を冷却する冷却温度を５℃以上にした条件下で、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度オゾンを取り出すことができる。さらに、オゾンガス発生システム１０００は、高濃度オゾンガスが取出せる流量が大流量化でき、かつオゾン発生器の冷却能力も従来と同等レベルのオゾンガス発生システムになる。
【０１５４】
さらに、並列共振用トランス２５自身の内部インダクタンスと負荷（オゾン発生器２００）の静電容量との共振周波数になるように、インバータ回路部２２の動作周波数を設定している。このため、並列共振用トランス２５の出力側に新規に共振用リアクトルを設けることなく、並列共振用トランス２５の２次側以降の共振回路もこの並列共振用トランス２５で共用できるメリットがある。
【０１５５】
以上、原料ガスが比較的大きな総ガス流量Ｑで、高濃度なオゾンガスを取り出すオゾン発生器の手段として、発生器内の１単位の放電セルにおける放電空間を最適な範囲に設定することの重要性を説明した。以下、本実施の形態のオゾンガス発生システム１０００の詳細について図１を参照して説明する。
【０１５６】
オゾン用電源１００からの投入する総放電電力ＤＷを一定の５．０ｋＷにして、オゾン発生器２００の基本セルＳ１，Ｓ２を有する放電セルの段数ｎを６（計１２個の放電空間が形成される）とし、放電ギャップ長ｄを数十〜数百μｍ条件を満足する一定長とし、以下の３種類のオゾン発生器を準備した。
【０１５７】
Ａタイプ放電セル形状の発生器…総放電面積Ｓが２５００ｃｍ２、
Ｂタイプ放電セル形状の発生器…総放電面積Ｓが１２５０ｃｍ２、
Ｃタイプ放電セル形状の発生器…総放電面積Ｓが６２５ｃｍ２、
そして、Ａタイプ放電セル形状の発生器〜Ｃタイプ放電セル形状の発生器それぞれで取出せるオゾン濃度を求めた。
【０１５８】
Ａタイプ放電セル形状の発生器では、１放電面積ｓｏが約２０９ｃｍ２、放電径（放電面の直径）が約φ１７０(mm)、投入できる放電電力密度Ｊが２Ｗ／ｃｍ２の設定となる。
【０１５９】
Ｂタイプ放電セル形状の発生器では、１放電面積ｓｏが約１０４ｃｍ２、放電径が約φ１１５(mm)、投入できる放電電力密度Ｊが４Ｗ／ｃｍ２の設定となる。
【０１６０】
Ｃタイプ放電セル形状の発生器では、１放電面積ｓｏが約５２ｃｍ２で、放電径が約φ８１(mm)で、投入できる放電電力密度Ｊが８Ｗ／ｃｍ２の設定となる。
【０１６１】
なお、オゾン発生器を冷却する冷却水温は一定の５℃に設定した。
【０１６２】
図２に示すように、１放電面の放電径を比較的小さくすることにより、１放電空間におけるガス滞在時間Ｔｏは、１単位の放電セル（基本セルＳ１あるいはＳ２）に投入できる放電電力密度Ｊの増大割合に対し、Ａタイプ放電セル形状の発生器は１倍、Ｂタイプ放電セル形状の発生器は１/２、Ｃタイプ放電セル形状の発生器は１/４となる。
【０１６３】
放電セル数ｎを６（放電面数１２（放電空間数１２））にすることで、１単位の放電セルでの平均ガス流速ｖo/ｄは、Ａタイプ放電セル形状の発生器は１／１２、Ｂタイプ放電セル形状の発生器は１／６、Ｃタイプ放電セル形状の発生器は１／３になる。したがって、１放電空間の流速は放電電力密度Ｊの増大割合に対し、それぞれのタイプで、放電セル数ｎ（放電面数１２）に対応した１/１２の割合でしか平均ガス流速ｖo/ｄは大きくならない。
【０１６４】
その結果、オゾン発生器２００内で生成したオゾンガスが放電空間を通過する際における総オゾン分解量Ｙｄは、放電径が小さい放電セルの方が小さくなることが解る。１単位の放電セルの形状と放電セルの積層に対する高濃度オゾンガスが取出せる効果の詳細については後述する。
【０１６５】
図３は、本実施の形態のオゾン発生器２００がＡ放電セル形状のタイプ発生器、Ｂタイプ放電セル形状の発生器、Ｃタイプ放電セル形状の発生器の場合、各々の放電面に原料ガスを流した場合における放電空間のガス滞在時間Ｔｏに対する総オゾン分解量Ｙｄの特性を示すグラフである。
【０１６６】
図３において、Ａタイプ放電セル形状の発生器の総オゾン分解量Ｙｄの特性５０００ａ、Ｂタイプ放電セル形状の発生器の総オゾン分解量Ｙｄの特性５０００ｂ、Ｃタイプ放電セル形状の発生器の総オゾン分解量Ｙｄ特性５０００ｃとなる。
【０１６７】
また、破線で示した特性５０００ｓ１、特性５０００ｓ１は、放電電力密度Ｊ設定の境界値を考察した上下限を示している。
【０１６８】
特性５０００ｓ１は、Ａタイプ放電セル形状の発生器とＢタイプ放電セル形状の発生器との間の放電電力密度Ｊが２．５Ｗ／ｃｍ２設定に相当する境界特性である。
【０１６９】
特性５０００ｓ２は、Ｂタイプ放電セル形状の発生器とＣタイプ放電セル形状の発生器との間の放電電力密度Ｊが６．０Ｗ／ｃｍ２設定に相当する境界特性である。
【０１７０】
図３で示す特性５０００ａ、５０００ｂ、及び５０００ｃを比較する。図３に示すように、放電径を小さくすれば、ガス滞在時間Ｔｏが５０ｍｓ以下の範囲において、ガス滞在時間Ｔｏに対応して、一定の割合で、総オゾン分解量Ｙｄが高まる。一方、ガス滞在時間Ｔｏが５０ｍｓ以上の範囲において、総オゾン分解量Ｙｄは放電径が小さいほど少なくことが実験的に確かめられた。
【０１７１】
つまり、放電面の放電径が小さい条件設定にすれば、放電空間でのオゾン分解量ｙｄが少なくなり、その分、オゾン発生器２００からの取出しオゾン量Ｙｔが増加することを意味する。この点においては、Ｃタイプ放電セル形状の発生器が最も優れている。
【０１７２】
一点鎖線で示した領域９９ａは、後に説明するが、高濃度のオゾンガスが取出せる範囲での総オゾン分解量Ｙｄに相当する。図３に示すように、放電空間でのガス滞在時間Ｔｏは２０ｍｓ〜８０ｍｓの範囲において、領域９９ａの総オゾン分解量Ｙｄは、約４００ｇ/ｈ〜９００ｇ/ｈに抑えられており、特性５０００ａの総オゾン分解量Ｙｄに比べ十分に低くなっているため、高濃度のオゾンガスを取出すことが期待できる。
【０１７３】
図４は、Ａタイプ放電セル形状の発生器、Ｂタイプ放電セル形状の発生器及びＣタイプ放電セル形状の発生器それぞれの比電力値ＤＷ／Ｑに対する取出しオゾン濃度Ｃｔの特性を示すグラフである。
【０１７４】
図４において、Ａタイプ放電セル形状の発生器のオゾン取出し濃度Ｃｔの特性４０００ａ、Ｂタイプ放電セル形状の発生器のオゾン取出し濃度Ｃｔの特性４０００ｂ、Ｃタイプ放電セル形状の発生器のオゾン取出し濃度Ｃｔの特性４０００ｃが示されている。
【０１７５】
また、破線で示した特性４０００ｓ１、特性４０００ｓ２は、図３と同じように、放電電力密度Ｊを可能な範囲で最大に設定できる放電セル形状の境界値を考察した上下限を示している。
【０１７６】
特性４０００ｓ１は、取出しオゾン濃度Ｃｔが４００ｇ/ｍ３が得られる放電電力密度Ｊの放電セル形状の下限境界の特性結果を示し、その放電電力密度Ｊは約２．５Ｗ／ｃｍ２まで設定できる放電セル形状である。
【０１７７】
特性４０００ｓ２は、取出しオゾン濃Ｃｔが４００ｇ/ｍ３が得られる放電電力密度Ｊの放電セル形状の上限境界の特性結果を示し、その放電電力密度Ｊは約６．０Ｗ／ｃｍ２まで設定できる放電セル形状である。
【０１７８】
取出しオゾン濃度Ｃｔの特性は、比電力値ＤＷ／Ｑに応じた放電空間でのオゾン生成濃度を示すが、オゾン発生器に投入できる放電電力密度Ｊが異なる放電セル形状にした場合、取出しオゾン濃度Ｃｔの特性も異なる。
【０１７９】
しかしながら、各特性（４０００ａ、４０００ｂ、４０００ｃ）を有するＡタイプ〜Ｃタイプのオゾン発生器において、オゾン生成濃度に相当する図４の比電力値ＤＷ／Ｑに対する特性（二点鎖線の接線特性）の勾配を見ると、放電面の放電径の小さい、放電電力密度Ｊを高くできるようにした放電セル形状ほど、小さい結果となる。つまり、放電空間で生成するオゾン生成能力は、放電電力密度Ｊが高くできるようにした放電セル形状の方が小さくなることを示している。
【０１８０】
図４で示す特性４０００ａ、４０００ｂ、及び４０００ｃは、オゾン生成濃度特性からオゾンガスの分解量を差し引いたものを示している。オゾンガスの分解量は、放電空間でオゾンガスが通過する際、オゾンガスが放電中の電子ｎｅ、イオンｎ＋や放電ガスｎｇと衝突することによって生じるオゾン分解量と放電中に滞在しているオゾン自身の自己分解量との総和になる。
【０１８１】
比電力値ＤＷ／Ｑに対する特性の接線特性であるオゾン生成濃度特性は、Ａタイプ放電セル形状の発生器が最も大きく、放電セル径が小さくなり、投入できる放電電力密度Ｊを大きくしたものほどオゾン生成濃度特性は低くなる傾向を示している。
【０１８２】
つまり、オゾン生成能力は、放電電力密度Ｊに逆比例する結果になる。放電空間中の窒素ガスの触媒作用や放電面での光触媒作用によるオゾン生成能力は放電電力密度Ｊを高くした放電セル形状ほど低くなる傾向を示している。
【０１８３】
しかし、図３で示したように、放電径を変えた放電セルを多段に積層したオゾン発生器においては、放電径を小さくすると放電空間のガス滞在時間Ｔｏを短くすることができ、生成したオゾンの分解量を少なくすることができる。なぜなら、オゾンガスの分解は、放電空間内でオゾンガスが電子や放電ガスと衝突する分解と放電内で滞在している期間に生じる。そのため、生成したオゾン自身の自己分解と衝突による分解との総分解量は、ガス滞在時間Ｔｏを短くすることによって単純に小さくすることができるからである。
【０１８４】
上記要因により、Ａタイプ放電セル形状の発生器、Ｂタイプ放電セル形状の発生器及びＣタイプ放電セル形状の発生器の取出しオゾン濃度Ｃｔの特性が異なり、Ｂタイプ放電セル形状の発生器では、図４で示す領域９９ａ内において、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度オゾンを取り出すことができる。
【０１８５】
つまり、Ａタイプ放電セル形状の発生器では、オゾン生成量は高いが、ガス滞在時間Ｔｏが比較的長いため、衝突による分解とオゾン自身の自己分解との総和であるオゾンの分解量が大きくなり、結果として、最大でも４００ｇ／ｍ３未満の濃度のオゾンガスしか取り出せないことを示している。
【０１８６】
Ｂタイプ放電セル形状の発生器では、オゾン生成量はＡタイプ放電セル形状の発生器に比べ低くなるが、ガス滞在時間Ｔｏが短くなるため、衝突による分解とオゾン自身の自己分解との総和であるオゾンの分解量が小さくなる。したがって、Ｂタイプ発生器は、結果として、比電力値ＤＷ／Ｑが６００Ｗ・min/Ｌ以上の範囲で、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度のオゾンが取出せることになる。
【０１８７】
本願発明は、Ｂタイプ放電セル形状の発生器のような高濃度のオゾンが取出せるオゾン発生器の放電セル形状と動作条件を見つけ出すことにあり、以下の要件を満足することが望ましいことを本願発明者は見出した。
【０１８８】
オゾン発生器２００に供給する原料ガスの総ガス流量Ｑを略３．０Ｌ／ｍｉｎ以上にすると、オゾン用電源１００から投入する総放電電力ＤＷは少なくとも１．８ｋＷ以上の電力を投入する必要がある。
【０１８９】
さらに、Ｃタイプ放電セル形状の発生器では、所定の放電電力ＤＷを投入するために放電電力密度Ｊを高くするため、放電空間におけるオゾン生成能力（二点鎖線）で決定するオゾン生成量が極端に低くなる。そのため、ガス滞在時間Ｔｏを短くなることで、衝突による分解とオゾン自身の自己分解との総和であるオゾン量の分解量を小さくしても、取出しオゾン濃度Ｃｔは低くなる。
【０１９０】
結果として、Ｃタイプ放電セル形状の発生器では、原料ガスの総ガス流量Qと投入した放電電力ＤＷの条件において、最大でも３２０ｇ／ｍ３未満の濃度しか取り出せないことが判明した。
【０１９１】
このことから、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度のオゾンが取出せるオゾン発生器を実現するには、最適な放電セル形状があり、実施の形態のオゾン発生器においては、放電セル形状の上限範囲としては、境界特性４０００ｓ２で示したように、放電電力密度Ｊを約６Ｗ／ｃｍ２未満に限定したものが望ましく、放電電力密度Ｊの下限としては、境界特性４０００ｓ１で示したように、放電電力密度Ｊを約２．５Ｗ／ｃｍ２以上に設定したものが望ましいという結果になった。
【０１９２】
図５は、Ａタイプ放電セル形状の発生器、Ｂタイプ放電セル形状の発生器及びＣタイプ放電セル形状の発生器それぞれの原料ガスの総ガス流量Ｑに対する取出しオゾン濃度Ｃｔの特性を示すグラフである。
【０１９３】
図５において、特性３０００ａはＡタイプ放電セル形状の発生器の特性を示し、特性３０００ｂはＢタイプ放電セル形状の発生器の特性を示し、特性３０００ｃはＣタイプ放電セル形状の発生器の特性を示す。
【０１９４】
特性枠である領域９９ａは、取出しオゾン濃度が４００ｇ／ｍ３以上の高濃度のオゾンが得られるガス流量域を示し、Ｂタイプ放電セル形状の発生器において、供給する原料ガスの総ガス流量Ｑは、約２５Ｌ／ｍｉｎ未満で４００ｇ／ｍ３以上の高濃度が得られることが分かった。
【０１９５】
さらに、特性枠９９ｂは、従来のオゾン発生器相当のＡタイプ放電セル形状の発生器で得られるオゾン濃度特性３０００ａに比べ、比較的高濃度なオゾンガスが得られるガス流量域を示し、Ｂタイプ放電セル形状の発生器において、供給する原料ガスの総ガス流量Ｑは、５０Ｌ／ｍｉｎ未満で高濃度なオゾンガスが得られることが分かった。
【０１９６】
また、図５では、供給する原料ガスの総ガス流量Ｑが、略３．０Ｌ／ｍｉｎ未満においては、Ａタイプ放電セル形状の発生器においても、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度のオゾンガスを得ることができる。しかし、この場合、取出せる総オゾン量は１００ｇ／ｈ未満であり、少量のオゾン量を必要とする市場は少ない。また、本オゾン発生器では、大流量のオゾンガスが取り出せ、かつ、高濃度なオゾンガスが得られることを目的としているため、低ガス流量における高濃度のオゾンガスを得られるものは射程外となる。
【０１９７】
さらに、Ａタイプ放電セル形状の発生器で、特殊なオゾン発生器として、発生器の冷却温度を５℃未満にして、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度のオゾンガスを得ることが考えられる。しかしながら、冷却温度を５℃未満にしたものは冷却能力をアップした付帯設備が必要になり、実用上のメリットがないため、本実施の形態では、オゾンガス発生システム１０００として冷却温度の適用温度としては５℃以上に設定とした。
【０１９８】
オゾン発生器２００は、各放電セルの接地冷却電極１と高圧電極３a、３ｂとの間に交流電圧を印加し、酸素ガスを含んだ原料ガスが注入された放電空間に放電現象を生じさせてオゾンガスを発生させている。
【０１９９】
図１に示したオゾン用電源１００の並列共振用トランス２５から高圧ブッシングを介して高圧電極３a、３ｂの給電部である高電圧端子ＨＶにオゾン発生用交流電圧が印加される。このオゾン発生用交流電圧によって総放電電力ＤＷが規定される。
【０２００】
すると、各放電セル（基本セルＳ１あるいは基本セルＳ２）の放電空間に誘電体電極２a、２ｂを介して誘電体バリア放電が発生する。この際、総放電電力ＤＷに基づき各放電セルに投入できる放電電力密度Ｊ（＝ＤＷ／Ｓ）（Ｗ／ｃｍ２）の電力密度が放電セルに投入される。各放電セルの放電空間で生成されたオゾンガスは、図２で示すように、放電空間の中央に設けた開口部１５から接地冷却電極１内の出力経路１７を介して、マニホールドブロック９のオゾンガス出力経路９２に集められ、オゾン発生器２００から取出される。
【０２０１】
接地冷却電極１及び低圧冷却板５の内部は冷却するための冷却空間（図示せず）が設けられており、基台１０に設けられた冷却水経路、マニホールドブロック９の冷却水出力経路９１及び冷却水入力経路９３を経由して、接地冷却電極１及び低圧冷却板５内に冷却水を流すことで各放電セルを冷却している。このように、接地冷却電極１、低圧冷却板５基台１０、及びマニホールドブロック９を含んで、放電セルを所定の冷却温度に冷却する冷却機構が構成される。
【０２０２】
以下、１単位の放電セルにおける１放電面の形状について説明し、さらに、複数の放電セルを積層する効果について説明する。
【０２０３】
オゾンガス発生システム１０００において、基本セルＳ１及びＳ２を有する放電セルを多段（６段）に積層したもの（放電面：１２面）で高濃度なオゾンガスが取出せる条件について説明した。
【０２０４】
ここでは、より本願発明の適用範囲を明確にするため、１単位の放電セルにおける１放電空間での高濃度オゾンガスが取出せる条件を説明する。以下、原料ガスの総ガス流量Ｑ（原料ガス流量）のガス流量範囲を略３．０Ｌ／ｍｉｎ以上の大流量域において、より高濃度（４００ｇ／ｍ３相当以上）なオゾンガスが取出せる放電セルの積層する効果について説明する。
【０２０５】
積層したオゾン発生器における図５で示した総ガス流量Ｑに対する取り出しオゾン濃度Ｃｔ特性から。高濃度で所定量のオゾンガスを効率よく取出すべく、１単位の放電セル（１放電面）に供給する原料ガス流量ｑｏが略０．５Ｌ／ｍｉｎ〜略２．５Ｌ／ｍｉｎ弱の範囲を満足するように、１放電面の放電面積ｓｏを小さくした放電セル形状に設定することが望ましい。
【０２０６】
すなわち、高ガス流量域まで高濃度なオゾンガスが取出すために、１単位の放電セルの多段に積層する枚数ｎを増やす手段を講じ、１放電面積ｓｏを略約３０ｃｍ２〜略１６０ｃｍ２に設定することが重要である。また、原料ガスの総ガス流量Ｑおいて、高出力の取出しオゾン量Ｙｔを得るために、放電面の放電径を小さくして放電面積ｓｏを規定した１単位の放電セルを多段に積層する（枚数ｎを増やす）手段を講じ、かつ、投入できる放電電力密度Ｊを略２．５Ｗ／ｃｍ２〜略６．０Ｗ／ｃｍ２の範囲に設定したオゾンガス発生システム１０００が望ましい。
【０２０７】
そして、１放電面積ｓｏと放電電力密度Ｊとから放電電力ｄｗ（＝ｓｏ・Ｊ）が求まり、放電ギャップ長ｄを数十〜数百μｍとした１放電空間に供給する原料ガス流量ｑｏを略０．５Ｌ／ｍｉｎ〜略２．５Ｌ／ｍｉｎ弱範囲において、Ｂタイプの放電セル形状を採用した場合を考える。この場合、オゾン濃度が４００ｇ／ｍ３を超える高濃度オゾンが取出せ、多段に積層する枚数ｎに比例して取出せるオゾン流量を増やせることになる。また、Ｂタイプの放電セル形状において、総ガス流量Ｑで、可能な範囲で最大の取出しオゾン量Ｙｔを得るため、上述した条件を満足し、かつ、可能な範囲で最大となるように。放電電力密度Ｊから放電電力ｄｗ（＝ｓｏ・Ｊ）を決定し、放電ギャップ長ｄを数十〜数百μｍとした１放電空間に供給する原料ガス流量ｑoを可能な範囲で最大に設定することが望ましい。
【０２０８】
１放電面積ｓｏを３０ｃｍ２〜１６０ｃｍ２に規定する具体的方法としては、１例としては平面視して円状の放電セルの放電面の直径をφ７０ｍｍ〜φ１４０ｍｍの範囲にして、放電面積ｓｏを規定していることになり、原料ガスの総ガス流量Ｑを高めたオゾン発生器にするには、１単位の放電セルを多段に積層して、発生器の総放電面積Ｓ（＝２・ｎ・ｓｏ）を確保する必要がある。
【０２０９】
また、１放電面の放電面積ｓｏを３０ｃｍ２〜１６０ｃｍ２に規定した放電セル形状の発生器において、投入する総放電電力ＤＷをパラメータとする放電電力密度J（＝ＤＷ／Ｓ）を低い値に規定するには、オゾン発生器の総放電面積Ｓを大きくしなければならなくなり、１放電セルの積層枚数ｎ（＝Ｓ／（２・ｓｏ））を増やす必要が生じる。放電面の積層枚数ｎを増やすとオゾン発生器の製作コスト等が高くなることを避けるには、１放電面に投入できる放電電力密度Jを、オゾンガス発生システム１０００において最も有効な条件範囲内で高い値に設定することが望ましい。
【０２１０】
高濃度なオゾンガスが取出せる原料ガスの総ガス流量Ｑをより大ガス流量までアップさせたオゾンガス発生システム１０００を構成するには、放電面積ｓｏ、放電電力密度Ｊ、投入した放電電力ｄｗおよび１放電空間に供給する原料ガス流量ｑｏに関し、上述した条件を満足する１単位の放電セルを実現し、多段に積層する放電セル枚数ｎを増やすことが不可欠になる。
【０２１１】
また、原料ガスの総ガス流量Ｑが大きい領域において、高出力の取出しオゾン量Ｙｔを最大限に高めるオゾンガス発生システム１０００を構成するには、放電面積ｓｏ、放電電力密度Ｊ、投入した放電電力ｄｗおよび１放電空間に供給する原料ガス流量ｑｏを、可能な範囲で最大値に設定し、上述した条件を満足する１放電面を実現し、放電セル枚数ｎに多段に積層することが必要となる。
【０２１２】
つまり、オゾン発生器２００において、上述した条件を満足する１放電面を２ｎ個設け、投入する総放電電力ＤＷ（＝２・ｎ・ｄｗ）を満足するオゾン発生用交流電圧を出力するオゾン用電源１００が必要になる。
【０２１３】
その結果、オゾンガス発生システム１０００は、２ｎ個の放電空間に供給する原料ガスの総ガス流量Ｑ（＝α・２・ｎ・ｑｏ）を供給可能になる。なお、α値は、１放電面を２ｎ個分積層してオゾンガスを合流させた場合の減損率を示す定数である。
【０２１４】
次に高濃度オゾンガスを取り出すためのオゾン発生器の動作に関しての諸条件について説明する。
【０２１５】
図６は、オゾン用電源１００の動作周波数ｆに対する総放電電力ＤＷを投入した際のＡタイプ放電セル形状の発生器、Ｂタイプ放電セル形状の発生器及びＣタイプ放電セル形状の発生器に印加される負荷ピーク電圧Ｖｐの特性を示すグラフである。
【０２１６】
以下、オゾン用電源１００の動作周波数を２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚにした根拠について図６を参照して説明する。
【０２１７】
図６において、特性７０００ａはＡタイプ放電セル形状の発生器の放電電力密度Ｊ（＝ＤＷ／Ｓ）が２Ｗ／ｃｍ２条件時の負荷ピーク電圧Ｖｐの特性を示す。
【０２１８】
特性７０００ｂは、Ｂタイプ放電セル形状の発生器の放電電力密度Ｊが４Ｗ／ｃｍ２条件時の負荷ピーク電圧Ｖｐの特性を示す。
【０２１９】
また、特性７０００ｃはＣタイプ発生器の放電電力密度Ｊが８Ｗ／ｃｍ２条件時の負荷ピーク電圧Ｖｐ特性を示す。
【０２２０】
放電電力密度Ｊが４Ｗ／ｃｍ２条件時の負荷ピーク電圧Ｖｐの特性７０００ｂにおいて、Ｂタイプ放電セル形状の発生器では、領域９９ａ内で最も高濃度のオゾンガスが取出せることが実験的に判明した。
【０２２１】
破線で示した特性７０００ｓ１、特性７０００ｓ１は、本発明範囲の放電電力密度Ｊの放電セル形状の境界値を考察した上下限を示した特性図である。
【０２２２】
特性７０００ｓ１は、放電電力密度Ｊが少なくとも２．５Ｗ/ｃｍ２の放電セル形状の境界特性を示している。特性７０００ｓ２は、放電電力密度Ｊの設定が最大限界の６Ｗ/cｍ２の放電セル形状の境界特性である。
【０２２３】
したがって、領域９９ａと特性７０００ｓ１，７０００ｓ２との関係から、所定のガス流量Ｑにおいて、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度のオゾンガスが得られ、かつ、供給するガス流量Ｑで、所望の取出しオゾン量Ｙｔが得られる装置にする放電電力密度Ｊ（＝ＤＷ／Ｓ）を得るためには、放電電力密度Ｊの下限は約２．５Ｗ／ｃｍ２付近以上で、放電電力密度Ｊの上限は約６．０Ｗ／ｃｍ２の条件範囲にするのが望ましい結果になった。
【０２２４】
以下、オゾン用電源１００の動作周波数ｆを２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの電源方式を説明する。そして、オゾン用電源１００において、高周波インバータ部であるインバータ回路部２２を採用したこと、及び、高周波・高電圧トランスである並列共振用トランス２５とオゾン発生器２００との間に並列共振型を実現したことについて説明する。
【０２２５】
図６に示すように、動作周波数ｆが低くなると、比較的大きい総放電電力ＤＷを投入して、放電電力密度Ｊ（＝ＤＷ／Ｓ）を高くすると、負荷ピーク電圧Ｖｐが高くなる特性を示す。
【０２２６】
負荷ピーク電圧Ｖｐが高くなると、オゾン発生器２００の耐電圧を十分確保するために、オゾン発生器２００を大きくする必要がある。負荷ピーク電圧Ｖｐは、オゾン用電源１００としては１０ｋＶｐ未満であれば、インバータ回路部２２は、比較的コンパクトで安定したものが可能である。
【０２２７】
また、負荷ピーク電圧Ｖｐが７ｋＶｐ以上になれば、耐電圧を確保すべく、並列共振用トランス２５を大きくしたり、オゾン発生器の高圧部と低圧部との空間距離を大きくしたりする必要が生じ、オゾン発生器自身が大きくなる。
【０２２８】
さらに、並列共振用トランス２５の巻数比が大きくなるなどの問題点が生じる。そのため、オゾンガス発生システム１０００としては、負荷印加電圧Ｖｄにおける負荷ピークであるＶｐは７ｋＶｐ（５．０ｋＶｒｍｓ）未満となるようにして、所望の総放電電力ＤＷを供給することが望ましい。
【０２２９】
図６に示すように、負荷ピーク電圧Ｖｐが７ｋＶｐ（５．０ｋＶｒｍｓ）未満としたオゾン用電源１００に限定した場合、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度なオゾンガスが取出せ、かつ、総ガス流量Ｑで取出しオゾン量Ｙｔを最大とするオゾンガス発生システム１０００としては、動作周波数ｆは２０ｋＨｚ以上が望ましい。
【０２３０】
一方、動作周波数ｆが高くなると、オゾン発生器２００で生成されるオゾン生成能力が低下する傾向があるため、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度オゾンが取出せる高濃度オゾンガス発生装置としては、動作周波数ｆは５０ｋＨｚ未満が望ましい。
【０２３１】
それに加え、総ガス流量Ｑ（原料ガス流量）のガス流量範囲を略３．０Ｌ／ｍｉｎ以上のガス流量で、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度なオゾンガスを取り出せ、かつ、総ガス流量Ｑで取出しオゾン量Ｙｔを最大にするためのオゾンガス発生システム１０００にするには、１．８ｋＷ以上の総放電電力ＤＷを供給するオゾン用電源１００が必要となる。したがって、１．８ｋＷ以上が出力できる並列共振用トランス２５としては、オゾン用電源のノイズ対策面や出力電力の安定供給面を考慮すると、実用上、動作周波数ｆは２０ｋＨｚ以上で３０ｋＨｚ未満が特に望ましい。
【０２３２】
以上、図６で示したように、原料ガスの総ガス流量Ｑ（原料ガス流量）のガス流量範囲を略３．０Ｌ／ｍｉｎ以上のガス流量で、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度オゾンを取り出せるオゾンガス発生システム１０００としては、以下の条件を満足する必要があることがわかる。
【０２３３】
・１単位の放電セルにおける１放電面積ｓｏを略約３０ｃｍ２〜略１６０ｃｍ２に設定する。
・１放電面積ｓｏと放電電力密度Ｊから１単位の放電セルの放電空間における放電電力ｄｗ（＝ｓｏ・Ｊ）を規定する。
【０２３４】
また、原料ガスの総ガス流量Ｑを可能な範囲で最大に設定して、高出力の取出しオゾン量Ｙｔが得られるオゾンガス発生システム１０００を構成する条件としては、以下の条件を満足することが望ましい。
・放電電力密度Ｊ（＝ＤＷ／Ｓ）を２．５Ｗ／ｃｍ２〜６Ｗ／ｃｍ２の範囲設定に規定する。
・放電ギャップ長ｄを数十〜数百μｍとした１放電空間に供給する原料ガス流量ｑｏを略０．５Ｌ／ｍｉｎ〜略２．５Ｌ／ｍｉｎ弱範囲に規定する。
【０２３５】
原料ガス流量ｑｏと１放電面積ｓｏとを上述した条件を満足するように設定することで、１放電空間における平均ガス流速ｖo／ｄを最適速度に設定するとともに、放電空間でのガス滞在時間Ｔoを短くすることができ、高濃度なオゾンガスを取出すことが可能となる。
【０２３６】
さらに、以下のようにオゾン発生器を構成することが望ましい。
・１放電面で取り出せるオゾン濃度を高濃度にし、基本セルＳ１及びＳ２を有する放電セルを多段に積層したオゾン発生器とする。
【０２３７】
また、オゾン用電源１００は以下の条件を満足することが望ましい。
・オゾン発生用交流電圧の出力周波数を２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ未満の範囲にして、所望の総放電電力ＤＷを出力制御できる。
【０２３８】
上記条件を満足させて、オゾンガス発生システム１０００を構成することにより、大流量、高濃度なオゾンガスを取り出せる効果を奏する。さらに、オゾンガス発生システム１０００をコンパクト、かつ安価に構成することができる。
【０２３９】
（オゾンガス発生システム１０００の種々の条件）
オゾンガス発生システム１０００は、原料ガスの総ガス流量Ｑ（原料ガス流量）のガス流量範囲を略３．０Ｌ／ｍｉｎ以上の大流量で、取出せるオゾン濃度が高濃度（４００ｇ／ｍ３）となるように、放電セルを多段に積層している。
【０２４０】
オゾンガス発生システム１０００は、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度なオゾンガスを取り出すべく、比電力値ＤＷ／Ｑの範囲を６００以上にしたオゾン用電源１００オゾン用電源を設けることが望ましい。
【０２４１】
特に、オゾン用電源１００が供給するオゾン発生用交流電圧による総放電電力ＤＷの範囲としては、１．８ｋＷ〜１５ｋＷ程度が望ましい。
【０２４２】
オゾン用電源１００は、放電空間の放電ギャップ長ｄが長くなれば、ガス滞在時間Ｔｏが非常に長くなり、放電空間で生成するオゾン生成量に対するオゾン分解量が非常に大きくなり、高濃度なオゾンガスを取り出せなくなる。
【０２４３】
また、放電ギャップ長ｄが短くなり過ぎると、また、放電空間を通過するガス流速が増し、放電面が接近することで生成したオゾンガスと放電面の壁との衝突や放電空間でのガス衝突や発生した電子、イオン、放電ガスとの衝突が増すため、オゾン分解量が非常に大きくなる。このように、放電ギャップ長ｄが短くなり過ぎると、高濃度なオゾンガスを取り出せなくなるため、放電ギャップ長ｄは、数十〜数百μｍ条件の短ギャップ長範囲にすることが望ましい。特に、より高濃度なオゾンガスを取り出すためには、放電ギャップ長ｄを２０μｍ〜１００μｍの範囲にすることで、より効果を奏する。
【０２４４】
原料ガスの総ガス流量Ｑの範囲としては、４００ｇ／ｍ３以上の高濃度なオゾンガスが得られる範囲は、３ＳＬＭ〜２５ＳＬＭ程度であり、また、従来の装置に比較して高濃度なオゾンガスが得られる範囲としては、３ＳＬＭ〜５０ＳＬＭ程度の範囲が望ましい。
【０２４５】
（本実施の形態の効果）
本実施の形態のオゾン用電源１００は、各々が放電面となる１対の平板電極１と高圧電極３ａ（３ｂ）に誘電体を介し配置した基本セルＳ１（Ｓ２）を有するオゾン発生器２００と、オゾン発生器２００にオゾン発生用交流電圧を付与するオゾン用電源１００とを備えて構成されている。
【０２４６】
オゾン発生器２００に酸素を含んだ原料ガスが供給され、オゾン発生器２００は、基本セルＳ１（Ｓ２）の放電面によって形成される放電空間に誘電体バリア放電を発生させ、放電空間に供給した原料ガスからオゾンガスを生成し、該オゾンガスを外部に出力している。
【０２４７】
オゾン発生器２００は、多段に積層された複数の放電セル（Ｓ１，Ｓ２）を含んで構成される。そして、出力するオゾンの高濃度化されるオゾン発生器２００は、以下の条件(1)及び条件(2)を満足している。
【０２４８】
(1) 複数の放電セルは、それぞれの放電面によって形成される放電面積ｓｏが３０ｃｍ２〜１６０ｃｍ２（３０ｃｍ２以上、１６０ｃｍ２未満）の範囲に設定される。
【０２４９】
(2) 複数の放電セルそれぞれの放電面によって形成される放電空間に供給する原料ガスの原料ガス流量ｑｏは、０．５Ｌ／ｍｉｎ〜２．５Ｌ／ｍｉｎ（０．５Ｌ／ｍｉｎ以上、２．５Ｌ／ｍｉｎ未満）の範囲に設定される。
【０２５０】
また、オゾン発生器２００に供給するガス流量Ｑと放電電力DWを可能な範囲で最大に設定して、より高い取出しオゾン量Ｙｔを得るためには、オゾン発生器２００は、上記の条件(1)、条件(２)に加え、以下の条件(3)を満足している必要がある。
【０２５１】
(3) 複数の放電セルそれぞれの放電空間に投入する放電電力密度Ｊは、２．５Ｗ／ｃｍ２〜６Ｗ／ｃｍ２（２．５Ｗ／ｃｍ２以上、６Ｗ／ｃｍ２未満）の範囲に設定される。
【０２５２】
本実施の形態のオゾンガス発生システム１０００は、上述した条件(1)〜条件(3)を満足することにより、複数の放電セルそれぞれの放電面に関し以下の効果を奏する。なお、３つの条件を満足する際、オゾン発生器の放電ギャップ長ｄは数十〜数百μｍｎの短ギャップ長に設定する必要がある。以下、この点を詳述する。
【０２５３】
放電ギャップ長を数十〜数百μｍの短ギャップの誘電体バリア放電の方が、高電界の放電が実現できる。すなわち、短ギャップの誘電体バリア放電の方が、高エネルギーの放電光エネルギーを有した放電になり、触媒ガスを含んだガスや放電面に塗布した光触媒を光励起させるのに有効に働き、結果として酸素ガスの解離を促進させる効果がより高まる。このため、条件(1)〜条件(3)を満足したオゾンガス発生システム及びオゾンガス発生方法を実現する際、オゾン発生器の放電ギャップ長は数十〜数百μｍに設定することが望ましい。
【０２５４】
オゾンガス発生システム１０００は、上述した条件(1)及び条件(2)を満足することにより、各放電セルの（１対の放電面によって形成される）放電空間におけるガス滞在時間Ｔｏを短くして総オゾン分解量Ｙｄを抑えることができる。
【０２５５】
その結果、オゾンガス発生システム１０００は、上述した条件(1)及び条件(2)を満足させ、かつ、各放電セルの放電面に供給する原料ガス流量ｑｏと放電電力ｄｗとを可能な範囲で最大に設定して、取出しオゾン量ｙｔを最大限に高めることにより、高濃度なオゾンガスを取り出せる条件を作りだせる。
【０２５６】
オゾンガス発生システム１０００は、さらに条件(3)を満足することにより、各放電セルから取り出せるオゾンの生成量を所定量以上確保でき、かつ、効率よく取り出せることができ、取出しオゾン量Ｙｔをより高めることができる。
【０２５７】
その結果、オゾンガス発生システム１０００は、システム構成を必要最小限に抑えて、高濃度なオゾンもしくは、取出しオゾン量Ｙｔを効率的に高め、外部に出力することができる効果を奏する。
【０２５８】
このように、オゾンガス発生システム１０００は、条件(1)及び条件(2)に加え、上述した条件(3)をさらに満足することにより、条件(1)〜条件(3)を満足させ、かつ、各放電セルの放電空間に供給する原料ガス流量ｑｏと放電電力ｄｗとを可能な範囲で最大に設定して、取り出しオゾン量ｙｔを最大限に高めることができる。
【０２５９】
その結果、本実施の形態のオゾンガス発生システム１０００は、システム構成を必要最小限に抑えて、高濃度なオゾンガスもしくは高発生量のオゾンガスを外部に出力することができる効果を奏する。
【０２６０】
さらに、本実施の形態のオゾンガス発生システム１０００におけるオゾン発生器２００は、以下の条件(4)をさらに満足している。
【０２６１】
(4) 冷却機構によるオゾン発生器２００の冷却温度は５℃以上である。
【０２６２】
本実施の形態のオゾンガス発生システム１０００のオゾン発生器２００は、さらに上述した条件(4)を満足することにより、上述した冷却機構によるオゾン発生器２００の冷却温度を極端に低くする必要性をなくし、冷却機構の簡略化を図ることができる。なお、上記制約条件の上限は常温（２０℃）に対し３０℃程度を想定している。また、より冷却効果を重視する場合は、水が凍る温度である０℃以上に冷却温度を設定することが望ましい。
【０２６３】
さらに、本実施の形態のオゾンガス発生システム１０００におけるオゾン発生器２００は、以下の条件(5)及び条件(6)をさらに満足している。
【０２６４】
(5) オゾン発生器２００内の複数の放電セル全体に供給する総ガス流量Ｑは３．０Ｌ／ｍｉｎ以上である。
【０２６５】
(6) オゾン発生器２００内の複数の放電セル全体に付与する総放電電力ＤＷと総ガス流量Ｑとの比である比電力値ＤＷ／Ｑは、６００（Ｗ・min/Ｌ）以上である。
【０２６６】
なお、条件(5)は高濃度のオゾンガスを取出せることを目的としており、条件(5)の目的を達成することの付随効果として、条件(6)は出力するオゾンガス量を最大限に高める効果を奏する。
【０２６７】
オゾンガス発生システム１０００のオゾン用電源１００及びオゾン発生器２００は、さらに上述した条件(5)及び条件(6)を満足することにより、以下の効果を奏する。
【０２６８】
オゾンガス発生システム１０００は、上述した条件(5)を満足することにより、例えば４００ｇ/ｍ３以上の高濃度オゾンを取り出すことができる複数の放電セルに供給する原料ガスに関し、十分大きな総ガス流量Ｑを確保し、最終的に高濃度なオゾンガスが得られ、取出しオゾン量Ｙｔを高めることができる。
【０２６９】
オゾンガス発生システム１０００は、上述した条件(6)を満足することにより、条件(5)の効果に加え、条件(1)〜条件(6)を満足することを環境下で、例えば以下の効果を奏する。オゾン発生器２００に供給する総ガス流量Ｑ及び総放電電力ＤＷを可能な範囲で最大限投入にして、取出しオゾン量Ｙｔを最大限に高めることができる。
【０２７０】
その結果、本実施の形態のオゾンガス発生システム１０００は、システム構成を必要最小限に抑えて、比較的大容量、かつ高濃度なオゾンガスを外部に出力することができる効果を奏する。
【０２７１】
また、オゾン発生器２００内の放電セルを構成する基本セルＳ１，Ｓ２それぞれの放電面はそれぞれ平面視して円状を呈し、オゾン発生器２００は以下の条件(7)をさらに満足する。
【０２７２】
(7) 複数の放電セルそれぞれの放電面の外径が７０ｍｍ〜１４０ｍｍ（７０ｍｍ以上、１４０ｍｍ未満）の範囲に設定される。
【０２７３】
また、上述した放電面を有する放電セル（基本セルＳ１及びＳ２の組合せ）をオゾン発生器にｎ個同一平面上に並べて、放電セル数を増やしたオゾンガス発生システム１０００の変形例を構成すれば、図１で示した基本構成と同様な効果を奏する。
【０２７４】
オゾンガス発生システム１０００は、上述した条件(7)を満足することにより、条件(1)を満足する放電面積ｓｏを比較的容易に実現し、かつ、ガス流入する平均断面ｓavに流れ込む平均ガス流速ｖo/ｄを適切な値に比較的容易に設定することができる。
【０２７５】
加えて、オゾンガス発生システム１０００のオゾン用電源１００は、出力周波数ｆ（動作周波数ｆ）を２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ（２０ｋＨｚ以上、５０ｋＨｚ未満）範囲内にして、オゾン発生用交流電圧をオゾン発生器２００に出力している。より実用的なオゾン用電源１００の出力周波数ｆ（動作周波数ｆ）は、２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ（２０ｋＨｚ以上、３０ｋＨｚ未満）範囲が望ましい。
【０２７６】
このため、オゾンガス発生システム１０００は、オゾン発生器２００内の複数の放電セルに印加するオゾン発生用交流電圧のピーク電圧値を７ｋＶｐ以下にして、オゾン発生器２００が所望する放電電力ＤＷを実現することができる。
【０２７７】
さらに、オゾン用電源１００の並列共振用トランス２５は、内部励磁インダクタンス値Ｌｔを有し、オゾン発生器２００内の複数の放電セルは全体の静電容量値Ｃ０を有している。
【０２７８】
そして、オゾン用電源１００は、上述した式(4)を満足する並列共振周波数ｆｃの近傍に出力周波数ｆを設定している。
【０２７９】
オゾンガス発生システム１０００は、並列共振周波数ｆｃの近傍に出力周波数ｆを設定することにより、オゾン発生器２００への総放電電力ＤＷの投入時に並列共振を行うことで、インバータ部（インバータ回路部２２）の出力力率を高めることができる。
【０２８０】
すなわち、並列共振用トランス２５とオゾン発生器２００との間で総放電電力ＤＷの投入時に並列共振を行うことにより、インバータ回路部２２での出力力率を高めることができる。
【０２８１】
その結果、オゾン用電源１００は、所望の総放電電力ＤＷを満足するオゾン発生用交流電圧を負荷側であるオゾン発生器に供給できる。
【０２８２】
なお、所望の総放電電力ＤＷはとして１．８ｋＷ以上の総放電電力ＤＷが考えられる。そうすると、オゾン発生器２００内の各放電セルに投入できる放電電力密度Ｊ（＝ＤＷ／Ｓ）を２．５Ｗ／ｃｍ２〜６Ｗ／ｃｍ２の範囲に設定することができる。
【０２８３】
その結果、オゾンガス発生システム１０００は、高効率のオゾン用電源１００を実現することにより、高濃度のオゾンガスを取り出せすべく、供給する総ガス流量Ｑと総放電電力ＤＷを可能な範囲で最大値に設定しても、全体としてコンパクトな構成のオゾンガス発生システムを実現することができる効果を奏する。
【０２８４】
＜方法発明への展開＞
本実施の形態では、装置発明であるオゾンガス発生システム１０００として説明した。しかしながら、本願発明の変形例として、上述したオゾン用電源１００及びオゾン発生器２００を用いたオゾンガス発生方法に展開することも可能である。
【０２８５】
すなわち、１対の平板電極１，３（３ａ，３ｂ）に誘電体（２ａ，２ｂ）を介し配置した放電セルを有するオゾン発生器２００と、オゾン発生器２００にオゾン発生用交流電圧を付与するオゾン用電源１００とを用いて、高濃度なオゾンガスを発生するオゾンガス発生方法に展開することができる。
【０２８６】
本実施の形態の変形例であるオゾンガス発生方法は、上述したオゾンガス発生システム１０００の条件(1)及び条件(2)に対応して以下のステップ(1)及びステップ(2)を実行する。
【０２８７】
(1) 前記複数の放電セルそれぞれの放電面における放電面積ｓｏを、約３０ｃｍ２以上、１６０ｃｍ２未満の範囲に設定するステップ、
(2) 前記複数の放電セルそれぞれの１対の放電面によって形成される放電空間に供給する原料ガスの原料ガス流量ｑｏを、０．５Ｌ／ｍｉｎ以上、２．５Ｌ／ｍｉｎ未満の範囲に設定するステップ。
【０２８８】
また、オゾン発生器２００に供給するガス流量Ｑと総放電電力ＤＷを可能な範囲で最大限投入にして、取出しオゾン量Ｙｔを最大限に得るためには、オゾンガス発生方法は、上記のステップ(1)及びステップ(2)に加え、以下のステップ(3)を実行することが望ましい。
【０２８９】
(3) 前記複数の放電セルそれぞれの放電空間に投入する放電電力密度Ｊを、２．５Ｗ／ｃｍ２〜６Ｗ／ｃｍ２の範囲に設定するステップ。
【０２９０】
上記オゾンガス発生方法は、ステップ(1)及びステップ(2)を実行することにより、各放電セルの放電空間におけるガス滞在時間Ｔｏを短くしてオゾンガス分解量を抑えることができる。
【０２９１】
したがって、上記オゾンガス発生方法は、ステップ(1)及びステップ(2)を実行することにより、各放電セルの放電空間に供給する原料ガス流量ｑｏ及び放電電力ｄｗを可能な範囲で最大に設定すれば、オゾンガスを高濃度に取り出せる効果を奏する。
【０２９２】
上記オゾンガス発生方法は、さらに、ステップ(3)を実行することにより、各放電セルの放電面に供給するガス流量ｑ及び放電電力ｄｗを可能な範囲で最大に設定すれば、取出しオゾン量ｙｔを最大に高めることができる効果を奏する。
【０２９３】
その結果、本願発明の変形例であるオゾンガス発生方法は、高濃度なオゾンもしくは高発生量のオゾンガスを外部に出力することができる効果を奏する。
【０２９４】
さらに、上記オゾンガス発生方法は、オゾンガス発生システム１０００の上述した条件(4)〜条件(7)に対応して、条件(4)〜条件(7)を満足させるためのステップを実行することができ、オゾンガス発生システム１０００と同様な効果を奏する。
【０２９５】
＜その他＞
本実施の形態では、放電セルにおける放電面の形状を平面視して円状に構成したオゾン発生器２００を示したが、放電セル形状を正方形もしく長方形形状の平板セルで構成してもよい。この場合も、条件(2)を満足する投入できる放電電力密度Ｊの範囲に設定して、多段の放電セルを積層すれば良い。
【０２９６】
また、放電セルとして、同軸円筒電極管を短管にして、条件(3)を満足する放電電力密度Ｊの範囲に設定して、1つの極管を多数並べて構成しても良い。
【０２９７】
本実施の形態では、オゾン用電源１００の高周波・高電圧トランスである並列共振用トランス２５の内部励磁インダクタンス値Ｌｔを有する構成を示した。この構成以外に、並列共振用トランス２５の出力部に、並列共振する共振用リアクトルを追加してオゾン用電源を構成することも可能である。
【０２９８】
また、オゾン発生器２００として、原料ガスとし酸素ガスを供給し、放電セルの放電面に光触媒を塗布した構成を示した。これに限定されず、オゾン発生器２００に代えて、窒素を含んだ酸素ガスを原料ガスとして供給するオゾン発生器を用いても良い。
【０２９９】
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【０３００】
１  接地冷却電極
２a，２ｂ  誘電体電極
３a，３ｂ  高圧電極
４a，４ｂ  絶縁板
５  低圧冷却板
６  積層セル押えばね
７  積層セル押え板
８  積層セル押え棒
９  マニホールドブロック
１０  基台
１１  オゾン発生器カバー
２１  ＡＣ−ＤＣコンバータ回路部
２２  インバータ回路部
２３  限流リアクトル
２４  電源制御回路
２５  並列共振用トランス
１００  オゾン用電源
２００  オゾン発生器
１０００  オゾンガス発生システム
【図１】
2019225033.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019225033.tif 000008
【図７】
2019225033.tif 000009
【国際調査報告】
2019225033.tif 000010
2019225033.tif 000011
2019225033.tif 000012
2019225033.tif 000013