(57)【要約】絶縁体放電系で水中放電を利用したオゾン水発生装置及びその方法を提供する。前期の装置は、高電圧交流電源発生部、水供給部、酸素供給部及び水中放電部を含む。前記装置及び方法は、従来の装置とは異なり、オゾン接触器が不必要である。また、前記装置及び方法は、パルス波コロナ放電システムより高濃縮されたオゾン水を生成することが可能である。
2005502456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）交流の高電圧を水中放電部内部に導入する高電圧交流電源発生部、
ｂ）貯水槽、ポンプ及び冷却器を具備し、オゾン水生成のための水を水中放電部内部に注入する水供給部、及び
ｃ）少なくとも酸素を含むガスを水中放電部内部に注入する酸素供給部、
ｄ）一つまたは二つの絶縁体により絶縁された二つの金属電極及び電極を覆い包んでいる絶縁体構造物を具備し、高電圧交流電源発生部から供給されたエネルギーを利用した絶縁体放電により酸素供給部及び水供給部から供給された酸素及び水からオゾン及びオゾン水を生成する水中放電部を含むオゾン水発生装置。
【請求項２】
二個の電極が、両方平らな表面を持った平面電極で、これらがピラミッド、三角棒または円錐模様に加工した二個の絶縁体により絶縁された構造を持つか、二個の電極が両方平らな表面を持った平面電極で、これらがピラミッド、三角棒または円錐模様に加工した絶縁体と平らな平面を持った絶縁体で絶縁された構造を持つか、二個の電極が両方ピラミッド、三角棒または円錐模様に加工された電極で、これらが平らな表面を持った二個の絶縁体により絶縁された構造を持つか、二個の電極中一方がピラミッド、三角棒または円錐模様に加工された電極で、もう一方が平らな表面を持った平面電極で、これらが平らな表面を持った二個の絶縁体により絶縁された構造を持つことを特徴とする請求項１に記載のオゾン水発生装置。
【請求項３】
前記絶縁体が、表面に複数のくぼんだ穴を持ち、表面張力により酸素気体を該穴内部に閉じ込め、該穴に閉じ込められた酸素気体から放電が始まり主放電に進展することを特徴とする請求項１に記載のオゾン水発生装置。
【請求項４】
前記酸素供給部が、酸素供給源とインジェクターの組み合わせ、酸素供給源と気泡発生器の組み合わせ、水供給部と水中放電部を連結する導管に設置された酸素供給源の組み合わせ、及びそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のオゾン水発生装置。
【請求項５】
前記酸素供給部が、水供給部と水中放電部を連結する導管に設置された酸素供給源を含み、酸素供給が二界面流れからなることを特徴とする請求項１に記載のオゾン水発生装置。
【請求項６】
前記オゾン水発生装置が循環式であることを特徴とする請求項１に記載のオゾン水発生装置。
【請求項７】
前記オゾン水発生装置が、水に溶解しないで気滞形態で存在する剰余オゾンを除去するための剰余オゾン除去器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のオゾン水発生装置。
【請求項８】
酸素以外に、窒素、アルゴン、二酸化炭素または過酸化水素がさらに水中放電部に供給されることを特徴とする請求項１に記載のオゾン水発生装置。
【請求項９】
前記酸素が、空気の形態で供給されることを特徴とする請求項１に記載のオゾン水発生装置。
【請求項１０】
前記オゾン水発生装置が、半導体及びＴＦＴ−ＬＣＤ製作工程のエージングまたはクリーニングに使用されることを特徴とする請求項１に記載のオゾン水発生装置。
【請求項１１】
前記オゾン水発生装置が、浄水処理、汚水、下水、廃水処理、殺菌／消毒施設及び難分解物質の酸化用に使用されることを特徴とする請求項１に記載のオゾン水発生装置。
【請求項１２】
ａ）酸素及び水を絶縁体放電を採用する水中放電部内部へ注入し、
ｂ）注入した酸素及び水を高電圧交流電源発生部から供給された高電圧による絶縁体放電を行ってオゾン水を生成させ、
ｃ）生成されたオゾン水を剰余オゾン除去器を通過させて気体状態の剰余オゾンをオゾン水から除去する行程を含む絶縁体放電を利用したオゾン水の生成方法。
【請求項１３】
前記方法が、生成したオゾン水の再循環により溶存オゾンの量を増加させる行程をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載のオゾン水生成方法。
【請求項１４】
前記酸素及び水の供給が、水供給部と水中放電部を連結する導管に設置された酸素供給源により二界面流れからなることを特徴とする請求項１２に記載のオゾン水生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁体放電系で水中放電を利用したオゾン水発生装置及びその方法に関するものである。本発明のオゾン水発生装置及びその方法は、半導体並びにＴＦＴ−ＬＣＤ製作工程中、エージングとクリーニングの用途に使用できる。これらはまた、環境分野で浄水処理、汚水、及び廃水の処理そして殺菌／消毒施設に有用である。
【背景技術】
【０００２】
今まで広く使用されてきた従来のオゾン水発生装置は、空気または酸素気体を利用して気体状態のオゾンを生成した後、発生したオゾンを水に溶かしてオゾン水を生成する方式を採用していた。このような方式を採用しているオゾン水発生装置は、オゾンを生成するオゾン発生機と生成されたオゾンを水と接触させ、オゾン水を生成するオゾン接触器を必須的に具備している。一般的に、オゾンの生成方法は、大きく分けて、電気電解法、紫外線照射法そして電気放電法に分類される。これ等の方法の中で電気放電法の効率が他の方式に比べて飛び抜けて優秀であるため、現在は、電気放電法が普遍化している。電気放電法の中で、パルス波コロナ放電（ＰｕｌｓｅｄＣｏｒｏｎａＤｉｓｃｈａｒｇｅ）と絶縁体放電（ＤＢＤ：ＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢａｒｒｉｅｒＤｉｓｃｈａｒｇｅ）［１］が、広く採用されている。この２つの方式は、ともに大気圧でプラズマを発生させてオゾンを作り、効率も同じ程度であるという共通点がある。しかし、パルス波コロナ放電は、高い放電周波数の電力源を必要とし、電極間の距離が狭いためアーク放電（ＡｒｃＤｉｓｃｈａｒｇｅ）に発展する問題点がある。したがって、装置設計の柔軟性においては、絶縁体放電が優秀であると言える。
【０００３】
無声放電（ＳｉｌｅｎｔＤｉｓｃｈａｒｇｅ）または微細放電（Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ）と呼ばれる絶縁体放電（ＤＢＤ）は、１８５７年にドイツのジーメンスがオゾン発生を目的に始めて開発した後、普遍的に大衆化した。絶縁体放電により発生するプラズマは、熱的不平衡状態（Ｎｏｎ−ＴｈｅｒｍａｌＥｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ）で存在し、プラズマの温度は、１０，０００〜１００，０００Ｋである反面、中性気体の温度は、室内温度より若干高い程度である。このような絶縁体放電が他の形態の高電圧放電と異なる点は、２つの電極間に一つまたは二つの絶縁体を挿入して放電を起させる点である。この放電の特徴は、両電極間の高電圧によって電子は、高いエネルギーで加速され、加速された電子は、中性気体と衝突して新しい荷電粒子を作るか分子結合を切断して多量の反応基（Ｒａｄｉｃａｌ）を生成する。新しく発生した電子の数は、幾何級数的に増えて、電子なだれ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＡｖａｌａｎｃｈｅ）を作る。生成された電子なだれは、アーク放電（Ａｒｃｄｉｓｃｈａｒｇｅ）に転移する前に、絶縁体壁にぶつかって消滅する［１］。生成された反応基（Ｒａｄｉｃａｌ）は、周辺の他の中性粒子と化学的に結合して新しい化合物を形成する。ゆえに、大気中で放電する場合、空気中の酸素分子は、電子と衝突して酸素原子に分離され、分離された原子は、他の酸素分子と３体再結合（３−ｂｏｄｙｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）反応を通してオゾンになる。
【０００４】
従来のオゾン水発生装置において、絶縁体放電を利用したオゾン発生器に９０％以上の酸素（大気圧、２５℃）を注入すると、約２〜１０重量％（５０〜１５０ｇ／ｍ３）のオゾンが生成され、生成されたオゾンはオゾン接触器（ＤｉｓｓｏｌｖｉｎｇＭｏｄｕｌｅ）により水に溶解してオゾン水を生産する。オゾン水の濃度は、オゾン発生器で生成されるオゾンの濃度とオゾン接触器の効率によって決定される。一般的にオゾンの溶解度は、酸素よりずっと大きく、オゾンの圧力が高いほど、また水の温度が低いほど溶解されるオゾンの量は、増加する。それで、コンプレッサー（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）と冷却槽（Ｃｈｉｌｌｅｒ）を付加的に装着して効率を高める。オゾン接触器は、ディフューザー（Ｄｉｆｆｕｓｅｒ）やベンチュリ管（ＶｅｎｔｕｒｙＴｕｂｅ）にオゾンを高速で注入して溶解する方法が多く利用されてきた。その中で、ベンチュリ管方式がより普遍化されている。その他に、ＯＨラジカルに対するスカベンジャーとして作用する添加ガス（例：二酸化炭素）または過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）がさらにオゾン水に添加されている。
【０００５】
オゾン水の応用分野の拡大と共に、多くの国々が新しいオゾン水発生方法を開発するために、積極的な投資をしている。新しい方法の一つは、電気的放電を水で起す水中放電法（ＷａｔｅｒＤｉｓｃｈａｒｇｅ）である［２］。二枚の平板間に水を充たした場合、放電のためには、約２．５ＭＶ／ｃｍの電界が必要である。しかし、細い線（Ｗｉｒｅ）と平板を利用する線対面（ｌｉｎｅ−ｔｏ−ｐｌａｎｅ）形電極構造［３−５］、または鋭利な電極形態を利用した点対点（ｐｏｉｎｔ−ｔｏ−ｐｏｉｎｔ）形電極構造［６］を利用して電極部分に局所的に高い電界を作り、十数ｋＶ／ｃｍ程度の電界でも効果的な水中放電が可能であることが明らかにされた。現在まで、水中放電に利用する放電方式としてはパルス波コロナ放電（ＰｌｕｓｅｄＣｏｒｏｎａＤｉｓｃｈａｒｇｅ）が広く利用されていて、絶縁体放電を利用した水中放電は、まだ報告されたことがない。
【０００６】
オゾン水生成のための水中放電の長所は、オゾンの発生と溶解が同時に起きることであり、これはオゾン接触器等の付加的な設備の追加を必要とせず、設備容量を減らすことができる。現在、学会に報告された内容によると［６］、酸素気泡を１０ＬＰＭ添加して約１０ｋＶ／ｃｍの電界で放電を行なう時、約１ｋｗｈの消費電力で６ｍｇ／ｌのオゾン水を１分当り２リットル程度生産できる。これは、既存の方式と比べて効率は落ちるけれど、実験の結果、電気電力の増加と放電周波数の増加により、オゾンの溶存率が線形的に増加することを確認した。特に、パルス波コロナ放電（ＰｕｌｓｅｄＣｏｒｏｎａＤｉｓｃｈａｒｇｅ）は、電力源（ＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ）の制限により約３００Ｈｚ以下の周波数を使用するが、絶縁体放電はこれより高い周波数を使用できるので、ずっと改善された結果を提供するものと期待されている。
【０００７】
参考文献
［１］Ｕ．Ｋｏｇｅｌｓｃｈａｔｚ等，Ｊ．Ｐｈｙｓ．ＩＶＦｒａｎｃｅ，１９９７年、第７巻、Ｐ．Ｃ４−４７
［２］Ｈ．Ｍ．ＪｏｎｅｓａｎｄＥ．Ｅ．ＫｕｎｈａｒｄｔＪ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，１９９５年、第２８巻、Ｐ．１７８
［３］Ａ．Ａｂｏｕ−Ｇｈａｚａｌａ等，ｔｏｂｅｐｕｂｌｉｓｈｅｄｉｎＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００１年，Ｌａｓｖｅｇａｓ
［４］Ｓ．Ｅｓｐｉｅ等，ｔｏｂｅｐｕｂｌｉｓｈｅｄｉｎＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆＰｕｌｓｅｄＰｏｗｅｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００１年，Ｌａｓｖｅｇａｓ
［５］Ｉ．Ｖ．Ｌｉｓｉｔｓｙｎ等，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ，Ｉｎｓｔｒｕｍｎ．，１９９９年、第７０巻、Ｐ．３４５７
［６］Ｍ．Ｍｉｋｕｌａ等，ＰｌａｓｍａＳｏｕｒｃｅｓＳｃｉ．Ｔｅｃｈ．，１９９７年、第６巻、Ｐ．１７９
発明の要約
本発明の目的は、オゾンを発生させた後、発生したオゾンを水に溶解させる既存のオゾン水生成技術とは異なり、直接水中で放電を起しオゾン水を生産できるオゾン水発生装置及びその方法を提供することである。したがって、本発明のオゾン水発生装置は、オゾン接触器を含まない。
【０００８】
本発明のまた別の目的は、絶縁体放電を利用したオゾン水発生装置及びその方法を提供することである。本発明のオゾン水発生装置は、高電圧交流を供給する電源部、水供給部、酸素供給部、及び水中放電部を含み、前記水中放電部は絶縁体で絶縁された二つの電極及び絶縁体構造物を含む。
【０００９】
図面の簡単な説明
図１は、二界面流れ（ｔｗｏ−ｐｈａｓｅ  ｆｌｏｗ）の原理を説明するための断面図である。
【００１０】
図２は、本発明の水中放電部の好ましい実施例の斜視図である。
【００１１】
図３は、本発明の水中放電部に使用するための電極及び絶縁体の表面構造を例示した図である。
【００１２】
図４は、本発明の水中放電部に使用するための絶縁体の表面構造を例示した図である。
【００１３】
図５は、本発明のオゾン水発生装置の好ましい実施例のブロック図である。
【００１４】
発明の詳細な説明
本発明のオゾン水発生装置は、高電圧交流電源発生部、水供給部、酸素供給部及び水中放電部を含む。より詳細には、本発明のオゾン水発生装置は、
ａ）交流の高電圧を水中放電部内部に導入する高電圧交流電源発生部、
ｂ）貯水槽、ポンプ及び冷却器を具備し、オゾン水生成のための水を水中放電部内部に注入する水供給部、及び、
ｃ）少なくとも酸素を含むガスを水中放電部内部に注入する酸素供給部、
ｄ）一つまたは二つの絶縁体により絶縁された二つの金属電極及び電極を覆い包んでいる絶縁体構造物を具備し、高電圧交流電源発生部から供給されたエネルギーを利用した絶縁体放電により酸素供給部及び水供給部から供給された酸素及び水からオゾン及びオゾン水を生成する水中放電部を含む。
【００１５】
先で述べたように、オゾン水生産のための水中放電は、高電圧電源を必要とする。前記装置に使用される電源発生部は、特別に制限されないが、経済的な側面を考慮して１〜３０ｋＶが好ましく、１０〜２０ｋＶの電圧を供給できることがより好ましい。このような電圧範囲を持った高電圧電源発生部は、一般的に広く知られたインバーターと高電圧変圧器を利用した技術を応用して家庭用電源（２２０Ｖ）をそのまま使用できるように設計できる長所がある。放電周波数は、通常６０Ｈｚ〜１００ｋＨｚで、０．５〜５ｋＨｚの周波数の採用が好ましい。３．５ｋＨｚまでの放電周波数は、ＳＣＲ（ＳｉｌｉｃｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＲｅｃｔｉｆｉｅｒ）形インバーターを使用することによって達成できる。それ以上の放電周波数は、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）形インバーターを使用することによって達成できる。処理容量を考慮して、使用する電力を適切に調節できる。得られた高電圧は、水中放電部の二つの電極中どちらか一方の電極に適用し、もう一方の電極は接地することにより、約１〜３０ｋＶの電圧が印加される。高電圧を印加する電極は、周辺の金属体との放電を防止するために絶縁体構造物で覆い包んだ。
【００１６】
水供給部は、貯水槽、ポンプ及び冷却器を含み、水中放電部で放出されたオゾン水を貯水槽に貯蔵し、それを再び水中放電部へ供給する循環式に構成することが好ましい。このような循環システムは、水中に溶解されるオゾンの濃度を高めることができ、したがって高濃度のオゾン水を得られる長所がある。本明細書で「水」というのは、一般水またはイオン除去水（Ｄｅｉｏｎｉｚｅｄｗａｔｅｒ）を含むものとする。冷却器は、循環する水の温度を下げてオゾンの溶解度を増加させる役割をする。例えば、１０℃の水に約１０００ｐｐｍのオゾンを注入する時の溶解度は、４〜５ｍｇ／ｌである、一方、２５℃の水の溶解度は半分に減って２〜３ｍｇ／ｌである。よって、冷却器を設置して循環する水を継続的に低い温度に下げることによってオゾンの溶解度を向上させることができる。一方、オゾン水が自体分解する時、強力な酸化力を持つため、水を循環させるポンプは、耐酸性材質で製作するか酸化防止コーティングしなけばならない。
【００１７】
酸素供給部は、オゾン水生成のための酸素を水中放電部内部へ注入する。酸素ソースとして、酸素発生器で生成された酸素または濃縮酸素が使用できる。酸素発生器を使用する時、その容量は、処理容量を考慮して適切に調節できる。例えば、５０ｍｇ／ｌ濃度のオゾン水を約１分当り２リッター程度生産する場合、酸素発生器は、分当り約１０リッターの酸素供給能力を持つことが好ましい。
【００１８】
酸素は、一つ以上の添加ガスと共に水中放電部内部へ供給できる。添加ガスの例としては、絶縁体放電効率を増大させる窒素、アルゴン及びオゾンの半減期を増加させる二酸化炭素を挙げられる。窒素、アルゴンのようなガスが絶縁体放電効率を増加させることは、当該分野で通常の知識を持った者に広く知られている。また、水中のオゾンは約３０分程度の半減期を持っているが、これはオゾンの自体分解に因るもので、オゾンの自体分解は水中に存在するＯＨ−イオンにより分解すると知られている。したがって、オゾンの分解を促進するＯＨラジカルに対するラジカルスカベンジャー（ｒａｄｉｃａｌｓｃａｖｅｎｇｅｒ）を添加ガスとして添加することによってオゾンの自体分解を顕著に減少させられる。ＯＨラジカルに対するラジカルスカベンジャーとして作用する添加ガスの例としては、二酸化炭素を挙げられる。二酸化炭素は、水に溶解して炭酸イオン（ｃａｒｂｏｎａｔｅ）を形成し、形成された炭酸イオンは、ＯＨラジカルと反応して炭酸イオンラジカルを形成する。よってＯＨラジカルの数を減らすことによってオゾンの分解を防止できる（Ｍ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ等，ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＰｈｅｎｏｍｅｎａ，２０００年、第７６−７７巻、Ｐ．２１９）。先に述べた二酸化炭素の他にも過酸化水素を添加でき、過酸化水素は、通常、殺菌、消毒及び下水処理時に添加される。添加ガスと共に供給する場合、酸素の濃度は放電特性を考慮して１５％〜９０％の範囲内で適切に調節できる。酸素の濃度を２０％に調節する場合、空気を酸素ソースとして利用できる。供給ガスの流量は、流量調節器を利用して適切に調節できる。
【００１９】
水中放電部への酸素注入のための酸素供給部は、多様な形態に構成できる。例えば、水供給部と水中放電部を連結する導管に酸素を供給する酸素供給源（例えば、酸素発生器、濃縮酸素供給機等）を配置して水と酸素の混合媒質形態（二界面状態）で注入する方式と酸素供給源から供給される酸素を微細気泡形態で注入する方式により水中放電部に注入できる。すなわち、酸素層と水層がお互いに分離されている二界面形態または酸素と水がお互いに混じり合った（水層内部に複数の酸素気泡が存在する）形態で供給できる。
【００２０】
微細気泡形態で酸素を供給する場合、微細気泡は多様な方式で生成できる。代表的に、微細気泡は酸素供給源の末端に設置された気泡発生器により生成でき、またはインジェクターにより生成できる。供給する酸素気泡の直径は、二つの電極間の距離と同一かまたはそれより小さな大きさに調節することが好ましい。微細気泡を生成するためには気泡発生器またはベンチュリ管（ＶｅｎｔｕｒｙＴｕｂｅ）を含む多様な方式が採用できるが、気泡発生器がより好ましい。
【００２１】
水供給部と水中放電部を連結する導管に酸素供給源を設置して水と酸素の混合媒質形態で酸素を供給する場合、一般的に、酸素層と水層がお互いに分離している二界面流れ（ｔｗｏ−ｐｈａｓｅ  ｆｌｏｗ）の形態で酸素を供給する。このような二界面流れは、例えば、流れる水の上から圧力を加えてガスを吹き入れ、重力により容易く成し遂げられる。二界面流れを作る場合、ガス層の厚みと水層の厚みを調節して放電電圧を下げることができ、水中のオゾン濃度を高めることもできる。この場合には、放電が酸素層で起き、放電時に生成されるショック波（ｓｈｏｃｋｗａｖｅ）により圧力が非常に高い状態で水表面層と接触して正常状態よりずっと多い量のオゾンを水に溶かすことができるようになる。
【００２２】
図１を参照しながら、その原理を説明すると下記のようになる。水中放電部１の二個の電極１００ａ、１００ｂを絶縁する絶縁体１０１ａ、１０１ｂ間に絶縁係数が異なる二種以上の媒質（例えば、空気１０２とイオン除去水１０３）を満たして電位ΔΦを印加する時、空気１０２に形成される電界ＥＡは、下の式１のように表現され、イオン除去水１０３に形成される電界Ｅｗは、下の式２のように表現される。この時、電位ΔΦは、下の式３のように表現され、式３から分かるように電位ΔΦは、常に保存される。
【００２３】
式１
【００２４】
【数１】
2005502456.tif 000003
【００２５】
式２
【００２６】
【数２】
2005502456.tif 000004
【００２７】
式３
【００２８】
【数３】
2005502456.tif 000005
【００２９】
（前記式１乃至３で、Ｋは相対的な絶縁常数で、Ｋ＝εＷ／εＡである。εＡは空気の絶縁体常数で１であり、εｗはイオン除去水の絶縁体常数で９０である。ｄは絶縁体間の間隔を意味し、ｔはイオン除去水の高さを示す）
前記式１及び３から分かるように、空気１０２とイオン除去水１０３の混合媒質に一定の電位を印加した場合、空気１０２に形成される電界ＥＡは媒質が空気だけの時よりさらに大きくなり、よって低い電位を加えても簡単に放電させられるようになる。また、この時、生成されるオゾンは、常温よりずっと高いエネルギー、即ち高い圧力を持つようになる。そして、オゾンは水と直接接触する。このような理由で、オゾンを作りそれを水に溶かす段階的な既存の方法より、前記方法は数十倍の溶解度を示すようになる。したがって、低い電位を加えても放電を誘導でき、高い圧力の生成によりオゾンの溶解度を顕著に向上させられるようになる。前記例では、空気１０２及びイオン除去水１０３を挙げているが、空気だけではなく酸素または酸素と異なる添加ガスを使用しても同一な結果を得られることは、自明なことである。また、前記例は、異なる絶縁常数を持った二個の媒質が層をなしている場合を記述しているけれど、水中に空気気泡がある場合にもその効果が弱化するけれど類似な効果が現れる。一方、インジェクターを利用した微細気泡の供給と二界面形態の酸素供給が同時に起きる場合、まず二界面中酸素層（または空気層）でまず放電が起きるようになり、再び水中の酸素でその放電が進むようになる。
【００３０】
図２に示したように、水中放電が発生する水中放電部２は、絶縁体２０１ａ、２０１ｂにより絶縁された二個の電極２００ａ、２００ｂと電極２００ａ、２００ｂを包んでいる絶縁体構造物２０２で構成されている。図２の参照番号２００ａで表示された電極が接地電極で、参照番号２００ｂで表示された電極が高電圧電力源（未図示）と連結される。金属電極２００ａ、２００ｂとこれらを絶縁する絶縁体２０１ａ、２０１ｂは、放熱板に使用されるものと同じ熱伝導性が良い接着剤を使用して付着できる。電極２００ａは連結部材（例、ボルトとナット）により接地棒２０３に連結される。接地棒２０３と接地電極２００ａは、絶縁体構造物２０２の上板２０４により支持され、当該分野で広く知られた移動手段を採用して上下可動に設計できる。絶縁体構造物２０２の側壁２０５は全体放電システムを支持し、酸素供給口２０６、水供給口２０７及びオゾン水排出口２０８を具備している。一方、酸素の供給が混合媒質形態の供給によってのみなされる場合、酸素供給口２０６と水供給口２０７は、別途に設置されるものではない。酸素供給口２０６及び水供給口２０７を通して供給された酸素及び水は、高電圧電源発生部から導入された高電圧電源により絶縁体放電を経験し、オゾン水を生成する。生成されたオゾン水は、オゾン水排出口２０８を通して排出される。電極２００ａ、２００ｂと絶縁体構造物２０２の連結は、通常の連結部材により成就され、その例として接着剤を利用した連結を挙げられる。金属電極２００ａ、２００ｂを包んでいる絶縁体２０１ａ、２０１ｂの厚み及び絶縁体２０１ａ、２０１ｂ間の距離は、放電効率、印加する電圧等を考慮して適切に選択できる。好ましい実施例によると、約２０ｋＶの電圧を印加する場合、１−５ｃｍ、好ましくは１−３ｃｍ、最も好ましくは約２ｃｍ程度の放電空間が効果的な電界を形成した。
【００３１】
絶縁体表面の構造及び電極の構造は、絶縁体放電を行える範囲内で多様に採用できる。例えば、図３のａに示したように、二個の電極が両方平らな表面を持った平面電極で、これらがピラミッド、三角棒または円錐模様に加工した二個の絶縁体により絶縁された構造を持つか、図３のｂに示したように、二個の電極が両方平らな表面を持った平面電極で、これらがピラミッド、三角棒または円錐模様に加工した絶縁体と平らな平面を持った絶縁体で絶縁された構造を持つか、図３（ｃ）に示したように、二個の電極が両方ピラミッド、三角棒または円錐模様に加工された電極で、これらが平らな表面を持った二個の絶縁体により絶縁された構造を持つか、図３（ｄ）に示したように、二個の電極中一方がピラミッド、三角棒または円錐模様にまたは加工された電極で、もう一方が平らな表面を持った平面電極で、これらが平らな表面を持った二個の絶縁体により絶縁された構造を持つことができる。これらは、全て配列式点対点（ｐｏｉｎｔ−ｔｏ−ｐｏｉｎｔ）または線対点（ｌｉｎｅ−ｔｏ−ｐｏｉｎｔ）電極構造と言える。このような電極構造は、絶縁体の表面に局所的に非常に高い電界を作って水中放電の放電電圧を下げる効果がある（Ｍ．Ａｂｄｅｌ−Ｓａｌａｍ等，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，２００１年、第３４巻、Ｐ．１２１９）。
【００３２】
配列式点対点（ｐｏｉｎｔ−ｔｏ−ｐｏｉｎｔ）または線対点（ｌｉｎｅ−ｔｏ−ｐｏｉｎｔ）構造の他にも、図４に図示したように、ピラミッド、三角棒または円錐形態の山の代わりに、くぼんだ穴形状を絶縁体表面に形成できる。酸素気体が表面張力により穴内部に閉じ込められる。高電圧が印加された時、穴に閉じ込められた酸素気体から放電が始まり、その後、主放電に進行する。この時、電極の構造は特別に制限されない。電極は、平らなまたはピラミッド形態を持つことができる。
【００３３】
さらに、絶縁体と電極全てを平らな形態に構成できる。絶縁体と電極が全て平らな形態の場合、絶縁体または電極の加工工程を省略できる。この場合、酸素は水中放電部に二界面形態で供給されることが好ましい。
【００３４】
本発明のオゾン水発生装置は、溶解されないオゾンを除去するために剰余オゾン除去器をさらに含むことが好ましい。前記剰余オゾン除去器は、導管を通してオゾン水排出口に連結される。これは、水に溶解されずに気体形態で存在する剰余オゾンを除去して、気体形態のオゾンが外部に流出して環境汚染を惹起することを防止する役割をする。即ち、前記剰余オゾン除去器は、環境問題に対する要求を満足させる。剰余オゾン除去器は、湿式スクルーバ（ｗｅｔｓｃｒｕｂｂｅｒ）式に構成することが好ましく、この時、オゾンが減少した気体は、大気中に放出させ、使用した水は低い濃度のオゾン水であるので循環部へ供給して再活用する。
【００３５】
図５は、本発明のオゾン水発生装置５の好ましい実施例の概略図を図示したものである。水（一般水またはイオン除去水を含む）５００は、貯水槽５０１に貯蔵され、ポンプ５０２により高圧に維持されたまま冷却器５０３を通過して水中放電部５０４に供給される。一方、冷却器５０３と水中放電部５０４間に酸素供給源５０５を設置して酸素（または空気のように酸素を含んだ混合ガス）を供給することによって二界面流れで供給するか酸素と水がお互いに混じった形態で供給できる。好ましくは、二界面流れで供給することである。追加的に、酸素発生器５０６で生成された酸素はインジェクター５０７を通じて微細気泡形態で水中放電部５０４に供給する。酸素の流量は、流量調節器５０８により適切に調節できる。但し、前述したように、酸素は酸素供給源５０５による供給、酸素発生器５０６及びインジェクター５０６による供給またはこれらの組み合わせからなる群から選択されるどれか一つにより供給できる。
【００３６】
絶縁体により絶縁された電極構造を持つ水中放電部５０４には、高電圧電源５０９により高電圧が印加され、印加された高電圧を利用した絶縁体放電により供給された酸素を水中で直接オゾンに転換させオゾン水を生産する。生成したオゾン水は、剰余オゾン除去器５１０へ排出され、剰余オゾン除去器５１０は水に溶解しないで気体状態で存在するオゾンを除去して環境基準が許容する低い濃度でオゾンを大気中へ排出する。剰余オゾン除去器５１０を通過したオゾン水は、ポンプ５１１を通じて貯水槽５０１へ送られ、再び上記のような循環を経て高濃度のオゾンが含まれたオゾン水を生成することになる。得られた高濃度のオゾンが含まれたオゾン水は、貯水槽５０１から排出され多様な用途に使用される。具体的には、高濃度のオゾン水は半導体及びＴＦＴ−ＬＣＤ製作工程のエージングとクリーニングの用途に使用でき、環境分野においては上水道の高度浄水処理、汚水、下水及び廃水処理施設そして殺菌／消毒施設に有用に使用できる（Ｂ．Ｓｕｎ等，Ｅｎｖｉｒｏ．Ｓｃｉ，Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０００年、第３４巻、Ｐ．５０９）。一方、二酸化炭素、過酸化水素のような添加ガスを前記工程中に添加してオゾン水の効率を向上させられる。
【００３７】
本発明は、また、絶縁体放電を利用したオゾン水の生成方法に関するもので、該方法は酸素及び水を絶縁体放電を採用する水中放電部内部に注入し、注入された酸素及び水を高電圧交流電源発生部から供給されたエネルギーによる絶縁体放電を遂行してオゾン水を生成させ、生成されたオゾン水を剰余オゾン除去器を通過させ気体状態の剰余オゾンをオゾン水から除去する段階を含む。前記方法は、低濃度のオゾン水を再循環させることにより溶存オゾンの量を増加させられる。さらに、冷却器によるオゾン水の温度を下げることによって溶存オゾンの量を増加させられる。そして、上記した点対点電極構造が好ましい。必要に応じて、上側に設置されている電極の絶縁体表面はピラミッド形態の代わりにくぼんだ穴を作り、閉じ込められている酸素気体から放電が始まり主放電に進展するようにできる。また、酸素気体を電極間に酸素層と水層を持った二界面流れ（ｔｗｏ−ｐｈａｓ  ｅｆｌｏｗ）で供給して、酸素気体層で放電が始まり主放電へ進展するようにできる。
【００３８】
産業上の利用可能性
本発明のオゾン水発生装置は、酸素を利用してオゾンを発生させ発生したオゾンを水に溶解する既存のオゾン水発生装置とは異なり、オゾン接触器等の付帯施設を含まない。そして、前記装置はパルス波コロナ放電より高い周波数を使用することによりオゾンの溶存率を顕著に向上させられる。具体的に、本発明のオゾン水発生装置は、酸素を二界面状態で供給する場合、１２０ｍｇの濃度を持ったオゾン水１３００ｍｌを２５分以内に発生させられた。さらに、高濃度のオゾン水を生成することによりオゾン水のｐＨを下げてオゾン水の半減期を増加させられる。例えば、１２０ｍｇの濃度を持ったオゾン水１３００ｍｌの場合、半減期が約１０時間であり、既存のオゾン水（半減期：平均約２５分）より顕著に増加した半減期を持っていた。このようなオゾン半減期の増加は、オゾン分解を促進させるＯＨ−イオンの減少に起因するものと判断される。即ち、１２０ｍｇの濃度を持ったオゾン水１３００ｍｌのｐＨは３程度で、顕著に下がったＯＨ−イオンがオゾンの半減期を増加させる。オゾン水の増加した半減期は、水処理システムを設計する際に多くの利点を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】二界面流れの原理を説明するための断面図である。
【図２】本発明の水中放電部の好ましい具現例の斜視図である。
【図３】本発明の水中放電部に使用するための電極及び絶縁体の表面構造を例示した図である。
【図４】本発明の水中放電部に使用するための絶縁体の表面構造を例示した図である。
【図５】本発明のオゾン水発生装置の好ましい具現例のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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