(57)【要約】【課題】電子より重いイオンが動けない時間のみ、高電圧を印加することによってオゾン生成に寄与する電子のみに電力を投入することができ、高効率のオゾン発生ができることを課題とする。【解決手段】円筒状の誘電体電極４と、この誘電体電極４の外側に該誘電体電極４を囲むように配置された，誘電体電極４と対をなす金属電極５と、誘電体電極４と金属電極５との間に誘電体を介して高電圧を印加して放電プラズマを発生させる高電圧電源１３と、誘電体電極４若しくは金属電極５のうち少なくとも一方を冷却する冷却手段とを備えたオゾン発生装置において、前記高電圧がパルス状であり、印加電圧Ｖ（Ｖ）と放電ギャップｄ（ｃｍ）とガス圧ｐ（Ｔｏｒｒ）の間にＶ／（ｐｄ）＞１２９Ｖ／ｃｍＴｏｒｒの関係が成立することを特徴とするオゾン発生装置。【選択図】図１
2011042545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の第１の電極と、この第１の電極の外側に該第１の電極を囲むように配置された，第１の電極と対をなす第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に誘電体を介して高電圧を印加して放電プラズマを発生させる高電圧電源と、第１の電極若しくは第２の電極のうち少なくとも一方を冷却する冷却手段とを備えたオゾン発生装置において、
前記高電圧がパルス状であり、印加電圧Ｖ（Ｖ）と放電ギャップｄ（ｃｍ）とガス圧ｐ（Ｔｏｒｒ）の間にＶ／（ｐｄ）＞１２９Ｖ／ｃｍＴｏｒｒの関係が成立することを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項２】
前記高電圧がパルス状に印加され、これに引き続き高電圧が印加されない休止期間を設けた回路を備えたことを特徴とする請求項１記載のオゾン発生装置。
【請求項３】
コンデンサに充電した電荷をスイッチによってパルス状に印加する高電圧発生回路を備えたことを特徴とする請求項１記載のオゾン発生装置。
【請求項４】
コイルに流した電流をスイッチによって切り、電圧をパルス状に印加する高電圧発生回路を備えたことを特徴とする請求項１記載のオゾン発生装置。
【請求項５】
コンデンサに充電した電荷を半導体スイッチによってパルス状に印加する高電圧発生回路を備えたことを特徴とする請求項４記載のオゾン発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はオゾン発生装置に係り、とりわけ効率が高いオゾンを発生することができるオゾン発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の如く、一般のオゾン発生装置においては、金属電極と誘電体電極内面に設けた導電電極が一対となって放電電極を構成し、その間にスペーサを挿入することにより微小な放電ギャップを形成している。そして、金属電極と放電電極間の放電ギャップに酸素ガスを含むオゾン原料ガスを流し、両電極間に高電圧を印加することにより放電ギャップ（空間）に無声放電が発生する。この無声放電によりオゾン化ガスが生成される。
【０００３】
図６は、従来のオゾン発生装置の放電部の構成の一例を示す図である（特許文献１）。  
図中の符番１は、下部側にガス入口２，ガス出口３が設けられた気密容器を示す。この気密容器１内には、円筒状の誘電体電極（第１の電極）４が配置されている。この誘電体電極４の外側には、該誘電体電極４と一定の距離をおいて金属電極（第２の電極）５が配置されている。この金属電極５が位置する気密容器１の下部，上部には、夫々冷却水入口６，冷却水出口７が設けられている。前記誘電体電極４と金属電極５間には、放電ギャップ８を形成するためにスペーサ９が配置されている。放電ギャップは、通常０．６ｍｍ乃至１ｍｍに設定されている。また、ガス圧は、通常０．１７ＭＰａ乃至０．２８ＭＰａ（絶対圧）を用いている。
【０００４】
前記誘電体電極４の内面には、導電電極１０が形成されている。この導電電極１０には、高圧給電端子１１が設けられている。この高圧給電端子１１には、ヒューズ１２を介して高電圧電源１３が接続されている。高電圧電源１３からは、ヒューズ１２，高圧給電端子１１を介して交流（ＡＣ）の高電圧が誘電体電極４と金属電極５との間に印加される。
【０００５】
こうした構成のオゾン発生器において、オゾン原料ガスがガス入口２から気密容器１内に流入し、その後原料ガスは誘電体電極４と金属電極５との間に形成された放電ギャップ８を流れ、ガス出口３から流出される。この間、誘電体電極４と金属電極５との間に高電圧電源１３から交流（ＡＣ）の高電圧をヒューズ１２および高圧給電端子１１を介して印加すると、放電ギャップ８に無声放電が形成され、オゾンが発生する。無声放電で発生する熱は、金属電極５内に供給される冷却水１３により冷却される。これにより、放電ギャップ８のガス温度上昇を抑制し、オゾンの熱分解を抑制できる。ここで、冷却水には不凍液を入れてもよいし、油冷であってもかまわない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１８２１０９号公報（段落００１２〜００１４、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述したような従来のオゾン発生器は、以下に述べる様な問題がある。  
無声放電中は、投入した電力Wは電子とイオンの双方に投入される。このうち、オゾンが生成するのは電子に投入された電力Ｗｅのみが寄与し、イオンに投入された電力Ｗｉは寄与しない。オゾン生成反応は、  
ｅ+Ｏ２  →  ｅ＋Ｏ＋Ｏ                    （１）  
Ｏ＋Ｏ２＋Ｍ  →  Ｏ３＋Ｍ                  （２）  
で表される。ここでｅは電子、Ｏ２は酸素分子、Ｏは酸素原子、Ｍは中性分子、Ｏ３はオゾンを表す。
【０００８】
また、空気原料からのオゾン生成では（１）式に加えて、  
ｅ＋Ｎ２  →  ｅ＋Ｎ２（Ａ，Ｂ）              （３）  
Ｎ２（Ａ，Ｂ）＋Ｏ２  →  Ｎ２＋Ｏ＋Ｏ        （４）  
の反応によっても酸素原子Oが発生し、（２）式によってオゾンが生成する。ここでＮ２は窒素分子、Ｎ２（Ａ，Ｂ）はＮ２の励起状態を表す。上記（１）〜（４）式は、いずれも電子との反応がきっかけとなってオゾンが発生することがわかる。
【０００９】
上記オゾン発生器では、電子に投入された電力の総電力Ｗに対する比ｂｅは、  
ｂｅ＝Ｗｅ／Ｗ＝Ｗｅ／（Ｗｅ＋Ｗｉ）  
で表され、ｂｅが１００％ではなく、ｂｅ＝５５〜６０％であるためにオゾン発生効率の限界が低くなっていた。
【００１０】
本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、オゾン発生装置の電源回路を最適化することによって、比ｂｅを１００％近い値に向上することによって極めて高い効率でオゾンを発生するオゾン発生装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るオゾン発生装置は、円筒状の第１の電極と、この第１の電極の外側に該第１の電極を囲むように配置された，第１の電極と対をなす第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に誘電体を介して高電圧を印加して放電プラズマを発生させる高電圧電源と、第１の電極若しくは第２の電極のうち少なくとも一方を冷却する冷却手段とを備えたオゾン発生装置において、前記高電圧がパルス状であり、印加電圧Ｖ（Ｖ）と放電ギャップｄ（ｃｍ）とガス圧ｐ（Ｔｏｒｒ）の間にＶ／（ｐｄ）＞１２９Ｖ／ｃｍＴｏｒｒの関係が成立することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電子より重いイオンが動けない時間のみ、高電圧を印加することによってオゾン生成に寄与する電子のみに電力を投入することができ、高効率のオゾン発生ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のオゾン発生装置に係るパルス発生回路の説明図。
【図２】本発明のオゾン発生装置に係るパルス波形図。
【図３】本発明のオゾン発生装置において空気原料によるオゾン濃度とオゾン生成効率との関係を示す特性図。
【図４】本発明のオゾン発生装置において酸素原料によるオゾン濃度とオゾン生成効率との関係を示す特性図。
【図５】本発明のオゾン発生装置に係る他のパルス波形図。
【図６】従来のオゾン発生装置の概略構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るオゾン発生装置について更に詳しく説明する。  
本発明のオゾン発生装置は、上述したように、円筒状の第１の電極と、第１の電極と対をなす第２の電極と、高電圧電源と、冷却手段とを備え、前記高電圧がパルス状であり、印加電圧Ｖ（Ｖ）と放電ギャップｄ（ｃｍ）とガス圧ｐ（Ｔｏｒｒ）の間にＶ／（ｐｄ）＞＝１２９Ｖ／ｃｍＴｏｒｒの関係が成立するような構成となっている。
【００１５】
本発明において、前記高電圧がパルス状に印加され、これに引き続き高電圧が印加されない休止期間を設けた回路を備えていることが好ましい。ここで、高電圧はパルス状に１ミリ秒以下の期間、特に１０マイクロ秒以下の期間が印加されることが好ましい。
【００１６】
このように高電圧をパルス状にし、休止期間を設けることによって、移動するのに時間のかかるイオンへのイオン損失（電力Wｉ）を抑えることが可能になる。電極間を移動するのに１０ｎｓ程度の短時間しかかからない電子への投入電力は変わらないので、その結果、電子に投入される電力の総電力Wに対する比ｂｅ  
ｂｅ＝Ｗｅ／Ｗ＝Ｗｅ／（Ｗｅ＋Ｗｉ）  
を１００％近い値に向上することによって極めて高い効率でオゾンを発生装置を得ることが可能になる。
【００１７】
本発明において、コンデンサに充電した電荷をスイッチによってパルス状に印加する高電圧発生回路、あるいはコイルに流した電流をスイッチによって切り、電圧をパルス状に印加する高電圧発生回路を備えることが好ましい。また、コンデンサに充電した電荷を半導体スイッチによってパルス状に印加する高電圧発生回路ことが好ましい。ここで、半導体スイッチを用いた場合、高電圧を印加しない場合に寿命の点で好ましい。
【００１８】
次に、本発明の具体的な実施形態について図１〜図４を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べることに限定されない。  
本発明のオゾン発生装置は、図６の装置と比べ、高電圧がパルス状であること、及び印加電圧Ｖ（Ｖ）と放電ギャップｄ（ｃｍ）とガス圧ｐ（Ｔｏｒｒ）との関係がＶ／（ｐｄ）＞１２９Ｖ／ｃｍＴｏｒｒの関係にあることを除いて図６の装置と同様な構成となっている。従って、図６の装置と同部材は同符番を付して説明を省略する。
【００１９】
図１（Ａ）は本発明の一実施形態に係るパルス発生回路であり、図１（Ｂ）は高電圧電源からパルス発生回路の一構成であるオゾナイザに印加される印加電圧Ｖａと時間との関係を示すパルス図である。  
図１（Ａ）において、直流電源には抵抗（１００Ω）２１１，コイル（２１４μＨ）２２１，充電コンデンサ（４ｎＦ）２３が順次接続されている。前記コイル２２１には、高速スイッチであるサイラトロン２４が接続され、充電コンデンサ２３にはコイル（３３μＨ）２２２，抵抗（５００Ω）２１２が順次接続されている。これらのコイル２２２、抵抗２１２には、オゾナイザ２５，ピーキング・コンデンサ（０．５ｎＦ）２６が夫々並列に配置されている。また、図１（Ｂ）において、符号Ｔは、高電圧が印加されない休止期間を示す。
【００２０】
次に、前記パルス発生回路における高電圧の発生の動作について説明する。  
まず、直流（ＤＣ）高電圧からコイル２２２と抵抗２１２を介して充電コンデンサ２３を充電する。次に、高速スイッチであるサイラトロン２４により、スイッチを閉じると充電コンデンサ２３の電圧が反転してマイナスの高電圧がオゾナイザ２５に印加される。オゾナイザ２５には並列にピーキング・コンデンサ２６をつけており、充電コンデンサ２３の電荷Ｑがピーキング・コンデンサ２６に移ることでＶ＝Ｑ／Ｃの高電圧が発生する。ここで、Ｃはピーキング・コンデンサ２６の静電容量０．５ｎＦである。
【００２１】
なお、以上のコイル２２２、充電コンデンサ２３の数値は放電管直径が７．５ｃｍ、長さ２０ｃｍに対するものであり、放電面積が０．０５ｍ２のものである。オゾン発生装置が巨大になればこの数値は変わるものであるが、コンデンサ容量はほぼ面積に比例して大きくすればよく、またコイルは面積に反比例して小さくすればよい。
【００２２】
図２はパルス波形の１例である。電圧はピークで１６ｋＶが印加されており、電流はピークで３０Ａ程度が流れている。このようにパルス化した電圧、電流がオゾン発生装置には流れることになる。パルスが印加されていない期間は、これに引き続き高電圧が印加されない休止期間Ｔを設けている。なお、図２において、符号ａは電流、符号ｂは電圧、符号ｃは電力を示している。
【００２３】
図３は本発明の効果を示す図であり、空気原料のオゾン発生特性を示す。なお、図３中の符号ａ，ｂ，ｃは夫々パルス高電圧が１５ｋＶ，１７ｋＶ，１９ｋＶの場合を示す。放電ギャップは０．０９ｃｍとしており、ガス圧は１２９２Ｔｏｒｒ（０．１７ＭＰａ）の条件である。従来の装置で採用している交流（ＡＣ）（図３中の符号ｄ）は、オゾン発生効率がほぼ８０ｇ／ｋＷｈである。これは電子への投入電力比ｂｅが５５%に対応している。これに対し、Ｖａ＝１５ｋＶ，１７ｋＶ，１９ｋＶのパルス高電圧を印加したときのオゾン発生効率は最大で１６０ｇ／ｋＷｈ、最小で８４ｇ／ｋＷｈの範囲にあり、電子への投入電力比ｂｅが１００%から５５%に対応しており、電源波形のパルス化によって従来のＡＣ以上の高効率オゾン発生が可能になっている。特にオゾン濃度を上げるには高電圧化が必要となっている。その条件としては、印加電圧Ｖ（Ｖ）と放電ギャップｄ（ｃｍ）とガス圧ｐ（Ｔｏｒｒ）の間にＶ／（ｐｄ）＞１２９Ｖ／ｃｍＴｏｒｒの関係となることによって高いオゾン濃度においても高いオゾン生成効率が得られる。  
なお、図３中の線ｅはｂｅ＝１００％の値を示す。高電圧化によってｂｅ＝５５％からｂｅ＝１００％に近づき、オゾン生成効率が高くなることが判る。
【００２４】
図４は本発明の効果を示すもう一つの図であり、酸素原料のオゾン発生特性を示す。なお、図４中の符号ａ，ｂは夫々パルス高電圧が１５ｋＶ，２０ｋＶの場合を示す。放電ギャップは０．０９ｃｍとしており、ガス圧は０．１７ＭＰａの条件である。従来の装置で採用している交流（ＡＣ）（図４中の符号ｃ）は、オゾン発生効率が２００ｇ／ｋＷｈから１００ｇ／ｋＷｈの範囲である。これは電子への投入電力比ｂｅが６０%に対応している。これに対し、Ｖａ＝１５ｋＶのパルス高電圧を印加したときのオゾン発生効率は２６０ｇ／ｋＷｈから１５０ｇ／ｋＷｈの範囲にあり、さらにＶａ＝２０ｋＶとしたときのオゾン発生特性は２８０ｇ／ｋＷｈから１５０ｇ／ｋＷｈの範囲にあり、電子への投入電力比ｂｅが１００%近い値に対応しており、印加電圧Ｖ（Ｖ）と放電ギャップｄ（ｃｍ）とガス圧ｐ（Ｔｏｒｒ）の間にＶ／（ｐｄ）＞１２９Ｖ／ｃｍＴｏｒｒの関係となることによって高いオゾン濃度においても高いオゾン生成効率が得られる。  
なお、図４中の線ｄはｂｅ＝１００％の値を示す。高電圧化によってｂｅ＝６０％からｂｅ＝１００％に近づき、オゾン生成効率が高くなることが判る。
【００２５】
上記実施形態に係るオゾン発生装置は、円筒状の誘電体電極４と、この誘電体電極４の外側に該誘電体電極４を囲むように配置された，誘電体電極４と対をなす金属電極５と、誘電体電極４と金属電極５との間に高電圧を印加して放電プラズマを発生させる高電圧電源１３と、金属電極５を冷却する冷却手段とを備えたオゾン発生装置において、前記高電圧がパルス状であり、印加電圧Ｖ（Ｖ）と放電ギャップｄ（ｃｍ）とガス圧ｐ（Ｔｏｒｒ）の間にＶ／（ｐｄ）＞１２９Ｖ／ｃｍＴｏｒｒの関係が成立する構成となっている。従って、電子より重いイオンが動けない時間のみ、高電圧を印加することによってオゾン生成に寄与する電子のみに電力を投入することができ、高効率のオゾン発生ができる。
【００２６】
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。具体的には、上記実施形態ではスイッチとしてサイラトロンを用いているが、寿命の点から半導体スイッチの方が望ましい。ここで、半導体スイッチとしてはＳｉＣ、ＳＩサイリスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧ−ＢＴなどが用いられる。半導体スイッチを用いる場合、スイッチング動作の高速化が必要になるが、比較的遅いスイッチであっても磁気圧縮回路などの手段でパルスを高速化してもかまわない。図５は、コイル３１とスイッチ３２を用い、コイル３１に流した電流をスイッチ３２によって切り、電圧をパルス状に印加する方式を示す。なお、図５は、スイッチ３２を当初閉じ、後で開く方式となっている。
【００２７】
また、上記実施形態では、金属電極のみを冷却する場合について述べたが、これに限らず、誘電体電極のみ、あるいは金属電極と誘電体電極の両者を冷却してもよい。更に、上記実施形態では、ピーキング・コンデンサを用いて昇圧しているが、ピーキング・コンデンサ以外にパルス・トランスによって昇圧してもかまわない。
【符号の説明】
【００２８】
１…気密容器、２…ガス入口、３…ガス出口、４…誘電体電極（第１の電極）、５…金属電極（第２の電極）、６…冷却水入口、７…冷却水出口、８…放電ギャップ、９…スペーサ、１０…導電電極、１１…高圧給電子、１２…ヒューズ、１３…高電圧電源、２１１，２１２…抵抗、２２１，２２２，３１…コイル、２３…充電コンデンサ、２４…サイラトロン、２５…オゾナイザ、２６…ピーキング・コンデンサ、３２…スイッチ。
【図１】
2011042545.tif 000003
【図２】
2011042545.tif 000004
【図３】
2011042545.tif 000005
【図４】
2011042545.tif 000006
【図５】
2011042545.tif 000007
【図６】
2011042545.tif 000008