(57)【要約】【課題】沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電によるオゾン発生装置およびオゾン発生方法に関して、オゾン発生効率のより一層の向上を図る。【解決手段】酸素供給手段よりオゾン発生器５に純酸素もしくは高濃度の酸素を供給し、該オゾン発生器５において高電圧を印加してオゾンを発生する沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電によるオゾン発生装置において、前記オゾン発生器５よりも酸素供給経路の上流側で、前記酸素供給手段から供給される純酸素もしくは高濃度の酸素に光を照射する光照射手段６を備える。【選択図】図３
2008179495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素供給手段より電極に純酸素もしくは高濃度の酸素を供給し、該電極間に高電圧を印加してオゾンを発生する沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電によるオゾン発生装置において、
前記電極よりも酸素供給経路の上流側で、前記酸素供給手段から供給される酸素に光を照射する光照射手段を備えることを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項２】
前記光照射手段が、赤外光を照射することを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
【請求項３】
電極間に高電圧を印加してオゾンを発生する沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電によるオゾン発生方法において、酸素に赤外線の照射を行った後に、放電を行うことを特徴とするオゾン発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率的にオゾンを発生させる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上水道のオゾン処理は広く行われるようになり、下水処理水においても高度処理の要望がたかまっている。オゾン処理において、オゾンはエネルギー多消費型の原材料物質であり、１ｋｇのオゾンを製造するために１３ｋＷｈもの電力を要している。このような製造コストの高さがオゾン処理の普及を阻害している。
オゾン発生器の原理としては、空気または酸素ガス中での電気放電および紫外線ランプを用いたものが大部分を占め、大規模・低コスト化が図れるのは電気放電を用いた方式である。電気放電式では放電の制御方法が各種考案され数々のオゾン発生器が製造されてきた。電極形状によりオゾン生成率を向上させる技術も知られている。例えば、高電圧電極を接地電極の反りや曲がりに順応させてオゾン発生効率を向上させるものが知られている（特許文献１を参照）。
【０００３】
また、供給された酸素ガスを解離させ酸素原子を生成する酸素原子発生部６と、この酸素原子発生部より送給される酸素原子を含む第１のガスと、反応ガス入口１より供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生部６より高い圧力下で混合して反応させてオゾンを生成するオゾン発生部（スロート３およびディフューザ４）と、酸素原子発生部６の圧力を大気圧以下の所定の低圧力にすると共に、第１のガスを低圧状態のままオゾン発生部に送給する減圧送給手段とを備えた装置を用いてオゾンを発生させる方法も知られている（特許文献２を参照）。
これは、低圧下において酸素分子を解離させて酸素原子を生成した後に、この酸素原子を含むガスに空気を供給してオゾンを発生するものである。
【０００４】
そして、酸素からなる原料ガスに、オゾン濃度の経時的な低下を抑制するべく、オゾン発生装置用放電セルにおいて、電極の表面に１０重量％以上の酸化チタンを含有させた誘電体を積層させるものも知られている（特許文献３を参照）。
【特許文献１】特開２００３−１４６６２２号公報
【特許文献２】特開平９−８６９０４号公報
【特許文献３】特開平１１−２１１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、オゾン発生の技術において、放電部分のメカニズムとオゾン発生のメカニズムについて個別に考慮しており、十分に考慮されたものではない。また、近年酸素原料によるオゾン発生法等が導入されているが高効率化のために必要なメカニズム解析がなされておらず、つまり、オゾン発生に必要な要素である分子・原子についての特定がなされておらず、原料ガス中で電気放電させるだけであった。特にオゾン発生の原料となる酸素原子、酸素分子についての特定が十分に出来ていないため、放電による生成物の寿命までを考慮したオゾン発生方法になっていない。このため、供給ガス側における電極の電気放電による放電生成物の内、酸素原子についてはオゾン発生の相手物である励起酸素分子の密度が低く、オゾン濃度を高めるのに必要な中間生成物である励起オゾン（酸素原子と励起酸素分子の衝突物）になる前に酸素原子が壁面等に衝突し酸素分子に戻ってしまう現象が発生する。このため、高いオゾン濃度が得られない。
そこで本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電によるオゾン発生装置およびオゾン発生方法に関して、オゾン発生効率のより一層の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
図１は酸素ガスへの放電により発生する物質のエネルギー状態を示す図、図２は放電箇所とその生成物を示す図である。
電気放電による酸素気体中の放電生成物としては、図１に示すように、Ｏ２＋、Ｏ２（Ｅ、Ｆ）、Ｏ（１Ｄ）、Ｏ、Ｏ２（ｂ１Σｇ＋）、Ｏ−、Ｏ２（ａ１Δｇ）、Ｏ２−が揚げられる。図２に示すようにオゾン発生器内の電気放電点が限定された場合、供給酸素ガスの上流側から１番目の素子で発生するオゾンより、２番目で発生するオゾンが大幅に増加することを、本発明者等は見出した。このことから、前記酸素気体中の放電生成物のなかで、励起酸素分子であるＯ２（ａ）、Ｏ２（ｂ）と酸素原子であるＯ（１Ｄ）、Ｏが主にオゾンの発生に関与すると考えられる。
【０００７】
そこで、本発明ではオゾン発生に効率的なエネルギーの付与方法として、光照射によるエネルギー付与を用いるものである。
具体的には、前述したように電気放電による酸素気体中の放電生成物として、Ｏ、Ｏ２（ａ）とＯ２（ｂ）がオゾン生成に必要であるが、供給ガス側の電極の端部においては十分な励起酸素分子が無い状態となっている。このため、生成された酸素分子がオゾン発生中間体である励起オゾン（酸素原子と励起酸素分子の衝突物）になる前に酸素原子が壁面等に衝突し酸素分子に戻ってしまうと考えられる。これを解決するための手段として、供給ガスに、赤外線を照射し、酸素分子を励起させる。この励起酸素分子ガスを放電部分に供給することにより、供給ガス側の電極の端部においても十分なオゾン発生中間体を発生させ、オゾン発生効率の向上を目指すものである。
【０００８】
図３は光照射手段として発光ダイオードを備えたオゾン発生装置を示す図である。
図３に示すオゾン発生装置は、オゾン発生器５、チャンバー１０、光照射手段６、光源用電源６ｂ、酸素ガス供給管８、およびオゾンガス排出管９により構成されている。酸素ガス供給管８には、酸素ガスボンベ等より酸素ガスが供給され、オゾン発生器５には放電用の高圧電源が接続される。なお、オゾン発生装置には、バルブ、ガス流量制御装置、オゾン濃度計などを必要に応じて接続可能である。
酸素ガス供給管８はチャンバー１０を介してオゾン発生器５に接続しており、オゾン発生器５内に酸素ガスを供給可能としている。すなわち、酸素ガス供給管８は、チャンバー１０内に酸素ガスを供給し、該チャンバー１０内より酸素ガスがオゾン発生器５内に導入される。該オゾン発生器５の下流側には、オゾンガス排出管９が接続している。また、オゾン発生器５内には、図示せぬ沿面放電素子もしくは無声放電素子、または沿面放電と無声放電の複合放電素子が配置されており、この放電素子には高電圧に印加するための高電圧電源が接続されている。
また、光照射手段６は、光源６ａと該光源６ａに接続した光源用電源６ｂで構成されており、光源６ａはチャンバー１０に配設され、チャンバー１０内に光を照射可能に構成されている。光源６ａの照射する光は、オゾン発生を効率的に行うべく、酸素ガスもしくは酸素分子を励起させる電磁波である。このような電磁波として、光源６ａは、赤外線を照射するものである。また、このような光源として発光ダイオードを用いることができる。なお、照射する光は、酸素ガスへの照射により、励起酸素分子であるＯ２（ａ）、Ｏ２（ｂ）を生成もしくは生成しやすくするものである。このような光を酸素ガスに照射することにより、オゾンの発生効率を向上できる。なお、励起する光としては、６００ｎｍから１２００ｎｍの波長を含む光を利用することができる。特に、９６０ｎｍ以上の波長の赤外線を利用することができる。
【０００９】
上記オゾン発生装置の構成においては、オゾン発生器５の前段となる上流側に酸素分子の励起を行うチャンバー１０を設けたことにより、該チャンバー１０内において酸素ガス供給管８を介して供給される純酸素もしくは高濃度酸素に向けて光源６ａにより赤外光を照射し、励起酸素を効率的に発生させる。そうして、励起酸素を含む酸素ガスをオゾン発生器５へと導入し、放電によりオゾン発生を行う構成としている。こうすることで励起酸素濃度が十分に高い状態でオゾン発生器５内の放電部分（電極部）へと励起酸素ガスを供給可能としている。つまり、励起酸素が上流側から供給されるので電極の端部においても十分なオゾン発生中間体（励起オゾン）を発生させて、オゾン発生効率の向上が図られ、オゾン濃度をさらに向上することが可能となる。
【００１０】
また、光照射手段として発光ダイオードを用いているが、赤外光を照射できる光照射手段として白熱電球もしくは電気ヒータ、または発光レーザ等と赤外線透過フィルタの組合せにより赤外光を照射できる構成とすることもできる。
【００１１】
すなわち、本発明は、酸素供給手段より電極に純酸素もしくは高濃度の酸素を供給し、該電極間に高電圧を印加してオゾンを発生する沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電によるオゾン発生装置において、
前記電極よりも酸素供給経路の上流側で、前記酸素供給手段から供給される酸素に光を照射する光照射手段を備えるものである。
そして、前記光照射手段が、赤外光を照射するものである。
また、電極間に高電圧を印加してオゾンを発生する沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電によるオゾン発生方法において、酸素に赤外線の照射を行った後に、放電を行う。
【発明の効果】
【００１２】
このように、オゾンの発生を行うことにより、オゾンを発生可能とすると共に、オゾン濃度を容易に調節することも可能となるものである。赤外光を照射するだけであるため過剰なエネルギーを必要とせず、オゾン発生のエネルギー効率を向上できる。
また、酸素原料によるオゾンの発生において、すでに導入されている既存のオゾン発生器の前段（電極部の上流側）もしくは電極部周囲に赤外線を照射できる光照射手段の設置でオゾン発生効率を向上させてオゾン濃度を高められる。
また、前記光照射手段を追加設置するだけなので、装置改良に費用がかからず、非常に経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図４は実験装置の全体構成を示す図、図５はオゾン発生器を示す断面模式図、図６はオゾン発生器内の沿面放電素子の概要図、図７は実験によるオゾン濃度変化を示す図である。
【００１４】
図４を用いて実験装置の全体構成を説明する。
図４に示すように、実験装置は酸素ガスボンベ１１、バルブ１１ａ、ガス流量制御装置１２、オゾン発生器５、光照射手段６、オゾン濃度計１４、真空ポンプ１５、排オゾン処理装置１６、高電圧電源１７により構成される。
酸素ガスボンベ１１はバルブ１１ａを介してガス流量制御装置１２に接続しており、酸素供給手段として構成されている。該ガス流量制御装置１２は酸素ガス供給管８を介してオゾン発生器５に接続している。該オゾン発生器５には、オゾンガス排出管９を介してオゾン濃度計１４に接続している。該オゾン濃度計１４は、真空ポンプ１５を介して排オゾン処理装置１６に接続している。また、オゾン発生器５には、高電圧に印加するための高電圧電源１７が接続されている。また、光照射手段６が、オゾン発生器５と所定の間隔をおいて設置されている。
【００１５】
オゾン発生器５の構成について、図５を用いて説明する。
オゾン発生器５は、略中心部に電極の一例である沿面放電素子７を内蔵している。該沿面放電素子７は、アクリル製の容器５ａで周囲を覆われており、該容器５ａの外側周囲を遮蔽容器５ｂで覆う構成となっている。前記アクリル製の容器５ａの一側には光を入射するためのガラス製の窓部１３が形成されている。また、遮蔽容器５ｂにおいても容器５ａと同じ側に光を入射するための開口部が設けられており、後述する赤外透過フィルタ１８が取り付けられるようになっている。
前記沿面放電素子７は、図６に示すように２つの電極１９・２０によりセラミック誘電体２１を挟んだ構造となっており、高電圧電源１７と接続されている。前記電極１９・２０は、前記高電圧電源１７により高電圧（本実施例では印加電圧５．６ｋＶ）が印加されて、放電を行い、オゾン発生器５の上流側となる酸素ガス供給管８より供給された酸素（純度９９．５％）を原料として、オゾンを発生して、下流側となるオゾンガス排出管９を介してオゾンを排出する。
なお、本実施例では電極の一例として、沿面放電素子を用いたが、特にこれに限定するものではなく、例えば無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電で構成される素子を用いてもかまわない。
【００１６】
光照射手段６は、光源となる１００Ｗの白熱電球６ｃ及び所定の赤外線波長域を透過する赤外透過フィルタ１８により構成されている。該赤外透過フィルタ１８（本実施例では９６０ｎｍ以上の波長の赤外光を透過するフィルタ（富士フイルム社のＩＲ−９６）を使用）により白熱電球６ｃから照射される光の波長域の中で、赤外光を透過するように構成している。
なお、本実施例においては光源として白熱電球６ｃを使用したが特に限定するものではなく、赤外光を含む光源があれば、例えばキセノンランプ等を使用してもかまわない。
また、本実施例においては照射光波長の制御のため白熱電球６ｃの照射光波長域の中で赤外領域部分を赤外透過フィルタ１８により透過させることで赤外光を照射する構成としているが、これに限定するものではない。つまり、必要とされる赤外光を選択的に照射できる発光源、例えば固体レーザーや図３で示したような発光ダイオード６ａ等を使用してもかまわない。このような赤外光を照射可能な発光ダイオード等であれば、赤外透過フィルタ１８を介して照射する必要もなくなり、消費電力も少なくて済み、ランニングコストを抑えることが可能である。
【００１７】
このような構成において、酸素ガスボンベ１１より高純度の酸素ガス（純度９９．５％）を、ガス流量制御装置１２を介して、酸素ガス供給管８を通じてオゾン発生器５へと導く（流量１ＮＬ／ｍｉｎ）。こうして、該オゾン発生器５の電極近傍に導入された酸素ガスは光照射手段６によって赤外光が照射される。この赤外光による作用でオゾン発生器５内の酸素ガスが励起されて励起酸素が生成される。該励起酸素を含んだ酸素ガスが、前記沿面放電素子７の電極１９近傍上で、放電されてオゾンガスが生成する。該オゾンガスは、オゾンガス排出管９から排出されてオゾン濃度計１４に導入されて、オゾン濃度の測定を行うものである。
【００１８】
次に、本実施例の実験装置でオゾン発生を行う場合において、光照射条件によるオゾン濃度変化を測定した。
図７は実験によるオゾンの濃度変化を示す図である。オゾン発生器５により放電を行いつつ、供給される酸素に所定時間の光照射の有無（１００Ｗの白熱電球のＯＮ／ＯＦＦ）を繰り返してオゾンの濃度変化を観察するものである。
図７において、横軸は時間（分）であり、縦軸はオゾン濃度（ｐｐｍ）を示すものである。
【００１９】
結果としては、赤外光を照射しない時（ＯＦＦ時）から赤外光を照射した時（ＯＮ時）のオゾン濃度の変化を観察すると、一部を除いてオゾン濃度の上昇を示している。
詳しくは、オゾン発生器５内に供給される酸素に赤外光を照射した時間（ＯＮ時）は、図７に示す照射期間Ａ・Ｂ・Ｃ・Ｄである。照射期間Ａ・Ｃ・Ｄにおいては、照射前のオゾン濃度よりも照射期間内のオゾン濃度が明らかに高くなっており、赤外光を照射した時（ＯＮ時）において、多くのオゾンが発生したものと考えられる。なお、照射期間Ｂにおいては明確なオゾン濃度変化が認められないが、実験装置内の温度等の影響が考えられる。
【００２０】
つまり、酸素供給手段より電極１９・２０に純酸素もしくは高濃度の酸素を供給し、該電極１９・２０間に高電圧を印加してオゾンを発生する沿面放電によるオゾン発生装置において、前記電極よりも酸素供給経路の上流側で、前記酸素供給手段から供給される酸素に光を照射する光照射手段６を備え、該光照射手段６により前記酸素ガスに赤外光を照射したことにより、オゾン発生に必要な励起酸素分子の生成が促されて、オゾン濃度が向上したものである。
【００２１】
なお、本実施例では上述したように電極１９近傍に供給された酸素ガスに赤外光を照射し、略電極上で励起酸素を生成させる構成としたが、特に限定するものではなく図３に示すように、前工程としてオゾン発生器の上流部に励起酸素分子を発生させる工程（チャンバー１０）を設けて、該工程で発生させた励起酸素濃度の高い酸素ガスを、後工程となるオゾン発生器内に導入するという構成にしてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】酸素ガスへの放電により発生する物質のエネルギー状態を示す図。
【図２】放電箇所とその生成物を示す図。
【図３】光照射手段として発光ダイオードを備えたオゾン発生装置を示す図。
【図４】実験装置の全体構成を示す図。
【図５】オゾン発生器を示す断面模式図。
【図６】オゾン発生器内の沿面放電素子の概要図。
【図７】実験によるオゾン濃度変化を示す図。
【符号の説明】
【００２３】
５    オゾン発生器
６    光照射手段
７    沿面放電素子
１１  酸素ガスボンベ
１１ａ  バルブ
１２  ガス流量制御装置
１９・２０  電極
【図３】
2008179495.tif 000003
【図４】
2008179495.tif 000004
【図５】
2008179495.tif 000005
【図６】
2008179495.tif 000006
【図１】
2008179495.tif 000007
【図２】
2008179495.tif 000008
【図７】
2008179495.tif 000009