(57)【要約】【課題】オゾンを生成する過程におて、放電によりオゾンを発生させるとともに、同時に発生する荷電状態の酸素原子を利用してオゾンを効率的に発生させることを課題とする。【解決手段】酸素ガスに放電を行った後に、回転電界もしくは磁界、あるいは回転電界および磁界のかかった空間内に導入するものであり、酸素ガスを導入して放電を行うイオン化室２３と、回転電界もしくは磁界、あるいは回転電界および磁界をかけるイオン回転室２４とを有し、イオン化室２３をイオン回転室２４に接続するとともに、イオン化室２３において放電を受けたガスをイオン回転室２４に導入する。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電を利用したオゾンの発生方法であって、酸素ガスに放電を行った後に、回転電界もしくは磁界、あるいは回転電界および磁界のかかった空間内に導入することを特徴とするオゾン発生方法。
【請求項２】
放電を利用したオゾンの発生装置であって、酸素ガスを導入して放電を行うイオン化室と、回転電界もしくは磁界、あるいは回転電界および磁界をかけるイオン回転室とを有し、イオン化室をイオン回転室に接続するとともに、イオン化室において放電を受けたガスをイオン回転室に導入することを特徴とするオゾン発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電を利用してオゾンを発生させる方法および装置に関する。より詳しくは、放電により荷電状態となった物質を利用したオゾンの発生方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境、特に水環境に対する人々の関心が高くなってきている。そして、上水道のオゾン処理が広く行われており、下水処理水に対するオゾン処理などの高度処理が行われ始めている。オゾンはエネルギー多消費型の原料物質であり、１ｋｇのオゾンを製造するために１３ｋＷもの電力を要する。そして、そのエネルギーの大部分が熱として失われ、オゾン分子形成に寄与する実質的な電力は約５％ほどである。この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の制御方法が各種考案されてきた。
オゾンの生成方法としては、無声放電を利用したものが多く知られている。無声放電式オゾン生成装置は１又は２の誘電体を挟んで対向した電極を有し、誘電体と電極との隙間又は誘電体同士の隙間に酸素を含む原料ガスを通過させながら電極に交流高電圧を印加し、無声放電により酸素を解離させてオゾンを生成するものである。そして、オゾン生成量は、電極に加えるエネルギーに比例して増加し、印加電圧や、周波数によりオゾン生成量を増やすことができる。
そして、１又は２の誘電体を挟んで対向する電極の誘電体と電極との隙間又は誘電体同士の隙間に酸素を含む原料ガスを通過させながら前記電極に交流高電圧を印加し、無声放電により酸素を解離させてオゾンを生成する無声放電式オゾン生成装置の使用に際し、交流高電圧を１〜８００回／秒のスイッチング回数で間欠的に印加する無声放電式オゾン生成方法である。この放電方法は、交流高電圧を間欠的にすることで、電極に加える実質的なエネルギーを低減してオゾン収率を高めるものである。例えば、特許文献１などである。
【０００３】
また、放電による酸素気体中の放電生成物としては、Ｏ２＋、Ｏ２（Ｗ）、Ｏ（１Ｄ）、Ｏ、Ｏ２（ｂ１Σｇ＋）、Ｏ−、Ｏ２（ａ１Δｇ）、Ｏ２−が揚げられる。この内、オゾンの生成エネルギーに近い生成エネルギーを有するＯ２（ｂ）、Ｏ−、Ｏ２（ａ）等の粒子が主にオゾンの生成に関与すると考えられている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３２４５０４号公報
【非特許文献１】
昭和５４年度文部省科学研究費総合研究（Ｂ）：「オゾナイザの高収率化とオゾン反応の環境化学的適用性に関する研究」、研究報告書、１９８０年３月、ｐｐ．４７−６４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多くの方法は、電気放電の制御を行うものであり、放電部分を出たオゾンを含んだガスについては検討がなされてこなかった。
このため、従来の技術においては、いずれも無声放電によりオゾンが発生する過程を十分に考慮したものではなく、無声放電用電極にかける電圧制御によりオゾンの発生効率の極大値に調節するものである。
そして、オゾンの生成に大きくかかわるＯ２（ｂ）、Ｏ−、Ｏ２（ａ）等の粒子の挙動について、制御は行われず、これらの粒子の多くをそのまま放出しているものである。このため、オゾンの生成効率が低く、多くのエネルギーを放出しているものである。また、Ｏ−をそのまま放出する場合には、酸素分子との衝突確率が非常に小さくなり、オゾン生成に関与することなく排出され、他の物質と反応し、オゾンが生成されないものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、オゾンの収率を向上すべく、放電後のオゾンを含んだガス中に存在するイオン化された酸素原子の活用を考え、このイオン化した酸素原子を電磁的に誘導して酸素分子との衝突確率を増加させることにより、オゾン収率の向上を目指すものである。そして、イオン化した酸素原子を回転電界により強制的に回転させ、螺旋軌道を描かせることにより、酸素分子との衝突確率を増加させるものである。すなわち、放電による酸素気体中の放電生成物の内、オゾン生成エネルギーを有するＯ−に着目し、積極的に回転運動を与え、且つ、ガスの自然拡散方向と異なる軌跡を与えることにより、酸素分子との衝突確率を増加させオゾン収率の向上を図るものである。
【０００７】
酸素ガスに電気放電を行うことにより生成される物資において、荷電を有する物質を電磁気的に誘導して、未反応物質に衝突させることにより、生成反応を促進して、生成効率を向上させるものである。オゾンの生成においては、酸素分子への衝突確率を増大させるものであり、オゾンの生成効率を向上させるものである。そして、荷電した物質としては、オゾン生成エネルギーを有するＯ−を利用するものであり、誘導手段としては電磁気により誘導することにより負に荷電した酸素原子を他の物質に接触させることなく、酸素分子に衝突させることができるものである。
【０００８】
本発明は次のような手段を用いる。
請求項１に記載のごとく、放電を利用したオゾンの発生方法であって、酸素ガスに放電を行った後に、回転電界もしくは磁界、あるいは回転電界および磁界のかかった空間内に導入する。
【０００９】
そして、請求項２に記載のごとく、放電を利用したオゾンの発生装置であって、酸素ガスを導入して放電を行うイオン化室と、回転電界もしくは磁界、あるいは回転電界および磁界をかけるイオン回転室とを有し、イオン化室をイオン回転室に接続するとともに、イオン化室において放電を受けたガスをイオン回転室に導入するオゾン発生装置を構成する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のオゾン高効率発生方法の概要について、図を用いて説明する。
図１は本発明のオゾン収率向上手段を示す模式図である。図１を用いてオゾンの収率向上方法について説明する。
オゾン収率向上手段は、放電部１と再反応部２により構成されている。放電部１において供給された酸素ガスに放電を行い、オゾンを生成するとともに、未反応のガスを再反応部２に供給するものである。そして、再反応部２において未反応のガスよりオゾンを生成するものであり、特に、未反応の酸素分子と負に荷電した酸素原子とによりオゾンを生成するものである。
【００１１】
放電部１には、供給管３により酸素ガスが供給され、放電電極４により放電が行われる。これにより、放電部１内において酸素ガスよりオゾンが生成するとともに、負に荷電した酸素原子などが生成する。放電部１に酸素ガスを供給することにより、酸素ガス、オゾンおよび負に荷電した酸素原子は放電部１と再反応部２とを連通する連通孔５より再反応部２に供給される。
再反応部２には、排出口６が設けられており、連通孔５より供給された気体は排出口６へと流れるものである。そして、この気体には、放電部１において生成したオゾン、負に荷電した酸素原子、未反応の酸素分子が含まる。そして、この気体中において、負に荷電した酸素原子を電磁気的手法により再反応部２内において誘導することにより、負に荷電した酸素原子を他の気体分子と異なる挙動を取らせ酸素分子に衝突し易くするものである。これにより、オゾンを生成し易くするものである。オゾンを生成するに十分なエネルギーを持った酸素原子と未反応の酸素分子とを接触しやすくすることより、オゾンの生成効率を向上させるものである。負に荷電した酸素原子を電磁気的手法により誘導するので、負に荷電した酸素原子の寿命を長く保つことができ、他の物質との接触を避けながら酸素分子への衝突確率を向上することができる。これにより、再反応部２において効率的にオゾンを生成することができるものである。そして、再反応部２のガスは排出口６より排出される。
【００１２】
次に、再反応部２における負に荷電した酸素原子Ｏ−の誘導方法について説明する。再反応部２内において、Ｏ−に回転電界を与えることにより、Ｏ−を再反応部２内において螺旋状の軌道に沿って移動させることができるものである。
図２はＯ−の軌道の一例を示す図である。負に帯電させたイオンを図２のＸＹ平面上でＸ軸と４５°の角度で再反応部２内に射出する。
（この再反応部２にはＸ軸方向に磁場ＢをＹＺ平面上に回転電界Ｅを印加している。）
この電場において、Ｏ−は図２のような回転運動を行う。回転電界によるイオンの回転運動において、回転電界に対応する速度は回転電界と同期するように一意的に決まる。このため、ＹＺ平面上の初速度の全てを電界の回転に使用した場合には、イオンは注入端からＸ軸方向に真直ぐ螺旋回転して進む。そして、ＹＺ平面上の速度が負になったときは、ＸＹ平面において逆方向に進むこととなる。
【００１３】
図３は３重電極を有する再反応部２の内部構成を示す斜視図である。
再反応部２は前後方向に延出された筒状に構成されており、この再反応部２内に３重電極が配設されている。３重電極は電極１１・１１・１１により構成されており、電極１１は、前後方向に、互いに平行に配設されるとともに、正三角形の頂点位置に各電極１１が配設された構成となっている。この電極１１にそれぞれ、位相が１２０°ずつ、ずれた周波数の電圧を印加することにより、回転電界を発生させる。この回転電界により再反応部２内に導入されたイオンは螺旋状の軌跡を描きながら進むこととなる。
【００１４】
さらに、再反応部２に磁界をかける場合について説明する。図４は磁界をかけた場合におけるＯ−の挙動例を示す図、図５は同じくＹＺ平面におけるＯ−の挙動例を示す図である。電極１１の延出方向（図３においてＸ軸方向）にかける磁界を調節して、Ｏ−イオンを回転運動させることが可能である。
回転電界をかけながら、磁界をかけることにより、重ね合わせの理から回転電界による回転とともに磁界による回転運動も行うものである。図５に示す例においては、回転電界により小さな回転を行いながら、磁界により大きな円を描きながら運動するものである。
このように、電界もしくは磁界、あるいは電界および磁界によりＯ−イオン回転運動を制御してＯ−イオンの酸素分子への衝突確率を増加させるものである。
【００１５】
次に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
図６はオゾン発生装置の模式図である。図６に示すオゾン発生装置は、酸素ガスに放電を行い、オゾンを生成するとともに、放電により発生した負に荷電した酸素原子を酸素分子に衝突させて、さらにオゾンを生成するものである。
オゾン発生装置は、主に、酸素貯蔵部２１、ガス流量制御装置２２、放電部であるイオン化室２３、イオン化室２３に接続されたイオン化用高電圧源２０、再反応部であるイオン回転室２４、高周波三相交流発生器２５により構成されている。酸素貯蔵部２１は、酸素ボンベなどにより構成されるオゾンを生成するための酸素の貯蔵を行うものである。ガス流量制御装置２２はイオン化室２３へ供給する酸素量の調節を行うものである。イオン化室２３はイオン化室２３内に導入された酸素分子に放電を行うものである。
【００１６】
図７はイオン化室の一部側面断面図である。イオン化室２３は、筒体２９、針電極２８、平板電極３１、ガス供給管２７、高圧ケーブル２６により構成されている。筒体２９は内側にガラス製容器を装着したステンレス製筒により構成されており、通気孔３０が設けられている。筒体２９の一端には高圧ケーブル２６が接続されており、この高圧ケーブル２６に接続する針電極２８が配設されている。そして、筒体２９の他端には通気孔３０が設けられており、通気孔３０より針電極２８側に平板電極３１が配設されている。さらに、筒体２９にはガス供給管２７が貫通しており、筒体２９内部に酸素ガスを供給可能にしている。
【００１７】
イオン化室２３は内部に酸素ガスを導入して、放電によりオゾンおよびイオン化した酸素原子を発生させるものである。イオン化室２３において筒体２９内にガス供給管２７より酸素ガスが供給され、針電極２８と平板電極３１との間で放電が行なわれる。そして、さらに酸素ガスを筒体２９内に供給することにより、放電をうけたガスが通気孔３０より筒体２９の外へ排出される。イオン化室２３より排出されたガスは、イオン回転室２４内に導入される。
【００１８】
図８はイオン回転室の構成を示す側面断面図である。イオン回転室２４は、筒体３４の両端を閉じ、一方にイオン化室２３を装着し、他方にオゾンガス排出口３５を装着したものであり、内部に３重電極３３を配設したものである。イオン化室２３はイオン回転室２４において、筒体３４の延出方向に対して約４５°の角度で挿入されている。これにより、３重電極３３に回転電界をかけて、イオン化室２３より排出されたガスに含まれるイオンを回転させ、イオンの進行方向とガスの進行方向をずらすものである。そして、イオン化室２３よりガスが供給されることにより、筒体３４内のガスがオゾン排出口３５より排出されるものである。イオン回転室２４内において、荷電した酸素原子を回転運動させて、酸素分子との衝突確率を増加させることにより、オゾンの生成効率を向上させることができるものである。
【００１９】
オゾン発生装置としては、磁界を利用して荷電した酸素原子を誘導するものを用いることも可能である。図９は磁界を利用するオゾン発生装置を示す図である。図９に示すオゾン発生装置は、酸素ガスに放電を行い、オゾンを生成するとともに、放電により発生した負に荷電した酸素原子を回転電界および磁界により誘導して酸素分子に衝突させて、さらにオゾンを生成するものである。
オゾン発生装置は、酸素貯蔵部２１、ガス流量制御装置２２、放電部であるイオン化室２３、イオン化室２３に接続されたイオン化用高電圧源２０、再反応部であるイオン回転室２４、高周波三相交流発生器２５、イオン回転室２４に巻かれたコイル１８および、コイル１８に接続した直流電源１９により構成されている。
そして、直流電源１９よりコイル１８に電流を通すことにより、コイル１８によりイオン回転室２４に磁界が発生し、イオン回転室２４内に導入された荷電物質に回転運動をさせることができるものである。そして、これにより、荷電した酸素原子と酸素分子との衝突確率を増加させて、オゾン生成の効率を向上できるものである。
【００２０】
【実施例】
次に、オゾン発生装置によるオゾン生成結果について説明する。
オゾン発生装置は、図６に示した装置に、オゾン濃度計と取り付けて行ったものである。
酸素ガスは、酸素ガスボンベより９９．５％の酸素ガスを供給し、ガス流量制御装置として最大流量２Ｌ／ｍｉｎのマスフローコントローラを利用した。そして、イオン化高圧電源として最大電流７μＡの直流高電圧源を利用した。高周波三相交流発生器においては、周波数を１８０ＫＨｚ、電圧を０．６Ｖとした。オゾン濃度計としては、濃度範囲０〜１０ｐｐｍのものを利用した。
【００２１】
ます、放電状態の変化によるオゾン収率変化の確認のために、回転電界を印加することなく、直流高電圧によるイオン化の状態を測定した。実験条件は、供給酸素量５０ｍｌ／ｍｉｎとし、回転電界をかけない場合と、かけた場合とで、それぞれ３時間ずつ測定し、オゾン濃度の変化を見た。
図１０は回転電界によるオゾン濃度の影響を示す図である。図１０において、横軸は時間軸であり、３時間目以降において回転電界をかけたものである。図１０に示すごとく、回転電界をかけた後には、オゾン濃度が２倍ほどに上昇した。このように、放電を行った後の酸素ガスを、回転電界をかけた筒体内に導入することにより、オゾンの生成効率を向上できるものである。
【００２２】
【発明の効果】
このように、酸素ガスを導入して、放電によりオゾンを発生するとともに、同時に生成する荷電状態の酸素原子および酸素を利用して、オゾンを発生させるので、放電に用いたエネルギーを効率的に利用して、オゾンを生成できる。さらに、オゾン生成に用いる酸素を効率的にオゾンとすることが可能であるため、高い濃度のオゾンを効率的に生成できる。また、回転電界もしくは磁界を用いて荷電酸素原子の回転運動を制御するので、容易に荷電酸素原子の酸素分子との衝突確率を増加できる。そして、電磁気的手法を用いて荷電酸素原子を誘導するので、荷電酸素原子を容易に扱うことが出来るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のオゾン収率向上手段を示す模式図。
【図２】Ｏ−の軌道の一例を示す図。
【図３】３重電極を有する再反応部２の内部構成を示す斜視図。
【図４】磁界をかけた場合におけるＯ−の挙動例を示す図。
【図５】同じくＹＺ平面におけるＯ−の挙動例を示す図。
【図６】オゾン発生装置の模式図。
【図７】イオン化室の一部側面断面図。
【図８】イオン回転室の構成を示す側面断面図。
【図９】磁界を利用するオゾン発生装置を示す図。
【図１０】回転電界によるオゾン濃度の影響を示す図。
【符号の説明】
２１  酸素貯蔵部
２２  ガス流量制御装置
２３  イオン化室
２４  イオン回転室
２５  高周波三相交流発生器
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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