(57)【要約】【課題】オゾン発生放電管は、ストリーマ発生効率を高め、長さを短く、ギャップ間の距離を大きくできるようにする。【解決手段】オゾン発生放電管４は、外周円筒電極ＧＡと、丸棒状の絶縁物ＧＩに金属細線を等ピッチでスパイラル状に巻き付けたスパイラル電極ＧＳと、円筒電極と同電位にして絶縁物の中心に挿入した棒状中心電極ＧＢとをもつ構造とする。外側円筒電極の中心電極として、導体自体をコイル状に巻き込み加工またはネジ目状に研削した構造を含む。パルス電源は、磁気パルス圧縮回路３によりコンデンサＣＳを充電し、この電圧を可飽和トランスＳＴの飽和動作でピーキングコンデンサＣＰを高電圧で充電し、その静電容量をＣＳ＞ＣＰ＞０の関係にすることも含む。【選択図】  図１
2004161509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒電極とその中心電極からなる同軸円筒状のオゾン発生放電管内に酸素を含む原料ガスを導入し、パルス電源によって発生するパルス電圧を前記オゾン発生放電管の中心電極とその周辺の円筒電極間に印加することでオゾンを生成するパルス放電式オゾン発生装置において、
前記中心電極は、丸棒状の絶縁物に金属細線を等ピッチでスパイラル状に巻き付けたスパイラル電極と、前記円筒電極と同電位にして前記絶縁物の中心に挿入した棒状中心電極とをもつ構造としたことを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項２】
円筒電極とその中心電極からなる同軸円筒状のオゾン発生放電管内に酸素を含む原料ガスを導入し、パルス電源によって発生するパルス電圧を前記オゾン発生放電管の中心電極とその周辺の円筒電極間に印加することでオゾンを生成するパルス放電式オゾン発生装置において、
前記中心電極は、導体自体をコイル状に巻き込み加工またはネジ目状に研削した構造としたことを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項３】
前記パルス電源は、半導体スイッチのスイッチ動作でパルス電流を発生し、このパルス電流をパルストランスと可飽和トランスの組で昇圧して、またはパルストランスと可飽和リアクトルの組で昇圧してコンデンサＣＳを充電し、この電圧を前記可飽和トランスの飽和動作でピーキングコンデンサＣＰを高電圧で充電して前記中心電極と円筒電極間にパルス放電を得る構成にし、前記両コンデンサの静電容量は、ＣＳ＞ＣＰ＞０の関係にしたことを特徴とする請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
【請求項４】
前記パルス電源は、半導体スイッチのスイッチ動作でパルス電流を発生し、このパルス電流をパルストランスで昇圧し、このパルス電流を可飽和リアクトルの飽和動作で磁気パルス圧縮し、このパルス電圧をパルストランスで昇圧してコンデンサＣＳを充電し、この電圧を可飽和リアクトルの飽和動作でピーキングコンデンサＣＰを高電圧で充電して前記中心電極と円筒電極間にパルス放電を得る構成にし、前記両コンデンサの静電容量は、ＣＳ＞ＣＰ＞０の関係にしたことを特徴とする請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体化パルス電源を用いたパルス放電式オゾン発生装置に係り、特にオゾン発生放電管の電極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のパルス放電式オゾン発生装置は、オゾン発生放電管の電極間に固体化パルス電源から高電圧・大電流のパルスを印加することで、電極間に流す原料ガス中で均一なストリーマを形成し、原料ガスからオゾンを生成するもので、以下に原理的に説明する。
【０００３】
図４は、ストリーマの発生過程を説明するものである。同図のＡの状態は、電子なだれの生成状態を示し、陽極Ｐと陰極Ｋ間に高電圧Ｅ０を印加すると、陰極Ｋを出発した初期電子の作る電子なだれが拡散しながら陽極Ｐに向かって成長する。電子なだれの頭部には、空間電荷による強い電界ＥＰが形成される。このＥＰが電界Ｅ０程度になると、電子なだれ頭部がプラズマに転換する。すなわち、電子なだれの段階では、電子とイオンの移動度の差により、電子は電子なだれの頭部に集まり、正イオンは後に残される。
【０００４】
この状態で、電界ＥＰが大きくなると、同図のＢに示すように、電界ＥＰにより電子なだれの先端部に新たな電子なだれ（子なだれ）が形成され、もとの電子なだれ（親なだれ）と合体する。このとき、親なだれの頭部は、電子とイオンの混在するプラズマに転換され、このプラズマチャネルがストリーマと呼ばれる。
【０００５】
オゾン発生装置は、図５に構成例を示すように、円筒電極ＧＡの中心軸上にワイヤ電極ＧＢを配置したオゾン発生放電管Ｇに、その一端から酸素を含む原料ガスを導入し、パルス電源ＰＧから電極ＧＡ，ＧＢ間に高高電圧のパルス電圧を印加する構成にされる。これによって、ワイヤ電極ＧＢから円筒電極ＧＡに向けてストリーマコロナ放電が進展してプラズマ放電が生成され、放電プラズマ中で生成される酸素原子ラジカルからオゾンが生成され、電極ＧＡの他端からオゾン含有ガスとして取り出される。
【０００６】
この種のオゾン発生装置においては、放電プラズマ中の電界強度が高いほどオゾン生成に好適となる。このため、放電管Ｇとしては、電極ＧＡ，ＧＢ間にガラスなどの誘電体を挟んだ短ギャップ（ギャップ間隔が１ｍｍ前後）の構造にされる。  また、ストリーマ放電は急峻な電圧変化の部分に発生し、印加するパルス電圧の立ち上がり部分のみに形成され、その持続時間は高々数十ナノ秒である。このため、パルス電源ＰＧとしては、高電圧で高速の立ち上がりパルスを放電管に印加できるものが要求される。
【０００７】
また、印加パルス電圧のパルス幅を短縮化しなくても、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電を抑制して、オゾン生成効率を向上させる方法として、オゾン発生器の電極間の原料ガス圧力を絶対圧で２気圧以上にする方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２４６２０３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
（１）安定した放電を行うためにはギャップ間の距離を小さくし、かつ等間隔に維持する必要があるが、長い放電管になるとギャップ間隔を均一にするのが困難になってくる。
【００１０】
（２）ギャップ間隔を短くして放電を安定にしてオゾン発生量を高めるためには流路が小さくなった分、多数の放電管を並列に設ける必要がある。
【００１１】
（３）誘電体には薄いガラスやセラミックスなどを用いるためこれら誘電体を含めた電極周りの強度確保や固定方法が難しくなる。
【００１２】
（４）誘電体を挟んだ電極構成では誘電体が放熱を妨げるため、電極部の発熱量が大きく、オゾン生成効率が低下するため電極を冷却する必要がある。この場合、誘電体を挟んだ電極に冷却水を流すためその近傍の構成が複雑になる。
【００１３】
本発明の目的は、上記の課題を解決したオゾン発生装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、円筒電極とその中心電極からなる同軸円筒状のオゾン発生放電管として、中心電極には丸棒状の絶縁物に金属細線を等ピッチでスパイラル状に巻き付けたスパイラル電極と、円筒電極と同電位にされて絶縁物の中心に挿入した棒状中心電極とをもつ構造、
または、オゾン発生放電管の中心電極として、導体自体をコイル状に巻き込み加工またはネジ目状に研削した構造、
とするものであり、以下の構成を特徴とする。
【００１５】
（１）円筒電極とその中心電極からなる同軸円筒状のオゾン発生放電管内に酸素を含む原料ガスを導入し、パルス電源によって発生するパルス電圧を前記オゾン発生放電管の中心電極とその周辺の円筒電極間に印加することでオゾンを生成するパルス放電式オゾン発生装置において、
前記中心電極は、丸棒状の絶縁物に金属細線を等ピッチでスパイラル状に巻き付けたスパイラル電極と、前記円筒電極と同電位にして前記絶縁物の中心に挿入した棒状中心電極とをもつ構造としたことを特徴とする。
【００１６】
（２）円筒電極とその中心電極からなる同軸円筒状のオゾン発生放電管内に酸素を含む原料ガスを導入し、パルス電源によって発生するパルス電圧を前記オゾン発生放電管の中心電極とその周辺の円筒電極間に印加することでオゾンを生成するパルス放電式オゾン発生装置において、
前記中心電極は、導体自体をコイル状に巻き込み加工またはネジ目状に研削した構造としたことを特徴とする。
【００１７】
（３）前記パルス電源は、半導体スイッチのスイッチ動作でパルス電流を発生し、このパルス電流をパルストランスと可飽和トランスの組で昇圧して、またはパルストランスと可飽和リアクトルの組で昇圧してコンデンサＣＳを充電し、この電圧を前記可飽和トランスの飽和動作でピーキングコンデンサＣＰを高電圧で充電して前記中心電極と円筒電極間にパルス放電を得る構成にし、前記両コンデンサの静電容量は、ＣＳ＞ＣＰ＞０の関係にしたことを特徴とする。
【００１８】
（４）前記パルス電源は、半導体スイッチのスイッチ動作でパルス電流を発生し、このパルス電流をパルストランスで昇圧し、このパルス電流を可飽和リアクトルの飽和動作で磁気パルス圧縮し、このパルス電圧をパルストランスで昇圧してコンデンサＣＳを充電し、この電圧を可飽和リアクトルの飽和動作でピーキングコンデンサＣＰを高電圧で充電して前記中心電極と円筒電極間にパルス放電を得る構成にし、前記両コンデンサの静電容量は、ＣＳ＞ＣＰ＞０の関係にしたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示すオゾン発生装置の主回路構成図である。
【００２０】
パルス発生回路１は、初段コンデンサＣ０が充電器２によって初期充電され、半導体スイッチＳＷのオン制御によりコンデンサＣ０と可飽和リアクトルＳＩ０及びパルストランスＰＴの直列回路に半周期の振動電流を発生させる。可飽和リアクトルＳＩ０は、半導体スイッチＳＷのオン後に急速に飽和させることで、スイッチＳＷのスイッチング損失を軽減する磁気アシストになる。半導体スイッチＳＷはサイリスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ，ＧＣＴ等の素子にされる。
【００２１】
次に、パルストランスＰＴの二次側に得る昇圧したパルス電圧は、磁気パルス圧縮回路３によって狭幅に圧縮したパルス電流に変換する。この磁気パルス圧縮回路３は、パルストランスＰＴの二次出力を昇圧型可飽和トランスＳＴによって昇圧し、この昇圧出力をコンデンサＣＳと可飽和リアクトルＳＩ１の直列回路に印加し、可飽和リアクトルＳＩ１が磁気飽和動作することで磁気パルス圧縮したパルス電流Ｉ１を発生させる。この電流Ｉ１でコンデンサＣＳが充電されたときに可飽和トランスＳＴが磁気飽和動作することで磁気パルス圧縮した急峻な立ち上がりのパルス電流Ｉ２を発生させる。この電流Ｉ２でピーキングコンデンサＣＰを高圧充電する。
【００２２】
なお、ピーキングコンデンサＣＰとコンデンサＣＳの静電容量の関係は、ＣＳ＞ＣＰ＞０（例えば、ＣＳ＝１ｎＦ、ＣＰ＝０．２ｎＦ）とすることで、ピーキングコンデンサＣＰに高電圧を得る。
【００２３】
また、可飽和リアクトルＳＩ０，ＳＩ１やパルストランスＰＴ、可飽和トランスＳＴは、その磁心材には飽和時と非飽和時の透磁率差が非常に大きく、高角形比の鉄基超微結晶質、鉄基およびコバルト基のアモルファス、フェライトを使用することで、急峻な飽和動作を得ることができる。
【００２４】
オゾン発生放電管４は、ピーキングコンデンサＣＰに各電極を並列接続しておき、予めオゾン原料である空気や酸素を流しておき、ピーキングコンデンサＣＰに発生する高電圧によってパルスストリーマ放電を得、オゾンを発生させる。
【００２５】
オゾン発生放電管４の構造は、銅やステンレス製の外側円筒電極ＧＡと、その内周部で丸棒状の絶縁物（例えばテフロン（登録商標）やセラミックス等のパイプ）ＧＩに銅線やステンレス線などの金属細線を等ピッチでスパイラル状に巻き付けたスパイラル電極ＧＳと、絶縁物ＧＩの中心に挿入した銅やステンレス製の棒状中心電極ＧＢとからなる同軸円筒状にされる。これら電極のうち、円筒電極ＧＡは中心電極ＧＢと同電位にされて磁気パルス圧縮回路３の接地電極（アース）に接続され、スパイラル電極ＧＳは高電圧電極に接続される。
【００２６】
以上の構成において、コンデンサ容量をＣｓ＞Ｃｐ＞０とすることにより、数１０ｋＶ以上の高電圧、かつ１００ｎｓ以下の立ち上がりの速いパルス出力が得られる。一般的に電源効率を考えるとＣｓ＝Ｃｐ≠０とされるが、大気圧下で図示のような電極では各コンデンサ容量をＣｓ＞Ｃｐ＞０とすることにより放電エネルギーが最大となり、オゾン生成効率が向上する。また、この回路はパルス発生の繰り返し周波数を高く（〜数ｋＨｚ）出来るため、繰り返し周波数を変化させ発生オゾン濃度を制御することが出来る。
【００２７】
また、オゾン発生放電管の電極構成は、印加されるパルス電圧が立ち上がる過程で絶縁物ＧＩに覆われた棒状中心電極ＧＢと絶縁物に巻き付けたスパイラル電極ＧＳの電位差によりコロナ放電が起き、このコロナ放電により生成された電子が初期電子となり、スパイラル電極と外側の円筒状電極との問に均一グロー放電が生じる。このグロー放電により放電ギャップ長を長くしても安定で均一なグロー放電が得られ、オゾン生成に効果的となる。
【００２８】
また、オゾン発生放電管として、絶縁物ＧＩに金属細線をスパイラル状に巻き付けた構造とするため、図５に示す従来の針状電極ＧＢと比べて、同じ放電管長さＬとしても、スパイラル状に巻き付けた構造により等価的に電極長さを数倍〜数十倍に高めることができる。換言すれば、同等のストリーマ生成量を得るのに、従来の放電管に比べて、本実施形態の放電管では数分の１〜数十分の１の長さで済む。しかも、絶縁物によって円筒電極と中心電極の間のギャップを均一にしかつ容易に保持することができる。
【００２９】
このことから、オゾン発生放電管構造は、従来の「安定した放電を行うためにはギャップ間の距離を小さくし、かつ等間隔に維持する必要があるが、長い放電管になるとギャップ間隔を均一にするのが困難になってくる」という課題を解決することができる。
【００３０】
また、スパイラル状にした中心電極は、円筒電極との間に強い電界が印加される部分はスパイラル状になるため、このスパイラル状の分布で電子なだれを起こすことができ、電子なだれ同士の合体割合を少なくしてストリーマの生成効率を高めることができる。これにより、円筒電極と中心電極のギャップ間隔を大きくするも、従来の「ギャップ間隔を短くして放電を安定にしてオゾン発生量を高めるためには流路が小さくなった分、放電管を並列に多数必要とする」という課題を解決することができる。
【００３１】
さらに、放電管の径を大きくすることが可能であり、従来の「誘電体には薄いガラスやセラミックスなどを用いるため、これら誘電体を含めた電極周りの強度確保や固定方法が難しい」、「誘電体を挟んだ電極構成では誘電体が放熱を妨げるため、電極部の発熱が大きくオゾン収率が低下するため電極を冷却する必要がり、誘電体を挟んだ電極に冷却水を流すため、その近傍の構成が複雑になる」という課題を解決することができる。
【００３２】
（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態を示すオゾン発生装置の主回路構成図である。同図が図１と異なる部分は、図１の磁気パルス圧縮回路３に代えて、２段の磁気パルス圧縮回路５、６を設けた点にある。
【００３３】
磁気パルス圧縮回路５は、パルストランスＰＴ１の昇圧出力でコンデンサＣ１が充電され、この後に可飽和リアクトルＳＩ１が飽和動作することで磁気パルス圧縮した電流Ｉ１をパルストランスＰＴ２に印加し、その二次側に昇圧したパルス出力を得る。
【００３４】
同様に、磁気パルス圧縮回路６は、可飽和リアクトルＳＩ２の飽和動作で、コンデンサＣＳから磁気パルス圧縮した電流Ｉ２をピーキングコンデンサＣＰに印加し、ピーキングコンデンサＣＰに高電圧を発生させる。
【００３５】
本実施形態においても、実施形態１と同じに、コンデンサの静電容量の関係をＣｓ＞Ｃｐ＞０とすることにより、数１０ｋＶ以上の高電圧、かつ１００ｎｓ以下の立ち上がりの速いパルス出力が得られ、放電エネルギーを最大としてオゾン生成効率を向上できる。
【００３６】
（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態を示すオゾン発生放電管の構成図である。同図中、パルス電源７は、図１または図２に示すものと同等のものでもよいし、それらの変形、組み合わせ構成とすることができる。
【００３７】
オゾン発生放電管８は、円筒電極ＧＡとその棒状中心電極ＧＢとで構成する。中心電極ＧＢは、銅やステンレスなどの導体自体をコイル状に巻き込み加工、またはネジ目状に研削した構造とする。
【００３８】
本実施形態のオゾン発生放電管は、前記までの放電管と同等の作用効果が得られる他、中心電極の構成に金属細線を巻き付けるための絶縁物ＧＩが不要になるという効果がある。
【００３９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、同軸円筒状のオゾン発生放電管として、中心電極には丸棒状の絶縁物に金属細線を等ピッチでスパイラル状に巻き付けたスパイラル電極と、円筒電極と同電位にされて絶縁物の中心に挿入した棒状中心電極とをもつ構造、または、オゾン発生放電管の中心電極として、導体自体をコイル状に巻き込み加工またはネジ目状に研削した構造としたため、ストリーマ発生効率を高め、長さを短く、ギャップ間の距離を大きくできる。
【００４０】
また、パルス電源としては、磁気パルス圧縮回路によりコンデンサＣＳを充電し、この電圧を可飽和トランスや可飽和リアクトルの飽和動作でピーキングコンデンサＣＰを高電圧で充電して中心電極と円筒電極間にパルス放電を得る構成にし、両コンデンサの静電容量は、ＣＳ＞ＣＰ＞０の関係にしたため、数１０ｋＶ以上の高電圧、かつ１００ｎｓ以下の立ち上がりの速いパルス出力が得られ、放電エネルギーを最大とし、オゾン生成効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示すオゾン発生装置の主回路構成図。
【図２】本発明の実施形態２を示すオゾン発生装置の主回路構成図。
【図３】本発明の実施形態３を示すオゾン発生放電管の構成図。
【図４】ストリーマの発生過程の説明図。
【図５】従来のオゾン発生装置の構成例。
【符号の説明】
１…パルス発生回路
２…充電器
３、５、６…磁気パルス圧縮回路
４…オゾン発生放電管
ＧＡ…外側円筒電極
ＧＢ…棒状中心電極
ＧＩ…絶縁物
ＧＳ…スパイラル電極
ＳＩ０〜ＳＩ２…可飽和リアクトル
ＰＴ、ＰＴ１、ＰＴ２…パルストランス
ＳＴ…可飽和トランス
ＳＷ…半導体スイッチ
【図１】
2004161509.tif 000003
【図２】
2004161509.tif 000004
【図３】
2004161509.tif 000005
【図４】
2004161509.tif 000006
【図５】
2004161509.tif 000007