(57)【要約】【課題】高効率なオゾン発生装置を、容易かつ安価に製造する。【解決手段】オゾン発生装置は、高圧側電極４と、厚さ数百μｍ〜数ｍｍの石英ガラス（または、合成石英ガラス、ＳｉＯ２、マイカ）の誘電体層２と、接地電極１の３層から構成されている。高圧側電極４と接地電極１は、金、銀、銅、プラチナのいずれかの印刷電極である。高圧側電極４は、直径百μｍ〜数ｍｍの開口部５が、数百μｍの縦横のピッチで多数設けられている。両電極間に高周波高電圧を印加すると、開口部５で誘電体バリア放電が発生して紫外線が発生し、原料ガスである酸素が電離してオゾンに変化する。高圧側電極４の表面と開口部５側の誘電体２の表面には、オゾン生成の高効率化と電極磨耗防止のために、ＭｇＯ膜３が形成されている。このように構成したことで、誘電体と電極との密着が良好になり、オゾン発生効率が向上し、製造が容易で安価とすることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧側電極と接地電極に挟まれた誘電体で構成されるオゾン発生装置において、前記高圧側電極と前記接地電極とを金、銀、銅、またはプラチナのいずれか一つから選択された印刷電極で構成し、前記誘電体層を合成石英ガラス、石英ガラス、ＳｉＯ２、マイカのいずれか一つから選択して構成したことを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項２】
前記印刷電極は、熱焼結により形成したものであ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】
前記高圧側電極を、多数の放電開口部を有する印刷電極で形成した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４】
前記高圧側電極の表面と放電開口部側に面した前記誘電体表面にＭｇＯ膜もしくは窒化アルミニウム膜を設け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５】
前記誘電体の厚さをＤ（ｍ）とし、電極開口径をＴ（ｍ）とした場合、前記誘電体厚さと電極開口径の関係をＤ≦Ｔとすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のオゾン発生装置。
【請求項６】
前記接地電極を中央層に配置し、前記接地電極を誘電体で挟み、さらに前記誘電体を前記高圧側電極で覆う構造とした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７】
前記接地電極を中央層に配置し、前記接地電極を誘電体で挟み、さらに前記誘電体を前記高圧側電極で覆う構造としたオゾン発生装置を数ｍｍ間隔で複数枚パラレル配列したことを特徴とする請求項６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、オゾン発生装置に関し、特に、誘電体バリア放電を利用したオゾン発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オゾン発生装置は、産業廃棄物の処理の際に発生するＮＯｘの除去や、空気洗浄機や、脱臭装置や、植物の活性化などに用いられている。オゾン発生法には、数多くの手法がある。必要なオゾン生成量に応じて、熱プラズマによる方法や、電解法による方法や、放電法による方法等が選択されている。そのなかでも、上下水道や工業排水の殺菌、消臭、脱色、パルプ漂白、医療機器の殺菌等を行う際に用いられるオゾン発生装置は、無声放電を用いた装置が一般的である。
【０００３】
このようなオゾン発生装置は、体積が大きく、電気効率が低い等の理由から、近年、沿面放電を用いた平板型のオゾン発生装置が開発されてきた。最近では、水にオゾンを効率的に吸収させることができるレベルの高濃度オゾンを高効率で発生させるオゾン発生装置が開発されている。オゾン発生装置の誘電体としてはセラミックスが用いられ、高圧側と接地側の電極の素材としては、セラミックスに金属（アルミ等）膜を積層したもの等が使用されている。オゾン発生用の放電装置には、ヒートシンクやペルチエ素子等の冷却装置が設けられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のオゾン発生装置では、装置の構造が非常に複雑であり、製造に手間やコストがかかるという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、容易かつ安価に製造できて高効率なオゾン発生装置を実現することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、オゾン発生装置を、多数の放電開口部を有する転写式の金，銀，銅，プラチナのいずれかからなる印刷電極で形成された高圧側電極と、連続する前記印刷電極で形成された接地電極と、高圧側電極と接地電極とに挟まれた合成石英ガラス、石英ガラス、ＳｉＯ２、マイカのいずれかで形成された誘電体層とを具備する構成とした。このように構成したことにより、高効率にオゾンを発生するオゾン発生装置を容易かつ安価に製造することが実現できる。また、これらの放電装置における放電面側の電極表面と開口側誘電体表面にＭｇＯ膜や窒化アルミニウム膜を塗布することで、電極の磨耗防止、放電装置の長寿命化が達成できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図８を参照しながら詳細に説明する。
【０００８】
（第１の実施の形態）
本発明による第１の実施の形態は、多数の放電開口部を有する印刷電極で形成された高圧側電極と、連続する印刷電極で形成された接地電極と、高圧側電極と接地電極とに挟まれた誘電体層とを備えた３層構造のオゾン発生装置である。
【０００９】
図１は、本発明による第１の実施の形態におけるオゾン発生装置の概念図である。図１において、高圧側電極４と接地電極１は、金、銀、銅、プラチナのいずれかの金属と樹脂で構成された転写シートを熱燒結させることで、樹脂を飛ばし、薄膜としてそれらの金属を誘電体に密着させた印刷電極である。誘電体２は、合成石英ガラスである。また、誘電体は、石英ガラス、ＳｉＯ２、マイカのいずれかでもよい。ＭｇＯ膜３は、高圧側電極４の表面と後述の放電開口部側に面した誘電体表面を覆う保護膜である。接地電極１は、高周波高電圧を印加する電極である。放電開口部５は、放電が起こる部位である。放電装置の放電面積は１００ｍｍ×１００ｍｍとした。
【００１０】
オゾン発生装置は、上層の高圧側電極３と、厚さ１５０μｍの合成石英ガラスからなる誘電体層２と、下層の接地電極１の３層からなる。最上層の高圧側電極３と、最下層の接地電極２は、金、銀、銅、プラチナのいずれかより選ばれた厚さ２５μｍのベタ転写シート式の印刷電極である。これらの材質を用いることにより、低コストで容易に電極が作製できる。上層の高圧側電極４は、数百μｍ〜数ｍｍの開口部５が、数百μｍの縦横のピッチで多数設けられている。
【００１１】
上記のように構成された本発明による第１の実施の形態におけるオゾン発生装置の動作を説明する。図１に示すオゾン発生装置の高圧側電極４と接地電極１との間に、周波数が１０ＫＨｚで５ｋＶの高周波高電圧を印加する。誘電体バリア放電が、放電開口部５において発生し、それに伴い紫外線が発生する。この紫外線の作用により、雰囲気中の酸素が電離し、オゾンが生成される。オゾン発生装置における最上層の直径数百μｍ〜数ｍｍの放電開口部５において、オゾン生成を効率的に行うことができる。また、高圧側電極４の表面と開口部に面した誘電体２の表面には、オゾン生成の効率化のため、ＭｇＯ膜３が形成されている。ＭｇＯ膜３は無くても動作する。
【００１２】
オゾン発生効率を確認するために、図１に示す構造のオゾン発生装置の寸法とし、放電装置の材質が異なる本発明の仕様と、従来までのオゾン発生装置とで、大気中放電の比較を行った。従来の放電装置は、誘電体がアルミナセラミック、電極がアルミ厚膜印刷電極である。また、ＭｇＯの蒸着膜の電極磨耗防止効果と、オゾン発生の効率を確認するため、高圧側電極の表面と放電開口部に面した誘電体表面にＭｇＯ膜を蒸着したものと、蒸着しないものとの大気中放電も比較することにした。
【００１３】
従来の材質で構成された放電装置と、図１に示す本発明で検討した放電装置によるオゾン発生効率の比較の結果を、図２に示す。図２より、誘電体を合成石英ガラスとし、電極を印刷電極とした放電装置は、同電力を加えた際、従来の放電装置のオゾン発生効率とそれほど引けを取らないことが確かめられた。
【００１４】
図３に、高電圧印加側電極の表面と開口に面した誘電体表面にＭｇＯ膜を蒸着したものとしないものとで、８０％のオゾン生成維持率における寿命の比と、それぞれのオゾン発生量を示す。ＭｇＯ膜ありのものは、なしのものより寿命、オゾン発生効率ともに良好であり、ＭｇＯ膜の優位性が確認された。
【００１５】
印刷電極を用いたことで、誘電体との密着性の良好な電極を、安価で且つ容易に製造できる。誘電体と電極との密着状態が良好になることは、誘電体層、金属層の均一な層形成につながり、均一な電場が形成できることになる。このことで、面に対して均一に放電が可能となり、オゾン発生効率が向上する。２つの電極に誘電体が挟まれたサンドイッチ型の３層構造であり、低コストで製造が容易に行える。しかも、電極材料を、導電率のよい金、銀、銅、プラチナという印刷電極とすることにより、エネルギーロスが少なくて済む。
【００１６】
上記のように、本発明による第１の実施の形態では、オゾン発生装置を多数の放電開口部を有する金、銀、銅、プラチナのいずれかによる印刷電極で形成された高圧側電極と、連続する前記印刷電極で形成された接地電極と、高圧側電極と接地電極とに挟まれた合成石英ガラス、石英ガラス、ＳｉＯ２、、マイカのいずれかで形成された誘電体層とを備えた３層構造としたので、高効率なオゾン発生装置を、容易かつ安価に製造できる。また、ＭｇＯ膜もしくは窒化アルミニウム膜を、高電圧印加側の電極表面と放電開口部に面した誘電体表面に設けることにより、電極の磨耗防止による長寿命、オゾン発生効率の向上が得られる
【００１７】
次に、オゾン発生効率に関わる誘電体厚さと高電圧印加側の放電開口径の関係について検討した。本発明の放電装置に印加電圧をかけた場合に、オゾン発生効率に依存する電場はどのように分布するかを求めた。図４に、開口径１００μｍ，誘電体厚み１００μｍの放電装置に４ｋＶの電圧をかけた際に発生する静電位分布を求めた図を示す。図５に、放電開口径と放電開口部付近の電場の関係をまとめた図を示す。図６には、誘電体の厚みと放電開口付近の電場の関係をまとめた図を示す。
【００１８】
放電装置にかかる静電位分布は、放電開口付近で最も強くなり、開口付近では１０８ｍ／Ｖに達した。開口径の縮小に伴う電場は増加を示し、誘電体の厚さの縮小に伴う電場も増加傾向を示した。オゾン発生量には電場の強度が反映されるため、オゾン生成効率は誘電体の厚さと開口径に依存することが分かる。開口径寸法に対して誘電体寸法が大きいと、電場のロスが大きくなり、オゾン生成効率が下がることが分かる。図６に示すように、放電開口径を１００μｍとした場合の電場は、誘電体の厚さが１００μｍ以下から急激に上昇している。つまり、誘電体の厚さが開口径以下となると、電場の増加がより著しくなる。従って、オゾン発生の高効率を考慮する上で、誘電体厚さをＴ（ｍ），  開口径をＤ（ｍ）とすると、少なくともＴ≦Ｄを満足することが、放電装置構造上好ましいと考えられる。
【００１９】
（第２の実施の形態）
本発明による第２の実施の形態は、多数の放電開口部を有する印刷電極で形成された第１の高圧側電極と、連続する印刷電極で形成された接地電極と、第１の高圧側電極と接地電極とに挟まれた石英ガラスで形成された第１の誘電体層と、多数の放電開口部を有する印刷電極で形成された第２の高圧側電極と、第２の高圧側電極と接地電極とに挟まれた石英ガラスで形成された第２の誘電体層とを備えた５層構造のオゾン発生装置である。また、誘電体は、石英ガラス、ＳｉＯ２、マイカのいずれかでもよく、印刷電極は、金、銀、銅、プラチナのいずれかでもよい。
【００２０】
図７は、本発明による第２の実施の形態におけるオゾン発生装置の概念図である。図７において、接地電極１は、金、銀、銅、プラチナのいずれかの印刷電極により形成された電極である。誘電体２は、合成石英ガラス、石英ガラス、ＳｉＯ２、マイカのいずれかである。ＭｇＯ膜３は、保護膜である。高圧側電極４は、金、銀、銅、プラチナのいずれかの印刷電極であり、高周波高電圧を印加する電極である。開口部５は、放電が起こる部位である。
【００２１】
中央層の接地電極１が、厚さ数十μｍ〜数ｍｍの誘電体２に挟まれている。最外層面は、直径数十μｍ〜数ｍｍの放電開口部５が、縦横数百μｍのピッチで多数開けられた高圧側電極４である。高圧側電極４と、誘電体２と、接地電極１と、誘電体２と、高圧側電極４の５層からなっている。
【００２２】
図８は、本発明による第２の実施の形態におけるオゾン発生装置の他の例を説明した概念図である。図８において、オゾナイザ６は、５層構造のオゾン発生素子である。原料ガス７は、酸素を含む圧縮気体である。オゾンガス８は、生成されたオゾンである。このオゾン発生装置は、両面に放電面をもつオゾナイザ６を、数ｍｍ程度の間隔でパラレルに配列したものである。
【００２３】
上記のように構成された本発明による第２の実施の形態におけるオゾン発生装置の動作を説明する。図７に示すオゾン発生装置の高圧側電極４と接地電極１との間に、数ｋＨｚで数ｋＶの高周波高圧電流を印加する。誘電体バリア放電が、開口部５において発生し、それに伴い紫外線が発生する。この紫外線の作用により、雰囲気中の酸素がオゾンに変化する。放電開口部５がある最外層の両面の電極を利用するので、広い表面積でオゾンを発生させることができる。また、高圧側電極４の表面と開口側に面した誘電体２の表面には、オゾン生成の効率化のため、ＭｇＯ膜３が形成されている。ＭｇＯ膜３は無くても動作する。
【００２４】
図８に示す５層構造の平面型放電素子であるオゾナイザ６を複数枚パラレル配列したオゾン発生装置の電極間に、酸素を含む圧縮ガスである原料ガス７を吹き付ける。オゾナイザ６の枚数を増やすことで、容易に放電面積を拡大できる。このようにして、高効率にオゾンガス８を発生させ、同時に冷却を効率的に行うことができる。したがって、大掛かりな冷却装置が必要なく、オゾン発生装置をコンパクト化できる。また、製造作業が容易になり、低コストで製造できる。
【００２５】
上記のように、本発明による第２の実施の形態では、オゾン発生装置を、多数の放電開口部を有する印刷電極で形成された第１の高圧側電極と、連続する印刷電極で形成された接地電極と、第１の高圧側電極と接地電極とに挟まれた石英ガラスで形成された第１の誘電体層と、多数の放電開口部を有する印刷電極で形成された第２の高圧側電極と、第２の高圧側電極と接地電極とに挟まれた石英ガラスで形成された第２の誘電体層とを備えた５層構造としたので、高効率なオゾン発生装置を、容易かつ安価に製造できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、オゾン発生装置を、多数の開口部を有する金、銀、銅、プラチナのいずれかの印刷電極で形成された高圧側電極と、連続する印刷電極で形成された接地電極と、高圧側電極と接地電極とに挟まれた石英ガラス、合成石英ガラス、ＳｉＯ２、マイカのいずれかで形成された誘電体層とを具備する構成としたので、高効率なオゾン発生装置を容易かつ安価に製造できる。また、放電面である電極表面と開口側に面した誘電体表面にＭｇＯ膜もしくは窒化アルミニウム膜を設けることで、オゾン発生効率が向上し、長寿命化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるオゾン発生装置の概念図、
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるオゾン発生装置と従来の放電装置とのオゾン発生効率の比較表、
【図３】ＭｇＯ膜の有無による放電装置の性能の違いを比較する表、
【図４】放電装置の電圧印加時の静電分布図、
【図５】放電開口部の径と電場の関係を示すグラフ、
【図６】誘電体の厚さと電場の関係を示すグラフ、
【図７】本発明の第２の実施の形態におけるオゾン発生装置の概念図、
【図８】本発明の第２の実施の形態におけるオゾン発生装置の他の例の概念図である。
【符号の説明】
１  接地電極
２  誘電体
３  ＭｇＯ膜
４  高圧側電極
５  放電開口部
６  オゾナイザ
７  原料ガス
８  オゾンガス
【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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