(57)【要約】【課題】窒素酸化物の副生と電極形成物質の粉塵の生成および混入とを抑え、純度の高いオゾンを効率良く大量に生成できるオゾン発生装置を提供すること。【解決手段】紫外線を反射するように内側の表面処理を行った金属製のケース５の内部に設置された石英管６内の光化学反応用空間２と、光化学反応用空間２にオゾン化させる対象の気体を導入する気体導入口１と、オゾン化された気体を外部に取り出す気体吐出口３と、前記気体中の酸素をオゾンに変える紫外線を光化学反応用空間２内に照射できるようにケース５内部に設置された、窒化物系化合物半導体結晶からなるｐ−ｎ接合を有する紫外線発光素子４とを具備するオゾン発生装置を構成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体中の酸素を光化学反応によってオゾンに変えるオゾン発生装置において、前記光化学反応が起こる光化学反応用空間の周囲に、窒化物系化合物半導体結晶からなるｐ−ｎ接合を有し前記光化学反応を誘起する紫外線を放射する紫外線発光素子が配置されていることを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項２】
前記窒化物系化合物半導体結晶がＡｌＮまたはＡｌＮとＧａＮの混晶であり、かつ、前記紫外線発光素子の発光強度ピークの波長が２００ｎｍ以上２４０ｎｍ以下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】
前記光化学反応用空間の壁材料が石英、蛍石または、フッ素樹脂を構成成分とする材料である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】
【技術分野】
【０００１】
本願発明はオゾン発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願発明はオゾン発生装置に関し、特に、食品産業、農業産業、半導体産業などに用いられる脱臭装置、除菌装置、浄化装置、洗浄装置において必要となるオゾンを発生するオゾン発生装置に関する。
【０００３】
従来、オゾン発生装置の方式には放電による方式、電気分解による方式、紫外線照射による方式がある。
【０００４】
放電による方式には無声放電方式によるもの、コロナ放電方式によるもの、または、幾つかの放電方式を組み合わせた複合放電方式によるものがある。しかし、放電方式ではオゾン生成のために高電圧が必要であり、取扱に危険が伴う。また、前記方式では空気等の窒素を含む気体を原材料に用いた場合、窒素酸化物等の副生成物を形成してしまう問題があった。さらに、放電用の電極には一般的に金属や誘電体が用いられるが、気体と電極が直接接しているため、放電の際に生じた電極材料の粉塵が生成したオゾンを含む気体に混入してしまう問題があった。
【０００５】
電気分解による方式は電解液として硫酸または塩酸の水溶液を用い、電気分解によってオゾンを生成する方式である。この方式では、原料に水を用いるために、副生成物として窒素酸化物を生成することは無い。しかし、大きな電源装置が必要となり、装置の小型化が困難となる問題があった。
【０００６】
紫外線照射によってオゾンを発生する方式では、一般的に光源に水銀ランプが用いられている（例えば下記非特許文献１参照）。水銀ランプは１８５ｎｍと２５４ｎｍの波長の紫外線を発生する。酸素は１８５ｎｍの波長の紫外線を吸収してオゾンに変わる。一方、２５４ｎｍの波長の紫外線は生成したオゾンを元の酸素に戻し、オゾンを消滅させてしまう性質を持つ。このために、水銀ランプを用いた場合では、オゾンの生成効率が悪いという問題点があった。さらに、水銀ランプを用いた方式には、水銀ランプが短寿命で衝撃に弱い、装置の小型化が困難であるといった水銀ランプ特有の問題点の他、環境を汚染する恐れのある水銀が使用されているという欠点もある。
【０００７】
このような水銀ランプの問題点を解決するために、最近、ダイアモンド紫外線発光素子を用いたオゾン発生器が考案されている（下記非特許文献２参照）。ダイアモンドはバンドギャップが５．４７ｅＶのワイドギャップ半導体であるので、オゾンの生成のために必要な２４０ｎｍ以下の波長の光（バンドギャップからの換算では波長２２７ｎｍの光）を発生させることが可能となるが、ダイアモンドのエネルギーバンド構造におけるフォトン発生は間接遷移によるものであるために、直接遷移型半導体を用いた発光素子ほどの強い発光を得ることは困難（１/１００程度に減少）である。このため、ダイアモンド紫外線発光素子を用いたオゾン発生装置には、水銀ランプと同様、オゾンの生成効率が悪いことが問題であった。
【０００８】
【非特許文献１】オゾン利用関連用語集「紫外線式オゾン発生器」（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｃｏｄｅｓｉｇｎ−ｌａｂｏ．ｊｐ／ｏｚｏｎｅｔｅｒｍｓ／０３／０４０１０３１６．ｈｔｍｌ）
【非特許文献２】「紫外線発光素子開発の技術的詳細」（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｔｋｅｎ．ｃｏｍ／ｄｉａｍｏｎｄ／ｄｅｔａｉｌ００．ｈｔｍｌ＃ｍｅｎｕ）
【非特許文献３】論文  ”Ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ａｌ−ｒｉｃｈ  ＡｌＧａＮ  ａｌｌｏｙｓ，”  Ｊ．Ｌｉ，ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７９（２０），２００１，３２４５−３２４７．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本願発明が解決しようとする課題は、上記の従来技術における問題点、すなわち、オゾン発生に際して、窒素酸化物等の副生成物を形成してしまう問題、電極材料の粉塵が生成したオゾンを含む気体に混入してしまう問題、オゾンの生成効率が悪い問題を解決し、窒素酸化物の副生と電極形成物質の粉塵の生成および混入とを抑え、純度の高いオゾンを効率良く大量に生成できるオゾン発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明においては、上記目的を達成するために、請求項１に記載のように、
気体中の酸素を光化学反応によってオゾンに変えるオゾン発生装置において、前記光化学反応が起こる光化学反応用空間の周囲に、窒化物系化合物半導体結晶からなるｐ−ｎ接合を有し前記光化学反応を誘起する紫外線を放射する紫外線発光素子が配置されていることを特徴とするオゾン発生装置を構成する。
【００１１】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
前記窒化物系化合物半導体結晶がＡｌＮまたはＡｌＮとＧａＮの混晶であり、かつ、前記紫外線発光素子の発光強度ピークの波長が２００ｎｍ以上２４０ｎｍ以下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を構成する。
【００１２】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
前記光化学反応用空間の壁材料が石英、蛍石または、フッ素樹脂を構成成分とする材料である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を構成する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の実施によって、オゾン発生装置に、オゾン化の対象となる気体中の酸素を光化学反応によってオゾンに変化させる紫外線を放射する、窒化物系化合物半導体結晶からなるｐ−ｎ接合を有する紫外線発光素子を設置して、窒素酸化物の副生と電極形成物質の粉塵の生成および混入とを抑え、純度の高いオゾンを効率良く大量に生成できるオゾン発生装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
酸素は、次式に示すように、波長１７５〜２４０ｎｍの光によって分解し、酸素原子となった後、周囲の酸素分子と再結合してオゾン（Ｏ３）になる。
【００１５】
Ｏ２  ＋  ｈν（λ＝１７５〜２４０ｎｍ）  →  Ｏ  ＋  Ｏ
Ｏ２  ＋  Ｏ  →  Ｏ３
ここに、ｈはプランク定数、νは光の振動数、λは光の波長である。
【００１６】
一方、オゾンは、次式に示すように、主に２００〜３００ｎｍの波長域（２６０ｎｍ付近にピークを持つ）の光を吸収して分解し、酸素に戻る。
【００１７】
Ｏ３  ＋  ｈν（λ＝２００〜３００ｎｍ）  →  Ｏ２  ＋  Ｏ
水銀ランプの場合には、前述したように、オゾンの生成に適した波長１８５ｎｍの発光を持つが、同時に２５４ｎｍというオゾンの吸収が最大になる波長付近の発光を持ち、この光の吸収によってオゾンが分解し、酸素に戻る。このために、水銀ランプをオゾンの発生に用いた場合には、オゾンの生成率が低下するという問題があった。
【００１８】
よって、光反応によって高い効率でオゾンを生成するためには、２４０ｎｍ以下の波長で出来るだけ短波長であり、かつ、２６０ｎｍ付近に発光を持たない紫外線光源を採用したほうが良いということが分かる。
【００１９】
オゾンの発生に用いることが可能な紫外線光源として、水銀ランプの他、前述のダイアモンド紫外線発光素子のような半導体を用いた発光素子（発光ダイオードともいう）がある。半導体を用いた発光素子は、ｐ型の不純物をドーピングしたｐ型半導体層とｎ型の不純物をドーピングしたｎ型半導体層からなるｐ−ｎ接合構造により形成されている。このｐ−ｎ接合に順方向バイアスを加えると、キャリアが接合を超えて注入され、このキャリアが再結合して光を放出する。
【００２０】
また、半導体を用いた発光素子はその動作原理上、発光波長がバンドギャップにより決定する特徴を持つ。下記表１に各種ワイドギャップ系半導体のバンドギャップをまとめて示した。
【００２１】
【表１】
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光のフォトンエネルギー（Ｅ）と波長（λ）との間には次の関係がある。
【００２２】
Ｅ  ＝  ｈν  ＝  ｈ(ｃ/λ)  ＝  (ｈｃ)/λ
ここに、ｈはプランク定数＝４．１４×１０−１５ｅＶ・ｓ、νは光の振動数、ｃは真空中の光速＝３×１０８ｍ/ｓである。これらのｈおよびｃの数値を上式に代入して下式を得る。
【００２３】
Ｅ/ｅＶ  ＝  １２４２/(λ/ｎｍ)、あるいは
λ/ｎｍ  ＝  １２４２/(Ｅ/ｅＶ)
よって、上述したワイドギャップ系半導体であるダイアモンド、ｃ−ＢＮ、ＧａＮ、ＡｌＮを用いて発光素子を形成した場合の発光波長を、それぞれ、２２７、１７７、３６６、２００ｎｍと見積もることが出来る。しかしながら、ダイアモンド、および、ｃ−ＢＮは、発光が間接遷移によるものであるために、２４２ｎｍ以下の発光波長が得られても、十分な発光強度を達成することが難しい。一方、窒化物系の半導体であるＧａＮ、ＡｌＮ、および、これらの混晶であるＡｌＧａＮは直接遷移型の発光をする半導体であるため、紫外線発光素子の材料としてダイアモンドより適している（例えば上記非特許文献３参照）。
【００２４】
ＡｌＮの発光波長は２００ｎｍであるため、この発光はオゾン生成に用いることが出来る。一方、ＧａＮの発光波長は３６６ｎｍであり、この発光でオゾンを生成することが出来ないが、ＧａＮとＡｌＮの混晶であるＡｌＧａＮ（正確にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ）のＡｌ組成（ｘ）を増大させれば、バンドギャップをＡｌＮに近づけることが可能で、結果として発光波長を短波長化することが出来る。オゾンの生成には２４０ｎｍ以下の波長が必要なため、結果として、オゾン生成に利用できるＡｌｘＧａ１−ｘＮのＡｌ組成（ｘ）は０．６２≦ｘ≦１となるが、最適値はＡｌ組成：ｘ＝１であり、また、次に好ましいＡｌ組成は０．８≦ｘ＜１である。０．６２≦ｘ≦１なる組成範囲内において、発光強度ピークの波長が２００ｎｍ以上２４０ｎｍ以下である紫外線発光素子が実現し、そのような紫外線発光素子をオゾン生成に利用した場合のオゾンの生成効率は高い。さらに、前述のように０．６２≦ｘ≦０．８の組成においても本発明の効果を奏することが可能であるが、オゾンの吸収テール（吸収がピークよりも低い部分）が２２０〜２４０ｎｍに存在するため、オゾンが酸素に戻る反応も起こるので、この組成範囲においては前者の組成範囲より若干オゾンの発生効率が悪くなる。
【００２５】
本願発明では、オゾン化の対象となる気体を流す光化学反応用空間の周囲にＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮの混晶からなるｐ型半導体層およびｎ型半導体層により形成されたｐ−ｎ接合を有する発光波長２００〜２４０ｎｍの紫外線発光素子を配置することにより、窒素酸化物の副生と電極形成物質の粉塵の生成および混入を抑え、純度の高いオゾンを効率良く大量に生成できる新規オゾン発生装置を提供することを可能にした。
【００２６】
以下に、本願発明の実施形態を、図に基づき説明する。
【００２７】
図１は、本願発明の実施の形態例であるオゾン発生装置の概略を示している。図中、（ａ）はオゾン化させる対象の気体の流れに沿う装置断面図であり、（ｂ）はその流れと交わる装置断面図である。外部より光化学反応によってオゾン化させる対象の気体を導入する気体導入口１および生成したオゾンを外部に取り出す気体吐出口３を有する光化学反応用空間２は石英管６の内部として形成されている。すなわち、石英管６が光化学反応用空間２の壁となっている。光化学反応用空間２の周囲、すなわち石英管６の周囲に、光化学反応用空間２に紫外線が照射できるように、紫外線発光素子４を複数個、紫外線を反射するように内側の表面処理を行った金属製のケース５に固定した形で設置した。
【００２８】
この時の紫外線発光素子４にはＡｌＮのｐ−ｎ接合を採用した。本実施の形態例で用いたＡｌＮ紫外発光素子の発光のスペクトルおよび従来の水銀ランプの発光のスペクトルを、それぞれ、図２の（ａ）および（ｂ）に示す。水銀ランプの場合には、オゾンを生成する波長１８５ｎｍの発光の他に、生成したオゾンを分解する効果がある波長２６０ｎｍ付近の発光を含む複数の発光が観測される。一方、ＡｌＮ紫外線発光素子の発光はオゾンを生成する波長２００ｎｍの単一発光であることが分かる。
【００２９】
また、オゾン化の対象となる気体には空気を用い、ファンを用いて気体導入口１より光化学反応用空間２に導入した。気体導入口１の管内径に比べて、光化学反応用空間２の径（石英管６の内径）が大きい本実施の形態例のような構造をとることにより、気体導入口１内より光化学反応用空間２内での気体の流速を減少させることが出来る。つまり、光化学反応用空間２内の空気に紫外線発光素子４によって発生した２００ｎｍの波長の紫外線を十分な時間照射することが出来、高効率で純度の高いオゾンを生成することが可能となった。
【００３０】
本実施の形態例では気体導入口１および気体吐出口３の管内径は１０ｍｍ、また、光化学反応用空間２の径は３０ｍｍとした。さらに、光化学反応用空間２を囲むケース５の内側の表面には紫外線の反射処理を施しており、この内側の表面に到達した紫外光を再度光化学反応空間に対して入射することにより、効果的に光化学反応が行えるよう工夫した。この結果、水銀ランプを用いた従来のオゾン発生器では約０．５ｇ/時間であったオゾンの発生量を約１０ｇ/時間と飛躍的に向上させることが出来た。
【００３１】
本実施の形態例ではオゾン化を行う対象気体として空気を用いたが、酸素を用いた場合でもオゾンの発生が可能であることは言うまでもない。
【００３２】
また、紫外線発光素子４には前述のようにＡｌＮの他、Ａｌ組成が０．６２以上のＡｌＧａＮ（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ここに、０．６２≦ｘ≦１）によって形成された発光素子を用いることが出来る。特に、この場合に、紫外線発光素子の発光強度ピークの波長が２００ｎｍ以上２４０ｎｍ以下であると、オゾン化を高効率で行うことが出来る。
【００３３】
さらに、本実施の形態例では光反応空間２を形成する壁材料に１５０ｎｍ以上の波長の光を透過する石英を用いたが、これを、他の紫外線を透過する材料、例えば１３０ｎｍ以上の波長の光を透過する蛍石、２００ｎｍ以上の波長の光を透過するフッ素樹脂を構成成分とする材料等に置き換えることが出来る。
【００３４】
従来のオゾン発生装置には、窒素酸化物等が副生したり、電極材料の粉塵が生成したオゾンを含む気体に混入してしまう問題やオゾンの生成効率が悪いという問題があったが、本願発明では、上記の実施の形態例によって示したように、オゾン化の対象となる気体を流す光化学反応用空間の周囲にＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮの混晶からなるｐ−ｎ接合を有する発光波長２００〜２４０ｎｍの紫外線発光素子を配置することにより、窒素酸化物の副生と電極形成物質の粉塵の生成および混入とを抑え、純度の高いオゾンを効率良く大量に生成できる新規オゾン発生装置を提供することを可能にした。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の実施の形態例であるオゾン発生装置の断面図である。
【図２】ＡｌＮ紫外線発光素子と水銀ランプの発光スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…気体導入口、２…光化学反応用空間、３…気体吐出口、４…紫外線発光素子、５…ケース、６…石英管。
【図１】
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【図２】
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