(57)【要約】【課題】発生効率（電力効率）の良いオゾン発生装置を提供することであり、更に詳しくは冷却水を低減させ、電源の構成が簡単で安定動作が可能なオゾン発生装置を提供する。【解決手段】相対向する一対の電極２，２’、および一対の電極２，２’のうち少なくとも一方の電極の対向面上に設置された固体誘電体層３，３’を備えているプラズマ発生部を有し、一対の電極２，２’間の空間１０中に、酸素を含んだ原料ガス６を供給し、一対の電極２，２’間にパルス化した電圧を印加することによる放電を用いて原料ガス６からオゾンを発生させるオゾン発生装置において、電極２，２’間のギャップが０．４ｍｍ以下、パルス電圧のパルス継続時間が１０μｓｅｃ以下、投入電力／ガス流量の値が３０Ｗ・ｍｉｎ／ＮＬ以上とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向する一対の電極、および前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極の対向面上に設置された固体誘電体層を備えているプラズマ発生部を有し、前記一対の電極間の空間中に、酸素を含んだ原料ガスを供給し、前記一対の電極間にパルス化した電圧を印加することによる放電を用いて原料ガスからオゾンを発生させるオゾン発生装置において、
前記電極間のギャップが０．４ｍｍ以下、前記パルス電圧のパルス継続時間が１０μｓｅｃ以下、投入電力／ガス流量の値が３０Ｗ・ｍｉｎ／ＮＬ以上、であることを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項２】
前記パルス電圧を発生させるためのパルス電源として、誘導蓄積型パルス電源を用い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】
前記パルス電圧を発生させるためのパルス電源のスイッチング素子として、静電誘導型サイリスタ素子を用いることを特徴とする請求項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】
本発明は発生効率（電力効率）の良いオゾン発生装置に関するものであり、更に詳しくは冷却水を低減させ、電源の構成が簡単で安定動作が可能なオゾン発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空間中に生じたプラズマからオゾンを発生させて、漂白処理、滅菌や殺菌等の用途にオゾン発生装置が用いられてきた。また、オゾンを発生させる方法としては、特許文献１及び特許文献２に記載される方法が知られている。
【０００３】
特許文献１においては、高周波電源を用いた誘電体バリア放電式が記載されている。この方式では、電流の波形がサイン波であり、放電空間および誘電体で消費される電力が多くなる為に発熱量が多い。また、発熱により原料ガスの温度が上昇すると、熱によってオゾンが分解してオゾンの収率が低下してしまう。この発熱によるオゾンの収率の低下を防ぐ目的で、電力密度を下げるために放電面積を大きくする必要が生じ、装置の大型化を招いていた。
【０００４】
また特許文献２においては、電流型インバータ方式を開示している。この方式においては発生電圧の立ち上がり峻度が低いため、オゾン発生効率が低い。また、パルス幅が長い（短くすることができない）ので、オゾン発生効率が低いという問題がある。また更に、インバータ回路に使用する半導体素子の数が多いため、電力損失が大きく電源効率が低いことや、アーク発生時にスイッチング素子が破壊する可能性が高いといった問題も生じていた。
【特許文献１】特許第３５４５２５７号公報
【特許文献２】特許第３９７１１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、かかる従来の問題に鑑みてなされたものである。その目的とするところは、発生効率（電力効率）の良いオゾン発生装置を提供することであり、更に詳しくは冷却水を低減させ、電源の構成が簡単で安定動作が可能なオゾン発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下のオゾン発生装置が提供される。
【０００７】
［１］相対向する一対の電極、および前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極の対向面上に設置された固体誘電体層を備えているプラズマ発生部を有し、前記一対の電極間の空間中に、酸素を含んだ原料ガスを供給し、前記一対の電極間にパルス化した電圧を印加することによる放電を用いて原料ガスからオゾンを発生させるオゾン発生装置において、前記電極間のギャップが０．４ｍｍ以下、前記パルス電圧のパルス継続時間が１０μｓｅｃ以下、投入電力／ガス流量の値が３０Ｗ・ｍｉｎ／ＮＬ以上、であることを特徴とするオゾン発生装置。
【０００８】
［２］前記パルス電圧を発生させるためのパルス電源として、誘導蓄積型パルス電源を用いることを特徴とする［１］に記載のオゾン発生装置。
【０００９】
［３］前記パルス電圧を発生させるためのパルス電源のスイッチング素子として、静電誘導型サイリスタ素子を用いることを特徴とする［２］に記載のオゾン発生装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のオゾン発生装置は、オゾンの発生効率（電力効率）に優れ、オゾン発生時に必要な冷却水量の低減と冷却装置の小型化ができるという効果を奏し、また更に、電源の構成が簡単で、安定動作が可能であるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明を実施するための実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明は、これらに何ら限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものであることは言うまでもない。
【００１２】
図１は、本発明に係るオゾン発生装置の一実施例（実施例１）の構成を示す模式的説明図である。図１において、１はパルス電源を示しており、パルス電源１によって、上下に相対する２つの金属電極２，２’に電圧が印加される。各金属電極２，２’間には、誘電体３，３’を挟んで空間１０があり、この空間１０内を原料ガス６が通過する。その際、各電極２，２’に印加された電圧により、空間１０内にプラズマが発生する。このプラズマが原料ガス６を反応させることにより、オゾン化されたガス７を発生することができる。このときに金属電極２，２’に印加された電力により発生した熱は、絶縁板４，４’を挟んで備えられた水冷ヒートシンク５，５’により冷却される。
【００１３】
本発明のオゾン発生装置に用いられ、図１において誘電体３，３’として示される固体誘電体層は、アルミナ、ジルコニア、コージエライト等の誘電率が１０〜２０程度のものであれば良く、特にこれらに限定されるものではない。なお、固体誘電体層の厚みは特に限定されないが、例えば、０．２〜３ｍｍ程度である。
【００１４】
本発明のオゾン発生装置においては、
（１）上下に相対する２つの金属電極２，２’間のギャップを０．４ｍｍ以下、好ましくは０．３ｍｍ以下、
（２）印加するパルス電圧のパルス継続時間を１０μｓｅｃ以下、
（３）投入（印加）した電力とガス流量の比である電力／ガス流量の値が３０Ｗ・ｍｉｎ／ＮＬ以上、
という３つの条件を満足することを特徴としている。
【００１５】
このように、本発明では、バリア放電における電極間のギャップ（間隔）を非常に狭くして構成することにより、効率良くオゾンを発生することが出来る。また、パルス継続時間（パルス幅）を狭くしたため、電力損失が低く、発熱が抑えられるから、従来のオゾン発生装置のように電極の面積を大きくする必要がない。このことから、装置を小型にすることができる。
【００１６】
また、本発明のオゾン発生装置のパルス電源としては、誘導蓄積型パルス電源を用いることが好ましい。
ＳＩサイリスタを用いたパルス電源について、図２を用いて説明する。図２の回路図中に示される各記号等はそれぞれ、ＤＣ電源１３、負荷１１、高電圧１２、コンデンサ１８、ダイオード１７、パルストランス８、ＳＩサイリスタ９、ＦＥＴ１０とし、ＳＩサイリスタのアノード１４、カソード１５、ゲート１６を意味している。
【００１７】
本発明に係るオゾン発生装置のパルス電源において、パルストランス８の誘導成分にエネルギーを蓄積し、放出することで高電圧１２を得ることができる。また、図２のように、ＳＩサイリスタ９を用いることで、従来技術と比較した場合に電流耐力を高くすることが出来、俊度の高いパルス波形が得られる。また、ＳＩサイリスタ９自体が壊れにくいことに加えて素子が少なくて済み、回路自体を簡潔に組むことができ、動作の安定度が更に高まる。
【実施例】
【００１８】
次に、実施例を用いてさらに具体的に説明する。
（実施例１）
図１に示す構成のオゾン発生装置を用いた。
１．オゾン発生部
片側表面に銀メタライズ層（金属電極２，２’）を形成したアルミナ製プレート（誘電体３，３’、寸法：９０×５０×１ｍｍ）２枚を用いた。また、図示しないが、放電ギャップ（間隔）を調整するためのスペーサー（寸法：１０×５０ｍｍ）２枚を用いた。スペーサーはテフロン（登録商標）製で、ギャップ（間隔）を調整するため、厚さ０．１／０．２／０．３／０．５／１．０ｍｍの５種類を用意した。
【００１９】
一対の金属電極２，２’の両外側には、絶縁板（アルミナ製）４，４’、水冷ヒートシンク５，５’で挟み込む構造とした。
上記のギャップ空間１０に密閉構造を施して、外部に原料ガス６を導入、排出するための配管を取り付けた。
【００２０】
２．原料ガス
高純度酸素ガス（純度：９９．９９９％）を使用した。ガス流量は、１〜５ＮＬ／ｍｉｎであり、ガス圧力は０．２５ＭＰａとした。
【００２１】
３．放電用電源
放電用のパルス電源１として、図２に示すような誘導蓄積型パルス電源を用いた。この誘電蓄積型パルス電源の主スイッチ素子にはＳＩサイリスタ素子９を用いた。
【００２２】
パルス幅は図３に示されるように約１μｓｅｃとした。但し、ここで言うパルス幅とは、電圧ピーク値の半値幅で規定するものとする。また、パルス周波数は最大３０ｋＨｚとした。
【００２３】
投入電力は最大３００Ｗ（１パルスエネルギー：１０ｍＪ×３０ｋＨｚ）とした。パルス電圧は８ｋＶである。
【００２４】
上記の条件で、排出ガスのオゾン濃度をオゾン濃度計（荏原事業（株）製ＥＧ−６００）にて測定した。
【００２５】
図４に、（投入電力／ガス流量）に対するオゾン濃度の結果を示す。この結果から、投入電力／ガス流量が大きく、かつ電極間ギャップ（間隔）の狭い条件で、高濃度のオゾンが得られることが判明した。特に、単位ガス流量当りの投入電力３０Ｗ・ｍｉｎ／ＮＬ以上、ギャップ間隔０．３ｍｍ以下の条件で高濃度オゾンが得られる。投入電力に関しては、４００Ｗ・ｍｉｎ／ＮＬ以上であると、発熱量が大きくなるため、これより小さな値であることが好ましい。電極間ギャップ（間隔）が狭い程、投入電力／ガス流量に対しての発生するオゾン濃度が高くなるが、装置の設計上、電極間ギャップ（間隔）の最小値は０．０５ｍｍである。
【００２６】
（実施例２）
実施例１において、電極間ギャップ（間隔）を狭くすることにより高濃度オゾンが得られることが判明したため、電極間ギャップ（間隔）を０．１ｍｍとして、パルス幅を変化させた場合の単位時間当りのオゾン発生量を確認した。
オゾン発生装置のうち、オゾン発生部構造としては、放電ギャップ（間隔）を調整するためのスペーサー２枚として厚さ０．１ｍｍのものを１種類（寸法：１０×５０×０．１ｍｍ）用いたこと以外は、実施例１と同一とした。また、用いた原料ガスの純度、ガス流量、ガス圧力も実施例１と同じとした。
【００２７】
放電用電源としては、実施例１と同様にして、図２に示すような誘導蓄積型パルス電源を用いたが、パルストランス１次側インダクタンスを調整して、パルス幅を１μｓｅｃ及び１０μｓｅｃとした。また、図５に回路構成を示すクロージング回路方式のパルス電源を用いて、パルス幅５０μｓｅｃ及び１００μｓｅｃの条件についてもオゾン発生量の測定を行った。図５のクロージング回路方式パルス電源のスイッチング素子としては、ＩＧＢＴ素子２１を用いた。
【００２８】
パルス幅は、約１μｓｅｃ、１０μｓｅｃ、５０μｓｅｃ、１００μｓｅｃのものを使用した。パルス周波数は最大３０ｋＨｚとした。
また、投入電力は最大３００Ｗ（１パルスエネルギー：１０ｍＪ×３０ｋＨｚ）であり、パルス電圧は８ｋＶとした。
【００２９】
図６に、投入電力が３００Ｗ時における「パルス幅に対するオゾン発生量」の結果を示す。この結果から、パルス幅が短い条件でオゾン発生量が多くなることが判明した。特に、パルス幅１０μｓｅｃ以下の条件で高オゾン発生量が得られる。パルス幅が小さい程オゾン発生量が大きくなり好ましいが、回路の設計上、パルス幅の下限としては、およそ０．０５μｓｅｃである。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明のオゾン発生装置は、オゾン発生効率（電力効率）が良く、冷却水を低減させることができ、電源の構成が簡単で安定動作が可能であるから、産業上の利用価値が大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るオゾン発生装置の一実施例（実施例１）の構成を示す模式的説明図である。
【図２】実施例１に用いたパルス電源の構成を示す回路図である。
【図３】実施例１におけるパルス波形を示すグラフである。
【図４】実施例１におけるオゾン濃度と（投入電力／ガス流量）の関係を示すグラフである。
【図５】実施例２に用いたクロージング方式パルス電源の構成を示す回路図である。
【図６】実施例２のオゾン発生装置におけるパルス幅とオゾン発生量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１：パルス電源、２，２’：一対の金属電極、３，３’：誘電体、４，４’：絶縁板、５，５’：水冷ヒートシンク、６：原料ガス、７：オゾン化されたガス、８：パルストランス、９：ＳＩサイリスタ、１０：ＦＥＴ、１１：負荷、１２、：高電圧、１３：ＤＣ電源、１４：アノード、１５：カソード、１６：ゲート、１７：ダイオード、１８：コンデンサ、１９：負荷、２０：コンデンサ、２１：ＩＧＢＴ、２２：高圧電源。
【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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