(57)【要約】【課題】  沿面放電型オゾナイザーで１２ｖｏｌ％以上の高濃度オゾンを安定に供給する可能とする。また、６ｖｏｌ％以上オゾンを高効率に発生させることを可能とする。さらに、環境の室温や水温によりオゾン発生量が変動しないオゾン供給を行う。【解決手段】  円筒状アルミナセラミックで内表面で沿面放電を発生させる沿面放電型オゾナイザーにおいて、円筒状のアルミナセラミックのの外表面をヒートポンプで冷却するとともに、冷却温度に見合った沿面放電電力を注入する。【選択図】図４
2012111666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状に形成された純度９０％以上のアルミナセラミックの内表面に線状の放電電極を設け、かつ、その内部または外表面に面状の誘導電極を設けた沿面放電素子に高周波高電圧を印加して沿面放電を発生させることでオゾンを生成する沿面放電型オゾナイザーにおいて、
１．円筒状に形成された純度９０％以上のアルミナセラミックの肉厚を２ｍｍ以下とし
２．沿面放電素子の沿面放電領域にその単位面積当たり４．５〜９ｋＷ／ｍ２の放電電力を注入し
３．円筒状のセラミックの外表面温度を−３５℃以下に保持し
４．露点−５０℃以下の酸素ガスを沿面放電素子の沿面放電領域にその単位面積当たり２０リットル／分／ｍ２以下で供給することで
濃度１２ｖｏｌ％以上のオゾンを生成することを特徴とする沿面放電型オゾナイザー。
【請求項２】
円筒状に形成された純度９０％以上のアルミナセラミックの内表面に線状の放電電極を設け、かつ、その内部または外表面に面状の誘導電極を設けた沿面放電素子に高周波高電圧を印加して沿面放電を発生させることでオゾンを生成する沿面放電型オゾナイザーにおいて、
１．円筒状に形成された純度９０％以上のアルミナセラミックの肉厚を２ｍｍ以下とし
２．沿面放電素子の沿面放電領域にその単位面積当たり１０ｋＷ／ｍ２以下の放電電力を注入し
３．円筒状のセラミックの外表面温度を０℃以下に保持し
４．露点−５０℃以下の酸素ガスを沿面放電領域にその単位面積当たり１００リットル／分／ｍ２以下の供給量で
濃度６ｖｏｌ％以上のオゾンを生成することを特徴とする沿面放電型オゾナイザー。
【請求項３】
肉厚２ｍｍ以下の円筒状に形成された純度９０％以上のアルミナセラミックの内表面に線状の放電電極を設け、かつ、その内部または外表面に面状の誘導電極を設けた沿面放電素子に高周波高電圧を印加して沿面放電を発生させることでオゾンを生成する沿面放電型オゾナイザーにおいて、
アルミナセラミックの内表面に放電電極を覆ってアルミセラミック若しくはガラスでコーティングを施し放電電極の消耗を防止したことを特徴とする請求項１から２に記載の沿面放電型オゾナイザー。
【請求項４】
円筒状に形成されたアルミナセラミックの外表面に熱接触させたプレートに設けられた流路に冷媒液を供給し、その蒸発潜熱によりプレートを冷却されることを特徴とする請求項１から３に記載の沿面放電型オゾナイザー。
【請求項５】
供給する露点−５０℃以下の酸素ガスを冷媒液の蒸発潜熱で予め冷却してオゾナイザーに供給することを特徴とする請求項１から４に記載の沿面放電型オゾナイザー。
【請求項６】
該冷媒液がヒートポンプ回路を循環することを特徴とする請求項１から５に記載の沿面放電型オゾナイザー。
【請求項７】
円筒状に形成されたセラミックの外表面温度を検出し、その流路に供給する冷媒液の流量を制御することを特徴とする請求項１から６に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投入する放電電力と冷却温度を制御することで超高濃度オゾン（１２ｖｏｌ％以上）を発生させたり、効率よくオゾン発生量を大きくすることができる円筒状の沿面放電型オゾナイザーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
円筒状の沿面放電型オゾナイザーは、従来、水冷または空冷することで冷却していた。例えば、特許文献１の図１のように円筒状の沿面放電型オゾン発生素子の周りに缶体を形成し、この沿面放電型オゾン発生素子と缶体の空間に冷却水を供給して水冷していた。
【０００３】
または、特許文献２の第１図や第５図のように、円筒状の沿面放電型オゾナイザーの周りに刷毛状フィンや細板状フィンを取り付けファンで空気を送風することで冷却していた。
【０００４】
一般にオゾナイザーは冷却温度を低くするほど発生オゾン濃度ならびにオゾン発生量はよく知られている。
【０００５】
しかしながら、円筒状の沿面放電型オゾナイザーは円筒状アルミナセラミックの外表面から冷却されており、実際に沿面放電が発生し、オゾンが生成される円筒状アルミナセラミックの内表面の温度は、放電で消費される電力（投入電力）の影響を大きく受ける。
【０００６】
投入電力の８０％以上は熱となって円筒状アルミナセラミック内面およびその近傍のガス温度を上昇させる。その結果、投入電力を大きくしすぎると、生成されたオゾンは熱分解されてしまい、折角生成した高濃度オゾンもその濃度が低下してしまう。
【０００７】
もしくは、ガス温度上昇によるオゾン分解のみならず、沿面放電によるオゾンの直接分解反応も進むため、投入電力を大きくしてもオゾン発生量は投入電力に応じて増加せず、オゾン発生効率が低下してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６２−１６２６０４号公報
【０００９】
【特許文献２】特開昭６０−６０９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
半導体生成プロセスのシリコン酸化膜の作製などにおいて、高濃度オゾン、特に１２ｖｏｌ％以上の高濃度オゾンが求められている。
【００１１】
円筒状の沿面放電型オゾナイザーで高濃度オゾン、特に１２ｖｏｌ％以上の高濃度オゾンを生成する場合、沿面放電領域の冷却と投入電力、さらには、酸素ガス供給量のバランスが重要であり、冷却能力の不足、投入電力の過不足、酸素ガス供給量の過剰があった場合には目的とする高濃度オゾンを発生させることができない。
【００１２】
そこで、円筒状の沿面放電型オゾナイザーの構造を熱伝導が良好とすると共に一定以下の冷却温度を保持するための冷却システムを用いることで、投入電力量と酸素ガス供給量の最適化を図り、１２ｖｏｌ％以上の高濃度オゾンを安定に得ることを目的としている。
【００１３】
一方、水処理などでは高濃度のオゾン発生と同時にオゾナイザーのオゾン発生効率が高いことが求められており、冷却にかかる電力を含めた全消費電力の低減を計ることを目的としている。
【００１４】
さらに、環境の室温（風冷の場合）や冷却水の温度（水冷の場合）によりオゾン発生量が変化しないで安定なオゾン供給を行うことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、円筒状に形成された純度９０％以上のアルミナセラミックの内表面に線状の放電電極を設け、かつ、その内部または外表面に面状の誘導電極を設けた沿面放電素子に高周波高電圧を印加して沿面放電を発生させることでオゾンを生成する沿面放電型オゾナイザーにおいて
１．円筒状に形成された純度９０％以上のアルミナセラミックの肉厚を２ｍｍ以下とし
２．沿面放電素子の沿面放電領域にその単位面積当たり４．５〜９ｋＷ／ｍ２の放電電力を注入し
３．円筒状のセラミックの外表面温度を−３５℃以下に保持し
４．露点−５０℃以下の酸素ガスを沿面放電素子の沿面放電領域にその単位面積当たり２０リットル／分／ｍ２以下で供給することで
濃度１２ｖｏｌ％以上のオゾンを生成することを特徴としている。
【００１６】
９０％以上のアルミナセラミックでは熱伝導率は２０Ｗ／ｍＫ程度であるので、アルミナセラミックの肉厚を２ｍｍ以下とすることで沿面放電領域とセラミック外表面間の熱抵抗を単位面積当たり、約１ｘ１０４Ｗ／Ｋ／ｍ２とすることができる。
【００１７】
この場合、沿面放電領域にその単位面積当たり４．５〜９ｋＷ／ｍ２の放電電力を注入したとしても円筒状のアルミナセラミックの内外面の温度差は１℃以下となり、セラミック外表面の温度を−３５℃以下に保持すれば、オゾン生成領域である沿面放電領域の温度もセラミック外表面の温度と大差なく−３５℃程度以下を維持でき、熱によるオゾン分解が顕著となることを防止することができる。
【００１８】
その結果、この円筒型沿面放電素子の沿面放電領域に露点−５０℃以下の酸素ガスをその単位面積当たり２０リットル／分／ｍ２以下で供給すると濃度１２ｖｏｌ％以上のオゾンを得ることができる。
【００１９】
また、円筒状に形成された純度９０％以上のアルミナセラミックの内表面に線状の放電電極を設け、かつ、その内部または外表面に面状の誘導電極を設けた沿面放電素子に高周波高電圧を印加して沿面放電を発生させることでオゾンを生成する沿面放電型オゾナイザーにおいて、
１．円筒状に形成された純度９０％以上のアルミナセラミックの肉厚を２ｍｍ以下とし
２．沿面放電素子の沿面放電領域にその単位面積当たり１０ｋＷ／ｍ２以下の放電電力を注入し
３．円筒状のセラミックの外表面温度を０℃以下に保持し
４．露点−５０℃以下の酸素ガスを沿面放電領域にその単位面積当たり１００リットル／分／ｍ２以下の供給量で
濃度６ｖｏｌ％以上のオゾンを生成することを特徴としている。
【００２０】
この場合も同様に、沿面放電領域にその単位面積当たり１０ｋＷ／ｍ２以下の放電電力を注入したとしても円筒状のアルミナセラミックの内外面の温度差は１℃以下となり、セラミック外表面の温度を０℃以下に保持すれば、オゾン生成領域である沿面放電領域の温度もセラミック外表面の温度と大差なく０℃程度以下を維持できる。
【００２１】
さらに、沿面放電領域にその単位面積当たり１０ｋＷ／ｍ２以下の放電電力を注入した場合、沿面放電によるオゾンの直接的な分解反応が生成反応に比べて顕著とはならないため、オゾン発生効率の低下を防止できる。
【００２２】
その結果、この円筒型沿面放電素子の沿面放電領域に露点−５０℃以下の酸素ガスをその単位面積当たり１００リットル／分／ｍ２以下で供給すると濃度６ｖｏｌ％以上のオゾンを得ることができる。
【００２３】
いずれの場合も、円筒型沿面放電素子の放電電極がむき出しならば、沿面放電のスパッタリングにより放電電極が摩耗してしまうので、アルミナセラミックやガラスで放電電極をコーティングするとよい。
【００２４】
ただし、この場合、コーティングの膜厚は１０〜５０μｍと薄くして、コーティングによる熱抵抗が円筒状のアルミナセラミック肉厚自体の熱抵抗より十分小さな値としておく必要がある。
【００２５】
円筒状のアルミナセラミックの外表面温度を−３５℃以下もしくは０℃以下に保つ方法として、アルミナセラミックの外表面に、例えば、シリコン製熱伝導シートを挟んで熱接触させたプレートに設けられた流路に冷媒液を供給し、その蒸発潜熱によりプレートが冷却されると同時にアルミナセラミックの外表面からプレートへ熱を吸熱することができる。
【００２６】
さらに、室温で供給される露点−５０℃以下の酸素を前記プレートを冷却する冷媒液の蒸発潜熱で予め冷却して円筒型アルミナセラミックの外表面温度に近い温度で供給することにより、酸素の冷却を円筒状の沿面放電型オゾナイザー自体で冷却する場合に比べて、酸素ガスが沿面放電に曝された直後から冷却された状態であるため生成されたオゾンの分解反応がおきにくい。
【００２７】
前記プレートを冷却する冷媒液として、例えば、Ｒ４０４Ａを用い、これをヒートポンプ回路で循環させると容易に円筒状のアルミナセラミックの外表面温度を−３５℃に維持することが可能である。
【００２８】
また、例えば、Ｒ１３４ａを用い、これをヒートポンプ回路で循環させると容易に円筒状のアルミナセラミックの外表面温度を０℃以下に維持することが可能である。
【００２９】
ヒートポンプ回路を用いれば、円筒状のアルミナセラミックの外表面温度を計測しながら冷媒液の流量をコントロールすることが可能で、経済的なヒートポンプ回路の運転が可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明による沿面放電型オゾナイザーを、円筒状のセラミックの外表面温度に見合った沿面放電の放電電力で駆動し、さらに、それに見合った酸素ガスを供給することで、濃度１２ｖｏｌ％以上の高濃度オゾンを安定に生成することができる。
【００３１】
また、本発明による沿面放電型オゾナイザーを、円筒状のセラミックの外表面温度に見合った沿面放電の放電電力で駆動し、さらに、それに見合った酸素ガスを供給することで、冷却にかかる電力を含めてオゾン生成効率の良いオゾナイザーとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は円筒状の沿面放電型オゾナイザーの構造の例をを示すものである。
【図２】図２は円筒状の沿面放電型オゾナイザーの内面の展開図の例である。
【図３】図３は円筒状に形成されたアルミナセラミックの外表面に熱接触させたプレートの構造の例である。
【図４】図４は円筒状に形成されたアルミナセラミックの外表面に熱接触させたプレートをヒートポンプ回路で冷却する回路例である。
【図５】図５は放電投入電力とオゾン濃度の関係を示すグラフである（実施例１）。
【図６】図６は酸素流量とオゾン濃度の関係を示すグラフである（実施例２）。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１に示すように純度９０％以上の円筒型アルミナセラミック２の内表面７に線状の放電電極８を設け、その内部に面状の誘導電極６を設けけ、さらに、内表面７に１０〜５０μｍのコーティング（アルミナ又はガラス）９を形成した沿面放電型オゾナイザーにおいて、放電電極ターミナル３と誘導電極ターミナル１を介して図示されていない高周波高電圧電源を接続することで両電極間に高周波高電圧を印加させれ沿面放電を発生させる。
【００３４】
この時、図２に示した内面の展開図において、沿面放電領域（ハッチング部分）２１で沿面放電が発生する。
【００３５】
この沿面放電領域でオゾンが生成されると同時に沿面放電で発生する熱も生じため、円筒型アルミナセラミック２を介して外表面から冷却を行う必要がある。
【００３６】
冷却を行うために、図３に示すように円筒型アルミナセラミック２の外表面に熱伝導シリコン４０を介して銅製の円筒形に形成した熱接触プレート３４を取り付ける。
【００３７】
この場合、図示していないが、これら全体を断熱材で覆うか、若しくは真空断熱容器内に保持して、室温から断熱する必要がある。
【００３８】
この熱接触プレート３４には冷媒液が流れる冷媒液流路３５が取り付けてあり、この流路で冷媒液は熱接触プレート３４からの熱で蒸発し、蒸発潜熱を放出することで熱接触プレート３４が冷却される。
【００３９】
熱接触プレート３４は熱伝導シリコン４０と円筒型アルミナセラミック２、さらに、コーティング９を介して沿面放電領域２１を冷却する。
【００４０】
冷媒液は図４に示すヒートポンプ回路を液体と気体の相変化を伴いながら循環する。
【００４１】
図４のヒートポンプ回路は一般的なもので、冷媒が圧縮機６１、凝縮器５２、膨張弁５６を通過して熱接触プレートを具備した沿面放電オゾナイザーを蒸発器５３で蒸発して冷却を行うものである。
【００４２】
図４では省略されているが、必要に応じてアキュムレータを冷媒回路内に設けるとよい。
【００４３】
また、沿面放電型オゾナイザーに供給する酸素を冷却するために、熱交換器５６を本冷媒回路内の蒸発器として追加するとよい。
【００４４】
冷却された酸素ガスを酸素ガス入口３２から導入すると沿面放電領域２１を通過しつつオゾンガスに変化され、酸素ガス入口の反対側のガス管３６の右端からオゾンガス出口３２を通ってオゾンガスが取り出される。
【００４５】
なお、この場合酸素ガス入口を３１とし、オゾンガス出口を３２としてもよい。
【００４６】
また、円筒型アルミナセラミック２の外表面に熱電対や測温抵抗体などの温度センサーを熱接触良好に取り付け、その温度信号５９を制御器５５に伝送し、設定温度に保持するように圧縮機６１のモータ駆動周波数を制御するインバータ制御信号４４や膨張弁５６の開度を変えるための膨張弁開度信号４８を制御器５５で生成のうえ送信することもできる。
【実施例１】
【００４７】
冷媒液としてＲ４０４Ａを用い、厚さ２ｍｍの円筒状のアルミナセラミックの外表面温度を−３５℃以下に保つように図４のヒートポンプ回路を運転した。
【００４８】
また、図２に示す線状の放電電極の間隔を５ｍｍとし沿面放電領域を０．０５ｍ２の沿面放電型オゾナイザーを製作し、沿面放電電力として３．５〜１０．７ｋＷ／ｍ２を供給し、さらに、露点−５０℃以下の酸素ガス（純度９９．５％以上）を１リットル／分で酸素ガス入口３２から供給したところ、図５に示すように沿面放電電力と得られたオゾン濃度の関係が得られた。
【００４９】
この場合、１２ｖｏｌ％以上のオゾン濃度が得られたのは４．５〜９ｋＷ／ｍ２の投入電力で沿面放電を行った場合であった。
【００５０】
すなわち、沿面放電素子の沿面放電領域にその単位面積当たり４．５〜９ｋＷ／ｍ２の放電電力を注入し、円筒状のセラミックの外表面温度を−３５℃以下に保持し、露点−５０℃以下の酸素ガスを沿面放電素子の沿面放電領域にその単位面積当たり２０リットル／分／ｍ２以下で供給することで、濃度１２ｖｏｌ％以上のオゾンを生成することができた。
【実施例２】
【００５１】
冷媒液としてＲ１３４ａを用い、厚さ２ｍｍの円筒状のアルミナセラミックの外表面温度を０℃以下に保つように図４のヒートポンプ回路を運転した。
【００５２】
また、図２に示す線状の放電電極の間隔を５ｍｍとし沿面放電領域を０．０５ｍ２の沿面放電型オゾナイザーを製作し、沿面放電電力として１０ｋＷ／ｍ２を供給し、さらに、露点−５０℃以下の酸素ガス（純度９９．５％以上）を１〜１０リットル／分で酸素ガス入口３２から供給したところ、図６に示すように酸素ガス供給量と得られたオゾン濃度の関係が得られた。
【００５３】
この場合、６ｖｏｌ％以上のオゾン濃度が得られたのは酸素ガス供給量５リットル／分以下の酸素で駆動した場合であった。
【００５４】
すなわち、沿面放電素子の沿面放電領域にその単位面積当たり５ｋＷ／ｍ２の放電電力を注入し、円筒状のセラミックの外表面温度を０℃以下に保持し、露点−５０℃以下の酸素ガスを沿面放電素子の沿面放電領域にその単位面積当たり１００リットル／分／ｍ２以下で供給することで、濃度６ｖｏｌ％以上のオゾンを生成することができた。
【００５５】
比較として、図６には同じ構造の円筒状の沿面放電型オゾナイザーで冷却水で水冷した場合のデータを示している。
【００５６】
この場合、冷却水はチラーで５℃に冷却し循環ポンプを用いて冷却した。
【００５７】
水冷の場合、オゾン濃度は２０％以上低下するとともに、冷却システムを含めた消費電力は１５％程度増加した。
【００５８】
このように、ヒートポンプを用いて０℃以下に保つことにオゾン発生効率（単位消費電力当たりのオゾン発生量）は３０％以上良くなった。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
半導体製造プロセスで求められている１２ｖｏｌ％以上の高濃度オゾンも、水処理などで求められている６ｖｏｌ％以上のオゾンを高効率に発生させるオゾナイザーも本発明の円筒型アルミナセラミックで作製した沿面放電型オゾナイザーの外表面をヒートポンプで−３５℃以下または０℃以下に冷却することで可能となり、何れの分野においても直ちに実用化することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１    誘導電極ターミナル
２    円筒型アルミナセラミック
３    放電電極ターミナル
４    円筒型アルミナセラミック外表面
５    誘導電極
６    誘電体（アルミナセラミック）
７    円筒型アルミナセラミック内表面
８    放電電極
９    コーティング（アルミ又はガラス）
２１    沿面放電領域（ハッチング部分））
３１    オゾンガス出口（又は酸素ガス入口）
３２    酸素ガス入口（又はオゾンガス出口）
３３    密閉フランジ
３４    熱接触プレート
３５    冷媒液流路
３６    ガス管
３７    密閉フランジ
３８    冷媒液入口
３９    冷媒ガス出口
４０    熱伝導シリコン
５１    ファン
５２    凝縮器
５３    冷媒配管
５４    インバータ制御信号
５５    制御器
５６    膨張弁
５７    冷媒液の流れ方向
５８    膨張弁開度信号
５９    温度信号
６０    冷媒ガス流れ方向
６１    圧縮機
６２    温度センサー（熱電対、測温抵抗体など）
６３    蒸発器（沿面放電型オゾナイザー）
６４    オゾンガス配管
６５    酸素ガス配管
６６    熱交換器
６７    酸素ガス配管
【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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