(57)【要約】【課題】より高い飽和オゾン濃度でオゾンを効率よく生成することが可能なオゾン発生装置及びオゾン発生方法を提供する。【解決手段】実施形態のオゾン発生装置のオゾン生成手段は、高電位側電極と低電位側電極との間に所定の電圧を印加して放電を行わせ、電極間に供給された酸素ガスを含む原料ガスからオゾンガスを生成する。これと並行して冷却手段は、高電位側電極あるいは記低電側電極の少なくともいずれか一方を０℃以下の温度であって、オゾンガスの沸点より高い温度に冷却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と第２電極との間に所定の電圧を印加して放電を行わせ、前記電極間に供給された酸素ガスを含む原料ガスからオゾンガスを生成するオゾン生成手段と、
前記第１電極あるいは前記低電側電極の少なくともいずれか一方を０℃以下の温度であって、前記オゾンガスの沸点以上の温度に冷却する冷却手段と、
を備えたオゾン発生装置。
【請求項２】
前記冷却手段は、液体酸素を気化させて前記温度とした酸素ガスを前記原料ガスとして前記電極間に供給する、
請求項１記載のオゾン発生装置。
【請求項３】
前記液体酸素を気化させる気化部を備え、
前記放電により発生する熱を、前記気化部に供給する、
請求項１又は請求項２記載のオゾン発生装置。
【請求項４】
冷凍機を有し、
前記第１電極あるいは前記第２電極の少なくともいずれか一方が前記冷凍機の熱交換器とされ、あるいは、前記第１電極あるいは前記第２電極の少なくともいずれか一方が前記冷凍機の熱交換器に熱的に結合されている、
請求項１記載のオゾン発生装置。
【請求項５】
前記オゾン生成手段は、前記第１電極あるいは前記第２電極のうちいずれか一方に接続されたパルス電源を含み、パルス電圧を印加するパルス放電方式の放電手段を備えた、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のオゾン発生装置。
【請求項６】
前記第１電極あるいは前記第２電極のうちいずれか一方がワイヤ電極として形成され、他方が円筒型電極として形成され、
前記ワイヤ電極が前記円筒型電極内に挿入されたパルス・ワイヤ放電方式の放電手段を備えた、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のオゾン発生装置。
【請求項７】
前記パルス電圧の印加時間は、前記第１電極と、前記第２電極との間におけるイオン移動時間よりも短く設定されている、
請求項５又は請求項６記載のオゾン発生装置。
【請求項８】
前記オゾン生成手段は、前記第１電極と、前記第２電極と、の間に設けられた誘電体及び前記前記第１電極あるいは前記第２電極のうちいずれか一方に接続された交流電源を含む誘電体バリア放電方式の放電手段を備えた、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のオゾン発生装置。
【請求項９】
第１電極と第２電極とを備えたオゾン発生装置において実行されるオゾン発生方法であって、
前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加して放電を行わせ、前記電極間に供給された酸素ガスを含む原料ガスからオゾンガスを生成するオゾン生成過程と、
前記第１電極あるいは前記低電側電極の少なくともいずれか一方を０℃以下の温度であって、前記オゾンガスの沸点より高い温度に冷却する冷却過程と、
を備えたオゾン発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、オゾン発生装置及びオゾン発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般のオゾン発生装置においては、円筒状の放電管の内部に設けた一方の電極と、放電管の外側に、一方の電極を囲んで設けられた他方の電極とが一対となって放電電極を構成し、その間にスペーサを挿入することにより微小な放電ギャップ（空間）を形成している。一方の電極は通常、放電管の内面に導電膜として密着配置しており、放電管と導電膜および誘電体電極を構成する。放電管と他方の電極である金属電極であるステンレス管の間の放電ギャップに酸素ガスを含むオゾン原料ガスを流し、両電極間にＡＣ高電圧を印加することにより放電ギャップに誘電体バリア放電が発生する。この誘電体バリア放電によりオゾン化ガスが生成される。誘電体バリア放電は単にバリア放電、あるいは無声放電と呼ばれることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１８２１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のオゾン発生装置では、誘電体バリア放電で発生する熱は、例えば金属電極内に供給される冷却水により冷却される。これにより、放電ギャップのガス温度上昇を抑制し、オゾンの熱分解を抑制できる。この場合において、当然ながら放電部の温度は冷却水の温度までしか冷却できない。冷却水は通常１５〜３０℃付近にあるため、オゾンの熱分解が生じる。そのため、飽和オゾン濃度は３００〜４００ｇ／Ｎｍ３が最大値となる。
ここで、飽和オゾン濃度はオゾンの生成と分解がつりあったオゾンの濃度（値）であり、これ以上、生成するオゾンの濃度を高くすることはできなかった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より高い飽和オゾン濃度でオゾンを効率よく生成することが可能なオゾン発生装置及びオゾン発生方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のオゾン発生装置のオゾン生成手段は、高電位側電極と低電位側電極との間に所定の電圧を印加して放電を行わせ、電極間に供給された酸素ガスを含む原料ガスからオゾンガスを生成する。
これと並行して冷却手段は、高電位側電極あるいは記低電側電極の少なくともいずれか一方を０℃以下の温度であって、オゾンガスの沸点より高い温度に冷却する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１実施形態のオゾン発生装置の概要構成説明である。
【図２】図２は、第１実施形態のオゾン発生装置におけるオゾン濃度とオゾン発生効率の関係を電極温度別に示した図である。
【図３】図３は、第２実施形態のオゾン発生装置の概要構成説明である。
【図４】図４は、第２実施形態のオゾン発生装置におけるオゾン濃度とオゾン発生効率の関係を電極温度別に示した図である。
【図５】図５は、第３実施形態のオゾン発生装置の概要構成説明である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に実施形態について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態のオゾン発生装置の概要構成説明である。
第１実施形態のオゾン発生装置１０は、誘電体バリア放電式のオゾン発生装置として構成されている。
【０００９】
オゾン発生装置１０は、ステンレス製の第１電極（電源側電極）１１と、同じくステンレス製の第２電極（接地側電極）１２と、第２電極１２と対向させて、第１電極１１側に配置された誘電体バリア（誘電体）１３と、を備えている。ここで、誘電体バリア１３は、熱膨張係数の小さい石英ガラスであることが望ましい。また、誘電体バリア１３の第２電極と対向する面には、導電膜１３Ａが形成されている。さらに第１電極１１と第２電極１２との間の放電ギャップ長ｄは、供給される原料ガスのガス圧力（絶対圧）をｐとした場合に、それらの積ｐ・ｄが所望の値（例えば、２０ｋＰａ・ｃｍ）となるように設定されている。
【００１０】
また、オゾン発生装置１０は、冷凍機１４を備えており、第２電極１２が冷凍機１４の熱交換器とされ、あるいは、第２電極１２が冷凍機１４の図示しない熱交換器に熱的に結合されている。
さらに、第１電極１１には、高電圧交流電源１５が接続され、第２電極１２は、接地されている。
【００１１】
上記構成において、高電圧交流電源１５により交流高電圧を第１電極１１と、第２電極１２と、の間に印加すると、誘電体バリア１３と、第２電極１２との間で誘電体バリア放電１６が発生する。
このとき、第１電極１１と第２電極１２との間、より詳細には、誘電体バリア１３と第２電極１２との間には、原料ガスとしての酸素ガス（Ｏ２ガス）が図示しない配管によって供給されており、冷凍機１４は、第２電極１２を、０℃以下の温度であって、オゾン（Ｏ３）の沸点（１気圧の下では、−１１１．９℃）以上の温度に冷却している。
【００１２】
この結果、平衡状態に至ると、誘電体バリア１３と第２電極１２との間に供給される酸素ガス（Ｏ２ガス）の温度は、オゾンの沸点〜０℃となり、比較的低温のガスとなっている。
そして、第２電極１２と誘電体バリア１３の間で発生した誘電体バリア放電１６により、比較的低温の酸素ガス（Ｏ２ガス）からオゾンガス（Ｏ３ガス）が生成され、電極外に排出される。
排出されたオゾンガス（Ｏ３ガス）を回収し、例えば、水中でバブリングすることにより、オゾン水を形成することができる。
【００１３】
図２は、第１実施形態のオゾン発生装置におけるオゾン濃度とオゾン発生効率の関係を電極温度別に示した図である。
図２において、符号Ｌ０は、第２電極１２の温度が０℃の場合、符号Ｌ−５０は、第２電極１２の温度が−５０℃の場合、符号Ｌ−１００は、第２電極１２の温度が−１００℃の場合である。
【００１４】
また、図２において、オゾン発生効率［ｇ／ｋＷｈ］は、オゾン濃度［ｇ／Ｎｍ３］と電力［ｋＷ］とガス流量［Ｎｍ３／ｈ］を計測し、その比を求めることにより算出した。
また、オゾン濃度は、放電部から排出されるオゾン濃度を荏原実業製オゾンモニターを用いて計測して得られた。
【００１５】
図２に示すように、第２電極１２の温度が低いほど、生成されるオゾン濃度は高くなる。各温度のオゾン濃度の最大値が飽和オゾン濃度である。
詳細には、飽和オゾン濃度は、第２電極１２の温度が０℃で３００ｇ／Ｎｍ３、−５０℃で５５０ｇ／Ｎｍ３、−１００℃で９００ｇ／Ｎｍ３となっている。
また、オゾン発生効率も第２電極１２の温度が低いほど高く、０℃で２２５ｇ／ｋＷｈ、−５０℃で２５０ｇ／ｋＷｈ、−１００℃で２６０ｇ／ｋＷｈになる。すなわち、低温にするほど、オゾン発生効率、オゾン濃度ともに高くできることがわかる。
【００１６】
以上の説明においては、第２電極１２が冷凍機１４の熱交換器とされ、あるいは、第２電極１２が冷凍機１４の熱交換器に熱的に結合されているものとして説明したが、第１電極１１あるいは第２電極１２の少なくともいずれか一方が冷凍機１４の熱交換器とされ、あるいは、第１電極１１あるいは第２電極１２の少なくともいずれか一方が冷凍機の熱交換器に熱的に結合されているようにすれば、同様の効果を得ることが可能である。
【００１７】
［２］第２実施形態
図３は、第２実施形態のオゾン発生装置の概要構成説明である。
上記第１実施形態のオゾン発生装置１０は、誘電体バリア放電式のオゾン発生装置として構成されていたが、本第２実施形態のオゾン発生装置２０は、パルス放電式のオゾン発生装置として構成したものである。
図３において、図１と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
【００１８】
本第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、高電圧交流電源１５に代えて、高電圧パルス電源２１を備えている点である。
これにより、第１実施形態と比較して、放電中のイオン損失が低減でき、より高効率でオゾンを発生することができる。
【００１９】
この場合において、パルス電圧の印加時間を、第１電極１１と第２電極１２との間のイオンの移動にかかる時間（１０マイクロ秒程度）より短くすることによってイオンの伝導損失を低減し、オゾン発生効率も４００ｇ／ｋＷｈという高効率を得ることができる。
【００２０】
ところで、単に電源をパルス電源にしただけでは、オゾン濃度の上昇とともにオゾン発生効率は低下してしまう。たとえば、倉本らの論文“ｎｓパルス放電を用いたオゾン生成”電気学会放電研究会資料ＥＤ−８−９４（２００８年）Ｐ５１−５６の図１４（ｂ）に示されているように、酸素原料からのオゾン生成ではオゾン濃度が数ｇ／Ｎｍ３では５００ｇ／ｋＷｈという高い効率が得られているが、３０ｇ／Ｎｍ３では効率は半分程度に下がってしまう。
【００２１】
これに対し、本第２実施形態によれば、冷凍機１４を使って第２電極１２を低温にすることで効率の低下を抑制できる。
【００２２】
図４は、第２実施形態のオゾン発生装置におけるオゾン濃度とオゾン発生効率の関係を電極温度別に示した図である。
図４において、符号Ｌ０Ａは、第２電極１２の温度が０℃の場合、符号Ｌ−５０Ａは、第２電極１２の温度が−５０℃の場合、符号Ｌ−１００Ａは、第２電極１２の温度が−１００℃の場合である。
【００２３】
図４に示すように、電極の温度が低いほど、生成されるオゾン濃度が高くなるのは、図２の高電圧交流電源１５を用いる場合と同様である。
各温度における最大オゾン発生効率は０℃で３５０ｇ／ｋＷｈ、−５０℃で３７５ｇ／ｋＷｈ、−１００℃で４００ｇ／ｋＷｈになる。低温にするほど、オゾン発生効率、オゾン濃度ともに高くできることがわかる。また、オゾン濃度の上昇によるオゾン発生効率の低下は小さく、オゾン発生効率が半分に落ちるオゾン濃度は０℃で２４０ｇ／Ｎｍ３、−５０℃で５００ｇ／Ｎｍ３、−１００℃で８６０ｇ／Ｎｍ３になる。
【００２４】
本第２実施形態によれば、パルス放電式のオゾン発生装置２０においても、冷凍機１４を使って低温にすることで効率の低下を抑えられ、高効率かつ高濃度が得られることがわかる。
【００２５】
以上の説明においては、第２電極１２が冷凍機１４の熱交換器とされ、あるいは、第２電極１２が冷凍機１４の熱交換器に熱的に結合されているものとして説明したが、第１電極１１あるいは第２電極１２の少なくともいずれか一方が冷凍機１４の熱交換器とされ、あるいは、第１電極１１あるいは第２電極１２の少なくともいずれか一方が冷凍機の熱交換器に熱的に結合されているようにすれば、同様の効果を得ることが可能である。
【００２６】
［３］第３実施形態
図５は、第３実施形態のオゾン発生装置の概要構成説明である。
本第３実施形態のオゾン発生装置２０は、パルス・ワイヤ放電式のオゾン発生装置として構成するとともに、液体酸素を気化させて前記温度とした酸素ガスを前記原料ガスとして前記電極間に供給して、電極を０℃以下の温度であって、オゾンの沸点以上の温度に冷却する場合のものである。
【００２７】
オゾン発生装置３０は、ステンレス製の円筒型電極である第１電極３１と、この第１電極３１の内部に、第１電極３１の長手方向に平行に挿入されたワイヤ電極として構成された第２電極３２と、この第２電極３２に接続された高電圧パルスを印加する高電圧パルス電源３３と、液体酸素（ＬＯＸ）３４を収容し、徐々に気化（蒸発）させて酸素ガスとし、原料ガスとして供給するための蒸発器３５と、蒸発器３５から第１電極３１の内部に酸素ガスを供給するための図示しない配管とを備えている。
【００２８】
この場合において、第１電極３１よりも一回り大きく、第１電極３１を収納した状態で配置可能な円筒型の伝熱管と、この伝熱管から蒸発器３５内にひきこまれて気化（蒸発）に要する熱を伝える電熱線と、を備えた伝熱部材を設けるようにすることも可能である。
【００２９】
上記構成において、高電圧パルス電源３３と第２電極３２との間にパルス高電圧が印加されると、第１電極３１内部にパルス放電が発生する。
蒸発器３５には、例えば、−１８２．９６℃の液体酸素（ＬＯＸ）３４が収容されている。液体酸素（ＬＯＸ）３４を蒸発器３５により蒸発させて、酸素ガスを得ることができる。気化した酸素は−１１１．９℃〜０℃の低温の酸素ガス（図５の例では、−１００℃）となり、図示しない配管により第１電極３１内に供給される。この場合において、供給される酸素ガスの温度を制御したい場合等には、図示しない配管途中にヒータ及び温度センサなどを設けて、所望の温度となるように加熱しても良い。
【００３０】
これに伴い、第１電極３１と、第２電極３２との間でパルス放電が生じ、低温の酸素ガスはオゾンを生成し、第１電極３１外部に排出される。
ここで、伝熱部材が設けられている場合には、第１電極３１内部に発生した熱エネルギーを伝熱管から蒸発器３５に供給することとなり、この熱エネルギーは液体酸素３４を蒸発させるために利用することができる。
【００３１】
生成されたオゾンガスは、例えば水とバブリングすることにより、オゾン水を形成し得る。
実施形態にかかるオゾン発生装置を用いて形成されたオゾンあるいはオゾン水は、例えば水処理技術などに適用し、処理されるべき水の脱臭、脱色、及び殺菌等に使用することができる。
【００３２】
以上の説明においては、円筒型電極である第１電極３１は、ステンレス製としていたが、誘電体である円筒ガラスの内面に、アルミ、ニッケル等のメッキを施したり、アルミ、ニッケル、ステンレス等の導体をスパッタリングにより薄膜状に形成するようにすることも可能である。これにより、耐食性に優れた第１電極を構成でき、安定した濃度でオゾンを高効率に生成することが可能となる。
【００３３】
［４］実施形態の変形例
以上の第１実施形態及び第２実施形態においては、単純にオゾン発生装置外部から原料ガスである酸素ガスを供給する構成を採っていたが、第３実施形態と同様に蒸発器を設け、液体酸素を気化させて得られる酸素ガスを原料ガスとして供給するようにすることも可能である。
また、第３実施形態の液体酸素で冷却した外部から導入した酸素ガスを供給するように構成することも可能である。
【００３４】
［５］実施形態の効果
これらの実施形態によれば、液体酸素を蒸発させて気化させた酸素ガスを原料として、放電によりオゾンを生成するオゾン発生装置において気化した酸素の温度を低温（０℃以下の温度であって、オゾンの沸点以上の温度：例えば、−１１１．９℃から０℃の温度）にすることによってオゾンの熱分解を抑制し、高効率かつ高濃度オゾンの発生できる。
【００３５】
そして生成されたオゾンガスあるいはこのオゾンガス水とバブリングすることにより得られるオゾン水は、例えば水処理技術などに適用し、処理されるべき水の脱臭、脱色、及び殺菌等に使用することで、より効率的にこれらの処理を行うことができる。
【００３６】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３７】
１０    オゾン発生装置
１１    第１電極（オゾン生成手段）
１２    第２電極（オゾン生成手段）
１３    誘電体バリア（誘電体）
１３Ａ  導電膜
１４    冷凍機（冷却手段）
１５    高電圧交流電源（オゾン生成手段）
１６    誘電体バリア放電
２０    オゾン発生装置
２１    高電圧パルス電源
３０    オゾン発生装置
３１    第１電極
３２    第２電極（ワイヤ電極）
３３    高電圧パルス電源
３４    液体酸素（冷却手段）
３５    蒸発器（冷却手段）
【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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