(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向する電極を有していてストリーマ放電によってオゾンを発生するオゾン発生器と、このオゾン発生器に酸素を含む原料ガスを供給する原料ガス源と、前記オゾン発生器の電極間にパルス電圧を印加するパルス電源とを備えるオゾン発生装置において、オゾン発生時に、前記オゾン発生器の電極間の原料ガス圧を絶対圧で２気圧以上にすることを特徴とするオゾン発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば液体等の物質の殺菌、酸化、脱色、脱臭等に用いられる、パルスストリーマコロナ放電方式のオゾン発生装置におけるオゾン発生方法に関し、より具体的には、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電を抑制してオゾン生成効率を高くする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パルスストリーマコロナ放電方式のオゾン発生装置では、著しい不平等電界を発生できる相対向した電極を備えたオゾン発生器に、酸素を含む原料ガスを導入し、対向電極間に高速立ち上がりの高電圧のパルス電圧を印加することによって、酸素を含む原料ガス中にストリーマ放電（詳しくは、ストリーマコロナ放電。以下同じ）を発生させ、このストリーマ放電による放電プラズマ中で生成される酸素原子ラジカルからオゾンが生成される。
【０００３】
このようなオゾン発生装置の一例を図１に示す。このオゾン発生装置は、円筒電極４の中心軸上にワイヤ電極６を配置した同軸円筒放電管状のオゾン発生器２を有しており、このオゾン発生器２の一端側から、酸素を含む原料ガス１４を原料ガス源１２から供給すると共に、内外の電極４、６間にパルス電源１８からパルス電圧ＶP を印加する構成をしている。これによって、ワイヤ電極６から円筒電極４に向けてストリーマ放電１０が進展して放電プラズマが生成され、それによってオゾンが生成され、オゾン発生器２の他端側からオゾン含有ガス１６が取り出される。
【０００４】
なお、これと同様の原理に基づくオゾン発生装置の一例が特公平３−６４４４３号公報に開示されている。
【０００５】
この種のオゾン発生装置においては、一般的に、放電プラズマ中の換算電界強度Ｅ／Ｎ（Ｅは電界、Ｎはガス粒子密度）が高いほど、オゾン生成に好適となる。高速立ち上がりのパルス電圧ＶP を印加すると、電極４、６間に強力なストリーマ放電が形成される。ストリーマ放電では空間電荷密度が著しく偏在した形態となり、その空間電荷による空間電界によって著しく強い換算電界が局所的に形成され、これが電極４、６間を進展する。このように著しく強い換算電界強度を持ったストリーマ放電を利用することによって、オゾンを高効率に生成することができるというのが、パルスストリーマコロナ放電方式のオゾン発生装置の特徴である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ストリーマ放電は急峻な電圧変化の部分に発生するので、パルスストリーマコロナ放電方式のオゾン発生装置では、一般的に、ストリーマ放電は印加パルス電圧ＶP の立上り部分にのみ形成される。その持続時間は高々数十ｎｓである。印加パルス電圧ＶP のパルス幅がストリーマ放電の持続時間よりも長いと、ストリーマ放電に後続して過渡グロー放電が形成される。対向電極４、６間に印加されるパルス電圧ＶP によって電極４、６間に生じた著しい不平等電界は、先行ストリーマ放電による空間電荷の再配置によって緩和されるため、過渡グロー放電プラズマにおける換算電界強度Ｅ／Ｎは低い。このため、過渡グロー放電におけるオゾン生成効率はストリーマ放電における場合よりも低く、過渡グロー放電が十分に抑制できないとオゾン生成効率が低下する。
【０００７】
従来のオゾン発生装置においてオゾン発生器２の電極４、６間に導入される原料ガス１４のガス圧（絶対圧。以下同じ）はほぼ１気圧（大気圧）であるが、この圧力条件下で観測される放電電流ＩP のパルス幅は、短くても約１５０ｎｓ程度もあり、上記のストリーマ持続時間（数十ｎｓ）よりも遙かに長い。つまり従来は、過渡グロー放電による電力投入が抑制できておらず、このためオゾン生成効率が良くなかった。
【０００８】
印加パルス電圧ＶP のパルス幅をストリーマ放電の持続時間程度以下に抑制できれば過渡グロー放電は抑制できるけれども、実用的な装置において印加パルス電圧ＶP のパルス幅を数十ｎｓ程度以下にすることは困難である。これは、オゾン発生器２は等価回路的にはＣＲの並列回路と見ることができ（Ｃは電極４、６間の静電容量、Ｒは放電による抵抗）、しかもこのＣおよびＲがかなり大きくて時定数がかなり大きく、このようなＣＲ並列回路がパルス電源１８に並列に接続された形になっているので、パルス電源１８からいくら短パルスのパルス電圧ＶP を印加しようとしても、このＣＲ並列回路の時定数で決まる時間以下にパルス幅を短くすることは困難だからである。また、仮に、電極４、６間に抵抗器を並列接続して回路全体の合成抵抗値を無理に小さくしようとしても、上記抵抗器で電力損失が発生するので、オゾン生成効率を上げることはできない。
【０００９】
そこでこの発明は、ことさら印加パルス電圧のパルス幅を短縮化しなくても、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電を抑制して、オゾン生成効率を向上させることのできるオゾン発生方法を提供することを主たる目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明のオゾン発生方法は、オゾン発生時に、前記オゾン発生器の電極間の原料ガス圧を絶対圧で２気圧以上にすることを特徴としている。
【００１１】
発明者達は、オゾン発生器の電極間の原料ガス圧を高圧力化する、具体的には２気圧以上にすることによって、ことさら印加パルス電圧のパルス幅を短縮化しなくても、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電を抑制できることを実験的に見い出した。この方法によって、オゾン生成効率を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に示した構成のオゾン発生装置において、直径（内径）４０ｍｍ、長さ１ｍの円筒電極４と直径０．４ｍｍのワイヤ電極６とから成る同軸円筒放電管状のオゾン発生器２を用いて、このオゾン発生器２にパルス電源１８から図２Ａに示すような約１５０ｎｓのパルス幅のパルス電圧ＶP を印加した。パルス電圧ＶP の極性は正負どちらでも良いが、通常はワイヤ電極６が正となる正パルス電圧である。この場合のオゾン発生器２内の、即ち電極４、６間の原料ガス１４のガス圧を１．２気圧から２．５気圧まで変化させたときの放電電流ＩP の観測波形を図２Ｂに示す。ストリーマ放電域は、前述したように高々数十ｎｓであり（図２Ｂでは約５０ｎｓで図示）、それ以降が過渡グロー放電域である。
【００１３】
この図２Ｂから分かるように、パルス電圧ＶP の立ち上がり部分に生じるストリーマ放電による電流成分は原料ガス圧を変えても殆ど変わらないけれども、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電による電流成分は、原料ガス圧の上昇に伴い抑制されている。特に、原料ガス圧を２気圧以上にすることによって、過渡グロー放電電流成分が効果的に抑制されることが分かる。
【００１４】
電極４、６間の原料ガス圧を上記のように高めた場合のオゾン生成効率の実測例を図３に示す。使用した原料ガスは、露点−６０度以下の乾燥空気である。使用したオゾン発生器２および印加パルス電圧ＶP のパルス幅は、図２の例の場合と同じである。同じ原料ガス圧で複数のデータ点が存在するのは、原料ガス流量等のパラメータを変えて測定したからである。
【００１５】
この図３から分かるように、原料ガス圧が１．２気圧〜１．７気圧の場合は、オゾン発生器２から出力されるオゾン含有ガス１６中のオゾン濃度を高めるためには多くの投入電力を必要とするのに対して、原料ガス圧が２気圧以上の場合は、投入電力を高めなくてもオゾン含有ガス１６中のオゾン濃度を高めることができる。即ち、原料ガス圧を２気圧以上にすることによって、過渡グロー放電が抑制され、オゾン生成効率が向上していることが分かる。その結果、従来よりも安価にオゾンを製造することができる。
【００１６】
なお、図２Ｂから、電極４、６間の原料ガス圧を高くするほど、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電をより効果的に抑制できることが分かるけれども、３気圧以上のガスを扱う場合は、高圧ガス取締法による認可が必要になるので、この認可を不要にする観点からは、電極４、６間の原料ガス圧は２気圧以上３気圧未満にするのが好ましい。
【００１７】
また、通常の原料ガス源１２の吐出圧力は最高でも７気圧であるので、特殊な原料ガス源１２を用いなくて済む観点からは、電極４、６間の原料ガス圧は２気圧以上７気圧以下にするのが好ましい。
【００１８】
オゾン発生器２は、上記例のような同軸円筒放電管状のもの以外でも良い。例えば、▲１▼角筒電極の中心軸にワイヤ電極を配置した構造のもの、▲２▼２枚の平行平板電極の間に１本以上のワイヤ電極を配置した構造のもの、等でも良く、これらの場合も上記とほぼ同様の結果が得られる。
【００１９】
また、オゾン発生器２は、図４に示す例のように、円筒電極４の中心軸にワイヤ電極６を配置した同軸円筒放電管を、容器８内に複数本並設した構造のものでも良い。そのようにすれば、一度に大量の原料ガス１４の処理が可能であり、オゾン製造能力が向上する。この場合の各円筒電極４は支持板９によって容器８ひいてはパルス電源１８に電気的に接続されている。各ワイヤ電極６は、図示例のように互いに並列接続しても良いし、直列接続しても良い。
【００２０】
パルスストリーマコロナ放電方式のオゾン発生装置では、通常は、オゾン生成効率の観点から、原料ガス１４として低露点の乾燥空気または酸素ガスが使用される。低露点の乾燥空気や酸素ガスの供給源は、産業用途としては膜式の精製装置や液化タンクが使用されるので、その供給源からの原料ガス１４の吐出圧力は３気圧以上ある。従って、オゾン含有ガス１６を供給する負荷２２の実効的圧力損失（＝負荷の圧力損失＋負荷の背圧）が２気圧未満の場合は、図５に示す例のようにオゾン発生器２のガス出口側に背圧弁２０を設ければ良い。そのようにすればオゾン発生器２での原料ガス圧を簡単に２気圧以上に調整することができる。一般的用途では、負荷の実効的圧力損失が２気圧以上となることは少ないが、２気圧以上となる場合には、原料ガス源１２の吐出圧力を高めれば良い。また、オゾン発生器２での圧力損失は通常０．１気圧程度以下なので、この場合の原料ガス源１２は、負荷の実効的圧力損失よりも０．１気圧以上高い吐出圧力にすれば良い。
【００２１】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、オゾン発生時にオゾン発生器の電極間の原料ガス圧を２気圧以上にするので、ことさら印加パルス電圧のパルス幅を短縮化しなくても、ストリーマ放電に後続する過渡グロー放電を抑制して、オゾン生成効率を向上させることができる。その結果、従来よりも安価にオゾンを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オゾン発生装置の一例を示す概略図である。
【図２】パルス電圧波形（Ａ）および原料ガス圧を変えた場合の放電電流波形（Ｂ）の観測例を示す図である。
【図３】原料ガス圧を変えた場合のオゾン生成効率の実測例を示す図である。
【図４】オゾン発生器の他の例を示す断面図である。
【図５】オゾン発生装置に負荷を接続した例を示す図である。
【符号の説明】
２  オゾン発生器
４  円筒電極
６  ワイヤ電極
１２  原料ガス源
１４  原料ガス
１６  オゾン含有ガス
１８  パルス電源
【図１】
0003982044.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003982044.tif 000005
【図５】
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