(57)【要約】【課題】放電特性を制御することでオゾン発生器のオゾン発生効率を向上することができるオゾン発生器用電源を提供する。【解決手段】金属電極と誘電体電極からなる電極３１に高電圧を印加して、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電により、オゾンを発生させるオゾン発生器用電源１において、交流電流を直流電流に整流する整流器３と、前記整流器３で整流された直流電流を、交流電流に変換するインバータ部４と、前記インバータ部４で変換された交流電圧を昇圧して、前記電極３１に交流電力を投入するトランス６と、から構成され、前記インバータ部４が、前記金属電極の正負時において前記トランス６から前記電極３１へ投入される電力量が可変である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属電極と誘電体電極からなる電極に高電圧を印加して、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電により、オゾンを発生させるオゾン発生器用電源において、
交流電流を直流電流に整流する整流器と、
前記整流器で整流された直流電流を、交流電流に変換するインバータ部と、
前記インバータ部で変換された交流電圧を昇圧して、前記電極に交流電力を投入するトランスと、から構成され、
前記インバータ部が、前記金属電極の正負時において前記トランスから前記電極へ投入される電力量を可変することを特徴とするオゾン発生器用電源。
【請求項２】
前記インバータ部が、
半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子をオン／オフ制御する制御部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生器用電源。
【請求項３】
前記半導体スイッチング素子が、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項２に記載のオゾン発生器用電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オゾンの発生効率を高めることができるオゾン発生器用電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
上水道のオゾン処理は広く行われるようになり、下水処理水においても高度処理の要望がたかまっている。オゾン処理において、オゾンはエネルギー多消費型の原材料物質であり、１ｋｇのオゾンを製造するために１３ｋＷｈもの電力を要している。このような製造コストの高さがオゾン処理の普及を阻害している。
オゾン発生器の原理としては、空気または酸素ガス中での電気放電および紫外線ランプを用いたものが大部分を占め、大規模・低コスト化が図れるのは電気放電を用いた方式である。電気放電式では放電の制御方法が各種考案され、数々のオゾン発生器用電源が製造されてきた。このオゾン発生器用電源の中でも、回路損が少なく、効率よく高周波・高電圧が得られる方法として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いたフリップ・フロップ回路ならびにゲート開時間の制御等による電源が開発されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平６−２１９７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、これまでＩＧＢＴを用いたオゾン発生器用電源においては金属電極と誘電体電極の差に着目して制御されてこなかった。すなわち、従来からあるＩＧＢＴを具備したインバータは正負方向とも同じ電力を投入するように構成されており、ＩＧＢＴのゲート制御によりオゾン発生器に適した電源供給を行うような構成のオゾン発生器用電源は開発されていない。
【０００４】
また、電極表面でオゾンが生成される場合のオゾン生成効率を向上させる要素ならびに生成メカニズムをさらに特定していく必要がある。そこで、電極の放電部分のメカニズムを考慮した場合、オゾンは電気放電により、酸素分子を酸素原子に解離させ、この酸素原子と酸素分子の合体により生成される。具体的には酸素分子の電離の衝突断面積エネルギー分布は高く、解離の衝突断面積のエネルギー分布が低いところにあるため、高速のエネルギーの高い電子は、酸素分子との衝突で電離を繰り返し、電子を増幅（電子なだれという。）させ、その後、解離により酸素原子を生成する。
上述したように電気放電により高速電子を発生させ酸素分子と衝突させ酸素原子を得る技術において、従来から高周波・高電圧の交流を用いたオゾン発生器用電源を使用しているため、誘電体を用いて電流制限する必要があった。この誘電体による電荷量の制約を考慮した放電特性のために電源側の特性に制約がかかるため、オゾン発生器の電極の放電特性を高めるような電源特性を得ることができなかったのである。
【０００５】
そこで本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、放電特性を制御することでオゾン発生器のオゾン発生効率を向上することができるオゾン発生器用電源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者等は、上記課題について鋭意研究を行った結果、金属電極と誘電体電極の特性の違いに着目し、金属電極の正負時において投入電力に差をつけることにより、オゾン発生効率を高められることを見出して、本発明を完成するに至った。
【０００７】
図６は、従来のオゾン発生器用電源を用いてオゾン発生器に交流電力を供給し、オゾン発生器の電極間に電圧を印加したときにおいて、オゾン発生側電極が正である場合の電流・電圧波形を、横軸を時間（μｓ）とし、縦軸を電圧Ｖ（ｋＶ）・電流Ｉ（Ｖ）として示した図である。一方、図７は、オゾン発生側電極が負である場合の電流・電圧波形を、横軸を時間（μｓ）とし、縦軸を電圧Ｖ（ｋＶ）・電流Ｉ（Ｖ）として示した図である。
なお、図６及び図７に示す電流値は２２オーム抵抗を入れて、その両端の端子電圧を計測したものである。
【０００８】
本発明者等は、従来から用いられているオゾン発生器用電源と接続されたオゾン発生器において、金属電極と誘電体電極を持つオゾン発生器の放電現象の観測により、金属電極が正極である場合と負極である場合とでは放電形態が異なる（放電柱の発生状態が異なる）ことを見出した。すなわち、本発明者等は、上述した図５及び図６に示すように、金属電極（オゾン発生側電極）の正負により放電特性に差がある（放電柱の発生状態が異なる）ことを見出した。金属電極が正極であるとき、誘電体の電荷量で決まる電子が電子なだれにより増幅され、その総数が金属電極に到達できる。一方、金属電極が負極のとき、誘電体の電荷量に相当する電子数しか誘電体電極に到達できない。このことから、正負同量の電力を投入した場合、金属電極が負極のとき、電子は高エネルギーのまま誘電体に達し、酸素原子生成への寄与が低くなる。このため、金属電極の正負の極性の違いに対応して投入電力量を変化できる電源により、オゾン発生効率を向上できるのである。
つまり、本発明は放電特性が極性により差があるため、正負の極性毎に任意に電力値を変化できるインバータ（不平衡型インバータ）を開発したのであり、この不平衡型インバータによりオゾン発生効率の向上を実現したのである。
【０００９】
本発明に係る原理に基づいて本発明に係るオゾン発生器用電源が完成するに至った経緯を説明すると、オゾンは酸素原子と酸素分子の結合体であり、電気放電を用いてオゾンを作る場合、電気放電の主体である電子を酸素分子に衝突させて酸素原子を得る必要がある。
そこで、数千ボルトの電圧を印加して電子を運動させた場合、電子１個当たり数千ｅＶのエネルギーを得る。ここで、酸素分子側の衝突断面積の関係から、高いエネルギーの電子と酸素分子の衝突では、酸素分子の電離のみ発生し、電子はエネルギーを下げながら個数を増やしていく。酸素分子を酸素原子に解離させるエネルギーまで低下したとき初めて酸素原子を作り出す。
簡単に云えば、放電させるには高いエネルギーを電子に与える必要があるが、酸素原子を得るには低いエネルギーにしておく必要がある。
【００１０】
ここで、コンデンサによる電子数の制約について考慮しておくと、静電容量Ｃのコンデンサに、電圧Ｖを印加したとき、蓄えられる（表面に現れる）電荷量Ｑは、Ｑ＝ＣＶで示される。
【００１１】
また、オゾン発生器の放電体を構成する誘電体は、上述したコンデンサを形成し、誘電体表面から放出（または表面から吸収）できる電荷量（電子数に比例）は、印加電圧が決まれば一意的に決まる。
【００１２】
オゾン発生器の、例えば、沿面放電素子の金属電極側の極性の違いにより、金属電極が正極になったとき（電子が誘電体側から金属電極側に運動する）大きな電流が流れ、逆方向ではほとんど流れない。つまり、誘電体側から電子が放出されたとき、電子増幅され、金属電極に増幅された電子が一時的に流れ込み、その後、酸素分子イオンが到達して中和されると考えられる。
一方、金属電極側から電子が放出されたとき、誘電体が受け取れる電子数が決まっているため、（１）電子数が増幅されずに誘電体に到達している。もしくは（２）放出される電子数が少ない、といったどちらかであると考えられる。
【００１３】
続いてより具体的な解決手段を述べると
（１）現在のインバータは正負方向とも同じ電力を投入しており、金属電極側からの電子が増幅されずに誘電体に到達している場合、発生したオゾンを分解するように働いている。そのため、この電力を低下させるとオゾン発生効率が向上する。
（２）現在のインバータは正負方向とも同じ電力を投入しており、金属電極側からの電子が増幅されて誘電体に到達している場合、負方向（誘電体から金属電極に向かう方向）の電子密度が低く、オゾン発生効率の低い部分でオゾン発生器を運転していることになる。このため、誘電体側からの電子を発生させる電力を増加させるとオゾン発生効率が向上する。
以上のことから正負方向ともに最適な状態で電子を放出できるように、正負の投入電力比を可変できる不平衡型のインバータを発明するに至った。
【００１４】
即ち、請求項１においては、金属電極と誘電体電極からなる電極に高電圧を印加して、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電により、オゾンを発生させるオゾン発生器用電源において、交流電流を直流電流に整流する整流器と、前記整流器で整流された直流電流を、交流電流に変換するインバータ部と、前記インバータ部で変換された交流電圧を昇圧して、前記電極に交流電力を投入するトランスと、から構成され、前記インバータ部が、前記金属電極の正負時において前記トランスから前記電極へ投入される電力量を可変するものである。
【００１５】
請求項２においては、前記インバータ部が、半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子をオン／オフ制御する制御部と、を有するものである。
【００１６】
請求項３においては、前記半導体スイッチング素子が、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであるものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１８】
投入電力量を制御することにより放電特性を最適化することができるのでオゾン発生効率を高められる。
【実施例】
【００１９】
次に、発明の実施例を説明する。
図１は本発明の実施例に係るオゾン発生器用電源の全体構成を示す概略図、図２はオゾン発生器の側面一部断面図、図３はオゾン発生器用電源のロータリースイッチの設置箇所を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。図４はロータリースイッチを示す模式図、図５は金属電極への電力配分によるオゾン濃度変化を示す図、図６は従来のオゾン発生器用電源を使用した場合に観測された放電特性（正極側）を示す図、図７は従来のオゾン発生器用電源を使用した場合に観測された放電特性（負極側）を示す図である。
【００２０】
次に、本実施例に係るオゾン発生器用電源１の構成について図１から図４を用いて具体的に説明する。
本実施例に係るオゾン発生器用電源１は、図１に示すように、オゾン発生器５が具備する金属電極と誘電体電極からなる電極３１に高電圧を印加して、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電により、オゾンを発生させるための高電圧電源である。オゾン発生器用電源１は、交流電源２から供給される交流電流を直流電流に整流する整流器３と、前記整流器３で整流された直流電流を、交流電流に変換するインバータ部４と、前記インバータ部４で変換された交流電圧を昇圧するトランス６と、から主に構成される。
【００２１】
整流器２は、半導体素子であるダイオードを利用したコンバータ回路であり、交流電源２（本実施例では商用交流電源（ＡＣ２００Ｖ））から供給される交流電流を直流電流に整流する。整流後の直流電流は図示しない平滑用コンデンサを介して後述するインバータ部４内のスイッチング回路７に供給される。
【００２２】
トランス６は、一次側が後述するインバータ部４及び整流器３を介して交流電源２に接続され、二次側がオゾン発生器５に具備された金属電極と誘電体電極からなる電極３１に接続されている。トランス６は、インバータ部４からの交流電流を電極３１間の放電用電圧として昇圧を行い、後述するオゾン発生器５に供給するものである（本実施例では、電極３１に約５ＫＶの電圧を印加する）。
【００２３】
インバータ部４は、半導体スイッチング素子の一種である２個の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴという）を接続して構成されるスイッチング回路７と、該スイッチング回路７に接続される制御部８と、を有している。
【００２４】
前記スイッチング回路７は、整流器２から供給される直流電流を交流電流に変換するものである。変換された交流電流はトランス６に供給される。
なお、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いているが、特に限定するものではなく、オン／オフ制御可能なスイッチング機能を有する回路であればよい。
【００２５】
前記制御部８は、スイッチング回路７内の各ＩＧＢＴのオン／オフ制御を行うものであり、ＣＰＵ等で構成されている。制御部８は、タイミングを変えて各ＩＧＢＴのオン／オフを行う制御が可能であり、この可変制御を行ってスイッチング回路７からの交流電力（交流電流）を可変してトランス６に供給し、該トランス６で昇圧された交流電力（交流電圧）をオゾン発生器５の電極３１に印加することが可能である。すなわち、前記金属電極の正負時において前記トランス６から前記電極３１へ投入される交流電力量を可変に制御することが可能である。
【００２６】
前記ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴをゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタである。図示しないゲート・エミッタ間の電圧で駆動され、入力信号によってオン・オフができる。自己消弧形であるので、大電力の高速スイッチングが可能な半導体スイッチング素子である。
【００２７】
また、前記ＩＧＢＴは、ゲート、エミッタ間への電圧印加によって前記ＭＯＳＦＥＴ部がオンとなり、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流がｐｎｐトランジスタのベース電流となって流れる。このベース電流によってｐｎｐトランジスタ部がオンし、ＩＧＢＴがオン状態になる。一方、ゲート、エミッタ間電圧がしきい値電圧以下（ゼロ、または負バイアス）になるとＭＯＳＦＥＴ部のドレイン電流がなくなり、ｐｎｐトランジスタ部のベース電流もゼロとなって、ＩＧＢＴはオフとなる。
こうして、インバータ部４は、該インバータ内４の前記制御部８により各ＩＧＢＴのオン／オフ制御（オン／オフのタイミングを変化させる制御）を行って前記金属電極の正負時において前記トランス６から前記電極３１への投入電力量を変化させることが可能となっている。
【００２８】
また、上述した整流器３、インバータ部４及びトランス６は、図３に示すように、箱状の筐体である電源ボックス（オゾン発生器用電源１）内に収納されており、該筐体の一端にトランス６に供給する交流電流の電圧設定を行うことが可能であるダイヤル型スイッチであるロータリースイッチ９が設けられている。ロータリースイッチ９は、前記制御部８に接続されている。このロータリースイッチ９によってトランス６を介して電極３１に供給される交流電力（交流電流）が可変可能となっている。また、ロータリースイッチ９は、図４に示すように、１から９までの９段階でトランス６へ供給する交流電力（交流電流）を設定することが可能であり、表１に示すように、交流電圧の正電圧と負電圧を所定値で段階的に設定することが可能である。すなわち、トランス６へ供給する交流電力（交流電流）をロータリースイッチ９で設定すると、制御部８はその設定値に応じてスイッチング回路７内の各ＩＧＢＴのオン／オフのタイミング制御を行い、トランス６を介して電極３１に供給する交流電圧の正電流のＤｕｔｙ比を自在に変更することが可能となる。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
次に、オゾン発生器用電源１に接続する前記オゾン発生器５の構成について、図２を用いて説明する。
オゾン発生器５は、誘電体電極であるセラミックス誘電体４１・４１に挟まれた金属電極であるエキスパンドメタルにより構成される電極３１において放電を行い、酸素ガス供給管（図示せず）と接続している酸素ガス供給口４３より供給された酸素より、オゾンを生成して、オゾン化ガス排出口４４に接続されているオゾンガス排出管（図示せず）を介してオゾンを排出する。オゾン発生器５には冷却ジャケット４２ａ・４２ｂが装着されており、オゾン発生器５の温度調節が可能となっている。
なお、本実施例のオゾン発生器５の電極３１は、該電極３１の表面で無声放電と沿面放電の複合放電を生じさせるような構成としているが、特にこれに限定するものではなく、例えば沿面放電または無声放電を生じるように構成される素子を用いてもかまわない。
また、前記電極３１は金属の種類を、特に限定するものではなく、どのような電極用金属であってもかまわない。
【００３１】
前記冷却ジャケット４２ａ・４２ｂの内部には、冷却装置（図示せず）から送られてきた冷却水を流すための冷却水通路が蛇行状に形成されており、それぞれの冷却ジャケット４２ａ・４２ｂの上部には、冷却水通路へ冷却水を導入する冷却水導入管３２と冷却水を排出する冷却水排出管３３がそれぞれ接続されている。
これら冷却装置と二つの冷却ジャケット４２ａ・４２ｂとの間には、冷却水の循環経路が形成されている。すなわち、冷却装置から送られてきた冷却水は、冷却ジャケット４２ａの冷却水導入管３２から冷却水通路内に流入したのち、冷却ジャケット４２ａと冷却ジャケット４２ｂとを接続するチューブ３４を介して、冷却ジャケット４２ａ内の冷却水通路内から冷却ジャケット４２ｂの冷却水通路に送られる。そして、冷却水は冷却ジャケット４２ｂの冷却水通路を流れて冷却ジャケット４２ｂの冷却水排出管３３から冷却装置に回収される。
【００３２】
このような構成において、上述したオゾン発生器電源１により正電流のＤｕｔｙ比を１０％〜９０％まで変化させて、発生オゾン濃度（ｇ／ｍ３）を測定した。本実施例における測定においては、装置仕様がそれぞれ異なるオゾン発生器２台使用し、上述したオゾン発生器用電源１を各々接続してロータリースイッチ９を用いて、電極３１にかかる正電流Ｄｕｔｙ比（％）を変化させて各正電流Ｄｕｔｙ比（％）における発生オゾン濃度の測定を行った。そうして、前記各オゾン発生器におけるオゾン濃度測定値をオゾン濃度１及びオゾン濃度２としてプロットした（図５）。
【００３３】
（不均衡型インバータ部４を具備するオゾン発生器用電源１の特性評価）
図５は金属電極への電力配分（正電流Ｄｕｔｙ比）によるオゾン濃度変化を示す図である。
図５において、横軸は正電流Ｄｕｔｙ比（％）であり、縦軸は発生オゾン濃度（ｇ／ｍ３）である。
【００３４】
結果としては、図５に示すように、金属電極への電力配分（正電流Ｄｕｔｙ比）による発生オゾン濃度の変化は、金属電極が正極時に電力量を増加させたとき、すなわち、正電流Ｄｕｔｙ比（％）が５０％から７０％のオゾン濃度１の３点及びオゾン濃度２の３点の値において、発生オゾン濃度が増加傾向にあることが確認できた。つまり、金属電極が正極時に投入電力を増加させたとき、オゾン濃度（オゾン発生効率）が向上する傾向が確認できた。
【００３５】
このように、金属電極と誘電体電極からなる電極３１に高電圧を印加して、沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電により、オゾンを発生させるオゾン発生器用電源１において、交流電流を直流電流に整流する整流器３と、前記整流器３で整流された直流電流を、交流電流に変換するインバータ部４と、前記インバータ部４で変換された交流電圧を昇圧して、前記電極３１に交流電力を投入するトランス６と、から構成され、前記インバータ部４が、前記金属電極の正負時において前記トランス６から前記電極３１へ投入される電力量を可変することにより、放電特性を最適化することができるのでオゾン発生効率を高められる。さらに、既存のオゾン発生器５の放電体を交換することなく、オゾン発生器５の既設電源をオゾン発生器用電源１に交換するだけでよいので、性能向上のためのコストがかからず経済的である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例に係るオゾン発生器用電源の全体構成を示す概略図。
【図２】オゾン発生器の側面一部断面図。
【図３】オゾン発生器用電源のロータリースイッチの設置箇所を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図。
【図４】ロータリースイッチを示す模式図。
【図５】金属電極への電力配分によるオゾン濃度変化を示す図。
【図６】従来のオゾン発生器用電源を使用した場合に観測された放電特性（正極側）を示す図。
【図７】従来のオゾン発生器用電源を使用した場合に観測された放電特性（負極側）を示す図。
【符号の説明】
【００３７】
１    オゾン発生器用電源
２    交流電源
３    整流器
４    インバータ部
５    オゾン発生器
６    トランス
７    スイッチング回路
８    制御部
３１  電極
【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６】
2009215095.tif 000008
【図７】
2009215095.tif 000009
【図５】
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