(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体を介して対向して配置され、その間に高電圧が印加されることにより放電をせしめる２個の電極と、上記電極の少なくとも一方の電極の背面に設けられた冷却室と、上記冷却室に冷媒を供給する冷媒供給機構と、上記電極間に酸素を含むガスを供給するガス供給機構と、上記冷却室の内部に設けられ上記一方の電極が他方の電極に対向する領域を背面から支持する補強部材とを備えたことを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項２】
上記補強部材で冷媒の流路を形成した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】
一方の電極はステンレスで作製され、冷却室は該一方の電極の背面に直接冷媒が接触するように設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オゾン発生装置に関し、特に高圧力、高濃度のオゾンを効率良く発生させることの可能なオゾン発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は、例えば刊行物（「オゾナイザハンドブック」電気学会オゾナイザ専門委員会編、昭和３５年、コロナ社刊、２４９頁）に示されたOtto-Plate（オットー・プレート）型と呼ばれる従来のオゾン発生装置の要部を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は左半分の正面図である。図において、１は電源、２は接地された金属電極、３は接地電極２に対向して設けられ、電源１に接続され高電圧の印加された高圧電極、４は接地電極２および高圧電極３の表面に置かれた誘電体（ガラス板）、５は放電の発生する放電空間、６は放電空間５を形成するための電気絶縁性（誘電体）スペーサである。７，８はそれぞれガスの供給および排出を示す矢印、９はオゾン化ガスの排出管である。接地電極２、高圧電極３、およびこれらの電極間に配置された誘電体４により１つの放電セルを構成している。
【０００３】
次に動作について説明する。従来のオゾン発生装置は接地電極２、高圧電極３、誘電体板４の中央部にはガス排出用の穴が設けられている。上述のオットー・プレート型の文献にはスペーサ６に関する記述は無いが実際には図１４に示すように、誘電体４，４の間隔（空隙長）を保持するため、ガスの流入を邪魔しないような形で放電空間５の周囲に電気絶縁性のスペーサが設置されている。
酸素を含む原料ガスはオゾン発生装置の周辺部全周から矢印７の方向に導入され、電源装置１によって高電圧が印加されて放電している放電空間５を通過する際に酸素の一部がオゾンとなり、このオゾンを含むガスがオゾン化ガスとして中央部のガス排出管９を通して矢印８の方向に取り出される。
【０００４】
前記放電空間５では放電による発熱があるため、該放電空間５を通過するガスを有効に冷却しないと放電空間５内のガス温度が上昇し、オゾン発生量が減少する。そのため、接地電極２および高圧電極３は絶縁オイルなどの電気絶縁性を有する液体で冷却し、ガス温度の上昇を抑えている。
また、特開平８−１３３７０４号公報には、電極の背面に冷却水を通す冷却室を設けたプレート型オゾン発生装置が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のオゾン発生装置は以上のように構成されており、高圧力中では、電極が歪み、空隙長を精度良く保つことができなかった。空隙長が長いところと空隙長が短いところでは、空隙長が長いところの方が原料ガスが多く流れる。しかし、原料ガスに与えるエネルギーは空隙長が短いところの方が大きいため、効率良く原料ガスにエネルギーを与えることができず高圧力・高濃度のオゾンを発生することができなかった。
なお、上述の特開平８−１３３７０４号公報には、空隙長を均一に保持するために放電空隙内に石英またはガラス材からなる支柱を１個以上設けることが記載されているが、この構成では高圧力中ではやはり電極は冷却室側にくぼむ可能性が高く、さらに支柱を放電空隙内に設けるので放電面積が小さくなるなど放電に悪影響を及ぼすという問題点もある。
【０００６】
本発明は、上記のような従来のものの問題点を解消するためになされたもので、高圧力中においても空隙長を精度良く保つことができ、高圧力・高濃度のオゾンを効率良く得ることのできるオゾン発生装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係るオゾン発生装置は、誘電体を介して対向して配置され、その間に高電圧が印加されることにより放電をせしめる２個の電極と、上記電極の少なくとも一方の電極の背面に設けられた冷却室と、上記冷却室に冷媒を供給する冷媒供給機構と、上記電極間に酸素を含むガスを供給するガス供給機構と、上記冷却室の内部に設けられ上記一方の電極が他方の電極に対向する領域を背面から支持する補強部材とを備えたものである。
【０００８】
第２の発明に係るオゾン発生装置は、上記第１の発明において、上記補強部材で冷媒の流路を形成したものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の一実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の構成を示す断面図である。図において、１は電源、２は接地された金属電極であり、この例ではこの接地電極２の背面に一体的に冷却室１００が設けられている。３は高圧電極、４は電極間に介在する誘電体であり、この例では高圧電極３に誘電体４が設けられている。５は放電空間、６は放電空間５を形成するための電気絶縁性のスペーサ、７、８はそれぞれガスの供給および排出を示す矢印、９はオゾン化ガスの排出管、１０は圧力容器、１１，１２はそれぞれ冷媒の供給口および排出口、この例では冷媒として例えば水を用いている。１３は冷却水搬送用のポンプ、１４は冷却水を所定の温度例えば１５℃に保つことのできる貯水槽である。電極２，３としては例えば、直径２００ｍｍの円板状のものが用いられ、接地された金属電極２と誘電体４間の距離すなわち空隙長は例えば５０μｍである。また、背面に冷却室１００が設けられる電極２は、熱交換効率を上げるためにできるだけ薄く形成するのが良く、例えば５ｍｍ厚としている。
【００１５】
このように構成されたものにおいて、矢印７で示すように、ガス供給機構（図示せず）により圧力容器１０内に、酸素、空気、または酸素と窒素の混合ガス等の酸素を含む原料ガスが予め設定した圧力で供給され、電源１によって高電圧が印加されて放電している電極２，３間の空間である放電空間５を通過する際に酸素の一部がオゾンとなり、このオゾンを含むガスがオゾン化ガスとして中央部のガス排出管９を通して矢印８の方向に取り出される。放電により電極の温度が上昇するのを抑えるために、貯水槽１４から冷却水搬送用のポンプ１３により冷却室１００に冷却水を送り込む。接地電極２は、放電空間５と冷却室１００間の圧力差により歪もうとするが、供給ガスの圧力と同等程度の圧力となるように、冷却水をポンプ１３で送り込むことにより、電極２の歪みを防止して空隙長を精度よく維持することができる。
【００１６】
図２は図１のオゾン発生装置を用いた実験結果の一例であり、原料ガス供給圧力が１．７atm〜１０．０atmにおけるオゾン発生特性を示すグラフである。横軸は原料ガス１分子あたりに投入されるエネルギーＷ／ＱN（Ｗ・ｍｉｎ／Nｌ；ここで添字Ｎは標準状態ＳＴＰを表す）であり、縦軸はオゾン発生効率η（ｍｇ／(Ｗ・ｍｉｎ)）で表している。
原料ガスとして酸素を供給し、放電面積１ｃｍ2あたり１Ｗの放電電力を投入し、供給ガス圧力（絶対圧）を１．７atm、２．５atm、５．０atm、７．５atm、１０．０atmと変化させたものである。なお、冷却室１００の冷却水圧力は供給ガス圧力と同じとなるように冷却水搬送用のポンプ１３により調整した。
この実験結果より、図１に示す実施の形態１による装置では、空隙長を精度良く維持することにより、図２に示すように圧力が増加していくとオゾン発生効率が上がっていくことが分かる。
【００１７】
図３は図１のオゾン発生装置を用いた実験結果の一例であり、放電電力を放電面積で除した放電密度Ｗ／Ｓが１Ｗ／ｃｍ2の時の放電空隙長と発生したオゾンの最大濃度の関係を表したものである。横軸は放電空隙長ｄ（ｍｍ）を、縦軸は発生した最大オゾン濃度（いずれも、Ｗ／ＱN＝３００Ｗ・ｍｉｎ／Nｌ付近の値）を表している。この図に示すように、１０atmの高圧力下において２００ｇ／Nｍ3以上のオゾン濃度を得るためには放電空隙長が０．５ｍｍ以下である必要があるということが分かる。
【００１８】
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置を示し、（ａ）はその全体構成を示す断面図、（ｂ）は信号処理のブロック図である。図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。図において、１５はオゾン発生容器１０内のガス圧力を測定する圧力センサ、１６は冷却水の水圧を測定する圧力センサであり、これら圧力センサとしては、例えばひずみゲージ式圧力変換器や半導体圧力変換器等が用いられる。１７はポンプ圧力制御装置、１８は比較器である。
ガス圧センサ１５および水圧センサ１６からの出力を比較器１８に取り込み、この２入力の圧力差が無くなるようにポンプ圧力制御装置１７にてポンプ１３を制御するものである。
なお、センサ１５，１６の取付が簡単であるため、電極２，３間のガス圧力を圧力容器１０内の周辺部で、冷却室１００の水圧を冷却室１００から排出されて貯水槽１４に戻る途中でそれぞれ測定した。
【００１９】
このように、ガス圧力を監視しながらポンプ圧力を変化させることにより水圧を変化させるため、ガス圧力による電極の歪みを防止してオゾンを効率良く発生させることができる。また、オゾン発生中にガス圧力が変化しても、常時、ガス圧力を監視すれば、電極２の歪みによる放電空隙長の変化がなく、オゾン発生効率の低下を防止できる。
【００２０】
実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３によるオゾン発生装置を示し、（ａ）はその全体構成を示す断面図、（ｂ）は信号処理のブロック図である。図において、１９はバルブである。
オゾン発生容器１０内のガス圧力を測定する圧力センサ１５と、冷却水の水圧を測定する圧力センサ１６からの出力を、比較器１８に取り込み、この２入力の圧力差が無くなるようにバルブ１９の開閉を調整して水圧を制御するものである。
【００２１】
このように、ガス圧力を監視しながらバルブ１９を調節することにより水圧を変化させるため、ガス圧力による電極２の歪みを防止してオゾンを効率良く発生させることができる。また、オゾン発生中にガス圧力が変化しても、常時、ガス圧力を監視すれば、電極２の歪みによる放電空隙長の変化がなく、オゾン発生効率の低下を防止できる。
【００２２】
実施の形態４．
図６は本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置の全体構成を示す断面図である。本実施の形態では図４で示した実施の形態２において圧力センサ１５，１６でそれぞれガス圧と水圧を測定する代わりに、接地電極２の冷却室１００側に圧電素子２０を配置し、接地電極２の歪みを測定し、歪みがなくなるようにポンプ圧力制御装置１７によりポンプ１３を制御するようにしたものである。
本実施の形態においても、ガス圧と水圧の差圧の変化を圧電素子２０で監視するので実施の形態２と同じ効果を得られる。さらに、実施の形態２に比べて部品点数が少なく、安価である。
なお、ポンプ１３の供給圧力を調整する代わりに、図５で示した実施の形態３と同様にバルブ１９の開閉を調整してもよい。
【００２３】
実施の形態５．
図７は本発明の実施の形態５によるオゾン発生装置を示し、（ａ）はその全体構成を示す断面図、（ｂ）は信号処理のブロック図である。図において、２１は冷却室１００の冷却水温度を測定する温度センサである。なお、冷却室１００内の冷却水温度と冷却室１００から排出された冷却水温度はほぼ同じであるとみなされるので、本実施の形態では装置構成が簡単であるため冷却室１００から排出された冷却水の温度を測定している。
冷却水温度は例えば１５℃に設定しているが、高濃度オゾンを発生させるために投入電力を増加すると、冷却水温度が上昇して接地電極２の温度が上昇し、オゾン発生効率が低下する。
そこで、本実施例では図４で示した構成に加えて温度センサ２１を備え、図７（ｂ）に示すように、ガス圧力センサ１５と水圧センサ１６の入力の信号を比較器１８に取り込み、圧力差が無くなるようにポンプ圧力制御装置１７にてポンプ１３を制御し、温度センサ２１の出力と設定温度の差がなくなるようにバルブ１９の開閉により冷却水の流速を変化させ、温度調節を行う。
【００２４】
このように、ガス圧力および冷却室１００内の冷却水温度を監視しながら冷却水の水圧および流速を変化させるため、電極２の歪みによる放電空隙長の変化が殆どなく、しかも電極２の温度変化も抑制でき、オゾン発生効率の低下を防止できる。
【００２５】
実施の形態６．
図８は本発明の実施の形態６によるオゾン発生装置の構成を示す断面図である。図において、２２は熱交換器であり、冷却水は所定の温度に制御される。
本実施の形態では、冷却水供給ポンプ１３、冷却室１００、および熱交換器２２からなる冷却水循環路が非膨張・非圧縮閉鎖系で構成され、冷却水循環路には冷却水のみで気体の存在が無いようにしたものである。
【００２６】
このように構成されたものにおいて、圧力容器１０内に、ガス供給口７より、原料ガスである酸素、空気、または酸素と窒素の混合ガスを供給する。この供給ガスが高圧力になると、接地された金属電極２が力を受けるが、冷却水循環路が閉鎖系で構成され冷却水が満たされていることにより、水の非圧縮性により接地された金属電極２が歪むことなく、空隙長を精度良く維持でき、オゾンを効率良く発生させることができる。
【００２７】
実施の形態７．
図９は本発明の実施の形態７に係わる電極と冷却室を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。本実施の形態では、冷却水は冷却室１００に封入されている。図において、２３は熱交換用の冷媒が通るパイプであり、冷却室１００の周縁部に配置されて、冷却水を例えば１５℃に保持している。なお、熱交換用の冷媒としては例えば、水やエチレングリコールが用いられる。
【００２８】
供給ガスが高圧力になると、接地された金属電極２が力を受けるが、この接地電極２背面の冷却室１００内に冷却水が封入されていることにより、水の非圧縮性により接地された金属電極２が歪むことなく、空隙長を精度良く維持でき、オゾンを効率良く発生させることができる。
【００２９】
実施の形態８．
図１０は本発明の実施の形態８に係わる電極と冷却室を一部破断して示す斜視図である。図において、２４は接地された金属電極２背面の冷却室１００に配置された接地電極２の補強部材２４であり、接地電極２および冷却室１００の接地電極２との対向面に例えば溶接等により接合されている。
この補強部材２４により原料ガス圧力が増加しても接地電極２が歪むことなく空隙長が精度良く維持され、オゾンを効率良く発生させることができる。
【００３０】
なお、この補強部材２４を、図１１（ａ），（ｂ）に平面図およびＡ−Ａ線断面図で示すように、接地電極２と同心円状に設置することにより、接地電極２をバランス良く補強することができ、しかも容易かつ安価に加工することができる。
【００３１】
実施の形態９．
図１２は本発明の実施の形態９によるオゾン発生装置の要部である冷却室が設けられた電極を示す平面図である。図に示すように、補強部材２４を螺旋状に設けその両端に冷却水供給口１１と冷却水排出口１２をそれぞれ配置することにより、原料ガス圧力が増加しても接地電極２が歪むことなく空隙長が精度良く維持されるのに加えて、冷却水の流路が構成されているので熱交換が効率良く行われ、その結果オゾン発生効率がより良くなる。
【００３２】
実施の形態１０．
次に、図１３（ａ），（ｂ）を用いて、補強部材２４の配置間隔について説明する。原料ガス圧力を高圧にした時には、図１３（ｂ）に示すように、接地された金属電極２は冷却室１００側に歪む。この時の最大歪み量をδ（ｃｍ）とすると、歪み量δは、水路の半径ａ（ｃｍ）と接地電極２の厚みｔ（ｃｍ）により次式のように表すことができることが、例えば刊行物（Raymond J.Roark 及び、W.C.Young著 「Formulous for Stress and Strain (圧力と張力の公式)」 第5版、1986年、マグローヒル（McGraw-Hill）社刊 International Editions 339頁）に記載されている。
δ＝Ｋ1×ｑａ4／Ｄ
Ｄ＝Ｅｔ3／｛１２（１−ν2）｝
ここで、ｑは接地電極２の荷重（ｋｇ／ｃｍ2）、Ｅは接地電極２のヤング率（ｋｇ／ｃｍ2）、νは接地電極２のポアソン比、ｂは接地電極２の内周の半径（ｃｍ）である。Ｋ1はｂ／ａで決まる定数であり、ｂ／ａ＝０．１のときＫ1＝０．００６、ｂ／ａ＝０．３のときＫ1＝０．００２９、ｂ／ａ＝０．５のときＫ1＝０．０００８である。
【００３３】
上記式より明らかなように、接地電極２の厚みｔを増やせば歪み量δは小さくすることができるが、通常、接地電極２はステンレスで製作されているため、熱伝導率が低く厚みｔを厚く設計すると接地電極２の温度が上がり、オゾン発生効率が低下する。そこで、接地電極２の厚みｔを厚くできないため、図１３（ａ）に示すような補強部材２４が必要になる。
【００３４】
補強部材２４を半径ｃ1、ｃ2、・・・、ｃn（ｃｍ）の位置に、接地電極２の同心円周上に設け、歪み量をδ1、δ2、・・・、δn-1とすると、δ1、δ2、・・・、δn-1は以下のように表すことができる。
δ1＝Ｋ11×ｑａ4／Ｄ
δ2＝Ｋ12×ｑ（ｃ1）4／Ｄ
・・・・・・
δn-1＝Ｋ1n-1×ｑ（ｃn）4／Ｄ
となる。
【００３５】
このδ１、δ2・・・δnすべてが空隙長に比べて無視できるぐらい小さくなるように、補強板２４をｎ本設ける必要がある。
例えば、外径ａを１０ｃｍ、内径ｂを１．５ｃｍ、接地電極２の厚みｔを０．５ｃｍ、接地電極２の材質をｓｕｓ３０４としてポアソン比νを０．３、ヤング率Ｅを２×１０6とし、接地電極２にかかる力の大きさ（供給ガス圧力と水圧の差）を４ｋｇｆ／ｃｍ2としたとき、δ＝０．００７８ｃｍとなる。
この場合、等間隔に補強部材２４を２本（ｃ1=２０／３ｃｍ、ｃ2＝１０／３ｃｍ）いれることにより、δ１＝３．８×１０-4ｃｍ、δ２＝２．７×１０-4ｃｍ、δ３＝２．９×１０-5ｃｍと数十〜数百μｍの空隙長に対し十分に小さい歪み量となる。
【００３６】
なお、上記各実施の形態では、冷却室１００を接地側の金属電極２に設けた場合について説明したが、高圧電極３に設けてもよく、両方の電極２，３に設けてもよい。
【００３７】
また、上記各実施の形態では、冷却室１００に供給される冷媒が水である場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば油やエチレングリコール等が使用可能である。
【００３８】
【発明の効果】
第１の発明によれば、誘電体を介して対向して配置され、その間に高電圧が印加されることにより放電をせしめる２個の電極と、上記電極の少なくとも一方の電極の背面に設けられた冷却室と、上記冷却室に冷媒を供給する冷媒供給機構と、上記電極間に酸素を含むガスを供給するガス供給機構と、上記冷却室の内部に設けられ上記一方の電極が他方の電極に対向する領域を背面から支持する補強部材とを備えたので、高ガス圧力下においても空隙長を精度良く維持でき、高濃度のオゾンを高効率で発生することが可能となる。
【００３９】
第２の発明によれば、上記第１の発明において、上記補強部材で冷媒の流路を形成したので、上記第１の発明の効果に加えて、冷媒流路により冷媒と電極との熱交換効率が良くなるため、オゾンの発生効率をより高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の構成を示す断面図である。
【図２】  実施の形態１によるオゾン発生装置のオゾン発生特性の一例を示すグラフである。
【図３】  実施の形態１によるオゾン発生装置のオゾン発生特性の一例を示すグラフである。
【図４】  本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置を示し、（ａ）はその全体構成を示す断面図、（ｂ）は信号処理のブロック図である。
【図５】  本発明の実施の形態３によるオゾン発生装置を示し、（ａ）はその全体構成を示す断面図、（ｂ）は信号処理のブロック図である。
【図６】  本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置の構成を示す断面図図である。
【図７】  本発明の実施の形態５によるオゾン発生装置を示し、（ａ）はその全体構成を示す断面図、（ｂ）は信号処理のブロック図である。
【図８】  本発明の実施の形態６によるオゾン発生装置の構成を示す断面図である。
【図９】  本発明の実施の形態７によるオゾン発生装置の要部の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図１０】  本発明の実施の形態８によるオゾン発生装置の要部の構成を示す斜視図である。
【図１１】  本発明の実施の形態８によるオゾン発生装置の要部の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図１２】  本発明の実施の形態９によるオゾン発生装置の要部の構成を示す平面図である。
【図１３】  本発明の実施の形態１０によるオゾン発生装置を説明する図である。
【図１４】  従来のオゾン発生装置の要部を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は左半分正面図である。
【符号の説明】
１  電源、 ２  接地された金属電極、 ３  高圧電極、 ４  誘電体、 ５  放電空間、 ６  スペーサ、 ７  ガス供給方向を示す矢印、 ８  ガス排出方向を示す矢印、 ９  ガス排出管、 １０  圧力容器、 １１  冷却水供給口、 １２  冷却水排出口、 １３  ポンプ、 １４  冷却水貯水槽、 １５  圧力センサ、 １６  圧力センサ、 １７  ポンプ吐出圧力制御装置、 １８  比較器、 １９  バルブ、 ２０  圧電素子、 ２１  温度センサ、 ２２  熱交換器、 ２３  熱交換用パイプ、 ２４  補強部材、 １００  冷却室。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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