JP5008170B2 - オゾン発生装置用放電セル - Google Patents

Description

本発明は、オゾン発生装置に使用される板型の放電セルに関する。

オゾン発生装置に使用される放電セルは板型と管型に大別され、板型はさらに円板型と角板型に細分される。板型放電セルは、高圧電極と低圧電極の間に誘電体を用いて形成される放電空隙を狭くしやすいこと、その放電空隙寸法を面内で均等化しやすいことなどから、高濃度オゾンの生成に多用されている。板型放電セルの典型的な構造を以下に説明する。

四角形のセラミック板などからなる板状の誘電体を所定の隙間をあけて対向配置する。１対の誘電体は、背面側の各表面に被覆形成された電極層を有しており、これにより誘電体間に放電空隙を形成する。一対の電極層は一方が高圧電極、他方が低圧電極であり、両者の間に所定の高周波高電圧を印加することにより、誘電体の間の放電空隙で放電を発生させ、ここを通過する原料ガスをオゾン化する。低圧電極の側の誘電体を省略する場合もあり、この場合は高圧電極の側の誘電体と低圧電極との間に放電空隙が形成される。

放電空隙は、オゾン発生効率を高めるために、両面側、すなわち両電極の背面側から強制的に冷却されることが多い。この両面冷却のために、高圧電極及び低圧電極の各背面側に絶縁板を介して冷媒流路が形成される。そして、通常はこのような両面冷却構造をもつ板型放電セルを単位セルとして、その複数を板材積層方向に積層した積層型セルとして使用される。このような両面冷却構造をもつ板型放電セルの一つが特許文献１に記載されたセラミックブロック構造の放電セルである。

特開平１１−２６８９０２号公報

このような板型放電セルにおける設計因子としては、高圧電極と低圧電極の間に配置される１対の誘電体の厚み、１対の誘電体間に形成される放電空隙のギャップ量、高圧電極及び低圧電極の各背面側に配置される高圧絶縁板及び低圧絶縁板の各板厚等がある。

誘電体は、電極間で無声放電を発生させるためにこの間の誘電率を高めることを目的としており、電極間距離を小さくして放電電圧を下げるために、誘電体の板厚は薄い方が良いとされている。但し、誘電体を薄くし過ぎると、平坦度の低下等が生じ、現状は１枚当たり０．１〜２ｍｍ程度に選択されている。

誘電体は又、原料ガス及びオゾンガスが電極と接触するのを回避するために、高圧電極及び低圧電極の両方に接して設けられることが多い。すなわち両電極を誘電体で覆い、両誘電体の間に放電空隙を形成する。しかし、オゾンガスのクリーン度が要求されない場合は、前述したとおり片方の電極側（通常は高圧電極側）にのみ設けられることもある。

放電空隙のギャップ量については、冷却によるオゾン発生効率向上のために小さい方が良いとされており、この観点から現状は０．４ｍｍ以下まで小さくされており、０．１ｍｍ以下の場合も珍しくない。

絶縁板の厚みに関しては、高圧絶縁板の厚みが重要である。高圧絶縁板は、内側の高圧電極と外側（背面側）の冷媒（冷却水）との間を電気的に絶縁するものである。高圧電極と背面側の冷却水との間の絶縁が不十分であると、背面側の冷却水の方へ無効電流が流れ、放電空隙への電流が減少する結果、オゾン発生効率が低下する。このために、高圧絶縁板の厚みは、現状でも数ｍｍ以上と十分に厚くされている。

しかしながら、厚肉の高圧絶縁板は非常に高価であり、製法面から１ｍｍを超えると急激に高価となる。すなわち、高圧絶縁板についてはアルミナ板などが使用されるが、１ｍｍ以下のものはドクターブレード法等により大量生産が可能で、いきおい製造コストも安価となるが、１ｍｍを超える厚板は鋳込み・削り出しなどによる製法が必要となり、急激に高価となるのである。

なお、低圧絶縁板については、低圧電極と外側（背面側）の冷媒（冷却水）とが同電位であるために、電気的な面からは不要であり、むしろ低圧電極に冷媒（冷却水）が直接接触するのを阻止する観点や機械的強度を確保する観点から使用されている。このため、厚いものは必要はなく、もっぱら経済性の点から１ｍｍ以下の薄いものが多用されており、膜状のものでもよい。

このように、従来のオゾン発生装置用放電セルでは、厚みの大きい高圧絶縁板の使用が不可欠とされており、その使用による絶縁板コストの増大が放電セルコストを押し上げる一因となっているのである。

本発明の目的は、オゾン発生効率の低下を回避しつつ、絶縁板コストの低減を可能にする高性能で経済的なオゾン発生装置用放電セルを提供することにある。

本発明者は、以前よりオゾン発生装置用放電セルにおける誘電体の厚み及び絶縁板の厚みの、オゾン生成効率に及ぼす影響を種々調査してきた。その結果、絶縁板の厚み、特に、放電セルの製造コストを押し上げる一因になってきた高圧絶縁板の厚みが、従来から考えられているようにオゾン発生効率上、不可欠であるとは言えないことが明らかになってきた。

すなわち、高圧絶縁板は、前述したとおり、内側の高圧電極と外側（背面側）の冷媒（冷却水）との間を電気的に絶縁するものであり、十分な厚みを確保しないと、冷媒（冷却水）の側へ無効電流が流れ、放電空隙における放電電流が減少して、オゾン発生効率を低下させる結果になるのは事実である。しかし、その一方で、この高圧絶縁板は内側の高圧電極と外側の冷却水との間にあって、冷却水による高圧電極側からの放電空隙の冷却を阻害する最大の原因になっている。このため、高圧絶縁板を薄くすると高圧電極側からの冷却が促進され、オゾン発生効率が向上することになる。

つまり、高圧絶縁板は、放電空隙における高効率な放電の点からは厚い方がよく、一方、放電空隙の冷却の点からは薄い方がよいのである。そして、従来は前者の電気的な面が一義的に重要視され、この観点から高圧絶縁板は数ｍｍ以上というように十分に厚くされてきた。

ところが、オゾン発生装置用放電セルにおける高圧絶縁板の厚みとオゾン発生効率の関係を、本発明者が詳細に調査した結果は、放電空隙の冷却を重視して高圧絶縁板を薄くする方が、放電空隙における電気的ロスは生じるものの、トータルとしては放電空隙におけるオゾン発生効率が上がり、結果として高濃度のオゾンガスが得られるという、非常に意外なものであった。

本発明のオゾン発生装置用放電セルは、かかる知見を基礎として完成されたものであり、所定の交流電圧が印加される高圧電極と低圧電極の間に放電空隙を形成するべく少なくとも一方の電極に接して電極間に誘電体が配置されており、且つ放電空隙を両面側から冷却するべく両電極の外側に冷媒流路が形成されると共に、高圧側の冷媒流路を高圧電極から絶縁するために両者の間に高圧絶縁板が配置されたオゾン発生装置用放電セルにおいて、高圧絶縁板の板厚を、高圧電極と低圧電極の間に配置された誘電体の総厚の０．５倍以上、２倍以下としたものである。

本発明のオゾン発生装置用放電セルにおいては、高圧絶縁板の板厚が従来より薄くされる。より具体的には、高圧電極と低圧電極の間に配置された誘電体の総厚との関係において従来より薄くされ、これにより放電空隙における冷却能が上がり、電流ロスを補って余りあることからオゾン発生効率が向上する。誘電体の総厚と高圧絶縁板の板厚を関連させることの正当性は後で詳しく説明する。

高圧絶縁板の板厚を高圧電極と低圧電極の間に配置された誘電体の総厚の０．５倍以上、２倍以下としたのは、０．５倍未満では背面側（冷媒側）への無効電流が増大して、放電空隙における冷却促進による効率向上を打ち消すことによりオゾン発生効率が低下し、逆に２倍超の場合は高圧電極側からの冷却が極端に不足し、無効電流は実質生じないものの、全体としてオゾン発生効率が低下するからである。特に好ましい倍率は０．５倍以上、１．５倍以下である。

高圧絶縁板の板厚を薄くすることの利点は以上のとおりであるが、その一方では高圧絶縁板の機械的強度の低下が生じる。従来の板厚が厚い高圧絶縁板は、機械的強度が高く、放電セルにおける平面度の確保に寄与しており、その結果として放電空隙におけるギャップ量分布の均一化にも寄与している。このため、高圧絶縁板の板厚を薄くすると、放電セルにおける平面度、ギャップ量分布の均一性を低下させるおそれが生じる。

より詳しく説明すると、特許文献１に示すようなブロック一体構造の放電セルの場合は、セル全体で機械的強度を確保するモノコック構造であるため、本来的に機械的強度が高い。このため、高圧絶縁板の板厚減少による平面度低下の問題は生じ難い。ところが、板材を板厚方向に重ね合わせてタイロッドにより締め付け固定した組立タイプの放電セルの場合は、モノコック構造にはならず、剛性確保の中心となる部材を必要とするフレーム構造となる。そして、そのフレームとして、これまでは高圧絶縁板の寄与度が大きく、これが薄くなることにより平面度低下等の問題が発生するのである。

このため、本発明のオゾン発生装置用放電セルにおいては、高圧電極の厚みを大きくするのが望ましく、特に、板材を板厚方向に重ね合わせてタイロッドにより締め付け固定した組立タイプの放電セルにおいて、このことが推奨され、具体的には高圧電極の厚みを誘電体の総厚の５倍以上、より好ましくは１０倍以上とすることが望ましい。こうすることにより、組立式放電セルで高圧絶縁板を薄くした場合に問題となる機械的強度の低下等を回避でき、高い平面度及びギャップ量分布の均一性を確保することができる。高圧電極はアルミニウムなどの金属板からなり、熱伝導性も良好なので、これを厚くすることは、放電空隙の高圧電極側からの冷却を阻害する原因には殆どならない。

誘電体は、高圧電極側と低圧電極側の両方に配置されていてもよいし、片側だけでもよい。クリーン度が要求される場合は両側に配置するのがよく、特に高いクリーン度が要求されない場合は片側だけでもよい。片側の場合は高圧電極側に設けられることが多い。

低圧側の冷媒流路と低圧電極との間の低圧絶縁板は必ずしも必要でない。なぜなら、低圧側の冷媒流路と低圧電極が同電位（接地電位）であるからである。低圧側からの冷却促進、絶縁板コストの点からも、低圧絶縁板は不要であり、使用する場合も薄い方がよい。しかし、機械的強度の確保、低圧電極の被覆という点からは存在した方がよく、その板厚としては０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下が好ましく、剛性が要求されない場合はμｍオーダー（薄膜レベル）でもよい。厚過ぎる場合は必要以上に機械的強度が増大し、冷却能、経済性が悪化する。

そして今一つ重要なことは、高圧絶縁板を薄くした本発明の放電セルの場合、これを複数段に積層することにより、オゾン濃度が更に上昇するという事実である。この点から、高圧絶縁板を薄くした本発明の放電セルを単位セルとして、これを複数段に積層した積層構造が好ましい。換言すれば、両面冷却構造をもつ板型放電セルを単位セルとして、その複数を板材積層方向に積層した積層型セルにおいて、本発明は特に効果的である。

誘電体、絶縁板等は通常セラミックスで構成される。そのセラミックスは純度８０％以上のアルミナが好ましく、純度９０％以上、なかでも９５％以上のアルミナが特に好ましい。アルミナが適する理由はセラミックスのなかでは安価であり、かつ耐薬品性及び耐スパッタ性をもつ材料だからである。また高純度が好ましいのはオゾンガスのクリーン度を高めるためである。セラミックス板を積層する際の接合には無機系接合材が好適であり、その無機系接合材は接合性、汚染防止の点からガラス系接合材が好ましい。

セラミック板のうちの誘電板については誘電板中の不純物を低減すると、オゾン濃度の低下が問題になる。この問題を解決するために、誘電板の少なくとも放電空隙と接する表層部分に酸化チタンを含有させるのがよく、アルミナ基板中に酸化チタンをＴｉ元素量比率で０．００６〜６重量％含有させた焼結体が、オゾン発生特性及びクリーン度の両面から特に好ましい。

本発明のオゾン発生装置用放電セルは、高圧電極を高圧側の冷媒から絶縁する高圧絶縁板の板厚を、高圧電極と低圧電極の間に配置された誘電体の総厚との関係において従来より薄くすることにより、オゾン発生効率を高め、オゾンガスの高濃度化を可能にする。また、高圧絶縁板の板厚の減少により絶縁板コストをさげ、放電セルコストの低減を可能にする。これらにより、高性能で経済的なオゾン発生装置の提供を可能にする。

（削除）

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態を示すオゾン発生装置用放電セルの分解斜視図、図２は同放電セルの模式断面図、図３は同放電セルの等価回路である。

本実施形態のオゾン発生装置用板型放電セルは、図１及び図２に示すように、正方形をした複数枚の板材を板厚方向に一体的に積層したブロック構造になっている。複数枚の板材は、いずれも高純度アルミナの焼成板であり、ガラス系の接合層５０を介して接合されている。各板材の四隅部には位置決め用の貫通孔が設けられており、その角部は丸みを付与されている。

中間の２枚の板材は誘電体１０Ａ，１０Ｂである。その厚みは例えば０．３ｍｍである。各誘電体１０の平行な両側縁部には、各側縁に沿った長孔形状の貫通孔１１，１１が設けられている。貫通孔１１，１１はガス流通用であり、両側縁部の両端部を除くほぼ全域に連続的、直線的に設けられている。各誘電体１０の他の平行な両側縁部、すなわち前記貫通孔１１，１１に直角な両側縁部には、各側縁に沿った長孔形状の貫通孔１２，１２が設けられている。貫通孔１２，１２は冷媒流通用であり、両側縁部の両端部を除くほぼ全域に連続的、直線的に設けられている。

誘電体１０，１０の対向面には、貫通孔１１，１１の一方から他方に至る多数の並列したガス流路１３，１３を形成するために、ガス流路１３，１３の部分を除いてセラミックス層１４，１４が積層されておる。ガス流路１３，１３は合体して誘電体１０，１０の間に放電空隙７０を形成する。

セラミックス層１４は、アルミナ粉末とガラス粉末とで製造したペーストを対向面のガス流路以外の部分に印刷し、これを所定厚まで繰り返した後、ガラス粉末の融点以上の温度で焼成することにより形成されている。セラミックス層１４，１４の各厚み、すなわちガス流路１３を形成するためのリブ高は例えば３５μｍである。

誘電体１０，１０の背面側の表面には電極層１５Ａ，１５Ｂが被覆形成されている。電極層１５Ａは高圧電極、１５Ｂは低圧電極であり、いずれもが例えば銀ペーストの印刷塗布・焼成により形成される厚みが５μｍの金属薄膜であり、貫通孔１１，１１，１２，１２に囲まれた正方形の領域に設けられている。電極層１５の隣り合う２つのコーナー部は、誘電板１０のコーナー部に張り出して、円形の端子部１６，１６を形成している。そして、一方の電極層１５Ａにおける端子部１６，１６は、誘電板１０Ａの隣り合う２つのコーナー部に設けられており、他方の電極層１５Ｂにおける端子部１６，１６は、電極層１５Ａにおける端子部１６，１６と重ならないように、誘電体１０Ｂの別の隣り合う２つのコーナー部に設けられている。

誘電体１０Ａ，１０Ｂの外側に配置される板材は、絶縁板２０Ａ，２０Ｂである。一方の絶縁板２０Ａは高圧絶縁板、他方の絶縁板２０Ｂは低圧絶縁板であり、高圧絶縁板２０Ａは内側の高圧電極１５Ａを外側の冷媒と絶縁することを目的としており、その厚みは従来より薄い例えば０．９ｍｍとされている。低圧絶縁板２０Ｂは専ら機械的強度の確保を目的としており、その厚みは例えば０．３ｍｍとされている。すなわち、高圧絶縁板２０Ａの厚みは、電極層１５Ａ，１５Ｂの間に配置された誘電体１０Ａ，１０Ｂの合計厚み（０．６ｍｍ）の１．５倍とされている。

絶縁板２０Ａ，２０Ｂの平行な両側縁部には、貫通孔１１，１１に対応する長孔形状のガス流通用の貫通孔２１，２１が設けられている。絶縁板２０Ａ，２０Ｂの他の平行な両側縁部には、貫通孔１２，１２に対応する長孔形状の冷媒流通用の貫通孔２２，２２が設けられている。

絶縁板２０Ａ，２０Ｂの外側に配置される板材は冷媒流路を形成するためのスリット板３０Ａ，３０Ｂである。その厚みは例えば０．５ｍｍである。各スリット板３０の平行な両側縁部には、貫通孔１１，１１，２１，２１に対応する長孔形状のガス流通用の貫通孔３１，３１が設けられている。貫通孔３１，３１の間には、冷媒流路を形成するために多数のスリット３３，３３・・が平行に設けられている。スリット３３，３３・・の両端部は、冷媒流通用の貫通孔２２，２２とオーバーラップするように、各スリット板３０の他の平行な両側縁部に到達している。

スリット板３０Ａ，３０Ｂの更に外側に配置される板材は蓋板４０Ａ，４０Ｂである。一方の蓋板４０Ａの厚みは例えば４〜５ｍｍ、他方の蓋板４０Ｂの厚みは例えば２ｍｍである。一方の蓋板４０Ａには、内側のスリット板３０Ａの貫通孔３１，３１にそれぞれ連通するガス供給孔４１ａ及びガス排出孔４１ｂが設けられている。蓋板４０Ａの裏面には、スリット３３，３３・・の両端部、すなわち貫通孔１２，１２，２２，２２に対応するように１対の凹部が設けられている。そして蓋板４０Ａには、裏面側の１対の凹部に各連通する冷媒供給孔４２ａ及び冷媒排出孔４２ｂが設けられている。

これらの板材（高純度アルミナの焼結板）は次のようにして接合されている。

各板材の接合面にガラス系の接合用ペーストを例えば３０μｍ程度の厚みに塗布する。接合用ペーストは、ガラス粉末をバインダーと混練して所定粘度に調整したものである。接合用ペーストの塗布が終わると、板材を加熱炉に装入し、接合用ペーストをガラス粉末の融点である例えば８５０℃以上の温度で焼成する。接合用ペーストの焼成が終わると、各板材を重ね合せ、四隅部の貫通孔に位置決めピン６０を刺し通す。４本の位置決めピン６０は棒状リードを兼ねており、そのうちの２本は、高圧電極層１５Ａの端子部１６，１６と導通し、残りの２本は、低圧電極層１５Ｂの２つの端子部１６，１６と導通する。最後に、重ね合わせた板材を加熱炉に装入し、接合用ペーストをガラス粉末の融点である例えば８５０℃以上の温度で焼成する。

この焼成により、誘電体１０Ａ，１０Ｂ、その外側の絶縁板２０Ａ，２０Ｂ、その外側のスリット板３０Ａ，３０Ｂ、更にその外側の蓋板４０Ａ，４０Ｂが、ガラス系の接合層５０を介して接合されることになり、本実施形態の放電セルが完成する。完成した放電セルの特徴は以下のとおりである。

誘電体１０Ａ，１０Ｂの間でガス流路１３，１３が合体することにより、誘電体１０Ａ，１０Ｂの間に放電用の閉空間、すなわち放電空隙７０が形成される。ガス流路１３，１３を形成するセラミック層１４，１４の各厚みは例えば３５μｍであり、この場合の放電空隙７０のギャップ量は７０μｍとなる。セラミック層１４，１４の一方を省略することが可能であり、この場合の放電空隙７０のギャップ量は半分の３５μｍとなる。誘電板１０Ａ，１０Ｂの背面側の表面に被覆形成された電極層１５Ａ，１５Ｂは、端子部１６，１６と共に、誘電板１０とその外側に接合された絶縁板２０との間にガラス系の接合層５０により封入され絶縁される。

誘電板１０Ａの背面側に設けられた高圧電極層１５Ａの端子部１６，１６は２本の棒状リード６０，６０により蓋板４０Ａの外側に引き出されて電源と接続される。一方、誘電板１０Ｂの背面側に設けられた低圧電極層１５Ｂの端子部１６，１６は別の２本の棒状リード６０，６０により蓋板４０Ａの外側に引き出されて接地される。

誘電体１０の貫通孔１１，１１、絶縁板２０の貫通孔２１，２１、スリット板３０の貫通孔３１，３１が板材積層方向に連続することにより、放電空隙７０に連通する縦向きで横長のガス流路８０，８０が積層体内に形成される。また、誘電体１０の貫通孔１２，１２、絶縁板２０の貫通孔２２，２２が板材積層方向に連続することにより、スリット板３０におけるスリット３３，３３・・の両端部に連通する縦向きで横長の冷媒流路が積層体内に形成される。

放電セルの運転では、２本の棒状リード６０，６０を介して、高圧電極層１５Ａに所定の高周波高電圧を印加する。これと共に、積層方向に形成された２つの縦向きガス流路８０，８０の一方に、蓋板４０Ａのガス供給孔４１ａから原料ガスを導入し、積層方向に形成された２つの縦向き冷媒流路の一方に、蓋板４０Ａの冷媒供給孔４２ａから冷却水を導入する。

ガス流路８０，８０の一方に導入された原料ガスは、誘電体１０Ａ，１０Ｂの間に形成された放電空隙７０を一端部から他端部へ向かい、この間にオゾン化されてガス流路８０，８０の他方に至り、蓋板４０Ａのガス排出孔４１ｂから外部へ排出される。２つの冷媒流路の一方に導入された冷却水は、スリット板３０Ａ，３０Ｂの各スリット３３，３３・・を長手方向に流通し、２つの冷媒流路の他方を通って蓋板４０Ａの冷媒排出孔４２ｂから排出される。これにより、電極層１５Ａ，１５Ｂの間の誘電体１０Ａ，１０Ｂ間に形成された放電空隙７０が、両面側から絶縁板２０Ａ，２０Ｂを介して冷却される。

本実施形態の放電セルでは、高圧電極層１５Ａに所定の高周波高電圧が印加され、低圧電極層１５Ｂは冷却水と共に接地されている。このため、放電セルにおける等価回路は図３のようになる。すなわち、誘電体１０Ａ，放電空隙７０及び誘電体１０Ｂの直列回路に高圧絶縁板２０Ａが並列に挿入されることになる。図中、Ｃ_10A は誘電体１０Ａのコンデンサ容量、Ｃ₇₀は放電空隙７０のコンデンサ容量、Ｃ_10B は誘電体１０Ｂのコンデンサ容量、Ｃ_20A は高圧絶縁板２０Ａのコンデンサ容量である。放電空隙７０のコンデンサ容量Ｃ₇₀は、誘電体１０Ａ，１０Ｂのコンデンサ容量Ｃ_10A ，Ｃ_10B に比して小さく、直列回路のコンデンサ容量に大きな影響を与えない。直列回路のコンデンサ容量は誘電体１０Ａ，１０Ｂのコンデンサ容量Ｃ_10A ，Ｃ_10B に支配されるわけである。

高圧絶縁板２０Ａが従来のように厚い場合は、そのコンデンサ容量が大きく、高圧側の冷却水への無効電流は殆ど生じない。しかし、本放電セルでは、高圧絶縁板２０Ａを従来より薄くしている。具体的には、高圧電極層１５Ａと低圧電極層１５Ｂとの間に配置される誘電体１０Ａ，１０Ｂの総厚（０．６ｍｍ）の１．５倍弱に相当する０．８ｍｍとされている。このため、誘電体１０Ａ，放電空隙７０及び誘電体１０Ｂの合計容量に比して高圧絶縁板２０Ａのコンデンサ容量が減少し、高圧側の冷却水への無効電流の発生が無視できなくなる。しかし、高圧電極層１５Ａに印加される電圧は交流であるために、絶縁性の低下による電気的な悪影響は比較的少ない。むしろ、スリット板３０Ａの各スリット３３，３３・を流通する冷却水（高圧側の冷却水）により、誘電体１０Ａ，１０Ｂの間の放電空隙７０が従来より効果的に冷却され、無効電流によるロスを十分に補うことにより、オゾン発生効率が向上し、向上しないまでも効率低下は生じない。

すなわち、高圧絶縁板２０Ａを薄くすることによる空隙冷却能の向上、これによるオゾン発生効率上のメリットが、絶縁性低下による放電空隙７０での放電電流の減少、これによるオゾン発生効率上のデメリットを相殺、乃至は凌ぎ、結果としてオゾン発生効率が向上乃至は維持されるのである。

加えて、本実施形態の放電セルでは、原料ガス及びオゾンガスは縦向きガス流路８０，８０の一方から誘電体１０Ａ，１０Ｂ間の放電空隙７０を通り縦向きガス流路８０，８０の一方に至る。ここで、縦向きガス流路８０，８０は高純度アルミナの板材をガラス接合層５０で接合した積層体内に形成されており、高純度アルミナの板材もガラス接合層５０も汚染源を含まないクリーンな無機系の非金属材料である。また、放電空隙７０は、高純度アルミナ板からなる誘電体１０Ａ，１０Ｂの間にリブ構造のセラミック層１４及びガラス接合層５０により形成されており、セラミック層１４もガラス接合層５０と同じくクリーンな無機系の非金属材料である。更に、電極層１５は誘電板２０とその背面側の絶縁板２０との間にガラス接合層５０により封入されている。

これらのため、原料ガス及びオゾンガスは、金属に直接接触しないことはもとより、汚染源を含まないクリーンな無機系の非金属材料により形成されたクリーンな流通経路のみを通過する。換言すれば、接ガス部は全てクリーン材料により構成されている。したがって、放電セルによる原料ガス及びオゾンガスの汚染の危険がなく、クリーン度の高いオゾンガスが生成される。

図４は本発明の第２実施形態を示すオゾン発生装置用放電セルの模式断面図である。

本実施形態のオゾン発生装置用放電セルは、板状部材を板厚方向に積層して機械的に締め付け固定した組立式の放電セルである。この放電セルは、ボトムプレート１００とトッププレート１１０の間に、低圧側の冷却板を兼ねる低圧電極１２０、一対の誘電板１３０，１３０、高圧電極１４０、高圧絶縁板１５０及び高圧側の冷却板１６０を下から上へ順番に重ねた積層体を配置した構成になっている。

ボトムプレート１００とトッププレート１１０は複数本のタイロッド１７０により、離間距離が変わらないように連結されており、トッププレート１１０にねじ込まれたボルト状の固定具１８０で高圧側の冷却板１６０を圧下することにより積層体を積層方向に押圧してボトムプレート１００上に固定している。

低圧側の冷却板を兼ねる低圧電極１２０と高圧側の冷却板１６０は実質的に同じ構成であり、２枚のステンレス鋼板の接合面間にエッチング等により冷媒流路を形成した構成になっている。一対の誘電板１３０，１３０は、アルミナなどのセラミック板からなり、間に放電空隙７０を形成するために複数のスペーサー１９０を挟んでいる。この誘電板１３０，１３０は、第１実施形態における誘電板１０Ａ，１０Ｂと同様にリブを介して接合した一体構造でもよい。

高圧電極１４０は導電性及び熱伝導性に優れたアルミニウムなどの厚板からなり、その上の高圧絶縁板１５０はアルミナなどのセラミック板からなる。そして、高圧絶縁板１５０の板厚は、誘電板１３０，１３０の総厚の０．５倍以上、２倍以下に低減されており、一方、高圧電極１４０の厚みは誘電板１３０，１３０の総厚の５倍以上に厚くされている。

具体的に説明すると、誘電板１３０，１３０の各板厚を０．３ｍｍ、総厚を０．６ｍｍとすると、高圧絶縁板１５０の板厚はその総厚の１．５倍の０．９ｍｍとされており、一方、高圧電極１４０の厚みは誘電板１３０，１３０の総厚の１０倍である６ｍｍに設定されている。また、ステンレス鋼板などの金属板からなる低圧側の冷却板を兼ねる低圧電極１２０及び高圧側の冷却板１６０の板厚はいずれも２ｍｍと薄くされている。

このような構成のオゾン発生装置用放電セルでは、積層体がトッププレート１１０と共に、エンドプレート１００上のカバー２００内に収容されている。カバー２００はエンドプレート１００と共に圧力容器を構成しており、その圧力容器内に原料ガスである酸素ガスが供給される。また、誘電板１３０，１３０の間の放電空隙７０に放電を発生させるべく、低圧電極１２０と高圧電極１４０の間に所定の高周波高電圧が印加される。更に、低圧側の冷却板を兼ねる低圧電極１２０及び高圧側の冷却板１６０に冷媒としての冷却水が供給される。

圧力容器内に供給された酸素ガスは誘電板１３０，１３０の間の放電空隙７０を通過し、この間にオゾン化されてオゾンガスとなる。オゾンガスは下側の誘電板１３０、低圧電極１２０及びボトムプレート１００に形成されたガス流路２１０を通って圧力容器の外へ導出される。

ここで、高圧絶縁板１５０の板厚はその総厚の１．５倍の０．９ｍｍと薄くされている。このため、誘電体１３０、放電空隙７０及び誘電体１３０の合計容量に比して高圧絶縁板１５０のコンデンサ容量が減少し、高圧側の冷却水への無効電流の発生が無視できなくなる。しかし、高圧電極１５０に印加される電圧は交流であるために、絶縁性の低下による電気的な悪影響は比較的少ない。むしろ、高圧絶縁板１５０を薄くしたことにより、低圧電極１２０及び高圧側の冷却板１６０による両面側からの冷却効率が上がり、無効電流によるロスを十分に補うことにより、オゾン発生効率が向上し、向上しないまでも効率低下は生じない。

一方、低圧側の冷却板を兼ねる低圧電極１２０及び高圧側の冷却板１６０は薄い金属板であるために、それらの剛性は低い。誘電板１３０，１３０の厚みも小さく剛性が低い。その上、高圧絶縁板１５０が薄くされている。このままだと、固定具１８０による固定に伴ってこれらの平面度が低下し、放電空隙７０におけるギャップの均一性が低下し、オゾン発生効率に悪影響を与える。しかし、本実施形態のオゾン発生装置用放電セルでは、高圧電極１５０を厚くしているので、これがフレームとなって剛性を確保し、固定具１８０による固定に伴う平面度の低下、これによる放電空隙７０におけるギャップの均一性低下を回避する。また、高圧電極１５０は熱伝導性の良好なアルミニウム板などからなるため、これを厚くしても放電空隙７０の高圧側からの冷却を阻害する問題は生じない。

次に、本発明の放電セルにおける高圧絶縁板の厚みがオゾン濃度に及ぼす影響を定量的に示し、本発明の効果を明らかにする。

比較試験１として、図１及び図２に示す放電セルにおいて高圧絶縁板２０Ａの厚みを種々変更した。誘電体１０Ａ，１０Ｂの各厚みは０．３ｍｍ、総厚は０．６ｍｍとした。放電空隙７０におけるギャップ量は３５μｍ、低圧絶縁板２０Ｂの厚みは０．３ｍｍ、スリット板３０Ａ，３０Ｂの各厚みは０．５ｍｍとした。高圧絶縁板２０Ａの厚みは、誘電体１０Ａ，１０Ｂの総厚（０．６ｍｍ）に対し、３．３倍の２ｍｍ、１．３倍の０．８ｍｍ、０．５倍の０．３ｍｍの３種類とした。

原料ガスは高純度酸素ガス（６Ｎ）、その流量は０．５Ｌ／ｍｉｎ（Ｎ）、入口圧力は０．２５ＭＰａとした。冷却水は水量３Ｌ／ｍｉｎ、温度２０℃とした。誘電体１０Ａ，１０Ｂの材質はＴｉＯ₂ 添加アルミナとした。放電電圧とオゾン濃度の関係は、放電電圧を大きくするに従ってオゾン濃度が上昇し、ある放電電圧をピークとしてその後はオゾン濃度が低下する傾向を示す。この最大オゾン濃度を示す放電電圧は、セル仕様により変わるが、ここでは高圧絶縁板２０Ａの厚みが０．８ｍｍの場合にオゾン濃度が最大となる放電電圧を基準電圧として、この放電電圧時のオゾン濃度を測定し、この濃度にて高圧絶縁板２０Ａの厚みとオゾン濃度との関係を調査した。

オゾン濃度は、高圧絶縁板２０Ａの板厚が誘電体総厚の３．３倍の２ｍｍの場合で３４８ｇ／ｍ³ （Ｎ）、１．３倍の０．８ｍｍの場合で３５７ｇ／ｍ³ （Ｎ）、０．５倍の０．３ｍｍの場合で３４３ｇ／ｍ³ （Ｎ）であった。これからわかるように、高圧絶縁板の減厚はオゾン濃度低下の原因にならず、その減厚により絶縁板コストを低下できる。

比較試験２として、放電空隙７０におけるギャップ量を７０μｍとした。他の条件は同じである。オゾン濃度は、高圧絶縁板２０Ａの板厚が誘電体総厚の３．３倍の２ｍｍの場合で２８７ｇ／ｍ³ （Ｎ）、１．３倍の０．８ｍｍの場合で２８２ｇ／ｍ³ （Ｎ）、０．５倍の０．３ｍｍの場合で２９０ｇ／ｍ³ （Ｎ）であった。この場合も、高圧絶縁板の減厚はオゾン濃度低下の原因にならず、その減厚により絶縁板コストを低下できることが分かる。

比較試験３として、比較試験１における誘電体１０Ａ，１０Ｂ、その外側の絶縁板２０Ａ，２０Ｂ、及びその外側のスリット板３０Ａ，３０Ｂを単位セルとして１０段に積層し、蓋板４０Ａ，４０Ｂの間に挟んだ。隣接する単位セル間では、スリット板３０Ａ，３０Ｂを共用した。放電空隙７０におけるギャップ量は３５μｍである。放電電圧、放電空隙７０におけるガス量、スリット板３０Ａ，３０Ｂにおける冷却水量を含め、他の条件は比較試験１と同じとした。

放電空隙７０におけるギャップ量が３５μｍの場合で比較して、セル構造が単層から１０層に変わることにより、オゾン濃度は高圧絶縁板２０Ａの板厚が２ｍｍの場合には３４８ｇ／ｍ³ （Ｎ）から３５８ｇ／ｍ³ （Ｎ）に、０．８ｍｍの場合には３５７ｇ／ｍ³ （Ｎ）から４０５ｇ／ｍ³ （Ｎ）に、０．３ｍｍの場合には３４３ｇ／ｍ³ （Ｎ）から３５２ｇ／ｍ³ （Ｎ）にそれぞれ上昇した。

比較試験４として、比較試験２における誘電体１０Ａ，１０Ｂ、その外側の絶縁板２０Ａ，２０Ｂ、及びその外側のスリット板３０Ａ，３０Ｂを単位セルとして１０段に積層し、蓋板４０Ａ，４０Ｂの間に挟んだ。隣接する単位セル間では、スリット板３０Ａ，３０Ｂを共用した。放電空隙７０におけるギャップ量は７０μｍである。放電電圧、放電空隙７０におけるガス量、スリット板３０Ａ，３０Ｂにおける冷却水量を含め、他の条件は比較試験２と同じとした。

放電空隙７０におけるギャップ量が７０μｍの場合で比較しても、セル構造が単層から１０層に変わることにより、オゾン濃度は高圧絶縁板の板厚が２ｍｍの場合には２８７ｇ／ｍ³ （Ｎ）から２９７ｇ／ｍ³ （Ｎ）に、０．８ｍｍの場合には２８２ｇ／ｍ³ （Ｎ）から３２５ｇ／ｍ³ （Ｎ）に、０．３ｍｍの場合には２９０ｇ／ｍ³ （Ｎ）から２９５ｇ／ｍ³ （Ｎ）にそれぞれ上昇した。

このように、現時点で理由は明確ではないが、放電セル構造の多層化はオゾン濃度の向上に有効である。

図１及び図２に示した実施形態は角板型放電セルであるが、円板型放電セルでもよい。その実施形態では、高圧電極層１５Ａと低圧電極層１５Ｂとの間に誘電体１０Ａ，１０Ｂを電極層１５Ａ，１５Ｂに接して設けたが、片方を省略してもよい。また設計上、十分なセル強度が得られるならば、低圧絶縁板２０Ｂを省略することも可能である。

同様に、図４に示した実施形態も、角板型放電セル、円板型放電セルのいずれでもよい。また、高圧側の冷却板１６０、或いは低圧側の冷却板を兼ねる低圧電極１２０を共用する形で、放電セルを背中合わせに積層することも可能である。

本発明の一実施形態を示す放電セルの分解斜視図である。 同放電セルの模式断面図である。 同放電セルの等価回路である。 本発明の別の実施形態を示す放電セルの模式断面図である。

符号の説明

１０ 誘電板
１１，１２ 貫通孔
１３ ガス流路
１４ セラミック層
１５ 電極層
１６ 端子部
２０ 絶縁板
２１，２２ 貫通孔
３０ スリット板
３１ 貫通孔
３３ スリット
４０ 蓋板
４１ ガス孔
４２ 冷媒孔
５０ ガラス接合層
６０ 棒状リード
７０ 放電空隙
８０ 縦向きガス流路
１００ エンドプレート
１１０ トッププレート
１２０ 低圧側の冷却板を兼ねる低圧電極
１３０ 誘電板
１４０ 高圧電極
１５０ 高圧絶縁板
１６０ 高圧側の冷却板
１７０ タイロッド
１８０ 固定具
１９０ スペーサー
２００ カバー

Claims (6)

1. 所定の交流電圧が印加される高圧電極と低圧電極の間に放電空隙を形成するべく少なくとも一方の電極に接して電極間に誘電体が配置されており、且つ放電空隙を両面側から冷却するべく両電極の外側に冷媒流路が形成されると共に、高圧側の冷媒流路を高圧電極から絶縁するために両者の間に高圧絶縁板が配置されたオゾン発生装置用放電セルにおいて、高圧絶縁板の板厚が、高圧電極と低圧電極の間に配置された誘電体の総厚の０．５倍以上、２倍以下であるオゾン発生装置用放電セル。
2. 高圧電極と低圧電極の間に両電極に接して一対の誘電体が配置されており、一対の誘電体の間に放電空隙が形成されている請求項１に記載のオゾン発生装置用放電セル。
3. 高圧電極と低圧電極の間に、高圧電極のみに接して１枚の誘電体が配置されており、該誘電体と前記低圧電極の間に放電空隙が形成されている請求項１に記載のオゾン発生装置用放電セル。
4. 高圧絶縁板の板厚が、高圧電極と低圧電極の間に配置された誘電体の総厚の０．５倍以上、２倍以下であり、且つ１ｍｍ以下である請求項１〜３の何れかに記載のオゾン発生装置用放電セル。
5. 複数枚の板材を板厚方向に一体的に積層したブロック一体構造である請求項１〜４の何れかに記載のオゾン発生装置用放電セル。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のオゾン発生装置用放電セルを単位セルとして、これを複数段に積層してなるオゾン発生装置用放電セル。