JP4719937B2

JP4719937B2 - 電極材およびオゾン発生装置

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Publication number: JP4719937B2
Application number: JP2007064392A
Authority: JP
Inventors: 裕弘滝川
Original assignee: 株式会社Ｔ＆Ｔプロダクツ
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: JP2008226678A

Description

本発明は、電極材およびオゾン発生装置に関する。

オゾン（Ｏ_３）が強力な酸化作用を有することは従来より知られており、その酸化力を利用して、殺菌、抗菌、脱臭、脱色、有機物の除去といった各種用途への利用が検討されている。

オゾンは、一般に、１対の電極に高電圧を印加して空気中に放電することによって製造されている（例えば、非特許文献１参照）。例えば、図１に示すように、一定の間隔をおいた２枚の平板状金属電極間にセラミック板（絶縁体）を配置し、２枚１対の平板状金属電極に通電して放電することにより、空気中の酸素分子（Ｏ_２）を解離させてマイナスイオン(アニオン)（Ｏ⁻）を生成し、次いで他の酸素分子と再結合させることによりオゾン（Ｏ_３）が製造されている。

上記オゾンの製造過程においては、オゾンと共にマイナスイオン(アニオン)も生成されるが、このマイナスイオン(アニオン)も血液浄化や血糖値降下、疲労回復といった各種用途への利用が検討されている。

特に近年、鳥インフルエンザや院内感染等への関心が高まるに連れ、感染症の予防手段として、携帯用や室内用のオゾン発生器に対する要望が高まりつつある。
「新しいオゾン発生法・測定法による病院応用」、日本医科器械学、Ｎｏ．５７、３、昭和６２年

しかしながら、本発明者が検討したところ、図１に示す装置でオゾンを製造する場合、金属電極の外側主表面に耐水皮膜を設けても、空気中の水分が金属電極の側面と接触するため、上記水分の帯電、発熱によってオゾンの生産効率が低下するとともに、装置自体の耐久性も低下してしまう（例えば、温度６０℃、湿度９０％の雰囲気下で耐久時間が５００時間以下である）ことが判明した。

また、オゾンは安定性が低い物質であり、例えば風（ファンによる強制的な空気流等）により容易に分解されてしまうことから、一定濃度のオゾンを得るためには、高出力（高電圧）の装置を用いる必要があり、このため、低出力（低電圧）でかつ安価に高濃度のオゾンを得ることは困難であった。

本発明は、このような事情の下で、高湿度雰囲気下でも安定して放電することができ、低出力（低電圧）でかつ安価に高濃度のオゾンをマイナスイオン（アニオン）とともに発生し得る電極材およびその製造方法を提供することを第一の目的とするものである。

また、本発明は、上記電極材を用いたオゾン発生装置を提供することを第二の目的とし、上記電極材を用いたオゾン発生方法を提供することを第三の目的とするものである。

（１）導電性線状材により構成される網目状部材からなり、
前記導電性線状材が、チタンからなる線状中心部と、線状中心部外周の少なくとも一部を被覆する酸化チタンからなる外周部とを有し、前記網目状部材の主表面が台形状であることを特徴とする電極材、
（２）前記網目状部材の外縁部の少なくとも一部が、前記導電性線状材の突出部により構成されてなる上記（１）に記載の電極材、
（３）少なくとも放電部および該放電部に電気的に接続する制御部を含み、
前記放電部が１対の電極を有し、該１対の電極のうち少なくとも一方の電極が上記（１）または（２）に記載の電極材からなることを特徴とするオゾン発生装置、
（４）前記一対の電極は互いの主表面を対向して配置され、一方の電極の主表面に直交する仮想直線Ｌと他方の電極の主表面とのなす角度が０°以上９０°未満の範囲にあることを特徴とする上記（３）に記載のオゾン発生装置、
および
（５）前記オゾン発生装置が携帯用または室内用オゾン発生器である上記（３）または（４）に記載のオゾン発生装置
を提供するものである。

本発明によれば、高湿度雰囲気下でも安定して放電することができ、低出力（低電圧）でかつ安価に高濃度のオゾンおよびマイナスイオン（アニオン）を発生し得る電極材およびその製造方法を提供することができる。

また、本発明によれば、上記電極材を用いたオゾン発生装置およびオゾン発生方法を提供するができる。

先ず、本発明の電極材について説明する。
本発明の電極材は、導電性線状材により構成される網目状部材からなり、前記導電性線状材が、チタンからなる線状中心部と、線状中心部外周の少なくとも一部を被覆する酸化チタンからなる外周部とを有することを特徴とするものである。

本発明の電極材は、網目状部材からなるものであり、該網目状部材を主表面側からみたときの模式図を図２に示す。図２において、実線は網目状部材を構成する導電性線状材を示すものであり、破線は網目状部材の外形を理解するために設けたものである。

本発明の電極材に用いられる網目状部材は、図２に示すように、その主表面形状が、正方形状（図２（ａ））、長方形状（図２（ｂ））、台形状（図２（ｃ））等の四角形状や、四角形状以外の多角形状、円形状、楕円形状等いずれの形状であってもよいが、主表面形状が四角形状である場合、正方形状や長方形状よりも台形状の方が後述する導電性線状材の突出部の数を多くすることができるため好ましい。

本発明の電極材の大きさは、例えば、電極として組み込まれるオゾン発生装置の使用目的や、オゾンを拡散させようとする空間の広さ、求められるオゾン発生量等によって適宜選定することができる。本発明の電極材に用いられる網目状部材の主表面形状が台形状であり、電極材を携帯用オゾン発生器の電極として用いる場合には、上底３ｍｍ〜１３ｍｍ、下底４ｍｍ〜１６ｍｍ、高さ４ｍｍ〜１２ｍｍであることが好ましく、上底５ｍｍ〜１０ｍｍ、下底６ｍｍ〜１２ｍｍ、高さ６ｍｍ〜１０ｍｍであることがより好ましく、上底６ｍｍ〜８ｍｍ、下底８ｍｍ〜１０ｍｍ、高さ８ｍｍ〜１０ｍｍであることがさらに好ましい。また、網目状部材の厚さは０．３ｍｍ〜１ｍｍが好ましく、０．３ｍｍ〜０．８ｍｍがより好ましく、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍがさらに好ましい。

本発明の電極材に用いられる網目状部材は、図２に実線で示される導電性材料により構成されるものであり、この導電性線状材が２ｍｍ〜１０ｍｍ置きに並行して配置されてなるものが好ましく、２ｍｍ〜８ｍｍ置きに並行して配置されてなるものがより好ましく、２ｍｍ〜５ｍｍ置きに並行して配置されてなるものがさらに好ましい。

導電性線状部材の配置間隔が２ｍｍ未満では、導電性線状材を構成するチタンの成形性が悪いことから所望形状を有する網目状部材を得ることが困難になる。また、導電性線状材の配置間隔が１０ｍｍを超えると、電極として使用したときに所望濃度のオゾンを得ることが困難になる。

図３に、本発明の電極材に用いられる網目状部材を主表面側からみたときの部分拡大図を示す。図示しているように、導電性線状材１により形成される網目状部材２の網目３は、通常、正方形状（図３（ａ））や菱形状（図３（ｂ））といった四角形状を有するが、四角形状以外の多角形状、円形状、楕円形状を有してもよい。網目形状が円形状や楕円形状である場合は、断面積が長さ方向に連続的に変化する導電性線状材１により網目状部材２を構成すればよい。

本発明の電極材に用いられる網目状部材は、その外縁部において導電性線状材の端部が突出することにより、外縁部の少なくとも一部が、導電性線状材の突出部により構成されてなるものであることが好ましい。

図４に、本発明の電極材を主表面側からみたときの模式図を示す。図４は、網目状部材２の外縁部において、導電性線状材１の端部が突出することにより、外縁部の少なくとも一部が導電性線状材の突出部４により構成されていることを示すものである。このように、網目状部材の外縁部において、導電性線状材１の長さ方向の端部を突出させ、針先を出すような形状とすることにより、電極として用いたときに、突出部のみから放電を行って、オゾンの生成濃度を高めることが可能になる。導電性線状材の突出部４の数が多いほど上記効果を高めることができることから、網目状部材は、その外縁部の全てが、導電性線状材の突出部により構成されてなるものであることが好ましい。

網目状部材を構成する導電性線状材は、チタンからなる線状中心部と線状中心部外周の少なくとも一部を被覆する酸化チタンからなる外周部とを有している。

導電性線状材において、線状中心部の構成材料をチタンにすることにより、本発明の電極材を電極として使用したときに、その発熱を抑制することが可能になる。また、導電性線状材において、外周部の構成材料を酸化チタンにすることにより、本発明の電極材を電極として使用したときに、オゾンを安定して発生することが可能になる。酸化チタンとしては、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いることが好ましい。

図５に、本発明の電極材における、導電性線状材の断面構造の一例を示す。
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、チタンからなる線状中心部５の断面としては、四角形状あるいは円形状を挙げることができ、図示したもの以外にも、多角形状や楕円形状等任意の断面形状を採ることができる。また、酸化チタンからなる外周部６は、通常、線状中心部５の断面形状に対応する断面形状を有し、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、線状中心部５の断面形状が四角形状のときは四角形状、線状中心部５の断面形状が円形状のときは円形状の断面形状を有するが、両者は必ずしも対応する断面形状を有さなくてもよい。また、導電性線状材の断面形状および断面積は、長さ方向に一定であることが好ましいが、これらも必ずしも一定である必要はない。

チタンからなる線状中心部の厚さは、０．３ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．３ｍｍ〜０．８ｍｍであることがより好ましく、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであることがさらに好ましい。また、酸化チタンからなる外周部の厚さは、２０μｍ〜３００μｍであることが好ましく、２０μｍ〜２００μｍであることがより好ましく、４０μｍ〜２００μｍであることがさらに好ましい。

酸化チタンからなる外周部は、線状中心部の長さ方向に沿う外周の少なくとも一部を被覆するものであればよいが、線状中心部の長さ方向に沿う外周の全体を被覆するものであることが好ましい。また、本発明の電極材において、線状中心部の長さ方向両端部には、導電性および放電性を確保するため、酸化チタンは被覆されない。

次に、本発明の電極材の製造方法について説明する。
本発明の電極材の製造方法は、上述した本発明の電極材を製造する方法であって、チタン製線状材により構成される網目状チタン部材を、表面の少なくとも一部に酸化チタンが付着したブラスト材でブラスト処理することを特徴とするものである。

網目状チタン部材としては、チタン製ラス（チタンラス）等を用いることができる。
網目状チタン部材をブラスト処理する際に用いられるブラスト材は、表面の少なくとも一部に酸化チタンが付着したものであり、このようなブラスト材としては、チタン粒子からなる核の周囲に二酸化チタン等の酸化チタンを被覆した酸化チタン被覆チタン粒子を挙げることができる。

上記ブラスト材は、ビッカース硬さ（ＨＶ）が３０００ＨＶ以下であるものが好ましく、２０００ＨＶ以下であるものがより好ましく、１０００ＨＶ以下であることがさらに好ましい。

ブラスト材が粒子形状を有する場合、その平均粒子径は、２０〜２００μｍであることが好ましく、４０〜１００μｍであることがより好ましく、４０〜５０μｍであることがさらに好ましい。なお、本明細書において、平均粒子径とは体積平均粒子径を意味し、体積平均粒子径は、例えば粒度分布測定器等で測定することができる。

ブラスト処理は、既存のブラスト装置を用いて行うことができ、例えば、インペラーと呼ばれる耐摩耗合金製の羽根車の遠心力により投射材を投射するショットブラスト装置や、圧縮空気により投射材を投射するエアーブラスト装置等を用いて行うことができる。

ブラスト材の投射速度は、毎秒５０〜２００ｍが好ましく、毎秒５０〜１８０ｍがより好ましく、毎秒８０〜１５０ｍがさらに好ましい。投射距離は被処理物（網目状チタン部材）のサイズにより適宜設定すればよい。また、投射角度は、約３０°〜１２０°から選択することが好ましく、約４０°〜９０°から選択することがより好ましく、約４５°〜６５°から選択することがさらに好ましい。

本発明の電極材の製造方法においては、表面の少なくとも一部に酸化チタンが付着したブラスト材を網目状チタン部材に投射し、衝突させることによって、ブラスト材表層の酸化チタンが網目状チタン部材の表面層に結合して、安定した皮膜が形成されると考えられる。また、網目状チタン部材であるチタンラス等が成形バリを有する場合であっても、上記ブラスト処理により成形バリを除去することも可能になる。

上記ブラスト処理して得た電極材を主表面側から見たときの拡大図を図６（ａ）に示す。図６（ａ）に示される網目状部材２の外縁部の少なくとも一部に突出部を形成する場合は、例えば、図６（ａ）にＡ−Ａ’で示される破線に沿って網目状部材２を切断することにより、図６（ｂ）に示されるような突出部４を形成することが可能になる。また、突出部４が多数形成されるように上記網目状部材２を適宜切断することもでき、網目状チタン部材として主表面形状が正方形状または長方形状のチタンラスを用いた場合は、上記切断処理により網目状部材の主表面を台形状に加工することが好ましい。

次に、本発明のオゾン発生装置について説明する。
本発明のオゾン発生装置は、少なくとも放電部および該放電部に電気的に接続する制御部を含み、前記放電部が１対の電極を有し、該１対の電極のうち少なくとも一方の電極が本発明の電極材からなることを特徴とするものである。

上述したように、従来のオゾン発生装置においては、空気中の水分が金属電極と接触してしまうため、上記水分の帯電によってオゾンの生産効率が低下するとともに、装置自体の耐久性も低下するという課題を有していた。しかしながら、本発明のオゾン発生装置は本発明の電極材を用いるものであり、この電極材は、図７に示すように、特定の網目状部材２からなり、該網目状部材２を構成する導電性線状材の長さ方向の端部からのみ放電（コロナ放電）を行うものであるため、空気中の水分の帯電率を低下させて、オゾン生成量を増大させるとともに装置の耐久性を向上させることができる。

本発明のオゾン発生装置において、放電部を構成する一対の電極は、２ｍｍ〜６ｍｍの間隔で並行して配置されることが好ましく、２．５ｍｍ〜４．５ｍｍの間隔で並行して並置されることがより好ましく、３ｍｍ〜４ｍｍの間隔で並行して配置されることがさらに好ましい。電極の間隔が２ｍｍ未満であったり、６ｍｍを超えたりすると、所望濃度のオゾンを得ることが困難になる。

本発明のオゾン発生装置においては、放電部を構成する一対の電極のうち、少なくとも一方の電極が、他方の電極側に０°以上９０°未満の角度で傾斜していることが好ましく、１°〜７０°の角度で傾斜していることがより好ましく、３°〜６０°の角度で傾斜していることがさらに好ましい。すなわち、放電部を構成する一対の電極は、互いに平行になるように取付部に設置してもよいが、一対の電極のうち、少なくとも一方の電極を他方の電極側に傾けることにより、導電性線状材の長さ方向端部からの放電効率を高めることが好ましい。なお、一方の電極が他方の電極側に０°以上９０°未満の角度で傾斜しているとは、図８に示すように、２枚の電極８、８’を平行に配置し、これらの電極を真横からみた状態を基準にして、２枚の電極に直交する仮想直線Ｌと、各電極８、８’との為す角度α、α’が０°以上９０°未満の範囲内にあることを意味する。

本発明のオゾン発生装置は、上記放電部と制御部が絶縁性材料からなる隔壁により隔てられてなるものであることが好ましい。

図９に本発明のオゾン発生装置７の断面図を示すが、図９に示すように、放電部９と制御部１０とを隔壁１１で隔てることにより、オゾン発生装置の運転中に発熱、発火が生じる可能性を低減することができる。隔壁を構成する絶縁性材料としては、例えば、テフロン（商品名）等のフッ素樹脂を挙げることができる。

なお、本発明のオゾン発生装置は、低出力（低電圧）で安定して駆動し得るものであるため、必ずしも上記隔壁を設けなくてもよい。

本発明のオゾン発生装置は、上記放電部９および制御部１０とともに、制御部１０を介して放電部９に通電する電源部を有してもよい。
上記電源部としては、市販の電池または外部電源等を挙げることができ、上記電源部は、制御部１０に電気的に接続し得る状態で、容器１２内部または容器１２の外部に設けることができる。

本発明のオゾン発生装置は、例えば、出力７４０ｍＷ（電圧３．５Ｖ）の駆動条件で、オゾン０．０２ｐｐｍ以上、マイナスイオン（アニオン）５００万個／ｃｍ^２以上を生成することができ、低出力（低電圧）で、高濃度のオゾンおよびマイナスイオン（アニオン）を生成し得るものである。また、本発明のオゾン発生装置は、例えば、温度８０℃、湿度９５％という運転条件における耐久時間が１００００時間以上であり、高湿度雰囲気下でも安定して放電することができるものである。

このため、本発明のオゾン発生装置は、従来のオゾン発生装置に比べ、装置を小型化することが可能になり、携帯用又は室内用オゾン発生器として好適に用いることが可能になる。

次に、本発明のオゾン発生方法について説明する。
本発明のオゾン発生方法は、１対の電極に通電することによりオゾンを発生する方法であって、前記１対の電極のうち少なくとも一方の電極が本発明の電極材からなり、前記１対の電極に通電することにより、マイナスイオンに包まれたオゾンを発生することを特徴とするものである。

上述したように、少なくとも一方の電極が本発明の電極材からなる１対の電極に通電することにより、高濃度のオゾンおよびマイナスイオン(アニオン)を生成することが可能になる。

これは、本発明の電極材を電極として用いることにより、多量のオゾンおよびマイナスイオン(アニオン)が生成すると同時に、不安定な物質であるオゾンがマイナスイオン(アニオン)に包まれて保護されることにより、その分解が抑制されるためであると考えられる。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
実施例１（電極材の製造例）
チタン製線状材により構成される網目状チタン部材として、菱形形状の網目を有するチタンラス（株式会社不二機販製PIPチタンラス、線状材間隔３ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）を用い、この網目状チタン部材に、インペラー式ショットブラスト装置を用いて、ブラスト材（平均粒径１００μｍのチタン粒子全表面に二酸化チタンが２００μｍ付着したもの、ビッカーズ硬さ１０００ＨＶ）を、鉛直上方向から毎秒８０ｍの投射速度で２８０ｇ投射して、厚さ２０μｍの二酸化チタン膜を形成することにより、網目状部材として、チタンからなる線状中心部と、線状中心部外周の全面を被覆する二酸化チタンからなる外周部とを有する導電性線状材により構成されるものを得た。次いで、得られた網目状部材の外縁部を構成する線状材を図６に示すように適宜切断することにより、網目状部材の外縁部全体が導電性線状材突出部により構成されてなる電極材を２枚作製した。
得られた電極材は、主表面側からみたときに、略台形状（上底８．５ｍｍ、下底１２ｍｍ、高さ１０ｍｍ）の形状を有していた。

実施例２（オゾン発生装置の製造例）
実施例１で得た２枚の電極材を１対の電極として用いて、図９に示すようなオゾン発生装置を作製した。

先ず、上記２枚１対の電極を２ｍｍの間隔で容器１２内の取付部に配置して、放電部９を形成した。上記電極は、平面状の取付部に対して、一方の電極が９０°、他方の電極が８５°の角度を形成するように（図８におけるα、α’がそれぞれ９０°、８５°となるように）取り付けた。

次いで、上記放電部９がフッ素樹脂であるテフロン（商品名）製の隔壁１１によって隔てられるようにして電源部１０を配置するとともに、上記隔壁１１上を通して放電部９と制御部１０とを電気的に接続する配線を設けた。上記制御部１０に隣接して、３．７Ｖの電池を電気的に接続した状態で容器１２内に配置することにより、携帯用オゾン発生器として使用し得る幅６６ｍｍ、高さ９８ｍｍ、厚さ２７ｍｍのオゾン発生装置７を得た。

得られたオゾン発生装置７を、出力７４０ｍＷ（電圧３．７Ｖ）の条件で駆動したところ、オゾン０．０２ｐｐｍ、マイナスイオン(アニオン)５００万個／ｃｍ^２を生成することができた。また、温度８０℃、湿度９５％という運転条件で連続運転したところ、耐久時間が１００００時間以上であった。

このことから、本発明のオゾン発生装置は、本発明の電極材を用いることにより、高湿度雰囲気下でも安定して放電することができ、低出力（低電圧）でかつ安価に高濃度のオゾンおよびマイナスイオン（アニオン）を発生し得るものであることが分かる。これは、本発明のオゾン発生装置においては、オゾンおよびマイナスイオン（アニオン）の生成量が多いだけでなく、生成したオゾンがマイナスイオン（アニオン）に包まれて保護されるため、オゾンが安定に存在するためであると考えられる。

＜オゾン発生装置の使用例＞
（使用例１）
（１）表１に示す６名を被験者として、実施例２で得たオゾン発生装置７を１日約８時間携帯したときの血流の変化を、オゾン発生装置７を携帯して１ヶ月および２ヶ月経過後における被験者の感覚（体調）に基づいて、判断した。

◎：非常に効果を感じる
○：効果を感じる
△：やや効果を感じる
×：何も感じない
なお、株式会社ピーテック製、Selfy(セルフィ) ハンディ型血流観察システムを用い、上記６名の被験者がオゾン発生装置７を携帯する前と２ヶ月携帯した後の血流をそれぞれ測定したところ、いずれの被験者においても、血流の改善効果を確認することができた。

（使用例２）
表２に示す６名の花粉症患者を被験者として、実施例２で得たオゾン発生装置７を１日約８時間携帯したときの症状の変化を、オゾン発生装置７を携帯する前の症状と、１ヶ月携帯後の症状とを比較することにより、観察した。

（判定基準）
◎:非常に効果あり
○:効果を認める
×:効果なし
上記使用例１および使用例２より、本発明のオゾン発生装置が、血液浄化および花粉症の症状改善に効果を有するものであることが分かる。

本発明の電極材は、高湿度雰囲気下でも安定して放電することができ、低出力（低電圧）でかつ安価に高濃度のオゾンおよびマイナスイオン（アニオン）を発生し得るため、携帯用や室内用オゾン発生器等の各種オゾン発生装置に好適に用いることができる。

従来のオゾン発生装置を示す図である。本発明の電極材を構成する網目状部材を主表面側からみたときの模式図である。本発明の電極材を構成する網目状部材を主表面側からみたときの部分拡大図である。本発明の電極材を主表面側からみたときの模式図である。本発明の電極材において、網目状部材を構成する導電性線状材の断面構造の一例を示す図である。本発明の電極材を主表面側から見たときの拡大図である。本発明の電極材の作用を示す図である。本発明のオゾン発生装置を構成する電極の傾斜状態を説明する図である。本発明のオゾン発生装置の断面図である。

符号の説明

１導電性線状材
２網目状部材
３網目
４突出部
６外周部
７オゾン発生装置
８，８’ 電極
９放電部
１０制御部

Claims

導電性線状材により構成される網目状部材からなり、
前記導電性線状材が、チタンからなる線状中心部と、線状中心部外周の少なくとも一部を被覆する酸化チタンからなる外周部とを有し、前記網目状部材の主表面が台形状であることを特徴とする電極材。
前記網目状部材の外縁部の少なくとも一部が、前記導電性線状材の突出部により構成されてなる請求項１に記載の電極材。
少なくとも放電部および該放電部に電気的に接続する制御部を含み、
前記放電部が１対の電極を有し、該１対の電極のうち少なくとも一方の電極が請求項１または請求項２に記載の電極材からなることを特徴とするオゾン発生装置。
前記一対の電極は互いの主表面を対向して配置され、一方の電極の主表面に直交する仮想直線Ｌと他方の電極の主表面とのなす角度が０°以上９０°未満の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載のオゾン発生装置。
前記オゾン発生装置が携帯用または室内用オゾン発生器である請求項３または請求項４に記載のオゾン発生装置。