CN101891155A

CN101891155A - 臭氧产生装置

Info

Publication number: CN101891155A
Application number: CN201010157111.5A
Authority: CN
Inventors: 中谷元; 高内大辅; 竹田智昭; 时盛孝一
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP4875120B2; CN101891155B; US8337767B2; CA2699768C; JP2010269949A; CA2699768A1; US20100296980A1

Abstract

一种即便流过大的短路电流也能防止由于供电电刷熔化造成玻璃管破损的可靠性高的臭氧产生装置，内壁形成有金属膜的圆筒状玻璃管的外部同心地设有圆筒状金属管，向金属膜与金属管之间施加来自交流高压电源的交流高电压，使得流过玻璃管与金属管之间的间隙的含有氧气的气体放电，从而产生臭氧，通过金属制的电刷轴和在电刷轴周围固定有许多金属细线的供电电刷从交流高压电源向玻璃管内壁的金属膜供电，当设许多金属细线中在电刷轴单位长度上的根数为N，金属细线的线径为d，许多金属细线形成的金属细线束的外径为D1，电刷轴的外径为D2，电刷轴表面的金属细线的线密度β＝N×d²/(4×D2)时，(D2/D1)≥1/[1+(1/20β)]。

Description

臭氧产生装置

技术领域

本发明涉及一种利用无声放电产生臭氧的臭氧产生装置，尤其涉及大容量的臭氧产生装置。

背景技术

现有的臭氧产生装置采用如图11所示的结构。玻璃管1的内壁形成有作为高压电极的金属膜2，玻璃管1的外部配置有与玻璃管同心圆状的、作为接地电极的圆筒状的金属管3。金属管3安装于接地连接的臭氧产生容器4。将供电电刷30插入金属膜2的内部，从外部交流高压电源11通过供电构件9和供电电刷30向金属膜2供给交流高电压。设置轴衬10的目的是向接地的臭氧产生容器4的内部供电。当在金属膜2与金属管3之间施加交流高电压时，在玻璃管1与金属管3之间的放电间隙12产生放电。在通常的臭氧产生装置中，放电间隙保持在1mm以下。

通过安装于臭氧产生容器4的气体入口13将干燥空气或略微混入有氮气的氧气导入，并将其导向放电间隙12。在通过放电间隙12时，干燥空气中的氧气或混入有氮气的氧气通过放电而分解并产生臭氧。产生的臭氧气体从气体出口14排出。放电产生的能量的一部分用于产生臭氧气体，剩余的能量作为热能来加热玻璃管1及金属管3。为了冷却这些，在金属管3的外侧流有冷却水，以冷却玻璃管1和金属管3，防止玻璃管的破损，并有助于高效地产生臭氧。由玻璃管1、金属膜2、金属管3构成放电管，在通常的臭氧发生装置中，在臭氧产生容器4内安装有许多放电管，从交流高压电源11一并向多根玻璃管1内壁的金属膜2供电。

当玻璃管1劣化或因为某种原因破损时，短路电流从交流高压电源11流入玻璃管1内壁的金属膜2。虽然图11中没有记载，但为了切断短路电流，在每一根玻璃管1中都安装有保险丝。或者，在交流高压电源检测出短路现象，将电源切断。或者，如专利文献1所述由金属薄膜构成金属膜2，利用短路电流使金属薄膜熔化、消失，从而发挥保险丝的替代作用，切断短路电流。

在此，供电电刷30由许多根金属细线31和电刷轴32以及连接于电刷轴的端子8构成(例如专利文献2)。由于金属膜2由薄膜构成，因此金属细线的直径例如细至Φ0.2mm左右，以避免对金属膜2造成损伤。此外，金属细线采用不锈钢材料，以免因臭氧气体而劣化。除此之外，许多根金属细线31安装于电刷轴32，以便对供电电刷30和金属膜2均匀供电。

此外，还提出有不把金属膜作为电极，而将由电刷轴和许多金属细线形成的电刷本身作为电极的结构(专利文献3)。

专利文献1：WO2006-103945号公报

专利文献2：日本专利实开昭53-160456号公报

发明文献3：日本专利特开平8-151201号公报

由于现有的装置采用上述结构，因此，虽然通常流过1根放电管的电流在1A以下，但当玻璃管1劣化或因为某种原因破损时，短路电流会从交流高压电源11流入破损的玻璃管的金属膜。此外，在臭氧产生量大的装置中，放电管在100根以上，有时采用将多达1000根的放电管安装于臭氧产生容器内，从一电源一并向这些许多根放电管供电的结构。在这种臭氧产生装置中，由于许多根放电管并列连接，因此当短路电流流入时，不仅从电源，作为电容性能量而蓄积于其他放电管的能量也流入短路的放电管。由于蓄积于100根以上的放电管中的能量非常大，这些能量作为流入一根放电管中的短路电流而使用，因此，存在发热量大的问题。此外，由于不锈钢的电阻率高，且接触电阻大，因此存在以下问题：当流过大电流时，金属细线31被焦耳热加热，达到高温而熔化。此外，还存在以下问题：由于氧化等因长时间动作而产生的劣化，金属细线31和金属膜2的接触电阻变大，被焦耳热加热达到高温而熔化。此外，还存在以下问题：由于金属细线31的熔化热而导致电刷轴32的温度上升时，电刷轴熔化变形，玻璃管1破损，其他的玻璃管破损。

此外，在没有安装保险丝的臭氧产生装置中，在切断短路电流后，从交流高压电源再次向放电管供电时，由于电流再次集中到破损的玻璃管的金属膜，因此不能再次运转。此时，存在需要打开臭氧产生容器4，更换破损的玻璃管的作业，再次启动臭氧产生装置费时的技术问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题而作，其目的在于提供一种即使有大的短路电流流过，也能防止由于供电电刷的熔化造成的玻璃管破损的可靠性高的臭氧产生装置。

此外，本发明的目的还在于提供一种即便没有各玻璃管的保险丝也不会由于玻璃管破损使装置停止，能继续运转的可靠性高、廉价的臭氧产生装置。

本发明所涉及的臭氧产生装置中，通过金属制的电刷轴和在电刷轴周围固定有许多金属细线的供电电刷从交流高压电源向玻璃管内壁的金属膜供电，当设许多金属细线中在电刷轴单位长度上的根数为N，金属细线的线径为d，许多金属细线形成的金属细线束的外径为D1，电刷轴的外径为D2，电刷轴表面的金属细线的线密度β＝N×d²/(4×D2)时，(D2/D1)≥1/[1+(1/20β)]。

本发明中，由于设有加粗电刷轴并缩短金属细线长度的供电电刷，因此，即便由于短路电流或接触电阻增大，焦耳发热增大，导致金属细线熔化，电刷轴的温度也不会上升到熔化温度，不会使电刷轴熔化，从而能提供一种玻璃管不破损，可靠性高的臭氧产生装置。

附图说明

图1是表示本发明实施方式1的臭氧产生装置的主要部分的概略侧视剖视图。

图2是本发明实施方式1的臭氧产生装置的图1的A-A部概略剖视图。

图3是表示本发明实施方式1的臭氧产生装置的供电电刷的放大图。

图4是表示本发明实施方式2的臭氧产生装置的供电电刷的放大图。

图5是表示本发明实施方式3的臭氧产生装置的主要部分的概略侧视剖视图。

图6是表示本发明实施方式3的臭氧产生装置的供电电刷的金属细线消失后的状态的概略侧视剖视图。

图7是表示本发明实施方式4的臭氧产生装置的主要部分的概略侧视剖视图。

图8是表示本发明实施方式4的臭氧产生装置的供电电刷的金属细线消失后的状态的概略侧视剖视图。

图9是表示本发明实施方式5的臭氧产生装置的供电电刷的金属细线消失后的状态的概略侧视剖视图。

图10是表示本发明实施方式6的臭氧产生装置的动作的图。

图11是表示现有例的臭氧产生装置的图。

(符号说明)

1玻璃管

2金属膜

3金属管

4臭氧产生容器(气密密闭容器)

5供电电刷

6金属细线

7电刷轴

7a、7b、7c、7d轴线材

9供电构件

11交流高压电源

20绝缘支承构件

24供电电刷固定构件

40、41管板

具体实施方式

实施方式1

以下，根据图1对本发明的实施方式1进行说明。图1是表示本发明的主要部分的概略侧视剖视图，为了说明只表示1根放电管，但在使用本发明的臭氧产生装置中，许多放电管并列配置。并列配置有许多放电管的臭氧产生装置的例如图1的A-A剖视图如图2所示。图2中，为了便于图解而表示了并列配置有64根放电管的装置，但在使用本发明的臭氧产生装置中，并列配置有100根以上的放电管。

作为高压电极的金属膜2压紧形成于玻璃管1的内壁，玻璃管1的外部配置有与玻璃管同心圆状的、作为接地电极的圆筒状的金属管3。玻璃管1的右侧被封住处理。作为气密密闭容器的臭氧产生容器4被2块管板40、41大致分割成三个空间，安装金属管3以连结开设于2块管板40及41的孔。臭氧产生容器4和管板40、41接地连接。玻璃管1的外壁与金属管3之间形成有规定的间隙，即放电间隙12，放电间隙12例如保持在0.4mm以下。符号5是供电电刷，采用从玻璃管1的一侧插入玻璃管内部并与金属膜2接触的结构。供电电刷5由许多不锈钢制的金属细线6、不锈钢制的电刷轴7和端子8构成。交流高压电源11的一侧接地，另一侧即高压侧与供电构件9连接。符号10是贯通臭氧产生容器4的轴衬，供电构件9通过轴衬内部，并采用与臭氧产生容器4绝缘的结构。供电构件9与供电电刷5的端子8连接。

如作为图1的A-A剖视图的图2所示，采用许多玻璃管1并列配置于臭氧产生容器4内，一根玻璃管1内壁的金属膜2由1根供电电刷5供电的结构。这样，许多供电电刷5利用从交流高压电源11通过轴衬10被导入臭氧产生容器4内的供电构件9并列连接。符号13是安装于臭氧产生容器4的气体入口，符号14是安装于臭氧产生容器4的气体出口。符号15是流过圆筒状金属管3外侧的冷却水，符号16是设于臭氧产生容器4的冷却水入口，符号17是设于臭氧产生容器4的冷却水出口。

本实施方式的供电电刷的详细结构如图3所示。电刷轴7由2根轴线材7a、7b构成。是通过将金属细线6夹在7a、7b之间，拧轴线材而形成的。例如，金属细线6的线径为Φ0.1mm，玻璃管内径为Φ19mm，由许多金属细线形成的金属细线束的外径D1为Φ20mm，电刷轴外径D2为Φ8mm。为了避免对玻璃管内壁的金属膜造成损伤，金属细线6的线径最好比Φ0.15mm细。

接着对动作进行说明。从交流高压电源11通过供电构件9、供电电刷5向金属膜2施加交流高电压。由于金属膜2与金属管3之间施加有交流高电压，因此在放电间隙12产生所谓的无声放电。当从气体入口13导入作为原料气体的干燥空气，或略微混有氮气的氧气时，该原料气体从由管板40与臭氧产生容器4形成的气体入口侧的空间(第一空间)通过放电间隙12，并通过由管板41与臭氧产生容器4形成的气体出口侧的空间被导向气体出口14。在原料气体通过放电间隙12时，原料气体中的氧气通过放电分解，并产生臭氧。为了有效地产生臭氧，放电间隙例如保持在0.4mm以下。此外，为了除去由于放电产生的热，在金属管3的外侧流过冷却水，冷却金属管3，并通过放电间隙内的气体冷却玻璃管1。如图2所示，许多由金属管3和内壁形成有金属膜2的玻璃管1构成的放电管并列设置于臭氧产生容器4内，气体通过许多放电间隙12，从电源向许多放电管并列施加交流高电压。这样，在许多放电间隙12产生放电，从而产生臭氧。

当使用中玻璃管1劣化或因为某种原因破损时，短路电流从交流高压电源11流入破损的玻璃管的金属膜2。此外，短路电流中也包括从蓄积于由并列连接的其他放电管形成的电容(电容器)的电容性能量流入的电流。由于该短路电流，因金属细线6与金属膜2之间的接触电阻而产生的焦耳发热以及因金属细线的体积电阻而产生的焦耳发热加热金属细线6，金属细线瞬间(100ms左右)熔化。此时，需要使得电刷轴不会因从高温的金属细线6的发热获得热能而达到熔化温度。以往，由于电刷轴较细，因此电刷轴可能熔化。

经过发明者们的专心研究得知在下述条件下电刷轴不熔化。

电刷长度方向单位长度的电刷轴重量：M，电刷长度方向单位长度的金属细线中从电刷轴突出部分的总重量：m，通过以下式子求出。

M＝(π/4)×(D2)²×ρ (1)

m＝(π/4)×N×d²×(D1-D2)×ρ (2)

在此，N：使用于电刷长度方向单位长度的细线根数，d：金属细线的线径，D1＝电刷外径，D2＝电刷轴外径，ρ＝电刷轴及金属细线的比重。

由于不锈钢制电刷金属细线在氧气中熔化而产生的热量Q在金属细线单位重量下大致是7,000(J/g)，

Q＝m×7,000[J/g] (3)

当该产生热量中比例为α的热量被电刷轴吸收时，电刷轴的温度上升ΔT为：

ΔT＝Q×α/(M×C)

＝m×7,000×α/(M×C) (4)

在此，C＝电刷轴的比热[J/gK]。

在不锈钢性电刷轴的情形下，为了防止轴的熔化，需要ΔT比熔化温度(大致1,500℃)低。把C＝0.51[J/gK](不锈钢材料)代入(4)式，

ΔT＝m×7,000×α/(M×0.51)≤1,500

M/m≥7,000×α/(0.51×1,500)＝9.15×α (5)

由于金属细线在氧气中熔化所产生的热量中的在电刷轴下侧的部分的热加热电刷，因而α大致为0.5。因此，

M/m≥9.15×0.5

在此，由于9.15×0.5大约为5，

因此，只要M/m≥5 (6)即可。

通过(1)、(2)、(6)式可知

(D2)²/[N×d²×(D1-D2)]≥5 (7)

在臭氧产生装置中使用实际的电刷进行试验时，若(7)式成立，则电刷轴不熔化。藉此，只要至少满足(7)式，则电刷轴不熔化。

此外，电刷轴表面的金属细线的线密度β(＝金属细线合计截面积/轴表面积)通过下式求出。

β＝[(π/4)×d²×N]/(π×D2)

＝N×d²/(4×D2) (8)

使用β对(7)式进行变形

(D2/D1)≥1/[1+(1/20β)] (9)

即，只要满足(9)式，则电刷轴不熔化。

对于不锈钢制金属细线径d＝0.03～0.15mm，不锈钢制电刷轴径D2＝3～8mm的情形，制作电刷轴并对其进行评价，其结果是线密度β＝0.005～0.04是实用的。

当β＝0.005以下时存在以下情形：金属细线数少，制作时细线容易断，此外，向单根细线的电流集中量变大，使得金属膜2劣化。此外，当β＝0.04以上时存在以下缺点：金属细线根数多，出现细线从电刷轴脱离的现象，且成本增加。线密度最好是β＝0.01～0.03。在上述β的情形下，计算(9)式得出表1。

表1

β	0.005	0.01	0.02	0.03	0.04
						D2/D1	0.091以上	0.167以上	0.29以上	0.38以上	0.44以上

在实施方式1中，金属细线的线密度为β，设定金属细线束的外径D1与电刷轴径D2的比为(D2/D1)≥1/[1+(1/20β)]，藉此，即便金属细线6由于短路电流熔化，电刷轴7也不熔化，因此，能防止玻璃管1的破裂及破损。其结果是，能提供一种可靠性高的臭氧产生装置。

实施方式2

接着，参照图4对本发明实施方式2进行说明。电刷轴由4根轴线材7a、7b、7c、7d构成。此外，金属细线通过被4根轴线材夹成“く”字状和反“く”字状后，拧动轴线材而形成电刷。在图3和图4的结构中使用的金属细线总数相同，但图4中的金属细线分散，能时电流均匀流过。在长时间使用供电电刷时，由于金属细线6与金属膜2的接触面氧化等造成接触电阻增大，通电性能变差。由于采用图4的结构能使电流分散，能放慢劣化速度。因此，能提供一种可靠性更高、寿命更长的臭氧产生装置。

此外，只要轴线材数在4根以上即可，根数越多，金属细线越分散，能使电流更均匀地流过。

实施方式3

接着，参照图5对本发明实施方式3进行说明。供电电刷5的轴7上安装有圆板状的陶瓷制支承构件20。支承构件20的外径制作成比金属膜2部分的内径略小。图6表示玻璃管破损，金属细线6熔化并消失后的结构。玻璃管1在破损处21开有孔，通过电弧放电22，金属膜2的电势与金属管3的电势(接地)大致相同。虽然对电刷轴7施加有高电压，但由于通过陶瓷制的支承构件20和供电构件9与金属膜2保持距离而绝缘，因此，臭氧产生装置能继续运转。藉此，能提供一种可靠性高的臭氧产生装置。

实施方式4

接着，参照图7对本发明实施方式4进行说明。供电电刷5安装固定于固定供电构件24，该固定供电构件24通过绝缘物23固定于作为气密密闭容器的臭氧产生容器4的管壁。图8表示玻璃管破损，金属细线6熔化并消失后的状态。玻璃管1在破损处21开有孔，通过电弧放电22，金属膜2的电势与金属管3的电势(接地)大致相同。由于电刷轴7通过绝缘物23和固定供电构件24而固定，在金属细线6消失后也能与金属膜2保持距离而绝缘，因此，即便对电刷轴7施加有高电压，臭氧产生装置也能继续运转。藉此，能提供一种可靠性高的臭氧产生装置。

实施方式5

接着，参照图9对本发明实施方式5进行说明。金属膜2由厚度为0.05～100μm的导电性薄膜构成。作为导电性薄膜的材料，使用有以不锈钢、铬、金、银、锡、锌、铜、碳、铝中任意一种为主要成分的材料，或者由镍或含有镍为主要成分的导电性化合物形成的耐氧化、耐臭氧性材料。金属膜2是通过将这些材料溅射或镀覆等紧贴或涂覆于玻璃管1的内壁而形成的。当玻璃管1破损时，破损部位21周围的金属膜25由于大的短路电流而瞬间蒸发消失。

因此，即便金属细线6因短路电流而消失，电刷轴7因自重而与金属膜2接触，由于金属膜2由破损部位21绝缘，因此也能继续向供电电刷施加电压。因此，臭氧产生装置能继续运转，能提供一种可靠性高的臭氧产生装置。

此外，在本实施方式5中，玻璃管内壁的金属膜由导电性的薄膜构成，并将供电电刷配置于比形成有放电间隙的部分还靠外侧，即突出至比管板40还靠外侧的空间的部分。因此，即便在放电间隙中的最靠近供电构件的一侧产生玻璃管的破损，由于金属膜的消失，也能确保玻璃管破损部位与供电部的绝缘距离。因此，即便金属细线6因短路电流而消失，电刷轴7因自重而与金属膜2接触，由于金属膜2由破损部位21绝缘，因此也能继续向供电电刷施加电压。因此，臭氧产生装置能继续运转，能提供一种可靠性高的臭氧产生装置。

实施方式6

接着，对本发明实施方式6进行说明。当臭氧产生装置的产生量变大时，短路电流变大，只保持图6、图8、图9所示的绝缘距离已经不能切断短路电流。此时，通过在供电电刷5与供电构件9之间安装未图示的保险丝，能切断短路电流。或者，通过在交流高压电源11检测出短路现象将电源切断来切断短路电流。

图10是表示对臭氧产生装置施加的电压与电流波形的图。由于与正常情况相比，当玻璃管破损时，电压降低，流入玻璃管的电流增加，因此，当检测到这种变化时，停止电源11的供电。当经过一段时间后恢复电源11的供电时，在图6、图8、图9的结构中，能再次施加电压，继续臭氧产生装置的运转。此时，臭氧产生装置的停止时间在1秒左右，在使用臭氧的系统中不会对运行产生任何障碍，能继续系统的运转。因此，在电源检测到短路现象后暂时停止供电，随后再恢复供电，藉此，即便不使用保险丝也能发挥同等的作用，能提供一种廉价、可靠性高的臭氧产生装置。

此外，在上述中以通过臭氧产生装置的电压、电流检测短路现象为例进行了说明，但以其他方法只要能检测到短路现象就能起到同样的效果。

在上述任一实施方式中，玻璃管能使用硼硅酸盐玻璃、石英玻璃、高硅玻璃、铝硅酸盐玻璃等耐热性玻璃。例如在SCOTT公司的玻璃管中能举出Duran、Duratan、Durabax、SUPREMAX、SURPRAX、FIOLAX、ILLAX、AR-Glas、8248、8250、8252、8253、8485等。通过使用耐热性玻璃，能降低由于金属细线熔化时的热造成的玻璃管破裂、玻璃熔化的可能性。因此，也能降低对相邻的完好的玻璃管产生不良影响的可能性。

此外，在以上实施方式中，对从原料气体的入口侧进行供电的结构进行了说明，但不必一定采用此种结构，也可采用从臭氧气体出口侧进行供电的结构。

本发明能应用于处理大量水的水处理装置等中。

Claims

1.一种臭氧产生装置，包括：气密密闭容器；2块管板，该2块管板是开有孔的导电金属板，并设置成将所述气密密闭容器的内部划分成3个空间；圆筒状金属管，该金属管将所述2块管板的所述孔彼此连结；圆筒状玻璃管，该玻璃管以其外壁与所述金属管的内壁隔有规定间隙的方式保持于所述金属管的内部，且内壁形成有金属膜，所述玻璃管的一端封闭，另一端打开；以及交流高压电源，从所述3个空间中的位于两端的空间中的一个空间即第一空间通过所述间隙向位于两端的空间中的另一个空间流入含有氧气的原料气体，并将在金属制的电刷轴的周围固定有许多金属细线的供电电刷插入所述玻璃管，使所述金属细线的前端与所述金属膜电接触，从所述交流高压电源向所述电刷轴连接供电构件，并向所述金属膜施加来自所述交流高压电源的电压，使得所述玻璃管的内壁的金属膜处于高电势，所述金属管处于接地电势，使流过所述间隙的原料气体放电从而产生臭氧，其特征在于，当设所述许多金属细线中在所述电刷轴单位长度上的根数为N，所述金属细线的线径为d，所述许多金属细线形成的金属细线束的外径为D1，所述电刷轴的外径为D2，所述电刷轴表面的所述金属细线的线密度β＝N×d²/(4×D2)时，(D2/D1)≥1/[1+(1/20β)]。

2.如权利要求1所述的臭氧产生装置，其特征在于，100根以上的由金属管和玻璃管构成的放电管并列配置，从一个交流高压电源向100根以上的所述放电管并列供电。

3.如权利要求1所述的臭氧产生装置，其特征在于，β为0.005以上、0.04以下。

4.如权利要求1所述的臭氧产生装置，其特征在于，β为0.01以上、0.03以下。

5.如权利要求1所述的臭氧产生装置，其特征在于，电刷轴采用由4根以上的轴线材拧成的结构，金属细线采用夹在拧起的所述轴线材的间隙中的结构。

6.如权利要求1所述的臭氧产生装置，其特征在于，电刷轴上设有陶瓷制的绝缘支承构件。

7.如权利要求1所述的臭氧产生装置，其特征在于，电刷轴固定于固定供电构件，该固定供电构件固定于气密密闭容器。

8.如权利要求1所述的臭氧产生装置，其特征在于，玻璃管内面的金属膜由厚度为0.05μm～100μm的导电性薄膜构成。

9.如权利要求8所述的臭氧产生装置，其特征在于，供电电刷配置在玻璃管的下述部分：突出至比管板还靠外侧的空间的部分。

10.如权利要求1所述的臭氧产生装置，其特征在于，还具有在交流高压电源检测到短路现象后，将电源暂时切断并再次施加电压的运转序列。

11.如权利要求1所述的臭氧产生装置，其特征在于，玻璃管以硼硅酸盐玻璃、石英玻璃、高硅玻璃、铝硅酸盐玻璃中任意一种玻璃作为材料。