JP2002255513A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造にして接地電極の冷却能力の向上
を図り、放電およびポンプ動力を含めて電力効率の高い
オゾン発生装置を提供する。 【解決手段】 内周面に誘電体層を形成した円筒管形の
接地電極５と、接地電極の誘電体層内側に放電空隙を介
して同心設置した中空筒状の高電圧電極６とからなる複
数組のオゾン発生管４０と、両端が開口した筒状の胴部
および開口部を気密に塞ぐための２つの側板とを有しオ
ゾン発生管を内蔵する筐体と、この筐体と接地電極との
間に設けられ接地電極を冷却するための冷却水流路３０
を形成する水ジャケット３と、オゾン発生管に電力を供
給する電源とを備え、前記筐体内に導入された酸素を含
む原料ガスの放電によってオゾンを生成するオゾン発生
装置において、前記水ジャケット内部のオゾン発生管４
０の間に、冷却水流路３０の流路断面積を小とするため
の流路仕切り板３１を配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、上下水処理やパ
ルプ漂白処理などに用いるオゾンを発生するオゾン発生
装置、特に、その冷却構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】オゾン発生装置は、オゾンが持つ殺菌・
脱色・脱臭力を利用して水処理施設などにおいて広く使
用されており、その装置構成や運転方法などに関し、多
くの提案がなされている（例えば、特開平９−３１５８
０３号公報，特開平１１−１３０４０９号公報等参
照）。

【０００３】図８は、前記特開平１１−１３０４０９号
公報に記載された、所謂、片面冷却方式のオゾン発生装
置の構造を示すもので、（ａ）は全体の断面図、（ｂ）
はオゾン発生管の一部を拡大して示す部分断面図であ
る。また、図９は、前記特開平９−３１５８０３号公報
に記載された、所謂、両面冷却方式のオゾン発生装置の
オゾン発生管の断面構造を示す。

【０００４】前記２種類のオゾン発生装置は、オゾン発
生管の冷却が片面か両面かの相違を除いて、基本的構造
は同一であるので、従来のオゾン発生装置の構造の詳細
に関して、図８を用いて以下に説明する。

【０００５】オゾン発生装置の筐体は、両端が開口して
いる筒状をしたステンレス鋼からなる胴部１と、その両
開口端部に締め付けられている２つのステンレス鋼から
なる側板２１及び２２とによって構成されている。２つ
の側板２１及び２２と胴部１とは気密に結合される必要
があるため、両開口端部のそれぞれに平パッキン（図８
では単にパッキン）８１及び８２を介して、図示しない
ネジなどの締め付け手段を用いて結合されている。

【０００６】胴部１の内面側には、多数のオゾン発生管
を保持するための、少なくとも一対のステンレス鋼から
なる支持板４１及び４２が互いに適当な間隔をおいて嵌
め込まれている。胴部１の管壁には、側板２１と側板２
１側の支持板４１との中間の位置に原料ガスを供給する
ためのガス入口１１があり、反対側の側板２２と側板２
２側の支持板４２との中間の位置に生成されたオゾンを
含むガスを取り出すためのガス出口１２がある。

【０００７】更に、２つの支持板４１及び４２の中間の
位置に、冷却水を流入させるための冷却水入口１３と、
冷却水を排出する冷却水出口１４とが、ほぼ対向して設
けられている。通常は、冷却水入口１３が下部に、冷却
水出口１４が上部に設けられる。また、胴部１の側板２
１に近い位置に、電圧導入端子７２が装着されている。

【０００８】支持板４１及び４２に支持されるオゾン発
生管は、両端が開口している円筒状の接地側のステンレ
ス鋼からなる接地電極５と、接地電極５の内側にほぼ一
定のギャップ長をもつ放電ギャップ５６を介して配置さ
れている高電圧電極６とで構成されている。

【０００９】接地電極５は、図８（ｂ）に示すように、
ステンレス鋼からなる金属管５１と、この内面にライニ
ング（金属管５１の内側にガラス管を挿入し、内圧を加
えた状態で誘導加熱によってガラスを軟化させ、金属管
５１の内面にガラス層を形成する技術）によって形成さ
れたガラス誘電体層５２とからなっている。

【００１０】高電圧電極６の外面下部の両端付近には、
放電ギャップ５６を保持するための突起体６１が溶接に
よる肉盛りによって形成されている。このオゾン発生管
は、支持板４１及び４２に形成されている貫通孔に嵌め
込まれて支持板４１及び４２に支持されており、その接
触部は、冷却水が漏れないように図示しないＯリングに
よってシールされている。

【００１１】高周波電源７３からオゾン発生管に供給さ
れる高周波電圧の一方は、胴部１に装着されている電圧
導入端子７２からリード線７１を介して各オゾン発生管
の高電圧電極６に供給される。高周波電源７３の高周波
電圧の他方は、接地電位点に接続され、同時に胴部１に
接続されており、図示していないリード線を介して接地
電極５に接続されている。

【００１２】オゾン発生管の接地電極５を冷却する冷却
水は、熱交換器９３で冷却されてポンプ９２で加圧さ
れ、通常は、図示しないイオン交換器により純水にし
て、冷却配管９１を通って冷却水入口１３から水ジャケ
ット３に供給されて接地電極５を冷却し、冷却水出口１
４から冷却配管９１を通って熱交換器９３に戻る。二次
冷却水には工業用水が用いられることが多い。

【００１３】従来のオゾン発生装置は前記のごとく構成
されており、ガス入口１１から供給された酸素を含む原
料ガスは、側板２１側の接地電極５の開口から放電ギャ
ップ５６内に流れ込み、ガス出口１２から流出される。
ガス出口１２の下流には図示しない排気バルブが装着さ
れており、この排気バルブの弁開度を調整することによ
って、オゾン発生装置内の酸素を含む原料ガスはその圧
力値を例えば０．１７MPaに調節されている。このよう
な圧力値を持つ酸素を含む原料ガスが通流されているオ
ゾン発生管の接地電極５と高電圧電極６との間に、高周
波電源７３から高周波電圧を印加すると、無声放電が発
生して酸素を含む原料ガスの一部がオゾン化される。

【００１４】なお、必要なオゾン発生量によって、胴部
１に収納するオゾン発生管の本数が異なり、多い場合に
は数百本となる場合もある。またガラス誘電体層を前述
のようにライニングによらずに、ガラス管を用いる場合
もある。

【００１５】次に、図９により、前記両面冷却方式のオ
ゾン発生装置について、その概要を説明する。図９はオ
ゾン発生管の断面構造を示すが、図９において、図８に
示す部材と同一の部材には、同一番号を付して説明を省
略する。図９に示すように、高電圧電極６の端部には、
冷却水の入口と出口のパイプ１３ａ，１３ｂとが溶接さ
れている。

【００１６】高電圧電極６に外部から冷却水を供給する
ために、例えば、前記図８におけるオゾン出口側の側板
２２と水ジャケット３を画成する支持板４２との間のガ
ス空間に導入，排出用の２個の冷却水分配器を配置し、
この各冷却水分配器と高電圧電極６の前記パイプ１３
ａ，１３ｂとの間を絶縁チューブで接続配管する（この
オゾン発生装置全体の詳細は、前記特開平９−３１５８
０３号公報参照）。

【００１７】前記片面冷却方式および両面冷却方式のオ
ゾン発生装置における接地電極５の従来の冷却構成につ
いて、さらに詳細に、以下に説明する。

【００１８】図６は、接地電極用冷却水の流れを説明す
るための、従来のオゾン発生装置の模式的部分縦断面図
である。冷却水は胴部１の下側にある冷却水入口１３か
ら供給され、水ジャケット３を通過して、胴部１の上側
にある冷却水出口１４から排出される。図中、矢印は冷
却水流路３０における冷却水の流れの向きを示す。厳密
に言えば電極の上部で冷却水のよどみが生じたり、左右
不均一に流れるが、本図においては、あくまで模式的に
示す。

【００１９】図７は、冷却水の流れを説明するための、
従来のオゾン発生装置の模式的部分横断面図である。冷
却水は胴部１の下側にある冷却水入口１３から供給さ
れ、水ジャケット３を通過して、胴部１の上側にある冷
却水出口１４から排出される。

【００２０】図６と７において、冷却水の入口と出口は
各１個を示したが、オゾン発生管の本数が多い時には複
数個設置して、冷却水の流れを均一にする場合もある。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述の従来
のオゾン発生装置、特に、図６および７で示す従来の接
地電極の冷却構成においては、以下のような問題があ
る。

【００２２】オゾン発生装置において放電が生じると、
放電電力の約９０％は熱で消費され、電極が発熱する。
電極が発熱するとオゾン化ガスの温度も上昇し、オゾン
が熱分解する。したがって、放電方式のオゾン発生装置
においては、電極の冷却が極めて重要である。従来の接
地電極の冷却構成においては、下記理由により、冷却能
力が不十分であることが判明した。

【００２３】図５は、接地電極用冷却水の流速について
計算した結果を示し、後述する本発明に係るオゾン発生
装置と前述の従来装置とを比較して示す。従来装置の場
合、図５（ａ）の左欄および（ｂ）に示すように、胴部
１の内寸法幅を４７ｃｍ、接地電極外径を８ｃｍ、１列
に接地電極が４本あると仮定した場合、冷却水が通過す
る実効流路幅寸法は、４７−８×４＝１５ｃｍである。
電極長手方向の単位長さ１００ｃｍとすると、冷却水流
路の断面積は、１５００ｃｍ²となる。冷却水量を１０
００ｃｍ³／ｓとすれば、冷却水の流速は１０００／１
５００＝０．６６ｃｍ／ｓであり、非常に遅い流速であ
る。実際には接地電極は千鳥配置であり、１列に３本と
４本交互に配置されているので、冷却水の速度は若干上
記計算値とは異なる。

【００２４】図４は、冷却水の流速Ｖと対流熱抵抗Ｒの
計算結果を示し、後述する本発明に係るオゾン発生装置
と前述の従来装置とを比較して示す。対流熱抵抗は冷却
水と接地電極の境界層で生じる熱抵抗であって、単位電
力あたりの温度差の次元で表すことができる。図４から
明らかなように、この対流熱抵抗は、冷却水の流速が大
きくなると急激に減少するが、前記従来技術０．６６ｃ
ｍ／ｓの場合、冷却水の流速が遅いので、図４のＢ点で
示すように、その対流熱抵抗は約０．０５K/wattであ
る。例えば、放電電力１０００wattのとき、冷却水と接
地電極の境界層の温度差は、０．０５×１０００＝５０
℃となる。オゾンは２００℃で数秒加熱するとほとんど
熱分解することを考えると、無視できない温度上昇であ
り、冷却の能力の向上が必要である。

【００２５】従来、冷却水の流速を大きくするためには
冷却水量を増していたが、ポンプ９２や冷却配管９１が
大型となり、かつポンプの消費電力も増大する問題があ
るので、冷却能力の向上には限界があった。

【００２６】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、本発明の課題は、簡単な構造
にして接地電極の冷却能力の向上を図り、放電およびポ
ンプ動力を含めて電力効率の高いオゾン発生装置を提供
することにある。

【００２７】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、この発明は、両端が開口し内周面に誘電体層を形成
した円筒管形の接地電極と、前記接地電極の誘電体層内
側に放電空隙を介して同心設置した中空筒状の高電圧電
極とからなる複数組のオゾン発生管と、両端が開口した
筒状の胴部および開口部を気密に塞ぐための２つの側板
とを有し前記オゾン発生管を内蔵する筐体と、この筐体
と接地電極との間に設けられ接地電極を冷却するための
冷却水流路を形成する水ジャケットと、前記オゾン発生
管に電力を供給する電源とを備え、前記筐体内に導入さ
れた酸素を含む原料ガスの放電によってオゾンを生成す
るオゾン発生装置において、前記水ジャケット内部のオ
ゾン発生管の間に、前記冷却水流路の流路断面積を小と
するための流路仕切り部材を配設するものとする（請求
項１の発明）。

【００２８】上記によれば、詳細は後述するが、流路仕
切り部材によって冷却水の流速が増大し、これにより、
オゾン発生管の冷却能力およびオゾン濃度の向上を図る
ことができる。流路仕切り部材は平板状や円弧の組み合
わせなど、種々の形状をとり得るが、構造上は、平板状
がシンプルで好ましい。

【００２９】また、前記発明の実施態様として、下記請
求項２ないし３の発明が好適である。即ち、請求項１に
記載のオゾン発生装置において、前記冷却水流路は、複
数個の前記流路仕切り部材によって形成された蛇行流路
を有するものとする（請求項２の発明）。例えば、オゾ
ン発生管の上下方向の各列を、冷却水が左右逆方向に交
互に蛇行して流れるようにすることにより、オゾン発生
管の冷却能力は、複数本毎に単純に仕切る場合に比べて
向上する。

【００３０】さらに、請求項１または２に記載のオゾン
発生装置において、前記接地電極を冷却するために冷却
水を前記水ジャケットへ通流するのとは別に、前記中空
筒状の高電圧電極内にも冷却水を通流してなるものとす
る（請求項３の発明）。請求項３の発明のように、両面
冷却方式とすることにより、オゾン発生管全体の冷却能
力が片面冷却方式に比べてさらに向上し、これにより、
最も高性能のオゾン発生装置が得られる。

【００３１】

【発明の実施の形態】図１ないし図５に基づき、本発明
の実施例について以下に述べる。なお、前記図におい
て、従来装置と同一構成部材には、同一の部番を付して
説明を省略する。

【００３２】図１は、本発明に関わるオゾン発生装置の
前記図６に対応する模式的部分縦断面図である。オゾン
発生管４０における接地電極５の各列の間に、流路仕切
り部材としての仕切り板３１を配置し、固定板３２と図
示しないネジなどにより固定する。仕切り板３１の材質
は、例えばステンレス鋼とし、その幅は、例えば胴部１
の内寸法幅より５ｃｍ短い。冷却水入口１３から供給さ
れた冷却水は、仕切り板３１の間を左右に蛇行して移動
し、冷却水出口１４から排出される。

【００３３】図２は、本発明に関わるオゾン発生装置の
図７に対応する模式的部分横断面図である。接地電極５
の間に仕切り板３１が配置され、図示しない前記固定板
３２に固定されている。仕切り板３１の長さは、接地電
極の長さとほぼ等しい。冷却水入口１３から供給された
冷却水は、接地電極５の長手方向と垂直な向きに流れ
（図２で矢の後部のマーク）、胴部１で折り返す（図２
で矢の先端のマーク）。

【００３４】前述の図５に、本発明による冷却水速度の
計算結果を示す。図５（ａ）の右欄および（ｃ）に示す
ように、冷却水が通過する実効流路幅寸法は、わずか１
ｃｍであり、電極長手方向の単位長さ１００ｃｍとする
と、冷却水流路の断面積は、１００ｃｍ²となる。冷却
水量を１０００ｃｍ³／ｓとすれば、冷却水の流速は１
０００／１００＝１０ｃｍ／ｓであり、従来技術に比べ
て１５．２倍の流速が得られる。また、前述の図４か
ら、対流熱抵抗は、図４のＡ点で示すように、約０．０
２５となり、Ｂ点の従来と比べて熱抵抗が約１／２とな
る。

【００３５】図３は、放電電力とオゾン濃度相対値の関
係について、本発明と従来とを比較して示す。図３は、
両面冷却方式のオゾン発生装置による実験結果を示し、
曲線Ａは本発明、曲線Ｂは従来の場合を示す。図３にお
いて、放電電力１０００wattのとき、本発明のオゾン濃
度を１００とすれば、従来装置によって得られるオゾン
濃度は約９０である。本発明によれば、冷却能力の向上
に伴うオゾンの熱分解の抑制効果等によって、約１０％
の性能向上を確認できた。

【００３６】なお、以上の実施例に基づく効果は、高電
圧電極６の冷却の有無、即ち、片面冷却か両面冷却か、
にかかわらず得られる。また、仕切り板を接地電極１列
毎ではなく複数列毎に設けても、冷却水量を増すことに
より、同等の効果を得ることができる。さらに、ガラス
管を接地電極内部に挿入するタイプのオゾン発生装置で
あっても、同じ効果を得ることができる。

【００３７】

【発明の効果】上記のとおり、この発明によれば、両端
が開口し内周面に誘電体層を形成した円筒管形の接地電
極と、前記接地電極の誘電体層内側に放電空隙を介して
同心設置した中空筒状の高電圧電極とからなる複数組の
オゾン発生管と、両端が開口した筒状の胴部および開口
部を気密に塞ぐための２つの側板とを有し前記オゾン発
生管を内蔵する筐体と、この筐体と接地電極との間に設
けられ接地電極を冷却するための冷却水流路を形成する
水ジャケットと、前記オゾン発生管に電力を供給する電
源とを備え、前記筐体内に導入された酸素を含む原料ガ
スの放電によってオゾンを生成するオゾン発生装置にお
いて、前記水ジャケット内部のオゾン発生管の間に、前
記冷却水流路の流路断面積を小とするための流路仕切り
部材を配設することにより、特に、前記冷却水流路を、
複数個の前記流路仕切り部材によって形成された蛇行流
路を有するものとすることにより、簡単な構造にして接
地電極の冷却能力の向上を図ることができ、また、オゾ
ン発生装置の放電およびポンプ動力を含めた電力効率を
向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に関わるオゾン発生装置の模
式的部分縦断面図

【図２】図１のオゾン発生装置の模式的部分横断面図

【図３】放電電力とオゾン濃度相対値の関係に係わるこ
の発明と従来との比較図

【図４】冷却水の流速と対流熱抵抗の関係を示す図

【図５】冷却水流速の計算結果に係わるこの発明と従来
との比較図

【図６】従来のオゾン発生装置の模式的部分縦断面図

【図７】従来のオゾン発生装置の模式的部分横断面図

【図８】従来のオゾン発生装置（片面冷却方式）の構成
の一例を示す図

【図９】従来の異なるオゾン発生装置（両面冷却方式）
の構成の一例に関わるオゾン発生管の部分拡大断面図

【符号の説明】

１：胴部、３：水ジャケット、５：接地電極、６：高電
圧電極、３０：冷却水流路、３１：仕切り板、４０：オ
ゾン発生管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂 一世 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4G042 CA01 CC03 CC10 CC13 CC16 CE04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両端が開口し内周面に誘電体層を形成し
   た円筒管形の接地電極と、前記接地電極の誘電体層内側
   に放電空隙を介して同心設置した中空筒状の高電圧電極
   とからなる複数組のオゾン発生管と、両端が開口した筒
   状の胴部および開口部を気密に塞ぐための２つの側板と
   を有し前記オゾン発生管を内蔵する筐体と、この筐体と
   接地電極との間に設けられ接地電極を冷却するための冷
   却水流路を形成する水ジャケットと、前記オゾン発生管
   に電力を供給する電源とを備え、前記筐体内に導入され
   た酸素を含む原料ガスの放電によってオゾンを生成する
   オゾン発生装置において、 前記水ジャケット内部のオゾン発生管の間に、前記冷却
   水流路の流路断面積を小とするための流路仕切り部材を
   配設することを特徴とするオゾン発生装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のオゾン発生装置におい
   て、前記冷却水流路は、複数個の前記流路仕切り部材に
   よって形成された蛇行流路を有することを特徴とするオ
   ゾン発生装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のオゾン発生装
   置において、前記接地電極を冷却するために冷却水を前
   記水ジャケットへ通流するのとは別に、前記中空筒状の
   高電圧電極内にも冷却水を通流してなることを特徴とす
   るオゾン発生装置。