JP2009046345A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力を削減できるようにするとともに、一定濃度のオゾンを安定供給することができるようにしたオゾン発生装置を提供する。
【解決手段】酸素ガスを含む原料ガスを放電処理して所定濃度のオゾンを含むオゾン化ガスを生成するオゾン発生器１と、オゾン発生器１に流入する原料ガスの流量計４と、オゾン発生器１に放電を発生させる電力を供給する電源３と、流量計４が計測した流量が入力されて電源３を制御する制御装置２とを備え、制御装置２は、電源３が供給する電力をオゾン発生器１に流入する原料ガスの流量で割った比電力とオゾン発生器１が生成するオゾン濃度との間の関係を表現した相関データと、相関データを用いてオゾン濃度の目標値と流量計４が計測した流量とから電力を求めるフィードフォワード制御部２ａとを有する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、上水処理や下水処理及び廃水処理等において用いられるオゾンを発生するオゾン発生装置に関するものである。

オゾン発生装置では、オゾンの需要に合わせてオゾン発生に用いられる原料ガスの流量を一定に調整し、放電電力を制御する方法がとられる。この方法により、例えば、原料ガスとして液体酸素を用いる場合であれば、液体酸素の消費量を無駄が発生しないように抑制することができる。

従来のオゾン発生装置では、設定されたオゾン濃度と発生オゾン濃度の計測値とが一致するように放電電力を調節するフィードバック制御がなされていた。しかしながら、原料ガスの流量が変動した場合、安定した発生オゾン濃度が得られず、発生オゾン濃度の変動が生じるという問題がある。

この問題に対して、例えば、特許文献1に開示された方法では、原料ガスの流量が変動したときに、オゾン発生装置が発生するガスのオゾン濃度を安定制御できるようにするために、原料ガスの各流量毎に放電電力と発生オゾン濃度との相関に関する情報を求め、その情報に基づき、変動後の原料ガス流量において要求される発生オゾン濃度に対応した放電電力以上の出力に制御するようにしている。

特開２００５−１２６２６７号公報（第６−８頁、図２−６）

オゾン発生器で発生したオゾン化ガスがオゾン濃度計に到達するまでの時間は原料ガス流量に比例し、原料ガス流量が減少するとオゾン濃度計でオゾン濃度の変化を検出するまでの時間がより長くなる。また、オゾン濃度計がオゾン濃度の変化を検出してからフィードバック制御により放電電力量が変化するまでには時間遅れがある。これらの理由により、原料ガス流量が減少した場合に、しばらくの間は原料ガス流量が減少したものの放電電力は流量減少前のままである過剰放電状態をとることになる。過剰放電状態は過剰に電力を消費しており、避けるべき状態である。

本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、電力を削減できるようにするとともに、一定濃度のオゾンを安定供給することができるようにしたオゾン発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係るオゾン発生装置は、酸素ガスを含む原料ガスを放電処理して所定濃度のオゾンを含むオゾン化ガスを生成するオゾン発生器と、上記オゾン発生器に流入する原料ガスの流量計と、上記オゾン発生器に放電を発生させる電力を供給する電源と、上記流量計が計測した流量が入力されて上記電源を制御する制御装置とを備え、上記制御装置は、上記電源が供給する電力を上記オゾン発生器に流入する原料ガスの流量で割った比電力と上記オゾン発生器が生成するオゾン濃度との間の関係を表現した相関データと、上記相関データを用いてオゾン濃度の目標値と上記流量計が計測した流量とから上記電力を求めるフィードフォワード制御部とを有するものである。

本発明に係るオゾン発生装置によれば、原料ガス流量の変動に応じた放電電力に制御することができ、過剰放電等の不要な電力を消費することなく電力を削減することができるとともに、一定濃度のオゾンを安定供給することができるようになる。

実施の形態１．
図１は、本発明に係るオゾン発生装置の実施の形態１を説明するためのブロック図である。図２は、本実施の形態１におけるオゾン濃度と比電力との関係を示すグラフであり、比電力は放電電力を原料ガス流量で割った値（放電電力／原料ガス流量）である。

図１に示したように、オゾン発生装置は、酸素ガスを含む原料ガスを放電処理して所定濃度のオゾンを含むオゾン化ガスを生成するオゾン発生器１と、オゾン発生器１に流入する原料ガスの流量計４と、オゾン発生器１に放電を発生させる電力を供給する電源３と、流量計４が計測した流量が入力されて電源４を制御する制御装置２とを備え、制御装置２は、フィードフォワード制御部２ａを有する。

フィードフォワード制御部２ａは、図２に示したオゾン発生器１に流入する原料ガスの流量で割った比電力と上記オゾン発生器が生成するオゾン濃度との間の関係を表現した相関データを用いて、オゾン濃度の目標値と流量計４が計測した流量とから所要のオゾン濃度が得られる放電電力を求めて、制御装置２は電源３をこの求めた放電電力に制御する。

従来は、オゾン濃度計５の計測値をフィードバックして放電電力を制御していたために、原料ガスの流量変動が生じた場合にオゾン濃度がフィードバックされるまでの遅延時間が生じるという問題が生じたが、本実施の形態１によれば、制御装置２は、フィードフォワード制御部２ａが流量計４の計測値で求めた所要の放電電力を供給することができるので、従来のような遅延時間が発生せず、過剰放電等の不要な電力を消費することなく電力を削減することができるとともに、一定濃度のオゾンを安定供給することができるようになる。

実施の形態２．
図３は、本発明に係るでオゾン発生装置の実施の形態２を説明するためのブロック図である。図４は、オゾン濃度と比電力との相関データが冷却水の水温毎に求められたグラフであり、上から順に５，１０，１５，２０，２５，３０，３５ｄｅｇ．の場合を示している。

オゾン発生器１の放電特性は温度によって変わる。本実施の形態２では、図３に示したように、オゾン発生器１を冷却する冷却水の温度を計測する温度計１ａを備え、計測された温度が制御装置２に入力され、フィードフォワード制御部２ａは計測された温度におけれる図４の相関データを利用して所要の放電電力を求めて、制御装置２は電源３をこの求めた放電電力に制御する。

本実施の形態２によれば、制御装置２は、オゾン発生器１の放電特性を考慮して、フィードフォワード制御部２ａが流量計４の計測値と温度計１ａの計測値で求めた所要の放電電力を供給することができるので、従来のような遅延時間が発生せず、過剰放電等の不要な電力を消費することなく電力を削減することができるとともに、一定濃度のオゾンを安定供給することができるようになる。

実施の形態３．
図５は、本発明に係るオゾン発生装置の実施の形態３を説明するためのブロック図であり、上記実施の形態１同様のシステム構成を示している。

上記実施の形態１及び２は、フィードフォワード制御を行うものであるが、本実施の形態３は、通常は、オゾン濃度計５の計測値をフィードバックし、オゾン濃度が一定になるようにするフィードバック制御を行い、フィードバック制御中に、原料ガスの流量計４による計測値が第1の所定時間（例えば１秒）に所定割合（例えば３％）以上に変化した場合に、流量計４からオゾン濃度計５までの遅延時間を考慮した運転制御を行うものである。

図６は、本実施の形態３における運転制御の流れを示すフローチャートである。
予め流量計４からオゾン濃度計５までの体積（Ｖ）を計算しておき、下記（式１）の計算式により、流量計４で計測した流量（Ｑ）から遅延時間（Ｔ）を計算する。
Ｔ＝Ｖ／Ｑ （式１）

フィードバック制御中であるＳ００１の状態で、所定周期（ここでは０．１秒）で流量計４の計測値をチェックする。第１の所定時間（ここでは１秒）前にチェックした値から所定割合（ここでは３％）以上に変化している場合（Ｓ００２がＹＥＳ）には、この時点を第１の時点とし、Ｓ００３で上記（式１）により遅延時間をＴ１を計算し、Ｓ００４で第１の時点から第２の所定時間（遅延時間Ｔ１の所定倍（ここでは２倍））の間、フィードフォワード制御を行う。フィードフォワード制御では、所定周期ごとに出力を変化させる。なお、Ｓ００２がＮＯの場合は、フィードバック制御を継続する。

フィードフォワード制御中に、流量計４の計測値が第１の所定時間で所定割合を超える変化を検出しない場合は、Ｓ００１のフィードバック制御に戻る。検出した場合（Ｓ００５がＹＥＳ）は、検出した時点を第２の時点とし、Ｓ００６で遅延時間Ｔ２を計算し、Ｓ００７で第２の時点から第２の所定時間（２×Ｔ２）の間はフィードフォワード制御を継続する。

本実施の形態３によれば、通常はフィードバック制御を行い、原料ガスの流量が変動する場合もゆっくりと変動する場合はフィードバック制御で対応し、急激に（ここでは、１秒で３％以上）変化する場合に、変化後の遅延時間Ｔ１により決まる第２の所定時間（ここでは、２×Ｔ１）の間はフィードフォワード制御を行うようにしたので、オゾン発生器で過剰放電状態を取る時間を短くし、所定濃度のオゾンを安定供給することができる。

ここでは、原料ガスの流量を計測したが、オゾン化ガスの流量を計測するようにしてもよい。第１の所定時間での原料ガスの流量の変化が所定割合以上の場合に、フィードフォワードを実施するとしたが、流量が所定の流量値より小さくなりすなわち遅延時間が所定の流量値よりも大きくなった場合に、フィードフォワード制御を行うようにしてもよい。フィードフォワード制御を行う第２の所定時間を、遅延時間の所定倍としたが、２次関数などで決めるようにしてもよい。また、遅延時間が小さい場合は、遅延時間によらず同じ値をとるようにしてもよい。

フィードフォワード制御中の第２の時点に流量の変化を検出した場合に、第２の時点から第２の所定時間までフィードフォワード制御を行うとしたが、第１の時点からの第２の所定時間または第２の時点からの第２の所定時間のどちらか遅い方までフィードフォワード制御を行うようにしてもよい。その場合のフローチャートを図７に示す。
Ｓ００６の後にＳ００８が追加されており、Ｓ００８では第１の時点からの第２の所定時間（２×Ｔ１）の終りが、第２の時点からの第２の所定時間（２×Ｔ２）の終りよりも遅いかどうかをチェックする。遅ければ（Ｓ００８がＮＯの場合）は、Ｓ００５に戻る。早ければ、Ｓ００６で第２の時点から第２の所定時間（２×Ｔ２）までフィードフォワード制御を継続する。

流量が大きく減少して遅延時間Ｔ１が第２の所定時間（ここでは５秒）を越えると、フィードバック制御では十分な応答ができないので、遅延時間Ｔ１が第２の所定時間であることに対応する第２の所定の流量値よりも流量が小さい間はフィードフォワード制御を継続するようにしてもよい。その場合のフローチャートを図８に示す。図６と比較して異なるのは、Ｓ００３の後にＳ００１０で遅延時間Ｔ１が５秒以上かどうかをチェックし、５秒以上の場合（Ｓ０１０がＹＥＳ）の場合は、Ｓ０１１でＴ１を無限大としている点と、Ｓ００６の後で、Ｔ２に関して同様な処理を行なうＳ０１２とＳ０１３を追加している点である。なお、無限大とは、遅延時間が第２の所定の流量値よりも小さい値に戻るまでに要する時間よりも小さくなる可能性が無い値である。コンピュータにおいて、指定されたビット数の整数で表現できる最大数を無限大としてもよい。また、遅延時間が所定値未満であることは流量が所定の流量値より大きいことに対応する。
図８のフローチャートによれば、フィードフォワード制御では十分な応答性が得られない場合にフィードフォワード制御を行うことになり、所定の濃度のオゾンを安定供給するオゾン発生装置を得ることができる。
以上のことは、以降の実施の形態でもあてはまる。

実施の形態４．
実施の形態４は、フィードフォワード制御を開始する条件を変更した実施の形態である。システム構成は、実施の形態３の場合と同じである。図９に、本実施の形態４における運転制御の流れを示すフローチャートである。
フィードバック制御中であるＳ００１の状態で、所定周期（ここでは０．１秒）で流量計４の計測値をチェックする。前回よりも流量が減少している場合には、Ｓ００２ＡがＹＥＳになり、Ｓ００３で遅延時間Ｔ１を計算する。Ｓ０２０で、Ｔ１が所定の流量値（ここでは２秒）よりも大きいかどうかをチェックする。大きければ、この時点を第１の時点とし、Ｓ００４で第１の時点から第２の所定時間（遅延時間Ｔ１の所定倍（ここでは２倍））の間、フィードフォワード制御を行う。フィードフォワード制御では、所定周期ごとに出力を変化させる。なお、Ｓ００２ＡがＮＯまたはＳ０２０がＮＯの場合は、Ｓ００１のフィードバック制御を継続する。

フィードフォワード制御中に、流量計４の計測値が第１の所定時間（ここでは１秒）で所定割合（ここでは３％）を越える変化を検出しない場合（Ｓ００５がＮＯの場合）は、Ｓ００１のフィードバック制御に戻る。検出した場合は、検出した時点を第２の時点とし、Ｓ００６で遅延時間Ｔ２を計算し、Ｓ０２１で遅延時間Ｔ２が２秒未満かどうかをチェックする。２秒未満ならば、すぐにフィードフォワード制御を停止して、Ｓ００１のフィードバック制御に戻る。２秒未満でなければ、Ｓ０２２で第１の時点からの第２の所定時間（２×Ｔ１）の終りが、第２の時点からの第２の所定時間（２×Ｔ２）の終りよりも後かどうかをチェックする。後ならば、第１の時点からの第２の所定時間（２×Ｔ１）をフィードフォワード制御することを維持し、Ｓ００５に戻る。前ならば、Ｓ００７で、第２の時点から第２の所定時間（２×Ｔ２）のフィードフォワード制御を行う。そして、Ｓ００５に戻る。

この実施の形態４によれば、通常はフィードバック制御を行い、原料ガスの流量が減少して所定の流量値を越え、遅延時間Ｔ１が所定の流量値（ここでは２秒）を越えるとフィードフォワード制御で対応するので、フィードバック制御での対応が難しい遅延時間Ｔ１が所定の流量値よりも大きい場合に、オゾン発生器で過剰放電状態を取る時間を短くし、所定濃度のオゾンを安定供給することができる。

実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５に係るオゾン発生装置のオゾン発生器の構造を説明する部分断面図である。オゾン発生器１は、両端が開放した円筒の接地電極１１と、接地電極１１に挿入される片端が封じられた２本のガラス管１２と、それぞれのガラス管１２の内側に設けられた高圧交流電力が印加される高圧電極１３とを有する。接地電極１１の内部には冷却水が流れている。ガラス管１２の封じられていない側が接地電極１１の外側に出ており、接地電極１１の両端では、高圧電極１３に接地電極１１と対向しない部分が存在する。ガラス管１２と接地電極１１の間に原料ガスが流れ、接地電極１１と高圧電極１３の間で発生する放電によりオゾンを生成する。

接地電極１１から飛び出た高圧電極１３の部分と接地電極１１の端部付近で放電が発生すると、冷却が十分にできずにガス温度が上昇しやすい。特に原料ガスの流れの下流側でオゾン化ガスのガス温度が上昇するとオゾンが分解して、オゾン濃度が低下する。フィードバック制御中に定常状態から原料ガス流量が減少した場合に、フィードバック制御を継続していると、オゾンの分解によりオゾン濃度が低下し、ガス流量が低下しているにも関わらず、放電電力を増大させ続ける結果になる可能性がある。

図６に示すような制御を行うと、原料ガス流量が急激に変化した場合には、変化から第２の所定時間の間は原料ガス流量に応じた適切な放電電力をフィードフォワード制御により求めるので、オゾン分解現象によるオゾン濃度の低下などを発生させることなく、オゾン発生器で過剰放電状態を取る時間を短くし、所定濃度のオゾンを安定供給することができる。
なお、図１０には、接地電極の中に両側からガラス管を挿入する場合を示したが、片側だけから挿入した場合でも同様の効果がある。

本発明は、上水処理や下水処理及び廃水処理等におけるオゾン処理に有効に利用することができる。

本発明に係るオゾン発生装置の実施の形態１を説明するためのブロック図である。 実施の形態１におけるオゾン濃度と比電力との関係を示すグラフである。 本発明に係るオゾン発生装置の実施の形態２を説明するためのブロック図である。 実施の形態２におけるオゾン濃度と比電力との関係を示すグラフである。 本発明に係るオゾン発生装置の実施の形態３を説明するためのブロック図である。 実施の形態３における運転制御の流れを示すフローチャートである。 実施の形態３の他の例における運転制御の流れを示すフローチャートである。 実施の形態３の他の例における運転制御の流れを示すフローチャートである。 実施の形態４における運転制御の流れを示すフローチャートである。 本発明に係るオゾン発生装置の実施の形態５を説明する部分断面図である。

符号の説明

１ オゾン発生器、１ａ 温度計、２ 制御装置、２ａ フィードフォワード制御部、
３ 電源、４ 流量計、５ オゾン濃度計。

Claims (11)

1. 酸素ガスを含む原料ガスを放電処理して所定濃度のオゾンを含むオゾン化ガスを生成するオゾン発生器と、上記オゾン発生器に流入する原料ガスの流量計と、上記オゾン発生器に放電を発生させる電力を供給する電源と、上記流量計が計測した流量が入力されて上記電源を制御する制御装置とを備え、上記制御装置は、上記電源が供給する電力を上記オゾン発生器に流入する原料ガスの流量で割った比電力と上記オゾン発生器が生成するオゾン濃度との間の関係を表現した相関データと、上記相関データを用いてオゾン濃度の目標値と上記流量計が計測した流量とから上記電力を求めるフィードフォワード制御部とを有することを特徴とするオゾン発生装置。
2. 上記オゾン発生器を冷却する冷却水の温度を計測する温度計を備え、上記温度計で計測された温度が上記制御装置に入力され、上記相関データが冷却水の温度により異なる複数のものがあり、上記フィードフォワード制御部が上記温度計で計測された温度に対応する上記相関データを用いることを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 上記オゾン発生器から出るオゾン化ガスのオゾン濃度を計測するオゾン濃度計を備え、上記オゾン濃度計が計測したオゾン濃度が上記制御装置に入力され、上記オゾン濃度計が計測したオゾン濃度と目標値との差がゼロになるように上記電源をフィードバック制御するフィードバック制御部を上記制御装置が有し、上記フィードフォワード制御部が動作していない時は上記フィードバック制御部が動作することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のオゾン発生装置。
4. 上記流量計が計測した流量が第１の所定時間に所定割合以上に変化したことを検出した第１の時点から第２の所定時間が経過するまでは上記フィードフォワード制御部で求めた電力を出力するように上記電源を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載のオゾン発生装置。
5. 上記流量計が計測した流量が減少して所定値以下であることを検出した第１の時点から第２の所定時間が経過するまでは上記フィードフォワード制御部で求めた電力を出力するように上記電源を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載のオゾン発生装置。
6. 上記第２の所定時間を上記流量計が計測した変化後の流量に応じて変化させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のオゾン発生装置。
7. 上記第１の時点以後である上記フィードフォワード制御部が動作中の第２の時点に上記流量計が計測した流量が変化したことを検出した場合に、上記第２の時点から上記第２の所定時間が経過するまでは上記フィードフォワード制御部で求めた電力を出力するように上記電源を制御することを特徴とする請求項４ないし請求項６の何れかに記載のオゾン発生装置。
8. 上記第１の時点以後である上記フィードフォワード制御部が動作中の第２の時点に上記流量計が計測した流量が変化したことを検出した場合に、上記第１の時点から上記第２の所定時間が経過するまで、または上記第２の時点から上記第２の所定時間が経過するまでの何れか遅い方までは上記フィードフォワード制御部で求めた電力を出力するように上記電源を制御することを特徴とする請求項６に記載のオゾン発生装置。
9. 上記第１の時点以後である上記フィードフォワード制御部が動作中の第２の時点に、上記流量計が計測した流量が変化して所定の流量値より大きいことを検出した場合は、すぐに上記フィードフォワード制御部の動作を終了させることを特徴とする請求項５に記載のオゾン発生装置。
10. 上記流量計が計測した流量が所定の流量値より小さい第２の所定の流量値以下である間は上記フィードフォワード制御部で求めた電力を出力するように上記電源を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項９の何れかに記載のオゾン発生装置。
11. 上記オゾン発生器が、放電を発生させる対となる電極のうち片側の前記電極が冷却され、もう片側の前記電極が冷却されず、冷却される前記電極の少なくとも片端において冷却される前記電極と対向しない部分を冷却されない前記電極が有することを特徴とする請求項１ないし請求項１０の何れかに記載のオゾン発生装置。

Images