JP2009102177A - オゾン発生電極及びオゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オゾン発生装置において、オゾンの熱分解を抑制して高効率なオゾン生成を実現すると共に、簡単で安価な構成を実現することを課題とする。
【解決手段】酸素を含む原料ガス中で無声放電を発生させることにより、オゾンを生成するオゾン発生装置において、管状の高電圧電極１と、管状の高電圧電極１の同軸外周部に放電空間４を介して配置された誘電体管２と、その誘電体管２を冷却する導電性冷媒１０とを有し、その導電性冷媒１０が電気的に接地されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水処理等に用いられるオゾンを生成するオゾン発生装置に係わり、特にオゾン発生装置に用いられるオゾン発生電極に関するものである。

オゾンには強力な酸化作用があり、近年、上下水の消毒、殺菌、漂泊等の水処理に活用されている。オゾンを生成する方法の一つとして無声放電を利用したオゾン発生装置が知られている。

無声放電とは、一定の間隔をおいた電極の片側又は両側を誘電体で覆い、交流高電圧を印加した場合に発生する放電である。電極の少なくとも片側が誘電体で覆われているため、放電時に電極に電荷が流れ込むことができず、大きな電流が流れない。そのため火花放電やコロナ放電のように放電時に音がせず、無声放電と呼ばれている。

無声放電方式の従来のオゾン発生装置に使用されているオゾン発生電極の断面図を図３及び図４に示す。

図３には、接地電極側にのみ冷却機構を配置した片面冷却型オゾン発生電極を示し、図４では接地電極および高電圧電極の両方に冷却機構を配置した両面冷却型オゾン発生電極を示す。図３及び図４ともに、接地電極及び高電圧電極はステンレス等の金属材料で構成されている。

図３に示すオゾン発生電極は、円筒型の接地電極３１と、その接地電極３１の内側に放電空間４を介して配置された、片側を閉じたチューブ状の誘電体３４と、さらにその誘電体３４の内側に形成された金属皮膜等の導電性材質からなる高電圧電極３３とを具備する。高電圧電極３３は、給電ライン８及び給電ブラシ４０を介して高電圧電源（図示せず）と電気的に接続されている。さらに、接地電極３１の外側には、水冷ジャケット３２が配置されている。水冷ジャケット３２の中では水等の冷媒が循環するようになっており、放電空間４における放電による熱を冷却する。

図３に示すオゾン発生装置では、酸素を含む原料ガス５を、放電空間４を通過するように導入すると共に、給電ライン８及び給電ブラシ４０を介して高電圧電源（図示せず）から高電圧電極３３と接地電極３１との間に印加される交流高電圧により、放電空間４に無声放電を発生させる。放電空間４を流れる原料ガス５に含まれる酸素分子は、無声放電における電子衝突により分離されて、酸素原子が生成される。その酸素原子と周辺にある酸素分子が再結合することにより、オゾンが生成される。生成されたオゾン化ガス６は、放電空間４を抜けて、図示されていないが、オゾンと接触する被処理物質のある装置、場所に供給される。

図４に示すオゾン発生装置では、高電圧電極側にも冷却機能を備えた構造である点で図３に示すオゾン発生装置と異なる。図４に示すオゾン発生装置は、円筒型の接地電極３１と、その接地電極３１の内側に形成された円筒状の誘電体３４と、さらにその誘電体３４の内側に放電空間４を介して配置された金属等の導電性材質からなる高電圧電極３３とを具備する。高電圧電極３３は、給電ライン８を介して高電圧電源（図示せず）と電気的に接続されている。さらに、高電圧電極３３の内側には、冷却水３５を流すための冷却管３６a、３６ｂが配置されており、冷却水３５が、冷却管３６aを通り高電圧電極３３を冷却して冷却管３６ｂから抜けて、高電圧電極３３側から発熱を抑制する。接地電極３１の外側には、水冷ジャケット３２が配置されている。水冷ジャケット３２の中では水等の冷媒が循環するようになっており、放電空間４における放電による熱を接地電極側から冷却する。

図４に示すオゾン発生装置の動作は、図３に示すものと基本的に同様であり、放電空間４付近でおこる無声放電による発熱を冷却するために、接地電極３１側から冷却する水冷ジャケット３２のみならず、高電圧電極３３の内側に冷却管３６ａ、３６ｂを有することが、図３のオゾン発生装置と異なる点である。冷却水３５を冷却管３６ａ、３６ｂの中で循環させることにより、高電圧電極３３側から、無声放電による発熱を冷却するものである。

なお、図４のオゾン発生装置においては誘電体３４が接地電極３３の内側に配置されているが、誘電体３４は、高電圧電極３３又は接地電極３１の少なくとも一方が放電空間４に接しないように配置されていればよい。

上記従来の構成のオゾン発生装置では、無声放電により放電空間４付近でおこる発熱を抑制するための冷却機構が、当該熱が主に蓄積される誘電体３４を直接冷却するようには構成されておらず、十分に発熱を抑制することができなかった。そのため、その熱によるオゾンの熱分解を十分には抑制することができなかった。さらには、高電圧電極側に冷却水を設置することは安全性に問題があった。この課題を解決するために、例えば特許文献１には、原料ガスにより、高電圧電極を介して誘電体を冷却する構成を有するオゾン発生装置が提案されている。

また、従来構成のオゾン発生装置では、高電圧電極３３及び接地電極３１には金属材料が用いられているが、昨今の金属材料の価格高騰から、より安価に電極を製造するために金属材料の使用量を低減することが要望されている。この課題を解決するために、例えば特許文献２には、管状の誘電体の内側に金属膜を形成することにより高電圧電極を形成するオゾン発生装置が提案されている。
特開平６−２３４５０７号公報 特開平２−１８４５０６号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成では、原料ガスの熱容量が小さいので、十分な冷却効果を得ることはできなかった。また、特許文献２の構成では、管状の誘電体の内側に金属膜を一様に形成するのは技術的に困難であり、たとえ金属材料の使用量が低減できてもコスト削減にはつながらないという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑み、効率よく誘電体を冷却してオゾンの熱分離を抑制すると共に、金属材料の使用量を低減して、安価なオゾン発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明者は、無声放電よる発熱を主に蓄積するのは誘電体であり、オゾンの熱分解を効率よく抑制するためには誘電体を直接冷却することが効果的であることに着目した。しかし無声放電においては、誘電体は電極の内側（放電領域側）にある必要があり、電極として金属等の導電材料を用いると、誘電体を直接冷却することは困難である。そこで本発明者は、接地電極として金属等を用いずに、冷却水として導電性の冷媒を用い、その導電性の冷媒を接地電極として用いることで、誘電体を直接冷却することを可能とし、本発明を完成するに至った。この構成では、接地電極として金属等を用いないので、金属材料の使用量を低減して、安価なオゾン発生電極を提供することも実現できる。

すなわち、本発明に係るオゾン発生電極は、酸素を含む原料ガス中で無声放電を発生させることにより、オゾンを生成するオゾン発生装置に用いるオゾン発生電極であって、管状の高電圧電極と、管状の高電圧電極の同軸外周部に空隙を介して配置された管状の誘電体である誘電体管と、誘電体管の外周面に接するように配置された導電性冷媒とを有し、導電性冷媒が電気的に接地されていることを特徴とする。

この構成によれば、導電性冷媒により誘電体管を直接冷却できるので、無声放電により空隙付近でおこる発熱を効果的に冷却することができる。従って、オゾンの熱分解を十分抑制することができ、高効率なオゾン生成が可能となる。また、金属材料の使用量を低減して、簡単な構成で安価なオゾン発生装置を実現することができる。なお、上記オゾン発生電極においては、誘電体管の軸方向の一端が閉塞されていても良い。

また、本発明に係るオゾン発生装置は、管状の高電圧電極と、管状の高電圧電極の同軸外周部に空隙を介して配置された管状の誘電体である誘電体管と、誘電体管の外周面に接するように配置された導電性冷媒からなる接地電極とを有し、空隙に酸素を含む原料ガスを流通させ、高電圧電極と接地電極間に交流高電圧を印加して無声放電を発生させることにより、空隙においてオゾンを生成することを特徴とする。

この構成によれば、導電性冷媒により誘電体管を直接冷却できるので、無声放電により空隙付近でおこる発熱を効果的に冷却することができる。従って、オゾンの熱分解を十分抑制することができ、高効率なオゾン生成が可能となる。また、金属材料の使用量を低減して、簡単な構成で安価なオゾン発生装置を実現することができる。

上記オゾン発生装置においては、誘電体管の軸方向の一端が閉塞されており、管状の高電圧電極の一端から酸素を含む原料ガスを導入して他端から排出することにより、空隙に酸素を含む原料ガスを流通させる構成としても良い。

上記オゾン発生装置においては、管状の高電圧電極及び誘電体管を複数具備する構成としても良い。この構成によれば、短時間に大量のオゾンを得ることができ、大量のオゾンが必要な場合に好適である。

本発明に係るオゾン発生電極では、誘電体を冷却する冷媒として導電性冷媒を用いて、この導電性冷媒を接地電極として用いることで、誘電体を直接冷却してオゾンの熱分解を抑制して高効率なオゾン生成を実現すると共に、金属材料の使用量を低減して、簡単な構成で安価なオゾン発生装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係るオゾン発生装置及びそれに用いるオゾン発生電極の構造を説明するための断面図である。図１において、高電圧電極１は、ステンレスパイプ等の管状の導電性材料からなり、交流高電圧を印加するための電極としての役目と、原料ガスを導入するためのパイプの役目を担う。誘電体管２は、片側を閉塞した管状であり、セラミック又はガラス等の誘電体からなる。

高電圧電極１は、誘電体管２の開放されている端部（開放端部１６）から挿通され、高電圧電極１の一端１８は誘電体管２の閉塞された端部（閉塞端部１７）近傍に配置されている。誘電体管２の内側面と高電圧電極１の外側面との間には、所定の幅の空隙である放電空間４があり、誘電体管２は高電圧電極１の同軸外周部に放電空間４を介して配置されている。高電圧電極１の他端１９は、誘電体管２の開放端部１６より外側にある。高電圧電極１は、電源（図示せず）から交流高電圧を印加するための給電ライン８と電気的に接続されている。

冷却ジャケット３は、その中に冷却水等の導電性の冷媒である導電性冷媒１０が入れられており、当該導電性冷媒１０は、冷却ジャケット３に設置されている入水口２０より入水し、排水口２１から排水することにより冷却ジャケット３の中を循環するようになっている。冷却ジャケット３の上部には蓋７があり、蓋７の上部にはオゾン化ガス取出室１２がある。導電性冷媒１０は当該蓋７によりオゾン化ガス取出室１２に入らないようになっている。オゾン化ガス取出室１２の上部には、分離壁１３を介して原料ガス導入室１１がある。原料ガス導入室１１には原料ガス５を導入するための原料ガス導入口１４が設置されており、オゾン化ガス取出室１２にはオゾン化ガス６を取り出すためのオゾン化ガス取出口１５が設置されている。

誘電体管２は、蓋７を貫通し、その開放端部１６及びその近傍部分がオゾン化ガス取出室１２内にあり、それ以外の部分は冷却ジャケット３の中に入れられており、導電性冷媒１０により冷却される。高電圧電極１は、分離壁１３を貫通し、その他端１９及びその近傍部分が原料ガス導入室１１内に配置されている。導電性冷媒１０は、電気的に接地されており、誘電体管２を冷却する役目の他に、接地電極としての役目も担う。導電性冷媒１０は、導電性の冷媒であれば、水以外であってもよい。

以下、図１に示す本実施の形態に係るオゾン発生装置の動作を説明する。まず、酸素を含む原料ガス５を、原料ガス導入口１４から原料ガス導入室１１に導入し、原料ガス導入室１１を通じて高電圧電極１の他端１９から管の中に導入する。導入された原料ガス５は高電圧電極１の管の中を通り、その一端１８から誘電体管２の閉塞端部１７に排出され、放電空間４を通過して誘電体管２の開放端部１６から排出される。

酸素を含む原料ガス５を導入すると共に、給電ライン８を通じで電源（図示せず）から高電圧電極１に交流高電圧を印加して、放電空間４に無声放電を発生させる。放電空間４を流れる原料ガス５に含まれる酸素分子は、無声放電における電子衝突により分離されて、酸素原子が生成される。その酸素原子と周辺にある酸素分子が再結合することにより、オゾンが生成される。生成されたオゾン化ガス６は、放電空間４を抜けて、誘電体管２の開放端部１６からオゾン化ガス取出室１２に排出され、オゾン化ガス取出口１５から取り出され、図示されていないが、オゾンと接触する被処理物質のある装置、場所に供給される。

以上説明したように、本実施の形態に係るオゾン発生装置においては、導電性冷媒１０により誘電体管２を直接冷却できるので、無声放電により放電空間４付近でおこる発熱を効果的に冷却することができる。従って、オゾンの熱分解を十分抑制することができ、高効率なオゾン生成が可能となる。

また、接地電極として金属等を使わず、導電性冷媒１０を接地電極として用いているので、使用金属の低減になると共に簡単な構成となり、安価なオゾン発生装置を実現できる。

なお、電源と高電圧電極１との間の給電ライン８に、ヒューズ等の保護回路９を設けておくと、オゾン発生電極内で、例えば電極破損による過電流の発生等の異常があった場合に、オゾン発生電極を電源から切断して電源回路を保護することができ、好適である。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、適宜変更して実施することができる。例えば、本実施の形態では、原料ガス５を高電圧電極１の他端１９から導入し、オゾン化ガス６を誘電体管２の開放端部１６から取り出す例を示したが、これには限定されず、逆に、原料ガス５を誘電体管２の開放端部１６から導入し、オゾン化ガス６を高電圧電極１の他端１９から取り出す構成としても同様の効果が得られる。

また、本実施の形態では、誘電体管２として、片側が閉塞された管状のものを一例として示したが、それには限定されず、両側が開放された管状の誘電体を用いても良い。その場合、導電性冷媒１０は、誘電体管２の端部には配置せず、側部のみで接するようにする。原料ガス５は、管状の高電圧電極１から導入せず、誘電体管２の一端から放電空間４に直接導入する。オゾン化ガス６は、原料ガス５を導入した端部とは反対側の誘電体管２の端部から取り出せばよい。この場合も、片側が閉塞された管状の誘電体管２を用いた場合と同様の効果を得られると共に、オゾン化ガス６の取り出しを原料ガスの導入とは反対側の端部でできるので、オゾン化ガス６と原料ガス５を分離しやすくなる。

次に、図２を用いて、上記本発明に係るオゾン発生電極を一つのモジュールとして、複数個のオゾン発生電極を連結して用いた例を示す。図２において、図１を用いて説明した上記実施の形態と同じ部分については、図１と同じ番号を用いた。

図２において、高電圧電極１ａ及び誘電体管２ａは、図１における高電圧電極１及び誘電体管２と同様のものを用い、同様に配置されている。つまり、高電圧電極１ａは、ステンレスパイプ等の管状の導電性材料からなり、交流高電圧を印加するための電極としての役目と、原料ガスを導入するためのパイプの役目を担う。誘電体管２ａは、片側を閉塞した管状であり、セラミック又はガラス等の誘電体からなる。

高電圧電極１ａは、誘電体管２ａの開放されている端部（開放端部１６）から挿通され、高電圧電極１ａの一端１８は誘電体管２ａの閉塞された端部（閉塞端部１７）近傍に配置されている。誘電体管２ａの内側面と高電圧電極１ａの外側面との間には、所定の幅の空隙である放電空間４があり、誘電体管２ａは高電圧電極１ａの同軸外周部に放電空間４を介して配置されている。高電圧電極１ａの他端１９は、誘電体管２の開放端部１６より外側にある。高電圧電極１ａは、電源（図示せず）から交流高電圧を印加するための給電ライン８と電気的に接続されている。給電ライン８には、電源を保護するためにヒューズ等の保護回路９を設置する。図２では、ヒューズ等の保護回路９が共通で１つ設置されているが、それぞれの高電圧電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・に設置されてもよく、この場合は不具合の発生した高電圧電極のみを電気的に切断して、その他の高電圧電極は継続して運転することが可能となる。

高電圧電極１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・及び誘電体管２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・も、それぞれ高電圧電極１ａ及び誘電体管２ａと同様のものを用い、同様に配置されている。

冷却ジャケット３は、その中に冷却水等の導電性の冷媒である導電性冷媒１０が入れられており、当該導電性冷媒１０は、冷却ジャケット３に設置されている入水口２０より入水し、排水口２１から排水することにより冷却ジャケット３の中を循環するようになっている。冷却ジャケット３の上部には蓋７があり、蓋７の上部にはオゾン化ガス取出室１２がある。導電性冷媒１０は当該蓋７によりオゾン化ガス取出室１２に入らないようになっている。オゾン化ガス取出室１２の上部には、分離壁１３を介して原料ガス導入室１１がある。原料ガス導入室１１には原料ガス５を導入するための原料ガス導入口１４が設置されており、オゾン化ガス取出室１２にはオゾン化ガス６を取り出すためのオゾン化ガス取出口１５が設置されている。

誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・は、蓋７を貫通し、その開放端部１６及びその近傍部分がオゾン化ガス取出室１２内にあり、それ以外の部分は冷却ジャケット３の中に入れられており、導電性冷媒１０により冷却される。高電圧電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・は、分離壁１３を貫通し、その他端１９及びその近傍部分が原料ガス導入室１１内に配置されている。導電性冷媒１０は、電気的に接地されており、誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・を冷却する役目の他に、接地電極としての役目も担う。導電性冷媒１０は、導電性の冷媒であれば、水以外であってもよい。

以下、図２に示す本実施の形態に係るオゾン発生装置の動作を説明する。まず、酸素を含む原料ガス５を、原料ガス導入口１４から原料ガス導入室１１に導入する。当該原料ガス５は、原料ガス導入室１１に配置されている高電圧電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・それぞれの端部からそれぞれの管の中に導入される。当該原料ガス５は、図１を用いて説明した動作と同様に、それぞれの放電空間においてオゾン化され、オゾン化ガス６として誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・それぞれの開放端部からオゾン化ガス取出室１２へ排出される。オゾン化ガス取出室１２のオゾン化ガス６は、オゾン化ガス取出口１５から取り出され、図示されていないが、オゾンと接触する被処理物質のある装置、場所に供給される。

以上説明したように、本実施の形態に係るオゾン発生装置においては、導電性冷媒１０により誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・を直接冷却できるので、無声放電により放電空間付近でおこる発熱を効果的に冷却することができる。従って、オゾンの熱分解を十分抑制することができ、高効率なオゾン生成が可能となる。また、誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・の端部が閉塞されているので、その端部においても導電性冷媒１０により直接誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・が冷却されるので、さらに好適である。

また、接地電極として金属等を使わず、導電性冷媒１０を接地電極として用いているので、使用金属の低減になると共に簡単な構成となり、安価なオゾン発生装置を実現できる。

さらには、複数個のオゾン発生電極を連結して用いているので、短時間に大量のオゾンを得ることができ、大量のオゾンが必要な場合に好適である。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、適宜変更して実施することができる。例えば、本実施の形態では、原料ガス５を高電圧電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・の端部から導入し、オゾン化ガス６を誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・の開放端部から取り出す例を示したが、これには限定されず、逆に、原料ガス５を誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・の開放端部から導入し、オゾン化ガス６を高電圧電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・の端部から取り出す構成としても同様の効果が得られる。

また、本実施の形態では、誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・として、片側が閉塞された管状のものを一例として示したが、それには限定されず、両側が開放された管状の誘電体を用いても良い。その場合、導電性冷媒１０は、誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・の端部には配置せず、側部のみで接するようにする。原料ガス５は、管状の高電圧電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・から導入せず、誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・の一端から放電空間に直接導入する。オゾン化ガス６は、原料ガス５を導入した端部とは反対側の誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・の端部から取り出せばよい。この場合も、片側が閉塞された管状の誘電体管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・を用いた場合と同様の効果を得られると共に、オゾン化ガス６の取り出しを原料ガスの導入とは反対側の端部でできるので、オゾン化ガス６と原料ガス５を分離しやすくなる。

上記実施の形態における材料、サイズ、処理手順などは一例であり、本発明の効果を発揮する範囲内において種々変更して実施することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

本発明の実施の形態に係るオゾン発生装置を示す図。 本発明の実施の形態に係るオゾン発生装置を示す図。 従来の実施の形態に係るオゾン発生装置を示す図。 従来の実施の形態に係るオゾン発生装置を示す図。

符号の説明

１ 高電圧電極
２ 誘電体管
３ 冷却ジャケット
４ 放電空間
５ 原料ガス
６ オゾン化ガス
７ 蓋
８ 給電ライン
９ 保護回路
１０ 導電性冷媒

Claims (5)

1. 酸素を含む原料ガス中で無声放電を発生させることにより、オゾンを生成するオゾン発生装置に用いるオゾン発生電極であって、
   管状の高電圧電極と、
   前記管状の高電圧電極の同軸外周部に空隙を介して配置された管状の誘電体である誘電体管と、
   前記誘電体管の外周面に接するように配置された導電性冷媒と、
   を有し、前記導電性冷媒が電気的に接地されているオゾン発生電極。
2. 前記誘電体管の軸方向の一端が閉塞されている請求項１記載のオゾン発生電極。
3. 管状の高電圧電極と、
   前記管状の高電圧電極の同軸外周部に空隙を介して配置された管状の誘電体である誘電体管と、
   前記誘電体管の外周面に接するように配置された導電性冷媒からなる接地電極と、
   を有し、
   前記空隙に酸素を含む原料ガスを流通させ、前記高電圧電極と前記接地電極間に交流高電圧を印加して無声放電を発生させることにより、前記空隙においてオゾンを生成するオゾン発生装置。
4. 前記誘電体管の軸方向の一端が閉塞されており、前記管状の高電圧電極の一端から前記酸素を含む原料ガスを導入して他端から排出することにより、前記空隙に酸素を含む原料ガスを流通させる請求項３記載のオゾン発生装置。
5. 前記管状の高電圧電極及び前記誘電体管を複数具備する請求項３又は４記載のオゾン発生装置。

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