JP2011037689A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな短絡電流が流れても給電ブラシが溶融しない、かつ通常運転の電流によっても劣化が少ない電極を備えた信頼性の高いオゾン発生装置を得る。
【解決手段】円筒状の金属管と、外壁と上記金属管の内壁とが所定の間隙を有するように金属管の内部に保持され、内壁に金属膜が形成された円筒状のガラス管と、交流高圧電源とを備え、間隙を通って酸素を含む原料ガスを流すとともに、金属製のブラシ軸の周囲に多数の金属細線を固定した給電ブラシを上記ガラス管に挿入し、金属細線の先端を金属膜に電気的に接触させ、交流高圧電源の出力端子の一方を上記ブラシ軸に給電部材を接続し、交流高圧電源の出力端子の他方を金属管に接続して金属膜と金属管の間に交流高電圧を印加することにより、間隙を流れる原料ガスを放電させてオゾンを発生させるオゾン発生装置であって、金属細線を耐オゾン性を有しかつ導電性の高い薄膜で被覆した。
【選択図】図３

Description

この発明は、無声放電を利用してオゾンを発生するオゾン発生装置に関するものである。

従来のオゾン発生装置は、図６のように構成されている。ガラス管１の内壁に高圧電極となる金属膜２を形成し、ガラス管１の外部にガラス管と同心円状に接地電極となる円筒状の金属管３を配置する。金属膜２は通常、酸素やオゾンで酸化され難いニッケルで構成する。金属管３は、電気的に接地されたオゾン発生タンク４に取り付けられている。給電ブラシ５０を金属膜２の内部に挿入し、外部の交流高圧電源１１から給電部材９と給電ブラシ５０を通じて、金属膜２に交流高電圧を給電する。ブッシング１０は接地されたオゾン発生タンク４の内部に電気を給電する目的で設置されている。金属膜２と金属管３の間に交流高電圧を印加するとガラス管１と金属管３との間の放電ギャップ１２で放電が発生する。通常のオゾン発生装置において放電ギャップは１ｍｍ以下に保たれる。

オゾン発生タンク４に取り付けられたガス入口１３より乾燥空気や窒素ガスをわずかに添加した酸素ガスが導入され、放電ギャップ１２に導かれる。放電ギャップ１２を通り抜ける際に乾燥空気中の酸素ガス、もしくは窒素添加された酸素ガスは放電によって解離しオゾンが発生する。発生したオゾンガスはガス出口１４から排出される。放電により発生するエネルギーの一部はオゾンガスを発生するために使用されるが、残りのエネルギーは熱となりガラス管１および金属管３を加熱する。これを冷却するために金属管３の外側に冷却水１５を流し、ガラス管１と金属管３を冷却し、ガラス管の破損を防ぐとともに、オゾンを効率よく発生することに寄与する。ガラス管１、金属膜２、金属管３で放電管を構成しており、通常のオゾナイザでは多数の放電管がオゾン発生タンク４内に配置され、多数本のガラス管１内壁の金属膜２には交流高圧電源１１から並列に電気が供給される。

ガラス管１が劣化、もしくは何らかの原因で破損すると、交流高圧電源１１からガラス管１内壁の金属膜２に短絡電流が流れ込む。短絡電流を切るために、図６には記載していないが、ガラス管１本毎にヒューズを取付けている。もしくは、短絡現象を交流高圧電源で検出し、電源を遮断する。もしくは、特許文献１に記載のように金属膜２を金属薄膜で構成し、短絡電流により金属薄膜を溶融・消失させることによりヒューズの代替機能を発揮し、短絡電流を遮断している。

ここで、給電ブラシ５は金属膜２への給電が均一に行われるように多数本の金属細線６０とブラシ軸７およびブラシ軸に接続された端子８から構成される（例えば特許文献２）。金属膜２は薄膜で構成されるため、金属細線６０の径を例えば0.2ｍｍφ程度に細くし、金属膜２に傷がつかないようにしている。またオゾンガスで劣化しないように金属細線はステンレス材料が用いられている。

上記のように、金属膜２の材質としては、オゾンガスに腐食されないニッケルが使用される場合が多い。また、給電ブラシ５０を構成する金属細線６０の材質としては、オゾンガスに腐食されないステンレスが使用されることが多い。

ＷＯ２００６−１０３９４５号公報 実開昭５３−１６０４５６号公報（第１図（Ｂ））

従来の装置は以上のように構成されているので、通常は１本の放電管に流れる電流は１Ａ以下であるが、ガラス管が劣化、もしくは何らかの原因で破損すると、交流高圧電源から破損したガラス管の金属膜に短絡電流が流れ込む。また、オゾン発生量が大きい装置では、放電管が１００本以上、場合によっては１０００本もの放電管がオゾン発生タンク内に並列して配置されており、これら多数本の放電管に一電源から並列に電圧が給電されるよう構成されている。このようなオゾン発生装置では、多数本の放電管が並列に接続されているため、短絡電流が流れ込む時、電源からだけではなく、他の放電管に容量性のエネルギーとして蓄積されているエネルギーも短絡した放電管に流れ込む。１００本以上の放電管に蓄積されているエネルギーは非常に大きく、このエネルギーが一本の放電管に流れ込む短絡電流として消費されるため、発熱が大きな問題となる。
金属細線の構成材料であるステンレスは抵抗率が高く、しかも金属膜との間の接触抵抗が大きいので、短絡大電流が流れると金属細線がジュール熱で加熱して高温に達し溶融するという問題点があった。

また、短絡が発生しない通常の状態でも接触抵抗などにより給電ブラシが発熱することにより酸化など長期間動作による劣化が発生し、金属細線と金属膜との接触抵抗が大きくなりジュール熱で加熱して高温に達し溶融するという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、大きな短絡電流が流れても給電ブラシ溶融によるガラス管破損を防止できる信頼性の高いオゾン発生装置を得ることを目的とする。

更に、短絡電流が発生しない場合においても給電ブラシの発熱が小さく、長期間にわたり電極が劣化することなく運転を継続できる信頼性の高い低価格のオゾン発生装置を得ることを目的とする。

この発明に係るオゾン発生装置は、給電ブラシを構成するステンレス製金属細線、あるいはガラス管内壁に形成される金属膜を、耐オゾン性を有する導電性の薄膜で被覆する構成とした。

この発明によれば、給電ブラシの金属細線での発熱が抑制され、大きな短絡電流が流れても給電ブラシは溶融に到らない。また短絡電流が発生しない通常時も発熱が少ないため、給電ブラシは劣化し難く、寿命の長いオゾン発生装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の主要部を示す概略側面断面図である。 この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の図１のＡ−Ａ部の概略断面図である。 この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の給電ブラシの電流集中度を説明する図である。 この発明の実施の形態３によるオゾン発生装置の給電ブラシの電流集中度を説明する図である。 この発明の実施の形態４によるオゾン発生装置の主要部を示す概略側面断面図である。 従来のオゾン発生装置の主要部を示す概略側面断面図である。 従来のオゾン発生装置の給電ブラシの電流集中度を説明する図である。

実施の形態１．
まず、本発明者らは、従来の構成によるオゾン発生装置の給電ブラシにおける発熱の様子の分析を行った。ニッケルからなる金属膜の電気抵抗が大きく、さらにステンレスからなる金属細線とニッケルからなる金属膜との間の接触電気抵抗も大きい。金属膜がニッケル薄膜、給電ブラシの金属細線がステンレス細線の場合、金属膜の電気抵抗の方がより大きいため、給電ブラシに流れる電流は均一に流れるのではなく、図７のブラシの電流分布に示すように給電ブラシの先端に電流が集中することが判明した。解析の結果、給電ブラシ先端部に流れる電流の最大値Ｉ_ｐｅａｋは、均一に電流が流れたとした場合の電流値Ｉ_０の約１５倍になることが判った。したがって、給電ブラシの先端付近にある金属細線での発熱が大きく、ここでの発熱を抑制する必要があることが判った。このためには、電流分布を均一にする、あるいは電流が先端に集中しても発熱が抑制される構成にすれば良い。実施の形態１では、先端部への電流の集中があっても発熱が抑制できる構成を示す。

以下、この発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１は、本発明の主要部を示す概略側面断面図であり、説明のため放電管を１本のみ示しているが、大容量のオゾン発生装置では、放電管が多数並列配置されている。多数の放電管が並列配置されたオゾン発生装置の構成を、例えば図１のＡ−Ａ断面図として図２に示す。

ガラス管１の内壁に高圧電極となる金属膜２を密着して形成し、ガラス管１の外部にガラス管と同心円状に接地電極となる円筒状の金属管３を配置する。金属膜２は厚み0.05〜100μｍの導電性の薄膜で構成される。材質は、ニッケルやニッケルを主成分として含有
する導電性化合物からなる耐酸素、耐オゾン性の材料をスパッタ、もしくはメッキ等によりガラス管１の内壁に密着もしくは塗布させて形成する。ガラス管１の右側は封止処理をしている。気密密閉容器であるオゾン発生タンク４は、２枚の管板４０、４１により大きく３つの空間に分けられており、金属管３は、２枚の管板４０および４１に開けられた穴を連結するように取り付けられている。オゾン発生タンク４と管板４０、４１は電気的に接地されており、これらと電気的に接続されている金属管３も接地されている。ガラス管１の外壁と金属管３の内壁との間に所定の間隙すなわち放電ギャップ１２が形成され、放電ギャップ１２は例えば0.4ｍｍ以下に保たれている。５は給電ブラシで、ガラス管１の
開放された側からガラス管内部に挿入され、金属膜２に接触する構成となっている。給電ブラシ５は、多数のステンレス製の金属細線６と、ステンレス製のブラシ軸７と、端子８から構成される。交流高圧電源１１の片側は接地し、片側、すなわち高圧側は給電部材９に接続される。１０はオゾン発生タンク４を貫通するブッシングで、ブッシング内部を給電部材９が通り、給電部材９がオゾン発生タンク４と絶縁されるように構成されている。給電部材９に給電ブラシ５の端子８が接続されている。

前述のように、大容量のオゾン発生装置では、図１のＡ−Ａ断面図である図２に示すように、多数のガラス管１がオゾン発生タンク４内に並列に配置され、一本のガラス管１内壁の金属膜２に１本の給電ブラシ５により給電するよう構成されている。このようにして、交流高圧電源１１からブッシング１０を通ってオゾン発生タンク４内に導入された給電部材９により多数の給電ブラシ５が並列に接続されている。１３はオゾン発生タンク４に取り付けられたガス入口、１４はオゾン発生タンク４に取り付けられたガス出口である。１５は円筒状の金属管３の外側を流れる冷却水、１６はオゾン発生タンク４に設けられた冷却水入口、１７はオゾン発生タンク４に設けられた冷却水出口である。

この実施の形態１における給電ブラシ５の金属細線６はステンレス製細線に厚み0.05〜
10μｍのニッケルメッキを施している。すなわち、ステンレス製細線の表面を耐オゾン性を有する導電性の薄膜で被覆している。

次に動作について説明する。ガス入口１３より乾燥空気、もしくは窒素ガスをわずかに添加した酸素ガスなど酸素を含む原料ガスが導入される。この原料ガスは管板４０とオゾン発生タンク４で形成されるガス入口側の空間から放電ギャップ１２を通り抜けて、管板４１とオゾン発生タンク４で形成されるガス出口側の空間を通じてガス出口１４に導かれる。一方、交流高圧電源１１から、給電部材９、給電ブラシ５を通じて、金属膜２に交流高電圧が印加される。金属膜２と金属管３の間に交流高電圧が印加されるので、放電ギャップ１２でいわゆる無声放電が発生する。原料ガスが放電ギャップ１２を通り抜ける際に原料ガス中の酸素が放電によって解離し、オゾンが発生する。オゾンを効率的に発生するために放電ギャップ１２は例えば０．４ｍｍ以下に保持されている。また放電により発生する熱を除去するために、金属管３の外側に冷却水１５を流し、金属管３を冷却し、さらに放電ギャップ内のガスを介してガラス管１を冷却している。

給電ブラシ５を構成する金属細線６にニッケルメッキを施すことにより、この金属細線６の表面が、この表面に接触する金属膜２と同じ材料のニッケルとなる。しかもステンレスよりもニッケルは酸化され難いため、金属細線６と金属膜２の接触抵抗が、金属細線をニッケルメッキしない場合と比較して１０分の１程度に小さくなる。接触抵抗が減少する一方、金属膜の抵抗は変わらないため、金属膜の抵抗に対する接触抵抗の比がより小さくなって、より給電ブラシ５先端へ電流が集中して流れるようになる。この結果、給電ブラシ５に流れる電流分布は図３に示すようになり、先端への電流の集中率、すなわちＩ_ｐｅａｋ／Ｉ_０は、図７で示した金属細線をニッケルメッキしない場合の約１５倍から約３０倍に増加する。金属細線の接触部で発生するジュール熱は（Ｒ×Ｉ^２）である。結果として、Ｒが0.1倍、Ｉ^２が(30/15)^２倍となるため、先端への電流の集中の割合はより大きくなったが、金属細線６の接触部で発生するジュール熱は、金属細線をニッケルメッキしない場合に比較して、0.1×(30/15)^２、すなわち約0.4倍となって、発熱は少なくなる。

使用中にガラス管１が劣化、もしくは何らかの原因で破損すると、交流高圧電源１１から破損したガラス管の金属膜２に短絡電流が流れ込む。また、短絡電流には、並列に接続されている他の放電管が形成する容量（コンデンサ）に蓄積されている容量性のエネルギーから流れ込む電流も含まれる。この短絡電流で、主に金属細線６と金属膜２の間の接触抵抗で発生するジュール熱により金属細線６が加熱する。本発明では、金属細線の表面をニッケルメッキで被覆したため、上記で説明したように給電ブラシ先端の金属細線の発熱が金属細線の表面をニッケルメッキで被覆しない場合の約0.4倍に抑えられ、ブラシ先端の温度上昇が抑制できて、従来よりもブラシが溶融し難い。

また、短絡電流が流れる場合だけではなく、短絡電流が流れない通常の運転中の給電ブラシ先端の温度上昇も抑制できて、結果として給電ブラシの長寿命化につながる。すなわち、本発明は多数の放電管が並列に接続されたオゾン発生装置のみならず、放電管が１本または少数のオゾン発生装置にあっても効果がある。その結果、信頼性の高いオゾン発生装置を提供することができる。

実施の形態２．
次に本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２におけるオゾン発生装置では、ステンレス製金属細線の表面をスズメッキもしくは金メッキなど耐オゾン性を有し軟らかい金属の薄膜で被覆する。スズや金は実施の形態１に示したニッケルよりも軟らかいため接触抵抗がより減少する。このためスズメッキもしくは金メッキを施すことにより、金属細線６と金属膜２の接触抵抗は１００分の１程度に小さくなる。その結果、給電ブラシ先端への電流集中率Ｉ_ｐｅａｋ／Ｉ_０は、金属細線をメッキで被覆しない場合約１５倍
であったものが約４５倍に増加する。結果として、金属細線６の接触部で発生するジュール熱（Ｒ×Ｉ^２）は（1/100)×(45/15)^２、すなわち約0.09倍に小さくなる。よって実施
の形態１より大きな短絡電流が流れても給電ブラシ溶融は発生し難い。また、短絡電流が流れない通常の場合においても実施の形態１よりもさらに給電ブラシの寿命を長くすることができる。

実施の形態３．
次に本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３は給電ブラシ５における電流分布をより均一にして、給電ブラシの金属細線の発熱を抑制する実施の形態である。高圧電極となる金属膜２の表面に耐オゾン性を有しかつ金属膜２よりも導電率の高い金属の薄膜を被覆した、例えば金メッキを施したものである。この場合、金属細線６の表面はステンレスのままのため接触抵抗はそれほど低下しないが、金属膜２の表面に導電率の高い金の薄膜が形成され抵抗が低くなるため、結果として給電ブラシ先端への電流集中率Ｉ_ｐｅａｋ／Ｉ_０は、図４に示すように、金属膜がニッケルのみである従来の場合の約１５倍から約2.5倍程度に低下する。その結果、金属細線６の接触部で発生するジュール熱は、(2.5/15)^２倍すなわち約0.03倍になる。よって大きな短絡電流が流れても給電ブラシ溶融
は発生し難い。また短絡電流が流れない通常の場合においても給電ブラシの寿命を長くすることができる。
また、金属細線にニッケルメッキや金メッキなど耐オゾン性を有する金属薄膜の被覆を施し、かつ金属膜にも金メッキなど金属膜の金属よりも導電率の高い金属の薄膜の被覆を施す両方の対策を取ることにより、大きな短絡電流が流れても給電ブラシ溶融はさらに発生し難くなる。また短絡電流が流れない通常の場合においてもさらに給電ブラシの寿命を長くすることができる。

実施の形態４．
次に本発明の実施の形態４について図５により説明する。図５のオゾン発生装置では、図１と同じ構成の高圧電極であるガラス管がガス入口側およびガス出口側の両側から金属管３に挿入配置されている。すなわち、ガス入口側から給電ブラシ５ａを挿入してガラス管１ａ内壁の金属膜２ａに給電し、ガス出口側、すなわちガスの流れの下流側から給電ブラシ５ｂを挿入してガラス管１ｂ内壁の金属膜２ｂに給電する構成となっている。図５において、その他の部材も、ガス入口側の部材の符号にはａを、ガス出口側の部材の符号にはｂを付加している。この場合、給電ブラシ５ｂ、金属膜２ｂはオゾンガスおよび放電によって生成される腐食性の高いNOｘガスに常にさらされる。このため、金属細線または金属膜にメッキを施していない従来のオゾン発生装置では給電ブラシの先端への電流集中のために接触点での温度上昇が発生し、金属膜２ｂが短期間に腐食されて劣化し、オゾン発生装置の寿命が短いという欠点があった。
この場合、実施の形態１〜３で示したように、給電ブラシを構成するステンレス製金属細線を耐オゾン性を有する接触抵抗の低い導電性の薄膜で被覆する構成、あるいはニッケルなどからなる金属膜２ｂを耐オゾン性を有する導電率の高い薄膜で被覆する構成とすることにより、金属細線６ｂの接触部で発生するジュール熱を約0.4〜0.03倍に小さくでき
るため、電極の寿命が長くなり、信頼性の高いオゾン発生装置を提供できる。
特に、ニッケルからなる金属膜２ｂの表面を金などの耐オゾン性の導電性薄膜で被覆することにより、金属膜２ｂの寿命を飛躍的に長くすることができる。

この発明は、大量の水を処理する水処理装置などに適用することができる。

１、１ａ、１ｂ：ガラス管 ２、２ａ、２ｂ：金属膜
３：金属管 ４：オゾン発生タンク（気密密閉容器）
５、５ａ、５ｂ、５０：給電ブラシ ６、６ａ、６ｂ、６０：金属細線
７：ブラシ軸 １１ 交流高圧電源

Claims (6)

1. 円筒状の金属管と、
   外壁と上記金属管の内壁とが所定の間隙を有するように上記金属管の内部に保持され、内壁に金属膜が形成され一端が閉鎖し他端が開放した円筒状のガラス管と、
   交流高圧電源とを備え、
   上記間隙を通って酸素を含む原料ガスを流すとともに、金属製のブラシ軸の周囲に多数のステンレス製の金属細線を固定した給電ブラシを上記ガラス管に挿入し、上記金属細線の先端を上記金属膜に電気的に接触させ、上記交流高圧電源の出力端子の一方を上記ブラシ軸に接続し、上記交流高圧電源の出力端子の他方を上記金属管に接続して上記金属膜と上記金属管との間に交流高電圧を印加することにより、上記間隙を流れる原料ガスを放電させてオゾンを発生させるオゾン発生装置であって、
   上記金属細線を、耐オゾン性を有する導電性の薄膜で被覆したことを特徴とするオゾン発生装置。
2. 金属膜がニッケルであり、金属細線を被覆する薄膜をニッケルメッキで形成したことを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 被覆する薄膜をスズまたは金の薄膜としたことを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
4. 円筒状の金属管と、
   外壁と上記金属管の内壁とが所定の間隙を有するように上記金属管の内部に保持され、内壁に金属膜が形成され一端が閉鎖し他端が開放した円筒状のガラス管と、
   交流高圧電源とを備え、
   上記間隙を通って酸素を含む原料ガスを流すとともに、金属製のブラシ軸の周囲に多数のステンレス製の金属細線を固定した給電ブラシを上記ガラス管に挿入し、上記金属細線の先端を上記金属膜に電気的に接触させ、上記交流高圧電源の出力端子の一方を上記ブラシ軸に接続し、上記交流高圧電源の出力端子の他方を上記金属管に接続して上記金属膜と上記金属管との間に交流高電圧を印加することにより、上記間隙を流れる原料ガスを放電させてオゾンを発生させるオゾン発生装置であって、
   上記金属膜を、耐オゾン性を有しかつ上記金属膜よりも導電率の高い薄膜で被覆したことを特徴とするオゾン発生装置。
5. 金属膜を被覆する薄膜を金の薄膜としたことを特徴とする請求項４に記載のオゾン発生装置。
6. ガラス管の開放された側がガスの流れの下流側に配置され、給電ブラシがこの開放された側からガラス管に挿入されたことを特徴とする請求項１または４に記載のオゾン発生装置。

Images