JP2013142053A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペーサの数が少なくても、オゾン発生効率が高く、組み立てが容易なオゾン発生装置を提供することを目的とする。
【解決手段】オゾン発生タンク内に、断面形状が円環形状の外側管と、外面と外側管の内面とが間隙を有するように外側管内部に保持され、断面形状が円環形状の内側管と、で間隙を形成する二面の内一面が誘電体の面となるように構成された放電管を備え、間隙を通って酸素を含む原料ガスを流し、間隙に交流電界を発生させることにより、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ように構成されたオゾン発生装置であって、間隙を所定寸法に保持するためのスペーサをガスの流れ方向に３箇所以上、ガスの流れの下流側のスペーサの間隔が、上流側のスペーサの間隔よりも狭くなるよう配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、水処理などに用いられる、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、水処理などに用いられているオゾン発生装置は、放電を利用したものがほとんどである。放電によってオゾンを発生させるオゾン発生装置の構造には種々あるが、水処理等に利用するオゾン発生装置は、比較的大容量のものが多く、例えばｍオーダーの大直径の円筒の容器である缶体（オゾン発生タンク）の中に、ｃｍオーダーの小直径の円筒の放電管を、多数配置した構成のものが用いられる場合が多い。一つのオゾン発生タンクに配置される放電管の本数は通常１０本以上で、１０００本以上と非常に多数のものもある。放電管としては、例えば、金属製の接地電極管の中に、内面に金属膜が形成されたガラス管を高電圧電極管として挿入し、接地電極管の内面と高電圧電極管の外面との間に放電させるための間隙を形成した構成のものが用いられる。この間隙に酸素を含むガスを流して、高電圧電極管と接地電極管との間に交流高電圧を印加して放電を発生させて酸素を含むガスをオゾン化する。

間隙を形成するためには、接地電極管と高電圧電極管との間にスペーサが設置される。スペーサは、金属、樹脂、セラミック、ガラス、その他の材質からなる場合が多く、接地電極管あるいは高電圧電極管とは別に設けられる場合と接地電極管あるいは高電圧電極管と一体形成される場合がある。また、スペーサはガスの流れ方向に対して、高電圧電極管のほぼ両端に２箇所設置される場合もあるが、中央部も含めた３箇所設置される場合もある。（例えば特許文献１、特許文献２）

ここで、放電によりオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置の放電管においては、ガスを流通させる間隙を均等に保つことが放電効率を高める重要なポイントである。特に本願の対象である円筒多管型のオゾン発生装置においては、偏心を無くして筒状電極の周方向の間隙を均一にするとともに、その状態をガスの流れ方向の全長に渡って実現することが重要である。なお、間隙を均一にすることにより、オゾン発生効率を向上させることが出来る点は、特許文献３に詳しく述べられている。

特開２００１−１５１５０３号公報 特開２００８−１３０４号公報 国際公開第２００７／１０８１４２号公報

以上のような背景の下、特に間隙長を短くした近年のオゾン発生装置においては、間隙の均一性の観点から、ガスの流れ方向に対してスペーサの数がある程度必要であることがわかってきた。しかし、ただ単にスペーサの数を多くする場合は、その分スペーサ材料を多く必要とし、組み立て時間も要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、スペーサの数が少なくても、オゾン発生効率が高く、組み立てが容易なオゾン発生装置を提供することを目的とする。

この発明に係るオゾン発生装置は、オゾン発生タンク内に、断面形状が円環形状の外側管と、外面と外側管の内面とが間隙を有するように外側管内部に保持され、断面形状が円環形状の内側管と、で間隙を形成する二面の内一面が誘電体の面となるように構成された放電管を備え、間隙を通って酸素を含む原料ガスを流し、間隙に交流電界を発生させることにより、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ように構成されたオゾン発生装置であって、間隙を所定距離に保持するためのスペーサをガスの流れ方向に３箇所以上、ガスの流れの下流側のスペーサの間隔が、上流側のスペーサの間隔よりも狭くなるよう配置したことを特徴とするものである。

この発明によれば、スペーサのガス流れ方向の間隔を、上流側よりも下流側が狭くなるよう設置したので、効率に、より影響が大きい下流部分の間隙を重点的に均一にすることが出来る。したがって、スペーサの数が少なくても、オゾン発生効率が高く、組み立てが容易なオゾン発生装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の概略構成を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の主要部を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置のスペーサの一例を示す図である。 本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置のスペーサの別の例を示す図である。 本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の主要部を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置のスペーサが設置された内側管を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の概略構成を示す側面断面図であり、図２は本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の主要部を示す拡大断面図である。以下、この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置を図１、図２に基づいて説明する。

円筒形状のガラス管などの誘電体管である内側管５の内面に高電圧電極となる金属膜６を形成し、内側管５の外部に同心円状に接地電極となる円筒状の外側管４を、内側管５の外面と外側管４の内面とが間隙を有するように配置する。外側管４は、電気的に接地されたオゾン発生タンク１と同電位になるよう、オゾン発生タンク１の内部を３つの空間に分ける２枚の金属製の管板１１に取り付けられている。金属膜６が形成された内側管５と外側管４とで放電管５０を構成している。オゾン発生器用電源１０から金属膜６に交流高電圧を給電し、金属膜６と外側管４の間に交流高電圧を印加すると内側管５と外側管４との間の間隙２０で放電が発生する。

外側管４の周囲は放電による熱を冷却するための冷却水１３が図示しない冷却装置から循環して流されるようになっている。図示しない原料ガス供給装置から原料ガス入口配管２を通して酸素（Ｏ_２）を含む原料ガスが導入される。導入された原料ガスは間隙２０を通る間に放電によりオゾン（Ｏ_３）化ガスとなり、オゾン化ガス出口配管３より出力され
る。図１では放電管５０を１本だけ示しているが、大容量のオゾン発生器では、１台の、すなわち一つのオゾン発生タンク１に放電管５０が複数、多いものでは１０００本程度並列に設置されている。

図２は、放電管５０の部分を拡大した図であり、図１と同一部分には同一符号を付している。ただし、図１では、スペーサ２１が３箇所設置されたものを図示しているが、図２ではスペーサ２１が７箇所設置されたものを示している。本発明ではスペーサ２１が３箇所以上設置されていれば、何箇所設置されていても良い。ここで、内側管５を形成する誘電体としては、斯界で周知されているように比較的高い比誘電率を有する材料、例えばガラス、セラミックス、石英、ホーローなどが例示される。内側管５の外面と、外側管４の内面との間には所定寸法の間隙２０が形成されており、この間隙２０の所定寸法は、例えば０．４ｍｍ以下といった狭い寸法に設定される。最近はさらに０．２５ｍｍ以下の狭い寸法に設定されることもある。この狭い間隙２０の寸法を保つためにスペーサ２１が設置されている。スペーサは例えば参考文献１に示したようなものが用いられるが、これに限らない。図１においても、図２においても隣り合うスペーサ２１間の間隔は、ガスの上流側が広く、下流側に行くに従って、狭くなるように設置されている。

次に動作について説明する。原料ガスは酸素や空気など、オゾンの原料となる酸素を含むガスであり、原料ガスはオゾン発生タンク１の原料ガス入口配管２から供給される。内側管５は、原料ガスが供給される側の端部が開放し他端は閉鎖された円筒状に形成されている。通常、金属膜６への給電は、図１に示すように、オゾン発生タンク１の原料ガス入口側の空間１００側から高圧碍子９のような絶縁碍子を通して給電素子７により金属膜６に電気的に接触させて行われる。また、内側管５は片端が閉鎖されているため、原料ガスは、内側管５と外側管４との間の間隙２０を通過する。原料ガスは間隙２０を通過する間に無声放電によりオゾン化され、オゾン化ガス出口配管３から図示しないオゾン処理装置に供給される。

ここで、例えば内側管５として直径約３０ｍｍのガラス管を用い、内側管５の長さが約１．５ｍとすると、内側管５が細長いため、比較的容易にたわむ。このように内側管５が細長い場合、スペーサの数が図１に示すようにガス流れ方向に３箇所では、間隙が不均一になってしまう。そこで、内側管５の長さ１．５ｍ当たり５箇所以上にスペーサを設置することが望ましい。ここでは図２に示すようにスペーサを７箇所設置し、流れ方向において下流側のスペーサの間隔を狭くした。

オゾン発生効率向上においては、ガスの流れ方向の全長に亘って間隙を均一に保つことが望ましいが、本発明者らは中でも下流側の間隙が特に重要であることを見出した。円筒多管型のオゾン発生装置は、押し出し流れ型の反応器となるため、下流側の状態が、最終的な反応（オゾン生成）結果に最も大きな影響を与える。すなわち、下流側の間隙が不均一であると、下流側での放電がオゾン発生に適した条件から外れて、上流側で発生したオゾンが解離する恐れがあり、間隙２０全体でのオゾン発生効率が低下することを、本発明者らが見出した。従って、上流側に比較して、下流側の間隙を均一にすることが、オゾン発生効率向上において特に重要である。本発明者らは、下流側の間隙をより均一にするためにスペーサの間隔が上流側よりも下流側で狭くなるようにスペーサを配置することで、同数のスペーサを等間隔で配置した場合よりも高いオゾン発生効率が得られることを見出した。すなわち、間隔が上流側よりも下流側で狭くなるようにスペーサを配置することで、スペーサの数が少なくてもオゾン発生効率が高いオゾン発生装置が得られることを見出したのである。

例えば、図２に示す放電管５０では下流側のスペーサ２１の間隔３個分の全長Ｌ１が、上流側のスペーサ２１の間隔３個分の全長Ｌ２よりも短くなるように配置する。このよう
に、スペーサの数が奇数（２Ｎ＋１）（Ｎは正の整数）の場合、間隔が偶数２Ｎであるから、この偶数２Ｎ個の間隔のうち下流側のスペーサの間隔Ｎ個分の全長が、上流側のスペーサの間隔Ｎ個分の全長よりも短くなるように配置すればよい。スペーサの数が４個以上の偶数（２Ｍ＋２、Ｍは正の整数）の場合、間隔は奇数２Ｍ＋１となるため、最下流側のスペーサからスペーサの間隔Ｍ個分の全長が、最上流側のスペーサからスペーサの間隔Ｍ個分の全長よりも短くなるように配置すればよい。以上の全長の差は、下流側の全長が上流側の全長よりも、３０％以上短くなるように配置すれば、スペーサの数が少なくても、オゾン発生効率が高いオゾン発生装置が得られるという効果がより有効に得られる。

スペーサ２１としては、例えば特許文献１や特許文献２に示されているものが用いられる。スペーサの例を図３、図４に示す。図３、および図４（Ａ）は、内側管５にスペーサ２１を取り付けた状態を示す外観図である。図３は、例えばテフロン（登録商標）製の細いワイヤを、内側管５の周囲に螺旋状に例えば１周巻き付けたものをスペーサ２１としたものである。ワイヤの直径を、間隙の寸法に合わせておく。一方、図４（Ａ）に示すスペーサ２１は、図４（Ａ）のＡ−Ａ位置の断面を示す図４（Ｂ）を合わせて参照すれば解るように、金属などの導電性の材料からなる帯状材２２と凸状の複数の板バネ対２３とから構成される。スペーサの材料は、例えばステンレス材が使用される。以上、いずれのスペーサもある程度の幅Ｗを有するので、本願では、スペーサ２１の間隔ｌは、図３や図４に示すように、例えばスペーサ２１の右端から右端まで、といった、各スペーサの相当する部分間の距離を間隔の長さとする。

この実施の形態１によれば、３個以上配置する複数個のスペーサのガス流れ方向の間隔を不均一にし、具体的には上流側よりも下流側のスペーサ間隔を狭くしたので、下流側の間隙を重点的に均一にすることが出来、スペーサの数が少なくても、オゾン発生効率の高いオゾン発生装置を提供することができる。

なお、スペーサは、外側管４あるいは内側管５とは別に設けられる場合と外側管４あるいは内側管５と一体形成される場合があるが、本発明は、スペーサ設置の作業が必要な前者の場合により大きな効果を奏する。

実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の構成を示す図であり、実施の形態１における図２に相当する要部のみを示している。本実施の形態２においては、スペーサ２１を全部で６か所設け、内側管５の下流側の半分の長さにスペーサの間隔３個が等間隔ｌ１となり、上流側の半分の長さにスペーサの間隔２個が等間隔ｌ２となるように配置している。この場合でも、スペーサの数が偶数の６（＝２Ｍ＋２、Ｍ＝２）でスペーサの間隔は５（２Ｍ＋１）個あるため、最下流側のスペーサからスペーサの間隔２（＝Ｍ）個分の全長Ｌ１が、最上流側のスペーサからスペーサの間隔２（＝Ｍ）個分の全長Ｌ２よりも短くなるように配置していることになる。このような構造でも、実施の形態１と同様に、上流側よりも下流側のスペーサ間隔を狭くしたので、オゾン発生効率により影響が大きい下流側の間隙を重点的に均一にすることが出来、スペーサの数の増加を抑えて、間隙の均一化、ひいてはオゾン発生効率が高いオゾン発生装置を提供することができる。

さらに、本実施の形態２によれば、スペーサの間隔が、狭いｌ１と広いｌ２の２種類のみであるため、スペーサを設置する作業がさらに容易であると言う効果もある。

なお、スペーサの間隔のパターンはこれに限るものではなく、実施の形態１の図２で示した構成とは異なり、スペーサの間隔が２種類ないし３種類と少なく、かつ、下流側の間隔を狭くすればよい。本実施の形態２においても、スペーサの数が奇数２Ｎ＋１（Ｎは正の整数）の場合、下流側のスペーサの間隔Ｎ個分の全長が、上流側のスペーサの間隔Ｎ個
分の全長よりも短くなるように設置し、スペーサの数が４個以上の偶数２Ｍ＋２（Ｍは正の整数）の場合、最下流側のスペーサからスペーサの間隔Ｍ個分の全長が、最上流側のスペーサからスペーサの間隔Ｍ個分の全長よりも短くなるように、好ましくは２０％以上短くなるように設置するということが特徴である。

実施の形態３．
本実施の形態３では、実施の形態１から３における内側管５の寸法によるスペーサの条件について述べる。内側管５の外径直径を２５ｍｍ以下１０ｍｍ以上、厚さ１．３ｍｍ以下０．５ｍｍ以上のガラス管のような細いガラス管の場合、内側管５は比較的容易に曲がる。このような条件で、間隙２０が０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下、特に０．２５ｍｍ以下のように狭い場合、スペーサが流れ方向に数が少ないと、間隙を流れ方向に対して均一に保つことが難しい。逆に、スペーサ２１の数を増やすことによって、外側管４が多少曲がっていても、内側管５を、曲がった外側管４に沿わせるように変形できるため、スペーサ２１の個数を増やすことが非常に有効であることがわかった。本発明者らは、少なくとも内側管５の長さ１．５ｍ当たり５個以上のスペーサが必要なことを確認した。一方、スペーサの数が多すぎると、スペーサ設置作業が煩雑になるため、スペーサは内側管５の長さ１．５ｍ当たり９個以下とすることが好ましい。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果があるのに加えて、内側管５を直径（外径）２５ｍｍ以下１０ｍｍ以上のガラス管としたので、内側管５の曲がる特性を生かして、スペーサの数の増加を最小限に抑えた上で、オゾン発生効率により影響の大きい下流側の間隙の重点的均一化が実現でき、オゾン発生効率の向上を実現できるという効果がより顕著になる。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置の内側管５にスペーサ２１０を取り付けた図を示したものである。本実施の形態４では、間隙寸法とほぼ等しい直径の細いワイヤを内側管５の周囲に螺旋状に巻き付けたものをスペーサ２１０としている。ワイヤとしては、絶縁材料、金属材料いずれも用いることができるが、好ましくはテフロン（登録商標）のようなやや柔らかく耐オゾン性の絶縁材料が好ましい。この場合、螺旋のピッチを下流側で短くなるようにすることで、オゾン発生効率により影響が大きい下流側の間隙を重点的に均一にすることが出来る。図６に示すｌｄが下流側の螺旋ピッチであり、ｌｕが上流側の螺旋ピッチである。すなわち、ｌｄ＞ｌｕとすれば良い。

本実施の形態４によるオゾン発生装置においては、細いワイヤを内側管５の周囲に複数周、螺旋状に巻き付けたものをスペーサ２１０とし、下流側の螺旋ピッチを上流側の螺旋ピッチよりも短くした。よって、螺旋ピッチが均等な場合に比較して、オゾン発生効率により影響が大きい下流側の間隙を重点的に均一にすることが出来、オゾン発生効率が高いオゾン発生装置を提供することができる。

なお、実施の形態１〜実施の形態４においては、内側管５を断面が円環形状の誘電体管として内側に金属膜６を設けて高圧電極とし、金属管である断面が円環形状の外側管４を接地電極とする放電管５０を例として説明した。本発明は、以上のような放電管の構成に限らず、例えば内側管を断面が円環形状の金属管とし、外側管を断面が円環形状の誘電体管として、外側管の外面に例えば金属膜を設け、内側管を高圧電極、外側管の外面の金属膜を接地電極、または逆に内側管を接地電極、外側管を高圧電極とする放電管の構成にも適用できるのは言うまでもない。また、外側管、内側管共に誘電体管で形成し、外側管の内面と内側管の内面に金属膜を形成、あるいは外側管の外面と内側管の外面に金属膜を形成して、それぞれの金属膜を電極として電極間に交流電圧を印加する構成であっても良い。また、誘電体管内面に金属膜を形成する代わりに、誘電体管内面に導電塗料を塗布したり、誘電体管内に金属棒を挿入したりする構成であっても良い。さらに、金属管の表面に誘電体膜あるいは誘電体層を形成した放電管を用いても良い。その場合は、少なくとも外側管の内面あるいは内側管の外面が誘電体膜あるいは誘電体層である必要がある。

要するに、間隙に交流電界を発生させることによって無声放電が発生できる構成であれば良く、本発明の放電管は、間隙を形成する二面のうち一面が誘電体の面となるように構成されていれば良い。このように、本発明におけるオゾン発生装置は、断面形状が円環形状の外側管と、外面と外側管の内面とが間隙を有するように外側管内部に保持され、断面形状が円環形状の内側管と、で間隙を形成する二面の内一面が誘電体の面となるように構成された放電管を備え、間隙を通って酸素を含む原料ガスを流し、間隙に交流電界を発生させることにより、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ように構成されたオゾン発生装置であれば、放電管の構成はどのような構成であっても良い。

１：気密密閉容器 ２：原料ガス入口配管
３：オゾン化ガス出口配管 ４：外側管
５：内側管 ６：金属膜
１０：交流高電圧電源 １１：管板
２０：間隙 ２１、２１０：スペーサ
５０：放電管 １００：原料ガス入口側の空間

Claims (6)

1. オゾン発生タンク内に、
   断面形状が円環形状の外側管と、
   外面と上記外側管の内面とが間隙を有するように上記外側管内部に保持され、断面形状が円環形状の内側管と、で上記間隙を形成する二面の内一面が誘電体の面となるように構成された放電管を備え、
   上記間隙を通って酸素を含む原料ガスを流し、上記間隙に交流電界を発生させることにより、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ように構成されたオゾン発生装置であって、
   上記間隙を所定寸法に保持するためのスペーサを上記ガスの流れ方向に３箇所以上、上記ガスの流れの下流側の上記スペーサの間隔が、上流側の上記スペーサの間隔よりも狭くなるよう配置したことを特徴とするオゾン発生装置。
2. スペーサを２Ｎ＋１（Ｎは正の整数）箇所配置する場合、下流側のスペーサの間隔Ｎ個分の全長が、上流側のスペーサの間隔Ｎ個分の全長よりも短くなるように配置し、スペーサを２Ｍ＋２（Ｍは正の整数）箇所配置する場合、最下流側のスペーサからスペーサの間隔Ｍ個分の全長が、最上流側のスペーサからスペーサの間隔Ｍ個分の全長よりも短くなるように配置す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. 上記下流側のスペーサの間隔の全長が、上記上流側のスペーサの間隔の全長よりも３０％以上短いことを特徴とする請求項２に記載のオゾン発生装置。
4. 上記間隙の所定寸法が０．１ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のオゾン発生装置。
5. 上記内側管がガラス管で形成されており、このガラス管の直径が２５ｍｍ以下１０ｍｍ以上、厚みが１．３ｍｍ以下０．５ｍｍ以上であり、上記スペーサを上記ガラス管の長さ１．５ｍ当たり５箇所以上９箇所以下配置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. オゾン発生タンク内に、
   断面形状が円環形状の外側管と、
   外面と上記外側管の内面とが間隙を有するように上記外側管内部に保持され、断面形状が円環形状の内側管と、で上記間隙を形成する二面の内一面が誘電体の面となるように構成された放電管を備え、
   上記間隙を通って酸素を含む原料ガスを流し、上記間隙に交流電界を発生させることにより、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ように構成されたオゾン発生装置であって、
   上記間隙を所定寸法に保持するためのスペーサとして上記内側管の外面に螺旋状に巻き付けたワイヤを有し、上記ガスの流れの下流側の上記ワイヤの螺旋ピッチが、上流側の上記ワイヤの螺旋ピッチよりも短くなるように上記ワイヤを設置したことを特徴とするオゾン発生装置。

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