JP2014101260A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧電極の劣化が少なく信頼性の高いオゾン発生装置を得ることを目的とする。
【解決手段】断面が円形状の金属管である接地電極と、内面に導電体で形成された高電圧電極を有し、外面と接地電極の内面との間に間隙を有するように接地電極の内部に同心状に配置されたガラス管と、接地電極と高電圧電極の間に高周波高電圧を印加するための高周波高電圧電源とを備え、間隙に酸素を含むガスを流して、間隙の間に発生する高周波電界により酸素を含むガスを放電させてオゾンを発生するオゾン発生装置において、ガラス管は一端が封止され、他の一端は、高周波高電圧電源から高電圧電極への電気接続のためのリード線が挿入されると共に、ガラス管を溶融することによりリード線が封着されて封止されたものとした。
【選択図】図１

Description

この発明は、酸素を含む原料ガス中での放電によりオゾンを生成するオゾン発生装置に関するものである。

所定濃度のオゾンを含むガスであるオゾン化ガスには、脱臭、殺菌作用があり、水処理設備等に使用されている。オゾン化ガスを工業的に生成する方法としては、酸素または酸素を含む原料ガスを微小空間に流通させ、微小空間に電界を加えて無声放電を発生させ、この放電エネルギーにより生成する方法が一般的である。

無声放電を発生させる微小空間は、ステンレスなどの金属管などで構成される接地電極の中に、内部に高電圧電極を有するガラスなどからなる誘電体放電管を挿入して、接地電極と誘電体放電管の間に形成される。高電圧電極は、誘電体放電管の内面にアルミやニッケルなどの金属をメッキや溶射などにより形成した薄膜である。

一般にオゾン発生装置はガス圧力を高くして動作させる場合に効率が高いため、接地電極および誘電体放電管などは高圧タンク内に収納されている。

放電空間にだけ原料ガスが流れ、誘電体放電管の内部にはガスが通過しないように、誘電体放電管はその一端を密閉する。放電により発生するオゾンや窒素酸化物など（オゾン等と呼ぶ）は、ガス流の下流側に多いので、これらのオゾン等が誘電体放電管の内部にできるだけ侵入しないように、下流側の端を密閉する。

上流側は開放しているが、オゾン等がガス流に逆らって上流側に移動して、上流側の開放端から誘電体放電管の内部に入ることはなく、ガスが流れている間は高電圧電極がオゾン等により腐食することはない。オゾン発生装置の運転を停止する際にも、放電を停止してガスだけを流す状態を所定の時間だけ保持した後で、ガス流を止めるので、放電により発生したオゾン等が誘電体放電管の内部に入ることはない。しかし、電極の破損や水漏れなどの突発事故が発生するなどして、点検や修理などのために、オゾン発生装置を停止後すぐに高圧タンクの内部を大気に開放すると、大気中の水分が入り込み、高電圧電極の表面で窒素酸化物と水が反応して硝酸が生成され、短時間で高電圧電極の腐食が進む。また、オゾン発生装置を所定の手順をふまないで停止させた場合でも同様である。

放電場で生成されたオゾンや窒素酸化物などの反応性が強いガスにより高電圧電極が腐食しないように、誘電体放電管を蓋を嵌合させて密閉するものもある（例えば、特許文献１）。また、誘電体放電管の開放側に極めてガス流通量の小さいガス流通量制御栓を設け、通常運転時の誘電体放電管の内部の圧力をガス圧力と等しくすると共に、事故や所定の手続きを踏まない停止時に突発的に発生する腐食性反応物の発生管内への侵入を抑制するものもある（特許文献２）。

特開平１１−３５３０３号公報 特開２００８−２２２４９５号公報

従来のオゾン発生装置は以上のように構成されていたため、高電圧電極腐食防止のために誘電体放電管を、蓋を嵌合させて密閉するだけでは、蓋と誘電体管の継ぎ目の微細な隙間を完全に密閉するのは難しく、外気の混入／内気の流出を完全には遮断できないため、長期間にわたる性能劣化の抑制は難しいという問題がある。また、長期間の使用を想定し、蓋で完全に密閉しようとすると、隙間に接着剤などの充填剤を使用する必要があるが、耐オゾン性の高い無機系接着剤は単価が高い上に、硬化させるのに焼成費用が必要なため、高価になるという問題がある。

一方、ガス流通量制御栓を用いる構造では、例えば、緊急停止した後、缶体のフタを直ぐ開放できずに長時間放置される場合にはオゾンが電極内に拡散進入してしまい密閉の役目を果たせないという問題がある。また、運転開始時に放電管内部の圧力が栓を通過してくる気体により上昇して差圧がかからなくなるまで時間がかかり、装置の立ち上げ時間が長くなるという問題がある。また、栓の構造が複雑でコストが上がるという問題もある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、オゾンなど反応性が強いガスから高電圧電極を保護し、信頼性の高いオゾン発生装置を得ることを目的とする。

この発明のオゾン発生装置は、断面が円形状の金属管である接地電極と、内面に導電体で形成された高電圧電極を有し、外面と接地電極の内面との間に間隙を有するように接地電極の内部に同心状に配置されたガラス管と、接地電極と高電圧電極の間に高周波高電圧を印加するための高周波高電圧電源とを備え、間隙に酸素を含むガスを流して、間隙の間に発生する高周波電界により酸素を含むガスを放電させてオゾンを発生するオゾン発生装置において、ガラス管は一端が封止され、他の一端は、高周波高電圧電源から高電圧電極への電気接続のためのリード線が挿入されると共に、ガラス管を溶融することによりリード線が封着されて封止されたものである。

本発明にかかるオゾン発生装置は、以上のように構成されているため、高周波高電圧電源から高電圧電極への電気接続の劣化、および高電圧電極そのものの劣化が少なく、信頼性の高いオゾン発生装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の要部を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の、高周波高電圧電源から高電圧電極へ給電する側のガラス管端部の断面図である。 この発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の要部を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態２による別の構成のオゾン発生装置の要部を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態３によるオゾン発生装置のガラス管を示す断面図である。 この発明の実施の形態４によるオゾン発生装置の、高周波高電圧電源から高電圧電極へ給電する側のガラス管端部の断面図である。 この発明の実施の形態５によるオゾン発生装置の、高周波高電圧電源から高電圧電極へ給電する側のガラス管端部の断面図である。 この発明の実施の形態６によるオゾン発生装置の要部を示す断面模式図である。

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要部を示す断面模式図である。この図では、簡単のため、１本の放電管の部分を切り出して図示しているが、水処理などに使用されるオゾン発生装置では、図１のような構成の放電管が多数配置される。導電膜で構成される高電圧電極１が内面に形成されたガラス管４が、金属管である接地電極２内部に同心状に配置されている。接地電極２およびガラス管４の紙面に垂直な面における断面形状は、共に円形であり、接地電極２の内面とガラス管４の外面の間には微小な間隙が形成され、この間隙が放電ギャップ５となる。すなわち、内面に高電圧電極１が形成されたガラス管４と接地電極２とで放電管を構成している。

接地電極２は管板３に取り付けられ、接地電極２の外面と管板３とで形成される空間には冷却水６が流れるようになっている。酸素を含む原料ガス９が原料ガス室７から放電ギャップを通じてオゾン室８に向かって流れる。高周波高電圧電源１１からリード線１０を介して高周波高電圧が高電圧電極１に印加される。なお、高周波高電圧電源１１は、原料ガス室７の外部に設置されるが、ここでは簡単のため原料ガス室７の壁は省略して図示している。

次に動作について説明する。高電圧電極１と、接地電極２との間に高周波高電圧を印加すると、ガラス管４と接地電極２の間の放電ギャップ５に高電界がかかる。放電ギャップ５には、原料ガス室７とオゾン室８の間の差圧により、原料ガス９の流れがあり、この原料ガス中に高電界による無声放電が生じ、無声放電により反応して原料ガスの一部がオゾン化し、オゾン室８に達する。このようにして生成されたオゾンは、ここに図示されていない配管を通じてオゾン消費施設に供給される。また、無声放電により発生する熱を除去するため、接地電極２の周りに冷却水６を流している。

図２は、実施の形態１による図１に示したオゾン発生装置の、高周波高電圧電源１１から高電圧電極１へ給電する側のガラス管４端部４０の構成の詳細を説明するための断面図である。本発明によるオゾン発生装置では、ガラス管４の両端を溶融により封止することを特徴としている。ガラス管４のオゾン室８側の端部４１は、リード線の挿入が無く、単にガラスを溶融しただけで丸く成型して封止されている。一方、ガラス管４の内面に形成された高電圧電極１にリード線１０を通じて高周波高電圧を印加するためにリード線が挿入される側は、ガラスを溶融すると共にリード線１０を封着して封止している。ガラス管４を溶融させて、リード線１０の封着部１４でリード線とガラスを密着させて封着するため、リード線１０はガラス封着用リード線であるジュメット線を用いる。ジュメット線を用いることにより、ガラスとの密着性が高く、ガスの透過がほとんどない封着が可能である。またガラス管４内に窒素ガス、炭酸ガス、希ガスなどの不活性ガスを空気と置換して充填し、ガラス管４内の雰囲気の酸素濃度が空気よりも低くなるようにすれば、リード線１０と高電圧電極１との接触部の酸化による特性劣化を抑制できる。

リード線１０は、その先端部１３（図２の矢印の範囲で示す部分）をバネ状に形成している。リード線１０と高電圧電極１との電気接続は、例えば図２に示すようにはんだ１２により接合しても、あるいはスポット溶接による接合により実施してもよい。また、導電性接着剤を用いて接合しても良く、オゾンの流入の恐れが無いため、様々な電気接続方法を採用することができる。バネ状の先端部１３は管軸の方向に伸縮することができるため、封着の際のガラス細工を容易にするための余裕でもある。

さらに、リード線１０と高電圧電極１とは、接合によらず単にバネによる押し付けで電気接続する構成としても良い。本実施の形態１では、このようにバネ状の先端部１３を有するリード線１０を高電圧電極１に電気接続する構成とすることで、多点式の接触子が無くとも、信頼性の高い接触が可能となり、安価に接続することができる。

従来は、高電圧高周波電源から高電圧電極へ給電する側の片端が開放されたガラス管を用い、高電圧高周波電源からの高電圧電極への給電として、高電圧電極との間に多数の接点を持つ接触子を用いて電気接続していた。多数の接点が必要となるのは、長期間の運転では接触部の酸化が進行するため、接続の信頼性を高める必要があるためである。また、ガラス管内部のＡｌ、Ｎｉ等の導電膜は、十分な耐酸素性を有しており、オゾンが流入しないような定常運転を行う限り性能は劣化しない。しかし、これらの導電膜は、耐オゾン性が十分ではないため、突発的な事故等による非定常運転時には、オゾンが原料ガス室側に逆流し導電膜を劣化させるリスクがある。

本実施の形態１によるオゾン発生装置では、ガラス管４の一端が封止され、他の一端は、高周波高電圧電源から高電圧電極への電気接続のためのリード線が挿入されると共に、ガラス管を溶融することによりリード線が封着されて封止される構成とした。したがって、ガラス管４の両端は溶融により完全に封止されており、ガラス管４内部にオゾンが侵入することはない。このため、非定常運転時においても、高電圧電極１が劣化するリスクを回避できる。また、ガラス管４内に予め窒素ガスや希ガスなどの不活性ガスを封入し、空気よりも低い酸素濃度の雰囲気にすれば、接触部の酸化を抑止できるため、多点式の接触子を用いる必要がなくなる。さらに、耐酸素性が不十分な膜の使用も可能となるため、高電圧電極１として、安価な導電塗料、特に有機系の導電塗料を用いることもできる。

高電圧電極１をＮｉ等の金属の導電膜で形成する場合、膜の密着性を良くするためガラス管４の内面を粗面にする必要がある。一方、高電圧電極１を導電塗料で形成する場合は、ガラス管４の内面を粗面にする必要が無く、ガラス管４の耐気圧強度の低下が無いため、より信頼性の高いオゾン発生装置を提供できるというメリットもある。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置を示す断面模式図である。図３において図１と同一符号は、同一または相当する部分を示す。この実施の形態２では、ガラス管４４とガラス管４を、接地電極２の内部に軸上に並べて配置している。このように接地電極２の内部に２本のガラス管を並べて配置する構成にすると、ガラス管の定尺長さで制限されている接地管一本当たりのオゾンの発生長さをほぼ倍にして、オゾン発生量をほぼ倍にすることができる。発生量が倍になっても、接地管の取り付け費用などは変わらず、単位オゾン発生量当たりの製作コストを大幅に下げることが可能となる。

接地電極２の内部に２本のガラス管を並べる場合、オゾン室８側に設置しているガラス管の高電圧電極１への給電は、オゾン室８側から行う必要がある。この構成では、特にオゾン室８側に置かれるガラス管には、高電圧電極１の腐食防止のため、密閉構造が必須となる。このため、本実施の形態２によるオゾン発生装置では、オゾン室８側に置かれるガラス管４の高電圧電極１への給電側の端部４０を、実施の形態１で説明したガラス管４と同一の構成、すなわち、ガラスを溶融すると共にリード線１０を封着して封止した構成としている。一方、原料ガス室７側のガラス管は、原料ガス室７側からの給電となるため、図３に示されるように、従来と同様、原料ガス室７側の端部４３が開放されているガラス管４４を用い、多数の接点を持つ接触子１７により高周波高電圧電源１１から給電する構成としてもよい。

図４は、本発明の実施の形態２による別のオゾン発生装置を示す断面模式図である。図４において図３と同一符号は、同一または相当する部分を示す。接地電極２の内部に２本のガラス管を並べる場合、図４に示すように、高電圧電極１への給電側の端部４０を溶融により封止したガラス管４を２本、接地電極２の内部に軸上に並べて配置してもよいのは言うまでもない。

このように、本実施の形態２によるオゾン発生装置では、接地電極の軸上に２本のガラス管を並べて配置し、この２本のガラス管のうち少なくとも、オゾン室８側、すなわち原料ガスの流れの下流側に配置されたガラス管は、一端が封止され、他の一端は、高周波高電圧電源から高電圧電極への電気接続のためのリード線が挿入されると共に、ガラス管を溶融することによりリード線が封着されて封止される構成としたので、オゾン発生量が多く信頼性の高いオゾン発生装置とすることができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３によるオゾン発生装置のガラス管４を示す断面模式図である。本実施の形態３では、ガラス管４中にガス発生物質１６を封入している。ガラス管４を、ガラスを溶融させて封止する場合、極めて高い密閉性が得られるため、製造時に内部の圧力を大気圧よりも高い圧力に上げて封止すれば、長期にわたりその圧力を維持できる。特に、製造時に、ガラス管４の内部がオゾン発生時の高圧タンク内部と同じ圧力になるようにガスを封入すれば、ガラス管４に最も高い負荷がかかる高電圧印加時のガラス管４への圧力差によるストレスを無くし、より信頼性を向上することができる。

一方で、ガラス管４の封止は、通常トーチでガラス管端部を加熱して溶融させ、ガラスが表面張力で丸まるのを利用しながら整形して封止する。このため、ガラス管４内部の圧力は、ガラスを溶融させるために高温になったガスが加熱をやめることで徐々に温度が下がり、体積が減って負圧となる。すなわち、ガラス管４内の圧力を上げるためには、ガラス端部封止後にガラス管４内部にガスを発生させる必要がある。ガス発生物質１６は、その目的で予めガラス管４内に封入する物質で、例えば予冷したガラス管４にドライアイスを入れ、封入後、常温に戻して炭酸ガスを発生させる方法や、重曹等の高温でガスが発生する物質を封入し、封止後に加熱してガスを発生させる方法がある。これらの物質は、ガス発生後に所定の圧力になるように封入量を調整しておけばよい。

上記では、ガス発生物質１６を封入する構成について説明したが、図５において、ガス発生物質１６の代わりに雰囲気調整物質１６ａを封入することもできる。雰囲気調整物質１６ａとは、例えば、ガス発生物質と、脱酸素剤（鉄粉等）や、乾燥剤（シリカゲル等）など、酸素や水分などの高電圧電極１を劣化させるガスを吸着する物質とを混合、もしくは、別々に配置したもので、封入後の外部からの操作（加熱、電磁界印加、電磁波照射など）、もしくは経時的な効果で、ガラス管の内部を高電圧電極１の劣化が生じ難いガス雰囲気に変える物質をさす。このような物質を封入することで、装置の寿命を延ばすことができる。また、封入時に、ガラス管の内部に乾燥窒素などを吹き込み、内部の酸素濃度や水分濃度を低下すれば、より少ない雰囲気調整物質でより劣化しにくい雰囲気が得られ、さらに装置の寿命を延ばすことができる。

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、高周波高電圧電源１１から高電圧電極１へ給電する側のガラス管４端部４０の構成の詳細を説明するための断面図である。本実施の形態４では、リード線１０を、ガラス管４の外部１０ａをＳＵＳ線や金メッキしたジュメット線など耐オゾンリード線、ガラス管４との封着部１０ｂはガラスとの濡れ性が高くガラスとの熱膨張率の差が小さいジュメット線等のガラス親和性リード線、バネ状で高電圧電極１との接続部１０ｃは、封着部１０ｂと同じ材質、もしくは、高電圧電極１との接続が容易なスズメッキ銅線等の接続用リード線で構成している。このように、ガラス管４外部１０ａを耐オゾン性の高い耐オゾンリード線とし、全体として特性の異なる線を例えば溶接などで接合してリード線１０として用いることで、ガラス管４外部１０ａがオゾンを含む雰囲気に置かれたとしても、リード線１０のうちオゾン耐性のない部分にオゾンが触れることがなく、高い信頼性を維持できる。

実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５によるオゾン発生装置の、高周波高電圧電源１１から高電圧電極１へ給電する側のガラス管４端部４０の構成の詳細を説明するための断面図である。図７には、ガラス管４として、低膨張率を持つガラス（耐熱ガラス）を用いる場合の構成を示している。ガラス管４の大部分は耐熱ガラス４ａを用い、リード線１０を封着する部分は、耐熱ガラスとは異なる材質であるタングステンガラス等の接続ガラス４ｂとしている。リード線１０の、接続ガラス４ｂと封着する部分はタングステン、モリブデン、コバールなどの低膨張金属を用いた低膨張金属リード線１０ｄとしている。ガラスとリード線の膨張率の違いが大きいと、接合後にガラスに熱応力が発生し、ガラスが割れる恐れがある。リード線が封着される部分に接合用の接続ガラス４ｂを置くことで、熱膨張の差を吸収し、より容易にリード線を封着することができる。

実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６によるオゾン発生装置を示す断面模式図である。図８において、図１と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態６では、リード線で給電する替わりに、ガラス管４の外面に給電電極１５を設けて、高電圧電極１との間に形成される容量を介して、高周波高電圧電源１１から高電圧電極１に高周波高電圧を給電する構成としている。ガラス管４は、内部に高電圧電極１を形成した後、両端を溶融して封止している。高電圧電極１が外気に曝されることがないため、極めて信頼性の高い構造となる。この放電管への給電は、ガラス管の外部に巻き付けた耐オゾン性の高いＳＵＳ箔、もしくはＳＵＳ溶着膜などで形成した給電電極１５で行う。給電電極１５に高周波高電圧を印加すると、容量結合により高電圧電極１に給電される。尚、図８では、信頼性の観点から端部の内外面に電極を配置していないが、結合容量を大きくして電源の負担を軽減したい場合は、端部の内面と外面を電極で覆ってもよい。

以上のように、本実施の形態６のオゾン発生装置は、ガラス管４が両端を溶融して封止されており、高電圧電極１が反応性の強いオゾンを含む外気に曝されることがないため、極めて信頼性の高い構造となる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１：高電圧電極、２：接地電極、４、４４：ガラス管、５：放電ギャップ、７：原料ガス室、８：オゾン室、９：原料ガス、１０：リード線、１１：高周波高電圧電源、１５：給電電極、１６：ガス発生物質、１６ａ：雰囲気調整物質

Claims (11)

1. 断面が円形状の金属管である接地電極と、
   内面に導電体で形成された高電圧電極を有し、外面と前記接地電極の内面との間に間隙を有するように前記接地電極の内部に同心状に配置されたガラス管と、
   前記接地電極と前記高電圧電極の間に高周波高電圧を印加するための高周波高電圧電源とを備え、
   前記間隙に酸素を含むガスを流して、前記間隙の間に発生する高周波電界により前記酸素を含むガスを放電させてオゾンを発生するオゾン発生装置において、
   前記ガラス管は一端が封止され、他の一端は、前記高周波高電圧電源から前記高電圧電極への電気接続のためのリード線が挿入されると共に、前記ガラス管を溶融することにより前記リード線が封着されて封止されたことを特徴とするオゾン発生装置。
2. 前記接地電極の内部に、前記接地電極の軸上に２本のガラス管を並べて配置し、この２本のガラス管のうち少なくとも、前記酸素を含むガスの流れの下流側に配置されたガラス管は、一端が封止され、他の一端は、前記高周波高電圧電源から前記高電圧電極への電気接続のためのリード線が挿入されると共に、前記ガラス管を溶融することにより前記リード線が封着されて封止され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. 前記リード線は封着部から前記高電圧電極への接続部の間に伸縮可能なバネ部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
4. 両端が封止された前記ガラス管内の雰囲気を、空気より酸素濃度が低い雰囲気としたことを特徴とする請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
5. 両端が封止された前記ガラス管内の雰囲気の圧力を大気圧より高くしたことを特徴とする請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
6. 両端が封止された前記ガラス管内にガス発生物質を封入したことを特徴とする請求項５に記載のオゾン発生装置。
7. 両端が封止された前記ガラス管内にガス発生物質および酸素または水分を吸着する物質を封入したことを特徴とする請求項５に記載のオゾン発生装置。
8. リード線は、少なくとも前記ガラス管の外部に位置する部分が、前記ガラス管内部に位置する部分と異なる材料で構成されて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。
9. 両端が封止された前記ガラス管の前記高電圧電極は、当該ガラス管の内面に導電塗料を塗布することにより形成したことを特徴とする請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
10. 前記導電塗料は、有機材料の導電塗料であることを特徴とする請求項９に記載のオゾン発生装置。
11. 断面が円形状の金属管である接地電極と、
    内面に導電体で形成された高電圧電極を有し、外面と前記接地電極の内面との間に間隙を有するように前記接地電極の内部に同心状に配置されたガラス管と、
    前記接地電極と前記高電圧電極の間に高周波高電圧を印加するための高周波高電圧電源とを備え、
    前記間隙に酸素を含むガスを流して、前記間隙の間に発生する高周波電界により前記酸素を含むガスを放電させてオゾンを発生するオゾン発生装置において、
    前記ガラス管は両端をガラス溶融により封止したガラス管であり、前記ガラス管の外面に給電電極を設けて、この給電電極に前記高周波高電圧電源から高周波高電圧を印加して、前記給電電極と前記高電圧電極との間の容量を介して前記高電圧電極に高周波高電圧を印加することを特徴とするオゾン発生装置。

Images