JP2022114513A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オゾン発生器における複数の放電管のいずれかが破損した場合に、破損した放電管に対応するヒューズを切断しやすくしたオゾン発生装置を提供する。【解決手段】実施形態のオゾン発生装置は、金属電極と、互いに並列接続された複数の放電管と、前記金属電極と前記放電管との間に形成され、酸素を含む原料ガスが流入される放電ギャップと、前記放電管ごとに直列接続され、電流が流れて切断することで前記放電管への通電を遮断するヒューズと、前記放電ギャップにおける前記原料ガスで放電させてオゾンを発生させるために、前記放電管に対して電圧を印加する電源部と、前記複数の放電管と並列接続されたコンデンサと、を備え、前記複数の放電管のいずれかに異常が発生した場合、異常が発生した前記放電管に直列接続された前記ヒューズに対して前記コンデンサから短絡電流が流れて前記ヒューズを切断する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、オゾン発生装置に関する。

従来から、オゾン発生器における複数の放電管のいずれかが破損した場合に、破損した放電管に対応するヒューズに大電流が流れて切断することで、その放電管への通電を遮断しつつ、残りの放電管を用いたオゾン発生を継続可能とするオゾン発生装置がある。

特許第５６７７３４４号公報 特許第５４３９５５６号公報 特許第６５２６５８１号公報

しかしながら、上記の従来技術においては、例えば、特に放電管の数が少ない小規模のオゾン発生装置の場合、破損した放電管に対応するヒューズに流れる電流が比較的小さいことでヒューズが切断しにくいという問題があった。

そこで、本発明の実際形態の課題は、オゾン発生器における複数の放電管のいずれかが破損した場合に、破損した放電管に対応するヒューズを切断しやすくしたオゾン発生装置を提供することである。

実施形態のオゾン発生装置は、金属電極と、互いに並列接続された複数の放電管と、前記金属電極と前記放電管との間に形成され、酸素を含む原料ガスが流入される放電ギャップと、前記放電管ごとに直列接続され、電流が流れて切断することで前記放電管への通電を遮断するヒューズと、前記放電ギャップにおける前記原料ガスで放電させてオゾンを発生させるために、前記放電管に対して電圧を印加する電源部と、前記複数の放電管と並列接続されたコンデンサと、を備え、前記複数の放電管のいずれかに異常が発生した場合、異常が発生した前記放電管に直列接続された前記ヒューズに対して前記コンデンサから短絡電流が流れて前記ヒューズを切断する。

図１は、本実施形態にかかるオゾン発生装置の動作原理の説明図である。 図２は、本実施形態にかかるオゾン発生装置の概略構成の一例を示す図である。 図３は、本実施形態にかかるオゾン発生装置を等価回路で表した図である。 図４は、本実施形態にかかるオゾン発生装置における放電管の破損時の動作の説明図である。 図５は、本実施形態にかかるオゾン発生装置の通常動作時の電気特性を示すグラフである。 図６は、本実施形態にかかるオゾン発生装置の異常時の電気特性を示すグラフである。 図７は、比較例にかかるオゾン発生装置を等価回路で表した図である。

以下、添付図面を用いて、本発明の実施形態にかかるオゾン発生装置の一例について説明する。

まず、図１を参照して単管（放電管が１つ）のオゾン発生装置の動作原理について説明した後に、図２を参照して複数管（放電管が複数）のオゾン発生装置の概略構成について説明する。

図１は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Ａの動作原理の説明図である。オゾン発生装置Ａは、オゾン発生器１と、高電圧電源２と、電源装置３と、ヒューズ４と、高圧給電子５と、を備える。オゾン発生器１は、放電管１０を内蔵し、交流電圧が放電管１０の電極１１に印加されることでオゾンを生成する。具体的には、オゾン発生器１は、放電管１０と、放電管１０に取付けられた電極１１と、金属電極１２と、スペーサ１３と、放電ギャップ１４と、を備える。

放電管１０は、例えば、ガラスやセラミックの誘電体で円筒状に形成され一端は開放し、もう一端はＵの字の形状で、その内面に導電性の金属（例えば、ステンレス）を蒸着させた電極１１を有する。電極１１は、高圧給電子５と接続される。

金属電極１２は、例えば、ステンレス鋼製等で電極１１と同軸の円筒状の電極である。また、金属電極１２は、電極１１との間に放電ギャップ１４を形成するための複数のスペーサ１３を有する。スペーサ１３は、例えば、幅が０．３～１．３ｍｍ程度の放電ギャップ１４を形成する突起である。放電ギャップ１４には、酸素を含む原料ガスが流入する。

高電圧電源２は、商用電源から交流電圧を入力し、電源装置３に高電圧の交流電圧を印加する。電源装置３から放電管１０に高周波高電圧が印加されると、放電ギャップ１４で誘電体バリア放電が発生し、原料ガスからオゾンが発生する。また、誘電体バリア放電で発生した熱は冷却水Ｗによって吸収される。

ここで、図２は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Ａの概略構成の一例を示す図である。図１に示すような単管の構成に比べてオゾン発生量を増やすためには、図２に示すように複数管をひとつの筐体内に設けた構成を用いることが多い。原料ガスである酸素、あるいは乾燥空気は、原料ガス導入口２１ａから筐体１１２内に導入され、ガス入口側空間１１１ａを満たす。

その後、原料ガスは、放電管１０と端板１５１（金属電極）等によって形成される放電ギャップ１４内に導入され、誘電体バリア放電によって酸素分子が酸素原子に解離し、他の酸素分子と結合することでオゾン化する。オゾン化ガスは、放電ギャップ１４を通り抜けて筐体１１３と端板１５２によって形成される出口側空間１１１ｂを満たし、オゾン化ガス排出口２１ｂから外部に取り出される。

放電管１０の内部にはステンレスウール１９を介して固定電極１８が設けられる。また、それぞれの放電管１０に対応してヒューズ４が設けられる。ヒューズ４には電源装置３から高周波高電圧が印加され、さらにこの高周波高電圧によって放電電圧以上の電圧が放電ギャップ１４に印加されることで放電ギャップ１４で誘電体バリア放電が発生する。誘電体バリア放電で発生した熱は、冷却水導入口２１ｃから導入され冷却水によって閉鎖空間１７内で吸収される。冷却水は、その後、冷却水排出口２１ｄから外部に排出される。このようにして、放電ギャップ１４内の原料ガスの温度上昇を抑制し、高濃度かつ高収率のオゾンを得ることができる。生成されるオゾンは、例えば、処理すべき水の脱臭、脱色、殺菌等の水処理に用いられる。

ヒューズ４は、対応する放電管１０が絶縁破壊により破損した際、過電流を遮断する。そうして、破損した放電管１０を切り離すことによって停止することなく運転を継続することが可能となり、安定したオゾン供給ができる。

次に、図３を参照して、本実施形態にかかるオゾン発生装置Ａの等価回路について説明する。図３は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Ａを等価回路で表した図である。電源装置３は、コンバータ３１と、コンデンサＣｓと、インバータ３２と、トランスＴｒと、コイルＬｒと、コンデンサＣｐと、を備える。

コンバータ３１は、高電圧電源２から受け取った高電圧の交流電圧を直流電圧に変換する。コンデンサＣｓは、コンバータ３１とインバータ３２の間に配置され、整流等の役割を果たす。

インバータ３２は、直流電圧を、予め設定された周波数（例えば１ｋＨｚ～５ｋＨｚ程度）の交流電圧に変換して出力する。コイルＬｒは、トランスＴｒとオゾン発生器１との間に配置され、補償等の役割を果たす。トランスＴｒは、インバータ３２から出力された交流電圧を高電圧に昇圧する。

また、ヒューズ４は、放電管１０ごとに直列接続され、電流が流れて切断することで放電管１０への通電を遮断する。

また、オゾン発生器１の等価回路では、放電管１０の電極１１の静電容量Ｃｇ（Ｃｇ１～Ｃｇ３）と放電ギャップ１４のつくる静電容量Ｃｏ（Ｃｏ１～Ｃｏ３）の直列接続となる。放電ギャップ電圧Ｖｏが放電維持電圧Ｖ^＊を越えると放電ギャップ１４にバリア放電が発生する。バリア放電は定電圧特性をもつため、放電中は放電維持電圧Ｖ^＊を保持する。この特性はツエナー・ダイオードの降伏電圧が放電維持電圧Ｖ^＊であるという特性と同等なので、放電部の等価回路はツエナー・ダイオード１５で表される。放電部はこのように容量性負荷のため、力率を１に近づけるために放電部の容量を打ち消すようにコイルＬｒを直列あるいは並列に接続する。

そして、放電管１０が破損した場合、つまり、例えば、放電管１０に直径１ｍｍ程度のピンホールが形成された場合、短絡電流が流れるため、まず、破損していない正常な他の放電管１０の静電容量Ｃｏと静電容量Ｃｇに荷電していた電荷が破損した放電管１０に流れ込むことになる。大容量（つまり放電管１０が多い）のオゾン発生装置Ａではそれによって過電流が流れ、破損した放電管１０に接続しているヒューズ４が溶断し、破損した放電管１０を自動的に切り離す。

しかし、小容量（つまり放電管１０が少ない）のオゾン発生装置Ａではこの短絡電流だけではヒューズ４を溶断するには不十分な場合があり、電源装置３からの電流の流れ込みが必要な場合がある。また、電源装置３に設けた保護回路のため、電源装置３からの電流の流れ込みが抑制される場合があり、ヒューズ４を溶断することができないことがある。従来、その場合、オゾン発生装置Ａを停止することなく運転することが困難で、安定した運転ができない課題があった。

この点について、図７を用いて説明する。図７は、比較例（従来技術）にかかるオゾン発生装置Ａ’を等価回路で表した図である。図７は、図３と比較して、コンデンサＣｐが無い点で異なっている。この場合、上述のように、特に小容量（つまり放電管１０が少ない）のオゾン発生装置Ａ’では、放電管１０の破損時に、他の放電管１０からの短絡電流だけではヒューズ４を溶断するには不十分な場合があった。

そこで、以下では、オゾン発生器１における複数の放電管１０のいずれかが破損した場合に、破損した放電管１０に対応するヒューズ４を切断しやすくする技術について説明する。

図３では、コンデンサＣｐが複数の放電管１０と並列接続されている。複数の放電管１０のいずれかが破損した際に、破損した放電管１０に対応するヒューズ４に自動的にコンデンサＣｐからも短絡電流が流れてヒューズ４を切断することにより、安定してオゾンを発生し続ける高い信頼性をもってオゾンを生成できる。

また、近年、オゾン発生装置Ａの低コスト化が進んでおり、放電電力密度を従来の１．５ｋＷ／ｍ^２から２．５～４ｋＷ／ｍ^２に上げることで放電管１０の数の削減を行うようになってきた。それにともない、放電管１０の１本１本に流れる電流値が高くなってきている。そのため、従来のヒューズ４は定格電流が０．３Ａのものを用いてきたが、最近では定格電流が０．７～１Ａのヒューズ４が必要になってきている。定格電流ではヒューズ４が溶断しないようになっており、ヒューズ４のエレメント（以下「ヒューズエレメント」ともいう。）を太くするなどの対策をとっている。

ヒューズ４は、放電管１０が破損した場合にヒューズエレメントが短絡電流で溶断し、ヒューズエレメントの金属が溶融してアークプラズマを発生して電源周波数の電流がゼロ電圧になった瞬間に、アーク電圧が上がって切断する。

ヒューズエレメントが溶融するのに必要なエネルギーＵｆｔは、以下の式（１）で表される。
Ｕｆｔ＝Ｃ・ρ・πｒ^２・Ｌ・（Ｔ_ｍ－Ｔ_ｒ） ・・・式（１）

Ｃ：ヒューズエレメントの比熱
ρ：ヒューズエレメントの密度
π：円周率
ｒ：ヒューズエレメントの細線部の断面の半径
Ｌ：ヒューズエレメントの細線部の長さ
Ｔ_ｍ：ヒューズエレメントの融点
Ｔ_ｒ：オゾン発生装置の通常動作時のヒューズエレメントの温度

式（１）はヒューズエレメントが１種類の細線の場合である。一方、大電流を遮断できるように、ヒューズ４を、２種類以上のヒューズエレメントを組み合わせた構成とする場合もある。つまり、比較的小型のオゾン発生装置Ａでは細線部でヒューズエレメントを溶融させるが、比較的大型のオゾン発生装置Ａでは組み合わせたより太いヒューズエレメントを溶融させて距離を稼ぎ、ヒューズエレメントの金属蒸気のアーク放電を電流ゼロ点で消弧させる構成である。その場合、ヒューズエレメントが溶融するのに必要なエネルギーＵｆｔは、以下の式（２）で表される。
Ｕｆｔ＝Ｒａ／Ｒ・Ｃ・ρ・πｒ^２・Ｌ・（Ｔ_ｍ－Ｔ_ｒ） ・・・式（２）

Ｒａ：太線部と細線部からなるヒューズエレメントの全体の抵抗
Ｒ：ヒューズエレメントの細線部の抵抗

ヒューズエレメントが１種類の細線部の場合は、Ｒａ＝ＲなのでＲａ／Ｒ＝１となり、式（２）は式（１）と同じになる。

また、ヒューズエレメントとして、細線部を１本ではなく２本以上のより細い線を並列に使う構成もある。その場合、並列の細線部の本数をｎとすると、ヒューズエレメントが溶融するのに必要なエネルギーＵｆｔは、以下の式（３）で表される。
Ｕｆｔ＝Ｒａ／Ｒ・Ｃ・ρ・ｎ・πｒ^２・Ｌ・（Ｔ_ｍ－Ｔ_ｒ） ・・・式（３）

ヒューズエレメントの細線部が１本の場合、ｎ＝１となり、式（３）は式（２）と同じになる。また、ヒューズエレメントの細線部を分割して、より太い線も分割して組み合わせた場合もあるが、その場合は分割した細線のトータルの長さをＬとすればよい。

また、放電管１０が破損するのは、放電管１０の材料であるガラスやセラミックが絶縁破壊することによる。絶縁破壊するのは電圧が高いときであるため、高周波電圧のゼロ－ピーク電圧Ｖｏｐ近いときに絶縁破壊が発生する。

オゾン発生装置ＡのＣ_Ｌ（ＶＱ（印加電圧Ｖ：移動電荷量Ｑ）リサジュー図形の傾き）とＩ^２ｔ（Ｉ：電流値。ｔ：時間）の関係は次式で表される。一般に、ヒューズ４の特性を表すＩ^２ｔの値は、温度上昇の時間変化が指数関数の場合、１／（√３）Ｉｏ^２ｔｏとなる。ここで、Ｉｏはヒューズ４への突入電流のピーク値、ｔｏは減衰波形の時定数である。従来、この式でヒューズ４の切断を評価してきた。

また、図４は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Ａにおける放電管１０の破損時の動作の説明図である。高電圧電源２の出力に対して、オゾン発生器１と並列にコンデンサＣｐを設けることで、破損した放電管１０に対応するヒューズ４の切断が可能になる。図４に示すように、１つの放電管１０（図４の×印）が破損した場合、短絡電流は健全な放電管１０からの流れ込み電流に加えてコンデンサＣｐからの流れ込み電流が付加されることで、健全な放電管１０からの流れ込み電流だけではヒューズ４を溶断できない小容量のオゾン発生装置Ａにおいてもヒューズ４の切断が可能になる。

並列に設けたコンデンサＣｐの静電容量をＣｐとすると、静電エネルギーの合計Ｕｏは式（４）の通りである。
Ｕｏ＝１／２（Ｃ_Ｌ＋Ｃ_ｐ）Ｖ_ｏｐ ^２－１／２（Ｃ_ｔ＋Ｃ_ｐ）Ｖ_ａｒｃ ^２ ・・・式（４）

Ｃ_ｔ：放電管の誘電体の静電容量Ｃｇと放電ギャップの静電容量Ｃｏの直列静電容量
Ｖ_ａｒｃ：ヒューズが溶断した際のヒューズエレメント蒸気のアーク電圧

ＵｏがＵｆｔより大きくなるようにコンデンサＣｐを設計することで、放電管１０が破損した場合にヒューズ４を確実に溶断することが可能になる。つまり、以下の式（５）を満たせばよい。
１／２（Ｃ_Ｌ＋Ｃｐ）Ｖ_ｏｐ ^２－１／２（Ｃ_ｔ＋Ｃ_ｐ）Ｖ_ａｒｃ ^２
＞ Ｒａ／Ｒ・Ｃ・ρ・ｎ・πｒ^２・Ｌ・（Ｔ_ｍ－Ｔ_ｒ） ・・・式（５）

なお、静電容量Ｃ_ｐが大きいほどインバータ３２の電流容量を増やす必要があるため、静電容量Ｃ_ｐはなるべく小さくしたい。
また、Ｖ_ａｒｃは実測から数ｋＶで、Ｖ_ｏｐは放電管１０の端部の異常放電が発生しない電圧として例えばおよそ１１ｋＶである。

このように、本実施形態のオゾン発生装置Ａによれば、ヒューズ４の確実な溶断を実現し、安定したオゾン発生が可能となる。

図５は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Ａの通常動作時の電気特性を示すグラフである。高電圧電源２に共振回路を用いた際の電圧、電流波形を図５に示す。電圧波形がほぼ正弦波であるのは、共振回路として負荷の静電容量を打ち消すようにリアクトル（コイルＬｒ）を直列に設けているため、フィルターとして作用し、共振周波数の周波数成分のみが増幅するからである。電流波形は本実施形態の負荷に並列につけたコンデンサＣｐに流れる電流により、角が表れている。

図６は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Ａの異常時の電気特性を示すグラフである。図６に示すように、放電管１０が破損した際（時刻ｔ_０）、短絡電流が流れ、電圧がそのため低下した波形となる。短絡しても、共振のため設けたリアクトル（コイルＬｒ）のＬによるωＬのインピーダンスによって電流が制限されることがわかる。電流波形で現れるパルス状の波形に対し、１／（√３）Ｉｏ^２ｔｏの電力がヒューズ４に流れ込む。負荷に並列につけたコンデンサＣｐの静電容量Ｃｐを適正に選ぶことによって、ヒューズ４の溶断を生じさせて、回路を遮断できる。なお、時刻ｔ_０の後、時刻ｔ_１で電圧は０になっている。

本実施形態の適用を行う共振回路を用いた回路では、ヒューズ４を溶断するエネルギーはオゾン発生装置Ａの静電容量と追加したコンデンサＣｐの蓄積エネルギーから供給されるはずである。小容量のオゾン発生装置Ａで健全な放電管１０のもつ静電エネルギーＵｃは、以下の式（６）で表される。
Ｕｃ＝１／２Ｃ_ＬＶ_ｏｐ ^２－１／２Ｃ_ｔＶ_ａｒｃ ^２ ・・・式（６）

大容量のオゾン発生装置Ａでは、ＵｃがＵｆｔより大きいため、放電管１０が破損した場合、ヒューズ４は健全な多数の放電管１０から流れ込む短絡電流によって溶断し、破損した放電管１０の電流は遮断される。しかし、小容量のオゾン発生装置Ａでは、コンデンサＣｐが無いと、ＵｃがＵｆｔより小さく、短絡電流が小さくて健全な放電管１０からの電流だけではヒューズ４が溶断しない場合がある。

このように、本実施形態のオゾン発生装置Ａによれば、オゾン発生器１と並列にコンデンサＣｐを設けたことで、オゾン発生器１における複数の放電管１０のいずれかが破損した場合に、破損した放電管１０に対応するヒューズ４に大電流が流れるようにすることで切断しやすくした。これにより、放電管１０の破損時に自動的にヒューズ４を溶断することが可能となり、安定したオゾン発生が可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…オゾン発生器、２…高電圧電源、３…電源装置、４…ヒューズ、５…高圧給電子、１０…放電管、１１…電極、１２…金属電極、１３…スペーサ、１４…放電ギャップ、１７…閉鎖空間、１８…固定電極、１９…ステンレスウール、１１２…筐体、１１３…筐体、１５１…端板、１５２…端板、Ａ…オゾン発生装置

Claims (2)

1. 金属電極と、
   互いに並列接続された複数の放電管と、
   前記金属電極と前記放電管との間に形成され、酸素を含む原料ガスが流入される放電ギャップと、
   前記放電管ごとに直列接続され、電流が流れて切断することで前記放電管への通電を遮断するヒューズと、
   前記放電ギャップにおける前記原料ガスで放電させてオゾンを発生させるために、前記放電管に対して電圧を印加する電源部と、
   前記複数の放電管と並列接続されたコンデンサと、を備え、
   前記複数の放電管のいずれかに異常が発生した場合、異常が発生した前記放電管に直列接続された前記ヒューズに対して前記コンデンサから短絡電流が流れて前記ヒューズを切断する、オゾン発生装置。
2. 以下の（５）式を満たす、請求項１に記載のオゾン発生装置。
   １／２（Ｃ_Ｌ＋Ｃ_ｐ）Ｖ_ｏｐ ^２－１／２（Ｃ_ｔ＋Ｃ_ｐ）Ｖ_ａｒｃ ^２ ＞
   Ｒａ／Ｒ・Ｃ・ρ・ｎ・πｒ^２・Ｌ・（Ｔ_ｍ－Ｔ_ｒ） ・・・式（５）
   
   Ｃ_Ｌ：ＶＱ（印加電圧Ｖ：移動電荷量Ｑ）リサジュー図形の傾き
   Ｃ_ｐ：コンデンサの静電容量
   Ｖ_ｏｐ：印加電圧のゼロ－ピーク電圧
   Ｃ_ｔ：放電管の誘電体の静電容量Ｃｇと放電ギャップの静電容量Ｃｏの直列静電容量
   Ｖ_ａｒｃ：ヒューズが溶断した際のヒューズエレメント蒸気のアーク電圧
   Ｒａ：太線部と細線部からなるヒューズエレメントの全体の抵抗
   Ｒ：ヒューズエレメントの細線部の抵抗
   Ｃ：ヒューズエレメントの比熱
   ρ：ヒューズエレメントの密度
   ｎ：ヒューズエレメントの細線部の本数
   π：円周率
   ｒ：ヒューズエレメントの細線部の断面の半径
   Ｌ：ヒューズエレメントの細線部の長さ
   Ｔ_ｍ：ヒューズエレメントの融点
   Ｔ_ｒ：オゾン発生装置の通常動作時のヒューズエレメントの温度
   
   

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