JP4206047B2 - オゾン発生管およびそれを備えるオゾン発生装置 - Google Patents

Description

本発明はオゾンを効率良く生成することができるオゾン管の作製方法に関する。とくに、オゾン発生管に備える対向電極の構造を工夫し、オゾン化ガスの発生特性を向上させることができるオゾン発生管を作製する方法に関する。

オゾンは、上下水処理、殺菌処理、漂白処理などに利用され、その有効性が認められてから、効率的にオゾンを得るよう、その製造技術に検討が加えられていた。たとえば、オゾン発生管においての電極の構造、対向電極間の空間、冷媒の通過方法など、オゾン発生管を備えたオゾン発生装置に関する数多くの研究結果が報告されている。
従来から知られているオゾン発生管の一例を図５、図６に示す。
図５において、このオゾン発生管は、耐オゾン性の高いステンレス鋼で作られた円筒状の接地電極１と、該接地電極１の内周面にライニングしたガラスなどの誘電体層３と、その内側に放電空間６を介して接地電極１に同心配置した中空円筒形のステンレス鋼製高電圧電極２とからなる構造を有する。
かかる構成で、オゾン発生管の円筒高電圧電極２と円筒接地電極１との間に電源７にて交流高電圧を印加した上で、オゾン発生管に供給された酸素を含んだ原料ガス４は円筒高電圧電極２と円筒接地電極１との間の放電空間６中で、無声放電によりオゾン５を生成する。

図６は図５で示したオゾン発生管とは異なるオゾン発生管を多数個組み合わせたオゾン発生装置の一部を示したものである。図６のオゾン発生管の放電空間内でのオゾン化ガスの挙動としては、前記図５で示された放電空間内でのオゾン化ガスの挙動と同じことが言える。
すなわち、図６において、このオゾン発生装置は、耐オゾン性の高いステンレス鋼で作られた円筒状の接地電極１と、その内側に放電空間６を介して接地電極１に同心状に配置した中空円筒形のステンレス鋼製高電圧電極２とその外周面にライニングしたガラスなどの誘電体層３からなるオゾン発生管を支持材（図に示していない）で多数個支持された構造を備える。
オゾン発生管の円筒高電圧電極２と円筒接地電極１との間に電源７にて交流高電圧を印加した上で、オゾン発生管に供給された酸素を含んだ原料ガス４は円筒高電圧電極２と円筒接地電極１との間の放電空間６中で、無声放電によりオゾン化ガス５を生成する。
また、図には示していないが、円筒高電圧電極、円筒接地電極の両側に誘電体を配置して、放電空間を形成しているものも、同様のことがいえる。

従来のオゾン発生管では、放電空間を所定の放電ギャップとなるように調整されている。そして、円筒高電圧電極２の外側と円筒接地電極１の内側との間にギャップスペーサー（図示していない）を設けて放電ギャップ長を保持していた。
この放電ギャップ長をできるだけ一定に保つことは、安定した効率良いオゾン化ガスを生成することに繋がるために、いろいろな工夫がなされている。例えば、電極表面を研磨して、平滑にすることにより電極間の放電ギャップ長を所定の範囲内に保つ工夫が知られている。この方法は、放電ギャップ長を所定の範囲内に保つためには有効であるが、とくに、電極長が長い電極を作製する場合には、研磨するための操作や費用の点で更なる改善が求められている。

その点、電極長が短い円筒高電圧電極を複数個接続して、円筒接地電極の曲がりを吸収し、長尺化された対向電極が開示されており（例えば特許文献１を参照）、この技術では、放電ギャップ長のバラツキが改善され、オゾンの発生効率を高めることができ、有効な技術であるが、円筒高電圧電極を接続する操作が必要という点で、さらに解決する余地が残されている。

特開２００３−１４６６２２

円筒高電圧電極と円筒接地電極はそれぞれが曲りを持っており、配置する二つの電極の曲りの向きや大きさの組合せによっては、形成される放電空間は原料ガス流量方向に対して一様ではなくなり、空間ムラが発生することになる可能性がある。例えば図５に示す電極構成では、放電空間６に空間ムラが発生することになり、原料ガス４が均一に流れず、かつ放電も均一に発生しないため、オゾンを効率良く発生するという点では十分に性能を発揮できない問題がある。
図６に示されるオゾン発生装置においては、円筒接地電極１および円筒高電圧電極２それぞれの曲りによる空間ムラの発生および放電空間６の均一性に与える影響がさらに大きく、前記図５のオゾン発生管の構成よりも放電が不均一になりオゾン発生特性を低下させることが問題となっている。
そこで本発明の課題は、オゾン発生管に備える対向電極の放電ギャップ長を所定の範囲内に保持し、バラツキが少ない対向電極を極めて簡単に作成する方法を提供することである。とくに長尺な円筒電極を備えたオゾン発生管であって、対向電極の放電ギャップ長を所定の範囲内に保持し、バラツキが少ない対向電極を極めて簡単に作成する方法を提供することである。また、オゾン化ガスを効率良く生成する技術を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明者らは、電極各々の曲がりの向き知り、その結果を反映させること、すなわち、対向して配置された電極と前記電極の少なくとも一方に誘電体を配置した構成で、その間に酸素を含む原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生装置において、それぞれの電極中心部の曲りの向きを同方向に合わせて組合せると、前記原料ガスが放電空間を均一に流れることができ、オゾン化ガスの発生特性を向上させることができた。さらに、本発明者らは、電極各々の曲がりの大きさを知り、対向する電極間のギャップ長を一定の範囲内に調整すると、前記原料ガスが放電空間を均一に流れることができ、オゾン化ガスの発生特性を向上させることができた。

すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、円筒高電圧電極と円筒接地電極の少なくとも一方に誘電体を配置する工程、その円筒高電圧電極と円筒接地電極とを同軸状に対向配置する工程を含むオゾン発生管の作製方法において、前記少なくとも一方に誘電体を配置した円筒高電圧電極と円筒接地電極のそれぞれの電極中心部の曲がりの大きさを測定する工程、および前記少なくとも一方に誘電体を配置した円筒高電圧電極と円筒接地電極とが互いに接触せずに、かつ円筒高電圧電極と円筒接地電極の電極中心部の曲がりの向きを同方向に合わせる工程を含むことを特徴とする円筒高電圧電極と円筒接地電極の中心部の曲りの大きさの差が-0.3〜+0.2mmの範囲であるオゾン発生管の作製方法についての発明である。
請求項２に係る発明は、請求項１の発明において、電極中心部の曲がりの大きさを測定する工程が電極の端部より所定の距離のところを支点として１回転した時の電極の振れ幅の測定値から電極中心部の曲がりの大きさを算出する工程であることを特徴とする。

前記円筒高電圧電極および円筒接地電極のいずれか片方、あるいは両方の表面に誘電体層を配置する。前記円筒高電圧電極、円筒接地電極、誘電体はとくに制限されないのであって、一般的なものを使用することができる。ついで、前記円筒高電圧電極と円筒接地電極とを一定の間隔を保持するように対向させる。その対向させる手段や誘電体を配置する手段は一般的な方法を使用することができる。
円筒高電圧電極および円筒接地電極はそれぞれが曲りを持っている。それらの電極を対向させ、配置する際に、二つの電極の曲りの向きや大きさの組合せによっては、形成される放電空間は原料ガス流量方向に対して一様ではなくなり、空間ムラが発生することになる可能性がある。本発明では円筒高電圧電極および円筒接地電極の前記曲がりの向きを独自の方法で簡単に知ることができ、それら電極を互いに接触させることなく、その曲がりの向きを同方向に合わせるように対向させ、配置するという簡単な方法により、対向電極間の放電空間を均一に保持できること、その電極構造を有するオゾン発生管は酸素を含む原料ガスをムラなく通過できること、しかもオゾン化ガスを効率良く発生させることが可能となった。

さらに、円筒高電圧電極および円筒接地電極の曲がりの大きさを独自の方法で正確に知り、曲がりの大きさが同じような円筒高電圧電極および円筒接地電極を選択し、それら電極の曲がりの大きさの差を一定の範囲となるように組合わせることも本発明の特徴の一つである。このように円筒高電圧電極および円筒接地電極を組合わせ、電極の曲がりの大きさの差を一定の範囲に保持する対向電極を容易に作製することができ、この対向電極を備えたオゾン発生管あるいはオゾン発生装置を用いてオゾンを効率よく生成することが可能となった。すなわち、電極中心部の曲がりの大きさを測定した円筒高電圧電極および円筒接地電極の中から、電極の曲がりの大きさの差を-0.3〜+0.2mmとなるように円筒高電圧電極および円筒接地電極を選択し、組合わせて作製したオゾン発生管を使用してオゾン化ガスを生成させると、オゾン収率を高めることが可能となった。ここで、円筒接地電極の曲がりの大きさよりも円筒高圧電極の曲がりの大きさが大きいときには（この場合には＋とする）０．２ｍｍ以内、円筒接地電極の曲がりの大きさよりも円筒高圧電極の曲がりの大きさが小さいときには（この場合には−とする）０．３ｍｍ以内となるように、円筒接地電極と円筒高圧電極とを配置させると、好ましい結果をもたらすことができる。

前記電極中心部の曲りの向きは、電極の側面を平面上に置いたときに観察される電極中心部における平面から側面までのすきまが最大のときの平面から側面への方向を意味し、前記電極中心部の曲りの大きさは、電極の側面を平面上に置いたときに観察される電極中心部のすきまの側面と平面との距離の２倍を意味する。例えば、上記電極中心部の曲りの大きさは、図４を参照しながら説明すると、電極の両端部よりそれぞれ所定の距離（例えば円筒高電圧電極では５０ｍｍ、円筒接地電極では８０ｍｍ）のところを支え、円周方向に1回転させたとき、長手方向の中心部の振れを変位計で測定し、ｍｍの単位で示したものである。なお、本発明では電極中心部の曲がりの向きと曲がりの大きさは、電極中心部の長手方向の曲がりの向きと曲がりの大きさを意味する。

本発明により、すなわちオゾン発生装置の円筒高電圧電極と円筒接地電極のそれぞれの電極中心部の曲りの向きを同方向に合わせて組合せるという簡単な方法により、前記原料ガスが放電空間を均一に流れることを可能とし、均一な放電をもたらし、安定したオゾン化ガスを発生させるオゾン発生管あるいはオゾン発生装置が作製できることを可能とした。また、電極中心部の曲りの大きさの測定値を基にして、その差を-0.3mmから+0.2mmの範囲となるように円筒高電圧電極と円筒接地電極を選択して、作製したオゾン発生管あるいはオゾン発生装置は、原料ガスが放電空間を均一に流れ、オゾン発生効率が向上でき、極めて実用的である。さらに、従来では使用できず廃棄されていた電極も、選択の仕方によって使用できることになる。

発明の実施の形態

以下、図を参照しながら本発明を詳細に説明する。
図１に本発明のオゾン発生管の電極構造の一例を示す。
円筒高電圧電極２と円筒接地電極１および円筒電極１の内面に誘電体３を形成し、誘電体３と円筒高電圧電極２との間に放電空間６を設けた電極構造となっている。この電極構造は以下の方法により作製できる。すなわち、円筒高電圧電極２と円筒接地電極１とを平面上に載せ、すきまを観察し、電極中心部の曲がりの向きを知ることにより、各々の電極の曲がりの向きを知る。
または、平面上に置いたＶ字状ブロック（図示していない）に円筒高電圧電極２を載せる。ついで、円筒高電圧電極２の中央に高さ測定器（ハイトゲージや変位計など）（図示していない）を設置し、円筒高電圧電極２を回転させる。高さ測定器が示す、すきまの距離の最大値と最小値を読み取り、円筒高電圧電極２の曲がりの大きさを測定する。測定した電極の表面に、上に凸となる側（すきまの距離の最大値のとき）が即座に把握できるように目印をつける。その際測定数値も併せて記載する。
円筒接地電極１についても同様の操作を行い、円筒接地電極の曲がりの大きさを測定し、電極の表面に、上に凸となる側が即座に把握できるように目印をつける。その際測定数値も併せて記載する。
円筒接地電極１の内面に誘電体３を形成させた後、円筒高電圧電極２の電極中心部の曲がりの向きと円筒接地電極１の電極中心部の曲がりの向きの方向を先につけた目印を基準に合わせ、円筒高電圧電極２と円筒接地電極１とを同軸状に配置させる。
円筒高電圧電極２と円筒接地電極１とは、電源７によって電気的に接続され、電源７は前記電極間に交流高電圧を印加し、放電空間６において無声放電が生じる。
放電空間６には酸素を含んだ原料ガス４が流入し、放電空間６内に原料ガスが均一に流れるように構成されている。放電空間６内に流入した原料ガス４は、含まれている酸素が放電空間６内に生じている無声放電により、オゾンが生成され、オゾン化ガス５が生成される。
円筒高電圧電極２と円筒接地電極１はそれぞれの電極中心部の曲りの向きを同方向となるように配置してあるので、電極長のバラツキが少なく、前記原料ガスが放電空間を均一に流れることにより、オゾン化ガスの発生特性が向上する。
無声放電により電極の温度が上昇すると、生成したオゾン化ガスの分解が進み、オゾン収率が低下するので、冷却水供給装置１０により冷却水１１を供給し、電極を常に冷却することが好ましく、オゾン化ガス５を効率よく発生させることができる。

図２は、図１と異なるオゾン発生装置を示す。円筒状高電圧電極２の外側に誘電体層３を形成し、誘電体３の外側に放電空間６を介して円筒接地電極１を同心状に配置した電極構造を複数本、支持部材（図に示していない）で支持した構造を示しており、大容量オゾン発生量を必要としたときに有用な構造となっている。図２は、基本的構成は図1と同様である。すなわち、円筒高電圧電極２と円筒接地電極１がそれぞれの電極中心部の曲りの向きを同方向となるように配置してあるので、電極長のバラツキが少なく、前記原料ガスが放電空間を均一に流れることにより、オゾン化ガスの発生特性が向上する。

図３に、本発明の電極構造を備えるオゾン発生装置を使用してオゾンを生成させたときの実験結果を示す。
実験は原料ガスとして空気を用い、図１に示す電極構造を備えたオゾン発生管を使用して実験した。なお、図中、ｄは円筒高電圧電極２の両端部の外径と、円筒接地電極１の両端部の内径の寸法で決められる放電空間の放電ギャップ間隔を示す。また、Ｘ軸は円筒高圧電極と円筒接地電極との振れ幅の差（ｍｍ単位）であり、Ｙ軸はオゾン取り出し効率(電気入力に対するオゾン出力)である。
図３から明らかなように、円筒高電圧電極と円筒接地電極の電極中心部の曲りの差を変化させると、電極中心部の曲がりの大きさの差が-0.3〜+0.2mmのときに、オゾン収率（オゾン生成率）が高いことが判明した。

図４に、本発明の電極中心部の曲がりの大きさを測定する概念図を示す。
円筒高電圧電極あるいは円筒接地電極のそれぞれを、各電極の端部より所定の距離のところを支点として、１回転した時の各電極の振れ幅を、電極長手方向の中央部分で測定し、その円筒高圧電極と円筒接地電極との振れ幅をもって、電極中心部の曲がりの大きさという。図３のＸ軸は円筒高圧電極と円筒接地電極との振れ幅の差であり、互いの曲がり関係を表している。すなわち、Ｘ軸が左へ寄れば（負の値）、高圧電極より接地電極が曲がっていることを意味し、逆に右に寄れば（正の値）、接地電極よりも高圧電極が曲がっていることを意味する。

前記の記載から本発明を次のように記載することもできる。
（１）同軸円筒型に配置された円筒高電圧電極と円筒接地電極の少なくとも一方に誘電体を配置したオゾン発生管用対向電極において、前記円筒高電圧電極と円筒接地電極とが、互いに接触せずに、前記円筒接地電極の電極中心部の曲がりの向きを同方向に合わせることを特徴とするオゾン発生管用対向電極構造。
（２）同軸円筒型に配置された円筒高電圧電極と円筒接地電極の少なくとも一方に誘電体を配置したオゾン発生管用対向電極において、前記円筒高電圧電極と円筒接地電極とが互いに接触せずに、前記円筒接地電極の電極中心部の曲がりの向きを同方向に合わせ、かつ円筒高電圧電極と円筒接地電極の長手方向の中心部の曲りの大きさの差が-0.3〜+0.2mmの範囲となるよう調整されていることを特徴とするオゾン発生管用対向電極構造。
（３）円筒高電圧電極と円筒接地電極の少なくとも一方に誘電体を配置する工程、その円筒高電圧電極と円筒接地電極とを同軸状に対向配置する工程、その円筒高電圧電極と該円筒接地電極とが互いに接触せずに、かつ円筒高電圧電極と円筒接地電極の電極中心部の曲がりの向きを同方向に合わせる工程を含むことを特徴とするオゾン発生管の作製方法。
（４）円筒高電圧電極と円筒接地電極の電極中心部の曲がりの向きを測定する工程をさらに含む、前記オゾン発生管の作製方法。
（５）円筒高電圧電極と円筒接地電極の少なくとも一方に誘電体を配置する工程、その円筒高電圧電極と円筒接地電極とを同軸状に対向配置する工程、その円筒高電圧電極と該円筒接地電極とが互いに接触せずに、かつ円筒高電圧電極と円筒接地電極の電極中心部の曲がりの向きを同方向に合わせる工程、およびその円筒高電圧電極と円筒接地電極の長手方向の中心部の曲りの大きさの差が-0.3〜+0.2mmの範囲となるように円筒高電圧電極と円筒接地電極とを選択する工程を含むことを特徴とするオゾン発生管の作製方法。
（６）円筒高電圧電極と円筒接地電極の電極中心部の曲がりの向きと曲がりの大きさを測定する工程をさらに含む、前記オゾン発生管の作製方法。

（７）円筒高電圧電極と円筒接地電極の少なくとも一方に誘電体を配置する工程、その円筒高電圧電極と円筒接地電極とを同軸状に対向配置する工程、その対向電極を備えるオゾン発生管を筐体に内蔵する工程、その円筒高電圧電極と該円筒接地電極とが互いに接触せずに、かつ円筒高電圧電極と円筒接地電極の電極中心部の曲がりの向きを同方向に合わせる工程を含むことを特徴とするオゾン発生装置の作製方法。
（８）円筒高電圧電極と円筒接地電極の電極中心部の曲がりの向きを測定する工程をさらに含む、前記オゾン発生装置の作製方法。
（９）円筒高電圧電極と円筒接地電極の少なくとも一方に誘電体を配置する工程、その円筒高電圧電極と円筒接地電極とを同軸状に対向配置する工程、その対向電極を備えるオゾン発生管を筐体に内蔵する工程、その円筒高電圧電極と該円筒接地電極とが互いに接触せずに、かつ円筒高電圧電極と円筒接地電極の電極中心部の曲がりの向きを同方向に合わせる工程、および円筒高電圧電極と円筒接地電極の長手方向の中心部の曲りの大きさの差が-0.3〜+0.2mmの範囲となるように円筒高電圧電極と円筒接地電極とを選択する工程を含むことを特徴とするオゾン発生装置の作製方法。
（１０）円筒高電圧電極と円筒接地電極の電極中心部の曲がりの向きと曲がりの大きさを測定する工程をさらに含む、前記オゾン発生装置の作製方法。

本発明のオゾン発生管に備えられる電極構造の一例を示す。 本発明のオゾン発生装置に備えられる電極構造の前記と異なる一例を示す。 本発明の電極構造を備えるオゾン発生装置を使用してオゾンを生成させたときの実験結果を示す。 本発明の電極中心部の曲がりの大きさを測定する概念図を示す。 従来から知られているオゾン発生管に備えられる電極構造の一例を示す。 従来から知られているオゾン発生管に備えられる電極構造の前記と異なる一例を示す。

符号の説明

１．円筒接地電極
２．円筒高電圧電極
３．誘電体
４．原料ガス
５．オゾン化ガス
６．放電空間
７．電源
１０．冷却水供給装置
１１．冷却水

Claims (2)

1. 円筒高電圧電極と円筒接地電極の少なくとも一方に誘電体を配置する工程、その円筒高電圧電極と円筒接地電極とを同軸状に対向配置する工程を含むオゾン発生管の作製方法において、前記少なくとも一方に誘電体を配置した円筒高電圧電極と円筒接地電極のそれぞれの電極中心部の曲がりの大きさを測定する工程、および前記少なくとも一方に誘電体を配置した円筒高電圧電極と円筒接地電極とが互いに接触せずに、かつ円筒高電圧電極と円筒接地電極の電極中心部の曲がりの向きを同方向に合わせる工程を含むことを特徴とする円筒高電圧電極と円筒接地電極の中心部の曲りの大きさの差が-0.3〜+0.2mmの範囲であるオゾン発生管の作製方法。
2. 電極中心部の曲がりの大きさを測定する工程が電極の端部より所定の距離のところを支点として１回転した時の電極の振れ幅の測定値から電極中心部の曲がりの大きさを算出する工程であることを特徴とする請求項１記載のオゾン発生管の作製方法。

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