JP4206048B2 - オゾン化ガスの分解を抑制したオゾン発生装置 - Google Patents

Description

本発明は生成されたオゾンの分解を抑制することができるオゾン管に関する。またそのオゾン発生管を備えるオゾン発生装置であって、上下水処理、パルプ漂白処理、殺菌処理などに用いるオゾン発生装置に関する。とくに、生成されたオゾンの電極等の表面との接触による熱的な分解を抑制することができるオゾン発生管およびそのオゾン発生管を備えるオゾン発生装置に関する。

オゾン化ガスは、上下水処理、殺菌処理、漂白処理などに使用され、その有効性が認められてから、効率的にオゾン化ガスを得るよう、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６、７ に示す。
図６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とからなるオゾン化ガス発生ユニットを含む（たとえば特許文献１を参照）。
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、下記の反応によりオゾン化ガス５を生成する。

O₂ + e → O + O + e
O₂ + O + M → O₃ + M
なお、式中Ｍは第三体を意味し、具体的にはＡｒ、Ｈｅ、Ｎ_２等が挙げられる。

図７は図６で示したオゾン化ガス発生ユニットとは異なるオゾン化ガス発生ユニット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７のオゾン発生ユニットの放電空間内でのオゾン化ガスの挙動としては、上記図６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７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を介して該接地電極１と同心状に配置したガラスなどの誘電体層３を設けた円筒状の高電圧電極とからなるオゾン化ガス発生ユニットを支持部材（図示していない）で多数個支持された構造を含む。
オゾン発生ユニットの円筒高電圧電極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、上記の反応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。

オゾン発生管の放電空間内では、オゾン化ガスを含む混合ガスが壁面へ衝突することにより、オゾン化ガスが消滅するとの報告もある（非特許文献１参照）。その反応式としては、次に示すものが考えられる。
O₃ + Wall → O₂ + O + Wall ・・・（３）
これは生成したオゾン化ガスが電極表面あるいは誘電体表面に衝突して、分解することを示すものである。オゾン発生管を使用してオゾン化ガスを生成する場合、オゾン発生管内の放電空間で生じる放電により、放電が熱源となり放電空間に接する電極を加熱し、加熱された電極（例えば、円筒高電圧電極）に生成されたオゾン化ガスが接触し、オゾン化ガス中のオゾンが電極の熱により分解され、酸素分子に戻ってしまうことを意味する。とくに、オゾン発生管内の電極の一方のみだけを冷却しているオゾン発生管を使用する場合には、冷却されない電極表面は温度が高くなり、生成されたオゾン化ガスの分解も促進されることになる。
また、非特許文献１では、その最終頁の５結論において、窒素を添加するとオゾンの表面消滅確率は低減し、純酸素における表面消滅確率と酸化亜鉛および酸化ケイ素に対する表面消滅確率の数値が報告されている。

特開平１１−１３９８０９号公報 第１１回 日本オゾン協会年次研究講演会 講演集 平成１３年６月第３９〜４２頁

オゾン化ガスは、上下水処理、殺菌処理、漂白処理などに際して使用されるのであるが、オゾン濃度が高いオゾン化ガスを使用すればそれだけ有利であるから、できるだけオゾン濃度が高いオゾン化ガスを得る技術が求められている。
そこで、本発明の課題は放電空間中での熱、その中でも電極等の表面との接触による熱的分解を抑制する技術を提供することにある。また、できるだけオゾン濃度が高いオゾン化ガスを得る技術を提供することでもある。

本発明者らは、オゾン濃度が高いオゾン化ガスを得るべく工夫する最中、オゾン化ガスの分解に着目した。すなわち、一般的なオゾン発生管においては、交流高電圧放電操作を行ったときに沿面距離の不足により生じる絶縁破壊が起きないように、対向電極のどちらか一方の電極長さを他方の電極長さよりも長くあるいは短くして、電極端部をそろえない構成をとる対向電極を使用していた。とくに円筒状の対向電極では、円筒接地電極の端部と円筒高電圧電極との端部を揃えずに、円筒高電圧電極の端部を円筒接地電極の端部よりも内側となるように配置する構造をとっている。
このため、放電空間を中心に原料ガス側とオゾン化ガス側に、それぞれガス溜まりが存在することとなり、このガス溜まり、その中でもオゾン化ガス側のガス溜まりがあるため、一度生成されたオゾン化ガスが分解されてしまうのではないかと推測した。
そこで、本発明者らはつぎのような工夫を施した。
対向して配置された電極と、その電極の少なくとも一方に誘電体を配置した構成であるオゾン発生管の放電空間のオゾン化ガス排出側に、耐オゾン性のある材質で構成される部品を配置し、オゾン化ガス側のガスが滞在できる空間の容積を減少して、オゾン化ガスのオゾン発生器内に滞在する時間を低減することである。

すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、互いに対向して配置された電極と、前記電極の対向する表面の少なくとも一方に配置した誘電体とからなり、前記電極のいずれか一方の電極長さを、電極端部での沿面放電の発生を防止できるよう他方の電極長さよりも長くした構成で、その電極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管において、耐オゾン性のある絶縁物で形成され、オゾン化ガスが排出される側の対向する短い電極の端部から他方の長い電極の差による空間の容積を低減させる部品であって、かつオゾン化ガスが滞留する時間を低減し、移動できるための部品を前記オゾン化ガスが排出される側の空間に配置し、固定することを特徴とする。
請求項２に係る発明は、両端が開口された円筒状の接地電極と、その接地電極の内側に空隙を介して同心状に配置した円筒高電圧電極と、前記接地電極と高電圧電極の対向する面の少なくとも一方に形成した誘電体層とからなり、前記接地電極の電極長さを電極端部での沿面放電の発生を防止できるよう前記高電圧電極の電極長さよりも長くした構成で、その電極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管において、耐オゾン性のある絶縁物で形成され、オゾン化ガスが排出される側の対向する前記高電圧電極の端部から前記接地電極の差による空間の容積を低減させる部品であって、かつオゾン化ガスが滞留する時間を低減し、移動できるための部品を前記オゾン化ガスが排出される側の空間に配置し、固定することを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載のオゾン発生管において、オゾン発生管のオゾン化ガス側に取付ける密閉用のフタに、空間低減部品を一体化した構造として取付ける構造を備えることを特徴とするオゾン発生管である。

請求項４に係る発明は、電極のいずれか一方、あるいは両方の電極が冷却されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のオゾン発生管である。
請求項５に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のオゾン発生管と、このオゾン発生管を内蔵する筐体とを備えることを特徴とするオゾン発生装置である。

上記オゾン化ガス側の空間の容積とは、互いに対向して配置された電極間で形成される空間に隣接し、オゾン化ガスが排出される側の対向電極端部を揃えていないときに形成される空間の容積を意味する。とくに円筒状対向電極の場合には、オゾン化ガスが排出される側の円筒接地電極長さと円筒高電圧電極長さとの差に基づいて形成される空間の容積を意味する。

本発明では、オゾン化ガス側の空間の容積を低減する手段をオゾン化ガス側の空間に備えることが好ましい。ここで、オゾン化ガス側の空間とは、互いに対向して配置された電極間で形成される空間と隣接し、オゾン化ガスが排出される側の対向電極端部を揃えていないときに形成される空間を意味する。
本発明でいうオゾン化ガス側の空間の容積を低減する手段としては、耐オゾン性のある部品（以下、空間低減部品ということがある）をオゾン化ガス側の空間に備える構成を例示することができる。とくにこの空間低減部品をオゾン化ガス側の空間に配置し、固定する構成を挙げることができる。前記空間低減部品としては、耐オゾン性のある絶縁物で形成された部品がより好ましい。
空間低減部品としては、フッ素樹脂、セラミックス、ガラスなどの絶縁性が高い材質を使用できる。この部品の形状は、オゾン化ガス側の空間に配置し、固定したときに、その周囲をオゾン化ガスが円滑に移動できる形状であればとくに限定されないが、たとえば円筒状電極を使用したオゾン発生管に使用する場合には、電極の形状に類似する円筒状の形状が好ましく、圧力損失などの点から、高電圧電極と同じ直径、もしくはそれ以下の直径を有する円筒状の形状がより好ましい。
この空間低減部品をオゾン化ガス側の空間に配置し、固定する手段は特に限定されないのであり、一般的な手段を使用すればよい。
さらに、両端部に密閉用のフタを備えた径の大きなチューブ状の容器内に複数個の対向電極構造ユニットを備えるオゾン発生器において、オゾン発生器のオゾン化ガス側に取付ける密閉用のフタに、上記空間低減部品を一体化した構造として取付ける構造も可能である
上記オゾン化ガス側の空間を低減する手段を備えたことにより、オゾン化ガスのオゾン発生器内に滞留する時間を低減することを可能とし、その結果オゾン化ガスの分解を抑制することが達成され、オゾン濃度が高いオゾン化ガスを製造することができる。

本発明で言うオゾン発生管の構成要素である、接地電極、高電圧電極、誘電体、交流高電圧電源などはとくに制限されないのであり、一般的なものを使用することができる。また、そのオゾン発生管やそれを内蔵する筐体も一般的なものを使用することができる。
本発明では、オゾン発生管あるいはそれを有するオゾン発生装置において、電極を冷却する手段をさらに備えると、生成したオゾン化ガスの分解がさらに抑制され、好ましい結果がもたらされる。
オゾン発生管に供給されるオゾン生成のための原料ガスは酸素を含むガスであればとくに制限されない。具体的には、空気、純酸素、純酸素に窒素、Ａｒ，Ｈｅなどを混入させた混合ガスなどを挙げることができる。

本発明により、オゾン発生管内の放電空間では、とくにオゾン化ガス側の空間が低減されており、生成したオゾン化ガスは放電空間を短時間の間に抜け出てしまうので、電極表面に衝突する確率が低くなり、オゾン化ガスの分解が抑制される。これによってオゾン発生装置のオゾン生成特性を向上させることが可能となり、オゾン濃度の高いオゾン化ガスを製造することを可能とする。

発明の実施の形態

以下、図を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明のオゾン発生管の対向電極の一例を示す。
図１では、オゾン発生管の対向電極は、円筒接地電極１の放電空間６側に誘電体３を配置し、放電空間６を介して円筒高電圧電極２を同心状に設置し、オゾン化ガス５側に高電圧電極と同様な形状を有する耐オゾン性のある絶縁物から構成される空間低減部品８を配置した構成である。前記接地電極と高電圧電極間に交流高電圧を印加して前記電極間で形成された空間に放電を発生させる。オゾン発生管内に供給される原料ガスは放電空間６内で放電処理され、オゾン化ガスが生成される。生成されたオゾン化ガスはオゾン発生器内に長維持間滞在することなく排出され、オゾン発生器内でのオゾン分解は抑制される。

１本のオゾン発生管で構成されたオゾン発生器においては、オゾン発生器のオゾン化ガス側に取付ける密閉用のフタ（図示していない）に、空間低減部品８を一体化した構造として取付ける構造も可能である。

図２は、図１で示されたオゾン発生管の電極構造とは異なる構造を有する電極ユニットを複数個設置したオゾン発生装置の電極構造を示す。
図２でのオゾン発生装置用対向電極は、円筒接地電極１と、放電空間６を介して該円筒接地電極１と同心状に配置した誘電体３が表面に設けられた円筒高電圧電極２とからなる対向電極ユニットを複数本組み合わせたときの構成であり、円筒高電圧電極２と円筒接地電極１で構成された電極ユニット毎に、オゾン化ガス側の空間に空間低減部品８を設置しており、これによりオゾン化ガス側の空間を低減している。各対向電極ユニットは支持部材（図示してない）にて支持されている。
さらに、円筒高電圧電極と円筒接地電極で構成された電極ユニットの複数個が支持部材で支持され、チューブ型、あるいは角柱型パイプ（内側は空洞）型であって、両端に扉を有する容器（図示されていない）に収められていてもよい。そして、各電極ユニットに、空間低減部品８を配置するのではなく、オゾン化ガス側の扉に放電空間低減部品８を取付けた扉を使用することによって放電空間の体積が軽減される構成としてもよく、この構成によっても同様の効果を得ることができる。

図３（ａ）に従来から使用されているオゾン発生器を使用してオゾン化ガスを製造したときのオゾン化ガスのオゾン濃度と、実施例１のオゾン発生器を使用されているオゾン発生器を使用してオゾン化ガスを製造したときのオゾン化ガスのオゾン濃度との比較を示す。なお、図３（ａ）、図３（ｂ）には、それぞれの対向電極の構成を模式的に示した。
試験条件は下記のとおりである。
図３（ｂ）に示されるように、従来例のオゾン発生器と本発明品のオゾン発生器を使用した。対向電極（ギャップ長は０．５ｍｍ）を有するオゾン発生器の放電空間に空気を０．２５ＭＰａで供給した。電源から交流電圧を印加し、供給される空気を放電処理し、オゾンを発生させた。円筒接地電極を１５℃に冷却した。なお、図３（ａ）では電力密度Ｗ／Ｑ（Ｗは電力を、Ｑは流量を示す）とオゾン濃度（ｇ/Ｎｍ^３）の関係を示す。
図３（ａ）から明らかなように、オゾン化ガス空間側に空間低減部品８を設置することにより、オゾン発生特性が向上していることが明らかである。図３（ａ）では空気を用いて試験したが、酸素を用いて試験してもほぼ同様な傾向が得られる。

図４は、本発明の対向電極構造を有するオゾン発生管を使用してオゾン化ガスを生成する際の電極を冷却する模式図である。
図４では、オゾン発生管の対向電極は、円筒接地電極１の放電空間６側に誘電体３を配置し、放電空間６を介して円筒高電圧電極２を同心状に設置し、オゾン化ガス側に高電圧電極と同様な形状を有する耐オゾン性のある絶縁物で構成された空間低減部品８を配置した構成である。前記接地電極と高電圧電極間に交流高電圧を印加して前記電極間で形成された空間に放電を発生させる。オゾン発生管内に供給される原料ガスは放電空間６内で放電処理され、オゾン化ガスが生成される。生成されたオゾン化ガスはオゾン発生器内に長維持間滞在することなく排出され、オゾン発生器内でのオゾン分解は抑制される。
円筒接地電極１の外表面は冷却装置１０からの冷却水１１にて循環冷却される。

図５は、図１で示されたオゾン発生管の電極構造とは異なる構造を有する電極ユニットを複数個設置したオゾン発生装置の電極構造を示す。
図５でのオゾン発生装置は、円筒接地電極１と、放電空間６を介して該円筒接地電極１と同心状に配置した誘電体３が表面に配置された円筒高電圧電極２とからなる対向電極ユニットを複数本組み合わせたときの構成であり、円筒高電圧電極２と円筒接地電極１で構成された電極ユニット毎に、オゾン化ガス側の空間に空間低減部品８を設置しており、これによりオゾン化ガス側の空間を低減している。各対向電極ユニットは支持部材（図示してない）にて支持されている。
円筒接地電極１の外表面は冷却装置１０からの冷却水１１にて循環冷却される。

上記の説明から、本発明を次のように記載することができる。
（１）対向して配置された電極と前記電極の対向する表面の少なくとも一方に誘電体を配置し、前記電極端部をそろえずに沿面距離を取った構成の対向電極を備えるオゾン発生管において、前記対向する電極間の空間に隣接するオゾン化ガス側の空間を低減する手段をオゾン化ガス側の空間に備え、オゾン化ガスのオゾン発生器内に滞留する時間を低減することを特徴とするオゾン発生管。
（２）対向して配置された電極と前記電極の対向する表面の少なくとも一方に誘電体を配置し、前記電極端部をそろえずに沿面距離を取った構成の対向電極を備えるオゾン発生管と、このオゾン発生管を内蔵する筐体とを備えたオゾン発生装置において、前記対向する電極間の空間に隣接するオゾン化ガス側の空間を低減する手段をオゾン化ガス側の空間に備え、オゾン化ガスのオゾン発生器内に滞留する時間を低減することを特徴とするオゾン発生装置。

（３）互いに対向するように配置された二つの電極、それら電極の対向する表面の少なくとも一方に誘電体を配置し、前記電極端部での沿面放電の発生を防ぐため、どちらか一方の電極長さが他方の電極長さより長くあるいは短くして電極端部をそろえずに沿面距離を取った構成で、しかも前記対向する電極間の空間に隣接するオゾン化ガス側の空間に空間低減部品を配置したオゾン発生管を作製し、前記電極間に交流高電圧を印加して前記電極間で放電を発生させると共に前記放電空間中に酸素を含む原料ガスを供給することを特徴とするオゾン化ガスの生成方法。
（４）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、前記電極端部での沿面放電の発生を防ぐため、どちらか一方の電極長さが他方の電極長さより長くあるいは短くして電極端部をそろえずに沿面距離を取った構成で、しかも前記対向する電極間の空間に隣接するオゾン化ガス側の空間に空間低減部品を配置したオゾン発生管と、このオゾン発生管を内蔵する筐体とを備えたオゾン発生装置を作製し、前記電極間に交流高電圧を印加して前記電極間で放電を発生させると共に前記放電空間中に酸素を含む原料ガスを供給することを特徴とするオゾン化ガスの生成方法。
（５）前記オゾン発生管あるいはオゾン発生装置を冷却することを特徴とするオゾン化ガスの生成方法。

本発明のオゾン発生管の対向電極の一例の横断面図を示す。 本発明のオゾン発生管の対向電極の上記と異なる例の横断面図を示す。 （ａ）は本発明のオゾン発生管を用いて製造されたオゾン化ガスの濃度を従来例と比較したグラフを示す。（ｂ）は上記（ａ）のグラフのデータを得たときのオゾン発生管の電極極構造の要部を示す。 は本発明のオゾン発生管の対向電極を冷却する一例の横断面図を示す。 は本発明のオゾン発生管の対向電極を冷却する上記と異なる一例の横断面略図を示す。 従来のオゾン発生管の対向電極の一例の横断面図を示す。 従来のオゾン発生管の対向電極の上記と異なる例の横断面図を示す。

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
８．空間低減部品
１０．冷却装置
１１．冷却水

Claims (5)

1. 互いに対向して配置された電極と、前記電極の対向する表面の少なくとも一方に配置した誘電体とからなり、前記電極のいずれか一方の電極長さを、電極端部での沿面放電の発生を防止できるよう他方の電極長さよりも長くした構成で、その電極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管において、耐オゾン性のある絶縁物で形成され、オゾン化ガスが排出される側の対向する短い電極の端部から他方の長い電極の差による空間の容積を低減させる部品であって、かつオゾン化ガスが滞留する時間を低減し、移動できるための部品を前記オゾン化ガスが排出される側の空間に配置し、固定することを特徴とするオゾン発生管。
2. 両端が開口された円筒状の接地電極と、その接地電極の内側に空隙を介して同心状に配置した円筒高電圧電極と、前記接地電極と高電圧電極の対向する面の少なくとも一方に形成した誘電体層とからなり、前記接地電極の電極長さを電極端部での沿面放電の発生を防止できるよう前記高電圧電極の電極長さよりも長くした構成で、その電極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管において、耐オゾン性のある絶縁物で形成され、オゾン化ガスが排出される側の対向する前記高電圧電極の端部から前記接地電極の差による空間の容積を低減させる部品であって、かつオゾン化ガスが滞留する時間を低減し、移動できるための部品を前記オゾン化ガスが排出される側の空間に配置し、固定することを特徴とするオゾン発生管。
3. 請求項１又は２記載のオゾン発生管において、オゾン発生管のオゾン化ガス側に取付ける密閉用のフタに、空間低減部品を一体化した構造として取付ける構造を備えることを特徴とするオゾン発生管。
4. 電極のいずれか一方、あるいは両方の電極が冷却されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のオゾン発生管。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載のオゾン発生管と、このオゾン発生管を内蔵する筐体とを備えることを特徴とするオゾン発生装置。

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