JP4999503B2 - オゾン発生装置 - Google Patents

Description

この発明は、水処理設備等に利用されるオゾン化ガスを工業的に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。高圧電極は、誘電体放電管の内面にアルミなどの金属を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。
放電場で生成されたオゾンや窒素酸化物などのオゾン等により高圧電極が腐食しないように、誘電体放電管を密閉するものもある。（例えば、特許文献１を参照）

特開平１１−３５３０３号公報。

ガス流の下流側の端を閉じた誘電体放電管は、前述のように通常の運転状態および手順にしたがった起動停止を行っていれば、高圧電極が腐食することはない。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。これらのことを、発明者らは発見した。

誘電体放電管を密閉すると、ガス圧力と大気圧との差分の圧力が誘電体放電管にかかる。圧力をかけられた誘電体を電場にさらすと、絶縁耐力が低下することが知られている。また、圧力すなわち機械的ストレスがかかることは、誘電体放電管が割れる確率が増えて、信頼性が低下する。
この発明に係るオゾン発生装置は、誘電体放電管にガス圧力がかからないようにして、非常停止などの際にも高圧電極が腐食することがないようなオゾン発生装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係るオゾン発生装置は、酸素を含む原料ガスからオゾンを含むガスであるオゾン化ガスを放電により生成するオゾン発生装置であって、原料ガスが流れてくる側の一端にガス流通口を設けたガス流通栓を設置し、もう一端は密閉された円筒状の誘電体放電管と、該誘電体放電管の内部に円筒状に設けられて交流電圧が印加される高圧電極と、前記誘電体放電管の外側に所定の間隔をおいて設けられた金属円筒管である接地電極と、前記高圧電極に交流電圧を印加する高圧電源と、前記誘電体放電管、前記高圧電極及び前記接地電極を収容し、原料ガスが入りオゾン化ガスが出る密閉可能な高圧容器と、前記誘電
体放電管と前記接地電極の間を流れる原料ガスを前記高圧容器に供給する原料ガス供給部と、前記高圧電源及び前記原料ガス供給部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、オゾン発生装置を停止させる際に、前記高圧電源が交流電圧を前記高圧電極に印加することを停止し、前記高圧タンク内のオゾン濃度が起動前と同じまで低下した後に前記原料ガス供給部が原料ガス供給を停止するように制御することを特徴としたものである。

さらに、酸素を含む原料ガスからオゾンを含むガスであるオゾン化ガスを放電により生成するオゾン発生装置であって、原料ガスが流れてくる側の一端にガス流通口を設けたガス流通栓を設置し、もう一端は開放された円筒状の第一の誘電体放電管と、一端が開放されもう一端が密閉された円筒状の第二の誘電体放電管と、前記第一の誘電体放電管の開放端と前記第二の誘電体放電管の開放端を気密を保って塞ぎ、前記第一の誘電体放電管及び前記第二の誘電体放電管の内部を連通させる絶縁物からなる円筒状の連結部材と、前記第一の誘電体放電管及び前記第二の誘電体放電管の内部に円筒状に設けられて交流電圧が印加される高圧電極と、前記第一の誘電体放電管及び前記第二の誘電体放電管の外側に所定の間隔をおいて設けられた金属円筒管である接地電極と、前記高圧電極に交流電圧を印加する高圧電源と、前記第一の誘電体放電管、前記第二の誘電体放電管、前記高圧電極及び前記接地電極を収容し、原料ガスが入りオゾン化ガスが出る密閉可能な高圧容器と、前記第一の誘電体放電管及び前記第二の誘電体放電管と前記接地電極の間を流れる原料ガスを前記高圧容器に供給する原料ガス供給部と、前記高圧電源及び前記原料ガス供給部を制御する制御部とを備えたものである。

この発明に係るオゾン発生装置は、酸素を含む原料ガスからオゾンを含むガスであるオゾン化ガスを放電により生成するオゾン発生装置であって、原料ガスが流れてくる側の一端にガス流通口を設けたガス流通栓を設置し、もう一端は密閉された円筒状の誘電体放電管と、該誘電体放電管の内部に円筒状に設けられて交流電圧が印加される高圧電極と、前記誘電体放電管の外側に所定の間隔をおいて設けられた金属円筒管である接地電極と、前記高圧電極に交流電圧を印加する高圧電源と、前記誘電体放電管、前記高圧電極及び前記接地電極を収容し、原料ガスが入りオゾン化ガスが出る密閉可能な高圧容器と、前記誘電体放電管と前記接地電極の間を流れる原料ガスを前記高圧容器に供給する原料ガス供給部と、前記高圧電源及び前記原料ガス供給部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、オゾン発生装置を停止させる際に、前記高圧電源が交流電圧を前記高圧電極に印加することを停止し、前記高圧タンク内のオゾン濃度が起動前と同じまで低下した後に前記原料ガス供給部が原料ガス供給を停止するように制御することによって、オゾン発生装置を非常停止させる場合でも高圧電極を腐食させることがないという効果が有る。

さらに、酸素を含む原料ガスからオゾンを含むガスであるオゾン化ガスを放電により生成するオゾン発生装置であって、原料ガスが流れてくる側の一端にガス流通口を設けたガス流通栓を設置し、もう一端は開放された円筒状の第一の誘電体放電管と、一端が開放されもう一端が密閉された円筒状の第二の誘電体放電管と、前記第一の誘電体放電管の開放端と前記第二の誘電体放電管の開放端を気密を保って塞ぎ、前記第一の誘電体放電管及び前記第二の誘電体放電管の内部を連通させる絶縁物からなる円筒状の連結部材と、前記第一の誘電体放電管及び前記第二の誘電体放電管の内部に円筒状に設けられて交流電圧が印加される高圧電極と、前記第一の誘電体放電管及び前記第二の誘電体放電管の外側に所定の間隔をおいて設けられた金属円筒管である接地電極と、前記高圧電極に交流電圧を印加する高圧電源と、前記第一の誘電体放電管、前記第二の誘電体放電管、前記高圧電極及び前記接地電極を収容し、原料ガスが入りオゾン化ガスが出る密閉可能な高圧容器と、前記第一の誘電体放電管及び前記第二の誘電体放電管と前記接地電極の間を流れる原料ガスを前記高圧容器に供給する原料ガス供給部と、前記高圧電源及び前記原料ガス供給部を制御する制御部とを備えたものなので、オゾン発生装置を非常停止させる場合でも高圧電極を腐食させることがないという効果が有る。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るオゾン発生装置の構造を説明する図である。図２から図５に、誘電体放電管の構造を説明する図を示す。図２が、ガスの流れに平行な断面での断面図である。図３が、ガスの流れに垂直な断面での断面図である。図４が、ガス流の上流側から誘電体放電管を見た矢視図である。図２におけるＡＡ断面での断面図が図３であり、図２におけるＣの方向から見た矢視図が、図４である。図３におけるＢＢ断面が図２となる。

高圧容器である高圧タンク１００の水平方向の中央部に複数の高圧電極１と接地電極２との組が収容されている。高圧電極１は誘電体放電管３の内面にアルミやニッケルなどの導電性が高い金属の膜として形成される。接地電極２は、ステンレスなどの金属管で構成される。誘電体放電管３と接地電極２はどちらも円筒状の形状であり、誘電体放電管３と接地電極２は同心になるように配置される。誘電体放電管３と接地電極２との間にできる空間が、放電空間４である。放電空間４の断面を偏りがないドーナツ状にするために、誘電体放電管３の両端に近い位置にスペーサ４Ａを設ける。

高圧タンク１００は、円筒を横向きに置いたような外形である。円形の断面には、複数の誘電体放電管３と接地電極２の組が必要な間隔をあけて、所定数だけ配置される。円筒状の接地電極２はその両端で、接地電極２の内部にガスが通るように接地電極２の位置に穴があけられた平板５Ａが取り付けられる。２枚の平板５Ａと接地電極２とが合わさって、軸方向に複数の貫通穴（接地電極２の内面）が設けられた外形が円筒状の構造体５Ｂになる。この構造体５Ｂは、高圧タンク１００の内壁とともに密閉された空間を形成でき、この空間に接地電極２を冷却するための冷却水６が充填される。この冷却水６は、高圧タンク１００の下側に設けた冷却水用ヘッダ７により、構造体５Ｂと高圧タンク１００から
なる空間に供給されかつ排出される。

高圧タンク１００の図における左下に原料ガス入口１０１があり、右下にオゾン化ガス出口１０２がある。原料ガス入口１０１から入った原料ガスは、無声放電が発生している放電空間４を通過して、放電により生成されたオゾンを含むオゾン化ガスになり、オゾン化ガス出口１０２から排出される。高圧タンク１００の左上には、高圧電源８からの高圧配線９を高圧タンク１００内に導入するために、高電圧線導入口１０３が設けられている。高電圧線導入口１０３には、接地されている高圧タンク１００と高圧配線９の間を十分に絶縁し、かつガスが漏れないような対策をとる。原料ガス入口１０１とオゾン化ガス出口１０２にはそれぞれ、バルブ１０（図示せず）があり、原料ガスの圧力と流量を調整できる。また、２個のバルブ１０を閉めれば、高圧タンク１００は密閉される。２個のバルブ１０は、原料ガス供給部１１により制御される。原料ガス供給部１１は、原料ガスの流量及び圧力も制御する。原料ガス供給部１１と高圧電源８は、制御部１２により制御される。

原料ガスは空気とする。なお、酸素を使用してもよい。酸素を含むガスであり、放電で有害物質が発生せず、コストが許容できるガスであれば、原料ガスはどのようなガスを使用してもよい。
ガラスなどからなる一端が密閉された円筒状の誘電体放電管３は、その内面にアルミやニッケルなどの金属を蒸着した給電膜すなわち高圧電極１を有する。高圧電極１も円筒状の形状になる。高圧電極１には給電ブラシ１３を介して給電棒１４が接続される。給電棒１４は、ヒューズ１５を介して高圧配線９に接続される。ヒューズ１５は、誘電体放電管３で絶縁破壊が発生するなどして、高圧電極１と接地電極２の間に過度の電流が流れる状況が発生した場合に、即座に過度の電流を遮断するためのものである。このヒューズ１５は、誘電体放電管３の開放端を塞ぐガス流通量制御栓１６により誘電体放電管３に取り付けられる。給電ブラシ１３及び給電棒１４は腐食に強いステンレス製とし、高圧配線９とヒューズ１５は腐食に強い被覆を設ける。誘電体放電管３の開放端は、原料ガスが流れて来る側に配置する。

ガス流通量制御栓１６は、耐食性が高いフッ素樹脂製とする。ガス流通量制御栓１６には、僅かなガスが流通できるようにガス流通口１７を設ける。高圧タンク１００の内部は、動作中は２気圧程度に加圧する。ガス流通口１７の大きさは、加圧された誘電体放電管３を大気圧中において、誘電体放電管３の内部の圧力が大気圧になるのに要する時間が数分から数十分になるような大きさとする。誘電体放電管３としては、ホウケイ酸ガラスなどのガラス管、アルミナセラミックスや二酸化チタンセラミックスなどのセラミックス管、外側面に誘電体を皮膜した金属管などを用いる。

次に動作を説明する。図５に、オゾン発生装置の起動手順及び停止手順を説明する図を示す。図６にオゾン発生装置が非常停止した場合の動作を説明する図を示す。なお、図５と図６は、動作の概念を説明する仮想的な図である。図５と図６では、放電電力量、ガス流量、高圧タンク１００内のガス圧力、誘電体放電管３内部の圧力、誘電体放電管３の上流側（入口付近と略す）と下流側（出口付近と略す）のその内部のオゾン濃度について、その時間変化を示す。オゾン濃度は縦軸を対数軸とする。なお、放電により窒素酸化物なども生成されるが、窒素酸化物などの濃度はオゾン濃度にほぼ比例するので、オゾン濃度だけを示す。

オゾン発生装置が停止中は、高圧タンク１００内の圧力を大気圧よりも高くして密閉して、高圧タンク１００の内部に外部から空気及び水分が入らないようにしている。オゾン発生装置を起動する場合には、図５の左半分に示すように、まず、高圧タンク１００内に所定の圧力（２気圧程度）及び所定の流量で原料ガスを送り込む。所定時間が経過して、誘電体放電管３の内部の圧力が高圧タンク１００内の圧力と同じになると、高圧電極１と接地電極２の間のギャップ長で放電が発生するような所定の大きさの交流電圧を高圧電極１に印加する。放電空間４に無声放電が発生し、オゾンが生成される。出口付近のオゾン濃度は所定値であり、所定の濃度のオゾンを含むオゾン化ガスが所定の量だけ製造される。定常的なガス流があるので、放電で生成されたオゾンはガス流の上流側である入口付近にはほとんど来ない。そのため、入口付近のオゾン濃度は低い。さらに、ガス流通口１７の断面積は誘電体放電管３の断面積に比較して十分に小さいので、圧力差がない状態でガス流通口１７を通過するガス量は非常に小さくなる。そのため、誘電体放電管３の内部にはオゾン等はほとんど入らない。したがって、誘電体放電管３の内部のオゾン濃度は、放電を開始する前の値（大気中に自然に存在するオゾン濃度）に保たれる。窒素酸化物に関しても同様である。
なお、誘電体放電管３の内部に入るオゾン等の量が許容できる範囲（腐食を引き起こすことがない範囲）であることを、ほとんど入らないと表現する。

オゾン発生装置を停止する場合には、図５の右半分に示すように、まず、高圧電極１に交流電圧を印加することを停止し、放電を発生させなくする。原料ガスの供給は、オゾンや窒素酸化物が高圧タンク１００の外に排出されるまで、そのまま継続する。放電停止後ガスを流通しておく時間はタンクの大きさ（容量：Ｖ(ｍ３)）と流通するガス量（Ｑ（ｍ３/ｓ））に依存するが、タンク内のガスが完全に置換される時間ｔ１（＝Ｖ／Ｑ（ｓ）
）よりも数倍以上長く設定しておけばよい。ガス出口のオゾンの濃度計を計測し、十分小さな値（たとえば０．１ｐｐｍ）になってからガスを止める方法も有効である。
放電が停止になるとオゾンが生成しなくなるので、出口付近のオゾン濃度が低下する。所定時間が経過して、入口付近および出口付近のオゾン濃度が十分に低下している状態で、原料ガスを高圧タンク１００内に送り込むことを停止し、タンク出入り口のバルブ１０を閉じる。ガス供給を停止すると、ガスを流すための圧力分だけ、高圧タンク１００内の圧力が低下し、これに伴って誘電体放電管３内は、さらにゆっくりとガス圧力が低下していくことになる。また、原料ガスの供給を停止し、タンク出入り口のバルブ１０を閉じることにより、タンク内のガス圧力が常に大気圧よりも高くなるようにする。このように、所定の手順でオゾン発生装置が停止する場合には、入口付近のオゾン濃度は低い状態が保たれるので、ガス流の上流端を開放した従来の誘電体放電管でも高圧電極が腐食することはない。
さらに、ガス流通量制御栓１６を有する誘電体放電管３では、高圧タンク１００内の圧力が低下しても、所定の時間は誘電体放電管３内部の圧力が高圧タンク１００内の圧力よりも高く保たれる。この時間内では誘電体放電管３から気体が出るだけであり、オゾン等が誘電体放電管３内部に入る事はない。また、圧力が同じになった後でも、ガス流通口１７は十分に小さいので、オゾン等は誘電体放電管３内部にほとんど入らない。

オゾン発生装置を非常停止して大気に開放する場合には、図６に示すように、放電の停止と、ガス流の停止及び大気への開放がほぼ同時に発生する。大気に開放されると、高圧タンク１００内の圧力は大気圧になる。放電により発生したオゾン等が高圧タンク内に残っているので、ガス流が止まり大気に開放されると、オゾン等が高圧タンク内外に拡散し、入口付近のオゾン濃度が増加する。入口付近のオゾン濃度が高くなっても、大気に開放されてから所定の時間は誘電体放電管３内部の圧力が大気圧よりも高く保たれ、この時間内では誘電体放電管３から気体が出るだけであり、オゾン等が誘電体放電管３内部に入ることはない。誘電体放電管３内部の圧力が大気圧になるには数分から数十分の時間があるので、オゾンが大気に拡散して入口付近のオゾン濃度が低くなっており、かつガス流通口１７は十分に小さいので、オゾン等および大気中の水分は誘電体放電管３内部にほとんど入らない。また、オゾン濃度が低くなっていない場合でも、誘電体放電管３内部の圧力が大気圧になるまでの数分から数十分の時間で、高圧電極を腐食から保護するための何らかの対策を取ることが可能である。

これに対して、従来の誘電体放電管では、その内部の圧力とオゾン濃度は、入口付近と同じになる。そのため、大気に開放されるとすぐにその内部の圧力が大気圧まで低下し、オゾン、窒素酸化物および大気中の水分が誘電体放電管の内部にも外部と同様に拡散する。その結果、窒素酸化物と水から生成された硝酸により高圧電極を腐食する。
誘電体放電管３の内部と外部の圧力差は、高圧タンク１００の内部圧力が変化した後の所定時間にだけ発生し、常時は誘電体放電管３に圧力がかかることはない。また、誘電体放電管３に圧力がかかる時間には放電させることはない。このため、密閉した誘電体放電管よりも、その信頼性は格段に高い。

ガス流通量制御栓１６は、バイトン（登録商標）、ＥＰＤゴム、シリコンなどの絶縁物を用いても同様の効果を奏する。また、ステンレスや鉄、アルミ、銅などの金属材料を用いてもよい。十分な耐腐食性を持つものであり、放電に悪影響を与えない材料であれば、どのような材料を使用してもよい。
ガス流通量制御栓１６は、ヒューズ１５を誘電体放電管３に固定する役割も持っていたが、必ずしもそうする必要はない。片端を閉じた管を使用したが、両端が開放された管を用いて、両端に栓をするようにしてもよい。両端に栓をする場合は、ガス流の上流側の栓に通気口を設け、下流側の線には通気口を設けない。
高圧電極は誘電体放電管の内面に蒸着した金属膜としたが、円筒状の導電性を有する金属を誘電体放電管の内部に挿入してもよい。高圧電極と接地電極が同心に配置され、高圧電極と接地電極との間の間隔が放電を発生させるのに適切かつ均等な間隔にできれば、高圧電極はどのように配置してもよい。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。

実施の形態２．
この実施の形態２は、誘電体放電管の構造を両端に栓をしたものに変更した実施の形態である。図７に、この発明の実施の形態２に係るオゾン発生装置が有する誘電体放電管の構造を説明するガスの流れに平行な断面での断面図を示す。全体構造は、実施の形態１と同じである。

実施の形態１の場合と比較して相違する点だけを説明する。誘電体放電管３Ａの両端が開放しており、下流側の端にはガス封じ栓１８を備えている。ガス封じ栓１８は、ガスの流通を完全に遮断するものである。なお、上流側には、実施の形態１と同じガス流通量制御栓１６を使用する。

この実施の形態２に係るオゾン発生装置は、実施の形態１と同様に動作し、同様の効果がある。

実施の形態３．
この実施の形態３は、実施の形態２の誘電体放電管をさらに上流側の栓の構造を変更したものである。図８に、この発明の実施の形態３に係るオゾン発生装置が有する誘電体放電管の構造を説明するガスの流れに平行な断面での断面図を示す。全体構造は、実施の形態１と同じである。

実施の形態２の場合と比較して相違する点だけを説明する。ガス流通量制御栓１６Ａは、ヒューズ１５ではなく給電棒１４Ａを誘電体放電管３Ａに固定する。なお、図８ではヒューズ１５を誘電体放電管３Ａの近くに配置しているが、ヒューズを誘電体放電管から離して設置する場合や、ヒューズを有しない場合にも、ガス流通量制御栓１６Ａは使用できる。

この実施の形態３に係るオゾン発生装置は、実施の形態１と同様に動作し、同様の効果がある。

実施の形態４．
この実施の形態４は、１本の接地電極の中に直列に２本の誘電体放電管を配置し、高圧電極に電圧を印加中はガス流通栓を閉じるようにした場合である。図９に、この発明の実施の形態４に係るオゾン発生装置が有する誘電体放電管の構造を説明するガスの流れに平行な断面での断面図を示す。

誘電体放電管を２本にする理由について説明する。オゾン発生量は、放電電極（誘電体放電管）の表面積に比例するため、オゾン発生量を増大する時には、誘電体放電管の数を大きくするか、誘電体放電管の長さを長くすればよい。高圧タンクの径を大きくするとメンテナンスなどで不都合が発生するので、高圧タンクの径には適正な大きさがあり、誘電体放電管の数にも適正な数がある。誘電体放電管の長さを長くすることもコスト的に上限がある。誘電体放電管は、外径、内径、真円度、直線性などに関して所定の精度を満足する必要がある。長くなると所定の精度を得るためのコストが高くなるので、許容できるコストで製造できる誘電体放電管の長さには上限がある。図９に示すように１本の接地電極の中に２本の誘電体放電管を配置すると、１本の接地電極の中に１本の誘電体放電管を２組備える場合よりも、単位オゾン発生量あたりの高圧タンク及び接地電極などの製造コストが安くなり、安価にオゾン発生装置を製造できる。

図９において、図における左から右にガスが流れるとする。図における左側を上流側と呼び、右側を下流側と呼ぶ。上流側の誘電体放電管３Ｂは、両端が開放されており、上流側にガス流通口１７を開閉できるガス流通量制御栓１６Ｂを設け、下流側にガス封じ栓１８を設ける。下流側の誘電体放電管３Ｃは、両端が開放されており、上流側にガス流通口１７を開閉できるガス流通量制御栓１６Ｃを設け、下流側にガス封じ栓１８Ａを設ける。誘電体放電管３Ｂと誘電体放電管３Ｃは、高圧電極１に高電圧を印加できるように、高圧配線９が接続される側が接地電極２の両端になる向きに挿入する。そのため、ガス流通量制御栓１６Ｂとガス封じ栓１８Ａには、気密を保ちながらヒューズ１５を誘電体放電管３Ｂまたは誘電体放電管３Ｃに取付ける役目も持つ。

ガス流通量制御栓１６Ｂとガス流通量制御栓１６Ｃは、高圧電極１に電圧が印加されている間はガス流通口１７を閉じてガスを通さず、電圧が印加されていない時は所定の流量でガスを通すものである。ガスを通す場合は、実施の形態１と同様に、動作時のガス圧力が数分から数十分の所定時間で大気圧になる程度のガス流が通るものとする。

次に動作を説明する。図１０は、この発明の実施の形態４に係るオゾン発生装置の動作を説明する図である。図１０では、放電電力量、ガス流量、高圧タンク１００内のガス圧力、誘電体放電管３内部の圧力、高圧タンク１００内の各部及び誘電体放電管３Ｂ、３Ｃ内部のオゾン濃度について、その時間変化を示す。高圧タンク１００内の各部のオゾン濃度は、上流側の誘電体放電管３Ｂの上流側（入口付近と呼ぶ）と、２本の誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの間（中間付近と呼ぶ）と、下流側の誘電体放電管３Ｃの下流側（出口付近と呼ぶ）の３点について示す。また、比較のために、ガス流通口１７を常に開いている場合での下流側の誘電体放電管３Ｃ内部のオゾン濃度を、破線で示す。

この実施の形態４に係るオゾン発生装置を起動する場合には、図１０の左半分に示すように、まず、高圧タンク１００内に所定の圧力及び所定の流量で原料ガスを送り込む。高圧電極には電圧を印加せず、ガス流通量制御栓１６Ｂとガス流通量制御栓１６Ｃのガス流通口１７は開いており、しだいに誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの内部の圧力が上昇する。誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの内部の圧力は、上流側でも下流側でも同じである。所定時間が経過して、誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの内部の圧力が高圧タンク１００内の圧力と同じになると、高圧電極１と接地電極２の間のギャップ長で放電が発生するような所定の大きさの交流電圧を高圧電極１に印加する。電圧を印加すると、ガス流通量制御栓１６Ｂとガス流通量制御栓１６Ｃのガス流通口１７を閉じる。電圧が印加されると、放電空間４に無声放電が
発生し、所定の濃度のオゾンを含むオゾン化ガスが所定の量だけ製造される。出口付近のオゾン濃度は所定値であり、中間付近のガス濃度は出口付近のほぼ半分である。定常的なガス流があるので、放電で生成されたオゾンはガス流の上流側である入口付近にはほとんど来ない。そのため、入口付近のオゾン濃度は低い。

高圧電極に電圧を印加して放電が始まるとガス流通口１７が閉じるので、下流側の誘電体放電管３Ｃでもオゾン等がその内部に入ることは無く、誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの内部のオゾン濃度は、原料ガスと同じオゾン濃度に保たれる。高圧電極に電圧を印加している時にガス流通口を閉じることによるこの効果は、接地電極内に１本の誘電体放電管を配置する場合でも同様である。
ガス流通量制御栓１６Ｂとガス流通量制御栓１６Ｃのガス流通口１７を常に開いている場合には、図１０において破線で示すように、オゾン発生装置の動作中に下流側にある誘電体放電管３Ｃの内部のオゾン濃度がしだいに上昇して、高圧電極１の腐食をもたらす可能性がある。放電発生中にガス流通口１７を閉じれば、オゾン発生装置の動作中に、下流側にある誘電体放電管３Ｃの内部のオゾン濃度が上昇することはなく、高圧電極１が腐食することが無い。

オゾン発生装置を停止する場合には、図１０の右半分に示すように、まず、高圧電極１に交流電圧を印加することを停止し、放電を発生させなくする。高圧電極１に交流電圧を印加しなくなると、ガス流通量制御栓１６Ｂとガス流通量制御栓１６Ｃのガス流通口１７が開く。原料ガスの供給は、そのまま継続する。放電を停止するとオゾン等が発生しなくなるので、中間付近及び出口付近のオゾン濃度が短時間で大きく低下する。ガス流通口１７が開いているが、ガス流通口１７は小さく、中間付近のオゾン濃度が低下するまでの時間は短く、誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの内外の圧力差は無いので、下流側の誘電体放電管３Ｃでもオゾン等が誘電体放電管３Ｃの内部にほとんど入らない。上流側の誘電体放電管３Ｂは、入口付近のオゾン濃度は低いので、オゾン等が誘電体放電管３Ｂの内部にほとんど入らない。

所定時間が経過して、中間付近及び出口付近のオゾン濃度が十分に低下している状態で、原料ガスを高圧タンク１００内に送り込むことを停止し、ガスバルブを閉じて高圧タンク１００を密閉する。原料ガスの供給を停止すると、高圧タンク１００内の圧力はガス流を発生させるために加えていた圧力分だけ低下する。大気圧よりも高い誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの内部の圧力はしだいに低下して、さらに所定の時間後に高圧タンク１００内の圧力と同じになる。この段階でも、オゾン等が誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの内部に入らない。

オゾン発生装置を非常停止して大気に開放する場合には、図１１に示すように、電圧印加の停止と、ガス流の停止及び大気への開放がほぼ同時に発生する。電圧を印加しなくなると、ガス流通量制御栓１６Ｂとガス流通量制御栓１６Ｃのガス流通口１７が開く。誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの内部の圧力は大気圧よりも高く、数分から数十分という所定の時間の間は、誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの内部からガスが出て、オゾン等および大気中の水分は誘電体放電管３Ｂ、３Ｃ内部に入らない。これは、実施の形態１の場合での動作と同様である。

ガス流通口１７を高圧電極１に電圧を印加していない場合に開くと、高圧電極１に電圧を印加しなくなってから中間付近のオゾン等の濃度が低下するまでのごく短い時間ではあるが、下流側の誘電体放電管３Ｃの内部には開いたガス流通口１７からオゾン等が入りこみ、オゾン発生装置の起動と停止の回数が非常に大きくなると高圧電極を腐食する可能性がある。この可能性をさらに小さくするための対策について説明する。
高圧電極に電圧を印加しなくなり高圧タンクからオゾン等が排出されるまでの所定時間が経過後にガス流通口１７を開くようにすれば、高圧タンク内にオゾン等が残っている状態ではガス流通口が閉じているので、誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの内部にオゾン等が入ることをほぼ完全に防止できる。高圧電極に電圧を印加しないでガス流を流す時に電圧を印加している時よりもガスの圧力を少し下げるようにすれば、高圧電極に電圧を印加しなくなってガス流通口が開いても、暫くの間は誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの内部からガスが出る状態になるので、オゾン等が誘電体放電管３Ｂ、３Ｃの内部に入らない。
これらの対策は、接地電極内に１本の誘電体放電管を配置する場合に適用しても同様の効果が得られる。

実施の形態５．
実施の形態５は、誘電体放電管の内面にある高圧電極の上を耐オゾン性、耐窒素酸化物性のある保護材料で覆う場合である。図１２は、この発明の実施の形態５に係るオゾン発生装置の誘電体放電管の構造を説明するためのもので、ガスの流れに平行な断面での断面図を示している。全体構造は、実施の形態１と同じである。
高圧電極１の上を誘電体放電管３と同種のガラス１９でコーティングしている。高圧電極１は極めて安定なガラス１９により覆われてコーティングされているため、腐食の心配はない。また、誘電体放電管の一方だけを封じるので、誘電体放電管に圧力がかかることも無い。ガラス１９が、高圧電極１を覆って保護する保護部である。

この実施の形態５に係るオゾン発生装置は、実施の形態１と同様に動作し、同様の効果がある。なお、高圧電極が保護部により保護されているので、誘電体放電管の開放端を原料ガスの流れの下流側に向けても、オゾン等により高圧電極が腐食することは無い。
この実施の形態ではガラスのコーティングの場合について示したが、アルミナなどのセラミックの溶射でコーティングしても同様の効果を奏する。また、その他のセラミックや絶縁性の材料でコーティングしておいても良い。このように高圧電極の上を絶縁性の材料でコーティングしておくと、窒素酸化物から生成される硝酸やオゾンから高圧電極を保護できると同時に、高圧電極１の端部で発生しやすい沿面放電も抑制することができ、効果的である。

実施の形態６．
実施の形態６は、２本の放電体誘電管をパイプ状の連結部材で繋ぐように実施の形態４を変更した場合である。図１３に、この発明の実施の形態６に係るオゾン発生装置が有する誘電体放電管の構造を説明するガスの流れに平行な断面での断面図を示す。

実施の形態４の場合である図９と異なる点だけを説明する。上流側が第一の誘電体放電管であり、下流側が第二の誘電体放電管である。上流側の誘電体放電管３Ｄの下流端と下流側の誘電体放電管３Ｅの上流端は開放されており、これらの間を円筒管である連結部材２０が繋いでいる。連結部材２０は、耐食性が高いフッ素樹脂製などガス流通量制御栓と同じ素材とする。なお、耐食性が高ければ、ガス流通量制御栓と異なる素材でもよい。
両側の誘電体放電管３Ｄ、３Ｅの開放端に対して連結部材２０は栓の役割を果し、誘電体放電管３Ｄ及び誘電体放電管３Ｅと連結部材２０の間では気密が保たれる。連結部材２０は、上流側の誘電体放電管３Ｄと下流側の誘電体放電管３Ｅの内部空間を連通する。上流側の誘電体放電管３Ｄの上流端には、実施の形態１と同様なガス流通栓１６を設ける。下流側の誘電体放電管３Ｅの下流端は、ガス封じ栓１８Ａにより密閉する。以上の構成により、２本の誘電体放電管３Ｄ、３Ｅが１本の長い誘電体放電管と同等な働きをすることになる。

この実施の形態６に係るオゾン発生装置は、実施の形態１と同様に動作し、同様の効果がある。２本の誘電体放電管を連結部材により繋ぐことにより、放電空間の長さを１本の誘電体放電管の場合よりも長くでき、単位オゾン発生量あたりの高圧タンク及び接地電極などの製造コストが安くなり、安価にオゾン発生装置を製造できる。

この発明の実施の形態１に係るオゾン発生装置の構造を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係るオゾン発生装置が有する誘電体放電管の構造を説明するガスの流れに平行な断面での断面図である。 この発明の実施の形態１に係るオゾン発生装置が有する誘電体放電管の構造を説明するガスの流れに垂直な断面での断面図である。 この発明の実施の形態１に係るオゾン発生装置が有する誘電体放電管の構造を説明するガス流の上流側から見た矢視図である。 オゾン発生装置の起動手順及び停止手順を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係るオゾン発生装置が非常停止した場合の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係るオゾン発生装置が有する誘電体放電管の構造を説明するガスの流れに平行な断面での断面図である。 この発明の実施の形態３に係るオゾン発生装置が有する誘電体放電管の構造を説明するガスの流れに平行な断面での断面図である。 この発明の実施の形態４に係るオゾン発生装置が有する誘電体放電管の構造を説明するガスの流れに平行な断面での断面図である。 この発明の実施の形態４に係るオゾン発生装置の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態４に係るオゾン発生装置が非常停止した場合の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態５に係るオゾン発生装置が有する誘電体放電管の構造を説明するガスの流れに平行な断面での断面図である。 この発明の実施の形態６に係るオゾン発生装置が有する誘電体放電管の構造を説明するガスの流れに平行な断面での断面図である。

符号の説明

１００：高圧タンク
１０１：原料ガス入口
１０２：オゾン化ガス出口
１０３：高電圧線導入口
１ ：高圧電極
２ ：接地電極
３ ：誘電体放電管
３Ａ：誘電体放電管
３Ｂ：誘電体放電管
３Ｃ：誘電体放電管
３Ｄ：誘電体放電管
３Ｅ：誘電体放電管
４ ：放電空間
４Ａ：スペーサ
５Ａ：平板
５Ｂ：構造体
６ ：冷却水
７ ：冷却水用ヘッダ
８ ：高圧電源
９ ：高圧配線
１０ ：バルブ
１１ ：原料ガス供給部
１２ ：制御部
１３ ：給電ブラシ
１４ ：給電棒
１４Ａ：給電棒
１５ ：ヒューズ
１６：ガス流通量制御栓
１６Ａ：ガス流通量制御栓
１６Ｂ：ガス流通量制御栓
１６Ｃ：ガス流通量制御栓
１７ ：ガス流通口
１８ ：ガス封じ栓
１８Ａ：ガス封じ栓
１９ ：ガラス（保護部）
２０ ：連結部材

Claims (6)

1. 酸素を含む原料ガスからオゾンを含むガスであるオゾン化ガスを放電により生成するオゾン発生装置であって、
   原料ガスが流れてくる側の一端にガス流通口を設けたガス流通栓を設置し、もう一端は密閉された円筒状の誘電体放電管と、
   該誘電体放電管の内部に円筒状に設けられて交流電圧が印加される高圧電極と、
   前記誘電体放電管の外側に所定の間隔をおいて設けられた金属円筒管である接地電極と、
   前記高圧電極に交流電圧を印加する高圧電源と、
   前記誘電体放電管、前記高圧電極及び前記接地電極を収容し、原料ガスが入りオゾン化ガスが出る密閉可能な高圧容器と、
   前記誘電体放電管と前記接地電極の間を流れる原料ガスを前記高圧容器に供給する原料ガス供給部と、
   前記高圧電源及び前記原料ガス供給部を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、オゾン発生装置を停止させる際に、前記高圧電源が交流電圧を前記高圧電極に印加することを停止し、前記高圧タンク内のオゾン濃度が起動前と同じまで低下した後に前記原料ガス供給部が原料ガス供給を停止するように制御することを特徴としたオゾン発生装置。
2. １個の前記接地電極の内部に直列に２本の前記誘電体放電管を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. 前記高圧電極に交流電圧が印加されている場合に、前記ガス流通口を閉じることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のオゾン発生装置。
4. 前記高圧電極に交流電圧が印加されなくなった後、高圧容器からオゾン化ガスが排出されるまでの所定時間も、前記ガス流通口を閉じることを特徴とする請求項３に記載のオゾン発生装置。
5. 前記制御部が、前記高圧電極に交流電圧が印加されなくなった後の高圧容器からオゾン化
   ガスが排出されるまでの所定時間に、前記高圧容器内のガス圧力を前記高圧電極に交流電圧を印加していた時よりも小さくするように前記原料ガス供給部を制御することを特徴とする請求項３に記載のオゾン発生装置。
6. 酸素を含む原料ガスからオゾンを含むガスであるオゾン化ガスを放電により生成するオゾン発生装置であって、
   原料ガスが流れてくる側の一端にガス流通口を設けたガス流通栓を設置し、もう一端は開放された円筒状の第一の誘電体放電管と、
   一端が開放されもう一端が密閉された円筒状の第二の誘電体放電管と、
   前記第一の誘電体放電管の開放端と前記第二の誘電体放電管の開放端を気密を保って塞ぎ、前記第一の誘電体放電管及び前記第二の誘電体放電管の内部を連通させる絶縁物からなる円筒状の連結部材と、
   前記第一の誘電体放電管及び前記第二の誘電体放電管の内部に円筒状に設けられて交流電圧が印加される高圧電極と、
   前記第一の誘電体放電管及び前記第二の誘電体放電管の外側に所定の間隔をおいて設けられた金属円筒管である接地電極と、
   前記高圧電極に交流電圧を印加する高圧電源と、
   前記第一の誘電体放電管、前記第二の誘電体放電管、前記高圧電極及び前記接地電極を収容し、原料ガスが入りオゾン化ガスが出る密閉可能な高圧容器と、
   前記第一の誘電体放電管及び前記第二の誘電体放電管と前記接地電極の間を流れる原料ガスを前記高圧容器に供給する原料ガス供給部と、
   前記高圧電源及び前記原料ガス供給部を制御する制御部とを備えたオゾン発生装置。