JP5185592B2

JP5185592B2 - オゾン発生装置

Info

Publication number: JP5185592B2
Application number: JP2007271740A
Authority: JP
Inventors: 智弘杉山
Original assignee: Metawater Co Ltd
Current assignee: Metawater Co Ltd
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: JP2009096693A

Description

本発明は、接地電極管と高電圧電極管との間の空間に放電を発生させてオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置に関する。

現在、オゾンが持つ殺菌・脱色・脱臭力を利用する様々な技術が開発されており、水処理施設などの広い分野で使用されている。人工的にオゾンを生成する方法の一つに放電を利用する放電法があり、放電法を利用したオゾン発生装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、放電法を利用したオゾン発生装置の概略図であり、同図（ａ）は電極管の管軸方向に沿った断面図、同図（ｂ）は管軸方向と直交する方向の断面図である。耐オゾン性ステンレス鋼で作られたチューブ状の高電圧電極管１が中心部に配置され、円筒状の接地電極管２が高電圧電極管１の外周を囲むように配置された二重円筒管構造をなしている。高電圧電極管１の外周表面にガラス等で構成される誘電体層３がライニングされている。高電圧電極管１（誘電体層３）と接地電極管２との間には放電空間４が形成され、該放電空間４はギャップ形成材５ａ，５ｂによって電極管の管軸方向の一端部から他端部に掛けて均一なギャップに保持されている。接地電極管２には冷却水６を流通する水路を形成する筐体８が設けられている。高電圧電極管１と接地電極管２との間に形成された放電空間４に原料ガス９を外部から供給し、両電極間に交流電源１０で交流高電圧（例えば周波数７０００Ｈｚ，ピーク電圧１１ｋＶの高周波電圧）を印加すると放電空間４に無声放電が発生し、オゾン化ガス１１が生成される。実用に供する高電圧電極管１および接地電極管２の寸法は、長さ１ｍ程度、直径５０〜１００ｍｍ程度が装置コストの点から選ばれている。なお、図示例では誘電体層３が高電圧電極管１の表面にライニングされているが、接地電極管２の表面に誘電体層をライニングしたものもある。

ところで、オゾン発生装置には生成ガス中のオゾン濃度を高めることが要求される。オゾン濃度を高めるためには、放電空間４の高さ(以下、「ギャップ長」という)を短くすることが必要である。図５はギャップ長とオゾン発生濃度の関係を示すグラフである。ギャップ長を短くすることによって、発生オゾン濃度を高くすることが可能であることが判る。ギャップ長を短くすることによって、ギャップ間の電界強度を高くして、放電空間４の電子のエネルギー分布が高くなるので、オゾン濃度を高めることが可能となる。現在のオゾン発生装置では、ギャップ長は０．３ｍｍ程度まで実用化されているが、さらにギャップ長を短くする構造の開発が進められている。
特開平７−１８７６１０号公報

前述の通りオゾンの高濃度化を図る場合、ギャップ長を短くすることが必要となるが、オゾン発生装置を大型化すると、ギャップ長を均一に保つことが難しくなる。即ち、装置を大型化すると、接地電極管及び高電圧電極管の曲がりや平行度、誘電体層の厚さなどのばらつきを所定の精度以下で製作することが難しくなり、必要な精度を得ようとすると、製造コストが上昇するといった問題が生じる。

これまでに、円筒管電極では、長さ＝１０００ｍｍ、ギャップ長＝０.３ｍｍのオゾン発生管が実用に供されているが、ギャップ長をさらに狭くすることは、高電圧電極管および接地電極管ともに製作精度、例えば曲がりの許容範囲をさらに小さく管理する必要があり、コストの観点から容易ではなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、製造コストの上昇を抑えた上でギャップ長をさらに狭めることができ、発生オゾン濃度を高くすることのできるオゾン発生装置を提供することを目的とする。

本発明のオゾン発生装置は、円筒状をなす高電圧電極管と、前記高電圧電極管が挿入され該高電圧電極管の外周面との間に空間が形成される接地電極管と、前記接地電極管と前記高電圧電極管との間であって管軸方向の中央部分に設けられ前記空間を形成する第１のギャップ形成材と、前記接地電極管と前記高電圧電極管との間であって管軸方向の一方の端部部分に設けられ前記空間を形成する第２のギャップ形成材とを備え、前記高電圧電極管と前記接地電極管との間の前記空間に原料ガスを供給すると共に放電を発生させてオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置であって、前記第２のギャップ形成材のギャップ相当高さを前記第１のギャップ形成材のギャップ相当高さより小さくし、内側管となる前記高電圧電極管の外径を、ガスの流れ方向から見て上流側端面から所定長さまでを大径部とし、それ以外の部分を小径部とし、前記第１のギャップ形成材を前記管軸方向の中央部側の前記大径部端部付近に設置し、前記第２のギャップ形成材を前記大径部のもう一方の端部付近に設置したことを特徴とする。

この構成によれば、接地電極管と高電圧電極管との間の管軸方向の中央部分に第１のギャップ形成材を設け、管軸方向の少なくとも一方の端部部分に第２のギャップ形成材を設けたので、管軸方向の両端部にギャップ形成材を設けた場合に比べて、高電圧電極管を接地電極管の一端側から挿入して押し込む際の、接地電極管及び高電圧電極管の曲がりや平行度、誘電体層の厚さのばらつきによる影響を軽減することができ、高電圧電極管を挿入しやすくすることができる。また、一方の端部に第２のギャップ形成材を設けているので、中央部に第１のギャップ形成材だけを設置した場合、ここを支点とするシーソー状態となり、高電圧電極管の端部が接地電極管に接する可能性があるが、このような接触を確実に防止することができる。また、高電圧電極管の中央部を支点として、高電圧電極管の両端は自由に動ける様になり、高電圧電極管を挿入しやすくすることができる。さらに、高電圧電極管の外径をガスの流れ方向の上流側と下流側で変えて大径部と小径部とを形成し、大径部の両端部にギャップ形成材を設けたので、高電圧電極管を挿入しやすくすることができる。また、下流側に放電空間のギャップ長を長くした領域を設けると、この領域での放電量が上流側に対して減少するため、この部分での冷却が容易となり、ここでの生成オゾン化ガスの分解量を低減することができる。

本発明によれば、製造コストの上昇を抑えた上でギャップ長をさらに狭めることができ、発生オゾン濃度を高くすることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るオゾン発生装置の概略構成図であり、電極管軸方向の断面を示している。実施の形態１に係るオゾン発生装置は、二重円筒管構造をなすオゾン発生管２０を備える。オゾン発生管２０は、耐オゾン性ステンレス鋼で作られたチューブ状の高電圧電極管１と、高電圧電極管１の外表面に適切な放電空間４を介して並行に設置され内面にガラスなどの誘電体層３をライニングした接地電極管２とで構成される。接地電極管２には冷却水６を流通する水路を形成する筐体８が設けられている。高電圧電極管１と接地電極管２の間に形成される放電空間４に、オゾン発生管２０の一端部（図１では左端）より原料ガス９を供給する。両電極間には交流電源１０から交流高電圧を印加可能に構成されていて、交流高電圧を印加することにより放電空間４に無声放電が発生し、オゾン化ガス１１が生成される。放電空間４で生成されたオゾン化ガス１１をオゾン発生管２０の他端部（図１では右端）より外部へ排出する。なお、誘電体層３が高電圧電極管１の表面にライニングされているが、接地電極管２の内表面にライニングしても良い。

本実施の形態では、高電圧電極管１の管軸方向の中央部に第１のギャップ形成材５-１を設け、高電圧電極管１の管軸方向の片側の端部に第２のギャップ形成材５-２を設けている。たとえば、高電圧電極管１の管軸方向の寸法が１０００ｍｍであれば、第１のギャップ形成材５−１は高電圧電極管１の端面から５００ｍｍの位置に設けられ、第２のギャップ形成材５−２は高電圧電極管１の端面位置となる一端部に設けられる。なお、第１及び第２のギャップ形成材５−１、５−２の設置位置は、管軸方向に多少ずれていても良く、このずれの許容範囲は高電圧電極管１と接地電極管２の曲がり等の製作精度から決められる。

また、図２（ａ）に示すように第１のギャップ形成材５−１のギャップ相当高さをＨｃとし、図２（ｂ）に示すように第２のギャップ形成材５−２のギャップ相当高さをＨｅとした場合、“Ｈｃ≧Ｈｅ”の関係を満たすようにギャップ形成材５−１、５−２を調整することが好ましい。

次に、ギャップ形成材の設置場所と高電圧電極管１及び接地電極管２の曲がりなどの寸法許容差との関係について説明する。
図４に示すような円筒管型オゾン発生装置において、高電圧電極管１の両端（端部より５０ｍｍ程度）にギャップ形成材５ａ，５ｂをそれぞれ取り付け、このギャップ形成材５ａ，５ｂのギャップ相当高さを全て同じ高さで設計した場合、高電圧電極管１の一端側（例えば、図４（ａ）において右側）から接地電極管２内に挿入し、最後に反対側のギャップ形成材５ａを押し込もうとすると、接地電極管２や高電圧電極管１の曲がりなどの影響のため、所定の高さのままのギャップ形成材５ａを押し込むことは、ギャップ長Ｌが短くなるほど困難であった。

一方、本実施の形態の場合、図１に示すように高電圧電極管１の中央部に所定のギャップ相当高さ（Ｈｃ）の第１のギャップ形成材５−１を取り付け、少なくとも片側の端部に“Ｈｃ≧Ｈｅ”の関係となる第２のギャップ形成材５−２を設けたので、高電圧電極管１の中央部を支点として、高電圧電極管１の両端は自由に動ける様になり、同じギャップ長Ｌであれば本実施の形態の方がより高電圧電極管１を挿入しやすくなるといった作用効果を奏することができる。

また、高電圧電極管１の中央部に第１ギャップ形成材５−１を設置しただけの場合、ここを支点とするシーソー状態となり、高電圧電極管１の端部が接地電極管２に接する可能性がある。本実施の形態のように、高電圧電極管１の少なくとも片側の端部に第２のギャップ形成材５−２を設けることにより、高電圧電極管１の端部が接地電極管２に接することを防止できる。

以上のように本実施の形態によれば、オゾン発生装置の放電空間４を形成する第１のギャップ形成材５−１を中央部分に設け、少なくとも片側の端部部分に第２のギャップ形成材５−２を設ける構造としたので、高電圧電極管１および接地電極管２の曲がりなどの寸法許容差を狭めることなく、即ち、従来の電極(例えばギャップ長０.３ｍｍのオゾン発生管)と同等の公差でも、より狭いギャップ長Ｌとして高電圧電極管１を接地電極管２に挿入して設置することが可能となる。この結果、曲がりの許容差を狭めるために要した製造コストを低減することが可能となる。

また本実施の形態によれば、管軸方向の中央部に設置する第１のギャップ形成材５−１のギャップ相当高さＨｃを、管軸方向の端部に設置される第２のギャップ形成材５−２のギャップ相当高さＨｅよりも高くしたので、高電圧電極管１の中央部を支点として、高電圧電極管１の両端は自由に動ける様になり、高電圧電極管１を挿入しやすくすることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態に係るオゾン発生装置は、二重円筒管構造をなすオゾン発生管のガスの流れ方向の上流側と下流側とでギャップ長を変えている。

図３は実施の形態２に係るオゾン発生装置に備えたオゾン発生管部分の模式図であり、電極管軸方向の断面を示している。オゾン発生管３０は、円筒状をなす金属管で構成される高電圧電極管３１と、高電圧電極管３１の外周円を囲むように配置された接地電極管３２との二重円筒管構造をなしている。接地電極管３２の内周面に誘電体層３３がライニングされていて、内側の高電圧電極管３１と外側の接地電極管３２（誘電体層３３）との間に放電空間３４が形成されている。本実施の形態では、管軸方向の中央寄りの位置に設置された第１のギャップ形成材３５−１と、管軸方向の一方の端面付近に設置された第２のギャップ形成材３５−２とで、放電空間３４を形成している。なお、図３にはオゾン発生管の模式図を示しているため、接地電極管３２の外表面に冷却水を循環させる筺体、原料ガスの供給・排気構造、高電圧電極管３１と接地電極管３２との間に電圧を印加する交流電源等は図示されていないが、オゾン発生装置を構成する場合には、図１と同様にそれらの構成要素を備えるものとする。なお、上記実施の形態１と同様に、第１のギャップ形成材３５−１のギャップ相当高さは第２のギャップ形成材３５−２のギャップ相当高さよりも高くしても良い。

本実施の形態では、二重円筒管構造をなすオゾン発生管３０の内側管となる高電圧電極管３１の外径を中央部付近から他端面に掛けて小さくし、ガスの流れ方向の上流側を大径部３１ａとし、下流側を小径部３１ｂとすることで、上流側と下流側とでギャップ長を変えている。金属管で構成される高電圧電極管３１の外周面を機械的または化学的に研削することにより外径を調整している。

図３に示す例では、長さ１ｍの高電圧電極管３１のうち、ガスの流れ方向の上流側端面から７００ｍｍまでの範囲は研削せずにそのまま残して大径部３１ａとし、上流側端面から７００ｍｍの位置から下流側端面となる１０００ｍｍまでの間の外形寸法を、旋盤により０.１ｍｍ削りこんで小径部３１ｂとしている。或いは、上流側端面から７００ｍｍまでの領域も外表面を研削して所望の外径とした場合は、７００ｍｍ〜下流側端面となる１０００ｍｍまでの外表面を０〜７００ｍｍの外径寸法よりも０.１ｍｍだけ多く削りこむ。これにより、接地電極管３２にライニングされている誘電体層３３との間に形成される放電空間３４のギャップ長は、上流側端面から７００ｍｍまでは０.２ｍｍ、７００ｍｍ〜１０００ｍｍまでは０.３ｍｍとなる。

第１及び第２のギャップ形成材３５−１、３５−２は、上流側端面から７００ｍｍまでの外径の大きい大径部３１ａの両端部に設けている。具体的には、第１のギャップ形成材３５−１は大径部３１ａの端部であって管軸方向の中央部寄りに設置し、第２のギャップ形成材３５−２は大径部３１ａのもう一方の端部であって上流側端面の近くに設置している。

以上のように構成されたオゾン発生装置によれば、オゾン発生管３０における管軸方向の途中から他端に掛けて放電空間３４のギャップ長が長い領域（小径部３１ｂ）を設け、放電空間３４を形成する第１及び第２のギャップ形成材３５−１、３５−２を、ギャップ長が短い領域（大径部３１ａ）の両端に設けたので、高電圧電極管３１および接地電極管３２の曲がりの許容差を狭めることなく、従来の電極(例えばギャップ長０.３ｍｍのオゾン発生管)と同等の公差でも、高電圧電極管３１を接地電極管３２に挿入して設置することが可能となる。この結果、曲がりの許容差を狭めるために要した製造コストを低減することが可能となる。さらに、下流側に放電空間３４のギャップ長を長くした領域を設けることにより、この領域での放電量が上流側に対して減少するため、この部分での冷却が容易となり、ここでの生成オゾン化ガスの分解量を低減することができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。

実施の形態１に係るオゾン発生装置の概略構成図（ａ）第１のギャップ形成材のギャップ相当高さＨｃを示す図、（ｂ）第２のギャップ形成材のギャップ相当高さＨｅを示す図実施の形態２に係るオゾン発生装置に備えたオゾン発生管部分の模式図従来の円筒管型オゾン発生装置の概略構成図オゾン発生装置におけるギャップ長とオゾン発生濃度の関係を示す図

符号の説明

１、３１…高電圧電極管、２、３２…接地電極管、３、３３…誘電体層、４、３４…放電空間、５ａ，５ｂ…ギャップ形成材、５−１、３５−１…第１のギャップ形成材、５−２、３５−２…第２のギャップ形成材、６…冷却水、８…筐体、９…原料ガス、１０…交流電源、１１…オゾン化ガス

Claims

円筒状をなす高電圧電極管と、前記高電圧電極管が挿入され該高電圧電極管の外周面との間に空間が形成される接地電極管と、前記接地電極管と前記高電圧電極管との間であって管軸方向の中央部分に設けられ前記空間を形成する第１のギャップ形成材と、前記接地電極管と前記高電圧電極管との間であって管軸方向の一方の端部部分に設けられ前記空間を形成する第２のギャップ形成材とを備え、前記高電圧電極管と前記接地電極管との間の前記空間に原料ガスを供給すると共に放電を発生させてオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置であって、
前記第２のギャップ形成材のギャップ相当高さを前記第１のギャップ形成材のギャップ相当高さより小さくし、内側管となる前記高電圧電極管の外径を、ガスの流れ方向から見て上流側端面から所定長さまでを大径部とし、それ以外の部分を小径部とし、前記第１のギャップ形成材を前記管軸方向の中央部側の前記大径部端部付近に設置し、前記第２のギャップ形成材を前記大径部のもう一方の端部付近に設置したことを特徴とするオゾン発生装置。