JP5517939B2 - オゾン発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、無声放電を利用してオゾンを発生するオゾン発生装置に関するものである。

オゾン発生装置は通常、金属電極と誘電体電極間に形成された空間にオゾン原料ガスを流し、上記一対の電極間に給電子を介して高電圧を印加することにより上記空間に無声放電を発生させることによりオゾン化ガスを生成させるものであり、排ガス処理、排水処理等、多くの用途に広く使用されるようになっている。

従来のオゾン発生装置においては、給電子をブラシ形状にして誘電体電極の導電膜に対し殆ど直角に接触させるのが一般的である。ところが給電子と導電膜とはいわゆる点接触であるため相互間の接触面積が少なく接触抵抗が大きくなって発熱の原因になっていた。また、ブラシ素線が全て導電膜に接触しているわけではなく、ブラシ素線先端部の一部と導電膜間に微小空間が存在することがある。

ブラシ素線と導電膜間にはわずかな電位差があるために、この空間で放電が発生して薄膜である電電膜がそのエネルギーにより侵食され、いずれは導電膜の剥離に至ることが考えられる。導電膜の剥離は導電膜の導電面積の低下による抵抗値の増加を招き、剥離に至らなくても表面が酸化されると導電膜の表面抵抗が増加し、ジュール熱の増加を招き、エネルギー損失が発生する。

これに対し、上記給電子と導電膜との接触面積を増加させオゾン発生効率を改善する方法として、給電子を誘電体電極の内面に形成された導電膜にその外表面が接触するように螺旋状とするものが提案されている。（例えば特許文献１を参照）

特開２００６−２４８８４４

しかしながら、上記特許文献１の螺旋状給電子を用いたものは給電子と導電膜は線接触となるが、依然、接触抵抗の減少は軽微に留まり、螺旋状給電子の円筒状誘電体電極内への挿入時に導電膜の表面にキズあるいは剥れが発生しやすく、かえって発熱によるエネルギー損失が増加することがあった。また、タンデム方式のように螺旋状給電子がオゾンに曝される状態で使用すると、このオゾンによる酸化と接触抵抗の相乗効果によって更に接触抵抗が上昇し、更なるオゾン発生効率の低減、ひいては長期にわたるオゾン発生の安定性を損なう懸念があった。

なお、導電膜を厚く形成してこれに対応する方法も考えられるが、導電膜には通常、ニッケル、タングステン、金、ステンレス等のレアメタルあるいは合金が使用されるため、これらを蒸着、溶射などの方法で厚膜に形成することはコスト上昇の原因となり、また製造時間が長くなる原因となっていた。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、給電子と導電膜との間に金属板を介在させることにより、導電膜の膜厚を小さく保った状態で給電子と導電膜との接触面積を大きくし、相互間の接触抵抗を低減することによりオゾン発生効率を向上することを目的とする。また、オゾンによる酸化の影響を少なくし長期にわたるオゾン発生の安定性を確保することを目的とする。

この発明のオゾン発生装置は、円筒状の金属電極、上記金属電極の内側にこれと同心状に配設された円筒状の誘電体電極、上記誘電体電極の内面に薄膜状に形成された導電膜、上記導電膜の一部内周面と面接触するように設けられ、その厚さが上記導電膜の厚さより厚く選定された円筒状の金属板、上記導電膜の内側で上記誘電体電極の軸心部に挿入された給電子軸、および一端を上記給電子軸に取り付けられ他端を上記金属板に圧接する弾性金属からなる素線を備え、上記給電子軸を介して高圧電源に接続することにより上記金属電極と誘電体電極の間の空間に無声放電を形成してオゾン原料ガスからオゾンを生成することを特徴とするものである。

は本発明の実施の形態１にかかるオゾン発生装置の構成例を示す図である。 は図１に示すオゾン発生装置の誘電体電極５の内部拡大図である。 は図２の更なる拡大図である。 は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 はブラシ素線と金属板との接触点近傍における接触面積を説明する模式図である。 は本発明の実施の形態２にかかるオゾン発生装置の構成例を示す図である。

実施の形態１．
先ず、本発明の実施の形態１にかかるオゾン発生装置について図１乃至図４を参照して説明する。
図１において、３はオゾン原料ガスの入口１と発生したオゾンの出口２とを有する円筒状の気密容器であり、上記気密容器３にはこれと同軸の円筒状の金属電極４が取り付けられている。この金属電極４は接地されており、図示していないが内部に冷却水等を通して冷却されるようになっている。上記金属電極４の中心の円筒状空間にはこれと同芯の円筒状誘電体電極５が配設されている。なお、ここでは円筒状誘電体電極５を１本のみを図示しているが、実際は複数本の誘電体電極が並列的に配置される多管式となっている。

上記誘電体電極５の内面には、厚さ１μｍ以下の薄膜状に形成された導電膜６を有しており、ニッケル、タングステン、アルミニウム、金等のレアメタル、あるいはステンレス等の合金を蒸着あるいは溶射等の方法で形成される。この導電膜６の内側で上記誘電体電極５の軸心部には給電子軸７aが挿入されている。この給電子軸７aは気密容器３の高圧碍子９を介して外部の交流高圧電源１０に接続されている。

上記給電子軸７aには、例えばステンレススチールのような弾性金属からなる直径０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの素線７bを複数本束にしたものが図４の断面図に示すように放射状に取り付けられている。詳細は２本あるいは４本の芯線の間に上記素線７bを挟み込み、これらをねじり上げて作成した、いわゆるねじりブラシにより構成されている。上記給電子軸７aと素線７bとを合わせて給電子７と呼ぶ。

８は上記導電膜６の内面の一部に形成され上記導電膜６と面接触するように取り付けられた円筒状の金属板であり、上記金属板８は、放電に対する抵抗力（強度）を確保するために、上記導電膜６の厚さの１０倍以上、好ましくは厚さ０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲で誘電体電極５の厚さ以下に選定され、アルミニウムや金のような給電子７との接触性の良い延性あるいは展性に富んだ金属あるいは合金を用いることが望ましい。

次にこのような構成からなる本実施の形態のオゾン発生装置の動作について説明する。まず、オゾン原料ガスが入口１から気密容器３へ注入され、接地金属電極４と誘電体電極５との間を流れる。この時、交流高圧電源１０から高圧碍子９を介して給電子７へ高圧が供給される。給電子７は給電子軸７aと給電子素線７bとから構成されており、給電子７の素線７bが圧接されている円筒状の金属板８と接地金属電極４との間に高電圧が印加される。これにより、接地金属電極４と誘電体電極５との間の空間に無声放電が形成されオゾン原料ガスからオゾンが発生する。発生したオゾンは出口２を通って気密容器３から外部へ導出される。

この発明の実施の形態１によれば、導電膜６の一部内周面に円筒状の金属板８を形成し、これに高圧電源に接続された給電子７の素線７bを圧接するようにしたので、図３の拡大図から明らかなように、導電膜６より厚い金属板８が存在することにより、ブラシ素線７bの一部先端と金属板８との間に微小空間ｇが存在してその部分で放電が発生しても、金属板８の表面抵抗が増加する程度で金属板８には放電による剥離という現象は発生しない。従って、導電膜６と金属板８間では放電は起こらず、導電膜６を損傷することがなくなるので、導電膜６の表面抵抗を低減させることができ、エネルギー損失の発生を抑制できると共に、長期に亘るオゾン発生の安定性が確保できる。

また、導電膜６の一部内周面に円筒状の金属板８を形成することにより、給電子７の素線７bと金属板８との接触状態が良好となり、また金属板８と導電膜６との間で面接触が得られるので、導電膜６と給電子７との接触面積を大きくすることができる。図５はブラシ素線と金属板との接触点近傍における接触面積を説明する模式図であり、素線７bと金属板８との接触面直径をａ、金属板８と導電膜６との接触面直径をｂ、金属板８の厚さをｔ、素線７ｂと金属板８との接触面の曲率をθとすると、接触面直径ａとｂは次のような関係になる。

ｂ＝２×ｔ×tan（θ/２）＋ａ
なお、ここでａは素線７bの直径と殆ど同一長さであるため、素線７bと金属板８との接触面積、あるいは従来の素線と導電膜との接触面積はπａ²/４となる。
一方、金属板８と導電膜６との接触面積はπｂ²/４となるため、従来の接触面積に比べ、（πｂ²/４−πａ²/４）だけ接触面積が増加することになりジュール熱による損失は低減される。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２にかかるオゾン発生装置について図６を参照して説明する。図６において図１と同一部分あるいは相当部分に同一符号を付している。図１のオゾン発生装置においては、誘電体電極５は入口側のみ開口した１本の円筒体を用いた例を示したが、図６ではタンデム型と称して、一対の筒状誘電体電極５Ａ、５Ｂを互いにその閉口部を突き合せ状に配置したものである。

このようなタンデム式では一つの接地金属電極４内に２本の誘電体電極５Ａ、５Ｂが配置できるため、容量アップ・出力効率の向上を図れる特徴があり、広く活用されているが、反面、誘電体電極５Ｂの開口部が、無声放電によりオゾン原料ガスから変換されたオゾンガスに暴露されることになる。このため、上記誘電体電極５Ｂの給電子７と導電膜６がオゾンの酸化雰囲気に曝され、このオゾンによる酸化と接触抵抗の相乗効果によって接触抵抗が上昇し、オゾン発生効率の低減、ひいては長期にわたるオゾン発生の安定性を損なう問題があった。

これに対し、本発明の実施の形態２によれば、金属板８を導電膜６の一部内周面に設けたことにより、導電膜６に点接触による負担がなくなり、安定的に給電を続けることが可能となる。また金属板８と導電膜６が面接触する部分はオゾンに曝されないので、この部分のオゾンによる酸化、ひいては接触面の抵抗増加が抑えられ、更に長期にわたるオゾン発生の安定性を保つことが可能となる効果を有するものである。

Claims (3)

1. 円筒状の金属電極、上記金属電極の内側にこれと同心状に配設された円筒状の誘電体電極、上記誘電体電極の内面に薄膜状に形成された導電膜、上記導電膜の一部内周面と面接触するように設けられ、その厚さが上記導電膜の厚さより厚く選定された円筒状の金属板、上記導電膜の内側で上記誘電体電極の軸心部に挿入された給電子軸、および一端を上記給電子軸に取り付けられ他端を上記金属板に圧接する弾性金属からなる素線を備え、上記給電子軸を介して高圧電源に接続することにより上記金属電極と誘電体電極の間の空間に無声放電を形成してオゾン原料ガスからオゾンを生成するオゾン発生装置。
2. 上記導電膜の厚さは１μｍ以下に形成され、上記金属板の厚さは０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲に選定したことを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 上記金属板は、給電子との接触性の良いアルミニウムあるいは金を含む金属あるいは合金であることを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。

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