JP5541557B2 - 水冷式オゾン発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、水冷式オゾン発生装置に関する。

オゾン発生管を用いる水冷式オゾン発生装置は、オゾン発生管の両端が貫通する一対の管板で筐体内に水室を形成し、この水室に冷却水を貫流させることで、オゾン発生管を冷却する冷却方式が知られている。

図２は、水冷式オゾン発生装置４０の主要部の構成を示す概略図である。水冷式オゾン発生装置４０は、筐体２に酸素を含む原料ガス６が導入されるガス入口７と、オゾン化ガス９が排出されるガス出口８と絶縁された高電圧電極端子５を有し、筐体２の内部には、複数のオゾン発生管１が配置される。また、筐体２内には、一対の管板３ａ、３ｂにより区画された空間が設けられている。複数のオゾン発生管１は、その左右端を管板３ａ、３ｂに気密に貫通させて配置される。オゾン発生管１は、高電圧端子５に接続され、外部より高電圧が印加される。管板３ａ、３ｂで区画される空間には、熱交換機１１（図３参照）で冷却された冷却水１０がポンプ１４で送り込まれ、オゾン発生管１を冷却して再び熱交換器１１に戻される構成となっている（図３参照）。

酸素を含む空気又は酸素等をガスである原料ガス６をガス入口７から導入し、オゾン発生管１の管板３ａ側の開口部から管板３ｂ側の開口へ、オゾン発生管１の内部を通過して原料ガス６を流した状態で、オゾン発生管１に高電圧を印加し、無声放電させる。これにより、原料ガス６に含まれる一部の酸素が、オゾンガスとなり、他方の管板３ｂ外側にオゾンを含むオゾン化ガス９が得られる。

上記のオゾンの生成過程において、オゾン発生管１は放電により発熱するが、オゾンの生成濃度は、オゾン発生管１の温度が上昇すると低下する。そこで、高濃度のオゾン化ガス９を得るように、オゾン発生管１を冷却水１０により冷却し、低温に維持する必要がある。

図３は、従来の水冷方式を模式的に示したものである。冷却水１０は熱交換器１１にて冷却され、ポンプ１４にて水室４に送り込まれる。水室４は、図２で説明した管板３ａ、３ｂで区画される空間である。冷却水１０は、水室４内で複数のオゾン発生管１を冷却した後、上方の冷却水出口１６から熱交換器１１へと送り返される。オゾン発生管の冷却効率を上げるため、管路のポンプ１４にて強制的に流速を上げ、水室４中の流れを増して、冷却効率を上げる方法や水室４内にスクリュー等を備え攪拌する方法が知られている。（特許文献１参照）

特開平４−１７５２０３号公報

図３の従来例において、オゾン発生管１周辺の冷却水１０の流速の分布を考えると、周知のごとく流体中の物体であるオゾン発生管１表面近傍の冷却水１０の速度は極めて遅く、表面から離れるに従ってある勾配を持って速度は増す。すなわちオゾン発生管１表面近傍の冷却水１０の速度は、平均速度よりはるかに小さいので熱交換率はあまり良くない。

また冷却水１０を装置外部の熱交換器を介して供給するものでは、導入される冷却水１０の温度は充分低いので平均流速をあまり大きくしない。例えば、０．０５〜０．１ｍ／ｓである。オゾン発生管１表面および近傍の速度はさらに遅くなり、装置外部の熱交換器を介して供給するものでは冷却効率はさらに良くない。

一方、冷却効率を改善するために循環する冷却水１０の流速を増すと、管路、特に熱交換機１１内の流体圧力損失が増大するため、ポンプ１４の負荷が過大になり実用的でない。加えて、水室内に複数のオゾン発生管１を配置し、オゾン発生管相互の隙間が狭くなると、より流速は低下する。また、大型水冷式オゾン発生装置では、水室４内の容積が増大するために、水室４内での流速は更に低下する。

一方、外気で直接冷却水１０を冷却する場合、又は、冷却水１０用の原水として河川水や工業用水等を用いる場合において、冷却水１０は外気や原水に含まれる微生物等により汚染される。これらの水を冷却水１０として用いた場合、水室４内、特に流速の遅いオゾン発生管１の外周表面に微生物等が繁殖し、これらに由来する付着物が生じる。この付着物により、オゾン発生管１の冷却効率の低下を招き、更に微生物等による硫酸性や有機酸性の排出物により、水室４内およびオゾン発生管１を構成するステンレス材表面の腐食が発生する。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、熱交換器を経由する冷却水１０の循環流量を大きくすることなく、オゾン発生管１近傍の冷却水の流速を向上することにより冷却効率を改善し、オゾン生成効率を向上させること、および、微生物等の付着を防止して長期運転が可能な水冷式オゾン発生装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、筐体の両側に酸素を含む原料ガスの入口と、オゾン化ガスの出口と、オゾン発生管と、オゾン発生管の両端を気密に貫通させる一対の管板と、管板で形成される水室に熱交換機を貫通する冷却水を循環させるポンプとを有する冷却水式オゾン発生装置において、水室の下方部に設けられ、空気などの高圧気体を吹き込んで気泡を発生する気泡発生装置を有することを特徴とする水冷式オゾン発生装置を提供する。

本発明によれば、一対の管板で区画された空間内すなわち水室内の、オゾン発生管の下方に気泡発生装置を設け、気泡を発生させることで、水室内のオゾン発生管周辺の冷却水が気泡の上昇により攪拌され、オゾン発生管の表面近傍の冷却水の流速を向上させる。また、冷却水の流速が増すことによって、オゾン発生管への微生物等の付着を低減させることができる。よって、オゾン発生管の冷却効率が向上し、オゾン発生効率を向上させる。

また、本発明においては、オゾン発生管は、水室中を冷却水が流れる上流から下流に向けて複数個設けられており、気泡発生装置は、発生する気泡が複数設けられたオゾン発生管の間隙の冷却水中を水室の下方部から上方部に向けて上昇するように水室の下方部の位置に設けられていることを特徴とする水冷式オゾン発生装置を提供する。

この構成によれば、気泡発生装置から発生した気泡が水室内を上昇する方向と同方向に冷却水を流すことで、冷却効率をより一層向上させることができる。

また、本発明の気泡発生装置は、気体を水中で分散するノルズ、フィルタ及びエゼクタのうちの一つを有することを特徴とする。この構成によれば、水室内に広く気泡を分散して放出するため、水室内のオゾン発生管全体に対して冷却水の流速を上昇させることができる。

また、本発明の気泡発生装置は、気泡を発生する際に用いられるガス原料にオゾン化ガスを添加することを特徴とする。この構成においては、気泡発生のために供給する空気などの高圧気体にオゾンガスを添加することにより冷却水にオゾンガスが溶け込み、冷却水中およびオゾン発生管表面において、微生物等の発生、増殖、付着を防止し、金属材料表面の腐食を防止できる。これにより、安定したオゾン発生効率の維持が可能となり、長期の連続運転が可能となる。ここで添加するオゾン化ガスは、オゾン発生装置より得られたオゾン化ガスを、その用途で使用した後の排ガス中に含まれるものを利用することもでき、その排ガスを、冷却水中に添加して、オゾン水と気泡を得ることができる。オゾン水の濃度は、殺菌に寄与する程度が好ましく、例えば1ｐｐｍ程度が良い。

また、本発明の水冷式オゾン発生装置においては、水室内の冷却水出口と、水室内に冷却水を導入する冷却水入口と、ポンプにより冷却水出口からの冷却水を冷却水入口へ循環させる循環経路と、循環経路中に設けられ、冷却水出口から出た冷却水中のガスを分離するガス分離装置をさらに有することを特徴とする。この構成により、水室を流通する過程で水温が上昇した冷却水を熱交換器に戻す場合に、熱交換器の効率的を下げないように、冷却水とガスを分離する。

さらに、本発明の水冷式オゾン発生装置は、ガス分離装置で分離したガスを排出する排出経路と、排出経路中に設けられ、排出経路中のオゾンを分解するオゾン分解装置をさらに有する。この構成により、添加されたオゾンを分解することで、排ガスを大気に放出できるようになる。

また、本発明の水冷式オゾン発生装置においては、複数のオゾン発生管が千鳥状に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、熱交換器を経由する冷却水の循環流量を大きくすることなく、オゾン発生管の冷却効率を向上させることにより、オゾン生成効率を向上させることができ、かつ微生物等の付着を防止した長期運転が可能な水冷式オゾン発生装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る水冷式オゾン発生装置の構成を示した図である。図１に示すように、本発明の実施形態に係る水冷式オゾン発生装置３０は、図２において説明したように、筐体２の両側に酸素を含む原料ガス６のガス入口７とオゾン化ガス９のガス出口８と絶縁された高電圧電極端子５を備え、また、筐体２の内部に複数のオゾン発生管１の両端を一対の管板３ａ、３ｂに気密に貫通させて設置している。この管板３ａ、３ｂで形成される区画である水室４に、熱交換機１１で冷却された冷却水１０をポンプ１４により循環させる。

また、水室４中であって、複数のオゾン発生管１の下方に、オゾン発生管の下方部に気泡発生装置２１を設置する。その気泡発生装置２１には、コンプレッサー２２から供給される空気などの高圧気体を吹き込む配管が接続される。気泡発生装置２１は、管に穴を開けたノズル状やフィルタ状のもの、あるいはエゼクタなどであって、水中に細かい気泡を分散できる装置である。

上述の構成をとることで、気泡発生装置２１から発生した気泡は、水室４内を浮力と冷却水１０の流れにより上昇し、複数のオゾン発生管１に接触しながらオゾン発生管相互の間隙を通過する。これにより、オゾン発生管１近傍の冷却水１０の流速は、増加する。例えば、水室４の容積や冷却水１０の流量、気泡発生量により異なるが、気泡が無い場合に流速０．０５〜０．１ｍ／ｓであったものが、０．１〜０．５ｍ／ｓに上昇する。また、気泡発生装置２１として、気液エゼクタを用いた場合、エゼクタ周辺の水を気泡発生と共にエゼクタから水流を作るため、ノズル状やフィルタ状の気泡発生装置２１より、本装置での効果は向上する。

水室４内に気泡として供給された空気を含む冷却水１０は、水室４上部の冷却水出口７より排出され、ガス分離機２３により水とガスに分離される。ガス分離機２３では、水位センサ２５と圧力調整弁２４により制御を受けて、冷却水１０とガスとに分離され、冷却水１０は熱交換機１１に還流される。ガスは、圧力調整弁２４を介して排出される。

一方、水冷式オゾン発生装置３０に用いられる冷却水１０は、熱交換機１１からポンプ１４によって、冷却水入口１５から水室４内に供給される。熱交換機１１は、冷却水１０を直接外気の空気により冷却するクーリングタワー方式、チラーによる間接方法により冷却する。

冷却水１０として用いられる原水が水道水、工業用水、地下水または河川水である場合は、これらの水の中に微生物等が含まれ、この微生物等が長期のオゾン発生装置の運転により水室4内で増殖し、水室４内の外壁やオゾン発生器１の外周部に付着し、５〜１０ｍｍの粘着を有する層を形成する。この付着層は、水室４内の流速が遅い程、発生しやすい。また冷却に用いる外気からの汚染も考慮する必要がある。この微生物等に由来する付着層は、特に気温および原水温度が高い夏期に発生する。そして、この付着層は、オゾン発生管１の冷却効率を低下させ、オゾン発生装置３０のオゾン発生効率を低下させる。

更に、この付着層から、硫酸イオンや有機酸イオンが生じ、水室４や管板３並びにオゾン発生器を構成するステンレス材ＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３１６材を腐食させることがわかっている。特に、硫酸イオンは、動物性の腐敗物や火山性地層が関係する水（温泉水・鉱泉水の流入する河川水）に含まれる硫黄成分が酸化され、亜硫酸イオンを経て、硫酸イオンとなるもので、発生する裳の成分として、これらの硫黄成分が取り込まれ、硫酸イオンとなり、金属腐食の一原因となる。このため、オゾン発生装置の運転を止めて高圧水洗浄機による水室４内の物理的な洗浄を行う作業や、定期的な薬剤の注入により、これらの付着物を除去する必要があった。

しかし、一端発生した微生物付着層を完全に除去することは難しく、除去されない管壁部や溶接部、部材との隙間部分での腐食は防止できなかった。また塩素系薬剤が良く用いられるが、冷却水１０の排水中の残留塩素やアルカリ分の除去・中和処理、薬物の大気中への飛散による環境汚染、薬剤による配管内の腐食等の問題が生じた。

これに対応するために、図１に示すように、コンプレッサー２２によって気泡発生装置２１に供給する高圧空気に、オゾン発生装置３０で生成するオゾン化ガス９の一部（図２参照）、若しくは他のオゾン発生装置で生成したオゾン化ガスであるオゾン含有ガス１７を添加し、水室４内で気泡にして供給する。また、オソン発生装置で生成されたオゾン化ガスを、この装置の用途で使用した後の、排ガス中に含まれるオゾンを使用するようにすることもでき、排ガスを水室４内に供給し、散気することでの気泡供給と、排ガス中に含まれるオゾンを溶解してオゾン水を生成するようにすることができる。

オゾン含有ガス１７の添加により、水室４中の気泡にはオゾンが含まれ、オゾンの殺菌作用のより、水の中に微生物等を減少させることが可能となる。また、オゾン発生器１の外周部に付着している微生物についても、死滅させ除去する効果が得られる。

水室４内に気泡として供給されたオゾンガスを含む空気は、ガス分離機２３により、冷却水１０とオゾンを含む空気とに分離され、オゾンを含む空気はオゾン分解機２６に供給されてオゾンガスが分解され、排ガス２７として排出される。

また、ガス分離機２３で分離された冷却水１０は、熱交換機１１に還流される。この冷却水１０中に含まれるオゾンは、微量で、冷却水１０中に含まれる有機物によって消費され、有害性が認められないため、特に、オゾンの除去はおこなう必要はない。冷却水１０を廃棄する際に、必要であれば活性炭によるオゾン分解槽を排水出口部に設置する等の対策も可能である。

尚、コンプレッサー２２から供給される高圧空気にオゾン含有ガス１７を添加する場合において、高圧空気の圧力が高い場合は、添加するオゾン化ガスの圧力を高圧空気の圧力以上にする必要があるため、オゾン含有ガス１７を添加する前段に加圧ポンプを設け、オゾン化ガスの圧力を高圧空気の圧力レベル以上とする必要がある。

コンプレッサー２２から供給される高圧空気に注入されるオゾン含有ガス１７のオゾン濃度は、水室４の容積、冷却水１０の循環する流量および気泡発生量で異なるが、例として水室４の容積３〜５ｍ³で冷却水１０の流量１〜２ｍ³／ｍｉｎ、高圧空気注入量の０．０５〜０．１ｍ³／ｍｉｎである時、オゾン発生装置３０の運転開始初期では、高圧空気に注入するオゾン含有ガス１７を濃度３〜５ｇ／ｍ³で０．００５〜０．０１ｍ³／ｍｉｎ注入する。

運転１時間以降では、高圧空気に注入するオゾン含有ガス１７のオゾン濃度を１ｇ／ｍ³以下、および高圧空気の注入量を０．００５ｍ³／ｍｉｎ以下に調整できる。冷却水１０は水室４および熱交換機１１内を循環するため、初期の微生物等をオゾンにより死滅させることができれば、連続運転時においては、微生物等が発生しない程度にオゾンが冷却水１０中に溶存してれば良い。例えば、溶存オゾン濃度としては、０．５ｐｐｍ程度で良く、殺菌の効果を高めるためには、１〜３ｐｐｍ程度であることが好ましい。

従って、水温が上昇する夏季等であって、冷却水１０の補充が多く、微生物の増殖速度も高く、かつ空気中の浮遊細菌等が多い季節においては、オゾンを連続注入する必要があるが、冬季においては、1日に1回または1週間に1回程度、数十分間の添加で微生物等の除去や増殖は、抑制される。

これにより、オゾンの有機質分解および殺菌効果により、微生物の除去、発生・増殖が防止され、水室４およびオゾン発生器１外周部での微生物由来の付着物層の発生がほぼ無くなり、オゾン発生管１の冷却効率の低下を防ぐことができ、オゾン発生効率の低下がない。更に、微生物層の付着が無いため、微生物層からの硫酸イオンや有機イオンが生じることが無く、ステンレス材で構成される水室４内やオゾン発生器１の腐食は認められない。

また、水冷式オゾン発生装置３０の水室４内のオゾン発生管１の下方より、オゾンガスを含む空気により気泡を発生させることにより、オゾン発生管１の表面流水速度が高まり、微生物等の付着を低減させる効果もある。

これらの効果より、水冷式オゾン発生装置３０としてのオゾン発生効率が向上し、安定したオゾン発生が可能となり、並びに水室内における洗浄等のメンテナンスの低減が図れることから、長期での連続運転が可能となった。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明に係る水冷式オゾン発生装置は上述した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

本発明に関わる水冷式オゾン発生装置水室の冷却方法の概念図 従来例の水冷却型オゾン発生装置の側断面の概念図 従来例の水冷却型オゾン発生装置の正断面の概念図

符号の説明

１ オゾン発生管
２ 筐体
３ 管板
４ 水室
５ 高電圧電極端子
６ 原料ガス
７ ガス入口
８ ガス出口
９ オゾン化ガス
１０ 冷却水
１１ 熱交換機
１４ ポンプ
１５ 冷却水入口
１６ 冷却水出口
１７ オゾン含有ガス
２１ 気泡発生装置
２２ コンプレッサー
２３ ガス分離機
２４ 圧力調整弁
２５ 水位センサ
２６ オゾン分解機
２７ 排ガス

Claims (7)

1. 筐体の両側に酸素を含む原料ガスの入口とオゾン化ガスの出口と、オゾン発生管と、前記オゾン発生管の両端が気密に貫通する一対の管板と、前記管板で形成される水室に冷却水を循環する手段と、前記水室の下方部に設けられ、高圧気体を吹き込んで気泡を発生する気泡発生装置とを有する水冷式オゾン発生装置において、
   前記冷却水の流量は１〜２ｍ ^３ ／ｍｉｎであり、
   前記気泡発生装置は、前記気泡を発生する際に用いられる０．０５〜０．１ｍ ^３ ／ｍｉｎのガス原料に３〜５ｇ／ｍ ^３ の濃度のオゾン化ガスを０．００５〜０．０１ｍ ^３ ／ｍｉｎ添加することを特徴とする水冷式オゾン発生装置。
2. 前記水室の容積は、３〜５ｍ ^３ であることを特徴とする請求項１に記載の水冷式オゾン発生装置。
3. 前記オゾン発生管は、前記水室中に設けられており、
   前記気泡発生装置は、前記発生する気泡が前記複数設けられたオゾン発生管の間隙の冷却水中を前記水室の下方部から上方部に向けて上昇する位置に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水冷式オゾン発生装置。
4. 前記気泡発生装置は、気体を水中で分散するノズル、フィルタ及びエゼクタのうちの一つを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の水冷式オゾン発生装置。
5. 前記水室内の冷却水出口と、
   前記水室内に冷却水を導入する冷却水入口と、
   前記ポンプにより前記冷却水出口からの冷却水を前記冷却水入口へ循環させる循環経路と、
   前記循環経路中に設けられ、前記冷却水出口から出た冷却水中のガスを分離するガス分離装置と、をさらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の水冷式オゾン発生装置。
6. 前記ガス分離装置で分離したガスを排出する排出経路と、
   前記排出経路中に設けられ、前記排出経路中のオゾンを分解するオゾン分解装置と、をさらに有することを特徴とする請求項５に記載の水冷式オゾン発生装置。
7. 前記複数のオゾン発生管は、千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の水冷式オゾン発生装置。

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