JP5661003B2 - オゾン発生管、およびオゾン発生装置 - Google Patents

Description

この発明は、酸素を含む原料ガス中での放電によりオゾンを生成するオゾン発生装置に関するものである。

従来の同軸状の放電空間を持つオゾン発生装置（オゾナイザ）には、（Ａ）管状の金属製の接地電極の内側に、放電空間と誘電体が配置され、誘電体の内側にメタライズなどで形成された高電圧電極が同心円状に構成されるもの（例えば、特許文献１）、（Ｂ）管状の金属製の２重管において、外側を接地電極、内側を高電圧電極とし、適当な放電空間を残すように、相対する面のどちらかに誘電体層をライニングしたもの（例えば、特許文献２）、（Ｃ）接地電極として電解液を管状の誘電体の外側に配し、内側に放電空間を挟んで、金属製の高電圧電極を配したもの（例えば、特許文献３）などがある。

以上のどの方式においても、高電圧電極と接地電極の間に、1〜10kHz程度の高電圧交流を印加し、放電空間に流した酸素を含む原料ガス中で無声放電を発生させ、この放電により酸素をオゾンに変換してオゾンを生成する。この際、周辺温度が高いとオゾンが分解し、オゾン生成効率が低下するため（例えば特許文献２、３）、放電部を冷却している。冷却方法として、（Ａ）、（Ｂ）の場合、、接地電極の外側に冷却水を流しており、（Ｃ）の場合は、電解液自体を冷媒として、誘電体を冷却している。さらに、放電ギャップが均一でないと、オゾン発生効率が低下するため、適切な放電空間を維持する必要がある

一方、放電空間への原料ガスの供給配管とオゾンの収集配管には、大きく２つの方法がある。一つは多管式のオゾナイザで多く用いられる方法であり、多数のオゾン発生管の酸素供給側とオゾン取り出し側を、それぞれ酸素供給室、オゾン取り出し室の隔壁に溶接、もしくは気密接合した構成とし、酸素供給室に酸素を供給することで全ての発生管に酸素供給し、オゾン取り出し室からまとめてオゾンを取り出す方法である（例えば特許文献１、３）。もう一つは発生管の数が少ないオゾナイザで用いられる方法で、個々の発生管から個別に酸素供給配管とオゾン収集配管が接続されているものである（例えば特許文献２）。

特開2009-234861号公報 特開2008-143729号公報 特開2009-102177号公報

オゾン発生量が多い大容量のオゾン発生装置では、オゾン発生管を多数配置した構成にする。上記の従来のオゾン発生装置においては、オゾン発生管を多数配置した構成にするため、酸素供給室とオゾン取り出し室が必要となる。酸素及びオゾンは加圧されているため、これらは圧力容器として製作する必要がある。特に大容量のオゾナイザにおいては、大型の圧力容器となり、高コストとなるという問題がある。一方、個別に酸素供給配管とオゾン収集配管が接続されているものは、オゾン発生管の両端に酸素供給配管とオゾン収集配管が接続されていた。

また、オゾン発生管は、放電による発熱を除去する必要があるので、このような構成で
大容量のオゾン発生装置を構成するために、多数のオゾン発生管を並べる場合は、発生管の周囲を水冷するように構成する必要がある。従来のオゾン発生管を多数並べる方式のオゾン発生装置では、圧力容器と水冷のための水容器を兼ねた構成としていたため、組み立て性が悪かった。

また、特許文献２に示される、個別の発生管から個別に酸素供給配管とオゾン収集配管が接続されているものにおいて、複数のオゾン発生管を並べたものでは、個別の発生管をそれぞれ別々に組み立てる構成になっておらず、やはり組み立て性が悪く、量産に不向きな構成となっている。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、組み立てが簡単で量産性が優れたオゾン発生管およびオゾン発生装置を得ることを目的とする。

この発明のオゾン発生管は、片端が開放され、他端が閉鎖された金属製の外管と、この外管の開放端部の内側に挿入して封止する絶縁シール部材と、外管と絶縁シール部材に囲まれた空間内部に、断面の外形形状が外管の内壁断面形状と相似な形状であって、外管の内壁と所定の間隙を有して配置されるとともに、内面に導電体が形成され両端が開放された内管と、この内管の内部空間を仕切り、内管の導電体と電気的に接続された導電性の隔壁と、この隔壁に挿入され、絶縁シール部材を貫通して、絶縁シール部材から外部に突き出すように設けられた導電性の第一導管と、絶縁シール部材の外部から、絶縁シール部材を貫通し、隔壁よりも絶縁シール部材側の空間に突き出して設けられた第二導管とを備えたものである。

本発明にかかるオゾン発生管は、以上のように構成されているため、従来大容量オゾナイザの製作コストを上げる要因となっていた圧力容器を削減でき、組み立てが簡単で、量産性に優れたオゾン発生管およびオゾン発生装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１によるオゾン発生管を備えたオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。 この発明の実施の形態２によるオゾン発生管を備えたオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。 この発明の実施の形態２によるオゾン発生管を複数配置したオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。 この発明の実施の形態３によるオゾン発生管を備えたオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。 この発明の実施の形態４によるオゾン発生管を備えたオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。 この発明の実施の形態５によるオゾン発生管を備えたオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。 この発明の実施の形態６によるオゾン発生管を備えたオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。 この発明の実施の形態６による別の構成のオゾン発生管を備えたオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。大容量のオゾン発生装置はオゾン発生管が多数配置されているが、ここでは、本発明の要部を説明するために、オゾン発生管４を１本のみ配置した図を用いる。また、図により構造が容易に把握できるよう、縮尺は、部材によって必ずしも同一の縮尺を用いていない。実物の寸法を把握できるよう、以下の説明において、部材の寸法などを適宜説明する。

片側が閉じた外管４０の開放された側を、例えば耐オゾン性の高いフッ素樹脂製の絶縁シール部材５によって封止してオゾン発生管４の容器とする。外管は接地管とも称する。絶縁シール部材５の中央に、内部に同軸状に配置されたである内導管２を有する外導管３が貫通配置されている。内導管は第一導管、外導管は第二導管とも称する。ここでは、内導管２および外導管３は金属管で形成されている。外管４０の内部には、この外管４０と同軸状に内管６が、外管４０内面と内管６外面との間に適当な間隙１０が形成されるように配置されている。適当な間隙１０が形成されるよう、内管６の断面の外形形状は、外管４０の内壁断面形状と相似な形状となっている必要がある。断面形状自身は、好ましくは円形であるが、円形以外、角形状であっても良く、周方向に亘ってほぼ均一な間隙１０が形成されていれば、形状は問わない。

内管６は誘電体管６とも称し、誘電体管６の内面には例えば金属膜状の内部導体９が形成されている。誘電体管６の材料は、誘電体であれば良く、ガラスやアルミナ、ステアタイト等のセラミックが使用できる。アルミナは誘電率が高く、間隙にかかる電圧が高くなるため、性能が上がる。

誘電体管６の内部には、隔壁７が設けられており、隔壁７の絶縁シール部材５側と接地管底部４００側とは直接ガスが流通しないように隔壁用Ｏリング７０などでシールされている。同時に、隔壁７は、内部導体９と電気的に接続された状態となっている。この隔壁７の中央には内導管２が挿入されており、内導管２と隔壁７も電気的に接続された状態となっている。

次に動作を説明する。酸素ガスや空気など酸素を含む原料ガス１が、２重に構成された内導管２と外導管３との間を通って、オゾン発生管４の内部に導入される。オゾン発生管４の内部に導入された原料ガス１は、接地管４０と誘電体管６との間の間隙１０を通って接地管底部４００に導かれる。

一方、高電圧交流電源８より供給される高電圧が、内導管２と隔壁７を介して内部導体９に印加され、これにより内部導体９と接地管４０との間に生ずる高電界により、間隙１０を流れるガスが無声放電を生ずる。この際、外導管３の電位を内導管２と同電位に置くことで、内導管２と外導管３を絶縁する必要がなくなる。このため、同軸管となっている内導管２の外径と外導管３の内径の差を小さく構成でき、外導管３と内導管２の間に絶縁スペーサを配する必要がなくなるため、装置を安価に構成できる。導入された原料ガス１は、この無声放電を生じている間隙を通過する際、原料ガスに含まれる酸素の一部がオゾン化されたオゾン化ガスに変化する。このオゾン化ガスは、接地管底部４００側から誘電体管６内部を通って、内導管２からオゾン化ガス１００としてオゾン発生管４の外部に取り出される。

ここで、無声放電による発熱のため、オゾンが分解し、オゾン濃度を下げるのを抑制するため、オゾン発生管４を冷却する必要がある。このため、冷却水１２を満たし、この冷却水１２を循環させる水槽１１に、オゾン発生管を挿入して接地管４０の外部を冷却している。図１に示すように、水槽１１の一面を形成する壁に穴を開け、その穴にオゾン発生管４を、少なくとも間隙１０の放電が発生する部分の外面が冷却水に接するように挿入して、Ｏリング１１０で水密にすれば良い。

尚、本実施の形態１で用いている絶縁シール部材５は、耐オゾン性の観点からフッ素樹脂を用いることが多いが、フッ素樹脂には僅かではあるがオゾン透過性がある。オゾンは、僅かの漏れでも刺激性の強いオゾン臭を生ずるため、図に示すように、絶縁シール部材５と接するガスが酸素になるようにガスを流すのが望ましい。さらにこの構成では、オゾン濃度が下方で高くなる。一方、冷却水循環の観点から、水は下方から上方に流した方が、空気溜まりを無くせるため望ましく、必然的に下方の温度が低くなる。オゾン発生効率を上げるためには、高温によるオゾンの分解を抑制するように、オゾン濃度が高い方を低温にするのが望ましい。この観点からも、ガスが間隙１０を上方から下方に流れるように、内導管２と外導管３で構成される同軸管において、原料ガスが外側、オゾン化ガスが内側となるように流すのが望ましい。

本実施の形態では以上のように外管である接地管４０の一端を封止し、別の一端から酸素供給とオゾン収集を行っているため、水槽１１の両側に接地管４０を貫通させる必要がないため、オゾン発生管４を水槽に組み付ける組み立てが簡単である。また、酸素供給管となる外導管３とオゾン収集管となる内導管２が、接地管４０と絶縁シール部材５で密閉されたオゾン発生部に接続されているため、オゾン発生部以外に圧力がかかる部位が無い。よって、多数のオゾン発生管４を設置する場合において、この多数のオゾン発生管４を圧力容器に収納する必要が無い。このため、容積の大きな圧力容器を製作する必要がなく、従来のオゾン発生装置に比べ、安価に製作できる。さらに、オゾン発生管４を単体で製造できるため、量産性に優れている。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。図２において、図１と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態２は、接地管４０の内径が小さく、金属製の外導管３と接地管４０との間の絶縁距離が十分取れない場合に、外導管３の外面に絶縁パイプ１３を配し、外導管３と接地管４０との沿面距離を長くして絶縁を確保する構成を示している。

絶縁距離が十分ある場合でも、信頼性向上のため図２のような構成を取るのが望ましい。その理由は以下の通りである。実施の形態１のような構成では、通常、絶縁シール部材５は、シール性を持たせるため、フッ素樹脂などで構成している。シール表面の汚れなどで表面の絶縁性が低下して、沿面放電が発生した場合、この沿面放電により表面が炭化して導電性となる恐れがある。表面が導電性となった場合、さらに絶縁性が低下して最終的に絶縁を維持できなくなって、装置の故障につながる可能性がある。本実施の形態２では、金属製の外導管３に絶縁性のフッ素樹脂製の絶縁パイプ１３をかぶせたのち、絶縁シール部材５に挿入し、金属製の外導管３と接地管４０との間の沿面距離を長くすることで、沿面放電を抑止している。

フッ素樹脂製の絶縁パイプ１３は、長さが長いほど絶縁効果が大きくなる。絶縁パイプ１３は、沿面放電防止の観点から、絶縁シール部材５から両側に少なくとも３cm、絶縁シール部材５の厚みが１ｃｍの場合、絶縁パイプ１３の長さ７ｃｍ以上とするのが好ましい。

さらに、図２では、内導管２と外導管３で構成される同軸管の配管方法を示している。原料ガス用配管１４、オゾン用配管１５は、両配管とも一端が閉塞した角パイプで構成されている。ここで、オゾン用配管１５を第一配管、原料ガス用配管１４を第二配管とも称する。両配管における内導管２の貫通部は、原料ガス用配管１４とオゾン用配管１５で上部Ｏリング１８を挟む構成により封止している。原料ガス用配管１４における外導管３の貫通部は、外導管３とＯリング抑え１９で下部Ｏリング１７を挟む構成により封止してい
る。このような配管の構成は、実施の形態１、すなわち図１のオゾン発生管４においても同様に用いることができるのは言うまでもない。

また、図３は、図２で示したオゾン発生管４を複数本、一本の原料ガス用配管１４ｂおよびオゾン用配管１５ｂに取り付けた構造を示している。図３において、図２と同一符号は、同一または相当する部分を示す。図に示されるように、内導管２が両配管１４ｂ、１５ｂを貫通するように配置することで、配管に穴を開けるだけで、接続するオゾン発生管４を増やすことができるため、オゾン発生装置としての容量増加を安価に実施でき、量産性に優れたオゾン発生装置が得られる。

実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。図４において、図１と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態３は、第二導管である外導管を、金属ではなく、絶縁体の絶縁外導管３０で構成した実施の形態である。内導管２は金属製であり、この内導管２から隔壁７を介して高電圧を内部導体９に給電する構成は、実施の形態１や実施の形態２と同様である。このように構成すると、図２に示す金属製の外導管３、及びフッ素樹脂製の絶縁パイプ１３の二重構造とせずに沿面距離を長くできるため、安価に構成できるという効果がある。絶縁外導管３０の材料として安価な樹脂を選択する場合、金属管とは異なり、圧入のみでは十分なシール性が得られない場合がある。このため、絶縁外導管３０と絶縁シール部材５を適当な接着剤で接着するか、昇温して融着させた方がよい。

本実施の形態３によるオゾン発生管４を用いたオゾン発生装置にあっても、オゾン発生装置としての容量増加を安価に実施でき、量産性に優れたオゾン発生装置が得られる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。図５において、図１と同一符号は、同一または相当する部分を示す。図５に示すように、本実施の形態４によるオゾン発生管４は、酸素導入のための第一導管、およびオゾン排出のための第二導管として、これまでの実施の形態のような２重管ではなく、酸素導入管２１と、オゾン排出管３１を並列に配置している。この構成を取ることができるのは、２本の管を端部に差し込んでも十分な絶縁距離を確保できるぐらい接地管４０の径が大きい場合に限られるが、２重管と比べ細い径の管が利用できるため、配管コストが小さくなる。尚、この場合でも片側の配管を上部に設けた下側角パイプを貫通させて配管することで、多数のオゾン発生管４を設置することができ、オゾン発生装置全体の容量を容易に増加できることはいうまでもない。

実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。図６において、図１と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態５によるオゾン発生管４は、誘電体管の外面と金属管の内面の間に放電空間を形成するのではなく、接地導電膜４２を外面に形成した外側誘電体管４１を外管として、内管である高電圧金属管９０の外側に配置する構成としている。高電圧金属管９０と接地導電膜４２との間に高電圧を印加することにより、外側誘電体管４１内面と高電圧金属管９０外面に形成されている間隙１０に無声放電を形成する。

この構成では、給電線を兼ねた内導管２と外導管３に印加される高電圧がガラス管を介して水槽１１などの接地電位と接するため、外導管３と接地電位が短絡することが無く、信頼性が向上するという効果がある。外側誘電体管４１を外側に配置した構成で高電圧を印加する場合には、図１、２に示した配線に加えて、接地導電膜４２と水槽１１との間を
接続する配線９１が必要である。

実施の形態６．
図７は、本発明の実施の形態６によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。図７において、図１と同一符号は、同一または相当する部分を示す。本実施の形態では、外管を、その閉鎖された端部に窪み部分４５を設けた２重接地管４４としている。さらに、内管として、内部導体９を包み込むように作成された内側２重誘電体管６１を設けた。このように構成することで、内側２重誘電体管６１の外側の間隙１０だけでなく、内側にも放電空間となる間隙を内側間隙２０として形成し、オゾン発生管一本当たりのオゾン生成量を大きくしている。

図８は、本発明の実施の形態６による別の構成のオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。図８において、図７と同一符号は、同一または相当する部分を示す。図８に示すオゾン発生管４は、閉鎖された端部に窪み部分４５０を設けた外側２重誘電体管４１０を外管とし、窪み部分４５０の外面に内側接地導電膜４３を形成することにより、図７の構成と同様に、放電空間となる内側間隙２０を形成している。図７、図８どちらの構成においても、外管が内側に入り込んでいる窪み部分にある冷却水の循環が悪い。このため、ここに冷却水を吐出するパイプを挿入し、冷却を強化することでより効率的なオゾン生成が可能となる。これらの構成では、オゾン発生管一本当たりのオゾン発生量が大きくなるため、全体のオゾン発生管の量を減らすことができ、装置を小型化出来る。

なお、図７に示すように、高濃度オゾン側となる内側の間隙２０の間隙寸法を低濃度側である外側の間隙１０の間隙寸法より狭くすることで、高濃度オゾン側の放電密度が上がり、より高濃度のオゾンを生成できる。誘電体管を外側に配置した図８の構成で高電圧を印加する場合には、図１、２に示した配線に加えて、外側の接地導電膜４２および内側接地導電膜４３と水槽１１との間を電気的に接続するため、配線９２、および配線９３が必要である。

１：原料ガス ２：内導管（第一導管）
３：外導管（第二導管） ４：オゾン発生管
５：絶縁シール部材 ６：誘電体管（内管）
７：隔壁 ８：高電圧交流電源
９：内部導体 １０：間隙
１１：水槽 １２：冷却水
１３：絶縁パイプ １４、１４ｂ：原料ガス用配管（第二配管）１５、１５ｂ：オゾン用配管（第一配管） ２１：酸素導入管（第一導管）
３０：絶縁外導管（第二導管） ３１：オゾン排出管（第二導管）
４０：接地管（外管） ４１：外側誘電体管（外管）
４２：接地導電膜 ４３：内側接地導電膜
４４：２重接地管（外管） ４５、４５０：窪み部分
６１：内側２重誘電体管（内管） ９０：高電圧金属管（内管）
１００：オゾン化ガス ４１０：外側２重誘電体管（外管）

Claims (8)

1. 片端が開放され、他端が閉鎖された金属製の外管と、
   この外管の開放端部の内側に挿入して封止する絶縁シール部材と、
   前記外管と前記絶縁シール部材に囲まれた空間内部に、断面の外形形状が前記外管の内壁断面形状と相似な形状であって、前記外管の内壁と所定の間隙を有して配置されるとともに、内面に導電体が形成され両端が開放された誘電体製の内管と、
   この内管の内部空間を仕切り、前記内管の導電体と電気的に接続された導電性の隔壁と、この隔壁に挿入され、前記絶縁シール部材を貫通して、前記絶縁シール部材から外部に突き出すように設けられた導電性の第一導管と、
   前記絶縁シール部材の外部から、前記絶縁シール部材を貫通し、前記隔壁よりも前記絶縁シール部材側の空間に突き出して設けられた第二導管と、
   を備えたことを特徴とするオゾン発生管。
2. 前記第二導管が金属製であって、前記第一導管が前記第二導管の内部に、前記第一導管の外面と前記第二導管の内面との間にガスが通過可能な隙間を有するように配置され、前記第一導管が前記第二導管の両端から突き出していることを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生管。
3. 前記第二導管の外壁に接するように所定長さの絶縁パイプを設けたことを特徴とする請求項２に記載のオゾン発生管。
4. 前記第二導管が絶縁材料で形成され、前記第一導管が前記第二導管の内部に、前記第一導管の外面と前記第二導管の内面との間にガスが通過可能な隙間を有するように配置され、前記第一導管が前記第二導管の両端から突き出していることを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生管。
5. 請求項１から４のいずれか１項のオゾン発生管の外部から酸素を含む原料ガスを前記第二導管を通じて導入し、前記原料ガスを前記間隙を通過させるとともに、前記第二導管と前記外管の導電体との間に交流電圧を印加することにより、
   前記間隙で放電を発生させて前記原料ガスに含まれる酸素をオゾン化し、オゾン化されたオゾン化ガスを前記第一導管から外部に取り出すように構成したことを特徴とするオゾン発生装置。
6. 一面の壁に複数の穴の開いた、内部に冷却水を流すための水槽を備え、前記複数の穴にそれぞれ前記オゾン発生管を、前記外管の外面のうち、少なくとも前記間隙の放電が発生する部分の外面が前記冷却水に接するように前記水槽に挿入して配置したことを特徴とする請求項５に記載のオゾン発生装置。
7. 複数配置された前記オゾン発生管の前記第一導管を挿入する第一配管と、複数配置された前記オゾン発生管の前記第二導管を挿入する第二配管と、を備えたことを特徴とする請求項６に記載のオゾン発生装置。
8. 前記外管の閉鎖された端部に窪み部分を有し、この窪み部分の内壁と前記内管の内壁との間に内側間隙が形成され、この内側間隙においても放電が発生するよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生管。