JP5669685B2 - オゾン発生装置、およびオゾン発生装置の製造方法 - 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。

従来、水処理などに用いられているオゾン発生装置は、無声放電を利用したものが多い。無声放電を利用したオゾン発生装置の基本構成は、内面に金属膜が形成された円筒状の誘電体管を円筒状の金属管内に、この金属管内壁と誘電体管外壁とが所定の間隙を有する寸法となるよう挿入した構成になっている。この間隙に、酸素を含む原料ガス（空気、あるいは酸素ガスなど）を流して、金属管と誘電体管内面の金属膜の間に高圧の交流電圧を印加し、誘電体管の誘電体を介して間隙に交流電界を発生させることにより原料ガスを放電させ、原料ガス中の酸素をオゾン化することでオゾンを発生させる。このような構造のオゾン発生装置にあって、誘電体管端部付近の沿面放電や金属間の直接放電を防止するために誘電体管端部付近に絶縁物を設けるなどの工夫がなされている。（例えば特許文献１）

一方、特に大量の水処理に用いられるようなオゾン発生装置においては、近年、処理量の増大化に伴い、装置を大型化せずに処理量を増大させることが求められている。このような要求を満足させるためには、装置寸法当たりのオゾン発生量を増大させる必要があり、このためには放電電力密度を上げる必要がある。しかしながら、放電電力密度の増大に伴い、熱的な問題も増大している。

特開平１０−３３８５０３号公報 特開２０１０−２６９９５０号公報

熱的な問題は、冷却の不均一性や、投入電力の不均一性すなわち放電の不均一性など、種々の原因が考えられる場合が多く、放電電力密度が小さい従来のオゾン発生装置では、明確になっていない問題も多かった。

このほど、発明者らの詳細な検討により、金属管の端部付近に対向する誘電体管の、冷却の不均一性により発生する熱的な問題が明らかとなった。

この発明は上記のような発明者らにより明らかにされた、金属管の端部付近の冷却の不均一性の問題を解決するためになされたものである。従来は金属管の端部付近に対向した誘電体管の温度が他の部分よりも高くなり、この部分の温度により放電電力密度の上限が決まっていた。本発明では、誘電体管の温度分布を従来よりも均一にし、全体として放電電力密度を増大させることが出来、ひいては装置の小型化、あるいは大容量化を実現できるオゾン発生装置を提供することを目的とする。

この発明に係るオゾン発生装置は、気密密閉容器と、穴が開いた導電金属板であって、気密密閉容器の内部を３つの空間に仕切るように平行に設置された２枚の管板と、この２枚の管板の穴同士を連結するように設けられた接地電極管と、外壁と接地電極管内壁とが所定の間隙距離を有するように接地電極管内部に保持され、内部に金属電極を備え、片端が閉鎖された誘電体管と、接地電極管と金属電極との間に交流の高電圧を印加するための交流高圧電源とを備え、３つの空間のうち両端にある空間の一方の空間から、少なくとも間隙を通って両端にある空間の他方の空間に酸素を含む原料ガスを流し、誘電体管内部の金属電極を高電位、接地電極管および管板を接地電位として、間隙を流れる原料ガスを放電させてオゾンを発生させるとともに、２枚の管板と接地電極管外壁、および密閉容器内壁とで区切られた空間に冷却水を流すことにより、間隙を介して誘電体管を冷却するように構成されたオゾン発生装置であって、管板に対向する間隙部分の放電電力密度が、所定の間隙距離の部分の放電電力密度よりも小さくなるよう、管板に対向する間隙部分の間隙距離を、所定の間隙距離よりも広くしたものである。

この発明によれば、管板に対向する間隙部分を広げて、管板に対向する間隙部分の放電電力密度が、所定の間隙距離の部分の放電電力密度よりも小さくなるようにした。そのため管板に対向する部分の誘電体管の温度上昇が、従来に比較して小さくすることができ、誘電体管の温度分布を従来よりも均一にできる。その結果全体として放電電力密度を増大させることが出来、ひいては装置の小型化、あるいは大容量化を実現できるオゾン発生装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の概略構成を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の主要部を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の動作を説明する線図である。 本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の主要部を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の主要部を示す図４のＡ−Ａ位置の拡大断面図である。 本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置の概略構成を示す側面断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置を図１、図２に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の概略構成を示す側面断面図であり、図２は本発明の主要部を示す拡大断面図である。

図１において、気密密閉容器１は、原料ガス入口２側の空間（第一の空間）１００を仕切る第一の管板１１、および、オゾン化ガス出口３側の空間（第二の空間）２００を仕切る第二の管板１２を備えている。円筒状の金属管である接地電極管４が、第一の管板１１に開けられた穴と第二の管板１２に開けられた穴との間に、第一の管板１１（以後単に管板１１とも記載する）および第二の管板１２（以後単に管板１２とも記載する）に気密を保つように固定接続されている。管板１１と管板１２の間の空間１３内は冷却水で満たされ、冷却水が流れる。接地電極管４内には、接地電極管４と同軸状に、金属電極となる金属膜６を内壁に有する円筒状の誘電体管５が設けられている。交流高圧電源１０から、高圧碍子９を通して、給電素子７によって金属膜６に交流高電圧が給電される。誘電体管５と金属電極となる金属膜６とをあわせて高圧電極管５０と記載することもあり、一対の接地電極管４と高圧電極管５０を放電管と称することもある。実際のオゾン発生器は多数本の接地電極管４と誘電体管５と給電素子７が配置された構造となっているが、図１では接地電極管４や高圧電極管５０と管板１１などの詳細構造が解り易いように、１本の放電管のみが配置された構造を図示している。

次に動作について説明する。原料ガスは酸素や空気など、オゾンの原料となる酸素を含むガスであり、原料ガスは気密密閉容器１の原料ガス入口２から供給される。誘電体管５は、原料ガスが供給される側の端部が開放し、他端は閉鎖された円筒状に形成されている。通常、交流高圧電源１０から金属膜６への給電は、図１のように、誘電体管５の開放された原料ガス入口側の空間１００側から高圧碍子９のような絶縁碍子を通して給電素子７により金属膜６に電気的に接触させて行われる。また、誘電体管５は一方が閉鎖されているため、原料ガスは、誘電体管５と接地電極管４との間の間隙を通過する。金属膜６と接地電極管４の間に印加される交流高電圧により、間隙には誘電体管５を介して交流高圧電界が発生し、原料ガスは間隙を通過する間に無声放電によりオゾン化される。オゾン化されたガスは、オゾン化ガス出口３からオゾン処理装置（図示せず）に供給される。誘電体管５を形成する誘電体としては、斯界で周知されているように高比誘電率を有する材料、例えばガラス、セラミックス、石英、ホーローなどが例示される。誘電体管５の外壁と、接地電極管４の内壁との間には所定の寸法の間隙２０が形成されており、この間隙２０は、例えば０．３ｍｍ以下といった狭い寸法に保たれている。

また、誘電体管５は、原料ガス入口側の管板１１から原料ガス入口側の空間１００内に所定の寸法突き出しており、この部分の内壁にも金属膜６が形成されている。この突き出している寸法は、高圧電位となっている誘電体管５の内壁に設けられた金属膜６と、接地電位となっている管板１１との間が、誘電体管５の外面を通って沿面放電が生じない距離となる寸法となっている。また、給電素子７を管板１１の位置よりも外側、すなわち原料ガス入口側の空間（第一の空間）の位置に設けるため、管板１１に対向する誘電体管５の内壁部にも金属膜６が形成されている構成になっている。

図２に、管板１１付近の接地電極管４および誘電体管５の拡大した断面図を示す。図２では、接地電極管４や誘電体管５の中心軸に対して片側のみを示している。本実施の形態１では、接地電極管４が冷却水に接している部分（以下、主放電部と称する）に対応する間隙２０の間隙距離ｄ１は、上記のように例えば０．３ｍｍといった狭い寸法であり、原料ガス入口２が設けられている空間１００を仕切る管板１１に対向する部分の間隙２１の間隙距離ｄ２は、例えば約１．５ｍｍと、主放電部の間隙２０の間隙距離よりも大きくしている。管板１１に対応する位置の間隙距離が主放電部の間隙距離と同じ距離になっている従来のオゾン発生装置では、管板１１に対応する位置の間隙を通過する原料ガスも放電するが、本実施の形態１によれば、管板１１に対応する位置の間隙は広いために放電が発生し難く、放電電力密度が小さくなる構成となっている。一方、第二の管板１２、すなわちオゾン化ガス出口側に設けられた管板１２に対向する誘電体管５の内壁部には金属膜６は形成されていないため、この部分の間隙では放電が生じない。したがって、オゾン化ガス出口３側の管板１２に対向する部分の間隙距離は主放電部の間隙距離と同じでも良いし、異なっていても良く、どのような間隙距離になっていても良い。

ここで、間隙距離と放電との関係について説明する。図３は間隙距離と放電電力密度との関係について説明した図である。図３は、図１、図２で示すような、主放電部の間隙距離ｄ１に対して、一部間隙距離ｄ２が広い部分がある場合に、広い間隙距離の部分の放電電力密度がどうなるかをシミュレーションにより求めた結果を示すものである。曲線ａは、主放電部の間隙距離ｄ１＝0.15ｍｍ、曲線ｂはｄ１＝0.2ｍｍ、曲線ｃはｄ１＝0.3ｍｍの場合を示している。図３に示すように、ｄ２をｄ１より大きくすると、ｄ２の部分の放電電力密度は一旦増大する。すなわち、ｄ２をｄ１より単に拡げただけでは、ｄ２の部分の放電電力密度が小さくなるわけではないことが解った。

図３より、主放電部の間隙距離ｄ１によらず、ｄ２が約0.8ｍｍで放電電力密度が最大
となる。図３において、ａ、ｂ、ｃそれぞれの曲線の左端の点は、主放電部の放電電力密
度を示している。また、ａ、ｂ、ｃいずれの曲線も、Ｐで示すｄ２＝0.8ｍｍの直線に対
してほぼ対称となっている。よって、ｄ２における放電電力密度がｄ１における放電電力密度よりも小さくなるのは、概略、
ｄ２＞0.8＋（0.8−ｄ１）＝（1.6−ｄ１）ｍｍ （１）
の条件を満足する場合である。すなわち、管板１１に対向する部分の間隙２１の間隙距離ｄ２を１．６ｍｍ−ｄ１より大きくしておけば、間隙２１の部分の放電電力密度が、主放電部の放電電力密度よりも小さくなり、管板１１に対向する部分の誘電体管５の温度上昇が抑えられる。なお、式（１）の条件でｄ２を決定できるのは、主放電部の間隙距離ｄ１が0.4ｍｍ以下の場合である。

図３から解るように、ｄ２を１．８ｍｍ以上とすれば放電電力密度が０、すなわち放電が発生しなくなるため、より好ましい。また、誘電体管５や接地電極管４の製造上のばらつきや設置精度などを考慮すると、さらにｄ２を大きくしておく方がより効果が大きい。ただし、ｄ２を大きくすれば、放電管を複数配置した場合に、同一の大きさの気密密閉容器に配置できる放電管の数が減少する。このため、ｄ２はできるだけ小さい方が良く、これらを総合的に考慮すると、２ｍｍ以下であることが好ましい。

誘電体管５の冷却については、接地電極管４の外壁を流れる冷却水により接地電極管４が冷却され、その接地電極管４により間隙２０を流れるガスが冷却され、そのガスを介して誘電体管５の冷却が行われる。管板１１に対向した誘電体管５の部分は、冷却水に接する管板１１からこの管板１１に対向した間隙を介して冷却されるので、接地電極管４から間隙を介して冷却される部分よりも冷却水から遠い位置にあるため、冷却能力が低い。このため、誘電体管５の管板１１に対向する部分は、誘電体管５の他の部分よりも温度が上昇し易い。本実施の形態１では、管板１１に対向する部分の間隙２１では、主放電部よりも放電電力密度が小さい。このため、冷却能力が低くても誘電体管５の温度上昇が少なく、他の部分と同じ、あるいは他の部分よりも少ない温度上昇にできる。もし間隙２１が主放電部の間隙２０と同じ間隙距離の場合は、誘電体管５のうち、この管板１１に対向した部分の温度上昇が他の部分よりも大きくなるため、この部分の温度が、誘電体管５の許容上限温度以下となる放電電力しか投入できなかった。一方、本実施の形態１の場合は、管板１１に対向する部分の温度は他の部分と同じか低いため、この部分の温度により放電電力の上限が限られることがない。よって、主放電部が従来と同じ寸法の高圧電極管５０と接地電極管４を用いた場合、従来に比較して放電管全体に電力を多く投入でき、同じ寸法の高圧電極管５０と接地電極管４であっても、大容量のオゾン発生装置とすることができる。また、より小型で、従来と同じオゾン発生量のオゾン発生装置とすることができる。

ここで、本発明において、「管板に対向する」とは、管板１１の幅（厚み）を延長した範囲に含まれる部分を指す。ただし、加工誤差その他により、多少前後するものを含む。さらに得られる効果をより確実にするために、意図的に管板１１に対向する部分に加えて冷却水に対向する部分にも数ｃｍ以内でまたがった範囲とすることもありうる。このように本発明は、少なくとも管板に対向する部分は、間隙を、上記で説明した広い間隙にするものである。

以上のようなオゾン発生装置、特に接地電極管の製造方法の一例を説明する。あらかじめ、管板１１に対向した部分について、接地電極管単体で部分的に内径を拡大する加工を行う。このような加工は、所定の外径（接地電極管の内径より大きい）を有する円筒状の治具等を接地電極管の片端から接地電極管内部に所定の距離だけ圧入することにより容易に実現できる。

このように、接地電極管単体で部分的に内径の大きい接地電極管４を作製したのち、一般的に行われる管板１１と接地電極管４との接合方法を用いて、オゾン発生装置を構成す
る。一般的に行われる管板１１と接地電極管４との接合方法とは、溶接、あるいは拡管（管板に固定するための拡管）、さらにはＯリング等により固定する方法などがある。なお、拡管加工で固定する場合は、万一、上記接地電極管単体での加工（管板１１に対向する部分の内径を大きくする）において、接地電極管内面に傷等凹凸が生じた場合に、拡管ツールで表面を圧接することより、当該凹凸をある程度平坦化する効果がある。またオゾン側の管板１２と接地電極管４との接合においても、どのような接合方法を用いても良い。ただし、この部分の接合を、酸素側の管板１１と接地電極管４とが固定された状態で行う場合は、接地電極管のオゾン側を拡管すると接地電極管が延びて曲がるため、拡管は避けた方が良い。

なお、通常の熱交換器あるいは従来のオゾン発生装置において一般的に行われている、管板１１または管板１２と接地電極管４を固定およびシールするための拡管加工においても、結果的に管板に対向する部分のみ接地電極管４の内径を広げることになるが、当該拡管加工における内径の拡大は、０．３ｍｍないし０．６ｍｍ程度、半径（間隙に相当）では０．１５ｍｍないし０．３ｍｍ程度である。この程度の接地電極管４の拡大であれば、図３で示したように、管板に対向する部分で、かえって放電電力密度が増大する可能性がある。従って、本発明での接地電極管４の内径拡大は、通常の拡管加工とは、目的も寸法もまったく異なるものである。

実施の形態２．
図４および図５は、本発明の実施の形態２の構成を示す図である。図４は、実施の形態２による主要部を示す拡大断面図であり、図５は図４のＡ−Ａ部の断面図である。なお、図４は図２と同様、管板１１に対向する付近であって、接地電極管４や誘電体管５の中心軸に対して片側のみを示している。

本実施の形態２においては、管板１１に対向する部分の間隙２１に、位置決め部材３０を設けたものである。位置決め部材３０は誘電体管５の表面に、周方向４箇所貼付されている。位置決め部材３０には例えばガラス繊維やテフロン（登録商標）のようなフッ素樹脂やポリエステル、アセテートなどの絶縁性や耐酸化性に富んだ材料を用い、粘着剤には粘着力に富んだものを用いる。さらに、SUSや銅にNIやZnメッキを施した耐酸化性に優れ
た金属材料であっても良い。

本実施の形態２によれば、位置決め部材３０により、間隙が大きくなった部分において、接地電極管４の中の誘電体管５の偏心が防止でき、管板に対向する部分での間隙を均一にでき、より確実にこの部分での放電電力密度を小さくできるという効果がある。

なお、図５においては、位置決め部材３０を周方向に４箇所設けた例を示したが、これに限らず、３箇所でも５箇所でもよい。また、ガスが通過するような構造（例えばハニカム状）、あるいは材料(例えば多孔質体)であれば、全周に設けられていてもよい。

実施の形態３．
本実施の形態は、実施の形態１と構造はほとんど同じであるが、製造方法が異なるものである。実施の形態１においては、接地電極管４は単体で径を広げる加工を行うが、本実施の形態３においては、管板１１への固定と同時に行う。管板１１に開けられた接地電極管４を通すための穴の直径は実施の形態１においては接地電極管（一部径を大きくする加工後）の外径より0.2ｍｍ程度大きいものであるが、本実施の形態においては、接地電極
管（加工前）の外径よりも例えば約２.０ｍｍ大きくしておく。そして、通常（従来）の
オゾン発生装置において、管板１１と接地電極管４を固定するための拡管ツールを用いて、接地電極管４の管板１１に対向する部分の内径を２．２ｍｍ拡げると接地電極管４の肉厚が約０．１ｍｍ薄くなり、接地電極管４の当該部分の外径は約２．０ｍｍ拡大され、管板１１の穴にほぼ接する。さらに、軸方向の位置を微調整しながら、接地電極管４の内径を約０．４ｍｍ拡げることにより接地電極管４が管板１１の穴に強固に固着されシールが完了する。本実施の形態では、接地電極管4の当該部分の内径は、結果的に主放電部より２．２＋０．４＝２．６ｍｍ大きくなる。誘電体管５の外径はほぼ一定であるから、間隙の距離は、管板１１に対向する位置だけ、主放電部よりも１．３ｍｍ大きくなることになる。なお、上記加工のうち、最初に接地電極管４の内径を約２．２ｍｍ広げる（管板の穴にほぼ接する）までの作業は、通常の拡管と異なり接地電極管４が軸方向に動いてしまうため、管板１２側に接地電極管４が軸方向に移動しないようにするためのストッパを設けて実施する必要がある。

本実施の形態３においても、実施の形態１と同様の理由で、管板１１に対向する部分が電力密度の最大部分にならないため、電力密度の向上、ひいてはオゾン発生装置の小型化ができる効果がある。さらに、接地電極管の内径を大きくする加工と管板に固定する加工を同時（ほぼ一連の動作）としたため、加工工数を減らすことができる効果がある。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置の概略構成を示す側面断面図である。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。上記実施の形態１〜３では、当該部分の接地電極管４の内径を大きくする例を示したが、本実施の形態４では、図５に示すように接地電極管４に内径は全ての部分で一定であり、誘電体管５の管板１１に対向する位置から外側の部分５１の外形を小さくした。

このように、管板１１に対向する部分の間隙２１を、主放電部の間隙２０よりも広くするために、誘電体管５の管板１１に対向する部分の外径を、主放電部に対応する部分の外径よりも小さくしても良い。さらに、接地電極管４の管板１１に対向する部分の内径を大きくするとともに、誘電体管５の管板１１に対向する部分の外径を小さくして、管板１１に対向する部分の間隙２１を、主放電部の間隙２０よりも広くしても良い。

いずれにしても、本発明は、管板１１に対向する部分における放電電力密度が、主放電部の放電電力密度よりも小さくなるよう、管板１１に対向する部分の間隙２１の間隙距離ｄ２を、主放電部の間隙２０の間隙距離ｄ１よりも広くした。より好ましくは、管板１１に対向する部分の間隙２１の間隙距離ｄ２を、1.6ｍｍ−ｄ１以上となるようにした。こ
のため、管板１１に対向する部分の間隙２１における放電電力密度によって、投入電力の上限が決まることなく、主放電部における放電電力密度を増大でき、放電管への全投入電力を向上させることができる効果がある。

以上の実施の形態１から４、すなわち本発明は、特に電力密度が大きいオゾン発生装置に効果がある。すなわち、放電する部分全体における平均的な電力密度が０．２Ｗ〜０．７Ｗ／ｃｍ２といった、高放電電力密度で特に効果があり、本発明によれば、このような高放電電力密度で放電させる場合でも、安定な動作ができるオゾン発生装置を提供できる。

１：気密密閉容器 ２：原料ガス入口
３：オゾン化ガス出口 ４：接地電極管
５：誘電体管 ６：金属膜（金属電極）
１０：交流高圧電源 １１：第一の管板（原料ガス入口側の管板）１２：第二の管板（オゾン化ガス出口側の管板）
２０：主放電部の間隙 ２１：管板１１に対向する部分の間隙
３０：位置決め部材 ５０：高圧電極管
１００：原料ガス入口側の空間 ２００：オゾン化ガス出口側の空間

Claims (7)

1. 気密密閉容器と、
   穴が開いた導電金属板であって、上記気密密閉容器の内部を３つの空間に仕切るように平行に設置された２枚の管板と、
   この２枚の管板の上記穴同士を連結するように設けられた接地電極管と、
   外壁と上記接地電極管内壁とが所定の間隙距離を有するように上記接地電極管内部に保持され、内部に金属電極を備え、片端が閉鎖された誘電体管と、
   上記接地電極管と上記金属電極との間に交流の高電圧を印加するための交流高圧電源とを備え、
   上記３つの空間のうち両端にある空間の一方の空間から、少なくとも上記間隙を通って両端にある空間の他方の空間に酸素を含む原料ガスを流し、上記誘電体管内部の金属電極を高電位、上記接地電極管および上記管板を接地電位として、上記間隙を流れる原料ガスを放電させてオゾンを発生させるとともに、上記２枚の管板と上記接地電極管外壁、および上記気密密閉容器の内壁とで区切られた空間に冷却水を流すことにより、上記間隙に流れるガスを介して上記誘電体管を冷却するように構成されたオゾン発生装置であって、
   上記管板に対向する上記間隙部分の放電電力密度が、上記所定の間隙距離の部分の放電電力密度よりも小さくなるよう、上記管板に対向する上記間隙部分の間隙距離を、上記所定の間隙距離よりも広くしたことを特徴とするオゾン発生装置。
2. 上記所定の間隙距離をｄ１とし、ｄ１が０．４ｍｍ以下であり、上記管板に対向する上記間隙部分の間隙距離ｄ２を、１．６ｍｍ−ｄ１より大きく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. 上記接地電極管の内径が、上記管板に対向する部分で大きくなっていることを特徴とする請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
4. 上記誘電体管の外径が、上記管板に対向する部分で小さくなっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のオゾン発生装置。
5. 上記管板に対向する部分の上記間隙部分に、上記誘電体管を上記接地電極管と同軸にな
   るよう配置する位置決め部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のオゾン発生装置。
6. 請求項３に記載のオゾン発生装置の製造方法であって、上記接地電極管を単体で、上記接地電極管の端部の内径を拡げる工程の後、上記接地電極管を上記管板に固定する工程を行うことを特徴とする、オゾン発生装置の製造方法。
7. 請求項３に記載のオゾン発生装置の製造方法であって、上記接地電極管の端部の内径を拡げると同時に、上記接地電極管を上記管板に固定する工程を行うことを特徴とする、オゾン発生装置の製造方法。

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