JP5881538B2 - オゾン発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、水処理などに用いられる、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、放電を利用したものがほとんどである。放電によってオゾンを発生させるオゾン発生装置の構造には種々あるが、水処理等に利用するオゾン発生装置は、比較的大容量のものが多く、例えばｍオーダーの大直径の円筒の容器である缶体（オゾン発生タンク）の中に、ｃｍオーダーの小直径の円筒の放電管を、多数配置した構成のものが用いられる場合が多い。一つのオゾン発生タンクに配置される放電管の本数は通常１０本以上で、１０００本以上と非常に多数のものもある。放電管としては、例えば、金属製の接地電極管の中に、内面に金属膜が形成されたガラス管を高電圧電極管として挿入し、接地電極管の内面と高電圧電極管の外面との間に放電させるための間隙を形成した構成のものが用いられる。この間隙に酸素を含むガスを流して、高電圧電極管と接地電極管との間に交流高電圧を印加して放電を発生させて酸素を含むガスをオゾン化する。

間隙を形成するためには、接地電極管と高電圧電極管との間にスペーサが設置される。スペーサは、金属、樹脂、セラミック、ガラス、その他の材質からなる場合が多く、接地電極管あるいは高電圧電極管とは別に設けられる場合と接地電極管あるいは高電圧電極管と一体形成される場合がある。また、スペーサは種々の構成が提案されており、通常放電管の軸方向に何箇所か設置されることが多い（例えば特許文献１、特許文献２）。また、内管である高電圧電極間の外周全長に亘って連続的に螺旋状のスペーサを設けたものも提案されている（例えば特許文献３、特許文献４）。

ここで、放電によりオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置の放電管においては、ガスを流通させる間隙を均等に保つことが放電効率を高める重要なポイントである。特に本願の対象である円筒多管型のオゾン発生装置においては、偏心を無くして筒状電極の周方向の間隙を均一にするとともに、その状態をガスの流れ方向の全長に渡って実現することが重要である。

特開２００１−１５１５０３号公報 特開２００８−１３４０４号公報 国際公開第２００７／１０８１４２号 特開２００５−２６３５３２号公報

以上のような背景の下、特に間隙長を短くした近年のオゾン発生装置においては、間隙の均一性の観点から、ガスの流れ方向に対してスペーサの数がある程度必要であることがわかってきた。例えば、特許文献３や特許文献４に開示されているように、内管の外周に連続的に螺旋状に設けたスペーサによれば、放電管の周方向および軸方向全体に亘って均一性が確保できることが考えられる。しかし、ただ単に全体に亘って連続的に螺旋状のスペーサを設けることは、その分スペーサ材料を多く必要とし、組み立て時間も要するという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、スペーサ材料が少なくても、オゾン発生効率が高く、組み立てが容易な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、オゾン発生タンク内に、断面形状が円環形状の外側管と、外面と外側管の内面とが間隙を有するように外側管内部に保持され、断面形状が円環形状の内側管と、で間隙を形成する二面の内一面が誘電体の面となるように構成された放電管を備え、間隙を通って酸素を含む原料ガスを流し、間隙に交流電界を発生させることにより、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ように構成されたオゾン発生装置であって、間隙を所定寸法に保持するためのスペーサを、内側管の外面に螺旋状に巻いた螺旋状スペーサとし、この螺旋状スペーサを複数個、配置間隔が、螺旋状スペーサの巻き幅の２倍以上となるように放電管の長さ方向に分散して配置したものである。

この発明によれば、螺旋状のスペーサを間隔を置いて複数設置したので、スペーサの材料が少なくても、オゾン発生効率が高く、組み立てが容易な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概略構成を示す側面断面図である。 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拡大断面図であり、ガスの流れを説明する図である。 図４と比較して説明するため、図１のオゾン発生装置のガスの流れを説明する図である。 図４のＡ−Ａ位置での断面図であり、ガスの流れを説明する図である。 本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の別の構成の主要部を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態３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４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５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。

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の主要部を示す拡大概念図であり、図２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る。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。

円筒形状のガラス管などの誘電体管である内側管５の内面に高電圧電極となる金属膜６を形成し、内側管５の外部に同心円状に接地電極となる円筒状の外側管４を、内側管５の外面と外側管４の内面とが間隙を有するように配置する。外側管４は、電気的に接地され
たオゾン発生タンク１と同電位になるよう、オゾン発生タンク１の内部を３つの空間に分ける２枚の金属製の管板１１に取り付けられている。金属膜６が形成された内側管５と外側管４とで放電管５０を構成している。オゾン発生器用電源１０から金属膜６に交流高電圧を給電し、金属膜６と外側管４の間に交流高電圧を印加すると内側管５と外側管４との間の間隙２０で放電が発生する。

外側管４の周囲は放電による熱を冷却するための冷却水１３が図示しない冷却装置から循環して流されるようになっている。図示しない原料ガス供給装置から原料ガス入口配管２を通して酸素（Ｏ_２）を含む原料ガスが導入される。導入された原料ガスは間隙２０を通る間に放電によりオゾン（Ｏ_３）化ガスとなり、オゾン化ガス出口配管３より出力される。図２では放電管５０を１本だけ示しているが、大容量のオゾン発生器では、１台の、すなわち一つのオゾン発生タンク１に放電管５０が複数、多いものでは１０００本程度並列に設置されている。

図１は、放電管５０の部分を拡大した図であり、外側管４は断面を示し、内側管５は外観を示している。図１において、図２と同一部分には同一符号を付している。ここで、内側管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比較的高い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。内側管５の外面と、外側管４の内面との間には所定寸法の間隙２０が形成されており、この間隙２０の所定寸法は、例えば０．４ｍｍ以下といった狭い寸法に設定される。最近はさらに０．２５ｍｍ以下の狭い寸法に設定されることもある。この狭い間隙２０の寸法を保つために螺旋状スペーサ２１が設置されている。

図１は、内側管５の外周に設置された螺旋状スペーサ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ（螺旋状スペーサ全体を示すときはまとめて螺旋状スペーサ２１と表わす。）の様子を示すために、内側管５は外観を示している。螺旋状スペーサ２１の点線で示されている部分は紙面手前から見て内側管５の裏側に位置している部分を示している。図１に示すように、螺旋状スペーサ２１は、内側管５の周囲に、それぞれ略１周螺旋状に巻かれたテープ状の材料により構成されている。テープとしては、厚さが略間隙寸法の厚さで、例えば幅１０ｍｍの粘着剤付テープを用いることができる。テープの基材としては、金属でも非金属でもよく、金属であれば、例えばステンレス、チタン、アルミなどが用いられ、非金属の場合は、フッ素樹脂、ゴム、ガラスクロスなどが使用できる。

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、原料ガスはオゾン発生タンク１の原料ガス入口配管２から供給される。内側管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、金属膜６への給電は、図２に示すように、オゾン発生タンク１の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、内側管５は片端が閉鎖されているため、原料ガスは、内側管５と外側管４との間の間隙２０を通過する。原料ガスは間隙２０を通過する間に無声放電によりオゾン化され、オゾン化ガス出口配管３から図示しないオゾン処理装置に供給される。

ここで、例えば内側管５として直径約３０ｍｍのガラス管を用い、内側管５の長さが約１．５ｍとすると、内側管５が細長いため、比較的容易にたわむ。このように内側管５が細長い場合、例えば特許文献３や特許文献４に記載されているような、放電管の全長に亘って連続的に螺旋状に巻いたスペーサを用いると、放電管の長さ方向全体に亘って間隙を保つことができる。しかし、スペーサの材料を多く必要とし、また組み立てに際しても、組み立てが難しいといった問題がある。そこで、略１周螺旋状に巻かれた螺旋状スペーサ２１を、長さ方向に複数分散して配置する。このように螺旋状スペーサ２１を分散して配置する場合、スペーサ材料の使用量が削減できるという大きな効果がある。その反面、螺旋状スペーサ２１を内側管と一体成型する場合を除き、螺旋状スペーサ２１の固定はさらに難しくなる（狭い放電間隙内で何箇所も固定が必要なため）。しかし、この場合も本実施に形態においては、粘着剤付のテープ状部材を使用しているため、内側電極へ貼付するのみでよく、作業性が非常に向上し安価なオゾン発生装置が出来るという効果がある。

特に、螺旋状スペーサとして、ガラスクロスを用いた場合は、耐オゾン性が良好でなおかつ柔軟性があるため施工性に優れており、なおかつ安価なオゾン発生装置が出来るという効果がある。また、本実施の形態において、分散して配置された螺旋状スペーサ２１は、１つが内側管を０．９ないし１．３周する長さとしている。これより短いと、内側管の偏心を防ぐことが出来ず、１箇所の偏心を防ぐという意味ではこれより長い必要がない。よって、この長さに規定することにより、性能を低下させずに最低限の材料と施工時間とすることが可能となり、安価なオゾン発生装置が出来るという効果がある。

図１および図２では、螺旋状スペーサ２１が４箇所設置されたものを図示しているが、螺旋状スペーサ２１は何箇所設置されていても良い。ただし、螺旋状スペーサの巻き幅Ｗと配置間隔（ピッチ）Ｌの関係は、Ｌ＞２Ｗが好ましい。数が多くなると、材料を多く必要とし、しかも設置が難しくなるからである。螺旋状スペーサの数としては内側管５の長さ１．５ｍ当たり５箇所以上に螺旋状スペーサを設置することが望ましい。なお、螺旋状スペーサの数が多い場合には、本実施の形態による、粘着剤付テープを用いる効果がより増大する。さらに、巻き幅Ｗの寸法は、管径Ｄよりも大きく３Ｄよりも小さいことが好ましい。さらに好ましくは、Ｗは１．５Ｄより大きく２．５Ｄより小さいことが好ましい。巻き幅が狭いと、ガスの流れの圧損が大きくなるからである。また、巻き幅が大きいと必要以上に多くのスペーサ材料を要するからである。

実施の形態２．
図３は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概念図であり、実施の形態１の図１に相当する図である。本実施の形態２では、隣り合う螺旋状スペーサの螺旋の端部の位置を、内側管５の周方向に１８０度ずらして配置したものである。例えば、螺旋状スペーサ２１ａとこの螺旋状スペーサ２１ａに隣り合う螺旋状スペーサ２１ｂとを比較すると、螺旋状スペーサ２１ａの左側端部、すなわち原料ガスの流れの上流側の端部は紙面の手前側に位置し、螺旋状スペーサ２１ｂの左側端部は紙面の裏側に位置している。螺旋状スペーサ２１ｂと螺旋状スペーサ２１ｃの関係、螺旋状スペーサ２１ｃと螺旋状スペーサ２１ｄの関係も同様である。

図４に、図３で示した螺旋状スペーサ２１の配置において、間隙２０を流れるガスの流れを模式的に示す。太い矢印で示しているのがガスの流れの主流部分である。実線は手前側、破線は裏側を流れることを示す。隣り合う螺旋状スペーサの螺旋の端部の位置を内側管５の周方向に１８０度ずらして配置した場合、手前側と裏側両方にガスは流れる。一方、図５に、螺旋状スペーサの配置が実施の形態１の配置の場合のガスの流れを太い矢印で示す。図５のように、隣り合う螺旋状スペーサの螺旋の端部の位置が周方向で同じ位置にある場合、ガスの流れの主流部分は手前側だけとなる。図６に、図５のＡ−Ａ位置での断面図を示す。ガスの流れの主流部分は、ハッチングした間隙２２の部分に偏った流れとなる。他の部分の断面においても、ガスの流れの主流部分はほぼ同じ部分となり、全体として周方向の一部に偏った流れとなる。

本願の対象とするオゾン発生装置の放電間隙長は０．１ｍｍ〜０．６ｍｍ程度であり、電力密度は０．１〜０．７W/cm2程度、オゾン濃度は６〜２０wt%程度である。このような範囲においては放電間隙を流れるガスの流れは基本的に層流である。このとき、例えば直径２５ｍｍ、間隙長０．３ｍｍの場合に流れ断面は、約７８．５ｍｍ対０．３ｍｍすなわ
ちアスペクト比約２６０：１の長方形断面となる。その結果、円周方向に十分な拡散は行われず、例えば円周方向にオゾン濃度の分布があった場合も均一になりにくい。筆者らはガスの流れの攪拌が行われるほうがオゾン発生効率が向上することを見出した。

螺旋状スペーサの螺旋部分を出たガス流は、次の螺旋状スペーサの入り口への最短距離が主流となる。実施の形態１で示した螺旋状スペーサの配置である、隣り合う螺旋状スペーサの円周方向の端部位置が一致している場合は、円周方向で常に同一方向が主流となるが、本実施の形態２のように隣り合う螺旋状スペーサの円周方向の端部位置が互いに１８０度ずれている場合は、主流が常に回転することにより、円周方向の攪拌効果が生じ、オゾン発生効率が向上するという効果がある。

図７は本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の別の構成の主要部を示す拡大概念図である。図３では、隣り合う螺旋状スペーサの螺旋の端部の位置を内側管５の周方向に１８０度ずらして配置したが、図７では、ずらす角度を９０度とした。このように９０度ずらす構成であっても、主流が常に回転することにより、円周方向の攪拌効果が生じ、実施の形態１の螺旋状スペーサの配置に比較してオゾン発生効率が向上する。ずらす角度は、９０度以上２７０度以下であれば得られる攪拌効果が大きい。

このように、本実施の形態２では、隣り合う螺旋状スペーサの螺旋の端部の位置を内側管５の周方向にずらして配置し、好ましくはずらす角度を９０度以上２７０度以下としたので、間隙を流れるガスに円周方向の攪拌効果が生じ、実施の形態１の螺旋状スペーサの配置に比較してオゾン発生効率が向上するという効果がある。

実施の形態３．
図８は本発明の実施の形態３によるオゾン発生装置の主要部を示す拡大概念図である。図３では、隣り合う螺旋状スペーサの螺旋の端部の位置を内側管５の周方向に１８０度ずらして配置したが、螺旋の巻き方向は同一であった。本実施の形態３は、図８に示すように、隣り合う螺旋状スペーサの巻き方向を逆にした実施の形態である。

螺旋状スペーサの螺旋部分を出たガス流は、次の螺旋状スペーサの入り口への最短距離が主流となる。隣り合う螺旋状スペーサの円周方向の巻き出し位置が一致している場合は、円周方向で常に同一方向が主流となるが、本実施の形態のように隣り合う螺旋状スペーサの円周方向の端部の位置が互いに１８０度ずれている場合は、主流が常に回転し、さらに螺旋状スペーサごとに回転方向が反転するため、円周方向の攪拌効果が実施の形態２に比較してもさらに大きくなり、オゾン発生効率が向上するという効果がある。

実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置の主要部を示す拡大概念図である。実施の形態１から実施の形態３では、螺旋状スペーサの配置間隔（ピッチ）を同一としていた。本実施の形態４では、螺旋状スペーサの配置間隔を異ならせ、特にガスの流れの下流側の螺旋状スペーサの配置間隔を上流側より狭くした。螺旋状スペーサ２１ａと螺旋状スペーサ２１ｂの配置間隔Ｌ１、螺旋状スペーサ２１ｂと螺旋状スペーサ２１ｃの配置間隔Ｌ２、螺旋状スペーサ２１ｃと螺旋状スペーサ２１ｄの配置間隔Ｌ３が、
Ｌ１＞Ｌ２≧Ｌ３ （１）
となるように各螺旋状スペーサを配置している。

オゾン発生効率向上においては、ガスの流れ方向の全長に亘って間隙を均一に保つことが望ましいが、中でも下流側の間隙が特に重要である。円筒多管型のオゾン発生装置は、押し出し流れ型の反応器となるため、下流側の状態が、最終的な反応（オゾン生成）結果に最も大きな影響を与える。すなわち、下流側の間隙が不均一であると、下流側での放電
がオゾン発生に適した条件から外れて、上流側で発生したオゾンが解離する恐れがあり、間隙２０全体でのオゾン発生効率が低下する。従って、上流側に比較して、下流側の間隙を均一にすることが、オゾン発生効率向上において特に重要である。下流側の間隙をより均一にするために、螺旋状スペーサの配置間隔が上流側よりも下流側で狭くなるように螺旋状スペーサを配置することで、同数の螺旋状スペーサを等間隔で配置した場合よりも高いオゾン発生効率が得られる。すなわち、配置間隔が上流側よりも下流側で狭くなるように螺旋状スペーサを配置することで、螺旋状スペーサの数が少なくてもオゾン発生効率が高いオゾン発生装置が得られる。

実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５によるオゾン発生装置の主要部を示す拡大概念図である。実施の形態１から実施の形態４では、内側管の外周を略１周巻いた螺旋状スペーサを、間隔を置いて配置した構成であった。本実施の形態５では、連続した１本の螺旋状スペーサ２１０を間隙２０のほぼ全長に亘って設けている。この実施の形態は、本願の第二の発明として、螺旋状スペーサ２１０を、粘着剤付テープを用いて設置したものである。

このように、連続した１本の螺旋状スペーサ２１０を配置すれば、ガスの流れ方向の全長に亘って間隙を均一に保つことができるという特長がある反面、全長に渡っての螺旋状スペーサ設置には手間がかかるという問題があった。例えば、特許文献１のようにワイヤーを螺旋状に設置した場合、両端での固定の構造は複雑になってしまう。また、基本的に固定できるのは両端のみであるため、内側電極を外側電極へ挿入する際にずれたりゆるんだりして、最終的に所望の性能が得られない可能性もあった。ところが本実施の形態５においては、粘着剤付のテープ状部材を使用しているため、内側電極へ貼付するのみでよく、作業性が非常に向上する。また、螺旋状スペーサ２１０のすべてが固定されるとともに、螺旋状スペーサ２１０両端での特殊な固定方法も必要なくなるため、安価なオゾン発生装置が出来るという効果がある。特に、螺旋状スペーサとして、ガラスクロスを用いた場合は、耐オゾン性が良好でなおかつ柔軟性があるため施工性に優れており、なおかつ安価なオゾン発生装置が出来るという効果がある。

なお、実施の形態１〜実施の形態５においては、内側管５を断面が円環形状の誘電体管として内側に金属膜６を設けて高圧電極とし、金属管である断面が円環形状の外側管４を接地電極とする放電管５０を例として説明した。本発明は、以上のような放電管の構成に限らず、例えば内側管を断面が円環形状の金属管とし、外側管を断面が円環形状の誘電体管として、外側管の外面に例えば金属膜を設け、内側管を高圧電極、外側管の外面の金属膜を接地電極、または逆に内側管を接地電極、外側管を高圧電極とする放電管の構成にも適用できるのは言うまでもない。また、外側管、内側管共に誘電体管で形成し、外側管の内面と内側管の内面に金属膜を形成、あるいは外側管の外面と内側管の外面に金属膜を形成して、それぞれの金属膜を電極として電極間に交流電圧を印加する構成であっても良い。また、誘電体管内面に金属膜を形成する代わりに、誘電体管内面に導電塗料を塗布したり、誘電体管内に金属棒を挿入したりする構成であっても良い。さらに、金属管の表面に誘電体膜あるいは誘電体層を形成した放電管を用いても良い。その場合は、少なくとも外側管の内面あるいは内側管の外面が誘電体膜あるいは誘電体層である必要がある。

要するに、間隙に交流電界を発生させることによって無声放電が発生できる構成であれば良く、本発明の放電管は、間隙を形成する二面のうち一面が誘電体の面となるように構成されていれば良い。このように、本発明におけるオゾン発生装置は、断面形状が円環形状の外側管と、外面と外側管の内面とが間隙を有するように外側管内部に保持され、断面形状が円環形状の内側管と、で間隙を形成する二面の内一面が誘電体の面となるように構成された放電管を備え、間隙を通って酸素を含む原料ガスを流し、間隙に交流電界を発生させることにより、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ように構成さ
れたオゾン発生装置であれば、放電管の構成はどのような構成であっても良い。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせ、あるいは各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：気密密閉容器 ２：原料ガス入口配管
３：オゾン化ガス出口配管 ４：外側管
５：内側管 ６：金属膜
１０：交流高電圧電源 １１：管板
２０：間隙
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１０：螺旋状スペーサ
５０：放電管 １００：原料ガス入口側の空間

Claims (6)

1. オゾン発生タンク内に、
   断面形状が円環形状の外側管と、
   外面と前記外側管の内面とが間隙を有するように前記外側管内部に保持され、断面形状が円環形状の内側管と、で前記間隙を形成する二面の内一面が誘電体の面となるように構成された放電管を備え、
   前記間隙を通って酸素を含む原料ガスを流し、前記間隙に交流電界を発生させることにより、前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ように構成されたオゾン発生装置であって、
   前記間隙を所定寸法に保持するためのスペーサを、前記内側管の外面に螺旋状に巻いた螺旋状スペーサとし、この螺旋状スペーサを複数個、配置間隔が前記螺旋状スペーサの巻き幅の２倍以上となるように、前記放電管の長さ方向に分散して配置したことを特徴とするオゾン発生装置。
2. 前記複数の螺旋状スペーサのそれぞれは、前記内側管の外周に０．９周以上１．３周以下巻かれていることを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 隣り合う前記螺旋状スペーサの、前記原料ガスの流れの上流側の端部の位置が、互いに前記内側管の周方向の異なる位置にあ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. 隣り合う前記螺旋状スペーサの、前記原料ガスの流れの上流側の端部の位置が、互いに前記内側管の周方向に９０度以上２７０度以下ずれていることを特徴とする請求項３に記載のオゾン発生装置。
5. 隣り合う前記螺旋状スペーサの巻き方向が互いに反対方向であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のオゾン発生装置。
6. 前記螺旋状スペーサが粘着剤により前記内側管の外面に固定されたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のオゾン発生装置。

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