JP5976327B2

JP5976327B2 - オゾン発生電極

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Publication number: JP5976327B2
Application number: JP2012016511A
Authority: JP
Inventors: 正樹田口
Original assignee: Metawater Co Ltd
Current assignee: Metawater Co Ltd
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2032-01-30
Also published as: JP2013155073A

Description

本発明は、対向する一対の電極間に形成した放電空間に酸素を含む原料ガスを流入させ、放電によりオゾンを生成するオゾン発生電極に関する。

近年、オゾンの強い酸化作用を利用して、オゾンを上下水等の脱色、脱臭、殺菌等の水処理に利用することが行われている。

オゾンの生成方法の一つとして、対向する一対の電極の片側又は両側を誘電体で覆い、この電極間に交流高電圧を印加することにより放電（無声放電）を発生させると共に、放電空間となる電極間に酸素を含む原料ガスを流入させてオゾンを生成する方法が知られている。

無声放電を利用したオゾン発生装置の構成としては、２つの円筒形状の電極管に所定の隙間を設けて同軸二重管状に配置し、内側電極の外周面又は外側電極の内周面にガラス管等の誘電体を固着させることにより、両電極間を放電空間として形成したものが一般的に用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２４８０１７号公報

上記のような従来構成のオゾン発生装置では、円筒形状の電極の軸方向（長手方向）に沿って、一端側から他端側へと原料ガスを一方向に流通させてオゾンを生成している。オゾン発生濃度を増加させるためには、電極の放電面積増加が必須であり、そのため電極や誘電体の軸方向長さを長くする必要があり、装置構成が軸方向に大型化・長尺化するという問題があった。

本発明は、上記従来の問題を考慮してなされたものであり、放電面積を十分に確保しつつ、装置構成を小型化することができるオゾン発生電極を提供することを目的とする。

本発明に係るオゾン発生電極は、対向する一対の電極間に誘電体を設けて放電空間を形成し、該放電空間に酸素を含む原料ガスを流入させてオゾンを生成するオゾン発生電極であって、前記一対の電極の互いに対向する各表面に対してそれぞれ隙間を設けて前記誘電体を配置することで、前記放電空間を前記誘電体で仕切って二層の放電空間を形成し、各放電空間の一方の端部同士を折り返し流路によって互いに連通させることで、前記原料ガスを各放電空間に順に流通可能としたことを特徴とする。

このような構成によれば、一対の電極間に交流高電圧を印加して無声放電を発生させ、酸素を含む原料ガスからオゾンを生成するための放電空間を、誘電体によって二層の放電空間として仕切り、折り返し流路によってこれら放電空間に対して順に原料ガスを流通可能としたことにより、各電極の軸方向長さ（ガス流通方向長さ）を延長することなく、放電空間の軸方向長さ（ガス流通方向長さ）を実質的に２倍程度まで延ばすことができ、装置構成を軸方向に大型化・長尺化させずに、放電面積を十分に確保することができる。従って、当該オゾン発生電極では、従来のオゾン発生装置と比べて、放電空間の集積率を上げることができるため、同程度のオゾン濃度からなるオゾン化ガスを生成する場合には、装置の軸方向長さを半分程度まで小型化・短尺化させることができる一方、装置の軸方向長さを同程度とすれば、生成されるオゾン化ガスでのオゾン発生量を２倍程度に高めることが可能となる。

前記一対の電極は、筒状の内側電極と、該内側電極の外周側に設けられる筒状の外側電極であり、前記誘電体は、筒状であると共に、前記内側電極の外周面に設置された内側スペーサと、前記外側電極の内周面に設置された外側スペーサとで支持する構成とすると、誘電体を内側電極と外側電極との間に内側スペーサ及び外側スペーサを介して挿入配置するだけの簡単な組立工程で二層の放電空間を備えたオゾン発生電極を製造することができ、製造効率が高く、製造コストを低減することができる。しかも、ステンレス管等の金属管からなる電極の表面に、誘電体であるガラス管等を固着（貼着）する作業が不要となるため、製造コストを低減することができる。

前記二層の放電空間は、前記原料ガスの流通方向で、上流側となる放電空間と下流側となる放電空間の前記隙間が同一の大きさであってもよく、又は、上流と下流の放電空間の前記隙間が異なってもよい。

前記内側スペーサ及び前記外側スペーサの少なくとも一方は、前記原料ガスの流通方向に延在するように設けられ、前記放電空間を周方向に区画していると、これら内側スペーサや外側スペーサが放電空間を周方向に仕切る整流板として機能するため、流通する原料ガスの偏流を抑制し、ガスをより均一に流通させて、オゾン発生効率を一層向上させることができる。

本発明によれば、一対の電極間を誘電体によって二層の放電空間に仕切り、折り返し流路によってこれら放電空間に対して順に原料ガスを流通可能としたことにより、各電極の軸方向長さを延長することなく、放電面積を実質的に２倍程度まで広げることができ、装置構成を軸方向に大型化・長尺化させずに、放電面積を十分に確保することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係るオゾン発生電極の側面断面図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図３は、内側電極と外側電極と誘電体とを示す分解斜視図である。図４は、図１に示すオゾン発生電極を２台連結して１つのモジュールとして構成したオゾン発生システムの側面断面図である。図５は、図１に示すオゾン発生電極の変形例に係るオゾン発生電極の側面断面図である。

以下、本発明に係るオゾン発生電極について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るオゾン発生電極１０の側面断面図である。本実施形態に係るオゾン発生電極１０は、対向する一対の電極間に誘電体を設けて形成した放電空間に酸素を含む原料ガスＡを流入させてオゾンを生成するオゾン発生装置に用いられるものであり、生成したオゾンを含むオゾン化ガスＢは、例えば、上下水等の脱色、脱臭、殺菌等の水処理に利用される。

図１に示すように、オゾン発生電極１０は、筒状の内側電極１２と、内側電極１２に対して同軸上で外周側に配置された筒状の外側電極１４と、互いに対向する内側電極１２の外周面１２ａと外側電極１４の内周面１４ａとの間に介在するように配置された筒状の誘電体１６とを備え、内側電極１２と外側電極１４との間を放電空間１８として形成している。

内側電極１２は、一端に原料ガスＡの入口ポートとなる流入管２０が連結された導体管（例えば、ステンレス製等の金属管）であり、その内部空間１２ｂが流入管２０から流入する原料ガスＡの流通経路となっている。内側電極１２は、流入管２０が給電ライン２２によって高圧電源２４と接続されることで、当該オゾン発生電極１０の高電圧電極として機能する。

外側電極１４は、長手方向で両端部がそれぞれ管板２６、２８によって支持された導体管（例えば、ステンレス製等の金属管）であり、一端が管板２６によって閉塞され、他端の開口１４ｂがオゾン化ガスＢを外部へと流出させるための出口ポートとなる。外側電極１４は、接地ライン３０によって接地されることで、当該オゾン発生電極１０の接地電極として機能する。

外側電極１４の外周面と管板２６、２８の内面とで囲まれる領域は、冷却水等の冷媒を流通させるための冷却部３２を構成する。また、管板２６は、流入管２０の外周面に絶縁部材３３を介して設けられることで、内側電極１２に対して絶縁されている。

誘電体１６は、一端の開口１６ａが放電空間１８内の一端側で開口し、他端が半球状の底部１６ｂによって閉塞された誘電体管（例えば、ガラス管）であり、底部１６ｂが内側電極１２の内部空間１２ｂの出口側（流入管２０側とは反対側）となる開口１２ｃと対面するように設置される。底部１６ｂは、円筒部分と一体成形としてもよく、別体で成形して連結したものとしてもよい。

誘電体１６は、その内周面１６ｃが内側電極１２の外周面１２ａに対して隙間Ｇ１を設けて配置され、その外周面１６ｄが外側電極１４の内周面１４ａに対して隙間Ｇ２を設けて配置される。

図２及び図３に示すように、誘電体１６は、内側電極１２の外周面１２ａ上に設置されたスペーサ（内側スペーサ）３４と、外側電極１４の内周面１４ａ上に設置されたスペーサ（外側スペーサ）３６とによって挟持されることで両電極間に支持されており、つまり、隙間Ｇ１、Ｇ２は、それぞれスペーサ３４、３６によって規定されている。なお、図１では、図面の見易さを確保するため、スペーサ３４、３６を省略すると共に、隙間Ｇ１、Ｇ２をやや誇張して図示しており、図２及び図３についても隙間Ｇ１、Ｇ２をやや誇張して図示している。

図３に示すように、内側電極１２の外周面１２ａ上に設置されるスペーサ３４は、例えば、短尺な金属ピンや小片の金属板等を外周面１２ａ上に接合して用いるとよく、スペーサ３４は、例えば、内側電極１２の両端側にそれぞれ周方向に複数（本実施形態では３個）に均等に又はランダムに配置すればよい。一方、外側電極１４の内周面１４ａ上に設置されるスペーサ３６は、例えば、外側電極１４の長手方向（軸方向）に渡って延在する長尺な金属ワイヤ等を内周面１４ａ上に接合して用いるとよく、スペーサ３６は、例えば、外側電極１４の周方向に複数（本実施形態では３本）均等に又はランダムに配置すればよい。勿論、内側電極１２の外周面１２ａに設置されるスペーサ３４を、外側電極１４の内周面１４ａ上に設置されるスペーサ３６のように内側電極１２の長手方向に渡って延在する長尺なワイヤ等で構成してもよく、同様に、スペーサ３６をスペーサ３４のように短尺なピン等で構成してもよい。なお、スペーサ３４、３６は、内側電極１２と外側電極１４との間に所望の隙間Ｇ１、Ｇ２を介して誘電体１６を支持することができれば、その配置や構造・形状は適宜変更可能である。

図１及び図２に示すように、オゾン発生電極１０では、上記のように、内側電極１２と外側電極１４の間にそれぞれ隙間Ｇ１、Ｇ２を介して誘電体１６を介在させるように設置することにより、放電空間１８が誘電体１６で仕切られて二層の放電空間１８ａ、１８ｂが形成されている。

一方（内側）の放電空間１８ａは、内側電極１２の外周面１２ａと誘電体１６の内周面１６ｃとの間に隙間Ｇ１によって形成されており、他方の（外側）の放電空間１８ｂは、外側電極１４の内周面１４ａと誘電体１６の外周面１６ｄとの間に隙間Ｇ２によって形成されている。各放電空間１８ａ、１８ｂは、誘電体１６の開口１６ａ側に管板２６によって形成される折り返し部（折り返し流路）３８により、互いに連通されている。これにより、放電空間１８ａを軸方向（長手方向）に流通した原料ガスＡは、折り返し部３８で折り返され、放電空間１８ｂを軸方向（長手方向）へと順に流通される。

このようなオゾン発生電極１０での原料ガスＡの流通経路は、入口ポートとなる流入管２０から順に、内側電極１２の内部空間１２ｂと、誘電体１６の底部１６ｄによって内部空間１２ｂの出口である開口１２ｃから折り返された一方（上流側）の放電空間１８ａと、誘電体１６の開口１６ａ側で折り返し部３８によって放電空間１８ａの出口である開口１６ａから折り返された他方（下流側）の放電空間１８ｂとを有する。

従って、高圧電源２４によって内側電極１２と外側電極１４との間に交流高電圧（例えば、１０ｋＶ程度）を印加して放電させ、入口ポートである流入管２０から原料ガスＡを導入すると、この原料ガスＡは、上流側となる放電空間１８ａを軸方向（ここでは、図１中の左側から右側）に流通しながらオゾン生成がなされ、続いて、折り返し部３８で折り返して下流側となる放電空間１８ｂを軸方向（ここでは、図１中の右側から左側）に流通しながらさらにオゾン生成がなされ、オゾン化ガスＢとして、出口ポートである外側電極１４の開口１４ｂから外部へと排出される。なお、入口ポートである流入管２０の入口には、図示しない原料ガス供給配管が接続され、出口ポートである外側電極１４の開口１４ｂには、図示しないオゾン化ガス排出配管が接続される。

以上のように、本実施形態に係るオゾン発生電極１０によれば、互いに対向する内側電極１２の外周面１２ａと外側電極１４の内周面１４ａに対して、それぞれ隙間Ｇ１、Ｇ２を設けて誘電体１６を配置することにより、放電空間１８を誘電体１６で仕切って二層の放電空間１８ａ、１８ｂを形成すると共に、各放電空間１８ａ、１８ｂの一方の端部同士を折り返し部３８によって互いに連通させることで、原料ガスＡを各放電空間１８ａ、１８ｂに順に流通可能としている。

すなわち、当該オゾン発生電極１０では、内側電極１２と外側電極１４との間に交流高電圧を印加して無声放電を発生させ、酸素を含む原料ガスＡからオゾンを生成するための放電空間１８を、誘電体１６によって二層の放電空間１８ａ、１８ｂとして仕切り、折り返し部３８によってこれら放電空間１８ａ、１８ｂに対して順に原料ガスＡを流通可能な構成となっている。このため、内側電極１２や外側電極１４の軸方向長さ（ガス流通方向長さ）を延長することなく、放電空間１８の放電面積を実質的に２倍程度まで広げることができ、装置構成を軸方向に大型化・長尺化させずに、放電空間１８内での放電面積を十分に確保することができる。

従って、当該オゾン発生電極１０では、上記特許文献１に記載されるような従来のオゾン発生装置と比べて、放電空間（１８ａ、１８ｂ）の集積率を上げることができるため、同程度のオゾン濃度からなるオゾン化ガスを生成する場合には、装置の軸方向長さを半分程度まで小型化・短尺化させることができる一方、装置の軸方向長さを同程度とすれば、生成されるオゾン化ガスでのオゾン発生量を２倍程度に高めることが可能となる。

また、従来のオゾン発生装置では、オゾンの発生効率を向上させて所望のオゾン濃度を得るために、例えば、外側電極の外周面のみならず内側電極の内周面も冷却する構成（両面冷却）を用いることも行われている。これに対して、当該オゾン発生電極１０では、外側電極１４の外周面のみを冷却部３２によって冷却する構成（片面冷却）であっても、二層の放電空間１８ａ、１８ｂによって所望のオゾン濃度を得ることが十分に可能であるため、両面冷却の構成に比べて装置構成を簡素化でき、コストを低減することができる。しかも、ガラス管等で構成されるため他の部品に比べて熱に弱い誘電体１６について、その両面にガスを流通させることができるため、この両面ガス流通による冷却効果も得ることができる。勿論、当該オゾン発生電極１０でも両面冷却の構成を採用してもよく、この場合には、例えば、内側電極１２の内周面に冷却水等の冷媒を流通させるための冷媒配管を設置する等すればよい。

図２及び図３に示すように、当該オゾン発生電極１０では、筒状の誘電体１６を、内側電極１２の外周面１２ａに設置されたスペーサ３４と、外側電極１４の内周面１４ａに設置されたスペーサ３６とで支持する構成としている。このため、図３に示すように、その製造時には、予め所定形状に成形された内側電極１２と外側電極１４と誘電体１６とを準備しておき、先ず、誘電体１６の内部空間にスペーサ３４を介して内側電極１２を挿入配置し、次に、この誘電体１６を冷却部３２等を設けた外側電極１４の内部空間にスペーサ３６を介して挿入配置するだけの簡単な組立工程で二層の放電空間１８ａ、１８ｂを備えたオゾン発生電極１０を製造することができ、製造効率が高く、製造コストを低減することができる。

しかも、オゾン発生電極１０では、従来のオゾン発生装置のように、ステンレス管等の金属管からなる電極の表面に、誘電体であるガラス管を固着（貼着）する作業が不要となるため、その製造コストを一層低減することができる。

なお、上記では、放電空間１８ａ、１８ｂを形成する隙間Ｇ１、Ｇ２の外径方向寸法（Ｇ１、Ｇ２）を同一寸法にする構成を例示したが（図２参照）、両者を異なる寸法に設定してもよい。例えば、上流側となる放電空間１８ａの隙間Ｇ１（外径方向寸法）よりも、下流側となる放電空間１８ｂの隙間Ｇ２（外径方向寸法）を小さく（狭く）形成することで、原料ガスＡを流通方向で出口側に向うにつれて狭い放電空間内に流すことができ、オゾンの生成効率を一層高めることができる。勿論、上流側となる放電空間１８ａの隙間Ｇ１を下流側となる放電空間１８ｂの隙間Ｇ２よりも大きく（広く）形成してもよい。この際、当該オゾン発生電極１０では、内側電極１２や外側電極１４、誘電体１６の管径を変更すると共に、スペーサ３４、３６の高さを変更するだけで、容易に隙間Ｇ１、Ｇ２の高さを所望の寸法に設定することができ、例えば、内側電極や外側電極、誘電体の管径をテーパ状に変化させることで放電空間を下流側に向って狭くするような構成に比べて製造コストを低減できる。

図３に示すように、オゾン発生電極１０では、外側電極１４の内周面１４ａ上に設置されるスペーサ３６を、該外側電極１４の長手方向（軸方向）に渡って延在する長尺な金属ワイヤ等で構成している。このため、周方向で均等に３箇所に配置されたスペーサ３６により、放電空間１８ｂを周方向で複数（この場合は、３つ）の流路に区画することができ、これらスペーサ３６が空間を仕切る整流板として機能するため、流通する原料ガスＡの偏流を抑制し、ガスをより均一に流通させることができ、オゾン発生効率を一層向上させることができる。勿論、上記のように、内側電極１２の外周面１２ａ上に設置されるスペーサ３４を長尺な金属ワイヤ等で構成し、このスペーサ３４を放電空間１８ａ内で整流板として機能させることもできる。

図４に示すように、オゾン発生電極１０は、複数台（図４では２台の構成を例示）を連結して１つのモジュールとして構成したオゾン発生システム５０として用いてもよい。なお、図４において、図１〜図３に示される参照符号と同一の参照符号は、同一又は同様な構成を示し、このため同一又は同様な機能及び効果を奏するものとして詳細な説明を省略し、以下同様とする。

オゾン発生システム５０は、例えば、２台のオゾン発生電極１０を並列配置すると共に、入口ポートである流入管２０同士を図示しない連結管で連結し、出口ポートである外側電極１４の開口１４ｂを図示しない連結管で連結する。さらに、管板２６、２８及び冷却部３２を、２台のオゾン発生電極１０で兼用することで一体的なシステムとして構成されている。このようなオゾン発生システム５０では、オゾン発生電極１０を単体で用いる場合に比べて、原料ガスＡの流量を増大させることができ、オゾンの生成量も増大させることができる。つまり、オゾン発生電極１０を２台又は３台以上連結してオゾン発生システム５０を構成することで、各オゾン発生電極１０単体を大型化することなく、要求されるオゾン生成量を得ることができ、装置の汎用性も高めることができる。

ところで、上記のオゾン発生電極１０は、図１に示すように、原料ガスＡを一端側から流入させ、オゾン化ガスＢを他端側から流出させる構成であるが、ガスの出入口は、図５に示すオゾン発生電極１０ａのように、同一端側に設けても勿論よい。

このオゾン発生電極１０ａは、内側電極１２の内部空間１２ｂの両端側をそれぞれ蓋体５２、５４で閉塞すると共に、誘電体１６に代えて、底部１６ｂをなくして開口１６ｅとした誘電体５６を備え、この開口１６ｅに入口ポートとなる流入管５８を連結した構成となっている。また、一方の管板２６に代えて、蓋体５２の外側に絶縁部材６０を介して配置された管板６２を備える。オゾン発生電極１０ａでの原料ガスＡの流通経路は、入口ポートとなる流入管５８から順に、一方（上流側）の放電空間１８ａと、誘電体５６の開口１６ａ側で折り返し部３８によって放電空間１８ａの出口である開口１６ａから折り返された他方（下流側）の放電空間１８ｂとを有する。

従って、オゾン発生電極１０ａでは、原料ガスＡの入口ポートとオゾン化ガスＢの出口ポートとを軸方向で同一端側に配置していることにより、当該装置と接続されるガス配管を一方側にまとめて設置できるという利点があるが、原料ガス用とオゾン化ガス用の各配管を、例えば同軸二重管で構成する必要があり、配管の仕様がやや複雑化することになる。一方、原料ガスＡの入口ポートとオゾン化ガスＢの出口ポートとを軸方向で反対端側に配置した構成の上記オゾン発生電極１０では、当該装置と接続されるガス配管について、原料ガス用とオゾン化ガス用の各配管を同軸二重管で構成する必要がなく、二層の連続する放電空間１８ａ、１８ｂを備えた構成であっても、配管構成を簡素化できるという利点がある。勿論、オゾン発生電極１０ａについても、複数台を連結して１つのモジュールとし、図４に示すオゾン発生システム５０と同様なシステムを構成してもよい。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

例えば、上記実施形態では、二層の放電空間１８ａ、１８ｂのうち、内側の放電空間１８ａをガス流通方向で上流側とし、外側の放電空間１８ｂをガス流通方向で下流側とした構成を例示したが、外側の放電空間１８ｂを上流側とした構成としても勿論よい。

１０、１０ａオゾン発生電極
１２内側電極
１４外側電極
１６、５６誘電体
１８、１８ａ、１８ｂ放電空間
３２冷却部
３４、３６スペーサ
３８折り返し部
５０オゾン発生システム
Ｇ１、Ｇ２隙間

Claims

対向する一対の電極間に誘電体を設けて放電空間を形成し、該放電空間に酸素を含む原料ガスを流入させてオゾンを生成するオゾン発生電極であって、
前記一対の電極の互いに対向する各表面に対してそれぞれ隙間を設けて前記誘電体を配置することで、前記放電空間を前記誘電体で仕切って二層の放電空間を形成し、
各放電空間の一方の端部同士を折り返し流路によって互いに連通させることで、前記原料ガスを各放電空間に順に流通可能とし、
前記二層の放電空間は、前記原料ガスの流通方向で、上流側となる放電空間よりも下流側となる放電空間の前記隙間が小さいことを特徴とするオゾン発生電極。
請求項１記載のオゾン発生電極において、
前記一対の電極は、筒状の内側電極と、該内側電極の外周側に設けられる筒状の外側電極であり、
前記誘電体は、筒状であると共に、前記内側電極の外周面に設置された内側スペーサと、前記外側電極の内周面に設置された外側スペーサとで支持されることを特徴とするオゾン発生電極。
請求項２記載のオゾン発生電極において、
前記内側スペーサ及び前記外側スペーサの少なくとも一方は、前記原料ガスの流通方向に延在するように設けられ、前記放電空間を周方向に区画していることを特徴とするオゾン発生電極。