JP6271833B2 - チューブ型のオゾン生成装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、チューブ型のオゾン生成装置及びその製造方法に関する。

オゾンには強力な酸化作用があり、作用後のオゾンは無害な酸素等に分解する。そのため、オゾンは、半導体製造や食品製造、水処理等の分野で、洗浄や殺菌、脱臭等の処理に多用されている。

実用化されているオゾン生成装置の多くには、無声放電方式が採用されている。

無声放電方式のオゾン生成装置では、誘電体を介して対向する一対の電極間に空隙（放電ギャップ）が設けられている。両電極間に高電圧を印加すると、放電ギャップで無声放電が発生する。放電ギャップに酸素を含む原料ガスを流すことで、原料ガスがオゾン化し、オゾンが生成される。

このような無声放電方式によるオゾン生成装置には、構造的な違いから、板型とチューブ型とがある。板型のオゾン生成装置は、オゾンを生成するユニットが板形状をしている。それに対し、チューブ型のオゾン生成装置は、ユニットが管形状をしている。

板型のオゾン生成装置は大型化には不向きな傾向があるのに対し、チューブ型のオゾン生成装置では、そのような問題を生じることなくユニット数を増やすことができる。従って、チューブ型のオゾン生成装置は、板型のオゾン生成装置と比べて、大型化し易い利点がある。

本発明に関連する先行技術文献としては、例えば特許文献１や特許文献２がある。

特許文献１には、チューブ型のオゾン生成装置が開示されている。このオゾン生成装置には、一端が球面状に閉じられた円筒状のガラス製誘電体管が設けられている。その誘電体管の内面、具体的には、誘電体管における球面状の端部から側部にわたる部分の内面に、ステンレス鋼等の金属からなる第１の電極が形成されている。

誘電体管の内部には、高圧電源と電気的に接続された、棒状の高圧給電子が配置されている。第１の電極は、ステンレス鋼ウール材を介してその高圧給電子と電気的に接続されている。誘電体管の外側を囲むように円筒状の第２の電極が配置されており、誘電体管と第２電極との間に放電ギャップが形成されている。

原料ガスは、高電圧が印加された放電ギャップを通過する間にオゾン化する。オゾン化したガスは、球面状の端部が位置するオゾン化ガス導出口から導出される。

特許文献２にも、特許文献１と同様のチューブ型のオゾン生成装置が開示されている。具体的には、ガラス製誘電体管に相当する誘電体電極の内面に、第１の電極に相当する、蒸着あるいは溶射等の方法で形成された導電膜が形成されている。

高電圧給電子に相当する給電子軸には、ねじりブラシ状にしたステンレスの素線の束が取り付けられている。これら素線が、導電膜の内面の一部に取り付けられた円筒状の金属板に圧接することにより、導電膜は、給電子軸と電気的に接続されている。

特開２０１２−１４４４２５号公報 ＷＯ−Ａ１−２０１００２１０２２

特許文献１や特許文献２のチューブ型のオゾン生成装置では、誘電体管の端部のうち、原料ガスが流れる上流側の端部は開放されており、オゾンが流れる下流側の端部は密閉されている。従って、通常は、誘電体管の内部に、原料ガスが入り込むことはあっても、オゾンが入り込むことはない。

しかし、オゾン生成装置の停止時には、オゾンが誘電体管の上流側に逆流又は拡散して、誘電体管の内部にオゾンが入り込むおそれがある。誘電体管の内部にオゾンが入り込むと、錆びなどの不具合が生じて電極の交換が必要になる場合がある。

ところが、従来のオゾン生成装置の電極は、蒸着等の方法を用いて形成されているため、誘電体管から分離できない構造となっている。従って、電極の交換が必要になった場合には、誘電体管ごと交換せざるを得ない。

また、蒸着等によって電極を形成する場合、多数の工程を要し、生産性に欠ける不利もある。

そこで、本発明の目的は、電極が容易に交換できるチューブ型のオゾン生成装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、管状のオゾン生成ユニットを備えたチューブ型のオゾン生成装置に関する。前記オゾン生成ユニットは、円筒状の外側電極管と、放電ギャップを隔てて前記外側電極管の内側に配置される内側電極管と、を有している。前記内側電極管は、円筒状の誘電体管と、前記誘電体管の内周面に密接した円筒状の電極と、を有している。そして、前記電極が、取り外し可能な状態で前記誘電体管に挿入されている。

すなわち、このオゾン生成装置では、誘電体管の内周面に密着した円筒状の電極が、取り外し可能な状態で誘電体管に挿入されている。従って、電極を誘電体管から取り外して交換することができる。

具体的には、前記電極が、弾性を有する板状の導体からなり、それ自体の弾性力で前記誘電体管の内部で拡がることによって当該誘電体管の内周面に密接するようにするとよい。

そうすれば、導体を丸めて誘電体管に挿入するだけで電極を誘電体管に取り付けることができるため、電極の交換が容易になる。

その場合、例えば、前記電極が、当該電極から延びる端子リードを介して外部電源と電気的に接続されているようにできる。

また、例えば、前記内側電極管が、更に、前記誘電体管に挿入された端子棒を有し、前記端子棒に、半径方向に延びた前記導体の一端が接合され、前記電極が、前記端子棒を介して外部電源と電気的に接続されているようにもできる。

端子リードを用いる前者の場合であれば、例えば、前記導体を筒状に丸める準備工程と、丸めた前記導体を前記誘電体管に挿入する挿入工程と、前記誘電体管の内部で外力を加えることなく前記導体を拡張させる拡張工程と、を含む製造方法を用いて製造することができる。

端子棒を用いる後者の場合であれば、例えば、前記端子棒に前記導体の端部を接合する接合工程と、前記端子棒に前記導体を巻き付ける巻付工程と、前記導体が巻き付けられた前記端子棒を前記誘電体管に挿入する挿入工程と、前記誘電体管の内部で外力を加えることなく前記導体を拡張させる拡張工程と、を含む製造方法を用いて製造することができる。

本発明のオゾン生成装置等によれば、オゾン生成ユニットの電極が容易に交換できるようになる。

第１実施形態のオゾン生成装置を示す概略斜視図である。 装置本体の内部構造を示す概略図である。 図２におけるＸ−Ｘ線での概略断面図である。 オゾン生成ユニットの構造を示す概略断面図である。 図４におけるＹ−Ｙ線での概略断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１実施形態のオゾン生成装置の製造工程の一部を示す概略斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１実施形態のオゾン生成装置の製造工程の一部を示す概略斜視図である。 第２実施形態のオゾン生成装置を示す概略断面図である。 第２実施形態のオゾン生成装置の製造工程の一部を示す概略斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

＜第１実施形態＞
（オゾン生成装置の構成）
図１に、本実施形態のチューブ型のオゾン生成装置１を示す。オゾン生成装置１には、装置本体２や、装置本体２と協働する制御機器や操作盤等からなる付帯設備３などが備えられている。

装置本体２は、耐腐食性に優れたステンレス製の耐圧容器であり、その内部でオゾンが生成される。装置本体２は、円筒状の胴部１１と、胴部１１の両端を塞ぐ２つの蓋部１２とを有している。装置本体２は、横置きされた状態で一対の脚部１３，１３によって支持されている。蓋部１２の一方は、胴部１１にヒンジを介して取り付けられており、開閉可能な扉とされている。

装置本体２には、原料ガス配管１４やオゾン配管１５、冷却配管１６などが接続されている。具体的には、原料ガス配管１４は、図外の原料ガス供給源に接続されており、酸素や空気等の原料ガスが原料ガス配管１４を通じて装置本体２に供給される。オゾン配管１５は、図外のオゾンの供給先に接続されており、装置本体２で生成されたオゾンがオゾン配管１５を通じてその供給先に送られる。

冷却配管１６は、入水用及び出水用の２つの冷却配管１６ａ，１６ｂがあり、それぞれ図外の熱交換器等に接続されている。装置本体２には、これら冷却配管１６ａ，１６ｂを通じて冷却水が循環供給される。

図２に示すように、装置本体２の内部は、ステンレス製の２枚の区画板１７，１７によって原料ガス室１８、冷却室１９及びオゾン室２０に区画されている。原料ガス室１８は、装置本体２の一方の端部に配置されており、原料ガス配管１４と連通している。オゾン室２０は、装置本体２の他方の端部に配置されており、オゾン配管１５と連通している。

冷却室１９は、原料ガス室１８とオゾン室２０の間に配置されており、装置本体２の大部分を占めている。冷却室１９は、そのオゾン室２０側の下隅部分で入水用の冷却配管１６ａと連通し、その原料ガス室１８側の上隅部分で出水用の冷却配管１６ｂと連通している。冷却室１９の内部には、複数の規制板２１が所定の間隔で設置されている。これら規制板２１により、冷却室１９の内部は上下互い違いに区画され、冷却水が蛇行して流れるように設計されている。

図３に示すように、装置本体２の内部には、複数の管状のオゾン生成ユニット３０Ａが密集した状態で設置されている。各オゾン生成ユニット３０Ａは、冷却室１９を横切り、胴部１１の長手方向に沿って延びるように設置されている。各オゾン生成ユニット３０Ａの両端部のうち、上流側の端部は原料ガス室１８に突出し、下流側の端部はオゾン室２０に突出している。

オゾン生成ユニット３０Ａの端部は、原料ガス室１８やオゾン室２０に突出していることは必須ではない。オゾン生成ユニット３０Ａの端部は、冷却室１９の内部や冷却室１９と原料ガス室１８等との境界に位置していてもよい。これらオゾン生成ユニット３０Ａの各々において、原料ガスからオゾンが生成される。

（オゾン生成ユニットの構成）
図４に、オゾン生成ユニット３０Ａの詳細を示す。オゾン生成ユニット３０Ａは、外側電極管３１と内側電極管３２とで構成されている。

外側電極管３１は、円筒状のステンレス管からなり、その各端部は、各区画板１７に隙間無く接合されている。外側電極管３１は、区画板１７を介して電気的に接地されており、低電圧側の電極を構成している。外側電極管３１の周囲は冷却水によって満たされており、各オゾン生成ユニット３０Ａは冷却水によって冷却される。この外側電極管３１の内側に、同心円状に内側電極管３２が配置されている。

本実施形態の内側電極管３２は、誘電体管３３や電極３４、端子棒３５などで構成さている。

誘電体管３３は、一方の端部が塞がれた円筒状の細長い部材であり、セラミックやガラス等で形成されている。誘電体管３３の外周面は、僅かな隙間（放電ギャップ３６）を隔てて外側電極管３１の内周面と対向している。誘電体管３３の塞がれた端部（閉端部３３ａ）は、オゾン室２０に位置し、誘電体管３３の開かれた端部（開端部３３ｂ）は、原料ガス室１８に位置している。

端子棒３５は、ステンレス等の細長い棒状導体からなる。端子棒３５の前端は、閉端部３３ａの近傍に至るまで誘電体管３３に挿入されている。端子棒３５の後端は、開端部３３ｂから突出している。その後端に外部電源３７の高電圧側が接続されている。

電極３４は、ステンレスのバネ鋼板等、高い弾性を有するとともに電気伝導率に優れた細長い矩形薄板状の導体４０を用いて円筒状に形成されている。

具体的には、図５に示すように、端子棒３５には、導体４０の長い方の一端（固定端４０ａ）の部分が接合されている。そして、導体４０が、それ自体の弾性力で誘電体管３３の内部で半径方向外側に拡がることにより、導体４０のうち、導体４０の長い方の他端（遊端４０ｂ）側の部分が、半径方向外側に押し付けられて、誘電体管３３の内周面に密着している。

その遊端４０ｂは、誘電体管３３の内周面の上で導体４０の中間部分と内外に重なり合い、誘電体管３３の内周面は、全周にわたって導体４０によって被覆されている。それにより、円筒状の電極３４が形成されている。

すなわち、このオゾン生成ユニット３０Ａの場合、導体４０は、断面螺旋状に曲げられていて、周方向に延びて電極３４を形成する部分と、半径方向に延びて電極３４と端子棒３５とを接続する部分（中継部３４ａ）とを有している。そして、電極３４は、端子棒３５に直に接続され、端子棒３５を介して外部電源３７と電気的に接続されている。

（オゾン生成装置の運転等）
冷却水が冷却室１９に循環供給され、各オゾン生成ユニット３０Ａが冷却される。その状態で、外部電源３７により、各オゾン生成ユニット３０Ａの外側電極管３１と内側電極管３２との間に高電圧が印加される。そうすることで、各放電ギャップ３６では無声放電が発生する。

原料ガスが装置本体２に供給され、原料ガス室１８から各放電ギャップ３６に原料ガスが流入すると、放電ギャップ３６を通過する間にオゾンが生成される。生成したオゾンは、オゾン室２０に流出し、オゾン配管１５を通じて供給先に送り出される。従って、運転時の原料ガス室１８には、原料ガスが絶えず流入しているため、原料ガス室１８にオゾンが入り込むことはない。

しかし、オゾン生成装置１が停止して原料ガスの供給が止まると、放電ギャップ３６やオゾン室２０に残存するオゾンが逆流して原料ガス室１８に入り込むおそれがある。オゾンが、原料ガス室１８に入り込んで誘電体管３３の内部に侵入すると、電極３４等が腐食する。

電極３４等の交換が必要になっても、このオゾン生成装置１の場合、電極３４は誘電体管３３の内部に挿入されているだけであるため、容易に取り外すことができる。具体的には、端子棒３５を電極３４とともに誘電体管３３から引き抜けばよい。大型のオゾン生成装置１になれば、オゾン生成ユニット３０Ａは数百本にもなるため、交換に要するコストを大幅に軽減できる。

（オゾン生成装置の製造方法）
図６及び図７に、オゾン生成装置１の製造工程を示す。これら図は、オゾン生成ユニット３０Ａの製造過程のうち、端子棒３５と電極３４とを誘電体管３３の内部に設置する工程を表している。

図６の（ａ）に示すように、まず、端子棒３５に導体４０の端部を接合する（接合工程）。具体的には、スポット溶接を行い、導体４０の固定端４０ａの部分を端子棒３５に接合する。そうして、図６の（ｂ）に示すように、端子棒３５に導体４０を巻き付ける（巻付工程）。

次に、図７の（ａ）に示すように、導体４０が巻き付けられた端子棒３５を誘電体管３３に挿入する（挿入工程）。そして最後に、図７の（ｂ）に示すように、導体４０の拘束を解き、端子棒３５を巻き付け方向とは逆向きに適宜回転させるなどして、図５に示したような状態になるまで、誘電体管３３の内部で導体４０を拡張させる（拡張工程）。

このように、極めて簡単にオゾン生成ユニット３０Ａを製造することができる。オゾン生成ユニット３０Ａは、オゾン生成装置１に多数設置されるため、この製造方法によれば、生産性を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
図８に、本実施形態のオゾン生成装置の要部であるオゾン生成ユニット３０Ｂを示す。本実施形態のオゾン生成ユニット３０Ｂは、端子棒３５が無い点で、第１実施形態のオゾン生成ユニット３０Ａと構造が異なっている。

装置本体２等、その他の構造については、第１実施形態のオゾン生成装置１と同様であるため、同じ構造については同一の符号を用いてその説明は省略する。

このオゾン生成ユニット３０Ｂでは、電極３４が、端子リードを介して外部電源３７と電気的に接続されている。具体的には、開端部３３ｂの側に位置する電極３４の一端に、電気伝導率に優れた、ステンレス等の細長い金属板片５０が接合されている。金属板片５０の一部は、開端部３３ｂから突出して端子リードを構成し、外部電源３７と電気的に接続されている。

このオゾン生成ユニット３０Ｂの場合も容易に製造できる。

例えば、予め、導体４０の短い方の一端に金属板片５０を接合しておく。そして、図９に示すように、金属板片５０を内側に向けた状態で導体４０を筒状に丸め（準備工程）、導体４０の短い方の他端の側から、導体４０を誘電体管３３に挿入する（挿入工程）。このとき、これら工程を補助するために、丸めた導体４０の内側にガイド棒Ｇが挿入されていてもよい。

後は、第１実施形態のオゾン生成装置１と同様に、誘電体管３３の内部で導体４０を拡張させる（拡張工程）。ガイド棒Ｇを用いた場合には、このときに引き抜けばよい。

このオゾン生成ユニット３０Ｂの場合、導体４０の全体が誘電体管３３の内周面に沿って拡がるため、導体４０は、周方向に延びて電極３４を形成する部分のみとなり、半径方向に延びる部分は無い。

＜その他＞
端子リードは、電極３４を構成する導体４０と一体に形成してもよい。すなわち、導体４０の短い方の一端から、端子リードを構成する突出部を部分的に突出させればよい。端子リードを構成する金属板片５０は、拡張工程の後に取り付けてもよい。

電極３４は、交換可能であるため、必ずしも高度な耐腐食性は不要である。従って、ステンレス以外の安価で電気伝導率に優れた金属導体を電極３４の素材に利用できる。オゾン生成ユニットは、１つのオゾン生成装置に対して少なくとも１つ備えられていればよい。

１ オゾン生成装置
２ 装置本体
３０Ａ，３０Ｂ オゾン生成ユニット
３１ 外側電極管
３２ 内側電極管
３３ 誘電体管
３４ 電極
３５ 端子棒
３６ 放電ギャップ
３７ 外部電源
４０ 導体

Claims (5)

1. 管状のオゾン生成ユニットを備えたチューブ型のオゾン生成装置であって、
   前記オゾン生成ユニットは、
   円筒状の外側電極管と、
   放電ギャップを隔てて前記外側電極管の内側に配置される内側電極管と、
   を有し、
   前記内側電極管は、
   円筒状の誘電体管と、
   前記誘電体管の内周面に密接した円筒状の電極と、
   を有し、前記放電ギャップで無声放電が発生するように構成され、
   前記電極が、平板状の薄板状体を巻くことにより円筒状に形成された、弾性を有する導体からなり、それ自体の弾性力で前記誘電体管の内部で半径方向外側に拡がることによって、前記誘電体管の内周面の全周を被覆するように当該誘電体管の内周面に密接するとともに、取り外し可能な状態で前記誘電体管に挿入されているオゾン生成装置。
2. 請求項１に記載のオゾン生成装置において、
   前記電極が、当該電極から延びる端子リードを介して外部電源と電気的に接続されているオゾン生成装置。
3. 請求項１に記載のオゾン生成装置において、
   前記内側電極管は、更に、前記誘電体管に挿入された端子棒を有し、
   前記端子棒に、半径方向に延びた前記導体の一端が接合され、
   前記電極が、前記端子棒を介して外部電源と電気的に接続されているオゾン生成装置。
4. 請求項２に記載のオゾン生成装置を製造する製造方法であって、
   前記導体を筒状に丸める準備工程と、
   丸めた前記導体を前記誘電体管に挿入する挿入工程と、
   前記誘電体管の内部で外力を加えることなく前記導体を拡張させる拡張工程と、
   を含む製造方法。
5. 請求項３に記載のオゾン生成装置を製造する製造方法であって、
   前記端子棒に前記導体の端部を接合する接合工程と、
   前記端子棒に前記導体を巻き付ける巻付工程と、
   前記導体が巻き付けられた前記端子棒を前記誘電体管に挿入する挿入工程と、
   前記誘電体管の内部で外力を加えることなく前記導体を拡張させる拡張工程と、
   を含む製造方法。

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