JP6407702B2 - オゾン発生装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、円筒状の金属電極内に放電管を配置しこれら金属電極と各放電管との間に無声放電を生じさせてオゾンを生成するオゾン発生装置に関する。

オゾン発生装置の一つとして タンク状の容器内に円筒状の金属電極を複数並列配置し、これら金属電極内に放電管を配置して放電部を構成した構造のものがある（例えば、特許文献１参照）。この構造のオゾン発生装置では、金属電極の内周面と放電管の外周面との間の所定の放電ギャップ間に電力を供給して無声放電を生じさせる。そして、この放電ギャップ間に原料気体を流し、上述した無声放電によりオゾンを生成する。この場合、原料気体は、容器の一端側に設けた流入部から容器内に導入し、円筒状の金属電極内を軸方向に流通する。そして、放電管との放電ギャップ間における無声放電によりオゾンが生成され、容器の他端側に設けられた流出部からオゾンガスとして外部に取り出される。

このほかに、複数の円盤状の電極板を縦向き状態で対向配置し、対向する電極板面で沿面放電を生じさせるものがある。原料気体は円盤状電極板の外周部分から対向面間に導入され、沿面放電によりオゾンを生成する（例えば、特許文献２参照）。この場合、電極面間で生成されたオゾンは、一方の電極板の中央部に設けられた取り出し口から外部に取り出される。

この沿面放電によるオゾン発生装置では、生成されたオゾンが重力により下方に滞留するため、下方のオゾン濃度が高くなる。このため、生成されたオゾンを、前述のように、一方の電極板の中央部に設けられた取り出し口から外部に取り出す構造では、高濃度のオゾンを取り出せない問題が生じる。このため、取り出し口の位置を下方に偏倚させ、高濃度のオゾンを取り出せるように構成したり、円盤上部の冷却効率を円盤下部より高めて生成するオゾン濃度を円盤下部より高め、中央部に設けた取り出し口から高濃度のオゾンを取り出すような構造が考えられている。

特開２００８-１００８９７号公報 特開２００２-３６２９０７号公報

これに対し、前者の無声放電によるオゾン発生装置は古くから実用化され、安定した高濃度オゾンの発生装置として広く用いられている。しかし、次のような問題が考えられる。

この方式のオゾン発生装置では、前述のように、原料気体は容器一端部に設けられた流入部から導入され、筒状の金属電極内を流れ、その内部でオゾンが生成されたのち、容器の他端部に設けられたオゾン導出部から取り出される構造である。

この場合、円筒状の金属電極は、原料気体入口側より出口側のほうが高温になる。すなわち、容器内に導入された原料気体は入口側の放電部分で一定の電力が投入されてオゾン化空気となり、更に出口側の放電部分を通過する間に一定の電力が投入されて、より高濃度のオゾン化ガスとして生成される。このように印加電力の積算値が大きくなるため、出口側の放電部分は入口側に比べて温度が高くなる。出口側ではオゾン濃度も高くなるが、高温状態のため、出口側の放電部分ではオゾン分解反応が入口側に比べて促進され、総合的に見てオゾン生成効率が低下する。つまり、出口側の放電部分では、オゾン濃度の上昇とガス温度の上昇によってオゾン分解反応が促進されるためにオゾン生成効率が低下する。

本発明が解決しようとする課題は、出口側の放電部分の温度上昇を抑えることで、オゾン分解反応を抑制しオゾン生成効率を改善させたオゾン発生装置を提供することにある。

本発明の実施の形態に係るオゾン発生装置は、円筒状の金属電極内に、その内周面と所定の放電ギャップを介して外周面が対向するように入口側及び出口側の放電管を互いに突合せ状に配置した放電部と、前記金属電極と前記各放電管との間に電力を供給してこれらの間に無声放電を生じさせる電源装置と、原料気体の流入部および生成オゾンの流出部を有し、前記放電部が内部に設置され、前記流入部から流入した原料気体を前記金属電極内に流し、前記無声放電により生成されたオゾンガスを前記流出部から流出させる容器とを備え、前記放電部の、前記出口側の放電管部分での発生熱が前記入口側の放電管部分での発生熱より少なくなるように、前記出口側の放電管の前記金属電極との放電面積を、前記入口側の放電管の前記金属電極との放電面積より大きくして前記出口側の放電部分の単位面積当たりの投入電力を、前記入口側より少なくした。

上記構成によれば、出口側の放電部分の温度上昇を抑えて、オゾン分解反応を抑制することで、オゾン生成効率を改善することができる。

本発明の第１の実施形態に係るオゾン発生装置の構成図である。 図１で示したオゾン発生装置のオゾン発生性能を示す特性図である 本発明の第２の実施形態に係るオゾン発生装置の構成図である。 本発明の第３の実施形態に係るオゾン発生装置の構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

始めに、このオゾン発生装置の基本構成を図１により概略説明する。オゾン発生装置は、タンク状の容器１１内に設けられる放電部１２を有するオゾン発生器と、上述した放電部１２へ放電用の電力を供給する電源装置１３とで概略構成される。

本発明の実施形態では、放電部１２の出口側（図示右側）の放電管部分での発生熱が、入口側（図示左側）の放電管部分での発生熱より少なくなるように構成して、出口側の放電部分の温度上昇を抑え、オゾン分解反応を抑制してオゾン生成効率を改善させたオゾン発生装置を提供する。

放電部１２の出口側の放電管部分での発生熱を、入口側での発生熱より少なくするための具体的構成としては次の３つが考えられる。

１．出口側に供給される放電部分の単位面積当たりの投入電力Ｗ／Ｓを、入口側に供給される放電部分の単位面積当たりの投入電力Ｗ／Ｓより少なくする。

２、放電部１２は冷却部を有するので、この冷却部による冷却量を、入口側の放電部分より出口側の放電部分の方を多くする。

３．出口側の放電面積を、入口側の放電面積より大きくして、出口側の放電部分の単位面積当たりの投入電力Ｗ／Ｓを入口側より少なくする。

以下。これらの構成について、それぞれ実施形態により具体的に説明する。

＜第１の実施形態＞
この第１の実施形態は、上記１．の構成を用いたものである。図１において、タンク状の容器１１内に設けられる放電部１２は、円筒状の金属電極（以下、ステンレス管と呼ぶ）１５を複数本並列配置し、これらステンレス管１５内に、入口側及び出口側の放電管１６Ａ，１６Ｂを互いに突合せ状に配置して構成される。このステンレス管１５の内周面と放電管１６Ａ，１６Ｂの外周面との間には所定の放電ギャップが形成される。

また、各ステンレス管１５の外周部分には、ジャケット状の冷却部１７が形成されている。この冷却部１７内には、容器１１の外面に形成した冷却水流入口１８及び冷却水排出口１９を通して冷却水が流通される。

タンク状の容器１１は、図示左下部に設けた原料気体の流入部２１、及び図示右上部に設けた生成オゾンの流出部２２を有する。この容器１１内には、前述のように放電部１２が設置されており、流入部２１から導入された原料気体を、放電部１２を構成するステンレス管１５内に、図示左側の入口側から図示右側の出口側に流し、前述した無声放電によりオゾンガスを生成する。生成されたオゾンガスは流出部２２から流出させる。

電源装置１３は、前述のように、ステンレス管１５と各放電管１６Ａ，１６Ｂとの間に電力を供給してこれらの間に無声放電を生じさせる。この実施の形態では、出口側の放電管１６Ｂに供給される放電部分の単位面積当たりの投入電力Ｗ／Ｓを、入口側の放電管１６Ａに供給される放電部分の単位面積当たりの投入電力Ｗ／Ｓより少なくするため、個別に電源装置１３Ａ，１３Ｂを設けている。すなわち、電源装置１３Ａは、容器１１に設けられた碍子２４を貫通する導体２５により高圧ヒューズ２６を介して入口側の放電管１６Ａとそれぞれ接続する。また、電源装置１３Ｂは、同じく容器１１に設けられた碍子２４を貫通する導体２５により高圧ヒューズ２６を介して出口側の放電管１６Ｂとそれぞれ接続しており、これら放電管１６Ａ，１６Ｂへ個別に任意の大きさの放電電力を供給する。

上記構成において、オゾン発生器を構成するタンク状の容器１１内には、前述のように、ステンレス管１５が複数本並列に搭載されており、その中には入口側及び出口側の放電管１６Ａ，１６Ｂがそれぞれ１本ずつ挿入されている。オゾンの原料気体は容器１１に設けた流入部２１から内部へ導入される。放電管１６Ａ，１６Ｂとステンレス管１５との間には放電ギャッ プと呼ばれる微小な隙間が存在しており、この間に電源装置１３から交流高電圧が給電されることで無声放電が起こる。このため、原料気体がこの部分を通過する間にオゾンが生成され、オゾン化ガスとなって流出部２２より容器１１外に放出される。

ステンレス管１５の周囲は冷却水が流通する冷却部１７となっており、放電に伴う熱を冷却し、放電ギャップの温度上昇を抑えている。冷却水は流入口１８から排出口１９にかけて一定量連続的に供給される。
電源装置１３は前述のように２台設置し、容器１１内の放電部１２に対しては、碍子２４及び高圧ヒューズ２６を介してそれぞれ接続し、これらに個別に給電する。これら電源装置１３Ａ，１３Ｂからは異なる放電電力密度Ｗ／Ｓでそれぞれ給電される。Ｗ／Ｓ とは、前述のように、 放電部分の単位面積Ｓ（ｃｍ^２）あたりに投入する電力Ｗのことである。この実施の形態では、出口側の放電管１６Ｂに対するＷ／Ｓ を、入り口側の放電管１６ＡへのＷ／Ｓより小さくすることで、出口側の放電管部分での発生熱を、入口側での発生熱より少なくしている。

ここで、放電ギャップにおける流体の状態を説明する。流入部２１から容器１１内に流入した原料気体は、ステンレス管１５内を図示左から右に向かって流れる。この際、まず入口側の放電管１６Ａとステンレス管１５との放電ギャップ（以下、入口側の放電ギャップと呼ぶ）を通過しながら無声放電によりオゾンが生成される。このとき、オゾン濃度は放電管１６Ａの末端（図示右端）に近づくにつれて高くなっていく。

次に、原料気体はステンレス管１５内において、出口側の放電管１６Ｂとの放電ギャップ（以下、 出口側の放電ギャップと呼ぶ）を通過する。このとき、オゾン濃度は入口側の放電ギャップでの上述した挙動とは異なる挙動をとる。すなわち、放電によりオゾン濃度は高くなっていくが、時間経過に伴うオゾン濃度の傾きは徐々に緩やかになり、ついには飽和に達する。これは、放電の発熱により放電ギャップの温度が上昇しオゾン分解反応が促進されるためである。

そこで、この実施の形態では、前述したように、出口側の電源装置１３Ｂにより出口側の放電管１６Ｂに給電されるＷ／Ｓの値を小さくしたので、出口側の放電ギャップ部分での温度上昇が抑えられ、オゾン分解反応を抑制することでオゾン生成効率をあげている。

図２は、シミュレーションソフトにより検証した結果であり、Ｗ／Ｑ（ｋＷＨ／Ｎｍ^３）とオゾン濃度（ｇＮｍ^３）との関係を示している。なお、Ｗ／Ｑとは、単位体積の原料気体が放電ギャップ滞在中に受ける放電エネルギーのことである。

検証対象となるオゾン発生器の基本条件は、以下のとおりである。

・放電ギャップ０．９ｍｍ
・原料気体圧力０．１８ＭＰａ（Ａ）（原料気体は空気を選定）
・放電時間（原料気体が放電ギャップを通過するのにかかる時間）入口側・出口側共に １．３〜１．８秒程度（放電時間の調整は、放電管の長さ・数および原料気体の流量にて行う）
なお、上述した条件の値には本シミュレーションでの設定値であり、例えば、放電ギャップ：０．４〜１．５ｍｍ、原料気体圧 力：０．１８〜０．２６ＭＰａ（Ａ） においても、後述する同様の効果があると考えられる。

本シミュレーションにおけるオゾン分解反応（温度依存性）と、放電ギャップ中の温度の考え方について簡単に説明する。

温度依存したオゾン分解反応の反応式は次のとおりである。

Ｏ ＋ Ｏ_３ → Ｏ_２ + Ｏ_２
この反応式の反応速度定数Ｋ＝１．９×１０^−１１×exp（−２３００／Ｔ）（Ｔ：ガス温度）
放電ギャップの温度Ｔは、放電の発熱によるガス温度の上昇ＤＴ_Ｃ、金属電極(ステンレス管１５)の冷却を考慮に入れた放電ギャップの平均温度上昇ＤＴ_Ｓ、冷却水温Ｔｗｔを使って次式で計算される。

Ｔ＝Ｔｗｔ＋ＤＴ_Ｃ＋ＤＴ_Ｓ
ＤＴ_Ｃ，ＤＴ_Ｓの算出は以下のとおりである。

ＤＴ_Ｃ＝Ｗ_ｍｄ／｛（７／２）×ｋ_Ｂ×Ｎ
上式において、Ｗ_ｍｄ：エネルギー密度、ｋ_Ｂ：ボルツマン定数、Ｎ：ガス密度、である
ＤＴ_Ｓ ^{＝１／３ｋ×（Ｗ／Ｓ）×ｄ}
上式において^、ｋ：^{ガスの熱伝導率、Ｗ：放電電力、Ｓ：放電面積、である。}
これらの関係から入口側の放電管１６Ａに対するＷ／Ｓは０．３（Ｗ／ｃｍ^２）程度とする。そして、出口側の放電管１６Ｂに対するＷ／Ｓを、入口側と同じＷ／Ｓ＝０．３（Ｗ／ｃｍ^２）程度とした場合と、入口側より低いＷ／Ｓ＝０．１〜０．２（Ｗ／ｃｍ^２）程度とした場合とを比較して図２により説明する。

入口側及び出口側の放電管１６Ａ，１６Ｂへ印加するＷ／Ｓを共に０．３（Ｗ／ｃｍ^２）とした場合、図２の曲線ａで示すように、時間経過に伴うオゾン濃度の傾きは徐々に緩やかになりついには飽和に達する。これは、前述のように、放電の発熱により放電ギャップの温度が上昇しオゾン分解反応が促進されるためである。

これに対して、出口側の放電管１６Ｂへ印加するＷ／Ｓを０．２（Ｗ／ｃｍ^２）とした場合（曲線ｂ）、０．１５（Ｗ／ｃｍ^２）とした場合（曲線ｃ）、０．１（Ｗ／ｃｍ^２）とした場合（曲線ｄ）についてみる。これらの場合、いずれも出口部分における発生熱が抑えられることから、図２で示すように、飽和に達することなく、オゾン収率は改善し、且つ、高濃度のオゾンを生成することができる。すなわち、オゾン収率は２９〜３３％改善、オゾン濃度は１１〜１４％濃度を高くすることができる。

＜第２の実施形態＞
この第２の実施形態は、前述した２．の構成、すなわち、放電部１２の冷却部による冷却量を、入口側の放電部分より出口側の放電部分の方を多くする構成を用いた。

図３はこの実施の形態に係るオゾン発生装置を示している。図１で示したオゾン発生装置と同様に、タンク状の容器１１内に設けられる放電部１２を有するオゾン発生器と、上述した放電部１２へ放電用の電力を供給する電源装置１３とで概略構成される。この実施の形態では、オゾン電源装置１３は１台構成とし、入口側及び出口側の放電管１６Ａ，１６Ｂへの給電は１台の電源装置１３から共通のＷ／Ｓを供給するものとする。
この実施の形態では、各ステンレス管１５の外周部分に形成された冷却部１７を、入口側及び出口側の放電管１６Ａ，１６Ｂを境に仕切り板３１で仕切り、内部を、入口側の放電管１６Ａの冷却部１７Ａ、出口側の放電管１６Ｂの冷却部１７Ｂに分割する。これに伴い、冷却水の流入口１８及び排出口１９も、入口側の冷却部１７Ａ用の流入口１８Ａ及び排出口１９Ａと、出口側の冷却部１７Ｂ用の流入口１８Ｂ及び排出口１９Ｂとを、それぞれに設ける。

そして、入口側の冷却水の流入口１８Ａにより入口側冷却部１７Ａに送水する冷却水量に比べ、出口側の冷却水の流入口１８Ｂにより出口側冷却部１７Ｂに送水する冷却水量を大きくし、出口側の放電部分における冷却効率を高める。

このように、入口側の放電部分より出口側の放電部分の冷却量を多くすることでオゾン分解反応を抑制し、オゾン生成効率を改善することができる。

＜第３の実施形態＞
この第３の実施形態は、前述した３．の構成、すなわち、出口側の放電面積を、入口側の放電面積より大きくして、出口側の放電部分の単位面積当たりの投入電力Ｗ／Ｓを入口側より少なくする構成を用いた。

図４はこの実施の形態に係るオゾン発生装置を示している。図１及び図３で示したオゾン発生装置と同様に、タンク状の容器１１内に設けられる放電部１２を有するオゾン発生器と、上述した放電部１２へ放電用の電力を供給する電源装置１３とで概略構成される。この実施の形態では、オゾン電源装置１３は１台構成とし、入口側及び出口側の放電管１６Ａ，１６Ｂへの給電は１台の電源装置１３から共通の電力を供給するものとする。また、冷却部１７は入口側及び出口側に分割せず、共通の構造とする。

この実施の形態では、出口側の放電管１６Ｂの長さを入口側の放電管１６Ａの長さに比べて長くして放電面積を大きくする。この場合、１台の電源装置１３から供給される電力値は前述のように共通であるため、出口側の放電管１６Ｂが長い分、この放電部分に印加される Ｗ／Ｓの値が、入口側の放電管１６Ａへ印加されるＷ／Ｓ の値に比べて小さくなる。

このように、出口側の放電面積を、入口側の放電面積より大きくして、出口側の放電部分の単位面積当たりの投入電力Ｗ／Ｓを入口側より少なくすることで、出口側の放電管部分での発生熱が、入口側の放電管部分での発生熱より少なくなり、オゾン生成効率が良くなる。また、原料気体が出口側 の放電ギャップ部分を通過する時間が入口側の放電ギャップを通過する時間に比べて長くなるため、冷却効率_{が高まり、この点からもオゾン生成効率は改善される。}
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…タンク状の容器
１２…放電部
１３…電源装置
１５…金属電極（ステンレス管）
１６Ａ…入口側の放電管
１６Ｂ…出口側の放電管
１７…冷却部
１８…冷却水の流入部
１９…冷却水の流出部
２１…原料気体の流入部
２２…オゾンガス流出部

Claims (1)

1. 円筒状の金属電極内に、その内周面と所定の放電ギャップを介して外周面が対向するように入口側及び出口側の放電管を互いに突合せ状に配置した放電部と、
   前記金属電極と前記各放電管との間に電力を供給してこれらの間に無声放電を生じさせる電源装置と、
   原料気体の流入部および生成オゾンの流出部を有し、前記放電部が内部に設置され、前記流入部から流入した原料気体を前記金属電極内に流し、前記無声放電により生成されたオゾンガスを前記流出部から流出させる容器とを備え、
   前記放電部の、前記出口側の放電管部分での発生熱が前記入口側の放電管部分での発生熱より少なくなるように、前記出口側の放電管の前記金属電極との放電面積を、前記入口側の放電管の前記金属電極との放電面積より大きくして前記出口側の放電部分の単位面積当たりの投入電力を、前記入口側より少なくしたオゾン発生装置。

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