JP7020785B2 - オゾン発生器 - Google Patents

Description

実施形態は、オゾン発生器に関する。

オゾン発生器は、端板に両端が保持された管状の金属電極と、金属電極の内部に配置された管状の誘電体の内部に設けられた導電膜を有する放電管と、導電膜と接続された給電部材とを備える。オゾン発生器は、金属電極と、導電膜との間の放電ギャップに無声放電を発生させることによって、オゾンを生成する。生成されたオゾンは浄水の高度処理、産業排水や下水の浄化、殺菌，酸化，脱色及び脱臭など多くの用途に用いられている。

このようなオゾン発生器では、無声放電を発生させる必要のある端板の位置まで導電膜及び給電部材を設けることによって、放電領域を確保している。

特開２０１２－１４４４２５号公報

しかしながら、上述のオゾン発生器では、導電膜及び給電部材の外側の端部から端板等に電界が生成されるので、異常放電が生じ、構成部品が劣化するといった課題がある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、実施形態のオゾン発生器は、第１端板と、第２端板と、金属電極と、誘電体部と、導電膜と、給電部材とを備える。第２端板は、前記第１端板と対向して配置されている。金属電極は、前記第１端板及び前記第２端板に両端部が保持された管状である。誘電体部は、管状で、前記第１端板側が開口し、前記第２端板側が閉口し、前記金属電極の内部に前記金属電極と放電ギャップを空けて配置され、一部が前記第１端板側で前記金属電極よりも外側に延びる。導電膜は、前記誘電体部の内面のうち、当該誘電体部の開口側端部からの一部の内面を除いた内面に設けられている。給電部材は、前記誘電体部の内部に設けられ、前記導電膜と電気的に接続されている。前記誘電体部の中心軸方向において、前記導電膜の前記誘電体部の開口側の端部は、前記第１端板側で前記金属電極よりも外側に位置する。前記誘電体部の中心軸方向において、前記給電部材の一方の端部は前記第１端板側で前記金属電極よりも外側に位置し、前記給電部材の他方の端部は前記金属電極と対向する領域に位置する。

図１は、第１実施形態にかかるオゾン発生器の全体構成を示す断面図である。 図２は、第１実施形態の誘電体電極の近傍の拡大断面図である。 図３は、第２実施形態の誘電体電極の近傍の拡大断面図である。 図４は、第３実施形態の誘電体電極の近傍の拡大断面図である。 図５は、第１実施例の第１シミュレーション結果を示す図である。 図６は、第１比較例の第１シミュレーション結果を示す図である。 図７は、第２比較例の第１シミュレーション結果を示す図である。 図８は、図５～図７の第１シミュレーション結果をプロットしたグラフである。 図９は、第３実施形態に基づく実施例の第２シミュレーション結果の最大電界をプロットしたグラフである。

以下の例示的な実施形態や変形例には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、同様の構成要素には共通の符号が付されるとともに、重複する説明が部分的に省略される。実施形態や変形例に含まれる部分は、他の実施形態や変形例の対応する部分と置き換えて構成されることができる。また、実施形態や変形例に含まれる部分の構成や位置等は、特に言及しない限りは、他の実施形態や変形例と同様である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態にかかるオゾン発生器１０の全体構成を示す断面図である。図１に矢印で示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で示されるそれぞれの方向を、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とする。図１に示すように、オゾン発生器１０は、装置本体１２と、高圧電源１４と、冷却水供給部１６とを備えている。

装置本体１２は、気密容器２０と、一対の端板２１ａ、２１ｂと、複数の金属電極２２と、複数の誘電体電極２４と、ヒューズ４０と、スペーサ４２と、位置決め部材４８とを備える。

気密容器２０は、Ｙ方向に沿った中心軸を有する中空の円筒形状である。気密容器２０は、一対の端板２１ａ、２１ｂ、複数の金属電極２２、複数の誘電体電極２４、ヒューズ４０、スペーサ４２、及び、位置決め部材４８を収容して保持する。気密容器２０の外周部には、ガス入口２７、ガス出口２８、冷却水入口３０及び冷却水出口３２が接続されている。酸素を含む原料ガスが、ガス入口２７を介して、外部から気密容器２０内に供給される。ガス出口２８は、未反応の原料ガス及びオゾン（Ｏ_３）を外部へ排出する。冷却水入口３０は、気密容器２０の下部に設けられている。冷却水入口３０には、冷却水供給部１６から冷却水が流入する。冷却水出口３２は、気密容器２０の上部に設けられている。冷却水出口３２は、冷却水を外部へ排出する。

一対の端板２１ａ、２１ｂは、ステンレス鋼等の導電性の材料を含む。端板２１ａ、２１ｂは、円板状に形成されている。端板２１ａ、２１ｂの外周部は気密容器２０に固定されている。端板２１ｂは、端板２１ａと対向して、かつ、端板２１ａとほぼ平行になるように配置されている。端板２１ａ、２１ｂは、気密容器２０を介して、接地電位と接続されている。端板２１ａ、２１ｂには、金属電極２２の端部とほぼ同じ形状の複数の円形状の穴２６ａ、２６ｂが形成されている。

金属電極２２は、端板２１ａ、２１ｂと同じ材料であって、ステンレス鋼等の導電性の材料を含み、導電性を有する。複数の金属電極２２は、気密容器２０の内部に設けられている。複数の金属電極２２は、それぞれがＹ方向に長手方向を向けた状態でＸ方向及びＺ方向にほぼ均等な間隔で配列されている。金属電極２２は、気密容器２０の中心軸と平行なＹ方向に沿った中心軸を有する管状（例えば、円筒形状）に形成されている。金属電極２２の一端は、一方の端板２１ａの円形状の穴２６ａと連結されている。金属電極２２の他端は、他方の端板２１ｂの円形状の穴２６ｂと連結されている。これにより、金属電極２２の両端部は、塞がれることなく一対の端板２１ａ、２１ｂに保持され、端板２１ａ、２１ｂと電気的に接続される。金属電極２２の端部は、例えば、端板２１ａ、２１ｂと溶接によって連結されている。金属電極２２は、端板２１ａ、２１ｂを介して、接地電位と接続されている。複数の金属電極２２のうち、最も外周に設けられた金属電極２２は、気密容器２０の内周面との間に冷却水の水路４６を形成する。水路４６は、気密容器２０の冷却水入口３０及び冷却水出口３２と繋がっている。水路４６は、最も外周に設けられた金属電極２２以外の中央部の金属電極２２の内側の中空部とも繋がっている。

各誘電体電極２４は、気密容器２０内であって、いずれかの金属電極２２の内部に配置されている。誘電体電極２４は、誘電体部３４と、導電膜３６と、給電部材３８とを有する。

誘電体部３４は、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、高ケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、セラミックス等の誘電体材料を含み、電気的に絶縁である。誘電体部３４は、管状（例えば、円筒形状）に形成されている。誘電体部３４の中心軸方向の長さは、例えば、６０ｍｍである。誘電体部３４の端板２１ａ側の端部は、開口している。誘電体部３４の端板２１ｂ側の端部は、端に向かって細くなりつつ、閉口している。誘電体部３４は、いずれかの金属電極２２の内部に、金属電極２２と放電ギャップ４４を空けて配置されている。誘電体部３４の中心軸が気密容器２０及び金属電極２２の中心軸とほぼ平行になるように、かつ、誘電体部３４の外周面が金属電極２２の内周面と対向するように設けられている。誘電体部３４の開口側の端部は、端板２１ａよりも外側に突出している。

導電膜３６は、ステンレス、ニッケル、カーボンあるいはアルミニウム等の導電性の材料を含み、導電性を有する。導電膜３６は、導電性の材料をスパッタリング、溶射、蒸着、無電解メッキ、電解メッキ、塗料塗布等することにより誘電体部３４の内面に設けられている。従って、導電膜３６も筒状（例えば、円筒形状）に形成される。

給電部材３８は、導電性の材料を含み、導電性を有する。例えば、給電部材３８は、繊維状の導電性の材料によって、多孔質の円柱形状に構成されている。給電部材３８は、誘電体部３４の端板２１ａ側の端部の近傍に設けられている。給電部材３８は、導電膜３６及びヒューズ４０と電気的に接続されている。

ヒューズ４０は、中心軸が誘電体部３４の中心軸と一致するように配置されている。ヒューズ４０の一端は、高圧碍子１４ａを通って、高圧電源１４と電気的に接続されている。ヒューズ４０の他端は、給電部材３８と電気的に接続されている。ヒューズ４０は、誘電体部３４が絶縁破壊によって破損した場合に、導電膜３６に対して流れる過電流を遮断し、破損した放電管を他の放電管から切り離すことによって、オゾン発生装置の運転を継続することが可能となる。

スペーサ４２は、金属電極２２と誘電体電極２４との間に配置されている。これにより、スペーサ４２は、金属電極２２と導電膜３６との間の放電ギャップ４４を所定間隔に維持する。具体的には、スペーサ４２は、放電ギャップ４４を維持する。

位置決め部材４８は、中心軸方向において誘電体電極２４を位置決めする。位置決め部材４８は、金属電極２２の内面に設けられ、金属電極２２内に挿入された誘電体部３４の端板２１ｂ側の閉口した端部と当接する。これにより、位置決め部材４８は、誘電体部３４が更に金属電極２２の奥に挿入されることを規制して、誘電体電極２４の誘電体部３４を位置決めする。

高圧電源１４は、ヒューズ４０を介して、給電部材３８に接続されている。高圧電源１４は、ヒューズ４０及び給電部材３８を介して、高電圧の交流電圧を導電膜３６に印加する。

冷却水供給部１６は、例えば、チラー、ポンプである。冷却水供給部１６は、気密容器２０の冷却水入口３０と接続され、冷却水入口３０から気密容器２０の内部の水路４６へ冷却水を供給する。

続いて、オゾン発生器１０の動作について説明する。オゾン発生器１０では、冷却水入口３０から供給された冷却水が金属電極２２を冷却している状態で、ガス入口２７を介して原料ガスが供給されるとともに、高圧電源１４が金属電極２２と導電膜３６の間に交流電圧を供給する。これにより、導電膜３６と金属電極２２との間の原料ガスに高電圧が印加され、放電ギャップ４４に生じた無声放電によって原料ガス中の酸素からオゾンが生成されて、ガス出口２８から排出される。

図２は、第１実施形態の誘電体電極２４の近傍の拡大断面図である。

図２に示すように、導電膜３６及び給電部材３８の少なくとも一部は、誘電体部３４の中心軸方向（Ｙ方向）において、金属電極２２の端部及び端板２１ａと同じ位置である。これにより、導電膜３６及び給電部材３８の少なくとも一部は、端板２１ａの面と平行な方向（即ち、Ｘ方向またはＺ方向）から見て、金属電極２２の端部及び端板２１ａと重なる。導電膜３６及び給電部材３８の少なくとも一部は、端板２１ａの穴２６ａを貫通している。給電部材３８の端板２１ａ側の端部は、誘電体部３４の軸方向（Ｙ方向）において、導電膜３６の端板２１ａ側の端部と同じ位置まで延びる。導電膜３６の誘電体部３４の開口側の端部及び給電部材３８の誘電体部３４の開口側の端部は、誘電体部３４の中心軸方向（Ｙ方向）において、金属電極２２の端板２１ａ側の端部及び端板２１ａよりも誘電体部３４の開口側（即ち、金属電極２２の外側）に延びる。例えば、金属電極２２の端板２１ａ側の端部及び端板２１ａからの導電膜３６の端部及び給電部材３８の端部の突出量Ｄは、５ｍｍから３０ｍｍである。

上述したように、オゾン発生器１０では、導電膜３６の端部及び給電部材３８の端部は、金属電極２２の端部及び端板２１ａと同じ位置である場合に比べて、金属電極２２の端部及び端板２１ａとの距離を大きくすることができる。これにより、オゾン発生器１０は、給電部材３８の一部を端板２１ａと同じ位置に配置して小型化を実現しつつ、給電部材３８と、端板２１ａ及び金属電極２２との間の電界を緩和して異常放電を抑制できる。この結果、オゾン発生器１０は、導電膜３６の破損を抑制して、誘電体電極２４の寿命を延ばすことができる。

オゾン発生器１０では、位置決め部材４８によって、誘電体電極２４の誘電体部３４を容易に位置決めすることができる。

＜第２実施形態＞
図３は、第２実施形態の誘電体電極１２４の近傍の拡大断面図である。図３に示すように、第２実施形態の誘電体電極１２４では、誘電体部３４の開口側の給電部材１３８の端部には、端面に沿って細くなるテーパ部１３８ａが設けられている。従って、給電部材１３８の端部は、誘電体部３４及び導電膜３６との間に隙間を空けて設けられている。当該隙間の少なくとも一部は、端板２１ａよりも外側である。これにより、給電部材１３８の端部は、角に集中する電荷をテーパ部１３８ａによって分散させつつ、当該角と金属電極２２の端部及び端板２１ａとの距離を大きくすることができる。この結果、誘電体電極１２４は、給電部材１３８と、端板２１ａ及び金属電極２２との間の異常放電を抑制できる。

＜第３実施形態＞
図４は、第３実施形態の誘電体電極２２４の近傍の拡大断面図である。図４に示すように、第３実施形態の誘電体電極２２４では、誘電体部３４の開口側の給電部材２３８の端部には、端面に沿って細くなる曲面を有する曲面部２３８ａが設けられている。従って、給電部材２３８の端部は、誘電体部３４及び導電膜３６との間に隙間を空けて設けられている。当該隙間の少なくとも一部は、端板２１ａよりも外側である。これにより、給電部材２３８の端部は、角に集中する電荷を曲面部２３８ａによってより分散させつつ、当該角と金属電極２２の端部及び端板２１ａとの距離を大きくすることができる。この結果、誘電体電極２２４は、給電部材２３８と、端板２１ａ及び金属電極２２との間の異常放電を抑制できる。

次に、上述の各実施形態の効果を証明するシミュレーションについて説明する。

＜第１シミュレーション＞
図５は、第１実施例の第１シミュレーション結果である。第１実施例は、第１実施形態において、給電部材３８及び導電膜３６が端板２１ａから５ｍｍ突出した構成である。図６は、第１比較例の第１シミュレーション結果である。第１比較例は、給電部材３８及び導電膜３６が端板２１ａと同じ位置である以外は第１実施形態と同じ構成である。図７は、第２比較例の第１シミュレーション結果である。第２比較例は、給電部材３８及び導電膜３６が端板２１ａから５ｍｍ内側に配置された以外は第１実施形態と同じ構成である。図５から図７は、図２とほぼ同様の位置の２つ分の断面図である。第１シミュレーションでは、給電部材３８に１１ｋＶの単相電圧を印加して、金属電極２２は接地させた。図５～図７のシミュレーション結果は電界計算結果で、図中の矢印が矢印の起点位置での電界である。矢印はその向きが電界の向きを表し、長さが電界の強さをあらわしている。

図５に示すように、給電部材３８及び導電膜３６が端板２１ａから５ｍｍ突出した第１実施例のシミュレーションでは、給電部材３８の端面からの放電が小さいことがわかる（点線で示す円Ｃ１参照）。一方、図６に示すように、給電部材３８及び導電膜３６が端板２１ａと同じ位置である第１比較例のシミュレーションでは、給電部材３８の端面からの放電が大きいことがわかる（点線で示す円Ｃ２参照）。同様に図７に示すように、給電部材３８及び導電膜３６が端板２１ａから５ｍｍ内側に配置された第２比較例のシミュレーションでは、給電部材３８の端面からの放電が大きいことがわかる（点線で示す円Ｃ３参照）。

図８は、図５～図７の第１シミュレーション結果をプロットしたグラフである。図８の縦軸は最大電界を示し、横軸は突出量を示す。尚、横軸の突出量は、給電部材３８及び導電膜３６が端板２１ａから突出している場合、正の値で示し、給電部材３８及び導電膜３６が端板２１ａから内側に配置されている場合、負の値で示す。

図８に示すように、第１実施例は、第１比較例及び第２比較例に比べて、最大電界を抑制できることがわかる。更に、第１実施例において、突出量Ｄは、５ｍｍ以上であればより最大電界を抑制できるとことがわかる。

＜第２シミュレーション＞
図９は、第３実施形態に基づく実施例の第２シミュレーション結果の最大電界をプロットしたグラフである。図９において、正方形のプロットは、第３実施形態における曲面部２３８ａの半径Ｒを１ｍｍとした第２実施例のシミュレーション結果である。菱形のプロットは、第３実施形態における曲面部２３８ａの半径Ｒを５ｍｍとした第３実施例のシミュレーション結果である。第２シミュレーションでは、給電部材２３８に１１ｋＶの単相電圧を印加して、金属電極２２は接地させた。

図９に示すように、第３実施形態による第２実施例及び第３実施例は、第１実施例、第１比較例、及び、第２比較例よりも最大電界を抑制できることがわかる。また、半径Ｒの大きい第３実施例は、半径Ｒの小さい第２実施例よりも最大電界をより抑制できることがわかる。第３実施例において、突出量Ｄを７ｍｍ以上にすると、最大電界を空気の絶縁破壊電界以下にできることがわかる。

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、その他の様々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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１０ ：オゾン発生器
２１ａ ：端板（第１端板）
２１ｂ ：端板（第２端板）
２２ ：金属電極
２４、１２４、２２４ ：誘電体電極
３４ ：誘電体部
３６ ：導電膜
３８、１３８、２３８ ：給電部材
４４ ：放電ギャップ
４８ ：位置決め部材
１３８ａ ：テーパ部
２３８ａ ：曲面部

Claims (5)

1. 第１端板と、
   前記第１端板と対向して配置された第２端板と、
   前記第１端板及び前記第２端板に両端部が保持された管状の金属電極と、
   前記第１端板側が開口し、前記第２端板側が閉口し、前記金属電極の内部に前記金属電極と放電ギャップを空けて配置され、一部が前記第１端板側で前記金属電極よりも外側に延びる管状の誘電体部と、
   前記誘電体部の内面のうち、当該誘電体部の開口側端部からの一部の内面を除いた内面に設けられた導電膜と、
   前記誘電体部の内部に設けられ、前記導電膜と電気的に接続された給電部材と、
   を備え、
   前記誘電体部の中心軸方向において、前記導電膜の前記誘電体部の開口側の端部は、前記第１端板側で前記金属電極よりも外側に位置し、
   前記誘電体部の中心軸方向において、前記給電部材の一方の端部は前記第１端板側で前記金属電極よりも外側に位置し、前記給電部材の他方の端部は前記金属電極と対向する領域に位置する
   オゾン発生器。
2. 前記誘電体部の開口側の前記給電部材の端部には、端面に向かって細くなるテーパ部が設けられている
   請求項１に記載のオゾン発生器。
3. 前記誘電体部の開口側の前記給電部材の端部には、端面に向かって細くなる曲面を有する曲面部が設けられている
   請求項２に記載のオゾン発生器。
4. 前記誘電体部の前記第２端板側の端部は端に向かって細くなり、
   前記金属電極の内面に設けられ、前記誘電体部の前記第２端板側の端部と当接して、前記誘電体部を位置決めする位置決め部材を更に備える
   請求項１から３のいずれか１項に記載のオゾン発生器。
5. 前記誘電体部の中心軸方向において、前記導電膜の前記誘電体部の開口側の端部及び前記給電部材の前記誘電体部の開口側の端部は、前記第１端板側で前記金属電極の端部より少なくとも５ｍｍ以上外側に延びる
   請求項１に記載のオゾン発生器。

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