WO2016084181A1

WO2016084181A1 - オゾン発生装置

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Publication number: WO2016084181A1
Application number: PCT/JP2014/081316
Authority: WO
Inventors: 中谷　元; 大輔高内; 尚紀平鍋; 佳明尾台; 敏寛芳田
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-06-02
Also published as: JP5872117B1; CN106922143A; EP3205623B1; US10112832B2; CA2969091A1; EP3205623A1; JPWO2016084181A1; CA2969091C; US20170158507A1; EP3205623A4

Abstract

オゾン発生装置における電極の信頼性を高め、かつメンテナンス後の装置立ち上げ時間を短くすることを目的とする。オゾン発生装置は、相対向する閉鎖端と開放端を有し、内面には電極が形成されている誘電体放電管と、誘電体放電管の開放端を覆い、誘電体放電管と接着剤で固定されている密閉用フタと、誘電体放電管の内面に形成されている電極に内接する給電ブラシと、誘電体放電管と同心円状に配置されている接地電極と、を備え、密閉用フタは相互に繋がっている本体部と円筒部を有し、円筒部の内径は誘電体放電管の外径よりも大きいことを特徴とする。

Description

オゾン発生装置

　この発明は、オゾン発生装置に関し、特に、水処理設備等に利用されるオゾン化ガスを工業的に生成するオゾン発生装置に関するものである。

　オゾン化ガスは所定濃度のオゾンを含んでいる。オゾン化ガスには、脱臭、殺菌作用があり、水処理設備等に使用されている。オゾン化ガスを工業的に生成する方法としては、原料ガスを接地電極と誘電体放電管の間に形成される微小空間に流通させ、この微小空間に高周波電界を加えて無声放電を発生させる方法が一般的である（例えば特許文献１～７）。オゾンは、無声放電の放電エネルギーにより、酸素または酸素を含む原料ガスから微小空間に生成される。接地電極はステンレスなどの金属管などで構成されている。誘電体放電管は内部に高圧電極を有するガラス筒などからなる。高圧電極は、誘電体放電管の内面にアルミなどの金属を溶射などにより形成した薄膜である。一般にオゾン発生装置はガス圧力を高くして動作させる場合に効率が高いため、接地電極および誘電体放電管などは高圧タンク内に収納されている。

　例えば特許文献１に係わるオゾン発生装置において、高電圧電極は導電性塗料の塗布などの方法を用いて作成された導電性の薄膜である。誘電体放電管は左端が密閉され、オゾン化ガス流出側の右端は開口構造となっている。オゾン化ガス流出側の誘電体放電管の開口端には蓋を嵌合する。オゾン化ガスの誘電体放電管の内側への拡散を防止して、高電圧電極のオゾンによる腐食を抑制している。特許文献２に係わるオゾン発生装置においては、誘電体放電管と蓋の隙間は、接着剤などの充填剤で密閉するか、無機接着剤で密閉されている。特許文献３に係わる低温プラズマ発生体は、筒状のセラミックス誘電体（径１～５ｍｍ）の内部に棒状導電体（径0.6～4.5ｍｍ）が挿入されている。セラミックス誘電体と棒状導電体は、両端を、ガラスで融着するかもしくは接着剤で接合するかして、封止されている。

　特許文献４によるオゾン発生装置においては、誘電体放電管の原料ガスが流れてくる側は開口となっていて、反対側のオゾン化ガスが出ていく側の端は密閉された構造となっている。原料ガスが流れてくる側の誘電体放電管の開口端にガス流通栓を設置し、ガス流通栓には小さな穴が開いている。オゾン発生装置が非常停止した場合、原料ガスの流れが停止し、放電場で生成されたオゾンが誘電体放電管の原料ガス流入側に拡散してくる。ガス流通栓には小さな穴しか開いていないので誘電体放電管の中にはオゾンは侵入しない。また、ガス流通栓に小さな穴をあけているので、常時は誘電体放電管に圧力がかかることはないので誘電体放電管の信頼性が高い。

特開平１１－３５３０３号公報特開２０１４－１０１２６０号公報特開平８－１８５９５５号公報特開２００８－２２２４９５号公報特開２０１３－４９５８２号公報特開２００７－１４５６３０号公報特開平７－３３０３０８号公報

　特許文献１に係わるタンデム電極の構成では、誘電体放電管に蓋を嵌合している。通常、誘電体放電管はガラス管で構成され、内径、外径の寸法公差があるため、誘電体放電管と蓋の間には0.1mm程度の隙間が必ず発生する。この結果、蓋との隙間を通じて誘電体放電管の内側にオゾンガスが拡散して侵入するため、長期的には高電圧電極である薄膜が腐食される。

　特許文献２には、誘電体放電管と蓋の間を接着剤で密封するというアイデアは記載されているが、具体的な構成は開示されていない。誘電体放電管と蓋の間を接着すると誘電体放電管に割れが生じることが多い。特許文献３に開示された構成では、誘電体はセラミックスで構成されているのに対し、産業用に用いられる大型のオゾン発生装置では、通常、誘電体としてガラス管が使用されている。ガラス管の端部と中心導体とを接着剤で接合すると、ガラス管に割れが生じることがある。

　特許文献４によるオゾン発生装置の構成では、ガス流通栓に小さな穴があいているので、オゾン発生装置を長期間運転後にメンテナンスを行うため装置を開放点検する際に、水分等が誘電体放電管の内部に混入する。一旦小さな穴から混入した水分は誘電体放電管の内部に留まる。運転再開後も水分が小さな穴から徐々に誘電体放電管の外に出てくるため原料ガスの露点は高く、オゾン発生性能が初期の性能に達するまで長時間を要する。

　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、オゾン発生装置における電極の信頼性を高め、かつメンテナンス後の装置立ち上げ時間を短く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、相対向する閉鎖端と開放端を有し、内面には電極が形成されている誘電体放電管と、誘電体放電管の開放端を覆い、誘電体放電管と接着剤で固定されている密閉用フタと、誘電体放電管の内面に形成されている電極に内接する給電ブラシと、誘電体放電管と同心円状に配置されている接地電極と、を備え、密閉用フタは相互に繋がっている本体部と円筒部を有し、円筒部の内径は誘電体放電管の外径よりも大きいことを特徴とする。

　この発明に係るオゾン発生装置によれば、製作時および使用時に誘電体放電管にヒビや割れが発生することを防止することができる。メンテナンスの際に水分が誘電体放電管の内部に侵入しないため、メンテナンス後の立上げ時間を短くすることができるという効果を奏する。

この発明の実施の形態に係わるオゾン発生装置の断面図である。オゾン発生装置の構造体を示す断面構造図である。密閉用フタと誘電体放電管の関係を示す断面構造図である。この発明の実施の形態１を示す誘電体放電管の断面構造図である。この発明の実施の形態２を示す誘電体放電管の断面構造図である。この発明の実施の形態３を示す誘電体放電管の断面構造図である。この発明の実施の形態４を示す誘電体放電管の断面構造図である。この発明の実施の形態５を示す誘電体放電管の断面構造図である。

　本発明の実施の形態に係わるオゾン発生装置について、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付しており、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立している。例えば構成の一部を変更した断面図の間で、変更されていない同一構成部分を図示する際に、同一構成部分のサイズや縮尺が異なっている場合もある。また、オゾン発生装置の構成は、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、他の部分については省略している。

実施の形態１．
　以下、この発明の実施の形態１を図面で説明する。図１は、この発明の実施の形態に係るオゾン発生装置１００の構造を説明する図である。高圧容器である高圧タンク５０は、円筒を横向きに置いたような外形を有する。高圧タンク５０の左上には、高電圧電源７からの高電圧配線８をタンク内に導入するために、高電圧線導入口５３が設けられている。高電圧線導入口５３には、接地されている高圧タンク５０と高電圧配線８の間を十分に絶縁し、かつガスが漏れないような対策をとる。高圧タンク５０の左下には原料ガス入口５１が、右下にはオゾン化ガス出口５２がそれぞれ設けられている。

　原料ガス入口５１から入った原料ガスは、無声放電が発生している放電空間を通過して、放電により生成されたオゾンを含むオゾン化ガスになり、オゾン化ガス出口５２から排出される。原料ガスは空気もしくは酸素を主成分とするガスである。高圧タンク５０の下側に設けた冷却水入口５４より、冷却水６が構造体５の内部に供給され、かつ冷却水出口５５から排出される。構造体５には、誘電体放電管３と接地電極２が必要な間隔をあけて、所定数だけ配置されている。

　図２は構造体５の構造を説明する断面図である。構造体５は円形の断面を有し、軸方向に複数の水路５ａと貫通穴５ｂとが設けられている。貫通穴５ｂには円筒状の誘電体放電管３が挿入される。貫通穴５ｂは接地電極２の内面となる。誘電体放電管３は、円筒状の接地電極２と同心円状に配置され、接地電極２の内部をガスが通る。構造体５は密閉でき、接地電極２を冷却するための冷却水６が水路５ａに充填される。

　図３は誘電体放電管の構造を説明する図で、ガスの流れに平行な断面での断面図である。高電圧電極１は誘電体放電管３の内面に形成された電極である。接地電極２は、ステンレスなどの金属管で構成されている。誘電体放電管３と接地電極２はどちらも円筒状の形状であり、誘電体放電管３と接地電極２は同心円状になるように配置されている。誘電体放電管３と接地電極２との間にできる空間が、放電空間４になる。放電空間４の断面を偏りがないドーナツ状にするために、誘電体放電管３の両端に近い位置にスペーサ４Ａを設ける。給電ブラシ１３は誘電体放電管３の内面に形成されている電極（高電圧電極１）に内接している。

　ガラスなどからなる一端が密閉された円筒状の誘電体放電管３は、その内面に高電圧電極１を有する。高電圧電極１も円筒状の形状を有する。誘電体放電管３は、原料ガスが流れて来る側、すなわち原料ガスの上流側に、開放端を配置する。高電圧電極１には給電ブラシ１３を介して給電棒１４が接続される。給電棒１４は高電圧配線８に接続されている。高電圧電極１は、クロム、金、銀、銅、錫、亜鉛、ニッケル、カーボン、アルミニウムからなる材料の群から選択される少なくとも１つの材料を含む薄膜などで構成される。

　誘電体放電管３の開口端と外周は密閉用フタ２０によって覆れている。密閉用フタ２０と誘電体放電管３の隙間に接着剤２１Ａを塗布し、密閉用フタ２０と誘電体放電管３を接着し密封する。密閉用フタ２０の中央部には穴をあけ、給電棒１４を通す。密閉用フタ２０の中央部の穴と給電棒１４の間には接着剤２１Ｂを塗布し、密閉用フタ２０と給電棒１４を密封接着する。誘電体放電管３に用いたガラス管はＳＣＨＯＴＴ社より販売されているＤＵＲＡＮ（登録商標）である。ＤＵＲＡＮはホウ珪酸ガラスの一種でＳｉＯ_２含有率が８１％以上の化学耐久性に優れた硬質ガラスである。

　誘電体放電管３には、外径が10～30ｍｍ、厚みが0.8～1.6ｍｍの、片端が閉じたＤＵＲＡＮ管を使用した。接着剤２１Ａ、２１Ｂには、耐オゾン性および耐酸性に優れたガラス接着剤、もしくはエポキシ樹脂と金属粉を混合した接着剤を用いた。ガラス接着剤としては、例えば、オーデック社のセラマボンド５６９や、鐘通社の９４０ＬＥを用いた。エポキシ樹脂と金属粉を混合した接着剤としては、例えば、ダーメタル社のベロメタルや、Ｄｅｖｃｏｎ社のデブコンを用いた。

　図４は密閉用フタと誘電体放電管の構造を説明する図である。密閉用フタ２０は、本体部２０ａと円筒部２０ｂを有し、両者は繋がって一体化している。円板状の本体部２０ａの中央には開口２０ｃが形成されている。誘電体放電管３は一端に閉鎖端３ａを他端には開放端３ｂを有し、内面には電極（高電圧電極１）が形成されている。閉鎖端３ａと開放端３ｂは相対向している。密閉用フタ２０は、誘電体放電管３の外周部で狭い隙間ができる形状とするために、密閉用フタ２０の円筒部２０ｂの内径（ＩＤ）は誘電体放電管３の外径（ＯＤ）よりも大きくする。例えば、密閉用フタ２０の円筒部
２０ｂの内径と誘電体放電管３の外径の差を0.3ｍｍ～2ｍｍの間となるようにした。密封性能をアップするために、接着剤２１Ａを誘電体放電管３の開放端部にも塗布し密封接着した。

　密閉用フタ２０の材料はSUS304、SUS304L、SUS316、SUS316Lなどのオーステナイト系ステンレスとした。密閉用フタ２０にアルミニウムを使用すると、オゾン発生中の熱膨張による熱応力が大きく、誘電体放電管３にヒビが発生した。密閉用フタ２０は誘電体放電管３の外周で接着するのが良い。密閉用フタ２０が誘電体放電管３の内径側で狭い隙間ができるように構成して接着すると、誘電体放電管に大きなストレスが発生する。密閉用フタ２０の材料としてステンレスを用いた場合も、アルミニウムを用いた場合も、接着剤２１Ａを塗布して固める段階で、誘電体放電管にヒビや割れが発生した。

　次に動作について説明する。高電圧電源７から供給される高周波高電圧は、高電圧配線８、給電棒１４、給電ブラシ１３を経由して高電圧電極１に印加される。誘電体放電管３と接地電極２の間の放電空間４で無声放電が生じ、原料ガスがオゾンガスに変換される。オゾン発生装置１００を運転すると、接地電極２の表面と誘電体放電管３の外周面に放電付着物が付着し、この中にＮ_２Ｏ_５などの窒素酸化物が吸着される。オゾン発生装置を長期間運転すると、接地電極２の表面と誘電体放電管３の外周面に放電付着物が堆積していく。放電付着物が大量に付着すると、放電空間４にガスが流れにくくなるとともに、オゾン発生効率が低下するため、定期的にメンテナンスが行われる。

　原料ガスが空気の場合は放電付着物の量が多いので、例えば１～５年毎にメンテナンスが実施される。原料ガスが酸素発生装置で生成される場合は放電生成物の量が少ないので例えば５～１０年毎にメンテナンスが実施される。オゾン発生装置をメンテナンスする場合、オゾン発生装置を開放して誘電体放電管を外部に取り出し、誘電体放電管の外周面に付いた放電付着物を清掃する。放電付着物がこびりついている場合は水で洗浄する場合が多い。本実施の形態によるオゾン発生装置１００では密閉用フタ２０を誘電体放電管３の開口部に取り付けたので、誘電体放電管３の内部に洗浄水が混入しない。

　蓋と誘電体放電管の間に0.1mm程度の隙間がある場合は、メンテナンス時に水分が誘電体放電管の内部に混入した。メンテナンス後に原料ガスを流しても誘電体放電管の内部から徐々に水分が出てくるため、原料ガスの露点が正常値に回復するのに１週間程度要した。原料ガスの露点が高いと、オゾン発生効率が低いため、１週間程度は性能が安定しない。これに対し、本実施の形態のように構成すると、メンテナンス後、約半日でオゾン発生効率が所定性能に達するため、メンテナンス後の装置立ち上げ時間が短いという効果が得られる。

　原料ガスが空気の場合、メンテナンス周期が短くメンテナンスの際に装置の開放点検と誘電体放電管の清掃を行うので、本実施の形態の効果が大きい。また酸素ガス発生装置を用いる場合も、同様の効果が得られる。接着剤として、耐オゾン性のある接着剤を使用したので接着剤の劣化がなく、密閉用フタと誘電体放電管との接続部の信頼は高い。また、誘電体放電管の外周部と密閉用フタの内周部の隙間で接着し、しかも密閉用フタとしてステンレスを使用したので、装置の温度変化があっても誘電体放電管のガラスにヒビや割れが発生しない。

　本実施の形態では密閉用フタ２０の材料を、オーステナイト系ステンレスとしているが、その他のステンレス材料でも同様の効果を奏することはいうまでもない。また、オーステナイト系ステンレスの代わりに、オゾンや酸に対して耐腐食性の高いセラミックを用いても同様の効果を奏する。

実施の形態２．
　実施の形態１では、高電圧電極１は高電圧電源７と直接接続されている。実施の形態２では図５に示すように、高電圧電極１は、給電ブラシ１３、給電棒１４Ａ、ヒューズ１５、給電棒１４Ｂ、高電圧配線８を通じて高電圧電源７に接続されている。ヒューズ１５は、誘電体放電管３で絶縁破壊が発生するなどして、高電圧電極１と接地電極２の間に過度の電流が流れる状況が発生した場合に、即座に過度の電流を遮断し、誘電体放電管３を電気回路から切り離す。

　ヒューズ１５は誘電体放電管３の内部に密閉用フタ２０により密封されている。ヒューズを構成する導体及び絶縁物は、オゾン発生装置１００のメンテナンスの際に硝酸を含む洗浄水の暴露を受けることがないため、耐酸性のある材料で構成する必要がない。またヒューズを取付けているので、ある一つの誘電体放電管３が絶縁破壊した場合でも、ヒューズにより短絡電流が遮断される。高圧タンクに挿入されている他の複数の誘電体放電管のみでオゾン発生することが可能になり、オゾン発生装置を停止することなく運転を継続できる。

実施の形態３．
　実施の形態１では、給電ブラシ１３を高電圧電極１に接触させて給電している。実施の形態３では、図６に示すように、給電線１４Ｃを高電圧電極１に半田２２で電気接合することにより給電を行う。半田は、オゾンや酸で腐食されるので、通常は高圧タンク５０の内部では使用できない。しかしながら本実施の形態によるオゾン発生装置では誘電体放電管の内部を密閉用フタ２０で密封しているので、半田を使用しても腐食が進展しない。特に、半田２２に低温半田を使用すれば、高電圧電極１と給電線１４Ｃを電気接合する場合の温度上昇を低く抑えることができるので、電気接合する際に誘電体放電管３に使用するＤＵＲＡＮ管が熱で割れることがなくなる。実施の形態１に比べると、給電線１４Ｃを確実に誘電体放電管３の内部の高電圧電極１に接続できる。

実施の形態４．
　実施の形態３では、給電線１４Ｃを誘電体放電管の内部の高電圧電極１に直接接続している。実施の形態４では図７に示すようにヒューズ１５を給電線１４Ｃと給電線１４Ｄの間に接続し、給電線１４Ｃと高電圧電極１とを半田２２で電気接合している。ヒューズ１５から出ている端子線をそのまま給電線１４Ｃ、１４Ｄとして使用できるので、使用部品が増えることがない。ヒューズ１５に端子線が無い場合においても、給電線１４Ｃと給電線１４Ｄとヒューズ１５とを半田２２で電気接合できるので電気的接続性の信頼度が向上する。

実施の形態５．
　実施の形態１では、誘電体放電管３をガス流方向に１本だけ使用していた。実施の形態５では、図８に示すように、いわゆるタンデム配置された２本の誘電体放電管を用いる。それぞれの誘電体放電管の密封側を接地電極２の長手方向の中央部に突き合せて設置する。誘電体放電管３Ａ（第１の誘電体放電管）の開口部（開放端３ｂ）を原料ガス流入側に、誘電体放電管３Ｂ（第２の誘電体放電管）の開口部（開放端３ｂ）をオゾン化ガス出口側にそれぞれ配置している。密閉用フタ２０Ａ（第１の密閉用フタ）は誘電体放電管３Ａの開放端３ｂを覆っている。密閉用フタ２０Ｂ（第２の密閉用フタ）は誘電体放電管３Ｂの開放端３ｂを覆っている。

　誘電体放電管３Ａおよび誘電体放電管３Ｂは閉鎖端３ａを対面させて配置されている。密閉用フタ２０Ａの円筒部の内径は誘電体放電管３Ａの外径よりも大きい。密閉用フタ２０Ｂの円筒部の内径は誘電体放電管３Ｂの外径よりも大きい。誘電体放電管３Ａの開放端３ｂは密閉用フタ２０Ａと接着剤２１Ａ、２１Ｂにより密封されている。誘電体放電管３Ｂの開放端３ｂは密閉用フタ２０Ｂと接着剤２１Ａ、２１Ｂにより密封されている。

　オゾン化ガス出口側にはオゾン発生装置の運転時に高濃度のオゾンガスが存在する。本構造とすることにより誘電体放電管３Ｂの内部にもオゾンガスが侵入しない。このため高電圧電極１として汎用性の高い材料を使用しても、また電極の膜厚を薄くしても、誘電体放電管３Ａおよび誘電体放電管３Ｂに腐食劣化が発生しない。電極の膜厚を薄くする例として、クロム、金、銀、銅、錫、亜鉛、ニッケル、カーボン、アルミニウムからなる材料の群から選択される少なくとも１つの材料を含む薄膜で高電圧電極を構成すると、高信頼の装置を提供することができる。

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

　１　高電圧電極、２　接地電極、３　誘電体放電管、３ａ　閉鎖端、
３ｂ　開放端、４　放電空間、４Ａ　スペーサ、５　構造体、５ａ　水路、
５ｂ　貫通穴、６　冷却水、７　高電圧電源、８　高電圧配線、
１３　給電ブラシ、１４　給電棒、１４Ｃ　給電線、１５　ヒューズ、
２０　密閉用フタ、２０ａ　本体部、２０ｂ　円筒部、２０ｃ　開口、
２１Ａ　接着剤、２１Ｂ　接着剤、２２　半田、５０　高圧タンク、
５１　原料ガス入口、５２　オゾン化ガス出口、５３　高電圧線導入口、
５４　冷却水入口、５５　冷却水出口、１００　オゾン発生装置。

Claims

　相対向する閉鎖端と開放端を有し、内面には電極が形成されている誘電体放電管と、
前記誘電体放電管の開放端を覆い、前記誘電体放電管と接着剤で固定されている密閉用フタと、
前記誘電体放電管の内面に形成されている電極に内接する給電ブラシと、
前記誘電体放電管と同心円状に配置されている接地電極と、を備え、
前記密閉用フタは相互に繋がっている本体部と円筒部を有し、
前記円筒部の内径は前記誘電体放電管の外径よりも大きいことを特徴とするオゾン発生装置。
　前記給電ブラシと前記密閉用フタの間にヒューズが設置さ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。
　相対向する閉鎖端と開放端を有し、内面には電極が形成されている誘電体放電管と、
前記誘電体放電管の開放端を覆い、前記誘電体放電管と接着剤で固定されている密閉用フタと、
前記誘電体放電管の内面に形成されている電極に半田で接続された給電線と、
前記誘電体放電管と同心円状に配置されている接地電極と、を備え、
前記密閉用フタは相互に繋がっている本体部と円筒部を有し、
前記円筒部の内径は前記誘電体放電管の外径よりも大きいことを特徴とするオゾン発生装置。
　前記給電線と前記密閉用フタの間にヒューズが設置さ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。
　相対向する閉鎖端と開放端を有し、内面には電極が形成されている第１の誘電体放電管と、
相互に繋がっている本体部と円筒部を有し、前記第１の誘電体放電管の開放端を覆い、前記第１の誘電体放電管と接着剤で固定されている第１の密閉用フタと、
　相対向する閉鎖端と開放端を有し、内面には電極が形成されている第２の誘電体放電管と、
相互に繋がっている本体部と円筒部を有し、前記第２の誘電体放電管の開放端を覆い、前記第２の誘電体放電管と接着剤で固定されている第２の密閉用フタと、
前記第１の誘電体放電管および前記第２の誘電体放電管と同心円状に配置されている接地電極と、を備え、
前記第１の誘電体放電管および前記第２の誘電体放電管は閉鎖端を対面させて配置され、
前記第１の密閉用フタの円筒部の内径は前記第１の誘電体放電管の外径よりも大きく、
前記第２の密閉用フタの円筒部の内径は前記第２の誘電体放電管の外径よりも大きいことを特徴とするオゾン発生装置。