JP2012206898A - オゾン発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比してオゾン発生効率の高い、オゾン発生器を提供すること。
【解決手段】円筒状を呈する第１の電極管と、その第１の電極管の内側に配設された、円筒状を呈する誘電体管と、を有し、それら第１の電極管と誘電体管との間に設けられた第１のスペーサによって、第１の放電空間が形成されるとともに、円筒状を呈する誘電体の内側に配設された、円筒状を呈する第２の電極管を有し、その第２の電極管と誘電体管との間に設けられた第２のスペーサによって、第２の放電空間が形成されるオゾン発生器の提供による。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素を含む原料ガスを用い、放電によってオゾンを発生させる、オゾン発生器に関する。

近年、上水及び下水にかかる水処理等において、大量のオゾンが使用されている。このオゾンは、殺菌、漂白、脱臭の作用発現において、優れた力を有し、又、自然分解により酸素に戻り、活性炭等で容易に除去することが出来、環境負荷とならないものである。そのため、オゾンの益々の利用が、期待されている。

例えば、原料として高純度酸素を用いれば、放電式のオゾン発生器（オゾナイザ）によって、高濃度のオゾンを発生させることが出来る。このオゾン発生器は、高周波高電圧電源によって大電力を投入し、放電（無声放電、沿面放電）によって酸素分子に電子を衝突させて、オゾンを発生させるものであり、このオゾン発生器の普及によって、高濃度のオゾンを生成することが、可能となってきている。

従来のオゾン発生器の構造の一例は、対向した二つの平板状の電極と、その対向した電極の少なくとも一方に配設された誘電体と、対向する電極の間に形成される放電空間と、を有するものである。この放電空間に、酸素を含む原料ガスを流しつつ、二つの電極に交流高電圧を印加すれば、酸素からオゾンを発生させることが可能である。

又、オゾン発生器の構造の他例として、同軸円筒型のオゾン発生器を挙げることが出来る（例えば、特許文献１，２を参照）。これは、径の異なる２つの円筒状の電極を用い、外側に径の大きな円筒状の電極（接地電極、外側電極）を配設し、この接地電極の内側に径の小さな円筒状の電極（高電圧電極、内側電極）を配設したものである。円筒形状の接地電極の内周面と高電圧電極の外周面は対向しており、その何れか一方に誘電体が配設される。この同軸円筒型のオゾン発生器では、酸素を含む原料ガスが、対向する接地電極と高電圧電極の間に形成される放電空間に、流される。そして、接地電極と高電圧電極を交流高電圧の電源に接続し、この電源から供給される電力によって、放電空間に放電を起こす。そうすると、放電による電子衝突により、放電空間を流れる原料ガスに含まれる酸素分子から酸素原子が生成され、酸素原子とその周辺にある他の酸素分子とが再結合して、オゾンが生成される。

特開平７−１８７６０９号公報 特開２０１０−２４８０１８号公報

ところで、このようなオゾン発生器で生成されたオゾンを含むオゾン化ガスは、放電空間から、オゾンを必要とする装置等へ供給される。しかしながら、オゾンは、熱によって分解され易く、分解されれば、オゾン発生効率は低下する。尚、オゾンの発生に影響する因子は、数多くあり、主に原料ガス組成と放電条件に分けられる。本明細書において、オゾン発生効率は、電力当たりのオゾン発生量で求められ、時間当たりのオゾン発生量／注入電力のことをいう。

そこで、このオゾンの熱分解を防止すべく、放電で発生した熱を除去する必要が生じ、そのために、オゾン発生器では、電極、誘電絶縁体、及び放電空間を冷却するための、冷媒の流路が設けられる。この流路に冷媒を流せば、オゾン化ガスも冷やされ、オゾンの熱分解は防止される。そして、このとき、より低温の冷媒を用いる等によって、冷却温度をより低くすれば、オゾン発生効率を向上させることが可能である。

しかしながら、この手段では、冷媒の費用が高くなり、あるいは、冷却機の能力が大きくなり、運転コストや設備コストが大きくなって、それらを含めた、１基のオゾン発生器全体としてみれば、オゾン発生効率は低下する。

又、放電空間の単位面積あたりオゾン発生量を一定とするならば、オゾン発生器における、放電によってオゾンが発生する有効な放電空間の面積を、より広くすれば、１基のオゾン発生器のオゾン発生効率は向上する。例えば、上記の同軸円筒型のオゾン発生器において、円筒状の電極の径や長さを大きくすることによって、オゾン発生器の放電面積を大きくし、オゾン発生効率を向上させることが出来る。

しかしながら、この手段では、円筒状の電極（接地電極及び高電圧電極）の外径を大きくすると、同じオゾン発生量能力を持つオゾン発生装置（複数の円筒状の電極が、内部に配設されたオゾナイザ）で比較した場合に、オゾン発生装置の管板面積（オゾン発生器における円筒状の電極が複数配設される部分の端部断面積）に対して、配設可能な円筒状の電極の本数が、減少してしまう。又、円筒状の電極の径を小さくすると、その個数が多くなるが、放電面積はさほど増加せず、加えて、設置のための工数が増大する。更に、円筒状の電極（接地電極及び高電圧電極）の長さを大きくする（長くする）と、オゾン発生装置自体が大きくなるとともに、設備コストも増大する。何れの場合も、結果として、オゾン発生効率の向上は、期待出来ない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、従来に比してオゾン発生効率の高い、オゾン発生器を提供することである。オゾン発生器の構造について研究が重ねられた結果、誘電絶縁体を直接、電極の面に配設せずに、誘電絶縁体の両側に放電空間を設けて、実質的に放電面積を広げることによって、この課題を解決することが見出され、以下に示す本発明の完成に至った。

即ち、本発明によれば、円筒状を呈する第１の電極管と、その第１の電極管の内側に配設された、円筒状を呈する誘電体管と、を有し、それら第１の電極管と誘電体管との間に設けられた第１のスペーサによって、第１の放電空間が形成されるとともに、上記円筒状を呈する誘電体管の内側に配設された、円筒状を呈する第２の電極管を有し、その第２の電極管と上記誘電体管との間に設けられた第２のスペーサによって、第２の放電空間が形成されるオゾン発生器が提供される。

本発明に係るオゾン発生器においては、上記第１の電極管が接地電極であり、上記第２の電極管が高電圧電極であることが好ましい。高電圧電極とは、高電圧電源に接続されて高電圧を印加する、接地側でない方の、電極である。

本発明に係るオゾン発生器において、誘電体管の厚さが厚いと、放電電圧のうち、放電空間と誘電体管とが分担する分が大きくなり、高い電圧が必要となる。従って、運転コスト低減のために、誘電体管は、薄く、強度を高くすることが望ましい。

本発明に係るオゾン発生器においては、上記第１の電極管の外周側に、第１の冷媒流路を有することが好ましい。

本発明に係るオゾン発生器においては、上記第２の電極管の内周側に、第２の冷媒流路を有することが好ましい。

尚、本明細書において、単に放電空間というとき、それは第１の放電空間と第２の放電空間の両方を指す。又、単にスペーサというとき、それは第１のスペーサと第２のスペーサの両方を指す。スペーサは、第１の電極管と誘電体管、及び、第２の電極管と誘電体管のそれぞれの間のギャップ（放電空間距離）を維持するための部材である。更に、単に冷媒流路というとき、それは第１の冷媒流路と第２の冷媒流路の両方を指す。

本発明に係るオゾン発生器は、第１の電極管、誘電体管、及び第２の電極管を有するものであり、オゾン発生電極ないしオゾン発生管と呼ぶことも出来る。円筒状を呈する第１の電極管の内側に円筒状を呈する誘電体管が配設され、円筒状を呈する誘電体管の内側に円筒状を呈する第２の電極管が配設されるから、第１の電極管、誘電体管、第２の電極管の順に、径は大きい（その順に、径は小さくなる）。

本発明に係るオゾン発生器を例えば１つ用い、それに冷媒供給装置及び高電圧電源を加えて、オゾン発生装置を構築することが出来る。そして、そのオゾン発生装置に含まれる本発明に係るオゾン発生器において、第１の放電空間と第２の放電空間に、酸素を含む原料ガスを流し、好ましくは第１の冷媒流路及び第２の冷媒流路に、冷媒である例えば冷却水を流して冷却しつつ、第１の電極管と第２の電極管（接地電極と高電圧電極）の間に、好ましくは高周波の高電圧を印加すれば、第１の放電空間及び第２の放電空間において、放電が生じる。そして、この２つの放電空間において、酸素がオゾンとなる。この際、第１の電極管と第２の電極管（接地電極と高電圧電極）により、第１の放電空間及び第２の放電空間を介して、絶縁物である誘電体に交流電圧が印加され、両方の放電空間に、充放電が生じる。又、両方の放電空間において、微細なパルス放電（無声放電）が生じることにより、各放電空間の全体にわたって放電が分散し、全体として均一な放電空間となる。

そして、本発明に係るオゾン発生器を複数備えたオゾン発生装置を構築することも、可能である、この場合には、接地電極を接地電位とし、複数のオゾン発生器を収納するベッセルの筐体を、この接地電位にすることが好ましい。

本発明に係るオゾン発生器は、円筒状を呈する第１の電極管と、その第１の電極管の内側に配設された、円筒状を呈する誘電体管と、を有し、それら第１の電極管と誘電体管との間に設けられた第１のスペーサによって、第１の放電空間が形成されるとともに、上記円筒状を呈する誘電体の内側に配設された、円筒状を呈する第２の電極管を有し、その第２の電極管と上記誘電体管との間に設けられた第２のスペーサによって、第２の放電空間が形成されるものであり、誘電体管は、第１の電極管及び第２の電極管から離隔している、自立した管であり、第１の電極管及び第２の電極管の何れかの面に配設されたものではない。誘電体管の両面側（外周面側及び内周面側）には、それぞれ第１の電極管、第２の電極管との間に、放電空間が形成される。本発明に係るオゾン発生器は、この２つの放電空間の形成により、従来のオゾン発生器よりも、同一外径のオゾン発生器であれば、従来のものより放電面積が広くなり、オゾン発生器あたりのオゾン発生効率が高い。換言すれば、同一のオゾン発生量（オゾン生成能力）を基準とすれば、従来のオゾン発生器よりも、小型化することが可能である。

本発明に係るオゾン発生器を用いてオゾン発生装置を構築する場合には、放電空間は、誘電体管の両面側に２つ存在する（放電空間が２重である）が、電圧を印加する電源は、１つでよい。従って、制御系は、従来と変わらず、煩雑、複雑になることはない。但し、２重の放電空間であり、１つの放電空間距離（ギャップ）を従来のオゾン発生器の放電空間距離と同一とすれば、放電空間距離が２倍となるため、電圧は、従来よりも高く設定する必要がある。これは、放電空間距離が長くなるので、放電開始電圧が上昇するからであり、使用する電源として、高電圧のものが必要である。一方、本発明に係るオゾン発生器では、放電空間及び誘電体管が直列接続となる。そのため、放電空間での静電容量は小さくなり、（高電圧）電源のリアクトルを小さく出来る。この観点から、オゾン発生量に対し、電源（電源装置）を小型化することが出来る。

本発明に係るオゾン発生器では、好ましくは、上記第１の電極管が接地電極であり、上記第２の電極管が高電圧電極である。このような態様によれば、このオゾン発生器を含むオゾン発生装置において、オゾン発生器の接地電極を、オゾン発生装置の接地電位（アース側）とすることが可能となり、又、接地電極周辺の冷却水を、オゾン発生装置の接地電位とすることが出来る。従って、高電圧電極に印加される配線及び高電圧電極周辺のみを、耐絶縁性構造とすることが出来、このオゾン発生器を含むオゾン発生装置内の絶縁性を、良好に維持することが可能である。

本発明に係るオゾン発生器では、好ましくは、上記第１の電極管の外周側に第１の冷媒流路を有し、上記第２の電極管の内周側に第２の冷媒流路を有する。誘電体管は、冷媒流路を形成していない。例えば、第１の電極管が接地電極であり、上記第２の電極管が高電圧電極であるとすれば、冷媒流路に、冷媒として冷却水（５℃〜４０℃）を流せば、接地電極は外周側から冷却され、高電圧電極は内周側から冷却される。そして、誘電体管及び放電空間は、接地電極側と高電圧電極側の両面から冷却される。従って、発生したオゾンの分解は起こり難くなり、オゾン発生効率を高く維持出来る。

本発明に係るオゾン発生器の一実施形態を示す断面図であり、原料ガスの流れる方向に平行な断面を表す図である。 図１におけるＡＡ断面を表す断面図であり、原料ガスの流れる方向に垂直な断面を表す図である。

以下、本発明の実施の形態について、適宜、図面を参酌しながら説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は以下に記述される手段である。

先ず、本発明に係るオゾン発生器の構成について、一実施形態を示して、説明する。

図１及び図２に示されるオゾン発生器１は、円筒状を呈する接地電極２（第１の電極管）と、その接地電極２の内側に配設された、円筒状を呈する誘電体管４と、を有する。そして、それら接地電極２と誘電体管４との間に設けられたスペーサ７（第１のスペーサ）によって、放電空間５（第１の放電空間）が形成されている。

又、オゾン発生器１は、円筒状を呈する誘電体管４の内側に配設された、円筒状を呈する高電圧電極３（第２の電極管）を有する。そして、その高電圧電極３と誘電体管４との間に設けられたスペーサ８（第２のスペーサ）によって、放電空間６（第２の放電空間）が形成されている。

オゾン発生器１において、図１に示されるように、円筒状を呈する接地電極２と高電圧電極３の長さ（円筒の軸長、図１における横方向の長さ）は、略同一である。高電圧電極３は高電圧電源１３に接続され、接地電極２は接地されている。そして、オゾン発生器１は、接地電極２の外周側に、冷媒流路９（第１の冷媒流路）を有し、併せて、高電圧電極３の内周側には、冷媒流路１０（第２の冷媒流路）を有している。冷媒流路９，１０は、図示しない冷却機（冷媒供給装置）に接続されている。

次に、本発明に係るオゾン発生器を使用する方法について、使用対象を上記のオゾン発生器１とした場合を例にとって、説明する。

先ず、オゾン発生器１において、放電空間５，６の一方の端から（図１における右側から）、酸素を含む原料ガス１１を流す。原料ガス１１としては、酸素を含む空気、窒素が添加された酸素、又は空気から濃縮された高濃度酸素を挙げることが出来る。そして、高電圧電極３から接地電極２へ向けて（接地電極２と高電圧電極３の間に）、例えば、周波数が０．０５〜４０ｋＨｚであり２〜１５ｋＶの電圧を、印加する。そうすると、放電空間５，６において、放電が生じる。この放電は、無声放電である。このとき、その放電や、誘電体管４における充放電によって、発熱が起こる。そのため、併せて、冷媒流路９，１０に、例えば５℃〜４０℃の冷却水を流して冷却する。

以上のような操作により、放電空間５，６において、酸素が酸素原子となり、更に酸素分子と結びついて、オゾンとなる。そして、そのオゾンを含むオゾン化ガス１２は、放電空間５，６の他方の端から（図１における左側から）送出され、オゾンを必要とする装置等へ供給される。

次に、本発明に係るオゾン発生器を製造する方法について、製造対象を上記のオゾン発生器１とした場合を例にとって、上記の各構成部材の一例として好ましい材料や寸法を示しつつ、説明する。本発明に係るオゾン発生器は、以下に示す各構成部材を作製して、組み立てて、得ることが可能である。

円筒状の接地電極２は、例えばその内径を６０ｍｍφとし、例えばステンレスであるＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌの鋼管を用いて、作製する。ＳＵＳ３１６Ｌの鋼管を用いることが、より好ましい。厚さは、１．５〜２ｍｍｔ程度が、好ましい。例えば、接地電極２として、従来の電極管を使用すれば、オゾン発生器１自体の外径は、従来品と変わることなく、放電面積を大きくすることが出来る。

円筒状の高電圧電極３は、例えばステンレスであるＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌの鋼管を用いて、作製する。ＳＵＳ３１６Ｌの鋼管を用いることが、より好ましい。厚さは、１．５〜２ｍｍｔ程度が、好ましい。この高電圧電極３には、両端に冷却水（冷媒）の入口及び出口を設ける。

円筒状の誘電体管４としては、例えばホウケイ酸ガラスやソーダライムガラス等のガラス管、あるいは、ムライトやアルミナ、チタンを有するセラミックス管を用いる。厚さは、０．５ｍｍ〜２ｍｍｔ程度が、好ましい。０．５ｍｍより薄いと、強度が低下し、割れ易く、曲がりが大きくなり易く、そうなれば、放電空間距離が均一でなくなるため、生じる放電が不均一となって、好ましくない。尚、円筒状の誘電体管４及び円筒状の高電圧電極３の径（外径、内径）は、後述する放電空間距離に基づいて決定される。

スペーサ７，８は、例えばステンレスであるＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌの板を用いて、作製する。このスペーサ７，８の厚さ、及びこれに関係して定まる、接地電極２の内径、誘電体管４の内径及び外径、並びに高電圧電極３の外径は、予め設定された放電空間距離に基づいて、設定される。そして、この放電空間距離は、原料ガスの酸素濃度、圧力、放電電圧・周波数等に基づくオゾン収率の高い条件によって決定される。好ましい放電空間距離は、０．１〜１ｍｍ程度である。

以上のような構成部材を得た後、接地電極２の内周面に、放電空間距離を維持するためのスペーサ７を、円筒状の接地電極２の端等の円周内の数箇所において、スポット溶接等によって溶接し、固定する。そして、円筒状の接地電極２の内側に、円筒状の誘電体管４を挿入し、接地電極２と誘電体管４の間に、放電空間５を形成する。

次いで、高電圧電極３の外周面に、放電空間距離を維持するためのスペーサ８を、円筒状の高電圧電極３の端等の円周内の数箇所において、スポット溶接等によって溶接し、固定する。そして、円筒状の高電圧電極３を、円筒状の誘電体管４の内側に挿入し、誘電体管４と高電圧電極３との間に、放電空間６を形成する。以上により、オゾン発生器１が得られる。

本発明に係るオゾン発生器は、効率よくオゾンを製造することが出来るので、オゾン（オゾン発生器）が利用される種々の産業分野において、利用することが出来る。特に、上水道、下水道、工業排水処理、パルプ漂白、半導体等の分野において、有効に利用される。

１：オゾン発生器
２：接地電極
３：高電圧電極
４：誘電体管
５：放電空間
６：放電空間
７：スペーサ
８：スペーサ
９：冷媒流路
１０：冷媒流路
１１：原料ガス
１２：オゾン化ガス
１３：高電圧電源

Claims (4)

1. 円筒状を呈する第１の電極管と、その第１の電極管の内側に配設された、円筒状を呈する誘電体管と、を有し、それら第１の電極管と誘電体管との間に設けられた第１のスペーサによって、第１の放電空間が形成されるとともに、
   前記円筒状を呈する誘電体管の内側に配設された、円筒状を呈する第２の電極管を有し、その第２の電極管と前記誘電体管との間に設けられた第２のスペーサによって、第２の放電空間が形成されるオゾン発生器。
2. 前記第１の電極管が接地電極であり、前記第２の電極管が高電圧電極である請求項１に記載のオゾン発生器。
3. 前記第１の電極管の外周側に、第１の冷媒流路を有する請求項１又は２に記載のオゾン発生器。
4. 前記第２の電極管の内周側に、第２の冷媒流路を有する請求項１〜３の何れか一項に記載のオゾン発生器。

Images