JP5905084B2 - オゾン発生装置 - Google Patents

Description

この発明は、無声放電により酸素を含む原料ガスからオゾンを生成するオゾン発生装置に関するものである。

従来、水処理などに用いられているオゾン発生装置は、無声放電を利用したものが多い。無声放電を利用したオゾン発生装置の基本構成は、内面に金属膜が形成された円筒状の誘電体管を円筒状の金属管内に、この金属管内壁と誘電体管外壁とが所定の間隙を有するよう挿入した構成になっている。この間隙に酸素を含む原料ガス（空気、酸素ガスなど）を流して、金属管と誘電体管内面の金属膜の間に高圧の交流電圧を印加し、誘電体管の誘電体を介して間隙に交流電界を発生させることにより原料ガスを放電させ、原料ガス中の酸素をオゾン化することでオゾンを発生させる。

大量の水処理に用いられるようなオゾン発生装置においては、近年、処理量の増大化に伴い、装置を大型化せずに処理量を増大させることが求められている。このような要求を満足させるためには、装置寸法当たりのオゾン発生量を増大させる必要があり、このためには放電電力密度を上げる必要がある。しかしながら、放電電力密度の増大に伴い、熱的な問題も増大している。特に金属管の端部付近の冷却の不均一性の問題があり、これを抑止するため端部間隙部分に、放電抑制部材を設けるなどの工夫がなされている（例えば特許文献１）。

放電によって生ずる熱は、金属管の外側を循環する冷却水によって取り除かれ、誘電体管が過熱するのを抑制する。誘電体管が過熱すると耐電圧が低下し、印加された高電圧に耐えられなくなって絶縁破壊し、装置の破損を招く。一方、放電抑止部材がない場合には、放電は全ての誘電体管と金属管との間の空間で生ずるのに対し、冷却水は管板部には循環していないため、管板部周辺の温度が最大となり、それに接する誘電体管の温度も管板に対向する部分が最大となる。誘電体管の最高温度が基準温度以下となるよう、装置に投入可能な電力が決められる。したがって、管板に対向する部分の誘電体管の温度を下げることができれば、投入可能な電力が大きくなり、装置のオゾン発生量を増やすことができる。このため、管板部に放電抑制部材を配置して放電を抑制すれば、この部分の温度を下げることで平均的な電力を大きくし、装置のオゾン発生量を大きくできるという効果がある。

特開２０１０−２６９９５０号公報

放電抑制部材としては、耐オゾン性の高い材料が望ましい。すなわち、絶縁物の場合は、ガラス繊維、もしくはフッ素樹脂が望ましく、導電体（金属）の場合は、SUS等を用いるのが望ましい。また、放電を抑制するためには、放電ギャップを数十μm以下にする必要がある。このため、絶縁物を用いる場合は、間隙を絶縁物で充填する必要があるが、絶縁物で充填すると、間隙に原料ガスを流すことができなくなるため、完全に間隙を充填することが出来ず、放電の抑止が不十分になるという問題がある。

一方、金属を放電抑制部材の材料として用いる場合、放電抑制部材と金属管が導通して同電位となるため、放電抑制部材と誘電体管外壁と間に放電電圧がかかる。このため、放電を抑止するためには、この間隙を数十μm以下にする必要がある。誘電体管は、通常安価なガラス管で構成される場合が多く、外径精度は100μm内外の場合が多い。このため、放電抑制部材を剛体で作製すると、ガラス管の外面に沿わず、間隙ができてしまう。これを避けるため、放電抑制部材をSUS箔などの金属箔で作成し、金属管と放電抑制部材の間にバネ部材を挿入すると、バネ部材が押さえている所はガラス管の面に接するものの、押さえていないところでは、放電抑制部材とガラス管との間に間隙ができ、放電が発生するという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、放電抑制部材とガラス管との間に間隙が形成され難いオゾン発生装置を得ることを目的とする。

この発明のオゾン発生装置は、気密密閉容器と、穴が開いた導電金属板であって、気密密閉容器の内部を３つの空間に仕切るように設けられた２枚の管板と、この２枚の管板の穴同士を連結するように設けられた金属管と、外壁と金属管内壁とがスペーサにより所定の間隙を有するように金属管内部に保持され、内部に金属電極を備えた誘電体管と、金属管と金属電極との間に交流の電圧を印加するための交流電源とを備え、３つの空間のうち両端にある空間の一方の空間から、少なくとも間隙を通って両端にある空間の他方の空間に酸素を含む原料ガスを流し、金属管および管板を接地電位、誘電体管内部の金属電極を高電位として、間隙を流れる原料ガスを放電させてオゾンを発生させるとともに、２枚の管板と金属管外壁、および密閉容器内壁とで区切られた空間に冷却水を流して冷却するように構成され、管板のうち少なくとも一方の管板に対向する部分の誘電体管の外周表面を覆う、金属板で形成された放電抑制部材を設け、この放電抑制部材を金属管または管板に電気的に接触させたオゾン発生装置において、放電抑制部材は、誘電体管の外周長よりも長い金属板を、重なり部を有するように環状に巻いて、重なり部のうち外側に位置する金属板の端部近傍で、重なり部のうち外側に位置する金属板と内側に位置する金属板とを接合して形成されており、重なり部のうち外側に位置する金属板に誘電体管の周方向に伸びるバネ部を有し、このバネ部は、金属板に誘電体管の周方向と垂直な方向に伸びたスリットを複数形成することにより構成されており、複数形成されたスリットのうち、放電抑制部材の周方向端部への投影が互いに重なっている部分と重なっていない部分とを含む２つのスリットが存在するものである。

この発明によれば、バネ部の作用により、金属板で形成された放電抑制部材とガラス管との間に間隙が形成され難いオゾン発生装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の放電抑制部材を装着したガラス管の一部を示す外観図である。 この発明のオゾン発生装置を示す模式的な側面断面図である。 この発明のオゾン発生装置の発明の要部を示す拡大側面断面図である。 この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の放電抑制部材を示す展開図である。 この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置のガラス管に装着する前の放電抑制部材を示す外観図である。 この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の図３のＡ方向から見た要部の側面図である。 この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の放電抑制部材のバネ部を示す拡大展開図である。 この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の別の放電抑制部材のバネ部を示す拡大展開図である。 この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置のさらに別の放電抑制部材のバネ部を示す拡大展開図である。 この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置のさらに別の放電抑制部材のバネ部を示す拡大展開図である。 この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置のさらに別の放電抑制部材のバネ部を示す拡大展開図である。 この発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の放電抑制部材を示す展開図である。 この発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の別の放電抑制部材を示す展開図である。 この発明の実施の形態３によるオゾン発生装置の放電抑制部材を示す展開図である。 この発明の実施の形態３によるオゾン発生装置の別の放電抑制部材を示す展開図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１から図７に基づいて説明する。図２は本発明のオゾン発生装置を示す模式的な側面断面図、図３は、本発明のオゾン発生装置の要部の拡大側面断面図である。オゾン発生装置は、大きな円筒状の気密密閉容器３０の、ガス入口６から酸素や空気といった酸素を含む原料ガスが導入され、オゾン化されたオゾン化ガスがガス出口７から取り出されるように構成されている。気密密閉容器３０は、第一の管板９０および第二の管板９１により、ガス入口側の空間１００、ガス出口側の空間２００が仕切られている。第一の管板９０に開けられた穴と第二の管板９１に開けられた穴に気密を保つように固定接続された金属管１が設けられている。金属管１は断面形状が円の円筒形状状であり接地電極管となる。また、２枚の管板９０および９１は導電金属板であって、金属管１と同電位となっている。第一の管板９０と第二の管板９１と金属管１の外壁および気密密閉容器３０の内壁とで区切られた空間内は冷却水８で満たされ、冷却水８が流れる。

金属管１内部には、内壁に金属電極となる導電膜３が設けられた誘電体管２が、金属管１と同軸状に設置されている。ここでは誘電体管２としてガラス管２を用いている。金属管１の内壁とガラス管２の外壁との間は放電空間５を形成する間隙が設けられている。間隙が均一な寸法となるよう、スペーサ４０が適当な間隔で、ガスの流れを妨げないように設けられている。導電膜３には、交流電源４から給電ブラシ９を介して交流電圧が給電される。第一の管板９０に対向する位置のガラス管２の表面は、厚さ１０〜１００μｍ程度の金属の薄板で形成された放電抑制部材１０により覆われている。放電空間５には、ガス入口側の空間１００からガス出口側の空間２００に向けて酸素や空気といった酸素を含む原料ガスが流される。金属電極である導電膜３と金属管１の間に交流高電圧が印加されることにより、放電空間５を流れる酸素を含むガスが放電して、ガス中の酸素がオゾン化され、オゾン化されたガスがガス出口７から取り出される。金属管１の外側には冷却水８が流れ、金属管１から放電空間５を介してガラス管２も冷却される。図２には、金属管１とガラス管２の組で構成される放電管が模式的に１本のみ図示されているが、水処理などに適用されるオゾン発生装置では、オゾン発生量に応じて、放電管は多数設けられることが多い。

第一の管板９０および第二の管板９１に対向する部分のガラス管２は冷却水８から遠くなるため、これらの部分のガラス管は冷却され難い。上流にある第一の管板９０に対向する部分のガラス管２内部には導電膜３が形成され、給電ブラシ９が導電膜３に接触するように挿入されている。この第一の管板９０に対向する部分のガラス管２は冷却水８から遠くなるため、上流の第一の管板９０に対向する部分のガラス管２は冷却され難い。そこで、この第一の管板９０に対向する部分の間隙で放電が生じないように放電抑制部材１０が設けられている。放電抑制部材１０を設けない場合は、第一の管板９０に対向する部分の間隙で放電が生じ、この部分のガラス管２に放電からの熱が投入される。下流にある第二の管板９１に対向する部分のガラス管２の内壁には導電膜３が形成されていない。したがって第二の管板９１とガラス管２の間には電界が発生しないため、放電抑制部材１０を設けなくても、放電は発生せず、この部分でガラス管２は加熱されない。

放電抑制部材１０は、金属板製で、コンタクト部１１が設けられ、このコンタクト部１１が放電抑制部材１０に対向する第一の管板９０部分に接触することにより、接地電位となっている。コンタクト部１１は、第一の管板９０ではなく金属管１に接触するように設けられても良い。放電抑制部材１０が接地電位となるため、放電抑制部材１０が設けられている部分の間隙には電界が発生せず、放電も発生しない。よって、この部分での電力投入が無く、第一の管板９０に対向する部分のガラス管２へ放電からの熱が投入されないため、この部分のガラス管の温度上昇が抑制される。第一の管板９０に対向する部分のガラス管２の昇温を十分抑制するためには、管板の厚さと同程度の幅の放電抑制部材１０を用いるのが望ましい。

図１に、本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置のガラス管２に取り付けられた放電抑制部材１０の外観図を示す。また、図４に放電抑制部材１０の展開図を、図５にガラス管２に装着する前の放電抑制部材１０の外観図を示す。まず、図４の展開図に示すように、厚みが数十μｍの金属板をエッチングにより型抜きしたシートを作製する。金属板にはスリット１７０〜１７６を形成する。このスリット１７０〜１７６によってバネ部１７が構成される。スリットの長手方向は組立てた場合にガラス管の周方向と垂直方向となるように配置する。エッチングでは、コンタクト部１１、目印タブ１９、位置決め用ピン穴１５なども形成する。ただし、目印タブ１９や位置決め用ピン穴１５は必須ではない。

エッチングにより型抜きして作製したシートを、図４に示すように、端部Ｂ１がＢ２に、端部Ｃ１がＣ２に重なるように丸めて、重なり部１４の先端をスポット溶接１６などの接合手段により接合し、環状に整形する。このとき、周長となるＢ１−Ｂ２間の長さＬは、ガラス管２の外径より僅かに小さくなるように設定され、接合される。位置決め用ピン穴１５を設けるのは必須ではないが、位置決め用ピン穴１５を設けることにより、周長を正確に合わせるのが容易になる。このように整形した放電抑制部材１０をガラス管２に装着すると、スリットによって形成されるバネ部１７がガラス管２の外径に合わせて周方向に伸びることによりバネの作用を発揮する。

ガラス管２と放電抑制部材１０間に20〜30μm以上の間隙があると、そこで放電が生じガラス管が加熱される。本発明による放電抑制部材１０には、図１の曲線矢印で示す範囲の重なり部１４が設けられている。また、この重なり部の外側に位置する金属板の部分に設けた、直線矢印で示す範囲のバネ部１７によりガラス管に密着するように内径が調整されるため、重なり部１４の周辺の僅かなスペースを除けば全ての面でガラス管に密着する。

この実施の形態１によるバネ部１７のバネ力は、金属薄板がガラス管の周方向に伸びて周方向に撓む力によって得られているものではなく、金属薄板が周方向に伸びた結果、径方向に曲げられ、その撓みによって得られている。バネ部１７の周辺は放電抑制部材が下面と密着しないが、バネ部１７の下に放電抑制部材１０の内側に位置する部分を重ねることで、全ての面で密着するように構成している。このように密着させることで、放電抑制部材１０の効果を高め、発生管の過熱を抑制して投入可能電力密度を大きくできるという効果がある。

図１には、挿入時にバネとして働く撓み部２０をハッチングで示している。また、図６に、放電抑制部材１０を装着したガラス管２を金属管１の内部に挿入した状態（給電ブラシ９が挿入されていない状態）を、図３のＡの矢印で示す方向から見た図を示す。挿入時にガラス管表面で横方向に引っ張られた放電抑制部材１０には、横方向の引っ張り力の一部がバネ部のパターンにより、上下方向に縮む方向の力の成分に変わる。この力により、放電抑制部材１０は径方向に撓み、撓み部２０が形成されることにより強い引っ張り力を生ずる。このため、この部分がバネとして働くためには、径方向に若干の隙間が必要であるが、面の撓みを利用できるため、コンパクトでも強いバネ力がえられる。また、面が撓む範囲が広いため、バネが伸び縮みできる範囲が広く、ガラス管外径精度が少々悪くてもフィットする。

また、ガラス管２に装着した場合に、バネ部１７のスリット部分は内側の金属板と重なるように構成することで、スリット部分での放電を抑制できるので、更に放電抑制効果が高い。

以上のように、金属板にエッチングによりスリット１７０〜１７６を形成することで、この部分が周方向に伸び、このスリット１７０〜１７６の部分、およびその周辺部がバネ部１７を構成することになり、安価に製造することができるという効果がある。ここで、スリットによって効果的にバネ性を得る構成について、図７に示すスリット部の拡大図で説明する。ガラス管２に装着したときにガラス管の周方向と垂直な方向、すなわちガラス管軸方向にスリットを設ける。軸方向に複数のスリットを一列に設けたスリット列を、周方向に複数設ける。また、隣り合うスリット列において、矢印５０で示す、周方向から見てスリットが重なる部分Ｗを有するようにスリット列を形成する。さらに、重なる部分を有するため、矢印５０で示す、周方向から見て、軸方向全体にスリットで埋まるようにスリットを形成する。すなわち、放電抑制部材１０の片方の端部Ｂ１へ、全てのスリットを投影した場合、投影が隙間を有さない。スリットをこのように形成することで、周方向に伸びる力が加わったときに、有効にバネ部が形成される。

隣り合うスリット列において、矢印５０で示す方向から見てスリットが重なる部分Ｗを有するようにスリット列を形成し、放電抑制部材１０の片方の端部Ｂ１へ、全てのスリットを投影した場合、投影が隙間を有さないようにスリットが形成された構成であれば、図８に示すように、スリット列が２列であってもよい。また必ずしもスリットが軸方向に整列して並んでいる必要はなく、図９に示すように、スリット１７０〜１７６が千鳥状に形成されていても良い。さらに、スリットとして単なる筋状の切込みではなく、図１０に示すように、ある程度の面積を有する細長い隙間であるスリット７０〜７６を形成しても良い。また、筋状のスリットと面積を有する隙間のスリットとが混在していても良い。

図１１は、本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の、さらに別の放電抑制部材を示す要部の拡大展開図である。バネ部として、短いスリットを多数一列に並べたスリット列１７７を一列だけ形成している。このスリット列１７７の部分が、ごくわずか周方向に伸びることで、バネの作用を発揮する。図７〜図１０に示したように、バネ部１７としては、放電抑制部材１０の片方の端部へ、全てのスリットを投影した場合、投影が隙間を有さないようにスリットや切欠きを形成することが好ましいが、図１１のように、多数のスリットを一列に並べたものであっても、他の部分よりも伸びるため、バネ部として作用する。

目印タブ１９は、放電抑制部材１０の挿入忘れを予防するために設けるもので、目印タブ１９を外側に折り、挿入時に挿入状況を確認できるようにする。この様子は、図６に示されている。目印タブ１９を設けない状態では、図３に示すＡ方向からでは放電抑制部材１０の厚さが数十μｍしかないため、視認での確認が難しい。目印タブ１９を設けることで、視認により容易に取り付け状況を確認できるため、検査時間を短縮できるという効果がある。また、コンタクト部１１は、挿入時に外側に折り曲げて挿入し、管板９０と放電抑制部材１０の導通を取るために設けられる。コンタクト部１１を放電抑制部材１０と一体で加工することにより、取り付け時間を削減できるという効果がある。

実施の形態２．
図１２および図１３は、本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の放電抑制部材を示す展開図である。図１２に示す放電抑制部材１０では、バネ部として平面バネ部１８０を設けている。平面バネ部１８０は、金属板を、エッチングにより、周方向に伸びる複数の細い曲線が残るようにして形成したものである。また図１３に示す放電抑制部材１０では、曲線ではなく、直線の周方向へ伸びる弾性を利用した平面バネ部１８１を設けている。このように、金属板に誘電体管２の周方向に伸びた複数の帯状の部分を形成することによりバネ部を構成しても良い。これらの構成では、平面バネ部１８０や平面バネ部１８１は、バネ力を得るためには、ガラス管２の外周長に近い、ある程度の長さが必要である。しかし、実施の形態１と異なり、平面バネにより周方向のバネ力を形成しているため、撓み部が形成されることがなく、放電抑制部材１０と管板９０の間にバネを構成する十分な隙間が無くても配置可能であるという効果がある。

実施の形態３．
図１４および図１５は、本発明の実施の形態３によるオゾン発生装置の放電抑制部材を示す展開図である。実施の形態１による放電抑制部材１０は、図５に示すようにスポット溶接により接合して筒状に整形したが、本実施の形態３による放電抑制部材１０ははめ込みタグをはめ込み穴にはめ込んで環状に整形するものである。図１４に示す放電抑制部材１０では、矢形はめ込みタグ２３と矢形はめ込み穴２４を設けている。また、図１５に示す放電抑制部材１０では、凸型はめ込みタグ２５と凸型はめ込み穴２６を設けている。この方式では、はめ合い部に隙間ができるというデメリットはあるものの、スポット溶接工程を省いて接合でき安価に構成できるという効果がある。

また、図１５の凸型はめ込みタグ２５および凸型はめ込み穴２６は、図１４の矢形はめ込みタグ２３および矢型はめ込み穴２４と比較して、外れ難い。この構成でははめ込み部のタグを若干曲げることではめ合い穴に入る寸法となっており、組立には専用のジグが必要となるものの、外すためにはタグを再び曲げる必要があるため、接続の安定性が高く取り扱いやすいという効果がある。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：金属管 ２：誘電体管（ガラス管）
３：導電膜（金属電極） ４：交流電源
５：放電空間 ６：ガス入口
７：ガス出口 ８：冷却水
９：給電ブラシ １０：放電抑制部材
１１：コンタクト １４：重なり部
１５：位置決め用ピン穴 １７：バネ部
１９：目印タブ ２０：撓み部
２３：矢型はめ込みタグ ２４：矢型はめ込み穴
２５：凸型はめ込みタグ ２６：凸型はめ込み穴
７０〜７６：切欠き ９０、９１：管板
１７０〜１７７：スリット １８０、１８１：平面バネ

Claims (5)

1. 気密密閉容器と、
   穴が開いた導電金属板であって、上記気密密閉容器の内部を３つの空間に仕切るように設けられた２枚の管板と、
   この２枚の管板の上記穴同士を連結するように設けられた金属管と、
   外壁と上記金属管内壁とがスペーサにより所定の間隙を有するように上記金属管内部に保持され、内部に金属電極を備えた誘電体管と、
   上記金属管と上記金属電極との間に交流の電圧を印加するための交流電源とを備え、
   上記３つの空間のうち両端にある空間の一方の空間から、少なくとも上記間隙を通って両端にある空間の他方の空間に酸素を含む原料ガスを流し、上記金属管および上記管板を接地電位、上記誘電体管内部の金属電極を高電位として、上記間隙を流れる原料ガスを放電させてオゾンを発生させるとともに、上記２枚の管板と上記金属管外壁、および密閉容器内壁とで区切られた空間に冷却水を流して冷却するように構成され、
   上記管板のうち少なくとも一方の管板に対向する部分の上記誘電体管の外周表面を覆う、金属板で形成された放電抑制部材を設け、この放電抑制部材を上記金属管または上記管板に電気的に接触させたオゾン発生装置において、
   上記放電抑制部材は、上記誘電体管の外周長よりも長い金属板を、重なり部を有するように環状に巻いて、上記重なり部のうち外側に位置する上記金属板の端部近傍で、上記重なり部のうち外側に位置する上記金属板と内側に位置する上記金属板とを接合して形成されており、上記重なり部のうち外側に位置する上記金属板に上記誘電体管の周方向に伸びるバネ部を有し、このバネ部は、上記金属板に上記誘電体管の周方向と垂直な方向に伸びたスリットを複数形成することにより構成されており、上記複数形成されたスリットのうち、上記放電抑制部材の周方向端部への投影が互いに重なっている部分と重なっていない部分とを含む２つのスリットが存在することを特徴とするオゾン発生装置。
2. 上記誘電体管がガラス管であることを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 上記複数形成されたスリットの全ての上記放電抑制部材の周方向の端部への投影が隙間を有さないことを特徴とする請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
4. 上記重なり部の外側に位置する上記金属板と内側に位置する上記金属板との接合は、スポット溶接による接合であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のオゾン発生装置。
5. 上記重なり部の外側に位置する上記金属板と内側に位置する上記金属板とは、上記外側に位置する上記金属板の部分に設けられたはめ込み穴に、上記内側に位置する上記金属板の部分に設けられたはめ込みタグをはめ込むことにより接合されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のオゾン発生装置。

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