JPH10338503A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電極間に火花放電が発生しないようにその電極
構造を改良して高濃度なオゾン化ガスの安定供給が実現
できるようにする。 【解決手段】原料空気入口１ａ，オゾン化ガス出口１ｂ
を備えた筐体１内に、内周面に誘電体層３をライニング
した接地電極２と、誘電体層との間に放電ギャップ７を
隔てて接地電極の内側に同心配置した高圧電極４とを組
合せたオゾン発生管を組み込み、高周波電源５より電圧
を印加しつつ、大気側より取り込んで前記筐体に供給し
た原料空気を無声放電によりオゾン化して取り出すよう
にしたオゾン発生装置において、電極に対する火花発生
防止手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、空気を原料ガス
として無声放電によりオゾンを生成して取り出すオゾン
発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】頭記のオゾン発生装置は、オゾンが持つ
殺菌，脱色，脱臭作用を利用して浄水処理を行う水処理
施設などに広く適用されている。次に、この発明の実施
対象となるオゾン発生装置の全体構造を図１(a),(b)
に、またオゾン発生管の端部の従来構造を図７に示す。
各図において、１は原料空気の導入口１ａ，オゾン化ガ
スの取出口１ｂを備えた筐体、２はステンレス製の鋼管
などで作られた円筒状の接地電極、３は接地電極２の内
周面にライニングした誘電体層（ガラス誘電体）、４は
図７で示すようにステンレス鋼管の両端面を閉塞するよ
うにステンレス鋼の端板を気密溶接した中空構造になる
円柱状の高圧電極、５は高周波高圧電源であり、これら
でオゾン発生装置を構成している。

【０００３】前記において、高圧電極４は誘電体層３と
の間に放電ギャップ７を隔てて接地電極２の内方に同心
配置し、接地電極２，誘電体層３，高圧電極４でオゾン
発生管を構成しており、高周波電源５よりブッシング８
を介して筐体１の内方に引き入れた給電線５ａが高圧電
極４に接続されている。また、接地電極２は左右一対の
取付板６を介して筐体１の中央に固定支持されており、
さらに前記取付板６の間に画成された閉空間をウオータ
ジャケットとしてここに冷却水を流して接地電極２を冷
却ししている。一方、高圧電極４に対しては導電性の低
いイオン交換水を冷却水として、貯水タンク９より送水
ポンプ１０を介して中空構造の高圧電極４との間に冷却
水を循環して冷却するようにしている。なお、１１は大
気側から取り込んだ原料空気を筐体１の空気導入口１ａ
に押し込み導入するファン、１２はオゾン化ガス取出口
１ｂから引出したオゾン導管に接続した圧力調整弁兼用
の排気バルブである。

【０００４】かかるオゾン発生装置のオゾン発生原理は
周知であり、高周波電源５から高圧電極４と接地電極２
との間に高周波の交流高圧を印加すると、電極面の全域
で前記放電ギャップ７に無声放電が発生する。この状態
で大気側から取り込んで除湿，冷却した原料空気をファ
ン１１により筐体１に押し込み導入して放電ギャップ７
に流すと、前記の無声放電による加速電子と原料空気中
の酸素分子との衝突によりオゾンが生成し、原料空気が
オゾン化されて筐体１より取り出される。

【０００５】この場合に、前記した加速電子と酸素分子
との衝突によるオゾン生成反応（発熱反応）と同時に、
熱，器壁との接触，窒素酸化物（ＮＯ_x ）との結合など
によるオゾン分解反応が起こり、このオゾン生成反応と
オゾン分解反応とのバランスでより筐体から取り出され
るオゾン量が決定される。なお、前記のように誘電体層
３を円筒状の接地電極２の内周面にライニングし、高圧
電極４をステンレス鋼などの金属管で作製した構成のオ
ゾン発生管では、高圧電極として内周面に電極皮膜を成
層したガラス管（誘電体層）を接地電極の内方に直接挿
入した従来のオゾン発生管と比べて、高圧電極の曲がり
精度，真円度などが格段に高く（金属管はガラス管の加
工精度に比べて遙に高い加工精度が得られる）、これに
より電極全域での放電ギャップの空隙長の均一性も向上
する。また、誘電体層（ガラス）を接地電極の内周にラ
イニングした構造では、ガラスと接地電極であるステン
レス鋼との熱膨張率の差により、使用温度範囲では、ガ
ラス誘電体が常に圧縮応力を受けており、これにより強
化ガラスのように機械的強度が増して破損し難い構造に
なるなどの利点もある。

【０００６】ここで、水処理施設向きとして製品化され
ている従来のオゾン発生装置は、その仕様面で図１に示
した放電ギャップ７の空隙長ｇを１mm，電極間に印加す
る高周波交流電圧のピーク値を８ｋＶ，原料空気の圧力
を１．８気圧程度に設定しているのが主流である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、国内におけ
る既設の水処理施設では、一般にオゾン濃度が２０ｇ／
Ｎｍ³ 程度のオゾン化ガスで浄水処理を行っているが、
最近になり国内，外国を含めた水処理施設では、オゾン
発生設備の小型化が要求されている。オゾン濃度を前記
よりも高い濃度，例えば４０ｇ／Ｎｍ³ 程度まで高める
と、オゾン発生管本数を減らすことができるので、高濃
度のオゾン化ガスが供給できるようなオゾン発生装置の
開発が進められている。

【０００８】ところで、オゾン発生管の放電ギャップの
空隙長を狭く、かつガス圧力を高くすることがオゾン濃
度を高める有効な手段として従来より知られている（例
えば「Parameters Influencing the Efficiency of Ozo
ne Generation」, ProceedingEleventh Ozone World Co
ngress, 1993, page s-4-20〜s-4-30参照）。ガス圧力
を高くすると、従来の高周波交流電圧のピーク値８ｋＶ
では放電が維持できず、もっと高い値にする必要があ
る。

【０００９】図７に示した従来のオゾン発生管における
電極構造では、印加電圧のピーク値を１０ｋＶ以上に高
めると、高圧電極４の両端部近傍に電界の集中によって
電界強度が高まり、このために誘電体層の表面に生じた
放電の沿面ストリーマが電極の長手方向に成長し、最悪
な場合には高圧電極との間でフラッシュオーバーと呼ば
れる火花放電が発生し、これが原因でガラス誘電体の表
面を局部加熱して破損するトラブルが発生するようにな
る。なお、図７における数字（％），および点線は、高
圧電極４の端部近傍の空間電位を計算により求めた等電
位面（高圧電極４の電位を１００％，接地電極２の電位
を０％とする）を表しており、エッジ状を呈する高圧電
極４の端部周縁に電界が集中していることが判る。

【００１０】この発明は上記の点に鑑みなされたもので
あり、発明者の行った実験，考察の結果を基に、印加電
圧を高めても電極間にフラッシュオーバーが発生しない
ようにその電極構造を改良して高濃度なオゾン化ガスの
安定供給が実現できるようにしたオゾン発生装置を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明によれば、原料空気の導入口，オゾン化ガ
スの取出口を備えた筐体の内部に、両端面を開放してそ
の内周面に誘電体層をライニングした円筒状の接地電極
と、誘電体層との間に放電ギャップを隔てて接地電極の
内側に同心配置した中空構造になる円柱状の高圧電極と
を組合せたオゾン発生管を組み込み、前記高圧電極と接
地電極間に高周波電圧を印加しつつ、大気側より取り込
んで前記筐体に供給した原料空気を無声放電によりオゾ
ン化して取り出すようにしたオゾン発生装置において、 （１）前記電極に対する火花放電の発生防止手段を備え
る。（請求項１） （２）前項（１）における火花放電の発生防止手段とし
て、高圧電極の両端周縁部を面取りして曲面に成形し、
これにより印加電圧のピーク値を高めた運転条件で高圧
電極の端部に集中する電界強度を緩和して無声放電が火
花放電に移行するのを防止し、運転の安定化を図る。
（請求項2） （３）前項（１）における火花放電の発生防止手段とし
て、接地電極の両端の開口端部を絶縁物で被覆して沿面
絶縁距離を増大し、前項（２）と同様に火花放電の発生
を防止して運転の安定化を図る。（請求項3） （４）前項（１）における火花放電の発生防止手段とし
て、接地電極の内周面側にライニングした誘電体層を接
地電極の端縁よりさらに軸方向に延長し、前項（３）と
同様に沿面絶縁距離を増大し、火花放電の発生を防止す
る。（請求項4）

【００１２】前記のような火花放電の発生防止手段を採
用することにより、印加電圧のピーク値を高めてもフラ
ッシュオーバーのおそれなしにオゾン発生装置を安全に
運転できる。

【００１3】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
２，図３に示すオゾン発生特性図，および図４〜図６に
示すオゾン発生管の電極構造の図に基づいて説明する。
なお、オゾン発生装置全体の構造は基本的に図１(a),
(b) と同様で、後述するような火花発生防止手段を備え
たものである。まず、図２はオゾン発生管に投入する電
力を１５００Ｗ，高圧電極４に印加する高周波交流電圧
のピーク値を１６ｋＶに固定して、放電ギャップ７の空
隙長ｇ（図１参照）の設定値をパラメータとして、原料
空気のガス圧とオゾン濃度との関係を実験により求めた
オゾン発生特性図である。

【００１4】この特性図から判るように、放電空隙長を
１mm，ガス圧を１．８気圧に設定（従来におけるオゾン
発生機と同じ仕様）した場合には、得られるオゾン濃度
が約２０ｇ／Ｎｍ³ であり、ここからガス圧を高めるて
いくとオゾン濃度が約３５ｇ／Ｎｍ³ で飽和するように
なる。また、放電空隙長ｇを０．５mmに縮減するとオゾ
ン飽和濃度が約４５ｇ／Ｎｍ³ に増加し、さらに放電空
隙長ｇを０．３mmに狭めるとオゾン飽和濃度がさらに増
加して約５５ｇ／Ｎｍ³ になる。

【００１５】すなわち、放電ギャップの空隙長ｇを狭め
ると放電中の電子エネルギーが増大して原料空気中の酸
素分子の解離が促進されことに加えて、放電空隙が狭ま
った分だけ放電空間の冷却効率も向上してオゾンの熱分
解が抑制され、さらにガス圧の高まりとともに窒素酸化
物（ＮＯ_x ）の生成量が減少してオゾンとの窒素酸化物
と結合によるオゾン分解が抑制され、この結果としてオ
ゾン濃度が高まるようになる。なお、ガスを５気圧以上
に高めると、オゾンの生成速度と分解速度が平衡に達し
てオゾン濃度が各放電空隙長に対応した値で飽和するよ
うになる。

【００１６】一方、図３は放電空隙長ｇを０．３mmに固
定し、電極間の印加電圧のピーク値（８，１２，１６ｋ
Ｖ）をパラメータとして、ガス圧とオゾン濃度との関係
を実験により求めたオゾン発生特性図である。この特性
図から判るように、印加電圧のピーク値を８ｋＶに設定
してガス圧を１．８気圧（従来仕様での設定ガス圧）か
ら高めていくとオゾン濃度が次第に高まり、ガス圧が約
３気圧でオゾン濃度が最大値３５ｇ／Ｎｍ³ になり、そ
れ以上にガス圧を高めると放電中の電子の平均エネルギ
ーが減少し、酸素分子との解離効率が低下してオゾン濃
度が逆に減少する傾向を示す。また、これと同様に印加
電圧のピーク値を１２ｋＶに設定した場合には、ガス圧
が約４気圧でオゾン濃度は最大値が４５ｇ／Ｎｍ³ にな
り、それ以上のガス圧ではオゾン濃度が低下する。一
方、前記した放電中における電子の平均エネルギーの減
少を補償するように、印加電圧のピーク値を１６ｋＶに
まで高めると、約５気圧の高ガス圧領域でもオゾン濃度
が増加し、図２の特性図と同様にオゾン濃度が約５５ｇ
／Ｎｍ³ で飽和するようになる。なお、ガス圧の設定
は、図１においてオゾン化ガスの導管に接続した排気バ
ルブ１２の弁開度を絞り調節することで行う。

【００１７】したがって、図１のオゾン発生装置で、放
電ギャップの空隙長を０．３mm以下、高圧電極と接地電
極間に印加する高周波電圧のピーク値を１６ｋＶ以上と
し、さらにガス圧を３〜５気圧の範囲に設定すれば、こ
のオゾン発生装置で得られるオゾン濃度の上限を従来装
置よりも高めることができる。

【００１８】次に、この発明の請求項２，３，４に対応
する火花放電防止手段の具体的な実施例をそれぞれ図
４，図５，図６に示す。

【００１９】まず、図４の実施例においては、中空構造
の円柱状高圧電極４に対してその両端周縁部に面取り加
工を施して曲面状に成形しており、図示例では高圧電極
４の直径を約７０mmとして、面取り加工部の曲率半径Ｒ
を２mmとする。なお、図にはオゾン発生管の右端部のみ
しか描かれてないが、左端部においても同様な面取り加
工を施して高圧電極４の端部を曲面状に成形するものと
する。

【００２０】これにより、電圧の印加状態では、図７に
示した電極端部の等電位面と比べて電界の集中が緩和さ
れ、電極間にピーク値１６ｋＶの高い交流電圧を印加し
ても、運転中に放電ギャップの無声放電が火花放電に移
行してフラッシュオーバーするおそれがない。このこと
は実機テストでも確認されており、これによりオゾン発
生装置を安全に運転できる。

【００２１】一方、図５の実施例では、火花放電の発生
防止手段として、接地電極２の左右両端部に絶縁物１３
を被覆する。この絶縁物１３は、耐オゾン性を有するフ
ッ素樹脂，セラミックスが望ましく、フッ素樹脂として
グリースを塗布することもできる。かかる構成により、
高圧電極４に対する接地電極２と沿面絶縁距離が図７の
従来構造に比べて長くなり、その分だけ高圧電極４の端
部近傍の電界強度が緩和される。これにより、図４の実
施例と同様に、運転中に放電ギャップの無声放電が火花
放電に移行してフラッシュオーバーするおそれがない。

【００２２】さらに、図６の実施例では、火花放電の発
生防止手段として、接地電極２の内周側にライニングし
た誘電体層（ガラス）３の左右両端を、接地電極２の端
部よりさらに軸方向へ寸法Ｌだけ突き出すように延長す
る。かかる構成により、接地電極２の端部が絶縁物であ
る誘電体層３で覆われることになるので、図５の実施例
と同等な効果を奏する。

【００２３】なお、図６の構造は、オゾン発生管の製作
時にあらかじめ接地電極２より寸法の長いガラス粗管を
接地電極２の内方に挿入し、その両端部を接地電極より
側方に突き出した状態で誘導加熱し、ガラスをライニン
グすることで容易に実現できる。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば次
記の効果を奏する。すなわち、原料空気の導入口，オゾ
ン化ガスの取出口を備えた筐体の内部に、両端面を開放
してその内周面に誘電体層をライニングした円筒状の接
地電極と、誘電体層との間に放電ギャップを隔てて接地
電極の内側に同心配置した中空構造になる円柱状の高圧
電極とを組合せたオゾン発生管を組み込み、前記高圧電
極と接地電極間に高周波電圧を印加しつつ、大気側より
取り込んで前記筐体に供給した原料空気を無声放電によ
りオゾン化して取り出すようにしたオゾン発生装置にお
いて、 (1) 請求項１の発明によれば、電極に対する火花放電の
発生防止手段を設けたので、火花放電が発生することな
く、高濃度のオゾンを安定よく供給できる。

【００２５】(2) 請求項２の発明によれば、火花放電防
止手段として、高圧電極の両端周縁部を面取りして曲面
に成形したことにより、高圧電極の端部における電界の
集中が緩和され、印加電圧のピーク値を高めても放電ギ
ャップの無声放電が火花放電に移行して高圧電極と接地
電極との間でフラッシュオーバーすることがなく、これ
によりオゾン発生装置を安全に運転できる。

【００２６】(3) 請求項３の発明によれば、火花放電防
止手段として、接地電極の両端の開口端部を絶縁物で被
覆したことにより、高圧電極に対する接地電極の端部に
おける沿面絶縁距離が長くなり、これにより印加電圧の
ピーク値を増しても高圧電極との間にフラッシュオーバ
ーが生じるおそれがない。 (4) 請求項４の発明によれば、火花放電防止手段とし
て、接地電極の内周面側にライニングした誘電体層を、
接地電極の端縁よりさらに軸方向に延長したことによ
り、請求項５の発明と同等な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施対象となるオゾン発生装置の構
成図であり、(a) は断面側視図、(b) は(a) 図における
Ａ−Ａ断面図

【図２】印加電圧のピーク値を１６ｋＶに固定して、放
電空隙長をパラメータとしたガス圧力とオゾン濃度との
関係を表すオゾン発生特性図

【図３】放電空隙長を０．３mmに固定して、印加電圧の
ピーク値をパラメータとしたガス圧力とオゾン濃度との
関係を表すオゾン発生特性図

【図４】図１におけるオゾン発生管の電極端部に採用し
たこの発明による火花放電発生防止手段の一実施例の構
成断面図

【図５】図４と異なる火花放電発生防止手段の実施例の
構成断面図

【図６】図５とさらに異なる火花放電発生防止手段の実
施例の構成断面図

【図７】従来におけるオゾン発生管の電極端部の構成断
面図

【符号の説明】

１ 筐体 １ａ 原料空気の導入口 １ｂ オゾン化ガスの取出口 ２ 接地電極 ３ 誘電体層 ４ 高圧電極 ５ 高周波電源 ７ 放電ギャップ １３ 絶縁物 ｇ 放電空隙長

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原料空気の導入口，オゾン化ガスの取出口
   を備えた筐体の内部に、両端面を開放してその内周面に
   誘電体層をライニングした円筒状の接地電極と、誘電体
   層との間に放電ギャップを隔てて接地電極の内側に同心
   配置した中空構造になる円柱状の高圧電極とを組合せた
   オゾン発生管を組み込み、前記高圧電極と接地電極間に
   高周波電圧を印加しつつ、大気側より取り込んで前記筐
   体に供給した原料空気を無声放電によりオゾン化して取
   り出すようにしたオゾン発生装置において、前記電極に
   対する火花放電の発生防止手段を備えたことを特徴とす
   るオゾン発生装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のオゾン発生装置において、
   火花放電の発生防止手段として、高圧電極の両端周縁部
   を面取りして曲面に成形したことを特徴とするオゾン発
   生装置。
3. 【請求項３】請求項１記載のオゾン発生装置において、
   火花放電の発生防止手段として、接地電極の両端の開口
   端部を絶縁物で被覆したことを特徴とするオゾン発生装
   置。
4. 【請求項４】請求項１記載のオゾン発生装置において、
   火花放電の発生防止手段として、接地電極の内周面側に
   ライニングした誘電体層を、接地電極の端縁よりさらに
   軸方向に延長したことを特徴とするオゾン発生装置。