WO2014024510A1 - オゾン発生装置 - Google Patents
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Definitions
- Embodiment of this invention is related with an ozone generator.
- a general ozone generator includes a dielectric electrode and a metal electrode arranged in an airtight container.
- a spacer for forming a discharge gap is inserted between the dielectric electrode and the metal electrode.
- a conductive film is provided on the inner surface of the dielectric electrode.
- the source gas introduced into the hermetic container from the gas inlet flows through a discharge gap formed between the dielectric electrode and the metal electrode.
- the source gas that has flowed through the discharge gap flows out from the gas outlet.
- an alternating high voltage is applied between the dielectric electrode and the metal electrode from a high voltage power source via a fuse and a high voltage power supply terminal.
- a dielectric barrier discharge is formed in the discharge gap and ozone is generated.
- the dielectric barrier discharge is sometimes simply referred to as barrier discharge or silent discharge.
- the heat generated by the dielectric barrier discharge is cooled by the cooling water supplied into the cooling water flow path formed by the metal electrode and the airtight container. Thereby, the gas temperature rise of the discharge gap was suppressed and ozone was to be obtained efficiently.
- the discharge gap length d is 0.6 mm to 1.3 mm.
- the gas pressure p of air as the raw material gas was set to 0.17 to 0.28 MPa (absolute pressure).
- the product of the gas pressure p of the source gas and the discharge gap length d is generally called a pd product.
- the discharge similarity law is established. This is because the pd product represents the number of gas molecules in the discharge gap.
- the discharge gap length d used so far was in the region of 0.6 mm or more as described above.
- the optimum value for the ozone yield of the pd product is a constant value near 20 kPa ⁇ cm. For this reason, it was difficult to further improve the ozone yield.
- the discharge gap length d it is conceivable to set the discharge gap length d to an optimum value of less than 0.6 mm in order to improve the ozone yield.
- a stainless steel sheet metal spacer (sheet metal spacer) has been used to form a discharge gap.
- strength viewpoint will be about 0.2 mm.
- the discharge gap length is set to 0.4 mm, substantially all the space is filled and it is difficult to use.
- a dielectric electrode is inserted into the sheet metal spacer, but it can be inserted only at two locations on both ends due to the structure.
- the metal electrode for example, stainless steel tube
- the dielectric electrode discharge tube
- the discharge gap length d does not become a desired value in the central portion where the sheet metal spacer cannot be inserted, and as a result, the ozone generation efficiency (g / kWh) is lower than the theoretical value.
- an object of the present invention is to provide an ozone generator capable of achieving a higher ozone yield by maintaining the discharge gap length constant in the longitudinal direction even when the discharge gap length is less than 0.6 mm. There is to do.
- the ozone generator of the embodiment has a cylindrical low voltage electrode coaxially arranged with respect to a cylindrical high voltage electrode, and discharges by applying a predetermined high voltage via a dielectric between the high voltage electrode and the low voltage electrode. And ozone is generated by electric discharge.
- the discharge gap length d is set to 0.3 mm to 0.5 mm.
- either the low voltage electrode or the high voltage electrode is formed as a metal electrode, and the other is formed as a dielectric electrode.
- a projection group having a plurality of projections for holding the metal electrode coaxially while maintaining the discharge gap length with respect to the dielectric electrode is provided on the inner peripheral surface of the metal electrode facing the dielectric electrode.
- FIG. 1 is an outline composition sectional view of an ozone generator of an embodiment.
- FIG. 2 is an explanatory diagram of the principle of ozone generation in the ozone generator of the embodiment.
- FIG. 3A is a processing dimension diagram of the dielectric electrode.
- FIG. 3B is a processing dimension diagram of the metal electrode on which the protrusion is formed.
- 3C is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3B.
- FIG. 3D is an explanatory diagram of a state in which a dielectric electrode is inserted into the metal electrode.
- FIG. 4A is a diagram for explaining the principle of protrusion formation (part 1).
- FIG. 4B is a diagram for explaining the principle of protrusion formation (part 2).
- FIG. 4A is a diagram for explaining the principle of protrusion formation (part 2).
- FIG. 5A is an explanatory diagram (part 1) of a study model for optimizing the arrangement position of each protrusion group in the longitudinal direction of the metal electrode.
- FIG. 5B is an explanatory diagram (part 2) of a study model in optimizing the arrangement position of each protrusion group in the longitudinal direction of the metal electrode.
- FIG. 6A is an explanatory diagram of a state in which one peak of a dielectric electrode and a metal electrode is bent.
- FIG. 6B is an explanatory diagram of a state where the crests of the dielectric electrode and the metal electrode are bent by two or more.
- FIG. 7A is an explanatory diagram of the state of the metal electrode before insertion of the dielectric electrode.
- FIG. 7B is an explanatory diagram of the state of the discharge gap when the dielectric electrode is inserted into the metal electrode when the metal electrode is bent.
- FIG. 8A is an overall view of the finite element method model.
- FIG. 8B is an enlarged view of the end of the finite element method model.
- FIG. 8C is a cross-sectional explanatory diagram of the finite element method model.
- FIG. 9A is an explanatory diagram of a point-plane contact element model when a protrusion is in contact with a dielectric electrode (at the time of contact).
- FIG. 9B is an explanatory diagram of a point-plane contact element model when the protrusion is not in contact with the dielectric electrode (when not in contact).
- FIG. 9A is an explanatory diagram of a point-plane contact element model when a protrusion is in contact with a dielectric electrode (at the time of contact).
- FIG. 9B is an explanatory diagram of a point-plane contact element model when
- FIG. 10A is a partially broken enlarged perspective view of a finite element method model.
- FIG. 10B is an explanatory diagram of the arrangement of point-plane contact elements.
- FIG. 10C is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 10B.
- 10D is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 10B.
- 10E is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 10B.
- FIG. 11A is an explanatory diagram (part 1) of an analysis state using a finite element method model.
- FIG. 11B is an explanatory diagram (part 2) of the analysis state using the finite element method model.
- FIG. 11C is an explanatory diagram (part 3) of the analysis state using the finite element method model.
- FIG. 11A is an explanatory diagram (part 1) of an analysis state using a finite element method model.
- FIG. 11B is an explanatory diagram (part 2) of the analysis state using the finite element method
- FIG. 12A is an explanatory diagram of the displacement amount of the metal electrode 18 in the Y direction.
- FIG. 12B is an explanatory diagram of the amount of displacement in the Y direction of the dielectric electrode 17.
- FIG. 13 is a partial cross-sectional perspective view of the finite element method model.
- FIG. 14 is an explanatory diagram of the deviation amount.
- Figure 15 is an explanatory view of a relationship between the length L 3 and the maximum deviation amount.
- Figure 16 is an explanatory view of a relationship between the length L 3 and the maximum deviation amount in the case where the metal electrode is bent to a sine curve shape.
- FIG. 17A is an explanatory diagram of the state of the metal electrode before insertion of the dielectric electrode.
- FIG. 17B is an explanatory diagram of the state of the dielectric electrode before insertion.
- FIG. 17C is an explanatory diagram (part 1) of a problem of friction when a dielectric electrode is inserted due to bending of a metal electrode.
- FIG. 17D is an explanatory diagram (part 2) of the problem of friction when a dielectric electrode is inserted due to bending of a metal electrode.
- FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the discharge gap and the ozone yield.
- FIG. 19 is a diagram showing a total value (N) of reaction forces generated in the protrusion 31 when the discharge gap length d is changed.
- FIG. N total value
- FIG. 20 is an explanatory diagram of the relationship between the height of the protrusion and the number of protrusions in contact with the dielectric electrode (number of contact points).
- FIG. 21 is an explanatory diagram of the contact state of the protrusions when the height of the protrusions is 0.39 mm.
- FIG. 23B is an explanatory diagram of an actual state of the contact state when the height of the protrusion is 0.41 mm.
- FIG. 21 is an explanatory diagram of the contact state of the protrusions when the height of the protrusions is 0.39 mm.
- FIG. 23A is an explan
- FIG. 26 is an explanatory diagram of the average value of the number of protrusions and the total reaction force.
- FIG. 28 is a diagram for examining the coaxiality between the dielectric electrode and the metal electrode.
- FIG. 29 is a diagram for explaining the relationship between the number of protrusions and the degree to which the minimum gap is smaller than the protrusion height.
- FIG. 30A is a partially broken perspective view in the vicinity of a metal electrode protrusion group forming portion for explaining a more specific protrusion shape.
- 30B is an enlarged cross-sectional view taken along the direction A in FIG. 30A.
- FIG. 31 is an explanatory diagram of a modification of the embodiment.
- Drawing 1 is an outline composition sectional view of an ozone generator of an embodiment.
- the ozone generator 10 of the embodiment is configured as a dielectric barrier discharge type ozone generator.
- the ozone generator 10 is roughly divided into an ozone generator main body 11, a storage container 12 that stores the ozone generator main body 11 in an airtight state, and an ozone generator main body 11 in the storage container 12 via a high-pressure insulator 13.
- a high-voltage power source (high-voltage AC power source) 14 for supplying ozone generation power.
- the ozone generator main body 11 in the storage container 12 includes a plurality of dielectric electrodes 17 to which power for generating ozone is supplied via a connection plate 15 and a fuse 16 electrically connected to the high-voltage insulator 13, and a dielectric electrode.
- a cylindrical and stainless steel metal electrode 18 is disposed facing each of the outer peripheral surfaces 17 and maintained in a coaxial state while maintaining a predetermined discharge gap length d.
- the dielectric electrode 17 is coaxially inserted into the metal electrode 18 from both the left and right directions in FIG. Furthermore, since the dielectric electrode 17 is supplied with a high voltage power source, it functions as a high potential side electrode.
- a cooling water flow path 19 is formed integrally with the metal electrode 18 on the surface side opposite to the surface of the metal electrode 18 facing the dielectric electrode 17. That is, as a whole, a honeycomb-shaped metal electrode assembly 18A is formed. Here, the metal electrode assembly 18A is grounded, and the metal electrode 18 functions as a low potential side electrode.
- the cooling water channel 19 provided on the back surface of the metal electrode 18 is provided between a cooling water inlet 21 into which the cooling water provided in the storage container 12 is introduced and a cooling water outlet 22 through which the cooling water is led out. Has been placed.
- the storage container 12 is provided with a gas inlet 23 through which a raw material gas is introduced and a gas outlet 24 through which unreacted raw material gas and ozone (O 3 ) are led out.
- FIG. 2 is an explanatory diagram of the principle of ozone generation in the ozone generator of the embodiment.
- the cylindrical dielectric electrode 17 is disposed in the storage container 12.
- a cylindrical metal electrode 18 is disposed facing the outer peripheral surface of the dielectric electrode 17 in a state where a predetermined discharge gap length d is maintained.
- the dielectric electrode 17 includes a cylindrical dielectric 25 formed in a cylindrical shape (test tube) made of quartz glass or the like having a low thermal expansion coefficient as a dielectric having heat resistance and voltage resistance.
- An electrode coating layer 26 as a conductive electrode (high potential side electrode) is formed on the inner peripheral surface of the cylindrical dielectric 25.
- a high voltage power supply terminal 27 connected to the high voltage power source 14 via the fuse 16 is connected to the electrode film layer 26.
- the cylindrical dielectric 25 is formed of quartz glass, borosilicate glass, high silicate glass, aluminum silicate glass, ceramics, or the like.
- the electrode film layer 26 is formed by sputtering, thermal spraying, vapor deposition, electroless plating, electrolytic plating, coating of paint, or the like using gold, silver, copper, stainless steel, chromium, tin, zinc, nickel carbon or aluminum.
- the discharge gap length d corresponding to the distance of the discharge gap length d is set to 0.3 mm to 0.5 mm, which is shorter than 0.6 mm which is the discharge gap length of the conventional general ozone generator. Yes.
- the metal electrode 18 of the present embodiment for example, four convex protrusions 31 are formed on the inner peripheral surface of the stainless steel tube. Then, the diameter D of the inscribed circle inscribed in the tips of the four protrusions 31 is made slightly larger than the diameter of the dielectric electrode 17 as a discharge tube. As a result, by inserting the cylindrical dielectric electrode 17 into the metal electrode 18, the discharge gap length d becomes a desired value (0.4 mm in the above example) by the four protrusions 31.
- the processing for forming the protrusions 31 on the stainless steel tube constituting the metal electrode 18 is referred to as spacing processing.
- the dielectric electrode 17 is a tubular (test tube) dielectric (glass or ceramic) in which the electrode film layer 26 is formed on the inner peripheral surface (inner side).
- FIG. 3A is a processing dimension diagram of the dielectric electrode.
- FIG. 3B is a processing dimension diagram of the metal electrode on which the protrusion is formed.
- 3C is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3B.
- FIG. 3D is an explanatory diagram of a state in which a dielectric electrode is inserted into the metal electrode. 3B to 3D, for easy understanding, the protrusion 31 is exaggerated with respect to the diameter of the stainless steel tube which is the metal electrode 18.
- the outer diameter of the dielectric electrode (discharge tube) 17 is D1
- the dielectric electrode 17 has a variation of ⁇ 0.15 mm in manufacturing.
- the gap between the tip of the protrusion 31 and the dielectric electrode 17 inserted into the metal electrode 18 is ⁇ .
- D (D1 + 0.15) + ⁇ [mm] (1)
- the discharge gap length d in the direction center portion CP is within the design range.
- FIG. 4A is a diagram for explaining the principle of protrusion formation (part 1).
- FIG. 4B is a diagram for explaining the principle of protrusion formation (part 2).
- a mold (quenched steel) 41 is inserted into a stainless steel tube constituting the metal electrode 18.
- the movable punches P1 and P2 are arranged at positions shifted by 90 degrees.
- fixed punches P11 and P12 are arranged at positions facing the punches P1 and P2, respectively.
- the movable punch P1 is pressed in the direction of the arrow A1, and the punch P2 is pressed in the direction of the arrow A2.
- the pressing on the punch P1 and the punch P2 is continued as it is.
- the protrusion 31 is gradually formed, and the tip of the formed protrusion 31 abuts against the mold 41 as shown in FIG. 4B.
- the dimension of the mold 41 is set in consideration of the return amount after the pressing stops. With this setting, it is possible to obtain a desired height of the protrusion 31 (for example, 0.40 mm).
- a plurality (four in FIG. 3) are respectively provided on the same circumference at three locations of the longitudinal ends CT ⁇ b> 1 and CT ⁇ b> 2 and the longitudinal central portion CP of the metal electrode 18.
- a projection group composed of the projections 31 is arranged. In other words, a total of 12 (3 locations ⁇ 4) protrusions 31 are formed on one metal electrode 18.
- the position (distance from both ends of the discharge region) of the projection group provided at both longitudinal ends CT1 and CT2 of the metal electrode 18 has a degree of freedom of selection.
- the discharge gap length d may be different from the height of the protrusion 31 in a place away from the position where the protrusion 31 abuts. In particular, when the metal electrode 18 or the dielectric electrode 17 is bent, the discharge gap length d is different from the height of the protrusion 31.
- the optimum value of the amount (the distance between the protrusion tip and the discharge tube) when the diameter D of the inscribed circle CI is slightly larger than the diameter D1 of the dielectric electrode 17 was examined.
- the number of protrusions 31 in one protrusion group is four.
- the upper limit is limited to the size of the metal electrode 18, but if it is too large, the cost performance in processing decreases. Therefore, from the viewpoint of the insertion friction force of the dielectric electrode 17 when the dielectric electrode 17 or the metal electrode 18 is bent with respect to the number of the protrusions 31, the number of the protrusions 31 is within the range of 3 to 10. The optimum number was examined.
- FIG. 5A is an explanatory diagram (part 1) of a study model for optimizing the arrangement position of each protrusion group in the longitudinal direction of the metal electrode.
- FIG. 5B is an explanatory diagram (part 2) of a study model in optimizing the arrangement position of each protrusion group in the longitudinal direction of the metal electrode.
- the projection groups are provided at the three positions of the longitudinal ends CT1 and CT2 and the longitudinal central portion CP of the metal electrode 18.
- FIG. 6A is an explanatory diagram of a state in which one peak of a dielectric electrode and a metal electrode is bent.
- FIG. 6B is an explanatory diagram of a state where the crests of the dielectric electrode and the metal electrode are bent by two or more.
- the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 are bent more or less. From experience, most of the bent states have one mountain (primary component). On the other hand, there are almost no peaks (more than secondary components) having two or more bends.
- a bent tube generally has a first order component (amplitude ⁇ 1) to an nth order component ( ⁇ n).
- the primary component of the bend (corresponding to the amplitude ⁇ 1) is so large as to dominate the entire bend. For this reason, there is no problem even if the second or higher order components (including the amplitude ⁇ 2) are ignored.
- the tube Even if a small number of two or more peaks were observed, the tube only had no primary component of bending (amplitude ⁇ 1). Further, as described above, since the secondary component (amplitude ⁇ 2) is originally smaller than the primary component, it is considered that the amount of influence on the unevenness of the discharge gap length d is small. From the above, in this embodiment, it is assumed that the tube bend is “one mountain”.
- FIG. 7A is an explanatory diagram of the state of the metal electrode before insertion of the dielectric electrode.
- FIG. 7B is an explanatory diagram of the state of the discharge gap when the dielectric electrode is inserted into the metal electrode when the metal electrode is bent. As shown in FIG. 7A, the metal electrode 18 is bent, and when the dielectric electrode 17 is inserted into the metal electrode 18 as it is, the state shown in FIG. 7B is obtained.
- the discharge gap length d is equal to the height of the protrusion 31 in the portion where the dielectric electrode 17 is in contact with the protrusion 31.
- the discharge gap length d is different from the height of the protrusion 31 in the portion where the dielectric electrode 17 is not in contact with the protrusion 31.
- the magnitude of the difference between the discharge gap length d and the height of the protrusion 31 at each portion where the dielectric electrode 17 is not in contact with the protrusion 31 at this time is referred to as a deviation amount.
- the degree of the deviation amount is dependent on the length (distance) L 3 from the discharge space end that corresponds to the forming position of the protrusion 31. Accordingly, the product design, deviation of the discharge gap length d is necessary to obtain a length such is minimized (distance) L 3.
- the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 are each handled as a pipe (pipe), and the optimum position of the protrusion 311 where the deviation amount and the deviation amount are minimized is obtained using the finite element method.
- the amount of warping at the position of the protrusion 31 is zero.
- the maximum amount of warpage is on the positive side.
- FIG. 8A is an overall view of the finite element method model.
- FIG. 8B is an enlarged view of the end of the finite element method model.
- FIG. 8C is a cross-sectional explanatory diagram of the finite element method model.
- the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 are modeled as shell elements, and the protrusion 31 is modeled as a point-plane contact element described later.
- the outer metal electrode 18 is a tube that is bent parabola by 0.50 mm, and the inner dielectric electrode 17 is an ideal straight tube.
- the diameter of the tube is a neutral plane with respect to the plate thickness.
- the discharge gap length d is 0.40 mm.
- the distance between the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 in the finite element method model is 1.95 mm in consideration of the plate thickness of the tube as shown in FIG. 8C. Therefore, the gap in the numerical analysis is 1.95 mm.
- the analysis model is a full model, but the figure also shows a symmetrical object. Also in FIG. 7A, a symmetrical object is displayed.
- the protrusion 31 For analysis, finite element method analysis software ANSYS Ver. 13.0 was used. When the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 are in contact with each other, the protrusion 31 generates a reaction force between them. However, when the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 are not in contact, there is no exchange of force. Therefore, in the present embodiment, the protrusion 31 is modeled using a point-plane contact element.
- FIG. 9A is an explanatory diagram of a point-plane contact element model when a protrusion is in contact with a dielectric electrode (at the time of contact).
- FIG. 9B is an explanatory diagram of a point-plane contact element model when the protrusion is not in contact with the dielectric electrode (when not in contact).
- the contact element functions as “contacted when the distance is 1.95 mm”. That is, the length of the contact element can be interpreted as 1.95 mm.
- the point-plane contact element 31 E corresponding to the protrusion 31 functions when in contact with the shell element 17 S corresponding to the dielectric electrode 17 or the shell element 18 S corresponding to the metal electrode 18. Then, the shell element 17S corresponding to the dielectric electrode 17 or the shell element 18S corresponding to the metal electrode 18 is deformed according to the generated reaction force.
- FIG. 10A is a partially broken enlarged perspective view of a finite element method model.
- FIG. 10B is an explanatory diagram of the arrangement of point-plane contact elements.
- FIG. 10C is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 10B.
- 10D is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 10B.
- 10E is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 10B.
- the position of the point-plane contact element 31E corresponds to the position where the protrusion 31 is provided.
- the distance of each L 3 from both ends of the shell elements corresponding to the dielectric electrode 17 or the metal electrode 18 (respectively A-A cross section, corresponding to section C-C position) and the center position (B-B
- the point-plane contact elements 31E corresponding to the protrusions 31 are arranged at four positions at a pitch of 90 degrees on the same circumference (corresponding to the cross-sectional position).
- FIG. 11A is an explanatory diagram (part 1) of an analysis state using a finite element method model.
- FIG. 11B is an explanatory diagram (part 2) of the analysis state using the finite element method model.
- FIG. 11C is an explanatory diagram (part 3) of the analysis state using the finite element method model.
- the shell element 17S corresponding to the dielectric electrode 17 is held so that the protrusion 31 maintains the contact state when the dielectric electrode 17 is forcibly inserted into the metal electrode 18.
- the shell element 18S corresponding to the metal electrode 18 is elastically deformed. That is, the shell element 17S corresponding to the dielectric electrode 17 and the shell element 18S corresponding to the metal electrode 18 are elastically deformed so that the gap G between the point-plane contact elements 31E in the finite element method model is 1.95 mm.
- the respective deformation amounts of the shell element 17S corresponding to the dielectric electrode 17 and the shell element 18S corresponding to the metal electrode 18 at the time of elastic deformation are obtained.
- the reaction force at the point-plane contact element corresponding to the protrusion 31 is also obtained. Based on the obtained reaction force, the frictional force is predicted as shown in FIG. 11C.
- FIG. 12A is an explanatory diagram of the displacement amount of the metal electrode 18 in the Y direction.
- FIG. 12B is an explanatory diagram of the amount of displacement in the Y direction of the dielectric electrode 17.
- the Y direction is a direction in which the metal electrode 18 (and the shell element 18S corresponding to the metal electrode 18) is warped.
- the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 are treated as elastic bodies according to the Young's modulus corresponding to each material. Therefore, both are deformed according to their Young's modulus and shape (diameter, plate thickness).
- the metal electrode 18 is bent in a direction in which warpage is reduced.
- the dielectric electrode 17 is bent in a direction in which warpage increases. And it is in the state where reaction force f1 and f2 accompanying both curvatures balance as a whole.
- deviation amount a1 and a2 are described.
- deviation amount a2 is an end, a projection 31 provided from the edge to the position of L 3, a departure amount between.
- FIG. 13 is a partial cross-sectional perspective view of the finite element method model.
- the amount of displacement at each node is obtained from analysis using a finite element method model. Then, the deformed upper gap UG and lower gap LG shown in FIG. 12 are obtained from the node coordinates and the displacement.
- FIG. 14 is an explanatory diagram of the deviation amount.
- the length of the discharge area in the metal electrode 18 is 1.375 m (1375 cm).
- the largest maximum deviation c is selected from the upper deviations a1, a2 and the lower deviations a1, a2.
- the maximum deviation amount c will vary according to the length L 3. Therefore, the maximum deviation amount c length L 3 such that the minimum is the optimum value of the projection positions.
- Figure 15 is an explanatory view of a relationship between the length L 3 and the maximum deviation amount.
- the maximum deviation c is the minimum, which is the optimum length L 3 .
- This is the optimum value of the projection position.
- the above description is that when the metal electrode 18 is bent in a parabolic shape.
- the optimum value of the formation position of the projection 31 when it is bent in a sine curve shape will be examined.
- the expression f (x) representing the bent state of the metal electrode 18 is expressed as the expression (3) as described above.
- Figure 16 is an explanatory view of a relationship between the length L 3 and the maximum deviation amount in the case where the metal electrode is bent to a sine curve shape.
- L 3 0.0
- the deviation amount can be minimized by setting the protrusion position to the end.
- the dielectric electrode 17 easily passes through the first two protrusions 31 (protrusion group) and passes through the last protrusion 31 (which constitutes the third protrusion group from the insertion side). Sometimes friction occurred. Therefore, it was considered that the “bend” is dominant in the abnormal shape that affects the insertion of the dielectric electrode 17.
- FIG. 17A is an explanatory diagram of the state of the metal electrode before insertion of the dielectric electrode.
- FIG. 17B is an explanatory diagram of the state of the dielectric electrode before insertion.
- FIG. 17C is an explanatory diagram (part 1) of a problem of friction when a dielectric electrode is inserted due to bending of a metal electrode.
- FIG. 17D is an explanatory diagram (part 2) of the problem of friction when a dielectric electrode is inserted due to bending of a metal electrode.
- the effective inner diameter of the metal electrode 18, that is, the diameter D of the circle inscribed at the tip of the set of protrusion groups is D1 + 0.
- the value of ⁇ in FIG. 17B must be a positive value (a positive value).
- ⁇ is referred to as a protrusion tip gap.
- the inner diameter dimension of the spacing projection 31 was processed so as to fall within the range of D1 + 0.15 to D1 + 0.20 mm.
- a cylindrical limit gauge of D1 + 0.15 mm and a cylindrical limit gauge of D1 + 0.20 mm were prepared. Then, after processing to form the protrusion 31 on the metal electrode 18, the limit gauge of D1 + 0.15 mm passes, and the limit gauge of D1 + 0.20 mm passes with frictional force, or the limit gauge of D1 + 0.20 mm. The gauge was not allowed to pass.
- FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the discharge gap and the ozone yield.
- the height of the protrusion 31 is a value obtained by subtracting the protrusion tip gap ⁇ from 0.40 mm.
- the finite element method model shown in FIG. 8 is used to change the height of the projection 31 (by changing the gap between the point-plane contact element 31E) and to generate a reaction force generated by the projection 31 (of the point-plane contact element 31E). Reaction force) was calculated.
- the gap of the point-plane contact element 31E when the actual discharge gap length d is 0.40 mm is 1.95 mm.
- FIG. 19 is a diagram showing a total value (N) of reaction forces generated in the protrusion 31 when the discharge gap length d is changed.
- FIG. 20 is an explanatory diagram of the relationship between the height of the protrusion and the number of protrusions in contact with the dielectric electrode (number of contact points). When the height of the protrusion 31 is 0.39 mm, the total reaction force is 88.0 N and the number of contact points is 3.
- FIG. 21 is an explanatory diagram of the contact state of the protrusions when the height of the protrusions is 0.39 mm.
- the metal electrode 18 projection 31 formed on the metal electrode 18
- the dielectric electrode 17 are in contact (pressed) at three locations.
- a frictional force is generated at the contact portion between the protrusion 31 and the dielectric electrode 17, and the magnitude is obtained by multiplying the total value of the reaction force by the friction coefficient. Value.
- FIG. 19 and FIG. 20 will be referred to again.
- FIG. 23B is an explanatory diagram of an actual state of the contact state when the height of the protrusion is 0.41 mm.
- the reaction force increases, and the reaction force is about seven times that of the case where the protrusion height is 0.39 mm.
- the optimum value of the protrusion tip gap ⁇ is obtained.
- the fluctuation of the discharge gap length d can be suppressed to ⁇ 0.1 mm.
- the height of the protrusion is larger than 0.39 mm, that is, when the protrusion tip gap ⁇ is smaller than 0.01 mm, the number of contact points exceeds three. Therefore, it can be seen that the protrusion tip gap ⁇ is suitably 0.01 to 0.10 mm. That is, when the design value of the discharge gap length d is 0.40 mm, the optimum value of the height of the protrusion 31 is 0.30 to 0.39 mm.
- three protrusion groups are provided in the longitudinal direction of the metal electrode 18.
- the protrusions 31 are arranged equally or substantially uniformly, the protrusions 31 can be formed within the physical limit.
- the number of protrusions 31 was evaluated from 3 to 10 in consideration of the actual manufacturing cost.
- the reaction force generated at the point-plane contact element 31E was evaluated using the finite element method model shown in FIG. If the reaction force is minimized, the frictional force during insertion is also minimized.
- the gap between the point-plane contact element 31E was 1.95 mm. This corresponds to an actual height of the protrusion 31 of 0.40 mm.
- the finite element method model of the metal electrode 18 is bent in a parabolic shape of 0.50 mm.
- ⁇ , ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 , and ⁇ 4 are as follows.
- the force for bending the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 need only be f1.
- an unnecessarily large reaction force f2 is generated due to the wedge effect. This is considered to be the reason why the reaction force is large when the number of protrusions 31 is 3.
- the reason why the reaction force is large when the number of protrusions 31 is 5 or more will be considered.
- the number of protrusions 31 is 5 or more, it is considered that the number of contact points increases as the number of protrusions increases. That is, the dielectric electrode is excessively restrained.
- the number of protrusions should be four or more and small.
- the coaxiality between the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18. As described above, the optimum value of the height of the protrusion 31 is 0.30 to 0.39 mm when the design value of the discharge gap length d is 0.40 mm.
- FIG. 28 is a diagram for examining the coaxiality between the dielectric electrode and the metal electrode.
- the outer diameter of the dielectric electrode 17 dg
- the inner diameter of the metal electrode 18 ds
- the deviation (eccentricity) between the central axis of the dielectric electrode 17 and the central axis of the metal electrode 18 py.
- the height of the protrusion 31 is set to pL
- the maximum gap between the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 is set to gmax
- the minimum gap between the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18 is set to gmin.
- the height of the protrusion 31 is 0.30 mm which is the lower limit.
- the height of the protrusion 31 is low, so that the upper two protrusions do not contact the dielectric electrode as shown in FIG. Further, there arises a problem that the minimum gap gmin becomes smaller than the protrusion height pL.
- FIG. 29 is a diagram for explaining the relationship between the number of protrusions and the degree to which the minimum gap is smaller than the protrusion height.
- the degree to which the minimum gap gmin is smaller than the protrusion height pL is defined as (gmin / pL).
- the calculation conditions are a metal electrode inner diameter of 44.8 mm, a dielectric electrode outer diameter of 44.0 mm, and a protrusion height of 0.3 mm.
- the degree gmin / pL is 1 or less, so the minimum gap gmin is smaller than 0.3.
- the height of the protrusion 31 in order to make the gap length d 0.3 mm or more, the height of the protrusion 31 must be 0.315 mm. As described above, the height of the protrusion 31 needs to be finely adjusted depending on the number of protrusions (the number of protrusion points).
- the fine adjustment amount fine adjustment size depends on the number of protrusions as shown in FIG. Here, it can be seen that when the number of protrusions is 6 or more, there is not much change in gmin / pL.
- the reaction force is minimum when the number of protrusions is 4, and the reaction force increases as the number of protrusions increases.
- the number of protrusions is 3, it is special and the reaction force is large.
- the fine adjustment amount of the height of the protrusion 31 is smaller as the number of protrusions is larger.
- the fine adjustment amount of the height of the protrusion 31 does not change much.
- the number of contact points is three as shown in FIG. Therefore, the increase in the number of contact points becomes a condition for excessively constraining the dielectric electrode 17 and the metal electrode 18, and the total value of the reaction force is increased. Therefore, the number of protrusions constituting one protrusion sentence is 4 or 5 based on the above description.
- FIG. 30A is a partially broken perspective view in the vicinity of a metal electrode protrusion group forming portion for explaining a more specific protrusion shape.
- 30B is an enlarged cross-sectional view taken along the direction A in FIG. 30A.
- each protrusion 31 has a dome shape as shown in FIG. 30B, and the recess 31O on the outer peripheral surface side has, for example, a spherical shape with a curvature radius of 4 mm. Further, the convex portion 31I on the inner peripheral surface side has, for example, a spherical shape with a curvature radius of 5.6 mm.
- the protrusion 31 is formed so as to smoothly reduce the inner diameter on the inner surface 18I of the metal electrode 18, so that the frictional resistance rapidly increases when the dielectric electrode 17 is inserted into the metal electrode 18. It can be inserted smoothly without increasing.
- FIG. 31 is an explanatory diagram of a modification of the embodiment.
- the dielectric electrode 17 is coaxially inserted into the metal electrode 18 from both the left and right directions in FIG.
- the dielectric electrode 17 moves in the longitudinal direction in the metal electrode 18 due to a pressure change or the like.
- the dielectric electrodes 17 facing each other will come into contact with each other.
- the distance between the tip of the protrusion 31 and the dielectric electrode 17 is such that when the dielectric electrode 17 is inserted into the metal electrode 18 when the dielectric electrode 17 or the metal electrode 18 is assumed to be bent. It was determined under the condition that the frictional force is minimized. As a result, it has been found that the distance between the tip of the protrusion 31 and the dielectric electrode 17 needs to be 0.01 mm or more.
- the discharge gap when the protrusion 31 is in contact with the dielectric electrode 17 is 0.30 mm, and the opposite side is 0.50 mm.
- the fluctuation of the discharge gap length d can be suppressed to ⁇ 0.1 mm.
- the distance between the tip of the protrusion 31 and the dielectric electrode 17 is preferably 0.01 to 0.10 mm.
- the number of protrusions 31 in one protrusion group is such that the frictional force is minimized when the dielectric electrode 17 is inserted into the metal electrode 18 when the dielectric electrode 17 or the metal electrode 18 is assumed to be bent.
- the number of projections of one projection group 4 is optimal.
- the discharge gap length is less than 0.6 mm, at least three places are supported in the longitudinal direction, and the discharge gap length is kept constant in the longitudinal direction.
- a high ozone yield can be achieved. More specifically, when the discharge gap length is within a range of 0.3 mm to 0.5 mm, particularly when the discharge gap length is set to around 0.4 mm, ozone decomposition after high generation is suppressed and the ozone yield is improved. I can plan.
- the protrusions 31 constituting one protrusion group are provided on the same circumference.
- the protrusions 31 are not necessarily provided on the same circumference, and are annular and have a belt-like shape having a predetermined width. It is also possible to provide within the region.
- the band-like region is provided in such a range that the metal electrode can be effectively regarded as an ideal straight pipe in a portion where the protrusion is provided. That's fine.
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Abstract
Description
この原料ガスの導入と並行して誘電体電極と金属電極との間に高圧電源から交流高電圧をヒューズおよび高圧給電端子を介して印加する。
交流高電圧が印加されると、放電ギャップに誘電体バリア放電が形成され、オゾンが発生する。なお、誘電体バリア放電は単にバリア放電、あるいは無声放電と呼ばれることもある。
そして、積αdを次式のように書き換える。
αd=(α/p)(pd)
ここで、/pは単一衝突による電離を表し、pd積は放電ギャップ中に含まれる分子数を表す。有名な放電開始電圧を与えるPaschenの法則が、pd積の関数であるのはこのためである。
従来放電ギャップを形成するためにステンレス板金製のスペーサ(板金スペーサ)を使用していた。
ところで、強度的な観点から使用可能なリング状の板金スペーサの板厚は0.2mm程度となる。例えば、放電ギャップ長を0.4mmにしようとした場合には、実質的に、スペースを全て埋めてしまい、その使用が困難である。
ここで、放電ギャップ長dが0.3mm~0.5mmとされている。
そして、誘電体電極に対向する金属電極の内周面に、当該金属電極を誘電体電極に対し、放電ギャップ長を保持しつつ同軸に保持するための複数の突起を有する突起群を設けている。
図1は、実施形態のオゾン発生装置の概要構成断面図である。
実施形態のオゾン発生装置10は、誘電体バリア放電式のオゾン発生装置として構成されている。
オゾン発生装置10は、大別すると、オゾン発生装置本体11と、オゾン発生装置本体11を気密状態で収納する収納容器12と、収納容器12内のオゾン発生装置本体11に高圧碍子13を介して、オゾン発生用電力を供給する高圧電源(高圧交流電源)14と、を備えている。
ここで、誘電体電極17は、図1中、左右の両方向から金属電極18内に同軸に挿入されている。さらに誘電体電極17には、高圧電源が供給されているので、高電位側電極として機能している。
上述したように、収納容器12内には、円筒状の誘電体電極17が配置されている。この誘電体電極17の外周面に対向して、所定の放電ギャップ長dが保たれた状態で円筒状の金属電極18が配置されている。
誘電体電極17は、耐熱性および耐電圧性を有する誘電体として、熱膨張係数の小さい石英ガラス等で形成された円筒状(試験管状)に形成された円筒状誘電体25を備えている。円筒状誘電体25の内周面には、導電電極(高電位側電極)としての電極皮膜層26が形成されている。この電極皮膜層26には、ヒューズ16を介して高圧電源14に接続された高圧給電端子27が接続されている。
また電極皮膜層26は、金、銀、銅、ステンレス、クロム、錫、亜鉛、ニッケルカーボンあるいはアルミニウムをスパッタリング、溶射、蒸着、無電解メッキ、電解メッキ、塗料塗布などにより形成される。
以下の説明においては、実験結果に基づいて、放電ギャップ長dの範囲内において、オゾン収率がより高かった放電ギャップ長d=0.40mmの場合を主として説明する。
そして4個の突起31の先端に内接する内接円の直径Dを、放電管としての誘電体電極17の直径より少し大きくする。この結果、金属電極18に円筒状の誘電体電極17を挿入することにより、4個の突起31により放電ギャップ長dが所望の値(上述の例の場合0.4mm)になる。
以下においては、金属電極18を構成するステンレス管に突起31を形成するための加工をスペーシング加工と呼ぶことにする。
上述したように、誘電体電極17は、内周面(内側)に電極皮膜層26が形成された管状(試験管状)の誘電体(ガラスあるいはセラミック)である。
図3Bは、突起を形成した金属電極の加工寸法図である。
図3Cは、図3BのA-A断面図である。
図3Dは、金属電極内に誘電体電極を挿入した状態の説明図である。
図3B~図3Dにおいては、理解の容易のため、金属電極18であるステンレス管の直径に対して、突起31を誇張して図示している。
図3Aに示すように、誘電体電極(放電管)17の外径をD1とし、誘電体電極17には製造上±0.15mmのばらつきがあるとする。
D=(D1+0.15)+α [mm] (1)
図4Aは、突起形成の原理説明図(その1)である。
図4Bは、突起形成の原理説明図(その2)である。
まず、図4Aに示すように、金属電極18を構成するステンレス管の中に金型(焼入れ鋼)41を挿入する。そして、例えば、同一円周上に4箇所の突起31を形成する場合には、可動型のポンチP1、P2を90度ずらした位置に配置する。さらにポンチP1、P2のそれぞれに対向する位置に、固定型のポンチP11、P12をそれぞれ配置する。
そして、可動型のポンチP1を矢印A1方向に押圧し、ポンチP2を矢印A2方向に押圧する。
このとき、押圧停止後の戻り量を考慮して、金型41の寸法を設定しておく。この設定により、所望の突起31の高さ(例えば、0.40mm)を得ることが可能となる。
以下、突起31の設計最適値を求める際に考慮すべき事項について検討する。
(1)金属電極の長手方向における各突起群の配置位置の最適化
突起群を金属電極18の長手方向両端部CT1、CT2及び長手方向中央部CPの3箇所に設ける場合、長手方向中央部CPに設ける突起群は放電領域の中央に設けるのが最も好ましい。
これに対して、突起31が当接している位置から離れた場所においては、放電ギャップ長dは突起31の高さとは異なる場合がある。特に金属電極18あるいは誘電体電極17が曲がっている場合には、放電ギャップ長dは突起31の高さと異なる。
したがって、金属電極18あるいは誘電体電極17が曲がっている場合でも、放電ギャップ長dと突起31の高さとの差が最小となるような突起群の位置があると考え、金属電極18の長手方向における各突起群の最適となる配置位置について検討した。
誘電体電極17あるいは金属電極18が曲がっている場合には、誘電体電極17を金属電極18内に挿入するときに、誘電体電極17及び金属電極18がそれぞれ弾性変形する。
この結果、突起31において反力が発生する。突起31に反力が発生した結果、誘電体電極17の金属電極18への挿入時に摩擦力が発生する。ここで、摩擦力を低減するためには、突起31の先端の内接円CI(図3参照)の直径Dは、誘電体電極17の直径D1より若干大きくする必要がある。一方、内接円CIの直径Dを大きくしすぎると、放電ギャップ長dが変化することとなるため上限がある。
そこで、内接円CIの直径Dを誘電体電極17の直径D1より若干大きくする際の量(突起先端と放電管の間隔)の最適値について検討した。
上述したように、本実施形態においては、一つの突起群の突起31の数は4個である。誘電体電極17を金属電極18内に同軸に保持するには、少なくとも突起数は3個以上設ける必要がある。一方、その上限は、金属電極18の寸法に制限されるが、あまり多くすると、加工におけるコストパフォーマンスが低下する。
そこで、突起31の数について誘電体電極17あるいは金属電極18が曲がっているときの誘電体電極17の挿入摩擦力の観点から、突起31の数が3個~10個の範囲内で突起31の個数の最適値について検討した。
図5Aは、金属電極の長手方向における各突起群の配置位置の最適化に際しての検討モデルの説明図(その1)である。
図5Bは、金属電極の長手方向における各突起群の配置位置の最適化に際しての検討モデルの説明図(その2)である。
本実施形態においては、突起群は上述したように、金属電極18の長手方向両端部CT1、CT2及び長手方向中央部CPの3箇所に設けるものとしている。
金属電極18の長手方向における各突起群の配置位置の最適化とは、図5A、図5Bにおいて、長さL1、L2、L3、L4の最適値を求める問題である。
この場合において、対称性からL1=L2、L3=L4であるため。長手方向中央部の支持点は、放電空間の中央となる。よって未知数はL3(=L4)だけとなり、長さL3と全長Lの比を求める問題となる。
図6Aは、誘電体電極及び金属電極の山一つの曲がりの状態の説明図である。
図6Bは、誘電体電極及び金属電極の山が二つ以上の曲がりの状態の説明図である。
誘電体電極17及び金属電極18は大なり小なり曲がっているのが一般的である。経験上、曲がりの状態としては、山一つ(一次成分)の曲がりを有するものがほとんどである。一方、山が二つ以上の曲がりを有するもの(二次成分以上)はほとんどない。また山一つの場合の曲がり具合を振幅δ1とし、山二つの場合の曲がり具合を振幅δ2とすると、
δ1>>δ2
であり、一般的には、
δn>>δn+1
である。
以上のことから、本実施形態においては、管の曲がりは「山一つ」であるものとして検討を進めるものとする。
図7Aは、誘電体電極の挿入前の金属電極の状態の説明図である。
図7Bは、金属電極が曲がっているときに誘電体電極を金属電極に挿入した場合の放電ギャップの状態の説明図である。
図7Aに示すように、金属電極18が曲がった状態であり、このまま、誘電体電極17を金属電極18に挿入した場合には、図7Bに示すような状態となる。
したがって、製品設計としては、放電ギャップ長dの逸脱量が最少になるような長さ(距離)L3を求めることが必要となる。
以下においては、誘電体電極17及び金属電極18をそれぞれ管(パイプ)として取り扱い、有限要素法を用いて逸脱量と逸脱量が最少となる突起311の最適な位置を求めた。
そして、関数y=f(x)で表される曲線が直線から離間する量を「反り量」と呼ぶものとする。
金属電極18の曲がりによる反り量yを金属電極18の長さ方向の関数f(x)と表記すると、現実の金属電極の曲がり方を表現する関数f(x)は、様々考えられる。
以下、代表例として、放物線の場合とサインカーブの場合とについて検討する。
放物線の場合、金属電極の曲がり方を表現する関数f(x)は、例えば、(2)式で表される。
x=L3のとき、(2)式は、以下の通りとなる。
反り量が正側において最大値をとるのは、
(B)サインカーブの場合
サインカーブの場合、金属電極の曲がり方を表現する関数f(x)は、例えば、(8)式で表される。
反り量の正側の最大値は、
図8Bは、有限要素法モデルの端部拡大図である。
図8Cは、有限要素法モデルの断面説明図である。
図8A~図8Cにおいては、誘電体電極17及び金属電極18をシェル要素でモデル化し、突起31については、後述する点-面接触要素としてモデル化している。
また、図8においては、外側の金属電極18のみ放物線状に0.50mm反っている管とし、内側の誘電体電極17は、理想的な直管であるものとしている。
これらの結果、有限要素法モデルにおける誘電体電極17と金属電極18との間の間隔は、図8Cに示すように、管の板厚を考慮して1.95mmとなる。よって、数値解析でのギャップは1.95mmとなる。解析モデルはフルモデルとしたが、図は対称物も表現されている。図7Aにおいても、対称物を表示している。
突起31は、誘電体電極17と金属電極18とが接触するときは、両者に反力が発生する。しかしながら、誘電体電極17と金属電極18とが接触していないときは、力のやり取りはない。そこで、本実施形態においては、点-面接触要素を用いて突起31をモデル化した。
図9Bは、突起が誘電体電極に接触していない場合(非接触時)の点-面接触要素モデルの説明図である。
図9のモデルにおいて、接触要素は、「間隔が1.95mmのときに接触した」として機能している。つまり、接触要素の長さが1.95mmと解釈できる。
図9Aに示すように、突起31に相当する点-面接触要素31Eは、誘電体電極17に相当するシェル要素17Sあるいは金属電極18に相当するシェル要素18Sと接触しているときに機能する。そして、発生した反力に従って誘電体電極17に相当するシェル要素17Sあるいは金属電極18に相当するシェル要素18Sが変形する。
図10Bは、点-面接触要素の配置説明図である。
図10Cは、図10BのA-A断面図である。
図10Dは、図10BのB-B断面図である。
図10Eは、図10BのC-C断面図である。
図10A~図10Eにおいて、点-面接触要素31Eの位置は突起31が設けられる位置に相当している。
図11Bは、有限要素法モデルを用いた解析状態の説明図(その2)である。
図11Cは、有限要素法モデルを用いた解析状態の説明図(その3)である。
この場合において、有限要素法モデルに印加される外力はない。
したがって、図11Aに示すように、放物線状に0.50mm反っている金属電極18内に直管である誘電体電極17を挿入したときに突起31(=点-面接触要素31E)により両者が干渉することとなる。
そして、弾性変形時の誘電体電極17に相当するシェル要素17S及び金属電極18に相当するシェル要素18Sのそれぞれの変形量を求める。同時に突起31に相当する点-面接触要素における反力も求める。
そして求めた反力に基づいて、図11Cに示すように、摩擦力を予測することとなる。
図12Bは、誘電体電極17のY方向変位量の説明図である。
ここで、Y方向とは、金属電極18(及び金属電極18に相当するシェル要素18S)が反っている方向である。
そして、両者の反りに伴う反力f1、f2が全体として釣り合うような状態となっている。
ここで、逸脱量a1は中央と、端からL3の位置に設けられた突起31と、の間における逸脱量である。また、逸脱量a2は端と、端からL3の位置に設けられた突起31と、の間における逸脱量である。
有限要素法モデルを用いた解析から各節点の変位量が求まる。
そして、節点座標と変位量から、図12に示す変形後の上側ギャップUGと下側ギャップLGを求める。
図14において、金属電極18における放電域の長さは、1.375m(1375cm)であるものとする。
逸脱量a1,a2には、上側ギャップUGに起因するものと下側ギャップLGに起因するものがあり、計4種類になる。
この場合において、最大逸脱量cは長さL3に従って変化する。
したがって、最大逸脱量cが最小となるような長さL3が、突起位置の最適値となる。
図15の例の場合、長さL3=0.0573m(57.3cm)のとき、つまりL3/L=0.042のとき最大逸脱量cが最小となるため、これが長さL3の最適値つまり突起位置の最適値となる。
実用的な長さL3の最適範囲、すなわち、突起31の位置としては、条件を様々変化させた結果、L3/L=0.04~0.06の間にあるという結果が得られた。
ここで、金属電極18の曲がりの状態を表す式f(x)は、上述したように(3)式として表される。
上述したのと同様の方法で金属電極18の有限要素法モデルを用いて、放電ギャップ長dの目標値からの逸脱量を求め、長さL3と最大逸脱量との関係から実用的な長さL3の最適範囲を算出した。
図16に示すように、金属電極18がサインカーブ状に曲がっているときは、L3=0.0、つまり突起位置を端にすると逸脱量を最小化できる。
そして実用的な長さL3の最適範囲、すなわち、突起31の位置としては、条件を様々変化させた結果、L3/L=0.0~0.1の間にあるという結果が得られた。
まず、誘電体電極17を金属電極18内に挿入する際の摩擦力について検討する。
誘電体電極17又は金属電極18の寸法精度が低い場合、突起31を設けた金属電極18内に誘電体電極17を挿入するときに、突起31により誘電体電極17と金属電極18との間に摩擦力が発生し、挿入が困難になることが考えられる。
これは誘電体電極17の表面に付着した酸化粉が原因と推測されている。
また、金属電極18の異常形状としては、「曲がり」と「円形断面が真円でないこと」が考えられる。
図17Bは、挿入前の誘電体電極の状態の説明図である。
図17Cは、金属電極の曲がりに伴う誘電体電極挿入時の摩擦の問題の説明図(その1)である。
図17Dは、金属電極の曲がりに伴う誘電体電極挿入時の摩擦の問題の説明図(その2)である。
金属電極18に設けられた突起31に内接する内接円の直径をDとした場合に、誘電体電極17の外径寸法公差は、図17Aに示すように、D1±0.15mmである。
以下、αを突起先端ギャップと呼ぶ。
今回の試作機では、スペーシング加工の突起31による内径寸法をD1+0.15~D1+0.20mmの範囲に入るように加工した。
放電ギャップの変動を±0.10mmとした場合、放電ギャップを0.40mmに設定すると高いオゾン収率を確保できることが分かった。
そこで、突起31の高さは、0.40mmから突起先端ギャップαを差引いた値となる。
図8Cに示したように、実際の放電ギャップ長dが0.40mmのときの点-面接触要素31Eのギャップは1.95mmである。
図20は、突起の高さと、誘電体電極に接触している突起の数(接触点数)と、の関係の説明図である。
突起31の高さ0.39mmの場合、反力合計は88.0N、接触点数は3である。
図21に示すように、3箇所で金属電極18(に形成された突起31)と誘電体電極17とが接触して(押しあって)いる。
この結果、誘電体電極17を金属電極18内に挿入するに際して、突起31と誘電体電極17との接触部で摩擦力が発生し、その大きさは反力の合計値に摩擦係数を乗じた値となる。
図19において、反力の合計値は、突起31の高さ=0.39mmまでは緩やかに上昇しているが、突起31の高さ=0.39mmを超えると急激に上昇する。また、図20によれば、接触点数も突起高さ0.39mmを超えると急激に増加する。例えば、突起31の高さ=0.41mmでは、接触点数=12である。つまりすべての突起31が接触している。
図23Aは、突起の高さ=0.41mmの場合の接触状態のシミュレーション結果の説明図である。
図23Bは、突起の高さ=0.41mmの場合の接触状態の実際の状態の説明図である。
実際には、図23Bに示すように、全ての突起31が誘電体電極17に接触する。つまり全ての突起31が干渉することが分かる。この結果、突起31の周辺が外側に変形し、接触点の誘電体電極17は内側に変形する。
ところで、突起31の高さ=0.40mmは、上述した突起31の高さ=0.39mmと突起31の高さ=0.41mmと、の中間の状態となる。
つまり図17に示した、突起先端ギャップαを設定することが必要となる。
例えば、突起31の高さが0.10mm低くなり、0.30mmとなると、突起31が誘電体電極17と接触したときの放電ギャップ長dは0.30mmとなる。したがって、接触している突起31の反対側においては、誘電体電極17との間の放電ギャップ長dは0.50(=0.30+0.10×2)mmとなる。
すなわち、放電ギャップ長dの設計値が0.40mmのときにおける、突起31の高さの最適値は0.30~0.39mmとなる。
突起群を構成する突起数としては、理論上、突起数=3~無限大まで選択の範囲がある。
図24Aは、突起群を構成する突起の数=3の場合の説明図である。
図24Bは、突起群を構成する突起の数=4の場合の説明図である。
図24Cは、突起群を構成する突起の数=5の場合の説明図である。
図24Dは、突起群を構成する突起の数=5の場合の説明図である。
ここでは、実際の製造コストなども考慮して、突起31の数=3~10までを評価した。
突起31の高さ=0.40mmという値は、誘電体電極17と、金属電極18とが、それぞれ直管である場合の誘電体電極17と、金属電極18との間隔と等しい値である。
しかし、本考察では、上述した場合と同様に、金属電極18の有限要素法モデルは0.50mm放物線状に曲がっているものとする。
突起31の数=3の場合は、同一円周上に均等に配置した3個の突起31に相当する3個の点-面接触要素31Eのうち、いずれか一つの位置(θ=0°)を基準として、θ=15°、30°、45°、60°の場合について反発力の計算を行った。
φ=360°/n
θ1=0°
θ2=(1/3)×(φ/2)
θ3=(2/3)×(φ/2)
θ4=(3/3)×(φ/2)
φ=360°/4=90°
θ1=0°
θ2=(1/3)×(φ/2)=(1/3)×(90°/2)=15°
θ3=(2/3)×(φ/2)=(2/3)×(90°/2)=30°
θ4=(3/3)×(φ/2)=(3/3)×(90°/2)=45°
図26に示すように、突起31の数=4の場合の、反力が最小であることがわかる。
したがって、1箇所の突起群あたりの突起31の数の最適値は4である。
この結果、突起群は長手方向に3箇所設けているので、全突起数は12となる。なお、1箇所の突起群あたりの突起31の数=5であっても1箇所の突起群あたりの突起31の数=5の場合も1箇所の突起群あたりの突起31の数=4の場合には及ばないものの、用いることが可能である。
図27は、突起数=3の場合の反力のつり合いを説明する図である。
誘電体電極17及び金属電極18を曲げる力はf1だけでよい。しかし3点支持の場合、くさび効果により、不必要に大きな反力f2が発生する。これが突起31の数=3の場合の反力が大きい理由であると考えられる。
突起31の数=5以上では、突起数の増加とともに接触点数が増えるためと考えられる。つまり、誘電体電極を過剰拘束している。
ところで、反力の観点では突起数は4個以上でかつ少ないほうがよい。しかしながら、、もう一つ検討しなければならないことがある。誘電体電極17と金属電極18との同軸度である。
放電ギャップ長dの設計値が0.40mmのときにおける、突起31の高さの最適値は0.30~0.39mmとなるということは、前述した通りである。
図28において、誘電体電極17の外径=dgとし、金属電極18の内径=dsとし、誘電体電極17の中心軸と、金属電極18の中心軸と、のずれ(偏心量)=pyとし、突起31の高さ=pLとし、誘電体電極17と、金属電極18と、の最大ギャップ=gmaxとし、誘電体電極17と、金属電極18と、の最小ギャップ=gminとしている。
突起31の高さが下限の0.30mmの場合、突起31の高さが低いため、図28に示すように、上側2つの突起は誘電体電極と接触しない。また、最小ギャップgminが突起高さpLより小さくなる問題が発生する。
図29においては、、最小ギャップgminが突起高さpLより小さくなる度合いを(gmin/pL)としている。
計算条件は、金属電極内径44.8mm、誘電体電極外径44.0mm、突起高さ0.3mmである。
例えば、突起の数が6点の場合、gmin/pL≒0.95となり、最小ギャップgminは、以下の通りとなる。
gmin=0.3×0.95
=0.285mm
微調整量(微調整の大きさ)は、図29に示すように突起数に依存する。ここで、突起数6以上では、gmin/pLに、あまり変化がないことがわかる。
(1)誘電体電極ないしは金属電極が曲がっているとき、その反力は、突起数4のときが最小で、突起数の増加と共に反力が増える。
(2)突起数3のときは特別であり、反力が大きい。
(3)最小ギャップgminが突起高さpLより小さくなる度合いgmin/pLは、突起数=3のとき0.65となり、上述した突起31の高さの微調整量が大きくなる。突起31の高さの微調整量は突起数が多いほど少なくてすむ。
(4)突起数=6以上では、突起31の高さの微調整量はあまり変化しない。
突起数=4以上では、突起数の増加とともに反力が増加するので、突起数は少ないほうがよい。
一方、gmin/pLの観点では、突起数は少ないほうがよい。そして、突起数6以上でgmin/pLの変化はない。
よって、適する突起数=4、5、6である。
したがって、接触点数の増加は、誘電体電極17と金属電極18を過剰に拘束する条件となり、反力の合計値が増えることになる。
したがって、一つの突起文を構成する突起数は、以上の説明に基づけば、4個あるいは5個となる。
図30Bは、図30AにおけるA方向矢視拡大断面図である。
図1に示したように、本実施形態においては、誘電体電極17は、図1中、左右の両方向から金属電極18内に同軸に挿入されていた。
上記構成において、原料ガスは、ガス入口23からガス出口24に向かって一方向に原料ガス及び生成したオゾンガスが流れるため、圧力変化などに伴って誘電体電極17が金属電極18内で長手方向に移動してしまい、向かい合った誘電体電極17同士が当接してしまう虞があった。
誘電体電極17の動きを抑制するために、本実施形態の変形例は、図31に示すように、誘電体電極17の先端部17Tに当接するように移動抑制用突起31Sを複数設けている。
上記構成によれば、何らかの理由により、誘電体電極17が先端部17T側に移動したとしても、移動抑制用突起31Sに当接して、誘電体電極17の移動を抑制し、誘電体電極17同士が当接してしまうことを抑制できる。
突起群を設ける位置については、誘電体電極17あるいは金属電極18が曲がっていると仮定した場合に、放電ギャップ長dの設計値からの逸脱量が最小となる条件で3箇所の突起群の長手方向の位置を算出すると、誘電体電極17あるいは金属電極18の曲がりが、放射線状であるとした場合には、L3/L=0.042が最適値となった。
また、曲がり方がサインカーブ状の場合、L3/L=0、つまり突起位置は放電空間の端が最適である。実際の製品設計値としては、L3/L=0.0~0.1の範囲であれば十分に実用に耐える。
以上のことから、突起31の先端と、誘電体電極17との間の間隔は、0.01~0.10mmが好ましい。
この結果、一つの突起群の突起数=4が最適であることがわかった。
より詳細には、放電ギャップ長を0.3mm~0.5mmの範囲内、特に放電ギャップ長を0.4mm近傍とした場合に高い生成後のオゾンの分解を抑制してオゾン収率の向上が図れる。
Claims (7)
- 円筒状の高圧電極に対し、同軸に円筒状の低圧電極を配置し、前記高圧電極と前記低圧電極との間に誘電体を介して所定の高電圧を印加して放電させ、前記放電によりオゾンを発生させるオゾン発生装置において、
放電ギャップ長dが0.3mm~0.5mmとされ、
前記低圧電極あるいは前記高圧電極のいずれか一方が金属電極として形成され、いずれか他方が誘電体電極として形成され、
前記誘電体電極に対向する前記金属電極の内周面に、当該金属電極を前記誘電体電極に対し、前記放電ギャップ長を保持しつつ同軸に保持するための複数の突起を有する突起群を設けた、
オゾン発生装置。 - 前記突起群は、少なくとも、放電空間の長手方向の中央部及びそれぞれ前記放電空間の両端から所定距離L3の位置の3箇所に設けられている、
請求項1記載のオゾン発生装置。 - 前記所定距離L3は、予め設定した基準放電ギャップ長に対する前記放電空間における放電キャップ長の逸脱量が最小となるように定められている、
請求項2記載のオゾン発生装置。 - 前記突起群は、4個または5個または6個の前記突起を備えている、
請求項1記載のオゾン発生装置。 - 前記突起群を構成する前記突起は、同一円周上あるいは所定の幅を有する円環状の領域内に配置されている、
請求項4記載のオゾン発生装置。 - 前記放電ギャップ長dに対し、前記突起の高さを(d-α)とした場合に、
0.01≦α≦0.10mm
とした、
請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のオゾン発生装置。 - 前記誘電体電極は、前記金属電極内に挿入されており、
前記金属電極は、前記突起の高さよりも高さが高く、挿入された前記誘電体電極の先端に当接して挿入方向への前記誘電体電極の移動を規制する移動抑制用突起が複数形成されている、
請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のオゾン発生装置。
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