JP2009114003A - オゾン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の放電ギャップ長と放電エネルギーに対して原料ガスをオゾン化するための最適ガス圧力を提示し、オゾン発生効率の向上を図ること。
【解決手段】オゾン発生装置において、放電ギャップ長が０．３ｍｍ、冷却水６の冷却水温Ｔｗが１５〜２５℃、放電電力密度Ｗ/Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２以上のとき、電極間に流す原料ガスのガス圧力Ｐ（ＭＰａ）を、圧力範囲Ｐｍｉｎ≦Ｐ≦Ｐｍａｘ
Ｐｍｉｎ＝０．００１５×Ｔｗ＋０．１４７５（ＭＰａ）
Ｐｍａｘ＝０．００１５×Ｔｗ＋０．１５２５（ＭＰａ）
で運転する。また、放電電力密度Ｗ/Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２未満のときは、原料ガスのガス圧力Ｐ（ＭＰａ）を、Ｐ＝−０．０９×Ｗ／Ｓ＋０．００２×Ｔｗ＋０．１６で算出されるガス圧力で運転する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水処理などに用いられるオゾンを得るオゾン発生装置に係わり、特にオゾン濃度を高めることのできるオゾン発生装置に関する。

従来、上下水処理施設、化学工場、薬品工場、食品工場等において、オゾンが持つ殺菌、脱色、脱臭等の作用を利用した各種処理が行われており、オゾン供給源としてオゾン発生装置が設置されている。

図５は、放電を利用したオゾン発生装置のオゾン発生管部分の概略図であり、電極管の管軸方向に沿った断面図である。オゾン発生管２０は、耐オゾン性ステンレス鋼で作られたチューブ状の高電圧電極管１が中心部に配置され、円筒状の接地電極管２が高電圧電極管１の外周を囲むように配置された二重円筒管構造をなしている。高電圧電極管１の外周表面にガラス等で構成される誘電体層３がライニングされている。高電圧電極管１（誘電体層３）と接地電極管２との間には放電空間４が形成され、該放電空間４はギャップ形成材５ａ，５ｂによって電極管の管軸方向の一端部から他端部に掛けて均一なギャップに保持されている。接地電極管２には冷却水６を流通する水路を形成する筐体８が設けられている。高電圧電極管１と接地電極管２との間に形成された放電空間４に原料ガス９を外部から供給し、両電極間に高電圧電源１０で交流高電圧を印加すると放電空間４に無声放電が発生し、オゾン化ガス１１が生成される。

ところで、以上の構成のオゾン発生装置において、オゾン濃度を高めるためには、放電空間４の高さである放電ギャップ長を短くすることが必要である。放電ギャップ長を短くすることによって、放電ギャップの電界強度が高くなり、放電空間４の電子エネルギーが高くなるので、オゾン濃度を高めることが可能となる。

また、オゾン発生装置において、放電ギャップ長を短縮化するだけでなく、放電空間のガス圧力を高圧化することによって、オゾンの高濃度化、放電電力の高密度化を図ることも提案されている（特許文献１参照）。特許文献１では、放電ギャップ長ｄを０．４ｍｍ〜１．０ｍｍとし、放電空間のガス圧力ｐを２気圧から５気圧とした例が示されている。

また、電気学会放電研究会において、ガス圧力ｐと放電ギャップ長ｄの関係から最適なガス圧力が存在するとした報告がなされている（非特許文献１参照）。
特開平８−２４５２０３号公報 電気学会研究会資料放電研究会ED-03-154（2003/10/7） オゾン発生特性とｐｄ積 沖田裕二、他3名（株式会社 東芝）

ところで、放電エネルギーは放電空間に流れる原料ガスに対してエネルギーを与えるため、原料ガスをオゾン化するためにはそれぞれ最適なガス圧力が存在するが、上記特許文献１及び非特許文献１では、所定の放電ギャップ長と放電エネルギーに対して最適なガス圧力を知ることはできなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、所定の放電ギャップ長と放電エネルギーに対して原料ガスをオゾン化するための最適ガス圧力を提示することができ、オゾン発生効率の向上を図ることのできるオゾン発生装置を提供することを目的とする。

本発明のオゾン発生装置は、対向する電極の少なくとも一方を絶縁体で被覆されたオゾン発生電極を少なくとも１組以上備え、酸素を含んだ原料ガスを電極間に流し、前記電極に交流高電圧を印加して電極間に放電を発生させてオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置において、原料ガスの流れる空間の間隔となる放電ギャップ長が０．３ｍｍ、少なくとも一方の電極を冷却するために循環させる冷却水の冷却水温Ｔｗが１５〜２５℃、放電電力Ｗと放電面積Ｓとの比である放電電力密度Ｗ/Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２以上のとき、前記電極間に流す原料ガスのガス圧力Ｐ（ＭＰａ）を、圧力範囲Ｐｍｉｎ≦Ｐ≦Ｐｍａｘ
但し、Ｐｍｉｎ＝０．００１５×Ｔｗ＋０．１４７５（ＭＰａ）
Ｐｍａｘ＝０．００１５×Ｔｗ＋０．１５２５（ＭＰａ）
で運転することを特徴とする。

このような構成によれば、放電電力密度Ｗ/Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２以上のときは、上式で求められる圧力範囲で運転することにより、放電ギャップ長０．３ｍｍにおける最適ガス圧力での運転を実現でき、オゾン発生効率の向上を図ることができる。

また本発明のオゾン発生装置は、対向する電極の少なくとも一方を絶縁体で被覆されたオゾン発生電極を少なくとも１組以上備え、酸素を含んだ原料ガスを電極間に流し、前記電極に交流高電圧を印加して電極間に放電を発生させてオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置において、原料ガスの流れる空間の間隔となる放電ギャップ長が０．３ｍｍ、少なくとも一方の電極を冷却するために循環させる冷却水の冷却水温Ｔｗが１５〜２５℃、放電電力Ｗと放電面積Ｓとの比である放電電力密度Ｗ／Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２未満では、前記電極間に流す原料ガスのガス圧力Ｐ（ＭＰａ）を、
Ｐ＝−０．０９×Ｗ／Ｓ＋０．００２×Ｔｗ＋０．１６
で運転することを特徴とする。

この構成により、放電電力密度Ｗ／Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２未満のときは、上式で求められるガス圧力で運転することにより、放電ギャップ長０．３ｍｍにおける最適ガス圧力での運転を実現でき、オゾン発生効率の向上を図ることができる。

また本発明のオゾン発生装置は、対向する電極の少なくとも一方を絶縁体で被覆されたオゾン発生電極を少なくとも１組以上備え、酸素を含んだ原料ガスを電極間に流し、前記電極に交流高電圧を印加して電極間に放電を発生させてオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置において、原料ガスの流れる空間の間隔である放電ギャップ長を０．４ｍｍ、少なくとも一方の電極を冷却するために循環させる冷却水の冷却水温Ｔｗを１５〜２５℃、放電電力Ｗと放電面積Ｓとの比である放電電力密度Ｗ/Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２以上のとき、前記電極間に流す原料ガスのガス圧力Ｐ（ＭＰａ）を、圧力範囲Ｐｍｉｎ≦Ｐ≦Ｐｍａｘ
但し、Ｐｍｉｎ＝０．００１×Ｔｗ＋０．１４０（ＭＰａ）
Ｐｍａｘ＝０．００１×Ｔｗ＋０．１４５（ＭＰａ）
で運転することを特徴とする。

このような構成によれば、放電電力密度Ｗ/Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２以上のときは、上式で求められる圧力範囲で運転することにより、放電ギャップ長０．４ｍｍにおける最適ガス圧力での運転を実現でき、オゾン発生効率の向上を図ることができる。

また本発明のオゾン発生装置は、対向する電極の少なくとも一方を絶縁体で被覆されたオゾン発生電極を少なくとも１組以上備え、酸素を含んだ原料ガスを電極間に流し、前記電極に交流高電圧を印加して電極間に放電を発生させてオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置において、原料ガスの流れる空間の間隔である放電ギャップ長を０．４ｍｍ、少なくとも一方の電極を冷却するために循環させる冷却水の冷却水温Ｔｗを１５〜２５℃、放電電力Ｗと放電面積Ｓとの比である放電電力密度Ｗ／Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２未満では、前記電極間に流す原料ガスのガス圧力Ｐ（ＭＰａ）を、
Ｐ＝−０．１５×Ｗ／Ｓ＋０．００２×Ｔｗ＋０．１６
で運転することを特徴とする。

この構成により、放電電力密度Ｗ／Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２未満のときは、上式で求められるガス圧力で運転することにより、放電ギャップ長０．４ｍｍにおける最適ガス圧力での運転を実現でき、オゾン発生効率の向上を図ることができる。

本発明によれば、所定の放電ギャップ長と放電エネルギーに対して原料ガスをオゾン化するための最適なガス圧力条件を提示することができ、オゾン発生効率の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係るオゾン発生装置に係るシステム構成図である。オゾン発生装置３１は、対向する電極の少なくとも一方が絶縁体で被覆されたオゾン発生電極を少なくとも１組以上備え、酸素を含んだ原料ガスを電極間に流し、前記電極に交流高電圧を印加して電極間に放電を発生させてオゾン化ガスを生成する。オゾン発生装置３１として、図５に示す二重円筒管構造のオゾン発生装置２０と同一構成のものを用いることができるが、本発明は、二重円筒管構造をなす１組の電極を備えた構成に限定されるものでは無く、少なくとも一方を絶縁体で被覆した対向した電極構造であれば良い。

オゾン発生装置３１の電極間には高電圧電源３２から交流高電圧が印加され、電極間に形成された放電空間には酸素を含んだ原料ガス９が原料ガス供給装置３３から供給されるように構成されている。また、オゾン発生装置３１内には電極を冷却するための冷却水が循環している。オゾン発生装置３１から冷却水を外部へ排出する冷却水排出口が、オゾン発生装置３１に付設したチラー３４に連結されている。チラー３４はオゾン発生装置３１から排出された冷却水を冷却してオゾン発生装置３１の冷却水供給口へ戻している。

コントローラ３５は、目標の放電電力になるように高電圧電源３２の交流高電圧出力を制御すると共に、オゾン発生装置３１内のガス圧力が後述する最適ガス圧力となるように制御する。オゾン発生装置３１のオゾン化ガス排出口に設けたバルブ３６の弁開度をコントローラ３５が調整することによりオゾン発生装置３１内のガス圧力を制御する。

本実施の形態では、オゾン発生装置３１に備えた温度センサにてオゾン発生装置３１内の冷却水温Ｔｗを検出し、圧力センサにてオゾン発生装置３１の放電空間におけるガス圧力Ｐを検出している。これら温度センサ及び圧力センサから出力される検出信号（Ｔｗ、Ｐ）がコントローラ３５の入力信号となる。またコントローラ３５は、高電圧電源３２の現在の交流高電圧出力に関する信号が逐次入力される一方、オゾン発生装置３１における放電空間の放電ギャップ長Ｌが予め入力されている。

ここで、最適ガス圧力の運転条件について説明する。
図２は放電ギャップ長０．３ｍｍのときの放電電力密度Ｗ／Ｓ（Ｗ/ｃｍ２）に対するオゾン発生特性（濃度）が最大となるときのガス圧力（最適ガス圧力）を示す図であり、図３は放電ギャップ長０．４ｍｍのときの放電電力密度Ｗ／Ｓ（Ｗ/ｃｍ２）に対するオゾン発生特性（濃度）が最大となるときのガス圧力（最適ガス圧力）を示す図である。放電電力密度Ｗ／Ｓは放電電力Ｗと放電面積Ｓの比である。

ガス圧力および放電電力密度Ｗ／Ｓを変化させて、オゾン濃度がピークとなるガス圧力を算出し、このガス圧力を最適ガス圧力と定義する。オゾン発生特性（濃度）が最大となるときのガス圧力は図４から求めた。図４は６つの放電電力密度Ｗ／Ｓについてガス圧力とオゾン濃度との関係を実験結果から求めた図である。

図２、図３に示すように、放電ギャップ長Ｌが０．３ｍｍ及び０．４ｍｍのいずれの場合も、放電電力密度Ｗ／Ｓが０．２２５Ｗ/ｃｍ^２未満では、ガス圧力は放電電力密度Ｗ／Ｓが増加することで、最適ガス圧力が低下していることがわかる。また、放電電力密度Ｗ／Ｓが０．２２５Ｗ/ｃｍ^２以上の場合は、最適ガス圧力はほぼ安定していることがわかる。以上の実験結果から、最適ガス圧力の運転条件を以下のように定めた。

（運転条件１）
運転条件１の場合、ガス圧力Ｐ（ＭＰａ）が圧力範囲Ｐｍｉｎ≦Ｐ≦Ｐｍａｘに収まるように制御する。
Ｐｍｉｎ＝０．００１５×Ｔｗ＋０．１４７５（ＭＰａ）
Ｐｍａｘ＝０．００１５×Ｔｗ＋０．１５２５（ＭＰａ）
放電ギャップ長Ｌ＝０．３ｍｍ
冷却水温Ｔｗ＝１５〜２５℃
放電電力密度Ｗ/Ｓは０．２２５Ｗ／ｃｍ^２以上

（運転条件２）
運転条件２の場合、ガス圧力Ｐ（ＭＰａ）が目標値Ｐ_Ｔになるように制御する。
Ｐ_Ｔ＝−０．０９×Ｗ/Ｓ＋０．００２×Ｔｗ＋０．１６
放電ギャップ長Ｌ＝０．３ｍｍ
冷却水温Ｔｗ＝１５〜２５℃
放電電力密度Ｗ/Ｓは０．２２５Ｗ／ｃｍ^２未満

（運転条件３）
運転条件３の場合、ガス圧力Ｐ（ＭＰａ）が圧力範囲Ｐｍｉｎ≦Ｐ≦Ｐｍａｘに収まるように制御する。
Ｐｍｉｎ＝０．００１×Ｔｗ＋０．１４０（ＭＰａ）
Ｐｍａｘ＝０．００１×Ｔｗ＋０．１４５（ＭＰａ）
放電ギャップ長Ｌ＝０．４ｍｍ
冷却水温Ｔｗ＝１５〜２５℃
放電電力密度Ｗ/Ｓは０．２２５Ｗ／ｃｍ^２以上

（運転条件４）
運転条件４の場合、ガス圧力Ｐ（ＭＰａ）が目標値Ｐ_Ｔになるように制御する。
Ｐ_Ｔ＝−０．１５×Ｗ／Ｓ＋０．００２×Ｔｗ＋０．１６
放電ギャップ長Ｌ＝０．４ｍｍ
冷却水温Ｔｗ＝１５〜２５℃
放電電力密度Ｗ/Ｓは０．２２５Ｗ／ｃｍ^２未満

以上のように構成された本実施の形態では、予めコントローラ３５に入力された放電ギャップ長ＬがＬ＝０．３ｍｍである場合、現在の放電電力密度Ｗ／Ｓが０．２２５Ｗ/ｃｍ^２以上であれば、コントローラ３５は冷却水温Ｔｗに応じてバルブ３６の弁開度を調整してガス圧力Ｐが所定の圧力範囲に収まるようにガス圧力を制御する。たとえば、冷却水温が１５℃であれば、コントローラ３５は運転条件１に基づいて、ガス圧力Ｐを
０．１７０ＭＰａ≦Ｐ≦０．１７５ＭＰａ
の圧力範囲で運転する。また、冷却水温が２５℃であれば、コントローラ３５は運転条件１に基づいて、ガス圧力Ｐを
０．１８５ＭＰａ≦Ｐ≦０．１９ＭＰａ
の圧力範囲で運転する。

一方、予め入力された放電ギャップ長ＬがＬ＝０．４ｍｍである場合、現在の放電電力密度Ｗ／Ｓが０．２２５Ｗ/ｃｍ^２以上であれば、冷却水温Ｔｗに応じてガス圧力Ｐが所定の圧力範囲に収まるようにガス圧力を制御する。たとえば、冷却水温が１５℃であれば、コントローラ３５は運転条件３に基づいて、ガス圧力Ｐを
０．１５０≦Ｐ≦０．１５５ＭＰａ
の圧力範囲で運転する。また、冷却水温が２５℃であれば、コントローラ３５は運転条件３に基づいて、ガス圧力Ｐを
０．１６５ＭＰａ≦Ｐ≦０．１７ＭＰａ
の圧力範囲で運転する。

また、現在の放電電力密度Ｗ／Ｓが０．２２５Ｗ/ｃｍ^２未満の場合は、放電ギャップ長ＬがＬ＝０．３ｍｍである場合には運転条件２に基づいてガス圧力Ｐ（ＭＰａ）が目標値Ｐ_Ｔになるように運転し、放電ギャップ長ＬがＬ＝０．４ｍｍである場合には運転条件４に基づいてガス圧力Ｐ（ＭＰａ）が目標値Ｐ_Ｔになるように運転する。

以上のように、本実施の形態によれば、放電電力Ｗ、ガス圧力Ｐ、冷却水温Ｔｗをセンサで連続計測し、これら３パラメータを元に上記運転条件１〜４に基づいて最適ガス圧力で運転することにより、オゾン発生特性（濃度）を向上することができ、発生するオゾン濃度を高めることができる。

一実施の形態に係るオゾン発生装置のシステム構成図 放電ギャップ長＝０．３ｍｍのときの放電電力密度Ｗ／Ｓに対する最適ガス圧力を示す図 放電ギャップ長＝０．４ｍｍのときの放電電力密度Ｗ／Ｓに対する最適ガス圧力を示す図 幾つかの放電電力密度Ｗ／Ｓについてガス圧力とオゾン濃度との関係を実験結果から求めた図 放電を利用したオゾン発生装置のオゾン発生管部分の概略図

符号の説明

１…高電圧電極管、２…接地電極管、３…誘電体層、４…放電空間、５ａ，５ｂ…ギャップ形成材、６…冷却水、８…筐体、９…原料ガス、１０、３２…高電圧電源、１１…オゾン化ガス、２０、３１…オゾン発生装置、３３…原料ガス供給装置、３４…チラー、３５…コントローラ

Claims (4)

1. 対向する電極の少なくとも一方を絶縁体で被覆されたオゾン発生電極を少なくとも１組以上備え、酸素を含んだ原料ガスを電極間に流し、前記電極に交流高電圧を印加して電極間に放電を発生させてオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置において、
   原料ガスの流れる空間の間隔となる放電ギャップ長が０．３ｍｍ、少なくとも一方の電極を冷却するために循環させる冷却水の冷却水温Ｔｗが１５〜２５℃、放電電力Ｗと放電面積Ｓとの比である放電電力密度Ｗ/Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２以上のとき、前記電極間に流す原料ガスのガス圧力Ｐ（ＭＰａ）を、圧力範囲Ｐｍｉｎ≦Ｐ≦Ｐｍａｘ
   但し、Ｐｍｉｎ＝０．００１５×Ｔｗ＋０．１４７５（ＭＰａ）
   Ｐｍａｘ＝０．００１５×Ｔｗ＋０．１５２５（ＭＰａ）
   で運転することを特徴とするオゾン発生装置。
2. 対向する電極の少なくとも一方を絶縁体で被覆されたオゾン発生電極を少なくとも１組以上備え、酸素を含んだ原料ガスを電極間に流し、前記電極に交流高電圧を印加して電極間に放電を発生させてオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置において、
   原料ガスの流れる空間の間隔となる放電ギャップ長が０．３ｍｍ、少なくとも一方の電極を冷却するために循環させる冷却水の冷却水温Ｔｗが１５〜２５℃、放電電力Ｗと放電面積Ｓとの比である放電電力密度Ｗ／Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２未満では、前記電極間に流す原料ガスのガス圧力Ｐ（ＭＰａ）を、
   Ｐ＝−０．０９×Ｗ／Ｓ＋０．００２×Ｔｗ＋０．１６
   で運転することを特徴とするオゾン発生装置。
3. 対向する電極の少なくとも一方を絶縁体で被覆されたオゾン発生電極を少なくとも１組以上備え、酸素を含んだ原料ガスを電極間に流し、前記電極に交流高電圧を印加して電極間に放電を発生させてオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置において、
   原料ガスの流れる空間の間隔である放電ギャップ長を０．４ｍｍ、少なくとも一方の電極を冷却するために循環させる冷却水の冷却水温Ｔｗを１５〜２５℃、放電電力Ｗと放電面積Ｓとの比である放電電力密度Ｗ/Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２以上のとき、前記電極間に流す原料ガスのガス圧力Ｐ（ＭＰａ）を、圧力範囲Ｐｍｉｎ≦Ｐ≦Ｐｍａｘ
   但し、Ｐｍｉｎ＝０．００１×Ｔｗ＋０．１４０（ＭＰａ）
   Ｐｍａｘ＝０．００１×Ｔｗ＋０．１４５（ＭＰａ）
   で運転することを特徴とするオゾン発生装置。
4. 対向する電極の少なくとも一方を絶縁体で被覆されたオゾン発生電極を少なくとも１組以上備え、酸素を含んだ原料ガスを電極間に流し、前記電極に交流高電圧を印加して電極間に放電を発生させてオゾン化ガスを生成するオゾン発生装置において、
   原料ガスの流れる空間の間隔である放電ギャップ長を０．４ｍｍ、少なくとも一方の電極を冷却するために循環させる冷却水の冷却水温Ｔｗを１５〜２５℃、放電電力Ｗと放電面積Ｓとの比である放電電力密度Ｗ／Ｓが０．２２５Ｗ／ｃｍ^２未満では、前記電極間に流す原料ガスのガス圧力Ｐ（ＭＰａ）を、
   Ｐ＝−０．１５×Ｗ／Ｓ＋０．００２×Ｔｗ＋０．１６
   で運転することを特徴とするオゾン発生装置。

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