JP6486843B2

JP6486843B2 - オゾン発生装置および電源装置

Info

Publication number: JP6486843B2
Application number: JP2016009095A
Authority: JP
Inventors: 隆昭村田; 裕二沖田; 橋本　美智子; 美智子橋本; 貴恵久保; 竜太郎牧瀬
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2019-03-20
Anticipated expiration: 2036-01-20
Also published as: JP2017128478A

Description

本発明の実施形態は、オゾン発生装置および電源装置に関する。

一般にオゾン発生装置は、強力な酸化作用を持ちつつ残留性の少ないオゾンを生成する装置として知られており、環境に配慮しながら洗浄・殺菌・脱臭・脱色などの用途を求める分野（特に水処理の分野）で積極的に利用されている。

このようなオゾン発生装置の基本的な構成としては、誘電体電極と金属電極との間に形成された放電ギャップに原料ガスを流入し、誘電体電極に電源を印加することで、原料ガス中での放電によりオゾンを発生させる仕組みである。

特開平１０−１８２１０９号公報特開２０１３−１９３８９３号公報

ところで、オゾン発生装置は、誘電体電極は静電容量、放電ギャップは抵抗と考えることができる。よって、放電ギャップにばらつきが生じても、誘電体電極に印加する電圧を高くすれば、放電ギャップに流れる電流を一定に近づけることができる。具体的には、誘電体電極を分割した静電容量と考えると、誘電体電極に印加する電圧を上げることで、バラスト効果によって、放電ギャップに流れる電流を一定に近づけることができる。

また、オゾン発生装置では、誘電体電極の端部で異常放電が発生しないように、誘電体電極に印加する電圧が、放電ギャップの降伏電圧であるＶｏｐ：１１．０ｋＶになるように設計が行われている。この場合、誘電体電極に印加される実効的な電圧Ｖｒｍｓは、７．７８ｋＶとなる。しかし、当該実効的な電圧Ｖｒｍｓが７．０ｋＶより高い場合には、国内規定で特別高圧に分類されてしまい、絶縁のためのブッシング，ヒューズ，高圧トランス，コイル等を大型化しなければならないという制約が課される。

そこで、本発明の実施形態では、信頼性を維持しつつ小型化および低コスト化を実現するオゾン発生装置および電源装置の提供を目的とする。

実施形態のオゾン発生装置は、金属電極と、誘電体電極と、電源装置と、を備える。誘電体電極は、金属電極との間に、ガス圧が０．１４〜０．２２ＭＰａの原料ガスが流入されかつ０．９ｍｍの放電ギャップを有する。電源装置は、商用電源として供給される交流電源を直流電源に変換するコンバータと、直流電源を、１．０〜３．４ｋＨｚの間となる所定周波数の交流電源に変換するインバータとを有し、所定周波数に変換した交流電源を、誘電体電極に印加して、原料ガス中で放電させ、当該放電によりオゾンを発生させる。

図１は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置の概略構成の一例を示す図である。図２は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の回路構成の一例を示す図である。図３は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置において交流電源の周波数に対するオゾン発生効率および印加電圧の関係の一例を示す図である。図４は、第２の実施形態にかかるオゾン発生装置における交流電源の周波数に対するオゾン発生効率および印加電圧の関係の一例を示す図である。図５は、第３の実施形態にかかるオゾン発生装置における交流電源の周波数に対するオゾン発生効率および印加電圧の関係の一例を示す図である。

以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかるオゾン発生装置および当該オゾン発生装置の電源装置について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置の概略構成の一例を示す図である。本実施形態にかかるオゾン発生装置１０は、誘電体バリア放電式のオゾン発生装置である。図１に示すように、オゾン発生装置１０は、オゾン発生装置本体１１と、ヒューズ１２を介してオゾン発生装置本体１１に電力を供給する電源装置（高圧交流電源）１３と、を有する。

オゾン発生装置本体１１は、気密容器１５を有する。気密容器１５は、原料ガスが導入されるガス入口１６と、未反応の原料ガスおよびオゾン（Ｏ_３）が排出されるガス出口１７と、を有する。気密容器１５内には、誘電体電極２１および金属電極２３が設けられ、誘電体電極２１と金属電極２３との間には、原料ガスが流入される放電ギャップ２２が形成されている。本実施形態では、気密容器１５内に導入される原料ガスは、酸素、または酸素と窒素の混合ガスである。また、原料ガスのガス圧は、０．１４〜０．２２ＭＰａの絶対圧である。

本実施形態では、金属電極２３には、ステンレス鋼製等の円筒状の電極を用いる。また、本実施形態では、金属電極２３は、誘電体電極２１との間に所定の放電ギャップ２２を形成するための複数の突起２３Ａを有する。本実施形態では、放電ギャップ２２の長さｄ（以下、ギャップ長と言う）は、０．３８ｍｍである。

本実施形態では、誘電体電極２１は、金属電極２３と同軸の円筒状の電極であり、当該誘電体電極２１の外周面側に、放電ギャップ２２を介して金属電極２３が設けられている。具体的には、誘電体電極２１は、熱膨張係数が所定値より小さい素材で形成された円筒状の誘電体２１Ａ（以下、円筒状誘電体と言う）を有する。円筒状誘電体２１Ａは、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、高ケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、セラミックス等により形成される。円筒状誘電体２１Ａの内周面には、導電性の電極２１Ｂ（以下、導電性電極と言う）を有する。導電性電極２１Ｂは、ヒューズ１２を介して電源装置１３に接続された給電素子２１Ｃ（以下、高圧給電素子と言う）と接続されている。導電性電極２１Ｂは、例えば、金，銀，銅，ステンレス，クロム，錫，亜鉛，ニッケルカーボン，アルミニウム等を、スパッタリング，溶射，蒸着，無電解メッキ，電解メッキ，塗料塗布等の方法により形成される。

オゾン発生装置本体１１には、金属電極２３の誘電体電極２１が設けられた側とは反対側に、冷却水流路２６が設けられている。冷却水流路２６は、当該冷却水流路２６に冷却水を導入する冷却水入口２４と、当該冷却水流路２６を流れて高温となった冷却水が排出される冷却水出口２５とを有する。

上述のオゾン発生装置１０は、電源装置１３から誘電体電極２１（本実施形態では、導電性電極２１Ｂ）に電圧を印加して、放電ギャップ２２に流入される原料ガスで放電（これをバリア放電または無声放電と言うこともあるが、以下では誘電体バリア放電と言う）を発生させる。これにより、オゾン発生装置１０は、当該誘電体バリア放電によって、原料ガスからオゾンを生成する。誘電体バリア放電は、放電ギャップ２２に導入された原料ガスの温度を上昇させるが、冷却水流路２６に導入される冷却水によって冷却される。これにより、オゾン発生装置１０は、放電ギャップ２２に導入された原料ガスの温度の上昇を抑制しつつ、高濃度かつ高収率のオゾンを生成することができる。本実施形態では、オゾン発生装置１０で生成されたオゾンは、処理すべき水の脱臭や脱色や殺菌等の水処理に使用される。

図２は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置が有する電源装置の回路構成の一例を示す図である。図２に示すように、本実施形態では、電源装置１３は、商用電源２０１（本実施形態では、三相交流電源）から供給される商用電源周波数の交流電源を、直流電源に変換するコンバータ２０２と、当該コンバータ２０２により変換された直流電源を、所定周波数の交流電源に変換するインバータ２０３と、を有する。本実施形態では、所定周波数は、２．０〜４．５ｋＨｚの間の周波数である。

また、電源装置１３は、インバータ２０３により所定周波数に変換された交流電源を誘電体電極２１に印加する。本実施形態では、電源装置１３は、インバータ２０３により所定周波数に変換された交流電源を、トランス２０４を介して、誘電体電極２１に印加する。オゾン発生装置本体１１は、誘電体電極２１に印加された交流電源を、放電ギャップ２２に流入される原料ガス中で誘電体バリア放電させて、原料ガスからオゾンを生成する。オゾン発生装置本体１１の等価回路は、誘電体電極２１に相当する静電容量Ｃｇと、放電ギャップ２２に相当する静電容量Ｃｏとを直列接続した回路となる。

そして、オゾン発生装置本体１１は、放電ギャップ２２に印加される交流電源の電圧Ｖｏ（以下、放電ギャップ電圧と言う）が所定電圧Ｖｓ（以下、放電維持電圧と言う）を超えると、誘電体バリア放電を発生する。誘電体バリア放電は定電圧特性を有するため、放電が発生している間、放電ギャップ２２に印加される放電ギャップ電圧Ｖｏは、放電維持電圧Ｖｓに維持される。また、放電ギャップ２２は、放電ギャップ電圧Ｖｏが放電維持電圧Ｖｓを超えると、誘電体バリア放電を発生する特性を有する。よって、放電ギャップ２２の等価回路は、降伏電圧を有するツェナーダイオード２０５により表される。

このように、放電ギャップ２２が容量性負荷として機能するため、オゾン発生装置本体１１は、放電ギャップ２２における力率を「１」に近づけるために、当該放電ギャップ２２に対してコイル２０６を直列接続している。本実施形態では、オゾン発生装置本体１１は、放電ギャップ２２に対してコイル２０６を直列接続しているが、これに限定するものではなく、放電ギャップ２２に対してコイル２０６を並列接続しても良い。

ところで、オゾン発生装置１０は、放電ギャップ２２を形成する誘電体電極２１と金属電極２３の製作精度若しくは組立精度のバラつきによって、放電ギャップ２２のギャップ長ｄが不均一である場合、放電維持電圧Ｖｓが変化してしまい、それに伴いオゾンの発生特性も変化する。そのため、オゾン発生装置１０は、放電ギャップ電圧Ｖｏを高くした方が、放電ギャップ２２に均一な放電が発生し易い。従来のオゾン発生装置では、誘電体電極２１の端部で異常な放電が発生しないように、放電ギャップ電圧Ｖｏの上限である電圧Ｖｏｐ（以下、印加電圧と言う）：１１．０ｋＶを、放電ギャップ２２に印加している。この場合に、誘電体電極２１に印加される実効的な電圧Ｖｒｍｓ（以下、実効電圧と言う）は、７．７８ｋＶとなることから、国内規定で特別電圧に分類されてしまい、絶縁のためのブッシング，ヒューズ，高圧トランス，コイル等を大型化しなければならないという制約が課される。

そこで、本実施形態のオゾン発生装置１０は、気密容器１５内に導入する原料ガスのガス圧を０．１４〜０．２２ＭＰａとしかつギャップ長ｄを０．３８ｍｍとした場合に、２．０〜４．５ｋＨｚの間となる所定周波数の交流電源を放電ギャップ２２に印加して、誘電体バリア放電を発生させる。これにより、誘電体電極２１に印加される電圧を７．０ｋＶ以下に抑えつつ、オゾンの発生効率（以下、オゾン発生効率と言う）の減少を、所定の許容減少率内に収めることができるので、オゾン発生装置１０の信頼性を維持しつつ、オゾン発生装置１０の小型化および低コスト化を実現することができる。

図３は、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置において交流電源の周波数に対するオゾン発生効率および印加電圧の関係の一例を示す図である。図３において、一方の縦軸はオゾン発生効率（ｇ／ｋＷｈ）を表し、他方の縦軸は印加電圧Ｖｏｐ（Ｖ）を表し、横軸は誘電体電極に印加する交流電源の周波数（言い換えると、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数）を表す。また、図３に示すオゾン発生効率は、原料ガスのガス圧が０．１８ＭＰａであり、かつ放電ギャップ２２のギャップ長ｄが０．３８ｍｍの場合におけるオゾン発生装置１０におけるオゾン発生効率を示している。

図３に示すように、印加電圧Ｖｏｐは、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数が上がると、低下していく。ここで、印加電圧Ｖｏｐが９．９ｋＶである場合の実効電圧Ｖｒｍｓは７．０ｋＶとなる。すなわち、印加電圧Ｖｏｐと実効電圧Ｖｒｍｓは、Ｖｏｐ＝√２・Ｖｒｍｓの関係にある。よって、印加電圧Ｖｏｐを９．９ｋＶ以下にするためには、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数は、２．０ｋＨｚ以上にする必要がある。ただし、オゾン発生効率も、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数が高くなるに従って低下するため、オゾン発生効率の減少を所定の許容減少率（例えば、２％）内に収めるためには、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数を、４．５ｋＨｚ以下にする必要がある。

以上の理由より、本実施形態にかかるオゾン発生装置１０は、原料ガスのガス圧を０．１８ＭＰａとしかつギャップ長ｄを０．３８ｍｍとした場合における、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数を２．０〜４．５ｋＨｚの間とする。これにより、誘電体電極２１に印加される実効電圧Ｖｒｍｓを７．０ｋＶ以下に抑えつつ、オゾン発生効率の減少を、所定の許容減少率内に収めることができるので、オゾン発生装置１０の信頼性を維持しつつ、オゾン発生装置１０の小型化および低コスト化を実現することができる。

このように、第１の実施形態にかかるオゾン発生装置１０によれば、オゾン発生装置１０の信頼性を維持しつつ、オゾン発生装置１０の小型化および低コスト化を実現することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、原料ガスのガス圧を０．１４〜０．２２ＭＰａとしかつギャップ長を０．９ｍｍとした場合に、インバータから出力される交流電源の周波数を１．０〜３．４ｋＨｚの間とする例である。なお、第２の実施形態では図１で示したものとほぼ同じ装置構成であることから、以下の説明では、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。

本実施形態では、オゾン発生装置１０は、気密容器１５内に導入する原料ガスのガス圧を０．１４〜０．２２ＭＰａとしかつギャップ長ｄを０．９ｍｍとした場合に、１．０〜３．４ｋＨｚの間となる所定周波数の交流電源を放電ギャップ２２に印加して、誘電体バリア放電を発生させる。これにより、誘電体電極２１に印加される電圧を７．０ｋＶ以下に抑えつつ、オゾン発生効率の減少を、所定の許容減少率内に収めることができるので、オゾン発生装置１０の信頼性を維持しつつ、オゾン発生装置１０の小型化および低コスト化を実現することができる。

図４は、第２の実施形態にかかるオゾン発生装置における交流電源の周波数に対するオゾン発生効率および印加電圧の関係の一例を示す図である。図４において、一方の縦軸はオゾン発生効率（ｇ／ｋＷｈ）を表し、他方の縦軸は印加電圧Ｖｏｐ（Ｖ）を表し、横軸は誘電体電極２１に印加する交流電源の周波数を表す。また、図４に示すオゾン発生効率は、原料ガスのガス圧が０．１８ＭＰａであり、かつ放電ギャップ２２のギャップ長ｄが０．９ｍｍである場合におけるオゾン発生装置１０のオゾン発生効率を示している。

図４に示すように、印加電圧Ｖｏｐは、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数が上がると、低下していく。ここで、印加電圧Ｖｏｐが９．９ｋＶである場合の実効電圧Ｖｒｍｓは７．０ｋＶとなり、印加電圧Ｖｏｐと実効電圧Ｖｒｍｓは、Ｖｏｐ＝√２・Ｖｒｍｓの関係にある。よって、印加電圧Ｖｏｐを９．９ｋＶ以下にするためには、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数は、１．０ｋＨｚ以上にする必要がある。ただし、オゾン発生効率も、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数が高くなるに従って低下するため、オゾン発生効率の減少を所定の許容減少率（例えば、２％）内に収めるためには、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数を、３．４ｋＨｚ以下にする必要がある。

以上の理由により、本実施形態にかかるオゾン発生装置１０は、原料ガスのガス圧を０．１８ＭＰａとしかつギャップ長ｄを０．９ｍｍとした場合における、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数を１．０〜３．４ｋＨｚの間とする。これにより、誘電体電極２１に印加される電圧を７．０ｋＶ以下に抑えつつ、オゾンの発生効率の減少を、所定の許容減少率内に収めることができるので、オゾン発生装置１０の信頼性を維持しつつ、オゾン発生装置１０の小型化および低コスト化を実現することができる。

このように、第２の実施形態にかかるオゾン発生装置１０によれば、オゾン発生装置１０の信頼性を維持しつつ、オゾン発生装置１０の小型化および低コスト化を実現することができる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、原料ガスのガス圧を０．２２〜０．３ＭＰａとしかつギャップ長を０．３８ｍｍとした場合に、インバータから出力される交流電源の周波数を２．０〜５．０ｋＨｚの間とする例である。なお、第３の実施形態も第２の実施形態と同様に、図１に示したものとほぼ同じ装置構成であることから、以下の説明では、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。

本実施形態では、オゾン発生装置１０は、気密容器１５内に導入する原料ガスのガス圧を０．２２〜０．３ＭＰａとしかつギャップ長ｄを０．３８ｍｍとした場合に、２．０〜５．０ｋＨｚの間となる所定周波数の交流電源を放電ギャップ２２に印加して、誘電体バリア放電を発生させる。これにより、誘電体電極２１に印加される電圧を７．０ｋＶ以下に抑えつつ、オゾン発生効率の減少を所定の許容減少率内に収めることができるので、オゾン発生装置１０の信頼性を維持しつつ、オゾン発生装置１０の小型化および低コスト化を実現することができる。

図５は、第３の実施形態にかかるオゾン発生装置における交流電源の周波数に対するオゾン発生効率および印加電圧の関係の一例を示す図である。図５において、一方の縦軸はオゾン発生効率（ｇ／ｋＷｈ）を表し、他方の縦軸は印加電圧Ｖｏｐ（Ｖ）を表し、横軸は誘電体電極２１に印加する交流電源の周波数を表す。また、図５に示すオゾン発生効率は、原料ガスのガス圧が０．２６ＭＰａであり、かつ放電ギャップ２２のギャップ長ｄが０．３８ｍｍである場合におけるオゾン発生装置１０のオゾン発生効率を示している。

図５に示すように、印加電圧Ｖｏｐは、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数が上がると、低下していく。ここで、印加電圧Ｖｏｐが９．９ｋＶである場合の実効電圧Ｖｒｍｓは７．０ｋＶとなり、印加電圧Ｖｏｐと実効電圧Ｖｒｍｓは、Ｖｏｐ＝√２・Ｖｒｍｓの関係にある。よって、印加電圧Ｖｏｐを９．９ｋＶ以下にするためには、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数は、２．０ｋＨｚ以上にする必要がある。ただし、オゾン発生効率も、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数が高くなるに従って低下するため、オゾン発生効率の減少を所定の許容減少率（例えば、２％）内に収めるためには、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数を、５．０ｋＨｚ以下にする必要がある。

以上の理由により、本実施形態にかかるオゾン発生装置１０は、原料ガスのガス圧を０．２６ＭＰａとしかつギャップ長ｄを０．３８ｍｍとした場合における、インバータ２０３から出力される交流電源の周波数を２．０〜５．０ｋＨｚの間とする。これにより、誘電体電極２１に印加される電圧を７．０ｋＶ以下に抑えつつ、オゾンの発生効率の減少を、所定の許容減少率内に収めることができるので、オゾン発生装置１０の信頼性を維持しつつ、オゾン発生装置１０の小型化および低コスト化を実現することができる。

このように、第３の実施形態にかかるオゾン発生装置１０によれば、オゾン発生装置１０の信頼性を維持しつつ、オゾン発生装置１０の小型化および低コスト化を実現することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０オゾン発生装置
１１オゾン発生装置本体
１３電源装置
２１誘電体電極
２２放電ギャップ
２３金属電極
２０１商用電源
２０２コンバータ
２０３インバータ

Claims

金属電極と、
前記金属電極との間に、ガス圧が０．１４〜０．２２ＭＰａの原料ガスが流入されかつ０．９ｍｍの放電ギャップを有する誘電体電極と、
商用電源として供給される交流電源を直流電源に変換するコンバータと、前記直流電源を、１．０〜３．４ｋＨｚの間となる所定周波数の交流電源に変換するインバータとを有し、前記所定周波数に変換した前記交流電源を、前記誘電体電極に印加して、前記原料ガス中で放電させ、当該放電によりオゾンを発生させる電源装置と、
を備えたオゾン発生装置。
金属電極との間に、ガス圧が０．１４〜０．２２ＭＰａの原料ガスが流入されかつ０．９ｍｍの放電ギャップを有する誘電体電極に電源を印加する電源装置であって、
商用電源として供給される交流電源を直流電源に変換するコンバータと、
前記直流電源を、１．０〜３．４ｋＨｚの間となる所定周波数の交流電源に変換するインバータと、を備え、
前記所定周波数に変換した前記交流電源を、前記誘電体電極に印加して、前記原料ガス中で放電させ、当該放電によりオゾンを発生させる、電源装置。