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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022114513
(43)【公開日】2022-08-08
(54)【発明の名称】オゾン発生装置
(51)【国際特許分類】
   C01B 13/11 20060101AFI20220801BHJP
【FI】
C01B13/11 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021010789
(22)【出願日】2021-01-27
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】598076591
【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】村田 隆昭
(72)【発明者】
【氏名】菅沼 亮太
(72)【発明者】
【氏名】橋本 美智子
(72)【発明者】
【氏名】久保 貴恵
(72)【発明者】
【氏名】深田 洋行
(72)【発明者】
【氏名】和田 英里佳
【テーマコード(参考)】
4G042
【Fターム(参考)】
4G042AA09
4G042CA01
4G042CB29
4G042CC04
4G042CC20
4G042CC21
4G042CD05
(57)【要約】
【課題】オゾン発生器における複数の放電管のいずれかが破損した場合に、破損した放電管に対応するヒューズを切断しやすくしたオゾン発生装置を提供する。
【解決手段】実施形態のオゾン発生装置は、金属電極と、互いに並列接続された複数の放電管と、前記金属電極と前記放電管との間に形成され、酸素を含む原料ガスが流入される放電ギャップと、前記放電管ごとに直列接続され、電流が流れて切断することで前記放電管への通電を遮断するヒューズと、前記放電ギャップにおける前記原料ガスで放電させてオゾンを発生させるために、前記放電管に対して電圧を印加する電源部と、前記複数の放電管と並列接続されたコンデンサと、を備え、前記複数の放電管のいずれかに異常が発生した場合、異常が発生した前記放電管に直列接続された前記ヒューズに対して前記コンデンサから短絡電流が流れて前記ヒューズを切断する。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属電極と、
互いに並列接続された複数の放電管と、
前記金属電極と前記放電管との間に形成され、酸素を含む原料ガスが流入される放電ギャップと、
前記放電管ごとに直列接続され、電流が流れて切断することで前記放電管への通電を遮断するヒューズと、
前記放電ギャップにおける前記原料ガスで放電させてオゾンを発生させるために、前記放電管に対して電圧を印加する電源部と、
前記複数の放電管と並列接続されたコンデンサと、を備え、
前記複数の放電管のいずれかに異常が発生した場合、異常が発生した前記放電管に直列接続された前記ヒューズに対して前記コンデンサから短絡電流が流れて前記ヒューズを切断する、オゾン発生装置。
【請求項2】
以下の(5)式を満たす、請求項1に記載のオゾン発生装置。
1/2(C+C)Vop -1/2(C+C)Varc
Ra/R・C・ρ・n・πr・L・(T-T) ・・・式(5)

:VQ(印加電圧V:移動電荷量Q)リサジュー図形の傾き
:コンデンサの静電容量
op:印加電圧のゼロ-ピーク電圧
:放電管の誘電体の静電容量Cgと放電ギャップの静電容量Coの直列静電容量
arc:ヒューズが溶断した際のヒューズエレメント蒸気のアーク電圧
Ra:太線部と細線部からなるヒューズエレメントの全体の抵抗
R:ヒューズエレメントの細線部の抵抗
C:ヒューズエレメントの比熱
ρ:ヒューズエレメントの密度
n:ヒューズエレメントの細線部の本数
π:円周率
r:ヒューズエレメントの細線部の断面の半径
L:ヒューズエレメントの細線部の長さ
:ヒューズエレメントの融点
:オゾン発生装置の通常動作時のヒューズエレメントの温度

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、オゾン発生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、オゾン発生器における複数の放電管のいずれかが破損した場合に、破損した放電管に対応するヒューズに大電流が流れて切断することで、その放電管への通電を遮断しつつ、残りの放電管を用いたオゾン発生を継続可能とするオゾン発生装置がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第5677344号公報
【特許文献2】特許第5439556号公報
【特許文献3】特許第6526581号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記の従来技術においては、例えば、特に放電管の数が少ない小規模のオゾン発生装置の場合、破損した放電管に対応するヒューズに流れる電流が比較的小さいことでヒューズが切断しにくいという問題があった。
【0005】
そこで、本発明の実際形態の課題は、オゾン発生器における複数の放電管のいずれかが破損した場合に、破損した放電管に対応するヒューズを切断しやすくしたオゾン発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
実施形態のオゾン発生装置は、金属電極と、互いに並列接続された複数の放電管と、前記金属電極と前記放電管との間に形成され、酸素を含む原料ガスが流入される放電ギャップと、前記放電管ごとに直列接続され、電流が流れて切断することで前記放電管への通電を遮断するヒューズと、前記放電ギャップにおける前記原料ガスで放電させてオゾンを発生させるために、前記放電管に対して電圧を印加する電源部と、前記複数の放電管と並列接続されたコンデンサと、を備え、前記複数の放電管のいずれかに異常が発生した場合、異常が発生した前記放電管に直列接続された前記ヒューズに対して前記コンデンサから短絡電流が流れて前記ヒューズを切断する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1図1は、本実施形態にかかるオゾン発生装置の動作原理の説明図である。
図2図2は、本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3図3は、本実施形態にかかるオゾン発生装置を等価回路で表した図である。
図4図4は、本実施形態にかかるオゾン発生装置における放電管の破損時の動作の説明図である。
図5図5は、本実施形態にかかるオゾン発生装置の通常動作時の電気特性を示すグラフである。
図6図6は、本実施形態にかかるオゾン発生装置の異常時の電気特性を示すグラフである。
図7図7は、比較例にかかるオゾン発生装置を等価回路で表した図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、添付図面を用いて、本発明の実施形態にかかるオゾン発生装置の一例について説明する。
【0009】
まず、図1を参照して単管(放電管が1つ)のオゾン発生装置の動作原理について説明した後に、図2を参照して複数管(放電管が複数)のオゾン発生装置の概略構成について説明する。
【0010】
図1は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Aの動作原理の説明図である。オゾン発生装置Aは、オゾン発生器1と、高電圧電源2と、電源装置3と、ヒューズ4と、高圧給電子5と、を備える。オゾン発生器1は、放電管10を内蔵し、交流電圧が放電管10の電極11に印加されることでオゾンを生成する。具体的には、オゾン発生器1は、放電管10と、放電管10に取付けられた電極11と、金属電極12と、スペーサ13と、放電ギャップ14と、を備える。
【0011】
放電管10は、例えば、ガラスやセラミックの誘電体で円筒状に形成され一端は開放し、もう一端はUの字の形状で、その内面に導電性の金属(例えば、ステンレス)を蒸着させた電極11を有する。電極11は、高圧給電子5と接続される。
【0012】
金属電極12は、例えば、ステンレス鋼製等で電極11と同軸の円筒状の電極である。また、金属電極12は、電極11との間に放電ギャップ14を形成するための複数のスペーサ13を有する。スペーサ13は、例えば、幅が0.3~1.3mm程度の放電ギャップ14を形成する突起である。放電ギャップ14には、酸素を含む原料ガスが流入する。
【0013】
高電圧電源2は、商用電源から交流電圧を入力し、電源装置3に高電圧の交流電圧を印加する。電源装置3から放電管10に高周波高電圧が印加されると、放電ギャップ14で誘電体バリア放電が発生し、原料ガスからオゾンが発生する。また、誘電体バリア放電で発生した熱は冷却水Wによって吸収される。
【0014】
ここで、図2は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Aの概略構成の一例を示す図である。図1に示すような単管の構成に比べてオゾン発生量を増やすためには、図2に示すように複数管をひとつの筐体内に設けた構成を用いることが多い。原料ガスである酸素、あるいは乾燥空気は、原料ガス導入口21aから筐体112内に導入され、ガス入口側空間111aを満たす。
【0015】
その後、原料ガスは、放電管10と端板151(金属電極)等によって形成される放電ギャップ14内に導入され、誘電体バリア放電によって酸素分子が酸素原子に解離し、他の酸素分子と結合することでオゾン化する。オゾン化ガスは、放電ギャップ14を通り抜けて筐体113と端板152によって形成される出口側空間111bを満たし、オゾン化ガス排出口21bから外部に取り出される。
【0016】
放電管10の内部にはステンレスウール19を介して固定電極18が設けられる。また、それぞれの放電管10に対応してヒューズ4が設けられる。ヒューズ4には電源装置3から高周波高電圧が印加され、さらにこの高周波高電圧によって放電電圧以上の電圧が放電ギャップ14に印加されることで放電ギャップ14で誘電体バリア放電が発生する。誘電体バリア放電で発生した熱は、冷却水導入口21cから導入され冷却水によって閉鎖空間17内で吸収される。冷却水は、その後、冷却水排出口21dから外部に排出される。このようにして、放電ギャップ14内の原料ガスの温度上昇を抑制し、高濃度かつ高収率のオゾンを得ることができる。生成されるオゾンは、例えば、処理すべき水の脱臭、脱色、殺菌等の水処理に用いられる。
【0017】
ヒューズ4は、対応する放電管10が絶縁破壊により破損した際、過電流を遮断する。そうして、破損した放電管10を切り離すことによって停止することなく運転を継続することが可能となり、安定したオゾン供給ができる。
【0018】
次に、図3を参照して、本実施形態にかかるオゾン発生装置Aの等価回路について説明する。図3は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Aを等価回路で表した図である。電源装置3は、コンバータ31と、コンデンサCsと、インバータ32と、トランスTrと、コイルLrと、コンデンサCpと、を備える。
【0019】
コンバータ31は、高電圧電源2から受け取った高電圧の交流電圧を直流電圧に変換する。コンデンサCsは、コンバータ31とインバータ32の間に配置され、整流等の役割を果たす。
【0020】
インバータ32は、直流電圧を、予め設定された周波数(例えば1kHz~5kHz程度)の交流電圧に変換して出力する。コイルLrは、トランスTrとオゾン発生器1との間に配置され、補償等の役割を果たす。トランスTrは、インバータ32から出力された交流電圧を高電圧に昇圧する。
【0021】
また、ヒューズ4は、放電管10ごとに直列接続され、電流が流れて切断することで放電管10への通電を遮断する。
【0022】
また、オゾン発生器1の等価回路では、放電管10の電極11の静電容量Cg(Cg1~Cg3)と放電ギャップ14のつくる静電容量Co(Co1~Co3)の直列接続となる。放電ギャップ電圧Voが放電維持電圧Vを越えると放電ギャップ14にバリア放電が発生する。バリア放電は定電圧特性をもつため、放電中は放電維持電圧Vを保持する。この特性はツエナー・ダイオードの降伏電圧が放電維持電圧Vであるという特性と同等なので、放電部の等価回路はツエナー・ダイオード15で表される。放電部はこのように容量性負荷のため、力率を1に近づけるために放電部の容量を打ち消すようにコイルLrを直列あるいは並列に接続する。
【0023】
そして、放電管10が破損した場合、つまり、例えば、放電管10に直径1mm程度のピンホールが形成された場合、短絡電流が流れるため、まず、破損していない正常な他の放電管10の静電容量Coと静電容量Cgに荷電していた電荷が破損した放電管10に流れ込むことになる。大容量(つまり放電管10が多い)のオゾン発生装置Aではそれによって過電流が流れ、破損した放電管10に接続しているヒューズ4が溶断し、破損した放電管10を自動的に切り離す。
【0024】
しかし、小容量(つまり放電管10が少ない)のオゾン発生装置Aではこの短絡電流だけではヒューズ4を溶断するには不十分な場合があり、電源装置3からの電流の流れ込みが必要な場合がある。また、電源装置3に設けた保護回路のため、電源装置3からの電流の流れ込みが抑制される場合があり、ヒューズ4を溶断することができないことがある。従来、その場合、オゾン発生装置Aを停止することなく運転することが困難で、安定した運転ができない課題があった。
【0025】
この点について、図7を用いて説明する。図7は、比較例(従来技術)にかかるオゾン発生装置A’を等価回路で表した図である。図7は、図3と比較して、コンデンサCpが無い点で異なっている。この場合、上述のように、特に小容量(つまり放電管10が少ない)のオゾン発生装置A’では、放電管10の破損時に、他の放電管10からの短絡電流だけではヒューズ4を溶断するには不十分な場合があった。
【0026】
そこで、以下では、オゾン発生器1における複数の放電管10のいずれかが破損した場合に、破損した放電管10に対応するヒューズ4を切断しやすくする技術について説明する。
【0027】
図3では、コンデンサCpが複数の放電管10と並列接続されている。複数の放電管10のいずれかが破損した際に、破損した放電管10に対応するヒューズ4に自動的にコンデンサCpからも短絡電流が流れてヒューズ4を切断することにより、安定してオゾンを発生し続ける高い信頼性をもってオゾンを生成できる。
【0028】
また、近年、オゾン発生装置Aの低コスト化が進んでおり、放電電力密度を従来の1.5kW/mから2.5~4kW/mに上げることで放電管10の数の削減を行うようになってきた。それにともない、放電管10の1本1本に流れる電流値が高くなってきている。そのため、従来のヒューズ4は定格電流が0.3Aのものを用いてきたが、最近では定格電流が0.7~1Aのヒューズ4が必要になってきている。定格電流ではヒューズ4が溶断しないようになっており、ヒューズ4のエレメント(以下「ヒューズエレメント」ともいう。)を太くするなどの対策をとっている。
【0029】
ヒューズ4は、放電管10が破損した場合にヒューズエレメントが短絡電流で溶断し、ヒューズエレメントの金属が溶融してアークプラズマを発生して電源周波数の電流がゼロ電圧になった瞬間に、アーク電圧が上がって切断する。
【0030】
ヒューズエレメントが溶融するのに必要なエネルギーUftは、以下の式(1)で表される。
Uft=C・ρ・πr・L・(T-T) ・・・式(1)
【0031】
C:ヒューズエレメントの比熱
ρ:ヒューズエレメントの密度
π:円周率
r:ヒューズエレメントの細線部の断面の半径
L:ヒューズエレメントの細線部の長さ
:ヒューズエレメントの融点
:オゾン発生装置の通常動作時のヒューズエレメントの温度
【0032】
式(1)はヒューズエレメントが1種類の細線の場合である。一方、大電流を遮断できるように、ヒューズ4を、2種類以上のヒューズエレメントを組み合わせた構成とする場合もある。つまり、比較的小型のオゾン発生装置Aでは細線部でヒューズエレメントを溶融させるが、比較的大型のオゾン発生装置Aでは組み合わせたより太いヒューズエレメントを溶融させて距離を稼ぎ、ヒューズエレメントの金属蒸気のアーク放電を電流ゼロ点で消弧させる構成である。その場合、ヒューズエレメントが溶融するのに必要なエネルギーUftは、以下の式(2)で表される。
Uft=Ra/R・C・ρ・πr・L・(T-T) ・・・式(2)
【0033】
Ra:太線部と細線部からなるヒューズエレメントの全体の抵抗
R:ヒューズエレメントの細線部の抵抗
【0034】
ヒューズエレメントが1種類の細線部の場合は、Ra=RなのでRa/R=1となり、式(2)は式(1)と同じになる。
【0035】
また、ヒューズエレメントとして、細線部を1本ではなく2本以上のより細い線を並列に使う構成もある。その場合、並列の細線部の本数をnとすると、ヒューズエレメントが溶融するのに必要なエネルギーUftは、以下の式(3)で表される。
Uft=Ra/R・C・ρ・n・πr・L・(T-T) ・・・式(3)
【0036】
ヒューズエレメントの細線部が1本の場合、n=1となり、式(3)は式(2)と同じになる。また、ヒューズエレメントの細線部を分割して、より太い線も分割して組み合わせた場合もあるが、その場合は分割した細線のトータルの長さをLとすればよい。
【0037】
また、放電管10が破損するのは、放電管10の材料であるガラスやセラミックが絶縁破壊することによる。絶縁破壊するのは電圧が高いときであるため、高周波電圧のゼロ-ピーク電圧Vop近いときに絶縁破壊が発生する。
【0038】
オゾン発生装置AのC(VQ(印加電圧V:移動電荷量Q)リサジュー図形の傾き)とIt(I:電流値。t:時間)の関係は次式で表される。一般に、ヒューズ4の特性を表すItの値は、温度上昇の時間変化が指数関数の場合、1/(√3)Iotoとなる。ここで、Ioはヒューズ4への突入電流のピーク値、toは減衰波形の時定数である。従来、この式でヒューズ4の切断を評価してきた。
【0039】
また、図4は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Aにおける放電管10の破損時の動作の説明図である。高電圧電源2の出力に対して、オゾン発生器1と並列にコンデンサCpを設けることで、破損した放電管10に対応するヒューズ4の切断が可能になる。図4に示すように、1つの放電管10(図4の×印)が破損した場合、短絡電流は健全な放電管10からの流れ込み電流に加えてコンデンサCpからの流れ込み電流が付加されることで、健全な放電管10からの流れ込み電流だけではヒューズ4を溶断できない小容量のオゾン発生装置Aにおいてもヒューズ4の切断が可能になる。
【0040】
並列に設けたコンデンサCpの静電容量をCpとすると、静電エネルギーの合計Uoは式(4)の通りである。
Uo=1/2(C+C)Vop -1/2(C+C)Varc ・・・式(4)
【0041】
:放電管の誘電体の静電容量Cgと放電ギャップの静電容量Coの直列静電容量
arc:ヒューズが溶断した際のヒューズエレメント蒸気のアーク電圧
【0042】
UoがUftより大きくなるようにコンデンサCpを設計することで、放電管10が破損した場合にヒューズ4を確実に溶断することが可能になる。つまり、以下の式(5)を満たせばよい。
1/2(C+Cp)Vop -1/2(C+C)Varc
> Ra/R・C・ρ・n・πr・L・(T-T) ・・・式(5)
【0043】
なお、静電容量Cが大きいほどインバータ32の電流容量を増やす必要があるため、静電容量Cはなるべく小さくしたい。
また、Varcは実測から数kVで、Vopは放電管10の端部の異常放電が発生しない電圧として例えばおよそ11kVである。
【0044】
このように、本実施形態のオゾン発生装置Aによれば、ヒューズ4の確実な溶断を実現し、安定したオゾン発生が可能となる。
【0045】
図5は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Aの通常動作時の電気特性を示すグラフである。高電圧電源2に共振回路を用いた際の電圧、電流波形を図5に示す。電圧波形がほぼ正弦波であるのは、共振回路として負荷の静電容量を打ち消すようにリアクトル(コイルLr)を直列に設けているため、フィルターとして作用し、共振周波数の周波数成分のみが増幅するからである。電流波形は本実施形態の負荷に並列につけたコンデンサCpに流れる電流により、角が表れている。
【0046】
図6は、本実施形態にかかるオゾン発生装置Aの異常時の電気特性を示すグラフである。図6に示すように、放電管10が破損した際(時刻t)、短絡電流が流れ、電圧がそのため低下した波形となる。短絡しても、共振のため設けたリアクトル(コイルLr)のLによるωLのインピーダンスによって電流が制限されることがわかる。電流波形で現れるパルス状の波形に対し、1/(√3)Iotoの電力がヒューズ4に流れ込む。負荷に並列につけたコンデンサCpの静電容量Cpを適正に選ぶことによって、ヒューズ4の溶断を生じさせて、回路を遮断できる。なお、時刻tの後、時刻tで電圧は0になっている。
【0047】
本実施形態の適用を行う共振回路を用いた回路では、ヒューズ4を溶断するエネルギーはオゾン発生装置Aの静電容量と追加したコンデンサCpの蓄積エネルギーから供給されるはずである。小容量のオゾン発生装置Aで健全な放電管10のもつ静電エネルギーUcは、以下の式(6)で表される。
Uc=1/2Cop -1/2Carc ・・・式(6)
【0048】
大容量のオゾン発生装置Aでは、UcがUftより大きいため、放電管10が破損した場合、ヒューズ4は健全な多数の放電管10から流れ込む短絡電流によって溶断し、破損した放電管10の電流は遮断される。しかし、小容量のオゾン発生装置Aでは、コンデンサCpが無いと、UcがUftより小さく、短絡電流が小さくて健全な放電管10からの電流だけではヒューズ4が溶断しない場合がある。
【0049】
このように、本実施形態のオゾン発生装置Aによれば、オゾン発生器1と並列にコンデンサCpを設けたことで、オゾン発生器1における複数の放電管10のいずれかが破損した場合に、破損した放電管10に対応するヒューズ4に大電流が流れるようにすることで切断しやすくした。これにより、放電管10の破損時に自動的にヒューズ4を溶断することが可能となり、安定したオゾン発生が可能となる。
【0050】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。この実施形態は、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。
【符号の説明】
【0051】
1…オゾン発生器、2…高電圧電源、3…電源装置、4…ヒューズ、5…高圧給電子、10…放電管、11…電極、12…金属電極、13…スペーサ、14…放電ギャップ、17…閉鎖空間、18…固定電極、19…ステンレスウール、112…筐体、113…筐体、151…端板、152…端板、A…オゾン発生装置
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7