(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却塔水槽からの水と、オゾナイザで発生したオゾンとを混合してオゾン溶解槽に導入し、前記オゾン溶解槽において気相オゾンを液相に溶解させてオゾン溶解水を生成すると共に、前記オゾン溶解水を前記冷却塔水槽に送り、前記冷却塔水槽の上部から冷却フィンを有する熱交換器に散布した後、前記冷却塔水槽に戻し循環させるように構成された冷却塔のオゾン殺菌装置において、
前記冷却塔水槽を循環する前記オゾン溶解水中の溶存オゾン濃度を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、予めパラメータを入力した前記オゾナイザの制御ユニットに、水質、細菌数、気相オゾン濃度のいずれかの指標を測定値として入力し、オゾン殺菌が出来かつ余剰オゾンを最小にするように前記オゾナイザのオゾン発生量を制御すると共に、
前記冷却塔水槽を循環する前記オゾン溶解水中の水質としてｐＨ、温度、電気伝導率、溶存オゾン濃度、硝酸イオン、酸素消費量の少なくとも一つを検出して前記オゾン溶解水へのオゾン注入量またはオゾン注入間隔を決め、
前記オゾン溶解水中の溶存オゾン濃度が0.1 ppmから1 ppmの間になるように制御する
ことを特徴とする冷却塔のオゾン殺菌装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記冷却塔水槽を循環する前記オゾン溶解水中の細菌密度の指標として、一般細菌、大腸菌群、レジオネラ菌の少なくとも一種の単位体積当りのコロニー数を検出して前記オゾン溶解水へのオゾン注入量またはオゾン注入間隔を決めることを特徴とする請求項１に記載の冷却塔のオゾン殺菌装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記冷却塔近傍の気相オゾン濃度を検出して前記オゾン溶解水へのオゾン注入量またはオゾン注入間隔を決めることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却塔のオゾン殺菌装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記冷却塔水槽を循環する前記オゾン溶解水中の水質の指標と細菌数密度の指標と気相オゾン濃度の少なくとも一つを連続的に検出し、その検出情報に基づき前記オゾン溶解水へのオゾン注入量及びまたはオゾン注入間隔を定めることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却塔のオゾン殺菌装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記熱交換器の冷却フィンにおける30年間の銅腐食減量が0.2mm以下
になるように前記オゾン溶解水へのオゾン注入量を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却塔のオゾン殺菌装置。
【請求項６】
冷却塔水槽からの水と、オゾナイザで発生したオゾンとを混合したオゾン溶解水を前記冷却塔水槽の上部から熱交換器に散布した後、前記冷却塔水槽に戻し循環させるようにした冷却塔のオゾン殺菌方法において、
予めパラメータを入力した前記オゾナイザの制御ユニットに、水質、細菌数、気相オゾン濃度のいずれかの指標を測定値として入力し、オゾン殺菌が出来かつ余剰オゾンを最小にするように前記オゾナイザのオゾン発生量を制御すると共に、
前記冷却塔水槽を循環する前記オゾン溶解水中の水質としてｐＨ、温度、電気伝導率、溶存オゾン濃度、硝酸イオン、酸素消費量の少なくとも一つを検出して前記オゾン溶解水へのオゾン注入量またはオゾン注入間隔を決め、
前記オゾン溶解水中の溶存オゾン濃度が0.1 ppmから1 ppmの間になるように制御する
ことを特徴とする冷却塔のオゾン殺菌方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却塔のオゾン殺菌装置及びオゾン殺菌方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビルの冷却システムにおいては、ビル内の各種の被冷却体を冷却することにより温度上昇した冷却水は、ビルの屋上などに設置された冷却塔に送られ、冷却塔内で冷却され、再び被冷却体に送られてそれを冷却する。
しかしながら、冷却塔内の熱交換器に設けられた冷却フィン表面に細菌が増殖するとバイオフィルムが形成され、スケール付着の結合剤として作用しフィルムの厚さが増し冷却能力の低下を引き起こす。
さらに、レジオネラ菌族を含む水滴の飛散でレジオネラ症に感染する場合がある。
レジオネラ症は患者報告数が増加傾向にあり、このため塩素消毒が義務付けるなどの種々の対策が講じられている。
塩素消毒を行っているにもかかわらずレジオネラ菌に対して十分な抑制効果が得られていない場合がある（非特許文献１）。
【０００３】
非特許文献２は、開放式冷却塔における循環水および散布水においてレジオネラ属菌が100CFU/100ミリリットル以上検出された場合、その循環系の清掃、消毒を推奨し、また、清掃、消毒等の対策実施後において、循環水及び散布水におけるレジオネラ属菌の検出数を10CFU/100ミリリットル未満に維持するように推奨している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】中室克彦,他, 「Legionella の低濃度オゾン殺菌に及ぼす温度及びpHの影響」,防菌防黴,40.75-79,2012
【非特許文献２】厚生省生活衛生局企画課監修、財団法人ビル管理教育センター発行「新版  レジオネラ症防止指針（平成15年5月  5刷発行）」
【非特許文献３】R.J.Strittmater,et al,Application of Ozone in Cooling Water Systems, Presented at the National Association of Corrosion Engineers Corrosion ’92 Meeting,Nashville,Tennessee,April 27-May 1,1992
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2000-157985号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらを予防するためにオゾンによる殺菌が有効と考えられる。
しかしながら、冷却塔内の熱交換器の冷却フィンに金属（例えば銅）が使われている場合、オゾンによる金属（銅）冷却フィンの腐食が問題となり、実用上30年間の使用に耐える金属（銅）冷却フィンの設計が求められる（非特許文献３）。
【０００７】
オゾンは酸化力が強く、殺菌効果も顕著であるが、過剰のオゾンの使用は初期費用、維持費用が高くなり経済性の面で問題になるばかりでなく、大気中に放散されるとオゾン臭気の存在や、オゾンを吸入する人体に有害であり、安全面、健康面で問題となる。
【０００８】
特許文献１では冷却塔のオゾン殺菌装置において、用水の高温時にはレジオネラ菌を含む微生物が繁殖しやすくなるのでオゾン発生量を最大にし、低温時には微生物の繁殖が少なくなるのでオゾン発生量を減らし殺菌効果を維持しつつ運転及び保守費用を減少させることが記載されている。
温度を目安にしたオゾン注入量の調整は、温度変化と微生物増殖速度、繁殖状況の関係が穏やかであるので微生物の増殖・減少に応じて過不足の無いオゾン注入をすることが困難であり、殺菌効果、経済性、安全性が十分ではないという問題があった。
【０００９】
本発明は、効果的なレジオネラ菌の繁殖抑制と冷却フィン金属の腐食抑制を両立させ、かつ、経済性、安全性を確保した冷却塔のオゾン殺菌装置及びオゾン殺菌方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の冷却塔のオゾン殺菌装置は、冷却塔水槽からの水と、オゾナイザで発生したオゾンとを混合してオゾン溶解槽に導入し、前記オゾン溶解槽において気相オゾンを液相に溶解させてオゾン溶解水を生成すると共に、前記オゾン溶解水を前記冷却塔水槽に送り、前記冷却塔水槽の上部から冷却フィンを有する熱交換器に散布した後、前記冷却塔水槽に戻し循環させるように構成された冷却塔のオゾン殺菌装置において、
前記冷却塔水槽を循環する前記オゾン溶解水中の溶存オゾン濃度を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、予めパラメータを入力した前記オゾナイザの制御ユニットに、水質、細菌数、気相オゾン濃度のいずれかの指標を測定値として入力し、オゾン殺菌が出来かつ余剰オゾンを最小にするように前記オゾナイザのオゾン発生量を制御すると共に、
前記冷却塔水槽を循環する前記オゾン溶解水中の水質としてｐＨ、温度、電気伝導率、溶存オゾン濃度、硝酸イオン、酸素消費量の少なくとも一つを検出して前記オゾン溶解水へのオゾン注入量またはオゾン注入間隔を決め、
前記オゾン溶解水中の溶存オゾン濃度が0.1 ppmから1 ppmの間になるように制御するものである。
【００１１】
また、本発明の冷却塔のオゾン殺菌方法は、  冷却塔水槽からの水と、オゾナイザで発生したオゾンとを混合したオゾン溶解水を前記冷却塔水槽の上部から熱交換器に散布した後、前記冷却塔水槽に戻し循環させるようにした冷却塔のオゾン殺菌方法において、
予めパラメータを入力した前記オゾナイザの制御ユニットに、水質、細菌数、気相オゾン濃度のいずれかの指標を測定値として入力し、オゾン殺菌が出来かつ余剰オゾンを最小にするように前記オゾナイザのオゾン発生量を制御すると共に、
前記冷却塔水槽を循環する前記オゾン溶解水中の水質としてｐＨ、温度、電気伝導率、溶存オゾン濃度、硝酸イオン、酸素消費量の少なくとも一つを検出して前記オゾン溶解水へのオゾン注入量またはオゾン注入間隔を決め、
前記オゾン溶解水中の溶存オゾン濃度が0.1 ppmから1 ppmの間になるように制御するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の冷却塔のオゾン殺菌装置及びオゾン殺菌方法によれば、溶存オゾン濃度を0.1 ppmから1ppmの間の値に保つことで一般細菌を検出下限以下に抑制でき、かつ、熱交換器の銅冷却フィンの腐食を0.18mm/30年以下（冷却フィンの厚み0.6mm）に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態1を示す冷却塔のオゾン殺菌装置の概略構成を示した図である。
【図２】細菌（大腸菌）の生菌数と水中オゾン濃度の関係を示した図である。
【図３】細菌（大腸菌）を90％以上殺菌するに必要な溶存オゾン濃度を細菌とオゾンの接触時間の関係を表した図である。
【図４】オゾン殺菌条件と銅腐食の関係を調べたバッチ試験用の試験装置を説明した図である。
【図５】バッチ試験における水質の変化を示した図である。
【図６】バッチ試験における溶存オゾン濃度の変化を示した図である。
【図７】バッチ試験における気温と水温の関係を示した図である。
【図８】バッチ試験における銅冷却フィンの重量の変化と30年間腐食量を示した図である。
【図９】バッチ試験における銅冷却フィンの重量の変化と30年間腐食量を示した図である。
【図１０】腐食速度の文献値(非特許文献３)と実験値を比較した図である。
【図１１】バッチ試験におけるｐHの変化を示した図である。
【図１２】バッチ試験における電気伝導度の変化を示した図である。
【図１３】バッチ試験における硝酸イオン濃度の変化を示した図である。
【図１４】バッチ試験における酸消費量の変化を示した図である。
【図１５】バッチ試験における一般細菌数の変化を示した図である。
【図１６】冷却塔オゾン殺菌試験におけるオゾン溶解特性を示した図である。
【図１７】オゾナイザの電流とオゾン発生量の関係を示した図である。
【図１８】オゾナイザの電流と生成オゾン濃度の関係を示した図である。
【図１９】オゾナイザのオゾン発生量を制御するブロック図である。
【図２０】冷却塔オゾン殺菌試験におけるオゾン殺菌効果を示した図である。
【図２１】冷却塔オゾン殺菌試験におけるオゾン殺菌効果を示した図である。
【図２２】オゾン殺菌装置近傍の気相オゾン濃度の変化を示した図である。
【図２３】オゾン殺菌装置近傍の気相オゾン濃度の変化を示した図である。
【図２４】オゾン殺菌効果の持続を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態1を示す冷却塔のオゾン殺菌装置の概略構成を示した図である。
図１において、１はオゾナイザ、２はオゾン溶解槽、３はエゼクタ、４はポンプ、５はオゾン分解塔、６は冷却塔、７は冷却塔水槽、８は冷却塔の気相部、９は冷却塔の熱交換器、１０は冷却塔のポンプ、１１は送風機、１２はノズルである。
冷却塔水槽７からポンプ４で水を吸引し、エゼクタ３でオゾナイザ１で発生したオゾンを吸引混合しオゾン溶解槽２に導入する。
ここで気相オゾンを液相に溶解させ、未溶解の気相オゾンはオゾン分解塔５でオゾンを酸素に分解し無害化して大気へ放出する。
【００１５】
オゾン溶解水は冷却塔水槽７に送られ、ポンプ１０により冷却塔上部のノズル１２から熱交換器９に散布され、そこで気化熱を奪われた後、冷却塔水槽７に戻され、冷却塔内を循環する。
この過程で循環水中のレジオネラ菌を含む微生物は殺菌され、バイオフィルムの形成は抑制される。
ここで、熱交換器９は水の接触する部分の表面積を拡大するように多数の銅冷却フィンを有しており、導入管９ａを介して外部から導入された被冷却水を冷却した後、導出管９ｂを介して再び外部に導出する。
【００１６】
図２は細菌（大腸菌）の生菌数と水中オゾン濃度の関係を示した図である。
細菌の殺菌に必要な溶存オゾンは単位体積当りの細菌数に依存している。
細菌の致死効果は溶存オゾンの濃度Cとオゾン接触時間ｔの積Ctに依存する。
【００１７】
図３は図２の結果から細菌（大腸菌）の殺菌に必要とされる溶存オゾン濃度と反応時間を単位体積当りの細菌数の関数として表したものである。
この図から単位体積当りの細菌数が分かれば溶存オゾン濃度とオゾンとの接触時間を調整すれば殺菌できることが分かる。
この図では細菌として大腸菌を例にとって殺菌条件を明らかにしたが、単位体積当りの細菌数を既知とした一般細菌に対しても予め上述の殺菌に必要なCｔ特性を調べておけば溶存オゾン濃度とオゾンとの接触時間を調整すれば殺菌できる。
【００１８】
オゾン殺菌条件と熱交換器の銅冷却フィン腐食の関係を調べるため図４に示した試験装置を用いてバッジ試験を行った。
内容積100Lの三つのポリ容器にそれぞれオゾン溶解水の濃度を0ppm、0.1ppm、1ppmの３条件下に調整しモデル銅冷却フィンをセットし銅冷却フィンの腐食量の変化を３ケ月間にわたって調べ、30年間の使用に耐えるかを確認した。
１ケ月毎に水を入れ替え、試験開始前、並びに試験開始後１ケ月毎に水質並びに一般細菌数の分析を実施した。
【００１９】
モデル冷却フィンは材質C1220R、板厚0.6mmの銅板にステンレス管(304A)を貫通させ一体化したものを用いた。
多田電機製TNF-10型オゾナイザでオゾンを発生させた。
水中に溶解したオゾン濃度はエムケーサイエンティフィック社製ポータブル型溶存オゾン濃度計C105型を用いて測定した。
上記条件下で鉄フランジ（SS400,JIS10K15A）に保持したネオプレンゴムパッキンの劣化の度合いも評価した。  
【００２０】
図５に試験開始後約１ヶ月経過時点の供試ポリ容器中の水質の変化を示す。
図６に試験期間中の供試ポリ容器中の溶存オゾン濃度の変化を示す。
図７に試験期間中の供試ポリ容器中の水温とポリ容器近傍の大気の温度を示す。
【００２１】
オゾンを含まない原水噴霧に比較し0.1ppmオゾン水噴霧と1ppmオゾン水噴霧の場合は外観上は腐食が進行している。
銅冷却フィンの腐食減量の経時変化を基に30年間の腐食減量に換算した（図８、図９）。
噴霧時間の経過とともに腐食速度は減少し、原水、0.1ppm、1ppm噴霧の各ケースの腐食速度は一定値に収束する傾向を示した。
【００２２】
図１０に腐食速度の文献値（非特許文献３）との比較を示す。
試験開始から経時的に腐食速度は減少する傾向は本実験の場合と同様であり、本実験結果と文献値は概ね等価であった。
この結果、銅冷却フィンの30年間の腐食量は0.18mm以下であることが推察され厚さ0.6mmの銅冷却フィンは30年間の使用に耐えることが推察された。
【００２３】
図１１から図１４までは試験期間中の各種水質の指標（ｐH、電気伝導度、硝酸イオン、酸素消費量）の経時変化を示す。
ｐHはオゾン注入量が増大とともに低下する（図１1）、電気伝導度と硝酸イオン濃度はオゾン注入量が増大とともに増加する（図１２、図１３）。
【００２４】
図１５は試験期間中の一般細菌数の変化、即ち、オゾン殺菌の効果を示した図である。原水中の一般細菌数は104から105個/mLのレベルであった。
0.1ppmオゾン水噴霧の場合は原水中の菌数に比較し1/10以下であり不検出の場合もあった。
1ppmオゾン水噴霧の場合は全期間にわたって一般細菌は検出されず試験期間中の完全な殺菌効果が認められた。
【００２５】
上記条件下で鉄フランジ（SS400,JIS10K15A）に保持したネオプレンゴムパッキンの劣化の度合いも評価した結果、供試ネオプレンゴムパッキンはオゾン未処理品、オゾン処理品のいずれも圧縮試験による変形、亀裂、割れ等は生じず0.6MPaの耐圧試験をクリアし劣化は認められなかった。
【００２６】
以上の検討結果から、オゾン溶解濃度を0.1 ppmから1ppmの間に制御することにより、効果的な細菌の繁殖抑制と冷却フィン金属の腐食抑制を両立させることが明らかになった。
また、単位体積当りの細菌数を既知とした一般細菌に対しても予め上述の殺菌に必要なCｔ特性を調べておけば溶存オゾン濃度とオゾンとの接触時間を調整することができる。
オゾン注入の量、注入期間の長さに対応して水質(ｐH、電気伝導度、等)が変化することが明らかになり、水質の指標を適宜、検出、または連続検出し最適なオゾン注入量を決めることができることが明らかになった。
【００２７】
次に、実施の形態１における他の特性等について説明する。
（オゾン溶解特性）
図１６に図１のオゾナイザ１で生成されるオゾンガスの濃度（オゾナイザ出口）とオゾン溶解槽２の出口のオゾン溶解水の溶存オゾン濃度（戻り水Ａ）冷却塔水槽７からポンプ４を経てエゼクタ３へ供給される冷却水槽出口の溶存オゾン濃度（バルク水Ｂ）の各濃度変化を記す。
【００２８】
（オゾン発生特性）
図１７と図１８に供試オゾナイザのオゾン発生特性を示す。
原料ガスの流量と電流を調整することによりオゾン発生量とオゾン濃度を制御することができる。
【００２９】
図１９はオゾナイザのオゾン発生量を制御するブロック図を示したものであり、タッチパネル２１からとして予めパラメータと目標値ＳＶを入力したオゾナイザのＰＩＤ制御ユニット２２に、水質、細菌数、気相オゾン濃度のいずれかを指標モニタ２３から測定値ＰＶとして入力し、オゾナイザ電源２４にオゾン殺菌が出来かつ余剰オゾンを最小にする制御値ＭＶに対応する制御信号を送りオゾン発生量を制御する。
【００３０】
図２０は連続試験に先立ち、細菌数の濃度とオゾン溶解濃度を大腸菌を指標とする細菌として選び、最低致死オゾン溶解濃度を調べた結果である。
１０４/mL程度の大腸菌に対して0.013mg/Lの溶存オゾン濃度で殺菌できることを示した。
【００３１】
水道水を用いた模擬冷却水系で有効塩素とオゾンの合計濃度が0.5ppm以下に制御された系での大腸菌の殺菌効果を図２１に示す。
オゾン処理前310個/mLがオゾン処理後に0個/mLに殺菌された。
実際の冷却塔循環水系の有効塩素とオゾンの合計濃度が0.5ppm以下に制御された系での一般細菌およびレジオネラ菌の殺菌効果を同じく図２１に示す。
オゾン処理前の一般細菌3.8×10３個/mL、レジオネラ菌8.0×10 CFU/100mLがオゾン処理後にそれぞれ0個/mL、10未満CFU/100mLと検出下限以下に殺菌された。
【００３２】
（水中オゾン濃度と気相オゾン濃度の関係）
図２２にオゾン注入後の冷却塔の気相部の気相オゾン濃度の変化を示す。
水中オゾン濃度が一定に保たれれば気相オゾン濃度はやがて一定値になる。
水中オゾン濃度が0.5 ppmの場合、平衡状態になったときの気相オゾン濃度は0.017ppm程度でオキシダントの環境基準0.06ppm以下であった。
図２３に冷却水の水槽出口（バルク）のオゾン濃度と冷却塔に供給するオゾン溶解水（戻り水）の濃度と冷却水の水槽出口（バルク）のオゾン濃度の関係を示す。
図２２と図２３の関係から冷却塔の所定の位置の気相オゾン濃度をモニタすることで水中（バルクの）オゾン濃度を推定でき、オゾン殺菌に必要とされる溶存オゾン濃度を推定できる。
【００３３】
（オゾン臭気）
オゾン処理期間中の冷却塔近傍のオゾン臭気は6段階臭気強度法の臭気強度1（やっと感知できる臭い（検知閾値濃度）程度であり臭気指数規則による問題のないレベル（臭気強度2.5以下）であった。
供試ポリタンクの水面から垂直に50cmの高さでのオゾン濃度はオゾン濃度計で0.01〜0.06ppmの範囲で環境基準以下の濃度であった。
【００３４】
図２４に冷却塔循環水におけるオゾン殺菌効果の持続についての結果を示す。
溶存オゾン濃度を0.5ppm、接触時間60分でオゾン殺菌を一度施すと一般細菌数は２ケ月程度で生菌数は回復するが、一方、レジオネラ菌は４ケ月経過後も検出限界以下（10CFU/100mL）未満）であった。
【００３５】
オゾン殺菌は常時オゾン注入する必要はなく、指標となる水質、細菌数、気相オゾン濃度のいずれかを検出しその指標の値に応じてオゾン注入濃度、オゾン注入時間、オゾン注入とオゾン注入しない時期の間隔を定めればよいことが明らかになった。
【００３６】
本実施の形態では水質の指標として溶存オゾン濃度、細菌の指標として一般細菌とレジオネラ菌を例にとりオゾン濃度を制御し金属の腐食を所定内に抑制しつつオゾン注入量を制限し余分のオゾンを使用しない経済的な冷却塔のオゾン殺菌装置および方法を示した。
【００３７】
循環水中の水質の指標としてｐH、温度、電気伝導率、硝酸イオン、酸素消費量の少なくともいずれかの一つを検出し参考にしてオゾン注入量または及びオゾン注入間隔を決めても同様な効果が得られる。
【００３８】
また、本実施の形態では、冷却フィンを有する熱交換器を用いた密閉式冷却塔について説明したが、充填材を用いた開放式冷却塔に適用しても少なくとも殺菌効果については同様の効果が得られる。
【００３９】
なお，本発明は，その発明の範囲内において，各実施の形態を自由に組み合わせたり，各実施の形態を適宜，変形，省略することが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  オゾナイザ
２  オゾン溶解槽
３  エゼクタ
４  ポンプ
５  オゾン分解塔
６  冷却塔
７  冷却塔水槽
８  冷却塔気相部
９  熱交換器、  ９ａ  導入管、  ９ｂ  導出管
１０  ポンプ
１１  送風機
１２  ノズル
２１  タッチパネル
２２  ＰＩＤ制御ユニット
２３  指標モニタ
２４  オゾナイザ電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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