(57)【要約】【課題】放電ギャップを均一に保つことができ、オゾン発生効率のよいオゾン発生装置を提供する。【解決手段】内管の内部が第一のガス室と連通し、外管の開放された他端部が第二のガス室と連通し、第一のガス室と第二のガス室との間をガスが放電空間を通って流れ、内管を高電圧電極として放電空間に交流電界を発生させることにより放電空間を流れるガスを放電させてオゾンを発生させるオゾン発生装置において、内管の内径よりも細い外径を有する支持パイプを内管に挿入し、支持パイプを第一のガス室と第二のガス室を分離するガス分離壁に貫通させて固定するようにした。【選択図】図１
2012121754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が閉鎖された筒状の容器である缶体の片方の端部側に位置し、ガス分離壁で区切られた第一のガス室と、上記ガス分離壁に対して上記第一のガス室の反対側に位置する第二のガス室と、この第二のガス室と冷媒分離壁で分離され冷媒が流れる冷媒室と、
断面円形で、一端部が閉塞され、他端部が開放された管状の外管の内部に、断面円形で、両端が開放された管状の内管を同軸状に配設し、上記外管の内面と上記内管の外面との間をスペーサにより所定間隔に保持して放電空間を設けることにより形成された放電管と
を備え、
上記外管の外面は上記冷媒で冷却されるとともに、
上記内管の内部が第一のガス室と連通し、上記外管の開放された他端部が上記第二のガス室と連通し、第一のガス室と第二のガス室との間をガスが放電空間を通って流れ、上記内管を高電圧電極として上記放電空間に交流電界を発生させることにより上記放電空間を流れるガスを放電させてオゾンを発生させるオゾン発生装置において、
上記内管の内径よりも細い外径を有する支持パイプを上記内管に挿入し、上記支持パイプを上記ガス分離壁に貫通させて固定したことを特徴とするオゾン発生装置。
【請求項２】
放電管の軸が重力方向に向いており、第一のガス室が缶体の最上部に位置し、支持パイプは内管よりも上方に突出して、上記支持パイプを上記内管よりも上方でガス分離壁に固定したことを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
【請求項３】
冷媒室内に、外管の周囲を支える支持板を設けたことを特徴とする請求項２に記載のオゾン発生装置。
【請求項４】
冷媒分離壁と冷媒上面との間に、外部雰囲気と流通可能な空気層を有することを特徴とする請求項２に記載のオゾン発生装置。
【請求項５】
冷媒分離壁が、第一の冷媒分離壁と、第二の冷媒分離壁とで構成され、上記第一の冷媒分離壁と上記第二の冷媒分離壁との間に、外部雰囲気と流通可能な空気層を有することを特徴とする請求項４に記載のオゾン発生装置。
【請求項６】
原料ガスが第一のガス室を通じて支持パイプから内管内部に導入され、上記原料ガスが外管の閉塞された一端部から放電空間に流れ込み、上記外管の開放された他端部から第二のガス室へ放電空間でオゾン化されたオゾン化ガスを取り出すよう構成したことを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
【請求項７】
内管全体が外管の内部に位置するとともに、支持パイプの内管に挿入された端部が閉塞され、上記支持パイプの内管に挿入された部分の側面にガス噴出孔を設け、原料ガスを内管内部に噴出させることを特徴とする請求項６に記載のオゾン発生装置。
【請求項８】
内管を導電性材料で構成し、外管を誘電体材料で構成したことを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
【請求項９】
外管の外面に導電層を形成し、この導電層を接地電位としたことを特徴とする請求項８に記載のオゾン発生装置。
【請求項１０】
外管の外面に近接して、または外管の外面に金属体を設け、この金属体を接地電位としたことを特徴とする請求項８に記載のオゾン発生装置。
【請求項１１】
冷媒室内に、外管の軸方向の一部の周囲を取り巻き、上記外管との間に冷媒が流れる隙
間を有する冷媒整流筒を設けたことを特徴とする請求項８に記載のオゾン発生装置。
【請求項１２】
冷媒噴出口から外管の周囲に向けて冷媒を噴出させて、冷媒を冷媒室内に導入することを特徴とする請求項８に記載のオゾン発生装置。
【請求項１３】
冷媒を導電性液体とするとともに、上記冷媒を導入する冷媒導入配管の内面、および冷媒を排出する冷媒排出配管の内面であって、冷媒室の開口から、少なくともそれぞれの管の直径とそれぞれ同じ距離まで絶縁被膜で覆われていることを特徴とする請求項８に記載のオゾン発生装置。
【請求項１４】
内管を誘電体材料で構成するとともに、この内管の内面に導電層を形成し、外管を導電性材料で構成して、この外管を接地電位としたことを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸素を含む原料ガス中での放電によりオゾンを生成するオゾン発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の同軸状の放電空間を持つオゾン発生装置（オゾナイザ）の放電部の構造には、（Ａ）管状の金属製の接地電極の内側に、放電空間と誘電体が配置され、誘電体の内側にメタライズなどで形成された高電圧電極が同心状に構成されるもの（例えば、特許文献１）、（Ｂ）管状の金属製の２重管において、外側を接地電極、内側を高電圧電極とし、適当な放電空間を残すように、相対する面のどちらかに誘電体層をライニングしたもの（例えば、特許文献２）、（Ｃ）接地電極として電解液を管状の誘電体の外側に配し、内側に放電空間を挟んで、金属製の高電圧電極を配したもの（例えば、特許文献３）がある。
【０００３】
これらどの方式においても、高電圧電極と接地電極の間に、1〜10kHz程度の高電圧交流を印加し、放電空間に流した酸素を含む原料ガス中で無声放電を発生させ、この放電により酸素をオゾンに変換してオゾンを生成する。この際、周辺温度が高いとオゾンが分解し、オゾン生成効率が低下するため（例えば特許文献２、３）、放電部を冷却している。冷却方法は通常、（Ａ）、（Ｂ）の場合は、接地電極の外側に冷却水を流しており、（Ｃ）の場合は電解液自体を冷媒として、誘電体を冷却している。さらに、放電ギャップが均一でないと、オゾン発生効率が低下するため、適切な放電空間を維持する必要がある。このため、放電ギャップに適当なスペーサを挿入し、ギャップ間距離が均一になるように構成している（例えば特許文献４）。
【０００４】
また、大容量のオゾナイザでは、オゾンの発生量を上げるため、オゾン発生管の長さを長くし、かつ本数を増やす必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2009-234861号公報
【特許文献２】特開2008-143729号公報
【特許文献３】特開2009-102177号公報
【特許文献４】特開2009-196823号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のオゾン発生装置は以上のように構成されており、放電ギャップの均一性は、スペーサにより確保されると考えられてきた。しかし、発明者等の詳細な検討の結果、特に大容量のオゾナイザでは、発生管が長い棒状の中空構造のため、外力が加わると、比較的簡単に曲がってしまい、スペーサだけでは放電ギャップの均一性を保つのが難しいことがわかってきた。以下に、従来の構造（Ａ）、（Ｂ）について、簡単に検討した例を示す。
【０００７】
放電ギャップは、通常、0.1〜1mm程度に設定されるが、仮にギャップの精度を±10%に
設定するとすれば、必要な精度は0.1mm以下となる。両端を固定して、接地管に外力がか
からないようにする場合、隔壁に設けられた接地管を通す多数の穴の軸を、0.1mm程度の
精度で１ｍ程離れて正対させる必要があるが、組立精度、隔壁の歪み、加工精度等、外乱が多く、この精度を保つのは技術的に大変困難である。通常の加工精度は、一つの加工機械で加工する場合で0.1%程度であるが、ここで要求されている精度が0.01%と、10倍以上
の高精度であることに加え、直径が１ｍ超、長さ1.２ｍ程度の被加工物を動かさずに加工できる機械は極めて高価なため、通常は、左右別々に穴加工せざるをえず、位置合わせ精度の確保も問題となる。仮に達成できたとしても、特殊なジグや工作機械、高度の工程管理が必要となり、大きなコストアップにつながる。
【０００８】
さらに、接地管自体の歪みという問題がある。肉厚1mm、外直径25mm、長さ1mのＳＵＳ
パイプは、500gの力で0.1mm程度撓む。従来の構造（Ａ）、（Ｂ）では、通常、接地管は
、両端が発生装置本体の冷却水とガスとの間の隔壁に、溶接、もしくは拡管により固定されているが、溶接や拡管により発生する応力はTon単位のため、kg単位の制御は難しく、
ＳＵＳパイプの肉厚を厚くしたり、スペーサの間隔を狭めて剛性を高めたとしても、0.1mm以下のギャップの精度を保つのは容易ではない。
【０００９】
以上より、接地管のシールのための両側支持構造自体が放電管の応力発生に大きく関係しており、放電管の歪みを抑制することでギャップ精度を向上し、オゾン発生効率を向上させるためには、放電管自体に応力が発生しにくく、撓みの小さい構造を取るのが望ましい。
【００１０】
一方、（Ｃ）の方式では、誘電体管、及び、高圧電極は一点で支持されおり、支持方法によるオゾン発生管の歪みは発生しない。しかし、この構造では、誘電体管と高圧電極を支持する蓋、及び分離壁に設けられた穴同士の位置と、誘電体管の軸を合わせないと、例え、Oリングシールのように、設置角度の尤度が高いシール方法をとったとしても、誘電
体管−高圧電極間に力がかかり、ギャップ間精度を低下させてしまう。しかも、この構造では、誘電体管が１点で支持されているが故に、誘電体管に角度方向の自由度が残り、誘電体管出口の位置精度が悪い。このため、誘電体管と高圧電極を支持する穴同士の位置を精度良く組み立てたとしても、誘電体管出口位置のばらつきにより、誘電体管−高圧電極間に力がかかり、ギャップ間精度が低下し、オゾン発生効率の低下につながるという問題がある。
【００１１】
（Ｃ）の方式のもう一つの問題は、水流による応力である。この方式は、片端で支持された誘電体に横方向の水流を当てて冷却している。冷却効率は、流速が早いほど高くなるため、冷却効率を上げるためには、流速を上げるのが望ましい。しかし、誘電管が受ける力も流速に比例して大きくなるため、誘電体管の軸と垂直な方向の力も大きくなり、あまり流速が大きいと、支持部に大きな応力が発生して、誘電体管が破損するという問題がある。また、これを避けるため、誘電体管のサポートを配置した場合は、水流による応力で誘電体管が歪み、ギャップ精度が低下するという問題がある。
【００１２】
（Ｃ）の方式のさらにもう一つの問題は、導電性冷媒を接地電極の代わりに用いていることである。安価な導電性冷媒は一般には水に電解質を溶かしたもの（電解液）であり、電気を流すことにより、陽極では酸化反応、陰極では還元反応が生じる。すなわち、導電性冷媒に接している金属は陽極電位になったときにイオン化され、溶液中に溶け出すことによって腐食が進む。このため、短周期でのメンテナンスが欠かせず、長期間の使用は難しいという問題がある。
【００１３】
（Ｃ）の方式のさらにもう一つの問題は、導電性冷媒とオゾン室が蓋を介して接触しており、長時間の運転では、シールを浸透したオゾンが導電性冷媒に溶け込むことである。これは、誘電体管と蓋の間は、金属同士ではないため溶接が出来ず、Oリング等のシール
を用いる必要上、オゾンの浸透を完全に防止するのが難しいこと、及び、オゾン発生器の導電性冷媒は２次側の閉ループで循環させるため、溶け込んだオゾン濃度が徐々に上がることによる。このため、循環系の腐食に十分なオゾン濃度に達した冷媒により、循環系が短期間に腐食するという問題がある。
【００１４】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、放電ギャップを均一に保つことができ、オゾン発生効率のよいオゾン発生装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明は、端部側に位置し、ガス分離壁で区切られた第一のガス室と、ガス分離壁に対して第一のガス室の反対側に位置する第二のガス室と、この第二のガス室と冷媒分離壁で分離され冷媒が流れる冷媒室とを有する、両端が閉鎖された筒状の容器である缶体と、断面円形で、一端部が閉塞され、他端部が開放された管状の外管の内部に、断面円形で、両端が開放された管状の内管を同軸状に配設し、外管の内面と内管の外面との間をスペーサにより所定間隔に保持して放電空間を設けることにより形成された放電管とを備え、外管の外面は冷媒で冷却されるとともに、内管の内部が第一のガス室と連通し、外管の開放された他端部が第二のガス室と連通し、第一のガス室と第二のガス室との間をガスが放電空間を通って流れ、内管を高電圧電極として放電空間に交流電界を発生させることにより放電空間を流れるガスを放電させてオゾンを発生させるオゾン発生装置において、内管の内径よりも細い外径を有する支持パイプを内管に挿入し、支持パイプをガス分離壁に貫通させて固定するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にかかるオゾン発生装置は、以上のように構成されているため、放電管にかかる応力がほとんどなく、放電管の歪みが無いため、放電ギャップを均一に保つことができる。これにより、オゾン発生効率のよいオゾン発生装置が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の放電管を複数配置した構成を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の支持板の構成を示す平面図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３によるオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。
【図６】この発明の実施の形態４によるオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。
【図７】この発明の実施の形態５によるオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。
【図８】この発明の実施の形態６によるオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。
【図９】この発明の実施の形態６によるオゾン発生装置の動作を説明するための等価回路図である。
【図１０】この発明の実施の形態６による別のオゾン発生装置の放電管部分を示す概略平面図である。
【図１１】この発明の実施の形態７によるオゾン発生装置を示す模式的な断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態７によるオゾン発生装置の動作を説明するための等価回路図である。
【図１３】この発明の実施の形態７によるオゾン発生装置の冷媒導入管および冷媒排出管部分の電位を説明する図である。
【図１４】この発明の実施の形態７によるオゾン発生装置の配管部分の電位を計算した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。大容量のオゾン発生装置は放電管が多数配置されているが、ここでは、本発明の要部を説明するために、放電管を１本のみ配置した図を用いる。また、図により構造が容易に把握できるよう、縮尺は、部材によって必ずしも同一の縮尺を用いていない。実物の寸法を把握できるよう、以下の説明において、部材の寸法などを適宜説明する。
【００１９】
図１において、内管である高電圧電極１は、ステンレスパイプ等の円管状の導電性材料からなり、交流高電圧を印加するための電極としての役目と、原料ガスを導入するためのガス導入管の役目を担う。外管である誘電体管２は、片側を閉塞した管状であり、ガラス等の誘電体からなる。高電圧電極１は、誘電体管２の開放されている端部である開放端部１６から挿通され、高電圧電極１の一端部１８は誘電体管２の閉塞された端部である閉塞端部１７近傍に配置されている。誘電体管２の内側面と高電圧電極１の外側面との間には、所定寸法の空隙を保つようスペーサ２２が設置されており、この空隙が放電空間４となる。高電圧電極１の一端部１８の反対側の端部である他端部１９は、本実施の形態では、誘電体管２の開放端部１６より外側に配置され、電源９から交流高電圧を印加するための給電ライン８と電気的に接続されている。
【００２０】
高電圧電極１の他端部１９には、栓２８を介して、ある程度曲がるよう形状に自由度のある、高電圧電極１よりも細い支持パイプ２９（テフロン（登録商標）チューブや、ステンレスパイプなど）が接続され、支持パイプ２９はガス分離壁１３を貫通し、端部は第一のガス室である原料ガス導入室１１内と連通するように配置されている。高電圧電極１が、直接ガス分離壁１３に接しておらず、高電圧電極１の位置と、ガス分離壁１３に開けられた穴との間の位置のずれを支持パイプ２９が吸収するため、高電圧電極１には力がかからず、その結果、誘電体管２と高電圧電極１との間に応力が発生することもない。さらに、支持パイプ２９を用いることで、高価な高電圧電極１の長さを短くでき、コストの削減につながる。なお、支持パイプ２９は、内管である高電圧電極１の内径よりも外径が細く、高電圧電極１よりも形状に自由度がある、すなわち柔軟性が高ければ良いが、支持パイプ２９の材料は絶縁を考慮すると、テフロン（登録商標）等の絶縁材料が望ましい。
【００２１】
誘電体管２の外周には、導電層３０（メタライズ、メッキ、金属薄膜、導電性塗料等により形成されたもの）が形成されており、導電層３０は、金属製の第一の冷媒分離壁７と電気的に接触させることで、電気的に接地されている。導電層３０の厚みは、例えば0.1
〜50μｍである。さらに、導電層３０の上には導電層３０への冷媒の侵入を防止して、導電層３０の腐食を抑止するための被膜３１（ワニス、防水塗料など）が形成されている。被膜３１の厚みは例えば50〜200μｍである。この被膜３１は、放電などにより、誘電体
管に穴があいたり、ひびが入ったりした場合でも、誘電体内部への冷媒１０の侵入を抑制する保護膜としての役目も担う。さらに、本実施の形態１では、冷媒１０の圧力が、誘電体内側の圧力より低くなるように構成されている。このように構成すると、仮に放電による損傷が保護膜まで貫通し、穴が開いた場合でも、ガスが冷媒中に泡となって噴出するため、ガスは誘電体管２内部には侵入しない。
【００２２】
冷媒室３は、その中に冷却水等の冷媒１０が入れられており、冷媒１０は、冷媒室３に設置されている冷媒入口２０より入水し、冷媒排出口２１から排水することにより冷媒室３の中を流れるようになっている。その際、冷媒は上部整流板２３、下部整流板２４によ
って、上下方向の流れに整流される。冷媒室３の上部には第一の冷媒分離壁７があり、第一の冷媒分離壁７の上部には、空気層２５を介して、第二の冷媒分離壁２６が配置される。
【００２３】
ここに空気層２５を配置するのは、（１）第一の冷媒分離壁７−誘電体管２間のシールに僅かな漏れが生じた場合に、オゾン側から冷却水にオゾンが流入し、冷媒１０に溶けて冷媒ポンプなどを腐食させる、（２）第一の冷媒分離壁７−誘電体管２間のシールに僅かな漏れが生じた場合に冷媒１０がオゾン領域に侵入すると、冷媒の作用によりオゾン生成効率が低下する可能性があるため、ここに空気層を設けることでそれらの可能性を無くし、信頼性を向上させるためである。尚、空気層２５には、僅かなオゾンが侵入する可能性があるため、ベント２７を設けて換気している。
【００２４】
第二の冷媒分離壁２６の上部には第二のガス室であるオゾン化ガス取出室１２がある。オゾン化ガス取出室１２の上部には、ガス分離壁１３を介して第一のガス室である原料ガス導入室１１がある。原料ガス導入室１１には原料ガス５を導入するための原料ガス導入口１４が設置されており、オゾン化ガス取出室１２にはオゾン化ガス６を取り出すためのオゾン化ガス取出口１５が設置されている。
誘電体管２は、第一の冷媒分離壁７、第二の冷媒分離壁２６を貫通し、その開放端部１６及びその近傍部分がオゾン化ガス取出室１２内にあり、それ以外の部分は冷却室３の中に入れられており、冷媒１０により冷却される。なお、第一のガス室である原料ガス導入室１１と第二のガス室であるオゾン化ガス取出室１２と冷媒室３とは全体として筒状の容器になっており、この筒状の容器全体を缶体７０と称する。
【００２５】
各部材の典型的な寸法を例示する。高電圧電極１の外径は19.6ｍｍ、内径は18.6ｍｍ、すなわち、肉厚0.5ｍｍのステンレスパイプを使用する。誘電体管２の内径は20ｍｍ、外
径は22ｍｍ、すなわち肉厚1ｍｍのガラス管を使用する。この例では、放電空間の空隙は0.2ｍｍとなる。また誘電体管２の長さは、例えば1100ｍｍで、高電圧電極１が誘電体管２から飛び出している長さは100ｍｍ程度とする。これらの寸法は、オゾン発生容量や、原料ガス、冷却能力などにより適宜設計されるものであり、上記寸法に固定されるものではないが、例えば上水処理に用いられるオゾン発生装置の放電管においては、上記の寸法前後が用いられる場合が多い。
【００２６】
以下、図１に示す本実施の形態に係るオゾン発生装置の動作を説明する。まず、酸素を含む原料ガス５を、原料ガス導入口１４から原料ガス導入室１１に導入し、原料ガス導入室１１を通じて高電圧電極１の他端１９から管の中に導入する。導入された原料ガス５は、支持パイプ２９を介して高電圧電極１の管の中を通り、その一端１８から誘電体管２の閉塞端部１７に排出され、放電空間４を通過して誘電体管２の開放端部１６から排出される。
【００２７】
酸素を含む原料ガス５を導入すると共に、給電ライン８を通じで電源９から高電圧電極１と、導電層３０との間に交流高電圧を印加して交流電界を発生させ、放電空間４に無声放電を発生させる。放電空間４を流れる原料ガス５に含まれる酸素分子は、無声放電における電子衝突により分離されて、酸素原子が生成される。その酸素原子と周辺にある酸素分子が再結合することにより、オゾンが生成される。生成されたオゾン化ガス６は、放電空間４を抜けて、誘電体管２の開放端部１６からオゾン化ガス取出室１２に排出され、オゾン化ガス取出口１５から取り出され、図示されていないが、例えば水処理装置などオゾンと接触する被処理物質のある装置、場所に供給される。
【００２８】
なお、本実施の形態１では、原料ガス５を原料ガス導入口１４から第一のガス室である原料ガス導入室１１へ導入し、原料ガス導入室１１から高電圧電極１内に供給し、放電空
間４でオゾン化し、第二のガス室であるオゾン化ガス取出室１２を通ってオゾン化ガス取出口１５から装置外部にオゾンを取り出すようにした。これとは逆に、第二のガス室１２を原料ガス導入室とし、第一のガス室１１をオゾン化ガス取出室として、第二のガス室１２から原料ガスを放電空間４に供給し、放電空間４でオゾン化して、オゾン化ガスが高電圧電極１内を通って第一のガス室１１にオゾン化ガスを取り出すような構成としても良い。以下の実施の形態においても、ガスの流れはいずれの方向であっても良い。
【００２９】
図２は、図１の模式的な断面図で示した放電管を、複数配置した場合の構成例の断面図である。図２において図１と同一符号は同一または相当する部分を示す。放電管５０は、図１に示したように、高電圧電極１、スペーサ２２、誘電体管２、導電層３０、被膜３１より構成される。図２において放電管５０は４本しか示されていないが、大容量のオゾン発生装置では放電管５０が１０００本程度配置されるものもある。図２に示す支持板６０は、搬送時等に放電管に無理な力がかからないように配置した板で、組立時に放電管５０に応力が発生しないように、ゴムなどの柔らかい素材で構成されている。図３に支持板６０の一例の詳細を示す。図３（Ａ）は、支持板６０を板面の垂直方向から見た図であり、放電管を支えるための孔が放電管の数だけ開けられている。また、図３（Ｂ）は、支持板の孔に放電管５０が挿入された状態を示す拡大図であり、放電管５０は、孔の周辺部から放電管５０に伸びる数本の支持部６１で支持されるとともに、冷媒が放電管５０の近傍を流れるように、冷媒通路６２が形成される構造となっている。この構成では、冷媒通路６２を通る冷媒の流速が大きいため、放電管５０の冷却効果が大きくなるという効果がある。
【００３０】
以上説明したように、本実施の形態１に係るオゾン発生装置においては、内管である高電圧電極１が、形状に自由度のあるパイプを介してガス分離壁１３に固定されているため、外管である誘電体管２と内管である高電圧電極１との間に応力が発生しない。この結果、誘電体管２と高電圧電極１の間の空隙である放電空間４の寸法、すなわち放電ギャップの精度が上がり、高効率なオゾン発生が可能となる。また、冷媒１０も上部整流板２３、下部整流板２４により、誘電体管２の軸に平行に流れるので、冷却効率を高めるため流速を上げたとしても、誘電体管２に横方向の応力は発生せず、誘電体管２が歪むこともない。
【００３１】
また、冷媒１０とオゾン化ガス取出室１２との間の隔壁に空気層２５を設け、オゾン／冷媒の僅かな漏洩があっても、機能上の問題が起きないように配慮し、信頼性を向上させている。ただし、空気層２５を設けるのは必須ではなく、冷媒室３と第二のガス室１２は第一の冷媒分離壁７のみで分離しても良い。さらに、導電層３０、被膜３１によって、また、外部より内部の圧力を高めることによっても絶縁破壊による誘電体の貫通破壊による放電管内部への冷媒侵入から守ることで、信頼性を向上させている。
【００３２】
一方、高電圧は、高電圧電極１と導電層３０の間に印加されるので、冷媒１０に電流が流れることはなく、冷媒室３の金属部が腐食することもない。
【００３３】
実施の形態２． 
図４は本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。図４において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態２は、実施の形態１における高電圧電極１の支持をより強固なものとする実施の形態である。まず、支持パイプ２９の内部に拡管パイプ２９１を挿入する。拡管パイプ２９１の外径は、パイプ２９の内径よりもわずかに大きく設定されている。パイプ２９を栓２８に挿入した後、拡管パイプ２９１をパイプ２９に挿入することによりパイプ２９と栓２８が強固に固着される。この状態で栓２８の外径は高電圧電極１の内径よりもわずかに大きくなっている。この栓２８にパイプ２９が固着された部材を高電圧電極１に挿入することにより、高電圧電
極１に栓２８が強固に固着される。また、パイプ２９の分離壁１３への取り付けは、例えば、分離壁１３にパイプ２９を通した後、拡管パイプ２９２を圧入することで強固に固着される。これら、パイプ２９、栓２８は、テフロン（登録商標）などの絶縁材料で、ある程度の硬さがある材料を用いるのが好ましい。また、拡管パイプ２９１、２９２には、経時的なクリープを抑えるため、ステンレスパイプを用いる。
【００３４】
高電圧電極１の一端１８側には、例えばステンレス製の支持部材取付枠１０１を高電圧電極１に溶接などで接合し、この支持部材取付枠１０１にテフロン（登録商標）製の支持部材１０２を嵌め込んで固定する。支持部材１０２は管状であるが、高電圧電極１内から送り込まれてきた原料ガスが放電空間４へ流れ込むように側面に穴が開けられている。支持部材１０２が誘電体管２の閉塞された端部の内壁に接触するように、各部材の長さが設定されている。この様に構成することで、高電圧電極１はガス分離壁１３と支持パイプ２９で支持されるとともに、重量を、支持部材１０２を介して誘電体管２で支えることになり、支持パイプ２９とガス分離壁１３の支持部分への力が、支持部材１０２の誘電体管２への支持部分にも分散されることになり、支持パイプ２９とガス分離壁１３の支持部分へ加わる力が低減される。
【００３５】
本実施の形態２では、さらに、誘電体管２の閉塞部の外面に接するように、冷媒室３に固定されたステンレス製のメッシュ部材３０１が設けられている。メッシュ部材３０１は冷媒１０の流れを邪魔せずに、誘電体管２の重量の一部を支えるように構成されている。このようにして、誘電体管２、高電圧電極１などの重量を分散して支えるので、各支持部に加わる力が大きくならず、確実な支持が行える。
【００３６】
なお、本実施の形態２では、拡管パイプ２９１、ナット２９２、支持部材１０２、メッシュ部材３０１を設けた構成としているが、いずれか一つの部材を設けたものでも、実施の形態１に比較して支持が強固となる効果があり、全てを設ける必要はない。
【００３７】
実施の形態３． 
図５は本発明の実施の形態３によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。この図においても、簡単のため、放電管を１本のみ配置している。図５において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態３では、内管である高電圧電極を、内面に高電圧電極用導電層１０３を形成した、両端が開放された高電圧電極用誘電体管１００で構成している。また、片端１７０が閉塞されたステンレスなどの金属管を外管である接地電極２００とし、内管である高電圧電極用誘電体管１００を外管である接地電極２００の中に同心状に挿入し、高電圧電極用誘電体管１００の外面と接地電極２００の内面との間隔をスペーサ２２で保持し、放電空間４を形成する。接地電極２００の内面と、高電圧電極誘電体管１００の内面に形成された高電圧電極用導電層１０３との間に交流高電圧を印加して放電空間４中の酸素を含むガスを放電させてオゾンを発生させる。高電圧電極用導電層１０３は、開放された一端１９０側で高電圧電極用誘電体管１００の外面まで回り込んだ部分１０４を有し、この高電圧電極用導電層１０３が高電圧電極用誘電体管１００の外面まで回り込んだ部分１０４に給電ライン８を接続する。
【００３８】
本実施の形態３においては、高電圧電極用誘電体管１００が栓２８と支持パイプ２９によりガス分離壁１３に支持される構成となっている。この構成においても、高電圧電極用誘電体管１００が形状に自由度のある支持パイプ２９を介してガス分離壁１３に固定されているため、外管である接地電極管２００と内管である高電圧電極用誘電体管１００との間に応力が発生しない。この結果、接地電極管２００と高電圧電極用誘電体管１００との間の空隙である放電空間４の寸法、すなわち放電ギャップの精度が上がり、高効率なオゾン発生が可能となる。
【００３９】
実施の形態４．
図６は本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。この図においても、簡単のため、放電管を１本のみ配置している。図６において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態４は、オゾンの出口付近の放電空間の温度を下げ、オゾンの高濃度化を図り、オゾン発生効率を上げることに主眼をおいている。特許文献３でも説明されているように、オゾンは周辺温度が高いと分解するため、発生効率が下がる。この効果は、オゾン濃度が高いほど顕著になるため、オゾン濃度の高い出口付近の温度が高いほど、オゾン濃度の低下が顕著になる。このため、オゾンの高効率発生のためには、出口付近の放電空間の温度を下げる必要がある。
【００４０】
まず、出口付近で、誘電体管２が冷媒に接触せず、高温化しやすい部位での放電を無くすため、内管に外管である誘電体管２よりも短い高電圧電極３２を用いて、内管全体が外管の内部に位置するようにして、冷却が行われる部位のみで放電させる構成している。さらに、上部整流板２３に筒状の整流筒３４を接合している。すなわち、外管である誘電体管２の軸方向の一部の周囲を取り巻き、誘電体管２との間に冷媒が流れる隙間を有する冷媒整流筒を設けた。この構成により、オゾン濃度が上がる放電管上部に、局所的に冷媒の流速の大きな部分を形成でき、冷却効率を向上させて、効率的にオゾンを発生させることができる。
【００４１】
一方、本実施の形態４では、支持パイプ２９の先端を閉塞して、先端部分の周囲にガス噴出孔３３を設け、このガス噴出孔３３から原料ガスを高電圧電極３２の内面に吹き付け、高電圧電極３２を介して放電空間４を冷却している。この際、さらに冷却効率を上げるため、例えば原料ガス導入室１１に設けた冷却器３５を用いて供給する原料ガスの温度を下げてもよい。このように局所的に冷却することで、原料ガスの熱容量に比して流量が小さく、全体の冷却が出来ない場合でも、必要な領域のみを効率的に冷却することができる。
【００４２】
尚、本実施の形態４では、長さが同じ誘電体管２を用いた実施の形態１と比較して、放電空間４の長さは短くなる。その結果、同量のオゾンを発生させるため、放電管の本数を増やす必要があり、製作コストは高くなる。このため、放電空間の長さを変えずに、水冷の代わりに原料ガスによる空冷を用いて冷却することで、放電管の本数を変えずに運転することもできる。
【００４３】
実施の形態５．
図７は本発明の実施の形態５によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。この図においても、簡単のため、放電管を１本のみ配置している。図７において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示す。実施の形態１〜４では、第一の冷媒分離壁７、第二の冷媒分離壁２６の間に空気層２５を設け、オゾンが冷媒１０に溶け込むのを抑制したが、第一の冷媒分離壁７を設けずに、冷媒１０の量を冷媒室３の容量よりも少なくして、冷媒室３の上部に空気層２５０を設けてもよい。この場合は、図７に示すように、ベント２７からの水漏れを防止するため、ベント２７をパイプ状にし、出口を上向きに配置するのが望ましい。また、さらに信頼性を上げるため、冷媒中にオゾンの分解を促進する触媒を混入させ、オゾンが冷媒中で高濃度になるのを抑制してもよい。
【００４４】
また、この構成では、冷媒の冷媒室内での出口圧力を１気圧以上にすると、冷媒がベント２７から噴き出してしまうため、実施の形態１〜４に示したような冷媒供給方法では誘電体管２に沿った冷媒の流速を上げことができない。このため、冷媒室３内に、冷媒導入口２０から冷媒室３内に送出される冷媒が誘電体管２に向けて噴出されるよう、誘電体管２に向かう角度に開けられた冷媒噴出口３６０を有する冷媒噴出ジャケット３６を設けた。すなわち、冷媒噴出口３６０から外管である誘電体管２の周囲に向けて冷媒を噴出させて、冷媒を冷媒室内に導入するようにした。このように、噴出した冷媒をオゾン濃度の高い誘電体管２上部に当てることで流速を上げ、局所的に冷却効率を高めている。
【００４５】
実施の形態６．
図８は本発明の実施の形態６によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。この図においても、簡単のため、放電管を１本のみ配置している。図８において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態６では、冷媒に絶縁性の液体を用い、誘電体管２の周囲に近接して金属メッシュ３７を配置することで、金属メッシュ３７を接地電極としている。次に図８のオゾン発生装置の動作を図９の等価回路を用いて説明する。高電圧Ｖは、等価回路図の上部（高電圧電極３２に相当）と下部（金属メッシュ３７に相当）に接続されている。図においてC1は放電空間として形成される放電ギャップのキャパシタンス、Tは放電インピーダンス、C2は誘電体管２のキャパシタンス、C3は誘電体管外面と金属メッシュ３７で構成されるキャパシタンス、R1は誘電体管外面と金属メッシュ間の抵抗である。
【００４６】
電源から見ると、電源電圧Vが小さい方が安価な電源となる。一方、放電ギャップの電
圧V1及び電流Iは、設定された放電条件により決まる。V2は誘電体管の材質と形状によっ
て決まるC2と、電流Iから、V2＝I／（ω・C2）  （ωは交流の角周波数）より求まる。このため、V＝V1+V2+V3を小さくするには、誘電体管外面と金属メッシュとの間の電圧V3を
小さくするのが望ましい。一方、絶縁性の冷媒を用い、R1>>１／（ω・C3）の場合には、誘電体管外面と金属メッシュとの間の電流はほとんどキャパシタンスC3を流れるので、十分に＝I／（ω・C3）を小さくする（C3を大きくする）のが望ましい。C3は、（１）誘電
体管外面と金属メッシュの相対する面積が大きいほど、（２）誘電体管外面と金属メッシュの距離が短いほど、（３）誘電体管外面と金属メッシュの間の冷媒の誘電率が大きいほど大きくなる。このため、ある程度目の細かいメッシュを誘電体管に巻き付けるように配置し、絶縁性の液体（フッ素系液体、油など）の中から、誘電率の高いものを冷媒として用いるのが望ましい。また、放電管５０の軸方向から見た概略平面図である図１０に示すように、金属メッシュ３７の代わりに、放電管５０の周囲に近接して線状の接地金属線３９を複数、放電管５０の軸と平行に配置してもよい。
【００４７】
一方、絶縁性の冷媒は一般に高価なため、ある程度の腐食を許容して、誘電率が高く、抵抗の大きい純水（誘電率80；比抵抗１MΩ/cm）を用いることもできる。この場合、必ずしもR1>>１／（ω・C3）とはならないため、純水中の実電流による損失を完全に無視することは難しい。また、純水を用いる場合には、図８に示すように、水路の途中に純水器３８を設け、冷却水中のイオンを除去して高抵抗を保つ必要がある。腐食を許容しないなら、接地金属線の周囲に絶縁被膜を設けた電線（エナメル線など）を用いることで、腐食を防止できるが、キャパシタンスが小さくなるため、必要電圧は大きくなる。
【００４８】
実施の形態７．
図１１は本発明の実施の形態７によるオゾン発生装置を模式的に示す断面図である。この図においても、簡単のため、放電管を１本のみ配置している。図１１において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態７では、冷媒に導電性の液体を用い、さらに、冷媒室３の内面に絶縁被覆４０を施している。また、冷媒室３に冷媒を導入する冷媒導入口２０に接続されている冷媒導入配管２０１および冷媒を排出する冷媒排出口２１に接続されている冷媒排出配管２１０についても、少なくとも各配管の内径と同じ深さまでは絶縁被覆４０を施している。本実施の形態７によるオゾン発生装置の動作を図１２の等価回路を用いて説明する。
【００４９】
C1は放電ギャップのキャパシタンス、Tは放電インピーダンス、C2は誘電体管のキャパ
シタンスである。R2は導電性冷媒の抵抗、C4は、導電性冷媒と水冷ジャケット筐体間のキ
ャパシタンスである。電源からみればVを小さくするのが望ましいため、V4、V5を小さく
するのが望ましい。V4を小さくするには、（１）電解液自体の抵抗率を下げる、（２）放電管と接地電極の距離を小さくする、必要がある。V5を小さくするには、（１）絶縁被覆の膜厚を薄くする、（２）絶縁被覆の誘電率を上げる、（３）放電管と相対する面積を大きくする、等の方法がある。以上の条件を満たして、V4、V5を小さくする構造としては、例えば、図１０に示したような、放電管５０の周囲に線状の接地金属線３９を複数、放電管５０の軸と平行に配置した構成で、単なる接地金属線ではなく、絶縁被膜を施した接地金属線を放電管の周囲に設けると共に、電解液として食塩水のように電離度の高い電解質を用いればよい。
【００５０】
このように、冷媒室３の金属表面に絶縁被膜４０を設けることで、冷媒室３の金属が直接電解液に触れなくなるため、腐食を防止することができる。しかし、冷媒室内面のみならず、全ての冷媒配管の内面に絶縁被膜４０を施すのは、かなりのコストが上昇につながる。そこで、発明者等は図１３に示すように、配管の内部の電界分布を求め、配管による電界の遮蔽が働き、ある一定以上深いところには、高電圧電極が作る電界が届かず、電流も発生しないことに着目し、配管内部の電界強度を計算することで、皮膜が必要な範囲を求めた。
【００５１】
図１３は、電界計算により求めた等電位面の例である。図１３において、左端に一定電位の電極が配置されている。この時、配管の入り口中心における電位をV0とし、入り口中心から、Lだけ離れた場所の電位をVとする。相似則より、Lを管直径ｄでノーマライズし
、VをV0でノーマライズした計算結果を図１４に示す。図１４に見られるように、円管中
央における電界強度は直径と同程度の深さで、入り口の1万分の１、直径の倍の深さで一
億分の１と急速に減衰する。これより、配管内の絶縁被膜については、少なくとも直径と同程度、安全を見ても直径の２倍程度の深さまで皮膜を形成すれば、配管に電流はほとんど流れず、電流による配管の腐食を抑制できる。
【００５２】
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、あるいはその構成要件を省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１、３２：高電圧電極（内管）            ２：誘電体管（外管）
３：冷媒室                              ４：放電空間
５：原料ガス                            ６：オゾン化ガス
７：第一の冷媒分離壁                    １０：冷媒
１１：原料ガス導入室（第一のガス室）    １２：オゾン化ガス取出室（第二のガス室）１３：ガス分離壁                        １４：原料ガス導入口
１５：オゾン化ガス取出口                １６：誘電体管の開放端部
１７：誘電体管の閉塞端部                １８：高電圧電極の一端部
１９：高圧電極の他端部                  ２０：冷媒導入口
２１：冷媒排出口                        ２２：スペーサ
２３：上部整流板                        ２４：下部整流板
２５，２５０：空気層                    ２６：第二の冷媒分離壁
２９：支持パイプ                        ３０：導電層
３３：ガス噴出孔                        ３４：整流筒
３６：冷媒噴出孔                        ３７：金属メッシュ
３９：接地金属線                        ４０：絶縁被覆
５０：放電管                            ６０：支持板
７０：缶体                              １００：高電圧電極用誘電体管（内管）
１０３：高電圧電極用導電層              ２００：接地電極（外管）
２０１：冷媒導入配管                    ２１０：冷媒排出配管
【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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