JP2015171979A - オゾン製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高濃度のオゾンを生成することのできるオゾン製造装置を提供することである。
【解決手段】実施形態のオゾン製造装置は、酸素供給部と、昇圧部と、オゾン生成装置と、ＰＳＡ装置とを持つ。酸素供給部は、原料酸素を供給する。昇圧部は、前記酸素供給部から供給された前記原料酸素を昇圧する。オゾン生成装置は、前記昇圧部の後段に配置され、昇圧後の前記原料酸素からオゾンを生成させる。ＰＳＡ装置は、前記オゾン生成装置の後段に配置され、昇圧後の前記原料酸素と前記オゾンとが混合された混合ガスから前記オゾンを分離する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、オゾン製造装置に関する。

従来、オゾンを発生させる装置として、オゾン発生器が用いられている。
オゾン発生器は、２つの電極間に位置する放電ギャップに原料酸素（オゾンの原料）を供給させた状態で、２つの電極間に高電圧を印加することで、放電ギャップに発生するバリア放電によりオゾン化ガス（オゾン）を生成する。

従来、オゾン発生器では、低圧の条件を用いてオゾンの生成を行っていた。このため、２００ｇ／Ｎｍ^３よりも高い濃度のオゾンを生成することが困難な可能性があった。

特開平１０−１８２１０９号公報

本発明が解決しようとする課題は、高濃度のオゾンを生成することのできるオゾン製造装置を提供することである。

実施形態のオゾン製造装置は、酸素供給部と、昇圧部と、オゾン生成装置と、ＰＳＡ装置とを持つ。酸素供給部は、原料酸素を供給する。昇圧部は、前記酸素供給部から供給された前記原料酸素を昇圧する。オゾン生成装置は、前記昇圧部の後段に配置され、昇圧後の前記原料酸素からオゾンを生成させる。ＰＳＡ装置は、前記オゾン生成装置の後段に配置され、昇圧後の前記原料酸素と前記オゾンとが混合された混合ガスから前記オゾンを分離する。

本実施形態のオゾン製造装置の概略構成を模式的に示す図。 本実施形態のオゾン製造装置を構成するオゾン生成装置の断面図。 オゾンを含む混合ガスを第１の吸着塔に供給し、吸着時における第１の吸着塔内のガス圧を変化させたときの該ガス圧（ＭＰａ）と脱着オゾン濃度／吸着オゾン濃度（％）との関係を示す図（グラフ）。 実施例１の放電ギャップを０．０５ｍｍとしたときのオゾン吸着時の第１の吸着塔内のガス圧とオゾン濃度との関係を示す図（グラフ）。 実施例２の放電ギャップを０．１ｍｍとしたときのオゾン吸着時の第１の吸着塔内のガス圧とオゾン濃度との関係を示す図（グラフ）。 実施例３の放電ギャップを０．４ｍｍとしたときのオゾン吸着時の第１の吸着塔内のガス圧とオゾン濃度との関係を示す図（グラフ）。

以下、実施形態のオゾン製造装置を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態のオゾン製造装置の概略構成を模式的に示す図である。
図１を参照するに、本実施形態のオゾン製造装置１０は、酸素供給部１１と、原料酸素供給ライン１３と、オゾン生成装置１５と、混合ガス供給ライン１７と、昇圧部１８と、流量調整部２１と、制御装置２２と、乾燥空気製造装置２３と、乾燥空気供給ライン２４と、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ（圧力変動吸着））装置２６（以下、単に「ＰＳＡ装置２６」という）と、アルゴン除去装置２８と、を有する。

酸素供給部１１は、原料酸素供給ライン１３の一端と接続されている。酸素供給部１１は、原料酸素供給ライン１３、流量調整部２１、及び昇圧部１８を介して、オゾン生成装置１５に原料酸素を供給する。
原料酸素としては、例えば、酸素ガスや液体酸素等を用いることができる。酸素供給部１１としては、例えば、酸素ガスを供給する酸素ガス供給源、或いは液体酸素を供給する液体酸素供給源を用いることができる。

原料酸素供給ライン１３は、その一端が酸素供給部１１と接続され、他端がオゾン生成装置１５と接続されている。原料酸素供給ライン１３は、酸素供給部１１から供給された原料酸素をオゾン生成装置１５に供給する。

図２は、本実施形態のオゾン製造装置を構成するオゾン生成装置の断面図である。図２において、Ｘ方向は、誘電体電極４５の延在方向を示しており、Ｙ方向は、Ｘ方向に直交する方向を示している。図２において、図１に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
図１及び図２を参照するに、オゾン生成装置１５は、耐圧容器４１と、金属電極４２と、冷却水収容部４４と、誘電体電極４５と、スペーサ４７と、高圧給電端子５１と、配線５２と、高電圧電源５３と、ヒューズ５５と、第１の圧力計５８と、第２の圧力計５９と、を有する。

耐圧容器４１は、耐圧容器本体６１と、ガス導入口６２と、ガス導出口６４と、冷却水導入口６５と、冷却水導出口６７と、を有する。
耐圧容器本体６１は、オゾンが生成されるオゾン生成空間を区画している。ガス導入口６２は、昇圧部１８側に位置する耐圧容器本体６１の下部に設けられている。ガス導入口６２は、原料酸素供給ライン１３の他端と接続されている。ガス導入部６２は、耐圧容器本体６１内に原料酸素供給ライン１３を介して供給される原料酸素を導入するための導入口である。

ガス導出口６４は、誘電体電極４５の後段に位置する耐圧容器本体６１の下部に設けられている。ガス導出口６４は、混合ガス供給ライン１７の一端と接続されている。
ガス導出口６４は、耐圧容器本体６１内で生成されたオゾンと原料酸素とが混合された混合ガスを混合ガス供給ライン１７に導出するための導出口である。

冷却水導入口６５は、耐圧容器本体６１のうち、冷却水収容部４４に冷却水を導入可能な位置（具体的には、耐圧容器本体６１の下部）に設けられている。冷却水導入口６５は、冷却水収容部４４に金属電極４２を冷却するための冷却水を導入するための導入口である。
冷却水導出口６７は、耐圧容器本体６１のうち、冷却水収容部４４から冷却水を導出可能な位置（具体的には、耐圧容器本体６１の上部）に設けられている。冷却水導出口６７は、冷却水収容部４４から金属電極４２の冷却に寄与した冷却水を導出するための導出口である。
上記耐圧容器４１は、例えば、０．６ＭＰａ程度の圧力に耐え得ることが可能な構造（例えば、材質及び厚さ等）とされている。

金属電極４２は、円筒状の部材であり、その中央部に中空部を有する。金属電極４２は、該中空部がＸ方向に延在するように、耐圧容器本体６１内に収容されている。
Ｙ方向に位置する金属電極４２の外周部は、冷却水導入口６５、冷却水導出口６７、及び冷却水収容部４７を区画する耐圧容器本体６１の内壁を囲むように、耐圧容器本体６１の内壁と接続されている。金属電極４２は、接地されている。
金属電極４２としては、例えば、ステンレス管を用いることができる。

冷却水収容部４４は、金属電極４２の内壁と、金属電極４２の内壁で囲まれた耐圧容器本体６１の内壁と、で区画された円筒状の空間である。冷却水収容部４４には、冷却水循環装置（図示せず）から所定の温度に冷却された冷却水が供給される。

誘電体電極４５は、誘電部材７１と、導電膜７２と、を有する。誘電部材７１は、一方の端が閉塞され、他方の端が開放端とされた円筒状の部材である。誘電部材７１は、ガス導入口６２側に開放端が位置するように、金属電極４２の中空部に挿入されている。誘電部材７１は、金属電極４２では接触しないように、該中空部に配置されている。
誘電部材７１は、金属電極４２と導電膜７２との間に配置された誘電体として機能する。誘電部材７１としては、例えば、ステンレス膜を用いることができる。
導電膜７２は、誘電部材７１のうち、金属電極４２で囲まれた部分の内面を覆うように配置されている。導電膜７２としては、例えば、ステンレス膜を用いることができる。

スペーサ４７は、誘電部材７１と、誘電部材７１と対向する金属電極４２との隙間が所定の値となるように、誘電部材７１の周囲に複数配置されている。
これにより、誘電部材７１と金属電極４２との間には、円筒状の空間である放電ギャップ４８が形成されている。放電ギャップ４８は、パルス放電される領域であり、該領域において、オゾンが生成される。
放電ギャップ４８の値が小さいと、濃度の高いオゾンを高い収率で得ることができるが、放電ギャップ４８の値が小さすぎると均一な間隔で放電ギャップ４８を形成することが困難となる。また、放電ギャップ４８の値が小さすぎると、放電ギャップ４８を通過するガスの圧力損失が生じるため、放電ギャップ４８の下限は、０．０５ｍｍとなる。
上記理由により、放電ギャップ４８は、例えば、０．０５〜０．４ｍｍの範囲内で設定するとよい。

高圧給電端子５１は、ガス導入口６２側に位置する導電膜７２と接続されるように、誘電部材７１内に配置されている。
配線５２は、一端が高圧給電端子５１と接続されており、他端が高電圧電源５３と接続されている。
高電圧電源５３は、耐圧容器４１の外部に配置されている。高電圧電源５３は、接地されると共に、ヒューズ５５を介して、高圧給電端子５１にパルス状の高電圧を印加可能な状態で接続されている。
ヒューズ５５は、配線５２のうち、耐圧容器４１の外部に位置する部分に設けられている。

第１の圧力計５８は、耐圧容器４１内のうち、ガス導入口６２付近に位置する原料酸素の圧力を測定可能な位置に設けられている。第１の圧力計５８は、制御装置２２と電気的に接続されている。第１の圧力計５８は、測定した圧力に関するデータ（以下、「第１の圧力データ」という）を制御装置２２に送信する。
第２の圧力計５９は、耐圧容器４１内のうち、ガス導出口６４付近に位置する混合ガス（オゾンと酸素とを含むガス）の圧力を測定可能な位置に設けられている。第２の圧力計５９は、制御装置２２と電気的に接続されている。第２の圧力計５９は、測定した圧力に関するデータ（以下、「第２の圧力データ」という）を制御装置２２に送信する。
第２の圧力計５９が測定する圧力は、ＰＳＡ装置２６を構成する第１及び第２の吸着塔８１，８２の内圧と略等しい。

上記構成とされたオゾン生成装置１５では、放電キャップ４８において放電中の電子が原料酸素に含まれる酸素分子と衝突することで生成される酸素原子が他の酸素分子と結合することで、オゾンが生成される。
そして、オゾン生成装置１５内で生成されたオゾンと、原料である酸素と、が混合された混合ガスは、ガス導出口６４を介して、混合ガス供給ライン１７に導出される。
また、オゾン生成装置１５では、原料酸素のうちの４７％をオゾンにすることが可能である。

混合ガス供給ライン１７は、その一端がガス導出口６４と接続されている。混合ガス供給ライン１７は、ＰＳＡ装置２６にオゾンを含んだ混合ガスを供給する。
昇圧部１８は、流量調整部２１（具体的には、流量計２１−２）とオゾン生成装置１５との間に位置する原料酸素供給ライン１３に設けられている。昇圧部１８は、原料酸素供給ライン１３により供給される原料酸素の圧力が所定の圧力となるように昇圧する。
昇圧部１８により、所定の圧力に昇圧された原料酸素は、原料酸素供給ライン１３及びガス導入口６２を介して、オゾン生成装置１５の耐圧容器本体６１内に供給され、放電状態とされた放電ギャップ４８を通過することで、その一部がオゾンとなる。

上記所定の圧力とは、オゾンを吸着後に、該オゾンを脱着させた際にＰＳＡ装置２６から導出されるオゾンの濃度が２８０ｇ／Ｎｍ^３以上となる圧力のことをいう。
オゾン及び過酸化水素による水中の難分解物質分解に有効であるＯＨラジカルの濃度は、オゾンの濃度の２乗で生成される。従来のオゾンの濃度（例えば、２００ｇ／Ｎｍ^３）に含まれるＯＨラジカルの濃度を２倍にするためには、オゾン濃度を√２（＝１．４１４２）倍にする必要がある。つまり、従来のＯＨラジカルの２倍以上の濃度を得るためには、オゾンの濃度を２８０（＝２００×１．４１４２）ｇ／Ｎｍ^３以上にする必要がある。

オゾンの濃度が２８０ｇ／Ｎｍ^３以上となる上記所定の圧力は、例えば、放電ギャップ４８が０．４ｍｍ以下の場合には、０．１５〜０．４６ＭＰａの範囲内に設定するとよい。
このように、オゾン生成装置１５の前段に昇圧部１８を設け、放電ギャップ４８が０．４ｍｍ以下の場合において、昇圧部１８により、原料酸素の圧力を０．１５〜０．４６ＭＰａの範囲内の圧力となるように昇圧することで、ＰＳＡ装置２６から導出されるオゾンの濃度を２８０ｇ／Ｎｍ^３以上にすることができる。

なお、放電ギャップ４８の値により、上記所定の圧力は異なる。具体的には、放電ギャップ４８が０．０５ｍｍの場合には、例えば、原料酸素の圧力が０．１１〜０．８ＭＰａＭＰａの範囲内の圧力となるように昇圧することで、濃度が２８０ｇ／Ｎｍ^３以上とされたオゾンを得ることができる。
また、放電ギャップ４８が０．１ｍｍの場合には、例えば、原料酸素の圧力が０．１２〜０．７５ＭＰａの範囲内の圧力となるように昇圧することで、濃度が２８０ｇ／Ｎｍ^３以上とされたオゾンを得ることができる。
また、先に説明したように、放電ギャップ４８が０．４ｍｍの場合には、例えば、原料酸素の圧力が０．１５〜０．４６ＭＰａの範囲内の圧力となるように昇圧することで、濃度が２８０ｇ／Ｎｍ^３以上とされたオゾンを得ることができる。

高濃度（２８０ｇ／Ｎｍ^３以上）のオゾンの自己分解により生成されるＯＨラジカルは、自然界に存在するフッ素の次に酸化力が高いため、難分解性有害物であるＮＤＭＡ（Ｎ− ニトロソジメチルアミン）、ＭＴＢＥ（メチル−ｔ−ブチルエーテル）、１，４ジオキサン、ダイオキシン、自然界に流出した薬等を分解可能である。
また、該ＯＨラジカルは、半導体洗浄やパッシベーション膜に生成、原子炉の除染等の用途に適用可能である。

図３は、オゾンを含む混合ガスを第１の吸着塔に供給し、吸着時における第１の吸着塔内のガス圧を変化させたときの該ガス圧（ＭＰａ）と脱着オゾン濃度／吸着オゾン濃度（％）との関係を示す図（グラフ）である。
図３は、オゾン生成装置１５の性能を含まない第１の吸着塔単体の性能を示している。吸着オゾン濃度は、第１の吸着塔８１を構成する吸着剤１２２に吸着するオゾンの濃度を示している。また、脱着オゾン濃度は、第１の吸着塔８１を構成する吸着剤１２２から脱着するオゾンの濃度を示している。
なお、ＰＳＡ装置２６を構成する第２の吸着塔８２の性能も図３に示す第１の吸着塔８１の性能と略等しい。

酸素供給部１１が供給する原料酸素が酸素ガスの場合、昇圧部１８としては、例えば、酸素ガスの圧力を昇圧する昇圧ポンプを用いることができる。
図３に示すように、ＰＳＡ装置２６は、吸着時において、吸着塔内のガス圧が高くなると、オゾンの収率が向上する。そのため、昇圧部１８として昇圧ポンプを用いる場合、オゾン生成装置１５とＰＳＡ装置２６との間に位置する混合ガス供給ライン１７（言い換えれば、ＰＳＡ装置２６の直前）に該昇圧ポンプを配置することも考えられる。

しかしながら、オゾン生成装置１５とＰＳＡ装置２６との間に昇圧ポンプを配置すると、混合ガス供給ライン１７により供給される混合ガスに含まれるオゾンにより、昇圧ポンプが酸化されて破損してしまう。
したがって、図１にしめすように、昇圧部１８となる昇圧ポンプの配設位置は、ＰＳＡ装置２６の直前ではなく、オゾンを生成するオゾン生成装置１５の前段に配置するとよい。

酸素供給部１１から供給される原料酸素が液体酸素の場合、昇圧部１８は、液体酸素をガス化させる蒸発器を用いることができる。
このように、昇圧部１８として蒸発器を設け、該蒸発器により、液体酸素をガス化させることで、原料酸素が所定の圧力となるように昇圧することができる。

図１を参照するに、流量調整部２１は、自動バルブ２１−１と、流量計２１−２と、を有する。自動バルブ２１−１は、酸素供給部１１と昇圧部１８との間に位置する原料酸素供給ライン１３に設けられている。自動バルブ２１−１は、制御装置２２と電気的に接続されている。

流量計２１−２は、自動バルブ２１−１と昇圧部１８との間に位置する原料酸素供給ライン１３に設けられている。流量計２１−２は、制御装置２２と電気的に接続されている。
流量計２１−２は、自動バルブ２１−１を経由した原料酸素の流量を測定し、制御装置２２に、測定した流量に関するデータ（以下、「原料酸素流量データ」という）を送信する。
酸素供給部１１が供給する原料酸素が酸素ガスの場合、流量計２１−２としては、ガス測定用の流量計を用いる。酸素供給部１１が供給する原料酸素が液体酸素の場合、流量計２１−２としては、液体測定用の流量計を用いる。

制御装置２２は、記憶部２２−１と、演算部２２−２と、制御部２２−３と、を有する。
記憶部２２−１には、オゾン製造装置１０を用いたオゾン生成及び回収処理を行うためのプログラム、第１の圧力計５８が測定する第１の圧力と第２の圧力計５９が測定する第２の圧力との差が所定の閾値（以下、「差圧閾値」という）以下となるように流量調整部２１を制御するためのプログラム、及び差圧閾値に関するデータが格納されている。

オゾン生成装置１５の出口側のオゾン濃度が３８０ｇ／Ｎｍ^３、原料酸素の流量を０．０７Ｎｍ^３／ｈ、オゾン生成装置１５内の圧力を０．５ＭＰａ、放電ギャップが０．０５ｍｍとした場合、差圧閾値は、例えば、０．０８ＭＰａとすることができる。
また、上記条件において、放電ギャップを０．０５ｍｍから０．１ｍｍに変更した場合、差圧閾値は、例えば、０．０１１ＭＰａとすることができる。
また、上記条件において、放電ギャップを０．０５ｍｍから０．４ｍｍに変更した場合、差圧閾値は、例えば、０．０００１７ＭＰａとすることができる。

演算部２２−２では、第１及び第２の圧力計５８，５９から送信される第１及び第２の圧力データから差圧を求め、該差圧が記憶部２２−１に格納された差圧閾値以下になっているかどうかの判定を行い、その判定結果を制御部２２−３に送信する。

制御部２２−３は、オゾン製造装置１０の制御全般を行う。また、制御部２２−３は、上記差圧が差圧閾値以下になっていない場合には、自動バルブ２１−１の開度を調節して、上記差圧が差圧閾値以下となるように原料酸素の流量を調整する。

なお、図１では、流量調整部２１を自動で制御する場合を例に挙げて説明したが、自動バルブ２１−１に替えて、手動バルブを設け、第１及び第２の圧力計５８，５９が測定する第１及び第２の圧力と、差圧閾値と、に基づいて、第１の圧力と第２の圧力との差が差圧閾値以下となるように、原料酸素の流量を調整してもよい。

このように、昇圧部１８の前段に配置され、昇圧部１８に供給する原料酸素の流量を調整する流量調整部２１と、オゾン生成装置１５の入口側に位置する原料酸素の圧力を測定する第１の圧力計５８と、オゾン生成装置１５の出口側に位置する混合ガス（原料酸素及びオゾンを含むガス）の圧力を測定する第２の圧力計５９と、を有することにより、第１及び第２の圧力計５８，５９が測定する第１及び第２の圧力の差圧が差圧閾値以下なるように、酸素供給部１１が供給する原料酸素の流量を調整することが可能となる。
これにより、オゾン生成装置１５とＰＳＡ装置２６との間に、別途、混合ガスの圧力を昇圧させるためのポンプが不要になると共に、高濃度のオゾンを効率良く生成及び回収することができる。

乾燥空気製造装置２３は、乾燥空気供給ライン２４の一端と接続されている。乾燥空気製造装置２３は、第１の吸着塔８１の吸着剤１２２または第２の吸着塔８２の吸着剤１２５に吸着したオゾンを脱着させる際に、乾燥空気供給ライン２４を介して、第１の吸着塔８１内または第２の吸着塔８２内に乾燥空気を供給する。
乾燥空気供給ライン２４は、原料酸素リサイクル用ライン９２のうち、原料酸素リサイクル用ライン９１から分岐した原料酸素リサイクル用ライン９２の分岐位置とバルブ９５との間に位置する部分と接続されている。

図１を参照するに、ＰＳＡ装置２６は、第１の吸着塔８１と、第２の吸着塔８２と、原料酸素供給用分岐ライン８４，８５と、バルブ８７，８８，９４，９５，９７，１０４，１０５，１１１，１１２と、原料酸素リサイクル用ライン９１，９２と、乾燥空気供給用分岐ライン１０１，１０２と、オゾン回収ライン１０７，１０８と、を有する。

第１及び第２の吸着塔８１，８２は、並列に接続されている。第１の吸着塔８１は、第１の吸着塔本体１２１と、吸着剤１２２と、を有する。第１の吸着塔本体１２１は、その内部に吸着剤１２２を収容している。吸着剤１２２は、混合ガスに含まれるオゾンを選択的に吸着する。
吸着剤１２２としては、オゾンを吸着可能な吸着剤を用いる。具体的には、吸着剤１２２としては、例えば、ゼオライトを用いることができる。

第２の吸着塔８２は、第２の吸着塔本体１２４と、吸着剤１２５と、を有する。第２の吸着塔本体１２４は、その内部に吸着剤１２５を収容している。吸着剤１２５は、混合ガスに含まれるオゾンを選択的に吸着する。吸着剤１２５としては、第１の吸着塔８１を構成する吸着剤１２５と同様なものを用いることができる。

原料酸素供給用分岐ライン８４，８５は、混合ガス供給ライン１７から分岐されたラインである。原料酸素供給用分岐ライン８４は、吸着剤１２２に混合ガスを供給可能な状態で、第１の吸着塔８１の底部と接続されている。原料酸素供給用分岐ライン８５は、吸着剤１２２に混合ガスを供給可能な状態で、第２の吸着塔８２の底部と接続されている。

バルブ８７は、原料酸素供給用分岐ライン８４に設けられている。バルブ８７が開くと、第１の吸着塔８１内に混合ガスが供給され、バルブ８７が閉じると、第１の吸着塔８１内への混合ガスの供給が停止される。
バルブ８８は、原料酸素供給用分岐ライン８５に設けられている。バルブ８８が開くと、第２の吸着塔８２内に混合ガスが供給され、バルブ８８が閉じると、第２の吸着塔８２内への混合ガスの供給が停止される。

原料酸素リサイクル用ライン９１は、一端が第１の吸着塔８１の上端部と接続されており、他端が流量計２１−２と昇圧部１８との間に位置する原料酸素供給ライン１３と接続されている。
原料酸素リサイクル用ライン９１は、アルゴン除去装置２８を介して、第１の吸着塔８１を通過した原料酸素を昇圧部１８に供給する。
原料酸素リサイクル用ライン９２は、原料酸素リサイクル用ライン９１から分岐されたラインであり、その端が第２の吸着塔８２の上端部と接続されている。
原料酸素リサイクル用ライン９２は、原料酸素リサイクル用ライン９１の一部、及びアルゴン除去装置２８を介して、第２の吸着塔８２を通過した原料酸素を昇圧部１８に供給する。

バルブ９４は、原料酸素リサイクル用ライン９１に設けられている。バルブ９４は、第１の吸着塔８１がオゾンを吸着する際に開かれ、オゾンを脱着する際に閉じられる。バルブ９４が開かれた状態では、アルゴン除去装置２８に原料酸素が供給される。
バルブ９５は、原料酸素リサイクル用ライン９２に設けられている。バルブ９５は、第２の吸着塔８２がオゾンを吸着する際に開かれ、オゾンを脱着する際に閉じられる。バルブ９５が開かれた状態では、アルゴン除去装置２８に原料酸素が供給される。

バルブ９７は、乾燥空気供給ライン２４に設けられている。バルブ９７を閉じることで、原料酸素リサイクル用ライン９２を介して、乾燥空気がオゾンの吸着処理をしている吸着塔（第１の吸着塔８１または第２の吸着塔８２）内に導入されることを防止できる。

乾燥空気供給用分岐ライン１０１は、バルブ９７と乾燥空気製造装置２３との間に位置する乾燥空気供給ラインから分岐されたラインである。乾燥空気供給用分岐ライン１０１の端は、バルブ９４と第１の吸着塔８１との間に位置する原料酸素リサイクル用ライン９１と接続されている。
乾燥空気供給用分岐ライン１０２は、乾燥空気供給用分岐ライン１０１から分岐されたラインである。乾燥空気供給用分岐ライン１０２の端は、バルブ９５と第２の吸着塔８２との間に位置する原料酸素リサイクル用ライン９２と接続されている。

バルブ１０４は、乾燥空気供給用分岐ライン１０１に設けられている。バルブ１０４は、第１の吸着塔８１がオゾンを吸着する際に閉じられ、オゾンを脱着する際に開かれる。バルブ９４が開かれた状態では、第１の吸着塔８１内に乾燥空気が供給される。
バルブ１０５は、乾燥空気供給用分岐ライン１０２に設けられている。バルブ１０５は、第２の吸着塔８２がオゾンを吸着する際に閉じられ、オゾンを脱着する際に開かれる。バルブ１０５が開かれた状態では、第２の吸着塔８２内に乾燥空気が供給される。

オゾン回収用ライン１０７は、第１の吸着塔８１とバルブ８７との間に位置する原料酸素供給用分岐ライン８４から分岐されたラインである。オゾン回収用ライン１０７は、第１の吸着塔８１の吸着剤１２２から脱着させたオゾンを回収する。
オゾン回収用ライン１０７のうち、オゾン回収用ライン１０８の接続位置よりも後段に位置する部分は、オゾン回収用ライン１０８介して、第２の吸着塔８２の吸着剤１２５から脱着させたオゾンを回収する。

オゾン回収用ライン１０８は、バルブ８８と第２の吸着塔８２との間に位置する原料酸素供給用分岐ライン８５から分岐されている。オゾン回収用ライン１０８の端は、オゾン回収用ライン１０７と接続されている。
オゾン回収用ライン１０８は、第２の吸着塔８２の吸着剤１２５から脱着させたオゾンを回収するためのラインである。

バルブ１１１は、オゾン回収用ライン１０７の分岐位置とオゾン回収用ライン１０８の接続位置との間に位置するオゾン回収用ライン１０７に設けられている。
バルブ１１１は、第１の吸着塔８１がオゾンを吸着する際に閉じられ、オゾンを脱着する際に開かれる。バルブ１１１が開かれた状態では、第１の吸着塔８１内から脱着されたオゾンがオゾン回収用ライン１０７に供給される。

バルブ１１２は、オゾン回収用ライン１０８に設けられている。バルブ１１２は、第２の吸着塔８２がオゾンを吸着する際に閉じられ、オゾンを脱着する際に開かれる。バルブ１１２が開かれた状態では、第２の吸着塔８２内から脱着されたオゾンがオゾン回収用ライン１０８に供給される。
上記構成とされたＰＳＡ装置２６としては、例えば、酸素ＰＳＡ装置を用いることができる。

このように、オゾンを選択的に吸着する吸着剤１２２，１２５を含む第１及び第２の吸着塔８１，８２を有するＰＳＡ装置２６を用いて、オゾンを分離することで、一方の吸着塔でオゾンの吸着処理を行い、他方の吸着塔でオゾンの脱着処理を行うことが可能となるので、連続して高濃度のオゾンを分離及び回収することができる。
なお、図１では、ＰＳＡ装置２６を構成する吸着塔が２つの場合を例に挙げて説明したが、ＰＳＡ装置２６を構成する吸着塔の数は、複数であればよく、２つに限定されない。

アルゴン除去装置２８は、原料酸素リサイクル用ライン９１と原料酸素供給ライン１３とが接続される位置と、原料酸素リサイクル用ライン９２の分岐位置と、の間に位置する原料酸素供給ライン１３に設けられている。
アルゴン除去装置２８は、第１及び第２の吸着塔８１，８２から供給される原料酸素に含まれるアルゴンを除去するための装置である。アルゴン除去装置２８によりアルゴンが除去された原料酸素は、原料酸素リサイクル用ライン９１及び原料酸素供給ライン１３を介して、昇圧部１８に供給される。

先に説明したように、オゾン生成装置１５では、原料酸素のうちの４７％をオゾンにすることが可能である。このため、原料酸素リサイクル用ライン９１を介して、昇圧部１８に供給される原料酸素の量を少なくすることが可能となる。よって、アルゴン除去装置２８を駆動させるためのエネルギーを低減することができる。

本実施形態のオゾン製造装置によれば、原料酸素を供給する酸素供給部１１と、酸素供給部１１から供給された原料酸素を昇圧する昇圧部１８と、昇圧部１８の後段に配置され、昇圧後の原料酸素からオゾンを生成させるオゾン生成装置１５と、オゾン生成装置１５の後段に配置され、昇圧後の原料酸素とオゾンとが混合された混合ガスからオゾンを分離するＰＳＡ装置２６と、を有する。
これにより、オゾン生成装置１５の前段において、原料酸素の圧力を昇圧させ、オゾン生成装置１５を介して、該原料酸素の圧力と略等しい圧力とされた混合ガス（オゾンと原料酸素とを含むガス）を吸着塔（具体的には、第１の吸着塔８１または第２の吸着塔８２）に供給することが可能となる。

また、ＰＳＡ装置２６から導出されるオゾンの濃度が２８０ｇ／Ｎｍ^３以上となるに、混合ガスの圧力（具体的には、オゾン生成装置１５を構成する第２の圧力計が測定する圧力）を調節することが可能となる。
したがって、従来の装置で取得される２００ｇ／Ｎｍ^３の濃度のオゾンに含まれるＯＨラジカルの２倍以上の濃度を有する高濃度のオゾン（濃度が２８０ｇ／Ｎｍ^３以上とされたオゾン）を得ることができる。
さらに、オゾン生成装置１５の前段に昇圧部１８を配置させることで、オゾン生成装置１５で生成されるオゾンにより、昇圧部１８が酸化することを抑制できる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、酸素供給部１１から供給された原料酸素を昇圧する昇圧部１８と、昇圧部１８に昇圧された原料酸素からオゾンを生成させるオゾン生成装置１５と、オゾン生成装置１５の後段に配置され、昇圧後の原料酸素とオゾンとが混合された混合ガスからオゾンを分離するＰＳＡ装置２６とを持つことにより、濃度が２８０ｇ／Ｎｍ^３以上とされた高濃度のオゾンを得ることができる。

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同様に、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ものである。

以下、実施例について説明する。
（実施例１）
実施例１では、図１に示すオゾン製造装置１０の構成に、さらに、２つのオゾン濃度分析装置（荏原実業株式会社製のオゾンモニタ（ＵＶオゾンモニタ；モデル６００））を設けた装置を用いた。
一方のオゾン濃度測定器は、ガス導出口６４（図２参照）の近傍に位置する混合ガス供給ライン１７を流れる混合ガスに含まれるオゾン濃度（言い換えれば、オゾン生成装置の出口のオゾン濃度）を分析可能な位置に配置させた。
他方のオゾン濃度測定器は、オゾン回収用ライン１０８の接続位置の後段に位置するオゾン回収用ライン１０７を流れるガスに含まれるオゾン濃度（言い換えれば、ＰＳＡ装置の出口のオゾン濃度）を分析可能な位置に配置させた。

図２に示すオゾン生成装置１５としては、東芝試作の高気圧オゾン発生装置を用いた。オゾン発生装置１５としては、平板型オゾン発生装置を用いた。該平板型オゾン発生装置の放電面積は、０．０４ｍ^２とした。該平板型オゾン発生装置において、ガスは、電極周辺から中央に向って流れる。
高電圧電源５３としては、２−５ｋＨｚでピーク電圧が１３ｋＶの交流電源を用いた。また、放電ギャップ４８は、０．０５ｍｍとした。今回は、小型で検証用の平板型オゾン発生装置を用いたが、従来例にも示した同軸円筒型オゾン発生装置を用いてもよい。

上記２つのオゾン濃度分析装置が設けられたオゾン製造装置１０を用いて、第１の圧力計５８が測定する第１の圧力と、第２の圧力計５９が測定する第２の圧力と、の差が０．０１ＭＰａ以内となるように、原料酸素である酸素ガスの流量を調節した上で、オゾン生成装置１５により、オゾンを生成させた。このとき、一方のオゾン濃度測定器を用いて、オゾン生成装置１５の出口のオゾン濃度を測定した。

次いで、第１の吸着塔８１内のガス圧を０．２ＭＰａとし、吸着剤１２２である室温動作ゼオライトにオゾンを吸着させた。
その後、０．５ＭＰａの圧力で吸着剤１２２に吸着したオゾンを脱着させ、他方のオゾン濃度測定器を用いて、ＰＳＡ装置２６の出口のオゾン濃度を測定した。
この結果を図４に示す。図４は、実施例１の放電ギャップを０．０５ｍｍとしたときのオゾン吸着時の第１の吸着塔内のガス圧とオゾン濃度との関係を示す図（グラフ）である。
なお、図４に示す２つの曲線は、飽和オゾン濃度曲線と、ＰＳＡ装置２６の出口側のオゾン濃度曲線と、を示している。

その後、オゾン吸着時の第１の吸着塔８１内のガス圧を０．３ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａ、０．６ＭＰａ、０．８ＭＰａと順次変化させて、上記説明した第１の吸着塔８１内のガス圧を０．２ＭＰａにしたときと同様な試験を行い、各ガス圧のときのオゾン生成装置１５の出口のオゾン濃度、及びＰＳＡ装置２６の出口のオゾン濃度を測定した。この結果を図４に示す。

図４を参照するに、放電ギャップ４８が０．０５ｍｍの場合、ＰＳＡ装置２６の出口におけるオゾン濃度を２８０ｇ／Ｎｍ^３にするためには、吸着時における第１の吸着塔８１内のガス圧を０．１１〜０．８ＭＰａにするとよいことが確認できた。
また、吸着時の第１の吸着塔８１内のガス圧を０．４〜０．５ＭＰａの範囲内とすることで、オゾン濃度を８００ｇ／Ｎｍ^３まで高めることが可能であることが確認できた。
なお、第２の吸着塔８２を用いて、同様な実験を行ったところ、同様な結果が得られた。

（実施例２）
実施例２では、放電ギャップを０．１ｍｍに変更したこと以外は、実施例１と同様な手法により、オゾン吸着時の第１の吸着塔８１内のガス力を０．２ＭＰａ、０．３ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａ、０．６ＭＰａ、０．８ＭＰａと順次変更させて、オゾン生成装置１５の出口のオゾン濃度、及びＰＳＡ装置２６の出口のオゾン濃度を測定した。この結果を図５に示す。

図５は、実施例２の放電ギャップを０．１ｍｍとしたときのオゾン吸着時の第１の吸着塔内のガス圧とオゾン濃度との関係を示す図（グラフ）である。なお、図５に示す２つの曲線は、飽和オゾン濃度曲線と、ＰＳＡ装置２６の出口側のオゾン濃度曲線と、を示している。
図５を参照するに、放電ギャップ４８が０．１ｍｍの場合、ＰＳＡ装置２６の出口におけるオゾン濃度を２８０ｇ／Ｎｍ^３にするためには、第１の吸着塔８１内の吸着時のガス圧を０．１２〜０．７５ＭＰａの範囲内に設定するとよいことが確認できた。
また、吸着時の第１の吸着塔８１内のガス圧を０．３〜０．４ＭＰａの範囲内とすることで、オゾン濃度を６００ｇ／Ｎｍ^３まで高めることができることが確認できた。
なお、第２の吸着塔８２を用いて、同様な実験を行ったところ、上記説明した第１の吸着塔８１と同様な結果が得られた。

（実施例３）
実施例３では、放電ギャップを０．４ｍｍに変更したこと以外は、実施例１と同様な手法により、オゾン吸着時の第１の吸着塔８１内のガス圧を０．２ＭＰａ、０．３ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａ、０．６ＭＰａ、０．８ＭＰａと順次変更させて、オゾン生成装置１５の出口のオゾン濃度、及びＰＳＡ装置２６の出口のオゾン濃度を測定した。この結果を図６に示す。

図６は、実施例３の放電ギャップを０．４ｍｍとしたときのオゾン吸着時の第１の吸着塔内のガス圧とオゾン濃度との関係を示す図（グラフ）である。なお、図６に示す２つの曲線は、飽和オゾン濃度曲線と、ＰＳＡ装置２６の出口側のオゾン濃度曲線と、を示している。
図６を参照するに、放電ギャップ４８が０．４ｍｍの場合、ＰＳＡ装置２６の出口におけるオゾン濃度を２８０ｇ／Ｎｍ^３にするためには、第１の吸着塔８１内の吸着時のガス圧を０．１５〜０．４６ＭＰａにするとよいことが確認できた。
また、吸着時の第１の吸着塔８１内のガス圧を０．３ＭＰａとすることで、オゾン濃度を４００ｇ／Ｎｍ^３まで高めることが可能であることが確認できた。
なお、第２の吸着塔８２を用いて、同様な実験を行ったところ、上記説明した第１の吸着塔８１と同様な結果が得られた。

１０…オゾン製造装置、１１…酸素供給部、１３…原料酸素供給ライン、１５…オゾン生成装置、１７…混合ガス供給ライン、１８…昇圧部、２１…流量調整部、２１−１…自動バルブ、２１−２…流量計、２２…制御装置、２２−１…記憶部、２２−２…演算部、２２−３…制御部、２３…乾燥空気製造装置、２４…乾燥空気供給ライン、２６…ＰＳＡ装置、２８…アルゴン除去装置、４１…耐圧容器、４２…金属電極、４４…冷却水収容部、４５…誘電体電極、４７…スペーサ、４８…放電ギャップ、５１…高圧給電端子、５２…配線、５３…高電圧電源、５５…ヒューズ、５８…第１の圧力計、５９…第２の圧力計、６１…耐圧容器本体、６２…ガス導入口、６４…ガス導出口、６５…冷却水導入口、６７…冷却水導出口、７１…誘電部材、７２…導電膜、８１…第１の吸着塔、８２…第２の吸着塔、８４，８５…原料酸素供給用分岐ライン、８７，８８，９４，９５，９７，１０４，１０５，１１１，１１２…バルブ、９１，９２…原料酸素リサイクル用ライン、１０１，１０２…乾燥空気供給用分岐ライン、１０７，１０８…オゾン回収用ライン、１２１…第１の吸着塔本体、１２２，１２５…吸着剤、１２４…第２の吸着塔本体

Claims (5)

1. 原料酸素を供給する酸素供給部と、
   前記酸素供給部から供給された前記原料酸素を昇圧する昇圧部と、
   前記昇圧部の後段に配置され、昇圧後の前記原料酸素からオゾンを生成させるオゾン生成装置と、
   前記オゾン生成装置の後段に配置され、昇圧後の前記原料酸素と前記オゾンとが混合された混合ガスから前記オゾンを分離するＰＳＡ装置と、
   を有するオゾン製造装置。
2. 前記昇圧部の前段に配置され、該昇圧部に供給する前記原料酸素の流量を調整する流量調整部と、
   前記オゾン生成装置の入口側に位置する前記原料酸素の圧力を測定する第１の圧力計と、
   前記オゾン生成装置の出口側に位置する前記混合ガスの圧力を測定する第２の圧力計と、
   を有する請求項１記載のオゾン製造装置。
3. 前記原料酸素は、酸素ガスであり、
   前記昇圧部は、前記酸素ガスの圧力を昇圧する昇圧ポンプである請求項１または２記載のオゾン製造装置。
4. 前記原料酸素は、液体酸素であり、
   前記昇圧部は、前記液体酸素をガス化させる蒸発器である請求項１または２記載のオゾン製造装置。
5. 前記オゾン生成装置は、２つの電極間に配置され、かつ０．４ｍｍ以下とされた放電ギャップを有しており、
   前記昇圧部は、前記ＰＳＡ装置の出口側の圧力が０．１５〜０．４６ＭＰａの範囲内となるように、前記原料酸素を昇圧させる請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載のオゾン製造装置。

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