JP3968762B2

JP3968762B2 - High concentration ozone generator

Info

Publication number: JP3968762B2
Application number: JP25544897A
Authority: JP
Inventors: 克治山本; 高橋　　毅; 亮二高橋
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2017-09-19
Also published as: JPH1192118A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原料ガスから高濃度オゾンを発生させる高濃度オゾン発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オゾン発生器２は、例えば図４に模式的に示す無声放電オゾナイザであり、空隙である放電ギャップ▲３▼を誘電体▲２▼（絶縁体）で挟み、その裏に導電性の電極▲１▼を設置した構成になっている。電極▲１▼に交流高電圧を印加し、電圧をコロナ開始電圧以上にすると放電ギャップ▲３▼にいわゆる無声放電が生じ、酸素又は空気を通すとオゾンが生成される。この無声放電は、誘電体▲２▼が放電の進展を抑制するため、電子温度は数万度（数ｅＶ）と高いが、分子温度はほほ室温に保たれたいわゆる低温プラズマである特徴がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したオゾン発生装置において、オゾン発生器２の電極は通常冷却水等で冷却されている。しかし、無声放電によりガスが加熱されるため、放電ギャップ中のガスは、注入エネルギと電極からの熱除去分とのバランスで決まるΔＴだけ温度上昇する。この温度上昇ΔＴにより、オゾン発生器における電力効率が低下し、オゾン濃度を効率よく高められなくなる問題点があった。
【０００４】
すなわち、放電ギャップ中のオゾンは、Ｏ＋Ｏ₃→２Ｏ₂．．（式１）の反応で解離（熱分解）し、この反応の反応速度定数はｋ＝１．８×１０^-11ｅｘｐ（−２３００／Ｔ）．．（式２）で与えられるため、温度が高いほど熱分解反応が進み、一旦発生したオゾンが酸素に戻り、この結果、電力効率が低下し、オゾン濃度が低下することになる。
【０００５】
図５は、この関係を示す解析結果であり、横軸は注入エネルギー、縦軸はオゾン濃度を示している。この図から注入エネルギーが小さい（オゾン濃度が低い）領域Ｉでは注入エネルギーの増大と共にオゾン濃度は直線的に増加するが、更に濃度が高くなると、その増加割合は減少し、ついには飽和傾向となり、その温度における発生限界オゾン濃度となる。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、オゾンの熱分解を抑制し、電力効率を高め、高濃度のオゾンを効率良く発生させることができる高濃度オゾン発生装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、原料ガスを冷却するガス冷却装置と、冷却された原料ガスからオゾンを発生させるオゾン発生器と、該オゾン発生器を出たオゾン含有ガスの温度を検出する温度検出器と、前記オゾン含有ガスのオゾン濃度を検出する濃度検出器と、前記ガス冷却装置による原料ガスの冷却温度を制御する温度制御器とを有し、該温度制御器は、前記温度検出器により検出した温度と前記濃度検出器により検出したオゾン濃度に基づいて、検出温度における発生限界オゾン濃度が、検出オゾン濃度より高くなるように前記ガス冷却装置を制御する、ことを特徴とする高濃度オゾン発生装置が提供される。
【０００８】
上記本発明の構成によれば、原料ガスをオゾン発生器に導入する前にガス冷却器で冷却するのでオゾン発生効率を高めることができ、オゾン発生器内のガス温度上昇によるオゾンの熱分解反応を回避して電力効率を常に高く維持し、高濃度のオゾンを効率良く発生させることができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記ガス冷却装置は、内部に冷却された冷媒を保有する冷媒容器と、該冷媒内に位置し原料ガスが供給される伝熱管と、からなり、前記オゾン発生器は冷媒中に載置される。
この構成により、冷媒によりオゾン発生器自体も同一温度に冷却することができ、オゾン発生器自体の昇温によるオゾン発生効率の低下を抑えることができる。
【００１０】
また、別の好ましい実施形態によれば、前記オゾン発生器は、直列に配置された複数のオゾナイザユニットであり、各オゾナイザユニットはそれぞれ中間冷却器を介して連結されている。
この構成によれば、各オゾナイザユニットの運転により昇温された原料ガスを中間冷却器により再冷却することができ、すべてのオゾナイザユニットをほぼ同一温度に維持することができ、オゾン発生効率を高く維持したまま、オゾン発生器の大型化が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明の高濃度オゾン発生装置の第１実施形態を示す全体構成図である。この図において、高濃度オゾン発生装置１０は、原料ガス１１を冷却するガス冷却装置１４と、冷却された原料ガス１１からオゾンを発生させるオゾン発生器１６と、オゾン発生器内のガス温度を制御する温度制御器２０とを備えている。また、この図において、１２は、原料ガス１１として酸素ガスを発生させる酸素発生器、１７ａ，１７ｂはオゾン発生器１６を出たオゾン含有ガスの温度とオゾン濃度を検出する温度検出器と濃度検出器、１８は温度制御器２０からの指令信号によりガス冷却装置１４へ供給する冷媒温度を調節するチラーユニットである。
【００１３】
図１において、温度制御器２０には、温度検出器１７ａと濃度検出器１７ｂの検出信号が入力されるようになっており、この温度と濃度から、温度制御器２０によりオゾン発生器１６内のガス温度（すなわち検出温度）における発生限界オゾン濃度がガス発生器内のオゾン濃度（すなわち検出濃度）より高くなるように、ガス冷却装置により原料ガスを冷却するようになっている。濃度検出器１７ｂには、例えば紫外線吸収式オゾン濃度計を用いることができる。
【００１４】
この構成により、原料ガス１１をオゾン発生器１６に導入する前にガス冷却器１４で冷却するのでオゾン発生効率を高めることができるばかりでなく、その冷却温度を、オゾン発生器１６内のガス温度における発生限界オゾン濃度がガス発生器内のオゾン濃度より高くなるように制御するので、発生するオゾン濃度が常に発生限界オゾン濃度より低く維持され、図５に示した発生限界オゾン濃度近傍における電力効率の低下を回避して電力効率を常に高く維持し、高濃度のオゾンを効率良く発生させることができる。
【００１５】
なお、本発明において、温度検出器１７ａ及び濃度検出器１７ｂは不可欠ではなく、図５における温度と濃度の関係に基づき、所定の運転温度における発生限界オゾン濃度がガス発生器内のオゾン濃度より十分高くなるように、原料ガスを冷却してもよい。
また、原料ガスの冷却温度は、一般的には低いほどオゾン発生効率及び電力効率を高められるが、酸素の液化温度（約−１６２℃）よりは高くする必要がある。更に、図５に示した関係から、領域Ｉであれば注入エネルギーとオゾン濃度は直線関係にあるので、それ以上冷却しても電力効率は改善されず、かえって冷却のために全体の効率は低下する。従って、所望のオゾン発生効率が得られ、かつ領域Ｉにある範囲では、冷却温度を高めに制御するのがよい。
【００１６】
図２は、本発明の高濃度オゾン発生装置の別の実施形態を示す構成図であり、（Ａ）は冷媒冷却方式、（Ｂ）は中間冷却方式のものを示している。
図２（Ａ）において、ガス冷却装置１４は、内部に冷却された冷媒１３を保有する冷媒容器１４ａと、この冷媒内に位置し原料ガス１１が供給される伝熱管１４ｂとからなる。伝熱管１４ｂの一端は酸素発生器（図示せず）に連結され、他端（出口側）は冷媒中に載置されたオゾン発生器１６に連結されている。冷媒１３は、例えば、フロン等の冷媒であり、この冷媒１３はチラーユニット１８により温度制御器２０からの指令信号に応じて温度調節される。更に、この図において、１９はオゾン発生器１６の電源であり、温度制御器２０の指令により冷媒中にオゾン発生器１６に必要な電力を供給するようになっている。その他の構成は図１の第１実施形態と同様である。
【００１７】
この構成によっても、オゾン発生効率を高めることができるばかりでなく、電力効率を常に高く維持し、高濃度のオゾンを効率良く発生させることができる。
【００１８】
図２（Ｂ）において、オゾン発生器１６は、直列に配置された複数のオゾナイザユニット１６ａであり、各オゾナイザユニット１６ａはそれぞれ中間冷却器１５を介して連結されている。
この構成により、各オゾナイザユニット１６ａの運転により昇温された原料ガス１１を中間冷却器１５により再冷却することができ、すべてのオゾナイザユニット１６ａをほぼ同一温度に維持することができ、オゾン発生効率を高く維持したまま、オゾン発生器の大型化が可能となる。
【００１９】
図３は、参考例による高濃度オゾン発生装置を示す構成図である。この図において、本発明の高濃度オゾン発生装置１０は、液体酸素２１を保有する液体酸素容器２２と、この容器内に載置されたオゾン発生器１６とからなる。液体酸素２１は密閉容器である。また、その上部には、液体酸素容器２２の上部とオゾン発生器１６とを連通する供給配管２３が設けられ、液体酸素容器２２で発生した酸素ガス１１をオゾン発生器１６に直接供給するようになっている。
【００２０】
この構成によれば、液体酸素容器２２内にオゾン発生器１６が載置されており、かつオゾン発生器１６に供給されるガスが液体酸素容器で発生した酸素ガス１１なので、特別な制御装置を設けることなく、原料ガス（酸素ガス）とオゾン発生器自体を冷却保持することができ、オゾンの熱分解を抑制し、電力効率を高め、高濃度のオゾンを効率良く発生させることができる。
【００２１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２２】
【発明の効果】
上述したように、本発明の高濃度オゾン発生装置によれば、オゾンの熱分解を抑制し、電力効率を高め、高濃度のオゾンを効率良く発生させることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高濃度オゾン発生装置の第１実施形態を示す全体構成図である。
【図２】本発明の高濃度オゾン発生装置の別の実施形態を示す構成図である。
【図３】参考例による高濃度オゾン発生装置を示す構成図である。
【図４】無声放電オゾナイザの模式図である。
【図５】注入エネルギーとオゾン濃度の関係図である。
【符号の説明】
１酸素製造機
２オゾン発生器
３オゾン濃縮装置
４反応塔
５ａ，５ｂ窒素吸着塔
７ａ，７ｂオゾン吸着塔
８循環ライン
９キャリアガスライン
１０高濃度オゾン発生装置
１１原料ガス（酸素ガス）
１２酸素発生器
１３冷媒
１４ガス冷却装置
１４ａ冷媒容器
１４ｂ伝熱管
１５中間冷却器
１６オゾン発生器
１６ａオゾナイザユニット
１７ａ温度検出器
１７ｂ濃度検出器
１８チラーユニット
１９電源
２０温度制御器
２１液体酸素
２２液体酸素容器
２３供給配管[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-concentration ozone generator that generates high-concentration ozone from a raw material gas.
[0002]
[Prior art]
The ozone generator 2 is, for example, a silent discharge ozonizer schematically shown in FIG. ▼ is installed. When an AC high voltage is applied to the electrode {circle around (1)} and the voltage is made higher than the corona start voltage, so-called silent discharge occurs in the discharge gap {circle around (3)}, and ozone is generated when oxygen or air is passed. This silent discharge is characterized by a so-called low-temperature plasma in which the dielectric (2) suppresses the progress of the discharge, so that the electron temperature is as high as tens of thousands of degrees (several eV), but the molecular temperature is kept at about room temperature. .
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the ozone generator described above, the electrode of the ozone generator 2 is usually cooled with cooling water or the like. However, since the gas is heated by silent discharge, the temperature of the gas in the discharge gap rises by ΔT determined by the balance between the injection energy and the amount of heat removed from the electrode. Due to this temperature increase ΔT, the power efficiency in the ozone generator is lowered, and there is a problem that the ozone concentration cannot be increased efficiently.
[0004]
That is, ozone in the discharge gap is O + O ₃ → 2O ₂ . . Dissociation (thermal decomposition) by the reaction of (Formula 1), and the reaction rate constant of this reaction is k = 1.8 × 10 ⁻¹¹ exp (−2300 / T). . Since it is given by (Expression 2), the higher the temperature, the more the thermal decomposition reaction proceeds, and the once generated ozone returns to oxygen. As a result, the power efficiency is lowered and the ozone concentration is lowered.
[0005]
FIG. 5 shows an analysis result indicating this relationship, in which the horizontal axis indicates the injection energy and the vertical axis indicates the ozone concentration. From this figure, in the region I where the injection energy is small (the ozone concentration is low), the ozone concentration increases linearly with the increase of the injection energy, but when the concentration is further increased, the increase rate decreases and eventually becomes saturated. It becomes the generation limit ozone concentration at that temperature.
[0006]
The present invention has been made to solve such problems. That is, an object of the present invention is to provide a high-concentration ozone generator that can suppress the thermal decomposition of ozone, increase power efficiency, and efficiently generate high-concentration ozone.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a gas cooling device that cools the raw material gas, an ozone generator that generates ozone from the cooled raw material gas, and a temperature detector that detects the temperature of the ozone-containing gas exiting the ozone generator; A concentration detector that detects the ozone concentration of the ozone-containing gas, and a temperature controller that controls a cooling temperature of the raw material gas by the gas cooling device , the temperature controller being detected by the temperature detector Based on the temperature and the ozone concentration detected by the concentration detector, the gas cooling device is controlled so that the generation limit ozone concentration at the detected temperature is higher than the detected ozone concentration. Is provided.
[0008]
According to the configuration of the present invention, since the raw material gas is cooled by the gas cooler before being introduced into the ozone generator, the ozone generation efficiency can be increased, and the thermal decomposition reaction of ozone due to the gas temperature rise in the ozone generator. Thus, it is possible to maintain high power efficiency at all times and efficiently generate high-concentration ozone.
[0009]
According to a preferred embodiment of the present invention, the gas cooling device comprises a refrigerant container that holds a refrigerant cooled inside, and a heat transfer tube that is located in the refrigerant and is supplied with a raw material gas, The generator is placed in the refrigerant.
With this configuration, the ozone generator itself can be cooled to the same temperature by the refrigerant, and a decrease in ozone generation efficiency due to the temperature rise of the ozone generator itself can be suppressed.
[0010]
According to another preferred embodiment, the ozone generator is a plurality of ozonizer units arranged in series, and each ozonizer unit is connected via an intercooler.
According to this configuration, the raw material gas heated by the operation of each ozonizer unit can be re-cooled by the intermediate cooler, and all the ozonizer units can be maintained at substantially the same temperature, and the ozone generation efficiency is increased. The size of the ozone generator can be increased while maintaining it.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and used for the common part in each figure.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a first embodiment of a high-concentration ozone generator according to the present invention. In this figure, a high-concentration ozone generator 10 controls a gas cooling device 14 that cools a raw material gas 11, an ozone generator 16 that generates ozone from the cooled raw material gas 11, and a gas temperature in the ozone generator. The temperature controller 20 is provided. In this figure, 12 is an oxygen generator for generating oxygen gas as the source gas 11, 17a and 17b are temperature detectors for detecting the temperature and ozone concentration of the ozone-containing gas exiting the ozone generator 16, and concentration detection. , 18 is a chiller unit that adjusts the temperature of the refrigerant supplied to the gas cooling device 14 by a command signal from the temperature controller 20.
[0013]
In FIG. 1, detection signals from the temperature detector 17 a and the concentration detector 17 b are input to the temperature controller 20, and from the temperature and concentration, the temperature controller 20 generates a signal in the ozone generator 16. The source gas is cooled by the gas cooling device so that the generation limit ozone concentration at the gas temperature (that is, the detection temperature) is higher than the ozone concentration (that is, the detection concentration) in the gas generator. As the concentration detector 17b, for example, an ultraviolet absorption ozone concentration meter can be used.
[0014]
With this configuration, since the raw material gas 11 is cooled by the gas cooler 14 before being introduced into the ozone generator 16, not only the ozone generation efficiency can be increased, but also the cooling temperature is set to the gas temperature in the ozone generator 16. Since the generation limit ozone concentration in the gas generator is controlled to be higher than the ozone concentration in the gas generator, the generated ozone concentration is always kept lower than the generation limit ozone concentration, and the power efficiency in the vicinity of the generation limit ozone concentration shown in FIG. It is possible to maintain the power efficiency at a high level by avoiding the decrease in the amount of ozone and to efficiently generate a high concentration of ozone.
[0015]
In the present invention, the temperature detector 17a and the concentration detector 17b are not indispensable, and the generation limit ozone concentration at a predetermined operating temperature is sufficiently higher than the ozone concentration in the gas generator based on the relationship between temperature and concentration in FIG. You may cool source gas so that it may become high.
In general, the lower the gas gas cooling temperature, the higher the ozone generation efficiency and the power efficiency, but the higher the oxygen gas liquefaction temperature (about −162 ° C.). Further, from the relationship shown in FIG. 5, in the region I, since the injection energy and the ozone concentration are in a linear relationship, the power efficiency is not improved even if the cooling is further performed, and the overall efficiency is lowered due to the cooling. To do. Therefore, in the range where the desired ozone generation efficiency is obtained and in the region I, the cooling temperature is preferably controlled to be higher.
[0016]
FIG. 2 is a configuration diagram showing another embodiment of the high-concentration ozone generator of the present invention, where (A) shows a refrigerant cooling system and (B) shows an intermediate cooling system.
2A, the gas cooling device 14 includes a refrigerant container 14a that holds a refrigerant 13 cooled therein, and a heat transfer tube 14b that is located in the refrigerant and is supplied with the raw material gas 11. One end of the heat transfer tube 14b is connected to an oxygen generator (not shown), and the other end (exit side) is connected to an ozone generator 16 placed in the refrigerant. The refrigerant 13 is, for example, a refrigerant such as Freon, and the temperature of the refrigerant 13 is adjusted by the chiller unit 18 according to a command signal from the temperature controller 20. Further, in this figure, reference numeral 19 denotes a power source for the ozone generator 16, which supplies necessary power to the ozone generator 16 in the refrigerant according to a command from the temperature controller 20. Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
[0017]
Also with this configuration, not only the ozone generation efficiency can be increased, but also the power efficiency can be maintained at a high level, and high concentration ozone can be generated efficiently.
[0018]
In FIG. 2B, the ozone generator 16 is a plurality of ozonizer units 16 a arranged in series, and each ozonizer unit 16 a is connected via an intercooler 15.
With this configuration, the raw material gas 11 heated by the operation of each ozonizer unit 16a can be re-cooled by the intermediate cooler 15, all the ozonizer units 16a can be maintained at substantially the same temperature, and the ozone generation efficiency can be maintained. It is possible to increase the size of the ozone generator while maintaining high.
[0019]
FIG. 3 is a configuration diagram showing a high-concentration ozone generator according to a reference example . In this figure, the high-concentration ozone generator 10 of the present invention comprises a liquid oxygen container 22 that holds liquid oxygen 21 and an ozone generator 16 placed in the container. The liquid oxygen 21 is a sealed container. In addition, a supply pipe 23 that communicates the upper part of the liquid oxygen container 22 and the ozone generator 16 is provided at the upper part so that the oxygen gas 11 generated in the liquid oxygen container 22 is directly supplied to the ozone generator 16. It has become.
[0020]
According to this configuration, the ozone generator 16 is placed in the liquid oxygen container 22, and the gas supplied to the ozone generator 16 is the oxygen gas 11 generated in the liquid oxygen container. Without being provided, the source gas (oxygen gas) and the ozone generator itself can be cooled and held, the thermal decomposition of ozone can be suppressed, the power efficiency can be improved, and high-concentration ozone can be generated efficiently.
[0021]
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0022]
【The invention's effect】
As described above, according to the high-concentration ozone generator of the present invention, there are excellent effects such as suppressing thermal decomposition of ozone, increasing power efficiency, and generating high-concentration ozone efficiently. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a first embodiment of a high-concentration ozone generator according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing another embodiment of the high-concentration ozone generator of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram showing a high-concentration ozone generator according to a reference example .
FIG. 4 is a schematic diagram of a silent discharge ozonizer.
FIG. 5 is a relationship diagram between implantation energy and ozone concentration.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oxygen production machine 2 Ozone generator 3 Ozone concentrator 4 Reaction tower 5a, 5b Nitrogen adsorption tower 7a, 7b Ozone adsorption tower 8 Circulation line 9 Carrier gas line 10 High concentration ozone generator 11 Raw material gas (oxygen gas)
12 Oxygen Generator 13 Refrigerant 14 Gas Cooling Device 14a Refrigerant Container 14b Heat Transfer Tube 15 Intermediate Cooler 16 Ozone Generator 16a Ozonizer Unit 17a Temperature Detector 17b Concentration Detector 18 Chiller Unit 19 Power Supply 20 Temperature Controller 21 Liquid Oxygen 22 Liquid Oxygen Container 23 supply piping

Claims

原料ガスを冷却するガス冷却装置と、冷却された原料ガスからオゾンを発生させるオゾン発生器と、該オゾン発生器を出たオゾン含有ガスの温度を検出する温度検出器と、前記オゾン含有ガスのオゾン濃度を検出する濃度検出器と、前記ガス冷却装置による原料ガスの冷却温度を制御する温度制御器とを有し、
該温度制御器は、前記温度検出器により検出した温度と前記濃度検出器により検出したオゾン濃度に基づいて、検出温度における発生限界オゾン濃度が、検出オゾン濃度より高くなるように前記ガス冷却装置を制御する、ことを特徴とする高濃度オゾン発生装置。A gas cooling device for cooling the raw material gas; an ozone generator for generating ozone from the cooled raw material gas; a temperature detector for detecting the temperature of the ozone-containing gas exiting the ozone generator; and the ozone-containing gas. A concentration detector for detecting ozone concentration, and a temperature controller for controlling the cooling temperature of the raw material gas by the gas cooling device ,
The temperature controller controls the gas cooling device based on the temperature detected by the temperature detector and the ozone concentration detected by the concentration detector so that the generation limit ozone concentration at the detected temperature is higher than the detected ozone concentration. A high-concentration ozone generator characterized by controlling .

前記ガス冷却装置は、内部に冷却された冷媒を保有する冷媒容器と、該冷媒内に位置し原料ガスが供給される伝熱管と、からなり、前記オゾン発生器は冷媒中に載置される、ことを特徴とする請求項１に記載の高濃度オゾン発生装置 The gas cooling device includes a refrigerant container that holds a refrigerant cooled inside, and a heat transfer tube that is located in the refrigerant and is supplied with a raw material gas, and the ozone generator is placed in the refrigerant. The high-concentration ozone generator according to claim 1,

前記オゾン発生器は、直列に配置された複数のオゾナイザユニットであり、各オゾナイザユニットはそれぞれ中間冷却器を介して連結されている、ことを特徴とする請求項１に記載の高濃度オゾン発生装置。 The high-concentration ozone generator according to claim 1, wherein the ozone generator is a plurality of ozonizer units arranged in series, and each ozonizer unit is connected via an intercooler. .