JPWO2009069772A1 - オゾン濃縮装置 - Google Patents

Abstract

オゾン発生器３と、オゾン発生器３により発生したオゾンを濃縮するために一定温度の冷媒２５で冷却されたシリカゲル６を内包した吸脱着塔４と、冷媒２５を冷却するための冷凍機２３と、オゾンを吸着したシリカゲル６から主に酸素を排気することにより、吸脱着塔４内のオゾン濃度を高めるための真空ポンプ２０と、吸脱着塔４に対して流入または流出させるガスの流路を切り替えるための空気圧操作の複数のバルブ８〜１３と、真空ポンプ２０によりオゾン濃度が高められたオゾンの濃度を測定するためのオゾン濃度計２８，２９とを備え、真空ポンプ２０の排気ラインを他の吸脱着塔４に接続し、当該他の吸脱着塔４に再度通過させる。これにより、安定した高濃度オゾンを吸脱着塔の上下の温度差なく、エネルギー効率良く発生させる。

Description

この発明はオゾン発生器により生成されたオゾンを濃縮して、濃度の高いオゾンを発生するためのオゾン濃縮装置に関するものである。

近年、半導体装置に用いられるシリコンウエハの洗浄や、上下水処理等、多岐の目的にオゾンが利用されている。シリコンウエハの洗浄は、オゾンガスを純水に溶かしたオゾン水を洗浄液として用いるもので、希フッ酸水溶液等と併用することで、シリコンウエハ上の有機物や重金属を除去する。

オゾンガスは、自己分解性が強いことから、オゾンガスの状態で貯蔵することが難しく、オゾン利用設備の近傍でオゾン発生器によりオゾンガスを発生させて用いるのが一般的である。

従来のオゾン濃縮方法としては、オゾン発生器で発生させたオゾンガスを冷凍機で冷却されている吸着剤に大気状態で飽和吸着させる吸着工程と、吸着剤を収容している吸着筒を供給オゾンガスの分圧まで減圧排気する精製工程と、吸着筒内の冷却状態および減圧状態を維持したまま、真空状態を維持しているオゾン利用設備に連通させて圧力差によって高濃度オゾンを供給する脱離工程とからなる方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来のオゾン濃縮方法として、吸着剤を充填した吸着塔３塔、それらの吸着塔を冷却するための冷却装置、吸着塔の温度を制御するためのヒーター、オゾン流路を変更するための開閉弁、脱着したオゾンを貯蔵するオゾン貯蔵容器、および、オゾン貯蔵容器からオゾン利用設備へ供給するオゾンの流量を調節するためのマスフローコントローラーから装置を構成し、オゾン吸着工程、安定化兼昇圧工程、オゾン脱着工程、冷却工程の４工程を繰り返すようにし、各吸脱着塔の運転を１／３サイクルずつずらして連続的に２８．４ｖｏｌ％の濃度のオゾンを発生させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、従来の放電式オゾン発生器では、酸素ガスに数％の窒素を入れてオゾンの発生の安定化を図っている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００２−６８７１２号公報 特開平１１−３３５１０２号公報 特開２００１−１８０９１５号公報

このような従来のオゾン濃縮方法にあっては、濃縮したオゾンを得るために真空排気をしているため、オゾンを無駄に排気してしまうという問題点があった。

また、安定化兼昇温工程および脱着工程の後に冷却工程を設けるため、吸脱着時以外の時間的損失があるとともに、吸着塔の上下の位置で温度差が発生してしまうため、エネルギー損失が大きくなるという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、安定した濃縮オゾンを吸脱着塔の上下の温度差なく、エネルギー効率良く発生させるための装置である。

この発明は、オゾン発生器と、前記オゾン発生器により発生したオゾンを濃縮するために一定温度の冷媒で冷却されたオゾン吸着剤を内包した複数の吸脱着塔と、前記冷媒を冷却するための冷却手段と、前記吸脱着塔に接続されて、オゾンを吸着した前記吸着剤から主に酸素を排気することにより、前記吸脱着塔内のオゾンを濃縮するための真空ポンプと、前記吸脱着塔に接続されて、前記吸脱着塔に対して流入または流出させるガスの流路を切り替えるための空気圧操作の複数のバルブと、前記真空ポンプにより濃縮された前記オゾンの濃度を測定するためのオゾン濃度計とを備え、前記吸着剤を内包した前記吸脱着塔のオゾンを濃縮する前記真空ポンプの排気ラインを他の前記吸脱着塔に接続し、当該他の吸脱着塔に再度通過させる構造を有していることを特徴とするオゾン濃縮装置である。

この発明は、オゾン発生器と、前記オゾン発生器により発生したオゾンを濃縮するために一定温度の冷媒で冷却されたオゾン吸着剤を内包した複数の吸脱着塔と、前記冷媒を冷却するための冷却手段と、前記吸脱着塔に接続されて、オゾンを吸着した前記吸着剤から主に酸素を排気することにより、前記吸脱着塔内のオゾンを濃縮するための真空ポンプと、前記吸脱着塔に接続されて、前記吸脱着塔に対して流入または流出させるガスの流路を切り替えるための空気圧操作の複数のバルブと、前記真空ポンプにより濃縮された前記オゾンの濃度を測定するためのオゾン濃度計とを備え、前記吸着剤を内包した前記吸脱着塔のオゾンを濃縮する前記真空ポンプの排気ラインを他の前記吸脱着塔に接続し、当該他の吸脱着塔に再度通過させる構造を有していることを特徴とするオゾン濃縮装置であるので、安定した高濃度オゾンを吸脱着塔の上下の温度差なく、エネルギー効率良く発生させることができる。

本発明の実施の形態１によるオゾン濃縮装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態１によるオゾン濃縮装置によって発生されたオゾンの量と従来の量とをグラフにより比較した説明図である。 本発明の実施の形態２によるオゾン濃縮装置の要部を示す部分斜視図である。 本発明の実施の形態２によるオゾン濃縮装置の要部を示す部分断面図である。 本発明の実施の形態３によるオゾン濃縮装置の要部を示す部分斜視図である。 本発明の実施の形態４によるオゾン濃縮装置の構成を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるオゾン濃縮装置を示す図である。図１に示すように、本実施の形態１によるオゾン濃縮装置には、３塔の吸脱着塔４が設けられている。なお、図１においては、それぞれ、符号４−１，４−２，４−３として示しているが、以下の説明においては、これらをまとめた場合に、符号４として説明することとする。他の構成についても同様に、Ｘ−１は、吸脱着塔４−１に対応させて設けられた部材、Ｘ−２は、吸脱着塔４−２に対応させて設けられた部材、Ｘ−３は、吸脱着塔４−３に対応させて設けられた部材であり、これらをまとめた場合には、単に、符号Ｘとして示すこととする（なお、ここで、Ｘは、５〜１３までの数字）。

図１の説明に戻る。これらの３塔の吸脱着塔４は、断熱材２６に外側を覆われた冷却槽２４内に収容されている。各吸脱着塔４内には、オゾン吸着剤としてシリカゲル６が入れられている。シリカゲル６は、図１に示すように、吸脱着塔４内の上部と下部に空間ができるように、高さ方向の中央部分にのみ配置されている。シリカゲル６は、直径１〜５ｍｍの粒形状、望ましくは球状をしており、吸脱着塔４の内壁に対して相補形状をなすように充填され（内壁が円筒型なら、シリカゲル６は円柱型）、吸脱着塔４の内壁に密着するように設けられている。冷却槽２４には冷凍機２３が接続され、冷却槽２４内には冷凍機２３で一定温度に冷却された冷媒２５が循環している。この冷媒２５によりシリカゲル６は常に冷却されている。さらに、冷却槽２４の底部には、断熱材２６を貫通するようにして、ドレインバルブ２７が設けられており、メンテナンス時等の必要に応じて、ドレインバルブ２７を開けて、冷却槽２４内の冷媒２５をそこから外部に排出する。また、各吸脱着塔４には、略々Ｌ字型の入口ガス連通管５と、略々Ｉ字型の出口ガス連通管７とが、垂直方向に上部から挿入されている。入口ガス連通管５はシリカゲル６の下部まで貫通し、出口ガス連通管７は高純度シリカゲル６の上方までで、シリカゲル６まで達していない。したがって、入口ガス連通管５のＬ字型の下端のガス導入口と出口ガス連通管７の下端の排出口とはシリカゲル６を隔てるように配置されている。また、各入口ガス連通管５には、３つの入口バルブ８，９，１０が設けられている。また、各出口ガス連通管７には、３つの出口バルブ１１，１２，１３が設けられている。

冷却槽２４の外部には、オゾン発生器３と酸素ボンベ１とが設けられ、酸素ボンベ１は減圧弁２を介してオゾン発生器３に接続されている。酸素ボンベ１からオゾン発生器３に酸素を入れることにより、オゾンが発生され、吸脱着塔４に供給される。なお、オゾン発生器３はオゾン発生装置として一般的に現在用いられているものでよい。また、冷却槽２４の外部には、オゾン利用設備１７が設けられ、吸脱着塔４により生成された高濃度オゾンが供給される。オゾン利用設備１７には、それを減圧状態にするための真空ポンプ２２が設けられている。

オゾン発生器３は、入口バルブ１０および入口ガス連通管５を介して、吸脱着塔４内のシリカゲル６に連通しており、さらに、当該シリカゲル６は、出口ガス連通管７、出口バルブ１３、自動圧力調整器１８、および、オゾン濃度計２８を介して、オゾン分解触媒１９に連通していて、これらは一連にオゾンを吸着するために繋がっている。

また、各吸脱着塔４は、出口ガス連通管７、出口バルブ１２、および、真空ポンプ２０を経由し、別の吸脱着塔４の入口ガス連通管５に設けられた入口バルブ９を介して、当該別の吸脱着塔４内を通って、それに設けられた出口ガス連通管７および出口バルブ１１を介して、オゾン分解触媒２１に繋がっている。

さらに、各吸脱着塔４は、入口ガス連通管５、入口バルブ８、真空ポンプ１５、流量調整器（マスフローコントローラー）１６、オゾン濃度計２９を通して、オゾン利用設備１７および真空ポンプ２２へと繋がっている。

以上説明したように、本実施の形態１に係るオゾン濃縮装置は、酸素からオゾンを発生するオゾン発生器３と、オゾン発生器３により発生したオゾンを濃縮するために一定温度の冷媒２５で冷却されたオゾン吸着剤であるシリカゲル６を内包した複数の吸脱着塔４と、冷媒２５を冷却するための冷却手段である冷凍機２３と、吸脱着塔４に接続されて、オゾンを吸着したシリカゲル６から主に酸素を排気することにより、吸脱着塔４内のオゾンを濃縮するための真空ポンプ２０と、吸脱着塔４に接続されて、吸脱着塔４に対して流入または流出させるガスの流路を切り替えるための空気圧操作の複数のバルブ８〜１３と、真空ポンプ２０により濃縮されたオゾンの濃度を測定するためのオゾン濃度計２８，２９とを備え、シリカゲル６を内包した吸脱着塔４のオゾンを濃縮する真空ポンプ２０の排気ラインを、他の吸脱着塔４に再度通過させる構造を有している。当該構成において、３つの吸脱着塔４は、オゾンを吸着する吸着工程、吸着したオゾンを真空排気してオゾンガス濃度を高める真空排気工程、および、濃縮したオゾンを送出するオゾン脱着工程を繰り返し行って、従来は捨てていた所定の濃度に達していないオゾンを、再度、吸着することにより、オゾン利用設備が必要とする３０〜１００体積パーセントの範囲にある所定のオゾン濃度まで濃縮して、利用できるようにしている。

次に、本実施の形態１によるオゾン濃縮装置の動作について説明する。酸素を、酸素ボンベ１からオゾン発生器３に入れて、オゾンを発生させる。このオゾンを、まず、入口バルブ１０−１および入口ガス連通管５−１を通して、吸脱着塔４−１内に入れ、冷凍機２３で冷却した冷媒２５を介して冷却した吸脱着塔４−１内のシリカゲル６−１に吸着させる。オゾンと一部の酸素を吸着した後のガスは、出口ガス連通管７−１、出口バルブ１３−１、自動圧力調整器１８、オゾン濃度計２８、オゾン分解触媒１９を通して、大気に開放される。オゾン分圧が高いほど良く吸着するため、オゾン吸着時には、自動圧力調整器１８で、ゲージ圧力０．１ＭＰａ以上に調整している。吸着終了後、入口バルブ１０−１、および、出口バルブ１３−１を閉じて、吸脱着塔４−１を一時的に休止状態にし、次に、吸脱着塔４−２に対して設けられた、入口バルブ１０−２および出口バルブ１３−２を開けて、吸脱着塔４−２内のシリカゲル６−２にオゾンを吸着させる。

吸脱着塔４−１内のシリカゲル６−１は、オゾンと同時に酸素も吸着している。吸着されたオゾンの濃度を上げるためには、この酸素を排気する必要がある。そのため、一時的に休止している吸脱着塔４−１の出口バルブ１２−１を開けて、シリカゲル６−１から、吸着された酸素を、出口バルブ１２−１を介して、真空ポンプ２０で排気することにより、オゾンを濃縮する。これを減圧動作という。なお、酸素を排気する際には、当該酸素に混じって一部のオゾンも同時に排気されるため、出口バルブ１２−１、真空ポンプ２０、入口バルブ９−２、および、入口ガス連通管５−２を通じて、吸脱着塔４−１から排気されるオゾンを吸脱着塔４−２に入れて、吸脱着塔４−２で再度吸着させる。このように、真空ポンプ２０にはオゾンが流れるため、真空ポンプ２０はオゾンに対する耐腐食性が高い必要があるので、テフロン（登録商標）製のダイアフラムを用いたものを使用する。なお、オゾン濃度計２８で吸脱着塔４−１から漏れ出てくるオゾン濃度をモニタし、あらかじめ、計測した吸脱着塔４−２内のシリカゲル６−２の破過と、吸脱着塔４−１内のオゾンが予め設定された所定の製品オゾン濃度に達する時間が同時に終了するように、吸脱着塔４−１の真空引き開始時間（脱着開始時間）を設定する。すなわち、吸脱着塔４−１から真空ポンプ２０により排気される排気ガスを、他の吸脱着塔４−２へ再度通過させて吸着させる期間は、真空ポンプ２０による吸脱着塔４−１からの排気開始から、吸脱着塔４−１内のオゾンの濃度が所定の製品オゾン濃度へ達するまでの間とする。吸脱着塔４−１内のオゾンが所定の製品オゾン濃度に達したら、入口バルブ８−１を開け、真空ポンプ１５を通じて、流量調整器（マスフローコントローラー）１６で流量を一定に制御して、オゾン濃度計２９を通して、真空ポンプ２２で減圧状態にあるオゾン利用設備１７に送られる。この動作を脱着動作という。なお、製品オゾン濃度とは、オゾン利用設備１７が必要とする３０〜１００体積パーセントの範囲にあらかじめ設定した所定の濃度である。これらの一連の、吸着、減圧、脱着と各バルブの動作を表したものが表１になる。

図２は、冷媒２５の温度を−６０℃と一定としたときの、オゾン吸着量、脱着したオゾン量、および、脱着したオゾンのうち、濃度が９０体積パーセント以上のオゾンの量をグラフに表したものである。図中、左側の３つの棒グラフが再吸着のない場合であり、右側の３つが本実施の形態１による再吸着のある場合である。それぞれの場合において、左端の棒グラフがオゾン吸着量、中央がオゾン脱着量、右側が濃度９０体積パーセント以上のオゾン脱着量の値をそれぞれ示している。

このように、本実施の形態においては、従来は排気していた製品ガス濃度に達しない濃度のオゾンを他の吸脱着塔４に入れて、再び吸着することにより、オゾンの吸着量が増加して、オゾンの利用効率の増加によるオゾン発生用電力が低減するとともに、オゾン分圧の高いガスを吸着することができるため、シリカゲルにオゾンを高密度吸着することが可能になり、オゾンの濃縮が容易になる。なお、本実施の形態１において、真空ポンプ２２の排気量、真空達成度に十分余裕がある場合には、真空ポンプ１５を無くして、オゾン利用設備１７の付属の真空ポンプ２２を利用し、吸脱着塔４の吸脱着を行っても同様の効果を示すことは可能である。また、今回、３塔で切り替える構成について説明を行ったが、複数の塔を１ユニットとして、３ユニットで切り替えるようにしてもよく、その場合にも、同等の効果を得ることができる。

以上のように、本実施の形態に係るオゾン濃縮装置においては、オゾン発生器３で発生させたオゾンを、冷凍機２３で冷却した吸脱着塔４−１に内包されるシリカゲル６−１に吸着させた後に、真空ポンプ２０で排気し、すでにオゾンガスで破過した連通する吸脱着塔４−２に真空ポンプ２０で排気したガスを流通させるようにしたので、以下の効果が得られる。

まず、第一に、一定温度で、真空ポンプで濃縮されたオゾンガスを取り出すことにより、シリカゲルを加温する必要がないため、加温するためのエネルギーおよび時間が節約できる。第二に、オゾンで破過した後の吸脱着塔に、さらに、吸脱着塔から真空排気した高濃度のオゾンガスを吸着させるため、オゾンの利用効率が高まり、かつ濃縮率が増加するため、オゾンの発生量を節約することができ、ついてはオゾンを発生するためのエネルギーを低減することができる。第三に、真空ポンプの排気ラインを吸着過程にある他の吸脱着塔に接続するようにしたので、吸着速度や吸着量は、オゾン濃度に比例するため、真空ポンプの排気ラインから出る高濃度のオゾンを吸着することにより、吸着が早く、また、オゾン発生器から発生するオゾンより高濃度のオゾンを吸着させることができるので、吸着量を多くすることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２によるオゾン濃縮装置を示す図である。吸脱着塔４−１〜４−３には、入口ガス連通管５および出口ガス連通管７が上部から挿入されており、入口ガス連通管５は、シリカゲル６の下部まで貫通し、連通管５のガス導入口と連通管７のガス排出口とが、シリカゲル６を隔てて配置されるように構成されている。吸脱着塔４−１〜４−３は、冷却槽２４に、複数のボルト３０で取り付けられている。入口ガス連通管５と出口ガス連通管７の吸脱着塔４の外部にあるそれぞれの上端が、吸脱着塔４の同じ側にあり、吸脱着塔４内部にあるそれぞれの下端がシリカゲル６を挟みこむようにしてあるため、オゾンガスの吸着がしやすい。また、吸脱着塔４を冷却槽２４にボルト３０で取り付けるようにしたので、吸脱着塔４と冷却槽２４とを切り離すことができるため、冷媒２５を冷却槽２４から排出することなく吸脱着塔４の交換を行うことができる。これにより、オゾン濃縮装置全体の重量が少なくなり、吸脱着塔４のみの着脱が可能になるため、メンテナンスが容易になる。なお、他の構成については、上述の実施の形態１と同じであるため、ここではその説明は省略する。

なお、本実施の形態２では、入口ガス連通管５がシリカゲル６内を貫通している例について説明したが、その場合に限らず、図４に示すように、入口ガス連通管５が吸脱着塔４の外部を通って、出口ガス連通管７とシリカゲル６とを挟んでもよく、その場合においても同様の効果を得ることができる。

以上のように、本実施の形態２によれば、吸脱着塔４−１〜４−３を冷却槽２４にボルト３０で取り付けるようにしたので、吸脱着塔４と冷却槽２４とを切り離すことができるようになったため、冷媒２５を冷却槽２４から抜くことなく、吸脱着塔４の交換を行うことができ、吸脱着塔４のみの着脱が可能になるため、メンテナンスが容易になる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３によるオゾン濃縮装置を示す図である。吸脱着塔４を、図５に示すように、横向きにして、冷却槽２４の側面から内部に挿入し、冷却槽２４の側面にボルト３０で取り付けている。吸脱着塔４自体の構成は、上述の実施の形態１および２で示したものと基本的に同じである。但し、本実施の形態においては、吸脱着塔４が横向きにされているため、シリカゲル６が、吸脱着塔４内の（水平方向の直径を含む）高さ方向の中央部分に位置しており、吸脱着塔４内の上方と下方にのみ隙間がある状態で入れられている。なお、（当該隙間部分を除く）当該中央部分においては、シリカゲル６は、吸脱着塔４の内壁に密着している。また、出口ガス連通管７が、その吸脱着塔４内の上部の隙間に挿入されており、入口ガス連通管５は、吸脱着塔４内の下部の隙間から入り、その先端が、奥行き方向の中心部にくるように設置されており、シリカゲル６にオゾンを吸脱着させている。他の構成については、上述の実施の形態１または２と同じであるため、ここではその説明を省略する。

このように、吸脱着塔４は、横向きにして設けても、上記の実施の形態１と同様に機能することができる。但し、本実施の形態においては、吸脱着塔４を、横向きにして、冷却槽２４の側面に挿入した構成であるため、メンテナンス時には、冷媒２５がこぼれてしまうため、予め、冷却槽２４に取り付けられているドレインバルブ２７で、冷却槽２４から冷媒２５を排出して、吸脱着塔４を取替えるようにする。なお、他の動作については、上述の実施の形態１と同じであるため、ここではその説明は省略する。

以上のように、本実施の形態３においては、冷却槽２４の側面から吸脱着塔４を取り付けているため、吸脱着塔４上部にメンテナンススペースをとる必要がなく、メンテナンスを容易にできる。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４によるオゾン濃縮装置を示す図である。大きさの同じ３塔の吸脱着塔４−１，４−２，４−３に加えて、それらの３塔の吸脱着塔４−１，４−２，４−３より小さい、４つ目の吸脱着塔４−４を備えている。吸脱着塔４−４には、吸脱着塔４−１，４−２，４−３と同様に、入口ガス連通管５−４と出口ガス連通管７−４とが挿入されている。また、入口ガス連通管５−４には、２つの入口バルブ８−４，１０−４が設けられており、出口ガス連通管７−４には、２つの出口バルブ１２−４，１３−４が設けられている。

これら４塔の吸脱着塔４が、断熱材２６に覆われた冷却槽２４内に備えられている。また、これら４塔の吸脱着塔４内にはシリカゲル６が入れられており、オゾン発生器３と、入口バルブ１０、出口バルブ１３、自動圧力調製器１８、オゾン濃度計２８、オゾン分解触媒１９で、一連にオゾンを吸着するために繋がっている。吸脱着塔４−１は、出口バルブ１１−１および入口バルブ９−２を通して、吸脱着塔４−２に繋がり、バルブ１２−２およびオゾン分解触媒２１を通して真空ポンプ２０に繋がっている。同様に、吸脱着塔４−２は、出口バルブ１１−２および入口バルブ９−３を通して、吸脱着塔４−３に繋がり、出口バルブ１２−３およびオゾン分解触媒２１を通して真空ポンプ２０に繋がっている。吸脱着塔４−３は、出口バルブ１１−３および入口バルブ９−１を通して、吸脱着塔４−１に繋がり、バルブ１２−１、オゾン分解触媒２１を通して真空ポンプ２０に繋がっている。吸脱着塔４−４は、出口バルブ１２−４およびオゾン分解触媒２１を通して真空ポンプ２０に繋がっている。さらに、これらの吸脱着塔４から、入口バルブ８、真空ポンプ１５、流量調整器（マスフローコントローラー）１６、オゾン濃度計２９を通して、オゾン利用設備１７および真空ポンプ２２へと繋がっている。また、冷却槽２４には、冷凍機２３で冷却した冷媒２５が循環している。他の構成については、上述の実施の形態１と同じである。

次に動作について説明する。酸素ボンベ１から酸素をオゾン発生器３に入れて、オゾンを発生させる。このオゾンをバルブ１０−１、連通管５−１を通して、冷凍機２３で−５０℃以下にした冷媒２５を介して冷却したシリカゲル６−１に吸着させる。オゾンと一部の酸素を吸着した後のガスは、出口ガス連通管７−１、出口バルブ１３−１、自動圧力調製器１８、自動濃度計２８、オゾン分解触媒１９を通して大気に開放される。オゾンは、オゾン分圧が高いほど良く吸着するため、オゾン吸着時には、自動圧力調製器１８でゲージ圧力０．１ＭＰａ以上に調整している。吸着が終了後、入口バルブ１０−１、出口バルブ１３−１を閉じ、入口バルブ１０−４および出口バルブ１３−４を開け、吸脱着塔４−４にオゾンを吸着させると同時に、出口バルブ１１−１、入口バルブ９−２、出口バルブ１２−２を開けて、真空ポンプ２０で真空排気して、吸脱着塔４−１内部のオゾンを濃縮する。このとき、酸素と同時に排気されるオゾンを吸脱着塔４−２で吸着し、出口バブル１２−２から酸素のみを排気する。この一連の動作で、吸脱着塔４−１内のオゾン濃度が所定の濃度に達した時点で、出口バルブ１１−１、入口バルブ９−２、出口バルブ１２−２を閉めて、入口バルブ８−１を開けて、真空ポンプ１５を通して、流量調整器（マスフローコントローラー）１６で流量制御したオゾンガスを、オゾン利用設備１７に送り込む。このとき、入口バルブ９−２および出口バルブ１３−２を開け、入口バルブ９−４および出口バルブ１３−４を閉めて、オゾン発生器３で発生した高純度オゾンガスを吸脱着塔４−２に吸着させる。吸脱着塔４−４に吸着したオゾンガスは、バルブ１２−４を開け、オゾン分解触媒２１を通して、真空ポンプ２０で酸素が排気されて濃度が上がる。オゾン利用設備が必要とする３０〜１００体積パーセントの範囲にあらかじめ設定した所定の濃度になったところで、入口バルブ８−４を開け、吸脱着塔４−１から出てくる超高濃度オゾンガスと同時に、オゾン利用設備１７に送り込まれる。これらの一連の、吸着、減圧、高濃度オゾンの発生と各バルブの動作を表したものが表２になる。

上記の実施の形態１では、減圧排気したオゾンガスと、オゾン発生器３から発生したガスを同時に吸着したため、減圧排気したオゾンガスが若干希釈される。一方、本実施の形態４のように、補助的な吸脱着塔４−４を備えて、減圧排気したオゾンガスとオゾン発生器３から発生されるオゾンガスとを吸脱着塔４−４に吸着させることにより、減圧排気したオゾンガスを再吸着するときのオゾン分圧が上がるために吸着量が増加する。また、補助的に加えた吸脱着塔４−４は、他の３塔が吸着、減圧、高濃度オゾンの発生の工程を繰り返している一工程の間に、吸着、減圧、高濃度オゾンの発生の工程を１塔で行うため、吸脱着塔の容量、すなわち、シリカゲルの量が１／３で良い。

以上のように、本実施の形態４によれば、従来は排気していた製品ガス濃度に達しないオゾンを他の吸脱着塔に入れて、再び吸着することにより、オゾンの利用効率が増加する。また、排気ガス中に含まれていたオゾンがシリカゲル６に吸着するため、真空ポンプ２０がオゾンに触れることなく、また、オゾン分解触媒２１の性能も低いものを利用でき、安全で信頼性の高いオゾン濃縮装置を実現することができる。さらに、オゾンを吸着する吸着工程、吸着したオゾンを真空排気してオゾンガス濃度を高める真空排気工程（減圧工程）、発生したオゾンを送出するオゾン発生工程（脱着工程）を繰り返し行う３つの吸脱着塔と、これらの吸脱着塔とは独立に、吸着工程、真空排気工程、および、超高濃度オゾン発生工程を行う１つの吸脱着塔の合計４つを備えるようにしたので、真空排気されたオゾンガスが希釈されないため、より高密度に吸着剤にオゾンを吸着することがだき、オゾンの利用効率、ひいては、オゾン発生のための電力を低減することができる。

また、本実施の形態４においては、４つの吸脱着塔を設ける構成について述べたが、その場合に限らず、複数の塔を１ユニットとして、３つのユニットと、塔数の少ない第４のユニットで構成するようにしてもよく、その場合においても、上記と同等の効果を得ることができる。

なお、上記の実施の形態１〜４で説明したオゾン発生器３に酸素ボンベ１から供給する酸素ガスの純度は、例えば、９９．９９％以上の純酸素を使用することが望ましい。これは、窒素を含まないあるいは窒素の少ない酸素をオゾン発生用の原料ガスに用いることにより、発生オゾン中に窒素酸化物が生成されないため、オゾン利用設備での腐食を引き起こすことがないという理由によるものである。
さらに、オゾン吸着に用いるシリカゲルについては、シリカ（化学記号ＳｉＯ₂）の純度が９９．９％以上の高純度のものを用いることが望ましい。これにより、シリカゲル中に含まれる不純物（特に金属成分）との反応によりオゾンが分解して消失することを防ぐとともに、発生オゾン中にシリカゲルが発源となる不純物の混入を防ぐことができる。

この発明は、オゾン発生器と、前記オゾン発生器により発生したオゾンを濃縮するために一定温度の冷媒で冷却されたオゾン吸着剤を内包した複数の吸脱着塔と、前記冷媒を冷却するための冷却手段と、前記吸脱着塔に接続されて、オゾンを吸着した前記吸着剤から主に酸素を排気することにより、前記吸脱着塔内のオゾンを濃縮するための排気手段と、前記吸脱着塔に接続されて、前記吸脱着塔に対して流入または流出させるガスの流路を切り替えるための複数のバルブとを備え、前記吸着剤を内包した前記吸脱着塔のオゾンを濃縮する前記排気手段の排気ラインを他の前記吸脱着塔に接続し、前記排気手段により排気される排気ガスを当該他の吸脱着塔に再度通過させる構造を有していることを特徴とするオゾン濃縮装置である。

この発明は、オゾン発生器と、前記オゾン発生器により発生したオゾンを濃縮するために一定温度の冷媒で冷却されたオゾン吸着剤を内包した複数の吸脱着塔と、前記冷媒を冷却するための冷却手段と、前記吸脱着塔に接続されて、オゾンを吸着した前記吸着剤から主に酸素を排気することにより、前記吸脱着塔内のオゾンを濃縮するための排気手段と、前記吸脱着塔に接続されて、前記吸脱着塔に対して流入または流出させるガスの流路を切り替えるための複数のバルブとを備え、前記吸着剤を内包した前記吸脱着塔のオゾンを濃縮する前記排気手段の排気ラインを他の前記吸脱着塔に接続し、前記排気手段により排気される排気ガスを当該他の吸脱着塔に再度通過させる構造を有していることを特徴とするオゾン濃縮装置であるので、安定した高濃度オゾンを吸脱着塔の上下の温度差なく、エネルギー効率良く発生させることができる。

Claims (6)

1. オゾン発生器と、
   前記オゾン発生器により発生したオゾンを濃縮するために一定温度の冷媒で冷却されたオゾン吸着剤を内包した複数の吸脱着塔と、
   前記冷媒を冷却するための冷却手段と、
   前記吸脱着塔に接続されて、オゾンを吸着した前記吸着剤から主に酸素を排気することにより、前記吸脱着塔内のオゾンを濃縮するための真空ポンプと、
   前記吸脱着塔に接続されて、前記吸脱着塔に対して流入または流出させるガスの流路を切り替えるための空気圧操作の複数のバルブと
   を備え、
   前記吸着剤を内包した前記吸脱着塔のオゾンを濃縮する前記真空ポンプの排気ラインを他の前記吸脱着塔に接続し、前記真空ポンプにより排気される排気ガスを当該他の吸脱着塔に再度通過させる構造を有していることを特徴とするオゾン濃縮装置。
2. 前記真空ポンプの排気ラインは、吸着過程にある他の吸脱着塔に接続されていることを特徴とする請求項１記載のオゾン濃縮装置。
3. 前記真空ポンプの吸気ラインは、吸着が完了した吸脱着塔に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のオゾン濃縮装置。
4. 前記吸脱着塔から前記真空ポンプにより排気される前記排気ガスを、前記他の吸脱着塔へ再度通過させて吸着させる期間は、前記真空ポンプによる前記吸脱着塔からの排気開始から、前記吸脱着塔内のオゾンの濃度が所定の製品オゾン濃度へ達するまでの間とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のオゾン濃縮装置。
5. 前記吸脱着塔は、
   オゾンを吸着する吸着工程、吸着された前記オゾンを真空排気してオゾン濃度を高める真空排気工程、および、濃縮したオゾンを送出するオゾン脱着工程を行う３つの吸脱着塔と、
   それらの３つの吸脱着塔とは独立に、吸着工程、真空排気工程、および、オゾン脱着工程を行う１つの吸脱着塔と
   を含んでいることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のオゾン濃縮装置。
6. 前記オゾン発生器の原料ガスとして、純度９９．９９％以上の酸素を用いることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のオゾン濃縮装置。

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