JP2003206107A

JP2003206107A - 高濃度オゾン製造装置

Info

Publication number: JP2003206107A
Application number: JP2002002710A
Authority: JP
Inventors: Shoji Kamiya; 祥二神谷; Hidefumi Ikegami; 英文池上; Eikichi Tajima; 榮吉田嶋
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2003-07-22

Abstract

(57)【要約】【課題】高濃度オゾンを容易に得ることができるオゾ
ン製造装置を提供する。【解決手段】オゾナイザー１のガス出口ダクトに磁石
３と酸素分子を捕獲する機構４を備えた酸素分離装置２
を設け、オゾナイザー１への酸素供給配管５にに帰還す
る循環配管を設けて、磁石３により生成する磁場勾配に
よりオゾナイザーの生成ガスから酸素分子を選択的に引
き出して分離し原料酸素に混入して再循環させることに
より、生成ガス中のオゾン濃度を高めて高濃度オゾンと
して取り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オゾナイザーで生
成するガス中のオゾン濃度を上昇させるようにした高濃
度オゾン製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】オゾナイザーは、平行電極の間に酸素ガ
スまたは空気を供給して高電圧を印加し、電極間に発生
する無声放電によって酸素原子を励起してオゾンを生成
する装置である。オゾナイザーのオゾン収率は、通常、
理論値に対して空気を原料とするときに２から３％、酸
素ガスを原料とするときに５％程度とされている。しか
し、オゾンの作用を活用するにはオゾン濃度が高いほど
好ましく、たとえば１０から１５％程度の高濃度オゾン
を得る方法が望まれている。

【０００３】特公昭５４−１０３５４には、電極部に不
均一磁界を形成し酸素の磁気風を電極に吹き付けるよう
にして反応部分の酸素分圧を高めてオゾン収量を増大さ
せ、さらに酸素とオゾンの質量差を利用して電極下方か
らオゾンを回収することにより酸素からオゾンを選別し
て、オゾン発生効率を向上させる技術が開示されてい
る。しかし、上記引用発明では、酸素分圧の上昇により
オゾン収量を向上させることはできても、質量差のみを
用いてオゾン濃度そのものを向上させることは容易でな
い。

【０００４】なお、特開平５−３０９２２４には、空気
等の混合ガス中の酸素の割合を増加させる技術が開示さ
れている。この方法は、偶数個の磁石を極が径方向に向
くように配置して中心から周方向に磁場勾配を形成させ
た中に混合ガスを通過させて外周部分に酸素を集めよう
とするものである。この方法では、手続補正後の明細書
に記載されているように、空気中に２０．４９％含まれ
る酸素の濃度を僅かに０．０１％高める程度の効果しか
得られない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、高濃度オゾンを容易に得ることが
できるオゾン製造装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る高濃度オゾン製造装置は、オゾナイザ
ーのガス出口ダクトに磁場勾配を用いた酸素分離装置を
備えて、オゾナイザーの生成ガスから酸素分子を分離す
ることにより生成ガス中のオゾン濃度を高めることを特
徴とする。酸素は常温１気圧下で磁化率０．１８×１０
^−５ｅｍｕ程度の強い常磁性を持つが、オゾンは酸素の
約１０００分の１程度の体積磁化率しか持たない。この
ため、酸素とオゾンの混合気体中に磁場勾配があると酸
素分子が移動しようとするので、移動してきた酸素分子
を適当な方法で捕獲して混合気体から分離するとオゾン
が残され混合気体のオゾン濃度が上昇する。

【０００７】特開平５−３０９２２４に開示された方法
も磁場勾配を利用して酸素を分離しようとするものであ
るが、磁場勾配により引き寄せられる酸素分子は他のガ
ス分子を引きずって移動するため、期待されるような分
離作用が得られない。本発明のオゾン製造装置は、ガス
中に形成した磁場勾配により移動してくる酸素分子を選
択的に捕獲して元のガス中に戻さないようにするため、
残ったガス中のオゾン濃度を上昇させることができる。
本発明のオゾン製造装置は、オゾナイザーの出口ダクト
に酸素分離装置を備えて生成ガスから酸素分子を分離し
てオゾン濃度を向上させるもので、常用されるオゾナイ
ザーをそのまま活用するので、経済的に装置を製作する
ことができる。

【０００８】本発明の高濃度オゾン製造装置に用いる酸
素分離装置は、酸素分子を透過しオゾン分子は透過しに
くい細孔を有する多孔板を磁場勾配中に備えたものであ
ってよい。多孔板は、磁場勾配により移動しようとする
酸素分子を通過させオゾン分子を生成ガス中に残すの
で、生成ガス中のオゾン濃度は高くなる。なお、このよ
うな多孔板はゼオライト膜で形成することができる。ゼ
オライト膜は、特開平１０−１５２３１９に開示されて
いるように、多孔質支持体上に水熱合成することにより
数オングストロームの所望の径を有する細孔を形成する
ことができる。このようにして作成したゼオライト膜
は、径の異なるガス分子を効率よく分離することができ
る。

【０００９】また、酸素分離装置は、酸素分子を吸着す
るモレキュラーシーブを磁場勾配中に備えたものであっ
てもよい。磁場勾配に従って移動する酸素分子はモレキ
ュラーシーブに吸着されるので、生成ガスのオゾン濃度
は上昇する。なお、モレキュラーシーブは粒状あるいは
粉末状のゼオライトで形成される。ゼオライト中の細孔
は表面積が大きいので吸着能が極めて高く、比較的少量
のモレキュラーシーブを用いて能率よく酸素分子を吸着
して捕獲し生成ガス中から分離させることができる。特
に酸素分子に対しては、冷却するほど空孔当たりの吸着
分子数が増加することが知られている。

【００１０】なお、磁場勾配は超電導電磁石により形成
することが好ましい。永久磁石では１〜２Ｔ程度の磁束
密度しか得られないが、超電導電磁石を用いれば３〜６
Ｔ程度の磁束密度が容易に得られる。このため、酸素分
子を強く引き付けてオゾン分子と分離するためには、超
電導電磁石を用いることが好ましい。また、特に、モレ
キュラーシーブの吸着能を利用して酸素を分離する装置
では、再度の吸着に備えて磁界を解除し磁場勾配を解消
して一旦吸着した酸素分子を放出させる再生工程を有す
るため、電磁石を用いることが必要となる。この場合に
も、超電導電磁石を使用することができる。

【００１１】また、本発明の高濃度オゾン製造装置に用
いる酸素分離装置は、酸素分子を捕獲する繊毛を備える
電磁石であって、繊毛先端部に形成される急峻な磁場勾
配に従って接近する酸素分子を繊毛中に捕獲して生成ガ
スから分離するものであってもよい。除去された酸素分
子の分だけ生成ガス中のオゾン濃度が上昇する。繊毛中
の酸素が飽和したときには、電磁石を切って低濃度のガ
スを流すことにより繊毛中に捕獲されていた酸素がガス
中に放出されて再生し、再度酸素分子を捕獲することが
できるようになる。

【００１２】酸素分子を吸着させたり捕獲したりして残
余のガス中のオゾン濃度を向上させるようにした装置で
は、吸着剤や捕獲構造が飽和すると作用が無くなるた
め、適当な間隔で吸着剤などの再生を行う必要がある。
このため、磁場勾配を消滅させた状態で酸素分離装置か
ら吸着したりして捕獲した酸素を放出させる再生工程を
設ける。再生工程を有する高濃度オゾン製造装置では、
生成ガスをオゾナイザーの出口側に供給できるバイパス
を備えて、磁場勾配を消滅させた状態で酸素分離装置に
余った生成ガスを流して捕獲した酸素を放出させるよう
にすることが好ましい。このようなバイパスラインを備
えることにより、一旦生成したオゾンを無駄に放出させ
ないで、効率よく活用することができる。

【００１３】また、本発明の高濃度オゾン製造装置は、
生成ガスをオゾナイザーの入口に再供給する循環ダクト
を備えるようにしてもよい。循環ダクトを備えることに
より、オゾン濃度が高くなった生成ガスを需要先に供給
した上で、余った生成ガスを再循環し原料ガスに加えて
再利用することができる。生成ガスにはオゾンが大量に
含まれているので、新鮮な酸素ガスのみを原料とするよ
りオゾン製造効率が高くなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明のオゾン製造装置は、図１
に示すように、オゾナイザー１の出口ダクトに酸素分離
装置２を備えて、酸素分離装置２で生成ガス中の酸素を
捕獲して分離することにより、生成ガス中のオゾン含有
率を上昇させるようにしたものである。酸素分離装置２
には、磁場勾配形成装置３と酸素分離機構４が備えられ
ている。原料ガス供給ノズル５から供給される酸素ガス
を原料としてオゾナイザー１で生成されるガスは、通常
５％程度のオゾンを含む。酸素ガスの磁化率χは、標準
状態で１．５×１０^−７ｃｇｓ単位と他の気体と比べて
著しく高い。一方、オゾンガスは酸素ガスの１０００分
の１程度の磁化率しか持たない。

【００１５】単位体積のガスに作用する磁気力Ｆは、Ｆ
＝χＨｄＨ／ｄｘで求まる。たとえば、６Ｔの超電導電
磁石を使用して６×１０^４ｇａｕｓｓの磁場強度Ｈを発
生させ、１×１０^４ｇａｕｓｓ／ｃｍの磁場勾配ｄＨ／
ｄｘを与えたとすると、体積磁化率１．５×１０^−７を
有する単位体積当たりの酸素ガスは、９０ｄｙｎｅ、す
なわち９μＮの磁気力を受けることになる。一方、同じ
磁場内にあるオゾンには９×１０^−３μＮの磁気力しか
作用しない。したがって、生成ガスの流路に強い磁場勾
配を生成させて、酸素分子を磁場の強い方に吸引し、集
まる酸素分子を選別的に濾過したり吸着剤や繊毛などに
固定して元のガス中に戻らないようにしてやると、残っ
た生成ガス中のオゾン濃度が上昇する。

【００１６】このようにして製造した高濃度オゾンガス
を生成オゾンガス出口ノズル６から排出し、需要先に供
給する。酸素分離装置２で分離された酸素を含む混合ガ
スは再循環して原料となる新鮮な酸素ガスに添加すれ
ば、含有するオゾンを有効に再利用することができる。
なお図には示していないが、再循環経路には混合ガスを
搬送するためのファンが設けられている。また、高濃度
オゾン製造装置には合成ガスを冷却する装置を設けても
よい。酸素ガスの体積磁化率は温度が低いほど高いの
で、合成ガスを冷却すると磁場勾配により酸素分子を搬
送する力が強化されて、高い分離効率を実現することが
できる。以下、さらに具体的な実施例に基づいて本発明
に係る高濃度オゾン製造装置を詳細に説明する。

【００１７】

【実施例１】図２は第１の実施例の高濃度オゾン製造装
置を表すフロー図である。本実施例の高濃度オゾン製造
装置は、オゾナイザー１の生成ガス排出用ダクトにゼオ
ライト膜４を備え、ゼオライト膜４の一方側に強力な磁
石３を備えて酸素分離装置２を構成する。オゾナイザー
１は通常使用されるような、平行電極間に起こさせた無
声放電中に酸素ガスや空気を通して酸素分子をオゾン化
するものが使用されるが、もちろん他の方式によりオゾ
ンを生成するものであっても良いことはいうまでもな
い。磁石３は永久磁石でも電磁石でもよいが、特に超電
導電磁石を利用すれば容易に３〜６Ｔ程度の強磁場を生
成することができる。

【００１８】酸素分離装置２に使用するゼオライト膜４
は、０．４ｎｍ程度の径を持った細孔が極めて多数形成
された膜状の多孔板である。酸素分子は約０．２９ｎｍ
の径を有する粒子であり、オゾン分子は約０．４４ｎｍ
の径を有する粒子である。したがって、ゼオライト膜４
は酸素分子を透過するがオゾン分子を透過しない。ゼオ
ライト膜４の一方側に磁石３を配置すると磁極付近に最
も強い磁場が発生し遠くになるにつれて磁場が弱くなる
ので、ゼオライト膜４を挟んで磁場勾配が形成される。
この磁場勾配により、生成ガス中の酸素分子がゼオライ
ト膜４を挟んで移動するような駆動力が発生する。生成
ガスには粘性があるため、移動する酸素分子につれてオ
ゾン分子も移動しようとするが、ゼオライト膜４は酸素
分子しか透過しないため、磁石３の配置された側では酸
素ガス濃度が上昇し、その反対側ではオゾン濃度が上昇
することになる。また、駆動力が１方向にのみ作用する
ので、ゼオライト膜４を逆方向に透過しようとする酸素
分子は極めて少ない。

【００１９】このように、酸素分子に駆動力を作用させ
て混合ガスから分離すると共に、一旦分離した酸素分子
を元の混合ガスに戻さないようにしたため、残された混
合ガス中のオゾン濃度を高い状態で維持することができ
る。こうして得られた高濃度オゾンガスが出口ノズル６
から需要先に送られ、酸素含有率が大きくなった混合ガ
スは循環ダクト７により原料ガス供給ノズル５まで輸送
されて、再度オゾナイザー１に供給される。なお、本実
施例の装置では生成ガスを循環して利用するため、細孔
径が大きくてオゾンと酸素の分離効率が低いゼオライト
膜であっても使用することができるので、細孔径には明
確な限界があるわけではない。

【００２０】

【実施例２】図３は第２の実施例の高濃度オゾン製造装
置を表すフロー図である。本実施例の高濃度オゾン製造
装置は、オゾナイザー１の生成ガス排出用ダクトにゼオ
ライト層８を備え、ゼオライト層８の裏側に強力な電磁
石３を配置して酸素分離装置２を構成する。電磁石３に
は超電導電磁石を利用することができる。

【００２１】酸素分離装置２に使用するゼオライト層８
は、０．４ｎｍ程度の径を持った細孔が極めて多数形成
された粒状あるいは粉末状のゼオライトを集結したもの
である。ゼオライト内部の細孔は極めて大きな表面積を
有するので、大量の酸素分子を吸着することができる。
電磁石３を励磁すると生成ガス中の酸素分子がゼオライ
ト層８の方に引き付けられてゼオライト層８内に吸着し
て捕獲される。吸着された酸素分子は極く僅かしか再放
出されないので、生成ガス中のオゾン濃度が相対的に上
昇する。

【００２２】このように、酸素分子を混合ガスから分離
し、分離した酸素分子を元の混合ガスに戻さないように
することにより、混合ガス中のオゾン濃度を高い状態に
維持する。高濃度オゾンガスは出口ノズル６から需要先
に送るとともに、循環ダクト７により原料ガス供給ノズ
ル５まで輸送して、再度オゾナイザー１に供給する。な
お、ゼオライト層８の吸着能力は限界があるので、連続
して使用することができない。そこで、適当な間隔で吸
着能力の回復を図る再生工程が必要になる。このため、
循環ダクト７には開閉可能なバイパスゲート１０を備え
たバイパスライン９が準備されている。さらに、原料ガ
ス供給ノズル５に合流する位置に循環ゲート１１が、ま
た、生成オゾンガス出口ノズル６に排出ゲート１２が設
けられていて、製造工程と再生工程の切替えができるよ
うになっている。

【００２３】ゼオライト層８の再生を行うときには、循
環ゲート１１と排出ゲート１２を閉じてオゾナイザー１
の運転を停止する。さらに、電磁石３の励磁を解き、バ
イパスゲート１０を開けて、循環ダクト７を流通する混
合ガスをゼオライト層８の表面を流れるようにする。す
ると、酸素分子をゼオライト層８の方向に押し付ける力
が無くなるので、ゼオライト層８の内部に吸着保持され
ていた酸素分子は低濃度の混合ガスとの間に生ずる濃度
勾配に駆動されて徐々に外側の混合ガス流の方に滲出し
てくる。滲出する時間を十分かけると、ゼオライト層８
は再度大量の酸素分子を吸着できるようになるまで再生
される。

【００２４】

【実施例３】図４は本発明の第３の実施例を表すフロー
図である。本実施例の高濃度オゾン製造装置は、オゾナ
イザー１の生成ガス排出用ダクトに繊毛構造体１４を備
えた強力な電磁石１３を配置して酸素分離装置２を構成
する。その他は、第２実施例と同様の構成になってい
る。電磁石１３は超電導電磁石であってもよい。

【００２５】本実施例に用いる繊毛構造体１４すなわち
繊毛付き磁芯は、電磁石１３の磁芯表面における生成ガ
ス排出用ダクト側側面に細かい毛状の突起を無数に設け
たものである。このような繊毛構造は、たとえば磁芯材
料の表面を化学薬品で孔食することによって得ることが
できる。また、材料全体をスポンジ状に形成したり、材
料表面に細い針金を植え込んだり、金属ウールを成形し
たりするなど、各種の方法により得ることができる。繊
毛構造体１４では毛の先端の曲率が小さいため、電磁石
を励磁すると磁束が毛先に集中して、局所的に観察する
と極めて強い磁場勾配が形成されることになる。また、
繊毛部には一旦捉えたガス分子を収納する大きな空間が
形成されている。したがって、電磁石１３を励磁する
と、大量の酸素分子を引き付けて保持することができ
る。

【００２６】このように、酸素分子を選択的に引き付け
捕獲することにより混合ガスから分離し、分離した酸素
分子を元の混合ガスに戻さないように保持することによ
り、混合ガス中のオゾン濃度を高い状態に維持し、出口
ノズル６から需要先に送る。混合ガスは、循環ダクト７
を通して再度オゾナイザー１に供給することにより、オ
ゾン化効率を向上させる。繊毛構造体１４の酸素分子保
持力は限界があるので、再生工程が必要である。このた
め、第２の実施例と同様に、バイパスライン９、バイパ
スゲート１０、循環ゲート１１、および排出ゲート１２
が設けられている。

【００２７】繊毛構造１４の再生を行うときには、オゾ
ナイザー１の運転を停止してから、電磁石１３の励磁を
解き、バイパスゲート１０を開けて、混合ガスで繊毛構
造１４を洗浄する。すると、酸素分子を引き付けていた
磁気力が無くなるので、繊毛構造体１４に捕獲されてい
た酸素分子は外部空間に放出されて混合ガスに搬送され
る。十分な時間経過すると、繊毛構造体１４は再度大量
の酸素分子を吸引保持することができるようになるまで
再生される。

【００２８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の高濃度オゾ
ン製造装置により、オゾナイザーで生成されるオゾンガ
スの濃度を上昇させて、オゾンをより多くの用途に利用
することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高濃度オゾン製造装置のフロー図であ
る。

【図２】本発明の第１実施例のフロー図である。

【図３】本発明の第２実施例のフロー図である。

【図４】本発明の第３実施例のフロー図である。

【符号の説明】

１オゾナイザー２酸素分離装置３磁場勾配形成装置４酸素分離機構５原料ガス供給ノズル６生成オゾンガス出口ノズル７循環ダクト８吸着剤９バイパスダクト１０バイパスゲート１１循環ゲート１２排出ゲート１３電磁石コイル１４繊毛構造体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田嶋榮吉東京都港区浜松町２丁目４番１号川崎重工業株式会社東京本社内Ｆターム(参考） 4D006 GA41 JA51A KA01 KB02 KB12 KB30 MA22 MC03 PA03 PB62 PC80 4G042 CA01 CB14 CB26 CC19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】オゾナイザーのガス出口ダクトに磁場勾
配を用いた酸素分離装置を備えて、前記オゾナイザーの
生成ガスから酸素分子を分離することにより生成ガス中
のオゾン濃度を高めることを特徴とする高濃度オゾン製
造装置。
【請求項２】前記酸素分離装置が、酸素分子は透過で
きるがオゾン分子が透過しにくい細孔を有する多孔板を
前記磁場勾配中に備えて、該磁場勾配に従って移動する
酸素分子を前記生成ガスから分離することを特徴とする
請求項１記載の高濃度オゾン製造装置。
【請求項３】前記多孔板がゼオライト膜で形成される
ことを特徴とする請求項２記載の高濃度オゾン製造装
置。
【請求項４】前記酸素分離装置が、酸素分子を吸着す
るモレキュラーシーブを磁場勾配中に備えて、該磁場勾
配に従って移動する酸素分子を該モレキュラーシーブに
吸着させて捕獲し前記生成ガスから分離することを特徴
とする請求項１記載の高濃度オゾン製造装置。
【請求項５】前記磁場勾配が超電導電磁石により形成
されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記
載の高濃度オゾン製造装置。
【請求項６】前記酸素分離装置が、酸素分子を捕獲す
る繊毛を備える電磁石であって、該磁場勾配に従って接
近する酸素分子を該繊毛中に捕獲して前記生成ガスから
分離することを特徴とする請求項１記載の高濃度オゾン
製造装置。
【請求項７】前記生成ガスを前記オゾナイザーの出口
側に供給できるバイパスダクトを備えて、前記酸素分離
装置において磁場勾配を消滅させた状態で前記生成ガス
を流して捕獲した酸素を放出させることを特徴とする請
求項４から６のいずれかに記載の高濃度オゾン製造装
置。
【請求項８】前記生成ガスを前記オゾナイザーの入口
に再供給する循環ダクトを備えることを特徴とする請求
項１から７のいずれかに記載の高濃度オゾン製造装置。