JP2008007338A - オゾン濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却領域でのオゾン分解の発生を抑止し、装置の破損の虞を無くすことが可能なオゾン濃縮装置を提供する。
【解決手段】冷却部４ｘにおける冷却管３ｃ内（冷却領域）に充填材３０を充填することにより、冷却管３ｃの内壁に接する充填材３０に冷熱を伝達し、冷却管３ｃ内の充填材３０全体に冷熱を伝導する。これによってオゾンガスの冷却面積を広げて、熱伝導率を大きくし、液体オゾンへの酸素の溶解を防止し、液体オゾンにおける気泡破裂がトリガーとなる冷却管３ｃ内でのオゾン分解を防止する。また、充填材３０の熱容量により、万一オゾン分解が発生しても、その熱を充填材３０の熱容量によって吸収し、連鎖的なオゾン分解を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、オゾナイザで生成されたオゾンガスを濃縮するオゾン濃縮装置に関する。

例えば半導体等の製造に用いられる高濃度オゾンガスは、オゾンを含有するオゾンガスをオゾン濃縮装置で濃縮することで生成される。このオゾン濃縮装置としては、空気や酸素を基にオゾン発生器（オゾナイザ）で生成されたオゾンガスを、タンク状のオゾン液化室（冷却領域）で冷却し液体オゾンと酸素とに分離境界面を境として分離し、オゾン液化室の上部から酸素を排気すると共にオゾン液化室の底部に液体オゾンを貯え、この液化室に貯えられた液体オゾンを、当該液体オゾンにより液封する連通管（Ｕ字管）を経由してタンク状のオゾン気化室に導入し、当該オゾン気化室で液体オゾンを加熱して気化し濃縮オゾン（高濃度オゾンガス）を得る装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１−２５７１０３号公報

ここで、高濃度オゾンガス（一般的にはオゾンの体積比率が１０％以上）は、例えば、金属微粒子の触媒作用、高温、衝撃力、オゾンで分解する有機性ガス等のトリガーがあると、自己分解して発熱し（Ｏ_３→１．５Ｏ_２＋１４３ｋJ／mol）、その分解時の発熱で他のオゾンガスが加熱されて自己分解したり、液体オゾンが加熱されて気化し自己分解するという連鎖反応を起こす虞がある。

従って、上記濃縮装置にあっては、上記トリガー等が要因となって液化室である冷却領域で万一オゾン分解が生じると、このオゾン分解が連鎖し、温度が急上昇すると共に体積が急膨張して圧力が急上昇し、装置の破損を招く虞がある。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、冷却領域でのオゾン分解の発生を抑止し、装置の破損の虞を無くすことが可能なオゾン濃縮装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明によるオゾン濃縮装置は、オゾナイザで生成されたオゾンガスをオゾン沸点以下の温度まで冷却し液体オゾンと非凝縮気体とに分離する冷却部と、冷却部により分離された液体オゾンを加熱して気化し濃縮オゾンを得る気化部と、を具備し、冷却部により冷却されオゾンガスが流れる冷却領域に、充填材を充填したことを特徴とする。

まず、充填材を冷却領域に充填しなかった場合を説明する。なお、ここでは冷却領域を冷却管内とする。ここで、ガスの熱伝導率は金属の熱伝導率に比べ１０００分の１程度であるので、図８に示す模式図のような温度分布となる。このように、冷却管内の温度は内壁から急激に上昇し、冷却管の中心部を十分に冷却することができないので、オゾンガスを十分に分離するためには、非常に長い冷却管が必要とされ、これは現実的ではない。一方、冷却管内に金属性の充填材を充填した時の温度分布を図４に示す。金属の熱伝導率はガスの熱伝導率の１０００倍程度の値を示すため、冷却管の内壁からの冷熱は主に内壁に接している充填材を介して伝熱される。そのため、熱伝導率を大きくすることができ、冷却管内の温度は、内壁から中心部に向かってなだらかに上昇する。従って、図４におけるＴａ２の温度を、酸素の溶解が少ない温度に設定することができる。

以上のように、充填材がない状態でオゾンガスを効率よく液化するには、Ｔｃ２の温度を酸素の溶解が多い温度に設定せざるを得ないが、充填材があれば、液体オゾンへの酸素の溶解が防止され、液体オゾンにおける気泡破裂がトリガーとなる冷却管内でのオゾン分解が防止される。また、充填材は熱容量を有しているため、万一オゾン分解が発生しても、その熱は充填材の熱容量によって吸収され、連鎖的なオゾン分解が抑制される。このように、冷却管内でのオゾン分解の発生が抑止され、装置の破損の虞が無くされる。

加えて、特に冷却管を横置きにした場合には以下の作用を奏する。

図５にオゾンが充填材の表面で凝縮され液化する様子を示す。冷却管内に充填材を充填した場合のオゾンの液化は膜状凝縮と推定される。オゾンの飽和温度より低い温度である冷却管上部内壁をオゾンの凝縮液が覆い、これにオゾンが凝縮する。その凝縮した液体オゾンが重力によって充填材を伝わり、冷却管底部に移動する。この時、冷却管の中心部の充填材の温度は内壁側の充填材より温度が高いので、液体オゾンに一部溶解した酸素は、冷却管の上端側でオゾンより速く気化する。液体オゾンは充填材の隙間を流れて移動する際、一部は気化しながら冷却管底部に移動する。この結果、冷却管上部側には酸素ガスが多くなり、冷却管底部側にはオゾンガスが多くなる。

図６に示すように、液体オゾン中の酸素の気化、または液体オゾンの一部気化が、液化開始点から液化終了点まで繰り返されるため、冷却管上部側では酸素が高濃度となり、冷却管底部側は純オゾンガスと液体オゾンのみとなる。そして、液化終了点に近づくと、冷却管上部側は酸素のみとなり凝縮液が発生しなくなり、冷却管底部側は純オゾンガスのみとなり充填材表面でオゾンの液化が起こる。このようにして、酸素をほとんど含まない液体オゾンを製造することが可能とされる。なお、液化終了点における温度分布は図７のようになる。このように、冷却管を横向きにすると、液体オゾンへの酸素の溶解がより一層防止される。

ここで、冷却領域は、横置きとされているとともに出口に向かって下り勾配とされていることが好ましい。このような構成を採用した場合、冷却領域内への液体オゾンの貯留が防止され、装置の破損の虞が一層無くされる。

また、充填材は、オゾンガスにより酸化されない表面を有するものであることが好ましい。このような充填材を採用した場合、充填材の表面によるオゾン分解が生じることは無く、装置の破損の虞が一層無くされる。

このような充填材としては、オゾンガスで表面を酸化しオゾンガスを分解しないように不動体処理を施したものが挙げられる。このような充填材は、オゾンガスにより直後は酸化されるが、継続してオゾンガスを流すことにより表面に不動体被膜が形成され、オゾンガスにより酸化されなくなる。

また、このような充填材としては、オゾンガスと反応しない材質より構成されるものも挙げられる。

また、充填材は、球形であることが好ましい。このような充填材を採用した場合、充填材である多数の球体によりジグザク状の流路が形成され、熱伝達表面積が非常に大きくされると共に流路間隔が非常に小さくされ、充填材の熱伝達速度が非常に大きくされる。このため、より効率よく酸素と液体オゾンを分離することが可能とされ、更に、オゾン分解によって生じる熱は、充填材の熱容量により素早く吸収され、連鎖的なオゾン分解が一層抑制される。

また、オゾンガスで表面を酸化しオゾンガスを分解しないように不動体処理を施した充填材としては、具体的には、例えばステンレス球またはチタン球が挙げられる。これらは金属であるため、大きい熱伝導率を有する。また、オゾンガスと反応しない材質より構成される充填材としては、具体的には、例えばガラスビーズまたはシリカゲルが挙げられる。

また、冷却領域を減圧させた状態で冷却することが好ましい。このような構成を採用した場合、酸素ガスの密度が減圧により低下し、液体オゾンに溶解する酸素濃度が減少する。これによって、液体オゾンへの酸素の溶解がより一層防止される。

また、冷却領域に、非凝縮気体を取り出すための排出口を２箇所以上設けることが好ましい。このような構成を採用した場合、非凝縮気体を抜き出して酸素分圧を小さくすることにより、液体オゾンへの酸素の溶解量が低減される。

このように本発明によるオゾン濃縮装置によれば、冷却領域でのオゾン分解の発生を抑止し、装置の破損の虞を無くすことが可能となる。

以下、本発明によるオゾン濃縮装置の好適な実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るオゾン濃縮装置を備えた高濃度オゾンガス生成装置を示す概略構成図、図２は、図１中のオゾン濃縮装置の冷却部、液封配管、気化部を示す概略構成図であり、本実施形態の高濃度オゾンガス生成装置は、例えば半導体製造装置の酸化膜の形成等に用いる高濃度オゾンガス（一般的にオゾンの体積比率が約１０％以上）を生成するもので、この高濃度オゾンガスを連続して生成するのが可能な装置である。

図１に示すように、高濃度オゾンガス生成装置２００は、オゾンガス（オゾンの体積比率が約１０％程度）を生成するオゾナイザ１０と、冷却手段１及び気化部２を備えオゾナイザ１０からのオゾンガスを濃縮し高濃度オゾンガスを生成するオゾン濃縮装置１００と、を具備している。

オゾナイザ１０は、配管２７を介して導入される酸素又は空気を基に、オゾンガス（オゾンの体積比率が約１０％程度）を生成するものである。このオゾナイザ１０からオゾン濃縮装置１００へオゾンガスを供給する導入配管３には、オゾンガスの量を制御するためのバルブＶ１が設けられている。

冷却手段１は、オゾナイザ１０からのオゾンガスを冷却し液体オゾンと非凝縮気体とに分離するものである。この冷却手段１は、導入配管３を極低温に冷却する極低温冷凍機４を備えている。

ここでは、極低温冷凍機４としてクライオ冷凍機が用いられ、図１及び図３に示すように、当該クライオ冷凍機４のクライオヘッド４ａに取り付けられた下部銅板４ｂと上部銅板４ｃとを冷却部４ｘとして、この冷却部４ｘを構成する銅板４ｂ，４ｃ間に横置きの導入配管３を密着状態で挟み冷却する。これにより、銅板４ｂ，４ｃ間の導入配管３が、オゾンガスを液体オゾンと非凝縮気体とに分離するための冷却管３ｃとされる。

図３に示すように、冷却管３ｃ内（冷却領域）には球状の充填材３０が充填されている。この充填材３０としては、オゾンガスにより酸化されない表面を有する充填材が用いられ、ここでは例えばステンレス球やチタン球が用いられている。

このステンレス球やチタン球は、オゾンガスで表面を酸化し、オゾンガスを分解しないように不動体処理を施したものである。このステンレス球やチタン球は、オゾンガスにより直後は酸化されるが、継続してオゾンガスを流すことにより、表面に不動体被膜が形成され、オゾンガスにより酸化されなくなる。

なお、このステンレス球やチタン球に代えて、オゾンガスにより酸化されない表面を有する充填材３０として、オゾンガスと反応しない材質より構成されている充填材を用いてもよい。このような充填材３０としては、例えば、ガラスビーズあるいはシリカゲル等が挙げられる。

冷却部４ｘは、冷却管３ｃ中のオゾンガスを、オゾンの沸点（−１１１．９°Ｃ）以下で、且つ、酸素の沸点（−１８３°Ｃ）より高い温度に充填材３０を介して冷却し、液体オゾンと、酸素を主体とする非凝縮気体とに分離する。また、この冷却部４ｘは、気化部２側まで延出する延出部４ｙを備えている。

冷却管３ｃは、冷却部４ｘでの入口３ａから出口３ｂに向けて下り勾配とされており、当該冷却管３ｃ内に液体オゾンが貯留してしまうことが防止されている。

また、冷却管３ｃには、入口３ａと出口３ｂとの間に、非凝縮気体を取り出すための排出口２５が複数設けられている。

冷却管３ｃの出口３ｂには、上方に向かう気体配管５と下方に向かう液封配管６とが合流して接続されている。気体配管５は、冷却管３ｃで分離された酸素を主体とする非凝縮気体を、出口３ｂから上方に導くものである。この気体配管５は、その出口が配管２７に接続され、分離された非凝縮気体をオゾナイザ１０に戻す構成とされている。また、気体配管５にはバルブＶ２が設けられ、更に、バルブＶ２の配管２７側の位置にバキュームポンプＰが設けられている。このバキュームポンプＰを駆動することにより、非凝縮気体をオゾナイザ１０へ効率的に導くことができる。

なお、バルブＶ１を閉とすると共に、バルブＶ２を開として、バキュームポンプＰを駆動することにより、冷却管３ｃ内を減圧することができる。

一方、液封配管６は、図１及び図２に示すように、冷却管３ｃの出口３ｂと気化部２の入口２ａとを接続し、冷却管３ｃで分離され出口３ｂより液下する液体オゾンを気化部２に導くためのものであると共に、当該液体オゾンにより、導入配管３及び気体配管５側と、気化部２側とを液封するものである。

ここでは、液封配管６としてＵ字管が用いられ、当該Ｕ字管６内であって冷却管３ｃの出口３ｂより多少下方位置に、液体オゾンと非凝縮気体との分離境界面７が位置する構成とされている。

この液封配管６内には、毛細管力を発現し、液封配管６内の液体オゾンを気化部２内に導く充填材８が充填されている。ここでは、充填材８は、金網状充填材であり、毛細管力を発現すべく密に構成されていると共に、気化部２の入口２ａを通して気化部２内に進入する構成とされている。

この充填材８としては、金網状充填材に限定されるものではなく、例えば密に配置される細い金属材料やガラス繊維、例えば多数配置される細かいシリカゲルやポーラスシリカ等であっても良く、要は、毛細管力を発現する充填材であれば良い。そして、液封配管６は、冷却部４ｘの延出部４ｙ内を通されて銅板４ｂ，４ｃ間に密着状態で挟まれ、当該延出部４ｙにより冷却される。

気化部２は、液封配管６からの液体オゾンを気化するためのもので、円筒状の胴部を有し、下部が下細りの擂り鉢状に閉じられて下端に入口２ａが設けられていると共に、上部が上細りの擂り鉢状に閉じられて上端に出口２ｂが設けられている。

この気化部２の入口２ａは、分離境界面７以上の高さにあり、この入口２ａを通して内部に進入する金網状の充填材８が、液体オゾンを毛細管力により気化部２の底部内に供するように、当該気化部２の底部内面に沿って広がるように配置されている。

また、気化部２の下部に対しては、当該下部を包囲する包囲壁９が設けられている。この包囲壁９内には、気化部２の底部に供される液体オゾンを加熱して気化させるように、常温空気が通される。なお、加熱の方式は、例えば加熱器等による加熱であっても良い。

この気化部２内の下部より上側には、気化により生成される高濃度の濃縮オゾン（高濃度オゾンガス）の通過を可能とする充填材２０が充填されている。ここでは、充填材２０は、金網状充填材とされているが、例えば、金属波板状充填材や、シリカゲルやポーラスシリカ等であっても良く、要は、濃縮オゾンの通過を可能とする充填材であれば良い。なお、気化部２内の金網状充填材２０は、液封配管６内の金網状充填材８より粗に構成されている。因みに、液封配管６及び気化部２内の両方に多数のシリカゲルやポーラスシリカを充填する場合には、気化部２内に、液封配管６内より大きいシリカゲルやポーラスシリカを充填することが好ましい。

この気化部２の出口２ｂには、図１に示すように、バルブＶ３を有する高濃度オゾンガス配管１１が接続され、この高濃度オゾンガス配管１１のバルブＶ３より上流には、バルブＶ４、オゾンキラー１３を有する排気管１２が接続されている。高濃度オゾンガス配管１１は、気化部２で生成された高濃度オゾンガスを後段に供するためのものであり、排気管１２は、余剰高濃度オゾンガスをオゾンキラー１３により酸素に分解し大気に放出するためのものである。

そして、冷却手段１の冷却部４ｘ、導入配管３における冷却部４ｘ側の部分、気体配管５における冷却部４ｘ側の部分、液封配管６、気化部２、高濃度オゾンガス配管１１におけるバルブＶ３より気化部２側の部分は、容器１４内に収容され、当該容器１４は、真空ポンプ１５の駆動により内部が真空状態とされた真空断熱容器とされている。

この真空断熱容器１４内における高濃度オゾンガス配管１１及び気体配管５には、オゾン分解が生じた際の配管内の圧力上昇に応じて圧力が設定圧以上になると当該配管内の圧力を開放する圧力開放弁１６，１７が各々配設されている。ここでは、圧力開放弁１６，１７として安全弁が用いられているが、配管内の圧力上昇に応じて圧力が設定圧以上になると一部が破壊し圧力を開放する破壊弁等であっても良い。そして、液体オゾンの全部が万一オゾン分解して圧力開放弁１６，１７が圧力を真空断熱容器１４内に開放した場合に配管内の圧力がオゾンガスの供給圧以下となるように、真空断熱容器１４内の空隙部の容積が設定されている。

このように構成された高濃度オゾンガス生成装置２００によれば、酸素又は空気を基にオゾナイザ１０でオゾンガスが生成され、このオゾンガスは導入配管３を通してオゾン濃縮装置１００に導入され、冷却手段１の冷却部４ｘで極低温に冷却される。

ここで、冷却管３ｃに充填した充填材３０の作用を説明する。

充填材３０を冷却管３ｃに充填しなかった場合、ガスの熱伝導率は金属の熱伝導率に比べ１０００分の１程度であるので、図８に示す模式図のような温度分布となり、図４の充填材３０を充填した場合に比して温度勾配が急になる。なお、図４のＴａ１、図７のＴｂ１及び図８のＴｃ１は冷却管底部３ｄの外壁温度を、図４のＴａ２、図７のＴｂ２及び図８のＴｃ２は冷却管底部３ｄの内壁温度を、図４のＴａ３、図７のＴｂ３及び図８のＴｃ３は冷却管３ｃ内中央部の温度を、図４のＴａ４、図７のＴｂ４及び図８のＴｃ４は冷却管上部３ｅの内壁温度を、図４のＴａ５、図７のＴｂ５及び図８のＴｃ５は冷却管上部３ｅの外壁温度を、各々示している。

図８に示すように、充填材３０がないと冷却管３ｃの中心部を十分に冷却することができないので、オゾンガスを十分分離するためには、非常に長い冷却管３ｃが必要とされ、これは現実的ではない。一方、冷却管３ｃ内に金属性の充填材３０を充填した時の温度分布を図４に示す。金属の熱伝導率はガスの熱伝導率の１０００倍程度の値を示すため、冷却管３ｃからの冷熱は主に内壁に接している充填材３０を介して伝熱される。そのため、熱伝導率を大きくすることができ、冷却管３ｃ内の温度は、図４に示すように、冷却管３ｄの内壁から中心部に向かってなだらかに上昇する。従って、充填材３０がない状態でオゾンガスを効率良く液化するには、図８におけるＴｃ２の温度を酸素の溶解が多い温度に設定せざるを得ないが、充填材３０があれば、図４におけるＴａ２の温度を、酸素の溶解が少ない温度に設定することができる。すなわち、酸素の溶解が防止された液化オゾンを生成できる。

しかも、本実施形態で用いられている充填材３０は球形であるため、ジグザク状の流路が形成され、熱伝達表面積が非常に大きくされると共に流路間隔が非常に小さくされ、充填材３０の熱伝達速度（冷却速度）が非常に大きくされる。このため、より効率的に酸素と液体オゾンが分離される。

更に、冷却管３ｃを横向きにした場合の作用を説明する。

図５にオゾンが充填材３０の表面で凝縮され液化する様子を示す。冷却管３ｃ内に充填材３０を充填した場合のオゾンの液化は膜状凝縮と推定される。オゾンの飽和温度より低い温度である冷却管上部３e内壁をオゾンの凝縮液が覆い、これにオゾンが凝縮する。その凝縮した液体オゾンが重力によって充填材の隙間を伝わり、冷却管底部３ｄに移動する。この時、冷却管３ｃ中心部の充填材３０の温度は内壁側の充填材より温度が高いので、液体オゾンに一部溶解した酸素は、冷却管上部３e側でオゾンより速く気化する。液体オゾンは充填材３０の隙間を流れて移動する際、一部は気化しながら冷却管底部３ｄに移動する。この結果、冷却管上部３ｅ側には酸素ガスが多くなり、冷却管底部３ｄ側にはオゾンガスが多くなる。

図６に示すように、この液体オゾン中の酸素の気化または液体オゾンの一部気化が、冷却管３ｃにおける液化開始部から液化終了部（図示左から右へ）まで繰り返されるため、冷却管上部３e側では酸素が高濃度となり、冷却管底部３ｄ側は純オゾンガスと液体オゾンのみとなる。そして、液化終了点に近づくと、冷却管上部３e側は酸素のみとなり凝縮液が発生しなくなり、冷却管底部３ｄ側は純オゾンガスのみとなり充填材３０表面でオゾンの液化が起こる。このように、冷却管３ｃを横向きにすることによって、酸素をほとんど含まない液体オゾンを製造することが可能とされる。なお、液化終了点における温度分布は図７のようになり、図４に比して温度勾配がなだらかになる。

そして、バルブＶ１を閉じると共にバルブＶ２を開とし、バキュームポンプＰを駆動することにより、冷却管３ｃの内部を減圧させ、その状態で冷却する。すると、凝縮時の酸素ガスの密度が低下し液体オゾンに溶解する酸素濃度が減少するため、液体オゾンへの酸素の溶解が一層防止される。

このように、オゾン濃縮装置１００に導入されたオゾンガスは、冷却管３ｃの出口３ｂ付近で、酸素の溶解が防止された液体オゾンと、酸素を主体とする非凝縮気体とに分離され、非凝縮気体は気体配管５を通してオゾナイザ１０に戻されオゾンガスの生成に供される。一方、酸素の溶解が防止されることにより気泡破裂の虞が無くされた液体オゾンが、出口３ｂから液下し液封配管６に流れ込む。

この液封配管６内に流れ込んだ液体オゾンは、液封配管６内の充填材８の毛細管力により気化部２側へ進行していく。ここで、液体オゾンと非凝縮気体との分離境界面７は、液封配管６内であって冷却管３ｃの出口３ｂより多少下方に位置し、一方、液体オゾンの気化部２側の液面は、気化部２の入口２ａが分離境界面７以上の高さにあるため、入口２ａ以下の位置にある。

この液封配管６内の液体オゾンは、毛細管力によりさらに充填材８を伝っていき、入口２ａを通して気化部２の底部内に良好に導かれて進入する。この気化部２の底部内に充填材８を伝って進入した液体オゾンは、常温空気による加熱によって、気化部２の底部内に溜まる前に気化して高濃度オゾンガスが生成され、この高濃度オゾンガスは、充填材２０を通過して出口２ｂから排出される。

そして、本実施形態にあっては、オゾンの体積比率が１００％近くの高濃度オゾンガスが生成される。この高濃度オゾンガスは、後段の使用に供す場合には高濃度オゾンガス配管１１に流され、一方、余剰高濃度オゾンガスは排気管１２に流されオゾンキラー１３により酸素に分解されてから大気に放出される。

このように、本実施形態のオゾン濃縮装置１００にあっては、冷却管３ｃに充填材３０が充填されており、冷却管３ｃ内の充填材３０全体に冷熱が伝導されてオゾンガスが冷却されるため、液体オゾンへの酸素の溶解が防止され、液体オゾン内における気泡破裂がトリガーとなる冷却管３ｃ内でのオゾン分解が防止される。また、充填材３０は熱容量を有しているため、万一オゾン分解が発生しても、その熱は充填材３０の熱容量によって吸収され、連鎖的なオゾン分解が抑制される。このように、冷却管３ｃ内でのオゾン分解の発生が抑止され、装置の破損の虞が無くされている。また、冷却管３ｃを横向きにしているので、液体オゾンへの酸素の溶解が一層防止されている。

また、冷却管３ｃは、横置きとされているとともに出口３ｂに向かって下り勾配とされているため、冷却管３ｃへの液体オゾンの貯留が防止され、装置の破損の虞が一層無くされている。

また、充填材３０は、オゾンガスにより酸化されない表面を有するものであるため、充填材３０の表面によるオゾン分解が生じることは無く、装置の破損の虞が一層無くされている。

また、充填材３０は球形であり、熱伝達速度が非常に大きくされるため、より効率よく酸素と液体オゾンを分離することが可能とされ、更に、オゾン分解によって生じる熱は、充填材３０の熱容量により素早く吸収され、連鎖的なオゾン分解が一層抑制されている。

また、冷却管３ｃの内部を減圧させた状態で冷却しているため、酸素ガスの密度が減圧により低下し、液体オゾンに溶解する酸素濃度が減少する。このため、液体オゾンへの酸素の溶解がより一層防止されている。

また、冷却管３ｃに、排出口２５を複数設けているため、酸素を抜き出して出口３ｂ付近の酸素分圧を小さくすることにより、液体オゾンへの酸素の溶解量が低減されている。

また、本実施形態においては以下の効果を奏する。すなわち、液体オゾンと非凝縮気体との分離境界面７から気化部２までが、液封を可能とする液封配管６のみで接続され、液体オゾンが液封配管６内に存在すると共に分離境界面７が液封配管６内に位置している。このため、従来に比して液体オゾンの量が大幅に低減されている。従って、気化部２で万一オゾン分解が生じても、液体オゾンの気化量が大幅に少なくされて連鎖的なオゾン分解が抑制され、装置の破損の虞が無くされている。

また、液封配管６内には毛細管力を発現する充填材８が充填されているため、当該充填材８の毛細管力により液体オゾンは気化部２に良好に導かれて気化する一方で、気化部２で万一オゾン分解が生じても、発生する熱は液封配管６内にあっては充填材８の熱容量により吸収されると共に当該充填材８により液体オゾンの量が一層低減される結果、液体オゾンの気化による連鎖的なオゾン分解が一層抑制され、装置の破損の虞が一層無くされている。

また、気化部２の入口２ａが分離境界面７以上の高さにあり、充填材８の上端が気化部２の入口２ａを通して内部に進入しているため、液体オゾンは、その液面が気化部２に進入すること無く充填材８の毛細管力により気化部２内に進入して良好に気化し、このように、気化部２内での液体オゾンは極めて少量であるため、気化部２で万一オゾン分解が生じても、液体オゾンの気化による連鎖的なオゾン分解が一層抑制され、装置の破損の虞が一層無くされている。

また、気化部２内には、濃縮オゾンの通過を可能とする充填材２０が充填されているため、気化部２で万一オゾン分解が生じても、発生する熱は気化部２内の充填材２０の熱容量により吸収される。このため、気化部２内での濃縮オゾンの連鎖的なオゾン分解が抑制され、装置の破損の虞が一層無くされている。

また、液封配管６は冷却手段１により冷却されるため、気化部２で万一オゾン分解が生じても、発生する熱は液封配管６では冷却手段１により冷却される。このため、液体オゾンの気化による連鎖的なオゾン分解が一層抑制され、装置の破損の虞が一層無くされている。また、液封配管６内の液体オゾンの気化により気泡が生じると充填材８の毛細管作用が途切れる虞があるが、液封配管６が冷却手段１により冷却されるため、気泡の発生が抑制され、毛細管作用が確実に働くことになっている。

また、冷却部４ｘ、液封配管６、気化部２、圧力開放弁１６，１７が真空断熱容器１４内に収容され、液体オゾンの全部が万一オゾン分解して圧力開放弁１６，１７が圧力を真空断熱容器１４内に開放した場合に配管内の圧力がオゾンガスの供給圧以下となるように、真空断熱容器１４内の空隙部の容積が設定されているため、オゾン分解時のガス圧が圧力開放弁１６，１７を介して真空断熱容器１４内の空隙部に良好に開放され、装置の破損の虞が一層無くされている。また、真空断熱状態１４により、冷却手段１による冷却及び気化部２での加熱が効率的に成されるようになっている。

なお、本実施形態にあっては、気化部２での万一のオゾン分解以外の他のトリガーによるオゾン分解も抑制されているのは言うまでもない。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、上記実施形態においては、特に好ましいとして、冷却部４ｘが冷却管３ｃを冷却する構成としているが、タンク型の冷却部であっても良い。

本発明の実施形態に係るオゾン濃縮装置を備えた高濃度オゾンガス生成装置を示す概略構成図である。 図１中のオゾン濃縮装置の冷却部、液封配管、気化部を示す概略構成図である。 図１中の冷却管内部の様子を示す部分断面図である。 充填材を冷却管に充填したときの温度分布を示す模式図である。 オゾンが充填材の表面で液化される様子を示す部分断面図である。 液化開始点及び液化終了点において、オゾンが充填材の表面で液化される様子を示す部分断面図である。 充填材を冷却管に充填したときの液化終了点における温度分布を示す模式図である。 充填材を冷却管に充填しないときの温度分布を示す模式図である。

符号の説明

２…気化部、３ｃ…冷却管（冷却領域）、４ｘ…冷却部、２５…排出口、３０…冷却管内の充填材、１００…オゾン濃縮装置、２００…高濃度オゾンガス生成装置。

Claims (10)

1. オゾナイザで生成されたオゾンガスをオゾン沸点以下の温度まで冷却し液体オゾンと非凝縮気体とに分離する冷却部と、
   前記冷却部により分離された前記液体オゾンを加熱して気化し濃縮オゾンを得る気化部と、を具備し、
   前記冷却部により冷却され前記オゾンガスが流れる冷却領域に、充填材を充填したことを特徴とするオゾン濃縮装置。
2. 前記冷却領域は、横置きとされているとともに出口に向かって下り勾配と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. 前記充填材は、オゾンガスにより酸化されない表面を有するものであることを特徴とする請求項１または２記載のオゾン濃縮装置。
4. 前記充填材は、オゾンガスで表面を酸化しオゾンガスを分解しないように不動体処理を施したものであることを特徴とする請求項３記載のオゾン濃縮装置。
5. 前記充填材は、オゾンガスと反応しない材質より構成されていることを特徴とする請求項３記載のオゾン濃縮装置。
6. 前記充填材は、球形であることを特徴とした請求項１〜５の何れか一項に記載のオゾン濃縮装置。
7. 前記充填材は、ステンレス球またはチタン球であることを特徴とする請求項４記載のオゾン濃縮装置。
8. 前記充填材は、ガラスビーズまたはシリカゲルであることを特徴とする請求項５記載のオゾン濃縮装置。
9. 前記冷却領域を減圧させた状態で冷却することを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のオゾン濃縮装置。
10. 前記冷却領域に、前記非凝縮気体を取り出すための排出口を２箇所以上設けることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のオゾン濃縮装置。

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