JP3666089B2 - オゾン発生方法およびオゾン発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空気を原料ガスとするオゾン発生方法およびオゾン発生装置に関するもので、特に、高いオゾン変換効率を維持して効率よく高濃度のオゾンを発生させる方法あるいは装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、例えば特公昭５９ー４８７６１号公報に示された従来の同軸円筒型の無声放電式オゾン発生装置を示すものである。
図において、４１は内部に冷却水入口４９と冷却水出口５０を有する接地金属管４２を形成し、所定位置に空気または酸素などの原料空気入口５１とオゾン気体出口５２を形成した缶体、４４は上記接地金属管４２内に同心的に挿入され、複数のスペーサ５３によって所定の放電空隙４３を形成するガラス等の誘電体からなる高電圧電極管で、これの内周面には導電被膜４５が形成されている。
４６は給電線４７からブッシング４８を経て上記導電被膜４５に交流高電圧を印加する給電子である。
なお、このような従来のオゾン発生装置においては、上記接地金属管４２と高電圧電極管４４は、オゾン発生容量によって多数組のものが缶体４１に形成されることは言うまでもない。
【０００３】
次に動作について説明する。従来のオゾン発生装置は上記のように構成されており、高電圧電極管４４に交流高電圧を印加すると、放電空隙４３に無声放電と呼ばれる穏やかなグロー放電が生じて流入した原料空気がオゾン化され、このオゾンを含むガスはオゾン気体出口５２から取り出される。
放電空隙４３では、放電による発熱があるため有効に冷却してやらないと放電空隙４３のガス温度が上昇し、オゾン発生両が減少する。このため接地金属管４２が冷却水により冷却される。
【０００４】
酸素原子（Ｏ）とオゾン（Ｏ3 ）を放電空間内で同時に発生させる従来の無声放電式オゾン発生装置では、放電空間をオゾン生成に必要な高圧力、低温に維持することが必要とされる。
従って、従来の無声放電式オゾン発生装置は放電空間を低温に保つため、放電空間のギャップを短くして、接地、高圧両電極の一方もしくは両方を水冷するような構造であった。放電空間の短ギャップ化に関しては、円筒形の電極で短ギャップを一様に形成するためには放電管および金属電極管の加工精度が重要となり、装置の初期コストが高くなるという問題があった。
また、電極を冷却するために電極構造が制限されるなど装置が複雑であった。さらに電極が冷却されていても、オゾンの生成効率を考慮すれば放電空間の温度はせいぜい３５０Ｋ以下に抑える必要があるため、高電力密度（放電空間／放電面積）を投入することが困難であり、装置のコンパクト化を実現することが不可能であった。
【０００５】
無声放電式オゾン発生装置では放電場内でオゾンを生成するので、生成されたオゾンは放電空間に存在する電子と衝突し、以下に示す反応式からわかるように再び分解される。
Ｏ3 ＋ｅ → ０＋０2 ＋ｅ
上記の反応の速度は電子エネルギーの関数であり、放電場での電子衝突による酸素分子の解離速度、すなわち酸素原子の生成速度よりも数倍〜数十倍程度速いとされている。
従って、酸素原子とオゾンを放電により同時に発生させる無声放電式オゾン発生装置では、せっかく生成されたオゾンが酸素原子および分子に戻ってしまい、オゾン生成のエネルギー効率が低下する。
さらに、無声放電式オゾン発生装置で空気を原料ガスとして使用した場合には、窒素分子（Ｎ2 ）と電子との衝突により窒素原子（Ｎ）やその励起種が生々されて、これらが酸素原子と反応して窒素酸化物（ＮＯX ）が生成され、ＮＯX はオゾンと反応しその結果、オゾンは分解され前述と同様にオゾン生成効率の低下を招く。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような酸素原子とオゾンを放電により同時に発生させる従来の無声放電式オゾン発生装置における問題点を列挙すると、
・冷却が必要なため、電極系をはじめとして装置構造が複雑になる。
・高密度電力を投入できないので、装置のコンパクト化が困難である。
・生成されたオゾンが放電場での電子衝突により分解され、生成効率が低い。
・空気原料ではＮＯX が発生し、オゾンが分解されるためさらに生成効率が低下する。
ことが挙げられる。
【０００７】
この発明は上記のような従来の無声放電式オゾン発生装置の問題点を解決するためになされたもので、酸素原子とオゾンの生成を分離することにより、酸素原子を適切な濃度で反応ガスと混合してオゾンの生成効率を高めると共に、更に、生成された酸素原子を複数回にわたって反応ガス中に添加することにより、オゾン変換効率の低下を抑制しながら高濃度のオゾンを効率よく生成することのできるオゾン発生方法あるいはオゾン発生装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１のオゾン発生方法は、供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生工程と、この酸素原子発生工程で生成された酸素原子を含む第１のガスと加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生工程より高い圧力下で混合し、非放電で反応させてオゾンを生成するオゾン発生工程を有したオゾン発生方法において、オゾン発生工程は、第１のガスを複数回の工程に分けて所定の酸素原子濃度で第２のガスに添加してオゾンを生成し、それぞれの工程で生成されたオゾンを累積するようにしたものである。
【０００９】
この発明の請求項２のオゾン発生方法は、請求項１のオゾン発生工程において、第１のガスを２０回以下の工程に分けて所定の酸素原子濃度で第２のガスに添加してオゾンを生成し、それぞれの工程で生成されたオゾンを累積するようにしたものである。
【００１０】
この発明の請求項３のオゾン発生装置は、供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生部と、この酸素原子発生部より送給される酸素原子を含む第１のガスと加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生部より高い圧力下で混合し、所定の酸素原子濃度において非放電で反応させてオゾンを生成する複数のオゾン発生部と、この酸素原子発生部内の圧力を大気圧以下の上記所定の低圧力に減圧すると共に、第１のガスを減圧状態を維持して複数のオゾン発生部にそれぞれ送給する減圧送給手段を備え、上記複数のオゾン発生部を直列に配設し、前段のオゾン発生部で生成されたオゾンを含有する第２のガスを後段のオゾン発生部に順次送給し、それぞれのオゾン発生部で生成されたオゾンが累積されるように構成したものである。
【００１１】
この発明の請求項４のオゾン発生装置は、請求項３発明において、複数のオゾン発生部は、個別の酸素原子発生部がそれぞれ近接して設けらたものである。
【００１２】
この発明の請求項５のオゾン発生装置は、請求項３の発明において、複数のオゾン発生部は、それぞれに対応する各減圧送給手段の減圧室を酸素原子発生部として用いことにより酸素原子発生部と減圧送給手段とを含めて一体化された構成としたものである。
【００１３】
この発明の請求項６のオゾン発生装置は、請求項３乃至５のいずれかの発明において、直列に配設される複数のオゾン発生部は、２０段以下としたものである。
【００１４】
この発明の請求項７のオゾン発生装置は、供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生部と、酸素原子発生部より送給される酸素原子を含む第１のガスと加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生部より高い圧力下で混合し、所定の酸素原子濃度において非放電で反応させてオゾンを生成するオゾン発生部と、酸素原子発生部内の圧力を大気圧以下の所定の低圧力に減圧すると共に、第１のガスを減圧状態を維持してオゾン発生部に送給する減圧送給手段とを備えたオゾン発生装置において、オゾン発生部は第２のガスが流れる方向に所定の距離を隔てて設けられた複数列の穴部を有し、減圧送給手段は第１のガスを減圧状態を維持して上記複数列の穴部よりオゾン発生部の内部に送給するように構成したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、上述した従来のオゾン発生装置の問題点を解決するために本願発明者が先に出願した特願平７−２５１０１８号（平成７年９月２８日付け出願）にて提案したオゾン発生装置の一例を示すものである。
この例においては、図１１に示した従来装置のように酸素原子とオゾンの生成を放電場で同時に行うのではなく、酸素原子生成室とオゾンの生成室を分離し、酸素原子およびオゾンの生成に対して最適な条件を独立して制御できるように構成したものである。
また、酸素原子生成室で生成された酸素原子を含有したガスの圧力を減圧し、減圧された状態のまま酸素原子ガスをオゾン生成室へ送給するための減圧送給手段としてエジェクタ方式を用いている。
【００１６】
図において、１は酸素を含有する反応ガスの入口、２はノズル、３はスロート、４はディフューザー、５はオゾン含有ガスの出口であり、これらはエジェクタを構成する基本構成部材である。ノズル２とスロート３の間には、ギャップ１０が設けられる。
６は内部に放電室７を備えた酸素原子発生器であり、原料気体入口８より供給された酸素を含有する原料ガスから酸素原子を生成するための装置である。
９は酸素原子発生器６で生成された酸素原子含有ガスを低圧力を維持したままディフューザー部まで導くための減圧室であり、そこでの圧力は大気圧以下、具体的には数Torr〜数百Torr程度に維持される。
【００１７】
次に動作について説明する。ノズル２には酸素を含有した反応ガス（例えば、空気）がコンプレッサーあるいはフロアー等で加圧されて流れており、スロート３に流れ込むが、この時ノズル２とスロート３との間に設けられたギャップ１０から減圧室９に存在する気体を巻き込むため、減圧室９および酸素原子発生器６の内部の放電室７は大気圧以下、具体的には数Torr〜数百Torr程度に減圧される。
このような低圧力下で、原料気体入口８より酸素含有ガスが供給されている放電室７内では、
Ｏ2 ＋ ｅ → Ｏ ＋ Ｏ ＋ ｅ ・・・（１）
の反応が起こり、酸素原子Ｏが発生する。上式でｅは電子を表す。
【００１８】
（１）式で生成された酸素原子Ｏは、
Ｏ ＋ Ｏ2 ＋ Ｍ → Ｏ3 ＋ Ｍ ・・・（２）
の反応によりオゾンに変換されるか、あるいは、
Ｏ ＋ Ｏ ＋ Ｍ → Ｏ2 ＋ Ｍ ・・・（３）
の反応により酸素分子に戻るため、消滅する。 但し、Ｍは第３物体を表す。
（２）、（３）式はいわゆる三体衝突反応であるため、圧力の２乗に比例して反応が進むため低圧力放電場では（２）、（３）式の反応はきわめて遅いことになる。
ここで、Ｏ濃度に対してＯ2 濃度が充分高いと、（２）式で表されたオゾン生成反応が大部分を占め、（３）式の反応は無視できる。
【００１９】
従って、図１で例示した装置のように、オゾン生成室と分離した酸素原子生成室において低圧力下で放電させると、（１）式の反応で生じる酸素原子が（２）、（３）式によって殆ど消滅しないため、高い電気効率（酸素原子発生個数／放電電力）で酸素原子を得ることができる。
このようにして生成された酸素原子は、低圧力に保たれたまま減圧室９からノズル２とスロート３の間のギャップ１０へと吸い込まれ、ノズル２内を流れてきた酸素を含む反応ガス（例えば空気）とスロート３およびディフューザ４よりなるオゾン生成室において混合され、反応ガス中の酸素と（２）式に示された反応により高圧力下で効率よくオゾンに変換される。
【００２０】
図２は、上述した図１に示した構造によるオゾン発生装置の効果を推定するために、混合後のガス中の酸素原子の濃度を変化させてシミュレーションを行い、そのオゾン生成効率を求めた結果を示したものである。
従来装置のオゾン生成効率については、空気および純酸素を原料ガスとした近年の円筒型無声放電式オゾン発生装置の標準的な運転条件での実験値を示す。
この結果より、酸素原子とオゾンの生成を放電場で同時に行う従来装置に比べて、酸素原子生成室とオゾンの生成室を分離し、酸素原子およびオゾンの生成をそれぞれ最適な条件に独立して制御できる構造を採用することにより、特に、２〜３ｇ／Ｎｍ3 程度以下の低オゾン濃度域において高いオゾン生成効率を達成できることが判った。
しかし、図１のようなオゾン発生装置の構成では生成するオゾン濃度を高くしょうとするとオゾン生成効率は低下してくることを、図２は示している。
【００２１】
図３は、図１に示した装置において、放電により生成された酸素原子が大気圧、３５０Ｋの空気と混合されてオゾンに変換されていく過程について、最終的にオゾンに変換された酸素原子の割合（生成オゾン分子数／初期酸素原子数、即ち、オゾン変換効率）を縦軸に、オゾン生成室に注入され、反応ガスと混合された時の酸素原子の濃度を横軸にとって示したものである。
図３より、最終的にオゾンに変換された酸素原子の割合は酸素原子の注入濃度が０．０１％、０．１％、１％、１０％、２０％である場合に、それぞれおよそ９９％、９５％、６４％、２０％、１３％と求められ、この結果よりも酸素原子からオゾンへの変換効率は、酸素原子濃度の増加に伴い急激に減少していくことが判る。
これは、酸素原子濃度が上昇することにより、前記（３）式で示された酸素原子の再結合反応の速度が増加し、放電により生成された酸素原子が酸素分子に戻ってしまうことが原因である。
すなわち、生成された酸素原子を効率よくオゾンに変換するためには、混合する反応ガスに対して、添加する酸素原子の濃度を小さく抑える必要があることが判る。
【００２２】
以上のように、図１１に示した従来装置の問題点を酸素原子生成室とオゾンの生成室を分離することにより改善した図１に示したようなオゾン発生装置においては、放電場にオゾンやＮＯX は存在しないので、電子衝突やＮＯX によるオゾンの分解が起こらず、高効率でオゾンを生成できるのであるが、これはオゾン生成室において空気などの反応ガスと混合された時の酸素原子の濃度が低い場合に限られている。
反応ガスと混合時の酸素原子濃度も濃くなると、上記（３）式に示した酸素原子の再結合反応が支配的になってオゾン変換効率が急激に減少し、その結果、生成するオゾン濃度の高い領域では、オゾン生成に対するエネルギー効率が低下するという問題を抱えていた。
この発明はこのような問題点を更に解決するためになされたもので、酸素原子とオゾンの生成室を分離すると共に、酸素原子生成室で生成した酸素原子を所定の低濃度で複数回に分けてオゾン生成室の反応ガス中に添加することにより、高濃度のオゾンを高効率で発生することができるようにしたものである。
【００２３】
実施の形態１．
放電により生成された酸素原子がオゾンに変換される場合の主反応と、その競合反応は前述の（２）、（３）式に示したとおりである。
ここで、それぞれの反応の反応速度定数をｋn ４、ｋn ５とすると、放電により生成された酸素原子がオゾンに変換される際の効率ηは、次式により表される。
【００２４】
【数１】
【００２５】
（４）式から、オゾン変換効率は酸素原子と酸素分子の濃度比の関数であり、酸素原子濃度が増加すると、オゾン変換効率ηは減少する。
これより、比較的高濃度のオゾンを得るために、高濃度の酸素原子を一度に酸素分子を含んだ反応ガス中に添加した場合には、オゾン変換効率が低下することにより高効率でオゾンを生成することが不可能であることが判る。
酸素原子からオゾンへの変換効率は、（４）式のように酸素原子濃度の増加とともに低下するため、比較的高濃度のオゾンをできる限り効率よく生成する方法としては、オゾン変換効率の高い低濃度酸素原子を複数回に分けて、順次反応ガス中に添加する方法が考えられる。
【００２６】
尚、酸素原子を放電により発生する放電室とは別に設けられたオゾン生成室内では、前記（２）、（３）式で示したオゾン生成、分解反応に加えて、
Ｏ ＋ Ｏ3 → Ｏ2 ＋ Ｏ2 ・・・（７）
で表わされる反応が起こる。
（３）式の反応は、低濃度の酸素原子を添加する場合には無視できるので、放電により生成された酸素原子は効率よくオゾンに変換され、また、（７）式の反応の速度は極めて遅いため、オゾン生成室で生成されたオゾンはほとんど分解されない。
【００２７】
従って、オゾン生成室内で反応ガス中に低濃度で酸素原子を添加して効率よくオゾンに変換してオゾン含有ガスを生成し、この生成されたオゾンを含有する反応ガス中にさらに低濃度で酸素原子を添加する操作を繰り返せば、生成されたオゾンは短時間ではほとんど分解されないので、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで、最終的に生成されるオゾンの濃度はオゾン含有ガス中に低濃度で酸素原子を添加する回数に応じて累積されて増加することになる。
即ち、高濃度のオゾンを得る場合にも、オゾン変換効率の低下を抑制することが可能となる。
【００２８】
図４は、反応ガスに対して添加される酸素原子の総添加濃度をパラメータとして、酸素原子の分割して注入される回数とオゾン変換効率の関係を示したものである。
酸素原子の総添加濃度が、０．１％、１．０％、１０％、２０％の場合に対応するものであり、それぞれの１回あたりの添加濃度は総添加濃度を添加回数で割った値に相当する。
例えば、Ａのグラフは反応ガスに対して酸素原子の総添加濃度が１．０％の場合について、１．０％の濃度の酸素原子を１度に添加した場合と、２回（０．５％×２）、１０回（０．１％×１０）、２０回（０．０５％×２０）と複数回にわけて添加した場合のオゾン変換効率ηを添加回数を横軸にとって示したものである。
【００２９】
この図より、反応ガスに対する酸素原子の総添加濃度を一定にした場合、１回当たりの添加濃度を減らし、添加回数を増加させることによりオゾン変換効率ηを改善することが可能であることがわかる。
ただし、添加回数が１０回を超えるとオゾン変化効率の改善は飽和現象がみられ、添加回数が２０回を超えるとオゾン変化効率の改善はほとんど期待できないと思われる。
図５は、図４に示した結果を生成されるオゾン濃度を横軸（対数目盛り）にとり、生成オゾン濃度とオゾン変換効率の関係に焼き直したものである。
図５において、Ａ群は酸素原子の総濃度が０．１％の場合、Ｂ群は酸素原子の総濃度が１．０％の場合、Ｃ群は酸素原子の総濃度が１０％の場合、また、Ｄ群は酸素原子の総濃度が２０％の場合のデータを示している。
また、図６は、縦軸および横軸の両軸を線形目盛り（ Liner Scale）で書き換えたものである。
【００３０】
図５または図６より、例えば、反応ガスへの酸素原子の総添加濃度を１．０％としてオゾンを生成する場合（即ち、Ｂ群のデータ）を例に取ると、１度の添加回数で反応させると生成されるオゾン濃度は約１１ｇ／Ｎｍ3 であり、この時のオゾン変換効率は６５％程度であるが、酸素原子の添加濃度を０．０５％として２０回に分けて添加すると生成されるオゾン濃度は約１４ｇ／Ｎｍ3 に増加し、この時のオゾン変換効率は８０％程度にまで改善されることが判る。
以上のことより、オゾン生成室内で反応ガスに対して数％以下の低濃度で酸素原子を添加して効率よくオゾンに変換してオゾン含有ガスを生成し、この生成されたオゾンを含有する反応ガス中にさらに低濃度の酸素原子を添加する操作を複数回繰り返すことによって、酸素原子からオゾンへの変換効率の低下を抑制し、かつ、最終的に一度に酸素原子を反応ガス中に添加する場合よりも高濃度のオゾンの生成が可能であることが裏付けられた。
【００３１】
この発明は、以上の知見の結果に基づくものであり、酸素原子とオゾンの生成室を分離させたオゾン発生装置において、低圧力下で放電により生成された酸素原子含有ガスを酸素分子を含んだ反応ガスに一度に添加するのではなく、反応ガス（例えば、空気）を複数段に分けたオゾン生成室に順次送給すると共に、それぞれのオゾン生成室に酸素原子含有ガスを低圧状態を維持したまま送給し、かつ、オゾン生成室において反応ガスと混合された時の酸素原子が所定の低濃度になるように構成したものである。
【００３２】
以下、この発明の実施の形態１について具体的に説明する。
図７は、この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の概略構成を示す図である。尚、図１と同一符号のものは図１のものと同一または相当のものであることを表わす。
図７において、１００は第１段のオゾン発生部、２００は第１段のオゾン発生部１００の後部に配置された第２段のオゾン発生部、３００は第Ｎ段目のオゾン発生部である。
本実施の形態１においても、減圧送給手段は、図１に示したオゾン発生装置と同様のエジェクタ方式を用いた装置構成としている。
各段のオゾン発生部は、図１の装置と同様にノズル２、スロート３、ディフューザー４、減圧室９、ギャップ１０を備えている。
６は内部に放電室７を備えた酸素原子発生器であり、原料気体入口８より供給された酸素を含有する原料ガスから酸素原子を発生させるための装置である。
４００は酸素原子発生器６において発生した酸素原子を各段のオゾン発生部へ送給するための酸素原子送給管である。
また、１１はコンプレッサーあるいはブロワー等の加圧手段である。
【００３３】
次に動作について説明する。第１段のオゾン発生部１００に設けられたノズル２には、その入口部１より加圧手段１１によって加圧された反応ガスが流れ込んでおり、加圧された反応ガスはスロート３に吹き出される。
この時ノズル２とスロート３との間に設けられたギャップ１０から減圧室９に存在する気体を巻き込むため、減圧室９および酸素原子発生器６内部の放電室７は大気圧以下、具体的には数Torr〜数百Torr程度に減圧される。
このような低圧力下で、原料気体入口８より酸素含有ガスが供給されている放電室７内では（１）式に示した、
Ｏ2 ＋ ｅ → Ｏ ＋ Ｏ ＋ｅ
の反応が起こり、酸素原子Ｏが発生する。上式でe は電子を表す。
【００３４】
（１）式で生成された酸素原子Ｏは、（２）式に示した、
Ｏ ＋ Ｏ2 ＋ Ｍ → Ｏ3 ＋ Ｍ
の反応によりオゾンに変換されるか、あるいは（３）式に示した、
Ｏ ＋ Ｏ ＋ Ｍ → Ｏ2 ＋ Ｍ
の反応により酸素分子に戻るため、消滅する。但し、M は第３物体を表す。
【００３５】
ここで（２）、（３）式はいわゆる三体衝突反応であるため、圧力の２乗に比例して反応が進むため低圧力放電場では（２）、（３）式の反応はきわめて遅いことになる。ここで、Ｏ濃度に対してＯ2 濃度が充分高いと（２）式で表されたオゾン生成反応が大部分を占め、（３）式の反応は無視できる。
従って、この発明のように低圧力下で放電させると、（１）式の反応で生じる酸素原子が（２）、（３）式によって殆ど消滅しないため、高い電気効率（酸素原子発生個数／放電電力）で酸素原子を得ることができる。
このようにして生成された酸素原子は、低圧力に保たれたまま酸素原子供給管４００を経由して減圧室９からノズル２とスロート３の間のギャップ１０へと吸い込まれ、ノズル２内を流れてきた酸素を含む反応ガスとスロート３およびディフューザー４で構成されるオゾン生成室内で反応ガスと所定の低濃度で混合され、反応ガス中の酸素分子と（２）式に示された反応により高圧力下で効率よくオゾンに変換される。
なお、所定の濃度で酸素原子を反応ガスに添加するためには、酸素原子発生器６における酸素原子の発生量を制御するか、あるいは酸素原子供給管に酸素原子含有ガスの流量を制御するバブル等を適宜設ければよい。
【００３６】
このようにして第１段目のオゾン発生部１００で得られたオゾン含有ガス（生成されたオゾンを含む反応ガス）は、加圧された状態のまま更にオゾン含有ガスの出口５から第２段目のオゾン発生部２００のノズル２に導入される。
第２段目のオゾン発生部２００においては、第１段目のオゾン発生部１００と同様に、酸素原子発生器６において生成された酸素原子含有ガスは、酸素原子供給管４００を経由して低圧力に保たれたまま減圧室９からノズル２とスロート３の間のギャップ１０へと吸い込まれ、スロート３およびディフューザー４で構成されるオゾン生成室内でノズル２内を流れてきた第１段目のオゾン生成室で得られたオゾンを含有した反応ガスと所定の濃度で混合され、反応ガス中の酸素分子と（２）式に示された反応により高圧力下で効率よくオゾンに変換される。
【００３７】
なお、前述したように、オゾン生成室内では、前記（２）、（３）式で示したオゾン生成、分解反応に加えて、（７）式で表わされる反応が起こるが、この反応の速度は極めて遅いため、オゾン生成室で生成されたオゾンはほとんど分解されないので、第２段目のオゾン発生部２００においては第１段目のオゾン発生部１００で生成されたオゾンと第２段目のオゾン発生部２００で生成されたオゾンとが累積されることになる。
本実施の形態のように、複数段（Ｎ段）のオゾン発生部を直列に配設し、加圧手段によって第１段目のオゾン発生部に反応ガスを送給し、オゾン生成室内で反応ガス中に所定の低濃度で酸素原子を添加して効率よくオゾンに変換してオゾン含有ガスを生成し、この生成されたオゾン含有ガスに対してさらに次段のオゾン発生部で所定の低濃度で酸素原子を添加してオゾンを発生させる操作を繰り返すことによって、生成されたオゾンはどんどん累積されるてゆくので、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで、高濃度なオゾンを得ることができる。
【００３８】
即ち、本実施の形態においては、従来のオゾン発生装置と同様に低圧下で酸素ガスを解離させるため、酸素原子の寿命が長くなり、その結果酸素原子を効率よく生成できる。
酸素原子生成室は放電を安定に保ち、効率よく酸素原子を生成できる条件だけを満足すればよいので、生成室内部は高温でよく、電極を冷却する必要もないので、放電電極系の構成自由度が高くなりシンプルな構造で安価な装置を提供することができる。また、高電力密度を投入することができるので装置のコンパクト化が可能となる。
さらに、酸素原子発生室で発生した酸素原子含有ガスを、複数回にわけて酸素分子を含む反応ガスと所定の低濃度で反応させるように構成したので、オゾン変換効率の低下を抑制し、かつ、従来のオゾン発生装置に比べて高濃度のオゾンを生成することができる。
【００３９】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の概略構成を示す図である。本実施の形態も、実施の形態１と同様に減圧送給手段としてエジェクタ方式を用いた装置構成としている。尚、図１と同一符号は図１のものと同一あるいは相当のものであることを表わす。
図において、１は酸素を含有する反応ガスの入口、２はノズル、３はスロート、４はディフューザー、５はオゾン含有ガスの出口である。これらがエジェクタを構成する基本構成部材である。
本実施の形態では、縦列に配設された第１段のオゾン発生部１００、第２段のオゾン発生部２００および第Ｎ段のオゾン発生部３００のそれぞれについて酸素原子発生器６を個別に設けたことを特徴とする。
各段のオゾン発生部は、図１の装置と同様にノズル２、スロート３、ディフューザ４、減圧室９、ギャップ１０を備えている。
減圧室９は酸素原子発生器６で生成された酸素原子含有ガスを低圧力を維持したまま、反応ガスとの混合点まで導くために、そこでの圧力は大気圧以下、具体的には数Torr〜数百Torr程度に維持される。
【００４０】
次に動作について説明する。第１段のオゾン発生部１００に設けられたノズル２には、その入口部１より加圧手段１１によって加圧された反応ガスが流れ込んでおり、加圧された反応ガスはノズル２よりスロート３に吹き出される。
この時ノズル２とスロート３との間に設けられたギャップ１０から減圧室９に存在する気体を巻き込むため、第１段のオゾン発生部１００に対して設けられた酸素原子発生器６の放電室７の圧力も大気圧以下、具体的には減圧室９と同等の数Torr〜数百Torr程度に減圧される。
このような低圧力下で、原料気体入口８より酸素含有ガスが供給されている各酸素原子発生器６の放電室７内では、実施の形態１で説明したのち同様の反応が起こり、高い電気効率（酸素原子発生個数／放電電力）で酸素原子を得ることができる。
このようにして生成された酸素原子は、低圧力に保たれたまま減圧室９を経由してノズル２とスロート３の間のギャップ１０へと吸い込まれ、ノズル２内を流れてきた酸素を含む反応ガスとスロート３およびディフューザー４で構成されるオゾン生成室内で反応ガス中の酸素分子と前述の（２）式に示された反応により高圧力下で効率よくオゾンに変換される。
【００４１】
このようにして第１段目のオゾン発生不１００で得られたオゾン含有ガス（生成されたオゾンを含む反応ガス）は、加圧された状態のまま更にオゾン含有ガスの出口５から第２段目のオゾン発生部２００のノズル２に導入される。
第２段目のオゾン発生部２００においては、第１段目のオゾン発部と同様に、第２段目のオゾン発生部２００に個別に設けられた酸素原子発生器６で生成された酸素原子含有ガスは、同様に低圧力に保たれたまま減圧室９からノズル２とスロート３の間のギャップ１０へと吸い込まれ、ノズル２内を流れてきた第１段目のオゾン生成室で得られたオゾン含有ガスとスロート３およびディフューザー４で構成されるオゾン生成室内で反応ガス中の酸素分子と（２）式に示された反応により高圧力下で効率よくオゾンに変換される。
このように、第２段目のオゾン発生不部２００では、第１段目のオゾン発生部１００で生成されたオゾンと第２段目のオゾン生成部２００で生成されたオゾンとが累積される。
【００４２】
実施の形態２においても、酸素原子発生部とオゾン発生部とは分離して設けられており、さらに複数段（Ｎ段）のオゾン発生部が直列に配設されているので、実施の形態１と同様にそれぞれのオゾン生成室内で反応ガス中に所定の低濃度で酸素原子を添加して効率よくオゾンに変換してオゾン含有ガスを生成し、この生成されたオゾン含有ガスに対してさらに次段のオゾン発生部で所定の低濃度で酸素原子を添加してオゾンを発生させる操作を繰り返すことが可能となり、生成されたオゾンはどんどん累積されるので、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで、高濃度なオゾンを得ることができる。
さらに、実施の形態２では、各段に設けられた酸素原子発生器６より供給される酸素原子含有ガスは、実施の形態１の場合と異なり、酸素原子供給管などの比較的長い流路を介さず短い供給管によって即座に反応ガスと混合されるので、寿命の短い酸素原子が反応ガスと混合される以前に再結合等で壊れる確率も小さく、酸素原子発生器６で生成された酸素原子は一層効率よく反応ガスと混合される、とう特長がある。
【００４３】
実施の形態３．
前記実施の形態１あるいは２では、酸素原子発生器６と減圧室９とを分離した構成としているが、本実施の形態では酸素原子発生器と減圧室とを一体化した一体型オゾン発生部を直列に複数段配設した構成としたものである。
図９は、実施の形態３によるオゾン発生装置の要部の概略構成を示す図であり、図９（ａ）はその縦断面構成図、図９（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
図において、１は酸素を含有する反応ガスの入口、２はノズル、３はスロート、４はディフューザー、５はオゾン含有ガスの出口であり、これらがエジェクタを構成する基本構成部材である。
本実施の形態における各段の一体型オゾン発生部は、低圧無声放電式の酸素原子発生器と減圧送給手段であるエジェクタとが一体に形成されている。
８は酸素を含有する原料気体入口、２０はガラス等の誘電体管、２１は給電電極、２２は高圧の交流電源、２３は放電場であり、これらにより酸素原子発生器が構成される。本実施の形態では、このような一体型オゾン発生部が、酸素原子含有ガスの添加回数（Ｎ）に応じて直列にＮ段配設されている。
【００４４】
各段の一体型オゾン発生部は、実施の形態１あるいは２における酸素原子発生器６と減圧室９とを含めてオゾン発生部に一体化されたものであり、その基本的な動作は前述の実施の形態１あるいは２と同様である。
放電場２３で生成された酸素原子は低圧力に保たれたまま減圧部からノズル２とスロート３の間へと吸い込まれ、ノズル内を流れてきた酸素を含む反応ガスと混合され、１段目のオゾン生成室内で反応ガス中の酸素分子と前述の（２）式に示された反応により高圧力下で効率よくオゾンに変換される。
第１段目の一体型オゾン発生部で得られたオゾン化ガスは、オゾン化ガス出口５から第２段目の一体型オゾン発生部のエジェクタの入口、即ち、ノズル２に導入され、第２段目の一体型オゾン発生部のオゾン生成室へと供給される。
【００４５】
そして、第２段目の一体型オゾン発生部で生成された酸素原子含有ガスと第１段目の一体型オゾン発生部より供給されたオゾン化ガスとが第２段目のオゾン生成室で混合されることにより、さらにオゾンへと変換されて、第１段目よりもオゾン濃度の高められたオゾン化ガスが生成される。
２段以上の構成にした場合には、第３段目以降は第２段目と同様の過程を経てオゾンが生成され、全段部で生成されたオゾンに累積されてゆく。
前述の実施の形態１あるいは２に示したオゾン発生装置と同様に、低濃度の酸素原子含有ガスを複数回に分けて順次反応ガスに添加できる構成し、かつ、各段のオゾン発生部は酸素原子発生器と減圧室とを含めて一体化されているので、生成された酸素原子は非常に短時間で反応ガスと混合され、放電により生成された酸素原子が再結合により酸素分子に戻ることによるロスが非常に小さく、特に発生オゾン濃度が高い領域においてもオゾン生成効率の高い装置を実現することができる。
【００４６】
実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置の概略構成を示す図である。
図において、図７乃至図９で説明したものと同一もしくは相当部材については同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施の形態では、放電により生成した酸素原子含有ガスを複数回にわけて反応ガス中に添加する方法として、オゾン生成室を構成するディフューザー部周辺に穴を設け、この穴より酸素原子含有ガスを注入するようにしたものである。
【００４７】
図１０において、５００は、スロート３およびディフューザー４から構成されるオゾン生成室であり、ディフューザー４の周辺の壁には５０１に示すような複数の穴が設けられている。
５０２は酸素原子発生器６で生成された酸素原子含有ガスを低圧力を維持したままディフューザ４の外壁部まで導くための酸素原子供給路５０３を備えた減圧室であり、オゾン生成室５００のスロート３およびディフューザ４の外部を覆うように形成されている。
減圧室５０２における圧力は大気圧以下、具体的には数Torr〜数百Torr程度に維持される。
【００４８】
次に動作について説明する。酸素原子発生器６における酸素原子の生成方法については、実施の形態１に示したオゾン発生装置と全く同様である。
この酸素原子含有ガスと混合される反応ガスは、加圧手段（図示せず）で加圧された後、スロート３を経てディフューザー４へと噴射される。
この時、ディフューザー４に設けられた穴５０１から減圧室５０２に存在する酸素原子含有ガスを巻き込むため、減圧室５０２および酸素原子発生器６内部の放電室７は大気圧以下、具体的には数Torr〜数百Torr程度に減圧される。
ディフューザー４に設けられた多数の穴５０１は、反応ガスの流れの方向に対し第１列目の穴から注入された酸素原子がオゾンに変換されるのに十分な時間（例えば、１ｍｓ程度）を経た後、第２列目の穴から酸素原子が注入されるような距離を隔てて設けられる。
２段階以上の注入を行う場合には、第３列目以降の穴も同様の距離を隔てて設けられることは言うまでもない。
【００４９】
このように、所定の低濃度の酸素原子を順次複数回に分けてオゾン生成室５００に注入することによって、ディフューザー４内において前述の（２）式で示された反応により効率よくオゾンに変換できる。
以上のように構成されたオゾン発生装置では、酸素原子発生部とオゾン生成部とは分離されているので、実施の形態１に示されたオゾン発生装置と同様に酸素原子室は低圧力（数Torr〜数百Torr）、高温、オゾン生成室は高圧力（７６０Torr程度、もしくはそれ以上）、低温（４００Ｋ程度以下）というように、それぞれの生成に最適な条件を独立に設定することができるため、高効率で酸素原子およびオゾンを生成することができる。
【００５０】
さらに、低濃度の酸素原子含有ガスを複数回にわけて順次反応ガスに添加するように構成したので、放電により生成された酸素原子が再結合によって酸素分子に戻ることによるロスが小さく、従来のオゾン発生装置に比べて特に発生オゾン濃度が高い領域において、さらにオゾン生成効率の高い装置を実現することができる。
また、酸素原子を複数回に分けて反応ガス中に添加するために、ディフューザーに設けられる穴の列数を複数段にすればよいだけであるので、オゾン発生室は添加回数分には関係なく１つだけでよく、非常に簡単な構造をしたコンパクトな多段添加型のオゾン発生装置を実現できる。
【００５１】
尚、上述した実施の形態１乃至４においては、酸素を解離して酸素原子を発生する方法として単に放電によることしか記載していないが、前記した本願と同一発明者の先願である特願平７−２５１０１８号に詳述しているように、放電の具体的な方法として、グロー放電、無声放電、マスクロ波放電等の非平衡放電、あるいはアーク放電、高周波放電等の熱プラズマのいずれの方法を用いても同様の効果を得ることは言うまでもない。
【００５２】
【発明の効果】
この発明の請求項１によれば、供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生工程と、この酸素原子発生工程で生成された酸素原子を含む第１のガスと加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生工程より高い圧力下で混合し、非放電で反応させてオゾンを生成するオゾン発生工程を有したオゾン発生方法において、オゾン発生工程は、第１のガスを複数回の工程に分けてオゾン変換効率の高い所定の酸素原子濃度で第２のガスに添加して効率よくオゾンを生成し、それぞれの工程で生成されたオゾンを累積するようにしたので、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで、高濃度なオゾンを得ることができるオゾン発生方法を提供できるという効果がある。
【００５３】
この発明の請求項２によれば、オゾン発生工程において、第１のガスを２０回以下の工程に分けて所定の酸素原子濃度で第２のガスに添加してオゾンを生成し、それぞれの工程で生成されたオゾンを累積するようにしたので、むやみにオゾン発生工程を煩雑にすることなく、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで、高濃度なオゾンを得ることができるオゾン発生方法を提供できるという効果がある。
【００５４】
この発明の請求項３によれば、供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生部と、この酸素原子発生部より送給される酸素原子を含む第１のガスと加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生部より高い圧力下で混合し、所定の酸素原子濃度において非放電で反応させてオゾンを生成する複数のオゾン発生部と、この酸素原子発生部内の圧力を大気圧以下の上記所定の低圧力に減圧すると共に、第１のガスを減圧状態を維持して複数のオゾン発生部にそれぞれ送給する減圧送給手段を備え、上記複数のオゾン発生部を直列に配設し、前段のオゾン発生部で生成されたオゾンを含有する第２のガスを後段のオゾン発生部に順次送給し、それぞれのオゾン発生部で生成されたオゾンが累積されるように構成したので、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで高濃度なオゾンを得ることができるオゾン発生装置を提供できるという効果がある。
【００５５】
この発明の請求項４によれば、複数のオゾン発生部は個別の酸素原子発生部がそれぞれ近接して設けられ、生成された酸素原子は短時間で反応ガスと混合されるので、寿命の短い酸素原子が反応ガスと混合される以前に再結合等で壊れる確率が小さくなり、生成された酸素原子は一層効率よく反応ガスと混合されるという効果がある。
【００５６】
この発明の請求項５によれば、複数のオゾン発生部は、それぞれに対応する各減圧送給手段の減圧室を酸素原子発生部として用いことにより酸素原子発生部と減圧送給手段とを含めて一体化された構成としたので、生成された酸素原子は非常に短時間で反応ガスと混合され、放電により生成された酸素原子が再結合により酸素分子に戻ることによるロスが非常に小さく、特に発生オゾン濃度が高い領域においてもオゾン生成効率が高く、かつ、構造の簡単な小型化されたオゾ発生装置を提供できるという効果がある。
【００５７】
この発明の請求項６によれば、直列に配設される複数のオゾン発生部を２０段以下としたので、むやみに装置構造を複雑にすることなく、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで高濃度なオゾンを得ることができるオゾン発生装置を提供できるという効果がある。
【００５８】
この発明の請求項７によれば、供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生部と、酸素原子発生部より送給される酸素原子を含む第１のガスと加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生部より高い圧力下で混合し、所定の酸素原子濃度において非放電で反応させてオゾンを生成するオゾン発生部と、酸素原子発生部内の圧力を大気圧以下の所定の低圧力に減圧すると共に、第１のガスを減圧状態を維持してオゾン発生部に送給する減圧送給手段とを備えたオゾン発生装置において、オゾン発生部は第２のガスが流れる方向に所定の距離を隔てて設けられた複数列の穴部を有し、減圧送給手段は第１のガスを減圧状態を維持して上記複数列の穴部よりオゾン発生部の内部に送給するように構成したので、
非常に簡単な構造で、かつ、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで高濃度なオゾンを得ることができるオゾン発生装置を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に関連するオゾン発生装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】 シミュレーション結果から図１のオゾン発生装置と従来の無声放電式オゾン発生装置のオゾン生成効率を比較した図である。
【図３】反応ガスに添加される酸素原子の濃度とオゾン変換効率の関係を示す図である。
【図４】 反応ガスに対して添加される酸素原子の総濃度をパラメータとして、酸素原子の分割注入回数とオゾン変換効率の関係を示す図である。
【図５】 図４のデータを生成されるオゾン濃度を横軸（対数目盛り）にとって示した図である。
【図６】 図５を両軸を線形目盛りで書き換えた図である。
【図７】 本発明の実施の形態１の概略構成を示す断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態２の概略構成を示す断面図である。
【図９】 本発明の実施の形態３の概略構成を示す断面図である。
【図１０】 本発明の実施の形態４の概略構成を示す断面図である。
【図１１】 従来のオゾン発生装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 反応ガス入口 ２ ノズル ３ スロート
４ ディフューザー ５ オゾン含有ガス出口 ６ 酸素原子発生器
７ 放電室 ８ 原料ガス入口 ９ 減圧室
１０ ギャップ １１ 加圧手段 ２０ 誘電体管
２１ 給電電極 ２２ 交流電源 ２３ 放電場
１００ 第１段目のオゾン発生部 ２００ 第２段目のオゾン発生部
３００ 第Ｎ段目のオゾン発生部 ４００ 酸素原子供給管
５００ オゾン生成室 ５０１ 穴
５０２ 減圧室 ５０３ 酸素原子供給路
【発明の属する技術分野】
本発明は空気を原料ガスとするオゾン発生方法およびオゾン発生装置に関するもので、特に、高いオゾン変換効率を維持して効率よく高濃度のオゾンを発生させる方法あるいは装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、例えば特公昭５９ー４８７６１号公報に示された従来の同軸円筒型の無声放電式オゾン発生装置を示すものである。
図において、４１は内部に冷却水入口４９と冷却水出口５０を有する接地金属管４２を形成し、所定位置に空気または酸素などの原料空気入口５１とオゾン気体出口５２を形成した缶体、４４は上記接地金属管４２内に同心的に挿入され、複数のスペーサ５３によって所定の放電空隙４３を形成するガラス等の誘電体からなる高電圧電極管で、これの内周面には導電被膜４５が形成されている。
４６は給電線４７からブッシング４８を経て上記導電被膜４５に交流高電圧を印加する給電子である。
なお、このような従来のオゾン発生装置においては、上記接地金属管４２と高電圧電極管４４は、オゾン発生容量によって多数組のものが缶体４１に形成されることは言うまでもない。
【０００３】
次に動作について説明する。従来のオゾン発生装置は上記のように構成されており、高電圧電極管４４に交流高電圧を印加すると、放電空隙４３に無声放電と呼ばれる穏やかなグロー放電が生じて流入した原料空気がオゾン化され、このオゾンを含むガスはオゾン気体出口５２から取り出される。
放電空隙４３では、放電による発熱があるため有効に冷却してやらないと放電空隙４３のガス温度が上昇し、オゾン発生両が減少する。このため接地金属管４２が冷却水により冷却される。
【０００４】
酸素原子（Ｏ）とオゾン（Ｏ3 ）を放電空間内で同時に発生させる従来の無声放電式オゾン発生装置では、放電空間をオゾン生成に必要な高圧力、低温に維持することが必要とされる。
従って、従来の無声放電式オゾン発生装置は放電空間を低温に保つため、放電空間のギャップを短くして、接地、高圧両電極の一方もしくは両方を水冷するような構造であった。放電空間の短ギャップ化に関しては、円筒形の電極で短ギャップを一様に形成するためには放電管および金属電極管の加工精度が重要となり、装置の初期コストが高くなるという問題があった。
また、電極を冷却するために電極構造が制限されるなど装置が複雑であった。さらに電極が冷却されていても、オゾンの生成効率を考慮すれば放電空間の温度はせいぜい３５０Ｋ以下に抑える必要があるため、高電力密度（放電空間／放電面積）を投入することが困難であり、装置のコンパクト化を実現することが不可能であった。
【０００５】
無声放電式オゾン発生装置では放電場内でオゾンを生成するので、生成されたオゾンは放電空間に存在する電子と衝突し、以下に示す反応式からわかるように再び分解される。
Ｏ3 ＋ｅ → ０＋０2 ＋ｅ
上記の反応の速度は電子エネルギーの関数であり、放電場での電子衝突による酸素分子の解離速度、すなわち酸素原子の生成速度よりも数倍〜数十倍程度速いとされている。
従って、酸素原子とオゾンを放電により同時に発生させる無声放電式オゾン発生装置では、せっかく生成されたオゾンが酸素原子および分子に戻ってしまい、オゾン生成のエネルギー効率が低下する。
さらに、無声放電式オゾン発生装置で空気を原料ガスとして使用した場合には、窒素分子（Ｎ2 ）と電子との衝突により窒素原子（Ｎ）やその励起種が生々されて、これらが酸素原子と反応して窒素酸化物（ＮＯX ）が生成され、ＮＯX はオゾンと反応しその結果、オゾンは分解され前述と同様にオゾン生成効率の低下を招く。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような酸素原子とオゾンを放電により同時に発生させる従来の無声放電式オゾン発生装置における問題点を列挙すると、
・冷却が必要なため、電極系をはじめとして装置構造が複雑になる。
・高密度電力を投入できないので、装置のコンパクト化が困難である。
・生成されたオゾンが放電場での電子衝突により分解され、生成効率が低い。
・空気原料ではＮＯX が発生し、オゾンが分解されるためさらに生成効率が低下する。
ことが挙げられる。
【０００７】
この発明は上記のような従来の無声放電式オゾン発生装置の問題点を解決するためになされたもので、酸素原子とオゾンの生成を分離することにより、酸素原子を適切な濃度で反応ガスと混合してオゾンの生成効率を高めると共に、更に、生成された酸素原子を複数回にわたって反応ガス中に添加することにより、オゾン変換効率の低下を抑制しながら高濃度のオゾンを効率よく生成することのできるオゾン発生方法あるいはオゾン発生装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１のオゾン発生方法は、供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生工程と、この酸素原子発生工程で生成された酸素原子を含む第１のガスと加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生工程より高い圧力下で混合し、非放電で反応させてオゾンを生成するオゾン発生工程を有したオゾン発生方法において、オゾン発生工程は、第１のガスを複数回の工程に分けて所定の酸素原子濃度で第２のガスに添加してオゾンを生成し、それぞれの工程で生成されたオゾンを累積するようにしたものである。
【０００９】
この発明の請求項２のオゾン発生方法は、請求項１のオゾン発生工程において、第１のガスを２０回以下の工程に分けて所定の酸素原子濃度で第２のガスに添加してオゾンを生成し、それぞれの工程で生成されたオゾンを累積するようにしたものである。
【００１０】
この発明の請求項３のオゾン発生装置は、供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生部と、この酸素原子発生部より送給される酸素原子を含む第１のガスと加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生部より高い圧力下で混合し、所定の酸素原子濃度において非放電で反応させてオゾンを生成する複数のオゾン発生部と、この酸素原子発生部内の圧力を大気圧以下の上記所定の低圧力に減圧すると共に、第１のガスを減圧状態を維持して複数のオゾン発生部にそれぞれ送給する減圧送給手段を備え、上記複数のオゾン発生部を直列に配設し、前段のオゾン発生部で生成されたオゾンを含有する第２のガスを後段のオゾン発生部に順次送給し、それぞれのオゾン発生部で生成されたオゾンが累積されるように構成したものである。
【００１１】
この発明の請求項４のオゾン発生装置は、請求項３発明において、複数のオゾン発生部は、個別の酸素原子発生部がそれぞれ近接して設けらたものである。
【００１２】
この発明の請求項５のオゾン発生装置は、請求項３の発明において、複数のオゾン発生部は、それぞれに対応する各減圧送給手段の減圧室を酸素原子発生部として用いことにより酸素原子発生部と減圧送給手段とを含めて一体化された構成としたものである。
【００１３】
この発明の請求項６のオゾン発生装置は、請求項３乃至５のいずれかの発明において、直列に配設される複数のオゾン発生部は、２０段以下としたものである。
【００１４】
この発明の請求項７のオゾン発生装置は、供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生部と、酸素原子発生部より送給される酸素原子を含む第１のガスと加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生部より高い圧力下で混合し、所定の酸素原子濃度において非放電で反応させてオゾンを生成するオゾン発生部と、酸素原子発生部内の圧力を大気圧以下の所定の低圧力に減圧すると共に、第１のガスを減圧状態を維持してオゾン発生部に送給する減圧送給手段とを備えたオゾン発生装置において、オゾン発生部は第２のガスが流れる方向に所定の距離を隔てて設けられた複数列の穴部を有し、減圧送給手段は第１のガスを減圧状態を維持して上記複数列の穴部よりオゾン発生部の内部に送給するように構成したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、上述した従来のオゾン発生装置の問題点を解決するために本願発明者が先に出願した特願平７−２５１０１８号（平成７年９月２８日付け出願）にて提案したオゾン発生装置の一例を示すものである。
この例においては、図１１に示した従来装置のように酸素原子とオゾンの生成を放電場で同時に行うのではなく、酸素原子生成室とオゾンの生成室を分離し、酸素原子およびオゾンの生成に対して最適な条件を独立して制御できるように構成したものである。
また、酸素原子生成室で生成された酸素原子を含有したガスの圧力を減圧し、減圧された状態のまま酸素原子ガスをオゾン生成室へ送給するための減圧送給手段としてエジェクタ方式を用いている。
【００１６】
図において、１は酸素を含有する反応ガスの入口、２はノズル、３はスロート、４はディフューザー、５はオゾン含有ガスの出口であり、これらはエジェクタを構成する基本構成部材である。ノズル２とスロート３の間には、ギャップ１０が設けられる。
６は内部に放電室７を備えた酸素原子発生器であり、原料気体入口８より供給された酸素を含有する原料ガスから酸素原子を生成するための装置である。
９は酸素原子発生器６で生成された酸素原子含有ガスを低圧力を維持したままディフューザー部まで導くための減圧室であり、そこでの圧力は大気圧以下、具体的には数Torr〜数百Torr程度に維持される。
【００１７】
次に動作について説明する。ノズル２には酸素を含有した反応ガス（例えば、空気）がコンプレッサーあるいはフロアー等で加圧されて流れており、スロート３に流れ込むが、この時ノズル２とスロート３との間に設けられたギャップ１０から減圧室９に存在する気体を巻き込むため、減圧室９および酸素原子発生器６の内部の放電室７は大気圧以下、具体的には数Torr〜数百Torr程度に減圧される。
このような低圧力下で、原料気体入口８より酸素含有ガスが供給されている放電室７内では、
Ｏ2 ＋ ｅ → Ｏ ＋ Ｏ ＋ ｅ ・・・（１）
の反応が起こり、酸素原子Ｏが発生する。上式でｅは電子を表す。
【００１８】
（１）式で生成された酸素原子Ｏは、
Ｏ ＋ Ｏ2 ＋ Ｍ → Ｏ3 ＋ Ｍ ・・・（２）
の反応によりオゾンに変換されるか、あるいは、
Ｏ ＋ Ｏ ＋ Ｍ → Ｏ2 ＋ Ｍ ・・・（３）
の反応により酸素分子に戻るため、消滅する。 但し、Ｍは第３物体を表す。
（２）、（３）式はいわゆる三体衝突反応であるため、圧力の２乗に比例して反応が進むため低圧力放電場では（２）、（３）式の反応はきわめて遅いことになる。
ここで、Ｏ濃度に対してＯ2 濃度が充分高いと、（２）式で表されたオゾン生成反応が大部分を占め、（３）式の反応は無視できる。
【００１９】
従って、図１で例示した装置のように、オゾン生成室と分離した酸素原子生成室において低圧力下で放電させると、（１）式の反応で生じる酸素原子が（２）、（３）式によって殆ど消滅しないため、高い電気効率（酸素原子発生個数／放電電力）で酸素原子を得ることができる。
このようにして生成された酸素原子は、低圧力に保たれたまま減圧室９からノズル２とスロート３の間のギャップ１０へと吸い込まれ、ノズル２内を流れてきた酸素を含む反応ガス（例えば空気）とスロート３およびディフューザ４よりなるオゾン生成室において混合され、反応ガス中の酸素と（２）式に示された反応により高圧力下で効率よくオゾンに変換される。
【００２０】
図２は、上述した図１に示した構造によるオゾン発生装置の効果を推定するために、混合後のガス中の酸素原子の濃度を変化させてシミュレーションを行い、そのオゾン生成効率を求めた結果を示したものである。
従来装置のオゾン生成効率については、空気および純酸素を原料ガスとした近年の円筒型無声放電式オゾン発生装置の標準的な運転条件での実験値を示す。
この結果より、酸素原子とオゾンの生成を放電場で同時に行う従来装置に比べて、酸素原子生成室とオゾンの生成室を分離し、酸素原子およびオゾンの生成をそれぞれ最適な条件に独立して制御できる構造を採用することにより、特に、２〜３ｇ／Ｎｍ3 程度以下の低オゾン濃度域において高いオゾン生成効率を達成できることが判った。
しかし、図１のようなオゾン発生装置の構成では生成するオゾン濃度を高くしょうとするとオゾン生成効率は低下してくることを、図２は示している。
【００２１】
図３は、図１に示した装置において、放電により生成された酸素原子が大気圧、３５０Ｋの空気と混合されてオゾンに変換されていく過程について、最終的にオゾンに変換された酸素原子の割合（生成オゾン分子数／初期酸素原子数、即ち、オゾン変換効率）を縦軸に、オゾン生成室に注入され、反応ガスと混合された時の酸素原子の濃度を横軸にとって示したものである。
図３より、最終的にオゾンに変換された酸素原子の割合は酸素原子の注入濃度が０．０１％、０．１％、１％、１０％、２０％である場合に、それぞれおよそ９９％、９５％、６４％、２０％、１３％と求められ、この結果よりも酸素原子からオゾンへの変換効率は、酸素原子濃度の増加に伴い急激に減少していくことが判る。
これは、酸素原子濃度が上昇することにより、前記（３）式で示された酸素原子の再結合反応の速度が増加し、放電により生成された酸素原子が酸素分子に戻ってしまうことが原因である。
すなわち、生成された酸素原子を効率よくオゾンに変換するためには、混合する反応ガスに対して、添加する酸素原子の濃度を小さく抑える必要があることが判る。
【００２２】
以上のように、図１１に示した従来装置の問題点を酸素原子生成室とオゾンの生成室を分離することにより改善した図１に示したようなオゾン発生装置においては、放電場にオゾンやＮＯX は存在しないので、電子衝突やＮＯX によるオゾンの分解が起こらず、高効率でオゾンを生成できるのであるが、これはオゾン生成室において空気などの反応ガスと混合された時の酸素原子の濃度が低い場合に限られている。
反応ガスと混合時の酸素原子濃度も濃くなると、上記（３）式に示した酸素原子の再結合反応が支配的になってオゾン変換効率が急激に減少し、その結果、生成するオゾン濃度の高い領域では、オゾン生成に対するエネルギー効率が低下するという問題を抱えていた。
この発明はこのような問題点を更に解決するためになされたもので、酸素原子とオゾンの生成室を分離すると共に、酸素原子生成室で生成した酸素原子を所定の低濃度で複数回に分けてオゾン生成室の反応ガス中に添加することにより、高濃度のオゾンを高効率で発生することができるようにしたものである。
【００２３】
実施の形態１．
放電により生成された酸素原子がオゾンに変換される場合の主反応と、その競合反応は前述の（２）、（３）式に示したとおりである。
ここで、それぞれの反応の反応速度定数をｋn ４、ｋn ５とすると、放電により生成された酸素原子がオゾンに変換される際の効率ηは、次式により表される。
【００２４】
【数１】
（４）式から、オゾン変換効率は酸素原子と酸素分子の濃度比の関数であり、酸素原子濃度が増加すると、オゾン変換効率ηは減少する。
これより、比較的高濃度のオゾンを得るために、高濃度の酸素原子を一度に酸素分子を含んだ反応ガス中に添加した場合には、オゾン変換効率が低下することにより高効率でオゾンを生成することが不可能であることが判る。
酸素原子からオゾンへの変換効率は、（４）式のように酸素原子濃度の増加とともに低下するため、比較的高濃度のオゾンをできる限り効率よく生成する方法としては、オゾン変換効率の高い低濃度酸素原子を複数回に分けて、順次反応ガス中に添加する方法が考えられる。
【００２６】
尚、酸素原子を放電により発生する放電室とは別に設けられたオゾン生成室内では、前記（２）、（３）式で示したオゾン生成、分解反応に加えて、
Ｏ ＋ Ｏ3 → Ｏ2 ＋ Ｏ2 ・・・（７）
で表わされる反応が起こる。
（３）式の反応は、低濃度の酸素原子を添加する場合には無視できるので、放電により生成された酸素原子は効率よくオゾンに変換され、また、（７）式の反応の速度は極めて遅いため、オゾン生成室で生成されたオゾンはほとんど分解されない。
【００２７】
従って、オゾン生成室内で反応ガス中に低濃度で酸素原子を添加して効率よくオゾンに変換してオゾン含有ガスを生成し、この生成されたオゾンを含有する反応ガス中にさらに低濃度で酸素原子を添加する操作を繰り返せば、生成されたオゾンは短時間ではほとんど分解されないので、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで、最終的に生成されるオゾンの濃度はオゾン含有ガス中に低濃度で酸素原子を添加する回数に応じて累積されて増加することになる。
即ち、高濃度のオゾンを得る場合にも、オゾン変換効率の低下を抑制することが可能となる。
【００２８】
図４は、反応ガスに対して添加される酸素原子の総添加濃度をパラメータとして、酸素原子の分割して注入される回数とオゾン変換効率の関係を示したものである。
酸素原子の総添加濃度が、０．１％、１．０％、１０％、２０％の場合に対応するものであり、それぞれの１回あたりの添加濃度は総添加濃度を添加回数で割った値に相当する。
例えば、Ａのグラフは反応ガスに対して酸素原子の総添加濃度が１．０％の場合について、１．０％の濃度の酸素原子を１度に添加した場合と、２回（０．５％×２）、１０回（０．１％×１０）、２０回（０．０５％×２０）と複数回にわけて添加した場合のオゾン変換効率ηを添加回数を横軸にとって示したものである。
【００２９】
この図より、反応ガスに対する酸素原子の総添加濃度を一定にした場合、１回当たりの添加濃度を減らし、添加回数を増加させることによりオゾン変換効率ηを改善することが可能であることがわかる。
ただし、添加回数が１０回を超えるとオゾン変化効率の改善は飽和現象がみられ、添加回数が２０回を超えるとオゾン変化効率の改善はほとんど期待できないと思われる。
図５は、図４に示した結果を生成されるオゾン濃度を横軸（対数目盛り）にとり、生成オゾン濃度とオゾン変換効率の関係に焼き直したものである。
図５において、Ａ群は酸素原子の総濃度が０．１％の場合、Ｂ群は酸素原子の総濃度が１．０％の場合、Ｃ群は酸素原子の総濃度が１０％の場合、また、Ｄ群は酸素原子の総濃度が２０％の場合のデータを示している。
また、図６は、縦軸および横軸の両軸を線形目盛り（ Liner Scale）で書き換えたものである。
【００３０】
図５または図６より、例えば、反応ガスへの酸素原子の総添加濃度を１．０％としてオゾンを生成する場合（即ち、Ｂ群のデータ）を例に取ると、１度の添加回数で反応させると生成されるオゾン濃度は約１１ｇ／Ｎｍ3 であり、この時のオゾン変換効率は６５％程度であるが、酸素原子の添加濃度を０．０５％として２０回に分けて添加すると生成されるオゾン濃度は約１４ｇ／Ｎｍ3 に増加し、この時のオゾン変換効率は８０％程度にまで改善されることが判る。
以上のことより、オゾン生成室内で反応ガスに対して数％以下の低濃度で酸素原子を添加して効率よくオゾンに変換してオゾン含有ガスを生成し、この生成されたオゾンを含有する反応ガス中にさらに低濃度の酸素原子を添加する操作を複数回繰り返すことによって、酸素原子からオゾンへの変換効率の低下を抑制し、かつ、最終的に一度に酸素原子を反応ガス中に添加する場合よりも高濃度のオゾンの生成が可能であることが裏付けられた。
【００３１】
この発明は、以上の知見の結果に基づくものであり、酸素原子とオゾンの生成室を分離させたオゾン発生装置において、低圧力下で放電により生成された酸素原子含有ガスを酸素分子を含んだ反応ガスに一度に添加するのではなく、反応ガス（例えば、空気）を複数段に分けたオゾン生成室に順次送給すると共に、それぞれのオゾン生成室に酸素原子含有ガスを低圧状態を維持したまま送給し、かつ、オゾン生成室において反応ガスと混合された時の酸素原子が所定の低濃度になるように構成したものである。
【００３２】
以下、この発明の実施の形態１について具体的に説明する。
図７は、この発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の概略構成を示す図である。尚、図１と同一符号のものは図１のものと同一または相当のものであることを表わす。
図７において、１００は第１段のオゾン発生部、２００は第１段のオゾン発生部１００の後部に配置された第２段のオゾン発生部、３００は第Ｎ段目のオゾン発生部である。
本実施の形態１においても、減圧送給手段は、図１に示したオゾン発生装置と同様のエジェクタ方式を用いた装置構成としている。
各段のオゾン発生部は、図１の装置と同様にノズル２、スロート３、ディフューザー４、減圧室９、ギャップ１０を備えている。
６は内部に放電室７を備えた酸素原子発生器であり、原料気体入口８より供給された酸素を含有する原料ガスから酸素原子を発生させるための装置である。
４００は酸素原子発生器６において発生した酸素原子を各段のオゾン発生部へ送給するための酸素原子送給管である。
また、１１はコンプレッサーあるいはブロワー等の加圧手段である。
【００３３】
次に動作について説明する。第１段のオゾン発生部１００に設けられたノズル２には、その入口部１より加圧手段１１によって加圧された反応ガスが流れ込んでおり、加圧された反応ガスはスロート３に吹き出される。
この時ノズル２とスロート３との間に設けられたギャップ１０から減圧室９に存在する気体を巻き込むため、減圧室９および酸素原子発生器６内部の放電室７は大気圧以下、具体的には数Torr〜数百Torr程度に減圧される。
このような低圧力下で、原料気体入口８より酸素含有ガスが供給されている放電室７内では（１）式に示した、
Ｏ2 ＋ ｅ → Ｏ ＋ Ｏ ＋ｅ
の反応が起こり、酸素原子Ｏが発生する。上式でe は電子を表す。
【００３４】
（１）式で生成された酸素原子Ｏは、（２）式に示した、
Ｏ ＋ Ｏ2 ＋ Ｍ → Ｏ3 ＋ Ｍ
の反応によりオゾンに変換されるか、あるいは（３）式に示した、
Ｏ ＋ Ｏ ＋ Ｍ → Ｏ2 ＋ Ｍ
の反応により酸素分子に戻るため、消滅する。但し、M は第３物体を表す。
【００３５】
ここで（２）、（３）式はいわゆる三体衝突反応であるため、圧力の２乗に比例して反応が進むため低圧力放電場では（２）、（３）式の反応はきわめて遅いことになる。ここで、Ｏ濃度に対してＯ2 濃度が充分高いと（２）式で表されたオゾン生成反応が大部分を占め、（３）式の反応は無視できる。
従って、この発明のように低圧力下で放電させると、（１）式の反応で生じる酸素原子が（２）、（３）式によって殆ど消滅しないため、高い電気効率（酸素原子発生個数／放電電力）で酸素原子を得ることができる。
このようにして生成された酸素原子は、低圧力に保たれたまま酸素原子供給管４００を経由して減圧室９からノズル２とスロート３の間のギャップ１０へと吸い込まれ、ノズル２内を流れてきた酸素を含む反応ガスとスロート３およびディフューザー４で構成されるオゾン生成室内で反応ガスと所定の低濃度で混合され、反応ガス中の酸素分子と（２）式に示された反応により高圧力下で効率よくオゾンに変換される。
なお、所定の濃度で酸素原子を反応ガスに添加するためには、酸素原子発生器６における酸素原子の発生量を制御するか、あるいは酸素原子供給管に酸素原子含有ガスの流量を制御するバブル等を適宜設ければよい。
【００３６】
このようにして第１段目のオゾン発生部１００で得られたオゾン含有ガス（生成されたオゾンを含む反応ガス）は、加圧された状態のまま更にオゾン含有ガスの出口５から第２段目のオゾン発生部２００のノズル２に導入される。
第２段目のオゾン発生部２００においては、第１段目のオゾン発生部１００と同様に、酸素原子発生器６において生成された酸素原子含有ガスは、酸素原子供給管４００を経由して低圧力に保たれたまま減圧室９からノズル２とスロート３の間のギャップ１０へと吸い込まれ、スロート３およびディフューザー４で構成されるオゾン生成室内でノズル２内を流れてきた第１段目のオゾン生成室で得られたオゾンを含有した反応ガスと所定の濃度で混合され、反応ガス中の酸素分子と（２）式に示された反応により高圧力下で効率よくオゾンに変換される。
【００３７】
なお、前述したように、オゾン生成室内では、前記（２）、（３）式で示したオゾン生成、分解反応に加えて、（７）式で表わされる反応が起こるが、この反応の速度は極めて遅いため、オゾン生成室で生成されたオゾンはほとんど分解されないので、第２段目のオゾン発生部２００においては第１段目のオゾン発生部１００で生成されたオゾンと第２段目のオゾン発生部２００で生成されたオゾンとが累積されることになる。
本実施の形態のように、複数段（Ｎ段）のオゾン発生部を直列に配設し、加圧手段によって第１段目のオゾン発生部に反応ガスを送給し、オゾン生成室内で反応ガス中に所定の低濃度で酸素原子を添加して効率よくオゾンに変換してオゾン含有ガスを生成し、この生成されたオゾン含有ガスに対してさらに次段のオゾン発生部で所定の低濃度で酸素原子を添加してオゾンを発生させる操作を繰り返すことによって、生成されたオゾンはどんどん累積されるてゆくので、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで、高濃度なオゾンを得ることができる。
【００３８】
即ち、本実施の形態においては、従来のオゾン発生装置と同様に低圧下で酸素ガスを解離させるため、酸素原子の寿命が長くなり、その結果酸素原子を効率よく生成できる。
酸素原子生成室は放電を安定に保ち、効率よく酸素原子を生成できる条件だけを満足すればよいので、生成室内部は高温でよく、電極を冷却する必要もないので、放電電極系の構成自由度が高くなりシンプルな構造で安価な装置を提供することができる。また、高電力密度を投入することができるので装置のコンパクト化が可能となる。
さらに、酸素原子発生室で発生した酸素原子含有ガスを、複数回にわけて酸素分子を含む反応ガスと所定の低濃度で反応させるように構成したので、オゾン変換効率の低下を抑制し、かつ、従来のオゾン発生装置に比べて高濃度のオゾンを生成することができる。
【００３９】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の概略構成を示す図である。本実施の形態も、実施の形態１と同様に減圧送給手段としてエジェクタ方式を用いた装置構成としている。尚、図１と同一符号は図１のものと同一あるいは相当のものであることを表わす。
図において、１は酸素を含有する反応ガスの入口、２はノズル、３はスロート、４はディフューザー、５はオゾン含有ガスの出口である。これらがエジェクタを構成する基本構成部材である。
本実施の形態では、縦列に配設された第１段のオゾン発生部１００、第２段のオゾン発生部２００および第Ｎ段のオゾン発生部３００のそれぞれについて酸素原子発生器６を個別に設けたことを特徴とする。
各段のオゾン発生部は、図１の装置と同様にノズル２、スロート３、ディフューザ４、減圧室９、ギャップ１０を備えている。
減圧室９は酸素原子発生器６で生成された酸素原子含有ガスを低圧力を維持したまま、反応ガスとの混合点まで導くために、そこでの圧力は大気圧以下、具体的には数Torr〜数百Torr程度に維持される。
【００４０】
次に動作について説明する。第１段のオゾン発生部１００に設けられたノズル２には、その入口部１より加圧手段１１によって加圧された反応ガスが流れ込んでおり、加圧された反応ガスはノズル２よりスロート３に吹き出される。
この時ノズル２とスロート３との間に設けられたギャップ１０から減圧室９に存在する気体を巻き込むため、第１段のオゾン発生部１００に対して設けられた酸素原子発生器６の放電室７の圧力も大気圧以下、具体的には減圧室９と同等の数Torr〜数百Torr程度に減圧される。
このような低圧力下で、原料気体入口８より酸素含有ガスが供給されている各酸素原子発生器６の放電室７内では、実施の形態１で説明したのち同様の反応が起こり、高い電気効率（酸素原子発生個数／放電電力）で酸素原子を得ることができる。
このようにして生成された酸素原子は、低圧力に保たれたまま減圧室９を経由してノズル２とスロート３の間のギャップ１０へと吸い込まれ、ノズル２内を流れてきた酸素を含む反応ガスとスロート３およびディフューザー４で構成されるオゾン生成室内で反応ガス中の酸素分子と前述の（２）式に示された反応により高圧力下で効率よくオゾンに変換される。
【００４１】
このようにして第１段目のオゾン発生不１００で得られたオゾン含有ガス（生成されたオゾンを含む反応ガス）は、加圧された状態のまま更にオゾン含有ガスの出口５から第２段目のオゾン発生部２００のノズル２に導入される。
第２段目のオゾン発生部２００においては、第１段目のオゾン発部と同様に、第２段目のオゾン発生部２００に個別に設けられた酸素原子発生器６で生成された酸素原子含有ガスは、同様に低圧力に保たれたまま減圧室９からノズル２とスロート３の間のギャップ１０へと吸い込まれ、ノズル２内を流れてきた第１段目のオゾン生成室で得られたオゾン含有ガスとスロート３およびディフューザー４で構成されるオゾン生成室内で反応ガス中の酸素分子と（２）式に示された反応により高圧力下で効率よくオゾンに変換される。
このように、第２段目のオゾン発生不部２００では、第１段目のオゾン発生部１００で生成されたオゾンと第２段目のオゾン生成部２００で生成されたオゾンとが累積される。
【００４２】
実施の形態２においても、酸素原子発生部とオゾン発生部とは分離して設けられており、さらに複数段（Ｎ段）のオゾン発生部が直列に配設されているので、実施の形態１と同様にそれぞれのオゾン生成室内で反応ガス中に所定の低濃度で酸素原子を添加して効率よくオゾンに変換してオゾン含有ガスを生成し、この生成されたオゾン含有ガスに対してさらに次段のオゾン発生部で所定の低濃度で酸素原子を添加してオゾンを発生させる操作を繰り返すことが可能となり、生成されたオゾンはどんどん累積されるので、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで、高濃度なオゾンを得ることができる。
さらに、実施の形態２では、各段に設けられた酸素原子発生器６より供給される酸素原子含有ガスは、実施の形態１の場合と異なり、酸素原子供給管などの比較的長い流路を介さず短い供給管によって即座に反応ガスと混合されるので、寿命の短い酸素原子が反応ガスと混合される以前に再結合等で壊れる確率も小さく、酸素原子発生器６で生成された酸素原子は一層効率よく反応ガスと混合される、とう特長がある。
【００４３】
実施の形態３．
前記実施の形態１あるいは２では、酸素原子発生器６と減圧室９とを分離した構成としているが、本実施の形態では酸素原子発生器と減圧室とを一体化した一体型オゾン発生部を直列に複数段配設した構成としたものである。
図９は、実施の形態３によるオゾン発生装置の要部の概略構成を示す図であり、図９（ａ）はその縦断面構成図、図９（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
図において、１は酸素を含有する反応ガスの入口、２はノズル、３はスロート、４はディフューザー、５はオゾン含有ガスの出口であり、これらがエジェクタを構成する基本構成部材である。
本実施の形態における各段の一体型オゾン発生部は、低圧無声放電式の酸素原子発生器と減圧送給手段であるエジェクタとが一体に形成されている。
８は酸素を含有する原料気体入口、２０はガラス等の誘電体管、２１は給電電極、２２は高圧の交流電源、２３は放電場であり、これらにより酸素原子発生器が構成される。本実施の形態では、このような一体型オゾン発生部が、酸素原子含有ガスの添加回数（Ｎ）に応じて直列にＮ段配設されている。
【００４４】
各段の一体型オゾン発生部は、実施の形態１あるいは２における酸素原子発生器６と減圧室９とを含めてオゾン発生部に一体化されたものであり、その基本的な動作は前述の実施の形態１あるいは２と同様である。
放電場２３で生成された酸素原子は低圧力に保たれたまま減圧部からノズル２とスロート３の間へと吸い込まれ、ノズル内を流れてきた酸素を含む反応ガスと混合され、１段目のオゾン生成室内で反応ガス中の酸素分子と前述の（２）式に示された反応により高圧力下で効率よくオゾンに変換される。
第１段目の一体型オゾン発生部で得られたオゾン化ガスは、オゾン化ガス出口５から第２段目の一体型オゾン発生部のエジェクタの入口、即ち、ノズル２に導入され、第２段目の一体型オゾン発生部のオゾン生成室へと供給される。
【００４５】
そして、第２段目の一体型オゾン発生部で生成された酸素原子含有ガスと第１段目の一体型オゾン発生部より供給されたオゾン化ガスとが第２段目のオゾン生成室で混合されることにより、さらにオゾンへと変換されて、第１段目よりもオゾン濃度の高められたオゾン化ガスが生成される。
２段以上の構成にした場合には、第３段目以降は第２段目と同様の過程を経てオゾンが生成され、全段部で生成されたオゾンに累積されてゆく。
前述の実施の形態１あるいは２に示したオゾン発生装置と同様に、低濃度の酸素原子含有ガスを複数回に分けて順次反応ガスに添加できる構成し、かつ、各段のオゾン発生部は酸素原子発生器と減圧室とを含めて一体化されているので、生成された酸素原子は非常に短時間で反応ガスと混合され、放電により生成された酸素原子が再結合により酸素分子に戻ることによるロスが非常に小さく、特に発生オゾン濃度が高い領域においてもオゾン生成効率の高い装置を実現することができる。
【００４６】
実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置の概略構成を示す図である。
図において、図７乃至図９で説明したものと同一もしくは相当部材については同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施の形態では、放電により生成した酸素原子含有ガスを複数回にわけて反応ガス中に添加する方法として、オゾン生成室を構成するディフューザー部周辺に穴を設け、この穴より酸素原子含有ガスを注入するようにしたものである。
【００４７】
図１０において、５００は、スロート３およびディフューザー４から構成されるオゾン生成室であり、ディフューザー４の周辺の壁には５０１に示すような複数の穴が設けられている。
５０２は酸素原子発生器６で生成された酸素原子含有ガスを低圧力を維持したままディフューザ４の外壁部まで導くための酸素原子供給路５０３を備えた減圧室であり、オゾン生成室５００のスロート３およびディフューザ４の外部を覆うように形成されている。
減圧室５０２における圧力は大気圧以下、具体的には数Torr〜数百Torr程度に維持される。
【００４８】
次に動作について説明する。酸素原子発生器６における酸素原子の生成方法については、実施の形態１に示したオゾン発生装置と全く同様である。
この酸素原子含有ガスと混合される反応ガスは、加圧手段（図示せず）で加圧された後、スロート３を経てディフューザー４へと噴射される。
この時、ディフューザー４に設けられた穴５０１から減圧室５０２に存在する酸素原子含有ガスを巻き込むため、減圧室５０２および酸素原子発生器６内部の放電室７は大気圧以下、具体的には数Torr〜数百Torr程度に減圧される。
ディフューザー４に設けられた多数の穴５０１は、反応ガスの流れの方向に対し第１列目の穴から注入された酸素原子がオゾンに変換されるのに十分な時間（例えば、１ｍｓ程度）を経た後、第２列目の穴から酸素原子が注入されるような距離を隔てて設けられる。
２段階以上の注入を行う場合には、第３列目以降の穴も同様の距離を隔てて設けられることは言うまでもない。
【００４９】
このように、所定の低濃度の酸素原子を順次複数回に分けてオゾン生成室５００に注入することによって、ディフューザー４内において前述の（２）式で示された反応により効率よくオゾンに変換できる。
以上のように構成されたオゾン発生装置では、酸素原子発生部とオゾン生成部とは分離されているので、実施の形態１に示されたオゾン発生装置と同様に酸素原子室は低圧力（数Torr〜数百Torr）、高温、オゾン生成室は高圧力（７６０Torr程度、もしくはそれ以上）、低温（４００Ｋ程度以下）というように、それぞれの生成に最適な条件を独立に設定することができるため、高効率で酸素原子およびオゾンを生成することができる。
【００５０】
さらに、低濃度の酸素原子含有ガスを複数回にわけて順次反応ガスに添加するように構成したので、放電により生成された酸素原子が再結合によって酸素分子に戻ることによるロスが小さく、従来のオゾン発生装置に比べて特に発生オゾン濃度が高い領域において、さらにオゾン生成効率の高い装置を実現することができる。
また、酸素原子を複数回に分けて反応ガス中に添加するために、ディフューザーに設けられる穴の列数を複数段にすればよいだけであるので、オゾン発生室は添加回数分には関係なく１つだけでよく、非常に簡単な構造をしたコンパクトな多段添加型のオゾン発生装置を実現できる。
【００５１】
尚、上述した実施の形態１乃至４においては、酸素を解離して酸素原子を発生する方法として単に放電によることしか記載していないが、前記した本願と同一発明者の先願である特願平７−２５１０１８号に詳述しているように、放電の具体的な方法として、グロー放電、無声放電、マスクロ波放電等の非平衡放電、あるいはアーク放電、高周波放電等の熱プラズマのいずれの方法を用いても同様の効果を得ることは言うまでもない。
【００５２】
【発明の効果】
この発明の請求項１によれば、供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生工程と、この酸素原子発生工程で生成された酸素原子を含む第１のガスと加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生工程より高い圧力下で混合し、非放電で反応させてオゾンを生成するオゾン発生工程を有したオゾン発生方法において、オゾン発生工程は、第１のガスを複数回の工程に分けてオゾン変換効率の高い所定の酸素原子濃度で第２のガスに添加して効率よくオゾンを生成し、それぞれの工程で生成されたオゾンを累積するようにしたので、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで、高濃度なオゾンを得ることができるオゾン発生方法を提供できるという効果がある。
【００５３】
この発明の請求項２によれば、オゾン発生工程において、第１のガスを２０回以下の工程に分けて所定の酸素原子濃度で第２のガスに添加してオゾンを生成し、それぞれの工程で生成されたオゾンを累積するようにしたので、むやみにオゾン発生工程を煩雑にすることなく、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで、高濃度なオゾンを得ることができるオゾン発生方法を提供できるという効果がある。
【００５４】
この発明の請求項３によれば、供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生部と、この酸素原子発生部より送給される酸素原子を含む第１のガスと加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生部より高い圧力下で混合し、所定の酸素原子濃度において非放電で反応させてオゾンを生成する複数のオゾン発生部と、この酸素原子発生部内の圧力を大気圧以下の上記所定の低圧力に減圧すると共に、第１のガスを減圧状態を維持して複数のオゾン発生部にそれぞれ送給する減圧送給手段を備え、上記複数のオゾン発生部を直列に配設し、前段のオゾン発生部で生成されたオゾンを含有する第２のガスを後段のオゾン発生部に順次送給し、それぞれのオゾン発生部で生成されたオゾンが累積されるように構成したので、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで高濃度なオゾンを得ることができるオゾン発生装置を提供できるという効果がある。
【００５５】
この発明の請求項４によれば、複数のオゾン発生部は個別の酸素原子発生部がそれぞれ近接して設けられ、生成された酸素原子は短時間で反応ガスと混合されるので、寿命の短い酸素原子が反応ガスと混合される以前に再結合等で壊れる確率が小さくなり、生成された酸素原子は一層効率よく反応ガスと混合されるという効果がある。
【００５６】
この発明の請求項５によれば、複数のオゾン発生部は、それぞれに対応する各減圧送給手段の減圧室を酸素原子発生部として用いことにより酸素原子発生部と減圧送給手段とを含めて一体化された構成としたので、生成された酸素原子は非常に短時間で反応ガスと混合され、放電により生成された酸素原子が再結合により酸素分子に戻ることによるロスが非常に小さく、特に発生オゾン濃度が高い領域においてもオゾン生成効率が高く、かつ、構造の簡単な小型化されたオゾ発生装置を提供できるという効果がある。
【００５７】
この発明の請求項６によれば、直列に配設される複数のオゾン発生部を２０段以下としたので、むやみに装置構造を複雑にすることなく、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで高濃度なオゾンを得ることができるオゾン発生装置を提供できるという効果がある。
【００５８】
この発明の請求項７によれば、供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生部と、酸素原子発生部より送給される酸素原子を含む第１のガスと加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを酸素原子発生部より高い圧力下で混合し、所定の酸素原子濃度において非放電で反応させてオゾンを生成するオゾン発生部と、酸素原子発生部内の圧力を大気圧以下の所定の低圧力に減圧すると共に、第１のガスを減圧状態を維持してオゾン発生部に送給する減圧送給手段とを備えたオゾン発生装置において、オゾン発生部は第２のガスが流れる方向に所定の距離を隔てて設けられた複数列の穴部を有し、減圧送給手段は第１のガスを減圧状態を維持して上記複数列の穴部よりオゾン発生部の内部に送給するように構成したので、
非常に簡単な構造で、かつ、酸素原子からオゾンへの変換は高効率を維持したままで高濃度なオゾンを得ることができるオゾン発生装置を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に関連するオゾン発生装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】 シミュレーション結果から図１のオゾン発生装置と従来の無声放電式オゾン発生装置のオゾン生成効率を比較した図である。
【図３】反応ガスに添加される酸素原子の濃度とオゾン変換効率の関係を示す図である。
【図４】 反応ガスに対して添加される酸素原子の総濃度をパラメータとして、酸素原子の分割注入回数とオゾン変換効率の関係を示す図である。
【図５】 図４のデータを生成されるオゾン濃度を横軸（対数目盛り）にとって示した図である。
【図６】 図５を両軸を線形目盛りで書き換えた図である。
【図７】 本発明の実施の形態１の概略構成を示す断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態２の概略構成を示す断面図である。
【図９】 本発明の実施の形態３の概略構成を示す断面図である。
【図１０】 本発明の実施の形態４の概略構成を示す断面図である。
【図１１】 従来のオゾン発生装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 反応ガス入口 ２ ノズル ３ スロート
４ ディフューザー ５ オゾン含有ガス出口 ６ 酸素原子発生器
７ 放電室 ８ 原料ガス入口 ９ 減圧室
１０ ギャップ １１ 加圧手段 ２０ 誘電体管
２１ 給電電極 ２２ 交流電源 ２３ 放電場
１００ 第１段目のオゾン発生部 ２００ 第２段目のオゾン発生部
３００ 第Ｎ段目のオゾン発生部 ４００ 酸素原子供給管
５００ オゾン生成室 ５０１ 穴
５０２ 減圧室 ５０３ 酸素原子供給路
Claims (7)
- 供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生工程と、
上記酸素原子発生工程で生成された酸素原子を含む第１のガスと、加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを上記酸素原子発生工程より高い圧力下で混合し、非放電で反応させてオゾンを生成するオゾン発生工程を有したオゾン発生方法において、
上記オゾン発生工程は、上記第１のガスを複数回の工程に分けて所定の酸素原子濃度で上記第２のガスに添加してオゾンを生成し、それぞれの工程で生成されたオゾンを累積することを特徴とするオゾン発生方法。 - オゾン発生工程は、第１のガスを２０回以下の工程に分けて所定の酸素原子濃度で第２のガスに添加してオゾンを生成し、それぞれの工程で生成されたオゾンを累積することを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生方法。
- 供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生部と、
上記酸素原子発生部より送給される酸素原子を含む上記第１のガスと、加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを上記酸素原子発生部より高い圧力下で混合し、所定の酸素原子濃度において非放電で反応させてオゾンを生成する複数のオゾン発生部と、
上記酸素原子発生部内の圧力を大気圧以下の上記所定の低圧力に減圧すると共に、上記第１のガスを減圧状態を維持して上記複数のオゾン発生部にそれぞれ送給する減圧送給手段を備え、
上記複数のオゾン発生部を直列に配設し、前段のオゾン発生部で生成されたオゾンを含有する上記第２のガスを後段のオゾン発生部に順次送給し、それぞれのオゾン発生部で生成されたオゾンが累積されるようにしたことを特徴とするオゾン発生装置。 - 複数のオゾン発生部は、個別の酸素原子発生部がそれぞれ近接して設けられていることを特徴とする請求項３に記載のオゾン発生装置。
- 複数のオゾン発生部は、それぞれに対応する各減圧送給手段の減圧室を酸素原子発生部として用いことにより酸素原子発生部と減圧送給手段とを含めて一体化されたことを特徴とする請求項３に記載のオゾン発生装置。
- 直列に配設される複数のオゾン発生部は、２０段以下としたことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載のオゾン発生装置。
- 供給された酸素ガスを大気圧以下の所定の低圧力下で解離させて酸素原子を含む第１のガスを生成する酸素原子発生部と、
上記酸素原子発生部より送給される酸素原子を含む上記第１のガスと、加圧して供給される酸素を含む第２のガスとを上記酸素原子発生部より高い圧力下で混合し、所定の酸素原子濃度において非放電で反応させてオゾンを生成するオゾン発生部と、
上記酸素原子発生部内の圧力を大気圧以下の上記所定の低圧力に減圧すると共に、上記第１のガスを減圧状態を維持して上記オゾン発生部に送給する減圧送給手段とを備えたオゾン発生装置において、
上記オゾン発生部は、上記第２のガスが流れる方向に所定の距離を隔てて設けられた複数列の穴部を有し、
上記減圧送給手段は、上記第１のガスを減圧状態を維持して上記複数列の穴部より上記オゾン発生部の内部に送給するようにしたことを特徴とするオゾン発生装置。
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