JP5010532B2 - 高濃度オゾンガスの製造方法とその装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素発生機からの酸素を用いてオゾンを生成し、該オゾンを濃縮して供給する高濃度オゾンガスの製造方法及び装置に関するものである。

従来から、無声放電装置や水電解装置などを用いてオゾンを発生させ、該オゾン濃度をオゾン濃縮機を用いて高めている。そのような装置として特開平９−３２８３０２号公報が知られている。

かかる公報の従来技術を示す図面を図４として示す。かかる技術によると、オゾン濃縮装置４０は、内部に吸着剤としてシリカゲルを充填した２個の吸着筒を並列に配置し、各吸着筒を吸着工程と脱着工程とに順次切り換えてオゾンを連続的に濃縮するように構成される。

このようなオゾン濃縮装置４０は酸素ＰＳＡ（圧力スイング吸着法を用いる）装置４１からの酸素によってオゾン発生器５２から経路４３に導出したオゾン含有ガスは前記オゾン濃縮装置４０内の吸着工程にある一方の吸着筒に導入される。この吸着筒に導入されたオゾン含有ガス中のオゾンは、吸着剤であるシリカゲルに吸着して、オゾン含有ガス中のその他のガス成分は、吸着筒から排ガスとして経路４４に導出される。経路４４の排ガス成分は、その大部分が酸素であるために、循環ポンプ４５を介してオゾン発生器５２の入口側に戻され、再びオゾン原料として用いられる。

一方の吸着筒の吸着工程が終了すると、他方の吸着筒が吸着工程に入り、経路４３から供給されるオゾン含有ガスの導入経路が一方側から他方側に切り換えられる。そして、経路４６からの掃気ガスが筒内に入り吸着剤から脱着したオゾンは、掃気ガスによって経路４８に導出し供給先に供給される。

このようなオゾン濃縮装置４０ではオゾン発生器５２に供給するオゾン原料の組成により経路４４を介して循環するガス中に窒素やアルゴンが循環系内に蓄積するという不都合があり、排ガスが流れる経路４４に循環ガス中の窒素やアルゴンを排出するための排出手段４２を設ける。この排出手段４２は、酸素、窒素やアルゴンを優先的に吸着する吸着剤を充填した容器を備え、循環する排ガス中の酸素、窒素やアルゴンを吸着補足し、酸素を排ガス中選択的に回収するとともに、吸着しない窒素やアルゴンなどを外部に排出するように形成されている。

しかしながら、上記した従来のオゾン供給装置は、窒素及びアルゴンガスを排出するものであるが、排出する必要があるガスが複数であり、構成が複雑になるとともに、完全に排除するには高度な技術を必要とし、不十分のままオゾン発生器５２の入口側にこれらの不要ガスが含有した酸素を送ると、オゾン発生器５２が取り入れる酸素が希釈化し、オゾンの発生濃度が低下するという問題があった。

上述の事情に鑑み本発明は、酸素ＰＳＡ装置において、窒素もしくはアルゴン又は両方のガスを排除可能な方法及び装置を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、オゾン濃縮機からの排ガスが流れる経路の酸素濃度によって、酸素ＰＳＡ装置の入口側とオゾン発生器の入口側のいずれか一方に、排ガスを供給可能な方法及び装置を提供することである。

かかる課題を解決するために、本第１発明は、酸素発生機からの酸素を用いてオゾンを生成し、該オゾンを濃縮して供給する高濃度オゾンガスの製造方法において、
前記酸素発生機内にて、窒素もしくはアルゴンのうちの一方を選択的に吸着する吸着剤によって該一方を排除し、オゾン濃縮機の排ガス排出経路において前記窒素もしくはアルゴンのうちの他方を選択的に吸着する吸着剤によって該他方を排除するとともに、前記他方が排除された排ガスを前記酸素発生機の入口側に戻すことを特徴とする。
なお、前記オゾン濃縮機の排ガス排出経路にて酸素濃度を検出し、該酸素濃度が所定値未満であるときに、前記他方が排除された排ガスを前記酸素発生機の入口側に戻すようにしてもよい。

かかる発明によると、前記酸素発生機内において、窒素もしくはアルゴンのうちの一方を排除し、オゾン濃縮機の排ガス排出経路において前記他方を排除するので、排出する必要があるガスをそれぞれの工程で分担でき、排除手段の構成が簡単となり、良好な排除を行うことができ、排除不十分のままオゾン発生器の入口側にこれらの不要ガスが含有した酸素を送る可能性が減少する。

本第２発明はまた、酸素発生機からの酸素を用いてオゾンを生成し、該オゾンを濃縮して供給する高濃度オゾンガスの製造装置において、
前記酸素発生機内に設けられて、窒素もしくはアルゴンのうちの一方を選択的に吸着する吸着剤によって該一方を分離する第１排ガス分離手段と、前記酸素発生機から供給される酸素を用いてオゾンを生成するオゾン発生機と、該オゾン発生機からのオゾンを濃縮するオゾン濃縮機と、該オゾン濃縮機の排ガス経路に配設されて、前記窒素もしくはアルゴンのうちの他方を選択的に吸着する吸着剤によって該他方を分離する第２排ガス分離手段とを備え、前記第２排ガス分離手段によって前記他方が分離された排ガスを前記酸素発生機の入口側に戻す経路を設けたことを特徴とする。

かかる発明は、前記請求項１を達成するための装置発明であり、請求項１で述べた上述の作用効果を具備する。
なお、前記オゾン濃縮機の排ガス排出経路にて酸素濃度を検出する濃度検出手段をさらに備え、前記濃度検出手段にて検出された前記酸素濃度が所定値未満であるとき、前記経路を介して、前記他方が分離された排ガスを前記酸素発生機の入口側に戻すようにしてもよい。

また、上記高濃度オゾンガスの製造装置は、前記酸素発生機内に設けられて、前記第１排ガス分離手段を通過した後のガス中における前記窒素もしくはアルゴンの前記他方を吸着する吸着剤によって、該他方を分離する第３排ガス分離手段をさらに備えていてもよい。

この場合、前記酸素発生機内に設けた第１及び第３排ガス分離手段によって窒素もしくはアルゴンの両方を分離するが、不要ガスの分離が不十分であってもオゾン濃縮機の排ガス経路に配設された第２排ガス分離手段によって窒素もしくはアルゴンのうちの他方を分離することができ、この（不要ガスを分離した後の）排ガスを再度前記酸素発生機または、オゾン発生機にて用いることが可能である。

以上記載のごとく、本発明は、酸素発生機内において、窒素もしくはアルゴンのうちの一方を排除し、オゾン濃縮機の排ガス排出経路において窒素もしくはアルゴンのうちの他方を排除するので、排出する必要があるガスをそれぞれの工程で分担でき、排除手段の構成が簡単となり、良好な排除を行うことができ、排除不十分のままオゾン発生機の入口側にこれらの不要ガスが含有した酸素を送る可能性が減少する。
また、オゾン濃縮機の排ガス排出経路において酸素濃度を検出して、その濃度の程度によって前記酸素発生機の入口側か、またはオゾン発生機の入口側に前記排出ガスの経路を選択するので、酸素濃度が低いままオゾン発生機の入口側にこれらの不要ガスが含有した酸素を送ると、オゾン発生機が取り入れる酸素が希釈化し、オゾンの発生濃度が低下することがない。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

以下、本発明を図に示した実施の形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施の形態に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は本発明の一実施の形態である高濃度オゾンガスの製造装置の概略構成図、図２は第１実施の形態にかかる酸素発生機の内部構成図である。

図１に示すように、本実施の形態の高濃度オゾンガスの製造装置は、配管２０を通って取り込まれた空気を基にして酸素を発生する酸素発生機１と、該酸素発生機１からの酸素を通路２１を通って取込み、オゾンを発生するオゾン発生機２と、該オゾン発生機２からのオゾンを通路２２を通って取込み、オゾンを濃縮して供給先に高濃度のオゾンを提供するオゾン濃縮機３と、該オゾン濃縮機３におけるオゾンの濃縮の際に、排気される不純物含有酸素を上流側に戻すための通路２４を通って取込んで不純物を排出する排出手段５と、該排出手段５通路２６を介して接続する三方弁６と、オゾン濃縮機３と排出手段５との間に配置され、酸素濃度の程度によって前記三方弁６を制御する濃度計４とを備えている。尚、濃度計４は排出手段５と三方弁６との間に配置してもよい。

図２は、圧力スイング吸着法の一実施の形態を示すもので酸素発生機１の内部構成を示す。同図において、酸素発生機１は、通路２０を通って取り込まれる空気をブロア７によって通路３０を通って取込み、乾燥させるとともに、炭酸ガスを排除する脱湿・脱炭酸ガス塔８と、該脱湿・脱炭酸ガス塔８によって、炭酸ガスを排除された乾燥空気を取込み、酸素を吸着して窒素を排出する酸素吸着塔９と、吸着されている酸素を真空ポンプ１０によって取り込んで通路３４に放出し、その放出された酸素ガスを取り込んで更にその酸素ガス内に存在する前段で取りきれない窒素を吸着して酸素を放出する窒素吸着塔１１（第１排ガス分離手段）と、吸着された窒素を通路３６に排出する真空ポンプ１２とから構成されている。

前記脱湿・脱炭酸ガス塔８には、図示しない乾燥機と、合成ゼオライト系二酸化炭素吸着剤が配設され、取り込んだ空気を乾燥するとともに二酸化炭素を排除するように構成されている。尚、吸着された二酸化炭素は必要に応じて図示しない真空ポンプによって装置外に排出される。

前記酸素吸着塔９は、合成ゼオライト系酸素吸着剤によって酸素を吸着して窒素を含有する空気を通路３２から排出する。その後に真空ポンプ１０によって酸素吸着塔９内を負圧にして酸素吸着剤に吸着された酸素を取り込む。この際には、完全に窒素が排除されるものではなく、吸着しきれなかった酸素と窒素を含んだ空気が通路３４に放出される。

前記窒素吸着塔１１は、合成ゼオライト系窒素吸着剤によって窒素を吸着して、酸素濃度が高い酸素を通路２１から放出する。その後に真空ポンプ１２によって窒素吸着塔１１内を負圧にして窒素吸着剤に吸着された窒素を通路３６から排出する。

以上詳述したように酸素発生機１はアルゴンガスを含むが９３〜９９％の高濃度の酸素ガスをオゾン発生機２に供給することが出来る。

オゾン発生機２は、内部に図示しない複数の放電部材と、該放電部材に接続した高圧電源と、該高圧電源を制御する電気的制御装置が配設され、高濃度の酸素ガスを前記放電部材の放電域に送り、前記放電部材に高圧を印加して放電させてオゾンガスを発生するものであり、酸素対オゾンの比として５〜１０％のオゾンガスを発生する。

オゾン濃縮機３は、合成ゼオライト系オゾン吸着剤によってオゾンを吸着して、他の酸素及びアルゴンガスを通路２４から放出する。その後に真空ポンプ等によってオゾン濃縮機３内を負圧にしてオゾン吸着剤に吸着されたオゾンを通路２３から排出する。よって、本実施の形態においては、酸素対オゾンの比として略２０〜３０％の高濃度のオゾンを供給することができる。

オゾン濃縮機３からオゾンを分離した後はアルゴンガスを含み、９３〜９５％の濃度を有する酸素ガスを通路２４に排出されるが、その通路２４には濃度計４とアルゴンガスを排除する排除手段（第２排ガス分離手段）５が配設されている。該排出手段５は、合成ゼオライト系アルゴン吸着剤が用いられている。

そして、通路２４にはオゾン濃縮機３から排出される酸素ガスの濃度を検出する濃度計４が配設され、該濃度計４の値が所定濃度値未満であるときは酸素発生機１の入口側に酸素ガスを戻し、所定値以上であるときはオゾン発生機２の入口側に戻すように三方弁６を制御する。

尚、酸素発生機内で、アルゴンガスを除去し、オゾン濃縮機の下流側の排出手段で窒素ガスを除去してもよい。
また、前記オゾン濃縮機３、または、前記排除手段５には酸素を透過する酸素透過膜を用いてもよく、または、多成分混合ガスを圧縮、冷却、膨張などの操作により液化させ、清留または凝縮によってそれぞれの成分に分離する深冷分離方法を用いてもよい。

上述したように、本実施の形態では、酸素濃度によってオゾン濃縮機３からの排出酸素ガスの戻し先を酸素発生機１かオゾン発生機２とを選択して戻しているので、オゾン発生効率が良くコンパクトな高濃度オゾン発生機を提供することができる。

次に図３を用いて、酸素発生器１の第２実施の形態を説明する。図２に示した第１実施の形態との相違点は、窒素吸着塔１１を介して酸素をオゾン濃縮機３に送出しているのに対して、第２実施の形態は窒素吸着塔１１によって窒素を分離した後にアルゴン吸着塔３７によってアルゴンを分離した後に酸素をオゾン濃縮機３に送出するように構成した点である。尚、アルゴン吸着塔３７には合成ゼオライト系アルゴン吸着剤によってアルゴンを吸着したのちに真空ポンプ３８によって前記アルゴン吸着剤に吸着されたアルゴンガスを外部に排出可能に構成されている。ここにおいて、前記窒素吸着塔１１及びアルゴン吸着塔３７を前段排ガス分離手段という。

尚、本実施の形態は、図１へ適用に際して、不純物を排出する排出手段５を用いないで適用することができる。その場合には、前記酸素発生機内において、窒素及びアルゴンを排除するので、排ガス分離手段を前記酸素発生機内に集中して配置することができ、排ガス処理が容易となる。尚、ここでは排出手段５を後段排ガス分離手段という。
そして、更に、オゾン濃縮機の排ガス排出経路において前記した不要ガスが存在しても、酸素濃度を検出して、その濃度の程度によって前記酸素発生機の入口側か、またはオゾン発生機の入口側に前記排出ガスの経路を選択するので、酸素濃度が低いままオゾン発生機の入口側にこれらの不要ガスが含有した酸素を送ると、オゾン発生機が取り入れる酸素が希釈化し、オゾンの発生濃度が低下することがない。

また、本実施の形態は、図１へそのまま適用することができる。その場合は、不純物を排出する排出手段（後段排ガス分離手段）５によって再度不要ガスを分離することができ、酸素濃度が濃い酸素ガスをオゾン発生機へ送出することができる。

酸素ＰＳＡ装置において、窒素もしくはアルゴン又は両方のガスを排除可能な方法及び装置を提供することが出来る。

本発明の一実施の形態である高濃度オゾンガスの製造装置の概略構成図である。 酸素発生機の内部構成図である。 他の酸素発生機の概略構成図である。 従来技術のオゾンガスの製造装置の概略構成図である。

１ 酸素発生機
２ オゾン発生機
３ オゾン濃縮機
４ 濃度計
５ 排出手段
６ 三方弁

Claims (5)

1. 酸素発生機からの酸素を用いてオゾンを生成し、該オゾンを濃縮して供給する高濃度オゾンガスの製造方法において、
   前記酸素発生機内にて、窒素もしくはアルゴンのうちの一方を選択的に吸着する吸着剤によって該一方を排除し、オゾン濃縮機の排ガス排出経路において前記窒素もしくはアルゴンのうちの他方を選択的に吸着する吸着剤によって該他方を排除するとともに、
   前記他方が排除された排ガスを前記酸素発生機の入口側に戻すことを特徴とする高濃度オゾンガスの製造方法。
2. 前記オゾン濃縮機の排ガス排出経路にて酸素濃度を検出し、該酸素濃度が所定値未満であるときに、前記他方が排除された排ガスを前記酸素発生機の入口側に戻すことを特徴とする請求項１に記載の高濃度オゾンガスの製造方法。
3. 酸素発生機からの酸素を用いてオゾンを生成し、該オゾンを濃縮して供給する高濃度オゾンガスの製造装置において、
   前記酸素発生機内に設けられて、窒素もしくはアルゴンのうちの一方を選択的に吸着する吸着剤によって該一方を分離する第１排ガス分離手段と、
   前記酸素発生機から供給される酸素を用いてオゾンを生成するオゾン発生機と、
   該オゾン発生機からのオゾンを濃縮するオゾン濃縮機と、
   該オゾン濃縮機の排ガス経路に配設されて、前記窒素もしくはアルゴンのうちの他方を選択的に吸着する吸着剤によって該他方を分離する第２排ガス分離手段とを備え、
   前記第２排ガス分離手段によって前記他方が分離された排ガスを前記酸素発生機の入口側に戻す経路を設けたことを特徴とする高濃度オゾンガスの製造装置。
4. 前記オゾン濃縮機の排ガス排出経路にて酸素濃度を検出する濃度検出手段をさらに備え、
   前記濃度検出手段にて検出された前記酸素濃度が所定値未満であるとき、前記経路を介して、前記他方が分離された排ガスを前記酸素発生機の入口側に戻すことを特徴とする請求項３に記載の高濃度オゾンガスの製造装置。
5. 前記酸素発生機内に設けられて、前記第１排ガス分離手段を通過した後のガス中における前記窒素もしくはアルゴンの前記他方を吸着する吸着剤によって、該他方を分離する第３排ガス分離手段をさらに備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の高濃度オゾンガスの製造装置。

Images