JP5242244B2 - オゾン濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、オゾンガスを濃縮するオゾン濃縮装置に関する。

従来、オゾンと酸素の混合ガスを、オゾン沸点以下の温度まで冷却して液体オゾンと非凝縮気体とに分離し、この分離された液体オゾンを気化部に導き加熱により気化して濃縮オゾンを得るオゾン濃縮装置が知られている。このようなオゾン濃縮装置では、気化部で万一オゾン分解が生じるとオゾン分解が連鎖して装置の破損を招く虞があるため、これを防止するオゾン濃縮装置が以下の特許文献１に開示されている。

この特許文献１に記載のオゾン濃縮装置は、液体オゾンと非凝縮気体とに分離する分離部から気化部へは液封配管で接続し、この液封配管内に毛細管力を発現する充填材を充填すると共に当該充填材を気化部の入口から内部に進入させる構成を採用することで、液体オゾンを充填材の毛細管力により良好に気化部内に導く一方で、気化部で万一オゾン分解が生じても、発生する熱を液封配管内では充填材の熱容量により吸収すると共に当該充填材により液体オゾンの量を低減し、これによりオゾン分解の連鎖を防止し、しかも、気化部の入口を、液体オゾンと非凝縮気体との分離境界面以上の高さとする構成を採用することで、液体オゾンの液面が気化部に進入しないようにし気化部内へは液体オゾンを充填材による毛細管力のみにより導くようにして気化部内での液体オゾンの量を極めて少なくし、これによりオゾン分解の連鎖を一層防止するにしている。
特開２００７−１９７２９９号公報

ここで、前述のように、気化部の入口を分離境界面以上の高さとすることによって、液体オゾンの液面が気化部に進入しないようにし気化部内へは充填材による毛細管力のみにより液体オゾンを導くようにするには、気化部と分離部の気体側圧力が等しいこと、例えば両者とも大気圧であることが前提となる。

しかしながら、高濃度オゾンガスを使用する側では、高濃度オゾンガスの使用量を増減することがあり、また、気化部で気化するオゾン気化量も変動があるため、気化部のガス圧力が変動し、分離部のガス圧力との間に差圧（分離部ガス圧−気化部ガス圧）が生じ、液封部（液封配管）がＵ字管マノメーターとして機能して液封が切れ、分離部の非凝縮気体が気化部へ混入しオゾン濃度を下げる虞がある。また、気化部のガス圧力が分離部のガス圧力より低下すると、液体オゾンの液面が気化部内に進入してしまい、気化部内の液体オゾンが増大しオゾン分解の連鎖の虞が高まることになる。

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、液封が安定して確保されると共に液体オゾンの液面の気化部内への進入が確実に防止されるオゾン濃縮装置を提供することを目的とする。

本発明によるオゾン濃縮装置は、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分離部と、この分離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、液体オゾンと非凝縮気体との分離境界面と気化部との間を液封する液封部と、液封部に充填されて毛細管力を発現し気化部の入口を通して内部に進入する充填材と、を具備したオゾン濃縮装置において、分離部と気化部との差圧が設定値Ｐとなるように、分離部へのガス流入量、分離部からのガス排出量及び気化部からのガス排出量の少なくとも一つを制御する制御手段を備え、気化部の入口を、分離部の分離境界面高さに、差圧設定値Ｐに相当するヘッド高さを加えた高さより高い位置に設け、気化部の出口に接続され濃縮オゾンが流れるガス流路と、このガス流路に設けられ、気化部の圧力が設定圧力となるように濃縮オゾンの流量を調節する第一調節弁と、ガス流路の第一調節弁より下流位置で分岐する分岐ガス流路と、この分岐ガス流路に設けられ、第一調節弁より下流の圧力が気化部の圧力より低い設定値となるように濃縮オゾンの流量を調節する第二調節弁と、を有することを特徴としている。

このようなオゾン濃縮装置によれば、分離部と気化部との差圧が、予め設定された設定値Ｐとなるように制御されるため、圧力変動が生じても分離部と気化部の間が一定の差圧とされ、従って、液封が安定して確保されると共に、充填材が液封部に充填されている場合には、気化部の入口が、分離部の分離境界面高さに、差圧設定値Ｐに相当するヘッド高さを加えた高さより高い位置に位置するため、液体オゾンの自由液面高さより上に位置し、また、充填材が液封部に充填されていない場合には、気化部の入口が、分離部の分離境界面高さに、差圧設定値Ｐに相当するヘッド高さを加えた高さに位置するため、液体オゾンの自由液面高さに位置し、従って、液体オゾンの液面の気化部内への進入が防止される。また、例えば使用者が高濃度オゾンガスの使用量を変更しても、第二調節弁によって第二調節弁上流側の圧力が一定に維持されると共に、第一調節弁をその制御特性（制御ゲイン）が殆ど変わらない範囲で使用でき、これにより第一調節弁前後の圧力が安定し、従って、気化部の圧力の安定が図られるようになる。

ここで、分離部と気化部との差圧を取得する差圧取得手段を有し、これを用いて分離部と気化部との差圧が設定値Ｐとなるように制御するのが好ましい。

また、気化部の圧力を測定する気化部圧力測定手段と、分離部の圧力を測定する分離部圧力測定手段と、を備え、制御手段は、気化部圧力測定手段で測定された気化部の圧力が設定圧力となるように、気化部からのガス排出量を制御すると共に、分離部圧力測定手段で測定された分離部の圧力が気化部の設定圧力より設定値Ｐだけ高くなるように、分離部へのガス流入量及び分離部からのガス排出量の少なくとも一つを制御する構成であっても良い。

また、分離部の分離境界面の位置を取得する分離境界面位置取得手段を有し、制御手段は、分離境界面の位置が所定の位置に位置するように、液体オゾンの生成量を制御する構成であると、上記作用と相俟って、液封が一層安定して確保されると共に液体オゾンの液面の気化部内への進入が一層確実に防止される。

このように本発明によれば、液封を安定して確保できると共に液体オゾンの気化部内への進入を確実に防止できる。

以下、本発明によるオゾン濃縮装置及び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。なお、各図において、同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の第一参考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に示すように、高濃度オゾンガス生成装置５００は、原料供給源１からの酸素又は空気をオゾナイザ２に導入しオゾンの体積比率が約１０％程度の低濃度のオゾンガスを生成して、このオゾンガスを導入配管３を通してクライオ冷凍機４及び気化部５を有するオゾン濃縮装置１００に導入し、当該オゾン濃縮装置１００において、先ず、クライオ冷凍機４によりオゾンガスをオゾン沸点以下の温度まで冷却して分離部６において液体オゾンと非凝縮気体とに分離し、この分離した非凝縮気体を上方に向かう気体配管７を通して排出する一方で、分離された液体オゾンを略Ｕ字状を成す液封配管（液封部）８に通し、この液封配管８により液体オゾンと非凝縮気体との分離境界面Ａと気化部５との間の液封を図りながら、当該液封配管８内に充填されその端部が気化部５の入口５ａを通して内部に進入する充填材９のその毛細管力により気化部５内に少量ずつ導き、当該気化部５を加熱部１０により加熱することにより、液体オゾンを気化させて高濃度オゾンガスを得るというものである。

ここで、この第一参考形態にあっては、分離部６のガス圧力と気化部５の圧力との差圧を取得する差圧計（差圧取得手段）１１が設けられている。なお、ここでは、分離部６のガス圧力として気体配管７の圧力を検出する。

また、この第一参考形態にあっては、導入配管３に、分離部６へのガス流入量を調節する調節弁Ｖ１が、気体配管７に、分離部６からのガス排出量を調節する調節弁Ｖ２が、気化部５に、当該気化部５からのガス排出量を調節する調節弁Ｖ３が各々設けられていると共に、差圧計１１からの差圧が、予め設定された設定値Ｐ（ゼロ又は負の値でも良い）となるように、調節弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の少なくとも一つを制御する制御手段１２が設けられている。

そして、本参考形態では、気化部５の入口５ａが、分離部６の分離境界面Ａの高さに、上記差圧設定値Ｐに相当するヘッド高さｈを加えた高さより高い位置に設定されている。

このような構成の第一参考形態によれば、分離部６と気化部５との差圧が差圧計１１により取得されて、制御手段１２によって、当該差圧が予め設定された設定値Ｐとなるように、調節弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の少なくとも一つが制御されるため、例えば気化部５が大気圧では無く加圧される等の圧力変動が生じても当該気化部５と分離部６との間が一定の差圧とされ、従って、液封が安定して確保されると共に、気化部５の入口５ａが、分離部６の分離境界面Ａの高さに、差圧設定値Ｐに相当するヘッド高さｈを加えた高さより高い位置に位置するため、液体オゾンの自由液面高さより上に位置し、従って、液体オゾンの液面の気化部５内への進入が確実に防止されている。その結果、例えば高濃度オゾンガスを大気圧より高い圧力で供給でき、例えば水に溶かして高濃度オゾン水（オゾン濃度１００ｐｐｍ以上）を容易に作ることができる。

図２は、本発明の第二参考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。

この第二参考形態のオゾン濃縮装置２００が第一参考形態のオゾン濃縮装置１００と違う点は、差圧計１１を無くす一方で、気化部５の出口５ｂに接続され濃縮オゾンである高濃度オゾンガスを利用すべく後段に流す高濃度オゾンガス配管１６に、気化部５からのガス排出量を調節する調節弁Ｖ４を設けると共に、気化部５の圧力を測定する気化部圧力計（気化部圧力測定手段）１７及び分離部６のガス圧力を測定する分離部圧力計（分離部圧力測定手段）１８を各々設けた点である。

また、この第二参考形態のオゾン濃縮装置２００が第一参考形態のオゾン濃縮装置１００と違う点は、制御手段１２に代えて、気化部圧力計１７で測定された気化部５の圧力が設定圧力となるように調節弁Ｖ４を制御すると共に、分離部圧力計１８で測定された分離部６のガス圧力が気化部５の設定圧力より設定値Ｐ（ゼロ又は負の値でも良い）だけ高くなるように、調節弁Ｖ１，Ｖ２の少なくとも一つを制御する制御手段１３を設けた点である。

そして、この第二参考形態にあっても、気化部５の入口５ａが、分離部６の分離境界面Ａの高さに、上記設定値Ｐに相当するヘッド高さｈを加えた高さより高い位置に設定されている。

このような構成の第二参考形態によれば、制御手段１３によって、気化部５の圧力が設定圧力となるように調節弁Ｖ４が制御されると共に分離部６のガス圧力が気化部５の圧力より設定値Ｐだけ高くなるように調節弁Ｖ１，Ｖ２の少なくとも一つが制御されるため、圧力変動が生じても分離部６と気化部５の間が一定の差圧とされ、従って、液封が安定して確保されると共に、気化部５の入口５ａが、分離部６の分離境界面Ａの高さに、差圧設定値Ｐに相当するヘッド高さを加えた高さｈより高い位置に位置するため、液体オゾンの自由液面高さより上に位置し、従って、液体オゾンの液面の気化部５内への進入が確実に防止される。

図３は、本発明の第三参考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。

この第三参考形態のオゾン濃縮装置３００が第一参考形態のオゾン濃縮装置１００と違う点は、分離部６の分離境界面Ａの位置を取得する差圧式レベル計（分離境界面位置取得手段）１９を設けると共に、制御手段１２に代えて、当該制御手段１２と同様な機能を発揮するのに加えて分離境界面Ａの位置が所定の位置に位置するように、原料供給源１及びオゾナイザ２の少なくとも一つを制御する制御手段１４を設けた点である。

ここで、差圧式レベル計１９は、その下方測定部が液封配管８内の分離境界面Ａ側に設けられると共にＵ字管内の一方側の底部に設けられて分離境界面Ａの液面の圧力に液位に比例する圧力が加わった液圧を測定し、一方、その上方測定部が気体配管７内に設けられて分離境界面Ａにかかる圧力を測定し、これらの圧力差に基づいて分離境界面Ａの液位を検出する。

このような構成の第三参考形態によれば、第一参考形態の作用・効果に加えて、制御手段１４によって、原料供給源１及びオゾナイザ２の少なくとも一つの制御により液体オゾンの生成量が制御されて、分離境界面Ａの位置が図示のような所望の位置（液面が導入配管３の底部に進入する程度）とされるため、第一参考形態の作用と相俟って、液封が一層安定して確保されると共に液体オゾンの液面の気化部６内への進入が一層確実に防止される。

なお、本参考形態の構成、具体的には、分離境界面Ａの位置が所定の位置に位置するように液体オゾンの生成量を制御する構成を、第二参考形態のオゾン濃縮装置２００に対して適用することも勿論可能である。

図４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である。

本実施形態のオゾン濃縮装置４００が第二参考形態のオゾン濃縮装置２００と違う点は、高濃度オゾンガス配管（ガス流路）１６の調節弁（以下第一調節弁と呼ぶ）Ｖ４より下流位置で分岐する分岐配管（分岐ガス流路）２０と、この分岐配管２０に設置され、第一調節弁Ｖ４より下流の圧力が気化部５の圧力より低い設定値となるように濃縮オゾンである高濃度オゾンガスの流量を調節する第二調節弁Ｖ５と、を設けた点である。

この第二調節弁Ｖ５は、ここでは、上流側の一次圧を一定に保つ所謂背圧制御弁とされている。

このような構成の本実施形態によれば、例えば使用者が高濃度オゾンガスの使用量を変更しても（高濃度オゾンガス配管１６を通して使用量を変更しても）、第二調節弁Ｖ５によって第二調節弁Ｖ５より上流側の圧力が一定に維持されると共に、第一調節弁Ｖ４をその制御特性（制御ゲイン）が殆ど変わらない範囲で使用できこれにより第一調節弁Ｖ４前後の圧力が安定し、従って、気化部５の圧力の安定が図られるようになる。

なお、本実施形態の構成、具体的には、分岐配管２０及び第二調節弁Ｖ５を設ける構成を、第一参考形態のオゾン濃縮装置１００、第三参考形態のオゾン濃縮装置３００に対して適用することも勿論可能である。

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、制御手段によって自動制御するようにしているが、作業者によるマニュアル操作による制御であっても良い。

本発明の第一参考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。 本発明の第二参考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。 本発明の第三参考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。 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。

符号の説明

１…原料供給源、２…オゾナイザ、５…気化部、５ａ…気化部入口、５ｂ…気化部出口、６…分離部、８…液封配管（液封部）、９…充填材、１１…差圧計（差圧取得手段）、１２，１３，１４…制御手段、１６…高濃度オゾンガス配管（ガス流路）、１７…気化部圧力計（気化部圧力測定手段）、１８…分離部圧力計（分離部圧力測定手段）、１９…差圧式レベル計（分離境界面位置取得手段）、２０…分岐配管（分岐ガス流路）、１００，２００、３００，４００…オゾン濃縮装置、Ａ…分離境界面、ｈ…ヘッド高さ、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３…調節弁、Ｖ４…第一調節弁、Ｖ５…第二調節弁。

Claims (4)

1. 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分離部と、この分離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、前記液体オゾンと前記非凝縮気体との分離境界面と前記気化部との間を液封する液封部と、前記液封部に充填されて毛細管力を発現し前記気化部の入口を通して内部に進入する充填材と、を具備したオゾン濃縮装置において、
   前記分離部と前記気化部との差圧が設定値Ｐとなるように、前記分離部へのガス流入量、前記分離部からのガス排出量及び前記気化部からのガス排出量の少なくとも一つを制御する制御手段を備え、
   前記気化部の入口を、前記分離部の前記分離境界面高さに、前記差圧設定値Ｐに相当するヘッド高さを加えた高さより高い位置に設け、
   前記気化部の出口に接続され濃縮オゾンが流れるガス流路と、
   このガス流路に設けられ、前記気化部の圧力が設定圧力となるように前記濃縮オゾンの流量を調節する第一調節弁と、
   前記ガス流路の前記第一調節弁より下流位置で分岐する分岐ガス流路と、
   この分岐ガス流路に設けられ、前記第一調節弁より下流の圧力が前記気化部の圧力より低い設定値となるように前記濃縮オゾンの流量を調節する第二調節弁と、を有することを特徴とするオゾン濃縮装置。
2. 前記分離部と前記気化部との差圧を取得する差圧取得手段を有することを特徴とする請求項１記載のオゾン濃縮装置。
3. 前記気化部の圧力を測定する気化部圧力測定手段と、
   前記分離部の圧力を測定する分離部圧力測定手段と、を備え
   前記制御手段は、前記気化部圧力測定手段で測定された気化部の圧力が設定圧力となるように、前記気化部からのガス排出量を制御すると共に、前記分離部圧力測定手段で測定された分離部の圧力が前記気化部の設定圧力より設定値Ｐだけ高くなるように、前記分離部へのガス流入量及び前記分離部からのガス排出量の少なくとも一つを制御することを特徴とする請求項１記載のオゾン濃縮装置。
4. 前記分離部の前記分離境界面の位置を取得する分離境界面位置取得手段を有し、
   前記制御手段は、前記分離境界面の位置が所定の位置に位置するように、前記液体オゾンの生成量を制御することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のオゾン濃縮装置。

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