JP6416369B2 - オゾン発生装置 - Google Patents

Description

この発明は、放電を用いてオゾンを発生させるオゾン発生装置に関するものである。

放電を用いてオゾン（Ｏ_３）を発生させるオゾン発生装置について説明する。オゾンは強力な酸化剤として上下水処理等の水環境浄化技術、殺菌滅菌技術、及び半導体洗浄技術等、多岐に渡る分野で利用されており、近年の環境意識の高まりや電子機器の需要増加に応じて、高濃度かつ高効率なオゾン発生技術への要求が高まっている。

オゾンを発生させる放電方式としては、主に無声放電式が用いられている。無声放電式のオゾン発生装置では、放電を用いて酸素分子を解離させてオゾンを発生しており、無声放電式オゾン発生装置の高濃度化、高効率化については世界各国で研究開発が進められている。現状のオゾン発生装置では投入電力のうちオゾンに転化されるエネルギーは１０％程度であり、残りの９０％は放電空間にて熱エネルギーに転化する。ここで、該熱エネルギーが原因となり放電空間が高温になると、発生したオゾンが熱分解反応を経て減少してしまい、当該熱分解反応がオゾン発生装置の高濃度化、高効率化を阻害する要因の一つとなっている。即ち、放電空間を低温にすることでオゾンの熱分解が抑制され、オゾン発生効率が向上するとともに、高濃度オゾン発生が可能になる。ここでオゾン発生効率とは、単位放電電力あたりで発生できるオゾン重量を指すこととする。従来のオゾン発生装置では、冷却塔等のタンクに貯留された水又は水道水（以下常温水）を用いて電極を冷却することで放電空間を低温にする構成が一般的である。常温水を直接電極に接触させて電極を冷却する場合もあるし、オゾン発生装置側の冷却水は閉路を循環させ、上記常温水との熱交換により上記冷却水の温度を維持する場合もある。しかし、どちらの場合においても当該常温水の温度は２５℃程度であり、これよりも更に低温の方が効率的にオゾンを発生できることが分かっている。従って、冷媒の温度を常温よりも低い温度に保つ手段として、低温循環器（以下チラー）が利用されている。しかし、チラーを用いた場合には、チラーの運転にも電力が消費されてしまうため、オゾン発生システム全体での消費電力が増加してしまうという問題点がある。

以上の問題点に対する対策として、オゾン発生装置の原料である液体酸素、液体窒素、液体二酸化炭素及び液体空気といった液化原料の持つ冷熱を利用して放電空間を低温化する手法が開示されている。極低温の液体である液化原料を冷媒として利用することにより、冷媒を冷却するための冷却コストが不要となり、放電空間の効率的な冷却を行う手法が提案されている。例を挙げると、電極に取り付けたフィンに対し液化原料を吹き付け、蒸発伝熱で電極を冷却する手法（例えば特許文献１）、液化原料をオゾン発生装置の缶体に導入してオゾン発生部を冷却した後、原料ガスとして利用する手法（例えば特許文献２）、及び、気化直後の低温原料ガスをオゾン発生部に導入することで、放電空間の低温化を図る手法（例えば特許文献３）等が提案されている。

特開昭６３−８５００３号公報 特開平１０−３３８５０７号公報 特開２０１３−１８４８６１号公報（００２６〜００３０段落、図６） 特許第３５４５２５７号公報（０００７〜００１０段落）

このように、液化原料の冷熱を利用して放電空間を冷却することは、オゾン発生装置の高濃度化、高効率化を図る上で有効な手段であるが、液化原料の冷熱は限られており、この冷熱だけでは放電空間全体を冷却することは困難であることが、本発明者らの考察により明らかとなった。

この発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、限られた冷熱を用いて、効果的にオゾン発生性能を向上させることを目的としている。

本発明は、二つの電極間に形成される放電空間に流れる原料ガスを放電させてオゾンを発生させる放電部と、放電により発生する熱を放熱する冷却部とを備えたオゾン発生装置において、原料ガスの少なくとも一部は液化原料が気化したガスであり、冷却部は、二つの電極のうち少なくとも片方の電極に接触して第一冷媒が流れる第一冷却部と、第一冷却部よりも放電部の原料ガスの流れの下流側に設けられ、二つの電極のうち少なくとも片方の電極に接触して第二冷媒が流れ、冷熱源を液化原料とする第二冷却部とを備え、第二冷却部へ流入する第二冷媒の温度が、第一冷却部へ流入する第一冷媒の温度よりも低い温度に設定されるようにした。

この発明によれば、放電空間のうちオゾン濃度の高い部分に冷熱を優先的に作用させ、オゾン濃度の高い部分の温度をその他の部分の温度よりも低い低温に維持するため、限られた冷熱を用いて効果的にオゾン発生性能を向上させることが可能となる。

本発明によるオゾン発生装置の構成を示す概念図である。 本発明の効果を説明するためのオゾン発生特性を示す図である。 本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の断面と系統ブロックを示す図である。 本発明の実施の形態１による別のオゾン発生装置の断面と系統ブロックを示す図である。 本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の要部の断面と系統ブロックを示す図である。 本発明の実施の形態２による別のオゾン発生装置の断面と系統ブロックを示す図である。 本発明の実施の形態２によるさらに別のオゾン発生装置の断面と系統ブロックを示す図である。 本発明の実施の形態３によるオゾン発生装置の断面と系統ブロックを示す図である。 本発明の実施の形態３による別のオゾン発生装置の断面と系統ブロックを示す図である。 本発明の実施の形態３によるさらに別のオゾン発生装置の断面と系統ブロックを示す図である。 本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置の要部を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による別のオゾン発生装置の要部を示す断面図である。 本発明の実施の形態５によるオゾン発生装置の構成を示す概略系統図である。 本発明の実施の形態６によるオゾン発生装置の構成を示す概略系統図である。

まず、液化原料の冷熱だけでは放電空間全体を冷却することは困難であることを、液化原料が液体酸素である場合を例にとって説明する。１ｇの液体酸素が常温（２９８Ｋとする）、常圧（１００ｋＰａとする）の酸素ガスに変化する際に作用する冷熱は、蒸発時の気化冷熱（約２００Ｊ）と、気体膨脹時の冷熱（約１００Ｊ）と、顕熱（約１００Ｊ）との和であり、合計で１ｇあたり約４００Ｊとなる。オゾン発生装置で電極１本あたりに必要とされる原料ガスの量は、典型的な値で０．０７ｇ／ｓ、最大でも０．２５ ｇ／ｓ程度であり、相当する熱量はそれぞれ２８Ｗ、１００Ｗとなる。これに対し、オゾン発生装置の放電電力は電極１本あたり２００〜３００Ｗであり、その９０％が熱エネルギーとなるため、放電で発生する温熱は１８０〜２７０Ｗである。ここで、放電空間の温度Ｔｇは式１に示すように放電電力Ｗｄ、放電ギャップ長ｄ及び電極温度Ｔｅにのみ依存する（特許文献４）。
Ｔｇ＝ｃ×Ｗｄ×ｄ＋Ｔｅ （式１）
ここで、ｃは電極形状、原料ガスの熱伝導率、冷却部構造等に依存する定数である。

オゾン発生装置の放電ギャップ長は装置製造段階で決定されるので、一般的にオゾン発生装置運転中の放電空間の温度は放電電力だけで決まる。放電空間の温度を一定に維持するためには、電極に投入する冷熱を用いて放電で発生する温熱を相殺し、電極温度を一定に維持する必要がある。しかし液体酸素の冷熱（最大１００Ｗ）は放電で発生する温熱（最小１８０Ｗ）より小さく、液体酸素の冷熱だけで放電空間全体を低温に維持することは困難であることが判明した。従って、液化原料による冷却ではオゾン濃度及びオゾン発生効率（以下オゾン発生性能）の向上は達成できない。そこで、本発明者らは、以下のような考察を行った。

図２は、冷媒により接地電極を冷却する無声放電式オゾン発生装置において、冷媒温度を５、１５、２５および３５℃とした場合のオゾン発生特性の例を示す線図である。図２において、高電圧電極と接地電極との間の間隙寸法（放電ギャップ長）、電力、原料ガス組成及びガス圧力等といった冷媒温度以外の条件は同一である。横軸は放電空間内における位置であり、左端が原料ガス入口、右端がオゾン含有ガス（以下オゾン化ガス）出口である。縦軸はオゾン濃度を示す。図２から、冷媒温度が低温であればあるほどオゾン濃度が高くなることがわかる。また、放電空間のうちオゾン化ガス出口に近く、オゾン濃度の高い領域（以下高オゾン濃度領域）では、原料ガス入口に比べて、冷媒温度がオゾン濃度に及ぼす影響が大きいことが分かる。液化原料の冷熱は限られており、放電空間全体の温度を維持する能力は持たないが、本発明者らは、液化原料の冷熱が作用する範囲を高オゾン濃度領域に限定しても、高オゾン濃度領域を低温に維持できるため、オゾン発生性能を向上させることができるということを見出した。以下、図面を用いて、具体的に本発明を説明する。

図１は本発明を実施するオゾン発生装置の構成を示す概念図である。図１は、対向する二つの電極を備えた放電部１の二つの電極間に形成された放電空間に酸素を含む原料ガス２を流し、二つの電極間に交流電圧を印加して原料ガスを放電させてオゾン化ガス３を得るオゾン発生装置を概念的に示している。冷却部に流れる冷媒が放電部１の二つの電極のうち少なくとも片方の電極に接触して冷却する。冷却部は、第一冷媒６が流れる第一冷却部５と、第二冷媒８が流れる第二冷却部４とに完全に又は部分的に分割されている。第二冷却部４は第一冷却部５よりも原料ガス２の流れの下流側に設けられている。第一冷熱源７により第一冷却部５に流入する第一冷媒６の温度を一定温度に設定し、第二冷熱源９により第二冷却部４に流入する第二冷媒８の温度を第一冷媒６の温度より低い温度に設定する。第二冷熱源９は液化原料であり、その冷熱を第二冷却部４の冷却に使用した後、原料ガス２として使用される。放電部のうち、原料ガスの流れの下流側ほどオゾン濃度が高くなっており、第二冷媒８が高オゾン濃度領域を冷却する構成となっているため、高オゾン濃度領域がより低い温度に維持される。このため、よりオゾン発生性能を向上させることができる。第二冷媒８の冷熱源を液化原料とし、第二冷却部４に流入する第二冷媒８の温度を、第一冷却部５に流入する第一冷媒６の温度より低い温度に設定する構成としては、様々な構成が考えられるので、以下に本発明の実施の形態として種々の構成を説明する。

実施の形態１．
図３は本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の放電部及び冷却部を示す断面図である。なお、図３は簡単のため電極が１本の場合を示しているが、電極が複数本あっても電極の構造、および電極と冷媒との接触の構成は同一である。実際のオゾン発生装置の放電部１においては図３のような構造の電極が複数並列に設置される。以降の実施の形態においても、電極が１本の場合を例にして説明するが、本発明は、電極が複数並列に設置されるものにも適用できるのは言うまでもない。また、以降の図中において、実施の形態１によるオゾン発生装置の構成機器と同様あるいは相当する部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。

図３に示すオゾン発生装置の放電部１は、円管状の金属製接地電極１０と金属製高電圧電極１１を同心同軸上に配置して両電極を対向させ、この対向する両電極間に形成された放電空間１２に原料ガス２を導入し、該放電空間１２に交流高電圧を印加することにより無声放電を発生させ、オゾンを生成するものである。図３左は原料ガス２の流れと平行な断面を示しており、図３右のＡ−Ａ断面は原料ガス２の流れと垂直な放電部１の断面を示している。原料ガス２は図３の白抜き矢印で示すように紙面左側から放電空間に導入され、オゾン化ガス３は紙面右側から取り出される。

原料ガス２は、酸素を含むガスであり、一般的には液体酸素又は液体空気が用いられる。純粋な酸素ガスを用いたオゾン発生では長時間運転によりオゾン濃度が漸減することが知られており、酸素ガスを原料とする場合、これを避けるために微量の窒素又は二酸化炭素が背景ガスに添加される。従って、一般的な原料ガスは酸素、空気、窒素、二酸化炭素及びこれらの混合ガスである。本発明では、原料ガス源として液体酸素、液体空気、液体窒素、液体二酸化炭素といった液化原料を使用する。液化原料としては、液体酸素に少量の液体窒素、あるいは液体二酸化炭素を添加した混合液化原料が使用される場合もある。

無声放電式のオゾン発生装置では、接地電極１０の放電空間１２に面する側、及び高電圧電極１１の放電空間１２に面する側の少なくとも一方には誘電体が設置されている。図３においては例として高電圧電極１１に誘電体１３が設置されている。誘電体１３は、ガラスやセラミクス等のバルク材料からなり、高電圧電極１１に設置されている場合には、そのオゾン化ガス出口側（図３において紙面右側）の端部は閉じられている。電源からの電流は給電部材１４を通じて高電圧電極１１に供給されている。

接地電極１０の外側を冷却部が覆っており、冷却部を流れる冷媒が接地電極１０に接触して冷却する。冷却部は、第一冷媒６が流れる第一冷却部５と、この第一冷却部よりも原料ガス２の流れの下流側に設けられ、第二冷媒８が流れる第二冷却部４とに隔壁１０１で分割されている。第二冷媒８は、水、エタノール、メタノール、エチレングリコール、又は不凍液等といった液体冷媒、ないしは液体酸素、液体窒素、液体空気、液体二酸化炭素、又は液化天然ガス等といった液化原料で構成される。第一冷媒６は、水、エタノール、メタノール、エチレングリコール、又は不凍液等といった液体冷媒で構成される。第一冷媒６と第二冷媒８とはそれぞれ別個の冷熱源を用いて異なる温度に設定されている。第一冷却部５へ流入する第一冷媒６の温度は例えば室温など、少なくとも放電部の熱を放熱できる温度に設定され、第二冷却部４へ流入する第二冷媒８の温度は第一冷却部５へ流入する第一冷媒６よりも低い温度に設定されている。第二冷媒８の冷熱源である第二冷熱源９（図１参照）は液化原料であり、第一冷媒の冷熱源である第一冷熱源７は低温冷媒循環器、冷凍器又は冷却塔等の一般的な低温冷媒の冷熱源である。第二冷媒８は接続口２０ａ、２０ｂを通じて第二冷却部４を流れ、原料ガスの流れの下流側である高オゾン濃度領域を冷却し、第一冷媒６は接続口３０ａ、３０ｂを通じて第一冷却部５を流れ、原料ガスの流れの上流側である低オゾン濃度領域を冷却している。各冷媒の温度の例を挙げると、第一冷却部５に流入する第一冷媒６の温度２５℃に対し、第二冷却部４に流入する第二冷媒８の温度を５℃以下に設定する。

各冷却部への各冷媒の流れは、高オゾン濃度領域のある方向（図３の右方向：以下高オゾン濃度側（原料ガスの流れの下流側））から流入し低オゾン濃度領域のある方向（図３の左方向：以下低オゾン濃度側（原料ガスの流れの上流側））から流出しても、低オゾン濃度側から流入し高オゾン濃度側から流出してもどちらでもよいが、好ましくは高オゾン濃度側から流入し低オゾン濃度側から流出するのがよい。これは、冷却部を冷媒が流れる間に放電部との熱交換を通じて冷媒の温度が上昇するので、高オゾン濃度側の温度を低オゾン濃度領域の温度よりも低温とし冷却効果を高めるためには、高オゾン濃度側から冷媒を流入させるのが適するからである。即ち、第二冷媒８は接続口２０ａを通じて冷却部に流入し接続口２０ｂを通じて流出するのが好ましく、第一冷媒６は接続口３０ａを通じて冷却部に流入し接続口３０ｂを通じて流出するのが好ましい。

第二冷却部４の長さＬは、０より大きく電極の軸方向長さより小さい範囲内で自由に設計できる。ただし、第二冷却部４の長さＬを小さくすると冷却によるオゾン発生性能の向上効果が減少し、第二冷却部４の長さＬを大きくすると第二冷媒８に必要とされる冷熱の量が大きくなるため冷却コストが増大する。第二冷却部４の長さＬが、オゾン発生性能に及ぼす影響と、冷却コストに及ぼす影響とを勘案し、冷却コスト増加に対するオゾン発生性能の向上効果が最大となるように、第二冷却部の長さＬを設定することが好ましい。第二冷却部４の長さＬの最適値は、原料ガス２の組成、放電電力、及び放電ギャップ長等といった放電部１の動作環境、並びに第二冷媒８の組成及び流量等といった冷却部の動作環境に依存する。一般的には電極の長さＬｅの１／３以内にすると、少ない冷熱で第一冷却部５との温度差を維持しやすい。

なお、無声放電式のオゾン発生装置の放電部１の電極形状は、平行平板型、同軸円筒管型等など様々な形状がある。本発明は、電極形状はどのような形状であっても適用できる。放電部１の構成は、二つの電極間に交流電圧を印加して、二つの電極間に流れる酸素を含む原料ガスを放電させる構成であればよい。また、第一冷却部５および第二冷却部４は、これら二つの電極のうち少なくとも片方の電極に冷媒を接触させて放電により発生する熱を放熱する構成であればよい。各実施の形態では、図３で示したのと同じ同軸円筒管型の電極を例にとって説明するが、例えば図４に示す側面断面図（下部）およびＡ−Ａ断面図のように、放電部１が、対向する２枚の平行平板形状の電極間に交流電圧を印加して、２枚の平行平板形状の電極間に流れる原料ガス２を放電させる構成であって、第一冷却部５および第二冷却部４は、２枚の平行平板形状の電極の両方に冷媒を接触させて放電により発生する熱を放熱する構成であってもよいのは言うまでもない。

以上説明したように、放電部１の冷却によるオゾン発生性能向上効果は高オゾン濃度領域であるほど大きいので、本発明の実施の形態１によるオゾン発生装置の構成によれば、液化原料が持つ冷熱で大きなオゾン発生性能向上効果を発揮する。これにより、第二冷媒８が高オゾン濃度領域を冷却するための別途のエネルギー投入が不要となり、冷却コストを低減できる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の構成の要部の断面と系統ブロックを示す図である。実施の形態２は、実施の形態１における第二冷媒８の冷熱の構成についての、より具体的な一実施の形態である。すなわち、実施の形態２によるオゾン発生装置の基本構成は実施の形態１と同じである。実施の形態２においては、第二冷媒８として液体酸素、液体窒素、液体空気、又は液体二酸化炭素等の液化原料を用いており、第二冷媒８は原料ガス２としても供給するように構成している。液化原料貯蔵庫３０１から液化原料を第二冷媒８として接続口２０ａ及び２０ｂのどちらか一方を通じて第二冷却部４に流入させ、高オゾン濃度領域を冷却させた後に、もう一方の接続口を通じて流出させる。図５では第二冷媒８が接続口２０ａを通じて流入し接続口２０ｂを通じて流出しているが、流入口と流出口は逆になっていてもよい。

第二冷媒８としての液化原料は、第二冷却部４に流入するとき液体の状態であり、温度は極低温である。一方、第一冷却部５に流入する第一冷媒６は常温あるいは０℃より高い温度に設定されている。すなわち、第二冷却部４に流入する第二冷媒８の温度は、第一冷却部５に流入する第一冷媒６の温度より低い温度に設定されている。第二冷媒８としての液化原料は、第二冷却部４から流出した時点で、高オゾン濃度領域との熱交換を経て気体になっている。この気化した液化原料を原料ガス２として放電空間１２に導入し、放電してオゾン化せしめる。気化した液化原料を放電空間１２に導入する前に、例えば窒素など他の原料ガス３０２と混合させた後に放電空間に導入してもよい。液化原料が放電部へ導入される際の定格流量をＦ［Ｌ／ｓ］、単位体積の液化原料が持つ冷熱をＱ［Ｊ／Ｌ］とすると、第二冷却部４の長さＬの最適値Ｌｏ［ｍ］は、電極の軸方向長さＬｅ［ｍ］及び定格運転時に放電部に投入される放電電力Ｗｄ［Ｗ］を用いて、
Ｌｏ＝Ｌｅ×Ｑ×Ｆ／（０．９×Ｗｄ）［ｍ］ （式２）
となる。第二冷却部４の長さＬをその最適値Ｌｏに設定すれば、第二冷媒８の冷熱を無駄なく利用することが可能である。

図６は、本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置の別の構成の要部の断面と系統ブロックを示す図である。図６に示すように、第二冷媒８が第二冷却部４から流出した後に流量制御機器３０３を経てから放電空間１２に導入されてもよい。流量制御機器３０３は、バルブ、バルブ付流量計、質量流量調整器、又は圧力調整器等であり、第二冷却部４から流出した第二冷媒８の流量を制御する。流量制御機器３０３を通る第二冷媒８の設定流量の大小に応じて、放電部１と第二冷媒８との間で交換される熱量が変化するので、結果として第二冷媒８の持つ冷熱のうち、高オゾン濃度領域の冷却に利用される割合と、原料ガス２の温度として残る割合との比率（以下第二冷媒８の冷熱分配比）を制御することができる。以降の実施の形態において、特段の断りが無い限り、流量制御機器３０３を用いて第二冷媒８の冷熱分配比を制御してもよく、また、原料ガスを放電空間１２に導入する前に、窒素、二酸化炭素といった他の原料ガス３０２と混合させて放電空間に導入してもよいものとする。この場合、他の原料ガス３０２以外の原料ガス、すなわち原料ガスの少なくとも一部が液化原料が気化したガスであり、この液化原料を第二冷却部４の冷熱源として用いることになる。また、窒素あるいは二酸化炭素といった混合させる原料ガスも液化原料とし、この液化原料も第二冷却部４の冷熱源として使用しても良い。

図７は、本発明の実施の形態２によるオゾン発生装置のさらに別の構成の要部の断面と系統ブロックを示す図である。図７に示すように、隔壁１０１ａ及び１０１ｂを用いて、中間冷却部４５を設けてもよい。第二冷却部４に導入された第二冷媒８としての液化原料は、第二冷却部４において蒸発し気化冷熱によって接地電極１０を冷却する。蒸発してガス状となった低温の液化原料１０２は、中間冷却部４５に導入され、その冷熱によって接地電極１０を冷却する。図７において、各冷媒はそれぞれ高オゾン濃度側の接続口を通じて冷却部に流入し低オゾン濃度側の接続口を通じて流出しているが、当然流入出の方向は逆になってもよい。液化原料の持つ冷熱は気化冷熱、気体膨脹時の冷熱、及び顕熱の３種類に大別され、一般的には該３種類の冷熱のうち気化冷熱の大きさが最も大きい。図７の構成は、液化原料の持つ冷熱のうち最も大きい気化冷熱を、最も高オゾン濃度側に近い第二冷却部４で作用させ、その他の冷熱を次に高オゾン濃度側に近い中間冷却部４５で作用させることを目的としている。

以上のような実施の形態２によるオゾン発生装置の構成によれば、放電空間のうち高オゾン濃度領域を効率的に冷却でき、少ない冷熱で大きなオゾン発生性能向上効果を発揮する。更に、オゾン発生装置の原料ガス２として液化原料を利用している場合に、液化原料自体が第二冷媒８の冷熱源も兼ねているため、第二冷媒８の温度を第一冷媒６よりも低い温度に維持するための冷却コストが不要となる。また、流量制御機器３０３を用いて第二冷媒８の冷熱分配比を制御することで、オゾン発生性能の向上に対して最適な冷却形態を実現することが可能である。また、中間冷却部４５を設けることで、液化原料の持つ冷熱を余すところなく放電空間１２の冷却に利用できる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３によるオゾン発生装置の構成の要部の断面と系統ブロックを示す図である。実施の形態３によるオゾン発生装置の実施の形態２との相違点は、液化原料を直接第二冷媒８としては用いず、第二冷媒８と液化原料を熱交換させる熱交換器を備えていることである。液化原料が循環熱交換器３０４を通じて第二冷媒８の冷熱源として機能し、第二冷却部４に流入する第二冷媒８の温度を低温に設定している。実施の形態３においても熱交換して気化した液化原料を原料ガス２として利用する。第二冷却部４に流入する第二冷媒８の温度は循環熱交換器３０４を通じて液化原料の冷熱によって、第一冷却部５に流入する第一冷媒６より低い温度に設定される。液化原料を直接第二冷媒８として利用する実施の形態２においては、第二冷却部４を流れる液化原料の圧力が高圧力であるため、第二冷却部４を高耐圧の構造にする必要がある。しかし、本実施の形態３によるオゾン発生装置の構成によれば、第二冷媒８の材質に制限がなく、第二冷却部４に高耐圧の構造が要求されない。

図９は、本発明の実施の形態３による別のオゾン発生装置の構成の要部の断面と系統ブロックを示す図である。図８との相違点は、隔壁１０３が第二冷却部４と第一冷却部５とを完全には分割しておらず、第二冷却部４と第一冷却部５とが部分的に接続されており、また第二冷媒８と第一冷媒６とが同一材料の冷媒で構成されている点である。すなわち、第一冷却部５の第一冷媒６と第二冷却部４の第二冷媒８とは流通可能に構成されている。この場合、冷却部の構造は図８に比べ更に簡単になる。隔壁１０３は図９のように接地電極１０から離れていてもよいし、接地電極１０に固定され缶体外殻から離れていてもよい。図９のように第二冷却部４と第一冷却部５とが部分的に接続され、第一冷媒６と第二冷媒８とが流通可能な構成となっている場合、好ましくは第二冷媒８は接続口２０ｂを通じて第二冷却部４に流入し、接続口２０ａを通じて流出するのがよい。この場合、第二冷媒８は図９中において接続口２０ｂから接続口２０ａへ向かう矢印に沿って流れ、第一冷媒６は接続口３０ａから接続口３０ｂへ向かう矢印に沿って流れる。こうすれば第二冷媒８と第一冷媒６との混合が最小限に抑えられ、第二冷却部４の温度と第一冷却部５の温度との間の温度差を維持する事が容易になる。

図１０は、本発明の実施の形態３によるさらに別のオゾン発生装置の構成の要部の断面と系統ブロックを示す図である。図１０に示すように、第二冷却部４と第一冷却部５とを流れる冷媒が一循環系統を流れる共通冷媒８０となっていてもよい。共通冷媒８０は第二冷却部４において高オゾン濃度領域を冷却した後、第一冷却部５へ導入され低オゾン濃度領域を冷却する。共通冷媒８０は低オゾン濃度領域を冷却し第一冷却部５から流出した後、熱交換器３０５を通じて第一冷熱源７の温度と同等の温度まで冷却される。その後更に熱交換器３０４を通じて第一冷熱源よりも低い温度まで冷却され、再び第二冷却部４へ導入される。図１０のような構成においても、第二冷却部４に流入する共通冷媒８０の温度は、第一冷却部に流入する共通冷媒８０の温度よりも低く設定されている。熱交換器３０４では、液化原料が冷熱源となって共通冷媒８０を冷却し、気化した液化原料は原料ガス２として放電空間へ導入される。図９および図１０においては、循環熱交換器３０４により熱交換する第二冷熱源として液化原料を使用する例を示しているが、第二冷熱源として液化原料を使用せず、液化原料以外の冷熱源（例えば低温冷媒循環器又は冷凍器等）を使用した構成であってもよいのは言うまでもない。

以上のような実施の形態３によるオゾン発生装置の構成によれば、高オゾン濃度領域の効率的な冷却によってオゾン発生性能の向上が達成できる。更に、第二冷却部４の第二冷媒８として液化原料そのものを用いず、液化原料の冷熱を熱交換器３０４を介して第二冷媒８に与える構成としたので、第二冷媒８として一般的な材質の冷媒を用いることができる。このため、冷却部の構造が簡単になり、冷却部の製作コストを低減できる。また、図９や図１０のように、第一冷媒６と第二冷媒８を流通可能な構成にすると、冷却部の構造を単純化できるとともに、第一冷媒６と第二冷媒８とを同一材料の冷媒とすることができる。また、第一冷却部５と第二冷却部４とを流れる冷媒を共通冷媒８０とすることで、必要な冷媒の量を低減できる。

実施の形態４．
図１１及び図１２は、本発明の実施の形態４によるオゾン発生装置の要部である放電部及び冷却部を示す断面図である。第二冷媒８の接続口及び第一冷媒６の接続口については、実施の形態１などと同様であるため省略した。本実施の形態４において実施の形態１、２、３と異なる特徴的な点は、放電空間の間隙寸法である放電ギャップ長ｄが空間的に均一でない点、及び第二冷却部４の長さＬが放電ギャップ長ｄの短い部分に対応する長さになっている点である。すなわち、本実施の形態４によるオゾン発生装置では、放電ギャップ長が短く設定された放電部に第二冷却部４を設置している。一般的に、放電空間のガス圧力が１．０〜３．０ａｔｍの場合、放電ギャップ長ｄが短いほどオゾン発生性能が高いことが知られている（例えば特許文献４）。このため、オゾン発生性能を向上させるために、放電空間においてオゾン濃度が高い、オゾン化ガス出口側、すなわち原料ガスの流れの下流側で放電ギャップ長ｄを短縮する構造が採用されることがある。放電ギャップ長ｄを変化させる手段としては、図１１のように誘電体１３の厚さを軸方向で変化させてもよいし、図１２のように直径の異なる電極管を連結させてもよい。また、図７のように中間冷却部を設け、それに応じて放電ギャップ長を３段階に変化させてもよい。言うまでもなく、実施の形態２、３のように第二冷媒８の冷熱源として液化原料を利用してもよいし、隔壁１０１は第二冷却部４と第一冷却部５とを完全に分割しても部分的に分割してもよい。

図１１及び図１２のように放電ギャップ長ｄが空間的に不均一である場合には、放電ギャップ長ｄが短い部分ほど、冷却によるオゾン発生性能の向上効果も高いと言える。すなわち、本実施の形態４によるオゾン発生装置の構成のように放電ギャップ長ｄが短い放電部に第二冷却部４を設置して、より低温の第二冷媒８を用いて冷却し、その他の部分を第一冷媒６により冷却すれば、少ない冷熱で多大なオゾン発生性能向上効果が得られる。

実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５によるオゾン発生装置の構成を示す概略系統図である。本実施の形態５においては、第一オゾン発生器１００と第二オゾン発生器２００の二つのオゾン発生器を備えている。それぞれのオゾン発生器は、放電部と冷却部からなる。すなわち放電部が異なるオゾン発生器の放電部として分離されている。第一オゾン発生器１００で生成され流出されたオゾン化ガスは第二オゾン発生器２００に導入されて、さらにオゾン濃度を高める構成となっている。なお、図１３は簡単のため、それぞれのオゾン発生器として電極が１本の場合を示しているが、一つのオゾン発生器に電極が複数本あっても構成は同一であり、実際のオゾン発生装置の放電部においては図３のような構造の電極が複数並列に設置される。第一オゾン発生器１００の放電部である第一放電部５１は第一冷却部５の第一冷媒６を用いて冷却されており、第二オゾン発生器２００の放電部である第二放電部４１は第二冷却部４の第二冷媒８を用いて冷却されている。この構成においても、下流側であって、よりオゾン濃度が高い第二オゾン発生器２００に備えられた第二冷却部４に流入する第二冷媒８の温度は、上流側であってオゾン濃度が低い第一オゾン発生器に備えられた第一冷却部５に流入する第一冷媒６の温度よりも低い温度に設定されている。冷却系統は、例えば実施の形態１〜３で説明した冷却系統のうち、適用可能な冷却系統で構成されている。

第二オゾン発生器２００における電極の軸方向長さＬ_２は、第一オゾン発生器１００における電極の長さＬ_１よりも短い。その比Ｌ_２／（Ｌ_１＋Ｌ_２）に制限はないが、第一オゾン発生器１００における放電電力Ｗ_１と、第二オゾン発生器２００における放電電力Ｗ_２との和Ｗ_ｔ＝Ｗ_１＋Ｗ_２のうち温熱となる電力０．９×Ｗ_ｔに対する、第二冷媒の持つ冷熱Ｗｃの割合Ｗ_ｃ／（０．９×Ｗ_ｔ）に等しくなるようＬ_２／（Ｌ_１＋Ｌ_２）を設定すると、オゾン発生性能の向上効果を最も高めることができる。例えば放電電力Ｗ_ｔ＝３００Ｗ、第二冷媒８として液体酸素を０．２ｇ／ｓで流すとすると、液体酸素の冷熱は約４００Ｊ／ｇであるから、Ｌ_１＝１ｍに対してはＬ_２＝０．４２ｍ程度とするのが好ましい。

以上のように、本実施の形態５によるオゾン発生装置は、第一冷却部５で冷却される第一放電部５１と第二冷却部４で冷却される第二放電部４１が一体ではなく、分離した別々の放電部であり、第一冷却部５と第一放電部５１で構成される第一オゾン発生器１００と、第二冷却部４と第二放電部４１で構成される第二オゾン発生器２００とを備えている。第一オゾン発生器１００で発生したオゾン化ガスを第二オゾン発生器２００に導入してさらに高濃度オゾンのオゾン化ガスとして取り出す構成として、高オゾン濃度側の第二冷却部４に流入する第二冷媒８の温度を、低オゾン濃度側の第一冷却部５に流入する第一冷媒の温度より低く設定するようにして本発明を適用することにより、限られた冷熱を用いて効果的にオゾン発生性能を向上させることができる。

実施の形態６．
図１４は、本発明の実施の形態６によるオゾン発生装置の構成を示す概略系統図の例である。本実施の形態６によるオゾン発生装置は、オゾン濃縮装置４００にオゾン化ガス３を供給するものであり、液化原料の持つ冷熱をオゾン濃縮装置４００の冷却に使用する機構を備えるものである。本実施の形態６において、オゾン濃縮装置４００はオゾン吸着塔４０１、吸着剤４０２、及びオゾン吸着塔冷却部４０３で構成される。吸着剤４０２を充填したオゾン吸着塔４０１はオゾン吸着塔冷却部４０３を流れる冷媒により冷却され、吸着剤４０２の温度が０℃以下の低温に維持されている。オゾン吸着塔４０１にオゾン化ガス３を流通させることで、冷却された吸着剤４０２にオゾンが吸着される。オゾン濃縮装置４００からオゾンを取り出すときは、オゾン吸着塔４０１の圧力を減圧することにより吸着剤４０２に吸着されていたオゾンが脱着し、吸着前のオゾン濃度より高い濃度のオゾン化ガス４０４として取り出すことができる。本発明においては、液化原料の持つ冷熱を上記オゾン吸着塔４０１の冷却に使用する。一般的にオゾン吸着において生じる吸着熱は、オゾン発生において生じる放電の温熱よりも小さく、オゾン１ｇあたり１４０Ｊ程度である。これは一般的なオゾン発生における原料流量で十分冷却可能である。

更に、オゾン吸着塔４０１の冷却に用いた液化原料を、オゾン発生装置の第二冷媒８としても利用すれば、液化原料の冷熱を有効活用できる。望ましくは、第二冷却部４で発生する放電の温熱と、オゾン吸着塔４０１におけるオゾン吸着熱との和が、定格流量における液化原料の持つ冷熱と等しくなるように、第二冷却部４の長さを設定すると、冷熱の無駄が無い。図１４においては、第二冷媒８はオゾン吸着塔冷却部４０３を流れた後にオゾン発生装置の第二冷却部４に導入されているが、先に第二冷却部４を流れた後にオゾン吸着塔冷却部４０３に導入されてもよい。いずれの場合も、オゾン吸着塔冷却部４０３において、気化した後でオゾン発生の原料ガス２として使用する液化原料の全てを使用せずに、オゾン吸着塔冷却部４０３では液化原料の一部を使用する構成であっても良い。

このような高効率オゾン濃縮装置の適用事例としては、汚泥へのオゾン接触処理、下水処理膜のオゾン水洗浄等が挙げられる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、組み合わせ、変形、省略したりすることが可能である。

１ 放電部、２ 原料ガス、３、４０４ オゾン化ガス、４ 第二冷却部、５ 第一冷却部、６ 第一冷媒、７ 第一冷媒６の冷熱源、８ 第二冷媒、９ 第二冷媒８の冷熱源、１０ 接地電極、１１ 高電圧電極、１２ 放電空間、１３ 誘電体、２０ａ、２０ｂ 第二冷媒８の第二冷却部４への接続口、３０ａ、３０ｂ 第一冷媒６の第一冷却部５への接続口、４１ 第二放電部、５１ 第一放電部、１００ 第一オゾン発生器、１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０３ 隔壁、２００ 第二オゾン発生器、３０１ 液化原料貯蔵庫、３０４ 循環熱交換器、４００ オゾン濃縮装置、４０１ オゾン吸着塔、４０２ 吸着剤、４０３ オゾン吸着塔冷却部、ｄ 放電ギャップ長

Claims (7)

1. 二つの電極間に形成される放電空間に流れる原料ガスを放電させてオゾンを発生させる放電部と、放電により発生する熱を放熱する冷却部とを備えたオゾン発生装置において、前記原料ガスの少なくとも一部は液化原料が気化したガスであり、
   前記冷却部は、前記二つの電極のうち少なくとも片方の電極に接触して第一冷媒が流れる第一冷却部と、前記第一冷却部よりも前記放電部の前記原料ガスの流れの下流側に設けられ、前記二つの電極のうち少なくとも片方の電極に接触して第二冷媒が流れ、冷熱源を前記液化原料とする第二冷却部とを備え、前記第二冷却部へ流入する前記第二冷媒の温度が、前記第一冷却部へ流入する前記第一冷媒の温度よりも低い温度に設定されたことを特徴とするオゾン発生装置。
2. 前記第二冷媒が前記液化原料であり、前記液化原料が前記第二冷却部から気化して流出したガスを前記原料ガスとすることを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
3. 前記第二冷媒と前記液化原料との間で熱交換させる熱交換器を備え、熱交換して気化した前記液化原料を前記原料ガスとすることを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生装置。
4. 第一冷媒と第二冷媒は同一材料の冷媒であり、前記第一冷却部の前記第一冷媒と前記第二冷却部の前記第二冷媒とは流通可能に構成されていることを特徴とする請求項１または３に記載のオゾン発生装置。
5. 前記原料ガスの流れの下流側の前記放電空間の放電ギャップ長が、前記原料ガスの流れの上流側の放電ギャップ長よりも短く設定され、放電ギャップ長が短く設定された放電部に前記第二冷却部を設置したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のオゾン発生装置。
6. 前記放電部は第一放電部と第二放電部とに分離しており、前記第一放電部と前記第一冷却部が第一オゾン発生器を構成し、前記第二放電部と前記第二冷却部とが第二オゾン発生器を構成し、前記第一オゾン発生器で生成されたオゾン化ガスを前記第二オゾン発生器に導入することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のオゾン発生装置。
7. 発生した前記オゾンを、前記液化原料の少なくとも一部を冷熱源として冷却された吸着剤に吸着させて前記オゾンを濃縮させるオゾン濃縮装置を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のオゾン発生装置。

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