TW201910258A - 臭氧氣體利用系統 - Google Patents

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Abstract

本發明係以提供一種可達到系統的結構的小型化之臭氧氣體利用系統，且目的為達到降低環境負荷。本發明係具備執行臭氧利用處理之小規模的應用裝置(200)，該應用裝置(200)具備產生臭氧氣體(62)之臭氧產生裝置(100)。臭氧產生裝置(100)包含：得到升壓高頻電壓(72)之負載共振型高頻昇壓變壓器(13)，以及將升壓高頻電壓(72)接受作為運作電壓，而從含有氧氣之原料氣體產生200g/m3以上的臭氧濃度之臭氧氣體(62)之臭氧氣體產生器(11)。應用裝置(200)係在0.2MPa以上的壓力環境下接受臭氧氣體(62)。

Description

臭氧氣體利用系統
本發明係關於一種臭氧氣體利用系統以及應用裝置；前述臭氧氣體利用系統係包含用利用由臭氧氣體產生處理裝置所產生之臭氧氣體以進行臭氧利用處理之應用裝置，而達到小規模化、高效率化者；前述應用裝置係達到降低環境負荷之進行利用臭氧氣體之臭氧利用處理之應用裝置。
作為以往的臭氧產生技術，係有利用放電以高效率來產生高濃度的臭氧氣體之臭氧產生技術。於此種利用放電之臭氧產生技術中，作為揭示組合有原料氣體與放電面材料之技術的文獻，例如可列舉專利文獻1，而作為揭示放電面材料技術之文獻，例如可列舉專利文獻2至專利文獻6。
專利文獻1中，產生濃度200[g/m3]以上的高濃度臭氧之臭氧產生器，係使用氧氣中添加有0.1%至數%的氮氣者作為供給之原料氣體。然後，微量添加之氮氣藉由放電而成為氮氧化物氣體，藉此，該微量的氮氧化物氣體進行觸媒作用並使多量的氧分子解離，而具有產生高濃 度的氧原子之能力。其結果為，可以經由該氮氧化物所產生之高濃度的氧原子與氧分子之三體碰撞(three-body collision)反應而產生高濃度的臭氧。
以往，市售製品之臭氧產生裝置，多半如專利文獻1所示，能分類為「以氧氣中添加有0.1%以上(1000ppm至數%(數萬ppm))的氮氣之原料氣體來產生臭氧之技術」與「藉由原料氣體以外之放電面與氧的化學反應作用來產生臭氧氣體之技術」之2種技術。以往的臭氧產生裝置中，主要是採用前者之以添加有微量的氮氣之原料氣體來產生臭氧之技術，相較於由放電所產生之電子的氧分子碰撞所造成之氧原子解離量，由氮氣的觸媒作用所產生之氧原子量(藉由產生氮氧化物氣體，而由氮氧化物氣體的放電光觸媒反應與氮氧化物氣體的化學反應之觸媒作用來產生氧原子之作用)係非常多，並利用佔其大半部分之氧原子量來產生高濃度的臭氧氣體。
因此，市售之臭氧產生裝置中多半的裝置由於原料氣體需含有氮氣，所以成為在產生臭氧時會隨之產生相當於氮添加量的數%至數十%左右之數十ppm至數百ppm左右的二氧化氮與一氧化氮等之NOx之裝置，而於以往的多半之臭氧產生裝置中，對於去除造成高環境負荷之NOx之對策並不充分。
而且，專利文獻2至專利文獻6所揭示之技術中，顯示出藉由將光觸媒物質塗佈於放電面，而在原料氣體中不含氮氣之情形下產生多量的氧原子量，以產生臭 氧之裝置及技術(無氮臭氧產生裝置及無氮臭氧產生技術)，由於在原料氣體中幾乎不含氮氣且可高效率地產生臭氧氣體，所以在所產生之高濃度臭氧氣體中幾乎無二氧化氮與一氧化氮等NOx，而具有可實現環境負荷小之臭氧產生裝置之特徵。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本專利第3642572號公報
專利文獻2：日本專利第4953814號公報
專利文獻3：日本專利第5069800號公報
專利文獻4：日本專利第4825314號公報
專利文獻5：日本專利第4932037號公報
專利文獻6：日本專利第5121944號公報
利用臭氧產生技術之臭氧產生裝置，近來已逐漸普及，惟由於臭氧產生裝置的電容量、臭氧產生容量、裝置容積較大，故仍然有確保供電電源、確保原料氣體及確保裝置設置場所等各種難處存在，而且仍未被採用於利用臭氧氣體來執行臭氧利用處理之多數的應用裝置中。
而且，多數於市面販售之以往的臭氧產生裝置，是由在氧氣中含有約1%(10000ppm)左右的氮之原料氣體來產生臭氧氣體之大型的放電式臭氧產生裝置。因此， 以往的臭氧產生裝置，於臭氧產生時會因放電而產生相當於氮添加量的數%至數十%左右之數十ppm至數百ppm左右的二氧化氮與一氧化氮等NOx。因此，利用由以往的臭氧產生裝置所產生之臭氧氣體，乃為利用含有NOx氣體之臭氧氣體，而對於去除造成高環境負荷的NOx之對策並不充分。
電容量及臭氧產生容量大之臭氧產生裝置，適合作為以臭氧處理容量為相當大規模的處理場為目標之臭氧氣體利用系統之裝置。此種較大規模之臭氧產生裝置，係裝置容積相當大，且原料氣體設備為相當大，執行臭氧利用處理之應用裝置的規模亦會大規模化。而且，由於臭氧產生裝置的電容量大，所以會變得難以確保具氧產生裝置用之供電電源。因此，無法以規模較大之臭氧產生裝置製作出在偏遠地區、離島容易使用之包含利用小規模的臭氧氣體之應用裝置之臭氧氣體利用系統。
而且，對於大型客船的水和貨櫃船、油輪等船舶的壓艙水，由於2004年度國際海事組織(IMO)的「壓艙水管理條約」生效，對於包含至2017年為止航行之船在內之全部的國際航海船舶賦予必須裝載進行水處理(殺菌、滅菌、除菌)以將所使用之水和壓艙水中的生物數目降低至一定數目以下之裝置的義務，所以利用臭氧氣體之小規模的水處理裝置之需求提高。然而，大型客船的水和貨櫃船、油輪的壓艙水之水處理等中，無法充分地實現採用小型臭氧產生裝置之水處理裝置。
再者，利用臭氧氣體之以往的應用裝置，係使用由氧氣中含有1%(10000ppm)左右的氮之大型的放電式臭氧產生裝置所產生之臭氧氣體。亦即，以往的應用裝置，於臭氧產生時，因放電而產生相當於氮添加量的數%至數十%左右之數十ppm至數百ppm左右的二氧化氮與一氧化氮等NOx，由於利用含有NOx氣體之臭氧氣體，所以有去除高環境負荷之NOx的對策不充分之問題。
近年來，由工廠事業活動和汽車所排放之環境負荷物質，以被視為地球暖化的原因之溫室效應氣體(GHG：Greenhouse Gas)為首，硫氧化物(SOx)、煤塵、揮發性有機化合物(VOC：Volatile Organic Compound)及氮氧化物(NOx)的排放量削減變得更重要，對於臭氧產生裝置，亦期望成為降低臭氧氣體所含有之NOx量之裝置。
本發明係以提供解決上述問題，並實現系統的結構的小型化之目的，且達到更理想之臭氧氣體所含有之NOx量的降低化(環境改善目的)之臭氧氣體利用系統為目的，而以下述2項目的(發明)為主。
本發明之臭氧氣體利用系統，係具備：供給含有氧氣之原料氣體之原料氣體供給裝置，從前述原料氣體產生臭氧氣體之臭氧產生裝置，以及利用前述臭氧氣體來執行從臭氧處理前物質得到臭氧處理後物質之臭氧利用處理之應用裝置；前述臭氧產生裝置包含：產生供給高頻電壓之反相器電源，將前述供給高頻電壓升壓而得到升壓 高頻電壓之共振型變壓器部，以及將從前述共振型變壓器部所接受之前述升壓高頻電壓接受作為運作電壓，而從前述原料氣體產生200g/m3以上的臭氧濃度之前述臭氧氣體之臭氧氣體產生器；前述應用裝置係在0.2MPa以上的壓力環境下接受前述臭氧氣體。
本發明之臭氧氣體利用系統中，應用裝置是以200g/m3以上之相對較高的臭氧濃度來接受臭氧氣體，故可使臭氧氣體供給量本身降低而達到裝置結構的小型化。
此外，應用裝置是在0.2MPa以上的壓力環境下從臭氧產生裝置接受臭氧氣體，故可提升臭氧利用處理之處理能力。
由以下的詳細說明與所附圖式，可進一步了解本發明之目的、特徵、態樣及優點。
11‧‧‧臭氧產生器
12‧‧‧轉換器/反相器部
13‧‧‧負載共振型高頻升壓變壓器
20a‧‧‧藥品摻合槽
20b‧‧‧凝聚沉澱槽
21‧‧‧臭氧氣體處理反應器
22‧‧‧臭氧處理物質/蓄積部
22B‧‧‧壓載艙
23‧‧‧活性碳吸附處理槽
24‧‧‧砂過濾槽
25‧‧‧壓艙水取入口
26‧‧‧壓艙水排水口
27a、27b、27c、27d、27e、27f‧‧‧操作閥
28‧‧‧壓艙水用泵
32‧‧‧氧PSA裝置
33‧‧‧高純度氣體精製器
40a‧‧‧再生能源發電單元部
40b‧‧‧發電電調控部
41‧‧‧太陽能電池模組陣列
42‧‧‧電保護盒
43‧‧‧蓄電器
44‧‧‧集電盤
45‧‧‧功率轉換器
5‧‧‧船舶
61‧‧‧高純度氧氣
62‧‧‧臭氧氣體
63‧‧‧排臭氧氣體
64‧‧‧處理完畢氣體
69‧‧‧風
70‧‧‧供給電源
81‧‧‧臭氧濃度檢測器
82‧‧‧感測器
90‧‧‧處理源水
90a‧‧‧中和劑藥品
91‧‧‧臭氧處理前物質
92‧‧‧臭氧處理後物質
93‧‧‧活性碳處理水
94‧‧‧砂過濾處理水
95‧‧‧完全處理水
100‧‧‧臭氧產生裝置
120‧‧‧反相器電源裝置
131‧‧‧變壓器芯
131b‧‧‧下端部
131c‧‧‧中心端
131t‧‧‧上端部
132‧‧‧變壓器模製線圈
133‧‧‧變壓器間隙間隔件
134‧‧‧變壓器夾持板
135‧‧‧導電體/磁性屏蔽罩
136‧‧‧空孔
137‧‧‧風扇
200‧‧‧應用裝置
300‧‧‧原料氣體精製裝置
400‧‧‧電源供給裝置
500‧‧‧排臭氧分解裝置
610‧‧‧原料氣體
631‧‧‧閥
1200‧‧‧高電壓交流電源
2101‧‧‧高壓電極
2102‧‧‧低壓電極
2103‧‧‧電介質
2104a‧‧‧非導體絕緣體膜
2104b‧‧‧光觸媒絕緣膜
2105‧‧‧放電空間
P1‧‧‧臭氧氣體壓力
P2‧‧‧排壓
SA‧‧‧輸出訊號
SB‧‧‧臭氧濃度訊號
v1、v2‧‧‧初級捲線
第1圖係顯示本發明的實施形態之臭氧氣體利用系統的結構之說明圖。
第2圖係顯示實施形態之臭氧氣體利用系統的效果之圖表。
第3圖係顯示第1圖所示之臭氧產生裝置的內部結構之說明圖。
第4圖係顯示第3圖所示之負載共振型高頻升壓變壓 器之詳細內部構造之說明圖(之1)。
第5圖係顯示第3圖所示之負載共振型高頻升壓變壓器之詳細內部構造之說明圖(之2)。
第6圖係顯示第1圖所示之應用裝置中之臭氧氣體處理反應器的詳細結構之說明圖。
第7圖係顯示第1圖所示之原料氣體精製裝置的詳細內容之說明圖。
第8圖係顯示將第1圖所示之電源供給裝置作為再生能源發電裝置之結構例之說明圖。
第9圖係顯示臭氧氣體利用系統之第1變形例的結構之方塊圖。
第10圖係顯示臭氧氣體利用系統之第2變形例的結構之方塊圖。
第11圖為示意性地顯示臭氧產生器的電極結構與臭氧濃度檢測器之試驗結構之說明圖(之1)。
第12圖為示意性地顯示臭氧產生器的電極結構與臭氧濃度檢測器之試驗結構之說明圖(之2)。
第13圖係顯示於以非導體絕緣體膜構成放電面材料之試驗用臭氧產生器I(第11圖)中的臭氧濃度產生上升特性之圖表。
第14圖係顯示於以光觸媒絕緣膜構成放電面材料之試驗用臭氧產生器II(第12圖)中之高純度氧氣的臭氧濃度產生上升特性等之圖表。
〈實施形態〉
(基本結構)
第1圖係顯示本發明的實施形態之臭氧氣體利用系統的結構之說明圖。第2圖係顯示實施形態1之臭氧氣體利用系統的效果之圖表，具體而言，係顯示注入臭氧產生裝置100與應用裝置200之間的臭氧濃度與臭氧的水淨化能力之關係之圖表。第3圖係顯示實施形態1之臭氧氣體利用系統中所使用之臭氧產生裝置100的內部結構之說明圖。第4圖及第5圖係顯示第3圖所示之負載共振型高頻升壓變壓器13之詳細內部構造之說明圖，第5圖顯示變壓器模製線圈132的構造，第4圖顯示將變壓器模製線圈132除外之構造。
第1圖所示之臭氧產生裝置100，係將後述所說明之臭氧產生器內的放電面材質為特定的光觸媒材質，而能夠產生不含NOx氣體之高濃度臭氧氣體之無氮臭氧產生裝置。亦即，無氮臭氧產生裝置係即使使用不添加氮之氧氣或99.99[%]以上的高純度氧氣作為原料氣體，亦可擷取高濃度的臭氧氣體之小規模的臭氧產生裝置。
如第1圖所示，實施形態1之臭氧氣體利用系統包含：臭氧產生裝置100、應用裝置200、原料氣體精製裝置300、電源供給裝置400、排臭氧分解裝置500及臭氧裝置指示/狀態顯示部16作為主要結構部。
應用裝置200，係利用由臭氧產生裝置100 所產生之臭氧氣體62來進行臭氧利用處理。臭氧利用處理，為利用臭氧氣體而從臭氧處理前物質91得到臭氧處理後物質92之處理。
原料氣體精製裝置300，為將純度99.99[%]以上的氧氣作為原料氣體供給至臭氧產生裝置100之原料供給系的裝置。
電源供給裝置400，係將成為臭氧產生裝置100的運作電源之供給電源70供給至臭氧產生裝置100。
排臭氧分解裝置500，係接受經應用裝置200的臭氧利用處理利用後所排出之排臭氧氣體63，並對排臭氧氣體63進行分解處理而得到處理完畢氣體64之裝置。
如第1圖所示，臭氧產生裝置100係包含臭氧產生器11、反相器電源裝置120及負載共振型高頻升壓變壓器13作為主要結構部。反相器電源裝置120為對臭氧產生器11進行高頻電壓的電調控之裝置，係包含作為主電源結構的轉換器/反相器部12、以及調控轉換器/反相器部12所供給之高頻電壓71(供給高頻電壓)之調控電路部14而構成。
由反相器電源裝置120的轉換器/反相器部12所產生之高頻電壓71，係經負載共振型高頻升壓變壓器13升壓而作為升壓高頻電壓72賦予至臭氧產生器11。因此，臭氧產生器11係以升壓高頻電壓72作為運作電壓來進行臭氧氣體產生處理，而可從原料氣體的高純度氧氣61產生臭氧氣體62。又，臭氧裝置指示/狀態顯示部16係進 行調控電路部14之調控內容的指示、調控狀態的顯示及監視。
應用裝置200係包含臭氧氣體處理反應器21、臭氧濃度檢測器81、感測器82及臭氧處理物質/蓄積部22作為主要結構部。
臭氧氣體處理反應器21，係從臭氧產生裝置100接受臭氧氣體62，並對作為臭氧處理前物質91之處理水使用臭氧氣體62，進行藉由臭氧之水淨化處理，而得到臭氧處理後物質92(臭氧處理水)。以此方式，臭氧氣體處理反應器21係執行作為臭氧利用處理的水淨化處理。
臭氧處理後物質92暫時蓄積於臭氧處理物質/蓄積部22，且最終成為活性碳處理水93而輸出。臭氧濃度檢測器81係檢測臭氧氣體62的濃度，感測器82係檢測臭氧處理後物質92的狀態。
得到第2圖的結果時，係設定成在將對作為臭氧處理前物質91的處理水之臭氧注入率設為3mg/L的一定條件下，可將臭氧氣體處理反應器21所具有之處理槽內的處理水與臭氧接觸之時間的臭氧接觸時間(臭氧滯留時間)確保為10分鐘之處理槽體積。第2圖係顯示在上述設定下，從以往的臭氧產生裝置以及實施形態1的臭氧產生裝置100所分別注入之臭氧濃度(特性c1000、特性c2000)與伴隨於此之藉由臭氧的水淨化能力(特性w1000、特性w2000)之比較結果。
第2圖中，橫軸設為從臭氧產生裝置所供給 之臭氧氣體的注入流量(L/分鐘)，縱軸顯示使用臭氧氣體處理反應器21所具有之處理槽而進行之藉由臭氧的水處理能力(m3/日)、與注入臭氧濃度(g/m3)。
注入臭氧濃度特性c1000係顯示以往的臭氧產生裝置中之相對於臭氧氣體流量之注入臭氧濃度特性，注入臭氧濃度特性c2000係顯示本實施形態之臭氧產生裝置100中之相對於臭氧氣體流量之注入臭氧濃度特性。
而且，水淨化能力特性w1000係顯示對於由以往的臭氧產生裝置所供給之臭氧氣體(臭氧氣體流量)之以往的應用裝置之水淨化能力特性，水淨化能力特性w2000係顯示對於由無氮臭氧產生裝置100所供給之臭氧氣體(臭氧氣體流量)之應用裝置200之水淨化能力特性。
如此，第2圖係顯示對於供給至應用裝置之來自臭氧產生器的臭氧化氣體注入氣體流量之水淨化能力的特性之圖表。
第2圖中，注入臭氧濃度特性c1000係顯示於以往的臭氧產生裝置的臭氧注入濃度，以往的臭氧產生裝置中，臭氧濃度通常顯示出對應於注入臭氧氣體流量而濃度從180g/m3下降至120g/m3之特性。
相對於此，本實施形態之臭氧產生裝置100，相對於注入臭氧氣體流量，能夠從低流量下接近於臭氧濃度約400g/m3之值至在大流量區域下(氣體流量約65SLM(Standard Liter/Min))供給約200g/m3左右的臭氧注入濃度。在相同的設定條件下將臭氧氣體處理反應器21 與以往裝置進行比較時，就水的淨化能力特性而言，相較於水淨化能力特性w1000，係可提升至水淨化能力特性w2000。
亦即，在一定條件下比較使用臭氧之水的淨化能力時，本實施形態之臭氧產生裝置100中，臭氧氣體流量係變得較小，同時臭氧產生器11所需之電力量亦可降低。再者，當將處理槽容積設計成臭氧滯留於臭氧氣體處理反應器21之時間固定為一定值(例如10分鐘)時，能因應臭氧氣體注入流量的降低而使處理槽容積亦降低。
第2圖中，作為一例，係將水的淨化能力設為3000m3/日，就以往的臭氧產生器而言，須達PA點之48L/分鐘的臭氧氣體流量。相對於此，使用本實施形態之臭氧產生裝置100(臭氧產生器11)時，因就臭氧產生效率而言係具有較以往的臭氧產生器高的能力，所以可達PB點之21L/分鐘，以相較於以往約44%的臭氧氣體流量即為充足，因此還可以投入於臭氧產生器11之電力。再者，如前述般，若應用裝置200的臭氧氣體處理反應器21中之處理槽容積的淨化能力為一定，則只要降低臭氧氣體注入流量，便可成為較小的處理槽容積。
如此，臭氧產生裝置100可將注入臭氧濃度特性c2000提高至較以往之臭氧產生裝置的注入臭氧濃度特性c1000更高，並達到臭氧產生裝置100用之電力的省電化、以及應用裝置200中之臭氧氣體處理反應器21之處理槽容積的小型化。
(臭氧產生器11)
於第3圖至第5圖，係顯示達到臭氧產生裝置100的小型化之臭氧產生器11中之反相器電源裝置120與負載共振型高頻升壓變壓器13之詳細結構。
臭氧產生器11係使用適合於臭氧產生機制之放電面材料，藉此成為即使以不含氮氣之氧氣作為原料氣體亦可產生高濃度的臭氧氣體之無氮臭氧產生器。此外，產生電介質阻障放電之放電空間，係為了實現高電場放電而以0.4mm以下的間隙長度來實施短間隙化，同時，藉由裝設在第4圖中未圖示之用以冷卻放電面的水冷卻功能，可達到大幅地提升臭氧產生量，而成為可以高效率產生臭氧之高濃度臭氧產生器。因此，此臭氧產生器11相較於以往型式的臭氧產生器(圓筒型臭氧產生器)，係如上述般實現短間隙放電，並成為精心打造單元的水冷構造之平板單元的多段積層構造之臭氧產生器，藉此可以1/3左右的產生器容積將所擷取之臭氧濃度提高為2倍至3倍，並將供給至產生器之原料氣體量與注入之放電電力量降低至1/2至1/3，而成為小型的臭氧產生器。
而且，反相器電源裝置120可成為與以往臭氧產生器用電源之運作頻率的數kHz相比為約5倍的高頻化(十幾kHz以上，至少10kHz以上)，藉此可將施加於臭氧產生器11之電壓抑制為較低，同時降低設置在反相器電源裝置120的輸出部之負載共振型高頻升壓變壓器13之變 壓器芯131的磁通密度，藉此可縮小變壓器芯131的截面積，而可以較以往型式之臭氧產生器的變壓器更小之結構來實現負載共振型高頻升壓變壓器13。
負載共振型高頻升壓變壓器13的結構係如第4圖及第5圖所示。負載共振型高頻升壓變壓器13中，為了將高頻電壓71(供給高頻電壓)升壓而得到高頻升壓電壓(高頻高電壓)72，變壓器芯131係以可降低高頻渦電流損耗之非晶質磁性體或鐵氧體芯(ferrite core)磁性體材料作為變壓器的磁性體結構(磁芯)。
如第4圖所示，磁芯係藉由中於截面形狀呈E型之一對變壓器芯131之間隔介插入變壓器間隙間隔件133而形成磁路長度。另一方面，如第5圖所示，變壓器模製線圈132係於成為初級線圈之初級捲線(v1)上重疊捲繞成為次級線圈之次級捲線，然後藉由經一體化之模製樹脂來固定並以絕緣樹脂被覆線圈間的空間，藉此以不會因各線圈間的高頻電壓而引起高頻放電之方式採行絕緣對策，而構成為經一體化之高頻用的變壓器模製線圈。將此經模製化之1個高頻用變壓器模製線圈132裝設於第4圖之以一對變壓器芯131形成之磁路長度內部，藉此形成高頻升壓用的變壓器本體。亦即，變壓器本體係由變壓器芯131、變壓器模製線圈132及變壓器間隙間隔件133的組合構造所構成。
再者，此變壓器本體中，在以轉換器/反相器部12所調控之高頻運作頻率f下，臭氧產生器11的負載 電容C0與高頻升壓用的變壓器本體本身所具有之勵磁電感(magnetizing inductance)Lb成為共振狀態，藉此復於變壓器本體附加改善負載的功率因數之功能。如此，藉由使負載共振型高頻升壓變壓器13成為多功能化的變壓器，可不需另外設置共振用電抗器，而僅以極小結構的負載共振型高頻升壓變壓器13便實現共振化功能及高頻高電壓化功能。
此具有多功能之負載共振型高頻升壓變壓器13因係與負載共振，故為了調整至相較於以往市售之僅有一般的升壓變壓器功能之勵磁電感為更小的勵磁電感Lb，係能夠於一對變壓器芯131間中隔介插入變壓器間隙間隔件133。此外，一對變壓器夾持板134，係用以將變壓器芯131及變壓器模製線圈132從第4圖中左右方向的兩側支撐固定而設置，並以螺栓固定一對變壓器夾持板134間，藉此，變壓器芯131及變壓器模製線圈132係穩定性良好地被固定在一對變壓器夾持板134、134的內部。
再者，將變壓器本體的發熱損耗進行風冷用之變壓器冷卻空孔136的空間係設置在第4圖的上下方向兩側，藉由使冷卻用的風69流通於變壓器本體的周圍，而冷卻變壓器本體的發熱。從設置於構成臭氧產生裝置100的金屬殼體之單元面(未圖示)之狹縫中吸入風69，使風69流通於變壓器冷卻空孔136，並以風扇137進行排氣，而藉由風冷對變壓器本體(變壓器芯131、變壓器模製線圈132及變壓器間隙間隔件133)進行冷卻。
然後，由於此負載共振型高頻升壓變壓器13設置有變壓器間隙間隔件133，所以在由變壓器間隙間隔件133所形成之空間部分有磁通的一部分洩漏至空間之洩漏磁通。此洩漏磁通係交鏈於臭氧產生裝置100的殼體，故渦電流於殼體100內流動而產生殼體發熱。為了防止此殼體發熱，係確保變壓器冷卻空孔136，同時在變壓器芯131周圍之圖中的上下方向以金屬製的導電體/磁性屏蔽罩135來被覆而構成。
接著參考第1圖，說明具有臭氧產生裝置100與應用裝置200之臭氧氣體利用系統的運作。臭氧產生裝置100通常是採用市售的氧氣瓶作為原料氣體供給源。然而，利用臭氧氣體作為偏遠地區和離島之利用臭氧氣體之處理裝置(應用裝置)、大型客船之供排水的水處理、貨櫃船、油輪等之壓艙水的水處理時，難以更換市售的氧氣瓶。
因此，在此的一實施例中，為了以無氮臭氧產生裝置來說明臭氧產生裝置100，成為原料氣體供給源之原料氣體精製裝置300如於後所詳述般，係採用組合有小型化的氧供給源(氧製造裝置)與從氧氣中去除氮之氧精製器之構成。
小型化的氧供給源，可考慮例如從空氣中濃縮出氧氣之氧PSA(Pressure Swing Adsorption：變壓吸附)方式和從海水、河川的水中分解並擷取氧氣之小規模的氧產生器。去除氧源中的氮量等而高純度化之氧精製器，可考慮觸媒式的小型常溫吸附式產生裝置。然後，臭氧產生 裝置100係將臭氧氣體的吐出壓力設為0.2MPa以上，並在0.2MPa以上的壓力環境下產生臭氧濃度為200g/m3以上的高濃度臭氧。
作為原料氣體精製裝置300，雖係顯示組合有氧供給源(氧製造裝置)與從氧氣中去除氮量之氧精製器之構造，惟臭氧產生裝置100即使僅以氧供給源(氧製造裝置)亦可產生所需的臭氧氣體。
而且，臭氧產生裝置100的電源供給裝置400通常是採用商用交流電源。然而，需考量到於偏遠地區或離島之利用臭氧氣體之處理裝置(應用裝置)，利用臭氧氣體作為大型客船之供排水的水處理和貨櫃船、油輪等之壓艙水的水處理之情形。
此時，電源供給裝置400可考慮由利用可發電數百W以上之小規模電源裝置之來自太陽光、風力、地熱、水力、潮汐、生質能發電的小規模可再生能源(再生能源發電)來供給電力之結構。若使用可再生能源來構成電源供給裝置400，則即使是在偏遠地區、離島、或船舶等場所，亦可容易地使利用臭氧氣體進行小規模的水處理等之應用裝置200運轉，而能夠有效地利用。而且，臭氧產生裝置100可實現亦能夠降低成為環境負荷之NOx氣體的排出之小規模的臭氧氣體利用系統。再者，藉由利用再生能源發電作為電源供給裝置400，從能源的「在地生產在地消費」方面來看係可有效地利用，藉由在應用裝置中執行污染水處理、紅潮處理、殺菌處理等作為臭氧利用處理， 可利用實施形態1之臭氧氣體利用系統作為適合於各地區之環境改善系統。
關於臭氧產生裝置100的小型化，可選用對於放電面的臭氧產生為良好之材料，同時於臭氧產生器11內使放電空間的間隙長成為0.2mm以下的短間隙，藉此提升臭氧產生量(產生效率)，形成較薄的具有以水冷進行冷卻的功能(未圖示)之電極，並將以電極、電介質所形成之薄型放電單元作成多段積層構造，藉此實現以極為小型化的裝置結構產生無氮的臭氧。
而且，第3圖所示之負載共振型高頻升壓變壓器13，係藉由反相器電源裝置120的轉換器/反相器部12將來自電源供給裝置400的電力供給產生為高頻化至數十kHz之高頻電壓71，並將藉由負載共振型高頻升壓變壓器13所升壓之高頻高電壓的升壓高頻電壓72施加於臭氧產生器11。
藉由施加數十kHz之高頻的升壓高頻電壓72，可降低用以將既定放電電力Wd投入於臭氧產生器11而需由反相器電源裝置120輸出的高頻電壓71的電壓值Vd，同時藉由將供給至負載共振型高頻升壓變壓器13之電壓設為更高頻率f，可與頻率呈比例地降低變壓器芯131內的磁通密度，並縮小變壓器芯131的截面積，所以可使變壓器本體本身的容積小型化。
而且，臭氧產生器11的負載，由於是以形成為短間隙放電空間之臭氧產生器單元所構成，所以負載阻 抗是由電容負載佔大部分，而成為負載功率因數相當低(約數十%以下)之負載。因此，相對於所投入之有效電力的負載電容(kVA)增大，而需因應負載電容使變壓器本體本身達到大型化。為了防止因應此負載電容之變壓器本體的大型化，係構成為具有使在臭氧產生器11的負載電容C0與負載共振型高頻升壓變壓器13本身所具有之勵磁電感Lb共振的功能之多功能型的負載共振型高頻升壓變壓器13。
藉由使負載共振型高頻升壓變壓器13為多功能型，可以變壓器本體回收負載的無效電力，且可以具有幾乎僅為有效電力量之電力傳達功能之方式製作變壓器本體本身，所以此多功能型的負載共振型高頻升壓變壓器13可成為相當地小型化之構造。
又，作為因負載功率因數很低(約數十%以下)所產生之相對於投入電力之臭氧產生器11的負載電容(kVA)增大之對策，以往係採用於變壓器的負載側設置共振用電抗器，並使此共振用電抗器與臭氧產生器11的負載電容C0共振之方式，但由於共振用電抗器本身會變大或在變壓器以外亦設置共振電抗器，而需使用2個變壓器。
但是，本實施形態之臭氧產生裝置100中，負載共振型高頻升壓變壓器13如上述所示般是以多功能型來構成，故可僅藉由具有負載側變壓器的功能與共振功能之負載共振型高頻升壓變壓器13來達成臭氧電源功能，藉此可構成構造非常小的負載共振型高頻升壓變壓器13，就結果而言係可實現小型的臭氧產生器11。
小型化之負載共振型高頻升壓變壓器13，另有需解決之問題。亦即，在數十kHz之高頻運作頻率下，為了使變壓器本體的勵磁電感Lb成為與負載電容C0共振者，需在變壓器芯131的磁通形成路徑上設置變壓器間隙間隔件133，所以在由變壓器間隙間隔件133所形成之空間部分中有磁通的一部分洩漏至空間之問題。
當此洩漏磁通交鏈於臭氧產生裝置100的殼體時，於殼體100內產生渦電流發熱(渦電流損耗)。因此，為了將此渦電流發熱抑制為較少，將所設置之負載共振型高頻升壓變壓器13周圍的空間隔出約40mm以上的間隔，可弱化洩漏磁通與殼體交鏈之磁通。然而，不得不將臭氧產生裝置100的殼體作成變壓器13周圍的空間具有約40mm以上的間隔者，而有臭氧產生裝置100本身的殼體變大之問題。
為了解決此問題，負載共振型高頻升壓變壓器13係以電阻率非常低之鋁材或銅材等金屬製的導電體/磁性屏蔽罩135被覆變壓器芯131周圍而構成。因此，藉由導電體/磁性屏蔽罩135的存在，使來自變壓器間隙間隔件133的洩漏磁通與導電體/磁性屏蔽罩135交鏈，並能將導電體/磁性屏蔽罩135內所產生之渦電流損耗抑制為非常小，而能夠弱化從導電體/磁性屏蔽罩135往外部洩漏之磁通。如此，藉由設置導電體/磁性屏蔽罩135，可遮蔽因洩漏磁通所造成之發熱、磁性，所以臭氧產生裝置100(臭氧產生器11)本身亦可達到小型化。
接著，參照第4圖及第5圖，說明具有多功能且實現小型化之負載共振型高頻升壓變壓器13的內部結構。
負載共振型高頻升壓變壓器13，其構造係將高頻電壓71從反相器電源裝置120供給至變壓器模製線圈132之初級線圈的v1-v2間，並將因應臭氧產生器11的負載而升壓至高電壓之運作頻率f的升壓高頻電壓72輸出至次級線圈的HV-LV之間。
因此，負載共振型高頻升壓變壓器13如第4圖及第5圖所示，係將2個E型磁性體的變壓器芯131、變壓器間隙間隔件133、與重疊捲繞初級線圈及次級線圈而呈一體化之高頻用的變壓器模製線圈132作為變壓器本體。
具體而言，於一對變壓器芯131、131間，將變壓器間隙間隔件133分別夾入於上端部131t、131t間、中心端131c、131c間、下端部131b、131b間且使密著，並以中心端131c為中心，將初級線圈及次級線圈捲繞於中心端131c、上端部131t間以及中心端131c、下端部131b間的線圈形成空間，藉此構成由變壓器芯131、變壓器模製線圈132及變壓器間隙間隔件133所成之變壓器本體。亦即，係能藉由使變壓器模製線圈132嵌入於一對E型變壓器芯131的內部而形成變壓器本體。
然後，以從第4圖的左右方向兩側壓制一對變壓器芯131的側面之方式設置一對變壓器夾持板134， 並以未圖示的螺栓來固定一對變壓器夾持板134、134間。該結果係可於一對變壓器夾持板134、134間固定變壓器本體(變壓器芯131、變壓器模製線圈132及變壓器間隙間隔件133)。
再者，確保在從第4圖的上下方向兩側與變壓器本體之間的變壓器冷卻空孔136，同時將防止因來自變壓器本體的洩漏磁通造成之渦電流發熱現象之導電體/磁性屏蔽罩135固定在變壓器夾持板134。
負載共振型高頻升壓變壓器13，係在高頻運作頻率f下，使臭氧產生器11的負載電容C0與變壓器本體所具有之勵磁電感Lb之間共振，而可進行負載之低功率因數的功率因數改善。因此，為了使對應於負載電容C0之變壓器本體的勵磁電感Lb配合於共振電感值而設置變壓器間隙間隔件133，該間隔件厚度約為1mm至5mm的範圍，並以在與負載電容C0之間使勵磁電感Lb成為共振電感值之方式來調整。
因此，在形成此變壓器本體之變壓器間隙間隔件133的周圍，係產生變壓器芯131的閉迴路之磁通的一部分洩漏之磁通洩漏現象。由於此磁通洩漏所造成之渦電流發熱現象，若在相距變壓器本體40mm以內存在有構成無氮臭氧產生裝置100的容納殼體之金屬性的單元面，則會由於此洩漏磁通在單元面內產生之渦電流導致焦耳發熱，而使容納殼體本身被加熱。
作為用以防止此種臭氧產生裝置100於容納 殼體之單元面的發熱之對策，係在形成變壓器本體之變壓器間隙間隔件133的周圍，於圖中上下方設置具有導電性之金屬性的導電體/磁性屏蔽罩135。
如此，由於導電體/磁性屏蔽罩135係設置在變壓器模製線圈132的周圍，所以從變壓器芯131之變壓器間隙間隔件133的形成部分所洩漏之洩漏磁通於導電體/磁性屏蔽罩135產生交鏈。因此，渦電流雖於導電體/磁性屏蔽罩135內流動，但藉由以鋁、銅等導電率非常高的材料來構成導電體/磁性屏蔽罩135，可使該渦電流所造成之焦耳發熱變得極小，亦可使導電體/磁性屏蔽罩135本身的發熱極度地降低。再者，即使使構成臭氧產生裝置100的容納殼體之金屬性的單元面接近變壓器本體至相距數mm左右，仍可藉由導電體/磁性屏蔽罩135的存在而不使該單元面發熱。
換言之，藉由使從變壓器本體所洩漏之磁通於導電體/磁性屏蔽罩135內作為渦電流而流通，可極度地弱化通過導電體/磁性屏蔽罩135所洩漏之磁通密度。其結果為，導電體/磁性屏蔽罩135不僅可間接性地防止因洩漏磁通現象所造成之發熱，還可發揮某種程度的磁性遮蔽效果。
再者，負載共振型高頻升壓變壓器13本身，由於往負載側傳達之電力的數%左右係成為變壓器模製線圈132的銅損耗、變壓器芯131的鐵損耗而發熱，故在未冷卻變壓器本體本身而放置時，會由於變壓器本體的熱容 量而成為高溫。因此，需以既定風量使風流通於變壓器本體的周圍，並以風冷來冷卻變壓器本體本身之數%的發熱量。因此，藉由在導電體/磁性屏蔽罩135與變壓器本體之間設置變壓器冷卻空孔136，並使冷卻用的風69流通於變壓器冷卻空孔136，可進行適當之變壓器本體的風冷。
於第4圖所示之構造中，係於導電體/磁性屏蔽罩135設置用以確保變壓器冷卻空孔136之缺口部分之結構，惟亦可並非設置導電體/磁性屏蔽罩135，而係設置在變壓器夾持板134面設置缺口等相當於變壓器冷卻空孔136之空間的冷卻構造。而且，本實施形態中係顯示以風冷來冷卻負載共振型高頻升壓變壓器13本身之型式之小型且多功能型的負載共振型高頻升壓變壓器13，但是以水冷或使冷媒流通來冷卻變壓器夾持板134的面等亦可實現幾乎同等之小型的負載共振型高頻升壓變壓器13，結果係可實現小型化的臭氧產生器11。
而且，於第4圖及第5圖所示之負載共振型高頻升壓變壓器13中，係顯示在重疊捲繞有初級線圈及次級線圈之變壓器模製線圈132與E型的變壓器芯131內部內藏有變壓器模製線圈132之外鐵芯(芯(core))型的變壓器本體，但即使形成為分開初級線圈的模製線圈與次級線圈的模製線圈，並於U型芯的兩芯上分別分離設置初級線圈的模製線圈及次級線圈的模製線圈之內鐵芯(芯)型的變壓器，亦具有同樣的效果。
將外鐵芯型的變壓器本體與內鐵芯型式的變 壓器本體進行比較時，為外鐵芯型的變壓器本體者，構成變壓器本體之變壓器模製線圈132為1個，藉此可得到小型化的變壓器本體，且具有容易以上述風冷來冷卻變壓器芯131的發熱之優點，故為較佳。
如此，本實施形態之臭氧產生裝置100中，反相器電源裝置120產生至少10kHz以上的高頻電壓71，為共振型變壓器部之負載共振型高頻升壓變壓器13，具有從高頻電壓71得到升壓高頻電壓72之變壓器本體(變壓器芯131、變壓器模製線圈132及變壓器間隙間隔件133)。
藉由將高頻電壓71及升壓高頻電壓72設定為高頻，可分別使反相器電源裝置120及負載共振型高頻升壓變壓器13達到小型化，所以可使臭氧產生裝置100內之臭氧產生器11中的裝置結構達到小型化。
再者，負載共振型高頻升壓變壓器13中，由於增大空間部分，所以與通常的變壓器相比，洩漏磁通增大。
因此，以在與變壓器本體之間確保作為冷卻空間之變壓器冷卻空孔136，並且在負載共振型高頻升壓變壓器13的外部不會產生因變壓器本體的上述磁通洩漏所造成之渦電流發熱現象之方式，設置被覆變壓器本體之金屬製的遮罩構件之導電體/磁性屏蔽罩135，而成為抑制來自變壓器的洩漏磁通之遮蔽體。
如此，負載共振型高頻升壓變壓器13因為具有導電體/磁性屏蔽罩135，故即使達成小型化，亦可有 效地抑制包含渦電流發熱之磁通洩漏現象對外部的影響。
再者，確保變壓器冷卻空孔136並設置導電體/磁性屏蔽罩135，並使風69流通於變壓器冷卻空孔136，藉此亦可有效地冷卻去除變壓器本體本身的發熱。
一般經常採用之臭氧產生器，係使用乾燥空氣源、非高純度氧的一般氧氣源、或於氧氣添加有微量的氮氣者，為利用電介質阻障放電或沿面放電等之圓筒型的臭氧產生器。因此，當原料氣體為乾燥空氣源時，亦含有75%(750000ppm)的氮，與以氧氣作為原料氣體之臭氧產生器相比，就臭氧產生量而言只具有約1/4以下的能力。在使用乾燥空氣源作為原料氣體之圓筒型的臭氧產生器中，由於含有多量的氮氣，所以輸出之臭氧濃度亦低，通常為數十g/m3左右，為了得到期望的臭氧產生量，不僅臭氧產生器變大，供給至臭氧產生器之電力量、原料氣體量亦有增大之傾向，利用臭氧氣體來執行臭氧利用處理之應用裝置的裝置結構亦較大。
而且，原料氣體構為非高純度氧的一般氧氣源時，於氧氣中含有微量的氮氣，通常於原料氣體中含有0.1%(1000ppm)至1%(10000pm)的氮氣。
藉由吾等的試驗來進行測定，結果係接受相對於氧氣含有1%氮氣之原料氣體，藉由電介質阻障放電產生數十PPM至數百PPM的NOx氣體，可謂此微量的NOx氣體與電介質阻障放電之化學反應之結果係可產生高濃度的臭氧。換言之，即可得知當以使用相對於氧氣含有 1%的氮氣之原料氣體之臭氧產生器來產生高濃度的臭氧時，因放電的電場強度，例如於150g/m3(70000PPM)的高濃度臭氧氣體中亦會產生數十PPM至數百PPM的NOx氣體。此係意味著在從相對於氧氣含有1%的氮氣之原料氣體來產生高濃度臭氧氣體時，會輸出必然含有濃度為數十PPM至數百PPM的NOx之所謂使環境負荷變高的NOx氣體之臭氧氣體。
利用此種臭氧氣體之應用裝置，可有效地執行臭氧利用處理，且處理效果充分，但相反地，亦從臭氧產生裝置產生NOx濃度數百PPM之氣體，此副產物之NOx氣體被適用在高環境負荷物質，亦難以進行分解處理，會混入於臭氧處理後物質、作為排放臭氧被排出至大氣。而且，所產生之NOx濃度數十PPM至數百PPM的氣體係與水分進行鍵結反應而成為硝酸(HNO3)。此硝酸(HNO3)會促進金屬的腐蝕，而可設想其可能使應用裝置的壽命縮短、當臭氧利用處理為水洗淨處理時使經處理之水在衛生方面的問題變嚴重。
關於實現抑制NOx產生之環境負荷小之無氮的臭氧產生，第1前提為採用不含氮氣之高純度氧氣作為原料氣體。
通常，一般所使用之臭氧產生裝置，是以含有約1%左右(10000PPM左右)以上的氮氣為前提，以不含氮氣之氧氣無法產生高濃度的臭氧氣體。因此，非不產生NOx並確保預定量的臭氧產生量之臭氧產生器。
因此，本實施形態所使用之臭氧產生裝置100中，是藉由以特定的光觸媒材料作為臭氧產生器內的放電面材料，而可從不含氮氣之氧氣中產生臭氧氣體，尤其是可產生高濃度的臭氧氣體，故對於實現環境負荷小之利用臭氧氣體之臭氧氣體利用系統而言為不可或缺。
再者，供給至通常所使用之執行水淨化處理來作為臭氧利用處理之應用裝置的臭氧氣體，由於供給壓力未達0.15MPa，臭氧濃度為數十g/m3至未達180g/m3，故難以製作較小的應用裝置(參考第2圖)。
(應用裝置200)
第6圖係顯示第1圖所示之應用裝置200中之臭氧氣體處理反應器21的詳細構成之說明圖。臭氧氣體處理反應器21係使用臭氧氣體執行水洗淨處理以作為臭氧利用處理。
臭氧處理前物質91之處理水係從臭氧氣體處理反應器21的下部被注入，對處理水執行水洗淨處理後，經水洗淨處理後之臭氧處理水作為臭氧處理後物質92從上部被排出。
於臭氧氣體處理反應器21的底部分設置將臭氧氣體維持在一定壓力P之臭氧空間，以臭氧產生裝置100產生之臭氧氣體被供給至該臭氧空間。於臭氧氣體處理反應器21的底部分開有細小的孔而成為釋氣管，所供給之臭氧氣體係作為無數個氣泡從該釋氣管而向臭氧氣體處 理反應器21內的水部分供給臭氧氣體，藉由氣泡內的臭氧氣體與處理水之接觸來執行水淨化處理(包含臭氧氧化化學處理及臭氧殺菌處理之處理)，藉此將作為臭氧處理前物質91之處理水淨化而得到臭氧處理後物質92。
通常，處理水與臭氧氣體之接觸時間Tmin(分鐘)，為了促進周圍的水與氣泡所含有之臭氧之氧化反應，就實用性而言，該反應大致為10分鐘即充足，因此，藉由臭氧氣體處理反應器21所進行之水洗淨處理的處理能力，取決於供給至處理水之臭氧注入量(mg/L)、臭氧氣體流量Q以及臭氧氣體處理反應器21的體積Vcm3。
以往之水洗淨處理用的臭氧產生器中，供給至臭氧氣體處理反應器21之供給壓力未達0.15MPa，且如第2圖的注入臭氧濃度特性c1000所示，臭氧濃度為120g/m3至未達180g/m3，但在本實施形態之臭氧產生裝置100中，因為係使用臭氧產生器11，所以可將臭氧濃度為200g/m3至400g/m3(參考注入臭氧濃度特性c2000)的高濃度臭氧氣體供給至臭氧氣體處理反應器21。
因此，供給既定量的臭氧氣體時，係產生可大幅減少臭氧氣體流量Q(例如從第2圖的PA點至PB點)之優點。因此，若減少臭氧氣體流量Q，則在將臭氧滯留時間固定在10分鐘時，可以將臭氧氣體處理反應器21(內部的處理槽用)的形成高度降低為較以往結構更低，同時亦可縮小截面積，所以具有縮小處理槽容積而使臭氧氣體處理反應器21達到更小型化及達到水淨化處理能力的提升 之優點。
而且，若可提高所供給之臭氧氣體壓力P1時，則只要以閥631來提高臭氧氣體處理反應器21的排壓P2，即可縮小處理水內的氣泡，產生更進一步提高臭氧氣體與處理水之接觸反應之效果，達到臭氧氣體處理反應器21之處理能力的提升，而可期待較第2圖所示之水淨化能力特性w2000更進一步的性能提升之效果。因此，理想係將臭氧氣體壓力P1設定在0.2MPa以上的壓力環境下。
如此，構成本實施形態之臭氧氣體利用系統之應用裝置200，由於以200g/m3以上之相對較高的臭氧濃度來接受臭氧氣體，所以臭氧氣體供給量本身縮小，而可達到裝置結構的小型化。
再者，應用裝置200由於係在0.2MPa以上之臭氧氣體壓力P1的環境下從臭氧產生裝置100接受臭氧氣體，所以可達到提升作為臭氧利用處理之水淨化處理的水淨化能力。
(原料氣體精製裝置300)
第7圖係顯示與臭氧產生裝置100組合使用之原料氣體精製裝置300的詳細內容之說明圖。通常，原料氣體的供給源是使用市售的氧氣瓶，但為了成為可利用於任意領域之臭氧氣體利用系統，理想係從大氣中的空氣或水製作出氧氣，並去除該氣體的水分、氮氣而構成。
如第7圖所示，原料氣體供給裝置之原料氣 體精製裝置300係顯示出組合有壓縮大氣的空氣並濃縮氧氣之氧PSA裝置32、以及將從氧PSA裝置32所得到之經濃縮的氧氣轉換為高純度氧氣之高純度氣體精製器33(氧精製器)之結構。氧PSA裝置32及高純度氣體精製器33，理想係分別採用在可能的範圍內容量盡可能的小者。
氧PSA裝置32係發揮從空氣中擷取氧氣之氧萃取裝置的功能，高純度氣體精製器33係發揮從氧PSA裝置32所擷取之氧氣進一步去除氧氣以外的微量雜質，而產生高純度氧氣之氧氣精製機的功能。
在此，係顯示從大氣中擷取氧氣之氧PSA裝置32作為氧萃取裝置，但亦可使用利用電解、觸媒作用而從水中萃取出氧氣之氧氣製造裝置來取代氧PSA裝置32。亦即，氧氣製造裝置係發揮作為從水中擷取氧氣之氧萃取裝置的功能。
如此，本實施形態之臭氧氣體利用系統所使用之作為原料氣體供給裝置的原料氣體精製裝置300，因為是以氧PSA裝置32及高純度氣體精製器33之組合來構成，所以不論利用領域為何皆可使用。
若可藉由小型的臭氧產生裝置100，以小流量的原料氣體而效率佳地產生臭氧(高濃度臭氧)氣體，則利用該臭氧氣體之應用裝置可達到小型化，且亦可使產生小流量之作為原料氣體的氧氣並精製該氧氣之原料氣體精製裝置300的裝置結構縮小，而可達成臭氧氣體利用系統整體的小型化。
本實施形態之臭氧氣體利用系統，係說明了為了利用環境負荷小之無NOx臭氧氣體而在原料氣體精製裝置300設置氮去除裝置之高純度氣體精製器33，並使用經小型化後之臭氧產生器11者，惟原料氣體精製裝置300亦可僅為氧PSA裝置32，或是與小型的臭氧產生器11之組合。
(高濃度臭氧氣體產生之機制的釐清)
以往已知藉由放電中的電子可得到某種程度的臭氧濃度，惟關於可產生超過100g/m3(46700ppm)的高濃度臭氧氣體之機制，於先前技術文獻中雖揭示有多種技術，但正確的機制查明可謂仍未完成。
因此，於吾等的試驗中，為了釐清可藉由放電來產生高濃度臭氧氣體之機制，係在將原料氣體物種、放電面狀態及放電面材質等之試驗條件設為變因下，針對對應於對第11圖及第12圖的電極與放電面材料構成(試驗用臭氧產生器I、II)的電極所施加之電壓[反相器輸出(INV.輸出)]而產生之臭氧濃度的上升回應性，如第13圖及第14圖測定而得知。其結果再次驗證專利文獻1至專利文獻7之揭示內容的正確性。又，關於詳細內容，係作為第13圖、第14圖之測定結果的說明而詳述於後。
第11圖及第12圖為示意性地顯示用以釐清可產生高濃度臭氧氣體之機制之由臭氧產生器的電極與放電面材料構成與臭氧濃度檢測器之試驗結構之說明圖。
第11圖係顯示以不會因放電光等而產生化學變化之非導體絕緣體膜2104a來構成產生器內的放電面材料之臭氧產生器的試驗結構，第12圖係顯示以藉由放電光等進行光吸收而使材料表面成為活化狀態之光觸媒絕緣膜2104b所構成之臭氧產生器的試驗結構。
第11圖及第12圖所示之Td(s)係顯示以從臭氧產生器至臭氧濃度檢測器81為止之氣體管路體積與試驗時的氣體流量Q所求取之臭氧濃度檢測延遲時間。將從輸出訊號(高電壓交流電壓)SA所檢測之高電壓的上升特性以第13圖、第14圖中的輸出訊號(高電壓交流電壓)特性A來顯示。因此，在探討對應於輸出訊號(高電壓交流電壓)之濃度上升回應B時，從以臭氧濃度檢測器81所測定之濃度上升回應特性B(t)扣除臭氧濃度檢測延遲時間Td(s)後之濃度上升回應特性B(t-Td)，係顯示出臭氧產生器本身的臭氧濃度上升回應特性。亦即，第11圖及第12圖所示之放電面材料結構的放電面狀態之臭氧產生器本身的臭氧濃度上升回應特性B(t-Td)、與因氣體物種及放電面材質的不同所造成之臭氧產生器本身的臭氧濃度上升回應特性B(t-Td)，係以第13圖的B1、B2、B3及第14圖的B10、B20、B30來顯示。
將供給至第11圖及第12圖的臭氧產生器之條件設定如以下所述時之特性，為第13圖及第14圖之特性。原料氣體分別以氣體流量1L/分鐘來流通，將注入於臭氧產生器之放電的輸出設為500W，並以對數時間軸將 經考量所注入之輸出訊號SA的上升回應性A與臭氧濃度檢測延遲時間Td(s)後之臭氧濃度上升特性B(t-Td)予以圖表化。順帶一提，以氣體流量1L/分鐘流通時，從臭氧產生器至以臭氧濃度檢測器81進行濃度檢測之臭氧濃度檢測延遲時間Td(s)為4.16(s)。
第13圖係顯示以非導體絕緣體膜2104a構成放電面材料之臭氧產生器(第11圖)的臭氧濃度產生上升特性的B1、B2、B3之圖表。
第14圖係顯示在以非導體絕緣體膜2104a構成放電面材料之臭氧產生器(第11圖)中，改變氣體物種時之臭氧濃度產生上升特性的B10、B20，與以光觸媒絕緣膜2104b構成放電面材料之臭氧產生器(第12圖)之臭氧濃度產生上升特性的B30之圖表。
試驗用臭氧產生器I如第11圖所示，高電位側(H.V)的電極是由高壓電極2101所構成，及放電面是由電介質2103所構成，低電位側(L.V)的電極是由低壓電極2102所構成，及放電面所構成非導體絕緣體膜2104a所構成。而且，互為相對之放電面的電介質2103、非導體絕緣體膜2104a之間係成為放電空間2105。
另一方面，試驗用臭氧產生器II如第12圖所示，高電位側(H.V)的電極是由高壓電極2101所構成，及放電面是由電介質2103所構成，低電位側(L.V)的電極是由低壓電極2102所構成，及放電面的光觸媒絕緣膜2104b是由所構成。而且，互為相對之放電面的電介質 2103、光觸媒絕緣膜2104b之間係成為放電空間2105。
分別顯示試驗用臭氧產生器I、II的結構之第11圖及第12圖中，高電壓交流電源1200係將交流電壓賦予至高壓電極2101、低壓電極2102間。因此，交流電壓係從高電壓交流電源1200經由電介質2103施加於高壓電極2101與低壓電極2102之間，藉此於放電空間2105形成電介質阻障放電。隨之，將原料氣體610供給至放電空間2105而產生臭氧氣體62，並輸出至外部。
於以管路從臭氧產生器經過既定長度之位置處設置臭氧濃度檢測器81，藉此臭氧濃度檢測器81檢測臭氧產生器內所產生之高濃度臭氧氣體62的濃度，並可檢測到高濃度臭氧氣體的上升回應性B而檢測作為臭氧濃度訊號SB。而且，係檢測從SA輸出用以產生臭氧之交流電壓之輸出訊號(高電壓交流電壓)作為輸出訊號A。將此輸出訊號A及臭氧濃度訊號SB讀取至能夠以毫秒等級來測定樣本時間之紀錄器，並嚴密地測量相對於輸出訊號A所產生之臭氧濃度訊號SB的濃度上升特性B。
因此，只要對應於從輸出訊號SA所檢測之輸出訊號(高電壓交流電壓)的階段回應訊號A，以所產生之臭氧濃度訊號SB來解析濃度上升回應特性B，則起因於臭氧產生之因素變得明確，而藉由探討模擬產生濃度的結果與實測結果，可釐清能夠產生高濃度臭氧之機制。
〈觀察高濃度臭氧氣體中之放電面的狀態與臭氧產生關係 之試驗結果〉
第13圖、第14圖中的特性A係顯示從輸出訊號SA所檢測之來自電源之施加電壓的上升特性(%)。
第13圖的特性B1，係顯示於試驗用臭氧產生器I(第11圖)中，在初期放電面使高純度氧氣(氧+0%氮氣)的原料氣體流通於試驗用臭氧產生器I，並施加上升特性A的電壓時之臭氧濃度上升特性(所謂初期放電面，為製作時之放電面，表示未曾進行過放電之初始的放電面)。
第13圖的特性B2，係顯示於試驗用臭氧產生器I(第11圖)中，在以於氧氣中添加有微量的氮氣(氧+500ppm氮氣)之氣體進行放電後之放電面，使高純度氧氣(氧+0%氮氣)的原料氣體流通於試驗用臭氧產生器I，並施加上升特性A的電壓時之臭氧濃度上升特性。
第13圖的特性B3，係顯示於試驗用臭氧產生器I(第11圖)中，在以高純度氧氣(氧+0%氮氣)的氣體進行數小時的放電後之放電面，再次使高純度氧氣(氧+0%氮氣)的原料氣體流通於試驗用臭氧產生器I，並施加上升特性A的電壓時之臭氧濃度上升特性。
如上述般，在放電面為非導體絕緣體膜2104a之試驗用臭氧產生器I中，將原料氣體設為高純度氧氣，並對產生器施加電壓以進行放電時，由於初期的放電面狀態，於放電約1000秒(約16.6分鐘)左右之期間雖有產生100g/m3至210g/m3的臭氧濃度之情形，但長時間使運轉而放電時，特性B1、B2係顯示出濃度降低，並趨近於特性 B3的飽和濃度值12g/m3之特性。亦即，經由實驗確認到，特性B1、B2之放電初期時的100g/m3至210g/m3左右的臭氧產生現象，顯示吸附於放電面之氣體因放電而被釋出，並在原料氣體的高純度氣體中混入有微量之吸附於放電面之氣體而產生臭氧，當持續約1000秒以上的放電，則從放電面所釋出之氧以外的吸附氣體的釋出消失，而成為特性B3所顯示之飽和濃度值12g/m3。亦即，可將特性B3所顯示之飽和濃度值12g/m3視為放電面為非導體絕緣體膜2104a時之臭氧產生能力。此濃度值12g/m3的臭氧產生，是以放電面所未賦予之效果來產生臭氧，此臭氧濃度12g/m3(臭氧濃度上升特性區域1000a)可視為藉由電介質阻障放電所產生之電子與氧氣之碰撞所能夠產生之臨限臭氧濃度。
〈觀察500ppm之氮氣的添加與臭氧產生關係之試驗結果〉
特性B10係顯示於以非導體絕緣體膜2104a構成放電面材料之試驗用臭氧產生器I(第11圖)中，在以高純度氧氣(氧+0%氮氣)的氣體進行數小時的放電後之放電面，再次使氧氣中添加有微量的氮氣(氧+500ppm氮氣)之氣體的原料氣體流通於試驗用臭氧產生器I，並施加上升特性A的電壓時之臭氧濃度上升特性。
〈觀察18.4ppm之二氧化氮氣體的添加與臭氧產生關係之試驗結果〉
特性B20係顯示於以非導體絕緣體膜2104a構成放電面材料之試驗用臭氧產生器I(第11圖)中，在以高純度氧氣(氧+0%氮氣)的氣體進行數小時的放電後之放電面再次使氧氣中添加有微量的二氧化氮氣體(氧+18.4ppm二氧化氮氣體)之氣體的原料氣體流通於試驗用臭氧產生器I，並施加上升特性A的電壓時之臭氧濃度上升特性。
〈觀察放電面材料(光觸媒)與臭氧產生關係之試驗結果〉
特性B30係顯示於以光觸媒絕緣膜2104b構成放電面材料之試驗用臭氧產生器II(第12圖)中，在以高純度氧氣(氧+0%氮氣)的氣體進行數小時的放電後之放電面，再次使高純度氧氣(氧+0%氮氣)之氣體的原料氣體流通於試驗用臭氧產生器II，並施加上升特性A的電壓時之臭氧濃度上升特性。
特性S0(雙點鏈線)係顯示假設可僅藉由電介質阻障放電所產生之電子與氧氣分子之碰撞而產生高濃度臭氧時之臭氧濃度上升特性的設想特性。
而且，以第13圖、第14圖所示之單點鏈線框所顯示之特性(臭氧濃度上升特性區域1000a)，係顯示從用試驗用臭氧產生器I、II進行實測試驗後之結果所設想之由電子造成之臭氧濃度上升特性之區域，可得知並未顯示上述特性S0(雙點鏈線)。
放電式的臭氧產生器，所產生之濃度(臭氧產生量)可謂是因原料氣體物種、放電面材料等而有所不同， 為了驗證可產生高濃度臭氧氣體之機制，需究明臭氧氣體的產生原因為何。因此，藉由試驗來詳細地驗證相對於因原料氣體物種、放電面材料的不同所造成之施加於臭氧產生器之輸出的上升回應之產生的臭氧濃度之上升回應性，藉此幾乎可斷定出起因要素。再者，可藉由對先前技術之專利文獻1至專利文獻7中的特性資料及所記載之解析事實進行再驗證而變得更明確。
因此，吾等係於第11圖及第12圖所示之放電面構造的試驗用臭氧產生器I、II中，在固定為原料氣體流量1L/分鐘的條件與供給電力500W的條件之條件下，使下述內容為變因，調查從臭氧產生器所產生之臭氧氣體之臭氧濃度的上升回應性。
(1)使用具有將放電面的材料為電介質2103與非導體絕緣體膜2104a之放電面構成(第11圖)之試驗用臭氧產生器I的試驗。
臭氧濃度上升特性B1：作為確認試驗，為了觀察放電面狀態與臭氧產生，係不進行放電，於製作後僅進行洗淨、乾燥隨後之初期放電面測定高純度氧氣(氧+0%N2氣體)下的臭氧濃度上升特性。
臭氧濃度上升特性B2：作為確認試驗，係在氧+500ppm N2氣體下，於一度產生高濃度的臭氧之放電後的放電面狀態測定高純度氧氣(氧+0%N2氣體)下的臭氧濃度上升特性。
臭氧濃度上升特性B3：作為確認試驗，在將 高純度氧氣下放電之放電面充分地進行清潔後之放電面狀態下，測定高純度氧氣(氧+0%N2氣體)下的臭氧濃度上升特性。
其結果係可得到如第13圖所示之臭氧濃度上升特性B1至B3。
(2)使用具有以電介質2103與非導體絕緣體膜2104a為放電面的材料之放電面構成(第12圖)之臭氧產生器，觀察氣體物種的效果之試驗。
氣體物種的效果，尤其在採用於氧氣中添加有氮氣者作為原料氣體之通常的用以得到高濃度臭氧之試驗用臭氧產生器I中，就原料氣體而言，一般是使用氧氣中添加有1%至2%的氮氣之原料氣體，惟觀察氮氣的效果時，添加1%至2%的氮為過多，臭氧產生量雖具有穩定性，但無法使臭氧產生中的氮效果變得明顯。因此，為了更明顯地量化評估臭氧氣體產生中的氮效果，原料氣體係採用於氧氣中添加有500ppmN2氣體的微量氮氣(氧+500ppm氮氣)之氣體。而且，由於氮氣於放電中會產生微量的NOx氣體，所以作為NOx氣體的代表性氣體，亦採用添加有極微量的二氧化氮(NO2)氣體之氣體(氧+18.4ppmNO2)。
臭氧濃度上升特性B10：作為確認試驗，係在以高純度氧氣(氧+0%氮氣)的氣體進行數小時的放電後之放電面，再次使用氧+500ppmN2氣體作為原料氣體並測定臭氧濃度上升特性。
臭氧濃度上升特性B20：作為確認試驗，係 在以高純度氧氣(氧+0%氮氣)的氣體進行數小時的放電後之放電面，再次使用氧+18.4ppmNO2作為原料氣體並測定臭氧濃度上升特性。
臭氧濃度上升特性B30：作為確認試驗，係使用構成為以電介質2103與光觸媒絕緣膜2104b作為放電面的材料之放電面(第12圖)的試驗用臭氧產生器II，在以高純度氧氣(氧+0%氮氣)的氣體進行數小時的放電後之放電面，再次使用高純度氧氣(氧+500ppmN2氣體作為原料氣體並測定臭氧濃度上升特性。
該結果係可得到如第14圖所示之臭氧濃度上升特性B10至B30。
從第13圖所示之臭氧濃度上升特性B1，可確認到在施加輸出訊號A(開始放電)後大約1秒，濃度上升，開始放電並經過約10秒而到達最大濃度100g/m3(52000ppm)後，約1000秒(16.7分)時濃度緩慢降低，僅能得到最終濃度值為12g/m3(5600ppm)之臭氧濃度。
依該結果，由於得到濃度以投入輸出訊號A後約10秒之極緩慢的回應上升，且約1000秒時所產生之臭氧濃度降至最低之特性，所以可設想臭氧氣體的產生是因附著(吸附)於放電面之氣體所致。
換言之，從約1秒至約1000秒(16.7分鐘)所產生之臭氧氣體，可判斷因為放電面為初期放電面，而使由於放電附著(吸附)於初期放電面之大氣成分的水分、氮氣與放電的電子、離子碰撞而被撞出，並因為該被撞出 之微量的氣體與氧氣之放電造成氧解離而產生臭氧氣體。
接著，從第13圖所示之臭氧濃度上升特性B2，可確認到在施加輸出訊號A(開始放電)後約1秒，濃度上升，開始放電並經過約3秒時，產生濃度維持在12g/m3(5600ppm)，約30秒至50秒時到達最大濃度210g/m3(103500ppm)後，約1000秒(16.7分)時濃度緩慢降低，僅能得到最終濃度值為12g/m3(5600ppm)附近之臭氧濃度。
依該結果，由於得到濃度以投入輸出訊號A後約30秒之極緩慢的回應上升，且約1000秒時所產生之臭氧濃度降至最低之特性，所以可設想臭氧氣體的產生是因附著(吸附)於放電面上之氣體所致。換言之，從約30秒至約1000秒(16.7分鐘)所產生之臭氧氣體，可判斷因為放電面於先前的放電步驟中是以含有氮氣之氣體進行放電，所以放電時所產生之氮化合物氣體會因放電進入放電面，且因進入之氮化合物氣體，造成在放電時，進入放電面之氮化合物氣體與放電的電子、離子碰撞而被撞出，並因為該被撞出之微量的氮化合物氣體與氧氣之放電造成氧解離而產生臭氧氣體。
再者，在第13圖所示之臭氧濃度上升特性B3中，可確認到在施加輸出訊號A(開始放電)後約1秒即成為12g/m3(5600ppm)的濃度，但無法得到該值以上之濃度。
從該結果，可知若是於初期放電面未附著(吸 附)大氣氣體、氮化合物氣體之潔淨的非導體絕緣膜之臭氧產生器，則僅能得到12g/m3(5600ppm)的臭氧濃度。再者，觀察此12g/m3(5600ppm)的濃度之回應性時，係以對於輸出電壓為約1秒的回應性來產生臭氧，而由放電中的電子所造成之臭氧產生的回應性，可謂是理論上藉由放電以約10-5(s)解離為氧原子，且能藉由所解離之氧原子與氧氣之三體碰撞而產生臭氧之臭氧產生回應時間約為1(s)左右，因此，由此試驗可證實藉由放電的電子可產生臭氧濃度為12g/m3(5600ppm)之臭氧氣體。
從第14圖所示之使用氧+500ppmN2氣體作為原料氣體的臭氧濃度上升特性B10，可確認到下述特性：在施加輸出訊號A(開始放電)後約1秒，濃度上升，開始放電經過約40秒時，產生濃度維持在12g/m3(5600ppm)，之後約40秒後，濃度緩慢上升，係以從開始放電至約3000秒(50分鐘)之極緩慢的回應性，在約100g/m3(52000ppm)附近的濃度達到飽和。
從該結果，觀察到於投入輸出訊號A後係以極緩慢的回應性得到約100g/m3(52000ppm)的高濃度，因此，從臭氧濃度上升特性B10能夠判斷並非是放電的輸出與氮氣本身有助於產生高濃度臭氧，而是藉由產生因含有氮之放電所產生之氮氧化物氣體得到約100g/m3(52000ppm)的高濃度。
順帶一提，第14圖所示之臭氧濃度上升特性B10，為氧氣中添加有500ppmN2氣體的微量氮氣(氧 +500ppm N2)之氣體，於第14圖中雖未顯示，但若緩慢地增加添加於氧氣之微量的氮量，則可確認到能夠得到高濃度之回應時間縮短，同時在添加有約1%的微量氮氣(氧+1%N2)之氣體下，復可提升臭氧濃度至最大臭氧濃度279g/m3(130000ppm)。換言之，有助於產生高濃度臭氧之氮氧化物氣體，藉由將氮添加量提升至1%時亦會使由放電所產生之氮氧化物氣體增加，就結果而言為所產生之臭氧濃度亦提升。
接著，從第14圖所示之使用氧+18.4ppmNO2作為原料氣體的臭氧濃度上升特性B20，可確認到在施加輸出訊號SA(開始放電)後約1秒，濃度上升，開始放電經過大約2秒時，產生濃度維持在12g/m3(5600ppm)，約2秒至30秒時到達濃度312g/m3(145500ppm)，之後可產生濃度350g/m3(163000ppm)左右的高濃度臭氧氣體。
從該結果可判斷，就臭氧濃度上升特性B20而言，由於原料氣體中添加於氧氣之二氧化氮量(18.4ppmNO2)相較於氮添加量(500ppm N2)為非常少，所以臭氧濃度上升回應性快，且若考量到可產生高濃度的臭氧和藉由含有氮之放電來產生NOx，則作為引起高濃度的臭氧產生之氣體，二相較於氮氣，氧化氮氣體(NO2)的臭氧濃度上升特性B20更大。而且，此推測為與專利文獻1至專利文獻6所揭示之技術內容亦相當一致之事實。
再者，從第14圖所示之使用放電面構成(第12圖)為光觸媒絕緣膜2104b的試驗用臭氧產生器II，並 使用高純度氧氣(氧+0%N2氣體)之原料氣體的臭氧濃度上升特性B30，可確認到在施加輸出訊號A(開始放電)後約1秒，濃度上升，約12秒時可產生最大濃度350g/m3(163000ppm)的高濃度臭氧。
從該結果證明，就臭氧濃度上升特性B30而言，即使原料氣體是如臭氧濃度上升特性B10、B20般之不含氮、二氧化氮之高純度氧氣，若放電面構成(第12圖)為將電介質2103與光觸媒絕緣膜2104b作為放電面的材料的試驗用臭氧產生器II，則可回應性相對較快地產生高濃度臭氧氣體。
而且，以第14圖的雙點鏈線表示之特性S0，係假設藉由放電所產生之電子使所供給之氧氣解離而產生350g/m3(163000ppm)的高濃度臭氧氣體時之濃度上升特性。此時，就藉由放電的電子碰撞造成氧原子的解離而產生該氧原子之回應時間而言，因為以相對於輸出為約10-5(s)，而藉由所解離之氧原子與氧氣之三體碰撞來產生臭氧之臭氧產生回應時間為約1(s)，所以可立即到達超過350g/m3(163000ppm)之濃度。而且，若僅以電子來產生高濃度臭氧，則能夠以相較於因放電造成之氣體溫度上升更快的回應來產生臭氧氣體，所以於濃度的上升部不須進行因氣體溫度所產生之臭氧的分解，該結果可假定為，於濃度的上升部成為如濃度提高特性S0之臭氧濃度過衝(overshoot)之上升，且成為在約3(s)收斂於既定濃度之特性。
如以上之假定以電子來得到高濃度時之特性S0，乃於臭氧濃度上升特性B10至B30的試驗結果中完全未觀察到之結果。惟被認為以快了約1秒的回應來產生臭氧之臭氧濃度為12g/m3(5600ppm)之特性。
從上述結果來判斷，可確認藉以電子促進臭氧氣體的產生之臭氧濃度為12g/m3(5600ppm)左右，並得知並未產生臭氧濃度超過200g/m3之高濃度臭氧。藉由此等的試驗可證明理論上無法說明之內容。藉由實驗證明，產生高濃度臭氧之要素為至少於放電中所含有之二氧化氮(NO2)或放電面的光觸媒材料的參與。
當以不銹鋼材料面作為以往的放電面材料時，雖稱可於放電面形成非導體面而擷取高濃度臭氧，但以下述內容來驗證此次的結果時，亦得知藉由形成放電面係以Cr2O3或Fe2O3等作為構成材料之光觸媒絕緣膜2104b時，能夠提升臭氧產生能力而得到高濃度臭氧氣體。
而且，放電形態亦非如輝光放電之連續放電，而是實現經由電介質，且為短間隙放電空間之電介質阻障放電。由於電介質阻障放電為高電場放電，且此放電具有無數種間歇放電形態，故咸認於放電期間之中，藉由原料氣體中的二氧化氮或放電面材料(光觸媒絕緣膜2104b)的效果，可有效率地促進氧解離，解離後的氧原子，於此間歇放電形態的休止期間係發揮有效率地產生臭氧氣體之功用。其結果係能夠判斷臭氧產生器11為可藉由電介質阻障放電產生超過200g/m3(93333ppm)的高濃度具氧氣體者。
上述探討下，可構成具有本實施形態之臭氧產生裝置100之臭氧氣體利用系統。
如上所述，藉由進行此次之濃度上升回應性的確認試驗，發現成為產生高濃度臭氧之主要因素的要素，藉此有利於追求用以得到更高濃度的臭氧氣體之氣體物種、放電面材料，可實現更小型的裝置結構之臭氧產生裝置100(臭氧產生器11)，而結果為擴展利用臭氧氣體之應用裝置的市場。
如此，藉由採用第12圖所示之電極構造，臭氧產生器11，即使從原料氣體精製裝置300接受氮氣的含量未達0.1%之無(添加)氮的氧氣作為原料氣體，亦可將臭氧氣體所含有之NOx的量抑制在未達數ppm而產生超過200g/m3的高濃度臭氧氣體。
經上述再驗證下，藉由將特定的氧化金屬物質，亦即光觸媒絕緣膜2104b塗佈於達到小型化與原料氣體無氮化之臭氧產生器11的放電面，可實現具有提升臭氧產生能力且擷取高濃度臭氧之臭氧產生器11之臭氧產生裝置100。
如此，本實施形態之臭氧氣體利用系統，係以下述裝置作為原料氣體精製裝置300：臭氧產生裝置100的小型化技術或使成為小容量型，以及從存在於自然環境之水或大氣中擷取氧氣作為高純度氧源，並且精製為高純度氧氣之裝置。
再者，就電源供給裝置400而言，係使用能 夠構成可發電數百W以上之小規模電源裝置，藉由太陽光、風力、地熱、水力、潮汐、生質能發電之小規模可再生能源發電作為一部分的供電電源，而可在各地區或場所應用採用對地球環境友善的臭氧之臭氧氣體利用系統。
(電源供給裝置400)
第8圖係顯示將用以與臭氧產生裝置100組合使用之一結構例的電源供給裝置400作為再生能源發電裝置之結構例之說明圖。
如第8圖所示，電源供給裝置400是由再生能源發電單元部40a與發電電調控部40b所構成，再生能源發電單元部40a具有太陽能電池模組陣列41，發電電調控部40b係包含電保護盒42、蓄電器43、集電盤44及功率轉換器45而構成。
如此，再生能源發電單元部40a具有太陽能電池模組陣列41作為再生能源。發電電調控部40b，係將再生能源發電單元部40a所產生之電力的集中、蓄積，以及將所發電之電從直流電源調控為商用交流電源。
從1個太陽能電池模組陣列41所發電之電，係一度經由發電電調控部40b內的電保護盒42而被集中至集電盤44。電保護盒42係設置在再生能源發電單元部40a與發電電調控部40b的蓄電器43之間。電保護盒42，係在對再生能源發電單元部40a產生雷電時等用以防止再生能源發電單元部40a的發熱、短路、過電壓時等之防範對 策，以及對於防逆流用的二極體裝設等之缺失進行安全阻斷者。再者，來自再生能源發電單元部40a的發電電量、單元溫度等之感測器訊號與調整電量之指示訊號，亦可經由電保護盒42傳達至發電電調控部40b側。於太陽能電池模組陣列41被發電並經由電保護盒42所得到之電，係藉由集電盤44被集中，並暫時蓄積於蓄電器43後，藉由功率轉換器45將直流電源轉換為交流的供給電源70，並所發電的電作為供給電源70而常時穩定地供給至外部。
如此，採用再生能源發電源之太陽能電池模組陣列41之電源供給裝置400，不僅要求產生電並送電至外部，復要求可於進行發電的地區有效地利用之所謂「在地生產在地消費」。因此，於各地區、偏遠地區、離島或是遠隔的大型船舶內，若是可利用再生能源發電的一部分電來產生無氮臭氧氣體，並利用環境負荷小的臭氧氣體作為各種環境對策用的大氣污染、殺菌、供排水處理、紅潮對策，則可期待達到理想之地區環境改善的效果。
如此，電源供給裝置400係利用裝載有可再生能源的太陽能電池模組陣列41之再生能源發電單元部40a，並供給成為臭氧產生裝置100的運作電源之供給電源70。
因此，本實施形態之臭氧氣體利用系統，即使在偏遠地區、離島或船舶等難以利用通常的電源之場所，亦可以應用裝置執行臭氧利用處理。
(第1變形例)
在此說明用以實現人類之飲用水的供水淨化、污水等的排水淨化、泳池水的水淨化與殺菌、水族館的有機物處理及殺菌處理用之小型的水環境改善處理等各種水淨化處理之臭氧氣體利用系統的第1變形例。
第9圖係顯示臭氧氣體利用系統之第1變形例的結構之方塊圖。第9圖中，係將來自凝聚沉澱槽20b的處理水設為臭氧處理前物質91。以下係參照第9圖，並適當地省略與第1圖至第8圖所示之實施形態的基本構成相同之構成部的說明，來說明第1變形例。
如第9圖所示，於藥品摻合槽20a中，藉由中和劑藥品90a對處理源水90進行藥品處理，然後於凝聚沉澱槽20b中，將經進行漂浮物等的過濾後之處理水作為臭氧處理前物質91並注入至應用裝置200的臭氧氣體處理反應器21。
於臭氧氣體處理反應器21的下部，設置有供給臭氧氣體之臭氧空間，於臭氧空間設置有細小的孔(噴嘴)，從該孔將臭氧氣體作為臭氧氣體氣泡往臭氧氣體處理反應器21之處理槽內的處理水送入，並從處理水(臭氧處理前物質91)與臭氧氣體氣泡之接觸面使臭氧氣體滲透，藉此執行處理水所含有之有機物的氧化分解或殺菌等藉由臭氧氣體進行的水淨化處理。
然後，將經水淨化處理後之臭氧處理水作為臭氧處理後物質92輸出至活性碳吸附處理槽23。於臭氧 處理後物質92中含有細小的分解物質、錳等重金屬氧化金屬物質，經由活性碳吸附處理槽23而成為活性碳處理水93，然後經由砂過濾槽24而成為經完全過濾後之砂過濾處理水94，暫時貯藏於臭氧處理物質/蓄積部22，視需要可作為完全處理水95而給水利用。
因此，本實施形態之臭氧氣體利用系統由於具有作為處理物蓄積部之臭氧處理物質/蓄積部22，所以可於需要時利用臭氧處理後物質92。
如以上所述，水淨化處理所利用之臭氧氣體量係因應處理源水90而有所不同，於通常的處理水(供水)中係注入2至5mg/L，於污染排水(排水)中係注入5至10mg/L左右的臭氧(氣體)，以進行藉由臭氧水進行的水淨化處理。例如注入5mg/L的臭氧時，以臭氧產生量為30g/h之臭氧氣體即為足夠，而作為以臭氧氣體進行的水淨化處理量能夠以200m3/日進行之臭氧產生器11的電容量，係1kVA即為足夠，可藉由與以往的臭氧產生器相比為1/2至1/3左右的較小電容量者來構成進行水淨化處理之臭氧氣體利用系統。
而且，成為原料氣體之氧氣只要為3至10L/分鐘左右的供給即足夠，若可藉由相對較小的氧PSA裝置32與高純度氣體精製器33來去除氮氣、水分量，則可完成裝置結構非常小之原料氣體精製裝置300。
再者，電源供給裝置400亦可以數kVA左右的小電容量來構成充分地進行水淨化處理之臭氧氣體利用 系統，因此若是應用使用再生能源之電源供給裝置400，則可在偏遠地區、離島實現以非常小型化且進行環境負荷經降低的水淨化處理之臭氧氣體利用系統。
如上述般，臭氧氣體利用系統的第1變形例係對具氧處理前物質91的處理水執行水淨化處理來作為應用裝置200所執行之臭氧利用處理。
因此，第1變形例可使用與以往的臭氧產生裝置相比為約1/2至1/3的較小電容量之臭氧產生裝置100來進行臭氧利用處理。
(第2變形例)
以下，作為第2變形例，係說明作為大型客船的水處理和貨櫃船、油輪的壓艙水之水淨化處理用的環境裝置之臭氧氣體利用系統。
關於大型客船的水處理和貨櫃船、油輪的壓艙水，各港口的船舶所利用之水中所混入的水生生物會被散佈至世界各地的港口，而會有對該地區的環境、生態系造成破壞和對健康、經濟活動造成損害之狀況。因此，國際海事組織(IMO：International Maritime Organization)係於2004年採納「用於船舶壓艙水及沉澱物的控制及管理之國際條約」，對於2009年起動工之具有未達5000m3的壓載艙(ballast tank)之新造船舶賦予裝載壓艙水的水淨化處理設備之義務。而且，對於大型客船亦要求同等的水淨化處理設備。
第10圖係顯示使用臭氧產生裝置100之臭氧氣體利用系統之第2變形例的結構之說明圖。第2變形例係於貨櫃船、油輪等船舶5內建構臭氧氣體利用系統。以下參照第10圖，適當地省略與第1圖至第8圖所示之實施形態的基本結構相同之結構處的說明，來說明第2變形例。
第10圖中，海水係作為處理源水90從壓艙水取入口25經由操作閥27a而供給，然後以壓艙水用泵28經由藥品摻合槽20a而從操作閥27d注入於作為臭氧處理物質/蓄積部之壓載艙22B。
然後，將注入於壓載艙22B之壓艙水再次從操作閥27b取入於壓艙水用泵28。然後使操作閥27b成為關閉狀態，使操作閥27c成為開啟狀態，從藥品摻合槽20a通過凝聚沉澱槽(過濾器)20b，作為臭氧處理前物質(處理水)91從操作閥27e注入於臭氧氣體處理反應器21。然後，對臭氧處理前物質91施以水淨化處理所得到之臭氧處理後物質92係從臭氧氣體處理反應器21的上部經由操作閥27f被送回壓載艙22B。如此，臭氧氣體利用系統的第2變形例，係使蓄積於壓載艙22B之壓艙水循環同時進行水淨化處理。
於臭氧氣體處理反應器21的下部，設置有供給臭氧氣體之臭氧供給空間，於臭氧供給空間設置有細小的孔(噴嘴)，從該孔將臭氧氣體作為臭氧氣體氣泡往臭氧氣體處理反應器21之處理槽內的處理水送入，並從處理 水與臭氧氣體氣泡之接觸面使臭氧氣體滲透，藉此執行處理水所含有之有機物的氧化分解、殺菌等藉由臭氧氣體進行的水淨化處理。
藉由結構相對較小的氧PSA裝置32與高純度氣體精製器33，能夠將去除氮氣或水分量後之高純度氧氣61作為原料氣體供給至臭氧產生裝置100。
藉由使將臭氧產生裝置100的放電面為特定的光觸媒之臭氧產生器11，可從高純度氧氣61產生幾乎不含NOx氣體之臭氧氣體62，藉由將此臭氧氣體62供給至臭氧氣體處理反應器21下部的臭氧空間，可進行採用臭氧氣體之水淨化處理。又，壓艙水排水口26係用以將蓄積於壓載艙22B之壓艙水給水至船舶5的外部之排水口。
如上所述，第2變形例的臭氧氣體利用系統係作為於貨櫃船、油輪等船舶5中蓄積於壓載艙22B之壓艙水的臭氧水淨化處理而實現。
如此，具有將臭氧產生裝置100的放電面作為特定的光觸媒之臭氧產生器之第2變形例的臭氧氣體利用系統，供給至臭氧產生器之原料氣體，係採用使用了不含氮氣之高純度氧氣的幾乎不含NOx氣體之臭氧氣體62，並藉由執行蓄積於壓載艙22B之壓艙水的臭氧水淨化處理，可實現環境負荷小的臭氧水淨化處理，同時可將系統結構小型化至可裝載於船舶5內之等級。
而且，第2變形例中，係顯示於貨櫃船、油輪等船舶5中之壓艙水的水淨化處理，但於大型客船內的 供水或排水的臭氧處理中，亦可採用將臭氧產生裝置100的放電面作為特定的光觸媒之臭氧產生器來建構臭氧氣體利用系統，藉此可達到以幾乎不含NOx氣體之臭氧氣體62來實現環境負荷小的臭氧水淨化處理之效果。
再者，若將裝載有第2變形例的臭氧氣體利用系統之專用的水處理船配備在各港口，並藉由專用的水處理船來執行貨櫃船、油輪之壓艙水的臭氧水淨化處理，則亦可在更短時間內將經處理的水供給至貨櫃船、油輪。
如上述般，臭氧氣體利用系統的第2變形例，作為應用裝置200所執行之臭氧利用處理，係對作為臭氧處理前物質91之處理水執行臭氧水淨化處理，並將該系統建構在船舶5內。
因此，第2變形例可使用相較於以往的臭氧產生器為1/2至1/3左右的較小電容量之臭氧產生裝置100，於船舶5內進行臭氧水淨化處理。
再者，第2變形例由於具有壓載艙22B作為蓄積臭氧處理後物質92之處理物蓄積部，所以可於必要時利用臭氧處理後物質92。
除此之外，第2變形例中，由於可使壓載艙22B內的壓艙水循環，同時以臭氧氣體處理反應器21重複執行水淨化處理，所以可穩定性良好地將壓艙水保持在一定的淨化水準。
(第3變形例)
除了精製高純度氧氣之原料氣體精製裝置300之外，更進一步組合作為再生能源產生裝置之電源供給裝置400、與採用將放電面作為特定的光觸媒之臭氧產生器之臭氧產生裝置100，來執行利用了無NOx臭氧氣體之水淨化處理之臭氧氣體利用系統，藉此能夠以極小的規模來實現小規模之海水的殺菌、紅潮處理、大氣氣體的殺菌。此臭氧氣體利用系統，由於係利用環境負荷小之無NOx臭氧氣體，所以可在各地區中利用，益於環境改善之效果大。
如此，臭氧氣體利用系統的第3變形例，係執行以海水或大氣氣體作為臭氧處理前物質91之殺菌處理來作為應用裝置200的臭氧利用處理，藉此可使用相對小型化的臭氧產生裝置100來實現海水的殺菌、大氣氣體的殺菌。
(其他)
執行水淨化處理等作為臭氧利用處理之以往的應用裝置，由於裝置規模大，所以產生臭氧之裝置的電力供給量或用以產生臭氧氣體之電源相當大。並且，以往的臭氧產生器，由於是藉由放電將空氣源或氧氣中含有1%(10000ppm)的氮氣者作為原料氣體來產生臭氧氣體，所以亦會產生NOx，而使所產生之臭氧氣體中含有有害的NOx。
因此，未能實現降低成為環境負荷之NOx氣體，且電力供給量或用以產生臭氧氣體之供給電源規模較 小的設備，以較小電力而有效地產生降低了NOx氣體等有害雜質氣體後之臭氧氣體，並且具有利用該臭氧氣體執行小規模的水淨化處理之應用裝置之臭氧氣體利用系統。
於是，本實施形態之臭氧氣體利用系統，係使用採用以氮氣的含量未達0.1%之無氮的氧氣作為原料氣體來產生高濃度臭氧氣體之無氮臭氧產生技術作為臭氧產生技術，並採用將放電面作為特定的光觸媒之臭氧產生器之臭氧產生裝置100，且藉由採用利用了反相器技術作為臭氧產生器用的電源技術之高頻臭氧電源而構成小型的臭氧產生器之臭氧產生裝置100而建構。
再者，本實施形態之臭氧氣體利用系統的電源供給裝置400係利用藉由太陽光、風力、地熱、水力、潮汐、生質能發電的小規模供電電源，並且採用將放電面作為特定的光觸媒之臭氧產生器之臭氧產生裝置100，藉此，可實現利用了降低成為環境負荷之NOx氣體之臭氧氣體的小規模系統(環境裝置)。該結果為，本實施形態之臭氧氣體利用系統，即使於偏遠地區、離島、遠隔的大型客船或油輪等，亦可進行各種能夠改善環境之利用臭氧的小規模環境處理。
本實施形態之臭氧氣體利用系統，係對於作為構成要素之臭氧產生裝置100進行以下的精心設計。將臭氧產生器11用之升壓高頻電壓72的頻率高頻化為10kHz以上。此外，於負載共振型高頻升壓變壓器13中，經由將芯冷卻之變壓器冷卻空孔136，以鋁板等導電體/磁 性屏蔽罩135來包圍變壓器芯131周圍，防止因變壓器本體的洩漏磁通所造成之發熱，而能夠以共振頻率附近的固定頻率來投入既定電力。
而且，伴將用來執行包含利用了臭氧氣體之水淨化處理作為臭氧利用處理之以往的應用裝置的規模較大者更改為隨著臭氧產生裝置100而小型化之小規模裝置規格，並以小規模的原料氣體精製裝置300作為原料氣體供給源，作成利用再生能源作為供電電源之小規模容量的電源供給裝置400。
如此，本實施形態之臭氧氣體利用系統之臭氧產生技術及電源技術，係採用採用了小型化技術與無氮臭氧產生技術之臭氧產生器、以及利用藉由太陽光、風力、地熱、水力、潮汐、生質能發電的小規模供電電源之電源供給裝置400，，並成為裝載有負載共振型高頻升壓變壓器13之高頻反相器電源，藉此可建構經減少NOx氣體之環境負荷小的臭氧氣體利用系統。
該結果為，本實施形態之臭氧氣體利用系統，可利用作為進行如第1變形例之於偏遠地區或離島的水淨化處理，或是進行如第2變形例之油輪等之壓艙水的水淨化處理之系統，故可期待作為小規模之地區環境的環境改善處理裝置。
再者，藉由實現具有經小型化之臭氧產生裝置與進行臭氧利用處理之小規模的應用裝置200之臭氧氣體利用系統，亦具有於災害時容易使用之效果。
以上係詳細說明本發明，惟上述說明在所有層面上僅為例示，本發明並不限定於此。未例示之無數個變形例，可解釋為在不脫離本發明的範圍內可設想而得者。

Claims (16)

  1. 一種臭氧氣體利用系統，係具備：供給含有氧氣之原料氣體之原料氣體供給裝置(300)，從前述原料氣體產生臭氧氣體之臭氧產生裝置(100)，以及利用前述臭氧氣體來執行從臭氧處理前物質(91)得到臭氧處理後物質(92)之臭氧利用處理之應用裝置(200)；前述臭氧產生裝置包含：產生供給高頻電壓之反相器電源(120)，將前述供給高頻電壓升壓而得到升壓高頻電壓之共振型變壓器部(13)，以及將從前述共振型變壓器部所接受之前述升壓高頻電壓接受作為運作電壓，而從前述原料氣體產生200g/m 3以上的臭氧濃度之前述臭氧氣體之臭氧氣體產生器(11)；前述應用裝置係在0.2MPa以上的壓力環境下接受前述臭氧氣體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之臭氧氣體利用系統，其中，前述反相器電源產生10kHz以上之高頻的前述供給高頻電壓；前述共振型變壓器部具備：將前述供給高頻電壓升壓而得到前述升壓高頻電 壓之變壓器本體(131至133)，以及於與前述變壓器本體之間確保冷卻空間，並且以前述變壓器本體的磁通洩漏不會對外部造成影響之方式被覆前述變壓器本體之金屬製的遮罩構件(135)。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之臭氧氣體利用系統，其更具備供給前述臭氧產生裝置用的運作電源之電源供給裝置(400)；前述電源供給裝置係利用可再生能源來供給前述運作電源。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之臭氧氣體利用系統，其中，前述原料氣體供給裝置包含從空氣中或水中擷取氧氣之氧萃取裝置(32)。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之臭氧氣體利用系統，其中，前述應用裝置所執行之前述臭氧利用處理包含對於作為前述臭氧處理前物質的水進行之水淨化處理。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之臭氧氣體利用系統，其中，前述臭氧處理前物質包含船舶(5)所利用之水。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之臭氧氣體利用系統，其中，前述應用裝置具有蓄積前述臭氧處理後物質之處理物蓄積部(22)。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之臭氧氣體利用系統，其中，前述應用裝置所執行之前述臭氧利用處理包含以海水或大氣作為前述臭氧處理前物質之殺菌處理。
  9. 一種臭氧氣體利用系統，係具備：供給含有氧氣之原料氣體之原料氣體供給裝置(300)，從前述原料氣體產生臭氧氣體之臭氧產生裝置(100)，以及利用前述臭氧氣體來執行從臭氧處理前物質(91)得到臭氧處理後物質(92)之臭氧利用處理之應用裝置(200)；前述臭氧產生裝置包含：產生供給高頻電壓之反相器電源(120)，將前述供給高頻電壓升壓而得到升壓高頻電壓之共振型變壓器部(13)，以及將從前述共振型變壓器部所接受之前述升壓高頻電壓接受作為運作電壓，而從前述原料氣體產生200g/m 3以上的臭氧濃度之前述臭氧氣體之臭氧氣體產生器(11)；前述原料氣體供給裝置係供給氮氣的含量未達0.1%之氧氣作為前述原料氣體，前述臭氧氣體產生器以光觸媒材料作為放電面；前述應用裝置係在0.2MPa以上的壓力環境下接受前述臭氧氣體。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之臭氧氣體利用系統，其中，前述反相器電源產生10kHz以上之高頻的前述供給高頻電壓； 前述共振型變壓器部具備：將前述供給高頻電壓升壓而得到前述升壓高頻電壓之變壓器本體(131至133)，以及於與前述變壓器本體之間確保冷卻空間，並且以前述變壓器本體的磁通洩漏不會對外部造成影響之方式被覆前述變壓器本體之金屬製的遮罩構件(135)。
  11. 如申請專利範圍第9項或第10項所述之臭氧氣體利用系統，其更具備供給前述臭氧產生裝置用的運作電源之電源供給裝置(400)；前述電源供給裝置係利用可再生能源來供給前述運作電源。
  12. 如申請專利範圍第9項或第10項所述之臭氧氣體利用系統，其中，前述原料氣體供給裝置包含：從空氣中或水中擷取氧氣之氧萃取裝置(32)，以及從由前述氧萃取裝置所得到之氧氣產生高純度的氧氣作為前述原料氣體之氧氣精製機(33)。
  13. 如申請專利範圍第9項或第10項所述之臭氧氣體利用系統，其中，前述應用裝置所執行之前述臭氧利用處理，包含對於作為前述臭氧處理前物質的水進行之水淨化處理。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之臭氧氣體利用系統，其中，前述臭氧處理前物質包含船舶(5)所利用之水。
  15. 如申請專利範圍第9項或第10項所述之臭氧氣體利用系統，其中，前述應用裝置具有蓄積前述臭氧處理後物 質之處理物蓄積部(22)。
  16. 如申請專利範圍第9項或第10項所述之臭氧氣體利用系統，其中，前述應用裝置所執行之前述臭氧利用處理包含以海水或大氣作為前述臭氧處理前物質之殺菌處理。
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