TWI511781B - Ozone water making device - Google Patents

Description

臭氧水製造裝置

本發明係關於對整個工業中之零件進行清洗、及對與醫用或者食品相關之器具、食品進行消毒處理所使用之臭氧水製造裝置。

人們研究將臭氧水應用於零件之清洗處理或消毒處理等。其中尤其於零件之清洗領域中，與先前之使用藥劑之清洗方法相比，利用臭氧水進行清洗則不存在環境污染或安全性之問題，但存在分解除去污垢時將耗費較長時間之問題。

為了解決上述問題，必需使臭氧水更高濃度化及更高溫化。自反應速度方面考慮此問題時，必需增大污染物質之分解中之反應常數。若該分解之反應常數k遵循如(1)式所示之Arrhenius式，則為了增大k而增大頻率因數A與溫度T即可。

於此，E_a 為活化能，R為氣體常數。又，為了增大該式中之頻率因數A，可藉由增大臭氧水之臭氧濃度而實現。

如此，根據Arrhenius式亦可知必需使臭氧水更高濃度化及更高溫化。

日本專利特開2003－260342號公報揭示之臭氧水清洗系統中，於清洗槽與臭氧水產生裝置之間之臭氧水供給管路 上，設置用以使臭氧水升溫之加熱器，藉此提高臭氧水之溫度。

日本專利特開2000－58496號公報揭示之臭氧混合裝置中，於噴射器內，將噴霧狀之超純水導入至臭氧氣體供給管與前端細流路部之間所形成之空隙中，以促進臭氧氣體與超純水之混合，從而提高臭氧濃度。

噴射器等特殊混合器之改良不僅需要先進之技術，而且例如即便開發出高性能之混合器，亦會帶來成本之上升。因此，較理想的是，不利用特殊之構成而是利用通用性高且更簡單之構成來提高臭氧水之濃度。

又，使臭氧水高溫化之方法主要有兩種。第1種方法係預先使原水之溫度升溫至使用溫度之後再與臭氧氣體混合之方法。第2種方法係將臭氧氣體混合至室溫之水中而製造臭氧水，然後藉由對臭氧水進行加熱而使之升溫至使用溫度為止的方法。

第1種方法中，由於原水之溫度較高，故而難以獲得高濃度之臭氧水。因此，一般而言，多數情形下應用第2種方法。第2種方法之問題在於，向臭氧水供給過剩之熱能，藉此會使溶液中之臭氧分子分解。例如，當利用護套加熱器直接對臭氧水進行加熱時，局部較大之熱能會供給至臭氧水，過剩之熱能會使溶液中之臭氧分子分解為氧。因此，即便對高濃度之臭氧水進行加熱，其濃度亦會顯著地降低。因此，當對臭氧水進行加熱時，必需將溶液中之臭氧分子之自分解抑制至最小限度，且必需於短時間內將 臭氧水加熱至所需溫度為止。

本發明之目的在於提供一種臭氧水製造裝置，其通用性高，且能夠以更簡單之構成來製造臭氧水，進而可抑制因熱所引起之分解，從而可製造更高濃度之臭氧水。

本發明係一種臭氧水製造裝置，其係將所供給之水與臭氧氣體混合，製造水中溶解有臭氧氣體之臭氧水者，其特徵在於，藉由定容移動型泵使水循環，並將臭氧混合至循環之水中，藉此使臭氧氣體溶解於水中。

又，本發明中，較好的是，上述定容移動型泵之循環液量為所製造之臭氧水之排出流量的4倍以上。

又，本發明中，較好的是具備暫時貯存循環液之循環槽，且以高於常壓之壓力將循環槽內之壓力保持固定。

又，本發明中，較好的是臭氧水製造裝置具備將循環中之臭氧水之一部分加熱之加熱部，使循環中之臭氧之濃度比室溫下之飽和溶解濃度低、且比高於室溫之特定高溫下之飽和溶解濃度高，利用上述加熱部進行加熱，藉此製造臭氧濃度比上述高溫下之飽和溶解濃度高之過飽和臭氧水。

又，本發明中，較好的是，上述加熱部係以溫水為熱介質之熱交換器。

又，本發明中，較好的是，上述加熱部以8~10秒之短時 間使臭氧水升溫至特定溫度為止。

以下參照圖式來詳細地說明本發明之較佳實施形態。

圖1係表示作為本發明之一實施形態之臭氧水製造裝置1之構成的概略圖。臭氧水製造裝置1包含臭氧發生器(臭氧製造器)2、循環糟3、循環泵4、以及熱交換用溫水槽5，且進而包含來自CO₂ (二氧化碳)氣體、O₂ (氧)氣體、N₂ (氮)氣體及水之各供給源之導入配管、設置於各配管之閥門、以及流量計等。

臭氧水製造裝置1中，並未設置用以將臭氧氣體與水加以混合之混合器，而是利用循環泵4來進行混合，使臭氧溶解於水中。

將CO₂ 氣體導入至循環槽3之起泡器3a之後，供給至循環槽3中所貯存之臭氧水中。藉由將CO₂ 氣體供給至臭氧水而將臭氧水調整為所需之pH值。就臭氧水之pH值而言，可根據臭氧水之使用目的等而改變其最佳值，但pH值大致為4~6。

藉由設置於供給源與起泡器3a之間之閥門V1的開閉以及流量計FR1，而調整CO₂ 氣體之供給量。就CO₂ 氣體之供給而言，例如，將供給壓力設為0.31~0.40 MPa，將流量設為100~1000 mL．min^－1 。

將O₂ 氣體以及N₂ 氣體導入至臭氧發生器2中，於臭氧發生器2中產生臭氧。將所產生之臭氧與所供給之水加以混合之後導入至循環用泵4中。使用T型之管套接頭將來自臭 氧發生器2之配管連接於通向循環用泵4之水配管，以使水與所產生之臭氧氣體混合。

藉由設置於供給源與臭氧發生器2之間之閥門V2的開閉以及流量計FR2，而調整O₂ 氣體之供給量，藉由設置於供給源與臭氧發生器2之間之閥門V3的開閉以及流量計FR3，而調整N₂ 氣體之供給量。就O₂ 氣體之供給而言，例如將供給壓力設為0.31~0.40 MPa，將流量設為1~10 L．min^－1 。就N₂ 氣體之供給而言，例如將供給壓力設為0.31~0.40 MPa，將流量設為10~100 mL．min^－1 。

藉由設置於供給源與循環用泵4之間之閥門V4的開閉以及流量計FR4，而調整水之供給量。

預先經混合之水及臭氧氣體於循環用泵4內部進一步受到混合，使臭氧氣體溶解於水中。藉由循環用泵4而將臭氧水排出至循環槽3，並以上述方式使之與CO₂ 氣體混合。

於此，循環用泵4必需亦兼具有混合功能，較好的是使用伸縮泵或隔膜泵等之定容移動型泵。當使用離心泵等作為循環用泵4時，水之壓力變動之速度較快，臭氧分子會因機械能而分解為氧。又，若所供給之臭氧氣體之量增多，則無法正常地進行送液，故而欠佳。對於循環用泵4之能力而言，當考慮到混合功能時，噴出量較好為約0.5~5 L/循環左右。

貯存於循環槽3中之臭氧水之一部分回流至水配管中，與所產生之臭氧混合之後被導入至循環泵4。臭氧水自循環槽3排出，且與新的水及臭氧氣體混合後導入至循環泵 4，並於返回至循環槽3之循環管路中循環。藉由設置於循環槽3與通向水配管之連接部之間之閥門V5的開閉，而調整來自循環槽3之排出量。

較好的是，使得循環槽3中始終貯存有2~20 L(升)之臭氧水，且將循環液量設為循環槽3之排出流量(使用量)1~10 L．min^－1 之4倍以上，亦即設為4~40 L．min^－1 以上。

將自循環槽3排出之臭氧水導入至設於溫水槽5內部之熱交換器5a中，將該臭氧水加熱至特定溫度。溫水槽5中貯存有作為熱交換介質之溫水，藉由加熱器5b而加熱至適當溫度。

利用護套加熱器等而直接對臭氧水進行加熱，則會產生局部較大之熱能，該過剩之熱能會使臭氧水中之臭氧分子分解為氧，因此，較好的是藉由熱交換器來進行加熱。熱交換器5a較好的是採用例如將PFA(Perfluoro(alkoxy alkane)，全氟烷氧基樹脂)或者鈦用作導熱管者。PFA係四氟乙烯(TFE，tetrafluoroethene)與全氟烷氧基乙烯之共聚物。

將經熱交換器5a加熱至特定溫度之臭氧水供給至後段之清洗裝置等。

循環槽3之容積為5~50 L，藉由壓力控制閥3b而將循環槽內之壓力調節為例如0.30~0.39 MPa。

又，亦可設置該循環槽3來進行臭氧水中之氣液分離。未溶解於臭氧水中之過剩之臭氧氣體，於循環槽3中自溶液進行氣液分離。接著，經由上述之壓力控制閥3b，將該 過剩之臭氧氣體、以及臭氧氣體隨著時間自分解所成之氧氣體排出。再者，於排向大氣之前，藉由臭氧分解器6而分解所排氣體中之臭氧氣體。

以下，對實施例加以說明。

本實施例中，使用伸縮泵(NIPPON PILLAR工業股份有限公司製，PE－80MA)來作為循環用泵4，使用自製之PFA製熱交換器(將5根15 m之直徑為1/4吋之PFA管捆紮而成者)或者鈦製熱交換器(Tokyo Blaze股份有限公司，TBHE－TiM－21AV)來作為熱交換器5a，製造液溫為50℃之高濃度臭氧水(濃度約為140 mg．L^－1 )。

將閥門V1至閥門V4打開，分別供給水、氧氣、氮氣及二氧化碳氣體。此時之氧氣與氮氣之供給壓力為0.32 MPa以上，流量分別為6 L．min^－1 與50 mL．min^－1 。繼而，使臭氧發生器2(住友精密工業股份有限公司製，GR－RG)動作之後，將壓力為0.32 Mpa、流量約為6 L．min^－1 之臭氧氣體以290 g．Nm^－3 之濃度排出。一面繼續該動作，一面以與臭氧水之排出流量相同之5 L．min^－1 之流量供給水。此時，利用流量計FR5對槽內之液面進行調整，使得循環槽3內始終貯存有10 L之水。

其次，使循環用泵4動作之後，將臭氧氣體與水一併抽吸至循環管路中，從而產生臭氧水。此時，將二氧化碳供給至起泡器3a中，使得臭氧水之pH值為5。使用流量計FR1來對CO₂ 之供給量進行控制。藉由該等操作而製造出於室溫下濃度為161 mg．L^－1 之臭氧水。

此時，水之循環量為22 L．min^－1 ，該循環量會顯著地對臭氧水之濃度造成影響。因此，根據預先測定之臭氧水濃度與循環量之關係資料而設定循環量。

圖2係表示臭氧水濃度與循環量之關係之圖表。橫軸表示循環量(L．min^－1 )，縱軸表示臭氧水濃度(mg．L^－1 )。

根據圖表可得知，存在循環量加大則臭氧水濃度會增加之傾向。然而，當循環量超過約20 L．min^－1 時，臭氧水濃度約為160 mg．L^－1 且大致固定。該流量相當於臭氧水排出流量(5 L．min^－1 )之4倍。因此，為了製造濃度穩定之臭氧水，以較20 L．min^－1 多10%之循環量22 L．min^－1 製造臭氧水。

25℃之臭氧之飽和溶解濃度為219 mg．L^－1 ，因此，得知能夠以所製得之臭氧水之濃度低於飽和溶解濃度且高於高溫時(例如50℃，飽和溶解濃度為126 mg．L^－1 )之飽和溶解濃度之狀態下進行混合。

再者，飽和溶解濃度之估算值係以如下方式而求得。

眾所周知的是，氣體溶解於液體中時，尤其於溶液中之溶解成分之莫耳分率較小之情形時，該莫耳分率與氣體中之該成分之分壓成比例。該比例常數作為亨利常數H而由以下之(2)式來定義。

[數2]H ＝p/x ………(2)

此處，p(atm)為氣體中之臭氧之分壓，x為液體中之臭氧之莫耳分率。

將該(2)式變形而求出x，並且將x之值轉換為mg．L^－1 單位而算出飽和溶解濃度。又，就計算中所用之常數H之值而言，雖已公布有大量資料，但此處採用使用Roth－Sullivan式所求得之近似值，該Roth－Sullivan式能夠評價pH值及溫度之影響。以下將Roth－Sullivan式表示為(3)式。

[數3]H ＝3.842×10⁷ [OH^－ ]^{0.035exp(－2428/T )} ………(3)

此處，[OH^－ ]為氫氧離子之濃度，T為液溫。

其次，一面使用熱交換器5a供給熱能，一面將所製造之25℃之臭氧水加熱至50℃為止。此時所使用之熱交換器5a之熱交換面積、臭氧水之滯留時間以及溫水之溫度為0.87 m² 、10 sec、78℃。再者，當使用鈦製熱交換器時，上述熱交換器5a之熱交換面積、臭氧水之滯留時間以及溫水之溫度例如為0.30 m² 、8 sec、62℃。

圖3之圖表表示對加熱後之臭氧水濃度進行測定之結果。

橫軸表示溫度(℃)，縱軸表示臭氧水濃度(mg．L^－1 )。

當使用PFA製熱交換器時，液溫50℃下之臭氧水濃度為141 mg．L^－1 。又，當使用鈦製熱交換器時，液溫50℃下之臭氧水濃度為145 mg．L^－1 。50℃之臭氧水之飽和溶解濃度為126 mg．L^－1 ，因此，得知所製造之臭氧水為濃度遠高於飽和溶解濃度之過飽和狀態之臭氧水。

於此，為了確認高溫時之臭氧水與加熱時間之關係，將上述PFA製熱交換器與鈦製熱交換器串聯連接，將溫水溫 度設定為60℃而製造50℃之臭氧水。其結果，臭氧水錶現出135 mg．L^－1 之濃度。此時之加熱時間為18秒。圖3中追記有該結果。

較好的是，使臭氧水以短時間之加熱時間升溫至所需之溫度。其原因可根據圖4之圖表所示之加熱後之臭氧水濃度與加熱時間的關係而得知。

橫軸表示加熱時間(sec)，縱軸表示臭氧水濃度(mg．L^－1 )。

改變使25℃且約160 mg．L^－1 之臭氧水升溫至50℃為止時所耗費之時間，並測定加熱後之臭氧水濃度。藉由改變熱交換器之種類而使升溫至50℃為止之升溫時間產生變化。

根據圖表得知，加熱時間愈短，則愈可抑制臭氧水濃度之降低，因此，較好的是以儘可能短之時間使臭氧水升溫至作為目標之液溫。具體而言，已明確得知當臭氧水之加熱時間短於於18秒，為8秒、10秒左右之短時間時，則50℃之臭氧水濃度變高。因此得知臭氧水之加熱時間較佳為8~10秒左右之短時間。

進而作為參考，利用將上述PFA製熱交換器與鈦製熱交換器串聯連接之裝置，將溫水溫度設定為92℃，製造80℃之臭氧水。此時之80℃之臭氧水濃度表示為85 mg．L^－1 ，進而將該值追記於圖3中。根據其結果而可明確地確認，即便於80℃亦可獲得濃度遠遠高於飽和溶解濃度(73 mg．L^－1 )之過飽和狀態之臭氧水。

最後，過飽和狀態之臭氧水於熱力學上處於非平衡狀態，臭氧水之濃度隨著時間之經過而接近飽和溶解濃度。 因此，當使用過飽和狀態之臭氧水時，較理想的是將熱交換器設置於使用點附近而使用。

本發明於不脫離其精神或者主要特徵之範圍內，能夠以其它各種形態實施。因此，上述實施形態之所有方面僅為例示，本發明之範圍為申請專利範圍中所示者而並不受說明書本文之任何限制。進而，屬於申請專利範圍之變形或變更均為本發明之範圍內者。

產業上之可利用性

根據本發明，藉由定容移動型泵而使水循環，將臭氧混合至循環之水中，藉此使臭氧氣體溶解於水中。

透過設為此種構成，即便不具備噴射器或溶解膜等特殊之構成，因使用伸縮泵、隔膜泵等通用性高之定容移動型泵，故而能夠以更簡單之構成製造臭氧水。

根據本發明，使上述定容移動型泵之循環液量為所製造之臭氧水之排出流量的4倍以上。

對臭氧水濃度與循環液量之關係進行研究之後得知，臭氧之濃度存在循環液量增大則增加之傾向。當循環液量為排出流量之4倍以上時，臭氧之濃度達到最大，因此較好的是以此方式進行設定。

根據本發明，具備暫時貯存循環液之循環槽，以高於常壓之壓力將循環槽內之壓力保持為固定。

藉此，可使溶解於水中之臭氧濃度為更高之濃度。

根據本發明，具備對循環中之臭氧水之一部分進行加熱之加熱部，使循環中之臭氧之濃度為低於室溫下之飽和溶 解濃度且高於比室溫更高之特定高溫下之飽和溶解濃度。又，利用上述加熱部進行加熱，藉此可製造臭氧濃度高於上述高溫度下之飽和溶解濃度之過飽和臭氧水。

根據本發明，上述加熱部係以溫水為熱介質之熱交換器。

若使用護套加熱器等直接對臭氧水進行加熱，則會因過剩之熱能而使臭氧分子分解為氧，因此藉由使用熱交換器進行加熱而可抑制臭氧分子分解為氧，從而可製造出更高濃度之臭氧水。

根據本發明，上述加熱部以8~10秒之短時間使臭氧水升溫至特定溫度為止。

已知當使臭氧水自室溫升溫至特定溫度為止時，加熱時間愈長，則臭氧之濃度愈降低。因此，使臭氧水以更短時間升溫至特定溫度為止，藉此可製造更高濃度之臭氧水。

1‧‧‧臭氧水製造裝置

2‧‧‧臭氧發生器

3‧‧‧循環槽

4‧‧‧循環泵

5‧‧‧熱交換用溫水槽

5a‧‧‧熱交換器

本發明之目的、特點以及優點可根據下述之詳細說明及圖式而變得更為明確。

圖1係表示作為本發明之一實施形態之臭氧水製造裝置之構成的概略圖。

圖2係表示臭氧水濃度與循環量之關係之圖表。

圖3係表示臭氧水濃度與液溫之關係之圖表。

圖4係表示加熱後(50℃)之臭氧水濃度與加熱時間之關係之圖表。

1‧‧‧臭氧水製造裝置

2‧‧‧臭氧發生器

3‧‧‧循環槽

3a‧‧‧起泡器

3b‧‧‧壓力控制閥

4‧‧‧循環泵

5‧‧‧溫水槽

5a‧‧‧熱交換器

5b‧‧‧加熱器

6‧‧‧臭氧分解器

FR1~FR5‧‧‧流量計

V1~V6‧‧‧閥門

Claims (4)

1. 一種臭氧水製造裝置，其係將所供給之水與臭氧氣體混合，製造水中溶解有臭氧氣體之臭氧水者，其特徵在於，其包含：臭氧發生器；臭氧運送配管，其係連接於上述臭氧發生器，並運送來自臭氧發生器之臭氧；水循環配管，其係兩端連接於定容移動型泵，並使來自定容移動型泵之水循環；及T型之接頭，其係將上述臭氧運送配管連接至上述水循環配管之途中；且以下述方式構成：藉由上述定容移動型泵使水循環，並將臭氧混合至循環之水中，藉此使臭氧氣體溶解於水中；並具備將循環中之臭氧水之一部分加熱之加熱部，使循環中之臭氧水之臭氧濃度比室溫下之飽和溶解濃度低、且比高於室溫之特定高溫下之飽和溶解濃度高，利用上述加熱部以8~10秒之短時間加熱使25℃臭氧水升溫至50℃，藉此使上述循環中之臭氧水之一部分升溫至特定高溫，並製造臭氧濃度比上述高溫下之飽和溶解濃度高之過飽和臭氧水。
2. 如請求項1之臭氧水製造裝置，其中上述定容移動型泵之循環液量為所製造之臭氧水之排出流量的4倍以上。
3. 如請求項1或2之臭氧水製造裝置，其中具備暫時貯存循環液之循環槽，且以高於常壓之壓力將循環槽內之壓力保持固定。
4. 如請求項1之臭氧水製造裝置，其中上述加熱部係以溫水為熱介質之熱交換器。