実施の形態1.
 図1は、本発明の実施の形態1によるオゾン� �縮装置を示す図である。図1に示すように、� ��実施の形態1によるオゾン濃縮装置には、3� �の吸脱着塔4が設けられている。なお、図1に おいては、それぞれ、符号4-1,4-2,4-3として示� ��ているが、以下の説明においては、これら� ��まとめた場合に、符号4として説明すること とする。他の構成についても同様に、X-1は、 吸脱着塔4-1に対応させて設けられた部材、X-2 は、吸脱着塔4-2に対応させて設けられた部材 、X-3は、吸脱着塔4-3に対応させて設けられた 部材であり、これらをまとめた場合には、単 に、符号Xとして示すこととする(なお、ここ� ��、Xは、5~13までの数字)。

 図1の説明に戻る。これらの3塔の吸脱着� �4は、断熱材26に外側を覆われた冷却槽24内に 収容されている。各吸脱着塔4内には、オゾ� �吸着剤としてシリカゲル6が入れられている� ��シリカゲル6は、図1に示すように、吸脱着� �4内の上部と下部に空間ができるように、高� ��方向の中央部分にのみ配置されている。シ� ��カゲル6は、直径1~5mmの粒形状、望ましくは� ��状をしており、吸脱着塔4の内壁に対して相 補形状をなすように充填され(内壁が円筒型� �ら、シリカゲル6は円柱型)、吸脱着塔4の内� �に密着するように設けられている。冷却槽24 には冷凍機23が接続され、冷却槽24内には冷� �機23で一定温度に冷却された冷媒25が循環し� ��いる。この冷媒25によりシリカゲル6は常に� ��却されている。さらに、冷却槽24の底部に� �、断熱材26を貫通するようにして、ドレイン バルブ27が設けられており、メンテナンス時� ��の必要に応じて、ドレインバルブ27を開け� �、冷却槽24内の冷媒25をそこから外部に排出� ��る。また、各吸脱着塔4には、略々L字型の� �口ガス連通管5と、略々I字型の出口ガス連通 管7とが、垂直方向に上部から挿入されてい� �。入口ガス連通管5はシリカゲル6の下部まで 貫通し、出口ガス連通管7は高純度シリカゲ� �6の上方までで、シリカゲル6まで達していな い。したがって、入口ガス連通管5のL字型の� ��端のガス導入口と出口ガス連通管7の下端の 排出口とはシリカゲル6を隔てるように配置� �れている。また、各入口ガス連通管5には、3 つの入口バルブ8,9,10が設けられている。また 、各出口ガス連通管7には、3つの出口バルブ1 1,12,13が設けられている。

 冷却槽24の外部には、オゾン発生器3と酸� ��ボンベ1とが設けられ、酸素ボンベ1は減圧� �2を介してオゾン発生器3に接続されている。 酸素ボンベ1からオゾン発生器3に酸素を入れ� ��ことにより、オゾンが発生され、吸脱着塔4 に供給される。なお、オゾン発生器3はオゾ� �発生装置として一般的に現在用いられてい� �ものでよい。また、冷却槽24の外部には、オ ゾン利用設備17が設けられ、吸脱着塔4により 生成された高濃度オゾンが供給される。オゾ ン利用設備17には、それを減圧状態にするた� ��の真空ポンプ22が設けられている。

 オゾン発生器3は、入口バルブ10および入� ��ガス連通管5を介して、吸脱着塔4内のシリ� �ゲル6に連通しており、さらに、当該シリカ� ��ル6は、出口ガス連通管7、出口バルブ13、自 動圧力調整器18、および、オゾン濃度計28を� �して、オゾン分解触媒19に連通していて、こ れらは一連にオゾンを吸着するために繋がっ ている。

 また、各吸脱着塔4は、出口ガス連通管7� �出口バルブ12、および、真空ポンプ20を経由� ��、別の吸脱着塔4の入口ガス連通管5に設け� �れた入口バルブ9を介して、当該別の吸脱着� ��4内を通って、それに設けられた出口ガス連 通管7および出口バルブ11を介して、オゾン分 解触媒21に繋がっている。

 さらに、各吸脱着塔4は、入口ガス連通管 5、入口バルブ8、真空ポンプ15、流量調整器(� ��スフローコントローラー)16、オゾン濃度計2 9を通して、オゾン利用設備17および真空ポン プ22へと繋がっている。

 以上説明したように、本実施の形態1に係 るオゾン濃縮装置は、酸素からオゾンを発生 するオゾン発生器3と、オゾン発生器3により� ��生したオゾンを濃縮するために一定温度の� ��媒25で冷却されたオゾン吸着剤であるシリ� �ゲル6を内包した複数の吸脱着塔4と、冷媒25� ��冷却するための冷却手段である冷凍機23と� �吸脱着塔4に接続されて、オゾンを吸着した� ��リカゲル6から主に酸素を排気することによ り、吸脱着塔4内のオゾンを濃縮するための� �空ポンプ20と、吸脱着塔4に接続されて、吸� �着塔4に対して流入または流出させるガスの� ��路を切り替えるための空気圧操作の複数の� ��ルブ8~13と、真空ポンプ20により濃縮された� ��ゾンの濃度を測定するためのオゾン濃度計2 8,29とを備え、シリカゲル6を内包した吸脱着� ��4のオゾンを濃縮する真空ポンプ20の排気ラ� ��ンを、他の吸脱着塔4に再度通過させる構造 を有している。当該構成において、3つの吸� �着塔4は、オゾンを吸着する吸着工程、吸着� ��たオゾンを真空排気してオゾンガス濃度を� ��める真空排気工程、および、濃縮したオゾ� ��を送出するオゾン脱着工程を繰り返し行っ� ��、従来は捨てていた所定の濃度に達してい� ��いオゾンを、再度、吸着することにより、� ��ゾン利用設備が必要とする30~100体積パーセ� ��トの範囲にある所定のオゾン濃度まで濃縮� ��て、利用できるようにしている。

 次に、本実施の形態1によるオゾン濃縮装 置の動作について説明する。酸素を、酸素ボ ンベ1からオゾン発生器3に入れて、オゾンを� ��生させる。このオゾンを、まず、入口バル� ��10-1および入口ガス連通管5-1を通して、吸脱 着塔4-1内に入れ、冷凍機23で冷却した冷媒25� �介して冷却した吸脱着塔4-1内のシリカゲル6- 1に吸着させる。オゾンと一部の酸素を吸着� �た後のガスは、出口ガス連通管7-1、出口バ� �ブ13-1、自動圧力調整器18、オゾン濃度計28、 オゾン分解触媒19を通して、大気に開放され� ��。オゾン分圧が高いほど良く吸着するため� ��オゾン吸着時には、自動圧力調整器18で、� �ージ圧力0.1MPa以上に調整している。吸着終� �後、入口バルブ10-1、および、出口バルブ13-1 を閉じて、吸脱着塔4-1を一時的に休止状態に し、次に、吸脱着塔4-2に対して設けられた、 入口バルブ10-2および出口バルブ13-2を開けて� ��吸脱着塔4-2内のシリカゲル6-2にオゾンを吸� ��させる。

 吸脱着塔4-1内のシリカゲル6-1は、オゾン� ��同時に酸素も吸着している。吸着されたオ� ��ンの濃度を上げるためには、この酸素を排� ��する必要がある。そのため、一時的に休止� ��ている吸脱着塔4-1の出口バルブ12-1を開けて 、シリカゲル6-1から、吸着された酸素を、出 口バルブ12-1を介して、真空ポンプ20で排気す ることにより、オゾンを濃縮する。これを減 圧動作という。なお、酸素を排気する際には 、当該酸素に混じって一部のオゾンも同時に 排気されるため、出口バルブ12-1、真空ポン� �20、入口バルブ9-2、および、入口ガス連通管 5-2を通じて、吸脱着塔4-1から排気されるオゾ ンを吸脱着塔4-2に入れて、吸脱着塔4-2で再度 吸着させる。このように、真空ポンプ20には� ��ゾンが流れるため、真空ポンプ20はオゾン� �対する耐腐食性が高い必要があるので、テ� �ロン(登録商標)製のダイアフラムを用いたも のを使用する。なお、オゾン濃度計28で吸脱� ��塔4-1から漏れ出てくるオゾン濃度をモニタ� ��、あらかじめ、計測した吸脱着塔4-2内のシ� ��カゲル6-2の破過と、吸脱着塔4-1内のオゾン� ��予め設定された所定の製品オゾン濃度に達� ��る時間が同時に終了するように、吸脱着塔4 -1の真空引き開始時間(脱着開始時間)を設定� �る。すなわち、吸脱着塔4-1から真空ポンプ20 により排気される排気ガスを、他の吸脱着塔 4-2へ再度通過させて吸着させる期間は、真空 ポンプ20による吸脱着塔4-1からの排気開始か� ��、吸脱着塔4-1内のオゾンの濃度が所定の製� ��オゾン濃度へ達するまでの間とする。吸脱� ��塔4-1内のオゾンが所定の製品オゾン濃度に� ��したら、入口バルブ8-1を開け、真空ポンプ1 5を通じて、流量調整器(マスフローコントロ� ��ラー)16で流量を一定に制御して、オゾン濃� ��計29を通して、真空ポンプ22で減圧状態にあ るオゾン利用設備17に送られる。この動作を� ��着動作という。なお、製品オゾン濃度とは� ��オゾン利用設備17が必要とする30~100体積パ� �セントの範囲にあらかじめ設定した所定の� �度である。これらの一連の、吸着、減圧、� �着と各バルブの動作を表したものが表1にな� ��。

 図2は、冷媒25の温度を-60℃と一定とした� ��きの、オゾン吸着量、脱着したオゾン量、� ��よび、脱着したオゾンのうち、濃度が90体� �パーセント以上のオゾンの量をグラフに表� �たものである。図中、左側の3つの棒グラフ� ��再吸着のない場合であり、右側の3つが本実 施の形態1による再吸着のある場合である。� �れぞれの場合において、左端の棒グラフが� �ゾン吸着量、中央がオゾン脱着量、右側が� �度90体積パーセント以上のオゾン脱着量の値 をそれぞれ示している。

 このように、本実施の形態においては、� ��来は排気していた製品ガス濃度に達しない� ��度のオゾンを他の吸脱着塔4に入れて、再び 吸着することにより、オゾンの吸着量が増加 して、オゾンの利用効率の増加によるオゾン 発生用電力が低減するとともに、オゾン分圧 の高いガスを吸着することができるため、シ リカゲルにオゾンを高密度吸着することが可 能になり、オゾンの濃縮が容易になる。なお 、本実施の形態1において、真空ポンプ22の排 気量、真空達成度に十分余裕がある場合には 、真空ポンプ15を無くして、オゾン利用設備1 7の付属の真空ポンプ22を利用し、吸脱着塔4� �吸脱着を行っても同様の効果を示すことは� �能である。また、今回、3塔で切り替える構� ��について説明を行ったが、複数の塔を1ユニ ットとして、3ユニットで切り替えるように� �てもよく、その場合にも、同等の効果を得� �ことができる。

 以上のように、本実施の形態に係るオゾ� ��濃縮装置においては、オゾン発生器3で発生 させたオゾンを、冷凍機23で冷却した吸脱着� ��4-1に内包されるシリカゲル6-1に吸着させた� ��に、真空ポンプ20で排気し、すでにオゾン� �スで破過した連通する吸脱着塔4-2に真空ポ� �プ20で排気したガスを流通させるようにした ので、以下の効果が得られる。

 まず、第一に、一定温度で、真空ポンプ� ��濃縮されたオゾンガスを取り出すことによ� ��、シリカゲルを加温する必要がないため、� ��温するためのエネルギーおよび時間が節約� ��きる。第二に、オゾンで破過した後の吸脱� ��塔に、さらに、吸脱着塔から真空排気した� ��濃度のオゾンガスを吸着させるため、オゾ� ��の利用効率が高まり、かつ濃縮率が増加す� ��ため、オゾンの発生量を節約することがで� ��、ついてはオゾンを発生するためのエネル� ��ーを低減することができる。第三に、真空� ��ンプの排気ラインを吸着過程にある他の吸� ��着塔に接続するようにしたので、吸着速度� ��吸着量は、オゾン濃度に比例するため、真� ��ポンプの排気ラインから出る高濃度のオゾ� ��を吸着することにより、吸着が早く、また� ��オゾン発生器から発生するオゾンより高濃� ��のオゾンを吸着させることができるので、� ��着量を多くすることができる。

 実施の形態2.
 図3は、本発明の実施の形態2によるオゾン� �縮装置を示す図である。吸脱着塔4-1~4-3には� ��入口ガス連通管5および出口ガス連通管7が� �部から挿入されており、入口ガス連通管5は� ��シリカゲル6の下部まで貫通し、連通管5の� �ス導入口と連通管7のガス排出口とが、シリ� ��ゲル6を隔てて配置されるように構成されて いる。吸脱着塔4-1~4-3は、冷却槽24に、複数の ボルト30で取り付けられている。入口ガス連� ��管5と出口ガス連通管7の吸脱着塔4の外部に� ��るそれぞれの上端が、吸脱着塔4の同じ側に あり、吸脱着塔4内部にあるそれぞれの下端� �シリカゲル6を挟みこむようにしてあるため� ��オゾンガスの吸着がしやすい。また、吸脱� ��塔4を冷却槽24にボルト30で取り付けるよう� �したので、吸脱着塔4と冷却槽24とを切り離� �ことができるため、冷媒25を冷却槽24から排� ��することなく吸脱着塔4の交換を行うことが できる。これにより、オゾン濃縮装置全体の 重量が少なくなり、吸脱着塔4のみの着脱が� �能になるため、メンテナンスが容易になる� �なお、他の構成については、上述の実施の� �態1と同じであるため、ここではその説明は� ��略する。

 なお、本実施の形態2では、入口ガス連通 管5がシリカゲル6内を貫通している例につい� ��説明したが、その場合に限らず、図4に示す ように、入口ガス連通管5が吸脱着塔4の外部� ��通って、出口ガス連通管7とシリカゲル6と� �挟んでもよく、その場合においても同様の� �果を得ることができる。

 以上のように、本実施の形態2によれば、 吸脱着塔4-1~4-3を冷却槽24にボルト30で取り付� ��るようにしたので、吸脱着塔4と冷却槽24と� ��切り離すことができるようになったため、� ��媒25を冷却槽24から抜くことなく、吸脱着塔 4の交換を行うことができ、吸脱着塔4のみの� ��脱が可能になるため、メンテナンスが容易� ��なる。

 実施の形態3.
 図5は、本発明の実施の形態3によるオゾン� �縮装置を示す図である。吸脱着塔4を、図5に 示すように、横向きにして、冷却槽24の側面� ��ら内部に挿入し、冷却槽24の側面にボルト30 で取り付けている。吸脱着塔4自体の構成は� �上述の実施の形態1および2で示したものと基 本的に同じである。但し、本実施の形態にお いては、吸脱着塔4が横向きにされているた� �、シリカゲル6が、吸脱着塔4内の(水平方向� �直径を含む)高さ方向の中央部分に位置して� ��り、吸脱着塔4内の上方と下方にのみ隙間が ある状態で入れられている。なお、(当該隙� �部分を除く)当該中央部分においては、シリ� ��ゲル6は、吸脱着塔4の内壁に密着している� �また、出口ガス連通管7が、その吸脱着塔4内 の上部の隙間に挿入されており、入口ガス連 通管5は、吸脱着塔4内の下部の隙間から入り� ��その先端が、奥行き方向の中心部にくるよ� ��に設置されており、シリカゲル6にオゾンを 吸脱着させている。他の構成については、上 述の実施の形態1または2と同じであるため、� ��こではその説明を省略する。

 このように、吸脱着塔4は、横向きにして 設けても、上記の実施の形態1と同様に機能� �ることができる。但し、本実施の形態にお� �ては、吸脱着塔4を、横向きにして、冷却槽2 4の側面に挿入した構成であるため、メンテ� �ンス時には、冷媒25がこぼれてしまうため、 予め、冷却槽24に取り付けられているドレイ� ��バルブ27で、冷却槽24から冷媒25を排出して� ��吸脱着塔4を取替えるようにする。なお、他 の動作については、上述の実施の形態1と同� �であるため、ここではその説明は省略する� �

 以上のように、本実施の形態3においては 、冷却槽24の側面から吸脱着塔4を取り付けて いるため、吸脱着塔4上部にメンテナンスス� �ースをとる必要がなく、メンテナンスを容� �にできる。

 実施の形態4.
 図6は、本発明の実施の形態4によるオゾン� �縮装置を示す図である。大きさの同じ3塔の� ��脱着塔4-1,4-2,4-3に加えて、それらの3塔の吸� ��着塔4-1,4-2,4-3より小さい、4つ目の吸脱着塔4 -4を備えている。吸脱着塔4-4には、吸脱着塔4 -1,4-2,4-3と同様に、入口ガス連通管5-4と出口� �ス連通管7-4とが挿入されている。また、入� �ガス連通管5-4には、2つの入口バルブ8-4,10-4� �設けられており、出口ガス連通管7-4には、2� ��の出口バルブ12-4,13-4が設けられている。

 これら4塔の吸脱着塔4が、断熱材26に覆わ れた冷却槽24内に備えられている。また、こ� ��ら4塔の吸脱着塔4内にはシリカゲル6が入れ� ��れており、オゾン発生器3と、入口バルブ10� ��出口バルブ13、自動圧力調製器18、オゾン濃 度計28、オゾン分解触媒19で、一連にオゾン� �吸着するために繋がっている。吸脱着塔4-1� �、出口バルブ11-1および入口バルブ9-2を通し� ��、吸脱着塔4-2に繋がり、バルブ12-2およびオ ゾン分解触媒21を通して真空ポンプ20に繋が� �ている。同様に、吸脱着塔4-2は、出口バル� �11-2および入口バルブ9-3を通して、吸脱着塔4 -3に繋がり、出口バルブ12-3およびオゾン分解 触媒21を通して真空ポンプ20に繋がっている� �吸脱着塔4-3は、出口バルブ11-3および入口バ� ��ブ9-1を通して、吸脱着塔4-1に繋がり、バル� ��12-1、オゾン分解触媒21を通して真空ポンプ2 0に繋がっている。吸脱着塔4-4は、出口バル� �12-4およびオゾン分解触媒21を通して真空ポ� �プ20に繋がっている。さらに、これらの吸脱 着塔4から、入口バルブ8、真空ポンプ15、流� �調整器(マスフローコントローラー)16、オゾ� ��濃度計29を通して、オゾン利用設備17および 真空ポンプ22へと繋がっている。また、冷却� ��24には、冷凍機23で冷却した冷媒25が循環し� ��いる。他の構成については、上述の実施の� ��態1と同じである。

 次に動作について説明する。酸素ボンベ1 から酸素をオゾン発生器3に入れて、オゾン� �発生させる。このオゾンをバルブ10-1、連通� ��5-1を通して、冷凍機23で-50℃以下にした冷� �25を介して冷却したシリカゲル6-1に吸着させ る。オゾンと一部の酸素を吸着した後のガス は、出口ガス連通管7-1、出口バルブ13-1、自� �圧力調製器18、自動濃度計28、オゾン分解触� ��19を通して大気に開放される。オゾンは、� �ゾン分圧が高いほど良く吸着するため、オ� �ン吸着時には、自動圧力調製器18でゲージ圧 力0.1MPa以上に調整している。吸着が終了後、 入口バルブ10-1、出口バルブ13-1を閉じ、入口� ��ルブ10-4および出口バルブ13-4を開け、吸脱� �塔4-4にオゾンを吸着させると同時に、出口� �ルブ11-1、入口バルブ9-2、出口バルブ12-2を開 けて、真空ポンプ20で真空排気して、吸脱着� ��4-1内部のオゾンを濃縮する。このとき、酸� ��と同時に排気されるオゾンを吸脱着塔4-2で� ��着し、出口バブル12-2から酸素のみを排気す る。この一連の動作で、吸脱着塔4-1内のオゾ ン濃度が所定の濃度に達した時点で、出口バ ルブ11-1、入口バルブ9-2、出口バルブ12-2を閉� ��て、入口バルブ8-1を開けて、真空ポンプ15� �通して、流量調整器(マスフローコントロー� ��ー)16で流量制御したオゾンガスを、オゾン� ��用設備17に送り込む。このとき、入口バル� �9-2および出口バルブ13-2を開け、入口バルブ9 -4および出口バルブ13-4を閉めて、オゾン発生 器3で発生した高純度オゾンガスを吸脱着塔4- 2に吸着させる。吸脱着塔4-4に吸着したオゾ� �ガスは、バルブ12-4を開け、オゾン分解触媒2 1を通して、真空ポンプ20で酸素が排気されて 濃度が上がる。オゾン利用設備が必要とする 30~100体積パーセントの範囲にあらかじめ設定 した所定の濃度になったところで、入口バル ブ8-4を開け、吸脱着塔4-1から出てくる超高濃 度オゾンガスと同時に、オゾン利用設備17に� ��り込まれる。これらの一連の、吸着、減圧� ��高濃度オゾンの発生と各バルブの動作を表� ��たものが表2になる。

 上記の実施の形態1では、減圧排気したオ ゾンガスと、オゾン発生器3から発生したガ� �を同時に吸着したため、減圧排気したオゾ� �ガスが若干希釈される。一方、本実施の形� �4のように、補助的な吸脱着塔4-4を備えて、� ��圧排気したオゾンガスとオゾン発生器3から 発生されるオゾンガスとを吸脱着塔4-4に吸着 させることにより、減圧排気したオゾンガス を再吸着するときのオゾン分圧が上がるため に吸着量が増加する。また、補助的に加えた 吸脱着塔4-4は、他の3塔が吸着、減圧、高濃� �オゾンの発生の工程を繰り返している一工� �の間に、吸着、減圧、高濃度オゾンの発生� �工程を1塔で行うため、吸脱着塔の容量、す� ��わち、シリカゲルの量が1/3で良い。

 以上のように、本実施の形態4によれば、 従来は排気していた製品ガス濃度に達しない オゾンを他の吸脱着塔に入れて、再び吸着す ることにより、オゾンの利用効率が増加する 。また、排気ガス中に含まれていたオゾンが シリカゲル6に吸着するため、真空ポンプ20が オゾンに触れることなく、また、オゾン分解 触媒21の性能も低いものを利用でき、安全で� ��頼性の高いオゾン濃縮装置を実現すること� ��できる。さらに、オゾンを吸着する吸着工� ��、吸着したオゾンを真空排気してオゾンガ� ��濃度を高める真空排気工程(減圧工程)、発� �したオゾンを送出するオゾン発生工程(脱着� ��程)を繰り返し行う3つの吸脱着塔と、これ� �の吸脱着塔とは独立に、吸着工程、真空排� �工程、および、超高濃度オゾン発生工程を� �う1つの吸脱着塔の合計4つを備えるようにし たので、真空排気されたオゾンガスが希釈さ れないため、より高密度に吸着剤にオゾンを 吸着することがだき、オゾンの利用効率、ひ いては、オゾン発生のための電力を低減する ことができる。

 また、本実施の形態4においては、4つの� �脱着塔を設ける構成について述べたが、そ� �場合に限らず、複数の塔を1ユニットとして� ��3つのユニットと、塔数の少ない第4のユニ� �トで構成するようにしてもよく、その場合� �おいても、上記と同等の効果を得ることが� �きる。

 なお、上記の実施の形態1~4で説明したオゾ� ��発生器3に酸素ボンベ1から供給する酸素ガ� �の純度は、例えば、99.99%以上の純酸素を使� �することが望ましい。これは、窒素を含ま� �いあるいは窒素の少ない酸素をオゾン発生� �の原料ガスに用いることにより、発生オゾ� �中に窒素酸化物が生成されないため、オゾ� �利用設備での腐食を引き起こすことがない� �いう理由によるものである。
 さらに、オゾン吸着に用いるシリカゲルに� ��いては、シリカ(化学記号SiO ₂ )の純度が99.9%以上の高純度のものを用いるこ とが望ましい。これにより、シリカゲル中に 含まれる不純物(特に金属成分)との反応によ� ��オゾンが分解して消失することを防ぐとと� ��に、発生オゾン中にシリカゲルが発源とな� ��不純物の混入を防ぐことができる。