(57)【要約】【課題】ＰＳＡ式の酸素濃縮装置で、窒素を含まない高濃度酸素を安定して発生させる。【解決手段】酸素濃縮装置１０である。ＰＳＡ法によって空気から高濃度酸素を濃縮する処理部１１と、高濃度酸素がアルゴン濃縮領域ＲＡｒにあることを監視するアルゴン監視手段５３とを有している。【選択図】図７
2015017007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素濃縮装置であって、
ＰＳＡ法によって空気から高濃度酸素を濃縮する処理部と、
前記高濃度酸素がアルゴン濃縮領域にあることを監視するアルゴン監視手段と、
を有している酸素濃縮装置。
【請求項２】
請求項１に記載の酸素濃縮装置において、
前記処理部の下流側に、高濃度酸素に含まれるアルゴンの濃度を計測するアルゴン濃度計が設置されている酸素濃縮装置。
【請求項３】
請求項２に記載の酸素濃縮装置において、
前記アルゴン監視手段が、５％（Ｖ／Ｖ）以上の下限設定値に基づいてアルゴン濃度を監視している酸素濃縮装置。
【請求項４】
請求項３に記載の酸素濃縮装置において、
前記アルゴン監視手段が、更に、１０％（Ｖ／Ｖ）以下の上限設定値に基づいてアルゴン濃度を監視している酸素濃縮装置。
【請求項５】
請求項３に記載の酸素濃縮装置において、
アルゴン濃度が前記下限設定値を下回った時に、アルゴン濃度が当該下限設定値以上になるように、フィードバック制御が行われる酸素濃縮装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の酸素濃縮装置において、
前記高濃度酸素がアルゴン濃縮領域にあることの調整が、当該高濃度酸素の流量を絞ることによって行われる酸素濃縮装置。
【請求項７】
オゾン発生システムであって、
請求項１〜請求項６のいずれか一つに記載の酸素濃縮装置と、
前記酸素濃縮装置で濃縮された高濃度酸素を用いてオゾンを発生させるオゾン発生装置と、
を備えるオゾン発生システム。
【請求項８】
請求項７に記載のオゾン発生システムにおいて、
前記オゾン発生装置は、
高濃度酸素が流入する誘電体で形成された放電空隙と、
電圧を印加して前記放電空隙に放電を発生させる一対の電極と、
を含む放電セルを有し、
前記放電空隙に面した前記誘電体の表面に、Ｔｉ、Ｗ、Ｓｂ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒから選択される１種若しくは２種以上の金属、又はその金属酸化物が存在するオゾン発生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＳＡ法によって酸素を濃縮する酸素濃縮装置、及び、この酸素濃縮装置で濃縮された酸素を用いてオゾンを発生させる放電式のオゾン発生システムに関し、その中でも特に、窒素を含まない高濃度酸素、及び窒素酸化物を含まない高濃度オゾンの製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＳＡ法を利用した酸素濃縮装置は公知である。ＰＳＡ法は、圧力スイング吸着法や圧力変動吸着法などとも呼ばれ、ガス分離技術として利用されている。ＰＳＡ法を利用した酸素濃縮装置は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
ＰＳＡ法を利用した酸素濃縮装置を原料ガスの供給源とした、放電式のオゾン発生システムは、特許文献２や特許文献３に開示されている。
【０００４】
放電式のオゾン発生システムの場合、オゾンを安定して発生させるために、原料とされる高濃度酸素は、１％（ｖ／ｖ）前後の触媒ガス（通常は窒素）を含むのが一般的である。
【０００５】
それに対し、窒素を含まなくても、オゾンの安定した発生を可能にする技術もいくつか提案されている（特許文献４，５等）。
【０００６】
例えば、特許文献４や５には、誘電体に機能性の膜を形成したものが開示されている。特許文献６には、放電空隙表面に異なる処理を施した構造のもの、特許文献７には、一方の放電面に誘電体がなく電極が表面にある構造のもの、特許文献８には、チューブ式の構造のものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−３３０３０６号公報
【特許文献２】特開２００１−１８０９１５号公報
【特許文献３】特開２００９−２３４７９７号公報
【特許文献４】特許第４９４８００７号公報
【特許文献５】特許第４０６９９９０号公報
【特許文献６】特開平１１−２１１１０号公報
【特許文献７】特開２００５−３２０２２３号公報
【特許文献８】特開２０１１−１０５５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
放電式のオゾン発生システムの場合、窒素を含む酸素を原料ガスに用いると、その窒素含量に比例して、窒素酸化物が副生成物として生成される。窒素酸化物は、水分が加わることによって金属と反応する硝酸に変化するため、オゾンガスが流れる配管等の腐食の原因となる。
【０００９】
そのため、窒素酸化物を含まない高濃度オゾンが要望されており、その原料ガスとして、窒素を含まない高濃度酸素が要望されている。
【００１０】
それに対し、ＰＳＡ法を利用した酸素濃縮装置（ＰＳＡ酸素濃縮装置ともいう）では、窒素を含まない高濃度酸素を安定して得るのは難しいという問題がある。
【００１１】
すなわち、ＰＳＡ酸素濃縮装置の場合、窒素と酸素の分圧の差を利用して吸着剤（一般にはゼオライト）で窒素を除去することにより、酸素を濃縮している。なお、窒素とともに炭酸ガスや水蒸気等も除去されるが、包括的に窒素とみなす。
【００１２】
具体的には、図１の（ａ）に示すように、空気は、窒素、酸素、アルゴンでほとんど構成されており、その大半は窒素と酸素で占められている。そして、図１の（ｂ）に示すように、窒素は酸素よりも吸着剤に吸着され易く、圧力が高くなるほどその傾向が顕著になる性質がある。
【００１３】
これら性質を利用し、ＰＳＡ酸素濃縮装置では、空気の圧力を変動させ、吸着剤への窒素の脱着を繰り返すことで酸素を濃縮する。通常、ＰＳＡ酸素濃縮装置で濃縮される酸素濃度は、９０％（ｖ／ｖ）前後が実用的な上限とされており、それ以上に酸素濃度を高めるには、タンク容量やブロア等、装置の大幅な性能アップが必要になる。
【００１４】
また、アルゴンは、酸素よりも吸着剤に吸着され難いため、酸素とともに濃縮されていく。それにより、ＰＳＡ酸素濃縮装置では、窒素は除去できてもアルゴンが残るため、濃縮できる酸素濃度には限界がある。
【００１５】
それに対し、特許文献２の酸素発生装置では、限界の９５％以上の濃度の酸素を発生させ、それにより、０％（ｖ／ｖ）又はそれ近くの濃度まで、窒素を排除している。
【００１６】
しかし、特許文献２の酸素発生装置の場合、後段で窒素が添加されるため、供給する酸素に窒素が多少含まれていても大きな問題ではない。また、あらかじめ流量を決めてあとは成り行きであるため、装置の劣化などがあって酸素濃度の低下があったとしてもわからない。
【００１７】
従って、特許文献２の技術では、窒素を高精度に含まない酸素を安定して発生させるのは難しい。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、ＰＳＡ酸素濃縮装置であっても、窒素を高精度で含まない高濃度酸素を安定して発生できるようにするとともに、ＰＳＡ酸素濃縮装置を用いても、窒素酸化物を高精度で含まない高濃度オゾンを安定して発生できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
開示する酸素濃縮装置は、ＰＳＡ法によって空気から高濃度酸素を濃縮する処理部と、前記高濃度酸素がアルゴン濃縮領域にあることを監視するアルゴン監視手段と、を有している。
【００２０】
この酸素濃縮装置によれば、アルゴン監視手段により、理論上窒素が含まれないアルゴン濃縮領域に高濃度酸素があることが監視できるので、ＰＳＡ酸素濃縮装置であっても、窒素を高精度で含まない高濃度酸素を安定して発生できる。なお、「アルゴン濃縮領域」とは、アルゴンが濃縮される領域であり、酸素濃度がピークを超えた後の領域のことをいう。
【００２１】
具体的には、前記処理部の下流側に、高濃度酸素に含まれるアルゴンの濃度を計測するアルゴン濃度計を設置すればよい。
【００２２】
そうすれば、簡素な部材構成で、高濃度酸素がアルゴン濃縮領域にあることを監視することができる。
【００２３】
より具体的には、前記アルゴン監視手段が、５％（Ｖ／Ｖ）以上の下限設定値に基づいてアルゴン濃度を監視すればよい。
【００２４】
そうすれば、高濃度酸素に窒素が高精度で含まないことを安定して監視できる。なお、下限設定値は６％（Ｖ／Ｖ）以上が、より好ましい。そうすれば、ピークを超えるため、高濃度酸素に窒素が含まれないことをより安定して監視できる。
【００２５】
その場合、前記アルゴン監視手段が、更に、１０％（Ｖ／Ｖ）以下の上限設定値に基づいてアルゴン濃度を監視するようにするとよい。
【００２６】
アルゴン濃度が高くればそれだけ酸素濃度が低くなるため、アルゴン濃度を１０％（Ｖ／Ｖ）以下にすることで、窒素を含まない酸素を高濃度で安定して得ることができる。
【００２７】
例えば、アルゴン濃度が前記下限設定値を下回った時に、アルゴン濃度が当該下限設定値以上になるように、フィードバック制御が行われるようにするとよい。
【００２８】
そうすれば、窒素を含まない高濃度酸素を連続的に安定して発生させることができる。
【００２９】
例えば、前記高濃度酸素がアルゴン濃縮領域にあることの調整は、当該高濃度酸素の流量を絞ることによって行ってもよい。
【００３０】
アルゴン監視手段により、高濃度酸素がアルゴン濃縮領域にあることを監視しているので、窒素を含まない高濃度酸素を安定して発生させることができる。
【００３１】
開示するオゾン発生システムは、これらの酸素濃縮装置と、前記酸素濃縮装置で濃縮された高濃度酸素を用いてオゾンを発生させるオゾン発生装置と、を備える。
【００３２】
このオゾン発生システムによれば、窒素を高精度で含まない高濃度酸素を原料ガスに用いてオゾンを発生させることができるので、窒素酸化物を高精度で含まない高濃度オゾンを発生させることができる。
【００３３】
例えば、前記オゾン発生装置は、高濃度酸素が流入する誘電体で形成された放電空隙と、電圧を印加して前記放電空隙に放電を発生させる一対の電極と、を含む放電セルを有し、前記放電空隙に面した前記誘電体の表面に、Ｔｉ、Ｗ、Ｓｂ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒから選択される１種若しくは２種以上の金属、又はその金属酸化物が存在するようにすることができる。
【００３４】
そうすれば、窒素酸化物を高精度で含まない高濃度オゾンを安定して発生させることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、ＰＳＡ酸素濃縮装置であっても、窒素を含まない高濃度酸素を安定して発生できるようになる。また、窒素酸化物を含まない高濃度オゾンを安定して発生できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）は、空気の組成を示す表であり、（ｂ）は、その主成分の圧力と吸着量との関係を示すグラフである。
【図２】本発明を適用したオゾン発生システムの一例を示す概略図である。
【図３】酸素濃縮装置の構成を示す概略図である。
【図４】制御部の構成を示すブロック図である。
【図５】オゾン発生装置の放電セルの基本構造を示す概略図である。
【図６】図５におけるＩ−Ｉ線での概略断面図である。
【図７】ＰＳＡ法による酸素濃縮でのガス組成の変化を示す図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ図７に示す（ａ）〜（ｄ）点でのガス組成を表した棒グラフである。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、濃縮制御の各処理での状態を示す概略図である。（ａ）は均圧処理である。（ｂ）は吸着、脱着処理である。（ｃ）は酸素送出処理である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は、濃縮制御の各処理での状態を示す概略図である。（ａ）は吸着、脱着処理である。（ｂ）は酸素送出処理である。
【図１１】窒素監視制御の基本的な流れを示すフローチャートである。
【図１２】アルゴン濃度保持制御が組み込まれた窒素監視制御の基本的な流れを示すフローチャートである。
【図１３】酸素濃縮装置の変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。特に言及しない限り、説明で用いる「％」は「％（ｖ／ｖ）」を示す。
【００３８】
＜オゾン発生システム＞
図２に、本発明を適用したオゾン発生システムの一例を示す。このオゾン発生システム１は、空気供給源２から供給される空気を用いて高濃度オゾンを発生させ、発生した高濃度オゾンをオゾン供給先３へ供給する。
【００３９】
空気供給源２には、空気圧縮機や送風機などが備えられており、空気供給源２から空気供給配管４を通じてオゾン発生システム１に空気（通常は圧縮空気）が供給される。
【００４０】
オゾン供給先３としては、水処理設備や半導体製造設備などがある。水処理設備であれば、例えば、処理槽に貯留した水に、高濃度オゾンを直接バブリングして脱臭や有機物の分解等に利用される。半導体製造設備であれば、例えば、高濃度オゾンを純水に溶解させてオゾン水を生成し、シリコンウエハの洗浄等に利用される。
【００４１】
オゾン発生システム１は、酸素濃縮装置１０、オゾン発生装置４０、制御装置５０などで構成されている。これら装置１０，４０，５０は、１つの筐体に組み込んで一体化してあってもよいし、個別に設置して配管や配線等で接続してあってもよい。
【００４２】
制御装置５０も、酸素濃縮装置１０とオゾン発生装置４０の各々に１つずつ設けてもよいし、１つの制御装置５０を両者で共用してもよい。本実施形態では後者の場合を説明する。
【００４３】
＜酸素濃縮装置＞
図３に、酸素濃縮装置１０の構成を具体的に示す。
【００４４】
この酸素濃縮装置１０は、ＰＳＡ法を利用して空気から高濃度酸素を濃縮する。酸素濃縮装置１０は、処理部１１、アルゴン濃度計２２、第１制御部５１（制御装置５０に実装）などで構成されている。酸素濃縮装置１０には、また、例えば、バッファタンク１２、警報器や点滅灯などの警報部１３も備えられている。
【００４５】
処理部１１では、空気から主に窒素を分離除去して高濃度酸素を濃縮する。処理部１１には、複数（本実施形態では２つ）の吸着筒１５、上流側配管群１６、下流側配管群１７、複数の電磁弁３１〜３８、サイレンサ１８などが備えられている。
【００４６】
２つの吸着筒１５は、いずれも同容量の縦長な圧力容器であり、これらの内部には吸着剤としてゼオライトが充填されている（各吸着筒１５を区別する場合には、第１吸着筒１５Ａ、第２吸着筒１５Ｂともいう）。第１吸着筒１５Ａ及び第２吸着筒１５Ｂは並列に配置されている。
【００４７】
各吸着筒１５の下端部には流入口１５ａが開口し、各吸着筒１５の上端部には流出口１５ｂが開口している。
【００４８】
上流側配管群１６は、空気導入経路１６ａ、上流側バイパス経路１６ｂ、窒素排気経路１６ｃなどで構成されている。空気導入経路１６ａの上流側の端部は、空気取入口１９を介して空気供給配管４に接続されている。空気導入経路１６ａの下流側は、第１導入経路１６ａ１と第２導入経路１６ａ２とに分岐している。
【００４９】
第１導入経路１６ａ１の下流側の端部は、第１吸着筒１５Ａの流入口１５ａに接続され、第２導入経路１６ａ２の下流側の端部は、第２吸着筒１５Ｂの流入口１５ａに接続されている。
【００５０】
第１導入経路１６ａ１には第１電磁弁３１が設置され、第２導入経路１６ａ２には第２電磁弁３２が設置されている。第１電磁弁３１よりも下流側の第１導入経路１６ａ１の部分と、第２電磁弁３２よりも下流側の第２導入経路１６ａ２の部分とに、上流側バイパス経路１６ｂが接続されている。上流側バイパス経路１６ｂには、第３電磁弁３３が設置されている。
【００５１】
窒素排気経路１６ｃの下流側の端部は、サイレンサ１８を通じて酸素濃縮装置１０の外部に開放されている。窒素排気経路１６ｃの上流側は、第１排気経路１６ｃ１と第２排気経路１６ｃ２とに分岐している。
【００５２】
第１排気経路１６ｃ１の上流側の端部は、第３電磁弁３３よりも第１導入経路１６ａ１側の上流側バイパス経路１６ｂの部分に接続され、第２排気経路１６ｃ２の上流側の端部は、第３電磁弁３３よりも第２導入経路１６ａ２側の上流側バイパス経路１６ｂの部分に接続されている。
【００５３】
第１排気経路１６ｃ１には、第４電磁弁３４が設置され、第２排気経路１６ｃ２には、第５電磁弁３５が設置されている。
【００５４】
下流側配管群１７は、酸素導出経路１７ａ、下流側バイパス経路１７ｂなどで構成されている。酸素導出経路１７ａの上流側は、第１導出経路１７ａ１と第２導出経路１７ａ２とに分岐している。第１導出経路１７ａ１の上流側の端部は、第１吸着筒１５Ａの流出口１５ｂに接続され、第２導出経路１７ａ２の上流側の端部は、第２吸着筒１５Ｂの流出口１５ｂに接続されている。
【００５５】
第１導出経路１７ａ１には第６電磁弁３６が設置され、第２導出経路１７ａ２には第７電磁弁３７が設置されている。第６電磁弁３６よりも上流側の第１導出経路１７ａ１の部分と、第７電磁弁３７よりも上流側の第２導出経路１７ａ２の部分とに、下流側バイパス経路１７ｂが接続されている。下流側バイパス経路１７ｂには、第８電磁弁３８が設置されている。
【００５６】
酸素導出経路１７ａの下流側は、バッファタンク１２の流入口１２ａに接続されている。バッファタンク１２の流出口１２ｂは、酸素取出配管２０を介して酸素取出口２１に接続されている。
【００５７】
酸素取出配管２０には、アルゴンの濃度を連続して計測するアルゴン濃度計２２が設置され、アルゴン濃度計２２の下流側に、減圧弁２０ａ及び流量制御弁２３が設置されている。
【００５８】
第１制御部５１は、制御装置５０の各種ハードウエア、及びこれらと協働して制御を行うソフトウエアなどで構成されており、図４に示すように、酸素濃縮手段５２やアルゴン監視手段５３などを備えている。
【００５９】
酸素濃縮手段５２は、第１〜第８の電磁弁３１〜３８を開閉することにより、空気から高濃度酸素を連続して濃縮する。具体的には、酸素濃縮手段５２は、第１吸着筒１５Ａと第２吸着筒１５Ｂとを数十秒程度の一定のサイクルで切り替え、一方の吸着筒１５に圧縮空気を充填する。その状態を一定時間保持して窒素をゼオライトに吸着させることで、交互に高濃度酸素を濃縮する。
【００６０】
アルゴン監視手段５３は、アルゴン濃度計２２の計測値に基づいて、濃縮される高濃度酸素中に窒素が存在しない、つまり濃縮される高濃度酸素が窒素フリーであることを監視する。更に、アルゴン濃度保持手段５４をアルゴン監視手段５３に組み込んでもよい（これらの詳細は後述）。
【００６１】
酸素取出口２１には、窒素フリーな高濃度酸素をオゾン発生装置４０に供給する酸素供給配管２４が設置されている。
【００６２】
＜オゾン発生装置＞
オゾン発生装置４０は、酸素濃縮装置１０で濃縮された窒素フリーな高濃度酸素を用い、触媒ガスを使用せずに高濃度オゾンを発生させる。本実施形態では、第２制御部５５（制御装置５０に実装）によってオゾン発生装置４０の作動が制御されている。このオゾン発生装置４０には、無声放電によってオゾンを発生させる放電セル４１が備えられている。
【００６３】
図５に、その放電セル４１の一部を示す。放電セル４１には、誘電体４２や複数の電極４３などが備えられている。
【００６４】
図６にも示すように、誘電体４２は、高純度のアルミナを焼成して矩形に形成された板状の部材の積層体からなる。誘電体４２の内部には、板面に沿って平行に延びる複数の放電空隙４４が形成されている。放電空隙４４の板厚方向の寸法は、１ｍｍ以下であり、例えば、一対のアルミナ板を突き合わせて接合することにより、１００μｍ以下の微小間隔に精度高く設定されている。
【００６５】
各放電空隙４４の一端には、酸素供給配管２４と連通する酸素供給マニホールド４５が開口し、各放電空隙４４の他端には、オゾン送出マニホールド４６が開口している。
【００６６】
各電極４３は、誘電体４２の両面の各々に互いに対向するように設置されている。これら電極４３に高周波高圧電源４８が電気的に接続されており、その一方が、接地された低圧電極となっている。
【００６７】
作動時に放電セル４１が発熱するため、誘電体４２の縁部には、放電セル４１を冷却する冷媒が流れる帯状の冷媒マニホールド４７が形成されている。電極４３の放電空隙と反対側の面にはアルミナを焼成し、矩形に形成された板状の部材で構成された冷媒流路４７ａが形成され、放電部全面が冷媒によって冷却される。
【００６８】
放電空隙４４に面した誘電体４２の対向面には、窒素が無くても、安定した高濃度オゾンの発生を可能にする機能性膜４９が形成されている。
【００６９】
具体的には、この機能性膜４９には、Ｔｉ、Ｗ、Ｓｂ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒから選択される１種若しくは２種以上の金属、又はその金属酸化物が含まれている。放電空隙４４にこの機能性膜４９を設けることで、例えば、９９．９％以上の高純度酸素を供給するだけであっても、高濃度オゾンの安定した発生が可能になる。なお、機能性膜４９は例示である。Ｔｉ等の機能性物質は、ガスに接する誘電体４２の表面に存在していればよく、その存在形態は膜に限らない。
【００７０】
このオゾン発生装置４０の場合、高純度酸素の代わりに、アルゴンを一定濃度で含む窒素フリーな高濃度酸素が供給される。
【００７１】
窒素フリーな高純度酸素を原料ガスとし、安定した高濃度オゾンを生成できるオゾン発生装置は前述のオゾン発生装置に限定されるものではなく、放電空隙表面に異なる処理を施した構造のもの、一方の放電面に誘電体がなく電極が表面にある構造のもの、あるいはチューブ式の構造のものなど窒素フリーな高純度酸素を原料ガスとし、安定した高濃度オゾンを生成できるオゾン発生装置であれば使用することができる。
【００７２】
＜アルゴン濃縮領域であることの監視＞
このオゾン発生システム１では、配管の腐食等の原因となる窒素酸化物を含まない高濃度オゾンを発生させるために、酸素濃縮装置１０が、窒素フリーな高濃度酸素を安定供給できるように工夫されている。
【００７３】
具体的には、ＰＳＡ法による酸素濃縮でのガス組成の変化に着目し、高濃度酸素に含まれるアルゴンの濃度を制御することにより、間接的に、窒素不存在の高精度な制御を実現している。
【００７４】
図７に、ＰＳＡ法による酸素濃縮でのガス組成の変化を示す。ＰＳＡ法での酸素の濃縮の程度は、吸着処理時の圧力や時間によって変化する。圧力が高くなるほど、あるいは、時間が長くなるほど、吸着が進む。一般的には、定圧下での吸着時間の調整、つまり吸着筒１５の切り替えサイクルの調整により、酸素濃度が制御される場合が多い（本実施形態では吸着時間で説明する）。
【００７５】
図７中、左端は吸着処理前のガス組成、つまりは空気の組成を表しており、図８の（ａ）に示すように、約８０％が窒素、約２０％が酸素で占められ、アルゴンは僅か約０．９％である。吸着時間の増加に伴い、窒素濃度は一次的に減少し、酸素濃度は一次的に増加する。そして、図７、図８の（ｃ）に示すように、酸素濃度が約９５％となる辺りで、窒素濃度が０になり、実質的にアルゴンと酸素のみで構成された窒素フリーな高濃度酸素となる。
【００７６】
一方、アルゴンは、酸素よりも吸着され難いため、窒素とは逆に、吸着時間の増加に伴ってアルゴン濃度は一次的に増加する。窒素が無くなる時間以上、図７、図８では（ｃ）に示す時間以上に吸着時間を長くすると、酸素濃度が減少に転じて相対的にアルゴン濃度が増加する。
【００７７】
すなわち、酸素濃度は約９５％にピークがあり、ピークに至るまでは、窒素濃度が減少して酸素が濃縮され、ピークを超えると、酸素が減少してアルゴンが濃縮されるようになる（ピーク前の領域を酸素濃縮領域ＲＯ２といい、ピーク後の領域をアルゴン濃縮領域ＲＡｒともいう）。
【００７８】
例えば、図８の（ｂ）と（ｄ）に示すように、酸素濃度が同じ９０％であっても、酸素濃縮領域ＲＯ２であれば窒素が存在するが、アルゴン濃縮領域ＲＡｒであれば窒素は存在しない。
【００７９】
そして、アルゴン濃度は、酸素濃度のピークの前後でも連続的に増加するため、そのピーク時点での約５％のアルゴン濃度を超えるアルゴン濃度は、酸素濃縮領域ＲＯ２には存在せず、アルゴン濃縮領域ＲＡｒにしか存在しない。
【００８０】
そこで、この酸素濃縮装置１０では、アルゴン監視手段５３が、アルゴン濃縮領域ＲＡｒからアルゴン濃度が低下しないように監視することにより、高濃度酸素中の窒素不存在を間接的に監視し、窒素フリーな高濃度酸素を安定して濃縮できるようにしている。
【００８１】
＜酸素濃縮装置の制御＞
（濃縮制御）
酸素濃縮装置１０が作動すると、酸素濃縮手段５２が処理部１１を制御することにより、第１吸着筒１５Ａと第２吸着筒１５Ｂとの間で、均圧処理、吸着・脱着処理、酸素送出処理が繰り返し交互に行われ、高濃度酸素が連続的に濃縮される。
【００８２】
図９の（ａ）に示すように、均圧処理では、閉じられた第１〜第８の電磁弁３１〜３８のうち、第３電磁弁３３及び第８電磁弁３８が開かれる。それにより、第１吸着筒１５Ａ及び第２吸着筒１５Ｂの内圧が同じになるように調圧される。
【００８３】
続いて、吸着・脱着処理が行われる。第１吸着筒１５Ａで吸着処理が行われ、第２吸着筒１５Ｂで脱着処理が行われるとすると、図９の（ｂ）に示すように、第３電磁弁３３及び第８電磁弁３８が閉じられ、第１電磁弁３１及び第５電磁弁３５が開かれる。それにより、第１吸着筒１５Ａは、圧縮空気が充填されて加圧される。第２吸着筒１５Ｂは、開放されて大気圧に減圧される。
【００８４】
その結果、第１吸着筒１５Ａでは、窒素の吸着が促進され、圧縮空気中から窒素が除去される。第２吸着筒１５Ｂでは、吸着された窒素が脱着され、筒内から排気される。
【００８５】
そうして、一定の時間が経過、あるいは第１吸着筒１５Ａが設定された圧力に加圧されると、酸素送出処理が行われる。具体的には、図９の（ｃ）に示すように、第１電磁弁３１が閉じられ、第６電磁弁３６及び第８電磁弁３８が開かれる。それにより、第１吸着筒１５Ａで濃縮された高濃度酸素は、バッファタンク１２に送られる。
【００８６】
それと同時に、高濃度酸素の一部が下流側バイパス経路１７ｂを通じて第２吸着筒１５Ｂにも送られる。それにより、第２吸着筒１５Ｂの内部で、窒素の脱着及び排気が促され、ゼオライトが再生される。
【００８７】
その後は、再度、均圧処理が行われた後、第２吸着筒１５Ｂで吸着処理が行われ、第１吸着筒１５Ａで脱着処理が行われる（吸着・脱着処理）。具体的には、図１０の（ａ）に示すように、第３電磁弁３３及び第８電磁弁３８が閉じられ、第２電磁弁３２及び第４電磁弁３４が開かれる。
【００８８】
続いて、図１０の（ｂ）に示すように、第２電磁弁３２が閉じられ、第７電磁弁３７及び第８電磁弁３８が開かれる酸素送出処理が行われた後、再度、均圧処理が行われる。以降、酸素濃縮装置１０の作動が停止するまで、図９、図１０に示したこれらの処理が数十秒のサイクルで行われる。
【００８９】
（アルゴン監視制御）
高濃度酸素の濃縮が行われている時は常に、アルゴン監視手段５３によって濃縮された高濃度酸素中のアルゴン濃度が監視されている。
【００９０】
高濃度酸素中のアルゴン濃度は、アルゴン濃度計２２によって連続的に計測され、その計測データが第１制御部５１に入力されている。アルゴン監視手段５３には、監視の基準となるアルゴン濃度の下限値が予め設定されている。
【００９１】
その下限設定値は、アルゴン濃縮領域ＲＡｒにあるアルゴン濃度であればよい。５％以上、特に６％やそれ以上に下限設定値を設定するのが好ましい。
【００９２】
具体的には、図１１に示すように、酸素濃縮装置１０の作動中は、アルゴン濃度計２２が計測した計測値に基づいて、アルゴン監視手段５３が、アルゴン濃度が下限設定値を下回っていないか監視している（ステップＳ１）。そして、アルゴン濃度が下限設定値を下回ると（ステップＳ１でＹＥＳ）、アルゴン監視手段５３は、警報部１３と協働して警報を発する（ステップＳ２）。警報とともに酸素濃縮装置１０の作動を停止してもよい。
【００９３】
そうすることで、濃縮される高濃度酸素に窒素が含まれるのを阻止でき、低下した吸着性能を回復させるために、ゼオライトの入れ替え等を促すことができる。
【００９４】
（アルゴン濃度保持制御）
更に、アルゴン監視手段５３に、高濃度酸素中のアルゴン濃度が一定の範囲内に収まるようにフィードバック制御するアルゴン濃度保持手段５４を組み込めば、窒素フリーな高濃度酸素をより安定して供給できるようになる。
【００９５】
アルゴン濃度保持手段５４には、吸着時間の上限値が予め設定されている。吸着時間を大きくすれば、窒素濃度は減少し、アルゴン濃度は増加するが、吸着筒１５の容量やゼオライトの性能、空気圧等の条件により、調整できる吸着時間には限界がある。そこで、その限界を考慮してフィードバック制御の判断基準となる上限値が、アルゴン濃度保持手段５４に設定されている。
【００９６】
更に、アルゴン監視手段５３にも監視の基準となるアルゴン濃度の上限値が予め設定されている。アルゴン濃縮領域ＲＡｒでは、アルゴン濃度が高くなればそれだけ酸素濃度が低くなるため、アルゴン濃縮領域ＲＡｒにある限り、アルゴン濃度は低い方が好ましい。
【００９７】
その上限値としては、例えば、１０％以下で設定するとよい。そうすれば、窒素フリーな高濃度酸素を、従来の酸素濃縮装置１０と同程度の酸素濃度で安定供給することができる。
【００９８】
アルゴン濃度保持制御の流れを図１２に示す。酸素濃縮装置１０の作動中は、アルゴン濃度計２２が計測した計測値に基づいて、アルゴン監視手段５３が、アルゴン濃度が下限設定値を下回っていないかチェックしている（ステップＳ１０）。
【００９９】
アルゴン濃度が下限設定値を下回っていない場合には（ステップＳ１０でＮＯ）、アルゴン濃度が上限設定値を上回っていないかがチェックされる（ステップＳ１１）。
【０１００】
その結果、アルゴン濃度が上限設定値を上回っている場合には、吸着時間が下方調整される（ステップＳ１２）。具体的には、吸着時間が短くなるように切り替えサイクルを小さくする。そうすれば、吸着効率が下がるため、アルゴン濃度を上限設定値以下に下げることができる。アルゴン濃度が上限設定値を上回っていない場合には、そのまま監視が継続される。
【０１０１】
アルゴン濃度が下限設定値を下回ると（ステップＳ１０でＹＥＳ）、アルゴン濃度保持手段５４により、吸着時間が上限設定値を上回っていないかチェックされる（ステップＳ１３）。
【０１０２】
その結果、吸着時間が上限設定値を上回っていない場合には、吸着時間が上方調整される（ステップＳ１４）。具体的には、吸着時間が長くなるように切り替えサイクルを大きくする。そうすることで、吸着効率が向上し、アルゴン濃度を下限設定値以上に上昇させることができる。
【０１０３】
吸着時間が上限設定値を上回った場合、つまり切り替えサイクルを大きくできない場合には、アルゴン監視手段５３が、警報を発したり酸素濃縮装置１０の作動を停止したりする（ステップＳ１５）。
【０１０４】
＜オゾン発生装置での高濃度オゾンの発生＞
このようにして、酸素濃縮装置１０で精度高く濃縮される窒素フリーな高濃度酸素は、流量制御弁２３で流量が調整された後、オゾン発生装置４０に供給される。
【０１０５】
オゾン発生装置４０では、その高濃度酸素が酸素供給マニホールド４５を通じて各放電空隙４４に送られる。高濃度酸素は、放電空隙４４の内部をオゾン送出マニホールド４６に向かって流れる。その間、一対の電極４３，４３の間には高周波高電圧が印加される。
【０１０６】
それにより、各放電空隙４４で無声放電が発生し、放電空隙４４を流れる高濃度酸素にオゾンが発生する。各放電空隙４４には機能性膜４９が露出しているため、高濃度酸素に窒素が含まれていなくても、高濃度オゾンが安定して発生する。
【０１０７】
高濃度酸素には窒素が含まれていないため、窒素酸化物は生じない。発生した高濃度オゾンは、オゾン送出マニホールド４５を通じてオゾン供給先３に供給される。
【０１０８】
＜その他＞
本発明にかかる酸素濃縮装置等は、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。
【０１０９】
例えば、酸素濃縮装置１０の配管や電磁弁等の構成は、一例であり、仕様に応じて適宜変更できる。吸着筒１５は３つ以上であってもよい。発生した高濃度オゾンを水に溶解するオゾン水生成機構をオゾン発生システム１に組み込んで、高濃度オゾン水を発生させるオゾン水発生システムとしてもよい。吸着時間でなく吸着圧力を調整してもよい。
【０１１０】
高濃度酸素がアルゴン濃縮領域にあることの調整は、高濃度酸素の流量を絞ることにより行ってもよい。
【０１１１】
例えば、図１３に示すように、第１導出経路１７ａ１と第２導出経路１７ａ２とに、流量調整が可能な流量調整弁８０ａ，８０ｂを設置し、これら流量調整弁８０ａ，８０ｂで流量を絞ることによっても、窒素を含まない高濃度酸素の発生を調整することができる。
【０１１２】
更には、図１３に示すように、流量調整弁２３は、並列に配置される主流弁２３ａと調整弁２３ｂの２つで構成するとよい。そうして、主流弁２３ａを通じて一定の流量で安定供給しながら、調整弁２３ｂで濃縮した酸素の一部を排除することによって総流量を調整する。そうすれば、オゾン発生装置へ安定した濃度及び流量で酸素を供給することができる。
【０１１３】
アルゴン濃度によって、調整弁２３ｂから排除する流量を自動制御することで安定した酸素濃度を維持させることが可能である。
【符号の説明】
【０１１４】
１  オゾン発生システム
１０  酸素濃縮装置
１１  処理部
２２  アルゴン濃度計
４０  オゾン発生装置
５３  アルゴン監視手段
【図１】
2015017007.tif 000003
【図２】
2015017007.tif 000004
【図３】
2015017007.tif 000005
【図４】
2015017007.tif 000006
【図５】
2015017007.tif 000007
【図６】
2015017007.tif 000008
【図７】
2015017007.tif 000009
【図８】
2015017007.tif 000010
【図９】
2015017007.tif 000011
【図１０】
2015017007.tif 000012
【図１１】
2015017007.tif 000013
【図１２】
2015017007.tif 000014
【図１３】
2015017007.tif 000015