DE69628106T2

DE69628106T2 - Methode und Vorrichtung zur Herstellung von Ozon

Info

Publication number: DE69628106T2
Application number: DE69628106T
Authority: DE
Inventors: Jiro Kitayama; Toshinori Yagi; Masaaki Tanaka; Norikazu Tabata
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1995-09-28
Filing date: 1996-09-23
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2016-09-24
Also published as: EP0765839B1; EP0765839A3; EP0765839A2; EP1238943A3; CN1045189C; CN1160016A; US5785824A; EP1238943A2; DE69628106D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ozon unter Verwendung von Luft als ein Quellengas, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum wirksamen Erzeugen von Ozon in einer hohen Konzentration, während ein hoher Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad beibehalten wird.
Beschreibung des Standes der Technik
31 zeigt eine Ozonerzeugungsvorrichtung vom Glimmentladungstyp in der Form eines koaxialen Zylinders nach dem Stand der Technik, die z. B. in der Japanischen Patentveröffentlichung JP-B 59/48761 offenbart ist.
In 31 zeigt die Bezugszahl 41 einen dosenförmigen Körper an, der ein geerdetes Metallrohr 42 mit einem Kühlwassereinlass 49 und einen Kühlwasserauslass 50 enthält und der einen Quellengas(Luft oder Sauerstoff)-Einlass 51 und einen Ozongasauslass 52, die an bestimmten Positionen gebildet sind, aufweist; und die Bezugszahl 44 zeigt ein Hochspannungs-Elektrodenrohr an, das aus einer dielektrischen Substanz wie Glas besteht und koaxial in das geerdete Metallrohr 42 in einer solchen Weise eingeführt ist, dass ein bestimmter elektrischer Entladungsraum 43 zwischen dem geerdeten Metallrohr 42 und dem Hochspannungs-Elektrodenrohr 44 mittels mehrerer Abstandshalter 53 gebildet wird. Das Hochspannungs-Elektrodenrohr 44 ist auf der inneren Umfangsfläche mit einem dünnen leitenden Film 45 beschichtet.
Die Bezugszahl 46 zeigt einen elektrischen Zuführungsanschluss an, um eine Hochspannung AC von einer elektrischen Zuführungsleitung 47 über eine Durchführung 48 an dem dünnen leitenden Film 45 anzulegen.
Während die in 31 gezeigte Vorrichtung nach dem Stand der Technik den dosenförmigen Körper 41 mit dem Paar aus dem geerdeten Metallrohr 42 und dem Hochspannungs-Elektrodenrohr 44 enthält, sind auch einige Ozonerzeugungsvorrichtung nach dem Stand der Technik bekannt, die einen Typ enthalten, den dosenförmigen Körper 41 mit mehreren Paaren aus den geerdeten Metallrohren 42 und den Hochspannungs-Elektrodenrohren 44 gemäß einer geforderten Ozonerzeugungskapazität darstellen.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach dem Stand der Technik mit der obigen Konfiguration wird beschrieben. Wenn eine Hochspannung AC an das Hochspannungs- Elektrodenrohr 44 angelegt wird, wird eine leichte Glimmentladung, die als eine dunkle Entladung bezeichnet wird, in dem elektrischen Entladungsraum 43 erzeugt, um eine zugeführte Quellenluft in Ozon umzuwandeln, und ein Gas, das so umgewandeltes Ozon enthält, wird über den Ozongasauslass 52 aus der Vorrichtung herausgeführt. Der elektrische Entladungsraum 43 wird durch elektrische Entladung erwärmt, und folglich wird, wenn der Raum 43 nicht wirksam gekühlt wird, die Gastemperatur in dem elektrischen Entladungsraum 43 erhöht, und hierdurch wird die erzeugte Ozonmenge reduziert. Aus diesem Grund wird das geerdete Metallrohr 42 durch Kühlwasser gekühlt.
Bei der Ozonerzeugungsvorrichtung mit dunkler Entladung nach dem Stand der Technik zum gleichzeitigen Erzeugen von Sauerstoffatomen (O) und Ozon (O₃) in den elektrischen Entladungsraum, muss dieser unter einem hohen Druck und einer niedrigen Temperatur gehalten werden, die zum Erzeugen von Ozon erforderlich sind. Um die Temperatur des elektrischen Entladungsraums auf einem niedrigen Wert zu halten, hat die Vorrichtung nach dem Stand der Technik eine Struktur, bei der der Spalt des elektrischen Entladungsraums verkürzt ist und eines oder beide von dem geerdeten Metallrohr und dem Hochspannungs-Elektrodenrohr sind wassergekühlt.
Die Verkürzung des Spaltes des elektrischen Entladungsraums ist nachteilig insoweit, als das zylindrische Metallrohr und das zylindrische Hochspannungs-Elektrodenrohr mit hoher Genauigkeit hergestellt sein müssen, um eine Gleichförmigkeit des kurzen Spaltes über die gesamte Länge des zwischen den zylindrischen Elektroden gebildeten elektrischen Entladungsraums zu erhalten, was zu erhöhten anfänglichen Herstellungs kosten führt.
Die Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist auch in der Struktur kompliziert. Z. B. ist die Elektrodenstruktur beschränkt durch das Vorsehen einer Vorrichtung zum Kühlen einer oder beider Elektroden. Darüber hinaus ist es schwierig, selbst wenn eine oder beide der Elektroden gekühlt werden, eine Leistung hoher Dichte (Entladungsleistung/Entladungsfläche) zuzuführen, da die Temperatur in dem elektrischen Entladungsraum aus dem Gesichtspunkt des Ozonerzeugungs-Wirkungsgrades auf einen Bereich von etwa 350 K oder weniger heruntergedrückt werden muss. Dies macht es unmöglich, eine kompakte Vorrichtung zu realisieren.
Bei der Ozonerzeugungsvorrichtung mit dunkler Entladung kollidiert in dem elektrischen Entladungsfeld erzeugtes Ozon teilweise mit in dem elektrischen Entladungsraum vorhanden Elektronen, um so wieder zersetzt zu werden, wie aus der folgenden Reaktionsgleichung ersichtlich ist: O3 + e → O + O2 + e
Die Reaktionsgeschwindigkeit bei der obigen Reaktionsgleichung, die eine Funktion der Elektronenenergie ist, ist mehrere Male bis mehrere zehn Male größer als eine Dissoziationsgeschwindigkeit von Sauerstoffatomen aufgrund von Kollisionen mit Elektronen in dem elektrischen Entladungsfeld, d. h. die Erzeugungsgeschwindigkeit von Sauerstoffatomen.
Demgemäß wird bei der Ozonerzeugungsvorrichtung mit dunkler Entladung zum gleichzeitigen Erzeugen von Sauerstoffatomen und Ozon durch elektrische Entladung das einmal erzeugte Ozon teilweise wieder in Sauer- stoffatome oder Sauerstoffmoleküle zurückgeführt, wodurch der Energiewirkungsgrad für die Ozonerzeugung herabgesetzt wird.
Bei der Ozonerzeugungsvorrichtung mit dunkler Entladung, bei der Luft als ein Quellengas verwendet wird, reagieren Stickstoffatome (N) und angeregte Arten hiervon, die durch Kollision von Stickstoffmolekülen (N₂) mit Elektronen entstehen, mit Sauerstoffatomen, um Stickstoffoxid (NO_x) zu bilden, und Ozon reagiert teilweise mit NO_x, um zersetzt zu werden, wodurch wie in dem obigen Fall der Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad herabgesetzt wird.
Die Nachteile der Ozonerzeugungsvorrichtung mit dunkler Entladung zum gleichzeitigen Erzeugen von Sauerstoffatomen und Ozon werden wie folgt zusammengefasst:

(1) Die Struktur der Vorrichtung, insbesondere des Elektrodensystems ist kompliziert, da die Vorrichtung gekühlt werden muss.
(2) Es ist schwierig, eine kompakte Vorrichtung zu realisieren, da eine Leistung mit hoher Dichte nicht zugeführt werden kann.
(3) Der Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad ist niedrig, da einmal erzeugtes Ozon durch Kollisionen mit Elektronen in einem elektrischen Entladungsfeld teilweise zersetzt wird.
(4) Der Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad wird weiterhin herabgesetzt in dem Fall der Verwendung von Luft als einem Quellengas, da Ozon teilweise mit durch Kollision von N₂ mit Elektronen erzeugtem NO_x re agiert, um zersetzt zu werden.

JP-A-56014401 offenbart einen Ozonisierer, in dem Sauerstoff enthaltendes Fluid in ein Entladungsrohr und durch einen Mikrowellen-Hohlraumresonator hindurchgeführt wird, wodurch O-Atome und teilweise O₃ erzeugt werden. Dieses Plasmafluid wird in einen Gasmischer geführt, in dem es mit einem anderen Sauerstoff enthaltenden Fluid gemischt wird, wodurch die Konzentration von O₃ erhöht wird.
ZUSRMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts des Vorstehenden wurde die vorliegende Erfindung gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen von Ozon mit einem hohen Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad anzugeben, das in der Lage ist, Sauerstoffatome in einer geeigneten Konzentration mit einem Reaktionsgas zu mischen, um den Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad zu erhöhen durch Trennen der Erzeugung von Sauerstoffatomen von der von Ozon, und das auch in der Lage ist, Ozon mit einer hohen Konzentration wirksam zu erzeugen, während die Herabsetzung des Ozonerzeugungs-Wirkungsgrades unterdrückt wird, indem erzeugte Sauerstoffatome in das Reaktionsgas in einer solchen Weise injiziert werden, dass die Injektion der Sauerstoffatome mehrere Male wiederholt wird; und eine kompakte und preisgünstige Ozonerzeugungsvorrichtung, die für das Verfahren verwendet wird, zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs bzw. des Anspruchs 4.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Erzeugen von Ozon auf: einen Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt zum Erzeugen eines ersten Gases, das Sauerstoffatome enthält, durch Dissoziieren eines zugeführten Sauerstoffgases mit einem bestimmten niedrigen Druck von nicht mehr als 0,1 Mpa und bei einer Temperatur von nicht weniger als 400 K; und einen Ozonerzeugungsschritt zum Mischen des erstes Gases, das Sauerstoffatome enthält und in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt erzeugt wurde, mit einem zweiten Gas, das Sauerstoff enthält, bei einem Druck von nicht weniger als 0,1 Mpa und einer Temperatur von nicht mehr als 400 K, wobei dem ersten Gas und dem zweiten Gas ermöglicht wird, miteinander in einen nicht elektrischen Entladungszustand zur Erzeugung von Ozon zu reagieren, worin der Druck des Sauerstoffatom-Erzeugungsschrittes niedriger als der Druck des Ozonerzeugungsschrittes ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem Luft als das zweite Gas verwendet wird, wird eine elektrische Entladung im Ungleichgewicht oder thermisches Plasma als Mittel zum Dissoziieren eines Sauerstoffgases in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt verwendet, und das gemischte Gas aus dem ersten und dem zweiten Gas wird in dem Mischschritt für das gemischte Gas in dem Ozonerzeugungsschritt gekühlt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Ozonerzeugungsschritt in mehrere Stufen unterteilt zur Wiederholung der Erzeugung von Ozon durch Hinzufügen des ersten Gases zu dem verdichteten und zugeführten zweiten, Sauerstoff enthaltenden Gas, und Sammeln von in jeder der Stufen erzeugten Ozon.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ozon auf:
einen Sauerstoffatom-Erzeugungsteil zum Dissoziieren eines zugeführten Sauerstoffgases bei einem niedrigen Druck von nicht mehr als 0,1 Mpa und einer Temperatur von nicht weniger als 400 K, um ein erstes Gas, das Sauerstoffatome enthält, zu erzeugen;
einen Ozonerzeugungsteil zum Mischen des ersten Sauerstoffatome enthaltenden Gases, das von Sauerstoffatom-Erzeugungsteil zugeführt wurde, mit einem zweiten Gas, das Sauerstoff enthält, bei einem Druck von weniger als 0,1 Mpa und bei einer Temperatur von nicht mehr 400 K, wobei dem ersten und dem zweiten Gas ermöglicht wird, miteinander zur Erzeugung von Ozon zu reagieren; und
eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung zum Reduzieren des Druckes des in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil erzeugten ersten Gases auf einem bestimmten niedrigen Wert von nicht mehr als atmosphärischem Druck, und zum Zuführen des ersten Gases zu dem Ozonerzeugungsteil in einem Druckreduktionszustand;
welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Niedrigdruck-Zuführungsmittel aufweisen:
einen Einlass, in welchen das verdichtete zweite Gas injiziert wird;
eine Düse, die sich im Abstand von dem Ozonerzeu- gungsteil mit einem bestimmten Spalt befindet, zum Ausstoßen des von dem Einlass injizierten zweiten Gases zu dem Ozonerzeugungsteil; und
eine Druckreduktionskammer, die sich in der Nähe der Düse und des Spaltes befindet, welche im Druck reduziert durch Ausstoßen des zweiten Gases aus der Düse, wodurch der Druck in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil auf einen bestimmten niedrigen Wert von nicht mehr atmosphärischem Druck reduziert wird,
und das erste Gas, das von dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil erzeugte Sauerstoffatome enthält, durch den Spalt in einem Druckreduktionszustand zu dem Ozonerzeugungsteil geführt wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine elektrische Entladung im Ungleichgewicht als das Mittel zum Dissoziieren eines Sauerstoffgases in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil verwendet.
Gemäß noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet das Sauerstoffatom-Erzeugungsteil thermisches Plasma als das Mittel zum Dissoziieren eines Sauerstoffgases, und die Ozonerzeugungsmittel kühlen das gemischte Gas aus dem ersten und dem zweiten Gas in dem Mischschritt des ersten und des zweiten Gases.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das eine Druckabhängigkeit von einer Konzentration von Sauerstoffatomen, die durch Dissoziation erzeugt wurden, die sich aus der Kollision von Sauerstoffmolekülen mit Elektronen ergibt, zeigt;
2 ist ein Diagramm, das eine Druckabhängigkeit von dem Wirkungsgrad der Umwandlung von Sauerstoffatomen in Ozon mit der als Parameter verwendeten Gastemperatur zeigt;
3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad der Erzeugung von Sauerstoffatomen, die durch Dissoziation erzeugt wurden, welche sich aus der Kollision von Sauerstoffmolekülen mit Elektronen ergibt, und eine elektrische Feldstärke zeigt;
4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad und der elektrischen Feldstärke eines elektrischen Entladungsfeldes unter der Annahme zeigt, dass durch Dissoziation gebildete Sauerstoffatome alle in Ozon umgewandelt werden;
5 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Simulation eines Umwandlungsschrittes durch einen Computer zeigt, bei dem durch Dissoziation gebildete Sauerstoffatome mittels einer Dreikörperkollision in Ozon umgewandelt werden;
6 ist ein Diagramm, das einen Vergleich hinsichtlich des Ozonerzeugungs-Wirkungsgrades zwischen der Ozonerzeugungsvorrichtung nach der Erfindung und einer Ozonerzeugungsvorrichtung mit dunkler Entladung nach dem Stand der Technik zeigt, der auf einem Simulationsergebnis beruht;
7A ist eine schematische erläuternde Ansicht, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
7B ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
7C ist eine schematische Schnittansicht, die eine andere Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem ersten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
12A, 12B sind schematische Schnittansichten, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei 12A eine vertikale Schnittansicht eines wesentlichen Teils der Vorrichtung ist und 12B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 12A ist;
13 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem siebenten Ausführungs- beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 ist ein Diagramm, das Änderungen in der Anzahl von Teilchen von Sauerstoffmolekülen und Sauerstoffatomen in Abhängigkeit von der Gastemperatur in einem Zustand, in welchem ein Sauerstoffgas bei atmosphärischem Druck dissoziiert wird, zeigt;
16 ist ein Diagramm, das den Erzeugungswirkungsgrad von Sauerstoffatomen zeigt, die durch thermische Dissoziation bei atmosphärischem Druck gebildet werden;
17 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Simulation eines Umwandlungsschrittes zeigt, bei dem ein Quellengas, das einer Dissoziation im thermischen Gleichgewicht bei atmosphärischem Druck unterworfen ist, durch gekühltes Abschrecken in Ozon umgewandelt wird;
18 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
19 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
20 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem elften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
21 ist ein Beispiel für die Konfiguration der Ozonerzeugungsvorrichtung nach dem in 7 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel;
22 ist ein Diagramm, das einen Vergleich hinsichtlich des Ozonerzeugungs-Wirkungsgrades zwischen der in 21 gezeigten Ozonerzeugungsvorrichtung und der Ozonerzeugungsvorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt, der auf einem Simulationsergebnis beruht;
23 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Konzentration von Sauerstoffatomen, die zu einem Reaktionsgas hinzugefügt wurden, und dem Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad zeigt;
24 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer geteilten Injektionsanzahl von Sauerstoffatomen und dem Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad, wobei die Gesamtkonzentration von zu einem Reaktionsgas hinzugefügten Sauerstoffatomen als ein Parameter verwendet wird;
25 ist ein Diagramm, das die in 24 gezeigten Daten zeigt, in welchem die Konzentration des erzeugten Ozons auf der logarithmischen Abszisse aufgetragen ist;
26 ist ein Diagramm, das die in 25 gezeig ten Daten zeigt, in welchem die Daten auf linearen Koordinaten aufgetragen sind.
27 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration eines zwölften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
28 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration eines dreizehnten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
29A, 29B sind schematische Schnittansicht, die die Konfiguration eines vierzehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigen;
30A, 30B sind schematische Schnittansichten, die die Konfiguration eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigen; und
29 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung mit dunkler Entladung nach dem Stand der Technik zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1
1 ist ein Diagramm, das die Druckabhängigkeit einer Konzentration von Sauerstoffatomen im stabilen Zustand, die durch Reaktion aufgrund von Kollisionen zwischen Sauerstoffmolekülen und Elektronen und zwischen Sauerstoffmolekülen in einem elektrischen Entladungsfeld in einem Sauerstoffgas gebildet wurden, wobei die Temperatur in dem elektrischen Entladungsfeld als ein Parameter verwendet wird.
Das Diagramm zeigt, dass eine elektrische Entladung bei einem niedrigen Druck für die Erzeugung von Sauerstoffatomen vorteilhaft ist, da die Konzentration von Sauerstoffatomen mit einer Zunahme des Druckes des elektrischen Entladungsfeldes herabgesetzt wird.
Das Diagramm zeigt auch, dass Sauerstoffatome mit einer höheren Konzentration erzeugt werden, wenn die Temperatur des elektrischen Entladungsfeldes erhöht wird, wenn der Druck es elektrischen Entladungsfeldes als ein konstanter Wert gesetzt ist.
Zusammengefasst ist es vorteilhaft, dass die Erzeugung von Sauerstoffatomen in einem Zustand durchgeführt wird, der umgekehrt zu dem Arbeitszustand der Ozonerzeugungsvorrichtung mit dunkler Entladung nach dem Stand der Technik ist, d. h. bei einem niedrigen Gasdruck und einer hohen Temperatur.
2 ist ein Diagramm, das die Druckabhängigkeit von dem Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad (definiert durch die Anzahl von erzeugten Ozonmolekülen/Anzahl von anfänglichen Sauerstoffatomen) in dem Schritt der Umwandlung von Sauerstoffatomen, die durch elektrische Entladung erzeugt wurden, in Ozon mittels drei Kör perkollisionen zeigt, wobei die Temperatur eines Reaktionsraums als ein Parameter verwendet wird.
Das Diagramm zeigt, dass Sauerstoffatome mit einem höheren Wirkungsgrad in Ozon umgewandelt werden können, indem der Druck in einer Reaktionskammer auf einen Wert gesetzt wird, der relativ so hoch ist wie etwa atmosphärischer Druck, und auch indem die Temperatur der Reaktionskammer auf einen Wert gesetzt wird, der so klein wie möglich ist (zumindest 400 K oder weniger).
3 ist ein Diagramm, das den Erzeugungswirkungsgrad von Sauerstoffatomen zeigt, die durch Dissoziation gebildet wurden, die sich aus der Kollision zwischen Sauerstoffatomen und Elektronen ergibt, wobei die Abszisse die elektrische Feldstärke in dem elektrischen Entladungsfeld anzeigt.
Der Maßstab E/N der Abszisse in einen Parameter, der durch Normieren eines elektrischen Feldes (V/cm) in einem elektrischen Entladungsraum auf der Grundlage einer Teilchendichte N (Teilchen/cm³) erhalten wurde, die einen elektrischen Entladungszustand anzeigt. Zusätzlich ist die Einheit von E/N, 1 Td (Townsend), gleich 1E-17 Vcm².
Die Ordinate des Diagramms zeigt die Anzahl von Sauerstoffatomen an, die in dem elektrischen Entladungsfeld in einem Sauerstoffgas pro Energieeinheit erzeugt werden, d. h. einen Energiewirkungsgrad für die Erzeugung von Sauerstoffatomen.
4 ist ein Diagramm, das den Energiewirkungsgrad für die Erzeugung von Ozon anzeigt unter der Annahme, dass Sauerstoffatome, die mit dem in 3 gezeigten Erzeugungswirkungsgrad durch Dissoziation gebildet wurden, die sich aus der elektrischen Entladung ergibt, vollständig (100%) in Ozon umgewandelt werden.
Das Diagramm zeigt, dass Ozon mit einem hohen Wirkungsgrad von etwa 7 mg/W/min erzeugt werden kann, wenn Sauerstoffatome in einer Sauerstoffatom-Erzeugungskammer erzeugt werden, die in der Lage ist, ein elektrisches Entladungsfeld mit einer elektrischen Feldstärke von etwa 80 Td zu bilden, und dann vollständig (100%) in einer Reaktionskammer in Ozon umgewandelt werden, in der der Druck auf einem Wert gehalten wird, der so hoch wie etwa atmosphärischer Druck ist und in der die Temperatur auf einen Wert gesetzt ist, der so klein wie möglich ist (zumindest 400 K oder weniger), wie in 2 gezeigt ist.
In dieser Hinsicht untersuchte der vorliegende Erfinder den Schritt, in welchem ein Sauerstoffatome enthaltendes dissoziiertes Gas in Luft bei atmosphärischem Druck und einer Temperatur von 350 K injiziert wird, um mittels der drei Körperkollision Ozon zu erzeugen, durch eine Computersimulation unter Verwendung einer Reaktionsgleichung zwischen Teilchen. Die Ergebnisse sind in 5 gezeigt.
5 ist ein Diagramm, das zeitliche Änderungen der Anzahl von Teilchen von Sauerstoffatomen und Ozon in dem Schritt zeigt, in welchem ein dissoziiertes Gas, das Sauerstoffatome enthält, die durch elektrische Entladung in einer Menge (Anzahl von Teilchen) von 0,01% gebildet wurden, mit Luft bei atmosphärischem Druck und einer Temperatur von 350 K gemischt wurde, um Ozon zu erzeugen. In dieser Figur zeigen die weißen Kreise die Anzahl von Teilchen von Sauerstoffatomen und die schwarzen Kreise die Anzahl von Teilchen von Ozon zu jeder Messzeit an.
In diesem Fall werden die vorher vorhandenen Sauerstoffatome mit einem hohen Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad von 99,4 nach ungefähr einer Millisekunde nach dem Mischen mit Luft in Ozon umgewandelt.
Demgemäß ist der Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad in diesem Fall nahezu gleich dem, der unter der Annahme erhalten wird, dass alle erzeugten Sauerstoffatome in Ozon umgewandelt werden (siehe 4). Dies zeigt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung Ozon mit einem sehr hohen Wirkungsgrad erzeugen kann, obgleich die Verwendung eines Sauerstoffgases auf die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer beschränkt ist und ein Sauerstoff enthaltendes Gas (z. B. Luft) als ein Reaktionsgas verwendet wird, im Vergleich mit der Ozonerzeugungsvorrichtung nach dem Stand der Technik, bei der der maximale Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad etwa 3,2 mg/W/min in dem Fall der Verwendung von Sauerstoff als Quellengas beträgt.
Eine ähnliche Simulation wird durchgeführt durch Verändern der Konzentration von Sauerstoffatomen in einem Gas nach dem Mischen. Die Ergebnisse sind in 6 gezeigt. Dieses Diagramm zeigt einen Vergleich hinsichtlich des Ozonerzeugungs-Wirkungsgrades zwischen der Vorrichtung nach der Erfindung und der Vorrichtung nach dem Stand der Technik, in der die Abszisse die Konzentration von Ozon anzeigt. Zusätzlich wird der Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad der Vorrichtung nach dem Stand der Technik experimentell erhalten durch Betreiben der zylinderförmigen Ozonerzeugungsvorrichtung mit dunkler Entladung unter Verwendung von Luft (reinem Sauerstoff) als einem Quellengas in einem Standardbetriebszustand.
Das Ergebnis der Simulation des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung offenbart somit, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung Ozon mit einem hohen O-zonerzeugungs-Wirkungsgrad erzeugen kann, insbesondere in einem Bereich mit niedriger Ozonkonzentration, verglichen mit der Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
Das Simulationsergebnis offenbart auch, dass, selbst wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung Luft als ein Reaktionsgas verwendet, sie Ozon mit einem Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad erzeugen kann, der höher als der bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik erhaltene ist.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich daher von der Vorrichtung nach dem Stand der Technik dahingehend, dass Sauerstoffatome und Ozon nicht gleichzeitig in einem elektrischen Entladungsfeld erzeugt werden, und sie ist so ausgebildet, dass eine Sauerstoffatom-Erzeugungskammer von einer Ozonerzeugungskammer getrennt ist für die unabhängige Steuerung optimaler Bedingungen, die für die Erzeugung von Sauerstoffatomen und Ozon erforderlich sind.
Nachfolgend wird das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. 7A zeigt die schematische Konfiguration einer Erzeugungserzeugungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung hat ein Merkmal enthaltend eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung zum Reduzieren des Druckes eines Gases, das Sauerstoffatome enthält, die in einer Sauerstoffatom-Erzeugungskammer gebildet wurden, und Zuführen des Sauerstoffatome enthaltenden Gases in eine Ozonerzeugungskammer in dem Druckreduktionszustand.
In 7A zeigt die Bezugszahl 1 einen Einlass für ein Sauerstoff enthaltendes Gas an; 8 zeigt einen Einlass für Quellengas an; 6 zeigt eine Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung enthaltend eine elektrische Entladungskammer zum Erzeugen von Sauerstoffatomen aus einem über den Quellengaseinlass 8 zugeführten, Sauerstoff enthaltenden Quellengas an. Die Bezugszahl 71 zeigt eine Mischkammer zum Mischen eines Sauerstoffatome enthaltenden Gases und eines Reaktionsgases an; 72 zeigt eine Reaktionsgas-Einführungskammer zum Einführen eines Reaktionsgases in die Mischkammer 71 an; und 73 zeigt einen Druckerzeuger wie einen Kompressor, ein Gebläse oder dergleichen an, um ein Mischgas unter Druck zu setzen und das Mischgas in eine Ozonerzeugungskammer 74 einzuführen. Der Druckerzeuger 73 wirkt auch als die Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung zum Herabsetzen des Druckes eines in der Sauerstoffatom-Erzeugungskammer 6 gebildete Sauerstoffatome enthaltenden Gases.
Die Arbeitsweise der Ozonerzeugungsvorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel wird beschrieben. Ein Gas aus der Mischkammer 71 wird durch den Druckerzeuger wie einen Kompressor, ein Gebläse oder dergleichen unter Druck gesetzt. Als Ergebnis wird der Druck in der Mischkammer 71 und der elektrischen Entladungskammer 7 in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 auf einen Wert herabgesetzt, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, genauer gesagt, in einem Bereich von mehreren hundert Pa bis zu mehreren zehntausend Pa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr). In einem solchen Niedrigdruckzustand tritt die fol- gende Reaktion in der elektrischen Entladungskammer 7 auf, zu der ein Sauerstoff enthaltendes Gas von dem Quellengaseinlass 8 geliefert wird. O2 + e → O + O + e (1)
Sauerstoffatome O werden so gebildet. In der obigen Reaktionsgleichung zeigt die Buchstabe "e" ein Elektron an. Die nach der Gleichung (1) gebildeten Sauerstoffatome O werden durch die folgende Reaktion in Ozon umgewandelt. O + O2 + M → O3 + M (2)
Alternativ werden die Sauerstoffatome O in Sauerstoffmoleküle zurückgebildet, d. h. durch die folgende Reaktion ausgelöscht. O + O + M → O2 + M (3)
In den obigen Gleichungen (2), (3) zeigt der Buchstabe "M" eine dritte Substanz an.
Jede der Gleichungen (2), (3) ist die so genannte Dreikörper-Kollisionsreaktion, bei der die Reaktion im Verhältnis zum Quadrat des Druckes fortschreitet, so dass die Reaktion nach jeder der Gleichungen (2), (3) in einem elektrischen Entladungsfeld bei niedrigem Druck sehr langsam ist. Wenn hier die Konzentration von O₂ ausreichend höher als die von O ist, wird die durch die Gleichung (2) ausgedrückte Ozonerzeugungsreaktion vorherrschend und die durch die Gleichung (3) ausgedrückte Reaktion ist vernachlässigbar.
Wenn demgemäß die elektrisch Entladung bei einem niedrigen Druck wie bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt wird, werden nach der Gleichung (1) gebildete Sauerstoffatome in geringem Maße entsprechend den Gleichungen (2), (3) ausgelöscht, so dass Sauerstoffatome mit einem hohen elektrischen Wirkungsgrad erhalten werden können (Anzahl von gebildeten Sauerstoffatomen/Leistung für elektrische Entladung).
Die so gebildeten Sauerstoffatome werden in die Mischkammer 71 eingeführt, während der niedrige Druck gehalten wird, und sie werden in der Mischkammer 71 mit einem Sauerstoff enthaltenden Reaktionsgas gemischt. Ein Mischgas wird durch den Druckerzeuger 73 unter Druck gesetzt. In der Ozonerzeugungskammer 74 reagieren die Sauerstoffatome mit dem in dem Reaktionsgas enthaltenen Sauerstoff bei einem hohen Druck entsprechend der durch die Gleichung (2) ausgedrückten Reaktion, um wirksam in Ozon umgewandelt zu werden.
Auf diese Weise können bei der Ozonerzeugungsvorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel, da die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer als die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 von der Ozonerzeugungskammer 74 getrennt ist, die Bedingungen der Sauerstoffatom-Erzeugungskammer und der Ozonerzeugungskammer unabhängig so gesetzt werden, dass sie optimal für die Bildung von Sauerstoffatomen und Ozon sind. D. h., die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer kann auf einen niedrigen Druck (mehrere hundert Pa bis mehrere zehntausend Pa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr)) und auf eine hohe Temperatur gesetzt werden, während die 0zonerzeugungskammer auf einen hohen Druck (etwa atmosphärischer Druck oder mehr) und eine niedrige Temperatur (etwa 400 K oder weniger) gesetzt werden kann. Als eine Folge ist es möglich, Sauerstoffatome und Ozon mit jeweils hohem Wirkungsgrad zu erzeugen.
Da die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer ohne jedes Problem auf eine hohe Temperatur erwärmt werden kann, ist es möglich, auf einen Kühlmechanismus zu verzichten und eine Leistung hoher Dicht zuzuführen. Dies ist vorteilhaft für die Realisierung einer einfachen und kompakten Vorrichtung.
Da eine elektrische Entladung in der Ozonerzeugungskammer nicht erzeugt wird, ist es zusätzlich möglich, die Zersetzung von Ozon aufgrund von Kollisionen mit Elektronen in dem elektrischen Entladungsfeld oder die Zersetzung von Ozon aufgrund von NO_x in dem Fall der Verwendung von Luft als Quellengas bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik zu vermeiden. Dies ist vorteilhaft für die Realisierung einer Ozonerzeugungsvorrichtung mit einem sehr hohen Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad.
7B zeigt eine Vorrichtung mit einem Merkmal enthaltend eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung vom Ejektortyp zum Herabsetzen des Druckes eines Gases, das in einer Sauerstoffatom-Erzeugungskammer erzeugte Sauerstoffatome enthält, und zum Zuführen des Sauerstoffatome enthaltenden Gases in eine Ozonerzeugungskammer während des Druckherabsetzungszustands.
In 7B zeigt die Bezugszahl 1 einen Einlass für ein Sauerstoff enthaltendes Gas an; 2 ist eine Düse; 3 ist eine Verengung; 4 ist ein Diffusor; und 5 ist ein Auslass für ein Ozon enthaltendes Gas. Dies sind die Grundkomponenten des Ejektors. Ein Spalt 10 ist zwischen der Düse 2 und der Verengung 3 vorgesehen. Die Bezugszahl 6 zeigt eine Sauerstoffatome erzeugende Vorrichtung an, die eine elektrische Entladungs kammer 7 zum Erzeugen von Sauerstoffatomen aus einem von dem Quellengaseinlass 8 zugeführten, Sauerstoff enthaltenden Quellengas enthält. Die Bezugszahl 9 zeigt eine Druckverringerungskammer an zum Zuführen eines Gases, das in der Sauerstoffatom-Erzeugungskammer 6 erzeugte Sauerstoffatome enthält, zu dem Diffusor 4 in einem Zustand, in welchem der niedrige Druck gehalten wird. Der Druck in der Druckverringerungskammer 9 wird auf einem Wert gehalten, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, genauer gesagt, in einem Bereich von mehreren hundert Pa bis zu mehreren zehntausend Pa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr).
Die Arbeitsweise der Ozonerzeugungsvorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel wird beschrieben. Ein unter Druck stehendes, Sauerstoff enthaltendes Reaktionsgas strömt in die Verengung 3 zu der Düse 2. Zu dieser Zeit wird ein in der Druckverringerungskammer 9 vorhandenes Gas von dem zwischen der Düse 2 und der Verengung 3 vorgesehenen Spalt 10 zu der Verengung 3 mitgenommen, so dass der Druck in der Druckverringerungskammer 9 und der elektrischen Entladungskammer 7 in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 auf einen Wert verringert wird, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, genauer gesagt, in einem Bereich von mehreren hundert Pa bis zu mehreren zehntausend Pa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr). In einem derartigen Niedrigdruckzustand erfolgt die durch die obige Gleichung (1) angezeigte Reaktion in der elektrischen Entladungskammer 7, zu der ein Sauerstoff enthaltendes Gas von dem Quellengaseinlass 8 geliefert wird.
Die so erzeugten Sauerstoffatome werden aus der Druckverringerungskammer 9 in den Spalt zwischen der Düse 2 und der Verengung 3 gesaugt, während sie unter einem niedrigen Druck gehalten werden, und mit einem von der Düse in die Verengung 3 und den Diffusor 4 strömenden, Sauerstoff enthaltenden Reaktionsgas gemischt. Die Sauerstoffatome reagieren mit in dem Reaktionsgas enthaltenen Sauerstoff bei einem hohen Druck gemäß der durch die Gleichung (2) ausgedrückten Reaktion, um wirksam in Ozon umgewandelt zu werden.
Auf diese Weise können bei der in 7B gezeigten Ozonerzeugungsvorrichtung, da die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer als die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 von der aus der Verengung 3 und dem Diffusor 4 gebildeten Ozonerzeugungskammer getrennt ist, die Bedingungen für die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer und die Ozonerzeugungskammer unabhängig so gesetzt werden, dass sie für die Erzeugung von Sauerstoffatomen und Ozon optimal sind. D. h., die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer kann auf einen niedrigen Druck (mehrere hundert Pa bis mehrere zehntausend Pa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr) und auf eine hohe Temperatur gesetzt werden, während die 0zonerzeugungskammer auf einen hohen Druck (etwa atmosphärischer Druck oder mehr) und eine niedrige Temperatur (etwa 400 K oder weniger) gesetzt werden kann. Als eine Folge ist es möglich, Sauerstoffatome und Ozon mit jeweils hohem Wirkungsgrad zu erzeugen.
Für den Fall, dass es schwierig ist, den gewünschten Gasdruck und die Gasströmungsmenge nur durch den Ejektor unabhängig zu steuern, kann es möglich sein, einen Druckerzeuger 75 (7C) wie ein Gebläse oder dergleichen zusätzlich zu dem Ejektor zu verwenden. In einem solchen Fall können durch Einstellen des Druckerzeugers 75 der Gasdruck und die Gasströmungsmenge auf gewünschte Werte gesteuert werden.
Ausführungsbeispiel 2
8 zeigt eine schematische Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die grundsätzlich dieselbe wie die der beim Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Ozonerzeugungsvorrichtung ist.
In dieser Figur werden die Teile, die dieselben wie die in 7 gezeigten oder diesen ähnlich sind, durch dieselben Bezugszeichen angezeigt und ihre detaillierte Erläuterung wird weggelassen.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel hat ein Merkmal, das Luft als ein von einem Reaktionsgaseinlass 1 geliefertes, Sauerstoff enthaltendes Gas verwendet wird.
Die von dem Reaktionsgaseinlass 1 zuzuführende Luft wird durch eine Druckerzeugungsvorrichtung 11 wie einem Kompressor oder ein Gebläse unter Druck gesetzt und wird dann durch einen Luftdruck 12 ausreichend entfeuchtet.
Die so erhaltene getrocknete Luft wird dann wie bei der Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel 1 von dem Reaktionsgaseinlass 1 zugeführt, strömt in die Düse 2 und wird in dem Spalt 10 mit einem von einer Druckverringerungskammer 9 angesaugten, Sauerstoffatome enthaltenden Gas gemischt, um in einer Verengung 3 und einem Diffusor 4 gemäß der durch die Gleichung (2) ausgedrückten Reaktion wirksam in Ozon umgewandelt zu werden.
Wie die Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel 1 ist die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass eine Sauerstoffatom-Erzeugungskammer von einer Ozonerzeugungskammer getrennt ist, um unabhängig die optimalen Bedingungen für die Erzeugung von Sauerstoffatomen und von Ozon einzustellen, und folglich ermöglicht sie die Erzeugung von Sauerstoffatomen und von Ozon mit hohen Wirkungsgraden.
Da die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer ohne jedes Problem auf eine hohe Temperatur erwärmt werden kann, ist es möglich, eine Leistung hoher Dicht zuzuführen und damit eine einfache und kompakte Vorrichtung zu realisieren. Da eine elektrische Entladung nicht in der Ozonerzeugungskammer erzeugt wird, ist es darüber hinaus möglich, eine Zersetzung von Ozon aufgrund von Kollisionen mit Elektronen in dem elektrischen Entladungsfeld zu vermeiden.
Zusätzlich wird, obgleich Luft als ein Reaktionsgas verwendet wird, sie nicht einer elektrischen Entladung ausgesetzt, so dass kein NO_x erzeugt wird, d. h. , eine Zersetzung von Ozon aufgrund von NO_x findet nicht statt. Hierdurch ist es möglich, einen Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad zu erhalten, der ähnlich dem ist, der im Fall der Verwendung von Sauerstoff als ein Quellengas erhalten wird.
Ausführungsbeispiel 3
9 zeigt eine schematische Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die grundsätzlich dieselbe ist wie die der im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Ozonerzeugungsvorrichtung.
In dieser Figur sind die Teile, die dieselben wie die beim Ausführungsbeispiel 1 oder 2 beschriebenen oder diesen ähnlich sind, durch dieselben Bezugszeichen angezeigt und ihre detaillierte Erläuterung wird weggelassen.
Die Vorrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel hat ein Merkmal, das eine elektrische Entladung im Ungleichgewicht als eine Vorrichtung zum Erzeugen von Sauerstoffatomen in einer Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 verwendet wird.
Wie bei den Vorrichtungen nach den Ausführungsbeispielen 1 und 2 wird der Druck in einer elektrischen Entladungskammer, die in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 enthalten ist, auf einen Wert in einem Bereich von mehreren hundert Pa bis zu mehreren zehntausend Pa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr) durch eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung unter Verwendung eines Ejektors herabgesetzt.
Die Häufigkeit von Kollisionen zwischen Teilchen ist bei einem derartig niedrigen Druck in der elektrischen Entladung gering, so dass eine Elektronentemperatur Te und eine Gastemperatur Tg in dem elektrischen Entladungsfeld in einem thermischen Ungleichgewichtszustand sind, um so eine elektrische Entladung im Ungleichgewicht zu realisieren. Die elektrische Entladung im Ungleichgewicht ermöglicht, dass Sauerstoffmoleküle bei einer niedrigen Gastemperatur dissoziiert werden. Folglich ist es möglich, die Gastemperatur herabzusetzen, nachdem Sauerstoffatome mit einem Reaktionsgas gemischt wurden, und damit wirksam Ozon zu erzeugen.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel, die dieselbe grundsätzliche Konfiguration wie diejenige der in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 beschriebenen Vorrichtungen hat, zeigt dieselbe Wirkung wie diejenige, die bei den Ausführungsbeispielen 1 und 2 erhalten wurde.
Da die elektrische Entladung im Ungleichgewicht als ein Mittel zum Erzeugen von Sauerstoffatomen verwendet wird, ist es darüber hinaus möglich, die Gastemperatur herabzusetzen und damit eine Vorrichtung zu realisieren, die zur Erzeugung von Ozon mit einem hohen Wirkungsgrad in der Lage ist.
Ausführungsbeispiel 4
10 zeigt eine schematische Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem vierten Ausfΰhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die grundsätzlich dieselbe ist wie die der im Ausführungsbeispiel 3 beschriebenen Ozonerzeugungsvorrichtung.
In dieser Figur sind die Teile, die dieselben wie die im Ausführungsbeispiel 3 beschriebenen oder diesen ähnlich sind, durch dieselben Bezugszeichen angezeigt und ihre detaillierte Erläuterung wird weggelassen.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel hat ein Merkmal, das eine Glimmentladung als ein Mittel zum Erzeugen von Sauerstoffatomen in einer Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 verwendet wird.
Gemäß 10 sind eine Anodenelektrode 13 und eine Kathodenelektrode 14 zum Erzeugen einer Glimmentladung in einer elektrischen Entladungskammer 7 angeordnet, deren Druck durch eine Niedrigdruck- Zuführungsvorrichtung, die einen Ejektor verwendet, auf einen Bereich von mehreren hundert Pa bis zu mehreren zehntausend Pa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr) herabgesetzt ist. Zusätzlich bezeichnet die Bezugszahl 15 eine Leistungszuführung zum Erzeugen einer elektrischen Entladung. Von der Kathodenelektrode 14 emittierte Elektronen erregen und dissoziieren Sauerstoffmoleküle in einer Glimmentladung (positive Säule), um Sauerstoffatome zu bilden. Ein bei einem niedrigen Druck durch Entladung im Ungleichgewicht erzeugtes Plasma ist klein im Ionisationsgrad. Insbesondere enthält ein durch Glimmentladung erzeugtes Plasma Ionen, deren Anzahl geringer ist als die von Elektronen, so dass eine durch ein elektrisches Feld in einem elektrischen Entladungsfeld übertragene Energie wirksam den Elektronen gegeben wird.
Darüber hinaus ist die Reaktionsgeschwindigkeit für jede der Gleichungen (2), (3) sehr gering, und demgemäß ist die Reaktionsgeschwindigkeit von Sauerstoffatomen, die durch die durch die Gleichung (1) ausgedrückte Reaktion gebildet wurden, in der durch die Gleichungen (2), (3) ausgedrückten Reaktion sehr langsam. Mit anderen Worten, die durch die durch die Gleichung (1) ausgedrückte Reaktion gebildeten Sauerstoffatome werden nicht durch die durch die Gleichungen (2), (3) ausgedrückte Reaktion ausgelöscht. Sauerstoffatome können somit mit einem hohen elektrischen Wirkungsgrad erhalten werden.
Die so gebildeten Sauerstoffatome werden von einer Druckverringerungskammer 9 in einen Spalt 10 zwischen einer Düse 2 und einer Verengung 3 gesaugt, während sie auf einem niedrigen Druck gehalten werden, und sie reagieren mit Sauerstoff in einem von der Düse, strömenden, Sauerstoff enthaltenden Reaktionsgas entsprechend der durch die Gleichung (2) ausgedrückten Reaktion bei einem hohen Druck, um so wirksam in Ozon umgewandelt zu werden.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel, die dieselbe grundsätzliche Konfiguration wie diejenigen der in den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 beschriebenen Vorrichtungen hat, zeigt dieselbe Wirkung wie diejenigen, die bei den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 erhalten wurden.
Da zusätzlich eine Glimmentladung als eine elektrische Entladung im Ungleichgewicht bei diesem Ausführungsbeispiel zur Erzeugung von Sauerstoffatomen verwendet wird, ist es möglich, den Energieverbrauch von Ionen kleiner zu machen und Sauerstoffatome mit einem hohen elektrischen Wirkungsgrad zu erzeugen, und damit eine Vorrichtung zu realisieren, die in der Lage ist, Ozon mit einem hohen Wirkungsgrad zu erzeugen.
Ausführungsbeispiel 5
11 zeigt eine schematische Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die grundsätzlich dieselbe wie die beim Ausführungsbeispiel 3 ist.
In dieser Figur sind Teile, die dieselben wie die im Ausführungsbeispiel 3 beschriebenen oder diesen ähnlich sind, durch dieselben Bezugszeichen angezeigt und deren detaillierte Erläuterung wird weggelassen.
Die Vorrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel hat ein Merkmal, das eine dunkle Entladung als ein Mittel zum Erzeugen von Sauerstoffatomen in einer Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 verwendet wird.
Gemäß 11 befinden sich Elektroden zum Erzeugen einer dunklen Entladung, d. h. eine Erdelektrode 16 und eine Hochspannungselektrode 17, die aus einer dielektrischen Substanz 18 und einer Metallelektrode 19 gebildet ist, in einer Elektrodenentladungskammer 7, deren Druck durch eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung auf einem Bereich von mehreren hundert Pa bis zu mehreren zehntausend Pa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr) herabgesetzt ist. Wenn eine Hochspannung AC von einer Wechselspannungs-Leistungsquelle 22 zwischen den beiden Elektroden angelegt wird, wird eine dunkle Entladung (oder dielektrische Grenzentladung) in der elektrischen Entladungskammer 7 erzeugt.
Bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel wird wie bei den Vorrichtungen nach den Ausführungsbeispielen 1 bis 4 eine elektrische Entladung bei einem niedrigen Druck erzeugt, so dass durch Elektronen angeregte und dissoziierte Sauerstoffatome in geringem Maße ausgelöscht werden, d. h. Sauerstoffatome mit einem hohen elektrischen Wirkungsgrad erzeugt werden. Darüber hinaus werden die so erzeugten Sauerstoffatome bei einem hohen Druck in einer verschiedenen Reaktionskammer wie bei den Vorrichtungen nach den Ausführungsbeispielen 1 bis 4 in Ozon umgewandelt, um hierdurch Ozon mit einem sehr hohen Wirkungsgrad zu erzeugen.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel, die dieselbe grundlegende Konfiguration wie die der beim Ausführungsbeispiel 3 beschriebenen Vorrichtung hat, zeigt dieselbe Wirkung wie die, die beim Ausführungs beispiel 3 erhalten wurde.
Ausführungsbeispiel 6
Während die Vorrichtung beim Ausführungsbeispiel 5 so ausgebildet ist, dass die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 von der Druckverringerungskammer 9 getrennt ist, kann die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung mit der Druckverringerungskammer integriert sein, wie in den 12A, 12B gezeigt ist, um die Größe der Vorrichtung zu verringern.
12A ist eine vertikale Schnittansicht, die einen wesentlichen Teil einer Ozonerzeugungsvorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und 12B ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie A-A in 12A genommen wurde.
In diesen Figuren zeigt die Bezugszahl 1 einen Einlass für ein Sauerstoff enthaltendes Reaktionsgas an; 2 ist eine Düse; 3 ist eine Verengung; 4 ist ein Diffusor; und 5 ist ein Auslass für ein Ozon enthaltendes Gas. Diese Komponenten bilden eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung (Ejektor).
Bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel ist eine Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung mit einer dunklen Entladung bei niedrigem Druck mit dem Ejektor als der Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung integriert. Die Bezugszahl 20 zeigt ein dielektrisches Rohr wie ein Glassrohr an; 21 ist eine elektrische Zuführungselektrode; 22 ist eine Hochspannungs-Wechselstromzuführung; 8 ist ein Einlass für ein Sauerstoff enthaltendes Quellengas; und 23 ist ein e lektrisches Entladungsfeld. Diese Komponenten bilden den Sauerstoffatomgenerator.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der nach dem Ausführungsbeispiel 5 nur darin, dass die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung mit der Druckverringerungskammer integriert ist, und sie ist hinsichtlich der Arbeitsweise dieselbe wie die beim Ausführungsbeispiel 5. D. h., ein Quellengas, das Sauerstoffatome enthält, die in dem elektrischen Entladungsfeld erzeugt wurden, dessen Druck durch den Ejektor auf einen Bereich von mehreren hundert Pa bis zu mehreren zehntausend Pa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr) herabgesetzt wurde, wird durch ein von dem Reaktionsgaseinlass 1 zugeführten Reaktionsgas gekühlt und mit diesem gemischt, um bei einem hohen Druck wirksam in Ozon umgewandelt zu werden.
Die Vorrichtung mit der obigen Konfiguration zeigt dasselbe Leistungsvermögen wie das der Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel 5, und sie kann kompakt ausgebildet werden, da die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung mit dem Ejektor integriert ist.
Ausführungsbeispiel 7
13 zeigt eine schematische Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung gemäß einem siebenten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die grundsätzlich dieselbe wie die beim Ausführungsbeispiel 3 ist.
In dieser Figur sind die Teile, die dieselben wie die beim Ausführungsbeispiel 3 beschriebenen oder diesen ähnlich sind, durch dieselben Bezugszeichen gekenn zeichnet und ihre detaillierte Erläuterung wird weggelassen.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel hat ein Merkmal, das eine Mikrowellenentladung als ein Mittel zum Erzeugen von Sauerstoffatomen in einer Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 verwendet wird.
Gemäß 13 wird eine von einer Mikrowellen-Erzeugungsvorrichtung 24 wie einem Magnetron erzeugte Mikrowelle mittels eines Wellenleiters 25 in die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 eingeführt, um eine elektrische Entladung in einer elektrischen Entladungskammer 7 durch das elektrische Feld der Mikrowelle zu erzeugen. Bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel wird eine elektrische Entladung bei einem niedrigen Druck wie bei den Vorrichtungen nach den Ausführungsbeispielen 1 bis 6 erzeugt, so dass die Energie wirksam von dem elektrischen Feld der Mikrowelle in Elektronen injiziert wird.
Als eine Folge können Sauerstoffatome mit einem hohen elektrischen Wirkungsgrad erhalten werden. Um die Dichte von Elektronen zu erhöhen, kann die elektrische Entladungskammer 7 so ausgebildet sein, dass sie als ein Resonator zum Erzeugen einer stehenden Mikrowelle in der elektrischen Entladungskammer 7 wirkt, um die elektrische Feldstärke der Mikrowelle zu erhöhen.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel, die so konfiguriert ist, dass so erzeugte Sauerstoffatome bei einem hohen Druck in einer verschiedenen Reaktionskammer wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen in Ozon umgewandelt werden, kann Ozon mit ei nem sehr hohen Wirkungsgrad erzeugen.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel, die dieselbe grundsätzliche Konfiguration wie die der im Ausführungsbeispiel 3 beschriebenen Vorrichtung hat, zeigt dieselbe Wirkung wie die, die beim Ausführungsbeispiel 3 erhalten wird.
Ausführungsbeispiel 8
14 zeigt eine schematische Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die grundsätzlich dieselbe wie die beim Ausführungsbeispiel 1 ist.
In dieser Figur sind die Teile, die dieselben wie die beim Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen oder diesen ähnlich sind, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet, und ihre detaillierte Erläuterung wird weggelassen.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel hat ein Merkmal, das thermisches Plasma als ein Mittel zum Erzeugen von Sauerstoffatomen in einer Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 verwendet wird.
Die thermische Dissoziationsreaktion und die umgekehrte Reaktion von Sauerstoffatomen werden wie folgt ausgedrückt: O2 + O2 → O + O + O2 O + O + 02 → O2 + O2 O + O + O → O2 + O
Die Temperaturabhängigkeit von der Verteilung von O₂ und 0 in einen thermischen Gleichgewichtszustand ist in 15 gezeigt.
Es ist aus diesem Diagramm ersichtlich, dass in dem Fall der Dissoziation eines Sauerstoffgases O₂ unter Verwendung von thermischem Plasma der Dissoziationsgrad von Sauerstoffatomen mit Zunahme der Temperatur in einer Sauerstoffatom-Erzeugungskammer größer wird. Z. B. erreicht der Dissoziationsgrad von Sauerstoffatomen bei etwa 4000 K 50%.
Die erforderliche Energie für die Erzeugung von Sauerstoffatomen O durch thermische Dissoziation eines Sauerstoffgases O₂ kann auf der Grundlage der Konzentration [O] von Sauerstoffatomen, die in einem Gleichgewichtszustand bei einer Gastemperatur T₁ sind, und der erforderlichen Energie (Differenzenthalpie) zum Erwärmen des gesamten Gases auf die Temperatur T1 erhalten werden.
16 zeigt eine Gastemperaturabhängigkeit von der erforderlichen Energie (die erzeugte Anzahl von Sauerstoffatomen pro Joule) für die Erzeugung von Sauerstoffatomen in dem Fall von thermischer Dissoziation bei atmosphärischem Druck, welche erhalten wird auf der Grundlage der Konzentration von Sauerstoffatomen und der in 15 gezeigten Enthalpie des Sauerstoffgases.
Es ist aus diesem Diagramm ersichtlich, dass, wenn ein Sauerstoffgas bei einer hohen Temperatur von 3000 K oder mehr unter Verwendung von thermischem Plasma thermisch dissoziiert wird, Sauerstoffatome mit einem hohen Energiewirkungsgrad erzeugt werden können, der im Wesentlichen gleich dem in dem in 4 gezeigten Fall der elektrischen Entladung im Ungleichgewicht ist.
Ein Sauerstoffatome enthaltendes Quellengas wird in einen Spalt 10 zwischen einer Düse 2 und einer Verengung 3 mittels einer Druckverringerungskammer 9 gesaugt, während es auf einem niedrigen Druck gehalten wird, und es wird mit einem in die Düse strömenden, Sauerstoff enthaltenden Reaktionsgas gemischt, um bei einem hohen Druck durch die Reaktion mit dem in dem Reaktionsgas enthaltenen Sauerstoff gemäß der Reaktionsgleichung (2) wirksam in Ozon umgewandelt zu werden.
Durch thermisches Plasma erzeugte Sauerstoffatome können selbstverständlich in gleicher Weise wie durch elektrische Entladung im Ungleichgewichtszustand in demselben Zustand nach dem gekühlten Abschrecken in Ozon umgewandelt werden.
Die Ergebnisse der Simulation des Schrittes zum Erzeugen von Ozon in dem Fall, in welchem Sauerstoffatome enthaltendes thermisches Plasma direkt dem gekühlten Abschrecken unterzogen wird, ist in 17 gezeigt.
17 zeigt zeitliche Änderungen der Anzahl von Teilchen von O, O₂ und O₃ in dem Schritt der Erzeugung von Ozon, wenn reiner Sauerstoff in einem Dissoziations-Gleichgewichtszustand bei atmosphärischem Druck und bei 3000 K gebildet und dann schrittweise in drei Stufen von 2100 K (während 1 μs gehalten), 1200 K (während 1 μs gehalten) und 300 K rasch abgekühlt wird.
In diesem Fall werden Sauerstoffatome mit einem Volumenverhältnis von 27,2 erzeugt, und 9,9% der Sauer- stoffatome werden in Ozon umgewandelt. Schließlich wird Sauerstoff, der Ozon in einem Volumenverhältnis von 2,69% enthält, erhalten.
Das Sauerstoffatome enthaltende Gas wird dann mit dem Reaktionsgas gemischt und durch dieses gekühlt. Die Umwandlung von Sauerstoffatomen in Ozon ist nach 10^–5 s beendet. Demgemäß ist ersichtlich, dass die für eine wirksame Umwandlung von Sauerstoffatomen in Ozon erforderliche Abschreckzeit in der Größenordnung von Mikrosekunden bei atmosphärischem Druck ist, und eine rasche Abkühlung ist erforderlich zum Mischen von Sauerstoffatomen mit dem Reaktionsgas.
Bei diesem Ausführungsbeispiel, bei dem Sauerstoffatome durch Dissoziation unter Verwendung von thermischem Plasma erzeugt werden, wird der Dissoziationsgrad eines Sauerstoffgases vergrößert, um den Energiewirkungsgrad für die Erzeugung von Sauerstoffatomen zu erhöhen, und die Sauerstoffatome werden zu dem Mischpunkt mit einer hohen Temperatur und einem niedrigen Druck geführt, um eine Rekombination der Sauerstoffatome bis zum Mischen mit dem Reaktionsgas zu verhindern.
Das so zugeführte, Sauerstoffatome enthaltende Gas wird mit einem Reaktionsgas (z. B. Luft mit einer niedrigen Temperatur oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas mit einer niedrigen Temperatur), das durch den Ejektor angesaugt wird, gemischt. Das gemischte Gas wird so schnell gekühlt, um Ozon mit einem hohen Energiewirkungsgrad ähnlich dem bei der Ozonerzeugungsvorrichtung eines Typs, bei dem Sauerstoffatome durch elektrische Entladung im Ungleichgewichtszustand erzeugt werden, zu erzeugen.
Die Teilchendichte von thermischem Plasma ist in der Größenordnung von von 1/1000 bis 1/10000 der Teilchendichte des zu mischenden Reaktionsgases (z. B. Luft). Mit anderen Worten, das thermische Plasma hat eine sehr kleine Wärmekapazität, und demgemäß wird das gemischte Gas aus dem Sauerstoffatome enthaltenden thermischen Plasma und dem Reaktionsgas nur durch Mischen mit dem ausreichend gekühlten Reaktionsgas rasch abgekühlt. Das Reaktionsgas kann durch ein bekanntes Verfahren unter Verwendung einer Kühlvorrichtung, von flüssigem Stickstoff oder dergleichen gekühlt werden.
Dieses Ausführungsbeispiel hat dieselbe Konfiguration wie das nach dem Ausführungsbeispiel 1, mit der Ausnahme, dass thermisches Plasma als das Sauerstoffatom-Erzeugungsmittel verwendet wird. Wenn demgemäß die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 eine große Kapazität hat, bei der der thermische Verlust vernachlässigt werden kann, kann die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel Ozon mit einem hohen Wirkungsgrad bei einer einfachen und kompakten Konfiguration wie die Vorrichtungen nach den Ausführungsbeispielen 1 bis 7 erzeugen.
Ausführungsbeispiel 9
18 zeigt eine schematische Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die grundsätzlich dieselbe wie die beim Ausführungsbeispiel 7 ist.
In dieser Figur sind die Teile, die dieselben wie die im Ausführungsbeispiel 7 beschriebenen oder diesen ähnlich sind, durch dieselben Bezugszeichen gekenn zeichnet und deren detaillierte Erläuterung wird weggelassen.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel hat ein Merkmal, das eine Bogenentladung als ein Mittel zum Erzeugen von thermischem Plasma in der Ozonerzeugungsvorrichtung enthaltend die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung unter Verwendung von thermischem Plasma nach dem Ausführungsbeispiel 8 verwendet wird.
In 18 bezeichnen die Bezugszahlen 26, 27 Elektroden zum Erzeugen einer Bogenentladung in einer elektrischen Entladungskammer 6. In diesem Fall wird wie bei der Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel 8 der Druck in der elektrischen Entladungskammer 7 verringert auf einen Bereich des atmosphärischen Drucks oder darunter durch eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung (enthaltend die durch die Bezugszahlen 1, 2, 3, 4, 5, 9 und 10 gekennzeichneten Komponenten) eines Ejektortyps. Der Druck in der elektrischen Entladungskammer 7 wird jedoch höher gesetzt als der in der elektrischen Entladungskammer in jeder der Vorrichtungen nach den Ausführungsbeispielen 3 bis 6, die eine elektrische Entladung im Ungleichgewichtszustand für die Erzeugung von Sauerstoffatomen verwenden, z. B. auf einen Wert in einem Bereich von 13,33 KPa (100 Torr) bis zu mehreren zehntausend P (mehrere hundert Torr).
Die Kollisionshäufigkeit zwischen Teilchen bei einem derartigen Druck erhöht, so dass eine Elektronentemperatur Te nahezu gleich einer Gastemperatur Tg in einem elektrischen Entladungsfeld ist. Diese Temperatur (Te, Tg) erreicht etwa mehrere tausend Temperaturen, um somit ein Plasma im thermischen Gleichgewicht zu realisieren.
Wenn die Gastemperatur mehr als 4000 K beträgt, ist der Energiewirkungsgrad für die Erzeugung von Sauerstoffatomen im Wesentlichen gleich dem in dem Fall der Erzeugung von Sauerstoffatomen unter Verwendung der elektrischen Entladung im Ungleichgewichtszustand, wie in 16 gezeigt ist. Als eine Folge kann die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel dieselbe Wirkung wie die zeigen, die durch die Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel 7 erhalten wird.
Ausführungsbeispiel 10
19 zeigt eine schematische Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die grundsätzlich dieselbe wie die beim Ausführungsbeispiel 7 ist.
In dieser Figur sind die Teile, die dieselben wie die im Ausführungsbeispiel 7 beschriebenen oder diesen ähnlich sind, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet, und ihre detaillierte Erläuterung wird weggelassen.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel hat ein Merkmal, das eine Hochfrequenzentladung als das Mittel zum Erzeugen von thermischem Plasma in der Ozonerzeugungsvorrichtung enthaltend die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung unter Verwendung von thermischem Plasma nach dem Ausführungsbeispiel 8 verwendet wird.
In 19 zeigt die Bezugszahl 28 eine Hochfrequenz- Plasmaerzeugungsvorrichtung, die aus einer Hochfrequenz-Leistungszuführung 29, einer Induktionserwär- mungsspule 30 und einer elektrischen Entladungskammer 31 aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt wie Keramik zusammengesetzt ist, die ausgebildet ist zum thermischen Dissoziieren eines über einen Quellengaseinlass 8 zugeführten, Sauerstoff enthaltenden Quellengases durch Hochfrequenz-Induktionsheizung, um Sauerstoffatome zu erzeugen.
Wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist die Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer Druckverringerungskammer 9 verbunden, deren Druck durch eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung auf einen Wert von weniger als dem atmosphärischen Druck herabgesetzt ist. Der Druck in der Druckverringerungskammer 9 ist so eingestellt, dass er höher als der in der Druckverringerungskammer bei jedem der Ausführungsbeispiele 3 bis 6, die eine elektrische Entladung im Ungleichgewichtszustand zum Erzeugen von Sauerstoffatomen verwenden, ist, z. B. auf einen Wert in einem Bereich von 13,33 KPa (100 Torr) bis zu mehreren zehn KPa (mehrere hundert Torr). Die Kollisionshäufigkeit zwischen Teilchen ist bei einem derartigen Druck erhöht, so dass eine Elektronentemperatur Te nahezu gleich einer Gastemperatur Tg in einem elektrischen Entladungsfeld ist. Diese Temperatur (Te, Tg) erreicht etwa mehrere tausend Temperaturen, um so ein Plasma mit thermischem Gleichgewicht zu realisieren.
Wenn die Gastemperatur mehr als 4000 K beträgt, ist der Energiewirkungsgrad für die Erzeugung von Sauerstoffatomen im Wesentlichen gleich dem in dem Fall der Erzeugung von Sauerstoffatomen unter Verwendung einer elektrischen Entladung im Ungleichgewichtszustand, wie in 16 gezeigt ist. Als eine Folge kann die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel dieselbe Wirkung wie die zeigen, die bei der Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel 7 erhalten wird.
Ausführungsbeispiel 11
Während jede der Vorrichtung nach den Ausführungsbeispielen 1 bis 10 die Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung vom Ejektortyp verwendet, verwendet eine Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem elften Ausführungsbeispiel, das in 20 gezeigt ist, eine Druckreduktionspumpe 32 als die Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung.
Die Vorrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet eine Glimmentladung als eine Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung; jedoch kann jeder der Entladungstypen nach den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 und 5 bis 10 als die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung verwendet werden.
Ein Quellengas, das Sauerstoffatome enthält, die durch eine elektrische Entladung im Ungleichgewichtszustand oder durch thermisches Plasma in einer Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 erzeugt wurden, in der der Druck auf einen bestimmten Wert niedriger als der atmosphärische Druck durch die Druckreduktionspumpe 32 verringert wurde, wird in eine Gasmischkammer 33 eingeführt, das zwischen der Pumpe 32 und der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 vorgesehen ist. Zur selben Zeit wird ein Sauerstoff enthaltendes Reaktionsgas in die Gasmischkammer 33 von einem Reaktionsgaseinlass 8 aus eingeführt, um die Konzentration von Sauerstoff (O₂) auf einen Wert zu erhöhen, der ausreichend höher als der von Sauerstoffatomen (O) ist.
Das Reaktionsgas wird mit dem Sauerstoffatome enthaltenden Gas, das von der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung bei einem niedrigen Druck angesaugt wurde, gemischt. Das gemischte Gas wird durch die Druckverringerungspumpe 32 angesaugt und auf der Stromabwärtsseite hiervon in seinem Druck auf etwa atmosphärischen Druck erhöht, um durch die durch die Reaktionsgleichung (2) ausgedrückte Reaktion in Ozon umgewandelt zu werden. In diesem Fall ist es möglich, da die Konzentration von Sauerstoff (O₂ ) in der Gasmischkammer 33 so eingestellt ist, dass sie ausreichend höher als die von Sauerstoffatomen (O) ist, Ozon mit einem hohen Wirkungsgrad zu erzeugen.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel, die dieselben Konfiguration wie die von jeder Vorrichtung nach den Ausführungsbeispielen 1 bis 10 hat, kann dieselbe Wirkung wie die von jeder Vorrichtung nach den Ausführungsbeispielen 1 bis 10 zeigen.
Ausführungsbeispiel 12
21 zeigt ein Beispiel der Konfiguration der O-zonerzeugungsvorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel 1. Anders als bei der in 31 gezeigten Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist dieses Beispiel nicht so konfiguriert, dass Sauerstoffatome und Ozon gleichzeitig erzeugt werden, sondern es ist so konfiguriert, dass eine Sauerstoffatom-Erzeugungskammer von einer Ozonerzeugungskammer getrennt ist, um Sauerstoffatome und Ozon bei optimalen Bedingungen unabhängig zu steuern, wie im Ausführungsbeispiel 1 beschrieben ist. Die Vorrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet einen Ejektor als ein Mittel zum Verringern des Druckes eines Gases, das Sauer- stoffatome enthält, die in einer Sauerstoffatom-Erzeugungskammer erzeugt wurden, und zum Zuführen des Sauerstoffatome enthaltenden Gases in eine Ozonerzeugungskammer in dem Zustand mit verringertem Druck.
In 21 kennzeichnet die Bezugszahl 1 einen Einlass für ein Sauerstoff enthaltendes Gas; 2 ist eine Düse; 3 ist eine Verengung; 4 ist ein Diffusor; und 5 ist ein Auslass für ein Ozon enthaltendes Gas. Dieses sind die Grundkomponenten des Ejektors. Ein Spalt ist zwischen der Düse 2 und der Verengung 3 vorgesehen. Die Bezugszahl 6 kennzeichnet eine Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung, die eine elektrische Entladungskammer 7 zum Erzeugen von Sauerstoffatomen aus einem von einem Quellengaseinlass 8 zugeführten, Sauerstoff enthaltenden Quellengas enthält. Die Bezugszahl 9 kennzeichnet eine Druckverringerungskammer zum Zuführen eines Gases, das Sauerstoffatome enthält, die in der Sauerstoffatom-Erzeugungskammer 6 erzeugt wurden, zu dem Diffusor 4 in einem Zustand, in welchem der niedrige Druck gehalten wird. Der Druck in der Druckverringerungskammer 9 wird auf einem Wert gehalten, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, genauer gesagt, in einem Bereich von mehreren hundert Pa bis zu mehreren 10 KPa (mehreren Torr bis zu mehreren hundert Torr).
Die Arbeitsweise der Ozonerzeugungsvorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel wird beschrieben. Ein Sauerstoffatome enthaltendes Reaktionsgas ( z. B. Luft), das durch einen Kompressor oder ein Gebläse unter Druck gesetzt ist, strömt durch die Düse 2 in die Verengung 3. Zu dieser Zeit wird ein in der Druckverringerungskammer 9 vorhandenes Gas von dem Spalt 10, der sich zwischen der Düse 2 und der Verengung 3 befindet, in die Verengung 3 mitgenommen, so dass der Druck der Druckverringerungskammer 9 und der elektrischen Entladungskammer 7 in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 auf einen Wert verringert wird, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, genauer gesagt, auf einen Bereich von mehreren Torr bis zu mehreren hundert Torr.
In einem derartigen Niedrigdruckzustand findet die folgende Reaktion in der elektrischen Entladungskammer 7 statt, in die ein Sauerstoff enthaltendes Gas von dem Quellengaseinlass 8 aus zugeführt wird. O2 + e → O + O + e (1)
Sauerstoffatome 0 werden so gebildet. In der obigen Reaktionsgleichung zeigt der Buchstabe "e" ein Elektron an. Die gemäß der Gleichung (1) gebildeten Sauerstoffatome 0 werden gemäß der folgenden Reaktion in Ozon umgewandelt. O + O2 + M → O3 + M (2)
Alternativ werden die Sauerstoffatome O in Sauerstoffmoleküle zurückgeführt, d. h., entsprechend der folgenden Reaktion ausgelöscht. O + O + M → O2 + M (3)
In den obigen Gleichungen (2), (3) zeigt der Buchstabe "M" eine dritte Substanz an.
Jede der Gleichungen (2), (3) ist die so genannte Dreikörper-Kollisionsreaktion, bei der die Reaktion im Verhältnis zum Quadrat des Drucks fortschreitet, so dass die Reaktion entsprechend jeder der Gleichungen (2), (3) in einem elektrischen Niedrigdruck- Entladungsfeld sehr langsam ist.
Wenn hier die Konzentration von O₂ ausreichend höher als die von O ist, wird die durch die Gleichung (2) ausgedrückte Ozonerzeugungsreaktion vorherrschend und die durch die Gleichung (3) ausgedrückte Reaktion ist vernachlässigbar.
Wenn demgemäß eine elektrische Entladung bei einem niedrigen Druck wie bei der Vorrichtung nach diesem in 21 gezeigten Beispiel erzeugt wird, werden entsprechend der Gleichung (1) erzeugte Sauerstoffatome nur wenig entsprechend den Formeln (2), (3) ausgelöscht, so dass Sauerstoffatome mit einem hohen elektrischen Wirkungsgrad (Anzahl von erzeugten Sauerstoffatomen/Leistung der elektrischen Entladung) erhalten werden können.
Die so gebildeten Sauerstoffatome werden aus der Druckverringerungskammer 9 in den Spalt 10 zwischen der Düse 2 und der Verengung 3 gesaugt, während ein niedriger Druck beibehalten wird, und sie werden mit einem Sauerstoff enthaltenden Reaktionsgas (z. B. Luft) gemischt, das aus der Düse in die Verengung 3 und in den Diffusor 4 strömt. Die Sauerstoffatome reagieren mit in dem Reaktionsgas enthaltenen Sauerstoff bei einem hohen Druck entsprechend der durch die Gleichung (2) ausgedrückten Reaktion, um wirksam in Ozon umgewandelt zu werden.
Um die Wirkung der Vorrichtung nach dem in 21 gezeigten Beispiel zu prüfen, wurde eine Simulation für den Schritt der Erzeugung von Ozon durchgeführt, indem die Konzentration von Sauerstoffatomen in einem Mischgas geändert wurde. 22 zeigt eine Beziehung zwischen einem Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad und der Konzentration von Ozon, die auf der obigen Simulation beruht.
In diesem Diagramm sind mit Bezug auf den Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad der in 31 gezeigten Ozonerzeugungsvorrichtung nach dem Stand der Technik experimentelle Werte, die durch den Betrieb der kürzlichen zylindrischen Ozonerzeugungsvorrichtung mit dunkler Entladung unter Verwendung von Luft und reinem Sauerstoff als einem Quellengas unter einer Standardbedingung erhalten wurden, aufgezeichnet.
Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass die Vorrichtung mit der Konfiguration, bei der die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer von der Ozonerzeugungskammer getrennt ist, um Sauerstoffatome und Ozon unter optimalen Bedingungen unabhängig zu steuern, Ozon mit einem höheren Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad erzeugen kann, insbesondere in einem Bereich mit einer niedrigen Ozonkonzentration von 2 bis 3 g/Nm³ oder weniger, verglichen mit der Vorrichtung nach dem Stand der Technik, bei der Sauerstoffatome und Ozon gleichzeitig in dem elektrischen Entladungsfeld erzeugt werden.
Die in 21 gezeigte Vorrichtung ist jedoch unzweckmäßig aus dem Grund, dass der Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad mit Zunahme der Konzentration des erzeugten Ozons niedriger wird, wie aus 22 ersichtlich ist.
23 zeigt einen Ozonerzeugungsschritt unter Verwendung der in 21 gezeigten Vorrichtung, bei der durch elektrische Entladung erzeugte Sauerstoffatome mit Luft in einem Zustand bei atmosphärischem Druck und bei 350 K gemischt werden, um in Ozon umgewandelt zu werden. In diesem Diagramm zeigen die Ordinaten ein Umwandlungsverhältnis von Sauerstoffatomen, die schließlich in Ozon umgewandelt werden (Anzahl von erzeugten Ozonmolekülen/Anzahl von anfänglichen Sauerstoffatomen, d. h., Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad), und die Abszisse zeigt die Konzentration von in die 0zonerzeugungskammer injizierten und mit einem Reaktionsgas gemischten Sauerstoffatomen an.
Gemäß 23 wird das Umwandlungsverhältnis von schließlich in Ozon umgewandelten Sauerstoffatomen gleich 99%, 95%, 64%, 20% und 13%, wenn die injizierte Konzentration von Sauerstoffatomen gleich 0,01%, 0,1%, 1%, 10% und 20% gewählt wird. Als eine Folge ist ersichtlich, dass der Umwandlungswirkungsgrad von Sauerstoffatomen in Ozon beträchtlich abnimmt mit einer Zunahme der Konzentration von Sauerstoffatomen.
Dies ergibt sich daraus, dass die Geschwindigkeit der Sauerstoffatom-Rekombinationsreaktion, die durch die Reaktionsgleichung (3) ausgedrückt wird, größer wird mit einer Zunahme der Konzentration von Sauerstoffatomen, um die durch elektrische Entladung erzeugten Sauerstoffatome in Sauerstoffmoleküle zurückzuführen.
Um die erzeugten Sauerstoffatome wirksam in Ozon umzuwandeln, ist es demgemäß erforderlich, die Konzentration der mit einem Reaktionsgas zu mischenden Sauerstoffatome zu unterdrücken.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann bei der in 21 gezeigten Vorrichtung, bei der die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer von der Ozonerzeugungskammer getrennt ist, um die Nachteile der in 31 gezeigten Vorrichtung nach dem Stand der Technik zu vermeiden, Ozon mit einem hohen Wirkungsgrad erzeugt werden, da Ozon und NO_x nicht in einem elektrischen Entladungsfeld vorhanden sind und dadurch die Zersetzung von Ozon aufgrund von Kollisionen mit Elektronen und der Reaktion mit NO_x nicht stattfindet; jedoch kann ein derartiger hoher Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad nur in dem Fall erhalten werden, in welchem die Konzentration von mit einem Reaktionsgas wie Luft in der Ozonerzeugungskammer gemischten Sauerstoffatomen gering ist.
Wenn die Konzentration von mit einem Reaktionsgas gemischten Sauerstoffatomen zunimmt, wird die durch die Reaktionsgleichung (3) ausgedrückte Sauerstoffatom-Rekombinationsreaktion vorherrschend, um den Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad beträchtlich zu verringern. Als eine Folge wird in einem Bereich, in welchem die Konzentration des erzeugten Ozons hoch ist, der Energiewirkungsgrad zum Erzeugen von Ozon herabgesetzt.
Um diese Unzweckmäßigkeit zu kompensieren, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer von der Ozonerzeugungskammer getrennt, und die in der Sauerstoffatom-Erzeugungskammer erzeugten Sauerstoffatome werden geteilt und wiederholt in einer bestimmten niedrigen Konzentration zu einem Reaktionsgas in der Ozonerzeugungskammer hinzugefügt, um hierdurch Ozon mit einer hohen Konzentration mit einem hohen Wirkungsgrad zu erzeugen.
Die Hauptreaktion und die umgekehrte Reaktion bei der Umwandlung von durch elektrische Entladung erzeugten Sauerstoffatomen in Ozon sind wie in den obigen Reaktionsgleichungen (2), (3) gezeigt.
Unter der Annahme, dass Reaktionsgeschwindigkeitskon stauten von jeweiligen Reaktionen als kn4, kn5 bezeichnet werden, ist der Wirkungsgrad n der Umwandlung von durch elektrische Entladung erzeugten Sauerstoffatomen in Ozon wie folgt gegeben: n = kn4 × [O2]/(Kn4 × [O2] + Kn5 × [O2] ) = 1/{1 + 2 × Kn5/Kn4 × ([O]/[O2]} (4)
Hier sind Kn4 und Kn5 wie folgt gegeben: Kn4 = kn4(O2) × [O2] + kn4(O) × [O] + kn4(O3) × [O3] + kn4 (N2) × [N2] (5) Kn5 = kn5 (O2) × [O2] + kn5 (O) × [O] + kn5 (O) × [O3] + kn5 (N2) × [N2] (6)
Gemäß Gleichung (4) ist der Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad n eine Funktion des Verhältnisses zwischen Konzentrationen von Sauerstoffatomen und Sauerstoffmolekülen, und er nimmt mit einer Zunahme der Konzentration von Sauerstoffatomen ab.
Wenn demgemäß Sauerstoffatome mit einer hohen Konzentration einmal zu einem Sauerstoffmoleküle enthaltenden Reaktionsgas hinzugefügt werden, ist es unmöglich, Ozon mit einem hohen Wirkungsgrad zu erzeugen, da der Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad verringert ist.
Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Sauerstoffatomen in Ozon nimmt mit einer Zunahme der Konzentration von Sauerstoffatomen ab, wie in Gleichung (4) gezeigt ist, und demgemäß ist es wünschenswert, um Ozon mit einer relativ höheren Konzentration wirksam zu erzeugen, dass Sauerstoffatome geteilt und wiederholt in einer geringen Konzentration (hoch im Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad) zu einem Reaktionsgas hinzugefügt werden.
Zusätzlich findet in der Ozonerzeugungskammer, die getrennt von der elektrischen Entladungskammer zum Erzeugen von Sauerstoffatomen durch elektrische Entladung vorgesehen ist, die folgende Reaktion statt, zusätzlich zu der Ozonerzeugungsreaktion und der O-zonzersetzungsreaktion, die durch die Reaktionsgleichungen (2), (3) ausgedrückt werden. O + O3 → O2 + O2 (7)
Die Reaktion gemäß der Gleichung (3) ist vernachlässigbar in dem Fall des Hinzufügens von Sauerstoffatomen in einer niedrigen Konzentration, und daher werden durch elektrische Entladung erzeugte Sauerstoffatome wirksam in Ozon umgewandelt. Andererseits ist die Reaktion nach der Gleichung (7) sehr langsam, und daher wird in der Ozonerzeugungskammer erzeugtes Ozon nur in geringem Umfang zersetzt.
Demgemäß wird durch Wiederholen des Schrittes des Hinzufügens von Sauerstoffatomen in einer niedrigen Konzentration zu dem Reaktionsgas in der Ozonerzeugungskammer zum wirksamen Erzeugen von Ozon und weiterhin des Hinzufügens von Sauerstoffatomen in einer geringen Konzentration zu dem das erzeugte Ozon enthaltenden Reaktionsgas die Konzentration des schließlich erzeugten Ozons erhöht in Abhängigkeit von der Anzahl der Hinzufügungen von Sauerstoffatomen in einer geringen Konzentration zu dem Ozon enthaltenden Gas, während die Umwandlung von Sauerstoffatomen in Ozon bei einem hohen Wirkungsgrad gehalten wird.
Daher wird es möglich, Ozon mit einer hohen Konzentration zu erhalten, während die Verringerung des Ozo numwandlungs-Wirkungsgrades unterdrückt wird.
24 zeigt eine Beziehung zwischen der Anzahl der geteilten Injektionen von Sauerstoffatomen und dem Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad, wobei die Gesamtkonzentration von zu einem Reaktionsgas hinzugefügten Sauerstoffatomen als ein Parameter verwendet wird.
Die Gesamtkonzentration von Sauerstoffatomen wird gleich 0,1%, 1,0%, 10% und 20% ausgewählt, und die Konzentration von Sauerstoffatomen für jede Injektion ist äquivalent einem Wert, der durch Teilen der Gesamtkonzentration durch die Anzahl der Injektionen erhalten ist. Beispielsweise wird eine Kurve A in 24 erhalten durch Aufzeichnen des Ozonumwandlungs-Wirkungsgrades n mit Bezug auf die Anzahl der Injektionen entlang der Abszisse für den Fall, dass die Gesamtkonzentration von zu einem Reaktionsgas hinzugefügten Sauerstoffatomen als 1,0% gewählt ist und die Anzahl der Injektionen geändert wird in einmal (Konzentration: 1,0%), zweimal (Konzentration: 0,5%), zehnmal (Konzentration: 0,1%), und zwanzigmal (Konzentration: 0,050 .
Es ist aus diesem Diagramm ersichtlich, dass für den Fall, dass die Gesamtkonzentration von zu einem Reaktionsgas hinzugefügten Sauerstoffatomen als ein bestimmter Wert gewählt wird, der Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad n verbessert wird durch Verringern der Konzentration für jede Injektion und durch Erhöhen der Anzahl der Injektionen.
Die Verbesserungswirkung für den Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad n ist jedoch im Wesentlichen gesättigt, wenn die Anzahl der Injektionen mehr als zehn beträgt, und er wird wenig erhöht, wenn die Anzahl der Injektionen mehr als zwanzig beträgt.
25 zeigt eine Beziehung zwischen der Konzentration des erzeugten Ozons und dem Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad auf der Grundlage der in 24 gezeigten Ergebnisse, wobei die Konzentration des erzeugten Ozons entlang der logarithmischen Abszisse aufgetragen ist.
In diesem Diagramm zeigen die Gruppen A, B, C und D Daten für den Fall an, dass die Gesamtkonzentration von Sauerstoffatomen in 0,1%, 1,0%, 10% bzw. 20% geändert wird.
26 ist ein Diagramm, bei dem die Daten nach 25 auf linearen Koordinaten aufgetragen sind.
Es ist aus diesen Diagrammen ersichtlich, dass beispielsweise in dem Fall, in welchem Ozon bei einer gewählten Gesamtkonzentration von Sauerstoffatomen, die zu einem Reaktionsgas hinzugefügt werden, von 1,0% (die Daten in der Gruppe B) erzeugt wird, die Konzentration von durch eine Reaktion, die nur einmal wiederholt wird, erzeugten Ozon etwa 11 g/Nm³ beträgt und der Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad zu dieser Zeit etwa 65% beträgt; jedoch die Konzentration von durch eine Reaktion, die zwanzigmal wiederholt wird (Konzentration bei jeder Injektion: 0,05%) erzeugtem Ozon etwa 14 g/Nm3 beträgt und der Ozonumwandlungs-Wirkungsgrad auf etwa 80% verbessert ist.
Somit kann durch Wiederholen des Schrittes des Hinzufügens von Sauerstoffatomen mit einer geringen Konzentration mehreren % oder weniger zu einem Reaktionsgas in der Ozonerzeugungskammer zum wirksamen Erzeugen von Ozon und des weiteren Hinzufügens von Sau erstoffatomen mit einer geringen Konzentration in das so erzeugte Ozon enthaltende Reaktionsgas, das Absinken des Wirkungsgrades der Umwandlung von Sauerstoffatomen in Ozon unterdrückt werden, und Ozon mit einer hohen Konzentration kann erzeugt werden im Vergleich mit dem Fall, in welchem Sauerstoffatome einmal zu dem Reaktionsgas hinzugefügt werden.
Eine Ozonerzeugungsvorrichtung wird beschrieben, bei der eine Sauerstoffatom-Erzeugungskammer von einer 0zonerzeugungskammer getrennt ist, und ein Gas, das durch elektrische Entladung erzeugte Sauerstoffatome bei einem geringen Druck enthält, wird nicht einmal zu dem Reaktionsgas hinzugefügt, sondern das Reaktionsgas (z. B. Luft) wird aufeinander folgend in mehrere Ozonerzeugungskammern geführt, und dann wird das Sauerstoffatome enthaltende Gas in jede Ozonerzeugungskammer bei einem niedrigen Druck geführt, wobei die Konzentration von mit dem Reaktionsgas in der O-zonerzeugungskammer gemischten Sauerstoffatomen auf einen bestimmten niedrigen Wert eingestellt ist.
Nachfolgend wird eine Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem zwölften Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben.
27 zeigt eine schematische Konfiguration der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel, in wel-cher solche Teile, die dieselben wie die in 1 gezeigten oder diesen ähnlich sind, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
In 27 kennzeichnet die Bezugszahl 100 einen Ozonerzeugungsteil einer ersten Stufe; 200 ist ein Ozonerzeugungsteil einer zweiten Stufe, der sich hinter dem Ozonerzeugungsteil der ersten Stufe befindet; und 300 ist ein Ozonerzeugungsteil der N-ten Stufe.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel verwendet eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung vom Ejektortyp wie die in 21 gezeigte Vorrichtung.
Der Ozonerzeugungsteil jeder Stufe enthält eine Düse 2, eine Verengung 3, einen Diffusor 4, eine Druckverringerungskammer 9 und einen Spalt 10 wie die in 21 gezeigte Vorrichtung.
Die Bezugszahl 6 kennzeichnet eine Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen von Sauerstoffatomen aus einem von einem Quellengaseinlass 8 zugeführten, Sauerstoffatome enthaltenden Quellengas.
Die Bezugszahl 400 kennzeichnet ein Sauerstoffatom-Zuführungsrohr zum Zuführen von Sauerstoffatomen, die in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 erzeugt wurden, zu jedem Ozonerzeugungsteil, und die Bezugszahl 11 kennzeichnet eine Druckerzeugungsvorrichtung wie einen Kompressor oder ein Gebläse, um ein Reaktionsgas unter Druck zu setzen.
Die Arbeitsweise der Ozonerzeugungsvorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel wird beschrieben. Ein durch die Druckerzeugungsvorrichtung 11 unter Druck gesetztes Reaktionsgas strömt von dem Reaktionsgaseinlass 1 in die in dem ersten Ozonerzeugungsteil 100 vorgesehene Düse 2 und wird in die Verengung 3 geblasen.
Zu dieser Zeit wird ein in der Druckverringerungskammer 9 vorhandenes Gas von dem zwischen der Düse 2 und der Verengung 3 des Türblatts angeordneter Spalt 10 in die Verengung 3 mitgenommen, so dass der Druck in der Druckverringerungskammer 9 und einer elektrischen Entladungskammer 7 in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 auf einen Wert herabgesetzt wird, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, genauer gesagt, auf einen Bereich von mehreren 100 Pa bis zu mehreren zehn KPa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr).
In einem solchen Niederdruckzustand findet die folgende Reaktion in der elektrischen Entladungskammer 7 statt, in die von dem Quellengaseinlass 8 ein Sauerstoff enthaltendes Gas geliefert wird. O2 + e → O + O + e (1)
Sauerstoffatome O werden so gebildet. In der obigen Reaktionsgleichung bezeichnet der Buchstabe "e" ein Elektron. Die nach der Gleichung (1) gebildeten Sauerstoffatome O werden gemäß der folgenden Reaktion in Ozon umgewandelt. O + O2 + M → O3 + M (2)
Alternativ werden die Sauerstoffatome 0 in Sauerstoffmoleküle zurückgebildet, d. h., gemäß der folgenden Reaktion ausgelöscht. O + O + M → O2 + M (3)
In den obigen Gleichungen (2), (3) kennzeichnet der Buchstabe "M" eine dritte Substanz.
Jede der Gleichungen (2), (3) ist die so genannte Dreikörper-Kollisionsreaktion, bei der die Reaktion im Verhältnis zum Quadrat des Druckes fortschreitet, so dass die Reaktion gemäß jeder der Gleichungen (2), (3) in einem elektrischen Niedrigdruck-Entladungsfeld sehr langsam ist. Wenn hier die Konzentration von O₂ ausreichend höher als die von O ist, wird die durch die Gleichung (2) ausgedrückte Ozonerzeugungsreaktion vorherrschend und die durch die Gleichung (3) ausgedrückte Reaktion ist vernachlässigbar.
Wenn demgemäß eine elektrische Entladung bei einem niedrigen Druck wie bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel erzeugt wird, werden entsprechend der Gleichung (1) gebildete Sauerstoffatome nur wenig gemäß den Gleichungen (2), (3) ausgelöscht, so dass Sauerstoffatome mit einem hohen elektrischen Wirkungsgrad (Anzahl von erzeugten Sauerstoffatomen/Leistung für elektrische Entladung) erhalten werden können.
Die so gebildeten Sauerstoffatome werden aus der Druckverringerungskammer 9 in den Spalt 10 zwischen der Düse 2 und der Verengung 3 mittels des Sauerstoffatom-Zuführungsrohres 400 gesaugt, während ein niedriger Druck beibehalten wird, und sie werden in einer bestimmten geringen Konzentration mit dem von der Düse 2 zugeführten, Sauerstoff enthaltenden Reaktionsgas in der aus der Verengung 3 und dem Diffusor 4 zusammengesetzten Ozonerzeugungskammer gemischt, um wirksam bei einem hohen Druck durch die Reaktion mit in dem Reaktionsgas enthaltenen Sauerstoffmolekülen gemäß der Reaktionsgleichung (2) in Ozon umgewandelt zu werden.
Das Hinzufügen von Sauerstoffatomen mit einer bestimmten Konzentration zu dem Reaktionsgas kann durch Steuerung der in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 erzeugten Menge von Sauerstoffatomen oder durch Vorsehen eines Ventils zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit eines Sauerstoffatome enthaltenden Gases in dem Sauerstoffatom-Zuführungsrohr durchgeführt werden.
Das in dem Ozonerzeugungsteil 100 der ersten Stufe erhaltene, Ozon enthaltende Gas (das erzeugte Ozon enthaltende Reaktionsgas) wird von einem Auslass 5 für das Ozon enthaltende Gas in die Düse 2 des Ozonerzeugungsteils 200 der zweiten Stufe eingeführt, während es weiter unter Druck gehalten wird.
Wie in dem Ozonerzeugungsteil 100 der ersten Stufe wird das Gas, das in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 gebildete Sauerstoffatome enthält, in dem Ozonerzeugungsteil 200 der zweiten Stufe aus der Druckverringerungskammer 9 in den Spalt 10 zwischen der Düse 2 und der Verengung 3 mittels des Sauerstoffatom-Zuführungsrohres 400 gesaugt, während es auf einem niedrigen Druck gehalten wird, und mit einer bestimmten niedrigen Konzentration mit dem von der Düse 2 in die aus der Verengung 3 und dem Diffusor 4 zusammengesetzten Ozonerzeugungskammer geführten, Ozon enthaltenden Reaktionsgas gemischt, um wirksam bei einem hohen Druck durch die Reaktion mit in dem Reaktionsgas enthaltenen Sauerstoffmolekülen entsprechend der Reaktionsgleichung (2) in Ozon umgewandelt zu werden.
Weiterhin tritt, wie vorstehend beschrieben ist, die durch die Reaktionsgleichung (7) ausgedrückte Reaktion zusätzlich zu der Ozonerzeugungsreaktion und der durch die Reaktionsgleichungen (2), (3) ausgedrückten Ozonzersetzungsreaktion in der Ozonerzeugungskammer auf, jedoch wird, da die Reaktion nach der Gleichung (7) sehr langsam ist, das in der Ozonerzeugungskammer gebildete Ozon nur wenig zersetzt. Demgemäß wird in dem Ozonerzeugungsteil 200 der zweiten Stufe das in dieser erzeugte Ozon mit dem in dem Ozonerzeugungsteil 100 der ersten Stufe gebildeten Ozon akkumuliert.
Bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel, in der mehrere (N Stufen) Ozonerzeugungsteile in Reihe angeordnet sind, wird das in jedem Ozonerzeugungsteil gebildete Ozon allmählich angesammelt durch Wiederholen des Schrittes des Zuführens eines Reaktionsgases in den Ozonerzeugungsteil der ersten Stufe durch die Druckerzeugungsvorrichtung, des Hinzufügens von Sauerstoffatomen mit einer bestimmten niedrigen Konzentration zu dem Reaktionsgas in der Ozonerzeugungskammer, um wirksam Ozon zu erzeugen, und weiterhin des Hinzufügens von Sauerstoffatomen mit einer bestimmten geringen Konzentration zu dem das erzeugte Ozon enthaltenden Gas in dem Ozonerzeugungsteil der nächsten Stufe, um Ozon zu bilden. Somit ist es möglich, Ozon mit einer hohen Konzentration zu erzeugen, während der Wirkungsgrad der Umwandlung von Sauerstoffatomen in Ozon auf einem hohen Wert gehalten wird.
D.h., bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, da ein Sauerstoffgas bei einem niedrigen Druck in derselben Weise wie bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik dissoziiert wird, die Lebensdauer von Sauerstoffatomen zu verlängern und damit die Sauerstoffatome wirksam zu erzeugen.
Da die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer so ausgebildet ist, dass sie nur der Bedingung genügt, in der Lage zu sein, Sauerstoffatome wirksam zu erzeugen, indem die elektrische Entladung stabil gehalten wird, kann das Innere der Erzeugungskammer auf eine hohe Tempe ratur erwärmt werden, und es ist auch nicht erforderlich, dass die Elektroden gekühlt werden. Dies ist wirksam, um den Freiheitsgrad bei der Konstruktion eines Entladungselektrodensystems zu erhöhen und damit die gesamte Konfiguration zu vereinfachen, was zu verringerten Herstellungskosten führt. Da auch eine Leistung hoher Dichte zu dem elektrischen Entladungssystem geführt werden kann, ist es möglich, die Vorrichtung kompakt auszubilden.
Da ein Gas, das in der Sauerstoffatom-Erzeugungskammer gebildete Sauerstoffatome enthält, geteilt und wiederholt mit einer bestimmten niedrigen Konzentration zu dem Sauerstoffatome enthaltenden Reaktionsgas hinzugefügt wird, kann die Herabsetzung die Ozonumwandlungs-Wirkungsgrades unterdrückt werden, und Ozon mit einer Konzentration kann im Vergleich zu der Vorrichtung nach dem Stand der Technik erzeugt werden.
Ausführungsbeispiel 13
28 zeigt eine schematische Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem dreizehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie die Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel 12 verwendet die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung vom Ejektortyp. Zusätzlich sind die Teil, die dieselben wie die in 21 gezeigten oder diesen ähnlich sind, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 28 kennzeichnet die Bezugszahl 1 einen Einlass für ein Sauerstoff enthaltendes Reaktionsgas; 2 ist eine Düse; 3 ist eine Verengung; 4 ist ein Diffusor; und 5 ist ein Auslass für ein Ozon enthaltendes Gas. Dieses sind die Grundkomponenten, die den Ejektor bilden.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel hat das Merkmal, dass Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtungen 6 individuelle mit einem Ozonerzeugungsteil 100 der ersten Stufe, einem Ozonerzeugungsteil 200 der zweiten Stufe und einem Ozonerzeugungsteil 300 der N-ten Stufe verbunden sind, die in der vertikalen Reihe angeordnet sind.
Jeder Ozonerzeugungsteil enthält eine Düse 2, eine Verengung 3, einen Diffusor 4, eine Druckverringerungskammer 9 und einen Spalt 10 wie die in 21 gezeigte Vorrichtung.
Die Druckverringerungskammer 9 wird auf einem Druck gehalten, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, genauer gesagt, in einem Bereich von mehreren Pa bis zu mehreren zehn KPa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr) um ein Gas, das in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 erzeugte Sauerstoffatome enthält, zu einem Mischbereich mit einem Reaktionsgas bei einem niedrigen Druck zu führen.
Als Nächstes wird die Arbeitsweise der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel beschrieben. Ein durch eine Druckerzeugungsvorrichtung 11 unter Druck gesetztes Reaktionsgas strömt von dem Reaktionsgaseinlass 1 in die in dem ersten Ozonerzeugungsteil 100 vorgesehene Düse 2 und wird in die Verengung 3 geblasen. Zu dieser Zeit wird ein in der Druckverringerungskammer 9 vorhandenes Gas von dem zwischen der Düse 2 und der Verengung 3 vorgesehenen Spalt 10 in die Verengung 3 mitgenommen, so dass der Druck in einer elektrischen Entladungskammer 7 der Sauerstoff atom-Erzeugungsvorrichtung 6, die mit dem Ozonerzeugungsteil 100 der ersten Stufe verbunden ist, ebenfalls auf einen Wert herabgesetzt wird, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, genauer gesagt, auf einen Bereich von mehreren hundert Pa bis zu mehreren zehn KPa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr) .
In der elektrischen Entladungskammer 7 jeder Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6, zu der das Sauerstoff enthaltende Gas von einem Quellengaseinlass 8 geliefert wird, findet dieselbe Reaktion wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben bei einem derartigen niedrigen Druck statt, so dass Sauerstoffatome mit einem hohen elektrischen Wirkungsgrad (Anzahl von erzeugten Sauerstoffatomen/Leistung der elektrischen Entladung) erhalten werden können.
Die so gebildeten Sauerstoffatome werden in den Spalt 10 zwischen der Düse 2 und der Verengung mittels der Druckverringerungskammer 9 gesaugt, während ein niedriger Druck beibehalten wird, und sie werden mit dem von der Düse 2 zugeführten, Sauerstoff enthaltenden Reaktionsgas in der aus der Verengung 3 und dem Diffusor 4 zusammengesetzten Ozonerzeugungskammer gemischt, um bei einem hohen Druck wirksam durch die Reaktion mit in dem Reaktionsgas enthaltenen Sauerstoffmolekülen entsprechend der Reaktionsgleichung (2) in Ozon umgewandelt zu werden.
Das in dem Ozonerzeugungsteil 100 der ersten Stufe erhaltene, Ozon enthaltende Gas (das erzeugte Ozon enthaltende Reaktionsgas) wird von einem Auslass 5 für das Ozon enthaltende Gas in die Düse 2 des Ozunerzeugungsteils 200 der zweiten Stufe eingeführt, während es in unter Druck stehenden Zustand gehalten wird.
Wie bei dem Ozonerzeugungsteil 100 der ersten Stufe, wird in dem Ozonerzeugungsteil 200 der zweiten Stufe das Gas, das in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6, die mit dem Ozonerzeugungsteil 200 der zweiten Stufe verbunden ist, gebildete Sauerstoffatome enthält, aus der Druckverringerungskammer 9 in den Spalt 10 zwischen der Düse 2 und der Verengung 3 gesaugt, während es auf einem niedrigen Druck gehalten wird, und es wird mit dem Ozon enthaltenden Reaktionsgas, das von der Düse 2 zugeführt wird, in der aus der Verengung 3 und dem Diffusor 4 zusammengesetzten Ozonerzeugungskammer gemischt, um bei einem hohen Druck durch die Reaktion mit in dem Reaktionsgas enthaltenen Sauerstoffmolekülen entsprechend der Reaktionsgleichung (2) wirksam in Ozon umgewandelt zu werden.
Auf diese Weise wird in dem Ozonerzeugungsteil 200 der zweiten Stufe das in diesem erzeugte Ozon mit dem in dem Ozonerzeugungsteil 100 der ersten Stufe erzeugten Ozon akkumuliert.
Bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel, in der die Sauerstoffatom-Erzeugungskammer von der 0zonerzeugungskammer getrennt ist, und mehrere (N Stufen) Ozonerzeugungsteile in Reihe angeordnet sind, wird das in jedem Ozonerzeugungsteil gebildete Ozon allmählich akkumuliert, ähnlich wie bei der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 12, indem der Schritt des Hinzufügens von Sauerstoffatomen mit einer bestimmten niedrigen Konzentration zu dem Reaktionsgas in der Ozonerzeugungskammer jedes Ozonerzeugungsteils, um Ozon wirksam zu erzeugen, und weiterhin des Hinzufügens von Sauerstoffatomen mit einer bestimmten niedrigen Konzentration zu dem das erzeugte Ozon enthaltenden Gas in dem Ozonerzeugungsteil der nächsten Stufe, um Ozon zu erzeugen, wiederholt wird. Somit ist es möglich, Ozon mit einer hohen Konzentration zu erzeugen, während der Wirkungsgrad der Umwandlung von Sauerstoffatomen in Ozon auf einem hohen Wert gehalten wird.
Weiterhin wird bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel ein von der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 jedes Ozonerzeugungsteils geliefertes, Sauerstoffatome enthaltendes Gas direkt mit einem Reaktionsgas nicht mittels eines relativ langen Strömungspfades wie eines Sauerstoffatom-Zuführungsrohres, sondern mittels eines kurzen Zuführungsrohres gemischt, anders als bei der Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel 12, und demgemäß ist es möglich, die Rekombination von Sauerstoffatomen mit geringer Lebensdauer vor der Reaktion mit dem Reaktionsgas zu unterdrücken und damit den Wirkungsgrad des Mischens von in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 gebildeten Sauerstoffatomen mit dem Reaktionsgas weiter zu verbessern.
Ausführungsbeispiel 14
Während die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 bei der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 12 oder 13 von der Druckverringerungskammer 9 getrennt ist, können mehrere Ozonerzeugungsteile vom Integraltyp, die jeweils eine Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung integriert mit einer Druckverringerungskammer enthalten, in Reihe angeordnet sein.
29A, 29B zeigen eine schematische Konfiguration eines wesentlichen Teils einer Ozonerzeugungsvorrich tung gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei 29A eine vertikale Schnittansicht der Vorrichtung und 29B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in 29A sind.
In diesen Figuren kennzeichnet die Bezugszahl 1 einen Einlass für ein Sauerstoff enthaltendes Reaktionsgas; 2 ist eine Düse; 3 ist eine Verengung; 4 ist ein Diffusor; und 5 ist ein Auslass für ein Ozon enthaltendes Gas. Dies sind die Grundkomponenten, die einen Ejektor bilden.
Jeder Ozonerzeugungsteil vom Integraltyp bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel enthält eine Niederdruck-Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung mit dunkler Entladung, die mit dem Ejektor als eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung integriert ist.
Die Bezugszahl 8 kennzeichnet einen Quellengaseinlass; 20 ist ein dielektrisches Rohr wie ein Gasrohr; 21 ist eine elektrische Zuführungselektrode; 22 ist eine Hochspannungs-Wechselstromzuführung; und 23 ist ein elektrisches Entladungsfeld. Diese Komponenten bilden die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung. Bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel sind N-Stufen der Ozonerzeugungsteile vom Integraltyp in Reihe gemäß der Anzahl (N) von Hinzufügungen des Sauerstoffatome enthaltenden Gases angeordnet.
Da jeder Ozonerzeugungsteil vom Integraltyp die Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 und die Druckverringerungskammer 9 bei der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 12 oder 13 integral enthält, ist die grundsätzliche Arbeitsweise der Vorrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel dieselbe wie die der Vorrich tung nach Ausführungsbeispiel 12 oder 13.
In dem elektrischen Entladungsfeld 23 erzeugte Sauerstoffatome werden von einem Druckverringerungsteil in einen Spalt zwischen der Düse 2 und der Verengung 3 bei einem niedrigen Druck gesaugt, und sie werden mit einem von der Düse 2 zugeführten, Sauerstoff enthaltenden Reaktionsgas gemischt, um bei einem hohen Druck durch die Reaktion mit in dem Reaktionsgas enthaltenen Sauerstoffmolekülen entsprechend der Reaktionsgleichung (2) in der Ozonerzeugungskammer der ersten Stufe wirksam in Ozon umgewandelt zu werden.
Das in dem Ozonerzeugungsteil vom Integraltyp der ersten Stufe erhaltene, Ozon enthaltende Gas wird in einen Einlass des Ejektors eingeführt, d. h. , die Düse 2 des Ozonerzeugungsteils vom Integraltyp der zweiten Stufe, um in die Ozonerzeugungskammer des Ozonerzeugungsteils vom Integraltyp der zweiten Stufe geführt zu werden.
Dann wird ein Gas, das in dem Ozonerzeugungsteil vom Integraltyp der zweiten Stufe erzeugte Sauerstoffatome enthält, mit dem von dem Ozonerzeugungsteil vom Integraltyp der ersten Stufe zugeführten, Ozon enthaltenden Gas in der Ozonerzeugungskammer der zweiten Stufe gemischt, um weiter in Ozon umgewandelt zu werden, wodurch das Gas erzeugt wird, welches Ozon mit einer höheren Konzentration als in dem Ozonerzeugungsteil der ersten Stufe enthält.
Bei der drei oder mehr Stufen von Ozonerzeugungsteilen vom Integraltyp enthaltenden Vorrichtung wird Ozon in gleicher Weise in jeder der der zweiten Stufe nachfolgenden Stufen gebildet und akkumuliert.
Bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel wird ein Sauerstoffatome enthaltendes Gas geteilt und wiederholt in einer bestimmten niedrigen Konzentration zu einem Reaktionsgas hinzugefügt, wie bei der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 12 oder 13, und der Ozonerzeugungsteil jeder Stufe enthält integral eine Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung und eine Druckverringerungskammer, und demgemäß können die erzeugten Sauerstoffatome mit einem Reaktionsgas während einer sehr kurzen Zeit gemischt werden, um einen Verlust zu verringern, der durch die Rückbildung in Sauerstoffmoleküle durch Rekombination der durch elektrische Entladung erzeugten Sauerstoffatome bewirkt wird, so dass Ozon mit einem hohen Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad insbesondere in einem Bereich hoher Ozonkonzentration gebildet werden kann.
Ausführungsbeispiel 15
Die 30A, 30B zeigen eine schematische Konfiguration einer Ozonerzeugungsvorrichtung nach einem fünfzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei der solche Teile, welche dieselben wie die in den 27, 28 und 29A, 29B oder diesen ähnlich sind, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Bei der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel wird das wiederholte Hinzufügen eines Gases, das durch elektrische Entladung gebildete Sauerstoffatome enthält, erreicht durch Vorsehen mehrerer Löcher zum Injizieren des Sauerstoffatome enthaltenden Gases in die Umfangswand eines Diffusors, der eine Ozonerzeugungskammer bildet.
In den 30A, 30B kennzeichnet die Bezugszahl 500 eine Ozonerzeugungskammer, die aus einer Verengung 3 und einem Diffusor 3 gebildet ist. Die Umfangswand des Diffusors 4 hat mehrere Löcher 501.
Die Bezugszahl 502 kennzeichnet eine Druckverringerungskammer enthaltend einen Sauerstoffatom-Zuführungspfad 503 zum Einführen eines Gases, das in einer Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 gebildete Sauerstoffatome enthält, zu einem äußeren Wandbereich des Diffusors 4 bei einem niedrigen Druck. Die Druckverringerungskammer 502 ist in einer solchen Weise ausgebildet, dass sie die äußeren Bereiche der Verengung 3 und des Diffusors 4 der Ozonerzeugungskammer 5 abdeckt .
Der Druck in der Druckreduktionskammer 502 wird auf einem Wert gehalten, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, insbesondere in einem Bereich von mehreren hundert Pa bis zu mehreren zehn KPa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr).
Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel wird beschrieben. Die Erzeugung von Sauerstoffatomen in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 ist dieselbe wie die bei der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 12.
Ein mit dem Sauerstoffatome enthaltenden Gas zu mischendes Reaktionsgas wird durch eine Druckerzeugungsvorrichtung (nicht gezeigt) unter Druck gesetzt und durch die Verengung in den Diffusor 4 geblasen.
Zu dieser Zeit werden, da das in der Druckverringerungskammer 502 vorhandene, Sauerstoffatome enthaltende Gas in den in dem Diffusor 4 vorgesehenen Löchern 501 eingeschlossen ist, die Druckreduktionskam mer 502 und die elektrische Entladungskammer 7 in der Sauerstoffatom-Erzeugungsvorrichtung 6 im Druck auf einen Wert herabgesetzt, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, genauer gesagt, auf einen Bereich von mehreren hundert Pa bis zu mehreren zehn KPa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr).
Mehrere der indem Diffusor 4 vorgesehenen Löcher 501 sind so in einem geeigneten Abstand voneinander angeordnet, dass Sauerstoffatome aus Löchern, die in einer ersten Reihe in der Strömungsrichtung eines Reaktionsgases angeordnet sind, injiziert werden, und nächste Sauerstoffatome aus den Löchern, die in einer zweiten Reihe angeordnet sind, nach dem Verstreichen einer bestimmten Zeit (z. B. angenähert eine Millisekunde), die für die Umwandlung der vorhergehenden Sauerstoffatome in Ozon erforderlich ist, injiziert werden.
In dem Fall, in welchem es erforderlich ist, dass die Injektion von Sauerstoffatomen zwei oder mehr Male wiederholt wird, sind die Löcher in Reihen nachfolgend der zweiten Reihe in gleicher Weise in geeigneten Abständen voneinander angeordnet.
Auf diese Weise kann durch wiederholtes Injizieren geteilter Sauerstoffatome mit einer bestimmten niedrigen Konzentration in die Ozonerzeugungskammer 5 Ozon wirksam durch die Reaktion, die durch die Reaktionsgleichung (2) ausgedrückt wird, in dem Diffusor 4 erzeugt werden.
In der Vorrichtung mit der obigen Konfiguration ist der Sauerstoffatom-Erzeugungsteil von dem Ozonerzeugungsteil getrennt und demgemäß können wie bei der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 1 der Sauer- stoffatom-Erzeugungsteil und der Ozonerzeugungsteil unabhängig auf optimale Bedingungen eingestellt werden. Z. B. kann der Sauerstoffatom-Erzeugungsteil so eingestellt werden, dass ein niedriger Druck (mehrere hundert Pa bis mehrere zehn KPa (mehrere Torr bis mehrere hundert Torr)) und eine hohe Temperatur vorgesehen sind; und der Ozonerzeugungsteil kann so eingestellt werden, dass ein hoher Druck (etwa 0,101 MPa (760 Torr) oder mehr ) und eine niedrige Temperatur (etwa 400 K oder weniger) vorgesehen sind.
Da ein Sauerstoffatome enthaltendes Gas mit einer niedrigen Konzentration wiederholt zu einem Reaktionsgas hinzugefügt wird, ist es möglich, einen durch Rückbildung von Sauerstoffmolekülen durch Rekombination von durch elektrische Entladung erzeugten Sauerstoffatomen bewirkten Verlust zu verringern und daher Ozon mit einem hohen Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad insbesondere bei einer hohen Ozonkonzentration zu erzeugen.
Darüber hinaus ist, da das wiederholte Hinzufügen von Sauerstoffatomen zu einem Reaktionsgas durch Vorsehen mehreren Reihen von Löchern in den Diffusor erzielt wird, das Vorsehen nur einer Ozonerzeugungskammer ausreichend, um einer Zunahme der Anzahl von Hinzufügungen von Sauerstoffatomen zu genügen. Hierdurch wird es möglich, eine Ozonerzeugungsvorrichtung vom Typ mit mehrfacher Hinzufügung mit einer sehr einfachen und kompakten Struktur zu realisieren.
Während die Einzelheiten der elektrischen Entladung, die zum Dissoziieren von Sauerstoff und zum Erzeugen von Sauerstoffatomen verwendet wird, bei den Vorrichtungen nach den Ausführungsbeispielen 1 bis 12 nicht beschrieben werden, können Beispiele der elektrischen Entladung eine Entladung im Ungleichgewicht wie eine Glimmentladung, eine dunkle Entladung oder eine Mikrowellenentladung, oder thermisches Plasma wie eine Bogenentladung oder Hochfrequenzentladung enthalten, wie bei den Vorrichtungen nach den Ausführungsbeispielen 1 bis 11 beschrieben ist.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung zum Erzeugen von Ozon, da ein Sauerstoffgas bei einem niedrigen Druck dissoziiert wird, die Lebensdauer von Sauerstoffatomen verlängert, und hierdurch können Sauerstoffatome wirksam erzeugt werden.
Da eine Sauerstoffatom-Erzeugungskammer so ausgebildet ist, dass sie nur der Bedingung genügt, wirksam Sauerstoffatome durch stabiles Bewahren der elektrischen Entladung zu erzeugen, kann das Innere der Erzeugungskammer auf eine hohe Temperatur erwärmt werden, und es ist auch nicht erforderlich, dass die Elektroden gekühlt werden. Dies ist wirksam, um den Freiheitsgrad bei der Konstruktion eines Entladungselektrodensystems zu erhöhen, und damit die gesamte Konfiguration zu vereinfachen, was zu verringerten Herstellungskosten führt.
Da eine Leistung mit hoher Dichte zu dem elektrischen Entladungssystem geführt werden kann, ist es möglich, die Vorrichtung kompakt auszubilden. Da Ozon in einer 0zonerzeugungskammer erzeugt wird, die ein Bereich ist, der nicht der elektrischen Entladung ausgesetzt ist, findet keine Zersetzung von Ozon aufgrund von Kollisionen mit Elektronen statt, wodurch eine Verringerung des Ozonerzeugungs-Wirkungsgrades verhindert wird.
Selbst in dem Fall der Verwendung eines Stickstoff enthaltenden Reaktionsgases wie Luft werden die Zersetzung von Ozon bewirkende Stickoxide nicht gebildet, da das Reaktionsgas der elektrischen Entladung nicht ausgesetzt ist, mit der Folge, dass Ozon mit einem hohen Erzeugungswirkungsgrad ähnlich dem in dem Fall der Verwendung von Sauerstoff als Reaktionsgas erzeugt werden kann.
Wie vorstehend beschrieben ist, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Ozon zur Verfügung, welches enthält: einen Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt zum Erzeugen eines ersten Gases, das Sauerstoffatome enthält durch Dissoziieren eines zugeführten Sauerstoffgases bei einem bestimmten niedrigen Druck von nicht mehr als atmosphärischem Druck; und einen Ozonerzeugungsschritt zum Mischen des ersten Gases, das in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt erzeugte Sauerstoffatome enthält, mit einem zweiten, Sauerstoff enthaltenden Gas, wodurch dem ersten und dem zweiten Gas ermöglicht wird, in einem nicht elektrischen Entladungszustand miteinander zu reagieren, um Ozon zu erzeugen. Das Verfahren ist vorteilhaft dahingehend, dass beide Schritte bei optimalen Bedingungen unabhängig voneinander durchgeführt werden können; eine Leistung mit hoher Dichte zugeführt werden kann, da der Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt bei einer hohen Temperatur durchgeführt werden kann; und die Zersetzung von Ozon aufgrund von Kollisionen mit Elektronen findet nicht statt, da der Ozonerzeugungsschritt in einem nicht elektrischen Entladungszustand durchgeführt wird, wodurch Ozon mit einem sehr hohen Wirkungsgrad erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Verfügung, bei dem Ozon in einem nicht elektrischen Entladungszustand in dem Ozonerzeugungsschritt erzeugt wird. Das Verfahren ist vorteilhaft dahingehend, dass eine Zersetzung von Ozon aufgrund von NO_x nicht stattfindet, selbst wenn Luft als das zweite Gas verwendet wird, um hierdurch Ozon bei geringen Kosten unter Verwendung von Luft als Quellengas wirksam zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Verfügung, bei dem eine elektrische Entladung im Ungleichgewicht als das Mittel zum Dissoziieren eines Sauerstoffgases in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt verwendet wird. Das Verfahren ist vorteilhaft dahingehend, dass Sauerstoffmoleküle bei einer niedrigen Gastemperatur dissoziiert werden kann und die Gastemperatur nach dem Mischen mit dem zweiten Gas in dem Ozonerzeugungsschritt gesenkt werden kann, um hierdurch Ozon mit einem sehr hohen Wirkungsgrad zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Verfügung, bei dem der Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt thermisches Plasma als das Mittel zum Dissoziieren eines Sauerstoffgases verwendet, und der Ozonerzeugungsschritt kühlt ein Mischgas aus dem ersten und dem zweiten Gas in dem Mischschritt des ersten und des zweiten Gases. Das Verfahren ist vorteilhaft dahingehend, dass es möglich ist, Ozon mit einem hohen Wirkungsgrad ähnlich dem in dem Fall der Erzeugung von Sauerstoffatomen durch elektrische Entladung im Ungleichgewicht zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ozone, welche enthält: einen Sauerstoffatom-Erzeugungsteil zum Dissoziieren eines zuge führten Sauerstoffgases bei einem niedrigen Druck, der nicht höher als atmosphärischer Druck, um so ein erstes, Sauerstoffatome enthaltendes Gas zu erzeugen; einen Ozonerzeugungsteil zum Mischen des ersten, Sauerstoffatome enthaltenden Gases, das von dem Sauerstoffatom-Erzeugungsabschnitt geliefert wurde, mit einem zweiten Sauerstoff enthaltenden Gas, wobei dem ersten und dem zweiten Gas ermöglicht wird, zur Erzeugung von Ozon miteinander zu reagieren; und eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung zum Herabsetzen des Druckes in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil auf einen bestimmten niedrigen Wert, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, und zum Zuführen des ersten Gases zu dem Ozonerzeugungsteil in einem Zustand niedrigen Drucks. Die Vorrichtung ist vorteilhaft dahingehend, dass sowohl der Sauerstoffatom-Erzeugungsteil als auch der Ozonerzeugungsteil unabhängig voneinander auf optimale Bedingungen eingestellt werden können; eine Leistung hoher Dichte zugeführt werden kann, da der Sauerstoffatom-Erzeugungsteil auf eine hohe Temperatur erwärmt werden kann; und die Zersetzung von Ozon aufgrund von Kollisionen mit Elektronen findet nicht statt, das der Ozonerzeugungsteil Ozon in einem nicht elektrischen Entladungszustand erzeugt, um hierdurch Ozon mit einem sehr hohen Wirkungsgrad zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung, bei der eine elektrische Entladung im Ungleichgewicht wie eine Glimmentladung, eine dunkle Entladung oder eine Mikrowellenentladung bei einem niedrigen Druck als das Mittel zum Dissoziieren eines Sauerstoffgases verwendet wird. Die Vorrichtung ist vorteilhaft dahingehend, dass Sauerstoffmoleküle bei einer niedrigen Gastemperatur wirksam dissoziiert werden können; die Gastemperatur nach dem Mischen mit dem zweiten Gas kann in dem Ozonerzeugungsteil abgesenkt werden; und die Zersetzung des erzeugten Ozons findet nicht statt, da der Ozonerzeugungsteil nicht einer elektrischen Entladung ausgesetzt ist, um hierdurch Ozon mit einem sehr hohen Wirkungsgrad zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung, bei der der Sauerstoffatom-Erzeugungsteil thermisches Plasma als das Mittel zum Dissoziieren eines Sauerstoffgases verwendet, und der Ozonerzeugungsteil kühlt das Mischgas aus dem ersten und dem zweiten Gas in dem Mischschritt für das erste und das zweite Gas. Die Vorrichtung ist vorteilhaft dahingehend, dass es möglich ist, Ozon mit einem hohen Wirkungsgrad ähnlich dem in dem Fall der Erzeugung von Sauerstoffatomen durch elektrische Entladung im Ungleichgewicht zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung, bei der die Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung aus einem Ejektor gebildet ist, welcher aufweist: einen Einlass, in den das unter Druck stehende zweite Gas injiziert wird; eine Düse, die durch einen bestimmten Spalt im Abstand von dem Ozonerzeugungsteil angeordnet ist, um das von dem Einlass injizierte zweite Gas in den Ozonerzeugungsteil zu blasen; und eine Druckverringerungskammer, die sich in der Nähe der Düse und des Spaltes befindet, in der der Druck durch Einblasen des zweiten Gases aus der Düse verringert wird, wodurch der Druck in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil auf einen bestimmten niedrigen Wert herabgesetzt wird, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, und das erste Gas, das von dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil erzeugte Sauerstoffatome enthält, durch den Spalt in einem druckverminder ten Zustand zu dem Ozonerzeugungsteil geführt wird. Die Vorrichtung ist vorteilhaft dahingehend, dass es möglich ist, den Druck in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil und den Druck im Ozonerzeugungsteil einfach auf gewünschte Werte einzustellen und das Mischen des ersten und des zweiten Gases und die Ausgabe von von dem Ozonerzeugungsteil erzeugten Ozon mittels einer einfachen Struktur zu realisieren und damit Ozon mit einer kleinen Struktur wirksam zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Erzeugen von Ozon zur Verfügung, welches enthält: einen Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt zum Erzeugen eines ersten, Sauerstoffatome enthaltenden Gases durch Dissoziieren eines zugeführten Sauerstoffgases bei einem bestimmten niedrigen Druck, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist; und einen Ozonerzeugungsschritt zum Mischen eines zweiten, Sauerstoff enthaltenden Gases mit dem ersten Gas, das in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt erzeugte Sauerstoffatome enthält, und zum Ermöglichen, dass das erste Gas und das zweite Gas in einem nicht elektrischen Entladungszustand miteinander reagieren, um Ozon zu erzeugen, wobei der Ozonerzeugungsschritt in mehrere Stufen zur wiederholten Erzeugung von Ozon geteilt ist durch Hinzufügen des ersten Gases zu dem unter Druck stehenden und zugeführten zweiten, Sauerstoff enthaltenden Gas und Akkumulieren von in jeder der Stufen erzeugten Ozon. Das Verfahren ist vorteilhaft dahingehend, dass es möglich ist, Ozon mit einer hohen Konzentration zu erzeugen, während ein hoher Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sauerstoffatomen in Ozon beibehalten wird.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ozon, welche enthält: einen Sauerstoffatom-Erzeugungsteil zum Dissoziieren eines zugeführten Sauerstoffgases bei einem niedrigen Druck, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, um ein erstes, Sauerstoffatome enthaltendes Gas zu erzeugen; mehrere Ozonerzeugungseinheiten, die in Reihe angeordnet sind, wobei jede der Ozonerzeugungseinheiten ausgebildet ist zum Mischen des ersten Gases mit einem unter Druck stehenden und dieser gelieferten zweiten, Sauerstoff enthaltenden Gas, wobei dem ersten und dem zweiten Gas ermöglicht wird, bei einer bestimmten Sauerstoffatomkonzentration in einem nicht elektrischen Entladungszustand miteinander zu reagieren, um Ozon zu erzeugen; und eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung zum Verringern eines Druckes in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil auf einen niedrigen Wert, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, und zum Zuführen des ersten Gases zu jeder von mehreren Ozonerzeugungseinheiten in einem druckverringerten Zustand; wodurch das zweite, Ozon enthaltende Gas aufeinander folgend in mehrere Ozonerzeugungseinheiten in der Strömungsrichtung des zweiten Gases geführt wird, um in jeder der Ozonerzeugungseinheiten erzeugten Ozon zu akkumulieren. Die Vorrichtung ist vorteilhaft dahingehend, dass es möglich ist, Ozon mit einer hohen Konzentration zu erzeugen, während der hohe Wirkungsgrad für die Umwandlung von Sauerstoffatomen in Ozon beibehalten wird.
Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung, bei der jeder von mehreren Ozonerzeugungsteilen als ein Körper ausgebildet ist, der den Sauerstoffatom-Erzeugungsteil und den Niedrigdruck-Zuführungsteil enthält, durch Verwendung einer Druckverringerungskammer der entsprechenden der Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtungen als den Sauerstoffatom- Erzeugungsteil. Die Vorrichtung ist vorteilhaft dahingehend, dass die erzeugten Sauerstoffatome mit einem Reaktionsgas während einer sehr kurzen Zeit gemischt werden können, um einen durch Rückbildung in Sauerstoffmoleküle durch Rekombination der durch elektrische Entladung erzeugten Sauerstoffatome bewirkter Verlust verringert werden kann, so dass Ozon mit einem hohen Ozonerzeugungs-Wirkungsgrad insbesondere in einem Bereich hoher Ozonkonzentration erzeugt werden kann.
Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ozon, welche enthält: einen Sauerstoffatom-Erzeugungsteil zum Dissoziieren eines zugeführten Sauerstoffgases bei einem niedrigen Druck, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, um ein erstes, Sauerstoffatome enthaltendes Gas zu erzeugen; einen Ozonerzeugungsteil zum Mischen des ersten, Sauerstoffatome enthaltenden Gases, das von dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil geliefert wurde, mit einem zweiten, Sauerstoff enthaltenden Gas, wobei dem ersten und dem zweiten Gas ermöglicht wird, miteinander zu reagieren, um Ozon zu erzeugen; und eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung zum Verringern des Druckes in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil auf einen bestimmten niedrigen Wert, der nicht höher als atmosphärischer Druck ist, und zum Zuführen des ersten Gases zu dem Ozonerzeugungsteil in einen druckverminderten Zustand, wobei der Ozonerzeugungsteil mehrere Reihen von Löchern aufweist, die in bestimmten gegenseitigen Abständen in der Strömungsrichtung des zweiten Gases angeordnet sind, und die Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung das erste Gas zu dem O-zonerzeugungsteil durch mehrere Reihen der Löcher zuführt, während der Druckverringerungszustand des ersten Gases beibehalten wird. Die Vorrichtung ist vor teilhaft dahingehend, dass es möglich ist, Ozon mit einer hohen Konzentration zu erzeugen, während der hohe Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sauerstoffatomen in Ozon mit einer einfachen Struktur beibehalten wird.

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Ozon, welches aufweist: einen Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt zum Erzeugen eines ersten Gases, das Sauerstoffatome enthält, durch Dissoziieren eines zugeführten Sauerstoffgases bei einem bestimmten niedrigen Druck von nicht mehr als 0,1 MPa und bei einer Temperatur von nicht weniger als 400 K; und einen Ozonerzeugungsschritt zum Mischen des ersten Gases, das Sauerstoffatome enthält und in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt erzeugt wurde, mit einem zweiten Gas, das Sauerstoff enthält, bei einem Druck von nicht weniger als 0,1 MPa und einer Temperatur von nicht mehr als 400 K, wobei dem ersten Gas und dem zweiten Gas. ermöglicht wird, miteinander in einem nichtelektrischen Entladungszustand zur Erzeugung von Ozon zu reagieren, worin der Druck des Sauerstoffatom-Erzeugungsschritts niedriger als der Druck des Ozonerzeugungsschritts ist.
Verfahren zum Erzeugen von Ozon nach Anspruch 1, worin Luft als das zweite Gas verwendet wird; eine elektrische Entladung im Ungleichgewicht oder thermisches Plasma als Mittel zum Dissoziieren eines Sauerstoffgases in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsschritt verwendet wird; und das gemischte Gas aus dem ersten und dem zweiten Gas in dem Mischschritt für das gemischte Gas in dem Ozonerzeugungsschritt gekühlt wird.
Verfahren zum Erzeugen von Ozon nach Anspruch 1, worin der Ozonerzeugungsschritt in mehrere Stufen unterteilt wird zur Wiederholung der Erzeugung von Ozon durch Hinzufügen des ersten Gases zu dem verdichteten und zugeführten zweiten, Sauerstoff enthaltenden Gas, und Sammeln von in jeder der Stufen erzeugtem Ozon.
Vorrichtung zum Erzeugen von Ozon, welche aufweist: ein Sauerstoffatom-Erzeugungsteil (6) zum Dissoziieren eines zugeführten Sauerstoffgases bei einem niedrigen Druck von nicht mehr als 0,1 MPa und einer Temperatur von nicht weniger als 400 K, um einerstes Gas, das Sauerstoffatome enthält, zu erzeugen; ein Ozonerzeugungsteil (3, 4) zum Mischen des ersten, Sauerstoffatome enthaltenden Gases, das von dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil (6) zugeführt wurde, mit einem zweiten Gas, das Sauerstoff enthält, bei einem Druck von nicht weniger als 0,1 MPa und bei einer Temperatur von nicht mehr als 400 K, wobei dem ersten und dem zweiten Gas ermöglicht wird, miteinander zur Erzeugung von Ozon zu reagieren; und eine Niedrigdruck-Zuführungsvorrichtung (2, 9) zum Reduzieren des Druckes des in dem Sauer-stoffatom-Erzeugungsteil (6) erzeugten ersten Gases auf einen bestimmten niedrigen Wert von nicht mehr als atmosphärischem Druck, und zum Zuführen des ersten Gases zu dem Ozonerzeugungsteil (3, 4) in einem Druckreduktionszustand, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedrigdruck-Zuführungsmittel (2, 9) aufwei sen: einen Einlass (1), in welchen das verdichtete zweite Gas injiziert wird; eine Düse (2), die sich im Abstand von dem Ozonerzeugungsteil (3, 4) mit einem bestimmten Spalt befindet, zum Ausstoßen des von dem Einlass injizierten zweiten Gases zu dem Ozonerzeugungsteil (3, 4); und eine Druckreduktionskammer (9), die sich in der Nähe der Düse und des Spaltes befindet, welche im Druck reduziert ist durch Ausstoßen des zweiten Gases aus der Düse (2), wodurch der Druck in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil (6) auf einen bestimmten niedrigen Wert von nicht mehr als atmosphärischem Druck reduziert wird, und das erste Gas, das von dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil (6) erzeugte Sauerstoffatome enthält, durch den Spalt in einem Druckreduktionszustand zu dem Ozonerzeugungsteil (3, 4) geführt wird.
Vorrichtung zum Erzeugen von Ozon nach Anspruch 4, worin eine elektrische Entladung im Ungleichgewicht als das Mittel zum Dissoziieren eines Sauerstoffgases in dem Sauerstoffatom-Erzeugungsteil (6) verwendet wird.
Vorrichtung zum Erzeugen von Ozon nach Anspruch 4, worin das Sauerstoffatom-Erzeugungsteil (6) thermisches Plasma als das Mittel zum Dissoziieren eines Sauerstoffgases verwendet, und die Ozonerzeugungsmittel (3, 4), das gemischte Gas aus dem ersten und dem zweiten Gas in dem Mischschritt des ersten und des zweiten Gases kühlen.