臭氧发生方法和臭氧发生装置 本发明涉及以空气为原料气体的臭氧发生方法和臭氧发生装置，特别是涉及一种能保持高的臭氧转换效率、高效地产生高浓度臭氧的方法和装置。
图31是日本专利公报特公昭59-48761号揭示的一种同轴圆筒型无声放电式臭氧发生装置。
图中，41是罐体，罐体41内部形成带有冷却水入口49和冷却水出口50的接地金属管42，在罐体41的预定位置形成空气或氧气等的原料空气入口51和臭氧气体出口52。44是玻璃等电介体做成的高电压电极管，该高电压电极管44同心地插入在接地金属管42内，由若干个隔离物53形成预定的放电空隙43，在该高电压电极管44的内周面形成有导电膜45。
46是供电器，该供电器46从供电线47经过绝缘套筒48将高的交流电压供给导电膜45。
图31所示的这种现有无声放电式臭氧发生装置中，仅示出了一组接地金属管42和高电压电极管44，当然，在现有的臭氧发生装置中，根据臭氧发生容量，也有在罐体41内形成多组接地金属管42和高电压电极管44的装置。
下面说明其动作。现有臭氧发生装置的构造如上所述，当把高的交流电压加到高电压电极管44上时，在放电空隙43内产生称之为无声放电地稳定的辉光放电，流入的原料空气被臭氧化，含有该臭氧的气体从臭氧气体出口52被取出到臭氧发生装置的外部。在放电空隙43内，由于放电而产生热，如果不进行有效的冷却，则放电空隙43的气体温度会上升，使臭氧发生量减少。为此，要用冷却水来冷却接地金属管42。
在现有的无声放电式臭氧发生装置中，是在放电空间内同时地产生氧原子(O)和臭氧(O3)，必须使放电空间保持生成臭氧所需要的高压力和低温度。在现有的无声放电式臭氧发生装置中，为了保持放电空间低温，采取了减小放电空间的间隙以及对接地、高压两电极中的一方或两方进行水冷却的措施。
关于减小放电空间的间隙，为了能用圆筒形的电极形成一样小的间隙，放电管和金属电极管的加工精度是至关重要的，从而提高了装置的原始造价。
另外，由于需对电极进行冷却，电极构造受限制，装置复杂化。再者，即使电极被冷却，考虑到臭氧的生成效率，放电空间的温度必须抑制在350K以下，因此也不易投入高的电力密度(放电电力/放电面积)，不能实现装置的小型化。
在无声放电式臭氧发生装置中，由于是在放电埸内生成臭氧，生成的臭氧与放电空间内的电子碰撞，如以下反应式所示地被再次分解。
上述反应的速度是电子能量的函数，它比放电埸中电子碰撞导致的氧分子分解速度即氧原子生成速度快数倍至数十倍。
因此，通过放电同时产生氧原子和臭氧的无声放电式臭氧发生装置中，好不容易生成的臭氧又返回变为氧原子和分子，臭氧生成的能量效率低。
另外，无声放电式臭氧发生装置中，使用空气作为原料气体时，由于氮分子(N2)和电子的碰撞而生成氮原子(N)或其激发原子，这些原子与氧原子反应而生成氮氧化物(NOX)，NOX与臭氧反应，其结果臭氧被分解，与前述同样地使臭氧的生成效率降低。
上述的通过放电同时产生氧原子和臭氧的无声放电式臭氧发生装置，存在以下几点问题；
1.由于需要冷却，造成以电极系统为首的装置的构造复杂化；
2.由于不能投入高的电力密度，难以实现装置的小型化；
3.生成的臭氧因放电埸的电子碰撞而被分解，臭氧生成效率低；
4.在空气原料中产生NOX，臭氧被分解，更降低臭氧的生成效率。
本发明是为了解决上述问题而作出的，其目的在于提供一种效率高的臭氧发生方法和小型而造价低的臭氧发生装置，该方法或装置的特征是使氧原子和臭氧的生成分开，以适当的浓度将氧原子与反应气体混合，提高臭氧的生成效率，此外，通过若干次地将生成的氧原子添加到反应气体中，抑制臭氧转换效率的降低，可高效率地生成高浓度的臭氧。
本发明中第1项发明的臭氧发生方法的特征在于：它由氧原子发生工序和臭氧发生工序组成；氧原子发生工序是在低于大气压的预定低压力下使被供给来的氧气分解，生成含有氧原子的第1气体；臭氧发生工序是使在氧原子发生工序生成的含有氧原子的上述第1气体与含有氧的第2气体混合，在非放电条件下使它们反应而生成臭氧。
本发明中第2项发明的臭氧发生方法的特征在于：第2气体采用的是空气。
本发明中第3项发明的臭氧发生方法的特征在于：在氧原子发生工序中使氧气分解的措施采用的是非平衡放电。
本发明中第4项发明的臭氧发生方法的特征在于：在氧原子发生工序中使氧气分解的措施采用的是热等离子体，在臭氧发生工序的第1气体与第2气体混合过程中冷却该混合气体。
本发明中第5项发明的臭氧发生装置的特征在于：它备有氧原子发生部、臭氧发生部和减压供给机构；氧原子发生部在低于大气压的预定低压力下使被供给来的氧气分解，生成含有氧原子的第1气体；臭氧发生部将从氧原子发生部送来的含有氧原子的上述第1气体与含有氧的第2气体混合，在非放电条件下使它们反应而生成臭氧；减压供给机构将上述氧原子发生部内的压力减至低于大气压的上述预定低压，并将第1气体保持在该减压状态地送给上述臭氧发生部。
本发明中第6项发明的臭氧发生装置的特征在于：在氧原子发生部内使氧气分解的措施采用的是非平衡放电。
本发明中第7项发明的臭氧发生装置的特征在于：非平衡放电采用的是辉光放电。
本发明中第8项发明的臭氧发生装置的特征在于：非平衡放电采用的是无声放电。
本发明中第9项发明的臭氧发生装置的特征在于：非平衡放电采用的是微波放电。
本发明中第10项发明的臭氧发生装置的特征在于：在氧原子发生部内使氧气分解的措施采用的是热等离子体，在臭氧发生部的第1气体与第2气体混合过程中冷却该混合气体。
本发明中第11项发明的臭氧发生装置的特征在于：减压供给机构备有注入口、喷咀和减压室；注入口用于注入被加压的第2气体；喷咀与臭氧发生部之间隔有预定的空隙，喷咀用于将注入的第2气体喷射到臭氧发生部；减压室设在上述喷咀与上述空隙的附近，借助上述喷咀喷射第2气体而减压，将氧原子发生部内的压力减至低于大气压的预定低压，并将在氧原子发生部生成的含有氧原子的第1气体保持减压状态地通过上述空隙送给上述臭氧发生部。
本发明中第12项发明的臭氧发生方法的特征在于：它备有氧原子发生工序和臭氧发生工序；氧原子发生工序是在低于大气压的预定低压力下使被供给来的氧气分解，生成含有氧原子的第1气体；臭氧发生工序是使在氧原子发生工序生成的含有氧原子的上述第1气体与被加压供给的含有氧的第2气体混合，在非放电条件下使它们反应而生成臭氧，并且，将第1气体分为若干次工序以预定的氧原子浓度添加到第2气体中而生成臭氧，再把各工序生成的臭氧累积起来。
本发明中第13项发明的臭氧发生装置的特征在于：它备有氧原子发生部、若干个臭氧发生部和减压供给机构；氧原子发生部在低于大气压的预定低压力下使被供给来的氧气分解，生成含有氧原子的第1气体；臭氧发生部将从氧原子发生部送来的含有氧原子的上述第1气体与被加压供给的含氧的第2气体混合，以预定的氧原子浓度在非放电条件下使它们反应而生成臭氧；减压供给机构将上述氧原子发生部内的压力减至低于大气压的上述预定低压，并将第1气体保持在该减压状态地分别送给上述若干个臭氧发生部；将上述若干个臭氧发生部串联地配设，把在前一级臭氧发生部生成的含有臭氧的第2气体顺次送到后一级臭氧发生部，把在各臭氧发生部生成的臭氧累积起来。
本发明中第14项发明的臭氧发生装置的特征在于：若干个臭氧发生部将其各自对应的各减压供给机构的减压室作为氧原子发生部使用，形成为包括氧原子发生部和减压供给机构的一体化构造。
本发明中第15项发明的臭氧发生装置的特征在于：它备有氧原子发生部、臭氧发生部和减压供给机构；氧原子发生部在低于大气压的预定低压力下使被供给来的氧气分解，生成含有氧原子的第1气体；臭氧发生部将从氧原子发生部送来的含有氧原子的上述第1气体与被加压供给的含有氧的第2气体混合，以预定的氧原子浓度在非放电条件下使它们反应而生成臭氧，在第2气体的流动方向上隔预定距离设有若干排孔；减压供给机构将上述氧原子发生部内的压力减至低于大气压的预定低压，并将第1气体保持在该减压状态地从上述若干排孔送到上述臭氧发生部的内部。
下面，根据附图说明本发明的实施例。
图1是表示用电子碰撞分解生成的氧原子浓度与压力的关系图。
图2是以气体温度作为参数说明氧原子变换为臭氧的变换效率与压力的关系图。
图3是用电子碰撞分解生成的氧原子的生成效率与电埸强度的关系图。
图4是假设分解生成的氧原子全部变换为臭氧时，臭氧的生成效率与放电埸的电埸强度的关系图
图5表示用计算机模拟求得分解生成的氧原子经过三体碰撞变换为臭氧的过程。
图6是根据摸拟结果对本发明臭氧发生装置与现有的无声放电式臭氧发生装置的臭氧生成效率进行比较的图。
图7A是表示本发明臭氧发生装置概略构造的说明图。
图7B是表示本发明实施例1臭氧发生装置概略构造的断面图。
图7C是表示本发明实施例1臭氧发生装置之变形例的断面图。
图8是表示本发明实施例2臭氧发生装置概略构造的断面图。
图9是表示本发明实施例3臭氧发生装置概略构造的断面图。
图10是表示本发明实施例4臭氧发生装置概略构造的断面图。
图11是表示本发明实施例5臭氧发生装置概略构造的断面图。
图12是表示本发明实施例6臭氧发生装置概略构造的断面图，(a)是表示臭氧发生装置主要部分的纵断面图，(b)是图(a)中的A-A线断面图。
图13是表示本发明实施例7臭氧发生装置概略构造的断面图。
图14是表示本发明实施例8臭氧发生装置概略构造的断面图。
图15是表示在氧气在大气压下分解时，氧分子和氧原子的粒子数变化与气体温度关系的图。
图16是表示在大气压下用热分解产生氧原子的氧原子生成效率说明图。
图17是表示摸拟结果的说明图，摸拟的是在大气压下达到热平衡分解的原料气体通过急冷而变换为臭氧的过程。
图18是表示本发明实施例9臭氧发生装置概略构造的断面图。
图19是表示本发明实施例10臭氧发生装置概略构造的断面图。
图20是表示本发明实施例11臭氧发生装置概略构造的断面图。
图21是表示与本发明实施例1相关的臭氧发生装置概略构造的断面图。
图22是根据摸拟结果对图21所示臭氧发生装置和现有的无声放电式臭氧发生装置的臭氧生成效率进行比较的图。
图23是表示添加到反应气体内的氧原子的浓度与臭氧变换率的关系图。
图24是把往反应气体内添加的氧原子的总浓度作为参数，表示氧原子的分批注入次数与臭氧变换率的关系图。
图25是将生成的臭氧浓度作为横轴(对数标度)，表示图24所示数据的说明图。
图26是把图25的纵横两轴改为线性标度的说明图。
图27是表示本发明实施例12臭氧发生装置概略构造的断面图。
图28是表示本发明实施例13臭氧发生装置概略构造的断面图。
图29是表示本发明实施例14臭氧发生装置概略构造的断面图。
图30是表示本发明实施例15臭氧发生装置概略构造的断面图。
图31是表示现有的无声放电式臭氧发生装置概略构造的断面图。
实施例1
图1中，以放电埸的温度为参数，表示在氧的放电埸中，由氧分子与电子的碰撞以及氧分子与氧分子的碰撞的反应过程生成的氧原子的稳态浓度值与压力的关系。
从图1可见，放电埸的压力上升时，则生成的氧原子的浓度降低，因此，以低压力放电对于氧原子的生成是有利的。
另外还可见，在同一压力下，随着放电埸的温度的上升，能产生更高浓度的氧原子。
即，对于氧原子的生成来说，在低气体压力、高温度条件下进行是有利的，这与现有无声放电式臭氧发生装置的运转条件完全相反。
图2是对于由放电生成的氧原子经过三体碰撞变换为臭氧的过程，以反应空间的温度为参数，表示臭氧变换率(生成臭氧分子数/初始氧原子数)与压力的关系。
从图2可见，把反应室的压力设定为大气压程度的较高压力，尽量降低反应室的温度(最高为400K以下)，对于臭氧的生成是有利的，能以非常高的效率把氧原子变换为臭氧。
图3是将放电埸中的电埸强度作为横轴，表示由氧分子与电子的碰撞而分解生成的氧原子的生成效率。
横轴E/N是以粒子密度N(t/cm2)为基准，将放电空间的电埸(V/cm)规格化了的参数，放电状态用E/N决定。E/N的单位1Td(汤森德：Townsend)为1E-17V·cm2。
该图的纵轴表示在各自的电埸强度下氧原子生成的能量效率，即每单位能量在氧气中的放电埸生成的氧原子数。
图4表示假设由放电分解、生成的氧原子以图3所示的氧原子生成效率生成并且该氧原子100％地变换为臭氧时所得到臭氧生成的能量效率。
该图意味着，例如在形成电埸强度为80Td左右的放电埸的氧原子生成室生成氧原子后，如果能如图2所示那样在压力设定为大气压左右的高压力并尽量保持低温度(最高400K以下)的反应室中将氧原子100％地变换为臭氧，则能以7mg/W/min这样非常高的效率生成臭氧。
作为一例，将含有所生成的氧原子的分解气体放入大气压、350K的空气中后，用粒子间的反应式，通过计算机摸拟求出经过三体碰撞生成臭氧的过程。
图5表示在放电生成的氧原子转换成粒子数有0.01％的状态下，在大气压下与350K的空气混合变换为臭氧的过程中各粒子数随时间的变化，图中白圆点和黑圆点分别表示各时刻的氧原子的粒子数和臭氧的粒子数。
这种情况下，混合了约1ms后，最初存在着的氧原子几乎全都变换为臭氧，此时求得的变换效率为99.4％。
因此，这种情况的臭氧生成效率，与假设生成的氧原子全部变换为臭氧而求得的图4所示的臭氧生成效率几乎等值，在现有装置中，以氧气为原料时的最大臭氧发生效率充其量为3.2mg/W/min，而本发明装置中，尽管氧气的使用限定于氧原子生成室，而反应气体采用含有氧的气体(例如空气)，但也能用非常高的效率生成臭氧。
图6表示使混合后的气体中的氧原子浓度变化而进行同样摸拟的结果，它将臭氧浓度作为横轴，而以纵轴表示出本发明臭氧发生装置和现有的无声放电式臭氧发生装置的臭氧生成效率。现有装置的臭氧生成效率，是表示以空气和纯氧气作为原料气体的、近年来出现的圆筒型无声放电式臭氧发生装置在标准运转条件下的实验值。
这样，根据本发明的臭氧发生装置的动作摸拟结果可看出，与现有装置相比，尤其在低臭氧浓度区域能达到非常高的臭氧生成效率。
另外，在本发明装置中，即使采用空气作为反应气体，与现有装置中以纯氧气作为原料气体时相比，其臭氧生成效率也高于现有装置。
根据以上结果，本发明装置不象现有装置那样在放电埸同时生成氧原子和臭氧，而是把氧原子生成室与臭氧生成室分开，可独立地控制最适合于氧原子和臭氧生成的条件。
图7A是表示本发明实施例1臭氧发生装置概略构造的示意图。该臭氧发生装置中备有减压供给机构，该减压供给机构用于将在氧原子生成室生成的含有氧原子的气体保持着减压状态地与作为反应气体的第2气体混合，再送入臭氧生成室。
图7A中，1是含有氧分子的反应气体的入口，8是原料气体入口，6是备有放电室7的氧原子生成室，71是含有氧原子的气体与反应气体混合的混合室，72是用于把反应气体导入混合室71的反应气体导入室，73是加压混合气体并将其导入臭氧生成室74的压缩机或鼓风机等的加压器。加压器73也是把含有氧原子的气体保持低压力地导入臭氧生成室74的减压供给机构。
下面说明其动作。从混合室出来的气体被压缩机或鼓风机等加压器加压。其结果，混合室71和氧原子发生器6内部的放电室7被减压至大气压以下，具体地说，被减压至约数Torr～数百Torr左右。在这样的低压力下，在从原料气体入口8供入含氧气体的放电室7内产生(1)式的反应，发生氧原子O。
…(1)
式中，e表示电子。
在(1)式的反应中生成的氧原子O由(2)式的反应而变换为臭氧，或由(3)式的反应返回变为氧分子而消灭。
…(2)
…(3)
式中，M表示第3物体。
(2)、(3)式是所谓的三体碰撞反应，该反应的速度与压力的平方成正比，所以在低压力放电埸中，(2)、(3)式的反应极为缓慢。当O2的浓度相对于O浓度足够高时，(2)式表示的臭氧生成反应占大部分，(3)式的反应可以忽略。
因此，如本发明实施例1的臭氧发生装置所进行的那样，在低压力下放电时，由(1)式反应所生成的氧原子在(2)、(3)式反应中几乎不消灭，所以，可用高电气效率(氧原子发生个数/放电电力)得到氧原子。
这样生成的氧原子被保持着低压力状态地导入混合室71。在混合室71与含有氧的反应气体混合。混合气体被加压器73加压。在臭氧生成室74中，氧原子和反应气体中的氧通过(2)式的反应在高压力下有效地变换为臭氧。
在具有上述构造的实施例1臭氧发生装置中，由于作为氧原子发生器6的氧原子生成室与臭氧生成室74是分开的，所以，氧原子生成室内可形成为低压力(数Torr～数百Torr)、高温度，而臭氧生成室内可形成为高压力(相当于大气压或更高)、低温度(400K以下)，这样，能独立地设定适合于氧原子和臭氧生成的最适当条件，从而能以高效率产生氧原子和臭氧。
另外，氧原子生成室形成为高温也不会产生任何问题，所以不需要冷却机构，可以投入高电力密度，能实现简单而小型化的装置。
另外，由于在臭氧生成室不放电，所以，不会因放电埸的电子碰撞而引起臭氧分解；也不会象现有的臭氧发生装置那样，以空气作为原料气体时因NOX而引起臭氧分解；所以，能实现臭氧生成效率非常高的臭氧发生装置。
图7B表示采用喷射方式的机构作为减压供给机构的臭氧发生装置。该减压供给机构把在氧原子生成室生成的含有氧原子的气体的压力减压，在该减压状态下把含氧原子的气体送到臭氧生成室。
图7B中，1是含有氧气的反应气体的入口，2是喷咀，3是喉部，4是扩散部，5是含臭氧气体的出口，这些是构成喷射机构的基本部件。在喷咀2与喉部3之间设有间隙10。6是内部备有放电室7的氧原子发生器，是用于从含有氧气的原料气体中发生氧原子的装置，原料气体从原料气体入口8供入。9是减压室，用于将氧原子发生器6生成的含有氧原子的气体保持为低压地导入扩散部4，该低压为大气压以下，具体地说为数Torr～数百Torr左右。
下面说明其动作。含有氧并被加压的反应气体经过喷咀2流入喉部3时，从设在喷咀2与喉部3之间的间隙10卷入了存在于减压室9内的气体，所以，减压室9和氧原子发生器6内的放电室7被减压到大气压以下，具体地说，被减压至数Torr～数百Torr左右。在这样的低压力下，在从原料气体入口8供入含氧气体的放电室7内产生(1)式的反应。
这样生成的氧原子被保持着低压力地从减压室9吸入喷咀2与喉部3之间的间隙10，在喉部3和扩散部4内与从喷咀2流出的含氧反应气体混合，氧原子和反应气体中的氧气通过(2)式的反应，在高压力下高效地变换为臭氧。
如上所述，图7B所示的臭氧发生装置中，作为氧原子发生器6的氧原子生成室与由喉部3及扩散部4构成的臭氧生成室是分开的，所以，氧原子生成室内可形成为低压力(数Torr～数百Torr)和高温度，而臭氧生成室内可形成为高压力(相当于大气压或更高)和低温度(400K左右以下)，这样，能独立地设定适合于氧原子和臭氧生成的最适当条件，能以高效率发生氧原子和臭氧。
当仅用喷射机构难以独立地控制所需的气体压力和流量时，也可以如图7C所示那样，做成喷射机构和鼓风机等加压器两者并用的装置。这种情况下，通过调节加压器75就可以使气体压力或流量等接近所需值。
实施例2
图8是表示本发明实施例2臭氧发生装置概略构造的示意图。其基本构造与实施例1的臭氧发生装置相同。
图8中，与图7中相同或等同的部件标以相同的附图标记，其详细说明从略。
该实施例2的特征是，它从反应气体入口1供入的含氧气体采用的是空气。
从反应气体口1供给的空气是被压缩机或鼓风机等加压机构11加压后，由空气干燥机12充分去湿了的空气。
这样得到的干燥空气与实施例1所示臭氧发生装置同样地，从反应气体入口1供入，流过喷咀2，在间隙10与从减压室9吸入的含氧原子气体混合，在喉部3和扩散部4内通过(2)式的反应，有效地变换为臭氧。
在上述构造的实施例2臭氧发生装置中，与实施例1的臭氧发生装置同样地，由于氧原子生成室和臭氧生成室是分开的，所以能独立地设定适合于氧原子和臭氧生成的最适当条件，能以高效率产生氧原子和臭氧。
由于氧原子生成室即使为高温也不会有问题，所以能投入高电力密度，从而能实现简单而小型化的装置。另外，由于在臭氧生成室不放电，所以，不会因放电埸的电子碰撞而导致臭氧分解。
另外，虽然用空气作为反应气体，由于空气不受放电的作用，所以不产生NOX，因此，不会产生因NOX引起的臭氧分解，能得到与用氧气作原料时同样的臭氧生成效率。
实施例3
图9是表示本发明实施例3臭氧发生装置概略构造的示意图。其基本构造与实施例1的臭氧发生装置相同。
图9中，与实施例1或实施例2的装置相同或等同的部件标以相同的附图标记，其详细说明从略。
该实施例3的臭氧发生装置的特征是，它在氧原子发生器6产生氧原子的措施是采用非平衡放电。
与上述实施例1和实施例2的臭氧发生装置同样地，氧原子发生器6内部的放电室7内的压力被采用了喷射方式的减压供给机构减压至数Torr～数百Torr左右。
在这样低压力下的放电中，由于粒子间的碰撞频度小，比较一下放电埸的电子温度Te和气体温度Tg，可知Te和Tg处于热的非平衡状态，能实现所谓的非平衡放电。非平衡放电中，在气体温度低的状态能分解氧分子，其结果，与反应气体混合后的气体温度也被抑制得低，能高效地生成臭氧。
该实施例3的臭氧发生装置，因其基本构造与实施例1及实施例2的臭氧发生装置相同，所以可得到与实施例1和实施例2同样的效果。
另外，由于采用非平衡放电作为氧原子发生措施，能把气体温度抑制为低温，所以能实现高效率的臭氧发生装置。
实施例4
图10是表示本发明实施例4臭氧发生装置概略构造的示意图。其基本构造与实施例3的臭氧发生装置相同。
图10中，与实施例3的臭氧发生装置相同或等同的部件标以相同的附图标记，其详细说明从略。
该实施例4的臭氧发生装置的特征是，它氧原子发生器6内产生氧原子的措施是采用辉光放电。
图10中，放电室7内的压力被采用了喷射方式的减压供给机构减压至数Torr～数百Torr左右，在该被减压的放电室7内设置着用于产生辉光放电的电极，13是阳极，14是阴极，15是产生放电用的电源。
从阴极14放出的电子在辉光放电(阳极光柱)中激励并分解氧分子而生成氧原子。在低压力下的非平衡放电产生的等离子体是电离度小的弱电离等离子体，尤其在用辉光放电生成的等离子体中，离子数相对于电子很少，因此放电埸中的电埸释放的能量可有效地注入电子。
另外，由于前述的(2)、(3)式的反应速度极为缓慢，所以由(1)式反应产生的氧原子在(2)、(3)式所示反应中反应速度极慢，这样，由(1)式反应产生的氧原子不会被(2)、(3)式所示反应消灭，从而能以高电气效率得到氧原子。
这样生成的氧原子，被保持着低压力地从减压室9吸入到喷咀2与喉部3之间的间隙10内，与从喷咀流出的含氧反应气体混合，氧原子和反应气体中的氧通过(2)式的反应，在高压力下高效地变换为臭氧。
该实施例4的臭氧发生装置，其构造与上述实施例1～3的臭氧发生装置基本相同，所以能得到与上述实施例1～3同样的效果。
另外，在该实施例4中，由于采用非平衡放电中的辉光放电作为氧原子发生措施，所以，离子的能量消耗小，能以高电气效率产生氧原子，其结果，能实现高效率的臭氧发生装置。
实施例5
图11是表示本发明实施例5臭氧发生装置概略构造的示意图。其基本构造与实施例3的臭氧发生装置相同。
图11中，与实施例3的臭氧发生装置相同或等同的部件标以相同的附图标记，其详细说明从略。
该实施例5的臭氧发生装置的特征是，在氧原子发生器6内产生氧原子的措施是采用无声放电。
图11中，放电室7内的压力被减压供给机构减压至数Torr～数百Torr左右，在该被减压的放电室7内设置着用于产生无声放电的电极，16是接地极，17是由电介质18和金属电极19构成的高压电极。由交流电源22在两电极间施加高交流电压时，在放电室7内便产生无声放电(也称为电介质阻挡层放电)。
实施例5的臭氧发生装置与实施例1～4的臭氧发生装置同样地，是在低压力下放电，所以被电子激励并分解的氧原子几乎不消灭，能以高电气效率产生氧原子。另外，与实施例1～4的臭氧发生装置同样地，这样生成的氧原子是在另外的反应室内在高压力下变换为臭氧，所以，能以非常高的效率发生臭氧。
另外，由于该实施例5的臭氧发生装置与实施例3的臭氧发生装置具有同样的构造，所以，可得到与实施例3的臭氧发生装置同样的效果。
实施例6
在实施例5的臭氧发生装置中，是把氧原子发生器6与减压室9分开设置的，但也可以如图12所示那样，把氧原子发生器和减压室做成为一体。这样可使装置更为紧凑。
图12中，(a)是该实施例臭氧发生装置主要部分的纵断面图，(b)是图(a)的A-A线断面图。
图12中，1是含氧反应气体的入口，2是喷咀，3是喉部，4是扩散部，5是含臭氧气体的出口。这些部件是构成减压供给机构(喷射机构)的基本构成部件。
在本实施例6的臭氧发生装置中，低气压无声放电式的氧原子发生器和作为减压供给机构的喷射机构是形成为一体的。20是玻璃等的电介质管，21是供电电极，22是交流高压电源，8是含氧原料气体的入口，23是放电埸。这些构成氧原子发生器。
由于只是将氧原子发生器与减压室形成为一体，所以其动作原理与实施例5的臭氧发生装置完全一样，放电埸被喷射机构减压至数Torr～数百Torr左右，在该被减压的放电埸生成的含有氧原子的原料气体与从反应气体入口1供入的反应气体混合冷却后，在高压力下高效地变换为臭氧。
具有上述构造的臭氧发生装置也与实施例5的臭氧发生装置具有同样的性能，另外，由于氧原子发生器和喷射机构形成为一体，所以能使臭氧发生装置进一步小型化。
实施例7
图13是表示本发明实施例7臭氧发生装置概略构造的示意图。其基本构造与实施例3的臭氧发生装置相同。
图13中，与前图所示臭氧发生装置相同或等同的部件标以相同的附图标记，其详细说明从略。
该实施例7的臭氧发生装置的特征是，在氧原子发生器6内产生氧原子的措施是采用微波放电。
图13中，24是磁控管等微波发生装置，由微波发生装置24发生的微波在导波管25内传送，被导入氧原子发生器6内，由微波的电埸在放电室7内产生放电。这样，与上述其它实施例1～6同样地，本实施例7的臭氧发生装置中，也是在低压力下进行放电，所以来自微波电埸的能量能高效地注入电子。
其结果，能以高的电气效率得到氧原子。为了使微波的电埸强度上升以提高电子密度，也可以使放电室形成为共振器，以便在放电室7内产生微波的驻波。
这样生成的氧原子与前述实施例同样地，是在另外的反应室中在高压力下变换为臭氧，所以，能以非常高的效率发生臭氧。
由于该实施例7的臭氧发生装置与实施例3的臭氧发生装置具有同样的构造，所以，可得到与实施例3的臭氧发生装置同样的效果。
实施例8
图14是表示本发明实施例8臭氧发生装置概略构造的示意图。其基本构造与实施例1的臭氧发生装置相同。
图14中，与图7所示实施例1的臭氧发生装置相同或等同的部件标以相同的附图标记，其详细说明从略。
该实施例8的臭氧发生装置的特征是，在氧原子发生器6内产生氧原子的措施是采用热等离子体。
氧分子的热分解反应及其逆反应如下所示。
热平衡状态中的O2和O的分配与气体温度的关系如图15所示。
从图15中可见，用热等离子体进行氧气O2的分解时，氧原子生成室的温度越高则氧原子的分解度越高，在4000K时分解度约达到50％。
由氧气O2的热分解生成氧原子O所需的能量可这样样求得：即，根据在气体温度T1下平衡的氧原子浓度[O]和将全部气体成为温度T1所需的能量(热函差)求得。
图16是根据图15所示的氧原子浓度和氧气的热函，求出的在大气压下进行热平衡分解时生成氧原子的能量效率与气体温度的关系。图中表示的是每焦耳的氧原子生成数。从图中可见，如果采用热等离子体的热分解，在3000K以上的高温下分解氧气，则氧原子生成的能量效率与图4所示的非平衡放电时相同，能以高的能量效率生成氧原子。
含有氧原子的原料气体保持着低压力状态地通过减压室9被吸入喷咀2与喉部3之间的间隙10内，与从喷咀流出的含氧反应气体混合，氧原子和反应气体中的氧通过(2)式的反应，在高压力下高效地变换为臭氧。
用热等离子体生成氧原子的情况下，如果急冷后的条件相同，则也与用非平衡放电生成氧原子的情况同样地生成臭氧。
直接地将含有氧原子的热等离子体急冷时的臭氧生成过程的摸拟结果如图17所示。
图17是对于在大气压下，用3000K将纯氧分解达到平衡后，用2100K(保持1μs)、1200K(保持1μs)、300K这样3个阶段急速冷却情况下的臭氧生成过程，表示粒子数随时间的变化。
这种情况下，生成了容量比为27.2％的氧原子，其中的9.9％变换为臭氧，最终可得到含有容量比为2.69％的臭氧的氧气。
将含有氧有原子的气体与反应气体混合冷却，经10-5S后，从氧原子到臭氧的变换结束，氧原子有效地变换为臭氧所需的急冷时间，在大气压下为微秒(μs)级，与反应气体的混合过程中需要急速冷却。
用等离子体分解生成氧原子的本实施例中，为了提高氧原子生成的能量效率，必须提高氧气的分解度，在高温、低压力下将氧气导向混合点，以便它在与反应气体混合之前不引起氧原子的再结合。
把该含有氧原子的气体与反应气体混合，该反应气体是由低温空气或低温的含氧气体构成并由喷射机构形成为驱动流体形式，由于该混合使混合后的气体急速冷却，所以可有效地生成臭氧，得到与用非平衡放电生成氧原子的臭氧发生装置同样的能量效率。
另外，热等离子体的粒子密度约为被混合的反应气体(例如空气)的粒子密度的1/1000～1/10000，热容量相当小，所以只需与被充分冷却了的反应气体混合，即可急速地冷却混合后的气体。反应气体的冷却措施可采用冷冻机或液氮等一般的方法。
除了氧原子的发生措施是采用热等离子体以外，由于与实施例1的臭氧发生装置具有相同的构造，当用大容量(该大容量以不产生热损失为限)构成氧原子发生器6时，该实施例8的臭氧发生装置与也上述各实施例1～7的臭氧发生装置同样地，能实现结构简单紧凑、高效率的臭氧发生装置。
实施例9
图18是表示本发明实施例9臭氧发生装置概略构造的示意图。其基本构造与实施例1的臭氧发生装置相同。
图18中，与实施例7的臭氧发生装置相同或等同的部件标以相同的附图标记，其详细说明从略。
该实施例9的臭氧发生装置的特征是，在备有采用热等离子体氧原子发生器的实施例8臭氧发生装置中，热等离子体的产生措施是采用电弧放电。
图18中，26、27是用于在放电室7内产生电弧放电的电极。这种情况下，放电室7与实施例8的臭氧发生装置同样地，由采用喷射方式的减压供给机构(参照附图标记1、2、3、4、5、9、10所示的各构成要素)减压到大气压以下，该压力比采用非平衡放电产生氧原子的实施例3～6的臭氧发生装置中的放电室压力高，约为100Torr～数百Torr。
在该程度的压力下，粒子间的碰撞频度增加，如果比较一下放电埸的电子温度Te与气体温度Tg，可知Te＝Tg，可实现温度达数千度的热平衡等离子体。
如果气体温度为4000K以上，则如图16所示，产生氧原子的能量效率与采用非平衡放电产生氧原子情况约为同值。所以，本实施例臭氧发生装置也可取得与实施例7臭氧发生装置同样的效果。
实施例10
图19是表示本发明实施例10臭氧发生装置概略构造的示意图。其基本构造与实施例7的臭氧发生装置相同。
图19中，与实施例7的臭氧发生装置相同或等同的部件标以相同的附图标记，其详细说明从略。
该实施例10的臭氧发生装置的特征是，实施例9项发明的备有采用热等离子体的氧原子发生器的臭氧发生装置中，热等离子体的产生措施是采用高频放电。
图19中，28是由高频电源29、感应加热用线圈30和放电室31构成的高频等离子体发生装置，放电室31由陶瓷等高融点绝缘材料形成。通过原料气体入口8导入的含氧原料气体由高频感应加热而热分解，生成氧原子。
该等离子体发生装置与前述实施例同样地，与被减压供给机构减至大气压以下的减压室9相通，其压力比采用非平衡放电的上述实施例3～6中的放电室压力高，约为100Torr～数百Torr。在该程度的压力下，粒子间的碰撞频度增加，如果比较一下放电埸的电子温度Te与气体温度Tg，可知Te＝Tg，可实现温度达数千度的热平衡等离子体。
如果气体温度为4000K以上，则如图16所示，产生氧原子的能量效率与采用非平衡放电产生氧原子的情况约为同值。所以，本实施例臭氧发生装置也可取得与实施例7臭氧发生装置同样的效果。
实施例11
在实施例1～10的臭氧发生装置中，减压供给机构采用的是喷射方式，而图20所示的实施例11的臭氧发生装置中，减压供给机构采用的是减压泵32。
图20所示实施例11的臭氧发生装置中，氧原子发生器是采用辉光放电方式，但氧原子发生器也可以采用实施例1～3、5～10臭氧发生装置中的放电方式。
被减压泵32减至大气压以下所需压力的、在氧原子发生器6内由非平衡放电或热等离子体生成的含有氧原子的原料气体被导入设在减压泵32与氧原子发生器6之间的混合室33，同时，含有氧的反应气体从反应气体导入口8导入气体混合室33，在气体混合室33内形成O2浓度相对于O浓度充分高的状态。
反应气体与从氧原子发生器吸出的含有氧原子的气体在低压力下混合。混合后的气体被减压泵32吸引，在其下流侧，压力被约提高至大气压，通过(2)式的反应变换为臭氧。由于气体混合室33内的O2浓度相对于O浓度充分高，所以能以高效率生成臭氧。
本实施例11的臭氧发生装置中，除了减压供给机构是采用的减压泵以外，其它的构造与实施例1～10的臭氧发生装置相同，所以，也能得到与实施例1～10的臭氧发生装置同样的效果。
实施例12
图21表示上述实施例1的臭氧发生装置之一例的构造。在该例中，不是象图31所示现有臭氧发生装置中那样在放电埸同时进行氧原子和臭氧的生成，而是如实施例1臭氧发生装置中所说明的那样，把氧原子生成室与臭氧生成室分开，能独立地控制对于氧原子和臭氧的生成最为适合的条件。另外，减压供给机构采用的是喷射方式，该减压供给机构将在氧原子生成室生成的含有氧原子的气体的压力减压，并在该减压状态把含氧原子的气体送到臭氧生成室。
图21中，1是含氧反应气体的入口，2是喷咀，3是喉部，4是扩散部，5是含臭氧气体的出口。这些是构成喷射机构的基本构成部件。在喷咀2与喉部3之间设有间隙10。6是内部备有放电室7的氧原子发生器，是用于从含有氧的原料气体中生成氧原子的装置，该原料气体从原料气体入口8供给。9是减压室，用于将在氧原子发生器8内生成的含有氧原子的气体保持低压力状态地导入扩散部，该压力为大气压以下，约保持为数Torr～数百Torr左右。
下面说明其动作。在该实施例1的臭氧发生装置中，含有氧的反应气体(例如空气)被压缩机或鼓风机等加压流经喷咀2后流入喉部3，这时由于从设在喷咀2与喉部3之间的间隙10中卷入了存在于减压室9内的气体，所以减压室9和氧原子发生器6内部的放电室7被减压到大气压以下，具体约为数Torr～数百Torr左右。
在这样的低压力下，在从原料气体入口8供入含氧气体的放电室7内，产生(1)式的反应，生成氧原子O。在(1)式反应中生成的氧原子O通过(2)式的反应而变换为臭氧或通过(3)式的反应返回变为氧分子而消灭。
…(1)
…(2)
…(3)
式中，e表示电子，M表示第3物体。
由于(2)、(3)式是所谓的三体碰撞反应，其反应速度与压力的平方成正比，所以在低压力放电埸中，(2)、(3)式的反应极为缓慢。
当O2浓度相对于O浓度充分高时，(2)式所示的臭氧生成反应占大部分，(3)式的反应可以忽略。
因此，如图21所示实施例12的臭氧发生装置那样，在低压力下使与臭氧生成室分开的氧原子生成室内放电时，由(1)式反应生成的氧原子几乎不被(2)、(3)式反应消灭，所以能以高的电气效率(氧原子发生个数/放电电力)得到氧原子。
这样生成的氧原子，被保持着低压力状态地从减压室9吸入喷咀2与喉部3之间的间隙10内，在喉部3和扩散部4构成的臭氧生成室内与从喷咀2流出的含氧反应气体(例如空气)混合，氧原子和反应气体中的氧通过(2)式的反应，在高压力下高效率地变换为臭氧。
为了推断上述图21所示构造的、与实施例1相关的臭氧发生装置的效果，使混合后气体中的氧原子浓度变化并进行摸拟，求其臭氧生成效率，图22即表示该求得的结果。
图31表示的现有臭氧发生装置的臭氧生成效率，是采用以纯氧气为原料气体的、近年出现的圆筒型无声放电式臭氧发生装置在标准运转条件下的实验值。
从该结果可见，与在放电埸同时生成氧原子和臭氧的现有装置相比，通过采用将氧原子生成室与臭氧生成室分开的构造，独立地控制适合于氧原子和臭氧生成的最适当条件，尤其在2～3g/Nm3以下的低臭氧浓度区域，能达到高的臭氧生成效率。
但是，图21所示构造的臭氧发生装置的缺点是，如图22所示，当提高生成的臭氧浓度时，臭氧生成效率降低。
图23表示在图21所示的臭氧发生装置中，由放电生成的氧原子与大气压、350K的空气混合而变换为臭氧的过程，以最终变换为臭氧的氧原子的比例(生成的臭氧分子数/初始氧原子数，即臭氧变换率)为纵轴，以注入臭氧生成室、与反应气体混合时的氧原子浓度为横轴。
从图23可见，当氧原子的注入浓度为0.01％、0.1％、1％、10％、20％时，最终变换为臭氧的氧原子的比例分别为99％、95％、64％、20％、13％，该结果表示，氧原子变换为臭氧的变换效率随着氧原子的浓度增加而急剧减少。
这是因为氧原子浓度上升时，上述(3)式所示氧原子的再结合反应速度增加，放电所生成的氧原子返回变为氧分子的缘故。
即，为了使生成的氧原子高效率地变换为臭氧，必须减小对混合的反应气体添加的氧原子的浓度。
如上所述，图21的臭氧发生装置中，是把氧原子生成室和臭氧生成室分开设置，以解决图31所示现有臭氧发生装置存在的问题。在图21的臭氧发生装置中，由于放电埸内不存在臭氧或NOX，所以不会因电子碰撞或NOX引起臭氧分解，能以高效率生成臭氧。但是，这仅限于在臭氧生成室中与空气等反应气体混合时的氧原子浓度低的情况。
如果与反应气体混合时的氧原子浓度变高，则上述(3)式所示氧原子的再结合反应起主导作用，使臭氧变换率急剧减少，其结果，在生成的臭氧浓度高的区域，臭氧生成的能量效率降低。
本发明也是为了解决该问题而作出的，其目的在于能够以高效率发生高浓度的臭氧。解决此问题的方法是把氧原子和臭氧的生成室分开，并将氧原子生成室所生成的氧原子以预定的低浓度分若干次地添加到臭氧生成室的反应气体中。
由放电生成的氧原子变换为臭氧时的主反应以及其竞争反应如前述的(2)、(3)式所示。
这里，将各反应的反应速度常数设为kn4、kn5，则放电生成的氧原子变换为臭氧时的效率η如式(4)所示。
η＝kn4×[O2]/(kn4×[O2]+kn5×[O2])
＝1/1+2×kn5/kn4×([O]/[O2] …(4)
式中，
kn4＝kn4(O2)×[O2]+kn4(O)×[O]
+kn4(O3)×[O3]+kn4(N2)×[N2] …(5)
kn5＝kn5(O2)×[O2]+kn5(O)×[O]
+kn5(O3)×[O3]+kn5(N2)×[N2] …(6)
从(4)式可见，臭氧变换率是氧原子和氧分子的浓度比的函数，当氧原子浓度增加时，臭氧变换率η就减少。
由此可见，为了得到较高浓度的臭氧，如果将高浓度的氧原子一次地添加到含氧分子的反应气体中，则臭氧变换率降低，不可能以高效率生成臭氧。
如式(4)所示，氧原子变换为臭氧的变换效率因氧原子浓度的增加而降低，因此，研究出一种尽量有效地生成较高浓度臭氧的方法，该方法是将臭氧变换效率高的低浓度氧原子分成若干次地依次添加到反应气体中。
臭氧生成室与由放电产生氧原子的放电室分开设置，在该臭氧生成室内，除了发生上述(2)、(3)式的臭氧生成、分解反应外，还发生(7)式所示的反应。
… (7)
由于(3)式的反应在添加低浓度氧原子的情况下可以忽略，所以由放电生成的氧原子能高效地变换为臭氧。另外，由于(7)式所示反应的反应速度极缓慢，所以在臭氧生成室生成的臭氧几乎不分解。
因此，在臭氧生成室内以低浓度将氧原子添加到反应气体中，能有效地变换为臭氧，生成含有臭氧的气体，在该生成的含臭氧的反应气体中，再以低浓度添加氧原子，反复进行这一操作，则生成的臭氧在短时间内几乎不分解，所以，氧原子向臭氧的变换能保持高的变换效率，最终生成的臭氧的浓度根据向含有臭氧的气体中以低浓度添加氧原子的次数而累积增加。
即，在获得高浓度臭氧的情况下，也能抑制臭氧变换率的降低。
图24表示氧原子的分批注入次数与臭氧变换率的关系，图中把向反应气体添加的氧原子的总添加浓度作为参数。
图中列出的氧原子的总添加浓度为0.1％、1.0％、10％、20％，其各自的每一次的添加浓度相当于用添加次数除总添加浓度的值。
例如对于A曲线来说，添加到反应气体中的氧原子的总添加浓度为1.0％的情形采取了以下几种添加法，即，将1.0％浓度的氧原子一次地添加、分2次(0.5％×2)地添加、分10次(0.1％×10)地添加、分20次(0.05％×20)地添加，以添加次数作为横轴，而纵轴表示每一种添加法的臭氧变换效率η。
从图24可知，向反应气体添加的氧原子的总添加浓度一定时，用减少每一次的添加浓度、增加添加次数的方法，可以提高臭氧变换效率η。
但是，当添加次数超过10次时，臭氧变换效率的提高呈饱和现象，当添加次数超过20次时，臭氧变换效率几乎不再提高。
图25表示把图24的结果表示为生成的臭氧浓度与臭氧变换效率的关系，横轴为生成的臭氧浓度(对数标度)。
图25中，A组表示氧原子的总浓度为0.1％时的数据，B组表示氧原子的总浓度为1.0％时的数据，C组表示氧原子的总浓度为10％时的数据，D组表示氧原子的总浓度为20％时的数据。
图26是把图25的纵横两轴改为线性标度表示的图。
从图25或图26可知，例如，以向反应气体添加的氧原子的总浓度为1.0％的生成臭氧的情况为例(即B组的数据)，添加次数为一次时反应生成的臭氧浓度约为11g/Nm3，此时的臭氧变换效率约为65％；而用0.05％的浓度分20次添加时，则生成的臭氧浓度约增加为14g/Nm3，此时的臭氧变换效率提高到80％。
根据以上所述，在臭氧生成室内，以百分之零点几的低浓度向反应气体中添加氧原子时，能高效地变换为臭氧，生成含臭氧的气体，再向该生成的含有臭氧的反应气体中添加低浓度的氧原子，反复数次地进行这一操作，能抑制氧原子向臭氧变换时的变换效率的降低，并且，最终能生成比一次地向反应气体中添加氧原子的做法更高浓度的臭氧。
因此，以下要说明的氧原子和臭氧的生成室分开的臭氧发生装置中，不是一次地将在低压力下由放电生成的含有氧原子的气体添加到含有氧分子的反应气体中去，而是将反应气体(例如空气)顺次送到分成为若干级的臭氧生成室，将含有氧原子的气体保持着低压状态地送到各个臭氧生成室，并且在臭氧生成室中，与反应气体混合时的氧原子为预定的低浓度。
下面详细说明本发明实施例12的臭氧发生装置。
图27是表示本发明实施例12臭氧发生装置概略构造的示意图。与图21中相同的附图标记表示与图21中相同或相当的部件。
图27中，100是第1级臭氧发生部，200是配置在第1级臭氧发生部100后部的第2级臭氧发生部，300是第N级臭氧发生部。
该实施例12的臭氧发生装置中的减压供给机构，也与图21所示的臭氧发生装置同样地，是采用喷射方式的构造。
与图21所示臭氧发生装置同样地，各级臭氧发生部备有喷咀2、喉部3、扩散部4、减压室9和间隙10。
6是内部备有放电室7的氧原子发生器，是用于从含有氧的原料气体中产生氧原子的装置，该原料气体从原料气体入口8供入。
400是氧原子送给管，用于将在氧原子发生器6内发生的氧原子送到各级臭氧发生部。11是压缩机或鼓风机等加压机构，用于对反应气体加压。
下面说明其动作。被加压机构11加压后的反应气体从该反应气体入口部1流入设在第1级臭氧发生部100内的喷咀2，该被加压的反应气体再被喷出到喉部3。
这时，从设在喷咀2与喉部3之间的间隙10卷入存在于减压室9内的气体，因此，减压室9和氧原子发生器6内部的放电室7被减压至大气压以下，约为数Torr～数百Torr左右。
在这样的低压力下，在从原料气体入口8供入含氧气体的放电室7内，发生(1)式所示的反应，生成氧原子。在(1)式反应中生成的氧原子通过(2)式所示的反应变换为臭氧或通过(3)式所示的反应返回变为氧分子而消灭。
…(1)
…(2)
…(3)
式中，e表示电子，M表示第3物体。
由于(2)、(3)式是所谓的三体碰撞反应，其反应的速度与压力的平方成正比，所以在低压力放电埸中，(2)、(3)式的反应极为缓慢。
当O2浓度相对于O浓度充分高时，(2)式所示的臭氧生成反应占大部分，(3)式的反应可以忽略。
因此如该发明所示，在低压力下放电时，由(1)式反应生成的氧原子几乎不被(2)、(3)式反应消灭，所以能以高的电气效率(氧原子发生个数/放电电力)得到氧原子。
这样生成的氧原子，被保持着低压力状态地经过氧原子供给管400从减压室9吸入喷咀2与喉部3之间的间隙10内，在由喉部3和扩散部4构成的臭氧生成室内以预定的低浓度与从喷咀2流出的含氧反应气体混合，氧原子和反应气体中的氧分子通过(2)式的反应，在高压力下高效率地变换为臭氧。
另外，为了以预定的浓度将氧原子添加到反应气体中，可以设置适当的阀等，这些阀用于控制氧原子发生器6内的氧原子发生量，或控制氧原子供给管内的含氧原子气体的流量。
这样，在第1级臭氧发生部100得到的含臭氧气体(生成的含有臭氧的反应气体)，在被加压状态下从含臭氧气体的出口5被导入第2级臭氧发生部200的喷咀2。
在第2级臭氧发生部200中，与第1级臭氧发生部100同样地，在氧原子发生器6生成的含有氧原子的气体经过氧原子供给管400、并保持着低压力状态地被从减压室9吸入喷咀2与喉部3之间的间隙10，在由喉部3与扩散部4构成的臭氧生成室内，以预定的浓度与从喷咀2流出的、在第1级的臭氧生成室得到的含有臭氧的反应气体混合，氧原子和反应气体中的氧分子通过(2)式的反应，在高压力下高效地变换为臭氧。
另外，如前所述，在臭氧生成室内，除了发生上述(2)、(3)式的臭氧生成、分解反应外，还发生(7)式所示的反应，但由于该反应的速度极缓慢，在臭氧生成室内生成的臭氧几乎不分解，所以，在第2级臭氧发生部200中，第1级臭氧发生部100生成的臭氧与第2级臭氧发生部200生成的臭氧累积起来。
本实施例12的臭氧发生装置中，若干级(N级)的臭氧发生部串联配置，由加压机构把反应气体送到第1级臭氧发生部，在臭氧生成室内，以预定的低浓度将氧原子添加到反应气体中，高效地变换为臭氧，生成含有臭氧的气体；再在下一级的臭氧发生部，以预定的低浓度把氧原子添加到该生成的含有臭氧的气体中再生成臭氧，反复这一操作，生成的臭氧渐渐地累积起来，所以，从氧原子向臭氧的变换能保持高效率，并能得到高浓度的臭氧。
即，在该实施例12的臭氧发生装置，与现有的臭氧发生装置同样地，由于是在低压下使氧气分解，所以氧原子的寿命长，其结果，可有效地生成氧原子。
氧原子生成室只要满足能保持稳定地放电、能高效地生成氧原子的条件即可，所以，生成室内可以是高温，不必冷却电极，放电电极系统的构造自由度高，可提供构造简单而低价的装置。另外，由于能投入高电力密度，所以能实现装置的小型化。
此外，由于以预定的低浓度、并分为若干次地使氧原子发生室产生的含氧原子气体与含有氧分子的反应气体产生反应，所以，能抑制臭氧变换效率的降低，并且，与现有的臭氧发生装置相比，能生成高浓度的臭氧。
实施例13
图28是表示本发明实施例13臭氧发生装置概略构造的示意图。该实施例13也与实施例12同样地，其减压机构采用的是喷射方式构造。另外，与图21的臭氧发生装置中相同的附图标记表示相同或相当的构成要素。
图28中，1是含有氧的反应气体的入口，2是喷咀，3是喉部，4是扩散部，5是含臭氧气体的出口。这些是构成喷射机构的基本构成部件。
该实施例13的臭氧发生装置的特征是，对于纵向排列的第1级臭氧发生部100、第2级臭氧发生部200和第N级臭氧发生部300，分别设有各自的氧原子发生器6。
与图21的臭氧发生装置同样地，各级臭氧发生部备有喷咀2、喉部3、扩散部4、减压室9和间隙10。
减压室9为了将氧原子发生器6生成的含有氧原子的气体保持低压力状态地导向与反应气体的混合点，其压力为大气压以下，具体约保持在数Torr～数百Torr左右。
下面说明其动作。被加压器(加压机构)11加压了的反应气体从其入口部1流入设在第1级臭氧发生部100内的喷咀2，该被加压了的反应气体从喷咀2被喷到喉部3。这时，从喷咀2与喉部3之间的间隙10卷入了存在于减压室9内的气体，所以，相对于第1级臭氧发生部100设置的氧原子发生器6的放电室7内的压力也被减压到大气压以下，与减压室的相等，具体约为数Torr～数百Torr左右。
在这样的低压力下，在从原料气体入口8供入含氧气体的各氧原子发生器6的放电室7内，发生与实施例1说明中同样的反应，能以高电气效率(氧原子发生个数/放电电力)得到氧原子。
这样生成的氧原子，被保持着低压力状态地经过减压室9被吸入喷咀2与喉部3之间的间隙10内，在由喉部3和扩散部4构成的臭氧生成室内与从喷咀2流出的含氧反应气体混合，氧原子和反应气体中的氧分子通过(2)式的反应，在高压力下高效率地变换为臭氧。
这样在第1级臭氧发生部100得到的含臭氧气体(含有所生成臭氧的反应气体)，在被加压了的状态下再从含臭氧气体的出口5被导入第2级臭氧发生器200的喷咀2。
在第2级臭氧发生部200中，与第1级臭氧发生部100同样地，由第2级臭氧发生部200单独设置的氧原子发生器6生成的含氧原子气体，同样地被保持着低压力状态地从减压室9吸入喷咀2与喉部3之间的间隙10内，在由喉部3和扩散部4构成的臭氧生成室内，与从喷咀2流出的、在第1级的臭氧生成室得到的含臭氧气体混合，与反应气体中的氧分子由(2)式的反应，以高压力下高效地变换为臭氧。
这样，在第2级臭氧发生部200将第1级臭氧生成部100生成的臭氧和第2级臭氧生成部200生成的臭氧累积起来。
在实施例13的臭氧发生装置中，氧原子发生部与臭氧发生部也是分开设置的，由于串联地配设了若干级(N级)臭氧发生部，所以，与实施例12的臭氧发生装置同样地，在各自的臭氧生成室内以预定的低浓度向反应气体中添加氧原子，高效地变换为臭氧，生成含臭氧气体，再在下一级的臭氧发生部中，以预定的低浓度向该生成的含臭氧气体添加氧原子而产生臭氧，反复这一操作，生成的臭氧渐渐累积起来，所以，在氧原子变换为臭氧的效率保持高效率的状态下能得到高浓度的臭氧。
另外，在实施例13的臭氧发生装置中，由设在各级的氧原子发生器6供给的含有氧原子的气体与实施例12臭氧发生装置中的不同，它不是通过氧原子供给管等较长的流路，而是通过短的供给管立即与反应气体混合，所以，寿命短的氧原子在与反应气体混合之前，再结合等的破坏率小，氧原子发生器6生成的氧原子能更有效地与反应气体混合。
实施例14
上述实施例12或13的臭氧发生装置中，氧原子发生器6与减压室9是分开设置的，而在本实施例14中，是把氧原子发生器与减压室做成为一体的一体型臭氧发生部，并将该一体型臭氧发生部串联配置成若干级。
图29是表示本发明实施例14臭氧发生装置的主要部分概略构造的示意图。
图29(a)是其纵断面图，图29(b)是图29(a)的A-A线断面图。
图29中，1是含有氧的反应气体的入口，2是喷咀，3是喉部，4是扩散部，5是含臭氧气体的出口。这些是构成喷射机构的基本构成部件。
本实施例14臭氧发生装置中的各级一体型臭氧发生部，是由低压无声放电式的氧原子发生器和作为减压供给机构的喷射机构一体地形成的。
8是含的氧的原料气体入口，20是玻璃等的电介质管，21是供电电极，22是高压交流电源，23是放电埸，这些构成氧原子发生器。本实施例14的臭氧发生装置中，根据含氧原子气体的添加次数(N)，把这样的一体型臭氧发生部串联地配设成N级。
各级的一体型臭氧发生部，是包括了实施例12或13臭氧发生装置中的氧原子发生器6和减压室9并形成为一体化的臭氧发生部，其基本动作与实施例12或3的臭氧发生装置的动作相同。
放电埸23生成的氧原子被保持着低压力状态地从减压室吸入喷咀2与喉部3之间，与从喷咀流出的含有氧的反应气体混合，在第1级臭氧生成室内，氧原子和反应气体中的氧分子通过(2)式的反应，在高压力下高效地变换为臭氧。
在第1级的一体型臭氧发生部得到的臭氧化气体，从臭氧化气体出口5被导入第2级的一体型臭氧发生部的喷射机构入口，即被导入喷咀2，供给第2级的一体型臭氧发生部的臭氧生成室。
在第2级的臭氧生成室内，由第2级的一体型臭氧发生部生成的含有氧原子的气体与从第1级的一体型臭氧发生部供给来的臭氧化气体混合，再变换为臭氧，生成比第1级更高浓度的臭氧化气体。
当具有2级以上的臭氧发生部时，自第3级后也经过与第2级同样的过程，生成臭氧，所有各级生成的臭氧累积起来。
与上述实施例12或13所示臭氧发生装置同样地，可将低浓度的含氧原子气体分成若干次地依次添加到反应气体中，并且，由于各级的臭氧发生部是包括氧原子发生器和减压室并一体化的臭氧发生部，生成的氧原子能在非常短的时间内与反应气体混合，所以，放电生成的氧原子不容易因结合而返回变为氧分子，因此损失非常小，即使是在发生臭氧浓度高的区域，也能实现臭氧生成效率高的装置。
实施例15
图30是表示本发明实施例15臭氧发生装置概略构造的示意图。图中，与图27至图29的臭氧发生装置中相同或相当的部件标注以相同的附图标记，其详细说明从略。
本实施例15的臭氧发生装置中，将放电所生成的含有氧原子的气体分成若干次添加到反应气体中的方法是：在构成臭氧生成室的扩散部周边设若干个孔，从这些孔中注入含有氧原子的气体。
图30中，500是由喉部3和扩散部4构成的臭氧生成室，在扩散部4的周边的壁上，设置示为501的若干个孔。
502是备有氧原子供给路503的减压室，该供给路503将氧原子发生器6生成的含氧有原子的气体保持着低压力地导向扩散部4的外壁部，减压室502复盖在臭氧生成室500的喉部3和扩散部4的外部。
减压室502内的压力为大气压以下，具体约保持为数Torr～数百Torr左右。
下面说明其动作。关于在氧原子发生器6内生成氧原子的方法，与实施例12的臭氧发生装置完全相同。
与该含有氧原子的气体混合的反应气体被加压机构(图未示)加压后，经过喉部3被喷射到扩散部4。
这时，从设在扩散部4上的孔501卷入了存在于减压室502内的含有氧原子的气体，因此，减压室502和氧原子发生器6内的放电室7的压力被减至大气压以下，具体约被减至数Torr～数百Torr左右。
设在扩散部4上的许多孔501的间距是这样设定的：相对于反应气体流动的方向，从第1排孔注入的氧原子经过了足以变换为臭氧的时间后(例如约1msec)，再从第2排的孔注入氧原子。
在进行2级以上注入的情况下，第3排以后的孔的间距也这样地设定。
这样，将预定低浓度的氧原子分成数次地依次注入臭氧生成室500中，在扩散部4内通过上述(2)式的反应可高效地变换为臭氧。
在上述构造的实施例15臭氧发生装置中，由于氧原子发生部和臭氧生成部是分开的，所以，与实施例1的臭氧发生装置同样地，能独立地设定适合各氧原子和臭氧成的最适当条件，该条件例如为：氧原子发生室是低压(数Torr～数百Torr)、高温，臭氧生成室是高压(760Torr左右或更高)、低温(400K左右以下)。从而能以高效率生成氧原子和臭氧。
另外，由于是分数次地将低浓度的含氧原子气体依次地添加到反应气体中，所以，放电产生的氧原子不容易再结合而返回变为氧分子，故损失小。与现有的臭氧发生装置相比，尤其是在臭氧浓度高的区域，能实现臭氧生成效率更高的装置。
另外，为了将氧原子分成数次地添加到反应气体中，只要把设在扩散部上的孔的排数设计为若干级即可，所以，臭氧生成室与添加次数无关，只需1个即可，从而可实现构造非常简单的小型的多级添加型臭氧发生装置。
另外，在上述实施例12至15的臭氧发生装置中，关于分解氧、产生氧原子的方法，仅项发明了用放电产生的情形。但是，象实施例1至11的臭氧发生装置中那样，采用辉光放电、无声放电、微波放电等非平衡放电，或采用电弧放电、高频放电等热等离子体的任何一种方法，也能取得同样的效果。
如上所述，在本发明的臭氧发生方法和臭氧发生装置中，由于是在低压下使氧气分解，所以氧原子的寿命长，其结果，能高效地生成氧原子。
由于氧原子生成只要能满足保持稳定放电、高效生成氧原子的条件即可，所以，生成部可以是高温，不必冷却电极，因此放电电极的构造自由度高，可提供构造简单而低价的臭氧发生方法或装置。
另外，由于能投入高电力密度，所以能实现装置的小型化。由于臭氧生成室是非放电区域，在此生成的臭氧不被放电作用，不会产生由电子引起的臭氧分解，所以，能防止臭氧生成效率的降低。
另外，即使采用空气这样含氮的气体作为反应气体，同样地由于不被放电作用，所以不产生引起臭氧分解的氮氧化物，可以得到与采用氧气作为反应气体时同等的臭氧生成效率，能实现效率非常高的臭氧发生方法或装置。
如上所述，根据第1项发明的臭氧发生方法由氧原子发生工序和臭氧发生工序组成；氧原子发生工序是在低于大气压的预定低压力下使被供给来的氧气分解，生成含有氧原子的第1气体；臭氧发生工序是使在氧原子发生工序生成的含有氧原子的上述第1气体与含有氧的第2气体混合，在非放电条件下使它们反应而生成臭氧。所以，能在各自的工序中设定最适当的条件。另外，由于氧原子发生工序可在高温中进行，所以能投入高电力密度。由于臭氧发生工序是非放电的，所以不会因电子碰撞而使臭氧分解，效率非常高。
根据第2项发明的臭氧发生方法，由于在臭氧发生工序是以非放电方式产生臭氧，所以，即使采用空气作为第2气体也不会因NOX而引起臭氧分解，因而能以空气作为原料气体，价格低且效率高。
根据第3项发明的臭氧发生方法，由于在氧原子发生工序中，使氧气分解的措施采用的是非平衡放电，所以，在气体温度低的状态可以分解氧分子，在臭氧发生工序中，与第2气体混合后的气体温度也被抑制得低，所以效率非常高。
根据第4项发明的臭氧发生方法，由于在氧原子发生工序中，使氧气分解的措施采用的是热等离子体，在臭氧发生工序中的第1气体与第2气体混合过程中冷却该混合气体；所以，该方法与采用非平衡放电生成氧原子的方法具有同等的效率。
根据第5项发明的臭氧发生装置备有氧原子发生部、臭氧发生部和减压供给机构；氧原子发生部在低于大气压的预定低压力下使被供给来的氧气分解，生成含有氧原子的第1气体；臭氧发生部将从氧原子发生部送来的含有氧原子的上述第1气体与含有氧的第2气体混合，在非放电条件下使它们反应而生成臭氧；减压供给机构将上述氧原子发生部内的压力减至低于大气压的上述预定低压，并将第1气体保持在该减压状态地送给上述臭氧发生部；所以，可在氧原子发生部和臭氧发生部独立地分别设定各自最适当的条件。由于氧原子发生部可以是高温，所以能投入高电力密度。由于臭氧发生部以非放电生成臭氧，所以不会因电子碰撞而使生成的臭氧分解，效率非常高。
根据第6～9项发明的臭氧发生装置，由于在氧原子发生部内使氧气分解的措施采用的是低压力下辉光放电、无声放电或微波放电等非平衡放电，所以，在气体温度低的状态下能有效地分解氧分子；另外，由于在臭氧发生部中与第2气体混合后的气体温度也被抑制得低，而且臭氧发生部不被放电作用，故生成的臭氧不分解，效率非常高。
根据第10项发明的臭氧发生装置，由于在氧原子发生部中使氧气分解的措施采用的是电弧放电、高频放电等的热等离子体，在臭氧发生部的第1气体与第2气体混合过程中冷却该混合气体；所以，即使是采用热等离子体生成氧原子，该装置也与用非平衡放电生成氧原子时具有同等的效率。
根据第11项发明的臭氧发生装置，减压机构是由具有喷咀和减压室的喷射机构构成的；喷咀与臭氧发生部之间隔有预定空隙地设置，用于将被加压的第2气体喷射到臭氧发生部；减压室设在上述喷咀与上述空隙的附近，借助上述喷咀喷射第2气体而减压，将氧原子发生部内的压力减至低于大气压的预定低压，并将在氧原子发生部生成的含氧原子的第1气体保持在减压状态地通过上述空隙送给上述臭氧发生部；所以，能以简单的构造使氧原子发生部和臭氧发生部的压力达到所需值，并且，能用简单的构造实现第1气体与第2气体的混合以及在臭氧发生部生成的臭氧的放出，因而装置能实现高效率且小型化。
根据第12项发明的臭氧发生方法，具有氧原子发生工序和臭氧发生工序；氧原子发生工序是在低于大气压的预定低压力下使供给来的氧气分解，生成含有氧原子的第1气体；臭氧发生工序是使在氧原子发生工序生成的含有氧原子的上述第1气体与被加压供给的含氧第2气体混合，在非放电下反应而生成臭氧；在臭氧发生工序中，分成若干次工序将第1气体以臭氧变换效率高的预定低浓度添加到第2气体中，高效率地生成臭氧，把在各个工序中生成的臭氧累积起来；所以，能在使氧原子向臭氧的变换保持高效率的状态下，得到高浓度的臭氧。
根据第13项发明的臭氧发生装置，备有氧原子发生部、臭氧发生部和减压供给机构；氧原子发生部在低于大气压的预定低压力下使被供给来的氧气分解，生成含有氧原子的第1气体；臭氧发生部有多个，它使从氧原子发生部送来的含有氧原子的上述第1气体与加压供给的含有氧的第2气体混合，以预定的氧原子浓度在非放电条件下使它们反应而生成臭氧；减压供给机构将上述氧原子发生部内的压力减至低于大气压的上述预定低压，并将第1气体保持在该减压状态地分别送给上述多个臭氧发生部；将上述若干个臭氧发生部串联地配设，把在前一级臭氧发生部生成的含有臭氧的第2气体顺次送到后一级臭氧发生部，把在各臭氧发生部生成的臭氧累积起来；所以，能在使氧原子向臭氧的变换保持高效率的状态下，得到高浓度的臭氧。
根据第14项发明的臭氧发生装置，由于若干个臭氧发生部将各自对应的各减压供给机构的减压室作为氧原子发生部使用，形成为包括氧原子发生部和减压供给机构的一体化构造；所以，生成的氧原子能在非常短的时间内与反应气体混合，由放电生成的氧原子因再结合而返回变为氧分子造成的损失非常小。即使在发生臭氧浓度高的区域，臭氧的生成效率也高，而且装置的构造简单并可小型化。
根据第15项发明的臭氧发生装置，备有氧原子发生部、臭氧发生部和减压供给机构；氧原子发生部在低于大气压的预定低压力下使被供给来的氧气分解，生成含有氧原子的第1气体；臭氧发生部将从氧原子发生部送来的含有氧原子的上述第1气体与加压供给的含有氧的第2气体混合，以预定的氧原子浓度在非放电条件下使它们反应而生成臭氧；减压供给机构将上述氧氧原子发生部内的压力减至低于大气压的上述预定低压，并将第1气体保持在该减压状态地送给上述臭氧发生部；臭氧发生部具有沿第2气体流动方向隔预定距离设置的若干排孔，减压供给机构将第1气体保持着减压状态地从该若干排孔送到臭氧发生部的内部；所以，构造非常简单，而且能在使氧原子向臭氧的变换保持高效率的状态下得到高浓度的臭氧。