JP2003313013A - 窒素製造方法と窒素製造装置 - Google Patents

窒素製造方法と窒素製造装置

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JP2003313013A
JP2003313013A JP2002117903A JP2002117903A JP2003313013A JP 2003313013 A JP2003313013 A JP 2003313013A JP 2002117903 A JP2002117903 A JP 2002117903A JP 2002117903 A JP2002117903 A JP 2002117903A JP 2003313013 A JP2003313013 A JP 2003313013A
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JP
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nitrogen
hydrogen
oxygen
gas
production apparatus
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Ryoji Koseki
良治 小関
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Shibuya Corp
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Shibuya Kogyo Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 レーザ加工機1は、被加工物4にレーザ
光Lを照射する加工ヘッド5と、アシストガスとしての
窒素および酸素を製造する窒素製造装置11とを備えて
いる。アシストガスとしての窒素あるいは酸素は、加工
ヘッド5を介して被加工物4における切断加工箇所へ供
給されるようになっている。 【効果】 アシストガスとしての窒素と酸素を上記窒素
製造装置11により安価に製造できるので、加工コスト
が安いレーザ加工機1を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は窒素製造方法と窒素
製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、レーザ加工機によって被加工物を
切断加工する際にはアシストガスが使用されている。そ
して、このレーザ切断時に用いるアシストガスとして
は、酸素、窒素および圧縮空気が用いられており、被加
工物の材質に応じて、これら3種のガスが使い分けられ
ている。また、従来、レーザ加工機によって被加工物を
溶接し、あるいは表面処理する場合には、シールドガス
として窒素やアルゴンガスが用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したレ
ーザ加工時に使用する酸素や窒素は単価が高いので、従
来ではレーザ加工機によってレーザ加工する際の加工コ
ストが高いという欠点があった。そこで、本発明の目的
は、窒素を安価に製造できる窒素製造方法と窒素製造装
置を提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】すなわち、請求項1に記
載した第1の発明は、水を電気分解して水素を発生さ
せ、この電気分解によって得られた水素に空気を混合さ
せ、次に該水素と空気の混合ガスを触媒燃焼させて加熱
された窒素を発生させ、次に上記加熱された窒素を冷却
して該窒素から水分を除去して乾燥した窒素を得るよう
にした窒素製造方法を提供するものである。また、請求
項2に記載した第2の発明は、水を電気分解して酸素と
水素を発生させる電気分解手段と、上記電気分解手段に
よって発生させた水素に空気を混合させた混合ガスを触
媒燃焼させて加熱された窒素を得る触媒燃焼手段と、上
記触媒燃焼手段によって得た加熱された窒素を冷却し
て、該窒素から水分を除去する処理手段とを備える窒素
製造装置を提供するものである。上記第1の発明および
第2の発明によれば、後述する実施例に示すように乾燥
した窒素を安価に製造することができる。そのため、例
えば上記本発明をレーザ加工機におけるアシストガスの
供給源として用いれば、加工コストが安いレーザ加工機
を提供することが可能となる。
【0005】
【発明の実施の形態】以下、本発明をレーザ加工機にお
けるアシストガスの供給手段に用いた実施例について説
明する。すなわち、図1において、レーザ加工機1は、
レーザ光Lを発振するレーザ発振器2と、内蔵した集光
レンズ3によってレーザ光Lを集光して被加工物4に照
射する加工ヘッド5と、加工ヘッド5を介して被加工物
4の加工位置へアシストガスを供給するアシストガスの
供給手段6とを備えている。また、レーザ加工機1は、
被加工物4を載置して水平方向に移動可能な加工テーブ
ル7と、この加工テーブル7および上記加工ヘッド5を
相対移動させる図示しない駆動手段とを備えている。加
工ヘッド5内には、アシストガスの供給手段6からアシ
ストガスとしての窒素あるいは酸素が供給されるように
なっており、供給手段6によって加工ヘッド5に給送さ
れたアシストガスとしての窒素あるいは酸素は、加工ヘ
ッド5のノズルの下端開口から被加工物4の加工箇所へ
供給されるようになっている。この状態において、集光
レンズ3で集光されたレーザ光Lがノズルの下端開口か
ら被加工物4へ照射されて切断加工が開始されるように
なっている。その後、加工ヘッド5と加工テーブル7が
上記駆動手段によって水平面で相対移動されることによ
り、被加工物4を所要の形状に切断できるようになって
いる。
【0006】しかして、アシストガスの供給手段6は、
窒素および酸素を製造する窒素製造装置11と、この窒
素製造装置11で製造した窒素を貯溜する第1タンク1
2と、上記窒素製造装置11で製造した酸素を貯溜する
第2タンク13と、これらの両タンク12、13と加工
ヘッド5とを接続するガス通路14とを備えている。ガ
ス通路14の上流側の領域は2つに分岐させて分岐通路
14A、14Bとしてあり、分岐通路14Aの端部を上
記第1タンク12に接続し、分岐通路14Bの端部を上
記第2タンク13に接続している。ガス通路14の下流
側の端部は、上記加工ヘッド5に接続している。第1タ
ンク12に接続した分岐通路14Aには、第1電磁開閉
弁15とレギュレータ16を設けてあり、また第2タン
ク13に接続した分岐通路14Bにも第2電磁開閉弁1
7とレギュレータ18を設けている。
【0007】上記両電磁開閉弁15,17の開閉作動は
図示しない制御装置によって制御されるようになってい
る。すなわち、制御装置は、レーザ発振器2の非作動状
態では上記両電磁開閉弁15、17を閉じており、レー
ザ発振器2からレーザ光Lが発振されると、予め記憶し
た被加工物4の材質に応じて第1開閉弁15あるいは第
2開閉弁17を開放させるようになっている。例えば、
被加工物4がステンレスであってそれを無酸化切断する
場合には、制御装置は第1開閉弁15を開放させる。そ
れにより、第1タンク12に貯溜された窒素が第1開閉
弁15を経由してレギュレータ16によって所定圧力に
調整されてから加工ヘッド5に給送される。他方、被加
工物としての軟鋼を通常切断する場合には、制御装置は
第2開閉弁13を開放させるので、第2タンク13内の
酸素が第2開閉弁13を経由したのちレギュレータ18
によって所定圧力に調整されてから加工ヘッド5に給送
されるようになっている。
【0008】次に、図2に基づいて窒素製造装置11を
説明する。窒素製造装置11は、図示しない交流電源か
ら供給される交流電流を直流電流に変換するコンバータ
ー21と、このコンバーター21から供給される直流電
流によって水槽22内の水23を水素と酸素とに電気分
解する電気分解手段24と、この電気分解手段24によ
って発生した水素に圧縮空気を混合させて触媒燃焼させ
る触媒燃焼手段25とを備えている。電気分解手段24
は、水23を貯溜した上記水槽22と、吸着ガスフィル
ター27A、27Bとを備えている。水槽22には図示
しない液面センサを設けてあり、水槽22内の水23の
貯溜量が所定量以下となったことを上記液面センサが検
知したら、水23の供給源から水槽22内に所要量の水
23が供給される。そのため、水槽22内には常時所定
量以上の水23が貯溜されるようになっている。水槽2
2内はイオン透過膜20によってA槽とB槽とに区分し
てあり、各槽内の水にそれぞれ+と−の複数の電極26
が浸漬させて設けられている。上記電極26における+
側に酸素が発生し、―側に水素が発生する。上記電極2
6にコンバータ21から直流電流が印加されると、水槽
22内の水23が電気分解されて、水素と酸素が2:1
の容積比で発生するようになっている。そして、このよ
うに電気分解によって発生した酸素は、吸着フィルター
27Bを通過することで、水分を除去されて純度を高め
られた後に図示しないパイプを介して上記第2タンク1
3へ給送されてそこに貯溜されるようになっている。一
方、電気分解によって発生した水素は、吸着フィルター
27Aを通過させるようになっており、水素はこの吸着
フィルター27Aを通過することにより、水分が除去さ
れて、その純度を99.5%以上まで上昇されるように
なっている。
【0009】次に、上記吸着フィルター27Aを通過し
て純度99.5%以上となった水素は、この後、所要の
割合の圧縮空気を混合されて、この水素と圧縮空気の混
合ガスが触媒燃焼手段25へ供給されるようになってい
る。なお、本実施例では、水素と空気の混合割合は、容
積比でほぼ2:5にしてあり、図示しないコンプレッサ
と流量制御弁とによって1MPaの圧縮空気を水素に混
合させるようにしている。触媒燃焼手段25は、上記混
合ガスを触媒燃焼させる触媒反応炉28から構成してい
る。上記水素と圧縮空気の混合ガスがこの触媒反応炉2
8に供給されると、触媒反応炉28内に配置した白金や
パラジウムによって混合ガス中の酸素と水素が反応して
水となる。これにより、混合ガス中から水素と酸素の殆
んどが除去されて、200〜600℃の加熱された窒素
が製造される。上記触媒反応炉28で製造した高温の窒
素は、冷却筒31を通過することにより常温まで冷却さ
れるようになっている。そして、この冷却筒31によっ
て冷却された窒素をさらに吸着フィルター32に通過さ
せるようにしている。窒素はこの吸着フィルター32を
通過することにより、湿気および微小なゴミなどが除去
されて、純度が高められる。このようにして、吸着フィ
ルター32を通過した窒素は、常温でかつ乾燥した窒素
となっており、この窒素を図示しないパイプを介して上
記第1タンク12に給送して、そこに貯溜するようにし
ている。なお、本実施例では窒素をアシストガスとして
使用するため、触媒燃焼時の水素の割合を若干多くして
窒素の中に数%程度の水素が残留するようにしても良
い。
【0010】以上のように本実施例のレーザ加工機1
は、窒素製造装置11を備えており、この窒素製造装置
11は純度の高い酸素および窒素を安価に製造すること
ができる。そのため、レーザ加工機1によって被加工物
4を切断加工する際に、従来よりも加工コストを低減さ
せることが可能となる。図3は、ガスの供給業者からボ
ンベによって購入した窒素および酸素をアシストガスと
して用いる場合のガス発生コストと、本実施例の窒素製
造装置11によるガス発生コストとを比較したものであ
る。この図3から明らかなように、ボンベでガスを供給
する場合と比較すると、本実施例は極めて安価にアシス
トガスとしての窒素および酸素を製造することができ
る。
【0011】なお、上記実施例は、本発明を被加工物の
切断加工を行うレーザ加工に適用した場合について説明
したが、被加工物4に溶接あるいは表面処理を施すレー
ザ加工機にも本実施例の窒素製造装置11を用いること
ができる。つまり、この場合には、窒素製造装置11に
よって製造した窒素を、被加工物の加工箇所のシールド
ガスとして用いることになる。このように溶接あるいは
表面処理を施すレーザ加工機に本実施例の窒素製造装置
をシールドガスの供給源として用いれば、加工コストが
安いレーザ加工機を提供できる。但し、窒素製造に伴っ
て発生する酸素は、外部の安全な場所に排出する必要が
ある。さらに、本発明は、レーザ加工機に限らず、高温
の窒素を利用することが出来るものであれば、様々な装
置に適用可能である。
【0012】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、乾燥し
た窒素を安価に製造できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す概略の構成図。
【図2】図1に示した窒素製造装置11の構成を示す
図。
【図3】図2に示した本実施例の窒素製造装置による場
合と、ボンベによるガス供給の場合におけるガスの発生
コストを示した図。
【符号の説明】
1…レーザ加工機 6…アシストガスの供給手段 11…窒素製造装置 24…電解手段 25…触媒燃焼手段 31…冷却筒(処理手段) 32…吸着フィルター(処理手段)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水を電気分解して水素を発生させ、この
    電気分解によって得られた水素に空気を混合させ、次に
    該水素と空気の混合ガスを触媒燃焼させて加熱された窒
    素を発生させ、次に上記加熱された窒素を冷却して該窒
    素から水分を除去して乾燥した窒素を得ることを特徴と
    する窒素製造方法。
  2. 【請求項2】 水を電気分解して酸素と水素を発生させ
    る電気分解手段と、上記電気分解手段によって発生させ
    た水素に空気を混合させた混合ガスを触媒燃焼させて加
    熱された窒素を得る触媒燃焼手段と、上記触媒燃焼手段
    によって得た加熱された窒素を冷却して、該窒素から水
    分を除去する処理手段とを備えることを特徴とする窒素
    製造装置。
  3. 【請求項3】 上記処理手段は、窒素を冷却する冷却手
    段と、窒素から水分を除去する水分除去手段とからなる
    ことと特徴とする請求項2に記載の窒素製造装置。
  4. 【請求項4】 上記乾燥した窒素を、レーザ加工機によ
    り被加工物を切断する際のアシストガスとして用いるこ
    とを特徴とする請求項2および3に記載の窒素製造装
    置。
  5. 【請求項5】 上記レーザ加工機は、上記電気分解によ
    って発生した酸素および窒素をそれぞれ加圧して加工ヘ
    ッドに供給可能に構成されており、被加工物の材質に応
    じて加工位置に供給する上記アシストガスの種類を切り
    替えるように構成されていることを特徴とする請求項4
    に記載の窒素製造装置。
  6. 【請求項6】 上記乾燥した窒素を、レーザ加工機によ
    り被加工物を溶接または表面処理する際のシールドガス
    として用いることを特徴とする請求項2および請求項3
    の窒素製造装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104419945A (zh) * 2013-08-28 2015-03-18 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种电解氨制备氢气的方法及装置
JP2018058110A (ja) * 2016-08-11 2018-04-12 トルンプフ ヴェルクツォイクマシーネン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフトTrumpf Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG 最適化されたガスダイナミックスを用いてレーザ切断する方法
CN110280856A (zh) * 2019-05-08 2019-09-27 江苏大学 一种利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置及方法
KR102207797B1 (ko) * 2020-08-31 2021-01-25 박윤철 레이저 장비용 고순도 질소 생성 시스템

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US10675708B2 (en) 2016-08-11 2020-06-09 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Method for laser cutting with optimized gas dynamics
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