JP2004049998A

JP2004049998A - 磁気式酸素分離装置

Info

Publication number: JP2004049998A
Application number: JP2002208892A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Ikegami; 池上　英文; Hiroshi Kamata; 鎌田　博志
Original assignee: IKEDA KENSETSU KOGYO KK
Current assignee: IKEDA KENSETSU KOGYO KK
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】簡単な構成で空気から高濃度酸素を分離し得、種々の分野における用途に適用できる磁気式酸素分離装置を提供する。
【解決手段】原料空気の入口１１と流路を形成する非磁性体製の容器１２と、容器の外側に配置され、原料空気の流れ方向に直角な方向に磁界を発生する磁界発生装置１４と、容器内で、磁界発生装置による磁界内に始端部を有して、磁界発生装置の磁界方向に直交して平行に配置され、流路を３分割する非磁性体製の分割部材１６と、分割された流路の中の中央流路１７に開口する出口２４に連通された窒素富化空気通路２３と、分割された流路の中の両側方流路１５に開口する出口２２に連通された酸素富化空気通路２１とを備えている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気式酸素分離装置に関し、詳しくは、健康・医療分野でのフィットネス施設、スポーツ施設及びクリーンルーム等への酸素供給、鉄鋼加工分野におけるガス切断、歪取り加工のための酸素供給、焼成・燃焼分野での産業廃棄物焼却設備、無機物等廃棄物リサイクル設備の焼成炉への燃焼空気供給、水質浄化分野及び養殖分野での酸素供給等の幅広い分野で利用可能な高濃度の酸素富化空気を得るための磁気式酸素分離装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
酸素と窒素の磁化率の違い（常磁性体の酸素は、＋１０７．８×１０⁻ ^６　ｃｍ^３／ｇ、反磁性体の窒素は−０．４３×１０⁻ ^６　ｃｍ^３／ｇの磁化率を有する）を利用して、空気から酸素を分離し得ることは、原理的には知られている。これを上述のような用途のために利用しようとすると、酸素の分離率が高く、流量が多く、さらに、連続的に供給が可能であることが望ましく、このために、種々の形態の磁気式酸素分離装置あるいは酸素富化空気発生装置が提案されている。
【０００３】
例えば、特開２００１−２２１１１１号公報に開示された「酸素ガス供給装置」は、中央部付近に空気流入口を有する管と、管の内部に、一方の端部から他方の端部へ向かう軸方向の磁界を発生させる磁界発生手段とを具備している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、管の一方の端部から他方の端部へ向かって軸方向の磁界を発生させて、その中央部の空気流入口から空気を流入させることにより、一方の端部に窒素を、他方の端部に酸素を移動させ、他方の端部から高酸素濃度のガスを流出させようとしているが、このように相反する方向に酸素と窒素とを分離させるのは困難であり、高濃度の酸素を連続的に得るには充分ではない。
【０００５】
本発明は、上述の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は簡単な構成で、空気から高濃度酸素を分離し得、上述の分野における用途に適用できる磁気式酸素分離装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一形態になる磁気式酸素分離装置は、原料空気の入口と流路を形成する非磁性体製の容器と、該容器の外側に配置され、前記原料空気の流れ方向に直角な方向に磁界を発生する磁界発生装置と、前記容器内で、前記磁界発生装置による磁界内に始端部を有して、前記磁界発生装置の磁界方向に直交して平行に配置され、前記流路を３分割する非磁性体製の分割部材と、前記分割された流路の中の中央流路に開口する出口に連通された窒素富化空気通路と、前記分割された流路の中の両側方流路に開口する出口に連通された酸素富化空気通路と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
ここで、前記容器は、前記磁界発生装置の磁界方向に直交する側面を有する角断面であることが好ましい。
【０００８】
また、前記磁界発生装置は、前記原料空気への磁界の印加を停止させる磁界印加停止手段を備えることが好ましい。
【０００９】
さらに、前記酸素富化空気通路から切換手段を介して分岐され、前記容器の入口に連通されたバイパス通路をさらに備えることが好ましい。
【００１０】
また、前記容器の上流に、順に、原料空気の酸素濃度を増加する膜式酸素発生装置、原料空気の供給流量を調節する流量調節手段、および原料空気の温度を調節する温度調節手段が配置されていてもよい。
【００１１】
なお、前記窒素富化空気通路に設けられた遮断手段をさらに備えることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。
【００１３】
図において、１０は磁気式酸素分離装置を示し、原料空気の入口と流路を形成する非磁性体製の容器１２と、該容器１２の外側に配置され、原料空気の流れ方向に直角な方向に磁界を発生する磁界発生装置としての磁石（図示の例は永久磁石）１４と、磁界発生装置１４による磁界内に始端部を有し、容器１２内に磁界発生装置の磁界方向に直交して平行に配置され、流路を３分割する非磁性体製の分割部材１６と、分割された流路の中の中央流路１７に開口する窒素富化空気出口２４に連通された窒素富化空気通路２３と、分割された流路の中の両側方流路１５に開口する酸素富化空気出口２２に連通された酸素富化空気通路２１とを有している。
【００１４】
ここで、容器１２は、酸素と窒素の分離効率を高めるために細長い角筒状であり、磁界発生装置１４の磁界方向に直交する側面を有するように配置されている。そして、その底部に入口１１を有すると共に、頂部に上述の酸素富化空気出口２２および窒素富化空気出口２４を有している。さらに、酸素富化空気通路２１から切換手段としての三方切換弁２９を介して分岐され、容器１２の入口１１に連通されたバイパス通路２５が設けられると共に、窒素富化空気通路２３には遮断手段としての閉塞弁２７が設けられている。
【００１５】
また、本実施の形態では、オプションとして磁気酸素分離システムを構成すべく、容器１２の上流に、順に、コンプレッサ１に接続され原料空気の酸素濃度を増加する中空糸膜モジュールを用いた膜式酸素発生装置３、原料空気の供給流量を調節する流量調節手段としてのファン５、および磁気酸素分離システムに供給する原料空気の温度を低くし、粘性力の影響を小さくするために原料空気の温度を調節する温度調節手段としてのエアクーラ７が配置されている。
【００１６】
なお、磁界発生装置として、本実施の形態の如く永久磁石１４を用いた場合には、原料空気への磁界の印加を停止させる磁界印加停止手段として、永久磁石１４の磁極面と容器１２の側面との間に出没可能に、磁気遮蔽板３０（図２に想像線で示す）を設けることができる。なお、磁界発生装置として電磁石を用いる場合には、この磁界印加停止手段は電流を遮断することで構成することができることはいうまでもない。
【００１７】
上記構成になる本発明の実施形態では、中空糸膜モジュールによる酸素発生装置３の下流側の比較的高酸素濃度空気出力側に、ファン５およびエアクーラ７を介して本磁気酸素分離装置１０が設けられ、容器１２内を流れる比較的高酸素濃度空気に磁界を与えることにより、酸素と窒素の受ける磁力の差を利用して、さらに高酸素濃度の空気、すなわち、高酸素富化空気を効率よく取り出すようにしている。
【００１８】
磁界におけるＯ_２分子はＮ_２分子と比べ、Ｏ_２分子は常磁性体で正の磁性率１０７．８×１０⁻ ^６　ｃｍ^３／ｇをもつのに対し、Ｎ_２分子は反磁性体で、負の磁性率−０．４３×１０⁻ ^６　ｃｍ^３／ｇをもち、磁化率が高いので、磁力を受けやすい。したがって、容器１２内の流路中におけるＯ_２分子は磁界発生装置１４によって作用する次式による磁束により、ＳおよびＮ極の磁極面方向に、引き付けられる。
【００１９】
容器１２の入口１１から流入した高酸素濃度の空気は、常磁性体の酸素が、磁界発生装置１４による磁界の強さが最も大きい磁極面方向に引き付けられるので、容器１２内を上昇するにつれ、流路の図１における左右方向の側方流路１５内に案内され、酸素富化空気出口２２より取り出される。一方、反磁性体の窒素は流路の中心付近を下方から上方へ流れ中央流路１７に案内され、流路の上部の窒素富化空気出口２４より排出される。
【００２０】
なお、磁界発生装置１４が電磁石による場合の磁界中の磁束Φ（Ｗｂ）は次式で与えられる。
【００２１】
【数１】

【００２２】
ここで
Ｎ　（回）　　　：　電磁石のコイル巻数
Ｉ　（Ａ）　　　　：　電流
Ｌ_１（ｍ）　　　　：　鉄心回路の長さ
Ｌ_２（ｍ）　　　　：　空気ギャップの長さ
μ_１（Ｈ／ｍ）　　：　鉄心回路の透磁率　約８００×４π×１０^−７　（Ｈ／ｍ）
μ_２（Ｈ／ｍ）　　：　空気ギャップの透磁率　４π×１０^−７（Ｈ／ｍ）
Ａ　（ｍ^２）　　　：　鉄心回路の断面積
また酸素の受ける磁力Ｆ（Ｎ）は次式で与えられる。
Ｆ　＝　ｍ×Ｈ
ここで
ｍ　　（Ｗｂ）　　　：　磁荷
Ｈ　（Ａ／ｍ）　　　：　磁界の強さ
【００２３】
一方、粘性力に対して、磁力が大きくないと酸素を分離できないが、この粘性力は次式で与えられる。
Ｆ　＝　６πμ×ｒ×　ｖ
ここで　　μ　：　媒体の粘性度
ｒ　　：粒子の半径
ｖ　　：　粒子の速度
【００２４】
以上から、Ｏ_２ガスをより多く高濃度で取り出すには、磁力に関係するパラメータを調節することにより、大きくすることができることがわかる。空気ギャップの透磁率μ_２（Ｈ／ｍ）　および鉄心回路の透磁率μ_１（Ｈ／ｍ）は、それぞれ、４π×１０⁻ ^７（Ｈ／ｍ）、約８００×４π×１０^−７　（Ｈ／ｍ）の固有の数値であり、変えることができないが、磁力に関係するパラメータを次表に示すように調節することができ、酸素ガスに有効に磁力を働かせることができる。また、酸素ガスの粘性力と磁力のバランスから、磁力が粘性力に打ち勝ち、酸素ガスを磁極面にひきつけるパラメータが次表のように存在する。
【００２５】
【表１】

【００２６】
以上から、酸素発生装置３で取り出された比較的高酸素濃度（約３０−４０％酸素濃度）の原料空気が、ファン５およびエアークーラ７で流速、温度ともに調整され、容器１２内に流入されるのが、より効率的であることがわかる。
【００２７】
一方、酸素が受ける磁力が粘性力に打ち勝ち、酸素が磁極面方向に引き付けられると、酸素ガスがついには、側方流路１５内の磁極面付近に集中的にあつまり、磁極面付近で飽和してしまい、酸素ガスがそれ以上引き付けられなくなるので、連続して濃度の高い酸素を取り出すことが難しくなる。
【００２８】
その対策として、下表に示す酸素捕集工程と酸素離脱工程とに分け、極力、連続して濃度の高い酸素を取り出すことができるようにすることが必要となる。この二つの工程のパラメータのうち一つまたは二つ以上を同時またはシーケンシャルに実行することにより、連続して高濃度の酸素を取り出すことができる。
【００２９】
【表２】

【００３０】
より詳しく説明すると、所定の時間連続して酸素捕集工程を実行した後に、所定の瞬間的時間、酸素離脱工程を実行するのである。すなわち、一例としては、酸素捕集工程の後、磁界発生装置として電磁石を用いている場合には、電流を遮断すると同時に、三方切換弁２９を作動させて、酸素富化空気通路２１をバイパス通路２５側に切換える。このようにすると、側方流路１５内の磁極面付近に集中していた酸素が解放され、酸素富化空気出口２２、酸素富化空気通路２１およびバイパス通路２５を介して、再度、容器１２の入口１１に戻されることになる。なお、磁界発生装置として永久磁石１４を用いている場合には、磁気遮蔽板３０を移動させて、磁気を遮断すればよい。このときは、酸素富化空気通路２１の出口は三方切換弁２９の切換えにより閉じられているので、酸素富化空気が装置外に流出することはない。いずれにしても、酸素捕集工程における飽和状態が解消されるので、その後、直ちに再度酸素捕集工程に戻ることにより、ロスタイムを少なくして高効率の酸素分離を行うことを可能にする。
【００３１】
なお、上述の磁気印加停止とバイパス通路開のパラメータに加えて、軸流ファン５の回転数を増大することにより、容器１２内の流路における流速を高める（流量を増やす）こと、エアクーラ７の出口温度を高くすること、および、側方流路１５内の流量を増大させるために窒素富化空気通路２３に設けた閉塞弁２７を閉じることのそれぞれを個々に実行するか、適宜組合せて実行するか、または同時に実行するようにしてもよい。これらのパラメータはいずれも、相対的に酸素が受ける磁力に影響する因子であるので、上記のようにすると、酸素が受ける磁力を小さくするように作用するのである。
【００３２】
なお、上述の実施の形態では、容器１２の上流に中空糸膜モジュールによる酸素発生装置３等を設けたシステムについて説明したが、もちろん、容器１２の入口１１に対し、直接に原料空気を導入するようにしてもよい。これは、中空糸膜モジュールによる酸素発生装置の圧縮機等を必要とせず、より低コストで酸素を分離させることができる。
【００３３】
さらに、高濃度の酸素富化空気を得ることが必要な場合には、本磁気酸素分離装置を多段に配置して用いるようにすればよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明かなように、本発明によれば、簡単な構成で空気から高濃度酸素を分離し得、種々の分野における用途に適用できる磁気式酸素分離装置を得ることができる。
【００３５】
また、本発明の実施の形態によれば、高効率に連続的に高濃度の酸素富化空気を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気式酸素分離装置の一実施の形態を示す概念図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。
【符号の説明】
３　　酸素発生装置
５　　（軸流）ファン
７　　エアクーラ
１０　　磁気式酸素分離装置
１１　　入口
１２　　容器
１４　　磁石
１５　　側方流路
１６　　分割部材
１７　　中央流路
２１　　酸素富化空気通路
２２　　酸素富化空気出口
２３　　窒素富化空気通路
２４　　窒素富化空気出口
２５　　バイパス通路
２７　　閉塞弁
２９　　三方切換え弁

Claims

原料空気の入口と流路を形成する非磁性体製の容器と、
該容器の外側に配置され、前記原料空気の流れ方向に直角な方向に磁界を発生する磁界発生装置と、
前記容器内で、前記磁界発生装置による磁界内に始端部を有して、前記磁界発生装置の磁界方向に直交して平行に配置され、前記流路を３分割する非磁性体製の分割部材と、
前記分割された流路の中の中央流路に開口する出口に連通された窒素富化空気通路と、
前記分割された流路の中の両側方流路に開口する出口に連通された酸素富化空気通路と、
を備えることを特徴とする磁気式酸素分離装置。
前記容器は、前記磁界発生装置の磁界方向に直交する側面を有する角断面であることを特徴とする請求項１に記載の磁気式酸素分離装置。
前記磁界発生装置は、前記原料空気への磁界の印加を停止させる磁界印加停止手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気式酸素分離装置。
前記酸素富化空気通路から切換手段を介して分岐され、前記容器の入口に連通されたバイパス通路をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気式酸素分離装置。
前記容器の上流に、順に、原料空気の酸素濃度を増加する膜式酸素発生装置、原料空気の供給流量を調節する流量調節手段、および原料空気の温度を調節する温度調節手段が配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気式酸素分離装置。
前記窒素富化空気通路に設けられた遮断手段をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気式酸素分離装置。