JP2013095658A

JP2013095658A - 酸素濃縮装置

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Publication number: JP2013095658A
Application number: JP2011242980A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kubota; 博久保田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2013-05-20

Abstract

【課題】従来の酸素濃縮装置は、磁石を筒の中に設置したりしていたが、これでは空気中の酸素を有効に取り込めなかった。更には、酸素を簡単かつ大量にしかも安価に濃縮することが難しかった。
【解決手段】三相交流コイル１４等の電磁石１８で構成される回転磁界装置３と、永久磁石４と、回転軸８と、モーター１１からなり、前記永久磁石４のN極５とS極６の中間に前記回転軸９を設け、前記回転軸９に回転を与える前記モーター１１を設けた回転磁界装置３の、どちらか一の回転磁界装置３を、非磁性体気体流路１７の一端に近接設置したことを特徴とする。好ましくは、前記非磁性体気体流路１７にファン１０を加えて設けるのが望ましい。更に好ましくは、前記非磁性体気体流路１７が、非磁性体パイプ９などであることが望ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気中からの酸素を濃縮する酸素濃縮装置に関する。

空気中の主な組成は、窒素、酸素がそれぞれ78.08％、20.93％であり、残りがアルゴン、水蒸気、二酸化炭素などである。また、空気を１としたときの窒素、酸素のそれぞれの比重は0.9673、1.1053となっている。従って、空気中で体積が最も大きな窒素を１としたときの酸素の質量比は1.1427であり、窒素と比較すると14.27％も重たい。空気の組成気体にこのような質量の差があるにもかかわらず、空気中の各組成気体が分離することはない。それは空気には対流があるからで、同じ容器の中に組成気体を一緒にしておくと対流によって拡散して交じり合うこととなる。また、窒素は反磁性体で、酸素は常磁性体である。更に磁化率は窒素、酸素それぞれ−０．４×１０-6、１０４×１０-6であり、酸素は空気中の気体では最大の磁化率である。従って、空気のような酸素、窒素などが混在した気体中に磁石を置いた場合は、磁化率が高く常磁性体である酸素が磁石に吸い寄せられ酸素濃度が高くなることが知られている。

酸素濃縮装置は、バーナーなどの燃焼装置、エンジンなどの内燃機関及び外燃機関における燃焼改善のために使用されている。また、近年では、空気を吸って高濃度酸素を得ることの出来る医療機器のほかに、健康増進向けとしても販売、使用されている。

従来、空気中に含まれる酸素を濃縮する方法・装置としては、次のようなものがある。酸素選択透過膜（酸素富化膜）を用いた膜分離型で、空気中の酸素濃度が約２１％であるのに対して濃縮性能は酸素28％から40％程度である。また、窒素を選択的に吸着する吸着剤を使用した吸着型で、これは医療用酸素濃縮器に使用され、酸素濃度は97％程度まで濃縮が可能であるが一般製品としては酸素87％から95％程度である。これらのほか、酸素イオンを選択的に透過する固体電解質膜を利用して電気化学的に酸素を生成する型などがある。更に、工業的に大規模に酸素濃縮する方法としては、深冷分離法があり、空気の圧縮と減圧によって空気を液化させ、得た液化空気を分留することによってほぼ１００％近い酸素を得ることが出来る。

上述のように、空気中の酸素を分離する方法・装置は多くあるが、それぞれに欠点があった。例えば、酸素富化膜による気体分離の場合には家庭用にも使用されるが、これでも非常な高額の定価となっている。また、医療用酸素濃縮器の主流は吸着型であるが、日本国内では数十万円で流通しており、個人が購入する際もこの程度の価格で、使用する側にとってはかなりの負担を強いられ、しかも装置は重く、移動は困難であった。更に、電気化学的に酸素を生成する型、あるいは深冷分離法は、装置が非常に大きいことから医療現場、家庭用には適さない。

仮に、空気中の酸素を簡単な装置で濃縮可能となれば、産業界、医療界にとって大きな力となるのは間違いのないところである。また、空気中から窒素を除いて濃縮酸素を得ることが出来れば、車のエンジンからの公害の元凶となるＮＯxを減少させることが出来る。更にダイオキシンは高温で燃焼させると発生しなくなるので、濃縮酸素を使用すると効果的であると期待される。この改善策として、永久磁石または電磁石の磁力を利用した空気から酸素を濃縮する酸素濃縮装置が開示されているが、装置が大掛かりであり、かつ複雑であることから製造価格も高かった。なお、先行技術として、常磁性体の酸素分子は反対極に磁化し反磁性体の窒素分子は同極に磁化する性質と、電磁コイルの環状中心位置に強磁性体を配設すると磁束が強磁性体に収斂して強力に磁化する性質を応用する事により、空気流を酸素富化空気流層と窒素富化空気流層に分流するという特許が開示されているが、この方法では装置がかなり大きくなるのと、単に電磁コイルで磁力を強くしただけでは効率的には酸素の濃縮は困難である。

特開2005-118731公報

解決しようとする点は、従来の酸素濃縮装置は、磁石を筒の中に設置したりしていたが、これでは空気中の酸素を有効に取り込めなかった。更には、空気を構成する酸素を簡単かつ大量にしかも安価に濃縮することが難しい点である。

本発明は、課題を解決するために、第１の発明は、磁石を使用して空気を構成する酸素と窒素の磁性の違いにより空気から酸素を濃縮する酸素濃縮装置において、三相交流コイル、単相交流コイル、リニアモーター固定子コイルの群の中から選択される一を用いた電磁石で構成される回転磁界装置と、永久磁石と回転軸とモーターからなり前記永久磁石のN極とS極の中間に前記回転軸を設け、前記回転軸に回転を与える前記モーターを設けた回転磁界装置の、少なくともどちらか一の回転磁界装置を、非磁性体気体流路の一端に近接設置したことを特徴とする酸素濃縮装置。

また、第２の発明は、請求項１に記載の酸素濃縮装置において、前記非磁性体気体流路にファンとモーターを加えて設けたことを特徴とする。

また、第３の発明は、請求項１乃至請求項３に記載の酸素濃縮装置において、前記非磁性体気体流路が、非磁性体案内板、非磁性体パイプ、非磁性体円筒、非磁性体角筒、漏斗状非磁性体の群の中から選択される少なくとも一であることを特徴とする。

本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を発揮する。本発明の酸素濃縮装置は、主要構成要素がモーター、磁石と非磁性体パイプのみで構成された極めて簡単な装置であるにもかかわらず、酸素を濃縮して供給するという大変重要な仕事を行うことが出来る。これによって、酸素の必要な家庭、病院の患者、航空機、高山での酸素吸入、あるいは燃焼装置にいたるまで高濃度の酸素を供給することができる。しかも、非常に安価で、簡単な装置であるため、ランニングコストもモーター駆動にかかる電気代のみであり、故障がしにくい装置が実現した。

本発明の酸素濃縮装置の一実施例で回転磁界装置として永久磁石と非磁性体パイプを使用した原理図を示した説明図である。（実施例１）本発明の酸素濃縮装置の一実施例で、図１にファンとモーターを加えた実施例の説明図である。（実施例２）本発明の酸素濃縮装置の一実施例で、回転磁界装置として非磁性体パイプを複数使用した説明図である。（実施例３）本発明の酸素濃縮装置の一実施例で、回転磁界装置として永久磁石を複数使用した説明図である。（実施例４）本発明の酸素濃縮装置の一実施例で、回転磁界装置として三相交流コイルを使用した説明図である。（実施例５）本発明の酸素濃縮装置の一実施例で、回転磁界装置として単相交流コイルを使用した説明図である。（実施例６）本発明の酸素濃縮装置の一実施例で、回転磁界装置としてリニアモーター固定子コイルを使用した説明図である。（実施例７）

本発明の酸素濃縮装置は、永久磁石と非磁性体パイプと回転軸とモーターからなる、また電磁石を使用する場合は電磁石と非磁性体パイプからなる、簡単な装置でありながら、回転磁界を用いて酸素を濃縮するという目的を、簡便にしかも安価に最小の部品点数により実現した。

本発明の実施例を図１〜図７により説明する。

図１において、１は酸素、２は窒素、３は回転磁界装置、４は永久磁石、５はN極、６はS極、７は磁力線、８は回転軸、９は非磁性体パイプ、１７は非磁性体気体流路である。まず、図１は、本発明の酸素濃縮装置の一実施例であり、磁力線７を含めた本発明の基本原理・動作を示した説明図である。永久磁石４のN極５とS極６の中央に回転軸８を設け、前記永久磁石４を回転させた時に、前記永久磁石４と非磁性体パイプ９の一端の縁にすれすれに前記永久磁石４が回転可能な状態にして配置する。空気中には、その構成気体として、前述のように酸素１、窒素２などがある程度均一に混在している。しかし、ここに磁力の強い永久磁石４などの磁場が存在すると状況は違ってくる。図１に模式的に示しているように、前記永久磁石４の周囲には磁力線７があり、空気中の酸素１、窒素２はその影響を受けることになる。つまり、酸素１は常磁性の性質があり、酸素１がN極５に近づくと酸素１はS極６の極性を示して前記永久磁石４に引かれる。反対に窒素２は反磁性の性質があるため、永久磁石４のN極５に窒素２が近づくと窒素２はN極５と同極に誘導される。つまり同極同士だと反発する力になり、窒素２は永久磁石４から反発して離れようとする。このことはN極５ばかりではなくS極６でも同様である。従って、永久磁石４の周りは磁力線７に沿って酸素１の占める割合が増え、図１にあるようにN極５、S極６には酸素１が多く分布し、窒素２は永久磁石４とは反発するためにあまりない状態になる。そこで永久磁石４をモーター１１で回転させると、N極５、S極６に吸引されている酸素１が非磁性体パイプ９の一端の縁でそぎ取られるようにして非磁性体パイプ９内に入っていくことになる。この繰り返しで酸素１は非磁性体パイプ９内に増えて、非磁性体パイプ９の他端からは濃度の高い酸素１が出てくる。この濃縮酸素１を使用して酸素吸引、エンジンなどの燃費改善など諸々の用途に利用することが出来る。

図２は本発明の一実施例である。図２において、１、４、５、６、８、９は図１と同様である。１０はファン、１１はモーター、１２は非磁性体案内板、１３は空気流、１７は非磁性体気体流路、１８は非磁性体角筒である。本実施例においては、図１の実施例に濃縮酸素吸引のためのファン１０、モーター１１と、更に図１に比べて濃縮効率を上げるために永久磁石４を長く大きくして、それに合う非磁性体案内板１２を加えて設け、前記非磁性体案内板１２の縁に前記永久磁石４を回転させることによって、非磁性体案内板１２の縁で酸素１をそぎ取るようにして空気流１３中の酸素１のみを選択して非磁性体パイプ９へ誘導させ、前記ファン１０、前記モーター１１を設置して吸引して効率向上させた実施例を示している。なお、図２においては、簡単のために磁力線７、窒素２は図示を省略してある。なお、本実施例の場合、ファン１０、モーター１１は回転磁界装置３の磁力の強さが充分に強い場合には省略しても構わず、このことは以下の図３乃至図７についても同様である。

図３は図１の実施例の非磁性体パイプ９を二本にしたものであり、一つの永久磁石４で二倍の効率となるようにした酸素濃縮装置の一実施例である。図３においては、１、４、５、６、８、９、１７は図１と同様である。１０はファン、１１はモーター、１３は空気流である。本実施零の場合は、図１の回転軸８に与えるモーター１１からの入力エネルギーが同じであるにもかかわらず非磁性体パイプ９の配置を逆向きに取り付けたことによって二倍の効率が得られるという利点がある。もちろん、本実施例に非磁性体パイプ９に非磁性体案内板１２を取り付けても良い。

図４は、図３の実施例の非磁性体パイプ９を一本にして、永久磁石４、回転軸８を二セット配置したものであり、濃縮酸素の密度を高くする場合の実施例である。図４において、１、４、５、６、８、９、１０、１１、１３、１７は図３と同様である。本実施例のように配置すると、前述のように濃縮率の高い酸素１を得ることが可能であるという利点がある。

図５は、本発明の一実施例で、回転磁界装置３として、三相交流コイル１４を用いたものを示した。図５中、１、９、１０、１１、１２、１７は図４と同様である。３は回転磁界装置、１４は三相交流コイルである。前記三相交流コイル１４に三相交流を流すことによって回転磁界を発生し、図１乃至図４までと同様に非磁性体パイプ９に濃縮酸素１を流し込むことが出来るものである。本実施例の場合には、図１乃至図４までと違い、回転磁界そのものには機械的に動く部品がないので故障がしずらいという利点がある。

図６は、本発明の一実施例で、回転磁界装置３として、単相交流コイル１５を用いたものを示した。図６中、１、３、９〜１３、１７は図５と同様である。１５は単相交流コイルである。前記単相コイル１５に単相交流を流すことによって回転磁界３を発生し、図１乃至図６までと同様に濃縮酸素１を得るものである。本実施例も動く部品がないことから故障がしずらいという利点がある。

図７は、本発明の一実施例で、回転磁界装置３として、リニアモーター固定子コイル１６を用いたものを示した。図７中、１、３、９〜１３、１７は図６と同様である。１６はリニアモーター固定子コイルである。前記リニアモーターの固定子コイル１６に電流を流すことによって回転磁界３を発生し、図１乃至図６までと同様に濃縮酸素１を得るものである。本実施例も動く部品がないことから故障がしずらいという利点がある。なお、リニアモーター固定子コイル１６は本来は直線であるが、本実施例においては、それを円弧に曲げて使用しているが、これは簡単に実施可能である。

本発明の酸素濃縮装置は、各種内燃機関・外燃機関の燃焼効率向上のほか、医療用・家庭用・スポーツ用の酸素源としても有効活用出来る。医療用又は家庭用の酸素吸入器、バーナーなどの燃焼機器、エンジンなどの内燃機関・外燃機関の高効率化とＮＯxの減少などの用途にも適用出来る。更に、ダイオキシンを発生せずに処理する焼却装置も可能である。

１酸素
２窒素
３回転磁界装置
４永久磁石
５ N極
６ S極
７磁力線
８回転軸
９非磁性体パイプ
１０ファン
１１モーター
１２非磁性体案内板
１３空気流
１４三相交流コイル
１５単相交流コイル
１６リニアモーター固定子コイル
１７非磁性体気体流路
１８非磁性体角筒

Claims

磁石を使用して空気を構成する酸素と窒素の磁性の違いにより空気から酸素を濃縮する酸素濃縮装置において、三相交流コイル、単相交流コイル、リニアモーター固定子コイルの群の中から選択される一を用いた電磁石で構成される回転磁界装置と、永久磁石と回転軸とモーターからなり前記永久磁石のN極とS極の中間に前記回転軸を設け、前記回転軸に回転を与える前記モーターを設けた回転磁界装置の、少なくともどちらか一の回転磁界装置を、非磁性体気体流路の一端に近接設置したことを特徴とする酸素濃縮装置。
請求項１に記載の酸素濃縮装置において、前記非磁性体気体流路にファンとモーターを加えて設けたことを特徴とする酸素濃縮装置。
請求項１または請求項２に記載の酸素濃縮装置において、前記非磁性体気体流路が、非磁性体案内板、非磁性体パイプ、非磁性体円筒、非磁性体角筒、漏斗状非磁性体の群の中から選択される少なくとも一であることを特徴とする酸素濃縮装置。