JP2014210234A - Magnetic gas flow controller and magnetic gas flow control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁性気流制御装置及び磁性気流制御方法に関する。 The present invention relates to a magnetic airflow control device and a magnetic airflow control method.
磁場を用いて物質を分離する技術は数多く知られている。対象の物質は鉄、マンガン、コバルト、ニッケルやこれらの合金、マグネタイト、フェライト、ネオジムなど、磁気誘導により磁化される物であれば特に制限は受けない。しかしこれらのほとんどは、液中に浮遊する磁性体粒子を対象にしている。気中に存在する磁性体微粒子や磁性体分子の分離や制御を行う方法はほとんど知られていない。 Many techniques for separating substances using a magnetic field are known. The target substance is not particularly limited as long as it is magnetized by magnetic induction, such as iron, manganese, cobalt, nickel, alloys thereof, magnetite, ferrite, and neodymium. However, most of them are directed to magnetic particles floating in the liquid. There are few known methods for separating and controlling magnetic fine particles and magnetic molecules present in the air.
ところで、オゾンは反応活性が非常に高い酸化剤として古くからよく知られており、その酸化力を活用した「洗浄」、「水質浄化」、「殺菌・消臭」、「漂白」などへの産業応用も既に広く進んでいる。オゾンの最大の利点は、最終的に酸素分子として安定化させることができることである。すなわちオゾン水は、従来の洗浄剤とは異なり、自己分解性を持ち、表面での残留性はなく、また利用しなかった余剰オゾンは自然分解することから、環境負荷が極めて低く、環境にも大変優しい活性種として、今後も多方面で着目されるはずである。現在の利用分野はオゾンの濃度によって異なり
0.5〜10mg/l: 殺菌 漂白 脱臭
5〜20mg/l: 有機物除去 金属除去 化学酸化膜形成
>60mg/l : レジスト剥離
などの用途が代表的である。
By the way, ozone has long been known as an oxidant with a very high reaction activity, and industries such as “cleaning”, “water purification”, “sterilization / deodorization”, and “bleaching” using its oxidizing power. Applications are already widespread. The greatest advantage of ozone is that it can be finally stabilized as oxygen molecules. In other words, unlike conventional cleaning agents, ozone water is self-degradable, has no persistence on the surface, and surplus ozone that has not been used is naturally decomposed. As a very gentle active species, it will continue to attract attention in many fields. Current application fields vary depending on ozone concentration 0.5-10 mg / l: Sterilization Bleaching Deodorization 5-20 mg / l: Organic removal Metal removal Chemical oxide film formation> 60 mg / l: Typical applications include resist stripping .
オゾン水濃度は条件設定することで、広範囲に制御することができるが約20mg/lのオゾン水は、微粒子、有機物、金属の除去に効果があり、機能水のなかで、もっとも普及しているものである。また、100mg/l以上の高濃度オゾン水は、プロセス工程のレジスト剥離に利用でき、従来の溶剤による方法に代わり、環境にやさしい技術として注目をあびている。 The ozone water concentration can be controlled over a wide range by setting conditions, but about 20 mg / l of ozone water is effective in removing fine particles, organic substances, and metals, and is the most popular among functional waters. Is. Further, high-concentration ozone water of 100 mg / l or more can be used for resist stripping in process steps, and has attracted attention as an environmentally friendly technique instead of a conventional solvent method.
現状、工業用に大量のオゾンを用いる場合には放電を利用したオゾナイザーを用いることが多い。放電を利用したオゾナイザーを用いた場合、原料ガスが空気の場合には「窒素+酸素+オゾン」の混合ガスが発生し、原料ガスが酸素の場合には「酸素+オゾン」の混合ガスが発生する。平衡の観点もあるため、オゾン生成反応時のオゾン濃度には限度がある。オゾナイザーは、平行電極の間に酸素ガスまたは空気を供給して高電圧を印加し、電極間に発生する無声放電によって酸素を励起してオゾンを生成する装置である。オゾナイザーのオゾン収率は、通常、理論値に対して空気を原料とするときに2%から3%、酸素ガスを原料とするときに5%程度とされている。 At present, when a large amount of ozone is used for industrial use, an ozonizer utilizing discharge is often used. When an ozonizer using discharge is used, a mixed gas of “nitrogen + oxygen + ozone” is generated when the source gas is air, and a mixed gas of “oxygen + ozone” is generated when the source gas is oxygen. To do. Since there is also an equilibrium point of view, there is a limit to the ozone concentration during the ozone production reaction. An ozonizer is a device that generates ozone by supplying oxygen gas or air between parallel electrodes, applying a high voltage, and exciting oxygen by silent discharge generated between the electrodes. The ozone yield of the ozonizer is usually about 2% to 3% when air is used as a raw material and about 5% when oxygen gas is used as a raw material with respect to a theoretical value.
しかし、オゾンの作用を活用するにはオゾン濃度が高いほど好ましく、たとえば10%以上の高濃度オゾンを得る方法が望まれている。これまではオゾン濃度が低い(高くてもオゾン濃度数%オーダー)酸素・オゾンの混合ガスを用いてオゾンの利用が進められているが、それは高濃度オゾンを簡単に発生できる手法がなかった事が本質的な理由である。従来の低濃度の酸素・オゾンの混合雰囲気と異なって、高濃度オゾンを用いると反応過程を選択・抽出できる可能性がでてくる。 However, in order to utilize the action of ozone, the higher the ozone concentration, the better. For example, a method of obtaining high concentration ozone of 10% or more is desired. Until now, the use of ozone has been promoted by using a mixed gas of oxygen and ozone with a low ozone concentration (on the order of several percent at the highest), but there was no method that could easily generate high-concentration ozone. Is the essential reason. Unlike conventional mixed atmospheres of low-concentration oxygen and ozone, the use of high-concentration ozone has the potential to select and extract reaction processes.
その結果、例えばシリコン半導体の酸化において従来に比べて500℃近くも低い温度で高品質な酸化膜を形成できたり、金属表面の不働態化(パッシベーション)処理において電解研磨に比べてはるかに高い腐食性ガス耐性を持つ表面が形成できたりするなど、様々な優れた効果が期待される。また新規応用技術ではなくとも、高濃度オゾン製造が可能になれば装置システム全体の小型化に貢献できるため、既存のオゾンを用いる産業分野に対しても多大な効果が期待できる。 As a result, for example, high-quality oxide films can be formed at temperatures as low as about 500 ° C. compared to conventional oxidation of silicon semiconductors, or much higher corrosion than electrolytic polishing in passivation of metal surfaces. Various excellent effects are expected, such as the formation of a surface with resistant gas resistance. Even if it is not a new applied technology, if high-concentration ozone can be produced, it can contribute to the miniaturization of the entire apparatus system, so that a great effect can be expected in the industrial field using existing ozone.
酸素ガスは、常温1気圧下でモル磁化率3449×10−6cm3/mol程度の強い常磁性を持つが、オゾンはモル磁化率7×10−6cm3/mol程度であり、酸素の0.2%程度のモル磁化率しか持たない。特に酸素原料によるオゾナイザーのオゾンガス成分は酸素+オゾンのみであるため、オゾンガスの流れから酸素の流れ成分のみを磁気力で分離することができれば、オゾナイザーの生成ガス気流から酸素気流とオゾン気流を分離することができ、結果としてオゾン濃度の高い気流を生成することが可能になると考えられる。 Oxygen gas has a strong paramagnetism with a molar magnetic susceptibility of about 3449 × 10 −6 cm 3 / mol at room temperature and 1 atm, while ozone has a molar magnetic susceptibility of about 7 × 10 −6 cm 3 / mol, It has only a molar magnetic susceptibility of about 0.2%. In particular, since the ozone gas component of the ozonizer with oxygen source is only oxygen + ozone, if only the oxygen flow component can be separated from the ozone gas flow by magnetic force, the oxygen gas flow and the ozone gas flow are separated from the gas flow generated by the ozonizer. As a result, it is considered that an air flow having a high ozone concentration can be generated.
空気中の酸素を、磁場を用いて分離する技術はいくつか知られている。例えば、特許文献1には、空気等の混合ガス中の酸素の割合を増加させる技術が開示されている。この方法は、ガス流路の周囲に4以上の偶数個の磁石を極が径方向に向くように配置して中心から周方向に磁場勾配を形成させ、ガス流路中に混合ガスを通過させて外周部分に酸素を集めようとするものである。しかしこの方法では、手続補正後の明細書に記載されているように、空気中に20.49%含まれる酸素の濃度を僅かに0.01%高める程度の効果しか得られない。
Several techniques for separating oxygen in the air using a magnetic field are known. For example,
また、特許文献2には、磁気力を用いてオゾンと酸素を含む混合ガス中の酸素を移動させ、ゼオライトやモレキュラーシーブスによって分離、吸着させることによって混合ガス中の酸素を除去し、オゾン濃度を相対的に高める技術が開示されている。また、この特許文献2の装置は、生成ガスをオゾナイザーの入口に再供給する循環ダクトを備えているので、オゾン濃度が高くなった生成ガスを需要先に供給した上で、余った生成ガスを再循環し原料ガスに加えて再利用することができる。生成ガスにはオゾンが大量に含まれているので、新鮮な酸素ガスのみを原料とするよりオゾン製造効率が高くなると記載されているが、実際にはオゾン分解反応も進行するためオゾン生成効率が低い装置を提供することになる。
なお、酸素分子を吸着させたり捕獲したりして残余のガス中のオゾン濃度を向上させるようにした装置では、吸着剤や捕獲構造が飽和すると作用が無くなるため、定期的に吸着剤などの再生を行う必要がある。このため、磁場勾配を消滅させた状態で吸着した酸素を放出させる再生工程を設ける必要がある。 In addition, the device that adsorbs and captures oxygen molecules to improve the ozone concentration in the remaining gas has no effect when the adsorbent and the capture structure are saturated, so the adsorbent and other materials are periodically regenerated. Need to do. For this reason, it is necessary to provide a regeneration step for releasing the adsorbed oxygen with the magnetic field gradient eliminated.
上述したとおり、従来から磁場を利用して常磁性体の酸素分子を分離する技術は提案されているが、効率が低いという問題や、再生工程が必要になる等の問題があった。 As described above, techniques for separating paramagnetic oxygen molecules using a magnetic field have been proposed. However, there are problems such as low efficiency and a need for a regeneration process.
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものであり、吸着材等を使用することなく、モル磁化率の異なる気体が混在する混合気体中から特定気体分子を効率良く分離することのできる磁性気流制御装置及び磁性気流制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in response to the above-described conventional circumstances, and can efficiently separate specific gas molecules from a mixed gas in which gases having different molar magnetic susceptibility coexist without using an adsorbent or the like. An object of the present invention is to provide a magnetic airflow control device and a magnetic airflow control method.
本発明の磁性気流制御装置の一態様は、モル磁化率の異なる気体が混在する混合気体の気流を制御して特定気体を分離する磁性気流制御装置であって、磁極が対向するように配設された磁石と、内部を気体が流通可能とされ、前記磁極の間を通り、磁場勾配が形成された前記磁極の端部に開口する管状体と、前記管状体内に前記混合気体を送り込む気流形成機構とを具備し、前記管状体の前記開口の部分に、前記磁場勾配の作用により、前記開口から直進する方向とは異なる方向に偏向した気流を形成して前記特定気体を分離することを特徴とする。 One aspect of the magnetic airflow control device according to the present invention is a magnetic airflow control device that separates a specific gas by controlling the airflow of a mixed gas in which gases having different molar magnetic susceptibility are mixed, and is disposed so that the magnetic poles face each other. A magnet that allows gas to flow therethrough, a tubular body that passes between the magnetic poles and opens at the end of the magnetic pole in which a magnetic field gradient is formed, and an airflow formation that feeds the mixed gas into the tubular body A mechanism for separating the specific gas by forming an airflow deflected in a direction different from a direction straight from the opening by the action of the magnetic field gradient in the opening portion of the tubular body. And
本発明の磁性気流制御方法の一態様は、モル磁化率の異なる気体が混在する混合気体の気流を制御して特定気体を分離する磁性気流制御方法であって、磁極が対向するように配設された磁石と、内部を気体が流通可能とされ、前記磁極の間を通り、磁場勾配が形成された前記磁極の端部に開口する管状体と、前記管状体内に前記混合気体を送り込む気流形成機構とを用い、前記管状体の前記開口の部分に、前記磁場勾配の作用により、前記開口から直進する方向とは異なる方向に偏向した気流を形成して前記特定気体を分離することを特徴とする。 One aspect of the magnetic airflow control method of the present invention is a magnetic airflow control method for separating a specific gas by controlling the airflow of a mixed gas in which gases having different molar magnetic susceptibility are mixed, and arranged so that the magnetic poles face each other. A magnet that allows gas to flow therethrough, a tubular body that passes between the magnetic poles and opens at the end of the magnetic pole in which a magnetic field gradient is formed, and an airflow formation that feeds the mixed gas into the tubular body And using the mechanism to form an airflow deflected in a direction different from a direction straight from the opening by the action of the magnetic field gradient in the opening portion of the tubular body to separate the specific gas. To do.
本発明によれば、吸着材等を使用することなく、モル磁化率の異なる気体が混在する混合気体中から特定気体分子を効率良く分離することのできる磁性気流制御装置及び磁性気流制御方法を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a magnetic airflow control device and a magnetic airflow control method capable of efficiently separating specific gas molecules from a mixed gas in which gases having different molar magnetic susceptibility coexist without using an adsorbent or the like. can do.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る磁性気流制御装置100の概略構成を模式的に示す図である。本実施形態では、バリア放電によってオゾンを生成するオゾナイザー120から生成されるオゾン(O3)と酸素(O2)の混合気体を磁性気流制御装置100に導入し、この混合気体中から、磁性気流制御装置100によって酸素の一部を分離して回収するとともに、混合気体中の相対的なオゾンの濃度を高める構成とした場合について説明する。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a schematic configuration of a magnetic
磁性気流制御装置100には、磁極102,104が近接対向するように磁石101,103が配設されており、磁極102,104の間には、気体の流路となる管状体105が配設されている。この管状体105の基端側は、オゾナイザー120のガス出口に接続されており、管状体105は、ここから磁極102,104の間を通るように延在し、その先端側は、磁極102,104の端部の磁場勾配が形成されている部分に開口するように配設されている。
The magnetic
本実施形態では、磁石101,103が電磁石から構成されており、磁石101,103に通電するための電源107,108が配設されている。また、磁石101と、磁石103との間隔を変更するための間隔調整機構109が配設されている。
In the present embodiment, the
管状体105としては、例えば、樹脂製の配管を使用することができる。この樹脂製の配管は、直管であっても曲がった管であってもよい。また、管状体105の流路内のレイノルズ数(Re)は、2500以下とすることが好ましい。これによって、管状体105の流路内に層流状態の安定した気体流が形成されるため擾乱は少なく、安定した分離を行うことができる。
As the
オゾナイザー120には、酸素ボンベ121が接続されており、酸素ボンベ121とオゾナイザー120との間には、酸素ボンベ121からオゾナイザー120に供給される酸素ガスの流量を制御するための流量制御器122が配設されている。流量制御器122によってオゾナイザー120に供給される酸素ガスの流量を制御することにより、オゾナイザー120から供給されるオゾンガスの流量を制御することができる。
An
また、オゾナイザー120のオゾンガスの出口部分と、管状体105の開口(出口)部分には、夫々ガス濃度計130a.130bが配設されている。管状体105の開口部分では、磁場勾配が形成されているため、磁場勾配の影響をより強く受けた結果進行方向が曲げられた偏向気流140と、磁場勾配の影響が少ないためそのまま直進する直進気流150の2つの気流が形成される。以下、このような2つの気流が形成される点について説明する。
Further, an ozone gas outlet portion of the
酸素は、常温1気圧下で磁化率3449×10−6cm3/mol程度の強い常磁性を持つが、オゾンは磁化率7×10−6cm3/mol程度であり、酸素の0.2%程度の磁化率しか持たない。単位体積のガスに作用する磁気力Fmは、以下に示す(1)式で表される。
Fm=χV(B/μ0)dB/dz …(1)
ここで、χ:流体塊の磁化率、V:塊の体積、μ0:真空の透磁率、B:磁束密度、Z:垂直方向の距離、である。(1)式を変形すると、
Fm=(1/2)(χV/μ0)dB2/dz …(2)
となることは容易にわかる。(2)式から磁気力Fmの向きは、N−Sの向きではなく、B2の勾配により決まることがわかる。
Oxygen has a strong paramagnetism with a magnetic susceptibility of about 3449 × 10 −6 cm 3 / mol at room temperature and 1 atm, while ozone has a magnetic susceptibility of about 7 × 10 −6 cm 3 / mol, % Magnetic susceptibility only. A magnetic force F m acting on a unit volume of gas is expressed by the following equation (1).
F m = χV (B / μ 0 ) dB / dz (1)
Here, χ: magnetic susceptibility of fluid mass, V: volume of mass, μ 0 : permeability of vacuum, B: magnetic flux density, Z: distance in the vertical direction. When transforming equation (1),
F m = (1/2) (χV / μ 0 ) dB 2 / dz (2)
It is easy to understand. (2) the orientation of the magnetic force F m is the equation, rather than the orientation of the N-S, it can be seen that determined by the gradient of B 2.
例えば、6T(テスラ)の超電導電磁石を使用して6×104gaussの磁場を発生させ、1×104gauss/cmの磁場勾配dB/dxを与えたとすると、単位体積の酸素ガスは、90dyne、すなわち9μNの磁気力を受けることになる。一方、同じ磁場内にあるオゾンには18×10−3μNの磁気力しか作用しない。以下に代表的なガスのモル磁化率χm(10−6cm3/mol)を示す。 For example, if a 6T (Tesla) superconducting magnet is used to generate a magnetic field of 6 × 10 4 gauss and a magnetic field gradient dB / dx of 1 × 10 4 gauss / cm is given, the unit volume of oxygen gas is 90 dyne. That is, it receives a magnetic force of 9 μN. On the other hand, only a magnetic force of 18 × 10 −3 μN acts on ozone in the same magnetic field. The molar susceptibility χ m (10 −6 cm 3 / mol) of a typical gas is shown below.
酸素 :3449
オゾン:7
窒素 :−12
水 :−13
CO2:−21
Oxygen: 3449
Ozone: 7
Nitrogen: -12
Water: -13
CO 2: -21
例えば、高濃度オゾンを得るために酸素原料を用いたオゾナイザー120でオゾンを製造する場合でも、生成ガス成分中にオゾンは高々%オーダーしか存在しない。成分のほとんどは常磁性の酸素であるため、磁場勾配からの力を受けやすい状態である。したがって、オゾナイザー120で生成したオゾンと酸素の混合ガスの流路に強い磁場勾配を生成させて、酸素分子を磁場勾配の強い方に吸引することで、主成分が酸素の気流と、オゾンを含む気流とを作り出すことができる。
For example, even when ozone is produced by the
オゾンと酸素の混合気体中に磁場勾配があると酸素分子が移動しようとするので、移動してきた酸素分子の気流を酸素回収機構141で捕獲して混合気体から分離すると、混合気体中にオゾンが残され混合気体のオゾン濃度が上昇する。また主成分が酸素の気流を、酸素回収機構141によってオゾナイザー120のガス供給ラインに加えることで、酸素ガスを有効に利用することができる。また、オゾン濃度が上昇した混合気体は、オゾン回収機構151によって回収する。
When there is a magnetic field gradient in the mixed gas of ozone and oxygen, oxygen molecules try to move. Therefore, when the air flow of the moving oxygen molecules is captured by the
なお、周囲の雰囲気が大気の場合には、空気中の酸素濃度21%と混合気体中の酸素濃度の大小関係で制御する気流の向きが異なる。このため、オゾンと酸素の混合ガスの気流が磁石間に供給される前に、その混合ガス中のオゾン若しくは酸素の成分濃度、ガス流量、ガス温度をモニタし、その値によって引き出した酸素気流の回収位置を調整する機構を持たせることが好ましい。オゾナイザー120で生成したオゾンガスと酸素を含むガス中の酸素濃度は概ね90%以上であるため、図1に示すように、磁場勾配の大きい磁極102,104の端部付近に引き寄せられるように気流が変化し、偏向気流140が形成される。
When the surrounding atmosphere is air, the direction of the air flow controlled by the magnitude relationship between the oxygen concentration in air of 21% and the oxygen concentration in the mixed gas is different. For this reason, before the gas stream of the mixed gas of ozone and oxygen is supplied between the magnets, the component concentration of ozone or oxygen, the gas flow rate, and the gas temperature in the mixed gas are monitored, and the oxygen gas flow drawn by the values is monitored. It is preferable to provide a mechanism for adjusting the collection position. Since the oxygen concentration in the gas containing ozone gas and oxygen generated by the
図2に磁性気流制御装置100における磁場分布の例を示す。図2(a)は、全体の磁場分布の例を示しており、図2(b)は、磁極の端部の部分の磁場分布を拡大して示すものである。この図2に示すように、磁極の端部には、磁場勾配が形成されており、この部分で酸素に磁気力が作用する。なお、図3に、管状体105と磁極102,104との位置関係を示す。
FIG. 2 shows an example of the magnetic field distribution in the magnetic
上記実施形態では、磁極102,104の間に管状体105を1本のみ配設した場合について説明したが、管状体105を複数本配設してもよい。また、図4に示すように、途中から複数本に分岐して磁極102,104の端部の複数の部位に開口する分岐管106を有する管状体105aを用いてもよい。このような構成とすれば、より多量の混合気体を流すことができ、効率良く酸素を分離することが可能となる。
In the above embodiment, the case where only one
また、図5に示すように、磁性気流制御装置100(図5には管状体105のみを図示。)を多段に配設して、段階的にオゾン濃度を高めるようにしてもよい。この場合、管状体105を、ネオジムやサマリウムコバルトを用いた強磁束密度の円筒状の永久磁石等から構成してもよい。
In addition, as shown in FIG. 5, the magnetic airflow control device 100 (only the
また、気体流路となる管状体105内のレイノルズ数(Re)は、2500以下とすることが好ましい。また、層流であっても流れが安定するには一定の距離が必要である。このため、1つあたりの管状体105の長さLは、換算直径Dとレイノルズ数Reとの関係が、
L ≧D×Re/100
の関係を満たすようにすることが好ましい。これにより流れを成長させた状態で分離操作を行うことができるようになるため、純度の高い分離回収を行うことができる。
Moreover, it is preferable that the Reynolds number (Re) in the
L ≧ D × Re / 100
It is preferable to satisfy the relationship. As a result, the separation operation can be performed in a state where the flow is grown, so that separation and recovery with high purity can be performed.
図1に示す構成の磁性気流制御装置100において、酸素ボンベ121からの酸素ガスは、バリア放電型のオゾナイザー120に送られ、酸素(O2)の一部からオゾン(O3)が生成される。酸素とオゾンの混合気体中のオゾン濃度は数%オーダーであり、酸素は90%以上の濃度になる。この混合気体は、磁性気流制御装置100に配設された管状体105に流入する。管状体105の出口開口付近には、例えば30T/m程度の磁場勾配が形成されている。
In the magnetic
混合気体が、磁極102,104の端部にさしかかると磁場勾配を作用させることができる。混合気体中の酸素の体積割合が90%以上と大きいため、磁気力を作用させると、前述した式(1)若しくは式(2)の磁気力Fmが働き、図1に示すように、酸素が主成分の気流は、管状体105の管軸方向に沿ったそれまでの流れの方向を変え偏向気流140となる。一方、管状体105の管軸方向に沿った直進気流150では、酸素の一部が分離されるため相対的にオゾン濃度が高まる。
When the mixed gas reaches the ends of the
オゾナイザー120の出口部分における混合ガス中の所定ガスのガス濃度(例えば酸素濃度)は、ガス濃度計130aで測定される。また、管状体105の出口部分における偏向気流140及び直進気流150中の所定ガスのガス濃度(例えば酸素濃度)も、夫々ガス濃度計130bで測定される。そして、これらのガス濃度計130a、ガス濃度計130bにおけるガス濃度の測定データは、制御コンピューター131に入力される。
The gas concentration (for example, oxygen concentration) of the predetermined gas in the mixed gas at the outlet portion of the
また、制御コンピューター131には、流量制御器122、電源107,108、間隔調整機構109の現在の状態を示すデータが入力されており、上記のガス濃度計130a,130bによる測定データに基づいて、気流の方向を制御する。例えば、ガス濃度計130bで測定される直進気流150中の酸素ガスの濃度が所定値以上に上昇した場合、すなわち、直進気流150中のオゾンガスの相対的な濃度が低下し、一定の許容範囲内から外れた場合には、制御コンピューター131が総合的に判断し、流量制御器122における気体の流量、電源107,108から磁石101,103に供給する電力、磁石101,103の間の距離の少なくとも1つを調整して、気流の方向を制御する。この場合、例えば、気体の流量を下げる、磁石101,103に供給する電力を増大させる、磁石101,103の間の距離を狭める、のうちの1つ以上の制御を実施する。
Further, the
オゾナイザー120からの混合気体を、管状体105の開口から大気雰囲気中に放出する場合、前述したとおり、混合気体中の酸素濃度C1と、周囲雰囲気中の酸素濃度C2(=21%)との大小関係によって、発生する気流の向きが異なる。
When the mixed gas from the
磁石101,103に通電し磁場を印加した場合、混合気体中の酸素ガス及び周囲の雰囲気中の酸素ガスが、磁極102,104の端部に引き寄せられる。このため、混合気体中の酸素ガス濃度C1と、空気中の酸素濃度C2(21%)との大小関係で気流の向きが異なり、C1<C2では、管状体105の管軸方向の向きに気流が生じ、C1>C2の場合には、管状体105の管軸方向に対して垂直な向きに気流が生じる。
When the
このため、概ねその方向に酸素回収機構141及びオゾン回収機構151を配設し、微調整を、流速、電源107,108から供給する電力、磁石101と磁石103との間隔の少なくともいずれかを調整することによって行い、気流の方向を調整する。なお、このような気流の方向の調整は、例えば、分離する気体の磁化率の相違によっても行う。
For this reason, the
前述したように、オゾンと窒素の磁化率は、酸素と比較すると低いため、酸素とオゾンとの分離評価のために、窒素と酸素との混合気体を用いることができる。そこで窒素をオゾンと見立てた模擬混合ガスを用いて確認試験を行った。 As described above, since the magnetic susceptibility of ozone and nitrogen is lower than that of oxygen, a mixed gas of nitrogen and oxygen can be used for the separation evaluation of oxygen and ozone. Therefore, a confirmation test was performed using a simulated mixed gas in which nitrogen was regarded as ozone.
ここでは磁場勾配を作るための磁石101,103として、トーキン社製SEE−3型電磁石を用いた。磁極102,104の間隔10mm、均一部分の磁束密度1.5Tの条件で、磁極102,104の間に管状体105として、樹脂製の配管を通し、その中を酸素原料で生成したオゾン濃度を模擬した混合ガス(酸素80体積%窒素20体積%)を、流量1L/min、レイノルズ数は100の条件で流した。端部の磁束密度勾配は約30T/mであった。
Here, as
図1に示す直進気流150の方向の酸素濃度を、ガス濃度計130bで計測し続けたところ、磁場印加後約1分以降で酸素濃度が20%程度低下することが確認できた。初期濃度を100%に規格化した酸素濃度の時間的な変化の測定結果を、縦軸を規格化酸素濃度、横軸を時間(分)とした図6のグラフに示す。このような酸素濃度の低下は、相対的に窒素濃度が高くなっていることを示す。すなわちオゾンを用いた場合にも同様の現象が生じ、オゾンと酸素の混合ガス中の酸素濃度が低下し、オゾン濃度が相対的に高まることを示している。
When the oxygen concentration in the direction of the
次に、気流の状態を可視化するため、ガス流の中に水のミスト(0.2g/分)を添加して気流の状態を観察した結果について説明する。図7は、管状体105から窒素ガスを流出させた場合の気流の発生状態を模式的に示したものであり、図8は、管状体105から窒素ガス(20体積%)と酸素ガス(80体積%)の混合ガスを流量1L/分で流出させた場合の気流の発生状態を観察した結果を模式的に示したものである。なお、観察されたミストの流れ(気流)は、図7、図8中点線で模式的に示してある。
Next, in order to visualize the state of the airflow, the result of observing the state of the airflow by adding water mist (0.2 g / min) to the gas flow will be described. FIG. 7 schematically shows the generation state of airflow when nitrogen gas flows out from the
図7(a)は、磁石101,103に通電せず磁場を印加していない状態を示し、図7(b)は、磁石101,103に通電して磁場を印加した状態を示している。図7(a)に示すように、磁場を印加しない場合、管状体105の開口から大気雰囲気中に放出された窒素ガスは、その全体が僅かに直進した後周囲に拡散した。
7A shows a state in which the
一方、磁場を印加した場合、管状体105の開口から大気雰囲気中に放出された窒素ガスは、管軸方向に締め付けられた状態となり、磁場を印加しない場合に比べて長い距離を勢い良く直進した。この場合におけるガスの流れを図9に矢印で模式的に示す。図9に示すように、磁場を印加した場合、大気雰囲気中の酸素が磁場に引き付けられて管状体105の開口近傍に流入し(図9中点線の矢印で示す。)、窒素ガスの流れを管軸方向に沿った細い領域に集中させるため、勢い良く直進する気流(図9中実線の矢印で示す。)が形成される。
On the other hand, when a magnetic field is applied, the nitrogen gas released into the atmosphere from the opening of the
また、図8に示すように、管状体105から窒素ガス(20%)と酸素ガス(80%)の混合ガスを流出させた場合、図8(a),(b)に示すように、磁石101,103に通電せず磁場を印加しない場合は、図7(a)に示した窒素ガスの場合と同様になる。一方、図8(c),(d)に示すように、磁石101,103に通電し磁場を印加した場合は、磁石101,103の磁極102,104に沿ったガスの流れが発生する。これは、混合ガス中の酸素ガスが磁極102,104の端部(磁場勾配のある部分)に引き寄せられて気流を形成するためである。この場合におけるガスの流れを図10に矢印で模式的に示す。
Further, as shown in FIG. 8, when a mixed gas of nitrogen gas (20%) and oxygen gas (80%) is flowed out from the
なお、上記実施形態では、酸素とオゾンの混合ガスから酸素の一部を分離し、混合気体中の相対的なオゾン濃度を高める場合の例について説明したが、その他の磁化率の異なる気体の組み合わせでも同様の効果が得られる。この場合、分離対象の磁化率に応じて、流路に流れる気体の流速、磁場勾配の強度を調製することで最適な分離回収を実現できる。さらに、磁場勾配の強度は電磁石または超電導磁石に供給する電力、磁石の間隔のいずれかもしくは両方で制御するため効率が良い。 In the above-described embodiment, an example in which a part of oxygen is separated from a mixed gas of oxygen and ozone and the relative ozone concentration in the mixed gas is increased has been described. But the same effect can be obtained. In this case, optimum separation and recovery can be realized by adjusting the flow velocity of the gas flowing in the flow path and the strength of the magnetic field gradient according to the magnetic susceptibility of the separation target. Furthermore, since the strength of the magnetic field gradient is controlled by either or both of the electric power supplied to the electromagnet or the superconducting magnet, the interval between the magnets, it is efficient.
また、磁場勾配の発生手法としては複数あるが、本実施形態における必要磁束密度は0.1T以上程度のため、電磁石、超電導電磁石、永久磁石のいずれも用いることができる。特に吸着剤などを用いていないため、交換に伴うメンテナンス作業は不要であり、また、永久磁石を用いても問題はない。 There are a plurality of magnetic field gradient generation methods. Since the required magnetic flux density in this embodiment is about 0.1 T or more, any of an electromagnet, a superconducting electromagnet, and a permanent magnet can be used. In particular, since no adsorbent is used, maintenance work associated with replacement is unnecessary, and there is no problem even if a permanent magnet is used.
以上説明した通り、実施形態の磁性気流制御装置によれば、吸着材等を用いることなくオゾナイザーで生成されるオゾンの濃度を効率良く高めることができる。これによって、濃度の高いオゾンを含む気体を、より多くの用途に利用することが可能になる。 As described above, according to the magnetic airflow control device of the embodiment, the concentration of ozone generated by the ozonizer can be efficiently increased without using an adsorbent or the like. This makes it possible to use a gas containing ozone with a high concentration for more applications.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
100……磁性気流制御装置、101,103……磁石、102,104……磁極、105……管状体、107,108……電源、109……間隔調節機構、120……オゾナイザー、121……酸素ボンベ、122……流量制御器、130a,130b……ガス濃度計、131……制御コンピューター、140……偏向気流、141……酸素回収機構、150……直進気流、151……オゾン回収機構。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
磁極が対向するように配設された磁石と、
内部を気体が流通可能とされ、前記磁極の間を通り、磁場勾配が形成された前記磁極の端部に開口する管状体と、
前記管状体内に前記混合気体を送り込む気流形成機構と
を具備し、
前記管状体の前記開口の部分に、前記磁場勾配の作用により、前記開口から直進する方向とは異なる方向に偏向した気流を形成して前記特定気体を分離することを特徴とする磁性気流制御装置。 A magnetic air flow control device for controlling a gas flow of a mixed gas in which gases having different molar magnetic susceptibility are mixed to separate a specific gas,
A magnet disposed so that the magnetic poles face each other;
A tubular body that allows gas to flow therethrough, passes between the magnetic poles, and opens at the end of the magnetic pole where a magnetic field gradient is formed;
An airflow forming mechanism for feeding the mixed gas into the tubular body,
A magnetic airflow control device for separating the specific gas by forming an airflow deflected in a direction different from a direction straight from the opening by the action of the magnetic field gradient in the opening portion of the tubular body .
前記磁場勾配の作用により、前記開口から直進する方向とは異なる方向に向かう気流を内部に導入して回収する回収機構を具備したことを特徴とする磁性気流制御装置。 The magnetic airflow control device according to claim 1,
A magnetic airflow control device comprising a recovery mechanism that introduces and recovers an airflow that travels in a direction different from a direction that travels straight from the opening by the action of the magnetic field gradient.
前記磁石が、電磁石、超電導磁石、永久磁石のいずれか若しくはこれらを組み合わせた構成の磁石であることを特徴とする磁性気流制御装置。 The magnetic airflow control device according to claim 1 or 2,
The magnetic airflow control device, wherein the magnet is an electromagnet, a superconducting magnet, a permanent magnet, or a combination of these.
前記管状体内に送り込む前記混合気体の流量を調節する流量制御機構と、前記磁場勾配の状態を調節する磁場勾配調節機構とを具備したことを特徴とする磁性気流制御装置。 It is a magnetic airflow control apparatus of any one of Claims 1-3,
A magnetic airflow control device comprising: a flow rate control mechanism for adjusting a flow rate of the mixed gas fed into the tubular body; and a magnetic field gradient adjustment mechanism for adjusting the state of the magnetic field gradient.
前記磁場勾配調節機構は、前記磁極の間の間隔を変更することによって磁場勾配を調節することを特徴とする磁性気流制御装置。 The magnetic airflow control device according to claim 4,
The magnetic airflow control device adjusts the magnetic field gradient by changing an interval between the magnetic poles.
前記磁石は電磁石であり、前記磁場勾配調節機構は、当該電磁石に供給する電力を変更することによって磁場勾配を調節することを特徴とする磁性気流制御装置。 The magnetic airflow control device according to claim 4 or 5,
The magnet is an electromagnet, and the magnetic field gradient adjusting mechanism adjusts the magnetic field gradient by changing the electric power supplied to the electromagnet.
前記混合気体に含まれる気体の濃度を検出するための検出器を具備したことを特徴とする磁性気流制御装置。 The magnetic airflow control device according to any one of claims 1 to 6,
A magnetic airflow control device comprising a detector for detecting a concentration of a gas contained in the mixed gas.
前記管状体は、前記磁極の間を通り、磁場勾配が形成された前記磁極の端部における複数の位置に開口するように前記開口側が分岐されていることを特徴とする磁性気流制御装置。 It is a magnetic airflow control apparatus of any one of Claims 1-7,
The magnetic airflow control device according to claim 1, wherein the tubular body is branched on the opening side so as to pass through the magnetic poles and open to a plurality of positions at the end of the magnetic pole where a magnetic field gradient is formed.
前記磁石と、前記管状体とが、多段に配設されていることを特徴とする磁性気流制御装置。 It is a magnetic airflow control apparatus of any one of Claims 1-8,
The magnetic airflow control device, wherein the magnet and the tubular body are arranged in multiple stages.
前記管状体内のレイノルズ数(Re)が2500以下になるように制御されていることを特徴とする磁性気流制御装置。 The magnetic airflow control device according to any one of claims 1 to 9,
A magnetic airflow control device, wherein the Reynolds number (Re) in the tubular body is controlled to be 2500 or less.
内側が前記気体を流通させるための流路となる筒状の永久磁石を1又は複数具備したことを特徴とする磁性気流制御装置。 It is a magnetic airflow control apparatus of any one of Claims 1-10,
A magnetic airflow control device comprising one or a plurality of cylindrical permanent magnets, the inside of which is a flow path for circulating the gas.
前記混合気体がオゾンと酸素とを含み、当該気体中から酸素の一部を分離してオゾンの相対的な濃度を高めることを特徴とする磁性気流制御装置。 It is a magnetic airflow control apparatus of any one of Claims 1-11,
A magnetic airflow control device, wherein the mixed gas contains ozone and oxygen, and a part of oxygen is separated from the gas to increase a relative concentration of ozone.
オゾンと酸素とを含む前記混合気体中の酸素の濃度と、当該気体が前記管状体の前記開口から噴出される際の周囲の雰囲気中の酸素の濃度とによって、分離した酸素の回収機構の配置位置を変更することを特徴とする磁性気流制御装置。 A magnetic airflow control device according to claim 12,
Arrangement of the oxygen recovery mechanism separated by the concentration of oxygen in the mixed gas containing ozone and oxygen and the concentration of oxygen in the surrounding atmosphere when the gas is ejected from the opening of the tubular body A magnetic airflow control device characterized by changing a position.
磁極が対向するように配設された磁石と、
内部を気体が流通可能とされ、前記磁極の間を通り、磁場勾配が形成された前記磁極の端部に開口する管状体と、
前記管状体内に前記混合気体を送り込む気流形成機構と
を用い、
前記管状体の前記開口の部分に、前記磁場勾配の作用により、前記開口から直進する方向とは異なる方向に偏向した気流を形成して前記特定気体を分離することを特徴とする磁性気流制御方法。 A magnetic air flow control method for separating a specific gas by controlling a gas flow of a mixed gas in which gases having different molar magnetic susceptibility are mixed,
A magnet disposed so that the magnetic poles face each other;
A tubular body that allows gas to flow therethrough, passes between the magnetic poles, and opens at the end of the magnetic pole where a magnetic field gradient is formed;
Using an airflow forming mechanism for feeding the mixed gas into the tubular body,
A magnetic airflow control method for separating the specific gas by forming an airflow deflected in a direction different from a direction straight from the opening by the action of the magnetic field gradient in the opening portion of the tubular body .
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