JP3353620B2 - 磁界式酸素富化装置 - Google Patents

磁界式酸素富化装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁界を利用して酸
素富化空気を作る磁界式酸素富化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】酸素と窒素の磁化率の違い（磁化率は常
磁性体の酸素が約＋１０６．２×１０ -6ｅｍｕ／ｇ、反
磁性体の窒素が約−０．４３×１０-6ｅｍｕ／ｇ）を利
用して、空気から酸素富化空気をつくることができるこ
とは、原理的には知られている。酸素富化空気生成装置
を車両、燃焼装置、その他の産業用機器に利用しようと
すれば、酸素の収率が大、流量が大、連続的供給が可
能、であることが望まれている。この意味で、ロータリ
ー式のものは、ピストン式やバッチ式のものに比べて優
れている。特開昭５４−４９９９３号には、円筒状ケー
シング内にローターを回転自在に配置し、ローターとケ
ーシング間の空間に磁力線が半径方向に走る磁界を生成
し、この空間に空気を連続的に送って磁化率の高い酸素
をその他の窒素等から磁極分離し、酸素富化空気を酸素
出口からとり出し、残りを窒素出口からとり出すように
した、酸素と窒素の分離装置が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、磁界が半径方向に発生するため、酸素の収率を上
げようとすれば、酸素密度分布勾配を大きくするには限
度があるため、ローターとケーシングとの半径方向間隔
を大きくしなければならず、装置が径方向に大型化して
しまうという問題がある。本発明の目的は、ロータリー
タイプで、かつ（とくに径方向に）コンパクトにされた
磁界式酸素富化装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。 （１） ケーシングと、前記ケーシング内に軸支された
ローターと、前記ケーシングと前記ローターとの間の空
間に軸方向に磁界を発生する磁界発生手段と、前記ケー
シングに設けた空気入口手段と、前記ケーシングの、前
記発生された磁界の磁極付近の部分に設けた酸素富化空
気出口と、前記ケーシングの、前記磁極から離れた部分
に設けた窒素富化空気出口と、からなる磁界式酸素富化
装置。 （２） 前記ケーシングと前記ローターのうちケーシン
グ側に前記磁界発生手段を設けた（１）記載の磁界式酸
素富化装置。 （３） 前記ケーシングと前記ローターのうちローター
側に前記磁界発生手段を設けた（１）記載の磁界式酸素
富化装置。 （４） 前記ローターが複数のローターからなり、前記
酸素富化装置が過給機でもある（１）記載の磁界式酸素
富化装置。 （５） 前記ケーシングと前記ローターとの間の空間の
うち酸素富化空気出口側の容積が窒素富化空気出口側の
容積に比べて小とされている（１）記載の磁界式酸素富
化装置。 （６） 前記磁界発生手段は両端に前記磁極を有する磁
界増幅手段と該磁界増幅手段に巻き付けられたコイルと
を有し、前記コイルと前記磁界増幅手段のうち前記コイ
ルが巻き付けられた部分は前記ケーシングの外部に配置
されている（１）記載の磁界式酸素富化装置。
【０００５】上記（１）の装置では、軸方向に磁界を発
生させるので、酸素密度分布勾配は軸方向に形成され、
従来のようにローターとケーシングとの半径方向間隔を
大にとる必要はなく、装置の径方向サイズはコンパクト
になる。また、空気中の酸素分子は磁界の作用で磁化
し、流動中に軸方向にＮ極側あるいはＳ極側に移動する
が、窒素を多く含む残りの空気はほとんど磁化せず（窒
素は少量磁化しても酸素と反対の磁性を帯びてＮ極およ
びＳ極から遠ざかるように移動し）、軸方向にＮ極とＳ
極の中間付近に集まるので、軸方向端部の磁極付近（Ｎ
極側およびＳ極側）の出口から酸素富化空気がとり出さ
れ、軸方向中央付近の出口から残りの空気がとり出さ
れ、酸素富化空気側出口から酸素富化空気を効率よく選
択的にとり出すことができる。上記（２）の装置では、
磁界発生手段（たとえば，コイル）をケーシング側に設
けるので、コイルへの通電に集電子を必要とせず、信頼
性の高い装置となる。上記（３）の装置では、磁界発生
手段をローター側に設けるので、ケーシングの外周壁が
コイルによって占有されず、ケーシングの外周壁に空気
の出口、入口を設けることができる。上記（４）の装置
では、酸素富化装置が過給機でもあるので、エンジンに
装着されたときには、出力を効果的に大にすることがで
きる。上記（５）の装置では、ケーシングとローターと
の間の空間の容積を、酸素富化空気出口側を窒素富化空
気出口側より小としたので、空気中に約１／５の容積割
合で含まれる酸素が酸素富化空気出口側に寄せられたと
きに酸素富化空気出口近傍が酸素富化空気で占められる
ようになり、酸素富化空気を効率よく酸素富化空気出口
からとり出すことができる。上記（６）の装置では、磁
界発生手段がケーシングの外側に設けられているので、
ケーシングの形状、大きさに左右されずにコイルの形
状、巻き数を選定でき、磁束密度を比較的自由に制御で
きる。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１、図２は本発明の第１実施例
の装置を示し、図３、図４は本発明の第２実施例の装置
を示し、図５、図６は本発明の第３実施例の装置を示
し、図７〜図１０は本発明の第４実施例の装置を示し、
図１１は本発明の第５実施例の装置を示し、図１２、図
１３は本発明の第６実施例の装置を示している。図１
４、図１５は本発明の何れの実施例にも適用可能であ
る。本発明の全実施例にわたって共通する部分には、本
発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
【０００７】まず、本発明の全実施例にわたって共通す
る部分の構成、作用を、たとえば図１、図２、および図
１４、図１５を参照して説明する。図１、図２に示すよ
うに、本発明の磁界式酸素富化装置は、非磁性体のケー
シング６と、ケーシング６内に回転可能に支持された非
磁性体のローター７（このローター７は、たとえばシャ
フト４と羽根３を有する）と、ケーシング６とローター
７との間の空間に軸方向に磁力線が走る磁界を発生する
磁界発生手段２（コイルと直流電源、または永久磁石な
どからなる）と、ケーシング６に設けられた空気入口８
と、ケーシング６の軸方向端部のＮ極および／またはＳ
極側に設けられた酸素富化空気出口９と、ケーシング６
のＮ極とＳ極の中間の部分に設けられた窒素富化空気出
口１０と、を有している。シャフト４は別の回転駆動手
段 （モーターや、インペラー等）により回転駆動され
る。シャフト４はケーシング６に軸受５（たとえば磁性
流体軸受）により支持される。羽根３はシャフト４と一
体的に回転し、ブロワーとして機能する。磁界発生手段
２がコイルからなる場合コイル２には端子１を介して直
流電源からの直流電流が付与される。また、酸素富化空
気出口９には酸素を選択的に通す酸素透過膜１１を、設
けてもよい。
【０００８】上記共通構成部分の作用を説明する。ロー
ター７は回転駆動手段によって回転駆動され、空気入口
８からケーシング６内に入った空気を圧縮して空気出口
９、１０から吐出する。この時、磁界発生手段２（たと
えば、コイルからなり、図１の左から右に向う軸芯回り
に右まわりに巻いてある）はケーシング６とローター７
との間の空間に、磁力線が軸方向に走る磁界を発生させ
る。図１５に示すように、常磁性体である酸素は、磁界
の作用で磁化される場合、Ｎ極付近では、Ｎ極に磁気吸
引力を生じるＳ−Ｎ極に、Ｓ極付近ではＳ極に磁気吸引
力を生じるＮ−Ｓ極に、磁化される。一方、反磁性体で
ある窒素は、酸素とは逆に、Ｎ極付近では、Ｎ極に磁気
反発力を生じるＮ−Ｓ極に、Ｓ極付近ではＳ極に磁気反
発力を生じるＳ−Ｎ極に、磁化される。したがって、ケ
ーシング６とローター７との間の空間に入った酸素分子
は常磁性体で磁化率が大きいので磁化され、磁石の分子
となって、磁界のＮ極側あるいはＳ極側に移動する。こ
れによって、磁界のＮ極側およびＳ極側の空間は酸素富
化の状態となる。ケーシング６とローター７との間の空
間に入った空気のうち窒素分子は磁化率が小さくほとん
ど磁化されず、少量磁化されても反磁性体で酸素分子と
反対の極性に磁化されるので、磁界のＮ極とＳ極から遠
ざかった、両極の中間付近に寄せられる。その結果、ケ
ーシング６の軸方向端部（磁界のＮ極側および／または
Ｓ極側）に設けられた酸素富化空気出口９からは、選択
的に酸素富化空気が吐出され、ケーシング６の軸方向中
央部付近（磁界のＮ極とＳ極の中間付近）に設けられた
窒素富化空気出口１０からは、選択的に残りの空気（窒
素富化空気）が吐出される。
【０００９】このブロワによる過給作用と酸素富化作用
により、自然吸気の場合に比べて、エンジンの軸トルク
が、図１４にその傾向を示すように、向上する。この場
合、装置がロータリータイプのため、連続的な空気の供
給が可能であり、流量も大にできる。また、磁界が軸方
向に発生するので、ケーシング６とローター７間間隔を
半径方向に大きくとる必要がなく、装置の径方向サイズ
をコンパクトにすることができる。また、軸方向に酸素
富化空気と窒素富化空気を分けることができるので、軸
方向端部に設けた酸素富化空気出口から効率よく酸素富
化空気をとりだすことができ、酸素の収率が上る。
【００１０】つぎに、本発明の各実施例に特有な構成、
作用を説明する。本発明の第１実施例では、図１、図２
に示すように、ケーシング６は中空円筒状壁とその両端
の端板とを有し、ローター７は１軸のシャフト４と複数
の羽根３をもつブロワからなる。軸受５は磁性流体軸受
からなる。磁界発生手段２は直流電流が流れるコイルか
らなり、コイル２はケーシング６の中空円筒状壁の内周
面に沿わせて設けられている。酸素富化空気出口９はケ
ーシング６の軸方向端部（磁界のＮ極側および／または
Ｓ極側）の端板に設けられており、窒素富化空気出口１
０はケーシング６の軸方向中央部分（磁界のＮ極とＳ極
の中間）の外周壁に設けられている。上記装置の作用に
ついては、コイル２がケーシング６側に設けられて回転
しないため、コイル２に電流を供給するのに集電子は必
要とされず、給電機構が単純なもので済むので、信頼性
の高いものとなる。
【００１１】本発明の第２実施例では、図３、図４に示
すように、ケーシング６は中空円筒状壁とその両端の端
板とを有し、ローター７は１軸のシャフト４と複数の羽
根をもつブロワからなる。軸受５はラジアル玉軸受から
なる。磁界発生手段２は直流電流が流れるコイルからな
り、コイル２はローター７のシャフト４の外周面に沿わ
せて設けられている。１２、１３はコイル２に給電する
ための、スリップリング、ブラシからなる集電装置であ
る。酸素富化出口９はケーシング６の中空円筒状壁の軸
方向端部（磁界のＮ極側および／またはＳ極側）に設け
られており、窒素富化空気出口１０はケーシング６の中
空円筒状壁の軸方向中央部（磁界のＮ極とＳ極の中間
部）に設けられている。上記装置の作用については、ケ
ーシング６の中空円筒状壁がコイル２によって場所を占
有されず、空気入口８、出口９、１０を中空円筒状壁に
も設けることが可能となり、出入口配置の自由度が高ま
る。
【００１２】本発明の第３実施例では、図５、図６に示
すように、ケーシング６は長円形断面を有し、ケーシン
グ６内に２本の断面ひょうたん形のローター７がそれぞ
れの軸４まわりに回転自在に収められている。ローター
７は何れか一方の軸４に連結された回転駆動手段１４に
よって回転駆動される。それぞれのローター７にはロー
ター軸方向に延びる永久磁石からなる磁界発生手段２が
埋め込まれており、それぞれの永久磁石のＮ極は同じ方
向に向けられている。空気入口８は長円形断面のケーシ
ング６の断面の一側に設けられ、酸素富化空気出口９と
窒素富化空気出口１０は断面の他側に設けられている。
上記構成によって、装置はルーツ式の機械式過給機とし
て作動する。また、ケーシング６内のローター７によっ
て占められる空間以外の空間には、磁界発生手段２によ
って常時軸方向に磁界が発生される。酸素富化空気はＮ
極側および／またはＳ極側に設けられた酸素富化空気出
口９から選択的に出ていく。この装置を車両用内燃機関
の吸気系に設けることによって、過給作用と酸素富化作
用の両方が得られ、図１４に示すように、自然吸気の場
合に比べて軸トルクを大幅に向上させることができる。
また、磁界発生手段２に永久磁石を用いているので、磁
界発生のための給電は不要である。
【００１３】本発明の第４実施例では、図７〜図１０に
示すように、ケーシング６は長円形断面を有し、ケーシ
ング６内に２本の断面ひょうたん形のローター７がそれ
ぞれの軸４まわりに回転自在に収められている。ロータ
ー７は何れか一方の軸４に連結された回転駆動手段によ
って回転駆動される。それぞれのローター７にはひょう
たん形断面の２つの面積拡大部に円筒状中空部が形成さ
れており、その内周面にコイルからなる磁界発生手段２
が設けられている。そして、それぞれのコイルのＮ極は
同じ方向に向けられている。空気入口８は長円形断面の
ケーシング６の断面の一側に設けられ、酸素富化空気出
口９と窒素富化空気出口１０は断面の他側に設けられて
いる。コイル２への給電はブラシ１２とスリップリング
１３を備えた集電装置により行われる。スリップリング
１３は図９、図１０に示すように、ケーシング６の端板
の内面に形成された溝内に配置される。直流電流は一側
の端板のスリップリング１３からブラシ１２を介してコ
イル２に流れ、他側の端板のスリップリング１３へと流
れる。上記構成によって、装置はルーツ式の機械式過給
機として作動する。また、ケーシング６内のローター７
によって占められる空間以外の空間には、磁界発生手段
２によって直流電流が流されることによって軸方向に磁
界が発生される。酸素富化空気はＮ極側および／または
Ｓ極側に設けられた酸素富化空気出口９から選択的に出
ていく。この装置を車両用内燃機関の吸気系に設けるこ
とによって、過給作用と酸素富化作用の両方が得られ、
図１４に示すように、自然吸気の場合に比べて軸トルク
を大幅に向上させることができる。また、コイル２への
給電による磁界発生のため、その電流の強さを変えるこ
とによって、容易に磁界の強さ、酸素収率を変えること
ができる。なお、上記実施例では、過給機をひょうたん
形断面をもつ２本のローター７から構成したが、過給機
はつぎのタイプのものとしてもよい。 歯車形断面をもつ２本のローターを長円形断面のケ
ーシング内に配設した歯車ポンプ。 回転子ねじからなる２本のローターをもつリショル
ムコンプレッサー。 スクリュウからなる２本のローターをもつスクリュ
ウ式ポンプ。 回転子に半径方向に出没可能にベーンを備えたもの
から構成した１本のローターをもつベーン式回転ポン
プ。
【００１４】本発明の第５実施例では、図１１に示すよ
うに、ケーシング６とローター７との間の空間のうち、
酸素富化空気出口９側の容積が窒素富化空気出口１０側
の容積に比べて小とされている。ローター７には永久磁
石タイプのものを使用している。ケーシング６はその直
径が酸素富化空気出口９側から窒素富化空気出口１０側
に向って、除々に大にされている。なお、図１１中、１
５は増速手段（たとえば、歯車列、チェーン、ベルト
等）で、１６は窒素富化空気出口１０に設けた圧力制御
弁である。上記装置の作用について説明する。空気中の
酸素量と窒素量はそれぞれ２１％、７８％で、窒素が酸
素の約４倍存在するため、磁界によって酸素を分離して
Ｎ極側に集めても、流量抵抗を小にするために径を相当
大きくしてある酸素富化空気出口９まわりを酸素富化空
気のみで占めることは難しい。しかし、ローター７とケ
ーシング６との間の空間を酸素富化空気出口９近傍を小
容積としておくことにより、酸素富化空気出口９まわり
を酸素富化空気のみで占めることができるようになり、
酸素収率が向上する。図１１はローター７が１本の場合
を示したが、ローター７が複数本であっても上記に準じ
た構成をとることができる。
【００１５】本発明の第６実施例では、図１２、図１３
に示すように、ケーシング６は中空円筒状壁とその両端
の端板を有し、ロータ７は１軸のシャフト４と複数の羽
根３をもつブロアからなる。軸受５はラジアル玉軸受か
らなる。磁性発生手段２は直流電流が流れるコイルから
なり、コイル２は、ケーシング６の端板をケーシング外
部からケーシング内部に挿通する両端の磁極と該両端の
磁極をケーシングの外部で連結する連結部とからなる磁
界増幅手段２０の連結部の外周に巻き付けられており、
ケーシング６の外部に位置している。酸素富化空気出口
９はケーシング６の軸方向端部の端板に設けられてお
り、窒素富化空気出口１０はケーシング６の軸方向中央
部の外周壁に設けられている。上記装置の作用について
は、コイル２がケーシング６の外側に設けられているの
で、集電子は必要とされず、給電機構が単純なもので済
むので、装置の作動の信頼性は高い。また、圧縮空気の
取入口８や出口９、１０のケーシング６上での位置、大
きさも自由かつ容易に配置できる。また、コイル２がケ
ーシング６から分離しているので、ケーシング６の大き
さ、形状に左右されずに磁界増幅手段２０の連結部に巻
き付けることができる。したがって、巻付け作業が容易
になり、製造も低コストとなる。また、コイルの巻き数
は、ケーシング６の内部にコイルを設ける場合に比べて
制約が少なく、コイル数を大とすることによって磁束密
度を増大できる。また、磁極の形状を先端が細くなるよ
うに円錐状とすることにより、磁束密度を増大させるこ
とができ、その形状を選定することにより磁束密度を制
御することができる。なお、上記の何れの実施例におい
ても、大気を冷却して供給すれば、常磁性体である酸素
分子の磁化率が大きくなり、なお一層酸素収率を向上で
きる。
【００１６】
【発明の効果】請求項１の装置によれば、軸方向に磁界
を発生させるので、ローターとケーシング間の空間を半
径方向に大にする必要がなく、装置の径方向サイズを小
にできる。また、軸方向端部に酸素富化空気出口を設け
たので、Ｎ極側および／またはＳ極側に移動した酸素を
選択的に効率よくとり出すことができ、酸素の収率を向
上できる。請求項２の装置によれば、磁界発生手段をケ
ーシング側に設けたので、磁界発生手段がコイルからな
る場合、コイルに直流電流を供給するのに集電装置を必
要とせず、装置が単純化され、作動の信頼性が高まる。
請求項３の装置によれば、磁界発生手段をロータ側に設
けたので、ケーシングの外周壁が磁界発生手段によって
占有されず、空気出入口配置の自由度が高まる。請求項
４の装置によれば、装置が過給機としても作動するの
で、内燃機関の吸気系に設けた場合、過給作用と酸素富
化作用の両方によって、軸トルクを大幅に向上できる。
請求項５の装置によれば、ローターとケーシングとの間
の空間の容積を、酸素富化空気出口側を窒素富化空気出
口側に比べて小としたので、酸素富化空気出口近傍を酸
素富化空気雰囲気とすることができ、酸素収率を向上で
きる。請求項６の装置によれば、磁束発生手段をケーシ
ングの外側に設けたので、ケーシングの形状、大きさに
左右されずに磁束発生手段の形状、巻き数を選定でき、
磁束密度を比較的自由に制御でき、かつケーシングの外
周壁が磁界発生手段によって占有されないので、空気出
入口配置の自由度が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の磁界式酸素富化装置の断
面図である。
【図２】図１の２−２線に沿う断面図である。
【図３】本発明の第２実施例の磁界式酸素富化装置の断
面図である。
【図４】図３の４−４線に沿う断面図である。
【図５】本発明の第３実施例の磁界式酸素富化装置の断
面図である。
【図６】図５の６−６線に沿う断面図である。
【図７】本発明の第４実施例の磁界式酸素富化装置の断
面図である。
【図８】図７の８−８線に沿う断面図である。
【図９】図７のケーシングの一側の端板部の端面図であ
る。
【図１０】図７のケーシングの他側の端板部の端面図で
ある。
【図１１】本発明の第５実施例の磁界式酸素富化装置の
断面図である。
【図１２】本発明の第６実施例の磁界式酸素富化装置の
断面図である。
【図１３】図１２の１３−１３線に沿う断面図である。
【図１４】本発明の装置を内燃機関の吸気系に適用した
場合の軸トルク特性の一例である。
【図１５】本発明の装置における酸素と窒素の磁気分離
の原理を示す図である。
【符号の説明】
２ 磁界発生手段（コイルまたは永久磁石） ６ ケーシング ７ ローター ８ 空気入口 ９ 酸素富化空気出口 １０ 窒素富化空気出口 １４ 回転駆動手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小吹 信三 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 伊藤 陽三 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 浅山 和博 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭54−47890（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−49993（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−309224（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−756（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−48240（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C01B 13/02 C01B 21/04 B03C 1/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ケーシングと、 前記ケーシング内に軸支されたローターと、 前記ケーシングと前記ローターとの間の空間に軸方向に
    磁界を発生する磁界発生手段と、 前記ケーシングに設けた空気入口手段と、 前記ケーシングの、前記発生された磁界の磁極付近の部
    分に設けた酸素富化空気出口と、 前記ケーシングの、前記磁極から離れた部分に設けた窒
    素富化空気出口と、からなる磁界式酸素富化装置。
  2. 【請求項２】 前記ケーシングと前記ローターのうちケ
    ーシング側に前記磁界発生手段を設けた請求項１記載の
    磁界式酸素富化装置。
  3. 【請求項３】 前記ケーシングと前記ローターのうちロ
    ーター側に前記磁界発生手段を設けた請求項１記載の磁
    界式酸素富化装置。
  4. 【請求項４】 前記ローターが複数のローターからな
    り、前記酸素富化装置が過給機でもある請求項１記載の
    磁界式酸素富化装置。
  5. 【請求項５】 前記ケーシングと前記ローターとの間の
    空間のうち酸素富化空気出口側の容積が窒素富化空気出
    口側の容積に比べて小とされている請求項１記載の磁界
    式酸素富化装置。
  6. 【請求項６】 前記磁界発生手段は両端に前記磁極を有
    する磁界増幅手段と該磁界増幅手段に巻き付けられたコ
    イルとを有し、前記コイルと前記磁界増幅手段のうち前
    記コイルが巻き付けられた部分は前記ケーシングの外部
    に配置されている請求項１記載の磁界式酸素富化装置。
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