JP3679280B2

JP3679280B2 - ガス分離装置

Info

Publication number: JP3679280B2
Application number: JP24788599A
Authority: JP
Inventors: 隆夫伊藤; 準江見; 吉生大谷; 則和並木
Original assignee: Dai Dan Co Ltd
Current assignee: Dai Dan Co Ltd
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2019-09-01
Also published as: JP2001070743A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人に不快感をあたえるにおいやたばこのガス、さらには化学物質過敏症を引き起こすとされるホルムアルデヒドや揮発性有機化合物を空気中から取り除くことが望まれている施設や空間において利用される空気清浄装置、または、燃焼時に発生するＮＯｘ，ＳＯｘ，ＣＯｘなどの排ガスや化学プロセスなどで発生する排気ガスの中から有害物質のみ取り除く必要がある時に利用される排ガス処理装置、または、複数の成分が混在するガスから単一のガス成分を取り出す場合に利用されるガス抽出装置、または、高純度ガスが必要な設備・装置のガス流路内の不純物成分を取り除く場合に利用される高純度ガス生成装置等に適用するガス分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工業や産業、自動車等の各種機械からの排ガス（窒素酸化物、硫黄酸化物）は排出が規制されているため、排ガスの処理技術が数多く開発・提案されている。また医療空間や居住空間でもたばこのガスやシックビル症候群を引き起こす有機化合物など、人体に悪影響を及ぼすガスの捕集・除去の要求が高まっている。
【０００３】
しかし現状の排ガスの処理技術では、大量のガスを処理する場合に装置が巨大化するとともに処理費用が莫大なものになるという問題がある。たばこ等のガスや有機ガス、アンモニアなどのガス処理には活性炭やイオン交換繊維などの除去材が使用されるが、性能が不十分であるとともに、大量の空気を処理すると吸着した後の吸着剤が大量に廃棄物として残る。光触媒などの分解材でも大量の空気処理には多くの触媒と光源が必要である。また光電子によるガスの粒子化を利用した方法はガスのすべてが粒子にならないため、どうしても処理効率が悪くなるとともに、ガスを粒子に成長させるのに時間がかかる。
【０００４】
また微粒子を取り除く方法として電気集塵機があるが、帯電微粒子は除去できるものの、イオンの場合には電極に吸着した後に生ずる電荷交換により中性のガス成分にもどり再飛散してしまう問題がある。またイオンの分離方法として大気圧下での質量分析法があるが、全体のガスの一部をイオン化し移動度から検出器によりスペクトルを得るのみで分離した成分を取り出すことはできない。放電によりガスを分解する装置では、分子間力以上の大きなエネルギーが必要となるためかなりの消費電力を必要とする。Ｘ線を利用した方法（特開平１０−３３７４９５号）はＸ線で生成したイオンを微粒子に付着させて帯電粒子とし、その帯電粒子を電界で捕集するため、ガス分子をイオンにしたものは電極で中和されて再飛散してしまう。また放電と電界を利用した方法（特開平５−９６１２４号）は、放電部の直後に分離部で電界をかけて分離するため、放電部から分離部に至る経路でのイオンの損失がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、廃棄物を減らすために分離吸着や化学吸着を利用することなく分離により空気の清浄化を行う場合や、大量の空気を処理するために空気中の不純物分子成分を選択して取り出し、取り出した少量の不純物成分のみを除去装置に送るような前処理装置が必要な場合、不純物ガス分子成分を分離して一方から必要なガス分子成分のみを取り出す場合などに、放射線、コロナ放電等によりガス分子成分をイオン化し、イオン−分子反応によりさらに２次的にイオンを発生し、直流の電圧をかけた電極で発生した電界によりイオン化と同時にイオンを分離し、空気中に含まれる不純物分子を取り除くことにより、ガスの分解を伴わない低エネルギーのイオン化源による省エネルギー効率の高いガス分離装置を提供することを目的とする。
【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ガス分離装置は、空気流をイオン化し、電極により電離状態の気体に電界をかけ、陽イオンと陰イオンに分離することで、空気流に含まれるガス分子成分を分離し、清浄な空気および／または分離されたガスを取り出すガス分離装置であって、イオン化するための手段として、針状の電極およびテーパ状開口を有するテーパ状開口型電極を設け、針電極をテーパ状開口型電極の間に設けるとともにテーパ状開口部の下流側に分離板を設け、針電極とテーパ状開口型電極で放電を発生させてテーパ状開口部内部を流れる空気流をイオン化し、テーパ状開口部先端からイオンを吹き出すことを特徴とするものである。
【０００９】
また本発明は、上記ガス分離装置において、分離板はテーパ状開口型電極と同一極性を有する電極であって、針電極とテーパ状開口型電極及び分離板で放電を発生させてテーパ状開口部内部を流れる空気流をイオン化することを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明は、上記ガス分離装置において、分離部に平行平板電極を用いたことを特徴とするものである。
【００１１】
また本発明は、上記ガス分離装置において、平行平板電極に清浄な空気または分離されたガスを取り出すガス出口を設けることを特徴とするものである。
【００１２】
また本発明は、上記ガス分離装置において、分離板が分離部の電極間に設けられることを特徴とするものである。
【００１３】
また本発明は、上記ガス分離装置において、分離板を複数設置しガス固有の電気移動度を利用して単一の成分を取り出すことを特徴とするものである。
【００１４】
また本発明は、上記ガス分離装置において、清浄な空気および／または分離されたガスを取り出す出口の出口流量を制御することを特徴とするものである。
【００１５】
また本発明は、上記ガス分離装置において、電離状態の気体に電界をかける電極の極性を切り替える手段および／または電極の電解強度を変化させる手段を有することを特徴とするものである。
【００１６】
また本発明のガス分離装置は、上記いずれかのガス分離装置を並列や直列、または直並列に多数配置することを特徴とするものである。
【００１７】
すなわち、不純物成分を含む空気流中において、ガスを放射線や光、放電等でイオン化し、電離領域を直流の電圧をかけた電極間ではさむことで、電界による静電気力でイオン化すると同時に分離することを特徴とする。その分離したガスをそれぞの電極側に設けた出口からとりだすことで、一方の電極からは入口よりも清浄な空気が取り出すことができる。その時もう一方の出口からは不純物分子成分を濃縮した空気が出てくる。分離部に分離板を設ければ、電界で移動中のイオン化したガス分子が途中で中和して反対側に戻ってくることを防ぐことができる。イオンの電気移動度は物質により異なるため、単位時間あたりに移動する距離は成分ごとで違う。そのため分離板を複数設置すれば単一の成分のみを取り出すことができる。分子を分解するほどのエネルギーは必要なく、分子から電子を一つ取り除くだけの小さなエネルギーで済み、粒子化（クラスター化）のような大イオンではなく、一次や二次の小イオンで分離するため効率がよい。またこの装置を多数設置すれば処理能力の高いガス分離装置となる。ガスの分解を伴わない低エネルギーの直流や交流のコロナ放電を利用すれば消費電力の少ない分離が可能である。パルス放電を利用した装置では、立ち上がりが１μｓ以下の高速高周波数の高電圧パルスを利用すると、電子のみが強い放電電界の影響を受けイオンが加速する前に放電の電界がなくなるため、効率よくイオンが生成できると共に、放電による電場が分離電界に与える影響がなくなるため、イオンが効率よく分離できる。またイオン化と分離を同時に行うためイオンの搬送に伴う損失をなくした効率のよいガス分離装置ができる。
【００１８】
イオン化する分子量にはばらつきがあるため、低流量下ではイオン風により出口流量が安定しないが、センサ付属の自動制御バルブを設けることにより低流量でも出口流量を安定させることができる。また自動制御バルブは出口流量比を簡単に任意設定できるようにしてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明のイオン化部に放射線を利用した実施形態例である。石英ガラスよりなる内径４０ｍｍの円筒型チャンバー１１は軸方向をほぼ水平にして設置され、前記円筒型チャンバー１１の左右の両端開口部にはそれぞれ対応して金属製の平板電極１２，１３が開口部を塞ぐように距離５０ｍｍ離してほぼ平行に設置される。前記各平板電極１２，１３のそれぞれ中央部には内径６ｍｍの円筒型ガス出口部材１４，１５が円筒型チャンバー１１の内部を外部に開口して設けられ、前記円筒型チャンバー１１の周面中央上部には内径６ｍｍの円筒型ガス入口部材１６が円筒型チャンバー１１の内部を外部に開口して設けられる。前記円筒型チャンバー１１の周面中央下部の内部には例えば放射性同位体^２４１Ａｍなどの放射線源１７が前記ガス入口部材１６に対向して設置される。前記平板電極１２，１３には直流電源１８が電極１２を陽極、電極１３を陰極にして接続される。前記円筒型ガス出口部材１４，１５および円筒型ガス入口部材１６にはそれぞれガス流量調整用のバルブが設けられる。
【００２１】
すなわち、不純物ガス分子成分を含む空気を入口部材１６から円筒型チャンバー１１内に導入し、放射線源１７である放射性同位体^２４１Ａｍのα線でガスをイオン化する。各ガス出口部材１４，１５のそれぞれ出口流量はバルブによりあらかじめ同量が流れるように調整しているが、ガスに含まれる成分によりガス出口部材１４，１５それぞれの出口流量比を調整したほうがよい。平行平板電極１２，１３には直流電源１８から電圧がかけられ円筒型チャンバー１１内にほぼ平行な電界を形成し、この電界の静電気力により、ガス成分がイオン化すると同時に、イオンは陽イオンが陰電極１３に陰イオンが陽電極１２に分離することができる。その時イオン化していない中性のガス成分は、ガス出口部材１４，１５の流量が同量に調整してあるため、移動したイオンの量と出口流量を調整するように二つのガス出口部材１４，１５に分けられ取り出される。ＶＯＣなどの有機系のガスは陽イオンになりやすく、またイオン化ポテンシャルが通常の空気分子である窒素や酸素よりもかなり低いため優先的にイオン化し分離することができる。ＮＯｘやＳＯｘなどは陰イオンとして有機系のガスとは逆のガス出口から取り出すことができる。平行平板電極１２，１３にかかる電圧をかえれば分離効率を変化させることができる。
【００２２】
図２（ａ），（ｂ）は図１のガス分離装置で行った実施結果である。図２（ａ）は入口トルエン濃度に対する陰電極側の出口濃度の測定結果で、図２（ｂ）は入口トルエン濃度に対する陽電極側の出口濃度の測定結果である。窒素ガス内で５ｐｐｍのトルエン分子を分離した時の分離結果である。なお窒素とトルエンはどちらも陽イオンになりやすいため、陰電極から陽イオンが取り出され、陽電極からは若干の陰イオンと中性分子が取り出される。ここでトルエンのイオン化ポテンシャルは窒素の約半分程度であるため、トルエンのほうがイオンになりやすい。図の縦軸は入口流量を変化させたときの各電圧での分離効果を入口濃度に対する出口濃度比で表した。横軸は入口流量である。測定はガスクロマトグラフィーで実施した。流量を少なくすることでイオン化する分子が増えるため分離効率があがる。この結果から陽イオンが大半をしめる流体下においてイオン化ポテンシャルの低い成分を取り出すことができることがわかる。また無極性の芳香族炭化水素など分解しにくいガス分子でも、イオン化するだけで分離除去できることがわかる。
【００２３】
図３は本発明のイオン化部に紫外線またはＸ線を用いた実施形態例である。真鍮製の中空箱型チャンバー３１の両側部にはそれぞれ対応してバルブ付出口部材３２，３３が設けられ、前記中空箱型チャンバー３１の上部にはバルブ付入口部材３４が設けられる。前記中空箱型チャンバー３１の正面側には例えばキセノンランプ等の紫外線光源またはＸ線源３５が紫外線またはＸ線を中空箱型チャンバー３１内部に照射するようにして設けられる。前記紫外線光源またはＸ線源３５から紫外線またはＸ線を中空箱型チャンバー３１内部に照射することにより、入口部材３４から中空箱型チャンバー３１内部に入ったガスをイオン化して出口部材３２，３３から外部に取り出す。尚、中空箱型チャンバー３１の内部に紫外線光源またはＸ線源を設置してもよい。
【００２４】
図４は本発明の複数のイオン化方法を併用した場合の実施形態例である。図３と同様な構成のガス分離装置において、中空箱型チャンバー３１の内部に例えば放射性同位体^２４１Ａｍ等の放射線源４１を設置し、中空箱型チャンバー３１の側部からＸ線または紫外線を照射し、放射線とＸ線または紫外線の両方でガスをイオン化する。単位時間あたりのイオン発生量が増加するため、ガス分離装置内の流量を増加させることができる。
【００２５】
図５は図１のガス分離装置を多数利用した実施形態例である。１段目の３個のガス分離装置５１，５２，５３のそれぞれ一方の出口を２段目の３個のガス分離装置５４，５５，５６の入口にそれぞれ対応して接続し、前記ガス分離装置５１，５２，５３の入口を共通に接続する。前記ガス分離装置５４，５５，５６の一方の出口を共通にしてコントロールバルブ５７に接続し、前記ガス分離装置５１，５２，５３の他方の出口および前記ガス分離装置５４，５５，５６の他方の出口をコントロールバルブ５８に接続する。前記コントロールバルブ５７，５８は設定器５９に接続される。このように、ガス分離装置を多段設けることで分離能力の向上をはかり、より清浄な空気をとりだすことができる。さらにこれを並列に配置することで処理流量を増やすことができる。
【００２６】
図６は本発明に係る出口流量を調節するセンサー付き自動制御バルブを分離装置出口に取り付けた実施形態例で、ガス分離装置の出口部材６１には流量センサー６２および流量制御バルブ６３がガス流域に沿って設けられ、前記流量センサー６２および流量制御バルブ６３は制御回路６４を介して設定器６５に接続される。前記流量センサー６２からの流量出力６６が制御回路６４を介して設定器６５に送られ、前記設定器６５から流量設定信号６７が制御回路６４を介して流量制御バルブ６３に送られる。前記制御回路６４および設定器６５には駆動電源６８が供給される。前記設定器６５からの流量設定信号６７で左右の出口流量を自動で制御できる。また前記流量センサー６２で流量を感知し補正するためイオン風による流量の乱れを防ぐことができる。
【００２７】
図７は本発明の分離効率をあげるために、ノズル吹き出し口と分離板を利用し、放電でイオン化する実施形態例を示す構成説明斜視図である。図８は同じく構成説明断面図である。角筒型チャンバー７１のガス入口付近には対向した２枚の曲がった金属板よりなる放電電極７２，７３が下流に行くにしたがって間隔を狭めるようにテーパ状開口部に構成される。前記放電電極７２，７３はガス流路の幅をなめらかに絞り、ほぼ水平なスリット状に吹き出すことを可能にした金属製ノズルの吹出口で構成される。前記放電電極７２，７３間のほぼ中央には針状の電極よりなる放電針７４が水平に複数個並べて設置される。放電電極７２，７３よりなるノズルをはさむように平行平板の電極７５，７６を上下に取り付け、この平行平板電極７５，７６間の任意の位置に、非常に薄く先端の尖った金属製の分離板７７を、放電電極７２，７３よりなるノズルから少し距離をとって設置する。前記放電電極７２，７３、放電針７４および分離板７７には放電用電源７９が接続され、前記平行平板電極７５，７６には連動切替スイッチ８０を介して分離用直流電源８１が接続される。ガスが分解しないような低エネルギーの直流パルス電源、交流電源または直流電源から電圧を針電極７４に印加し、針電極７４と放電電極７２，７３、分離板７７でパルス直流放電、交流放電または直流放電を起こす。電離した気体はビーム状に放電電極７２，７３よりなるノズルから吹き出される。イオンビームに電界による静電気力を加えると、電気移動度の大きいイオンほど電極７５，７６側に移動し、電気移動度の小さいイオンは中央に残る。これが陽と陰のイオンで起こるのでイオンビームが放射状に上下に広がることで、電気移動度の違うガス成分を分離することができる。またこのとき分離板７７を複数並列に設置すれば、任意の電気移動度のガスを取り出す事もできる。
【００２８】
さらに連動した４つのスイッチ８０で電極７５，７６にかかる電圧の設定を自由に正負反転できる装置を持つため、後から清浄空気を取り出す出口を変えたい時など配線をつなぎ変えることなく容易に設定を入れ替えることができる。
【００２９】
尚、前記放電電極７２，７３と放電針７４、もしくは放電針７４と分離板７７で放電を起こすようにしてもよい。
【００３０】
以上のように、本発明のガス分離装置は空気流中のガス成分を電離し、電界による静電気力を利用して電離したガス成分を分離することができる。また本発明のガス分離装置を多数並列および直列に配置することにより、大量の空気を処理でき、また高純度の空気を精製できる。さらに、本発明のガス分離装置は分離する部分に分離板を設けて、分離した後のガスが中和して反対側に流れないようにすることで、分離能力の向上をはかった。また分離板を複数もうけることにより単一の成分を取り出すことができる。また本発明のガス分離装置はイオン化したガスをノズルから吹き出すことで分離効率を向上させることができる。
【００３１】
尚、上記実施形態例に基づき説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、空気流をイオン化し、電離状態の気体に電界をかける電極は、極性を切り換えるようにしてもよく、また電界強度を変化するようにしてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、汚染ガス成分を含む空気などの気体を放射線、紫外線、Ｘ線、放電等の方法やまたはそれらを組み合わせることによりイオン化すると同時に発生したイオンを、電極間に電圧をかけて生じた電界により省エネルギーかつ高効率で分離することができる。また放電電極となったノズルによりイオンビームを吹き出し、分離板を分離電極間に設置することで、分離効率をあげることができる。さらには分離板を多数設置し、電界下での分子固有の電気移動度を利用することにより単一の成分のみを選択して効率良く取り出すことができる。これにより、汚染ガス成分を含む空気から清浄な空気を取り出して供給することが可能となる。また、不純物成分を含むガスから所定の成分を取り出して抽出または排出することも可能となる。さらに、本発明は同じ構成で異なる用途、すなわち、空気清浄装置、排ガス処理装置、ガス抽出装置、高純度ガス生成装置などとして利用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイオン化部に放射線を利用した実施形態例を示す構成説明図である。
【図２】（ａ）は図１のガス分離装置においてトルエンを含む窒素ガスでのトルエンの分離結果である入口トルエン濃度に対する陰電極側の出口濃度の測定結果の一例を示す特性図であり、（ｂ）は同じく入口トルエン濃度に対する陽電極側の出口濃度の測定結果の一例を示す特性図である。
【図３】本発明のイオン化部に光またはＸ線を利用した場合の実施形態例を示す構成説明図である。
【図４】本発明の複数のイオン化方法を併用した場合の実施形態例として、放射線と光の両方でイオン化する場合を示す構成説明図である。
【図５】本発明に係る複数個のガス分離装置をつなぎ合わせたときの実施形態例を示す構成説明図である。
【図６】図５の出口流量制御部を示す構成説明図である。
【図７】本発明に係るノズル電極による放電と分離板を利用した実施形態例を示す構成説明図である。
【図８】本発明に係るノズル電極による放電と分離板を利用し電界方向切り替え手段を持つ場合の実施形態例を示す構成説明図である。
【符号の説明】
１１円筒型チャンバー
１２，１３平板電極
１４，１５円筒型ガス出口部材
１６ガス入口部材
１７放射線源
１８直流電源

Claims

空気流をイオン化し、電極により電離状態の気体に電界をかけ、陽イオンと陰イオンに分離することで、空気流に含まれるガス分子成分を分離し、清浄な空気および／または分離されたガスを取り出すガス分離装置であって、
イオン化するための手段として、針状の電極およびテーパ状開口を有するテーパ状開口型電極を設け、針電極をテーパ状開口型電極の間に設けるとともにテーパ状開口部の下流側に分離板を設け、針電極とテーパ状開口型電極で放電を発生させてテーパ状開口部内部を流れる空気流をイオン化し、テーパ状開口部先端からイオンを吹き出すことを特徴とするガス分離装置。
分離板を電極とするとともに針電極および／またはテーパ状開口型電極を前記分離板電極の対向極として放電を発生させてテーパ状開口部内部を流れる空気流をイオン化することを特徴とする請求項１記載のガス分離装置。
分離部に平行平板電極を用いたことを特徴とする請求項１又は２記載のガス分離装置。
平行平板電極に清浄な空気または分離されたガスを取り出すガス出口を設けることを特徴とする請求項３記載のガス分離装置。
分離板が分離部の電極間に設けられ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ガス分離装置。
分離板を複数設置しガス固有の電気移動度を利用して単一の成分を取り出すことを特徴とする請求項５記載のガス分離装置。
清浄な空気および／または分離されたガスを取り出す出口の出口流量を制御することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のガス分離装置。
電離状態の気体に電界をかける電極の極性を切り替える手段および／または電極の電解強度を変化させる手段を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のガス分離装置。
請求項１ないし８のいずれかに記載のガス分離装置を並列や直列、または直並列に多数配置することを特徴とするガス分離装置。