JP6846235B2

JP6846235B2 - 二酸化窒素富化ガス製造装置および二酸化窒素富化ガス製造方法

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Publication number: JP6846235B2
Application number: JP2017038711A
Authority: JP
Inventors: 智也藤峰; 敏成荒木; 真里耶碇; 達也奥原
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2017-03-01
Filing date: 2017-03-01
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2037-03-01
Also published as: JP2018145021A

Description

本発明は、二酸化窒素富化ガスを製造する二酸化窒素富化ガス製造装置および二酸化窒素富化ガス製造方法に関する。

窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）のうち、特に二酸化窒素（ＮＯ_２）富化ガスは、医療用機器、食品包装材等の殺菌（例えば、特許文献１）に広く利用されている。また、近年の研究により、二酸化窒素ガスが、植物の育成を促進する効果を有することが分かってきた（例えば、特許文献２）。

特開２０１０−２０２４４８号公報特開２０１２−２３５７４８号公報

上記特許文献１の技術では、窒素と酸素との混合ガスから一酸化窒素（ＮＯ）を生成した後、触媒を利用して一酸化窒素を二酸化窒素に変換することで二酸化窒素富化ガスを生成している。したがって、少なくとも２段階の処理を行う必要があり、処理が煩雑であるという問題がある。また、触媒に要するコストがかかるという問題もある。

本発明は、このような課題に鑑み、低コストで二酸化窒素富化ガスを製造することができる二酸化窒素富化ガス製造装置および二酸化窒素富化ガス製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の二酸化窒素富化ガス製造装置は、窒素および酸素を少なくとも含む原料ガスから、該原料ガスよりも二酸化窒素の濃度が高い二酸化窒素富化ガスを製造する二酸化窒素富化ガス製造装置であって、前記原料ガスを収容するケーシングと、前記ケーシング内に配され、前記原料ガス中で放電させる１または複数のスパークプラグと、前記原料ガスを昇圧して前記ケーシングに供給し、該ケーシング内の該原料ガスの圧力を、０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の所定の圧力にする原料供給部と、を備えたことを特徴とする。

また、前記二酸化窒素富化ガスにおける、窒素酸化物中の二酸化窒素の割合は、１割以上であってもよい。

また、前記原料供給部によって昇圧された前記原料ガスを冷却する第１冷却手段を備えるとしてもよい。

また、前記ケーシングから排出された二酸化窒素富化ガスを冷却する第２冷却手段を備えるとしてもよい。

また、前記ケーシングから排出された二酸化窒素富化ガスを該ケーシングに再導入する循環手段を備えるとしてもよい。

また、前記スパークプラグによって放電された後の前記二酸化窒素富化ガス中の二酸化窒素の濃度が所定の目標濃度となるように、前記ケーシング内の前記原料ガスの圧力、および、前記スパークプラグによる放電時間のいずれか一方または両方を制御する制御部を備えるとしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の二酸化窒素富化ガス製造方法は、窒素および酸素を少なくとも含む原料ガスから、該原料ガスよりも二酸化窒素の濃度が高い二酸化窒素富化ガスを製造する二酸化窒素富化ガス製造方法であって、ケーシングに収容された、０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の所定の圧力の前記原料ガス中で、スパークプラグを用いて放電させる工程を含むことを特徴とする。

本発明によれば、低コストで二酸化窒素富化ガスを製造することが可能となる。

第１の実施形態にかかる二酸化窒素富化ガス製造装置を説明する図である。二酸化窒素富化ガス製造方法の流れを説明するフローチャートである。放電雰囲気の圧力および放電時間の検討結果を説明する図である。ケーシングの容積および放電時間の検討結果を説明する図である放電雰囲気の圧力の検討結果を説明する図である。第２の実施形態にかかる二酸化窒素富化ガス製造装置を説明する図である。実験結果を説明する図である。第３の実施形態にかかる二酸化窒素富化ガス製造装置である。第４の実施形態にかかる二酸化窒素富化ガス製造装置である。第５の実施形態にかかる二酸化窒素富化ガス製造装置である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１の実施形態：二酸化窒素富化ガス製造装置１００）
図１は、第１の実施形態にかかる二酸化窒素富化ガス製造装置１００を説明する図である。なお、図１中、ガスの流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。図１に示すように、二酸化窒素富化ガス製造装置１００は、コンプレッサ（原料供給部）１１０と、ケーシング１２０と、放電部１３０と、制御部１４０とを含んで構成される。

コンプレッサ（圧縮機）１１０は、配管１１２を介してケーシング１２０に接続されており、空気を昇圧してケーシング１２０に供給する。ケーシング１２０は、放電部１３０を囲繞する容器であり、原料ガスを収容する。

放電部１３０は、ケーシング１２０内に配され、ケーシング１２０内の雰囲気中で放電させる。ケーシング１２０内には昇圧された空気が供給されることから、放電部１３０は、大気圧以上の所定の圧力（例えば、０．２ＭＰａ〜０．５ＭＰａ程度、以下、単に「高圧」と称する）に維持された空気中で放電させることとなる。

空気中で放電させることにより、空気中の窒素と酸素が反応して、窒素酸化物が生成される。ここで、放電雰囲気を高圧に維持すると、窒素酸化物のうち、特に一酸化窒素（ＮＯ）の生成反応が促進されることとなる。そうすると、ケーシング内において一酸化窒素の濃度が上昇し、一酸化窒素から二酸化窒素への酸化反応が促進される。したがって、放電部１３０が高圧の空気中で放電させることにより、二酸化窒素を効率よく生成することができる。

本実施形態において、放電部１３０は、例えば、スパークプラグで構成されており、ケーシング１２０は、少なくともスパークプラグの中心電極および接地電極を囲繞する。放電部１３０をスパークプラグで構成することにより、放電部１３０自体を低コストで製作することができ、原料ガスよりも二酸化窒素の濃度が高い二酸化窒素富化ガス（以下、製造ガスと称する）を低コストで製造することが可能となる。なお、本実施形態で製造される製造ガスにおける、窒素酸化物中の二酸化窒素の割合は、４割以上である。また、スパークプラグは、構造が単純であるため、容易にメンテナンスを行うことができる。

制御部１４０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭ（読み出し専用メモリ）からＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）や他の電子回路と協働して、コンプレッサ１１０の駆動時間を制御したり、放電部１３０への電力の供給時間を調整して放電時間（所定時間の時間幅のパルス電圧を印加する時間）を制御したりする。

具体的に説明すると、二酸化窒素富化ガス製造装置１００を構成する不図示のメモリには、コンプレッサ１１０の駆動時間と、放電部１３０の放電時間と、製造ガス中の二酸化窒素の濃度とが関連付けられた濃度マップが保持されている。なお、コンプレッサ１１０の駆動時間は、コンプレッサ１１０の吐出圧力、吐出流量、ケーシング１２０の大きさ、所定の圧力に基づいて導出される。

制御部１４０は、製造ガス中の二酸化窒素の濃度が、予め定められた目標濃度となるように、濃度マップを参照して、コンプレッサ１１０の駆動時間と、放電部１３０の放電時間とを決定する。そして、制御部１４０は、決定した駆動時間の間、コンプレッサ１１０を駆動し、決定した放電時間の間、放電部１３０に電力を供給する。

こうして製造された製造ガス（二酸化窒素富化ガス）は、ケーシング１２０に接続された配管１２２を介して、供給先（例えば、温室、植物工場、消毒設備等）に供給されることとなる。

（二酸化窒素富化ガス製造方法）
続いて、二酸化窒素富化ガス製造装置１００を用いた二酸化窒素富化ガス製造方法について説明する。図２は、二酸化窒素富化ガス製造方法の流れを説明するフローチャートである。

（準備工程Ｓ１１０）
制御部１４０は、配管１１２に設けられた開閉弁１１４を開弁するとともに、配管１２２に設けられた流量調整弁１２４の開度をゼロとし、流量調整弁１２４を閉状態とする。

（コンプレッサ駆動工程Ｓ１２０）
制御部１４０は、コンプレッサ１１０の運転を開始して、所定の駆動時間が経過したらコンプレッサ１１０を停止して、開閉弁１１４を閉弁する。なお、所定の駆動時間は、上記濃度マップを参照して決定されるコンプレッサ１１０の駆動時間である。これにより、ケーシング１２０内が高圧の空気で満たされることとなる。

（放電工程Ｓ１３０）
制御部１４０は、放電部１３０への電力供給を開始して、所定の放電時間が経過したら放電部１３０への電力の供給を停止する。なお、所定の放電時間は、上記濃度マップを参照して決定される放電部１３０の放電時間である。これにより、放電部１３０は、高圧の空気中で放電させることとなる。

（供給工程Ｓ１４０）
制御部１４０は、流量調整弁１２４の開度を調整する。そうすると、ケーシング１２０内で製造された製造ガスが、ケーシング１２０から排出され、所定の流量で、配管１２２を通じて供給先に供給されることとなる。

以上説明したように、本実施形態にかかる二酸化窒素富化ガス製造装置１００およびこれを用いた二酸化窒素富化ガス製造方法によれば、高圧の空気中で放電させるといった簡易な処理で、低コストで製造ガス（二酸化窒素富化ガス）を製造することが可能となる。

（放電雰囲気の圧力および放電時間の検討）
製造ガス中の二酸化窒素の濃度が最も高くなる放電雰囲気の圧力（ケーシング１２０内の圧力）および放電時間について検討を行った。

図３は、放電雰囲気の圧力および放電時間の検討結果を説明する図であり、図３（ａ）は、放電雰囲気の圧力と二酸化窒素の濃度との関係を示し、図３（ｂ）は、放電時間と窒素酸化物の濃度との関係を示し、図３（ｃ）は、放電時間と二酸化窒素／窒素酸化物との関係を示す。

なお、ケーシング１２０の容積を１０ｍＬ、スパークギャップ長（電極間の距離）を１ｍｍ、放電部１３０に印加する電圧を７ｋＶとして実験を行った。また、放電雰囲気の圧力が０．１ＭＰａ（大気圧）、０．２ＭＰａ、０．５ＭＰａ、０．７ＭＰａの場合、放電時間が１０秒、６０秒、３００秒の場合における製造ガス中の二酸化窒素の濃度、窒素酸化物の濃度を測定した。

その結果、図３（ａ）に示すように、放電時間が長い方が製造ガス中の二酸化窒素の濃度（ｐｐｍ）が高くなった。また、放電雰囲気の圧力は、放電時間が１０秒の場合（図３（ａ）中、白色の三角で示す）、０．１ＭＰａと比較して、０．２ＭＰａでは二酸化窒素の濃度が上昇したが、０．５ＭＰａ、０．７ＭＰａでは二酸化窒素の濃度が低下した。放電時間が６０秒の場合（図３（ａ）中、白色の丸で示す）、０．１ＭＰａと比較して、０．２ＭＰａでは二酸化窒素の濃度が上昇したが、０．５ＭＰａ、０．７ＭＰａでは二酸化窒素の濃度が低下した。放電時間が３００秒の場合（図３（ａ）中、白色の四角で示す）、０．１ＭＰａと比較して、０．５ＭＰａでは二酸化窒素の濃度が上昇したが、０．７ＭＰａでは二酸化窒素の濃度が低下した。

また、図３（ｂ）に示すように、放電時間が１０秒の場合、放電雰囲気の圧力が０．５ＭＰａ（図３（ｂ）中、白色の三角で示す）、０．７ＭＰａ（図３（ｂ）中、白色の四角で示す）であると、放電雰囲気の圧力が０．１ＭＰａ（図３（ｂ）中、白色の丸で示す）であるときよりも窒素酸化物の濃度（ｐｐｍ）が低くなった。一方、放電雰囲気の圧力が０．２ＭＰａ（図３（ｂ）中、黒色の菱形で示す）であると、０．１ＭＰａよりも窒素酸化物の濃度がわずかに高くなった。一方、放電時間が６０秒の場合、放電雰囲気の圧力が低い程、窒素酸化物の濃度が高くなった。また、放電時間が３００秒の場合、放電雰囲気の圧力は、０．１ＭＰａより０．５ＭＰａの方が窒素酸化物の濃度が高くなるものの、０．１ＭＰａの方が０．７ＭＰａより窒素酸化物の濃度が高くなった。

図３（ｃ）に示すように、製造ガス中の窒素酸化物に対する二酸化窒素の割合（以下、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比と称する）は、放電時間が１０秒の場合、放電雰囲気の圧力が０．５ＭＰａの場合（図３（ｃ）中、白色の三角で示す）が最も大きく、０．７ＭＰａ（図３（ｃ）中、白色の四角で示す）、０．２ＭＰａ（図３（ｃ）中、黒色の菱形で示す）、０．１ＭＰａ（図３（ｃ）中、白色の丸で示す）の順で大きくなった。また、放電時間が６０秒、３００秒の場合、放電雰囲気の圧力が大きい程、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比が大きくなった。

以上の結果から、製造ガス中のＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比を高めるためには、放電時間を６０秒以上とすることが好ましい（図３（ｃ））。また、放電時間を６０秒以上としてもＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比が大きく向上することはないが、製造ガス中の二酸化窒素自体の濃度を高めることができる（図３（ａ）、（ｃ））。

さらに、放電雰囲気の圧力を高めることで、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比を向上させることができるが（図３（ｃ））、効率よく二酸化窒素を製造するには、圧力を適度に高く制御（調節）するのが適し、例えば、０．５ＭＰａ程度が効率よく二酸化窒素を生成できる。

（ケーシング１２０の容積と放電時間の検討）
ケーシング１２０の容積、放電時間、製造ガス中の二酸化窒素／窒素酸化物について検討を行った。

図４は、ケーシング１２０の容積および放電時間の検討結果を説明する図であり、ケーシング１２０の容積、放電時間、放電雰囲気の圧力、二酸化窒素／窒素酸化物の関係を示す。

なお、スパークギャップ長（電極間の距離）を１ｍｍ、放電部１３０に印加する電圧を７ｋＶとして実験を行った。また、ケーシング１２０の容積が５ｍＬ、７０ｍＬ、４５０ｍＬの場合、放電時間が１０秒、６０秒の場合、放電雰囲気の圧力が０．１ＭＰａ（大気圧）、０．２ＭＰａ、０．３ＭＰａ、０．５ＭＰａ、０．７ＭＰａの場合における製造ガス中のＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比を測定した。

その結果、図４（ａ）に示すように、放電時間を１０秒とすると、放電雰囲気の圧力に拘わらず、ケーシング１２０の容積が５ｍＬである場合（図４（ａ）中、黒色の丸で示す）には、４５０ｍＬである場合（図４（ａ）中、白色の丸で示す）より、製造ガス中のＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比が大きくなった。

一方、放電時間を６０秒とすると、ケーシング１２０の容積が５ｍＬである場合（図４（ａ）中、黒色の三角で示す）には、４５０ｍＬである場合（図４（ａ）中、白色の三角で示す）より、製造ガス中のＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比が大きくなるものの、放電雰囲気の圧力が高くなるにしたがって、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比の差が小さくなった。

また、図４（ｂ）に示すように、ケーシングの容積を大きくするほど、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比は小さくなるものの、放電雰囲気の圧力を高くするにしたがって、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比が大きくなった。また、放電時間を長くするほど、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比が大きくなった。

以上の結果から、放電雰囲気の圧力が０．１ＭＰａ（大気圧雰囲気）程度である場合には、ケーシング１２０の容積が小さい方が、製造ガス中のＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比を向上させることができる。したがって、ケーシング１２０の容積が相対的に小さい場合に、ケーシング１２０に原料ガスを供給する原料供給部としてコンプレッサ１１０を用いる必要がなくなる。つまり、ケーシング１２０の容積が相対的に小さい場合には、原料供給部としてブロワを利用することができる。これにより、二酸化窒素富化ガス製造装置１００を小型化することが可能となる。

また、ケーシング１２０の容積が相対的に小さい場合、放電時間が相対的に短くても製造ガス中のＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比を向上させることができる。このため、ケーシング１２０の容積が相対的に小さい場合には、連続的に二酸化窒素富化ガスを製造することが可能となる。また、後述する第１冷却手段４１０を備える構成では、原料ガスの冷却効率を向上させることができる。

これに対し、ケーシング１２０の容積が相対的に大きい場合には、１回の処理で大量の二酸化窒素富化ガスを製造することができる。このため、開閉弁１１４、流量調整弁１２４の開閉回数を低減することができる。したがって、開閉弁１１４、流量調整弁１２４の耐久性を向上させることが可能となる。

また、１回の処理で製造される二酸化窒素富化ガスの量を多くできるため、後述するタンク４３０を備える構成では、タンク４３０における滞留時間を長くすることが可能となる。したがって、製造ガス中の一酸化窒素が二酸化窒素に変換される効率を向上させることができる。

（変形例）
上記第１の実施形態では、二酸化窒素富化ガス製造装置１００が、バッチ式で製造ガスを製造する構成を例に挙げて説明した。しかし、二酸化窒素富化ガス製造装置１００を用いて連続的に製造ガスを製造することもできる。この場合、開閉弁１１４、流量調整弁１２４を開放したまま、コンプレッサ１１０を駆動するとともに、放電部１３０による放電を維持する。なお、連続的に製造ガスを製造する場合、開閉弁１１４の上流側（配管１１２におけるコンプレッサ１１０と開閉弁１１４との間）に減圧弁を備えるとしてもよい。

また、連続的に製造ガスを製造する場合、開閉弁１１４に代えて、配管１１２に流量調整弁を設け、ケーシング１２０内の圧力を調整してもよい。この場合、流量調整弁１２４の開度を、配管１１２に設けられた流量調整弁の開度より小さくすることで、ケーシング１２０内の圧力を高圧に維持するとよい。

（放電雰囲気の圧力の検討）
連続的に製造ガスを製造した場合の、製造ガス中の二酸化窒素の濃度が最も高くなる放電雰囲気の圧力について検討を行った。

図５は、放電雰囲気の圧力の検討結果を説明する図であり、図５（ａ）は、放電雰囲気の圧力と二酸化窒素の濃度との関係を示し、図５（ｂ）は、放電雰囲気の圧力と窒素酸化物の濃度（ｐｐｍ）との関係を示し、図５（ｃ）は、放電雰囲気の圧力と二酸化窒素／窒素酸化物との関係を示す。

なお、ケーシング１２０の容積を１０ｍＬ、スパークギャップ長を１ｍｍ、放電部１３０に印加する電圧を７ｋＶ、原料ガス（空気）の流量を１Ｌ／ｍｉｎとして実験を行った。また、放電雰囲気の圧力が０．１ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａ、０．７ＭＰａの場合における製造ガス中の二酸化窒素の濃度、窒素酸化物の濃度を測定した。

その結果、図５（ａ）に示すように、放電雰囲気の圧力が、０．５ＭＰａに到達するまでは、圧力が上昇するに従って、製造ガス中の二酸化窒素の濃度が上昇したが、０．７ＭＰａでは二酸化窒素の濃度が低下した。また、図５（ｂ）に示すように、放電雰囲気の圧力が０．５ＭＰａに到達するまでは、圧力が上昇するに従って、製造ガス中の窒素酸化物の濃度が上昇したが、０．７ＭＰａでは窒素酸化物の濃度は減少した。また、図５（ｃ）に示すように、放電雰囲気の圧力が、０．５ＭＰａに到達するまでは、圧力が上昇するに従って、製造ガス中のＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比が上昇したが、０．７ＭＰａではＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比が低下した。

以上の結果から、製造ガス中のＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比を高め、また、製造ガス中の二酸化窒素の濃度を高めるためには、例えば、０．５ＭＰａ程度の放電雰囲気が好ましい。また、流量を小さくすることで、より高濃度の二酸化窒素を含む製造ガスを生成できると推測される。

（第２の実施形態：二酸化窒素富化ガス製造装置２００）
上記第１の実施形態では、１のケーシング１２０と、１の放電部１３０とを備えた二酸化窒素富化ガス製造装置１００について説明した。しかし、ケーシング１２０の数と、放電部１３０の数に限定はない。

図６は、第２の実施形態にかかる二酸化窒素富化ガス製造装置２００を説明する図である。二酸化窒素富化ガス製造装置２００は、コンプレッサ１１０と、複数のケーシング１２０と、複数の放電部１３０と、制御部１４０とを含んで構成される。なお、コンプレッサ１１０とケーシング１２０の接続以外については、上記第１の実施形態で説明した二酸化窒素富化ガス製造装置１００と実質的に等しいため、ここでは同一の符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、二酸化窒素富化ガス製造装置２００は、複数の放電部１３０（ここでは３つ、図６中、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃで示す）が直列に配され、放電部１３０ａはケーシング１２０ａ（１２０）によって囲繞され、放電部１３０ｂはケーシング１２０ｂ（１２０）によって囲繞され、放電部１３０ｃはケーシング１２０ｃ（１２０）によって囲繞される。

また、配管１１２は、コンプレッサ１１０とケーシング１２０ａとを接続し、配管２１０は、ケーシング１２０ａとケーシング１２０ｂとを接続し、配管２２０は、ケーシング１２０ｂとケーシング１２０ｃを接続する。そして、ケーシング１２０ｃに配管１２２が接続される。また、配管１１２には開閉弁１１４が設けられ、配管２１０には開閉弁２１２が設けられ、配管２２０には開閉弁２２２が設けられ、配管１２２には流量調整弁１２４が設けられる。

したがって、コンプレッサ１１０で昇圧された空気は、放電部１３０ａ（ケーシング１２０ａ）、放電部１３０ｂ（ケーシング１２０ｂ）、放電部１３０ｃ（ケーシング１２０ｃ）を順に通過することとなる。

これにより、連続的に製造ガスを製造した場合に、二酸化窒素富化ガス製造装置１００と比較して、空気の流量が等しい場合、空気が放電される時間を延長することができ、高濃度の二酸化窒素が含まれる製造ガスを製造することが可能となる。

（実施例）
二酸化窒素富化ガス製造装置１００と、二酸化窒素富化ガス製造装置２００（ケーシング１２０、放電部１３０がそれぞれ２つ）とで製造ガスを製造し、製造ガス中の二酸化窒素の濃度、窒素酸化物の濃度を測定した。

図７は、実験結果を説明する図であり、図７（ａ）は、二酸化窒素／窒素酸化物を示し、図７（ｂ）は、窒素酸化物の濃度（ｐｐｍ）を示す。

図７（ａ）に示すように、放電雰囲気の圧力が０．１ＭＰａの場合であっても、０．５ＭＰａの場合であっても、二酸化窒素富化ガス製造装置１００（図７中、黒色で示す）と比較して二酸化窒素富化ガス製造装置２００（図７中、白色で示す）の方が製造ガス中のＮＯ_２／ＮＯ_ｘ比が大きくなった。また、図７（ｂ）に示すように、放電雰囲気の圧力が０．１ＭＰａの場合であっても、０．５ＭＰａの場合であっても、二酸化窒素富化ガス製造装置１００と比較して二酸化窒素富化ガス製造装置２００の方が窒素酸化物の濃度が高くなった。

以上の結果から、連続的に製造ガスを製造する場合、二酸化窒素富化ガス製造装置１００よりも二酸化窒素富化ガス製造装置２００の方が、二酸化窒素含有率が高い製造ガスを製造できることが確認された。

（第３の実施形態：二酸化窒素富化ガス製造装置３００）
上記第２の実施形態では、複数の放電部１３０（ケーシング１２０）が直列に配される構成を例に挙げて説明した。しかし、複数の放電部１３０が並列に配されてもよい。

図８は、第３の実施形態にかかる二酸化窒素富化ガス製造装置３００を説明する図である。図８に示すように、二酸化窒素富化ガス製造装置３００は、コンプレッサ１１０と、複数のケーシング１２０（ここでは、３つ、図８中、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃで示す）と、複数の放電部１３０（ここでは３つ、図８中、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃで示す）と、制御部１４０とを含んで構成される。なお、コンプレッサ１１０とケーシング１２０の接続関係以外については、上記第１の実施形態で説明した二酸化窒素富化ガス製造装置１００と実質的に等しいため、ここでは同一の符号を付して説明を省略する。

図８に示すように、二酸化窒素富化ガス製造装置３００では、コンプレッサ１１０に３つの配管１１２ａ〜１１２ｃが接続され、配管１１２ａにケーシング１２０ａが接続され、配管１１２ｂにケーシング１２０ｂが接続され、配管１１２ｃにケーシング１２０ｃが接続される。また、放電部１３０ａはケーシング１２０ａによって囲繞され、放電部１３０ｂはケーシング１２０ｂによって囲繞され、放電部１３０ｃはケーシング１２０ｃによって囲繞される。

さらに、ケーシング１２０ａには、配管１２２ａが接続され、ケーシング１２０ｂには、配管１２２ｂが接続され、ケーシング１２０ｃには、配管１２２ｃが接続される。そして、配管１１２ａには開閉弁１１４ａが、配管１１２ｂには開閉弁１１４ｂが、配管１１２ｃには開閉弁１１４ｃが、それぞれ設けられ、配管１２２ａには流量調整弁１２４ａが、配管１２２ｂには流量調整弁１２４ｂが、配管１２２ｃには流量調整弁１２４ｃが、それぞれ設けられる。

かかる構成により、二酸化窒素富化ガス製造装置１００と比較して、同濃度の二酸化窒素を含む製造ガスを多量（ここでは３倍）に製造することができる。

（第４の実施形態：二酸化窒素富化ガス製造装置４００）
図９は、第４の実施形態にかかる二酸化窒素富化ガス製造装置４００を説明する図である。図９に示すように、二酸化窒素富化ガス製造装置４００は、コンプレッサ１１０と、ケーシング１２０と、放電部１３０と、制御部１４０と、第１冷却手段４１０と、タンク４３０とを含んで構成される。なお、第１冷却手段４１０、タンク４３０以外の構成については、上記第１の実施形態で説明した二酸化窒素富化ガス製造装置１００と実質的に等しいため、ここでは同一の符号を付して説明を省略する。

第１冷却手段４１０は、空冷機構（例えば、フィン）や水冷機構で構成され、配管１１２における開閉弁１１４の下流側に設けられ、配管１１２を通過する空気を冷却する。第１冷却手段４１０を備える構成により、放電雰囲気の空気の温度を低下させることができる。これにより、二酸化窒素の生成効率を向上させることが可能となる。

タンク４３０は、配管１２２における流量調整弁１２４の上流側に設けられ、ケーシング１２０から排出された製造ガスを一旦貯留する。これにより、製造ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素に変換することができる。したがって、供給先に供給される製造ガス中の二酸化窒素の濃度を向上させることが可能となる。

また、配管１２２におけるタンク４３０の上流側には開閉弁４２０が設けられる。これにより、バッチ式で製造した製造ガスをタンク４３０に貯留することができる。

（第５の実施形態：二酸化窒素富化ガス製造装置５００）
図１０は、第５の実施形態にかかる二酸化窒素富化ガス製造装置５００を説明する図である。図１０に示すように、二酸化窒素富化ガス製造装置５００は、コンプレッサ１１０と、ケーシング１２０と、放電部１３０と、制御部１４０と、循環手段５１０とを含んで構成される。なお、循環手段５１０以外の構成については、上記第１の実施形態で説明した二酸化窒素富化ガス製造装置１００と実質的に等しいため、ここでは同一の符号を付して説明を省略する。

循環手段５１０は、ケーシング１２０から排出された二酸化窒素富化ガスをケーシング１２０に再導入することで二酸化窒素富化ガスを循環させる。具体的に説明すると、循環手段５１０は、配管１２２におけるケーシング１２０と流量調整弁１２４との間と、配管１１２における開閉弁１１４とケーシング１２０との間とを接続する循環配管５２０と、循環配管５２０に設けられた開閉弁５３０と、循環配管５２０における開閉弁５３０の下流側に設けられたコンプレッサ５４０とを含んで構成される。

したがって、開閉弁５３０を開弁し、コンプレッサ５４０を駆動すると、ケーシング１２０を二酸化窒素富化ガスが循環することになる。これにより、ケーシング１２０内において製造される二酸化窒素富化ガス中に二酸化窒素の濃度を向上させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、窒素と酸素を少なくとも含む原料ガスとして空気を例に挙げて説明した。しかし、空気よりも酸素の割合が多い混合ガス（酸素富化ガス）を原料ガスとしてもよい。これにより、製造ガス中の二酸化窒素の濃度を向上させることが可能となる。

また、上記実施形態において、原料ガスをケーシング１２０に供給する原料供給部としてコンプレッサを例に挙げて説明した。しかし、原料供給部は、ケーシング１２０に原料ガスを供給できれば、構成に限定はない。例えば、原料供給部としてブロワを用いてもよい。また、原料供給部として、原料ガス（例えば、空気、酸素富化ガス等）を充填したボンベと、ボンベに接続された供給管と、供給管に設けられたバルブとを用いてもよい。つまり、ボンベから原料ガスを減圧してケーシング１２０に供給してもよい。

また、上記実施形態において、放電部１３０がケーシング１２０で囲繞される構成を例に挙げて説明した。しかし、放電部１３０は、高圧に維持された原料ガス中で放電させることができればよく、例えば、コンプレッサ１１０の出口に接続された配管内に放電部１３０が設けられてもよい。

また、上記実施形態において、１の放電部１３０が１のケーシング１２０に囲繞される構成を例に挙げて説明した。しかし、複数の放電部１３０が１のケーシング１２０に囲繞されてもよい。

また、上記実施形態において、放電部１３０として、スパークプラグを例に挙げて説明した。しかし、放電部１３０は、空気中で放電させることができれば、構成に限定はない。例えば、コロナ放電させる装置、アーク放電させる装置、交流電圧を使用した無電極放電（高周波放電）を行わせる装置等であってもよい。

また、放電部１３０がケーシング１２０で囲繞されない構成（大気中で放電させる構成）で製造された製造ガス（二酸化窒素富化ガス）における、窒素酸化物中の二酸化窒素の割合は、１割程度となる。

また、上記第４の実施形態において、ケーシング１２０、第１冷却手段４１０をそれぞれ１つずつ備えた二酸化窒素富化ガス製造装置４００を例に挙げて説明した。しかし、上記第２の実施形態のように、ケーシング１２０を複数備える場合、ケーシング１２０の手前に第１冷却手段４１０を備えるとよい。例えば、配管１１２、２１０、２２０に第１冷却手段４１０を設けるとよい。

また、上記第４の実施形態において、放電部１３０に供給される前の空気を冷却する第１冷却手段４１０について説明した。しかし、ケーシング１２０から排出された（放電部１３０によって放電された後の）製造ガスを冷却する第２冷却手段を備えてもよい。これにより、製造ガス中の二酸化窒素の濃度を向上させることができる。

また、上記第５の実施形態において、循環手段５１０は配管１２２の二酸化窒素富化ガスをケーシング１２０に再導入する構成を例に挙げて説明した。しかし、タンク４３０を備える場合、タンク４３０に貯留された二酸化窒素富化ガスをケーシング１２０に再導入してもよい。

なお、本明細書の二酸化窒素富化ガス製造方法の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、二酸化窒素ガスを製造する二酸化窒素富化ガス製造装置および二酸化窒素富化ガス製造方法に利用することができる。

１００、２００、３００、４００、５００二酸化窒素富化ガス製造装置
１１０コンプレッサ（原料供給部）
１２０ケーシング
１３０放電部
１４０制御部
４１０第１冷却手段
５１０循環手段

Claims

窒素および酸素を少なくとも含む原料ガスから、該原料ガスよりも二酸化窒素の濃度が高い二酸化窒素富化ガスを製造する二酸化窒素富化ガス製造装置であって、
前記原料ガスを収容するケーシングと、
前記ケーシング内に配され、前記原料ガス中で放電させる１または複数のスパークプラグと、
前記原料ガスを昇圧して前記ケーシングに供給し、該ケーシング内の該原料ガスの圧力を、０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の所定の圧力にする原料供給部と、
を備えたことを特徴とする二酸化窒素富化ガス製造装置。
前記二酸化窒素富化ガスにおける、窒素酸化物中の二酸化窒素の割合は、１割以上である請求項１に記載の二酸化窒素富化ガス製造装置。
前記原料供給部によって昇圧された前記原料ガスを冷却する第１冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の二酸化窒素富化ガス製造装置。
前記ケーシングから排出された二酸化窒素富化ガスを冷却する第２冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の二酸化窒素富化ガス製造装置。
前記ケーシングから排出された二酸化窒素富化ガスを該ケーシングに再導入する循環手段を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の二酸化窒素富化ガス製造装置。
前記スパークプラグによって放電された後の前記二酸化窒素富化ガス中の二酸化窒素の濃度が所定の目標濃度となるように、前記ケーシング内の前記原料ガスの圧力、および、前記スパークプラグによる放電時間のいずれか一方または両方を制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の二酸化窒素富化ガス製造装置。
窒素および酸素を少なくとも含む原料ガスから、該原料ガスよりも二酸化窒素の濃度が高い二酸化窒素富化ガスを製造する二酸化窒素富化ガス製造方法であって、
ケーシングに収容された、０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の所定の圧力の前記原料ガス中で、スパークプラグを用いて放電させる工程を含むことを特徴とする二酸化窒素富化ガス製造方法。