JPH05309224A

JPH05309224A - 酸素分離装置

Info

Publication number: JPH05309224A
Application number: JP4117455A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Motokawa; 光博本河; Mitsuyuki Sunose; 満幸須納瀬; Yoichi Murao; 洋一村尾; Toyohiko Masuda; 豊彦増田; Kunio Osaka; 邦夫大坂; Kazuaki Tsuda; 一明津田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Kobe Steel Ltd
Priority date: 1992-05-11
Filing date: 1992-05-11
Publication date: 1993-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】空気等の混合ガス中からの酸素の分離効率を
高める。【構成】４以上の偶数個の磁石１２を周方向に並べ、
かつ、これらの磁石１２において中心に向かう側の磁極
が両隣の磁石１２において中心に向かう側の磁極と異な
るように各磁石１２を配置する。これらの磁石１２で囲
まれた中心部分に、これらの磁石１２の並び方向と直交
する方向に混合ガスを通過させるガス通路１３を形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気等の混合ガスから
磁力により酸素を分離する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、酸素は常磁性を有し、その磁化
率χ（20℃で106.2×10~⁶ＣＧＳ電磁単位）は他の気体
に比べて特に大きい。しかも、他のほとんどの気体は反
磁性であり、また、その磁化率は非常に小さなものであ
る。従って、上記酸素の常磁性を利用することにより、
空気をはじめとする酸素含有ガスから酸素を磁力で分離
することが可能である。このような分離操作によって、
酸素濃縮ガスを低廉に得ることができ、石炭ガス化複合
発電や、微粉末燃焼発電の発電効率の向上等に寄与する
ことができる。このため、従来より混合ガス中から酸素
を磁気的に分離する手段が種々提案されている。

【０００３】例えば、特開平１−１５７４０５号公報に
は、超電導材料により形成された磁石を容器内に収容
し、この容器内に空気を流すことにより、上記磁石の周
辺に空気中の酸素を磁力で集め、その後、上記酸素を加
熱してその常磁性を弱めることにより、酸素を磁石周辺
から引き離すようにしたものが示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に示される装
置では、磁石を容器内に並べ、この容器内に空気を導入
することにより、磁石の周囲に一様に空気を流すもので
あるため、磁石により引き付けられる酸素は少なく、残
りの酸素はそのまま磁石を通過してしまう。従って、高
い効率で酸素を分離することは難しい。

【０００５】また酸素は、上記のような常磁性を有する
といっても、その磁化率χは一般の磁性体（例えば鉄
等）と比べると小さく、従って、その分離を行うには非
常に強い磁界が必要である。このような磁界を得るた
め、上記公報に示す装置では超電導磁石を用いている
が、このような超電導磁石は高価であり、コスト高は免
れ得ない。また、超電導磁石を用いる場合でも、酸素分
離効率の向上を目指すには、より一層の磁界の改善が必
要である。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑み、空気等
の混合ガス中から酸素を高い効率で分離することができ
る酸素分離装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】酸素の磁化率をχ、磁場
の強さをＨo 、磁場強さの勾配（以下、磁場勾配と称す
る。）をｄＨo／ｄｘとすると、この磁場において単位
体積当たりの酸素に作用する磁気力Ｆは次の式で表され
る。

【０００８】Ｆ＝χ・Ｈo・(ｄＨo／ｄｘ）従って、上記磁場勾配ｄＨo／ｄｘもしくは磁場の強さ
Ｈo を高めることにより、混合ガス中から酸素を分離す
る力を強化することができる。

【０００９】本発明は、このような点に着目してなされ
たものであり、酸素を含む混合ガス中から磁力により酸
素を分離する装置において、４以上の偶数個の磁石をそ
の両極が半径方向を向く状態で互いに離間させて周方向
に並べ、かつ、これらの磁石において中心に向かう側の
磁極が両隣の磁石において中心に向かう側の磁極と異な
るように各磁石を配置するとともに、これらの磁石で囲
まれた中心部分にこれらの磁石の並び方向と直交する方
向に上記混合ガスを通過させるガス通路を形成したもの
である。

【００１０】ここで、「４以上の偶数個」とは周方向の
磁石の並び個数であり、ガス通路の長手方向について
は、各磁石を任意の個数に分割してもよい。

【００１１】また、各磁石において半径方向外側を向く
磁極同士を磁性体からなる外側接続部材で接続すること
により、より好ましいものとなる（請求項２）。

【００１２】また本発明は、酸素を含む混合ガス中から
磁力により酸素を分離する装置において、一対の磁石を
同じ磁極同士が互いに対向する向きに配置するととも
に、これらの磁石の間に、これらの磁石の並び方向と直
交する方向に混合ガスを通過させるガス通路を形成した
ものである（請求項３）。

【００１３】さらに、各磁石とガス通路との間に、磁性
体からなり、ガス通路に向かうに従って断面積が減少す
る形状の磁束絞り部材を設けたり（請求項４）、各磁石
を超電導磁石で構成したり（請求項５）、上記ガス通路
の上流側に、このガス通路に導入される混合ガスを予冷
する予冷手段を設けたりすれば（請求項６）、より効果
的となる。混合ガスを予冷する場合には、上記磁石及び
ガス通路を収容する保冷容器を備え、この保冷容器にそ
の内部に混合ガスを導入するためのガス入口を設けると
ともに、上記ガス通路の入口部分を上記保冷容器の内部
に臨ませ、ガス通路の出口部分を保冷容器の外部に導出
する（請求項７）ことにより、後述のようなより優れた
効果が得られる。

【００１４】また、ガス通路へのガスの出入構造につい
ては、上記ガス通路の一方の端部の中央に混合ガス入口
を設け、その径方向外側に酸素濃縮ガス出口を設けると
ともに、他方の端部の中央に酸素減損ガス出口を設け、
その径方向外側に混合ガス入口を設けたものが好適であ
る（請求項８）。

【００１５】

【作用】請求項１記載の装置では、磁石で囲まれたガス
通路内に、その長手方向に沿って磁場が形成される。こ
の磁場の磁場勾配ｄＨo／ｄｘは、通路中心部で０、通
路周縁部で最大となり、この最大値は、単一の磁石の磁
極近傍における磁場勾配よりも非常に高い値となる。従
って、上記ガス通路内に集中して混合ガスを通すことに
より、このガス中の酸素を上記ガス通路の周縁部に高い
効率で集めることができる。

【００１６】請求項２記載の装置では、上記装置の各磁
石において半径方向外側を向く磁極同士を磁性体からな
る外側接続部材で接続しているので、各磁石及び外側接
続部材によって磁気回路が形成され、これによって、磁
場が外部に漏れることが防がれる。

【００１７】請求項３記載の装置においても、互いに対
向する磁石の間には、磁場勾配が中心部で０、磁石近傍
で最大値となる磁界が形成されるので、これらの磁石の
間に形成されたガス通路内に集中して混合ガスを通すこ
とにより、酸素を効率良く集めることができる。

【００１８】さらに、請求項４記載の装置では、ガス通
路と磁石との間に設けられた磁束絞り部材により、各磁
石からガス通路に向けて磁束が絞られ、ガス通路近傍の
磁束密度が高められる。これに伴い、ガス通路内の磁場
の強さも高まり、混合ガス中から酸素を集めるための磁
気力はより強化される。

【００１９】請求項５記載の装置では、超電導磁石によ
って強力な磁場を形成することができる。

【００２０】請求項６記載の装置では、ガス通路への導
入前に混合ガスを予冷し、その温度を下げておくことに
より、混合ガス中の酸素の磁化率χを高めることがで
き、これにより、酸素に作用する磁気力を高めることが
できる。

【００２１】さらに、請求項７記載の装置では、予冷し
たガスを保冷容器内に導入することにより、この保冷容
器内にある磁石を他の冷却手段を用いずに冷却すること
ができ、このように磁石の温度を下げることにより、酸
素の磁化率χをさらに高めることができる。

【００２２】請求項８記載の装置では、ガス通路の双方
の端部から混合ガスが導入されることにより、ガス通路
内には対向流が形成される。すなわち、磁力による酸素
分離でガス通路の周縁部に生成された酸素濃縮ガスは、
ガス通路の一方の端部の酸素濃縮ガス出口から回収さ
れ、中央部に残った酸素減損ガスは、他方の端部の中央
に設けられた酸素減損ガス出口から通路外へ導出される
ことになり、ガス通路の一方の端部には混合ガス（原料
ガス）と酸素濃縮ガスとが併存し、他方の端部には酸素
減損ガスと混合ガス（原料ガス）とが併存する。従っ
て、ガス通路のどの地点においても、互いに併存するガ
ス同士の濃度比は小さくなる。

【００２３】

【実施例】本発明の第１実施例を図１〜図４に基づいて
説明する。

【００２４】図１，２において、１０は水平方向のガス
通路１３を内部に形成するガス通路管であり、このガス
通路管１０は、ステンレス鋼等の非磁性材料で形成され
ている。このガス通路管１０の周囲には、永久磁石から
なる６個の磁石１２が、上記ガス通路管１０の長手方向
と直交する周方向に並べて配設されている。各磁石１２
は、上記ガス通路管１０と平行な水平方向に延びる板状
をなし、そのＮＳ両極が半径方向を向く状態で配置され
ており、しかも、任意の磁石１２において上記ガス通路
管１０側に向く磁極が、この磁石１２の両隣の磁石１２
において上記ガス通路管１０側に向く磁極と異なるよう
に、各磁石１２の向きが設定されている。すなわち、各
磁石１２のうちＮ極がガス通路管１０側を向く磁石１２
の隣には、Ｓ極がガス通路管１０を向く磁石１２が存在
するように各磁石１２が配置されている。

【００２５】なお、各磁石１２の具体的な材質は問わな
いが、なるべく強い永久磁石を用いることが望ましい。
具体的には、ネオジム磁石（ネオジム・鉄・ボロン磁
石）、サマリウム磁石（サマリウム・コバルト磁石）、
アルニコ磁石（アルミニウム・ニッケル・コバルト磁
石）、フェライト磁石（酸化鉄磁石）等が好適である。

【００２６】各磁石１２とガス通路管１０との間には、
ヨーク（磁束絞り部材）１４が配設されている。各ヨー
ク１４は、各磁石１２からガス通路管１０に向かうに従
って断面積が減少するくさび状（この実施例では略三角
柱状）に形成されている。このヨーク１４は、磁束の通
り易い磁性体であれば良く、その具体的な材質として
は、軟鉄（純鉄を焼き鈍ししたもの）や鉄・コバルト合
金等が好適である。

【００２７】各磁石１２同士及びヨーク１４同士は互い
に離間しており、その間にはスペーサ１６が介設されて
いる。このスペーサ１６は、非磁性のものであれば良
く、ベークライト等の合成樹脂や、ステンレス鋼等の金
属、セラミックス、木材等からなるものが適用可能であ
る。

【００２８】上記磁石１２、ヨーク１４、及びスペーサ
１６は、鉄等の磁性体で形成された大内径の外管（外側
接続部材）１１内に充填されており、外管１１の内周面
と各磁石１２の外周面との間には、同じく鉄等の磁性体
で形成された接続部材（外側接続部材）１８が嵌入され
ている。各接続部材１８は、磁石１２の外側面と密着可
能な平面状の内周面と、外管１１の内周面と密着可能な
円筒面状の外周面とを有しており、これら接続部材１８
と上記外管１１とにより、各磁石１２において半径方向
外側を向く磁極同士が互いに接続された状態となってい
る。

【００２９】前記ガス通路管１０の入口側（図２では左
側端部）には、フィルタ２０、ファン２２、及び温度調
節器（予冷手段）２４が直列に接続されている。温度調
節器２４は、液化天然ガスの冷熱利用等により、ガス通
路管１０内に導入される空気を一定の温度まで予冷する
ものである。ガス通路管の出口側（右側）端部は終端壁
２５で塞がれており、その直手前の外周壁からは、径方
向に酸素濃縮空気導出管１０ａが分岐している。上記終
端壁２５には、これを貫通するようにして酸素減損空気
導出管２６が着脱可能に装着されている。

【００３０】また、上記外管１１や、この外管１１内の
充填物、すなわちガス通路管１０や磁石１２等は、図外
の冷却手段で上記温度調節器２４による予冷温度と同等
の温度まで冷却されるようになっている。

【００３１】次に、この装置の作用を説明する。

【００３２】まず、ファン２２の作動により、原料空気
がフィルタ２０を通って温度調節器２４内に導入され、
この温度調節器２４で一定温度まで予冷された後にガス
通路管１０内に導入される。

【００３３】このガス通路管１０内では、上記６個の磁
石１２によって磁場が形成される。図３は、上記磁場に
おける磁力線を簡略的に図示し、図４（ａ）（ｂ）は、
新積分方程式法に基づいて上記磁場のコンピュータ解析
を行った結果を示したものであり、同図（ａ）は磁場ベ
クトル図、同図（ｂ）は磁場強度等高線図を表してい
る。これらの図に示すように、ガス通路内においては、
３個の磁石１２のＮ極からその両隣の磁石１２のＳ極に
向かって磁力線が走り、しかも、磁場強度等高線は、ガ
ス通路管１０の中心部分に存在せず、内周面近傍（すな
わちガス通路の周縁部）で密となっている。これは、ガ
ス通路管１０の中心点Ｏでは磁場勾配ｄＨo／ｄｘが０
で、ガス通路管１０の内周面近傍で磁場勾配ｄＨo／ｄ
ｘが最大となっていることを物語っており、この最大値
は、単一の磁石の磁極近傍における磁場勾配の値よりも
非常に大きなものとなっている。しかも、このような磁
場勾配の高い個所は、ガス通路１３の周縁部にその全周
にわたって形成されている。

【００３４】従って、このガス通路１３内に導入された
空気中の酸素は、前記式に示された磁気力Ｆでガス通
路１３の内周面近傍に高い効率で集められ、この個所に
高濃度の酸素濃縮空気が生成されることとなる。この酸
素濃縮空気は、ガス通路管１０終端中心部に設けられた
酸素減損空気導出管２６の外側を通って酸素濃縮空気導
出管１０ａから系外に回収され、残りの酸素減損空気
は、酸素減損空気導出管２６を通って排気される。

【００３５】以上のように、この装置では、６個の磁石
１２を周方向に並べて、その中央にあるガス通路管１０
の内周面近傍にその全周にわたって大きな磁場勾配を発
生させ、このガス通路管１０内に集中して原料空気を通
すようにしたものであるので、従来のように磁石を収納
した容器内に漫然と原料空気を流すだけの装置に比べ、
より高い効率で酸素の分離、回収を行うことができる。

【００３６】さらに、この実施例では次のような効果を
得ることができる。

【００３７】(a) 磁束密度は投影面積に反比例するの
で、各磁石１２とガス通路管１０との間に設けたヨーク
１４により、各磁石１２からの磁束を絞って磁束密度を
高めることができる。これに伴い、ガス通路管１０内の
磁場の強さＨo を上げることができ、これと上記磁場勾
配の強化との相乗効果で、酸素の回収効率を飛躍的に高
めることができる。例えば、上記磁石１２として 0.1
テスラ程度の磁束密度をもつネオジム−鉄系の永久磁石
を用いても、上記ヨーク１４によって１テスラ程度の磁
束密度を容易に得ることができる。

【００３８】(b) 酸素の磁化率χは、絶対温度に反比例
するので、ガス通路１３への導入前に温度調節器２４で
原料空気を予冷することにより、空気中の酸素の磁化率
χを高めることができ、これによって、酸素に作用する
磁気力Ｆ（式）をさらに向上させることができる。例
えば、液化天然ガス（−１６４℃）の冷熱を利用すれ
ば、−１５４℃（１１９Ｋ）程度の低温状態で操作する
ことができ、この場合には、常温（２０℃；２９３Ｋ）
における酸素磁化率χ（＝106.2×10~⁶）の２倍以上の
酸素磁化率χ（＝261.5×10~⁶）を得ることができる。

【００３９】(c) 各磁石１２の外側に磁性体からなる外
管１１を配し、この外管１１と各磁石１２の外側磁極と
を接続部材１８で接続しているので、互いに隣接する磁
石１２同士の間には図１破線に示すような磁気回路が形
成されることになり、これによって、磁界が装置外に漏
れることが未然に防がれる。

【００４０】(d) ガス通路管１０に対して酸素減損空気
導出管２６を着脱可能に装着しているので、この酸素減
損空気導出管２６にゴミ等が付着した場合には、酸素減
損空気導出管２６を抜き取って容易に清掃することがで
き、また交換も可能となる。また、装着時には、酸素減
損空気導出管２６の外側から酸素濃縮空気導出管１０ａ
を通じて酸素濃縮空気を容易に回収するとともに、残り
の酸素減損空気を上記酸素減損空気導出管２６を通じて
そのまま排気することができる。

【００４１】なお、この実施例において磁石１２の個数
は６個に限定されず、４個、あるいは８個以上の偶数個
の磁石１２を用いても、同様の効果を得ることができ
る。この場合も、任意の磁石１２において上記ガス通路
管１０側に向く磁極が、この磁石１２の両隣の磁石１２
において上記ガス通路管１０側に向く磁極と異なるよう
に、各磁石１２の向きが設定すればよい。

【００４２】第２実施例を図５，６に示す。ここでは、
前記実施例に示したガス通路管１０が省略され、ヨーク
１４及びスペーサ１６の内周面によって直接ガス通路１
３が形成されている。そして、このガス通路１３の終端
部に補助管１０が接続され、この補助管１０に前記実施
例と同様の酸素減損空気導出管２６及び酸素濃縮空気導
出管１０ａが設けられている。

【００４３】このような構造によれば、上記ガス通路管
１０の省略により、ガス通路１３内に直接的に磁場を形
成することができ、これによって磁場の強さを高めるこ
とができる。ただし、上記第１実施例に示した装置によ
れば、ガス通路管１０の使用により、ガス通路１３を通
過する空気が磁石１２側に漏れるのをより確実に防ぐこ
とができる利点がある。

【００４４】第３実施例を図７に示す。ここでは、前記
第１実施例におけるガス通路管１０の一方の端部（図例
では左側端部）の中央に空気入口（混合ガス入口）３１
が設けられ、その径方向外側の外周部に酸素濃縮空気出
口（酸素濃縮ガス出口）３３が設けられるとともに、他
方の端部（右側端部）の中央に酸素減損空気出口（酸素
減損ガス出口）３２が設けられ、その径方向外側の外周
部に空気入口３１が設けられている。

【００４５】このような構造によれば、ガス通路管１０
内に対して両端部から空気が導入されるので、ガス通路
管１０内には対向流が形成され、各地点において互いに
濃度の異なるガス同士が併存する。例えば、図７の左側
端部近傍では原料空気と酸素濃縮空気が併存し、右側端
部近傍では酸素減損ガスと原料空気とが併存する。

【００４６】これに対し、前記第１及び第２実施例に示
すように、ガス通路管１０の一方の端部からのみ空気を
導入するようにすると、この導入側端部では空気のみが
存在し、導出側端部では酸素濃縮空気と酸素減損空気と
が存在することになる。すなわち、このように一方の端
部からのみ空気を導入する場合には、その反対側の導出
側端部に近づくに従って、併存するガス同士の酸素濃度
比が次第に高くなるのに対し、第３実施例の装置の場合
には、いずれの端部においても酸素濃度比は高くならな
い。

【００４７】一方、両実施例装置の酸素分離性能が等し
いとすると、いずれの装置においても、各地点で得られ
る共存ガスの酸素濃度比の限界値はほぼ同じである。従
って、空気をガス通路管の一方の端部からのみ導入する
場合には、その反対側の導出側端部に近づくに従い、共
存する酸素濃縮ガスと酸素減損ガスの酸素濃度比が限界
値に近づき、その分酸素分離効率が低減していくのに対
し、本実施例（第３実施例）のように対向流を形成すれ
ば、どの地点においても、共存するガス同士の酸素濃度
比を上記限界値より十分低く抑えることができ、これに
よって、ガス通路管１０の長手方向全域にわたって効率
良く酸素分離を行うことができる利点がある。

【００４８】なお、この対向流の形成は、前記第２実施
例に示した装置においても可能である。この場合には、
ガス通路１３の両端部に補助管を接続し、一方の補助管
に上記空気入口３１及び酸素濃縮空気出口３３を設け、
他方の補助管に上記酸素減損空気出口３２及び空気入口
３１を設ければよい。

【００４９】次に、第４実施例を図８に基づいて説明す
る。

【００５０】図において、３４は発砲スチロール等の断
熱材で形成された保冷容器であり、この保冷容器３４
は、天壁３６、底壁３７、及び側壁３８によって箱状に
形成されている。そして、この保冷容器３４内に、前記
第１実施例で示したガス通路管１０、磁石１２、ヨーク
１４、接続部材１８、及び外管１１がそのまま収容され
ている。

【００５１】詳しくは、上記外管１１の下面に脚４２が
接続され、この脚４２が上記底壁３７を貫通する状態で
その下端が地盤に固定されている。ガス通路管１０の入
口側端部（図８では左側端部）は保冷容器３４内に臨む
一方、出口側端部は側壁３８を貫いて保冷容器３４の外
側に導出されており、この導出部分に、前記実施例と同
様の酸素濃縮空気導出管１０ａ及び酸素減損空気導出管
２６が設けられている。また、上記ガス通路管１０が貫
いている側壁３８には、これを貫く状態で空気導入管
（ガス入口）４０が装着されており、この空気導入管４
０に前記実施例に示した温度調節器２４及び図略のファ
ン等が接続されている。

【００５２】このような装置によれば、上記温度調節器
２４で予冷された原料空気は、原料空気導入管４０を通
じて保冷容器３４内に導入された後、この保冷容器３４
の内側でかつ外管１１の外側の空間を通ってからガス通
路管１０内に入る。従って、この予冷済の原料空気を利
用することにより、特別な冷却手段を用いることなく外
管１１及びその内部の装置要素を冷却することができ
る。そして、ガス通路管１０内に原料空気が入った後
は、前記各実施例と同様にして酸素の分離を行うことが
でき、保冷容器３４外側の酸素濃縮空気導出管１０ａか
ら酸素濃縮空気を回収することができる。

【００５３】次に、第５実施例を図９に示す。この実施
例では、上記外管１１及びその充填物全体をクライオス
タット内に収容するとともに、分離用の磁石として、鉄
心５１及び超電導コイル５２からなる超電導磁石５０を
用いた例を示している。

【００５４】図において、５４は液体ヘリウム槽であ
り、この液体ヘリウム槽５４内に液体ヘリウム５６が収
容され、この液体ヘリウム５６に上記外管１１及びその
充填物が浸漬されている。外管１１の内部は密閉されて
おり、液体ヘリウム５６の侵入が阻止されている。ま
た、各超電導磁石５０間のスペーサ１６は、ステンレス
鋼からなる多数のピースを充填することにより形成され
ている。

【００５５】上記液体ヘリウム槽５４の外側には、液体
窒素６１を収容する液体窒素槽６０が配されており、こ
の液体窒素槽６０と液体ヘリウム槽５４との間には真空
層５９が形成されている。さらに、上記液体窒素槽６０
の外側には外筒６２が設けられ、この外筒６２と液体窒
素槽６０との間にも真空層６３が形成されている。

【００５６】一方、上記外管１１に収容された装置本体
は、全体がドーナツ状とされ、その内側に内筒１０１が
設けられている。そして、この内筒１０１と、上記装置
本体の内壁１０２との間にも真空層４４が形成されてい
る。

【００５７】このような装置によれば、クライオスタッ
ト内の低温下で超電導磁石５０を用いることにより、極
めて強い磁界を形成することができる。

【００５８】次に、第６実施例を図１０に基づいて説明
する。

【００５９】ここでは、図１０（ａ）に示すように、一
対の磁石７０が対向して配置されており、しかも、各磁
石７０の向きは、その同じ磁極同士（図例ではＮ極同
士）が互いに対向するように設定されている。そして、
両磁石７０の間に、図面の奥行き方向に空気を通すガス
通路１３が形成されている。

【００６０】このような配置においても、両磁石７０の
間には図示のような磁界が形成され、ガス通路１３の中
心点Ｏで磁場勾配が０となり、磁石７０の磁極近傍で非
常に大きな磁場勾配が得られるので、上記ガス通路１３
内に集中的に空気を流すことにより、従来に比べてより
高い効率で酸素を分離、回収することができる。ただ
し、前記各実施例に示したように、４以上の偶数個の磁
石を周方向に並べるようにすれば、ガス通路１３の周縁
部に、その全周にわたって高い磁場勾配を発生させるす
ることができるため、ガス通路１３周縁部の全周をフル
に活用して酸素の回収効率をさらに高めることができる
利点がある。

【００６１】なお、上記第６実施例の場合、一対の磁石
７０の同じ磁極同士を対向させることが肝要である。す
なわち、同図（ｂ）に示すように互いに異なる磁極同士
を対向させた場合には、両磁極の間に高い磁場勾配が生
じず、高い酸素回収効率を期待することができなくな
る。

【００６２】本発明は、以上説明した実施例に限定され
ることはなく、例として次のような態様を採ることも可
能である。

【００６３】(1) 上記各実施例では、磁束絞り部材であ
るヨーク１４を用いた例を示しているが、強力な磁石を
用いる場合、例えば図９に示したような超電導磁石５０
を用いる場合には、ヨーク１４の省略も可能である。

【００６４】(2) 本発明において、原料となる混合ガス
は上記空気に限らず、酸素を含む種々の混合ガスから酸
素を分離する場合に、本発明を広く適用することができ
る。

【００６５】(3) 上記実施例では、磁石１２及びヨーク
１４がガス通路１３の長手方向に連続しているものを示
したが、これらが同方向に複数に分割されていてもよ
い。

【００６６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば次のよう
な効果を得ることができる。

【００６７】まず、請求項１記載の装置は、４以上の偶
数個の磁石を周方向に並べ、かつ、これらの磁石におい
て中心に向かう側の磁極が両隣の磁石において中心に向
かう側の磁極と異なるように各磁石を配置するととも
に、これらの磁石で囲まれた中心部分に、これらの磁石
の並び方向と直交する方向に混合ガスを通過させるガス
通路を形成したものであるので、上記ガス通路の周縁部
で大きな磁場勾配を得ることができ、このガス通路に集
中して混合ガスを通すことにより、このガス中の酸素を
上記ガス通路の周縁部に効率良く集めることができる効
果がある。しかも、上記ガス通路の周縁部に、その全周
にわたって高い磁場勾配を発生させることができるの
で、ガス通路周縁部全周をフルに活用することにより、
酸素の分離効率をより高めることができる。

【００６８】ここで、請求項２記載の装置では、各磁石
において半径方向外側を向く磁極同士を磁性体からなる
外側接続部材で接続しているので、各磁石及び外側接続
部材によって磁気回路を形成することにより、磁場が外
部に漏れることを未然に防ぐことができる効果がある。

【００６９】請求項３記載の装置は、一対の磁石をその
同じ磁極同士が互いに対向する向きに配置するととも
に、これらの磁石の間にガス通路を形成したものである
ので、上記磁石の近傍で大きな磁場勾配を発生させると
ともに、これら磁石の間のガス通路に集中的に混合ガス
を通すことにより、酸素を高い効率で分離することがで
きる効果がある。

【００７０】請求項４記載の装置では、上記各磁石とガ
ス通路との間に、磁性体からなり、ガス通路に向かうに
従って断面積が減少する形状の磁束絞り部材を設けてい
るので、この磁束絞り部材によってガス通路周縁の磁束
密度をより高め、ひいては磁界の強さを高めることがで
き、これによって酸素の分離効率をさらに向上させるこ
とができる効果がある。

【００７１】請求項５記載の装置では、上記磁石として
超電導磁石を用いることにより、より強力な磁場を形成
することができる。

【００７２】請求項６記載の装置は、上記ガス通路内に
混合ガスを導入する前に、この混合ガスを予冷する予冷
手段を備えているので、この予冷によって上記混合ガス
中の酸素の磁化率を高めることができ、これにより、こ
の酸素を回収するための磁気力をさらに高めることがで
きる効果がある。

【００７３】さらに、請求項７記載の装置は、上記磁石
及びガス通路全体を収容する保冷容器を備えるととも
に、この保冷容器にその内部に混合ガスを導入するため
のガス入口を設け、上記ガス通路の入口部分を上記保冷
容器の内部に臨ませ、ガス通路の出口部分を保冷容器の
外部に導出したものであるので、予冷済の混合ガスを保
冷容器内で上記磁石の外側に流すことにより、特別な冷
却手段を用いることなく磁石等を冷却することかでき、
コスト上昇を伴うことなく酸素の回収効率を上げること
ができる効果がある。

【００７４】請求項８記載の装置は、上記ガス通路の一
方の端部の中央に混合ガス入口を設け、その外側に濃縮
酸素ガス出口を設けるとともに、他方の端部の中央に酸
素減損ガス出口を設け、その外側に混合ガス入口を設け
たものであるので、上記ガス通路内で対向流を形成し、
各地点において共存するガス同士の酸素濃度比を抑える
ことにより、ガス通路の長手方向全域にわたって高い効
率で酸素分離を行うことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における酸素分離装置の断
面正面図である。

【図２】上記酸素分離装置の一部断面側面図である。

【図３】上記酸素分離装置においてガス通路管内に形成
される磁界を模式的に表した断面正面図である。

【図４】（ａ）は上記ガス通路管内の磁場ベクトルを表
した図、（ｂ）は上記ガス通路管内の磁場強度等高線図
である。

【図５】第２実施例における酸素分離装置の断面正面図
である。

【図６】上記酸素分離装置の一部断面側面図である。

【図７】第３実施例における酸素分離装置におけるガス
通路管の断面側面図である。

【図８】第４実施例における酸素分離装置の断面側面図
である。

【図９】第５実施例における酸素分離装置の断面平面図
である。

【図１０】（ａ）は第６実施例における酸素分離装置の
要部を示す正面図、（ｂ）は本発明の酸素分離装置とは
異なる磁石の配置を示す正面図である。

【符号の説明】

１０ガス通路管１１外管（外側接続部材を構成）１２，７０磁石１３ガス通路１４ヨーク（磁束絞り部材）１８接続部材（外側接続部材）２４温度調節器（予冷手段）３１空気入口（混合ガス入口）３２酸素減損空気出口（酸素減損ガス出口）３３酸素濃縮空気出口（酸素濃縮ガス出口）３４保冷容器４０空気導入管（ガス入口）５０超電導磁石

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【手続補正書】

【提出日】平成５年７月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】酸素分離装置

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【０００２】

【０００４】

【０００７】

【００１５】

【００２３】

【００３１】次に、この装置の作用を説明する。

【００４４】実際に、この第２実施例装置において、次
の表１の条件下で実験を行うことにより、表２の結果を
得ることができた。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】この実験では、入口空気の酸素濃度を一定
とし、入出口の酸素濃度差をジルコニア固体電解質を用
いた固体電解質酸素濃淡電池式の酸素濃度計で測定する
ことにより、この酸素濃度差から出口酸素濃縮空気の酸
素濃度を算出した。また、測定に際しては、予め精度確
認（ゼロ点調整、スパン調整等）を行い、実際の酸素濃
度差と上記酸素濃度計の表示とが等しいことを確認した
後に実験を進めた。

【００４８】上記表２に示されるように、本実施例装置
によれば確実に原料ガス中の酸素を濃縮でき、かつ冷却
を行うことにより濃縮効率を高めることが可能となる。

【００４９】第３実施例を図７に示す。ここでは、前記
第１実施例におけるガス通路管１０の一方の端部（図例
では左側端部）の中央に空気入口（混合ガス入口）３１
が設けられ、その径方向外側の外周部に酸素濃縮空気出
口（酸素濃縮ガス出口）３３が設けられるとともに、他
方の端部（右側端部）の中央に酸素減損空気出口（酸素
減損ガス出口）３２が設けられ、その径方向外側の外周
部に空気入口３１が設けられている。

【００５０】このような構造によれば、ガス通路管１０
内に対して両端部から空気が導入されるので、ガス通路
管１０内には対向流が形成され、各地点において互いに
濃度の異なるガス同士が併存する。例えば、図７の左側
端部近傍では原料空気と酸素濃縮空気が併存し、右側端
部近傍では酸素減損ガスと原料空気とが併存する。

【００５１】これに対し、前記第１及び第２実施例に示
すように、ガス通路管１０の一方の端部からのみ空気を
導入するようにすると、この導入側端部では空気のみが
存在し、導出側端部では酸素濃縮空気と酸素減損空気と
が存在することになる。すなわち、このように一方の端
部からのみ空気を導入する場合には、その反対側の導出
側端部に近づくに従って、併存するガス同士の酸素濃度
比が次第に高くなるのに対し、第３実施例の装置の場合
には、いずれの端部においても酸素濃度比は高くならな
い。

【００５２】一方、両実施例装置の酸素分離性能が等し
いとすると、いずれの装置においても、各地点で得られ
る共存ガスの酸素濃度比の限界値はほぼ同じである。従
って、空気をガス通路管の一方の端部からのみ導入する
場合には、その反対側の導出側端部に近づくに従い、共
存する酸素濃縮ガスと酸素減損ガスの酸素濃度比が限界
値に近づき、その分酸素分離効率が低減していくのに対
し、本実施例（第３実施例）のように対向流を形成すれ
ば、どの地点においても、共存するガス同士の酸素濃度
比を上記限界値より十分低く抑えることができ、これに
よって、ガス通路管１０の長手方向全域にわたって効率
良く酸素分離を行うことができる利点がある。

【００５３】なお、この対向流の形成は、前記第２実施
例に示した装置においても可能である。この場合には、
ガス通路１３の両端部に補助管を接続し、一方の補助管
に上記空気入口３１及び酸素濃縮空気出口３３を設け、
他方の補助管に上記酸素減損空気出口３２及び空気入口
３１を設ければよい。

【００５４】次に、第４実施例を図８に基づいて説明す
る。

【００５５】図において、３４は発砲スチロール等の断
熱材で形成された保冷容器であり、この保冷容器３４
は、天壁３６、底壁３７、及び側壁３８によって箱状に
形成されている。そして、この保冷容器３４内に、前記
第１実施例で示したガス通路管１０、磁石１２、ヨーク
１４、接続部材１８、及び外管１１がそのまま収容され
ている。

【００５６】詳しくは、上記外管１１の下面に脚４２が
接続され、この脚４２が上記底壁３７を貫通する状態で
その下端が地盤に固定されている。ガス通路管１０の入
口側端部（図８では左側端部）は保冷容器３４内に臨む
一方、出口側端部は側壁３８を貫いて保冷容器３４の外
側に導出されており、この導出部分に、前記実施例と同
様の酸素濃縮空気導出管１０ａ及び酸素減損空気導出管
２６が設けられている。また、上記ガス通路管１０が貫
いている側壁３８には、これを貫く状態で空気導入管
（ガス入口）４０が装着されており、この空気導入管４
０に前記実施例に示した温度調節器２４及び図略のファ
ン等が接続されている。

【００５７】このような装置によれば、上記温度調節器
２４で予冷された原料空気は、原料空気導入管４０を通
じて保冷容器３４内に導入された後、この保冷容器３４
の内側でかつ外管１１の外側の空間を通ってからガス通
路管１０内に入る。従って、この予冷済の原料空気を利
用することにより、特別な冷却手段を用いることなく外
管１１及びその内部の装置要素を冷却することができ
る。そして、ガス通路管１０内に原料空気が入った後
は、前記各実施例と同様にして酸素の分離を行うことが
でき、保冷容器３４外側の酸素濃縮空気導出管１０ａか
ら酸素濃縮空気を回収することができる。

【００５８】次に、第５実施例を図９に示す。この実施
例では、上記外管１１及びその充填物全体をクライオス
タット内に収容するとともに、分離用の磁石として、鉄
心５１及び超電導コイル５２からなる超電導磁石５０を
用いた例を示している。

【００５９】図において、５４は液体ヘリウム槽であ
り、この液体ヘリウム槽５４内に液体ヘリウム５６が収
容され、この液体ヘリウム５６に上記外管１１及びその
充填物が浸漬されている。外管１１の内部は密閉されて
おり、液体ヘリウム５６の侵入が阻止されている。ま
た、各超電導磁石５０間のスペーサ１６は、ステンレス
鋼からなる多数のピースを充填することにより形成され
ている。

【００６０】上記液体ヘリウム槽５４の外側には、液体
窒素６１を収容する液体窒素槽６０が配されており、こ
の液体窒素槽６０と液体ヘリウム槽５４との間には真空
層５９が形成されている。さらに、上記液体窒素槽６０
の外側には外筒６２が設けられ、この外筒６２と液体窒
素槽６０との間にも真空層６３が形成されている。

【００６１】一方、上記外管１１に収容された装置本体
は、全体がドーナツ状とされ、その内側に内筒１０１が
設けられている。そして、この内筒１０１と、上記装置
本体の内壁１０２との間にも真空層４４が形成されてい
る。

【００６２】このような装置によれば、クライオスタッ
ト内の低温下で超電導磁石５０を用いることにより、極
めて強い磁界を形成することができる。

【００６３】次に、第６実施例を図１０に基づいて説明
する。

【００６４】ここでは、図１０（ａ）に示すように、一
対の磁石７０が対向して配置されており、しかも、各磁
石７０の向きは、その同じ磁極同士（図例ではＮ極同
士）が互いに対向するように設定されている。そして、
両磁石７０の間に、図面の奥行き方向に空気を通すガス
通路１３が形成されている。

【００６５】このような配置においても、両磁石７０の
間には図示のような磁界が形成され、ガス通路１３の中
心点Ｏで磁場勾配が０となり、磁石７０の磁極近傍で非
常に大きな磁場勾配が得られるので、上記ガス通路１３
内に集中的に空気を流すことにより、従来に比べてより
高い効率で酸素を分離、回収することができる。ただ
し、前記各実施例に示したように、４以上の偶数個の磁
石を周方向に並べるようにすれば、ガス通路１３の周縁
部に、その全周にわたって高い磁場勾配を発生させるす
ることができるため、ガス通路１３周縁部の全周をフル
に活用して酸素の回収効率をさらに高めることができる
利点がある。

【００６６】なお、上記第６実施例の場合、一対の磁石
７０の同じ磁極同士を対向させることが肝要である。す
なわち、同図（ｂ）に示すように互いに異なる磁極同士
を対向させた場合には、両磁極の間に高い磁場勾配が生
じず、高い酸素回収効率を期待することができなくな
る。

【００６７】本発明は、以上説明した実施例に限定され
ることはなく、例として次のような態様を採ることも可
能である。

【００６８】(1) 上記各実施例では、磁束絞り部材であ
るヨーク１４を用いた例を示しているが、強力な磁石を
用いる場合、例えば図９に示したような超電導磁石５０
を用いる場合には、ヨーク１４の省略も可能である。

【００６９】(2) 本発明において、原料となる混合ガス
は上記空気に限らず、酸素を含む種々の混合ガスから酸
素を分離する場合に、本発明を広く適用することができ
る。

【００７０】(3) 上記実施例では、磁石１２及びヨーク
１４がガス通路１３の長手方向に連続しているものを示
したが、これらが同方向に複数に分割されていてもよ
い。

【００７１】

【００７２】まず、請求項１記載の装置は、４以上の偶
数個の磁石を周方向に並べ、かつ、これらの磁石におい
て中心に向かう側の磁極が両隣の磁石において中心に向
かう側の磁極と異なるように各磁石を配置するととも
に、これらの磁石で囲まれた中心部分に、これらの磁石
の並び方向と直交する方向に混合ガスを通過させるガス
通路を形成したものであるので、上記ガス通路の周縁部
で大きな磁場勾配を得ることができ、このガス通路に集
中して混合ガスを通すことにより、このガス中の酸素を
上記ガス通路の周縁部に効率良く集めることができる効
果がある。しかも、上記ガス通路の周縁部に、その全周
にわたって高い磁場勾配を発生させることができるの
で、ガス通路周縁部全周をフルに活用することにより、
酸素の分離効率をより高めることができる。

【００７３】ここで、請求項２記載の装置では、各磁石
において半径方向外側を向く磁極同士を磁性体からなる
外側接続部材で接続しているので、各磁石及び外側接続
部材によって磁気回路を形成することにより、磁場が外
部に漏れることを未然に防ぐことができる効果がある。

【００７４】請求項３記載の装置は、一対の磁石をその
同じ磁極同士が互いに対向する向きに配置するととも
に、これらの磁石の間にガス通路を形成したものである
ので、上記磁石の近傍で大きな磁場勾配を発生させると
ともに、これら磁石の間のガス通路に集中的に混合ガス
を通すことにより、酸素を高い効率で分離することがで
きる効果がある。

【００７５】請求項４記載の装置では、上記各磁石とガ
ス通路との間に、磁性体からなり、ガス通路に向かうに
従って断面積が減少する形状の磁束絞り部材を設けてい
るので、この磁束絞り部材によってガス通路周縁の磁束
密度をより高め、ひいては磁界の強さを高めることがで
き、これによって酸素の分離効率をさらに向上させるこ
とができる効果がある。

【００７６】請求項５記載の装置では、上記磁石として
超電導磁石を用いることにより、より強力な磁場を形成
することができる。

【００７７】請求項６記載の装置は、上記ガス通路内に
混合ガスを導入する前に、この混合ガスを予冷する予冷
手段を備えているので、この予冷によって上記混合ガス
中の酸素の磁化率を高めることができ、これにより、こ
の酸素を回収するための磁気力をさらに高めることがで
きる効果がある。

【００７８】さらに、請求項７記載の装置は、上記磁石
及びガス通路全体を収容する保冷容器を備えるととも
に、この保冷容器にその内部に混合ガスを導入するため
のガス入口を設け、上記ガス通路の入口部分を上記保冷
容器の内部に臨ませ、ガス通路の出口部分を保冷容器の
外部に導出したものであるので、予冷済の混合ガスを保
冷容器内で上記磁石の外側に流すことにより、特別な冷
却手段を用いることなく磁石等を冷却することかでき、
コスト上昇を伴うことなく酸素の回収効率を上げること
ができる効果がある。

【００７９】請求項８記載の装置は、上記ガス通路の一
方の端部の中央に混合ガス入口を設け、その外側に濃縮
酸素ガス出口を設けるとともに、他方の端部の中央に酸
素減損ガス出口を設け、その外側に混合ガス入口を設け
たものであるので、上記ガス通路内で対向流を形成し、
各地点において共存するガス同士の酸素濃度比を抑える
ことにより、ガス通路の長手方向全域にわたって高い効
率で酸素分離を行うことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図２】上記酸素分離装置の一部断面側面図である。

【図６】上記酸素分離装置の一部断面側面図である。

【符号の説明】１０ガス通路管１１外管（外側接続部材を構成）１２，７０磁石１３ガス通路１４ヨーク（磁束絞り部材）１８接続部材（外側接続部材）２４温度調節器（予冷手段）３１空気入口（混合ガス入口）３２酸素減損空気出口（酸素減損ガス出口）３３酸素濃縮空気出口（酸素濃縮ガス出口）３４保冷容器４０空気導入管（ガス入口）５０超電導磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村尾洋一大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者増田豊彦神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号株式会社神戸製鋼所神戸本社内 (72)発明者大坂邦夫神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号株式会社神戸製鋼所神戸本社内 (72)発明者津田一明神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号株式会社神戸製鋼所神戸本社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素を含む混合ガス中から磁力により酸
素を分離する装置において、４以上の偶数個の磁石をそ
の両極が半径方向を向く状態で互いに離間させて周方向
に並べ、かつ、これらの磁石において中心に向かう側の
磁極が両隣の磁石において中心に向かう側の磁極と異な
るように各磁石を配置するとともに、これらの磁石で囲
まれた中心部分にこれらの磁石の並び方向と直交する方
向に上記混合ガスを通過させるガス通路を形成したこと
を特徴とする酸素分離装置。
【請求項２】請求項１記載の酸素分離装置において、
各磁石において半径方向外側を向く磁極同士を磁性体か
らなる外側接続部材で接続したことを特徴とする酸素分
離装置。
【請求項３】酸素を含む混合ガス中から磁力により酸
素を分離する装置において、一対の磁石を同じ磁極同士
が互いに対向する向きに配置するとともに、これらの磁
石の間に、これらの磁石の並び方向と直交する方向に混
合ガスを通過させるガス通路を形成したことを特徴とす
る酸素分離装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の酸素分
離装置において、各磁石とガス通路との間に、磁性体か
らなり、ガス通路に向かうに従って断面積が減少する形
状の磁束絞り部材を設けたことを特徴とする酸素分離装
置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の酸素分
離装置において、各磁石を超電導磁石で構成したことを
特徴とする酸素分離装置。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の酸素分
離装置において、上記ガス通路の上流側に、このガス通
路に導入される混合ガスを予冷する予冷手段を設けたこ
とを特徴とする酸素分離装置。
【請求項７】請求項６記載の酸素分離装置において、
上記磁石及びガス通路を収容する保冷容器を備え、この
保冷容器にその内部に混合ガスを導入するためのガス入
口を設けるとともに、上記ガス通路の入口部分を上記保
冷容器の内部に臨ませ、ガス通路の出口部分を保冷容器
の外部に導出したことを特徴とする酸素分離装置。
【請求項８】請求項１〜６のいずれかに記載の酸素分
離装置において、上記ガス通路の一方の端部の中央に混
合ガス入口を設け、その径方向外側に酸素濃縮ガス出口
を設けるとともに、他方の端部の中央に酸素減損ガス出
口を設け、その径方向外側に混合ガス入口を設けたこと
を特徴とする酸素分離装置。