JP2008018338A - 酸素富化膜及び酸素富化膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】酸素富化の効率の高い酸素富化膜及びその製造方法を提供する。
【構成】酸素選択透過膜中に磁性粒子が分散されており、磁性粒子の分散密度は酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって段階的に変化していることにより、酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって勾配が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、酸素富化膜及び酸素富化膜の製造方法に関する。

高分子膜における気体の透過機構は、高分子膜への気体の溶解と、高分子膜中の気体の濃度差による拡散によって説明することができる。気体の透過係数は、溶解度係数と拡散係数の積となるため、溶解度係数が大きくて拡散係数も大きいほど、時間当たりの気体の透過量は大きくなる。溶解度係数及び拡散係数は気体の種類によって異なるため、この差を利用した酸素富化膜が実用化されている。酸素富化膜では酸素の透過係数が窒素の透過係数よりも大きくされており、酸素富化膜を境として圧力差を設けた場合、高圧側から低圧側に移動する単位時間当たりの酸素の量が、窒素のそれよりも多くなる。このため、酸素富化膜から低圧側へ放出されるガス中の酸素濃度は、高圧側に供給されるガス中の酸素濃度よりも大きくなる。

しかしながら、酸素と窒素では分子の大きさや形状等が似ているため、拡散係数はそれほど差がないことが多く、このことが高性能な酸素富化膜を開発することを困難としている。また、酸素富化膜中でガスが拡散する速度は遅いため、極めて薄い酸素富化膜を用いたり、供給ガスの圧力を高くしたり、酸素の溶解度係数の大きい膜と酸素の拡散係数が大きい膜とを組み合わせたハイブリッド膜としたりして、透過量の増大化が図られている。

一方、ガス中の酸素を富化させる別の方法として、酸素の常磁性を利用し、磁界によって酸素を吸引し、酸素濃度を高める酸素富化装置も提案されている。例えば特許文献１では、図６に示す超伝導現象を利用した酸素富化装置が記載されている。この装置は、超伝導材料のフィラメント９０を有する気体通過可能な内管９１と、内管９１の外周に配設された超伝導コイル９２とが外管９３の中に収められた二重管構造とされている。この酸素富化装置では、超伝導コイル９２に電流を流すことによってフィラメント９０を磁化しながら、内管９１内に酸素を含むガスが供給される。フィラメント９０ではマイスナー効果によってフィラメント９０間の空間に強力な磁界が発生し、これにより常磁性を有する酸素が選択的にフィラメント９０間に吸引され、外管９１側に酸素が富化されたガスが放出される。
特開平１−２２８５６３号公報

しかし、上述したように極めて薄い酸素富化膜を用いたり、酸素の溶解度係数の大きい膜と酸素の拡散係数が大きい膜とを組み合わせたハイブリッド膜としたりするには、膜の製造が困難であったり複雑となったりする。そして、ひいては、酸素富化膜の製造コストが高騰化することとなる。また、供給ガスの圧力を高くするためには、酸素富化膜を多孔性素材で補強するなどの機械的強度を高める工夫が必要となり、装置も大掛かりとなる。

一方、上記酸素の常磁性を利用した酸素富化装置では、酸素が磁界によって吸引される力はさほど強くはないため、超伝導現象を利用する等して強力な磁界を発生させなければ、大きな酸素富化能力を得ることができない。このため装置が大掛かりとなり、製造コストも高くなる。

本発明は、上記従来の実情に鑑みなされたものであり、酸素富化の効率の高い酸素富化膜及びその製造方法を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の第１の局面の酸素富化膜は、酸素選択透過膜中に磁性粒子が分散されており、該磁性粒子によって形成される磁場の強さは該酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって勾配が設けられていることを特徴とする。

この酸素富化膜では、酸素選択透過膜を用いているため、酸素選択透過膜を境として圧力差を設けた場合、圧力差がドライビングフォースとなって空気中の酸素が窒素よりもより多く低圧側へ拡散移動する。
また、酸素富化膜には磁性粒子が分散されているため、常磁性体である酸素が磁性粒子によって吸引され、高圧側に存在する酸素を酸素選択透過膜中に引っ張り込むことにより、より速く酸素選択透過膜中に溶解する。さらに、磁性粒子の近傍では磁力線が密となり、大きな力で酸素が吸引されるため、酸素濃度が高くなる。このため、酸素選択透過膜の溶解度係数が高くなり、溶解度係数と拡散係数の積である透過係数も大きくなり、酸素富化の効率が高くなる。
また、磁性粒子によって形成される磁場の強さが酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって勾配が設けられているため、酸素透過膜中の酸素の移動が厚さ方向でさらに加速される。
したがって、本発明の酸素富化膜によれば、酸素富化膜を境に圧力差を設けた場合、酸素富化の効率が極めて高くなる。
なお、「磁場の強さが酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって勾配が設けられている」とは、磁場の強さが酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって徐々に高められる場合だけでなく、段階的に高められる場合も含まれる。

第２の局面の酸素富化膜では、磁性粒子の分散密度は前記酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって勾配が設けられていることとした。こうして膜の厚さ方向で磁性粒子の分散密度の勾配を設けることにより、容易に酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって磁場の強さの勾配を設けることができる。
なお、「磁性粒子の分散密度が酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって勾配が設けられている」とは、磁性粒子の分散密度が酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって徐々に高められる場合だけでなく、段階的に高められる場合も含まれる。

第３の局面の酸素富化膜では、磁力の異なる磁性粒子が酸素選択透過膜の厚さ方向で磁力の強さの順に配列していることとした。このような酸素富化膜であっても、磁性粒子の種類による磁力の違いによって、容易に酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって磁場の強さの勾配を設けることができる。

第４の局面の酸素富化膜では、磁性粒子の磁場の向きが酸素選択透過膜の面方向と垂直になるようにされていることとした。こうであれば、常磁性である酸素は酸素富化膜の厚さ方向に移動する力を受けるとともに、移動の散乱がされ難くなるため、酸素富化の効率がより高められる。

本発明の酸素富化膜は、次のようにして製造することができる。
すなわち、本発明の酸素富化膜の製造方法は、酸素選択透過膜の基材に磁性粒子を分散させた磁性粒子分散液を、該磁性粒子の含有量及び／又は該磁性粒子の種類を変えて複数種類用意する分散液準備工程と、複数種類の該磁性粒子分散液を、一面側から他面側に向かって磁場の強さの勾配が形成されるように順次展開して多層膜とする多層化工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明の酸素富化膜は、次のようにして製造することもできる。
すなわち、熱可塑性の酸素選択透過膜の基材に磁性粒子を混合した磁性粒子含有樹脂組成物を、該磁性粒子の含有量及び／又は該磁性粒子の種類を変えて複数種類用意する樹脂準備工程と、該磁性粒子含有樹脂組成物を膜状に成型して磁性粒子含有シートとするシート工程と、該磁性粒子の含有量及び／又は該磁性粒子の種類が異なる該磁性粒子含有シートを重ねて融着し、一面側から他面側に向かって磁場の強さの勾配が形成された多層膜とする融着工程とを備えることを特徴とする酸素富化膜の製造方法である。

さらに、本発明の酸素富化膜は、次のようにして製造することもできる。
すなわち、酸素選択透過膜の基材の溶液に複数種類の磁性粒子を分散させた磁性粒子分散液を用意する分散液準備工程と、該磁性粒子分散液を展開して薄膜とする薄膜化工程と、該薄膜の厚さ方向に磁場を付与しながら乾燥させる乾燥工程とを備えることを特徴とする酸素富化膜の製造方法である。
この方法では、乾燥工程において薄膜の厚さ方向に磁場を付与しながら乾燥させるため、乾燥工程中に薄膜中の磁性粒子が付与された磁場に対応して移動し、酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって磁性粒子の分散密度に勾配が生じ、磁場の強さの勾配ができる。また、磁性粒子による磁場形成が、酸素選択透過膜の面方向と垂直になる。このため、常磁性である酸素分子は酸素選択透過膜の厚さ方向の移動速度が速くなり、ひいては、酸素透過膜中の酸素の移動が厚さ方向でさらに加速される。

また、本発明の酸素富化膜は、次のようにして製造することもできる。
すなわち、酸素選択透過膜の基材の溶液に磁性粒子を混合した磁性粒子含有樹脂組成物を用意する樹脂準備工程と、該磁性粒子含有樹脂組成物を膜状に成型しつつ膜厚方向に磁場を付与するシート工程とを備えることを特徴とする酸素富化膜の製造方法である。
この方法においても、シート工程において膜厚保の方向に磁場を付与しながら成型するため、シート工程中に膜中の磁性粒子が付与された磁場に対応して移動する。このため、酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって磁性粒子の分散密度に勾配が生じ、磁場の強さの勾配ができる。

本発明の酸素富化膜において、基材となる酸素選択透過膜の種類については、特に限定はないが、例えばシリコーン膜、シリコーンポリカーボネート膜等を用いることができる。また、酸素富化膜は多孔体によって支持されていてもよい。こうであれば、酸素富化膜を薄くしても自立が可能となり、薄膜化によって単位時間及び単位面積当たりの酸素移動量が多くなるため、処理能力を大幅に向上させることができる。

＜酸素富化膜の調製＞
（実施形態１）
実施形態１は第1発明の酸素富化膜の製造方法を具体化したものであり、以下のように分散液準備工程と多層化工程とを備える。
分散液準備工程
酸素選択透過膜の基剤として、シリコーンやシリコーンポリカーボネートを用意し、これらの基剤を有機溶媒に溶解し、さらに磁性粒子を加え、撹拌混合して磁性粒子分散液とする。磁性粒子分散液は磁性粒子の含有量を変えたり、磁性粒子の種類を変えたりして、複数種類用意する。
磁性粒子としてはネオジム磁石等の希土類磁石の微粉末、マグネタイト微粉末、Ｍｎ−Ｚn系複合フェライト等のフェライト系磁石の微粉末等を用いることができる。
多層化工程
こうして得られた複数種類の磁性粒子分散液を、スピンコート法やドクターブレード等を用いてガラス基板やフッ素樹脂板の上に薄く延ばし、乾燥させる。この操作を磁性粒子分散液の磁場の強さの弱い順又は強い順に繰り返して行い、磁場の強さの順に酸素選択透過膜が重ねられた酸素富化膜を得る。

図１は、磁性粒子の含有量の異なる磁性粒子分散液を用いて製造した酸富化膜の模式図であり、磁性粒子の含有量は膜１ａ＞膜１ｂ＞膜１ｃとされており、このため、磁場の強さもこの順となる。
このため、この酸素富化膜を挟んで圧力差を設けた場合、膜１ｃから膜１ａに向かって酸素が透過し易くなり、酸素富化の効率が高くなる。
また、図２は、種類の異なる磁性粒子２ａ、２ｂ、２ｃの磁性粒子分散液を用いて製造した酸富化膜の模式図であり、磁性粒子による磁場の強さは磁性粒子２ａ＞磁性粒子２ｂ＞磁性粒子２ｃとされている。このため、磁場の強さもこの順となり、酸素富化膜を挟んで圧力差を設けた場合、磁性粒子２ｃが存在する膜から磁性粒子２ａが存在する膜に向かって酸素が透過し易くなり、酸素富化の効率が高くなる。

（実施形態２）
実施形態２は第２発明の酸素富化膜の製造方法を具体化したものであり、以下のように樹脂準備工程とシート工程と融着工程とを備える。
樹脂準備工程
まず、樹脂準備工程として、熱可塑性の酸素選択透過膜の基剤と、磁性粒子とをプラスチック成型用の押し出し機に投入し、加熱溶融しながら練り込み、磁性粒子の含有量や磁性粒子の種類を変えた樹脂組成物とする。
シート工程
そして、上記樹脂組成物をＴダイからシート状に押出成型してロール状に巻き取る。
融着工程
そして、図３に示すように、シート工程で巻き取られた2種類のロール３ａ、３ｂをローラ４ａ、４ｂ間及びローラ５ａ、５ｂの間に挟んで融着させる。なお、ロールの種類をさらに増やして磁場強度の大きい順又は小さい順に融着してもよい。こうして得られた酸素富化膜は、実施形態１で製造した酸化富化膜と同様、磁場の強さの順に酸素選択透過膜が重ねられた酸素富化膜となり、同様の作用効果が得られる。

（実施形態３）
実施形態３は第３発明の酸素富化膜の製造方法を具体化したものであり、以下のように分散液準備工程と薄膜化工程と乾燥工程とを備える。
分散液準備工程
まず、酸素選択透過膜の基剤となるシリコーンやシリコーンポリカーボネートを用意し、これらの基剤を有機溶媒に溶解し、さらに磁性粒子を加え、撹拌混合して磁性粒子分散液とする。
薄膜化工程
次に薄膜化工程として、上記磁性粒子分散液をスピンコート法やドクターブレード等を用いてガラス基板やフッ素樹脂板の上に薄く延ばす。
乾燥工程
そして、薄く延ばされた磁性粒子分散液が乾燥固化する前に膜厚方向に磁場を付与する。これにより、磁性粒子は磁力によって移動し、膜厚方向で磁性粒子の分散密度の勾配が生じた状態で乾燥固化が終了する。こうして得られた酸素富化膜は、厚さ方向に磁場の強さの勾配が生じ、酸素が透過し易くなり、酸素富化の効率が高くなる。

（実施形態４）
実施形態４は第４発明の酸素富化膜の製造方法を具体化したものであり、以下のように樹脂準備工程とシート工程とを備える。
樹脂準備工程
まず、樹脂準備工程として、熱可塑性の酸素選択透過膜の基剤と、磁性粒子とをプラスチック成型用の押し出し機に投入し、加熱溶融しながら練り込み、磁性粒子含有樹脂組成物とする。
シート工程
こうして、押し出し機によって調製された磁性粒子含有樹脂組成物を、図４に示すようにＴダイ６からシート状に押し出し、ローラ７ａ、７ｂ間及びローラ８ａ、８ｂ間に挟んで製膜する。ここでローラ７ａ、７ｂの上流側におけるシート９の上下には電磁石１０が備えられており、シート９の膜厚方向に磁場が付与されている。これにより、シート９の膜厚方向で磁性粒子の分散密度の勾配が生じ、巻き取られたロール１１は実施形態３で製造した酸化富化膜と同様、厚さ方向に磁場の強さの勾配が生じ、酸素が透過し易くなり、酸素富化の効率が高くなる。

＜酸素富化装置への適用＞
上記のようにして得られた酸素富化膜を利用して、例えば図５に示す酸素富化装置を製造することができる。この酸素富化装置は、酸素富化膜１２を境として空気供給室１３と減圧室１４とが備えられており、酸素富化膜１２中の磁性粒子の磁場の強さの勾配は減圧室１４側に向かって高められており、このため減圧室１４側に向かってより強い磁場が形成されている。空気供給室１３には流入管１３ａと流出管１３ｂとが接続されており、流入管１３ａは図示しないエアポンプに接続されている。減圧室１４には、酸素が富化されたガスを外部に取り出すための富化ガス流出管１４ａが接続されており、富化ガス流出管１４ａは図示しない減圧ポンプに接続されている。

以上のように構成された酸素富化装置では、エアポンプを駆動することにより、空気が流入管１３ａを介して空気供給室１３に送られ、流出管１３ｂから排出される。このとき、同時に減圧ポンプを駆動して減圧室１４を減圧する。これにより、空気供給室１３と減圧室１４との間で圧力差が生じ、この圧力差がドライビングフォースとなって酸素富化膜１２の中を酸素や窒素が拡散移動する。ここで、酸素富化膜１２はシリコーンやシリコーンポリカーボネート等の酸素選択透過性の基剤を用いているため、酸素の方が窒素よりも多量に減圧室１４側に移動し、減圧室１４側に酸素が富化されたガスが放出される。さらに、酸素富化膜１２中には磁性粒子が分散されており、酸素富化膜１２中の磁性粒子の磁場の強さの勾配は減圧室１４側に向かって高められ、より強い磁場が形成されているため、常磁性である酸素分子は減圧室１４側に向かってより強い力によって迅速に移動し、酸素富化の効率が極めて高くなる。こうして、減圧室１４には酸素が富化されたガスが放出され、富化ガス流出管１４ａから流出する。また、空気供給室１３側では窒素成分が多くなったガスが流出管１３ｂから排出される。

この発明は上記発明の実施形態に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

以下の事項を開示する。
（６） 熱可塑性の酸素選択透過膜の基材に磁性粒子を混合した磁性粒子含有樹脂組成物を、該磁性粒子の含有量及び／又は該磁性粒子の種類を変えて複数種類用意する樹脂準備工程と、
該磁性粒子含有樹脂組成物を膜状に成型して磁性粒子含有シートとするシート工程と、
該磁性粒子の含有量及び／又は該磁性粒子の種類が異なる該磁性粒子含有シートを重ねて融着し、一面側から他面側に向かって磁場の強さの勾配が形成された多層膜とする融着工程と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の酸素富化膜の製造方法。
（７）
酸素選択透過膜の基材の溶液に複数種類の磁性粒子を分散させた磁性粒子分散液を用意する分散液準備工程と、
該磁性粒子分散液を展開して薄膜とする薄膜化工程と、
該薄膜の厚さ方向に磁場を付与しながら乾燥させる乾燥工程と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の酸素富化膜の製造方法。
（８）
酸素選択透過膜の基材の溶液に磁性粒子を混合した磁性粒子含有樹脂組成物を用意する樹脂準備工程と、
該磁性粒子含有樹脂組成物を膜状に成型しつつ膜厚方向に磁場を付与するシート工程と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の酸素富化膜の製造方法。

実施形態１において、磁性粒子の含有量を変えた場合の酸素富化膜の模式断面図である 実施形態１において、磁性粒子の種類を変えた場合の酸素富化膜の模式断面図である。 実施形態２における融着工程を示す模式図である。 実施形態４におけるシート工程を示す模式図である。 酸素富化膜を用いた酸素富化装置の模式断面図である。 超伝導現象を利用した従来の酸素富化装置の模式断面図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ…酸素選択透過膜
２ａ、２ｂ、２ｃ…磁性粒子

Claims (5)

1. 酸素選択透過膜中に磁性粒子が分散されており、該磁性粒子によって形成される磁場の強さは該酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって勾配が設けられていることを特徴とする酸素富化膜。
2. 前記磁性粒子の分散密度は前記酸素選択透過膜の一面側から他面側に向かって勾配が設けられていることを特徴とする請求項１記載の酸素富化膜。
3. 磁力の異なる磁性粒子が前記酸素選択透過膜の厚さ方向で磁力の強さの順に配列していることを特徴とする請求項１又は２記載の酸素富化膜。
4. 磁性粒子による磁場の向きが酸素選択透過膜の面方向と垂直になるようにされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の酸素富化膜。
5. 酸素選択透過膜の基材の溶液に磁性粒子を分散させた磁性粒子分散液を、該磁性粒子の含有量及び／又は該磁性粒子の種類を変えて複数種類用意する分散液準備工程と、
   複数種類の該磁性粒子分散液を、一面側から他面側に向かって磁場の強さの勾配が形成されるように順次展開して多層膜とする多層化工程と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の酸素富化膜の製造方法。

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