JPH04193361A - 気体の成分分離器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、気体の成分分離器に係り、より詳細には、気
体から成分を高効率で分離可能な小型の気体の成分分離
器に関する。

【従来の技術】

従来の技術を気体として大気中の空気を例にとり、空気
から酸素を分離する場合につき説明する。 従来、カッリンエンジン、ディーゼルエンジンなどのい
わゆる内燃機関においては、希釈燃料と空気との混合気
体を爆発させ、その膨張力を利用して動力を得ている。 導入した燃料を確実に燃焼せしめ、かつ燃焼時の燃焼温
度を高めれば高めるほど熱力学の原理より回収されるエ
ネルギーが多くなるから、エネルギー効率を高めるべく
希釈燃料や渦流燃料などの燃焼方式、圧縮比の最適化な
ど、種々の工夫が従来からなされている。 しかし、燃焼温度を高めれば高めるほど今度は吸気に含
まれる空気中の窒素の酸化も進み、公害の原因となる一
酸化窒素などの窒素酸化物が排出される結果となる。 そこで、窒素酸化物の排出を避けるために、排気側に触
媒を設けて公害物質を除去する試みが行なわれているが
、窒素酸化物を完全に除去するには巨大なガス浄化装置
が必要となるため、実際の自動車などに搭載するには困
難がある。 一方、窒素酸化物の発生を根元的に抑え、かつ高効率な
内燃機関を実現する方法としてロケットなどと同様な吸
気の純酸素化が考えられる。しかし、巨大な酸素ボンベ
を自動車などに積み込むことは実際には非現実的である
。 他方、空気中から酸素成分のみを効率よく取り出す機器
としてジュールトムソン効果を用いた液化分溜器が知ら
れているが、この装置も巨大な熱交換器を必要とし、自
動車などへの搭載は非現実的である。 他方、医療などにおける酸素吸入には別途工場で製造し
た酸素ホンベを用いているが、長期間に渡って酸素吸入
を行なうためには多くの酸素ボンベの搬入や管理が必要
であるため、大病院や特殊な医療機関でしか利用できな
い難点がある。さらに、救急車などに搭載する酸素ボン
ベはその大きさに限りがあり、交通渋滞なとて医療機関
への患者輸送に時間がかかる場合には対応に限界がある
。 結局、小型であって気体から容易に高効率に成分の分離
が可能な気体の成分分離器は従来存在しなかった。

【発明が解決しようとする課題】

本発明は、気体からその成分を高効率で分離可能な小型
である気体の成分分離器を提供することを目的とする１
、すなわち、例えば、酸素の分離を例にとれば、発動機
などに酸素成分の多い吸気の供給を大気中から行なうこ
ともでき、低公害かつ小型の発動機などの実現をも可能
たらしめる気体の成分分離器を提供することを目的とす
る。

【課題を解決するための手段】

上記目的は、断熱膨張により気体の冷却を行なう膨張室
内に磁場勾配を発生させる手段を設け、当該磁場勾配の
強磁場側に集合する成分とその他の成分とを分離して排
出する隔壁を該膨張室内に配置したことを特徴とする気
体の成分分離器により達成される。 本発明によれば、気体からその成分を高効率でかつ容易
に分離することができる。本発明では、含有する複数の
成分の磁化率か異なる気体ならば対象とすることができ
る。特に、空気から酸素と窒素とを分離する場合に好適
に利用することかてきる。 なお、磁場勾配を発生させる手段の配置位置は特に限定
されないが、作用において詳細に述べるように、断熱膨
張により温度が低下した気体を冷媒として利用すること
を考えると膨張室内あるいは膨張室と隣接して配置する
ことが好ましい。特に、膨張室内への気体の導入口近傍
に配置することがより好ましい。

【作用】

以下に本発明の作用を詳細な構成とともに説明する。 （請求項１） 本発明では、例えば、マグネット等の磁場勾配を発生さ
せる手段により膨張室内に磁場勾配を持たせる。この膨
張室内に圧縮気体を導入して断熱膨張をさせる。気体中
のある成分の磁化率が他の成分の磁化率に比べて高いと
１、高い方の成分は磁場勾配の強磁場側に引き寄せられ
るように集まる。 一方、他の成分は、強磁場側に引き寄せられることなく
気体の流れに沿って流れるため、ある成分と他の成分と
は分離する。本発明では、膨張室内に隔壁を配置してい
るため、分離された両成分は隔壁を境とし、てそれぞれ
別個に外部に排出される。 （請求項２） 磁場勾配を発生するための手段として超伝導マグネット
を用い、かつそれに用いる超伝導材料の臨界温度が前記
気体の液化温度より高くしておくことが好ましい。また
、超伝導マグネットは膨張室内あるいは膨張室に隣接し
て配置することが好ましい。この場合、断熱膨張後の気
体の温度が超伝導材料の臨界温度以下であり気体の液化
温度より高くなるように、例えば圧縮圧の調整により断
熱膨張を起こさせれば、膨張した気体は冷媒として超伝
導マグネットをその臨界温度以下に冷却するので、簡単
に強磁場を得ることができる。さらに、気体は、液化さ
れていないので大型の装置をすることなく気体の成分の
分離を行うことができる。しかも超伝導マグネットはそ
の臨界温度以下に冷却されれば電気抵抗がセロとなって
大電流を流しても発熱しないから、動作状態では外部よ
り侵入する熱を取り去るだけで十分となる。

【実施例】

以下に本発明の実施例を図面に基づき説明する。 なお、本実施例では、気体として空気を例にとり説明す
る。 第１図は本発明の実施例に係る気体（空気）の成分分離
器の基本的構成例を示す図であり、■は気体吸気口（空
気吸気口）、２はコンプレッサ、３は放熱器、４はトラ
ップ、５は分溜器７の入口に設置された膨張タービン、
６はマグネット、７は分溜器、８は熱交換器、９は分離
成分排出口（酸素排出口）、ｌＯは他の分離成分排出口
（窒素排出口）である。 第２図は第１図を上から見た場合の詳細構成説明図であ
り、２２はトラップ４と熱交換器８の配管が接する熱交
換壁、１７は隔壁であり、断熱材２１のなかに構成され
ている。 本実施例に係る気体成分分離器を動作させるには、まず
、気体吸気口（空気吸気口）１より取り入れた気体（空
気）をコンプレッサ２により数十気圧に圧縮し、圧縮気
体（圧縮空気）を放熱器３で冷却する。その後、圧縮気
体（圧縮空気）を熱交換器８の一次側・トラップを通過
させて更に冷却するとともに比較的高温側で凝集する水
分などを取り除く。しかる後に圧縮気体（圧縮空気）の
持つ運動エネルギーで膨張タービン５を回転せしめると
ともに圧縮気体（圧縮空気）を分溜器７の膨張室１１内
に導入して断熱膨張させると、ジュールトムソン効果に
より気体（空気）の温度は更に下がる。分溜器７は、本
例では第２図に示すように円弧状の膨張室１１を持ち、
その円弧中心に向かってマグネット６により磁場勾配を
持たせである。もちろん、円弧状に限る必要はなく、例
えば、角状であってもよい。この磁場勾配のため、圧縮
気体（圧縮空気）中の磁化率の高い成分（酸素）はマグ
ネット６に引き寄せられるように集まる。特に、本例に
おいては、空気中の酸素の磁化率が空気中の他の主な成
分である窒素に比べて著しく高いため非常に効率よく分
離する。 分離成分（酸素）を捕捉するためには、磁場自体が強け
れば強いほど良いが、通常の永久磁石では発生できる磁
場はせいぜい１テスラ程度である。 これに対し、超伝導マグネットによれば簡単に強磁場を
得ることが出来、かつ超伝導マグネットはその臨界温度
“以下に冷却されれば電気抵抗がセロとなって大電流を
流しても発熱しないから、動作状態では外部より侵入す
る熱を取り去るだけで十分である。例えば、タリウム系
の酸化物超伝導材料を用いて超伝導マグネットを構成す
れば、その超伝導への転移温度（臨界温度）は１２０に
程度であり、液化空気を作る温度（７５Ｋ）より高い９
０に程度に冷却することを考えれば、膨張した空気を直
接冷媒として用いることが出来、分溜器の壁に超伝導コ
イルを配置するだけで動作させることができる。空気以
外の他の気体、また、他の超伝導材料の場合も、成分の
液化温度あるいは、臨界温度に応じて冷却温度を適宜選
択すればよいことはいうまでもない。 分溜器７より排出された分離成分（酸素）は、マグネッ
ト６を冷却した後、熱交換器８の二次側を通過するとき
に熱交換壁２２を介してこれから分溜されるべき圧縮気
体（圧縮空気）を冷却し、自らは常温に近い温度となっ
て分離成分排出口（酸素排出口）９から出て来る。温度
が上昇した分離成分（酸素）は熱エネルギーの効果で容
易に磁場から離脱するから、強磁場の印加領域は熱交換
器８の適当な領域まででよく、設計は簡単である。熱交
換壁２２は熱伝導性が良くかつ熱交換壁２２の両側の気
体の圧力差に耐えるものであれば何で構成しても良く、
例えば、銅や銅合金の薄肉材で構成するが、あるいは非
金属であればアルミナやダイヤモンドで構成すればよい
。熱交換器８、分溜器７を覆う断熱材には熱伝導度の低
い材料、例えば、ステンレスや発泡プラスチックなどを
用いればよく、また、魔法瓶のように真空断熱層を設け
る構造にしてももちろんよい。 なお、上記の説明で圧縮圧を数百気圧程度に高め、マグ
ネットを省略し、熱交換器を多段にすれば従来の液体空
気製造装置とほぼ同じ構成になることは周知であるが、
その場合、空気の持つ熱エネルギーを排出する必要があ
るため、装置の太きさが格段に巨大化することもまたよ
く知られている。このように装置が巨大化するのは、液
化する場合に巨大な液化熱を必要とすること、体積の急
激な変化があるため、圧力と温度の積が一定となる理想
気体的な振舞いが行えなくなり、実効的に液体酸素温度
（約−２００℃）をはるかに下回る断熱膨張条件を実現
する必要があることのためである。 本発明の場合、小型が可能なのは、気体中の成分（例え
ば、酸素・窒素）を液化するのが目的ではなく、■単に
磁場による分溜が可能になる程度に分子の熱運動を抑え
ればよいこと、■出力として液体成分（液体酸素）を取
り出すのでなくほぼ常温の成分（酸素）を取り出せばよ
いから、気化熱を取り去る断熱膨張を必要としないこと
、■途中で発生した低温気体を分溜に必要な入力の気体
（空気）の冷却に有効利用していため熱量を無理に放散
させることなく利用でき、熱交換がきわめて容易である
ことによる。 また、圧縮に要したエネルギーを膨張タービンで回収し
、それで発電機を駆動することにより超伝導マグネット
の駆動エネルギーを得ることもてき、外部からの大きな
エネルギー供給無しに動作させることも可能である。 また、コンプレッサ１と放熱器２を複数段従属接続して
高い圧力を得てももちろん良い。この場合、ジェットエ
ンジンと同様に多段の回転翼を用いた過給語構成が便利
であり、例えば、自動車エンジンであればその排気ガス
の圧力を用いたターホチャージャーを流用しても、エン
ジンの出力の一部で往復ピストン型コンプレッサを駆動
してもよい。 本発明に係る気体の成分分離器は、作動直後から分離成
分（酸素）を外部に供給できるわけではなく、コンプレ
ッサを起動し、超伝導マグネットが動作可能となるまで
の数分間は通常の気体（空気）が供給される。しかし、
自動車なとてもエンジン起動直後から高速運転するわけ
ではないから、実用上の問題はない。 なお、他の分離成分排出口（窒素排出口）１０から排出
される他の分離成分（窒素）も純度の高いものであるの
でその利用も可能である。 なお、以上の実施例では、気体として空気を例にとり説
明したが、他の気体であったも、成分中の磁化率が異な
っているものであれば本発明に係る気体の成分分離器を
利用できることはいうまでもない。

【発明の効果】

以上述べたように、本発明によれば小形で簡便に気体中
からある成分を分離でき、また、その分離した成分を他
の装置に供給することができる。 従って、例えば、自動車に搭載して空気から酸素を分離
して、自動車のエンジンに分離した酸素を供給すれば、
低公害で効率の高い小型のエンジンが構成できる。また
、家庭や小さな診療所などでもいつでも安定に酸素が供
給できるから、救命医療が飛躍的に広がる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガス分溜器の接続構成例を示す概
念図であり、第２図は第１図の分溜器の詳細な構成を示
す概念図である。

【符号の説明】

１−気体吸気口（空気吸気口） ２−コンプレッサ ３−放熱器 ４−トラップ ５−膨張タービン ６−マグネット ７−分溜器 ８−熱交換器 ９−分離成分排出口（酸素排出口） １〇−他の分離成分排出口（窒素排出口）１１−断熱膨
張室 １７−隔壁 ２１−断熱材 ２２−熱交換壁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）断熱膨張により気体の冷却を行なう膨張室内に磁
   場勾配を発生させる手段を設け、当該磁場勾配の強磁場
   側に集合する成分とその他の成分とを分離して排出する
   隔壁を該膨張室内に配置したことを特徴とする気体の成
   分分離器。
2. （２）前記磁場勾配を発生するための手段が超伝導マグ
   ネットであり、かつそれに用いる超伝導材料の臨界温度
   が前記気体の液化温度より高いことを特徴とする請求項
   １記載の気体の成分分離器。