(57)【要約】【解決手段】窒素製造装置１の水素原子発生室１６内には、触媒としてのタングステンワイヤー１８をジグザグに配置してあり、これを２０００℃に加熱している。水素分子供給室１４側から水素原子発生室１６に水素分子が供給されると、上記タングステンワイヤー１８によって水素分子は水素原子に分解される。次に、この水素原子は第１還元室２１および第２還元室２２において乾燥空気と混合されて、５００℃以下の低温において空気中から酸素が除去されて窒素が製造される。【効果】窒素酸化物の発生を抑制して純度の高い窒素を製造できる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱した触媒に水素分子を接触させて水素原子を発生させ、その水素原子と空気とを混合して該水素原子と酸素とを結合させることにより、上記空気から酸素を除去して窒素を製造することを特徴とする窒素製造方法。
【請求項２】
上記空気中の酸素と上記水素原子とを結合させる時の温度は、５００℃以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の窒素製造方法。
【請求項３】
上記水素分子は、水を電気分解して得た水素分子であることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の窒素製造方法。
【請求項４】
加熱した触媒に水素分子を接触させて水素原子を発生させる原子発生部と、上記水素原子を空気と混合させて該空気中の酸素と上記水素原子とを結合させる還元部とを備えて、上記空気中から酸素を除去して窒素を製造するように構成したことを特徴とする窒素製造装置。
【請求項５】
水を電気分解して水素分子を得る電気分解手段を備え、この電気分解手段で発生させた水素分子を上記原子発生部に供給するように構成したことを特徴とする請求項４に記載の窒素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒素製造方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ加工機によって被加工物にレーザ加工を施す場合に、被加工物の材質や加工条件等によってはアシストガスとして窒素が用いられている。その窒素の製造方法として、概ね次の４つの方法が知られている。
第１の製造方法は、窒素の分子を含んだアンモニア等の化学物質を化学反応、生成、液化等の処理を経て液体窒素を精製するものである。
第２の製造方法は、大気を圧縮機により加圧と冷却とを繰り返すことにより液化するものである。
これら第１、第２の製造方法によって製造された液化窒素は、ガスボンベに充填された形態から気化させてアシストガスとして供給されることになる。
次に第３の製造方法は、酸素を吸着する選択吸着剤を用いて、大気から酸素を除去して窒素を取り出すものである（例えば特開平９−１７４２７５号公報）。この第３の製造方法においては、約９９．５％の純度の窒素を製造することが可能である。
さらに第４の製造方法は高分子分離膜を用いるものであり、高分子分離膜に空気を通過させることにより空気から酸素のみを除去して、窒素を得るようにしている（特開平７−３２８７８７号公報）。この第４の製造方法においては、約９８％の純度の窒素を得ることが出来る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の窒素の製造方法においては、それぞれ次のような欠点があった。
すなわち、上記第１及び第２の製造方法においては、非常に高純度の窒素を得ることができるが、窒素を製造するための製造コストが高くなり、必然的に製造した窒素の価格が高くなるという欠点があった。また、一度に多量の窒素を製造して貯溜しておくことが出来ず、レーザ加工機のアシストガスとして使用する場合には、短時間で多量の窒素を消費するので、余剰の窒素ガスを準備しておく必要があった。
上記第３の製造方法においても、製造した窒素は比較的純度が高いが、装置の価格が高いという欠点があった。
次に、上記第４の製造方法は、装置自体は安価であるが、製造した窒素は純度が高くないので、レーザ加工時のアシストガスとして用いるには適当ではないという欠点があった。
さらに、上記第１から第４の窒素製造方法の欠点を解消するために、本件の出願人は、先に特願２００２−１１７９０２号により水を電気分解して水素を発生させ、この水素と空気を混合した混合ガスを触媒燃焼させることにより、空気中の酸素を除去して窒素を得るという新規な窒素製造方法を提案したところである。しかしながら、この先願の窒素製造方法においては、窒素が高温となるために有害な窒素酸化物が発生しやすいという欠点があった。
そこで、本発明の目的は、窒素酸化物の発生を抑制しつつ、純度の高い窒素を効率的に製造できる窒素製造方法とその装置を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載した第１の本発明は、加熱した触媒に水素分子を接触させて水素原子を発生させ、その水素原子と空気とを混合して該水素原子と酸素とを結合させることにより、上記空気から酸素を除去して窒素を製造する窒素製造方法を提供するものである。
さらに、請求項４に記載した第２の本発明は、加熱した触媒に水素分子を接触させて水素原子を発生させる原子発生部と、上記水素原子を空気と混合させて該空気中の酸素と上記水素原子とを結合させる還元部とを備えて、上記空気中から酸素を除去して窒素を製造する窒素製造装置を提供するものである。
上記第１および第２の発明によれば、上記水素原子と空気中の酸素とを結合させる際の温度を５００℃以下の低温で行なうことにより、窒素酸化物の発生を抑制することができ、純度の高い窒素を製造することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下図示実施例について本発明を説明する。図１は本発明の一実施例を示す概略構成図であり、図２は、図１におけるＩＩ―ＩＩ線に沿う断面図である。図１において、１は窒素を製造する窒素製造装置である。図２は、図１におけるＩＩ―ＩＩ線に沿う断面図である。この窒素製造装置１は、水を電気分解して水素（分子）を発生させる電気分解手段２と、この電気分解手段２で発生させた水素分子を利用して窒素を製造する本体部３とを備えている。
【０００６】
電気分解手段２は、水４を貯溜した水槽５と、吸着ガスフィルター６を備えている。上記水槽５内はイオン透過膜７によってＡ槽とＢ槽の２つに区分してあり、これら各槽の水４に＋と―の複数の電極８を浸漬させて配置している。図示しない電源から電極８に直流電流が印加されると、水槽５内の水４が電気分解されて水素と酸素が２：１の容積比で発生するようになっている。
このようにして発生した酸素は、図示しない排出用のパイプを介して大気中に排出される。一方、電気分解によって発生した水素分子は、吸着フィルター６を通過するようになっており、水素分子はこの吸着ガスフィルター６を通過することにより水分が除去されて、純度を９９．５％以上まで上昇されるようになっている。
そして、純度９９．５％以上となった水素分子は、パイプ１１を介して本体部３へ供給されるようになっている。
なお、上記電気分解手段２の水槽５の内部に発生する水素分子は１ＭＰａの高圧で供給可能になっている。
【０００７】
次に本体部３の構成を説明すると、この図１に示すように、本体部３は密閉されたハウジング１２を備えており、このハウジング１２内を３枚の水平な仕切り部材１３によって４層の空間部に区分している。
最下層の空間部を水素分子供給室１４としてあり、その上の空間部を水素原子発生室１６としている。さらに、その上の空間部を第１還元室２１としてあり、最上層の空間部を第２還元室２２としている。本実施例においては、ハウジング１２内の上記各室内を１ＭＰａの圧力となるように設定して、各室内で後述する処理を行なうようにしている。
水素分子供給室１４には上記電気分解手段２から水素分子を供給するパイプ１１の端部が挿入されている。この水素分子供給室１４内においてパイプ１１は複数の分岐管１１Ａ〜１１Ｈに接続してあり、これら各分岐管１１Ａ〜１１Ｈは等間隔で平行となるように水素分子供給室１４内に配置している（図２参照）。各分岐管１１Ａ〜１１Ｈの先端部は閉鎖してあり、また、各分岐管１１Ａ〜１１Ｈにおける長手方向の等間隔位置に上方へ向けて多数のノズル１５を取り付けている。
図２にも示すように、水素原子発生室１６と水素分子供給室１４とを仕切る仕切り部材１３の中央部には、長方形の大きな開口部１３Ａを形成している。この開口部１３Ａを介して水素分子供給室１４と水素原子発生室１６とが相互に連通している。そして、上述した各分岐管１１Ａ〜１１Ｈのノズル１５は、開口部１３Ａの下方となる範囲に配置している。
【０００８】
電気分解手段２で発生した水素分子がパイプ１１を介して各分岐管１１Ａ〜１１Ｈに給送されると、それらに取り付けた各ノズル１５から水素分子供給室１４内に水素分子が上方に向けて噴出されるようになっている。このように、上方に向けて噴出される水素分子は上記開口部１３Ａを介して水素原子発生室１６へ供給されるようになっている。
なお、各分岐管に設けたノズル１５は、同一水平面において均等な分布状態で配置してあるので、各ノズル１５から噴出する水素分子は一部の箇所に偏ることなく、水素分子供給室１４および水素原子発生室１６へ一様に供給されるようになっている。
【０００９】
図２に示すように、水素原子発生室１６内には、上記開口部１３Ａにおける長手方向となる両縁部に複数の係合ピン１７を立設している。そして、これら両側の係合ピン１７に順次１本のタングステンワイヤー１８の中間部分を係合させてあり、これによって開口部１３Ａの上方位置でタングステンワイヤー１８がジグザグに張り渡されるようにしている。このタングステンワイヤー１８は触媒として機能するものであり、その両端部には交流電源１９を接続している。この交流電源１９からタングステンワイヤー１８に交流電流を印加すると、タングステンワイヤー１８が２０００℃まで加熱されるようになっている。
そして、このタングステンワイヤー１８を１５００℃から２０００℃まで加熱した状態において、上記各ノズル１５から水素分子を噴出させて水素分子供給室１４および水素原子発生室１６に供給するようにしている。ノズル１５から噴出された後、開口部１３Ａを通過して水素原子発生室１６に供給される水素分子は、１５００℃から２０００℃のタングステンワイヤー１８と接触することにより、水素原子に分解されるようになっている。
このようにして、水素原子発生室１６内で水素原子が生成される。
なお、本実施例においては、触媒として上記タングステンワイヤーを用いているが、網状としたタングステンを用いても良いし、タングステンの代わりにタンタルあるいはイリジウム等を用いても良い。
【００１０】
次に、第１還元室２１と水素原子発生室１６とを区画する仕切り部材１３の中央部には、長方形の開口部１３Ｂを形成してあり、この開口部１３Ｂを介して水素原子発生室１６と第１還元室２１とが相互に連通している。また、第１還元室２１に空気を供給する空気供給手段３０が設けられている。空気供給手段３０は、上記開口部１３Ｂを覆うようにして、上記水素分子供給室１４に位置した分岐管１１Ａ〜１１Ｈと同様に、複数の分岐管２４とそれに設けた多数のノズル２５とを備え、さらに分岐管２４に図示しない除湿手段を介して連通される圧縮空気供給源２３を備えている。そして、所要時にこの圧縮空気供給源２３から分岐管２４と各ノズル２５を介して乾燥させた圧縮空気を第１還元室２１内に供給するようにしている。
【００１１】
ところで、上記水素原子発生室１６で生成された水素原子は極めて還元作用が強いガスであるため、この水素原子ガスと乾燥した空気を接触させると、乾燥した空気中の酸素は水素原子と結合して水が生成される。本実施例においては、触媒としてのタングステンワイヤー１８の近傍を通過する時に１５００〜２０００℃であった温度が第１還元室２１内に供給される空気と混合する箇所では、５００℃以下（例えば約３００℃）となり、その温度下において、乾燥した空気中の酸素が水素原子と結合するようになっている。上述したように、このときには５００℃以下の温度であり、水素原子の還元作用により窒素は酸化しにくくなっている。したがって、僅かに窒素酸化物が一時的に生成されたとしても、それらの窒素酸化物は水素原子により還元される。このように、本実施例においては、窒素酸化物が発生して残留するのを良好に抑制することができるようになっている。
【００１２】
また、第１還元室２１と第２還元室２２とを区分する仕切り部材１３には、多数の貫通孔１３Ｃを穿設してあり、これらの貫通孔１３Ｃを介して両還元室２１，２２を相互に連通させている。
そのため、第１還元室２１に引き続いて、第２還元室２２においても水素原子発生室１６で発生した水素原子の一部が第２還元室２２に流入するとともに、第１還元室２１に供給された空気の一部が第２還元室２２に流入して、水素原子の還元作用により酸素が水素原子と結合することにより、空気中の酸素が除去されて、高純度の窒素が製造されるようになっている。この第１還元室２１及び第２還元室２２での水素原子と酸素との結合時は５００℃以下の低温であることから、水素原子と空気中の酸素とが爆発的に燃焼することが防止される。
そして、第２還元室２２内の窒素は、該第２還元室２２に接続したパイプにより、外部に給送されるようになっている。
このようにして、窒素製造装置１の本体部３で製造した窒素は、その後に冷却して除湿することにより、窒素の純度が９９．５％以上となり、レーザ切断機のアシストガスやレーザ溶接機のシールドガスとして使用することができる。
【００１３】
また、本実施例における本体部３のハウジング１２内は１ＭＰａの圧力化において上述した各室内の処理を行なうようにしている。つまり、本実施例においては、ハウジング１２内の各室内での処理を高圧化において行うことができるようになっている。
なお、本実施例では、窒素製造装置１で製造した窒素を使用例としてレーザ切断機のアシストガスやレーザ溶接機のシールドガスとして使うことを想定したが、これら以外の物品加工装置による加工時に窒素を用いる場合、あるいは、その他の用途にも、上記窒素製造装置１で製造した窒素を用いることが出来ることは勿論である。
【００１４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、窒素酸化物の発生を抑制して、純度の高い窒素を製造できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す概略の構成図
【図２】図１のＩＩ―ＩＩ線に沿う断面図
【符号の説明】
１…窒素製造装置　　　２…電気分解手段
３…本体部　　　　　　１４…水素分子供給室
１６…水素原子発生室　１８…タングステンワイヤー
２１…第１還元室　　　２２…第２還元室
【図１】
2004035286.tif 000003
【図２】
2004035286.tif 000004