(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オゾンと窒素をともにガラスキャピラリ内に通じることにより笑気ガスを生成することを特徴とする笑気ガスの製造装置。
【請求項２】
オゾンと窒素をともにガラスキャピラリ内に通じることにより笑気ガスを生成することを特徴とする笑気ガスの生成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、笑気ガスの生成方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一酸化二窒素は麻酔用笑気ガスとして利用されている。
従来、一酸化二窒素の生成方法としては、硝酸アンモニウムの加熱等が知られている。これは、硝酸アンモニウムを加熱し、１８５℃以上の温度で分解するものである。硝酸アンモニウムを熱すると、１８５℃付近で分解され、２５０℃ではげしく分解し、一酸化二窒素を生ずる。この性質を利用したものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法においては、硝酸アンモニウムを必要とするとともに、加熱する必要がある。このため、一酸化二窒素を製造する際には、原料となる硝酸アンモニウムが必要であり、設備が大きくなる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一酸化二窒素を容易かつ簡便な装置により製造することを目的とするものである。
発明者等はオゾンの貯蔵機構の解明過程において、シリカゲルの細孔がオゾンのクラスター化に大きく寄与していることを見出した。
ガスの吸着物質への吸着には物理吸着と化学吸着がある。オゾンのシリカゲルへの吸着は、物理吸着である。物理吸着の例として、水のシリカゲルへの吸着がある。高湿度の空間にシリカゲルを放置すれば水がシリカゲルに吸着するが、この水の脱着については、水が気化するエネルギーを与える必要がある。
オゾンについても、シリカゲル中にオゾンガスを通気するとオゾンがシリカゲルに吸着するが、オゾンの脱着については、酸素を供給するだけで脱着現象が起こるものである。
水の蒸気がシリカゲルの表面に近づき吸着されると吸着熱（凝縮熱）を放出して、シリカゲル表面に固定される。
シリカゲルと水を分離するためには、脱着熱（気化熱）を与える必要があるため、１００℃以上に加熱して気化させる。
次にオゾンの吸着について説明する。
オゾン分子の大きさは、大まかに、幅が１．１８Å、長さが３．３５Å、そして高さが１．８５Åと考えられる。一方、オゾンの密度（沸点［−１１２℃］における密度）Ｄは、Ｄ＝１．３５４±０．０００１［ｇ／ｍ3］である。この密度からオゾン分子の占める空間は、立法体とした場合、一辺が３．９Åとなる。これらを勘案し、液体オゾンの単分子層の厚みを３．９Åとすると、この単分子層の１平方メートルの重量ｍは、ｍ＝５．２８１×１０-4［ｇ］となる。
シリカゲル１リットルにおける表面積Ｖは、Ｖ＝７５０×７３０［ｍ2/Ｌ］となる。よって、シリカゲル１リットルに液体オゾンが１層吸着されたときのオゾン重量Ｍは、Ｍ＝ｍ×Ｖ＝２８９．１１[ｇ]となる。
発明者は実験において、７ｗｔ％のオゾンガスを使用して、−１７℃に冷却して約５gのオゾンを吸着できた。このことから、オゾンとシリカゲルの吸着については、水とシリカゲルの関係と類似するが、オゾンの沸点が−１１２℃であるので、毛管力により圧縮され、臨界温度を下回った状態でクラスレート化して巨大分子を形成するため凝縮し易くなり、−１７℃においても凝縮液化すると考えられる。
【０００５】
図１は、シリカゲルによるオゾンのクラスレート過程を示す概念図である。図１に示すごとく、シリカゲル１２には多くの細孔１１が構成されている。オゾン分子１３が細孔１１に導入されると、シリカゲル細孔１１の毛管力により、オゾン分子１３が圧縮され、クラスレート化するものである。細孔１１にはこのように、オゾンクラスター１５が蓄積されるものである。
すなわち、珪酸塩により構成される壁面に囲まれた細孔により、オゾンがクラスレート化するものである。
【０００６】
オゾンの脱着については、酸素をバージすることだけで完全に脱着できることから、吸着したオゾンのクラスターが平衡状態から崩壊し、本来の沸点である−１１２℃に戻りシリカゲルから気化熱を奪い気化すると考えられる。そして、この様にして取り出されたオゾンにはオゾンクラスターの２量体（Ｏ6：質量数９６）および３量体（Ｏ9：質量数１４４）が含まれることが、ＧＣ／ＭＳ・質量分離で確認された。なお、分子軌道計算によっても２量体、３量体のクラスターが安定的に存在可能であることが示されている。
【０００７】
発明者等は、さらにガスクロマトグラフ用のキャピラリにおいてもオゾンが吸着されることを見出しているものである。マススペクトルを使用したオゾンの質量分析の過程において、ガスクロマトグラフ用のキャピラリにオゾンが吸着する現象を発見したものである。
図２はキャピラリ内部に構成される細孔を示す模式図である。
キャピラリ６の内壁はシリカゲルと同じく、主に珪酸塩により構成されている。また、キャピラリ６においても、内壁に細孔１１が存在するものである。このため、オゾンに対してシリカゲルと同様に作用し、オゾンがクラスター化されるものである。キャピラリ６を用いることにより、オゾンを移送しながらクラスター化することができるものである。
【０００８】
クラスター化したオゾンは反応性が向上するものであり、この状態でオゾンが窒素と容易に反応するものである。
その結果、窒素が存在するキャピラリにオゾンを通じることにより、窒素が酸化され、一酸化二窒素が生成することを見出したものである。さらに、窒素の供給源としては、空気中の窒素を用いることが可能である。
すなわち、シリカゲルやキャピラリの細孔が、触媒となり、オゾンと窒素の反応を容易にし、促進するものである。
そして、本発明は次のような手段を用いる。
笑気ガス（一酸化二窒素）を生成する方法として、オゾンと窒素を利用するものである。
オゾンと窒素を反応させることにより、窒素が一酸化二窒素となるものである。さらに、オゾンと窒素を管内に通じることにより、管内においてオゾンと窒素の反応を促進し、窒素が一酸化二窒素の生成効率を向上させるものである。さらに、管としてガラスキャピラリを用いることにより、生成効率をさらに向上させるものである。
【００１０】
すなわち、請求項１に記載のごとく、オゾンと窒素をともにガラスキャピラリ内に通じることにより笑気ガスを生成することを特徴とする笑気ガスの製造装置。
【００１１】
請求項２に記載のごとく、オゾンと窒素をともにガラスキャピラリ内に通じることにより笑気ガスを生成することを特徴とする笑気ガスの生成方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
図３は実施例の構成を示す模式図、図４はマススペクトルによる分析結果を示す図、図５は他の実施例を示す模式図である。
【００１３】
本発明において、オゾンと窒素を混合することにより、笑気ガスである一酸化二窒素を生成するものである。オゾンの供給方法としては、オゾナイザなどの無声放電により生成されるオゾンや、オゾン貯蔵装置において貯蔵されたオゾンを利用することができるものである。また、窒素の供給源としては、ボンベに貯蔵した窒素や、空気中の窒素を用いることが可能である。これらのオゾンと窒素を混合し、触媒の存在下で反応させることにより一酸化二窒素が得られる。しかし、一酸化二窒素の生成効率を向上させるべく、本発明においては、オゾンと窒素を管内に導入するものである。管内にオゾンおよび窒素を導入することにより、オゾンと窒素の接触効率を向上させるとともに、反応して一酸化二窒素が生成する。
【００１４】
さらに、オゾンをガラスキャピラリ内に導入することにより、窒素がオゾンにより酸化され、笑気ガスが生成されるものである。
キャピラリとしては、一般にガスクロマトグラフに用いるものを使用するものである。例えば、内径３mm〜５０μmのものを用いることができる。これにより、笑気ガスの生成を行うことができるものである。
【００１５】
次に、実施例について説明する。
実施例は、図３に示すごとく、オゾン発生装置２において生成したオゾンを送気ポンプ４によりキャピラリ６に供給し、キャピラリ６より排出されるガスを質量分析装置７により分析するものである。
【００１６】
酸素供給源として酸素ボンベ１を用いるものである。酸素ボンベより供給される酸素は、オゾン発生装置２に導入される。オゾン発生装置２として、本実施例においては、無声放電式のオゾン発生装置を用いた。
【００１７】
送気ポンプ４はキャピラリ６に接続されており、該送気ポンプ４によりオゾンがキャピラリ６内に導入されるものである。
本実施例においては、キャピラリ６内に予め空気を満し、キャピラリ６内にオゾンを供給した。そして、キャピラリ６には質量分析計７を接続し、キャピラリ６内より排出されたガスの分析を行った。質量分析計７により、キャピラリを通過した気体のマススペクトルを計測した。
キャピラリの全長は２５メートルであり、ガスの流速は２０m/minであった。
温度は６０℃であった。
【００１８】
次に、実験結果について説明する。
図４は、計測されたマススペクトルのチャートである。
図４（ａ）は検出されたガスの全量を示す図であり、図４（ｂ）はオゾンを示す図であり、図４（ｃ）は窒素を示す図であり、図４（ｄ）は一酸化二窒素を示す図である。
図４に示すごとく、キャピラリより一酸化二窒素の生成が確認された。
また、図４に示すごとく、一酸化二窒素のピークがオゾンおよび窒素のピークの後に確認された。
【００１９】
キャピラリ内にオゾンを通じる前の状態においては、キャピラリ内には一酸化二窒素が存在していない。すなわち、キャピラリ内にオゾンを通すことにより、一酸化二窒素が生成したものである。
さらに、一酸化二窒素のピークとオゾンおよび窒素のピークとにズレが生じるため、オゾンおよび窒素と一酸化二窒素を効率的に分離することが可能であることが解る。すなわち、キャピラリ６よりの排出時間が異なるため、該キャピラリ６により一酸化二窒素を分離することができるものである。
オゾンの分解により発熱することが考えられるが、キャピラリは比表面積が大きく、容易に冷却が可能である。これにより、キャピラリを用いてオゾンを連続的に分解することが可能となる。すなわち、径の細い管内において一酸化二窒素を生成するので、温度管理を容易に行うことができるものである。
一酸化二窒素を酸素と電力により生成することができるので、一酸化二窒素が必要な場所において簡便に生成できる。例えば、病院などにおいては、治療用に酸素が備えられており、この酸素と電力により笑気ガスを必要量生成することができる。
【００２０】
次に、本発明の他の実施例について説明する。
図５において、オゾン供給源１はオゾン発生装置２に接続され、オゾン発生装置２は送気ポンプ４が接続されており、該送気ポンプ４には複数のキャピラリ６・６・・が接続されている。さらに、キャピラリ６には収集装置８が接続されている。
キャピラリ６において発生する熱が問題となる場合には、送風機などの冷却装置９を配置し、該キャピラリ６・６・・を冷却することも可能である。
【００２１】
上述のごとく、オゾンと窒素がキャピラリ６を通ることにより、一酸化二窒素が生成される。また、排出されるまでの時間が、オゾン、窒素、一酸化二窒素において、それぞれ異なる構成となる。
このため、オゾンを送気ポンプ４により間欠的にキャピラリ６に送ることにより、収集装置８において容易に一酸化二窒素を得ることができるものである。
キャピラリ６にオゾンを送り、空気により押出すことで、オゾンおよび一酸化二窒素がキャピラリ６より排出される。そして、排出タイミングにより、オゾンと一酸化二窒素を回収することができるものである。
すなわち、ガスを回収するタイミングを調節することにより、一酸化二窒素を効率的に得るとともに、未反応のオゾンと窒素を再びキャピラリ６に通じて効率的な運転を行うことができるものである。
【００２２】
【発明の効果】
オゾンと窒素をともに管内に通じることにより笑気ガスを生成するので、オゾンと窒素の接触効率を向上させ、笑気ガスの生成反応を促進できる。さらに、容易な構成により笑気ガスを生成できる。
また、オゾンと窒素をともにガラスキャピラリ内に通じることにより笑気ガスを生成するので、キャピラリの径を容易に調節可能であり、生成反応時の熱を放出し易く、温度調整を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリカゲルによるオゾンのクラスレート過程を示す概念図。
【図２】キャピラリ内部に構成される細孔を示す模式図。
【図３】実施例の構成を示す模式図。
【図４】マススペクトルによる分析結果を示す図。
【図５】他の実施例を示す模式図。
【符号の説明】
１  オゾン供給源
２  オゾン発生装置
４  送気ポンプ
６  キャピラリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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