(57)【要約】【目的】酸素富化の効率の高い酸素富化膜、酸素富化装置、及び酸素富化方法を提供する。【構成】本発明の酸素富化膜は、シリコーン膜やシリコーンポリカーボネート膜等の酸素選択透過膜と、該酸素選択透過膜の中に磁界を形成して常磁性体を引き付けるための磁界発生手段とを備えている。このような磁界発生手段としては、例えば酸素選択透過膜３の中に分散された磁性粒子４等が挙げられる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素選択透過膜と、
該酸素選択透過膜の中に磁界を形成して常磁性体を引き付けるための磁界発生手段と、
を備えることを特徴とする酸素富化膜。
【請求項２】
前記磁界発生手段は前記酸素選択透過膜の中に分散された磁性粒子であることを特徴とする請求項１に記載の酸素富化膜。
【請求項３】
前記磁性粒子の表面は分散処理がされていることを特徴とする請求項３に記載の酸素富化膜。
【請求項４】
前記分散処理は界面活性剤によってなされていることを特徴とする請求項４に記載の酸素富化膜。
【請求項５】
酸素選択透過膜と該酸素選択透過膜の中に磁界を形成して常磁性体を引き付けるための磁界発生手段とが設けられた酸素富化膜と、
該酸素富化膜の一面側と他面側との間に圧力差を設けるための差圧手段と、
を備えることを特徴とする酸素富化装置。
【請求項６】
酸素選択透過膜の中に常磁性体を引き付ける磁界を形成し、該酸素選択透過膜の一面側と他面側との間に圧力差を設け、該酸素選択透過膜の高圧側の一面に酸素を含む原料ガスを供給することを特徴とする酸素富化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素富化膜、酸素富化装置及び酸素富化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、処理量の増大化が図られている。
【０００４】
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６１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。
【特許文献１】特開平１−２２８５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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、酸素富化装置、及び酸素富化方法を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の局面の酸素富化膜は、酸素選択透過膜と、該酸素選択透過膜の中に磁界を形成して常磁性体を引き付けるための磁界発生手段とを備え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。このとき、磁界発生手段が酸素選択透過膜の中に磁界を形成し、常磁性体である酸素を引き付けるため、磁界が存在しない場合に比べて、酸素の溶解度係数が大きくなるので、酸素の透過速度が速くなる。このため、酸素富化膜を境に圧力差を設けた場合、酸素富化の効率がより高くなる。
【０００９】
酸素選択透過膜としては、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。これらの酸素選択透過膜は多孔体によって支持されていてもよい。また、磁界発生手段としては、酸素選択透過膜の中に磁性粒子を分散させたり、酸素選択透過膜の一面側に超伝導コイルを近づけ、電流を流すことによって酸素選択透過膜中に強力な磁界を発生させたり、酸素選択透過膜の一面側に強力な永久磁石を近づけたりして、酸素選択透過膜の中に磁界を形成し、常磁性体たる酸素を引き付けることができる。
【００１０】
第２の局面の酸素富化膜によれば、磁界発生手段は前記酸素選択透過膜の中に分散された磁性粒子であることとした。酸素選択透過膜に分散させた磁性粒子は常磁性体である酸素を吸引するため、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。また、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。
【００１１】
第３の局面の酸素富化膜によれば、磁性粒子の表面は分散処理がされていることとした。磁性粒子間の凝集を防ぐため、磁性粒子の表面を親水性あるいは疎水性（親油性）のいずれかの処理を施すことが望ましい。酸素選択透過膜はシリコーン膜やシリコーンポリカーボネート膜等、疎水性である場合が多いので、通常親水性の性質を有する磁性粒子の表面を分散処理にて疎水性の処理を施すことが有効である。このため、磁性粒子の表面が疎水処理されていれば、酸素富化膜中で磁性粒子をより均一に分散させることが可能となる。このため、酸素富化膜中における磁性粒子による磁界形成がより緻密なものとなり、酸素富化の効果がさらに高められる。
【００１２】
疎水性の表面処理としては、界面活性剤、撥水剤、シランカップリング剤等を用いることができる。第４の局面の酸素富化膜として、磁性粒子を界面活性剤で処理すれば、界面活性剤の親水基が磁性粒子側に配向し、疎水基が外側に配向する。このため、疎水性の酸素選択透過膜とのなじみがよくなり、磁性粒子を酸素選択透過膜中に均一に分散させることができる。また、シランカップリング剤を用いて疎水処理を行えば、磁性粒子の表面にシランカップリング剤のシラノール基を介して疎水基を化学結合させることができる。このため、疎水性の効果が低下し難くなる。表面処理剤の疎水基としてフッ素置換されたアルキル基を有するものは、特に疎水性が高くて好適である。
【００１３】
本発明の酸素富化膜を用いて酸素富化装置を製造することができる。すなわち、本発明の酸素富化装置は、酸素選択透過膜と該酸素選択透過膜の中に磁界を形成して常磁性体を引き付けるための磁界発生手段とが設けられた酸素富化膜と、該酸素富化膜の一面側と他面側との間に圧力差を設けるための差圧手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
この酸素富化装置では、磁界発生手段が酸素選択透過膜の中に磁界を形成して常磁性体である酸素を引き付ける。このため、差圧手段によって酸素富化膜を境に圧力差を設けた場合、酸素選択透過膜中における酸素の移動が磁界によって促進される。このため、酸素選択透過膜中の酸素は磁界が存在しない場合より多量に移動し、酸素富化の効率が高くなる。
【００１５】
また、本発明の酸素富化方法は、酸素選択透過膜の中に常磁性体を引き付ける磁界を形成し、該酸素選択透過膜の一面側と他面側との間に圧力差を設け、該酸素選択透過膜の高圧側の一面に酸素を含む原料ガスを供給することを特徴とする。
この酸素富化方法では、酸素選択透過膜の中に常磁性体を引き付ける磁界が形成されるため、常磁性体である酸素を引き付けることができる。このため、差圧手段によって酸素富化膜を境に圧力差を設けた場合、酸素選択透過膜中における酸素の移動が磁界によって促進される。このため、酸素選択透過膜中の酸素は磁界が存在しない場合より多量に移動し、酸素富化の効率が高くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を具体化した実施形態１及び実施形態２について、図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
（実施形態１）
＜酸素富化膜の調製＞
（キャスティング法）
酸素選択透過膜の基剤としては、シリコーンやシリコーンポリカーボネートを用いることができる。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。また、図１に示すように、磁性粒子１に界面活性剤２が吸着したものが媒体中に分散されている市販の磁性流体（株式会社シグマハイケミカル製の磁性流体）を用いることも可能である。
こうして得られた磁性粒子分散液をガラス基板やフッ素樹脂板の上に薄く延ばし、有機溶媒を蒸発させることによって、図２に示すように、磁性粒子３が基剤４に分散した酸素富化膜とする。このとき、ガラス基板やフッ素樹脂板を回転させながらキャスティングするスピンコート法を適用すれば、薄くて均一な酸素富化膜とすることができる。
（カレンダー加工法）
上記キャスティング法に替え、カレンダー加工による製膜も可能である。すなわち、熱可塑性の酸素選択透過膜の基剤と、上記種々の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、カレンダー加工によって酸素富化膜とする。
【００１８】
＜酸素富化装置＞
上記のようにして得られた酸素富化膜を用いて、図３に示す酸素富化装置５が組み立てられる。この酸素富化装置５は、酸素富化膜６を境として、空気供給室７と減圧室８とが備えられている。空気供給室７には流入管７ａと流出管７ｂとが接続されており、流入管７ａは図示しない送風機に接続されている。流出室８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８ａが接続されており、富化ガス流出管８ａは図示しない減圧ポンプに接続されている。
【００１９】
以上のように構成された実施形態１の酸素富化装置では、送風機を駆動することにより、空気が流入管７ａを介して空気供給室７に送られ、流出管７ｂ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８を減圧する。これにより、空気供給室７と減圧室８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６の中を酸素や窒素が拡散移動する。ここで、酸素富化膜６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８側に移動し、減圧室８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６中には磁性粒子が分散されているため、常磁性である酸素は磁性粒子３によって酸素富化膜６中に引き込まれる。このため、酸素の酸素富化膜６中への溶解速度が速くなる。また、磁性粒子３の近傍には密な磁力線が生じるため、酸素が吸引される力が大きくなり、本来の酸素の溶解度係数よりも大きくなり、よりたくさんの酸素が酸素富化膜６中に溶解する。このため、時間当たりの酸素の移動量は磁性粒子３が存在しない場合よりも大きくなる。こうして、減圧室８には酸素が富化されたガスが放出され、富化ガス流出管８ａから流出する。また、空気供給室７側では窒素成分が多くなったガスが流出管７ｂから排出される。
【００２０】
（実施形態２）
＜酸素富化膜の調製＞
実施形態２の酸素富化膜は、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を有する基剤を有機溶媒に溶解し、さらに磁性体である鉄粉を加え、撹拌混合して鉄粉を含有した分散液とする。そして実施形態１の場合と同様のキャスティング法により、鉄粉が分散した酸素富化膜本体を得る。さらに、図４に示すように、酸素富化膜本体９の一面側に超伝導コイル１０を配設し、これを酸素富化膜１１とする。
【００２１】
＜酸素富化装置＞
図５に示すように、超伝導コイル１０が配設された酸素富化膜１１を、実施形態１の酸素富化装置における酸素富化膜６（図３参照）の替わりに設置する。その他の構成は実施形態１の酸素富化装置と同様であり、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２２】
以上のように構成された実施形態２の酸素富化装置では、超伝導コイル１０に電流を流すことによって極めて強力な磁界が発生し、これにより酸素富化膜本体９に分散されている鉄粉が磁化される。このため、実施形態１の酸素富化膜６と同様、酸素選択透過膜中に磁性粉体が分散された状態となり、しかもその磁界は実施形態１の場合よりもさらに強力となる。このため、実施形態１よりもさらに酸素富化効率の良い酸素富化装置となる。
【００２３】
この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】磁性流体中の磁性粒子の模式図である。
【図２】実施形態１の酸素富化膜の模式断面図である。
【図３】実施形態１の酸素富化装置の模式断面図である。
【図４】実施形態２の酸素富化膜の模式断面図である。
【図５】実施形態２の酸素富化装置の模式断面図である。
【図６】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】
【００２５】
４…基剤（酸素選択透過膜）
１，３…磁性粒子（磁界発生手段）
２…界面活性剤
９…酸素富化膜本体
１０…超伝導コイル（磁界発生手段）
７…空気供給室（差圧手段）
８…減圧室（差圧手段）
【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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【図６】
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