(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体水素（１５）によって冷却・凝固された固体アルゴン（３３）からみぞれ状のスラッシュアルゴン（２０）を作るスラッシュアルゴン製造装置（１４）と、スラッシュアルゴン製造装置（１４）で作られたスラッシュアルゴン（２０）及び純度の低い粗製酸素（２３）を熱交換して粗製酸素（２３）を冷却・凝縮することにより粗製酸素（２３）から不純物を含む残ガス（３２）を分離して純度の高い液体純酸素（３０）を得るアルゴン−酸素熱交換部（５）とを備えたことを特徴とする酸素精製装置。
【請求項２】
隔壁（１）によって上下に仕切られた酸素精製装置本体（２）と、酸素精製装置本体（２）上部のスラッシュアルゴン製造空間（３）に設けられたスラッシュアルゴン製造装置（１４）と、スラッシュアルゴン製造空間（３）下部のスラッシュアルゴン溜り（１８）に溜められたスラッシュアルゴン（２０）及び酸素精製装置本体（２）下部の液体酸素貯留空間（４）に供給された粗製酸素（２３）を熱交換する凝縮フィンから成るアルゴン−酸素熱交換部（５）とを備えた請求項１記載の酸素精製装置。
【請求項３】
アルゴン−酸素熱交換部（５）の出側に、得られた液体純酸素（３０）を気化する気化器（２６）を取付けた請求項１又は２記載の酸素精製装置。
【請求項４】
スラッシュアルゴン製造装置（１４）で液体アルゴン（１０）を冷却することによって気化された水素ガス（１６）と粗製酸素（２３）とを熱交換する中間熱交換器（２９）を設けた請求項１乃至３いずれか記載の酸素精製装置。
【請求項５】
スラッシュアルゴン製造装置（１４）が、アルゴン凝固面（６）を有する水素ジャケット（７）と、アルゴン凝固面（６）へ向けて液体アルゴン（１０）を噴霧又は滴下するアルゴンノズル（１１）と、アルゴン凝固面（６）で冷却・凝固された固体アルゴン（３３）を掻取るアルゴン掻取装置（１３）とで構成される請求項１乃至４いずれか記載の酸素精製装置。
【請求項６】
スラッシュアルゴン製造空間（３）下部のスラッシュアルゴン溜り（１８）で粗製酸素（２３）を冷却することによって溶かされた液体アルゴン（１０）をアルゴンノズル（１１）へ循環させるアルゴン循環路（１７）を設けた請求項２乃至５いずれか記載の酸素精製装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素精製装置に関するものである。より詳しくは、流路閉塞を生じさせることなく液体水素と酸素を熱交換させて純酸素を得られるようにした酸素精製装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、空気から窒素を分離して酸素を得るようにしたＰＳＡ（Pressure Swing Absorption）と呼ばれる酸素製造装置などが開発されているが、ＰＳＡで得られる酸素は、純度が余り高くないので、酸素（粗製酸素）の純度を高めるための装置が別途必要となる。
【０００３】
そこで、ＰＳＡで得られた粗製酸素を冷媒で凝縮して不純物を除去し純酸素とすることが考えられ、又、冷媒としては、酸素と対にして使用される可能性の高い液体水素を用いることが考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液体水素と粗製酸素を通常の熱交換器で直接的に熱交換すると、液体水素の温度が２０Ｋと、酸素の凝固温度５４．８Ｋよりも低くなってしまうため、流路内で酸素が凝固して流路を閉塞させてしまうおそれがある。
【０００５】
この場合、流路の閉塞を防止するために、粗製酸素の流量をきわめて大きくすることが考えられるが、万一の操作ミスによって粗製酸素の流量が低下した時に流路が閉塞されてしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述の実情に鑑み、流路閉塞を生じることなく液体水素と酸素を熱交換させて純酸素を得られるようにした酸素精製装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、液体水素１５によって冷却・凝固された固体アルゴン３３からみぞれ状のスラッシュアルゴン２０を作るスラッシュアルゴン製造装置１４と、スラッシュアルゴン製造装置１４で作られたスラッシュアルゴン２０及び純度の低い粗製酸素２３を熱交換して粗製酸素２３を冷却・凝縮することにより粗製酸素２３から不純物を含む残ガス３２を分離して純度の高い液体純酸素３０を得るアルゴン−酸素熱交換部５とを備えたことを特徴とする酸素精製装置にかかるものである。
【０００８】
この場合において、隔壁１によって上下に仕切られた酸素精製装置本体２と、酸素精製装置本体２上部のスラッシュアルゴン製造空間３に設けられたスラッシュアルゴン製造装置１４と、スラッシュアルゴン製造空間３下部のスラッシュアルゴン溜り１８に溜められたスラッシュアルゴン２０及び酸素精製装置本体２下部の液体酸素貯留空間４に供給された粗製酸素２３を熱交換する凝縮フィンから成るアルゴン−酸素熱交換部５とを備えるようにしても良い。
【０００９】
又、アルゴン−酸素熱交換部５の出側に、得られた液体純酸素３０を気化する気化器２６を取付けるようにしても良い。
【００１０】
更に、スラッシュアルゴン製造装置１４で液体アルゴン１０を冷却することによって気化された水素ガス１６と粗製酸素２３とを熱交換する中間熱交換器２９を設けるようにしても良い。
【００１１】
更に又、スラッシュアルゴン製造装置１４が、アルゴン凝固面６を有する水素ジャケット７と、アルゴン凝固面６へ向けて液体アルゴン１０を噴霧又は滴下するアルゴンノズル１１と、アルゴン凝固面６で冷却・凝固された固体アルゴン３３を掻取るアルゴン掻取装置１３とで構成されるようにしても良い。
【００１２】
加えて、スラッシュアルゴン製造空間３下部のスラッシュアルゴン溜り１８で粗製酸素２３を冷却することによって溶かされた液体アルゴン１０をアルゴンノズル１１へ循環させるアルゴン循環路１７を設けるようにしても良い。
【００１３】
上記手段によれば、以下のような作用が得られる。
【００１４】
先ず、水素ジャケット７へ液体水素１５を供給し、水素ジャケット７のアルゴン凝固面６を冷却する。
【００１５】
この状態で、アルゴンノズル１１からアルゴン凝固面６へ向けて液体アルゴン１０を噴霧或いは滴下し、アルゴン凝固面６に固体アルゴン３３を生成させる。
【００１６】
そして、アルゴン凝固面６に凝固・成長した固体アルゴン３３をアルゴン掻取装置１３によって掻取り、みぞれ状のスラッシュアルゴン２０としてスラッシュアルゴン製造空間３下部へ落とさせる。
【００１７】
この状態で、純度の低い粗製酸素２３を酸素精製装置本体２下部の液体酸素貯留空間４の上部位置へと送り、凝縮フィンから成るアルゴン−酸素熱交換部５を介してスラッシュアルゴン２０と熱交換させ、粗製酸素２３を凝縮させて純度の高い液体純酸素３０を得る。
【００１８】
この際、スラッシュアルゴン２０は温度が８３．６Ｋと、酸素の凝固温度である５４．８Ｋよりも高いので、液体純酸素３０が液体酸素貯留空間４などで凝固してこれらを閉塞することが確実に防止され、酸素精製装置の運転や制御が容易となる。
【００１９】
又、中間の冷媒としてアルゴンという不活性ガスを使用しているので、安全上も優れた装置となる。
【００２０】
尚、粗製酸素２３を凝縮する時に残された不純物は、残ガス３２として排出される。
【００２１】
一方、粗製酸素２３の凝縮によりスラッシュアルゴン２０は、一部が溶けて液体アルゴン１０となり、アルゴン循環路１７を介してアルゴンノズル１１へ循環使用される。
【００２２】
又、液体アルゴン１０の凝固により温度が上がった水素ジャケット７の液体水素１５は、水素ガス１６となってから排出され、途中、中間熱交換器２９で粗製酸素２３と熱交換され、酸素精製装置の精製効率を向上するのに利用される。尚、水素ガス１６は冷熱が小さいので、中間熱交換器２９で粗製酸素２３が凝縮されることはない。
【００２３】
以上述べたように、本発明によれば、アルゴンという中間冷媒を使用するようにしたことにより、流路閉塞を生じさせることなく水素と酸素を間接的に熱交換させて純酸素を得ることができるようになる。且つ、中間の冷媒としてアルゴンという不活性ガスを使用しているので、安全上も優れた装置となる。
【００２４】
又、酸素精製装置本体２の内部に、スラッシュアルゴン製造装置１４と酸素熱交換部５を備えるようにしたので、装置構成を簡略化し効率的な設備とすることができる。
【００２５】
更に、アルゴン−酸素熱交換部５の出側、例えば、酸素精製装置本体２における液体酸素貯留空間４の底部に、得られた液体純酸素３０を気化するための気化器２６を取付けることにより、簡単に純酸素ガス３１を得ることができる。
【００２６】
更に又、スラッシュアルゴン製造装置１４で液体アルゴン１０を冷却することによって気化された水素ガス１６と粗製酸素２３とを熱交換する中間熱交換器２９を設けたことにより、水素ガス１６の冷熱を利用して設備効率を向上することができる。
【００２７】
加えて、スラッシュアルゴン製造装置１４を、アルゴン凝固面６で冷却・凝固された固体アルゴン３３をアルゴン掻取装置１３で掻取らせるようにしたことにより、簡単な構成でスラッシュアルゴンを製造することができる。
【００２８】
そして、スラッシュアルゴン製造空間３下部のスラッシュアルゴン溜り１８で粗製酸素２３を冷却することによって溶かされた液体アルゴン１０を、アルゴン循環路１７を介してアルゴンノズル１１へ循環させるようにしたことにより、アルゴンの使用量を節約することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図示例と共に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態の一例である。
【００３１】
隔壁１によって上下に仕切られた密閉容器状の酸素精製装置本体２を設け、隔壁１を貫通して、上部のスラッシュアルゴン製造空間３の側と下部の液体酸素貯留空間４の側へ延びる凝縮フィンから成るアルゴン−酸素熱交換部５を設ける。
【００３２】
酸素精製装置本体２上部のスラッシュアルゴン製造空間３に、アルゴン凝固面６を有する水素ジャケット７を設け、水素ジャケット７に液体水素供給路８と水素ガス排出路９をそれぞれ接続すると共に、アルゴン凝固面６へ向けて液体アルゴン１０を噴霧或いは滴下するアルゴンノズル１１を配置し、アルゴン凝固面６に、モータ１２によって回転駆動されるオーガスクリューなどのアルゴン掻取装置１３を接触配置して、スラッシュアルゴン製造装置１４を構成する。
【００３３】
尚、図ではアルゴン凝固面６は円筒型をしており、円筒型のアルゴン凝固面６の軸心位置にオーガスクリューが配置されるようになっているが、必ずしもこの形状に限るものではない。又、図中、１５は液体水素供給路８へ供給される液体水素、１６は水素ガス排出路９から排出される水素ガス、１７はスラッシュアルゴン製造空間３下部のスラッシュアルゴン溜り１８からアルゴンノズル１１へ液体アルゴン１０を循環させるためのアルゴン循環路、１９はアルゴン循環路１７の途中に設けられたアルゴン循環ポンプ、２０はオーガスクリューによってアルゴン凝固面６から掻取られて成るみぞれ状のスラッシュアルゴンである。
【００３４】
そして、常温の空気２１から窒素２２を分離して粗製酸素２３を得るようにしたＰＳＡ（Pressure Swing Absorption）と呼ばれる酸素製造装置２４の粗製酸素出口流路２５を酸素精製装置本体２下部の液体酸素貯留空間４の上部位置へ接続すると共に、液体酸素貯留空間４の底部に気化器２６を備えた純酸素排出流路２７を接続し、且つ、液体酸素貯留空間４の上部位置に残ガス出口流路２８を接続する。
【００３５】
更に、水素ガス排出路９と粗製酸素出口流路２５の間に中間熱交換器２９を設ける。
【００３６】
尚、図中、３０は液体酸素貯留空間４に溜まった純度の高い液体純酸素、３１は純酸素排出流路２７を通すことにより最終的に得られる純酸素ガス、３２は残ガス出口流路２８から排出される残ガス、３３はアルゴン凝固面６に生成された固体アルゴン、３４はアルゴン循環路１７に液体アルゴン１０を供給する液体アルゴン供給路である。
【００３７】
次に、作動について説明する。
【００３８】
先ず、液体水素供給路８から水素ジャケット７へ液体水素１５を供給し、水素ジャケット７のアルゴン凝固面６を冷却する。
【００３９】
この状態で、アルゴンノズル１１からアルゴン凝固面６へ向けて液体アルゴン１０を噴霧或いは滴下し、アルゴン凝固面６に固体アルゴン３３を凝固させる。
【００４０】
そして、アルゴン凝固面６に凝固・成長した固体アルゴン３３をオーガスクリューによって掻取り、みぞれ状のスラッシュアルゴン２０としてスラッシュアルゴン製造空間３下部のスラッシュアルゴン溜り１８へ落とさせる。
【００４１】
この状態で、ＰＳＡ（Pressure Swing Absorption）と呼ばれる酸素製造装置２４で常温の空気２１から窒素２２を分離して得られた純度の低い粗製酸素２３を粗製酸素出口流路２５を介して酸素精製装置本体２下部の液体酸素貯留空間４の上部位置へと送り、凝縮フィンから成るアルゴン−酸素熱交換部５を介してスラッシュアルゴン２０と熱交換させ、粗製酸素２３を凝縮させて純度の高い液体純酸素３０を得る。
【００４２】
この際、スラッシュアルゴン２０は温度が８３．６Ｋと、酸素の凝固温度である５４．８Ｋよりも高いので、液体純酸素３０が液体酸素貯留空間４や純酸素排出流路２７で凝固してこれらを閉塞することが確実に防止され、酸素精製装置の運転や制御が容易となる。
【００４３】
又、中間の冷媒としてアルゴンという不活性ガスを使用しているので、安全上も優れた装置となる。
【００４４】
こうして、液体酸素貯留空間４に得られた液体純酸素３０は、純酸素排出流路２７から取り出され、途中、気化器２６で気化されて純酸素ガス３１とされる。
【００４５】
尚、粗製酸素２３を凝縮する時に凝縮し残された不純物は、残ガス３２として残ガス出口流路２８から排出される。
【００４６】
一方、粗製酸素２３の凝縮により温度が上がったスラッシュアルゴン溜り１８のスラッシュアルゴン２０は、一部が溶けて液体アルゴン１０となり、アルゴン循環ポンプ１９によりアルゴン循環路１７を介してアルゴンノズル１１へ循環使用される。
【００４７】
又、液体アルゴン１０の凝固により温度が上がった水素ジャケット７の液体水素１５は、水素ガス１６となって水素ガス排出路９から排出される。
【００４８】
更に、水素ガス排出路９から排出される水素ガス１６は、途中、中間熱交換器２９で粗製酸素出口流路２５を流れる粗製酸素２３と熱交換され、酸素精製装置の精製効率を向上するのに利用される。尚、水素ガス１６は冷熱が小さいので、中間熱交換器２９で粗製酸素２３が凝縮されることはない。
【００４９】
以上述べたように、本発明によれば、アルゴンという中間冷媒を使用するようにしたことにより、流路閉塞を生じさせることなく水素と酸素を間接的に熱交換させて純酸素を得ることができるようになる。且つ、中間の冷媒としてアルゴンという不活性ガスを使用しているので、安全上も優れた装置となる。
【００５０】
又、酸素精製装置本体２の内部に、スラッシュアルゴン製造装置１４と酸素熱交換部５を備えるようにしたので、装置構成を簡略化し効率的な設備とすることができる。
【００５１】
更に、アルゴン−酸素熱交換部５の出側、例えば、酸素精製装置本体２における液体酸素貯留空間４の底部に、得られた液体純酸素３０を気化するための気化器２６を取付けることにより、簡単に純酸素ガス３１を得ることができる。
【００５２】
更に又、スラッシュアルゴン製造装置１４で液体アルゴン１０を冷却することによって気化された水素ガス１６と粗製酸素２３とを熱交換する中間熱交換器２９を設けたことにより、水素ガス１６の冷熱を利用して設備効率を向上することができる。
【００５３】
加えて、スラッシュアルゴン製造装置１４を、アルゴン凝固面６で冷却・凝固された固体アルゴン３３をアルゴン掻取装置１３で掻取らせるようにしたことにより、簡単な構成でスラッシュアルゴン２０を製造することができる。
【００５４】
そして、スラッシュアルゴン製造空間３下部のスラッシュアルゴン溜り１８で粗製酸素２３を冷却することによって溶かされた液体アルゴン１０を、アルゴン循環路１７を介してアルゴンノズル１１へ循環させるようにしたことにより、アルゴンの使用量を節約することができる。
【００５５】
尚、本発明は、上述の実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００５６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００５７】
１）  アルゴンという中間冷媒を使用するようにしたことにより、流路閉塞を生じさせることなく水素と酸素を間接的に熱交換させて純酸素を得ることができるようになる。又、中間の冷媒としてアルゴンという不活性ガスを使用しているので、安全上も優れた装置となる。
【００５８】
２）  酸素精製装置本体２の内部に、スラッシュアルゴン製造装置１４とアルゴン−酸素熱交換部５を備えるようにしたので、装置構成を簡略化し効率的な設備とすることができる。
【００５９】
３）  アルゴン−酸素熱交換部５の出側、例えば、酸素精製装置本体２における液体酸素貯留空間４の底部に、得られた液体純酸素３０を気化するための気化器２６を取付けることにより、簡単に純酸素ガス３１を得ることができる。
【００６０】
４）  スラッシュアルゴン製造装置１４で液体アルゴン１０を冷却することによって気化された水素ガス１６と粗製酸素２３とを熱交換する中間熱交換器２９を設けたことにより、水素ガス１６の冷熱を利用して設備効率を向上することができる。
【００６１】
５）  スラッシュアルゴン製造装置１４を、アルゴン凝固面６で冷却・凝固された固体アルゴン３３をアルゴン掻取装置１３で掻取らせるようにしたことにより、簡単な構成でスラッシュアルゴン２０を製造することができる。
【００６２】
６）  スラッシュアルゴン製造空間３下部のスラッシュアルゴン溜り１８で粗製酸素２３を冷却することによって溶かされた液体アルゴン１０を、アルゴン循環路１７を介してアルゴンノズル１１へ循環させるようにしたことにより、アルゴンの使用量を節約することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の概略系統図である。
【符号の説明】
１    隔壁
２    酸素精製装置本体
３    スラッシュアルゴン製造空間
４    液体酸素貯留空間
５    アルゴン−酸素熱交換部（凝縮フィン）
６    アルゴン凝固面
７    水素ジャケット
９    水素ガス排出路
１０  液体アルゴン
１１  アルゴンノズル
１３  アルゴン掻取装置
１４  スラッシュアルゴン製造装置
１５  液体水素
１６  水素ガス
１７  アルゴン循環路
１８  スラッシュアルゴン溜り
２０  スラッシュアルゴン
２３  粗製酸素
２６  気化器
２９  中間熱交換器
３０  液体純酸素
３２  残ガス
３３  固体アルゴン
【図１】
0003820630.tif 000002