JP2001139314A - 酸素・窒素分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複雑かつ多数の構成材を要することなく極め
て簡易な構成でありながら、静粛性とコンパクト化を達
成しつつ、長期に亘って効率よく酸素と窒素を分離・収
集することができる酸素・窒素分離装置を提供する。 【解決手段】 ピストン３を内装した圧力室４の吐出孔
８と酸素フィルタ部７との間に、圧力室４から酸素フィ
ルタ部７に至る圧縮空気の流通を一方向制御する第１の
圧力回路９と、酸素フィルタ部７内に残留する窒素Ｃの
圧力室４への流通を一方向制御する第２の圧力回路１０
を設け、吸気弁５の吸入作動から圧縮作動を経て排気弁
６の排気作動に至るピストン３の二工程毎に酸素Ｂと窒
素Ｃの分離を行うようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は空気から酸素と窒素
を分離する酸素・窒素分離装置に係り、特に、圧力室に
内装したピストンの圧縮および非圧縮方向の移動作動に
連繋して酸素を効率良く連続的に収集することができる
酸素・窒素分離装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、空気中の酸素を分離する技術とし
て圧力スイング吸着法（以下ＰＳＡ法と略す）が開発さ
れ実用化が進展しているが、このＰＳＡ法によるガスの
分離技術は、吸着材の選択的吸着特性を利用して酸素を
分離するものであり、深冷分離法に比較して装置の小型
化が可能となり、かつ調整操作が簡便である等の特徴を
有している。

【０００３】そして上記ＰＳＡ法で空気中の酸素ガスを
分離する場合には、主に吸着材としてゼオライトを使用
し、加圧下で窒素ガスを吸着除去して非吸着成分の酸素
ガスを製品ガスとして分離する方法が一般に採用されて
いるが、ゼオライトは親水性材料で水の吸着力が強く、
水を吸着すると著しく性能が劣化するため、ＰＳＡ操作
に先立ってあらかじめ供給空気中の水分（湿度）を十分
除去しておかねばならず、煩雑な設備が必要となってメ
ンテナンス上も細かい留意が必要である、という煩わし
い作業を伴うものであった。

【０００４】また、通常酸素分離に用いられるCa-A型や
Ca-X型ゼオライトでは窒素を吸着成分とし、このゼオラ
イトに吸着されなかった酸素を収集する構成であるた
め、該ゼオライトの窒素飽和を考慮する必要があり、例
えば実公平７−４８６５３に開示されている濃縮酸素発
生器では、ゼオライトを充填した一対の吸着塔を設け
て、一方の吸着塔が窒素飽和状態になった際に、他方の
吸着塔に交互に切り替えることにより、連続的に濃縮酸
素の収集が可能となっているが、濃縮酸素発生の稼働状
態において圧縮機の運転音、電磁切換弁の切換ノイズ等
による騒音が大きく、また連続して交互に吸着塔からの
濃縮酸素の供給路を電磁切換弁でひっきりなしに切り替
えるため、当該電磁切換弁の寿命、劣化で濃縮酸素発生
器自体の故障を誘発し易い、という改善の余地を残すも
のであった。

【０００５】

【本発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の如
き実状に鑑み酸素・窒素分離装置の性能向上を追求する
その研究開発の過程で創案されたものであって、その目
的とするところは、複雑かつ多数の構成材を要すること
なく極めて簡易な構成でありながら、静粛性とコンパク
ト化を達成しつつ、長期に亘って効率よく酸素と窒素を
分離・収集することができる酸素・窒素分離装置を提供
しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】課題を解決するため、本
発明が採用した第１の技術的手段は、時系列制御で開閉
する吸気弁と排気弁を有し、かつ当該吸気弁から吸入さ
れた供給空気を、ピストンの圧縮作動で圧縮した後に吐
出する吐出孔を設けてなる圧力室と、圧縮空気に含まれ
る酸素のみを濾過する濾材を内装した酸素フィルタ部と
で酸素・窒素分離装置を構成するに、上記圧力室の吐出
孔と酸素フィルタ部との間に、圧力室から酸素フィルタ
部に至る圧縮空気の流通を一方向制御する第１の圧力回
路と、酸素フィルタ部内に残留する窒素の圧力室への流
通を一方向制御する第２の圧力回路をそれぞれ設けて、
吸気弁の吸入作動から圧縮作動を経て排気弁の排気作動
に至るピストンの二工程毎に酸素フィルタ部を介した酸
素と窒素の分離作動を行うようにしたことを特徴とし、
第２の技術的手段として、上記ピストンの二工程は、ピ
ストンの非圧縮方向の移動で供給空気を吸気弁を介して
圧力室内に取り込み、ピストンの圧縮方向の移動で圧縮
した空気を第１の圧力回路を介して酸素フィルタ部に供
給する第１の工程と、ピストンの非圧縮方向の移動で酸
素フィルタ部に残留する窒素を第２の圧力回路を介して
圧力室内に取り込み、ピストンの圧縮方向の移動で圧力
室内に取り込まれた窒素を排気弁を介して圧力室外に排
出する第２の工程とからなることを特徴とするものであ
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の構成を、図面に示した実
施例に基づいて詳細に説明する。図１および図２におい
て、１は酸素・窒素分離装置であり、該酸素・窒素分離
装置１は、減速ギヤモータを内装する駆動ユニット２
と、上下動自在なピストン３を内装した圧力室４とを連
動連結して構成されると共に、上記圧力室４の上部に
は、図示しない制御部からの制御信号で時系列制御され
る吸気弁５と排気弁６が設けられ、また吸気弁５から吸
入された供給空気Ａをピストン３の圧縮作動により圧縮
した後に、後述の酸素フィルタ部７に圧送すべく吐出孔
８が同様に設けられて、当該酸素フィルタ部７と前記駆
動ユニット２および圧力室４のピストン３との協働によ
り酸素Ｂを分離する酸素・窒素分離装置１が構成されて
いる。

【０００８】上記圧力室４の吐出孔８と酸素フィルタ部
７との間には、当該圧力室４から酸素フィルタ部７に至
る圧縮空気の流通を一方向制御する制御弁９ａを介装し
た第１の圧力回路９と、酸素フィルタ部７内に残留する
窒素の圧力室４側への流通を一方向制御する制御弁１０
ａを介装した第２の圧力回路１０がそれぞれ設けられて
おり、吸気弁５の吸入作動から圧縮作動を経て排気弁６
の排気作動に至るピストン３の二工程毎に、酸素フィル
タ部７を介した酸素Ｂと窒素Ｃの分離作動を行うように
なっている。なお、１０´は第２の圧力回路１０に分岐
配管された空気供給路であって、該空気供給路１０´に
は一方向の制御弁１０´ａと調節バルブ１０´ｂが介装
されており、上記第２の圧力回路１０を流通する窒素Ｃ
とともに空気供給路１０´から供給空気Ａ´を吸い込ん
で圧力室４に供給するようになっている。

【０００９】また、上記酸素フィルタ部７は、上記各圧
力回路９、１０に連通するフィルタ室７ａ内に、図３に
示す化学的生成手順で得られる粘性を持つビスコースを
主体とした濾材１１（以下フィルタ１１という）を充填
すると共に、上記フィルタ１１の出力側には、一方向の
みの流通を許す制御弁１２を設けた酸素Ｂの収集路１３
が接続されており、図示しない酸素タンクに酸素Ｂを貯
留するように構成されている。

【００１０】上記フィルタ１１は、２オングストローム
の格子（メッシュ）構造を有し、原子間距離が１．２オ
ングストロームの酸素Ｂのみを通過させて、原子間距離
が４オングストロームの窒素Ｃをフィルタ室７ａ内に残
留させる濾過性質を有するものであるが、本実施例に示
したビスコースに限定されるものではなく、要は上述し
た濾過条件を満たす濾材、例えばアルミナ（酸化アルミ
ニウム：Al₂O₃）をフィルタ１１として採用しても良
い。

【００１１】本発明は叙上の如く構成されているから、
圧力室４の最大吸入容積を１００ｃｃとした場合におい
て、酸素・窒素分離装置１を起動すると、図示しない制
御部からの起動信号で駆動ユニット２が回転駆動され、
その回転力により上死位置にあるピストン３が下動を開
始すると同時に吸気弁５が開放されて最大１００ｃｃの
供給空気Ａが圧力室４内に取り込まれる。次いで下死位
置まで達したピストン３が上動を開始すると、上記吸気
弁５および排気弁６が閉位置に保持され、該ピストン３
の上動による供給空気Ａの圧縮作動が開始される。そし
てピストン３が再び上死位置まで達すると、圧縮された
供給空気Ａ（１００ｃｃ）が吐出孔８および第１の圧力
回路９を介して酸素フィルタ部７のフィルタ室７ａに圧
送され、フィルタ１１による酸素Ｂの濾過作用が行わ
れ、上記１００ｃｃの供給空気Ａのうち約２０ｃｃの酸
素Ｂが制御弁１２および収集路１３を介して図示しない
酸素タンクに貯留されることになる。（ピストン３によ
る第１工程）

【００１２】一方、上記フィルタ１１に濾過されずにフ
ィルタ室７ａに残留する約８０ｃｃの窒素Ｃは、圧縮空
気の圧送を終了した後に再び上死位置から下動を開始す
るピストン３に連繋して第２の圧力回路１０から圧力室
４内に取り込まれると共に、同時に制御弁１０´ａおよ
び調節バルブ１０´ｂを介して空気供給路１０´から２
０ｃｃの供給空気Ａ´が第２の圧力回路１０に合流して
圧力室４内に取り込まれ、その後に、下死位置まで達し
たピストン３の上動が再開された時点で、吸気弁５は閉
位置に保持されたまま排気弁６が開放状態に切換えられ
て、約８０ｃｃの窒素Ｃと２０ｃｃの供給空気Ａ´が排
気弁６を介して圧力室４外に放出されることになる。
（ピストン３による第２工程）

【００１３】ここで上述したピストン３による第２工程
で圧力室４外に放出される１００ｃｃの気体は、２０ｃ
ｃの供給空気Ａ´に約８０パーセントの窒素分を含んで
いるため、その結果、放出される気体１００ｃｃにつき
約９６ｃｃの窒素を含むことになり、図示しない窒素収
集装置を上記排気弁６に別途接続することで高濃度窒素
の収集をも行うことが可能となる。

【００１４】したがって上述のようなピストン３の上下
動と酸素フィルタ部７、および構造が簡単な制御弁９
ａ、１０ａを採用する各圧力回路９、１０との協働によ
り長期に亘る連続運転でも故障、劣化を誘発することな
く安定かつ効率の良い酸素・窒素の分離を続行すること
ができ、また酸素・窒素分離装置として構成する場合に
も、極めて簡単な組立作業で部品点数の低減と装置の小
型化を保持する装置構成を得ることができる。

【００１５】

【発明の効果】これを要するに本発明は、時系列制御で
開閉する吸気弁と排気弁を有し、かつ当該吸気弁から吸
入された供給空気を、ピストンの圧縮作動で圧縮した後
に吐出する吐出孔を設けてなる圧力室と、圧縮空気に含
まれる酸素のみを濾過する濾材を内装した酸素フィルタ
部とで酸素・窒素分離装置を構成するに、上記圧力室の
吐出孔と酸素フィルタ部との間に、圧力室から酸素フィ
ルタ部に至る圧縮空気の流通を一方向制御する第１の圧
力回路と、酸素フィルタ部内に残留する窒素の圧力室へ
の流通を一方向制御する第２の圧力回路をそれぞれ設け
て、吸気弁の吸入作動から圧縮作動を経て排気弁の排気
作動に至るピストンの二工程毎に酸素フィルタ部を介し
た酸素と窒素の分離作動を行うようにし、また上記ピス
トンの二工程は、ピストンの非圧縮方向の移動で供給空
気を吸気弁を介して圧力室内に取り込み、ピストンの圧
縮方向の移動で圧縮した空気を第１の圧力回路を介して
酸素フィルタ部に供給する第１の工程と、ピストンの非
圧縮方向の移動で酸素フィルタ部に残留する窒素を第２
の圧力回路を介して圧力室内に取り込み、ピストンの圧
縮方向の移動で圧力室内に取り込まれた窒素を排気弁を
介して圧力室外に排出する第２の工程とからなるから、
複雑かつ多数の構成材を要することなく極めて簡易な構
成でありながら、静粛性とコンパクト化を達成しつつ、
長期に亘って効率よく酸素と窒素を分離・収集すること
が可能になり、オゾン発生機に高濃度酸素を供給するコ
ンパクトな構成機構として採用する、あるいは小型化が
容易なことから、可搬性のある携帯酸素発生器としても
有効に機能させることができ、例えば野球場のベンチや
競技場のロッカールームあるいは競技場内にも持ち込み
が可能となるので、運動選手の疲労の早期回復等に効果
が大であると共に、家庭内、会社内におけるストレス解
消、疲労回復および在宅酸素療法等の幅広い利用分野で
有効に活用できる、等という有用な新規的効果を奏する
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸素・窒素分離装置の全体斜視図である。

【図２】酸素・窒素分離装置全体の構成を示す模式図で
ある。

【図３】酸素・窒素分離装置に採用する濾材の生成手順
を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 酸素・窒素分離装置 ３ ピストン ４ 圧力室 ５ 吸気弁 ６ 排気弁 ７ 酸素フィルタ部 ８ 吐出孔 ９ 第１の圧力回路 １０ 第２の圧力回路 １１ 濾材 Ａ 供給空気 Ｂ 酸素 Ｃ 窒素

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 時系列制御で開閉する吸気弁と排気弁を
   有し、かつ当該吸気弁から吸入された供給空気を、ピス
   トンの圧縮作動で圧縮した後に吐出する吐出孔を設けて
   なる圧力室と、圧縮空気に含まれる酸素のみを濾過する
   濾材を内装した酸素フィルタ部とで酸素・窒素分離装置
   を構成するに、上記圧力室の吐出孔と酸素フィルタ部と
   の間に、圧力室から酸素フィルタ部に至る圧縮空気の流
   通を一方向制御する第１の圧力回路と、酸素フィルタ部
   内に残留する窒素の圧力室への流通を一方向制御する第
   ２の圧力回路をそれぞれ設けて、吸気弁の吸入作動から
   圧縮作動を経て排気弁の排気作動に至るピストンの二工
   程毎に酸素フィルタ部を介した酸素と窒素の分離作動を
   行うようにしたことを特徴とする酸素・窒素分離装置。
2. 【請求項２】 上記ピストンの二工程は、ピストンの非
   圧縮方向の移動で供給空気を吸気弁を介して圧力室内に
   取り込み、ピストンの圧縮方向の移動で圧縮した空気を
   第１の圧力回路を介して酸素フィルタ部に供給する第１
   の工程と、ピストンの非圧縮方向の移動で酸素フィルタ
   部に残留する窒素を第２の圧力回路を介して圧力室内に
   取り込み、ピストンの圧縮方向の移動で圧力室内に取り
   込まれた窒素を排気弁を介して圧力室外に排出する第２
   の工程とからなることを特徴とする請求項１記載の酸素
   ・窒素分離装置。