JP2001163605A - 酸素ガス濃縮方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造する酸素ガスが所望の酸素ガス濃度およ
び所望の酸素ガス流量で独立して自由に得られるよう
に、また製造時の消費電力において所望の酸素ガス製造
条件（濃度×流量）に見合った省電力性が達成できるよ
うにする。 【解決手段】 酸素ガス濃度が所望の一定の値になるよ
うに原料圧縮空気の時間当たりの供給量、すなわち空気
圧縮器の駆動速度を自動的に増減制御させるようにした
とともに、所望の酸素ガス製造条件（濃度×流量）に合
わせて吸着塔の切り替え圧力比例制御した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は任意濃度の酸素ガス
を、任意流量で提供するＰＳＡ方式を利用した酸素ガス
の濃縮方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の医療用などに供される比較的小型
の酸素ガス濃縮装置において、製造される酸素ガスは使
用者が必要とする流量に手動で調節させることはできる
が、その酸素濃度は９０％以上あるいは４０％以上など
と固定されているもので、使用されている空気圧縮器は
装置の最大酸素ガス製造能力（濃度×流量）に見合う大
きさに固定された能力を持つものであった。発生酸素ガ
スの流量を増減させるための手段は、出口側に流量制限
のためのニードル弁、あるいは異なる孔径を持つ多数の
オリフィスを機械的に切替える機構（ロータリー式多連
オリフィス）を設置して所望の流量に調節させていたの
で、特に小流量に絞った状態での使用時における消費電
力は、最大流量での使用時と同じ電力を消費してしまい
省電力という観点からは程遠いものであった。

【０００３】一方、製造される酸素ガスの酸素濃度は最
大流量時に所望の濃度が得られるように能力が固定され
ており、たとえば酸素濃度９０％以上で発生流量２ノル
マルリットル毎分の機種と、酸素濃度４０％で発生流量
１０ノルマルリットル毎分の機種は別々の機種として提
供されてはいるものの、同一の機種として切替えて使用
できるようなものはなかった。

【０００４】発明者はＰＳＡ方式酸素ガス濃縮方法とし
て、駆動速度が固定された空気圧縮器を使用して高圧の
空気を供給するにあたり、濃縮サイクルにおける吸着塔
の吸着破過の状態、すなわち吸着塔の吸着能力や吸着剤
の再生状態を制御することにより濃縮度が増減する現象
を利用して所望の濃度の酸素ガスを得る方法を発明し、
特許平１０−５１２４７（酸素ガス濃縮方法および装
置）として紹介しているが、この方法において濃度およ
び流量の双方を同時に所望の値に変更することはできな
かった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の能力固定の空気
圧縮器を持つ医療用等の酸素ガス濃縮装置において、酸
素ガス流量を切替える方法として、操作の容易性のため
ロータリスイッチ型の機械式多連オリフィス切替え機構
が設けられており、このつまみを回転させることにより
所望の流量が得られるようになっているが、手動でのお
おざっぱな段階的な切り替えしかできず、正確な流量の
手動調節は不可能であった。装置出口の酸素ガスの吐出
圧力は比較的低いので、呼吸口までの間の圧力損失が大
きく変化した場合、すなわち使用者まで酸素ガスを送る
チューブを極端に長くしたり、あるいは呼吸マスクや鼻
カニューラをオリフィス付きのものなどに変更したり、
あるいは加湿器のバブリング機構を取り除いたり別のも
のに変更したりしたときなどの場合、酸素ガス流量の設
定を変更していないにも拘わらず、使用者が気づかない
間に実際の酸素ガス流量が変化してしまっているなどの
大きな問題があった。

【０００６】一方、このような従来の酸素ガス濃縮装置
は、空気圧縮器は常に能力が固定されたままで駆動され
ているため、小流量で使用する場合でもその消費電力は
低減されないままで、小流量での使用者にとっては大き
な電気代の負担があった。従来この問題を解決するた
め、酸素ガス濃縮装置の製造者は大中小の各種能力を持
つ装置を細かく作り分けして市場に提供し消極的な省電
力対策としていたが、使用者にとっては必要とする酸素
ガス流量によって機種を変更しなければならないなどの
難点があった。

【０００７】そこで本発明者は、使用者が必要とする酸
素ガス流量を任意に設定することができ、また使用者が
必要とする酸素濃度を任意に設定することができ、また
使用者の都度の設定（流量×濃度）に合わせて、消費電
力がその設定に見合った最低値に都度自動制御されるよ
うな省電力型の酸素ガス濃縮装置を提供する目的で、酸
素ガスの濃縮方法について誠意工夫の結果、本発明をす
るに至った。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記の目的を達
成するために、原料として供給される圧縮空気の流量が
外部信号により増減可能な方法を使用した。すなわち、
駆動する電動機の速度を外部信号によって変化させるこ
とが容易で、駆動速度の増減に合わせて消費電力が増減
し、また製作が容易なインバータ制御方式の空気圧縮器
を採用した。

【０００９】発生酸素ガスの酸素濃度は酸素濃度センサ
にて検出され、検出された濃度は電圧変換された後、空
気圧縮器のインバータ制御回路にフィードバックされ、
設定された任意の濃度、すなわち酸素濃度センサの出力
電圧が設定された電圧値を保つように空気圧縮器を駆動
する電動機の駆動速度が自動制御される。

【００１０】また、発生酸素ガスの流量は流量センサに
て検出され、検出された流量は電圧変換された後、流量
制御回路にフィードバックされ、設定された任意の流
量、すなわち流量センサの出力電圧が設定された電圧値
を保つように出口に設置されているマスフローコントロ
ーラの流量制御弁の開度が自動制御される。このことに
より、たとえ使用者が装置出口に何らかの圧力損失にな
るようなことをした場合でも使用者が設定した流量は一
定に保たれることになる。

【００１１】発生酸素ガス流量の設定を減少させた場
合、吸着効率が増大して酸素濃度は上昇するので、イン
バータ制御回路は空気圧縮器の駆動速度を減少させて設
定されている酸素濃度を保つように働く。また、このと
き消費電力は自動的に減少して適正な省電力性が達成さ
れる。発生酸素ガス流量の設定を増大させた場合、同様
な理由で逆に働く。

【００１２】本発明の酸素ガス濃縮方法において、酸素
濃度および発生流量の具体的制御の方法を説明する。最
大酸素ガス製造能力（純酸素量＝濃度×流量）が５ノル
マルリットル毎分以上として設計された本発明の酸素ガ
ス濃縮方法による酸素ガス濃縮装置において、発生酸素
ガスの酸素濃度が９０％、発生流量が５ノルマルリット
ル毎分に設定されて定常運転されている状況とする。こ
こで、酸素濃度の設定はそのままで、発生流量を２ノル
マルリットル毎分に設定変更した場合の制御状況を説明
する。

【００１３】流量制御回路よりマスフローコントローラ
に対して、流量センサの出力が２ノルマルリットル毎分
に相当する電圧値を示すまで開度を絞るような制御信号
が出力される。マスフローコントローラにより流量が２
ノルマルリットル毎分に制限されると、系内の吸着効率
が良くなり、発生酸素ガスの酸素濃度は徐々に上昇し、
これに追従して酸素濃度センサが出力する電圧値が上昇
する。

【００１４】次にインバータ制御部は、空気圧縮器を駆
動する電動機の速度を自動的に低下させる。空気圧縮器
の駆動速度が低下して圧縮空気の供給流量が減少する
と、系内の吸着効率が低下して酸素濃度が低下するので
酸素濃度センサが出力する電圧値は低下し始める。この
ようにしてインバータ制御部は、酸素濃度センサの出力
が酸素濃度の設定値９０％に相当する電圧値を維持する
（下回らない）ように空気圧縮器の駆動速度を自動制御
し続ける。

【００１５】同時に酸素濃縮サイクル制御部は、９０％
濃度の酸素ガスの発生流量が５ノルマルリットル毎分に
相当する予め設定されている必要充分な吸着塔の切り替
え圧力を、２ノルマルリットル毎分に相当する予め設定
されている必要充分な吸着塔の切り替え圧力まで自動的
に低下させる。この操作により空気圧縮器の吐出圧力が
低下し、これを駆動する電動機の負荷が大幅に低減する
ので消費電力の著しい低減が達成できる。

【００１６】本発明の酸素ガス濃縮方法において、吸着
操作圧力Ｐmax（吸着塔の切り替え圧力に相当する圧力P
max）で９０％濃度の酸素ガスの発生流量５ノルマルリ
ットル毎分の最大能力が確保されている状況下で、濃度
を変えずに酸素ガスの発生流量を５ノルマルリットル毎
分より２ノルマルリットル毎分に減少させる場合、この
酸素ガスの発生流量の低減に見合うまで吸着操作圧力を
低下させて、吸着塔内の吸着剤の窒素ガス吸着能力、す
なわち酸素ガス濃縮能力を低減させてもよいことは明白
である。

【００１７】このように吸着操作圧力を所望の酸素ガス
発生流量に見合った圧力に都度制御することにより、吸
着操作圧力を制御せずに高い操作圧力Ｐmaxで一定に保
った場合に比較して、所望の酸素ガス発生流量に見合っ
たより大きな省電力性が達成できるようになる。

【００１８】次に発生酸素ガスの酸素濃度が９０％、発
生流量が５ノルマルリットル毎分（純酸素分４.５ノル
マルリットル）に設定されて定常運転されている状況は
前記の場合と同じだが、酸素濃度の設定を４０％に、発
生流量を１０ノルマルリットル毎分（純酸素分４. ０ノ
ルマルリットル）に設定変更した場合の制御状況を説明
する。

【００１９】流量制御回路よりマスフローコントローラ
に対して、流量センサの出力が１０ノルマルリットル毎
分に相当する電圧値を示すまで開度を開くような制御信
号が出力される。マスフローコントローラにより流量が
１０ノルマルリットル毎分に増加されると、系内の吸着
効率が悪くなり、発生酸素ガスの酸素濃度は徐々に低下
し、これに追従して酸素濃度センサの出力電圧が下降し
始める。

【００２０】インバータ制御部は酸素濃度センサが出力
する電圧値の変化の方向、および変化する速度（加速
度）を検知し、設定された酸素濃度に相当する電圧値を
比較しながら空気圧縮器を駆動する電動機の駆動速度の
増減量および増減の加速度を自動的に制御する。このよ
うにしてインバータ制御部は、酸素濃度センサの出力が
酸素濃度の設定値４０％に相当する電圧値を維持する
（下回らない）ように空気圧縮器の駆動速度を自動制御
し続ける。

【００２１】同時に酸素濃縮サイクル制御部は、９０％
濃度の酸素ガスの発生流量が５ノルマルリットル毎分に
相当する予め設定されている必要充分な吸着塔の切り替
え圧力を、４０％濃度の酸素ガス発生流量が２ノルマル
リットル毎分に相当する予め設定されている必要充分な
吸着塔の切り替え圧力にまで自動的に低下させる。この
操作により空気圧縮器の吐出圧力が若干低下し、これを
駆動する電動機の負荷が低減するので消費電力の適正な
低減が達成できる。

【００２２】これらの吸着操作圧力、すなわち吸着塔の
切り替え圧力の予め設定する値は、所望の酸素ガスの濃
度および発生流量の各組み合わせの条件下で装置を運転
して、各条件下での必要充分な最低圧力値を各々予め実
験的に求めることができる。このようにして濃度／流量
の各組み合わせ条件下で得られた実験値を、各条件下で
の吸着塔の切り替え圧力の設定値として指定濃縮サイク
ル制御部に予め記憶させておけばよい。

【００２３】本発明による酸素ガス濃縮方法において使
用される空気圧縮器は、使用者が設定した濃度および流
量に見合った適正な最低駆動速度に常時自動制御されて
いるので、消費電力についても自動的に最低に維持され
ることとなり、従来に比較して大幅な省電力が期待でき
るようになった。

【００２４】本発明で言う流量可変型の空気圧縮器と
は、圧縮容積が固定された機械構造を持つピストン型、
ダイヤフラム型、スクロール型などの圧縮器で、それを
駆動する電動機の速度を増減するもの、あるいは能力可
変の機械構造を持つ容積可変型、翼角度可変型などの圧
縮器で、能力を機械的に増減させることができるものな
どなら何でも使用することができる。

【００２５】本発明の比較的小型の酸素ガス濃縮装置の
場合、酸素ガスの発生能力（流量×濃度）の増減に追従
して省電力性の効果が期待される流量可変型の空気圧縮
器としては、ピストン型、ダイヤフラム型、スクロール
型などで、これを駆動させる電動機の駆動速度をインバ
ータ電源にて可変制御を行う方法が好ましい。インバー
タ制御方法および制御される電動機は、交流方式あるい
は直流方式などの種類を問わないことは言うまでもな
い。

【００２６】本発明でいう酸素濃度センサとは、ガルバ
ニ電池方式、ジルコニア固体電解質方式、吸光分光分析
方式、あるいはガス吸着分離クロマトグラフィー方式な
どの酸素分子を定量分析可能なセンサのことを言い、気
体中の酸素濃度をある濃度範囲で検出することが可能
で、酸素濃度とその出力との間に何らかの再現性があ
り、その出力が電圧値あるいは電流値などの電気信号と
して、酸素濃度との間に何らかの関係を持って取り出せ
るものなら何でも使用することができる。

【００２７】本発明の比較的小型の酸素ガス濃縮装置の
場合、製造される酸素ガス中の酸素濃度を検出する酸素
濃度センサとしては、設置が容易であるガルバニ電池方
式、あるいはジルコニア固体電解質方式を使用するのが
一般的であるが、酸素濃度が９０％を超えるような高濃
度領域で長期間にわたり使用されるような場合、センサ
の寿命、および酸素濃度の検出値の再現性、および感度
（検出速度）においてより優秀な性能を示すジルコニア
固体電解質方式の酸素濃度センサを使用するほうが好ま
しい。

【００２８】本発明で言う流量センサとは、オリフィス
流量計などの絞り方式、あるいは層流流量計などの流体
抵抗方式、あるいは熱線流量計などの熱方式、あるいは
翼車流量計などの回転翼方式、あるいは浮子流量計など
のトレーサ方式などで検出した流量を電圧値あるいは電
流値などの電気信号に変換して出力できるものなら何で
も使用することができる。

【００２９】本発明の比較的小型のＰＳＡ酸素ガス濃縮
装置の場合、製造される酸素ガスの流量を検出する流量
センサとしては、構造が簡単で安価に製作することがで
きる、流量の検定が容易であり、丈夫で壊れにくい構造
を持ち、流量を電圧に変換することが容易なオリフィス
流量計、あるいは層流流量計の使用が好ましいが、流量
と検出される差圧の関係が全域（特に微少流量領域）で
直線比例の関係にある層流流量計の使用が最も好まし
い。いずれの場合でも細孔素子であるオリフィス、ある
いは多数個の微細孔を持つハネカムなどの多層素子、お
よび小型のセラミック圧力センサがあれば容易に組み立
てることができる。

【００３０】本発明で言うマスフローコントローラと
は、外部から与える制御信号で所望の流量（時間当たり
に通過する質量）を微細に調節できる比較的小型の自動
流量調節弁のことで、一般的に流量を精密に絞る機構を
持つニードル弁部と、ニードル軸を直接上下に駆動させ
るリニアアクチュエータ部（制御信号によりニードル軸
を直接上下方向の所望の位置に移動させる機能を持つリ
ニアサーボモータ、あるいはリニアステッピングモータ
などのこと）、あるいは回転アクチュエータ部（制御信
号により所望の角度まで回転させる機能を持つサーボモ
ータ、あるいはステッピングモータなどのことで、ネジ
機構で回転を上下運動に変換し、ニードル軸を上下方向
の所望の位置に移動させる）より構成されているもの
で、リニア制御方式あるいは回転制御方式のいずれの場
合でも容易に製作することができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態を説明する。図１は本発明の酸素ガス濃縮方法を
実現するための酸素ガス濃縮装置の概要を示す図であ
り、図２は本発明の酸素ガス濃縮操作における吸着およ
び脱着再生のサイクルの制御の概要を示す図である。

【００３２】図１において、１２は原料である圧縮空気
を供給する空気圧縮器で、１２を駆動する電動機の速度
制御回路２７が出力する制御電源２８Ｃによって、１２
の駆動速度が自動制御される。

【００３３】１４、１５は第一の吸着塔Ａおよび第二の
吸着塔Ｂで、これら第一の吸着塔Ａ１４および第二の吸
着塔Ｂ１５内に充填されている吸着剤への窒素ガスの吸
着操作および脱着再生操作のサイクルが、酸素濃縮サイ
クル制御弁ブロック１３によって、図２に示される酸素
濃縮サイクルの通り自動制御される。１３は圧縮空気を
供給する電磁弁ＳＶ１／ＳＶ２、脱着再生ガスを排出す
る電磁弁ＳＶ３／ＳＶ４、および酸素ガスを回収する電
磁弁ＳＶ５により構成される酸素濃縮サイクル制御弁ユ
ニットとしての制御弁ブロックである。

【００３４】１７は１２の吐出圧力すなわち第一の吸着
塔Ａ１４あるいは第二の吸着塔Ｂ１５内の吸着圧力変化
を検知する圧力センサで、その出力信号１８Ｓは酸素濃
縮サイクル制御回路１９に導かれ、予め設定されている
第一の吸着塔Ａおよび第二の吸着塔Ｂ１４、１５の切り
替え圧力すなわち図２に示されている最大圧力Ｐ２に一
致すると制御弁２０Ｃにより制御弁ブロック１３は図２
に示されているように第一の吸着塔Ａ１４および第二の
吸着塔Ｂ１５の動作を自動的に切り替える。

【００３５】酸素濃縮サイクル制御回路１９には、所望
の酸素ガスの濃度および流量の各条件下で、予め実験的
に求められた必要充分な最低値である吸着操作圧力の
値、すなわち第一の吸着塔Ａ１４および第二の吸着塔Ｂ
１５の切り替え圧力の最低設定値が各々予め記憶されて
いる。酸素濃縮サイクル制御回路１９へ記憶させた各々
の設定値の内容の一例を図８に示す。

【００３６】第一の吸着塔Ａ１４あるいは第二の吸着塔
Ｂ１５で濃縮された酸素ガスの一部は逆流防止弁ＣＶ
７、ＣＶ８を通り圧力容器１６へ一方向的に送り出さ
れ、圧力容器１６内に一時貯蔵された酸素ガスは圧力調
節弁ＲＶ９により一定の圧力に減圧され、製造されるべ
き酸素ガスとして取り出される。

【００３７】ＦＣ１０は所望の流量が得られるように制
御されるマスフローコントローラで、出口には圧力セン
サ２１が接続されており、層流流量計ＳＲ２９の流路工
程によって検出される圧力が圧力センサ２１の測定範囲
に入るように、層流流量計ＳＲ２９の後に設置されてい
る半固定オリフィスＯＶ１１の開度を微調節する。圧力
検出信号２２Ｓは流量制御回路２３により流量に変換さ
れ、出力される制御電源２４ＣによってＦＣ１０の開度
が自動制御され、製造される酸素ガスの流量が、任意に
設定された所望の流量値を維持するように働く。

【００３８】２５は所望の酸素濃度を制御する酸素濃度
センサで、酸素濃度の検出信号２６Ｓは空気圧縮器１２
を駆動する電動機の速度制御回路２７に導かれ、速度制
御電源２８Ｃによって空気圧縮器１２が供給する圧縮空
気の吐出流量が自動制御され、製造される酸素ガスの濃
度が、任意に設定された所望の酸素濃度値を維持するよ
うに働く。

【００３９】再生オリフィスＯＬ６は二つの吸着塔の出
口側を結ぶように設置され、一方の吸着塔内に吸着され
ている窒素ガスを積極的に追い出して脱着再生を促進さ
せる目的のオリフィスであり、吸着塔間の圧力差によっ
てＯＬ６を通過する酸素ガスが脱着再生に必要な量に制
限されるようその孔径を決定する。

【００４０】酸素ガス回収電磁弁ＳＶ５は二つの吸着塔
１４、１５の出口側を結ぶように設置され、図２に示さ
れるサイクルがＩよりＩＩに移行する状態において、第
二の吸着塔Ｂ１５が濃縮工程を終了する（圧力センサ１
７すなわち第二の吸着塔Ｂ１５の吸着圧力がＰ２に一致
する）時点で、１ないし２秒程度の短い時間（酸素ガス
回収操作時間τ）開くように酸素濃縮サイクル制御回路
１９によって制御される。この酸素ガス回収電磁弁ＳＶ
５は、吸着塔間の圧力差により第二の吸着塔Ｂ１５内に
溜まっている高い圧力（Ｐ２）の濃縮された酸素ガスを
第一の吸着塔Ａ１４へ一挙に送って有効的に回収するた
めの電磁弁であり、これにより酸素ガスの生産効率が上
がることになる。酸素ガス回収電磁弁ＳＶ５が開くと、
第一の吸着塔Ａ１４内の圧力はＰ０よりＰ１へ一挙に上
昇する。なおＰ０は吸着塔の脱着再生時に脱着再生系内
を流れて大気に排出されるガスの圧力損失分の大気圧Ｐ
ａとの差圧である。このように酸素ガス回収電磁弁ＳＶ
５は酸素濃縮サイクルが切り替わる毎に短時間（τ）の
間開くように、また再生ガスの排出弁ＳＶ３／ＳＶ４は
酸素ガス回収電磁弁ＳＶ５が開いている間は必ず閉じて
いるように酸素濃縮サイクル制御回路１９によって自動
制御される。

【００４１】本発明の酸素ガス濃縮方法において、酸素
濃縮装置を始動させてからの状態を図２を用いて説明す
る。始動サイクルＩにおいてＳＶ１／ＳＶ４がＣＬ
（閉）、ＳＶ２／ＳＶ５がＯＰ（開）となり原料圧縮空
気は圧力が大気圧Ｐａの第二の吸着塔Ｂ１５へ供給され
る。第二の吸着塔Ｂ１５内で濃縮された酸素ガスの一部
はＯＬ６を通って第一の吸着塔Ａ１４に供給され第一の
吸着塔Ａ１４の脱着再生に用いられる。時間τ経過後、
ＳＶ３がＯＰ、ＳＶ５がＣＬとなり、第一の吸着塔Ａ１
４よりの脱着再生ガスが系外に排出される。

【００４２】第二の吸着塔Ｂ１５内の圧力が上昇してＰ
２に一致すると、サイクルはＩからＩＩへ切り替わり今
度はＳＶ２／ＳＶ３がＣＬ、ＳＶ１／ＳＶ５がＯＰとな
り原料圧縮空気は圧力がＰ０の第一の吸着塔Ａ１４へ供
給される。第二の吸着塔Ｂ１５内に溜まっている圧力Ｐ
２の濃縮された酸素ガスはＳＶ５を通り第一の吸着塔Ａ
１４へ回収され、時間τ経過後第一の吸着塔Ａ１４内の
圧力はＰ０となる。第一の吸着塔Ａ１４内で濃縮された
酸素ガスの一部はＯＬ６を通って第二の吸着塔Ｂ１５に
供給され、この第二の吸着塔Ｂ１５の脱着再生に用いら
れる。時間τ経過後ＳＶ５がＣＬ、ＳＶ４がＯＰとなり
第二の吸着塔Ｂ１５よりの脱着再生ガスが系外に排出さ
れる。

【００４３】以降、上記と同様の吸着および脱着再生の
操作を繰り返し、サイクルがＩＩＩよりＶへと切り替わ
って酸素ガスの濃縮操作が続行する。

【００４４】運転の途中で発生酸素ガスの濃度および／
あるいは流量の設定変更が行われた場合、その変更の状
況に合わせて、酸素濃縮サイクル制御回路１９に予め記
憶されている吸着操作圧力の各設定値の内容に従って、
吸着塔の切り替え圧力は自動的に適正に再設定され、積
極的な消費電力の低減が図られることとなる。

【００４５】（実施例−１）内直径７７ミリメートルの
塩化ビニール樹脂水道管（ＪＩＳ規格ＶＰ７５）を工作
して図３のようなＵ字管構造を持つ有効内容積１.６リ
ットルの吸着塔を２個作製し、内部に各々１０００グラ
ムのゼオライト系窒素吸着剤を充填し吸着塔Ａ、吸着塔
Ｂとした。また上記と同じ樹脂管を工作して内容積１リ
ットルの図１で示す圧力容器１６を製作した。

【００４６】図１で示す再生オリフィスＯＬ６として直
径０.８４ミリメートル、長さ５ミリメートルのオリフ
ィスを準備した。

【００４７】定格２５０ワットの三相誘導モータを動力
とし、シリンダの直径６０ミリメートル、ピストンのス
トローク８ミリメートルの圧縮部を２個持った空気圧縮
器を、入力１００ボルト、出力三相２００ボルトのイン
バータ電源にて駆動した。この空気圧縮器１２の能力特
性のグラフを図４に示す。

【００４８】酸素ガス中の酸素濃度を検出するための酸
素濃度センサはジルコニア固体電解質方式のものを採用
した。酸素濃度センサ２５が出力する電圧Ｖｏ[ｍＶ]と
酸素濃度Ｃｏ[モル分率]との間には、Ｖｏ＝−８９１×
ＬＮ（１−Ｃｏ）の関係で近似されるように調整されて
いる。

【００４９】図１で示すように圧力調整弁ＲＶ９の下流
に孔直径０.１２ミリメートル、厚さ０.５ミリメートル
のステンレス製の流量制限オリフィスＯＬ３０を設置
し、これを通して０.２５ノルマルリットル毎分前後の
一定流量で製品酸素ガスを酸素センサ２５へ供給した。

【００５０】５回転で開閉できるニードル弁を作製し、
このニードル軸にステッピングモータを取り付け、ステ
ップ数すなわち回転角度を制御することにより図７に示
すマスフローコントローラＦＣ１０を得た。

【００５１】ＦＣ１０へ供給される酸素ガスの圧力は、
図１で示す圧力調節弁ＲＶ９にて１００キロパスカルの
一定に調節した。

【００５２】定格圧力が１００キロパスカルのセラミッ
クピエゾ素子を使用した図１で示す圧力センサ２１をＦ
Ｃ１０の出口側に設置し、この下流側に図１で示す層流
流量計ＳＲ２９および半固定オリフィスＯＶ１１を設置
し、ＯＶ１１の開度を微調節して検出圧力範囲の上限値
を圧力センサの定格値内の適正な値に設定した後、流量
と圧力センサ出力の関係を実測し図５に示すようにほぼ
直線の関係を得た。

【００５３】層流流量計を使用せず半固定オリフィス
(乱流流量計)のみで同様に開度の設定をして実測を行っ
た場合の結果を図６に示すが、オリフィス流量計のみの
場合は流量と圧力センサ出力の関係に直線性がなく、特
に小流量域での流量の変化に伴う圧力変化が乏しく、層
流流量計に比較して小流量域での制御に信頼性が欠ける
こととなった。

【００５４】図２に示される酸素濃縮サイクルが制御で
きる図１で示す回路基盤１９を準備した。

【００５５】マスフローコントローラＦＣ１０を通過す
る酸素ガスの流量、すなわちＦＣ１０の出口側に設置さ
れている圧力センサの出力が一定に保たれるように、ス
テッピングモータのステップ位置、すなわちＦＣ１０に
内蔵されているニードル弁の回転角度すなわち弁の開度
が制御できる図１で示す回路基盤２３を準備した。

【００５６】製造される酸素ガスの酸素濃度すなわち酸
素濃度センサの出力を一定に保つように、空気圧縮を駆
動する電動機への電源周波数が制御できるインバータ電
源を搭載した図１で示す速度制御経路基盤２７を準備し
た。

【００５７】上記の各装置を接続して図８に示される、
酸素濃縮能力が純酸素換算で最大５．４ノルマルリット
ルであるような実験装置を組み立て、実験を行った。消
費電力の低減効果の確認のため、まず吸着塔の切り替え
圧力の設定を装置の最大能力時の設定値に固定して実験
を行った。製造される酸素ガスの酸素濃度を９０％に固
定して、流量を６ノルマルリットル毎分から１ノルマル
リットル毎分まで、１ノルマルリットル毎分刻みで減少
させて行ったときのインバータ電源の周波数と空気圧縮
器が時間当たりに消費した平均電力値の結果を表１に示
す。

【表１】

【００５８】（実施例−２）実施例−１と同様に図８に
示される実験装置を用い、吸着塔等の切り替え圧力の設
定も実施例−１と同様に最大に固定して実験を行った。
製造される酸素ガスの流量を５ノルマルリットルに毎分
固定されるように設定したとき、酸素濃度を９０％から
４０％まで１０％刻みで減少させていったときのインバ
ータ電源の周波数と空気圧縮器が時間当たりに消費した
平均電力値の結果を表２に示す。

【表２】

【００５９】（実施例−３）実施例−１と同様に図８に
示される実験装置を用い、吸着塔の切り替え圧力の設定
が製造される酸素ガスの各濃度、各流量条件下での各々
酸素濃縮能力に見合うよう自動設定されるように実験を
行った。また製造される酸素濃度を９０％に固定し、流
量の設定条件を実施例−１の場合と全く同様に変化させ
た場合のインバータ電源の周波数と空気圧縮器が時間当
たりに消費した平均電力値の結果を表３に示す。

【表３】

【００６０】（実施例−４）実施例−１と同様に図８に
示される実験装置を用い、吸着塔の切り替え圧力の設定
が製造される酸素ガスの各濃度、各流量条件下での各々
の酸素濃縮能力に見合うよう自動設定されるように実験
を行った。また製造される酸素流量を５ノルマルリット
ルに固定し、濃度の設定条件を実施例−２の場合と全く
同様に変化させた場合のインバータ電源の周波数と空気
圧縮器が時間当たりに消費した平均電力値の結果を表４
に示す。

【表４】

【００６１】（実験例−５）医療用の酸素呼吸器に供す
る場合を想定し、実施例−１と同様に図８に示される実
験装置を用いて、酸素ガスの酸素濃度を常に９０％以上
に保ちながら、流量を０.２５、０.５、０.７５、１.
０、１.５、２.０、２.５、３.０、３．５、４.０、４.
５、５.０ノルマルリットルの１２段階に、段階的に切
り替える実験を行った。酸素ガスの各流量下での得られ
た結果を表５に示す。

【表５】

【００６２】表１および表２に示す実施例−１および実
施例−２の実験結果は、空気圧縮器の駆動速度をインバ
ータ電源にて自動制御することにより、所望の酸素濃度
および流量、すなわち都度の純酸素分の発生量に見合う
適正な省電力性が得られていることを示している。

【００６３】表３および表４に示す実施例−３および実
施例−４の実験結果は、純酸素分の発生量に比例して吸
着塔の切り替え圧力を増減制御することにより、さらに
大幅な省電力性が達成されていることを示している。

【００６４】表５に示す実施例−５の実験結果は、本発
明の酸素ガス濃縮方法を用いれば医療用酸素呼吸器とし
て、小流量から大流量までが一台の装置で達成でき、ま
た流量に見合った画期的な省電力性が達成できることを
示している。

【００６５】

【発明の効果】本発明の方法によれば、一つの機種で製
造される酸素ガスが、所望の流量および所望の濃度で自
由に得られることが可能になった。また流量、濃度の各
設定に見合う必要な酸素濃縮能力を都度可変制御したこ
とにより、無駄な消費電力を大幅に抑えることに成功し
た。同様に空気圧縮器の駆動速度をインバータ電源で自
動制御したことにより、消費電力は常に必要な酸素濃縮
能力に見合う適正値が得られた。本発明の方法によれ
ば、特に能力を絞って使用したとき、従来に比較して大
幅な省電力性が達成された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素濃縮方法を実施する酸素濃縮装置
の構成を示す図

【図２】本発明の方法における酸素濃縮サイクルを示す
図

【図３】実験に用いた吸着塔の組み立て透視図

【図４】実験に用いた空気圧縮器の能力特性図

【図５】実験に用いた層流流量計の圧力センサ出力と実
流量の関係を表す図

【図６】実験に用いた乱流流量計の圧力センサ出力と実
流量の関係を表す図

【図７】実験に用いたマスフロートコントローラの組み
立て透視図

【図８】実験に用いた装置の構成を示す図

【符号の説明】

ＳＶ１、ＳＶ２ 原料空気供給電磁弁Ａ、原料空気供給
電磁弁Ｂ ＳＶ３、ＳＶ４ 再生ガス排出電磁弁Ａ、再生ガス排出
電磁弁Ｂ ＳＶ５ 酸素ガス回収電磁弁 ＯＬ６ 再生オリフィス ＣＶ７、ＣＶ８ 逆流防止弁Ａ、逆流防止弁Ｂ ＲＶ９ 圧力調節弁 ＦＣ１０ マスフローコントローラ ＯＶ１１ 半固定オリフィス １２ 空気圧縮器 １３ 酸素濃縮サイクル制御弁ブロック １４，１５ 吸着塔Ａ、吸着塔Ｂ １６ 圧力容器 １７ 圧力センサ １８Ｓ 圧力検出信号 １９ 酸素濃縮サイクル制御回路基盤 ２０Ｃ 酸素濃縮サイクル制御電源 ２１ 圧力センサ ２２Ｓ 圧力検出信号 ２３ 流量制御回路基盤 ２４Ｃ 流量制御電源 ２５ 酸素濃度センサ ２６Ｓ 酸素濃度検出信号 ２７ 速度制御回路基盤 ２８Ｃ 速度制御電源 ＳＲ２９ 層流流量計 ＯＬ３０ 流量制限オリフィス Ｐa 大気圧 Ｐo 吸着塔再生操作圧力 Ｐ１ 空気圧縮器最低操作圧力（吸着塔最低
操作圧力） Ｐ２ 空気圧縮器最高操作圧力（吸着塔最高
操作圧力） τ 酸素ガス回収操作時間 ＯＰ 電磁弁開（ＯＰＥＮ）状態 ＣＬ 電磁弁閉（ＣＬＯＳＥ）状態

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高圧な空気を供給し、吸着塔内の吸着剤
   にて選択的に窒素ガスを吸着させ酸素ガスを濃縮する圧
   力スイング吸着（ＰＳＡ）方式の酸素ガス濃縮方法にお
   いて、供給する高圧な空気の時間当たりの供給量を連続
   的に増減制御することによって、所望の濃度および所望
   の流量の酸素ガスを得ることを特徴とする酸素ガス濃縮
   方法。
2. 【請求項２】 高圧な空気を供給するための空気圧縮器
   を駆動する電動機の駆動速度を連続的に増減制御するこ
   とによって、所望の濃度および所望の流量の酸素ガスを
   得ることを特徴とする請求項１記載の酸素ガス濃縮方
   法。
3. 【請求項３】 高圧な空気中より酸素ガスを濃縮するに
   あたり、吸着塔内の操作圧力が設定された圧力に上昇す
   るまでの間を濃縮操作の単位サイクルとすることを特徴
   とする請求項２記載の酸素ガス濃縮方法。
4. 【請求項４】 所望する酸素ガスの濃度および流量の各
   々の設定の増減に比例して、吸着塔内の操作圧力、すな
   わち吸着塔の切り替え圧力の設定値を増減することを特
   徴とする請求項３記載の酸素ガス濃縮方法。
5. 【請求項５】 圧縮空気を供給する空気圧縮手段と、第
   一の吸着塔Ａおよび第二の吸着塔Ｂと、これら第一の吸
   着塔Ａおよび第二の吸着塔Ｂ内に充填されている吸着剤
   への窒素ガスの吸着操作および脱着再生操作のサイクル
   を制御する酸素濃縮サイクル制御弁ユニットと、酸素濃
   縮サイクル制御弁の動作をコントロールして酸素濃縮サ
   イクルを制御する酸素濃縮サイクル制御手段とを備え、
   酸素濃縮サイクル制御手段には、所望の酸素ガスの濃度
   および流量の各条件下で、予め実験的に求められた必要
   充分な最低値である吸着操作圧力の値が記憶されている
   ことを特徴とする酸素濃縮装置。
6. 【請求項６】 酸素濃縮サイクル制御弁ユニットは、圧
   縮空気を供給する弁部材と、脱着再生ガスを排出する弁
   部材と、酸素ガスを回収する弁部材とにより構成される
   制御弁ブロックから成ることを特徴とする請求項５記載
   の酸素濃縮装置。