JP2001231884A - 有酸素ガス運動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 運動者に対して酸素ガスを供給しながら運動
を行う有酸素ガス運動装置において、酸素ガス供給装置
の低コスト化と、酸素ガス濃度、流量の制御を可能にす
る。 【解決手段】 有酸素ガス運動装置を、例えば、バイス
クル運動装置１と酸素ガス供給装置３とで構成し、バイ
スクル運動装置１の回転軸から出力される回転力を利用
して酸素ガス供給装置３を駆動する構成とする。また、
酸素ガス供給装置３には、圧力センサ、酸素濃度セン
サ、流量センサを設け、これらセンサの検出値に基づい
て酸素ガス供給装置３をフィードバック制御し、酸素濃
度や酸素流量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は有酸素ガス運動装置
に関し、特にＰＳＡ方式（高圧な空気を供給し、吸着塔
内の吸着剤で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方式）を利用した酸素ガス供給
装置と、回転軸に運動負荷を持たせた運動装置を一つに
組み合わせ、任意の酸素濃度、任意の酸素流量を供給し
ながら運動を行うようにした有酸素ガス運動装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、体脂肪を効率的に燃焼させる
ために、別途コントロールされた酸素ガスを運動者に供
給しながら運動を行う有酸素ガス運動が有効とされてい
る。このような有酸素ガス運動では、運動者に対して酸
素ボンベ等の酸素ガス源から供給される酸素ガスを供給
することが行われており、そのために酸素ボンベを付設
した運動装置が提案されている。しかしながら、酸素ボ
ンベは消耗品であるために、その維持費用が高価につ
き、この種の運動装置を普及させる上での障害になって
いる。

【０００３】一方、酸素ガス源として、ＰＳＡ方式酸素
ガス供給装置を使用することが考えられる。このＰＳＡ
方式の酸素ガス供給装置は、前記したように高圧な空気
を供給し、吸着塔内の吸着剤で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方式に基づく
ものであるため、酸素ボンベのように酸素を消費するよ
うなことはなく、維持費用を低価格にする上では有利で
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記Ｐ
ＳＡ方式の酸素ガス供給装置その駆動源としてのモータ
が必要であり、酸素ガス供給装置自体が大型化するとと
もに、結果として運動装置全体も大型化する。また、こ
のＰＳＡ方式の酸素ガス供給装置は、発生する酸素濃度
が一定であり、濃度調節は外気の空気と混合する方式で
あるため、酸素流量を多くすると酸素濃度が薄くなると
いう反比例の関係にある。したがって、運動装置で運動
量が多くなり、多量でかつ高濃度の酸素ガスを供給する
ような場合に、これに対応させることができないという
問題も生じる。

【０００５】本発明の目的は、維持費用を低減した有酸
素ガス運動装置を提供するものである。また、本発明の
他の目的は、多量でかつ高濃度の酸素ガスを供給するこ
とが可能な酸素ガス源を備えた有酸素ガス運動装置を提
供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、運動者の運動
により回転軸が回転される負荷回転式運動装置と、回転
駆動源により駆動されて高圧な空気を発生し、当該高圧
な空気中の窒素ガスを吸着して濃縮された酸素ガスを生
成し、当該生成された酸素ガスを前記負荷回転式運動装
置で運動する運動者に供給する酸素ガス供給装置とで構
成され、前記負荷回転式運動装置の前記回転軸を前記酸
素ガス供給装置の前記回転駆動源に連結したことを特徴
とする。ここで、前記酸素ガス供給装置は、窒素ガスを
吸着する吸着剤を内蔵した二本の吸着塔と、前記二本の
吸着塔に対して前記窒素ガスの吸着操作および脱着再生
操作のサイクルを交互に制御する制御弁手段とを備える
構成とする。また、前記酸素ガス供給装置は、前記吸着
塔内の圧力を検出するための圧力センサと、前記濃縮さ
れた酸素ガスの出口付近での酸素濃度と酸素流量を検出
するための酸素濃度センサ及び流量センサと、前記各セ
ンサで検出した検出値に基づいて前記吸着塔内に送る圧
縮空気の量および前記制御弁手段をフィードバック制御
して酸素濃度、流量を各々独立制御する中央制御ユニッ
トとを備える構成とする。

【０００７】ここで、本発明の有酸素ガス運動装置を構
成する負荷回転式運動装置としては、自転車ペダル方
式、ベルトコンベア式歩行機等があり、この負荷回転式
運動装置の回転軸に酸素ガス供給装置の駆動源をベル
ト、チエーン、歯車等で連結させる。これにより酸素ガ
ス供給装置を備えた有酸素ガス運動装置の維持費用が低
減可能になる。また、酸素ガス供給装置のコストの多く
を占める駆動源を電動モータ等によって構成する必要が
なくなることで、独立した酸素ガス供給装置を製造する
よりも、酸素ガス供給装置を一体化した有酸素ガス運動
装置のコストを低減することが可能になる。

【０００８】また、本発明における高圧空気を生成する
手段として空気圧縮機が採用でき、当該空気圧縮機は圧
縮容量が固定された機械構造を持つピストン型、ロータ
リー型、スクロール型などの圧縮器で、それを駆動する
動力を受ける回転軸と連結構造（ベルト式、チェーン
式、歯車式等）を持っているものなら何でも使用可能で
ある。

【０００９】本発明の有酸素ガス運動装置における運動
量は、回転軸に取り付けられた抵抗量（ＲＡ）と空気圧
縮機の能力（圧縮空気圧×空気流量）に比例する。また
空気圧縮機の能力は動力源の回転数と酸素ガス製造能力
（濃度×流量）に比例するために運動負荷（ＲＡ）を一
定値にすれば、運動者の運動量＝（酸素濃度×酸素流
量）×運動機器回転軸の回転数が成り立つ。

【００１０】本発明の有酸素ガス運動装置の制御手法と
しては、（ａ）運動量を基準に酸素濃度、酸素流量を調
節する手法。（ｂ）酸素濃度を基準に酸素流量、抵抗量
（ＲＡ）を調節する手法。（ｃ）酸素流量を基準に酸素
濃度、抵抗量（ＲＡ）を調節する手法の三つがある。そ
して、本発明の有酸素ガス運動装置は、吸着塔内の圧力
を知るため吸着塔入り口に取り付けた圧力センサ、酸素
ガス濃度と流量を知るために酸素ガス送出口付近に取り
付けた酸素濃度センサと酸素流量センサの情報を中央制
御ユニットにフィドバックして前記三つの調整手法で調
整される酸素濃度及び流量が基準値を下回ると運動装置
の回転軸の回転数を上げるように、運動者の運動量を増
やすように知らせる。

【００１１】本発明で言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、また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を言う。そのセンサの
出力値が電圧、電流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
用可能である。

【００１２】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、層流流量計などの流体抵抗方式、
熱線流量計などの熱方式、翼車流量計などの回転翼方
式、浮子流量計などのトレーサ方式などで検出した流量
値を電圧、電流などの電気信号に変換して出力できるも
のなら何でも使用可能である。

【００１３】本発明で言う制御弁とは外部から与える制
御信号で時間当たりに通過する流量を微細に調節できる
比較的小型のもののことで、一般的に流量を精密に絞る
機構を持つニードル弁部と、ニードル軸を上下に定量駆
動させることのできる機構部（制御信号により必要な角
度まで回転させる機能を持つリニアサーボモータ、リニ
アステッピングモータなどでニードル軸をネジ機構によ
り回転を上下運動に変換し必要な位置に移動させる）に
より構成される。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の有酸素ガス運動装置
を所謂バイスクル運動装置に適用した斜視図である。同
図において、バイスクル運動装置１は、運動者Ｍがペダ
ルを足踏み回転して運動負荷ユニット２を駆動すること
で運動を行うものである。前記バイスクル運動装置１に
は、酸素ガス供給装置３が付設されており、前記バイス
クル運動装置１のペダル回転軸４によって生じる回転力
がチェーン５により伝達され、この回転力を駆動力とし
て酸素ガスを発生し、かつ前記運動者Ｍに酸素ガスを供
給するように構成されている。そして、前記酸素ガス供
給装置３で発生した酸素ガスは、チューブ６を介して前
記運動者Ｍの口に近接保持されるガス供給口７から運動
者Ｍに供給されるようになっている。

【００１５】図２は前記酸素ガス供給装置３を備えた前
記バイスクル運動装置１のブロック構成図である。ま
た、図３は前記酸素ガス供給装置における酸素濃縮サイ
クルの概要を示す図、図４は機器操作盤の概略図であ
る。

【００１６】図２において、バイスクル運動装置１の前
記ペダル回転軸４の回転力は、動力連結器としての前記
チェーン５によって空気圧縮機１７の回転駆動軸１６を
回転駆動する。チェーンに代えて、ベルト、歯車を利用
することも可能である。また、前記運動負荷ユニット２
は、同じ負荷である前記空気圧縮機１７の動力源は酸素
濃度、酸素流量の設定値によって変化するため定量的な
運動負荷を保つために回転軸の抵抗となるように取り付
けたものである。場合によっては、この運動負荷ユニッ
ト２の負荷量を調整することで、運動者Ｍに対して適正
な運動負荷を設定する。

【００１７】前記酸素ガス供給装置３について説明す
る。１０，１１は吸着塔Ａおよび吸着塔Ｂで、吸着塔Ａ
１０、吸着塔Ｂ１１内に詰められている吸着剤（ゼオラ
イト系窒素吸着剤）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電磁弁ブロック２３によって、図
３に示される酸素濃縮サイクルの通りに制御される。ま
た、２３は圧縮空気を供給する空気供給電磁弁Ｖ１，Ｖ
２、脱着再生ガスを排出する窒素ガス排出電磁弁Ｖ３，
Ｖ４、および酸素ガスを回収する酸素ガス回収電磁弁Ｖ
５で構成される電磁弁ブロックである。１８は前記吸着
塔Ａ１０，Ｂ１１内の吸着力の変化を検知する圧力セン
サでその出力信号４３Ｓは中央制御ユニット１２に入力
され吸着塔Ａ１０，Ｂ１１内の最大切替圧力（図３のＰ
２）になるように電磁弁ブロック２３への信号４０Ｃに
よって制御される。

【００１８】吸着塔Ａ１０またはＢ１１で濃縮された酸
素ガスの一部は逆流防止弁ＣＶ７，ＣＶ８を通り圧力容
器２１へ一方的に送り出され、圧力容器２１内に一時貯
蔵される。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必要とされる酸素ガスとして取
り出される。

【００１９】ＦＣ３０は必要とされる流量が得られるよ
うに制御される自動流量調節弁で、出口には後述するよ
うに実質的に流量センサとして機能する圧力センサ２０
が接続されており、層流流量計２２の流量抵抗によって
検出される圧力が圧力センサ２０の測定範囲に入るよう
に、層流流量計２２の後に設定されている半固定オリフ
ィスＯＶ３２の開度を微調節する。前記層流流量計２２
と半固定オリフィスＯＶ３２で制限された流量はその圧
力に正比例され圧力センサ２０の圧力信号４２Ｓとして
出力し中央制御ユニット１２に入力されて流量に変換さ
れ、出力される制御信号４１Ｃによって半固定オリフィ
スＦＣ３０の開度が自動制御され、必要とされる酸素ガ
スの流量が任意に設定された流量値を維持するように働
く。

【００２０】再生オリフィスＯＬ６は二つの吸着塔Ａ１
０，Ｂ１１の出口側を結ぶように設置され、一方の吸着
塔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
圧力差によって再生オリフィス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にその孔径を
決定する。

【００２１】酸素ガス回収電磁弁Ｖ５は二つの吸着塔Ａ
１０，Ｂ１１の出口側を結ぶように設定され、図３に示
されるサイクル１よりサイクル２に移行する状態におい
て、吸着塔Ｂ１１が濃縮工程を終了する（吸着塔Ｂ１１
の吸着圧力がＰ２に一致する）時点で数秒程度の短い時
間（酸素ガス回収操作時間Ｔｓ）だけ開くように中央制
御ユニット１２によって制限され、吸着塔間の圧力差に
より吸着塔Ｂ１１内に溜まっている高い圧力（Ｐ２）の
濃縮された酸素ガスを吸着塔Ａ１０へ送る電磁弁であ
り、これにより電磁弁Ｖ５が開くと吸着塔Ａ１０内の圧
力はＰ０よりＰ１まで一挙に上昇し、次の吸着塔Ａ１０
内の吸着剤への窒素ガス吸着効率を高めることで酸素ガ
スの生産が上がることになる。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Ｐａとの差圧である。このように
酸素ガス回収電磁弁Ｖ５は酸素濃縮サイクルが切替わる
毎に短時間（Ｔｓ）だけ開くように、また再生ガスの排
出弁Ｖ３，Ｖ４は酸素ガス回収電磁弁Ｖ５が開いている
間は必ず閉じているように中央制御ユニット１２によっ
て自動制御される。

【００２２】１９は必要な酸素濃度を制限する酸素濃度
センサで、流量制限オリフィスＯＬ３１を通した酸素を
検出し、その酸素濃度の検出信号４４Ｓは中央制御ユニ
ット１２に入力される。そして、空気圧縮機１７が供給
する空気圧縮の噴出流量に関する動力源であるバイスク
ル運動装置１における人の運動量が低下すると、図４の
機器操作盤１３にある警報ランプとブザーで知らせ人の
運動量を一定以上に保たせることで、酸素濃度センサ１
９の測定する酸素濃度を一定にする。

【００２３】本発明のバイスクル運動装置１に取り付け
てある前記機器操作盤１３の機能について説明する。本
酸素ガス供給装置３の発生する最大酸素濃度および酸素
流量はバイスクル運動装置１における運動者の最大運動
量すなわち空気圧縮機１７の最大空気噴出量に正比例す
るようになっている。また機器操作盤１３で設定した値
を下回ると空気圧縮機１７の能力を上げるべくバイスク
ル運動装置１における運動量を上げるように図４のラン
プとブザーで知らせる。機能設定は大きく分けて二つに
なり、その一つは自動設定で運動量、酸素濃度、酸素流
量の内一つを基準にして設定することにより他は自動的
に設定される。例えば、運動量を基準に数段階設定すれ
ばその都度酸素濃度と酸素流量が自動的に設定される。
他一つの方法は手動設定で運動量、酸素濃度、酸素流量
が各々個別に数段階ずつ設定できる。但し、バイスクル
運動装置１における運動する人が運動を始めて、スター
トボタンを押さない限り機能は働かない。

【００２４】前記酸素ガス供給装置３の動作について、
運動者が運動を始め機器操作盤１３の設定がされスター
トボタンが押された後の状態について図３を用いて説明
する。但しこの時、Ｐ２は各種機能設定された後に決定
された値とする。始動サイクル１において電磁弁Ｖ１，
Ｖ３，Ｖ４が閉じ、電磁弁Ｖ２，Ｖ５が開となり圧縮空
気は圧力Ｐａの吸着塔Ｂ１１へ供給される。吸着塔Ｂ１
１内で濃縮された酸素ガスの一部はＯＬ６を通って吸着
塔Ａ１０に供給され吸着塔Ａ１０の脱着再生に用いられ
る。時間Ｔｓ経過後、電磁弁Ｖ３が開、電磁弁Ｖ５が閉
となり、吸着塔Ａ１０よりの脱着再生ガスが装置外に排
出される。

【００２５】吸着塔Ｂ１１内の圧力が上昇してＰ２に一
致すると、サイクルは１からサイクル２へ切替わり今度
は電磁弁Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が閉、電磁弁Ｖ１，Ｖ５が開
となり圧縮空気は圧力がＰ２の吸着塔Ａ１０へ供給され
る。吸着塔Ｂ１１内に溜まっている圧力Ｐ２の濃縮され
た酸素ガスは電磁弁Ｖ５を通り１０へ回収され、時間Ｔ
ｓ経過後、吸着塔Ａ１０内の圧力はＰ１となる。吸着塔
Ａ１０内で濃縮された酸素ガスの一部はＯＬ６を通って
吸着塔Ｂ１１に供給され吸着塔Ｂ１１の脱着再生に用い
られる。時間Ｔｓ経過後、電磁弁Ｖ４が開、電磁弁Ｖ５
が閉となり吸着塔Ｂ１１よりの脱着再生ガスが装置外へ
排出される。以降、前記した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３よりサイクル５へと
切り替わって酸素ガスの濃縮操作が続行する。

【００２６】運転中に機能設定値が変更されたときは中
央制御ユニット１２によって吸着塔内の圧力信号４３
Ｓ、酸素濃度信号４４Ｓ、酸素流量信号４２Ｓを監視し
ながら流量制限信号４１Ｃの制御と電磁弁ブロック２３
のサイクルを制御することで、変更された値の運動量、
酸素濃度、酸素流量が出力される。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、負荷回転
式運動装置と酸素ガス供給装置とを一体化し、当該酸素
ガス供給装置を前記負荷回転式運動装置の回転軸の回転
出力により駆動するように構成したことにより、酸素ガ
ス供給装置の維持費用を低減することが可能になるとと
もに、有酸素ガス運動装置全体の低価格化も実現でき
る。また、本発明にかかる酸素ガス供給装置は、各種セ
ンサでの検出値に基づいて高圧空気の発生を制御するこ
とにより、これまで提供されているＰＳＡ方式の酸素ガ
ス濃縮装置に比較して、酸素濃度や酸素流量を任意に制
御することが可能となり高い酸素流量、高い酸素濃度を
同時に得ることが可能であり、運動者に対して適正な酸
素ガスの供給が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の運動装置の実施形態の全体構成を示す
図である。

【図２】本発明の有酸素ガス運動装置のブロック構成図
である。

【図３】本発明の酸素ガス供給装置の動作を説明するた
めの酸素濃縮サイクル図である。

【図４】本発明の運動装置の機器操作盤の概略図であ
る。

【符号の説明】

１ バイスクル運動装置 ２ 運動負荷ユニット ３ 酸素ガス供給装置 ４ ペダル回転軸 ５ チェーン ６ チューブ ７ 酸素供給口 １０ 吸着塔Ａ １１ 吸着塔Ｂ １２ 中央制御ユニット １３ 機器制御盤 １６ 回転駆動軸 １７ 空気圧縮機 １８ 圧力センサ １９ 酸素濃度センサ ２０ 圧力センサ（流量センサ） ２１ 圧力容器 ２２ 層流流量計 ２３ 電磁弁ブッロク Ｖ１，Ｖ２ 空気供給電磁弁Ａ，空気供給電磁弁Ｂ Ｖ３，Ｖ４ 窒素ガス排出電磁弁A、窒素ガス排出電磁
弁B Ｖ５ 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 ＦＣ３０ 自動流量調節弁 ＯＬ３１ 流量制限オリフィス ＯＶ３２ 半固定オリフィス

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 運動者の運動により回転軸が回転される
   負荷回転式運動装置と、回転駆動源により駆動されて高
   圧な空気を発生し、当該高圧な空気中の窒素ガスを吸着
   して濃縮された酸素ガスを生成し、当該生成された酸素
   ガスを前記負荷回転式運動装置で運動する運動者に供給
   する酸素ガス供給装置とを備え、前記負荷回転式運動装
   置の前記回転軸を前記酸素ガス供給装置の前記回転駆動
   源に連結したことを特徴とする有酸素ガス運動装置。
2. 【請求項２】 前記酸素ガス供給装置は、窒素ガスを吸
   着する吸着剤を内蔵した二本の吸着塔と、前記二本の吸
   着塔に対して前記窒素ガスの吸着操作および脱着再生操
   作のサイクルを交互に制御する制御弁手段とを備えるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の有酸素ガス運動装置。
3. 【請求項３】 前記酸素ガス供給装置は、前記吸着塔内
   の圧力を検出するための圧力センサと、前記濃縮された
   酸素ガスの出口付近での酸素濃度と酸素流量を検出する
   ための酸素濃度センサ及び流量センサと、前記各センサ
   で検出した検出値に基づいて前記吸着塔内に送る圧縮空
   気の量および前記制御弁手段をフィードバック制御して
   酸素濃度、流量を各々独立制御する中央制御ユニットと
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の有酸素ガス
   運動装置。