JP2005081258A - 酸素濃縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸素濃縮機の供給能力の範囲において、エネルギー効率を最適にした酸素濃縮機を提供する。
【解決手段】 吸脱着プロセスとして、吸着工程、脱着工程に加えて、吸着工程終了後に製品端より吸着塔内残留ガスを取り出す降圧均圧工程および吸着工程開始前に降圧均圧工程中の吸着筒からの残留ガスを吸着筒製品端から供給する昇圧均圧工程を有し、吸脱着プロセスの運転条件を、少なくとも取り出し酸素流量の情報を元に可変としたことを特徴とする酸素濃縮機。
【選択図】 図１

Description

本発明は圧力スイング吸着により空気中の酸素を濃縮する酸素濃縮機、特に家庭内で、あるいは携帯して用いる医療用酸素濃縮機のように小型軽量でなおかつ低消費電力が要求され、また要求流量の変化に対応する必要がある酸素濃縮機に関するものである。

酸素濃縮機は空気から酸素濃度を高めたガスを製品ガスとして分離して取り出す装置であるが、一般に用いられている装置には空気を冷却して液化し、窒素と酸素の沸点の差を用いて分離を行う深冷分離、窒素と酸素に対する透過率の異なる膜を用いる膜分離、吸着剤の窒素と酸素に対する吸着能の差を用いる吸着分離がある。このうち90%以上の高い濃度が得られるのは深冷分離及び吸着分離である。深冷分離は単位重量の酸素濃縮ガスあたりのランニングコストは低いが、設備が大型になり、設備に要するコストも高いので、もっぱら大型の装置に用いられる。吸着分離はランニングコストに関しては深冷分離よりも高いが、装置の小型化が可能で、設備の費用もかからないので、小型の工業用から医療用まで広く用いられている。特に医療用に関しては在宅酸素療法が広まったのに従って、酸素流量にして毎分１０リットル以下の小型のものが在宅用に広く用いられている。

さらに近年では患者の行動範囲を拡げるために、運搬可能な超小型の酸素濃縮機が求められている。このような運搬可能な濃縮機は家庭用電源が無いところでも使われる可能性があるため、充電可能な電池を内蔵し、電源の全くないところでは内蔵の電池により駆動し、車内では車のアクセサリー用の電源により駆動するなど、電源容量が十分でない環境でも問題なく動作することが求められる。従って、必然的に非常に低消費電力であることが要求される。

このような要求を満たすような濃縮機として、患者の呼吸を検知し、吸気時にのみ酸素を供給するような呼吸同調機を備え、呼気時に酸素が無駄に消費されることを防いで、濃縮機の供給能力を落として電力を節約するような濃縮機は、従来より存在した。しかし、患者の呼吸を正確に検知するためには患者の呼吸が十分強いことが必要であり、必ずしも全ての患者に使用できるものではなかった。また睡眠時は多くの患者の呼吸が弱くなり、呼吸検知が難しくなる。幅広い患者層に対応でき、様々な状況で使用できるような濃縮機とするためには、患者の呼吸が検知できるときは呼吸同調機を用いて電力を節約し、呼吸の検知ができないときには供給能力を上げて連続的に酸素を供給することを行う必要がある。呼吸同調機を用いたばあい、同じ治療効果を上げるのに必要な平均の酸素流量は、同調機の種類によって違うが、連続的に酸素を供給した場合の約１／３程度の場合が多い。そのため、酸素濃縮機の供給能力は少なくとも１：３程度の範囲で可変である必要がある。このような濃縮器では呼吸同調器を用いていないときでも可能な限り消費電力が少ないことが望ましいし、呼吸同調器を用いたときは呼吸同調器によって必要な供給能力が少なくなった分だけ消費電力がさらに下げられることが望ましい。つまり、少なくとも供給能力が１：３程度の範囲で十分エネルギー効率が高いことが望まれる。

従来用いられてきた酸素濃縮機の代表的な構成例を図２に示す。吸着筒は２本あり、内部には窒素を酸素よりも優先的に吸着する吸着剤が充填されている。通常吸着剤としては5A型や13X型のゼオライトが用いられる。吸着筒の一端（以下供給端）は４方弁に接続されており、それぞれの吸着筒が圧縮機に接続されるか、排気口に接続されるかを切り替えている。圧縮機は外部の空気を取り入れて圧力を高めて吸着筒へ供給する働きをしており、排気口は通常消音器を通じて大気に解放されている。吸着筒の他方（以下製品端）は製品取り出しバルブ、均圧バルブ、オリフィスが接続されている。製品取り出しバルブの下流側には製品タンクが接続されており、さらに下流側に流量調節弁が取り付けられている。製品取り出しバルブは逆止弁で代用されることもあり、オリフィスは２つの吸着筒の間ではなく、それぞれの吸着筒と製品タンクの間に取り付けられることもあるが、役割は同一である。この装置の動作は以下のようになる。

まず、４方弁3が切り替わって圧縮機2と吸着筒1aが接続され、吸着筒と排気が接続されると、吸着筒1aに原料空気が供給されて圧力が上昇し、吸着筒1bからは排気ガスが排出されて圧力は低下する。吸着筒1aの圧力が所定の圧力まで上昇すると、製品取り出しバルブ4aが開き、製品タンク7に製品酸素を供給する。所定の時間が経過すると、４方弁3が切り替わり、吸着筒1aは排気口に、吸着筒1bは圧縮機に接続され、それぞれ減圧、加圧される。吸着筒1bの圧力が所定の圧力になると、製品取り出しバルブ4bが開き、吸着筒1bから製品タンク7に製品酸素が供給される。所定の時間が経過すると再び４方弁3が切り替わり、最初の状態に戻る。吸着筒が加圧されている期間は一般に吸着工程と呼ばれ、吸着筒から排気している期間は脱着工程と呼ばれる。均圧バルブ5は通常４方弁が切り替わる前後のある決まった時間開き、その期間は均圧バルブ5を通して圧力が高い方の吸着筒から圧力が低い方の吸着剤へとガスが流れ、４方弁3が切り替わった後の吸着筒の加圧・減圧を助ける。この工程を均圧工程と呼ぶ。オリフィス6は前述の通り、２つの吸着筒製品端の間に接続されており、圧力が高い方の吸着筒から取り出された製品ガスの一部がオリフィス6を通じて圧力が低い吸着筒へと流入し、窒素の排気を助ける。これをパージと呼ぶ。パージを行うと、脱着工程時の吸着塔内の窒素分圧はパージを行わなかった場合よりも下がり、吸着剤からの窒素の解離が促進される。さらに気相中の窒素ガスもパージガスによって吸着筒供給端側へと押し出され、排気される。この効果はパージガス量が多いほど高くなるが、パージガスの量があまりに多くなるとパージガスの一部が吸着筒供給端から排気されることになり、これは実質的に製品ガスの一部を捨てていることになるので、かえって分離効率を低下させる。以上のようにパージ量が少ない場合には窒素分圧を下げる効果が低く、パージ量が多すぎるとパージガスが吸着筒供給端から排気されて効率が下がるので、パージ量には最適値がある。パージ量の最適値は最終的には実験的に決定されるが、目安としてSkarstsromの式として知られている以下のような式１を用いることがある。

ここでGpは1サイクルあたりのパージガスの量、Gfは同じく供給ガスの量、Pdは脱着工程時の圧力、Paは吸着工程時の圧力である。kは比例定数で、1前後の値である。多くのプロセスではこのパージを行うことによって、比較的高い分離効率を得ている。

以上に述べた濃縮装置は工程の切り替えに電磁弁を用いていたが、電磁弁の代わりに回転バルブを用いることも可能である。このような例は、特開平１０−１５１３１５号公報等で提案されているが、この方式の利点は、複数の電磁弁を一つの回転バルブで置き換えることが可能であり、構造を単純化できることと、小型化が容易であることであり、医療用の小型濃縮器への応用が期待されている。

吸脱着プロセスの性能を表す代表的な数値には、回収率と生産性があり、これらは以下の式で表される。
回収率 ＝（製品ガス流量×製品ガス酸素濃度）÷（供給ガス流量×原料ガス酸素濃度）
生産性 ＝ 製品ガス流量÷吸着剤量
回収率が高いほど同じ量の製品ガスを少ない原料空気から分離することができ、生産性が高いほど同じ量の製品ガスをより少ない吸着剤で分離することができる。

特開平１０−１５１３１５号公報 ＵＳＰ２，９４４，６２７号公報 ＵＳＰ３，２３７，３７７号公報

以上が広く用いられている酸素濃縮機の概要であるが、このような酸素濃縮機においては、ある特定の生成能力の時にエネルギー効率がよくなるように最適化されることが多い。しかしながら、前項で述べたとおり、特に医療用の酸素濃縮機に対しては、生成能力を広範囲に変えられることが求められる。このように変化する需要に対応する最も簡単な方法は製品酸素取り出し配管に絞り弁をもうけて流量を調節することであるが、この場合、必要な製品酸素量が少ない場合にも最大流量時と同じエネルギーを消費することになり、エネルギー効率が非常に悪い。そこで、必要な流量に応じて各工程の時間を変化させたり、空気供給手段の能力を変化させたり、また両者を組み合わせることが試みられてきた。

しかし、パージ流量を決めるオリフィスの径などは変化させることが困難か、あるいは高コストとなり、さらに、回転バルブを用いた場合には各工程の時間の比率を保ったままプロセス全体の繰り返し周期を変化させることは容易に可能であるが、各工程の時間比を変化させることは不可能であるなど、変更不可能な運転条件があり、生成能力を変化させたときでも常に最適の運転条件で運転可能な濃縮機を作成することは今までは困難であった。

本発明の発明者は上記の課題について鋭意検討した結果、製品酸素の要求量に応じて運転条件を変化させる濃縮機においては、従来行われてきた製品ガスパージの代わりに吸着工程終了後の吸着筒と吸着工程開始前の吸着筒の製品端を接続する均圧工程や、脱着工程開始前の吸着筒の供給端を閉塞して、製品端を脱着工程中の吸着筒の製品端と接続し、脱着工程開始前の吸着筒の残留ガスによってパージを行う残留ガスパージ工程を行うことによって、要求酸素流量が変化しても、常に高いエネルギー効率で製品酸素を供給できることを見いだした。なお、均圧工程は圧力が高い吸着筒と圧力が低い吸着筒を接続して両者の圧力を均等化する工程であり、特に均圧によって圧力が下がる方の吸着筒においては降圧吸着工程、均圧によって圧力が上がる方の吸着筒においては昇圧均圧工程と呼ぶことにする。

上記のような均圧工程や残留ガスパージ工程と製品ガスパージの違いは、製品ガスパージ工程においては吸脱着プロセス１サイクルあたりのパージ量が製品ガスの圧力やサイクルの周期によって変化するのに対し、均圧工程や残留ガスパージ工程では、還流量は吸着筒の容積によって決まり、サイクルの周期に影響されないことである。一方、最適なパージ量は、前項で述べたとおり、おおよその値はSkarstromの式で求められるが、吸着筒の最大圧力と最低圧力が一定なら、パージ量は供給ガス量に比例する。吸着筒の容積は変化しないので、１サイクルあたりの供給ガス量はほぼ一定である。従って、１サイクルあたりの最適パージ量もほぼ一定になる。

また、圧力が変化する場合でも、圧力変動幅が大きいほど、即ちSkarstromの式におけるPd/Paが小さいほど、供給空気量Gfは大きくなるので、最適パージ量Gpはそれほど変化しない。すなわち、還流量がサイクルの周期に影響されにくい残留ガスパージ工程や均圧工程の方が製品ガスパージに比べて供給能力が可変である濃縮器に適した方式であると考えられる。

なお、従来の技術の項で述べた４方弁を用いた構成の場合は、均圧工程は４方弁が切り替わる瞬間の前後に行われるので、吸着筒の製品端が閉塞されることはない。単純にこの構成からパージ用のオリフィスを取り除いた構成でも、均圧工程の時間を一定として吸着工程および脱着工程の時間を変更することによって広範囲の酸素供給能力にわたって高い効率を保つことが可能であるが、回転バルブを用いる場合は各工程の時間を独立して変化させることができないので、この方式を用いることはできない。但し吸着筒供給端を閉塞する均圧工程を行う場合は、吸着筒が２本の場合、均圧工程を行っている間、供給ガスがどこにも供給されない状態になる。工業用プロセスの場合などで、圧力一定の空気を用いている場合にはこれでも問題はないが、供給ガスとしてコンプレッサーで圧縮された空気を直接供給している場合などは、供給ガスがどこにも供給されない状態になるとコンプレッサー吐出圧力が瞬時に高くなり、装置を破損する危険性がある。そのため、原料ガス供給源としてコンプレッサーを直接接続している酸素濃縮器において吸着筒製品端を閉塞する均圧工程を行う場合は、吸着筒を３筒以上とするのがよい。

吸着筒を４本以上とする場合には、均圧工程と残留ガスパージ工程を組み合わせることも可能である。両者を組み合わせて行う場合は、まず残留ガスパージ工程を行い、その次に昇圧均圧工程を行うと良い。理由は、残留ガスパージ工程は残留ガスを還流しながら減圧する工程であるのに対して、昇圧均圧工程は残留ガスを還流しながらその残留ガスによって加圧を行う工程であるので、均圧工程の後に残留ガスパージ工程を行うと均圧工程で途中まで加圧した吸着筒を再び減圧してしまうことになるからである。これらの工程と組になる、並流減圧工程と降圧均圧工程は、吸着工程終了後に、降圧均圧工程、並流減圧工程の順番に行うのがよい。理由は昇圧均圧工程の相手の吸着筒としてはより高い圧力の吸着筒を選んだ方が、昇圧がより効果的に行われることと、昇圧均圧工程を残留ガスパージ工程よりも後に行うので、その後の吸着工程で最初から濃度が高い製品酸素を取り出すために昇圧均圧工程で還流されるガスをより濃度が高いガスとしたほうが好ましいからである。

結局、均圧工程・残留ガスパージ工程を組み合わせたときの好ましい工程の順番は、吸着工程→降圧均圧工程→並流減圧工程→脱着工程→残留ガスパージ工程→昇圧均圧工程→吸着工程となる。たとえば４筒式の場合には図３のような工程表となる。このように均圧工程と残留ガスパージ工程を組み合わせて行うことにより、より高効率で、しかも広範囲の運転条件で高効率を保ったまま酸素を生成することが可能となる。

図３を見ると、吸着工程が複数の吸着筒で時間的に一部重なっている。このことは、圧縮機の供給流量が圧力にあまり依存しない時に問題となる可能性がある。すなわち、後から吸着工程に入った吸着筒より先に吸着工程を行っていた吸着筒の圧力の方が高いので、先に吸着工程を行っていた吸着筒から後から吸着工程に入った吸着筒へ吸着筒供給端から窒素を多く含んだガスが入り込み、吸着剤の利用効率を低下させてしまう。また、先に吸着工程を行っていた吸着筒においては、最も窒素吸着量が多くなる吸着工程後半で圧力が低下するので、一旦吸着した窒素が脱着し、製品酸素に混ざる可能性もある。そのため、吸着工程のうち、吸着筒が圧縮機と接続されている時間を短くする必要がある場合がある。また、吸着工程前半は吸着筒内部の圧力が十分に上昇していない場合があり、その場合、製品タンクと吸着筒を接続してしまうと製品タンクから製品ガスが逆流し、製品タンクの圧力が低下し、圧力変動が大きくなる。それを嫌う場合には、製品取り出しを吸着筒の圧力が十分上昇してから行えばよい。すなわち、吸着工程を、製品取り出しは行わず原料空気の供給のみ行う加圧工程、製品取り出しと原料供給を行う加圧・製品取り出し工程、製品取り出しのみを行う製品取り出し工程の最大３段階に分割する事が好ましい。これを表にすると図４のようになる。また、この工程を実際の吸着筒の接続図で表したものが図１である。

また、均圧工程を複数段にわたって行うこともできる。図５は吸着筒を５筒として均圧工程を２段としたもの、図６は吸着筒を６筒として均圧工程を３段としたものである。図中それぞれ昇圧均圧１，２，３・・・の吸着筒と降圧均圧１，２，３・・・の吸着筒が接続される。このように均圧段数を増やすことにより、残留ガスの還流量を増やすことができる。また、降圧均圧工程は1,2,3の順に行われるが、そのとき吸着工程直後の降圧均圧工程１で取り出されるガスが最も酸素濃度が高く、２，３の順に酸素濃度が低くなっていく。ところが昇圧均圧は３，２，１の順に行われるので、降圧均圧工程１で取り出された酸素濃度が最も高いガスが最後に還流されることになり、製品端近傍により酸素濃度が高いガスを導入することができる。これによって、吸着工程でより高い酸素濃度の製品ガスを容易に取り出すことが可能になる。但し、吸着筒の本数が多くなると構造が複雑になるので、通常は吸着筒数を４本とし、均圧工程を１段とするのが好ましいが、特に高濃度の酸素を高効率で必要な場合には、このように均圧工程を多段にわたって行う事ができる。均圧の段数は吸着筒の本数が多くなるほど増やせ、吸着筒の本数をｎとすると、その装置で行える均圧の段数はｎ?３となる。その場合のプロセスのシーケンスは、吸着工程（または加圧工程＋加圧・製品取り出し工程＋製品取り出し工程）、第１降圧均圧工程、第２降圧均圧工程、・・・第ｎ−３降圧均圧工程、並流減圧工程、脱着工程、残留ガスパージ工程、第ｎ−３昇圧均圧工程、第ｎ−４昇圧均圧工程、・・・第１昇圧均圧工程の順番になる。

以上のような工程を行う酸素濃縮装置を作成するに当たり、吸着筒の接続を切り替える手段として通常の電磁弁などを用いると、吸着筒１筒あたり、供給端側に加圧・減圧用のバルブとして各１個、製品端側に製品取り出し用に１個、均圧・パージ用に１個の合計４個が必要であり、吸着塔４本では２０個の電磁弁が必要となる。特に医療用など、家庭内や移動先で使用する濃縮機の場合、２０個の電磁弁の占める重量と体積は無視できず、装置のサイズと重量を大きくしてしまう。その場合は、電磁弁を１つの回転バルブに置き換えることにより濃縮装置の大きさを大幅に小さくすることができる。

以上のように、本発明は、少なくとも窒素を酸素より優先的に吸着する吸着剤、該吸着剤を充填した複数の吸着筒、空気供給手段を持ち、少なくとも該吸着筒の１端（以下供給端）に空気供給手段から空気（以下原料空気）を供給することによって、該原料空気中の窒素を吸着し、吸着されなかった酸素を該吸着筒の他端（以下製品端）より取り出す吸着工程および該吸着筒の圧力を減圧手段によって減圧し、吸着した窒素を脱着し、該吸着筒供給端より減圧手段を通じて排出する脱着工程よりなるプロセス（以下吸脱着プロセス）を繰り返すことにより、空気中の酸素を濃縮する酸素濃縮機であって、３筒以上の吸着筒を持ち、吸脱着プロセスとして、吸着工程、脱着工程に加えて、脱着工程開始前に、吸着筒製品端から残留ガスを取り出す並流減圧工程、脱着工程終了後に並流減圧工程中の吸着筒からの残留ガスを製品端へ供給しつつ、供給端より排気を続ける残留ガスパージ工程を有し、吸脱着プロセスの運転条件を、少なくとも取り出し酸素流量の情報を元に可変とした制御手段を有することを特徴とする酸素濃縮機を提供するものである。

また本発明は、少なくとも窒素を酸素より優先的に吸着する吸着剤、該吸着剤を充填した複数の吸着筒、空気供給手段を持ち、少なくとも該吸着筒の１端（以下供給端）に空気供給手段から空気（以下原料空気）を供給することによって、該原料空気中の窒素を吸着し、吸着されなかった酸素を該吸着筒の他端（以下製品端）より取り出す吸着工程および該吸着筒の圧力を減圧手段によって減圧し、吸着した窒素を脱着し、該吸着筒供給端より減圧手段を通じて排出する脱着工程よりなるプロセス（以下吸脱着プロセス）を繰り返すことにより、空気中の酸素を濃縮する酸素濃縮機であって、３筒以上の吸着筒を持ち、吸脱着プロセスとして、吸着工程、脱着工程に加えて、吸着工程終了後に吸着筒供給端を閉塞するとともに製品端より吸着塔内残留ガスを取り出す降圧均圧工程および吸着工程開始前に吸着筒供給端を閉塞するとともに降圧均圧工程中の吸着筒からの残留ガスを吸着筒製品端から供給する昇圧均圧工程を有し、吸脱着プロセスの運転条件を、少なくとも取り出し酸素流量の情報を元に可変とした制御手段を有することを特徴とする酸素濃縮機を提供するものである。

また本発明は、４筒以上の吸着筒を持ち、該吸着筒の数をｎとした場合、吸脱着プロセスとして、ｎ−３回の均圧工程を持ち、ｉ＝１，２，・・・ｎ−３なる第ｉ降圧均圧工程は第ｉ昇圧均圧工程の吸着筒に残留ガスを還流するものであり、各工程を、吸着工程、第１降圧均圧工程、第２降圧均圧工程・・・第（ｎ−３）降圧均圧工程、並流減圧工程、脱着工程、残留ガスパージ工程、第（ｎ−３）昇圧均圧工程、・・・第２昇圧均圧工程、第1昇圧均圧工程の順に繰り返すことを特徴とする酸素濃縮機を提供するものである。

また本発明は、実質的に４個の吸着筒を持ち、吸脱着プロセスとして、吸着工程、降圧均圧工程、並流減圧工程、脱着工程、残留ガスパージ工程、昇圧均圧工程を上記の順に繰り返すことを特徴とする酸素濃縮機を提供するものである。

また本発明は、該吸着工程が、吸着筒製品端を閉塞すると共に供給端を空気供給手段に接続し、空気を供給する加圧工程、該製品端から製品ガスを取り出すと共に該供給端より引き続き空気を供給する加圧・製品取り出し工程、該製品端からの製品ガス取り出しを継続しつつ、該供給端を閉塞する製品取りだし工程の３工程に分かれており、これらを上記の順に行う事を特徴とする酸素濃縮機を提供するものである。

また本発明は、該プロセスの運転条件として工程を切り替える周期を可変としたことを特徴とする酸素濃縮機を提供するものである。

また本発明は、該プロセスの工程を切り替える切り替え手段として回転バルブを有し、該回転バルブの回転数を可変としたことを特徴とする酸素濃縮機を提供するものである。

また本発明は、該プロセスの運転条件として該空気供給手段の供給能力を可変としたことを特徴とする酸素濃縮機を提供するものである。

また本発明は、減圧手段を有し、脱着工程時に該吸着筒の製品端を該減圧手段と接続することによって該吸着筒の圧力を大気圧よりも低くすることを特徴とする酸素濃縮機を提供するものである。

また本発明は、該プロセスの運転条件として該減圧手段の供給能力を可変としたことを特徴とする酸素濃縮機を提供するものである。

また本発明は、該吸着剤がカチオンとしてリチウムまたはカルシウムまたはその両者を含む１３Ｘ型ゼオライトであることを特徴とする酸素濃縮機を提供するものである。

また本発明は、該吸着剤の粒子径が0.5mm以下であり、該繰り返し周期が7.5秒以下であることを特徴とする酸素濃縮機を提供するものである。

本発明により、生成能力を変化させたときでも常に最適の運転条件で運転可能な濃縮機を提供することが可能となる。

図７に本発明の好ましい実施態様例を示す。吸着ユニットには、吸着筒、回転バルブおよびバルブ駆動機構が一体となって含まれており、原料空気供給口、排気口および製品取り出し口を持つ。原料空気供給口にはコンプレッサーが取り付けられ、大気圧よりも圧力が高い空気が供給できるようになっている。また、排気口には真空ポンプが取り付けられており、大気圧よりも低い圧力で排気している。製品取り出し口には製品タンクが取り付けられており、その下流側には減圧弁、流量調節器が取り付けられ、製品酸素を必要な量だけ取り出すことができるようになっている。尚、プロセス制御の制御手段の図面記載は省略する。

吸着ユニットの構造は図８のようになっている。吸着筒は４本有り、それぞれの一端はマニフォールドaに固定されており、マニフォールドa内の気体流通路によって、同じくマニフォールドaに固定されている回転バルブの固定子に接続されている。吸着筒の他端はマニフォールドbに固定されており、内部で４本の配管と接続されている。その配管はさらにマニフォールドaへと接続され、バルブ固定子のポート穴と接続される。なお、現実問題として単一のマニフォールド中に図示したような配管を形成することは困難であるが、実際にはマニフォールドを複数枚に分割したり、マニフォールド外部に補助の配管を接続するなどの工夫により同様な接続を形成することは困難ではない。

バルブの固定子には各吸着筒の両端に連通している４対のポート穴の他に、マニフォールドと配管を通して圧縮機と接続される加圧ポート穴、同様にして減圧ポンプに接続される減圧ポート穴と、製品を取り出すための製品ポート穴があけられている。バルブの固定子には、回転子が取り付けられており、固定子と回転子は摺動面で回転摺動しながら、固定子にあけられたポート穴同士の接続を切り替える動作を行っている。この摺動面は、平面である必要はないが、たとえば円錐状、円筒状や、球を切断した形状など、回転したときに回転子と固定子との間に隙間ができないような形状である必要がある。また、摺動面からのガスの漏れを最小限にするため、摺動面の形状にかかわらず、回転子と固定子の隙間が数ミクロン以下になるように精度よく加工することが必要である。

固定子・回転子の摺動面上にはそれぞれ図９、図１０のようなポート穴および溝が配置されており、溝によってポート穴同士が接続される。図１０中、中央の穴と加圧ポート、２つの均圧ポートはそれぞれ回転子裏側で接続されている。回転子が回転すると、回転子の溝と固定子の穴の接続は回転に従って変化し、図1のようなプロセスを繰り返す。たとえば回転子と固定子が図１１のような位置関係にある場合には、吸着筒１は加圧工程、吸着筒２は製品取り出し工程、吸着筒３は並流減圧工程、吸着筒４は残留ガスパージ工程にある。また位置関係が図１２のようになった時は、吸着筒１は加圧・製品取り出し工程、吸着筒２は降圧均圧工程、吸着筒３は脱着工程、吸着筒４は昇圧均圧工程にある。バルブがさらに回転し、回転角度が図１１からちょうど90°になったときは各工程が吸着筒1つ分ずれて行われる。この場合、バルブ1回転で各吸着筒がすべての工程を終えて1サイクルとなる。以上のように回転バルブは回転子が固定子の上を回転摺動動作を行うことによって吸脱着プロセスの工程を切り替える操作を行う。バルブ回転の動力源として、バルブ回転駆動機構が取り付けられている。バルブ回転駆動機構には、ステッピングモーターや、減速器付きの直流・交流モーター、空気駆動モーター、超音波モーターなど、プロセスの繰り返し周期程度の回転数で必要なトルクを供給できる回転源を用いることができる。

図１３に本発明の別の実施態様例を示す。本実施態様例においては、吸着筒は３本であり、吸着筒の接続は回転バルブではなく、９個の電磁弁によって切り替えられる。また、製品取り出しバルブは逆止弁が用いられている。バルブの切り替えシーケンスを図１４に、吸脱着プロセスの工程図を図１５に示す。図１５に示してあるように、３筒式の場合には均圧工程は省略される。バルブに回転バルブではなく電磁弁を用いる利点は、回転バルブは吸脱着プロセスに合わせて特別なものを作成しなければならないのに対し、電磁弁はごく一般的に用いられている２ポート弁が使用可能で、入手が容易であることと低コストであることである。ただし、電磁弁を９個用いることと電磁弁への配管を考慮すると、回転バルブを用いた場合よりも重量、寸法とも大きくなり、超小型のシステムには適さないが、中〜小型のシステムには十分である。

図１６に本発明の別の実施態様例を示す。濃縮機全体の構成は前述の実施態様例と同様、図７に示したとおりになっているが、吸着ユニットの構造は、図１６のように吸着筒が６本となり、それに伴い回転バルブとマニフォールドの配管が図８と異なっている。回転バルブの構造は図１７、１８のようになっている。また、この吸着ユニットで実現されるプロセスのシーケンスは図６のようになっている。このプロセスの特徴は、均圧工程を３段階に分けて行っており、均圧工程で還流される酸素の量を多くでき、回収率を向上できると共に、より高い酸素濃度のガスを容易に得ることができることである。図１７は回転子の構造図であるが、第一、第二均圧口および連通孔、第三均圧口および連通孔とパージ口および連通孔がそれぞれ共通となっている。これは図６に示されているとおり、第一均圧工程と第二均圧工程、第三均圧工程と並流減圧・パージ工程は同時に行われないので、連通孔を共通化しても互いに干渉を起こさないからである。また、開口部の配置が点対称になっており、回転軸を中心に１８０°回転すると元の形状と重なり合うようになっている。これは、回転軸を中心として対称の位置の圧力を等しくして、摺動面に均一に力がかかるようにして摺動面が片減りすることを防いでいる。このような開口部の配置にすると、バルブ半回転でプロセスの１周期が行われることになる。そのため固定子の各吸着筒に接続されるポートは円周を６等分した点ではなくその２倍の１２等分した点に開口があるようにしなければならない。但し、ある点とそこから丁度１８０°回転した点、即ち１２等分した点の１番目と７番目、２番目と８番目・・・６番目と１２番目は全く等価であるので、それぞれのいずれか一方に各吸着筒へ接続される開口があればよい。従って開口の数は、例えば図１８に示すように、吸着筒製品端、供給端に接続するポートが各６個となる。

図１９に製品パージを用いたプロセスと供給端を閉塞する均圧工程を用いたプロセスにおいて、供給圧力、排気圧力を一定として、プロセスの周期を変えることにより生産性を変化させたときの回収率の変化を示す。生産性は生成酸素量と吸着剤量の比なので、生産性は生成能力に比例する。図に示されているとおり、製品パージを用いたプロセスにおいては生成能力の変化に対して回収率が大きく低下しているのに対し、均圧工程を用いたプロセスにおいては回収率はほとんど変化しておらず、高い生成効率を維持していることが分かる。

また、図２０に残留ガスパージと供給端を閉塞する均圧工程を組み合わせたプロセスの内、吸着筒の数を３，４，５，６筒、均圧の段数を０，１，２，３段とした場合の生産性および回収率と製品酸素濃度の関係を示す。これを見ると、回収率は3筒式がやや劣るものの、酸素濃度90％程度では４，５，６筒のものはほぼ等しい。但し、酸素濃度92％以上では4，5，6筒の順に上昇していく。生産性は６，５，４，３筒の順で良くなっていく。以上のことより、酸素濃度が90％程度でよく、低消費電力と小型化を両立させたいときは均圧を1段とした4筒式が適当で、特に高い濃度が必要な場合には5筒式以上のものを用いるのが適当であることが分かる。

図２１は前項で本発明の好ましい実施例として示した酸素濃縮装置において回転バルブの回転数を変化させ、平均の供給圧力が一定となるように供給流量を調節したときの、酸素濃度90％を売ることができる製品ガス流量とそのときの回収率を示したグラフである。このグラフから分かるように、製品ガス流量が1〜3lpmの非常に広い範囲にわたって高い回収率を保っていることが分かる。

以上のように、本発明により、生成能力を変化させたときでも常に最適の運転条件で運転可能な濃縮機を提供することが可能となる。

吸着工程を、加圧工程、加圧・製品取り出し工程、製品取り出し工程の最大３段階に分割した時の吸着筒の接続図。 従来の酸素濃縮機の構成図。 均圧工程・残留ガスパージ工程を組み合わせたときの工程表。 吸着工程を、加圧工程、加圧・製品取り出し工程、製品取り出し工程の最大３段階に分割した時の工程表。 吸着筒を５筒として均圧工程を２段とした時の工程表。 吸着筒を６筒として均圧工程を３段とした時の工程表。 本発明の酸素濃縮機の実施態様例。 吸着ユニットの構造図。 固定子摺動面の構造図。 回転子摺動面の構造図。 固定子及び回転子の関係図。 固定子及び回転子の関係図。 本発明の酸素濃縮機の別の実施態様例。 バルブの切り替えシーケンス図。 吸脱着プロセスの工程図。 本発明の酸素濃縮機の別の実施態様の吸着ユニットの構造図。 回転子の構造図。 固定子の構造図。 製品流量に応じて繰り返し周期および供給流量を変化させた時の生産性と回収率の関係図。 生産性及び回収率と酸素濃度の関係図。 酸素濃度90％を得ることが出来る製品流量及び回収率とバルブ回転数との関係図。

Claims (13)

1. 少なくとも酸素より窒素を優先的に吸着する吸着剤、該吸着剤を充填した複数の吸着筒、空気供給手段を持ち、少なくとも該吸着筒の供給端に空気供給手段から原料空気を供給することによって、該原料空気中の窒素を吸着し、吸着されなかった酸素を該吸着筒の製品端より取り出す吸着工程および、該吸着筒の圧力を減圧し、吸着した窒素を脱着し、該吸着筒供給端より排出する脱着工程を有する吸脱着プロセスを繰り返すことにより、空気中の酸素を濃縮する酸素濃縮機であって、３筒以上の吸着筒を持ち、吸脱着プロセスとして、吸着工程、脱着工程に加えて、脱着工程開始前に、吸着筒製品端から残留ガスを取り出す並流減圧工程、脱着工程終了後に並流減圧工程中の吸着筒からの残留ガスを製品端へ供給しつつ、供給端より排気を続ける残留ガスパージ工程を有し、吸脱着プロセスの運転条件を、少なくとも取り出し酸素流量の情報を元に可変とした制御手段を有することを特徴とする酸素濃縮機。
2. 少なくとも窒素を酸素より優先的に吸着する吸着剤、該吸着剤を充填した複数の吸着筒、空気供給手段を持ち、少なくとも該吸着筒の供給端に空気供給手段から原料空気を供給することによって、該原料空気中の窒素を吸着し、吸着されなかった酸素を該吸着筒の製品端より取り出す吸着工程および、該吸着筒の圧力を減圧し、吸着した窒素を脱着し、該吸着筒供給端より排出する脱着工程よりなる吸脱着プロセスを繰り返すことにより、空気中の酸素を濃縮する酸素濃縮機であって、吸脱着プロセスとして、吸着工程、脱着工程に加えて、吸着工程終了後に製品端より吸着塔内残留ガスを取り出す降圧均圧工程および吸着工程開始前に降圧均圧工程中の吸着筒からの残留ガスを吸着筒製品端から供給する昇圧均圧工程を有し、吸脱着プロセスの運転条件を、少なくとも取り出し酸素流量の情報を元に可変とした制御手段を有することを特徴とする酸素濃縮機。
3. ３筒以上の吸着筒を持ち、該降圧均圧工程および該昇圧均圧工程において、吸着筒供給端を閉塞することを特徴とする請求項２記載の酸素濃縮機。
4. ４筒以上の吸着筒を持ち、該吸着筒の数をｎとした場合、吸脱着プロセスとして、ｎ−３回の均圧工程を持ち、第ｉ降圧均圧工程（但し、ｉ＝ｎ−３の正の整数）は第ｉ昇圧均圧工程の吸着筒に残留ガスを還流するものであり、各工程を、吸着工程、第１降圧均圧工程から第（ｎ−３）降圧均圧工程、並流減圧工程、脱着工程、残留ガスパージ工程、第（ｎ−３）昇圧均圧工程から第1昇圧均圧工程の順に繰り返すことを特徴とする、請求項３記載の酸素濃縮機。
5. 実質的に４個の吸着筒を持ち、吸脱着プロセスとして、吸着工程、降圧均圧工程、並流減圧工程、脱着工程、残留ガスパージ工程、昇圧均圧工程を上記の順に繰り返すことを特徴とする、請求項４記載の酸素濃縮機。
6. 該吸着工程が、吸着筒製品端を閉塞すると共に供給端を空気供給手段に接続し、空気を供給する加圧工程、該製品端から製品ガスを取り出すと共に該供給端より引き続き空気を供給する加圧・製品取り出し工程、該製品端からの製品ガス取り出しを継続しつつ、該供給端を閉塞する製品取りだし工程の３工程に分かれており、これらを上記の順に行う事を特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の酸素濃縮機。
7. 該プロセスの運転条件として工程を切り替える周期を可変としたことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の酸素濃縮機。
8. 該プロセスの工程を切り替える切り替え手段として回転バルブを有し、該回転バルブの回転数を可変としたことを特徴とする請求項７記載の酸素濃縮機。
9. 該プロセスの運転条件として該空気供給手段の供給能力を可変としたことを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の酸素濃縮機。
10. 減圧手段を有し、脱着工程時に該吸着筒の製品端を該減圧手段と接続することによって該吸着筒の圧力を大気圧よりも低くすることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の酸素濃縮機。
11. 該プロセスの運転条件として該減圧手段の供給能力を可変としたことを特徴とする請求項１０記載の酸素濃縮機。
12. 該吸着剤がカチオンとしてリチウムまたはカルシウムまたはその両者を含む１３Ｘ型ゼオライトであることを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載の酸素濃縮機。
13. 該吸着剤の粒子径が0.5mm以下であり、該繰り返し周期が7.5秒以下であることを特徴とする請求項１〜１２の何れか一項に記載の酸素濃縮機。

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