JP2006112678A - ガス富化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス富化装置のガス富化された気体の輸送経路中において結露水の発生を極力低減させて、外気温の低い場合でも輸送経路中の結露水の凍結を防止し、安定運転が可能なガス富化装置と差圧発生装置およびそれらを用いた空気調和機を提供すること。
【解決手段】本発明のガス富化装置は、少なくともガス富化手段と、ガス富化手段に差圧を発生させる差圧発生手段と、第１の気体をガス富化手段に通過させてガス富化された第２の気体を送気する送気通路と、送気通路に第３の気体を供給するための流路絞り可変手段と、運転時間を計時する計時手段を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気中の所定のガス濃度を他のガスに対して相対的に向上させるガス富化装置に関するものである。

従来、選択性ガス透過膜やＰＳＡ法などの吸着剤を用い、酸素や窒素などの特定ガスの濃度を相対的に向上させる装置として、酸素富化装置や窒素富化装置などが医療用富化装置、空気調和機、空気清浄機などの機器に用いられている。

例えば酸素濃度を向上させるものとして、分離型空気調和機の室外機に酸素富化手段を設け、酸素富化された空気を送出配管を介して室内機に送り、室内側に放出して被空調空間である室内の酸素濃度を向上させ居住者の快適性を維持向上させるものがに開示されている（特許文献１、２参照）。

一方、このような選択性ガス透過膜のひとつである酸素富化膜を用いて行う酸素富化操作において、酸素富化膜は空気成分の大半を占める窒素を酸素と分離させて、酸素を優先的に透過させる特性はあるものの、同時に空気中の水分をも透過させる特徴を持っている。

したがって、酸素富化膜に入る１次側の空気に対して、酸素富化膜を通過した後の２次側の空気では、窒素が分離された分だけ相対的に湿度が高くなる。そのため露点が１次側の空気に比べて上昇し、酸素富化膜を通過した後の２次側の送出配管中でしばしば結露水を発生させてしまう。

そのため、このような結露水が空気調和機の室内機で放散されて、室内を濡らしたり、ユーザに降りかかって不快感を与えたりする。そこで、従来は、室内機の酸素富化空気の輸送経路中に冷却器を設け、含有水分を強制的に結露させるとともに水分離器を設けて、水分が室内に飛散するのを防止している。

このような、選択性ガス透過膜やＰＳＡ法などの吸着材を用いて行うガス富化操作では、酸素に限らず、ガス富化装置の２次側では必然的に相対湿度が上がって露点が上昇し、結露が発生しやすくなる。
特開平５−１１３２２７号公報 特開２００２−３９５６９号公報

しかしながら、上記の従来技術では、次のような課題が発生する。

すなわち、ガス富化装置を通過した２次側において、ガス富化された気体の輸送経路が屋外大気に曝されて大気温度が低い場合などは、輸送経路の内部で結露水が凍結してガス富化された気体が搬送できなくなるという課題がある。また、輸送経路中に結露水が発生すると、輸送経路中の気体の流れに脈動が生じて異音を発生したり、水滴が破裂する破裂音などが発生する。そのため、それらの音がユーザの居住する室内側に伝播してユーザに不快感を与えるという課題がある。更に、これらの結露水がガス富化装置に空気などを通過させるための駆動手段となる減圧ポンプなどに逆流すると、これらの内部部品の寿命に影響を及ぼしたり、結露水を圧縮する液圧縮により圧縮機構が破損するという課題を発生
する。このような結露発生の量は比較的少ないが、ガス富化装置の運転時間が長くなれば輸送経路中に溜まってしまう。また使用環境の湿度の度合いに応じても結露発生量は変化することが近年解ってきた。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ガス富化装置のガス富化された気体の輸送経路中において結露水の発生を極力低減させるとともに結露水の溜まりをなくして、外気温の低い場合でも輸送経路中の結露水の凍結を防止し、輸送経路内部の流量を確保し、ポンプなどの安定運転が可能なガス富化装置と差圧発生装置およびそれらを用いた空気調和機を提供することを目的としている。

本発明のガス富化装置は、少なくともガス富化手段と、ガス富化手段に差圧を発生させる差圧発生手段と、第１の気体をガス富化手段に通過させてガス富化された第２の気体を送気する送気通路と、送気通路に第３の気体を供給するための流路絞り可変手段と、湿度を検知する湿度検知手段を備え、湿度に応じて流路絞り可変手段の絞り開度を変化させることによって、送気通路内の相対湿度を下げて結露水の発生を極力低減させるとともに、第３の気体を付加供給することによって送気通路内の流量を増やして溜まった結露水を排出するものである。

本発明のガス富化装置は、ガス富化されて相対湿度の高まった気体が送気通路で結露するのを防止したり、結露した結露水を排出したり、あるいは再蒸発させて、送気通路中での結露水の滞留や騒音発生などを抑制し、ガス富化装置の安定運転を実現し、結露水に伴う異音によるユーザの不快感を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、以下の実施の形態では、ガス富化装置として酸素富化装置を居住空間の空気調和に用いる分離型の空気調和機に適用した場合について説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
まず図１、図２、図３を用いて本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるガス富化装置を示す斜視図である。実施の形態１ではガス富化手段に差圧を発生させる差圧発生手段として減圧ポンプを使用した場合について説明する。

ガス富化装置３０は、ガス富化手段となる酸素富化ユニット１と、差圧発生手段となる減圧ポンプ２と、送気通路３と、流路絞り可変手段である流路絞り可変弁４と、湿度検知手段である湿度センサ５と時間を計時できる制御手段６などより構成され、全体が筐体７内に収納されている。また、減圧ポンプ２の吐出側には吐出主管８が接続され、ガス富化された気体をそれらが使用される場所に供給している。流路絞り可変弁４は送気通路３より分岐された分岐管９によって送気通路３と接続されるとともに、流通抵抗部材１０と導入管１１が接続されている。酸素富化ユニット１は特定のガスを選択的に透過する選択透過膜であっても良いし、あるいは特定のガスを吸着する選択吸着膜であっても良い。

このように構成されたガス富化装置３０において、ガス富化される第１の気体である大気１２が、酸素富化ユニット１の出口側に設けられた減圧ポンプ２の吸込みによって酸素富化ユニット１に入り、酸素富化ユニット１内の選択透過膜などによって酸素が選択的に透過され、酸素濃度の高い第２の気体となって送気通路３に入る。酸素濃度の高い第２の
気体は送気通路３から減圧ポンプ２を経て、吐出主管８に吐出される。

なお、酸素富化ユニット１の吸込み側すなわち大気側には、酸素富化ユニット１によって滞留する窒素濃度の高い空気を掃気するためのファン（図示せず）を配置し、ガス富化装置３０の運転に連動して動作させることが可能である。また、例えばガス富化装置３０を空気調和機に用いた場合には、酸素富化ユニット１の配置構成を室外機の送風回路内に配置し、室外ファンと共用させることも可能である。

また、分岐管９に接続された流路絞り可変弁４は電磁膨張弁などの弁を用いることができ、流通抵抗部材１０はキャピラリチューブなどを用いることができる。流路絞り可変弁４の絞り制御は、ガス富化運転を行った時間や湿度検知手段である湿度センサ５により検出された湿度にもとづき、制御手段６の信号によって絞り制御される。また、このようなガス富化装置３０が他の機器と接続されて使用される場合などは、それらの機器からの外部の制御信号によって流路絞り可変弁４の絞りを制御することも可能である。また一方、湿度センサ５は、ガス富化装置３０が設置される大気湿度、酸素富化ユニット１近傍の湿度、など任意の湿度を検知することが可能である。

次に上記構成のガス富化装置３０を外気中に配置して、大気を酸素富化する動作について図１、図２、図３を用いて説明する。

減圧ポンプ２が運転されると、第１の気体である外気１２が酸素富化ユニット１に吸込まれ、酸素富化ユニット１を通過して酸素濃度が高くなった空気が送気通路３を通過して減圧ポンプ２に吸い込まれ、さらに吐出主管６を介して送出される。

次に送気通路３に設けられた分岐管９に介装された流路絞り可変弁４の動作について図２、図３を用いて説明する。図２は実施の形態１におけるガス富化装置の流路絞り可変弁の制御仕様を示す図であり、図３は同制御仕様での流路絞り可変弁と減圧ポンプの動作を示すタイムチャートである。

流路絞り可変弁４は運転開始時の状態では閉状態になっている。減圧ポンプ２が運転され酸素富化操作が行われると、制御手段６が酸素富化運転の運転時間を計時して、その運転時間に応じて流路絞り可変弁４の絞り可変動作を行う。また湿度センサ５により検知された湿度により流路絞り可変弁４の絞り可変動作を制御する。

図２においては上方が計時された時間が長いまたは検知された湿度が高く、下方ほど計時された時間が短くまたは湿度が低いことを示している。図２、図３に示すように、まず、計時された時間Ｔまたは検知された湿度Ｄがａ点にあり、所定時間Ｔ１（または所定湿度Ｄ１）よりも高い場合には流路絞り可変弁４の絞りは開方向に制御される。一方、計時された時間Ｔまたは検知された湿度Ｄが低下してｂ点の状態になり、所定時間Ｔ１（または所定湿度Ｄ１）よりも低くなった場合には流路絞り可変弁４の絞りは閉方向に制御される。この運転時間が長い場合や湿度が高い場合には、配管経路に結露水が滞留しやすく、かつ外気温度が低い場合は結露水が凍結して送気通路を閉塞する現象などが発生する。

そこで、流路絞り可変弁４の絞り変化を行うと、少なくともガス富化されて送気通路３を通過する気体に比べて相対湿度の小さい第３の気体となる外気１３が導入管１１を介して送気通路３に大量に導入される。そのため、吐出主管８に送出される気体は、相対的に湿度の低い外気と混合して結露状態を緩和する方向に変化する。

このとき、酸素富化ユニット１を通過する場合よりも導入管１１を通過する場合の流通抵抗が小さくなるように構成している。従って、流路絞り可変弁４を開方状態にすれば外
気は酸素富化ユニット１側ではなく導入管１１側から優先的に大量に導入される。このように、これらの導入管１１、流通抵抗部材１０、流路開閉弁４、および分岐管９の流通抵抗を、酸素富化ユニット１の流通抵抗よりも小さくすることによって、より高流量の外気が導入可能となる。そのため、吐出主管８などに滞留する結露水を、その管路の風速を上昇させることによって外部に排出させることができるとともに、結露水の蒸発も促進させることができる。更には、万一結露水が吐出主管８などで凍結した場合でも、これらの高速気流で外部に排除することが可能となる。

本実施の形態１では、導入管１１に導入される流量を制御するために、流通抵抗部材１０を設けて、最適流量になるようにすることもできる。なお、第３の気体として、酸素富化ユニット１に吸込まれる第１の気体よりも高温の気体を導入することにより、結露水の蒸発や結露水の凍結防止をより確実に行うことができる。

一方、図３に示すように、運転時間Ｔまたは湿度Ｄが変化した場合に流路絞り可変弁４を絞り変化するヒステリシスを設けている。すなわち、運転時間Ｔまたは湿度Ｄが低い場合には流路絞り可変弁４が閉方向となるように設定され、運転時間Ｔまたは湿度Ｄが高い場合は流路絞り可変弁４は開方向で制御される。

また、運転時間Ｔ、湿度Ｄの単独変化以外に運転時間Ｔと湿度Ｄを掛けて結露が発生する度合いで流露絞り可変弁４の絞り変化操作を行うことも上記同様の効果を得る。

この流路絞り可変弁４の変化は、運転時間Ｔ、湿度Ｄの関係から結露量を把握して結露量の排出を最短時間でかつ使用者に騒音の問題を発生することなく処理できる効果もある。この流路絞り可変弁４の動作タイミングは、送気通路から出る音を考えると運転停止か運転開始時がより良い。

（実施の形態２）
次に実施の形態２について図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２におけるガス富化装置を示す斜視図である。

実施の形態１では送気通路３に分岐管９を設けて構成していたが、本実施の形態では図４に示す様に、減圧ポンプ２自体の吸込み側流路に直接気体導入部である分岐管２０が接続されている。さらに、その分岐管２０に流路開閉弁４などが接続されている構成であり、その他の構成は実施の形態１と共通である。

このように本発明の実施の形態２によれば、分岐管２０を減圧ポンプ２側に設けて加工しておくことで、酸素富化ユニット１から減圧ポンプ２までの間の送気通路３に分岐の加工をすることが不要になる。一方、減圧ポンプ２の生産時において、流路開閉弁４や分岐管２０などのユニットを予め組みつけておくことができ、結露水抑制機能のついた減圧ポンプ２として生産できる。

なお、実施の形態１では分岐管９を送気通路３に設け、実施の形態２では、分岐管２０を減圧ポンプ２の吸込み側流路に直結する構成としたが、酸素富化ユニット１に直接設ける構成も可能である。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３として本発明の実施の形態１におけるガス富化装置を備えた空気調和機について、室外ユニットと室内ユニットから構成される分離型の空気調和機を例に説明する。

図５は本発明の実施の形態１におけるガス富化装置を備えた空気調和機の構成を示す斜視図である。図５において、空気調和機は室内ユニット５０と室外ユニット５１より構成され、冷媒ガスが循環するように接続配管（図示せず）で接続されている。室内ユニット５０には室内ファン５２が配置されている。室外ユニット５１には圧縮機５３、室外熱交換器５４、室外ファン５５が配置されるとともに、一室を隔してガス富化装置としての酸素富化装置３０が室外ユニット５１の上部に載置されている。

酸素冨化装置３０は実施の形態１で述べたガス富化装置３０であり、吐出主管８を介してガス富化された酸素濃度の高い第２の気体である空気が室内ユニット５０の筐体内部またはその近傍に吐出されるように、被空調空間にこのガス富化された第２の気体を放出するための放出手段としての吐出口５７を備えている。室内ユニット５０の筐体内の送風回路に面して吐出口５７が配置された場合には、室内ファン５２の動作により、室内空間に吹き出される送風に吐出口５７から吹出された酸素富化空気が添加されて、吹出し口５８より被空調空間に送出される。したがって、室内ファン５２はガス富化された第２の気体を拡散させる拡散手段でもある。

ここで、空気調和機の冷凍サイクルの構成及び動作については本願発明に関連しないため詳細な説明は省略する。

このように構成された本実施の形態における空気調和機によれば、酸素富化装置３０として、実施の形態１から２に述べたガス富化装置と差圧発生装置あるいは流路絞り可変弁の制御方法を用いることができる。そのため、いわゆる空気調和機の基本機能を実現する運転の他に、被空調空間に酸素供給を行い、居住者の快適性を高めることができる。

酸素富化装置３０によって、酸素濃度の高い空気を被空調空間である室内に送出する際に、例えば夏場の外気自体の相対湿度が大きい場合、あるいは冬場の外気が低い場合には吐出主管８に結露水が発生し易くなり、特に冬場はそれらが凍結する場合がある。しかしながら、本実施の形態によれば、相対湿度の大きい酸素富化された空気に相対湿度の小さい外気などを間欠的にあるいは大量に導入することによって、結露水の発生や結露水の凍結を防止することができる。そのため、被空調空間に安定確実に酸素濃度の高い空気を供給することができる。

本発明のガス富化装置は、ガス富化された気体の輸送経路中において結露水の滞留や発生を極力低減させて、外気温の低い場合でも輸送経路中の結露水の凍結を防止し、輸送経路内部の流量を確保し、ポンプなどの安定運転が可能なを提供することができる。よって、分離型の空気調和機、車両用空気調和機、一体形空気調和機をはじめ、空気清浄器、医療用酸素富化装置、携帯用酸素富化装置、燃焼用酸素富化装置、などのガス富化機能を有する装置にも適用することができる。

本発明の実施の形態１におけるガス富化装置を示す斜視図 同ガス富化装置の流路開閉弁の制御仕様を示す図 同ガス富化装置の流路開閉弁と減圧ポンプの動作を示すタイムチャート 本発明の実施の形態２におけるガス富化装置を示す斜視図 本発明の実施の形態３における空気調和機の構成をを示す斜視図

符号の説明

１ 酸素富化ユニット
２ 減圧ポンプ
３ 送気通路
４ 流路絞り可変弁
５ 湿度センサ
６ 制御手段
８ 吐出主管
１０ 流通抵抗部材
１１ 大気導入口
３０ ガス（酸素）富化装置
５０ 室内ユニット
５１ 室外ユニット
５２ 室内ファン
５３ 圧縮機
５４ 室外熱交換器
５５ 室外ファン
５７ 吐出口
５８ 吹出し口

Claims (3)

1. 少なくともガス富化手段と、前記ガス富化手段に差圧を発生させる差圧発生手段と、第１の気体を前記ガス富化手段に通過させてガス富化された第２の気体を送気する送気通路と、前記送気通路に第３の気体を供給するための流路絞り可変手段と、湿度を検知する湿度検知手段を具備し、前記湿度に応じて、前記流路絞り可変手段の絞り開度を変化させ、湿度が高ければ絞り開度を大きくすることを特徴とするガス富化装置。
2. 少なくともガス富化手段と、前記ガス富化手段に差圧を発生させる差圧発生手段と、第１の気体を前記ガス富化手段に通過させてガス富化された第２の気体を送気する送気通路と、前記送気通路に第３の気体を供給するための流路絞り可変手段と、運転時間を記憶する計時手段と、湿度を検知する湿度検知手段を具備し、前記運転時間を記憶する計時手段の時間と前記湿度を検知する湿度検知手段の湿度に応じて、前記流路絞り可変手段の絞り開度を変化させ、計時時間と湿度の係数を演算処理にて計時時間が長く、かつ湿度が高いほど絞り開度を大きくすることを特徴とするガス富化装置。
3. 前記流路絞り可変手段に接続した流通抵抗部材及び導入管によって、前記送気通路に供給される第３の気体の流量を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のガス富化装置。

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