JP2006207760A - 回転バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】 高湿度環境化においても、最小トルクで回転する回転バルブを提供する。
【解決手段】 流体流路と接続された少なくとも1つのポート穴を表面に持つ固定子と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路を表面に持つ回転子よりなり、該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブにおいて、該回転子の摺動面上に、該接続流路と接続せず、且つ摺動中に該ポート穴同士を接続しない位置に、閉鎖系の溝部を有することを特徴とする回転バルブ。
【選択図】 図２

Description

本発明は流体流路を回転子、固定子の摺動回転運動により切り替える回転バルブに関し、更に、空気中の酸素を分離し呼吸器疾患患者等に酸素を供給する圧力変動吸着型酸素濃縮装置の流路を切り替える回転バルブに関するものである。

近年、肺気腫症、慢性気管支炎などの呼吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向があるが、その最も効果的な治療法の一つとして酸素吸入療法があり、空気中から酸素濃縮気体を直接分離する酸素濃縮器が開発され、使用時の利便性、保守管理の容易さから酸素吸入療法用の治療装置として、次第に普及するようになってきている。

かかる酸素濃縮器として、窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した吸着型酸素濃縮器が知られ、中でも空気供給手段として空気圧縮機を用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮器が、在宅酸素吸入療法の装置として用いられている。かかる装置は、通常、窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した１個或いは複数の吸着床にコンプレッサーから圧縮空気を供給して加圧状態で窒素を吸着させることにより酸素濃縮気体を得る吸着工程と、吸着床の内圧を減少させて窒素を脱着させ吸着剤の再生を行う脱着工程を一定サイクルで繰り返し行い、更に必要に応じて、脱着工程終了直前に、既に生成した乾燥酸素濃縮気体を一部逆流させ再生効率の向上と昇圧を目的とする均圧工程を加えて、順次一定サイクルで行うことにより酸素濃縮気体を得る装置である。通常、コンプレッサーと吸着床とを配管で接続し、間に弁手段を設置することにより吸着床への加圧空気の供給経路を切替えるフローが一般的であるが、このような装置では部品点数の増加やメンテナンスに不具合が生じる問題点があった。

これらの不具合を改善する装置として特表平７−５０８２０５号公報や特開２００４−２０９２６３号公報に記載の回転バルブを内蔵した流体分別装置を介して、吸着床に加圧空気を供給するモジュール化された酸素濃縮装置もある。かかる酸素濃縮装置は在宅用、医療用途として使用する為には、装置の小型化が必須であり、このような流体分別装置に使用されるメカニカルシールの回転バルブ及び固定バルブ部の構造は、該モジュールの小型化を図る為、バルブ内に十分な機構スペースをとることは難しく、メカニカルシールの機構上、回転軸側に設けられ、回転軸と共に回転する摺動部材である回転子と、非回転のハウジング側に設けられた固定子が軸心と直交する面を密着させて摺動することにより軸周からの流体の漏れを防止する構造となっており、バネ等の押圧手段を用いて軸心に対してアキシアル方向に荷重がかかる構造をとる。

特表平７−５０８２０５号公報 特開２００４−２０９２６３号公報

通常用いられるメカニカルシールでは潤滑油等の潤滑材を用い、摺動面の摺動抵抗を抑える事が行なわれるが、酸素濃縮装置など呼吸用気体の流路を切り替えるバルブにはこのような潤滑油を使用することは出来ない。そのため、バルブの摺動性を良くする為に、摺動面の平面性を極めて平滑にすることにより摺動抵抗を抑えるよう設計されている。

本願発明者は、水分を含んだ加圧空気など凝縮性を有する気体をこのようなバルブに接続した場合、流路内で水分などの液体が凝集する現象が生じ、摺動面に微量の液体が入った場合、一時的に表面張力が支配的になり、摺動抵抗が非常に大きくなり、回転トルクの上昇を引き起こすことを見出した。かかるトルク上昇分を上回る回転トルクを有するモータを使用していればこのような問題は生じないが、装置の小型化により最小トルクで回転する装置においては、高湿度環境下での運転は、回転速度の低下、停止を引き起こす。

本発明は、上記課題を解決する手段として、以下の回転バルブおよび回転バルブを搭載した酸素濃縮装置を提供するものである。
すなわち本発明は、流体流路と接続された少なくとも1つのポート穴を表面に持つ固定子と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路を表面に持つ回転子よりなり、該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブにおいて、該回転子の摺動面上に、該接続流路と接続せず、且つ摺動中に該ポート穴同士を接続しない位置に、閉鎖系の溝部を有することを特徴とする回転バルブを提供する。

また本発明は、該回転バルブが凝縮性を有する気体の流路を切り替えるバルブであり、該溝部が該凝縮性の気体の流路周囲に有することを特徴とし、特に該回転バルブが、水蒸気を含有する空気を切り替えるバルブであり、該溝部が該空気の加圧流路周囲に有することを特徴とする回転バルブを提供する。

また本発明は、該接続流路が該回転子の摺動面の同一半径上に備えた複数の開口部と該開口部間を摺動面の後輩部で接続する流路からなることを特徴とするものであり、特に該溝部が、該開口部と同一半径上の該回転子の領域に備えることを特徴とする回転バルブ、該溝部が単一の凹部又は複数のディンプルから構成されることを特徴とする回転バルブを提供する。

また本発明は、該固定子の摺動面に複数のディンプルを備えることを特徴とし、特に該ディンプルの口径が、相対する該回転子摺動面上の接続流路同士の間隙よりも小さいことを特徴とする回転バルブを提供する。

また本発明は、流体流路と接続された少なくとも1つのポート穴を表面に持つ固定子と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路および該接続流路を表面に持つ回転子よりなり、該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブにおいて、該固定子摺動面上に、該ポート穴と接続せず且つ摺動中に該流体流路同士を接続しない位置に、閉鎖系の溝部を有することを特徴とする回転バルブを提供する。

更に本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着しうる吸着剤を充填した吸着床、該吸着床に加圧空気を供給する空気供給手段、吸着床から生成した酸素濃縮空気を使用者に供給する酸素供給手段を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該空気供給手段からの加圧空気を該吸着床に供給する流路に、流体流路と接続された少なくとも1つのポート穴を表面に持つ固定子と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路を表面に持つ回転子よりなる回転バルブを備え、該回転バルブが該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブを備え、該回転子の摺動面上に、該接続流路と接続せず、且つ摺動中に該ポート穴同士を接続しない位置に、閉鎖系の溝部を有するバルブであることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供する。

また、本発明は、該接続流路が該回転子の摺動面の同一半径上に備えた複数の開口部と該開口部間を摺動面の後輩部で接続する流路からなり、該溝部が、該開口部と同一半径上の該回転子の領域に備えることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供する。

本発明の回転バルブを搭載した酸素濃縮器においては、低湿度環境と高湿環境との間での運転環境の変化に対しても回転バルブの摺動抵抗の変動を抑えることが可能となり、機器の安定運転を実現することが出来る。

本発明の回転バルブは、流体流路と接続された少なくとも1つのポート穴を表面に持つ固定子と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路を表面に持つ回転子よりなり、該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブである。流路の形状はポートの数によって種々様々な形状を取ることが出来る。本発明の回転バルブの特徴は、かかる回転子の摺動面上に、回転子上の接続流路とは接続せず、同時に、摺動中に相対する固定子側のポート穴同士を接続しない位置に、閉鎖系の溝部を有することで摺動面積を減少させ、摺動抵抗を抑える。

かかる回転バルブは、水分を含有する空気など凝縮性を有する気体の流路を切り替える時に特に有効であり、溝部の位置は、該凝縮性の気体の流路周囲、特に水蒸気を含有する空気を切り替えるバルブの場合は、該空気の加圧流路周囲に溝部を備えることにより結露水が生じた場合のトルク上昇を防止することが出来る。

かかる回転バルブはポート数が少ない場合は長溝の接続流路が回転子表面に設けられるが、ポート数が多い場合には、回転子の摺動面の同一半径上に複数の開口部を備え、該開口部間を摺動面の後輩部で接続する流路とすることが可能である。この場合、溝部は、該開口部と同一半径上の該回転子の領域に設ける。

溝部は、単一の凹部であっても、複数の凹部、多数のディンプルから構成されてもよく、これらすべての構成を含む。平滑な摺動面に後で機械加工で設けることも可能であるが、所定の金型に例えば０．５ｍｍの凸部を設けることにより溝部として凹部を有する回転子を形成することが出来る。その他、ディンプルを設ける場合は、金型のディンプル箇所に所定の凸部を設けることにより形成することができる。例えば円形のディンプルでは、ディンプル間のピッチを２ｍｍ以上とし、その間で例えば口径０．５〜１．２ｍｍのディンプルを設ける。

本願発明の回転バルブの摺動部材である回転子および固定子には優れた耐摩耗性や摺動特性が要求され、摺動材の材料としては、耐摩耗性に優れた炭化タングステンなどの超硬合金、炭化珪素、アルミナなどの硬質材や自己潤滑性の優れたカーボンなどを用いることが出来る。

かかる溝部は摺動面積を減らすだけでなく、ごみ等を摺動部から取り除く効果も有することから、回転子側に溝部を設け、回転子側摺動面に複数のディンプルを設けることができる。この場合は、ディンプルの口径は、相対する該回転子摺動面上の接続流路同士の間隙よりも小さいことが条件となる。

溝部は回転子側だけでなく固定子側に設けても良い。従って、上述の回転バルブとは逆の構成である、流体流路と接続された少なくとも1つのポート穴を表面に持つ固定子と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路および該接続流路を表面に持つ回転子よりなり、該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブにおいて、該固定子摺動面上に、該ポート穴と接続せず且つ摺動中に該流体流路同士を接続しない位置に、閉鎖系の溝部を有することを特徴とする回転バルブとすることも可能である。

本願発明の回転バルブは圧力変動吸着型酸素濃縮装置に適用可能である。すなわち、酸素よりも窒素を選択的に吸着しうる吸着剤を充填した吸着床、該吸着床に加圧空気を供給する空気供給手段、吸着床から生成した酸素濃縮空気を使用者に供給する酸素供給手段を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置であり、流路切り替えバルブに回転バルブを有し、特にコンプレッサなどの空気供給手段からの加圧空気を該吸着床に供給する流路に、上記の本発明の回転バルブを備えるものである。

本発明の回転バルブの好適な実施例を図面を用いて詳しく説明する。
図１に示す実施例では、医療用ガス発生手段1には、4筒式の吸着型医療用酸素濃縮器を用いた。フィルタ13を通してコンプレッサ12に供給された空気は圧縮されて回転バルブ14を通って吸着筒11に入る。かかる吸着筒11に入った圧縮空気は選択的に窒素が吸着され、吸着されず残った酸素が製品タンク15を通り、流量設定器16、製品フィルタ17、加湿器18を通して酸素濃縮器から患者側に供給される。かかる回転バルブ14は圧縮空気のかかる吸着筒11への供給、吸着剤から脱着した窒素のかかるコンプレッサ12への輸送、濃縮酸素のかかる製品タンク15への供給を同時に行うものである。

図２に示すようにかかる回転バルブ14は回転子と固定子からなる。固定子はコンプレッサ12、吸着筒11、製品タンク15に接続されており、回転子は固定子上を回転摺動しながら圧縮空気、窒素、濃縮酸素それぞれの流路切替えを行う。好適な実施例では回転子の材質として樹脂含浸グラファイト（品番CTI-25、CTI社製）、固定子の材質としてアルミナ（品番965、Matroc社製）、回転子駆動源としてブラシレスDCギアモータを用いた。回転バルブ内部には圧縮空気による圧力がかかるため、回転子が固定子から離れないように回転子を固定子の方向にバネで押さえた。

図３に回転子および固定子の摺動面を示す。ガス漏れを防ぐために回転子摺動面を研磨により平面度2μm、面粗度Ra0.1μmに仕上げ、固定子摺動面を研磨により平面度1μm、面粗度Ra0.15μmに仕上げた。図３の回転子摺動面において斜線部は流路切替え用のポートであり、黒塗部は摺動面からの深さが0.5mmの溝である。なお溝はどの流路切替え用ポートとも接続していない。図３の固定子摺動面において斜線部はコンプレッサ、吸着筒、製品タンクのいずれかに接続されたポートであり、黒塗部は摺動面からの深さが0.5mmの溝である。なお溝はどの流路切替え用ポートとも接続していない。かかる溝は本来回転バルブが有するガス流路切替え機能には関与せず、摺動面積を減らし、かつ摺動によって発生する磨耗粉を摺動面から溝に排出することによって回転バルブ回転時の摺動摩擦トルクを減らすのが目的である。本実施例では回転子、固定子ともに摺動面の回転中心から遠い外縁部に溝を設置したが、その理由を以下に記す。

回転子と固定子間の摺動によって、主に回転子の材質である樹脂含浸グラファイトが磨耗して摺動面に磨耗粉が発生するとともに回転子摺動面の面粗度が小さくなる。磨耗粉の摺動面への蓄積は摺動摩擦係数の増加に寄与する。また、コンプレッサ12から供給される圧縮空気が摺動面近傍で結露した場合、水の表面張力が摺動摩擦係数の増加に寄与し、摺動面の面粗度が小さいほど結露時の摩擦係数増加が著しい。つまり、磨耗が進むにつれて摺動面への磨耗粉蓄積および摺動面結露による摺動摩擦係数増加が顕著になる。磨耗速度はバルブ回転中心からの距離および摺動面近傍の相対湿度に依存する。回転中心からの距離が大きいほど、摺動面近傍の相対湿度が高いほど磨耗速度は大きい。本実施例で用いた酸素濃縮器において圧縮空気、濃縮酸素、窒素のうち摺動面近傍において結露する可能性があるのは圧縮空気のみであり、本実施例に限ると圧縮空気の流路は回転バルブ摺動面のうち外縁部のみである。したがって、本実施例では回転バルブ摺動面のうち外縁部が顕著に磨耗を起こして摺動摩擦係数が増加するため、回転バルブ摺動面外縁部の面積削減が回転バルブの回転負荷トルク低減に大きく寄与すると考えた。

図４に高温多湿環境下で酸素濃縮器を連続運転したときの回転バルブの回転負荷トルク変化を示す。周囲温湿度は35℃、95%RH、回転バルブの回転速度は3rpm、運転時間は130〜260時間である。運転台数は5台で、そのうちの3台は回転バルブ摺動面外縁部に図３に示す溝を設置したものであり、残りの2台は溝を設置していない。なお、図４中の1プロットは1時間の平均値である。溝無しの2台は運転開始からバルブ回転負荷トルクが著しく増加し続けるのに対して溝有りの3台は回転負荷トルク増加が緩やかであり、溝設置による効果が確認された。

溝設置の効果が顕著に表れたのが図５に示す温湿度サイクル試験である。周囲温湿度は20℃50%RHと35℃95%RHの2種類であり、約1時間ごとに温湿度を切り替えた。回転バルブの回転速度は3rpm、与えた温湿度サイクル数は10〜15である。酸素濃縮器の運転台数は2台で、バルブ摺動面に溝が有るものと無いものが各1台である。なお図５のグラフはバルブ回転負荷トルクの瞬時値をプロットしたものである。溝有りの器台は温湿度の増減に伴ってバルブ回転負荷トルクが大きく変動し、温湿度サイクル数の増加とともにピーク値が著しく上昇した。一方溝無しの器台では回転負荷トルクが温湿度変化の影響を受けにくく、サイクル数増加に伴う回転負荷トルクピーク値の顕著な増加もみられなかった。

メカニカルシールにおいて、流体のシール性確保の観点から摺動面の仕上げや摺動面の面圧に制約が生じる場合でも、本発明のように摺動面のうち摩擦係数が増加しやすい領域に選択的に溝を設置することにより摺動摩擦を低減できる。本発明の回転バルブは摺動部品および摺動部品駆動源の長寿命化、および摺動部品駆動源の軽量化、コストダウンを可能とするものである。

本発明の回転バルブの好ましい実施態様例。 本発明の回転バルブの模式図。 本発明の回転バルブ摺動面の模式図。 高温多湿環境下で回転バルブを連続運転したときの回転負荷トルクの経時変化。 湿度サイクルとバルブ回転負荷トルクの変動図。

符号の説明

１．医療用ガス発生手段
１１．吸着筒
１２．コンプレッサ
１３．フィルタ
１４．回転バルブ
１５．製品タンク
１６．流量設定器
１７．製品フィルタ
１８．加湿器

Claims (11)

1. 流体流路と接続された少なくとも1つのポート穴を表面に持つ固定子と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路を表面に持つ回転子よりなり、該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブにおいて、該回転子の摺動面上に、該接続流路と接続せず、且つ摺動中に該ポート穴同士を接続しない位置に、閉鎖系の溝部を有することを特徴とする回転バルブ。
2. 該回転バルブが凝縮性を有する気体の流路を切り替えるバルブであり、該溝部が該凝縮性の気体の流路周囲に有することを特徴とする請求項１記載の回転バルブ。
3. 該回転バルブが、水蒸気を含有する空気を切り替えるバルブであり、該溝部が該空気の加圧流路周囲に有することを特徴とする請求項１記載の回転バルブ。
4. 該接続流路が該回転子の摺動面の同一半径上に備えた複数の開口部と該開口部間を摺動面の後輩部で接続する流路からなることを特徴とする請求項１乃至３に記載の回転バルブ。
5. 該溝部が、該開口部と同一半径上の該回転子の領域に備えることを特徴とする請求項１乃至４に記載の回転バルブ。
6. 該溝部が単一の凹部又は複数のディンプルから構成されることを特徴とする請求項１乃至５に記載の回転バルブ。
7. 該固定子の摺動面に複数のディンプルを備えることを特徴とする請求項１乃至６に記載の回転バルブ。
8. 該ディンプルの口径が、相対する該回転子摺動面上の接続流路同士の間隙よりも小さいことを特徴とする請求項７記載の回転バルブ。
9. 流体流路と接続された少なくとも1つのポート穴を表面に持つ固定子と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路および該接続流路を表面に持つ回転子よりなり、該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブにおいて、該固定子摺動面上に、該ポート穴と接続せず且つ摺動中に該流体流路同士を接続しない位置に、閉鎖系の溝部を有することを特徴とする回転バルブ。
10. 酸素よりも窒素を選択的に吸着しうる吸着剤を充填した吸着床、該吸着床に加圧空気を供給する空気供給手段、吸着床から生成した酸素濃縮空気を使用者に供給する酸素供給手段を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該空気供給手段からの加圧空気を該吸着床に供給する流路に、流体流路と接続された少なくとも1つのポート穴を表面に持つ固定子と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路を表面に持つ回転子よりなる回転バルブを備え、該回転バルブが該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブを備え、該回転子の摺動面上に、該接続流路と接続せず、且つ摺動中に該ポート穴同士を接続しない位置に、閉鎖系の溝部を有するバルブであることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
11. 該接続流路が該回転子の摺動面の同一半径上に備えた複数の開口部と該開口部間を摺動面の後輩部で接続する流路からなり、該溝部が、該開口部と同一半径上の該回転子の領域に備えることを特徴とする請求項１０に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。

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