JP2006328931A - 低酸素気体発生装置及び低酸素室並びに低酸素マスク - Google Patents

Abstract

【課題】低酸素室を構成する際に、酸素濃度の低減を合理的に行う。
【解決手段】本発明に係る低酸素気体の発生装置は、圧力変動ガス分離法を採用して空気から高濃度酸素気体を分離すると共に低濃度酸素気体を排気する酸素分離装置２と、酸素分離装置２に空気を供給するコンプレッサー３とを有し、酸素分離装置２から排気された低濃度酸素気体を室１又は低酸素マスク８に供給し得るように構成する。また低酸素室は、酸素分離装置２と、酸素分離装置２に空気を供給するコンプレッサー３と、所定の容積を持ち且つ外部との通気孔１ａを有し酸素分離装置２から排気された低濃度酸素気体が供給される室１とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、安全に低濃度酸素の雰囲気をつくることができる低酸素気体発生装置と、この低酸素気体発生装置を利用した低酸素室、低酸素マスクに関するものである。

高地トレーニング用低酸素室や低酸素雰囲気での生活を実現するための低酸素室が注目されている。低酸素室となる部屋を低酸素雰囲気にする場合、この部屋に空気から窒素を分離する窒素ガス発生装置から発生した純度が９９％〜９９．９９％の窒素ガスを供給しつつ該部屋から窒素の供給量に応じた空気を排気することで、酸素濃度を低下させるのが一般的である。

例えば、窒素ガス発生装置によって空気から分離した窒素ガスを部屋に供給して低酸素室とする場合、窒素ガス発生装置の窒素ガス供給口と部屋とをマスフローコントローラを介して接続しておき、部屋の容積と目的の酸素濃度から該部屋に供給すべき窒素ガスの量を計算し、この計算結果に基づいてマスフローコントローラ及び窒素ガス発生装置を制御している。また、低酸素室の酸素濃度を通常の空気と等しくなるように復帰させる場合、新鮮な空気を部屋に供給する方法を採用するのが一般的である。

低酸素室に於ける酸素濃度を低減させる際に、窒素ガス発生装置によって分離した窒素ガスを供給する方法では、該窒素ガス発生装置が大型化してしまうという問題や、システムのコストが高くなるという問題がある。特に、部屋の内部の酸素濃度が急激に低下しては好ましくないため、装置を稼働させる際の制御が容易ではないという問題が生じる虞がある。

更に、低酸素室の酸素濃度を空気と同じ濃度に復帰させる際の時間が掛かるという問題がある。

予め設定された部屋を低酸素室にする場合、該部屋に窒素ガス発生装置を接続し、この窒素ガス発生装置から発生した高濃度窒素ガス気体を供給すると共に排気して酸素濃度を低減させる方法と、該部屋に圧力変動ガス分離方法（ＰＳＡ）を採用した酸素発生装置を接続し、該酸素発生装置で高濃度酸素気体を分離した後排気される低濃度酸素気体を供給すると共に排気して酸素濃度を低減させる方法がある。両者を、例えば、縦横高さが８ｍ×８ｍ×３ｍの部屋を想定し、この部屋を酸素濃度２１％から１８％の低酸素室にする場合について比較する。

上記部屋の容積は１９２立方メートル（１９２０００リットル（Ｌ））であり、標準状態（窒素７８％、酸素２１％）に於ける窒素ガス量は
１９２０００×０．７８（％）＝１４９７６０（Ｌ）
また酸素ガス量は
１９２０００×０．２１（％）＝４０３２０（Ｌ）である。

また窒素ガスの供給量、酸素ガスの除去量を夫々毎分４Ｌと仮定する。

部屋に窒素ガスを供給して該部屋の酸素濃度を２１％から１８％に低減する場合、窒素ガスの必要供給量は、約３８４００Ｌであり、毎分４Ｌで供給した場合、９６００分であり、１６０時間が必要となる。

同様に部屋から酸素を除去して酸素濃度を１８％とする場合、酸素発生装置の排気に於ける酸素濃度が１５％と仮定すると、酸素発生装置によって除去すべき酸素量は７１６０Ｌであり、毎分４Ｌで除去した場合、１７８９分であり、２９．８時間が必要となる。但し、部屋から７１６０Ｌの酸素が除去された場合、この容積分の新鮮な空気が入り込むこととなり、流入した空気の酸素も除去する必要が生じることから、実際には約４０時間が必要である。

上記の如く、部屋に窒素ガスを供給した場合と、部屋の酸素を除去した場合とを比較した場合、酸素を除去する方が１／４の時間ですみ、効率的であるといえる。従って、本発明に係る低酸素気体発生装置は、圧力変動ガス分離法を採用して空気から高濃度酸素気体を分離すると共に低濃度酸素気体を排気する酸素分離装置と、前記酸素分離装置に空気を供給する空気圧縮装置と、を有し、前記酸素分離装置から排気された低濃度酸素気体を所定の空間又は部材に供給し得るように構成したものである。

また本発明に掛かる低酸素室は、圧力変動ガス分離法を採用して空気から高濃度酸素気体を分離すると共に低濃度酸素気体を排気する酸素分離装置と、前記酸素分離装置に空気を供給する空気圧縮装置と、所定の容積を持ち且つ外部との通気孔を有し前記酸素分離装置から排気された低濃度酸素気体が供給される空間とを有するものである。

上記低酸素室を移動可能な車両に搭載することが好ましい。

また上記何れかの低酸素室に於いて、空間が低酸素雰囲気で運動機能を向上させるトレーニングルーム又は動物を飼育し或いは運搬するものであることが好ましい。

また上記何れかの低酸素室に於いて、酸素分離装置から分離された高濃度酸素気体を貯蔵する貯蔵容器を備え、前記貯蔵容器と前記空間とを弁機構を介してを接続することが好ましい。

更に、本発明に係る低酸素マスクは、圧力変動ガス分離法を採用して空気から高濃度酸素気体を分離すると共に低濃度酸素気体を排気する酸素分離装置（以下、単に「酸素分離装置」という）と、前記酸素分離装置に空気を供給する空気圧縮装置と、人体の顔面に装着され前記酸素分離装置から排気された低濃度酸素気体が供給されるマスクとを有するものである。

上記の如く構成された本発明の低酸素気体発生装置では、圧力変動ガス分離方法（ＰＳＡ）を採用して空気から高濃度酸素気体を分離すると共に低濃度酸素気体を排気する酸素分離装置（以下、単に「酸素分離装置」という）によって高濃度酸素気体を分離した残気として排出される低濃度酸素気体を利用して低酸素雰囲気を構成するので、低濃度酸素気体を高い流量で確保することができる。

本発明に係る低酸素室は、該室にある空気を酸素分離装置に供給して該酸素分離装置で酸素を分離し、分離後の低濃度酸素気体を室に戻して低酸素化することによって、短時間での低酸素化を実現することができる。即ち、前述したように、室の中に高濃度の窒素ガスを供給して排気しつつ酸素濃度を低減させる従来の方法と比較して、約１／４〜１／５程度の時間で低酸素化することができる。

上記低酸素室を移動可能な車両に搭載した場合には、所望の場所に移動することができ、移動した位置で低酸素雰囲気を実現することができる。

上記低酸素室をトレーニングルームや動物の飼育室或いは動物の運搬車とした場合には室を短時間で低酸素化することができるので、スポーツジムや体育館等で効率良く低酸素下に於ける運動効果や、ダイエット効果を発揮させることができる。

また酸素分離装置から分離された高濃度酸素気体を貯蔵容器に貯蔵した場合には、低酸素化された低酸素室を通常の酸素濃度を持った室に復帰させる際に、貯蔵容器に貯蔵されている高濃度酸素を室に供給することで、短時間で通常の空気雰囲気に戻すことができる。

また本発明に係る低酸素マスクでは、酸素分離装置に於ける高濃度酸素を分離した後の排気を低濃度酸素気体として供給するので、充分な供給量を確保することができる。また、空気に窒素ガスを供給して低酸素化した気体を供給するものではないので、急激に酸素濃度が低下するようなこともなく、安全性を確保することができる。

以下、本発明に係る低酸素気体発生装置、低酸素室及び低酸素マスクの好ましい実施形態について図を用いて説明する。図１は本発明の低酸素気体発生装置、低酸素室及び低酸素マスクを実現した装置の模式図である。図２は低酸素マスクの構成を説明する図である。図３は低酸素室を搭載した車両の構成を説明する図である。

先ず、図１により、第１実施例に係る低酸素気体発生装置及び低酸素室並びに低酸素マスクの構成について説明する。

図に於いて、１は室であり、低酸素室としての目的に応じた床面積と高さを有している。例えば、室１を設置型のトレーニングルームとして利用するような場合には、縦８ｍ、横８ｍ（床面積が６４平方メートル）、高さ３ｍ（容積１９２立方メートル）程度の寸法で構成することが可能であり、また室１を後述する車両に搭載したトレーニングルームとして利用するような場合には縦横高さを５ｍ×３ｍ×３ｍ（容積４５立方メートル）程度とし、更に、室１を競争馬の馬運車や小型動物の飼育室として利用するような場合には１．５ｍ×２ｍ×２ｍ（容積６立方メートル）程度とすることが可能である。このように、室１の大きさを如何なるものとするかは限定するものではなく、低酸素室としての目的に応じて適宜設定し得るものである。

また室１には、該室内外を通気する通気口１ａが設けられており、該通気口１ａには図示しない開閉弁が配置され、該開閉弁の操作に伴って室１の内外の通気を可能とし、或いは遮断し得るように構成されている。更に、室１には図示しない出入口が設けられており、必要に応じて内部を監視する監視窓も設けられている。

酸素分離装置２は、コンプレッサー３から供給された空気から酸素を分離する機能を有するものであり、高濃度酸素気体を分離して分離供給口２ａから供給し、酸素が分離されて低濃度化した低濃度酸素気体を排気口２ｂから排気し得るように構成されている。

本発明では、酸素分離装置２は圧力変動ガス分離方法（ＰＳＡ）を採用して構成されている。この酸素分離装置２は分離用高性能合成ゼオライトを利用しており、収率は約８．３％に達し、空気を毎分１８０Ｌ供給したとき、この空気から毎分約１４Ｌの低露点の高純度酸素（約９４％）を発生させ、同時に毎分１６６Ｌの余剰空気を排気する。この余剰空気は、元の空気から酸素が分離されたものであるが、無酸素の状態ではなく、低純度酸素（約１３％）の低濃度酸素気体である。

コンプレッサー３は、吸引した空気を圧縮して酸素分離装置２に供給する機能を有するものであり、この機能を有するものであれば用いることが可能である。コンプレッサー３の吐出口３ａは酸素分離装置２の被供給口２ｃに接続され、吸引した空気を予め設定された圧力に圧縮して吐出し得るように構成されている。またコンプレッサー３の吐出量、吐出圧は、酸素分離装置２に於ける高濃度酸素気体に於ける酸素純度や流量等の条件に応じて設定し得るように構成されている。

コンプレッサー３が空気を何れの部位から吸引するかは限定するものではなく、該コンプレッサー３の吸引口３ｂには三方弁４が設けられており、該三方弁の吸引口の一つが室１に接続され、他の一つが大気中に開放し得るように構成されている。従って、コンプレッサー３は、三方弁４の操作に伴って、室１から該室１に存在する空気を吸引することが可能であり、また大気から空気を吸引することも可能となる。

酸素分離装置２の排気口２ｂには、３本の配管５ａ，５ｂ，５ｃからなる配管が接続されており、これらの配管５ａ〜５ｃの接続部位に三方弁６が設けられている。この三方弁６を介して一方の配管５ｂが室１と接続されており、他方の配管５ｃが逆止弁７を介して１又は複数の低酸素マスク８と接続されている。

従って、室１を低酸素室とする際には、該室１から空気を吸引して酸素を分離した後の空気を戻すようにすることで、短時間に室１の酸素濃度を低下させることが可能である。また後述する低酸素マスク５に低濃度酸素気体を供給する際には、大気中から空気を吸引することで、室１内に空気の流れを生じさせることなく、低酸素マスク８を利用することが可能となる。

低酸素マスク８は、低酸素下に於けるトレーニングを行う人が顔面に装着して低濃度酸素気体を吸引するためのものであり、この機能を有するものであれば構造を限定することなく利用することが可能である。また、低酸素マスク８の数も限定するものではなく、酸素分離装置２の排気に於ける酸素濃度や排気量との関係で適宜設定することが好ましい。

酸素分離装置２の供給口２ａには逆止弁９を介して貯蔵容器１０が接続されている。また貯蔵容器１０は弁機構１１，配管１２を介して室１と接続されている。貯蔵容器１０は、酸素分離装置２に於いて分離された高濃度酸素気体を貯蔵しておく機能を有するものであり、室１を低酸素状態から通常の大気状態とする必要が生じたとき、室１に対し高濃度酸素気体を供給して該室１を短時間で通常の状態に復帰させることが可能である。貯蔵容器１０はこのような機能を発揮し得るものであれば良く、構造を限定するものではない。このような機能を発揮し得る容器としては、作動圧力を低く設定したアキュムレータ、水封式ガスタンク等があり、これらを選択的に利用することが可能である。

上記の如く構成された低酸素の発生装置及び低酸素室の操作について説明する。先ず、コンプレッサー３から酸素分離装置２に対する空気の供給量（吐出圧）を設定し、三方弁４を操作して、空気を室１から吸引するか大気から吸引するかを設定すると共に三方弁６を操作して酸素分離装置２から排気された低濃度酸素気体を室１に供給するか、低酸素マスク８に供給するかを設定する。

これらの設定が終了した後、コンプレッサー３及び酸素分離装置２を稼働させると、酸素分離装置２から分離された高濃度酸素気体は供給口２ａから貯蔵容器１０に供給されて貯蔵され、余剰空気として排気された低濃度酸素気体は、排気口２ｂから三方弁６に到達して、予め設定された室１或いは低酸素マスク８に導かれ、低濃度酸素気体を供給することが可能である。

特に、室１を低酸素室とする場合、三方弁４を操作して室１とコンプレッサー３を接続すると共に三方弁６を操作して酸素分離装置２の排気口２ｂと室１とを接続し、同時に室１に設けた通気口１ａを開放する。この状態でコンプレッサー３、酸素分離装置２を稼働すると、室１に存在する空気がコンプレッサー３によって吸引され、これに伴って通気口１ａから外気が室内に流入する。

また酸素分離装置２からの排気が室１に供給され、該室１内を低濃度酸素雰囲気とする。例えば、酸素分離装置２の能力が、毎分１８０Ｌの空気から毎分１４Ｌの高濃度酸素気体（約９４％）を分離し、毎分１６６Ｌの低濃度酸素気体（１３％）を排気し得るものである場合、１時間当たり９９６０Ｌの低濃度酸素気体が発生し、室１の容積が１９２立方メートルの場合で約２０時間、室１の容積が４５立方メートルの場合で約５時間、室１の容積が６立方メートルの場合で約５０分程度で室１を酸素濃度が１３％の低酸素室とすることが可能である。

前述した酸素濃度が１３％の空気は、標高に換算すると３０００ｍ〜４０００ｍになる。このため、より標高の低い位置に於ける酸素濃度（酸素濃度を高くする）を実現するには、酸素分離装置２に対する空気の供給量を増加させることで良く、この場合、室１をより短時間で低酸素化することが可能である。

更に、室１内の酸素濃度を前述の濃度（１３％）より低く設定する場合であって、酸素分離装置２の収率を超えるような場合には、室１内を一度目的の酸素濃度よりも高い状態とし、更に、該室１内の低濃度酸素気体をコンプレッサー３で吸引して酸素分離装置２に供給し、該酸素分離装置２で再度酸素を分離することで、より酸素濃度の低い低濃度酸素気体をつくることが可能である。

そして、室１の内部を通常の大気と同じ酸素濃度に復帰させる場合には、弁機構１１を開放して貯蔵容器１に貯蔵されている高濃度酸素気体を室１に流通させることで、短時間で室１を通常の酸素濃度を持った室に復帰させることが可能である。

上記の如く構成された低酸素室では、人が低酸素下の環境でトレーニングを行うことが可能であり、また低酸素下でのダイエットを行うことも可能である。また室１の内部で動物を飼育した場合には、呼吸系の強い動物を飼育することが可能となる。このように、室１を如何なる用途に用いるかは限定するものではなく、多様な利用をはかることが可能である。

尚、室１の内部で人がトレーニングを行ったとき、該室１には炭酸ガスが蓄積される。このため、室１に炭酸ガスの除去装置を設けて稼働を制御したり、三方弁４を制御して室１内の酸素濃度を予め設定された値に維持し得るようにすることが好ましい。更に、酸素分離装置２から室１に低濃度酸素気体を供給する系に加湿装置を加えることも好ましい。

次に、特に低酸素マスク８を対象とした場合の構成について図を用いて説明する。図２は低酸素マスクの構成を説明する模式図である。尚、図に於いて前述の実施例と同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図に於いて、２１はチャンバーであり、前述の室１よりも容積の小さい空間として構成されている。このチャンバー２１には、大気中に開放し又は前述した室１と接続された通気口２１ａが設けられており、該通気口２１ａを介してチャンバー２１に外気、或いは予め設定された低濃度酸素気体が流入し得るように構成されている。

またチャンバー２１には複数の低酸素マスク８が繋ぎ込まれた配管２２が接続されており、低酸素マスク８を装着した人が低酸素下のトレーニングを行えるように構成されている。更に、チャンバー２１及び酸素分離装置２にはマスフローコントローラ２３が接続され、該マスフローコントローラ２３にコンピュータ２４が接続されている。

上記の如く構成された低酸素マスク８では、個々の低酸素マスク８を人が装着して低濃度酸素気体を吸入しながら合理的なトレーニングを行うことが可能である。即ち、予めコンピュータ２４を操作してマスフローコントローラ２３に対して、低酸素マスク８の稼働数に対応させて、或いは予め設定されたトレーニングメニューに従って、低濃度酸素気体の質量流量を指定しておくと、低酸素マスク８の利用に伴ってチャンバー２１から配管２２を通って指定された流量の低濃度酸素気体を流すことが可能である。

本実施例の低酸素マスク８では、複数の低酸素マスク８に同じ酸素濃度の気体が供給されるが、個々の低酸素マスク８に異なる酸素濃度の気体を供給することが好ましい場合がある。この場合、配管２２と個々の低酸素マスク８とを接続する系に流量調整機能を持った部材を介して貯蔵容器１０を接続し、前記流量調整機能を持った部材を操作して酸素分離装置２から供給された低濃度酸素気体に対し、貯蔵容器１０から高濃度酸素気体を所望量混合させることによって、個々の低酸素マスク８に所望の酸素濃度を持った気体を供給することが可能である。

次に、第１実施例に於ける室１を移動可能な車両に搭載した実施例について図を用いて説明する。図３はトラックの荷台に室１を搭載した状態を説明する平面図である。

図に於いて、３１は荷台３２を有するトラックであり、運転席３３に搭乗した運転手が操縦することで、所望の場所に移動し得るように構成されている。

荷台３２には、室１が搭載されると共に、コンプレッサー３、酸素分離装置２が搭載され、この酸素分離装置２の上部又は下部に貯蔵容器１０が配置され、これらが夫々第１実施例と同様の配管によって接続されている。またコンプレッサー３の上部又は下部には、コンプレッサー３及び酸素分離装置２の電源となる発電機３４が搭載されている。しかし、発電機３４に代えて外部電源とすることも可能である。

上記の如く構成された低酸素室では、室１の低酸素化を実現するためのコンプレッサー３と酸素分離装置２及び貯蔵容器１０が搭載されているため、トラック３１を所望の場所に移動させ、該目的地に於いて発電機３４を稼働させて或いは外部電源からの電源によって、コンプレッサー３、酸素分離装置２を稼働することで、低酸素室を構成することが可能である。

本実施例では、トラック３１が移動し得る如何なる場所でも低酸素室を構成することが可能である。従って、地方の体育館や合宿所に於いて低酸素下のトレーニングを行うことが可能となる。また室１を人のトレーニングルームとせずに、動物のための空間とした場合には、例えば競争馬を運搬する際に低酸素下のトレーニングを実現することが可能となる。

本発明の低酸素室や低酸素マスクでは、酸素分離装置によって高濃度酸素気体を分離した後の余剰空気を利用するので、供給し得る量が多く、限られた空間を低酸素室とする際の時間を短縮することができる。このため、低酸素下のトレーニングやダイエット、動物の飼育等を簡単に行うことが可能となり有利である。

第１実施例に係る低酸素気体発生装置及び低酸素並びに低酸素マスクの構成を説明する図である。 低酸素マスクの構成を説明する模式図である。 トラックの荷台に室１を搭載した状態を説明する平面図である。

符号の説明

１ 室
１ａ 通気口
２ 酸素分離装置
２ａ 分離供給口
２ｂ 排気口
２ｃ 被供給口
３ コンプレッサー
３ａ 吐出口
３ｂ 吸引口
４，６ 三方弁
５ａ〜５ｃ 配管
７，９ 逆止弁
８ 低酸素マスク
１０ 貯蔵容器
１１ 弁機構
１２ 配管
２１ チャンバー
２１ａ 通気口
２２ 配管
２３ マスフローコントローラ
２４ コンピュータ
３１ トラック
３２ 荷台
３３ 運転席
３４ 発電機

Claims (6)

1. 圧力変動ガス分離法を採用して空気から高濃度酸素気体を分離すると共に低濃度酸素気体を排気する酸素分離装置と、前記酸素分離装置に空気を供給する空気圧縮装置と、を有し、前記酸素分離装置から排気された低濃度酸素気体を所定の空間又は部材に供給し得るように構成したことを特徴とする低酸素気体の発生装置。
2. 圧力変動ガス分離法を採用して空気から高濃度酸素気体を分離すると共に低濃度酸素気体を排気する酸素分離装置と、前記酸素分離装置に空気を供給する空気圧縮装置と、所定の容積を持ち且つ外部との通気孔を有し前記酸素分離装置から排気された低濃度酸素気体が供給される空間と、を有することを特徴とする低酸素室。
3. 請求項２に記載した低酸素室を移動可能な車両に搭載したことを特徴とする低酸素室。
4. 請求項２又は３に記載した低酸素室が低酸素雰囲気で運動機能を向上させるトレーニングルーム又は動物を飼育し或いは運搬するものであることを特徴とする低酸素室。
5. 前記酸素分離装置から分離された高濃度酸素気体を貯蔵する貯蔵容器を備え、前記貯蔵容器と前記空間とを弁機構を介してを接続したことを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載した低酸素室。
6. 圧力変動ガス分離法を採用して空気から高濃度酸素気体を分離すると共に低濃度酸素気体を排気する酸素分離装置と、前記酸素分離装置に空気を供給する空気圧縮装置と、人体の顔面に装着され前記酸素分離装置から排気された低濃度酸素気体が供給されるマスクと、を有することを特徴とする低酸素マスク。
   

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