JP2007209900A - Apparatus and method for concentrating and separating component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のガスを含むガス流体の中から少なくとも一つのガスを濃縮するまたは分離するガス濃縮濃縮分離装置及びその制御方法、特に空気から酸素を濃縮するガス濃縮装置及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a gas concentration / concentration separation apparatus for concentrating or separating at least one gas from a gas fluid containing a plurality of gases and a control method thereof, and more particularly to a gas concentration apparatus for concentrating oxygen from air and a control method thereof.
複数のガス成分を含むガス流体から、少なくとも一つの成分の成分割合を高めて濃縮するまたは分離する濃縮分離技術としては、ガス流体中からの目的成分の濃縮や精製分離、例えば、空気からの酸素の濃縮あるいは工場排ガス中に含まれる各種有害成分の除去、各種ガス流体中からの目的成分の濃縮や分離など、色々な産業分野で広く用いられており、その方法にも吸着分離によるもの、分離膜を使用するもの、磁場や電場を利用したものなど様々なものがある。 The concentration / separation technique for concentrating or separating at least one component from a gas fluid containing a plurality of gas components may be concentrated or purified and separated, for example, oxygen from air. It is widely used in various industrial fields, such as concentration of water or removal of various harmful components contained in factory exhaust gas, concentration and separation of target components from various gas fluids, and the method is also by adsorption separation, separation There are various types such as those using a film and those using a magnetic field or an electric field.
例えば、ガス流体中からの一成分ガスの濃縮分離例としては、慢性気管支炎等の呼吸器疾患の患者に対して、呼吸に必要な酸素量を吸入できるようにするために、高濃度の酸素を供給する酸素濃縮装置が挙げられる。この酸素濃縮装置は、空気中に含まれる窒素を優先的に吸着しうるゼオライトなどを吸着剤として用いて、空気から酸素を濃縮するものである。この様な吸着剤による大気中からの酸素ガスの濃縮分離では、吸着筒と呼ばれる、吸着剤を充填した筒状の吸着室の第一の端部から原料となる空気を高圧にして供給し、吸着剤に主に窒素ガスを吸着させながら、残った高濃度の酸素ガスを製品として吸着筒の第二の端部から取り出すことで、安価で効率よく高濃度の酸素ガスを得ることができるため、工業用途などで広く普及している。 For example, as an example of the concentration and separation of a single component gas from a gas fluid, a high-concentration oxygen can be used to inhale the amount of oxygen necessary for breathing in patients with respiratory diseases such as chronic bronchitis. And an oxygen concentrator for supplying water. This oxygen concentrator concentrates oxygen from air using zeolite or the like that can preferentially adsorb nitrogen contained in the air as an adsorbent. In the concentration and separation of oxygen gas from the atmosphere with such an adsorbent, the raw material air is supplied at a high pressure from the first end of a cylindrical adsorption chamber filled with an adsorbent, called an adsorption cylinder, Because it is possible to obtain high-concentration oxygen gas inexpensively and efficiently by taking out the remaining high-concentration oxygen gas as a product from the second end of the adsorption cylinder while adsorbing mainly nitrogen gas to the adsorbent Widely used in industrial applications.
しかしながら、ガス吸着(上記の例では、窒素ガスなど)を起こしておおむね平衡状態となった吸着剤は、それ以上の吸着反応を行わないため、再生と呼ばれる工程により、吸着した成分(窒素ガスなど)の少なくとも一部を脱離させ、再度吸着可能な状態にする必要がある。 However, since the adsorbent that has been in an equilibrium state due to gas adsorption (in the above example, nitrogen gas, etc.) does not perform any further adsorption reaction, the adsorbed component (nitrogen gas, etc.) is recovered by a process called regeneration. ) Must be desorbed and re-adsorbable.
この再生の手段としては、多くの吸着剤が、高圧、高濃度、あるいは、低温等の環境で吸着する量が大きく、逆に、低圧、低濃度、あるいは、高温等の環境で吸着する量が小さいという特性を有するので、この吸着剤の特性を利用する。例えば、吸着時よりもガス流体の圧力を低くしたり、あるいは、ガスを吸着した吸着剤を、吸着したガス成分の濃度より低い濃度の同じガス成分を含むガス流体で洗浄したり、あるいは、温度を上げたりすることで、吸着剤から吸着した成分の一部を脱離させる方法等が用いられる。 As a means for this regeneration, a large amount of adsorbent is adsorbed in an environment such as high pressure, high concentration, or low temperature, and conversely, the amount adsorbed in an environment such as low pressure, low concentration, or high temperature. Since it has a small characteristic, the characteristic of this adsorbent is used. For example, lower the pressure of the gas fluid than at the time of adsorption, or wash the adsorbent that has adsorbed gas with a gas fluid containing the same gas component at a concentration lower than the concentration of the adsorbed gas component, or temperature For example, a method in which a part of the component adsorbed from the adsorbent is desorbed by raising the value is used.
この様に吸着剤へのガス吸着と吸着剤の再生(吸着剤からの吸着したガスの脱離)を繰り返す方法としては、圧力スイング吸着法(PSA)と呼ばれる方法が多く用いられている(例えば、特許文献1)。PSA法による空気からの酸素濃縮では、ガス吸着時において圧力による窒素と酸素の吸着量の差を応用して、高い酸素濃度の製品ガスを得る方法である。すなわち、空気の圧力が高い高圧条件では、窒素ガスが酸素ガスより吸着剤に選択的にあるいは優先的に吸着するのを利用する方法である。 As a method for repeating gas adsorption to the adsorbent and regeneration of the adsorbent (desorption of adsorbed gas from the adsorbent) in this way, a method called pressure swing adsorption (PSA) is often used (for example, Patent Document 1). The oxygen concentration from the air by the PSA method is a method of obtaining a product gas having a high oxygen concentration by applying a difference in the amount of adsorption of nitrogen and oxygen due to pressure during gas adsorption. In other words, under high pressure conditions where the pressure of air is high, this is a method utilizing the selective or preferential adsorption of nitrogen gas to the adsorbent over oxygen gas.
酸素濃縮装置におけるガス吸着と吸着剤の再生方法の概略は以下の通りである。まず、第一のプロセスでは、吸着筒の第一の端部から加圧手段により加圧された原料となる加圧空気が供給され、吸着筒内では加圧空気中の吸着剤に吸着されやすい窒素が選択的にあるいは優先的に吸着される。その結果、気相中には、吸着されずに酸素が残るので、残った高濃度の酸素を含むガスを製品ガスとして吸着筒の第二の端部から取り出す。 The outline of the gas adsorption and adsorbent regeneration method in the oxygen concentrator is as follows. First, in the first process, pressurized air, which is a raw material pressurized by the pressurizing means, is supplied from the first end of the adsorption cylinder, and is easily adsorbed by the adsorbent in the pressurized air in the adsorption cylinder. Nitrogen is selectively or preferentially adsorbed. As a result, oxygen remains without being adsorbed in the gas phase, and the gas containing the remaining high-concentration oxygen is taken out from the second end of the adsorption cylinder as a product gas.
次に、第二のプロセスでは、吸着筒内の圧力を減圧手段により下げることにより第一のプロセスで吸着剤に吸着された窒素を吸着剤から脱離させる。そして、脱離した高濃度の窒素ガスを含むガスを吸着筒の第一の端部から排気する。 Next, in the second process, the nitrogen adsorbed by the adsorbent in the first process is desorbed from the adsorbent by lowering the pressure in the adsorption cylinder by the decompression means. Then, the desorbed gas containing high-concentration nitrogen gas is exhausted from the first end of the adsorption cylinder.
上記第一のプロセスと第二のプロセスを交互に数秒から数分の間隔で繰り返し行うことにより、高酸素濃度の製品ガスを例えば、0.01リットル/分〜1000リットル/分程度の流量で取り出すことができる。特に、医療用酸素濃縮器の場合には、0.1リットル/分〜10リットル/分程度の流量で、高濃度の酸素ガスを含む製品ガスを取り出し、必要とする患者に供給することができる。 By repeating the first process and the second process alternately at intervals of several seconds to several minutes, a product gas having a high oxygen concentration is taken out at a flow rate of, for example, about 0.01 liter / minute to 1000 liter / minute. be able to. In particular, in the case of a medical oxygen concentrator, a product gas containing high-concentration oxygen gas can be taken out and supplied to a patient who needs it at a flow rate of about 0.1 liter / minute to 10 liter / minute. .
ここで、酸素濃縮器への加圧空気を給気する加圧手段としては一般的にコンプレッサが用いられる。また、酸素濃縮器から窒素ガスを排気する減圧手段としては、例えば、真空ポンプを用いる。第一と第二のプロセスの切り替え等は、酸素濃縮器の配管中に設けられた複数の弁の開閉操作によって行われるのが一般的である。この切り替えは、例えば、酸素濃縮器に予め設定されているプロセスごとの設定時間や、所定の観測点における圧力等の物理量を基準としたシミュレーション条件などによって自動的に行われる。 Here, a compressor is generally used as a pressurizing means for supplying pressurized air to the oxygen concentrator. Moreover, as a decompression means for exhausting nitrogen gas from the oxygen concentrator, for example, a vacuum pump is used. The switching between the first and second processes is generally performed by opening and closing a plurality of valves provided in the piping of the oxygen concentrator. This switching is automatically performed according to, for example, a preset time for each process preset in the oxygen concentrator, a simulation condition based on a physical quantity such as pressure at a predetermined observation point, and the like.
PSA法で用いられるガス流体中の所望のガス成分を選択的に吸着する吸着剤としては、例えば、ゼオライト、活性炭、活性アルミナあるいはシリカゲル等が利用される。これらの吸着剤は、ガス流体から分離または濃縮する目的ガス成分に応じて使い分けられる。例えば、ガス流体が空気であって空気中の酸素を濃縮あるいは分離したい場合には、窒素を優先的あるいは選択的に吸着するNa-A型、Ca-A型、Na-X型、Ca-X型、あるいは、Li-X型等の合成ゼオライトが好適に用いられる。また、吸着剤は一種に限定する必要はなく異なる特性の吸着剤を組み合わせて用いられる場合もある。 As an adsorbent that selectively adsorbs a desired gas component in a gas fluid used in the PSA method, for example, zeolite, activated carbon, activated alumina, silica gel, or the like is used. These adsorbents are selectively used according to the target gas component to be separated or concentrated from the gas fluid. For example, if the gas fluid is air and you want to concentrate or separate oxygen in the air, Na-A type, Ca-A type, Na-X type, Ca-X that preferentially or selectively adsorb nitrogen. Type or synthetic zeolite such as Li-X type is preferably used. Further, the adsorbent need not be limited to a single type, and may be used in combination with adsorbents having different characteristics.
酸素濃縮装置の一例を図9に示す(例えば、特許文献2)。この酸素濃縮装置では、装置内に取り込まれる空気は、まず、防塵フィルター101と吸気フィルター102とによりゴミが除去され、消音器103を介してコンプレッサ105で圧縮された後、冷却ファン104、熱交換器106で冷却される。次に、冷却された空気は配管流路を切替える切換弁107を介して、吸着剤が充填された吸着筒108に送り込まれる。吸着筒108内ではガス分離(窒素の吸着剤への優先的な吸着)によって得られる高濃度に濃縮された酸素を含むガスは一時的に製品タンク111に送り込まれる。その後、圧力調整器112と流量調節器115とを介して圧力とガス流量とがコントロールされ(ガス流量は流速センサ113で、酸素濃度は酸素濃度センサ114で検知する)、加湿器116を介して適度に加湿された後、可撓性延長チューブ117、カニューラ118等の導管を介して患者に供給されるように構成されている。109は圧均等弁、110は逆止弁、120は圧力センサ、119は窒素と水分とによる排気音を低減するための排気用消音器である。
An example of the oxygen concentrator is shown in FIG. 9 (for example, Patent Document 2). In this oxygen concentrator, the air taken into the apparatus is first removed of dust by the
図9に示す2本の吸着筒108で構成されている酸素濃縮装置の場合には、1本の吸着筒を酸素の濃縮に用い、他方の吸着筒では吸着剤を再生するために、切換弁107により2本の吸着筒108を切り替えて使用する。例えば、一方の吸着筒108には加圧空気が導入され空気中の窒素を吸着剤で吸着し、吸着されずに残った高濃度の酸素を含むガスを製品ガスとして取り出すために使用し(濃縮工程)、このとき、他方の吸着筒108では、吸着筒108内を減圧にして窒素を吸着した吸着剤から窒素を脱離させ、吸着剤が再び窒素を吸着できるように再生する(再生工程)。このとき、濃縮工程に用いる吸着筒108内において吸着剤の吸着破過が起こる前に切換弁107を用いて、他方の吸着筒108に切替えることを繰り返し行うことにより、連続的に高濃度に濃縮された酸素を患者に供給しながら、吸着剤を再生使用できるような構成としている。
In the case of the oxygen concentrating apparatus constituted by the two
また、この様な吸着と再生を繰り返す方法の他の例としては、空気の除湿などの空調に吸湿剤(デシカント)を用いるデシカントローターと呼ばれる装置がある(特許文献3)。デシカントローターでは、空気中に含まれる水蒸気の吸着と水蒸気を吸湿した吸湿剤の再生には、上記説明した圧力スイング吸着法(PSA)のように圧力差を利用するのではなく温度差を利用する。すなわち、デシカントローターでは、例えば、デシカントロータ内に減湿エリアと再生エリアの2つのエリアを形成し、ロータを回転させて吸湿剤を2つのエリアに交互に移動させて吸湿剤による水蒸気の吸着と水蒸気を吸湿した吸湿剤の再生とを連続的に行う。すなわち、この装置では、例えば、回転式の水蒸気の吸湿と吸湿した吸湿剤の再生を行う反応室が用いられており、シリカゲル等の水分を良く吸着する吸湿剤(デシカント)を円盤の全面に配置し、その円周上の低温に維持されている減湿エリアに吸湿剤を移動して導入される空気から水蒸気の除湿を行い、次に、吸湿剤を再生エリアに移動し高温(例えば、100〜150℃)かつ低湿度のガスに吸湿剤を接触させることによって吸湿剤から水分を脱離させて吸湿剤を再生する。この様にして、吸湿剤による空気中の水蒸気の吸湿と吸湿剤の再生を連続して行うことにより空気中の水蒸気の除湿を継続して行うことができる。
しかし、上記説明した圧力スイング吸着法を用いる酸素濃縮器では、空気が吸着剤が充填された吸着室の筒底から筒頂に移動する間に吸着剤に十分な窒素を吸着させて目的とする高濃度の酸素を得る必要があるため、吸着室には多くの吸着剤を充填する必要があった。 However, in the oxygen concentrator using the pressure swing adsorption method described above, the target is to adsorb enough nitrogen to the adsorbent while the air moves from the bottom of the adsorption chamber filled with the adsorbent to the top of the cylinder. Since it was necessary to obtain a high concentration of oxygen, the adsorption chamber had to be filled with a large amount of adsorbent.
これに対して、デシカントローターを用いて空気中の水蒸気を除湿する場合には、水分を吸湿した吸湿剤を再生しながら使用することができるため、吸湿剤の使用量を少なくすることができる。しかしながら、デシカントローターでは、吸湿剤を用いて空気中の水蒸気を吸湿する減湿エリアでは吸湿剤の温度は低温にする必要があり、一方、水分を含む吸湿剤を再生する再生エリアでは、吸湿剤の温度を高温(例えば、100〜150℃)にする必要があるためデシカントロータは、加熱および冷却機構が必要であり、また、減湿エリアと再生エリア間の熱ロスを低減するために、デシカントロータ全体の熱効率を高める機構が必要であった。そのため、装置が複雑化する問題があった。 On the other hand, when water vapor in the air is dehumidified using a desiccant rotor, the moisture absorbent that has absorbed moisture can be used while being regenerated, so the amount of moisture absorbent used can be reduced. However, in the desiccant rotor, it is necessary to lower the temperature of the hygroscopic agent in the dehumidifying area where the moisture in the air is absorbed using the hygroscopic agent, whereas in the regeneration area where the hygroscopic agent containing moisture is regenerated, the hygroscopic agent is required. The desiccant rotor requires a heating and cooling mechanism because the temperature of the desiccant rotor needs to be high (for example, 100 to 150 ° C.), and the desiccant rotor is used to reduce heat loss between the dehumidifying area and the regeneration area. A mechanism to increase the thermal efficiency of the entire rotor was required. Therefore, there has been a problem that the apparatus becomes complicated.
本発明は、上記説明した従来技術の問題点を解決することを出発点としてなされたものであり、その目的は、複数の成分を含む原料ガス流体から所望の成分を濃縮する際に、多くの吸着剤を使用せず、かつ、吸着剤の再生のために温度差を利用しない成分濃縮分離装置及び成分濃縮分離方法を提供することである。 The present invention has been made starting from solving the above-described problems of the prior art, and the purpose of the present invention is to increase the concentration of a desired component from a raw material gas fluid containing a plurality of components. To provide a component concentration separation apparatus and a component concentration separation method that do not use an adsorbent and do not use a temperature difference for regeneration of the adsorbent.
上記目的を達成するための本発明に係る成分濃縮分離装置は、以下の構成を有する。すなわち、少なくとも第1成分と第2成分とを含む原料ガス流体から前記第1成分を濃縮する成分濃縮分離装置であって、前記第2成分を吸着する吸着剤に前記原料ガス流体を接触させて、前記第2成分を前記吸着剤に吸着させ前記第1成分を濃縮する濃縮室と、前記第2成分を吸着した前記吸着剤から前記第2成分を脱離させて前記吸着剤を再生する、前記濃縮室の圧力より低い圧力に維持されている再生室と、予め決められたタイミングで前記第2成分を吸着した吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送し、前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送する移送手段と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a component concentration / separation apparatus according to the present invention has the following configuration. That is, a component concentration separation device that concentrates the first component from a source gas fluid containing at least a first component and a second component, wherein the source gas fluid is brought into contact with an adsorbent that adsorbs the second component. A concentration chamber for adsorbing the second component to the adsorbent and concentrating the first component; and desorbing the second component from the adsorbent adsorbing the second component to regenerate the adsorbent. A regeneration chamber maintained at a pressure lower than the pressure in the concentration chamber, and an adsorbent that adsorbs the second component at a predetermined timing is transferred from the concentration chamber to the regeneration chamber, and the regenerated adsorbent Transporting means for transporting the liquid from the regeneration chamber to the concentration chamber.
ここで例えば、前記移送手段による前記吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送し、前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送するときの移送の周期は、予め決められた周期で繰り返し行われることが好ましい。 Here, for example, a transfer cycle when the adsorbent by the transfer means is transferred from the concentration chamber to the regeneration chamber and the regenerated adsorbent is transferred from the regeneration chamber to the concentration chamber is determined in advance. It is preferable to carry out it repeatedly with a different period.
ここで例えば、前記濃縮室への前記原料ガス流体の導入と、前記濃縮室からの前記濃縮された第1成分を含むガスの取り出しが複数回の周期に1回行われることが好ましい。 Here, for example, it is preferable that the introduction of the raw material gas fluid into the concentration chamber and the extraction of the gas containing the concentrated first component from the concentration chamber are performed once in a plurality of cycles.
ここで例えば、前記移送手段は略円筒形状の回転部材であり、前記回転部材の表面の少なくとも一部に前記吸着剤が配置されており、前記濃縮室は前記回転部材と、前記回転部材との間で密閉空間を形成する第1外壁部材とによって囲まれた空間からなり、前記再生室は前記回転部材と、前記回転部材との間で密閉空間を形成する第2外壁部材とによって囲まれた空間からなり、前記回転部材は前記略円筒形状の軸を中心に前記濃縮室と前記再生室との間を回転移動することが好ましい。
前記吸着剤は前記回転部材の表面の2カ所に配置され、かつ、前記回転部材の回転移動によって前記2カ所のうちの一方が前記濃縮室に移送されると前記2カ所のうちの他方が前記再生室に配置されることが好ましい。
Here, for example, the transfer means is a substantially cylindrical rotating member, the adsorbent is disposed on at least a part of the surface of the rotating member, and the concentrating chamber includes the rotating member and the rotating member. The regeneration chamber is surrounded by the rotating member and a second outer wall member that forms a sealed space between the rotating member and the first outer wall member that forms a sealed space therebetween. It is preferable that the rotating member is formed of a space and rotates between the concentrating chamber and the regeneration chamber about the substantially cylindrical shaft.
The adsorbent is disposed at two locations on the surface of the rotating member, and when one of the two locations is transferred to the concentration chamber by the rotational movement of the rotating member, the other of the two locations is It is preferable to arrange in the regeneration chamber.
ここで例えば、前記回転部材の表面は回転方向に対して4つ以上の区画に区切られており、各区画には吸着剤がそれぞれ配置されていることが好ましい。 Here, for example, the surface of the rotating member is preferably divided into four or more sections with respect to the rotation direction, and an adsorbent is preferably disposed in each section.
ここで例えば、前記回転部材の回転移動によって前記4つ以上の区画のうちの少なくとも1つの区画が前記濃縮室に移送されると前記4つ以上の区画のうちの少なくとも1つの区画が前記再生室に配置されるように配置されることが好ましい。 Here, for example, when at least one of the four or more compartments is transferred to the concentration chamber by the rotational movement of the rotating member, at least one of the four or more compartments becomes the regeneration chamber. It is preferable to arrange | position so that it may be arrange | positioned.
ここで例えば、前記移送手段は、ピストン部材であり、前記ピストン部材の表面の少なくとも一部に前記吸着剤が配置されており、前記濃縮室は前記ピストン部材と、前記ピストン部材との間で密閉空間を形成する第1外壁部材とによって囲まれた空間からなり、前記再生室は前記ピストン部材と前記ピストン部材との間で密閉空間を形成する第2外壁部材とによって囲まれた空間からなり、前記ピストン部材は前記濃縮室と前記再生室との間を往復移動することが好ましい。
ここで例えば、前記ピストン部材は略円筒形状であり、前記略円筒形状の長手方向に沿って、前記ピストン部材の表面の少なくとも一部に配置された前記吸着剤が前記濃縮室と前記再生室との間を往復することが好ましい。
Here, for example, the transfer means is a piston member, the adsorbent is disposed on at least a part of the surface of the piston member, and the concentration chamber is sealed between the piston member and the piston member. A space surrounded by a first outer wall member that forms a space, and the regeneration chamber is a space surrounded by a second outer wall member that forms a sealed space between the piston member and the piston member; The piston member preferably reciprocates between the concentration chamber and the regeneration chamber.
Here, for example, the piston member has a substantially cylindrical shape, and the adsorbent disposed on at least a part of the surface of the piston member along the longitudinal direction of the substantially cylindrical shape includes the concentration chamber and the regeneration chamber. It is preferable to reciprocate between the two.
ここで例えば、前記原料ガス流体は大気圧より高い圧力に加圧されて前記濃縮室に導入され、前記再生室の圧力は、大気圧以下に維持されていることが好ましい。 Here, for example, it is preferable that the source gas fluid is pressurized to a pressure higher than atmospheric pressure and introduced into the concentration chamber, and the pressure in the regeneration chamber is maintained below atmospheric pressure.
ここで例えば、前記第1ガスは酸素であり、前記第2ガスは窒素であり、前記成分濃縮分離装置は空気から酸素を濃縮する酸素濃縮器であることが好ましい。 Here, for example, it is preferable that the first gas is oxygen, the second gas is nitrogen, and the component concentration separator is an oxygen concentrator that concentrates oxygen from air.
また、本発明に係る成分濃縮分離方法は、以下の構成を有する。すなわち、少なくとも第1成分と第2成分とを含む原料ガス流体から前記第1成分を濃縮する成分濃縮分離方法であって、前記第2成分を吸着する吸着剤が配置された濃縮室に前記原料ガス流体を導入して前記吸着剤に前記原料ガス流体を接触させて、前記第2成分を前記吸着剤に吸着させ前記第1成分を濃縮する工程と、予め決められたタイミングで前記第2成分を吸着した前記吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送する工程と、前記濃縮室の圧力より低い圧力に維持されている再生室において前記移送された前記吸着剤から吸着した前記第2成分を脱離させて前記吸着剤を再生する工程と、予め決められたタイミングで前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送する工程と、を有することを特徴とする。 Moreover, the component concentration separation method which concerns on this invention has the following structures. That is, a component concentration separation method for concentrating the first component from a raw material gas fluid containing at least a first component and a second component, wherein the raw material is disposed in a concentration chamber in which an adsorbent that adsorbs the second component is disposed. Introducing a gas fluid and bringing the raw material gas fluid into contact with the adsorbent to adsorb the second component onto the adsorbent and concentrating the first component; and the second component at a predetermined timing A step of transferring the adsorbent adsorbing the adsorbent from the concentration chamber to the regeneration chamber, and the second component adsorbed from the transferred adsorbent in a regeneration chamber maintained at a pressure lower than the pressure of the concentration chamber. And regenerating the adsorbent, and transferring the regenerated adsorbent from the regeneration chamber to the concentration chamber at a predetermined timing.
ここで例えば、前記移送する工程における前記吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送し、前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送するときの移送の周期は、予め決められた周期で繰り返し行われることが好ましい。 Here, for example, the transfer period when the adsorbent in the transfer step is transferred from the concentration chamber to the regeneration chamber and the regenerated adsorbent is transferred from the regeneration chamber to the concentration chamber is determined in advance. It is preferable to be repeated at a predetermined cycle.
ここで例えば、前記濃縮室への前記原料ガス流体の導入と、前記濃縮室からの前記濃縮された第1成分を含むガスの取り出しが複数回の周期に1回行われることが好ましい。 Here, for example, it is preferable that the introduction of the raw material gas fluid into the concentration chamber and the extraction of the gas containing the concentrated first component from the concentration chamber are performed once in a plurality of cycles.
ここで例えば、前記原料ガス流体、例えば空気は大気圧より高い圧力に加圧されて前記濃縮室に導入され、前記再生室の圧力は、大気圧以下に維持されていることが好ましい。 Here, for example, it is preferable that the source gas fluid, for example, air, is pressurized to a pressure higher than atmospheric pressure and introduced into the concentration chamber, and the pressure in the regeneration chamber is maintained below atmospheric pressure.
ここで例えば、前記第1ガスは酸素であり、前記第2ガスは窒素であり、前記成分濃縮分離方法は空気から酸素を濃縮する酸素濃縮方法であることが好ましい。 Here, for example, it is preferable that the first gas is oxygen, the second gas is nitrogen, and the component concentration separation method is an oxygen concentration method in which oxygen is concentrated from air.
本発明によれば、複数の成分を含む原料ガス流体から所望の成分を濃縮する際に、吸着剤を再生しながら使用するため吸着剤の使用量を減らすことができ、かつ、吸着剤の再生のために温度差を利用しない成分濃縮分離装置及び成分濃縮分離を提供することができる。 According to the present invention, when a desired component is concentrated from a raw material gas fluid containing a plurality of components, the amount of adsorbent used can be reduced because the adsorbent is regenerated, and the adsorbent is regenerated. Therefore, it is possible to provide a component concentration separation device and a component concentration separation that do not use a temperature difference.
<第1の実施形態>
以下、本発明に係る好適な実施形態の成分濃縮分離装置について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、複数のガス成分を含むガス流体から目的とするガス成分を濃縮分離する例として、空気中に含まれる酸素を高濃度に濃縮して使用する酸素濃縮装置を例に取り説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガス流体および濃縮分離するガス成分の種類は適宜変更が可能である。例えば、有毒ガス成分と無害なガス成分とを含む工場排ガスから吸着剤を利用して有毒ガス成分を濃縮分離する場合、または、有用成分と不要なガス成分を含む混合ガスから有用成分を吸着剤を利用して濃縮分離する場合などが考えられる。また、以下に示す構成は、一例であり、本発明の技術的思想を満足するものであれば、その構成や配置は適時変更が可能である。
<First Embodiment>
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a component concentration / separation apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, as an example of concentrating and separating a target gas component from a gas fluid containing a plurality of gas components, an oxygen concentrator that concentrates and uses oxygen contained in air at a high concentration is taken as an example. Although described, the present invention is not limited to this, and the types of gas fluid and gas components to be concentrated and separated can be changed as appropriate. For example, when a toxic gas component is concentrated and separated from an industrial exhaust gas containing a toxic gas component and a harmless gas component using an adsorbent, or a useful component is removed from a mixed gas containing a useful component and an unnecessary gas component. For example, it may be possible to concentrate and separate using. Moreover, the structure shown below is an example, and if the technical idea of this invention is satisfied, the structure and arrangement | positioning can be changed timely.
以下の説明では、まず、各実施形態の酸素濃縮装置に共通する本発明の特徴について、従来の酸素濃縮装置と比較して説明する。 In the following description, first, the features of the present invention common to the oxygen concentrator of each embodiment will be described in comparison with a conventional oxygen concentrator.
[従来の装置]
従来の酸素濃縮装置では、(1)コンプレッサで大気圧より高い圧力に加圧した原料空気(例えば、数気圧程度)を吸着剤を充填した吸着室に導入し、窒素を吸着剤に吸着させた後、吸着されずに高濃度に濃縮されて残った酸素を取り出して使用する(濃縮工程)。このとき、導入された原料空気が吸着室の筒底から筒頂に移動する間に空気中の窒素を吸着剤に吸着させて所望濃度の酸素を得るために吸着室には十分な吸着剤を充填する必要がある。(2)しかし、窒素を吸着した吸着剤は再生しない限り連続して使用することができないので、所定量の酸素を取り出すと一旦酸素の取り出しを中断し、吸着室内を真空ポンプなどで減圧にして窒素を吸着した吸着剤から窒素を脱離させて大気中に排気して吸着剤を再生する(再生工程)。この吸着剤を再生する期間は吸着剤を用いて濃縮された酸素を取り出すことはできない。そこで、濃縮された酸素を連続的に取り出すために、2つの吸着筒を一方は濃縮工程で使用し、他方は再生工程で使用するように制御する。その結果、濃縮された酸素を2つの吸着筒から交互に取り出すことができるが、1回の濃縮工程で所望濃度の酸素を得るために吸着室には十分な吸着剤を充填する必要があった。
[Conventional equipment]
In a conventional oxygen concentrator, (1) raw air (for example, about several atmospheres) pressurized to a pressure higher than atmospheric pressure by a compressor is introduced into an adsorption chamber filled with an adsorbent, and nitrogen is adsorbed by the adsorbent. Thereafter, oxygen remaining after being concentrated to a high concentration without being adsorbed is taken out and used (concentration step). At this time, the adsorbing chamber has sufficient adsorbent in order to adsorb nitrogen in the air to the adsorbent to obtain the desired concentration of oxygen while the introduced raw material air moves from the cylinder bottom to the top of the cylinder. Need to be filled. (2) However, since the adsorbent that has adsorbed nitrogen cannot be used continuously unless it is regenerated, once the predetermined amount of oxygen has been extracted, the oxygen extraction is temporarily suspended and the adsorption chamber is depressurized with a vacuum pump or the like. The adsorbent is regenerated by desorbing nitrogen from the adsorbent that has adsorbed nitrogen and exhausting it into the atmosphere (regeneration step). During the period of regenerating the adsorbent, oxygen concentrated using the adsorbent cannot be taken out. Therefore, in order to continuously extract the concentrated oxygen, the two adsorption cylinders are controlled so that one is used in the concentration step and the other is used in the regeneration step. As a result, concentrated oxygen can be alternately taken out from the two adsorption cylinders, but it was necessary to fill the adsorption chamber with a sufficient adsorbent in order to obtain a desired concentration of oxygen in one concentration step. .
[本発明の特徴]
一方、本発明の酸素濃縮装置では、吸着剤を濃縮室と再生室との間を予め決められたタイミング(例えば、窒素を吸着した吸着剤を濃縮室から再生室に移送し、再生された吸着剤を再生室から濃縮室に移送するときの移送の周期を予め決められた周期にする)で繰り返し移送させながら濃縮室への原料空気の導入と濃縮室からの濃縮された酸素の取り出しを複数回の周期に1回(例えば、2周期に1回、3周期に1回など)行うことにより、吸着剤を再生しながら複数回の吸着操作を行うことにより所望濃度の酸素を得るため、使用する吸着剤の量が従来の酸素濃縮装置に比べて少ない点を特徴としている。なお、原料空気の導入と濃縮室からの濃縮された酸素の取り出しの周期は、吸着剤の使用量や取り出す酸素濃度に依存して適時変更することができる。例えば、高濃度の酸素を取り出したい場合あるいは吸着剤の使用量を減らしたい場合には、吸着剤を何度も再生して使用すればよいので、2周期に1回よりも3周期に1回、4周期に1回などと取り出しの周期を変更すればよい。
[Features of the present invention]
On the other hand, in the oxygen concentrator of the present invention, the adsorbent is transferred between the concentration chamber and the regeneration chamber at a predetermined timing (for example, the adsorbent that has adsorbed nitrogen is transferred from the concentration chamber to the regeneration chamber, and the regenerated adsorption is performed. The transfer of the agent from the regeneration chamber to the concentrating chamber is performed in a predetermined cycle), and the introduction of source air into the concentrating chamber and the removal of concentrated oxygen from the concentrating chamber are repeated. Used to obtain the desired concentration of oxygen by performing adsorption operation multiple times while regenerating the adsorbent by performing it once every cycle (for example, once every two cycles, once every three cycles, etc.) It is characterized in that the amount of adsorbent to be used is smaller than that of a conventional oxygen concentrator. The cycle of introducing the raw air and extracting the concentrated oxygen from the concentration chamber can be changed as appropriate depending on the amount of adsorbent used and the oxygen concentration to be extracted. For example, when taking out high concentration oxygen or reducing the amount of adsorbent used, the adsorbent may be regenerated and used many times, so once every three cycles rather than once every two cycles. What is necessary is just to change the taking-out cycle such as once every four cycles.
すなわち、本発明の酸素濃縮装置では、(1)第1濃縮工程において、大気圧より高い圧力に加圧された原料空気(例えば、数気圧)を吸着剤が配置された濃縮室に導入して吸着剤へ窒素を優先的に吸着させるが、濃縮室には、1回の濃縮操作で所望の酸素濃度を得るために必要十分な吸着剤は配置されていない。(2)そこで、次の再生工程において、窒素を吸着した吸着剤を濃縮室から再生室に移動させ、再生室の圧力を濃縮室の圧力より低圧(例えば、再生室を真空ポンプ等により大気圧未満に減圧する、または大気圧にする)に維持することにより、窒素を吸着した吸着剤から窒素を脱離させて吸着剤を再生する。(3)その後、次の第2濃縮工程において、再生された吸着剤を再生室から濃縮室に再度移動して、濃縮室に残っている窒素を再生した吸着剤に吸着させることにより、所望濃度まで酸素を濃縮する。そして、この所望濃度にまで濃縮した酸素を含むガスを製品ガスとして濃縮室から取りだす。(4)なお、第2濃縮工程において、所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第2濃縮工程を交互に繰り返すことによって濃縮室内の酸素を所望濃度まで濃縮した後、濃縮室から取り出す。(5)そして、上記説明した(1)〜(3)あるいは(1)〜(4)間の工程を繰り返し行うことによって吸着剤を1回または何度も再生しながら使用して濃縮した酸素を連続的に取り出すことができる。このように、本発明の酸素濃縮装置では、従来のように2つの吸着筒を使用することがないし、各吸着筒にも1回の吸着で所望濃度の酸素に濃縮するために多量の吸着剤を充填する必要もない。そのため、吸着剤の量を減らすことができる。また、吸着剤の再生は、濃縮室と再生室の圧力差を利用しているので、吸着剤の再生のために温度差を使用する場合の熱ロスの問題やそれを解消するための複雑な機構を付加する必要もない。 That is, in the oxygen concentrator of the present invention, (1) in the first concentration step, raw material air (for example, several atmospheres) pressurized to a pressure higher than atmospheric pressure is introduced into the concentration chamber in which the adsorbent is disposed. Nitrogen is preferentially adsorbed on the adsorbent, but the adsorbent necessary and sufficient to obtain a desired oxygen concentration in one concentration operation is not arranged in the concentration chamber. (2) Therefore, in the next regeneration step, the adsorbent that has adsorbed nitrogen is moved from the concentration chamber to the regeneration chamber, and the pressure in the regeneration chamber is lower than the pressure in the concentration chamber (for example, the regeneration chamber is at atmospheric pressure by a vacuum pump or the like). The pressure is reduced to less than or equal to atmospheric pressure) to desorb the nitrogen from the adsorbent that has adsorbed nitrogen to regenerate the adsorbent. (3) Thereafter, in the next second concentration step, the regenerated adsorbent is moved again from the regenerating chamber to the concentrating chamber, and the nitrogen remaining in the concentrating chamber is adsorbed to the regenerated adsorbent to obtain a desired concentration. Concentrate oxygen until Then, the gas containing oxygen concentrated to the desired concentration is taken out from the concentration chamber as a product gas. (4) In the second concentration step, if a gas containing a desired concentration of oxygen cannot be obtained, the regeneration step and the second concentration step described above are alternately repeated to reduce the oxygen in the concentration chamber to the desired concentration. After concentration, remove from the concentration chamber. (5) Then, by repeatedly performing the above-described steps (1) to (3) or (1) to (4), the oxygen which has been concentrated by using the adsorbent once or several times is regenerated. It can be taken out continuously. Thus, the oxygen concentrator of the present invention does not use two adsorption cylinders as in the prior art, and each adsorption cylinder also has a large amount of adsorbent to concentrate to a desired concentration of oxygen by one adsorption. There is no need to fill. Therefore, the amount of adsorbent can be reduced. Also, since the regeneration of the adsorbent uses the pressure difference between the concentration chamber and the regeneration chamber, the problem of heat loss when using the temperature difference for the regeneration of the adsorbent and the complex to solve it There is no need to add a mechanism.
上記説明したように、本発明の酸素濃縮装置では、従来より少ない吸着剤を再生しながら使用する点に特徴がある。そこで、以下の説明では、まず、本酸素濃縮装置の全体構成について説明し、次に、酸素濃縮部の構造およびそれを用いて空気から高濃度の酸素を濃縮する方法について説明する。 As described above, the oxygen concentrator of the present invention is characterized in that fewer adsorbents are used while being regenerated than before. Therefore, in the following description, the overall configuration of the oxygen concentrator will be described first, and then the structure of the oxygen concentrator and a method for concentrating high concentration oxygen from air using the oxygen concentrator will be described.
[酸素濃縮装置の全体構成:図1]
本実施形態の酸素濃縮装置の全体構成について図1を用いて説明する。
[Overall configuration of oxygen concentrator: Fig. 1]
The overall configuration of the oxygen concentrator of this embodiment will be described with reference to FIG.
本酸素濃縮装置では、まず原料ガスである空気は防塵フィルター101と吸気フィルター兼消音バッファ102とによりゴミが除去され、コンプレッサ105で圧縮され所望の圧力(例えば、1.5気圧〜数気圧)に加圧された後、冷却ファン104、熱交換器106で冷却される。ついで、加圧空気は、酸素濃縮部200のうちの吸着剤201が配置された濃縮室202に導入される。濃縮室202では、加圧空気が導入されると、吸着剤201への窒素の優先的な吸着が進む(第1濃縮工程)。続いて、窒素を吸着した吸着剤201は吸着剤201をその表面の一部に配置した移送手段である回転体208により濃縮室202から再生室203に移送され、真空ポンプ210等で濃縮室202より低圧(大気圧未満または大気圧)に維持されている再生室203にて吸着剤201に吸着されている窒素を脱離させて再生室203から排出して吸着剤を再生する(再生工程)。続いて、再生された吸着剤201を回転体208で再生室203から濃縮室202に再度移送し、再生された吸着剤を用いて加圧空気中に残っている窒素の吸着を行う(第2濃縮工程)。この結果、所望濃度に濃縮された酸素を含むガスを濃縮室202から取り出して製品タンク111に一時的に貯蔵する。なお、第2濃縮工程の操作において、所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第2濃縮工程を交互に繰り返すことによって濃縮室内の酸素を所望濃度まで濃縮した後、濃縮室から取り出す。製品タンク111に貯蔵された高濃度の酸素を含むガスは、その後、圧力調整器112と流量調節器115を用いて所望の圧力とガス流量とになるように制御され、さらに、必要に応じて加湿器116を介して適度に加湿された後、可撓性延長チューブ117、カニューラ118等の導管を介して患者に供給される。なお、本酸素濃縮装置で使用する吸着剤は、窒素を優先的あるいは選択的に吸着させるために、Na-A型、Ca-A型、Na-X型、Ca-X型、あるいは、Li-X型等の合成ゼオライトが1種又は組み合わせて使用される。
In this oxygen concentrator, first, air as a raw material gas is debris removed by a
[酸素濃縮部の構造:図2A]
次に、本実施形態の酸素濃縮装置で使用する酸素濃縮部200の構造及びそれを用いた高濃度の酸素を製造する方法について、酸素濃縮部200の断面構成を示す図2Aを用いて詳細に説明する。
[Structure of oxygen concentrator: FIG. 2A]
Next, the structure of the
本酸素濃縮部200では、回転可能な回転体208の表面上の一部に配置された吸着剤201を濃縮室202と再生室203との間で移動させながら、吸着剤201への窒素の吸着と吸着剤201からの吸着した窒素の脱離を交互に行うことができる。すなわち、濃縮室202では加圧された原料空気(例えば、1.5気圧〜数気圧)から窒素を吸着剤201に優先的に吸着させ(第1濃縮工程)、再生室203を真空ポンプ105などで濃縮室202より低圧(大気圧未満または大気圧)に維持することで、吸着剤201に吸着した窒素を脱離させて吸着剤201を再生する(再生工程)ことができる。そこで、再生された吸着剤201を再生室203から濃縮室202に再度移動して吸着剤201へ原料空気中に残っている窒素を吸着させる(第2濃縮工程)ことによって少量の吸着剤201を再生しながら酸素を濃縮して取り出すことができる。
In the
図2Aに示すように、本実施形態の酸素濃縮部200は、回転体208、濃縮室202、再生室203等から構成されている。回転体208中には吸着剤201が埋設され、吸着剤201の表面が回転体208の外表面の一部を形成するように設置される。また、濃縮室202は回転部材208と、回転部材208との間で密閉空間を形成する外壁部材204とによって囲まれた空間であり、濃縮室202には加圧空気を導入するための開閉弁S1、高濃度の酸素を含むガスを製品タンク111に移送するための開閉弁S2が配置されている。一方、再生室203は回転部材208と回転部材208との間で密閉空間を形成する外壁部材205とによって囲まれた空間であり、再生室203には吸着剤201から脱離した窒素を排気するための開閉弁S3が配置され、開閉弁S3には再生室203を減圧にする真空ポンプ210が接続されている。なお、開閉弁S3を真空ポンプ210に接続する代わりに大気中に放出する構成としてもよい。外壁部材204および外壁部材205は、図に示すように所定内径を有し、回転部材208との間で中空円筒形状の密閉空間を形成する中空円筒形状の外壁部材である外壁206aおよび206bにそれぞれ接続している。
As shown in FIG. 2A, the
なお、図には示さなかったが、本酸素濃縮装置には、回転体208を回転させるためのモータ制御部、本装置の各部(モータ制御部、各弁、冷却ファン、各種センサなど)を制御する制御部が設置されており、制御部は、不図示のROMに記憶された制御プログラムに基づいて、不図示のRAMを作業領域として使用して以下に述べる各種制御を実行する。
Although not shown in the figure, this oxygen concentrator controls the motor control unit for rotating the
[空気から高濃度の酸素を濃縮する方法:図2A〜2D]
図2A〜2Dは、第1濃縮工程、再生工程、第2濃縮工程の各工程における、濃縮室202、再生室203、回転体208上に配置された吸着剤201の位置関係の変化や開閉弁S1〜S3の開閉状態を説明する図である。ここで、(1)第1濃縮工程とは、酸素濃縮部200の濃縮室202へ加圧された空気が導入され、吸着剤201で窒素を吸着除去する工程であり、(2)再生工程とは、窒素を吸着した吸着剤201を低圧にされた再生室203に移動して再生する工程であり、(3)第2濃縮工程とは、再生された吸着剤201を濃縮室202に再度移動し、残っている窒素を吸着剤201で吸着除去して高濃度の酸素を製品ガスとして取り出す工程である。(4)なお、第2濃縮工程において、所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第2濃縮工程を交互に繰り返すことによって濃縮室内の酸素を所望濃度まで濃縮した後、濃縮室から取り出す。このとき、吸着剤は回転体208によって濃縮室と再生室との間を予め決められたタイミング(例えば、窒素を吸着した吸着剤を濃縮室から再生室に移送し、再生された吸着剤を再生室から濃縮室に移送するときの移送の周期を予め決められた周期にする)で繰り返し移送され、濃縮室への原料空気の導入と濃縮室からの濃縮された酸素の取り出しは、複数回の周期に1回(例えば、2周期に1回、3周期に1回など)行なわれる。なお、原料空気の導入と濃縮室からの濃縮された酸素の取り出しの周期は、吸着剤の使用量や取り出す酸素濃度に依存して適時変更することができる。例えば、高濃度の酸素を取り出したい場合あるいは吸着剤の使用量を減らしたい場合には、吸着剤を何度も再生して使用すればよいので、2周期に1回よりも3周期に1回、4周期に1回などと取り出しの周期を変更すればよい。
[Method for Concentrating High Concentration Oxygen from Air: FIGS. 2A to 2D]
2A to 2D show changes in the positional relationship of the adsorbent 201 disposed on the
まず、第1濃縮工程について説明する。図2Aにおいて、回転体208を回転移動させて吸着剤201が濃縮室202に配置する。次に、開閉弁S1を開き、濃縮室202へコンプレッサ105によって加圧された空気を導入する(開閉弁S2は閉じている)。濃縮室202へ空気を導入した後、開閉弁S1を閉じる。濃縮室202では、吸着剤201による加圧された空気中の窒素の優先的な吸着が起こる。しかし、濃縮室202には、十分な量の吸着剤201が配置されていないため濃縮室202の気相に残った酸素は所望濃度まで濃縮されない。
First, the first concentration step will be described. In FIG. 2A, the
そこで、図2Bに示すように、図2Aの状態から回転体208を図の矢印方向に回転移動させ、さらに、図2Bの状態から図2Cの状態まで図の矢印方向に回転させることにより、窒素を吸着した吸着剤201を濃縮室202から再生室203まで回転移動させる。
Therefore, as shown in FIG. 2B, the
次に、再生工程について説明する。図2Cは、図2Aから図2B、図2Bから図2Cへと回転体208を回転させて吸着剤201を濃縮室202から再生室203まで移送した状態を示している。このとき、再生室203に接続する開閉弁3は開いており、開閉弁3は真空ポンプ210に接続されている。このため、再生室203の圧力は濃縮室202の圧力より低い圧力(大気圧未満に減圧)に維持されている。その結果、再生室203の圧力は、濃縮室202の圧力(加圧空気の圧力)より低圧に維持されているため、濃縮室202で窒素を吸着した吸着剤201は、再生室203で窒素を脱離することができるため吸着剤201を再生することができる。なお、真空ポンプ210を用いずに開閉弁S3を大気(大気圧)に開放する構成とし、開閉弁S3を開いたときに再生室203が大気圧に維持される構成としてもよい。
Next, the regeneration process will be described. FIG. 2C shows a state in which the
次に、第2濃縮工程について説明する。図2Dは、図2Cから回転体208を図の矢印方向に回転させて再生室203で再生された吸着剤201を再生室203から濃縮室202に移送した状態を示している。このとき、濃縮室202に接続する開閉弁S1、S2は閉じている。ここで、再生された吸着剤201は濃縮室202に残っている窒素を吸着し、濃縮室202に残った酸素は所望濃度にまで濃縮される。そこで、開閉弁S2を開き、濃縮室202から製品ガス取出口108を介して高濃度に濃縮された酸素を取り出して製品タンク111に貯蔵する。
Next, the second concentration step will be described. 2D shows a state where the adsorbent 201 regenerated in the
なお、上記説明した第2濃縮工程によって所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第2濃縮工程とを再度繰り返すことによって濃縮室202内の酸素を所望濃度まで濃縮するように制御した後、所望濃度に濃縮した酸素を含むガスを濃縮室202から取り出すように制御すればよい。
In addition, when the gas containing oxygen with a desired concentration cannot be obtained by the second concentration step described above, the oxygen in the
ここで、回転体208を図の矢印方向に連続的に回転移動させることにより上記説明した第1濃縮工程、再生工程、第2濃縮工程の操作を連続して繰り返すことができる。その結果、本本発明の酸素濃縮装置では、吸着剤を再生しながら原料の空気から所望の濃度となるように濃縮された酸素を連続的に取り出すことができる。そのため、従来の酸素濃縮装置に比べて吸着剤の量を減らすことができる。また、吸着剤の再生のために圧力差を利用するため、温度差を使用する場合の熱ロスの問題を回避することができる。また、吸着剤の再生のために、濃縮室の圧力を再生室の圧力より低くする圧力差を利用しているので、吸着剤の再生のために温度差を使用する場合(吸着剤を高温に加熱して吸着ガスを脱離した後吸着剤を低温に戻す)の熱ロスの問題を回避することができるし熱ロスの問題を解消するための複雑な機構を装置に付加する必要もない。
Here, the operation of the first concentration step, the regeneration step, and the second concentration step described above can be continuously repeated by continuously rotating and moving the
なお、酸素濃縮部の回転体208を密閉する外壁206の半径は、例えば、10mm〜1000mmであり、好ましくは、20mm〜200mmであり、回転体208の軸方向の長さは、例えば、10mm〜1000mmであり、好ましくは、20mm〜300mmである。また、回転体の回転数は、例えば、0.01〜100Hz程度であり、好ましくは0.1〜50Hz程度である。製品ガス(所望濃度に濃縮された酸素を含むガス)の供給流量は、例えば、0.01リットル/分〜100リットル/分であり、好ましくは、0.1リットル/分〜10リットル/分である。また、酸素濃縮部の濃縮室に導入される原料空気の圧力は、大気圧より高い圧力に加圧されている必要があり、濃縮室での吸着剤への吸着を容易し再生室での吸着剤からの窒素の脱離を容易にするためには、導入される原料空気の圧力はより高い方が望ましい。一例を示せば、導入される原料空気の圧力は数気圧から数10気圧である(1気圧は、0.1MPa)。但し、より高圧の原料空気を導入するためには酸素濃縮部を耐圧構造とする必要があることや製品ガス中の酸素濃度は30〜80%あるいはそれ以上の濃度と使用用途によって酸素濃度に幅がある。また、再生室の圧力を真空ポンプなどの減圧手段を用いて減圧にすると、それほど濃縮室へ導入する原料空気の圧力を高くしなくても濃縮室と再生室との間の圧力差をつけることができる。従って、原料空気の圧力は、所望濃度に濃縮された酸素を得るために濃縮室における窒素の吸着を容易に起こし、再生室における窒素の脱離を容易にするものであればどのような原料空気の圧力であってもよい。一例を示せば、原料空気の圧力は0.15〜0.3MPa(1.5〜3気圧)であり、濃縮室と再生室との間の圧力差は、0.01MPa以上(0.1気圧以上)、好ましくは、0.05MPa以上(0.5気圧以上)である。
In addition, the radius of the outer wall 206 that seals the
なお、上記説明で使用した構成は、一例であり、本発明の技術的思想を満足するものであれば、その構成や配置は適時変更が可能である。例えば、開閉弁の代わりに逆止弁や、オリフィスなどの絞り機構を、単独で、または組み合わせて使用してもよい。また、吸着剤の形状は、適時、変更することができる。 The configuration used in the above description is an example, and the configuration and arrangement can be changed as appropriate as long as the technical idea of the present invention is satisfied. For example, a check valve or a throttle mechanism such as an orifice may be used alone or in combination instead of the on-off valve. Further, the shape of the adsorbent can be changed as appropriate.
<第2実施形態>
以下、第2の実施形態の酸素濃縮装置について説明する。本酸素濃縮装置は、その全体構成は、図1で説明した第1の実施形態の酸素濃縮装置と類似しており、酸素濃縮部250の第1濃縮工程、再生工程、第2濃縮工程の各工程の機能も第1の実施形態の酸素濃縮部200の機能と同じである。ただし、本実施形態の酸素濃縮部250は、第1の実施形態の酸素濃縮部200とその構造が異なる。そこで、以下の説明では、第1の実施形態の酸素濃縮装置と共通する部分の説明は、重複するので省略し、異なる点についてのみ説明する。
Second Embodiment
Hereinafter, the oxygen concentrator of the second embodiment will be described. The overall configuration of the oxygen concentrator is similar to the oxygen concentrator of the first embodiment described with reference to FIG. 1, and each of the first concentrating step, the regeneration step, and the second concentrating step of the
[酸素濃縮部の構造:図3]
本実施形態の酸素濃縮部250が第1の実施形態の酸素濃縮部200と異なる点は、濃縮室202内に導入される加圧空気の流れの方向を制御して吸着剤201への窒素の吸着を容易にするためのじゃま板211を配置し、開閉弁S1と開閉弁S2とを常時開いた状態に制御する点だけである。このとき、開閉弁S1は、コンプレッサ105から濃縮室202に所定流量の加圧空気が連続的に供給され、開閉弁S2は、濃縮室202から製品タンク111に所定流量の酸素を含むガスが連続的に供給されるように制御されている。また、本酸素濃縮部250でも第1の実施形態の酸素濃縮部200と同様に回転移動可能な回転体208の表面上の一部に配置された吸着剤201を濃縮室202と再生室203との間で回転移動させながら、吸着剤201への窒素の吸着と吸着剤201からの吸着した窒素の脱離を交互に行うことができる。その結果、本実施形態の酸素濃縮部250では、開閉弁S1と開閉弁S2とを常時開いた状態に制御することにより、濃縮室202で濃縮された酸素を含むガスを連続的に濃縮室202から取り出して製品タンク111に貯蔵することができる。
[Structure of oxygen concentrator: Fig. 3]
The difference between the
<第3実施形態>
以下、第3の実施形態の酸素濃縮装置について説明する。本酸素濃縮装置は、その全体構成は、図1で説明した第1の実施形態の酸素濃縮装置と類似しており、酸素濃縮部300の第1濃縮工程、再生工程、第2濃縮工程の各工程の機能は第1の実施形態の酸素濃縮部200の対応する第1濃縮工程、再生工程、第2濃縮工程の各工程の機能と基本的に同じである。ただし、第1の実施形態の酸素濃縮部200では回転体208の表面上の一部に1つの吸着剤201を配置した構造であったが、本実施形態の酸素濃縮部300では、図4に示すように回転体308の表面上に2つの吸着剤301a、301bを配置し、2つの吸着剤301a、301bを濃縮室302と再生室303との間で回転移動させることにより、吸着剤301a、301bへの窒素の吸着と吸着剤301a、301bからの吸着した窒素の脱離を交互に行うことができる構造とした点が異なる。そこで、以下の説明では、第1の実施形態の酸素濃縮装置と共通する部分の説明は、重複するので省略し、異なる点についてのみ説明する。
<Third Embodiment>
Hereinafter, the oxygen concentrator of the third embodiment will be described. The overall configuration of this oxygen concentrator is similar to the oxygen concentrator of the first embodiment described in FIG. 1, and each of the first concentrating step, the regeneration step, and the second concentrating step of the
[空気から高濃度の酸素を濃縮する方法:図4]
本実施形態の酸素濃縮装置で使用する酸素濃縮部300を用いた高濃度の酸素を製造する方法について、酸素濃縮部300の断面構成を示す図4を用いて詳細に説明する。
[Method for concentrating high-concentration oxygen from air: FIG. 4]
A method for producing high-concentration oxygen using the
本実施形態の酸素濃縮部300は、図4に示すように回転体308の表面上に2つの吸着剤301aと吸着剤301bとが回転体308の中心軸に対して180°離れて配置されているので、回転体308を図の矢印方向に回転することにより2つの吸着剤301a、301bの一方を濃縮室302に、他方を再生室303に配置しながら交互に移動させることができる。そのため、吸着剤301aへの窒素の吸着と吸着剤301bからの吸着した窒素の脱離あるいは、吸着剤301bへの窒素の吸着と吸着剤301aからの吸着した窒素の脱離を交互に行うことができる。そこで、再生された吸着剤301aを再生室303から濃縮室302に再度移動して吸着剤301aへ気相中に残っている窒素を吸着させる(第2濃縮工程)ことによって、あるいは、吸着剤301bを再生室303から濃縮室302に再度移動して吸着剤301bへ気相中に残っている窒素を吸着させる(第2濃縮工程)ことによって、第1の実施形態の酸素濃縮部200に比べてより多量の酸素を濃縮して取り出すことができる。
In the
ここで、酸素濃縮部300の濃縮室302は回転部材308と、回転部材308との間で密閉空間を形成する外壁部材304とによって囲まれた空間であり、濃縮室302には加圧空気を導入するための開閉弁S1、高濃度の酸素を含むガスを製品タンク111に移送するための開閉弁S2が配置されている。一方、再生室303は回転部材308と回転部材308との間で密閉空間を形成する外壁部材305とによって囲まれた空間であり、再生室303には吸着剤301aまたは301bから脱離した窒素を排気するための開閉弁S3が配置され、開閉弁S3には再生室303を減圧にする真空ポンプ210が接続されている。なお、開閉弁S3を真空ポンプ210に接続する代わりに大気中に放出する構成としてもよい。外壁部材304および外壁部材305は、図に示すように所定内径を有し、回転部材308との間で中空円筒形状の密閉空間を形成する中空円筒形状の外壁部材である外壁306aおよび306bにそれぞれ接続している。なお、図には示さなかったが、本酸素濃縮装置には、回転体308を回転させるためのモータ制御部、本装置の各部(モータ制御部、各弁、冷却ファン、各種センサなど)を制御する制御部が設置されており、制御部は、不図示のROMに記憶された制御プログラムに基づいて、不図示のRAMを作業領域として使用して以下に述べる各種制御を実行する。
Here, the concentrating
次に、図4を用いて、第1濃縮工程、再生工程、第2濃縮工程について説明する。ここで、(1)第1濃縮工程とは、吸着剤301aまたは301bを濃縮室302に配置した後、濃縮室302へ加圧された空気が導入され、吸着剤301aまたは301bで窒素を吸着除去する工程であり、(2)再生工程とは、窒素を吸着した吸着剤301aまたは301bを低圧にされた再生室303に移動して再生する工程であり、(3)第2濃縮工程とは、再生された吸着剤301aまたは301bを濃縮室302に再度移動し、残っている窒素を吸着剤301aまたは301bで吸着除去して高濃度の酸素を製品ガスとして取り出す工程である。(4)なお、第2濃縮工程において、所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第2濃縮工程を交互に繰り返すことによって濃縮室内の酸素を所望濃度まで濃縮した後、濃縮室から取り出す。
Next, a 1st concentration process, a reproduction | regeneration process, and a 2nd concentration process are demonstrated using FIG. Here, (1) in the first concentration step, after the adsorbent 301a or 301b is placed in the
まず、第1濃縮工程について説明する。図4の(1)の吸着剤301aの状態に示すように、回転体308を回転させて吸着剤301a(または301b)が濃縮室302に配置されるように制御する。次に、開閉弁S1を開き、濃縮室302へコンプレッサ105によって加圧された空気を導入するように制御する(開閉弁S2は閉じている)。濃縮室302へ空気を導入した後、開閉弁S1を閉じる。濃縮室302では、吸着剤301a(または301b)による加圧された空気中の窒素の優先的な吸着が起こる。しかし、濃縮室302には、十分な量の吸着剤201が配置されていないため濃縮室302の気相に残った酸素は所望濃度まで濃縮されない。
First, the first concentration step will be described. As shown in the state of the adsorbent 301 a in FIG. 4 (1), the
そこで、図4の(2)に示すように、回転体308を図の矢印方向に回転させることにより、窒素を吸着した吸着剤301a(または301b)を濃縮室302から再生室303まで移動する。
Therefore, as shown in FIG. 4B, the adsorbent 301a (or 301b) having adsorbed nitrogen is moved from the
次に、再生工程について説明する。図4の(3)の状態は、図4の(1)から回転体308を回転させて吸着剤301a(または301b)を濃縮室302から再生室303まで移送した状態を示している。このとき、再生室303に接続する開閉弁3は開いており、開閉弁3は真空ポンプ210に接続されている。このため、再生室303の圧力は濃縮室302の圧力より低圧(大気圧以下に減圧)に維持されている。なお、真空ポンプ210を用いずに開閉弁S3を大気に開放する構成とし、開閉弁S3を開いたときに再生室303が大気圧に維持される構成としてもよい。その結果、再生室303の圧力は、濃縮室302の圧力(加圧空気の圧力)より低圧に維持されているため、濃縮室302で窒素を吸着した吸着剤301は、再生室303で窒素を脱離することができるため吸着剤301a(または301b)を再生することができる。
Next, the regeneration process will be described. The state of (3) in FIG. 4 shows a state in which the
次に、第2濃縮工程について説明する。図4の(4)は、図4の(3)の状態から回転体308を図の矢印方向に回転させて再生室303で再生された吸着剤301a(または301b)を再生室303から濃縮室302に移送した状態を示している。このとき、濃縮室302に接続する開閉弁S1、S2は閉じている。ここで、再生された吸着剤301a(または301b)は濃縮室302に残っている窒素を吸着し、濃縮室302に残った酸素は所望濃度にまで濃縮される。そこで、開閉弁S2を開き、濃縮室302から製品ガス取出口108を介して高濃度に濃縮された酸素を取り出して製品タンク111に貯蔵する。
Next, the second concentration step will be described. 4 (4) shows that the adsorbent 301a (or 301b) regenerated in the
なお、上記説明した第2濃縮工程によって所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第2濃縮工程とを再度繰り返すことによって濃縮室302内の酸素を所望濃度まで濃縮するように制御した後、所望濃度に濃縮した酸素を含むガスを濃縮室302から取り出すように制御すればよい。
If a gas containing oxygen having a desired concentration cannot be obtained by the second concentration process described above, the regeneration process and the second concentration process described above are repeated again to change the oxygen in the
ここで、回転体308を図の矢印方向に連続的に回転移動させることにより上記説明した第1濃縮工程、再生工程、第2濃縮工程の操作を2つの吸着剤301aまたは301bを用いて交互に行いながら連続して行うことができる。その結果、本発明の酸素濃縮装置では、第1の実施形態の酸素濃縮装置に比べてより多量の濃縮された酸素を連続的に取り出すことができる。
Here, by rotating the
<第4実施形態>
以下、第4の実施形態の酸素濃縮装置について説明する。本酸素濃縮装置は、その全体構成は、図1で説明した第1の実施形態の酸素濃縮装置と類似しており、酸素濃縮部350の第1濃縮工程、再生工程、第2濃縮工程の各工程の機能は、第3の実施形態の酸素濃縮部300の機能と同じである。ただし、本実施形態の酸素濃縮部350は、第3の実施形態の酸素濃縮部300とその構造が異なる。そこで、以下の説明では、第1の実施形態の酸素濃縮装置と共通する部分の説明は、重複するので省略し、異なる点についてのみ説明する。
<Fourth embodiment>
Hereinafter, the oxygen concentrator of the fourth embodiment will be described. The overall configuration of the oxygen concentrator is similar to the oxygen concentrator of the first embodiment described in FIG. 1, and each of the first concentrating step, the regeneration step, and the second concentrating step of the
[酸素濃縮部の構造:図5]
本実施形態の酸素濃縮部350が第3の実施形態の酸素濃縮部300と異なる点は、本実施形態の酸素濃縮部300は、図5に示すように回転体308の全表面を8つの区画に分けそれぞれに8つの吸着剤301a〜301hが配置した点である。そのため、回転体308を図の矢印方向に回転することにより8つの吸着剤301a〜301hのうちの3つ(図5では、310a〜310c)を濃縮室302と再生室303(図5では、310e〜310g)にそれぞれ配置しながら、順次連続的に移動させることができる。そのため、8つの吸着剤のうちの3つの吸着剤への窒素の吸着と、3つの吸着剤からの吸着した窒素の脱離を順次連続して行うことができる。そこで、再生された吸着剤を再生室303から濃縮室302に再度移動し吸着剤に気相中に残っている窒素を吸着させる(第2濃縮工程)ことによって、第1の実施形態の酸素濃縮部200に比べてより多量の酸素を濃縮して取り出すことができる。
[Structure of oxygen concentrator: Fig. 5]
The
<第5実施形態>
以下、第5の実施形態の酸素濃縮装置について説明する。本酸素濃縮装置は、その全体構成は、図6に示すように図1で説明した第1の実施形態の酸素濃縮装置と類似しており、酸素濃縮部400の第1濃縮工程、再生工程、第2濃縮工程の各工程の機能は、第1の実施形態の酸素濃縮部200の機能と同じである。ただし、本実施形態の酸素濃縮部400は、回転体を回転して吸着剤を移送する第1の実施形態の酸素濃縮部200とその構造が異なり、ピストン部材を往復移動して吸着剤を移送する。そこで、以下の説明では、本酸素濃縮装置および酸素濃縮部400の構造について説明し、酸素濃縮部400を用いて原料空気から高濃度の酸素を濃縮する方法について説明する。
<Fifth Embodiment>
Hereinafter, the oxygen concentrator of the fifth embodiment will be described. The overall configuration of this oxygen concentrator is similar to the oxygen concentrator of the first embodiment described with reference to FIG. 1 as shown in FIG. The function of each process of the second concentration process is the same as the function of the
[酸素濃縮装置の全体構成:図6]
本実施形態の酸素濃縮装置の全体構成について図6を用いて説明する。
[Overall configuration of oxygen concentrator: Fig. 6]
The overall configuration of the oxygen concentrator of this embodiment will be described with reference to FIG.
本酸素濃縮装置では、まず原料ガスである空気は防塵フィルター101と吸気フィルター兼消音バッファ102とによりゴミが除去され、コンプレッサ105で圧縮され所望の圧力(例えば、1.5気圧〜数気圧)に加圧された後、冷却ファン104、熱交換器106で冷却される。ついで、加圧空気は、酸素濃縮部400のうちの吸着剤401が配置された濃縮室402に導入される。濃縮室402では、加圧空気が導入されると、吸着剤401への窒素の優先的な吸着が進む(第1濃縮工程)。続いて、窒素を吸着した吸着剤401は吸着剤401をその表面の一部に配置した移送手段であるピストン部材408により濃縮室402から再生室403に移送され、真空ポンプ210等で濃縮室402より低圧(大気圧未満または大気圧)に維持されている再生室403にて吸着剤401に吸着されている窒素を脱離させて再生室203から排出して吸着剤を再生する(再生工程)。続いて、再生された吸着剤401をピストン部材408で再生室403から濃縮室402に再度移送し、再生された吸着剤401を用いて加圧空気中に残っている窒素の吸着を行う(第2濃縮工程)。この結果、所望濃度に濃縮された酸素を含むガスを濃縮室202から取り出して製品タンク111に一時的に貯蔵する。なお、第2濃縮工程の操作において、所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第2濃縮工程を交互に繰り返すことによって濃縮室内の酸素を所望濃度まで濃縮した後、濃縮室から取り出す。製品タンク111に貯蔵された高濃度の酸素を含むガスは、その後、圧力調整器112と流量調節器115を用いて所望の圧力とガス流量とになるように制御され、さらに、加湿器116を介して適度に加湿された後、可撓性延長チューブ117、カニューラ118等の導管を介して患者に供給される。なお、本酸素濃縮装置で使用する吸着剤は、窒素を優先的あるいは選択的に吸着させるために、Na-A型、Ca-A型、Na-X型、Ca-X型、あるいは、Li-X型等の合成ゼオライトが1種又は組み合わせて使用される。
In this oxygen concentrator, first, air as a raw material gas is debris removed by a
[酸素濃縮部の構造:図7A]
本実施形態の酸素濃縮装置で使用する酸素濃縮部400の構造及び本それを用いた高濃度の酸素を製造する方法について、酸素濃縮部の断面構成を示す図7A〜7Cを用いて詳細に説明する。
[Structure of oxygen concentrator: FIG. 7A]
The structure of the
本酸素濃縮部400では、往復移動可能なピストン部材408の表面上の一部に配置された吸着剤401を濃縮室402と再生室403との間で移動させながら、吸着剤401への窒素の吸着と吸着剤401からの吸着した窒素の脱離を交互に行うことができる。すなわち、濃縮室402では加圧された原料空気(例えば、1.5気圧〜数気圧)から窒素を吸着剤401に優先的に吸着させ(第1濃縮工程)、再生室403を真空ポンプ105などで濃縮室402より低圧(大気圧未満または大気圧)に維持することで、吸着剤201に吸着した窒素を脱離させて吸着剤401を再生する(再生工程)ことができる。そこで、再生された吸着剤401を再生室403から濃縮室402に再度移動して吸着剤401へ原料空気中に残っている窒素を吸着させる(第2濃縮工程)ことによって少量の吸着剤201を再生しながら酸素を濃縮して取り出すことができる。
In the present
図7Aに示すように、本実施形態の酸素濃縮部400は、ピストン部材408、濃縮室402、再生室403等から構成されている。ピストン部材408中には吸着剤401が埋設され、吸着剤401の表面がピストン部材408の外表面の一部を形成するように設置される。また、濃縮室402はピストン部材408と、ピストン部材408との間で密閉空間を形成する外壁部材404とによって囲まれた空間であり、濃縮室402には加圧空気を導入するための開閉弁S1、高濃度の酸素を含むガスを製品タンク111に移送するための開閉弁S2が配置されている。一方、再生室403はピストン部材408とピストン部材408との間で密閉空間を形成する外壁部材405とによって囲まれた空間であり、再生室403には吸着剤401から脱離した窒素を排気するための開閉弁S3が配置され、開閉弁S3には再生室403を減圧にする真空ポンプ210が接続されている。なお、開閉弁S3を真空ポンプ210に接続する代わりに大気中に放出する構成としてもよい。外壁部材404および外壁部材405は、図に示すように所定内径を有し、ピストン部材408との間で中空円筒形状の密閉空間を形成する中空円筒形状の外壁部材である外壁406の両端にそれぞれ接続している。
As shown in FIG. 7A, the
なお、図には示さなかったが、本酸素濃縮装置には、ピストン部材408を往復移動させるためのモータ制御部、本装置の各部(モータ制御部、各弁、冷却ファン、各種センサなど)を制御する制御部が設置されており、制御部は、不図示のROMに記憶された制御プログラムに基づいて、不図示のRAMを作業領域として使用して以下に述べる各種制御を実行する。
Although not shown in the drawing, the oxygen concentrator includes a motor control unit for reciprocating the
[空気から高濃度の酸素を濃縮する方法:図7A〜7C]
図7A〜7Cは、第1濃縮工程、再生工程、第2濃縮工程の各工程における、濃縮室402、再生室403、ピストン部材408上に配置された吸着剤401の位置関係の変化や開閉弁S1〜S3の開閉状態を説明する図である。ここで、(1)第1濃縮工程とは、酸素濃縮部400の濃縮室402へ加圧された空気が導入され、吸着剤401で窒素を吸着除去する工程であり、(2)再生工程とは、窒素を吸着した吸着剤401を低圧にされた再生室403に移動して再生する工程であり、(3)第2濃縮工程とは、再生された吸着剤401を濃縮室402に再度移動し、残っている窒素を吸着剤401で吸着除去して高濃度の酸素を製品ガスとして取り出す工程である。(4)なお、第2濃縮工程において、所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第2濃縮工程を交互に繰り返すことによって濃縮室内の酸素を所望濃度まで濃縮した後、濃縮室から取り出す。このとき、吸着剤はピストン部材408によって濃縮室と再生室との間を予め決められたタイミング(例えば、窒素を吸着した吸着剤を濃縮室から再生室に移送し、再生された吸着剤を再生室から濃縮室に移送するときの移送の周期を予め決められた周期にする)で繰り返し移送され、濃縮室への原料空気の導入と濃縮室からの濃縮された酸素の取り出しは、複数回の周期に1回(例えば、2周期に1回、3周期に1回など)行なわれる。
[Method for Concentrating High Concentration Oxygen from Air: FIGS. 7A to 7C]
7A to 7C show changes in the positional relationship of the adsorbent 401 disposed on the
まず、第1濃縮工程について説明する。図7Aにおいて、ピストン部材408を図の位置に移動させて吸着剤401が濃縮室402に配置する。次に、開閉弁S1を開き、濃縮室202へコンプレッサ105によって加圧された空気を導入する(開閉弁S2は閉じている)。濃縮室402へ空気を導入した後、開閉弁S1を閉じる。濃縮室402では、吸着剤401による加圧された空気中の窒素の優先的な吸着が起こる。しかし、濃縮室402には、十分な量の吸着剤401が配置されていないため濃縮室402の気相に残った酸素は所望濃度まで濃縮されない。
First, the first concentration step will be described. In FIG. 7A, the
そこで、図7Bに示すように、図7Aの状態からピストン部材408を図7Aの矢印方向に図7Bの状態まで、すなわち、窒素を吸着した吸着剤401を濃縮室402から再生室403まで移動させる。
7B, the
次に、再生工程について説明する。図7Bは、吸着剤401を濃縮室402から再生室403まで移送した状態を示している。このとき、再生室403に接続する開閉弁3は開いており、開閉弁3は真空ポンプ210に接続されている。このため、再生室403の圧力は濃縮室402の圧力より低圧(大気圧以下に減圧)に維持されている。その結果、再生室403の圧力は、濃縮室402の圧力(加圧空気の圧力)より低圧に維持されているため、濃縮室402で窒素を吸着した吸着剤401は、再生室403で窒素を脱離することができるため吸着剤401を再生することができる。なお、真空ポンプ210を用いずに開閉弁S3を大気に開放する構成とし、開閉弁S3を開いたときに再生室203が大気圧に維持される構成としてもよい。
Next, the regeneration process will be described. FIG. 7B shows a state where the adsorbent 401 is transferred from the
次に、第2濃縮工程について説明する。図7Cは、図7Bの状態からピストン部材408を図7Bの矢印方向に移動させて再生室203で再生された吸着剤401を再生室403から濃縮室402に移送した状態を示している。このとき、濃縮室402に接続する開閉弁S1、S2は閉じている。ここで、再生された吸着剤401は濃縮室402に残っている窒素を吸着し、濃縮室402に残った酸素は所望濃度にまで濃縮される。そこで、開閉弁S2を開き、濃縮室402から製品ガス取出口108を介して高濃度に濃縮された酸素を取り出して製品タンク111に貯蔵する。
Next, the second concentration step will be described. FIG. 7C shows a state where the adsorbent 401 regenerated in the
なお、上記説明した第2濃縮工程によって所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第2濃縮工程とを再度繰り返すことによって濃縮室402内の酸素を所望濃度まで濃縮するように制御した後、所望濃度に濃縮した酸素を含むガスを濃縮室402から取り出すように制御すればよい。
If a gas containing oxygen having a desired concentration cannot be obtained by the second concentration process described above, the regeneration process and the second concentration process described above are repeated again to change the oxygen in the
ここで、ピストン部材408を図7A、7Bの矢印方向に連続的に往復移動させることにより上記説明した第1濃縮工程、再生工程、第2濃縮工程の操作を連続して繰り返すことができる。その結果、本本発明の酸素濃縮装置では、吸着剤を再生しながら原料の空気から所望の濃度となるように濃縮された酸素を連続的に取り出すことができる。そのため、従来の酸素濃縮装置に比べて吸着剤の量を減らすことができる。また、吸着剤の再生のために圧力差を利用するため、温度差を使用する場合の熱ロスの問題を回避することができる。また、吸着剤の再生は、濃縮室と再生室の圧力差を利用しているので、吸着剤の再生のために温度差を使用する場合の熱ロスの問題やそれを解消するための複雑な機構を付加する必要もない。
Here, the operations of the first concentration step, the regeneration step, and the second concentration step described above can be continuously repeated by continuously reciprocating the
なお、ピストン部材の半径は、例えば、10mm〜1000mmであり、好ましくは、20mm〜200mmである。また、ピストン部材の往復移動の周期は、例えば、0.01〜100Hz程度であり、好ましくは0.1〜50Hz程度である。製品ガスの供給流量は、例えば、0.01リットル/分〜100リットル/分であり、好ましくは、0.1リットル/分〜10リットル/分である。また、酸素濃縮部内部に形成される圧力差は、0.001MPa以上であることが好ましく、0.01MPa以上の圧力差であることが更に好ましい。 In addition, the radius of a piston member is 10 mm-1000 mm, for example, Preferably, it is 20 mm-200 mm. Moreover, the period of the reciprocating movement of the piston member is, for example, about 0.01 to 100 Hz, and preferably about 0.1 to 50 Hz. The supply flow rate of the product gas is, for example, 0.01 liter / minute to 100 liter / minute, preferably 0.1 liter / minute to 10 liter / minute. In addition, the pressure difference formed inside the oxygen concentrating part is preferably 0.001 MPa or more, and more preferably 0.01 MPa or more.
なお、上記説明で使用した構成は、一例であり、本発明の技術的思想を満足するものであれば、その構成や配置は適時変更が可能である。例えば、開閉弁の代わりに逆止弁などを使用してもよい。また、吸着剤の形状は、適時、変更することができる。 The configuration used in the above description is an example, and the configuration and arrangement can be changed as appropriate as long as the technical idea of the present invention is satisfied. For example, a check valve or the like may be used instead of the on-off valve. Further, the shape of the adsorbent can be changed as appropriate.
<第6実施形態>
以下、第6の実施形態の酸素濃縮装置について説明する。本酸素濃縮装置は、その全体構成は、図6で説明した第5の実施形態の酸素濃縮装置と類似しており、酸素濃縮部450の第1濃縮工程、再生工程、第2濃縮工程の各工程の機能は、第3の実施形態の酸素濃縮部400の機能と同じである。ただし、本実施形態の酸素濃縮部450は、第5の実施形態の酸素濃縮部400とその構造が異なる。そこで、以下の説明では、第5の実施形態の酸素濃縮装置と共通する部分の説明は、重複するので省略し、異なる点についてのみ説明する。
<Sixth Embodiment>
Hereinafter, the oxygen concentrator of the sixth embodiment will be described. The overall configuration of this oxygen concentrator is similar to the oxygen concentrator of the fifth embodiment described in FIG. 6, and each of the first concentrating step, the regeneration step, and the second concentrating step of the
[酸素濃縮部の構造:図8]
本実施形態の酸素濃縮部450が第5の実施形態の酸素濃縮部400と異なる点は、濃縮室402内に導入される加圧空気の流れの方向を制御して吸着剤401への窒素の吸着を容易にするためのじゃま板411を配置し、開閉弁S1と開閉弁S2が常時開いた状態に制御されている点だけである。このとき、開閉弁S2は、濃縮室202から製品タンク111に所定流量の酸素を含むガスが連続的に供給され、開閉弁S1は、コンプレッサ105から濃縮室202に所定流量の加圧空気が連続的に供給されるように制御されている。また、本酸素濃縮部450でも第5の実施形態の酸素濃縮部400と同様にピストン部材408の表面上の一部に配置された吸着剤401を濃縮室402と再生室403との間で往復移動させながら、吸着剤401への窒素の吸着と吸着剤201からの吸着した窒素の脱離を交互に行うことができる。その結果、本実施形態の酸素濃縮部450では、開閉弁S1と開閉弁S2とを常時開いた状態に制御することにより、濃縮室202で濃縮された所定流量の酸素を含むガスを連続的に濃縮室202から取り出して製品タンク111に貯蔵することができる。
[Structure of oxygen concentrator: Fig. 8]
The difference between the
なお、上記説明した各実施形態の説明では、PSA法による空気からの酸素の濃縮を例に説明しているが、本発明は、これに限ることはなく、複数のガス成分を含むガス流体と、そのガス流体中の特定のガスを吸着する吸着剤があれば、吸着剤に吸着されない残りのガスを濃縮することができる。そのため、各種ガス成分を含むガス流体から目的とするガスの濃縮、分離精製、あるいは、ガス流体に含まれる有害成分の除去などにも利用が可能である。 In the description of each embodiment described above, oxygen concentration from air by the PSA method is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and a gas fluid including a plurality of gas components If there is an adsorbent that adsorbs a specific gas in the gas fluid, the remaining gas that is not adsorbed by the adsorbent can be concentrated. Therefore, it can be used for concentration, separation and purification of a target gas from a gas fluid containing various gas components, or removal of harmful components contained in the gas fluid.
200、250、300、350、400、450 酸素濃縮部
201、301、401 吸着剤
202、302、402 濃縮室
203、303、403 再生室
204、304、404 外壁部材(濃縮室)
205、305、405 外壁部材(再生室)
206、306、406 外壁部材
208、308 移送手段(回転体)
408 移送手段(ピストン部材)
200, 250, 300, 350, 400, 450
205, 305, 405 Outer wall member (regeneration chamber)
206, 306, 406
408 Transfer means (piston member)
Claims (16)
前記第2成分を吸着する吸着剤に前記原料ガス流体を接触させて、前記第2成分を前記吸着剤に吸着させ前記第1成分を濃縮する濃縮室と、
前記第2成分を吸着した前記吸着剤から前記第2成分を脱離させて前記吸着剤を再生する、前記濃縮室の圧力より低い圧力に維持されている再生室と、
予め決められたタイミングで前記第2成分を吸着した吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送し、前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送する移送手段と、
を有することを特徴とする成分濃縮分離装置。 A component concentrating / separating device for concentrating the first component from a source gas fluid containing at least a first component and a second component,
A concentration chamber in which the raw material gas fluid is brought into contact with an adsorbent that adsorbs the second component, the second component is adsorbed on the adsorbent, and the first component is concentrated;
A regeneration chamber maintained at a pressure lower than the pressure of the concentrating chamber, regenerating the adsorbent by desorbing the second component from the adsorbent that has adsorbed the second component;
Transfer means for transferring the adsorbent adsorbing the second component at a predetermined timing from the concentration chamber to the regeneration chamber, and transferring the regenerated adsorbent from the regeneration chamber to the concentration chamber;
A device for concentrating and separating components.
前記濃縮室は前記回転部材と、前記回転部材との間で密閉空間を形成する第1外壁部材とによって囲まれた空間からなり、
前記再生室は前記回転部材と、前記回転部材との間で密閉空間を形成する第2外壁部材とによって囲まれた空間からなり、
前記回転部材は前記略円筒形状の軸を中心に前記濃縮室と前記再生室との間を回転移動することを特徴とする請求項1に記載の成分濃縮分離装置。 The transfer means is a substantially cylindrical rotating member, and the adsorbent is disposed on at least a part of the surface of the rotating member,
The concentrating chamber comprises a space surrounded by the rotating member and a first outer wall member that forms a sealed space between the rotating member,
The regeneration chamber comprises a space surrounded by the rotating member and a second outer wall member that forms a sealed space between the rotating member,
The component concentrating / separating apparatus according to claim 1, wherein the rotating member rotates and moves between the concentrating chamber and the regeneration chamber about the substantially cylindrical shaft.
前記濃縮室は前記ピストン部材と、前記ピストン部材との間で密閉空間を形成する第1外壁部材とによって囲まれた空間からなり、
前記再生室は前記ピストン部材と前記ピストン部材との間で密閉空間を形成する第2外壁部材とによって囲まれた空間からなり、
前記ピストン部材は前記濃縮室と前記再生室との間を往復移動することを特徴とする請求項1に記載の成分濃縮分離装置。 The transfer means is a piston member, and the adsorbent is disposed on at least a part of the surface of the piston member,
The concentrating chamber comprises a space surrounded by the piston member and a first outer wall member that forms a sealed space between the piston member,
The regeneration chamber is composed of a space surrounded by a second outer wall member that forms a sealed space between the piston member and the piston member;
The component concentration separation apparatus according to claim 1, wherein the piston member reciprocates between the concentration chamber and the regeneration chamber.
前記第2成分を吸着する吸着剤が配置された濃縮室に前記原料ガス流体を導入して前記吸着剤に前記原料ガス流体を接触させて、前記第2成分を前記吸着剤に吸着させ前記第1成分を濃縮する工程と、
予め決められたタイミングで前記第2成分を吸着した前記吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送する工程と、
前記濃縮室の圧力より低い圧力に維持されている再生室において前記移送された前記吸着剤から吸着した前記第2成分を脱離させて前記吸着剤を再生する工程と、
予め決められたタイミングで前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送する工程と、
を有することを特徴とする成分濃縮分離方法。 A component concentration separation method for concentrating the first component from a source gas fluid containing at least a first component and a second component,
The raw material gas fluid is introduced into a concentrating chamber in which an adsorbent that adsorbs the second component is disposed, the raw material gas fluid is brought into contact with the adsorbent, and the second component is adsorbed by the adsorbent. Concentrating one component;
Transferring the adsorbent adsorbing the second component at a predetermined timing from the concentration chamber to the regeneration chamber;
Regenerating the adsorbent by desorbing the second component adsorbed from the adsorbent transferred in the regeneration chamber maintained at a pressure lower than the pressure of the concentration chamber;
Transferring the regenerated adsorbent from the regeneration chamber to the concentration chamber at a predetermined timing;
The component concentration separation method characterized by having.
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---|---|---|---|
JP2006032837A JP2007209900A (en) | 2006-02-09 | 2006-02-09 | Apparatus and method for concentrating and separating component |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP5470490B1 (en) * | 2013-06-26 | 2014-04-16 | 新菱冷熱工業株式会社 | Desiccant dehumidifier, desiccant air conditioning system, and desiccant rotor |
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2006
- 2006-02-09 JP JP2006032837A patent/JP2007209900A/en not_active Withdrawn
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