JP2020018977A - Oxygen concentrator - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は酸素濃縮装置に関する。さらに詳しくは、空気中の酸素濃度よりも高濃度の酸素濃縮ガスを生成して供給する酸素濃縮装置に関する。 The present disclosure relates to an oxygen concentrator. More specifically, the present invention relates to an oxygen concentrator that generates and supplies an oxygen-enriched gas having a higher concentration than the oxygen concentration in air.
空気中の酸素濃度よりも高濃度の酸素濃縮ガスを生成して、これを酸素タンクに貯留し、当該酸素タンクから必要な箇所に酸素濃縮ガスを供給する酸素濃縮装置が知られている。 There is known an oxygen concentrator that generates an oxygen-enriched gas having a higher concentration than the oxygen concentration in the air, stores it in an oxygen tank, and supplies the oxygen-enriched gas from the oxygen tank to a required portion.
かかる酸素濃縮装置として、2〜3筒の吸着筒を用い、加圧圧力から大気圧の間で圧力スイングをするPSA(Pressure Swing Adsorption)方式の装置がある。このPSA方式の酸素濃縮装置では、吸着筒内の圧力が大気圧より高い圧力範囲で変動することから、吸着筒内に収容されている吸着剤の吸着効率が低いという問題がある。 As such an oxygen concentrator, there is a PSA (Pressure Swing Adsorption) type device that uses two or three adsorption tubes and performs a pressure swing between a pressurized pressure and an atmospheric pressure. The PSA type oxygen concentrator has a problem that the adsorption efficiency of the adsorbent contained in the adsorption cylinder is low because the pressure in the adsorption cylinder fluctuates in a pressure range higher than the atmospheric pressure.
そこで、吸着効率を高めるために、酸素濃縮ガスを酸素タンクに供給した後の吸着筒を大気開放して減圧するのではなく、当該吸着筒を真空ポンプによって吸引して大気圧より低い圧力に減圧するVPSA(Vacuum Pressure Swing Adsorption)方式の装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, in order to increase the adsorption efficiency, instead of opening the adsorption cylinder after supplying the oxygen-enriched gas to the oxygen tank and depressurizing the adsorption cylinder, the adsorption cylinder is suctioned by a vacuum pump and decompressed to a pressure lower than the atmospheric pressure. A VPSA (Vacuum Pressure Swing Adoption) type device has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
近年、酸素濃縮装置において高効率で酸素濃縮ガスを生成することが望まれているが、そのためにはコンプレッサの空気供給能力や真空ポンプの空気吸引能力を高める必要があり、酸素濃縮装置の容積、重量や消費電力量が大きくなる。 In recent years, it has been desired to generate oxygen-enriched gas with high efficiency in an oxygen concentrator. To this end, it is necessary to increase the air supply capacity of a compressor and the air suction capacity of a vacuum pump. Weight and power consumption increase.
本開示は、酸素生成をより高い効率で実現できる酸素濃縮装置を提供することを目的としている。 An object of the present disclosure is to provide an oxygen concentrator capable of realizing oxygen generation with higher efficiency.
本開示の酸素濃縮装置は、
(1)3筒以上の複数の吸着筒と、各吸着筒に加圧空気を供給するコンプレッサと、各吸着筒から気体を吸引する真空ポンプとを備えた酸素濃縮装置であって、
各吸着筒の入口側管路に接続され、各吸着筒と外気とを連通する連通管と、当該連通管の管路を開閉する制御弁とを有する。
Oxygen concentrator of the present disclosure,
(1) An oxygen concentrator comprising: three or more adsorption cylinders; a compressor for supplying pressurized air to each adsorption cylinder; and a vacuum pump for sucking gas from each adsorption cylinder.
It has a communication pipe connected to the inlet-side pipe of each adsorption cylinder and communicating each adsorption cylinder with the outside air, and a control valve for opening and closing the pipe of the communication pipe.
本開示の酸素濃縮装置では、各吸着筒と外気とを連通する連通管が設けられているので、例えば3筒の吸着筒を有する場合において、第1の吸着筒で加圧工程を実施し、第2の吸着筒で減圧工程を実施している間に、残りの第3の吸着筒と外気とを制御弁の操作により開状態にして当該第3の吸着筒内を加圧状態から大気圧状態に、又は、負圧状態から大気圧状態にすることができる。すなわち、第3の吸着筒内の圧力と大気圧との差圧を利用することで、コンプレッサや真空ポンプの力を用いることなく、当該第3の吸着筒内の圧力を大気圧まで戻すことができる。従って、続く工程において第3の吸着筒を加圧する場合、コンプレッサは大気圧状態から加圧状態にすればよいので負圧状態から加圧する場合に比べてコンプレッサに要求される空気供給能力を低減させることができる。一方、続く工程において第3の吸着筒を減圧する場合、真空ポンプは大気圧状態から負圧状態にすればよいので加圧状態から減圧する場合に比べて真空ポンプに要求される空気吸引能力を低減させることができる。要求されるコンプレッサの空気供給能力と真空ポンプの空気吸引能力を低減させることで、酸素濃縮装置の小型軽量化や消費電力量の低減化を実現させることができる。換言すれば、酸素生成をより高い効率で実現することができる。 In the oxygen concentrator of the present disclosure, since a communication pipe that communicates each adsorption column with the outside air is provided, for example, when three adsorption columns are provided, the pressurizing step is performed in the first adsorption column, While the pressure reducing step is being performed in the second adsorption column, the remaining third adsorption column and the outside air are opened by operating the control valve, and the inside of the third adsorption column is changed from the pressurized state to the atmospheric pressure. State or from a negative pressure state to an atmospheric pressure state. That is, by utilizing the pressure difference between the pressure in the third adsorption cylinder and the atmospheric pressure, the pressure in the third adsorption cylinder can be returned to the atmospheric pressure without using the power of a compressor or a vacuum pump. it can. Therefore, when the third adsorption cylinder is pressurized in the subsequent step, the compressor may be changed from the atmospheric pressure state to the pressurized state, so that the air supply capacity required for the compressor is reduced as compared with the case where the compressor is pressurized from the negative pressure state. be able to. On the other hand, when the pressure of the third adsorption cylinder is reduced in the subsequent step, the vacuum pump may be changed from the atmospheric pressure state to the negative pressure state. Can be reduced. By reducing the required air supply capacity of the compressor and the air suction capacity of the vacuum pump, it is possible to realize a reduction in the size and weight of the oxygen concentrator and a reduction in power consumption. In other words, oxygen generation can be realized with higher efficiency.
(2)前記(1)の酸素濃縮装置において、前記連通管が、外気を吸着筒内に給気する第1管路と、吸着筒内の気体を排気する第2管路とを有するものとすることができる。この場合、第1管路を用いて吸着筒内に外気を給気することができ、第2管路を用いて吸着筒内の気体を排気することができる。 (2) In the oxygen concentrator according to (1), the communication pipe has a first pipe for supplying outside air into the adsorption cylinder, and a second pipe for exhausting gas in the adsorption cylinder. can do. In this case, outside air can be supplied into the adsorption cylinder using the first pipe, and gas in the adsorption cylinder can be exhausted using the second pipe.
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の酸素濃縮装置を詳細に説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 Hereinafter, the oxygen concentrator of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present disclosure is not limited to these exemplifications, but is indicated by the claims, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the claims.
図1は、本開示の一実施形態に係る酸素濃縮装置Aの説明図である。酸素濃縮装置Aは、3筒の吸着筒1a,1b,1cと、コンプレッサ2と、真空ポンプ3と、酸素タンク4とを備えた、VPSA方式の酸素濃縮装置である。参照符号1a,1b及び1cは、それぞれ第1の吸着筒、第2の吸着筒及び第3の吸着筒を示している。
FIG. 1 is an explanatory diagram of an oxygen concentrator A according to an embodiment of the present disclosure. The oxygen concentrator A is a VPSA type oxygen concentrator including three
コンプレッサ2は、空気取入口5から機内に取り入れられた空気を加圧し、管路6に送出する。管路6に送出された加圧空気は、管路11a,11b,11cを経て吸着筒1a,1b,1cの各下方側から吸着筒内に送入される。吸着筒1a,1b,1c内には加圧空気中の窒素を吸着する吸着剤が収納されている。
The
吸着剤が収納されている吸着筒1a,1b,1cを加圧空気が通過することで、空気中の酸素濃度よりも高濃度の酸素濃縮ガスを生成することができ、吸着筒1a,1b,1cの各上方側から得られる酸素濃縮ガスは、管路12a、12b、12cから管路7を経て酸素タンク4に貯留される。なお、図1において下方に図示されている管路16は、吸着筒1a,1b,1c内の気体を真空ポンプ3により外部に排出するための経路である。
By passing pressurized air through the
各開閉弁(制御弁)13a,13b,13c、15a,15b,15c、18a,18b,18c、21a,21b,21cは、それぞれが配置された管路の気体の通過を開閉するための弁であり、制御部(図示せず)により所定のタイミングで開閉制御される。より詳細には、開閉弁13a,13b,13cは、加圧空気の吸着筒1a,1b,1cへの送出操作に寄与し、開閉弁15a,15b,15cは吸着筒1a,1b,1c内の気体を外部に排出する排出操作に寄与し、開閉弁18a,18b,18cはパージ操作に寄与する。また、開閉弁21a,21b,21cは、各吸着筒1a,1b,1cの入口側の管路11a,11b,11cに接続され、各吸着筒1a,1b,1cと外気とを連通する連通管8a,8b,8cの管路を開閉するための弁であり、後述する負圧状態から大気圧状態への増圧操作に寄与するとともに、加圧状態から大気圧状態への減圧操作に寄与する。
Each of the on-off valves (control valves) 13a, 13b, 13c, 15a, 15b, 15c, 18a, 18b, 18c, 21a, 21b, and 21c is a valve for opening and closing the passage of gas in a pipeline in which each is disposed. The opening and closing are controlled at a predetermined timing by a control unit (not shown). More specifically, the on-off
各吸着筒1a,1b,1cから酸素タンク4に至る管路12a,12b,12cには、逆止弁17a,17b,17cが設けられている。これらの逆止弁17a,17b,17cは、吸着筒1a,1b,1cから酸素タンク4への流れのみ許容する弁であり、各吸着筒1a,1b,1cから送出される酸素濃縮ガスが所定の圧力(例えば、100kPa)以上の場合に当該酸素濃縮ガスの酸素タンク4への送出を可能にする。なお、逆止弁に代えて、一般的な開閉弁(制御弁)を用いることもできる。
各吸着筒1a,1b,1cには、内部の圧力を監視するための圧力計9a,9b,9cがそれぞれ取り付けられており、また、酸素タンク4には、同じく内部の圧力を監視するための圧力計10が取り付けられている。
各連通管8a,8b,8cは、外気を吸着筒内に給気するための第1管路22a,22b,22cと、吸着筒内の気体を排気するための第2管路23a,23b,23cとを有している。これにより、第1管路22a,22b,22cを用いて吸着筒内に外気を給気することができ、前記第1管路22a,22b,22cとは別の管路である第2管路23a,23b,23cを用いて吸着筒内の気体を排気することできる。各第1管路22a,22b,22cには、外部から吸着筒内への流れのみ許容する逆止弁24a,24b,24cがそれぞれ設けられており、各第2管路23a,23b,23cには、吸着筒から外部への流れのみ許容する逆止弁25a,25b,25cがそれぞれ設けられている。
Each of the
第1管路22a,22b,22cの外気取入口(図示せず)と、第2管路23a,23b,23cの排気口(図示せず)とは、当該排気口から排気された気体(通常の空気よりも酸素濃度が低い)が外気取入口付近の外気と混合して、酸素濃度が低くなった外気が当該外気取入口から吸着筒内に給気されるのを抑制するために、当該排気口と当該外気取入口は、異なる空間に接続することが望ましい。これは、十分な空気循環が行われる開放空間であれば、排気口と外気取入口とを、ある程度の距離だけ離間させることでも実現できる。
The outside air inlets (not shown) of the
つぎに前述した構成を備えた酸素濃縮装置Aの操作例について、図2〜3を参照しつつ説明する。図2は、図1に示される酸素濃縮装置Aにおける弁の開通期間及び各吸着筒の圧力変動ないし変化を示す図であり、図3は、図2の部分図であって、第1の吸着筒1aの1サイクルの圧力変化と開閉弁の開通状態を示す図である。図2〜3において、左側から右側に時間が経過している。また、図2において、上側の図は、各開閉弁の開通期間を示しており、下側の図は、各吸着筒内部の圧力の変化を示している。吸着筒内の圧力は、負圧状態から加圧状態までの間で変化する。
Next, an operation example of the oxygen concentrator A having the above-described configuration will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram showing a valve opening period and a pressure fluctuation or change of each adsorption column in the oxygen concentrating device A shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a partial view of FIG. It is a figure which shows the pressure change of one cycle of
上側の図において、ハッチングで示す期間は、コンプレッサ2の吐出口から各吸着筒1a,1b,1cに至る管路に設けられる開閉弁13a,13b,13cの開通期間を示しており、コンプレッサ2で加圧された加圧空気が各吸着筒1a,1b,1c内に送出される期間(加圧期間)である。また、ダブルハッチングで示す期間は、各吸着筒1a,1b,1cから真空ポンプ3の吸込口に至る管路に設けられる開閉弁15a,15b,15cの開通期間を示しており、各吸着筒1a,1b,1c内の気体が真空ポンプ3により排気される期間(負圧期間)である。また、下側の図において、太い実線は第1の吸着筒1aの内部の圧力の変化を示しており、細い実線及び破線は、それぞれ第2の吸着筒1b及び第3の吸着筒1cの内部の圧力の変化を示している。
In the upper diagram, the period indicated by hatching indicates the opening period of the on-off
図2に示される例では、第1の吸着筒1a、第2の吸着筒1b及び第3の吸着筒1cの順に吸着筒内の加圧工程が行われる。また、図2において「T」で示される期間で第1の吸着筒1aの1サイクルの処理が行われる。この1サイクルの処理には、コンプレッサ2による加圧処理、真空ポンプ3による吸引処理、並びに、連通管8a,8b,8cを用いた、加圧状態から大気圧状態への減圧処理及び負圧状態から大気圧状態への増圧処理が含まれる。
In the example shown in FIG. 2, the pressurizing step in the adsorption cylinder is performed in the order of the
つぎに、第1の吸着筒1aについて、開閉弁の開閉と吸着筒内の圧力変化について詳細に説明する。なお、第2の吸着筒1b及び第3の吸着筒1cについての、開閉弁の開閉と吸着筒内の圧力変化は、図2に示されるように、時間のずれがあるだけで内容は第1の吸着筒1aと同様であるので、簡単のため、それらについての説明は省略する。
Next, the opening and closing of the on-off valve and the pressure change in the adsorption cylinder will be described in detail for the
前述したように、図2〜3では、左側から右側に時間が経過している。時点t0で開閉弁13aが開通する(開状態になる)と、吸着筒1a内にコンプレッサ2で加圧された加圧空気が供給され、当該吸着筒1a内の圧力は上昇する。
吸着筒1a内の圧力が上昇して、所定の圧力以上になると、当該吸着筒1aの出口側(酸素タンク側)の管路12aに設けられた逆止弁17aが開状態になる。逆止弁17aは時点t1で開状態になっている。逆止弁17aが開状態になると、吸着筒1a内の酸素濃縮ガスは、管路7を経て酸素タンク4内に供給される。逆止弁17aが開通している状態では、コンプレッサ2から吸着筒1a内に加圧空気が供給されていても、当該吸着筒1aの出口側が開放されているので吸着筒1a内の圧力は一定である。
As described above, in FIGS. 2 and 3, time elapses from the left to the right. When the on-off
When the pressure in the
時点t2で開閉弁13aが閉状態になり、コンプレッサ2から吸着筒1aへの加圧空気の供給が停止される。加圧空気供給の停止と同時にパージ弁である開閉弁18aが開状態になり、吸着筒1a内の酸素濃縮ガスの一部が、加圧工程に入る第2の吸着筒1b内の酸素濃度を高めるために当該第2の吸着筒1bに供給される。開閉弁18aが開状態になると、吸着筒1a内の圧力は、当該開閉弁18aが閉状態になる時点t3まで徐々に低下する。また、開閉弁18aが開状態になるのとほぼ同時に逆止弁17aは、所定の圧力未満となり、閉状態になる。
At time t2, the on-off
続く時点t3で開閉弁18aが閉状態になり、開閉弁21aが開状態になると、吸着筒1a内は、連通管8a(図1参照)を介して大気と連通状態になる。そうすると、時点t3における吸着筒1a内は加圧状態であり、大気は大気圧であるので、その差圧により、吸着筒1a内の気体(酸素濃度が空気中の酸素濃度よりも低くなった気体)は、第2管路23aに設けられた逆止弁25aを介して大気中に排気される。これにより、吸着筒1a内の圧力はほぼ大気圧まで減圧される。
At the subsequent time point t3, when the on-off
ついで時点t4で開閉弁21aが閉状態になり、開閉弁15aが開状態になると、吸着筒1a内の気体は真空ポンプ3により吸引されて大気中に排気される。これにより、吸着筒1a内の圧力は所定の負圧まで減圧される。
Next, at time t4, when the on-off
ついで時点t5で開閉弁15aが閉状態になり、開閉弁21aが開状態になると、吸着筒1a内は、連通管8aを介して大気と連通状態になる。そうすると、時点t5における吸着筒1a内は負圧状態であり、大気は大気圧であるので、その差圧により、大気中の空気は、第1管路22aに設けられた逆止弁24aを通って吸着筒1a内に供給される。これにより、吸着筒1a内の圧力はほぼ大気圧まで増圧される。
Next, at time t5, when the on-off
続く時点t6では、前記時点t0と同じく開閉弁13aが開状態になり、吸着筒1a内にコンプレッサ2で加圧された加圧空気が供給され、当該吸着筒1a内の圧力は上昇する。以後、時点t1〜t5に関連して説明した前述した工程が繰り返される。
At the subsequent time point t6, the on-off
図2の上側の図から分かるように、本実施形態では、第1の吸着筒1a、第2の吸着筒1b、第3の吸着筒1cの順に開閉弁13が開状態になっている。換言すれば、第1の吸着筒1a、第2の吸着筒1b、第3の吸着筒1cの順にコンプレッサ2から加圧空気が供給されている。
また、同様に、本実施形態では、第1の吸着筒1a、第2の吸着筒1b、第3の吸着筒1cの順に開閉弁15が開状態になっている。換言すれば、第1の吸着筒1a、第2の吸着筒1b、第3の吸着筒1cの順に真空ポンプ3で吸着筒内の気体が吸気されている。
As can be seen from the upper part of FIG. 2, in the present embodiment, the on-off
Similarly, in the present embodiment, the on-off valve 15 is opened in the order of the
本実施形態では、コンプレッサ2から吸着筒1a内に加圧空気を供給する直前の一定の期間(前記説明においてt5からt6までの期間)、開閉弁21aを開状態にして吸着筒1a内と大気とを連通状態にしている。これにより、吸着筒1a内の負圧と大気圧との差圧により、連通管8aを介して吸着筒1a内に外気が供給され、吸着筒1a内の圧力はほぼ大気圧になる。従来のVPSA方式の酸素濃縮装置では、前記時点t5においてコンプレッサ2を用いて吸着筒1a内に加圧空気を供給して大気圧状態にし、さらに加圧状態にしているが、本実施形態では、負圧状態から大気圧までの増圧を吸着筒内の負圧と大気圧との差圧を利用しているので、同じ容積の吸着筒に対して従来よりも小さい能力のコンプレッサでも当該吸着筒内を加圧状態にすることができ、コンプレッサ2の消費電力量を低減させることができる。
In the present embodiment, the open /
また、本実施形態では、真空ポンプ3で吸着筒1a内を吸気する直前の一定の期間(前記説明においてt3からt4までの期間)、開閉弁21aを開状態にして吸着筒1a内と大気とを連通状態にしている。これにより、吸着筒1a内の加圧圧力と大気圧との差圧により、連通管8aを介して吸着筒1a内の気体が外部に排気され、吸着筒1a内の圧力はほぼ大気圧になる。従来のVPSA方式の酸素濃縮装置では、前記時点t3において真空ポンプ3を用いて吸着筒1a内を吸気して大気圧状態にし、さらに負圧状態にしているが、本実施形態では、加圧状態から大気圧までの減圧を吸着筒内の加圧圧力と大気との差圧を利用しているので、同じ容積の吸着筒に対して従来よりも小さい能力のコンプレッサでも当該吸着筒内を負圧状態にすることができ、真空ポンプ3の消費電力量を低減させることができる。
In the present embodiment, the on-off
〔その他の変形例〕
本開示は前述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。
例えば、前述した実施形態では、3つの吸着筒を備えた酸素濃縮装置としているが、吸着筒の数は3以上の複数であればよく、例えば4つの吸着筒を備えていてもよい。
[Other modifications]
The present disclosure is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made within the scope of the claims.
For example, in the above-described embodiment, the oxygen concentrator is provided with three adsorption cylinders. However, the number of adsorption cylinders may be three or more, and for example, four adsorption cylinders may be provided.
1a : 吸着筒(第1の吸着筒)
1b : 吸着筒(第2の吸着筒)
1c : 吸着筒(第3の吸着筒)
2 : コンプレッサ
3 : 真空ポンプ
4 : 酸素タンク
5 : 空気取入口
6 : 管路
7 : 管路
8a,8b,8c : 連通管
9a,9b,9c : 圧力計
10 : 圧力計
11a,11b,
11c : 管路
13a、13b、
13c : 開閉弁
15a、15b、
15c : 開閉弁
16 : 管路
17a、17b、
17c : 逆止弁
18a、18b、
18c : 開閉弁
21a、21b、
21c : 開閉弁
22a,22b,
22c : 第1管路
23a,23b,
23c : 第2管路
24a、24b、
24c : 逆止弁
25a、25b、
25c : 逆止弁
A : 酸素濃縮装置
1a: adsorption cylinder (first adsorption cylinder)
1b: adsorption cylinder (second adsorption cylinder)
1c: adsorption cylinder (third adsorption cylinder)
2: Compressor
3: Vacuum pump
4: Oxygen tank
5: Air intake
6: Pipe
7:
10:
11c:
13c: on-off
15c: On-off valve
16:
17c:
18c: on-off
21c: On-off
22c:
23c:
24c:
25c: Check valve
A: Oxygen concentrator
Claims (2)
各吸着筒(1a,1b,1c)の入口側管路(11a,11b,11c)に接続され、各吸着筒(1a,1b,1c)と外気とを連通する連通管(8a,8b,8c)と、当該連通管(8a,8b,8c)の管路を開閉する制御弁(21a,21b,21c)とを有する、酸素濃縮装置(A)。 Three or more adsorption cylinders (1a, 1b, 1c), a compressor (2) for supplying pressurized air to each adsorption cylinder (1a, 1b, 1c), and each adsorption cylinder (1a, 1b, 1c) Oxygen concentrator (A) comprising a vacuum pump (3) for sucking gas from
Communication pipes (8a, 8b, 8c) connected to the inlet side pipe lines (11a, 11b, 11c) of each of the adsorption cylinders (1a, 1b, 1c) and communicating the respective adsorption cylinders (1a, 1b, 1c) with the outside air. ) And a control valve (21a, 21b, 21c) for opening and closing the conduit of the communication pipe (8a, 8b, 8c).
The communication pipes (8a, 8b, 8c) suck the outside air into the suction pipes (1a, 1b, 1c), and the first pipes (22a, 22b, 22c) and the suction pipes (1a, 1b, 1c). The oxygen concentrator (A) according to claim 1, further comprising a second pipe (23a, 23b, 23c) for exhausting the gas.
Priority Applications (3)
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