JP3455751B2 - 大型施設の室内酸素濃度制御方法及び室内酸素濃度を制御可能な大型施設 - Google Patents

大型施設の室内酸素濃度制御方法及び室内酸素濃度を制御可能な大型施設

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JP3455751B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、大気中の空気か
ら直接に酸素と窒素を分離する膜分離装置を利用して高
酸素空気と低酸素空気を分別して取り出し、高酸素空気
を供給した高酸素室は疲労回復、高齢者の運動、病後の
リハビリテーションなどに利用し、低酸素空気を供給し
た低酸素室はスポーツの高地トレーニングその他に利用
する技術の分野に属し、更に言えば、大容量の制御を必
要とする大型施設のための室内酸素濃度制御方法と、同
方法によって室内酸素濃度の制御が可能な大型施設に関
する。
【0002】
【従来の技術】 従来、空気から直接に酸素と窒素を
分離する膜分離技術ないし膜分離装置は公知に属する
(例えば特開昭63−53109号、特公平1−443
66号公報記載の発明などを参照)。
【0003】 また、前記の膜分離装置により高酸素
空気と低酸素空気を分別して取り出し、高酸素空気を供
給する高酸素室は疲労回復、高齢者の運動、病後のリハ
ビリテーションなどに利用し、低酸素空気を供給する低
酸素室はスポーツの高地トレーニングその他に利用する
技術も、例えば特開平10−216455号、特開平1
1−276635号公報にそれぞれ記載されて公知に属
する。
【0004】上記の室内酸素濃度制御方法は、通常空
気の供給系統と、膜分離装置で酸素濃度を調整した空気
を供給する調整空気供給系統とを並列に設け、両系統を
対象施設に至る混合室に接続し、混合室で酸素濃度が一
定となるように混合した空気を対象室へ供給する方法で
ある。この方法を小規模施設に実施する場合には、送風
量そのものが基本的に小さいので、多少の変動幅がある
としても、何等問題はないものである。
【0005】
【本発明が解決しようとする課題】例えば高地トレーニ
ングに利用する低酸素室へ供給する低酸素空気の酸素濃
度は、低酸素室において制御したい酸素濃度幅に対し
て、最も低い酸素濃度よりも更に低い酸素濃度に調整し
た低酸素空気を供給しなければならない。一例として、
10%〜15%の範囲で酸素濃度を制御したい低酸素室
の場合、供給するべき低酸素空気の酸素濃度は9%前後
に設定する必要がある。つまり、酸素濃度9%前後の低
酸素空気を原資として、低酸素室の酸素濃度を10%〜
15%の範囲で制御するのである。よって、酸素濃度1
0%の制御はさておき、酸素濃度を15%に制御する場
合には、酸素濃度を希釈するために大量の通常空気(外
気)を必要とすることになる。とりわけ低酸素室が高地
トレーニングに利用できるほどに大型で大容量の施設で
あると、前記通常空気の供給量は更に飛躍的に倍増し、
エネルギー消費が大となるばかりでなく、送風機の能力
に大きな問題が生ずる。
【0006】具体的に説明すると、高地トレーニングに
利用する低酸素室は、標高2000m級の酸素濃度(約
19%)から、標高3000m級の酸素濃度(約16
%)ないし標高6000m級の酸素濃度(約10%)の
実現が望まれる。しかも高地トレーニング用としての適
性上、低酸素室が、一辺が3mの矩形断面で、長さが1
00m程度の大型施設である場合、同低酸素室の容量は
単純計算で900L(キロリットル)になる。したがっ
て、上記特開平11−276635号公報の図1に記載
され、且つ本願の図4に例示した構成の室内酸素濃度制
御方法によるときは、通常空気供給系統Aに必要な空気
量qと、膜分離装置11で酸素濃度を調整する調整空気
供給系統Bに必要とされる調整空気量Qは、大略、次の
ように計算される。
【0007】 標高 調整空気量Q 空気量q 合計(単位、L/min) 6000m: 900 105 1005 3000m: 900 885 1785 2000m: 900 1545 2445 但し、上記の数字は、膜分離装置11から供給する低酸
素空気の酸素濃度を9%とする場合である。
【0008】しかし、通常空気供給系統Aの送風機3の
能力及び性能として、毎分当たり風量を105L/mi
nから1545L/minまで運転することは、その性
能上は実際上不可能に近い。仮に2000m級の最大風
量をカバーできる大容量の送風機を使用するときは、6
000m級の最小風量に使用する際のモータ動力のエネ
ルギー消費が過大になって不経済である。
【0009】一案として、上記低酸素室1に必要な室内
酸素濃度の制御幅10%〜16%を、10%〜13.5
%の範囲と、13.5%〜16%の範囲の二つに区分し
て、前者の制御には酸素濃度が9%の低酸素空気を供給
し、後者の制御には酸素濃度が12.5%の低酸素空気
を供給する構成とすれば、上記通常空気の供給量qはか
なり低減化できることになる。
【0010】ところが、上記膜分離装置11の分離性能
は、空気の温度Tと空気流量Q及び空気圧力Pの三要素
によって大きく左右されることは周知である。具体的な
データとして、図2には、縦軸に調整空気流量比(供給
された空気と、調整された低酸素空気量との比)を示
し、横軸には調整された低酸素空気の酸素濃度(%)を
示す。図3Aには、空気の温度T及び空気流量Qが一定
で、横軸の空気圧力Pが変化する場合に、図1の符号1
1aの方へ出る低酸素空気Oa、および図1の符号11
bの方へ出る高酸素空気Obそれぞれの酸素濃度(%)
を縦軸に示す。図3Bには、空気温度Tと空気圧力Pが
一定で、横軸の空気流量Qが変化する場合に、図1の符
号11aの方へ出る低酸素空気Oa、及び図1の符号1
1bの方へ出る高酸素空気Obそれぞれの酸素濃度
(%)を縦軸に示している。
【0011】上記図2及び図3から推考されるように、
上述した一案の如く低酸素室1に必要な室内酸素濃度の
制御範囲を、高、中、低のように複数に区分してそれぞ
れの区分に適した酸素濃度の調整空気を供給する方法が
好ましいことは理解されても、膜分離装置11の分離性
能が、上述したように空気温度Tと空気流量Q及び空気
圧力Pの三要素によって大きく左右される以上、図4の
ように膜分離装置11の調整空気出口に単一の開閉弁1
2を設けただけの構成ではとうてい実行することは出来
ないのである。
【0012】本発明の目的は、特に大型施設の場合に、
通常空気供給量の変動幅を極力小さくして制御性を良好
ならしめると共に、通常空気の供給源要素(空気圧縮機
や送風機)の容量増大を抑制できて効率が良く、省エネ
ルギー化を図ることができる室内酸素濃度制御方法及び
室内酸素濃度を制御可能な大型施設を提供することであ
る。
【0013】本発明の次の目的は、膜分離装置の特徴と
して、一方の出口に低酸素空気が、他方の出口には高酸
素空気がそれぞれ分別して発生することに着眼し、特に
大型低酸素施設の場合に、通常空気供給系統へ前記の高
酸素空気を供給して混合することによって通常空気供給
量の変動幅を一層小さくして制御性を良好ならしめると
共に、通常空気の供給源要素(空気圧縮機や送風機)の
容量増大を抑制できて効率が良く、省エネルギー化を図
ることができる室内酸素濃度制御方法及び室内酸素濃度
を制御可能な大型施設を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決するための手段として、請求項1に記載した発明に係
る大型施設の室内酸素濃度制御方法は、室内酸素濃度の
制御を必要とする大型施設に対して、通常空気の供給系
統と、膜分離装置で酸素濃度を調整した空気を供給する
調整空気供給系統とを並列に設け、前記二つの系統は大
型施設の室内とつながる混合室へ接続すること、前記調
整空気供給系統には、膜分離装置から取り出した調整空
気の流路に、酸素濃度別に複数に分岐させた並列回路を
設け、その各並列路に酸素濃度別に専用の開閉弁を接続
すること、調整空気供給系統に必要とされる酸素濃度に
応じて、対応する並列路の開閉弁のみを開き、膜分離装
置で酸素濃度を調整した必要量の調整空気、および通常
空気供給系統から供給される必要量の通常空気をそれぞ
れ混合室で合流させ、混合室において混合した空気を室
内酸素濃度の制御を必要とする大型施設へ供給すること
を特徴とする。
【0015】請求項2記載の発明に係る大型施設の室内
酸素濃度制御方法は、室内酸素濃度の制御を必要とする
大型施設に対して、通常空気の供給系統と、膜分離装置
で酸素濃度を調整した空気を供給する調整空気供給系統
とを並列に設け、前記二つの系統は大型施設の室内とつ
ながる混合室へ接続すること、前記調整空気供給系統に
は、膜分離装置の一方の出口から取り出した調整空気の
流路に、酸素濃度別に複数に分岐させた並列回路を設
け、その各並列路に酸素濃度別に専用の開閉弁を接続す
ること、前記膜分離装置の他方の出口から取り出した調
整空気の流路は前記通常空気の供給系統と接続するこ
と、調整空気供給系統に必要とされる酸素濃度に応じ
て、対応する並列路の開閉弁のみを開き、膜分離装置で
酸素濃度を調整した必要量の調整空気、および通常空気
供給系統から供給される通常空気には前記膜分離装置の
他方の出口から取り出した調整空気を加えて必要量とし
た空気をそれぞれ混合室で合流させ、混合室において混
合した空気を室内酸素濃度の制御を必要とする大型施設
へ供給することを特徴とする。
【0016】請求項3記載の発明に係る室内酸素濃度を
制御可能な大型施設は、室内酸素濃度の制御を必要とす
る大型施設に対して、通常空気の供給系統と、膜分離装
置で酸素濃度を調整した空気を供給する調整空気供給系
統とを並列に設け、前記二つの系統は大型施設の室内と
つながる混合室へ接続されていること、前記調整空気供
給系統には、膜分離装置から取り出した調整空気の流路
に、酸素濃度別に複数に分岐させた並列回路を設け、そ
の各並列路に酸素濃度別に専用の開閉弁が接続されてい
ること、調整空気供給系統に必要とされる酸素濃度に応
じて、対応する並列路の開閉弁のみを開き、膜分離装置
で酸素濃度を調整した必要量の調整空気、および通常空
気供給系統から供給される必要量の通常空気をそれぞれ
混合室で合流させ、混合室において混合した空気が大型
施設へ供給されることを特徴とする。
【0017】請求項4記載の発明に係る室内酸素濃度を
制御可能な大型施設は、室内酸素濃度の制御を必要とす
る大型施設に対して、通常空気の供給系統と、膜分離装
置で酸素濃度を調整した空気を供給する調整空気供給系
統とを並列に設け、前記二つの系統は大型施設の室内へ
至る混合室に接続されていること、前記調整空気供給系
統には、膜分離装置の一方の出口から取り出した調整空
気の流路に、酸素濃度別に複数に分岐させた並列路を設
け、各並列路に酸素濃度別に専用の開閉弁が接続されて
いること、前記膜分離装置の他方の出口から取り出した
調整空気の流路は、途中の開閉弁を介して、前記通常空
気の供給系統と接続されていること、調整空気供給系統
に必要とされる酸素濃度に応じて、対応する並列路の開
閉弁のみを開き、膜分離装置で酸素濃度を調整した必要
量の調整空気、および通常空気供給系統から供給される
通常空気には前記膜分離装置の他方の出口から取り出し
た調整空気を加えて必要量とした空気をそれぞれ混合室
で合流させ、混合室において混合した空気が大型施設へ
供給されることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施形態及び実施例】図1は、請求項1及び2
に記載した発明に係る大型施設の室内酸素濃度制御方法
を実施する、請求項3及び4に記載した発明に係る室内
酸素濃度を制御可能な大型施設1の実施形態を示してい
る。本実施形態は、高地トレーニング用などとして使用
する大型の低酸素室1に関する。
【0019】室内酸素濃度を制御するべき大型施設1の
直前に位置する混合室2に、通常空気供給系統A、及び
膜分離装置11で酸素濃度を調整した空気を供給する調
整空気供給系統Bとが並列に接続されている。
【0020】通常空気供給系統Aには、通常空気供給源
要素としての送風機3から延びる空気配管4の途中に流
量制御弁5(自動弁)が設置されている。この流量制御
弁5は前記混合室2内の酸素濃度を測定するセンサー6
の測定値が入力されるコントローラ7により、混合室2
内の空気濃度が制御目標値(設定値)となるように通常
空気流量qを自動制御される。
【0021】一方、調整空気供給系統Bは、大気中の空
気を膜分離装置11へ供給する要素であるコンプレッサ
ー10と接続された膜分離装置11の一方の調整空気取
り出し口11aから取り出した低酸素空気の流路に、そ
の酸素濃度別(例えば9%、12.5%、15%など)
に複数に分岐した並列回路12a、12b、12cを設
け、各並列流路に各酸素濃度別に適性を有する専用の開
閉弁13a、13b、13cを接続した構成である。
【0022】前記並列回路の後流に自動切替え弁14が
設置されている。この自動切替え弁14は、やはり混合
室2内の酸素濃度その他を測定する安全センサー15に
よる酸素濃度その他の測定値により、前記自動切替え弁
14を外部排気へ自動切り替えして大型施設(低酸素
室)1内の居住環境を安全に保持する。
【0023】ちなみに上記したように膜分離装置11の
調整空気取り出し口11aから取り出す低酸素空気の酸
素濃度別に異なる複数の並列回路12a、12b、12
cを設けて、各並列流路に各酸素濃度に専用の開閉弁1
3a、13b、13cを接続した理由は、次のとおりで
ある。
【0024】大型施設(低酸素室)1に要求される酸素
濃度の制御範囲が、一例として上述した標高2000m
級(酸素濃度約19%)から標高6000m級(酸素濃
度約10%)の範囲に及ぶときは、その制御範囲を、例
えば標高6000m級(酸素濃度約10%)を下限と
する酸素濃度10%〜13.5%の制御範囲と、標高
3000m級(酸素濃度約16%)を上限とする酸素濃
度13.5%〜16%、及び標高2000m級(酸素
濃度約19%)までを含む酸素濃度16%以上の三つ
(複数)に区分するのが制御上有利であることは既に上
記解決課題の項で述べた。そこで、前記の各区分〜
の酸素濃度の制御に適正であるように、膜分離装置11
で調整した低酸素空気の酸素濃度をには9%、には
12.5%、には15%で供給できるようにするため
である。即ち、上記した開閉弁13a、13b、13c
はそれぞれ、前記した低酸素空気の酸素濃度9%、1
2.5%、及び15%に適応する専用の弁が選択される
のである。
【0025】上記設例を本実施形態の方法で室内酸素濃
度を制御したときは、通常空気供給系統Aに必要な空気
量qと、膜分離装置11で酸素濃度を調整する調整空気
供給系統Bに必要とされる調整空気量Qは、大略、次の
ように計算される。
【0026】 標高 調整空気量Q 空気量q 合計(単位、L/min) 6000m: 900 105 1005 3000m: 1050 525 1575 2000m: 1050 675 1725
【0027】これを上述した従来技術の数値と比較する
と、一見して明かなとおり、通常空気量qの変動は約6
倍程度であり、毎分当たり105L/minであれ、6
75L/minであっても、送風機3の通常の能力範囲
であり、何等問題はない。
【0028】以上は請求項1及び3記載の発明の実施形
態を説明したものである。次には同じ図1に基いて請求
項2及び4記載の発明の実施形態を説明する。
【0029】請求項2及び4記載の発明の大部分も、上
記請求項1及び3記載の発明の構成と共通するが、前記
膜分離装置11のもう一つの調整空気取り出し口11b
から取り出される高酸素空気の有効利用を図った点が特
徴である。即ち、前記調整空気取り出し口11bから取
り出す高酸素空気の流路は、途中の自動切替え弁16を
介して、前記通常空気供給系統Aの空気配管4と接続さ
れている。この自動切替え弁16も、上述の酸素濃度セ
ンサー6の測定値に基いてコントローラ7を通じて自動
制御される。
【0030】従って、大型施設1内の低酸素濃度の制御
は、第1段階として、上述の制御範囲に応じて対応する
並列路の開閉弁12aないし12cのいずれかを一つの
みを開き、該当する低酸素濃度(9%、12.5%、1
5%)の調整空気を混合室2へ供給する。例えば制御範
囲が10%〜13.5%のときは酸素濃度9%の調整空
気を、13.5〜16%のときは酸素濃度12.5%の
調整空気を、16%以上のときは酸素濃度15%の調整
空気をそれぞれ混合室2へ供給する。同時に通常空気供
給系統Aを通じて所定流量の通常空気をやはり混合室2
へ供給し、両空気の混合により目標とする低酸素濃度の
空気を作り、これを大型施設1内へ供給することは、上
記第1の実施形態の場合と同じである。
【0031】第2段階としては、前記の酸素濃度制御方
法において、通常空気供給系統Aで供給するべき通常空
気量が増大して、送風機3の負担が大きくなる場合に
は、前記切替え弁16を開いて、取り出し口11bから
得られる高酸素空気を通常空気へ合流させる。その結
果、通常空気の酸素濃度が上昇するから、その分通常空
気の供給量は相対的に少なくても、制御目標の低酸素濃
度を容易に達成することが出来る。
【0032】或いは当初から高酸素空気の利用を行う時
は、相対的に送風機3の基本容量を小さい等級で同様に
実施できるのである。
【0033】なお、上記の実施形態は、大型施設1を低
酸素室として利用する場合について説明したが、この限
りではない。逆に大型施設1を高酸素室として利用する
場合には、膜分離装置11の調整空気取り出し口11a
と11bを正反対に使用することにより全く同様に実施
することができる。
【0034】図1中の符号20は大型施設1の空気を放
出するダンパーを示している。
【0035】
【本発明が奏する効果】請求項1、2に記載した発明に
係る大型施設の室内酸素濃度制御方法、及び請求項3、
4に記載した発明に係る室内酸素濃度を制御可能な大型
施設によれば、特に大型施設で実施する場合に、通常空
気供給系統の送風機の風量負担を軽減でき、効率よく、
少ないエネルギー消費で経済的に実施できるのである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る室内酸素濃度制御方法を実施する
大型施設の実施形態を示した回路図である。
【図2】膜分離装置における調整空気流量比と酸素濃度
との相関図である。
【図3】A、Bは膜分離装置における調整空気の酸素濃
度と圧力及び流量との相関図である。
【図4】従来の室内酸素濃度制御方法を実施する大型施
設の実施形態を示した回路図である。
【符号の説明】
A 通常空気供給系統 B 調整空気供給系統 1 対象の大型施設 2 混合室 11 膜分離装置 11a 一つの調整空気取り出し口 11b 他方の調整空気取り出し口 12a〜12c 並列回路 13a〜13c 開閉弁 16 切替え弁(開閉弁)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−216455(JP,A) 特開 平11−276635(JP,A) 特開 平2−297382(JP,A) 特開 平4−76330(JP,A) 特開 昭60−137806(JP,A) 実開 平3−16958(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F24F 3/12 A61G 10/00 B01D 53/22 A63B 22/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】室内酸素濃度の制御を必要とする大型施設
    に対して、通常空気の供給系統と、膜分離装置で酸素濃
    度を調整した空気を供給する調整空気供給系統とを並列
    に設け、前記二つの系統は大型施設の室内とつながる混
    合室へ接続すること、 前記調整空気供給系統には、膜分離装置から取り出した
    調整空気の流路に、酸素濃度別に複数に分岐させた並列
    回路を設け、その各並列路に酸素濃度別に専用の開閉弁
    を接続すること、 調整空気供給系統に必要とされる酸素濃度に応じて、対
    応する並列路の開閉弁のみを開き、膜分離装置で酸素濃
    度を調整した必要量の調整空気、および通常空気供給系
    統から供給される必要量の通常空気をそれぞれ混合室で
    合流させ、混合室において混合した空気を室内酸素濃度
    の制御を必要とする大型施設へ供給することを特徴とす
    る、大型施設の室内酸素濃度制御方法。
  2. 【請求項2】室内酸素濃度の制御を必要とする大型施設
    に対して、通常空気の供給系統と、膜分離装置で酸素濃
    度を調整した空気を供給する調整空気供給系統とを並列
    に設け、前記二つの系統は大型施設の室内とつながる混
    合室へ接続すること、 前記調整空気供給系統には、膜分離装置の一方の出口か
    ら取り出した調整空気の流路に、酸素濃度別に複数に分
    岐させた並列回路を設け、その各並列路に酸素濃度別に
    専用の開閉弁を接続すること、 前記膜分離装置の他方の出口から取り出した調整空気の
    流路は前記通常空気の供給系統と接続すること、 調整空気供給系統に必要とされる酸素濃度に応じて、対
    応する並列路の開閉弁のみを開き、膜分離装置で酸素濃
    度を調整した必要量の調整空気、および通常空気供給系
    統から供給される通常空気には前記膜分離装置の他方の
    出口から取り出した調整空気を加えて必要量とした空気
    をそれぞれ混合室で合流させ、混合室において混合した
    空気を室内酸素濃度の制御を必要とする大型施設へ供給
    することを特徴とする、大型施設の室内酸素濃度制御方
    法。
  3. 【請求項3】室内酸素濃度の制御を必要とする大型施設
    に対して、通常空気の供給系統と、膜分離装置で酸素濃
    度を調整した空気を供給する調整空気供給系統とを並列
    に設け、前記二つの系統は大型施設の室内とつながる混
    合室へ接続されていること、 前記調整空気供給系統には、膜分離装置から取り出した
    調整空気の流路に、酸素濃度別に複数に分岐させた並列
    回路を設け、その各並列路に酸素濃度別に専用の開閉弁
    が接続されていること、 調整空気供給系統に必要とされる酸素濃度に応じて、対
    応する並列路の開閉弁のみを開き、膜分離装置で酸素濃
    度を調整した必要量の調整空気、および通常空気供給系
    統から供給される必要量の通常空気をそれぞれ混合室で
    合流させ、混合室において混合した空気が大型施設へ供
    給されることを特徴とする、室内酸素濃度を制御可能な
    大型施設。
  4. 【請求項4】室内酸素濃度の制御を必要とする大型施設
    に対して、通常空気の供給系統と、膜分離装置で酸素濃
    度を調整した空気を供給する調整空気供給系統とを並列
    に設け、前記二つの系統は大型施設の室内とつながる混
    合室へ接続されていること、 前記調整空気供給系統には、膜分離装置の一方の出口か
    ら取り出した調整空気の流路に、酸素濃度別に複数に分
    岐させた並列回路を設け、その各並列路に酸素濃度別に
    専用の開閉弁が接続されていること、 前記膜分離装置の他方の出口から取り出した調整空気の
    流路は、途中の開閉弁を介して、前記通常空気の供給系
    統と接続されていること、 調整空気供給系統に必要とされる酸素濃度に応じて、対
    応する並列路の開閉弁のみを開き、膜分離装置で酸素濃
    度を調整した必要量の調整空気、および通常空気供給系
    統から供給される通常空気には前記膜分離装置の他方の
    出口から取り出した調整空気を加えて必要量とした空気
    をそれぞれ混合室で合流させ、混合室において混合した
    空気が大型施設へ供給されることを特徴とする、室内酸
    素濃度を制御可能な大型施設。
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