JP3481462B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は酸素濃縮装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば空気を原料ガスとしてその酸素を
濃縮し、酸素濃化ガスを得る酸素濃縮器は、例えば医
療、衛生、食品あるいは公害防止等の分野にて使用され
ている。このような酸素濃縮器としては、例えばゼオラ
イト等からなる窒素吸着体を満たした容器中に原料ガス
である空気をコンプレッサにより供給し、窒素を吸着体
に吸着させてこれを除去することにより、酸素を濃縮し
た酸素濃化ガスを得るタイプのものが普及している。こ
こで、窒素吸着体は、一定以上に窒素を吸着すれば吸着
能が低下するが、吸着体への窒素の吸着は大半が物理吸
着なので、接触雰囲気の窒素分圧を原料ガス供給時より
も下げてやれば窒素が脱着され、再び吸着能が回復す
る。

【０００３】そこで、既存の酸素濃縮器では、窒素吸着
体の収容容器を２系統用意し、そのうちの片方に原料ガ
スを供給して酸素濃化ガスを生成させる一方、他方へは
原料ガスの供給を遮断し、代わって内部を減圧あるいは
大気開放することにより窒素分圧を下げて窒素の脱着を
行う操作を交互に切り替えながら行うことにより、酸素
濃縮ガスを連続的に供給できるようにしている。この切
り替えは、具体的には、各容器に形成された原料ガス導
入口、酸素濃化ガス排出口あるいは脱着ガス排出口に対
応して電磁バルブを設け、タイマーを含んだシーケンス
制御回路により、各電磁バルブを予め定められたタイミ
ングで開閉制御することにより行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成では高価な電磁バルブが多数必要となる上、タイマー
を含んだ電磁バルブの制御回路構成も複雑になるので装
置コストが高騰し、故障等も生じやすく、メンテナンス
も面倒で手間と費用がかかる欠点がある。また、バルブ
の電気配線が煩雑化し、入り組んだ配管のレイアウトも
からんで組立て作業が非常に面倒になる問題がある。

【０００５】また、コンプレッサの駆動モータが、誘導
モータなど、交流周波数の変化により回転数が変化する
モータであると、次のような別の不具合が生ずる場合が
ある。例えば日本国内においては、交流周波数は６０Ｈ
ｚの地域と５０Ｈｚの地域とが存在する。ここで、コン
プレッサのモータ回転数を５０Ｈｚ交流の使用を基準に
設定すると、同じ装置を６０Ｈｚ地域に持ち込んで運転
した場合にモータの回転数が高くなり、容器への原料ガ
スの供給圧力が上がり過ぎて、容器を損傷したりする不
具合を生ずる場合がある。逆に、モータ回転数を６０Ｈ
ｚ交流の使用を基準に設定すると、同じ装置を５０Ｈｚ
地域に持ち込んで運転した場合にモータの回転数が低く
なり、原料ガスの圧力が低下して酸素濃縮効率が悪化す
る問題を生ずる場合がある。

【０００６】例えば、交流周波数により原料ガスの圧力
が増大する場合は、例えば電磁バルブのタイマー切替の
時間間隔を短縮し、高圧の原料ガスが長時間継続しない
ようにすることが考えられる。他方、原料ガスの圧力が
減少する場合は、タイマー切替の時間間隔を逆に延長
し、吸着媒体と原料ガスとの接触時間を長くして、酸素
濃縮効率を改善することが考えられる。しかしながら、
いずれの場合もシーケンス制御回路の組み替えや設定変
更等を余儀なくされ、作業が面倒である上、回路を設定
変更あるいは組み替え可能に構成する分だけコスト高と
なってしまう問題がある。

【０００７】本発明の課題は、バルブの制御機構が極め
て簡略化されて安価に構成でき、かつ組立て作業も容易
な酸素濃縮装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の、本明細書の請求項に記載した発明は以下の通りであ
る。 （請求項１） 酸素と酸素以外の不純ガス成分とを含ん
だ原料ガスを吸着媒体と接触させ、その不純ガス成分を
吸着媒体に吸着させて除去することにより酸素を濃縮し
て、酸素濃化ガスを製造する酸素濃縮装置であって、そ
れぞれ吸着媒体を収容する複数の吸着媒体収容部と、吸
着媒体収容部内に原料ガスを所定の圧力で供給する原料
ガス供給部と、吸着媒体収容部からの酸素濃化ガスを取
り出す酸素濃化ガス取出し部と、原料ガスの供給を遮断
した状態で吸着媒体収容部内を該原料ガスの供給圧力よ
りも低圧とすることにより、吸着媒体に吸着された不純
ガス成分を脱着させ、その脱着ガスを該吸着媒体収容部
から排出させる脱着ガス排出手段と、各吸着媒体収容部
毎に設けられ、それぞれ原料ガス供給部及び酸素濃化ガ
ス取出し部と脱着ガス排出手段とのいずれかを選択的に
接続することにより、対応する吸着媒体収容部に対する
原料ガスの供給及び酸素濃化ガスの回収を行う酸素濃化
モードと、同じく脱着ガスの排出を行う脱着ガス排出モ
ードとを切り替えるモード切替バルブ機構と、回転駆動
部により駆動される回転軸と、その回転軸の回転駆動力
をバルブ開閉の駆動力に機械的に変換して、対応するモ
ード切替バルブ機構に伝達する個別の駆動変換伝達機構
とを備えたバルブ駆動手段とを備え、複数の吸着媒体収
容部は２以上のグループに組分けされ、各駆動変換伝達
機構は、回転軸の回転に伴い、対応する吸着媒体収容部
において酸素濃化モードと脱着ガス排出モードとが所定
の周期で交替するようにモード切替バルブ機構を駆動す
るとともに、そのモード切替タイミングを与える回転位
相角が、吸着媒体収容部のグループ間で互いに異なるも
のとなるように設定されており、吸着媒体収容部毎に設
けられたモード切替バルブ機構は、原料ガス供給部と吸
着媒体収容部とを結ぶ原料ガス供給管路、吸着媒体収容
部と酸素濃化ガス取出し部とを結ぶ酸素濃化ガス排出管
路、及び吸着媒体収容部と脱着ガス排出手段とを結ぶ脱
着ガス排出管路のそれぞれに設けられ、各管路をそれぞ
れ開閉する複数のバルブを備えて構成されるとともに、
それら複数のバルブが、各管路とともにバルブ収容ケー
ス内に一体的に組みつけられて集合バルブユニットを形
成しており、かつそのバルブ収容ケースには、吸着媒体
収容部、酸素濃化ガス取出し部、原料ガス供給部、及び
脱着ガス排出手段をそれぞれ対応する各管路に着脱可能
に接続するための接続部が形成されていることを特徴と
する酸素濃縮装置。 （請求項２） 複数の吸着媒体収容部は２つのグループ
に分割され、その第一グループと第二グループとの一方
が酸素濃化モードとなる場合は他方が脱着ガス排出モー
ドとなるように、各駆動変換伝達機構において、モード
切替タイミングを与える回転位相角が、それらグループ
間で略１８０度ずれて設定されている請求項１記載の酸
素濃縮装置。 （請求項３） 原料ガス供給部は、原料ガスを圧搾供給
するコンプレッサを含むものであり、バルブ駆動手段に
含まれる回転駆動部とコンプレッサとは、いずれも共通
の交流電源により駆動されるとともに、その交流周波数
に依存して回転速度を変化させるモータを駆動源とする
ものである請求項１又は２に記載の酸素濃縮装置。 （請求項４） 酸素と酸素以外の不純ガス成分とを含ん
だ原料ガスを吸着媒体と接触させ、その不純ガス成分を
吸着媒体に吸着させて除去することにより酸素を濃縮し
て、酸素濃化ガスを製造する酸素濃縮装置であって、そ
れぞれ吸着媒体を収容する複数の吸着媒体収容部と、吸
着媒体収容部内に原料ガスを所定の圧力で供給する原料
ガス供給部と、吸着媒体収容部からの酸素濃化ガスを取
り出す酸素濃化ガス取出し部と、原料ガスの供給を遮断
した状態で吸着媒体収容部内を該原料ガスの供給圧力よ
りも低圧とすることにより、吸着媒体に吸着された不純
ガス成分を脱着させ、その脱着ガスを該吸着媒体収容部
から排出させる脱着ガス排出手段と、各吸着媒体収容部
毎に設けられ、それぞれ原料ガス供給部及び酸素濃化ガ
ス取出し部と脱着ガス排出手段とのいずれかを選択的に
接続することにより、対応する吸着媒体収容部に対する
原料ガスの供給及び酸素濃化ガスの回収を行う酸素濃化
モードと、同じく脱着ガスの排出を行う脱着ガス排出モ
ードとを切り替えるモード切替バルブ機構と、回転駆動
部により駆動される回転軸と、その回転軸の回転駆動力
をバルブ開閉の駆動力に機械的に変換して、対応するモ
ード切替バルブ機構に伝達する個別の駆動変 換伝達機構
とを備えたバルブ駆動手段とを備え、モード切替バルブ
機構は、それぞれ回転軸に取り付けられたカムにより所
定周期で開閉駆動される複数のカム駆動バルブを含むも
ので構成され、複数の吸着媒体収容部は２以上のグルー
プに組分けされ、各駆動変換伝達機構は、回転軸の回転
に伴い、対応する吸着媒体収容部において酸素濃化モー
ドと脱着ガス排出モードとが所定の周期で交替するよう
にモード切替バルブ機構を駆動するとともに、そのモー
ド切替タイミングを与える回転位相角が、吸着媒体収容
部のグループ間で互いに異なるものとなるように設定さ
れている酸素濃縮装置。 （請求項５） 各々対応するモード切替バルブ機構に属
する複数のカム駆動バルブが一列に並んだ状態で配置さ
れ、それらカム駆動バルブ群が、共通の回転軸に取り付
けられて互いに一体的に回転するカム群により駆動され
る請求項４記載の酸素濃縮装置。 （請求項６） 各モード切替バルブ機構は、原料ガス供
給部と吸着媒体収容部とを結ぶ原料ガス供給管路、吸着
媒体収容部と酸素濃化ガス取出し部とを結ぶ酸素濃化ガ
ス排出管路、及び吸着媒体収容部と脱着ガス排出手段と
を結ぶ脱着ガス排出管路のそれぞれに設けられ、各管路
をそれぞれ開閉する複数のバルブを備えて構成されると
ともに、それら複数のバルブが、各管路とともにバルブ
収容ケース内に一体的に組みつけられて集合バルブユニ
ットを形成しており、かつそのバルブ収容ケースには、
吸着媒体収容部、酸素濃化ガス取出し部、原料ガス供給
部、及び脱着ガス排出手段をそれぞれ対応する各管路に
着脱可能に接続するための接続部が形成されている請求
項４ないし５のいずれかに記載の酸素濃縮装置。

【０００９】

【発明の作用及び効果】酸素濃化ガスの製造を連続的に
行うために、請求項１の酸素濃縮装置では、モード切替
バルブ機構による酸素濃化モードと脱着ガス排出モード
との切替えを、回転軸の回転駆動力をバルブ開閉の駆動
力に変換して対応するモード切替バルブ機構に伝達する
個別の駆動変換伝達機構により、その切替えタイミング
の回転位相角を吸着媒体収容部のグループ間で互いにず
らせる形で行う。すなわち、従来のような電磁バルブ群
とシーケンス制御回路とによる電気的な制御機構ではな
く、モータ等の回転駆動部の駆動力を機械的にバルブ開
閉の駆動力に変換する駆動変換伝達機構を用い、かつそ
のモード切替えのタイミングを回転位相角調整により行
うようにしたから、煩雑な配線や高価な制御回路等は一
切不要となり、ひいてはバルブの制御機構が極めて簡略
化されて装置を安価に構成できる。また、故障も少なく
メンテナンスも容易である。さらに、配線部が生じない
ので組立て作業も簡単である。

【００１０】原料ガスは、例えば空気とすることができ
る。この場合、不純ガス成分は主に窒素ガスであり、炭
酸ガスや炭化水素等もこれに含まれることがある。ま
た、吸着媒体としては、分子ふるい機能を有する多孔質
無機吸着媒体、例えばゼオライトを主体とするものを使
用できる。

【００１１】 なお、吸着媒体収容部の各グループは、
含まれる吸着媒体収容部の数が１つであってもよいし、
２以上であってもよい。また、本明細書でいうモード切
替えタイミングは、酸素濃化モードから脱着ガス排出モ
ードへ切り替わるタイミング（以下、第一種切替えタイ
ミングという）と、この逆となるタイミング（以下、第
二種切替えタイミングという）とを互いに区別するもの
とする。従って、吸着媒体収容部のグループ間では、同
種の切替えタイミングは時間的に互いにずれている必要
があるが、異種の切替えタイミング同士は必ずしもずれ
ている必要はない。また、原料ガス供給管路、酸素濃化
ガス排出管路、及び脱着ガス排出管路と、それらを開閉
する複数のバルブとを、バルブ収容ケース内に一体的に
組みつけられて集合バルブユニットを形成するように
し、そのバルブ収容ケースに、吸着媒体収容部、酸素濃
化ガス取出し部、原料ガス供給部、及び脱着ガス排出手
段をそれぞれ対応する各管路に着脱可能に接続するため
の接続部を設けた。これにより、複雑な配管がバルブ収
容ケース内に収納されるので装置をよりコンパクトに構
成できて外観も向上し、吸着媒体収容部、酸素濃化ガス
取出し部、原料ガス供給部、及び脱着ガス排出手段の接
続作業も簡単に行えるので、装置の組立てを能率よく行
うことができる。

【００１２】具体的には、請求項２のように、吸着媒体
収容部を２グループに分割し、一方が酸素濃化モード、
他方が脱着ガス排出モードとなるように、モード切替タ
イミングを与える回転位相角をグループ間で略１８０度
ずらして設定する方式を採用できる。これにより装置構
成を一層簡略なものとできる。ただし、吸着媒体収容部
を３以上のグループに分け、これらグループ間で上記回
転位相角を互いにずらせるようにしてもよいことはもち
ろんである。この場合、その回転位相角のずれ量は、例
えば（３６０÷（グループ数））度程度とすればよい。
３以上のグループに分割する態様は、例えば吸着体から
の不純ガス成分の脱着を十分に進ませる等の目的で、酸
素濃化ガスの連続供給性を損なうことなく脱着ガス排出
モードの持続時間を、酸素濃化モードの持続時間よりも
短く設定したいときに有利である。

【００１３】具体的には上記装置は、吸着媒体収容部
が、原料ガス導入口と、酸素濃化ガス排出口と、脱着ガ
ス排出口とを備え、モード切替バルブ機構が、該原料ガ
ス導入口に向かう原料ガスの流れを遮断する遮断状態と
同じく流れを許容する許容状態との間で切り替え可能に
構成された供給制御バルブ機構と、酸素濃化ガス排出口
を塞ぎ脱着ガス排出口を閉じる第一状態と、この逆とな
る第二状態との間で切り替え可能に構成された排出側制
御バルブ機構とを備え、供給制御バルブ機構を許容状
態、排出側制御バルブ機構を第二状態とすることによ
り、吸着媒体収容部は酸素濃化モードとなり、供給制御
バルブ機構を遮断状態、排出側制御バルブ機構を第一状
態とすることにより、吸着媒体収容部は脱着ガス排出モ
ードとなるように構成することができる。これにより、
本発明の酸素濃化装置の機能を合理的に実現することが
できる。

【００１４】この場合、供給制御バルブ機構が、原料ガ
ス供給部から原料ガス導入口への原料ガスの供給経路を
開閉する供給制御バルブを備え、排出側制御バルブ機構
が、酸素濃化ガス排出口側のガスの排出経路を開閉する
濃化ガス排出制御バルブと、脱着ガス排出口側のガスの
排出経路を開閉する脱着ガス排出制御バルブとを備える
ものとして構成できる。他方、切替えバルブの採用によ
り、供給制御バルブと酸素濃化ガス排出制御バルブとの
一方を、脱着ガス排出制御バルブと共用化させることも
可能である。

【００１５】次に請求項３の構成では、原料ガス供給部
に含まれるコンプレッサの回転駆動源と、バルブ駆動手
段に含まれる回転駆動部とを、共通の交流電源より受電
し、かつその交流周波数に依存して回転速度を変化させ
るモータ（例えば誘導モータなど）で構成している。こ
れは、例えば使用する交流の周波数の変動が大きかった
り、あるいは装置を使用する地域によって使用する交流
周波数が異なる場合に有利となる。

【００１６】すなわち、コンプレッサのモータ回転数を
例えば５０Ｈｚ交流の使用を基準に設定すると、同じ装
置を例えば６０Ｈｚ交流地域に持ち込んで運転した場合
にモータの回転数が高くなり、吸着媒体収容部への原料
ガスの供給圧力が上昇する。しかしながら、上記構成で
はバルブ駆動手段のモータの回転数も上がり、原料ガス
の供給圧力を受ける酸素濃縮モードの持続時間も短くな
るので、吸着媒体収容部への負担が減じ、寿命低下等の
不具合が生じにくい。他方、この逆の場合は、原料ガス
の圧力はやや低下することとなるが、上記構成ではバル
ブ駆動手段のモータの回転数が下がり、酸素濃縮モード
の持続時間が長くなるので、酸素濃縮効率低下等の不具
合が生じにくくなる。すなわち、コンプレッサ回転数が
変化（あるいは変動）した場合に、モード切替の時間間
隔がこれと連動して自然調整されるので、従来のような
シーケンス制御回路の組み替えや設定変更等が全く不要
となり、手間がかからず安価である。

【００１７】次にモード切替バルブ機構は、請求項４の
ようにカム駆動バルブにて構成すれば、装置構造が一層
簡単となり、また回転軸出力のバルブ駆動力への変換も
確実に行うことができる。この場合、請求項５のよう
に、各モード切替バルブ機構のカム駆動バルブを一列に
並んだ状態で配置し、それらカム駆動バルブ群を、共通
の回転軸に取り付けられて互いに一体的に回転するカム
群により駆動するようにすれば、回転軸の数が減ずるの
で駆動変換伝達機構の構造がさらに簡略化され、装置全
体をコンパクトに構成することができる。

【００１８】

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例を参照して説明する。図１は、本発明の酸
素濃化装置の一実施例を概念的に示すブロック図であ
る。すなわち、該酸素濃化装置５０は、配管５２に沿っ
て配置された空気濾過器９、コンプレッサ（原料ガス供
給部）１０、空気冷却器１１、２つの吸着容器（吸着媒
体収容部）５４，５５、カム駆動バルブ１〜７（モード
切替バルブ機構の要部を構成する）、酸素濃化ガス逆止
弁１２、製品酸素容器５６、圧力調整弁１３等を含んで
構成されている。

【００２０】配管５２は、主配管５２ｍと、これを中間
で分岐させる分岐配管５２ａ，５２ｂとを備えている。
空気濾過器９はフィルタユニット等で構成され、主配管
５２ｍの入口部に設けられている。そして、空気濾過器
９のその下流側にコンプレッサ１０及び空気冷却器１１
がこの順序で配置されている。コンプレッサ１０の作動
により、原料ガスである空気は、空気濾過器９によりホ
コリや微生物等を除去されつつ吸い込まれ、圧縮状態
（例えば１．４〜２．５気圧程度）で主配管５２ｍ内に
供給される。なお、空気冷却器１１は、例えば減圧絞り
機構と熱交換器等を備えて構成され、空気中のミストや
ドレンを除去する働きをなす。

【００２１】次に、吸着容器（吸着媒体収容部）５４，
５５は、例えば金属によりそれぞれ円筒状に形成され、
内部にゼオライト等の吸着媒体Ｚが充填されるととも
に、第一の吸着容器（以下、吸着容器（Ａ）と記す）５
４は気体入口部５４ａと気体出口部５４ｂとにおいて分
岐配管５２ａの中間に、第二の吸着容器（以下、吸着容
器（Ｂ）と記す）５５は気体入口部５５ａと気体出口部
５５ｂとにおいて分岐配管５２ｂの中間にそれぞれ取り
付けられている。なお、各気体入口部５４ａ，５５ａは
原料ガス導入口と脱着ガス排出口とを兼ねるものであ
り、各気体出口部５４ｂ，５５ｂは酸素濃化ガス排出口
として機能する。なお、分岐配管５２ａ，５２ｂは吸着
容器５４，５５の下流側で再び主配管５２ｍに合流す
る。

【００２２】また、酸素濃化ガス逆止弁１２、製品酸素
容器５６及び圧力調整弁１３は、吸着容器５４，５５の
下流側において主配管５２ｍ上にこの順序で配置されて
いる。製品酸素容器５６は例えば金属製のリザーバタン
クとして構成され、吸着容器５４，５５側から供給され
る酸素濃化ガスを所定圧力で貯溜するためのものであ
る。また、酸素濃化ガス逆止弁１２は、製品酸素容器５
６から吸着容器５４，５５側へ、貯溜された酸素濃化ガ
スが逆流することを防止するためのものである。なお、
製品酸素容器５６に貯溜された酸素濃化ガスは、圧力調
整弁１３を経て所望の圧力により、主配管５２ｍの末端
に形成された取出口より適宜取り出して使用される。す
なわち、酸素濃化ガス取出し部が形成されている。

【００２３】次に、カム駆動バルブ１〜７の配置につい
て説明する。まず、吸着容器５４，５５の上流側におい
て各分岐配管５２ａ及び５２ｂに設けられたバルブ１，
４は、コンプレッサ１０（原料ガス供給部）から各気体
入口部５４ａ，５５ａ（原料ガス導入口）への原料ガス
の供給経路をそれぞれ開閉する供給制御バルブであり
（以下、供給制御バルブ１，４とも称する）、供給制御
バルブ機構を構成している。

【００２４】また、吸着容器５４，５５の下流側におい
て各分岐配管５２ａ及び５２ｂに設けられたバルブ３，
６は、気体出口部５４ｂ，５５ｂ（酸素濃化ガス排出
口）側のガスの排出経路を開閉する濃化ガス排出制御バ
ルブである（以下、濃化ガス排出制御バルブ３，６とも
称する）。一方、供給制御バルブ１，４と吸着容器５
４，５５との間において、両分岐管路５２ａ，５２ｂは
バイパス管路５２ｃでつながれており、そのバイパス管
路５２ｃの中間位置からは大気開放管路５３が分岐して
いる。これらバイパス管路５２ｃと大気開放管路５３と
は、各吸着容器５４，５５からの脱着ガスの排出経路を
構成するものである。そして、大気開放管路５３の分岐
点の両側において、上記バイパス管路５２ｃ上に設けら
れたバルブ５，２は、気体入口部５４ａ，５５ａ（脱着
ガス排出口）側の脱着ガスの排出経路を開閉する脱着ガ
ス排出制御バルブとして機能する（以下、脱着ガス排出
制御バルブ５，２とも称する）。なお、濃化ガス排出制
御バルブ３，６と脱着ガス排出制御バルブ５，２とは、
排出側制御バルブ機構を構成する。

【００２５】さらに、吸着容器５４，５５と濃化ガス排
出制御バルブ３，６との間において、両分岐管路５２
ａ，５２ｂは濃化酸素パージ管路５２ｄでつながれてお
り、その中間にはパージ制御バルブ７が設けられてい
る。

【００２６】次に、図２に示すように、カム駆動バルブ
１〜７は、各管路５２ｍ，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５
２ｄの一部とともにバルブ収容ケース５９内に一体的に
組みつけられて集合バルブユニット６０を形成してして
いる。バルブ収容ケース５９は、金属（例えばアルミニ
ウム）あるいはプラスチックからなる材料ブロック（例
えば直方体形状のもの）１４に対し、各バルブ１〜７を
作り込むためのバルブ形成空間７０を、幅方向（図２
（ａ）上下方向）に複数並んだ形態で形成したものであ
り、該幅方向両側にはフレーム６１，６２が取り付けら
れている。

【００２７】図３に示すように、各バルブ形成空間７０
は、材料ブロック１４の奥行方向（図２（ａ）左右方
向）における一方の側面側から他方の側面側に向けてこ
れを貫通する形態で形成され、その内周面は、軸線方向
中間部において２ケ所に形成された段部７４，７５によ
り２段階に縮径された円筒面となっている。そして、材
料ブロック１４の上記奥行方向における一方の側面側
（図面左側）から、内径の大きい順に、第一部分７１、
第二部分７２及び第三部分７３がこの順序で形成されて
いる。他方、バルブ形成空間７０を経由する管路部分
は、その一方の側のもの７６が第一部分７１に、他方の
側のもの７７が第二部分７２にそれぞれ連通する形態
で、上記材料ブロック１４内に形成されている。

【００２８】材料ブロック１４の、各バルブ形成空間７
０の第一部分７１が開口する側面は、シート状のシール
材７９を介して遮蔽板８０により覆われ、上記各第一部
分７１の開口部がそれぞれ気密状態で塞がれている。ま
た、各バルブ形成空間７０には、軸線方向に弁体移動軸
体７８が軸線方向に挿通されており、第三部分７３内に
ちょうど嵌まり、かつ軸線方向に自由にスライド可能と
なる程度にその軸断面径が設定されている。また、弁体
移動軸体７８の一方の端部側には弁体３０が一体的に形
成されており、弁体移動軸体７８とともに第一部分７１
内をスライド移動するようになっている。

【００２９】弁体３０は、常時は第一部分７１内に配置
された弾性部材としてのばね２９により段部７４に向け
て付勢され、第二部分７２の対応する端部側を塞ぐよう
になっている（なお、弁体３０の段部７４との当接部は
シール用のゴム弁座３０ａとされている）。すなわち、
第一部分７１に連通する管路部分７６と第二部分７２に
連通する管路部分７７との間の気体の流通は、該弁体３
０により遮断された状態となる。また、弁体３０がばね
２９の付勢に抗して移動し、段部７４から離間すると、
管路部分７６と管路部分７７との間の気体の流通が許容
される。そして、弁体移動軸体７８の反対側の端部は第
三部分７３の開口部から材料ブロック１４の対応する側
面から突出し、その末端にはカムフォロワを構成するロ
ーラ１８が回転可能に取り付けられている。こうして、
図２に示すように、材料ブロック１４内には、バルブ形
成空間７０と、弁体移動軸体７８、弁体３０及びばね２
９を構成要素とする前記カム駆動バルブ１〜７が、材料
ブロック１４の幅方向に複数並んだ配置・形成される形
となる。なお、材料ブロック１４（バルブ収容ケース５
９）内には、酸素濃化ガス逆止弁１２も組み込まれてい
る。また、管路部分７６、管路部分７７は、カム駆動バ
ルブ１〜７の配置位置に応じて、各々対応する配管に接
続されることとなる。

【００３０】次に、材料ブロック１４内には、バルブ１
〜７，及び酸素濃化ガス逆止弁１２を図１に示す形態で
接続する管路部分（図１において、管路５２のうち二点
鎖線で囲んだ部分）も、図４に示す形態で形成されてい
る。そして、材料ブロック１４の例えば上面側には、コ
ンプレッサ１０からの原料ガス供給用の管路を接続する
ための接続部１９と、バイパス管路５２ｃからの大気開
放管路５３に対し、脱着ガス排出口を与える管路を接続
するための接続部２０とが形成されている。他方、材料
ブロック１４の例えば下面側には、各分岐管路５２ａ及
び５２ｂに対して吸着容器５４，５５をそれぞれ接続す
るための接続部２１〜２４と、製品酸素容器５６を酸素
濃化ガスの排出管路に接続するために接続部２５とが形
成されている（なお、各接続部１９〜２５は、チューブ
コネクタ等で構成される）。

【００３１】なお、材料ブロック１４内にバルブ形成空
間７０と各管路部分を形成する方法としては、切削加工
等の機械加工による方法を用いてもよいが、アルミニウ
ム合金等の鋳造法（例えばロストワックス法や焼失模型
を用いる方法など）や、プラスチックの射出成形等を採
用すると製造が容易である。

【００３２】次に、図２に示すように、材料ブロック１
４（バルブ収容ケース５９）の、各バルブ１〜７の弁体
移動軸体７８が突出する側面側には、各弁体移動軸体７
８に取り付けられたローラ１８が並んだ形で配列してい
る。他方、該側面に対向する側においてフレーム６１と
６２との間には、図示しない軸受部を介して回転軸１６
が回転可能に支持されている。該回転軸１６は、その一
方の端部側を支持するフレーム６１の外面に取り付けら
れた減速モータ（例えばギアードモータ）８により回転
駆動されるとともに、複数の円板カム１７が各ローラ１
８に対応する位置に一体回転可能に取り付けられてい
る。

【００３３】なお、図１に示すように、コンプレッサ１
０を駆動するモータ１０ａと減速モータ８とは、交流周
波数に依存して回転速度を変化させるモータ、例えば誘
導モータで構成されており、共通の交流電源８０により
駆動されるようになっている。

【００３４】図３に示すように、円板カム１７は、外周
面がローラ１８と接するカム摺動面となっており、その
ほぼ半周分に径方向に突出する突出部１７ａが形成され
ている。そして、回転軸１６が回転して突出部１７ａが
ローラ１８の位置に来ると、該ローラ１８を介して弁体
移動軸体７８が押され、弁体３０がばね２９の付勢に抗
して移動することによりバルブが開く。このバルブ開状
態は、突出部１７ａがローラ１８と接している間維持さ
れる。他方、突出部１７ａがローラ１８を通過すると、
弁体３０はばね２９により押し戻され、バルブが閉じ
る。すなわち、円板カム１７が１回転する毎に、突出部
１７ａの形成長さに対応する時間だけバルブが開き、残
りの時間はバルブが閉じるというサイクルが繰り返され
ることとなる。なお、円板カム１７とローラ１８及び弁
体移動軸体７８とは駆動変換伝達機構を構成している。

【００３５】そして、図１に示すように、吸着容器
（Ａ）５４側と吸着容器（Ｂ）５５側とでは、各バルブ
の円板カム１７は、供給制御バルブ１，４同士、脱着ガ
ス排出制御バルブ５，２同士及び濃化ガス排出制御バル
ブ３，６同士において、突出部１７ａの位置が互いに１
８０度ずれたものとなる形で回転軸１６に取り付けられ
ている。また、吸着容器（Ａ）５４側においては、供給
制御バルブ１及び濃化ガス排出制御バルブ３と脱着ガス
排出制御バルブ５との間で、さらに吸着容器（Ｂ）５５
側においては、供給制御バルブ４及び濃化ガス排出制御
バルブ６と脱着ガス排出制御バルブ２との間で、それぞ
れ各円板カム１７の突出部１７ａの位置が互いに１８０
度ずらされている。換言すれば、バルブ１〜３の突出部
１７ａとバルブ４〜６の突出部１７ａとは、互いに１８
０度ずれた位置関係で配置されている形となっている。
このことは、バルブ１〜３とバルブ４〜６とで、開閉タ
イミングを与える円板カム１７の回転位相角が１８０度
ずれていることを意味する。

【００３６】次に、パージ制御バルブ７に対応する円板
カム７７の外周面には、突出部７７ａ，７７ａがほぼ１
８０°の間隔をおいて２カ所に形成されている。各突出
部７７ａは、他のバルブ１〜６の各円板カム１７の突出
部１７ａよりも周方向の長さが短く設定されており、円
板カム７７は回転軸１６に対し、それら突出部７７ａ，
７７ａの一方がバルブ１〜３の突出部１７ａの周方向中
央に対応する角度に位置し、他方がバルブ４〜６の突出
部１７ａの周方向中央に対応する角度に位置するように
取り付けられている。

【００３７】以下、酸素濃化装置５０の作動について説
明する。すなわち、図１において、交流電源８０による
コンプレッサ１０のモータ１０ａと減速モータ８との駆
動を開始すると、空気濾過器９を経て空気が配管５２内
に吸い込まれ、空気冷却器１１でミストやドレンが除去
された後、吸着容器５４，５５に送り込まれる。そし
て、減速モータ８により回転軸１６が回転すると、これ
に同軸的に取り付けられた各円板カム１７及び７７が一
体的に回転し、各バルブ１〜７を開閉させる。

【００３８】図５は、回転軸１６が１回転する間の、各
バルブ１〜７の開閉タイミングを示すタイミングチャー
トである。まず、バルブ１〜６は、それぞれ対応する円
板カム１７の突出部１７ａ（図３）の前端縁がローラ１
８の位置に到来した後、その後端縁が通過するまでの
間、すなわちカム１７がほぼ半周分だけ回転する間、開
状態に維持され、残余の時間は閉状態となる。そして、
バルブ１〜３とバルブ４〜６とは、その開閉のタイミン
グが１８０°ずれている。すなわち、バルブ１〜３が開
状態となっている間はバルブ４〜６は閉状態となり、バ
ルブ１〜３が閉状態となっている間はバルブ４〜６は開
状態となる。

【００３９】その結果、図６に示すように、まずバルブ
１〜３が開状態となりバルブ４〜６が閉状態となってい
る間は、コンプレッサ１０からの空気は供給制御バルブ
１を経て吸着容器（Ａ）５４に加圧状態で送り込まれ、
そこで吸着媒体Ｚと接触して窒素、炭酸ガス等の不純ガ
ス成分が吸着・除去（ないし減少）させられて酸素濃化
ガスとなり、濃化ガス排出制御バルブ３を経て製品酸素
容器５６に貯溜される（すなわち酸素濃縮モードとな
る）。貯溜された酸素濃化ガスは、圧力調整弁１３を経
て所望の圧力にて取り出される。

【００４０】他方、図７に示すように、バルブ１〜３が
閉状態となりバルブ４〜６が開状態となっている間は、
供給制御バルブ１と濃化ガス排出制御バルブ３とが閉じ
られてコンプレッサ１０からの空気の供給が停止する一
方、脱着ガス排出制御バルブ５が開くことで、大気開放
管路５３を介して吸着容器（Ａ）５４内は大気開放とな
り（すなわち、コンプレッサ１０から空気が供給されて
いる時よりも低圧となる）、吸着媒体Ｚに吸着されてい
た不純ガス成分が脱着されて大気開放管路５３より排出
される（脱着ガス排出モード：脱着ガス排出手段が実現
されている）。このように、回転軸１６が１回転する毎
に、酸素濃縮モードと脱着ガス排出モードとが交互に繰
り返される。なお脱着ガス排出モードにおいて、対応す
る吸着容器内を、吸引ポンプ等により積極的に減圧吸引
するように構成してもよい。

【００４１】他方、吸着容器（Ｂ）５５側では、これと
全く逆の作動となる。すなわち、バルブ１〜３が開状態
となりバルブ４〜６は閉状態となっている間は、供給制
御バルブ４と濃化ガス排出制御バルブ６とが閉じられて
脱着ガス排出制御バルブ２が開くことで、吸着容器
（Ｂ）５５内は大気開放され、脱着ガス排出モードとな
る。他方、バルブ１〜３が閉状態となりバルブ４〜６は
開状態となっている間は、空気が供給制御バルブ４を経
て吸着容器（Ｂ）５５に加圧状態で送り込まれ、酸素濃
縮モードとなる。すなわち、回転軸１６が１回転する毎
に、吸着容器（Ａ）５４側とは逆周期により、脱着ガス
排出モードと酸素濃縮モードとが交互に繰り返される。
このように、吸着容器（Ａ）５４と吸着容器（Ｂ）５５
とが相補的に酸素濃縮モードとなることで、酸素濃化ガ
スの供給が連続的になされることとなる。

【００４２】また、パージ制御バルブ７は、吸着容器
（Ａ）５４における酸素濃縮モードの継続期間と、吸着
容器（Ｂ）５５における酸素濃縮モードの継続期間とに
それぞれ対応して各１回ずつ所定時間だけ開となり（図
５も参照）、吸着容器（Ａ）５４と吸着容器（Ｂ）５５
との酸素濃縮モードとなっている側から脱着ガス排出モ
ードとなっている側へ、濃化酸素パージ管路５２ｄを経
て酸素濃化ガスの一部がパージされる。これにより、吸
着媒体Ｚからの不純ガス成分の脱着が促進される。な
お、濃化酸素パージ管路５２ｄ上には、パージ制御バル
ブ７に代え、流量制御用の絞り機構（例えばオリフィ
ス）を設けてもよい。

【００４３】なお、図１において、バルブ７とバルブ５
及びバルブ４とバルブ２は、それぞれ切り替えバルブの
採用により１つにまとめることができる。また、図３に
おいて、回転軸１６の駆動力を各バルブ１〜７の弁体３
０の開閉駆動力に変換して伝達する機構としては、回転
カム１７以外に、例えばクランク機構を使用してもよ
い。さらに、吸着容器を３つあるいは４つ以上使用する
構成としてもよい。この場合、例えばそれら吸着容器の
いずれか１つ（又は２以上の一部のもの）が所定時間だ
けその酸素濃縮モードになるとともに、酸素濃縮モード
となる吸着容器が順次別のものに切り替わるようにバル
ブ制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素濃縮装置の一実施例を模式的に示
すブロック図。

【図２】集合バルブユニットの一例を示す平面図及び側
面図。

【図３】図２のＳ−Ｓ断面図。

【図４】図２のＴ−Ｔ断面図。

【図５】図２の集合バルブユニットの各バルブの作動タ
イミング図。

【図６】図１の酸素濃縮装置において、吸着容器（Ａ）
が酸素濃縮モードとなり、吸着容器（Ｂ）が脱着ガス排
出モードとなった状態を表すブロック図。

【図７】図１の酸素濃縮装置において、吸着容器（Ａ）
が脱着ガス排出モードとなり、吸着容器（Ｂ）が酸素濃
縮モードとなった状態を表すブロック図。

【符号の説明】

１〜７ カム駆動バルブ（モード切替バルブ機構） １，４ 供給制御バルブ（供給制御バルブ機構） ５，２ 脱着ガス排出制御バルブ（排出側制御バルブ機
構） ３，６ 濃化ガス排出制御バルブ（排出側制御バルブ機
構） ８ 減速モータ（回転駆動部） ９ 空気濾過器 １０ コンプレッサ（原料ガス供給部） １０ａ モータ １１ 空気冷却器 １２ 酸素濃化ガス逆止弁 １３ 圧力調整弁（酸素濃化ガス取出し部） １４ 材料ブロック １７ 円板カム（駆動変換伝達機構） １８ ローラ（駆動変換伝達機構） ５０ 酸素濃化装置 ５２ 配管 ５２ａ，５２ｂ 分岐配管 ５２ｃ バイパス管路 ５２ｄ 濃化酸素パージ管路 ５２ｍ 主配管 ５３ 大気開放管路 ５４，５５ 吸着容器（吸着媒体収容部） ５４ａ，５５ａ 気体入口部（原料ガス導入口） ５４ｂ，５５ｂ 気体出口部（酸素濃化ガス排出口） Ｚ 吸着媒体 ５６ 製品酸素容器（酸素濃化ガス取出し部） ５９ バルブ収容ケース ６０ 集合バルブユニット ７０ バルブ形成空間 ７８ 弁体移動軸体（駆動変換伝達機構） ８０ 交流電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−22319（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−68835（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 53/04

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素と酸素以外の不純ガス成分とを含ん
   だ原料ガスを吸着媒体と接触させ、その不純ガス成分を
   前記吸着媒体に吸着させて除去することにより酸素を濃
   縮して、酸素濃化ガスを製造する酸素濃縮装置であっ
   て、 それぞれ前記吸着媒体を収容する複数の吸着媒体収容部
   と、 前記吸着媒体収容部内に原料ガスを所定の圧力で供給す
   る原料ガス供給部と、 前記吸着媒体収容部からの酸素濃化ガスを取り出す酸素
   濃化ガス取出し部と、 前記原料ガスの供給を遮断した状態で前記吸着媒体収容
   部内を該原料ガスの供給圧力よりも低圧とすることによ
   り、前記吸着媒体に吸着された前記不純ガス成分を脱着
   させ、その脱着ガスを該吸着媒体収容部から排出させる
   脱着ガス排出手段と、 各吸着媒体収容部毎に設けられ、それぞれ前記原料ガス
   供給部及び前記酸素濃化ガス取出し部と前記脱着ガス排
   出手段とのいずれかを選択的に接続することにより、対
   応する吸着媒体収容部に対する前記原料ガスの供給及び
   前記酸素濃化ガスの回収を行う酸素濃化モードと、同じ
   く前記脱着ガスの排出を行う脱着ガス排出モードとを切
   り替えるモード切替バルブ機構と、 回転駆動部により駆動される回転軸と、その回転軸の回
   転駆動力をバルブ開閉の駆動力に機械的に変換して、対
   応するモード切替バルブ機構に伝達する個別の駆動変換
   伝達機構とを備えたバルブ駆動手段とを備え、 前記複数の吸着媒体収容部は２以上のグループに組分け
   され、各前記駆動変換伝達機構は、前記回転軸の回転に
   伴い、対応する吸着媒体収容部において前記酸素濃化モ
   ードと前記脱着ガス排出モードとが所定の周期で交替す
   るように前記モード切替バルブ機構を駆動するととも
   に、そのモード切替タイミングを与える回転位相角が、
   前記吸着媒体収容部のグループ間で互いに異なるものと
   なるように設定されており、 前記吸着媒体収容部毎に設けられた前記モード切替バル
   ブ機構は、前記原料ガス供給部と前記吸着媒体収容部と
   を結ぶ原料ガス供給管路、前記吸着媒体収容部と前記酸
   素濃化ガス取出し部とを結ぶ酸素濃化ガス排出管路、及
   び前記吸着媒体収容部と前記脱着ガス排出手段とを結ぶ
   脱着ガス排出管路のそれぞれに設けられ、各管路をそれ
   ぞれ開閉する複数のバルブを備えて構成されるととも
   に、 それら複数のバルブが、前記各管路とともにバルブ収容
   ケース内に一体的に組みつけられて集合バルブユニット
   を形成しており、かつそのバルブ収容ケースには、前記
   吸着媒体収容部、前記酸素濃化ガス取出し部、前記原料
   ガス供給部、及び脱着ガス排出手段をそれぞれ対応する
   前記各管路に着脱可能に接続するための接続部が形成さ
   れて いることを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 【請求項２】 前記複数の吸着媒体収容部は２つのグル
   ープに分割され、その第一グループと第二グループとの
   一方が前記酸素濃化モードとなる場合は他方が前記脱着
   ガス排出モードとなるように、各前記駆動変換伝達機構
   において、前記モード切替タイミングを与える回転位相
   角が、それらグループ間で略１８０度ずれて設定されて
   いる請求項１記載の酸素濃縮装置。
3. 【請求項３】 前記原料ガス供給部は、前記原料ガスを
   圧搾供給するコンプレッサを含むものであり、 前記バルブ駆動手段に含まれる前記回転駆動部と前記コ
   ンプレッサとは、いずれも共通の交流電源により駆動さ
   れるとともに、その交流周波数に依存して回転速度を変
   化させるモータを駆動源とするものである請求項１又は
   ２に記載の酸素濃縮装置。
4. 【請求項４】 酸素と酸素以外の不純ガス成分とを含ん
   だ原料ガスを吸着媒体と接触させ、その不純ガス成分を
   前記吸着媒体に吸着させて除去することにより酸素を濃
   縮して、酸素濃化ガスを製造する酸素濃縮装置であっ
   て、 それぞれ前記吸着媒体を収容する複数の吸着媒体収容部
   と、 前記吸着媒体収容部内に原料ガスを所定の圧力で供給す
   る原料ガス供給部と、前記吸着媒体収容部からの酸素濃
   化ガスを取り出す酸素濃化ガス取出し部と、 前記原料
   ガスの供給を遮断した状態で前記吸着媒体収容部内を該
   原料ガスの供給圧力よりも低圧とすること により、前記
   吸着媒体に吸着された前記不純ガス成分を脱着させ、そ
   の脱着ガスを該吸着媒体収容部から排出させる脱着ガス
   排出手段と、 各吸着媒体収容部毎に設けられ、それぞれ前記原料ガス
   供給部及び前記酸素濃化ガス取出し部と前記脱着ガス排
   出手段とのいずれかを選択的に接続することにより、対
   応する吸着媒体収容部に対する前記原料ガスの供給及び
   前記酸素濃化ガスの回収を行う酸素濃化モードと、同じ
   く前記脱着ガスの排出を行う脱着ガス排出モードとを切
   り替えるモード切替バルブ機構と、 回転駆動部により駆動される回転軸と、その回転軸の回
   転駆動力をバルブ開閉の駆動力に機械的に変換して、対
   応するモード切替バルブ機構に伝達する個別の駆動変換
   伝達機構とを備えたバルブ駆動手段とを備え、 前記モード切替バルブ機構は、それぞれ前記回転軸に取
   り付けられたカムにより所定周期で開閉駆動される複数
   のカム駆動バルブを含むもので構成され、 前記複数の吸着媒体収容部は２以上のグループに組分け
   され、各前記駆動変換伝達機構は、前記回転軸の回転に
   伴い、対応する吸着媒体収容部において前記酸素濃化モ
   ードと前記脱着ガス排出モードとが所定の周期で交替す
   るように前記モード切替バルブ機構を駆動するととも
   に、そのモード切替タイミングを与える回転位相角が、
   前記吸着媒体収容部のグループ間で互いに異なるものと
   なるように設定されている 酸素濃縮装置。
5. 【請求項５】 各々対応するモード切替バルブ機構に属
   する複数のカム駆動バルブが一列に並んだ状態で配置さ
   れ、それらカム駆動バルブ群が、共通の回転軸に取り付
   けられて互いに一体的に回転するカム群により駆動され
   る請求項４記載の酸素濃縮装置。
6. 【請求項６】 各前記モード切替バルブ機構は、前記原
   料ガス供給部と前記吸着媒体収容部とを結ぶ原料ガス供
   給管路、前記吸着媒体収容部と前記酸素濃化ガス取出し
   部とを結ぶ酸素濃化ガス排出管路、及び前記吸着媒体収
   容部と前記脱着ガス排出手段とを結ぶ脱着ガス排出管路
   のそれぞれに設けられ、各管路をそれぞれ開閉する複数
   のバルブを備えて構成されるとともに、 それら複数のバルブが、前記各管路とともにバルブ収容
   ケース内に一体的に組みつけられて集合バルブユニット
   を形成しており、かつそのバルブ収容ケースには、前記
   吸着媒体収容部、前記酸素濃化ガス取出し部、前記原料
   ガス供給部、及び脱着ガス排出手段をそれぞれ対応する
   前記各管路に着脱可能に接続するための接続部が形成さ
   れている請求項４ないし５のいずれかに記載の酸素濃縮
   装置。