JP3952030B2 - ガス富化装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気中の所定ガスの濃度を他のガスに対して相対的に向上させ、多所に分配供給するガス富化装置に関するものである。

従来、選択性ガス富化膜等を用いてする酸素富化装置や窒素富化装置など特定のガス濃度を相対的に向上させる装置については医療用の酸素富化装置、空気調和機、空気清浄機などの機器について種々の発明がなされている。

例えば酸素濃度を向上させるものとして、分離型空気調和機の室外機に酸素富化手段を設け、その酸素が富化された空気を送出配管を介して室内機に送り、室内側に放出して被空調空間である室内の酸素濃度を向上させて、居住者の快適性の用に供するという発明が開示されている（特許文献１など）。

一方、上記発明で課題として取り上げられているように、選択性ガス透過膜のひとつである酸素富化膜を用いてする酸素富化操作では、酸素富化膜は空気成分の大半を占める窒素と分離させ選択的に酸素を透過させるものの、現在実用化されている酸素富化膜は酸素と同時に少なくとも空気中の水分も透過させる特徴を持っている。

即ち、酸素富化膜の１次側の空気に対して、膜を透過した２次側では窒素が分離された分だけ相対的に湿度が高くなり露点が１次側の空気に比べて上昇するため、膜の２次側配管中でしばしば結露水を発生させてしまうことが周知されている。

上記結露水が空気調和機の室内機で放散されて、室内を濡らしたり、ユーザに降りかかって不快感を与えたりしないように上記発明では室内機において、酸素富化空気の輸送管路に酸素富化空気を冷却して含有水分を結露させる熱交換器とその後流側に水分離器を介装して、水分が室内に飛散するのを未然に防止している。

このように選択性ガス透過膜や、ＰＳＡ法など吸着材をなどを用いてするガス富化操作では酸素に限らず、分離装置の２次側では必然的に相対湿度が上がり、即ち空気の露点が上昇するために結露を発生しやすくなる傾向がある。

つまり、少なくとも選択性ガス透過膜の２次側において富化空気の輸送管路が低温化に暴露される場合（例えば、輸送管路が屋外大気に暴露されており、外気温度が低くなる場合）輸送管路の内部で結露水が凍結して酸素富化した空気が室内に搬送できなくなるという可能性がある。また、輸送管路中に結露水が発生し、差圧発生手段が起動する際に負荷を重くし、差圧発生手段が正常に起動できない可能性がある。
特開平５−１１３２２７号公報（図１、段落００１４等参照）

しかしながら、従来の技術では、次のような課題を有している。即ち、低外気温度でも運転可能な酸素富化装置等の酸素富化機能を多室に設置したい場合、差圧発生手段や選択性ガス透過膜ユニット等のガス富化手段、更に選択性ガス透過膜ユニット等周囲に効率よく大気を循環させる掃気手段、酸素富化された空気の管路内部の水分排出による空気流量の確保を実現する大気導入手段とをそれぞれにおいて用意しなければならず、とても高価な装置になってしまうという課題を有していた。更にそれらを設置するスペースを確保し
なければならず、とても大きな装置になってしまうという課題をも有していた。

また、このような酸素富化機能をマルチ型の空気調和機などに用い、多所に対して酸素富化空気を供給しようとすればそれぞれの送気流路に対して水分排出のための措置を講じなければならないが、このような発明・考案は開示されていない。

本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ガス富化手段や差圧発生手段、掃気手段、放熱手段、大気導入手段のうちのいずれかを共有することで、コスト削減及び省スペース化を図る一方で、的確に結露水の処理を行ない低外気温度でも富化ガスの流路を閉塞させることなく、また異音などを発生させない多分岐のガス富化装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本願発明のガス富化装置は、ガス富化手段と、このガス富化手段の前後に差圧を発生させる差圧発生手段と、前記ガス富化手段を通過した富化ガスを複数の送出先に導くとともにそれぞれ流路開閉手段が介挿された複数の送気流路と、前記差圧発生手段に対して前記ガス富化手段と並列的に設けられており前記差圧発生手段の運転時において大気を前記送気流路に送通可能なように開閉手段と大気導入部とを有する大気導入手段とを有することを特徴とするものである。

本願発明のガス富化装置は、ガス富化機能のための要素部品を共有することで、コスト削減及び省スペース化を図る一方で、的確に結露水の処理を行ない低外気温度でも富化ガスの流路を閉塞させることなく、また異音などを発生させない多分岐のガス富化装置を提供することができる。

本願発明のガス富化装置は、ガス富化手段と、このガス富化手段の前後に差圧を発生させる差圧発生手段と、ガス富化手段を通過した富化ガスを複数の送出先に導くとともにそれぞれ流路開閉手段が介挿された複数の送気流路と、差圧発生手段に対してガス富化手段と並列的に設けられ差圧発生手段の運転時において大気を送気流路に送通可能とする大気導入手段とを有するガス富化装置であって、大気導入手段の開放に連動して、すべての前記流路開閉手段が、各送気流路を閉塞し所定時間後に開放することを特徴とする。

この構成により、ガス富化運転中の複数の送気流路内部水分排出による空気流量の確保及びガス富化手段と差圧発生手段と大気導入手段を共有することができるため、低コスト及び省スペース化を図り、低外気温度でも動作可能でかつ、一度に複数室に酸素等の富化ガスを供給することができる。更には、送気流路での結露水を排出したり、より乾いた空気を送通させることで送気流路内の結露水を乾燥させたりすることにより、異音などの発生の不具合を未然に防止することができる。

このとき、各流路開閉手段を一旦全流路閉塞後開放させることにより、ガス富化運転中の複数の送気流路内部水分排出による空気流量を確保し、より短時間で効率的に結露水を排出、もしくは送気流路内の乾燥が可能となる。

また、複数の送出先の内の少なくとも一つの送出先へのガス富化運転を停止する場合、さらに所定時間後、ガス富化運転を停止する送付先に対応する流路開閉手段が閉塞されるようにしてもよい。これにより差圧手段出力側の圧力を上昇させその圧力差分だけガス富化運転終了後の送気流路内部に残留する水分を効率よく排出することを可能とし、複数の送気流路が低温に暴露されて内部残留水分が凍結し流路閉塞することをより効率的に防止することになり、低外気温度でも動作可能でかつ、一度に複数室に酸素等の富化ガスを供給することができる。

また差圧発生手段を出力可変型とし、大気導入手段を開放制御して大気導入するとき、これに連動して出力可変型差圧発生手段の出力を変更することで、複数の送気流路内部水分排出による空気流量の調整が可能になり、低外気温度でも動作可能でかつ、一度に複数室に酸素等の富化ガスを供給することができる。

本願のガス富化装置の他の形態のものは、ガス富化手段と、前記ガス富化手段を通過した富化ガスを複数の送出先に導く複数の送気流路とを有するガス富化装置であって、前記複数の送気流路の各々に、流路開閉手段と、前記ガス富化手段に対して差圧を発生させる差圧発生手段と、前記流路開閉手段、前記差圧発生手段間に配置され大気を前記送気流路に送通可能とする大気導入手段とが配置されることを特徴とする。

これにより送気流路内部水分排出による空気流量確保のための複雑な制御動作を１対１の簡素な制御動作に統一することができ、制御装置のシンプル化を図ることができる。

更に本願のガス富化装置の他の形態のものは、ガス富化手段と、前記ガス富化手段に対して差圧を発生させる差圧発生手段がそれぞれ配置され前記ガス富化手段を通過した富化ガスを複数の送出先に導く複数の送気流路と、前記ガス富化手段と前記差圧発生手段との間の流路の少なくとも一箇所に配置され大気を前記送気流路に送通可能とする大気導入手段とを有することを特徴とする。

ここでは更に、開閉手段が開放される場合に、差圧発生手段の運転台数に応じて、差圧発生手段が出力を変更するようにしてもよい。

これにより複数の送気流路内部水分排出による空気流量の調整が可能になり、低外気温度でも動作可能でかつ、一度に複数室に酸素等の選択性富化ガスを供給することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施ではガス富化装置及びガス富化装置を構成した空気調和装置に適用した場合について説明するが、例えば車両用空気調和装置、一体形空気調和装置、空気清浄機等に用いた場合はもとより、医療用酸素富化装置、燃焼機器用酸素富化装置、、冷蔵庫など鮮度保持に用いる窒素富化装置などに適用しても同様の効果を奏するものである。

（実施の形態１）
まず図１〜図７を用いて本願発明の実施の形態１について説明する。最初に図１及び図２を用いて本実施の形態に係る装置の構成についてまた図３〜図７で本実施例流路開閉弁の切換操作概略を説明する。

図１及び図２は、本願発明にかかる多室型ガス富化装置の図である。図１は酸素富化膜を用いた多室型ガス富化装置を、図２はＰＳＡ手法を用いた多室型ガス富化装置を表している。

図１における酸素富化膜を用いた多室型ガス富化装置では、真空ポンプ１と、酸素富化膜ユニット２と、これらを連通する流路３０に設けられ、かつ大気導入用開閉弁３ａを介挿し大気を導入する大気導入部３ｂを具備した大気導入手段３がある。また各室内機（記載せず）への送気流路Ｐ１〜Ｐ４には流路開閉弁４〜７が介挿されている。

酸素富化運転の開始時には大気導入用開閉弁３ａは閉止状態であり、一方流路開閉弁４〜７は送気先から供給の要求があった場合にそれに対応する弁が開放される。次いで真空ポンプ１が運転されて酸素富化ユニットの２次側が減圧されることにより酸素富化された空気が供給の要求があった送気先に対して送出される。

しかしながら、しばらく運転されると酸素富化空気を送出していた送気流路の流路内は大気に比べて多湿状態となり、湿度の高さと送気流路のさらされている温度条件によっては流路内に結露が生じ、水滴となった場合には富化空気の流通に伴い水滴の破裂音を生じたり、更に氷点下などの低温になった場合には凍結することがある。

そこで、酸素富化運転の終了時などには送気流路Ｐ１〜Ｐ４の内の少なくとも酸素富化運転を行なった送気先に対する流路は結露水除去、もしくはある程度乾燥させて終了することが望ましい。

そこで、次に、例えば酸素富化運転終了時の制御について説明する。例えば、送気流路Ｐ１及びＰ２に対応する送気先から酸素富化供給の要求があって供給していたとする。そして送気流路Ｐ２に対応する送気先からの酸素富化運転要求が終了された場合（具体的には酸素富化装置の組み込まれている空気調和機に対して酸素富化運転停止の要求がなされる）、この時点では流路開閉弁５を閉じるだけである。

その後送気流路Ｐ１に対応する送気先からも酸素富化運転要求が終了された場合、真空ポンプ１は運転状態のままで、これまでに酸素富化運転されていた送気流路Ｐ１、Ｐ２に対応する流路開閉弁４，５を開放し、これに連動して大気導入用開閉弁３ａが開放される。
これにより大気が送気流路Ｐ１、Ｐ２に送出され、乾燥運転が行われる。

大気導入用開閉弁３ａを開にした場合、真空ポンプ１に吸引される空気としては、酸素富化ユニット２を通過したものは極僅かであり、ほぼ大気導入用開閉弁３ａを通過してきた大気となり、酸素富化運転後に送気流路に滞留している空気よりも低湿である空気が導入されるため、所定時間送出することで流路内部が乾燥される。

また大気導入用開閉弁３ａを開にした場合は、酸素富化膜ユニット２を通過させて酸素富化運転していた時よりも真空ポンプの吸いこみ抵抗が小さくなるように構成されており、酸素富化運転時の数倍以上の流量で空気が流入されるようになっている。従って送気流路内に送気される空気の流速は高く、これにより内部に滞留する結露水の水滴は押し出されるようになる。

以上のようにして、各送気先への送気流路に設置された流路開閉弁４〜７を適宜開閉することで各送気流路内水分を排出することが可能になる。

図２では酸素富化手段としてＰＳＡ手法を用いた多室型ガス富化装置の形態を示し、ＰＳＡユニット９に加圧する加圧ポンプ８、ＰＳＡユニット９と並列的に設置された大気導入用開閉弁３ａと、各室内機への送気流路に設置された流路開閉弁４〜７からなっている。

ＰＳＡの場合、一般的にはＰＳＡユニット９内部に保持されている吸着材（図示せず）に水分が多量に送られて、窒素の吸着量が低下しないようにするため、加圧ポンプ８とＰＳＡユニット９との間には除湿手段（図示せず）が設けられているのが一般的である。

しかしながら多少の水分は通りぬけうるため、上記と同様に送気流路内に結露水が発生しかねない。

そこで、同様に酸素富化運転終了時などに大気導入用開閉弁３ａを開にし、各室内機への送気流路に設置された流路開閉弁４〜７を開閉することで各送気流路内水分を排出することが可能になる。

次に図３〜図７を用いて各送気流路開閉弁４〜７の操作を説明する。この場合図１で説明した酸素富化膜式や図２で説明したＰＳＡ式のどちらの構成でも特にかまわない。

図３で通常酸素富化運転中に各室内送気流路に結露が発生するような条件が成立した場合、大気導入用開閉弁３ａを開放し、順次酸素富化運転中の送気流路に設置された流路開閉弁ＶＡ〜ＶＤ回路を所定時間ｔ１開放し、各送気流路内に大量の大気を導入し水分を排出する。この際各流路開閉弁の切換時間に所定のタイムラグを設けることで、吐出圧力の急変を防ぎ異音の発生を防止することも可能である。

また本実施の形態では、図４のように通常酸素富化運転中に各室内送気流路に結露が発生するような条件が成立した場合、大気導入用開閉弁３ａを開放し、酸素富化運転中の送気流路に設置された流路開閉弁ＶＡ〜ＶＤ回路を所定時間ｔ２閉塞し、吐出側圧力を高め、そしてその後所定時間ｔ３開放することで酸素富化運転中の各送気流路内に高圧の空気を一気に導入し水分を排出する。吐出圧力を高めて酸素富化運転中の全送気流路を一斉に開放することで、短期間に水分を排出することが可能になる。またｔ２を０に設定したとしても送気流路内部の水分排出効果は得ることができる。

また本実施の形態では、図５のように酸素富化運転を停止した場合、送気流路内に残留した水分が凍結して流路閉塞に至らないように、大気導入用開閉弁３ａと酸素富化運転停止対象の流路開閉弁ＶＡをＴ１間開放しその後閉塞することで停止対象の送気流路内部の水分を排出することができる。

また本実施の形態では、図６のように酸素富化運転を停止した場合、送気流路内に残留した水分が凍結して流路閉塞に至らないように、大気導入用開閉弁３ａを開放し、酸素富化運転中の送気流路に設置された流路開閉弁ＶＡ〜ＶＤを所定時間Ｔ２閉塞し、吐出側圧力を高め、そしてその後所定時間Ｔ３開放し停止対象の流路開閉弁ＶＡを閉塞することで酸素富化運転中の各送気流路内に高圧の空気を一気に導入し水分を排出する。吐出圧力を高めて酸素富化運転中の全送気流路を一斉に開放することで、短期間に水分を排出することが可能になる。また酸素運転中で停止対象でない他の送気流路ＶＢ〜ＶＤをＴ３間閉塞しても同様な効果を得ることができる。

また本実施の形態では、出力可変型差圧手段を採用し、図７のように大気導入用開閉弁３ａを開放したときの差圧手段の出力Ｐｘと通常酸素富化運転中の出力Ｐとを異なる出力に設定することで効率的に水分を排出することが可能になる。大気導入用開閉弁３ａを開放した場合、送気流路に設置された流路開閉弁ＶＡ〜ＶＤを同時に開放する時の大気導入量と、流路開閉弁ＶＡのみを開放した場合の大気導入量は当然異なり、ＶＡ〜ＶＤ流路内水分を十分に排出可能な流量を確保することは困難なためである。またＴ１〜Ｔ３、ｔ１〜ｔ３の設定値を送気流路内部の凍結防止に起因する外気温度で可変させることでより効率的に水分を排出することが可能になる。
（実施の形態２）
次に図８を用いて本実施の形態２に係る装置の構成について説明する。

図８における多室型ガス富化装置は、酸素富化膜ユニット２と各室内機（送気先）への送気流路に設置された流路開閉弁４〜７、真空ポンプ１３〜１７、その間に大気導入用開閉弁９〜１２とからなっている。このような構成にすることにより、各送気流路の酸素富化運転を各真空ポンプ及び各流路開閉弁を動作させることで、送気流路内部水分排出による空気流量確保のための複雑な制御動作を、従来から採用されている公知の１対１の簡素な制御動作に統一することができ、またガス富化膜ユニットを共有することができる。また流路開閉弁４〜７を酸素富化膜ユニット２から真空ポンプ１３〜１７へは通気可能で逆に真空ポンプ１３〜１７から酸素富化膜ユニット２への通気は不可能な逆止弁手段を用いても同様な効果が得られる。
（実施の形態３）
次に図９〜図１０を用いて本実施の形態３に係るガス富化装置の構成について説明する。

図９における多室型ガス富化装置は、酸素富化膜ユニット２と各室内機への送気流路に設置された真空ポンプ１３〜１７、その間にひとつの全送気流路共通の大気導入用開閉弁１０とを具備している。

同ガス富化装置を用いて酸素富化運転を行なう場合について説明する。まず大気導入用開閉弁３ｃは閉止した状態で酸素富化供給の要求があった送気先に対応する真空ポンプを運転する。

例えば送気流路Ｐ３、Ｐ４に対応する送気先から酸素富化要求があった場合には真空ポンプ１６，１７を運転して供給する。このとき真空ポンプ１４，１５は停止しており、内蔵する弁（図示せず）の作用や、チェックバルブ（図示せず）を有するなどして、真空ポンプ１６，１７が運転状態でも真空ポンプ１４，１５の吐出側から吸入側には空気が逆流しない。

そして送気流路Ｐ３、Ｐ４に対応する送気先から酸素富化運転終了要求があった場合には真空ポンプ１６，１７を順次停止し、最終の酸素富化運転終了要求が発信された信号に連動して、酸素富化供給運転を行なった送気流路に対応する真空ポンプ１６，１７を再度運転状態とし、更には大気導入用開閉弁３ｃを開放制御する。

そして所定時間経過するなどした段階で真空ポンプ１６，１７を停止し、大気導入用開閉弁３ｃを閉止する。

なお、上記制御では酸素富化運転を行なった送気流路に対応する真空ポンプのみ再起動させて乾燥運転を行なったが、終了時に全ての真空ポンプを運転してもかまわないし、各送気流路への大気の流入する流速を高めるために、酸素富化を行なった送気流路に対応す
る真空ポンプを一台ずつ順次起動するようにしてもよい。また、大気導入手段３は分岐前の流路３１の部位に設けてもよい。

このような構成にすることで、ガス富化膜ユニットや大気導入用開閉弁を共有することができ、更に各流路開閉弁を省略することができる。この場合、実施の形態１で説明した流路開閉弁４〜７の動作仕様を各送気流路に設置された真空ポンプ１３〜１７の動作仕様に置きかえることで、送気流路内残留水分の排出を効率よく実現することができる。

また本実施の形態では出力可変型真空ポンプを採用することで、効率的に各送気流路内残留水分を排出することが可能になる。図１０は本実施の形態の一例を示しており、大気導入手段開放時の真空ポンプ運転台数により各真空ポンプの出力を可変させることで、他の送気流路の影響をうけることなく残留水分の排出可能な大気流量を確保することが可能になる。また開度可変型大気導入手段を採用し、真空ポンプ運転台数により大気導入手段の開度を変化させるような仕様にしても同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかるガス富化装置は、一度に複数室に酸素等の富化ガスを供給することが可能であり、上述のように家庭用・産業用などの用途の空気調和機に用いた場合はもとより、車両用空気調和機、医療用酸素富化装置、燃焼機器用酸素富化装置、冷蔵庫など鮮度保持に用いる窒素富化装置などにも適用できる。

本願発明にかかる実施の形態１を示すガス富化膜タイプの多室型選択性ガス富化装置の構成図 本願発明にかかる実施の形態１を示す吸着式タイプの多室型選択性ガス富化装置の構成図 本願発明にかかる実施の形態１を示すガス富化装置の制御仕様図 本願発明にかかる実施の形態１を示すガス富化装置の制御仕様図 本願発明にかかる実施の形態１を示すガス富化装置の制御仕様図 本願発明にかかる実施の形態１を示すガス富化装置の制御仕様図 本願発明にかかる実施の形態１を示すガス富化装置の制御仕様図 本願発明にかかる実施の形態２を示すガス富化膜を用いたのガス富化装置の構成図 本願発明にかかる実施の形態３を示すガス富化膜を用いたのガス富化装置の構成図 本願発明にかかる実施の形態３を示すガス富化装置の制御仕様図

符号の説明

１ 真空ポンプ
２ 酸素富化膜ユニット
３ 大気導入手段
３ａ 大気導入開閉手段Ｖ０
３ｂ 大気導入部
３ｃ 大気導入開閉手段
４ Ａ室流路開閉弁ＶＡ
５ Ｂ室流路開閉弁ＶＢ
６ Ｃ室流路開閉弁ＶＣ
７ Ｄ室流路開閉弁ＶＤ
８ 加圧ポンプ
９ ＰＳＡユニット
１０ Ａ室大気導入手段
１１ Ｂ室大気導入手段
１２ Ｃ室大気導入手段
１３ Ｄ室大気導入手段
１４ Ａ室真空ポンプ
１５ Ｂ室真空ポンプ
１６ Ｃ室真空ポンプ
１７ Ｄ室真空ポンプ
Ｐ１〜Ｐ４ 送気流路

Claims (6)

1. ガス富化手段と、このガス富化手段の前後に差圧を発生させる差圧発生手段と、前記ガス富化手段を通過した富化ガスを複数の送出先に導くとともにそれぞれ流路開閉手段が介挿された複数の送気流路と、前記差圧発生手段に対して前記ガス富化手段と並列的に設けられ前記差圧発生手段の運転時において大気を前記送気流路に送通可能とする大気導入手段とを有するガス富化装置であって、前記大気導入手段の開放に連動して、すべての前記流路開閉手段が、各送気流路を閉塞し所定時間後に開放することを特徴とするガス富化装置。
2. 前記複数の送出先の内の少なくとも一つの送出先へのガス富化運転を停止する場合、さらに所定時間後、ガス富化運転を停止する送付先に対応する前記流路開閉手段が閉塞される請求項１に記載のガス富化装置。
3. 前記差圧発生手段が、前記大気導入手段が開放される場合に出力を変更する請求項１または２に記載のガス富化装置。
4. ガス富化手段と、前記ガス富化手段を通過した富化ガスを複数の送出先に導く複数の送気流路とを有するガス富化装置であって、前記複数の送気流路の各々に、流路開閉手段と、前記ガス富化手段に対して差圧を発生させる差圧発生手段と、前記流路開閉手段、前記差圧発生手段間に配置され大気を前記送気流路に送通可能とする大気導入手段とが配置されることを特徴とするガス富化装置。
5. ガス富化手段と、前記ガス富化手段に対して差圧を発生させる差圧発生手段がそれぞれ配置され前記ガス富化手段を通過した富化ガスを複数の送出先に導く複数の送気流路と、前記ガス富化手段と前記差圧発生手段との間の流路の少なくとも一箇所に配置され大気を前記送気流路に送通可能とする大気導入手段とを有するガス富化装置。
6. 前記開閉手段が開放される場合に、前記差圧発生手段の運転台数に応じて、前記差圧発生手段が出力を変更する請求項５に記載のガス富化装置。

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