JP4799454B2 - 圧力スイング吸着型酸素濃縮器 - Google Patents

Description

本発明は、空気中の窒素を吸着除去し、高濃度の濃縮酸素を取り出すための酸素濃縮器に関するものである。

従来から用いられてきた圧力スイング吸着型酸素濃縮器の構成例を図２に示す。吸着剤にはＡ型あるいはＸ型のゼオライトが用いられ、それが２本の吸着筒に納められている。吸着筒を加圧して窒素を吸着させるために、空気圧縮供給手段としてコンプレッサーが接続されており、吸着筒とコンプレッサーの間および吸着筒と排気口の間には工程を制御するための切替手段である電磁弁が挿入されている。この例では吸着筒は２本であるが、吸着筒の数は一般的には制限はない。

基本的なプロセスは、吸着筒を加圧して窒素を吸着させ、吸着しなかった酸素を製品ガスとして取り出す吸着工程と、吸着筒を減圧して吸着した窒素を脱着させる脱着工程よりなる。吸着工程に於いては吸着筒の一端（以下原料端と呼ぶ）がコンプレッサーに接続され、加圧された空気（原料空気）が送り込まれる。吸着筒の内部では吸着剤が原料空気中の窒素分子を優先的に吸着し、吸着されなかった酸素が吸着筒の他端（製品端）より、逆止弁を通じて取り出され、製品タンクの中に一旦蓄えられたあと、圧力調整弁、流量調節バルブを通じて製品ガスとして取り出される。脱着工程に於いては、吸着筒の原料端が大気に解放され、吸着筒内部の圧力を低下させるとともに、製品ガスの一部を均圧弁を通じて還流（パージ）することによって、吸着剤が吸着した窒素を脱着させる。

本例のように吸着筒を２本用いた系においては一方の吸着筒が吸着工程を行っている間に他方の吸着筒が脱着工程を行うようにして、製品ガスが連続して取り出せるようになっている。システムの構成によっては、脱着工程の効率を向上するために、脱着工程時に真空ポンプなどの減圧手段を用いて大気圧より低い圧力まで圧力を低下させるものもある。また、コンプレッサーの動力を節約するために、吸着工程と脱着工程の間に吸着工程が終わった吸着筒と脱着工程が終わった吸着筒を接続し、両者の圧力を均一化する均圧工程を持つものもある。

特開平9-20503号公報 特開2002-79030号公報 特開平9-141038号公報 特開2005-329251号公報 特開2006-62932号公報

上記のような酸素濃縮器に於いて、装置の性能の一つとして消費電力の低減が大きな課題となる。酸素濃縮器の部品のうち空気圧縮供給手段であるコンプレッサーが最も多くの電力を消費し、次に切替手段である電磁弁が多く消費する。したがって、コンプレッサーの消費電力を低減することがまず第一に重要な課題となる。

コンプレッサーの消費電力は、コンプレッサーの効率と、吸着プロセスに必要な圧縮空気を供給するための圧縮動力によって決定される。この内、圧縮動力は吸着プロセスが酸素を濃縮するのに必要な空気の圧力及び流量により決定されるので、吸着プロセスの効率向上によりこれらの値を低減する事が必要である。前述の通り、圧力スイング吸着プロセスは、吸着剤が酸素より窒素を優先的に吸着する性質および圧力により吸着量が変化する性質を利用して、コンプレッサーのような空気圧縮供給手段を用いて圧力を上昇させることにより窒素を吸着させて酸素を取り出し、真空ポンプまたは大気開放により圧力を下降させることにより吸着した窒素を脱着して吸着剤が再度窒素を吸着できるように再生することを繰り返すことにより酸素を連続的に取り出すプロセスである。そのため、圧力の上昇量及び下降量はプロセスの性能を大きく左右し、一般的に吸着工程における圧力が高いほど、また脱着工程における圧力が低いほど酸素回収率が向上し、少ない空気量でより多くの酸素を生成できるためコンプレッサーの空気供給量は少なくて済む。

しかし、コンプレッサーの消費電力は、同じ空気供給量であれば吐出圧力が高いほど大きくなるため、なるべく低い圧力に於いて高い回収率で酸素を濃縮できる工夫が必要である。例えば特開平9-20503号公報では、吸着剤の劣化による吸着効率低下、それに伴うプロセス消費電力の向上に対し、吸着床内を二層構造とする方法が記載されている。具体的には、低性能吸着剤を圧縮空気の入口に配置することで、吸着剤を劣化させる主要因である水分を吸着させ、窒素／酸素の吸脱着に主に使用される高性能吸着剤を低性能吸着剤の下流に配置するように吸着床内を構成する。このことで、吸着剤の劣化によるコンプレッサーの仕事量の増大をおさえ、経時的な消費電力の上昇を防止することができる。

また、特開2002-79030号公報では、特に医療用酸素濃縮器において、使用される流量設定ポイントが複数点あるにもかかわらず，そのいずれの点においても同様の消費電力となる点を課題とし、流量設定値によって均圧弁の動作／非動作を制御することで、コンプレッサーの仕事量をその流量設定値に必要な最低限の値に抑え、消費電力を低減する方法が記載されてある。

特開平9-141038号公報では、圧縮機の下流であって吸着床の上流となる位置に吸着床の３倍以上の容積となる空気タンクを取り付け吸着剤の吸着効率を上昇させることによって、コンプレッサーに要求される仕事量を減らす方法が記載されてある。

また同時に、配管および電磁弁の圧力損失を低減することにより、吸着工程に於いてはコンプレッサーから供給される圧縮空気の圧力をなるべく低下させずに吸着筒へ供給し、脱着工程に於いては吸着筒内の圧力をなるべく下げることが必要である。しかしながら、電磁弁における圧力損失を下げるために口径の大きい電磁弁を用いると、弁の切替に大きな力を必要とし、結果として電磁弁の消費電力を上昇させてしまうという問題がある。

この対策として、電磁弁にパイロット弁を用いることで消費電力の低減を図る方法も複数開示されている。例えば、特開2005-329251号公報では、従来主流の直動式電磁弁を用いる場合よりも、パイロット式電磁弁を用いることで、消費電力の低減が図られるとの記載がある。さらに特開2006-62932号公報では、パイロット式電磁弁の数ある種類の中でも、使用する弁種を摺動の少ないダイアフラム弁にすることにより、流量損失を低下させ、消費電力の上昇を防止できるとしている。

ダイアフラム型パイロット弁の構造は図３のようになっており、主弁2の開閉はダイアフラム１４の上下動によって行われる。ダイアフラムの上部空間にはパイロットガス出入り口１９を介してパイロットガスを導入・排気することができる。パイロット弁３は小型の直動式３方電磁弁で、パイロットガス出入り口１９の接続方向をパイロットガス供給口２０側と、パイロットガス排気口２１側に切り替えている。また、ダイアフラムは上方からばね１６によって押さえつけられている。

このような構成の弁に於いては、パイロット弁３がoffとなっている場合、パイロットガス供給口２０とパイロットガス出入り口１９が接続され、ダイアフラム１４上方の空間はパイロットガス圧力Phまで加圧される（図４）。この状態で、ガス入り口圧Pinとガス出口圧Poutがダイアフラム１４を押す力がパイロットガスPhがダイアフラム１４を押す力とばね力の合計よりも小さければダイアフラムは下方に移動し、ガス入り口１７とガス出口１８の間を遮断する。通常、PinはPoutと等しいかより大きいので、パイロットガス供給口２０とガス入り口１７を接続しておけば、PinとPhは等しくなり、ばね力によりダイアフラムは下方に移動するので、このような接続方法を使用する場合が多い。実施例に於いても同様の構成となっている。

一方、パイロット弁３がonとなった場合、パイロットガス排出口２１とパイロットガス出入り口１９が接続され、ダイアフラム上方の空間の圧力はPlまで低下する（図５）。通常はパイロットガス排出口２１はガス出口１８に接続、または大気解放されており、PinがPoutより十分大きい、あるいはPin,Poutが大気圧より十分大きければダイアフラムは上方に移動してガス入り口１７とガス出口１８が連通する。

以上のような原理でバルブの開閉を行うため、パイロット空気を切り替えるためのパイロット弁は主弁のダイアフラム上部の空間を迅速に加圧・排気するために必要な程度に流路抵抗が低ければよく、パイロット弁を非常に小型にでき、消費電力も大きく削減できる。また、主弁はパイロット空気によって駆動されるものであるから、それ自体は電力を消費しない。そのため、圧力損失を低く抑えながら電磁弁の消費電力を大幅に削減することができる。

しかしながら、上記構成を酸素濃縮器の排気弁に適用しようとした場合、減圧・脱着が進んで吸着筒の圧力が低下してくると、上述Pinが低下してくるので、Ｐｌを大気圧まで低下させても、ＰｌとＰｉｎの圧力差が十分得られず、ダイアフラムが下降し弁が閉じてしまう。そのため、ある一定圧力以下に吸着筒を減圧できない、という状態が生じる。結果として、吸着筒の最大圧力と最低圧力の差が減少し、プロセスの効率が低下するため、結果としてコンプレッサーの消費電力を上昇させることになる。

この対策としては、別途真空ポンプなど真空源を準備してパイロット空気排出口を真空源に接続することがあげられる。しかしこの方法だと真空源を新たに準備する必要があり、またそれにより消費電力が上昇することとなる。以上のように、電磁弁の消費電力を抑えたまま、排気弁の圧力損失を最小限にする方法が求められていた。

上記のような課題を解決するために発明者は鋭意検討した結果、パイロット式電磁弁として、少ない圧力差で駆動が可能であるダイアフラム式弁を用いた上で、パイロット空気排出先として、空気供給手段の吸入側配管内を選択することによって、パイロット式電磁弁に必要な差圧を低減することができることを見出した。

すなわち、本発明は、少なくとも、窒素を酸素より優先的に吸着する吸着剤を収容した１本以上の吸着筒と、大気を空気吸入口より取り入れ、該吸着筒に圧縮された原料空気を供給する空気圧縮供給手段と、該吸着筒への空気の供給、排気を切り替えるためのガス流路切替手段とを有し、該空気圧縮供給手段から該切替手段を通じて該吸着筒に原料空気を供給し、該吸着筒内部を加圧して該供給空気中の窒素を該吸着剤に吸着させ、吸着されなかった酸素を製品ガスとして取り出す吸着工程、該吸着筒内部を該切替手段を通じて排気し、該吸着剤に吸着した窒素を脱着させて排出する脱着工程を繰り返し行うことにより、空気中の酸素を濃縮して取り出す圧力スイング吸着型酸素濃縮器に於いて、該切替手段がパイロット式電磁弁であり、パイロット空気の排出圧力を大気圧より低い圧力で排気するパイロット空気排気機構を備えることを特徴とする圧力スイング吸着型酸素濃縮器を提供するものである。

また本発明は、前述に加え、該空気圧縮供給手段の原料空気取り入れ口に空気流入量を制限する流路抵抗手段を備え、該パイロット空気排気機構が、該パイロット式電磁弁のパイロット空気排出流路と該流路抵抗手段と該空気圧縮供給手段の間の空気吸入流路内とを接続する流路であることを特徴とする圧力スイング吸着型酸素濃縮器を提供するものである。

また本発明は、前述に加え、該流路抵抗手段が、該空気吸入口から放出される騒音を低減するための騒音低減手段であることを特徴とする圧力スイング吸着型酸素濃縮器を提供するものである。

また本発明は、前述に加え、該パイロット式電磁弁の主弁がダイアフラム型であること、該排出圧力が、ゲージ圧にして０ＫＰａ未満−１０ｋＰａ以上であることを特徴とする圧力スイング吸着型酸素濃縮器を提供するものである。

本発明の圧力スイング吸着型酸素濃縮器は、酸素濃縮プロセスの性能を大きく左右する排気弁の圧力損失を低減し、電磁弁の消費電力とコンプレッサーの消費電力を同時に低減する事が可能となり、従来の装置よりもさらに低消費電力の圧力スイング吸着型酸素濃縮器が実現可能となる。

図１に本発明の好ましい実施態様例を示す。大気中からサイレンサー１２を通って、コンプレッサー１によって加圧された空気は加圧弁主弁２aまたは２bをとおり、吸着筒８aまたは８bに導かれる。吸着筒の内部には窒素を酸素より優先的に吸着する能力をもつ吸着剤が内蔵されており(図には明示されていない)、そこで導かれた空気中の窒素が吸着除去され、残った酸素が逆止弁９aまたは９bを通って製品タンク(11)で一時貯蔵され、製品ガスとして取り出される。吸着剤に吸着された窒素ガスは排気弁主弁４bまたは４aを通り、排気サイレンサー13を通って大気中に放出される。

この実施例で示された装置の動作は以下の通りである。まず、吸着筒８ａの加圧弁主弁２ａが開き減圧弁主弁４ａが閉じるため、コンプレッサーにより圧縮された空気が吸着筒８ａの原料端に導入される。すると吸着筒８ａの圧力が上昇する。内部の吸着剤は接触するガスの窒素分圧が高いほどより多くの窒素を吸着するが、酸素の吸着量は少ないため、導入された空気中の窒素分子が優先的に吸着され、酸素分子は殆ど吸着されない。したがって、吸着筒の製品端からは窒素分子が取り除かれ、酸素濃度が上昇したガスが流出する。このとき均圧弁９は閉じているので、流出したガスは逆止弁１０ａを通って製品タンク１１に一旦貯蔵された後製品ガスとして取り出される。以上の工程を加圧・吸着工程と呼ぶ。

このとき減圧弁主弁４ｂは開き加圧弁主弁２ｂは閉じているため、吸着筒８ｂは排気されて圧力が低下する。吸着剤は、ガスの圧力が低下すると、吸着した窒素を放出する性質があるため、吸着剤から窒素が放出され、減圧弁主弁４ｂを通って、窒素ガスが排気される。これを減圧・脱着工程と呼ぶ。

次に加圧弁主弁２ａ，２ｂおよび減圧弁主弁４ａ，４ｂの状態は保持したまま、均圧弁９が開く。すると、吸着筒ａは、コンプレッサーからの圧縮空気の供給・吸着剤の窒素の吸着・酸素が濃縮されたガスの流出・逆止弁１０ａを経由した製品タンク１１への酸素濃縮ガスの供給を維持したままで、吸着筒８ａの製品端から吸着筒８ｂの製品端へ酸素濃縮ガスの還流が行われる。この工程を吸着・パージガス供給工程と呼ぶ。

また、吸着筒８ｂに酸素濃縮ガスの還流が行われることによって、吸着筒ｂ内の窒素ガス分圧はさらに低下し、吸着剤からの窒素ガス放出が促進される。この工程を脱着・パージ工程と呼ぶ。

次に、加圧弁主弁２ａおよび減圧弁主弁４ａの状態は保ったまま、加圧弁主弁２ｂが開き減圧弁主弁４ｂが閉じることによって、吸着筒８ａおよびコンプレッサーから吸着筒８ｂに圧縮空気が供給される。吸着筒８ａにおいては製品端からは酸素濃縮ガスが、原料端からは圧縮空気が抜き出されるため圧力が低下し、逆止弁が閉じて製品タンクへの酸素濃縮ガスの供給は停止する。これを降圧均圧工程と呼ぶ。

一方、吸着筒８ｂに於いては吸着筒原料端からは圧縮空気が、製品端からは酸素濃縮ガスが流入して圧力が上昇する。これを昇圧均圧工程と呼ぶ。
その後は吸着筒８ａと８ｂが交替して前述の工程を繰り返す。以上のようにして連続的に酸素濃縮ガスを製品ガスとして取り出すことができる。

加圧弁及び減圧弁の構成は以下の通りである。加圧弁にはパイロット式ダイアフラム弁を用いている。前述の通り、加圧弁に於いては、パイロット空気供給口はバルブ入り口と同様にコンプレッサーの吐出口に接続され、パイロット空気排気口は大気開放されている。バルブ閉時はダイアフラム上方の空間の圧力はバルブ入り口、すなわちコンプレッサー吐出口の圧力と等しくなり、ばね力とダイアフラム上方空間の圧力による力の合計がバルブ入り口および出口の圧力による力の合計よりも大きくなりバルブは閉じる。バルブ開時は、ダイアフラム上方の空間は大気圧まで減圧されるのに対し、コンプレッサー吐出圧力および吸着筒の圧力は大気圧より十分高いので、バルブは開く。

減圧弁に関しても同様な構成をとっているが、パイロットガス排気口２１はコンプレッサー１と吸気サイレンサー１２を繋ぐコンプレッサー空気吸入流路に接続されている。通常のパイロット式電磁弁に於いては前述の通りパイロットガス排出口２１はガス出口１８に接続、または大気解放されているが、このような通常の構成では減圧弁主弁４が開き、吸着筒８が減圧されて大気圧に近くなると、ガス入り口圧Ｐｉｎおよびガス出口圧Poutがパイロットガス排出圧Plとほぼ等しくなり、ダイアフラムを押し上げる力が失われて主弁４が閉じてしまう。そのため、吸着筒の圧力が一定の圧力まで下がった時点で吸着筒をそれ以上減圧することができなくなる。そのため、吸着剤に吸着された窒素を十分に排出することができなくなり、製品ガスの酸素濃度が低下する。

これを回復するためには、コンプレッサーの吐出圧を上昇させ、吸着剤の最大の吸着量を増やすか、コンプレッサーの供給流量を上昇させ、吸着筒に送る酸素分子の数を増やす必要があり、いずれも消費電力増大に繋がる。

それに対して、本実施例ではパイロットガス排気口２１はコンプレッサー１と吸気サイレンサー１２を繋ぐコンプレッサー空気吸入流路に接続されている。通常、吸気サイレンサーの目的はコンプレッサーの吸気音を減少させることにあり、その原理は適当な流路抵抗をコンプレッサー空気吸入口との間に設けることによりコンプレッサーの吸気流量を平滑化するものである。そのために、コンプレッサーと吸気サイレンサーの間の空気吸入流路はわずかな陰圧になっている。その圧力は通常大気圧と殆ど同じ圧力から-10kPa程度までの間であるが、主弁がダイアフラム型のものであればその程度の圧力で十分ダイアフラムを駆動することができる。
流路抵抗として、吸気サイレンサーの他、防塵用吸気フィルター、流路絞り手段等を用いることも可能である。

以上のような発明により、圧力スイング吸着型酸素濃縮器に於いて、酸素濃縮プロセスの性能を大きく左右する排気弁の圧力損失を低減し、電磁弁の消費電力とコンプレッサーの消費電力を同時に低減する事が可能となり、従来の装置よりさらに低消費電力の圧力スイング吸着型酸素濃縮器が実現可能となる。

本発明の圧力スイング吸着型酸素濃縮器の実施態様を示すフロー構成図。 従来の圧力スイング吸着型酸素濃縮器の実施態様を示すフロー構成図。 ダイアフラム型パイロット弁の構成図。 パイロット弁がoff状態におけるダイアフラム弁の構成図。 パイロット弁がon状態におけるダイアフラム弁の構成図。

Claims (4)

1. 少なくとも、窒素を酸素より優先的に吸着する吸着剤を収容した1本以上の吸着筒と、大気を空気吸入口より取り入れ、該吸着筒に圧縮された原料空気を供給する空気圧縮供給手段と、該吸着筒への空気の供給、排気を切り替えるためのガス流路切替手段とを有し、該空気圧縮供給手段から該切替手段を通じて該吸着筒に原料空気を供給し、該吸着筒内部を加圧して該供給空気中の窒素を該吸着剤に吸着させ、吸着されなかった酸素を製品ガスとして取り出す吸着工程、該吸着筒内部を該切替手段を通じて排気し、該吸着剤に吸着した窒素を脱着させて排出する脱着工程を繰り返し行うことにより、空気中の酸素を濃縮して取り出す圧力スイング吸着型酸素濃縮器に於いて、該切替手段がパイロット式電磁弁であり、パイロット空気の排出圧力を大気圧より低い圧力で排気するパイロット空気排気機構を備え、該空気圧縮供給手段の原料空気取り入れ口に空気流入量を制限する流路抵抗手段を備え、該パイロット空気排気機構が、該パイロット式電磁弁のパイロット空気排出流路と該流路抵抗手段と該空気圧縮供給手段の間の空気吸入流路内とを接続する流路であることを特徴とする圧力スイング吸着型酸素濃縮器。
2. 該流路抵抗手段が、該空気吸入口から放出される騒音を低減するための騒音低減手段であることを特徴とする請求項１に記載の圧力スイング吸着型酸素濃縮器。
3. 該パイロット式電磁弁の主弁がダイアフラム型であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力スイング吸着型酸素濃縮器。
4. 該排出圧力が、ゲージ圧にして０ＫＰａ未満−１０ｋＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の圧力スイング吸着型酸素濃縮器。