JP5380787B2 - 酸素濃縮器 - Google Patents

Description

本発明は、オゾン発生器や医療用酸素濃縮装置などに適用される酸素濃縮器に関するものである。

酸素濃縮器は、窒素を選択的に吸着するゼオライトなどの吸着剤を充填した数本の吸着筒を用いて、空気中の酸素を濃縮する装置である（例えば、特許文献１参照）。

そのような酸素濃縮器として、例えば、二つの吸着筒のうちの一方で吸着、他方で脱着再生を行うと共に、所定時間ごとに各吸着筒で吸着と脱着と切り替えて連続的に酸素を製造するようにしたＰＳＡ酸素濃縮器が知られている。

特開２００４−２７５４９３号公報

ここで、吸着剤は主に窒素の吸脱着を繰り返し行うが、空気中の水分やその他のガスも同時に吸着する性質を持つ。特に、水分は吸着剤に強く吸着し、吸着剤の性能を劣化させる一番の問題である。

対策として、吸着剤の上流側にドレンポットや吸湿剤を配置して、空気中の水分を除去しているが、十分な除湿を行うために多量の吸湿剤が必要となり、酸素濃縮器が大型化してしまう。

また水分による劣化を見越して多量の吸着剤を詰めるなどの対策もあるが、吸着筒および酸素濃縮器のサイズが大型化する問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、原料となる空気中の水分を確実に除去して吸着剤の劣化を防止することができ、コンパクト化を図ることができる酸素濃縮器を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、窒素を選択的に吸着する吸着剤が充填された少なくとも二つの吸着筒と、該吸着筒に供給される空気を圧縮するためのコンプレッサと、そのコンプレッサと上記吸着筒との間に接続され上記コンプレッサの圧縮空気をいずれかの吸着筒に供給する切替手段とを備えた酸素濃縮器において、上記コンプレッサと上記切替手段との間にドレンポットを接続し、上記コンプレッサで圧縮された上記圧縮空気中の水分を上記ドレンポットで除去すべく、上記ドレンポット内の圧力を調整する調整手段を設け、上記調整手段は、上記ドレンポットと上記吸着筒との間に設けられたオリフィスまたはレギュレータからなり、上記吸着筒内に、吸湿剤が充填されると共に、その吸湿剤が上記吸着剤よりもコンプレッサ側に配置され、上記ドレンポット内の圧力が、１５０ｋＰａ以上であり、上記調整手段で調整する上記ドレンポット内の圧力に応じて、上記吸着筒内に充填する上記吸湿剤の量を調節するようにしたものである。

上記調整手段がレギュレータからなり、上記コンプレッサに吸入される空気の湿度を検出する手段を設け、その手段により検出された湿度が高いほど、上記レギュレータの設定圧力を高くするようにしてもよい。

好ましくは、上記ドレンポットに、該ドレンポット内の圧縮空気を冷却して水分を凝縮させるための冷却手段が設けられたものである。

本発明によれば、原料となる空気中の水分を確実に除去して吸着剤の劣化を防止することができ、酸素濃縮器のコンパクト化を図ることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の酸素濃縮器は、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式により酸素を濃縮するＰＳＡ酸素濃縮器（ＰＳＡ装置）であり、例えば、オゾン発生器や医療用酸素濃縮装置などに適用される。

図１に基づき本実施形態の酸素濃縮器の概略構造を説明する。

図１に示すように、本実施形態の酸素濃縮器１は、空気を圧縮するためのコンプレッサ２と、その圧縮空気から窒素を選択的に吸着する吸着剤（以下、Ｎ₂吸着剤という）３１、４１が充填された少なくとも二つの（図例では二つ）吸着筒３、４と、吸着筒３、４で濃縮された高濃度酸素を貯留するための貯留手段（以下、Ｏ₂バッファタンクという）５と、コンプレッサ２と吸着筒３、４との間に接続されコンプレッサ２の圧縮空気をいずれかの吸着筒３、４に供給する切替手段６と、コンプレッサ２と切替手段６との間に接続されたドレンポット７と、コンプレッサ２で圧縮された圧縮空気中の水分をドレンポット７で除去すべく、ドレンポット７内の圧力（以下、ドレンポット内圧という）を調整する調整手段８とを備える。

コンプレッサ２は、例えば、容積型コンプレッサなどが考えられ、図例では、電動式のダイヤフラムコンプレッサである。そのコンプレッサ２は、吐出管１０を介してドレンポット７に接続される。なお、コンプレッサはこれに限定されず、非容積型のものでもよい。

ドレンポット７は、吐出管１０から導入された圧縮空気中の水分を凝縮させると共に、凝縮水を圧縮空気から分離してドレンポット７内に貯留する。ドレンポット７は、ドレンポット７内に貯留した水を適宜除去できるように外部排出口（図示せず）につながるバルブを有する。また、ドレンポット７には、除湿した圧縮空気を各吸着筒３、４に各々供給するための分岐管１１が接続される。

本実施形態では、吸着筒３、４とドレンポット７との間の分岐管１１に、調整手段８をなすオリフィス（以下、上流側オリフィスという）８１が設けられる。その上流側オリフィス８１は、ドレンポット内圧（コンプレッサ２の吐出圧）を吸着筒３、４内の圧力よりも高圧に保持すべく、圧縮空気が通る分岐管１１を絞る。

分岐管１１は、上流側オリフィス８１の下流側の分岐部にて二つに分岐して切替手段６に接続される。

図例では、切替手段６は、二つの吸着筒３、４に対応させて設けられた二つの三方切替弁６１、６２からなり、各三方切替弁６１、６２は、分岐管１１およびドレンポット７を介してコンプレッサ２に各々接続される。

その三方切替弁６１、６２は、圧縮空気導入管１２を介して吸着筒３、４に接続されると共に、排気管１３を介してサイレンサ１４に接続される。三方切替弁６１、６２は、吸着筒３、４（圧縮空気導入管１２）とコンプレッサ２（分岐管１１）とを連通させる吸着位置と、吸着筒３、４（圧縮空気導入管１２）とサイレンサ１４（排気管１３）とを連通させる脱着位置とで切り替えられる。

これら三方切替弁６１、６２は、図示しないコントローラなどに接続され、互いに連動してＰＳＡ制御（開閉制御）される。

吸着筒３、４は、圧縮空気導入管１２と、Ｏ₂バッファタンク５に接続された酸素取出管１５とに各々接続される。その吸着筒３、４内には、Ｎ₂吸着剤３１、４１と吸湿剤３２、４２とが充填される。それらＮ₂吸着剤３１、４１と吸湿剤３２、４２とは、吸湿剤３２、４２がコンプレッサ側、Ｎ₂吸着剤３１、４１がＯ₂バッファタンク側に配置される。Ｎ₂吸着剤３１、４１は、例えば、合成ジルコニウムからなり、吸湿剤３２、４２は、例えば、シリカゲルなどからなる。

本実施形態では、各吸着筒３、４とＯ₂バッファタンク５と間の酸素取出管１５に、圧力調整用の下流側オリフィス１６、１６が各々設けられる。それら下流側オリフィス１６、１６は、Ｏ₂バッファタンク５内の圧力をほぼ大気圧にすべく、高濃度酸素が通る酸素取出管１５を各々絞る。なお、下流側オリフィス１６、１６のかわりにレギュレータを設けてもよい。

酸素取出管１５、１５は、集合部にて一本に接続されて、Ｏ₂バッファタンク５に接続される。

Ｏ₂バッファタンク５は、図示しないオゾン発生器などに、タンク管１７を介して接続され、そのタンク管１７には、流量あるいは圧力を調整するためのレギュレータ１８が設けられる。

次に、図１に基づき本実施形態に係る酸素濃縮器１の作動を説明する。

本実施形態では、一方の吸着筒３のＮ₂吸着剤３１で圧縮空気中の窒素で吸着して酸素を濃縮する（吸着工程）と共に、他方の吸着筒４でＮ₂吸着剤４１の窒素を脱着して吸着筒４を再生し（再生工程）、さらに、窒素の吸着を行う吸着筒３、４と窒素の脱着を行う吸着筒３、４とを所定時間ごとに交互に切替えて、連続的に高濃度酸素を生成する。また、本実施形態では、吸着工程と再生工程とを切り替える際に、二つの吸着筒３、４内の圧力を互いに等しくするための均圧工程を行う。

以下に、これら吸着工程、再生工程および均圧工程について説明する。

まず、図１の左側の吸着筒３により吸着工程を説明する。

［吸着工程］
外部からコンプレッサ２に吸入された原料の空気は、そのコンプレッサ２で所定の吐出圧まで昇圧される。その昇圧された圧縮空気（加圧空気）は、ドレンポット７を通り、そのドレンポット７にて凝縮水が回収されて除湿（脱水）される。ドレンポット７で脱湿された圧縮空気は、上流側オリフィス８１にて所望の吸着圧力（運転圧力）まで降圧された後、吸着位置に設定された三方切替弁６１により吸着筒３に導入される。

その吸着筒３に導入された圧縮空気は、吸着筒３内に充填されている吸湿剤３２でさらに除湿され、続いて吸着筒３内のＮ₂吸着剤３１で、窒素が吸着される。この窒素の吸着により高濃度酸素が生成され、その高濃度酸素が、下流側オリフィス１６を通ってＯ₂バッファタンク５に貯蔵される。

次に、図１の右側の吸着筒４により再生工程を説明する。

［再生工程］
再生工程では、右側の吸着筒４に対応する三方切替弁６２が脱着位置に切り替えられ、高濃度酸素が、吸着筒４内を吸着工程における圧縮空気の流れとは反対方向に流れる。

すなわち、吸着工程中の他方の吸着筒３あるいはＯ₂バッファタンク５から乾燥した高濃度酸素が、酸素取出管１５および下流側オリフィス１６を通り吸着筒４内に流入し、その吸着筒４内を吸着工程とは反対向きに通り抜けて、圧縮空気導入管１２、脱着位置の三方切替弁６２、排気管１３およびサイレンサ１４を通って系外へ排気される。

この高濃度酸素が吸着筒４を流れるときに、Ｎ₂吸着剤４１に吸着していた成分（窒素）と吸湿剤４２に吸着した水分とが脱着されて、Ｎ₂吸着剤４１および吸湿剤４２の再生が行われる。

次に、均圧工程を説明する。

［均圧工程］
均圧工程は、以上の吸着工程と再生工程との切り替えの際に行われる。均圧工程では、三方切替弁６１、６２の流路を切り替えて（例えば、両方の三方切替弁６１、６２を脱着位置に切替えて）、吸着筒３と吸着筒４とを互いにつなぎ、それら吸着筒３、４内の圧力の平均化と、高濃度酸素の回収を行う。吸着筒３、４内の圧力を平均化した後、三方切替弁６１、６２の流路を切替え、吸着工程を行っていた吸着筒３を再生工程に、再生工程を行っていた吸着筒４を吸着工程に使用する。

以上のように、三方切替弁６１、６２を切り替えることで、吸着筒３、４の吸着・均圧・再生操作を繰返し、連続的に高濃度の酸素ガスを製造する。酸素濃縮器１の使用後は、ドレンポット７に溜まった水分を排気・乾燥させて、運転を終了する。

ここで、本実施形態では、ドレンポット７の下流に調整手段８（上流側オリフィス８１）を配置して、ドレンポット７の除湿能力を高めるようにしている。

すなわち、空気中に含まれる水分は、空気の温度が低いほど、また空気の圧力が高いほど、結露（凝縮）し易い。したがって、ドレンポット内圧が高いほど、ドレンポット７の除湿能力は高まることになる。

一方、吸着筒３、４内の圧力は、吸着条件（例えば、Ｎ₂吸着剤３１、４１の量、密度）や酸素濃縮器１が供給する酸素流量などで決定される。

そこで、本実施形態では、ドレンポット７と吸着筒３、４との間に上流側オリフィス８１を設け、コンプレッサ２の吐出圧を高めることで、吸着筒３、４内を所望の吸着圧力に保ちつつ、ドレンポット内圧を吸着筒３、４内の吸着圧力よりも高圧に保持する。そのドレンポット内圧は、上流側オリフィス８１の径とコンプレッサ２の運転条件（例えば、ダイアフラムコンプレッサでは往復速度など）とにより設定される。

これにより、吸着筒３、４に流入する原料の圧縮空気中の水分を確実に除去してＮ₂吸着剤３１、４１の劣化を防止することができ、酸素濃縮器１のコンパクト化を図ることができる。

このように本実施形態では、ドレンポット７の下流側に調整手段８（上流側オリフィス８１）を設け、運転時にドレンポット７内を吸着筒３、４より高い圧力まで昇圧して水分を凝縮させ、ドレンポット７で効率的に水を除去することで、脱水の効果を向上させることが可能となる。

その結果、劣化するＮ₂吸着剤３１、４１の量が低減すると共に、吸湿剤３２、４２により除去すべき水分が減少するので、Ｎ₂吸着剤３１、４１・吸湿剤３２、４２の量を少なくすることが可能となり、酸素濃縮器１のサイズをよりコンパクトにできる。

次に、ドレンポット７の圧力と吸着筒３、４の吸湿剤量との関係を説明する。

Ｎ₂吸着剤３１、４１の劣化を防止するためには、Ｎ₂吸着剤３１、４１の手前で空気中の水分量をゼロにまで除湿する必要がある。

本実施形態では、上述したように、ドレンポット７と吸湿剤３２、４２とにより水分の除去を行う。具体的には、ドレンポット７により、飽和蒸気量以上の水分を回収し、回収しきれない水分（水蒸気）を吸湿剤３２、４２で回収する。

このことから、ドレンポット７の運転圧力（ドレンポット内圧）を決めることで、必要な吸湿剤３２、４２の量が決定可能となる。

図２に基づき、ドレンポット内圧と吸湿剤３２、４２の量の一例を説明する。

図２は、２５℃および４０℃の空気が流入する場合の飽和水蒸気量を、圧力（絶対圧）ごとに示したものである。

図２に示すように、ドレンポット７内の運転圧力が１５０ｋＰａのとき、ドレンポット７内で１７．２ｍｇ／Ｌまで圧縮空気を除湿可能である。このときの余剰水分を除去するために必要な吸湿剤３２、４２を、例えば、必要吸湿剤量１００ｇと定義する。

ドレンポット７内の運転圧力が２００ｋＰａのとき、ドレンポット７内で１２．８ｍｇ／Ｌまで圧縮空気を除湿可能である。この２００ｋＰａのときは、吸湿剤３２、４２は、必要吸湿剤量７５ｇまで減量が可能となる。

ドレンポット７内の運転圧力が３００ｋＰａのとき、ドレンポット７内で６．５ｍｇ／Ｌまで圧縮空気を除湿可能である。この３００ｋＰａのときは、吸湿剤３２、４２は、必要吸湿剤量５０ｇまで減量が可能となる。

このように、本実施形態では、ドレンポット内圧に応じて吸湿剤３２、４２の量を決定することで、吸湿剤３２、４２の量を最小限に抑えることができ、これによっても酸素濃縮器１のコンパクト化を図ることができる。

つまり、水分は、Ｎ₂吸着剤３１、４１に吸着しやすく脱着しにくいため、吸湿剤３２、４２を用いて完全に除湿を行うことが望ましい。しかし、吸湿剤３２、４２だけでＮ₂吸着剤３１、４１に流入する全ての水分を除去しようとすると、大量の吸湿剤３２、４２が必要となってしまう。

そこで、本実施形態では、ドレンポット７内の圧力を高圧にして運転を行うことで、吸湿剤３２、４２に入る前に空気中の水分除去を行うことが可能となり、必要となる吸湿剤３２、４２の量を減量化し、決定することができる。

次に、図３に基づき他の実施形態を説明する。

本実施形態は、上述の図１の実施形態とは、調整手段の構成が異なり、その他は実質的に同じである。したがって、上述の実施形態と同一の要素については、図中同一符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。

本実施形態の酸素濃縮器９１では、吸着筒３、４の下流側に設けた昇圧機構（図例では、下流側オリフィス８２、８２）を用いて酸素濃縮器９１（ＰＳＡ装置）の運転圧力自体を上げることで凝縮水分量を増加させ、ドレンポット７で脱水を行う。

つまり、本実施形態の調整手段８は、各吸着筒３、４とＯ₂バッファタンク５との間の酸素取出管１５に各々設けられた下流側オリフィス８２、８２からなる。この下流側オリフィス８２により、吸着工程中の吸着筒３（４）内およびドレンポット７内の圧力が高められる。

例えば、下流側オリフィス８２、８２の径が、図１の下流側オリフィス１６よりも小径に形成されると共に、コンプレッサ２の吐出圧が高めらて、ドレンポット７が、図１の実施形態とほぼ同じ圧力に保持される。

本実施形態でも、図１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、上述の実施形態では、調整手段としてオリフィスを用いたが、これに限定されず、例えば、レギュレータを用いるようにしてもよい。レギュレータを用いる場合、コンプレッサ２に吸入される空気の湿度を検出する手段を設け、その手段により検出された湿度が高いほど、レギュレータの設定圧力を高く（絞りを小さく）することが考えられる。

また、ドレンポット７の除湿能力をより高めるために、ドレンポット７に冷却手段を設けることが考えられる。つまり、コンプレッサ２の吐出圧力が上がりコンプレッサ２が発熱して圧縮空気の温度が上昇すると、飽和水蒸気量が増加する問題があるため、ドレンポット７を冷却し、温度を一定にすることが考えられる。また、運転温度をさらに低く制御することで、さらに除湿を行うことが可能となる。冷却手段として、放熱フィンや、空冷ファン、ヒートパイプなどの手段が考えられる。

図１は、本発明に係る一実施形態による酸素濃縮器の概略構成図である。 図２は、ドレンポット内の圧力と吸湿剤の量との関係を説明するための図である。 図３は、他の実施形態による酸素濃縮器の概略構成図である。

符号の説明

１ 酸素濃縮器
２ コンプレッサ
３、４ 吸着筒
６ 切替手段
７ ドレンポット
８ 調整手段
３１、４１ 吸着剤
６１、６２ 三方切替弁
８１ 上流側オリフィス

Claims (2)

1. 窒素を選択的に吸着する吸着剤が充填された少なくとも二つの吸着筒と、該吸着筒に供給される空気を圧縮するためのコンプレッサと、そのコンプレッサと上記吸着筒との間に接続され上記コンプレッサの圧縮空気をいずれかの吸着筒に供給する切替手段とを備えた酸素濃縮器において、
   上記コンプレッサと上記切替手段との間にドレンポットを接続し、上記コンプレッサで圧縮された上記圧縮空気中の水分を上記ドレンポットで除去すべく、上記ドレンポット内の圧力を調整する調整手段を設け、
   上記調整手段は、上記ドレンポットと上記吸着筒との間に設けられたオリフィスまたはレギュレータからなり、
   上記吸着筒内に、吸湿剤が充填されると共に、その吸湿剤が上記吸着剤よりもコンプレッサ側に配置され、
   上記ドレンポット内の圧力が、１５０ｋＰａ以上であり、
   上記調整手段で調整する上記ドレンポット内の圧力に応じた量の上記吸湿剤を上記吸着筒内に充填し、
   上記調整手段がレギュレータからなり、
   上記コンプレッサに吸入される空気の湿度を検出する手段を設け、その手段により検出された湿度が高いほど、上記レギュレータの設定圧力を高くするようにした
   ことを特徴とする酸素濃縮器。
2. 上記ドレンポットに、該ドレンポット内の圧縮空気を冷却して水分を凝縮させるための冷却手段が設けられた請求項１記載の酸素濃縮器。

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