JP6747479B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本開示は酸素濃縮装置に関する。さらに詳しくは、空気中の酸素濃度よりも高濃度の酸素濃縮ガスを生成して供給する酸素濃縮装置に関する。

空気中の酸素濃度よりも高濃度の酸素濃縮ガスを生成して、これを酸素タンクに貯留し、当該酸素タンクから必要な箇所に酸素濃縮ガスを供給する酸素濃縮装置が知られている。

かかる酸素濃縮装置として、２〜３筒の吸着筒を用い、加圧圧力から大気圧の間で圧力スイングをするＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式の装置がある。このＰＳＡ方式の酸素濃縮装置では、吸着筒内の圧力が大気圧より高い圧力範囲で変動することから、吸着筒内に収容されている吸着剤の吸着効率が低いという問題がある。

そこで、吸着効率を高めるために、酸素濃縮ガスを酸素タンクに供給した後の吸着筒を大気開放して減圧するのではなく、当該吸着筒を真空ポンプによって吸引して大気圧より低い圧力に減圧するＶＰＳＡ（Ｖａｃｕｕｍ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式の装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−２０２４４７号公報

近年、酸素濃縮装置において高効率で酸素濃縮ガスを生成することが望まれているが、そのためにはコンプレッサの空気供給能力や真空ポンプの空気吸引能力を高める必要があり、酸素濃縮装置の容積、重量や消費電力量が大きくなる。

本開示は、酸素生成をより高い効率で実現できる酸素濃縮装置を提供することを目的としている。

本開示の酸素濃縮装置は、
（１）３筒以上の複数の吸着筒と、各吸着筒に加圧空気を供給するコンプレッサと、各吸着筒から気体を吸引する真空ポンプとを備えた酸素濃縮装置であって、
各吸着筒の入口側管路に接続され、各吸着筒と外気とを連通する連通管と、当該連通管の管路を開閉する制御弁とを有する。

本開示の酸素濃縮装置では、各吸着筒と外気とを連通する連通管が設けられているので、例えば３筒の吸着筒を有する場合において、第１の吸着筒で加圧工程を実施し、第２の吸着筒で減圧工程を実施している間に、残りの第３の吸着筒と外気とを制御弁の操作により開状態にして当該第３の吸着筒内を加圧状態から大気圧状態に、又は、負圧状態から大気圧状態にすることができる。すなわち、第３の吸着筒内の圧力と大気圧との差圧を利用することで、コンプレッサや真空ポンプの力を用いることなく、当該第３の吸着筒内の圧力を大気圧まで戻すことができる。従って、続く工程において第３の吸着筒を加圧する場合、コンプレッサは大気圧状態から加圧状態にすればよいので負圧状態から加圧する場合に比べてコンプレッサに要求される空気供給能力を低減させることができる。一方、続く工程において第３の吸着筒を減圧する場合、真空ポンプは大気圧状態から負圧状態にすればよいので加圧状態から減圧する場合に比べて真空ポンプに要求される空気吸引能力を低減させることができる。要求されるコンプレッサの空気供給能力と真空ポンプの空気吸引能力を低減させることで、酸素濃縮装置の小型軽量化や消費電力量の低減化を実現させることができる。換言すれば、酸素生成をより高い効率で実現することができる。

（２）前記（１）の酸素濃縮装置において、前記連通管が、外気を吸着筒内に給気する第１管路と、吸着筒内の気体を排気する第２管路とを有するものとすることができる。この場合、第１管路を用いて吸着筒内に外気を給気することができ、第２管路を用いて吸着筒内の気体を排気することができる。

本開示の酸素濃縮装置の一実施形態の説明図である。 図１に示される酸素濃縮装置における弁の開通期間及び各吸着筒の圧力変動を示す図である。 図２の部分図であって、第１の吸着筒の１サイクルの圧力変化と開閉弁の開通状態を示す図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本開示の酸素濃縮装置を詳細に説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、本開示の一実施形態に係る酸素濃縮装置Ａの説明図である。酸素濃縮装置Ａは、３筒の吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃと、コンプレッサ２と、真空ポンプ３と、酸素タンク４とを備えた、ＶＰＳＡ方式の酸素濃縮装置である。参照符号１ａ，１ｂ及び１ｃは、それぞれ第１の吸着筒、第２の吸着筒及び第３の吸着筒を示している。

コンプレッサ２は、空気取入口５から機内に取り入れられた空気を加圧し、管路６に送出する。管路６に送出された加圧空気は、管路１１ａ，１１ｂ，１１ｃを経て吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃの各下方側から吸着筒内に送入される。吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃ内には加圧空気中の窒素を吸着する吸着剤が収納されている。

吸着剤が収納されている吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃを加圧空気が通過することで、空気中の酸素濃度よりも高濃度の酸素濃縮ガスを生成することができ、吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃの各上方側から得られる酸素濃縮ガスは、管路１２ａ、１２ｂ、１２ｃから管路７を経て酸素タンク４に貯留される。なお、図１において下方に図示されている管路１６は、吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃ内の気体を真空ポンプ３により外部に排出するための経路である。

各開閉弁（制御弁）１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ、２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、それぞれが配置された管路の気体の通過を開閉するための弁であり、制御部（図示せず）により所定のタイミングで開閉制御される。より詳細には、開閉弁１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、加圧空気の吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃへの送出操作に寄与し、開閉弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃは吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃ内の気体を外部に排出する排出操作に寄与し、開閉弁１８ａ，１８ｂ，１８ｃはパージ操作に寄与する。また、開閉弁２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、各吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃの入口側の管路１１ａ，１１ｂ，１１ｃに接続され、各吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃと外気とを連通する連通管８ａ，８ｂ，８ｃの管路を開閉するための弁であり、後述する負圧状態から大気圧状態への増圧操作に寄与するとともに、加圧状態から大気圧状態への減圧操作に寄与する。

各吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃから酸素タンク４に至る管路１２ａ，１２ｂ，１２ｃには、逆止弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃが設けられている。これらの逆止弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃから酸素タンク４への流れのみ許容する弁であり、各吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃから送出される酸素濃縮ガスが所定の圧力（例えば、１００ｋＰａ）以上の場合に当該酸素濃縮ガスの酸素タンク４への送出を可能にする。なお、逆止弁に代えて、一般的な開閉弁（制御弁）を用いることもできる。

各吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃには、内部の圧力を監視するための圧力計９ａ，９ｂ，９ｃがそれぞれ取り付けられており、また、酸素タンク４には、同じく内部の圧力を監視するための圧力計１０が取り付けられている。

各連通管８ａ，８ｂ，８ｃは、外気を吸着筒内に給気するための第１管路２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、吸着筒内の気体を排気するための第２管路２３ａ，２３ｂ，２３ｃとを有している。これにより、第１管路２２ａ，２２ｂ，２２ｃを用いて吸着筒内に外気を給気することができ、前記第１管路２２ａ，２２ｂ，２２ｃとは別の管路である第２管路２３ａ，２３ｂ，２３ｃを用いて吸着筒内の気体を排気することできる。各第１管路２２ａ，２２ｂ，２２ｃには、外部から吸着筒内への流れのみ許容する逆止弁２４ａ，２４ｂ，２４ｃがそれぞれ設けられており、各第２管路２３ａ，２３ｂ，２３ｃには、吸着筒から外部への流れのみ許容する逆止弁２５ａ，２５ｂ，２５ｃがそれぞれ設けられている。

第１管路２２ａ，２２ｂ，２２ｃの外気取入口（図示せず）と、第２管路２３ａ，２３ｂ，２３ｃの排気口（図示せず）とは、当該排気口から排気された気体（通常の空気よりも酸素濃度が低い）が外気取入口付近の外気と混合して、酸素濃度が低くなった外気が当該外気取入口から吸着筒内に給気されるのを抑制するために、当該排気口と当該外気取入口は、異なる空間に接続することが望ましい。これは、十分な空気循環が行われる開放空間であれば、排気口と外気取入口とを、ある程度の距離だけ離間させることでも実現できる。

つぎに前述した構成を備えた酸素濃縮装置Ａの操作例について、図２〜３を参照しつつ説明する。図２は、図１に示される酸素濃縮装置Ａにおける弁の開通期間及び各吸着筒の圧力変動ないし変化を示す図であり、図３は、図２の部分図であって、第１の吸着筒１ａの１サイクルの圧力変化と開閉弁の開通状態を示す図である。図２〜３において、左側から右側に時間が経過している。また、図２において、上側の図は、各開閉弁の開通期間を示しており、下側の図は、各吸着筒内部の圧力の変化を示している。吸着筒内の圧力は、負圧状態から加圧状態までの間で変化する。

上側の図において、ハッチングで示す期間は、コンプレッサ２の吐出口から各吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃに至る管路に設けられる開閉弁１３ａ，１３ｂ，１３ｃの開通期間を示しており、コンプレッサ２で加圧された加圧空気が各吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃ内に送出される期間（加圧期間）である。また、ダブルハッチングで示す期間は、各吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃから真空ポンプ３の吸込口に至る管路に設けられる開閉弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの開通期間を示しており、各吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃ内の気体が真空ポンプ３により排気される期間（負圧期間）である。また、下側の図において、太い実線は第１の吸着筒１ａの内部の圧力の変化を示しており、細い実線及び破線は、それぞれ第２の吸着筒１ｂ及び第３の吸着筒１ｃの内部の圧力の変化を示している。

図２に示される例では、第１の吸着筒１ａ、第２の吸着筒１ｂ及び第３の吸着筒１ｃの順に吸着筒内の加圧工程が行われる。また、図２において「Ｔ」で示される期間で第１の吸着筒１ａの１サイクルの処理が行われる。この１サイクルの処理には、コンプレッサ２による加圧処理、真空ポンプ３による吸引処理、並びに、連通管８ａ，８ｂ，８ｃを用いた、加圧状態から大気圧状態への減圧処理及び負圧状態から大気圧状態への増圧処理が含まれる。

つぎに、第１の吸着筒１ａについて、開閉弁の開閉と吸着筒内の圧力変化について詳細に説明する。なお、第２の吸着筒１ｂ及び第３の吸着筒１ｃについての、開閉弁の開閉と吸着筒内の圧力変化は、図２に示されるように、時間のずれがあるだけで内容は第１の吸着筒１ａと同様であるので、簡単のため、それらについての説明は省略する。

前述したように、図２〜３では、左側から右側に時間が経過している。時点ｔ０で開閉弁１３ａが開通する（開状態になる）と、吸着筒１ａ内にコンプレッサ２で加圧された加圧空気が供給され、当該吸着筒１ａ内の圧力は上昇する。
吸着筒１ａ内の圧力が上昇して、所定の圧力以上になると、当該吸着筒１ａの出口側（酸素タンク側）の管路１２ａに設けられた逆止弁１７ａが開状態になる。逆止弁１７ａは時点ｔ１で開状態になっている。逆止弁１７ａが開状態になると、吸着筒１ａ内の酸素濃縮ガスは、管路７を経て酸素タンク４内に供給される。逆止弁１７ａが開通している状態では、コンプレッサ２から吸着筒１ａ内に加圧空気が供給されていても、当該吸着筒１ａの出口側が開放されているので吸着筒１ａ内の圧力は一定である。

時点ｔ２で開閉弁１３ａが閉状態になり、コンプレッサ２から吸着筒１ａへの加圧空気の供給が停止される。加圧空気供給の停止と同時にパージ弁である開閉弁１８ａが開状態になり、吸着筒１ａ内の酸素濃縮ガスの一部が、加圧工程に入る第２の吸着筒１ｂ内の酸素濃度を高めるために当該第２の吸着筒１ｂに供給される。開閉弁１８ａが開状態になると、吸着筒１ａ内の圧力は、当該開閉弁１８ａが閉状態になる時点ｔ３まで徐々に低下する。また、開閉弁１８ａが開状態になるのとほぼ同時に逆止弁１７ａは、所定の圧力未満となり、閉状態になる。

続く時点ｔ３で開閉弁１８ａが閉状態になり、開閉弁２１ａが開状態になると、吸着筒１ａ内は、連通管８ａ（図１参照）を介して大気と連通状態になる。そうすると、時点ｔ３における吸着筒１ａ内は加圧状態であり、大気は大気圧であるので、その差圧により、吸着筒１ａ内の気体（酸素濃度が空気中の酸素濃度よりも低くなった気体）は、第２管路２３ａに設けられた逆止弁２５ａを介して大気中に排気される。これにより、吸着筒１ａ内の圧力はほぼ大気圧まで減圧される。

ついで時点ｔ４で開閉弁２１ａが閉状態になり、開閉弁１５ａが開状態になると、吸着筒１ａ内の気体は真空ポンプ３により吸引されて大気中に排気される。これにより、吸着筒１ａ内の圧力は所定の負圧まで減圧される。

ついで時点ｔ５で開閉弁１５ａが閉状態になり、開閉弁２１ａが開状態になると、吸着筒１ａ内は、連通管８ａを介して大気と連通状態になる。そうすると、時点ｔ５における吸着筒１ａ内は負圧状態であり、大気は大気圧であるので、その差圧により、大気中の空気は、第１管路２２ａに設けられた逆止弁２４ａを通って吸着筒１ａ内に供給される。これにより、吸着筒１ａ内の圧力はほぼ大気圧まで増圧される。

続く時点ｔ６では、前記時点ｔ０と同じく開閉弁１３ａが開状態になり、吸着筒１ａ内にコンプレッサ２で加圧された加圧空気が供給され、当該吸着筒１ａ内の圧力は上昇する。以後、時点ｔ１〜ｔ５に関連して説明した前述した工程が繰り返される。

図２の上側の図から分かるように、本実施形態では、第１の吸着筒１ａ、第２の吸着筒１ｂ、第３の吸着筒１ｃの順に開閉弁１３が開状態になっている。換言すれば、第１の吸着筒１ａ、第２の吸着筒１ｂ、第３の吸着筒１ｃの順にコンプレッサ２から加圧空気が供給されている。
また、同様に、本実施形態では、第１の吸着筒１ａ、第２の吸着筒１ｂ、第３の吸着筒１ｃの順に開閉弁１５が開状態になっている。換言すれば、第１の吸着筒１ａ、第２の吸着筒１ｂ、第３の吸着筒１ｃの順に真空ポンプ３で吸着筒内の気体が吸気されている。

本実施形態では、コンプレッサ２から吸着筒１ａ内に加圧空気を供給する直前の一定の期間（前記説明においてｔ５からｔ６までの期間）、開閉弁２１ａを開状態にして吸着筒１ａ内と大気とを連通状態にしている。これにより、吸着筒１ａ内の負圧と大気圧との差圧により、連通管８ａを介して吸着筒１ａ内に外気が供給され、吸着筒１ａ内の圧力はほぼ大気圧になる。従来のＶＰＳＡ方式の酸素濃縮装置では、前記時点ｔ５においてコンプレッサ２を用いて吸着筒１ａ内に加圧空気を供給して大気圧状態にし、さらに加圧状態にしているが、本実施形態では、負圧状態から大気圧までの増圧を吸着筒内の負圧と大気圧との差圧を利用しているので、同じ容積の吸着筒に対して従来よりも小さい能力のコンプレッサでも当該吸着筒内を加圧状態にすることができ、コンプレッサ２の消費電力量を低減させることができる。

また、本実施形態では、真空ポンプ３で吸着筒１ａ内を吸気する直前の一定の期間（前記説明においてｔ３からｔ４までの期間）、開閉弁２１ａを開状態にして吸着筒１ａ内と大気とを連通状態にしている。これにより、吸着筒１ａ内の加圧圧力と大気圧との差圧により、連通管８ａを介して吸着筒１ａ内の気体が外部に排気され、吸着筒１ａ内の圧力はほぼ大気圧になる。従来のＶＰＳＡ方式の酸素濃縮装置では、前記時点ｔ３において真空ポンプ３を用いて吸着筒１ａ内を吸気して大気圧状態にし、さらに負圧状態にしているが、本実施形態では、加圧状態から大気圧までの減圧を吸着筒内の加圧圧力と大気との差圧を利用しているので、同じ容積の吸着筒に対して従来よりも小さい能力のコンプレッサでも当該吸着筒内を負圧状態にすることができ、真空ポンプ３の消費電力量を低減させることができる。

〔その他の変形例〕
本開示は前述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。
例えば、前述した実施形態では、３つの吸着筒を備えた酸素濃縮装置としているが、吸着筒の数は３以上の複数であればよく、例えば４つの吸着筒を備えていてもよい。

１ａ ： 吸着筒（第１の吸着筒）
１ｂ ： 吸着筒（第２の吸着筒）
１ｃ ： 吸着筒（第３の吸着筒）
２ ： コンプレッサ
３ ： 真空ポンプ
４ ： 酸素タンク
５ ： 空気取入口
６ ： 管路
７ ： 管路
８ａ，８ｂ，８ｃ ： 連通管
９ａ，９ｂ，９ｃ ： 圧力計
１０ ： 圧力計
１１ａ，１１ｂ，
１１ｃ ： 管路
１３ａ、１３ｂ、
１３ｃ ： 開閉弁
１５ａ、１５ｂ、
１５ｃ ： 開閉弁
１６ ： 管路
１７ａ、１７ｂ、
１７ｃ ： 逆止弁
１８ａ、１８ｂ、
１８ｃ ： 開閉弁
２１ａ、２１ｂ、
２１ｃ ： 開閉弁
２２ａ，２２ｂ，
２２ｃ ： 第１管路
２３ａ，２３ｂ，
２３ｃ ： 第２管路
２４ａ、２４ｂ、
２４ｃ ： 逆止弁
２５ａ、２５ｂ、
２５ｃ ： 逆止弁
Ａ ： 酸素濃縮装置

Claims (1)

1. ３筒以上の複数の吸着筒（１ａ，１ｂ，１ｃ）と、各吸着筒（１ａ，１ｂ，１ｃ）に加圧空気を供給するコンプレッサ（２）と、各吸着筒（１ａ，１ｂ，１ｃ）から気体を吸引する真空ポンプ（３）とを備えた、ＶＰＳＡ方式の酸素濃縮装置（Ａ）であって、
   各吸着筒（１ａ，１ｂ，１ｃ）の入口側管路（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）に接続され、各吸着筒（１ａ，１ｂ，１ｃ）と外気とを連通する連通管（８ａ，８ｂ，８ｃ）と、当該連通管（８ａ，８ｂ，８ｃ）の管路を開閉する制御弁（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）とを有し、
   前記連通管（８ａ，８ｂ，８ｃ）が、負圧状態の吸着筒（１ａ，１ｂ，１ｃ）内に、吸着筒内の圧力と大気圧との差圧により外気を吸気して当該吸着筒（１ａ，１ｂ，１ｃ）内を負圧状態から大気圧状態にするための第１管路（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）と、加圧状態の吸着筒（１ａ，１ｂ，１ｃ）内の気体を、吸着筒内の圧力と大気圧との差圧により排気して当該吸着筒（１ａ，１ｂ，１ｃ）内を加圧状態から大気圧状態にするための第２管路（２３ａ，２３ｂ，２３ｃ）とを有し、
   各第１管路（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）には、外部から吸着筒内への流れのみを許容する逆止弁（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）がそれぞれ設けられ、
   各第２管路（２３ａ，２３ｂ，２３ｃ）には、吸着筒から外部への流れのみを許容する逆止弁（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ）が設けられている、酸素濃縮装置（Ａ）。

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