JP7474174B2 - 気体供給装置及びトレーニング装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気を原料とし、酸素濃度が低い低酸素空気や、酸素濃度が高い高酸素空気等の通常とは組成が異なる特殊空気を生成する気体供給装置に関するものである。また本発明は、模擬的な高地トレーニングを行うことができるトレーニング装置に関するものである。

高分子ポリイミド等の高分子有機膜を利用して空気中の酸素と窒素を分離し、酸素濃度が低い低酸素空気や、酸素濃度が高い高酸素空気等の特殊空気を生成する気体供給装置が知られている（特許文献１）。
気体供給装置は、例えば中空糸膜を備えた気体分離装置を有し、空気圧縮機で圧縮した空気を前記した中空糸膜の内側に送り込む構造となっている。
中空糸膜の内側に空気が送り込まれると、窒素等は中空糸内を通過し、酸素等は中空糸膜を透過して排気される。中空糸内を通過した空気は、酸素濃度が低い低酸素空気であり、各種の用途に使用される。

実開平７－７７２５号公報

高分子有機膜等を利用した気体分離装置は、供給される空気の温度が低いと、窒素・酸素の分離能力が低下する場合がある。
例えば冬季においては、気体分離装置の分離能力が低下し、生成される特殊空気の組成が安定しない場合がある。
本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、気体分離装置の分離能力を安定させ、特殊空気を効率よく生成することができる気体供給装置を提供することを課題とするものである。
また本発明は、室内の酸素濃度を調整しやすいトレーニング装置を提供することを課題とする。

上記した課題を解決するための態様は、空気圧縮機と、気体分離装置と、を有し、前記空気圧縮機は、前記気体分離装置に加圧された空気を供給するものであり、前記気体分離装置は、気体分離膜を内蔵し、当該気体分離膜によって、酸素又は窒素の割合を変化させた気体を排出し、当該気体を外部に供給する気体供給装置において、前記空気圧縮機が発する熱によって加熱された加熱空気が、前記空気圧縮機に供給されることを特徴とする気体供給装置である。

気体供給装置から外部に供給される気体は、気体分離膜によって分離された気体そのものであってもよく、分離された気体同士が混合されて組成が調整された気体であってもよい。また気体分離膜で分離された気体に、通常の空気が混合されて組成が調整された気体であってもよい。
本態様の気体供給装置では、空気圧縮機が発する熱によって加熱された加熱空気が気体分離装置に供給される。そのため、空気圧縮機外の空気よりも高い温度の空気を気体分離装置に供給することができ、気体分離装置の効率を向上させることができる。

上記した態様において、前記空気圧縮機は、吸気部を有し、前記吸気部から吸気された空気を圧縮するものであり、前記加熱空気を前記吸気部に導く通風路を有することが望ましい。

本態様によると、空気圧縮機によって空気が直接的に加熱される。また、気体分離装置に加熱空気を効率よく供給することができる。

上記した態様において、前記空気圧縮機は、吸気部を有し、前記吸気部から吸気された空気を圧縮するものであり、前記加熱空気の熱を前記吸気部に供給される空気に伝える熱交換器を有し、前記熱交換器によって加熱された空気が前記吸気部に供給されることが望ましい。

本態様によると、空気圧縮機が発する熱によって、吸気部に供給される空気が間接的に加熱される。

上記した態様において、前記空気圧縮機は、圧縮部を有し、前記加熱空気は、前記空気圧縮機の少なくとも前記圧縮部の周囲を通過した空気であることが望ましい。

本態様によると、簡単な構造で、空気を加熱することができる。

上記した各態様において、前記加熱空気に前記空気圧縮機の外部の空気が混合されて前記吸気部から吸引されることが望ましい。

本態様によると、吸気部から吸引される空気の温度を調節することができる。

上記した態様において、前記混合された空気の温度を検知する温度センサーを有し、当該温度センサーの検知温度によって、前記加熱空気と前記外部の空気との混合比が制御されることが望ましい。
即ち上記した課題を解決するための態様は、空気圧縮機と、気体分離装置と、を有し、前記空気圧縮機は、前記気体分離装置に加圧された空気を供給するものであり、前記気体分離装置は、気体分離膜を内蔵し、当該気体分離膜によって、酸素又は窒素の割合を変化させた気体を排出し、当該気体を外部に供給する気体供給装置において、前記空気圧縮機が発する熱によって加熱された加熱空気に、前記空気圧縮機の外部の空気が混合されて、前記空気圧縮機に供給されるものであり、前記混合された空気の温度を検知する温度センサーを有し、当該温度センサーの検知温度によって、前記加熱空気と前記外部の空気との混合比が制御されることを特徴とする気体供給装置である。

本態様によると、吸気部から吸引される空気の温度が制御される。

上記した各態様において、前記気体分離装置は、供給された空気を、酸素濃度が低い低酸素空気と、酸素濃度が高い高酸素空気に分離してそれぞれ排出するものであり、酸素濃度が調整された空気を外部に供給することが望ましい。

本態様によると、特殊空気の酸素濃度を任意の濃度に調整することができる。

トレーニング装置の態様は、人が内部で運動可能なトレーニングルームと、前記したいずれかの気体供給装置を有し、前記トレーニングルーム内を前記トレーニングルーム外の空気よりも酸素濃度が低い低酸素環境にすることが可能であることを特徴とする。

本態様のトレーニング装置は、室内の酸素濃度を調整しやすい。

本発明の気体供給装置は、気体分離装置の分離能力が安定しており、特殊空気を効率よく生成することができる。
本発明のトレーニング装置は、室内の酸素濃度を調整しやすい。

本発明の実施形態の気体供給装置の構成図である。 本発明の他の実施形態で採用する気体供給装置の構成図である。 本発明のさらに他の実施形態で採用する気体供給装置の構成図である。 本発明の気体供給装置の他の使用例を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の気体供給装置１は、図１の様に、空気圧縮機２と気体分離装置３を有している。

空気圧縮機２は、筐体１０内に、圧縮機１１が内蔵されたものである。圧縮機１１は、圧縮部１２とモータ１３によって構成されている。
空気圧縮機２は、公知のレシプロ式圧縮機であり、圧縮部１２は空冷である。圧縮機１１の形式は、限定されるものではなく、他の形式のものであってもよい。例えば、ロータリー式の圧縮機であってもよい。
圧縮部１２は、モータ１３によって駆動される。

筐体１０には、吸気部１５が設けられている。吸気部１５は、筐体１０に設けられた開口である。吸気部１５と圧縮部１２の間は、吸気ダクト１６で接続されており、吸気部１５から吸引された空気が、圧縮部１２に供給されて圧縮される。
筐体１０内には図示しない圧縮空気除湿装置（エアドライヤー）が設置されている。
また筐体１０には、排気部１７が設けられている。排気部１７は、圧縮部１２で加圧され圧縮空気除湿装置で除湿された空気を外部に供給する配管である。

前記した様に空気圧縮機２は空冷式であり、筐体１０に換気口２０が設けられている。そして当該換気口２０に、送風機（換気扇）６が設けられている。
本実施形態に特有の構成として、換気口２０と吸気部１５との間に、通風路２１が設けられている。本実施形態で採用する通風路２１は、ダクト状のものであり、周囲が覆われた管路を構成するものである。
通風路２１は、換気口２０を基端とし、吸気部１５を覆う位置まで至る流路であり、先端側には開口部２２がある。
通風路２１の中途であって、吸気部１５に至るまでの間に、中間排気口１８があり、当該中間排気口１８には、排気量調整手段２５が設けられている。排気量調整手段２５は、例えば、ダンパーや可動弁である。本実施形態では、図示しないモータによって開度が調整されるダンパーが排気量調整手段２５として採用されている。

通風路２１内であって、吸気部１５の近傍に、温度センサー２８が設けられている。
温度センサー２８の信号は、制御装置２４に入力される。また前記した排気量調整手段２５は、制御装置２４の信号によって開度が調整される。

通風路２１内の、吸気部１５の上流であって、中間排気口１８よりも下流の位置に、フィルター２９が設けられている。フィルター２９の位置は任意であり、吸気部１５に装着されていてもよい。

気体分離装置３は、原料空気生成装置５を内蔵するものである。
原料空気生成装置５は、公知の高分子分離膜方式の窒素ガス発生装置であり、加圧した空気を導入することによって酸素を分離し、導入された空気に比べて窒素の割合が高い低酸素原料空気と、導入された空気に比べて酸素の割合が高い高酸素原料空気を、排出するものである。
気体分離装置３は、原料空気生成装置５によって原料空気を窒素の割合が高い低酸素原料空気と、酸素の割合が高い高酸素原料空気に分離し、さらにこれを適当な割合で混合して外部に排出するものである。

原料空気生成装置５は、図１の様に、空気導入口３０と、低酸素原料空気を排出する第１排出部３１と、高酸素原料空気を排出する第２排出部３２を有している。
気体分離装置３の具体的構造については後記する。

気体分離装置３は、空気導入口３５と、主流路２３と、高酸素空気流路３６を有している。主流路２３は、空気導入口３５から原料空気生成装置５に入り、原料空気生成装置５の第１排出部３１から混合部３３を経て排気部４７に至る流路である。高酸素空気流路３６は、原料空気生成装置５の第２排出部３２から混合部３３に至る流路である。

主流路２３は、空気導入口３５と原料空気生成装置５の空気導入口３０を繋ぐ空気導入路３７と、原料空気生成装置５の第１排出部３１から排気部４７に至る低濃度酸素流路３８によって構成されている。

高酸素空気流路３６は、前記した様に原料空気生成装置５の第２排出部３２から混合部３３に至る流路である。高酸素空気流路３６には、混入流量制御手段４２が設けられている。混入流量制御手段４２は具体的にはモータバルブであり、開度を調整することができる。

高酸素空気流路３６には、排気流路（排気路）４５が接続されている。排気流路４５は、原料空気生成装置５の第２排出部３２から排出された余剰の高酸素原料空気を排気するものである。
排気流路４５には、排気流量制御手段４６が設けられている。排気流量制御手段４６は具体的にはモータバルブであり、開度を調整することができる。

本実施形態の気体供給装置１は、図１の様に、空気圧縮機２と気体分離装置３が配管４８で接続されたものである。
本実施形態の気体供給装置１では、空気圧縮機２で加圧された空気が、空気導入路３７を経由して原料空気生成装置５の空気導入口３０に導入される。
原料空気生成装置５の内部で酸素と窒素が分離され、第１排出部３１から酸素濃度が大気中の空気よりも低い低酸素原料空気が排出される。
また第２排出部３２からは、酸素濃度が大気中の空気よりも高い高酸素原料空気が排出される。

本実施形態の気体分離装置３では、主流路２３を流れる低酸素原料空気に、高酸素空気流路３６を通過する高酸素原料空気が混合される。これにより、適度の酸素濃度に調整された低酸素混合空気が作られ、他の機器に供給される。

そして供給先の酸素濃度が設定値となる様に、混入流量制御手段４２の開度が制御される。例えば、供給先の酸素濃度を監視し、その値を混入流量制御手段４２にフィードバックする。
仮に供給先の酸素濃度が設定値を下回っておれば、混入流量制御手段４２の開度を開き、より多くの高酸素原料空気を低酸素原料空気に混入し、低酸素混合空気に含まれる酸素濃度を上げて供給先の酸素濃度を上昇させる。

逆に供給先の酸素濃度が設定値よりも高い場合には、混入流量制御手段４２の開度を絞り、高酸素原料空気の混入量を減らして低酸素混合空気に含まれる酸素濃度を下げる。
また排気流量制御手段４６の開度は、余剰の高酸素原料空気を廃棄する様に開度が調整される。

混合部３３に混入された高酸素原料空気は、混合部３３の下流を流れるうちに配管を通過する低酸素原料空気との混合が進み、略均一の濃度の低酸素混合空気となって排出される。

前記した様に、本実施形態の気体供給装置１では、空気圧縮機２で加圧された空気が、原料空気生成装置５に導入される。
ここで本実施形態が採用する空気圧縮機２は、空気圧縮機２自身の排熱を利用して、圧縮部１２に導入される空気の温度を上昇させる構成が採用されている。
本実施形態の気体供給装置１では、公知の空気圧縮機２と同様、モータ１３を起動して圧縮部１２を駆動して吸気部１５から空気を吸入し、圧縮部１２で空気を圧縮して加圧する。
また筐体１０内を換気するため、送風機（換気扇）６が駆動される。その結果、筐体１０に設けられた図示しない吸気口から新鮮な空気が筐体１０に導入され、筐体１０内の空気が換気口２０から排気される。
なお、送風機６は必須ではなく、圧縮部１２の吸引力によって図示しない吸気口から新鮮な空気が筐体１０に導入されてもよい。また自然換気によって、吸気口から新鮮な空気が筐体１０に導入されてもよい。

ここで、換気口２０から排気される空気は、少なくとも圧縮部１２の周囲を通過した空気であり、少なくとも圧縮部１２の熱を受けて温度が上昇している。即ち、換気口２０から排気される空気は、圧縮機１１の発熱部分の周囲を通過した空気であり、少なくとも圧縮機１１が発する熱によって加熱された加熱空気である。換気口２０から排気される空気は、モータ１３の周囲を通過した空気であってもよく、モータ１３が発する熱によって加熱されてもよい。

そして当該加熱空気は、通風路２１を流れて吸気部１５に至り、吸気部１５から吸引されて圧縮部１２に供給される。
なお本実施形態では、通風路２１の末端に開口部２２があるから、開口部２２からも空気が導入される。そのため、筐体１０を通過した加熱空気と外部の空気（以下、フレッシュ空気と称する）が混合されて吸気部１５に入り、圧縮部１２に導入される。
外部の空気（フレッシュ空気）は、屋外の空気であってもよく、空気圧縮機２が屋内に設置されている場合は屋内の周囲空気であってもよい。

また本実施形態では、吸気部１５の近傍に温度センサー２８があり、当該温度センサー２８が検知する空気の温度が一定となる様に、加熱空気とフレッシュ空気の混合比率が調整される。即ち、本実施形態では、温度センサー２８の検知温度が排気量調整手段２５にフィードバックされ、温度センサー２８の検知温度が一定となる様に、排気量調整手段２５の開度が調節され、加熱空気と外部の空気との混合比が制御される。

具体的には、温度センサー２８の検知温度が高い場合には、排気量調整手段２５の開度が広げられる。その結果、外部に排気される加熱空気の量が増大し、通風路２１を流れる加熱空気の量が減少する。そのため、混合される加熱空気の割合が減少し、圧縮部１２に導入される空気の温度が低下する。
逆に、温度センサー２８の検知温度が低い場合には、排気量調整手段２５の開度が絞られる。その結果、外部に排気される加熱空気の量が減少し、通風路２１を流れる加熱空気の量が増加する。そのため、混合される加熱空気の割合が増加し、圧縮部１２に導入される空気の温度が上昇する。
また本実施形態では、通風路２１内であって、吸気部１５の上流にフィルター２９が設けられているので、筐体１０内のチリやほこりが当該フィルター２９で取り除かれ、チリやほこりが吸気部１５に入ることが防がれる。

本実施形態で採用する空気圧縮機２は、自己の排熱を利用して得られた高温の空気を、圧縮部１２に導入することができる。
そのため、空気圧縮機２から気体分離装置３に供給される原料空気は、比較的温度が高く、気体分離装置３の効率向上に寄与する。
また本実施形態では、圧縮部１２に導入される空気の温度が安定しており、気体分離装置３から供給される特殊空気の組成が安定する。

気体供給装置１の用途は任意であるが、例えば疑似的に高地トレーニングを行う、トレーニングルーム１０１に接続し、当該トレーニングルーム１０１内を低酸素雰囲気とするために用いることができる。
本実施形態では、気体供給装置１がトレーニングルーム１０１に接続されている。トレーニングルーム１０１には、酸素濃度センサー１０３が設けられている。酸素濃度センサー１０３でトレーニングルーム１０１内の酸素濃度を監視し、その値を混入流量制御手段４２にフィードバックする。
仮にトレーニングルーム１０１内の酸素濃度が設定値を下回っておれば、混入流量制御手段４２の開度を開き、より多くの高酸素原料空気を低酸素原料空気に混入し、低酸素混合空気に含まれる酸素濃度を上げてトレーニングルーム１０１に供給し、トレーニングルーム１０１内の酸素濃度を上昇させる。

逆に、トレーニングルーム１０１内の酸素濃度が設定値よりも高い場合には、混入流量制御手段４２の開度を絞り、高酸素原料空気の混入量を減らして低酸素混合空気に含まれる酸素濃度を下げてトレーニングルーム１０１に供給し、トレーニングルーム１０１内の酸素濃度を降下させる。

次に、原料空気生成装置５の構造について補足説明する。
原料空気生成装置５は、高分子ポリアミドで構成された気体分離膜を内蔵するものであり、窒素ガス発生装置としても使用されるものである。
原料空気生成装置５には、空気導入口３０と、低酸素原料空気を排出する第１排出部３１と、高酸素原料空気を排出する第２排出部３２が設けられている。原料空気生成装置５内に導入された空気は、原料空気生成装置５内を流れ、その間に高酸素原料空気と低酸素原料空気に分離される。

気体分離膜は、空気から窒素と酸素とを分離可能な分離膜であり、高分子を用いた有機膜と、無機材料を用いた無機膜が知られている。
本実施形態では、高分子有機膜が採用されている。気体分離膜の種類や原理は公知であるから詳細な説明を省略する。

前記した気体供給装置１では、加熱空気とフレッシュ空気の混合割合を調整して、吸気部１５から圧縮部１２に導入される空気の温度を調節したが、図２に示す気体供給装置７０の様に、通風路２１の中途に冷却用の熱交換器８０を設け、当該熱交換器８０で、通風路２１を通過する加熱空気の温度を下げてもよい。
即ち、換気口２０から排気された空気は、圧縮部１２に導入するには温度が高すぎる場合がある。そこで、通風路２１の中途に冷却用の熱交換器８０を設け、当該熱交換器８０で、通風路２１を通過する加熱空気の温度を下げたうえで、加熱空気を圧縮部１２に導入する。
図２に示す気体供給装置７０では、換気口２０から排気された空気が、略全量、圧縮部１２に導入される。

また、通風路２１にヒータを追加し、ヒータによって、通風路２１を通過する加熱空気を補助的に加熱するようにしてもよい。

また、図１示す気体供給装置１に、冷却用の熱交換器８０を追加で設けてもよい。この場合、制御装置２４は、温度センサー２８の検知温度が一定となる様に、排気量調整手段２５による混合比の制御に加えて、冷却用の熱交換器８０による空気温度の制御を行う。本構成では、圧縮部１２に導入される空気の温度調整幅を広くすることができる。

以上説明した実施形態では、筐体１０内で加熱された空気を直接的に吸気部１５に戻し、圧縮部１２に供給した。上記した実施形態は、通風路２１で、筐体１０内の空気を吸気部１５に戻す流路を形成したものであると言える。

上記した構成は、簡単な構成であって、かつ確実に効果が得られるものであり、推奨される構成である。
しかしながら、本発明は、この構造に限定されるものではなく、圧縮機１１の排熱によって、圧縮部１２に導入される空気を間接的に加熱するものであってもよい。

図３に示す気体供給装置７３は、換気口２０の近傍に、吸熱用熱交換器８５が設けられている。また吸気部１５にフレッシュ空気を導入するフレッシュ空気導入路８６があり、当該フレッシュ空気導入路８６に、放熱用熱交換器８７が設けられている。
吸熱用熱交換器８５と放熱用熱交換器８７は、図示しない環状流路で接続されており、吸熱用熱交換器８５と放熱用熱交換器８７の間を図示しない熱媒体が循環する。
その結果、空気圧縮機２の排熱が、吸熱用熱交換器８５で回収されて放熱用熱交換器８７に移動し、フレッシュ空気導入路８６を通過する空気を加熱する。

また気体供給装置７３のフレッシュ空気導入路８６には、ダンパー８８が設けられている。本実施形態では、ダンパー８８からフレッシュ空気が導入され、放熱用熱交換器８７を通過した加熱空気に混入される。

前記した通風路２１は、ダクト状のものであり、周囲が覆われた管路を構成するものであるが、通風路２１に代わって風向板を設け、換気口２０から吹き出される空気を吸気部１５の近傍に誘導するものであってもよい。

以上説明した気体供給装置は、いずれも、空気を窒素の割合が高い低酸素原料空気と、酸素の割合が高い高酸素原料空気に分離し、さらにこれを適当な割合で混合して外気よりも酸素濃度が低い低酸素空気を供給するものであるが、分離された低酸素原料空気をそのまま他の機器に供給してもよい。また分離された高酸素原料空気をそのまま他の機器に供給してもよい。
また別の送風機等でフレッシュ空気を取り込み、低酸素原料空気や高酸素原料空気にフレッシュ空気を混合して、気体供給装置から排出される空気の組成を調整してもよい。
空気圧縮機から原料空気生成装置につながる流路を分岐し、原料空気生成装置で生成される低酸素原料空気等に前記分岐された流路を流れる空気を混入して、気体供給装置から排出される空気の組成を調整してもよい。

低酸素原料空気と高酸素原料空気を適当な割合で混合して、外気よりも酸素濃度が高い高酸素空気を供給するものであってもよい。
図４は、高酸素空気を供給する気体供給装置１０５を例示するものである。
気体供給装置１０５で採用される気体分離装置３では、低濃度酸素流路３８に排気流路（排気路）１０８が接続されている。排気流路１０８は、余剰の低酸素原料空気を排気するものである。
排気流路１０８には、排気流量制御手段１１０が設けられている。排気流量制御手段１１０は具体的にはモータバルブであり、開度を調整することができる。
本態様の気体供給装置１０５によると、高酸素空気を安定して生成することができる。

１、７０、７３、１０５ 気体供給装置
２ 空気圧縮機
３ 気体分離装置
５ 原料空気生成装置
１０ 筐体
１１ 圧縮機
１２ 圧縮部
１５ 吸気部
１８ 中間排気口
２０ 換気口
２１ 通風路
２２ 開口部
２４ 制御装置
２５ 排気量調整手段
２８ 温度センサー
２９ フィルター
３３ 混合部
８０ 熱交換器
８５ 吸熱用熱交換器
８６ フレッシュ空気導入路
８７ 放熱用熱交換器
１０１ トレーニングルーム

Claims (6)

1. 空気圧縮機と、気体分離装置と、を有し、
   前記空気圧縮機は、前記気体分離装置に加圧された空気を供給するものであり、
   前記気体分離装置は、気体分離膜を内蔵し、当該気体分離膜によって、酸素又は窒素の割合を変化させた気体を排出し、
   当該気体を外部に供給する気体供給装置において、
   前記空気圧縮機が発する熱によって加熱された加熱空気に、前記空気圧縮機の外部の空気が混合されて、前記空気圧縮機に供給されるものであり、
   前記混合された空気の温度を検知する温度センサーを有し、
   当該温度センサーの検知温度によって、前記加熱空気と前記外部の空気との混合比が制御されることを特徴とする気体供給装置。
2. 前記空気圧縮機は、吸気部を有し、前記吸気部から吸気された空気を圧縮するものであり、
   前記加熱空気を前記吸気部に導く通風路を有することを特徴とする請求項１に記載の気体供給装置。
3. 前記空気圧縮機は、吸気部を有し、前記吸気部から吸気された空気を圧縮するものであり、
   前記加熱空気の熱を前記吸気部に供給される空気に伝える熱交換器を有し、
   前記熱交換器によって加熱された空気が前記吸気部に供給されることを特徴とする請求項１に記載の気体供給装置。
4. 前記空気圧縮機は、圧縮部を有し、
   前記加熱空気は、前記空気圧縮機の少なくとも前記圧縮部の周囲を通過した空気であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の気体供給装置。
5. 前記気体分離装置は、供給された空気を、酸素濃度が低い低酸素空気と、酸素濃度が高い高酸素空気に分離してそれぞれ排出するものであり、
   酸素濃度が調整された空気を外部に供給することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の気体供給装置。
6. 人が内部で運動可能なトレーニングルームと、請求項１乃至５のいずれかに記載の気体供給装置を有し、前記トレーニングルーム内を前記トレーニングルーム外の空気よりも酸素濃度が低い低酸素環境にすることが可能であることを特徴とするトレーニング装置。

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