JPH04275903A - 酸素富化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大気から酸素を濃縮し
て酸素富化空気を供給する酸素富化装置に係り、例えば
最近の密閉化構造の部屋における人間の酸素消費等によ
る酸素濃度低下を抑制または、リフレッシュ用として直
接マスク等により酸素富化空気を吸入するのに好適な圧
力吸着スイング法の酸素富化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】大気中の空気から、吸着剤を用い窒素を
選択的に吸着することにより、酸素を濃縮するシステム
は、この技術分野では良く知られており工業用の酸素富
化燃焼用や医療用に実用化されている。窒素を選択的に
吸着するにはゼオライトの分子ふるい作用を用いており
、吸着、脱着は、これらの工程の圧力レベルを周期的に
スイング（振れ）させることにより行ない、吸着は高圧
、脱着は低圧にするものである。これらに関しては、特
開昭５９−１８４７０７号が挙げられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術における
実用化されている酸素富化装置は、工業用，医療用であ
るため、高濃度（８０％以上）の酸素富化空気を得るも
のであり、一般家庭等で、使うには、高濃度であるため
の危険性があり、装置の構成及び制御が複雑で、非常に
高価になるという問題があった。また、吸着剤の性能は
、温度、湿度によって性能が変化及び劣化し、効率良い
運転ができなくなる問題があった。

【０００４】本発明の目的は、装置の構成と構造及び制
御をシンプル化し、かつ直接吸引しても安全で問題ない
と思われる酸素濃度３０〜４０％程度の酸素富化空気を
供給でき、さらに効率良い運転の出来る酸素富化装置を
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、窒素吸着剤と水分吸着剤を充填した吸着塔は、１塔
、または、窒素吸着剤の吸着塔と水分吸着剤の吸着塔を
各１塔設け、真空ポンプとしても使用できる空気ポンプ
、及び５方弁、逆止弁を各１個設け、空気ポンプの運転
以外は、５方弁のオン・オフだけで制御できるようにし
たものである。また、酸素富化空気の濃度を検知する酸
素センサ−、または、吸着塔の圧力を検知する圧力セン
サ−、もしくは、その両方を設け、各センサ−設定値に
より５方弁のオン・オフを行なうようにしたものである
。

【０００６】さらに、装置として箱体に収納するに当っ
ては箱体の下部に空気ポンプ、５方弁及び冷却用ファン
を設け、その上部に仕切板を設け、仕切板上部に吸着塔
を設けるようにした。

【０００７】

【作用】このように構成された本発明は、次のように作
用する、酸素富化空気を得るには、空気ポンプの吸気口
及び排気口が５方弁の動作により５方弁の内部での接続
口に切り換え、連結され、一方、同時に空気ポンプの排
気口及び吸気口が、大気に連通されるので、空気ポンプ
を運転して、５方弁をオン・オフするサイクル時間を制
御すれば再生（減圧）、加圧、酸素富化工程を行なうこ
とができる。吸着塔の吐出口に設けた逆止弁は、酸素富
化工程時、すなわち、吸着塔の圧力が大気圧よりわずか
に高くなれば、自動的に開き酸素富化空気を吐出する。

【０００８】また、吸着塔を水分吸着塔と窒素吸着塔に
分けると、各々の吸着塔は、別々に交換できる。

【０００９】５方弁のオン・オフするサイクル時間は、
吸着塔から吐出する酸素濃度を酸素センサ−により検知
し設定酸素濃度以下になれば再生工程、また吸着塔の圧
力を圧力センサ−により検知し、設定到達真空度以下に
なれば、加圧工程を行なうようにもできる。

【００１０】また、酸素富化装置の構造においては、収
納箱体を仕切板で、上下に２分し、下部に主な発熱体の
空気ポンプ、５方弁を設けて冷却ファンで冷却するので
、上部に設けた吸着塔を加熱するのを防止する。

【００１１】さらに、５方弁の吸排気口に設けたサイレ
ンサ−も兼ねるフィルタ−は、吸入空気の粉塵を除去し
、吸排気音を、低減するように作用する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図６により説
明する。図１は本発明の酸素富化装置の構成を示すサイ
クル図であり、１は窒素吸着剤６と水分吸着剤７を充填
した吸着塔、２は真空ポンプとしても使用できる空気ポ
ンプ、３は空気ポンプ２と吸着塔１を連結し、空気の流
れを制御する５方弁である。５方弁の接続口は３ａ〜３
ｅまで５個あり、３ａ、３ｃは空気ポンプ２の吸気側と
接続する。３ｂは冷却管５を介して、空気ポンプ２の排
気側に接続し、３ｄは吸着塔１の下部接続口１ａに接続
してある。残った３ｅは開放しておく。また、４は逆止
弁であり、吸着塔１の上部接続口１ｂに接続してある。

【００１３】酸素富化運転を行う場合の運転工程をタイ
ムチャート的に示すと、図２の如くなる。運転工程は再
生、加圧、酸素富化の３つの工程よりなる。初めは再生
工程であり空気ポンプ２をオンし作動させる。同時に５
方弁３に電圧を印加し、吸着筒１の下部接続口１ａと空
気ポンプ２の吸気側が接続されるようにする。これによ
り、空気ポンプ２の動きにより吸着塔１の内部が減圧さ
れることになり、吸着筒１内の窒素吸着剤６および水分
吸着剤７の吸着していた窒素分の多い空気および水分が
減圧除去されて再生され、排気は５方弁の開放してある
接続口３ｅを通って大気に放出される。この再生運転は
図２のスタートからａ点まで行い、この時間をｔ１とす
る。ａ点において５方弁３への電圧印加を止め、次に説
明する加圧、酸素富化運転に切り換える。５方弁３への
電圧印加を止めると、吸着塔１の下部接続口１ａと空気
ポンプ２の排気口が接続され、５方弁３の開放してある
接続口３ｅから大気を吸引し、冷却管５で冷却された大
気が吸着塔１に導入される。吸着塔１の大気が導入され
る下部接続口１ａ側には水分吸着剤７が設置してあり、
導入された大気中の水分を吸着除去し、窒素吸着剤６に
水分が入り、窒素吸着の妨げとならないようにしてある
。水分吸着剤７としては周知の活性アルミナ、シリカゲ
ル等のビーズあるいはペレット等を用いることができる
。乾燥された大気は窒素吸着剤６により選択的に窒素が
吸着されるので吸着塔１内は大気よりも酸素濃度の高い
酸素富化空気が生じることになる。窒素吸着剤６として
は均一な細孔により分子ふるい作用をもつゼオライトの
５Ａあるいはモレキュラシーブ５Ａを用いることが好ま
しい。

【００１４】吸着塔１内に大気を導入し続けると、減圧
状態から大気圧以上の圧力になり、逆止弁４の作動圧力
になった点が図２のｂ点である。逆止弁４の差動圧力は
、吸着筒１内の圧力を最大値１．０１〜１．４気圧とな
るように設定することが酸素収率からみた効率において
好ましい。ａ点〜ｂ点の間が加圧時間であり、これをｔ
２とする。

【００１５】逆止弁４は、吸着塔１から上部接続口１ｂ
を通して吐出口８の方向にのみガスを通すことができる
構造となっており、吸着塔１内に生じた大気圧以上の圧
力の酸素富化空気を吐出口８から放出することができる
。空気ポンプ２により、大気を吸着塔に送り続け、窒素
吸着剤６の窒素吸着能力が限界となり、吐出口８より得
られる酸素富化空気の酸素の濃度が必要濃度よりも低下
する寸前が図２のｃ点であり、ｂ点〜ｃ点をｔ３とし、
これが酸素富化の時間である。このｃ点で５方弁に電圧
を印加することで、スタート時と同じように再生が開始
され、吸着塔１内の減圧を開始し、窒素吸着剤６、水分
吸着剤７の減圧再生を行うようにする。逆止弁４は前記
したように吸着塔１内が大気圧より低下すると閉じた状
態となるので、減圧再生の妨げとならない。

【００１６】なお、図３の如く、吸着塔１を２つに分け
、水分吸着塔１５に水分吸着剤７、窒素吸着塔１６に窒
素吸着剤６を充填するようにし、メンテナンスの容易化
、あるいは装置を構成する場合の設計自由度を広げるよ
うにしても良い。

【００１７】次に、図３の構成において、窒素吸着塔１
６を内径１００ｍｍ，長さ２２０ｍｍとし、窒素吸着剤
６としてはゼオライト５Ａ約１ｋｇを充填し、水分吸着
塔１５は内径５０ｍｍ、長さ２２０ｍｍとし、水分吸着
剤７として、活性アルミナ約０．２５ｋｇを充填し、５
方弁３としては、有効断面積７．５ｍｍ２、ｃｖ値０．
４２のもの、空気ポンプとしては、図４に示す性能の到
達真空度−７１０ｍｍＨｇ、無負荷時の吐出空気空気量
２０ｌ／ｍｉｎの性能をもつもの、逆止弁４として口径
７．５ｍｍのものを組合せ、接続パイプ９は内径５．５
〜６ｍｍのパイプで構成した場合の酸素富化性能につい
て説明する。

【００１８】酸素富化空気の目標酸素濃度を直接すって
も安全で問題ないと思われる３０〜４０％程度とした場
合、窒素吸着剤６、水分吸着剤７が良好な状態であれば
、再生時間ｔ１は５０〜７０秒程度が良い。この時の加
圧時間ｔ２は１０〜１２秒程度となり、酸素富化時間ｔ
３を調整することにより、表１の如く、酸素富化空気の
酸素濃度を調整することができる。この各時間ｔ１〜ｔ
３の制御において、電気的にはｔ１とｔ２＋ｔ３の時間
に分けて５方弁３への電圧印加の有無の制御となるので
２ステップとなり、通常のオン、オフタイマーで簡単に
制御することができる。

【００１９】

【表１】

【００２０】図３の構成において、酸素富化装置の運転
を長時間続けると、窒素吸着剤６が微量水分の影響等に
より徐々に性能低下をおこし、初期に設定した再生、加
圧、酸素富化時間のままでは吐出酸素濃度が徐々に低下
することになる。そこで、図３において逆止弁４と吐出
口８の間に酸素センサー１１を設置し、吐出酸素濃度を
検出して、酸素富化時間ｔ３の途中であっても、設定し
た酸素濃度以下になった場合、酸素富化運転を止めて再
生運転に移るようにすることが好ましい。

【００２１】また、窒素吸着剤が徐々に性能低下してく
ると、再生時間ｔ１が一定でも到達真空度が徐々に変わ
ることになる。すなわち、窒素吸着塔１６および水分吸
着塔１５内の到達真空度は、窒素吸着剤６および水分吸
着剤７が良好な状態にある場合には、前記した再生時間
ｔ１が５０〜７０秒程度で−６００ｍｍＨｇ前後となる
。吐出酸素濃度の目標を３０〜４０％とした場合、再生
はこの付近の真空度−５５０〜−６５０ｍｍＨｇで行う
ことが酸素収率からみた効率のうえで好ましい。すなわ
ち、実験によれば、再生圧力が真空度−５５０ｍｍＨｇ
よりも低いと吐出酸素濃度を３０％以上にすることが難
しく、また真空度を−６５０ｍｍＨｇよりも高くする場
合は真空を引く時間が極端に長くなる。したがって、再
生のための時間が長時間かかることになり、時間当りの
吐出酸素量が少なくなってしまう。しかし長時間、酸素
富化装置を使用して、窒素吸着前６の吸着能力が低下し
てきた場合、おなじ再生時間ｔ１によって運転しても初
期の状態よりも到達真空度が高くなる。この運転になる
と酸素収率のうえからみた効率が悪化してくるので、再
生運転によって減圧される管路内の任意の位置、例えば
窒素吸着塔１６の内部に圧力センサー１０を設置し、再
生運転における到達真空度を検出し、再生時間ｔ１を制
御するようにし、前記した酸素富化時間ｔ３を酸素セン
サーで制御することを併せて行うことにより、常に最良
な運転状態を保つことができるようになる。

【００２２】図１、図３における実施例においては、５
方弁３の接続口３ｄと吸着塔１あるいは水分吸着塔１５
とを接続し、再生時に５方弁３に電圧を印加し、加圧、
酸素富化時には電圧印加なしとしたが、５方弁３の接続
口３ｅと吸着塔１あるいは水分吸着塔１５を接続するよ
うにして、再生時には５方弁３には電圧印加なし、加圧
、酸素富化運転時には、電圧を印加するようにしても同
じように酸素富化を行うことができる。

【００２３】次に、酸素富化装置を組立てた場合の構造
として、図３の構成の場合を例にとり図５に示す。空気
ポンプ２および５方弁３を箱体２０の下部に設置し、そ
の上部に仕切板２１を設けて箱体内を２分し、その上側
に、窒素吸着塔１６、水分吸着塔１５、逆止弁４を設置
する。また空気ポンプ２及び５方弁は、発熱するので冷
却用のファン２２を設置し、強制的に冷却するようにし
た方がよい。さらに箱体２０の空気ポンプ２を収納する
部分には図示していないが通気口を開けるようにすると
良い。また冷却管５は箱体２０の横部に設置し、空気ポ
ンプ２から送られてくる大気を冷却して水分吸着塔１５
に送るようになっているが、これは、５方弁３が加熱さ
れるのを抑えるために設けたが、５方弁３と水分吸着塔
１５の間、もしくは、その両方に設けてもかまわない。 上記構造とすることにより、水分吸着塔１５および窒素
吸着塔１６に熱が伝わりにくくなり、水分吸着剤７、お
よび窒素吸着剤６が加熱されることを防止し、温度の上
昇が原因で起こる吸着力の低下による酸素富化性能の低
下を防止することができる。

【００２４】図１、図３に示した５方弁３の開放されて
いる接続口３ｅ、においては開放されている接続口３ｄ
に吸排気時の音の低減および吸気の粉じん除去に、図６
に示したようなサイレンサーも兼ねるエアーフィルター
３０を取付けるとよい。エアーフィルター３０はエアー
フィルター材３１として多孔質体を用い、空気が通過す
るときに粉じんを濾過して除去し、支持体３２で形態を
保持する構造となっており、吸排出の抵抗となることが
ほとんどなく、粉じんの除去、吸排気音の低減を図るこ
とができる。

【００２５】本実施例によれば、システム構成が、シン
プルにでき、制御も５方弁のオン・オフのみの簡単な制
御にすることができ、また、吸着塔の圧力は、減圧と加
圧の圧力差が小さくかつ吸着塔の圧力も高圧にしないの
で、動力も少なく安全である。

【００２６】また、上記システム構成において吸着塔を
、水分吸着剤を充填した水分吸着塔と窒素吸着剤を充填
した窒素吸着塔に分けることにより、各吸着塔のメンテ
ナンスを容易にでき、設計の自由度を広げることができ
る。

【００２７】装置全体の構造は、本システム構成を収納
する箱体において、空気ポンプ、冷却用ファンおよび５
方弁を箱体の下部に設置し、その上部に仕切板を設けて
箱体内を２分し、仕切板上部に窒素吸着塔、水分吸着塔
、逆止弁を設置したので、構造が簡単で、吸着塔のメン
テナンスが容易であり、また発熱体である空気ポンプか
ら吸着塔を分離してあるので熱の影響を受けにくくする
ことができ、吸着塔の温度上昇による性能低下の影響も
小さくできる。さらに、空気ポンプの吸排気口に、サイ
レンサ−兼エアフィルタ−を設けることにより、吸排気
口の音の低減及び吸気の粉塵除去を簡便に行なうことが
できる。

【００２８】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれば
、装置の構成と構造及び制御をシンプル化し、安価で安
全性が高く、かつ効率良い運転のできる酸素富化装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸素富化装置の構成を示すサイクル図

【図２】
運転工程を示すタイムチャ−ト図

【図３】他の実施例酸
素富化装置のサイクル図

【図４】実施例に用いた空気ポ
ンプの性能

【図５】酸素富化装置の構造概略

【図６】エアフィルタ−の断面構造

【符号の説明】

１……吸着塔、 ２…空気ポンプ、 ３…５方弁、 ４…逆止弁、 ５…冷却管、 ６…窒素吸着剤、 ７…水分吸着剤、 ８…吐出口、 ９…接続パイプ、 １０…酸素センサ−、 １１…圧力センサ−、 １５…水分吸着塔、 １６…窒素吸着塔、 ２０…箱体、 ２１…仕切板， ２２…冷却用ファン

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒素を選択的に吸着する吸着剤を使用し、
   圧力吸着スイング法により、減圧、加圧、酸素富化工程
   を行い大気から酸素富化空気を得る酸素富化装置におい
   て、窒素吸着剤と水分吸着剤を充填した吸着塔を１塔ま
   たは１組とし、この塔の両側に通気連結口を設け、空気
   ポンプと吸着塔との間に連結管を介して、電圧印加時に
   、空気ポンプの吸気口と上記吸着塔とを連結するととも
   に、空気ポンプの排気口を大気と連通させ、また電圧印
   加無時には、空気ポンプの排気口と吸着塔とを連結する
   とともに、空気ポンプの吸気口が大気に連通するように
   設けられた５方弁と、吸着塔の空気ポンプと連結した反
   対側の連結口に吸着塔側から通気可能に設けられた逆止
   弁とを備えたことを特徴とする酸素富化装置。
2. 【請求項２】吸着塔の圧力において減圧時の空気ポンプ
   の吸引による到達真空度は−５５０〜−６５０ｍｍＨｇ
   、また、加圧、酸素富化時の最大圧力は、１．０１〜１
   ．４気圧であることを特徴とする請求項１記載の酸素富
   化装置。
3. 【請求項３】吸着塔を、水分吸着剤を充填した水分吸着
   塔と窒素吸着剤を充填した窒素吸着塔とに分けたことを
   特徴とする請求項１記載の酸素富化装置。
4. 【請求項４】酸素富化空気吐出口と逆止弁の間に酸素セ
   ンサーを設置し、センサー出力が設定値より小さい時に
   再生工程に切り換えることを特徴とする請求項１記載の
   酸素富化装置。
5. 【請求項５】吸着塔の再生工程における到達真空度を検
   知する圧力センサーを設置し、センサー出力が設定値に
   到達した時に、加圧工程に切り換えることを特徴とする
   請求項４記載の酸素富化装置。
6. 【請求項６】酸素富化装置を収納する箱体において、空
   気ポンプ、冷却用ファンおよび５方弁を箱体の下部に設
   置し、その上部に仕切板を設けて箱体内を２分し、仕切
   板上部に窒素吸着塔、水分吸着塔、逆止弁を設置したこ
   とを特徴とする請求項３記載の酸素富化装置。
7. 【請求項７】５方弁の吸排気口にサイレンサ−兼エアフ
   ィルタ−を設けたことを特徴とする請求項３記載の酸素
   富化装置。