JPH06154537A - ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 処理能力を大幅に向上できるガス処理装置を
提供すること。 【構成】 一シリンダ１内の上下位置に気密状態で摺動
自在に配置された２つのピストン２，３と、両ピストン
を所定の位相差をもって上下動させる駆動機構４と、上
側ピストン２の上方空間と両ピストン２，３間の空間を
連通する第１のガス通路１ｇと、蓄熱材を内蔵し第１の
ガス通路１ｇに介装された処理器５と、上側ピストン２
の上方空間に対応しシリンダ壁に設けられた吐出制御バ
ルブ１ｆ付きの吐出ポート１ｃと、下側ピストン３の移
動範囲途中に対応しシリンダ壁に設けられた掃気ポート
１ｈと、掃気ポートと対向するシリンダ壁部分と下側シ
リンダの下方空間を連通する第２のガス通路１ｉと、下
側ピストンの下方空間に対応しシリンダ壁に設けられた
吸気制御バルブ１ｋ付きの吸気ポート１ｊと、からガス
処理装置を構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気等の原料ガスから
特定ガスや熱等を除外するガス処理装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】この種のガス処理装置を開示するものと
して特開平２−２３７６１０号公報が知られている。同
公報に示される装置は空気から窒素を除外して酸素富化
空気を製造するためのもので、図８に示すように、吸気
ポート１１ａ及びリード弁１１ｂを側面に有するクラン
クケース１１と、クランクケース１１内に配置されたク
ランクシャフト１２と、上面に通孔１３ａを有し側面に
掃気ポート１３ｂを有するシリンダ１３と、上面に通孔
１４ａ及びリード弁１４ｂを有しシリンダ１３内に気密
状態で摺動自在に配置されたピストン１４と、ピストン
１４とクランクシャフト１２を連結するコンロッド１５
と、吸着室１６ａ及び吐出室１６ｂを仕切壁１６ｃを介
して上下に有し、該仕切壁１６ｃに通孔１６ｄ及びリー
ド弁１６ｅを、また吐出室上面に吐出ポート１６ｆを有
するシリンダヘッド１６と、吸着室１６ａ内に配置され
た窒素吸着用のゼオライト等の吸着材１７とから構成さ
れている。

【０００３】この装置は揺動ガス圧利用ガス分離装置
（ＰＳＡ）と称され、下記の手順で作動し空気から窒素
を除外して酸素富化空気を製造する。即ち、ピストン１
４が下死点から上昇して掃気ポート１３ｂが閉まると、
シリンダ１３内の空気が圧縮されて吸着材１７に送り込
まれ、圧縮空気中の窒素が該吸着材１７に吸着される
（吸着行程）。ピストン１４がさらに上昇してガス圧力
がリード弁１６ｅの開放圧に達すると、該リード弁１６
ｅが開いて製品ガスである酸素富化空気が吐出室１６ｂ
を通じて吐出ポート１６ｆから吐出される（吐出行
程）。一方、上記のピストン上昇課程ではクランクケー
ス１１内が減圧され、これによりリード弁１１ｂが開い
て外部の空気が吸気ポート１１ａからクランクケース１
１内に導入される。

【０００４】ピストン１４が上死点から下降し始める
と、リード弁１６ｅが閉じシリンダ１３内の残留ガスが
膨張され、このときの減圧作用によって吸着材１７から
窒素が脱離し、脱離した窒素がシリンダ１３内に吸引さ
れる（脱離行程）。このピストン降下課程でシリンダ１
３内のガス圧力がクランクケース１１内よりも低くなる
と、リード弁１４ｂが開いてクランクケース１１内の空
気がシリンダ１３内に流入して脱離窒素を含んだガスが
希釈され、そして掃気ポート１３ｂが開くと希釈ガスが
該掃気ポート１３ｂから外部に放出される（掃気行
程）。排気ポート開放後にピストン１４がさらに下降す
ると、該ピストン１４が下死点に至るまでにシリンダ１
３内に新しい空気が送り込まれる（吸気行程）。以上の
行程はクランクシャフト１２の回動に従って順次繰り返
され、これにより酸素富化空気が連続して製造される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
ガス処理装置では、シリンダ１３内で上下動するピスト
ン１４の上方に吐出制御用のリード弁１６ｅを、またピ
ストン１４の上面に吸気制御用のリード弁１４ｂを配置
した構造にあるため、製品ガス吐出量の増加を狙ってピ
ストン１４の上下動速度を増すと、特にピストン１４側
のリード弁１４ｂが該ピストン１４の上下動と同期して
開閉し、初期の圧縮，膨張を適正に行えなくなる欠点が
ある。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、処理能力を大幅に向上で
きるガス処理装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１では、一シリンダ内の上下位置に気密状態で摺
動自在に配置された２つのピストンと、両ピストンを所
定の位相差をもって上下動させる駆動機構と、上側ピス
トンの上方空間と両ピストン間の空間を連通する第１の
ガス通路と、蓄熱材を内蔵し第１のガス通路に介装され
た処理器と、上側ピストンの上方空間に対応しシリンダ
壁に設けられた吐出制御バルブ付きの吐出ポートと、下
側ピストンの移動範囲途中に対応しシリンダ壁に設けら
れた掃気ポートと、掃気ポートと対向するシリンダ壁部
分と下側シリンダの下方空間を連通する第２のガス通路
と、下側ピストンの下方空間に対応しシリンダ壁に設け
られた吸気制御バルブ付きの吸気ポートとから、ガス処
理装置を構成している。

【０００８】請求項２では、一シリンダ内の上下位置に
気密状態で摺動自在に配置された２つのピストンと、両
ピストンを所定の位相差をもって上下動させる駆動機構
と、蓄熱材を内蔵し上側ピストン内に配置された処理器
と、上側ピストンの上方空間に対応しシリンダ壁に設け
られた吐出制御バルブ付きの吐出ポートと、下側ピスト
ンの移動範囲途中に対応しシリンダ壁に設けられた掃気
ポートと、掃気ポートと対向するシリンダ壁部分と下側
シリンダの下方空間を連通するガス通路と、下側ピスト
ンの下方空間に対応しシリンダ壁に設けられた吸気制御
バルブ付きの吸気ポートとから、ガス処理装置を構成し
ている。

【０００９】請求項３では、２つのシリンダと、各シリ
ンダ内に気密状態で摺動自在に配置されたピストンと、
両ピストンを所定の位相差をもって上下動させる駆動機
構と、両シリンダのピストン上方空間を連通するガス通
路と、蓄熱材を内蔵しガス通路に介装された処理器と、
一方のピストンの上方空間に対応しシリンダ壁に設けら
れた吐出制御バルブ付きの吐出ポートと、他方のピスト
ンの移動範囲途中に対応しシリンダ壁に設けられた掃気
ポート及び吸気ポートとから、ガス処理装置を構成して
いる。

【００１０】請求項４では、請求項１乃至３の何れか１
項記載のガス処理装置における処理器内に、特定ガス分
を吸着する吸着材を蓄熱材と熱的に接触した状態で配置
している。

【００１１】請求項５では、請求項４記載のガス処理装
置における蓄熱材として、吸着材よりも総比熱が大きい
ものを使用している。

【００１２】請求項６では、請求項１乃至５の何れか１
項記載のガス処理装置における蓄熱材を、金網または金
属粒から形成している。

【００１３】

【作用】請求項１に係るガス処理装置は下記の手順で作
動し、原料ガスから熱を除外して低温の製品ガスを製造
する。即ち、駆動機構の作動で上下のピストンが接近す
ると、両ピストン間で原料ガスが断熱圧縮され、高温高
圧ガスが第１のガス通路を通じて処理器に送り込まれ
る。処理器に送り込まれた高温高圧ガスは、その熱を蓄
熱材に奪われつつ該蓄熱材の低温部分を高圧状態のまま
通過し、上側ピストンの上方空間に送り込まれる。上側
ピストンの上方空間に送り込まれた低温高圧ガスは、そ
の圧力が吐出制御バルブの開放圧でに達したところで製
品ガスとして吐出ポートから吐出される。圧縮後におけ
る上側ピストンの下降課程では該ピストンの上方空間に
ある残留ガスが断熱膨張され、該ピストンの上昇課程で
この低温低圧ガスが第１のガス通路を通じて処理器に戻
される。処理器に戻された低温低圧ガスは、蓄熱材から
熱を奪いつつ該蓄熱材の高温部分を低圧状態のまま通過
し、下側ピストンの上方空間に送り込まれる。下側ピス
トンの下降課程で掃気ポート及び第２のガス通路上端が
開くと、吸気制御バルブを通じて取り込まれた新しい原
料ガスが第２のガス通路を通じて下側ピストンの上方空
間に送り込まれ、上記の戻りガスが希釈されて掃気ポー
トから放出され該空間が新しい原料ガスに置換される。

【００１４】請求項２に係るガス処理装置は下記の手順
で作動し、請求項１と同様に原料ガスから熱を除外して
低温の製品ガスを製造する。即ち、駆動機構の作動で上
下のピストンが接近すると、両ピストン間で原料ガスが
断熱圧縮され、高温高圧ガスが上側ピストン内の処理器
に送り込まれる。処理器に送り込まれた高温高圧ガス
は、その熱を蓄熱材に奪われつつ該蓄熱材の低温部分を
高圧状態のまま通過し、上側ピストンの上方空間に送り
込まれる。上側ピストンの上方空間に送り込まれた低温
高圧ガスは、その圧力が吐出制御バルブの開放圧でに達
したところで製品ガスとして吐出ポートから吐出され
る。圧縮後における上側ピストンの下降課程では該ピス
トンの上方空間にある残留ガスが断熱膨張され、該ピス
トンの上昇課程でこの低温低圧ガスが処理器に戻され
る。処理器に戻された低温低圧ガスは、蓄熱材から熱を
奪いつつ該蓄熱材の高温部分を低圧状態のまま通過し、
下側ピストンの上方空間に送り込まれる。下側ピストン
の下降課程で掃気ポート及びガス通路上端が開くと、吸
気制御バルブを通じて取り込まれた新しい原料ガスがガ
ス通路を通じて下側ピストンの上方空間に送り込まれ、
上記の戻りガスが希釈されて掃気ポートから放出され該
空間が新しい原料ガスに置換される。

【００１５】請求項３に係るガス処理装置は下記の手順
で作動し、原料ガスから熱を除外して低温の製品ガスを
製造する。即ち、駆動機構の作動で吸・掃気ポート側の
ピストンが上昇すると、同シリンダ内の空気が断熱圧縮
され、高温高圧ガスがガス通路を通じて処理器に送り込
まれる。処理器に送り込まれた高温高圧ガスは、その熱
を蓄熱材に奪われつつ該蓄熱材の低温部分を高圧状態の
まま通過し、吐出ポート側のシリンダ内に送り込まれ
る。吐出ポート側のシリンダ内に送り込まれた低温高圧
ガスは、その圧力が吐出制御バルブの開放圧に達したと
ころで製品ガスとして吐出ポートから吐出される。圧縮
後における吐出ポート側のピストンの下降課程では同シ
リンダ内にある残留ガスが断熱膨張され、該ピストンの
上昇課程で低温低圧ガスがガス通路を通じて処理器に戻
される。処理器に戻された低温低圧ガスは、蓄熱材から
熱を奪いつつ該蓄熱材の高温部分を低圧状態のまま通過
し、吸・掃気ポート側のシリンダ内に送り込まれる。吸
・掃気ポート側のピストンの下降課程で掃気ポート及び
吸気ポートが開くと同シリンダ内に原料ガスが送り込ま
れ、上記の戻りガスが希釈されて掃気ポートから放出さ
れ該シリンダ内が新しい原料ガスに置換される。

【００１６】請求項４に係るガス処理装置は上記各装置
と同様の手順で作動し、原料ガスから特定ガス分を除外
して製品ガスを製造する。即ち、処理器に送り込まれた
高温高圧ガスは、その熱を蓄熱材に奪われ、且つガス中
の特定ガス分を吸着材に吸着されつつその低温部分を高
圧状態のまま通過する。また、処理器に戻された低温低
圧ガスは、蓄熱材から熱を奪い、且つ吸着材に吸着され
ていた特定ガス分を脱離しつつその高温部分を低圧状態
のまま通過する。

【００１７】請求項５に係るガス処理装置では、吸着材
よりも大きな総比熱を有する蓄熱材によって上記の熱交
換と発熱・吸熱作用の緩和を促進できる。

【００１８】請求項６に係るガス処理装置では、金網ま
たは金属粒から成る蓄熱材によって上記の熱交換を効果
的に行える。

【００１９】

【実施例】図１には本発明の第１実施例を示してある。
同図に示したガス処理装置は空気から窒素を除外して酸
素富化空気を製造するためのもので、図おいて１はシリ
ンダ、２は第１ピストン、３は第２ピストン、４はクラ
ンク機構、５は処理器である。

【００２０】シリンダ１は上部を２段の筒状に形成さ
れ、下部にクランク室１ａを有している。このシリンダ
１の上壁一側に形成された通孔１ｂの上部には吐出ポー
ト１ｃを有する吐出室１ｄが画成されており、該吐出室
１ｄ内にはコイルバネ１ｅによって下方に付勢されたリ
リーフ弁１ｆが配設されている。また、シリンダ１の上
壁他側とその下側の側壁との間には、シリンダ１内の上
部を連通するガス通路１ｇが形成されている。更に、シ
リンダ１の側壁中間部には掃気ポート１ｈが形成され、
これと対向する側壁部分とクランク室１ａとの間には、
シリンダ１内の下部を連通するガス通路１ｉが形成され
ている。更にまた、シリンダ１の側壁下部にはクランク
室１ａに臨む吸気ポート１ｊが形成され、該吸気ポート
１ｊの内側には常態で閉鎖するリード弁１ｋが配設され
ている。

【００２１】第１ピストン２は偏平状を成し、外周面に
設けられたシールリング２ａを介してシリンダ１の大径
部に気密状態で摺動自在に配置されている。この第１ピ
ストン２の下面には、第２ピストン３の上面形状に合致
した凹部２ｂが形成されており、またその中央には昇降
シャフト２ｃが垂設されている。

【００２２】第２ピストン３は第１ピストン２よりも縦
長の円筒状を成し、外周面の上下に設けられたシールリ
ング３ａを介してシリンダ１の小径部、つまり上記第１
ピストン２の下側位置に気密状態で摺動自在に配置され
ている。この第２ピストン３の上面には、ガス通路１ｉ
側に向いて円弧状窪みを有する膨出部３ｂが形成され、
またその内部には一対のブラケット３ｃが垂設されてい
る。また、第２ピストン３の中央にはシールリング内蔵
の貫通孔３ｄが形成され、該貫通孔３ｄには上記昇降シ
ャフト２ｃが気密状態で摺動自在に挿通されている。

【００２３】クランク機構４は、図２にも示すようにモ
ータ，エンジン等に連結された主軸４ａと、主軸４ａに
介装された一対の第１クランク４ｂと、第１クランク４
ｂの両側に９０°の角度差をもって配設された２対の第
２クランク４ｃと、第１クランク４ｂの先端と第１ピス
トン２の昇降シャフト２ｃの下端に連結された第１コン
ロッド４ｄと、第２クランク４ｃの先端と第２ピストン
３のブラケット３ｃの下端に夫々連結された一対の第２
コンロッド４ｅから構成されている。尚、図中のθは、
第２クランク４ｃの最下点からのクランク角である。

【００２４】このクランク機構４では、主軸４ａを所定
方向に回動させることにより、各クランク４ｂ，４ｃに
よって第１，第２ピストン２，３を９０°の位相差をも
って上下動させることができ、第１ピストン２はシリン
ダ１の大径部を可動範囲とし、また第２ピストン３はシ
リンダ１の小径部を可動範囲として夫々上下動する。

【００２５】処理器５は図３の（ａ）または（ｂ）に示
す構造を有しており、上側のガス通路１ｂの途中に介装
されている。図３（ａ）の処理器５は、上下端に通孔５
ａを有するケーシング５ｂと、ケーシング５ｂ内の通孔
間に所定間隔をおいて配置されたステンレス製の複数枚
の金網５ｃと、各金網５ｃで画成される小空間に充填さ
れたゼオライト等の吸着材５ｄとから構成されている。
一方、図３（ｂ）の処理器５は、上下端に通孔５ａを有
するケーシング５ｂと、ケーシング５ｂ内の端部に配置
されたステンレス製の金網５ｃと、金網５ｃ間に充填さ
れたゼオライト等の吸着材５ｄと、吸着材５ｄ中に分散
混合されたステンレス製の金属粒５ｅとから構成されて
いる。両処理器５では金網５または金属粒５ｅによって
蓄熱作用を発揮することが可能で、また何れの処理器５
も吸着材５ｄによって流通ガスの窒素を吸着できるよう
になっている。尚、以下の動作説明では上記の金網５及
び金属粒５ｅを蓄熱材と称して使用する。

【００２６】次に、図４及び図５を参照して上記ガス処
理装置の動作を説明する。図４にはクランク角θが０
°，９０°，１８０°，２７０°，３６０°の状態にお
ける第１，第２ピストン２，３の位置とガスの流れを示
し、また図５には第１，第２ピストン２，３の移動軌跡
とガス圧力Ｐ１及びクランク室圧力Ｐ２の変化を示して
ある。

【００２７】第２ピストン３が下死点から上昇して掃気
ポート１ｈを閉じ、また第１ピストン２が上死点を経て
下降し始めて両ピストン２，３が徐々に接近すると、第
１，第２ピストン２，３の間の空気が断熱圧縮され、高
温高圧の空気がガス通路１ｇを通じて処理器５に送り込
まれる。処理器５に送り込まれた高温高圧の空気は、そ
の熱を蓄熱材に奪われ、且つ空気中の窒素を吸着材５ｄ
に吸着されつつその低温部分を高圧状態のまま通過し
て、低温高圧の酸素富化空気が第１ピストン２の上方空
間に送り込まれる。処理器５内における上記の熱交換は
蓄熱材５ｄよりも総比熱が大きな蓄熱材側で主に行わ
れ、しかも吸着時に吸着材５ｄで生じる発熱作用の影響
を蓄熱材で緩和できるので、吸着時には吸着材５ｄの温
度上昇を防止することができ、高温高圧の空気をその低
温部分に高圧状態のまま通過させて窒素を効率よく吸着
することができる。

【００２８】両ピストン２，３の接近によって上記のガ
ス圧力Ｐ１がリリーフ弁１ｆの開放圧に達すると、該リ
リーフ弁１ｆが開いて製品ガスである酸素富化空気が吐
出室１ｄを通じて吐出ポート１ｃから吐出される。この
吐出は第２ピストン３が上死点から僅かに下降し両ピス
トン２，３が最も近接するところまで継続される。ま
た、第２ピストン３の上昇課程ではクランク室１ａ内が
減圧され、これによりリード弁１ｋが開いて外部の空気
が吸気ポート１ｊからクランク室１ａ内に導入される。
そして、両ピストン２，３が最近接位置から離れ始めて
上記のガス圧力Ｐ１がリリーフ弁１ｆの開放圧よりも低
くなると、該リリーフ弁１ｆが閉じ吐出が終了する。

【００２９】第１ピストン２が最近接位置から下死点に
至る課程では第１ピストン２の上方空間にある残留ガス
が断熱膨張され、該第１ピストン２が下死点から上昇
し、また第２ピストン３が下降して両ピストン２，３が
徐々に離反すると、この低温低圧のガスが処理器５に戻
される。処理器５に戻された低温低圧のガスは、蓄熱材
から熱を奪い、且つ吸着材５ｄに吸着されていた窒素を
脱離しつつその高温部分を低圧状態のまま通過して、窒
素を含んだ高温低圧のガスが第２ピストン３の上方空間
に送り込まれる。処理器５内における上記の熱交換は蓄
熱材５ｄよりも総比熱が大きな蓄熱材側で主に行われ、
しかも脱離時に吸着材５ｄで生じる吸熱作用の影響を蓄
熱材で緩和できるので、脱離時には吸着材５ｄの温度降
下を防止することができ、低温低圧の戻りガスをその高
温部分に低圧状態のまま通過させて窒素を効率よく脱離
することができる。

【００３０】第１ピストン２がさらに上昇し、第２ピス
トン３がさらに下降して掃気ポート１ｈが開き、また下
側のガス通路１ｉの上端が開くと、第２ピストン３の下
降課程で昇圧されていたクランク室１ａ内の空気がガス
通路１ｉを通じて第２ピストン３の上方空間に送り込ま
れ、上記の戻りガスが該空気で希釈されて掃気ポート１
ｈから放出され、第２ピストン３の上方空間が新しい空
気に置換される。

【００３１】図６には上記ガス処理装置の１サイクル動
作における第１ピストン２の上方空間Ｋ１及び第２ピス
トン３の上方空間Ｋ２夫々の容積（Ｖ）とガス圧力
（Ｐ）との関係を示してある。同図上に示すように、第
１ピストン２の上方空間Ｋ１は低圧状態（掃気圧Ｐａ）
で圧縮を受けて昇圧し、高圧状態（リリーフ弁１ｆの開
放圧Ｐｂ）で膨張しつつ降圧して、右回りのＰＶ線を描
く。一方、同図下に示すように、第２ピストン３の上方
空間Ｋ２は低圧状態（吸・掃気圧Ｐａ）から圧縮を受け
て昇圧し、高圧状態（吐出圧Ｐｂ）から膨張しつつ降圧
して、左回りのＰＶ線を描く。つまり、空間Ｋ１は右回
りのＰＶ線を描くので同空間のガスは仕事をして冷却さ
れ、また空間Ｋ２は左回りのＰＶ線を描くので同空間の
ガスは仕事を受けて加熱される。

【００３２】図７には上記ガス処理装置の１サイクル動
作におけるガス温度と吸着材温度の関係を示してある。
同図に示すように吸着材５ｄは帯状の温度変動範囲を有
するため、先に述べたように処理器５内に送り込まれた
高温高圧の空気は吸着材５ｄの低温部分を通過し、また
処理器５内に戻された低温低圧のガスは吸着材５ｄの高
温部分を通過することが可能で、これにより窒素の吸着
と脱着が効率よく行われる。

【００３３】このように第１実施例のガス処理装置で
は、異なる位相で上下動する２つのピストン２，３の１
サイクル動作により窒素の吸着・脱離に必要な一連の行
程を行うことができるので、両ピストン２、３の上下動
速度を増しても従来のもののように動作不良を生じるこ
とがなく、高速、且つ大容量のガス処理を可能にしてそ
の処理能力を大幅に向上させることができる。

【００３４】また、処理器５内における熱交換を蓄熱材
側で主に行わせ、しかも吸着材５ｄで生じる発熱作用及
び吸熱作用の影響を蓄熱材で緩和できるので、吸着時及
び脱着時における吸着材５ｄの温度変化を防止して窒素
の吸着と脱離を適正温度下で効率よく行うことができ
る。

【００３５】さらに、吸着，脱離の際に吸着材５ｄで生
じる反応熱を抑制するための冷却・加熱手段を不要にし
て装置の小型化に貢献できる。

【００３６】図９には本発明の第２実施例を示してあ
る。同図に示したガス処理装置は、第１実施例と同様
に、空気から窒素を除外して酸素富化空気を製造するた
めのもので、図おいて２１はシリンダ、２２は第１ピス
トン、２３は第２ピストン、２４はクランク機構、２５
は処理器である。

【００３７】シリンダ２１は上部を２段の筒状に形成さ
れ、下部にクランク室２１ａを有している。このシリン
ダ２１の上壁一側に形成された通孔２１ｂの上部には吐
出ポート２１ｃを有する吐出室２１ｄが画成されてお
り、該吐出室２１ｄ内にはコイルバネ２１ｅによって下
方に付勢されたリリーフ弁２１ｆが配設されている。ま
た、シリンダ２１の側壁中間部には掃気ポート２１ｇが
形成され、これと対向する側壁部分とクランク室２１ａ
との間には、シリンダ１１内の下部を連通するガス通路
２１ｈが形成されている。更に、シリンダ２１の側壁下
部にはクランク室２１ａに臨む吸気ポート２１ｉが形成
され、該吸気ポート２１ｉの内側には常態で閉鎖するリ
ード弁２１ｊが配設されている。

【００３８】第１ピストン２２は偏平円筒状を成し、外
周面に設けられたシールリング２２ａを介してシリンダ
２１の大径部に気密状態で摺動自在に配置されている。
この第１ピストン２２の下面には、第２ピストン２３の
外径に合致した凹部２ｂが形成され、またその上面には
通孔２２ｃが形成されている。また、第１ピストン２２
の凹部２２ｂには、上端に円板部２２ｄを該円板部２２
ｄに通孔２２ｅを有する昇降シャフト２２ｆが垂設され
ている。

【００３９】第２ピストン２３は第１ピストン２２より
も縦長の円筒状を成し、外周面の上下に設けられたシー
ルリング２３ａを介してシリンダ２１の小径部、つまり
上記第１ピストン２２の下側位置に気密状態で摺動自在
に配置されている。この第２ピストン２３の上面には、
ガス通路２１ｈ側に向いて円弧状窪みを有する膨出部２
３ｂが形成され、またその内部には一対のブラケット２
３ｃが垂設されている。また、第２ピストン２３の中央
にはシールリング内蔵の貫通孔２３ｄが形成され、該貫
通孔２３ｄには上記昇降シャフト２２ｆが気密状態で摺
動自在に挿通されている。

【００４０】クランク機構２４は、第１実施例と同様、
モータ，エンジン等に連結された主軸２４ａと、主軸２
４ａに介装された一対の第１クランク２４ｂと、第１ク
ランク２４ｂの両側に９０°の角度差をもって配設され
た２対の第２クランク２４ｃと、第１クランク２４ｂの
先端と第１ピストン２２の昇降シャフト２２ｆの下端に
連結された第１コンロッド２４ｄと、第２クランク２４
ｃの先端と第２ピストン２３のブラケット２３ｃの下端
に夫々連結された一対の第２コンロッド２４ｅから構成
されている。尚、図中のθは、第２クランク２４ｃの最
下点からのクランク角である。

【００４１】このクランク機構２４では、主軸２４ａを
所定方向に回動させることにより、各クランク２４ｂ，
２４ｃによって第１，第２ピストン２２，２３を９０°
の位相差をもって上下動させることができ、第１ピスト
ン２２はシリンダ２１の大径部を可動範囲とし、また第
２ピストン２３はシリンダ２１の小径部を可動範囲とし
て夫々上下動する。

【００４２】処理器２５は、第１実施例と同様、上下端
に通孔を有するケーシング内に金網を複数枚配置し該金
網間に吸着材を充填した構造、或いは上下端に通孔を有
するケーシング内に吸着材及び金属粒の混合物を充填し
た構造を有しており、第１ピストン２２の凹部２２ｂ内
に配設されている。尚、以下の動作説明では上記の金網
及び金属粒を蓄熱材と称して使用する。

【００４３】次に図１０を参照して上記ガス処理装置の
動作を説明する。図１０にはクランク角θが０°，９０
°，１８０°，２７０°，３６０°の状態における第
１，第２ピストン２２，２３の位置とガスの流れを示し
てある。尚、第１，第２ピストン２２，２３の移動軌跡
とガス圧力及びクランク室圧力の変化は図５に示したも
のと同様である。

【００４４】第２ピストン２３が下死点から上昇して掃
気ポート２１ｇを閉じ、また第１ピストン２２が上死点
を経て下降し始めて両ピストン２２，２３が徐々に接近
すると、第１，第２ピストン２２，２３の間の空気が断
熱圧縮され、高温高圧の空気が第１ピストン２２内の処
理器２５に送り込まれる。処理器２５に送り込まれた高
温高圧の空気は、その熱を蓄熱材に奪われ、且つ空気中
の窒素を吸着材に吸着されつつその低温部分を高圧状態
のまま通過して、低温高圧の酸素富化空気が第１ピスト
ン２２の上方空間に送り込まれる。処理器２５内におけ
る上記の熱交換は蓄熱材よりも総比熱が大きな蓄熱材側
で主に行われ、しかも吸着時に吸着材で生じる発熱作用
の影響を蓄熱材で緩和できるので、吸着時には吸着材の
温度上昇を防止することができ、高温高圧の空気をその
低温部分に高圧状態のまま通過させて窒素を効率よく吸
着することができる。

【００４５】両ピストン２２，２３の接近によって上記
のガス圧力がリリーフ弁２１ｆの開放圧に達すると、該
リリーフ弁２１ｆが開いて製品ガスである酸素富化空気
が吐出室２１ｄを通じて吐出ポート２１ｃから吐出され
る。この吐出は第２ピストン２３が上死点から僅かに下
降し両ピストン２２，２３が最も近接するところまで継
続される。また、第２ピストン２３の上昇課程ではクラ
ンク室２１ａ内が減圧され、これによりリード弁２１ｊ
が開いて外部の空気が吸気ポート２１ｉからクランク室
２１ａ内に導入される。両ピストン２２，２３が最近接
位置から離れ始めて上記のガス圧力がリリーフ弁２１ｆ
の開放圧よりも低くなると、該リリーフ弁２１ｆが閉じ
吐出が終了する。

【００４６】第１ピストン２２が最近接位置から下死点
に至る課程では第１ピストン２２の上方空間にある残留
ガスが断熱膨張され、該第１ピストン２２が下死点から
上昇し、また第２ピストン２３が下降して両ピストン２
２，２３が徐々に離反すると、この低温低圧のガスが第
１ピストン２２内の処理器２５に戻される。処理器２５
に戻された低温低圧のガスは、蓄熱材から熱を奪い、且
つ吸着材に吸着されていた窒素を脱離しつつその高温部
分を低圧状態のまま通過して、窒素を含んだ高温低圧の
ガスが第２ピストン２３の上方空間に送り込まれる。処
理器２５内における上記の熱交換は蓄熱材よりも総比熱
が大きな蓄熱材側で主に行われ、しかも脱離時に吸着材
で生じる吸熱作用の影響を蓄熱材で緩和できるので、脱
離時には吸着材の温度降下を防止することができ、低温
低圧の戻りガスをその高温部分に低圧状態のまま通過さ
せて窒素を効率よく脱離することができる。

【００４７】第１ピストン２２がさらに上昇し、第２ピ
ストン２３がさらに下降して掃気ポート２１ｇが開き、
また下側のガス通路２１ｈの上端が開くと、第２ピスト
ン２３の下降課程で昇圧されていたクランク室２１ａ内
の空気がガス通路２１ｈを通じて第２ピストン２３の上
方空間に送り込まれ、上記の戻りガスが該空気で希釈さ
れて掃気ポート２１ｇから放出され、第２ピストン２３
の上方空間が新しい空気に置換される。

【００４８】このように第２実施例のガス処理装置で
は、処理器２５を第１ピストン２２内に配置した点で第
１実施例と構造を異にするが、同様の作用，効果を発揮
することができる。

【００４９】図１１には本発明の第３実施例を示してあ
る。同図に示したガス処理装置は、第１，第２実施例と
同様に、空気から窒素を除外して酸素富化空気を製造す
るためのもので、図おいて３１は第１シリンダ、３２は
第２シリンダ、３３は第１ピストン、３４は第２ピスト
ン、３５はクランク機構、３６は処理器、３７は駆動モ
ータ、３８はブロアである。

【００５０】第１シリンダ３１と第２シリンダ３２は夫
々筒状を成し、共通のクランク室３１ａを介して９０°
の角度差をもってＶ字状に配置されている。第１シリン
ダ３１の上壁一側に形成された通孔３１ｂの上部には吐
出ポート３１ｃを有する吐出室３１ｄが画成されてお
り、該吐出室３１ｄ内にはコイルバネ３１ｅによって下
方に付勢されたリリーフ弁３１ｆが配設されている。ま
た、第１シリンダ３１の上壁他側と第２シリンダ３２の
上壁との間には、両シリンダ３１，３２を連通するガス
通路３１ｇが形成されている。一方、第２シリンダ３２
の側壁中間部には掃気ポート３２ａが形成され、またこ
れと対向する側壁部分には吸気ポート３２ｂが形成され
ており、該吸気ポート３２ｂにはブロア３７の吐出口が
接続されている。このブロア３７は後述する主軸３５ａ
にベルト連結されている。

【００５１】第１ピストン３３と第２ピストン３４は夫
々円筒状を成し、図示省略のシールリングを介して第１
シリンダ３１と第２シリンダ３２に気密状態で摺動自在
に配置されている。

【００５２】クランク機構３５は、駆動モータ３７にベ
ルト連結された主軸３５ａと、主軸３５ａに取り付けら
れたクランク３５ｂと、クランク３５ｂの同一箇所と第
１，第２ピストン３３，３４を連結する第１，第２コン
ロッド３５ｃ，３５ｄとから構成されている。このクラ
ンク機構３５では、主軸３５ａを所定方向に回動させる
ことにより、第１，第２ピストン３３，３４を９０°の
位相差をもって上下動させることができる。

【００５３】処理器３６は、図３（ａ）と同様、両端に
通孔を有するケーシング３６ａと、ケーシング３６ａ内
の通孔間に所定間隔をおいて配置されたステンレス製の
複数枚の金網３６ｂと、各金網３６ｂで画成される小空
間に充填されたゼオライト等の吸着材３６ｃとから構成
されている。勿論、金属粒を利用した図３（ｂ）と同様
の構造をこの処理器３６に採用していもよい。尚、以下
の動作説明では上記の金網及び金属粒を蓄熱材と称して
使用する。

【００５４】上述のガス処理装置では、第２ピストン３
４が下死点から上昇して掃気ポート３２ａを閉じると、
第２シリンダ３２内の空気が断熱圧縮され、高温高圧の
空気がガス通路３１ｇを通じて処理器３６に送り込まれ
る。処理器３６に送り込まれた高温高圧の空気はその熱
を蓄熱材３６ｃに奪われ、また空気中の窒素を吸着材３
６ｃに吸着されつつその低温部分を高圧状態のまま通過
して、低温高圧の酸素富化空気が第１シリンダ３１内に
送り込まれる。処理器３６内における上記の熱交換は蓄
熱材３６ｃよりも総比熱が大きな蓄熱材側で主に行わ
れ、しかも吸着時に吸着材３６ｃで生じる発熱作用の影
響を蓄熱材で緩和できるので、吸着時には吸着材３６ｃ
の温度上昇を防止することができ、高温高圧の空気をそ
の低温部分に高圧状態のまま通過させて窒素を効率よく
吸着することができる。

【００５５】第１シリンダ３１内のガス圧力がリリーフ
弁３１ｆの開放圧に達すると、該リリーフ弁３１ｆが開
いて酸素富化空気が吐出室３１ｄを通じて吐出ポート３
１ｃから吐出される。第２ピストン３４が上死点を経て
下降し始めて上記のガス圧力がリリーフ弁３１ｆの開放
圧よりも低くなると、該リリーフ弁３１ｆが閉じ吐出が
終了する。

【００５６】第１ピストン３３が上死点から下降し始め
る課程では第１シリンダ３１内にある残留ガスが断熱膨
張され、該第１ピストン３３が下死点から上昇すると、
この低温低圧のガスが処理器３６に戻される。処理器３
６に戻された低温低圧のガスは、蓄熱材から熱を奪い、
また吸着材３６ｃに吸着されていた窒素を脱離しつつそ
の高温部分を低圧状態のまま通過して、窒素を含んだ高
温低圧のガスが第２シリンダ３２内に送り込まれる。処
理器３６内における上記の熱交換は蓄熱材３６ｃよりも
総比熱が大きな蓄熱材側で主に行われ、しかも脱離時に
吸着材３６ｃで生じる吸熱作用の影響を蓄熱材で緩和で
きるので、脱離時には吸着材３６ｃの温度降下を防止す
ることができ、低温低圧の戻りガスをその高温部分に低
圧状態のまま通過させて窒素を効率よく脱離することが
できる。

【００５７】第２ピストン３４が下降して掃気ポート３
２ａ及び吸気ポート３２ｂが開くと、第２シリンダ３２
にブロア３８から空気が送り込まれ、上記の戻りガスが
該空気で希釈されて掃気ポート３２ａから放出され、第
２シリンダ３２内が新しい空気に置換される。

【００５８】このように第３実施例のガス処理装置は、
シリンダをＶ字状に分離構成した点で第１，第２実施例
と構造を異にするが、同様の作用，効果を発揮すること
ができる。

【００５９】尚、上記第１乃至第３実施例では、処理器
内の蓄熱手段として金網或いは金属粒を例示したが、吸
着材よりも総比熱が大きく、且つガス通過を妨げるもの
でなければその材質及び形状等は種々変更可能である。

【００６０】また、吸着材として窒素吸着力に富むもの
を使用した例を示したが、シリカゲル，アルミナ，活性
炭等の水蒸気吸着力に富むものを代わりに用いれば空気
等の原料ガスから水蒸気を除外して低湿度ガス（乾燥ガ
ス）を製造することも可能である。つまり、除外対象と
なる特定ガス分に合わせて吸着材の種類を選択すれば、
原料ガスから同ガス分を任意に除去することができる。

【００６１】さらに、エンジン，モータ等の回転駆動源
とクランク機構によって２つのピストンを所定の位相差
で上下動させるようにしたものを示したが、リニアモー
タやソレノイド等の直線駆動源を用いて両ピストンに同
様の動きを得るようにしてもよい。

【００６２】さらにまた、蓄熱材のみを内蔵した処理器
を使用すれば原料ガスから熱を除外して低温ガスを製造
することも可能であり、このガス処理装置を利用すれば
冷媒を使用しない冷凍回路及び空調装置を構築できる。

【００６３】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１乃至６に
係るガス処理装置によれば、異なる位相で上下動する２
つのピストンの１サイクル動作によりガス処理に必要な
一連の行程を行うことができるので、両ピストンの上下
動速度を増しても従来のもののように動作不良を生じる
ことがなく、高速、且つ大容量のガス処理を可能にして
その処理能力を大幅に向上させることができる。

【００６４】請求項４に係るガス処理装置によれば上記
効果に加え、処理器内における熱交換を蓄熱材側で主に
行わせ、しかも吸着材で生じる発熱作用及び吸熱作用の
影響を蓄熱材で緩和できるので、吸着時及び脱着時にお
ける吸着材の温度変化を防止して初期のガス処理を適正
温度下で効率よく行うことができる。しかも、吸着，脱
離の際に吸着材で生じる反応熱を抑制するための冷却・
加熱手段を不要にして装置の小型化に貢献できる。

【００６５】請求項５に係るガス処理装置によれば、吸
着材よりも大きな総比熱を有する蓄熱材によって上記の
熱交換と発熱・吸熱作用の緩和を促進してガス処理をよ
り一層効率よく行える。

【００６６】請求項６に係るガス処理装置によれば、金
網または金属粒から成る蓄熱材によってガス流通を妨げ
ることなく上記の熱交換を効果的に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すガス処理装置の断面
図

【図２】ピストン及びクランク機構の断面図

【図３】処理器の断面図

【図４】動作説明図

【図５】ピストン軌跡とガス圧力との関係を示す図

【図６】シリンダ内容積とガス圧力との関係を示す図

【図７】ガス温度と吸着材温度の関係を示す図

【図８】従来例を示す揺動ガス圧利用ガス分離装置の断
面図

【図９】本発明の第２実施例を示すガス処理装置の断面
図

【図１０】動作説明図

【図１１】本発明の第３実施例を示すガス処理装置の断
面図

【符号の説明】

１…シリンダ、１ａ…クランク室、１ｃ…吐出ポート、
１ｆ…リリーフ弁、１ｇ…ガス通路、１ｈ…掃気ポー
ト、１ｉ…ガス通路、１ｊ…吸気ポート、１ｋ…リード
弁、２…第１ピストン、３…第２ピストン、４…クラン
ク機構、５…処理器、５ｃ…金網、５ｄ…吸着材、５ｅ
…金属粒、２１…シリンダ、２１ａ…クランク室、２１
ｃ…吐出ポート、２１ｆ…リリーフ弁、２１ｇ…掃気ポ
ート、２１ｈ…ガス通路、２１ｉ…吸気ポート、２１ｊ
…リード弁、２２…第１ピストン、２３…第２ピスト
ン、２４…クランク機構、２５…処理器、３１…第１シ
リンダ、３１ａ…クランク室、３１ｃ…吐出ポート、３
１ｆ…リリーフ弁、３１ｇ…ガス通路、３２…第２シリ
ンダ、３２ａ…掃気ポート、３２ｂ…吸気ポート、３３
…第１ピストン、３４…第２ピストン、３５…クランク
機構、３６…処理器、３６ｂ…金網、３６ｃ…吸着材。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一シリンダ内の上下位置に気密状態で摺
   動自在に配置された２つのピストンと、 両ピストンを所定の位相差をもって上下動させる駆動機
   構と、 上側ピストンの上方空間と両ピストン間の空間を連通す
   る第１のガス通路と、 蓄熱材を内蔵し第１のガス通路に介装された処理器と、 上側ピストンの上方空間に対応しシリンダ壁に設けられ
   た吐出制御バルブ付きの吐出ポートと、 下側ピストンの移動範囲途中に対応しシリンダ壁に設け
   られた掃気ポートと、 掃気ポートと対向するシリンダ壁部分と下側シリンダの
   下方空間を連通する第２のガス通路と、 下側ピストンの下方空間に対応しシリンダ壁に設けられ
   た吸気制御バルブ付きの吸気ポートとから成る、 ことを特徴とするガス処理装置。
2. 【請求項２】 一シリンダ内の上下位置に気密状態で摺
   動自在に配置された２つのピストンと、 両ピストンを所定の位相差をもって上下動させる駆動機
   構と、 蓄熱材を内蔵し上側ピストン内に配置された処理器と、 上側ピストンの上方空間に対応しシリンダ壁に設けられ
   た吐出制御バルブ付きの吐出ポートと、 下側ピストンの移動範囲途中に対応しシリンダ壁に設け
   られた掃気ポートと、 掃気ポートと対向するシリンダ壁部分と下側シリンダの
   下方空間を連通するガス通路と、 下側ピストンの下方空間に対応しシリンダ壁に設けられ
   た吸気制御バルブ付きの吸気ポートとから成る、 ことを特徴とするガス処理装置。
3. 【請求項３】 ２つのシリンダと、 各シリンダ内に気密状態で摺動自在に配置されたピスト
   ンと、 両ピストンを所定の位相差をもって上下動させる駆動機
   構と、 両シリンダのピストン上方空間を連通するガス通路と、 蓄熱材を内蔵しガス通路に介装された処理器と、 一方のピストンの上方空間に対応しシリンダ壁に設けら
   れた吐出制御バルブ付きの吐出ポートと、 他方のピストンの移動範囲途中に対応しシリンダ壁に設
   けられた掃気ポート及び吸気ポートとから成る、 ことを特徴とするガス処理装置。
4. 【請求項４】 特定ガス分を吸着する吸着材を蓄熱材と
   熱的に接触した状態で処理器内に配置した、 ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のガ
   ス処理装置。
5. 【請求項５】 蓄熱材の総比熱が吸着材のそれよりも大
   きい、 ことを特徴とする請求項４記載のガス処理装置。
6. 【請求項６】 蓄熱材が金網または金属粒から成る、 ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載のガ
   ス処理装置。