WO2004039480A1 - ガス富化装置およびそれを備えた送風装置 - Google Patents

ガス富化装置およびそれを備えた送風装置 Download PDF

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enriched
gas enrichment
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Hirozumi Ito
Noriya Asada
Tomiyasu Tsugamura
Kazuhiro Nishikawa
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D63/00Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
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    • Y02B30/70Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the present invention relates to a gas enrichment device having gas enrichment means characterized in controlling the supply of enriched gas, and a blower having the gas enrichment device.
  • an air conditioner equipped with an oxygen-enriched air supply device for enriching oxygen as a gas enrichment device is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-1366661, which heats and cools air to be conditioned. It has air conditioning means and air separation means for separating oxygen and nitrogen in the air.
  • the air separation means is a functional membrane that separates oxygen and nitrogen to selectively allow oxygen to permeate, a pressure reducing pump that is provided on the oxygen-permeable side of this functional membrane to generate a pressure difference in the functional membrane, A blower for exhausting nitrogen is provided on the side of the film through which oxygen does not pass.
  • the air separating means performs the following operation.
  • the air on the pump side of the oxygen-enriched membrane which is a functional membrane, is depressurized, and a large amount of oxygen is selectively taken in from the upstream air as a specific gas to be enriched.
  • the purpose is to release air with high oxygen concentration into the space to be conditioned to increase the oxygen concentration in the space to be conditioned.
  • a selective gas permeable membrane such as the oxygen-enriched membrane generally has the following characteristics. That is, if the operating capacity of the decompression pump, that is, the degree of vacuum generated is almost constant, the higher the temperature of the selective gas permeable membrane, the higher the permeation flow rate. Elemental concentration decreases. Conversely, when the temperature decreases, the concentration of the specific gas increases but the permeation flow rate decreases. Therefore, the supply amount of oxygen, which is a specific gas passing through the selective gas permeable membrane, is
  • Specific gas supply amount (Specific gas concentration after permeation through membrane) X (Permeate flow rate of enriched gas enriched with specific gas permeating through membrane)
  • an object of the present invention is to provide a gas enrichment device capable of securing a desired specific gas supply amount without being affected by the temperature characteristics of such a selective gas permeable membrane. Things. Disclosure of the invention
  • the gas enrichment device of the present invention includes a gas enrichment unit that enriches at least a specific gas contained in an inflow gas that flows in, a differential pressure generated in the gas enrichment unit, and the inflow gas is guided to the gas enrichment unit A differential pressure generating means is provided, and the supply amount of the specific gas determined by the concentration and flow rate of the specific gas enriched by the gas enrichment means is controlled based on the arrangement environment information of the gas enrichment means. .
  • the condition in which the gas enrichment means is disposed It is possible to stabilize the supply amount of the specific gas without being affected by the condition, and it is possible to create an optimum space that meets the conditions of the specific gas desired by the user.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a gas enrichment device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature of the oxygen-enriched membrane and the oxygen concentration after permeation when the operating capacity of the pump in the gas enrichment apparatus is fixed.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature of the oxygen-enriched membrane and the permeation flow rate when the operating capacity of the pump in the gas enrichment device is constant.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between an oxygen-enriched film temperature and an enriched air supply amount in the gas enrichment apparatus.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a control system of the pump according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flow chart illustrating an example of control specifications of the pump according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature of the oxygen-enriched film, the supply amount of enriched air, and the operation rate of the pump according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 8 is a time chart showing the operating state of the pump with respect to the temperature of the temperature detection sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of an outdoor unit of an air conditioner using the gas enrichment device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 10 is a side view of an indoor unit of an air conditioner using the gas enrichment device.
  • Fig. 11 is a cross-sectional view of an outdoor unit of another air conditioner using the gas enrichment device. is there. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • an apparatus for enriching oxygen using a specific gas as oxygen will be specifically described.
  • the present invention is not limited to oxygen enrichment and may be used as a specific gas.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a gas enrichment device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • air is used as an inflow gas
  • an oxygen-enriched membrane unit is used as a gas enrichment means for selectively separating oxygen in the air as a specific gas.
  • a variable displacement pump 3 that is a differential pressure generating means for generating a differential pressure in the oxygen-enriched unit 2 to guide air to the oxygen-enriched unit 2.
  • the oxygen-enriched film unit 2 has a multi-layered oxygen-enriched film 2a composed of, for example, a selective gas permeable film made of a silicon-based material.
  • the pump 3 is a variable-capacity decompression pump, which is connected to the oxygen-enriched membrane unit 2 via the connection section 4 b of the oxygen-enriched membrane unit side of the connection hose 4, and is connected to the pump 3 by the discharge-side connection section 4 a. Is connected to the discharge side of Further, in the vicinity of the oxygen-enriched membrane unit 2, a temperature detection sensor 5 for detecting a temperature, which is the environment information of the arrangement, and a control unit 7 for driving and controlling the pump 3 based on the temperature detected by the temperature detection sensor 5. Is provided.
  • the oxygen-enriched film unit A suction fan 2 that scavenges nitrogen-enriched air that stays near the oxygen-enriched film 2a is provided in the suction part 2c of the unit 2.
  • the operation of the gas enrichment device 1 configured as described above will be described.
  • the space 2b between the oxygen-enriched membranes 2a of the oxygen-enriched membrane unit 2 is reduced in pressure, and air is sucked from the suction section 2c.
  • Oxygen that is inhaled 6a and easily passes through the oxygen-enriched membrane 2a passes through the oxygen-enriched membrane 2a due to the pressure difference.
  • the enriched air having a relatively high oxygen concentration permeating through the oxygen-enriched membrane 2a passes through the connection hose 4 via the pump 3 and is discharged from the discharge-side connection portion 4a.
  • nitrogen that is difficult to permeate through the oxygen-enriched membrane 2 a is scavenged by the blower fan 6 so as not to stay near the oxygen-enriched membrane unit 2.
  • FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature of the oxygen-enriched membrane 2a and the oxygen concentration after permeation when the operating capacity of the pump 3 is fixed.
  • FIG. 2 shows the concentration of oxygen in the permeated oxygen-enriched air relatively decreases, and conversely, the concentration increases as the temperature decreases. It shows the characteristic that it does.
  • FIG. 2 shows the characteristic that it does.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature of the oxygen-enriched membrane 2a and the permeation flow rate of the air passing through the oxygen-enriched membrane 2a when the operating capacity of the pump 3 is fixed.
  • the temperature characteristic shows that the permeation flow rate increases as the temperature increases, and the permeation flow rate decreases as the temperature decreases.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature determined by the characteristics in FIGS. 2 and 3 and the supply amount of enriched air.
  • the oxygen concentration c 1 and the permeation flow rate d 1 are obtained when the reference rotation speed R 1 with respect to the temperature ta 1 near the reference oxygen-enriched film. The following describes the case where the target oxygen-enriched air supply is satisfied.
  • the oxygen-enriched membrane 2a As shown in FIG. 2, assuming that the temperature near the oxygen-enriched membrane 2a detected by the temperature detection sensor 5 is ta3 lower than the reference temperature ta1, the oxygen-enriched membrane 2a
  • the oxygen concentration of the outlet side, that is, the enriched air after permeation is c3 higher than c1. For example, when ta1 is 20 ° C., c1 becomes 32%, and when ta3 is 0 ° C, c3 increases to 33.5%.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a control system of the variable displacement pump 3.
  • the control system is composed of an AC power supply 8, a power supply circuit 9 for rectifying the output of the AC power supply 8 and supplying DC to each circuit, a microprocessor 10 as a control means, and a pump drive circuit 15.
  • the microprocessor 10 includes an input circuit 11, a central processing unit (hereinafter referred to as a CPU) 12, a memory 13, and an output circuit 14.
  • the memory 13 is set temperature storage means for storing a preset temperature.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an example of control specifications of the pump 3 according to the first embodiment of the present invention.
  • the oxygen-enriched membrane 2a constituted by the selective gas permeable
  • a pump 3 that controls the operating capacity with a variable rotation speed is used, and when operating at a predetermined rotation speed R 1, if the temperature T a near the oxygen-enriched membrane 2 a is ta 1 A case in which the target enriched air supply is obtained will be described.
  • Step 16 to be loaded into CPU 12 is entered.
  • step 17 the temperature Ta read in step 16 and the first set temperature ta1 preset in the memory 13 are compared. If Ta ⁇ ta1, the process proceeds to step 18 and proceeds to step 18. ⁇ If ta1, go to step 19.
  • T a ⁇ ta 1 the oxygen concentration is high but the permeation flow rate is small, so the total enriched air supply is small.
  • step 18 the rotation speed of the pump 3 is set to a rotation speed R 3 that is higher than the predetermined rotation speed R 1, and the pump 3 is operated to increase the enriched air supply amount.
  • step 19 the temperature Ta is compared with the first set temperature ta1 and the second set temperature ta2 preset in the memory 13, and if ta1 ⁇ Ta ⁇ ta2, the step is performed. Go to 20. If Ta ⁇ ta2, go to step 21. At the temperature ta 2, the oxygen concentration is low, but the permeation flow rate is large, so the supply amount of oxygen-enriched air becomes excessive.
  • step 20 the rotation speed of the pump 3 is reduced to the rotation speed R 2 smaller than the predetermined rotation speed R 1. Reduce the enriched air supply and return to step 16 after a period of operation.
  • step 21 the operation of the pump 3 is stopped, and the process returns to step 16.
  • the operating capacity of the pump 3 may be variably controlled based on a predetermined supply amount of the specific gas so as to satisfy the supply amount. That is, the supply amount of the enriched air shown in FIG. 4 depends on the temperature of the oxygen-enriched film 2a, the temperature of the air passing through the oxygen-enriched film 2a, and the temperature of the device housing in which the oxygen-enriched film is arranged. It can be estimated from the ambient temperature, etc., based on the temperature characteristics.If the required supply amount of enriched air is set according to the equipment design or the required level of the user, the pump operation should approach that value. You only have to control the capacity.
  • the enriched air supply level of the specific gas is set to be adjustable via setting means for setting the supply amount such as an enriched air supply amount setting value variable knob, and based on the supply amount set by the setting means, If the operating capacity of the pump is variably controlled, the user can control the concentration of the specific gas desired by the user within a settable range.
  • the relative setting such as “high”, “medium”, and “low” is simple and easy to use.
  • the temperature of the air near the suction part 2c flowing into the oxygen-enriched film unit 2 is used as the temperature as the arrangement environment information. Therefore, it is not necessary to indirectly estimate the temperature of the oxygen-enriched membrane 2a and directly incorporate these temperature detection sensors 5 into the oxygen-enriched membrane unit 2, and to arrange and fix the temperature detection sensors 5 and the like. Can be selected with design flexibility.
  • the temperature of the oxygen-enriched film 2a can be estimated by performing a predetermined temperature correction depending on the configuration and arrangement of the device.
  • the air temperature in the space 2b of the stacked oxygen-enriched film 2a may be detected, or the temperature of the oxygen-enriched film 2a itself may be used to more strictly determine the characteristics of the oxygen-enriched film 2a. Can be grasped, and the control becomes smart. Further, the temperature of the casing constituting the oxygen-enriched unit 2 may be used.
  • the rotation speed has been described as being switched in three stages of R 1, R 2, and R 3 .However, it is also possible that the rotation speed may be continuously changed by using the drive unit of the chamber. Not even. Further, in the above embodiment, the case where the operating capacity is controlled by the rotation of the pump has been described. However, the present invention is also applicable to the case of controlling the frequency of the reciprocating motion in the case of reciprocating motion instead of the rotation.
  • the predetermined enriched air supply amount is controlled by changing the operating speed of the pump, such as the rotation speed, according to the arrangement environment information.
  • the rotational speed of the pump is fixed and the operation rate is variable to control the enriched air supply amount.
  • the operation rate is a ratio of an ON time in a predetermined time when the pump is intermittently operated from ON to OFF, and the operation rate is also defined as an operation capacity in a broad sense.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram obtained by adding a characteristic indicating the relationship between the temperature and the operation rate of the pump 3 to the temperature in addition to the characteristic of the supply amount of enriched air with respect to the temperature in FIG. 4 described in the first embodiment.
  • the operating rate is made variable with respect to the temperature, and the operating rate is increased when the temperature is low, and is decreased when the temperature is high.
  • a predetermined enriched air supply rate is obtained at an operation rate MR 3 at a predetermined temperature ta 4, when the temperature is ta 4 or less, the operation rates are set to MR 1 and MR 2 which are larger than MR 3, On the contrary, when the temperature is higher than ta4, the operation rate is set to MR4 and MR5 smaller than MR3.
  • MR1 is a continuous ON operation with an operation rate of 100%
  • MR5 is a continuous OFF operation with an operation rate of 0%. Therefore, by making the operation rate variable according to the temperature in this way, the enriched air supply amount can be made substantially constant as shown by the hatched area A in FIG. In FIG. 7, the change in the operation rate with respect to the temperature is step-shaped. However, the number of steps can be increased and the change can be made approximately continuously.
  • FIG. 8 is a time chart showing the operation state of the pump 3 with respect to the temperature of the temperature detection sensor 5 provided in the suction section 2c of the oxygen-enriched membrane unit 2 shown in FIG.
  • the example shown in Fig. 8 shows the case where the operation rate is defined in three steps.If the temperature is less than ta9, the operation is performed with MR 9 of continuous operation.If the temperature is ta9 or more and ta10 or less, the operation is performed. luck The operation is performed at the conversion ratio MR10, and at higher temperatures, the operation is performed at the operation ratio MR11. As shown in Fig.
  • the operation of the gas enrichment device 1 can be enriched by changing the operation rate of the pump 3 according to the temperature even if the temperature of the intake air 6a changes due to the change of the outside air temperature.
  • the air supply can be kept almost constant, and especially when the outside air temperature is low, the operation capacity can be increased as a continuous operation.
  • the value of the operation rate that determines the required enriched air supply amount can be arbitrarily determined according to the characteristics of the constituent elements of the gas enrichment device.
  • the operation rate may be arbitrarily changed at a temperature higher than the supply rate of the supply of the activated air.
  • the temperature detection sensor 5 may use the temperature of the oxygen-enriched film 2a, or may use the temperature of the housing of the oxygen-enriched film unit 2. .
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of an outdoor unit of an air conditioner using a gas enrichment device
  • FIG. 10 is a side view of an indoor unit of the air conditioner.
  • the outdoor unit 22 includes an outdoor heat exchanger 24, a compressor 25, and a blower fan 26, and an oxygen-enriched membrane unit 2 composed of an oxygen-enriched membrane 2a is connected to the outdoor unit 2. 2 is provided in the wind circuit.
  • a variable-capacity pump 3 for generating a pressure difference in the oxygen-enriched membrane 2a and transporting oxygen is connected to the oxygen-enriched membrane unit 2, and a hose 4 for sending oxygen-enriched air to the indoor side 4 Are connected from the oxygen-enriched membrane unit 2 to the indoor unit 23 via the pump 3.
  • a temperature detection sensor 5 for detecting the temperature near the oxygen-enriched film 2a is provided. As shown in FIG.
  • a hose 4 is provided in the indoor unit 23 so as to extend from the oxygen-enriched membrane unit 2 provided in the outdoor unit 22, and a blower fan (see FIG. (Not shown), an oxygen discharge port 4a is opened in the wind circuit formed by the oxygen supply port. Therefore, the oxygen-enriched air with high oxygen concentration, which is gas-enriched by the oxygen-enriched membrane unit 2, is discharged into the room to be air-conditioned.
  • the operation of the air conditioner using the gas enrichment device having the above configuration will be described below.
  • the air taken into the vicinity of the oxygen-enriched membrane unit 2 by the blower fan 26 of the outdoor unit 2 Flows into the oxygen-enriched membrane 2a due to the pressure difference. Since the oxygen-enriched membrane 2a has the property of easily transmitting oxygen, the oxygen-enriched air having a relatively high oxygen concentration flows through the pump 3 and the hose 4 to the indoor unit 23. It is blown into the room through the oxygen outlet 4a inside. On the other hand, nitrogen that is difficult to permeate through the oxygen-enriched membrane 2 a is discharged out of the outdoor unit 22 by the blower fan 26.
  • the gas enrichment device uses the gas enrichment device described in Embodiments 1 and 2, and the temperature detection sensor 5 uses the gas enrichment device to provide the arrangement environment information in the vicinity of the oxygen enrichment film 2a, which is the gas enrichment means. Is detected, and the rotation rate and the operation rate, which is the operation time, of the variable displacement pump 3 are controlled. Therefore, it is possible to control the supply amount of enriched air to be sent into the wind circuit of the indoor unit 23, and to control the amount of oxygen in the room to be air-conditioned by the blowing fan ′ provided in the indoor unit 23. It can be a blower that can blow the rolled wind.
  • the temperature detection sensor 5 is provided in the wind circuit after the outside air sucked by the blower fan 26 passes through the outdoor heat exchanger 24.
  • the temperature detection sensor 5 sucks the outdoor unit 22.
  • the air or oxygen-enriched membrane 2 a that passes through the outdoor heat exchanger 24 and flows into the oxygen-enriched membrane unit 2 based on the operating mode of the air conditioner and the operating capacity of the compressor, etc.
  • the operating temperature of the pump 3 may be controlled by estimating the temperature of the pump 3.
  • the oxygen-enriched film unit 2 serving as the gas-enriching means is provided outdoors as in Embodiment 3, the effect of the present invention can be exhibited. That is, since the temperature change of the oxygen-enriched membrane 2a is larger than that in the case where the oxygen-enriched membrane is provided indoors, the supply amount of the enriched air fluctuates greatly, but the operating capacity of the pump 3 is controlled and stabilized as in the present invention. Comfortable air conditioning can be realized by supplying the oxygen amount to the room. Industrial applicability.
  • the operating capacity of the pump as the differential pressure generating means is controlled, and the oxygen-enriched air is controlled.

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Abstract

ガス富化装置の透過膜の温度特性を考慮して、より安定して所望の富化空気供給量を確保することが可能なガス富化装置である。特定のガスを選択的に透過させる選択性ガス透過膜である酸素富化膜(2a)と、特定ガスを透過する側に圧力差を発生させて酸素富化された空気を搬送する容量可変のポンプ(3)と、酸素富化膜近傍の温度を検出する温度検出センサ(5)とを設け、温度検出センサ(5)により検出された温度にもとづいてポンプ(3)の運転容量を可変とする。

Description

明 細 書 ガス富化装置およびそれを備えた送風装置
技術分野
本発明は、 富化されたガスの供給量制御に特徴を有するガス富化手段 を具備するガス富化装置およびそれを備えた送風装置に関する。
背景技術
従来、 ガス富化装置として酸素を富化する酸素富化空気供給装置を設 けた空気調和機が特開平 2 - 1 3 6 6 3 1号公報に開示され、 被空調空 気を加熱、 冷却する空気調和手段と、 空気中の酸素と窒素を分離する空 気分離手段とを具備している。 空気分離手段は酸素と窒素を分離して酸 素を選択的に透過させる機能膜と、 この機能膜の酸素が透過する側に設 け機能膜に圧力差を発生させるための減圧ポンプと、 機能膜の酸素が透 過しない側には窒素を排気する送風手段とを設けている。
空気分離手段は次の動作を行う。 すなわち、 ポンプが運転されると機 能膜である酸素富化膜のポンプ側の空気が減圧されて、 上流側の空気か ら富化される特定ガスとして酸素が選択的に多く取り込まれ、 相対的に 酸素濃度の高い空気を被空調空間に対して放出させ、 被空調空間の酸素 濃度を高めるものである。
しかしながら、 上記酸素富化膜のような選択性ガス透過膜は、 一般に 次のような特性を有している。 すなわち、 減圧ポンプの運転容量すなわ ち発生する真空度をほぼ一定の条件とすると、 選択性ガス透過膜の温度 が高くなればその透過流量は増大するが、 膜透過後の特定ガスである酸 素濃度は低下する。 逆に温度が低くなれば特定ガスの濃度は上昇するが 透過流量は低下する。 したがって、 選択性ガス透過膜を透過する特定ガ スである酸素の供給量を、
特定ガス供給量 = (膜透過後の特定ガス濃度) X (膜を透過する特定 ガスが富化された富化ガスの透過流量)
で評価すると、 一般に特定ガスの供給量は温度が低いほど低下する傾向 にある'。
このため、 このような選択性ガス透過膜を用い、 温度が低い条件でも 所定量の特定ガスを供給するためには、 必然的に選択性ガス透過膜、 あ るいは減圧ポンプのポンプ能力を大型化することなどが必要となる。 し たがって、 ガス富化装置のコストアップやその大型化につながり、 一方 では温度が高い条件下では特定ガスの供給過多になるなどの課題を有し ていた。
本発明は上記課題に鑑み、 このような選択性ガス透過膜の温度特性の 影響を受けず、 所望する特定ガスの供給量を確保することのできるガス 富化装置を提供することを目的とするものである。 発明の開示
本発明のガス富化装置は、 少なくとも流入する流入ガスに含まれる特 定ガスを富化させるガス富化手段と、 ガス富化手段に差圧を発生させる とともに流入ガスをガス富化手段に導く差圧発生手段とを備え、 ガス富 化手段によって富化される特定ガスの濃度と流量とによって決定される 特定ガスの供給量を、 ガス富化手段の配置環境情報にもとづいて制御し ている。
このような構成とすることにより、 ガス富化手段が配置されている条 件の影響を受けずに、特定ガスの供給量を安定させることが可能となり、 ユーザの所望する特定ガスの条件になる最適空間を作り出すことができ る。 図面の簡単な説明
図 1は本発明の実施の形態 1におけるガス富化装置の構成を示す断面 図である。
図 2は同ガス富化装置におけるポンプの運転容量を一定とした場合 の酸素富化膜の温度と透過後の酸素濃度との関係を示す特性図である。 図 3は同ガス富化装置におけるポンプの運転容量を一定とした場の酸 素富化膜の温度と透過流量との関係を示す特性図である。
図 4は同ガス富化装置における酸素富化膜温度と富化空気供給量との, 関係を示す特性図である。
図 5は本発明の実施の形態 1におけるポンプの制御系を示すプロック 図である。
図 6は本発明の実施の形態 1におけるポンプの制御仕様例を示すフロ ―ナヤ一トでめる。
図 7は本発明の実施の形態 2における酸素富化膜の温度と富化空気供 給量およびポンプの運転率との関係を示す特性図である。
図 8は本発明の実施の形態 2における温度検出センサの温度に対する ポンプの運転状態を示すタイムチャートである。
図 9は本発明の実施の形態 3におけるガス富化装置を用いた空気調和 機の室外機の断面図である。
図 1 0は同ガス富化装置を用いた空気調和機の室内機側面図である。 図 1 1は同ガス富化装置を用いた他の空気調和機の室外機の断面図で ある。 発明を実施するための最良の形態
以下本発明の実施の形態について、 図面を参照しながら説明する。 な お、 本発明の実施の形態では、 特定ガスを酸素とした酸素富化の用に供 する装置について具体的に説明するが、 本発明は酸素富化に限定される ことなく、 特定ガスとして例えば窒素や炭酸ガスなどを用いることが好 適な装置、 空間など、 そのニーズに応じて特定ガスを設定でき様々な用 途に適用できるものである。
(実施の形態 1 )
まず本発明の実施の形態 1について、 図 1〜図 6を用いて説明する。 図 1は、 本発明の実施の形態 1におけるガス富化装置の構成を示す断 面図である。 図 1においてガス富化装置 1の内部には、 流入する流入ガ スとして空気を用い、 その空気中の酸素を特定ガスとして選択的に分離 するためのガス富化手段である酸素富化膜ユニット 2と、 酸素富化膜ュ ニット 2に差圧を発生させ空気を酸素富化ュニッ卜 2に導くための差圧 発生手段である容量可変のポンプ 3が設けられている。 酸素富化膜ュニ ット 2は例えばシリコン系材料よりなる選択性ガス透過膜により構成さ れた酸素富化膜 2 aが多層に積層されている。 ポンプ 3は容量可変型の 減圧ポンプであり、 接続ホース 4の酸素富化膜ユニット側接続部 4 bを 介して酸素富化膜ュニッ ト 2と接続され、 吐出側接続部 4 aによってポ ンプ 3の吐出側と接続されている。 さらに、 酸素富化膜ユニット 2の近 傍には、 その配置環境情報である温度を検出する温度検出センサ 5と、 温度検出センサ 5により検出した温度によってポンプ 3の駆動、 制御を 行うコントロールユニット 7が設けられている。 また、 酸素富化膜ュニ ット 2の吸い込み部 2 cには、 酸素富化膜 2 aの近傍に滞留する窒素が 富化された空気を掃気する送風ファン 6が設けられている。
次に、このように構成されたガス富化装置 1の動作について説明する。 コントロールュニット 7からの運転開始指令にもとづいてポンプ 3が運 転されると、 酸素富化膜ユニット 2の酸素富化膜 2 aの間の空間 2 bが 減圧され、 吸い込み部 2 cから空気 6 a吸入され、 酸素富化膜 2 aを透 過しやすい酸素がその圧力差により酸素富化膜 2 aを透過する。 酸素富 化膜 2 aを透過し、 相対的に酸素濃度が高められた富化空気がポンプ 3 を経由して接続ホース 4を通過し吐出側接続部 4 aより放出される。 一 方、 酸素富化膜 2 aを透過しにくい窒素は送風ファン 6により酸素富化 膜ュニッ卜 2付近に滞留しないように掃気される。
次に、 このような選択性ガス透過膜の特性について述べる。 図 2から 図 4に酸素富化膜 2 aに流入する空気に含まれる特定ガスとしての酸素 の透過特性を示している。 図 2はポンプ 3の運転容量を一定とした場合 の酸素富化膜 2 aの温度と透過後の酸素濃度との関係を示す特性図であ る。 図 2に示すように、 酸素富化膜 2 aの温度が上がるに従い、 透過し た酸素富化状態の空気中における酸素の濃度が相対的に低下し、 逆に温 度が下がるに従い濃度が上昇するという特性を示している。 一方、 図 3 はポンプ 3の運転容量を一定とした場合の酸素富化膜 2 aの温度と酸素 富化膜 2 aを透過する空気の透過流量との関係を示す特性図である。 図 3に示すように、 温度が上がるに従い透過流量が上昇し、 温度が下がる に従い透過流量が低下するという温度特性を示している。 図 4は図 2、 図 3の特性によって決定される温度と富化空気供給量との関係を示す特 性図である。 ポンプ 3の運転容量を回転数で制御する場合において、 基準となる酸 素富化膜の近傍の温度 t a 1に対して基準の回転数 R 1のときに、 酸素 濃度 c 1、 透過流量 d 1で目標の酸素富化空気供給量を満足するとした 場合について説明する。
図 2に示すように、 温度検出センサ 5で検知された酸素富化膜 2 a近 傍の温度が、 基準となる温度 t a 1より低い t a 3であったとすれば酸 素富化膜 2 aの出口側すなわち透過後の富化空気の酸素濃度は c 1より も高い c 3になる。例えば、 t a 1が 2 0 °Cのとき c 1は 3 2 %となり、 t a 3が 0 °Cのときには c 3が 3 3 . 5 %に増加する。
しかしながら図 3に示されるように、 富化空気の透過流量は温度の低 下に対して、 q 1を 1 0 0とすると q 3は約 6 0に低下する。その結果、 図 4に示すように、 富化空気供給量は温度が t a 3の場合は基準の温度 t a 1の場合に比べて w 1から w 3に低下する。
本発明の実施の形態 1におけるガス富化装置 1.では、 温度検出センサ 5により検出した温度にもとづいてポンプ 3の運転容量をコントロール している。 図 5は、 容量可変のポンプ 3の制御系を示すブロック図であ る。 制御系は交流電源 8、 交流電源 8の出力を整流して各回路に直流を 供給するための電源供給回路 9、 制御手段となるマイクロプロセッサ一 1 0、 ポンプドライブ回路 1 5より構成されている。 マイクロプロセッ サー 1 0は、 入力回路 1 1、 中央演算処理装置 (以下 C P Uと称する) 1 2、 メモリ 1 3および出力回路 1 4により構成されている。 ここで、 メモリ 1 3はあらかじめ設定された温度を記憶する設定温度記憶手段で ある。 ポンプ 3は出力回路 1 4から送出された信号に応じてポンプドラ イブ回路 1 5によって駆動制御される。 次に図 6を用いてその運転制御について説明する。 図 6は本発明の実 施の形態 1におけるポンプ 3の制御仕様例を示すフローチャートである 図 4に示すように、 選択性ガス透過膜により構成された酸素富化膜 2 a はその温度によって、 富化空気の透過流量と透過後の特定ガスである酸 素の濃度が変化し、 透過流量とその酸素濃度との積によって決定される 富化空気供給量が変化する。 ここでは、 回転数を可変としてその運転容 量を制御するポンプ 3を用い、所定回転数 R 1で運転されているときに、 酸素富化膜 2 a近傍の温度 T aが t a 1であれば目標の富化空気供給量 が得られる場合について説明する。
図 6に示すように、 ガス富化装置 1は、 ポンプ回転数 R 1で運転を開 始した後、 温度検出センサ 5が検出した配置環境情報としての温度 T a を入力回路 1 1を介して C P U 1 2に読み込むステツプ 1 6に入る。 次 に、 ステップ 1 6で読み込んだ温度 T aとメモリ 1 3にあらかじめ設定 した第 1の設定温度 t a 1を比較するステップ 1 7に入り、 T a < t a 1ならステップ 1 8へ進み、 T a≥ t a 1ならステップ 1 9へ進む。 T a < t a 1の場合には、 酸素濃度は高いが透過流量が小さいため全体の 富化空気供給量が小さくなる。 そこで、 ステップ 1 8では、 ポンプ 3の 回転数を所定回転数 R 1より大きくした回転数 R 3とし、 富化空気供給 量を増大させるように作用させ、ある時間運転後にステップ 1 6へ戻る。 一方、 ステップ 1 9においては、 温度 T aとメモリ 1 3にあらかじめ設 定した第 1の設定温度 t a 1、 第 2の設定温度 t a 2と比較し、 t a 1 ≤T a < t a 2ならばステップ 2 0へ進み、 T a≥ t a 2ならばステツ プ 2 1へ進む。 温度 t a 2では酸素濃度は低いが、 透過流量が大きいた め酸素富化空気の供給量が過大になる。したがって、ステップ 2 0では、 ポンプ 3の回転数を所定回転数 R 1より小さくした回転数 R 2に減少さ せ富化空気供給量を少なくし、 ある時間運転後にステップ 1 6に戻る。 また、ステップ 2 1ではポンプ 3の運転を停止してステップ 1 6へ戻る。 このようにして、 所望の富化空気供給量に制御することが可能となる。 また本発明は、あらかじめ設定された特定ガスの供給量にもとづいて、 その供給量を満足するようにポンプ 3の運転容量を可変的に制御しても よい。すなわち、図 4に示す富化空気供給量は、酸素富化膜 2 aの温度、 または酸素富化膜 2 aを通過する空気温度、 さらには酸素富化膜の配置 されている装置筐体の周囲温度などからその温度特性にもとづいて推測 可能であり、 装置設計上もしくはュ一ザの要求レベルにより、 富化空気 の必要供給量が設定されていれば、 その値に近づくようにポンプの運転 容量をコントロ一ルすればよい。
例えば富化空気供給量設定値可変つまみなどの供給量を設定する設定 手段を介して特定ガスの富化空気供給レベルを調整可能に設定し、 この 設定手段で設定された供給量にもとづいて、 ポンプの運転容量を可変的 に制御するようにすれば、 ユーザは設定可能な範囲で、 ユーザの所望す る特定ガスの濃度にコントロールすることができる。 設定手段での設定 は、 「高」 、 「中」 、 「低」 のような相対的なものが簡便で用いやすい。 なお、 実施の形態 1では図 1に示すように、 配置環境情報としての温 度として、 酸素富化膜ュニット 2に流入する吸い込み部 2 c近傍の空気 温度を用いている。そのため、間接的に酸素富化膜 2 aの温度を推定し、 これらの温度検出センサ 5を直接に酸素富化膜ュニット 2に組み込む必 要がなく、 温度検出センサ 5の配置や固定方法などについては設計的な 自由度をもって選定することができる。
また、 酸素富化膜 2 aの配置環境情報としてこのように吸込み空気温 度などを用いた場合には、 その温度が直接的な膜の温度と推定しがたい ので、 装置の構成、 配置などにより所定の温度補正を加えて酸素富化膜 2 aの温度を推定するようにすることもできる。
また、 積層配置された酸素富化膜 2 aの空間 2 bの空気温度を検知し てもよいし、 酸素富化膜 2 aそのものの温度を用いるとより厳密に酸素 富化膜 2 aの特性を把握でき制御がしゃすくなる。 また、 酸素富化ュニ ット 2を構成する筐体部の温度を用いてもよい。
なお、 上記実施の形態では回転数として R 1 、 R 2 、 R 3の 3段階の 切り替えで説明したがィンバ一夕の駆動装置を用いて連続的に変化させ るようにしてもよいのはいうまでもない。 さらに、 上記実施の形態では ポンプとしてその回転によって運転容量を制御する場合について述べた が、 回転によらず往復動による場合、 その往復動の周波数を制御する場 合についても適用可能である。
また、 本実施の形態では A C電源を用いたィンバ一夕制御によってポ ンプ 3の回転数制御を行う例について説明したが、 D Cモータを用いそ の D Cモー夕に印加する電圧を制御してポンプ 3の運転容量を制御する ようにして構成を簡便にすることも可能である。
(実施の形態 2 )
次に本発明の実施の形態 2について図 7、 図 8を用いて説明する。 実 施の形態 1では、 配置環境情報に応じてポンプの運転容量である回転数 などを可変として所定の富化空気供給量を制御する例について述べた。 実施の形態 2においては、 ポンプの回転数を一定とし、 その運転率を可 変にして富化空気供給量を制御する場合について述べる。 ここで、 運転 率とはポンプを O N— O F Fの間欠運転とした場合の、 所定時間におけ る O N時間の割合であり、 運転率も広義の運転容量として定義される。 実施の形態 2においては、 実施の形態 1で述べたガス富化装置 1を用 レ ポンプ 3の運転状態が異なるのみであるので同一構成要素について は同一の符号を用いている。 図 7は、 実施の形態 1で述べた図 4の温度 に対する富化空気供給量の特性に、 さらに温度に対するポンプ 3の運転 率との関係を示した特性を付加した特性図である。 図 7に示すように、 ポンプ 3の回転数を一定とすると富化空気供給量は温度上昇とともに増 加する。 そこで、 実施の形態 2では、 温度に対して運転率を可変とし、 温度が低いときには運転率を大きくし、 温度が高いときには運転率を小 さくするものである。
例えば、 所定温度 t a 4のときに運転率 MR 3で所定の富化空気供給 量が得られる場合、 温度が t a 4以下の場合には運転率を MR 3よりも 大きな MR 1、 MR 2とし、 温度が t a 4以上のときには逆に運転率を MR 3よりも小さな MR 4、 MR 5とするものである。
ここで MR 1 >MR 2>MR 3>MR 4>MR 5であり、 例えば MR 1は運転率が 1 0 0 %の連続 ON運転、 MR 5は運転率が 0 %の連続 O F F運転としている。 したがって、 このように温度に応じて運転率を可 変とすることによって富化空気供給量を図 7の斜線領域 Aで示すように ほぼ一定とすることができる。 なお、 図 7においては温度に対する運転 率の変化をステップ状としているが、 このステップ数を多く取り、 近似 的に連続させて変化させることも可能である。
図 8は実施の形態 2において、 図 1に示す酸素富化膜ュニット 2の吸 い込み部 2 cに設けた温度検出センサ 5の温度に対するポンプ 3の運転 状態を示すタイムチャートである。 図 8に示す例では、 運転率が 3つの ステップで定義されている場合について示し、 温度が t a 9未満の場合 には連続運転の MR 9で運転し、 温度が t a 9以上 t a 1 0以下では運 転率 M R 1 0で運転し、 それ以上の温度では運転率 M R 1 1で運転する ようにしている。 図 8に示すようにガス富化装置 1の運転は外気温度の 変化によって吸い込み空気 6 aの温度が変化しても、 ポンプ 3の運転率 をその温度に応じて可変とすることにより、 富化空気供給量をほぼ一定 とすることができ、 特に外気温度の低い場合などは連続運転として運転 容量を高めることができる。
なお、 必要富化空気供給量を決定する運転率の値は、 ガス富化装置を 構成する構成要素の特性によって任意に決定することができ、 例えば冬 場の低外気温時には連続運転によって必要富化空気供給量を確保できる ようにして、それ以上の温度で運転率を任意に変えるようにしてもよい。 また、 実施の形態 1で述べたのと同様に、 温度検出センサ 5は酸素富 化膜 2 aの温度としてもよいし、 酸素富化膜ュニット 2の筐体部温度な どを用いてもよい。
(実施の形態 3 )
次に本発明の実施の形態 3について図 9、 図 1 0、 図 1 1を用いて説 明する。 図 9はガス富化装置を用いた空気調和機の室外機の断面図、 図 1 0は同空気調和機の室内機の側面図である。
図 9に示すように、 室外機 2 2は室外熱交換器 2 4、 圧縮機 2 5、 送 風ファン 2 6を備え、 酸素富化膜 2 aからなる酸素富化膜ュニット 2が 室外機 2 2の風回路内に設けられている。 酸素富化膜 2 aに圧力差を発 生し、 酸素を搬送するための容量可変のポンプ 3が酸素富化膜ュニット 2に接続され、 酸素富化された空気を室内側へ送出するホース 4が酸素 富化膜ュニッ卜 2からポンプ 3を経由し、 室内機 2 3までつながってい る。 酸素富化膜ユニット 2の近傍には、 酸素富化膜 2 a近傍の温度を検 出する温度検出センサ 5が設けられている。 また、 図 1 0に示すように、 室内機 2 3にはホース 4が室外機 2 2に 設けた酸素富化膜ュニット 2から延出して設けられ、 室内機 2 3に設け た送風ファン (図示せず) により形成される風回路内に酸素吐出口 4 a が開口している。 したがって、 被空調空間である室内に、 酸素富化膜ュ ニット 2によりガス富化された酸素濃度の高い空気が放出される。
上記構成のガス富化装置を用いた空気調和機の動作を以下に説明する 室外機 2 2の送風フアン 2 6により酸素富化膜ュニット 2近傍に取り込 まれた空気が、 容量可変のポンプ 3の圧力差によって酸素富化膜 2 aに 流入する。酸素富化膜 2 aは酸素が透過しやすい特性を有しているため、 相対的に酸素濃度が高まった酸素富化された空気が、 ポンプ 3、 ホース 4を経由して室内機 2 3の内部にある酸素吐出口 4 aより室内へ吹き出 される。 一方、 酸素富化膜 2 aを透過しにくい窒素は、 送風ファン 2 6 により室外機 2 2の外へ排出される。
ここで、 ガス富化装置は実施の形態 1および実施の形態 2で述べたガ ス富化装置を用い、 温度検出センサ 5によってガス富化手段である酸素 富化膜 2 a近傍の配置環境情報である温度を検知し、 容量可変のポンプ 3の回転数や運転時間である運転率を制御している。 そのため、 室内機 2 3の風回路内に送出する富化空気供給量をコントロールすることがで き、 室内機 2 3に設けた送風ファン'によって被空調空間である室内に酸 素量がコン卜ロールされた風を送風することが可能な送風装置とするこ とができる。
なお、 本実施の形態では図 9に示すように、 温度検出センサ 5を、 送 風ファン 2 6によって吸い込まれた外気が室外熱交換器 2 4を通過した 後の風回路内に設けているが、次の構成としても同様の効果を発現する。 すなわち、 図 1 1に示すように、 温度検出センサ 5を室外機 2 2の吸い 込み温度センサ 2 7と兼用し、 空気調和機の運転モードや圧縮機の運転 容量などから室外熱交換器 2 4を通過して酸素富化膜ュニット 2に流入 する空気あるいは酸素富化膜 2 aの温度を推測し、 ポンプ 3の運転容量 を制御してもよい。
また、 実施の形態 3のように、 ガス富化手段である酸素富化膜ュニッ ト 2を屋外に設ける場合の方が本発明の効果を発現できるものである。 すなわち、 酸素富化膜 2 aの温度変化は室内に設けられる場合よりも大 きくなるため富化空気供給量が大きく変動するが、 本発明のようにボン プ 3の運転容量を制御し、 安定した酸素量を室内に供給することによつ て快適空調を実現することができる。 産業上の利用可能性 .
以上のように、 本発明のガス富化装置および送風装置によれば、 選択 性ガス透過膜の温度特性に鑑みて、 差圧発生手段であるポンプの運転容 量を制御し、 酸素富化空気を外気温度などに左右されず安定して供給す ることができ、 特に被空調空間に最適空気を供給する空気調和機などに 有用である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 少なくとも流入する流入ガスに含まれる特定ガスを富化させるガス 富化手段と、
前記ガス富化手段に差圧を発生させるるとともに前記流入ガスを前記 ガス富化手段に導く差圧発生手段とを備え、
前記ガス富化手段によって富化された前記特定ガスの濃度と流量とに よって決定される前記特定ガスの供給量を、 前記ガス富化手段の配置環 境情報にもとづいて所定量となるように制御することを特徴とするガス 富化装置。
2 . 特定ガスの供給量は差圧発生手段の運転容量を可変として制御する ことを特徴とする請求項 1に記載のガス富化装置。
3 . 差圧発生手段が減圧手段であること特徴とする請求項 1または請求 ' 項 2に記載のガス富化装置。
4 . ガス富化手段が選択性ガス透過膜であることを特徴とする請求項 1 または請求項 2に記載のガス富化装置。
5 . 配置環境情報がガス富化手段の温度であることを特徴とする請求項 1に記載のガス富化装置。
6 . 配置環境情報がガス富化手段近傍の大気温度であることを特徴とす る請求項 1に記載のガス富化装置。
7 . 配置環境情報がガス富化手段に流入する流入ガスの温度であること を特徴とする請求項 1に記載のガス富化装置。
8 . あらかじめ設定された特定ガスの供給量にもとづいて、 差圧発生手 段の運転容量を制御することを特徴とする請求項 2に記載のガス富化装
9 . 特定ガスの供給量を設定する設定手段を具備し、 前記設定手段で設 '定された供給量にもとづいて、 差圧発生手段の運転容量を制御すること を特徴とする請求項 2に記載のガス富化装置。
1 0 . 配置環境情報である温度が所定温度以下であるときに、 差圧発生 手段の運転容量を高めるように制御することを特徵とする請求項 5から 請求項 7のいずれかに記載のガス富化装置。
1 1 . 少なくとも送風ファンと、
流入する流入ガスに含まれる特定ガスを富化させるガス富化手段と、 前記ガス富化手段に差圧を発生させるとともに前記流入ガスを前記ガ ス富化手段に導く差圧発生手段とを備え、
前記ガス富化手段によって富化される前記特定ガスの供給量を所定供 給量以上となるように制御するとともに、 被送風空間に供給することを 特徴とする送風装置。
1 2 . 特定ガスの供給量は差圧発生手段の運転容量を可変として制御す ることを特徴とする請求項 1 1に記載の送風装置。
1 3. 差圧発生手段が減圧手段であること特徴とする請求項 1 1または 請求項 1 2に記載の送風装置。
14. ガス富化手段が選択性ガス透過膜であることを特徴とする請求項 1 1または請求項 1 2に記載の送風装置。
1 5. ガス富化手段の配置環境情報にもとづいて差圧発生手段の運転容 量を制御することを特徴とする請求項 1 2に記載の送風装置。
1 6. ガス富化手段が屋外に配置され、 配置環境情報が屋外空気温度で あり、 ガス富化されたガスが被空調空間である屋内に放出されることを 特徴とする請求項 1 5に記載の送風装置。
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