JP4602779B2 - 回転バルブ - Google Patents

Description

本発明は流体流路を回転子、固定子の摺動回転運動により切り替える回転バルブに関し、更には、空気中の酸素を分離し呼吸器疾患患者等に酸素を供給する圧力変動吸着型酸素濃縮装置の流路を切り替える回転バルブに関するものである。

近年、肺気腫症、慢性気管支炎などの呼吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向があるが、その最も効果的な治療法の一つとして酸素吸入療法があり、空気中から酸素濃縮気体を直接分離する酸素濃縮器が開発され、使用時の利便性、保守管理の容易さから酸素吸入療法用の治療装置として、次第に普及するようになってきている。

かかる酸素濃縮器として、窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した吸着型酸素濃縮器が知られ、中でも空気供給手段として空気圧縮機を用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮器が、在宅酸素吸入療法の装置として用いられている。かかる装置は、通常、窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した１個或いは複数の吸着床にコンプレッサーから圧縮空気を供給して加圧状態で窒素を吸着させることにより酸素濃縮気体を得る吸着工程と、吸着床の内圧を減少させて窒素を脱着させ吸着剤の再生を行う脱着工程を一定サイクルで繰り返し行い、更に必要に応じて、脱着工程終了直前に、既に生成した乾燥酸素濃縮気体を一部逆流させ再生効率の向上と昇圧を目的とする均圧工程を加えて、順次一定サイクルで行うことにより酸素濃縮気体を得る装置である。通常、コンプレッサと吸着床とを配管で接続し、間に弁手段を設置することにより吸着床への加圧空気の供給経路を切替えるフローが一般的であるが、このような装置では部品点数の増加やメンテナンスに不具合が生じる問題点があった。

これらの不具合を改善する装置として特表平７−５０８２０５号公報や特開２００４−２０９２６３号公報に記載の回転バルブを内蔵した流体分別装置を介して、吸着床に加圧空気を供給するモジュール化された酸素濃縮装置もある。かかる酸素濃縮装置は在宅用、医療用途として使用する為には、装置の小型化が必須であり、このような流体分別装置に使用されるメカニカルシールの回転バルブ及び固定バルブ部の構造は、該モジュールの小型化を図る為、バルブ内に十分な機構スペースをとることは難しく、メカニカルシールの機構上、回転軸側に設けられ、回転軸と共に回転する摺動部材である回転子と、非回転のハウジング側に設けられた固定子が軸心と直交する面を密着させて摺動することにより軸周からの流体の漏れを防止する構造となっており、バネ等の押圧手段を用いて軸心に対してアキシアル方向に荷重がかかる構造をとる。

特表平７−５０８２０５号公報 特開２００４−２０９２６３号公報

通常用いられるメカニカルシールでは潤滑油等の潤滑材を用い、摺動面の摺動抵抗を抑える事が行なわれるが、酸素濃縮装置など呼吸用気体の流路を切り替えるバルブにはこのような潤滑油を使用することは出来ない。そのため、バルブの摺動性を良くする為に、摺動面の平面性を極めて平滑にすることにより摺動抵抗を抑えるよう設計されている。

本願発明者は、水分を含んだ加圧空気など凝縮性を有する気体をこのようなバルブに接続した場合、流路内で水分などの液体が凝集する現象が生じ、摺動面に微量の液体が入った場合、一時的に表面張力が支配的になり、摺動抵抗が非常に大きくなり、回転トルクの上昇を引き起こすことを見出した。かかるトルク上昇分を上回る回転トルクを有するモータを使用していればこのような問題は生じないが、装置の小型化、軽量化等を目的として最小トルクで回転するモータを搭載した装置においては、高湿度環境下での運転は、回転速度の低下、停止を引き起こす。

本発明は、上記課題を解決する手段として、以下の回転バルブおよび回転バルブを搭載した酸素濃縮装置を提供するものである。

すなわち本発明は、互いに摺動する摺動面を有する摺動部材を備え、摺動面をメカニカルシールによりシールしながら摺動することにより流路を切り替える回転バルブであり、該摺動面を含む表層部にブラスト加工により形成した凹部を有し、かつ該摺動部材の少なくとも一方が固体潤滑材により構成されることを特徴とする回転バルブを提供するものである。

また本発明は、該摺動部材の摺動面を含む表層部に形成された凹部が、エアーブラストまたはショットブラストで形成したものあることを特徴とし、特に該摺動面のブラスト加工した表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が２〜１０μｍであることを特徴とする回転バルブを提供するものである。

また該摺動部材の摺動面のブラスト加工した表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が異なる複数の凹部を有する摺動部材で構成される回転バルブを提供する。さらに、該摺動部材が、黒鉛より成る固体潤滑材と、セラミックから構成されることを特徴とする回転バルブを提供するものである。

また、本発明は、吸着剤を充填した複数の吸着床と、該吸着床へ処理ガスを供給する供給手段と、該供給手段からの処理ガスを吸着床へ一定のタイミングで順次加圧供給し吸脱着をさせる流路切替部材を具備した圧力変動吸着型の吸着装置において、該流路切替部材が互いに摺動する摺動面を有する摺動部材に処理ガスを供給する溝と処理後のガスを排気するための溝を備え、かつ摺動面をメカニカルシールによりシールしながら摺動することにより流路を切り替える回転バルブであり、該摺動面を含む表層部にブラスト加工により形成した凹部を有し、かつ該摺動部材の少なくとも一方が固体潤滑材により構成されることを特徴とする、吸着装置を提供するものである。

さらに本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着しうる吸着剤を充填した吸着床、該吸着床に加圧空気を供給する空気供給手段、吸着床から生成した酸素濃縮空気を使用者に供給する酸素供給手段を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該空気供給手段からの加圧空気を該吸着床に供給する流路に、流体流路と接続された少なくとも１つのポート穴を表面に持つ固定子と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路を表面に持つ回転子よりなる回転バルブを備え、該回転バルブが該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブを備え、該回転子の摺動面を含む表層部にブラスト加工により形成した凹部を有し、かつ該摺動部材の少なくとも一方が固体潤滑材により構成されるバルブであることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。

本発明の回転バルブを搭載した酸素濃縮器においては、低湿度環境と高湿環境との間での運転環境の変化に対しても回転バルブの摺動抵抗の変動を抑えることが可能となり、機器の安定運転を実現することが出来る。

本発明の回転バルブは、流体流路と接続された少なくとも１つのポート穴を表面に持つ固定子と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路を表面に持つ回転子よりなり、該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブである。流路の形状はポートの数によって種々様々な形状を取ることが出来る。本発明の回転バルブの特徴は、かかる回転子の摺動面上に、ブラスト加工を施すことにより凹部を形成することで摺動面積を減少させ、摺動抵抗を抑える。

かかる回転バルブは、水分を含有する空気など凝縮性を有する気体の流路を切り替える時に特に有効であり、溝部の位置は、該凝縮性の気体の流路周囲、特に水蒸気を含有する空気を切り替えるバルブの場合は、該空気の加圧流路周囲に溝部を備えることにより結露水が生じた場合のトルク上昇を防止することが出来る。

かかる回転バルブはポート数が少ない場合は接続流路が回転子表面に設けられるが、ポート数が多い場合には、回転子の摺動面の同一半径上に複数の開口部を備え、該開口部間を摺動面の後輩部で接続する流路とすることが可能である。

ブラスト加工は、エアーブラストあるいはショットブラストなど既知の方法により実施する。ブラスト加工領域は、摺動面全域であっても摺動面の一部であってもよい。回転バルブの場合は中心部に水分を含む原料空気が導入されるため、中心部円領域を含むものが好ましい。ブラスト加工は単一の表面粗さを有する凹部であっても、異なる表面粗さを有する凹部の組み合わせであってもよい。

但し、その表面粗さは触針式表面粗さ測定機（Mitutoyo製サーフテストSV-3000）を用いて中心線平均粗さRaを測定した結果で２μｍ以上１０μｍ以下とし、それよりも小さいと、トルク低減効果がなく、また大きいと摺動面からのガス漏れが発生する。好ましくは２〜８μｍとする。

回転バルブの摺動部材である回転子および固定子には優れた耐摩耗性や摺動特性が要求され、摺動材の材料としては、耐摩耗性に優れた炭化タングステンなどの超硬合金、炭化珪素、アルミナなどの硬質材などがあるが、本発明では自己潤滑性の優れた固体潤滑材を使用するのが好ましい。固体潤滑材としては、グラファイト等の炭素材料の他、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ＰＴＦＥ、ＤＬＣ膜などのＣＶＤ法やＰＶＤ法により表面コーティングしたものを使用することができる。

特に摺動部材が、黒鉛より成る固体潤滑材と、セラミック、例えばカーボンを基材とし摺動面を含む表層部を部分的にＳｉＣ質に転換したカーボン−ＳｉＣとした材料から構成されることを特徴とする回転バルブが好ましい。セラミックとしては、炭化珪素（SiC）の他、窒化珪素（Si3N4）、アルミナ（Al2O3）、窒化クロム（CrN）、炭化チタン（TiC）、ダイヤモンド様カーボン（DLC）、或いはこれらを気相コーティングしたものやCVR法で表面改質したものが使用できる。例えば炭化珪素材料の摺動部材としては、SiCの粉末をモールドして焼結したもの、SiCをCVD法によりコーティングしたもの、SiCをCVR法により表面改質したものなどがある。

本願発明の回転バルブは圧力変動吸着型酸素濃縮装置に適用可能である。すなわち、酸素よりも窒素を選択的に吸着しうる吸着剤を充填した吸着床、該吸着床に加圧空気を供給する空気供給手段、吸着床から生成した酸素濃縮空気を使用者に供給する酸素供給手段を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置であり、流路切り替えバルブに回転バルブを有し、特にコンプレッサなどの空気供給手段からの加圧空気を該吸着床に供給する流路に、上記の本発明の回転バルブを備えるものである。

以下、本発明の実施の形態に係る好ましい実施例である回転バルブを、図面を参照して説明する。
図１は本発明の回転バルブの第1の実施態様例の構成図、図２は第２の実施態様例の構成図、図３は回転バルブの比較例の構成図である。

［実施例１］
本発明に係る回転バルブの第１の実施例を、図１の構成図に従い説明する。本実施例１の回転バルブは、大気より取り込んだ水蒸気を含む空気を複数の処理工程へ供給するための、固体潤滑材を用いた回転バルブである。直径４０ｍｍのブラスト加工面7を設けた直径６０ｍｍの固定部材1と、幅１０ｍｍの処理ガスの分配溝8を設けた回転部材である固体潤滑材3とで構成される。固体潤滑材3として黒鉛を使用する。固定部材１としてセラミックを用い、研磨材としてアルミナ粒子を用いてエアーブラスト加工を施した。

触針式表面粗さ測定機（Mitutoyo製サーフテストSV-3000）を用いて中心線平均粗さRaを測定した結果、ブラスト加工面7の平均粗さは３.５μｍ、非ブラスト加工面では０.５μｍであった。

回転部材である固体潤滑材3は図示しないバネの反力により、固定部材2に対して垂直に押しつけられる。このバネが、摺動面から空気が系外に洩れないようなシール圧を付与する。同じく図示しないモータ駆動装置（動力源）から発生した駆動トルクを回転シャフト4を介して伝達し、固体潤滑材3を一定回転数で回転させる。水蒸気を含む空気を図示しないコンプレッサを用いて圧縮し、セラミック製の固定部材１に設けたガス供給口6より供給する。処理ガスを回転部材である固体潤滑材3に設けた分配溝8を介し、固定部材1に設けたガス出口5の位置と配溝8の位置とが一致するタイミングでガス出口5より４つの処理工程へ供給する。

本第１の実施例の回転バルブは、大気より取り込んだ水蒸気を含む空気の温度、湿度、ならびに固定部材1と回転部材である固体潤滑材3の温度が変化した環境で運転した時に、水の凝縮、結露現象が起きても凝縮力によるトルク上昇はわずかであり摺動面からの洩れもなく安定した連続運転が長期に渡って可能であった。

［実施例２］
次に本発明に係る回転バルブの第２の実施例を、図２の構成図に従い説明する。固定部材１は直径３０ｍｍのブラスト加工面7とその外周のブラスト加工面9を設けた直径６０ｍｍの固定部材１とする。固定部材１として第１実施例と同じセラミックを用い、研磨材として粒径の異なるアルミナ粒子を用いて２つの領域に分けてエアーブラスト加工を施した。実施例１と同様の方法で中心線平均粗さRaを測定した結果、ブラスト加工面7では５μｍ、ブラスト加工面9では２．５μｍであった。

本実施例２の回転バルブは、大気より取り込んだ水蒸気を含む空気の温度、湿度、ならびに固定部材１と回転部材である固体潤滑材３の温度が変化した環境で運転した時に、水の凝縮、結露現象が起きても凝縮力によるトルク上昇はほとんどなく、摺動面からの洩れもなく安定した連続運転が長期に渡って可能であった。

［比較例１］
次に本発明に係る回転バルブの比較例を、図３の構成図に従い説明する。固定部材1には実施例１と同じセラミックを用い、ブラスト加工は実施しなかった。実施例１と同様の方法で中心線平均粗さRaを測定した結果、平均粗さは０.５μｍであった。

本比較例の回転バルブは、大気より取り込んだ水蒸気を含む空気の温度、湿度、ならびに固定部材1と回転部材である固体潤滑材3の温度が変化した環境で運転した時に、水の凝縮、結露現象が起きた時に凝縮力によるトルク上昇が発生し、モータ駆動装置（動力源）の最大トルクを超え、回転不良を起こした。

[比較例２]
次に本発明に係る回転バルブの別の比較例を、図１の構成図に従い説明する。固定部材1は直径３０ｍｍのブラスト加工面7とその外周のブラスト加工面9を設けた直径６０ｍｍの固定部材1とする。固定部材1として実施例１と同じセラミックを用い、研磨材として粒径の異なるアルミナ粒子を用いて２つの領域に分けてエアーブラスト加工を施した。実施例１と同様の方法で中心線平均粗さRaを測定した結果、ブラスト加工面7では２０μｍ、ブラスト加工面9では１２μｍであった。

比較例２の回転バルブは、大気より取り込んだ水蒸気を含む空気の温度、湿度、ならびに固定部材1と回転部材である固体潤滑材3の温度が変化した環境で運転した時に、水の凝縮、結露現象が起きた時に凝縮力によるトルク上昇は無かったが、摺動面からの洩れ量が増加しバルブとして使用不可能であった。

[変形例]
上記した本発明の各実施例は、各実施例の構成を吸着筒、又は反応器、集塵器を複数有するシステムへ処理ガスを分配する回転バルブとして用いてもよい。

［効果の検証］
実施例１および実施例２ならびに比較例１の回転バルブを用い、水の凝縮力の影響を定量的に評価するため、水添加によるトルク試験を実施した。図４にトルク測定装置のフロー図を示す。固定部材1の摺動面に純水３μLをマイクロピペットで添加し、回転バルブを速やかに組み立てた。ACモータを一定回転で駆動させ、減速ギアにより減速し、固体潤滑材3を５ｒｐｍで回転させた。リアルタイムでモータートルクをパソコンで演算処理した。添加した水は徐々に蒸発し、摺動面の真実接触面で水の凝着力が発生しトルク上昇が起きる挙動を測定した。試験環境は大気圧下、２５℃で本試験を実施した。

図５および図６に試験結果を示す。本発明の実施例では、水の凝縮力によるトルク上昇は大幅に改善された。

本発明の実施の形態に係る好ましい実施例である回転バルブの第１実施例の構成図である。 本発明の他の実施例である回転バルブの第２実施例の構成図である。 従来の回転バルブの構成図である。 トルク試験装置のフロー図である。 水添加によるトルク試験の結果である。 水添加によるトルク試験の結果である。

符号の説明

１ 回転バルブ
２ 固定部材
３ 固体潤滑材（回転部材）
４ 回転シャフト
７ ブラスト加工面
８ 処理ガス分配溝
９ ブラスト加工面

Claims (6)

1. 互いに摺動する摺動面を有する摺動部材を備え、摺動面をメカニカルシールによりシールしながら摺動することにより流路を切り替える回転バルブであり、該摺動面を含む表層部にブラスト加工により形成した凹部を有し、かつ該摺動部材の少なくとも一方が固体潤滑材により構成されると共に、該摺動面のブラスト加工した表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が２〜１０μｍであることを特徴とする回転バルブ。
2. 該摺動部材の摺動面のブラスト加工した表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が、異なる２つ以上の凹部を有する摺動部材で構成された請求項１に記載の回転バルブ。
3. 該摺動部材の摺動面を含む表層部に形成された凹部が、エアーブラストまたはショットブラストで形成したものあることを特徴とする、請求項１または２に記載の回転バルブ。
4. 該摺動部材が、黒鉛より成る固体潤滑材と、セラミックから構成され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回転バルブ。
5. 吸着剤を充填した複数の吸着床と、該吸着床へ処理ガスを供給する供給手段と、該供給手段からの処理ガスを吸着床へ一定のタイミングで順次加圧供給し吸脱着をさせる流路切替部材を具備した圧力変動吸着型の吸着装置において、該流路切替部材が互いに摺動する摺動面を有する摺動部材に処理ガスを供給する溝と処理後のガスを排気するための溝を備え、かつ摺動面をメカニカルシールによりシールしながら摺動することにより流路を切り替える回転バルブであり、該摺動面を含む表層部にブラスト加工により形成した凹部を有し、かつ該摺動部材の少なくとも一方が固体潤滑材により構成されると共に、該摺動面のブラスト加工した表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が２〜１０μｍであることを特徴とする、吸着装置。
6. 酸素よりも窒素を選択的に吸着しうる吸着剤を充填した吸着床、該吸着床に加圧空気を供給する空気供給手段、吸着床から生成した酸素濃縮空気を使用者に供給する酸素供給手段を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該空気供給手段からの加圧空気を該吸着床に供給する流路に、流体流路と接続された少なくとも1つのポート穴を表面に持つ固定子と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路を表面に持つ回転子よりなる回転バルブを備え、該回転バルブが該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブを備え、該回転子の摺動面を含む表層部にブラスト加工により形成した凹部を有し、かつ該摺動部材の少なくとも一方が固体潤滑材により構成されると共に、該摺動面のブラスト加工した表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が２〜１０μｍであるバルブであることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置。

Images