JPH0213452Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は窒素より、酸素の方が透過し易い酸素
選択性透過膜を用い、この膜の両側に圧力差を発
生させ、空気より酸素を濃縮する酸素富化空気供
給装置において、この膜個有の酸素選択透過能を
最大限に発揮させ、空気よりの酸素の濃縮効率を
高めることを目的とする。

近年、医療用、燃焼用などに比較的高濃度の酸
素、例えば25％〜40％の酸素富化空気を利用する
動きが活発となつている。かかる酸素富化空気を
供給する手段として、窒素より酸素の方が透過し
易い、酸素選択性透過膜を用い、空気中から酸素
を濃縮分離する試みが成されている。この膜分離
法は、膜の両側に圧力差を発生させ、その圧力勾
配によつて気体が膜を透過していく原理を利用す
るものであり、この圧力差を発生させるために通
常膜の原料気体側を加圧するか、もしくは透過気
体側を減圧にするかの二つの方法のいずれかが選
ばれる。両者いずれの場合も、原料気体側に原料
気体を供給する手段、および、透過気体側に透過
気体を移行させる手段が必要であることは当然で
ある。しかしながら本考案者らの実測によれば、
単に気体を供給、あるいは移行させるだけで無
く、これに一定の流れを発生させることによつ
て、酸素濃縮率をより向上させ得ることが判明し
た。特に重要である点は原料気体側の気体流れで
ある。

窒素より酸素の方が透過し易い酸素選択性透過
膜を用いて、これに空気を透過させると、この膜
表面に残存窒素の濃縮された境界層が発生すると
考えられる。このため、透過気体流量を補充する
程度に新しい空気を供給していても残存窒素の境
界層が酸素透過をさえぎるので透過気体側の酸素
濃度は一定値以上に上らない。たとえば、６×
10^-8（CCcm／cm²sec・cmHg）の酸素透過率を有
し、酸窒素の透過率の比（選択率））が２である
酸素選択性透過膜を用い、この膜の両側の圧力比
を５：１とすると、理論的には、酸素濃度が31％
の酸素富化気体が得られるはずであるが、この透
過膜を無限に新鮮空気が供給される開放空間に置
いて、この膜上に形成された窒素濃度境界層から
窒素を取り除く事を単なる開放空間への濃度拡散
に依存させておくと、得られる酸素富化空気の酸
素含有率は、27〜28％程度で飽和してしまう。従
つて、より理論値に近い、即ち濃縮効率の高い酸
素富化空気を得るには、前記窒素濃縮境界層を絶
えず取り除いておく必要がある。

その具体的な方法のひとつとして既に逆浸透膜
による液体分離法などで実施されているような、
膜表面での乱流の発生がある。液体の場合にはこ
の乱流を発生させる手段として種々の方法が実施
されており、要は液体の流れる膜面に対して時間
的に種々の方向へ変るようにすることである。一
方気体の場合で考えると、液体に比して極端に密
度の低い流体である気体では、全体流れを乱すこ
とは難しいので、通常は膜面上に種々の邪魔板部
分を配置して実施しなければならない。しかし、
この方式では膜形状、あるいは膜面空間の構成が
複雑となり、コスト上昇にも結びつく。

本考案はこのような邪魔板を使用せずに膜表面
部で新鮮空気を高速で送るようにし、膜表面に生
ずる窒素濃縮境界層をとり除くようにしたもので
ある。まず、本考案の基本原理を説明する。

本考案者らは、膜面での気体流れ（層流）の速
度を制御することによる効果を調べた結果、透過
量に対して単に新鮮空気を供給する程度の流速よ
り大きい領域におけるある一定流速以上では、前
記窒素濃縮層が取り払われ、酸素富化空気中の酸
素濃度を理論値に近づけ得ることを見出した。流
速と流量で対比することは実質的に好ましくな
い。実験結果からは流速で述べる方が正しいが本
装置については流量比率で記述してもほぼ同様の
結果を与えたので、以下流量比（m³／sec÷m³／
sec）で示す。結果を第１図に示す。図で縦軸は
得られた酸素富化空気中の含有酸素％、横軸は透
過気体の流量と原料気体の流量の比である。この
例は酸素の窒素に対する選択率が2.3の酸素選択
性透過膜を用い、圧力比が５：１の場合である。
この結果から流量比率が45以上であれば理論値と
大体同じ程度の酸素濃度が得られることがわか
る。厳密には100程度で、45では0.2〜0.5％低下
する。ところで、この気体流れを作るための投入
動力はより小さい方が好ましい。流量比率を大き
くするには投入動力も大きくする必要があり、設
備も大きくなる。従つて経済的効果も考慮すれ
ば、流量比が20〜50倍程度が実用的に好ましい値
である。この流量比に対する酸素濃度変化は、選
択率が変化し、また圧力比が変化しても、本装置
においては大体同傾向で変化し、従つて上記流量
比の20〜50倍という値はすべての場合にわたつて
適用される好ましい値であり、この場合には膜表
面の空気流速は１〜５ｍ／secになつている。た
だ装置の形状、例えば膜モジユールの空間充填
率、モジユールを格納している空間の容積や、空
気の流し方等により実質的に流速が変化すること
が考えられるため、本願考案の場合、透過膜に供
給する空気量を透過膜を透過する空気量の20〜50
倍の流量にすることと膜表面の空気流速を１〜５
ｍ／secにすることとを同時に満足することが好
ましく、そのため空気供給手段と気体透過膜モジ
ユールと空気を取り入れるフイルタとをこの順に
配置するとともに、空気供給手段を、気体透過膜
モジユールを格納する格納室の端部に、気体透過
膜モジユールに近接して取り付け、空気供給手段
により生じる空気流れに対し、気体透過膜モジユ
ールの表面が平行になるように配置した構造とし
ている。

以上の気体流れを発生する最も簡易な方法は圧
力扇を用いて空気を送気または吸気することによ
つて空気流れを発生させることである。

以下本考案の一実施例について図面を用いて詳
細に説明する。

第２図は本考案による酸素富化空気供給装置の
一実施例における全体構成を示す。図において、
１は酸素選択性気体透過膜モジユールで、第３図
に示すように、内部が中空の枠体１１の上下両面
に酸素選択性透過膜１２が設置されて構成され
る。酸素選択性透過膜１２の外面に導入された空
気の一部は酸素選択性透過膜１２を通つてモジユ
ール１内に入り、モジユール１内に貯えられた酸
素富化空気は導出口１３よりとり出される。２は
モジユール１に導入する空気中に含まれる塵埃を
除去するフイルター、３はモジユール１を透過し
て来た酸素富化気体を収集する配管で、第３図の
導出口１３に連結される。４は減圧ポンプで、配
管３を通つてきた酸素富化空気を集め、排出口５
より所定の系に酸素富化気体を供給する。

６は圧力扇、７は圧力室である。この実施例で
は、圧力扇６は吸気型で、圧力扇６を回転させる
と圧力室７内は減圧され、モジユール１間を通過
する空気を引き寄せ、圧力扇６より室外に放出さ
れる。

今、モジユール１を通過し配管３へ達する酸素
富化空気の通過流量が50m³／時間、膜面での減圧
度が160mmHgとなるように、モジユール１の枚数
およびポンプ４の能力を設定し、圧力扇６の吸気
能力を種々変えて、得られる酸素富化空気の酸素
濃度を実測した。

圧力扇６が動作していない場合、すなわちモジ
ユール１の膜表面部の窒素濃縮層を圧力扇６で除
去しない場合は、酸素富化空気中の酸素濃度は
26.5％であつた。次いで、圧力扇６を駆動し、圧
力扇６による風速を500m³／時間（モジユール１
の透過流量に対する流量比10倍）、1000m³／時間
（流量比20倍）、1500m³／時間（流量比30倍）、
2500m³／時間（流量比50倍）、3000m³／時間（流
量比60倍）および4000m³／時間（流量比80倍）と
変化させた結果、得られる酸素富化気体の酸素濃
度は、それぞれ31.8％，32.7％，33.9％，33.2％，
33.3％，33.4％を示した。

このように、透過膜表面での空気の流れは、生
成される酸素富化気体の酸素濃度に大きな影響を
与え、特に膜表面での流量比が透過流量の20〜50
倍の範囲で大きな効果が認められた。流量比が50
倍を超えても酸素濃度は上昇しつづけるが、20〜
50倍の範囲に比して極立つた効果はなく、むしろ
大きな流量比を得るために圧力扇６に大きなエネ
ルギーを投入する必要があり、実用的ではなくな
る。したがつて、実用的には20〜50倍の流量比と
することが望ましい。膜表面の空気流れは、流速
で示すことが正しく、流量で定義すれば膜室の膜
充填率、構造によつて流速は変化してくる。一方
膜透過流量と比較するためには流量で対比するこ
とが望ましい。本考案の上記20〜50倍の流量比は
実質的に膜表面の空気流としては１〜５ｍ／sec
の値に対応し、従つて本考案では透過膜に供給す
る空気量を透過膜を透過する空気量の20〜50倍の
流量にするとともに、膜表面の空気流速を１〜５
ｍ／secにすることが好ましい。これを達成する
ために本考案は空気供給手段を気体透過膜モジユ
ールに近接して設置し、その全体を囲うように筐
体を設け、空気供給手段からの空気流れに対して
気体透過膜モジユールの表面が平行になるような
構造としている。

圧力扇６および圧力室７は、以上の説明から理
解されるように、モジユール１の膜面により近く
設置することが必要で、モジユール１群に隣接し
て配されることが望ましい。膜面近くの空気流れ
を他の用途にも使用したい場合もあるが、このよ
うなときには特にこの近接配置に注意する必要が
ある。たとえば、空気流れをポンプの冷却用など
に使うことがあるが、この冷却機構を圧力扇６と
モジユール１との中間位置に設置すると、圧力損
失が多大となり、空気流速を大きくするよりも単
に新鮮空気を供給するにとどまつてしまうおそれ
がある。したがつて、このような場合には、圧力
扇６とモジユール１部とが作る系外に設置するこ
とが必要である。

なお、第２図の実施例には圧力扇として吸気型
圧力扇を利用した場合について説明したが、送気
型圧力扇を使用し、これを空気導入口側に配して
空気を高速で送気するようにしてもよい。その他
各種の送風機が使用し得る。

以上のように本考案は、酸素選択性透過膜を利
用し、減圧ポンプを用いてこの膜の両面に圧力差
を発生させ、空気より、酸素を濃縮分離する酸素
富化空気供給装置において、膜表面に新鮮空気を
筒過流量の20〜50倍の流量でかつ膜表面の流速が
１〜５ｍ／secになるように空気を供給するため
の送風機からなる空気供給手段と、空気を取り入
れるフイルタとを備え、空気供給手段を、気体透
過膜モジユールを格納する格納室の端部に、気体
透過膜モジユールに近接して取り付け、空気供給
手段と気体透過膜モジユールと空気を取り入れる
フイルタとをこの順に配置するとともに、空気供
給手段により生じる空気流れに対し、気体透過膜
モジユールの表面が平行になるように配置した構
造とすることにより、酸素富化空気中の含有酸素
濃度を効率よく濃縮し高められる酸素富化空気供
給装置を実現するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素選択性透過膜を利用したモジユー
ルの膜表面における空気流速比率と得られる酸素
富化空気中の酸素濃度との関係を示す図、第２図
は本考案による酸素富化空気供給装置の実施例を
示す構成図、第３図は第２図の一部拡大斜視図で
ある。 １……モジユール、２……フイルター、３……
配管、４……減圧ポンプ、５……排気口、６……
圧力扇、７……圧力室、１１……枠体、１２……
透過膜、１３……導出口。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 酸素選択性透過膜で内外を仕切られた気体透
   過膜モジユールと、これを格納する格納室と、
   前記気体透過膜モジユールの酸素選択性透過膜
   を透過した空気を収集する手段と、前記酸素選
   択性透過膜の表面に、前記酸素選択性透過膜を
   透過する空気量の20〜50倍の流量でかつ膜表面
   の空気流速が１〜５ｍ／secで移動する空気を
   供給するための送風機からなる空気供給手段
   と、空気を取り入れるフイルタとを備え、前記
   空気供給手段は、前記気体透過膜モジユールを
   格納する格納室の端部に、前記気体透過膜モジ
   ユールに対し近接して取付けられており、前期
   空気供給手段と気体透過膜モジユールと空気を
   取り入れるフイルタとをこの順に配置するとと
   もに、空気供給手段により生じる空気流れに対
   し、気体透過膜モジユールの表面が平行になる
   ように設置されていることを特徴とする酸素富
   化空気供給装置。 (2) 空気供給手段が吸気型送風機で構成された実
   用新案登録請求の範囲第１項記載の酸素富化空
   気供給装置。 (3) 空気供給手段がモジユールに隣接して配置さ
   れた実用新案登録請求の範囲第１項乃至第２項
   のいずれかに記載の酸素富化空気供給装置。 (4) 収集手段が減圧ポンプを備えた実用新案登録
   請求の範囲第１項記載の酸素富化空気供給装
   置。 (5) 空気供給手段の排風により減圧ポンプを冷却
   する実用新案登録請求の範囲第４項記載の酸素
   富化空気供給装置。