JPH11319463A - 酸素富化空気生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サイクルタイムを短縮することができ、且つ
吸着塔３を小型化することのできる酸素富化空気生成装
置１を提供する。 【解決手段】 吸着塔３内に充填されたゼオライト等の
吸着剤を、電子冷却素子６によって冷却することで、そ
の吸着剤が低温雰囲気（例えば１０℃）であるようにし
て、吸着剤に混合空気中の窒素ガスを吸着させる吸着時
の吸着性能を向上するようにした。これにより、吸着、
脱着再生時間を短縮することができる。また、同じ窒素
吸着量を得る場合に、吸着剤の量を軽減できるので、吸
着塔３の小型化を図ることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力スウィング方
法を利用して酸素富化空気を生成する酸素富化空気生成
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、特開昭６１−２６３６１６号
公報においては、吸着塔の内部に、ゼオライトモレキュ
ラーシーブまたはカーボンモレキュラーシーブ等の吸着
剤を充填して、圧力スウィング方法を利用することで、
空気中の窒素ガス成分を吸着剤に吸着させることによ
り、酸素富化空気を生成する酸素富化空気生成装置が記
載されている。

【０００３】そして、その酸素富化空気生成装置は、出
口ガスと吸着剤とを熱交換するように、吸着塔出口配管
を吸着剤の中を貫通して配設することで、出口ガスによ
って吸着剤を加温することにより、脱着再生時に吸着塔
内の吸着剤の温度分布が均一化されて脱着再生効果を向
上させるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の酸素
富化空気生成装置においては、酸素富化空気を生成する
吸着時に、吸着塔内の熱容量の問題から比較的高温で動
作することにより、吸着性能が低下するという問題が生
じている。この結果、ある程度の吸着性能を得るために
は、吸着剤の量を多くする必要があり、このようにする
と、吸着塔が大型化すると共に、サイクルタイム（吸
着、脱着再生時間）が長くなるという問題が生じてい
る。

【０００５】

【発明の目的】本発明の目的は、圧力スウィングによる
酸素富化空気生成装置において、サイクルタイムを短縮
することができ、且つ吸着塔を小型化することのできる
酸素富化空気生成装置を提供することにある。また、吸
着塔を冷却することにより、窒素ガスの吸着量を増加し
て酸素濃縮性能を向上することのできる酸素富化空気生
成装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、送風手段によって吸着塔内に空気が送り込まれ
ると、吸着塔内に充填されている吸着剤に空気中の窒素
が吸着されて酸素富化空気が生成される。この生成され
た酸素富化空気は、送風手段によってダクトの吐出口よ
り吐出される。

【０００７】それによって、このように吸着剤に窒素を
吸着させる時に、発生する吸着熱により吸着剤への窒素
吸着量が減少するという問題が発生する。そこで、吸着
剤冷却手段によって吸着剤を冷却することで、発生する
吸着熱を吸熱することにより、吸着剤への窒素吸着量の
低下を防止できるので、吸着剤の吸着性能を向上するこ
とができる。したがって、従来の技術と同程度の窒素吸
着量を得ようとした場合には、吸着塔内の吸着剤を小容
量化することができるので、吸着塔を小型化することが
できる。

【０００８】請求項２に記載の発明によれば、吸着塔よ
りも下流側のダクトにサージタンクを接続することによ
り、吸着剤より窒素を脱着再生する時に、吸着剤に送り
込む酸素富化空気を一時的に貯蔵することができる。請
求項３に記載の発明によれば、吸着塔よりも下流側のダ
クトに加熱用熱交換器を設置することにより、吸着塔内
で生成された酸素富化空気を加熱することで、例えば人
体への吸引用として適度な温度に設定することもでき
る。

【０００９】請求項４に記載の発明によれば、吸着剤冷
却手段として、ペルチェ効果を利用する電子冷却素子を
使用し、この電子冷却素子で発生した排熱を利用して酸
素富化空気を加熱することにより、酸素富化空気を加熱
する加熱源と吸着剤冷却手段とを１つの電子冷却素子で
構成できるので、部品点数および製品価格を低減するこ
とができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】〔実施例の構成〕発明の実施の形
態を実施例に基づき図面を参照して説明する。ここで、
図１は酸素富化空気生成装置の全体構成を示した図であ
る。

【００１１】本実施例の酸素富化空気生成装置１は、例
えば高濃度の酸素ガスを必要とする人の医療器具として
使用される温度圧力スウィング酸素富化空気生成装置
で、内部に通風路を形成するダクト２と、このダクト２
の途中に設置された吸着塔３と、この吸着塔３内の混合
空気を送り込むコンプレッサ４と、吸着塔３よりも下流
側のダクト２に接続されたサージタンク５と、吸着塔３
内に充填されたゼオライト等の吸着剤を常時冷却する電
子冷却素子６と、ダクト２の吐出口側に設置された加熱
用熱交換器７と、コンプレッサ４等の各種アクチュエー
タを電子制御する制御装置９とを備えている。

【００１２】ダクト２の最も上流側には、室内または室
外より混合空気を吸い込む吸込口１１が設けられてい
る。そして、ダクト２の最も下流側には、窒素ガスを吸
着剤に吸着した酸素富化空気を室内、特に人体に供給す
るための吐出口１２と、窒素ガスを吸着剤より脱着再生
した再生空気を室外に排気するための排気口１３とが設
けられている。そして、吸込口１１から吸着塔３まで入
口通路１４には、第１電磁弁２１、コンプレッサ４およ
び第２電磁弁２２が順に設置されている。

【００１３】そして、吸着塔３から吐出口１２までの供
給通路１５には、逆止弁１６および加熱用熱交換器７が
順に設置されている。そして、吸着塔３と逆止弁１６と
の間から分岐する分岐通路１７には、逆止弁１８が設置
され、末端にサージタンク５の出入口が接続されてい
る。そして、吸着塔３と逆止弁１６との間に合流する合
流通路１９には、第３電磁弁２３が設置され、末端にサ
ージタンク５の出入口が接続されている。そして、吸着
塔３から排気口１３までの排気通路２０には、第４電磁
弁２４、コンプレッサ４および第５電磁弁２５が順に設
置されている。

【００１４】吸着塔３は、略円筒形状をしており、混合
空気中の窒素ガスを吸着するゼオライト等の吸着剤を内
部に充填している。コンプレッサ４は、本発明の送風手
段に相当するもので、吸着剤に混合空気を送り込むと共
に、吸着剤より脱着再生された再生空気を排気する圧力
スウィングを行うもので、所定の圧力（例えば１．０ｋ
ｇｆ／ｃｍ² ）を発生する。サージタンク５は、出入口
が１つの密閉容器である。

【００１５】電子冷却素子６は、本発明の吸着剤冷却手
段に相当するもので、吸着塔３の外周面に接触するよう
に円筒形状に形成され、ペルチェ効果を利用した冷却能
力を有するペルチェ素子である。この電子冷却素子６
は、２種類の異なった金属や半導体を組み合わせて閉回
路を形成し、その各部を一定に保ちながら電流を通すこ
とで、２つの接合面の一方でジュール熱以外の熱を発生
（発熱）し、他方で熱を吸収（吸熱）して吸着剤を低温
雰囲気（例えば１０℃）とする。このように電子冷却素
子６は、吸着剤を冷却する冷却機能と、空気通路２６内
の空気を加熱する加熱機能とを合わせ持つ。

【００１６】加熱用熱交換器７は、空気通路２６より送
り込まれる高温の空気と酸素富化空気とを熱交換するこ
とで、酸素富化空気を例えば人体への吸引用として適度
な温度に設定することができる。なお、空気通路２６の
最も上流側には、電子冷却素子６の一方の接合面の熱を
吸熱するための吸熱通路２７が設けられている。また、
空気通路２６の最も下流側には、加熱用熱交換器７で熱
交換した空気を排気する排気口２８が設けられている。

【００１７】次に、制御装置９の構成を図１および図２
に基づいて簡単に説明する。ここで、図２は酸素富化空
気生成装置の制御系を示した図である。この制御装置９
には、コントローラ３１上の各種スイッチ（例えば運転
スイッチ）からのスイッチ信号が入力される。また、制
御装置９には、吸着塔３の内部温度（吸着剤温度）を検
出する吸着剤温度センサ３２、吐出口１２から例えば人
体に吐出される酸素富化空気の温度を検出する吐出空気
温度センサ３３、および吸着塔３の内部圧力を検出する
圧力センサ３４等からのセンサ信号が入力される。

【００１８】そして、制御装置９の内部には、図示しな
いＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコ
ンピュータが設けられ、上記各種センサからのセンサ信
号は、制御装置９内の図示しない入力回路によってＡ／
Ｄ変換された後に、上記のマイクロコンピュータへ入力
されるように構成されている。

【００１９】〔実施例の作用〕次に、本実施例の酸素富
化空気生成装置１の作用を図１ないし図３に基づいて簡
単に説明する。ここで、図３は圧力と窒素吸着量との関
係を示したゼオライト吸着等温線図である。

【００２０】吸着塔３内に充填された吸着剤に混合空気
中の窒素ガスを吸着させる吸着時には、第１、第２電磁
弁２１、２２が開弁（オン）され、第３、第４電磁弁２
３、２４が閉弁（オフ）される。そして、コンプレッサ
４および電子冷却素子６が通電（オン）される。

【００２１】したがって、吸込口１１から吸い込まれた
混合空気（例えば室内空気）は、入口通路１４を通って
吸着塔３内に流入した後に、供給通路１５を通って吐出
口１２から例えば人体に向けて吐出される。このとき、
コンプレッサ４がオフ状態からオンされると、吸着塔３
の内部圧力（スウィング圧力）が０ｋｇｆ／ｃｍ² から
１．０ｋｇｆ／ｃｍ² のように上昇する。

【００２２】ここで、本実施例では、吸着剤が電子冷却
素子６によって例えば１０℃程度に冷却されており、且
つ圧力が０ｋｇｆ／ｃｍ² から１．０ｋｇｆ／ｃｍ² ま
での場合には吸着剤への窒素ガスの吸着量が最も良好な
領域のため、混合空気から窒素ガスが多く吸着されるの
で、酸素濃度の非常に高い酸素富化空気が生成される。
これにより、高濃度の酸素ガスを必要とする人の医療器
具として酸素富化空気生成装置１を使用することができ
る。

【００２３】この吸着塔３内で生成された酸素富化空気
の一部は、分岐通路１７を通ってサージタンク５に一時
的に貯蔵される。また、吸着塔３内で生成された酸素富
化空気の残部は、供給通路１５を通って吐出口１２から
吐出されるが、加熱用熱交換器７を通過する際に電子冷
却素子６の排気熱により加熱されるため、例えば人体へ
の吸引用として適度な温度の酸素富化空気（製品ガス）
となる。

【００２４】次に、吸着塔３の内部圧力が１．０ｋｇｆ
／ｃｍ² に到達したら、第１、第２電磁弁２１、２２を
閉弁（オフ）し、第３、第４電磁弁２３、２４を開弁
（オン）することで、吸着剤より窒素ガスを脱着再生す
る脱着再生工程に移行する。なお、コンプレッサ４およ
び電子冷却素子６は通電（オン）状態を継続する。

【００２５】したがって、サージタンク５内に一時的に
貯蔵された酸素富化空気は、コンプレッサ４によって合
流通路１９、吸着塔３および排気通路２０の内部圧力
（スウィング圧力）が負圧（例えば−１．０ｋｇｆ／ｃ
ｍ² ）となるので、合流通路１９を通って吸着塔３内に
流入する。吸着塔３内に流入した酸素富化空気は、吸着
剤より窒素ガスを脱着することで再生空気となる。この
再生空気は、排気通路２０を通って排気口１３から排気
される。これにより、吸着剤の吸着効果の低下を防止で
きる。

【００２６】〔実施例の効果〕以上のように、本実施例
の酸素富化空気生成装置１は、図３のグラフに示したＡ
とＢから、吸着塔３内に充填された吸着剤の温度環境が
低温雰囲気である時には、ゼオライトの特性上、ゼオラ
イト量が一定、スウィング圧力が一定の条件下で、吸着
塔３内が低温雰囲気である程、ゼオライトの窒素吸着量
が増加するため、酸素濃縮性能を向上することができ
る。これにより、サイクルタイム、特に吸着時間を短縮
することができる。

【００２７】また、従来の技術と同程度の酸素濃縮性能
とすると、ゼオライトの小容量化により吸着塔の小型化
を図ることもできる。それに伴い、吸着塔３の熱容量の
低減化により、電子冷却素子６の消費電力を低減するこ
とができる。また、冷却された酸素富化空気を電子冷却
素子６の排気熱により加熱用熱交換器７にて昇温するこ
とにより人体への吸引用として適度な温度に設定するこ
とができる。

【００２８】〔変形例〕本実施例では、吸着剤冷却手段
として電子冷却素子６を利用したが、吸着剤冷却手段と
して冷凍サイクルのエバポレータを利用しても良い。ま
た、加熱用熱交換器として、電気ヒータ、温水式ヒー
タ、冷凍サイクルのコンデンサを利用しても良い。本実
施例では、吸着工程と脱着再生工程との切り替えを吸着
塔３の内部圧力に応じて変更したが、吸着工程と脱着再
生工程との切り替えを経過時間に応じて変更しても良
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸素富化空気生成装置の全体構成を示した概略
図である（実施例）。

【図２】酸素富化空気生成装置の制御系を示したブロッ
ク図である（実施例）。

【図３】圧力と窒素吸着量との関係を示したゼオライト
吸着等温線図である（実施例）。

【符号の説明】

１ 酸素富化空気生成装置 ２ ダクト ３ 吸着塔 ４ コンプレッサ（送風手段） ５ サージタンク ６ 電子冷却素子（吸着剤冷却手段） ７ 加熱用熱交換器 ９ 制御装置 １２ 吐出口

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）酸素濃縮された酸素富化空気を吐出
   する吐出口を有するダクトと、 （ｂ）このダクトの途中に設置された吸着塔と、 （ｃ）この吸着塔内に充填されて、空気中の窒素を吸着
   して酸素富化空気を生成する吸着剤と、 （ｄ）前記吸着塔内に空気を送り込む送風手段と、 （ｅ）前記吸着剤を冷却する吸着剤冷却手段とを備えた
   酸素富化空気生成装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の酸素富化空気生成装置に
   おいて、 前記吸着塔よりも下流側のダクトには、前記吸着塔で生
   成された酸素富化空気を一時的に貯蔵するサージタンク
   が連通していることを特徴とする酸素富化空気生成装
   置。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の酸素富化
   空気生成装置において、 前記吸着塔よりも下流側のダクトには、前記ダクト内を
   流れる酸素富化空気を加熱する加熱用熱交換器が設置さ
   れていることを特徴とする酸素富化空気生成装置。
4. 【請求項４】請求項３に記載の酸素富化空気生成装置に
   おいて、 前記吸着剤冷却手段は、ペルチェ効果を利用して前記吸
   着塔内の吸着剤を冷却する電子冷却素子を使用し、 前記加熱用熱交換器は、前記電子冷却素子で発生した排
   熱を利用して酸素富化空気を加熱することを特徴とする
   酸素富化空気生成装置。