(57)【要約】【課題】吸着剤を充填した吸着筒へ供給する空気の圧力を低減することによって、従来の圧力変動吸着型酸素濃縮装置が有する前記の諸問題を解決できる酸素酸素濃縮装置を提供する。【解決手段】空気中の窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒(5)、該吸着筒(5)へ原料空気を加圧圧縮して供給する加圧気体供給装置(3)を少なくとも備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、  前記加圧気体供給装置(3)によって原料空気を取り込む際に形成される負圧と外部空気が形成する大気圧との間の差圧に起因する酸素ガスの分圧差によって酸素富化する酸素富化膜モジュール(2)を前記加圧気体供給装置(3)の前段側に設けたことを特徴とする酸素濃縮装置である。【選択図】  図１
2006087683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中の窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒、該吸着筒へ原料空気を加圧圧縮して供給する加圧気体供給装置を少なくとも備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、
前記加圧気体供給装置によって原料空気を取り込む際に形成される負圧と外部空気が形成する大気圧との間の差圧に起因する酸素ガスの分圧差によって酸素富化する酸素富化膜モジュールを前記加圧気体供給装置の前段側に設けたことを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項２】
前記酸素富化膜モジュールによって原料空気が酸素富化された際の酸素ガス濃度が２２〜３０％である、請求項１記載の酸素濃縮装置。
【請求項３】
前記加圧気体供給装置が揺動型空気圧縮機、あるいはスクリュー式、ロータリー式、スクロール式などの回転型空気圧縮機である、請求項１又は２に記載の酸素濃縮装置。
【請求項４】
前記酸素富化膜モジュールが中空糸状に酸素富化膜を形成した中空糸膜モジュール、又は通気性の平板状支持体に酸素富化膜を形成した平膜モジュールである、請求項１〜３のいずれかに記載の酸素富化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料空気から酸素富化された空気を製造して使用者に供給する酸素濃縮装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空気から濃縮した酸素ガスを得るための酸素濃縮装置として、酸素ガスを選択的に透過する分離膜を使用した分離膜式酸素濃縮装置が、例えば特開昭５６−９１８０２号公報あるいは特開昭５７−８２１０５号公報などに開示されている。しかしながら、ガス分離膜を使用した酸素濃縮機では、空気中の酸素ガスを高濃度に濃縮することができないという問題を有している。
【０００３】
このようなガス分離膜による透過型の酸素濃縮装置に対して、窒素ガスを選択的に吸着するゼオライトなどの吸着剤を充填した吸着筒へ空気を導入して、空気中の窒素ガスを選択的に除去する吸着型の酸素濃縮機装置は、高濃度の酸素ガスを製造することができるという利点を有している。なお、吸着型の酸素濃縮装置において、加圧気体供給装置によって加圧した空気を吸着剤を充填した吸着筒へ供給することにより、空気中の酸素ガスを濃縮する圧力変動吸着（Pressure Swing Adsorption）型の酸素濃縮装置（以下、“ＰＳＡ方式酸素濃縮装置”と略称する）も使用されている。
【０００４】
このＰＳＡ方式酸素濃縮装置は、次に述べるような工程を経て空気中から濃縮酸素ガスを製造するものである。すなわち、先ず加圧気体供給装置によって吸着筒内へ加圧した空気を導入して空気中に含まれる窒素ガスを吸着剤によって吸着して選択的に除去して空気中の酸素濃度を上げる。そして、このようにして得られた高酸素濃度の酸素富化空気は逆止弁を介してアキュムレータ・タンクへ送られて、ここで貯えられる。
【０００５】
その一方で、吸着筒内を減圧することによって、酸素濃縮が終わった後の吸着剤に吸着した窒素ガスを脱着させて吸着剤の吸着能を回復させる。なお、この場合に少量の濃縮酸素ガスを吸着筒内へ供給して、窒素の脱着を促進することも行われている。このように、ＰＳＡ方式酸素濃縮装置を使用すれば、吸着筒の加圧と減圧を繰り返すことによって、空気中から例えば酸素濃度が９５％といった高濃度の酸素富化空気を得ることができる。なお、近年、このようなＰＳＡ方式酸素濃縮装置として、窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤を充填した多数の吸着筒を併設して、これらの吸着筒をローターバルブによって順次切り替えることによって、酸素の濃縮効率を高めた多筒式の酸素濃縮装置が使用されるようになってきた。
【０００６】
このＰＳＡ方式酸素濃縮装置では、得られる酸素濃度が加圧気体供給装置で圧縮する空気の圧力に大きく依存することが分かっている。そこで、高酸素濃度ガスを得るために、吸着筒へ導入する空気の圧力をできるだけ高くして、それだけ加圧気体供給装置の能力を高める必要が生じる。ところが、加圧気体供給装置の能力を高めようとすれば、これに伴って装置が大型化したり、多くの電力を消費したり、高負荷状態での運転に伴う短寿命につながったり、騒音が発生したりするという問題が生じる。
【０００７】
このようなＰＳＡ方式酸素濃縮装置が有する問題を解決するための方策として各種の試みがなされている。ここで、その一例を挙げるならば、特開２０００−１７６０１９号公報において、空気中の窒素ガスを選択的に吸着除去するための高性能吸着剤を含む複数層に区分けした吸着剤を吸着筒へ充填し、この吸着筒へ原料空気を供給するために、圧力と空気量を限定したスクロール型の加圧気体供給装置を使用し、この加圧気体供給装置を駆動する電動機として直流用ブラシレス電動機を使用したものが提案されている。
【０００８】
しかしながら、このような従来技術は、全て空気中の窒素ガスを選択的に吸着除去するための吸着剤を充填した吸着筒の性能向上と、この吸着筒へ原料空気を供給する加圧気体供給装置の性能向上とを目的とするものである。しかしながら、高濃度の酸素ガスを含む酸素富化空気を製造するためには、高圧に圧縮した原料空気を吸着筒へ供給しなければならないという事態は全く改善されていない。
【０００９】
【特許文献１】特開昭５６−９１８０２号公報
【特許文献２】特開昭５７−８２１０５号公報
【特許文献３】特開２０００−１７６０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上に述べた従来技術が有する問題に鑑み、本発明の目的は、吸着剤を充填した吸着筒へ供給する空気の圧力を低減することによって、従来の圧力変動吸着型酸素濃縮装置が有する前記の諸問題を解決できる酸素酸素濃縮装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、前記目的を達成するために鋭意検討した結果、空気中の窒素ガスを選択的に吸着する吸着筒へ供給する原料空気の酸素濃度を予め高めておくことによって、吸着筒へ供給する原料空気の圧力、もしくは送風量を低減できるのではないかと着想するに至った。そこで、この着想を確かめるために、通常の空気中に含まれる酸素ガス（約２１％）よりも高濃度の酸素ガスを含んだ酸素富化空気を前記の吸着筒へ供給した。そうすると、従来技術で必要とされていた圧力まで加圧しなくても、例えば９５％といった高濃度酸素ガスを含む酸素富化空気を製造することができるのを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
【００１２】
ここに、請求項１に記載の発明として、「空気中の窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒、該吸着筒へ原料空気を加圧圧縮して供給する加圧気体供給装置を少なくとも備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、前記加圧気体供給装置によって原料空気を取り込む際に形成される負圧と外部空気が形成する大気圧との間の差圧に起因する酸素ガスの分圧差によって酸素富化する酸素富化膜モジュールを前記加圧気体供給装置の前段側に設けたことを特徴とする酸素濃縮装置」が提供される。
【００１３】
その際、請求項２に記載の発明のように、「前記酸素富化膜モジュールによって原料空気が酸素富化された際の酸素ガス濃度が２２〜３０％である、請求項１記載の酸素濃縮装置」とすることが好ましい。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明のように、「前記加圧気体供給装置が揺動型空気圧縮機、あるいはスクリュー式、ロータリー式、スクロール式などの回転型空気圧縮機である、請求項１又は２に記載の酸素濃縮装置」とすることが好ましい。
【００１５】
そして、請求項４に記載の発明のように、「前記酸素富化膜モジュールが中空糸状に酸素富化膜を形成した中空糸膜モジュール、又は通気性の平板状支持体に酸素富化膜を形成した平膜モジュールである、請求項１〜３のいずれかに記載の酸素富化装置」とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
以上に述べた本発明によれば、ＰＳＡ方式酸素濃縮装置へ通常空気よりも予め高濃度に濃縮された酸素富化空気を供給する必要がある。そこで、酸素富化膜モジュールが有するガス分離膜を介して原料空気中へガス分離膜を透過した酸素ガスを取り込むために、酸素富化膜モジュールを加圧気体供給装置の前段側に設ける。このとき、加圧気体供給装置の前段側は、原料空気側の大気圧に対して、原料空気を吸引する必要上から負圧状態で運転されている。
【００１７】
そこで、酸素富化膜内外の酸素分圧差に起因して、大気圧側の外部空気から負圧側の原料空気へと酸素富化膜を透過した酸素ガスが流入することとなる。そうすると、「予め通常の空気よりも酸素富化した原料空気を吸着筒へ供給する」という本発明の課題を達成することができる。
【００１８】
しかも、本発明において使用する酸素富化膜モジュールでは、ＰＳＡ方式酸素濃縮装置に使用する加圧気体供給装置は特別に設ける必要がなく、兼用することができる。したがって、吸着筒へ供給する原料空気を通常の空気よりも酸素富化された状態で供給できるので、使用する加圧気体供給装置の加圧能力を低減できることとなる。
【００１９】
その結果として、本発明の装置が備える加圧気体供給装置では、従来装置と比較して、装置が小型化でき、しかも、低負荷運転も可能となるので、省電力、低騒音、更には装置の高寿命化につながるという顕著な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係わる酸素濃縮装置の基本構成の一例を模式的に示したブロック線図であるが、この図１に示した実施態様には様々な態様が考えられることは言うまでもない。したがって、本発明の要旨が満足される限りにおいて、図１に例示した実施形態に本発明は限定されることはない。
【００２１】
前記図１に示した実施形態例において、各構成要素を簡単に説明すると、１はフィルター、２は窒素富化膜モジュール、３は加圧気体供給装置、４は切り替え弁、５は吸着筒（図は２筒式の例である）、６は逆止弁、７はアキュムレータ・タンク、８は調圧弁、９は流量設定器、１０はフィルター、そして、１１は加湿器である。このとき、前記吸着筒５には空気中の酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着するゼオライトなどからなる吸着剤が充填されており、この吸着剤によって空気中の窒素ガスが選択的に吸着されて除去される。さらに、前記フィルター１は原料空気を取り入れる際に空気中に浮遊する塵埃などの異物を除去し、前記加圧気体供給装置３は前記吸着筒５に加圧空気を供給する役割をそれぞれ果たしている。
【００２２】
ここで、酸素ガスよりも窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤を充填した前記吸着筒５としては、好ましくは前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成することが好ましく、通常、１筒式、２筒式の他に３筒以上の多筒式が用いられ、加圧気体供給装置３としては揺動型空気圧縮機が用いられるほか、スクリュー式、ロータリー式、スクロール式などの回転型空気圧縮機が用いられる場合もある。また、この加圧気体供給装置３を駆動する電動機の電源は、交流であっても直流であってもよい。
【００２３】
以上に述べた実施形態例のように構成される本発明の酸素富化装置において、加圧気体供給装置３の外部空気の吸引作用によって、空気中に含まれる塵埃などを取り除くためのフィルター１を通して、原料空気が酸素富化膜モジュールに取り込まれる。その際、この原料空気は加圧気体供給装置３によって吸引されるときに大気圧に比して負圧となる。このため、大気圧との差圧に基づく酸素富化膜内外の酸素分圧差に起因して、大気圧側の原料空気（外部空気）から負圧側の原料空気へと酸素富化膜を透過した酸素ガスが流入する。したがって、加圧気体供給装置３には最初に外部大気から取り込む原料空気の酸素濃度（約２１％）よりも濃度が高い酸素富化空気が流入することになる。
【００２４】
なお、例えば、９５％といった高濃度の酸素ガスを含んだ酸素富化空気を製造することは、これから後の工程において、通常のＰＳＡ方式酸素濃縮装置と同様の方法によって行うことができる。ここで、この工程を簡単に説明すると、前述のようにして加圧気体供給装置３に流入した酸素富化空気は、加圧気体供給装置３によって加圧圧縮されて切り替え弁４を介して吸着筒（図は２筒式の例である）へ供給される。そして、このようにして吸着筒５へ供給された加圧空気から選択的に窒素ガスが吸着除去される。
【００２５】
このとき、吸着筒５で吸着されなかった酸素ガスを多く含んだ酸素富化空気は逆流しないように設けられた逆止弁６を介して、アキュムレータ・タンク７に流入する。次いで、このアキュムレータ・タンク７からフィルター１０を介して、加湿器１１により適当な湿度に加湿されて調圧弁８や流量設定器９などによってその供給流量と圧力とが制御されながら、使用者側に酸素富化空気が供給される。
【００２６】
本発明においては、前述のように、加圧気体供給装置３の前段側に酸素富化膜モジュール２を設けて、吸着筒５へ通常空気より酸素濃度の高い酸素富化空気を供給することを一大特徴とする。したがって、酸素富化膜モジュール２に使用するガス分離膜（酸素富化膜）の性能によって、吸着筒５へ供給する酸素富化空気中に含まれる酸素濃度が変わってくる。そこで、本発明に使用する酸素富化膜モジュール２について詳細に説明する。
【００２７】
先ず、本発明に使用する前記のガス分離膜（酸素富化膜）としては、周知のガス分離膜を好適に使用することができる。例えば、（１）ポリ−４−メチルペンテン−１膜（特開昭５４−１４６２７７号公報参照）、（２）トリメチルビニルシラン重合体−シロキサン重合体の混合物膜（特開昭５４−５６９８５号公報参照）、（３）シロキサン／カーボネート共重合体とポリフェニレンオキシド重合体膜（特開昭５８−３３０８６号公報参照）、（４）ポリジメチルシロキサンをコーティングしたポリスルホン多成分膜（特開昭５３−８６６８４号公報参照）、（５）シロキサン共重合体膜（特開昭５７−１０７２０４号、特開昭５７−１９０６０６号公報参照）、（６）テトラカルボン酸成分とジアミン成分とからなるポリイミド膜（特公昭５５ー４１８０２号公報、特開平２ー２８５７号公報参照）などを挙げることができる。
【００２８】
このようなガス分離膜（酸素富化膜）からなるモジュールの形態としては、例えば、中空糸状に形成されたガス分離膜を適当な長さに切断し、これを多数本束ねた中空糸の束を作成し、この束両端の中空が塞がらないように両端をエポキシ樹脂のような樹脂で一体に固めて切断し、モジュ−ル化したものを好適に使用することができる。このような中空糸膜からなる酸素富化膜モジュール２では、原料空気を中空糸の内部側の一端から他端へと供給し、中空糸の内部を原料空気が負圧状態で流動する際に、大気圧状態にある外部空気に含まれる酸素ガスを中空糸の外側から内側へと透過させることができる。あるいは、原料空気を中空糸の外側から負圧状態で供給して中空糸の内側から酸素ガスを透過させて、原料空気から酸素富化空気を得る方法を採用するようにしてもよい。
【００２９】
なお、本発明は、前述の中空糸膜モジュールに限定されることはなく、平膜モジュールを用いることもできる。例えば、このような平膜モジュールとしては、良好な通気性を有する平板状支持体の両面にガス分離膜を形成し、ガス分離膜支持体の表裏両面に圧力差を付けることによって、大気側の酸素ガスをガス分離膜の表面に溶解させてガス分離膜内を拡散移動させた後、負圧側のガス分離膜の表面から離脱させるという原理を使用したものがある。なお、通常、このような平膜モジュールでは、ガス分離膜を形成した前記平板状支持体は隔壁を挟んだサンドイッチ構造を繰り返し単位として、これを複数個積層したものが使用される。
【００３０】
本発明においては、酸素富化膜モジュール２のみを用いて、最終的に使用者に供給するための酸素富化空気を得ようとするものではなく、本質的にＰＳＡ方式酸素濃縮装置によって、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んだ酸素富化空気を製造するものである。したがって、酸素富化膜モジュール２によって得られる酸素ガス濃度は、通常の空気中の酸素濃度（約２１％）に比して、例えば、数％高い濃度であっても本発明の効果を期待することができるが、その酸素濃度は高いほど好ましいことは言うまでもない。
【００３１】
しかしながら、酸素富化膜モジュール２の酸素濃縮性能は、ガス分離膜の性能に左右される。すなわち、ガス分離膜の酸素ガスの透過速度が大きいこと、及び分離度（透過速度の比）が高いことによって左右されることも言うまでもない。ところが、本発明においては、加圧気体供給装置３は、ＰＳＡ方式酸素濃縮装置の主要部を構成する吸着筒５へ原料空気を加圧圧縮して供給することが主要な役割である。このため、酸素富化膜モジュール２の性能を最大限に引き出すことができる最適な負圧状態を現出することができない。
【００３２】
したがって、この酸素富化膜モジュール２で生成される酸素富化空気の酸素ガス濃度の上限は、製造する酸素富化空気の流量にもよるが、高々４０％程度（通常、２３〜３５％程度）である。しかしながら、このような酸素ガス濃度を有する原料空気を使用することによって、例えば、酸素ガス濃度を２５％まで予備濃縮した場合、原料空気を予備濃縮しない場合と比較して加圧気体供給装置３から吸着筒５への送風量を約１５％、消費電力を約１０％程度低減できることが分かっている。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上のように、本発明に係わる酸素濃縮装置は、酸素富化膜モジュールを使用しない場合と比較して、加圧気体供給装置３の小型化、省エネルギー化、低騒音化、低ランニングコスト、高寿命化を実現する上で極めて有用なものである。したがって、このような効果を特に期待されている医用の酸素濃縮装置として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係わる酸素濃縮装置の基本構成の一例を模式的に示したブロック線図である。
【符号の説明】
【００３５】
１：フィルター
２：窒素富化膜モジュール
３：加圧気体供給装置
４：切り替え弁
５：吸着筒
６：逆止弁
７：アキュムレータ・タンク
８：調圧弁
９：流量設定器
１０：フィルター
１１：加湿器
【図１】
2006087683.tif 000003