(57)【要約】【課題】酸素濃縮器全体の消費電力を低下させることができる真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器を提供すること。【解決手段】窒素ガスを吸着する吸着剤を収容する複数の吸着筒と、吸着筒に圧縮空気を送り込む加圧用揺動型コンプレッサと、吸着筒内を減圧にする揺動型真空ポンプとを備え、無負荷時における揺動型真空ポンプの吸引気体容積が無負荷時における加圧用揺動型コンプレッサの吐出空気容積よりも大きくされてなることを特徴とする真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器である。【選択図】          図１
2008036637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素ガスを吸着する吸着剤を収容する複数の吸着筒と、吸着筒に圧縮空気を送り込む加圧用揺動型コンプレッサと、吸着筒内を減圧にする揺動型真空ポンプとを備え、
無負荷時における揺動型真空ポンプの吸引気体容積が無負荷時における加圧用揺動型コンプレッサの吐出空気容積よりも大きくされてなる
ことを特徴とする真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器。
【請求項２】
前記加圧用揺動型コンプレッサが、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて空気を吸引及び圧縮吐出し吸着筒へ送り込み、
前記揺動型真空ポンプが、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて吸着筒内の気体を減圧吸引し、吸着筒外へ排出し、
前記揺動型真空ポンプにおけるシリンダ内径が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるシリンダ内径よりも大きく形成されてなる
前記請求項１に記載の真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器。
【請求項３】
前記加圧用揺動型コンプレッサが、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて空気を吸引及び圧縮吐出し吸着筒へ送り込み、
前記揺動型真空ポンプが、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて吸着筒内の気体を減圧吸引し、吸着筒外へ排出し、
前記揺動型真空ポンプにおけるピストンのストローク長が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるピストンのストローク長よりも大きく形成されてなる
前記請求項１又は２に記載の真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器。
【請求項４】
前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが１８０度の位相を有して連動運動するように形成されてなる
前記請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器。
【請求項５】
前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが同位相を有して連動運動するように形成されてなる
前記請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器。
【請求項６】
前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、前記駆動手段における回転軸に対して対称に配置されてなる
前記請求項１〜５のいずれか一項に記載の真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、酸素濃縮器としては、例えば、酸素透過膜を使用した膜式酸素濃縮器と、空気中の窒素ガスを優先的に吸着する吸着剤を使用した圧力変動吸着型酸素濃縮器等が挙げられる。
【０００３】
後者の一例である圧力変動吸着型酸素濃縮器は、窒素ガスを優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着筒と、この吸着筒に圧縮空気を供給するコンプレッサとを備えてなることが、一般的である。
【０００４】
この圧力変動吸着式酸素濃縮器の基本動作としては、まず、供給された空気中の窒素ガスを吸着剤に吸着させることにより濃縮された酸素を含む酸素濃縮気体を得る吸着工程と、吸着筒内の昇圧圧力を開放し、吸着剤より窒素を脱着させ、吸着剤の再生を行う脱着工程とを、所定間隔のサイクルで繰り返し行うことにより、連続的に酸素濃縮気体を得ている。
【０００５】
ここで、圧力変動吸着型酸素濃縮器のうち、窒素の脱着を大気圧で行う酸素濃縮器（以下、「ＰＳＡ型（Pressure Swing Adsorptionの略）酸素濃縮器」と略す場合がある。）や、窒素の脱着を真空ポンプ等で吸引することにより、窒素の脱着を大気圧以下で行っている真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器（以下、「ＶＰＳＡ型（Vacuum Pressure Swing Adsorptionの略）酸素濃縮器」と略す場合がある。）がある。
【０００６】
ＰＳＡ型酸素濃縮器としては、例えば、「酸素と酸素以外の不純ガス成分とを含んだ原料ガスを吸着媒体と接触させ、その不純ガス成分を前記吸着媒体に吸着させて除去することにより酸素を濃縮して、酸素濃化ガスを製造する酸素濃縮装置であって、それぞれ前記吸着媒体を収容する複数の吸着媒体収容部と、前記吸着媒体収容部内に原料ガスを所定の圧力で供給する原料ガス供給部と、前記吸着媒体収容部からの酸素濃化ガスを取り出す酸素濃化ガス取出し部と、前記原料ガスの供給を遮断した状態で前記吸着媒体収容部内を該原料ガスの供給圧力よりも低圧とすることにより、前記吸着媒体に吸着された前記不純ガス成分を脱着させ、その脱着ガスを該吸着媒体収容部から排出させる脱着ガス排出手段と、各吸着媒体収容部毎に設けられ、それぞれ前記原料ガス供給部及び前記酸素濃化ガス取出し部と前記脱着ガス排出手段とのいずれかを選択的に接続することにより、対応する吸着媒体収容部に対する前記原料ガスの供給及び前記酸素濃化ガスの回収を行う酸素濃化モードと、同じく前記脱着ガスの排出を行う脱着ガス排出モードとを切り替えるモード切替バルブ機構と、回転駆動部により駆動される回転軸と、その回転軸の回転駆動力をバルブ開閉の駆動力に機械的に変換して、対応するモード切替バルブ機構に伝達する個別の駆動変換伝達機構とを備えたバルブ駆動手段とを備え、前記複数の吸着媒体収容部は２以上のグループに組分けされ、各前記駆動変換伝達機構は、前記回転軸の回転に伴い、対応する吸着媒体収容部において前記酸素濃化モードと前記脱着ガス排出モードとが所定の周期で交替するように前記モード切替バルブ機構を駆動するとともに、そのモード切替タイミングを与える回転位相角が、前記吸着媒体収容部のグループ間で互いに異なるものとなるように設定されていることを特徴とする酸素濃縮装置。」が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１９２４１０号公報（請求項１、[０００８]）
【０００８】
一方、ＶＰＳＡ型酸素濃縮器としては、例えば、「酸素よりも窒素を優先的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床と、該吸着床に空気を供給するための空気供給手段と、該吸着床で濃縮された酸素濃縮気体を貯留しておくためのサージタンク手段とを有した圧力変動吸着型の酸素濃縮装置において、該吸着床の脱着工程内において吸着床の圧力変動幅を１０％以下で該酸素濃縮気体を該サージタンク手段から該吸着床に流通する手段を有することを特徴とする酸素濃縮装置。」が提案されている（特許文献２参照）。
【０００９】
また、ＶＰＳＡ型酸素濃縮器としては、「原料ガスをブロワで吸着筒に送給する操作を含む吸着工程と、吸着筒内ガスを真空ポンプで排気する操作を含む脱着工程とを繰り返して前記原料ガス中のガス成分を分離するガス分離方法において、前記真空ポンプにより吸着筒内ガスを排気する操作を、該吸着筒内の圧力が前記吸着工程終了時の圧力から減圧されて大気圧になる前の圧力のときに開始することを特徴とするガス分離方法。」も提案されている（特許文献３参照）。
【００１０】
【特許文献２】特開平１０−１９４７０８号公報（請求項１）
【特許文献３】特開２００２−２８４２９号公報（請求項１、[００１３]、図１）
【００１１】
前述した特許文献１に係る酸素濃縮装置においては、窒素を吸着および脱着させるための吸着筒内の圧力差を大気圧以上の領域で作り出す必要があるため、原料ガス供給部としてのコンプレッサの負荷が大きくなり、消費電力を低下させることが困難であるという問題点があった。
【００１２】
また、前述した特許文献２に係る酸素濃縮装置においては、主に、１個の吸着床で窒素の吸着、脱着を行うために、連続的に酸素を得ることができず、安定した酸素濃度を達成するために、容積の大きなサージタンクを必要とするため、装置全体としての小型化を図ることが困難であるという問題点があった。
【００１３】
さらに、前述した特許文献３に係るガス分離方法で使用する酸素濃縮装置においては、吸着筒に原料空気を送給するブロワと、吸着筒内を真空排気する真空ポンプとがそれぞれ別に必要となるため、装置の部品が大きくなり、装置全体としての小型化を図ることが困難であるという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、このような従来の問題点を解消し、酸素濃縮器全体の消費電力を低下させることができる真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を解決するための手段は、窒素ガスを吸着する吸着剤を収容する複数の吸着筒と、吸着筒に圧縮空気を送り込む加圧用揺動型コンプレッサと、吸着筒内を減圧にする揺動型真空ポンプとを備え、無負荷時における揺動型真空ポンプの吸引気体容積が無負荷時における加圧用揺動型コンプレッサの吐出空気容積よりも大きくされてなることを特徴とする真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器である。
【００１６】
この発明に係る真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器の好適な態様においては、前記加圧用揺動型コンプレッサが、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて空気を吸引及び圧縮吐出し吸着筒へ送り込み、前記揺動型真空ポンプが、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて吸着筒内の気体を減圧吸引し、吸着筒外へ排出し、前記揺動型真空ポンプにおけるシリンダ内径が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるシリンダ内径よりも大きく形成されてなる。
【００１７】
この発明に係る真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器の好適な態様においては、前記加圧用揺動型コンプレッサが、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて空気を吸引及び圧縮吐出し吸着筒へ送り込み、前記揺動型真空ポンプが、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて吸着筒内の気体を減圧吸引し、吸着筒外へ排出し、前記揺動型真空ポンプにおけるピストンのストローク長が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるピストンのストローク長よりも大きく形成されてなる。
【００１８】
この発明に係る真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器の好適な態様においては、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが１８０度の位相を有して連動運動するように形成されてなる。
【００１９】
この発明に係る真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器の好適な態様においては、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが同位相を有して連動運動するように形成されてなる。
【００２０】
この発明に係る真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器の好適な態様においては、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、前記駆動手段における回転軸に対して対称に配置されてなる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、無負荷時における揺動型真空ポンプの吸引気体容積が無負荷時における加圧用揺動型コンプレッサの吐出空気容積よりも大きくされてなることにより、揺動型真空ポンプを作動させ、吸着筒内をより減圧にする（ＶＰＳＡ型）方が、加圧用揺動型コンプレッサのみを作動させ、吸着筒に圧縮空気を送り込む（ＰＳＡ型）よりも、窒素吸着を促進でき、また作動させる際の負荷が小さくなるため、酸素濃縮器全体の消費電力を低下させることができる。
【００２２】
また、本発明によれば、前記揺動型真空ポンプにおけるシリンダ内径が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるシリンダ内径よりも大きく形成されてなることにより、無負荷時における揺動型真空ポンプの吸引気体容積を、無負荷時における加圧用揺動型コンプレッサの吐出空気容積よりも大きくすることができる。また、ピストンのストローク長を小さくして、容積を大きくできるので、ピストンの可動領域の占めるスペースを小さくすることができ、その結果、酸素濃縮器自体の小型化を図ることができる。
【００２３】
さらに、本発明によれば、前記揺動型真空ポンプにおけるピストンのストローク長が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるピストンのストローク長よりも大きく形成されてなることにより、無負荷時における揺動型真空ポンプの吸引気体容積を、無負荷時における加圧用揺動型コンプレッサの吐出空気容積よりも大きくすることができる。また、シリンダの内径を小さくして容積を大きくできるので、シリンダの占めるスペースを小さくすることができ、その結果、酸素濃縮器自体の小型化を図ることができる。
【００２４】
そして、本発明によれば、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが１８０度の位相を有して連動運動するように形成されてなることにより、駆動手段にかかる負荷を小さくできるので、酸素濃縮器全体の消費電力を低下させることができる。また、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサおよび揺動型真空ポンプを作動させるため、酸素濃縮器自体の小型化を図ることができる。
【００２５】
また、本発明によれば、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが同位相を有して連動運動するように形成されてなることにより、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサおよび揺動型真空ポンプを作動させるため、酸素濃縮器自体の小型化を図ることができる。
【００２６】
さらに、本発明によれば、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、前記駆動手段における回転軸に対して対称に配置されてなることにより、それぞれのピストンの可動領域を有効に確保することができ、余分なスペースを必要としないので酸素濃縮器自体の小型化を図ることができる。更に、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが同位相を有して連動運動するように形成されてなることにより、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動により発生する振動と、前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動により発生する振動とが、打ち消しあうため、酸素濃縮器自体の振動を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
[酸素濃縮器]
図１は、本発明に係る酸素濃縮器を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る酸素濃縮器１は、空気の導入路２に、上流側より、空気取入口３と、防塵フィルタ４と、吸気フィルタ５と、吸気マフラ６と、加圧・減圧兼用ポンプ７と、吸着筒内の圧力を測定する第１圧力センサ５３と、一対の三方向切替弁８、９と、一対の吸着筒１０、１１とが設けられている。なお、吸着筒１０、１１内に充填される吸着剤としては、窒素ガスを優先的に吸着する吸着剤であれば、特に制限はなく、ゼオライト等を採用することができる。
【００２８】
なお、加圧・減圧兼用ポンプ７の近傍には、冷却ファン１２が配置されている。また、一対の吸着筒１０、１１から窒素を排気する排気路１３には、断続的な排気音を消すサイレンサ１４が設けられている。加圧・減圧兼用ポンプ７については、以下に詳述する。
【００２９】
さらに、一対の吸着筒１０、１１から酸素濃縮気体を供給する供給路１５が構成されている。この供給路１５の上流側から、両吸着筒１０、１１間の圧力を調節する２方弁である均圧弁１６と、酸素濃縮気体の逆流を防止する一対の逆止弁１７、１８と、酸素濃縮気体を溜める製品タンク１９と、酸素濃縮気体の圧力を調節する圧力調整器２０と、細菌等の通過を防止するバクテリアフィルタ２１と、酸素濃縮気体の流量を設定し、固定絞りを用いたロータリースイッチである流量設定器２２と、酸素濃縮気体の酸素濃度を検出する酸素センサ２３と、酸素濃縮気体を加湿する加湿器２４と、加湿器２４後段における圧力を測定する第２圧力センサ５４と、酸素出口２５とが設けられている。
【００３０】
なお、酸素濃縮器１は、外装カバー（図１中実線）内に上記した各部材を収納している。また、吸気フィルタ５と、吸気マフラ６と、加圧・減圧兼用ポンプ７と、一対の三方向切替弁８、９と、冷却ファン１２と、サイレンサ１４とがスチールボックス（図１中点線）内に収納されている。
【００３１】
なお、図示は略すが、この酸素濃縮器１には、酸素濃縮器１の動作を制御する電子制御装置が搭載されている。この電子制御装置は、公知のマイクロコンピュータを備えてなる。このマイクロコンピュータの入力部には、前記流量設定器２２、酸素センサ２３、第１圧力センサ５３、第２圧力センサ５４等が接続されている。また、このマイクロコンピュータの出力部には、加圧・減圧兼用ポンプ７、冷却ファン１２、三方向切替弁８、９、均圧弁１６等が接続されている。
【００３２】
したがって、電子制御装置には、流量設定器２２により設定された設定流量や、酸素センサ２３により検出された酸素濃度を示す信号、また、第１圧力センサ５３により検出された吸着筒１０、１１内の圧力を示す信号、第２圧力センサ５４により検出された酸素濃縮気体の圧力を示す信号等が入力される。また、電子制御装置からは、加圧・減圧兼用ポンプ７、冷却ファン１２、三方向切替弁８、９、均圧弁１６等の動作を制御する制御信号が出力される。
【００３３】
[加圧・減圧兼用ポンプ]
ここで、図２は、図１の実施形態に係る加圧・減圧兼用ポンプを示すブロック図である。この加圧・減圧兼用ポンプ７は、図２に示されるように、前述した吸着筒に圧縮空気を送り込む加圧用揺動型コンプレッサと、吸着筒内を減圧にする揺動型真空ポンプと、一基の駆動手段と、駆動手段により発生した駆動力を加圧用揺動型コンプレッサおよび揺動型真空ポンプに伝達する駆動力伝達手段とを備えてなる。なお、加圧用揺動型コンプレッサのピストンと揺動型真空ポンプのピストンは駆動手段における回転軸に対して対称に配置した。
【００３４】
ここで、加圧用揺動型コンプレッサは、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて空気を吸引及び圧縮吐出し、吸着筒へ送り込む。また、前記揺動型真空ポンプが、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて、吸着筒内の気体を減圧吸引し、吸着筒外へ排出する。
【００３５】
この加圧・減圧兼用ポンプ７においては、無負荷時における揺動型真空ポンプの吸引気体容積が、無負荷時における加圧用揺動型コンプレッサの吐出空気容積よりも大きくされてなる。このようにすれば、揺動型真空ポンプを作動させ、吸着筒内をより減圧にする（ＶＰＳＡ型）方が、加圧用揺動型コンプレッサのみを作動させ、吸着筒に圧縮空気を送り込む（ＰＳＡ型）よりも、窒素吸着を促進でき、また作動させる際の負荷が小さくなるため、酸素濃縮器全体の消費電力を低下させることができる。
【００３６】
前記吸引気体容積が、前記吐出空気容積よりも大きくされてなる手段としては、例えば、前記揺動型真空ポンプにおけるシリンダ内径が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるシリンダ内径よりも大きく形成されてなるようにすればよい。このようにすれば、ピストンのストローク長を小さくして、容積を大きくできるので、ピストンの可動領域の占めるスペースを小さくすることができ、その結果、酸素濃縮器自体の小型化を図ることができる。
【００３７】
また、前記吸引気体容積が、前記吐出空気容積よりも大きくされてなる手段としては、例えば、前記揺動型真空ポンプにおけるピストンのストローク長が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるピストンのストローク長よりも大きく形成されてなるようにすればよい。このようにすれば、シリンダの内径を変えずに容積を大きくできるので、シリンダの占めるスペースを小さくすることができ、その結果、酸素濃縮器自体の小型化を図ることができる。
【００３８】
ここで、図３は、図１の実施形態に係る前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが１８０度の位相を有して連動運動する状態を示す概略図である。また、図４は、図１の実施形態に係る前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが同位相を有して連動運動する状態を示す概略図である。
【００３９】
一方、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、図３に示されるように、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが１８０度の位相を有して連動運動するように形成されてなる。このようにすれば、駆動手段にかかる負荷を小さくできるので、酸素濃縮器全体の消費電力を低下させることができる。また、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサおよび揺動型真空ポンプを作動させるため、酸素濃縮器自体の小型化を図ることができる。
【００４０】
また、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、図４に示されるように、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが同位相を有して連動運動するように形成されてなる。このようにすれば、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサおよび揺動型真空ポンプを作動させるため、酸素濃縮器自体の小型化を図ることができる。
【００４１】
なお、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、前記駆動手段における回転軸に対して対称に配置されてなることが好ましい。このようにすれば、それぞれのピストンの可動領域を有効に確保することができ、余分なスペースを必要としないので酸素濃縮器自体の小型化を図ることができる。更に、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが同位相を有して連動運動するように形成されてなることにより、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動により発生する振動と、前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動により発生する振動とが、打ち消しあうため、酸素濃縮器自体の振動を小さくすることができる。
【００４２】
図５は、図１の実施形態に係る加圧・減圧兼用ポンプを示す分解斜視図である。なお、図５に示す加圧・減圧兼用ポンプは、図２に示された加圧・減圧兼用ポンプの構造を示す一例として挙げられるものであり、加圧・減圧兼用ポンプは、この図５に示された形態に限定されるものではない。
【００４３】
加圧・減圧兼用ポンプ７は、図５に示されるように、吸着筒に圧縮空気を送り込む加圧用揺動型コンプレッサ２６と、吸着筒内を減圧にする揺動型真空ポンプ２７と、加圧用揺動型コンプレッサ２６および揺動型真空ポンプ２７の間に配置された一基の駆動手段としてのモータ２８とを備えてなる。
【００４４】
図５に示される加圧・減圧兼用ポンプ７においては、加圧用揺動型コンプレッサ２６および揺動型真空ポンプ２７の構造は、略同様であるため、適宜説明を省略する。加圧用揺動型コンプレッサ２６および揺動型真空ポンプ２７は、それぞれケーシング２９と、ケーシング２９内に収納されてなるシリンダ３０と、ピストン３１とを備えてなる。
【００４５】
ケーシング２９は、略円筒形状の部材を横方向に載置した状態の部材であり、その上部および側方部にそれぞれ上部開口部２９Ａおよび側部開口部２９Ｂを有する。
【００４６】
上部開口部２９Ａには、上部開口部２９Ａを閉塞する閉塞体３２が固定されている。この閉塞体３２は、図５中上側より、ポンプヘッドカバー３３、ガスケット３４、ポンプヘッドプレート３５が重ねられてなる。ガスケット３４およびポンプヘッドプレート３５の間には、上側から排気弁押え板３６および排気弁３７が設けられている。また、ポンプヘッドプレート３５の下面側には、吸気弁３８が設けられている。
【００４７】
なお、排気弁押え板３６および排気弁３７と、吸気弁３８とは、同一線上に重ならないように設けられている。また、これら閉塞体３２を構成する部材は、ネジ、ボルト、ワッシャー等を使用して固定されている。
【００４８】
シリンダ３０は、略円環形状を有している。また、シリンダ３０は、上部開口部２９Ａ近傍に、かつ上部開口部２９Ａの開口方向とシリンダ３０の軸方向とが略一致するように配置されている。このシリンダ３０は、開口部３０Ａ近傍に外周方向に突出したフランジ部３０Ｂを有してなる。このフランジ部３０Ｂの上側端面には、開口部３０Ａを囲むようにＯリング溝３０Ｃが形成されている。このＯリング溝３０Ｃには、シリンダ用Ｏリング３９が埋設されることとなる。
【００４９】
ピストン３１は、シリンダ３０内を往復運動するものであり、コネクティングロッド４０を備えてなる。コネクティングロッド４０は、円板部４１と、この円板部４１の下側に設けられ、往復運動方向と直交する方向に開口している環状部４２とが一体に形成されてなる。
【００５０】
このコネクティングロッド４０の円板部４１上面には、上方側から、カップパッキンリテーナ４３およびカップパッキン４４が重ねて配置されている。カップパッキンリテーナ４３には、貫通孔５５が形成されている。この貫通孔５５は、断面視略階段形状であり、平面視略円形状である。この貫通孔５５には、吸気弁干渉防止ゴム４５が嵌め込まれるようにして、固定される。
【００５１】
このコネクティングロッド４０の環状部４２内には、べアリング４７、偏芯軸４８、およびバランスウェイト４９が固定されている。
【００５２】
べアリング４７は、略ドーナツ形状であり、その内径は、偏芯軸４８の外径と略同一である。偏芯軸４８は、略円柱状の部材であり、その軸方向に向かって円形の貫通孔５０が形成されている。この貫通孔５０は、偏芯軸４８の中心軸から偏心して形成されている。この貫通孔５０の中心軸の、偏芯軸４８の中心軸からの偏心位置を変えることで、ピストン３１の偏芯量を所定の量に調節することができる。
【００５３】
バランスウェイト４９は、略円板状の部材であり、その軸方向に向かって円形の貫通孔５２が形成されている。この貫通孔５２は、バランスウェイト４９の中心軸から偏心して形成されている。貫通孔５２の内径は、偏芯軸４８の外径と略同一である。
【００５４】
コネクティングロッド４０の環状部４２内に、べアリング４７、偏芯軸４８、およびバランスウェイト４９が固定される際には、偏芯軸４８をべアリング４７およびバランスウェイト４９に挿入して固定し、べアリング４７を環状部４２内に挿入し、固定するようになる。
【００５５】
なお、モータ２８は、モータロータ２８Ａと、モータロータ２８Ａを内部に収納するモータステータ２８Ｂとを備えてなる。モータロータ２８Ａの回転軸と、偏芯軸４８と、ファン２８Ｃとは同一軸上になるように固定される。なお、モータ２８は、交流単相、交流３相、直流等のモータを適宜使用可能である。また、モータ２８の使用電圧は、１００Ｖの他、他の電圧のものも使用可能である。さらに、インバータを使用することにより、回転数を可変してもよい。
【００５６】
[酸素濃縮器の動作]
図１〜図５を参照して、酸素濃縮器の動作を以下に説明する。まず、図示しない電子制御装置から、加圧・減圧兼用ポンプ７に動作を制御する制御信号が入力される。その後、加圧・減圧兼用ポンプ７のモータ２８が作動し、モータ２８の回転軸が回転する。モータの回転軸の回転は、偏芯軸４８に伝達される。偏芯軸４８が回転することで、ファン２８Ｃが回転運動をするとともに、偏芯軸４８の中心軸に対して貫通孔５０が偏心して形成されているため、ピストン３１がシリンダ３０内を図示上下方向に往復運動をする。このピストン３１が往復運動することで、加圧・減圧兼用ポンプ７外部から取り込まれた空気が圧縮、吸引されることとなる。
【００５７】
この圧縮空気は、加圧・減圧兼用ポンプ７より一対の三方向切替弁８、９を切り替えることで、所定量の圧縮空気が一対の吸着筒１０、１１に供給される。ここで、一対の吸着筒１０、１１の一方においては、圧縮空気の窒素が吸着され、一対の吸着筒１０、１１の他方においては、吸着された窒素の脱着が行われる。これら吸着および脱着の切り替えは、一対の三方向切替弁８、９、均圧弁１６、および一対の逆止弁１７、１８について所定の操作をすることにより行う。
【００５８】
一対の吸着筒１０、１１より脱着された窒素は、排気路１３よりサイレンサ１４を経て、酸素濃縮器１外へ排出される。
【００５９】
一方、一対の吸着筒１０、１１で、圧縮空気より窒素が吸着除外されてなる酸素濃縮気体が生成される。一対の吸着筒１０、１１で生成された酸素濃縮気体は、製品タンク１９、圧力調整器２０、バクテリアフィルタ２１、流量設定器２２、加湿器２４を経る事によって、所定の容積、圧力、流量、湿度に調節され、また、細菌等が除去された酸素濃縮気体が、酸素出口２５より酸素濃縮器１外へ排出される。なお、酸素センサ２３は、流量設定器２２と加湿器２４との間に配置され濃縮酸素ガスの酸素濃度を検出している。排出された酸素濃縮気体は、酸素濃縮器１に接続された所定のカニューラ等に供給され、そして、使用者に、酸素濃度の高い酸素濃縮気体が供給される。
【００６０】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は、本発明に含まれるものである。本発明を実施する際の具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる範囲内で他の構造等としてもよい。
【００６１】
前記実施形態において、例えば、吸着筒としては、吸着筒１０、１１の２つを備えているものであったが、これに限られず、吸着筒を３つ以上備えていてもよい。
【実施例】
【００６２】
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は実施例の内容に限定されるものではない。
【００６３】
［実施例１〜２、比較例１〜３］
前記実施形態の酸素濃縮器を以下の表１に示す具体的条件で、各実施例および比較例に係る酸素濃縮器を動作させた。なお、供給最大流量とは、酸素濃縮器が供給可能な酸素濃縮気体の最大流量のことをいう。各実施例、比較例において、供給最大流量が３Ｌ/minで行った。また、駆動手段としてのモータは、交流単相１００Ｖのものを使用し、加圧用揺動型コンプレッサのピストンと揺動型真空ポンプのピストンは駆動手段における回転軸に対して対称に配置し、加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが１８０度の位相を有して連動運動するように形成した。
【００６４】
また、以下の表１に酸素濃縮器から得られる気体の酸素濃度、加圧用揺動型コンプレッサによる加圧圧力、揺動型真空ポンプによる減圧圧力、および酸素濃縮器の消費電力の測定結果を示す。
【００６５】
【表１】
2008036637.tif 000003
【００６６】
なお、比較例３に係る酸素濃縮器においては、加圧用揺動型コンプレッサのシリンダ、ピストン等が各２個ずつ設けられており、揺動型真空ポンプに相当する要素はない。
【００６７】
この表１によれば、実施例１と比較例１とを比較すると、実施例１においては、前記揺動型真空ポンプにおけるピストンのストローク長が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるピストンのストローク長よりも大きいのに対して、比較例１においては、前記揺動型真空ポンプにおけるピストンのストローク長が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるピストンのストローク長と同じである。ここで、実施例１の方が、比較例１よりも、消費電力が小さいことが分かった。したがって、実施例１に係る酸素濃縮器は、酸素濃縮器全体の消費電力の低下させることができることが分かった。
【００６８】
また、この表１によれば、実施例２と比較例２とを比較すると、実施例２においては、
前記揺動型真空ポンプにおけるシリンダ内径が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるシリンダ内径よりも大きいのに対して、比較例２においては、前記揺動型真空ポンプにおけるシリンダ内径が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるシリンダ内径と同じである。ここで、実施例２の方が、比較例２よりも、発生した酸素濃度が高いことが分かった。また、比較例２は、所望の酸素濃度を発生することができなかったため、消費電力の測定を行わなかった。したがって、実施例２に係る酸素濃縮器は、所望の酸素濃度を維持しつつ、酸素濃縮器全体の消費電力の低下させることができることが分かった。
【００６９】
さらに、この表１によれば、比較例３は、ＰＳＡ型酸素濃縮器の構造であった。すなわち、比較例３に係る酸素濃縮器は、揺動型真空ポンプを有しておらず加圧用揺動型コンプレッサのみの構造を有している。この比較例３によれば、実施例１、２と比べて発生する酸素濃度はやや低く、また、消費電力が大きいことがわかった。したがって、実施例に係る酸素濃縮器、すなわち、ＶＰＳＡ型酸素濃縮器のほうが、消費電力を低下させることができることがわかった。
【００７０】
また、実施例１の条件による酸素濃縮器における動作時の振動値と、実施例１の条件に加えて、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが同位相を有して連動運動する状態（図４参照）で振動値とを比較した。この比較結果を以下の表２に示す。
【００７１】
【表２】
2008036637.tif 000004
【００７２】
ここで、この表２によれば、同位相を有して連動運動するほうが、鉛直方向振動値を小さくできることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１は、本発明に係る酸素濃縮器を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１の実施形態に係る加圧・減圧兼用ポンプを示すブロック図である。
【図３】図３は、図１の実施形態に係る前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが１８０度の位相を有して連動運動する状態を示す概略図である。
【図４】図４は、図１の実施形態に係る前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが同位相を有して連動運動する状態を示す概略図である。
【図５】図５は、図１の実施形態に係る加圧・減圧兼用ポンプを示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００７４】
１    酸素濃縮器
２    導入路
３    空気取入口
４    防塵フィルタ
５    吸気フィルタ
６    吸気マフラ
７    加圧・減圧兼用ポンプ
８    三方向切替弁
９    三方向切替弁
１０    吸着筒
１１    吸着筒
１２    冷却ファン
１３    排気路
１４    サイレンサ
１５    供給路
１６    均圧弁
１７    逆止弁
１８    逆止弁
１９    製品タンク
２０    圧力調整器
２１    バクテリアフィルタ
２２    流量設定器
２３    酸素センサ
２４    加湿器
２５    酸素出口
２６    加圧用揺動型コンプレッサ
２７    揺動型真空ポンプ
２８    モータ
２８Ａ    モータロータ
２８Ｂ    モータステータ
２８Ｃ    ファン
２９    ケーシング
２９Ａ    上部開口部
２９Ｂ    側部開口部
３０    シリンダ
３０Ａ    開口部
３０Ｂ    フランジ部
３０Ｃ    Ｏリング溝
３１    ピストン
３２    閉塞体
３３    ポンプヘッドカバー
３４    ガスケット
３５    ポンプヘッドプレート
３６    排気弁押え板
３７    排気弁
３８    吸気弁
３９    シリンダ用Ｏリング
４０    コネクティングロッド
４１    円板部
４２    環状部
４３    カップパッキンリテーナ
４４    カップパッキン
４５    吸気弁干渉防止ゴム
４７    べアリング
４８    偏芯軸
４９    バランスウェイト
５０    貫通孔
５２    貫通孔
５３    第１圧力センサ
５４    第２圧力センサ
５５    貫通孔
【図１】
2008036637.tif 000005
【図２】
2008036637.tif 000006
【図３】
2008036637.tif 000007
【図４】
2008036637.tif 000008
【図５】
2008036637.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月18日(2007.10.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素ガスを吸着する吸着剤を収容する複数の吸着筒と、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて空気を吸引及び圧縮吐出し、吸着筒へ送り込む加圧用揺動型コンプレッサと、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて吸着筒内の気体を減圧吸引し、吸着筒外へ排出する揺動型真空ポンプとを備え、
無負荷時における揺動型真空ポンプの吸引気体容積が無負荷時における加圧用揺動型コンプレッサの吐出空気容積よりも大きくされてなり
前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが１８０度の位相を有して連動運動するように形成されてなることを特徴とする真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器。
【請求項２】
窒素ガスを吸着する吸着剤を収容する複数の吸着筒と、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて空気を吸引及び圧縮吐出し、吸着筒へ送り込む加圧用揺動型コンプレッサと、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて吸着筒内の気体を減圧吸引し、吸着筒外へ排出する揺動型真空ポンプとを備え、
無負荷時における揺動型真空ポンプの吸引気体容積が無負荷時における加圧用揺動型コンプレッサの吐出空気容積よりも大きくされてなり
前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが同位相を有して連動運動するように形成されてなり、
前記駆動手段が、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとを、前記加圧用揺動型コンプレッサのシリンダ内及び前記揺動型真空ポンプのシリンダ内で、往復動可能にする回転軸とを備え、
前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが
前記回転軸に対して対称に配置されてなることを特徴とする真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器。
【請求項３】
前記揺動型真空ポンプにおけるシリンダ内径が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるシリンダ内径よりも大きく形成されてなる
前記請求項１又は２に記載の真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器。
【請求項４】
前記揺動型真空ポンプにおけるピストンのストローク長が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるピストンのストローク長よりも大きく形成されてなる
前記請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器。
【請求項５】
前記駆動手段が、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとを、前記加圧用揺動型コンプレッサのシリンダ内及び前記揺動型真空ポンプのシリンダ内で、往復動可能にする回転軸を備え、
前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが
前記回転軸に対して対称に配置されてなる
前記請求項１〜４のいずれか一項に記載の真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
前記課題を解決するための手段は、窒素ガスを吸着する吸着剤を収容する複数の吸着筒と、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて空気を吸引及び圧縮吐出し、吸着筒へ送り込む加圧用揺動型コンプレッサと、シリンダとこのシリンダ内を往復動可能に形成されたピストンとを備えて吸着筒内の気体を減圧吸引し、吸着筒外へ排出する揺動型真空ポンプとを備え、
無負荷時における揺動型真空ポンプの吸引気体容積が無負荷時における加圧用揺動型コンプレッサの吐出空気容積よりも大きくされてなり
前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真  空ポンプのピストンの往復動とが同位相を有して連動運動するように形成されてなり、
前記駆動手段が、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとを、前記加圧用揺動型コンプレッサのシリンダ内及び前記揺動型真空ポンプのシリンダ内で、往復動可能にする回転軸とを備え、
前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが
前記回転軸に対して対称に配置されてなることを特徴とする真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
この発明に係る真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器の好適な態様においては、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが、一基の駆動手段により、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンの往復動と前記揺動型真空ポンプのピストンの往復動とが同位相を有して連動運動するように形成されて成る。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
この発明に係る真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器の好適な態様においては、前記揺動型真空ポンプにおけるシリンダ内径が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるシリンダ内径よりも大きく形成されて成る。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
この発明に係る真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器の好適な態様においては、前記揺動型真空ポンプにおけるピストンのストローク長が、前記加圧用揺動型コンプレッサにおけるピストンのストローク長よりも大きく形成されて成る。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
この発明に係る真空−加圧圧力変動吸着型酸素濃縮器の好適な態様においては、前記駆動手段が、前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとを、前記加圧用揺動型コンプレッサのシリンダ内及び前記揺動型真空ポンプのシリンダ内で、往復動可能にする回転軸を備え、
前記加圧用揺動型コンプレッサのピストンと前記揺動型真空ポンプのピストンとが
前記回転軸に対して対称に配置されて成る。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】削除
【補正の内容】