(57)【要約】【課題】  気体分離膜（酸素富化膜）に対する気体（空気）の接触率を高め気体（空気）の分離を効率的に行うこと。【解決手段】  気体導入部と気体導出部とを両端部に備えた通路と、この通路に沿って気体分離膜（酸素富化膜）を配し、この気体分離膜（酸素富化膜）を減圧する吸引手段と、気体分離膜（酸素富化膜）より上流側と気体分離膜（酸素富化膜）より下流側とにおいて通路にそれぞれ開口を介して連絡し、下流側の開口から通路内の気体（空気）を吸い込み上流側の開口から通路に気体（空気）を吹き出すファンを設けたバイパス路とを備え、ファンは、バイパス路の風量が気体導出部の風量より多く、気体分離膜表面の面風速を上昇させるように運転される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体導入部と気体導出部とを両端部に備えた通路と、
この通路に沿って気体分離膜を配し、この気体分離膜を減圧する吸引手段と、
前記気体分離膜より上流側と前記気体分離膜より下流側とにおいて前記通路にそれぞれ開口を介して連絡し、前記下流側の開口から前記通路内の気体を吸い込み前記上流側の開口から前記通路に前記気体を吹き出すファンを設けたバイパス路とを備え、
前記ファンは、前記バイパス路の風量を前記気体導出部の風量より多くし、前記気体分離膜表面の面風速を上昇させるように運転される
ことを特徴とする気体分離装置。
【請求項２】
請求項１記載の気体分離装置を複数配置し、前段の気体分離装置の通路の気体導出部と次段の気体分離装置の通路の気体導入部とを連結して各気体分離膜により段階的に気体の透過を行うことを特徴とする気体分離装置。
【請求項３】
空気導入部とＮ2濃度の高い空気導出部とを両端部に備えた通路と、
この通路に沿って酸素富化膜を配し、この酸素富化膜を減圧する吸引手段と、
前記酸素富化膜より上流側と前記酸素富化膜より下流側とにおいて前記通路にそれぞれ開口を介して連絡し、前記下流側の開口から前記通路内の空気を吸い込み前記上流側の開口から前記通路に前記空気を吹き出すファンを設けたバイパス路とを備え、
前記ファンは、前記バイパス路の風量を前記空気導出部の風量より多くし、前記酸素富化膜表面の面風速を上昇させるように運転される
ことを特徴とする酸素分離装置。
【請求項４】
請求項３記載の酸素分離装置を複数配置し、前段の酸素分離装置の通路の気体導出部と次段の酸素分離装置の通路の気体導入部とを連結して各酸素富化膜により段階的に気体の透過を行うことを特徴とする酸素分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体分離膜を用いた気体分離装置および酸素分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子の膜を利用し、酸素富化気体、窒素富化気体、水素その他の気体を混合気体中から分離する方法が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
図６は、酸素富化膜２を用いた酸素分離装置１の概略図である。
酸素分離装置１は、室内空気を吸引し、酸素富化膜２の表面を吸引した空気が流れる過程で、真空ポンプにより減圧した酸素富化膜２を介してＯ2を優先的に吸引し、Ｏ2を低濃度とした空気（Ｎ2）を流出する。
【０００３】
図７は、この酸素分離装置１によるＮ2の回収率とＮ2濃度の関係（実験結果）を示す。
この酸素分離装置１に用いた気体分離膜の酸素分離係数は２．５であった。
この酸素分離装置１の目的は、低酸素の空気（Ｎ2濃度の高い空気）を生成することである。従来の酸素分離装置１は、酸素富化膜２の表面を吸引した空気が流れる過程で、通過風速が小さい場合、酸素富化膜２の表面の流れが遅いこと（酸素富化膜２の膜面表面の速度境界層低速域）や酸素富化膜２全体に空気が行き渡らないため、Ｎ2の回収率を下げてもＮ2濃度が上がらず、低酸素空気（酸素濃度約６％レベル、Ｎ2濃度約９４％レベル）は生成が困難である。ここで、回収率は、Ｎ2風量／室内空気吸引量×１００％とする。
【０００４】
そこで、酸素富化膜を多段として多量に窒素を取り出す技術が開示されている（例えば、特許文献３，４参照）。
【特許文献１】特公平５−７０４８５号公報
【特許文献２】特公平５−５５３３号公報
【特許文献３】特開平６−２３４５１０号公報
【特許文献４】特開平７−７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、これらの技術には、下記のような問題がある。
１）複数の酸素分離装置が必要となり装置価格も高くなる。
２）回収率が低い。
本発明は斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、気体分離膜に対する気体の接触率を高め気体の分離を効率的に行うことを可能とした気体分離装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の別の目的は、酸素富化膜に対する空気の接触率を高め空気の分離を効率的に行うことを可能とした酸素分離装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、気体導入部と気体導出部とを両端部に備えた通路と、この通路に沿って気体分離膜を配し、この気体分離膜を減圧する吸引手段と、前記気体分離膜より上流側と前記気体分離膜より下流側とにおいて前記通路にそれぞれ開口を介して連絡し、前記下流側の開口から前記通路内の気体を吸い込み前記上流側の開口から前記通路に前記気体を吹き出すファンを設けたバイパス路とを備え、前記ファンは、前記バイパス路の風量を前記気体導出部の風量より多くし、前記気体分離膜表面の面風速を上昇させるように運転されることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の気体分離装置を複数配置し、前段の気体分離装置の通路の気体導出部と次段の気体分離装置の通路の気体導入部とを連結して各気体分離膜により段階的に気体の透過を行うことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、空気導入部とＮ2濃度の高い空気導出部とを両端部に備えた通路と、この通路に沿って酸素富化膜を配し、この酸素富化膜を減圧する吸引手段と、前記酸素富化膜より上流側と前記酸素富化膜より下流側とにおいて前記通路にそれぞれ開口を介して連絡し、前記下流側の開口から前記通路内の空気を吸い込み前記上流側の開口から前記通路に前記空気を吹き出すファンを設けたバイパス路とを備え、前記ファンは、前記バイパス路の風量を前記空気導出部の風量より多くし、前記酸素富化膜表面の面風速を上昇させるように運転されることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項３記載の酸素分離装置を複数配置し、前段の酸素分離装置の通路の気体導出部と次段の酸素分離装置の通路の気体導入部とを連結して各酸素富化膜により段階的に気体の透過を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、気体分離膜表面面風速を従来に比し高く維持できるので、気体分離膜による分離効率を高めることができる。
本発明によれば、低酸素と高酸素とを同時に取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
図１は、本発明の第一実施形態に係る酸素分離装置を示す（請求項３に対応）。
本実施形態に係る酸素分離装置１０は、空気導入部１２とＮ2濃度の高い空気導出部１３とを両端部に備えた通路１１と、この通路１１に沿って酸素富化膜１４を配し、この酸素富化膜１４を減圧する吸引手段１５と、酸素富化膜１４より上流側と酸素富化膜１４より下流側とにおいて通路１１にそれぞれ開口１７，１８を介して連絡し、下流側の開口１８から通路１１内の空気を吸い込み上流側の開口１７から通路１１に空気を吹き出すバイパス路１６とを備えている。
【００１２】
通路１１の空気導入部１２には、吸気ファン１２ａが設けてある。
酸素富化膜１４は、真空ポンプなどの吸引手段１５に連絡している。
バイパス路１６には、ファン１９が設けてある。ファン１９は、上流側の開口１７の吹き出し口の近傍に位置し、バイパス路１６の風量を空気導出部１３の風量より多くし、酸素富化膜１４表面の面風速を上昇させるように運転される。
【００１３】
ここで、風量の条件について説明する。酸素富化膜１４を通過するポンプ流量以上が最低条件である。高風量側は、設計するシステム構造によってばらつくが、物理現象から限定すると、膜表面が乱流になるための通過風速で限定できる。つまり、システムとして構成される膜通過風速以上であり、かつ膜表面の風速が乱流境界層に遷移する通過風速を維持する。具体的には、流体力学で使われている下式により求められる。
【００１４】
Ｒe（レイノルズ数）＝Ｄ×Ｖ／ν
（ここで、Ｄ：膜間距離、Ｖ：通過風速、ν：動粘性係数）
νは物性値、Ｄは設計で決められるので、Ｖを決定できることとなる。
Ｒe≧２０００で乱流境界層に遷移するため、膜表面近傍が乱れ新たな酸素がアタックしやすくなると予想される。勿論、それ以上通過風速を大きくしても問題ないと考えられる。
【００１５】
酸素富化膜１４としては、例えば、特許文献２に記載されている気体分離膜を用いた。この気体分離膜は、ビニル基を含むポリオルガノシロキサンとビニルモノマーとを反応させて得られる重合体と、フマル酸エステルの重合体またはフマル酸エステルとビニルモノマーの共重合体とを混合して成り、フマル酸エステルの重合体またはフマル酸エステルとビニルモノマーの共重合体の含有量は、全重量の１０〜９０重量％である。
【００１６】
次に、斯くして構成された本実施形態に係る酸素分離装置１０の作用を図２に基づいて説明する。
先ず、吸気ファン１２ａと真空ポンプなどの吸引手段１５とバイパス路１６に設けたファン１９とを駆動する。
これによって、空気導入部１２から室内空気が通路１１内に吸い込まれ、通路１１を通過する間に真空ポンプなどの吸引手段１５により酸素富化膜１４を減圧することにより真空ポンプなどの吸引手段１５の排気口よりＯ2富化空気が取り出される。
【００１７】
そして、Ｏ2濃度が低下しＮ2濃度が高くなった空気が、バイパス路１６と空気導出部１３とに分かれて導出される。
ここで、吸込風量を２００Ｌ／分とした場合について説明する。この際、バイパス路１６に設けたファン１９が、空気導出部１３の風量よりバイパス路１６内の風量が多くなるように運転されているので、空気導出路１３へ流れるＯ2濃度が低下しＮ2濃度が高くなった空気の風量（１００Ｌ／分）よりバイパス路１６内を流れる空気の風量（４００Ｌ／分）が多くなる。そのため、通路１１には、５００Ｌ／分の風量が流れることとなる。そのため、酸素富化膜１４表面の面風速が上昇し、酸素富化膜１４表面の気流速を上昇し乱流境界層を成長させるとともに、酸素富化膜１４全体に空気を行き渡らせることとになり、酸素富化膜１４の表面における分離効率を高めることができ、Ｎ2の回収率を上昇させることができる。
【００１８】
その結果、室内空気供給量は従来と同じ風量でも、酸素富化膜１４の表面面風速を高く維持でき、従来の酸素分離装置に比べてＮ2濃度の高濃度化（低酸素化）と回収率向上とを図ることができる。
図３は、バイパス路１６による循環の有無の比較について示す実験結果である。
本実験は真空ポンプの真空度−７４ｋＰａで酸素富化膜を吸引し、回収率３０％（Ｎ2風量／室内空気吸引量×１００％）で運転したときの結果である。
【００１９】
ここで、縦軸は酸素濃度（％）、横軸は経過時間（分）を示す。また、バイパス路１６の無い酸素分離装置は、図６に示す従来の酸素分離装置である。
図３から明らかなように、バイパス路１６による循環により、回収率が同じでも酸素濃度は約２％以上低減できることがわかった。
図４は、バイパス路１６による循環風量とＮ2回収率との関係を示す。
【００２０】
ここで、縦軸は酸素濃度（％）、横軸は経過時間（分）を示す。
図４から明らかなように、Ｎ2回収率を下げることによって低酸素濃度約５％以下のレベルも生産可能であることが確認された。
以上のように、本実施形態によれば、室内空気を本実施形態に係る酸素分離装置１０で吸引し、空気内酸素を除去し、極低濃度まで制御し、施設内や装置内などへ低酸素空気を供給することが可能となる。
【００２１】
図５は、本発明の第二実施形態に係る酸素分離装置を示す（請求項４に対応）。
本実施形態においては、２つの酸素分離装置１０が、前段の酸素分離装置１０のＮ2濃度の高い空気導出部１３と後段の酸素分離装置１０の空気導入部１２とを連結することによって結合されている。
本実施形態によれば、前段のＮ2濃度の高い空気導出部１３から排出されるＮ2濃度の高い空気がさらに酸素富化膜１４によってＯ2富化空気が取り出され、さらにＮ2濃度の高い空気を得ることが可能となる。
【００２２】
なお、上記実施形態では、酸素富化膜１４を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、気体分離膜を利用して気体透過係数が異なる気体を分離濃縮する場合、気体透過係数が小さい方の気体を濃縮分離する場合は、当然本発明が適用できる（請求項１，２に対応）。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、酸素富化膜利用により、低酸素と高酸素が同時に取り出せるため、例えば、精密環境分野（低水分・低酸素）、高・低酸素空気利用分野などでの適用が期待できる。
ここで、精密環境分野（低水分・低酸素）としては、半導体製造施設、半導体・ＰＤＰ製造装置施設、半導体基板、シリコンメーカー、その他ドライエアー適用が予想される分野、例えば、プラスチック金型成形製造の乾燥工程、ペットボトル金型成形工場、ＤＶＤレンズなどの精密部品金型成形工場などがある。
【００２４】
また、低酸素空気利用分野としては、高所トレーニング施設（２０〜１４％レベル）、データセンター防災設備への利用（２０〜１４％レベル）、（発火しない→防災技術）、食品工場製造ラインへの適用（酸化防止）、美術品・銅像などの倉庫への適用（酸化防止）などがある。
また、高酸素空気利用分野としては、高齢者リハビリルームへの高付加価値技術（２１％〜２３％）、オフィス・住宅分野へのマイナスイオン（Ｏ2）利用などがある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第一実施形態に係る酸素分離装置の断面図である。
【図２】図１に示す酸素分離装置の運転状況を示す説明図である。
【図３】バイパス路による循環の有無の比較について実験結果を示すグラフである。
【図４】バイパス路による循環風量とＮ2回収率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第二実施形態に係る酸素分離装置を示す断面図である。
【図６】従来の酸素分離装置を示す断面図である。
【図７】従来の酸素分離装置における回収率とＮ2濃度との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  酸素分離装置
１１  通路
１２  空気導入部
１３  Ｎ2濃度の高い空気導出部
１４  酸素富化膜
１５  吸引手段
１６  バイパス路
１９  ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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