(57)【要約】【課題】ガスの導通管のマニホールド化が容易に行なえ、コンパクト化が図れ、かつ、組立工数を低減する。【解決手段】流体を流す複数の導通管が接続されるステータ部と、ステータ部に対して回転可能に密接配置された円盤状の回動部と、この回動部を回転させるモータを備え、このモータによって回動部を回転制御することにより、複数の動通管に流れる流体の出入を切替える。【選択図】    図３
2005030418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の貫通孔が形成され、流体を流す複数の導通管がこれらの貫通孔に対応して接続されるステータ部と、該ステータ部に密接して移動可能に配置される移動部材と、該移動部材を駆動する駆動手段とを有し、該複数の導通管に対する流体の流れが複数種の流路のパターンを形成するように該駆動手段で該移動部材を移動させることを特徴とする流路切替器。
【請求項２】
前記移動部材は円盤状の部材であり、該駆動手段はモータであり、該円盤状部材をモータにより回転駆動することを特徴とする請求項１記載の流路切替器。
【請求項３】
複数の導通管の他端は、前記移動部材に面する側と反対側のステータ部の面に纏められて接続されることを特徴とする請求項１又は２記載の流路切替器。
【請求項４】
前記円盤状部材には、中心軸を含んで分割された複数の領域を備え、各領域には、前記複数の導通管に対応する数の孔と、複数種の流路のパターンを形成するために各流路パターンに関連する孔を連絡する連通構造を有する固有の流路パターンを形成して成ることを特徴とする請求項３記載の流路切替器。
【請求項５】
前記円盤状部材は、孔が形成された孔板部材と、孔を連絡するための溝が形成された導通板部材と、これらの部材を密閉して覆う蓋板部材を有して構成されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の流路切替器。
【請求項６】
前記孔板部材の孔の断面積をそれぞれの流路パターンに応じて変更されて形成されることを特徴とする請求項５記載の流路切替器
【請求項７】
前記流路パターンは、ＰＳＡの動作サイクルの各工程に対応して形成され、前記円盤状部材が１回転することで、ＰＳＡの動作サイクルの各工程が少なくとも１回完了することを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載のＰＳＡガス分離装置用のガス流路切替器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流路切替器に係り、特にＰＳＡ方式ガス分離装置におけるガス流路の切替え機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空気を原料として酸素又は窒素を分離し、それを製品ガスとして利用するＰＳＡ方式ガス分離装置が実用化されている。最近ではとりわけ、家庭用の医療酸素濃縮装置やポータブル式の酸素濃縮装置の用途が拡大している。
一般に、従来から周知のＰＳＡ方式酸素濃縮は、例えば特開昭５９−１９９５０３号公報（特許文献１）に開示されているように、２つの吸着筒に原料である空気を導入し、各々の吸着筒で加圧工程と吸着工程を順次繰り返して製品ガスを得る。この酸素濃縮装置には、複数の吸着筒の間、及び吸着筒と製品タンクの間を連結する配管にバルブを取り付け、このバルブにより吸着筒へのガスの吸入や排出、及び製品タンクへの供給を制御している。従来、この種のガス分離装置では、ガスの流路の切替えやバルブの開閉のために多くの電磁弁が用いられている。
【０００３】
近年、とりわけ医療用酸素濃縮装置の分野では、騒音に対する厳しい静音化の要求があり、装置の個々の構成部品や機構部に静音化が求められている。しかしながら、従来のＰＳＡ方式の医療用酸素濃縮装置においては電磁弁で流路を開閉する時に、可動鉄心や弁体、スプール等が高速で移動して弁座や鉄心にぶつかるために騒音が発生すると言う問題があった。
【０００４】
そのため、衝撃音の発生しない酸素分離装置が望まれる。この要求に応える酸素濃縮装置として、例えば、特表２００３−５１６２０９号公報（特許文献２）に開示のように、複数吸着筒をロータ部に組み付けこれをステータに対して回転させ、ロータとステータとの間にガス流路を切替える構成が提案されている。これによれば、電磁弁を使用せず、ロータとステータにより複数の吸着筒を回転するように制御しているので、騒音の低減が図れる。
また、特許第３２６９６２６号公報（特許文献３）には、製品保持タンク９内に複数の吸着器カラム２２をほぼ円周上に配置すると共に、そのブロック中心部位置に回転弁分配器１０を配置し、モータ１１によって分配器１０のロータを回転することにより吸着器カラムに対する流体の流れを制御する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開  昭５９−１９９５０３号公報
【特許文献２】
特表  ２００３−５１６２０９号公報
【特許文献３】
特許第３２６９６２６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献２の技術によれば、重量のある吸着筒をロータ部に取り付けて、このロータ部を機械的に回転させるので、装置自体が大型化し、また重量なロータを回転させるには精巧な機械部を必要とし、それらの部品も高価になる。
上記特許文献３の技術によれば、複数の吸着器カラム２２の配置によって、回転弁分配器１０の機械的な配置位置が決まってしまうので、例えば医療用の酸素濃縮装置に適用することを仮定すると、実装、構造上の規制が生じる。また、タンク９に対する流体の出入口も一方向でないので、完全なマニホールド化を達成するには課題が多い。
また、医療用酸素濃縮装置の普及を考慮すると、静音化の要求だけでなく、更に、装置のコスト低減、及び組立工数の低減が求められる。
本発明の目的は、ガスの導通管のマニホールド化が容易に行え、コンパクト化が図れ、組立工数の低減ができる流路切替器を提供することにある。
本発明の他の目的は、電磁弁などの衝撃音の発生を無くし、静粛化を図ったＰＳＡガス分離装置のガス流路切替器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る流路切替器は、複数の貫通孔が形成され、流体を流す複数の導通管がこれらの貫通孔に対応して接続されるステータ部と、ステータ部に密接して移動可能に配置される移動部材と、移動部材を駆動する駆動手段とを有し、複数の導通管に対する流体の流れが複数種の流路のパターンを形成するように駆動手段で移動部材を移動させるように構成される。
複数の導通管の他端は、前記移動部材に面する側と反対側のステータ部の面に纏められて接続される。導通管はステータ部材の一方の面にまとめて接続されるので、マニホールド化が容易である。
【０００８】
好ましい例では、この移動部材は円盤状の部材であり、駆動手段はモータであり、円盤状部材をモータにより回転駆動する。
この円盤状部材には、好ましくは、中心軸を含んで分割された複数の領域を備え、各領域には、前記複数の導通管に対応する数の孔と、複数種の流路のパターンを形成するために各流路パターンに関連する孔を連絡する連通溝の如き連通構造を有する固有の流路パターンを形成して成る。
【０００９】
一例では、この円盤状部材は、孔が形成された孔板部材と、孔を連絡するための溝が形成された導通板部材と、これらの部材を密閉して覆う蓋板部材を有して構成される。
【００１０】
上記孔板部材の孔の断面積をそれぞれの流路パターンに応じて変更されて形成される。
【００１１】
この流路切替器の好ましい適用例は、ＰＳＡガス分離装置であり、上記流路パターンは、ＰＳＡの動作サイクルの各工程に対応して形成され、円盤状部材が１回転することで、ＰＳＡの動作サイクルの各工程が少なくとも１回完了するように制御される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例によるＰＳＡガス分離装置の概略的な構成を示すフローシート図である。
図１において、ＰＳＡ方式ガス分離装置は、吸着剤を充填した２つの吸着筒２１，２２と、製品タンク２３と、吸着筒２１，２２に混合ガスを供給するための空気ポンプ９と、ガス流路切替器１、及びこれらの空気ポンプ９、吸着筒２１，２２の出口と入口、及び製品タンク２３の入口を接続してガスを流通する導通管５を備えて備えて構成される。
【００１３】
矢印Ｘは混合ガスの供給方向、Ｙは製品ガスの取り出し方向、Ｚは排気ガスの排出方向を示す。例えば、空気から窒素を吸着して濃縮酸素を発生するためには、吸着剤として結晶ゼオライトを充填する。
吸着筒２１，２２などの機構部に接続された複数の導通管５の他端はまとめて、ガス流路切替器１に設けられたガスポート部３に接続されている。このガスポート部３の詳細な構成については後述する。
【００１４】
ガスポート部３に密接してガス導通部４が回転可能に配置され、ガス導通部４にはモータ８の回転軸８１が連結される。よって８が回転すると、ガス導通部４は、ガスポート部３に密着して回転される。このガス導通部４に形成された導通パターン、及びこのガス導通部４の回転の位置によってガスの流れが切替えられる。即ちこれによりＰＳＡ方式のガス分離の動作工程が切り替わる。
なお、図面では省略してあるが、ＰＳＡガス分離装置には、コンピュータによってＰＳＡ方式によるガス分離の各工程の時間を正確に実行するために、モータ８の回転制御、及びＰＳＡガス分離装置の全動作を制御する制御部を備えている。
ガス流路切替器１の構成および動作の詳細なついては、図２以降を参照してさらに詳細に説明する。
上記の説明から、従来のＰＳＡガス分離装置で使用されていたような、ガスを流通させる導通管にバルブや電磁弁が設けられていないことが理解されよう。
【００１５】
【実施例】
図２及び図３にガス流路切替器１の構成を示す。
ガス流路切替器１は主な構造部として、モータ８、ガス導通部４、ガスポート部３から構成される。
モータ８の回転軸８１は、円盤状のガス導通部４の中心孔４０に固定され、ガス導通部４を回転駆動する。ガス導通部４は、複数の円板状の部材４１〜４５が接着されて構成される。その詳細は図５、図６を参照して後述する。
ガスポート部３はブロック状の部材であり、ガス導通部４に対してステータとして機能する。ガスポート部３は、７つの貫通孔３１〜３７が形成され、各々の貫通孔３１〜３７に対応して７本の導通管５１〜５７が連結される。即ち、空気ポンプ９の出口▲１▼，排気口▲２▼、２つの吸着筒２１，２２の入口▲３▼、▲４▼、出口▲５▼、▲６▼及び製品タンク２３の入口▲７▼にそれぞれ接続された導通管５１〜５７の他端は、それぞれ継ぎ手５０を介して、ガスポート部３の貫通孔３１〜３７にそれぞれ対応してガス取り出し面３０２側に接続される。
【００１６】
このようにガスポート部３の一方の面３０２に導通管３１〜３７を集合させてガスの出入口を纏めているので、マニホールド化が容易になる。
また、上述のステータ部と移動部材は密接して移動するため磨耗し易い。そのため両者間の耐磨耗性を考慮し、これらの材料として、金属、樹脂、セラミックスなどを使うことが好ましい。
図４に、導通管とガスポート部３の接続の様子を示す断面図を示す。ガスポート部３のガス導通部４に面したスライド面３０１側には、貫通孔３１〜３７の周辺に形成された溝３０３内にＯリング３０４が嵌め込まれており、ガス導通部４との間で密着状態を形成する。
【００１７】
次に図５を参照して、ガス導通部４の構成について説明する。
ガス導通部４は、ガスの流路の切替え制御を行う機構部であり、円板状の部材４１〜４５より構成される。即ち、蓋板４１、導通板４２、区切板４３、導通板４４、孔板４５が接着剤で接合されて構成される。
蓋板４１は、流路の密閉状態を確保するために、上側より導通板４２を覆う。導通板４２〜孔板４５は、中心孔４０を中心にして、同角度で８つ領域Ａ〜Ｈに区分される。それぞれ領域Ａ〜Ｈは、ＰＳＡ法によるガス分離のための動作サイクルに対応して、それぞれ固有のガスの流路を形成するように流路パターンが形成される。それら８つの固有の流路を形成するために、導通板４２〜孔板４５の領域Ａ〜Ｈには、特有の形状の孔４２１，４２２，４３１，４４１，４５１や、それら孔の配置から成る導通パターンが形成される。
【００１８】
孔板４５において、８つの各導通パターンに応じて各孔に対する流量を制限するために、孔４５１の径を変えることができる。また連通管がクロスする場合は区切板４３と導通板４４の組みを、複数組み重ねてガス連通管を立体化することにより複雑な流路が構築できる。
ここで、図６を参照して、ＰＳＡ方式によるガス分離のための動作工程について説明する。
【００１９】
このガス分離装置においてはね１サイクルが８つの工程から構成される。例えば、吸着筒２１に着目すれば、Ａ：吸着、Ｂ：吸着パージ、Ｃ：上部均圧、Ｄ：上下均圧、Ｅ：減圧、Ｆ：パージ（再生）、Ｇ：上部均圧、Ｈ：上下均圧、の８工程から成る。これら８工程において、吸着筒２１，２２、及び空気ポンプ９、製品タンク２３の出入口▲１▼〜▲７▼の間で、それぞれガスの出入りの制御が行われる。
各▲１▼〜▲７▼の間の流路の形成関係を矢印で示している。例えば、吸着工程Ａでは、▲１▼から▲３▼へガスが流れ、▲４▼から▲２▼へ流れ、かつ▲５▼から▲７▼へ流れることを示している。このような流路を形成するために、ガス導通部４がモータ８により回転されて、領域Ａがガスポート部３の対応する位置に停止する。そしてこの工程Ａを形成するように▲１▼〜▲７▼の配置関係が形成されるのである。
【００２０】
同様にして、工程Ｂでは、ガス導通部４の領域Ｂがガスポート部３の位置に来るように回転して停止する。これにより、▲１▼が▲３▼に連絡し、▲４▼が▲２▼に連絡し、▲５▼が▲６▼と▲７▼に連絡するように形成される。
パージ工程Ｂ、Ｆで、▲５▼▲６▼間に流れるパージガス量は大変重要であり、孔板４５に開ける孔の断面積は他と違って決定される。
【００２１】
すなわち、吸着筒内の吸着剤再生工程ではパージとして流入させる製品ガスであるパージガスの量は装置性能に大きい影響を与える。その工程の導通パターンに流れるガス量を、ガス流路の断面積で管理して余分なガスを流さないようすることが好ましい。また同じく再生時に吸着筒内を低圧にするガス放出回路の通路断面積は大きくするなどＰＳＡ動作工程ごとにガス導通部４の孔板４５の孔径を的確に設定して、孔の断面積を各工程の導通パターンごと調整することが好ましい。
なお、ＰＳＡの動作サイクルにおける各工程の時間的長さは、ガス導通部４が各工程のサイクルで止まっている時間で決定されるのが好ましい。
【００２２】
このようにしてガス導通部４が１／８ずつ回転することで、８工程の夫々の工程が切替えられ、最終的に１回転することでＰＳＡガス分離の１サイクルが完了する。図７に、図６に示した各工程Ａ〜Ｈにおける各孔の連結関係を模式的にしめす。孔を結ぶ太線が流路の連結関係を示している。
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されずに、種々変形して実施し得る。
【００２３】
例えば、図６に示すＰＳＡガス分離は、１動作サイクルが８工程から成るものであるが、この８工程は酸素収率を高めるという利点がある一方で、複雑な工程なので工程数を減らしたい場合がある。例えば、吸着（パージ含む）工程、均圧工程、パージ（再生）工程、均圧工程の４工程から成るＰＳＡガス分離の場合には、図６のＢ，Ｄ，Ｆ，Ｈの４工程を行なえばよい。
【００２４】
そのため、他の工程Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇは不要となり、ガス導通部４の円板上に配置するパターン数も４工程分で済む。従って、ガス導通部４の円板全体を４５°ずつ等分して、導通パターンを配置すると、円板の半分（１８０°分）でＰＳＡ動作の１サイクル分となる４工程が完了する。このため、残りの半円で更に１サイクル分（４工程）の導通パターンを配置できる。その結果、ガス導通部４が１回転することで、ＰＳＡ動作２サイクル分のガス分離が行えることになる。
なお、ＰＳＡ動作１サイクルが４工程から成る場合、上述の様にガス導通部４の円板を１／８等分しないで、９０°ずつ１／４等分してもよい。
【００２５】
図８に、他の実施例によるＰＳＡガス分離装置のフローシートを示す。
この実施例は製品ガスである酸素の発生量を多くするために、吸着筒を３個にした例である。図１に示した例と同様に、これら３個の吸着筒２１，２２，２４の入口▲３▼、▲４▼、▲８▼と、出口▲５▼、▲６▼、▲９▼に対して接続された導通管５の他端を、それぞれガスポート部３に接続する。
その結果、ＰＳＡ動作工程とガス導通部のパターンの関係は、図９に示すように、１動作サイクルが工程ＡからＩまでの９工程になり、各工程における流路形成は▲１▼から▲９▼を接続するパターンとなる。尚、各工程における流路の形成関係の見方は、図６と同様である。
【００２６】
この実施例におけるＰＳＡ工程は、９工程でガス導通部４の円板部材（図５に対応するもの）にはそれらに対応して９個のパターンが形成される。そして、ガス導通部４は１／９ずつ回転制御され、各工程で図９に示す工程時間だけ停止する。ところで、図２及び図３の実施例では、ガスポート部３のガス導通部４に対面する部分の大きさは、円板状ガス導通部４のほぼ１／８と小さく、円板状ガス導通部４はその半径側の一部（１／８）にしかガスポート部３に接触していない。このため、円板状ガス導通部４が回転している時、円板状部材４は半径側の一部のみがガスポート部３と接触し、円板状部材４の他の部分は接触していないため、ガス導通部４の回転にアンバランスが生じる心配がある。
【００２７】
その一対策として、ガスポート部３のガス導通部４に対面する側の大きさを、例えば、ガス導通部４の大きさと同じ大きさになるように構成することができる。そして、図６の▲１▼〜▲７▼で示す孔の内、▲１▼〜▲４▼に対応するブロック（第１ブロック）と、▲５▼〜▲７▼に対応するブロック（第２ブロック）の２つのブロックに分割し、これらのブロックをお互いに離れた位置に配置するようにすることができる。
【００２８】
これらのブロックに属する孔はお互いに独立したガス流路の関係にあるので、第１ブロックに対応する第１のガスポート部３１０に対して、第２ブロックに対応する第２のガスポート部３２０の位置を、ガス導通部４の回転中心軸４０を中心として一定角（例えば１８０度）ずらした位置即ち対角の位置に設ける。一方、これら第１及び第２のガスポート部の対角的な配置に対応して、ガス導通部４上の流路のパターンも同じ角度（１８０度）ずらして配置することにより、ガスポート部３に円板状のガス導通部４をバランス良く、均等に接触させることができる。
【００２９】
図１０に、更に他の実施例によるＰＳＡガス分離装置のフローシートを示す。
この例は、吸着筒２１が１つである点が、図１を参照した実施例と相違する。空気ポンプ９は、加圧と真空機能を併せ持つものであり、この空気ポンプ９で吸着筒２１を真空再生する。空気ポンプ９の大気取り込み口▲１▼、吸着筒２１の排ガス大気放出口▲２▼、空気ポンプ９の出口▲３▼、空気ポンプ９の吸込口▲４▼、吸着筒２１の入口▲５▼、吸着筒２１の出口▲６▼、製品タンク２３の入口▲７▼に、導通管５がそれぞれ接続される。これらの導通管５の他端は、ガス流路切替器１のガスポート部３に接続される。ここではＰＳＡ動作工程に関係して空気ポンプ９へのガス流入方法も切替えるのでガス流路切替器１に取入れている。
【００３０】
図１１は、図１０に示した例におけるＰＳＡ動作工程とガス導通部３のパターンの関係を示す。この場合、ＰＳＡ工程は、吸着工程と、吸着パージ（再生）工程の２工程から成る。このため、ガス導通部４の円板の導通パターンも２つでよいことになる。
【００３１】
上記実施例はいずれも、ガス導通部４が円盤状の部材を接合して構成し、これにより装置のコンパクト化を図っている。これに対して、図１２に示した例は、ステータとしてのガスポート部３に対して、ガス導通部４を４工程の動作サイクルから成る導通パターンを形成した長方形の部材を配置する。そしてこのガス導通部４の部材を工程の切替えの都度、矢印Ｗの方向にシフトするように移動することにより、各工程に対応した流路を形成することができる。
【００３２】
本実施例によれば、従来のＰＳＡガス分離装置のような電磁弁が無いので、衝撃音の発生が防止できる。さらに、電磁弁は吸着筒や製品タンクの入口、出口にそれぞれ配管の接続があり、また電磁弁を駆動するための配線が必要であり、そのための配管接続や配線接続のための工数がかかった。本実施例によれば、電磁弁を廃止したので、このような問題も無くなる。また、これら配管の継ぎ手や電磁弁、配線などの部品も不要となるので、コスト低減および信頼性の向上が図れる。
【００３３】
また、特許文献２に記載のように、吸着筒を備えるロータを回転する機構を有する場合、装置が大型化し、しかもロータの駆動のために大きな容量のモータが必要となるが、本実施例の装置ではこのような事態が防げる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によけば、ガスの導通管のマニホールド化が容易に行え、コンパクト化が図れ、組立工数の低減ができる。また、電磁弁を使用しないので、衝撃音の発生が防止できると共に、従来の装置に比べて部品点数が低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例によるＰＳＡガス分離装置のフローシートを示す図。
【図２】一実施例によるガス流路切替器１の構成を示す断面図。
【図３】一実施例によるガス流路切替器１の構成を示す分解斜視図。
【図４】一実施例によるガスポート部３の断面図。
【図５】一実施例によるガス導通部４の構成を示す分解斜視図。
【図６】一実施例によるＰＳＡ動作工程とガス導通部４のパターンの関係を示す図。
【図７】一実施例によるＰＳＡ動作工程におけるガス導通部４における孔板４５の流路の形成関係を模式的に示す図。
【図８】他の実施例によるＰＳＡガス分離装置のフローシートを示す図。
【図９】他の実施例によるＰＳＡ動作工程とガス導通部のパターンを示す図。
【図１０】他の実施例によるＰＳＡガス分離装置のフローシートを示す図。
【図１１】他の実施例によるＰＳＡ動作工程とガス導通部のパターンを示す図。
【図１２】他の実施例によるガス連通部４とガスポート部３の関係を示す図。
【符号の説明】
１  ガス流路切替器
２１，２２  吸着筒
２３  製品タンク
３  ガスポート部
３０１  スライド面
３０２  ガス取出し面
３０３  溝
３０４  Ｏリング
３１〜３７  貫通孔
４  ガス導通部
４０  中心孔
４１〜４５  円板部材
４０２  スライド面
５  導通管
５０  継ぎ手
５１〜５７  導通管
８  モータ
８１  軸
９  空気ポンプ
【図１】
2005030418.tif 000003
【図２】
2005030418.tif 000004
【図３】
2005030418.tif 000005
【図４】
2005030418.tif 000006
【図５】
2005030418.tif 000007
【図６】
2005030418.tif 000008
【図７】
2005030418.tif 000009
【図８】
2005030418.tif 000010
【図９】
2005030418.tif 000011
【図１０】
2005030418.tif 000012
【図１１】
2005030418.tif 000013
【図１２】
2005030418.tif 000014