(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐圧容器とこの耐圧容器を固定する固定部と往復動作する可動部とを備え、前記可動部の往復動作に基づいて前記耐圧容器内へ混合気体が吸入され、また、吸入された混合気体が当該耐圧容器内で圧縮されるように成した圧力変動装置と、前記耐圧容器内の前記固定部側に取り付けたところの底板と上蓋とを有する吸着筒体と、この吸着筒体内部に収容させた吸着剤によって分離された分離気体を貯留させる貯留タンクとを含み、ＰＳＡ法により混合気体から特定の気体を連続的に分離する気体分離装置であって、
前記吸着筒体内に気体流通性を有する隔板で仕切られた拡散室と前記吸着剤の収容室とを設け、前記拡散室に連通させて排気電磁弁を備えた第１流通管を設け、前記吸着剤の収容室に連通させて前記貯留流タンクに至る再生弁を備えた第１連通管を設け、前記耐圧容器に連通させて吸気逆止弁を備えた第２流通管を設け、さらにこの第２流通管と前記第１流通管との間を送気逆止弁を介して連通させる第３流通管を設け、前記耐圧容器の吸気時には前記可動部と前記第２流通管とを介して混合気体を吸入すると共に、前記可動部を往復動作させるように連結された回転板の回転角度を検出して前記可動部の変動位置を検出する位置検出手段を設け、この位置検出手段からの信号を制御する制御部を介して前記第１流通管の排気電磁弁と前記第１連通管の再生弁の開閉を制御することにより、前記耐圧容器内の混合気体の圧縮時には前記排気電磁弁を閉じて前記第２流通管と前記第３流通管と前記第１流通管を介して圧縮された混合気体を前記拡散室へ導き、この拡散室より前記吸着剤を介してこの吸着剤で分離された気体を前記第１連通管を介して前記貯留タンク側へ導くように構成すると共に、前記耐圧容器内への前記混合気体の吸入を行う過程の中で前記排気電磁弁を開いて排気を行いつつ前記再生弁を開いて前記貯留タンクに分離された分離気体を当該第１連通管を介して前記吸着剤の収容室へ導入させ前記拡散室より前記第１流通管を介して外部へ排気することにより、前記可動部を停止させることなく前記吸着剤の再生を行うことができるように構成したことを特徴とする、気体分離装置。
【請求項２】
耐圧容器とこの耐圧容器を固定する固定部と往復動作する可動部とを備え、前記可動部の往復動作に基づいて前記耐圧容器内へ混合気体が吸入され、また、吸入された混合気体が当該耐圧容器内で圧縮されるように成した圧力変動装置と、前記耐圧容器内の前記固定部側に取り付けたところの底板と上蓋とを有する吸着筒体と、この吸着筒体内部に収容させた吸着剤によって分離された分離気体を貯留させる貯留タンクとを含み、ＰＳＡ法により混合気体から特定の気体を連続的に分離する気体分離装置であって、
前記吸着筒体内に気体流通性を有する隔板で仕切られた拡散室と前記吸着剤の収容室とを設け、前記拡散室に連通させて排気電磁弁を備えた第１流通管を設け、前記吸着剤の収容室に連通させて前記貯留タンクに至る逆止弁を有する第１連通管を設け、この第１連通管の前記逆止弁にいたる部分より分岐させて再生タンクを設け、前記耐圧容器に連通させて吸気逆止弁を備えた第２流通管を設け、さらにこの第２流通管と前記第１流通管との間を送気逆止弁を介して連通させる第３流通管を設けることにより、前記耐圧容器の吸気時には前記可動部と前記第２流通管とを介して混合気体を吸入すると共に、
前記可動部を往復動作させるように連結された回転板の回転角度を検出して前記可動部の変動位置を検出する位置検出手段を設け、この位置検出手段からの信号を制御する制御部を介して前記第１流通管の排気電磁弁と前記第１連通管の再生弁の開閉を制御することにより、前記耐圧容器内の混合気体の圧縮時には前記排気電磁弁を閉じて前記第２流通管と前記第３流通管と前記第１流通管を介して圧縮された混合気体を前記拡散室へ導き、この拡散室より前記吸着剤を介してこの吸着剤で分離された気体を前記第１連通管を介して前記貯留タンクと前記再生タンクへ導くように構成すると共に、前記耐圧容器内への前記混合気体の吸入を行う過程に中で前記排気電磁弁を開いて排気を行いつつ前記再生タンクより分離気体を当該第１連通管を介して前記吸着剤の収容室へ導入させ前記拡散室より前記第１流通管を介して外部へ排気することにより、前記可動部を停止させることなく前記吸着剤の再生を行うことができるように構成したことを特徴とする、気体分離装置。
【請求項３】
前記圧力変動装置の前記可動部の往復動作は、その上死点と下死点においてサインカーブを描くように制御されることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか１項に記載の気体分離装置。
【請求項４】
前記圧力変動装置の耐圧容器が、単数又は複数のベローズであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の気体分離装置。
【請求項５】
前記ベローズが、金属製ベローズ又は樹脂製ベローズであることを特徴とする、請求項４に記載の気体分離装置。
【請求項６】
前記吸着筒体には、吸着剤と前記隔板との間に乾燥剤が収容されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の、気体分離装置。
【請求項７】
前記貯留タンクと前記第１連通管に設けた再生弁との間には、前記吸着剤の再生に用いる気体を貯留しておく再生タンクが設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の気体分離装置。
【請求項８】
前記圧力変動装置を駆動させる駆動手段が、クランク機構であり、
前記位置検出手段が、前記クランク機構のクランク軸と共に回転する回転板の回転角度から前記可動部の位置を検出するものであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の気体分離装置。
【請求項９】
前記可動部の位置を検出する位置検出手段が、前記回転板に設けたロータリーエンコーダであることを特徴とする、請求項８に記載の気体分離装置。
【請求項１０】
前記回転板の上死点からの回転角度が１５°〜１８０°の範囲内である時に、前記吸着剤の再生を行うようにしたことを特徴とする、請求項９に記載の気体分離装置。
【請求項１１】
前記可動部の往復運動が１分間に３〜１０回であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の気体分離装置。
【請求項１２】
前記圧力変動装置を２組備え、これら２組の圧力変動装置を交互に駆動させることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の気体分離装置。
【請求項１３】
前記混合気体が空気であると共に、前記吸着剤が前記空気中の窒素を吸着するゼオライトから成る窒素吸着剤であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の気体分離装置。
【請求項１４】
前記請求項１〜１３のいずれか１項に記載の気体分離装置を用いて、酸素を濃縮させることを特徴とする、酸素濃縮装置。
【請求項１５】
前記請求項１４に記載の酸素濃縮装置を搭載したことを特徴とする、エアロバイク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合気体から特定の気体を分離する際に用いて好適な気体分離装置並びにこの気体分離装置を利用した酸素濃縮装置及びエアロバイクに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、混合気体から特定の気体だけを分離する気体分離装置としては、プレッシャースウィング法（以下ＰＳＡ法という）を用いたものが知られている。このＰＳＡ法は、混合気体を圧縮させて吸着剤の中を通し、混合気体に含まれる特定の気体をこの吸着剤に吸着させ、吸着されない気体を回収するか、或は吸着剤に吸着された気体を吸着時より低い圧力にして脱着させて回収するかするものである。本願発明に係る発明者等は、上記ＰＳＡ法を利用した気体分離装置並びにこの気体分離装置を用いた酸素濃縮装置及びエアロバイクについて下記特許文献１に記載したような特許出願を行っている。
【特許文献１】特開２００７−２１４８９号公報
【０００３】
上記特許文献１に記載された気体分離装置は、混合気体の一例である空気中より酸素を分離するのに、圧力変動装置の一種であるベローズを用いてその可動部である可動端板で空気を圧縮させつつ、この圧縮空気を特定の気体を吸着する能力のある吸着剤を入れた吸着筒体内を通すことによって、特定の気体を分離させている。また、吸着剤に吸着された気体を脱着させて、当該吸着剤を再生させ、気体を吸着させる能力を持続させるために、吸着筒体内を大気圧まで戻すことによって、当該吸着剤に吸着されている窒素を分離させている。この場合脱着分離した窒素は圧力変動装置を用いて外部へ排出されるものである。
【０００４】
また、上記特許文献１に記載されている気体分離装置は、圧力変動装置としてはベローズを用い、このベローズ内に吸着筒体を収容させ、該吸着筒体は有底円筒体状に形成されている。吸着筒体内の底部には、多孔板から成る隔板が設けられて２重底に形成されて、隔板上に乾燥剤と吸着剤が層を成して充填されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記気体分離装置を用いて混合気体より気体とくに酸素は次のように分離された。まず、ベローズが最も引き伸ばされ下死点に達した状態において所定時間停止させ、その間に吸気弁及び排気弁を閉じ送気弁を開ける。この状態からベローズを押し縮めて行き内部の空気を圧縮すると、ベローズ内の空気が圧縮されつつ吸着筒体内に導かれ、多孔性の隔板を介して乾燥剤とゼオライト製の吸着剤に入り、そこで、空気中の窒素が吸着剤に吸着され酸素が分離される。分離された酸素は外部へ取り出され、或は貯留タンクへ送られ貯留される。
【０００６】
次に、吸着剤に吸着された窒素は次のように分離されることにより、吸着剤の再生がなされる。ベローズが上記したように圧縮されて行き上死点に達した状態において、所定時間停止させ、この間に送気弁を閉じて吸気弁及び排気弁を開ける。続いて圧縮されている（上死点にある）ベローズを引き伸ばし始める。これにより、ベローズ内が減圧になるので、空気が吸気弁を介してベローズ内に吸引される。すなわち、ベローズでは吸気が行われる。また、貯留タンク内の酸素の一部が再生弁を介して吸着筒体内へ導入され、これにより、吸着剤に吸着されていた窒素が脱着されて、吸着剤の再生が行われる。ベローズが引き伸ばされて下死点に達すると、上記したようにその動作は一時停止され、その間に吸気弁や再生弁が閉じられて、ベローズは再び圧縮動作に入ることになる。そして、吸着層から脱着された窒素は貯留タンクからの酸素と共に導管を介して外部に放出される。
【０００７】
このようなベローズを縮める圧縮動作と伸ばす伸張動作を繰り返すことにより、高濃度の酸素が得られるが、しかし、十分な酸素濃度と流量を得るためには、上記したようにベローズを縮めた最圧縮時の上死点時と、最も伸ばした最伸長時の下死点時において、ベローズの変位運動を一定時間停止する必要があり、時間のロスが生じる上に、このベローズの停止時間を設定するために装置の構成と制御が複雑になるという問題があった。
【０００８】
即ち、従来公知のものは、ベローズを直線的に等速度で変位させていたので、上死点及び下死点の近傍において負荷が大きくなる上に、上死点と下死点で吸気・排気・吸着・脱着を行うために各種弁の開閉操作を行う必要があり、そのためにベローズの動きを一定時間停止させる必要があった。
【０００９】
この発明者等は、上記問題点を改善すべく鋭意研究を重ねたところ、ベローズに往復運動を与える回転軸に取り付けた回転板の回転角度を検出して、この回転角度に基づいて再生弁を開くタイミングを遅らせて制御すると、ベローズを一定時間停止させなくとも、連続的に変位運動を継続させることによって、酸素濃度とその流量が上述した特許文献１に記載された従来公知のものよりも増大することを見出した。
【００１０】
この実験データを上記特許文献1に示した公知構成のものと比較したものが下記表１である。
【００１１】
【表１】
0005184850.tif 000002
【００１２】
上記表１から解るように、同じ２重底の吸着筒体を用いても、従来の時間制御方式のものに比べて、回転板の角度制御方式によりベローズの変動位置を検出して再生弁の開閉操作を行うようにしたものの方が、酸素濃度及びその流量の改善が大幅に図られ、ベローズをその上死点と下死点で一定時間停止しなくとも、連続的にベローズを動作させることにより、高濃度で十分な流量のある酸素が得られることは明らかである。
【００１３】
本願発明者は、圧力変動装置としてのベローズを駆動する駆動手段にクランク機構を採用した場合を想定し、実際に実験装置を作り実験をしてみた。この実験装置の構成はクランク軸に連動して回転するクランクホイール或は専用回転円板からなる回転板に回転角度検出センサー、例えばロータリーエンコーダを設置してその回転角度を検出することによって、ベローズの変位位置を検出し、この検出位置によって再生弁の開閉制御を行うというものであった。
【００１４】
この実験装置を稼動させたところ、後述する表２に示したように当初の目論見通り、上述した従来公知のものよりも、高い濃度と流量を持つ酸素を得ることができた。
【００１５】
本願発明は上記した知見に基づいて成されたものであり、その目的は、圧力変動装置を連続的に動作させても特定の気体の濃度を高めその流量を多くすることができる気体分離装置並びにこの気体分離装置を用いた酸素濃縮装置及びエアロバイクを提供せんとするにある。
【００１６】
以下にこの発明を、２重底の吸着筒体を内蔵させた圧力変動装置の１例であるベローズと、その駆動機構としてのクランク機構を組み合わせたもので説明するが、この発明は、このものに限定されるものではなく、この発明の目的を逸脱しない範囲で、他の構成のもの、例えば圧力変動装置としてはシリンダ装置やダイヤフラム装置、駆動手段としてのボール螺子駆動機構、カム機構、制御手段としての角度制御以外のタイミング制御等を組み合わせたものに適用できる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記の目的を達成するために本発明に係る気体分離装置は、耐圧容器とこの耐圧容器を固定する固定部と往復動作する可動部とを備え、前記可動部の往復動作に基づいて前記耐圧容器内へ混合気体が吸入され、また、吸入された混合気体が当該耐圧容器内で圧縮されるように成した圧力変動装置と、前記耐圧容器内の前記固定部側に取り付けたところの底板と上蓋とを有する吸着筒体と、この吸着筒体内部に収容させた吸着剤によって分離された分離気体を貯留させる貯留タンクとを含み、ＰＳＡ法により混合気体から特定の気体を連続的に分離する気体分離装置であって、前記吸着筒体内に気体流通性を有する隔板で仕切られた拡散室と前記吸着剤の収容室とを設け、前記拡散室に連通させて排気電磁弁を備えた第１流通管を設け、前記吸着剤の収容室に連通させて前記貯留流タンクに至る再生弁を備えた第１連通管を設け、前記耐圧容器に連通させて吸気逆止弁を備えた第２流通管を設け、さらにこの第２流通管と前記第１流通管との間を送気逆止弁を介して連通させる第３流通管を設け、前記耐圧容器の吸気時には前記可動部と前記第２流通管とを介して混合気体を吸入すると共に、前記可動部を往復動作させるように連結された回転板の回転角度を検出して前記可動部の変動位置を検出する位置検出手段を設け、この位置検出手段からの信号を制御する制御部を介して前記第１流通管の排気電磁弁と前記第１連通管の再生弁の開閉を制御することにより、前記耐圧容器内の混合気体の圧縮時には前記排気電磁弁を閉じて前記第２流通管と前記第３流通管と前記第１流通管を介して圧縮された混合気体を前記拡散室へ導き、この拡散室より前記吸着剤を介してこの吸着剤で分離された気体を前記第１連通管を介して前記貯留タンク側へ導くように構成すると共に、前記耐圧容器内への前記混合気体の吸入を行う過程の中で前記排気電磁弁を開いて排気を行いつつ前記再生弁を開いて前記貯留タンクに分離された分離気体を当該第１連通管を介して前記吸着剤の収容室へ導入させ前記拡散室より前記第１流通管を介して外部へ排気することにより、前記可動部を停止させることなく前記吸着剤の再生を行うことができるように構成したことを特徴とする。
【００１８】
本発明はまた、耐圧容器とこの耐圧容器を固定する固定部と往復動作する可動部とを備え、前記可動部の往復動作に基づいて前記耐圧容器内へ混合気体が吸入され、また、吸入された混合気体が当該耐圧容器内で圧縮されるように成した圧力変動装置と、前記耐圧容器内の前記固定部側に取り付けたところの底板と上蓋とを有する吸着筒体と、この吸着筒体内部に収容させた吸着剤によって分離された分離気体を貯留させる貯留タンクとを含み、ＰＳＡ法により混合気体から特定の気体を連続的に分離する気体分離装置であって、前記吸着筒体内に気体流通性を有する隔板で仕切られた拡散室と前記吸着剤の収容室とを設け、前記拡散室に連通させて排気電磁弁を備えた第１流通管を設け、前記吸着剤の収容室に連通させて前記貯留タンクに至る逆止弁を有する第１連通管を設け、この第１連通管の前記逆止弁にいたる部分より分岐させて再生タンクを設け、前記耐圧容器に連通させて吸気逆止弁を備えた第２流通管を設け、さらにこの第２流通管と前記第１流通管との間を送気逆止弁を介して連通させる第３流通管を設けることにより、前記耐圧容器の吸気時には前記可動部と前記第２流通管とを介して混合気体を吸入すると共に、前記可動部を往復動作させるように連結された回転板の回転角度を検出して前記可動部の変動位置を検出する位置検出手段を設け、この位置検出手段からの信号を制御する制御部を介して前記第１流通管の排気電磁弁と前記第１連通管の再生弁の開閉を制御することにより、前記耐圧容器内の混合気体の圧縮時には前記排気電磁弁を閉じて前記第２流通管と前記第３流通管と前記第１流通管を介して圧縮された混合気体を前記拡散室へ導き、この拡散室より前記吸着剤を介してこの吸着剤で分離された気体を前記第１連通管を介して前記貯留タンクと前記再生タンクへ導くように構成すると共に、前記耐圧容器内への前記混合気体の吸入を行う過程に中で前記排気電磁弁を開いて排気を行いつつ前記再生タンクより分離気体を当該第１連通管を介して前記吸着剤の収容室へ導入させ前記拡散室より前記第１流通管を介して外部へ排気することにより、前記可動部を停止させることなく前記吸着剤の再生を行うことができるように構成したことを特徴とする。
【００１９】
上記いずれの場合においても本発明は、前記圧力変動装置の前記可動部の往復動作は、その上死点と下死点においてサインカーブを描くように制御されることを特徴とする。
【００２０】
本発明はまた、前記圧力変動装置の耐圧容器が、単数又は複数のベローズであることを特徴とする。
【００２１】
その際に、前記ベローズを、金属製ベローズ又は樹脂製ベローズとすることが好ましい。
【００２２】
本発明はさらに、前記吸着筒体には、吸着剤と前記隔板との間に乾燥剤が収容されていることを特徴とする。
【００２３】
本発明において、前記貯留タンクと前記第１連通管に設けた再生弁との間には、前記吸着剤の再生に用いる気体を貯留しておく再生タンクが設けられていることが好ましい。
【００２４】
さらに、本発明においては、前記圧力変動装置を駆動させる駆動手段が、クランク機構であり、前記位置検出手段が、前記クランク機構のクランク軸と共に回転する回転板の回転角度から前記可動部の位置を検出するものであることを特徴とする。
【００２５】
その際に、前記可動部の位置を検出する位置検出手段が、前記回転板に設けたロータリーエンコーダであることを特徴とする。
【００２６】
さらに、前記回転板の上死点からの回転角度が１５°〜１８０°の範囲内である時に、前記吸着剤の再生を行うようにしたことが好ましい。
さらに、前記可動部の往復運動が１分間に３〜１０回であることが好ましい。
本発明はまた、前記圧力変動装置を２組備え、これら２組の圧力変動装置を交互に駆動させることを特徴とする。
【００２８】
本発明においては、前記混合気体が空気であると共に、前記吸着剤が前記空気中の窒素を吸着するゼオライトから成る窒素吸着剤であることを特徴とする。
【００２９】
そして、前記気体分離装置を用いて、酸素を濃縮させる酸素濃縮装置やこの、酸素濃縮装置を搭載したエアロバイクとすることができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように本発明に係る気体分離装置並びに酸素濃縮装置及びエアロバイクによれば、可動部の位置を検出する位置検出手段を設け、この位置検出手段からの検出値に基づいて制御部を介して吸着剤による混合気体の分離と吸着剤の再生とを行なう弁を開閉するように構成したので、より高い濃度と流出量を持つ気体（例えば酸素）を分離し、濃縮することができるものである。本発明によればさらに、上記位置検出手段と２重底の吸着筒体を用いて再生と同時に吸気を行なうようにすると、より一層の気体濃度と流出量を持つ気体（例えば酸素）を得ることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に本発明を気体分離装置の一例である酸素濃縮装置に実施した場合について詳細に説明するが、本発明に係る気体分離装置はこのものに限定されない。分離する気体は異なってもその原理は同じであるので、以下の酸素濃縮装置を説明すれば同時に気体分離装置を説明したことになるものである。例えば、以下に述べるように、吸着剤として窒素を吸着するゼオライトを用いて、このゼオライト内に空気を通過させることによって、高濃度酸素が得られる。また、吸着剤として酸素を吸着する活性炭、分子ふるい炭等を用いて、この吸着剤に空気を通過させることによって、高濃度窒素ガスが得られる。この場合、本発明に係る気体分離装置は窒素濃縮装置となる。また、圧力変動装置の１例であるベローズを２つ設けた場合について説明するが、ベローズを１つ又は３つ以上設けることは任意であり、その原理は数に関係なく同じである。また、本発明にかかる気体分離装置は、同じ構成の圧力変動装置を一対用いているため、指示記号の同じものは同じ部材を表わしている。したがって、指示記号の同じものは一方を説明すれば他方を説明したことになるので、記号の並記は省略する。
【００３２】
本発明に係る気体分離装置の一例としての酸素濃縮装置１は、図１に示すように、固定部４と可動部５の間にベローズ３を挟み、固定部４に対して可動部５を往復移動させて混合気体の吸入・圧縮を行う圧力変動装置２と、この圧力変動装置２で吸引されて圧縮された混合気体より特定の気体をＰＳＡ法を用いて吸着させる吸着剤６を内部に収容させた吸着筒体７と、この吸着筒体７で吸着されなかった気体を貯留させる貯留タンク８と、圧力変動装置２内への混合気体の吸引を行う時に、貯留タンク８側にある気体を吸着筒体７に供給して吸着剤６の再生を行う再生手段９を備えている。さらに、可動部５の位置を検出する位置検出手段１０を設け、この位置検出手段１０からの検出値に基づいて再生手段９の再生弁１１を開き、分離された気体を吸着筒体７へ送って吸着剤６の再生を行うところにその特徴がある。本発明また、２重底の吸着筒体７を用いることにより、吸着剤６の再生と同時進行で圧力変動装置２への混合気体の吸引を行うことができるところに特徴がある。
【００３３】
圧力変動装置２は、とくに図２に示したように、クランクホイール或はクランク軸の上方には、所定の間隔を空けて固定部４と基台４ａが設けられている。これら固定部４と基台４ａは、平面略矩形平板状に形成されている。これら固定部４と基台４ａの間には、当該固定部４と基台４ａを間隔をあけて連結する断面円形の棒状のガイドシャフト４ｂがそれぞれ設けられている。指示記号５は、ガイドシャフト４ｂに案内されて上下動する可動部であり、固定部４と可動部５との間にベローズ３が設けられ、圧力変動装置２を構成している。ベローズ３の中には吸着筒体７が収容され、ベローズ３と共に固定部４に吸着筒体フランジ部７ｆを介して気密に取り付けられている。可動部５には図示してないクランク機構によって動作させられるコンロッド４２が取り付けられている。
【００３４】
尚、圧力変動装置２の耐圧容器３（以下ベローズ３ともいう。）は、固定部４に対して可動部５を往復移動させて混合気体の吸入・圧縮を行うことができるものであれば、とくに限定されず、例えば、シリンダー装置やダイヤフラム装置等であっても良いが、ベローズであることが好ましい。ベローズ３は、その一端部に取り付けた固定端板である固定部４に対し、その他端部に取り付けた可動端板である可動部５を往復移動させることにより、間に挟んだベローズ３で空気を吸引及び圧縮するものである。ベローズ３は、可撓性を有する材質で、その耐圧力が常圧（１ａｔａ）プラス・マイナス０．５〜１気圧まで耐えられるものであればよく、例えば、ポリプロピレン、テフロン(登録商標)、ポリエチレン等の樹脂製ベローズ、ニッケル、チタン、アルミニウム、青銅、丹銅、ステンレス鋼等の金属製ベローズ等が用いられるが、樹脂製ベローズが好ましく、とくにポリエチレンとポリプロピレン及びポリプロピレンとエラストマー等の他の樹脂との混合樹脂製の樹脂製ベローズが好ましい。ベローズの大きさは、とくに限定されないが、実施例のものは、内径が１４６ｍｍである。クランク回転軸の回転数は３ｒｐｍ〜１０ｒｐｍの範囲であることが好ましく、数Ｌ／分の酸素発生量を得るためには、ベローズの内径が１００ｍｍ〜２００ｍｍで長さが２００ｍｍｍ〜３００ｍｍであることが好ましい。
【００３５】
尚、ベローズ３と吸着筒体７とを一体化して脱着可能にカートリッジ式にしても良い。このように、ベローズ３と吸着筒体７とを一体化してカートリッジ式にすることで、メンテナンスや交換が容易になる。また、吸着筒体７をベローズ３内に収容することで、圧縮効率が向上するので、効率よく酸素分離とその濃縮を行える。また、ベローズ３内に収容する吸着筒体７の位置と大きさがベローズ３を圧縮した時のデッドボリュウームにちょうど収まる位置と大きさであることが好ましく、この場合、さらに酸素濃縮を効率よく行うことができる。
【００３６】
とくに図３に示したように、吸着筒体７内の底部には、底板７ａとの間に間隔を空けて気体流通性を有する隔板７ｂが設けられることによって２重底に形成さている。すなわち、吸着筒体７は２重底容器として形成されている。隔板７ｂは、吸着剤６や乾燥剤１２が通過してしまわない程度の多孔性を有するもので形成されていることが好ましい。よって、多数の小孔を設けたものであっても良い。とくに図３に示したように、隔板７ｂ上に設けられた収容室７ｇ内には、アルミナやシリカゲル等から成る乾燥剤１２と、窒素を吸着する、例えば、ゼオライトから成る吸着剤６とが２層に収容されている。隔板７ｂと底板７ａとの間の空間は、拡散室１３として形成されている。吸着筒体７の一側内部には、その上端部を吸着筒体７の上蓋７ｃに取り付けられ、下端部を拡散室１３に連通させて第１気体流通路７ｄが設けられ、この第１気体流通路７ｄには、第１流通管１４が接続されている。この第１流通管１４は吸着筒体７外に延びており、その端部には図１に示したように、開閉弁である排気電磁弁１５が取り付けられている。
【００３７】
さらに、吸着筒体７の他側部には、図３に示したように、第２気体流通路７ｅが設けられ、その上端部には第２流通管１６が接続され、その下端部はベローズ３側に開口されている。尚、第１気体流通路７ｄと第２気体流通路７ｅはこれを独立したパイプとしても良い。第２流通管１６には、図１に示したように、空気がベローズ３内に吸引される時にのみ動作するように吸気逆止弁１７が設けられている。尚、吸気逆止弁１７の代わりに開閉弁である吸気電磁弁を設けるようにしても良い。第２流通管１６には、第３流通管１８が接続されている。この第３流通管１８は、また、排気電磁弁１５と吸着筒体７との間の第１流通管１４に接続されている。第３流通管１８には、ベローズ３からの気体が吸着筒体７の拡散室１３にのみ流れるように送気逆止弁１９が設けられている。尚、送気逆止弁１９の代わりに開閉弁である電磁弁を設けるようにしても良い。さらに、吸着筒体７の上蓋７ｃには吸着剤６側に連通させて第１連通管２３が取り付けられている。
【００３８】
図３はまた、とくに金属製のベローズ３内に吸着筒体７を取り付ける場合の取り付け構造についても示しており、ベローズ３のベローズフランジ部３ａと吸着筒体フランジ部７ｆは、Ｏリング２０でシールされつつ締付ボルト２１で気密に接続され、両者のフランジ部３ａと７ｆを取付ボルト２２で圧力変動装置２の固定端板である固定部４に取り付けられている。
【００３９】
第１連通管２３は、三方電磁弁等の再生弁（三方弁）１１に接続されている。この再生弁１１には、吸着筒体７からの気体が通る第２連通管２５と、貯留容器である再生タンク２６からの気体が吸着筒体７へ流れるための第３連通管２７とが接続されている。第２連通管２５には、吸着筒体７からの気体のみが流れるように第１逆止弁２８が設けられている。第２連通管２５と第３連通管２７とは合流して１つの第４連通管２９となり、途中で第５連通管３０が分岐され、この第５連通管３０は圧力計３１を介して再生タンク２６に接続されている。再生タンク２６は、例えば、ポリプロピレン製である。第４連通管２９には、吸着筒体７からの気体のみが流れるように第２逆止弁３２が設けられている。第１連通管２３、再生弁（三方弁）１１、第３連通管２７、第４連通管２９、第５連通管３０、及び再生タンク２６によって再生手段９が構成されている。
【００４０】
また、第４連通管２９には、第２逆止弁３２を介して第６連通管３５が分岐して接続されている。第６連通管３５の一方には、出口流量計３６、高濃度酸素ガスを取り出すための絞り弁３７、酸素濃度計３８が接続され、他方には貯留タンク８が接続されている。尚、第１連通管２３には、さらにベローズ上部圧力計３９が接続されている。また、第５連通管３０には、タンク圧力計３１が接続されている。尚、圧力計３１、３９と出口流量計３６及び酸素濃度計３８は酸素発生の状態を監視するためのもので、酸素分離には直接関係していない。
【００４１】
図１に示したように、ベローズ３は、可動部駆動機構４１により往復移動される。可動部駆動機構４１は、とくに限定されず、例えば、クランク機構等である。クランク機構としては、とくに限定されず、例えば、可動部５に接続されるコンロッド４２と、このコンロッド４２が接続されるクランクホイール４３とからなる。クランクホイール４３は、駆動手段により回転駆動される。駆動手段は、とくに限定されず、例えば、減速機付モータや人力であっても良い。
【００４２】
図１に示したように、ベローズ３、吸着筒体７、再生弁（三方弁）１１、第１〜第３連通管２３、２５、２７、第１流通管１４、排気電磁弁１５、第２流通管１６、吸気逆止弁１７、第３流通管１８、及び送気逆止弁１９が２組設けられ、一方のベローズ３の可動部５が上死点の位置にある時には、他方のベローズ３の可動部５が下死点の位置にある、すなわち、一方のベローズ３の可動部５と他方のベローズ３の可動部５とが互いに逆になるように構成されている。例えば、図１に示したように、２つのクランクホイール４３を、同一の回転軸４４に連結して、この回転軸４４にタイミングプーリー４５を設け、このタイミングプーリー４５を図示してないタイミングベルト等によって回転駆動することにより、２つのベローズ３の可動部５を互いに逆向きに同じ速度で駆動することができる。
【００４３】
位置検出手段１０は、各可動部５の位置を検出するもの、すなわち、ベローズ３の状態を把握するものであり、各可動部５の位置を検出することができればとくに限定されないが、例えば、図１に示したように、回転軸４４にクランクホイール４３とは別に取り付けた回転角度検出用の回転板４６と４７の回転角度を検出して各可動部５の変動位置を検出するロータリーエンコーダ４８、４９である。このロータリーエンコーダ４８、４９は、回転板４６と４７の回転角度を検出することができれば、とくに限定されない。尚、クランクホイール４３はこれをクランクアームとすることは任意であり、クランクホイールを用いた場合には、位置検出手段１０はクランクホイールに設けることができる。
【００４４】
具体的には、本実施の形態では、とくに図１に示したように、ベローズ３、３及び回転板４６と４７が２個ずつ設けられ、一方の回転板４６の外周又はその近傍に１つの突起４６ａを取り付け、この突起４６ａの通過を検出するように第１のロータリーエンコーダ４８を設ける。また、他方の回転板４７の外周又はその近傍に、複数の突起４７ａを所定の間隔、例えば、１５°間隔で取り付け、これら突起４７ａの通過を検出するように第２のロータリーエンコーダ４９を設ける。これにより、クランクホイール４３の回転角度を検出して２つのベローズ３の各可動部５の変動位置を検出することができる。第１と第２のロータリーエンコーダ４８と４９からの検出信号は制御部２４に入力される。
【００４５】
制御部２４は、図１に示すように、第１と第２のロータリーエンコーダ４８と４９からの検出信号に基づいて、クランクホイール４３、４３の回転角度を検出して２つのベローズ３の可動部５の変動位置を検出する計算機能を有する。また、制御部２４は、回転板４６と４７の回転角度の検出値（可動部５の変動位置の検出値）に基づいて再生弁（三方弁）１１及び排気電磁弁１５の開閉を制御して吸着剤６の再生と吸気を圧縮し吸着剤に送り込む吸気圧縮再生機能を制御する。尚、可動部５の連続的な往復移動は動力源から可動部駆動機構４１の回転軸４４に連続的に回転運動を伝えることによって行う。また、この回転速度を制御することによって、可動部５がサインカーブを描くように動作させることについては前述した。
【００４６】
圧力変動装置２にある気体の吸気圧縮再生は、クランクホイール４３、４３の回転角度に基づいて再生弁（三方弁）１１及び排気電磁弁１５の開閉を制御することによって行うもので、例えば、可動部５が上死点（ベローズ３の圧縮）の時、とくに図４に示したように、クランクホイール４３の角度を０°、可動部５が下死点（ベローズ３の伸張）の時クランクホイール４３の角度を１８０°とする。これにより、クランクホイール４３の角度が０から３６０°で１回転するとベローズ３が１伸縮することになり、クランクホイール４３の角度が０〜１８０°の時に排気電磁弁１５を開にして、再生工程で発生する排気に備える。一方、クランクホイール４３の回転角度が０〜１８０°の時、同時に空気が吸気逆止弁１７を介して第２流通管１６からベローズ３に吸引される吸気工程が行われる。また、クランクホイール４３の回転角度が１８０〜３６０°の時に排気電磁弁１５を閉にして、ベローズ３内の空気を圧縮させると第２流通管１６、第３流通管１８、第１流通管１４、及び第１気体流通路７ｄを介して吸着筒体７内の拡散室１３に入り隔板７ｂから乾燥剤１２及び吸着剤６を介してから、第１連通管２３、第２連通管２５及び第４連通管２９を介して第６連通管３５から高濃度酸素ガスとして取り出されると共に、貯留タンク８と第５連通管３０を介しての再生タンク２６等に導かれる圧縮工程が行われる。また、吸気工程中(０〜１８０°)にクランク角度が設定した一定角度の間再生弁（三方弁）１１を開にして再生タンク２６からの気体を空気とは反対方向に第３連通管２７と第１連通管２３を介して吸着筒体７内の吸着剤６へ流して該吸着剤６の再生を行う（再生工程を行う）。
【００４７】
尚、上述した従来の公知技術は再生タンク２６に相当するものはなく、貯留タンク一つで再生ガスを蓄える機能と酸素の出口の流量を安定させる機能を賄っていたが、その場合には、酸素の分離条件や酸素の出口流量の変動によりその内圧も変動するため、再生工程に利用される酸素の量が安定しないという問題点があった。本発明においては、貯留容器を再生タンク２６と貯留タンク８の二つに分けて第２逆止弁３２によって再生タンク２６の内圧を制御することにより、再生に利用される酸素の量が安定することになり、気体濃度の制御が容易になった。尚、再生弁（三方弁）１１の開とは、第１連通管２３と第３連通管２７とが連通した状態の弁の位置であり、再生弁（三方弁）１１の閉とは、第１連通管２３と第２連通管２５とが連通した状態の弁の位置である。
【００４８】
吸着剤６の再生は、高濃度酸素（７０％〜９０％）を分離させる時、クランクホイール４３の回転角度が１２０°〜１８０°の範囲内に設定して行なうことが好ましく、とくにクランクホイール４３の回転角度が１５０°を含む時に行うようにすることが好ましい。比較的低濃度の酸素（３０％〜５９％）を大量に分離させようとする時、クランクホイール４３の回転角度が１５°〜１２０°の範囲に設定して行なうことが好ましく、とくにクランクホイール４３の回転角度が４５°を含む時に行なうことが好ましい。吸着剤６の再生をクランクホイール４３の回転角度が１５°未満で行なうと、再生ガスの流入が排気ガス圧により阻害されて再生が十分に行なわれない。吸着剤６の再生をクランクホイール４３の回転角度が１８０°を超える範囲で行なうと、再生ガスの流入が吸気と干渉し再生が十分に行なわれず、いずれの場合も乾燥剤１２及び吸着剤６の寿命を縮める結果となる。
【００４９】
吸気圧縮再生機能は、各ベローズ３、３の可動部５、５が、とくに図５に示したように、交互に位相の反転したサインカーブを描くように往復移動している間に連続的になされるものであり、従来公知技術のもののように、ベローズの変位動作が所定時間停止させられることはない。その理由は、可動部５の上死点と下死点近傍において、当該可動部５の変動を緩やかなものにすることにより、可動部５の変動が遅くなった時に、吸気・排気・吸着・脱着用の各種弁を動作させることができるからである。そして、クランクホイール４３の回転角度の検出値（可動部５の位置の検出値）に基づいて再生弁（三方弁）１１及び排気電磁弁１５を作動させて吸着剤６の再生をクランク角度が設定した一定角度の間に行うものである。また、制御部２４は、クランクホイール４３の回転数を制御する回転数制御機能を有することが好ましい。クランクホイール４３の回転数は、例えば３〜１０ｒｐｍであることが好ましい。クランクホイール４３の回転数が３ｒｐｍ未満であると、十分な量の酸素が得られず、発生した酸素は全て再生に費やされることになり利用可能な酸素は得られない。クランクホイール４３の回転数が１０ｒｐｍを超えると、酸素の流動に要する時間に対して、吸気工程、排気工程に費やせる時間が短くなりすぎ濃縮されない。
【００５０】
次に、上記に説明した酸素濃縮装置（気体分離装置）１を用いて酸素を濃縮する場合について説明する。クランクホイール４３、４３は、可動部駆動機構４１により回転駆動されており、このクランクホイール４３、４３の各回転角度が回転板４６、４７に設置した第１と第２のロータリーエンコーダ４８、４９に検出され、この検出値に基づいて排気電磁弁１５、１５及び再生弁（三方弁）１１、１１の開閉が制御される。一方のクランクホイール４３の回転角度が１８０°の時、一方のベローズ３が最も引き伸ばされた状態（可動部５が下死点で、他方のベローズ３は上死点にある。下死点にあるベローズ３には、例えば、第２流通管１６を介して空気が導入されており、その内部はほぼ大気圧と同じである。この時、排気電磁弁１５及び再生弁（三方弁）１１が閉じられている。クランクホイール４３が回転すると、可動部駆動機構４１を介して下死点にあるベローズ３が押し縮められていき、このベローズ３内の空気が圧縮され、第２流通管１６、第３流通管１８及び第１流通管１４を通って吸着筒体７内の拡散室１３に導かれる。この空気は、隔板７ｂから乾燥剤１２及び吸着剤６内に拡散されつつ入り、そこで、空気中の窒素が吸着剤６に吸着される。
【００５１】
この吸着剤６により窒素が分離された酸素は、第１連通管２３、第２連通管２５及び第４連通管２９を通って一部が第６連通管３５を介して酸素として取り出され、出口流量計３６、絞り弁３７、及び酸素濃度計３８を介して外部に取り出され、残りは貯留タンク８へ貯留される。この時、再生弁（三方弁）１１は第３連通管２７側を閉じている。窒素が分離された気体の残りの一部は、第５連通管３０を介して再生タンク２６に流れてそこに貯留される。このように、貯留タンク８を設けることで、第６連通管３５内の酸素の流量を平滑化することができる。また、第２連通管２５に第１逆止弁２８を設けると共に、第４連通管２９に第２逆止弁３２を設けることで、酸素を取り出した後も、再生タンク２６内の酸素が残存するため、吸着剤６の再生を良好に行える。
【００５２】
一方のクランクホイール４３の回転角度が３６０°（０°）になると、制御部２４によりその回転角度が検出されて排気電磁弁１５が自動的に開かれる。クランクホイール４３の角度が０°を過ぎると、圧縮されている（縮んでいる）ベローズ３が引き伸ばされていき、当該ベローズ３内が減圧になるので、空気が吸気逆止弁１７を介して第２流通管１６を介してベローズ３内に吸引される。すなわち、この一方のベローズ３では吸気工程が行われる。
【００５３】
クランクホイール４３の回転角度が１２０〜１８０°の範囲内で制御部２４によりその角度が検出されて再生弁（三方弁）１１が自動的に開かれる。これにより、再生タンク２６内の気体は、吸着筒体７内より高圧であるので、第５連通管２５と再生弁（三方弁）１１と第１連通管２３を介して吸着筒体７の上蓋７ｃより吸着剤６内を空気とは逆方向に流れる。これにより、吸着剤６に吸着されていた窒素が脱着されて当該吸着剤６の再生が行われる。この脱着された窒素は再生タンク２６からの酸素と共に拡散室１３、第１気体流通路７ｄ、第１流通管１４、及び排気電磁弁１５を介して大気に放出される。このようにして吸着筒体７では吸着剤６の再生工程が行われる。
【００５４】
したがって、クランクホイール４３の回転角度に応じて排気電磁弁１５及び再生弁（三方弁）１１の開閉制御を行って吸気工程、再生工程及び圧縮工程を自動的に行っているので、ベローズ３を連続的に往復移動させて酸素を分離濃縮させ、高濃度酸素を得ることができる。また、再生弁（三方弁）１１が開いている時間が、例えば、クランクホイール４３の回転角度が１５°〜１８０°の範囲内であって１５０°を含むように吸着剤６の再生を行うことで、高濃度の酸素が得られる。また、クランクホイール４３の回転数が３〜１０ｒｐｍであると、より高濃度の酸素ガスが得られる。
【００５５】
さらに、図示したように、ベローズ３及び吸着筒体７等を２組設けると、一方のベローズ３で圧縮工程を行い、他方のベローズ３で吸気工程及び再生工程を行うことで、効率よく高濃度の酸素ガスを連続的に得られる。
【００５６】
次に、図１に示した酸素濃縮装置１を用い、装置の仕様を次のように決定して酸素を分離濃縮したところ、表２に記載したような高濃度酸素を得ることができた。
【００５７】
ベローズ３は、内径１２３ｍｍのものと、内径１４６ｍｍのものを使用した。吸着筒体７は、２重底のものと、２重底でないものとを用意した。隔板７ｂの上にシリカゲルを収容して乾燥剤１２とした上で、この乾燥剤１２の上にゼオライトからなる吸着剤６を収容した。ベローズ３の駆動手段はクランク機構を使用して、クランクホイール４３を所定の回転速度で回転駆動した。位置検出手段１０は、外周に突起のある回転板４６、４７と光電センサとからなるロータリーエンコーダ４８，４９を使用し、一方の回転板４６で一方のベローズ３の下死点（及び他方のベローズ３の上死点）を検出し、他方の回転板４７で当該回転板４７の角度を１５°毎に検出した。外部へ取り出される酸素は、酸素濃度計３８により酸素濃度を測定した。また、第６連通管３５の出口流量計３６により酸素の流量（出口流量）を測定した。再生弁（三方弁）１１の開放角（弁が開いている間にクランクホイール４３が回転する角度、すなわち、弁が開いてからクランクホイール４３がこの角度だけ進んだ点で弁が閉まる）は、１５°、３０°、４５°の場合で６０°〜１８０°の範囲で行った。また、クランクホイール４３の回転数は、３、５、８、１０ｒｐｍについて行った。その結果を表２に示した。尚、これらの表の開放角欄の数値は弁を開いた時のクランクホイール４３の回転角度と閉じた時のクランクホイール４３の回転角度である。したがって後者から前者を引いたものが先に定義した開放角である。
【００５８】
【表２】
0005184850.tif 000003
【００５９】
表２の結果から解るようにクランクホイール４３の回転角度が１２０〜１８０°の角度範囲で酸素の濃度が高い酸素含有ガスが得られた。また、クランクホイール４３の回転角度が１５０°前後で酸素濃度のピークがあることが分かった。また、クランクホイールの回転数が８、１０ｒｐｍで高濃度酸素ガスの流量（出口流量）が略１Ｌ／ｍｌ以上であった。従って、内径１４６ｍｍの樹脂ベローズを用いた場合、開放角が１２０〜１８０°の角度範囲であって１５０°を含み、クランクホイールの回転数が５〜１０ｒｐｍの時に吸着剤の再生を行うことで、酸素の濃度が高い酸素含有ガスが得られることがわかった。特に開放角が１２０〜１６５°、１３５〜１８０°で、クランクホイール４３の回転数が８、１０ｒｐｍで酸素濃度が８０％以上の高濃度酸素ガスが得られた。また、足踏みペダルによりクランクホイールを回転駆動させる際のクランクホイールの回転数は約３〜１０ｒｐｍであるので、本発明に係る酸素濃縮装置１を足踏みペダルの回転軸の回転駆動力を発生させるエアロバイクなどの健康器具等に最適に適用することができる。
【００６０】
図６と図７はさらに、樹脂製のベローズと吸着筒体とを気密に接続する場合の他の実施例を示し、図面によれば樹脂製のベローズ５０は、その上端部を吸着筒体フランジ部５１ａと締付フランジ５２の間で挟み、締付ボルト５３で気密に固着した上で、両フランジ５１ａと５２を圧力変動装置２の固定部５４に取付ボルト５５で固定してある。吸着筒体フランジ部５１ａと締付フランジ５２にはベローズ５０と吸着筒体５１との間の気密性を保つために凹部５６ａと凸部５６ｂから成る第１シール部５６とＯリングから成る第２シール部５７が設けられている。この第１シール部５６とＯリングから成る第２シール部５７はどちらか一つとすることもできる。
【００６１】
図８はさらに、樹脂製のベローズと吸着筒体とを気密に接続する場合の他の実施例を示し、互いに樹脂製のベローズ６０と吸着筒体６１とは共にその上端部を締付フランジ６２と把持フランジ６３とで挟んで締付ボルト５３で固着して成り、両フランジ６２と６３にはベローズ６０と吸着筒体６１との間の気密性を保つために凹部６５ａと凸部６５ｂから成るシール部６５が設けられている。尚、指示記号６６は、可動部としての可動端板である。
【００６２】
また、上記図６乃至図８に示した吸着筒体６１の内部構造は、図３に示したものと同じ構造であるので、その説明を省略した。
【００６３】
次に、図９はベローズと吸着筒体に接続する配管系等の他の実施例を示す。図１の実施例と異なる点は、クランク機構を省略し、クランクホイールのみの表示とし、このクランクホイールに位置検出手段を設置してある点である。また、配管系統の違いとしては、再生弁(三方弁)１１を取り去り第２連通管７５と第３連通管７６を第１連通管７４に直接接続し、第３連通管７６に再生のための気体を吸着筒体７３に流すための第２逆止弁７１ｂを介在させた点にある。また、制御系については、図１の実施例において再生弁１１についていた制御配線は切除した。この実施例の動作は次の通りである。
【００６４】
クランクホイール７０の回転角度が１８０°〜３６０°ではベローズ７２で圧縮された気体は吸着筒体７３で窒素を吸着除去され、第１連通管７４を通って第３連通管７６に流入するが、第３連通管７６にはこの方向の流れを阻止する方向の第２逆止弁７１ｂが介在するためにこの流れは阻止される。第２連通管７５に入った流れは、この第２連通管７５に介在する第１逆止弁７１ａがこの流れに対して順方向の逆止弁なので、ここを通過し第４連通管７７を通過して再生タンク７９及び貯留タンク８０に流入する。この状況は図１の場合と全く同じであり、すなわち、酸素濃縮工程が行われる。
【００６５】
クランクホイール７０の回転角度が０°〜１８０°では、吸気工程については、吸気にかかわる配管系統、すなわち、第２連通管７５、吸気逆止弁８１および送気逆止弁８２は図１と全く同じであり、図１の場合と全く同じく吸気工程が行われる。再生工程については、再生タンク７９に貯留された気体および酸素濃縮工程の状態にあるもう一方のベローズ７２から第２連通管７５を経由した気体が第３連通管７６さらに第１連通管７４を介して吸着筒体７３に流入し第１流通管８３を経由して流出しようとする。しかし、排気電磁弁８４が閉じている状態では気体は流出できないので吸着筒体７３内に気体の流入は起こらない。すなわち、再生工程には入れず待機状態にとどまる。次に、クランクホイール７０が再生のために設定された回転角度に達すると制御配線に電気が流れて排気電磁弁８４が第１流通管８３を通して流出(排気)するので、第３連通管７６さらに第１連通管７４を介して吸着筒体７３に再生のための気体が流れ込んで再生工程がなされる。
【００６６】
このように図９においても、図１と同様に窒素吸着・吸気・再生工程が行われて酸素が濃縮される。図９の酸素濃縮装置の製造コストは図１のものと比較すると、高価な三方弁が安価な逆止弁に置換えられたこと、制御配線が一系列減ったこと、したがって、制御装置も一系列分が不用になったことから、全体としてより安価に製造することができる利点がある。
【００６７】
図１０はさらに別の簡略化した配管系統の実施例を示す。この実施例も図１の実施例と異なる点は、クランク機構を省略し、クランクホイールのみの表示とし、このクランクホイールに位置検出手段を設置してある点である。図９における再生タンク７９、第２逆止弁７１ｂおよび第３連通管７６が省略されている。図面によれば、排気電磁弁８５が開いて再生工程にある時は、再生のための気体は全て酸素濃縮工程(窒素吸着工程)にある他方側の吸着筒体８６からの酸素の濃縮された気体の一部を直接に渡り管８７を介して再生工程にある吸着筒体８６に供給して再生工程を行う。再生流量調節用のオリフィス８８は再生に送られる流量を適当に調節するめのものである。すなわち、貯留タンク８９に分配される分と再生に分配される分の配分を行っている。尚、再生タンクがないため再生のための気体の流れは再生タンクのある場合ほど均一ではないと思われるが、酸素発生性能には実用上の差は認められなかった。但し、オリフィス径の調節が適当でないと所期の性能が得られず、オリフィス径の調節が難しい難点がある。しかし、部品点数および配管本数が減少する経済メリットが大きい。
【００６８】
尚、当分野の通常の知識を有する者であれば、図1の再生弁（三方弁１１）を２個の通常の電磁弁（二方弁）に置き換えることが出来る。即ち、再生弁（三方弁）１１を取り去って第３連通管９１及び第２連通管９０にそれぞれ電磁弁１個を介在させれば良い。また、図９での第１及び第２逆止弁７１ａ、７１ｂに代えて電磁弁（二方弁）を用いることが出来る。さらに、図１、図９、図１０の各逆止弁に代えて電磁弁と逆止弁のクラッキング圧（図１の第１逆止弁２８の場合の０．１気圧）に対応する圧損を持つオリフィス或は絞り弁を組み合わせて使うことができる。
【００６９】
図１１はさらに簡略化された配管系統の他の実施例を示す。この実施例も図１の実施例と異なる点は、クランク機構を省略し、クランクホイールのみの表示とし、このクランクホイールに位置検出手段を設置してある点である。図１１では第１連通管９５にそれぞれオリフィス９６、９９を介在させ、この第１連通管９５を貯留タンク９７につながっている第４連通管９８に直接接続している。この場合、貯留タンク９７は図１０における貯留タンク８９の役割もはたしている。すなわち、酸素濃縮工程にある他方の側からの気体は他方のオリフィス９９から一方のオリフィス９６を経由して一方の再生工程に供給されるが、この時適宜に貯留タンク９７からも一方のオリフィス９９を通って再生工程に供給される。この点では図１０の場合より再生に供給される流れは均一であると思われるが、図１０の場合と同様にオリフィス径の調整が適当でない場合には所期の性能が得られない。
【００７０】
尚、以上のいずれの実施例においても、オリフィスの替わりに流量の調節をしやすい絞り弁を使用しても良いことは勿論である。
【００７１】
図１２は、本発明に係る気体分離装置を酸素濃縮装置として使用し、有酸素運動を行うことのできる健康器具であるエアロバイクに実施した例を示す図である。このエアロバイク１００は、足踏みペダルの回転軸の回転駆動力を利用し、タイミングベルト、歯車やチェーン等の公知の駆動力伝達手段によって、酸素濃縮装置１０１の２つのベローズ１０２（一方のみ表示）を駆動させて高濃度酸素ガスを得るものである。すなわち、エアロバイク１００には、図１２に示すように、一対の足踏みペダル１０３がペダル回転軸１０４を介してバイク本体１０５に回転可能に設けられている。バイク本体１０５は、平面略Ｔ字状に形成され、先端部の両端下部に移動が容易に行えるようにキャスター１０９が設けられている。また、バイク本体１０５には椅子１０６が設けられている。
【００７２】
ペダル回転軸１０４には第１歯車１０７が設けられ、この第１歯車１０７に第２歯車１０８が噛合されている。第２歯車１０８には、チェーン１２８が掛け渡されている。チェーン１２８は、自転車の多段変速ギヤと同じ構造の多段変速ギヤ例えば６段変速ギヤ１１０に掛け渡されており、ハンドル１２３等に設けられたレバー（図示せず）等の操作によりギヤ比を可変することができるようになっている。６段変速ギヤ１１０を回転可能に支持するギヤ回転軸１１１には、第３歯車１１２が設けられ、この第３歯車１１２に従動歯車１１３が設けられている。従動歯車１１３を回転可能に支持する回転軸１１４の両端部に２つのクランクホイール１１５がそれぞれ設けられており、従動歯車１１３が回転することによって２つのクランクホイール１１５が回転駆動されるようになっている。
【００７３】
クランクホイール１１５の上方には、所定の間隔をあけて２つの固定部１１６と基台１１７が設けられている。これら固定部１１６基台１１７は、略矩形平板状に形成されている。これら固定部１１６と基台１１７の間には、これら固定部１１６と基台１１７を間隔をあけて連結する断面円形の棒状のガイドシャフト１１８がそれぞれ設けられている。指示記号１１９は、ガイドシャフト１１８に案内されて上下動する可動部であり、固定部１１６と可動部１１９との間にベローズ１２０が設けられ、圧力変動装置１２１を構成している。
【００７４】
また、バイク本体１０５には、ハンドル１２３が設けられている。また、バイク本体１０５には、可撓性パイプ１２４を介して酸素マスク１２５が接続されている。可撓性パイプ１２４は、バイク本体１０５内に設けられた酸素を貯留する貯留タンク１２６に接続されている。貯留タンク１２６には、酸素濃縮装置１２７で得られた酸素が貯留されるようになっており、利用者がエアロバイク１００を使用すると、クランクホイール１１５を介してベローズ１２０を伸縮させて濃縮された高酸素が得られ、この酸素が貯留タンク１２６から可撓性パイプ１２４を介して酸素マスク１２５に導かれ、この酸素マスク１２５を装着してエアロバイク１００を使用する使用者に有酸素運動を行わせることができるようになっている。尚、酸素は、酸素マスクによらずとも、図示してないカニューラによって、使用者へ供給することができ、さらに使用者の顔近くに噴出口を設けるという手段によっても使用者に供給することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上説明したように本発明に係る気体分離装置は、可動部の位置を検出する位置検出手段を設け、この位置検出手段からの検出値に基づいて吸着剤の再生を混合気体の吸引中の任意の設定した可動部の変動範囲内に行うようにした制御部を設け、圧力変動装置の可動部を連続的に往復移動させて特定の気体の濃度を高くすることができる。また、この気体分離装置は、空気を混合ガスとして吸引させる時には濃縮された酸素が得られるので、酸素療法に用いる酸素濃縮装置として用いることができ、さらに、美容・健康機器に用いる酸素濃縮装置、運動機器等に用いる酸素濃縮装置、災害時の緊急用酸素濃縮装置、とくに有酸素運動を行なうエアロバイクとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る気体分離装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る気体分離装置の圧力変動装置を概略的に説明するための説明図である。
【図３】本発明に係る気体分離装置に用いる２重底の吸着筒体の部分を示す断面図である。
【図４】本発明に係る気体分離装置の回転板の回転角度に対する各種弁の開閉制御を説明する説明図である。
【図５】本発明に係る気体分離装置の圧力変動装置の動作を説明する説明図である。
【図６】本発明に係る気体分離装置に用いる２重底の吸着筒体の部分の他の実施例を示す断面図である。
【図７】図６に示した吸着筒体の取付構造を示す拡大断面図である。
【図８】本発明に係る気体分離装置に用いる２重底の吸着筒体の部分のさらに他の実施例を示す断面図である。
【図９】本発明に係る気体分離装置の配管系等の他の実施例を説明する概略構成図である。
【図１０】本発明に係る気体分離装置の配管系等のさらに他の実施例を説明する概略構成図である。
【図１１】本発明に係る気体分離装置の配管系等のさらに他の実施例を説明する概略構成図である。
【図１２】本発明に係る気体分離装置をエアロバイクに実施した場合の概略構成図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１    気体分離装置（酸素濃縮装置）
２    圧力変動装置
３    ベローズ
４    固定部
５    可動部
６    吸着剤
７    吸着筒体
７ａ  底板
７ｂ  隔板
７ｃ  上蓋
７ｄ  第１気体流通路
７ｅ  第２気体流通路
８    貯留タンク
９    再生手段
１０  位置検出手段
１１  再生弁
１２  乾燥剤
１３  拡散室
２６  再生タンク
４１  可動部駆動機構
４３  クランクホイール
４６  回転板
４７  回転板
４８  第１ロータリーエンコーダ
４９  第２ロータリーエンコーダ
５０  ベローズ
６０  ベローズ
７０  クランクホイール
１００  エアロバイク
１０１  酸素濃縮装置
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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