(57)【要約】水蒸気を含む処理ガスを複数の処理工程へ供給するための摺動部材を具備する回転バルブを提供する。流路（８，９，１０）が開口し且つ互いに摺動する摺動面を有する摺動部材（１，２；４，６）を備え、摺動面を与圧することで流体をシールしながら摺動することにより前記流路（８，９，１０）を切り替えるメカニカルシール機構を備えた回転バルブであり、該摺動部材（１，２；４，６）の摺動面側が硬度の異なる疎水性部材（２、４）からなることを特徴とする回転バルブである。
2007129679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路が開口し且つ互いに摺動する摺動面を有する２つの摺動部材を備え、該摺動面を与圧することで流体をシールしながら前記流路を切り替えるメカニカルシール機構を備えた回転バルブであって、前記２つの摺動部材は共に、摺動面側が疎水性部材から構成され、該摺動面とは反対側が前記疎水性部材よりも剛性の高い部材から構成され、これらの疎水性部材と高剛性部材とが接合され一体化された構造を有することを特徴とする回転バルブ。
【請求項２】
前記疎水性部材は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂部材であることを特徴とする請求項１に記載の回転バルブ。
【請求項３】
前記２つの摺動部材は、前記疎水性部材の硬度が互いに異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転バルブ。
【請求項４】
前記２つの摺動部材は、一方が固定部材であり、他方が回転部材であり、回転部材の前記疎水性部材がカーボンをフィラーとして添加したポリテトラフルオロエチレン樹脂、固定部材の前記疎水性部材がポリイミドをフィラーとして添加したポリテトラフルオロエチレン樹脂で構成されることを特徴とする請求項３に記載の回転バルブ。
【請求項５】
前記高剛性部材は金属材料からなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の回転バルブ。
【請求項６】
流路が開口し且つ互いに摺動する摺動面を有する２つの摺動部材を備え、該摺動面を与圧することで流体をシールしながら摺動することにより前記流路を切り替えるメカニカルシール機構を備えた回転バルブであって、前記２つの摺動部材の各々は、少なくとも摺動面側が疎水性を有し、且つ剛性が互いに異なることを特徴とする回転バルブ。
【請求項７】
前記２つの摺動部材は、一方が固定部材であり、他方が回転部材であり、回転部材はカーボンをフィラーとして添加したポリテトラフルオロエチレン樹脂、固定部材はポリイミドをフィラーとして添加したポリテトラフルオロエチレン樹脂で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の回転バルブ。
【請求項８】
前記２つの摺動部材の一方は、摺動面側が疎水性部材から構成され、該摺動面とは反対側が前記疎水性部材よりも剛性の高い部材から構成され、これらの疎水性部材と高剛性部材とが接合され一体化された構造を有することを特徴とする請求項６に記載の回転バルブ。
【請求項９】
吸着剤を充填した複数の吸着床と、該吸着床へ処理ガスを供給する供給手段と、該供給手段からの処理ガスを吸着床へ一定のタイミングで順次加圧供給し吸脱着をさせる流路切替部材を具備した圧力変動吸着型の吸着分離装置において、
前記流路切替部材が、互いに摺動する摺動面を有する２つの摺動部材を備え、一方の摺動部材の摺動面には処理ガスを供給するガス供給口と処理後のガスを排出するガス出口が開口し、他方の摺動部材の摺動面には分配溝が形成され、かつ摺動面をメカニカルシールによりシールしながら摺動することにより流路を切り替える回転バルブであり、２つの摺動部材の各々は、少なくとも摺動面側が疎水性を有し、且つ剛性が互いに異なることを特徴とする吸着分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転部材と固定部材の相互の摺動回転運動により流体流路を切り替える回転バルブに関し、更には、空気中の酸素を分離し呼吸器疾患患者等に酸素を供給する圧力変動吸着型酸素濃縮装置の流路を切り替える回転バルブに関する。本発明は更にこのような回転バルブを用いた吸着分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、肺気腫症、慢性気管支炎などの呼吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向がある。このような疾患に対して最も効果的な治療法の一つとして酸素吸入療法がある。一方で、空気中から酸素濃縮気体を直接分離する酸素濃縮器が開発され、使用時の利便性、保守管理の容易さからこの酸素濃縮器が酸素吸入療法用の治療装置として、次第に普及するようになってきている。
かかる酸素濃縮器として、窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した吸着型酸素濃縮器が知られ、中でも空気供給手段として空気圧縮機を用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮器が、在宅酸素吸入療法の装置として用いられている。かかる装置は、通常、窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した１個或いは複数の吸着床にコンプレッサから圧縮空気を供給して加圧状態で窒素を吸着させることにより酸素濃縮気体を得る吸着工程と、吸着床の内圧を減少させて窒素を脱着させ吸着剤の再生を行う脱着工程を一定のサイクルで繰り返し行い、更に必要に応じて、脱着工程終了直前に、吸着剤の再生効率の向上と昇圧を目的として、既に生成した乾燥酸素濃縮気体を一部逆流させる均圧工程を加えて、順次一定サイクルで行うことにより酸素濃縮気体を得る。通常、コンプレッサと吸着床とを配管で接続し、それらの間に弁手段を設置することにより吸着床への加圧空気の供給経路を切り替える流路制御を行うのが一般的であるが、このような流路切替装置では部品点数の増加やメンテナンスに不具合が生じる問題点があった。
これらの不具合を改善する装置として特表平７−５０８２０５号公報（特許文献１）や特開２００４−２０９２６３号公報（特許文献２）に記載の回転バルブを内蔵した流体分別装置を介して、吸着床に加圧空気を供給するモジュール化された酸素濃縮装置が知られている。かかる酸素濃縮装置は在宅用、医療用途として使用する為には、装置の小型化が必須であり、このような流体分別装置に使用されるメカニカルシールの回転バルブ及び固定バルブ部の構造は、該モジュールの小型化を図る為、バルブ内に十分な機構スペースをとることは難しく、メカニカルシールの機構上、回転軸側に設けられ、回転軸と共に回転する摺動部材である回転子と、非回転のハウジング側に設けられた固定子が軸心と直交する面を密着させて摺動することにより軸周からの流体の漏れを防止する構造となっており、バネ等の押圧手段を用いて軸心に対してアキシアル方向に荷重がかかる構造をとる。
通常用いられるメカニカルシールでは潤滑油等の潤滑材を用い、摺動面の摺動抵抗を抑える事が行なわれるが、酸素濃縮装置など呼吸用気体の流路を切り替えるバルブにはこのような潤滑油を使用することは出来ない。そのため、バルブの摺動性を良くする為に、摺動面の平面性を極めて平滑にすることにより摺動抵抗を抑えるよう設計されている。
【発明の開示】
【０００３】
本願発明者は、水分を含んだ加圧空気など凝縮性を有する気体をこのようなバルブに接続した場合、流路内で水分などの液体が凝集する現象や、バルブの摺動面で毛管凝縮により凝縮水が生じ、摺動面に微量の液体が入った場合、一時的に表面張力が支配的になり、摺動抵抗が非常に大きくなり、回転トルクの上昇を引き起こすことを見出した。かかるトルク上昇分を上回る回転トルクを有するモータを使用していればこのような問題は生じないが、装置の小型化、軽量化等を目的として最小トルクで回転するモータを搭載した装置においては、高湿度環境下での運転は、回転速度の低下、停止を引き起こす。
本発明は、上記課題を解決する手段として、以下の回転バルブおよび回転バルブを搭載した吸着分離装置を提供するものである。
本発明の回転バルブは、流路が開口し且つ互いに摺動する摺動面を有する２つの摺動部材を備え、該摺動面を与圧することで流体をシールしながら前記流路を切り替えるメカニカルシール機構を備えた回転バルブであって、前記２つの摺動部材は共に、摺動面側が疎水性部材から構成され、該摺動面とは反対側が前記疎水性部材よりも剛性の高い部材から構成され、これらの疎水性部材と高剛性部材とが接合され一体化された構造を有することを特徴とする。
また、本発明の回転バルブは、流路が開口し且つ互いに摺動する摺動面を有する２つの摺動部材を備え、該摺動面を与圧することで流体をシールしながら摺動することにより前記流路を切り替えるメカニカルシール機構を備えた回転バルブであって、前記２つの摺動部材の各々は、少なくとも摺動面側が疎水性を有し、且つ剛性が互いに異なることを特徴とする。
また、本発明の圧力変動吸着型の吸着分離装置は、吸着剤を充填した複数の吸着床と、該吸着床へ処理ガスを供給する供給手段と、該供給手段からの処理ガスを吸着床へ一定のタイミングで順次加圧供給し吸脱着をさせる流路切替部材を具備した圧力変動吸着型の吸着分離装置において、前記流路切替部材が、互いに摺動する摺動面を有する２つの摺動部材を備え、一方の摺動部材の摺動面には処理ガスを供給するガス供給口と処理後のガスを排気するためのガス出口が開口し、他方の摺動部材の摺動面には分配溝が形成され、かつ摺動面をメカニカルシールによりシールしながら摺動することにより流路を切り替える、上記の回転バルブである、即ち、２つの摺動部材の各々は、少なくとも摺動面側が疎水性を有し、且つ剛性が互いに異なることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は本発明の実施の形態に係る好ましい実施例である摺動面を含む表層部の一部が水の疎水性を有する材料から構成された摺動バルブの第１実施例の構成図である。
図２は本発明の摺動面を含む表層部の全部が水の疎水性を有する材料から構成された摺動バルブの第２実施例の構成図である。
図３は従来の摺動バルブの構成図である。
図４は摺動トルク湿度依存性試験装置のブロック図である。
図５は摺動トルク湿度依存性試験結果である。
【符号の説明】
【０００５】
１    固定部材（剛性の高い材料）
２    固定部材（疎水性を有する材料）
３    固定部材の接着面
４    回転部材（疎水性を有する材料）
５    回転部材の接着面
６    回転部材（剛性の高い材料）
７    回転シャフト
８    ガス供給口（流路）
９    処理ガス分配溝（流路）
１０    処理ガス出口（流路）
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の回転バルブは、流体流路と接続された複数のポート穴を表面に持つ固定子（固定部材）と、該ポート穴同士の接続をその回転運動により切り替えるための接続流路を表面に持つ回転子（回転部材）よりなり、該固定子と該回転子がそれぞれ該ポート穴（流路）を持つ面および該接続流路を持つ面を摺動面として摺動しながら回転することにより該流体流路同士の接続を切り替える回転バルブである。回転子の接続流路の形状は固定子のポート穴の数又は配置によって種々様々な形状を取ることが出来る。本発明の回転バルブの特徴は、該固定子および回転子である摺動部材が、少なくとも該摺動部材の摺動面を含む表層部が疎水性を有する材料から構成される。水分を含んだ加圧空気など凝縮性を有する気体をこのようなバルブに接続した場合、流路内での水の液化凝集現象や、バルブの摺動面での毛管凝縮により凝縮水が発生し、摺動面に微量の液体が入った場合には、一時的に表面張力が支配的になる。本発明では、疎水性材料の摺動面を備える回転バルブとすることでかかる現象の発生を防止し、摺動抵抗の異常上昇や回転トルクの上昇を抑えることができる。
かかる回転バルブは、水分を含有する空気など凝縮性を有する気体の流路を切り替える時に特に有効であり、ポート穴の位置は、該凝縮性の気体の流路周囲、特に水蒸気を含有する空気を切り替えるバルブの場合は、該空気の加圧流路周囲に出口ポート穴を備えることにより中心の入口ポート穴から接続流路によって周囲の出口ポート穴に空気を導くことにより結露水が生じた場合のトルク上昇を防止することが出来る。
かかる回転バルブは、ポート数が少ない場合には単一の接続流路が回転子表面に設けられるが、ポート数が多い場合には、回転子の摺動面の同一半径上に複数の開口部を備え、該開口部間を摺動面の後背部で接続する流路とすることが可能である。
固定子および回転子である該摺動部材に使用する疎水性材料としてはフッ素系材料、シリコン系材料などがあり、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）やポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）などを使用することが出来る。特に好ましくはＰＴＦＥなどのフッ素系疎水性樹脂材料があげられる。更には、充填材により強度又は、摺動性を向上させた材料もあげられ、ポリイミド繊維をフィラーとして添加したＰＴＦＥ樹脂や、カーボンあるいはポリエチレン繊維を添加したＰＴＦＥ樹脂を使用することが出来る。又これらの材料の疎水性を示す指標として、水滴接触角が一般的に用いられ、水滴接触角が９０°以上となることが好ましい。この条件を充たすものとしては上記ＰＴＦＥ樹脂がある。
２つの摺動部材の摺動面を同じ部材で構成した場合には、材料硬度が同じあるため摺動面が共に磨耗するという現象が生じる。また共材ということで凝着磨耗などの異常磨耗が発生することあり、一方の硬度を他方に比べ柔らかくすることで片方を磨耗させ交換する。固定子側を材料硬度の若干高いポリイミド添加のＰＴＦＥ樹脂とし、回転子側をカーボン添加のＰＴＦＥ樹脂とすることで回転子側を交換部材とすることが出来る。
摺動面は上記のような疎水性樹脂部材で構成されるが、樹脂部材のみでは上記のような充填材を添加したものであっても強度的に弱く、メカニカルシールのようなバネ等で押えてシールする場合には、荷重を与えた場合には変形を起こす。荷重を受ける構造体部分はＳＵＳやアルミニウム、真鍮などの金属やセラミック、複合材など剛性の高い材料を使用する。
疎水性材料と該疎水性材料よりも剛性の高い材料との接合は、表面改質、コーティング、含浸、接着等の方法により行う。表面改質としては、自己組織化単分子膜や、ＤＬＣ膜、特に好ましくはフッ素添加ＤＬＣ膜を基材に付する方法等がある。コーティングとしては、ＰＴＦＥコーティングが一般的である。含浸は、基材の表面の空隙・空孔部に疎水性材料を含浸させる方法が一般的である。
接着は、金属、特に好ましくはステンレス材料にＰＴＦＥ樹脂又はＰＴＦＥ系樹脂を接着し、摺動部材を構成する方法がある。一般的には、ＰＴＦＥ樹脂又はＰＴＦＥ系樹脂は接着性が良好でないことから、接着表面をアルカリエッチング処理し、表面のフッ素基を除去することでエポキシ系などの接着剤との濡れ性を確保することが出来る。更に接着面積を増加させる為にエアブラスト加工して接着する方法がとられる。
本発明の回転バルブは圧力変動吸着型酸素濃縮装置に適用可能である。すなわち、酸素よりも窒素を選択的に吸着しうる吸着剤を充填した吸着床、該吸着床に加圧空気を供給する空気供給手段、吸着床から生成した酸素濃縮空気を使用者に供給する酸素供給手段を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置であり、流路切り替えバルブに回転バルブを有し、特にコンプレッサなどの空気供給手段からの加圧空気を該吸着床に供給する流路に、上記の本発明の回転バルブを備えるものである。
【実施例】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態に係る好ましい実施例である回転バルブを、図面を参照して説明する。図１は本発明の回転バルブの実施例１の構成図、図２は実施例２の構成図、図３は従来技術の回転バルブを比較例として示す構成図である。
［実施例１］
本発明に係る回転バルブの実施例１を、図１の構成図に従い説明する。本実施例１の回転バルブは、大気より取り込んだ水蒸気を含む空気を複数の処理工程へ供給するための、摺動面を含む表層部の一部が疎水性を有する材料から構成された摺動バルブである。
回転部材４、６及び７は図示しないバネの反力により、固定部材１、２に対して垂直に押しつけられる。回転部材４、６は接着面５で接着された一体部材である。同様に固定部材１、２も接着面３で接着された一体部材である。
回転部材４、６の内、摺動面側の部材４としてＰＴＦＥ系樹脂を使用した。本ＰＴＦＥ系樹脂としては、カーボンをフィラーとして添加したＰＴＦＥ樹脂（日本ピラー工業株式会社製Ｈ４Ｃグレード）を使用した。また回転部材４、６の内、摺動面とは反対側の部材６としてＳＵＳ３０４を使用した。回転部材４および６の接着は、部材４のＰＴＦＥ系樹脂の接着表面をアルカリエッチング処理しＳＵＳ３０４の部材６に接着した。
固定部材１、２の内、摺動面側の疎水性を有する部材２としてＰＴＦＥ系樹脂を使用した。本ＰＴＦＥ系樹脂としては、ポリイミド繊維をフィラーとして添加したＰＴＦＥ樹脂（日本ピラー工業株式会社製Ｙ２Ａグレード）を使用した。
固定部材１、２の内、摺動面とは反対側の部材１は、疎水性を有する部材２よりも剛性の高い材料としてＳＵＳ３０４を使用した。固定部材１、２の接着は、疎水性を有する部材２を構成するＰＴＦＥ系樹脂の接着表面をアルカリエッチング処理しＳＵＳ３０４の部材１に接着した。
更に、図示しない前記バネが、摺動面から空気が系外に洩れないようなシール圧を付与する。同じく図示しないモータ駆動装置（動力源）から発生した駆動トルクを回転シャフト７を介して伝達し、回転部材４、６を一定回転数（例えば２〜５ｒｐｍ程度）で回転させる。水蒸気を含む空気を図示しないコンプレッサを用いて圧縮し、固定部材１、２に設けたシール面（図１（ｂ））のガス供給口（ポート穴）８より供給する。処理ガスを回転部材４、６に設けたシール面（図１（ｃ））の分配溝（接続流路）９を介し、固定部材１、２に設けたガス出口（ポート穴）１０の位置と分配溝９の位置とが一致するタイミングでガス出口１０より４つの処理工程へ供給する。
本実施例１の回転バルブは、大気より取り込んだ水蒸気を含む空気の温度、湿度、ならびに固定部材１、２と回転部材４、６の温度が変化した環境で運転した場合であって、水の凝縮、結露現象が起きても凝縮力によるトルク上昇はわずかであり摺動面からの洩れもなく安定した連続運転が長期に渡って可能であった。
［実施例２］
次に本発明に係る回転バルブの第２の実施例を、図２の構成図に従い説明する。本実施例２の回転バルブは、大気より込んだ水蒸気を含む空気を複数の処理工程へ供給するための、摺動面を含む表層部の全部が水の疎水性を有する材料から構成された摺動バルブである。
固定部材１はＰＴＦＥ系樹脂の単一材料からなり、本実施例では日本ピラー工業株式会社製Ｙ２Ａグレードを使用した。又、回転部材２も同様にＰＴＦＥ系樹脂の単一材料からなり、本実施例では日本ピラー工業株式会社製Ｈ４Ｃを使用した。その他の構造は、実施例１の場合と同様である。
本実施例２の回転バルブも、実施例１と同様、大気より取り込んだ水蒸気を含む空気の温度、湿度、ならびに固定部材１と回転部材２の温度が変化した環境で運転した場合であって、水の凝縮、結露現象が起きても凝縮力によるトルク上昇はほとんどなく、摺動面からの洩れもなく安定した連続運転が長期に渡って可能であった。
［比較例１］
次に本発明に係る回転バルブの比較例１として従来技術で使用されている親水性材料を摺動部材に用いた回転バルブを、図３の構成図に従い説明する。固定部材２’にはセラミックス材料を用いた。回転部材４’には、固体潤滑剤として汎用的に用いられる、炭素材料（カーボン又はグラファイト）を使用した。
本比較例１の摺動バルブは、大気より取り込んだ水蒸気を含む空気の温度、湿度、ならびに固定部材２’と回転部材である固体潤滑材４’の温度が変化した環境で運転した時に、水の凝縮、結露現象が起きた時に凝縮力によるトルク上昇が発生し、モータ駆動装置（動力源）の最大トルクを超え、回転不良を起こした。
［変形例］
以上添付図面を参照して本発明実施例について説明したが、本発明は上記の実施例１および実施例２に限定されるものではなく、本発明の精神ないし範囲内において種々の形態、変形、修正等が可能である。例えば、上記した本発明の回転バルブの各実施例において、各実施例の構成を吸着筒、又は反応器、集塵器を複数有するシステムへ処理ガスを分配する摺動バルブとして用いてもよい。
また、上記実施例１及び実施例２で用いる摺動部材を組合せて、例えば、固定部材を実施例１のように、摺動面側の疎水性部材２と、摺動面とは反対側の高剛性部材１とを接合した一体構造とし、回転部材を実施例２のように単一の疎水性部材４で構成しても良い。また、逆に、固定部材を実施例２のように、単一の疎水性部材２で構成し、回転部材を実施例１のように、摺動面側の疎水性部材４と、摺動面とは反対側の高剛性部材６とを接合した一体構造としたものであっても良い。
［効果の検証］
実施例１および実施例２ならびに比較例１の回転バルブを用い、凝縮水による摺動面での表面張力の影響を定量的に評価した。具体的には、摺動部材の雰囲気湿度を変化させ、高湿度環境で摺動面間に発生した凝縮水による表面張力の影響を摺動トルクを測定することで試験した。図４にトルク測定装置のブロック図を示す。恒温恒湿の室内において、温度を一定とし、相対湿度のみステップ状に変化させ、高湿度環境下での摺動トルクの変化を比較観察した。
図５に試験結果を示す。本発明の実施例１および実施例２では、比較例１に比べ、摺動面間に発生した凝縮水の表面張力による摺動トルク上昇は大幅に改善された。
【産業上の利用可能性】
【０００８】
本発明の回転バルブ及びそれを搭載した吸着分離装置においては、低湿度環境と高湿度環境との間での運転環境の変化に対しても回転バルブの摺動抵抗の変動を抑えることが可能となり、圧力変動吸着型酸素濃縮器などの本発明の回転バルブを使用した吸着分離装置の安定運転を実現することが出来る。
【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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【国際調査報告】
2007129679.tif 000008
2007129679.tif 000009
2007129679.tif 000010
2007129679.tif 000011