(57)【要約】  【課題】小型かつ軽量で製作コストが安価で済み、騒音が発生せず、人力でも駆動できる、混合気体から特定の気体を分離する気体分離装置並びにこの気体分離装置の原理を用いた酸素濃縮装置を提供すること。  【解決手段】  ＰＳＡ法を用いて混合気体より特定の気体を分離させるものであって、内部に混合気体より特定の気体を吸着させる吸着剤を収容させた吸着筒体と、この吸着筒体で吸着されなかった気体を貯留させる貯留容器と、前記吸着筒体と連通している前記混合気体の加圧と減圧を行う圧力変動装置とを含み、この圧力変動装置を動作させて前記混合気体を加圧させ、前記吸着筒体内部の吸着剤を通過させて前記混合気体の吸着分離を前記吸着剤で行い、減圧させて前記吸着剤に吸着された気体の脱着を行うように構成する。【選択図】        図１
2007021489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＳＡ法を用いて混合気体より特定の気体を分離させるものであって、内部に混合気体より特定の気体を吸着させる吸着剤を収容させた吸着筒体と、この吸着筒体で吸着されなかった気体を貯留させる貯留容器と、前記吸着筒体と連通している圧力変動装置とを含み、この圧力変動装置を動作させて前記吸着剤を介して前記混合気体の吸着分離と脱着を行う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】
前記吸着筒体と圧力変動装置が直結されていることにより連通さ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３】
前記吸着筒体と圧力変動装置が連通筒体を介して連通さ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４】
請求項１に記載の装置を用い、前記圧力変動装置によって前記混合気体を圧縮して前記吸着剤で当該混合気体の吸着分離を行い、前記圧力変動装置によって内部に減圧を生じさせ、分離した気体の一部を前記吸着体へ送り、前記吸着剤に吸着された気体の脱着を行うように構成したこと特徴とする、気体分離装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置を用い、前記圧力変動装置によって前記混合気体を圧縮して前記吸着筒体の吸着剤で当該混合気体の吸着分離を行い、続いて前記吸着体の圧力をほぼ大気圧に戻すと共に、分離した気体の一部を前記吸着体へ送り、前記吸着剤に吸着された気体の脱着を行うことを特徴とする、気体分離装置。
【請求項６】
ＰＳＡ法を用いて混合気体より特定の気体を吸着剤に吸着させて分離させる装置であって、
前記吸着剤を収容した吸着筒体と、この吸着筒体で吸着されなかった気体を貯留させる貯留容器と、前記混合気体を前記吸着筒体に導く圧力変動装置とを備え、
前記混合気体を大気圧又は大気圧に近い圧力で吸着筒体に導いて前記特定の気体を前記吸着剤に吸着させ、
前記圧力変動装置内を減圧にしてこの減圧により前記貯留容器内の気体を前記吸着筒体に導いて前記吸着剤を再生す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７】
ＰＳＡ法を用いて混合気体より特定の気体を吸着剤に吸着させて分離させる装置であって、
前記吸着剤を収容した吸着筒体と、この吸着筒体で吸着されなかった気体を排気させる排気手段と、前記混合気体を前記吸着筒体に導くと共に前記吸着筒体内を減圧して前記吸着剤に吸着された気体を脱着させる圧力変動装置と、前記吸着剤から脱着された気体を貯留する貯留容器とを備えたことを特徴とする、気体分離装置。
【請求項８】
ＰＳＡ法を用いて混合気体より特定の気体を吸着剤に吸着させて分離させる装置であって、
前記吸着剤を収容した吸着筒体と、この吸着筒体で吸着されなかった気体を貯留させる貯留容器と、前記混合気体を吸引してから前記吸着筒体に押し出して導く圧力変動装置とを備え、
前記貯留容器内の気体で前記吸着剤を再生するときに、前記圧力変動装置内への混合気体の吸引を行うように構成したことを特徴とする、気体分離装置。
【請求項９】
前記吸着筒体と前記圧力変動装置とを２組備え、これら２組の吸着筒体及び圧力変動装置のいずれか一方の吸着筒体及び圧力変動装置で特定の気体を前記吸着剤に吸着させてこの吸着剤で吸着されなかった気体を前記貯留容器に貯留させる吸着過程を行うときに、前記２組の吸着筒体及び圧力変動装置のいずれか他方の吸着筒体及び圧力変動装置で前記吸着剤を再生させると共にこの圧力変動装置内に混合気体を吸引させる再生・吸引過程とを行うことを特徴とする、請求項８に記載の気体分離装置。
【請求項１０】
前記圧力変動装置がベローズであることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の気体分離装置。
【請求項１１】
前記２つの圧力変動装置がベローズであり、これらベローズが、ピストンの往復移動により駆動されて前記吸着過程と再生・吸引過程とが行われるようにそれぞれシリンダ内に収容され、これらピストンのいずれか一方のピストンを移動させて前記一方の吸着筒体の吸着剤の再生を行うときに、前記ピストンのいずれか他方のピストンの移動により前記一方の吸着筒体を減圧する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１２】
前記吸着筒体と前記圧力変動装置とを一体化して脱着可能に形成することを特徴とする、請求項１、６、７、８、９又は１１に記載の気体分離装置。
【請求項１３】
前記吸着筒体が、前記圧力変動装置内に収容されていることを特徴とする、請求項１、６、７、８、９、１１又は１２に記載の気体分離装置。
【請求項１４】
ＰＳＡ法を用いて混合気体より特定の気体を分離させるものであって、前記混合気体より特定の気体を吸着させる吸着剤を収容させた吸着筒体と、この吸着筒体と連通している圧力変動装置としてのベローズと、このベローズを伸縮させるベローズ駆動機構と、前記ベローズ又は前記ベローズと前記吸着筒体との間に取り付けけられた吸排気手段と、前記吸着筒体の前記吸着剤によって吸着されなかった気体を貯留させる貯留容器と、この貯留容器と前記吸着筒体との間に設けられた、前記吸着筒体の前記吸着剤によって吸着されなかった気体を前記貯留容器へ導く通気機能及び前記貯留容器内の気体を脱着時に前記吸着筒体の吸着剤へ導く通気機能を有する通気制御手段と、前記貯留容器に取り付けられた気体取出管とを含むことを特徴とする、混合気体から特定の気体を分離する気体分離装置。
【請求項１５】
前記ベローズ駆動機構が、ボールネジ、ラックとピニオン等からなる直線駆動型アクチュエータであることを特徴とする、請求項１４に記載の気体分離装置。
【請求項１６】
前記ベローズ駆動機構が、クランク装置を用いたものであることを特徴とする、請求項１４に記載の気体分離装置。
【請求項１７】
前記ベローズ駆動機構が、板カムを用いたものであることを特徴とする、請求項１４に記載の気体分離装置。
【請求項１８】
前記混合気体が空気であり、請求項１乃至１７のいずれか一つに記載の装置を用いて酸素の分離濃縮を行うことを特徴とする、酸素濃縮装置。
【請求項１９】
前記混合気体が空気であり、前記吸着剤が、酸素を吸着する吸着剤であり、請求項１乃至１７のいずれか一つに記載の装置を用いて窒素の分離濃縮を行うことを特徴とする、窒素濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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）を用いた下記する特許文献に記載されたものが公知である。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１１３５２７号公開特許公報
【特許文献２】特開２０００−３７４５８号公開特許公報
【０００４】
この従来公知のＰＳＡ法は、混合気体を空気圧縮手段を用いて圧縮させて吸着剤の中を通し、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。
【０００５】
この場合、例えば空気中より酸素を分離するに当っては、ダイアフラムポンプ等のコンプレッサーを用いて圧縮させた空気を、ゼオライトのような窒素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、酸素を分離濃縮させ、吸着剤に吸着されている窒素等は、吸着筒体内の圧力を下げるか、更に減圧し大気圧まで戻すことによって脱着させ、排気する構成となっている。
【０００６】
近年、在宅、病院、施設等で酸素療法のため酸素濃縮装置を用いる患者や利用者が増えて来ている。この酸素濃縮装置として、ＰＳＡ法を用いたものが公知であるが、その空気圧縮手段としては、上述したダイアフラムポンプ等のコンプレッサーを用いている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した酸素療法に使用するＰＳＡ法を用いた酸素濃縮装置は、空気圧縮用のダイアフラムポンプ等のコンプレッサーが高価なことから、製作コストが高くつき、装置が嵩張り、重量がある上に、ダイアフラムポンプ等のコンプレッサーから発生する音がうるさく、消費電力も比較的大きいという問題点があった。
【０００８】
また、この従来公知の酸素濃縮装置は、上述したコンプレッサーを駆動させるために電気を必要とすることから、例えば地震の発生により電気が止まると、酸素を濃縮させることができないことになり、使用者にとっての不安が大きいものであった。
【０００９】
この発明の目的は、小型かつ軽量で製作コストが安価で済み、騒音が発生せず、人力でも駆動できる、混合気体から特定の気体を分離する気体分離装置並びにこの気体分離装置の原理を用いた酸素濃縮装置を提供せんとするにある。
【００１０】
以下にこの発明の実施例を、酸素療法に用いる酸素濃縮装置に実施した場合について説明するが、この発明は酸素療法に用いる酸素濃縮装置以外にも、上述したように、混合気体から特定の気体を分離する気体分離装置、並びに美容・健康機器（ダイエット、疲労回復、不摂生、並びにストレス解消）、並びに運動機器等に用いる酸素濃縮装置としても用いることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するためにこの発明は、ＰＳＡ法を用いて混合気体より特定の気体を分離させるものであって、内部に混合気体より特定の気体を吸着させる吸着剤を収容させた吸着筒体と、この吸着筒体で吸着されなかった気体を貯留させる貯留容器と、前記吸着筒体と連通している圧力変動装置とを含み、この圧力変動装置を動作させて前記吸着剤を介して前記混合気体の吸着分離と脱着を行うように構成したことを特徴とする。
【００１２】
その際にこの発明は、前記吸着筒体と圧力変動装置が互いに直結されることにより連通されていることを特徴とする。
【００１３】
この発明はさらに、前記吸着筒体と圧力変動装置が連通筒体を介して連通されていることを特徴とする。
【００１４】
この発明はさらに、前記圧力変動装置によって前記混合気体を圧縮して前記吸着剤で当該混合気体の吸着分離を行い、前記圧力変動装置によって内部に減圧を生じさせ、分離した気体の一部を前記吸着体へ送り、前記吸着剤に吸着された気体の脱着を行うように構成したこと特徴とする。
【００１５】
この発明はさらに、前記圧力変動装置によって前記混合気体を圧縮して前記吸着筒体の吸着剤で当該混合気体の吸着分離を行い、続いて前記吸着体の圧力をほぼ大気圧に戻すと共に、分離した気体の一部を前記吸着体へ送り、前記吸着剤に吸着された気体の脱着を行うことを特徴とする。
【００１６】
この発明はまた、ＰＳＡ法を用いて混合気体より特定の気体を吸着剤に吸着させて分離させる装置であって、前記吸着剤を収容した吸着筒体と、この吸着筒体で吸着されなかった気体を貯留させる貯留容器と、前記混合気体を前記吸着筒体に導く圧力変動装置とを備え、前記混合気体を大気圧又は大気圧に近い圧力で吸着筒体に導いて前記特定の気体を前記吸着剤に吸着させ、前記圧力変動装置内を減圧にしてこの減圧により前記貯留容器内の気体を前記吸着筒体に導いて前記吸着剤を再生するように構成したことを特徴とする。
【００１７】
この発明はまた、ＰＳＡ法を用いて混合気体より特定の気体を吸着剤に吸着させて分離させる装置であって、前記吸着剤を収容した吸着筒体と、この吸着筒体で吸着されなかった気体を排気させる排気手段と、前記混合気体を前記吸着筒体に導くと共に前記吸着筒体内を減圧して前記吸着剤に吸着された気体を脱着させる圧力変動装置と、前記吸着剤から脱着された気体を貯留する貯留容器とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
この発明はまた、ＰＳＡ法を用いて混合気体より特定の気体を吸着剤に吸着させて分離させる装置であって、前記吸着剤を収容した吸着筒体と、この吸着筒体で吸着されなかった気体を貯留させる貯留容器と、前記混合気体を吸引してから前記吸着筒体に押し出して導く圧力変動装置とを備え、前記貯留容器内の気体で前記吸着剤を再生するときに、前記圧力変動装置内への混合気体の吸引を行うように構成したことを特徴とする。
【００１９】
その際にこの発明は、前記吸着筒体と前記圧力変動装置とを２組備え、これら２組の吸着筒体及び圧力変動装置のいずれか一方の吸着筒体及び圧力変動装置で特定の気体を前記吸着剤に吸着させてこの吸着剤で吸着されなかった気体を前記貯留容器に貯留させる吸着過程を行うときに、前記２組の吸着筒体及び圧力変動装置のいずれか他方の吸着筒体及び圧力変動装置で前記吸着剤を再生させると共にこの圧力変動装置内に混合気体を吸引させる再生・吸引過程とを行うものである。
【００２０】
この発明はさらに、前記圧力変動装置をベローズとするものである。
【００２１】
この発明はさらに、前記２つの圧力変動装置がベローズであり、これらベローズが、ピストンの往復移動により駆動されて前記吸着過程と再生・吸引過程とが行われるようにそれぞれシリンダ内に収容され、これらピストンのいずれか一方のピストンを移動させて前記一方の吸着筒体の吸着剤の再生を行うときに、前記ピストンのいずれか他方のピストンの移動により前記一方の吸着筒体を減圧するものである。
【００２２】
この発明はさらに、前記吸着筒体と前記圧力変動装置とを一体化して脱着可能に形成するものである。
【００２３】
この発明はさらに、前記吸着筒体が、前記圧力変動装置内に収容されているものである。
【００２４】
この発明はまた、ＰＳＡ法を用いて混合気体より特定の気体を分離するものであって、前記混合気体より特定の気体を吸着させる吸着剤を収容させた吸着筒体と、この吸着筒体と連通している圧力変動装置としてのベローズと、このベローズを伸縮させるベローズ駆動機構と、前記ベローズ又は前記ベローズと前記吸着筒体との間に取り付けけられた吸排気手段と、前記吸着筒体の前記吸着剤によって吸着されなかった気体を貯留させる貯留容器と、この貯留容器と前記吸着筒体との間に設けられた、前記吸着筒体の前記吸着剤によって吸着されなかった気体を前記貯留容器へ導く通気機能及び前記貯留容器内の気体を脱着時に前記吸着筒体の吸着剤へ導く通気機能を有する通気制御手段と、前記貯留容器に取り付けられた気体取出管とを含むことを特徴とする。
【００２５】
その際にこの発明は、前記ベローズ駆動機構を、ボールネジ、ラックとピニオン等からなる直線駆動型アクチュエータとしたり、クランク装置を用いたものとしたり、板カムを用いたものとすることができる。
【００２６】
そして、この発明は、前記混合気体を空気として、当該空気中より酸素を分離濃縮させることにより、これを酸素濃縮装置とすることができる。
【００２７】
そして、この発明は、前記混合気体を空気とすると共に、前記吸着剤が、酸素を吸着する吸着剤として、当該空気中より窒素を分離濃縮させることにより、これを窒素濃縮装置とすることができる。
【発明の効果】
【００２８】
この発明は、ＰＳＡ法を用いて混合気体より特定の気体を分離するのに、吸着筒体と連通させたベローズのような圧力変動装置を用い、この圧力変動装置で気体の圧縮や減圧を行うようにしたので、装置の小型、軽量化を図り、安価で消費電力も少なく、しかも騒音も少ない気体分離装置を提供できるという効果を奏し得る。
【００２９】
また、圧力変動装置としてベローズを用いた場合には、高い加圧は必要ではなく、１ｋｇ/ｃｍ２Ｇ以下の僅かな加圧、或はー0.5ｋｇ/ｃｍ２Ｇ程度の僅かな減圧で足りるので、大きな駆動力を必要としないことから、人力で容易にベローズを駆動させることもできるものである。
【００３０】
したがって、この発明に係る気体分離装置の原理を用いて、在宅、病院、施設等で酸素療法を行っている患者や利用者が用いている酸素濃縮装置に実施すると、従来公知のものに比べて小型、軽量化が図れ、かつ安価で消費電力も少なく、騒音も少ない上に、人力でも駆動させることもでき停電の際にも安心であることから、その利便性が増大するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下にこの発明を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、この酸素濃縮装置は、上述したように、広く混合気体より特定の気体を分離する気体分離装置の構成を利用したものである。したがって、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、吸着剤として窒素を吸着するゼオライトを用いて、このゼオライトに空気を通過させることによって、酸素リッチガスが得られる。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、窒素リッチガスが得られる。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。
【実施例１】
【００３２】
図面によれば、図１において、指示記号１で示したものは圧力変動装置の１例としてのベローズであり、このベローズ１の下端部側には、口径を同じくした吸着筒体２が直接取り付けられている。ベローズ１は例えばポリプロピレン製であるが、他にもテフロン(登録商標)、ポリエチレン製、ニッケル、チタン、アルミニウム、青銅、丹銅、ステンレス鋼製等で、基本的に可撓性を有する材質であればよく、その材料及び構成に限定はない。その耐圧力は常圧（１ａｔａ）プラス・マイナス０．５〜１気圧まで耐えれば良い。さらに、圧力変動装置としてはシリンダー装置を用いても良い。なお、ベローズ１としては、高圧に耐え得るものを用いて良い。また、ベローズと吸着筒体とを一体化して脱着可能にカートリッジ式にしてもよい。このように、ベローズと吸着筒体とを一体化してカートリッジ式にすることで、簡単にメンテナンスや交換等を行える。また、吸着筒体をベローズ内に収容することで、圧縮効率が向上するので、効率よく酸素濃縮を行える。また、ベローズ内に収容する吸着筒体の位置がデッドボリュウームを含む位置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。
【００３３】
吸着筒体２内部には、例えばゼオライトから成る吸着剤２ａが収容されている。この吸着筒体２には、連通管３が取り付けられており、この連通管３は貯留容器４に接続されている。この連通管３の途中には、例えば逆止弁５と減圧弁６とから成る通気制御手段７が設置されている。尚、指示記号２ｂで示されたものは、アルミナやシリカゲル等から成る水分吸着剤である。
【００３４】
貯留容器４は、実施例ではベローズであり、その上部のベローズ端板８ａに重り８が載置されている。尚、この重り８は、貯留容器４の中の気体の圧力を保つためのもので、圧力を保つことができれば、必ずしも重り８に限らず、その他にも、つるべ式、バネ式、電気制御方式のものが考えられる。また、この貯留容器４は、ベローズに限定されない。シリンダー、或はアキュームレーターその他のものであっても良い。さらには単なる容器や、タンクであっても良い。この場合には容器やタンク内の気体の圧力はある程度変動するが、実用上は支障がない。貯留容器４の底部には、気体取出管９が接続されている。
【００３５】
ベローズ１の上部には、例えば吸排気弁から成る気体の吸排気手段１０が取り付けられると共に、ベローズ駆動機構１１が設置されている。尚、通気制御手段７と吸排気手段１０としては、先に説明した減圧弁や逆止弁、及び吸排気弁のような弁装置のほかに、開閉扉体や開閉蓋体、オリフィスとニードル、或は絞り装置等を用いて構成しても良い。吸排気手段１０は、ベローズ駆動機構１１により、機械的あるいは電子的にその開閉を制御される。
【００３６】
このベローズ駆動機構１１は、例えば図２に示したような構成である。図面によれば、ベローズ１のベローズ端板１ａの上部中央部には、ボールネジ１２が立設されており、このボールネジ１２にナット部１３ａをネジ着させてハウジング１３が取り付けられている。つまり、ハウジング１３にナット部１３ａが設けられている。このハウジング１３には、一側部に回り止め部材１４，１４が取り付けられ、この回り止め部材１４，１４は、回り止めロッド１５を挿通固定させることにより、ハウジング１３の回転を阻止している。ハウジング１３には、さらに、例えば回転数検出機構１６ａ付きの駆動モータ１６が取り付けられており、この駆動モータ１６の回転軸１６ｂに取り付けた駆動プーリ１７に懸架したタイミングベルト１８は、ハウジング１３のナット部１３ａに同軸に取り付けた従動プーリ１９に懸架されている。尚、ボールネジはこれをラックとし、このラックをピニオンで軸方向へ摺動させるという公知構成の駆動機構でベローズを駆動させることができる。公知構成なので図示は省略する。
【００３７】
尚、駆動プーリ１７と従動プーリ１９とタイミングベルト１８から成る駆動力伝達手段Ａは、これをスプロケットとチェーン、ギア式、摩擦車等、種々の公知構成の駆動力伝達手段に代えても良い。
【００３８】
したがって、ハウジング１３又はハウジング１３に取り付けてある駆動モータ１６を固定しておけば、駆動モータ１６の回転は、タイミングベルト１８を介してハウジング１３のナット部１３ａに伝達され、ナット部１３ａが回転することによって、ボールネジ１２がベローズ端板１ａと共に上下動してベローズ１の伸縮を行う構成となっている。
【実施例２】
【００３９】
図３と図４は、ベローズ駆動機構１１の他の実施例を示す。この図３のものは、ベローズ駆動機構１１をクランク装置で構成したものであり、図面によれば、指示記号２０で示したものは、ベローズ２１のベローズ端板２１ａに取り付けた伸縮用ロッドであり、この伸縮用ロッド２０には、連結ロッド２２の一端が旋回可能に連結されている。この連結ロッド２２の自由端側には回転軸２３に取り付けられたクランク棒２４の自由端側が枢着されている。回転軸２３は駆動モータ２５に減速機２６を介して連結されている。
【００４０】
したがって、駆動モータ２５が回転すると、この回転駆動力は回転軸２３、クランク棒２４、連結ロッド２２を介して伸縮用ロッド２０の往復動作に変換され、ベローズ２１の伸縮動作を行わせるものである。尚。指示記号２７は回転軸２３の回転角度検出機構であり、これによりベローズ２１の位置情報を知ることができる。
【００４１】
次に、上述したこの発明に係る酸素濃縮装置を用いて酸素を分離濃縮する場合について、図１の本願発明を概略的に示す図面と、図２に示したベローズ駆動機構１１と、図５のタイミングチャートを用いて説明する。
【００４２】
まず、ベローズ１が最も引き伸ばされた状態（上死点）において、該ベローズ１内には、例えば吸排気弁から成る吸排気手段１０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。
【００４３】
次いで、ベローズ駆動機構１１を用いてベローズ１を圧縮して行くと、該ベローズ１は上死点から下死点に向かって押し縮められて行き、図５のタイミングチャート（ｅ）図に示したように、Ｂ点に達した時に（ｂ）図に示したように吸排気手段１０が閉じられ、ベローズ１内の空気は圧縮されて圧力が上昇して行く。次いで（ｅ）図に示したようにベローズ１がＣ点に達してベローズ１内の圧力が所定の圧力（所定の圧力は実施例毎に任意に設定される。）を越えると、（ｃ）図に示したように、通気制御手段７の逆止弁５が自動的に開いて、圧縮された空気は吸着筒体２内を通る。その際に吸着剤によって窒素が吸着され、残った酸素が連通管３、逆止弁５を介して貯留容器４内へ送り込まれる。
【００４４】
尚、ベローズ１が押し縮めを開始するＡ点で吸排気手段１０を閉じずに、（ｂ）図に示したようにＢ点で閉じる理由は、吸着過程で送り込む気体体積よりも、脱着で引き抜く気体体積を大きく取らないと、所定の減圧が得られないために、吸着過程で送り込む気体量を減らし、相対的に脱着時に引き抜く気体体積を増すためである。即ち、（ｂ）図のＡ点、Ｂ点間で加圧空気の送入量の調節を行っているわけである。したがって、ベローズ１の押し縮めの始めの時点ではなく、終わりに近い時点で吸排気手段１０を開くタイミングを早めても良い。即ち、（ｂ）図のＤ点を早い時間の方へ移動することで加圧空気の送入量を調節しても良い。
【００４５】
貯留容器４は、実施例ではベローズであり重り８によって始めは押し縮められた状態にあり、吸着に必要な圧力を保っている。逆止弁５は、ベローズ１の圧力が貯留容器４内の圧力より高まると、自動的に開く構成であり、上述したようにベローズ１内の圧力が貯留容器４内の圧力より高まると、自動的に開いてベローズ１内の空気を吸着筒体２と連通管３を通して貯留容器４内へ送る構成である。
【００４６】
ベローズ１がさらに押し縮められてベローズ端板位置が、（ａ）図のＥに示した下死点到達直前に、（ｂ）図のＤに示したように、吸排気手段１０が開かれ、加圧された空気が放出されてベローズ１内の圧力が（ｅ）図のＥに示したように、急速に低下し大気圧となる。
【００４７】
ベローズ１がさらに押し縮められて（ａ）図のＥ点（下死点）に達すると、吸排気手段１０が閉じられ、ベローズ１はベローズ駆動機構１１を介して引き伸ばされる方向へ動き始める。すると、ベローズ１内の圧力は低下し始め、（ｅ）図に示したように、Ｆ点で所定の圧力（この所定の圧力は実施毎に任意に設定される。）以下になると、減圧弁６が開いて貯留容器４内の酸素がベローズ１内の圧力が所定の圧力（減圧）を維持する程度に吸着筒体２内を通過し、吸着剤２ａに吸着していた窒素を脱着しながらベローズ１内へ流れ込み、以後ベローズ１内の圧力は所定の圧力を維持しつつ、ベローズ駆動機構１１により、ベローズ１が最も引き伸ばされた（ａ）図の上死点Ｇに至り、吸着剤に吸着されている窒素の脱着が行われる。
【００４８】
次いで、ベローズ１は再び押し縮める方向へ動き、（ｂ）図のＧに示したように、吸排気手段１０を開いて、ベローズ１内の窒素過多の混合気体が外部へ排出させる。ベローズ１が押し縮められて（ａ）図の下死点Ｈに達すると、（ｂ）図のベローズ１は再び引き伸ばされ、開いている吸排気手段１０を介して空気を吸い込み、上死点Ｉ（一巡してＡに対応）に達し、以後始めから（ａ）図に示したように、吸着過程、脱着過程、排気過程、吸気過程を繰り返し、空気より酸素を分離濃縮することができるものである。なお、以上に述べた吸排気手段の開閉タイミング、逆止弁及び減圧弁の圧力設定は必要に応じ適宜に変更することができる。すなわち、例えば、はじめに吸排気手段を閉じるタイミングはＢ点ではなくＡ点であってもよく、また、次にＥ点少し前(Ｄ点)で短時間開くタイミングもＥ点直後であってもよい。また、通気制御手段７としての逆止弁５及び減圧弁６は、電磁弁に替え、電磁弁を制御手段からの信号で適宜に開閉するようにしてもよい。また、さらには、通気制御手段として、絞り弁、オリフィス単独あるいは逆止弁などと組み合わせても目的を達することができる。
【００４９】
尚、排気過程と吸気過程（Ｇ点からＩ点まで）では、加圧または減圧を行わないので、負荷のかからないベローズ１の押し縮め、引き伸ばしの速度を早めに短時間で済ませることで、単位時間当たりの酸素発生量を増すことができる。
【００５０】
吸着筒体２がベローズ１と接続される側にアルミナやシリカゲル等の水分吸着剤を充填すると、空気中に含まれている水分がこのアルミナやシリカゲルに吸着されて、吸着剤による気体の吸着能力が水分によって減殺されてしまうことを防止できる。
【００５１】
この吸着筒体２内を通る空気の圧力は、特に限定されないが、たとえば、１．７〜１．１ataであることが好ましい。この圧力の調整は前記の逆止弁の圧力設定、またその代替手段としての電磁弁のタイミング、絞り弁、オリフィスの開度の調節によって実施できる。すなわち吸着の圧力を上げるには逆止弁、減圧弁の場合は差圧設定を大きくし、電磁弁では開くタイミングを遅らせ、絞り弁、オリフィスでは開度を小さくする。吸着過程の圧力が１．１ataのように大気圧に近い場合には、脱着過程の圧力はできるだけ低い圧力(減圧)で行うことが好ましく、特に限定するものではないが、０．７〜０．３ataが好ましい。より圧力を低くするためには、減圧弁６またはその代替手段としての逆止弁あるいはオリフィスの差圧が大きくなるように設定(減圧弁、逆止弁では圧力(差)の設定を大きくする。絞り弁、オリフィスでは開度を小さくする)を行えばよい。
【実施例３】
【００５２】
また、気体の吸脱着を行うベローズの数は、以上の説明では１本のものを示したが、複数本にすることは任意である。複数本の場合とくに、一方の脱着過程の時間帯に他方の吸着過程（酸素を分離している過程）の時間帯が隙間なく重なるようにここの位相（タイミング）を調節することによって、間断なく酸素を発生させることができる。
【実施例４】
【００５３】
図６は他の実施例を示す。図面によれば圧力変動装置としてのベローズ３０は連通筒体３１を介して吸着筒体３２に接続されている。そして、この連通筒体３１にベローズ３０の吸排気手段３３が取り付けられている。さらに、その他の実施例として、図示を省略するが、吸排気手段３３を吸着筒体３２へ取り付けることもできる。
【００５４】
このように構成してもこの発明の目的は達成できる。
【実施例５】
【００５５】
次に、図１に示した酸素濃縮装置と、図２や図３と図４に示したベローズ駆動機構１１と、図５のタイミングチャートを用い、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、1分間当たり以下に記載したような濃度を持つ酸素を得ることができた。
【００５６】
（１）ベローズは、ポリプロピレン製の長さ２０ｃｍ、直径１２ｃｍのものを２本使用すると共に、吸着筒体は、直径をベローズと同じ１２ｃｍとし、長さは１０ｃｍとした。共に１．２５〜０．７５ａｔａの圧力に耐えるものとした。そして、吸着筒体の長さ７ｃｍ分にゼオライトを充填し、残った３ｃｍにシリカゲルを充填した。ベローズ駆動機構に用いる駆動モータには、２０Ｗのものを各ベローズ駆動用に１台ずつ合計で２台用いた。吸脱着切換時間は５秒毎とし、吸着過程の圧力１．２５ａｔａ（大気圧プラス０．２５気圧）、脱着過程の圧力０．７５ａｔａ（大気圧マイナス０.２５気圧）において酸素の回収率５０％とした場合、濃度９５％の酸素を１分当たり1，１２６ｍｌ得ることができた。
【００５７】
（２）（１）と同じ条件で酸素の回収率を９０％とした場合、濃度９０％の酸素を１分当たり２，０２６ｍｌ得ることができた。
【００５８】
（３）吸脱着切換時間を６秒とし、酸素の回収率５０％として他の条件は（１）と同じにした場合、濃度７３％の酸素を１分当たり２，４７６ｍｌ得ることができた。
【００５９】
上記（１）（２）（３）のいずれの場合においても、駆動モータの消費電力は、電動モータ２台で３７Ｗ（蛍光灯１灯分）であった。また、小型の電動モータで足りることから、騒音も少なく、かつ、安価に製造することができた。
【実施例６】
【００６０】
図７は、ベローズ駆動機構の他の実施例を模式的に示すもので、図面によれば、この実施例のベローズ駆動機構３５は、ベローズ３６の上部のベローズ端板３６ａにその下端部を取り付けたピストン杆３７と、このピストン杆３７の上端部に一端部を連結させた連接棒３８と、この連接棒３８の他端部を連結させたはずみ車３９とから成るものである。このはずみ車３９を、図示してない電動モータ或は人力による足踏ペダル等で回転させることにより、ベローズ３６の圧縮・伸長を行うものである。勿論、この実施例は模式的なものであるので、はずみ車３９を回転させる駆動手段の構成については、さまざまな公知構成のものを用いることができる。尚、指示記号３４で示したものは、ベローズ３６の吸排気手段であり、指示記号３６ｂで示したものは吸着筒体である。
【００６１】
このように構成しても、ベローズ３６を駆動でき、かつ人力を用いたベローズ駆動機構を構成し易いという利点がある。
【実施例７】
【００６２】
図８は、ベローズ駆動機構のさらに他の実施例を模式的に示すもので、図面によれば、この実施例のベローズ駆動機構４０は、ベローズ４１と、このベローズ４１のベローズ端板４１ａにその外周を当接させた円盤状の板カム４２とで構成されている。この板カム４２を電動モータや人力による足踏みペダルで回転させてベローズ４１を上下動させ、圧縮、伸長を行うるものである。尚、指示記号４３で示したものは、ベローズ４１の吸排気手段であり、指示記号４１ｂで示したものは吸着筒体である。
【００６３】
このように構成してもこの発明の目的は達成でき、かつ、人力を用いた駆動機構を構成し易いという利点がある。
【実施例８】
【００６４】
図９は、ベローズ駆動機構のさらに他の実施例を模式的に示すもので、図面によれば、この実施例によるベローズ駆動機構４５は、ベローズ４６と、このベローズ４６の上部に取り付けたピストン杆４７と、このピストン杆４７の上端部に連結した足踏み乃至手押し用の押圧部材４８で構成されており、押圧部材４８を足や手を用いて上下動させることにより、ピストン杆４７を介して、人力でベローズ４６を駆動させることができるものである。尚、指示記号４６ａで示したものは吸着筒体であり、指示記号４９で示したものは、ベローズ４６の吸排気手段である。
【００６５】
このように構成すると、停電時や外出時その他の理由で電気が使えない場合にも、ベローズ４６を人力で駆動できるという利点がある。
【実施例９】
【００６６】
図１０乃至図１４は、この発明に係る酸素濃縮装置を健康機器に実施した場合を説明する説明図である。図面によれば、図１０乃至図１１は、ルームランナーに実施した場合を示し、ルームランナー５０の運動ベルト５１を回転させる回転軸５２の回転駆動力を、歯車やチェーンとスプロケット等から成る公知構成の駆動力伝達手段５３を介してベローズ５４のベローズ駆動機構５５へ伝達して当該ベローズ５４を駆動するもので、利用者がルームランナー５０を使用すると、回転軸５２の回転によりベローズ駆動機構５５を駆動させて酸素濃縮装置５６で濃縮された酸素が得られ、この濃縮された酸素は貯留容器５７より可撓性パイプ５８を介して酸素マスク５９に導かれ、この酸素マスク５９を装着してルームランナー５０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ものである。また、尚、指示記号５４ａで示したものは吸着筒体である。さらに、指示記号５６ａで示したものは、ベローズ５４の吸排気手段であり、指示記号５６ｂで示したものは、通気制御手段である。
【００６７】
尚、濃縮された酸素は、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できる。
【００６８】
図１２乃至図１３は、この発明に係る酸素濃縮装置をエアロバイク等の健康機器に実施した場合を示す。図面によれば、エアロバイク６０の足踏みペダル６１の回転軸６２の回転駆動力を利用し、歯車やチェーンとスプロケット等の公知の駆動力伝達手段６６によって、酸素濃縮装置６３のベローズ６４のベローズ駆動機構６５を駆動させて濃縮された酸素を得るものである。尚、指示記号６４ａで示したものは吸着筒体である。さらに、指示記号６７で示したものは、酸素の貯留容器であり、指示記号６８で示したものは、ベローズ６４の吸排気手段である。指示記号６９で示したものは、通気制御手段である。さらに、このエアロバイク６０で濃縮された酸素を使用者へ供給する手段については、図１０乃至図１１のところで説明した場合と同じであるので説明を省略する。
【００６９】
図１４は、この発明に係る酸素濃縮装置を足踏み健康器へ実施した場合を示す。図面によれば足踏み健康器７０の左右のステップ７１，７１の下部に酸素濃縮装置７２，７２のベローズ７３，７３のベローズ駆動機構７４，７４を設け、ステップ７１，７１を足で踏んで上下動させる時にベローズ駆動機構７４，７４を動作させて酸素を濃縮させ、貯留容器７５へ貯留させるものである。尚、指示記号７３ａで示したものは吸着筒体である。さらに、指示記号７６，７６で示したものは、通気制御手段であり、ベローズ７３，７３の吸排気手段は、図示してないがベローズ駆動機構７４，７４内に設けられている。
【００７０】
この実施例の場合、左右のステップ７１，７１のバランスを取るために左右一対のベローズ７３，７３と、ベローズ駆動機構７４，７４を設置したものを用いたが、一組だけであっても良い。尚、濃縮された酸素を使用者へ供給する手段については、図１０乃至図１１のところで説明した通りであるので説明を省略する。
【００７１】
以上、図１０乃至図１４のように実施すると、使用者に有酸素運動を行わせることができ、これにより疲労回復、ダイエットを始めとする健康増進に役立てることができる。
【実施例１０】
【００７２】
図１５は第２の気体分離装置の一例を示す図である。第２の気体分離装置は、図１５に示すように、吸着剤１０１を収容した吸着筒体１０２と、この吸着筒体１０２で吸着されなかった気体を排気させる排気手段１０３と、混合気体を吸着筒体１０２に導くと共に吸着筒体１０２内を減圧して吸着剤１０１に吸着された気体を脱着させる圧力変動装置と、吸着剤から脱着された気体を貯留する貯留容器１０５とを備えたことに特徴がある。
【００７３】
圧力変動装置としては、特に限定されず、例えば、ベローズ１０４等である。ベローズ１０４内に吸着筒体１０２が収容されている。吸着筒体１０２は、有底筒体状、例えば、有底円筒体状に形成されている。吸着筒体１０２は、ベローズ１０４内の圧力変動が吸着筒体１０２内に影響が及ぼさないようにベローズ１０４内に収容されている。具体的には、吸着筒体１０２は、ベローズ１０４の固定側のベローズ端板１０４ａにその開口部が閉塞されるようにベローズ１０４内に収容されている。この吸着筒体１０２の開口部には、連通管１０７が接続されている。
【００７４】
連通管１０７は分岐され、一方の第１連通管１０８には、排気手段１０３としての排気逆止弁１０９が設けられている。他方の第２連通管１１０には、脱着絞り弁１１１が設けられている。第２連通管１１０は、開閉弁である脱着電磁弁１１２を介して貯留容器１０５（例えば、ベローズ等）に接続されている。脱着絞り弁１１１は、逆止弁機能を有しているものが好ましい。貯留容器１０５には、酸素取出絞り弁１３１を有する酸素取出管１３２が接続されている。
【００７５】
吸着筒体１０２内の底部には、多孔板１２１が設けられて２重底に形成さている。多孔板１２１の孔は、吸着剤１０１が通らない径で形成されていることが好ましい。この多孔板１２１上の吸着筒体１０２内が、酸素を吸着する吸着剤１０１、例えば、活性炭、分子ふるい炭等が収容されて酸素吸着層１２２として形成されている。この多孔板１２１と底部との間の空間は、拡散部１２３として形成されている。この拡散部１２３には、導管１１３が接続されている。この導管１１３は、多孔板１２１及び固定側のベローズ端板１０４ａを介してベローズ１０４外に延びている。この第２導管１１３は、開閉弁である送気電磁弁１１４及び開閉弁である発生酸素電磁弁１１５を介して貯留容器１０５に接続されている。
【００７６】
また、ベローズ１０４には、吸気管１１６が接続されている。吸気管１１６は、送気電磁弁１１４と発生酸素電磁弁１１５との間の導管１１３を介してから、開閉弁である吸気電磁弁１１７が設けられている。
【００７７】
次にこの気体分離装置１００を用いて酸素を濃縮する場合について説明する。
【００７８】
まず、ベローズ１０４が最も引き伸ばされた状態において、ベローズ１０４内には、例えば、吸気電磁弁１１７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（図１５（ａ）参照。）。このように、ベローズ１０４内に空気が導入されているときに、吸気電磁弁１１７、発生酸素電磁弁１１５及び脱着電磁弁１１２を閉じると共に、送気電磁弁１１４を開ける。
【００７９】
この状態において、ベローズ駆動機構によりベローズ１０４を押し縮めて圧縮する。すると、ベローズ１０４内の空気が、送気電磁弁１１４を介して吸着筒体１０２内の拡散部１２３に導かれる。この空気は、多孔板１２１から酸素吸着層１２２内に拡散されつつ入り、そこで、空気中の酸素が吸着剤１０１に吸着される（吸着過程）。酸素が分離された気体は、排気逆止弁１０９を介して大気に放出される。
【００８０】
次に、圧縮されている（縮んでいる）ベローズ１０４を引き伸ばすことにより（図１５（ｂ）参照。）、ベローズ１０４内が減圧になって吸着剤１０１に吸着されている酸素が脱着される（脱着過程）。このとき、吸気電磁弁１１７及び発生酸素電磁弁１１５を閉じると共に送気電磁弁１１４を開ける。これにより、吸着剤１０１から脱着された酸素がベローズ１０４内に至る。また、脱着電磁弁１１２を開けて、貯留容器１０５内の少量の酸素を脱着電磁弁１１２を介して酸素吸着層１２２内に供給することにより、吸着剤１０１（例えば活性炭）の粒子間に気体の流れができるので、吸着剤１０１からの酸素の脱着が促進される。
【００８１】
そして、吸気電磁弁１１７、送気電磁弁１１４及び脱着電磁弁１１２を閉じると共に、発生酸素電磁弁１１５を開けた状態で、ベローズ１０４を押し縮めて圧縮する（図１５（ｃ）参照。）。これにより、ベローズ１０４内の酸素が貯留容器１０５へ流れる（貯留過程）。次に、吸気電磁弁を１１７開けると共に、送気電磁弁１１４、発生酸素電磁弁１１５及び脱着電磁弁１１２を閉じた状態でベローズ１０４を引き伸ばす（図１５（ｄ）参照。）。これにより、ベローズ１０４内が減圧になるので、空気が吸気電磁弁１１７を介してベローズ１０４内に吸引される（吸気過程）。
【００８２】
これら４つの過程を順次行うことにより、アルゴンを含まない高濃度の酸素を得ることができる。すなわち、吸着剤として窒素を吸着する例えばゼオライトを用いる場合には、ゼオライトで空気中の窒素のみを選択的に吸着して酸素リッチガスが得られるが、この酸素リッチガス中には、空気中のアルゴンが含まれているので、酸素リッチガス中の酸素濃度は９５％以上の高濃度とすることができなかった。このため、吸着剤として酸素を吸着する吸着剤１０１として例えば活性炭を用いて、この活性炭に空気中の酸素を吸着させてからこの活性炭の酸素を脱着させることにより、アルゴンを含まない高濃度の酸素を得ることができる。
【００８３】
また、このアルゴンを含まない高濃度の酸素を、さらに窒素を吸着する吸着剤を用いてＰＳＡ法でさらに処理することにより、一層窒素を含まないと共にアルゴンを含まない高濃度の酸素を得ることができる。
【実施例１１】
【００８４】
図１６は第３の気体分離装置の一例を示す図である。第３の気体分離装置は、図１６に示すように、吸着剤２０１を収容した吸着筒体２０２と、この吸着筒体２０２で吸着されなかった気体を貯留させる貯留容器２０５と、混合気体を吸引してから吸着筒体２０２に導く圧力変動装置とを備え、貯留容器２０５内の気体で吸着剤２０１を再生するときに、圧力変動装置内への混合気体の吸引を行うように構成したことに特徴がある。
【００８５】
圧力変動装置としては、特に限定されず、例えば、ベローズ２０４等である。ベローズ２０４内に吸着筒体２０２が収容されている。吸着筒体１０２は、有底筒体状、例えば、有底円筒体状に形成されている。吸着筒体２０２は、ベローズ２０４内の圧力変動が吸着筒体２０２内に影響が及ぼさないようにベローズ２０２内に収容されている。具体的には、吸着筒体２０２は、ベローズ２０４の固定側のベローズ端板２０４ａにその開口部が閉塞されるようにベローズ２０４内に収容されている。この吸着筒体１０２の開口部には、連通管２０７が接続されている。
【００８６】
連通管２０７は、逆止弁２０８及び再生絞り弁２０９を有する通気制御手段２０３を介して貯留容器２０５（例えば、ベローズ等）に接続されている。再生絞り弁２０９は、逆止弁機能を有しており、気体が貯留容器２０５から吸着筒体２０２へは流れるが、その逆方向には流れないようになっている。貯留容器２０５には、酸素取出絞り弁２３１を有する酸素取出管２３２が接続されている。
【００８７】
吸着筒体２０２内の底部には、多孔板２２１が設けられて２重底に形成さている。多孔板２２１の孔は、吸着剤２０１が通らない径で形成されていることが好ましい。この多孔板２２１上の吸着筒体２０２内が、窒素を吸着する吸着剤２０１、例えば、ゼオライト等が収容されて吸着層２２２として形成されている。この多孔板２２１と底部との間の空間は、拡散部２２３として形成されている。この拡散部２２３には、第１導管２１０が接続されている。この第１導管２１０は、多孔板２２１及び固定側のベローズ端板２０４ａを介してベローズ２０４外に延びている。この第１導管２１０は、開閉弁である排気電磁弁２１１が設けられている。
【００８８】
また、ベローズ２０４には、吸気管２１２が接続されている。吸気管２１２は、開閉弁である吸気電磁弁２１３が設けられている。この吸気電磁弁２１３よりベローズ２０４側の吸気管２１２と、排気電磁弁２１１よりベローズ２０４側の第１導管２１０とには、第２導管２１４が接続されている。この第２導管２１４には、開閉弁である送気電磁弁２１５が設けられている。
【００８９】
次にこの気体分離装置２００を用いて酸素を濃縮する場合について説明する。
まず、ベローズ２０４が最も引き伸ばされた状態において、ベローズ２０４内には、例えば、吸気電磁弁２１３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（図１６（ａ）参照。）。このように、ベローズ２０４内に空気が導入されているときに、吸気電磁弁２１３及び排気電磁弁２１１を閉じると共に、送気電磁弁２１５を開ける。この状態において、ベローズ２０４を押し縮めて圧縮する。
【００９０】
すると、ベローズ２０４内の空気が、送気電磁弁２１５を通って吸着筒体２０２内の拡散部２２３に導かれる。この空気は、多孔板２２１から吸着層２２２内に拡散されつつ入り、そこで、空気中の窒素が吸着剤２０１に吸着される。窒素が分離された気体は、気体の圧力によって通気制御手段２０３の逆止弁２０８を自動的に開いて、逆止弁２０８を介して貯留容器２０５へ流れる。この逆止弁２０８はリリース弁機能を有するものが好ましく、これにより、貯留容器２０５へ流れる方向であっても一定の圧力になるまでは逆止弁２０５が開かず気体の流れが阻止されている。その結果、逆止弁２０５を開いて貯留容器２０５へ流れるには、吸着筒体２０２内が加圧状態になることになる。
【００９１】
次に、吸着剤２０１の再生を行う場合には、送気電磁弁２１５を閉じると共に、吸気電磁弁２１３及び排気電磁弁２１１を開ける。この状態において、圧縮されている（縮んでいる）ベローズ２０４を引き伸ばす（図１６（ｂ）参照。）。これにより、ベローズ２０４内が減圧になるので、空気が吸気電磁弁２１３を介してベローズ２０４内に吸引される。すなわち、ベローズ２０４では吸気過程が行われる。
【００９２】
このとき、貯留容器２０５内の気体が再生絞り弁２０９を介して吸着筒体２０２内を空気とは逆方向に流れる。これにより、吸着剤２０１に吸着されていた窒素が脱着されて、吸着剤２０１の再生が行われる。この窒素が貯留容器２０５からの気体と共に、排気電磁弁２１１を介して外部に放出される。すなわち、吸着筒体２０２では吸着剤２０１の再生過程が行われる。
【００９３】
したがって、吸気過程と再生過程とを同時に行うので、効率よく酸素リッチガスが得られることになる。すなわち、吸着剤２０１の再生を行った後にベローズ内に空気を吸引する吸気を行う場合に比して、１サイクル時間を短くすることができる。また、一定時間内でより多量の酸素リッチガスが得られる。
【実施例１２】
【００９４】
図１７は第４の気体分離装置の一例を示す図である。第４の気体分離装置は、図１７に示すように、ベローズ３０１を２つ設けて一層効率よく酸素リッチガスを得るようにしたものである。
【００９５】
ベローズ３０１を２つ設けた気体分離装置としては、特に限定されないが、例えば、ベローズ３０１がシリンダ３０５内に収容されていることが好ましい。シリンダ３０５内には、ピストン３０６が移動可能に設けられている。このピストン３０６で区画されたシリンダ３０５内が気密状態に保持されていると共に、ベローズ３０１が収容されている。
【００９６】
ベローズ３０１は、シリンダ３０５の先端部を固定側のベローズ端板として形成されていると共に、ピストン３０６を移動側のベローズ端板として形成されてなるものである。ベローズ３０１内には、多孔板３２１を有する２重底の吸着筒体３０２が収容されている。多孔板３２１上に吸着剤３０３としての例えばゼオライトが収容されて吸着層３２２として形成されていると共に、多孔板の下方は拡散部３２３として形成されている。
【００９７】
また、ピストン３０６には、ピストンロッド３０７が接続され、このピストンロッド３０７がシリンダ３０５を貫通する箇所には例えば、Ｏリング（図示せず）等が用いられて、ピストンロッド３０７が延びるシリンダ室（ピストン下室３０８ということがある。）内が気密状態に保持されるようになっている。
【００９８】
このベローズ３０１を収容したシリンダ３０５・ピストン３０６が２つ設けられており、便宜上、一方が第１ベローズ３０１及び第１シリンダ３０５等とし、他方が第２ベローズ３０１及び第２シリンダ３０５等とする。第１ベローズ３０１の固定側のベローズ端板及び第２ベローズ３０１の固定側のベローズ端板には、第１連通管３３１ａ及び第２連通管３３１ｂがそれぞれ接続されている。第１連通管３３１ａ及び第２連通管３３１ｂには、第１オリフィス３３２ａ及び第２オリフィス３３２ｂがそれぞれ設けられている。第１オリフィス３３２ａ及び第２オリフィス３３２ｂは、気体が通過する際の抵抗であり、吸着筒体３０２内を加圧状態に保持する働きをするものである。第１連通管３３１ａ及び第２連通管３３１ｂは、貯留容器３１０に接続されている。貯留容器３１０には、酸素取出絞り弁３１１を有する酸素取出管３１２が接続されている。
【００９９】
第１シリンダ３０５のピストン下室３０８には、第１排気逆止弁３３３ａを有する第１排気管３３４ａが接続されている。第２シリンダ３０５のピストン下室３０８には、第２排気逆止弁３３３ｂを有する第２排気管３３４ｂが接続されている。また、第１ベローズ３０１には、第１吸気逆止弁３３５ａを有する第１吸気管３３６ａが接続されている。第２ベローズ３０１には、第２吸気逆止弁３３５ｂを有する第２吸気管３３６ｂが接続されている。
【０１００】
第１吸気逆止弁３３５ａより第１ベローズ３０１側の第１吸気管３３６ａには、第１吸着電磁弁３３７ａを有する第１吸着管３３８ａが接続されている。第２吸気逆止弁３３５ｂより第２ベローズ３０１側の第２吸気管３３６ｂには、第２吸着電磁弁３３７ｂを有する第２吸着管３３８ｂが接続されている。第１吸着管３３８ａ及び第２吸着管３３８ｂは、第１吸着筒体３０２の拡散部３２３及び第２ベローズ３０２の拡散部３２３にそれぞれ接続されている。
【０１０１】
第１吸着電磁弁３３７ａより第１吸着筒体３０２側の第１吸着管３３８ａには、第１減圧電磁弁３３９ａを有する第１減圧管３４０ａが接続されている。第２吸着電磁弁３３７ｂより第２吸着筒体３０２側の第２吸着管３３８ｂには、第２減圧電磁弁３３９ｂを有する第２減圧管３４０ｂが接続されている。第１減圧管３４０ａは、第２排気逆止弁３３３ｂより第２ピストン３０５側の第２排気管３３４ｂに接続されている。第２減圧管３４０ｂは、第１排気逆止弁３３３ａより第１ピストン３０５側の第１排気管３３４ａに接続されている。
【０１０２】
次にこの気体分離装置３００を用いて酸素を濃縮する場合について説明する。
【０１０３】
まず、第１ベローズ３０１が最も引き伸ばされた状態において、第１ベローズ３０１内には、例えば、第１吸気逆止弁３３５ａ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（図１７（ａ）参照。）。このように、第１ベローズ３０１内に空気が導入されているときに、第１減圧電磁弁３３９ａを閉じると共に、第１吸着電磁弁３３７ａ（及び第２減圧電磁弁３３９ｂ）を開ける。この状態において、第１ピストンロッド３０７を介して第１ベローズ３０１を押し縮めて圧縮する。すると、第１ベローズ３０１内の空気が、第１吸着電磁弁３３７ａを通って吸着筒体３０２内の拡散部３２３内に導かれる。この空気は、多孔板３２１から吸着層３２２内に拡散されつつ入り、そこで、空気中の窒素が吸着剤３０３（例えば、ゼオライト等）に吸着される。窒素が分離された気体は、第１オリフィス３３２ａを介して貯留容器３１０へ流れる。
【０１０４】
次に、第１ベローズ３０１の吸着剤３０３の再生を行う場合には、第１減圧電磁弁３３９ａを開けると共に、第１吸着電磁弁３３７ａ及び第２減圧電磁弁３３９ｂを閉じる。この状態において、第１ベローズ３０１を引き伸ばす（図１７（ｂ）参照。）。これにより、第１ベローズ３０１内が減圧になるので、空気が第１吸気逆止弁３３５ａを介して第１ベローズ３０１内に吸引される。
【０１０５】
このとき、第２ベローズ３０１内に空気が導入されている状態で、第２ピストンロッド３０７を介して第２ベローズ３０１が押し縮められて圧縮される。第２シリンダ３０５内のピストン下室３０８が減圧になって第１吸着電磁弁３３９ａを介して第１吸着筒体３０２の拡散部３２３が吸引される。その結果、貯留容器３１０の酸素リッチガスの一部が第１オリフィス３３２ａを介して吸着筒体３０２内を空気とは逆方向に流れる。これにより、吸着剤３０３に吸着されていた窒素が脱着されて、吸着剤３０３の再生が行われる。よって、第１ベローズ３０１では、吸気過程と再生過程とが同時に行われる。
【０１０６】
また、第２ベローズ３０１が押し縮められて圧縮されることによって、第２ベローズ３０１内の空気が、第２吸着電磁弁３３７ｂから拡散部３２３内に導かれ、そして多孔板３２１から吸着層３２２内に拡散されつつ入り、そこで、空気中の窒素が吸着剤３０３に吸着される。窒素が分離された気体は、第２オリフィス３３２ｂを介して貯留容器３１０へ流れる。よって、第２ベローズ３０１では、吸着過程が行われる。
【０１０７】
そして、これら動作が入れ替わって第１ベローズ３０１では吸着過程が行われると共に、第２ベローズ３０１では吸気過程と再生過程とが行われる。
【０１０８】
したがって、２つのベローズ３０１を設けて、第１ベローズ３０１で吸着過程を行うと共に第２ベローズ３０１で吸気過程と再生過程とを行い、次に第１ベローズ３０１で吸気過程と再生過程とを行うと共に第２ベローズ３０１で吸着過程を行うことで、一層効率よく酸素リッチガスが得られることになる。すなわち、貯留容器３１０へ窒素が除去された気体を２つのベローズ３０１から交互に間断なく供給されるので、貯留容器３１０として小容積のものを用いることができる。貯留容器３１０への気体の供給が間断なく行われないと、気体の供給が行われないときに対処できるように貯留容器３１０をその分大きなものを用いる必要が生じるからである。
【０１０９】
また、ベローズ３０１を駆動する動力も均一化され、同じ時間当たり酸素発生量に対して動力源のピーク出力も小さく、かつ、駆動源としてモータを用いた場合には、より小型なモータを用いることができる。すなわち、ベローズ３０１が駆動されていない状態があると、時間当たりの同じ酸素発生量を得るためには相対的にピーク動力は大きくなるからである。
【０１１０】
また、ベローズ３０１をシリンダ３０５内に収容し、吸着剤であるゼオライトの再生をピストン下室３０８を利用して行うので、確実に効率よくゼオライトの再生を行うことができる。すなわち、ゼオライトの再生を行うとき、吸着筒体３０２内の圧力が低ければ低いほど、貯留容器３１０内の気体の一部が吸着筒体３０２内に導かれるために、ベローズ３０１をシリンダ３０５内に収容してピストン３０６を押し上げる際のピストン下室３０８を利用して吸着筒体３０２内を減圧することで、ベローズ３０１のみで吸着筒体３０２内を減圧する場合に比して吸着筒体３０２内の圧力を低くできる。また、別途、吸引手段を用いることもない。その結果、確実に効率よくゼオライトの再生を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
この発明は以上のように構成したので、気体分離装置を、小型、軽量で騒音も少なく、安価に製造でき、かつ消費電力も少ない上に、人力でも駆動することが可能であるので、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に適用しても最適ということができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】この発明に係る混合気体より特定の気体を分離する第１の気体分離装置を説明するための説明図である。
【図２】図１に示した装置のベローズ駆動機構の一実施例を説明する説明図である。
【図３】図１に示した装置のベローズ駆動機構の他の実施例を示す説明図である。
【図４】図３に示した装置のベローズ駆動機構の実施例を示す説明図である。
【図５】図１に示した装置と図２に示したベローズ駆動機構を組み合わせた場合の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】図１に示した装置の他の実施例を説明する説明図である。
【図７】図１に示した装置のベローズ駆動機構の他の実施例を示す説明図である。
【図８】図１に示した装置のベローズ駆動機構の他の実施例を示す説明図である。
【図９】図１に示した装置のベローズ駆動機構の他の実施例を示す説明図である。
【図１０】この発明に係る酸素濃縮装置をルームランナーに実施した場合の説明図である。
【図１１】この発明に係る酸素濃縮装置をルームランナーに実施した場合の説明図である。
【図１２】この発明に係る酸素濃縮装置をエアロバイクに実施した場合の説明図である。
【図１３】この発明に係る酸素濃縮装置をエアロバイクに実施した場合の説明図である。
【図１４】この発明に係る酸素濃縮装置を足踏み健康器に実施した場合の説明図である。
【図１５】この発明に係る混合気体より特定の気体を分離する第２の気体分離装置を説明するための説明図である。
【図１６】この発明に係る混合気体より特定の気体を分離する第３の気体分離装置を説明するための説明図である。
【図１７】この発明に係る混合気体より特定の気体を分離する第４の気体分離装置を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【０１１３】
Ａ，５３，６６  駆動力伝達手段
１,２１,３０，３６，４１,４６,５４，６４，７３  ベローズ（圧力変動装置）
２,３２, ３６ｂ，４１ｂ，４６ａ，５４ａ，６４ａ，７３ａ  吸着筒体
２ａ  吸着剤
３  連通管
４，５７，６７，７５  貯留容器
７,５６ｂ,６９,７６  通気制御手段
１０，３３，３４，４３，４９，５６ａ，６８  吸排気手段
１１,３５,４０,４５,５５,６５,７４  ベローズ駆動機構
１６，２５  駆動モータ
３１  連通筒体
４２  板カム
５６,６３，７２  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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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