(57)【要約】【課題】  複数の成分を含む原料ガス流体（例えば空気）から所望成分（例えば酸素）を濃縮する際に、吸着剤の使用量を減らす。【解決手段】  原料空気から酸素を濃縮する場合、まず、濃縮室２０２において加圧された原料空気を導入し吸着剤２０１に接触させて吸着剤２０１に窒素を吸着させて酸素を濃縮する。次に、移送手段２０８で吸着剤２０１を濃縮室２０２から減圧にされた再生室２０３に移送し、再生室２０３で窒素を吸着した吸着剤２０１から窒素を脱離させて吸着剤２０１を再生する。次に、再生した吸着剤２０１を濃縮室２０２に移送して吸着剤２０１に気相に残っている窒素を吸着させる。この結果、吸着剤の使用量を減しながら酸素を濃縮することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１成分と第２成分とを含む原料ガス流体から前記第１成分を濃縮する成分濃縮分離装置であって、
前記第２成分を吸着する吸着剤に前記原料ガス流体を接触させて、前記第２成分を前記吸着剤に吸着させ前記第１成分を濃縮する濃縮室と、
前記第２成分を吸着した前記吸着剤から前記第２成分を脱離させて前記吸着剤を再生する、前記濃縮室の圧力より低い圧力に維持されている再生室と、
予め決められたタイミングで前記第２成分を吸着した吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送し、前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送する移送手段と、
を有することを特徴とする成分濃縮分離装置。
【請求項２】
前記移送手段による前記吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送し、前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送するときの移送の周期は、予め決められた周期で繰り返し行われることを特徴とする請求項１に記載の成分濃縮分離装置。
【請求項３】
前記濃縮室への前記原料ガス流体の導入と、前記濃縮室からの前記濃縮された第１成分を含むガスの取り出しが複数回の周期に１回行われることを特徴とする請求項２に記載の成分濃縮分離装置。
【請求項４】
前記移送手段は略円筒形状の回転部材であり、前記回転部材の表面の少なくとも一部に前記吸着剤が配置されており、
前記濃縮室は前記回転部材と、前記回転部材との間で密閉空間を形成する第１外壁部材とによって囲まれた空間からなり、
前記再生室は前記回転部材と、前記回転部材との間で密閉空間を形成する第２外壁部材とによって囲まれた空間からなり、
前記回転部材は前記略円筒形状の軸を中心に前記濃縮室と前記再生室との間を回転移動することを特徴とする請求項１に記載の成分濃縮分離装置。
【請求項５】
前記吸着剤は前記回転部材の表面の２カ所に配置され、かつ、前記回転部材の回転移動によって前記２カ所のうちの一方が前記濃縮室に移送されると前記２カ所のうちの他方が前記再生室に配置されることを特徴とする請求項４に記載の成分濃縮分離装置。
【請求項６】
前記回転部材の表面は回転方向に対して４つ以上の区画に区切られており、各区画には吸着剤がそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項４に記載の成分濃縮分離装置。
【請求項７】
前記回転部材の回転移動によって前記４つ以上の区画のうちの少なくとも１つの区画が前記濃縮室に移送されると前記４つ以上の区画のうちの少なくとも１つの区画が前記再生室に配置されるように配置されることを特徴とする請求項６に記載の成分濃縮分離装置。
【請求項８】
前記移送手段は、ピストン部材であり、前記ピストン部材の表面の少なくとも一部に前記吸着剤が配置されており、
前記濃縮室は前記ピストン部材と、前記ピストン部材との間で密閉空間を形成する第１外壁部材とによって囲まれた空間からなり、
前記再生室は前記ピストン部材と前記ピストン部材との間で密閉空間を形成する第２外壁部材とによって囲まれた空間からなり、
前記ピストン部材は前記濃縮室と前記再生室との間を往復移動することを特徴とする請求項１に記載の成分濃縮分離装置。
【請求項９】
前記ピストン部材は略円筒形状であり、前記略円筒形状の長手方向に沿って、前記ピストン部材の表面の少なくとも一部に配置された前記吸着剤が前記濃縮室と前記再生室との間を往復することを特徴とする請求項８に記載の成分濃縮分離装置。
【請求項１０】
前記原料ガス流体は大気圧より高い圧力に加圧されて前記濃縮室に導入され、前記再生室の圧力は、大気圧以下に維持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の成分濃縮分離装置。
【請求項１１】
前記第１ガスは酸素であり、前記第２ガスは窒素であり、前記成分濃縮分離装置は空気から酸素を濃縮する酸素濃縮器であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の成分濃縮分離装置。
【請求項１２】
少なくとも第１成分と第２成分とを含む原料ガス流体から前記第１成分を濃縮する成分濃縮分離方法であって、
前記第２成分を吸着する吸着剤が配置された濃縮室に前記原料ガス流体を導入して前記吸着剤に前記原料ガス流体を接触させて、前記第２成分を前記吸着剤に吸着させ前記第１成分を濃縮する工程と、
予め決められたタイミングで前記第２成分を吸着した前記吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送する工程と、
前記濃縮室の圧力より低い圧力に維持されている再生室において前記移送された前記吸着剤から吸着した前記第２成分を脱離させて前記吸着剤を再生する工程と、
予め決められたタイミングで前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送する工程と、
を有することを特徴とする成分濃縮分離方法。
【請求項１３】
前記移送する工程における前記吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送し、前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送するときの移送の周期は、予め決められた周期で繰り返し行われることを特徴とする請求項１２に記載の成分濃縮分離方法。
【請求項１４】
前記濃縮室への前記原料ガス流体の導入と、前記濃縮室からの前記濃縮された第１成分を含むガスの取り出しが複数回の周期に１回行われることを特徴とする請求項１３に記載の成分濃縮分離方法。
【請求項１５】
前記原料ガス流体は大気圧より高い圧力に加圧されて前記濃縮室に導入され、前記再生室の圧力は、大気圧以下に維持されていることを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれか１項に記載の成分濃縮分離方法。
【請求項１６】
前記第１ガスは酸素であり、前記第２ガスは窒素であり、前記成分濃縮分離方法は空気から酸素を濃縮する酸素濃縮方法であることを特徴とする請求項１２乃至請求項１５のいずれか１項に記載の成分濃縮分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のガスを含むガス流体の中から少なくとも一つのガスを濃縮するまたは分離するガス濃縮濃縮分離装置及びその制御方法、特に空気から酸素を濃縮するガス濃縮装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のガス成分を含むガス流体から、少なくとも一つの成分の成分割合を高めて濃縮するまたは分離する濃縮分離技術としては、ガス流体中からの目的成分の濃縮や精製分離、例えば、空気からの酸素の濃縮あるいは工場排ガス中に含まれる各種有害成分の除去、各種ガス流体中からの目的成分の濃縮や分離など、色々な産業分野で広く用いられており、その方法にも吸着分離によるもの、分離膜を使用するもの、磁場や電場を利用したものなど様々なものがある。
【０００３】
例えば、ガス流体中からの一成分ガスの濃縮分離例としては、慢性気管支炎等の呼吸器疾患の患者に対して、呼吸に必要な酸素量を吸入できるようにするために、高濃度の酸素を供給する酸素濃縮装置が挙げられる。この酸素濃縮装置は、空気中に含まれる窒素を優先的に吸着しうるゼオライトなどを吸着剤として用いて、空気から酸素を濃縮するものである。この様な吸着剤による大気中からの酸素ガスの濃縮分離では、吸着筒と呼ばれる、吸着剤を充填した筒状の吸着室の第一の端部から原料となる空気を高圧にして供給し、吸着剤に主に窒素ガスを吸着させながら、残った高濃度の酸素ガスを製品として吸着筒の第二の端部から取り出すことで、安価で効率よく高濃度の酸素ガスを得ることができるため、工業用途などで広く普及している。
【０００４】
しかしながら、ガス吸着（上記の例では、窒素ガスなど）を起こしておおむね平衡状態となった吸着剤は、それ以上の吸着反応を行わないため、再生と呼ばれる工程により、吸着した成分（窒素ガスなど）の少なくとも一部を脱離させ、再度吸着可能な状態にする必要がある。
【０００５】
この再生の手段としては、多くの吸着剤が、高圧、高濃度、あるいは、低温等の環境で吸着する量が大きく、逆に、低圧、低濃度、あるいは、高温等の環境で吸着する量が小さいという特性を有するので、この吸着剤の特性を利用する。例えば、吸着時よりもガス流体の圧力を低くしたり、あるいは、ガスを吸着した吸着剤を、吸着したガス成分の濃度より低い濃度の同じガス成分を含むガス流体で洗浄したり、あるいは、温度を上げたりすることで、吸着剤から吸着した成分の一部を脱離させる方法等が用いられる。
【０００６】
この様に吸着剤へのガス吸着と吸着剤の再生（吸着剤からの吸着したガスの脱離）を繰り返す方法としては、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）と呼ばれる方法が多く用いられている（例えば、特許文献１）。ＰＳＡ法による空気からの酸素濃縮では、ガス吸着時において圧力による窒素と酸素の吸着量の差を応用して、高い酸素濃度の製品ガスを得る方法である。すなわち、空気の圧力が高い高圧条件では、窒素ガスが酸素ガスより吸着剤に選択的にあるいは優先的に吸着するのを利用する方法である。
【０００７】
酸素濃縮装置におけるガス吸着と吸着剤の再生方法の概略は以下の通りである。まず、第一のプロセスでは、吸着筒の第一の端部から加圧手段により加圧された原料となる加圧空気が供給され、吸着筒内では加圧空気中の吸着剤に吸着されやすい窒素が選択的にあるいは優先的に吸着される。その結果、気相中には、吸着されずに酸素が残るので、残った高濃度の酸素を含むガスを製品ガスとして吸着筒の第二の端部から取り出す。
【０００８】
次に、第二のプロセスでは、吸着筒内の圧力を減圧手段により下げることにより第一のプロセスで吸着剤に吸着された窒素を吸着剤から脱離させる。そして、脱離した高濃度の窒素ガスを含むガスを吸着筒の第一の端部から排気する。
【０００９】
上記第一のプロセスと第二のプロセスを交互に数秒から数分の間隔で繰り返し行うことにより、高酸素濃度の製品ガスを例えば、０.０１リットル／分〜１０００リットル／分程度の流量で取り出すことができる。特に、医療用酸素濃縮器の場合には、０.１リットル／分〜１０リットル／分程度の流量で、高濃度の酸素ガスを含む製品ガスを取り出し、必要とする患者に供給することができる。
【００１０】
ここで、酸素濃縮器への加圧空気を給気する加圧手段としては一般的にコンプレッサが用いられる。また、酸素濃縮器から窒素ガスを排気する減圧手段としては、例えば、真空ポンプを用いる。第一と第二のプロセスの切り替え等は、酸素濃縮器の配管中に設けられた複数の弁の開閉操作によって行われるのが一般的である。この切り替えは、例えば、酸素濃縮器に予め設定されているプロセスごとの設定時間や、所定の観測点における圧力等の物理量を基準としたシミュレーション条件などによって自動的に行われる。
【００１１】
ＰＳＡ法で用いられるガス流体中の所望のガス成分を選択的に吸着する吸着剤としては、例えば、ゼオライト、活性炭、活性アルミナあるいはシリカゲル等が利用される。これらの吸着剤は、ガス流体から分離または濃縮する目的ガス成分に応じて使い分けられる。例えば、ガス流体が空気であって空気中の酸素を濃縮あるいは分離したい場合には、窒素を優先的あるいは選択的に吸着するNa-A型、Ca-A型、Na-X型、Ca-X型、あるいは、Li-X型等の合成ゼオライトが好適に用いられる。また、吸着剤は一種に限定する必要はなく異なる特性の吸着剤を組み合わせて用いられる場合もある。
【００１２】
酸素濃縮装置の一例を図９に示す（例えば、特許文献２）。この酸素濃縮装置では、装置内に取り込まれる空気は、まず、防塵フィルター１０１と吸気フィルター１０２とによりゴミが除去され、消音器１０３を介してコンプレッサ１０５で圧縮された後、冷却ファン１０４、熱交換器１０６で冷却される。次に、冷却された空気は配管流路を切替える切換弁１０７を介して、吸着剤が充填された吸着筒１０８に送り込まれる。吸着筒１０８内ではガス分離（窒素の吸着剤への優先的な吸着）によって得られる高濃度に濃縮された酸素を含むガスは一時的に製品タンク１１１に送り込まれる。その後、圧力調整器１１２と流量調節器１１５とを介して圧力とガス流量とがコントロールされ（ガス流量は流速センサ１１３で、酸素濃度は酸素濃度センサ１１４で検知する）、加湿器１１６を介して適度に加湿された後、可撓性延長チューブ１１７、カニューラ１１８等の導管を介して患者に供給されるように構成されている。１０９は圧均等弁、１１０は逆止弁、１２０は圧力センサ、１１９は窒素と水分とによる排気音を低減するための排気用消音器である。
【００１３】
図９に示す２本の吸着筒１０８で構成されている酸素濃縮装置の場合には、１本の吸着筒を酸素の濃縮に用い、他方の吸着筒では吸着剤を再生するために、切換弁１０７により２本の吸着筒１０８を切り替えて使用する。例えば、一方の吸着筒１０８には加圧空気が導入され空気中の窒素を吸着剤で吸着し、吸着されずに残った高濃度の酸素を含むガスを製品ガスとして取り出すために使用し（濃縮工程）、このとき、他方の吸着筒１０８では、吸着筒１０８内を減圧にして窒素を吸着した吸着剤から窒素を脱離させ、吸着剤が再び窒素を吸着できるように再生する（再生工程）。このとき、濃縮工程に用いる吸着筒１０８内において吸着剤の吸着破過が起こる前に切換弁１０７を用いて、他方の吸着筒１０８に切替えることを繰り返し行うことにより、連続的に高濃度に濃縮された酸素を患者に供給しながら、吸着剤を再生使用できるような構成としている。
【００１４】
また、この様な吸着と再生を繰り返す方法の他の例としては、空気の除湿などの空調に吸湿剤（デシカント）を用いるデシカントローターと呼ばれる装置がある（特許文献３）。デシカントローターでは、空気中に含まれる水蒸気の吸着と水蒸気を吸湿した吸湿剤の再生には、上記説明した圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）のように圧力差を利用するのではなく温度差を利用する。すなわち、デシカントローターでは、例えば、デシカントロータ内に減湿エリアと再生エリアの２つのエリアを形成し、ロータを回転させて吸湿剤を２つのエリアに交互に移動させて吸湿剤による水蒸気の吸着と水蒸気を吸湿した吸湿剤の再生とを連続的に行う。すなわち、この装置では、例えば、回転式の水蒸気の吸湿と吸湿した吸湿剤の再生を行う反応室が用いられており、シリカゲル等の水分を良く吸着する吸湿剤（デシカント）を円盤の全面に配置し、その円周上の低温に維持されている減湿エリアに吸湿剤を移動して導入される空気から水蒸気の除湿を行い、次に、吸湿剤を再生エリアに移動し高温（例えば、１００〜１５０℃）かつ低湿度のガスに吸湿剤を接触させることによって吸湿剤から水分を脱離させて吸湿剤を再生する。この様にして、吸湿剤による空気中の水蒸気の吸湿と吸湿剤の再生を連続して行うことにより空気中の水蒸気の除湿を継続して行うことができる。
【特許文献１】特願２００２−３１９２３１号公報
【特許文献２】特願２００３−１４２１５１号公報
【特許文献３】特願２００４−１７７０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、上記説明した圧力スイング吸着法を用いる酸素濃縮器では、空気が吸着剤が充填された吸着室の筒底から筒頂に移動する間に吸着剤に十分な窒素を吸着させて目的とする高濃度の酸素を得る必要があるため、吸着室には多くの吸着剤を充填する必要があった。
【００１６】
これに対して、デシカントローターを用いて空気中の水蒸気を除湿する場合には、水分を吸湿した吸湿剤を再生しながら使用することができるため、吸湿剤の使用量を少なくすることができる。しかしながら、デシカントローターでは、吸湿剤を用いて空気中の水蒸気を吸湿する減湿エリアでは吸湿剤の温度は低温にする必要があり、一方、水分を含む吸湿剤を再生する再生エリアでは、吸湿剤の温度を高温（例えば、１００〜１５０℃）にする必要があるためデシカントロータは、加熱および冷却機構が必要であり、また、減湿エリアと再生エリア間の熱ロスを低減するために、デシカントロータ全体の熱効率を高める機構が必要であった。そのため、装置が複雑化する問題があった。
【００１７】
本発明は、上記説明した従来技術の問題点を解決することを出発点としてなされたものであり、その目的は、複数の成分を含む原料ガス流体から所望の成分を濃縮する際に、多くの吸着剤を使用せず、かつ、吸着剤の再生のために温度差を利用しない成分濃縮分離装置及び成分濃縮分離方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するための本発明に係る成分濃縮分離装置は、以下の構成を有する。すなわち、少なくとも第１成分と第２成分とを含む原料ガス流体から前記第１成分を濃縮する成分濃縮分離装置であって、前記第２成分を吸着する吸着剤に前記原料ガス流体を接触させて、前記第２成分を前記吸着剤に吸着させ前記第１成分を濃縮する濃縮室と、前記第２成分を吸着した前記吸着剤から前記第２成分を脱離させて前記吸着剤を再生する、前記濃縮室の圧力より低い圧力に維持されている再生室と、予め決められたタイミングで前記第２成分を吸着した吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送し、前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送する移送手段と、を有することを特徴とする。
【００１９】
ここで例えば、前記移送手段による前記吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送し、前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送するときの移送の周期は、予め決められた周期で繰り返し行われることが好ましい。
【００２０】
ここで例えば、前記濃縮室への前記原料ガス流体の導入と、前記濃縮室からの前記濃縮された第１成分を含むガスの取り出しが複数回の周期に１回行われることが好ましい。
【００２１】
ここで例えば、前記移送手段は略円筒形状の回転部材であり、前記回転部材の表面の少なくとも一部に前記吸着剤が配置されており、前記濃縮室は前記回転部材と、前記回転部材との間で密閉空間を形成する第１外壁部材とによって囲まれた空間からなり、前記再生室は前記回転部材と、前記回転部材との間で密閉空間を形成する第２外壁部材とによって囲まれた空間からなり、前記回転部材は前記略円筒形状の軸を中心に前記濃縮室と前記再生室との間を回転移動することが好ましい。
前記吸着剤は前記回転部材の表面の２カ所に配置され、かつ、前記回転部材の回転移動によって前記２カ所のうちの一方が前記濃縮室に移送されると前記２カ所のうちの他方が前記再生室に配置されることが好ましい。
【００２２】
ここで例えば、前記回転部材の表面は回転方向に対して４つ以上の区画に区切られており、各区画には吸着剤がそれぞれ配置されていることが好ましい。
【００２３】
ここで例えば、前記回転部材の回転移動によって前記４つ以上の区画のうちの少なくとも１つの区画が前記濃縮室に移送されると前記４つ以上の区画のうちの少なくとも１つの区画が前記再生室に配置されるように配置されることが好ましい。
【００２４】
ここで例えば、前記移送手段は、ピストン部材であり、前記ピストン部材の表面の少なくとも一部に前記吸着剤が配置されており、前記濃縮室は前記ピストン部材と、前記ピストン部材との間で密閉空間を形成する第１外壁部材とによって囲まれた空間からなり、前記再生室は前記ピストン部材と前記ピストン部材との間で密閉空間を形成する第２外壁部材とによって囲まれた空間からなり、前記ピストン部材は前記濃縮室と前記再生室との間を往復移動することが好ましい。
ここで例えば、前記ピストン部材は略円筒形状であり、前記略円筒形状の長手方向に沿って、前記ピストン部材の表面の少なくとも一部に配置された前記吸着剤が前記濃縮室と前記再生室との間を往復することが好ましい。
【００２５】
ここで例えば、前記原料ガス流体は大気圧より高い圧力に加圧されて前記濃縮室に導入され、前記再生室の圧力は、大気圧以下に維持されていることが好ましい。
【００２６】
ここで例えば、前記第１ガスは酸素であり、前記第２ガスは窒素であり、前記成分濃縮分離装置は空気から酸素を濃縮する酸素濃縮器であることが好ましい。
【００２７】
また、本発明に係る成分濃縮分離方法は、以下の構成を有する。すなわち、少なくとも第１成分と第２成分とを含む原料ガス流体から前記第１成分を濃縮する成分濃縮分離方法であって、前記第２成分を吸着する吸着剤が配置された濃縮室に前記原料ガス流体を導入して前記吸着剤に前記原料ガス流体を接触させて、前記第２成分を前記吸着剤に吸着させ前記第１成分を濃縮する工程と、予め決められたタイミングで前記第２成分を吸着した前記吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送する工程と、前記濃縮室の圧力より低い圧力に維持されている再生室において前記移送された前記吸着剤から吸着した前記第２成分を脱離させて前記吸着剤を再生する工程と、予め決められたタイミングで前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送する工程と、を有することを特徴とする。
【００２８】
ここで例えば、前記移送する工程における前記吸着剤を前記濃縮室から前記再生室に移送し、前記再生された吸着剤を前記再生室から前記濃縮室に移送するときの移送の周期は、予め決められた周期で繰り返し行われることが好ましい。
【００２９】
ここで例えば、前記濃縮室への前記原料ガス流体の導入と、前記濃縮室からの前記濃縮された第１成分を含むガスの取り出しが複数回の周期に１回行われることが好ましい。
【００３０】
ここで例えば、前記原料ガス流体、例えば空気は大気圧より高い圧力に加圧されて前記濃縮室に導入され、前記再生室の圧力は、大気圧以下に維持されていることが好ましい。
【００３１】
ここで例えば、前記第１ガスは酸素であり、前記第２ガスは窒素であり、前記成分濃縮分離方法は空気から酸素を濃縮する酸素濃縮方法であることが好ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、複数の成分を含む原料ガス流体から所望の成分を濃縮する際に、吸着剤を再生しながら使用するため吸着剤の使用量を減らすことができ、かつ、吸着剤の再生のために温度差を利用しない成分濃縮分離装置及び成分濃縮分離を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明に係る好適な実施形態の成分濃縮分離装置について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、複数のガス成分を含むガス流体から目的とするガス成分を濃縮分離する例として、空気中に含まれる酸素を高濃度に濃縮して使用する酸素濃縮装置を例に取り説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガス流体および濃縮分離するガス成分の種類は適宜変更が可能である。例えば、有毒ガス成分と無害なガス成分とを含む工場排ガスから吸着剤を利用して有毒ガス成分を濃縮分離する場合、または、有用成分と不要なガス成分を含む混合ガスから有用成分を吸着剤を利用して濃縮分離する場合などが考えられる。また、以下に示す構成は、一例であり、本発明の技術的思想を満足するものであれば、その構成や配置は適時変更が可能である。
【００３４】
以下の説明では、まず、各実施形態の酸素濃縮装置に共通する本発明の特徴について、従来の酸素濃縮装置と比較して説明する。
【００３５】
［従来の装置］
従来の酸素濃縮装置では、（１）コンプレッサで大気圧より高い圧力に加圧した原料空気（例えば、数気圧程度）を吸着剤を充填した吸着室に導入し、窒素を吸着剤に吸着させた後、吸着されずに高濃度に濃縮されて残った酸素を取り出して使用する（濃縮工程）。このとき、導入された原料空気が吸着室の筒底から筒頂に移動する間に空気中の窒素を吸着剤に吸着させて所望濃度の酸素を得るために吸着室には十分な吸着剤を充填する必要がある。（２）しかし、窒素を吸着した吸着剤は再生しない限り連続して使用することができないので、所定量の酸素を取り出すと一旦酸素の取り出しを中断し、吸着室内を真空ポンプなどで減圧にして窒素を吸着した吸着剤から窒素を脱離させて大気中に排気して吸着剤を再生する（再生工程）。この吸着剤を再生する期間は吸着剤を用いて濃縮された酸素を取り出すことはできない。そこで、濃縮された酸素を連続的に取り出すために、２つの吸着筒を一方は濃縮工程で使用し、他方は再生工程で使用するように制御する。その結果、濃縮された酸素を２つの吸着筒から交互に取り出すことができるが、１回の濃縮工程で所望濃度の酸素を得るために吸着室には十分な吸着剤を充填する必要があった。
【００３６】
［本発明の特徴］
一方、本発明の酸素濃縮装置では、吸着剤を濃縮室と再生室との間を予め決められたタイミング（例えば、窒素を吸着した吸着剤を濃縮室から再生室に移送し、再生された吸着剤を再生室から濃縮室に移送するときの移送の周期を予め決められた周期にする）で繰り返し移送させながら濃縮室への原料空気の導入と濃縮室からの濃縮された酸素の取り出しを複数回の周期に１回（例えば、２周期に１回、３周期に１回など）行うことにより、吸着剤を再生しながら複数回の吸着操作を行うことにより所望濃度の酸素を得るため、使用する吸着剤の量が従来の酸素濃縮装置に比べて少ない点を特徴としている。なお、原料空気の導入と濃縮室からの濃縮された酸素の取り出しの周期は、吸着剤の使用量や取り出す酸素濃度に依存して適時変更することができる。例えば、高濃度の酸素を取り出したい場合あるいは吸着剤の使用量を減らしたい場合には、吸着剤を何度も再生して使用すればよいので、２周期に１回よりも３周期に１回、４周期に１回などと取り出しの周期を変更すればよい。
【００３７】
すなわち、本発明の酸素濃縮装置では、（１）第１濃縮工程において、大気圧より高い圧力に加圧された原料空気（例えば、数気圧）を吸着剤が配置された濃縮室に導入して吸着剤へ窒素を優先的に吸着させるが、濃縮室には、１回の濃縮操作で所望の酸素濃度を得るために必要十分な吸着剤は配置されていない。（２）そこで、次の再生工程において、窒素を吸着した吸着剤を濃縮室から再生室に移動させ、再生室の圧力を濃縮室の圧力より低圧（例えば、再生室を真空ポンプ等により大気圧未満に減圧する、または大気圧にする）に維持することにより、窒素を吸着した吸着剤から窒素を脱離させて吸着剤を再生する。（３）その後、次の第２濃縮工程において、再生された吸着剤を再生室から濃縮室に再度移動して、濃縮室に残っている窒素を再生した吸着剤に吸着させることにより、所望濃度まで酸素を濃縮する。そして、この所望濃度にまで濃縮した酸素を含むガスを製品ガスとして濃縮室から取りだす。（４）なお、第２濃縮工程において、所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第２濃縮工程を交互に繰り返すことによって濃縮室内の酸素を所望濃度まで濃縮した後、濃縮室から取り出す。（５）そして、上記説明した（１）〜（３）あるいは（１）〜（４）間の工程を繰り返し行うことによって吸着剤を１回または何度も再生しながら使用して濃縮した酸素を連続的に取り出すことができる。このように、本発明の酸素濃縮装置では、従来のように２つの吸着筒を使用することがないし、各吸着筒にも１回の吸着で所望濃度の酸素に濃縮するために多量の吸着剤を充填する必要もない。そのため、吸着剤の量を減らすことができる。また、吸着剤の再生は、濃縮室と再生室の圧力差を利用しているので、吸着剤の再生のために温度差を使用する場合の熱ロスの問題やそれを解消するための複雑な機構を付加する必要もない。
【００３８】
上記説明したように、本発明の酸素濃縮装置では、従来より少ない吸着剤を再生しながら使用する点に特徴がある。そこで、以下の説明では、まず、本酸素濃縮装置の全体構成について説明し、次に、酸素濃縮部の構造およびそれを用いて空気から高濃度の酸素を濃縮する方法について説明する。
【００３９】
［酸素濃縮装置の全体構成：図１］
本実施形態の酸素濃縮装置の全体構成について図１を用いて説明する。
【００４０】
本酸素濃縮装置では、まず原料ガスである空気は防塵フィルター１０１と吸気フィルター兼消音バッファ１０２とによりゴミが除去され、コンプレッサ１０５で圧縮され所望の圧力（例えば、１．５気圧〜数気圧）に加圧された後、冷却ファン１０４、熱交換器１０６で冷却される。ついで、加圧空気は、酸素濃縮部２００のうちの吸着剤２０１が配置された濃縮室２０２に導入される。濃縮室２０２では、加圧空気が導入されると、吸着剤２０１への窒素の優先的な吸着が進む（第１濃縮工程）。続いて、窒素を吸着した吸着剤２０１は吸着剤２０１をその表面の一部に配置した移送手段である回転体２０８により濃縮室２０２から再生室２０３に移送され、真空ポンプ２１０等で濃縮室２０２より低圧（大気圧未満または大気圧）に維持されている再生室２０３にて吸着剤２０１に吸着されている窒素を脱離させて再生室２０３から排出して吸着剤を再生する（再生工程）。続いて、再生された吸着剤２０１を回転体２０８で再生室２０３から濃縮室２０２に再度移送し、再生された吸着剤を用いて加圧空気中に残っている窒素の吸着を行う（第２濃縮工程）。この結果、所望濃度に濃縮された酸素を含むガスを濃縮室２０２から取り出して製品タンク１１１に一時的に貯蔵する。なお、第２濃縮工程の操作において、所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第２濃縮工程を交互に繰り返すことによって濃縮室内の酸素を所望濃度まで濃縮した後、濃縮室から取り出す。製品タンク１１１に貯蔵された高濃度の酸素を含むガスは、その後、圧力調整器１１２と流量調節器１１５を用いて所望の圧力とガス流量とになるように制御され、さらに、必要に応じて加湿器１１６を介して適度に加湿された後、可撓性延長チューブ１１７、カニューラ１１８等の導管を介して患者に供給される。なお、本酸素濃縮装置で使用する吸着剤は、窒素を優先的あるいは選択的に吸着させるために、Na-A型、Ca-A型、Na-X型、Ca-X型、あるいは、Li-X型等の合成ゼオライトが１種又は組み合わせて使用される。
【００４１】
［酸素濃縮部の構造：図２Ａ］
次に、本実施形態の酸素濃縮装置で使用する酸素濃縮部２００の構造及びそれを用いた高濃度の酸素を製造する方法について、酸素濃縮部２００の断面構成を示す図２Ａを用いて詳細に説明する。
【００４２】
本酸素濃縮部２００では、回転可能な回転体２０８の表面上の一部に配置された吸着剤２０１を濃縮室２０２と再生室２０３との間で移動させながら、吸着剤２０１への窒素の吸着と吸着剤２０１からの吸着した窒素の脱離を交互に行うことができる。すなわち、濃縮室２０２では加圧された原料空気（例えば、１．５気圧〜数気圧）から窒素を吸着剤２０１に優先的に吸着させ（第１濃縮工程）、再生室２０３を真空ポンプ１０５などで濃縮室２０２より低圧（大気圧未満または大気圧）に維持することで、吸着剤２０１に吸着した窒素を脱離させて吸着剤２０１を再生する（再生工程）ことができる。そこで、再生された吸着剤２０１を再生室２０３から濃縮室２０２に再度移動して吸着剤２０１へ原料空気中に残っている窒素を吸着させる（第２濃縮工程）ことによって少量の吸着剤２０１を再生しながら酸素を濃縮して取り出すことができる。
【００４３】
図２Ａに示すように、本実施形態の酸素濃縮部２００は、回転体２０８、濃縮室２０２、再生室２０３等から構成されている。回転体２０８中には吸着剤２０１が埋設され、吸着剤２０１の表面が回転体２０８の外表面の一部を形成するように設置される。また、濃縮室２０２は回転部材２０８と、回転部材２０８との間で密閉空間を形成する外壁部材２０４とによって囲まれた空間であり、濃縮室２０２には加圧空気を導入するための開閉弁Ｓ１、高濃度の酸素を含むガスを製品タンク１１１に移送するための開閉弁Ｓ２が配置されている。一方、再生室２０３は回転部材２０８と回転部材２０８との間で密閉空間を形成する外壁部材２０５とによって囲まれた空間であり、再生室２０３には吸着剤２０１から脱離した窒素を排気するための開閉弁Ｓ３が配置され、開閉弁Ｓ３には再生室２０３を減圧にする真空ポンプ２１０が接続されている。なお、開閉弁Ｓ３を真空ポンプ２１０に接続する代わりに大気中に放出する構成としてもよい。外壁部材２０４および外壁部材２０５は、図に示すように所定内径を有し、回転部材２０８との間で中空円筒形状の密閉空間を形成する中空円筒形状の外壁部材である外壁２０６ａおよび２０６ｂにそれぞれ接続している。
【００４４】
なお、図には示さなかったが、本酸素濃縮装置には、回転体２０８を回転させるためのモータ制御部、本装置の各部（モータ制御部、各弁、冷却ファン、各種センサなど）を制御する制御部が設置されており、制御部は、不図示のＲＯＭに記憶された制御プログラムに基づいて、不図示のＲＡＭを作業領域として使用して以下に述べる各種制御を実行する。
【００４５】
［空気から高濃度の酸素を濃縮する方法：図２Ａ〜２Ｄ］
図２Ａ〜２Ｄは、第１濃縮工程、再生工程、第２濃縮工程の各工程における、濃縮室２０２、再生室２０３、回転体２０８上に配置された吸着剤２０１の位置関係の変化や開閉弁Ｓ１〜Ｓ３の開閉状態を説明する図である。ここで、（１）第１濃縮工程とは、酸素濃縮部２００の濃縮室２０２へ加圧された空気が導入され、吸着剤２０１で窒素を吸着除去する工程であり、（２）再生工程とは、窒素を吸着した吸着剤２０１を低圧にされた再生室２０３に移動して再生する工程であり、（３）第２濃縮工程とは、再生された吸着剤２０１を濃縮室２０２に再度移動し、残っている窒素を吸着剤２０１で吸着除去して高濃度の酸素を製品ガスとして取り出す工程である。（４）なお、第２濃縮工程において、所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第２濃縮工程を交互に繰り返すことによって濃縮室内の酸素を所望濃度まで濃縮した後、濃縮室から取り出す。このとき、吸着剤は回転体２０８によって濃縮室と再生室との間を予め決められたタイミング（例えば、窒素を吸着した吸着剤を濃縮室から再生室に移送し、再生された吸着剤を再生室から濃縮室に移送するときの移送の周期を予め決められた周期にする）で繰り返し移送され、濃縮室への原料空気の導入と濃縮室からの濃縮された酸素の取り出しは、複数回の周期に１回（例えば、２周期に１回、３周期に１回など）行なわれる。なお、原料空気の導入と濃縮室からの濃縮された酸素の取り出しの周期は、吸着剤の使用量や取り出す酸素濃度に依存して適時変更することができる。例えば、高濃度の酸素を取り出したい場合あるいは吸着剤の使用量を減らしたい場合には、吸着剤を何度も再生して使用すればよいので、２周期に１回よりも３周期に１回、４周期に１回などと取り出しの周期を変更すればよい。
【００４６】
まず、第１濃縮工程について説明する。図２Ａにおいて、回転体２０８を回転移動させて吸着剤２０１が濃縮室２０２に配置する。次に、開閉弁Ｓ１を開き、濃縮室２０２へコンプレッサ１０５によって加圧された空気を導入する（開閉弁Ｓ２は閉じている）。濃縮室２０２へ空気を導入した後、開閉弁Ｓ１を閉じる。濃縮室２０２では、吸着剤２０１による加圧された空気中の窒素の優先的な吸着が起こる。しかし、濃縮室２０２には、十分な量の吸着剤２０１が配置されていないため濃縮室２０２の気相に残った酸素は所望濃度まで濃縮されない。
【００４７】
そこで、図２Ｂに示すように、図２Ａの状態から回転体２０８を図の矢印方向に回転移動させ、さらに、図２Ｂの状態から図２Ｃの状態まで図の矢印方向に回転させることにより、窒素を吸着した吸着剤２０１を濃縮室２０２から再生室２０３まで回転移動させる。
【００４８】
次に、再生工程について説明する。図２Ｃは、図２Ａから図２Ｂ、図２Ｂから図２Ｃへと回転体２０８を回転させて吸着剤２０１を濃縮室２０２から再生室２０３まで移送した状態を示している。このとき、再生室２０３に接続する開閉弁３は開いており、開閉弁３は真空ポンプ２１０に接続されている。このため、再生室２０３の圧力は濃縮室２０２の圧力より低い圧力（大気圧未満に減圧）に維持されている。その結果、再生室２０３の圧力は、濃縮室２０２の圧力（加圧空気の圧力）より低圧に維持されているため、濃縮室２０２で窒素を吸着した吸着剤２０１は、再生室２０３で窒素を脱離することができるため吸着剤２０１を再生することができる。なお、真空ポンプ２１０を用いずに開閉弁Ｓ３を大気（大気圧）に開放する構成とし、開閉弁Ｓ３を開いたときに再生室２０３が大気圧に維持される構成としてもよい。
【００４９】
次に、第２濃縮工程について説明する。図２Ｄは、図２Ｃから回転体２０８を図の矢印方向に回転させて再生室２０３で再生された吸着剤２０１を再生室２０３から濃縮室２０２に移送した状態を示している。このとき、濃縮室２０２に接続する開閉弁Ｓ１、Ｓ２は閉じている。ここで、再生された吸着剤２０１は濃縮室２０２に残っている窒素を吸着し、濃縮室２０２に残った酸素は所望濃度にまで濃縮される。そこで、開閉弁Ｓ２を開き、濃縮室２０２から製品ガス取出口１０８を介して高濃度に濃縮された酸素を取り出して製品タンク１１１に貯蔵する。
【００５０】
なお、上記説明した第２濃縮工程によって所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第２濃縮工程とを再度繰り返すことによって濃縮室２０２内の酸素を所望濃度まで濃縮するように制御した後、所望濃度に濃縮した酸素を含むガスを濃縮室２０２から取り出すように制御すればよい。
【００５１】
ここで、回転体２０８を図の矢印方向に連続的に回転移動させることにより上記説明した第１濃縮工程、再生工程、第２濃縮工程の操作を連続して繰り返すことができる。その結果、本本発明の酸素濃縮装置では、吸着剤を再生しながら原料の空気から所望の濃度となるように濃縮された酸素を連続的に取り出すことができる。そのため、従来の酸素濃縮装置に比べて吸着剤の量を減らすことができる。また、吸着剤の再生のために圧力差を利用するため、温度差を使用する場合の熱ロスの問題を回避することができる。また、吸着剤の再生のために、濃縮室の圧力を再生室の圧力より低くする圧力差を利用しているので、吸着剤の再生のために温度差を使用する場合（吸着剤を高温に加熱して吸着ガスを脱離した後吸着剤を低温に戻す）の熱ロスの問題を回避することができるし熱ロスの問題を解消するための複雑な機構を装置に付加する必要もない。
【００５２】
なお、酸素濃縮部の回転体２０８を密閉する外壁２０６の半径は、例えば、１０ｍｍ〜１０００ｍｍであり、好ましくは、２０ｍｍ〜２００ｍｍであり、回転体２０８の軸方向の長さは、例えば、１０ｍｍ〜１０００ｍｍであり、好ましくは、２０ｍｍ〜３００ｍｍである。また、回転体の回転数は、例えば、０．０１〜１００Hz程度であり、好ましくは０．１〜５０Hz程度である。製品ガス（所望濃度に濃縮された酸素を含むガス）の供給流量は、例えば、０．０１リットル／分〜１００リットル／分であり、好ましくは、０．１リットル／分〜１０リットル／分である。また、酸素濃縮部の濃縮室に導入される原料空気の圧力は、大気圧より高い圧力に加圧されている必要があり、濃縮室での吸着剤への吸着を容易し再生室での吸着剤からの窒素の脱離を容易にするためには、導入される原料空気の圧力はより高い方が望ましい。一例を示せば、導入される原料空気の圧力は数気圧から数１０気圧である（１気圧は、０．１ＭＰａ）。但し、より高圧の原料空気を導入するためには酸素濃縮部を耐圧構造とする必要があることや製品ガス中の酸素濃度は３０〜８０％あるいはそれ以上の濃度と使用用途によって酸素濃度に幅がある。また、再生室の圧力を真空ポンプなどの減圧手段を用いて減圧にすると、それほど濃縮室へ導入する原料空気の圧力を高くしなくても濃縮室と再生室との間の圧力差をつけることができる。従って、原料空気の圧力は、所望濃度に濃縮された酸素を得るために濃縮室における窒素の吸着を容易に起こし、再生室における窒素の脱離を容易にするものであればどのような原料空気の圧力であってもよい。一例を示せば、原料空気の圧力は０．１５〜０．３ＭＰａ（１．５〜３気圧）であり、濃縮室と再生室との間の圧力差は、０．０１ＭＰａ以上（０．１気圧以上）、好ましくは、０．０５ＭＰａ以上（０．５気圧以上）である。
【００５３】
なお、上記説明で使用した構成は、一例であり、本発明の技術的思想を満足するものであれば、その構成や配置は適時変更が可能である。例えば、開閉弁の代わりに逆止弁や、オリフィスなどの絞り機構を、単独で、または組み合わせて使用してもよい。また、吸着剤の形状は、適時、変更することができる。
【００５４】
＜第２実施形態＞
以下、第２の実施形態の酸素濃縮装置について説明する。本酸素濃縮装置は、その全体構成は、図１で説明した第１の実施形態の酸素濃縮装置と類似しており、酸素濃縮部２５０の第１濃縮工程、再生工程、第２濃縮工程の各工程の機能も第１の実施形態の酸素濃縮部２００の機能と同じである。ただし、本実施形態の酸素濃縮部２５０は、第１の実施形態の酸素濃縮部２００とその構造が異なる。そこで、以下の説明では、第１の実施形態の酸素濃縮装置と共通する部分の説明は、重複するので省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００５５】
［酸素濃縮部の構造：図３］
本実施形態の酸素濃縮部２５０が第１の実施形態の酸素濃縮部２００と異なる点は、濃縮室２０２内に導入される加圧空気の流れの方向を制御して吸着剤２０１への窒素の吸着を容易にするためのじゃま板２１１を配置し、開閉弁Ｓ１と開閉弁Ｓ２とを常時開いた状態に制御する点だけである。このとき、開閉弁Ｓ１は、コンプレッサ１０５から濃縮室２０２に所定流量の加圧空気が連続的に供給され、開閉弁Ｓ２は、濃縮室２０２から製品タンク１１１に所定流量の酸素を含むガスが連続的に供給されるように制御されている。また、本酸素濃縮部２５０でも第１の実施形態の酸素濃縮部２００と同様に回転移動可能な回転体２０８の表面上の一部に配置された吸着剤２０１を濃縮室２０２と再生室２０３との間で回転移動させながら、吸着剤２０１への窒素の吸着と吸着剤２０１からの吸着した窒素の脱離を交互に行うことができる。その結果、本実施形態の酸素濃縮部２５０では、開閉弁Ｓ１と開閉弁Ｓ２とを常時開いた状態に制御することにより、濃縮室２０２で濃縮された酸素を含むガスを連続的に濃縮室２０２から取り出して製品タンク１１１に貯蔵することができる。
【００５６】
＜第３実施形態＞
以下、第３の実施形態の酸素濃縮装置について説明する。本酸素濃縮装置は、その全体構成は、図１で説明した第１の実施形態の酸素濃縮装置と類似しており、酸素濃縮部３００の第１濃縮工程、再生工程、第２濃縮工程の各工程の機能は第１の実施形態の酸素濃縮部２００の対応する第１濃縮工程、再生工程、第２濃縮工程の各工程の機能と基本的に同じである。ただし、第１の実施形態の酸素濃縮部２００では回転体２０８の表面上の一部に１つの吸着剤２０１を配置した構造であったが、本実施形態の酸素濃縮部３００では、図４に示すように回転体３０８の表面上に２つの吸着剤３０１ａ、３０１ｂを配置し、２つの吸着剤３０１ａ、３０１ｂを濃縮室３０２と再生室３０３との間で回転移動させることにより、吸着剤３０１ａ、３０１ｂへの窒素の吸着と吸着剤３０１ａ、３０１ｂからの吸着した窒素の脱離を交互に行うことができる構造とした点が異なる。そこで、以下の説明では、第１の実施形態の酸素濃縮装置と共通する部分の説明は、重複するので省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００５７】
［空気から高濃度の酸素を濃縮する方法：図４］
本実施形態の酸素濃縮装置で使用する酸素濃縮部３００を用いた高濃度の酸素を製造する方法について、酸素濃縮部３００の断面構成を示す図４を用いて詳細に説明する。
【００５８】
本実施形態の酸素濃縮部３００は、図４に示すように回転体３０８の表面上に２つの吸着剤３０１ａと吸着剤３０１ｂとが回転体３０８の中心軸に対して１８０°離れて配置されているので、回転体３０８を図の矢印方向に回転することにより２つの吸着剤３０１ａ、３０１ｂの一方を濃縮室３０２に、他方を再生室３０３に配置しながら交互に移動させることができる。そのため、吸着剤３０１ａへの窒素の吸着と吸着剤３０１ｂからの吸着した窒素の脱離あるいは、吸着剤３０１ｂへの窒素の吸着と吸着剤３０１ａからの吸着した窒素の脱離を交互に行うことができる。そこで、再生された吸着剤３０１ａを再生室３０３から濃縮室３０２に再度移動して吸着剤３０１ａへ気相中に残っている窒素を吸着させる（第２濃縮工程）ことによって、あるいは、吸着剤３０１ｂを再生室３０３から濃縮室３０２に再度移動して吸着剤３０１ｂへ気相中に残っている窒素を吸着させる（第２濃縮工程）ことによって、第１の実施形態の酸素濃縮部２００に比べてより多量の酸素を濃縮して取り出すことができる。
【００５９】
ここで、酸素濃縮部３００の濃縮室３０２は回転部材３０８と、回転部材３０８との間で密閉空間を形成する外壁部材３０４とによって囲まれた空間であり、濃縮室３０２には加圧空気を導入するための開閉弁Ｓ１、高濃度の酸素を含むガスを製品タンク１１１に移送するための開閉弁Ｓ２が配置されている。一方、再生室３０３は回転部材３０８と回転部材３０８との間で密閉空間を形成する外壁部材３０５とによって囲まれた空間であり、再生室３０３には吸着剤３０１ａまたは３０１ｂから脱離した窒素を排気するための開閉弁Ｓ３が配置され、開閉弁Ｓ３には再生室３０３を減圧にする真空ポンプ２１０が接続されている。なお、開閉弁Ｓ３を真空ポンプ２１０に接続する代わりに大気中に放出する構成としてもよい。外壁部材３０４および外壁部材３０５は、図に示すように所定内径を有し、回転部材３０８との間で中空円筒形状の密閉空間を形成する中空円筒形状の外壁部材である外壁３０６ａおよび３０６ｂにそれぞれ接続している。なお、図には示さなかったが、本酸素濃縮装置には、回転体３０８を回転させるためのモータ制御部、本装置の各部（モータ制御部、各弁、冷却ファン、各種センサなど）を制御する制御部が設置されており、制御部は、不図示のＲＯＭに記憶された制御プログラムに基づいて、不図示のＲＡＭを作業領域として使用して以下に述べる各種制御を実行する。
【００６０】
次に、図４を用いて、第１濃縮工程、再生工程、第２濃縮工程について説明する。ここで、（１）第１濃縮工程とは、吸着剤３０１ａまたは３０１ｂを濃縮室３０２に配置した後、濃縮室３０２へ加圧された空気が導入され、吸着剤３０１ａまたは３０１ｂで窒素を吸着除去する工程であり、（２）再生工程とは、窒素を吸着した吸着剤３０１ａまたは３０１ｂを低圧にされた再生室３０３に移動して再生する工程であり、（３）第２濃縮工程とは、再生された吸着剤３０１ａまたは３０１ｂを濃縮室３０２に再度移動し、残っている窒素を吸着剤３０１ａまたは３０１ｂで吸着除去して高濃度の酸素を製品ガスとして取り出す工程である。（４）なお、第２濃縮工程において、所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第２濃縮工程を交互に繰り返すことによって濃縮室内の酸素を所望濃度まで濃縮した後、濃縮室から取り出す。
【００６１】
まず、第１濃縮工程について説明する。図４の（１）の吸着剤３０１ａの状態に示すように、回転体３０８を回転させて吸着剤３０１ａ（または３０１ｂ）が濃縮室３０２に配置されるように制御する。次に、開閉弁Ｓ１を開き、濃縮室３０２へコンプレッサ１０５によって加圧された空気を導入するように制御する（開閉弁Ｓ２は閉じている）。濃縮室３０２へ空気を導入した後、開閉弁Ｓ１を閉じる。濃縮室３０２では、吸着剤３０１ａ（または３０１ｂ）による加圧された空気中の窒素の優先的な吸着が起こる。しかし、濃縮室３０２には、十分な量の吸着剤２０１が配置されていないため濃縮室３０２の気相に残った酸素は所望濃度まで濃縮されない。
【００６２】
そこで、図４の（２）に示すように、回転体３０８を図の矢印方向に回転させることにより、窒素を吸着した吸着剤３０１ａ（または３０１ｂ）を濃縮室３０２から再生室３０３まで移動する。
【００６３】
次に、再生工程について説明する。図４の（３）の状態は、図４の（１）から回転体３０８を回転させて吸着剤３０１ａ（または３０１ｂ）を濃縮室３０２から再生室３０３まで移送した状態を示している。このとき、再生室３０３に接続する開閉弁３は開いており、開閉弁３は真空ポンプ２１０に接続されている。このため、再生室３０３の圧力は濃縮室３０２の圧力より低圧（大気圧以下に減圧）に維持されている。なお、真空ポンプ２１０を用いずに開閉弁Ｓ３を大気に開放する構成とし、開閉弁Ｓ３を開いたときに再生室３０３が大気圧に維持される構成としてもよい。その結果、再生室３０３の圧力は、濃縮室３０２の圧力（加圧空気の圧力）より低圧に維持されているため、濃縮室３０２で窒素を吸着した吸着剤３０１は、再生室３０３で窒素を脱離することができるため吸着剤３０１ａ（または３０１ｂ）を再生することができる。
【００６４】
次に、第２濃縮工程について説明する。図４の（４）は、図４の（３）の状態から回転体３０８を図の矢印方向に回転させて再生室３０３で再生された吸着剤３０１ａ（または３０１ｂ）を再生室３０３から濃縮室３０２に移送した状態を示している。このとき、濃縮室３０２に接続する開閉弁Ｓ１、Ｓ２は閉じている。ここで、再生された吸着剤３０１ａ（または３０１ｂ）は濃縮室３０２に残っている窒素を吸着し、濃縮室３０２に残った酸素は所望濃度にまで濃縮される。そこで、開閉弁Ｓ２を開き、濃縮室３０２から製品ガス取出口１０８を介して高濃度に濃縮された酸素を取り出して製品タンク１１１に貯蔵する。
【００６５】
なお、上記説明した第２濃縮工程によって所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第２濃縮工程とを再度繰り返すことによって濃縮室３０２内の酸素を所望濃度まで濃縮するように制御した後、所望濃度に濃縮した酸素を含むガスを濃縮室３０２から取り出すように制御すればよい。
【００６６】
ここで、回転体３０８を図の矢印方向に連続的に回転移動させることにより上記説明した第１濃縮工程、再生工程、第２濃縮工程の操作を２つの吸着剤３０１ａまたは３０１ｂを用いて交互に行いながら連続して行うことができる。その結果、本発明の酸素濃縮装置では、第１の実施形態の酸素濃縮装置に比べてより多量の濃縮された酸素を連続的に取り出すことができる。
【００６７】
＜第４実施形態＞
以下、第４の実施形態の酸素濃縮装置について説明する。本酸素濃縮装置は、その全体構成は、図１で説明した第１の実施形態の酸素濃縮装置と類似しており、酸素濃縮部３５０の第１濃縮工程、再生工程、第２濃縮工程の各工程の機能は、第３の実施形態の酸素濃縮部３００の機能と同じである。ただし、本実施形態の酸素濃縮部３５０は、第３の実施形態の酸素濃縮部３００とその構造が異なる。そこで、以下の説明では、第１の実施形態の酸素濃縮装置と共通する部分の説明は、重複するので省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００６８】
［酸素濃縮部の構造：図５］
本実施形態の酸素濃縮部３５０が第３の実施形態の酸素濃縮部３００と異なる点は、本実施形態の酸素濃縮部３００は、図５に示すように回転体３０８の全表面を８つの区画に分けそれぞれに８つの吸着剤３０１ａ〜３０１ｈが配置した点である。そのため、回転体３０８を図の矢印方向に回転することにより８つの吸着剤３０１ａ〜３０１ｈのうちの３つ（図５では、３１０ａ〜３１０ｃ）を濃縮室３０２と再生室３０３（図５では、３１０ｅ〜３１０ｇ）にそれぞれ配置しながら、順次連続的に移動させることができる。そのため、８つの吸着剤のうちの３つの吸着剤への窒素の吸着と、３つの吸着剤からの吸着した窒素の脱離を順次連続して行うことができる。そこで、再生された吸着剤を再生室３０３から濃縮室３０２に再度移動し吸着剤に気相中に残っている窒素を吸着させる（第２濃縮工程）ことによって、第１の実施形態の酸素濃縮部２００に比べてより多量の酸素を濃縮して取り出すことができる。
【００６９】
＜第５実施形態＞
以下、第５の実施形態の酸素濃縮装置について説明する。本酸素濃縮装置は、その全体構成は、図６に示すように図１で説明した第１の実施形態の酸素濃縮装置と類似しており、酸素濃縮部４００の第１濃縮工程、再生工程、第２濃縮工程の各工程の機能は、第１の実施形態の酸素濃縮部２００の機能と同じである。ただし、本実施形態の酸素濃縮部４００は、回転体を回転して吸着剤を移送する第１の実施形態の酸素濃縮部２００とその構造が異なり、ピストン部材を往復移動して吸着剤を移送する。そこで、以下の説明では、本酸素濃縮装置および酸素濃縮部４００の構造について説明し、酸素濃縮部４００を用いて原料空気から高濃度の酸素を濃縮する方法について説明する。
【００７０】
［酸素濃縮装置の全体構成：図６］
本実施形態の酸素濃縮装置の全体構成について図６を用いて説明する。
【００７１】
本酸素濃縮装置では、まず原料ガスである空気は防塵フィルター１０１と吸気フィルター兼消音バッファ１０２とによりゴミが除去され、コンプレッサ１０５で圧縮され所望の圧力（例えば、１．５気圧〜数気圧）に加圧された後、冷却ファン１０４、熱交換器１０６で冷却される。ついで、加圧空気は、酸素濃縮部４００のうちの吸着剤４０１が配置された濃縮室４０２に導入される。濃縮室４０２では、加圧空気が導入されると、吸着剤４０１への窒素の優先的な吸着が進む（第１濃縮工程）。続いて、窒素を吸着した吸着剤４０１は吸着剤４０１をその表面の一部に配置した移送手段であるピストン部材４０８により濃縮室４０２から再生室４０３に移送され、真空ポンプ２１０等で濃縮室４０２より低圧（大気圧未満または大気圧）に維持されている再生室４０３にて吸着剤４０１に吸着されている窒素を脱離させて再生室２０３から排出して吸着剤を再生する（再生工程）。続いて、再生された吸着剤４０１をピストン部材４０８で再生室４０３から濃縮室４０２に再度移送し、再生された吸着剤４０１を用いて加圧空気中に残っている窒素の吸着を行う（第２濃縮工程）。この結果、所望濃度に濃縮された酸素を含むガスを濃縮室２０２から取り出して製品タンク１１１に一時的に貯蔵する。なお、第２濃縮工程の操作において、所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第２濃縮工程を交互に繰り返すことによって濃縮室内の酸素を所望濃度まで濃縮した後、濃縮室から取り出す。製品タンク１１１に貯蔵された高濃度の酸素を含むガスは、その後、圧力調整器１１２と流量調節器１１５を用いて所望の圧力とガス流量とになるように制御され、さらに、加湿器１１６を介して適度に加湿された後、可撓性延長チューブ１１７、カニューラ１１８等の導管を介して患者に供給される。なお、本酸素濃縮装置で使用する吸着剤は、窒素を優先的あるいは選択的に吸着させるために、Na-A型、Ca-A型、Na-X型、Ca-X型、あるいは、Li-X型等の合成ゼオライトが１種又は組み合わせて使用される。
【００７２】
［酸素濃縮部の構造：図７Ａ］
本実施形態の酸素濃縮装置で使用する酸素濃縮部４００の構造及び本それを用いた高濃度の酸素を製造する方法について、酸素濃縮部の断面構成を示す図７Ａ〜７Ｃを用いて詳細に説明する。
【００７３】
本酸素濃縮部４００では、往復移動可能なピストン部材４０８の表面上の一部に配置された吸着剤４０１を濃縮室４０２と再生室４０３との間で移動させながら、吸着剤４０１への窒素の吸着と吸着剤４０１からの吸着した窒素の脱離を交互に行うことができる。すなわち、濃縮室４０２では加圧された原料空気（例えば、１．５気圧〜数気圧）から窒素を吸着剤４０１に優先的に吸着させ（第１濃縮工程）、再生室４０３を真空ポンプ１０５などで濃縮室４０２より低圧（大気圧未満または大気圧）に維持することで、吸着剤２０１に吸着した窒素を脱離させて吸着剤４０１を再生する（再生工程）ことができる。そこで、再生された吸着剤４０１を再生室４０３から濃縮室４０２に再度移動して吸着剤４０１へ原料空気中に残っている窒素を吸着させる（第２濃縮工程）ことによって少量の吸着剤２０１を再生しながら酸素を濃縮して取り出すことができる。
【００７４】
図７Ａに示すように、本実施形態の酸素濃縮部４００は、ピストン部材４０８、濃縮室４０２、再生室４０３等から構成されている。ピストン部材４０８中には吸着剤４０１が埋設され、吸着剤４０１の表面がピストン部材４０８の外表面の一部を形成するように設置される。また、濃縮室４０２はピストン部材４０８と、ピストン部材４０８との間で密閉空間を形成する外壁部材４０４とによって囲まれた空間であり、濃縮室４０２には加圧空気を導入するための開閉弁Ｓ１、高濃度の酸素を含むガスを製品タンク１１１に移送するための開閉弁Ｓ２が配置されている。一方、再生室４０３はピストン部材４０８とピストン部材４０８との間で密閉空間を形成する外壁部材４０５とによって囲まれた空間であり、再生室４０３には吸着剤４０１から脱離した窒素を排気するための開閉弁Ｓ３が配置され、開閉弁Ｓ３には再生室４０３を減圧にする真空ポンプ２１０が接続されている。なお、開閉弁Ｓ３を真空ポンプ２１０に接続する代わりに大気中に放出する構成としてもよい。外壁部材４０４および外壁部材４０５は、図に示すように所定内径を有し、ピストン部材４０８との間で中空円筒形状の密閉空間を形成する中空円筒形状の外壁部材である外壁４０６の両端にそれぞれ接続している。
【００７５】
なお、図には示さなかったが、本酸素濃縮装置には、ピストン部材４０８を往復移動させるためのモータ制御部、本装置の各部（モータ制御部、各弁、冷却ファン、各種センサなど）を制御する制御部が設置されており、制御部は、不図示のＲＯＭに記憶された制御プログラムに基づいて、不図示のＲＡＭを作業領域として使用して以下に述べる各種制御を実行する。
【００７６】
［空気から高濃度の酸素を濃縮する方法：図７Ａ〜７Ｃ］
図７Ａ〜７Ｃは、第１濃縮工程、再生工程、第２濃縮工程の各工程における、濃縮室４０２、再生室４０３、ピストン部材４０８上に配置された吸着剤４０１の位置関係の変化や開閉弁Ｓ１〜Ｓ３の開閉状態を説明する図である。ここで、（１）第１濃縮工程とは、酸素濃縮部４００の濃縮室４０２へ加圧された空気が導入され、吸着剤４０１で窒素を吸着除去する工程であり、（２）再生工程とは、窒素を吸着した吸着剤４０１を低圧にされた再生室４０３に移動して再生する工程であり、（３）第２濃縮工程とは、再生された吸着剤４０１を濃縮室４０２に再度移動し、残っている窒素を吸着剤４０１で吸着除去して高濃度の酸素を製品ガスとして取り出す工程である。（４）なお、第２濃縮工程において、所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第２濃縮工程を交互に繰り返すことによって濃縮室内の酸素を所望濃度まで濃縮した後、濃縮室から取り出す。このとき、吸着剤はピストン部材４０８によって濃縮室と再生室との間を予め決められたタイミング（例えば、窒素を吸着した吸着剤を濃縮室から再生室に移送し、再生された吸着剤を再生室から濃縮室に移送するときの移送の周期を予め決められた周期にする）で繰り返し移送され、濃縮室への原料空気の導入と濃縮室からの濃縮された酸素の取り出しは、複数回の周期に１回（例えば、２周期に１回、３周期に１回など）行なわれる。
【００７７】
まず、第１濃縮工程について説明する。図７Ａにおいて、ピストン部材４０８を図の位置に移動させて吸着剤４０１が濃縮室４０２に配置する。次に、開閉弁Ｓ１を開き、濃縮室２０２へコンプレッサ１０５によって加圧された空気を導入する（開閉弁Ｓ２は閉じている）。濃縮室４０２へ空気を導入した後、開閉弁Ｓ１を閉じる。濃縮室４０２では、吸着剤４０１による加圧された空気中の窒素の優先的な吸着が起こる。しかし、濃縮室４０２には、十分な量の吸着剤４０１が配置されていないため濃縮室４０２の気相に残った酸素は所望濃度まで濃縮されない。
【００７８】
そこで、図７Ｂに示すように、図７Ａの状態からピストン部材４０８を図７Ａの矢印方向に図７Ｂの状態まで、すなわち、窒素を吸着した吸着剤４０１を濃縮室４０２から再生室４０３まで移動させる。
【００７９】
次に、再生工程について説明する。図７Ｂは、吸着剤４０１を濃縮室４０２から再生室４０３まで移送した状態を示している。このとき、再生室４０３に接続する開閉弁３は開いており、開閉弁３は真空ポンプ２１０に接続されている。このため、再生室４０３の圧力は濃縮室４０２の圧力より低圧（大気圧以下に減圧）に維持されている。その結果、再生室４０３の圧力は、濃縮室４０２の圧力（加圧空気の圧力）より低圧に維持されているため、濃縮室４０２で窒素を吸着した吸着剤４０１は、再生室４０３で窒素を脱離することができるため吸着剤４０１を再生することができる。なお、真空ポンプ２１０を用いずに開閉弁Ｓ３を大気に開放する構成とし、開閉弁Ｓ３を開いたときに再生室２０３が大気圧に維持される構成としてもよい。
【００８０】
次に、第２濃縮工程について説明する。図７Ｃは、図７Ｂの状態からピストン部材４０８を図７Ｂの矢印方向に移動させて再生室２０３で再生された吸着剤４０１を再生室４０３から濃縮室４０２に移送した状態を示している。このとき、濃縮室４０２に接続する開閉弁Ｓ１、Ｓ２は閉じている。ここで、再生された吸着剤４０１は濃縮室４０２に残っている窒素を吸着し、濃縮室４０２に残った酸素は所望濃度にまで濃縮される。そこで、開閉弁Ｓ２を開き、濃縮室４０２から製品ガス取出口１０８を介して高濃度に濃縮された酸素を取り出して製品タンク１１１に貯蔵する。
【００８１】
なお、上記説明した第２濃縮工程によって所望濃度の酸素を含むガスが得られない場合には、上記説明した再生工程と第２濃縮工程とを再度繰り返すことによって濃縮室４０２内の酸素を所望濃度まで濃縮するように制御した後、所望濃度に濃縮した酸素を含むガスを濃縮室４０２から取り出すように制御すればよい。
【００８２】
ここで、ピストン部材４０８を図７Ａ、７Ｂの矢印方向に連続的に往復移動させることにより上記説明した第１濃縮工程、再生工程、第２濃縮工程の操作を連続して繰り返すことができる。その結果、本本発明の酸素濃縮装置では、吸着剤を再生しながら原料の空気から所望の濃度となるように濃縮された酸素を連続的に取り出すことができる。そのため、従来の酸素濃縮装置に比べて吸着剤の量を減らすことができる。また、吸着剤の再生のために圧力差を利用するため、温度差を使用する場合の熱ロスの問題を回避することができる。また、吸着剤の再生は、濃縮室と再生室の圧力差を利用しているので、吸着剤の再生のために温度差を使用する場合の熱ロスの問題やそれを解消するための複雑な機構を付加する必要もない。
【００８３】
なお、ピストン部材の半径は、例えば、１０ｍｍ〜１０００ｍｍであり、好ましくは、２０ｍｍ〜２００ｍｍである。また、ピストン部材の往復移動の周期は、例えば、０．０１〜１００Hz程度であり、好ましくは０．１〜５０Hz程度である。製品ガスの供給流量は、例えば、０．０１リットル／分〜１００リットル／分であり、好ましくは、０．１リットル／分〜１０リットル／分である。また、酸素濃縮部内部に形成される圧力差は、０．００１ＭＰａ以上であることが好ましく、０．０１ＭＰａ以上の圧力差であることが更に好ましい。
【００８４】
なお、上記説明で使用した構成は、一例であり、本発明の技術的思想を満足するものであれば、その構成や配置は適時変更が可能である。例えば、開閉弁の代わりに逆止弁などを使用してもよい。また、吸着剤の形状は、適時、変更することができる。
【００８５】
＜第６実施形態＞
以下、第６の実施形態の酸素濃縮装置について説明する。本酸素濃縮装置は、その全体構成は、図６で説明した第５の実施形態の酸素濃縮装置と類似しており、酸素濃縮部４５０の第１濃縮工程、再生工程、第２濃縮工程の各工程の機能は、第３の実施形態の酸素濃縮部４００の機能と同じである。ただし、本実施形態の酸素濃縮部４５０は、第５の実施形態の酸素濃縮部４００とその構造が異なる。そこで、以下の説明では、第５の実施形態の酸素濃縮装置と共通する部分の説明は、重複するので省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００８６】
［酸素濃縮部の構造：図８］
本実施形態の酸素濃縮部４５０が第５の実施形態の酸素濃縮部４００と異なる点は、濃縮室４０２内に導入される加圧空気の流れの方向を制御して吸着剤４０１への窒素の吸着を容易にするためのじゃま板４１１を配置し、開閉弁Ｓ１と開閉弁Ｓ２が常時開いた状態に制御されている点だけである。このとき、開閉弁Ｓ２は、濃縮室２０２から製品タンク１１１に所定流量の酸素を含むガスが連続的に供給され、開閉弁Ｓ１は、コンプレッサ１０５から濃縮室２０２に所定流量の加圧空気が連続的に供給されるように制御されている。また、本酸素濃縮部４５０でも第５の実施形態の酸素濃縮部４００と同様にピストン部材４０８の表面上の一部に配置された吸着剤４０１を濃縮室４０２と再生室４０３との間で往復移動させながら、吸着剤４０１への窒素の吸着と吸着剤２０１からの吸着した窒素の脱離を交互に行うことができる。その結果、本実施形態の酸素濃縮部４５０では、開閉弁Ｓ１と開閉弁Ｓ２とを常時開いた状態に制御することにより、濃縮室２０２で濃縮された所定流量の酸素を含むガスを連続的に濃縮室２０２から取り出して製品タンク１１１に貯蔵することができる。
【００８７】
なお、上記説明した各実施形態の説明では、ＰＳＡ法による空気からの酸素の濃縮を例に説明しているが、本発明は、これに限ることはなく、複数のガス成分を含むガス流体と、そのガス流体中の特定のガスを吸着する吸着剤があれば、吸着剤に吸着されない残りのガスを濃縮することができる。そのため、各種ガス成分を含むガス流体から目的とするガスの濃縮、分離精製、あるいは、ガス流体に含まれる有害成分の除去などにも利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の第１の実施形態の酸素濃縮装置の全体構成を示す図である。
【図２Ａ】、
【図２Ｂ】、
【図２Ｃ】、
【図２Ｄ】本発明の第１の実施形態の酸素濃縮部を用いて空気から高濃度の酸素を濃縮する方法を説明する図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の酸素濃縮部の一例を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の酸素濃縮部の一例を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施形態の酸素濃縮部の一例を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施形態の酸素濃縮装置の全体構成を示す図である。
【図７Ａ】、
【図７Ｂ】、
【図７Ｃ】本発明の第５の実施形態の酸素濃縮部を用いて空気から高濃度の酸素を濃縮する方法を説明する図である。
【図８】本発明の第６の実施形態の酸素濃縮部の一例を示す図である。
【図９】従来の酸素濃縮装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０  酸素濃縮部
２０１、３０１、４０１  吸着剤
２０２、３０２、４０２  濃縮室
２０３、３０３、４０３  再生室
２０４、３０４、４０４  外壁部材（濃縮室）
２０５、３０５、４０５  外壁部材（再生室）
２０６、３０６、４０６  外壁部材
２０８、３０８  移送手段（回転体）
４０８  移送手段（ピストン部材）
【図１】
2007209900.tif 000003
【図２Ａ】
2007209900.tif 000004
【図２Ｂ】
2007209900.tif 000005
【図２Ｃ】
2007209900.tif 000006
【図２Ｄ】
2007209900.tif 000007
【図３】
2007209900.tif 000008
【図４】
2007209900.tif 000009
【図５】
2007209900.tif 000010
【図６】
2007209900.tif 000011
【図７Ａ】
2007209900.tif 000012
【図７Ｂ】
2007209900.tif 000013
【図７Ｃ】
2007209900.tif 000014
【図８】
2007209900.tif 000015
【図９】
2007209900.tif 000016