(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強吸着性ガスを吸着する吸着剤を充填した一つの吸着筒の出口と、吸着剤を充填した製品ガスタンクの入り口を制御用の電磁弁を介して接続し、吸着工程にある吸着筒の圧力が該製品ガスタンクの圧力よりも高い場合には、該吸着筒から該製品ガスタンクへ製品ガスを導入して該製品ガスタンクの圧力を高めていき、減圧脱着工程にある該吸着筒の圧力が該製品ガスタンクの圧力よりも低い場合には、該製品ガスタンクから吸着筒へ該製品ガスを逆流させ、かつ、製品ガスタンクの圧力変動の最低値を製品ガス圧力より高くすよう該電磁弁を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、圧力変動方（以下、PSA法ともいう）もよるガス濃縮方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のPSA法によるガス分離装置では、1個又は複数個の吸着筒を有し、この吸着筒の後に、製品ガスを貯留するための製品ガスタンク(多くの場合は中空)を有している。この製品ガスタンク内の圧力は、吸着相における製品ガスのつめ込み工程(注入相)と、脱着相における吸着筒へ逆流する均圧工程があり、その各過程において変動する。
【０００３】
製品ガスを使用に供する場合の圧力は、この変動範囲以下に設定しないと例え圧力調整弁を付設したとしても製品ガスの流量に変動をきたす。また、使用圧力を上げるためには、該製品ガスタンクの容量を大きくして、圧力変動範囲を小さくする等の工夫が必要になる。
【０００４】
特に医療用等のPSA法による酸素濃縮装置は、在宅治療が主となるためにその装置の寸法もできるだけ小さくすることが要求され、また、製品ガスの圧力も
0.3kgf/cm2{30kPa}程度の低さで、かつ、一定流量の酸素ガスをたえず使用することが必要であるので、小型化が要求されるにもかかわらず、製品ガスタンクの容量は、比較的大きくとらざるをえない。
【０００５】
一方、一定酸素発生量当りの消費電力(電力原単位ともいう)は少ない方がよいことは当然であるが、医療用等の小型のPSA法による酸素濃縮装置は、構造を簡単にするために、この電力原単位が約1.7kW/m3と比較的高い値になっている。これに対して、装置の外形寸法や騒音の制約が比較的少ない産業用のPSA法による酸素濃縮装置では、その電力原単位は約0.5kW/m3と比較的低い。
【０００６】
医療用等の小型のPSA法による酸素濃縮装置は、個人の家庭等で使用することが多々あり、装置の形状等はできるだけ小型軽量にして、しかも前記の電力原単位は極力少ない、すなわち、経済的で効率の良いPSA法による酸素濃縮装置が要望されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、医療用や健康用等に使用する比較的小型の酸素濃縮装置において、その構造等を小型軽量化、低消費電力化にすることへの要望を満たすことを目的とするもので、次の点を課題とする。
(1)酸素濃縮装置の小型化要望に対応するために、製品ガスタンクも小型化を図る。
(2)酸素濃縮装置の製品ガスである酸素の製造能力を向上させて、電気消費量を下げる。すなわち、電力原単位を下げて省エネルギーの課題を果たす。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、吸着筒の加圧吸着工程と減圧脱着工程に伴う変動により、製品ガスタンクの加圧，減圧を繰り返して製品ガスタンク内の酸素を濃縮する酸素濃縮方法において、強吸着性ガスを吸着する吸着剤を充填した一つの吸着筒と、吸着剤を充填した製品ガスタンクと、該製品ガスタンクの入口と前記吸着筒の出口の間に介在された一つの制御用の電磁弁を備え、吸着工程にある吸着筒の圧力が該製品ガスタンクの圧力よりも高い場合には、該吸着筒から該製品ガスタンクへ製品ガスを導入して該製品ガスタンクの圧力を高めていき、該吸着筒の圧力が該製品ガスタンクの圧力よりも低い場合には、該製品ガスタンクから吸着筒へ該製品ガスを逆流させて均圧工程となるように該電磁弁の開閉時間を制御し、かつ、該製品ガスタンクから取り出す製品ガスの圧力は、この製品ガスタンクの圧力変動の最低値よりも実質的に低く、しかも、連続して取り出せるように制御する方法としたものである。
【0010】
【作用】
本発明の方法とすることにより次のような作用効果を生ずる。吸着工程にある吸着筒の出口から該製品ガスタンクの入口へ向かって該製品ガスを導入して該製品ガスタンクの圧力を高めていき、また、前記の脱着工程が終了し、次のサイクル、すなわち吸着工程の初期において、この吸着筒の圧力が、該製品ガスタンクの圧力よりも低い範囲においては、該製品ガスタンクの入口からこの吸着筒の出口に向かって該製品ガスが逆流して均圧工工程となるように製品ガスタンクの入口と吸着筒の出口の間に介在された電磁弁の開閉を制御することにより、該製品ガスタンクにもガスの出入り及び圧力変化を与えてPSA法によるガス濃縮機能を持たせる方法である。
【００１１】
さらに、前記の吸着筒は、強吸着性ガスと共に、まず湿気（水分）も吸着する必要があるので、吸着剤の性能維持のために、前記の吸着剤及び/又は製品ガスタンクに、吸着剤と共に若干量の吸湿剤も充填することが好ましい。この吸湿剤は、吸着剤と混合しても良いが、好ましくは、該吸着筒の入口側に、吸着剤とは層を区別して付設する方法が好ましい。
【００１２】
該製品ガスタンクの出口より取り出す製品ガスには必要な吐出圧力が求められるので、該製品ガスタンクの圧力変動の最低値を実質的にこれより高い値になるように該制御弁を制御し、そして前記の吸着筒の加圧工程や均圧工程によって生じる該製品ガスタンクの圧力変動は、できるだけ大きくなるようにこの製品ガスタンクの容量と吸着剤によるガス吸着量を定めて、該製品ガスタンクの容量をできるだけ小さくなるように設計することが好ましい。
【００１３】
該製品ガスタンクに、充填した吸着剤に強吸着性ガスと共に、弱吸着性ガスも吸着させることにより、ガス体が吸着剤に吸着するとその体積がガス体の場合に比較して実質上無視できる(すなわちゼロになる)程度になるので、該製品ガスを加圧吸着させた場合は、該製品ガスタンクの容量を大きくしたのと同等の作用効果があるので実質的に同一容量の製品ガスタンクとするためには、中空のタンクに比較してかなり小型のもので良いことになり、この製品ガスタンクを使用する酸素濃縮装置をいっそう小型にすることが可能となる。
【００１４】
前述のように、吸着筒の加圧吸着工程及び減圧脱着工程に伴う圧力変動により、該製品ガスタンクの圧力も加圧上昇、減圧降下を繰返すことになり、該製品ガスタンクに充填した吸着剤も、加圧吸着工程と、パージあるいは均圧工程時には減圧脱着工程の繰返しをすることになるので、この製品ガスタンクにもPSA法によるガス濃縮機能をもたせることができる。
【００１５】
該吸着筒の減圧脱着工程時の減圧操作は、大気圧開放によるものであっても良く、また、真空ポンプ等で大気圧より陰圧になるように吸引しても良い。
【００１６】
PSA法による酸素濃縮装置において、その装置の目的とする性能の一つに酸素濃度(容量比、以下同じ)がある。本発明の例では、この目標値を流量が4.5リットル/分の時に94％(±2％)としたが、従来の技術によるPSA法による酸素濃縮装置では、多くの場合、製品ガスタンクが中空であるために、吸着筒の出口の製品ガスの酸素濃度もこの目標値と同一にする必要があった。本発明を実施した酸素濃縮装置では、吸着筒の出口の製品ガスの酸素濃度は85％であったが、製品ガスタンクの出口、すなわち、使用に供する製品ガスの酸素濃度は流量が
4.5リットル/分の時に95％であり、前期の目標値の範囲内であった。
【００１７】
このことは、同じ目標値の酸素濃度を得るためには、中空の製品ガスタンクを使用する酸素濃縮装置の規模に比較して、装置の形状や電気の消費量、すなわち、電力原単位を小さくすることが可能となり、本発明の目的を達成することができた。
【0018】
【実施例】
以下、図を参照して本発明の方法による装置の構成を説明するが本発明はこの実施例に限定されるものではない。図1(A)は、本実施例のPSA法による酸素濃縮装置のフロー図であって、本図では制御部と、吸着筒及び製品ガスタンクは内の吸着剤や吸湿剤の図示は省略した。
【００１９】
この図1において、吸入フィルタ1は、コンプレッサ2が原料ガスである大気を吸入する際の大気中の塵埃等を取除くためのものである。また、ポンプ2は、吸着筒5に加圧空気の供給と、減圧脱着する場合にその圧力を大気圧以下まで吸引するためのものである。電磁弁3,4,7は、それぞれ制御部で一定条件(操作時間ともいう)のもとで制御してPSA法による酸素濃縮装置としての動作をするように構成した。
【００２０】
この一定条件は、一定時間毎に開閉のタイミングが与えられる方法であっても、該吸着筒内の圧力を検知して、その圧力が一定値になった時点で開閉のタイミングが与えられる方法であっても良いが、本実施例では、一定時間毎に電磁弁に開閉の指示が与えられる方法とし、その時間は、7秒とした。また、製品ガスタンク8のの出口19からは、圧力調整弁9と流量設定弁10と、製品ガス取出し口20を介して製品ガスとしての酸素を取出すように構成した。
【００２１】
本実施例では、圧力調整弁9の設定圧力を0.3kgf/cm2{30kPa}とした。これは前述のように、該製品ガスタンクの圧力変動値の最低値(0.5kgf/cm2)より低くすることにより、取出す製品ガスの圧力を一定値にすることができる。また、医療用のPSA法による酸素濃縮装置の製品ガスの圧力も、騒音が少なくでき、この値が適しているためである。なお、製品ガスの圧力が多少変動しても実用上支障にならない場合には、この圧力調整弁は省略しても良い場合がある。
【００２２】
本実施例では、吸着剤として、ゼオライトを用いた。このゼオライトは、強吸着性ガスが窒素であって、弱吸着性ガスが酸素であるが、大気中に約1％有るアルゴンも弱吸着性ガスであるために、このアルゴンも酸素と同様に濃縮されるので、窒素成分がほとんど無いにもかかわらず製品ガスの酸素濃度は95％であった。なお、製品ガスの内、酸素以外のガスの濃度は、アルゴン4.9％,窒素0.1％であった。
【００２３】
図1(B)は、上記の図1(A)の構成における、電磁弁3,7及び4の制御に対する吸着筒5及び製品ガスタンク8内の圧力変化を模式的に示した図である。
【００２４】
なお、この図1(A)において、電磁弁3,4,7の近傍に図示した矢印は、実線のものが該電磁弁が「動作」(ON)時のガスの流通方向を示すもので、破線のものは、同じく「非動作」(OFF)時のものである。ここで、電磁弁3と、同4とはその動作、非動作が逆になっているので、説明用の矢印の実線と破線も逆になっている。すなわち、電磁弁3の矢印が実線のときは、同4の矢印は破線のとおりとなる。さらに、これらの電磁弁は、本実施例のように別々のものであっても良いが、一挙動で制御できる多方弁を用いても良い。
【００２５】
本実施例の構成によるPSA法による酸素濃縮装置と、従来の技術によるPSA法による酸素濃縮装置の性能に関する諸元の対比を表1に示す。
【００２６】
【表１】
0003764370.tif 000002
【００２７】
本実施例では、吸着筒と製品ガスタンクの両方に同種の吸着剤を充填したが、これらの両者の吸着剤は、必ずしもその性状まで同一である必要はなく、例えば、その吸着剤がゼオライトの場合であれば、前者が5A型で後者が13X型であっても良いし、その逆であっても、あるいはこれらの混合物であっても良い。
【００２８】
また、本発明では、製品ガスタンクの「長手方向の寸法」対「直径」の寸法比が2以上のものを用いたが、これは次のような理由による。
この製品ガスタンクが中空であれば、その容量さえ所望のものであれば、その形状はいかようのものであってもよいが、本発明の製品ガスタンクは、その容器内に吸着剤を充填しているので、該吸着剤が強吸着性ガスや弱吸着性ガスを吸着している部分と、未吸着の部分との境界面(マストランスファーゾーンまたはMTZともいう)が、PSA法による所定の時間の吸脱着に従って、該製品ガスタンク内を移動するので、上記のようにその直径の寸法に対して2倍以上の長手方向の寸法を有することが好ましい。
【００２９】
本実施例では、吸着筒や製品ガスタンクの形状は円形としたが、必ずしも円形にする必要はなく、その形状は方形や多角形であっても良いが、好ましくは加工性の面でも円形が良い。
【００３０】
また、本実施例では、吸着剤として強吸着性ガスが窒素であるゼオライトを使用して、弱吸着性ガスの酸素を製品ガスとしたが、この実施例に限らず、吸着剤として強吸着性ガスが酸素である活性炭等を使用してこの吸着剤に対して弱吸着性ガスである窒素を製品ガスとするように構成することも可能である。この場合、前記のアルゴンも弱吸着性ガスであるが、このアルゴンも窒素と同様に不活性ガスであるので、強吸着性ガスである酸素を分離除去するだけで、実用上問題はない。
【００３１】
【発明の効果】
本発明を実施することにより、次のような効果がある。
医療用や健康用に使用する比較的小型のPSA法によるガス濃縮装置において、その重量・形状を従来の技術によるものに比較して小さくすることが可能となり、また、その運転時の電力原単位の低減化も可能になるという優れた作用効果を生ずる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図1(A)は、本実施例の制御部や吸着剤等の図示を省略したPSA法による酸素濃縮装置のフロー図である。
図1(B)は、本実施例の各電磁弁の動作に伴う吸着筒及び製品ガスタンク内の圧力変化を模式的に示した図である。
【符号の説明】
1  吸入フィルタ
2  コンプレッサ
3  電磁弁
4  電磁弁
5  吸着筒
7  電磁弁
8  製品ガスタンク
9  圧力調整弁
10  流量設定弁
20  製品ガス取出し口
【図１】
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