JP2009006255A - 酸素濃縮器の均圧方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最適な均圧箇所を選択でき、高濃度の酸素を得られる酸素濃縮器の均圧方法を提供する。
【解決手段】吸着筒４、５内の作動圧力を設定すると共に、吸脱着切替時間を予め設定し、その条件で吸着運転したときの切替直前の吸着筒４、５内での上流から下流へ至る酸素濃度分布を予め求めておき、その酸素濃度分布に応じて、上記吸着筒４、５の下流側で均圧する下流均圧、上記吸着筒４、５の上流側と下流側の両方で均圧する上下均圧、上記吸着筒４、５の上流側で均圧する上流均圧のいずれかを選択するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮空気から窒素を吸着して酸素を製造する酸素濃縮器に係り、特に、複数の吸着筒で吸着と脱着を交互に繰り返しながら酸素を製造し、吸着と脱着を切替える際に吸着筒同士を均圧させる酸素濃縮器の均圧方法に関するものである。

酸素濃縮器は、窒素を選択的に吸着するゼオライトなどの吸着剤を充填した複数の吸着筒を用いて、この吸着筒のいずれかに圧縮空気を供給して酸素を製造し、他方で窒素を吸着した吸着筒を脱着し、これを交互に繰り返して酸素を製造する装置である。

例えば、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式を用いたＰＳＡ酸素濃縮器では、コンプレッサ等で高圧の空気を２つの吸着筒のいずれか一方の吸着筒に流通し、空気中の窒素を吸着剤に吸着させて分離する吸着工程と、他方の吸着筒の圧力を下げ、余剰の製品酸素でパージを行うことで吸着した窒素を放出し、吸着剤の再生を行う再生工程とを繰り返し行うことで、連続的に高濃度酸素を製造している。

このＰＳＡ酸素濃縮器では、吸着工程と再生工程とを切り替える際に、吸着工程にある吸着筒は高圧、再生工程にある吸着筒は低圧であり、コンプレッサからの圧縮空気を低圧の吸着筒に供給したのでは効率が悪いため、両吸着筒を接続して均圧させ、圧力を平均化する均圧工程もあわせて酸素を製造している（例えば、特許文献１参照）。

均圧工程で両吸着筒を均圧させるには、両吸着筒の上流側、下流側、あるいは上下双方を接続して均圧するいずれかの方法が行われている。

特開昭５９−１９９５０３号公報

ところで、均圧工程で吸着筒の下流側を接続して均圧（下流均圧）した場合、吸着側の吸着筒内の下流のガス（酸素または窒素）が脱着側の吸着筒に両吸着筒が均圧するまで流入するが、移動するガス中の窒素濃度が高いと、製品ガスに窒素が混合し、得られる酸素濃度が低くなる問題があった。

また、上流側で均圧した場合には、両吸着筒の上流側でガスが移動するため酸素濃度の低下の問題はなくなるが、均圧時に吸着側の吸着筒内の下流に残留した酸素が、脱着に切り替わった際にそのまま排気され、吸着筒で製造した酸素を有効に利用できない問題があった。

よって酸素濃縮器の運転条件に応じて最適な均圧箇所を選択する必要があるが、従来、これらの均圧箇所を選択するに際して明確な判断基準はなかった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、最適な均圧箇所を選択でき、高濃度の酸素を得られる酸素濃縮器の均圧方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、空気を圧縮するコンプレッサと、窒素を選択的に吸着する吸着剤が充填された少なくとも２つの吸着筒と、上記コンプレッサからの圧縮空気をいずれかの吸着筒に交互に供給して吸着させると共に、窒素を吸着した他の吸着筒を脱着させて脱着ガスを排気するための切替手段と、上記吸着筒で濃縮された酸素を貯留するバッファタンクとを備え、吸着を行っている吸着筒と、脱着を行っている吸着筒とを上記切替手段で切り替える前に均圧させる酸素濃縮器の均圧方法において、吸着筒内の作動圧力を設定すると共に、吸脱着切替時間を予め設定し、その条件で吸着運転したときの切替直前の吸着筒内での上流から下流へ至る酸素濃度分布を予め求めておき、その酸素濃度分布に応じて、上記吸着筒の下流側で均圧する下流均圧、上記吸着筒の上流側と下流側の両方で均圧する上下均圧、上記吸着筒の上流側で均圧する上流均圧のいずれかを選択する酸素濃縮器の均圧方法である。

請求項２の発明は、上記吸着筒内の作動圧力は、上記吸着筒の下流側に設けられたオリフィスまたはレギュレータからなる圧力調整機構により設定される請求項１に記載の酸素濃縮器の均圧方法である。

請求項３の発明は、上記吸脱着切替時間は、上記吸着筒内の作動圧力と、上記吸着筒内に充填された上記吸着剤の量とに応じて設定される請求項１または２に記載の酸素濃縮器の均圧方法である。

請求項４の発明は、上記切替手段は、上記コンプレッサと各吸着筒とサイレンサとを接続する少なくとも２つの切替弁から構成され、一方の切替弁で圧縮空気を一方の吸着筒に供給し、他方の切替弁で他方の吸着筒を脱着した脱着ガスを上記サイレンサ側に排気するよう切り替える請求項１〜３いずれかに記載の酸素濃縮器の均圧方法である。

請求項５の発明は、切替直前の吸着側の作動圧力と脱着側の吸着筒の圧力との差から、両吸着筒を均圧したときに一方から他方の吸着筒へ移動する酸素および窒素の移動量を予め求めると共に、予め求めた上記酸素濃度分布から吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量を求め、その酸素移動量が所定量以上であるとき、下流均圧を選択する請求項１〜４いずれかに記載の酸素濃縮器の均圧方法である。

請求項６の発明は、切替直前の吸着側の作動圧力と脱着側の吸着筒の圧力との差から、両吸着筒を均圧したときに一方から他方の吸着筒へ移動する酸素および窒素の移動量を予め求めると共に、予め求めた上記酸素濃度分布から吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量を求め、その酸素移動量が所定量以下であるとき、上下均圧を選択する請求項１〜４いずれかに記載の酸素濃縮器の均圧方法である。

請求項７の発明は、予め求めた上記酸素濃度分布から吸着側の吸着筒内の下流の酸素濃度が低いとき、上流均圧を選択する請求項１〜４いずれかに記載の酸素濃縮器の均圧方法である。

本発明によれば、酸素濃縮器において最適な均圧箇所を選択でき、高濃度の酸素を製造できる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。

本実施形態に用いられる酸素濃縮器は、ＰＳＡ方式により酸素を濃縮するＰＳＡ酸素濃縮器であり、例えば、オゾン発生器や医療用酸素濃縮装置に適用される。

まず、図１に示す本実施形態に係る酸素濃縮器１を説明する。

酸素濃縮器１は、空気を圧縮するコンプレッサ２と、圧縮空気から窒素を選択的に吸着する吸着剤３が充填された２つの吸着筒４、５と、コンプレッサ２からの圧縮空気をいずれか一方の吸着筒４（または５）に交互に供給して吸着させると共に、窒素を吸着した他方の吸着筒５（または４）を脱着させて脱着ガスを排気するための切替手段６と、切替手段６の排気側に接続されたサイレンサ１５と、上記吸着筒４、５で濃縮された酸素を貯留するバッファタンク７と、吸着筒４、５とバッファタンク７との間に接続され吸着筒４、５内の作動圧力を調整する圧力調整機構８と、コンプレッサ２と切替手段６との間に接続されたドレンポット９とを備える。

コンプレッサ２は、例えば、電動式のダイヤフラムコンプレッサからなる容積型コンプレッサである。そのコンプレッサ２とドレンポット９とは吐出管１０で接続され、ドレンポット９と２つの吸着筒４、５とサイレンサ１５とは、切替手段６により、コンプレッサ２からの圧縮空気を吸着側の吸着筒４（または５）に供給して、脱着側の吸着筒５（または４）からの脱着ガスをサイレンサ１５側に流すように接続される。

具体的には、切替手段６は２つの三方切替弁６ａ、６ｂからなり、三方切替弁６ａ、６ｂの１つめのポートはそれぞれ切替管１２ａ、１２ｂ、共通の脱湿空気供給管１１を介してドレンポット９に接続される。２つめのポートは、圧縮空気導入管１３ａ、１３ｂを介して吸着筒４、５に接続され、他のポートは排気管１４を介してサイレンサ１５に接続される。

三方切替弁６ａ、６ｂは、吸着筒４、５が吸着工程のときは、切替管１２ａと圧縮空気導入管１３ａ、あるいは切替管１２ｂと圧縮空気導入管１３ｂとを連通させ、再生工程のときは、圧縮空気導入管１３ａと排気管１４、あるいは圧縮空気導入管１３ｂと排気管１４を連通させるよう切替えられる。

吸着筒４、５は、酸素取出管１６ａ、１６ｂに接続され、その酸素取出管１６ａ、１６ｂが酸素集合管１８を介してバッファタンク７に接続される。

酸素取出管１６ａ、１６ｂには、オリフィス８ａ、８ｂからなる圧力調整機構８が設けられる。各オリフィス８ａ、８ｂは、酸素取出管１６ａ、１６ｂを各々絞り、吸着筒４、５内が設定した作動圧力となるようそのオリフィス径が設定される。

オリフィス８ａ、８ｂの上流側の酸素取出管１６ａ、１６ｂ同士は、両吸着筒４、５を下流側で接続するための下流均圧管２１で接続され、その下流均圧管２１に二方切替弁からなる下流均圧弁２２が接続される。

バッファタンク７は、タンク管１９を介して図示しないオゾン発生器などに接続され、そのタンク管１９に酸素供給圧を調整するためのレギュレータ２０が接続される。

吸着剤４、５に充填された吸着剤３は、例えばゼオライトからなり、吸着筒４、５内の上流側には活性アルミナなどの吸湿剤１７が配置される。

次に、酸素濃縮器１の作動を説明する。

まず、切替手段６は、その三方切替弁６ａ、６ｂの切替でコンプレッサ２と、吸着筒４、５のいずれか一方を接続して吸着を行う吸着工程と、他方の吸着筒とサイレンサ１５とを接続する再生工程の双方を交互に切り替える。

吸着工程
吸着工程では、コンプレッサ２からの圧縮空気がいずれか一方の吸着筒４（または５）に導入され、そこで圧縮空気中の窒素が吸着剤３で吸着され、高濃度酸素が生成されてバッファタンク７に貯留される。このとき、圧縮空気中の水分は、ドレンポット９で凝縮水が回収され、吸湿剤１７でさらに除湿される。これにより絶乾状態の圧縮空気が吸着剤３に供給されて、吸着剤３が水分を吸着して劣化しないようにされる。吸着工程での吸着筒４（または５）の作動圧力は、コンプレッサ２の吐出圧力とオリフィス８ａ（または８ｂ）のオリフィス径を調整することで設定される。

再生工程
再生工程は、吸着工程で窒素を吸着した吸着剤３から窒素を脱着して再度窒素を吸着できるようにするもので、三方切替弁６ｂ（または６ａ）で吸着筒５（または４）をサイレンサ１５側に接続することで、バッファタンク７から酸素が吸着筒５（または４）に導入され、これにより吸着した窒素が脱着されると共に、その脱着ガスが酸素と共にサイレンサ１５側にパージされて、吸着剤３が再生される。また、このパージ用の酸素は絶乾状態のため、吸湿剤１７に吸着された水分も脱着されて、吸湿剤１７も再生される。

このように吸着筒４、５では吸着工程と再生工程とが繰り返し行われるが、吸着筒４、５の吸着工程と再生工程とを切替える際には、両吸着筒４、５内の圧力が相違するため両吸着筒４、５の圧力を平均化する均圧工程を行う。これにより、再生から吸着に切り替わる吸着筒５（または４）を大気圧から昇圧することがなくなり、また吸着から再生に切り替わる吸着筒４（または５）内の高圧の酸素（または窒素）を無駄にすることがなくなり、吸着・再生の１サイクルにかかるトータル時間を少なくできる効果がある。

ところで、均圧工程で両吸着筒４、５を均圧させるには、図２および図３に示した下流均圧、図４および図５に示した上下均圧、図６〜８に示した上流均圧のいずれかを選択する必要があるが、上流均圧、下流均圧、あるいは上下均圧の最適な選択は従来確立されていなかった。

なお、上流均圧もしくは上下均圧を選択する際には図１の酸素濃縮器１を用い、下流均圧を選択する際には、図６の酸素濃縮器１を用いるとよい。

図６の酸素濃縮器１は、基本的に図１の酸素濃縮器１と同じ構成であり、三方切替弁６ａ、６ｂと吸着筒４、５を接続する圧縮空気導入管１３ａ、１３ｂに、二方切替弁からなる均圧弁６２ａ、６２ｂを接続したものである。この図６の酸素濃縮器１で下流均圧を行う場合には、吸着から再生に切り替える吸着筒４（または５）の均圧弁６２ａ（または６２ｂ）を開のまま、再生から吸着に切り替える吸着筒５（または４）の均圧弁６２ｂ（または６２ａ）を開から閉とし、下流均圧弁２２を閉から開とすることで両吸着筒４、５を均圧する。

本発明者らは、最適な均圧箇所を選択するため、まず各均圧箇所を選択し、吸脱着時間（吸脱着切替時間）を変え、運転圧力（作動圧力）を変化させたときに得られる製品ガスの酸素濃度変化を実験により求めた。実験結果を図１０（ａ）〜（ｃ）および図１１（ａ）〜（ｃ）に示す。

ここで、図１０（ａ）〜（ｃ）の実験条件としては、オリフィス８ａ、８ｂの径をφ０．５５ｍｍ、各吸着筒４、５に充填する吸着剤３の量を５５０ｇ、吸湿剤１７の量を２０ｇ、均圧時間を２秒とし、吸脱着時間（吸脱着切替時間）を１０〜２８秒の間で適宜変え、運転開始から５分後、１５分後の製品ガスの酸素濃度と、切替直前の吸着筒圧力（作動圧力）を測定した。

図１１（ａ）〜（ｃ）の実験条件としては、オリフィス８ａ、８ｂの径をφ０．３０ｍｍとしており、他は図１０（ａ）〜（ｃ）と同じ条件である。

図１０（ａ）および図１１（ａ）では上流均圧、図１０（ｂ）および図１１（ｂ）では下流均圧、図１０（ｃ）および図１１（ｃ）では上下均圧を選択している。破線は運転開始から５分後、実線は運転開始から１５分後に得られた製品ガスの酸素濃度を示し、一点鎖線は吸着筒圧力（作動圧力）を示す。

図１０（ａ）〜（ｃ）では、オリフィス８ａ、８ｂの径をφ０．５５ｍｍとすることにより、吸着筒４、５内の作動圧力は低く設定されている（以下、低圧条件という）。具体的には、吸脱着時間（吸脱着切替時間）が１０秒から２８秒で吸着筒圧力（作動圧力）はおよそ１２０〜２００ｋＰａとなる。

図１１（ａ）〜（ｃ）では、オリフィス８ａ、８ｂの径をφ０．３０ｍｍとすることにより、吸着筒４、５内の作動圧力は高く設定されている（以下、高圧条件という）。具体的には、吸脱着時間（吸脱着切替時間）が１０秒から２８秒で吸着筒圧力（作動圧力）はおよそ１６０〜３００ｋＰａとなる。

上流均圧で実験した図１０（ａ）と図１１（ａ）とを比較すると、低圧条件にある図１０（ａ）では、吸脱着時間１６〜２８秒間で製品ガスの酸素濃度が高く、高圧条件にある図１１（ａ）では、吸脱着時間が短いと製品ガスの酸素濃度が低い。よって、上流均圧は作動圧力が低いときに有効であると考えられる。

下流均圧で実験した図１０（ｂ）と図１１（ｂ）とを比較すると、低圧条件にある図１０（ｂ）では、吸脱着時間にかかわらず製品ガスの酸素濃度が低く、高圧条件にある図１１（ｂ）では、吸脱着時間２０〜２８秒で製品ガスの酸素濃度が高い。よって、下流均圧は作動圧力が高いときに有効であると考えられる。

上下均圧で実験した図１０（ｃ）と図１１（ｃ）とを比較すると、低圧条件にある図１０（ｃ）では、吸脱着時間１６〜２４秒間で運転開始から１５分後の製品ガスの酸素濃度は高いが、運転開始から５分後の製品ガスの酸素濃度は吸脱着時間にかかわらず低くなっている。高圧条件にある図１１（ｃ）では、運転開始から５分後、１５分後ともに吸脱着時間２０〜２８秒で製品ガスの酸素濃度が高い。よって、上下均圧は作動圧力が高いときに有効であると考えられる。

以上の結果から、低圧条件では上流均圧、高圧条件では下流均圧もしくは上下均圧を選択するのが有効であることがわかった。

以下に、これらの実験結果に基づき、最適な均圧箇所を選択する方法を説明する。

一般に、吸着剤３に付加する圧力（作動圧力）が高いとその窒素吸着能力は高くなり、圧力（作動圧力）が低いとその窒素吸着能力は低くなる。よって、吸着筒４、５内の作動圧力に応じて吸着剤３の窒素吸着能力が変化し、それにより吸着側の吸着筒内の酸素濃度分布が変化する。

図１０（ａ）〜（ｃ）の低圧条件では、吸着剤３の窒素吸着能力が低くなるため、吸着筒４、５に供給される圧縮空気中の窒素は、吸着筒４、５内の前段（上流）から後段（下流）にかけて幅広い範囲で捕捉され、吸着筒４、５内の下流の酸素濃度が低くなる。

このとき、図１０（ｂ）の下流均圧または図１０（ｃ）の上下均圧では、吸着側の吸着筒の後段（下流）に残った窒素が均圧時に両吸着筒４、５の下流側で移動し、その窒素が製品ガスと混合して酸素濃度が低下していると考えられる。

よって、吸着筒４、５内の下流の酸素濃度が低いときは、図１０（ａ）の上流均圧を選択するとよい。

図１１（ａ）〜（ｃ）の高圧条件では、吸着剤３の窒素吸着能力が高くなるため、吸着筒４、５に供給される圧縮空気中の窒素は、吸着筒４、５内の前段（上流）付近で多く捕捉され、吸着筒４、５内の後段（下流）では酸素濃度が高くなる。

ここで、吸着筒４、５内の作動圧力を高く設定する場合、小径のオリフィス８ａ、８ｂを用いるため、脱着時にバッファタンク７から脱着側の吸着筒に供給される酸素の量が減少する。このため、減少した酸素の量を吸着側の吸着筒内の下流の酸素で補わないと、吸着剤３を十分に脱着できなくなる。

そこで、図１１（ａ）の上流均圧では、吸着側の吸着筒内の下流の酸素を有効に利用できないため吸着剤３を十分に脱着できず、その結果製品ガスの酸素濃度が低下していると考えられる。

すなわち、吸着側の吸着筒内の下流の酸素濃度が高いときは、図１１（ｂ）の下流均圧もしくは図１１（ｃ）の上下均圧を選択するとよいが、この下流均圧と上下均圧のどちらを選択するか決定する際には、吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量を考慮する必要がある。

そこで、まず切替直前の吸着側の作動圧力と脱着側の吸着筒の圧力との差から、両吸着筒を均圧したときに一方から他方の吸着筒へ移動する酸素および窒素の移動量を予め求める。求めた酸素および窒素の移動量と、予め求めた上記酸素濃度分布から吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量を求め、その酸素移動量が所定量以上であるとき、下流均圧を選択するとよい。

より詳細には、切替直前の吸着側の吸着筒内の設定圧力が常圧（大気圧）のＸ倍とすると、脱着側の吸着筒内の圧力はほぼ常圧であるから、吸着側の吸着筒内の全空気量（酸素および窒素の量）に対する吸着側から脱着側の吸着筒へ移動する酸素および窒素の移動量の割合は（Ｘ−１）／２Ｘで表される。すなわち、切替直前に吸着側の吸着筒にある全空気量の（Ｘ−１）／２Ｘが、脱着側の吸着筒へと移動する。

他方、切替直前の吸着側の吸着筒内の上流から下流へ至る酸素濃度分布を予め求めておく。上述のとおり吸着剤３の窒素吸着能力は圧力により変化するため、予め吸着筒４、５内の作動圧力と吸脱着切替時間とを設定しておき、その条件で吸着運転したときの切替直前の吸着側の吸着筒内の酸素濃度分布を求める。

求めた酸素および窒素の移動量と、酸素濃度分布から、吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量が得られる。すなわち、吸着筒内の下流から（Ｘ−１）／２Ｘの距離（上流から（Ｘ＋１）／２Ｘの距離）よりも下流側にある酸素の量を求める。なお、吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量は、下流均圧したときに吸着側から脱着側の吸着筒へと移動する酸素移動量と等しくなる。

この酸素移動量が所定量以上であるとき、下流均圧を選択するとよい。望ましくは、この酸素移動量が、吸着側の吸着筒にある全空気量の（Ｘ−１）／２Ｘであるとよい。

これは、吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量が所定量以上であると、両吸着筒４、５の下流側で窒素が移動しないか、もしくは許容できる程度となり、均圧時に製品ガスと窒素が混合して酸素濃度が低下するおそれがなくなるためである。さらに、下流均圧を選択すると、吸着側の吸着筒の下流の酸素を再生工程で有効に利用でき、高濃度酸素を効率的に回収できる。

吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量が所定量以下である場合は、上下均圧を選択するとよい。

上記酸素移動量が所定量以下である場合、下流均圧を選択すると吸着側の吸着筒の後段（下流）に残った窒素が製品ガスと混合するおそれがあり、最適ではない。また、上流均圧を選択すると吸着側の吸着筒内の下流の酸素を有効に利用できず、再生工程において吸着剤３を十分に脱着できないおそれがある。よって、上下均圧を選択するのが最適である。

上下均圧を選択すると、求めた酸素および窒素の移動量のうち一部が下流側から移動し、残りが上流側から移動する。下流側からの移動量が減少するので、吸着側の吸着筒内の下流の高濃度の酸素のみを下流側から移動させることができる。これにより、吸着側の吸着筒で濃縮した酸素を有効に利用でき、高濃度酸素を効率的に回収できる。

以上から、吸着側の吸着筒内の酸素濃度分布を予め求めることにより、吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量を求めることができ、最適な均圧箇所を選択できることがわかった。

すなわち、本発明による酸素濃縮器の均圧方法は、まず、吸着筒４、５内の作動圧力を設定すると共に、吸脱着切替時間を予め設定し、その条件で吸着運転したときの切替直前の吸着側の吸着筒内での上流から下流へ至る酸素濃度分布を予め求めておき、その酸素濃度分布に応じて、下流均圧、上下均圧、上流均圧のいずれかを選択するものである。

ここで、吸着筒４、５内の作動圧力は、上述のとおりオリフィス８ａ、８ｂからなる圧力調整機構８により設定される。吸着筒４、５内の作動圧力はコンプレッサ２の能力によっても変化するが、使用するコンプレッサ２の能力は酸素濃縮器１で製造した製品ガスの供給先（本実施形態ではオゾン発生器や医療用酸素濃縮装置など）により予め決定される。

また、吸脱着切替時間は、吸着側の吸着筒内の作動圧力と、吸着筒４、５内に充填された吸着剤３の量とに応じて設定するとよい。これは、図１０（ａ）〜（ｃ）および図１１（ａ）〜（ｃ）に示すとおり、吸脱着切替時間を長くすると、吸着側の吸着筒内の圧力（作動圧力）が増加して吸着剤３の窒素吸着能力は高くなるが、あまりに吸脱着切替時間を長くしすぎると（例えば、図１０（ａ）の２５秒以上）、吸着筒４、５に供給される圧縮空気の量が増えて吸着剤３で窒素を吸着しきれなくなり、製品ガスの酸素濃度が低下するためである。

吸脱着切替時間が短すぎると、吸着側の吸着筒内の圧力が作動圧力に達する前に切り替わってしまう。また、吸着剤３の量が多いと吸着できる窒素の量も多くなるので、吸脱着切替時間を長く設定できる。本実施形態では、１５〜２５秒程度に設定した。

次に、上記酸素濃度分布と、その酸素濃度分布に応じて選択された均圧箇所で均圧したときの酸素濃縮器１の動作を説明する。

図９（ａ）〜（ｄ）に、吸着筒４、５内の作動圧力を０．１ＭＰａ、０．１５ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．２５ＭＰａとした時の、各作動圧力における切替直前の吸着側の吸着筒内の酸素および窒素の濃度分布を示す。

図９において△は酸素濃度分布、□は窒素濃度分布を示し、吸着筒４、５内の上流、下流位置は、吸湿剤１７と吸着剤３との境界を０とし、吸着筒４、５の出口を１０とし、吸着筒４、５内を１０等分した位置の酸素と窒素の各濃度を求めて濃度分布とした。

図９（ａ）では、吸着側の吸着筒内の作動圧力は０．１ＭＰａと低く設定されている。このような場合、吸着剤３の窒素吸着能力が低くなり、吸着側の吸着筒内の下流の酸素濃度が低くなる。よって、上流均圧を選択するとよい。

この図９（ａ）の酸素濃度分布のとき、上流均圧を選択した際の酸素濃縮器１の動作を図２および図３に示した。

図２（ａ）〜（ｄ）と図３（ａ）〜（ｄ）とはそれぞれ対応しており、図３（ａ）〜（ｄ）は、各吸着筒４、５がそれぞれ図２（ａ）〜（ｄ）の工程にあるときの酸素濃縮器１の動作を示す。なお、上流均圧を選択した場合は下流均圧管２１および下流均圧弁２２は使用しないので、省略してもよい。

図３（ｂ）および図３（ｄ）の均圧時には、三方切替弁６ａ、６ｂで、コンプレッサ２と吸着筒４、５をそれぞれ連通させる。これにより、吸着筒４（または５）内の酸素および窒素は圧縮空気導入管１３ａ（または１３ｂ）、三方切替弁６ａ（または６ｂ）、切替管１２ａ（または１２ｂ）、切替管１２ｂ（または１２ａ）、三方切替弁６ｂ（または６ａ）、圧縮空気導入管１３ｂ（または１３ａ）を介して吸着筒５（または４）に供給され、上流均圧される。

図９（ｂ）では、吸着側の吸着筒内の下流の酸素濃度が高いため、下流均圧もしくは上下均圧を選択する。吸着側の吸着筒内の作動圧力は０．１５ＭＰａに設定されているため、常圧を０．１ＭＰａとすると、Ｘ＝１．５となり、切替直前に吸着側の吸着筒にある全空気量の約１／６が脱着側の吸着筒に移動する。下流側から１／６の距離（図例では、Ｐｏｓｉｔｉｏｎが８．３）において酸素濃度は１００％ではなく、上記酸素移動量は少なくなる。そのため、下流均圧を選択すると、両吸着筒４、５の下流側で窒素が移動して製品ガスと混合してしまい、最適ではない。よって、上下均圧を選択することが望ましい。

この図９（ｂ）の酸素濃度分布のとき、上下均圧を選択した際の酸素濃縮器１の動作を図４および図５に示した。

図４（ａ）〜（ｄ）と図５（ａ）〜（ｄ）とはそれぞれ対応しており、図５（ａ）〜（ｄ）は、各吸着筒４、５がそれぞれ図４（ａ）〜（ｄ）の工程にあるときの酸素濃縮器１の動作を示す。

図５（ｂ）および図５（ｄ）の均圧時には、三方切替弁６ａ、６ｂで、コンプレッサ２と吸着筒４、５をそれぞれ連通させ、下流均圧弁２２を開く。これにより、吸着筒４、５の上流側では、吸着筒４（または５）内の酸素および窒素は圧縮空気導入管１３ａ（または１３ｂ）、三方切替弁６ａ（または６ｂ）、切替管１２ａ（または１２ｂ）、切替管１２ｂ（または１２ａ）、三方切替弁６ｂ（または６ａ）、圧縮空気導入管１３ｂ（または１３ａ）を介して吸着筒５（または４）に供給される。これと同時に、吸着筒４、５の下流側では、吸着筒４（または５）内の酸素は酸素取出管１６ａ（または１６ｂ）、下流均圧管２１、下流均圧弁２２、酸素取出管１６ｂ（または１６ａ）を介して供給され、上下双方から均圧（上下均圧）される。

図９（ｃ）では、吸着側の吸着筒内の下流の酸素濃度が高いため、下流均圧もしくは上下均圧を選択する。吸着側の吸着筒内の設定圧力は０．２ＭＰａであるため、常圧を０．１ＭＰａとすると、Ｘ＝２となり、切替直前に吸着側の吸着筒にある全空気量の約１／４が脱着側の吸着筒に移動する。下流側から１／４の距離（図例では、Ｐｏｓｉｔｉｏｎが７．５）において酸素濃度がほぼ１００％となっている。そのため、吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量は最大（吸着側の吸着筒の全空気量の１／４）となる。これにより、両吸着筒４、５の下流側で窒素が移動して製品ガスと混合するおそれがないため、下流均圧を選択することが望ましい。

同様に、図９（ｄ）では吸着側の吸着筒内の作動圧力は０．２５ＭＰａであるため、常圧を０．１ＭＰａとすると、Ｘ＝２．５となり、切替直前に吸着側の吸着筒にある全空気量の約３／１０が脱着側の吸着筒に移動する。下流側から３／１０の距離（図例では、Ｐｏｓｉｔｉｏｎが７）において酸素濃度がほぼ１００％となっている。そのため、吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量は最大（吸着側の吸着筒の全空気量の３／１０）となる。よって、下流均圧を選択することが望ましい。

この図９（ｃ）（または図９（ｄ））の酸素濃度分布のとき、下流均圧を選択した際の酸素濃縮器１の動作を図７および図８に示す。

図７（ａ）〜（ｄ）と図８（ａ）〜（ｄ）とはそれぞれ対応しており、図８（ａ）〜（ｄ）は、各吸着筒４、５がそれぞれ図７（ａ）〜（ｄ）の工程にあるときの酸素濃縮器１の動作を示す。

下流均圧を選択した場合は、図８（ｂ）および図８（ｄ）に示すように、均圧時に一方の三方切替弁６ｂ（または６ａ）で吸着筒５（または４）とサイレンサ１４とを接続するため、吸着筒５（または４）からサイレンサ１４側へ空気（酸素または窒素）が排気されるのを防ぐ必要がある。よって、両吸着筒４、５を下流均圧するには吸着筒５（または４）の上流側で開閉する均圧弁６２ｂ（または６２ａ）が必要となる。

この均圧弁６２ｂ（または６２ａ）を閉じることにより、吸着筒４（または５）内の酸素は酸素取出管１６ａ（または１６ｂ）、下流均圧管２１、下流均圧弁２２、酸素取出管１６ｂ（または１６ａ）を介して供給され、下流均圧される。

このように、本発明による酸素濃縮器の均圧方法は、吸着筒内の作動圧力を設定すると共に、吸脱着切替時間を予め設定し、その条件で吸着運転したときの切替直前の吸着筒内での上流から下流へ至る酸素濃度分布を予め求めておき、その酸素濃度分布に応じて、下流均圧、上下均圧、上流均圧のいずれかを選択するものである。

これにより、最適な均圧箇所を選択でき、均圧時に各吸着筒４、５の下流側から窒素が漏れて製品ガスと混合する不具合がなくなるため、高濃度の酸素を製造できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る酸素濃縮器の概略構成図である。 図２（ａ）〜（ｄ）は、上流均圧を選択した時の各吸着筒の動作を示す図である。 図３（ａ）〜（ｄ）は、上流均圧を選択し、各吸着筒が図２（ａ）〜（ｄ）の工程にあるときの酸素濃縮器の動作を示す図である。 図４（ａ）〜（ｄ）は、上下均圧を選択した時の各吸着筒の動作を示す図である。 図５（ａ）〜（ｄ）は、上下均圧を選択し、各吸着筒が図４（ａ）〜（ｄ）の工程にあるときの酸素濃縮器の動作を示す図である。 図６は、本実施形態に係る酸素濃縮器の概略構成図である。 図７（ａ）〜（ｄ）は、下流均圧を選択した時の各吸着筒の動作を示す図である。 図８（ａ）〜（ｄ）は、下流均圧を選択し、各吸着筒が図７（ａ）〜（ｄ）の工程にあるときの酸素濃縮器の動作を示す図である。 図９（ａ）〜（ｄ）は、吸着筒内の作動圧力を変化させた時の、各作動圧における吸着筒内の酸素および窒素の濃度分布である。 吸着筒内の作動圧力を低く設定し、吸脱着時間を変え、運転圧力を変化させたときに得られる製品ガスの酸素濃度の変化であり、図１０（ａ）は上流均圧、図１０（ｂ）は下流均圧、図１０（ｃ）は上下均圧を選択したものである。 吸着筒内の作動圧力を高く設定し、吸脱着時間を変え、運転圧力を変化させたときに得られる製品ガスの酸素濃度の変化であり、図１１（ａ）は上流均圧、図１１（ｂ）は下流均圧、図１１（ｃ）は上下均圧を選択したものである。

符号の説明

１ 酸素濃縮器
２ コンプレッサ
３ 吸着剤
４、５ 吸着筒
６ 切替手段
７ バッファタンク

Claims (7)

1. 空気を圧縮するコンプレッサと、窒素を選択的に吸着する吸着剤が充填された少なくとも２つの吸着筒と、上記コンプレッサからの圧縮空気をいずれかの吸着筒に交互に供給して吸着させると共に、窒素を吸着した他の吸着筒を脱着させて脱着ガスを排気するための切替手段と、上記吸着筒で濃縮された酸素を貯留するバッファタンクとを備え、吸着を行っている吸着筒と、脱着を行っている吸着筒とを上記切替手段で切り替える前に均圧させる酸素濃縮器の均圧方法において、
   吸着筒内の作動圧力を設定すると共に、吸脱着切替時間を予め設定し、その条件で吸着運転したときの切替直前の吸着筒内での上流から下流へ至る酸素濃度分布を予め求めておき、その酸素濃度分布に応じて、上記吸着筒の下流側で均圧する下流均圧、上記吸着筒の上流側と下流側の両方で均圧する上下均圧、上記吸着筒の上流側で均圧する上流均圧のいずれかを選択することを特徴とする酸素濃縮器の均圧方法。
2. 上記吸着筒内の作動圧力は、上記吸着筒の下流側に設けられたオリフィスまたはレギュレータからなる圧力調整機構により設定される請求項１に記載の酸素濃縮器の均圧方法。
3. 上記吸脱着切替時間は、上記吸着筒内の作動圧力と、上記吸着筒内に充填された上記吸着剤の量とに応じて設定される請求項１または２に記載の酸素濃縮器の均圧方法。
4. 上記切替手段は、上記コンプレッサと各吸着筒とサイレンサとを接続する少なくとも２つの切替弁から構成され、一方の切替弁で圧縮空気を一方の吸着筒に供給し、他方の切替弁で他方の吸着筒を脱着した脱着ガスを上記サイレンサ側に排気するよう切り替える請求項１〜３いずれかに記載の酸素濃縮器の均圧方法。
5. 切替直前の吸着側の作動圧力と脱着側の吸着筒の圧力との差から、両吸着筒を均圧したときに一方から他方の吸着筒へ移動する酸素および窒素の移動量を予め求めると共に、予め求めた上記酸素濃度分布から吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量を求め、その酸素移動量が所定量以上であるとき、下流均圧を選択する請求項１〜４いずれかに記載の酸素濃縮器の均圧方法。
6. 切替直前の吸着側の作動圧力と脱着側の吸着筒の圧力との差から、両吸着筒を均圧したときに一方から他方の吸着筒へ移動する酸素および窒素の移動量を予め求めると共に、予め求めた上記酸素濃度分布から吸着側の吸着筒内の下流の酸素移動量を求め、その酸素移動量が所定量以下であるとき、上下均圧を選択する請求項１〜４いずれかに記載の酸素濃縮器の均圧方法。
7. 予め求めた上記酸素濃度分布から吸着側の吸着筒内の下流の酸素濃度が低いとき、上流均圧を選択する請求項１〜４いずれかに記載の酸素濃縮器の均圧方法。

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