JPH03186313A - 酸素富化デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ガソリン、灯油、軽油９重油、　ＬＮＧ（液
化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）。

都市ガスなどの燃料を、空気と混合して可燃混合気体と
して燃焼させる自動車、航空機などの内燃機関や、セメ
ントなどキルンやボイラー（汽缶）、家庭用ガスレンジ
などの燃焼装置に、酸素富化空気を送り燃焼効率を上げ
るための酸素富化空気製造用デバイス、あるいは慢性気
管支炎・肺気腫・肺結核後遺症等の低酸素血症患者に対
して行う酸素吸入療法等に有用な酸素供給源のための酸
素富化空気製造用デバイスに関する。

［従来の技術］ 従来、このような酸素富化空気の製造法として、有機高
分子薄膜を利用する方法が知られている。この方法は、
有機高分子薄膜を通過する気体の透過性の差を利用して
、空気中の酸素を濃縮し酸素濃縮空気を生成しようとす
るもので、大気中の酸素濃度（２１％）を３０〜４０％
に増加できれば、燃焼装置に用いることにより、燃料消
費量の減少が図れるので省エネルギーが可能となり、ま
た医療用途の酸素供給源として使用することができる。

従来の酸素製造法である深冷空気分離法が空気を圧縮・
冷却したのち沸点の差を利用して分留操作を行うため、
膨大な電気エネルギーを消費するのに比べ、酸素富化膜
による酸素富化空気の製造は、膜の一方の面に１　ａｔ
ｍの空気を送り、膜の他方の面を０．１ｓｔｍ程度に減
圧して、酸素濃度の高い空気を発生させるという簡単な
仕組みのため、安価な方法として注目されている。

現在までに発表されている酸素富化膜としては、ジメチ
ルポリシロキサン−ポリカーボネートブロック共重合体
膜（米国ＧＥ社）、ポリヒドロキシスチレン−ジメチル
ポリシロキサン−ポリカーボネートブロック共重合体膜
（検子電器産業）などがある。

しかし、従来のこのような膜は気体透過量が小さく、医
療用の小型酸素吸入器に応用例がある程度で、大量の空
気を使用する燃焼装置（例えば、自動車の場合、エンジ
ンに供給する空気と燃料の重量比、すなわち空燃比は約
１５で、燃費１０ｋｍ／βで４０　ｋ　ｍ　／　ｈ　ｒ
定速走行するとすると、この燃焼に要する空気の量は、
４０／ｌ０Ｘ１５＝６０℃／　ｈ　ｒとなる。）への応
用は研究段階に過ぎない。

【発明が解決しようとする課題］ 高分子膜の性状は、一般に酸素・窒素分離係数（以下Ｐ
。、／　ｐ　、、と標記。）の大きい高分子膜は、薄膜
成膜が容易であるにも拘わらず、気体透過係数が小さく
、また気体透過係数の大きい高分子膜は、薄膜成膜が困
難でかつＰ。＊／ＰＨｍが小さい傾向がある。即ち、酸
素透過係数（以下Ｐ　ｏｘと標記。）が従来から知られ
ている高分子中最大値（３，５２Ｘ　１０−”Ｃｍ”°
ｃｒａ／ｃｔａ”−ｓｅａ−ｃｍＨｇ；以下、単位を省
略して示す。）を示すオルガノポリシロキサンは、ＰＧ
！／Ｐ□が１．９４と低く、薄膜成膜性は２０〜３０μ
ｍが極限であり、またＰ。！Ｉ／Ｐｌが高分子膜中最大
値（７，０３）を示すポリ酢酸ビニルは、１μｍ以下の
製膜が可能にも拘わらず、Ｐ　０２は２．２５Ｘ１０−
”　という３桁も小さい値を示す。このため、薄膜成膜
性の観点からオルガノポリシロキサンにその他の樹脂を
共重合させるなど、気体透過係数を犠牲にして折合いを
つけているのが現状である。

本発明者らは、オルガノポリシロキサンを母材樹脂とし
て、これに種々の粉末材料を充填することにより、Ｐｏ
１ｌをオルガノポリシロキサンの数倍〜数十倍に高め、
薄膜成膜性能を補う研究を進めていたが、その過程で膜
材料の開発だけでは限界があり、酸素富化デバイスの開
発の必要性を知ったのである。

本発明者らは、高分子膜素材による酸素富化膜がＰ。ｔ
、Ｐ、、／Ｐ□、薄膜成膜性能の３つの折り合いを付け
る点で限界があることに着目し、それらの膜を用いてデ
バイス化することにより、限界を克服できることを見出
した。

従って、本発明の目的は大量の空気を処理できる酸素富
化デバイスを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の酸素富化デバイス
においては、酸素透過係数が１×１ｏ−１０以上の酸素
・窒素分離膜と、平行配列線材とを、交互に積層一体化
して成り、相隣接する上記分離膜同士が互いに離間し、
かつ該線材の配列方向が上下層間で実質的に直交するよ
うに形成してなるものであり、また、前記分離膜が、高
シリカゼオライトを充填したオルガノポリシロキサンか
ら成ることを特徴とするものである。

本発明の酸素富化デバイスを、添付図面に基づいて説明
する。

第１図は、本発明の酸素富化デバイスの一例の模式的斜
視図であり、第２図は、本発明の酸素富化デバイスを使
用した酸素富化システムを示す模式図である。

第１図には、空気供給層と酸素富化空気吸引層がそれぞ
れ３層ずつ７枚の酸素・窒素分離膜で構成されたデバイ
スｌが描かれている。

酸素・窒素分離膜２はＺ軸方向に積層されており、酸素
・窒素分離膜２間には、平行配列線材３が挟持一体化さ
れ、かつこれら平行配列線材は各層毎に交互にＸ軸方向
とＹ軸方向に配列されている。これらの線材層は各層毎
に直交させる必要があるが、これは幾何学的に厳密に９
０度である必要はなく、実質的に直交していればよく、
８０度〜１００度の範囲がよい。

この線材層を下から順にＸ１層ＩＹＩ層、　Ｘ層層、Ｙ
層層、Ｘ８層、ｙｓ層とすれば、１　ａｔｍの空気をＹ
軸方向からＹ層へ送って、減圧ポンプによってＸ層をＸ
軸方向へ吸引すると、酸素・窒素分離膜を通過した酸素
富化空気は、Ｘ３層、　Ｘ２層＋Ｘｓ層から取出される
。このようにすると透過流量は暦数に比例して増大し、
大量の酸素富化空気を得ることができる。

なお第１図では、Ｘ軸方向の酸素富化空気流出面の反対
端面の密封の図示を省略したが、該端面を密封して用い
るのは当然である。また、Ｙ軸方向は両面とも解放され
ているので膜を通しての空気の流入と、不要になった窒
素富化空気の排気を同時に行うことができる。

このような酸素富化空気の製造は、例えば第２図で示す
一例の酸素富化システムによって効果的に製造できる。

すなわち、送風ファン４によって、送られた空気は濾過
フィルター５を通過して清浄化され、配管系６より本発
明の酸素富化デバイス１のＹ層内に送り込まれる。また
、該デバイス１のＸ層は減圧ポンプ７によって吸引され
、酸素・窒素分離膜を通過し、酸素富化空気は配管系８
を通って上記減圧ポンプから取り出され、上記分離膜を
通過しない窒素富化空気は、上記デバイスのＹ層の、通
常配管系６の反対側より排気される。

本発明に係る酸素・窒素分離膜としては、ポリ［１−（
トリメチルシリル）−１−プロピン］（Ｐｏｇ＝７．７
３Ｘ　１０−’　　Ｐｏｔ／ＰＨｘ＝　１．５５；以下
、Ｐ　ｏ−、Ｐ　ｏｘ／　Ｐ−を省略して（）内に数値
をこの順に記載する。）、オルガノポリシロキサン（３
，５２Ｘ１０−”、１．９４）、天然ゴム（２，３４Ｘ
１０−”、２．４６）、ポリブタジェン（１，９Ｘ１０
−”、２．９５）、エチルセルロース（１，４７Ｘ１０
−’、３．３２）、エチレン−酢酸ビニル共重合体（８
，ＯＸ　１０−”２．７６）、低密度ポリエチレン（２
，８９Ｘ１０−”、２．９８）、ポリスチレン（２，０
１Ｘ　１０−”　　６．３８）、ポリカーボネート（１
，４Ｘ１０−”　　４．６７）、ブチルゴム（１，３Ｘ
１０−”　、４．０）などがある。この中で、オルガノ
ポリシロキサンは、ｐ　Ｏ−／　ｐ　ｎｔが低いが、Ｐ
ｏ２が１桁ないし２桁高い点で酸素・窒素分離膜として
は格段に優れているので、オルガノポリシロキサンの使
用が最も好ましい。

オルガノポリシロキサンの基本系であるジメチルポリシ
ロキサンについては、本発明者らが気体透過率測定装置
によりＰ。ｚ＋　Ｐ　ｏｘ／　Ｐ　ｓｉを実測したとこ
ろ、それぞれ（３〜７）ｘｌＯ−”、１．８〜２．１で
あった。

オルガノポリシロキサンよりＰ。８が１桁高いポリ［１
−（トリメチルシリル）−１−プロピン］は、Ｐ　ｏｘ
の経時による低下が激しく、実用化が遅れているが、こ
れが解決されれば本発明に係る有力な酸素・窒素分離膜
になると思われる。

気体透過膜は薄いほど透過流量が多くなるが、上記した
ようにジメチルポリシロキサンは単独での薄膜成膜性に
劣り２０〜３０μｍが極限とされるため、これを多孔質
支持膜にコーティングして薄膜成膜して使用するのが好
ましい。この多孔質支持膜としては、ポリプロピレン、
ポリサルホン、ポリイミド、芳香族ポリエステルなどか
ら成る多孔質フィルムが挙げられる。

また、本発明者らの研究によると、このジメチルポリシ
ロキサンに高シリカゼオライトを配合充填した薄膜は、
ジメチルポリシロキサン膜の数倍〜数十倍のＰ。３を得
ることができるので、この薄膜の使用がより好ましい。

ゼオライトは、組成式が例えば天然産のモルデナイトは
ＮａＯ”　Ａｇ＊　Ｏｓ’ｌ　ＯＳ　ｉ　０１６Ｈ＊Ｏ
１合或ゼオライトＡ型はＮａｇ　０−ＡＱｚ　Ｏｓ・２
ＳｉＯｉ　・４．５Ｈ＊　０で示され、Ｓ　ｉ　Ｏ４四
面体と（Ａ　Ｉ！、０４）−四面体が３次元網目状に結
合し、径約１ｎｍの細孔を無数に持つ多孔性結晶体で、
特異な吸着性能を示すため脱水剤、乾燥剤、モレキュラ
ーシーヴ（分子ｕ）、吸着剤、触媒、イオン交換剤など
に用いられている。高シリカゼオライドはＺＳＭ−５型
ゼオライトとも呼ばれＳ　ｉ　Ｏｘ　／Ａ１２ｍ　Ｏｓ
比が１５以上から無限大という大きな値を示すものであ
る。この中で、Ｓ　ｉ　Ｏｔ　／ＡＱｘ　Ｏｓが無限大
のゼオライトとして著名なものに米国ＵＣＣ社製のシリ
カライト８【示性式（Ｓｔｏｗ）。］がある。このシリ
カライト結晶の細孔構造は、径が０．５７Ｘ０．５１ｎ
ｍの楕円形の酸素原子１０員環直線チヤンネルと、径０
．５４ｎｍのほぼ円形の酸素原子１０員環ジグザグチヤ
ンネルとが組み合わされた構造を持っており、本発明者
らは、これをジメチルポリシロキサンに６０重量％以上
充填するとＰ。２を数倍〜数十倍に増加させることがで
きることを実験的に確かめている。

すなわち、気体透過率測定装置を用いたＰ。２は実測値
によると、ジメチルポリシロキサン単独膜は４．０Ｘ１
０−”　　シリカライト６０重量％充填ジメチルポリシ
ロキサン膜は１５Ｘ１０−’〜２０ＸＩＯ−”　　シリ
カライト８０重量％充填ジメチルポリシロキサン膜は４
０Ｘ１０−ｓ、シリカライト９０重量％充填ジメチルポ
リシロキサン膜は１３５Ｘ１０−’という高い値を得る
ことができる。

これらの膜のＰ。＊／　ｐ　、、実測値は、１．８〜２
゜１の範囲であった。

以上の高シリカゼオライト充填ジメチルポリシロキサン
膜は、ジメチルシロキサンの薄膜成膜性の低さをＰ。を
高くすることによってカバーする方法で、薄膜成膜性に
ついては２０〜３０ｕｍが限界であることには変わりな
いが、本発明者らの研究によれば、ジメチルポリシロキ
サンに前記ポリ［１−（）−リメチルシリル）−１−プ
ロピン］とをブレンドすることにより、薄膜成膜性を向
上させることができ、ジメチルポリシロキサン単独膜の
数倍のＰＯＩを得ることができることを見い出した。本
発明者らの成膜実験によれば、これらを５０対５０の割
合でブレンドした場合、約２〜３μｍの成膜が可能で、
この時のＰ。２実測値はぐ２０〜３０）ｘｌＯ−’で、
Ｐ　、、／　Ｐ　、、実測値は１．８であった。

本発明に係る酸素・窒素分離膜の成膜方法としては、溶
液流延（キャスティング）法、Ｔダイ、押出し法、イン
フレーション法、カレンダーロール圧延法、ｌ軸または
２軸延伸法等が挙げられる。

また、支持体フィルムへの成膜方法としては、グラビヤ
ロールコーティング、メイヤーバーコーティング、ドク
ターナイフコーティング、リバースロールコーティング
、エアーナイフコーティング、マイクログラビアコーテ
ィング等が挙げられる。

この酸素・窒素分離膜の厚さは、大量の空気を処理する
点ではピンホールを生じない範囲で薄いほど好ましいが
、多孔質支持膜との複合膜としない場合には、膜の取り
扱いのしやすさの点から１μｍ以上とするのが望ましい
。多孔質支持膜との複合膜とする場合にはピンホールを
生じない範囲でサブミクロン厚さの膜とするのが好まし
い。膜厚の上限は空気処理量の点で１１００ｕ、望まし
くは３０ｕｍ程度である。

本発明に係る配列線材としては、ステンレス鋼、ニッケ
ル、銅、洋白、黄銅、りん青銅等から成る金属ワイヤー
または、ポリエステル、ポリアミド、芳香族ポリアミド
などの高分子線状体が挙げられるが、配線製造上の都合
から強度的に優れ、また伸縮しない金属ワイヤーの使用
がより好ましい。

配列線材の径は、細すぎると、分離膜相互の間隔が狭く
なって空気の流入を妨げ、また太すぎると、分離膜相互
の間隔が大きくなって分離膜積層密度が小さくなり酸素
富化空気の生成量が小さく不利となるので、通常、径φ
１０ｕｍ〜φ３ｍｍのものが用いられる。好ましくはφ
５０μｍ〜φ１ｍｍの範囲である。

平行配列線の配列ピッチは、小さすぎると空気の流入を
阻害し、大きすぎると相隣接する分離膜同士の離間が妨
げられ空気の流入を阻害するので、通常、０．５〜５０
１１１の範囲のものが用いられる。特に１〜２ｍｍの範
囲とするのが望ましい。

配列線材と分離膜との接着方法は、未硬化状態の分離膜
をブライマー処理済みの配列線材に積層した後、これを
型プレスによって接着一体化する方法や、硬化済みの分
離膜に接着剤をコーティングした配列線材を積層した後
、型プレスによって接着一体化する方法があるが、薄膜
の取り扱いや多孔質支持体にコーティングした薄膜を扱
う事などを考慮すると、後者の方が実際的である。

［作用］ 上記のように構成された酸素富化デバイスによれば、送
り込まれた空気は、配列線材を介して多段に積層された
多数の酸素・窒素分離膜を通過し、多量の酸素富化空気
となって効率よく取出され、上記分離膜を通過しない窒
素富化空気は容易に排出される。

［実施例］ 、・　　　、　　　　　の　　゛６ 粘度６０　Ｐ　ａ−ｓの液状ジメチルポリシロキサン、
ＫＥ１９３５Ａ／Ｂ　（信越化学工業■製、商品名）４
０重量％に、高シリカゼオライト、シリカライト”　　
（ＵＣＣ社製、商品名）６０重量％を配合し、これをト
ルエン／ケロシン混合溶媒に溶かした粘度５０Ｐａ−ｓ
の溶液として、マイクログラビアコーターＩ″（康井精
機■、商品名）を用いてテフロン”　ＴＦＥ　（Ｅ、１
．Ｄｕｐｏｎｔ社製商品名）セパレーター上にコーティ
ングし、１００℃Ｘ　１０　ｓｅｃの条件で溶媒揮散後
、１８０℃×３０分の条件で架橋させ゛て、厚さ２５μ
−の膜体を得た。

この高シリカゼオライト充填ジメチルポリシロキサン膜
をセパレーターから剥離して、加圧式気体透過率測定装
置、ガスバーム’−１００（日本分光工業■製、商品名
）を使用して測定したところ、Ｐｏｔは２０Ｘ１０−”
でジメチルポリシロキサンの約５倍であり、Ｐ　ｏｓ／
　Ｐ　Ｍｌはジメチルポリシロキサン相当の２．０であ
った。

、　　デバイスの　゛ ＰＰＭ配線装置（信越ポリマー■製、透明タッチパネル
製造装置）を用いて、シラン系ブライマーを処理したφ
０．２ｍｍの５ＵＳ−３０４ワイヤーを、配線ピッチ１
．０ｍｍで配列し、この配線の表裏面に２液ＲＴＶシリ
コーンゴム、ＴＳＥ−３３６０（東芝シリコーン■製、
商品名）を塗布して、上記の高シリカゼオライト充填ジ
メチルポリシロキサン膜を、上下層ごとに配線方向が実
質的に直交するようにして多重積層し、プレス型枠にい
れてプレス成形一体化した。

次に、この端面を研磨処理して、縦（Ｘ軸方向）３００
ｍｍｘ横（Ｙ軸方向）３００ｍｍＸ高さ（Ｚ軸方向）３
００ｍｍの積層ブロック状体とし、Ｘ軸方向の富化空気
流出方向の反対面をシリコーンエポキシ樹脂で封止した
。

このようにして製造したデバイスを用い、前記第２図に
示した酸素富化システムを製作して試験したところ、酸
素濃度計、広漠度域酸素分析計ＦＣＸ−ＳＷ　（藤倉電
線■製、商品名）による酸素濃度測定値が約３５％の酸
素富化空気を、流量１００　Ｑ　／　ｈ　ｒで得ること
ができた。

［発明の効果］ 本発明の酸素富化デバイスによれば、ジメチルポリシロ
キサン膜やジメチルポリシロキサンと他樹脂との共重合
体膜などの従来知られている酸素・窒素分離膜や、さら
には高シリカゼオライト充填ジメチルポリシロキサン膜
などの酸素・窒素分離膜を使用し、これを平行配列線材
と組み合わせて多重積層するだけの構造で、大量の空気
を一度に分離処理できる酸素富化デバイスを安価に提供
することができる。また、その構造上、小型化できるの
で、医療用などの少量の酸素富化空気製造用としてだけ
でなく、これを自動車などに搭載して燃焼用に用いるこ
とが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の酸素富化デバイスの模式図。第２図
は、本発明の酸素富化デバイスを使用した酸素富化シス
テムを示す模式図である。 １・・・酸素富化デバイス ２・・・酸素・窒素分離膜 ３・・・平行配列線材 ４・・・送風ファン ５・・・濾過フィルター ６．８・・・配管系 ７・・・減圧ボンブ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸素透過係数が１×１０＾−＾１＾０ｃｍ＾３・ｃ
   ｍ／ｃｍ＾２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以上の酸素・窒素分離
   膜と、平行配列線材とを、交互に積層一体化して成り、
   相隣接する上記分離膜同士が互いに離間し、かつ該線材
   の配列方向が上下層間で実質的に直交するように形成さ
   せたことを特徴とする酸素富化デバイス。 ２、酸素・窒素分離膜が、高シリカゼオライトを充填し
   たオルガノポリシロキサンから成ることを特徴とする請
   求項１に記載の酸素富化デバイス。