JP2001031404A - 酸素ガス濃縮方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造する酸素ガスが所望の酸素ガス濃度お
よび所望の酸素ガス流量で独立して自由に得られるよう
に，又製造時の消費電力において所望の酸素ガス製造条
件（濃度×流量）に見合った省電力性が達成できるよう
にする。 【解決手段】 酸素ガス濃度が所望の一定の値になる
ように原料圧縮空気の時間あたりの供給量、すなわち空
気圧縮器の駆動速度を自動的に増減制御させるようにし
たとともに、所望の酸素ガス製造条件（濃度×流量）に
合わせて吸着塔の切替圧力を比例制御した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は任意濃度の酸素ガス
を、任意流量で提供するＰＳＡ方式を利用した酸素ガス
の濃縮方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の医療用などに供される比較的小型
の酸素ガス濃縮装置において、製造される酸素ガスは使
用者が必要とする流量に手動で調節させることは出来る
が、その酸素濃度は９０％以上あるいは４０％以上など
と固定されているもので、使用されている空気圧縮器は
装置の最大酸素ガス製造能力（濃度×流量）に見合う大
きさに固定された能力を持つものであった。 発生酸素
ガスの流量を増減させるための手段は、出口側に流量制
限のためのニードル弁、あるいは異なる孔径を持つ多数
のオリフィスを機械的に切替える機構（ロータリー式多
連オリフィス）を設置して所望の流量に調節させていた
ので、特に小流量に絞った状態での使用時における消費
電力は、最大流量での使用時と同じ電力を消費してしま
い省電力と言う観点からはほど遠いものであった。

【０００３】一方、製造される酸素ガスの酸素濃度は最
大流量時に所望の濃度が得られるように能力が固定され
ており、たとえば酸素濃度９０％以上で発生流量２ノル
マルリットル毎分の機種と、酸素濃度４０％で発生流量
１０ノルマルリットル毎分の機種は別々の機種として提
供されてはいるものの、同一の機種として切替えて使用
できるようなものはなかった。

【０００４】発明者はＰＳＡ方式酸素ガス濃縮方法とし
て、駆動速度が固定された空気圧縮器を使用して高圧の
空気を供給するにあたり、濃縮サイクルにおける吸着塔
の吸着破過の状態、すなわち吸着塔の吸着能力や吸着剤
の再生状態を制御することにより濃縮度が増減する現象
を利用して所望の濃度の酸素ガスを得る方法を発明し、
特開平１１−２２８１０７（酸素ガス濃縮方法および装
置）として紹介しているが、この方法において濃度およ
び流量の双方を同時に所望の値に変更することは出来な
かった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の能力固定の空気
圧縮器を持つ医療用等の酸素ガス濃縮装置において、酸
素ガス流量を切換える方法として、操作の容易性のため
ロータリスイッチ型の機械式多連オリフィス切替え機構
が設けられており、このつまみを回転させることにより
所望の流量が得られるようになっているが、手動でのお
おざっぱな段階的な切換しかできず、正確な流量の自動
調節は不可能であった。 装置出口の酸素ガスの吐出圧
力は比較的低いので、呼吸口までの間の圧力損失が大き
く変化した場合、すなわち使用者まで酸素ガスを送るチ
ューブを極端に長くしたり、あるいは呼吸マスクや鼻カ
ニューラをオリフィス付のものなどに変更したり、ある
いは加湿器のバブリング機構を取り除いたり別のものに
変更したりした時などの場合、酸素ガス流量の設定を変
更していないにも拘らず、使用者が気付かない間に実際
の酸素ガス流量が変化してしまっているなどの大きな問
題があった。

【０００６】一方、このような従来の酸素ガス濃縮装置
は、空気圧縮器は常に能力が固定されたままで駆動され
ているため、小流量で使用する場合でもその消費電力は
低減されないままで、小流量での使用者にとっては大き
な電気代の負担があった。従来この問題を解決するた
め、酸素ガス濃縮装置の製造者は大中小の各種能力を持
つ装置を細かく作り分けして市場に提供し消極的な省電
力対策としていたが、使用者にとっては必要とする酸素
ガス流量によって機種を変更しなければならないなどの
難点があった。

【０００７】そこで発明者は、使用者が必要とする酸素
ガス流量を任意に設定することができ、又使用者が必要
とする酸素濃度を任意に設定することができ、又使用者
の都度の設定（流量×濃度）に合わせて、消費電力がそ
の設定に見合った最低値に都度自動制御されるような省
電力型の酸素ガス濃縮装置を提供する目的で、酸素ガス
の濃縮方法について誠意工夫の結果、本発明をするに至
った。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記の目的を達
成するために、原料として供給される圧縮空気の流量が
外部信号により増減可能な方法を使用した。 すなわ
ち、駆動する電動機の速度を外部信号によって変化させ
ることが容易で、駆動速度の増減に合わせて消費電力が
増減し、又製作が容易なインバータ制御方式の空気圧縮
器を採用した。

【０００９】発生酸素ガスの酸素濃度は酸素濃度センサ
にて検出され、検出された濃度は電圧変換された後、空
気圧縮器のインバータ制御回路にフィードバックされ、
設定された任意の濃度、すなわち酸素濃度センサの出力
電圧が設定された電圧値を保つように空気圧縮器を駆動
する電動機の駆動速度が自動制御される。

【００１０】又、発生酸素ガスの流量は流量センサにて
検出され、検出された流量は電圧変換された後、流量制
御回路にフィードバックされ、設定された任意の流量、
すなわち流量センサの出力電圧が設定された電圧値を保
つように出口に設置されているマスフローコントローラ
の流量制御弁の開度が自動制御される。 このことによ
り、たとえ使用者が装置出口に何らかの圧力損失になる
ようなことをした場合でも使用者が設定した流量は一定
に保たれることになる。

【００１１】発生酸素ガス流量の設定を減少させた場
合、吸着効率が増大して酸素濃度は上昇するので、イン
バータ制御回路は空気圧縮器の駆動速度を減少させて設
定されている酸素濃度を保つように働く。 又このとき
消費電力は自動的に減少して適正な省電力性が達成され
る。 発生酸素ガス流量の設定を増大させた場合、同様
な理由で逆に働く。

【００１２】本発明の酸素ガス濃縮方法において、酸素
濃度および発生流量の具体的制御の方法を説明する。
最大酸素ガス製造能力（純酸素量＝濃度×流量）が５ノ
ルマルリットル毎分以上として設計された本発明の酸素
ガス濃縮方法による酸素ガス濃縮装置において、発生酸
素ガスの酸素濃度が９０％、発生流量が５ノルマルリッ
トル毎分に設定されて定常運転されている状況とする。
ここで、酸素濃度の設定はそのままで、発生流量を２
ノルマルリットル毎分に設定変更した場合の制御状況を
説明する。

【００１３】流量制御回路よりマスフローコントローラ
に対して、流量センサの出力が２ノルマルリットル毎分
に相当する電圧値を示すまで開度を絞るような制御信号
が出力される。 マスフローコントローラにより流量が
２ノルマルリットル毎分に制限されると、系内の吸着効
率が良くなり、発生酸素ガスの酸素濃度は除々に上昇
し、これに追従して酸素濃度センサが出力する電圧値が
上昇する。

【００１４】次にインバータ制御部は、空気圧縮器を駆
動する電動機の速度を自動的に低下させる。 空気圧縮
器の駆動速度が低下して圧縮空気の供給流量が減少する
と、系内の吸着効率が低下して酸素濃度が低下するので
酸素濃度センサが出力する電圧値は低下し始める。 こ
のようにしてインバータ制御部は、酸素濃度センサの出
力が酸素濃度の設定値９０％に相当する電圧値を維持す
る（下回らない）ように空気圧縮器の駆動速度を自動制
御し続ける。

【００１５】同時に酸素濃縮サイクル制御部は、９０％
濃度の酸素ガスの発生流量が５ノルマルリットル毎分に
相当する予め設定されている必要充分な吸着塔の切替圧
力を、２ノルマルリットル毎分に相当する予め設定され
ている必要充分な吸着塔の切替圧力にまで自動的に低下
させる。 この操作により空気圧縮器の吐出圧力が低下
し、これを駆動する電動機の負荷が大幅に低減するので
消費電力の著しい低減が達成できる。

【００１６】本発明の酸素ガス濃縮方法において、吸着
操作圧力Ｐｍａｘ（吸着塔の切替圧力に相当する圧力Ｐ
ｍａｘ）で９０％濃度の酸素ガスの発生流量５ノルマル
リットル毎分の最大能力が確保されている状況下で、濃
度を変えずに酸素ガスの発生流量を５ノルマルリットル
毎分より２ノルマルリットル毎分に減少させる場合、こ
の酸素ガスの発生流量の低減に見合うまで吸着操作圧力
を低下させて、吸着塔内の吸着剤の窒素ガス吸着能力、
すなわち酸素ガス濃縮能力を低減させてもよいことは明
白である。

【００１７】このように吸着操作圧力を所望の酸素ガス
発生流量に見合った圧力に都度制御することにより、吸
着操作圧力を制御せずに高い操作圧力Ｐｍａｘで一定に
保った場合に比較して、所望の酸素ガス発生流量に見合
ったより大きな省電力性が達成できるようになる。

【００１８】次に発生酸素ガスの酸素濃度が９０％、発
生流量が５ノルマルリットル毎分（純酸素分４．５ノル
マルリットル）に設定されて定常運転されている状況は
前記の場合と同じだが、酸素濃度の設定を４０％に、発
生流量を１０ノルマルリットル毎分（純酸素分４．０ノ
ルマルリットル）に設定変更した場合の制御状況を説明
する。

【００１９】流量制御回路よりマスフローコントローラ
に対して、流量センサの出力が１０ノルマルリットル毎
分に相当する電圧値を示すまで開度を開くような制御信
号が出力される。 マスフローコントローラにより流量
が１０ノルマルリットル毎分に増加されると、系内の吸
着効率が悪くなり、発生酸素ガスの酸素濃度は除々に低
下し、これに追従して酸素濃度センサの出力電圧が下降
し始める。

【００２０】インバータ制御部は酸素濃度センサが出力
する電圧値の変化の方向、および変化する速度（加速
度）を検知し、設定された酸素濃度に相当する電圧値を
比較にしながら空気圧縮器を駆動する電動機の駆動速度
の増減量および増減の加速度を自動的に制御する。 こ
のようにしてインバータ制御部は、酸素濃度センサの出
力が酸素濃度の設定値４０％に相当する電圧値を維持す
る（下回らない）ように空気圧縮器の駆動速度を自動制
御し続ける。

【００２１】同時に酸素濃縮サイクル制御部は、９０％
濃度の酸素ガスの発生流量が５ノルマルリットル毎分に
相当する予め設定されている必要充分な吸着塔の切替圧
力を、４０％濃度の酸素ガス発生流量が２ノルマルリッ
トル毎分に相当する予め設定されている必要充分な吸着
塔の切替圧力にまで自動的に低下させる。 この操作に
より空気圧縮器の吐出圧力が若干低下し、これを駆動す
る電動機の負荷が低減するので消費電力の適正な低減が
達成できる。

【００２２】これらの吸着操作圧力、すなわち吸着塔の
切替圧力の予め設定する値は、所望の酸素ガスの濃度お
よび発生流量の各組合せの条件下で装置を運転して、各
条件下での必要充分な最低圧力値を各々予め実験的に求
めることができる。 このようにして濃度／流量の各組
合せ条件下で得られた実験値を、各条件下での吸着塔の
切替圧力の設定値として濃縮サイクル制御部に予め記憶
させておけばよい。

【００２３】本発明による酸素ガス濃縮方法において使
用される空気圧縮器は、使用者が設定した濃度および流
量に見合った適正な最低駆動速度に常時自動制御されて
いるので、消費電力についても自動的に最低に維持され
ることとなり、従来に比較して大幅な省電力が期待出来
るようになった。

【００２４】本発明で言う流量可変型の空気圧縮器と
は、圧縮容積が固定された機械構造を持つピストン型、
ダイヤフラム型、スクロール型などの圧縮器で、それを
駆動する電動機の速度を増減するもの、あるいは能力可
変の機械構造を持つ容積可変型、翼角度可変型などの圧
縮器で、能力を機械的に増減させることができるものな
どなら何でも使用することが出来る。

【００２５】本発明の比較的小型の酸素ガス濃縮装置の
場合、酸素ガスの発生能力（流量×濃度）の増減に追従
して省電力性の効果が期待される流量可変型の空気圧縮
器としては、ピストン型、ダイヤフラム型、スクロール
型などで、これを駆動させる電動機の駆動速度をインバ
ータ電源にて可変制御を行なう方法が好ましい。インバ
ータ制御方法および制御される電動機は、交流方式ある
いは直流方式などの種類を問わないことは言うまでもな
い。

【００２６】本発明で言う酸素濃度センサとは、ガルバ
ニ電池方式、ジルコニア固体電解質方式、吸光分光分析
方式、あるいはガス吸着分離クロマトグラフィー方式な
どの酸素分子を定量分析可能なセンサのことを言い、気
体中の酸素濃度をある濃度範囲で検出することが可能
で、酸素濃度とその出力との間に何らかの再現性があ
り、その出力が電圧値あるいは電流値などの電気信号と
して、酸素濃度との間に何らかの関係を持って取出せる
ものなら何でも使用することが出来る。

【００２７】本発明の比較的小型の酸素ガス濃縮装置の
場合、製造される酸素ガス中の酸素濃度を検出する酸素
濃度センサとしては、設置が容易であるガルバニ電池方
式、あるいはジルコニア固体電解質方式を使用するのが
一般的であるが、酸素濃度が９０％を越えるような高濃
度領域で長期間に渡り使用されるような場合、センサの
寿命、および酸素濃度の検出値の再現性、および感度
（検出速度）においてより優秀な性能を示すジルコニア
固体電解質方式の酸素濃度センサを使用する方が好まし
い。

【００２８】本発明で言う流量センサとは、オリフィス
流量計などの絞り方式、あるいは層流流量計などの流体
抵抗方式、あるいは熱線流量計などの熱方式、あるいは
翼車流量計などの回転翼方式、あるいは浮子流量計など
のトレーサ方式などで検出した流量を電圧値あるいは電
流値などの電気信号に変換して出力できるものなら何で
も使用することが出来る。

【００２９】本発明の比較的小型のＰＳＡ酸素ガス濃縮
装置の場合、製造される酸素ガスの流量を検出する流量
センサとしては、構造が簡単で安価に製作することがで
き、流量の検定が容易であり、丈夫で壊れにくい構造を
持ち、流量を電圧に変換することが容易なオリフィス流
量計、あるいは層流流量計の使用が好ましいが、流量と
検出される差圧の関係が全域（特に微少流量領域）で直
線比例の関係にある層流流量計の使用が最も好ましい。
いずれの場合でも細孔素子であるオリフィス、あるい
は多数個の微細孔を持つハネカムなどの多層素子、およ
び小型のセラミック圧力センサがあれば容易に組立てる
ことが出来る。

【００３０】本発明で言うマスフローコントローラと
は、外部から与える制御信号で所望の流量（時間当りに
通過する質量）を微細に調節できる比較的小型の自動流
量調節弁のことで、一般的に流量を精密に絞る機構を持
つニードル弁部と、ニードル軸を上下に駆動させるリニ
アアクチュエータ部（制御信号によりニードル軸を直接
上下方向の所望の位置に移動させる機能を持つリニアサ
ーボモータ、あるいはリニアステッピングモーターなど
のこと）、あるいは回転アクチュエータ部（制御信号に
より所望の角度まで回転させる機能を持つサーボモー
タ、あるいはステッピングモータなどのことで、ネジ機
構で回転を上下運動に変換し、ニードル軸を上下方向の
所望の位置に移動させる）より構成されているもので、
リニア制御方式あるいは回転制御方式のいずれの場合で
も容易に製作することが出来る。

【００３１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の酸素ガス濃縮方法
を実現するための装置の概要を示す図であり、図２は本
発明の酸素ガス濃縮操作における吸着および脱着再生の
サイクルの制御の概要を示す図である。

【００３２】１２は原料である圧縮空気を供給する空気
圧縮器で、１２を駆動する電動機の速度制御回路２７が
出力する制御電源２８Ｃによって、１２の駆動速度が自
動制御される。

【００３３】１４、１５は第一の吸着塔Ａおよび第二の
吸着塔Ｂで、１４、１５内に充填されている吸着剤への
窒素ガスの吸着操作および脱着再生操作のサイクルが、
酸素濃縮サイクル制御弁ブロック１３によって、図２に
示される酸素濃縮サイクルの通り自動制御される。 １
３は圧縮空気を供給する電磁弁ＳＶ１／ＳＶ２、脱着再
生ガスを排出する電磁弁ＳＶ３／ＳＶ４、および酸素ガ
スを回収する電磁弁ＳＶ５により構成される電磁弁ブロ
ックである。

【００３４】１７は１２の吐出圧力すなわち１４あるい
は１５内の吸着圧力の変化を検知する圧力センサーで、
その出力信号１８Ｓは酸素濃縮サイクル制御回路１９に
導かれ、予め設定されている１４、１５の切替圧力すな
わち図２に示されている最大操作圧力Ｐ_２に一致する
と、制御電源２０Ｃにより１３は図２に示されているよ
うに１４、１５の動作を自動的に切替える。

【００３５】酸素濃縮サイクル制御回路１９には、所望
の酸素ガスの濃度および流量の各条件下で、予め実験的
に求められた必要充分な最低値である吸着操作圧力の
値、すなわち１４、１５の切替圧力について、各々の圧
力設定値が予め記憶させられている。

【００３６】１４あるいは１５で濃縮された酸素ガスの
一部は逆流防止弁ＣＶ７、ＣＶ８を通り圧力容器１６へ
一方向的に送り出され、１６内に一時貯蔵された酸素ガ
スは圧力調節弁ＲＶ９により一定の圧力に減圧され、製
造されるべき酸素ガスとして取り出される。

【００３７】ＦＣ１０は所望の流量が得られるように制
御されるマスフローコントローラで、出口には圧力セン
サ２１が接続されており、層流流量計ＳＲ２９の流路抵
抗によって検出される圧力が２１の測定範囲に入るよう
に、ＳＲ２９の後に設置されている半固定オリフィスＯ
Ｖ１１の開度を微調節する。 圧力検出信号２２Ｓは流
量制御回路２３により流量に変換され、出力される制御
電源２４ＣによってＦＣ１０の開度が自動制御され、製
造される酸素ガスの流量が、任意に設定された所望の流
量値を維持するように働く。

【００３８】２５は所望の酸素濃度を制御する酸素濃度
センサーで、酸素濃度の検出信号２６Ｓは空気圧縮器１
２を駆動する電動機の速度制御回路２７に導かれ、速度
制御電源２８Ｃによって１２が供給する圧縮空気の吐出
流量が自動制御され、製造される酸素ガスの濃度が、任
意に設定された所望の酸素濃度値を維持するように働
く。

【００３９】再生オリフィスＯＬ６は二つの吸着塔の出
口側を結ぶように設置され、一方の吸着塔内に吸着され
ている窒素ガスを積極的に追い出して脱着再生を促進さ
せる目的のオリフィスであり、吸着塔間の圧力差によっ
てＯＬ６を通過する酸素ガスが脱着再生に必要な量に制
限されるようにその孔径を決定する。

【００４０】酸素ガス回収電磁弁ＳＶ５は二つの吸着塔
の出口側を結ぶように設置され、図２に示されるサイク
ルがＩよりＩＩに移行する状態において、１５（吸着塔
Ｂ）が濃縮工程を終了する（１７すなわち１５の吸着圧
力がＰ_２に一致する）時点で、１ないし２秒程度の短い
時間（酸素ガス回収操作時間τ）開くように１９によっ
て制御され、吸着塔間の圧力差により１５内に溜まって
いる高い圧力（Ｐ_２）の濃縮された酸素ガスを１４（吸
着塔Ａ）へ一挙に送って有効的に回収するための電磁弁
であり、これにより酸素ガスの生産効率が上がることに
なる。 ＳＶ５が開くと、１４内の圧力はＰｏよりＰ_１
へ一挙に上昇する。 なおＰｏは吸着塔の脱着再生時に
脱着再生系内を流れて大気に排出されるガスの圧力損失
分の大気圧Ｐａとの差圧である。 このようにＳＶ５は
酸素濃縮サイクルが切替わる毎に短時間（τ）の間開く
ように、また再生ガスの排出弁ＳＶ３／ＳＶ４はＳＶ５
が開いている間は必ず閉じているように１９によって自
動制御される。

【００４１】本発明の酸素ガス濃縮方法において、装置
を始動させてからの状態を図２を用いて説明する。 始
動サイクルＩにおいてＳＶ１／ＳＶ４がＣＬ（閉）、Ｓ
Ｖ２／ＳＶ５がＯＰ（開）となり原料圧縮空気は圧力が
大気圧Ｐａの１５（吸着塔Ｂ）へ供給される。 時間τ
経過後、ＳＶ３がＯＰ、ＳＶ５がＣＬとなり、１４（吸
着塔Ａ）よりの脱着再生ガスが系外に排出される。 １
５内で濃縮された酸素ガスの一部はＯＬ６を通って１４
に供給され１４の脱着再生に用いられる。

【００４２】１５内の圧力が上昇してＰ_２に一致する
と、サイクルはＩからＩＩへ切り替わり、今度はＳＶ２
／ＳＶ３がＣＬ、ＳＶ１／ＳＶ５がＯＰとなり原料圧縮
空気は圧力がＰｏの１４へ供給される。 １５内に溜ま
っている圧力Ｐ_２の濃縮された酸素ガスはＳＶ５を通り
１４へ回収され、時間τ経過後１４内の圧力はＰ_１とな
ると同時にＳＶ５がＣＬ、ＳＶ４がＯＰとなり１５より
の脱着再生ガスが系外に排出される。 １４内で濃縮さ
れた酸素ガスの一部はＯＬ６を通って１５に供給され１
５の脱着再生に用いられる。

【００４３】以降、上記と同様の吸着および脱着再生の
操作を繰り返し、サイクルがＩＩＩよりＶへと切り替わ
って酸素ガスの濃縮操作が続行する。

【００４４】運転の途中で発生酸素ガスの濃度および／
あるいは流量の設定変更が行なわれた場合、その変更の
状況に合わせて、酸素濃縮サイクル制御回路１９に予め
記憶されている吸着操作圧力の各設定値の内容に従っ
て、吸着塔の切替圧力は自動的に適正に再設定され、積
極的な消費電力の低減が計られることとなる。

【００４５】

【実施例−１】内直径７７ミリメートルの塩化ビニール
樹脂水道管（ＪＩＳ規格ＶＰ７５）を工作して図３のよ
うなＵ字管構造を持つ有効内容積１．４リットルの吸着
塔を２個作製し、内部に各々８６０グラムのゼオライト
系窒素吸着剤を充填し吸着塔Ａ、吸着塔Ｂとした。 又
上記と同じ樹脂管を工作して内容積１リットルの図１で
示す圧力容器１６を製作した。

【００４６】図１で示す再生オリフィスＯＬ６として直
径０．８４ミリメートル、長さ５ミリメートルのオリフ
ィスを準備した。

【００４７】定格２５０ワットの三相誘導モータを動力
とし、シリンダの直径６０ミリメートル、ピストンのス
トローク８ミリメートルの圧縮部を２個持った空気圧縮
器を、入力１００ボルト、出力三相２００ボルトのイン
バータ電源にて駆動した。この空気圧縮器１２の能力特
性のグラフを図４に示す。

【００４８】酸素ガス中の酸素濃度を検出するための酸
素濃度センサはジルコニア固体電解質方式のものを採用
した。 酸素濃度センサ２５が出力する電圧Ｖｏ［ｍ
Ｖ］と酸素濃度Ｃｏ［モル分率］との間には、Ｖｏ＝−
８９１×ＬＮ（１−Ｃｏ）の関係で近似されるように調
整されている。

【００４９】図１で示すように圧力調整弁ＲＶ９の下流
に孔直径０．１２ミリメートル、厚さ０．５ミリメート
ルのステンレス製の流量制限オリフィスＯＬ３０を設置
し、これを通して０．２５ノルマルリットル毎分前後の
一定流量で製品酸素ガスを酸素センサ２５へ供給した。

【００５０】５回転で開閉できるニードル弁を作製し、
このニードル軸にステッピングモーターを取付け、ステ
ップ数すなわち回転角度を制御することにより図６に示
すマスフローコントローラＦＣ１０を得た。

【００５１】ＦＣ１０へ供給される酸素ガスの圧力は、
図１で示す圧力調節弁ＲＶ９にて１００キロパスカルの
一定に調節した。

【００５２】定格圧力が１００キロパスカルのセラミッ
クピエゾ素子を使用した図１で示す圧力センサ２１をＦ
Ｃ１０の出口側に設置し、この下流側に図１で示す層流
流量計ＳＲ２９および半固定オリフィスＯＶ１１を設置
し、ＯＶ１１の開度を微調節して検出圧力範囲の上限値
を圧力センサの定格値内の適正な値に設定した後、流量
と圧力センサ出力の関係を実測し図５−１に示すように
ほぼ直線の関係を得た。

【００５３】層流流量計を使用せず半固定オリフィス
（乱流流量計）のみで同様に開度の設定をして実測を行
なった場合の結果を図５−２に示すが、乱流流量計（オ
リフィス流量計）のみの場合は流量と圧力センサ出力の
関係に直線性がなく、特に小流量域での流量の変化に伴
う圧力変化が乏しく、層流流量計に比較して小流量域で
の制御に信頼性が欠けることとなった。

【００５４】図２に示される酸素濃縮サイクルが制御で
きる図１で示す回路基板１９を準備した。

【００５５】マスフローコントローラＦＣ１０を通過す
る酸素ガスの流量、すなわちＦＣ１０の出口側に設置さ
れている圧力センサの出力が一定に保たれるように、ス
テッピングモータのステップ位置、すなわちＦＣ１０に
内蔵されているニードル弁の回転角度すなわち弁の開度
が制御できる図１で示す回路基板２３を準備した。

【００５６】製造される酸素ガスの酸素濃度すなわち酸
素濃度センサの出力を一定に保つように、空気圧縮器を
駆動する電動機への電源周波数が制御できるインバータ
電源を搭載した図１で示す速度制御回路基板２７を準備
した。

【００５７】上記の各装置を接続して図７に示される、
酸素濃縮能力が純酸素換算で最大５．４ノルマルリット
ルであるような実験装置を組立て実験を行った。 消費
電力の低減効果の確認のため、先ず吸着塔の切替圧力の
設定を装置の最大能力の時の設定値に固定して実験を行
なった。 製造される酸素ガスの酸素濃度を９０パーセ
ントに固定して、流量を６ノルマルリットル毎分から１
ノルマルリットル毎分まで、１ノルマルリットル毎分刻
みで減少させて行ったときのインバータ電源の周波数と
空気圧縮器が時間あたりに消費した平均電力値の結果を
表１に示す。

【００５８】

【実施例−２】実施例−１と同様に図７に示される実験
装置を用い、吸着塔等の切替圧力の設定も実施例−１と
同様に最大に固定して実験を行った。 製造される酸素
ガスの流量を５ノルマルリットルに毎分固定されるよう
に設定したとき、酸素濃度を９０パーセントから４０パ
ーセントまで１０パーセント刻みで減少させて行ったと
きのインバータ電源の周波数と空気圧縮器が時間あたり
に消費した平均電力値の結果を表２に示す。

【００５９】

【実施例−３】実施例−１と同様に図７に示される実験
装置を用い、吸着塔の切替圧力の設定が製造される酸素
ガスの各濃度、各流量条件下での各々の酸素濃縮能力に
見合うよう自動設定されるように実験を行った。 又製
造される酸素濃度を９０パーセントに固定し、流量の設
定条件を実施例−１の場合と全く同様に変化させた場合
のインバータ電源の周波数と空気圧縮器が時間あたりに
消費した平均電力値の結果を表３に示す。

【００６０】

【実験例−４】実施例−１と同様に図７に示される実験
装置を用い、吸着塔の切替圧力の設定が製造される酸素
ガスの各濃度、各流量条件下での各々の酸素濃縮能力に
見合うよう自動設定されるように実験を行った。 又製
造される酸素流量を５ノルマルリットルに固定し、濃度
の設定条件を実施例−２の場合と全く同様に変化させた
場合のインバータ電源の周波数と空気圧縮器が時間あた
りに消費した平均電力値の結果を表４に示す。

【００６１】

【実験例−５】医療用の酸素呼吸器に供する場合を想定
し、実施例−１と同様に図７に示される実験装置を用い
て、酸素ガスの酸素濃度を常に９０％以上に保ちなが
ら、流量を０．２５／０．５／０．７５／１．０／１．
５／２．０／２．５／３．０／３．５／４．０／４．５
／５．０ノルマルリットルの１２段階に、段階的に切替
える実験を行なった。 酸素ガスの各流量下での得られ
た結果を表５に示す。

【００６２】表１および表２に示す実施例−１および実
施例−２の実験結果は、空気圧縮器の駆動速度をインバ
ータ電源にて自動制御することにより、所望の酸素濃度
および流量、すなわち都度の純酸素分の発生量に見合う
適正な省電力性が得られていることを示している。

【００６３】表３および表４に示す実施例−３および実
施例−４の実験結果は、純酸素分の発生量に比例して吸
着塔の切替圧力を増減制御することにより、さらに大幅
な省電力性が達成されていることを示している。

【００６４】表５に示す実施例−５の実験結果は、本発
明の酸素ガス濃縮方法を用いれば医療用酸素呼吸器とし
て、小流量から大流量までが一台の装置で達成でき、ま
た流量に見合った画期的な省電力性が達成できることを
示している。

【００６５】

【発明の効果】本発明の方法によれば、一つの機種で製
造される酸素ガスが、所望の流量および所望の濃度で自
由に得られることが可能になった。 又流量、濃度の各
設定に見合う必要な酸素濃縮能力を都度可変制御したこ
とにより、無駄な消費電力を大幅に抑えることに成功し
た。 同様に空気圧縮器の駆動速度をインバータ電源で
自動制御したことにより、消費電力は常に必要な酸素濃
縮能力に見合う適正値が得られた。 本発明の方法によ
れば、特に能力を絞って使用したとき、従来に比較して
大幅な省電力性が達成された。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の方法の構成を示す図

【図２】 本発明の方法における酸素濃縮サイクル
を示す図

【図３】 実験に用いた吸着塔の組立て透視図

【図４】 実験に用いた空気圧縮器の能力特性図

【図５−１】 実験に用いた層流流量計の圧力センサ出
力と実流量の関係

【図５−２】 実験に用いた乱流流量計の圧力センサ出
力と実流量の関係

【図６】 実験に用いたマスフローコントローラの
組立て透視図

【図７】 実験に用いた装置の構成を示す図

【符号の説明】

ＳＶ１、ＳＶ２ 原料空気供給電磁弁Ａ、原料空気供給
電磁弁Ｂ ＳＶ３、ＳＶ４ 再生ガス排出電磁弁Ａ、再生ガス排出
電磁弁Ｂ ＳＶ５ 酸素ガス回収電磁弁 ＯＬ６ 再生オリフィス ＣＶ７、ＣＶ８ 逆流防止弁Ａ、逆流防止弁Ｂ ＲＶ９ 圧力調節弁 ＦＣ１０ マスフローコントローラ ＯＶ１１ 半固定オリフィス １２ 空気圧縮器 １３ 酸素濃縮サイクル制御弁ブロック １４、１５ 吸着塔Ａ、吸着塔Ｂ １６ 圧力容器 １７ 圧力センサ １８Ｓ 圧力検出信号 １９ 酸素濃縮サイクル制御回路基板 ２０Ｃ 酸素濃縮サイクル制御電源 ２１ 圧力センサ ２２Ｓ 圧力検出信号 ２３ 流量制御回路基板 ２４Ｃ 流量制御電源 ２５ 酸素濃度センサ ２６Ｓ 酸素濃度検出信号 ２７ 速度制御回路基板 ２８Ｃ 速度制御電源 ＳＲ２９ 層流流量計 ＯＬ３０ 流量制限オリフィス Ｐａ 大気圧 Ｐｏ 吸着塔再生操作圧力 Ｐ_１ 空気圧縮器最低操作圧力（吸着塔最低
操作圧力） Ｐ_２ 空気圧縮器最高操作圧力（吸着塔最高
操作圧力） τ 酸素ガス回収操作時間 ＯＰ 電磁弁開（ＯＰＥＮ）状態 ＣＬ 電磁弁閉（ＣＬＯＳＥ）状態

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高圧な空気を供給し、吸着塔内の吸着剤
   にて選択的に窒素ガスを吸着させ酸素ガスを濃縮する圧
   力スイング吸着（ＰＳＡ）方式の酸素ガス濃縮方法にお
   いて、供給する高圧な空気の時間当りの供給量を連続的
   に増減制御することによって、所望の濃度および所望の
   流量の酸素ガスを得ることを特徴とする酸素ガス濃縮方
   法。
2. 【請求項２】 高圧な空気を供給するための空気圧縮器
   を駆動する電動機の駆動速度を連続的に増減制御するこ
   とによって、所望の濃度および所望の流量の酸素ガスを
   得ることを特徴とする請求項１記載の酸素ガス濃縮方
   法。
3. 【請求項３】 高圧な空気中より酸素ガスを濃縮するに
   あたり、吸着塔内の操作圧力が設定された圧力に上昇す
   るまでの間を濃縮操作の単位サイクルとすることを特徴
   とする請求項２記載の酸素ガス濃縮方法。
4. 【請求項４】 所望する酸素ガスの濃度および流量の各
   々の設定の増減に比例して、吸着塔内の操作圧力、すな
   わち吸着塔の切替圧力の設定値を増減することを特徴と
   する請求項３記載の酸素ガス濃縮方法。