JP2004218940A - 選択性ガス富化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】選択性ガス富化装置において、ガス富化ユニットの温度を制御し、ガス富化膜の空気透過量の減少を防止すること。
【解決手段】所定のガス成分の濃度を高める機能を有するガス富化ユニット３１と、ガス富化ユニットの温度を制御する温度制御手段５２と、ガス成分を送出するポンプ３２と、ポンプ３２から送出したガス成分を吐出する吐出口３３とを備えた。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定のガス成分の濃度を高める機能を備えた選択性ガス富化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、選択性ガス透過膜を用いた酸素富化装置や窒素富化装置など、特定のガス濃度を相対的に向上させる装置が医療用の酸素富化装置、空気調和機、空気清浄機などの機器として提案されている。
【０００３】
例えば酸素濃度を向上させるものとして、空気成分の大半を占める窒素と分離させ選択的に酸素を透過させる酸素富化膜を活用するものがある（例えば特許文献１）。
【０００４】
一方、特許文献１においても課題として取り上げられているように、酸素富化膜を用いた酸素富化装置では、供給される空気や酸素富化膜の温度により、空気の透過量が大きく変化する特徴を持っている。
【０００５】
即ち、１次側の空気の温度により、膜を透過する酸素の供給量は常温（例えば２３℃）に対し約４０℃付近では倍の量まで増加することが知られている。
【０００６】
上記酸素供給量が温度の影響により変化することを改善するため、特許文献１では、供給する空気を、あらかじめヒーターの入った管を通し、所定の温度に加熱し、酸素富化膜に透過させている。
【０００７】
このように選択性ガス透過膜では必然的に温度が下がれば、空気の透過量が低下し、特に酸素富化膜では酸素供給量が低下しユーザーに不快感を発生しやすい。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭５５−０４１８０９号公報（図１等）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、次のような課題が発生する可能性がある。
【００１０】
即ち、供給する空気の温度を高めるため、ヒーターをあらかじめ管の中に設け、その中に空気を通し加熱するが、酸素富化された空気を得るべく窒素富化状態の空気を排気しなければならない。従って、この排気する空気にも所定の熱量を与えることになり、エネルギーロスが大きくなる。
【００１１】
そこで本発明は、選択性ガス富化装置で供給される空気富化膜をより省エネルギー加熱・冷却してその温度をコントロールし、特定のガスを富化された空気の分離性能を調整できる選択性ガス富化装置およびそれを用いた送風装置、空気調和装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願発明の選択性ガス富化装置は、選択性ガス透過膜を具備したガス富化ユニットと、少なくともこの選択性ガス透過膜の温度制御を行う温度制御手段と、ガス成分を送出するポンプと、ポンプから送出したガス成分を吐出する吐出口を備えており、温度制御手段によって選択性ガス透過膜の温度をコントロールして、設置環境や外環境、機器の運転状態などに基づいて富化する空気の濃度を調整し、所望する所定ガスの富化状態を確保する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の本発明の選択性ガス富化装置は、所定のガス成分の濃度を高める選択性ガス透過膜を具備したガス富化ユニットと、少なくとも選択性ガス透過膜の温度制御を行う温度制御手段と、ガス成分を送出するポンプと、ポンプから送出したガス成分を吐出する吐出口を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また請求項２記載の本発明の選択性ガス富化装置は、温度制御手段は温度検知手段を有し、この温度検知手段で検知した温度に基づいて少なくとも選択性ガス透過膜の温度制御を行うことを特徴とする。
【００１５】
また請求項３記載の本発明の選択性ガス富化装置は、温度検知手段としてガス富化ユニットへの吸込みガス温度を検知することを特徴とする。
【００１６】
また請求項４記載の本発明の選択性ガス富化装置は、温度制御手段として選択性ガス透過膜の温度を検知することを特徴とする。
【００１７】
また請求項５記載の本発明の選択性ガス富化装置は、温度制御手段に選択性ガス透過膜を通過した膜２次側のガスの温度を検知することを特徴とする。
【００１８】
また請求項６記載の本発明の選択性ガス富化装置は、温度制御手段のガス富化ユニットの構成枠を電熱機材で構成したことを特徴とする。
【００１９】
また請求項７記載の本発明の選択性ガス富化装置は、温度制御手段は、加熱手段、または冷却手段、またはその両方を有し、これらのうち少なくともひとつを選択性ガス透過膜の通気の１次側面または２次側面に接して構成されているか、または一体に構成されていることを特徴とする。
【００２０】
また請求項８記載の本発明の選択性ガス富化装置は、ガス富化ユニットを空気中の酸素を優先的に通過させる酸素富化膜によって構成したことを特徴とする。
【００２１】
また請求項９記載の本発明の選択性ガス富化装置は、ガス富化ユニットとポンプとを室外空間に配置し、吐出口を室内空間に配置したことを特徴とする。
【００２２】
また請求項１０記載の本発明の空気調和装置は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の選択性ガス富化装置を備え、室外ユニットと室内ユニットから構成される空気調和装置であって、ガス富化ユニットとポンプとを室外ユニットに配置し、吐出口を室内ユニットに配置した空気調和装置であることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態による選択性ガス富化装置は、ガス富化膜のユニットに温度制御手段を設けたものである。本実施の形態によれば、効率良く温度変化による空気の透過量の低減を防止したり、調整可能な範囲で選択性ガス透過膜の温度特性を利用して富化ガスの供給量を調整することができる。ここで、供給量とは富化された所定ガスの分離後濃度とその透過量で評価されるものである。
一般にガス透過膜は温度特性を有しており、低温になると所定ガスの分離濃度は高くなるものの、逆にその透過流量は低下するため、総じていえばガス透過膜の温度が低下すると所定ガスの供給量としては低下する傾向にある。そこで、この温度特性を利用して供給量を調整することで、例えば富化ガスの供給空間の所定ガス濃度をコントロールしたりすることができる。
【００２４】
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による選択性ガス富化装置において、選択性ガス透過膜を保持するユニット枠が加温・冷却されるものである。本実施の形態によれば、ガス選択膜を直接加温等するため、効率良く温度制御ができ、空気の透過量低減を防止したり、調整可能な範囲で選択性ガス透過膜の温度特性を利用して富化ガスの供給量を調整することができる。
【００２５】
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による選択性ガス富化装置において、吸い込み空気等の温度変化に合わせて、電熱機材の温度を調整する出力装置を具備することにより、分離効率のよい温度にできるものである。本実施の形態によれば、特に低外気温時の空気透過量の低減を防止して、所望の流量の富化ガスを得られるようにしたり、調整可能な範囲で選択性ガス透過膜の温度特性を利用して富化ガスの供給量を調整することができる。
【００２６】
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による選択性ガス富化装置において、ガス富化ユニットを、空気中の酸素を優先的に通過させる酸素富化膜によって構成したものである。本実施の形態によれば、ＰＳＡ方式や中空糸膜を用いた分離方式などの他の方式に比較して温度制御が効率良く、コンパクトに酸素の供給量の低減防止したり、調整可能な範囲で選択性ガス透過膜の温度特性を利用して富化ガスの供給量を調整することができる。
【００２７】
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態による選択性ガス富化装置において、ガス富化ユニットとポンプとを室外空間に配置し、吐出口を室内空間に配置したものである。本実施の形態によれば、室外から酸素富化の空気を取り出し、室内にこの酸素富化の空気を放出することができるので室内を酸素富化の状態とすることができる。
【００２８】
本発明の第６の実施の形態は、上記第１から第６の実施の形態による選択性ガス富化装置を備え、室外ユニットと室内ユニットから構成される空気調和装置であって、ガス富化ユニットとポンプとを室外ユニットに配置し、吐出口を室内ユニットに配置したものである。本実施の形態によれば、空気調和機能に酸素等の所定のガスの富化する機能を追加した空気調和装置を実現することができる。
【００２９】
以上の実施の形態においては、ガス透過膜上流（１次側）空気温度、または選択性ガス透過膜の表面温度、または選択性ガス富化膜の通気２次側空気の温度などを検知して、その検知温度により温度制御手段をコントロールすることで、上記発明はより省エネルギーで効率よく所定のガス富化を実現することができるようになる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例による選択性ガス富化装置を、室外ユニットと室内ユニットから構成される空気調和装置に適用した場合について説明する。
【００３１】
図１は本実施例による空気調和装置の構成図である。
【００３２】
同図において、空気調和装置は室外ユニット１０と室内ユニット２０から構成され、冷媒ガスが循環するように接続配管（図示せず）で接続されている。室外ユニット１０は、圧縮機１１、熱交換器１２、及びファン１３を有するとともに、一室を隔して温度制御手段付ガス富化ユニット３１、減圧ポンプ３２等の選択性ガス富化装置の主な構成部材が設けられている。室内ユニット２０は、ファン２１や熱交換器２２を有するとともに、選択性ガス富化装置の吐出口３３が設けられている。
【００３３】
選択性ガス富化装置は、この実施例では選択性ガス透過膜である酸素富化膜を備えた温度制御手段を備えたガス富化ユニット３１と、ガス富化ユニット３１の二次側を減圧する減圧ポンプ３２と、ガス富化ユニット３１と減圧ポンプ３２とを通気可能に連結する酸素供給主管３４と、減圧ポンプ３２の吐出側に連結された吐出主管３６を備えている。
【００３４】
送風管４０は、吐出主管３６と吐出口３３とを接続する配管であり、室外ユニット１０から導出し室内ユニット２０内に導入されている。
【００３５】
本実施例においては、温度制御手段付ガス富化ユニット３１は、減圧ポンプ３２の入口側に設けた場合を示している。
【００３６】
図１に示すように、温度制御手段付ガス富化ユニット３１は、酸素富化膜５０と、電熱機材で構成され酸素富化膜５０を保持してガス富化ユニットを構成する枠５１で構成されている。枠５１は、ガス富化膜を保持するために外枠を形成するものであればよいが、内部に図２に示すように通気路となる溝６４を構成する支持部６５が形成されていて、ガス富化膜の通気２次側が減圧状態になってもガス富化膜が変形しにくいように構成されている。無論、支持部６５を構成して通気路を構成する変わりに連続発泡体などで構成して通岐路を確保してもよい。
【００３７】
温度制御手段付ガス富化ユニット３１は、枠５１に対して通電を行い電熱機材での発熱出力を温度に応じて調整させる制御装置５２を具備しており、これは例えば図示はしていないが、空気調和機の検知する外気温度を利用したり、酸素富化膜の吸い込み空気温度を検知したり、酸素富化膜の表面温度や枠の温度などを検知したり、酸素供給主管３４等での酸素富化膜通過後の富化ガスの空気温度を検知したりすることで、富化膜自体が所定温度になるように制御を行う。また、前記ガス富化ユニット全体をハニカム状の電熱機材で包み込むようにしても良い。
【００３８】
このようにガス富化ユニット３１において、少なくとも選択性ガス透過膜の温度を制御できる仕様にすることにより、外気温が低温である場合などで膜自体のもつ温度特性によりガス富化ユニットの所定ガスの透過量が低下するなど、ガス富化ユニットの使用温度の影響を低減することができる。
【００３９】
なお、ガス富化ユニット３１の１次側（大気側）には、滞留する窒素富化空気を掃気するためのファン（図示せず）を配置しておき、選択性ガス富化装置の運転に連動して動作させるとよい。また、ガス富化ユニット３１を、室外ユニット１０のファン１３を有する送風回路内に配置し、ファン１３の送風によってガス富化ユニット３１の１次側の窒素富化空気を掃気するようにしてもよい。またガス富化ユニット３１、減圧ポンプ３２、酸素供給主管３４及び吐出主管３６は、独立したユニットとして構成して、室外ユニット１０の枠体に装着する構成としてもよい。
【００４０】
上記構成において、減圧ポンプ３２が運転されると、ガス富化ユニット３１内で酸素富化膜を通過した空気は、酸素供給主管３４を通過して減圧ポンプ３２に吸い込まれ、酸素富化された空気が吐出主管３６、送風管４０を順次通過して吐出口３３から室内ユニット２０内に送出される。
【００４１】
また、ガス富化ユニットでのガス富化膜温度制御は図２に示すように、ガス富化ユニット３１を構成する枠５１とガス富化膜５０との間において、ヒータ６０をガス富化膜５０に接するように介装して構成してもよい。ヒータ６０には電源が具備されており、更には温度センサ６３で検知されたガス富化膜温度に応じて通電を開閉する制御装置６１が具備されている。このとき電源電圧自体が可変されるようにしてもよい。また、同図ではガス富化膜の表面温度を検知するように構成された例を示したが、ガス富化膜の通気上流になる一次側の空気温度を検知したり下流の二次側の富化ガス温度を検知してガス富化膜の温度を推定して制御するようにしてもよい。
【００４２】
制御は例えば次のように行われる。冬季など外気温度が所定温度より低下したことを空気調和機が検知した場合には、透過流量の低下が予想され富化ガスの供給量が減少するため、温度センサ６３での検知温度に応じてヒータ６０に通電して膜表面温度が所定の温度に達するように加熱を行う。または、室内の酸素濃度を検知したり、空気調和機に酸素濃度を「高め」「維持」などと設定する手段を具備しておき、「高め」が設定された場合には、その設定に応じてガス富化膜温度を高めて富化ガスの供給量を大きくして運転するようにしてもよい。
【００４３】
なお、本実施例では、選択性ガス富化装置を居住空間の空気調和に用いる分離型の空気調和装置に適用した場合について説明したが、例えば車両用空気調和装置、一体形空気調和装置に用いてもよく、その他空気清浄機や医療用酸素富化装置、携帯用酸素富化装置、燃焼機器用酸素富化装置、冷蔵庫など鮮度保持に用いる窒素富化装置などに適用してもよい。
【００４４】
また、本実施例では酸素富化膜を用いたガス富化ユニットを用いて説明したが、例えば中空糸膜などの酸素富化を実現できる機能を有すればよく、この場合には、減圧ポンプに代えて加圧ポンプを用い、又は送風装置をポンプとして用いることもできる。
【００４５】
また、上記実施例ではガス富化膜を加熱する場合について示したが、環境条件によってはガス透過膜の枠に冷水を通過させたり、図２のヒータの代わりに冷水管を用いたりしてガス透過膜の温度をコントロールするようにしてもよい。更にはこれら加熱手段と冷却手段を併設してコントロールするようにしてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ガス富化ユニットの使用温度影響を低減でき、ガス富化膜の空気透過量の減少を防ぐことができる。また、選択性ガス透過膜の温度特性を利用して調整可能な範囲で富化ガスの供給量を調整することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による空気調和装置の構成図
【図２】本発明の一実施例におけるガス富化ユニットの構成模式図
【符号の説明】
１０ 室外ユニット
２０ 室内ユニット
３１ ガス富化ユニット
３２ 減圧ポンプ
３３ 吐出口
３４ 酸素供給主管
３６ 吐出主管
４０ 送風管
５０ ガス富化膜
５１ 電熱機材枠
５２ 電熱機材用出力装置
６０ ヒータ
６１ 制御装置
６３ 温度センサ

Claims (10)

1. 所定のガス成分の濃度を高める選択性ガス透過膜を具備したガス富化ユニットと、少なくとも前記選択性ガス透過膜の温度制御を行う温度制御手段と、前記ガス成分を送出するポンプと、前記ポンプから送出した前記ガス成分を吐出する吐出口を備えたことを特徴とする選択性ガス富化装置。
2. 温度制御手段は温度検知手段を有し、この温度検知手段で検知した温度に基づいて少なくとも前記選択性ガス透過膜の温度制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の選択性ガス富化装置。
3. 温度検知手段は、ガス富化ユニットへの吸込みガス温度を検知するガス温度を検知することを特徴とする請求項２記載の選択性ガス富化装置。
4. 温度検知手段は、選択性ガス透過膜の表面温度を検知することを特徴とする請求項２記載の選択性ガス富化装置。
5. 温度検知手段は、選択性ガス透過膜を通過したガスの温度を検知することを特徴とする請求項２記載の選択性ガス富化装置。
6. 温度制御手段は、ガス富化ユニットの構成枠を電熱機材で構成したことを特徴とする請求項１に記載の選択性ガス富化装置。
7. 温度制御手段は、加熱手段、または冷却手段、またはその両方を有し、これらのうち少なくともひとつを選択性ガス透過膜の通気の１次側面または２次側面に接して構成されているか、または一体に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の選択性ガス富化装置。
8. 前記ガス富化ユニットを、空気中の酸素を優先的に通過させる酸素富化膜によって構成したことを特徴とする請求項１に記載の選択性ガス富化装置。
9. 前記ガス富化ユニットと前記ポンプとを室外空間に配置し、前記吐出口を室内空間に配置したことを特徴とする請求項１に記載の選択性ガス富化装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の選択性ガス富化装置を備え、室外ユニットと室内ユニットから構成される空気調和装置であって、前記ガス富化ユニットと前記ポンプとを前記室外ユニットに配置し、前記吐出口を前記室内ユニットに配置したことを特徴とする空気調和装置。

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