JPH078737A - 酸素富化空気生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 １つの吸着塔によって酸素富化（窒素の吸
着）と二酸化炭素の吸着とを効率良く行わせる。 【構成】 吸着塔１２の出口側に、電磁弁ＥＶ３を有す
る低圧回路１３と、電磁弁ＥＶ４及びオリフィス１４を
有する高圧回路１５とを並列に設ける。酸素富化モード
時には、空気を高圧回路１５を通して流すことで、流路
抵抗を大きくして吸着塔１２内の圧力を窒素の吸着に適
した圧力まで高める。一方、二酸化炭素除去モード時に
は、空気を低圧回路１３を通して流すことで、流路抵抗
を小さくして吸着塔１２内の圧力を二酸化炭素の吸着に
適した圧力まで低下させる。更に、二酸化炭素除去モー
ドのサイクル比Ｒ［＝吸着時間／（吸着時間＋再生時
間）］を、０．５＜Ｒ≦約０．７５に設定し、１つの吸
着塔１２のみで二酸化炭素除去と酸素富化とを共に効率
良く行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気中の窒素及び二酸
化炭素を吸着する吸着剤を収容した吸着塔内に空気を送
って酸素富化空気を生成する酸素富化空気生成装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、室内の酸素濃度の低下を防いで居
住空間の快適性を維持するために、空気中の窒素を一部
除去して酸素富化空気を生成する酸素富化空気生成装置
（ＰＳＡ）が開発されている。このものは、特開平２−
１７４９１３号公報に記載されているように、空気中の
窒素を吸着するゼオライト等の吸着剤を収容した吸着塔
を設け、この吸着塔内にコンプレッサにより空気を送っ
て酸素富化空気を生成し、この酸素富化空気をパイプラ
インを通して室内に送るようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、快適性を左
右する空気環境として、酸素濃度の他、二酸化炭素濃度
もある。これを確認するため、空気環境（酸素濃度，二
酸化炭素濃度）と人間の疲労軽減率との関係を調べてみ
ると、図９に示すような結果が得られた。この図９にお
いて、領域Ｉは、高酸素濃度・低二酸化炭素濃度によっ
て疲労軽減率が高く快適と感じる領域であり、領域II
は、酸素濃度が若干低いが、二酸化炭素濃度を低下させ
ることで領域Ｉとほぼ同じ疲労軽減率（快適性）を確保
できる領域であり、領域III は、二酸化炭素濃度が高く
て疲労軽減率（快適性）の低い領域である。

【０００４】この関係から明らかなように、たとえ酸素
濃度が高くても、二酸化炭素濃度が高くなれば、疲労軽
減率（快適性）が著しく低下してしまう。それ故に、快
適性を維持するためには、酸素富化に加え、二酸化炭素
濃度を低下させることも必要となる。

【０００５】しかしながら、前述した従来のものは、酸
素富化のみによる空気環境の改善を狙ったものであり、
二酸化炭素濃度を制御できる構成とはなっていないの
で、十分な快適性を確保できない。尚、ゼオライト等の
吸着剤には、窒素の吸着と共に二酸化炭素も吸着する能
力があるが、後述するように二酸化炭素は窒素に比べて
選択吸着性が強く、しかも空気中の二酸化炭素は窒素に
比べて極めて濃度が低いので、通常空気を原料空気とす
る場合には、窒素の吸着と二酸化炭素の吸着とを両立さ
せることができず、二酸化炭素の吸着を効率良く行うこ
とはできない。

【０００６】最近、この問題を解決するために、複数の
吸着塔を設けて、二酸化炭素を選択的に吸着できるよう
にした多塔式ＰＳＡも開発されているが、システム全体
が複雑化して、システムの大型化や高価格化を招くとい
う欠点がある。

【０００７】本発明は、このような事情を考慮してなさ
れたもので、その目的は、１つの吸着塔によって、酸素
富化（窒素の吸着）と二酸化炭素の吸着とを効率良く行
わせることができて、空気中の酸素濃度と二酸化炭素濃
度の双方を適正に制御でき、極めて快適な空気環境を実
現することができる酸素富化空気生成装置を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の酸素富化空気生成装置は、空気中の窒素及
び二酸化炭素を吸着する吸着剤を収容した吸着塔を設
け、この吸着塔内に送気手段により空気を送って酸素富
化空気を生成するものにおいて、前記吸着塔の内部若し
くはその出口側の空気流通経路の流路抵抗を低下させる
ように切り替えることで酸素富化モードから二酸化炭素
除去モードへ運転を切り替えるモード切替手段と、前記
酸素富化モード及び前記二酸化炭素除去モードのいずれ
のモードでも、当該モードの運転中に、前記吸着塔内の
吸着剤に付着している窒素及び二酸化炭素を取り除く再
生モードの運転を間欠的に実行させる制御手段とを備
え、前記制御手段は、前記二酸化炭素除去モードの運転
時に、サイクル比Ｒが、 ０．５＜Ｒ≦約０．７５ ［但し、Ｒ＝吸着時間／（吸
着時間＋再生時間）］ となるように制御するものである。

【０００９】

【作用】吸着塔の内部若しくはその出口側の空気流通経
路の流路抵抗を低下させて、吸着塔内の圧力（以下「ス
イング圧力」という）を低下させると、吸着塔内に流れ
る空気の流量が増加する。しかし、吸着剤（例えばゼオ
ライト）の特性により、図１０に示すように、スイング
圧力の低下に伴って窒素及び二酸化炭素の飽和吸着量は
減少するので、窒素の吸着に最適なスイング圧力が存在
し、酸素富化量にピーク点が現われる。これに対し、二
酸化炭素は、窒素に比べて、吸着剤（例えばゼオライ
ト）の極性分子に対する選択吸着性が強いため、空気流
量の増加に伴って単位時間当りの二酸化炭素の吸着量は
増加する特性がある。

【００１０】そこで、本発明では、酸素富化（窒素除
去）モード時には、モード切替手段により吸着塔の内部
若しくはその出口側の空気流通経路の流路抵抗を高圧側
に切り替えて、スイング圧力を窒素の吸着に適した圧力
に設定する。これにより、空気中の窒素を効率良く吸着
して、空気中の酸素濃度を高める。

【００１１】一方、二酸化炭素除去モード時には、モー
ド切替手段により吸着塔の内部若しくはその出口側の空
気流通経路の流路抵抗を低圧側に切り替えて、スイング
圧力を二酸化炭素の吸着に適した低圧力に設定する。こ
れにより、空気中の二酸化炭素を効率良く吸着して、空
気中の二酸化炭素濃度を低下させる。

【００１２】上述した酸素富化モード及び二酸化炭素除
去モードのいずれのモードでも、当該モードの運転中に
再生モードの運転を間欠的に実行させ、この再生モード
の運転中に、吸着塔内の吸着剤に吸着されている窒素や
二酸化炭素の分子を取り除いて吸着能力を回復させる。

【００１３】ところで、図４に示すように、二酸化炭素
除去量を増加させるには、サイクル比Ｒを大きくして吸
着時間（二酸化炭素除去モードの運転時間）を長くすれ
ば良いが、吸着時間が長くなるに従って、再生時間（再
生モードの運転時間）が短くなって、再生量が少なくな
る。再生量が少なくなれば、窒素再生率（＝再生量／吸
着量×１００）が低下して、酸素富化能力が低下してし
まう。

【００１４】この関係を考慮して、本発明では、二酸化
炭素除去モードのサイクル比Ｒを、０．５＜Ｒ≦約０．
７５に設定し、１つの吸着塔によって二酸化炭素除去能
力と酸素富化（窒素除去）能力とを両立させて、二酸化
炭素除去と酸素富化とを共に効率良く行うものである。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１において、酸素富化モード及び二酸化炭素
除去モードのいずれのモードでも、室内空気は、電磁弁
ＥＶ１を通して送気手段たる真空ポンプ１１に吸入され
る。この真空ポンプ１１から吐出される空気は、電磁弁
ＥＶ２を通って吸着塔１２内に流入する。この吸着塔１
２内には、空気中の窒素及び二酸化炭素を吸着するゼオ
ライト等の吸着剤（図示せず）が収容されている。

【００１６】この吸着塔１２の出口側の空気流通経路に
は、電磁弁ＥＶ３を有する低圧回路１３と、電磁弁ＥＶ
４とオリフィス１４とを有する高圧回路１５が並列に接
続されており、これら低圧回路１３と高圧回路１５とか
らモード切替手段１６が構成されている。この場合、酸
素富化モード時には、低圧回路１３の電磁弁ＥＶ３を閉
鎖して高圧回路１５の電磁弁ＥＶ４を開放することで、
吸着塔１２の出口側の空気流通経路の流路抵抗を大きく
して、吸着塔１２内の圧力（スイング圧力）を窒素の吸
着に適した高圧力（例えば０．５kgf/cm2 G ）に切り替
え、吸着塔１２から流出する酸素富化空気を、図１に実
線矢印で示すように、高圧回路１５（電磁弁ＥＶ４→オ
リフィス１４）→逆止弁２４の経路で室内へ供給する。

【００１７】これに対し、二酸化炭素除去モード時に
は、高圧回路１５の電磁弁ＥＶ４を閉鎖して低圧回路１
３の電磁弁ＥＶ３を開放することで、吸着塔１２の出口
側の空気流通経路の流路抵抗を小さくして、スイング圧
力を二酸化炭素の吸着に適した低圧力に切り替え、吸着
塔１２から流出する酸素富化空気を、図１に一点鎖線矢
印で示すように、低圧回路１３→逆止弁２４の経路で室
内に供給する。

【００１８】一方、再生モード時には、低圧回路１３の
電磁弁ＥＶ３及び高圧回路１５の電磁弁ＥＶ４を共に閉
鎖した状態で、吸着塔１２内に残留している空気を、図
１に点線矢印で示すように、電磁弁ＥＶ５→真空ポンプ
１１→電磁弁ＥＶ６の経路で室外に排出して吸着塔１２
内を真空引きすることで、吸着塔１２内の吸着剤に吸着
されている窒素や二酸化炭素の分子を取り除いて吸着能
力を回復させる。以上説明した各モードにおける電磁弁
ＥＶ１〜電磁弁ＥＶ６のＯＮ（開放）／ＯＦＦ（閉鎖）
の切替は、図２に示すようになっている。

【００１９】次に、図３に基づいて制御手段たる制御回
路１７の構成を説明する。モード切替スイッチ１８は、
酸素富化モードと二酸化炭素除去モードとを切り替える
もので、このモード切替スイッチ１８に直列に第１のリ
レーコイルＲＬ１が接続されている。このモード切替ス
イッチ１８がオフのときには、酸素富化モードに設定さ
れ、常閉型のリレースイッチＲＬ１ｂを介して電磁弁Ｅ
Ｖ４に通電され、この電磁弁ＥＶ４がオン（開放）され
る。この後、モード切替スイッチ１８をオンすると、第
１のリレーコイルＲＬ１に通電され、常閉型のリレース
イッチＲＬ１ｂがオフされて、電磁弁ＥＶ４がオフ（閉
鎖）され、その代りに、常開型のリレースイッチＲＬ１
ａがオンされて、電磁弁ＥＶ３がオンされ、二酸化炭素
除去モードに切り替えられる。

【００２０】一方、メインスイッチ１９には、第２のリ
レーコイルＲＬ２が接続されている。このメインスイッ
チ１９をオンすると、第２のリレーコイルＲＬ２に通電
されてリレースイッチＲＬ２ａがオンされる。これによ
り、真空ポンプ１１の運転が開始されると共に、常閉型
のリレースイッチＲＬ３ａを介して第１のリレータイマ
ーＲＬＴ１，電磁弁ＥＶ１，ＥＶ２に通電される。上記
第１のリレータイマーＲＬＴ１は、通電と同時に計時動
作を開始し、所定時間経過後にリレースイッチＲＬＴ１
ａをオンに切り替える。このリレースイッチＲＬＴ１ａ
のオンにより、常閉型のリレースイッチＲＬＴ２ａを介
して第３のリレーコイルＲＬ３に通電され、常閉型のリ
レースイッチＲＬ３ａがオフされて、電磁弁ＥＶ１，Ｅ
Ｖ２がオフされると共に、リレースイッチＲＬ３ｂがオ
ンされ、このリレースイッチＲＬ３ｂと常閉型のリレー
スイッチＲＬＴ２ａを介して電磁弁ＥＶ５，ＥＶ６に通
電され、再生モードの運転を開始する。

【００２１】この再生モードの運転中は、リレースイッ
チＲＬ３ｂを介して第２のリレータイマーＲＬＴ２に通
電される。この第２のリレータイマーＲＬＴ２は、再生
モードの運転時間（再生時間）をカウントし、所定時間
経過後に、常閉型のリレースイッチＲＬＴ２ａをオフす
る。これにより、第３のリレーコイルＲＬ３及び電磁弁
ＥＶ５，ＥＶ６がオフされると共に、常閉型のリレース
イッチＲＬ３ａがオン状態に復帰して電磁弁ＥＶ１，Ｅ
Ｖ２がオンされ、モード切替スイッチ１８により設定さ
れた二酸化炭素除去モード又は酸素富化モードのいずれ
かのモードで運転が行われる。

【００２２】以上のような回路構成により、酸素富化モ
ード及び二酸化炭素除去モードのいずれのモードでも、
当該モードの運転中に、再生モードの運転を間欠的に実
行し、吸着塔１２内の吸着剤に付着している窒素及び二
酸化炭素を取り除いて吸着能力を回復させる。

【００２３】ところで、図４に示すように、二酸化炭素
除去量を増加させるには、下記の式で定義されるサイク
ル比Ｒを大きくして吸着時間（二酸化炭素除去モードの
運転時間）を長くすれば良い。 サイクル比Ｒ＝吸着時間／（吸着時間＋再生時間） ここで、サイクル比Ｒを増加させると、吸着時間が長く
なるばかりか、図５に示すように、単位時間当りの流入
量も増加し、二酸化炭素除去量が増加するという関係が
ある。

【００２４】しかしながら、吸着時間が長くなるに従っ
て、再生時間（再生モードの運転時間）が短くなって、
再生量が少なくなり、窒素再生率（＝再生量／吸着量×
１００）が低下してしまう。本発明者の実験結果によれ
ば、図４に示すように、サイクル比Ｒが０．６以上にな
ると、窒素再生率の低下幅が次第に大きくなり、サイク
ル比Ｒが約０．７５で、窒素再生率が実用範囲の下限値
に達してしまう。この下限値を下回ると、酸素富化能力
が実用最低レベルを下回ってしまい、二酸化炭素除去能
力と酸素富化能力とを両立させることができない。

【００２５】この関係を考慮して、本実施例では、二酸
化炭素除去モードのサイクル比Ｒを０．５＜Ｒ≦約０．
７５に設定している。これにより、１つの吸着塔１２に
よって二酸化炭素除去能力と酸素富化能力とを両立させ
て、二酸化炭素除去と酸素富化とを共に効率良く行うこ
とができる。また、本実施例では、酸素富化モードのサ
イクル比Ｓも０．５よりも大きくし、例えばＳ＝０．５
７に設定することで、酸素富化能力も更に強化してい
る。

【００２６】本発明者の実験結果によれば、二酸化炭素
除去モードのサイクル比Ｒを０．７５として運転した場
合、図６に示すように、従来のＰＳＡに比して二酸化炭
素除去能力を約４０％向上させることができると共に、
酸素富化能力を約３％向上させることができる。これに
より、室内の空気環境を、図９に示す疲労軽減率（快適
性）の高い領域Ｉ又は領域IIの範囲内に維持することが
でき、室内の居住空間の快適性を良好に保つことができ
る。

【００２７】以上説明した本実施例の酸素富化空気生成
装置２０は、図７に示すように室内２５に設置して使用
しても良い。或は、図８に示すように、酸素富化空気生
成装置２０をエアコン室外機２１と共に屋外に設置し
て、酸素富化空気生成装置２０から導出した空気配管２
２をエアコン室内機２３に接続し、エアコン室内機２３
から冷風と共に酸素富化空気を吹き出したり、エアコン
室内機２３を通して室内２５の空気を吸い込むようにし
ても良い。

【００２８】尚、本実施例では、酸素富化モードと二酸
化炭素除去モードとの切替をモード切替スイッチ１８の
手動操作により行うようにしたが、酸素センサ（又は二
酸化炭素センサ）により酸素濃度（又は二酸化炭素濃
度）を検出し、その検出結果に基づいて酸素富化モード
と二酸化炭素除去モードとの切替を自動的に切り替える
ようにしても良い。

【００２９】また、本実施例では、送気手段として真空
ポンプ１１を用い、再生モード時に吸着塔１２内を真空
引きすることで、吸着塔１２内の吸着剤に吸着されてい
る窒素や二酸化炭素の分子を取り除いて吸着能力を回復
させるようにしたが、吸着塔１２の後段に、酸素富化空
気の一部を蓄えるサージタンクを設け、再生モード時に
このサージタンクから酸素富化空気を吸着塔１２内に流
すことで、吸着塔１２内の吸着剤に吸着されている窒素
や二酸化炭素の分子を取り除くようにしても良い。

【００３０】また、本実施例では、吸着塔１２の出口側
の空気流通経路に、低圧回路１３と高圧回路１５とを並
列に設け、二酸化炭素除去モード時には、空気の流路を
高圧回路１５から低圧回路１３へ切り替えることで、流
路抵抗を低下させて吸着塔１２内の圧力を低下させ、空
気の流入量を増加させるようにしたが、吸着塔１２の側
壁にバイパス回路を設け、二酸化炭素除去モード時にこ
のバイパス回路を通して吸着塔１２内に空気を流入させ
ることで、吸着塔１２内における空気流通経路を短縮し
て、吸着塔１２内の流路抵抗（圧損）を低下させ、空気
の流入量を増加させるようにしても良い。

【００３１】その他、本発明は、上記各実施例に限定さ
れるものではなく、例えば、送気手段を真空ポンプ１１
（コンプレッサ）からブロワに代えたり、吸着塔１２の
サイズ・構造に応じてスイング圧力を適宜変更しても良
い等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施でき
ることは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、二酸化炭素除去モード時には、モード切替手
段により吸着塔の内部若しくはその出口側の空気流通経
路の流路抵抗を低圧側に切り替えて、吸着塔内の圧力
（スイング圧力）を二酸化炭素の吸着に適した低圧力に
設定すると共に、二酸化炭素除去モードのサイクル比Ｒ
を０．５＜Ｒ≦約０．７５に設定したので、１つの吸着
塔によって、酸素富化（窒素除去）と二酸化炭素除去の
双方を効率良く行うことができて、空気中の酸素濃度と
二酸化炭素濃度の双方を適正に制御でき、極めて快適な
空気環境を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すシステム構成図

【図２】各モードと各電磁弁のＯＮ／ＯＦＦとの関係を
示す図

【図３】制御回路の詳細を示す電気回路図

【図４】サイクル比と窒素再生率，二酸化炭素除去量と
の関係を示す図

【図５】サイクル比と空気の流入量との関係を示す図

【図６】本実施例の二酸化炭素除去能力と酸素富化能力
を従来のＰＳＡと比較して説明する図

【図７】本実施例の酸素富化空気生成装置を室内設置型
として使用する場合の概念図

【図８】本実施例の酸素富化空気生成装置を屋外設置型
として使用する場合の概念図

【図９】空気環境と疲労軽減率との関係を示す図

【図１０】スイング圧力と酸素濃度（ａ），二酸化炭素
除去量（ｂ）との関係を示す図

【符号の説明】

１１…真空ポンプ（送気手段）、１２…吸着塔、１３…
低圧回路、１４…オリフィス、１５…高圧回路、１６…
モード切替手段、１７…制御回路（制御手段）、１８…
モード切換スイッチ、１９…メインスイッチ、ＥＶ１〜
ＥＶ６…電磁弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気中の窒素及び二酸化炭素を吸着する
   吸着剤を収容した吸着塔を設け、この吸着塔内に送気手
   段により空気を送って酸素富化空気を生成する酸素富化
   空気生成装置において、 前記吸着塔の内部若しくはその出口側の空気流通経路の
   流路抵抗を低下させるように切り替えることで酸素富化
   モードから二酸化炭素除去モードへ運転を切り替えるモ
   ード切替手段と、 前記酸素富化モード及び前記二酸化炭素除去モードのい
   ずれのモードでも、当該モードの運転中に、前記吸着塔
   内の吸着剤に付着している窒素及び二酸化炭素を取り除
   く再生モードの運転を間欠的に実行させる制御手段とを
   備え、 前記制御手段は、前記二酸化炭素除去モードの運転時
   に、サイクル比Ｒが、 ０．５＜Ｒ≦約０．７５ ［但し、Ｒ＝吸着時間／（吸
   着時間＋再生時間）］ となるように制御することを特徴とする酸素富化空気生
   成装置。