JP5148892B2 - Oxygen concentrator - Google Patents
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Description
本発明は、空気を吸気して高濃度の酸素を排気する酸素濃縮器に関する。 The present invention relates to an oxygen concentrator that draws in air and exhausts high-concentration oxygen.
呼吸器疾患の患者が在宅で酸素を吸入する在宅酸素療法(HOT:Home Oxygen Therapy)において使用される酸素濃縮器の1つに、吸着型酸素濃縮器がある(例えば、特許文献1参照)。従来の吸着型酸素濃縮器では、フィルタを通して取込んだ室内の空気をコンプレッサにより圧縮し、この圧縮空気を、加圧空気を流すと窒素と水分を吸着し減圧空気を流すと吸着した窒素と水分を脱着する性質を持つ吸着材が充填されたシープベッドに加減圧の切替えを繰り返しながら通過させることにより、高濃度の酸素と窒素富化空気とを分離する。 One of the oxygen concentrators used in home oxygen therapy (HOT) in which patients with respiratory diseases inhale oxygen at home is an adsorptive oxygen concentrator (see, for example, Patent Document 1). In a conventional adsorption-type oxygen concentrator, indoor air taken in through a filter is compressed by a compressor, and this compressed air adsorbs nitrogen and moisture when flowing pressurized air, and adsorbed nitrogen and moisture when flowing decompressed air. The high concentration oxygen and the nitrogen-enriched air are separated by repeatedly passing through a sheep bed filled with an adsorbent having the property of desorbing the gas while repeatedly switching the pressure.
シープベッドに充填する吸着材として、アルミノ珪酸塩を苛性ソーダや結着剤などとともに化学処理して得られるゼオライトが使用されている。ゼオライトは結晶中に微細孔を持つ多孔性材料であり、この微細孔で、窒素分子あるいは水分子の吸着と脱着が行われる。従来の吸着型酸素濃縮器では、シープベッドに、同一材料からなる同一サイズのゼオライトあるいは材料や成分の異なる複数種類のゼオライトを充填して使用している。
しかしながら、従来の吸着型酸素濃縮器にあっては、窒素と水分の吸脱着を繰り返していくと、シープベッドに充填されたゼオライトに脱着しきれない水分が停滞し、ゼオライトが劣化してしまうという問題がある。水分の停滞部位が広がりゼオライトの劣化が進むと、ゼオライトの吸脱着性能が低下し、十分な酸素濃度を得ることができない。 However, in the conventional adsorption-type oxygen concentrator, when the adsorption and desorption of nitrogen and moisture are repeated, the moisture that cannot be desorbed by the zeolite filled in the sheep bed is stagnated and the zeolite deteriorates. There's a problem. When the moisture stagnation site spreads and the deterioration of the zeolite progresses, the adsorption / desorption performance of the zeolite decreases, and a sufficient oxygen concentration cannot be obtained.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、シープベッドの高濃度酸素生成能力を適切に維持することができる酸素濃縮器を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this point, and it aims at providing the oxygen concentrator which can maintain the high concentration oxygen production | generation capability of a sheep bed appropriately.
本発明の酸素濃縮器は、窒素と水分を吸着して空気から高濃度酸素を生成する吸着材を充填した吸着塔を有する酸素濃縮器において、前記吸着塔の内部の第1の部分を、吸脱着性能を有する第1の吸着材で充填し、前記吸着塔の内部の第2の部分を、前記第1の吸着材と同一成分からなり且つ前記第1の吸着材と異なる平均粒径を有することにより前記第1の吸着材の吸脱着性能と異なる吸脱着性能を有する第2の吸着材で充填した、構成を採る。また、本発明の酸素濃縮器は、窒素と水分を吸着して空気から高濃度酸素を生成する吸着材を充填した吸着塔を有する酸素濃縮器において、前記吸着塔の内部の第1の部分を、吸脱着性能を有する第1の吸着材で充填し、前記吸着塔の内部の第2の部分を、前記第1の吸着材と同一成分からなり且つ前記第1の吸着材と異なる平均粒径を有することにより前記第1の吸着材の吸脱着性能と異なる吸脱着性能を有する第2の吸着材で充填し、前記第1および第2の部分にそれぞれ充填された前記第1および第2の吸着材の体積比は、1対1である、構成を採る。
The oxygen concentrator of the present invention is an oxygen concentrator having an adsorption tower filled with an adsorbent that adsorbs nitrogen and moisture to produce high-concentration oxygen from the air, and absorbs the first portion inside the adsorption tower. It is filled with a first adsorbent having desorption performance, and the second portion inside the adsorption tower is made of the same component as the first adsorbent and has an average particle size different from that of the first adsorbent. Thus, the first adsorbent is filled with the second adsorbent having an adsorption / desorption performance different from the adsorption / desorption performance of the first adsorbent. The oxygen concentrator of the present invention is an oxygen concentrator having an adsorption tower filled with an adsorbent that adsorbs nitrogen and moisture to produce high-concentration oxygen from the air. The first adsorbent having adsorption / desorption performance is packed, and the second portion inside the adsorption tower is made of the same component as the first adsorbent and has an average particle size different from that of the first adsorbent. The first and second portions filled with the second adsorbent having an adsorption / desorption performance different from the adsorption / desorption performance of the first adsorbent, respectively, are filled in the first and second portions, respectively. The adsorbent has a volume ratio of 1: 1.
本発明によれば、シープベッドの高濃度酸素生成能力を適切に維持することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the high concentration oxygen production capability of a sheep bed can be maintained appropriately.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係る酸素濃縮器100の内部構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an internal configuration of an
図1において、酸素濃縮器100は、風路ケース1、ヘパフィルタ2、吸気タンク3、コンプレッサ4、冷却パイプ5、冷却用ファン7、マニホールド8、切替弁9a,9b、シープベッド10,20、製品タンク30、均圧弁31、パージオリフィス32、消音器33、圧力センサ34、レギュレータ35、止め弁36、酸素センサ37、バクテリアフィルタ38、流量制限オリフィス39、圧力センサ40、流量センサ41、加湿器42、および酸素出口43を備えている。
In FIG. 1, an
酸素濃縮器100は、図示しない酸素濃縮器筐体(以下単に「筐体」と略記する)を有し、この筐体の内部に酸素濃縮器100の各装置部が配置される。酸素濃縮器100は、在宅時には家庭用の電源により、外出時には充電式バッテリにより電源供給を受けて駆動可能である。また、筐体の表面のいずれかの位置(例えば、筐体の上面)には、筐体の内部と外部を連通するための開口を有する窓部(図示せず)が形成されている。この窓部を通じて、筐体の外部の空気が、筐体の内部の冷却用として筐体の内部に導入される。
The
風路ケース1は、筐体の外部の空気を、呼吸用空気として筐体の内部に導入する。ヘパフィルタ2は、風路ケース1が導入した空気からゴミや埃などの空中浮遊粒子を除去する。吸気タンク3は、ヘパフィルタ2で空中浮遊粒子が除去された空気を貯蔵する。 The air passage case 1 introduces air outside the casing into the casing as breathing air. The hepa filter 2 removes airborne particles such as dust and dust from the air introduced by the air passage case 1. The intake tank 3 stores air from which airborne particles have been removed by the hepa filter 2.
コンプレッサ4は、吸気タンク3に貯蔵された空気を圧縮して圧縮空気を生成する。コンプレッサ4の回転速度や圧縮レベルは制御部(図示せず)によって制御され、圧縮空気の圧力は、例えば130kPaから200kPaの値の範囲内で調整される。コンプレッサ4は、圧縮動作により発熱する発熱体であり、駆動時には連続的な騒音と振動を発生させる。冷却パイプ5は、コンプレッサ4で生成された圧縮空気をマニホールド8に送る。
The compressor 4 compresses the air stored in the intake tank 3 to generate compressed air. The rotation speed and the compression level of the compressor 4 are controlled by a control unit (not shown), and the pressure of the compressed air is adjusted within a range of 130 kPa to 200 kPa, for example. The compressor 4 is a heating element that generates heat by a compression operation, and generates continuous noise and vibration when driven. The cooling pipe 5 sends the compressed air generated by the compressor 4 to the
冷却用ファン7は、筐体に形成された窓部(図示せず)を通じて外気から導入され、筐体の内部を循環した冷却用空気を吸気して、筐体に設けられた排気路(図示せず)に排気する。冷却用空気は、この排気路を通って、筐体の内部から外部に排気される。 The cooling fan 7 is introduced from outside air through a window (not shown) formed in the housing, sucks cooling air circulated through the inside of the housing, and an exhaust path (see FIG. (Not shown). The cooling air is exhausted from the inside of the housing to the outside through this exhaust path.
マニホールド8は、コンプレッサ4から冷却パイプ5を介して送られた圧縮空気をシープベッド10,20の一方に送るとともに、シープベッド10,20の他方から送られた窒素富化空気を消音器33に送る多岐管である。切替弁9a,9bは、例えば10秒間隔で開放と閉鎖を交互に繰り返す電磁弁であり、圧縮空気および窒素富化空気がマニホールド8内を流れる経路を切替える。例えば、図1のように切替弁9aが圧縮空気に対して開放し切替弁9bが圧縮空気に対して閉鎖している場合、コンプレッサ4から冷却パイプ5を介して送られた圧縮空気はマニホールド8内を矢印8Aの方向に導かれてシープベッド10に送られ、シープベッド20から送られた窒素富化空気はマニホールド8内を矢印8Bの方向に導かれて消音器33に送られる。逆に、切替弁9aが圧縮空気に対して閉鎖し切替弁9bが圧縮空気に対して開放している場合、コンプレッサ4から冷却パイプ5を介して送られた圧縮空気はシープベッド20に送られ、シープベッド10から送られた窒素富化空気は消音器33に送られる。
The
シープベッド10,20は、マニホールド8を通って送られた圧縮空気を分離して、高濃度酸素と窒素富化空気とを得る。より具体的には、シープベッド10,20の内部には、加圧空気を流すと窒素と水分を吸着し減圧空気を流すと吸着した窒素と水分を脱着する性質を持つゼオライトが充填されており、これらのシープベッド10,20に圧縮空気を交互に加減圧しつつ通過させることにより、高濃度酸素と窒素富化空気が分離される。分離された高濃度酸素の酸素濃度は、吸脱着の繰り返し回数や吸脱着時間などを変更することにより、例えば40%〜90%程度の範囲で調整することができる。また、ゼオライトは窒素のみならず水分をも吸着するので、分離された高濃度酸素は極めて乾燥しており、その湿度は、例えば0.1%〜0.2%である。シープベッド10,20に充填するゼオライトについては、図2を用いて後に詳細に説明する。
The
製品タンク30は、一端がシープベッド10に他端がシープベッド20に連結された「コの字型」の形状を有しており、シープベッド10,20で圧縮空気から分離して得られた高濃度酸素を貯蔵する。均圧弁31は、製品タンク30の左右の部分の圧力をこれらが同一となるように調整する。パージオリフィス32は、製品タンク30に貯蔵された高濃度酸素を2次浄化する。
The
消音器33は排出口33aを有しており、排出口33aは、シープベッド10,20で圧縮空気から分離されマニホールド8を通って送られた窒素富化空気を、筐体に設けられた排気路(図示せず)に排出する。窒素富化空気は、この排気路を通って、筐体の内部から外部に排気される。窒素富化空気の排出は切替弁9a,9bの開放と閉鎖の切替動作ごとに高い圧力で一気に行われるので、窒素富化空気の排出時および排気時には、比較的大きな音が発生する。この音を低減するために、消音器33の筒内には排気抵抗(図示せず)が設けられている。
The
圧力センサ34は、製品タンク30からレギュレータ35に送られる高濃度酸素の圧力を検出する。レギュレータ35は、流路を流れる高濃度酸素の圧力を調整する。圧力センサ34が検出した高濃度酸素の圧力は制御部(図示せず)に出力されており、この制御部は、圧力センサ34から入力された圧力と予め設定された圧力とを比較してこれらが同一の値となるように、レギュレータ35をフィードバック制御する。
The pressure sensor 34 detects the pressure of high-concentration oxygen sent from the
止め弁36は、閉鎖することにより、レギュレータ35から圧力調整されて送られる高濃度酸素の流れを止める。止め弁36は、例えば、高濃度酸素の供給を停止する操作が行われたときあるいは酸素濃縮器100への電源供給が停止されたときに閉鎖して、筐体の内部に残留した高濃度酸素の流出を止める。
The
酸素センサ37は、止め弁36からバクテリアフィルタ38に送られる高濃度酸素の酸素濃度を検出する。バクテリアフィルタ38は、細菌類を捕集することにより、流路を流れる高濃度酸素を除菌する。流量制限オリフィス39は、バクテリアフィルタ38を通って送られる高濃度酸素の流路を絞ったり広げたりすることにより、高濃度酸素の流量を制限する。流量制限オリフィス39の絞り具合あるいは広げ具合は、筐体に設けられたつまみ(図示せず)と連動して調整される。
The
圧力センサ40は、流量制限オリフィス39から流量センサ41に送られる高濃度酸素の圧力を検出する。流量センサ41は、流量制限オリフィス39を通って送られる高濃度酸素の流量を検出する。圧力センサ40で検出された高濃度酸素の圧力および流量センサ41で検出された高濃度酸素の流量を継続的にメモリ(図示せず)に記憶することによって、予めなされた設定の通りに高濃度酸素が処理されているか否かをモニタリングすることができる。
The
加湿器42は、精製水を貯水した容器であり、流量センサ41を通って送られる高濃度酸素をこの精製水に通過させることにより、高濃度酸素に湿度を与える。酸素出口43は、加湿器42で湿度が与えられた高濃度酸素を、患者に供給するために排気する。酸素出口43には、一端に酸素マスクや鼻腔カニューラが接続されたチューブ(図示せず)が取付けられ、このチューブを通じて高濃度酸素が患者に供給される。
The
なお、上述した構成は一例であり、各装置部の設置の有無や設置位置などは種々変更可能である。 In addition, the structure mentioned above is an example and the presence or absence, installation position, etc. of each apparatus part can be variously changed.
次に、シープベッド10,20の内部に充填するゼオライトについて、図2を用いて詳細に説明する。
Next, the zeolite filled in the
図2(A),(B)は、シープベッド10に充填されたゼオライト11,12、およびシープベッド20に充填されたゼオライト21,22の一例を示す図である。
FIGS. 2A and 2B are views showing examples of
図2(A)において、シープベッド10には、成分(材料)が同一、且つ略球状でその粒径が異なるゼオライト11,12が2つの層に分割されて充填されている。より具体的には、窒素と水分の吸着時における圧縮空気の入口側、且つ窒素と水分の脱着時における窒素富化空気の出口側となるシープベッド10の下層には、粒径が大きい方のゼオライト11が充填され、シープベッド10の上層には、粒径が小さい方のゼオライト12が充填されている。
In FIG. 2A, the
また、ゼオライト11,12の間には、シープベッド10の上層と下層を分割してこれらを隔離するために、不織布などの仕切り13が挿入されている。これにより、粒径が小さい方のゼオライト12が、粒径が大きい方のゼオライト11の隙間に入り込んでこれらが混合することがなくなる。
Further, a
同様に、シープベッド20には、成分が同一、且つ略球状でその粒径が異なるゼオライト21,22が2つの層に分割されて充填されている。より具体的には、窒素と水分の吸着時における圧縮空気の入口側、且つ窒素と水分の脱着時における窒素富化空気の出口側となるシープベッド20の下層には、粒径が大きい方のゼオライト21が充填され、シープベッド20の上層には、粒径が小さい方のゼオライト22が充填されている。また、ゼオライト21,22の間には、シープベッド20の上層と下層を分割してこれらを隔離するために、不織布などの仕切り23が挿入されている。
Similarly, the
ゼオライト11,12は、シープベッド10の内部で舞ったり移動したりしないような充填密度で、シープベッド10に充填される。同様に、ゼオライト21,22は、シープベッド20の内部で舞ったり移動したりしないような充填密度で、シープベッド20に充填される。したがって、シープベッド10に充填されるゼオライト11,12、シープベッド20に充填されるゼオライト21,22は、仕切りによって分割されていなくても、互いに区画された層を形成し得る。
The
ゼオライトは、結晶中に微細孔を持つアルミノ珪酸塩、例えばアルカリ土類金属を含む結晶性含水アルミノ珪酸塩を、苛性ソーダや結着剤などの基材とともに高温高圧で化学処理して得られる。例えば、ゼオライトは、パン型やドラム型、振動型などの容器の中でアルミノ珪酸塩を転動させ、結着剤を含む水溶液を噴霧しつつ、粒子間の架橋形成により微粒子を形成させ、さらに転動や回転などの運動をこの粒子に与えることによって粒の成長を促進することによって得られる(転動造粒法)。目的の粒径に達した時点で粒子に与える運動を止めることにより、粒径の異なるゼオライトを得ることができる。 Zeolite is obtained by chemically treating an aluminosilicate having fine pores in the crystal, for example, a crystalline hydrous aluminosilicate containing an alkaline earth metal together with a base material such as caustic soda or a binder at a high temperature and a high pressure. For example, zeolite is made by rolling aluminosilicate in containers such as pan type, drum type, vibration type, etc., spraying an aqueous solution containing a binder, and forming fine particles by cross-linking between particles, It is obtained by accelerating the growth of grains by imparting motion such as rolling and rotation to the grains (rolling granulation method). By stopping the movement applied to the particles when the target particle size is reached, zeolites having different particle sizes can be obtained.
ゼオライトは結晶中に微細孔を持つ多孔性材料であり、この微細孔で窒素分子あるいは水分子を吸着し、この微細孔から、吸着した窒素分子あるいは水分子を脱着する。 Zeolite is a porous material having fine pores in a crystal. Nitrogen molecules or water molecules are adsorbed in the fine pores, and adsorbed nitrogen molecules or water molecules are desorbed from the fine pores.
1つのシープベッドに成分(材料)が同一、且つ略球状でその粒径が異なるゼオライトを複数層に分割して充填するというこの構成は、本発明者の鋭意研究の成果として得られた新規な知見である。 This configuration in which a single sheep bed is filled with zeolites having the same components (materials), substantially spherical shapes, and different particle sizes, divided into a plurality of layers is a novel structure obtained as a result of earnest research by the present inventors. It is knowledge.
本発明者は、ゼオライトが、その格子構造によって分子の吸脱着性能が異なるものの、一般に、粒径が小さいほど高い吸着性能と低い脱着性能を示し、粒径が大きいほど低い吸着性能と高い脱着性能を示すことに着目した。また、本発明者は、ゼオライトが、窒素と水分が混在した圧縮空気が内部を通過した場合、窒素よりも水分を優先して吸着することに着目した。 The present inventor shows that although zeolite has different adsorption / desorption performance of molecules depending on its lattice structure, generally, the smaller the particle size, the higher the adsorption performance and the lower desorption performance, and the larger the particle size, the lower the adsorption performance and the high desorption performance. Focused on showing. Further, the inventor of the present invention paid attention to the fact that the zeolite adsorbs moisture in preference to nitrogen when compressed air containing nitrogen and moisture passes through the inside.
そして、本発明者は、加圧した圧縮空気の入口側、且つ脱着した窒素富化空気の出口側となるシープベッドの下層には、圧縮空気中の水分を優先して吸着し、吸着した水分を高性能に脱着する粒径の大きなゼオライトを充填する一方、シープベッドの上層には、粒径の大きなゼオライトによって既に大部分の水分が吸着された圧縮空気から窒素を吸着および脱着する粒径の小さなゼオライトを充填するという構成に想到した。 Then, the present inventor preferentially adsorbs moisture in the compressed air to the lower layer of the sheep bed that is the inlet side of the compressed air and the outlet side of the desorbed nitrogen-enriched air, and the adsorbed moisture Is packed with zeolite with a large particle size for high-performance desorption, while the upper layer of the sheep bed has a particle size for adsorbing and desorbing nitrogen from compressed air where most of the moisture has already been adsorbed by the zeolite with a large particle size. I came up with a configuration of packing small zeolites.
そうすると、シープベッドの下層に充填した粒径の大きなゼオライトが圧縮空気中の水分を優先して高効率且つ高性能に吸脱着するので、ゼオライトの内部に脱着しきれない水分が停滞し難くなる。これにより、水分の停滞によるゼオライトの劣化が抑制され、高濃度の酸素を長期間に亘って安定して得ることができる(ゼオライトの長寿命化)。 As a result, the zeolite having a large particle size packed in the lower layer of the sheep bed preferentially absorbs and desorbs moisture in the compressed air with high efficiency and high performance. Thereby, the deterioration of the zeolite due to the stagnation of moisture is suppressed, and a high concentration of oxygen can be stably obtained over a long period of time (extending the life of the zeolite).
この効果は、上層と下層のそれぞれに、厳密に粒径が異なるゼオライトを充填しなくても得ることができる。例えば、シープベッドの内部に仕切りを設け、仕切りの上部に平均粒径の小さなゼオライトを充填し、仕切りの下部に平均粒径の大きなゼオライトを充填することによっても同様の効果を得ることができる。この場合、平均粒径の大きなゼオライトが圧縮空気中の水分を優先して吸着し、続いて平均粒径の小さなゼオライトが圧縮空気中の窒素を主に吸着する。すなわち、シープベッドの内部に充填するゼオライトに、粒径の勾配を与えればよいのである。 This effect can be obtained without filling the upper layer and the lower layer with zeolites having strictly different particle sizes. For example, the same effect can be obtained by providing a partition inside the sheep bed, filling the upper part of the partition with zeolite having a small average particle diameter, and filling the lower part of the partition with zeolite having a large average particle diameter. In this case, zeolite having a large average particle diameter preferentially adsorbs moisture in the compressed air, and subsequently, zeolite having a small average particle diameter mainly adsorbs nitrogen in the compressed air. That is, it is only necessary to give a particle size gradient to the zeolite filled in the sheep bed.
なお、シープベッドに充填する粒径の大きなゼオライトと粒径の小さなゼオライトの体積比は、温度や湿度などの使用環境に応じて設定すればよい。例えば、図2(A)の例では、粒径の大きなゼオライトと粒径の小さなゼオライトの体積比は1対1であるが、図2(B)に示すように、これらの体積比を1対3としてシープベッドに充填してもよい。 In addition, what is necessary is just to set the volume ratio of the large particle diameter zeolite filled with a sheep bed, and a small particle diameter zeolite according to use environments, such as temperature and humidity. For example, in the example of FIG. 2 (A), the volume ratio of zeolite having a large particle size and zeolite having a small particle size is 1: 1, but as shown in FIG. 3 may be filled in a sheep bed.
以下、上述のように構成された酸素濃縮器100の動作について説明する。説明において、前述の図1および図2を適宜参照されたい。
Hereinafter, the operation of the
酸素濃縮器100への電源供給が開始されると、所定のセルフチェックプログラムによって動作環境が整えられ、操作者(患者または介護者)は、筐体に設けられたボタンやつまみなどの操作部(図示せず)を操作することにより、酸素流量および酸素濃度を設定する。例えば酸素流量は、つまみを回して流量制限オリフィス39が設けられた位置における流路の断面積を物理的に変えることによって設定される。
When power supply to the
風路ケース1により筐体の外部から内部に呼吸用空気として導入された室内の空気は、ヘパフィルタ2で空中浮遊粒子が除去されて吸気タンク3に貯蔵される。コンプレッサ4は、吸気タンク3に貯蔵された空気を圧縮して圧縮空気を生成する。コンプレッサ4で生成された圧縮空気は、冷却パイプ5を通ってマニホールド8に送られる。このとき、コンプレッサ4は圧縮動作によって発熱するとともに、連続的な騒音と振動を発生させる。
Air in the room introduced as air for breathing from the outside of the housing by the air passage case 1 is removed from the airborne particles by the hepa filter 2 and stored in the intake tank 3. The compressor 4 compresses the air stored in the intake tank 3 to generate compressed air. The compressed air generated by the compressor 4 is sent to the
筐体に形成された窓部(図示せず)は、筐体の外部の空気を、筐体の内部、特にコンプレッサ4などの発熱体の冷却用空気として筐体の内部に導入する。導入された冷却用空気は、熱を吸収しながら筐体の内部を循環する。これにより、シープベッド10,20における圧縮空気からの窒素と水分の吸着効率、および酸素濃縮器100の各装置部の耐久性が向上する。筐体の内部を循環した冷却用空気は冷却用ファン7により吸気され、筐体に設けられた排気路(図示せず)に排気される。冷却用空気は、この排気路を通って、筐体の内部から外部に排気される。
A window (not shown) formed in the casing introduces air outside the casing into the casing, particularly as cooling air for a heating element such as the compressor 4. The introduced cooling air circulates inside the housing while absorbing heat. Thereby, the adsorption efficiency of nitrogen and moisture from the compressed air in the
マニホールド8に送られた圧縮空気は、切替弁9a,9bの開閉状態の切替えに従って加減圧を繰り返しながらシープベッド10,20を通過することにより、高濃度酸素と窒素富化空気に分離される。より具体的には、シープベッド10,20に充填されたゼオライトは、加圧した圧縮空気が通過するとその圧縮空気から窒素と水分を吸着し、減圧した圧縮空気が通過すると吸着した窒素と水分を脱着する。
The compressed air sent to the
シープベッド10,20内を吸着と脱着を繰り返しながら通過することにより窒素と水分が除去され酸素濃度が高められた気体は、高濃度酸素として製品タンク30に貯蔵される。ゼオライトは窒素だけでなく水分をも吸着するので、製品タンク30に貯蔵される高濃度酸素は、水分がほとんど含まれていない乾燥した状態である。
The gas in which nitrogen and moisture are removed and oxygen concentration is increased by passing through the
一方、シープベッド10,20で除去された窒素と水分を含む窒素富化空気は、マニホールド8を通って消音器33の排出口33aから筐体に設けられた排気路(図示せず)に排出される。窒素富化空気は、この排気路を通って、筐体の内部から外部に排気される。消音器33の筒内に設けられた排気抵抗(図示せず)は、窒素富化空気の排気により発生する音を吸収して熱に変換することにより音を小さくする。
On the other hand, the nitrogen-enriched air containing nitrogen and moisture removed by the
製品タンク30に貯蔵された高濃度酸素は、圧力センサ34およびレギュレータ35により圧力調整され、バクテリアフィルタ38により除菌され、流量制限オリフィス39により流量制限されつつ流路を送られる。流量制限オリフィス39を通った高濃度酸素は、圧力センサ40で圧力が検出され、流量センサ41で流量が検出される。これらの検出結果はメモリ(図示せず)に記憶され、設定通りに高濃度酸素が処理されているか否かがモニタリングされる。
The high concentration oxygen stored in the
加湿器42は、流量センサを通って送られる高濃度酸素を加湿する。これにより、高濃度酸素に患者が吸引するために最適な水分が与えられる。加湿器42で加湿された高濃度酸素は、酸素出口43に接続されたチューブ(図示せず)を通って送られ、このチューブに接続された酸素マスクや鼻腔カニューラによって患者に吸引される。
The
いま、シープベッド10に充填されたゼオライト11,12、およびシープベッド20に充填されたゼオライト21,22に注目する。
Attention is now paid to the
切替弁9aが開放し切替弁9bが閉鎖している場合、コンプレッサ4で圧縮された圧縮空気は、シープベッド10の内部を加圧されつつ通過する。より具体的には、シープベッド10の内部において、圧縮空気はまず粒径の大きなゼオライト11が充填された領域を通過する。圧縮空気は酸素の他に窒素と水分が混在した状態なので、ゼオライト11は、水分の吸着を優先しつつ、圧縮空気中の窒素と水分を吸着する。
When the switching
ゼオライト11の充填領域で大部分の水分が吸着された圧縮空気は、次いで粒径の小さなゼオライト12が充填された領域を通過する。ゼオライト12は、圧縮空気中の窒素と、圧縮空気中に残留した僅かな水分とを吸着する。このようにして、圧縮空気から窒素と水分が吸着され、極めて乾燥した高濃度の酸素が分離される。
The compressed air in which most of the moisture is adsorbed in the filled region of the
切替弁9a,9bの開閉状態が切替えられ、切替弁9aが閉鎖し切替弁9bが開放すると、コンプレッサ4で圧縮された圧縮空気は、シープベッド20の内部を加圧されつつ通過する。シープベッド20の内部において、粒径の大きなゼオライト21はまず、水分の吸着を優先しつつ、圧縮空気中の窒素と水分を吸着する。次いで、粒径の小さなゼオライト22は、ゼオライト21により大部分の水分が吸着された圧縮空気中の窒素と僅かな水分とを吸着する。
When the switching state of the switching
一方、シープベッド10の内部は減圧されており、シープベッド10に充填されたゼオライト11,12は、加圧圧縮空気が通過したときに吸着した窒素と水分を脱着してマニホールド8に送る。このとき、シープベッド10の窒素富化空気の出口側には、優れた脱着性能を有する粒径の大きなゼオライトが充填されているので、吸着した水分を高効率且つ高性能に脱着することができる。
On the other hand, the inside of the
以上の動作を繰り返すことにより、コンプレッサ4が生成した圧縮空気は、交互に加減圧されつつシープベッド10,20を通過する。シープベッド10内のゼオライト11,12が加圧圧縮空気から窒素と水分を吸着している間、減圧されたシープベッド20内のゼオライト21,22は、既に吸着した窒素と水分を窒素富化空気として脱着し、シープベッド20内のゼオライト21,22が加圧圧縮空気から窒素と水分を吸着している間、減圧されたシープベッド10内のゼオライト11,12は、既に吸着した窒素と水分を窒素富化空気として脱着する。
By repeating the above operation, the compressed air generated by the compressor 4 passes through the
本実施の形態では、シープベッド10,20の内部において、水分に晒され易い部位には脱着性能が高いゼオライト11,21を充填し、水分に晒され難い部位には吸着性能が高いゼオライト12,22を充填する。すなわち、シープベッドの内部に一様にゼオライトを充填するのではなく、圧縮空気中の水分の吸着を重点的に行う領域と、水分の吸着後の窒素の吸着を重点的に行う領域とをシープベッド10,20の内部に別個に設けたのである。これにより、酸素濃縮器100全体を見たときに、吸着性能を低下させることなく、水分による劣化への耐性を高くすることができる。
In the present embodiment, inside the
ところで、窒素と水分が多量に含まれた圧縮空気から水分の吸脱着を重点的に行うゼオライト11,21は、ゼオライト12,22よりは劣化の速度が速い。すると、ゼオライト11,21の交換が必要になってもゼオライト12,22は使用可能という状態が発生し得る。そこで、仕切り13,23の下部に充填されたゼオライト11,21だけを交換することによってゼオライトの吸脱着性能を維持することができる。この効果は、ゼオライト11(21)とゼオライト12(22)を、不織布のような簡単な仕切りによって分割するのではなく、これらを充填するための独立したユニットを設けることによってより顕著に得ることができる。
By the way, the
このように、本実施の形態によれば、窒素と水分を吸着して空気から高濃度酸素を生成する吸着材を充填した吸着塔を有する酸素濃縮器において、吸着塔の内部を複数層に分割し、分割した複数層のいずれかの層に、分割した複数層の他の層に充填した吸着材と異なる吸脱着性能を有する吸着材を充填した。これにより、シープベッドに充填したゼオライトに含まれる水分を適切に制御することができ、ひいては水分の停滞によるゼオライトの劣化を防止して、窒素と水分の高度な吸脱着性能を長期に亘って維持することができる。 Thus, according to the present embodiment, the interior of the adsorption tower is divided into a plurality of layers in an oxygen concentrator having an adsorption tower filled with an adsorbent that adsorbs nitrogen and moisture to generate high-concentration oxygen from air. Then, an adsorbent having an adsorption / desorption performance different from that of the adsorbent filled in the other layers of the divided plural layers was filled into any one of the divided plural layers. As a result, the moisture contained in the zeolite filled in the sheep bed can be controlled appropriately, and as a result, the zeolite is prevented from deteriorating due to the stagnation of the moisture, and the advanced adsorption and desorption performance of nitrogen and moisture is maintained for a long time. can do.
特に、脱着性能が低くなることが問題になる低温時において、本発明は効果的である。 In particular, the present invention is effective at low temperatures, where lowering the desorption performance is a problem.
なお、本実施の形態では、粒径が異なるゼオライトを2つの層に分割して充填する場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、粒径が異なるゼオライトを3つ以上の層に分割して充填するようにしてもよい。 In the present embodiment, the case where zeolites having different particle diameters are divided into two layers and filled is described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, zeolites having different particle sizes may be divided into three or more layers and filled.
また、本実施の形態では、ゼオライトの形状が略球状であるものとして説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ペレット状やチップ状などの他の形状のゼオライトを使用してもよい。 In the present embodiment, the zeolite has been described as having a substantially spherical shape, but the present invention is not limited to this. For example, other shapes such as pellets and chips may be used.
なお、本実施の形態では、ゼオライトの粒径を変えることによってその吸脱着性能を異ならせたが、本発明はこれに限定されない。ゼオライトの吸脱着性能はその表面積や体積、充填密度などによっても異なりうると考えられるので、これらを変えることによってその吸脱着性能を異ならせてもよい。 In the present embodiment, the adsorption / desorption performance is varied by changing the particle size of the zeolite, but the present invention is not limited to this. Since the adsorption / desorption performance of zeolite may vary depending on the surface area, volume, packing density, etc., the adsorption / desorption performance may be varied by changing these.
また、本実施の形態では、シープベッドの下部から上部に加圧した圧縮空気を送るようにしているが、本発明はこれに限定されない。例えば、コンプレッサなどの装置部を筐体の上部に配置して、シープベッドの上部から下部に加圧した圧縮空気を送るようにしてもよい。この場合、シープベッドの上層に粒径が大きい方のゼオライトを充填し、シープベッドの下層に粒径が小さい方のゼオライトを充填する。 Moreover, in this Embodiment, although the compressed air pressurized from the lower part of a sheep bed is sent to the upper part, this invention is not limited to this. For example, an apparatus unit such as a compressor may be arranged at the upper part of the casing so as to send compressed air compressed from the upper part to the lower part of the sheep bed. In this case, the zeolite having the larger particle size is filled in the upper layer of the sheep bed, and the zeolite having the smaller particle size is filled in the lower layer of the sheep bed.
なお、本実施の形態では、シープベッドを起立して配置しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、シープベッドを横たえて配置し、あるいは傾いた状態に固定して使用してもよい。この場合、加圧した圧縮空気の入口側且つ窒素富化空気の出口側に粒径が大きい方のゼオライトを充填する。 In this embodiment, the sheep bed is arranged upright, but the present invention is not limited to this. For example, the sheep bed may be placed on the side or fixed in an inclined state. In this case, the zeolite having the larger particle size is filled on the inlet side of the pressurized compressed air and the outlet side of the nitrogen-enriched air.
本発明者は、本発明の効果を実証するために実験を行った。以下では、本発明のより具体的な実施の形態(実施例)について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定して解釈されるものではない。 The inventor conducted an experiment to demonstrate the effect of the present invention. Hereinafter, more specific embodiments (examples) of the present invention will be described. In addition, this invention is limited to a following example and is not interpreted.
本実施例では、同一成分で粒径が異なるゼオライトを2層に分割してシープベッドに充填し、このシープベッドに加減圧を繰り返しながら圧縮空気を通過させることにより高濃度酸素を分離してその酸素濃度を測定した。比較検討のために、粒径が小さい方のゼオライトのみを充填した場合、粒径が小さい方のゼオライトと粒径が大きい方のゼオライトを3対1の体積比で充填した場合、粒径が小さい方のゼオライトと粒径が大きい方のゼオライトを1対1の体積比で充填した場合、および粒径が大きい方のゼオライトのみを充填した場合の4つの場合について酸素濃度を測定した。粒径が小さい方のゼオライトと粒径が大きい方のゼオライトの双方を充填する場合、圧縮空気の入口側且つ窒素富化空気の出口側に、粒径が大きい方のゼオライトを充填した。環境温度は脱着性能の低い0℃、設定流量は5Lとした。 In this embodiment, zeolite having the same component and different particle diameters is divided into two layers and filled into a sheep bed, and high-concentration oxygen is separated by passing compressed air through the sheep bed while repeating pressurization and decompression. The oxygen concentration was measured. For comparison, when only the zeolite with the smaller particle size is filled, when the zeolite with the smaller particle size and the zeolite with the larger particle size are packed in a volume ratio of 3 to 1, the particle size is small. The oxygen concentration was measured in four cases, one in which the zeolite with the larger particle size and the zeolite with the larger particle size were packed at a volume ratio of 1: 1, and the other with only the zeolite with the larger particle size. When both the zeolite having the smaller particle size and the zeolite having the larger particle size were charged, the zeolite having the larger particle size was packed on the inlet side of the compressed air and the outlet side of the nitrogen-enriched air. The environmental temperature was 0 ° C., which has low desorption performance, and the set flow rate was 5 L.
粒径が小さい方のゼオライト(OXYSIVE700)の粒度分布は「≧0.60mm ≦9.0%、且つ≦0.25mm ≧2.0%」であった。つまり、ゼオライト全体の89%は0.25mmより大きく0.60mmより小さい粒径を有し、0.60mm以上の粒径を有するものは全体の9%、0.25mm以下の粒径を有するものは全体の2%であった。 The particle size distribution of the smaller particle size zeolite (OXYSIVE 700) was “≧ 0.60 mm ≦ 9.0% and ≦ 0.25 mm ≧ 2.0%”. That is, 89% of the whole zeolite has a particle size larger than 0.25 mm and smaller than 0.60 mm, and those having a particle size of 0.60 mm or more have a particle size of 9% of the whole and 0.25 mm or less. Was 2% of the total.
一方、粒径が大きい方のゼオライト(OXYSIV7−HP)の粒度分布は「≧0.85mm ≦7.0%、且つ≦0.32mm ≧1.0%」であった。つまり、ゼオライト全体の92%は0.32mmより大きく0.85mmより小さい粒径を有し、0.85mm以上の粒径を有するものは全体の7%、0.32mm以下の粒径を有するものは全体の1%であった。 On the other hand, the particle size distribution of the larger particle size zeolite (OXYSIV7-HP) was “≧ 0.85 mm ≦ 7.0% and ≦ 0.32 mm ≧ 1.0%”. That is, 92% of the whole zeolite has a particle size larger than 0.32 mm and smaller than 0.85 mm, and those having a particle size of 0.85 mm or more have a particle size of 7% or 0.32 mm or less. Was 1% of the total.
表1は、本実施例による実験結果を示している。
表1に示すように、小粒径のゼオライトのみを充填した場合の酸素濃度は84%〜88%であり、小粒径のゼオライトと大粒径のゼオライトの体積比を3対1として充填した場合の酸素濃度は90%〜91%であり、小粒径のゼオライトと大粒径のゼオライトの体積比を1対1として充填した場合の酸素濃度は91%〜92%であり、大粒径のゼオライトのみを充填した場合の酸素濃度は93%〜94%であった。 As shown in Table 1, the oxygen concentration when only the small particle size zeolite was filled was 84% to 88%, and the volume ratio of the small particle size zeolite to the large particle size zeolite was filled as 3: 1. In this case, the oxygen concentration is 90% to 91%, and the oxygen concentration when the volume ratio between the small particle size zeolite and the large particle size zeolite is set to 1: 1 is 91% to 92%. The oxygen concentration when only the zeolite was filled was 93% to 94%.
このように、小粒径のゼオライトのみを充填した場合よりも、小粒径のゼオライトと大粒径のゼオライトを分割して充填した場合の方が、より高い酸素濃度を得ることができた。また、大粒径のゼオライトのみを充填した場合に最も高い酸素濃度が得られたが、これは環境温度を脱着性能が低い低温(0℃)としたためであり、高温時(例えば、40℃)では、大粒径のゼオライトのみを充填すると酸素濃度が出にくくなる。 Thus, a higher oxygen concentration could be obtained when the small particle size zeolite and the large particle size zeolite were divided and packed than when only the small particle size zeolite was charged. Moreover, the highest oxygen concentration was obtained when only a large particle size zeolite was filled, because this was because the environmental temperature was set to a low temperature (0 ° C.) with low desorption performance, and at a high temperature (for example, 40 ° C.). Then, if only a large particle size zeolite is filled, the oxygen concentration is difficult to be obtained.
これら4つの場合にシープベッドとゼオライトを使用し続けて高濃度酸素の生成を継続していくと、まず小粒径のゼオライトのみを充填したシープベッドに水分が停滞し始めて酸素濃度が低下すると考えられる。一方、小粒径のゼオライトと大粒径のゼオライトとを分割して充填したシープベッドでは、大粒径のゼオライトが水分の吸脱着を高効率且つ高性能に行うので、小粒径のゼオライトのみを充填した場合と比較して、高い酸素濃度を長期間に亘って維持できると考えられる。また、大粒径のゼオライトと小粒径のゼオライトとを分割して充填したシープベッドでは、大粒径のゼオライトのみを充填した場合と比較して、使用するゼオライトの量を低減することができる。 In these four cases, if we continue to use a sheep bed and zeolite and continue to produce high-concentration oxygen, it will be thought that the oxygen concentration will drop as the water begins to stagnate in the sheep bed filled with only small-diameter zeolite. It is done. On the other hand, in a sheep bed in which a small particle size zeolite and a large particle size zeolite are divided and packed, the large particle size zeolite absorbs and desorbs moisture with high efficiency and high performance. Compared to the case of filling with oxygen, it is considered that a high oxygen concentration can be maintained over a long period of time. In addition, a sheep bed in which a large particle size zeolite and a small particle size zeolite are divided and packed can reduce the amount of zeolite used compared to the case where only a large particle size zeolite is packed. .
4 コンプレッサ
8 マニホールド
9a、9b 切替弁
10、20 シープベッド
11,21 大粒径ゼオライト
12,22 小粒径ゼオライト
13,23 仕切り
100 酸素濃縮器
4
Claims (6)
前記吸着塔の内部の第1の部分を、吸脱着性能を有する第1の吸着材で充填し、前記吸着塔の内部の第2の部分を、前記第1の吸着材と同一成分からなり且つ前記第1の吸着材と異なる平均粒径を有することにより前記第1の吸着材の吸脱着性能と異なる吸脱着性能を有する第2の吸着材で充填した、
ことを特徴とする酸素濃縮器。 In an oxygen concentrator having an adsorption tower packed with an adsorbent that adsorbs nitrogen and moisture to produce high concentration oxygen from air,
A first portion inside the adsorption tower is filled with a first adsorbent having adsorption / desorption performance, and a second portion inside the adsorption tower is made of the same component as the first adsorbent and Filled with a second adsorbent having an adsorption / desorption performance different from the adsorption / desorption performance of the first adsorbent by having an average particle size different from that of the first adsorbent,
An oxygen concentrator characterized by that.
前記吸着塔の内部の第1の部分を、吸脱着性能を有する第1の吸着材で充填し、前記吸着塔の内部の第2の部分を、前記第1の吸着材と同一成分からなり且つ前記第1の吸着材と異なる平均粒径を有することにより前記第1の吸着材の吸脱着性能と異なる吸脱着性能を有する第2の吸着材で充填し、
前記第1および第2の部分にそれぞれ充填された前記第1および第2の吸着材の体積比は、1対1である、
ことを特徴とする酸素濃縮器。 In an oxygen concentrator having an adsorption tower packed with an adsorbent that adsorbs nitrogen and moisture to produce high concentration oxygen from air,
A first portion inside the adsorption tower is filled with a first adsorbent having adsorption / desorption performance, and a second portion inside the adsorption tower is made of the same component as the first adsorbent and Filling with a second adsorbent having an adsorption / desorption performance different from the adsorption / desorption performance of the first adsorbent by having an average particle size different from that of the first adsorbent,
The volume ratio of the first and second adsorbents filled in the first and second parts, respectively, is 1: 1.
An oxygen concentrator characterized by that.
ことを特徴とする請求項1または請求項2記載の酸素濃縮器。 The first part and the second part form two layers partitioned from each other;
The oxygen concentrator according to claim 1 or 2, characterized by the above.
前記吸着塔の内部の前記入口部側に、最も大きい平均粒径を有する吸着材を充填した、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の酸素濃縮器。 The adsorption tower has an inlet for introducing air into the adsorption tower,
Filled with an adsorbent having the largest average particle diameter on the inlet side inside the adsorption tower,
The oxygen concentrator according to any one of claims 1 to 3, wherein
前記吸着塔の内部の前記出口部側に、最も大きい平均粒径を有する吸着材を充填した、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の酸素濃縮器。 The adsorption tower has an outlet for discharging moisture adsorbed from the inside of the adsorption tower,
The outlet portion inside the adsorption tower was filled with an adsorbent having the largest average particle size,
The oxygen concentrator according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxygen concentrator is provided.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の酸素濃縮器。 A partition that divides the first portion and the second portion is provided in the adsorption tower.
The oxygen concentrator according to any one of claims 1 to 5, wherein
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