JP5193537B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着材を用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮装置に関するものであり、特に慢性呼吸器疾患患者などに対して行われる酸素吸入療法に使用する医療用酸素濃縮装置に関するものである。

さらに詳細には、吸着材を充填した吸着筒において圧力変動を発生させるために気体の流路を切り換えるパイロット式流路切換弁のパイロット圧排気流路を改良し、騒音を改善することができる圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関するものである。

近年、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器系器官の疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、その治療法として最も効果的なもののひとつに酸素吸入療法がある。かかる酸素吸入療法とは、酸素ガスあるいは酸素富化空気を患者に吸入させるものである。その供給源として、酸素濃縮装置、液体酸素、酸素ガスボンベ等が知られているが、使用時の便利さや保守管理の容易さから、在宅酸素療法には酸素濃縮装置が主流で用いられている。

酸素濃縮装置は、空気中の約２１％の酸素を濃縮して供給する装置であり、それには酸素を選択的に透過する膜を用いた膜式酸素濃縮装置と、窒素または酸素を優先的に吸着しうる吸着材を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置があるが、得られる酸素濃度の点から圧力変動吸着型酸素濃縮装置が主流になっている。

圧力変動吸着型酸素濃縮装置は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着材として５Ａ型や１３Ｘ型、Ｌｉ−Ｘ型などのモレキュラーシーブゼオライトを充填した吸着筒に、コンプレッサで圧縮された空気を供給することにより加圧条件下で窒素を吸着させ、未吸着の酸素濃縮ガスを得る加圧吸着工程と、前記吸着筒内の圧力を大気圧またはそれ以下に減じて、吸着材に吸着された窒素をパージすることで吸着材の再生を行う減圧工程を交互に繰り返し行うことで、高濃度酸素ガスを連続的に生成することができる。

本発明のような酸素濃縮装置では、通常２本以上の吸着筒を有しており、一方の吸着筒が加圧吸着工程のときは、他方の吸着筒では減圧工程にし、両工程を順次切り換え実施することによって、連続して酸素濃縮ガスを生成できるようにしているが、これらの吸着筒を一定サイクルで切り換えるために、２方弁や３方弁の流路切換弁が使用されている。

現在の酸素濃縮装置では低消費電力の要求があるため、前記流路切換弁にパイロット式の電磁弁が使用されることがある。パイロット式の電磁弁は、電力で駆動されるのはパイロット弁としての小弁であり、パイロット圧（空気圧）によって大きい主弁を作動させるために、流路切換弁の消費電力を小さくできるというメリットがある（特許文献１、特許文献２、特許文献３）。

しかしながら、パイロット式の流路切換弁を使用した酸素濃縮器では、弁の開閉時にパイロット圧を排気する工程が存在するため、流路切換弁から発生する気流音が大きいという問題がある。かかる問題の解決方法として、パイロット圧排気口に焼結金属で構成された消音器を取り付けたパイロット式電磁弁が市販されているが、高周波騒音の消音は十分であっても、低周波騒音の効果は十分ではない。また窒素ガスをパージする配管にパイロット圧を排気して、窒素パージ用の消音器を併用して消音する方法も提案され、それを搭載した酸素濃縮装置も市販されているが、パイロット圧の排気タイミングと窒素パージのタイミングが重なるために、背圧が高くなり、結果として十分なパイロット圧排気が行われなくなり、主弁の開閉に誤動作を発生させる原因となっていた。

これらの問題を解決する方法として、流路切換弁本体を遮音ボックスで囲い、切換弁から発生する騒音を静音化する方法が提案されているが、デッドスペースの増大や遮音ボックスの大型化が避けられず装置の小型軽量化が困難であり、組立性・メンテナンス性が悪化するなど、種々の問題が残っている（特許文献４）。

特開２００６−６２９３２号公報 特開２００５−３２９２５１号公報 特開昭６２−１４０６１９号公報 特開平７−２５５８５１号公報

本発明は、かかる装置の流路切換弁配管を見直すことによって、パイロット式電磁弁を流路切換弁として使用した酸素濃縮装置において、パイロット圧を排気するときに伴う気流音を改善し、低騒音化を実現した装置を提供することを目的とする。

かかる課題に対して本発明者は鋭意検討した結果、以下の酸素濃縮装置を見出した。すなわち本発明は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着材を充填した少なくとも１個の吸着筒と、該吸着筒を減圧し吸着材を再生する脱着工程を一定タイミングで繰り返すための流路切換弁と、該吸着筒に圧縮空気を供給するための圧縮室を１個以上有する空気圧縮手段と、該空気圧縮手段の騒音を防音するための遮音ボックスを備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該流路切換弁がパイロット式の電磁弁であり、該流路切換弁のパイロット圧排気口と該遮音ボックスとを接続する接続管路を備え、流路切換弁から排出されるパイロット圧が発生する騒音を遮音ボックス内に導入することで防音することを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。

また本発明は、該流路切換弁がパイロット式の電磁弁であり、流路を１方向に切り換えることができる２方弁、或いは流路を２方向に切り換えることができる３方弁であることを特徴とする、酸素濃縮器を提供するものである。

本発明の酸素濃縮装置を使用することにより特に２ｋＨｚ以下の騒音を大きく低減し、酸素濃縮装置の静穏化を改善できていることができる。

本発明の酸素濃縮装置の実施態様例を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態である圧力変動吸着型酸素濃縮装置を例示した概略装置構成図である。この図１において、１は酸素濃縮装置、３は加湿された酸素富化空気を吸入する使用者（患者）を示す。圧力変動吸着型酸素濃縮装置１は、外部空気取り込みフィルタ101、吸気消音器102、コンプレッサ103、流路切換弁104、吸着筒105、逆止弁106、製品タンク107、調圧弁108、流量設定手段109、パーティクルフィルタ110を備える。これにより外部から取り込んだ原料空気から酸素ガスを濃縮した酸素富化空気を製造することができる。また、酸素濃縮装置の筐体内には、生成された酸素富化空気を加湿するための加湿器201、前記流量設定手段109の設定値と、酸素濃度センサ301、流量センサ302の測定値を用いて、コンプレッサや流路切換弁を制御する制御手段401、コンプレッサの騒音を防音するためのコンプレッサボックス501、コンプレッサを冷却するための冷却ファン502が内蔵されている。

まず外部から取り込まれる原料空気は、塵埃などの異物を取り除くための外部空気取り込みフィルタ101、吸気消音器102を備えた空気取り込み口から取り込まれる。このとき、通常の空気中には、約２１％の酸素ガス、約７７％の窒素ガス、０．８％のアルゴンガス、水蒸気ほかのガスが１．２％含まれている。かかる装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素ガスのみを濃縮して取り出す。

この酸素ガスの取り出しは、原料空気を酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着するゼオライトなどからなる吸着材が充填された吸着筒に対して、流路切換弁104によって対象とする吸着筒を順次切り換えながら、原料空気をコンプレッサ103により加圧して供給し、吸着筒内で原料空気中に含まれる約７７％の窒素ガスを選択的に吸着除去する。

前記の吸着筒としては、前記吸着材を充填した円筒状容器で形成され、通常、１筒式、２筒式の他に３筒以上の多筒式が用いられるが、連続的かつ効率的に原料空気から酸素富化空気を製造するためには、多筒式の吸着筒を使用することが好ましい。また、前記のコンプレッサとしては、揺動型空気圧縮機が用いられるほか、スクリュー式、ロータリー式、スクロール式などの回転型空気圧縮機が用いられる場合もある。また、このコンプレッサを駆動する電動機の電源は、交流であっても直流であってもよい。

前記吸着筒105で吸着されなかった酸素ガスを主成分とする酸素富化空気は、吸着筒へ逆流しないように設けられた逆止弁106を介して、製品タンク107に流入する。

また、吸着筒内に充填された吸着材に吸着された窒素ガスは、新たに導入される原料空気から再度窒素ガスを吸着するために吸着材から脱着させる必要がある。このために、コンプレッサによって実現される加圧状態から、流路切換弁によって減圧状態（例えば大気圧状態又は負圧状態）に切り換え、吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着材を再生させる。この脱着工程において、その脱着効率を高めるため、吸着工程中の吸着筒の製品端側或いは製品タンクから酸素富化空気をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。通常、窒素を脱着させるときには大きな気流音が発生するため、一般的には窒素排気消音器503が用いられる。

原料空気から生成された酸素富化空気は、製品タンクへ蓄えられる。この製品タンクに蓄えられた酸素富化空気は、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、調圧弁108や流量設定手段109などによってその供給流量と圧力とが制御されながら、加湿器201へ供給され、加湿された酸素富化空気が患者に供給される。かかる加湿器には、水分透過膜を有する水分透過膜モジュールによって、外部空気から水分を取り込んで乾燥状態の酸素富化空気へ供給する無給水式加湿器や、水を用いたバブリング式加湿器、或いは表面蒸発式加湿器を用いることが出来る。

また、流量設定手段109の設定値を検知し、制御手段401によりコンプレッサの電動機の回転数を制御することで吸着筒への供給風量を制御する。設定流量が低流量の場合には回転数を落とすことで生成酸素量を抑え、且つ消費電力の低減を図ることができる。

通常、コンプレッサは耳障りな騒音を発生するため、これを防音するためにコンプレッサボックス501の中に設置される。また酸素濃縮装置のほとんどの発熱量はコンプレッサから発生されるため、コンプレッサボックスには冷却ファン502を設置して、コンプレッサを冷却する。冷却ファンとしては、軸流式の冷却ファンや遠心型のブロアなどが用いられる。駆動方式は交流であっても直流であっても構わない。過冷却の防止や低騒音化を図るために、冷却ファンの回転数を制御することも実施されている。また、冷却風の向きは、コンプレッサボックス内の空気を換気する強制対流方式や、コンプレッサに冷却風を直接当てる強制空冷方式のどちらを使用してもかまわない。

図２は、本発明の酸素濃縮器に使用される流路切換弁104をさらに詳しく示したものである。本図では２方弁を４個使用する方法を示しているが、３方弁を２個使用する方法でも構わない。本図において、601が流路切換弁マニホールドを、602がパイロット式電磁弁を、603がパイロット圧排気管を、501がコンプレッサボックスを示す。コンプレッサ側から供給される原料空気は、原料空気供給配管604を通って、各パイロット式電磁弁602で流路を切り換えられ、吸着筒105に供給される。また脱着工程では、吸着筒105からパイロット式電磁弁602を通り、窒素排気管605を通じて排気される。

それぞれの流路切換弁が駆動するときには、パイロット圧によって駆動され、本発明にて使用したノーマルクローズ式のパイロット式電磁弁では、パイロット圧付加されているときに主弁は閉、パイロット圧が排気されて付加していないときに主弁は開に動作する。主弁が閉から開に動作する際に、パイロット圧が排気されることになるが、この時に大きな気流音が発生する。本発明では、パイロット圧排気を防音性能を有したコンプレッサボックス501に導入し排気することで、静音化した酸素濃縮装置を実現している。

以下に本発明の酸素濃縮装置の好適な具体実施例について説明する。本実施例で使用した酸素濃縮装置は、酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着材としてＬｉ−Ｘ型ゼオライトを充填した２本の吸着筒と、該吸着筒へ圧縮空気を供給するコンプレッサを具備し、生成できる酸素は濃度９０容量％以上で、最大酸素流量３Ｌ／ｍｉｎの能力を有する装置を使用した。また、パイロット圧排気管には硬質ナイロンチューブを使用した。

比較例として、パイロット圧排気を切換弁マニホールド外に直接排気した場合と、焼結金属でできた消音器によって消音した場合（図３の構成）を比較した。パイロット圧排気を窒素排気管に排気する方法（図４の構成）は、製品酸素濃度の低下や消費電力の上昇といった基本性能が低下するため、本実施例では提示しない。

なお、酸素濃縮装置の運転条件および環境条件は全て同一とし、環境温度２５℃において、最大酸素流量３Ｌ／ｍｉｎで運転し、性能が安定したところで、Ａ特性音圧レベルを測定した。その結果、図５に示すように本発明の酸素濃縮装置を使用することにより、２ｋＨｚ以下の騒音が大きく低下しており、酸素濃縮装置の騒音を改善できていることが分かる。

本発明の酸素濃縮装置の実施態様例である圧力変動吸着型酸素濃縮装置の模式図。 本発明の酸素濃縮装置に搭載される流路切換弁の構造図。 パイロット圧排気の消音に、一般的な消音器を使用した流路切換弁の構造図。 パイロット圧排気を窒素ガス排気管に導入して消音化を図った流路切換弁の構造図。 パイロット圧排気を切換弁マニホールド外に直接排気した場合と、同排気を焼結金属でできた消音器を通して消音化した場合と、本発明による構成を実施した場合の、Ａ特性音圧レベル。

符号の説明

１：酸素濃縮装置
２：無給水式加湿器
３：使用者
101：外部空気取り込みフィルタ
102：吸気消音器
103：コンプレッサ
104：流路切換弁
105：吸着筒
106：逆止弁
107：製品タンク
108：調圧弁
109：流量設定手段
110：パーティクルフィルタ
201：加湿器
301：酸素濃度センサ
302：流量センサ
401：制御手段
501：コンプレッサボックス
502：冷却ファン
503：窒素排気消音器
504：パイロット圧排気配管
601：流路切換弁マニホールド
602：パイロット式電磁弁（２方弁）
603：パイロット圧排気管
604：原料空気供給配管
605：窒素ガス排気管
606：パイロット圧排気消音器（焼結金属消音器）

Claims (3)

1. 酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着材を充填した吸着筒と、該吸着筒に圧縮空気を供給する空気圧縮手段と、該吸着筒を加圧し圧縮空気中の窒素を吸着し未吸着の酸素を生成する吸着工程と、該吸着筒を減圧し吸着材を再生する脱着工程とを一定タイミングで繰り返すための流路切換弁と、該空気圧縮手段を取り囲む遮音ボックスとを備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該流路切換弁がパイロット式の電磁弁であり、該流路切換弁のパイロット圧排気口と該遮音ボックスとを接続する接続管路を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 該流路切換弁がパイロット式の電磁弁であり、流路を１方向に切り換えることができる２方弁であることを特徴とする、請求項１記載の酸素濃縮装置。
3. 該流路切換弁がパイロット式の電磁弁であり、流路を２方向に切り換えることができる３方弁であることを特徴とする、請求項１記載の酸素濃縮装置。

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