JP5123556B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気中から酸素富化空気、酸素濃縮気体を分離して使用するための酸素濃縮装置に関する。

近年、肺気腫、肺結核後遺症や慢性気管支炎などの慢性呼吸器疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、かかる患者に対する治療方法として、高濃度酸素を吸入させる酸素吸入療法が行われている。酸素吸入療法とは前記疾病患者に対して酸素ガス若しくは酸素濃縮気体を吸入させる治療法である。治療用の酸素ガス或いは濃縮酸素気体の供給源としては、高圧酸素ボンベ、液体酸素ボンベ、酸素濃縮装置等の使用が挙げられるが、長時間の連続使用に耐えることができ、また使い勝手がよいなどの理由により、酸素濃縮装置を使用するケースが増加している。

酸素濃縮装置は空気中の酸素を分離し、濃縮することを可能にした装置である。かかる酸素を分離濃縮する装置としては、90％以上の高濃度の酸素が得られるという観点で、空気中の窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を吸着筒に充填した吸着型酸素濃縮装置が広く知られ使用されている。その中でも圧力変動装置としてコンプレッサを用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が広く世の中に広まっている。かかる装置は通常窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填させた複数の吸着床に対して、コンプレッサから圧縮空気を供給し、吸着床内を加圧状態にして窒素を吸着させ、未吸着の高濃度の酸素を得る吸着工程と、吸着床内を減圧して窒素を脱着させる脱着工程からなり、これを一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を得る装置である。圧力変動吸着法には、脱着工程を大気圧まで減圧するＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）法、吸着剤の再生効率を高める為にコンプレッサを用いて吸着筒を真空圧まで減圧するＶＰＳＡ（Vacuum Pressure Swing Adsorption）法があり、医療用酸素濃縮装置として採用されている。

特開平2-280811号公報 特開昭64-90011号公報 特開昭61-187916号公報 特開平4-94715号公報

一般に吸着手法を用いる酸素濃縮装置は、原料空気の酸素濃度が低下すると製品ガス濃度も低下する。この現象は、排気ガスの排気効率が悪く筐体内に溜まってしまう、または、酸素濃縮器を閉塞された狭い空間に設置し、原料空気の酸素濃度が低下する等に起因して、コンプレッサの吸気ガスの酸素濃度が低下して起こること場合が大半である。

吸着筒へ加圧空気を供給すると共に真空減圧する機能を備えたコンプレッサを有するＶＰＳＡ型酸素濃縮器では、切換弁による流路切換時に、真空脱着側吸着筒とコンプレッサ加圧ラインを連通する、又は加圧側吸着筒とコンプレッサの真空ラインを連通するタイミングが存在し、その時、コンプレッサのシール性能が低下する。加圧機能、真空減圧機能を備えた２ヘッド型コンプレッサの場合、これにより、真空側の窒素リッチなガスが、シール漏れによりシリンダからコンプレッサ内部に漏れ出し、加圧側に回り込むことによって、原料空気の酸素濃度が低下することがある。

本発明は上記ＶＰＳＡ型酸素濃縮器の課題を解決するものであり、吸着筒へ加圧空気を供給すると共に真空減圧する機能を備えたコンプレッサを有するＶＰＳＡ型酸素濃縮器において、切換弁による流路切換時に、真空脱着側吸着筒とコンプレッサ加圧ラインを連通する、又は加圧側吸着筒とコンプレッサの真空ラインを連通するタイミングが存在し、その時、コンプレッサのシール性能が低下することで、真空側の窒素リッチなガスがコンプレッサ内部に漏れ出し、加圧側に回り込むことによって、原料空気の酸素濃度が低下することを防止する技術を提供するものである。

すなわち本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した複数の吸着筒、該吸着筒へ加圧空気を供給すると共に真空減圧する機能を備えたコンプレッサ、該コンプレッサと各吸着筒間の流路を順次切り換え、各吸着筒へ加圧空気を供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、各吸着筒を真空減圧し吸着剤を再生する脱着工程を所定タイミングで繰り返すための流路切換手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、流路切換時に、一度全ての吸着筒の内圧を陽圧又は陰圧にする流量切換制御を備えることで、コンプレッサの加圧側又は真空側の少なくとも片方がシール性能を常に保つことにより、コンプレッサ真空側より窒素リッチなガスがコンプレッサ内部に漏れ出し、加圧側に回り込むことによって、原料空気の酸素濃度が低下すること防止する、該流量切換制御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、該流路切換制御手段が、加圧側吸着筒とコンプレッサの真空ライン、真空脱着側吸着筒とコンプレッサ加圧ラインを連通するように該流路切換手段を特徴とし、該流路切換制御手段が、加圧側吸着筒とコンプレッサの真空ライン、真空脱着側吸着筒とコンプレッサ加圧ラインを連通するように該流路切換手段の切り換え制御を実施する前に、一度全ての吸着筒をコンプレッサ加圧ライン又はコンプレッサの真空ラインに連通させることにより、全ての吸着筒の内圧を陽圧又は陰圧にする、該流量切換制御を特長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、加圧側吸着筒と真空脱着側吸着筒の製品端同士を連通する均圧弁を備えた均圧流路を備え、該吸着筒が２つの吸着筒であり、該流路切換手段が吸着筒とコンプレッサの加圧ラインまたは真空ラインとを切り換える三方弁から構成され、且つ、該流路切換制御手段が、該均圧弁が開いた状態で流路切換制御を行なう手段であ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。

本発明の酸素濃縮装置では、VPSA型酸素濃縮装置の加圧吸着工程側と真空脱着工程側の流路切換時に、加圧側吸着筒とコンプレッサの真空ライン、真空脱着側吸着筒とコンプレッサ加圧ラインを連通するように該流路切換手段の切り換え制御を実施する前に、全ての吸着筒をコンプレッサ加圧ライン又はコンプレッサの真空ラインに連通させることにより、全ての吸着筒の内圧を陽圧又は陰圧にすることで、コンプレッサのシール性能を維持出来、真空側の窒素リッチなガスがコンプレッサ内部に漏れ出し、加圧側に回り込むことによって、原料空気の酸素濃度が低下することを抑制することが出来、装置の酸素濃度低下を未然に防止することが出来る。

本発明の酸素濃縮装置の実施態様例を、以下の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２筒式VＰＳＡ型の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。圧力変動吸着型の酸素濃縮装置１は、外部空気取り込みフィルタ101、圧縮・真空機能を有するコンプレッサ103、流路切換弁である三方電磁弁104a,104b、吸着筒105a,105b、逆止弁106a,106b、製品タンク107、調圧弁108、流量設定手段109、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濃縮ガスを製造することができる。

先ず、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など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剤が充填された吸着筒105に対して、切換弁104a,104bによって対象とする吸着筒105a,105b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105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105としては、前記吸着剤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、２筒式や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103としては、圧縮機能及び真空機能を有するコンプレッサとして2ヘッドのタイプの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103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105へ逆流しないように設けられた逆止弁106a,106bを介して、製品タンク107に流入する。

なお、吸着筒105内に充填された吸着剤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剤から脱着させる必要がある。このために、コンプレッサ103によって実現される加圧状態から、三方電磁弁（切換弁）104a,104bによってコンプレッサ103の真空ラインに接続され、真空減圧状態に切り換え、吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着剤を再生させる。さらにこの脱着工程において、その脱着効率を高めるため、均圧弁102を介して吸着工程中の吸着筒の製品端側から酸素濃縮ガスをパージガスとして逆流させるようにしてもよい。

原料空気から酸素富化空気が製造され、製品タンク107へ蓄えられる。この製品タンク107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201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。

VPSA型の酸素濃縮装置では、一方の吸着筒105aが加圧吸着工程を行っている場合は、他方の吸着筒105bでは真空脱着工程を行い、吸着工程、脱着工程を各々逆位相の形で順次切換、酸素を連続的に生成している。

図２に、圧縮機能及び真空機能を有するコンプレッサとして2ヘッドのタイプの揺動型空気圧縮機103の模式図を示す。２つの加圧側、真空減圧側のシリンダが対象に配置され、モータの回転運動に基づくピストンの往復運動により加圧、真空減圧を行なう。ピストンのヘッド部にはカップシールが備えられており、シリンダとのシールをおこなっている。加圧側のシールと真空減圧側のシールは向きが逆になっており、加圧側のシール部分は、陽圧状態でシールが行なわれ、一方真空減圧側は陰圧でシールが行なわれる。

装置の運転初期時にはコンプレッサのカップシールのシール性能が高いためにシール漏れは通常生じないが、長期間の使用によりカップシールが磨耗した場合にはコンプレッサのシリンダのシール部分から漏れを生じる。加圧、真空減圧機能を有するコンプレッサの場合は加圧・真空減圧両方のシリンダでのカップシールの磨耗が進行した場合は、真空側の窒素リッチなガスがコンプレッサの筐体内を介して加圧側のシリンダ内へ漏れる可能性がある。

吸脱着工程の切換時にコンプレッサの真空減圧側と加圧された吸着筒が連通することにより、一時的にコンプレッサの真空減圧側が陽圧になった場合には、真空減圧により吸着筒から排気している窒素リッチなガスが、磨耗が進行したシール部分からコンプレッサ筐体内に漏れる可能性がある。同様にコンプレッサの加圧側と真空減圧された吸着筒が連通することにより、一時的にコンプレッサの加圧側が陰圧になった場合には、筐体内に漏れ出た窒素リッチなガスが、磨耗が進行したシール部分からコンプレッサ加圧側に漏れる可能性がある。

磨耗が進行したコンプレッサの加圧空気の酸素濃度を測定した結果では、通常21％の酸素濃度を有する空気が、20％に濃度低下を示すことが見出された。かかる状態でVPSA方式により酸素生成を継続すると通常は92％の酸素濃度を示す酸素富化空気が、88％以下に濃度低下を起こす。

本発明の装置では、流路切換時に、一度全て吸着筒の内圧を陽圧又は陰圧にして切り換えるために、加圧側吸着筒105aとコンプレッサ加圧ライン、真空脱着側吸着筒105bとコンプレッサ真空ラインに接続されている流路切換弁104a,104bを、全ての吸着筒とコンプレッサの加圧ライン、又は真空ラインを連通するように流路切換弁104a,104bの切換制御を行い、その後加圧側吸着筒105aとコンプレッサ真空ライン、真空脱着側吸着筒105bとコンプレッサ加圧ラインを連通するように、流路切換弁104a,104bの流路切換制御を行う。

２L/mの供給能力を有する医療用酸素濃縮装置の場合、両筒を加圧する場合の時間は0.2秒程度の極短時間でよく、両筒加圧後に、加圧側吸着筒105aとコンプレッサ真空ライン、真空脱着側吸着筒105bとコンプレッサ加圧ラインを連通する流路切換弁104a,104bの流路切換制御を行なった時点での真空脱着側吸着筒105bの圧力が負圧になるのを低減させる時間、より確実には０Pa以上となるように加圧時間を調整する。これによりコンプレッサの加圧側のシール漏れがなくなり、コンプレッサのシール性能の維持したまま、加圧側吸着筒の減圧、真空側吸着筒の加圧を行なうことができる。

両筒共に真空減圧する場合についても同様であり、２L/mの供給能力を有する医療用酸素濃縮装置の両筒を真空減圧する場合の時間は0.2秒程度の極短時間でよく、両筒減圧後に、加圧側吸着筒105aとコンプレッサ真空ライン、真空脱着側吸着筒105bとコンプレッサ加圧ラインを連通する流路切換弁104a,104bの流路切換制御を行なった時点での真空減圧側吸着筒105bの圧力が正圧になるのを低減させる時間、より確実には０Pa以下となるように真空減圧時間を調整する。これによりコンプレッサの真空減圧側のカップシールのシール漏れがなくなり、コンプレッサのシール性能の維持したまま、加圧側吸着筒の減圧、真空側吸着筒の加圧を行なうことができる。

本発明はコンプレッサの加圧側シール部分の圧力を０Pa以上維持する、真空脱着側シール部分の圧力を０Pa以下に維持することで、少なくともコンプレッサの加圧側、真空減圧側の何れかのシール漏れを抑えることができ、真空側の窒素リッチなガスがコンプレッサの筐体内を介してそのまま加圧側のシリンダ内へ漏れでることを抑制する。

図１の装置では、加圧側吸着筒と真空脱着側吸着筒の製品端同士を連通する均圧弁102を備えており、通常吸脱着工程に均圧工程や製品パージ工程を行なう。本発明では、流路切換制御手段401は、均圧弁が開いた状態で流路切換を行うことで、原料端での均圧だけではなく、吸着筒の製品端同士の均圧を行なうことができる。

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。 ２ヘッドのタイプの揺動型空気圧縮機の模式図。

符号の説明

１：酸素濃縮装置
３：使用者
101：外部空気取り込みフィルタ
102：均圧弁
103：コンプレッサ
104a,104b：三方電磁弁（切換弁）
105a,105b：吸着筒
106a,106b：逆止弁
107：製品タンク
108：調圧弁
109：流量設定手段
110：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

Claims (3)

1. 酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した２つの吸着筒、該吸着筒へ加圧空気を供給する機能及び真空減圧する機能を備えたコンプレッサ、該コンプレッサと各吸着筒間の流路を順次切り換え、各吸着筒へ加圧空気を供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、各吸着筒を真空減圧し吸着剤を再生する脱着工程を所定タイミングで繰り返すための流路切換手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、
   該コンプレッサが２つのシリンダ及びピストンを備えた２ヘッド型往復運動式コンプレッサであり、
   該吸着工程と該脱着工程との間の流路切換時に、全ての吸着筒に対して該コンプレッサから加圧空気を供給する、または全ての吸着筒に対して該コンプレッサから真空減圧するように該流路切換手段の切換制御を行なう流路切換制御手段を備え、
   該流路切換手段が各吸着筒とコンプレッサの加圧流路または真空排気流路を切り換える電磁弁であり、
   該流路切換制御手段が、加圧側吸着筒（A）と該コンプレッサの加圧流路、真空側吸着筒（B）と該コンプレッサの真空排気流路の連通状態から、吸着筒（A）と該コンプレッサの真空排気流路、吸着筒（B）と該コンプレッサの加圧流路への連通状態への切換制御を行なう間に、該コンプレッサの加圧流路と吸着筒（A）及び吸着筒（B）の双方を所定時間連通する電磁弁切換制御を行なう手段であり、且つ、
   吸着筒（A）と該コンプレッサの真空排気流路、吸着筒（B）と該コンプレッサの加圧流路への連通状態への切換制御を行なった時点での該吸着筒（B）内圧が０Pa以上となる時間、該コンプレッサの加圧流路と吸着筒（A）及び吸着筒（B）の双方を連通する電磁弁切換制御を行なう手段であることを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した２つの吸着筒、該吸着筒へ加圧空気を供給する機能及び真空減圧する機能を備えたコンプレッサ、該コンプレッサと各吸着筒間の流路を順次切り換え、各吸着筒へ加圧空気を供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、各吸着筒を真空減圧し吸着剤を再生する脱着工程を所定タイミングで繰り返すための流路切換手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、
   該コンプレッサが２つのシリンダ及びピストンを備えた２ヘッド型往復運動式コンプレッサであり、
   該吸着工程と該脱着工程との間の流路切換時に、全ての吸着筒に対して該コンプレッサから加圧空気を供給する、または全ての吸着筒に対して該コンプレッサから真空減圧するように該流路切換手段の切換制御を行なう流路切換制御手段を備え、
   該流路切換手段が各吸着筒とコンプレッサの加圧流路または真空排気流路を切り換える電磁弁であり、
   該流路切換制御手段が、加圧側吸着筒（A）と該コンプレッサの加圧流路、真空側吸着筒（B）と該コンプレッサの真空排気流路の連通状態から、吸着筒（A）と該コンプレッサの真空排気流路、吸着筒（B）と該コンプレッサの加圧流路への連通状態への切換制御を行なう間に、該コンプレッサの真空排気流路と吸着筒（A）及び吸着筒（B）の双方を所定時間連通する電磁弁切換制御を行なう手段であり、且つ、
   吸着筒（A）と該コンプレッサの真空排気流路、吸着筒（B）と該コンプレッサの加圧流路への連通状態への切換制御を行なった時点での該吸着筒（A）内圧が０Pa以下となる時間、該コンプレッサの真空排気流路と吸着筒（A）及び吸着筒（B）の双方を連通する電磁弁切換制御を行なう手段であることを特徴とする酸素濃縮装置。
3. 加圧側吸着筒（A）と真空脱着側吸着筒（B）の製品端同士を連通する均圧弁を備えた均圧流路を備え、該流量切換制御手段が、該均圧弁が開いた状態で該吸着筒（A）(B)に対して該コンプレッサから加圧空気を供給する、または吸着筒（A）(B)に対して該コンプレッサから真空減圧するように流路切換制御を行なう手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。

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