CN101160149A - 氧浓缩装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种医疗用变压式吸附型氧浓缩装置，设有流路切换机构，且该流路切换机构用于将来自空气供给机构的空气以一定时机依次加压供给至吸附床并进行吸附/脱附，其特征在于，该流路切换机构是具有电动机的旋转式分配阀组装结构体，而该旋转式分配阀组装结构体具有通过肖氏A硬度为45度至60度的O型环轴封的轴封机构，具有能同时实现可追踪旋转式分配阀组装结构体的偏心以及偏角的旋转驱动传递和轴封的机构。

Description

氧浓缩装置
技术领域
本发明涉及一种从大气中分离出含有富氧空气的氧浓缩气体的氧浓缩装置，更详细而言，涉及一种流路切换机构的轴封机构，该流路切换机构具有旋转分配阀组装结构，用于在具有多个吸附床的吸附型氧浓缩装置中以一定时机将空气依次加压供给至吸附床并使空气中的氮吸附/脱附。
背景技术
近年来，为气喘或者肺气肿、慢性支气管炎等呼吸系统疾病所苦的患者有增加的趋势，氧吸入疗法是最有效果的疗法之一。作为用于这种疗法的氧供给源，目前已开发出一种氧浓缩装置，可直接从空气中分离出氧浓缩气体，由于使用时的方便性和容易维护管理等原因，作为用于进行氧吸入疗法的治疗装置而日益普及。
作为这种氧浓缩装置之一，公知有在一个或多个吸附床中填充有可选择性地吸附氮或者氧的吸附剂的1筒式或2筒式吸附型氧浓缩装置、或使用2个以上的吸附筒的多筒式的吸附型氧浓缩装置。使用压缩机作为原料空气的供给源，使用下述类型的装置，即使用加压-常压的压力域的PSA(Pressure Swing Adsorption)型、使用加压-真空的压力域的VPSA(Vacuum Pressure Swing Adsorption)型的装置。
通过依次以一定循环进行下述工序可得到氧浓缩气体，即：吸附工序，利用压缩机将压缩空气供给至1个或者多个填充有可选择性地吸附氮的吸附剂的吸附床并使其呈加压状态，由此使氮吸附于吸附剂上而得到未被吸附的氧浓缩气体；脱附工序，使吸附床的内压减少且使氮脱附而进行吸附剂的再生；均压工序，在脱附工序即将结束前，使已生成的干燥氧浓缩气体一部分逆流而实现再生效率的提高和升压。
这种吸附型氧浓缩装置中，一般具有下述流路，即通过配管连接压缩机和吸附床，并通过在其间设置切换阀而切换加压空气向吸附床的供给路径。但是，随着吸附床的个数变化或吸附/脱附工序的复杂的控制的实施，切换阀的种类或数量等零件个数增加，会产生不易维修保养的问题。作为可改善这些问题的装置，在特表平7-508205号公报中开发有搭载有流体分离装置的氧浓缩装置，该流体分离装置将多个吸附床或连接流路、用于切换流路的旋转阀等氧浓缩功能部分全部模块化。
为了将这种吸附型氧浓缩装置用于家庭或者医疗用途，需要将装置小型化、低成本化。作为切换多个流路的装置而含有旋转阀的氧发生装置的模块化，成为对于装置的小型化、削减零件件数而言有效的方法。作为这种氧发生模块，在特表平7-508205号公报中公开有流体分离装置，该装置具有多个吸附筒，将由压缩机至吸附筒的气体供给流路、吸附筒之间的连接流路、排气流路歧管化，而以1个旋转阀进行流路切换。使用于该装置的流路切换机构具有机械密封的旋转阀以及与已歧管化的流路一体化了的固定阀部。由于使模块小型化，所以不易在阀内取得充分的机构空间。此外，在机械密封的机构上，由于采用相对于轴心沿径向作用载荷的构造，所以旋转阀的轴承大多使用薄型推力轴承。但是，薄型推力轴承不易保持径向载荷，结果形成为旋转轴心的校准容易偏心的结构。而且，众所周知，市场销售的推力轴承在构造上，即使封有润滑脂也没有密封润滑脂的机构，多余的润滑脂流出到推力轴承外部并混入机械密封机构部而产生不良状况。
此外，与此同时，该旋转阀的旋转轴必须在从低压至高压条件以及从低温至高温的范围内兼具有气体的轴封机构，而产生这种偏心载荷会造成无法维持充分的轴封性能，或是就算可维持轴封性能，旋转轴也无法追踪校准的偏心，而引发旋转不良的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改良的氧浓缩装置，在包含有具有旋转式分配阀组装体结构的流路切换机构的变压式吸附型氧浓缩装置中，可同时实现可追踪该旋转式分配阀组装结构的旋转轴的偏心以及偏角的旋转驱动传递机构和轴封机构。
本发明者在对此课题潜心研究后，发现一种氧浓缩装置，在现有的氧浓缩装置的流体分离装置中的旋转式分配阀组装结构体中，即使轴封构件因偏心以及偏角而变形，也可维持充分的轴封性能，且可防止旋转驱动的负载变动。
即，本发明可提供一种变压式吸附型氧浓缩装置，是医疗用的变压式吸附型氧浓缩装置，包括：多个吸附床，填充有相比氧更可选择性地吸附氮的吸附剂；空气供给机构，将空气供给至该吸附床；以及流路切换机构，用于将来自该空气供给机构的空气以一定时机依次加压供给至吸附床并吸附/脱附空气中的氮，该流路切换机构是具有电动机的旋转式分配阀组装结构体，该旋转式分配阀组装结构体包括：固定阀，与歧管连通，该歧管构成连接至该多个吸附床的连接流路；旋转阀，切换连接流路；旋转驱动传递轴，对旋转阀传递电动机的旋转运动，在旋转驱动传递轴和旋转阀的连接部处具有游隙，并具有O型环的轴封机构。
另外，本发明可提供一种变压式吸附型氧浓缩装置，其特征在于，来自空气供给机构的加压空气的导入口位于固定阀侧，且具有从旋转阀的滑动面侧向背面即旋转阀与旋转驱动传递轴的连接部供给该加压空气的加压空气供给口。
此外，本发明可提供一种变压式吸附型氧浓缩装置，其特征在于，该轴封机构具有利用O型环的压缩且利用O型环的外径和内径进行密封的密封机构，且构成该轴封机构的O型环是具有肖氏A硬度45至60度的硬度的O型环。
此外，本发明可提供一种变压式吸附型氧浓缩装置，其特征在于，该轴封机构由O型环构成，该O型环以压缩状态设置于形成在该旋转驱动传递轴上的槽与该旋转驱动传递轴可插入的旋转阀内表面壁之间，特别地，该O型环由三元乙丙橡胶制成。
本发明还可提供一种旋转阀的轴封方法，在将电动机的旋转运动传递至切换加压空气的流路的旋转阀的旋转驱动传递轴与旋转阀的连接部处具有游隙，并在旋转驱动传递轴与旋转阀之间利用具有肖氏A硬度45至60度的硬度的O型环的压缩且利用O型环的外径和内径进行轴封。
附图说明
图1是表示本发明的医疗用氧浓缩装置的概要结构图。
图2是表示使用在本发明的氧浓缩装置中的旋转式分配阀组装结构的轴封机构的概要图。
图3是表示使用在本发明的氧浓缩装置中的旋转式分配阀组装结构的轴封机构部分的放大图。
图4是表示设计图2的轴封机构时在20℃环境下的旋转负荷变化的图。
图5是表示设计图2的轴封机构时在0℃环境下的旋转负荷变化的图。
具体实施方式
本发明的氧浓缩装置是一种医疗用变压式吸附型氧浓缩装置，包括：多个吸附床，填充有相比氧更可选择性地吸附氮的吸附剂；空气供给机构，将空气供给至该吸附床；以及流路切换机构，用于将来自该空气供给机构的空气以一定时机依次加压供给至吸附床并使其吸附/脱附，其特征在于，该流路切换机构是具有电动机的旋转式分配阀组装结构体，该旋转式分配阀组装结构体由具有肖氏A硬度45至60度的O型环轴封。
通过用旋转式阀切换经由多个吸附塔以及分别与之连通的歧管而来自压缩机的加压空气供给流路，可有效地使用在可将加压空气依次供给到各吸附床的模块化了的氧浓缩装置中。
旋转式分配阀组装结构体为由固定阀和旋转阀构成的机械密封构造，具有机械密封部，包括将电动机的旋转传递至进行传递的旋转阀的旋转驱动传递轴、推压固定阀和旋转阀的滑动面而进行密封的弹簧、以及以轴封气体为目的的O型环。支承旋转驱动传递轴的轴承上具有推力轴承或径向轴承。
该旋转驱动传递轴的轴封机构由橡胶制O型环构成，可依照设备的使用温度范围或气体成分来选定材质，优选使用丁腈橡胶(NBR)、氟橡胶(FKM)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)、乙烯-丙烯共聚物橡胶(EPM)、三元乙丙橡胶(EPDM)、硅橡胶(VMQ)等。
通过这种轴封机构可确保固定阀与旋转阀的滑动面的密封，并可通过吸收设备加工精度的公差、吸收旋转轴的偏心和偏角来吸收转矩变动，所以需要确保旋转阀和旋转驱动传递轴之间的挠性和轴封的双重功能。
为了吸收旋转驱动传递轴的偏心以及偏角，并抑制旋转阀的负载变动，采用通过O型环来轴封旋转驱动传递轴和旋转阀的方法。而现有技术中，有利用浮动密封(floating-seal)法来设计的情形(参照ParkerO-Ring-Handbook，p.5-19，§5.25；http://www.parker.com/o-ring/Literature/05-5700.pdf/美国：parker Hannifin公司)。在这种浮动密封法中，设计为O型环相对于轴而为浮动的状态。在无加压的状态下，为未起到轴封作用的尺寸形状，在加压时，O型环会利用该压力差在O型环槽内移动至密封面，并以外径面以及上下侧面的一方进行轴封。
但是，因为O型环在低压条件下以及/或者低温条件下不会移动，所以会发生未起到轴封作用的不良情况。而本发明则设计成将O型环以压缩状态设置在设于旋转驱动传递轴上的槽与该旋转驱动传递轴可插入的旋转阀内表面壁之间，且以O型环的内径和外径进行轴封。
若以压缩状态设置O型环，则会降低旋转驱动传递轴的挠性，随着旋转轴的偏心偏角会导致旋转阀的转矩变动。对此，通过使用O型环的橡胶硬度为45度至60度(肖氏A硬度)、特别优选是50度的轴封材料而进行密封，可吸收旋转轴的偏心以及偏角，并抑制负载变动。而且，O型环的橡胶材质优选根据使用环境条件或安全性来选定。在氧浓缩机中，从耐热性、安全性、耐油脂性的方面来看，优选三元乙丙橡胶(EPDM)。
实施例
以下，根据需要，利用附图来说明本发明的医疗用氧浓缩装置的优选具体实施例。
如图1所示，本发明的医疗用氧浓缩装置1是如下装置，包括：作为空气供给机构的压缩机10，以空气为原料；PSA型多筒式吸附塔单元20(以下也称作ATF模块)，具有多个吸附床21且内置有流路切换机构22，该流路切换机构22用于将加压空气以一定时机依次供给至吸附床并反复进行吸附/脱附；调压阀40，将生成的氧浓缩气体调整为既定压力；流量设定器50；加湿器60、通过变压吸附方法，分离并浓缩空气中的氧，并作为加湿氧浓缩气体而供给使用者。
本发明的氧浓缩装置的实施例中，作为多筒式吸附塔单元20，使用TS Precision公司制ATF模块。该ATF模块可利用旋转式分配阀，将加压空气经由与12根吸附塔和各吸附筒连通的歧管依次供给至吸附床，旋转式分配阀自身的构造为由固定阀和旋转阀构成的机械密封构造。
各吸附筒中填充有Li-X型分子筛沸石，作为相比氧更可选择性地吸附氮的吸附剂。
图2、图3表示这种ATF模块的旋转式阀部分的概要构成。组装于ATF模块的旋转式分配阀组装体的流路切换机构的构造中具有机械密封部，该机械密封部包括固定阀27和旋转阀28、旋转驱动传递轴29、弹簧30以及以轴封气体为目的的O型环23。
在旋转式分配阀组装体中，从固定阀侧经由设置于其中心的加压空气导入口，并借助设于旋转阀滑动面上的切换槽来连接与吸附筒的连接口的流路，该吸附筒设置为与固定阀呈同心圆状。由此，将加压空气送至吸附筒并进行吸附氮而生成氧的吸附工序。经由弓状的槽来连接吸附工序结束后的吸附筒和脱附工序结束后的吸附筒而进行吸附筒之间的均压。从加压状态的吸附筒经由排气口减压排出富氮气体。
在旋转阀中心设置通向固定阀的滑动面的背面的孔31。通过将加压空气供给至旋转阀而对滑动面施加压力，施加在吸附口上的力(上推密封面的力)就会与通过位于该固定阀中心的孔31而将压力供给至滑动面相反侧所产生的下压密封面的力相抵消。通过具有该中心孔，可利用吸附口的面积与相反侧的面积的比来决定施加于密封面上的力。反之，若没有该孔，则压力越高施加在吸附口上的力(上推密封面的力)就越强，密封性恶化，而为补救这种情形，需要以强力的弹簧抑制住密封面，并提升面压。结果，导致滑动转矩上升，需要提高驱动马达的输出。
旋转驱动传递轴29承接马达传递轴26的旋转而旋转，旋转阀28也会随着传递轴29的旋转而旋转。而O型环23可发挥旋转阀28与旋转驱动传递轴29之间的轴封功能。弹簧30借助其弹簧压力来密封旋转阀28与固定阀27的滑动面。
旋转阀28以及固定阀27的滑动面虽然已经过精密加工，但若考虑到机器的加工精度、组装精度，则仍需要在旋转驱动传递轴29与旋转阀28的连接部处设置游隙。即使O型环23因旋转阀28的旋转驱动传递轴29偏心/偏角而变形，也总是能够使轴封功能起作用，并需要吸收该偏心/偏角来抑制旋转负载变动。
作为密封材的O型环通常使用肖氏A硬度70以上的材料，而维持密封性和耐磨耗性。本实施例的O型环23使用EPDM制的硬度60度至45度(肖氏A硬度)的材质的O型环。
图4以及图5表示利用图2的轴封机构并使用一般所使用的橡胶硬度品(肖氏A硬度：70)的O型环与使用本发明的橡胶硬度品(肖氏A硬度：60、50、45)的O型环时的旋转负载变动差。橡胶材料都使用EPDM。根据图4的结果，在20℃的环境下，使用有肖氏A硬度：70度的O型环的轴封机构虽然可轴封气体，但与旋转轴的旋转相位同步而产生旋转负载变动。而本发明的橡胶硬度60度至45度(肖氏A硬度)的O型环可实现轴封气体以及降低旋转负载变动。特别地，确定随着肖氏A硬度以60、50、45降低，则旋转负载变动降低。但若肖氏A硬度在45度以下，则过于柔软，产生耐久性的问题或制造的困难性、使用上的处理性等的问题。
而且，根据图5的结果，在0℃的环境下，橡胶硬度表现出固化倾向，在使用肖氏A硬度为70的O型环时，若旋转驱动传递轴29偏心/偏角，则无法通过O型环处吸收偏心/偏角，旋转负载变动进一步增加，而在使用本发明的肖氏A硬度为硬度60度至45度的橡胶硬度品时，已确定可维持抑制旋转负载变动的效果。
在考虑到O型环的轴封功能、负载变动吸收功能等效果、和耐久性、制造成本等时，肖氏A硬度为硬度50度时最优选。
通过使用本发明的氧浓缩器，可提供一种氧浓缩装置，不会因流体分离装置中的旋转式分配阀组装结构体的偏心以及偏角负载的产生而产生旋转负载变动，可轴封气体。

Claims (7)

1.一种变压式吸附型氧浓缩装置，是医疗用的变压式吸附型氧浓缩装置，包括：多个吸附床，填充有相比氧更可选择性地吸附氮的吸附剂；空气供给机构，将空气供给至该吸附床；以及流路切换机构，用于将来自该空气供给机构的空气以一定时机依次加压供给至吸附床并吸附/脱附空气中的氮，该流路切换机构是具有电动机的旋转式分配阀组装结构体，该旋转式分配阀组装结构体包括：固定阀，与歧管连通，该歧管构成连接至该多个吸附床的连接流路；旋转阀，切换连接流路；旋转驱动传递轴，对旋转阀传递电动机的旋转运动，在旋转驱动传递轴和旋转阀的连接部处具有游隙，并具有O型环的轴封机构。
2.如权利要求1所述的变压式吸附型氧浓缩装置，其特征在于，来自空气供给机构的加压空气的导入口位于固定阀侧，且具有从旋转阀的滑动面侧向背面即旋转阀与旋转驱动传递轴的连接部供给该加压空气的加压空气供给口。
3.如权利要求1所述的变压式吸附型氧浓缩装置，其特征在于，该轴封机构具有利用O型环的压缩且利用O型环的外径和内径进行密封的密封机构，构成该轴封机构的O型环是具有肖氏A硬度45至60度的硬度的O型环。
4.如权利要求3所述的变压式吸附型氧浓缩装置，其特征在于，该轴封机构由O型环构成，该O型环以压缩状态设置于形成于该旋转驱动传递轴上的槽与该旋转驱动传递轴可插入的旋转阀内表面壁之间。
5.如权利要求3所述的变压式吸附型氧浓缩装置，其特征在于，该O型环由三元乙丙橡胶制成。
6.一种旋转阀的轴封方法，在可将电动机的旋转运动传递至切换加压空气的流路的旋转阀的旋转驱动传递轴与旋转阀的连接部处，具有游隙，并在旋转驱动传递轴与旋转阀之间利用具有肖氏A硬度45至60度的硬度的O型环的压缩且利用O型环的外径和内径进行轴封。
7.如权利要求6所述的旋转阀的轴封方法，该O型环由三元乙丙橡胶构成。
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