JP2000176018A - 酸素濃縮器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 在宅酸素療法に使用するＰＳＡ法による酸素
濃縮器であって、その動作時の騒音を静粛化し、合わせ
て小形化，軽量化する。 【解決手段】 該酸素濃縮器の機能要素の１つである空
気圧縮器をスクロール型のオイルフリーのものを使用
し、また、吸着剤を、アルミナと高性能吸着剤を含む複
数層に区分けして吸着筒へ充填する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 酸素濃縮器、特に在宅酸素
療法に使用する圧力変動吸着型の酸素濃縮器の改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】 在宅酸素療法に使用する医療用の酸素
濃縮器は空気を原料にして、その中に含まれる酸素約２
１％を濃縮して使用するものである。その方法は酸素を
選択的に透過する膜を使用する膜型の酸素濃縮器と窒素
を選択的に吸着する吸着剤を用いて、これを充填した吸
着筒に原料である空気を加えて窒素を吸着分離除去する
圧力変動吸着型の酸素濃縮器がある。前者の酸素濃縮器
で濃縮される酸素濃度は約４０％で後者が約９０％であ
り、現在では主に後者が用いられる。本発明は後者の改
良に関するものである。

【０００３】 在宅酸素療法に用いられる酸素濃縮器に
求められるものは、基本性能の酸素濃縮性能の他に在宅
の医療用として求められる要件として、動作音が静か
であること、小型，軽量であること、低い消費電力
であること等がある。これは次のような理由によるもの
である。在宅酸素療法で使用する酸素濃縮器は一日２４
時間使用する場合が多いため、夜間は装置の動作音が家
族を含め患者の睡眠を妨げない静かな装置であることが
要求される。また、患者は本装置で製造する酸素をたよ
りに生活しているので、故障があると即座に保守員を呼
出し、修理を依頼する事になる。そして保守員は２４時
間体制で患者をサポートしている。

【０００４】 この保守員にとってはその故障装置の修
理や装置の入替のため運搬が一人で容易にできるよう小
型，軽量である事が重要な要件である。更に患者のクオ
リティ・オブライフ（ＱＯＬ）を上げるため、患者は外
出や旅行を楽しみにしており、従来、この場合ボンベに
充填した酸素を使用している。しかし、そのガス量は有
限なものであり、数時間の使用で空になるため度々の充
填が必要である。このため多くの人の手助けが必要とな
るので、外出や旅行にも簡単に出られないのが現実であ
る。このため、酸素濃縮器が小型，軽量であれば自動車
に手軽に積み込んで運搬し、ホテル，旅館にて使用でき
るようになるし、自分の家の中においても酸素濃縮器を
移動させて行動範囲を容易に広げることが出来る。すな
わち患者のＱＯＬの点からも小型，軽量が要求されてい
る。

【０００５】 次に低消費電力の点については、患者は
一日２４時間連続して運転して使用する。しかし装置の
費用の大部分については健康保険の負担となり、多くの
出費は生じない。しかし電気代は患者の負担となるので
収入の比較的少ない患者にとっては電気代は大きい負担
となり消費電力の小さい装置が必須の要件となってい
る。更に直流電源によりコンプレッサーのモータが駆動
できれば自動車のシガライター部からあるいはバッテリ
ーにより移動中に使用できる携帯型の酸素濃縮器が可能
となるなど患者のＱＯＬに役立つ。次にこれ等酸素濃縮
器に求められている３つの要件について従来技術では 静粛性について 装置の動作音の主な原因は原料である空気を取り入れて
圧縮する空気圧縮機の動作音と圧力変動吸着型の酸素濃
縮器の吸着筒の圧力切替と排気に伴って発生する排気音
である。

【０００６】 排気音は高性能のサイレンサーを取付
けることにより、比較的良く消音することが出来る。し
かし、空気圧縮機の動作音は振動を伴った低周波音を多
く含んでおり容易には下げにくい。現在、医療用の酸素
濃縮器に使用されている空気圧縮機はピストン方式のも
のとベーン方式のものがあるが、ベーン方式のものは使
用されているカーボンべーンが摩耗し、二次側に黒いカ
ーボンの粉が出てくるし、これを取り除くためのフィル
ターが必要になってくる。更にこのフィルターも度々交
換しなければならない。加えてカーボンベーンの摩耗寿
命が２０００Ｈ〜４０００Ｈであり、保守が頻繁に発生
するためピストン方式のものが現在では多く使われてい
る。

【０００７】 医療用酸素濃縮器に使用される該ピスト
ン方式の空気圧縮機単体での騒音レベルは８０〜６０ｄ
ＢＡでありピストンの動作に伴って生ずる空気圧縮機の
振動と電動機のトルク変動に伴う低周波の動作音が原因
である。振動の他への伝播を防ぐための手段としては特
開昭６３−２４２９０１号公報に示される如くスプリン
グや防振ゴムにより浮かせる手段をとっている。そして
騒音は特開昭６０−２００８０４号公報，特開昭５９−
２７４６５４号公報，特開昭６０−２７７８１６号公報
などに示されるように二重の防音ボックスにより音を封
じ込めている。しかし完全に密閉することはできず、駆
動電動機や空気の圧縮に伴う発熱を冷却する必要があ
り、ファンを取付けている。しかし、この冷却風の取込
口，排出口を経由して騒音が外部に漏出するので屈曲し
た通路を設ける等によりこれを防いでいる。このように
いろいろな防音手段を講じているので装置が大きく、重
くなっており４０〜６０ｋｇであり、保守員１人では抱
えて建物の階段を上り・下りすることは難しい。 小型，軽量について 前述の静粛性を満たすための構造により装置が大きく、
重くなっているがその他の要因として、装置を小型，軽
量化するには圧力変動吸着型の酸素濃縮器の吸着剤の性
能が大きく影響する。

【０００８】 すなわち、単位重量当りの吸着量や選択
性、あるいは吸着速度などの吸着剤固有の性能が装置の
能力，性能やランニングコスト，寸法や重量に影響を強
く与える。従来は分離係数２．０〜３．０の値を有する
モレキュラーシーブスゼオライト５Ａあるいは１３Ｘの
吸着剤を充填した吸着筒が広く用いられてきた。

【０００９】 近年、米国において特公平５−２５５２
７号公報に示される高性能窒素吸着剤が開発され、小量
の原料空気で効率的に酸素を濃縮できるようになった。
しかし、かかる高性能窒素吸着剤は従来品に比べ大変高
価であると言う問題がある。特開平５−２６９３３０号
公報に吸着筒の空気の供給端部に該高性能窒素吸着剤を
充填し、続いて生産端部に従来の低性能窒素吸着剤を充
填することにより高性能ガス分離特性を維持したまま低
コストを兼備させることが出来ることを提案している。 低消費電力について

【００１０】 前記の高性能窒素吸着剤を使用する事に
より、より少ない空気により必要量の酸素を得ることが
出来るようになるのでより小さい空気圧縮機を使用する
事が出来る。すなわち主な電力消費部は空気圧縮機であ
るので、この部分の効率化を図る事が低消費電力を実現
するために大いに効果がある。装置内の発熱量も少なく
なり、冷却ファンも小型で低騒音のものが使用できるた
め騒音低減の点からも有効である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】 在宅酸素療法に使用
する静粛で小型，軽量な圧力変動吸着型の酸素濃縮器を
提供する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】 前記問題点を鋭意研究
した結果、静粛で小型，軽量な圧力変動吸着型の酸素濃
縮器を次のような手段により解決するに至った。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個の
吸着筒と該吸着筒に空気を供給するための空気圧縮機を
有する圧力変動吸着型の酸素濃縮器において、該空気圧
縮機が７０〜１５０ｋＰａの範囲の圧力が得られ、かつ
そのときの風量が１５Ｌ／分から１００Ｌ／分の範囲の
能力を有するスクロール型のオイルフリー空気圧縮機を
使用する酸素濃縮器を構成した。他のピストン型など騒
音の大きい空気圧縮機を用いると前述の如く装置の静粛
性を求める余り二重防音ボックスや冷却風の取入口，排
出口部に騒音の漏出を防ぐ為の構造物とするため、その
寸法が大きくなり重量の増大が生じている事は前述の通
りであり、ここで根本に立ち戻って騒音発生の少ない空
気圧縮機を鋭意研究した結果、音が静かで振動の少ない
特性を有するスクロール型の小型空気圧縮機を在宅酸素
療法の用途に使用して圧力変動吸着型の酸素濃縮器とし
て開発するに至った。圧力変動吸着型の酸素濃縮用とし
ては、吸着筒内の吸着剤にオイルミストが混入する空気
が入ると吸着剤の性能劣化が生ずるのでこれに使用する
空気圧縮機はその機構上で吐出空気中にオイルミストが
含まれないオイルフリー型空気圧縮機である事が重要で
ある。さもないとオイルミストを除去するための活性炭
を主体にしたフィルターを装備する必要が生ずることと
なる。ピストン型やベーン型の空気圧縮機に比べてスク
ロール型は機械的摩擦部が無いので消費電力が大幅に少
なくなる。冬期にはピストン型空気圧縮器は樹脂製ピス
トンのシール部が低温のために硬化して固くなり、摩擦
が大きくてスムーズに起動時に起動しない場合がよくあ
る。このため起動用の進相コンデンサーを追加して起動
トルクを増大させるような工夫が必要となっている。し
かし、摩擦部のないスクロール型はこの心配もなくな
り、冬期，夏期に関係なく効率良く使用できるので医療
用に適している。

【００１３】 そして吸着筒に使用する吸着剤にとって
みれば圧力は高い方が単位吸着剤当りの窒素の吸着量が
多くなり、吸着筒の寸法は小さくても良く、装置の小型
化には良い方向になる。圧力が低いと吸着剤量が多く必
要となり吸着筒の寸法が大きくなり小型化に返する方向
になる。一方、圧力が高くなると空気圧縮機を駆動する
電動機の消費電力が増えるし、吸着筒の切替排気時の排
気音が大きくなる。これ等の相矛盾する条件を試行錯誤
の結果、その圧力が７０〜１５０ｋＰａの範囲が騒音の
大きさ，吸着筒寸法，電力効率の上でのバランスが最も
良好であることが判った。更に、小型，軽量にする為に
は、酸素の発生容量的に必要最小限のものを選ぶ必要が
あり、在宅医療用として通常１分間の酸素発生量が０〜
２Ｌ，０〜３Ｌ，０〜６Ｌの容量を持つ機種がある。こ
れを最新の高性能窒素吸着剤を用いてることにより少な
い原料としての空気量でよく前記酸素発生量の３機種に
ついては、必要酸素量を得る為の空気量として１５Ｌ／
分から１００Ｌ／分の範囲のもののいずれかをスクロー
ル型のオイルフリー空気圧縮機で得ることにより十分医
療用の酸素濃縮器としての性能を満たし、かつ、防音ボ
ックスの省略ができ、冷却風用の騒音漏出防止がついた
取込通路、排出通路が削減でき、大幅に静粛で小型、軽
量化が可能となった。

【００１４】 スクロール型の空気圧縮機は可動部スク
ロールと固定部スクロールが互いに接しながら回転する
ことにより吸気・圧縮・吐出の各工程が連続して進行す
るため、脈動や圧縮トルクの変動が少なく動バランスに
優れて極めて低騒音にできる構造のものであり、更に部
品点数が少なく、高い耐久性を有しているので医療用の
如く長時間連続して使用する用途に最適の特性を有して
いることが判った。更に小型，低騒音化を図るためスク
ロール型の空気圧縮機と駆動電動機を直結した構造とし
た。又、該電動機を駆動するためインバーターすなわち
電子回路により交流電源を直流化し、更に交流化して電
動機の回転数を５０Ｈｚ，６０Ｈｚ地域に関係なく一定
にすることにより従来電動機の回転数が異なり、それに
より風量が変わり装置性能が地域により相違があったも
のを一定にするとともに、消費電力にも差異が生じてい
たものの差異を少なくする方法を取り入れた。このこと
によりスクロール型空気圧縮機の型も小さくなり、性能
も安定し、消費電力の低減も出来た。しかし、スクロー
ル型の空気圧縮機は、可動部と固定部のスクロールの形
状と寸法を決めると吐出空気容量と圧縮比が決まるの
で、一度定まったスクロール型の空気圧縮機が出来上が
るとこれで得られる圧縮空気の使用圧力や流量を消費先
で変えても電力消費は大きく変わらない特性を持ってい
るので在宅酸素療法用の圧力変動吸着型の酸素濃縮器の
用途に合わせて流量と圧力を決定する事が該用途の最適
な酸素発生量，静粛性，電力量を決める上で重要であ
る。そしてこれは今までになかったものである。この意
味合いから上記試行錯誤の結果得られた空気容量，圧力
範囲は重要である。

【００１５】 また、本発明は、前記の酸素濃縮器にお
いて、該吸着筒に高性能窒素吸着剤を充填した構成と
し、かつ該空気圧縮機が７０〜１５０ｋＰａの範囲の圧
力が得られ、かつでそのときの風量が１５Ｌ／分から１
００Ｌ／分の範囲の能力を有するスクロール型のオイル
フリー空気圧縮機を使用する酸素濃縮器を構成した。ま
た本発明は、前記の酸素濃縮器において、該吸着筒の空
気供給端部にアルミナを充填し、つづいて高性能窒素吸
着剤を充填し、該吸着筒に充填する吸着剤が２種類の吸
着剤を層別に充填した構成とし、かつ、該空気圧縮機が
７０〜１５０ｋＰａの範囲の圧力が得られ、かつそのと
きの風量が１５Ｌ／分から１００Ｌ／分の範囲の能力を
有するスクロール型のオイルフリー空気圧縮機を使用す
る酸素濃縮器を構成した。

【００１６】 前述の高性能窒素吸着剤はＳｉＯ₂ ／Ａ
ｌＯ₂ 比が２．０〜３．０であるＸ型ゼオライトであ
り、かつ、そのＡｌＯ₂ 四面体単位の少なくとも８８％
がリチウムカチオンと結合している公知の高性能窒素吸
着剤である。

【００１７】 吸着筒の空気供給端部に充填するアルミ
ナは空気中の水分を吸着する吸着剤であり、小型で医療
用の圧力変動吸着型の酸素濃縮器の場合は除湿装置をつ
けてないため多くの空気中の水分が入るので、これを空
気供給端部に配置するアルミナにより吸着除去させ、乾
いた原料空気をこれに続いて配置する高性能窒素吸着剤
で窒素を吸着除去する。アルミナ部では窒素は吸着しな
いため、アルミナの次に配置される高性能窒素吸着剤の
部分が最も窒素吸着密度の高い部分であるため、該高性
能窒素吸着剤はその性能を十分に発揮できる。

【００１８】 医療用途でその酸素発生量も少ないし、
高性能である故に使用量も少なくなるので、高価な高性
能窒素吸着剤のみをアルミナと２層にして使用しても価
格アップも少ない。以上のように前記スクロール型空気
圧縮機と高性能窒素吸着剤を組合せることにより低消費
電力化もあわせて達成するが、この結果、装置内部で発
生する熱量も少なくなり、このため冷却ファンも小型，
低騒音のものを使用することが出来るので防音ボックス
や冷却風用の騒音漏出防止のついた取込通路，排出通路
を省いた構造がとれるので静音化と軽量化を同時に実現
でき、このことは医療用酸素濃縮器にとって重要なこと
である。

【００１９】

【実施例】 以下、本発明の実施例について説明する。 「実施例１」 直径９０ｍｍ，長さ４００ｍｍの吸着筒
にモレキュラーシーブスゼオライト１３Ｘを１．３５ｋ
ｇ充填したものを２本と、７０Ｌ／分の流量が得られる
能力を有するピストン型の空気圧縮機を図１のフローシ
ートに示すように接続し動作させる。装置の防音対策は
排気用のサイレンサー１３と二重防音筐体を装備した装
置で、騒音は無響室で前方１ｍで高さは装置の２分の１
の高さで測定する。この実施例は比較のために従来技術
で構成した。 「実施例２」 直径７０ｍｍ，長さ２９０ｍｍの吸着筒
に高性能窒素吸着剤を５６０ｇ充填した吸着筒２本と、
４１．５Ｌ／分の流量が得られる性能を有するスクロー
ル型の空気圧縮機を図１のフローシートに示すように接
続し動作させる。この実施例のスクロール型の空気圧縮
機は圧力１５０ｋＰａで空気量４１．５Ｌ／分で空気圧
縮機単体の消費電力１６０Ｗで騒音レベルは４３ｄＢＡ
である。装置の防音対策は排気用のサイレンサー１３と
一重の防音を兼ねた筐体のみであり、騒音の測定は前記
の実施例１と同一の測定条件である。

【００２０】

【発明の効果】 上記実施例の結果を表１に示す。と
では大きな性能差が生じている。このように、と比
べるとの収率は良くなっている。は小型にできてお
り、装置の容積比率でのほぼ２分の１である。又１Ｌ
当りの消費電力ものほぼ２分の１である。

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例にかかる酸素濃縮器のフロー
シートである。

【符号の説明】

１ 吸入フィルター ２ 空気圧縮機 ３ 冷却コイル ４ 電磁弁 ５，６ 吸着筒 ７ 製品タンク ８，９ 流量制限手段 １０ 製品ガス吐出口 １１ 減圧弁 １２ 流量計 １３ サイレンサー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着
   剤を充填した２個の吸着筒と該吸着筒に空気を供給する
   ための空気圧縮機を有する圧力変動吸着型の酸素濃縮器
   において、該空気圧縮機が７０〜１５０ｋＰａの範囲の
   圧力が得られ、かつそのときの風量が１５Ｌ／分から１
   ００Ｌ／分の範囲の能力を有するスクロール型のオイル
   フリー空気圧縮機であることを特徴とする酸素濃縮器。
2. 【請求項２】 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着
   剤を充填した２個の吸着筒と該吸着筒に空気を供給する
   ための空気圧縮機とを有する圧力変動吸着型の酸素濃縮
   器において、該吸着筒に高性能窒素吸着剤を充填し、該
   空気圧縮機が７０〜１５０ｋＰａの範囲の圧力が得ら
   れ、かつそのときの風量が１５Ｌ／分から１００Ｌ／分
   の範囲の能力を有するスクロール型のオイルフリー空気
   圧縮機であることを特徴とする酸素濃縮器。
3. 【請求項３】 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着
   剤を充填した２個の吸着筒と該吸着筒に空気を供給する
   ための空気圧縮機を有する圧力変動吸着型の酸素濃縮器
   において、該吸着筒の空気供給端部にアルミナを充填
   し、つづいて高性能窒素吸着剤を充填した構成とし、か
   つ該空気圧縮機が７０〜１５０ｋＰａの範囲の圧力が得
   られ、かつそのときの風量が１５Ｌ／分から１００Ｌ／
   分の範囲の能力を有するスクロール型のオイルフリー空
   気圧縮機であることを特徴とする酸素濃縮器。