JP2000237318A - 医療用酸素濃縮装置 - Google Patents

医療用酸素濃縮装置

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章生 山田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 水の補充や交換を必要とせず大気圧空気レベ
ルに加湿する加湿手段を内蔵した医療用酸素濃縮装置を
提供する。 【解決手段】 吸着床からの酸素濃縮気体を加湿するた
めの水分透過膜手段と、流量制御絞り手段を具備した医
療用酸素濃縮装置において、該水分透過膜手段が該絞り
手段の上流側の領域に設置されており、装置を冷却する
空気中の水分を取り込むことを特徴とする医療用酸素濃
縮装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、大気中から酸素濃
縮気体(酸素富化空気を含む)を分離して使用するため
の酸素濃縮装置に関する。更に詳細には、圧力変動吸着
型酸素濃縮装置の加湿手段に関し、空気中の水分を利用
して加湿された酸素濃縮気体を使用者に供給できるよう
にした、改善された医療用酸素濃縮装置を提供するもの
である。
【0002】
【従来の技術】近年、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等
の呼吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、
その最も効果的な治療法の一つとして酸素吸入療法があ
り、空気中から酸素濃縮気体を直接分離する酸素濃縮装
置が開発され、使用時の利便性、保守管理の容易さから
酸素吸入療法のための治療装置として次第に普及するよ
うになって来ている。
【0003】かかる医療用酸素濃縮装置としては、酸素
選択透過膜を用いた膜分離型酸素濃縮装置と、窒素又は
酸素を選択的に吸着し得る吸着剤を用いた吸着型酸素濃
縮装置が知られている。更には、酸素イオンを選択的に
透過する固体電解質膜を利用し、電気化学的に酸素を生
成する装置なども有る。吸着型酸素濃縮装置としては、
コンプレッサーを用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が
あり、通常、窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填し
た吸着床にコンプレッサーで圧縮空気を導入して加圧状
態で窒素を吸着させることにより酸素濃縮気体を得る吸
着工程と、吸着床の内圧を減少させて窒素を脱着させ吸
着剤の再生を行う脱着工程を交互に行うことにより酸素
濃縮気体を得る装置である。
【0004】かかる圧力変動吸着法により生成された酸
素濃縮気体は、ほぼ絶乾に近い乾燥状態を示す。このよ
うな気体を使用者が呼吸用として吸入すると呼吸器、特
に鼻孔や喉の内部が乾燥し不快感を覚えたり、時に肺に
直接届いた場合には、粘膜を傷つけ、体調を害するなど
の問題点があり、この問題を防ぐ為に別途加湿する必要
がある。
【0005】かかる加湿器としては密閉された器の中に
水を入れて、その水中に酸素濃縮気体をくぐらせるバブ
リング加湿器や、その水面上を酸素濃縮気体を通過さ
せ、蒸発した水分で加湿する蒸発式加湿器がある。これ
らは、何れも水を使用し、使用者は常に加湿器内の水の
補充や交換、雑菌の発生を防ぐための洗浄と言った加湿
水の管理が必要となり、手間がかかると同時に、水交換
後の加湿器着脱部からの酸素濃縮気体洩れなど、新たな
問題を引き起こす結果となっている。
【0006】これらの不具合を解消する方法として、特
開平2−99113号公報に記載の水蒸気透過性中空糸
膜を利用し、酸素濃縮気体を加湿する膜式加湿器を備え
た酸素濃縮装置が考えられた。かかる酸素濃縮装置は原
料加圧空気中の水分、或いは吸着塔の再生ガス中の水分
を何れか使用して、酸素濃縮気体を加湿するものであ
る。
【0007】かかる装置においては、全原料加圧空気を
水蒸気透過性中空糸を装填したモジュールに供給した
後、吸着塔に供給するため、加湿度の調整が困難であ
り、特に製品酸素流量が少ない場合には、水分が過剰に
なりドレンの発生を引き起こす問題がある。
【0008】これに対して特開平5−49697号公報
に記載のように、過剰の水分を別の膜式加湿(除湿)器
を用いて除湿しドレンとして廃棄する方法や、特開平8
−196635号公報に記載のように製品酸素ガスを加
湿するルートにバイパスルートを設け、加湿度を調節す
る方法が見出されている。しかし、いずれの方法も必要
とする加湿度の制御が難しく、複数の膜式加湿(除湿)
モジュールや複雑な配管系、流量制御系を必要とするな
ど、問題点が多い。
【0009】更には、該中空糸を直接加湿水と接触さ
せ、水分を中空糸内部を流通する酸素に供給する方法と
して、特開平9−276408号公報に記載の酸素濃縮
装置が考えられた。しかし、本方式においても加湿水分
が過剰になり、ドレンの発生や加湿度調整が困難である
点、加湿水交換といった取扱い性の悪さなどの問題点が
ある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本願発明は、従来の水
分透過膜式加湿器を備えた酸素濃縮装置で生じる種々の
問題点を解消し、水の補充や交換を必要としない、且
つ、大気圧空気の相対湿度と同じレベル又はそれ以上に
加湿する呼吸用気体の加湿手段を内蔵した医療用酸素濃
縮装置を提供することを目的とする。更には、中空糸状
の水分透過膜の目詰まりを防止する加湿手段を備えた医
療用酸素濃縮装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本願出願人は、かかる課
題に対して鋭意検討した結果、中空糸膜式の加湿器の水
分供給源として原料加圧空気ではなく、大気圧の外気空
気を利用して酸素濃縮気体を加湿する装置を見出したも
のである。
【0012】即ち、本願発明は、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少なくとも1つの吸着
床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段と、該吸
着床からの酸素濃縮気体を加湿するための水分透過膜手
段と、該呼吸用気体の流量を制御する絞り手段を具備し
た医療用酸素濃縮装置において、該水分透過膜手段が該
絞り手段の上流側の領域に設置されたことを特徴とする
医療用酸素濃縮装置を提供するものである。
【0013】又本願発明は、該絞り手段の上流側の領域
が10〜50kPaの陽圧状態であることを特徴とする
医療用酸素濃縮装置を提供するものである。
【0014】更に本願発明は該絞り手段の上流側に圧力
を一定に保つ調圧手段とゴミなどの異物を除去するフィ
ルター手段を具備し、該フィルター手段と該絞り手段の
間に該水分透過膜手段を設置したことを特徴とする医療
用酸素濃縮装置を提供するものである。
【0015】
【発明の実施の形態】以下に本願発明の酸素濃縮装置の
好適な具体的実施例について、必要に応じて図面を用い
ながら説明する。但し、本願発明はこれらの実施例に限
定されるものではない。
【0016】本願発明の酸素濃縮装置の水分透過膜手段
を備えた膜式加湿器は特に限定されるものではないが、
膜の水蒸気透過原理として、大別して水蒸気分圧差を利
用して水分を透過する非多孔質の溶解拡散膜と、分子篩
作用を原理として水蒸気分子を選択透過する微多孔質膜
とが有る。
【0017】材質としてはフッ素系の樹脂膜を使用する
ことが膜の強度、水分透過効率の点で好ましい。特に旭
硝子(株)製のSUN SEP−W、デュポン社製NA
FION、宇部興産(株)製メンブレン等が好ましい。
又、本材質は抗菌性樹脂として使用される場合も多く、
医療用途には適している。但し、本物性を示す樹脂系材
料である限りフッ素系樹脂に限定されるものではない。
【0018】かかる膜は中空糸膜であり、中空糸径は内
径数μm〜数mmのものが使用されるが、あまり細いと
目詰まりの原因となり易く、特に1.0〜5.0mmのも
のを使用するのが好ましい。
【0019】中空糸の長さとしては、少なくとも10c
m以上であることが好ましく、医療用酸素濃縮装置とし
て用いる場合は、10〜100cmであるものが好まし
い。100cm以上のものを使用することも可能である
が、圧力損出が発生するので使用流量を制限するなどの
考慮が必要であり、100cm以下の中空糸を複数本並
列で用いる方が圧損低減、小型化の面で有利である。
【0020】本発明に用いる加湿器は、かかる中空糸を
用いたモジュールであって、中空糸の内側を乾燥状態の
酸素濃縮気体を通過させ、外側は大気に開放された状態
に置く。中空糸自体には強度確保の為にメッシュ構造の
補強材を備えるものが好ましい。
【0021】又、本願発明に利用する水分透過膜の特徴
として、水分透過速度には温度依存性が有り、使用環境
温度を高めることにより瞬時に目標の加湿度を得ること
が可能となる。更には、本特性を利用することにより水
分透過膜の使用本数や長さを縮小でき、比較的高価な本
水分透過膜のコストダウンにも繋がる。
【0022】本発明の酸素濃縮装置は、かかる水分透過
膜手段を絞り手段の上流側の領域に設置されたことを特
徴とするものである。かかる絞り手段の上流側は、乾燥
した酸素濃縮気体が陽圧状態にあり、加湿気体との水分
分圧差が常圧時よりも大きく確保することが出来、酸素
濃縮気体の加湿度を高めることが可能となる。更に、吸
着床から生成された酸素濃縮気体は一定幅で圧力変動を
繰り返しており、かかる絞り手段の上流側には一定の圧
力値で調圧する調圧手段を設置するのが好ましい。これ
により、圧力変動による加湿度変動を防止することが出
来、一定湿度の酸素濃縮気体を得ることが可能となる。
【0023】かかる絞り手段には、酸素濃縮気体の流量
を制御する手段を用いることが出来、オリフィスで制御
する方法が好ましい。この場合、上流側の領域をオリフ
ィス部で一定の差圧を持たせる必要があり、10〜50
kPaの陽圧状態を保持するのが好ましい。
【0024】また、かかる絞り手段の上流側には、オリ
フィス部にゴミなどの異物が侵入するのを防ぐ為、異物
除去フィルター手段を設置し、特に、絞り手段および水
分透過膜手段の上流側にかかるフィルター手段を設置す
るのが好ましい。これにより、中空糸状水分透過膜手段
の目詰まりや膜表面の汚れを防止することが出来、水分
透過効率の低下を防ぐことが出来る。
【0025】また、本願発明の酸素濃縮装置に用いられ
る該空気供給手段が、吸着工程においては該吸着床に原
料空気を供給するためのコンプレッサー手段として機能
する酸素濃縮装置が用いられる。
【0026】更に本願発明を利用した酸素濃縮装置で
は、該吸着床が1基または2基以上のいずれであっても
よいが、医療用の小型酸素濃縮装置の場合には特に1基
の場合が装置全体をコンパクトにしやすい点、濃縮効率
が高い点、耐久性の面からも優れている。
【0027】また、通常、酸素濃縮装置内にはコンプレ
ッサーや吸着床など装置内の温度を一定にする為、冷却
ファンが使用されているが、かかる冷却風を本発明の装
置の水分透過膜手段の大気側に当てるように構成するこ
とや、吸着床の脱着工程で発生する水分リッチな脱着空
気を本発明の装置の膜式加湿器の大気側に当てるように
構成するのが、加湿度を得る為には好ましい。
【0028】本発明は、膜式加湿器を備えた圧力変動吸
着型酸素濃縮装置であるが、乾燥気体である酸素ボンベ
を供給源とする酸素供給装置、固体電解質膜を酸素供給
源とする酸素供給装置に対しても応用することは可能で
ある。
【0029】
【実施例】以下、図面を用いて更に詳細に説明する。図
1に本願発明の好ましい態様を示す。即ち、窒素を選択
的に吸着する吸着剤としてゼオライト系吸着剤を充填し
た1個の吸着塔に加圧空気を供給するコンプレッサーを
備え、非吸着の濃縮酸素をサージタンクに貯留後、オリ
フィス流量設定器の上流に圧力を一定に保つ調圧弁及び
フィルターを通過した酸素濃縮気体が水分透過性中空糸
膜を備えた加湿手段を通って加湿され、流量設定器で流
量調節後、患者に酸素が供給される。
【0030】かかる水分気透過性中空糸膜としては、水
蒸気分圧差を利用して水分を透過する非多孔質のフッ素
樹脂系溶解拡散膜(デュポン社製NAFION)を用い
る。内径1.5mm、長さ60cmの中空糸6本を並列
な束として用いた。加湿手段は医療用酸素濃縮装置内部
で冷却ファンにより外気空気と接触している。
【0031】図2にかかる酸素濃縮装置から供給される
酸素濃縮気体の加湿度を示す。横軸に医療用酸素濃縮装
置の流量設定値、縦軸に酸素濃縮気体の加湿度を示す。
この結果、本発明の酸素濃縮装置は、各設定流量におい
て、運転環境湿度付近まで加湿された酸素濃縮気体を供
給することが可能である。
【0032】
【発明の効果】本願発明の酸素濃縮装置においては、中
空糸膜式加湿器を用い、水分補給する必要なく医療用酸
素濃縮空気を加湿することができる。更に、本願発明の
酸素濃縮装置の加湿手段においては、特別に加湿量調整
のための流量制御系なしに、患者に供給される酸素濃縮
空気は大気中の空気とほぼ同じ加湿度を示すことができ
る。
【0033】かかる酸素濃縮空気は、外気の湿度の変化
によって当然に酸素濃縮空気の湿度も変化するが、通常
の人が呼吸している空気と同じレベルの加湿度を維持す
ることができる。但し、酸素濃縮空気の流れによる乾燥
効果もあることから、酸素濃縮装置の酸素濃縮空気供給
流量としては、5L/分以下で用いることが好ましい。
【0034】更に、外気環境湿度よりも高い加湿度の酸
素濃縮気体が必要な場合には、従来から用いられている
加湿方式(蒸発式、バブリング式等)と組合わせること
も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の医療用酸素濃縮装置の構成を示す概略
図。
【図2】本発明の医療用酸素濃縮装置の加湿手段で加湿
した酸素濃縮気体の加湿特性。
フロントページの続き Fターム(参考) 4D006 GA41 HA03 HA18 JA02B JA51A JA65A KA02 KA03 KB12 KB14 KD09 KE02R KE03Q KE08R KE16Q MA01 MA33 MB03 MB19 MC28X PA10 PB17 PB65 PC41 4D052 EA02 FA08 GB02

Claims (4)

    【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し得る吸
    着剤を充填した少なくとも1つの吸着床と、該吸着床へ
    空気を供給する空気供給手段と、該吸着床からの酸素濃
    縮気体を加湿するための水分透過膜手段と、該酸素濃縮
    気体の流量を制御する絞り手段を具備した医療用酸素濃
    縮装置において、該水分透過膜手段が該絞り手段の上流
    側の領域に設置されており、大気圧の空気中の水分を取
    り込むことを特徴とする医療用酸素濃縮装置。
  2. 【請求項2】 該空気が、装置を冷却する空気および/
    又は該吸着床の脱着空気であることを特徴とする請求項
    1記載の医療用酸素濃縮装置。
  3. 【請求項3】 該絞り手段の上流側の領域の酸素濃縮気
    体が、10〜50kPaの陽圧状態に保持されているこ
    とを特徴とする請求項1、2に記載の医療用酸素濃縮装
    置。
  4. 【請求項4】 該絞り手段の上流側に圧力を一定に保つ
    調圧手段と異物を除去するフィルター手段を具備し、該
    フィルター手段と該絞り手段の間に該水分透過膜手段を
    設置したことを特徴とする請求項1〜3に記載の医療用
    酸素濃縮装置。
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