JP2001087616A - 高濃度酸素発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価に酸素を発生できるＰＳＡ装置を用い、
これにアルゴンガスを分離排出し、酸素を濃縮する設備
を連結配備して、99.5％以上の濃度の酸素を得られる高
濃度酸素発生装置を提供すること。 【解決手段】 圧力スイング法を使用して連続的に高濃
度酸素ガスを得る酸素発生装置Ａにおける酸素ガス出口
に、アルゴンガスを通過排出し酸素成分のみを選択的に
吸着する吸着剤を充填した複数個の吸着塔B1，B2から成
る真空酸素濃縮装置Ｂを連結配備し、前記酸素発生装置
Ａの酸素出口から酸素ガスを導入し、アルゴンガスを除
去した酸素ガスを真空ポンプにより吸引して、純粋な酸
素のみを脱離させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として医療用に
使用して有用な高濃度酸素発生装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、酸素の供給を必要とする患者に酸
素を供給する装置として、圧力スイング方法を用いた装
置（以下、ＰＳＡ装置という）が医療用の酸素供給装置
として普及してきている。この装置は２塔式のもので、
発生する酸素濃度は94〜96％であり、医師が認定した患
者にのみ酸素を供給するのに使用されている。

【０００３】一般に、酸素を必要とする患者は、重度の
疾患を持った入院患者と軽度の肺機能障害を持つ在宅治
療可能な患者とに大別され、軽度な肺気腫患者等は在宅
治療の対象となっており、現在、３万人以上の患者が在
宅での治療を受けているが、使用される酸素濃度につい
て、法律により99.5％以上と規定されているため、上記
の酸素供給装置の発生する酸素を購入して使用すること
ができない。

【０００４】而して、酸素を必要とする患者に対する酸
素の供給方法としては、小型酸素ボンベによる方法、上
記の酸素発生装置による方法、及び液化酸素の供給によ
る方法との３種があるが、小型酸素ボンベと液化酸素に
よる方法は、移動には便利であるが、定期的に酸素の供
給を受けなければならないという煩わしさがあり、一
方、酸素発生装置による方法は、電源が必要なため、電
源のないところでは使用できないが、酸素の定期的な供
給を必要としない点で優れた方法とされている。

【０００５】然し乍ら、従来のＰＳＡ装置においては、
原理上、濃縮酸素に４％程度含まれるアルゴンガスの分
離ができないので、２塔式のＰＳＡ装置で得られる酸素
の濃度は約96％止まりであり、それ以上の濃度を得るこ
とは殆ど不可能であるため、病院で使用されている酸素
の配管に接続できないばかりでなく、ＰＳＡ装置で得ら
れた酸素ガスをメータで計量し、販売できない等の問題
点がある。

【０００６】また、ＰＳＡ装置により、99％以上の濃度
の酸素に濃縮処理するには、吸着塔を６塔使用した操作
が必要とされるため、酸素製造費が高価なものとならざ
るを得ず、酸素製造費を液体酸素と同等又はそれ以下に
するためには、更に複雑なシステムが必要であるとされ
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述のような
従来技術に鑑み、安価に酸素を発生できるＰＳＡ装置を
用い、これにアルゴンガスを分離排出し、酸素を濃縮す
る設備を連結配備して、99.5％以上の濃度の酸素を得ら
れる高濃度酸素発生装置を提供することを、その課題と
するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
を目的としてなされた本発明高濃度酸素発生装置の構成
は、圧力スイング法を使用して連続的に高濃度酸素ガス
を得る酸素発生装置における酸素ガス出口に、アルゴン
ガスを通過排出し酸素成分のみを選択的に吸着する吸着
剤を充填した複数個の吸着塔から成る真空酸素濃縮装置
を連結配備し、前記酸素発生装置の酸素ガス出口から酸
素ガスを導入し、アルゴンガスを除去した酸素ガスを真
空下で吸引して、純粋な酸素のみを脱離させるようにし
たことを特徴とするものである。

【０００９】上記装置における真空酸素濃縮装置は、ア
ルゴンガスを通過排出し酸素成分のみを選択的に吸着す
る吸着剤を充填した複数個の吸着塔を自動弁等の弁によ
り並列に連結し、それら弁を交互に切り換えることによ
り、酸素発生装置への加圧空気の導入と前記吸着塔から
の真空による酸素回収とを連続的に行い、吸着塔を通過
したアルゴンガスを連続排気できるようにすると共に、
吸着塔の吸着−減圧再生の切り換えをタイマにより行っ
て、連続的に酸素を得るようにすれば、効率的に高濃度
の酸素を発生することができる。

【００１０】また、アルゴンガスを通過排出し酸素成分
のみを選択的に吸着する吸着剤としては、例えば、窒素
吸着能を有する合成ゼオライト（全量の1/3）と、酸素
吸着能を有する活性炭（全量の2/3）を混合したり、両
吸着剤を等量ずつ２層に充填するようにしてもよい。以
下、合成ゼオライトとしては、東ソー製のA4、昭和ユノ
ックス製のA4が適し、分子ふるいカーボンとしては、武
田薬品工業製の3A型が適している。

【００１１】更に、吸着塔の変動する真空排気側製品酸
素を特殊容器、例えば、内部に弾性ゴム風船を内蔵した
容器に受入れて、流量に変動を起こさない酸素製品ガス
を得るようにすれば、製品酸素として移動が容易であ
り、また、販売することも可能となる。

【００１２】而して、真空酸素濃縮装置は、次のような
工程により実施される。 (1) 加圧工程 １サイクル内で供給される加圧原料酸素量は、設定圧力
で全吸着剤の空間とその圧力で吸着される酸素量の和と
する。供給された原料酸素は、吸着剤でまず真空25mmHg
から760mmHgまで昇圧し、残ガスと完全に混合して吸着
平衡に達する。 (2) 吸着工程 上記のように吸着平衡に達した吸着剤空間のガスは、排
気弁に達し、アルゴンガスと酸素の一部が排気される
が、吸着塔内は均圧化され、吸着量はそのまま保持され
る。なお、排気されるアルゴンガスを含んだ酸素は、こ
れを前段の酸素発生装置の吸着剤の脱着に使用するよう
にしてもよい。こうすることにより、前記脱着時に使用
する製品酸素の使用量を低減できるので、経済面から望
ましい。 (3) 均圧工程 吸着塔は減圧した真空再生が完了した他塔と均圧化さ
れ、空間残存ガスと共に吸着剤の吸着成分は残存空間ガ
スと混合して他塔で平衡する。 (4) 真空脱離工程 真空ポンプにより吸着剤層の吸着ガスは脱離して排出さ
れ、特許請求の範囲のバファータンク（内部ゴム容器
付）を経て製品ガスとなり、その酸素濃度は99.5％以上
となる。原料酸素ガスの量により製品酸素の濃度は異な
ってくるが、均圧工程がない場合は、減圧工程のガス濃
度99.2％が保持される。

【００１３】実際に、市販のＰＳＡ法による酸素発生装
置により、製品量を種々変えて酸素を濃縮する実験を行
ったところ、3.5リットル／minのとき、濃度99.5％以上
の酸素が2リットル／minに濃縮されることが判明した。

【００１４】また、実験により、吸着剤を複合して充填
する本発明高濃度酸素発生装置は、種々の装置的工夫を
加えることにより、更に製品濃度及び収率を改善できる
ことが明らかとなった。即ち、吸着工程では合成ゼオラ
イトの比率を大幅に増加させると、出口酸素濃度が改善
される。これは、合成ゼオライトはアルゴンガスを全く
吸着しないためと考えられ、酸素吸着量は減少し、酸素
収率も減少するが、ＭＳＣはアルゴンを共吸着する一
方、酸素の吸着量は合成ゼオライトの３倍以上であるの
で、分離性能より回収率に優れることが明白になったの
である。

【００１５】然し乍ら、均圧工程では、上記とは逆に主
として合成ゼオライトが圧力減少と同時に100％近くの
酸素をより早く脱離するから、順方向流にすることによ
り、ＭＳＣ中のアルゴンを洗浄しながら他塔の圧力と均
圧させることにより、吸着層から高濃度の製品ガスを連
続的に減圧脱離できるので、製品タンクからの逆流使用
を全く必要としない。

【００１６】本発明における真空酸素濃縮装置によれ
ば、吸着塔における排気損失する酸素量の値を最小に設
定できるので、収率を最大限に設定することが期待でき
る。具体的には吸着塔内に酸素が供給されており、酸素
が飽和に達しない間は出口流量は基本的に零であるが、
飽和に達するやいなや排気流量は上昇する。このとき、
アルゴンガスの濃度は実に30％に達する。吸着剤がＭＳ
Ｃだけの場合は、アルゴンガスの濃度は６〜12％に過ぎ
ない。従って、複合吸着層を使用すれば、原料酸素を無
駄に消費しなくてすむので、収率は増大するのである。

【００１７】

【発明の実施の形態】次ぎに、本発明の実施の形態例を
頭により説明する。図１は本発明装置の一例の系統図、
図２は真空酸素濃縮装置による切り換え時間と酸素濃度
の関係を示す図表、図３は真空酸素濃縮装置における入
り口濃度と出口濃度の関係を示す図表である。

【００１８】図において、Ａは吸着塔A1，A2を具えた市
販の２塔式ＰＳＡ酸素発生装置で、それら吸着塔は、そ
の下部を４個の電磁弁d1，d2，d3，d4、上部を２個の電
磁弁d5，d6により連結されており、また、吸着塔A1，A2
の内部には吸着剤として合成ゼオライトが充填されてい
る。いま、吸着塔A1では吸着工程が、吸着塔A2では脱着
再生工程がそれぞれ行われているとすると、コンプレッ
サＣから圧送された加圧空気は電磁弁d1から吸着塔A1内
に導入され、吸着材層を通り濃度の高い酸素となって、
その大部分は電磁弁d5，逆止弁d7及び流量計ｆを通り、
タンクＴ内に送られる。また、前記酸素の一部は電磁弁
d6を通って吸着塔A2内に導入され、吸着剤が吸着してい
る窒素等の吸着物を脱着し、排ガスとして系外に排出す
るようになっており、吸着塔A1，A2をタイマにより一定
時間ごとに切り換えて、交互に吸着と脱着再生を行うこ
とにより、連続的に濃度約95％の高濃度酸素を発生し、
発生された酸素はタンクＴに貯留されるようになってい
る。なお、吸着塔A1，A2は直径６cm、高さ45cmであり、
図におけるｇはタンクＴに付設したガスメータである。
また、d8，d9は、後述する真空酸素濃縮装置の排気管か
ら排出されるアルゴンガスを含んだ酸素を吸着塔A1，A2
における吸着剤の脱着に使用するために設けた逆止弁で
ある。

【００１９】Ｂは吸着塔B1，B2を具えた真空酸素濃縮装
置で、それら吸着塔は、直径６cm、高さ25cmで、これら
吸着塔に吸着剤として、分子ふるいカーボンと合成ゼオ
ライトを120ｇずつを混合充填してあり、４個の電磁弁e
1，e2，e3，e4により並列に連結し、各塔の出口には逆
止弁機能を具えた排気弁e5，e6を設置してあり、これを
前記ＰＳＡ酸素発生装置ＡにタンクＴを介して連結して
ある。なお、図におけるＶは真空ポンプ、f1は流量計、
ｇ，g1は酸素ガスメータである。

【００２０】いま、吸着塔B1では吸着工程が、吸着塔B2
では脱着再生工程がそれぞれ行われているとすると、タ
ンクＴ内の酸素は、電磁弁e3からまず吸着塔B1に導入さ
れて該吸着塔B1内を上昇し、合成ゼオライトにより窒素
が吸着され、分子ふるいカーボンにより酸素が吸着され
ると共に、アルゴンガスは一部の酸素と共に塔上部から
排気弁e5を通って系外に排出され、一方、前工程で電磁
弁e4を通って吸着塔B2内に導入された酸素は、該吸着塔
B2の下部から電磁弁e2を通り真空ポンプＶに吸引され
て、流量計f1，酸素ガスメータｇを通り、製品酸素とし
て回収されるようになっており、吸着塔B1，B2を一定時
間ごとに切り換えて、交互に吸着濃縮と脱着再生を行う
ことにより、連続的に濃度が99.5％以上の酸素を得るこ
とができるようになっている。なお、排気弁e5，e6から
排出されるアルゴンガスを含んだ酸素は、これを酸素発
生装置Ａの逆止弁d8，d9に送り込み、吸着塔A1，A2にお
ける吸着剤の脱着に使用するようにすると、酸素発生装
置Ａにおける製品酸素の使用量を低減できる。

【００２１】実際に、本発明装置を、真空酸素濃縮装置
Ｂを吸着時間60秒、真空脱離時間60秒で連続操作し、酸
素発生装置Ａの吸着塔の出口ガスの酸素濃度と、真空酸
素濃縮装置Ｂの製品酸素濃度と収率を、脱圧次官を種々
変えて測定したところ、表１に示すとおりであった。

【００２２】

【表１】

【００２３】また、真空酸素濃縮装置Ｂの入口流量を3.
0リットル/minで一定とし、吸着塔B1，B2の吸脱着にお
ける切換時間を、30，50，70，90，110秒と変化させた
ときに発生される製品ガス濃度（酸素濃度）を測定した
ところ、図２の図表に示すとおりであった。この結果か
ら、切換時間70秒のとき、平均99.4％（99.7％〜99.1
％）と最も高濃度の酸素を得られること、及び、切換時
間を更に長くすると、酸素濃度は低下して行くことが分
かった。

【００２４】更に、図２の結果から、切換時間70秒で、
前記装置Ｂの入り口濃度と製品ガス濃度（出口濃度）を
比較したところ、図３の図表に示すとおりであった。こ
の結果から、入口流量３〜４リットル/minのとき、入口
濃度の低下にかかわらず、高濃度の酸素が得られるこ
と、及び、この装置Ｂにおいては、入口流量と入口濃度
の関係から、得られる酸素濃度は入口の酸素濃度に依存
することが分かった。

【００２５】

【発明の効果】本発明は上述の通りであって、圧力スイ
ング法を使用して連続的に高濃度酸素ガスを得る酸素発
生装置における酸素ガス出口に、アルゴンガスを通過排
出し酸素成分のみを選択的に吸着する吸着剤を充填した
複数個の吸着塔から成る真空酸素濃縮装置を連結配備
し、前記酸素発生装置の酸素ガス出口から酸素ガスを導
入し、アルゴンガスを排出した酸素ガスを真空下で吸引
して、純粋な酸素のみを脱離させるようにしたから、濃
度99.5％の高濃度酸素を発生することができるばかりで
なく、製品酸素を逆流パージさせる必要がないので、収
率を大幅に増加することができて、従来の液化酸素に匹
敵する価格の酸素を得ることができる。

【００２６】更に、製品酸素を特殊容器、例えば、内部
に弾性ゴム風船を内蔵した容器に受入れて、流量に変動
を起こさない酸素製品ガスを得るようにすれば、製品酸
素として移動が容易であり、また、販売に供することも
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の一例の系統図。

【図２】真空酸素濃縮装置による切り換え時間と酸素濃
度の関係を示す図表。

【図３】真空酸素濃縮装置における入り口濃度と出口濃
度の関係を示す図表。

【符号の説明】

Ａ ＰＳＡ酸素発生装置 A1，A2 吸着塔 Ｂ 真空酸素濃縮装置 B1，B2 吸着塔 Ｃ コンプレッサ d1，d2，d3，d4 電磁弁 d5，d6 排気弁 d7，d8，d9 逆止弁 e1，e2，e3，e4 電磁弁 e5，e6 排気弁 ｆ，f' 流量計 ｇ，g' ガスメータ Ｔ 原料酸素タンク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 香川 詔士 神奈川県横浜市港南区港南台５−２−203 Ｆターム(参考） 2E185 BA02 BA16 CB07 CB18 4D012 CA05 CB01 CD07 CE01 CF01 CG01 CG10 CH03 CJ02 CK10 4G042 BA15 BB02 BC04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力スイング法を使用して連続的に高濃
   度酸素ガスを得る酸素発生装置における酸素ガス出口
   に、アルゴンガスを通過排出し酸素成分のみを選択的に
   吸着する吸着剤を充填した複数個の吸着塔から成る真空
   酸素濃縮装置を連結配備し、前記酸素発生装置の酸素出
   口から酸素ガスを導入し、アルゴンガスを除去した酸素
   ガスを真空下で吸引して、純粋な酸素のみを脱離させる
   ようにしたことを特徴とする高濃度酸素発生装置。
2. 【請求項２】 真空酸素濃縮装置は、アルゴンガスを通
   過排出し酸素成分のみを選択的に吸着する吸着剤を充填
   した複数個の吸着塔を自動弁等の弁により並列に連結
   し、それら弁を交互に切り換えることにより、酸素発生
   装置への加圧空気の導入と前記吸着塔からの真空による
   酸素回収とを連続的に行い、吸着塔を通過したアルゴン
   ガスを連続排気できるようにすると共に、吸着塔の吸着
   −減圧再生の切り換えをタイマにより行って、連続的に
   酸素を得るようにした請求項１に記載の高濃度酸素発生
   装置。
3. 【請求項３】 吸着塔に、性能の異なる複数種の吸着剤
   を充填した請求項１又は２に記載の高濃度酸素発生装
   置。
4. 【請求項４】 吸着塔の変動する真空排気側製品酸素を
   特殊容器に受入れて、変動のない酸素製品ガスを得るよ
   うにした請求項１〜３のいずれかに記載の高濃度酸素発
   生装置。
5. 【請求項５】 真空酸素濃縮装置から排出されたアルゴ
   ンガスを含む酸素を酸素発生装置の吸着剤の脱着に使用
   するようにした請求項１〜４のいずれかに記載の高濃度
   酸素発生装置。