JP2004081864A - 酸素濃縮システム、および酸素濃度を高める方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素の使用量の変化による酸素濃度の変動を抑え、しかも使用量の変化に対応できるような酸素を供給し、併せて医療用空気を提供する酸素濃縮システムを提供する。
【解決手段】プレナムを用いて酸素を供給する酸素濃縮システムであり、酸素濃縮サブシステムは、酸素圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法を用いた１対の酸素分離筒を有することができる。酸素濃縮サブシステムとプレナムの間で酸素の流量を測定し、調整し、かつ酸素濃縮サブシステムからプレナムの方向にのみ流すようにして、また酸素濃縮サブシステムがプレナムより圧が高いときプレナムに酸素が少しずつ流れるようにしてある。またプレナムバイパス弁が設置され、酸素を酸素濃縮システムからプレナムを経由しないで直接流せるようにすることができ、またプレナム排出逆止弁が設置されて、酸素が多く必要とするときプレナムから酸素が流れるようにすることができる。
【選択図】図５

Description

　本発明は、酸素濃縮システム、特に酸素濃度を高めた空気（以降、「酸素」と記す）、医療用空気を発生させるシステム、及び空気の酸素濃度を高める方法に関するものである。

　病院など医療機関では、治療用に、あるいは医療機器を動かすのに酸素、医療用空気を必要としている。このような要求に対して、酸素濃縮システムで酸素濃度を高めたり、高圧ガスシステムにより酸素を確保し、フィルターシステムで医療用空気を確保している。

　空気を原料として、酸素及び窒素の両成分を分離し、それぞれ回収する方法として、吸着剤を使用して分離する圧力変動吸着（ＰＳＡ）法による分離方法が、近年広く採用されている。この方法は、例えば吸着剤としてゼオライトを使用して、吸着筒に空気を加圧して流通せしめて易吸着成分である窒素を吸着剤に吸着固定させ、難吸着成分である酸素が吸着筒を通過して流出する工程、次いで吸着筒を前記工程よりも低い圧力にして窒素を脱着させる工程、を順次繰り返して酸素と窒素に分離するものである〔特許文献１、２参照〕。

特開２００２−３０６９１８号公報 米国特許４，９４８，３９１号明細書

　本発明は、酸素の使用量の変化による酸素濃度の変動を抑え、しかも使用量の変化に対応できるような酸素を供給し、併せて医療用空気を提供する酸素濃縮システムを提供することにある。

　かかる目的を達成すべく、本発明の酸素濃縮サブシステムは、プレナムを用いて酸素を供給する酸素濃縮システムであり、酸素濃縮サブシステムは、酸素圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法を用いた１対の酸素分離筒を有することができる。

　この酸素濃縮システムは、酸素濃縮サブシステムとプレナムの間で酸素の流量を測定し、調整し、かつ酸素濃縮サブシステムからプレナムの方向にのみ流すようにして、また酸素濃縮サブシステムがプレナムより圧が高いときプレナムに酸素が少しずつ流れるようにしている。

　この酸素濃縮システムには、プレナムバイパス弁が設置され、酸素を酸素濃縮システムからプレナムを経由しないで直接流せるようにすることができ、またプレナム排出逆止弁が設置されて、酸素が多く必要とするときプレナムから酸素が流れるようにすることができる。

　酸素ラインには、酸素センサーと接続して絶対圧調整器が設置され、高度に関係なく圧力を調整できるようにすることができる。

　さらに、医療用空気サブシステムが設置され、システム入口から受入れた空気を医療用空気として供給することができる。

　本発明は、さらに上記酸素濃縮システムを用いて酸素濃度を高める方法である。

　本発明の効果として、酸素の使用量の増減に応えて安定した品質の酸素を供給することができ、また医療用空気を供給することができる。

　図１〜４は、酸素濃縮システムにおける気体の流れを説明するダイアグラムであり、図１は酸素濃縮システム１００の酸素分離筒、空気処理筒がある分離・処理モジュール５０における流れ、図２，３はプレナムシステム３０における流れ、図４はフロントパネル・アッセンブリー４０における流れを示している。図５は、酸素濃縮システムの一部についてその流れを詳細に示している。

　まず、外部空気がプレナムシステム３０に導入される。プレナムシステム３０に入ると、安全弁ＲＶ１があり、システムの圧力が所定限界を超えないように保護している。同じく、安全弁ＲＶ２〜ＲＶ４があり圧力の限界を超えないように保護している。プレナムシステム３０に導入された空気は、フィルターＦＬＴＲ１、ＦＬＴＲ２、さらに圧力調整弁ＲＥＧ１を通り、電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ１３に流れていく。

　分離・処理モジュール５０にある電磁弁ＳＶ１は三方弁で、医療用空気モジュールＡＩＲ−１、ＡＩＲ−２にそれぞれ流れるようになっている。電磁弁ＳＶ１３とＳＶ２も同様三方弁で、酸素モジュールＯ_２−１とＯ_２−２、Ｏ_２−３とＯ_２−４のそれぞれに流れている。

　医療用空気モジュールＡＩＲ−１、ＡＩＲ−２にはそれぞれ、電磁弁ＳＶ７とＳＶ８があり、これらは三方弁であり選択的に空気処理筒１、２に空気が送る。同様に、酸素モジュールＯ２−１〜Ｏ２−４のそれぞれにも電磁弁ＳＶ９〜ＳＶ１１があり、選択的に空気を酸素分離筒１〜４に送る。電磁弁ＳＶ８〜ＳＶ１３のそれぞれで、空気処理筒１、２あるいは酸素分離筒１〜４に流れなかった空気は、マフラー（ＭＵＦ）からプレナムシステム３０の排出口に流れ外部に排出される。酸素分離筒１と２間にはオリフィスＯＲＦ５が、酸素分離筒３と４間にはオリフィスＯＲＦ６が、空気処理筒１と２の間にはオリフィスＯＲＦ７がある。空気処理筒１、２、酸素分離筒１、２、３、４のそれぞれには逆止弁ＣＶ１〜ＣＶ６があり、空気の逆流を抑えている。

　空気処理筒１、２を出た空気は、逆止弁ＣＶ５、ＣＶ６を経て直列に接続されたフィルターＦＬＴ３、ＦＬＴ４を経て、さらに電磁弁ＳＶ６、圧力調整弁ＲＥＧ４を経て医療用空気ラインからフロントパネル・アセンブル４０に流れる。医療用空気のバックアップは、例えば圧縮タンクであり、電磁弁ＳＶ６に接続され、酸素濃縮システムが故障したときも連続的に医療用空気が供給できるようにされている。

　医療用空気は、オリフィスＯＲＦ４を介して一酸化炭素センサー１２０、露点センサー１３０が設置され、一酸化炭素濃度、露点をそれぞれ測定できるようにしてある。この他、安全弁ＲＶ２、医療用空気ラインでの低圧を感知する圧力スイッチＰＳＷ２、フロントパネルアセンブル４０上に圧力計Ｇ３が備えられ、さらに電磁弁ＳＶ５を介して選択的に酸素センサー１４０に接続して酸素濃度が測定できるようになっている。酸素センサー１４０には、圧力調整弁ＲＥＧ６がある。以上の経路で流れてきた医療用空気ラインは、マニフォルドにより分けられ４つの弁Ｖ５〜Ｖ８より医療用空気出口ＡＩＲ・ＯＵＴ１〜ＡＩＲ・ＯＵＴ４にそれぞれ結ばれ、使用に供される。

　一方、酸素分離筒１、２から出た酸素は、両分離筒からの流路を一緒にしてオリフィスＯＲＦ１を経て、また酸素分離筒３、４も同様一緒にしてオリフィスＯＲＦ２を経て、これらはさらに一つになって、圧力調整弁ＲＥＧ２、フィルターＦＬＴ５を経てプレナム１１０に流れていく。プレナム１１０からの出側は、電磁弁ＳＶ４、圧力調整弁ＲＥＧ３を経てフロントパネルアセンブル４０上の酸素ラインに、また別途、圧力調整弁ＲＥＧ３の後フィルターＦＬＴ６、圧力調整弁ＲＥＧ５を経てフロントパネル・アセンブル４０上の低圧酸素ラインにつながっている。

　フロントパネルアセンブル４０上の酸素ラインは、マニフォルドにより分けられ４つの弁Ｖ１〜Ｖ４より酸素出口Ｏ_２ＯＵＴ１〜Ｏ_２ＯＵＴ４にそれぞれ結ばれ、ここから酸素が使用に供される。フロントパネルアセンブル４０上にある圧力計Ｇ２は、酸素ラインの圧力を表示している。

　プレナム１１０の出側のラインは、またプレナムの圧力計Ｇ１、圧力スイッチＰＳＷ４、オリフィスＯＲＦ３、電磁弁ＳＶ３、弁Ｖ９を経てシステムの排出口につながり、プレナム１１０をパージするときに使用される。また、酸素のバックアップとして、電磁弁ＳＶ４を介して圧縮酸素が導入され、酸素濃縮システムが故障したときにも連続して酸素を供給できるようにしている。この他、低圧警告スイッチＰＳＷ１、安全弁ＲＶ３、ＲＶ４が装備されている。

　低圧酸素は、それぞれ逆止弁ＣＶ７、ＣＶ８、流量計ＦＬＭ１、ＦＬＭ２を経て低圧酸素出口ＬＯＷ−Ｐ・Ｏ_２ＯＵＴ１〜ＬＯＷ−Ｐ・Ｏ_２ＯＵＴ２に流れ、使用に供される。

　図５により、本発明の酸素濃縮システムを実施する方法を以下に述べる。外部空気が、空気導入口から導入されると、まずフィルターＦＬＴ１、ＦＬＴ２を通って空気中の粒子および水分が除かれる。圧力調整弁ＲＥＧ１は、入ってくる空気の圧力を一定に、例えば８０ｐｓｉｇに調整している。図中ＤＲＡＩＮとあるラインは、水分を排出合流部（ＥＸＨＡＵＳＴ　ＳＵＭ）を通って外部排出口（ＥＸＨＡＵＳＴ）に導くものである。

　酸素濃縮サブシステム１、２には、それぞれ酸素分離筒１と２、酸素分離筒３と４がある。それぞれの酸素分離筒は、モレキュラシーブが充填された圧力スイング方式により空気から酸素を分離している。各システムは、９３±３％純度の酸素を発生することができ、例えば１０Ｌ／分量の酸素が発生できるように設計されている。

　医療用空気サブシステム１、２は、圧力スイング方式で動かす活性アルミナを充填して空気を乾燥させる空気処理筒、粒子を除くミクロンフィルター、活性炭などによる脱臭フィルターで構成されている。この医療用空気サブシステムは、例えば１５０Ｌ／分で医療用空気を供給できるように設計されている。

　図６は、酸素分離筒１〜４のサイクルを説明しており、代表的には全サイクル時間が約１２秒で、そのうち酸素を出すのはその約５５％で、後の４５％は酸素が出ない期間になっている。酸素分離筒１と２で酸素を出す期間に重なり部分があり、酸素分離筒３と４も同様重なり部分がある。ＰＳＡサブシステムを２系列もつことで、酸素の需要が所定の値以下になったとき１系列のみの運転とし、酸素の需要が所定の値を超えたとき２系列の運転にすることができ、操作に幅を持たせることができる。

　同様にして空気処理筒１、２も所定の空気が取出せる期間のサイクルがある。空気処理筒の全サイクル時間は、約４８秒と酸素分離筒の全サイクルの４倍程度にすることができる。

　図７は、空気処理筒と酸素分離筒のサイクルの同期を示すダイアグラムである。空気処理筒と酸素分離筒は互いに完全に同期させる必要はないが、このような関係にしておいた方がモニターコントローラー２００を簡略にすることができる。

　モニターコントローラー２００は、電源入力／出力パネル２１０と連動して、システム中の種々の弁を作動させる機能を有している。さらに、一酸化炭素センサー１２０、露点センサー１３０、酸素センサー１４０、電磁弁ＳＶ５と連動して、酸素中の酸素濃度、医療用空気の露点、一酸化炭素濃度、酸素濃度をモニターすることができる。モニターコントローラー２００によるシステムの状況に依り、電源入力／出力パネル２１０上にはデジタルあるいはＬＥＤにより現在の状況を表示することができる。

　酸素センサー１４０は、高度により影響を受けるので、絶対圧力調整器ＲＥＧ６が装備され、酸素センサーのチャンバーの圧力を比較的一定に、例えば１６ｐｓｉｇに保つことができる。このようにすることによって補正をせずにどの高度の所でも酸素濃度を測定することができるようになる。

　本発明の酸素濃縮システムは、静かな環境が要求される病院で使用されることがあるので、マフラー（ＭＵＦ）を装備して、酸素濃縮サブシステム１、２や医療用空気サブシステムから出る騒音を減らしている。

　システムの運転を開始するとき、プレナム１１０に残圧がない場合、モニターコントローラー２００は、まずバイパス弁ＢＰＶを閉じて、ダンプ弁ＳＶ３を開けてプレナム１１０中に残っている空気を全て酸素濃縮サブシステム１、２からの酸素で置換させる。

　酸素濃縮サブシステム１、２が稼動して酸素を分離し、これを逆止弁ＣＶ１〜ＣＶ４、オリフィスＯＲＦ１〜ＯＲＦ２、プレナム１１０を経て流れる。このとき、プレナム１１０から出る酸素の濃度が、酸素センサー１４０によって測定される。

　酸素濃度が所定の値に達していることが確認されてから、ダンプ弁ＳＶ３を閉じ、酸素濃縮サブシステム１、２からの酸素はプレナム１１０に流れ、プレナム１１０に貯められる。

　プレナム圧力スイッチＰＳＷ４は、プレナム１１０の出側圧力を感知しており、この圧力が所定値より大きいとき、モニターコントローラー２００はプレナムバイパス弁ＢＰＶは開くように指示し、酸素はプレナムのバイパスラインを流れ、直接に各酸素出口に流れることになる。酸素が直接に各酸素出口に流れることは、システムをライン圧の変化、流量変化などに対応し易くしている。

　酸素の需要が多く、酸素流量が多くなったとき、プレナム排出逆止弁ＤＣＶより後では圧力が下がることからプレナム逆止弁ＤＣＶは開き、これによりプレナムからの高圧放出が可能となる。プレナムに貯められていた酸素は、短時間例えば１８秒程度の放出ができる。放出が済んでプレナムでの貯めがなくなったとき、ＰＳＡサブシステム１、２の圧がプレナムの圧より高いと、ＰＳＡサブシステム１、２からの酸素はプレナム１１０を少しづつ充填していく。

　本発明による酸素濃縮システムは、次の利益をもたらす。
　酸素濃縮サブシステムから出る酸素の圧力がプレナムの圧力より高いとき、プレナムに酸素を少しづつ流し、プレナムに貯められ、この貯められた酸素は、酸素の需要が多くなったとき、プレナム排出逆止弁が開いて酸素濃縮サブシステムからの酸素に追加して供給される。

　プレナムバイパスラインは、酸素濃縮サブシステム１、２からの酸素を直接酸素出口に流して、酸素の要求に速く応えられるようにする。

　プレナム圧力スイッチは、モニター／コントローラーと連結して、プレナムバイパス弁をコントロールし、酸素濃縮サブシステム１、２の流量が過度にならず、また酸素濃度が所定値以上を維持できるようにする。

　本発明の酸素濃縮システムにより、病院など医療機関において必要な酸素、医療用空気を、品質を確保しつつ安定に供給することができ、これらの機関において有効に使用できる。

酸素濃縮システムにおける気体の流れのうち、酸素分離筒、空気処理筒の分離・処理モジュールにおける流れを説明するダイアグラムである。 酸素濃縮システムにおける気体の流れのうち、プレナムシステムの一部における流れを説明するダイアグラムである。 酸素濃縮システムにおける気体の流れのうち、プレナムシステムの図２で描かれなかった部分の流れを説明するダイアグラムである。 酸素濃縮システムにおける気体の流れのうち、フロントパネル・アッセンブリーにおける流れを説明するダイアグラムである。 酸素濃縮システムの一部についてその流れを詳細に示している。 酸素分離筒１〜４のサイクルを説明する図である。 空気処理筒と酸素分離筒のサイクルの同期を示す図である。

Claims (37)

1. 　外部空気を受入れるシステム入口；
   　酸素を出す少なくとも１つのシステム出口；
   　前記システム入口からの空気を受入れ、前記システム出口へ酸素を出す少なくとも１つの酸素濃縮サブシステム；
   　前記酸素濃縮サブシステムと前記システム出口の間にあるプレナム、および前記酸素濃縮サブシステムからの酸素をプレナムに充填するプレナム充填システム；
   　からなることを特徴とする酸素濃縮システム。
2. 　前記酸素濃縮サブシステムは、酸素圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法を用いた１対の酸素分離筒からなることを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮システム。
3. 　前記プレナム充填システムは、充填逆止弁、充填調整オリフィス、流量調整器が直列に並べられ、前記酸素濃縮サブシステムとプレナムの間における酸素の流量を測定し、調整し、かつ前記酸素濃縮サブシステムからプレナムの方向にのみ流すようにすることを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮システム。
4. 　さらに、前記プレナムと前記システム出口の間に圧力調整器が設置され、そこを通る酸素の圧力を調整することを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮システム。
5. 　さらに、前記システム入口と前記少なくとも１つの酸素濃縮サブシステムとの間に入口圧力調整器が設置され、そこを通る空気の圧力を調整することを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮システム。
6. 　さらに、前記システム入口と前記少なくとも１つの酸素濃縮サブシステムとの間に入口フィルターアッセンブリーが設置されていることを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮システム。
7. 　前記入口フィルターアセンブリーは、粒子フィルターと水蒸気フィルターの少なくとも１つであることを特徴とする請求項６記載の酸素濃縮システム。
8. 　さらに、前記少なくとも１つの酸素濃縮サブシステムからの廃空気を排出するシステム排出口が設置されていることを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮システム。
9. 　さらに、前記前記入口フィルターアセンブリーからの廃空気を排出する排出システムが設置されていることを特徴とする請求項６記載の酸素濃縮システム。
10. 　さらに、前記少なくとも１つのシステム出口と前記システム排出口の間にダンプ弁、ダンプオリフィスが設置され、少なくとも１つの酸素濃縮サブシステムとプレナムからの廃空気を選択的に外部排出することを特徴とする請求項８記載の酸素濃縮システム。
11. 　さらに、前記システム排出口と少なくとも１つの酸素濃縮サブシステムの間にマフラーが設置され、発生する騒音を消すことを特徴とする請求項８記載の酸素濃縮システム。
12. 　さらに、前記プレナムと前記システム出口との間にプレナム排出逆止弁が設置され、酸素が前記プレナムから前記システム出口の方向にのみ流れるようにされていることを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮システム。
13. 　さらに、医療用空気サブシステムが設置され、システム入口から空気を受入れ、少なくとも１つのシステムの医療用空気出口に医療用空気を供給することを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮システム。
14. 　さらに、前記医療用空気サブシステムと前記少なくとも１つのシステム医療用空気出口の間に医療用空気圧力調整器が設置され、そこを通る医療用空気の圧力を調整することを特徴とする請求項１３記載の酸素濃縮システム。
15. 　さらに、前記少なくとも１つのシステム出口と選択的に結合できるように酸素センサーが設置され、酸素中の酸素濃度を測定することを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮システム。
16. 　さらに酸素センサーと接続して絶対圧調整器が設置され、高度に関係なく圧力を調整できるようにすることを特徴とする請求項１５記載の酸素濃縮システム。
17. 　さらに、医療用空気の一酸化炭素濃度測定器と露点センサーが設置されていることを特徴とする請求項１３記載の酸素濃縮システム。
18. 　充填逆止弁、充填調整オリフィス、流量調整器により、前記少なくとも１つの酸素濃縮システムの圧力が前記プレナムより高いとき、前記酸素濃縮システムから前記プレナムに酸素が少しずつ流れるようにすることを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮システム。
19. 　さらに、プレナムバイパス弁が設置され、酸素を前記少なくとも１つの酸素濃縮システムから少なくとも１つのシステム出口に選択的にプレナムを経由しないで直接流せるようにすることを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮システム。
20. 　少なくとも１つの酸素濃縮システムの入口で空気を受入れ、少なくとも１つのシステム出口へ酸素を出し；
    　前記酸素を、選択的に前記少なくとも１つの酸素濃縮システムからプレナムに流す；ことからなることを特徴とする酸素濃度を高める方法。
21. 　前記供給された空気は、１対の酸素圧力スイング吸着（ＰＳＡ）層からなる酸素濃縮サブシステムで受入れ、酸素として前記システム出口との間にあるプレナムに出すことを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。
22. 　さらに、前記酸素濃縮サブシステムとプレナムの間における酸素の流量を測定し、圧力調整し、かつ前記酸素濃縮サブシステムからプレナムの方向に流すようにすることを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。
23. 　さらに、前記プレナムと前記システム出口の間で酸素の圧力を調整することを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。
24. 　さらに、前記システム入口と前記少なくとも１つの酸素濃縮サブシステムとの間で空気の圧力を調整することを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。
25. 　さらに、前記システム入口と前記少なくとも１つの酸素濃縮サブシステムとの間で空気をフィルターに通すことを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。
26. 　前記フィルターは、粒子フィルターと水蒸気フィルターの少なくとも１つであることを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。
27. 　さらに、前記少なくとも１つの酸素濃縮サブシステムからの廃空気を排出することを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。
28. 　さらに、前記システム入口と前記少なくとも１つの酸素濃縮サブシステムとの間での空気フィルターでの排物を外部に排出することを特徴とする請求項２５記載の酸素濃度を高める方法。
29. 　さらに、前記少なくとも１つの酸素濃縮サブシステムとプレナムからの廃空気を選択的に外部排出することを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。
30. 　さらに、酸素が、前記プレナムから前記システム出口の方向にのみ流れることを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。
31. 　さらに、医療用空気サブシステムのシステム入口で空気を受入れ、少なくとも１つのシステム医療用空気出口に医療用空気を供給することからなることを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。
32. 　さらに、前記医療用空気サブシステムと前記少なくとも１つのシステム医療用空気出口の間を流れる空気圧を調整することを特徴とする請求項３１記載の酸素濃度を高める方法。
33. 　さらに、前記少なくとも１つのシステム出口における酸素中の酸素濃度を、酸素センサーで測定することを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。
34. 　さらに高度に関係なく圧力を調整できるように、酸素センサーに流れる酸素の絶対圧力を調整することを特徴とする請求項３３記載の酸素濃度を高める方法。
35. 　さらに、医療用空気の出口における一酸化炭素濃度と露点を測定することを特徴とする請求項３１記載の酸素濃度を高める方法。
36. 　前記少なくとも１つの酸素濃縮システムの圧力が前記プレナムより高いとき、前記プレナムを少しずつ充填していくことを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。
37. 　さらに、酸素が前記少なくとも１つの酸素濃縮システムから少なくとも１つのシステム出口に選択的にプレナムを経由しないで直接流れることを特徴とする請求項２０記載の酸素濃度を高める方法。

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