JP2004344735A - Oxygen concentration device - Google Patents

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JP2004344735A
JP2004344735A JP2003143097A JP2003143097A JP2004344735A JP 2004344735 A JP2004344735 A JP 2004344735A JP 2003143097 A JP2003143097 A JP 2003143097A JP 2003143097 A JP2003143097 A JP 2003143097A JP 2004344735 A JP2004344735 A JP 2004344735A
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adsorbent
oxygen
air
adsorption
nitrogen gas
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Japanese (ja)
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Akiyoshi Kugo
明義 久郷
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Teijin Ltd
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Teijin Ltd
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  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
  • Drying Of Gases (AREA)
  • Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a PSA system oxygen concentration device capable of further prolonging a life of the device by preventing deterioration caused by adsorption of the moisture content onto an adsorbent even if it is used for a long period of time and further avoiding various problems caused by drain water generated by previously removing the moisture content contained in air taken-in from the outside. <P>SOLUTION: In the oxygen concentration device adopting a pressure swing adsorption system, a pressurization/adsorption step for feeding the pressurized external air to an adsorption bed filled with the adsorbent for selectively adsorbing a nitrogen gas; and a pressure reduction/desorption step for pressure-reducing the adsorption bed and desorbing the nitrogen gas adsorbed onto the adsorbent are alternately repeated to produce oxygen-rich air. A dehumidification means for removing the moisture content contained in the external air in the state of water vapor is provided in series to the adsorption bed and independently at a front step part as compared with an entrance side of the adsorption bed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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吸着床へ外部から取り入れた空気を加圧して供給して前記吸着剤に窒素ガスを吸着させる加圧吸着工程と前記吸着床を減圧して前記吸着剤に吸着させた窒素ガスを脱着する減圧脱着工程を交互に繰り返すことによって、酸素富化空気を生成する圧力変動吸着方式を採用した酸素濃縮装置に関する。
【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いる。
【0003】
このような酸素吸入療法に使用するための装置としては、使用者に供給する濃縮酸素を空気中に含まれる酸素から取り出して酸素富化空気として供給する方式と、既に濃縮された酸素ガスを充填した高圧容器から供給する方式がある。これらの装置の中で、高圧容器に充填された濃縮ガスを使用者に供給する方式は、その構造が簡単で軽量化とコンパクト化が容易であるため、使用者が外出時に使用するなどの携帯型装置として優れている。
【0004】
しかしながら、使用者に供給される濃縮酸素ガスが消費されると、高圧容器に再び充填するか、既に充填済みの高圧容器に取り替える必要があり、使用者にとっては煩雑である。これに対して、空気中に含まれる酸素ガスを濃縮して使用することができれば、前述のような煩雑な作業が要求されないため、使用者にとっては非常に便利である。
【0005】
ところで、前述の空気中に含まれる酸素ガスを濃縮する装置としては、酸素ガスを選択的に透過させる気体分離膜を利用したものの他に、ゼオライト等の吸着剤を利用した圧力変動吸着(Pressure Swing Adsorption)方式(以下、“PSA方式”と略称する)を採用したものがある。
【0006】
ここで、このPSA方式を簡単に説明すると、先ず前記吸着剤に窒素ガスをゼオライトなどからなる吸着剤に選択的に吸着させるために、取り入れた空気を加圧して圧縮空気とし、この圧縮空気を前記吸着剤と接触させて窒素ガスを取り除いて酸素富化空気を生成する加圧工程を行なう。そして、この加圧工程が完了すると、次に、減圧工程が行なわれて吸着剤から窒素ガスを脱着させる減圧工程を行なうことで、吸着剤が再び窒素ガスを選択的に吸着できる状況を現出させる。このようにして、加圧工程と減圧工程を繰り返すことによって、酸素富化空気を生成する方式をいう。なお、このPSA方式を使用して空気中から窒素ガスを選択的に取り除いて、例えば酸素濃度が90%といった酸素富化空気は、一旦容器に貯えられ、容器に貯えられた酸素富化空気が使用者に呼吸用気体として供給される。
【0007】
しかしながら、ゼオライトなどの吸着剤は、窒素ガスを選択的に吸着するという優れた性質を有する反面で、空気中に含まれる水分をも吸着するという好ましくない性質も併せ持っている。つまり、特にゼオライトを吸着剤として使用する場合には、ゼオライトは、その分子の結晶構造の中に、水の分子を最も強く、次いで窒素ガスの分子を強く吸着し、酸素の分子も若干量吸着する性質を有する。しかも、その吸着する量は、圧力が高い程多く、圧力が低い程少なくなる性質を有する。ところが、ゼオライトが水分を吸着すると、窒素ガスの場合と異なって、これを脱着させることが容易ではなく、窒素ガスを選択的に吸着させて除去する機能を喪失してしまって、酸素富化空気を得るという本来の目的を達成することができなくなる。
【0008】
そこで、このような問題を解決するために、酸素富化空気を生成する工程へ供給する外部空気から予め水分を除去しておく方法が考えられる。しかしながら、このような場合には、酸素富化空気を生成する前の空気中から取り除かれた水分は、今度はドレン水として排出されるという新たな問題が発生することになる。そして、このようにして発生したドレン水が誤って室内の床面に排出されたりすると、床面が水浸しになったりするという問題も発生する。
【0009】
このため、取り除いたドレン水をパンなどの容器中に一時的に収容しておき、これを自然乾燥によって蒸発させる方法が考えられている。ところが、空気中から取り除いた水分をドレン水として一時的に貯えておくと、ドレン水を貯えた容器に空気中に浮遊する細菌やカビが繁殖して不衛生になる、という問題が生じる。しかも、このような状態が生じると、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にとっては、新たに健康を害する要因が付加されることともなって健康面からも好ましいことではない。
【0010】
さらには、吸着床に、そのまま水分を多く含んだ空気が供給されると、これらの水分が結露が生じることがあり、圧力センサーなどの配管に結露によって生じた水が流入し、圧力センサーの検知感度が悪くなったり、窒素ガスの吸着プロセスが安定しなくなったりするなどの問題も発生する。
【0011】
【特許文献1】
特開昭61−86923号公報
【0012】
【特許文献2】
特開平01−47422号公報
【0013】
【特許文献3】
特開平08−141087号公報
【0014】
【特許文献4】
特開平02−95413号公報
【0015】
【特許文献5】
特開2000−135287号公報
【0016】
【特許文献6】
特開平08−24558号公報
【0017】
【特許文献7】
特公平07−83818号公報
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べた従来技術が有する問題、すなわち、酸素濃縮装置を医療用途に使用するためには、長期に安定して使用することが必須であるが、PSA方式を採用する酸素濃縮装置においては、窒素ガスを選択的に吸着して取り除くゼオライトなどの吸着剤が空気中の水分を吸着してしまい、その機能を充分に発揮できず装置寿命も短縮されるという本質的な問題がある。しかも、PSA方式では、取り込んだ大気をコンプレッサで圧縮して吸着剤を充填した吸着床に送り込むという態様が採られるために、吸着床で空気中に含まれる水分が空気をおくる配管などに結露することがしばしば生じる。そうすると、この結露した水分が吸着剤にまで到達してしまって付着し、これによって、吸着剤を劣化させて酸素濃縮装置の寿命を短くするという問題を惹起する。
【0019】
そこで、本発明は、長期間に渡って使用したとしても、吸着剤に水分が吸着することによって生じる劣化を防ぐことができ、これによって、装置寿命をさらに延長することができるPSA方式の酸素濃縮装置を提供することを目的とする。更には、外部から取り込む空気に含まれる水分を予め取り除くことによって発生するドレン水によって惹起される様々な問題を回避することができるPSA方式の酸素濃縮装置を提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
ここに、前記課題を解決するための本発明として、請求項1に記載の「窒素ガスを選択的に吸着させる吸着剤が充填された吸着床に加圧された外部空気を供給する加圧吸着工程と前記吸着床を減圧して前記吸着剤に吸着させた窒素ガスを脱着する減圧脱着工程とを交互に繰り返して酸素富化空気を生成する圧力変動吸着方式を採用する酸素濃縮装置において、
前記外部空気に含まれる水分を水蒸気の状態で除去する除湿手段を前記吸着床に直列に、前記吸着床の入側より前段部に独立して設けたことを特徴とする酸素濃縮装置」が提供される。
【0021】
その際、本発明は、請求項2に記載のように、「前記除湿手段に供給される外部空気を予熱することを特徴とする、請求項1に記載の酸素濃縮装置」とすることが好ましい。
【0022】
また、本発明は、請求項3に記載のように、「前記除湿手段を保温することを特徴とする、請求項1又は2に記載の酸素濃縮装置」とすることが好ましい。
【0023】
また、本発明は、請求項4に記載のように、「前記除湿手段が、吸湿用吸着剤を充填した吸着床を備えた圧力変動吸着方式の除湿装置であることを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載の酸素濃縮装置」とすることが好ましい。
【0024】
そして、本発明は、請求項5に記載のように、「窒素ガスを選択的に吸着させる吸着剤が充填された前記吸着床と吸湿用吸着剤を充填した吸着床とに対して、前記外部空気の流れ方向と向流になる方向へ前記酸素富化空気をパージガスとして流すことを特徴とする、請求項1〜4の何れかに記載の酸素濃縮装置」とすることが好ましい。
【0025】
【発明の実施の形態】
本発明は、このような課題に対して鋭意検討した結果、従来の酸素濃縮装置のコンプレッサの流入空気を予め除湿機構にて除湿した上で、窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された吸着床に圧縮空気として送り込むことを大きな特徴とするものである。このように、本発明のPSA方式の酸素濃縮装置では、前記除湿機構によって水分が除去されて実質的に絶乾状態にあるため、このような絶乾状態にある空気に対して加圧吸着工程と減圧脱着工程が交番的に繰り返される吸着床では結露が発生しない。このため、吸着床に充填されたゼオライトなどの吸着剤には、水分が吸着して生じる劣化が起こらず、装置寿命の延長を可能とする。
【0026】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明することにする。
【0027】
図1は、本発明のPSA方式を採用する酸素濃縮装置の1実施形態例を模式的に示した構成図であって、参照符号1は酸素濃縮装置本体であり、そして、参照符号2は加湿器をそれぞれ示す。
【0028】
この図1において、先ず酸素濃縮装置本体1について簡単に説明すると、この酸素濃縮装置本体1は、除湿手段10、吸着床11、コンプレッサ12、フィルタ13、切替え弁14、逆止弁15、製品タンク16、調圧弁17、流量設定器18、そして製品フィルタ19を含んで構成される。なお、吸着床11には空気中の酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着する吸着剤が充填されており、コンプレッサ12は、外部空気を加圧して圧縮した空気を前記除湿手段10と11へ供給する役割を果たし、フィルタ13はコンプレッサ12へ供給する外部空気から微小なゴミなどの異物を除去する役割をそれぞれ果たしている。
【0029】
その際、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着床11としては、1筒式、2筒式の他に3筒以上の多筒式の吸着床(なお、図1は2筒式の例である)が用いられ、コンプレッサ12としては揺動型空気圧縮機が用いられるほか、スクリュ式、ロータリー式、スクロール式などの回転型空気圧縮機が用いられる場合もある。
【0030】
以上のようにして構成される酸素濃縮装置1において、フィルタ13を通して外部空気導入手段であるコンプレッサ12に供給された空気は圧縮されて切替え弁14を通って除湿手段10へ供給され、この除湿手段10によって空気中の水分が除去される。なお、このような除湿手段10の実施形態例として、水分を吸着するためのゼオライトを吸着剤として使用したPSA方式を採用した除湿装置がある。そこで、この除湿装置について以下に説明する。
【0031】
ゼオライトは、その分子の結晶構造の中に、水の分子を最も強く、次いで窒素ガスや前記の不純ガスの分子を強く吸着し、酸素の分子も若干量吸着する性質を有することは、「従来の技術」欄で既に述べたとおりである。このとき、ゼオライトが吸着する量は、圧力が高い程多く、圧力が低い程少なくなる性質を有するので、このような吸着剤の性質を利用して原料ガスを加圧供給して吸着工程を行い、減圧して脱着工程を行うように圧力を変動させてガス分離を行い、空気中に含まれる水分を水蒸気というガスとして扱うことができれば、PSA方式の酸素濃縮装置と実質的に同じ原理で、空気中の水分を除去することができる。
【0032】
このとき、水蒸気の吸着剤として用いられるゼオライトには、カチオン(陽イオン)の加え方により、結晶格子とその細孔のサイズを調整することができる。例えば、ゼオライトの型としては、4A,5A,13X等の型があり、それぞれ分子篩としての性能も異なる。水の分子は、前記何れのサイズのゼオライトに対しても強い吸着性を示すが、前記4A型のゼオライトでは、窒素ガスや酸素ガスは吸着しないが、5A型や13X型は窒素ガスも良く吸着し、その中でも13X型の方が吸着能力が優れていることが知られている。そこで、PSA法による除湿装置を構成するに当たって、前記の4A型のゼオライトを用いても良いが、この4A型のゼオライトは、その細孔が小さいので、一旦吸着した水の分子が脱着しにくいという問題があり、この点から、5A型や13X型(好ましくは13X型)のゼオライトを用いることが好ましい。
【0033】
ところで、空気中に含まれる水分(湿気)の量は、季節、天候、温度などの環境条件によって異なるが、例えば、気温30℃,相対湿度100%の場合には、空気1m中に35gあり、1モルの水(HO)の重量は18gであるから、これが水蒸気に変換されると、0℃の大気圧下で22.4リットルになるので、4.6%(容量比、以下同じ)のガス濃度に相当する。一方、空気の組成は、窒素ガス78%,酸素ガス21%,アルゴンガス0.9%等である。したがって、空気中に含まれる窒素ガス78%をゼオライトに選択的に吸着させて、窒素ガスを除去する場合と比較すると、空気中の水分を除去するのに使用する5A型や13X型のゼオライトの量はより少なくて済むため、この部分をコンパクトに設計することができる。
【0034】
したがって、PSA方式の除湿装置を使用する場合には、同じくPSA方式の酸素濃縮装置に使用する吸着床11へ加圧空気を取り込む入側より手前の前段部に吸湿用の吸着床を直列に独立して設けるだけでよい。なお、水分を含んだ外部空気を取り込んでコンプレッサ12で圧縮すると、取り込んだ空気は加圧されることによって温度が上昇して水蒸気に変換される。しかも、コンプレッサ12の駆動による発熱も生じる。このため、空気中から水分を取り除くための吸湿用の吸着床を保温したり、熱を持ったコンプレッサ12の近傍に設置したりすることによって、取り入れた空気中に膨れる水分は水蒸気に変換された状態で吸湿用の吸着床へ導入されることとなる。
【0035】
このようにして、除湿手段10によって、空気中の水分が水蒸気として吸着されてしまうと、酸素富化空気を生成する前記吸着床11には、ほぼ絶乾状態の空気が導入されることとなるために、水分が付着してその窒素ガスの吸着能力が低下するという問題を実質的に解消することができる。しかも、このような作用を持つ除湿手段10は、独立して設けられているために、装置が故障したり、水蒸気の吸着剤を交換したりする際に、メンテナンス性の向上が図られる。
【0036】
しかしながら、PSA方式の除湿装置においては、水蒸気を吸着したゼオライトなどによって構成された吸湿用吸着剤を繰り返し使用する必要があることから、一旦吸着した水蒸気を吸湿用吸着剤から脱着させて再生しなければならない。このために、減圧脱着工程において、ほぼ絶乾状態にあるパージガスを吸着床11から吸湿用吸着床へ向かって向流に流して吸湿用吸着床に充填された吸着剤から水蒸気を脱着すると共に、系外へと排出する。
【0037】
その際、前記パージガスとして使用するガスとしては、製品タンク16に溜めた酸素富化空気を使用することが好ましい。何故ならば、この酸素富化空気は、その生成過程から明らかなように、窒素ガス分圧と水蒸気分圧が極めて低くなっているため、吸着床11に吸着された窒素ガスを脱着し、引き続き吸着床11に直列に接続された吸湿用吸着床から水蒸気を脱着させる上で極めて好都合だからである。しかも、吸湿用吸着床から脱着させられた水蒸気は、ドレン水という形態を採らないために、これを外部へ放出したとしても水浸しになることはない。また、ドレン水を自然蒸発させて処分するという方法も採らないため、これを一旦容器中に貯めておくということもないため、本質的に空気中に浮遊するバクテリアなどの細菌やカビが増殖することもない。
【0038】
なお、ここで更に付言しておくならば、除湿手段10によって水分が除去された実質的に絶乾状態にされた外部空気は、吸着床11へ供給され、ここで選択的に窒素ガス分子が吸着され、吸着されずに残った酸素ガス分子を多く含んだ酸素富化空気が生成され、生成された酸素富化空気は、逆流しないように逆止弁15を介して、製品タンク16に流入してここで貯えられる。このようにして、前記製品タンク16に貯えられた酸素富化空気は、製品フィルタ19を介して、調圧弁17と流量設定器18とによってその供給流量と圧力とが制御されながら、使用者(患者)側へ呼吸用気体として供給される。
【0039】
なお、窒素ガス分子を吸着した吸着剤を充填した吸着床11を再生することに関しては、先ず切替え弁14を切り替えることによってコンプレッサ12によって吸着床11へ供給される加圧空気を遮断する。そうすると、吸着床11内は減圧されるため、今度は吸着剤に吸着された窒素ガス分子が吸着剤から脱着する。そして、脱着した窒素ガス分子を多く含んだ空気は酸素濃縮装置1から外部へ放出され、吸着剤11は窒素ガス分子を吸着するための活性を再び取り戻す。なお、この窒素ガス分子の吸着剤からの脱着工程においては、逆止弁17より上流側は吸着床11内の圧力よりも高圧であるため、窒素ガス分子を豊富に含んだ空気は逆止弁17より上流側へは供給されることはない。
【0040】
【発明の効果】
以上に述べた本発明に拠れば、PSA方式の酸素濃縮装置を長期間に渡って使用したとしても、酸素富化空気を生成するための吸着剤に供給される外部空気から予め水分が除去されているために、この吸着剤に水分が吸着することによって生じる劣化を防ぐことができ、装置寿命をさらに延長することができる。
【0041】
更には、本発明においては、酸素富化空気を生成するための吸着剤に供給される外部空気から予め水分をドレン水として除去することがないから、このドレン水を自然乾燥によって処分する必要がなく、しかも、一旦容器などに溜めておく必要もないため、空気中に浮遊するバクテリアなどの細菌やカビが増殖することもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の酸素濃縮装置の好ましい実施態様例を模式的に示したブロック線図である。
【符号の説明】
1 酸素濃縮装置
10 除湿手段
11 吸着床
12 コンプレッサ
13 フィルタ
14 切り替え弁
15 逆止弁
16 製品タンク
17 調圧弁
18 流量設定器
19 製品フィルタ
21 水分透過膜
22 酸素流路
23 空気清浄手段(フィルタ)
24 外部空気導入手段(ファン)
25 外部空気の導入方向
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a pressurized adsorption step of pressurizing and supplying air taken in from the outside to an adsorbent bed filled with an adsorbent capable of selectively adsorbing nitrogen rather than oxygen to adsorb nitrogen gas to the adsorbent. The present invention relates to an oxygen concentrating apparatus that employs a pressure fluctuation adsorption method in which oxygen-enriched air is generated by alternately repeating a vacuum desorption step of depressurizing an adsorption bed to desorb nitrogen gas adsorbed on the adsorbent.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the number of patients suffering from respiratory diseases such as asthma, emphysema and chronic bronchitis has been increasing.One of the most effective treatments is oxygen inhalation therapy. Oxygen concentrators that separate directly have been developed and are becoming increasingly popular as therapeutic devices for oxygen inhalation therapy because of their convenience in use and ease of maintenance.
[0003]
Devices for use in such oxygen inhalation therapy include a method in which concentrated oxygen supplied to a user is extracted from oxygen contained in air and supplied as oxygen-enriched air, and a method in which oxygen gas that has already been concentrated is filled. There is a method of supplying from a high-pressure vessel that has been used. Among these devices, the system that supplies the concentrated gas filled in the high-pressure container to the user has a simple structure, and is easy to reduce in weight and size. Excellent as a mold device.
[0004]
However, when the concentrated oxygen gas supplied to the user is consumed, it is necessary to refill the high-pressure container or to replace the high-pressure container with an already-filled high-pressure container, which is troublesome for the user. On the other hand, if the oxygen gas contained in the air can be concentrated and used, the complicated work as described above is not required, which is very convenient for the user.
[0005]
By the way, as the apparatus for concentrating the oxygen gas contained in the air, in addition to the apparatus using a gas separation membrane that selectively allows oxygen gas to pass, pressure swing adsorption (Pressure Swing) using an adsorbent such as zeolite is used. Adoption (hereinafter, abbreviated as “PSA”).
[0006]
Here, the PSA method will be briefly described. First, in order to selectively adsorb nitrogen gas to the adsorbent onto the adsorbent made of zeolite or the like, the introduced air is pressurized into compressed air, and the compressed air is used as the compressed air. A pressurizing step of contacting the adsorbent to remove nitrogen gas and generate oxygen-enriched air is performed. When the pressurizing step is completed, a depressurizing step is next performed to perform a depressurizing step of desorbing nitrogen gas from the adsorbent, whereby a state in which the adsorbent can selectively adsorb nitrogen gas again appears. Let it. In this manner, a method of generating oxygen-enriched air by repeating the pressurizing step and the depressurizing step is described. In addition, nitrogen gas is selectively removed from the air by using this PSA method, and oxygen-enriched air having an oxygen concentration of 90%, for example, is temporarily stored in a container, and the oxygen-enriched air stored in the container is temporarily stored in the container. It is supplied to the user as breathing gas.
[0007]
However, an adsorbent such as zeolite has an excellent property of selectively adsorbing nitrogen gas, but also has an unfavorable property of adsorbing moisture contained in air. In other words, especially when zeolite is used as an adsorbent, zeolite adsorbs water molecules most strongly, then nitrogen gas molecules strongly, and also slightly adsorbs oxygen molecules in the crystal structure of the molecules. Has the property of In addition, the amount of adsorption increases as the pressure increases, and decreases as the pressure decreases. However, when the zeolite adsorbs moisture, unlike nitrogen gas, it is not easy to desorb it, and the function of selectively adsorbing and removing nitrogen gas is lost, and oxygen-enriched air is lost. Cannot achieve its original purpose of obtaining
[0008]
Then, in order to solve such a problem, a method of removing moisture from the external air supplied to the step of generating oxygen-enriched air in advance can be considered. However, in such a case, a new problem occurs that the water removed from the air before the oxygen-enriched air is generated is discharged as drain water this time. Then, if the drain water thus generated is erroneously discharged to the floor in the room, there is also a problem that the floor is flooded.
[0009]
For this reason, a method of temporarily storing the removed drain water in a container such as a bread and evaporating the drain water by natural drying has been considered. However, if the water removed from the air is temporarily stored as drain water, there arises a problem that bacteria and fungi floating in the air grow in the container storing the drain water and become unsanitary. Moreover, when such a condition occurs, for patients suffering from respiratory diseases such as breathing, emphysema, chronic bronchitis, etc., a new health-impairing factor is added, which is preferable from the viewpoint of health. Absent.
[0010]
Furthermore, when air containing a large amount of water is supplied to the adsorption bed as it is, the water may condense, and the water generated by the dew will flow into piping such as a pressure sensor, and the pressure sensor will detect the water. Problems such as deterioration in sensitivity and instability of the nitrogen gas adsorption process also occur.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-61-86923
[Patent Document 2]
JP 01-47422 A
[Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-141087
[Patent Document 4]
JP-A-02-95413
[Patent Document 5]
JP 2000-135287 A
[Patent Document 6]
JP 08-24558 A
[Patent Document 7]
Japanese Patent Publication No. 07-83818
[Problems to be solved by the invention]
In order to use the oxygen concentrator for medical applications, it is essential to use it stably for a long period of time. However, in the oxygen concentrator using the PSA method, An adsorbent such as zeolite, which selectively adsorbs and removes nitrogen gas, adsorbs moisture in the air, and there is an essential problem that its function cannot be sufficiently exhibited and the life of the apparatus is shortened. Moreover, in the PSA method, the taken-in air is compressed by a compressor and sent to an adsorbent bed filled with an adsorbent, so that moisture contained in the air is condensed on a pipe for sending air on the adsorbent bed. Things often happen. Then, the condensed moisture reaches the adsorbent and adheres thereto, thereby causing a problem that the adsorbent is deteriorated and the life of the oxygen concentrator is shortened.
[0019]
Therefore, the present invention can prevent the deterioration caused by the adsorption of moisture to the adsorbent even if it is used for a long period of time, thereby further extending the life of the apparatus. It is intended to provide a device. Still another object of the present invention is to provide a PSA-type oxygen concentrator capable of avoiding various problems caused by drain water generated by previously removing moisture contained in air taken in from the outside.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
Here, as the present invention for solving the above-mentioned problem, the present invention relates to "Pressure adsorption for supplying pressurized external air to an adsorption bed filled with an adsorbent for selectively adsorbing nitrogen gas." In an oxygen concentrator employing a pressure-fluctuation adsorption method in which a step and a vacuum desorption step of depressurizing the adsorption bed and desorbing the nitrogen gas adsorbed on the adsorbent are alternately repeated to generate oxygen-enriched air,
An oxygen concentrator, wherein a dehumidifying means for removing water contained in the external air in the form of water vapor is provided in series with the adsorbent bed and independently at a stage preceding the adsorbent bed from the inlet side. Is done.
[0021]
At this time, the present invention preferably provides an "oxygen concentrator according to claim 1, characterized in that the external air supplied to the dehumidifying means is preheated," as described in claim 2. .
[0022]
Further, in the present invention, as described in claim 3, it is preferable that the "oxygen concentrating device according to claim 1 or 2 characterized by keeping the dehumidifying means warm".
[0023]
According to the present invention, as set forth in claim 4, "the dehumidifying means is a pressure-variation adsorption type dehumidifier having an adsorption bed filled with an adsorbent for absorbing moisture. Preferably, the oxygen concentrator according to any one of 1 to 3 is used.
[0024]
Then, according to the present invention, as described in claim 5, "the adsorbent filled with an adsorbent for selectively adsorbing nitrogen gas and the adsorbent bed filled with an adsorbent for moisture absorption, The oxygen concentrating device according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxygen-enriched air flows as a purge gas in a direction opposite to the flow direction of the air.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As a result of intensive studies on such problems, the present invention dehumidifies the inflow air of the compressor of the conventional oxygen concentrator with a dehumidifying mechanism in advance, and is filled with an adsorbent for selectively adsorbing nitrogen gas. The main feature of this method is that compressed air is sent to the adsorbed bed. As described above, in the oxygen concentrating apparatus of the PSA type of the present invention, since the moisture is removed by the dehumidifying mechanism and the apparatus is in a substantially dry state, the pressure adsorption step for the air in such a dry state is performed. No dew condensation occurs in an adsorbent bed in which the pressure and desorption steps are alternately repeated. For this reason, the adsorbent such as zeolite filled in the adsorbent bed does not suffer from the deterioration caused by the adsorption of moisture, and the life of the apparatus can be extended.
[0026]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0027]
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an embodiment of an oxygen concentrator employing a PSA system according to the present invention, wherein reference numeral 1 denotes an oxygen concentrator main body, and reference numeral 2 denotes humidification. Are shown.
[0028]
In FIG. 1, first, the oxygen concentrator main body 1 will be briefly described. This oxygen concentrator main body 1 includes a dehumidifier 10, an adsorbent bed 11, a compressor 12, a filter 13, a switching valve 14, a check valve 15, a product tank. 16, a pressure regulating valve 17, a flow setting device 18, and a product filter 19. The adsorbent bed 11 is filled with an adsorbent for selectively adsorbing nitrogen gas molecules rather than oxygen gas molecules in the air. The compressor 12 pressurizes the external air and compresses the compressed air into the dehumidifying means 10. The filter 13 plays a role of removing foreign matter such as minute dust from the external air supplied to the compressor 12.
[0029]
At this time, as the adsorbent bed 11 filled with an adsorbent that selectively adsorbs nitrogen rather than oxygen, a multi-tube adsorbent bed having three or more cylinders in addition to a one-tube type, a two-tube type, and the like (FIG. A two-cylinder type is used, and as the compressor 12, an oscillating air compressor may be used, and a rotary air compressor such as a screw type, a rotary type, or a scroll type may be used.
[0030]
In the oxygen concentrating apparatus 1 configured as described above, the air supplied to the compressor 12 as the external air introducing means through the filter 13 is compressed and supplied to the dehumidifying means 10 through the switching valve 14. 10 removes moisture in the air. In addition, as an example of embodiment of such a dehumidifying means 10, there is a dehumidifying apparatus adopting a PSA method using zeolite for adsorbing moisture as an adsorbent. Then, this dehumidifier is explained below.
[0031]
Zeolites have the property of strongly adsorbing water molecules in the crystal structure of the molecules, then strongly adsorbing nitrogen gas and the above-mentioned impurity gas molecules, and adsorbing a small amount of oxygen molecules. As described above. At this time, the amount of zeolite adsorbed has a property that the higher the pressure is, the larger the pressure is, and the lower the pressure is, the smaller the property is. If the pressure is fluctuated so as to perform the desorption step by reducing the pressure, gas separation is performed, and if the water contained in the air can be treated as a gas called water vapor, on the same principle as the oxygen concentrator of the PSA system, Moisture in the air can be removed.
[0032]
At this time, the crystal lattice and the size of its pores can be adjusted by adding cations (cations) to the zeolite used as a water vapor adsorbent. For example, zeolite types include 4A, 5A, 13X, etc., each having a different performance as a molecular sieve. Water molecules show strong adsorption to zeolite of any of the above sizes, but the 4A type zeolite does not adsorb nitrogen gas or oxygen gas, but the 5A type or 13X type adsorbs nitrogen gas well. However, among them, it is known that the 13X type has better adsorption ability. Therefore, in constructing the dehumidifier by the PSA method, the above-mentioned 4A-type zeolite may be used. However, since the 4A-type zeolite has small pores, it is difficult for water molecules once adsorbed to be desorbed. There is a problem, and from this point, it is preferable to use 5A type or 13X type (preferably 13X type) zeolite.
[0033]
By the way, the amount of moisture (humidity) contained in the air varies depending on environmental conditions such as season, weather, temperature, etc. For example, when the temperature is 30 ° C. and the relative humidity is 100%, 35 g is contained in 1 m 3 of air. Since the weight of one mole of water (H 2 O) is 18 g, when it is converted to steam, it becomes 22.4 liters under the atmospheric pressure of 0 ° C. The same) gas concentration. On the other hand, the composition of air is 78% nitrogen gas, 21% oxygen gas, 0.9% argon gas, and the like. Therefore, as compared with the case where 78% of nitrogen gas contained in air is selectively adsorbed on zeolite and nitrogen gas is removed, 5A type and 13X type zeolite used for removing moisture in air are used. This part can be designed compact because less volume is required.
[0034]
Therefore, when a PSA-type dehumidifier is used, a moisture-absorbing bed is provided in series in the upstream of the adsorbing bed 11 which is also used for the PSA-type oxygen concentrator, before the inlet side. It only needs to be provided. When the external air containing moisture is taken in and compressed by the compressor 12, the temperature of the taken-in air is increased by pressurization, and is converted into steam. In addition, heat is generated by driving the compressor 12. For this reason, by keeping the moisture absorption bed for removing moisture from the air warm or installing it near the compressor 12 having heat, the moisture swelling into the air taken in was converted to water vapor. In this state, it is introduced into the adsorption bed for absorbing moisture.
[0035]
In this way, when the moisture in the air is adsorbed as water vapor by the dehumidifying means 10, substantially dry air is introduced into the adsorption bed 11 which generates oxygen-enriched air. Therefore, it is possible to substantially solve the problem that moisture adheres and the nitrogen gas adsorption ability is reduced. In addition, since the dehumidifying means 10 having such an action is provided independently, maintenance is improved when the apparatus breaks down or the adsorbent for water vapor is replaced.
[0036]
However, in the PSA type dehumidifier, it is necessary to repeatedly use a moisture absorbing adsorbent composed of zeolite or the like that adsorbs water vapor. Therefore, once adsorbed water vapor has to be desorbed from the moisture absorbing adsorbent, it must be regenerated. Must. For this purpose, in the vacuum desorption step, a purge gas in a substantially absolutely dry state is caused to flow countercurrently from the adsorption bed 11 to the moisture absorption bed to desorb water vapor from the adsorbent filled in the moisture absorption bed, Discharge outside the system.
[0037]
At this time, it is preferable to use oxygen-enriched air stored in the product tank 16 as a gas used as the purge gas. This is because the oxygen-enriched air desorbs the nitrogen gas adsorbed on the adsorption bed 11 because the nitrogen gas partial pressure and the water vapor partial pressure are extremely low, as is apparent from the production process. This is because it is very convenient for desorbing water vapor from the adsorption bed for moisture absorption connected in series to the adsorption bed 11. In addition, since the water vapor desorbed from the adsorption bed for absorbing moisture does not take the form of drain water, it does not become flooded even if it is discharged to the outside. In addition, since there is no method to dispose of drain water by natural evaporation, there is no need to temporarily store it in a container, so bacteria and fungi such as bacteria floating in the air essentially multiply. Not even.
[0038]
It should be noted that, here, it should be further noted that the substantially air-free external air from which water has been removed by the dehumidifying means 10 is supplied to the adsorption bed 11, where nitrogen gas molecules are selectively removed. Oxygen-enriched air that is adsorbed and contains a large amount of oxygen gas molecules remaining without being adsorbed is generated, and the generated oxygen-enriched air flows into the product tank 16 via the check valve 15 so as not to flow back. And stored here. In this way, the oxygen-enriched air stored in the product tank 16 is supplied through the product filter 19 while the supply flow rate and the pressure are controlled by the pressure regulating valve 17 and the flow rate setting device 18 while the user ( It is supplied to the patient) as breathing gas.
[0039]
As for regeneration of the adsorbent bed 11 filled with the adsorbent having adsorbed nitrogen gas molecules, first, the switching valve 14 is switched to shut off the pressurized air supplied to the adsorbent bed 11 by the compressor 12. Then, the pressure in the adsorption bed 11 is reduced, so that the nitrogen gas molecules adsorbed by the adsorbent are desorbed from the adsorbent. Then, the air containing a large amount of desorbed nitrogen gas molecules is released from the oxygen concentrator 1 to the outside, and the adsorbent 11 regains the activity for adsorbing the nitrogen gas molecules. In the step of desorbing the nitrogen gas molecules from the adsorbent, since the pressure upstream of the check valve 17 is higher than the pressure in the adsorbent bed 11, the air rich in the nitrogen gas molecules is not discharged. There is no supply to the upstream side from the 17.
[0040]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, even if the PSA-type oxygen concentrator is used for a long period of time, moisture is removed from the external air supplied to the adsorbent for generating oxygen-enriched air in advance. Therefore, it is possible to prevent deterioration caused by the adsorption of moisture to the adsorbent, and to further extend the life of the device.
[0041]
Furthermore, in the present invention, since water is not removed in advance from the external air supplied to the adsorbent for producing oxygen-enriched air as drain water, it is necessary to dispose this drain water by natural drying. In addition, since it is not necessary to temporarily store them in a container or the like, bacteria such as bacteria floating in the air and mold do not grow.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a preferred embodiment of an oxygen concentrator according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oxygen concentrating apparatus 10 Dehumidifying means 11 Adsorption bed 12 Compressor 13 Filter 14 Switching valve 15 Check valve 16 Product tank 17 Pressure regulating valve 18 Flow rate setting device 19 Product filter 21 Water permeable membrane 22 Oxygen flow path 23 Air purifying means (filter)
24 External air introduction means (fan)
25 Introduction direction of external air

Claims (5)

窒素ガスを選択的に吸着させる吸着剤が充填された吸着床に加圧された外部空気を供給する加圧吸着工程と前記吸着床を減圧して前記吸着剤に吸着させた窒素ガスを脱着する減圧脱着工程とを交互に繰り返して酸素富化空気を生成する圧力変動吸着方式を採用する酸素濃縮装置において、
前記外部空気に含まれる水分を水蒸気の状態で除去する除湿手段を前記吸着床に直列に、前記吸着床の入側より前段部に独立して設けたことを特徴とする酸素濃縮装置。
A pressurized adsorption step of supplying pressurized external air to an adsorbent bed filled with an adsorbent for selectively adsorbing nitrogen gas, and depressurizing the adsorbent bed to desorb the nitrogen gas adsorbed on the adsorbent In an oxygen concentrator that employs a pressure fluctuation adsorption system that alternately repeats a vacuum desorption process and generates oxygen-enriched air,
An oxygen concentrating device, wherein a dehumidifying means for removing water contained in the external air in the form of water vapor is provided in series with the adsorbent bed and independently at a stage preceding the adsorbent bed from the inlet side.
前記除湿手段に供給される外部空気を予熱することを特徴とする、請求項1に記載の酸素濃縮装置。The oxygen concentrator according to claim 1, wherein the external air supplied to the dehumidifying unit is preheated. 前記除湿手段を保温することを特徴とする、請求項1又は2に記載の酸素濃縮装置。The oxygen concentrator according to claim 1, wherein the dehumidifier is kept warm. 前記除湿手段が、吸湿用吸着剤を充填した吸着床を備えた圧力変動吸着方式の除湿装置であることを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載の酸素濃縮装置。The oxygen concentrator according to any one of claims 1 to 3, wherein the dehumidifier is a pressure fluctuation adsorption type dehumidifier including an adsorption bed filled with an adsorbent for absorbing moisture. 窒素ガスを選択的に吸着させる吸着剤が充填された前記吸着床と吸湿用吸着剤を充填した吸着床とに対して、前記外部空気の流れ方向と向流になる方向へ前記酸素富化空気をパージガスとして流すことを特徴とする、請求項1〜4の何れかに記載の酸素濃縮装置。The oxygen-enriched air flows in a direction opposite to the flow direction of the external air with respect to the adsorbent bed filled with an adsorbent for selectively adsorbing nitrogen gas and the adsorbent bed filled with an adsorbent for moisture absorption. The oxygen concentrator according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxygen is supplied as a purge gas.
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CN109602990A (en) * 2018-12-25 2019-04-12 青海康慧医疗器械科技有限公司 A kind of intelligent oxygen route system

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