JP2005253726A

JP2005253726A - 酸素濃縮装置

Info

Publication number: JP2005253726A
Application number: JP2004070293A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Toge; 真一峠; Yoshinobu Kimura; 善信木村; Satoshi Imoto; 聡猪本; Hisayoshi Fujiwara; 尚義藤原; Takuya Hirayama; 卓也平山
Original assignee: Teijin Pharma Ltd; Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Teijin Pharma Ltd; Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】十分な冷却能力と、小型・軽量・低消費電力とを両立させる酸素濃縮装置を提供する。
【解決手段】電動機駆動の空気圧縮手段を用いて高濃度の酸素を生成する酸素濃縮装置において、主な発熱部位と、当該酸素濃縮装置が備える他の発熱部材とを同時に送風冷却するための、電動機に同軸回転駆動される送風羽根部を備えることにより、送風羽根部以外の送風冷却手段を省略可能とした酸素濃縮装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気中の酸素と窒素を分離し、呼吸器疾患患者等の使用者に高濃度酸素を供給する酸素濃縮器に関する。更に詳細には、酸素濃縮器の冷却方法を改善することによって、軽量・小型・低消費電力の点をも改善した酸素濃縮装置に関するものである。

近年、慢性閉塞性肺疾患や肺結核後遺症等の呼吸器疾患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呼吸器疾患患者のための治療器として次第に普及してきている。また、呼吸器疾患を持たない健常人に対しても、健康維持またはリフレッシュ用途として酸素吸入法が広まりつつあり、酸素濃縮装置が利用されている。

かかる酸素濃縮装置としては、(1)酸素選択透過膜を用いた膜分離型酸素濃縮装置、(2)窒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、または、(3)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、などがあるが、吸着型酸素濃縮装置が最も一般的である。吸着型酸素濃縮装置としては、空気圧縮装置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筒に、コンプレッサーで圧縮した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、吸着筒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使用者に供給する酸素濃縮装置である。

このような酸素濃縮装置を安定に駆動させるためには、空気圧縮装置、電子制御基板、または駆動用バッテリーなど、高温環境下での運転に制限のある部品を強制的に冷却することが必要不可欠である。また、空気圧縮装置、電子制御基板、駆動用バッテリーなどは、それ自身が発熱体にもなっており、発熱分を装置の外に排出するためにも送風装置が必要である。

かかる冷却装置または送風装置としては、ファンやブロアがよく用いられており、これらファンやブロアの吸排気口前後に冷却用の流路を設け、更に、冷却用の流路中に冷却したい部品を配置することで、要冷却部品を強制冷却する方法が酸素濃縮装置としては一般的であった。

例えば、空気圧縮装置は駆動のための電動機（モーター）を具備しているが、電動機は高温環境で使用するとオーバーヒートし、装置の故障を引き起こしてしまう危険性があるので、空気圧縮装置に直接冷却風を吹き付けるように専用のファンまたはブロアおよび冷却用の流路を配置するのが一般的であった。

同様に、電子制御基板上の素子やバッテリーなども高温環境下での使用に制限があるため、上記空気圧縮装置に直接冷却風を吹き付けるための専用のファンまたはブロアの冷却流路上に、それぞれの部品が配置されるのが従来は一般的であった。
特開2001-278606号公報

上記のように、従来の酸素濃縮装置では、安定に駆動させるために空気圧縮装置に直接冷却風を吹き付けるようなファンやブロアなどの冷却装置が使用されるが、これらファンやブロア自身を駆動（回転）させるための電力が必要であった。このことは、酸素を生成するのに必要な電力に加えて酸素濃縮装置としての消費電力を増大させてしまい、使用者の電気代の負担を大きくしている。また、冷却装置を配置するスペースや冷却装置自体の重量によって、酸素濃縮装置が大きく、重たくなってしまう。

これらの課題に対して、従来技術の酸素濃縮装置の構成においては、十分な対応が取られていなかった。例えば、特開2001-278606号公報では、空気圧縮装置が配置された遮音区画室の天井部に開口部を設け、ファンを開口部から下向きに配置して空気圧縮装置を冷却し、更に、空気圧縮装置以下を旋回流路とすることによって冷却の流れを円滑にし、冷却装置（例えばファン）にかかる流路抵抗による負荷を下げることによって、冷却装置の大型化、大重量化を低減するような酸素濃縮装置が開示されている。しかしながら、このような方法による流路抵抗の負荷の低減分は小さく、従って十分な効果を得ることができなかった。

本発明は、このような従来の冷却装置の持つ課題を解決するものであり、使用者に小型・軽量・低消費電力の酸素濃縮装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明は、下記する1)乃至4)に記載の各構成を有する酸素濃縮装置を提供する。
1) 加圧および/又は減圧機能を備えたポンプ手段、および該ポンプ手段を駆動する電動機を備えたコンプレッサーにおいて、該電動機に同軸回転駆動される遠心式ファンを備えたことを特徴とするコンプレッサー。
2) 該遠心式ファンは、10mmH2Oの負荷の条件の下で、1乃至800LPMの能力を持つよう構成したことを特徴とする1)に記載のコンプレッサー。
3) コンプレッサーを用いて、圧縮された圧縮空気から酸素を選択的に分離し、高濃度の酸素を生成する酸素濃縮装置において、1)または2)に記載のコンプレッサーを搭載した酸素濃縮装置。
4) 該遠心式ファンによって該酸素濃縮装置が備える主な発熱部位を送風冷却し、該遠心式ファン以外の送風冷却装置を省略して構成可能としたことを特徴とする3)に記載の酸素濃縮装置。

本発明は、使用者に小型・軽量・低消費電力、更には低コストの酸素濃縮装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る好ましい実施例である酸素濃縮装置1は、空気中の窒素を分離し高濃度酸素（酸素富化気体）を供給する装置であり、例えば、酸素より窒素を選択的に吸着し得る吸着剤としてモレキュラーシーブゼオライト５A、１３X、或いはリチウム系ゼオライトなどを吸着筒に充填し、例えばピストン式コンプレッサーなどの空気圧縮装置によって作られた加圧空気を供給することで、空気中の窒素が選択的に吸着剤に吸着されることにより、酸素を取り出す圧力変動吸着型の酸素濃縮装置である。

圧力変動型吸着型酸素濃縮装置である本実施例の酸素濃縮装置1を、図面を用いて更に詳細に説明する。図１は本実施例の酸素濃縮装置の構成図である。

酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤3を充填した吸着筒2に、コンプレッサー5によって大気中から圧縮された加圧空気を供給し、吸着筒2内部を加圧状態にして窒素を吸着させ、吸着されなかった酸素を取り出す。吸着筒2より取り出された酸素は、サージタンク4に貯留した後、流量設定器10により酸素供給流量を設定し、鼻カニューラ13を介して使用者に供給される。

ここで吸着剤3は、１回の吸着工程で吸着できる窒素の量が吸着剤3の量や種類によって決まっているため、吸着剤3に吸着される窒素の量が飽和する前に、流路切換弁9を切り換えて吸着筒2を大気開放することによって内部を減圧し、窒素を脱着させて吸着剤3を再生させる必要がある。また、流路切換弁9は、予め設定された時間によって切り換えられるよう、各種電子部品を実装した電子制御基板を内部に有する制御装置11によって制御される。なお、一工程中の吸脱着量を増やすべく、真空ポンプを用いて、脱着工程における吸着筒2内部の圧力を真空にしても良い。

コンプレッサー5は、コンプレッサー5を駆動させるためのコンプレッサー駆動モーター6を具備しており、コンプレッサー駆動モーター6は制御装置11によって設定された回転数で回転しコンプレッサー5を回転駆動させる。コンプレッサー圧縮機構部8は、コンプレッサー駆動モーター6によって得た回転力によって空気を圧縮するものであり、その圧縮方式によって様々な種類が存在する。酸素濃縮装置１に用いられるコンプレッサー5としては、往復運動式のピストンタイプや回転式のスクロールタイプなどが一般的によく用いられているが、大気中の空気を圧縮できるものであればどのようなタイプを用いても構わない。しかしながら、例えば、螺旋状の壁部が回転軸の周りに配設され、この回転軸の回転動作に応じて気体が壁部に沿って圧縮作用を受ける圧縮手段であるヘリカル型コンプレッサーのように、その主な発熱部位がコンプレッサー駆動モーター6の回転軸上近傍に位置するように構成されていれば、下記する効果が有利に発揮される。

本実施例の酸素濃縮装置1では、コンプレッサー5の主な発熱部位、制御装置11の電子制御基板、および吸着筒2など、高温環境下で運転すると不具合を生じるような要冷却装置の冷却を主目的に、遠心式ファン7が設けられる。遠心式ファン7は、コンプレッサー駆動モーター6によって同軸で駆動されるものであり、コンプレッサー5の主な発熱部位に対する送風冷却手段と、制御装置11の電子制御基板、および吸着筒2など、高温環境下で運転すると不具合を生じるような要冷却装置に対する送風冷却手段とを兼ねて構成されているので、従来技術にあるような個々の部材冷却専用の冷却ファンおよび駆動モーターを持つものと比較すると、重複する冷却ファンおよび駆動モーターを省略できる大きなメリットがあることは言うまでも無い。これによって、省略するモーターの分だけ、省エネルギー化、小型化、軽量化、低コスト化を期待できる。

遠心式ファン７は、酸素濃縮装置1の吸気口14から流入した空気を吸入し酸素濃縮装置１の排出口15に向かって送風するように配置され、吸気口14、遠心式ファン７、排気口15までを冷却流路（送風流路）として利用する。冷却流路は、例えば、ダクトによって形成されるが、騒音低減も兼ねてダクトの内面には吸音材や遮音材を有することが望ましい。また、ダクトを用いなくても、筐体内部に仕切り板を配置することなどで流路としても良い。冷却流路の断面積は、冷却流の流速を決定するため、断面積を変えることで冷却効率（熱交換効率）を調節することができる。このことを応用して、冷却流路は、場所に応じてその断面積を変えることも可能であり、例えば、大容量の熱が発生する部分は断面積を小さくし、少量の熱しか発生しない部分は断面積を大きくして流速を下げ、流路抵抗による負荷を減らすことができる。

上記した制御基板やバッテリーなど冷却を必要とする要冷却装置は、このように各部品それぞれに、どの程度冷却したいかを決め、冷却流路中に自由に配置することができる。
従って、本実施例の構成は、図１のようなレイアウト以外にも様々な冷却に応じたレイアウトにも適応することができる。

コンプレッサー駆動モーター6によって駆動される遠心式ファン7の構造を、別図を用いて更に詳細に説明する。図２は、遠心式ファンを同軸に持つ空気圧縮装置の一例である。コンプレッサー駆動モーター6は、ドライブシャフト16を回転駆動し連動するコンプレッサー圧縮機構部8で空気を圧縮する。それと同時に、ドライブシャフト16に直接接続された遠心式ファン羽根部17を回転させることによって、冷却空気12を流す。冷却空気12は、図２の上から下方向に向かって空気圧縮装置内部を流れるが、従って、コンプレッサー駆動モーター6およびコンプレッサー圧縮機構部8の内部に冷却流路を有する。また、冷却流路を工夫すれば、空気圧縮装置の外表面に冷却流路を持つ構造にも適応できることは容易に推測できる。

遠心式ファン7は、特定の発熱部材を冷却するのと同時に、装置内部の総発熱量を外部に排出するための所定の流量が要求される。装置の発熱量は、各装置の消費電力によって異なるが、一般的に、酸素濃縮装置の総発熱量は数十Wattから数百Wattほどであり、これを装置外に排気するには、１乃至８００ＬＰＭ（litter per minutes）が適当である。また、酸素濃縮装置の冷却に用いられる遠心式ファン7には、冷却流路の抵抗による負荷がかかるが、一般的な酸素濃縮装置の冷却流路抵抗は10mmH₂O程度である。従って、遠心式ファン７には、10mmH₂Oの負荷条件の下で１乃至８００ＬＰＭ（litter per minutes）の流量が必要とされる。

尚、従来の空気圧縮装置の中には駆動モーターによって同軸回転する軸流式ファンを具備するものが存在するが、軸流式ファンは一般的に高い静圧を供給することが困難であり、上述したような流路抵抗（10mmH₂O）を有する酸素濃縮装置において用いることは好ましくない。

上記の如く、本発明は下記する各構成を含んでいる。
（付記１）加圧および/又は減圧機能を備えたポンプ手段、および該ポンプ手段を駆動する電動機を備えたコンプレッサーにおいて、該電動機に同軸回転駆動される遠心式ファンを備えたことを特徴とするコンプレッサー。
（付記２）該遠心式ファンは、10mmH₂Oの負荷の条件下で、1乃至800LPMの能力を持つよう構成したことを特徴とする付記１に記載のコンプレッサー。
（付記３）コンプレッサーを用いて、圧縮された圧縮空気から酸素を選択的に分離し、高濃度の酸素を生成する酸素濃縮装置において、付記１または付記２に記載のコンプレッサーを搭載した酸素濃縮装置。
（付記４）該遠心式ファンによって該酸素濃縮装置が備える主な発熱部位を送風冷却し、該遠心式ファン以外の送風冷却装置を省略して構成可能としたことを特徴とする付記３に記載の酸素濃縮装置。

本発明の好適な実施例である酸素濃縮装置の構成図である。遠心式ファンを同軸に持つ空気圧縮装置の構成図である。

符号の説明

１酸素濃縮装置
２吸着筒
３吸着剤
４サージタンク
５コンプレッサー
６コンプレッサー駆動モーター
７遠心式ファン
８コンプレッサー圧縮機構部
９流路切換弁
１０流量設定器
１１制御装置
１２冷却空気
１３鼻カニューラ
１４吸気口
１５排気口
１６ドライブシャフト
１７遠心式ファン羽根部

Claims

加圧および／又は減圧機能を備えたポンプ手段、および該ポンプ手段を駆動する電動機を備えたコンプレッサーにおいて、該電動機に同軸回転駆動される遠心式ファンを備えたことを特徴とするコンプレッサー。
該遠心式ファンは、10mmH2Oの負荷の条件の下で、1乃至800LPMの能力を持つよう構成したことを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサー。
コンプレッサーを用いて、圧縮された圧縮空気から酸素を選択的に分離し、高濃度の酸素を生成する酸素濃縮装置において、請求項１または請求項２に記載のコンプレッサーを搭載した酸素濃縮装置。
該遠心式ファンによって該酸素濃縮装置が備える主な発熱部位を送風冷却し、該遠心式ファン以外の送風冷却装置を省略して構成可能としたことを特徴とする請求項３に記載の酸素濃縮装置。