JP2007282652A - 酸素濃縮装置及びその酸素濃縮方法 - Google Patents

Abstract

【課題】給水式加湿器の細菌繁殖や腐敗の問題及び洗浄や水の補充などの手入れを無くし、吸着剤の吸着能の低下を防止し、静音化を図ることができる圧力変動吸着型酸素酸素濃縮装置とその酸素濃縮方法の提供。
【解決手段】原料空気中の窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒14と、外部から原料空気を取り込み加圧して前記吸着筒14へ供給する空気圧縮装置12と、前記吸着筒14で窒素ガスを吸着除去して製造された酸素富化空気に対して外部空気中に含まれる水分を水分透過膜モジュール20を透過させて加湿する無給水式加湿器2と、水分を前記酸素富化空気へ供給した後の前記外部空気を前記空気圧縮装置12の原料空気の取り入れ口へ還流させる還流配管系27とを具備する圧力変動吸着型酸素濃縮装置とその酸素濃縮方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、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を使用して原料空気中から窒素ガスを選択的に除去した酸素富化空気に空気中から取り込んだ水分を加湿して使用者に供給する酸素濃縮装置とその酸素濃縮方法に関する。

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、酸素ボンベあるいは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、酸素吸入療法のための治療装置として使用されている。

このような酸素濃縮装置として、窒素を選択的に吸着できる吸着剤を充填した吸着筒にコンプレッサなどの空気圧縮装置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とを交互に行うことにより濃縮酸素を得る圧力変動吸着（Pressure Swing Adsorption）型の酸素濃縮装置がある。なお、以下、この“圧力変動吸着型の酸素濃縮装置”を“ＰＳＡ方式酸素濃縮装置”とも称することにする。

このＰＳＡ方式酸素濃縮装置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で、例えば、このような装置によって製造された酸素富化空気は何れも水分を極限まで除去された絶乾状態（通常、大気圧下の露点：−６０℃、水分量（体積比）：約１０．７ｐｐｍ）である。しかしながら、このような絶乾状態の酸素富化空気を患者が吸入すると、例えば、上気道粘膜の繊毛運動低下、体内水分，熱量の損失及び喀痰の乾燥による喀出困難といった問題が生じる。なお、吸着筒に充填された吸着剤が水分を吸着すると、空気中の酸素ガスよりも窒素ガスを選択的に吸着するという吸着能も低下することが指摘されている。このため、通常、吸着筒へは乾燥及び加熱させた原料空気が供給される。

このような問題を回避するために、患者に供給する酸素富化空気は、吸入する前に適度に加湿しておくことが好ましい。そこで、絶乾状態に近い酸素富化空気を加湿するために、ＰＳＡ方式酸素濃縮装置では、酸素富化空気を適度に加湿するための加湿器が設けられることになる。

このような加湿器に要求される特性としては、ある程度飽和水蒸気圧に近い状態でその気体を供給する必要があるため、水を用いた加湿器が広く用いられている。しかしながら、水を用いる加湿器では、加湿に伴って容器内の水が減少するため定期的な水の補充が必要となる。また、長期間使用した場合には加湿用の水に細菌が繁殖したり、加湿用水が腐敗したりする問題がある。

特に、医療用ガスを加湿するための加湿器では、このような事態が生じると、本来的に抵抗力の弱い患者の健康を損なう恐れがある。このため、細菌繁殖や腐敗は絶対に避けなければならず、患者に対して加湿器の定期的な洗浄や頻繁な水の補充などの手入れを強いることとなる。言うまでもなく、このような水の補充や手入れは面倒であることは勿論、その期間中はガスの吸引を一時的に停止する必要がある。しかも、この方式は前述のように本質的に人的手段に頼らなければならないため、操作ミスを誘発する原因ともなり、医療装置の安全性、あるいは信頼性を損なう恐れが充分にある。

そこで、この問題を解決するために、特開平１０−２４８９３５号公報に記載されているような無給水式の加湿器を採用することが検討されている。この無給水式加湿器とは、他の気体よりも水蒸気を選択的に透過させる水分透過膜、例えば、官能基としてスルフォン酸基を配位させた水分透過膜などを用いて、水分透過膜内外の水蒸気の分圧差を利用して、空気中の水分を絶乾状態の酸素富化空気へ移行させて加湿するものである。
特開平１０−２４８９３５号公報

本発明の目的は、ＰＳＡ方式酸素濃縮装置によって製造した酸素富化空気に対して、水分透過膜を備えた無給水式加湿器によって加湿することによって、給水式加湿器のように細菌繁殖や腐敗といった問題、あるいは、使用者に対して加湿器の定期的な洗浄や頻繁な水の補充などの手入れを強いることを無くすとともに、窒素ガスを選択的に吸着除去するための吸着筒に充填された吸着剤が水分を吸着してその性能を低下させるという問題を解消することができ、水分透過膜への水分供給手段を酸素濃縮に用いる空気圧縮装置と併用することで静音化を図ることができるＰＳＡ方式酸素濃縮装置とその酸素濃縮方法を提供することにある。

本発明者は、前記目的を達成するために鋭意検討した結果、無給水式加湿器では水分透過膜内外における水蒸気分圧差に因り、乾燥状態の酸素富化空気へ水分が透過するため、加湿に使用された空気は大気中の湿度よりも低湿度となる。その空気を酸素濃縮工程に使用することによって、吸着筒に充填された吸着剤の劣化を防止することができることを想到するに至った。
そして、本発明者は、これによって、前述の課題が解消できることを確認するに及んで終に本発明を完成したものである。

ここに、前記課題を達成するための請求項１の圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関わる発明として、「原料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を充填した吸着筒と、外部から原料空気を取り込んで加圧し、前記吸着筒へ供給する空気圧縮装置と、前記吸着筒で窒素ガスを吸着除去して製造された酸素富化空気に対して外部空気中に含まれる水分を水分透過膜を透過させて供給して加湿する無給水式加湿器と、水分を前記酸素富化空気へ供給した後の前記外部空気を前記空気圧縮装置の原料空気の取り入れ口へ還流させる還流配管系とを具備する圧力変動吸着型酸素濃縮装置」が提供される。

このとき、本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置としては、請求項２に記載の発明のように、「前記無給水式加湿器が中空糸状に水分透過膜が形成された中空糸膜モジュールを備えた加湿器である、請求項１に記載の圧力変動吸着型酸素富化装置」とすることが好ましい。

また、前記課題を達成するための請求項３の圧力変動吸着型酸素濃縮方法に係わる発明として、「外部から取り込んだ原料空気を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に加圧して供給し、前記原料空気中の窒素ガスを選択的に吸着除去して酸素富化空気を製造すると共に、外部から取り込んだ空気を水分透過膜へ供給して該水分透過膜を透過させた水分を前記酸素富化空気へ供給し、加湿に供した後の前記空気を前記酸素富化空気を製造する原料空気として還流させることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮方法」が提供される。

また、前記無給水加湿器への水分供給手段としては軸流ファン、ブロアファンを用いることができるが、この該水分供給手段を酸素濃縮に用いる空気圧縮装置の吸引により実施することにより、前記軸流ファンやブロアファンを設置する必要がなくなり、酸素濃縮装置の静音化を図ることができる。

ここに請求項４の圧力変動吸着型酸素濃縮装置及び酸素濃縮方法に関わる「外部から取り込んだ原料空気を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に加圧して供給し、前記原料空気中の窒素ガスを選択的に吸着除去して酸素富化空気を製造すると共に、水分透過膜への水分供給手段を前記吸着筒へ供給する空気圧縮装置の吸引により実現することを特徴とする請求項１に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置」が提供される。

以上に述べた本発明によれば、水分透過膜を備えた無給水式加湿器を使用するために、飽和水蒸気圧近くまで加湿した状態の酸素富化空気を供給するために、水を用いた加湿器が必要でなくなる。このため、細菌繁殖や腐敗が起こらず、しかも、使用者に対して加湿器の定期的な洗浄や頻繁な水の補充などの手入れを強いることもなくなる。更には、水を頻繁に交換する必要もないため、人為的な操作ミスを誘発することもなくなり、医療装置の安全性と信頼性を確保することができる。

このように、水分透過膜を備えた無給水式加湿器では、水を使用せずに、乾燥状態の酸素富化空気に外部空気中に含まれる水分を加湿用として導入することができる、かつ加湿用に使用された外部空気は大気よりも低湿度であるため、この空気を空気圧縮装置の原料空気取り入れ口へ還流させることで吸着筒に充填された吸着剤が水分を吸着してその性能を低下させるという問題も解消することができる。

以下、前述の本発明に関わるＰＳＡ方式の酸素濃縮装置と酸素濃縮方法の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。ここで、図１は、本発明に関わるＰＳＡ方式酸素濃縮装置の一実施形態例の基本構成を模式的に例示した概略の基本構成図である。

図１に例示したように、本発明に関わるＰＳＡ方式の酸素濃縮装置は、基本的には酸素濃縮装置１と無給水式加湿器２を備えており、使用者３へ供給する酸素富化空気は、酸素濃縮装置１によって製造された例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、これに対して無給水式加湿器２から水分が付与されて使用者３へ供給するようにされている。

ここで、前記酸素濃縮装置１は、図１の装置構成図に模式的に例示したように、フィルター11、空気圧縮装置12、切り替え弁13、吸着筒14、逆止弁15、アキュムレータ・タンク16、調圧弁17、流量設定手段18、フィルター19などから構成されている。

このように構成される酸素濃縮装置１において、原料空気は、空気中に含まれる塵埃などを取り除くためのフィルター11などを備えた空気取り込み口から取り込まれるが、その空気中には、約２１％の酸素ガス、約７７％の窒素ガス、０．８％のアルゴンガス、水蒸気ほかのガスが１．２％含まれている。その原料空気中から約７７％の窒素ガスを選択的に吸着除去するために、取り込んだ原料空気を空気圧縮装置12によって加圧圧縮し、切り替え弁13によって切り替えられた吸着筒14（図は２筒式吸着筒の例である）へ順次供給される。

その際、前記吸着筒14には、酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着するゼオライトのような吸着剤が充填されているので、吸着筒14へ供給された加圧空気により、選択的に窒素ガスが吸着除去されるのである。なお、吸着筒14で吸着されなかった酸素ガスを多く含んだ酸素富化空気は逆流しないように設けられた逆止弁15を介して、アキュムレータ・タンク16に流入する。

次いで、このアキュムレータ・タンク16から調圧弁17や流量設定手段18などによってその供給流量と圧力とが制御されながら、無給水式加湿器２へ例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んだ酸素富化空気が供給される。このとき、前記の吸着筒14としては、好ましくは前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成することが好ましく、通常、１筒式、２筒式の他に３筒以上の多筒式が用いられるが、連続的かつ効率的に原料空気から酸素富化空気を製造するためには、多筒式の吸着筒14を使用することが好ましい。また、前記の空気圧縮装置12としては、揺動型空気圧縮機が用いられるほか、スクリュー式、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。また、この空気圧縮装置12を駆動する電動機の電源は、交流であっても直流であってもよい。

ただし、吸着筒14内に充填された吸着剤に吸着された窒素ガスは、切り替え弁1を用いて、空気圧縮装置12によって加圧状態から減圧状態（例えば大気圧状態又は負圧状態）に切り替えられ、吸着されていた窒素ガスを脱着してリフレッシュされる。そして、これにより再び原料空気中の窒素ガス分子を吸着できる能力を回復する。なお、この吸着剤の窒素ガスの脱着工程において、その脱着効率を高めるため、アキュムレータ・タンク16から酸素富化空気をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。

以上に述べたように構成される酸素濃縮器１で製造された酸素富化空気は吸着剤で水分も吸着除去されてしまうために、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスで、かつ乾燥状態にあるため、無給水式加湿器２により加湿することが肝要である。なお、本発明において、無給水式加湿器２を使用する理由は、背景技術欄で述べたような給水式加湿器が有する問題を解消できるからである。したがって、本発明において使用する加湿器は、無給水式加湿器であることが必要である。

ここで、本発明に使用する無給水式加湿器２の実施形態例を簡単に説明すると、この無給水式加湿器２は、水分透過膜モジュール20からなり、この水分透過膜モジュール20は、水分透過膜を形成した中空糸22、水分透過膜モジュール本体21、加湿前酸素富化空気の流入口23、加湿後酸素富化空気の流出口24、加湿用外部空気の取入口25、加湿済み外部空気の排出口26を含んで構成される。

以上のように構成される水分透過膜モジュール20では、例えば水分透過膜を形成した中空糸22の内側に酸素濃縮装置１で製造した加湿前の酸素富化空気を流入口24から流出口25を通じて加湿すると共に、中空糸22の外側には水分を含む外部空気を取入口26から排出口27へと空気圧縮装置12の吸引によって供給するようにされている。なお、この水分透過膜モジュール20の実施形態としては、例えば、水分透過膜が形成された中空糸22を適当な長さに切断し、これを多数本束ねた中空糸22の束を作成して、この中空糸束の両端部の中空が塞がらないように両端をエポキシ樹脂のような樹脂で水分透過膜モジュール本体21の内壁部に一体に固めて納め、図１に例示したようにモジュ−ル化したものを好適に使用することができる。

本例では水分透過膜を形成した中空糸モジュールを使用しているが、本発明は、このような中空糸膜モジュールに限定されることはなく、例えば、平膜モジュールや平膜をスパイラル状に形成したモジュールを用いることもできる。このとき、前述の平膜モジュールでは、例えば、良好な通気性を有する平板状支持体の両面に水分透過膜を形成し、水分透過膜支持体の表裏両面に圧力差を付けることによって、外部空気側（大気側）の水蒸気を水分透過膜の表面に溶解させて水分透過膜内を拡散移動させた後、負圧側の水分透過膜の表面から離脱させるという原理を使用したものがある。このような平膜モジュールでは、水分透過膜膜を形成した前記平板状支持体は隔壁を挟んだサンドイッチ構造を繰り返し単位として、これを複数個積層したものが通常使用される。

また、本発明では前記水分透過膜として周知のものを使用することができ、これらを例示するならば、特開昭５４−１５２６７９、特開昭６０−１８３０２５、特開昭６１−１９５１１７、特開昭６２−４２７２３等に記載された吸水性高分子膜、特開昭５３−８６６８４、特開昭６０−２５７８１９、特開昭６０−２６１５０３、特開昭６２−４２７７２等に記載されたポリスルホン多孔膜、ポリプロピレン多孔膜、ポリテトラフルオロエチレン多孔膜およびこれらと他の膜との複合膜、特開昭６２−４２７２３等に記載された芳香族ポリイミド膜を挙げることができ、更に、パーフルオロスルホン酸系イオン交換膜、炭化水素スルフォン酸系イオン交換膜、またイオン交換膜と吸水性高分子膜との複合膜などを例示することができる。また、市場に供されている水分透過膜を挙げるならば、その商品名／商標名が、ＮＡＦＩＯＮ膜（ＤｕＰｏｎｔ社製）、ダウ膜（ダウケミカル製）、フレミオン（旭硝子製）、アシプレックス（旭化成製）などと称されているものを例示することができる。

本発明では、酸素濃縮器１によって製造された乾燥状態の酸素富化空気を加湿するために使用した外部空気は多くの水分が除去されていることを利用する。そのためには、このような加湿に使用した後の外部空気を外部へ放出せずに、酸素富化空気を製造する原料空気の一部又は全部として還流配管系27から還流させる。なお、還流配管系27としては、例えば周知の送風ダクトを好適に使用することができる。

そうすることにより、還流配管系27から還流させた外部空気からは、酸素富化空気側へ供給した分の水分が取り除かれており、吸着筒14に充填された吸着剤が水分を吸着してその性能を低下させるという問題も解消することができる。

以上に述べた本発明の酸素濃縮装置とその運転方法によれば、水分透過膜を用いる無給水式加湿器を備えたＰＳＡ方式の酸素濃縮装置とその酸素濃縮方法として極めて有用である。

本発明に係わるＰＳＡ方式酸素濃縮装置の基本構成の一実施形態例を模式的に示した基本構成図である。

符号の説明

１：酸素濃縮装置
２：無給水式加湿器
３：使用者
11：フィルター
12：空気圧縮装置
13：切り替え弁
14：吸着筒
15：逆止弁
16：アキュムレータ・タンク
17：調圧弁
18：流量設定手段
19：フィルター
20：水分透過膜モジュール
21：水分透過膜モジュール本体
22：水分透過膜を形成した中空糸
23：加湿前酸素富化空気の流入口
24：加湿後酸素富化空気の流出口
25：加湿用外部空気の取入口
26：加湿済み外部空気の排出口
27：還流配管系

Claims (4)

1. 原料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を充填した吸着筒と、外部から原料空気を取り込んで加圧し、前記吸着筒へ供給する空気圧縮装置と、前記吸着筒で窒素ガスを吸着除去して製造された酸素富化空気に対して外部空気中に含まれる水分を水分透過膜から供給して加湿する無給水式加湿器と、水分を前記酸素富化空気へ供給した後の前記外部空気を前記空気圧縮装置の原料空気の取り入れ口へ還流させる還流配管系とを具備する圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
2. 前記無給水式加湿器が中空糸状に水分透過膜が形成された中空糸膜モジュールを備えた加湿器である請求項１に記載の圧力変動吸着型酸素富化装置。
3. 外部から取り込んだ原料空気を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に加圧して供給し、前記原料空気中の窒素ガスを選択的に吸着除去して酸素富化空気を製造すると共に、外部から取り込んだ空気を水分透過膜へ供給して該水分透過膜を透過させた水分を前記酸素富化空気へ供給し、加湿に供した後の前記空気を、前記酸素富化空気を製造する原料空気として還流させることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮方法。
4. 外部から取り込んだ原料空気を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に加圧して供給し、前記原料空気中の窒素ガスを選択的に吸着除去して酸素富化空気を製造すると共に、水分透過膜への水分供給手段を前記吸着筒へ供給する空気圧縮装置の吸引により実現することを特徴とする請求項１に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。

Images