JP2008113862A - 圧力変動吸着型酸素濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素濃縮装置の休止劣化に対し、生成する酸素濃度の経時的変化、装置の経時劣化に伴う酸素濃度低下を補償し、酸素濃度を一定に保持する装置を提供する。
【解決手段】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少なくとも１個の吸着床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段、該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着工程を一定タイミングで繰り返すための流路切替手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該装置の運転時間計測手段４０２を備え、該運転時間計測手段の運転時間情報に基づいて、該空気供給手段の空気供給量及び／または該流路切替手段の切り替え時間を制御する制御手段４０１を備えたことを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気中から酸素富化空気、酸素濃縮気体を分離して使用するための酸素濃縮装置に関する。更に詳細には、圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関し、該積算時間の経過に伴い、該空気供給手段及び／又は該吸着床に充填されている該吸着剤の性能低下によって生成酸素濃縮気体の体積濃度の低下を防ぎ、該積算時間の経過に影響されること無く安定的に使用者に所定濃度以上の酸素濃縮気体を供給できるようにした、改善された圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関する。

近年、肺気腫、肺結核後遺症や慢性気管支炎などの慢性呼吸器疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、かかる患者に対する治療方法として、高濃度酸素を吸入させる酸素吸入療法が行われている。酸素吸入療法とは前記疾病患者に対して酸素ガス若しくは酸素濃縮気体を吸入させる治療法である。治療用の酸素ガス或いは濃縮酸素気体の供給源としては、高圧酸素ボンベ、液体酸素ボンベ、酸素濃縮装置等の使用が挙げられるが、長時間の連続使用に耐えることができ、また使い勝手がよいなどの理由により、酸素濃縮装置を使用するケースが増加している。

酸素濃縮装置は空気中の酸素を分離し、濃縮することを可能にした装置である。かかる酸素を分離濃縮する装置としては、90％以上の高濃度の酸素が得られるという観点で、空気中の窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を1個或いは、複数の吸着床に充填した吸着型酸素濃縮装置が広く知られている。その中でも圧力変動装置としてコンプレッサを用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が広く世の中に広まっている。かかる装置は通常窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填させた1個或いは複数の吸着床に対して、コンプレッサから圧縮空気を供給し、吸着床内を加圧状態にして窒素を吸着させ、未吸着の高濃度の酸素を得る吸着工程と、吸着床内を減圧して窒素を脱着させる脱着工程からなり、これを一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を得る装置である。

生成する酸素濃度の経時的変化、装置の経時劣化に伴う酸素濃度低下を補償し、酸素濃度を一定に保持するため、酸素濃縮気体の酸素濃度を酸素センサーで検知し、コンプレッサ風量や吸脱着のサイクルタイムなどをフィードバック制御することで製品酸素濃度を維持する装置が知られている（特許文献１）。

酸素濃縮装置の保守点検において、当該装置の積算使用時間を確認し、各種保守管理を実施することは重要であり、積算使用時間の確認の方法としては、当該装置に備えられたアワーメータを用いる方法、外部端末を用いて管理する方法（特許文献２、特許文献３）が広く用いられている。

特表2000-516854号公報 特開2002-306601号公報 特開平7-227516号公報

在宅酸素療法では、医師の処方により吸入する酸素量が決定され、圧力変動吸着型酸素濃縮装置を酸素供給源として使用する場合、90％以上の酸素濃度が常に生成されることを前提として、患者の血中酸素濃度データを基にして処方酸素流量及び吸入時間が決定される。

圧力変動吸着型酸素濃縮装置の吸着床として使用する５A型,13X型,Li-X型などのゼオライト吸着剤は水を選択的に吸着する性質を有するため、原料空気中の水分を吸着することにより吸着剤が経時劣化し、生成酸素濃度が徐々に低下していく傾向にある。装置の運転中は吸着剤に吸着した窒素を排気再生する脱着工程で吸着した窒素と共に水分も排気されるが、一部残った水分が徐々に蓄積していくため、通常2年程度で吸着剤の交換をする必要がある。

使用者の多くは慢性呼吸器疾患患者であるため、かかる酸素濃縮装置は1年、2年といった長期間にわたり連続使用される。しかし、病気の重篤度により処方酸素量が決定される為、軽症の患者の場合には運動時（活動時）のみ、あるいは1日数時間といった処方で酸素吸入が行われる。例えば1日あたり1時間の酸素吸入する患者の場合には、酸素濃縮装置の使用時間は1年間で365時間（15.2日）であり、累積休止時間は8395時間となる。このような間歇運転を行った場合には休止時間中の水分の侵入、間欠運転を繰り返すことで生じる装置の温度変化による吸着筒中の水分拡散を促進する。結果、数ヶ月で吸着剤が急速に劣化し、生成酸素濃度の低下を引き起こすことになる。

本発明は、このような酸素濃縮装置の休止劣化に対し、装置の運転および休止情報に基づいてコンプレッサ風量や吸脱着サイクルを制御することにより生成する酸素濃度の経時的変化、装置の経時劣化に伴う酸素濃度低下を補償し、酸素濃度を一定に保持する装置を見出したものである。

すなわち本発明は、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少なくとも１個の吸着床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段、該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着工程を一定タイミングで繰り返すための流路切替手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該装置の運転時間計測手段を備え、該運転時間計測手段の運転時間情報に基づいて、該空気供給手段の空気供給量及び／または該流路切替手段の切り替え時間を制御する制御手段を備えたことを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。

また本発明は、かかる運転時間計測手段の運転時間情報に基づいて、運転時間比率及び／又は累積休止時間を演算する演算手段を備え、演算結果に基づいて該制御手段が該空気供給手段の空気供給量及び／または該流路切替手段の切り替え時間を制御することを特徴とするものである、該運転時間比率が所定値以下（特に0.02以下）であり、累積休止時間が所定時間以上（特に2000時間以上）の場合には該制御手段が該空気供給手段の空気供給量を増加させる制御あるいは該流路切替手段の切り替え時間を遅くする制御を行うことを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。

更に本発明は、かかる運転時間比率が所定値以下であり、累積休止時間が所定時間以上の場合、該制御手段が該空気供給手段の空気供給量の制御、あるいは該流路切替手段の切り替え時間の制御を実施していることを表示させる表示手段を備えることを特徴とし、また、かかる表示手段が、通信回線を通じて情報を管理する管理センターに制御情報を送信し、表示させる手段であることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。

本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、間歇運転による装置劣化を予測しソフト的に対応することで、生成酸素濃度を維持することが可能となる。
更には、初期的に吸着剤充填量を増加させ、あるいは最初から空気供給手段の圧縮空気供給量を増加させる設計は不要となり、圧力変動吸着型酸素濃縮装置の消費電力、コスト、重量等を抑える商品設計が可能となる。

本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の実施態様例について、従来技術と比較しながら図面を用いて説明する。但し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
図１において、１は酸素濃縮装置、３は加湿された酸素富化空気を吸入する使用者（患者）を示す。圧力変動吸着型酸素濃縮装置１は、外部空気取り込みフィルター101、コンプレッサ103、切り替え弁104、吸着筒105、逆止弁106、製品タンク107、調圧弁108、流量設定手段109、フィルター110を備える。これにより外部から取り込んだ原料空気から酸素ガスを濃縮した酸素富化空気を製造することができる。

先ず、外部から取り込まれる原料空気は、塵埃などの異物を取り除くための外部空気取り込みフィルター101などを備えた空気取り込み口から取り込まれる。このとき、通常の空気中には、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。かかる装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素ガスのみを濃縮して取り出す。

この酸素ガスの取り出しは、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ゼオライトなどからなる吸着剤が充填された吸着筒105に対して、切り替え弁104によって対象とする吸着筒105を順次切り替えながら、原料空気をコンプレッサ103により加圧して供給し、吸着筒105内で原料空気中に含まれる約７７％の窒素ガスを選択的に吸着除去する。

前記の吸着筒105としては、前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成され、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105を使用することが好ましい。また、前記のコンプレッサ103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、このコンプレッサ103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。
前記吸着筒105で吸着されなかった酸素ガスを主成分とする酸素富化空気は、吸着筒105へ逆流しないように設けられた逆止弁106を介して、製品タンク107に流入する。

なお、吸着筒105内に充填された吸着剤に吸着された窒素ガスは、新たに導入される原料空気から再度窒素ガスを吸着するために吸着剤から脱着させる必要がある。このために、コンプレッサ103によって実現される加圧状態から、切り替え弁104によって減圧状態（例えば大気圧状態又は負圧状態）に切り替え、吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着剤を再生させる。この脱着工程において、その脱着効率を高めるため、吸着工程中の吸着筒の製品端側或いは製品タンク107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。

原料空気から酸素富化空気が製造され、製品タンク107へ蓄えられる。この製品タンク107に蓄えられた酸素富化空気は、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、調圧弁108や流量設定手段109などによってその供給流量と圧力とが制御されながら、加湿器201へ供給され、加湿された酸素富化空気が患者に供給される。かかる加湿器には、水分透過膜を有する水分透過膜モジュールによって、外部空気から水分を取り込んで乾燥状態の酸素富化空気へ供給する無給水式加湿器や、水を用いたバブリング式加湿器、或いは表面蒸発式加湿器を用いることが出来る。

流量設定手段109の設定値を検知し、制御手段401によりコンプレッサ103の電動機の回転数を制御することで吸着筒105への供給風量を制御する。設定流量が低流量の場合には回転数を落とすことで生成酸素量を抑え、且つ消費電力の低減を図る。

運転時間計測手段402には、リアルタイムクロック（RTC）を採用し、酸素濃縮装置の運転時間の開始時刻および停止時刻を計測する。計測結果に基づいて運転時間比率（稼働率）及び累積休止時間を演算し、運転時間比率が所定値以下、累積休止時間が所定時間以上の場合には、制御手段401が圧縮機103の空気供給量を増加させる制御、あるいは切り替え弁104の切り替え時間を遅くする制御を行う。

患者が軽症であり、必要酸素供給量が少なく処方時間が短い場合には、酸素濃縮装置の運転時間が短くなり、結果として間歇運転を行うことになる。装置は駆動すると装置内温度が上昇し、停止すると装置内温度は下がる。吸着筒105も同様であり、装置が停止し装置内温度が下がると吸着筒105の温度も低下し、吸着筒105の内圧は負圧になる。切り替え弁104は装置停止時には閉じているが負圧の影響を受け、外気を吸引し易くなる。多筒式で吸着筒の一部が大気開放されている場合にはその影響はより顕著になる。

また２筒式、多筒式の吸着筒を有する酸素濃縮装置の場合には、必ず１つの吸着筒は吸着工程で終了する為、吸着筒に原料空気中の水分が残った状態となっており、吸着筒の温度低下に伴い、飽和蒸気圧の低下により水分凝縮を起こす可能性が生じる。

かかる課題は設定流量値には依存せず、運転時間比率（稼働率）と累積休止時間に依存する。図１の酸素濃縮装置を例にして、１日あたりの連続運転時間と酸素濃度低下の発生頻度を図２に示す。１日当たりの運転時間が１時間乃至２時間である装置の、酸素濃度低下発生率が高いことがわかる。このような短時間使用の場合には、使用者は必ずしも毎日酸素吸入を実施する訳ではない。かかる酸素濃度の低下は累積休止時間で２０００時間以上の経過で発生する。図３に酸素濃縮装置の累積の運転時間比率（稼働率）と吸着剤の吸湿劣化に伴う酸素濃度低下の発生頻度の関係を示すと、稼働率４％以下で酸素濃度低下の問題が発生し、２％以下で急速に増加する傾向を示す。

運転時間比率が２％以下であり、累積休止時間が２０００時間以上を超えた場合、制御手段401は圧縮機103の駆動モータ回転数を制御し、空気供給量を通常よりも増加させ、生成する酸素富化空気の酸素濃度を上昇させる制御を行う。また別の手段として流路切替手段である切り替え弁104の切り替え時間の制御をし、吸脱着時間を長くすることで吸着時間を延長し、酸素濃度を上昇させる。

かかる制御がかかった場合には、LED表示等で使用者に注意喚起し、吸湿劣化による酸素濃度の低下の予報を行う。通信ネットワーク回線を通じて各機器の使用情報、異常情報を情報センター等で一括管理するシステムを採用している場合には、通信回線を通じて情報を管理する管理センターに制御情報を送信し、制御情報を表示させることで、機器の異常停止の前にメンテナンスを行うことを可能とする。

本発明の酸素濃縮装置の実施態様例である圧力変動吸着型酸素濃縮装置の模式図。 酸素濃縮装置の１日あたりの連続運転時間と酸素濃度低下の発生頻度との関係図。 酸素濃縮装置の運転時間比率と酸素濃度低下の発生頻度との関係図。

符号の説明

１：酸素濃縮装置
２：無給水式加湿器
３：使用者
101：外部空気取り込みフィルター
103：コンプレッサ
104：切り替え弁
105：吸着筒
106：逆止弁
107：製品タンク
108：調圧弁
109：流量設定手段
110：フィルター
201：加湿器
301：酸素濃度センサー
302：流量センサー
401：制御手段
402：運転時間計測手段

Claims (8)

1. 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少なくとも１個の吸着床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段、該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着工程を一定タイミングで繰り返すための流路切替手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該装置の運転時間計測手段を備え、該運転時間計測手段の運転時間情報に基づいて、該空気供給手段の空気供給量及び／または該流路切替手段の切り替え時間を制御する制御手段を備えたことを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
2. 該運転時間計測手段の運転時間情報に基づいて、運転時間比率及び／又は累積休止時間を演算する演算手段を備え、演算結果に基づいて該制御手段が該空気供給手段の空気供給量及び／または該流路切替手段の切り替え時間を制御することを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
3. 該運転時間比率が所定値以下であり、累積休止時間が所定時間以上の場合、該制御手段が該空気供給手段の空気供給量を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項２記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
4. 該運転時間比率が所定値以下であり、累積休止時間が所定時間以上の場合、該制御手段が該流路切替手段の切り替え時間を遅くする制御を行うことを特徴とする請求項２または３記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
5. 該運転時間比率の所定値が0.02以下であることを特徴とする請求項３又は４に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
6. 該積算休止時間の所定値が2000時間以上であることを特徴とする請求項３又は４に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
7. 該運転時間比率が所定値以下であり、累積休止時間が所定時間以上の場合、該制御手段が該空気供給手段の空気供給量の制御、あるいは該流路切替手段の切り替え時間の制御を実施していることを表示させる表示手段を備えることを特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
8. 該表示手段が、通信回線を通じて情報を管理する管理センターに制御情報を送信し、表示させる手段であることを特徴とする請求項７記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。

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