JP2008149296A - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着剤の寿命が視認可能であり、かつ吸着剤寿命の長い酸素濃縮装置を提供する。
【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、及び装置筐体を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該酸素濃縮装置の吸着床の劣化状況が視認可能である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

本発明は空気中の酸素を分離濃縮し使用者に供給する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り、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充填した1個或いは、複数の吸着床を用いた吸着型酸素濃縮装置が広く知られ使用されている。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。圧力変動吸着法には、吸着した窒素成分を取り除き吸着剤を再生させる脱着工程を大気圧まで行うＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption法や、真空ポンプで吸着筒を真空まで減圧させるＶＰＳＡ：Vacuum Pressure Swing Adsorption法がある。

吸着型酸素濃縮装置の吸着劣化は、吸着剤に対する水分吸着が主原因である。本課題に対し、特開2001-104738号公報や特開2004-275493号公報では、圧縮機から出る高温の空気を熱交換器により強制冷却することで凝縮させ、発生した結露水をフィルタにより除去する方法を提案している。本技術に加え、特開2001-104738号公報では、水分を除去した後の圧縮空気を第２熱交換器を通過させることにより加熱し吸着筒へ送り込むことによって、吸着剤の水濡れを防止し、これによって長期間使用しても吸着剤の劣化がなく、除湿機能を具備しない従来の医療用酸素濃縮装置に比べて長期に渡って安定した濃度で高濃度酸素ガスが供給できることを開示している。しかし、本技術においても、冷却時に一時的に凝縮した水分を除去するのみであり、完全な乾燥空気を吸着筒に送付できないため、水分劣化はいずれ発生するという課題を持つ。

また、特開平9-20503号公報では、低性能吸着材に劣化要因である水分を吸着させる事を目的に、吸着筒中の吸着材を2層に分けた吸着筒を開示している。本技術により、吸着材中の酸素生成に関わる吸着材は長寿命化するものの、水分の浸入は妨げることができないため、吸着材はいずれ劣化することとなる。

一方、特開2003-238115号公報では、酸素濃縮器中の窒素吸着材の劣化を、製品ガスの濃度により監視し、所定の濃度以下になった場合に警告灯を点灯することで、患者に異常状態である事を知らせる装置を開示している。本技術を用いた場合、酸素濃度の異常低下を早い段階で使用者に知らせることができ、処方濃度以下になる前に装置のメンテナンスを依頼することができるため、使用者の安全を守ることができる。しかし、本技術を用いた場合、高温多湿環境など悪条件での運転を考えると、交換頻度が頻繁になってしまい、その都度吸着筒の交換（ひいては装置の回収メンテナンス）に繋がるほか、警告は実質使用者によって解除できるものではないため、使用者は交換するまで不安な状況で装置を使い続けざるを得ない。

特開2001-104738号公報 特開2004-275493号公報 特開平9-20503号公報 特開2003-238115号公報

上述のように、酸素濃縮装置における既存技術の課題は、水分劣化を根本的に解決する手段を持った装置が未だ存在しない点と、水分劣化が視認できないため、どの程度吸着剤の水分劣化が進んでいるのかが把握できない点にある。

そこで本技術は、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、及び装置筐体を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該酸素濃縮装置の吸着床の劣化状況が視認可能である劣化状況視認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。

本技術により、従来は一定の周期で交換する他は吸着床の劣化状況が確認不可能であった圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、使用者及びメンテナンス従事者は吸着床内の吸着剤の吸湿状況が確認可能となり、装置の安定的な使用が補償されることとなる。

また、本技術を更に具体的に説明すると、空気供給手段の下流に設置され、該劣化状況視認手段は該筐体に沿うように装着されており、該劣化状況視認手段の一部又は全体が視認可能となるよう，該劣化状況視認手段装着位置に該当する該筐体の一部が透明な材料で作成されていて視認可能となっていることを特徴とした圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供する。

また、該劣化状況視認手段の取り付け位置が、該吸着床の上流に取り付けられていることにより、吸着床に湿度を含んだ空気が入り込まなくなるため、吸着床自体を長寿命化させることができる。

更に、該吸着床が複数の吸着床からなる場合、該吸着床毎に該劣化状況視認手段を取り付けることで、それぞれの吸着床を長寿命化させることができる。

また、該劣化状況視認手段と切替手段の間に、該圧力変動吸着型酸素濃縮装置の運転停止中は流路を遮断する停止中流路遮断手段を備えるため、運転停止時に劣化状況視認手段側から拡散などにより吸着床への水分の移動を遮断することができるため、それぞれの吸着床をさらに長寿命化させることができる。

また、本技術は、該カートリッジの取り外しの際に使用する、カートリッジ内圧を下げるためのカートリッジ内圧低下手段を備えることで、使用者が該劣化状況視認手段の劣化状況によって該劣化状況視認手段を取り替える際に、運転を停止するだけでは装置内配管に圧が残っていることが予想されるため、安全に取り替えることができるよう、内圧低下手段を別途設けることを特徴とする。

また、本技術は、該カートリッジがワンタッチコネクタで空気供給部及び吸着床に接続されており、さらに該カートリッジ内圧を下げる手段が、手動で流路を切り替えることが可能であることを特徴とする。本技術により、装置から劣化状況視認手段が手動で容易に取り外し及び取替え可能となるため、使用者及びメンテナンス従事者にとって取替え作業が容易になる。

具体的に該劣化状況視認手段を説明すると、該劣化状況視認手段は、水分を吸収することで変色する材料を封入したものであることを特徴とし、塩化コバルト、フェノールフタレイン、鉄塩うち、いずれか１つを含浸させた吸着剤であれば、乾燥時と吸湿時の色が変わるため、視認が容易となる。具体的な吸着剤としては、粒又は球状のシリカゲルに塩化コバルト（乾燥時は青色、吸湿時は桃色に変色）、フェノールフタレイン（乾燥時はオレンジ色、吸湿時は無色）、鉄塩（乾燥時は茶色、吸湿時は黄色に変色）のうちいずれか１つを含浸させたものが挙げられる。本シリカゲルは、前記した変色特性を持つため、視認が容易である。

また、該変色する材料が五酸化二リンを含む吸着剤であってもよい。具体的には、２５％不活性無機担体、７５％五酸化二リンを含む吸着剤であれば、乾燥時は無色、吸湿時は青色に変色するため、前期シリカゲルと同様に視認が容易となる。

本技術を搭載した圧力変動吸着型酸素濃縮装置は、吸着剤の劣化の主要因である湿度成分による劣化が把握可能となる。また、劣化状況視認手段を搭載することで、湿度成分を吸着剤に到達させないだけでなく、劣化状況視認手段を交換することで吸着床の長寿命化が可能となる。劣化状況視認手段は、別の態様として、ワンタッチコネクタにより装置内配管と接続されていること、更に内圧低下手段を具備することにより常圧状態で取り外しが可能となり、装置から劣化状況視認手段を簡便且つ安全に取り付け、取り外しが可能となる。

本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の実施態様例を、以下の図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態である圧力変動吸着型酸素濃縮装置を例示した概略装置構成図である。圧力変動吸着型酸素濃縮装置は、外部空気取り込みフィルタ、コンプレッサ、切替弁（三方電磁弁A、B）、電磁弁C、D、レバーバルブA、B、水分吸着剤を封入したカートリッジA、B吸着筒A、B、逆止弁、製品タンク、調圧弁、流量設定手段（CV）、加湿器およびフィルタを備える。パージ・均圧など酸素濃縮工程の効率化を図るため、図示のごとくオリフィス及び均圧弁を必要に応じて取り付けることができる。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出す。

この酸素ガスの取出しは、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A、Bに対して、三方弁の電磁弁1、電磁弁2によって、対象とする吸着筒A、Bを順次切替えながら、原料空気をコンプレッサにより加圧して供給し、吸着筒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A、B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、２筒以上、多筒式の吸着筒を使用することが好ましい。また、前記のコンプレッサとしては、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A、B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、吸着筒へ逆流しないように設けられた逆止弁を介して、製品タンクに流入する。

なお、吸着筒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、コンプレッサによって実現される加圧状態から、電磁弁A、Bにより減圧状態（例えば大気圧状態又は負圧状態）に切替え、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から酸素富化空気を、均圧弁又はオリフィスを介して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、製品タンクへ蓄えられる。この製品タンク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、調圧弁や流量設定手段（コントロールバルブCV）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CVの設定値を検知し、制御手段によりコンプレッサの電動機の回転数を制御することで吸着筒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。

ここで、前記した吸着筒内に封入するゼオライトは、水分を含むとその吸着性能は著しく低下する。そこで、図１のように水分を吸着する材料を含んだカートリッジを吸着筒毎に取り付けてゼオライトの寿命を延長させる。

水分の吸着を視認する材料としては、塩化コバルト、フェノールフタレイン、鉄塩のいずれかを含浸させた吸着剤であることが好ましい。前記した物質を含浸させた吸着剤は、水分吸着前後の色が異なるという性質を持つので、視認性が良いためである。前期物質を含浸させた代表的な水分吸着剤として，粒又は球状のシリカゲル（以下単にシリカゲルと表記する）が挙げられる。本シリカゲルであれば、乾燥状態で青色を呈しているものが水分吸着時には桃色に変色するので視認性が良い。また、五酸化二リンを含む吸着剤も視認性がよいので使用可能である。具体的には、２５％不活性無機担体、７５％五酸化二リン（シカペント）を含む吸着剤であれば、乾燥時は無色、吸湿時は青色に変色する。

本カートリッジは例えばアクリル系樹脂やパイレックス(登録商標)などのガラス材料など、内部の状況が見える材質で作られており、カートリッジの取り付け位置が外部からも視認可能とするためにカートリッジ取り付け位置に対応する筐体の部位も、図２Ａ〜Ｄに示すように、アクリル系樹脂やパイレックス(登録商標)などのガラス材料など、内部の状況が見える材質で作られている。

劣化状況を視認するカートリッジの取り付け位置は、吸着筒と切替弁の間に設置することが望ましい。この配置により、吸着筒上流側における水分劣化を把握するとともに、吸着床の脱着再生工程時にパージガスによってカートリッジ内のシリカゲルも同時に再生するため、カートリッジ内シリカゲルの長寿命化・シリカゲル重量の低減が図られる。

図２Ａ〜Ｄは、本技術を用いた装置における水分劣化状況の視認方法を示している。筐体及びカートリッジは先に示したとおり内部の状況が見えるようになっているため、運転当初は図２Ａのごとく青色シリカゲルが確認される。運転するに連れて徐々にシリカゲルが水分を吸着するため、図２Ｂのようにコンプレッサに近い位置のシリカゲルが桃色に変色し始める。図２Ｃのように封入したシリカゲルが全て変色した場合、シリカゲルによる水分吸着が不可能となるため、吸着筒内のゼオライトが水分により浸される時期となることがわかる。

なお、一般にゼオライトはシリカゲルに比べ高価であり、また交換もメンテナンスのタイミングにて対応する必要があるため、カートリッジの取替えを使用者が実施できることが望ましい。そこで、図２Ｄに示すように、カートリッジを取り替える程度にシリカゲルが水分を吸着したとみなす位置を筐体に示しておき、カートリッジの交換を促すことも可能である。カートリッジ内のシリカゲルが交換時期を示す位置まで水分を吸着している場合、カートリッジは図３に示すように付近の配管とはワンタッチコネクタで接続されているため、容易に取り外すことができ、新しいカートリッジと交換することで容易に再生が可能となり、吸着筒内のゼオライトの水分による劣化を防止することができる。

運転停止時には、シリカゲルから拡散した水分がゼオライトに移動する可能性があるため、運転停止時には電磁弁C、Dによって停止時に流路を遮断する。これにより、シリカゲル由来の水分によるゼオライトの劣化を防止することができる。

また、カートリッジ交換は装置の運転を停止した状態で行うが、運転停止後に吸着剤から気体が拡散してくるなどの原因で装置内圧が高くなる。このように内圧が高い状態でカートリッジを取り外そうとした場合、残圧により装置内配管が破損したり、急な取り外しで使用者が怪我をする可能性がある。また、取り外し時には運転停止状態のため、手動での操作が望ましい。以上の事項を踏まえると、手動可能なカートリッジ内圧低下手段、具体的にはレバーバルブをカートリッジ近傍に取り付けておくことで、取り外し前にカートリッジ近傍の圧力を抜き、安全にカートリッジを取り外すことができる。なお、レバーバルブ取り付け位置は図１及び図３に示された位置に限らず、カートリッジ下流であっても良い。

本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の実施態様例を示す概略フロー図。 本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の実施態様例を示す外観図。 本発明の劣化状況視認手段付近のフロー図。

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、及び装置筐体を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該酸素濃縮装置の吸着床の劣化状況が視認可能な劣化状況視認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. 該劣化状況視認手段が、該流路切替手段と該吸着床の間に設置され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。
3. 該吸着床が複数の吸着床からなり、各吸着床毎に、該劣化状況視認手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
4. 該劣化状況視認手段と該吸着床との間に、装置の運転停止中に流路を遮断する流路遮断手段を備えることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
5. 該劣化状況視認手段が該筐体に沿うように装着され、且つ装着位置に該当する該筐体の一部が透明部材で構成され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。
6. 該劣化状況視認手段が、塩化コバルト、フェノールフタレイン、鉄塩のうちいずれか１つを含浸させたシリカゲル吸着剤、または五酸化ニリンを含む吸着剤を充填した透明なカートリッジであることを特徴とする請求項５に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
7. 該カートリッジの上流側にカートリッジ内圧低下手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
8. 該カートリッジ内圧低下手段が、レバーバルブであることを特徴とする請求項７に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。

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