JP2008173283A - 圧力スイング吸着式酸素濃縮器 - Google Patents

Abstract

【課題】製品タンク体積を変化させ、製品タンク圧力の変動を低減することにより、製品酸素の濃度変動および圧力変動を低減し、さらに昇圧効率を向上させ、酸素生成効率を向上させた酸素濃縮装置を提供する。
【解決手段】少なくとも酸素より窒素を吸着する吸着剤を収容した１個以上の吸着床、該吸着床に原料空気を供給する原料空気供給手段、該吸着床へのガスの出入りを制御する流路切り替え手段、安定した酸素濃縮ガスの供給を可能にするための製品タンクを備え酸素濃縮ガスを生成する圧力スイング吸着式酸素濃縮器において、該製品タンクの容積が可変であることを特徴とする圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
【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。さらに詳細には、圧力スイング吸着式酸素濃縮装置に関するものであって、より少量の供給ガスで濃度および流量が安定した酸素濃縮ガスを使用者に供給できるようにした、改善された酸素濃縮装置を提供するものである。

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スイング吸着式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を有し、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。この場合に、吸着床からの酸素濃縮ガスの圧力および濃度は常に変動しており、特にサイクルの最初と最後では大きく異なっている。

使用者に安定した濃度および流量で濃縮酸素ガスを提供するために、従来から吸着床と流量調節手段の間に製品タンクが設置されている。製品タンクは濃縮酸素ガスを貯留することにより、得られる濃縮酸素ガスの圧力変動、濃度変動を低減させ、製品タンクの容積が大きいほど変動は小さくなる。

また、製品タンクは吸着床とオリフィスまたは製品タンク側を下流とする逆止弁で接続されるのが一般的であり、製品タンクの大きさが加圧時の吸着床の昇圧効率に影響を与え、製品タンクが小さいほど昇圧効率がよく、酸素生成効率が高くなる。

特開平5-220224号公報 特開平6-246001号公報 特開2001-259343号公報 特開2006-166998号公報

従来の酸素濃縮器においては濃度変動および圧力変動の低減のためには製品タンクを大きくしなければならず、昇圧効率の向上および装置の小型・軽量化のためには製品タンクを小さくする必要がある。

従来の酸素濃縮器においても製品タンクの小型化、圧力変動および濃度変動低減、昇圧効率向上のための技術は考案されている。例えば、特開平5-220224号公報には製品タンク内に吸着材を充填し酸素を吸着させることにより、製品タンクを大きくすることなく濃度の変動を少なくする方法が開示されている。この方法は、吸着材に酸素を吸着させることにより貯蔵される酸素ガスの量を増やし、見かけの製品タンク体積を大きくする方法であり、有用な技術であるが、製品タンク圧力は吸着筒圧力と製品取り出し量により決定されるため、昇圧効率を上げることはできない。

吸着筒の昇圧効率向上に関して、特開平6-246001号公報には、吸着床と製品タンクの間に電磁弁を設け、吸着床への加圧開始時に弁を開き、高圧である製品タンクからガスを逆流させ短時間で圧力を上昇させることにより、昇圧効率を上昇させる方法が開示されている。この方法は、吸着床圧力を効率よく上昇させることができるが、弁の個数が多くなるため、部品点数増加すなわち重量・コストの増加、消費電力の上昇という課題がある。

また装置の小型化に関して、特開2001-259343号公報、特開2006-166998号公報には、製品タンクを吸着筒や吸着筒支持構造体と一体化することにより、装置を小型・軽量にする方法が開示されている。この方法は、配管を減らすことも可能であり、小型・軽量化に対して有用な技術であるが、製品タンク自体の容積を小型にするものではない。
上記のように、従来の製品タンクでは濃度変動および圧力変動の低減と昇圧効率向上、装置の小型・軽量化を両立することは困難である。

本発明は上記の課題を解決するものであり、製品タンクに弾性体などにより力を加え、貯蔵する濃縮酸素ガスの量の変化に併せて製品タンクの容積を変化させることで製品タンク内部を高い圧力に保つことにより、濃度変動および圧力変動を低減し、昇圧効率を向上させた酸素濃縮装置を提供する。

すなわち本発明は、少なくとも酸素より窒素を吸着する吸着剤を収容した吸着床、該吸着床に原料空気を供給する原料空気供給手段、該吸着床へのガスの出入りを制御する流路切り替え手段、製品タンクを備えた圧力スイング吸着式酸素濃縮器において、該製品タンクに製品タンク内圧力に応じて内部容積を変更可能な機構を有することを特徴とする圧力スイング吸着式酸素濃縮器を提供する。

また本発明は、かかる内部容積を変更可能な機構が、製品タンク内部に弾性体の伸縮により内部容積を変化させる機構であり、特に該製品タンク内をシールしながら移動可能な隔壁およびバネ等の弾性体から構成されることを特徴とする圧力スイング吸着式酸素濃縮器を提供する。

また本発明は、かかる製品タンクの隔壁の全部またはその一部が弾性材料部材で構成される圧力スイング吸着式酸素濃縮器を提供する。

本発明は、体積が可変である製品タンクを用いることにより、濃度変動および圧力変動を低減し、昇圧効率を高め、より少量の供給ガスで濃度・流量が安定した酸素濃縮ガスを使用者に供給できるようにした、改善された酸素濃縮装置を提供することができる。

本発明の圧力スイング吸着式酸素濃縮器の実施態様例を、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スイング吸着式酸素濃縮器を例示した概略装置構成図である。圧力スイング吸着式酸素濃縮器は、外部空気取り込みフィルタ、コンプレッサ、切替弁A,B、吸着床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。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床Ａ、Ｂに対して、流路の切替弁A,B（電磁弁）によって、対象とする吸着床A,Bを順次切り替えながら、原料空気をコンプレッサにより加圧して供給し、吸着床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。

前記の吸着床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、多筒式の吸着床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。
前記吸着床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、吸着床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、吸着床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、切替弁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、吸着工程中の吸着床の製品端側から酸素富化空気を、均圧弁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。

製品タンクはアルミ製の円筒部材とし、内部にOリングでシールしたアルミ隔壁を弾性部材としてバネで支持する構成とする。係る構成とすることで製品タンク内圧力の上昇に合わせて内部容積を自動的に変更することが出来る。製品タンクの体積を可変とすることで、製品タンク内に貯留されている酸素濃縮ガスの量に関わらず製品タンク内部の圧力を高く保ち、酸素濃縮ガスの濃度変動および流量変動の低減、昇圧効率の向上による酸素生成効率の向上を図ることができる。

吸着床が減圧状態から加圧状態に切り替わった直後の状態では、吸着床の圧力は製品タンク圧力よりも低い状態になっているため、吸着床から製品タンクへの酸素の流入はないが、調圧弁、流量設定手段により一定流量の酸素が装置使用者へ供給され、製品タンク内の製品酸素の貯留量は減少する。したがって、従来の製品タンクでは製品タンク圧力は吸着床圧力と等しくなるまで減少する。ここで、吸着床から製品タンクへの酸素の流入が開始され、吸着床圧力と製品タンク圧力は等しいまま上昇する。このとき、吸着床だけでなく、製品タンクも同時に昇圧しなければならないため、昇圧効率が低下する。また、吸着床から製品タンクへの酸素の流入が始まった後は加圧状態が終わるまで製品タンク圧力の上昇は続くため、製品タンク圧力の変動が大きくなる。

内容積を変更可能とするため、内部にバネを支持体とする隔壁からなる可動部分を有する製品タンクを用いた場合、減圧状態から加圧状態に切り替わった直後の状態で、吸着床から製品酸素の流入がなく、装置使用者に一定流量の酸素を供給し、製品タンク内の製品酸素の貯留量が減少しているときには弾性体の力により製品タンク体積を小さくし、圧力を高い状態で保ち、吸着床圧力と同じ圧力まで減少することを防止する。したがって、吸着床圧力が高い状態で保たれている製品タンク圧力と同じ値になるまで吸着床から製品タンクへ酸素は流入せず、昇圧効率が高い状態で吸着床圧力を上昇させることができ、酸素生成効率を向上させることができる。また、吸着床から製品タンクへの酸素の流入が始まった後も製品タンク体積を大きくすることで圧力の上昇を抑えることができるので製品タンク圧力の変動を小さくすることができ、安定した製品酸素の供給が実現できる。

図１にはバネを用いた製品タンクの例が記載されているが、製品タンクの体積を変化させる手段について限定するものではなく、製品タンクが弾性材量で構成されているなど他の手段により製品タンクの体積を変化させても効果が得られる。また製品タンクの大きさ、弾性体の選定、例えばバネであればバネ定数などの設計を考えた場合、酸素濃縮装置の最大流量および最小流量や、吸着筒圧力の設定値などに合わせて最適な設計をすることにより本発明の効果を最大限得ることができる。

本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の実施態様例を示す概略フロー図。

符号の説明

１．外部空気取り込みフィルタ
２．コンプレッサ
３．切替弁Ａ
４．切替弁Ｂ
５．吸着筒Ａ
６．吸着筒Ｂ
７．均圧弁
８．逆止弁Ａ
９．逆止弁Ｂ
１０．製品タンク
１１．弾性体
１２．圧力調節手段
１３．流量調節手段
１４．加湿手段
１５．フィルタ

Claims (5)

1. 少なくとも酸素より窒素を吸着する吸着剤を収容した吸着床、該吸着床に原料空気を供給する原料空気供給手段、該吸着床へのガスの出入りを制御する流路切り替え手段、製品タンクを備えた圧力スイング吸着式酸素濃縮器において、該製品タンクに製品タンク内酸素ガス貯留量に応じて内部容積を変更可能な機構を有することを特徴とする圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
2. 該内部容積を変更可能な機構が、製品タンク内部に弾性体の伸縮により内部容積を変化させる機構であることを特徴とする、請求項１に記載の圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
3. 該内部容積を変更可能な機構が、該製品タンク内をシールしながら移動可能な隔壁および弾性体から構成されることを特徴とする、請求項２に記載の圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
4. 該弾性体がバネである請求項３に記載の圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
5. 該製品タンクの隔壁の全部またはその一部が弾性材料部材で構成されることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の圧力スイング吸着式酸素濃縮器。

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