JP2008173284A

JP2008173284A - 吸着型酸素濃縮装置

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Publication number: JP2008173284A
Application number: JP2007009005A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Murata; 裕俊村田; Koji Ichikawa; 耕司市川
Original assignee: Teijin Pharma Ltd
Current assignee: Teijin Pharma Ltd
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】在宅で長期使用する医療機器である吸着型酸素濃縮装置の運転動力を低減し、患者の経済的負担を低減する装置を提供する。
【解決手段】吸着床にコンプレッサー手段から圧縮空気を供給して高圧で窒素を吸着させる吸着工程と、窒素を吸着して高圧の該吸着床から圧力を系外に放出して低圧で窒素を脱離させる脱離工程を交互に行うことにより濃縮酸素を生成する流路切替制御手段を備えた吸着型酸素濃縮装置において、該流路切替制御手段が該吸着工程と該脱離工程の間に、該吸着工程中の該吸着床と該脱離工程が終了した該吸着床双方に該コンプレッサー手段から圧縮空気を供給する並行加圧工程を行う制御手段であることを特徴とする吸着型酸素濃縮装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、酸素又は窒素を選択的に吸着する吸着剤を用い、圧力変動吸着方法により空気中から酸素を濃縮して使用者に供給する酸素濃縮装置に関する。更に詳細には、吸着床内の圧力を有効に用いる事により、コンプレッサーにかかる負荷を軽減させるように制御することにより、酸素濃縮効率を向上させた圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関するものである。

近年、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎などの呼吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向があるが、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酸素吸入療法用の治療装置として、次第に普及するようになってきている。

かかる酸素濃縮装置として、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知られ、中でも空気供給手段としてコンプレッサーを用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮装置が、在宅酸素吸入療法の装置として用いられている。

圧力変動吸着型酸素濃縮装置においては、一般には空気圧縮手段で吸着床に空気を供給し、床内を加圧状態にすることにより空気中の窒素を吸着させ、未吸着の酸素を取り出す吸着工程と、吸着工程が終了した後、該吸着床を大気開放して減圧し吸着窒素を脱着させ吸着剤を再生する、該吸着床を大気開放して減圧し吸着窒素を脱離させつつ、生成ガスの一部を用いてパージする、または空気圧縮手段を逆に用いて吸着床内が負圧になるまで排気を行い、吸着窒素を脱着させ吸着剤を再生する脱着工程を繰り返し実施することにより酸素濃縮空気を生成している。

かかる酸素濃縮装置は、在宅で使用されることから安全性や安定性はもちろんのこと、一般家庭で毎日使用されることから、可能な限り動力を抑制することが望まれている。かかる酸素濃縮装置は、前述の通り加圧・減圧を繰り返し、濃縮酸素を生成するが、吸着窒素を脱離するため、減圧の際に圧力エネルギーを系外に放出させている。このような場合、圧力のエネルギーは回収されることなく廃棄され、装置の動力を悪化させる一因となっている。この動力悪化を回避するため、種々のエネルギー効率改善技術の開発が行われている。しかし、未だ十分な対策が施されたとは言い難い状況にある。

エネルギー効率を向上する方策としては、搭載するコンプレッサー能力の最適化の他、運転方法や運転圧力の見直しを行うなど、様々な公知の手段がとられている。しかし、何れの方法も運転動力低減の効果が認められるものの、完全な改善が講じられたとは言い難い。

運転プロセスの工夫による運転効率の向上はこれまでも行われてきた。
特開平11-239709号公報には、装置全体のエネルギー効率を向上させるため、再圧縮工程及び減圧工程の時間を短縮し、それぞれ吸着時の最大圧を低く、及び脱着時の最小圧を高くする技術が開示されている。

特開平11-207128号公報には、低消費電力化のため、吸着筒への供給風量を製品流量に応じて変化させる技術が開示されている。また、同公報の図9、図10では、供給空気量毎に最適な加圧時間も異なることが記載されている。特に図10では、供給空気量の増加と共に、好適な加圧時間は減少するという傾向が記載されている。

特開平11-57375号公報には、2筒式酸素濃縮器において、吸着工程終了後の筒からの排気と共に均圧工程を実施することで、高圧側生成端からの他筒へのエネルギー移送及び窒素富化空気の排気が実施され、効率が向上すると記載されている。また、この均圧操作と排気操作を順に別工程として実施しても効率向上に寄与すると記載されている。

特開平9-239226号公報には、均圧のタイミングを排気のタイミングとをオーバーラップさせることで、効率が向上することが記載されている。

特開2005-110994号公報には、複数の吸着筒を持つ濃縮器において、吸着筒への圧縮空気の切り替えタイミングと同時又は直後に均圧弁も開く技術が開示されており、同公報にはその好適な均圧弁開放時間も示されている。本出願によれば、生成ガス量の増加と共に好適な均圧弁開時間は短くなることが記載されている。

また、特開2000-210525号公報には、上述とは異なり吸着筒への圧縮空気の切り替えタイミングの直前に均圧弁も開く技術が開示されている。同公報にも、生成ガス量の増加と共に好適な均圧弁開時間は短くなることが記載されている。

特開平11-239709号公報特開平11-207128号公報特開平11-57375号公報特開平9-239226号公報特開2005-110994号公報特開2000-210525号公報

以上の通り、吸着プロセスの改善による酸素収率の向上技術は多数開示されている。しかし、未だ均圧工程におけるエネルギー回収については、実験事実が充分に開示されておらず、最適な条件で運転されていないことが示唆される。

ところで、圧力とプロセスのサイクルの特性図から、吸脱着の切り替え時に大きく圧力差が生じる時間がある。かかる時間において、圧力差の生じる時間を短縮する、乃至生じる圧力差を減少させることができれば、さらにPSAプロセスの効率が向上すると思われるが、具体的な方法に言及した事例は今までにない。

本発明は、上記課題を解決するものであり、在宅で長期使用する医療機器である吸着型酸素濃縮装置の運転動力を低減し、患者の経済的負担を低減するものである。

かかる課題に対して本発明者は鋭意検討した結果、酸素濃縮装置の運転方法において、吸着工程と脱離工程の間に、吸着工程中の吸着床と脱離工程が終了した吸着床双方にコンプレッサー手段から圧縮空気を供給する並行加圧工程を組み込むことにより、酸素濃縮効率を向上させることができることを見出したものである。

即ち、本発明は、酸素又は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２本以上の吸着床を有する空気分離器と、該吸着床に加圧空気を供給するコンプレッサー手段、該吸着床から得られた酸素濃縮気体を使用者に供給する酸素供給手段を備え、かつ、該空気分離器の該吸着床に該コンプレッサー手段から圧縮空気を供給して高圧で窒素を吸着させる吸着工程と、窒素を吸着して高圧の該吸着床から圧力を系外に放出して低圧で窒素を脱離させる脱離工程を交互に行うことにより濃縮酸素を生成する流路切替制御手段を備えた吸着型酸素濃縮装置において、該流路切替制御手段が該吸着工程と該脱離工程の間に、該吸着工程中の該吸着床と該脱離工程が終了した該吸着床双方に該コンプレッサー手段から圧縮空気を供給する並行加圧工程を行う制御手段であることを特徴とする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、該並行加圧工程が、該吸着工程に引き続き行われる、または該吸着工程中の吸着床から該脱離工程中の該吸着床に濃縮酸素を供給するパージ工程の後に行われることを特徴とする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、該パージ工程が、該吸着工程と異なるタイミングで実施することを特徴とする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、該脱離工程が、該並行加圧工程終了後に行われることを特徴とする吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。

さらに本発明は、酸素又は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２本以上の吸着床を用い、該吸着床に圧縮空気を供給して高圧で窒素を吸着させる吸着工程と、窒素を吸着して高圧の該吸着床から圧力を系外に放出して低圧で窒素を脱離させる脱離工程を交互に行うことにより濃縮酸素を生成する吸着型酸素濃縮方法において、該吸着工程と該脱離工程の間に、該吸着工程中の該吸着床と該脱離工程が終了した該吸着床双方に圧縮空気を供給する並行加圧工程を有することを特徴とする吸着型酸素濃縮方法を提供するものである。

図１に示す2筒の吸着筒を持つ酸素濃縮器においては、以下の(1)〜(4)を実施し、その後Ａ筒とＢ筒を入れ替えて(1)〜(4)を実施し、上記作業を繰り返し実施する。
(1) Ａ筒昇圧均圧工程：V1，V5開，V2,V3,V4閉にてA筒を昇圧均圧とする。
(2) Ａ筒吸着・Ｂ筒減圧工程：V1,V4開，V2,V3,V5閉。Ａ筒を加圧すると共に生成ガスを取り出す。一方Ｂ筒は減圧し、吸着材を再生する。
(3) Ａ筒吸着パージ・Ｂ筒パージ減圧工程：V1,V4,V5開，V2,V3閉。Ａ筒を加圧しつつＢ筒に生成ガスを一部送付する。Ｂ筒は排気しつつパージガスを受け入れ、置換吸着を促進する。
(4) 両筒昇圧工程：V1,V3開，V2,V4,V5閉。Ａ筒Ｂ筒両筒に供給空気送付する。圧力の高いＡ筒からＢ筒に製品ラインを介してガスが移動する。

本発明の並行加圧工程の実施による吸脱着間の圧力差を小さくした運転によって、酸素濃度の向上、すなわちＰＳＡの運転効率が向上する。また本技術を用いることにより、コンプレッサーの圧力変動幅を小さくすることができるため、負荷が減少されることによるコンプレッサーの寿命延長・信頼性向上も期待される。

本発明の吸着型酸素濃縮装置は、酸素又は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２本以上の吸着床を有する空気分離器と、該吸着床に加圧空気を供給するコンプレッサー手段、該吸着床から得られた酸素濃縮気体を使用者に供給する酸素供給手段を備え、かつ、該空気分離器の該吸着床に該コンプレッサー手段から圧縮空気を供給して高圧で窒素を吸着させる吸着工程と、窒素を吸着して高圧の該吸着床から圧力を系外に放出して低圧で窒素を脱離させる脱離工程を交互に行わせる事により濃縮酸素を生成する吸着型酸素濃縮装置において、該吸着工程と該脱離工程の間に、該吸着工程中の該吸着床と該脱離工程が終了した該吸着床双方に該コンプレッサー手段から圧縮空気を供給する並行加圧工程を有することを特徴とする吸着型酸素濃縮装置であり、流路切替制御手段によりかかる工程切り替えを実施することで装置の酸素濃縮効率が向上し、消費動力が低減することにより患者の経済的負担低減を実現する装置である。

本発明の吸着型酸素濃縮装置の酸素濃縮方法の実施態様を、図１を用いて説明する。
運転開始後、安定した設定濃度と流量を供給し始めると、第一の工程が始まる。ここでは、流路切替手段V2、V3、V4が閉じ、V1を開くことで、A筒を昇圧させる一方で、流路切替手段V5を開くことで、直前の工程においてA筒よりも圧力の高い状態となっているB筒とを均圧させる。本均圧工程はA筒の圧力がB筒の圧力と同一となったタイミングで終了することが望ましい。通常、本工程の次工程への切り替えるタイミングはある時間を設定して行なわれるが、両筒の圧力（圧力計は図示せず）を筒の入口又は出口の圧力で確認して均圧されたことを確認して次の工程に切り替えてもよい。

続いて第二の工程に入る。ニ方弁は、V4を開き、V5を閉じるように制御する（この時点でV1、V4は開き、V2、V3、V5を閉じる）。ここでは、A筒は均圧に引き続いて昇圧が続き、窒素吸着工程に入る。一方で、B筒はV4が開くことで大気開放され、減圧されて吸着した窒素が大気中に放出されることとなる。吸着工程は、吸着剤の吸着性能、設定流量や生成濃度などと関係して切り替えのタイミングは変わってくる。しかし、通常は各設定流量や温度・湿度などの環境要因に対して予め定めた一定の時間で次の工程に切り替わる。しかし、全工程の説明にて言及した通り、A筒の圧力を測定して、一定のA筒圧力となった状態で本工程を終了させてもよい。

続いて第三の工程に入る。本工程では前述の第二の工程の流路切替手段の状態に加えて、V5を開く（この時点でV1、V4、V5開、V2、V3閉となる）。本工程では、A筒の加圧は持続する。つまりA筒は吸着工程を続行する。一方、V5が開くことからA筒から生成ガスが一部B筒に流入する。このため、B筒内が、流入する酸素による窒素及び水分の脱離が促進される（このような動作をパージという）。本工程の設定時間は、両筒の圧力値やA筒からB筒へのガスの移動量から決定し、効果との兼ね合いで一定の時間本工程を定めることが望ましいが、一般的にはあまり長時間を本工程に費やすと、A筒内圧力が低下してしまい、また生成効率が低下するので、実験的に求めた時間を本工程とする場合が多い。

続いて第四の工程に入る。本工程では前述第三の工程の状態からV3を開き、V4とV5を閉じる（この時点でV1、V3開、V2、V4、V5閉となる）。本工程では、V2、V4が閉じているため、排気は行わない。また、V1とV3が開いていることから、各筒を各個独立して昇圧させる。一方V2が閉じていることから、均圧ラインからの吸着筒間の圧力の移動はないが、製品への供給ラインにおいて生成ガスを取り出しつつ、圧力の高いA筒から圧力の低いB筒に生成ガスが移動し、結果としてB筒の昇圧を促進することになる。本工程は、吸着系全体の圧力ドロップを抑制すると共に、B筒の昇圧効率を高める事から全体のエネルギーロスを低減し、ガスの生成エネルギーを低減する効果を有し、B筒の圧力をどの程度高めるかによって設定時間を決めることとなる。

続いて第五の工程に入る。ここでは、第一の工程と同様にニ方弁V1、V2、V4が閉じ、V3を開くことによって、B筒を昇圧させる一方で、ニ方弁V5を開くことで、直前の工程においてB筒よりも圧力の高い状態となっているA筒とを均圧させる。つまり、第一の工程におけるA筒とB筒が入れ替わった状態の工程となる。

続いて第六の工程に入る。ニ方弁は、V2を開き、V5を閉じるように制御する（この時点でV2、V3開、V1、V4、V5閉）。ここでは、B筒は均圧に引き続いて昇圧が続き、窒素吸着工程に入る。一方で、A筒はV2が開くことで大気開放され、減圧されて吸着した窒素が大気中に放出されることとなる。つまり、第二工程においてA筒とB筒が入れ替わった状態の工程となる。

続いて第七の工程に入る。本工程では前述の第六の工程に加えV3とV5を開く。V4を閉じる。（この時点でV2、V3、V5開、V1、V4閉となる。）本工程では、B筒の加圧・生成ガスの取り出しは持続する。つまりB筒は吸着工程を続行する。一方、V5が開くことからB筒から生成ガスの一部がA筒に流入する。本工程も前工程と同様に、第三の工程におけるA筒とB筒が入れ替わった状態の工程となる。

続いて第八の工程に入る。本工程も前工程と同様に、第四の工程におけるA筒とB筒が入れ替わった状態の工程となる。
以上、第一から第八の工程が終了したら、第一の工程に戻り、これを繰り返す事により継続的に濃縮酸素を生成する。

なお、本装置を制御する例として図示・説明したニ方弁は、電磁弁に限らず、回転式切替手段やカム制御手段であってもよい。すなわち、該流路切替手段は方式により異なり、一般的な電磁弁やカム制御手段のような切替手段であれば、流路配管の構成と弁の開閉により、機械的に制御される。また、回転式切替弁のような切替手段であれば、切替弁上に規定された流路分配により、ガス流れのパターンが決定され、その回転速度により切替タイミングが決定される。これらの技術は本発明におけるニ方弁の制御手段として適用する事が可能である。

制御の基本方法としては、プログラムされた順序、時間で電磁弁などの切替手段を開閉して制御する。場合によっては、吸着床内の圧力値を検出して、目標の圧力値に到達した際に、流路切替手段により工程を切り替える事も可能である。この場合は、吸着床内の圧力を検出する圧力検出手段が必要であり、これらの技術は多数特許出願され、公知の事実であると言える。

流路切替時に発生する圧力低下は、脱離工程を開始する吸着床の開放タイミングによるが、本発明の並行加圧工程は予め定められた条件通りに運転するため、定期的に発生する。これを前述圧力検出手段により監視し、回転数制御手段付のコンプレッサー手段と組み合わせる事により、さらに本発明の効果は向上する。すなわち、予めプラグラムされている運転条件と吸着床の圧力検出状態から、吸着床の圧力低下時にコンプレッサー手段の回転数を上げる事により、一時的に吸着床への供給空気量を増加させ、圧力低下量をさらに少なくする事により酸素濃縮効率は更に向上する。

このような制御を用いないで済むよう、予め回転トルクの大きいモーターを選択し起動性を確保するという方法もあるが、回転トルクの高いモーターは消費電力量が高いため酸素濃縮装置自体の電力量悪化を導く。かかる装置は在宅で用いられるため、使用者の経済的負担を軽減するという見地から、低消費電力型のコンプレッサーを採用する必要があり、その際に発生する圧力低下による酸素濃縮効率の低下を防ぐ意味で本発明は有効である。

本発明の吸着型酸素濃縮装置に用いられる該コンプレッサー手段は、特に限定するものではなく、レシプロタイプ、スクロールタイプ等のコンプレッサーを使用することが出来る。

本発明の具体的実施例を以下に示す。図１は装置概要であり、図２は切替弁の制御形式を示している。
図１に示す２筒式の一般的な酸素濃縮装置を用い、図２に示すように均圧工程、加圧（減圧）工程、パージ工程、並行加圧工程、均圧工程、減圧（加圧）工程、パージ工程、並行加圧工程の8工程をV1〜V5の切替弁の開閉を制御（黒塗りが切替弁が開を示す）することにより順次流路切替制御を実施し、濃縮酸素ガスの生成を行った。

図３には吸着床の圧力変化パターンを、図４に並行加圧工程時間（切替時間）と生成する濃縮酸素ガスの酸素濃度および並行加圧工程時のコンプレッサーの最低圧力（図３のＤ）の関係を示す。並行加圧工程を行わない場合70％の酸素濃度値を示す条件でも、並行加圧工程を行うことにより酸素濃度の上昇が認められ、工程時間延長と共に更に上昇した。

このように、吸脱着間の圧力差を小さくした運転によって，酸素濃度の向上，すなわちＰＳＡの運転効率が向上する。またコンプレッサーの圧力変動幅を小さくすることができるため、負荷が減少されることによるコンプレッサーの寿命延長・信頼性向上も期待される。

本発明の２筒式の吸着型酸素濃縮装置の概略図。切替弁の開閉制御図。吸着床の圧力変化図並行加圧工程の切替時間と生成濃縮酸素ガスの酸素濃度および圧力値。

Claims

酸素又は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２本以上の吸着床を有する空気分離器と、該吸着床に加圧空気を供給するコンプレッサー手段、該吸着床から得られた酸素濃縮気体を使用者に供給する酸素供給手段を備え、かつ、該空気分離器の該吸着床に該コンプレッサー手段から圧縮空気を供給して高圧で窒素を吸着させる吸着工程と、窒素を吸着して高圧の該吸着床から圧力を系外に放出して低圧で窒素を脱離させる脱離工程を交互に行うことにより濃縮酸素を生成する流路切替制御手段を備えた吸着型酸素濃縮装置において、該流路切替制御手段が該吸着工程と該脱離工程の間に、該吸着工程中の該吸着床と該脱離工程が終了した該吸着床双方に該コンプレッサー手段から圧縮空気を供給する並行加圧工程を行う制御手段であることを特徴とする吸着型酸素濃縮装置。
該並行加圧工程が、該吸着工程に引き続き行われる、または該吸着工程中の吸着床から該脱離工程中の該吸着床に濃縮酸素を供給するパージ工程の後に行われることを特徴とする請求項１記載の吸着型酸素濃縮装置。
該パージ工程が、該吸着工程と異なるタイミングで実施することを特徴とする請求項１、２に記載の吸着型酸素濃縮装置。
該脱離工程が、該並行加圧工程終了後に行われることを特徴とする請求項１記載の吸着型酸素濃縮装置。
酸素又は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２本以上の吸着床を用い、該吸着床に圧縮空気を供給して高圧で窒素を吸着させる吸着工程と、窒素を吸着して高圧の該吸着床から圧力を系外に放出して低圧で窒素を脱離させる脱離工程を交互に行うことにより濃縮酸素を生成する吸着型酸素濃縮方法において、該吸着工程と該脱離工程の間に、該吸着工程中の該吸着床と該脱離工程が終了した該吸着床双方に圧縮空気を供給する並行加圧工程を有することを特徴とする吸着型酸素濃縮方法。