JP2014064771A - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一番の熱源であるコンプレッサを冷却風の流れを制御し、冷却風が再循環しないようにして冷却効率を上げると共に、静音性を実現した小型軽量の酸素濃縮装置を提供する。
【解決手段】コンプレッサ２のシリンダ部分を覆うカバー９を備え、冷却手段の空気取り込み口１１がカバー９に設けた冷却排気開口部と接続され、筐体内の空気をシリンダとカバー９との間隙を介して吸引されると共に、筐体内で他の機能部材から分離する隔壁を備え、外気へ通じる排気室を備え、冷却手段からの排気を筐体外に排出する酸素濃縮装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮装置に関するものであり、特に慢性呼吸器疾患患者などに対して行われる酸素吸入療法に使用する医療用酸素濃縮装置に関するものである。

近年、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器系器官の疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、その治療法として最も効果的なもののひとつに酸素吸入療法がある。かかる酸素吸入療法とは、酸素ガスあるいは酸素濃縮ガスを患者に吸入させるものである。その供給源として、酸素濃縮装置、液体酸素、酸素ガスボンベ等が知られているが、使用時の便利さや保守管理の容易さから、在宅酸素療法には酸素濃縮装置が主流で用いられている。

酸素濃縮装置は、空気中に存在する約２１％の酸素を分離濃縮して供給する装置であり、それには酸素を選択的に透過する膜を用いた膜式酸素濃縮装置と、窒素または酸素を優先的に吸着しうる吸着剤を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置があるが、高濃度の酸素が得られる点から圧力変動吸着型酸素濃縮装置が主流になっている。

圧力変動吸着型酸素濃縮装置は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤として５Ａ型や１３Ｘ型、Ｌｉ−Ｘ型などのモレキュラーシーブゼオライトを充填した吸着筒に、コンプレッサで圧縮された空気を供給することにより加圧条件下で窒素を吸着させ、未吸着の酸素を得る加圧・吸着工程と、前記吸着筒内の圧力を大気圧またはそれ以下に減じて、吸着剤に吸着された窒素をパージすることで吸着剤の再生を行う減圧・脱着（再生）工程を交互に繰り返し行うことで、高濃度の酸素濃縮ガスを連続的に生成することができる。
酸素濃縮装置の小型化が進み、外出時などに従来使用されていた酸素ボンベに代り、携帯式酸素濃縮装置が開発され、使用に供せられている。

酸素濃縮装置に使用されるコンプレッサには、圧縮室をピストンとシリンダで構成される往復運動式（レシプロ式）が一般的に使用されている。かかるコンプレッサは、空気の圧縮熱やピストンの摺動抵抗によりシリンダが発熱し、シリンダがある一定温度より高温になると、シリンダとピストンの気密を保つシール材の摩耗が加速され、結果としてコンプレッサの寿命が短くなる。シリンダを冷却する手段として、軸流ファンや遠心ファンが使用されるが、コンプレッサ全体を冷却することになるため、シリンダのみを冷却することが困難で、効率的な冷却ができない。そのため、複数のファンを使用することや、より大型のファンを使用する必要があり、重量や消費電力の増加が問題となる（特許文献１）。

コンプレッサのシリンダに対して、細孔から噴流を吹き付けて局所冷却をするインピンジメント冷却（特許文献２）、シリンダへの吸着床の脱着窒素ガスの吹き付け（特許文献３）が提案されているが、十分な冷却風量を確保することが難しく、結果的に大きなファンが必要になっている。
携帯式酸素濃縮装置にはバッテリが搭載されており、電気容量の増加と共に新たな熱源として冷却が必要となってきている。

特開２００５−２３７４２８号公報 特開２００５−２２４４６３号公報 特開２００９−６２２３５号公報

携帯型酸素濃縮装置では、所定濃度、必要量の酸素濃縮ガスが安定的に供給される基本性能を維持することは当然であるが、患者自身が装置を持ち運び可能な小型・軽量化を実現することが必要である。また、患者が公共の場で使用することを考えると、装置自体の静音性を如何に維持するかが課題となる。

酸素濃縮装置の主要な騒音源であるコンプレッサに対しては、据え置き型の装置ではコンプレッサボックスを設け、騒音源を金属ボックス、吸音材等で囲い込む方法が採られる。またボックス内に冷却風を流すことで熱源であるコンプレッサの排熱を外部に放出しているが、装置の大型化を招いている。

携帯型の小型の装置を実現するためには、部品を如何に小スペースに実装するかが課題となり、発熱部品の冷却、温められた空気が他部品に影響しないようにするなどのような部品配置が必要となり、冷却効率を上げて小型のファンが使えるような熱設計が必要となる。
更に騒音を考えた場合には、筐体の開口部を出来るだけ小さくする必要があるが、その場合は冷却効率が下がるという矛盾も生じる。

本発明は、酸素濃縮装置の一番の熱源であるコンプレッサをコンプレッサボックス等で覆うのではなく、冷却風の流れを制御し、冷却風が再循環しないようにして冷却効率を上げると共に、開口部からの音漏れを最小限に抑え、携帯機に求められる静音性を実現した小型軽量の酸素濃縮装置を提供する。

本発明は、上記課題を解決する装置として、以下の酸素濃縮装置を提供する。
［１］外部からの空気を取り込み加圧空気を生成するコンプレッサ、加圧空気から窒素を吸着し酸素を分離する吸着床、吸着床への加圧空気の供給、吸着床を減圧し窒素を脱着排気する流路切替弁、流路切替弁の開閉を制御する制御手段を筐体内に備え、筐体内を空冷する冷却手段を更に備えた酸素濃縮装置において、該コンプレッサのシリンダ部分を覆うカバーを備え、該冷却手段の空気取り込み口が該カバーに設けた冷却排気開口部と接続され、筐体内の空気をシリンダとカバーとの間隙を介して吸引されると共に、筐体内で他の機能部材から分離する隔壁を備え、外気へ通じる排気室を備え、該冷却手段からの排気を筐体外に排出する酸素濃縮装置。
［２］該コンプレッサが、シリンダおよびピストンを１つ備えたシングルヘッド型の往復運動式コンプレッサであり、コンプレッサを駆動するモータとシリンダとが構成するＬ字状の空間部に該冷却手段を備える上記１に記載の酸素濃縮装置。
［３］該カバーの冷却排気開口部と反対側の側面で、該コンプレッサのシリンダ先端側に冷却風流入開口部を備えることを特徴とする上記２または３に記載の酸素濃縮装置。
［４］冷却手段がブロアファンである上記１から４の何れかに記載の酸素濃縮装置。

本願発明の酸素濃縮装置は、筐体内の冷却風を最大の熱源であるコンプレッサのシリンダ部分の冷却に集中させ、冷却風の全量をシリンダ部分とそれを覆うカバーとの間隙を介して冷却ファンで筐体外に吸引排気することで、効率的に冷却することが出来る。
また冷却ファンをシングルヘッド型の往復運動式コンプレッサのシリンダとモータとのＬ字空間を利用し、シリンダ部分のカバーを介して冷却ファンを配置することでコンパクトにコンプレッサの冷却機構を配置することが出来、装置の小型化を実現することが出来る。

本願発明の酸素濃縮装置の概略構成図。 本発明の酸素濃縮装置のコンプレッサ周辺部の冷却構造。

図１は、本発明の一実施形態である圧力変動吸着型の酸素濃縮装置を例示した概略装置構成図である。本発明の酸素濃縮装置１は、加圧空気を供給するコンプレッサ２、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒３１，３２、吸着工程、脱着工程や均圧工程等のシーケンスを切り換える流路切替手段である供給弁５１，５２、排気弁６１，６２、均圧弁７を備える。吸着筒で加圧空気から分離生成された酸素濃縮ガスは、製品タンク８１に一時貯留された後、調圧弁８２で所定圧力に調整し、流量調整弁８３で所定流量に調整後、酸素取出口８４よりカニューラを用いて使用者に供給される。

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等などを備えた空気取り込み口１１から装置内に取り込まれる。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、二酸化炭素ほかのガスが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。

酸素濃縮ガスの取り出しは、酸素分子よりも窒素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に対して、供給弁、排気弁によって対象とする吸着筒３１，３２を順次切り換えながら、原料空気をコンプレッサ２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ことにより行われる。かかる吸着剤としては、５Ａ型、１３Ｘ型、Ｌｉ−Ｘ型等のモレキュラーシーブゼオライト等が用いることができる。

前記の吸着筒は、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濃縮ガスを製造するためには、図１のような２筒式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、圧縮機能のみ、或いは圧縮、真空機能を有するコンプレッサとして２ヘッドのタイプの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。

加圧状態の吸着筒内で空気中の窒素ガスを吸着剤に吸着させ、吸着されなかった酸素を主成分とする酸素濃縮ガスが吸着筒の製品端から取り出され、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８１に流入する。

一方、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パージする必要がある。このために、吸着筒を排気弁６１，６２を介して排気ラインに接続し、加圧状態から大気開放状態に切り換え、加圧状態で吸着されていた窒素ガスを脱着させて大気中に排気し吸着剤を再生させる。さらにこの脱着工程において、窒素の脱着効率を高めるため、均圧弁を介して吸着工程中の吸着筒の製品端側から生成された酸素濃縮ガスの一部をパージガスとして脱着工程中の吸着筒に逆流させるパージ工程を行う。

製品タンク８１に蓄えられた酸素濃縮ガスは、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、医師の処方によって必要とされる酸素流量を患者自身が設定する。調圧弁８２、オリフィス流量設定器やコントロールバルブ等の流量調整弁８３によってその供給流量と圧力が制御され、処方量の酸素濃縮ガスが患者に供給される。一方、患者に供給される酸素濃縮ガスの流量及び酸素濃度は酸素濃度センサ、流量センサで検知され、検知結果に基づいてコンプレッサの回転数や流路切換弁の開閉時間をＣＰＵ等の演算手段で制御し、酸素生成をコントロールしている。

酸素濃縮装置の筐体内の冷却は、冷却ファン、冷却ブロアによる空冷を行うのが一般的である。圧縮比によってファン、ブロアの違いがあり、軸流ファンやシロッコファンなど各種構造によるものが利用可能である。

酸素濃縮装置の主な熱発生源はコンプレッサ２、携帯器用のバッテリ１４、電装関連部品である。その中でもコンプレッサが最大の熱源であり、コンプレッサを冷却風の流れの最下流に置くのが好ましい。図１の場合、空気取り込み口１１から装置内に取り込まれた冷却風は、吸着筒３１，３２の吸脱着熱、吸気弁、排気弁等の流路切換弁及びそれを制御する電装基板、バッテリ１４等を順次冷却したのち、コンプレッサ２を冷却して排気口１３から装置外へ排熱空気を放出する。

酸素濃縮装置に用いるコンプレッサは、シリンダ内のピストンを、クランクを介して上下に駆動する往復運動式コンプレッサが使用され、シリンダとピストンとの摩擦によりシリンダ表面が発熱し、シール材であるカップの摩耗を引き起す。また、シリンダ部分は、断熱圧縮空気により高温となるポンプヘッド部分に直結している。従って、コンプレッサの内でも特にシリンダ部分およびポンプヘッド部分を冷却する必要がある。

コンプレッサは酸素濃縮器の中でも最大の騒音発生源であり、通常はコンプレッサボックス内にコンプレッサを閉じ込めて静穏化を図っている。ボックス内に冷却空気を流すことでコンプレッサを冷却しているが、筐体内に別途ボックスを設けることは装置の大型化に繋がり、またシリンダ部分を集中的に冷却することは出来ない。特に、携帯型の酸素濃縮装置においては小型軽量化が必須であり、酸素生成機能以外の構成要素は出来るだけ省略することが求められる。

本願発明の酸素濃縮装置では、往復運動式コンプレッサのシリンダ部分に、それを覆うカバー９を備える。カバー９にはシロッコファン４の空気取入口９４が直結されており、シロッコファンにより酸素濃縮装置の空気取入口１１から取り入れられた冷却風は、全量、カバー９とシリンダ２２との間隙９２を通って吸引排気されることになる。シリンダ２２とカバー９との間隙は１０ｍｍ以下とし、２．５ｍｍから７．５ｍｍ、より好ましくは５ｍｍ程度の間隙とするのが、必要な風量、風速を確保する上で好ましい。

またシリンダを覆うカバーの側面のうち、特にファン吸気側開口部と反対側の側面で、該コンプレッサのシリンダ先端側に、別途、冷却風の流入開口部９３を備えることで、特にシリンダとピストンカップの摩擦により高熱となるシリンダ先端部を集中的に冷却することも可能となる。当然のことながら高温になるほどカップ摩耗は進行する。また、シリンダ先端の実際に空気が圧縮される部分であるポンプヘッド部分が、断熱圧縮により空気が高温となる。これらはいずれもモータ部に対してＬ字で飛び出した部分に位置しており、上記カバー９により、この部分を集中的に冷却することができる。

冷却手段としてはシロッコファン４などのブロアファンを用いるのが好ましい。シロッコファンを採用するに際し、ファンの吸入側と排気側が９０度の角度を持っている事から、シリンダカバー９にはシロッコファンの吸入口側に延びるダクト構造を備える。冷却方法としては冷却風を強制吹き付けする方式と吸引する方式があるが、冷却風全量をコンプレッサシリンダとカバーの間隙を介して流すことから吸引タイプを採用する。

また、吸着筒やコンプレッサを含め、筐体内の酸素濃縮器の機能構成部品と隔壁により分離する排気室１２を設け、冷却ファンの排気はかかる排気室に放出し、排気室の筐体側隔壁に設けたスリット状の排気口から放出する。コンプレッサを含む騒音部品を全て筐体内に収納し、冷却風の流れに沿って音が漏れるのを極力避けるため、カバー、排気室隔壁の２つの遮音壁を設けている。

また、排気室隔壁に吸音材を貼り、排気開口部と騒音源が直線的にならないよう冷却風排気流路を折り曲げることにより、排気室内で音を反響させつつ吸音材でエネルギーを減衰させ、排気開口部からのコンプレッサ等の騒音を低減することが出来る。

本発明の酸素濃縮装置に搭載するコンプレッサに、シリンダおよびピストンを１つ備えたシングルヘッド型の往復運動式コンプレッサを採用し、コンプレッサを駆動するモータとシリンダとが構成するＬ字状の空間部にカバーを介して冷却手段を配置する。これにより、冷却風の流れを制御するダクトを別途組み込むことなく、冷却風をシリンダ部カバーの間隙から全量吸入することができ、Ｌ字空間にファンを配置することで、コンパクトな形状とすることが出来、小型軽量化に利する構成となる。

Claims (4)

1. 外部からの空気を取り込み加圧空気を生成するコンプレッサ、加圧空気から窒素を吸着し酸素を分離する吸着床、吸着床への加圧空気の供給、吸着床を減圧し窒素を脱着排気する流路切替弁、流路切替弁の開閉を制御する制御手段を筐体内に備え、筐体内を空冷する冷却手段を更に備えた酸素濃縮装置において、
   該コンプレッサのシリンダ部分を覆うカバーを備え、該冷却手段の空気取り込み口が該カバーに設けた冷却排気開口部と接続され、筐体内の空気をシリンダとカバーとの間隙を介して吸引されると共に、筐体内で他の機能部材から分離する隔壁を備え、外気へ通じる排気室を備え、該冷却手段からの排気を筐体外に排出する酸素濃縮装置。
2. 該コンプレッサが、シリンダおよびピストンを１つ備えたシングルヘッド型の往復運動式コンプレッサであり、コンプレッサを駆動するモータとシリンダとが構成するＬ字状の空間部に該冷却手段を備える請求項１に記載の酸素濃縮装置。
3. 該カバーの冷却排気開口部と反対側の側面で、該コンプレッサのシリンダ先端側に冷却風流入開口部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。
4. 冷却手段がブロアファンである請求項１から３の何れかに記載の酸素濃縮装置。

Images