JP2777006B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大気から酸素濃縮気体
を分離して使用するための酸素濃縮装置に関するもので
ある。さらに詳細には、圧力変動吸着型酸素濃縮装置に
関するものであって、より安定した濃度で酸素濃縮気体
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。

【０００２】

【従来の技術】近年ぜんそく、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
あると言われているが、その治療法で最も効果的なもの
の１つに酸素吸入法がある。

【０００３】かかる酸素吸入法とは、酸素ガスあるいは
酸素富化空気を患者に吸入させるものであって、その酸
素ガスや酸素富化空気の供給源として酸素ガスボンベが
従来より用いられていたが近年空気中から酸素濃縮気体
を分離する酸素濃縮装置が開発されてからは、使用時の
便利さや保守管理の容易さから次第に普及するようにな
ってきている。

【０００４】酸素濃縮装置としては主に、酸素選択透過
性膜を用いた膜型酸素濃縮装置と、窒素又は酸素を選択
的に吸着し得る吸着剤を用いた吸着型酸素濃縮装置の２
種類があるが、本発明は吸着型酸素濃縮装置について改
善を加えようとするものである。

【０００５】これまでの吸着型酸素濃縮装置の主なもの
としては、コンプレッサーを用いた圧力変動吸着型酸素
濃縮装置がある。かかる装置は通常、窒素を選択的に吸
着し得る吸着剤を充填した吸着床にコンプレッサーで加
圧された圧縮空気を導入して加圧状態で窒素を吸着させ
ることによって酸素濃縮気体を得る吸着工程と、吸着床
の内圧を減少させて脱着を行なう脱着工程を交互に行な
わせることによって酸素濃縮気体を得るものである。こ
の場合に、吸着床からの酸素濃縮気体を一時的に貯留し
ておくためのサージタンクが使用され、サージタンク内
に貯留された酸素濃縮気体を吸着床に逆流させて、吸着
床の再加圧や吸着床の脱着のためのリンス用に用いられ
ることが多い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した如く吸着床の
下流側に酸素濃縮気体用のサージタンクを用いたこれま
での圧力変動吸着型酸素濃縮装置では、吸着床での吸着
工程の終了時近くにおいて吸着床で充分に窒素が吸着除
去されないで窒素を比較的多く含んだ酸素濃縮気体がサ
ージタンクに流入しやすくなり、結果としてサージタン
クから使用に供するために取り出される酸素濃縮気体の
酸素濃度が低くなりやすい問題があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、かかるこれ
までの酸素濃縮装置における問題点を解決することを目
的として鋭意研究した結果、サージタンクの一部に吸着
剤を充填させると共に、そのサージタンクとは別の製品
タンクを具備させることが非常に有効であることを見い
出し、本発明に到達したものである。

【０００８】即ち本発明は、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吸着床と、該吸着床へ圧縮
空気を供給するためのコンプレッサー手段と、該吸着床
からの酸素濃縮気体を受け取り貯留するためのサージタ
ンク手段と、酸素濃縮気体を使用に供するための酸素濃
縮気体供給手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮器に
おいて、該サージタンク手段の内部空間の一部に少なく
とも酸素を吸着し得る吸着剤が充填されており、該吸着
床からの酸素濃縮気体が該サージタンク手段に流入する
ための流入導管手段が該サージタンク手段における吸着
剤非充填領域において開口しており、該サージタンク手
段から酸素濃縮気体が流出するための流出導管手段が該
サージタンク手段の吸着剤充填領域において開口してお
り、該流出導管手段が逆流防止弁手段を介して製品タン
ク手段に連結されており、逆流防止手段を介して該サー
ジタンク手段に製品タンクが連結され、該製品タンク手
段に該酸素濃縮気体供給手段が連結されていることを特
徴とした酸素濃縮装置を提供するものである。

【０００９】かかる本発明には、該サージタンク手段に
貯留された酸素濃縮気体が吸着床に逆流する工程が圧力
変動脱着工程に含まれる圧力変動吸着型酸素濃縮装置；
及び該吸着剤充填領域が該サージタンク手段の下方に位
置しており、該吸着剤充填領域における該流出導管手段
の開口部が該吸着剤重点領域内での気体の流れが該開口
部に対して対称となるように下部層の中央部に位置せし
めた酸素濃縮装置が含まれる。

【００１０】以下に、本発明について必要に応じて図面
を用いながらさらに詳細に説明する。

【００１１】本発明の吸着床に用いられる吸着剤は、酸
素よりも窒素を選択的に吸着し得るものであれば、いか
なるものであってもよく、例えばモレキュラーシーブゼ
オライト５Ａ、１３Ｘ等やこれらを改質したものがあげ
られる。

【００１２】また本発明における吸着床は１基又は２基
以上のいずれであってもよいが、医療用の小型の酸素濃
縮装置の場合には２基以下が好ましく、特に１基の場合
が装置全体をコンパクトにしやすい点で優れている。

【００１３】本発明の酸素濃縮装置では、吸着床の再加
圧工程や脱着工程でのリンス等のために、サージタンク
手段の酸素濃縮気体が吸着床に逆流するような構成にな
っていることが発明の効果を発揮するうえで望ましい。

【００１４】また本発明の酸素濃縮装置では、サージタ
ンクでの吸着剤充填領域が下方に位置しており、この上
方の空間部の上端部において吸着床からの酸素濃縮気体
の流入導管手段が開口しており、他方サージタンクから
酸素濃縮気体が流出するための流出導管手段が吸着剤充
填領域での酸素濃縮気体の流れが均一になるように即ち
流出導管手段の開口部に対して気体の流れが対称となる
ように吸着剤充填領域の下部層の中央部において開口せ
しめたものが、発明の効果をより効果に発揮させるうえ
で望ましい。

【００１５】尚、本発明の酸素濃縮の装置では、酸素濃
縮気体供給手段において、例えば使用者の希望や医師の
処方に応じて酸素濃縮気体の供給量を設定するための流
量設定手段を具備していることが望ましい。この場合の
流量設定手段としては、通常用いられるロータメータと
組み合わせられたニードルバルブであってもよいが、例
えば特開昭６２―１４００２６号公報に記載されるよう
な、気体の流動抵抗が異なった複数の開口部を備えて希
望の流量に合った開口部を選定して流量設定ができるよ
うにしたものの方が実用上優れている。

【００１６】かかる流量設定手段を用いた本発明の酸素
濃縮装置では、酸素濃縮気体の流量が安定した状態で使
用者に供給できるように改善したものとなり得る。

【００１７】本発明の大きな特徴である内部の一部空間
に吸着剤を充填せしめたサージタンク手段は、図１に示
した本発明の酸素濃縮装置の好ましい具体的態様例の如
く、サージタンク手段３内が吸着剤非充填領域３２と吸
着剤充填領域３３からなり、吸着床１からの酸素濃縮気
体が流入するための流入導管手段１３の開口部３１が吸
着剤非充填領域に配置されており、サージタンク手段３
からの酸素濃縮気体が流出するための流出導管手段３５
の開口部３４が吸着剤充填領域に配置されている。

【００１８】かかるサージタンク３内に充填された吸着
剤としては、モレキュラーシーブゼオライトやモレキュ
ラーシーブカーボンの如く少なくとも酸素が吸着され得
るものであって、吸着床１に充填された酸素よりも窒素
を選択的に吸着し得るモレキュラーシーブゼオライトの
如き吸着剤であってもよい。この場合には、この部分で
の酸素の濃縮が期待できるのでより好ましい。但し、サ
ージタンク内に充填された吸着剤の主たる機能は、酸素
を吸着することにある。

【００１９】一般に吸着床１における吸着工程の後半に
吸着床１より出てくる酸素濃縮気体は吸着工程初期のも
のより酸素濃度が低下していて、サージタンク全体で混
合するのは不利である。したがって本発明の如く後半の
ガスは図１のサージタンク３の空間部３２に滞留させ、
リンス時（脱着工程の後期）に優先的に吸着床１にかえ
してやる。吸着工程の初期から中半の酸素濃縮ガスは、
サージタンク３での吸着剤の充填領域３３の中を通過
し、さらに精製されて製品タンク２に滞留するため濃度
の向上がはかられる。

【００２０】本発明におけるサージタンク内での吸着剤
非充填領域と吸着剤充填部との割合については、吸着剤
非充填領域が全体の０．２〜０．７の範囲にあることが
望ましい。

【００２１】図１に示す如く、サージタンク３からの酸
素濃縮気体が流出する流出導管手段３５の吸着剤充填領
域３３での開口端は、吸着剤充填領域３３における気体
の流れがより均一になるように、言い換えると開口端を
中心に対称となるように、吸着剤充填領域３３での下部
層、より好ましくは実質上最下部の中央に配置されるこ
とが望ましい。尚、流入導管手段の開口端３１および流
出導管手段の開口端３４には、フィルター手段を具備さ
せておくことが望ましい。

【００２２】本発明の他の特徴である製品タンク手段
は、かかるサージタンク手段の下流側に設けられてお
り、より好ましくは、その下流側にさらに流量設定手段
が具備される。通常流量設定手段の上流側に減圧弁が用
いられるが、その場合には、減圧弁の上流側に製品タン
クが具備される。このようにサージタンクとは独立して
製品タンクを備えることにより、酸素濃縮気体の逆混合
が防止でき、より高い濃度の濃縮気体が得やすくなる。

【００２３】図１に示す如く、製品タンク手段２とサー
ジタンク手段３の間の酸素濃縮気体流出導管手段３５に
は、逆流防止手段３６が具備される。この逆流防止手段
としては、構造が簡単で凡用的でもある逆止弁が通常好
ましく用いられるが、例えば逆流が発生しそうな時期に
限って閉じるように制御された電磁弁等の自動開閉弁を
用いてもよい。

【００２４】製品タンク２とサージタンク３は、別々で
あってもよいが、例えば図１の如く１個のタンクの間に
気密的に仕切り板３７を配置させて、製品タンク２とサ
ージタンク３を一体化させたものの方が全体がコンパク
トになり実用上好ましい。

【００２５】製品タンク手段の容量としては、適宜選定
できるが、吸着工程以外の期間に使用に供する酸素濃縮
気体の全量が充分に確保できるものである必要がある。
特にその期間中に、流量設定手段での流量に実質的変動
が生じる程に製品タンクの内圧が低下しないだけの用量
を製品タンクで確保することが好ましい。かかる製品タ
ンク内に、酸素を吸着し得る吸着剤を充填することによ
って、実質的な製品タンクの保持用量を高めることが、
製品タンクをコンパクトにするうえで有効である。

【００２６】本発明の装置は、特有の態様でサージタン
クを製品タンクと組み合わせることによって、図１の如
く示される流出導管手段３５における気体の流れがほぼ
一方向で安定した静的なものとなり、サージタンク内の
吸着剤粒子の流動が生じず吸着剤粒子の破損もなく安定
な操作が可能となる。なお、本発明の装置１２は、サー
ジタンクと製品タンクの合計の容積を従来サージタンク
のみを用いた場合と同じ程度またはそれ以下の容積にで
きるものも含まれる。

【００２７】本発明の酸素濃縮装置の用途としては、特
に限定されるものではなく、例えば家庭等で使用される
医療用等の用途に適している。

【００２８】

【実施例】以下に、必要により図面を用いながら本発明
の酸素濃縮装置の具体的態様例についてさらに詳細に説
明する。

【００２９】図１は、本発明の酸素濃縮装置の好ましい
実施態様の１例を示したものである。同図において、吸
着床１は酸素よりも窒素を吸着しやすいモレキュラーシ
ーブ５Ａ等の吸着剤１０が充填されたものであり、リリ
ーフバルブ２５を備えたコンプレーッサー４が流路切換
弁である２連式ポペット型弁５を介して導管によって吸
着床１に連結されており、さらにサージタンク３が自動
開閉弁１２を介して導管によって吸着床１に連結されて
いる。また流路切換弁５には吸気マフラー等を備えた吸
気用導管と排気マフラー等を備えた排気用導管が設けら
れている。さらにサージタンク３には、逆止弁３６を介
して製品タンク２が連結されている。さらに製品タンク
２には、減圧弁１９等を備えた酸素濃縮空気取出し用導
管２３が設けられている。

【００３０】この導管２３には、さらに自動開閉弁１
８、除菌フィルター２０、流量設定器２２、加湿器７、
鼻カニューラ（図示せず）等が具備されていることが実
用上好ましい。また圧力検出手段２１は流量設定器２２
の上流側の圧力を検知し、その圧力の異常が生じた場合
に警報を発生する手段（図示せず）に情報を伝達するも
のである。なお、導管手段１４から導管手段２３及びこ
れらに具備されたものが、通常本発明にいう酸素濃縮気
体供給手段を構成する。

【００３１】サージタンク手段３は、吸着剤非充填領域
３２と吸着剤充填領域３３からなり、吸着床１からの酸
素濃縮気体が流入するための流入導管手段１３の開口部
３１が吸着剤非充填領域に配置されており、サージタン
ク手段３からの酸素濃縮気体が流出するための流出導管
手段３５の開口部３４が吸着剤充填領域に配置されてい
る。

【００３２】図１の酸素濃縮装置の運転態様例として
は、電磁弁１２、１８を開いた状態で、図１の如く弁５
を介してコンプレッサー４により加圧空気を吸着床１に
導入して窒素を吸着させ、得られた酸素濃縮気体が導管
１３を介してサージタンク３に貯留される。サージタン
ク３に貯留された酸素濃縮気体は、逆止弁３６を経て製
品タンク２に流入し、減圧弁１９により調圧された後、
除菌フィルター２０により除菌され、流量設定器２２に
より所定の流量に設定され、加湿器７により加湿され、
導管２３に連結された鼻カニューラを経て呼吸器疾患の
患者等に供給される。所定時間吸着を続けた後、弁１２
を閉じて、弁５を切り換えることによってコンプレッサ
ー４を真空ポンプとして使用して、吸着床１内の圧力を
減圧して脱着を行なう。所定の時間脱着を行なった後、
弁５を切り換えて加圧空気を吸着床１に導入せしめ、さ
らには弁１２を開いてサージタンク３から酸素濃縮気体
を逆流させることによって、吸着床を再加圧したうえ
で、引き続き加圧空気を吸着床１に導入しながら吸着工
程を実施する。なお、この再加圧の際にサージタンクの
内圧が製品タンクよりも低下しても製品タンクからは逆
流しない。以下順次これらの工程を繰り返す。

【００３３】また、製品タンク２を設けることで、コン
プレッサー４を真空ポンプ機能から圧縮機能に切り変る
時期よりも１秒程度のわずか早い時に弁１２を開いて酸
素濃縮気体をサージタンク３から吸着床１に逆流させて
リンスすることによって、吸着床内を酸素濃度がより高
い状態で再加圧でき、吸着圧力を一般的に少し下げても
所定の濃度の酸素濃縮気体を得ることができる。このよ
うにリンス工程を行なうことによって、精製効果を高
め、操作圧力の低下でコンプレッサーの消費電力の低下
効果も得られる。

【００３４】なお図１中、送風機６は主にコンプレッサ
ー４を冷却するための冷却風を流すためのものである。

【００３５】本発明の装置の好ましい具体的態様とし
て、コンプレッサー４と送風機６を消音用ボックス内に
収納せしめ、そのボックス内に開口部のある仕切り板を
設けて冷却用空気流れの上流側の室に送風機６を、下流
側の室にコンプレッサー４を配置して、流路切換弁５の
吸気側導管手段の開口端を送風機を収納した室に位置さ
せたものがあげられる。尚、装置の冷却用空気の取入れ
口にはフィルターが具備されることが望ましい。

【００３６】このような構成では、冷却用送風機側の室
からコンプレッサー側の室への冷却風の流れは一方的で
あり、コンプレッサーの吸気口を送風機側の室に位置さ
せることによって、周囲の大気温度に近い温度で清浄な
空気を吸入させることができる。コンプレッサー側の室
はコンプレッサーからの放熱により温度が高くなりやす
く、そこからコンプレッサーの吸気口に空気を導入する
と性能に不利な場合がある。

【００３７】

【発明の効果】本発明の酸素濃縮装置は、高められた濃
度の酸素濃縮気体がより安定して使用者に供給できる効
果も奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素濃縮装置の好ましい実施態様例を
模式的に示した概略フローチャート。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、該吸着床へ圧縮空気を供給す
   るためのコンプレッサー手段と、該吸着床からの酸素濃
   縮気体を受け取り貯留するためのサージタンク手段と、
   酸素濃縮気体を使用に供するための酸素濃縮気体供給手
   段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮器において、該サ
   ージタンク手段の内部空間の一部に少なくとも酸素を吸
   着し得る吸着剤が充填されており、該吸着床からの酸素
   濃縮気体が該サージタンク手段に流入するための流入導
   管手段が該サージタンク手段における吸着剤非充填領域
   において開口しており、該サージタンク手段から酸素濃
   縮気体が流出するための流出導管手段が該サージタンク
   手段の吸着剤充填領域において開口しており、該流出導
   管手段が逆流防止弁手段を介して製品タンク手段に連結
   されており、該製品タンク手段に該酸素濃縮気体供給手
   段が連結されていることを特徴とした酸素濃縮装置。
2. 【請求項２】 該サージタンク手段に貯留された酸素濃
   縮気体が吸着床に逆流する工程が圧力変動脱着工程に含
   まれるものである請求項１の酸素濃縮装置。
3. 【請求項３】 該吸着剤充填領域が該サージタンク手段
   の下方に位置しており、該吸着剤充填領域における該流
   出導管手段の開口部が該吸着剤充填領域内での気体の流
   れが該開口部に対して対称となるように下部層の中央部
   に位置している請求項１の酸素濃縮装置。