JP3445093B2

JP3445093B2 - 酸素濃縮装置

Info

Publication number: JP3445093B2
Application number: JP09202797A
Authority: JP
Inventors: 賢治武政; 英樹小林
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 2003-09-08
Anticipated expiration: 2017-04-10
Also published as: JPH10287403A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大気中から酸素濃
縮気体(酸素富化空気を含む)を分離して使用するための
酸素濃縮装置に関する。更に詳細には、圧力変動吸着型
酸素濃縮装置に関し、空気中の水分を利用して加湿され
た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。更には、酸
素濃縮気体の加湿度を容易に調整する機能を付加した酸
素濃縮装置を提供するものである。

【０００２】

【従来技術】近年喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼
吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、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
吸入療法のための治療装置として次第に普及するように
なって来ている。

【０００３】かかる酸素濃縮装置として、酸素選択透過
膜を用いた膜分離型酸素濃縮装置と、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が
知られている。更には、酸素イオンを選択的に透過する
固体電解質膜を利用し、電気化学的に酸素を生成する装
置なども有る。吸着型酸素濃縮装置としては、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り、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り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窒素を脱着させ吸着剤の
再生を行う脱着工程を交互に行うことにより酸素濃縮気
体を得る装置である。

【０００４】かかる圧力変動吸着法により生成された酸
素濃縮気体は、ほぼ絶乾に近い乾燥状態を示す。このよ
うな気体を使用者が呼吸用に吸入すると呼吸器、特に鼻
孔や喉の内部が乾燥し不快感を覚えたり、時には肺に直
接届いた場合粘膜を傷つけるといった様な、最悪は体調
を害するなどの問題点があり、別途加湿する必要があ
る。

【０００５】かかる加湿器としては密閉された器の中に
水を入れて、その水中に酸素濃縮気体をくぐらせるバブ
リング加湿器や、その水面上を酸素濃縮気体を通過さ
せ、蒸発した水分で加湿する蒸発式加湿器がある。これ
らは、何れも水を使用し、使用者は常に加湿器内の水の
補充や交換、雑菌の発生を防ぐための洗浄と言った加湿
水の管理が必要となり、手間がかかると同時に、水交換
後の加湿器着脱部からの酸素濃縮気体漏れなど新たな問
題を引き起こす結果となっている。

【０００６】これらの不具合を解消する方法として、特
開平８−１４１０８７号公報に記載の水蒸気透過性中空
糸膜を利用し、酸素濃縮気体を加湿する膜式加湿器を備
えた酸素濃縮装置が考えられた。かかる酸素濃縮装置は
原料加圧空気中の水分、或いは吸着塔の再生ガス中の水
分を何れか使用して、酸素濃縮気体を加湿するものであ
り、具体例として吸着塔が２本のものが開示されてい
る。しかし、かかる装置においては、特に吸着塔が１本
の場合は、酸素濃縮気体の生成の為の吸着工程、吸着し
た窒素ガスの脱着再生工程を繰り返しており、いずれか
の(特に脱着再生工程)工程では酸素濃縮気体の加湿でき
ない状態になるという問題点がある。

【０００７】また、複数の吸着塔を有する酸素濃縮装置
においては、常にいずれかの吸着塔に原料加圧空気が供
給され、別の吸着塔では脱着再生工程が行われ排気空気
が放出されているために、いずれかの空気は使用されず
非効率的であり、逆に両方の空気を利用するためには複
雑な配管系と制御系が必要となっていた。

【０００８】更に夏場等の外気の相対湿度が高い場合
は、酸素濃縮気体は過加湿の状態となり加湿後の下流側
で結露を招くこととなり、改善策として酸素濃縮気体を
加湿する配管と非加湿配管とを設け、両酸素濃縮気体を
混合し、加湿度を調節する方式が考えられたが、複雑な
配管と酸素濃縮気体の流れの制御が必要となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本願発明は、従来の膜
式加湿器を備えた酸素濃縮装置で生じる種々の問題点を
解消し、水の補充や交換を必要としない且つ、容易に加
湿度を調節できる酸素濃縮装置を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願出願人はかかる課題
に対して、鋭意検討した結果、本願発明は、膜式加湿器
を用いて効率よく酸素濃縮気体の加湿を実施するため、
原料加圧空気及び脱着排気空気中の両方の水分を利用し
て酸素濃縮気体を加湿する装置を見出したものである。

【００１１】即ち、本願発明は、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少なくとも１つの吸着
床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段と、該吸
着床からの酸素濃縮気体を加湿するための水分透過膜を
備えた膜式加湿器とを具備した圧力変動吸着型酸素濃縮
装置において、該空気供給手段から該吸着床への加圧空
気、および該吸着床を減圧再生する際の排気空気を水分
透過膜の１次側に供給するための導管手段、および該酸
素濃縮気体を該水分透過膜の２次側に供給した後、使用
者に流通するための導管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ものである。

【００１２】特に、吸着床が１つのものに有効であり、
該加圧空気および該排気空気が該膜式加湿器の１次側を
同一方向に流れることを特徴とする上記圧力変動吸着型
酸素濃縮装置、該膜式加湿器が該空気供給手段の下流
側、該吸着床への加圧空気供給を制御する吸着塔供給弁
及び該排気空気を大気中への放出を制御する排気弁の上
流側に位置することを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃
縮装置を提供するものである。

【００１３】更に、生成した酸素濃縮気体の加湿度を調
節するため、膜式加湿器における加圧空気及び排気空気
と、水分透過膜とが接触する膜表面積を可変にしたこと
を特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するも
のである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に本願発明の酸素濃縮装置の
好適な具体的実施例について必要に応じて図面を用いな
がら説明する。但し、本願発明はこれらの実施例に限定
されるものではない。

【００１５】本願発明の酸素濃縮装置の膜式加湿器は特
に限定されるものではないが、膜の水蒸気透過原理とし
て、大別して水蒸気分圧差を利用して水分を透過する非
多孔質の溶解拡散膜と、分子篩作用を原理として水蒸気
分子を選択透過する微多孔質膜とが有る。材質としては
フッ素系の樹脂膜を使用することが好ましい。特に旭硝
子（株）製のＳＵＮＳＥＰ−Ｗ、Ｄｕｐｏｎ社製ＮＡ
ＦＩＯＮ、宇部興産（株）製メンブレン等が好ましい。
但し、本物性を示す樹脂系材料である限りフッ素系樹脂
に限定されるものではない。又、本材質は抗菌性樹脂と
して使用される場合も多く、医療用途には適している。
更に膜形状としては中空糸を数十本〜数千本、特に好ま
しくは５０〜３０００本をモジュール化して、その中空
糸の内部あるいは外部に酸素濃縮気体を流通させ、反対
側に加圧空気及び排気空気を流通させ水分を交換する方
式や、平膜を積層し酸素濃縮気体流通層と加圧空気及び
排気空気流通層とに分けて水分を交換する方法等が有
る。通常は、中空糸モジュールを使用するのが装置への
設置性を考慮すると好ましい。

【００１６】中空糸の径は内径数μｍ〜数ｍｍのものが
使用されるが、あまり細いと目詰まりの原因となり易
く、特に５０〜５００μｍのものが使用するのが好まし
い。

【００１７】更に、目詰まり対策或いは、不純物の堆積
により水分交換効率低下を防ぐ為に、中空糸膜の１・２
次の両側入口より上流にフィルターを設置するのが良
い。そのフィルター性能としては数μｍ以上、特に好ま
しくは３μｍの粒子を除去可能なものを選ぶのが好まし
い。

【００１８】尚、本願発明の膜式加湿器の１次側とは中
空糸の外側を言い、２次側とは中糸内空側を言う。これ
はまず最初に加湿するための水分源として原料加圧空気
を用いるため、吸着塔への加圧空気供給量を十分に確保
するために圧力損失の少ない中空糸外側(即ち２次側を
言う)を通過させるのが好ましい。

【００１９】また、本願発明の酸素濃縮装置に用いられ
る該空気供給手段が、吸着工程においては該吸着床に原
料空気を供給するためのコンプレッサー手段として機能
し、脱着工程においては該吸着床中の気体を排出するた
めの真空ポンプ手段として機能する酸素濃縮装置が用い
られる。

【００２０】更に本願発明を利用した酸素濃縮装置で
は、該吸着床が１基または２基以上のいずれであっても
よいが、医療用の小型酸素濃縮装置の場合には特に１基
の場合が装置全体をコンパクトにしやすい点、濃縮効率
が高い点、耐久性の面からも優れている。

【００２１】本願発明の原料加圧空気及び排気空気を共
に用いるためには、図１に示すような構成をとることが
好ましい。即ち、膜式加湿手段５は、空気供給手段１の
下流側、吸着床４への加圧空気供給を制御する吸着塔供
給弁２Ｂ及び脱着工程時に発生する窒素及び水蒸気を主
成分とする排気空気の大気中への放出を制御する空気放
出弁３Ｂの上流側に位置する。

【００２２】かかる構成にすることにより、吸着・脱着
の工程のバルブ制御系以外には、加湿に関しては特別の
制御系は必要とせず、常にいずれかの空気から水分を分
離することが出来る。また、膜式加湿器の１次側を空気
供給手段１とバルブ２Ｂ・３Ｂの間の導管に組み込むこ
とにより、新たな配管系も必要とせず、容易に水分供給
源を確保することが可能となる。

【００２３】通常、吸着塔供給弁２Ｂや空気放出弁３
Ｂ、空気導入弁２Ａ、吸着塔排気弁３Ａは特開平７−１
７２８０４号公報などに記載されているような一体化さ
れた多方弁が用いられることが多く、本願発明はかかる
多方弁を用いる場合にも、一部の配管系改造で対応可能
で、多方弁の大幅改造はなく装置内に組み込むことが出
来る。

【００２４】また、かかる構成をとることによって原料
加圧空気および該排気空気は該膜式加湿器の１次側を同
一方向に流れる。即ち、２次側の酸素濃縮気体の流れと
は常に逆方向の流れをとることが出来る。かかる方向性
をもたせることにより、圧縮空気供給時、及び脱着排気
空気を利用する場合の双方の段階でも、膜式加湿器の入
口側から出口側への水蒸気分圧差を十分に確保すること
が出来、水分透過効率を最大限うることが可能で、大気
中の湿度以上の加湿を可能とすることが出来る。

【００２５】更には、サージタンク６により、該タンク
を介して使用者に酸素濃縮空気を連続供給すると同時
に、該サージタンクに貯留された酸素濃縮気体が吸着床
に逆流する工程（以下昇圧工程）を吸着・脱着工程に含
めることが可能となり、吸着床の昇圧工程用のパージガ
スとしてタンク内の貯留ガスを使用し、吸着床に蓄積さ
れた吸着水分をより効率良く除去し、該吸着床の経時的
な使用における耐久性を向上し、かつ置換吸着の作用に
より酸素濃縮効率が向上するという効果を発揮すること
が出来る。

【００２６】本願発明を利用した酸素濃縮装置では、加
湿した酸素濃縮空気を一時貯留しておくためのバッファ
ータンクは必須ではないが、図２に示すように、バッフ
ァータンク７を備えることにより、該タンクを介して使
用者に酸素濃縮空気を連続供給すると同時に、該タンク
に貯留された加湿済みの酸素濃縮気体がタンク内でミキ
シングされ、加圧空気によって加湿された酸素濃縮気体
と、排気空気によって加湿された酸素濃縮空気の湿度に
斑があった場合にも均一な加湿度の酸素濃縮気体を使用
者に供給できる。

【００２７】図３は、本願発明の酸素濃縮装置において
酸素濃縮気体を加湿した場合の加湿度を示す。加圧及び
排気空気の流量及び中空糸膜１次側の入口圧力（水蒸気
分圧差含む）、酸素濃縮気体の流量、水分透過膜温度、
膜表面積等の因子により加湿度は変化するが、図３には
膜表面積４００ｃｍ²の場合の例を示す。

【００２８】図４は加圧空気及び排気空気と、水分透過
膜が接触する膜表面積を可変にした装置の１例で有る。
この場合の膜表面積を２００ｃｍ²に変更した場合の加
湿度調整結果を同時に図３に示した。本方式により、容
易に酸素濃縮気体の加湿度を調節可能であり、複雑な配
管や、バルブ制御が不要となる。

【００２９】

【発明の効果】本願発明の酸素濃縮器を使用することに
より、従来の水を用いる加湿器で問題となっていた水の
補充、交換、加湿器の洗浄の問題やその後の酸素濃縮気
体漏れなどの問題を解消することが出来る。更に、装置
自体をコンパクトにし、より効率的に加湿させることが
可能となり、加湿度調節も容易に出来るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な実施例である酸素濃縮装置のフ
ロー

【図２】本発明の好適な実施例である酸素濃縮装置のフ
ロー

【図３】本発明の酸素濃縮装置による酸素濃縮気体の加
湿度

【図４】本発明の好適な実施例である酸素濃縮装置のフ
ロー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平８−141087（ＪＰ，Ａ) 特開平８−196635（ＪＰ，Ａ) 特開平２−68112（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−231403（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C01B 13/02 A61M 16/10 B01D 53/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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１つの吸着床と、該吸着床へ空気を供給
する空気供給手段と、該吸着床からの酸素濃縮気体を加
湿するための水分透過膜を備えた膜式加湿器とを具備し
た圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該空気供給手
段から該吸着床への加圧空気、および該吸着床を減圧再
生する際の排気空気を水分透過膜の１次側に供給するた
めの導管手段、および該酸素濃縮気体を該水分透過膜の
２次側に供給した後、使用者に流通するための導管手段
を備え、該膜式加湿器の１次側が該空気供給手段の下流
側、該吸着床への加圧空気供給を制御する吸着塔供給弁
及び該排気空気を大気中への放出を制御する排気弁の上
流側に位置し、該加圧空気および該排気空気が該膜式加
湿器の１次側を同一方向に流れることを特徴とする圧力
変動吸着型酸素濃縮装置。
【請求項２】該膜式加湿器において、該加圧空気及び
該排気空気と該水分透過膜が接触する膜表面積を可変に
した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。