JP3547121B2

JP3547121B2 - 医療用酸素濃縮器

Info

Publication number: JP3547121B2
Application number: JP2000161473A
Authority: JP
Inventors: 健林; 良幸大森
Original assignee: 大陽東洋酸素株式会社
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: JP2001340458A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、呼吸不全患者等が主として在宅酸素療法に使用する酸素ガス（酸素富化ガス）を圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）によって得るための医療用酸素濃縮器であって、大気採取口から酸素ガス取出口に至るガス流路に、大気から採取した原料空気を圧縮する空気圧縮装置と圧縮空気を除湿，吸着処理することにより酸素富化ガスを得る除湿・吸着処理装置と酸素富化ガスを圧力調整する圧力調整装置とを設けてなる医療用酸素濃縮器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＳＡ法により原料空気を濃縮して得られた酸素富化ガスは、除湿・吸着処理装置により水分が除去されたものであり、絶乾状態のものである。したがって、このような絶乾状態の酸素富化ガスを患者に供給，吸入させると、例えば、上気道粘膜の繊毛運動低下、体内水分，熱量の損失及び喀痰の乾燥による喀出困難といった問題が生じることから、一般に、人体に供給，吸入される前に適度に加湿しておくことが好ましい。
【０００３】
そこで、従来の医療用酸素濃縮器にあっては、バッフル型加湿装置やパスオーバ型加湿装置を付設して、乾燥ガス（酸素富化ガス）を加湿するように構成されている。すなわち、バッフル型加湿装置は、乾燥ガスを精製水中にバブラーからバブリングさせ、乾燥ガスを精製水との接触により加湿させるものであり、パスオーバ型加湿装置は、乾燥ガスを精製水の水面上を通過させることにより、乾燥ガスに水分を同伴させて蒸気圧分の加湿を行なうものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる従来の医療用酸素濃縮器では、加湿源として精製水を使用するために次のような問題があった。
【０００５】
すなわち、精製水及びこれを貯溜する加湿装置の衛生管理を怠ると、有害菌体等が発生して、これが乾燥ガスに混入する虞れがある。したがって、酸素富化ガスの使用者たる患者は、本来的に抵抗力の弱い者であることから、このような有害菌体を含むガスが供給，吸入されたときには、そのガスが副次的感染源となる虞れがあった。一方、精製水や加湿装置の衛生管理に万全を期すためには、精製水の交換や加湿装置の清掃を頻繁に行なう必要があるが、このような作業は極めて面倒であり、精製水費用も高額となる。
【０００６】
また、精製水はガス使用と共に消耗するものであるから、自動補給するか補充用在庫を常備しておく必要があり、保守，管理上の手間，費用が大幅にかかる。また、バブラー等による気泡発生音が継続するため、特に安静を必要とする患者にとっては、安眠が妨げられる等の支障が生じる。
【０００７】
本発明は、このような問題を生じることなく、酸素富化ガスを安全且つ簡便に加湿することができ、長期に亘ってメンテナンスフリーで加湿することができる医療用酸素濃器を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１の発明は、大気採取口から酸素ガス取出口に至るガス流路に、大気から採取した原料空気を圧縮する空気圧縮装置と圧縮された原料空気を除湿、吸着処理することにより酸素富化ガスを得る除湿・吸着処理装置と酸素富化ガスを圧力調整する圧力調整装置と圧力調整された酸素富化ガスを加湿する加湿装置とを具備すると共に、前記加湿装置が、ガス流路の一部をなし酸素富化ガスが通過するガス流動室と、ガス流動室との間を水分子を優先的に透過させる水分子透過膜により仕切られた水流動室であって、加湿水が水分子透過膜に接触しつつ通過する水流動室とを具備して、酸素富化ガスがガス流動室を通過する間に水分子透過膜からの水分子透過により加湿されるように構成した医療用酸素濃縮器に於いて、前記水流動室の上下端部が大気に開放されており、前記除湿・吸着処理装置から排出されたドレン水又は当該医療用酸素濃縮器に設けたペルチェ素子冷却器により大気中の水分を凝縮して得られた水から成る加湿水が、水流動室にその上端開口部から滴下供給されるようにしたことを発明の基本構成とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、酸素富化ガスを、水流動室における加湿水の流動方向と逆方向に流動させるようにしたものである。
更に、請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、ガス流動室内に水分子透過膜で構成された一本又は数本のメンブレンチューブを配置し、このメンブレンチューブ内を水流動室とするようにしたものである。
加えて、請求項４の発明は、請求項１の発明に於いて、水分子透過膜を、主たる化学構造が４弗化エチレンと過弗化−３，６−ジオキサー４−メチル−７−オクテンとの共重合体であり且つ官能基としてスルホン酸基を配位させた有機高分子薄膜としたものであり、請求項５の発明は、請求項３の発明において、メンブレンチューブの外径を２〜２０ｍｍとするようにしたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１又は図２に基づいて具体的に説明する。
【００１０】
この実施の形態における医療用酸素濃縮器１は、ＰＳＡ法により濃縮酸素たる酸素富化ガスを得るように構成されたものであり、図１に示す如く、大気採取口２から酸素ガス取出口３に至るガス流路４にフィルタ５、空気圧縮装置６、除湿・吸着処理装置７、圧力調整装置８、加湿装置９及び流量調整装置１０を配設してなる。
【００１１】
大気採取口２においては、原料空気１１ａが大気から採取される。採取された原料空気１１ａは、フィルタ５によって含有微粒成分を除去された上、空気圧縮装置６に供給される。
【００１２】
空気圧縮装置６はコンプレッサ等を具備するものであり、フィルタ５を通過した原料空気１１ａを所定圧に昇圧，圧縮する。昇圧，圧縮された原料空気たる圧縮空気１１ｂは、除湿・吸着処理装置７に供給される。
【００１３】
除湿・吸着処理装置７は、クーラ７１と吸着塔７２とバッファタンク７３とを具備し、空気圧縮装置６を通過した圧縮空気１１ｂをクーラ７１により所定温度（例えば、常温）まで冷却して水分を凝縮分離した上、吸着塔７２において吸着剤７２ａとの接触により酸素以外の大気成分（Ｈ_２Ｏ，Ｎ_２等）を吸着除去することによって、酸素富化ガス１１ｃを得るように構成されており、得られた酸素富化ガス１１ｃはバッファタンク７３に貯溜されるようになっている。また、クーラ７１における凝縮水たるドレン水１１ｅは、オートドレン７１ａによりドレンポット７１ｂへと排出される。また、一対の吸着塔７２，７２を並設してあって、一方の吸着塔７２が吸着工程を行なっている間において、バッファタンク７３に貯溜された酸素富化ガス１１ｃの一部を再生ガス１１´ｃとして他方の吸着塔７２に導入して、当該他方の吸着塔７２における吸着剤７２ａの再生を行なうようになっている。すなわち、空気１１ｂの吸着処理と再生ガス１１´ｃによる吸着剤７２ａの再生処理とを、両吸着塔７２，７２の間で一定サイクル毎に交互に繰り返して行なうようになっている。
【００１４】
バッファタンク７３に貯溜された酸素富化ガス１１ｃは、圧力調整弁等の圧力調整装置８により適当圧に減圧調整された上、次のように構成された加湿装置９により加湿される。加湿された酸素富化ガス１１ｄは、流量調整弁等の流量調整装置１０により流量を適量に調整された上で、酸素ガス取出口３から当該酸素濃縮器１外に取り出される。
【００１５】
而して、加湿装置９は、図１に示す如く、ガス流路４における圧力調整装置８の下流側部分に配置されており、ガス流路４の一部をなし酸素富化ガス１１ｃが通過するガス流動室９１と、ガス流動室９１との間を、水分子を優先的に透過させる水分子透過膜９２ａにより、仕切られた水流動室９３と、加湿水９４を水分子透過膜９２ａに接触させつつ水流動室９３を通過させるべく当該室９３に供給する加湿水供給手段９５とを具備してなる。
【００１６】
この例では、圧力調整装置８と流量調整装置１０との間に上下方向に延びる両端閉塞状の加湿管９６を配置すると共に、加湿管９６内に上下方向に延びる水分子透過膜９２ａで構成されたメンブレンチューブ９２を配置して、加湿管９６内を水分子透過膜９２ａによりガス流動室９１と水流動室９３とに区画してある。すなわち、メンブレンチューブ９２内を水流動室９３となし、加湿管９６の内周面とメンブレンチューブ９２の外周面との間に形成される環状空間をガス流動室９１となしている。なお、加湿管９６及びメンブレンチューブ９２は円管状をなしており、同心をなしている。また、加湿管９６の下部にガス流入口９６ａを設けて、これに圧力調整装置８より下流側のガス流路部分４ａを接続すると共に、加湿管９６の上部にガス流出口９６ｂを設けて、これに流量調整装置１０より上流側のガス流路部分４ｂを接続してあり、圧力調整装置８により圧力調整された酸素富化ガス１１ｃがガス流動室９２内を上昇通過して流量調整装置１０へと流動するようになっている。水流動室９３の上下端部つまりメンブレンチューブ９２の上下端部は開口されていて、加湿管９６の上下壁を貫通して大気に開放されている。また、加湿水供給手段９５は、除湿・吸着処理装置７からのドレン水１１ｅを加湿水９４として水流動室９３に滴下供給させるように構成されている。すなわち、ドレンポット７１ｂにメンブレンチューブ９２の上端開口部へと垂下する滴下管９７を設けて、ドレンポット７１ｂに排出されたドレン水１１ｅを滴下管９７からメンブレンチューブ９２内つまり水流動室９３へと滴下供給させるようになっている。メンブレンチューブ９２内に滴下されたドレン水つまり加湿水９４は、メンブレンチューブ９２の内壁面つまり水分子透過膜９２ａを伝って流下（自然落下）し、メンブレンチューブ９２の下端開口部から流出する。
【００１７】
メンブレンチューブ９２を構成する水分子膜９２ａとしては、水分子の吸着性，高速移動性や水分子以外の気体分子（必要成分である酸素ガス又は不要成分である窒素ガス，炭酸ガス，一酸化炭素ガス等）を透過させない選択性において優れる有機高分子薄膜を使用することが好ましい。具体的には、水分子膜９２ａとしては、主たる化学構造が４弗化エチレンと過弗化３，６ジオキサ−４メチル−７オクタンとの共重合体であり且つ官能基としてスルホン酸基を配位させた有機高分子薄膜が好適し、メンブレンチューブ９２としては、このような水分子透過膜９２ａで構成した外径２〜２０ｍｍのものが好適する。メンブレンチューブ９２の壁厚（水分子透過膜９２ａの膜厚）は、水分子透過機能（膜厚が薄い程、水分子透過量が増加する）を考慮しつつ、メンブレンチューブ９２の外周領域であるガス流動室９１に導入される酸素富化ガス１１ｃの圧力に充分耐え得る程度に設定される。一般には、０．０２〜０．２ｍｍとしておくことが好ましい。また、メンブレンチューブ９２の長さ（加湿管９６内における部分の長さ）は加湿条件等に応じて適宜に設定される。この例では、外径５ｍｍ，壁厚（膜厚）０．２ｍｍ，長さ６００ｍｍのメンブレンチューブ９２を使用している。
【００１８】
水流動室９３を構成するメンブレンチューブ９２の本数は、使用するメンブレンチューブの口径及び酸素富化ガス１１ｃの流量（例えば、在宅酸素療法用酸素濃縮器では、一般に、０．５〜６ｌ／ｍｉｎ程度の流量が必要とされる）等に応じて任意に設定することができるが、一般に、一本〜数本とされる。この例では一本のメンブレンチューブ９２を使用しているが、数本のメンブレンチューブ９２を使用する場合には、これらを束ねた状態で加湿管９６の中心部に配置しておく。
【００１９】
而して、圧力調整装置８を通過した酸素富化ガス１１ｃは加湿管９６に導入され、この加湿管９６を上昇通過する間において、メンブレンチューブ９２内を流下する加湿水９４（ドレン水１１ｅ）によって充分に加湿される。
【００２０】
すなわち、メンブレンチューブ９２は、上記した如く、主たる化学構造が４弗化エチレンと過弗化３，６ジオキサ−４メチル−７オクタンとの共重合体であり且つ官能基としてスルホン酸基を配位させた有機高分子薄膜（水分子透過膜９２ａ）で構成されているが、この薄膜における官能基たるスルホン酸基（−ＳＯ_３Ｈ）は親水性基であることから、メンブレンチューブ９２の内表面は、これに接触する水分子（加湿水９４）を迅速に化学吸着し、スルホン酸水和物（−ＳＯ_３Ｈ・［Ｈ_２Ｏ］_ｎ）として吸収する。そして、メンブレンチューブ９２の内表面に吸収された水分子は、メンブレンチューブ９２の内外間における水分子の蒸気分圧の差によってメンブレンチューブ９２の管壁たる水分子透過膜９２ａを透過（移動）して、メンブレンチューブ９２の外周領域たるガス流動室９１を流れる絶乾状態の酸素富化ガス１１ｃ中に拡散し、充分に加湿された酸素富化ガス１１ｄが得られる。特に、酸素富化ガス１１ｃがガス流動室９１を上昇通過し且つ加湿水９４が水流動室９３を下降通過（自然落下）するようにしておくことにより、つまり両者１１ｃ，９４が水分子透過膜９２ａを挟んで逆方向に流動させるようにすることによって、上記した加湿作用がより効果的に行われる。
【００２１】
ところで、メンブレンチューブ９２内を加湿水９４が通過しない場合においても、メンブレンチューブ９２内の大気から水分子が透過してメンブレンチューブ９２外の酸素富化ガス１１ｃが加湿されることになる。しかし、このようなガス（酸素富化ガス１１ｃ）とガス（大気）との間における水分子透過膜９２ａを介しての水分子透過は、両ガスの水分圧差をドライビングフォースとするものであり、膜９２ａ中へのガス溶解度がヘンリーの法則に従って膜界面で平衡状態をとるため、どうしても透過速度（膜９２ａ中へのガス溶解度係数と膜９２ａ中のガス拡散係数との積で得られる）が低くなり、透過効率が頗る悪い。したがって、酸素富化ガス１１ｃを充分に加湿させるためには、両ガスと膜９２ａとの接触時間，接触面積を極めて大きく設定しておく必要があり、加湿装置９ひいては酸素濃縮器１の大型化やイニシャルコスト（特に膜コスト）の高騰といった実用上の問題が生じる。
【００２２】
しかし、上記した如く加湿水９４を水分子透過膜９２ａに接触させるようにした場合には、その接触水９４が膜９２ａ内に瞬時に浸透，膨潤するため、膜９２ａにおける水移行速度（透過速度）が膜界面でのガス溶解度係数に影響されず飛躍的に向上することになる。したがって、膜９２ａとの接触時間や接触面積が小さくしても、充分な加湿を行うことができ、上記した問題は生じない。
【００２３】
このような加湿装置９による加湿能力は、次のような実験により確認された。すなわち、この実験においては、加湿管９６の流入口９６ａからの酸素富化ガス流入量を３ｌ／ｍｉｎとし、メンブレンチューブ９２（外径５ｍｍ，壁厚（膜厚）０．２ｍｍ，長さ６００ｍｍ）への加湿水９４の滴下量（滴下水量）を１〜５ｍｌとして、加湿管９６の流出口９６ｂにおけるガス湿度を測定した。その結果は図２に示す通りであり、相対湿度が９０％以上の加湿酸素１１ｄを得ることができ、特に、滴下水量が３ｍｌ／ｍｉｎ以上である場合には、相対湿度が略１００％となり、上記した加湿装置９による加湿能力が極めて優れたものであることが確認された。なお、図２において、□は相対湿度（％ＲＨ）を示し、△は絶対湿度（ｍｇ／ｌ）を示し、○は加湿装置９の周辺温度（℃）を示している。
【００２４】
また、メンブレンチューブ９２の構成材（有機高分子薄膜）において主たる構造をなす４弗化エチレン共重合体は、周知のように、水分子以外の気体分子を殆ど透過させることがないものであるから、気体分子より大きなバクテリア，ウイルス等の菌体はメンブレンチューブ９２を透過することがない。すなわち、加湿水９４にかかる菌体が存在している場合にも、それがメンブレンチューブ９２の管壁（水分子透過膜９２ａ）を通過してガス流動室９１に侵入して酸素富化ガス１１ｃに混入する虞れは皆無であり、長時間の連続使用にも衛生上の問題を生じることがない。したがって、加湿水９４として、上記したドレン水１１ｅ等を任意に使用することができ、精製水，純水等の清浄水を必要とせず、加湿酸素を極めて簡便に得ることができる。勿論、冒頭に述べたもののように精製水の交換，補給等に要する費用，手間は一切不要であり、気泡発生音もなく静寂な状態で酸素吸入等を行なうことができ、患者の安眠を妨げることもない。
【００２５】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良，変更することができる。
【００２６】
例えば加湿水供給手段９５は、図３に示す如く、酸素濃縮器１に設けたペルチェ素子冷却器９８により大気中の水分を凝縮して、その凝縮水を加湿水９４として水流動室９３に滴下供給するように構成することができる。すなわち、ペルチェ素子冷却器９８の凝縮水貯留部９９に、水流動室９３を構成するメンブレンチューブ９２の上端開口部へと垂下する滴下管９７を設けて、凝縮水貯留部９９に貯留された凝縮水たる加湿水９４を滴下管９７からメンブレンチューブ９２内へと滴下供給させるようにする。この場合、ペルチェ素子冷却器９８による凝縮機能がより効果的に発揮されるように、ペルチェ素子の高温端側を酸素濃縮器１内の高温領域（例えば空気圧縮装置６のコンプレッサ放熱領域）に配置しておくことが好ましい。また、図１に示す如く構成する場合を含めて、両流動室９１，９３は、加湿機能がより効果的に発揮されるように、このような酸素濃縮器１内の高温領域に配置しておくことが好ましい。また、加湿水９４として上記したドレン水，凝縮水を使用しないことも可能である。例えば、酸素濃縮器１内に上水等を貯留する貯溜水槽を設けて、その貯留水を加湿水９４とすることもできる。この場合においても、貯溜水又は貯溜水槽をヒータ等により加熱するようにしておくことが好ましい。また、このような貯留水槽を設ける場合、貯留水たる加湿水９４は、上記した如く水流動室９３（メンブレンチューブ９２内）に滴下供給するようにする他、ぺリスタポンプ等により水流動室９３に供給するようにすることもできる。
【００２７】
また、メンブレンチューブ９２の形状を保持するために、チューブ９２内又はチューブ９２外に多孔状の樹脂管を補強材として装填しておくようにしてもよい。また、図１又は図２に示す如く、加湿管９６内にメンブレンチューブ９２を同心状に配置しておく構成をとる場合、メンブレンチューブ９２内をガス流動室９１となし、メンブレンチューブ９２外を水流動室９３となすようにすることも可能である。勿論、加湿管９６等の容器内を、チューブ状でなく平板状の水分子透過膜９２ａでガス流動室９１と水流動室９３との区画するように構成することも可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から容易に理解されるように、本発明の医療用酸素濃縮器は、ガス流路にその一部をなすガス流動室と水分子透過膜により区画された水流動室を設けて、その水流動室に加湿水を流動させることにより、酸素富化ガスを水分子透過膜からの透過水分により加湿させるようにしたものであるから、冒頭で述べた如く格別の精製水を必要とすることなく、酸素富化ガスの加湿を極めて簡便に且つメンテナンスフリーで良好に行なうことができる。
【００２９】
しかも、水分子透過膜は水分子以外の気体分子を殆ど透過させないものであるから、気体分子より大きなバクテリア，ウイルス等の菌体はメンブレンチューブを透過することがない。すなわち、水流動室内の加湿水，大気中にかかる菌体が存在している場合にも、それがガス流動室に侵入して、酸素富化ガスに混入する虞れは皆無であり、長時間の連続使用にも衛生上の問題を生じることがなく、安全な加湿を行うことができる。したがって、患者の上気道や肺等に乾燥による負担をかけることなく、在宅酸素療法等を安全に行なうことができる。
【００３０】
また、加湿水として酸素濃縮器内で発生するドレン水や凝縮水を使用することができ、冒頭で述べた如き精製水を使用する場合にように、精製水の交換，補給等に要する費用，手間は一切不要であり、気泡発生音もなく静寂な状態で酸素吸入を行なうことができ、患者の安眠を妨げることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る医療用酸素濃縮器の一例を示す系統図である。
【図２】当該酸素濃縮器における加湿水滴下量と酸素富化ガスの加湿度（相対湿度）との関係を示すグラフである。
【図３】当該酸素濃縮器の変形例を示す図１相当の系統図である。
【符号の説明】
１…酸素濃縮器、２…大気採取口、３…酸素ガス取出口、４…ガス流路、５…フィルタ、６…空気圧縮装置、６ａ…コンプレッサ放熱領域、７…除湿・吸着処理装置、８…圧力調整装置、９…加湿装置、１０…流量調整装置、１１ａ…原料空気、１１ｂ…圧縮空気、１１ｃ…酸素富化ガス、１１ｄ…加湿された酸素富化ガス、１１ｅ…ドレン水（加湿水）、７１…クーラ、７２…吸着塔、７３…バッファタンク、９１…ガス流動室、９２…メンブレンチューブ、９２ａ…水分子透過膜、９３…水流動室、９４…加湿水、９５…加湿水供給手段、９６…加湿管、９７…滴下管、９８…ペルチェ素子冷却器、９９…凝縮水貯留部。

Claims

大気採取口から酸素ガス取出口に至るガス流路に、大気から採取した原料空気を圧縮する空気圧縮装置と圧縮された原料空気を除湿、吸着処理することにより酸素富化ガスを得る除湿・吸着処理装置と酸素富化ガスを圧力調整する圧力調整装置と圧力調整された酸素富化ガスを加湿する加湿装置とを具備すると共に、前記加湿装置が、ガス流路の一部をなし酸素富化ガスが通過するガス流動室と、ガス流動室との間を水分子を優先的に透過させる水分子透過膜により仕切られた水流動室であって、加湿水が水分子透過膜に接触しつつ通過する水流動室とを具備して、酸素富化ガスがガス流動室を通過する間に水分子透過膜からの水分子透過により加湿されるように構成した医療用酸素濃縮器に於いて、前記水流動室の上下端部が大気に開放されており、前記除湿・吸着処理装置から排出されたドレン水又は当該医療用酸素濃縮器に設けたペルチェ素子冷却器により大気中の水分を凝縮して得られた水から成る加湿水が、水流動室にその上端開口部から滴下供給されるように構成したことを特徴とする医療用酸素濃縮器。
酸素富化ガスを、水流動室における加湿水の流動方向と逆方向に流動させるようにした請求項１に記載する医療用酸素濃縮器。
ガス流動室内に水分子透過膜で構成された一本又は数本のメンブレンチューブを配置し、このメンブレンチューブ内を水流動室とした請求項１に記載の医療用酸素濃縮器。
水分子透過膜が、主たる化学構造が４弗化エチレンと過弗化−３，６−ジオキサー４−メチル−７−オクテンとの共重合体であり且つ官能基としてスルホン酸基を配位させた有機高分子薄膜である請求項１に記載の医療用酸素濃縮器。
メンブレンチューブの外径が２〜２０ｍｍである請求項３に記載の医療用酸素濃縮器。