JP4398736B2 - 低騒音酸素濃縮機 - Google Patents

Description

本発明は、概括的には、酸素濃縮装置に関しており、特に、圧力揺動吸着(pressure swing adsorption)による酸素の濃縮に関する。

本出願は、２００２年４月２４日出願の米国仮特許出願第６０／３７５，２５６号からの優先権を主張する。
生命維持システムを持続し、或いは様々な種類の身体を衰弱させる病気、特に肺の病気の症状を緩和するために、酸素又は酸素濃縮空気を患者に供給する様々な型式の機器が知られている。過去には、加圧シリンダから供給される純酸素又は酸素濃縮気体が用いられていた。しかしながら、そのようなシリンダは、扱いにくく、補充又は取替えが必要となるまでの寿命が比較的短い。圧力揺動吸着の原理を用いている酸素濃縮機は、これらの欠陥を克服するように設計された。

圧力揺動吸着技法を以後ＰＳＡと呼ぶことにするが、このＰＳＡは、一般的に、気体の混合物から選択された気体を濃縮するのに用いられる。具体的には、酸素濃縮機は、周囲空気から酸素を濃縮し、酸素が濃縮された混合物を、高酸素気体を必要とする医療又は他の目的に供給する装置である。本発明が関係しているＰＡＳ装置の一般的な型式及び作動原理は、特に、米国特許第３，５６４，８１６号、第３，６３６，６７９号、第３，７１７，９７４号、第４，８０２，８９９号、第５，５３１，８０７号、第５，８７１，５６４号に記載されている。例えば、圧力揺動吸着装置は、１つ又は複数の吸着体を含んでおり、各吸着体は固定された吸着性材料の篩床を有しており、供給流れからの気体混合物が吸着体を通って並流方向に連続して送られるときに、床への吸着によって気体混合物から少なくとも１つの成分気体が分留される。或る吸着体が吸着を行なっている間に、同時に他の吸着体からは、その吸着した成分気体が、第１又は生成中の吸着体から引き出され他の吸着体を通して逆流方向に送られる製品気体の一部によって追い出される（以後パージされるとも言う）。前記他の吸着体のパージが済むと、目下の供給流れが前記他の吸着体に向けて並流方向に送られるので、前記他の吸着体が吸着を実行する。次に第１吸着体は、同時か、又は２つ以上の吸着体がある場合には別の時間指定順序でパージされるが、上記の特許を読めばこれら全てを理解頂けるであろう。酸素濃縮機は、多くの医療及び他の用途に非常に有用であることが証明されているが、我々の知る限り、濃縮機は、公共の場所又は健康治療施設のような多くの環境でその実用性を制限するほどの騒音レベルを発生する。

更に、この装置を小型にするには、内部構成要素を密に配置し、互いを極めて接近させねばならない。小型にすると全体装置に大きな利点をもたらすが、修理又は整備が難しくなる。特定の構成要素を取り外し又は修理する際には、それに到達するのに周囲の構成要素を取り外さねばならないこともある。
従って、当該技術で必要なものは、低騒音の小型で携帯可能な酸素濃縮機である。
更に、当該技術において必要なのは、整備と修理をやり易くするため構成要素に容易に到達できる酸素濃縮機である。

本発明は、先行技術による酸素濃縮機より低い騒音レベルで作動し、内部構成要素に到達し易い新しい改良型の圧力揺動吸着（「ＰＳＡ」又は「酸素濃縮機」）装置を提供する。これは、内部の構成要素を消音材料の戦略的な配置と組み合わせた独自の構造によって実現される。我々の知る限り、先行技術による酸素濃縮機は、例えば約４８から５４デシベルの間の騒音レベルで作動する。本発明の酸素濃縮機は、約３８デシベル或いはそれ以下の相当に低い騒音レベルで作動する。この改良は、ＰＳＡ装置のハウジング又はキャビネット全体の中で、騒音吸収材料の戦略的な配置と、取り外し可能なモジュール内の主要な騒音生成構成要素の物理的な配置の再編成とにより実現される。取り外し可能なモジュールは、モジュールを取り外すと主要な全構成要素に容易に到達できるようになるので、整備と修理の際に好都合である。更に、製造の観点からすると、構成要素組立体と受け入れキャビネットを標準化することができるので、各種モジュール組立体を置き換えることによって、顧客の要求を満たす多様なモデルを提供することができる。

モジュール組立体には、空気の流れを作るファン、空気を吸い込んで分留するのに用いられる共鳴器と圧縮機、吸着体床を通る気体の流れを制御する弁、及び排気マフラーを含むＰＳＡ装置の実質的に全ての騒音を作り出す部品が入っている。本装置の騒音低減品質は、更に、モジュールの外側壁及び外側ハウジングの隣接壁とモジュール内に含まれていない内側構成要素との間に、少なくとも１層の吸音材料を追加することによって高められる。この吸音材料は、空気伝播音を吸収するだけでなく、構造伝播振動を減衰し、放射騒音を低減する。

本発明の上記及びその他の特徴と利点、並びにそれらを達成する方法は、本発明の好適な実施形態に関する以下の説明を添付図面と関連付けて読めば、明白になり、よく理解頂けるであろう。
同じ参照番号は、幾つかの図面に亘って同じ部品を示している。好適な実施形態を図示し説明しているが、如何なる意味でも本発明の範囲を限定するものではない旨理解されたい。

図面では、本発明による、一般的には、但し必ずしもそうではないが、周囲の空気である気体混合物から少なくとも１つの構成要素、即ち窒素を、圧力揺動吸着によって分留し製品気体を生成するのに用いられる圧力揺動吸着装置の特定の実施形態を、全体として番号２０で示している。本発明は、説明するように、２つの窒素吸着体を使用しているが、１つ又は２つを超える吸着体を使用するＰＳＡ装置に組み込んでもよい。

図１に示すように、周囲の空気は、フィルター付吸気口２１及び吸気共鳴器２２を通してＰＳＡ装置に導入され、周囲の空気の供給流れの吸気騒音を減らす。供給流れは、共鳴器２２に続き、その出口２２ａから、供給空気圧縮器／熱交換器組立体２４によって、供給弁４０と４２それぞれを通って、第１及び第２吸着体３０、３２へ交互に送り込まれる。圧縮器／熱交換器組立体２４は、図示のように空気入口２４ｃと出口２４ｄを有する圧縮器２４ａと、後に続く熱交換器２４ｂを含んでいる。

周囲の空気は、空気を装置２０の内部に吸い込むのに用いられるファン６３によって装置２０に供給され、その空気の一部分はフィルター付吸気口２１に吸い込まれ、その大部分は装置の内部全体に送られて、動作中の構成要素を冷却する。
供給流れが吸着体３０、３２の入口３０ａ、３２ａに並流方向に交互に入ると、各吸着体は、供給流れを所望の濃度の製品気体に分留する。窒素を周囲の空気から分離する床に使用される吸着材は、合成ゼオライトか、同等の特性を有する他の既知の吸着材である。

周囲の空気を各吸着体３０、３２に連続して並流方向に流して生成された酸素に富む製品気体の相当部分又は使用可能部分は、対応する吸着体の出口３０ｂ、３２ｂと逆止弁３４、３６を通して、製品マニホルド４８へ送られ、そこから混合タンク５６へ送られる。製品気体は、混合タンク５６から、細菌フィルター５７を通り、流量制御器５９と圧力調整器５８で定められた調整圧力と流量で、ユーザー出口へ送られる。各吸着体で作られた製品気体のバランスは、パージオリフィス５０と、適切に時間設定されている平衡弁５２と、随意の流れ絞り弁５３とを通って、他方の吸着体の３０又は３２を、その各出口３０ｂ、３２ｂから各入口３０ａ、３２ａへと逆流方向に流れ、吸着された気体、即ち主に窒素をパージするため迂回するよう時間設定されている。ついで、逆流した製品気体とパージされた気体は、吸着体から、適切に時間設定された廃棄弁４４、４６と、管４７及び吸音マフラー４８を通して大気中に放出される。

主な騒音生成構成要素は、ファン６３と、吸気共鳴器２２と、圧縮器／熱交換器組立体２４と、供給及び廃棄弁４０、４２、４４、４６と、吸音マフラー４８なので、本発明によるこれらの構成要素は、以下に説明するように、個別の取り外し可能なモジュール組立体６０に取り付けられている。

図２は、低騒音酸素濃縮器２０の正面図を示している。装置の作動構成要素は、外側ハウジング即ちキャビネット２５内に囲い込まれており、その前面カバーは、構成要素モジュール組立体６０を示すためにこの図からは取り除かれている。モジュールの側壁６１の外側表面の両側と、上部壁６９には、消音材の層７４が取り付けられている。図２には、ファン組立体パネル６６も示されている。更に、消音材の層は、モジュール組立体６０の背面壁６７の外側表面が背面壁の内側表面と出会う、キャビネット上部構造物の背面壁６７（図示せず）の内側表面にも取り付けられている。

更に図２に示すように、モジュール６０内の濃縮機２０の前面に取り付けるように示されている作動構成要素には、吸気共鳴器２２と、ファン６３と、供給及び廃棄弁４０、４２、４４、４６を形成する弁ブロック６４と、排気マフラー４８が含まれる。図３及び部分的に図２に示されている濃縮機の背面の作動構成要素には、一対の吸着体３０及び３２と、平衡弁５２と、装置２０の作動シーケンスを制御する電子機器構成要素を含む回路板７０と、圧縮機組立体２４とが含まれる。圧縮機２４は、適切なスクリュー又は他の適した締め付け装置によってモジュール６０の底壁６２に取り付けられている。

図２と図３に示すように、弁ブロック６４は、モジュール６０内の圧縮機組立体２４の直ぐ下の前方に配置されている。弁ブロック６４は、Ｖｅｌｃｒｏ？のような迅速解除ファスナーによって底壁６２に適切に取り付けられている。供給弁３０ａ，３２ａは、熱交換機２４ｂと吸着体入口３０ａ、３２ａの間の流路内に在り、モジュール６０を取り外しできるように、分離可能な連結具を使って、７１及び７２で適切な配管によって接続されている。図示していないが、モジュール６０内の作動構成要素を一方とし電源と回路板７０を他方とする、両者の間の電気的接続も、分離可能なバス接続により、当該技術で周知の方法で行われている。

モジュール６０の底壁６２の直ぐ上に、吸気共鳴器２２がある。図５に示すように、吸気共鳴器２２は、ファン６３に近接して取り付けられ、フィルター付吸気口２１（図示せず）を通して分留する空気の一部を受け取る。周囲の空気は、ハウジング２５の後壁６７内の適切なルーバー付き開口部（図示せず）によって、ハウジング２５に吸い込まれる。

構成要素モジュール組立体６０の上壁６９は、内部ファンパネル６６と同一空間を占める開口部６５を有している。ファンパネル６６は、約２０°の角度に取り付けられているので、ファン６３は、空気をハウジング２５の内側から構成要素モジュール組立体６０内へと吸い込み、一部を吸気口２１へ送り、モジュール６０の背面壁の開口部を通過して出るまでにモジュール６０内の作動構成要素に亘るバランスを取る。

この目的を促進するにあたり、騒音レベルを更に低減するため、ファンと圧縮機をモジュールの壁内に再配置している。これは、圧縮機を実質的に背壁に向けて、ファンパネル６６の反対に配置することによって実現される。

図４は、ファン６３に隣接するモジュール６０の上部の開口部６５を示している。図５ａと図５ｂは、ファン６３とファンパネル６６の２つの図面であり、ファン６３がファンパネル６６に取り付けられている手段と角度を示している。図５ｂは、ファン組立体パネル６６とファン６３の間の吸音材の層７５を示している。ファン組立体パネル６６は、側壁の間に取り付けられ、上壁の開口部と角度をなして面している。この装置の騒音低減品質は、吸音材の層７５を追加することにより更に向上する。この吸音材は、構造伝播振動を減衰し、放射騒音を低減する。例えば、中に入っている構成要素を冷却する循環空気とマフラー４８からの排出気体が構成要素モジュール組立体を出る、構成要素モジュール組立体６０の底壁６２及び背壁６７のようなモジュールの壁には、適切な開口部（図示せず）が設けられている。

図６は、側面カバーを取り外した状態の構成要素モジュール組立体の側面図である。図は、構成要素モジュール組立体の背壁６７に密に近接して取り付けられている圧縮機２４を具体的に示している。図面は、構成要素モジュール組立体の前壁６８に密に近接して取り付けられているファンパネル６６の側面図も示している。通常、加圧された気体の流れを大気へ放出する際に生じる音は、消音器４８によって消される。

以上、本発明を特定の設計を有しているように説明してきたが、本発明は、本開示の精神及び範囲の中で更に修正を加えることができる。従って、本出願は、ここに開示した一般的原理を使用する本発明のどの様な変更、利用又は適用も包含するものとする。更に、本出願は、本発明が関係し、上記請求項の限定内に含まれる、当該技術で既知の又は通常行われているような、本開示から発展したものも範囲に含むものとする。

本発明による組合せＰＳＡ装置の概略図である。 構成要素モジュール組立体の前面パネルを取り外した状態の低騒音酸素濃縮機の正面図である。 背面カバーを取り外した状態の低騒音酸素濃縮機の背面図である。 騒音低減材が無い状態の構成要素モジュール組立体を前方上部から見た斜視図である。 図５ａと図５ｂは、ファン組立体パネルに取り付けられているファンの詳細な図である。 側面カバーを取り外した状態の構成要素モジュール組立体の側面図である。

Claims (6)

1. 周囲の空気のような気体混合物から高濃度の酸素又は他の気体を生成する作動構成要素を有する圧力揺動吸着装置において、
   前記装置は、前記作動構成要素を収容する外側ハウジングを有し、
   前記作動構成要素は、ブロワーファンと、吸気共鳴器と、気体圧縮器と、作動弁と、気体濃縮物を生成するための吸着体と、排気マフラーとを備え、
   更に前記ハウジング内に配置され少なくともブロワーファン，吸気共鳴器、気体圧縮器及び排気マフラーを収容して実質的に覆う側面、上面及び底面壁を有する一体的に取り外し可能な構成要素モジュールを備え、
   ブロワーファンは前記気体混合物をハウジングから前記モジュール内へ導くための開口を画定するモジュール内のモジュール壁のうちの１つの壁上に取り付けられ、気体圧縮機はブロワーファンとは反対側の底面壁に取り付けられ、吸気共鳴器はモジュール内に取り込まれた気体混合物の一部を受け取るためにブロワーファンに近接配置され、取り込まれた気体混合物の残りは方向付けられてモジュール内の構成要素を冷却し、モジュール壁の１つは前記吸気共鳴器に導かれなかった気体混合物の一部を前記モジュールから排気しそして前記ハウジングへ戻すための開口を画定し、
   更に前記モジュールに収容された構成要素から放出される音と振動を実質的に減衰させるための前記モジュール壁上の音及び振動手段と、
   モジュールと収納されている構成要素とを吸着体から一体ユニットとして取り外し可能に分離し、ハウジングから取り外せるようにする連結具とを備えている、圧力揺動吸着装置。
2. 前記ブロワーファンはファン組立パネルに取り付けられており、更に、前記音及び振動手段は前記ブロワーファンと前記ファン組立パネルの間に振動吸収手段を備えている、請求項１に記載の装置。
3. 前記音及び振動手段は、少なくとも上面、前面及び側面の何れかの表面を覆う音吸収材料の少なくとも１つの材料層を備えている、請求項１に記載の装置。
4. 上面壁はモジュール内へ気体混合物を導くための開口を画定する壁であり、ブロワーファンは前壁に対して鋭角に設置されたファン組立パネルに固定されている、請求項１に記載の装置。
5. 背面壁は冷却気体混合物をモジュールから排気するための開口を画定する壁である、請求項１に記載の装置。
6. 各弁はモジュール壁の１つに取り付けられると共に、一体ユニットの一部としてモジュールと共に取り外し可能である、請求項１に記載の装置。

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