JP4426232B2 - 医療用酸素濃縮器 - Google Patents

Description

本発明は空気中から酸素を分離濃縮する酸素濃縮器、特に医療用として在宅で行なわれる酸素吸入療法に使用する圧力変動吸着型の酸素濃縮器に関する。

在宅酸素療法に使用する医療用の酸素濃縮器は、空気を原料としてその中に含まれる約２１％の酸素を４０％や９０％前後に濃縮して使用するものである。その方法としては、酸素を選択的に透過する酸素富化膜を使用する膜型の酸素濃縮器と、ゼオライト等の窒素を選択的に吸着する吸着剤を用い、これを充填した吸着筒に原料である空気を加えて窒素を吸着分離する圧力変動吸着型の酸素濃縮器がある。前者の酸素濃縮器で濃縮される酸素濃度は約４０％で後者が約９０％である。現在では，後者が主流となっており、本発明は、後者に関するものである。

かかる圧力変動吸着型酸素濃縮器は、５A型ゼオライトや13Ｘ型ゼオライト、或はＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３比が2.0〜3.0であるＸ型ゼオライトでそのＡｌＯ_４四面体単位の少なくとも８８％以上がLiカチオンと会合している高性能のLiゼオライト等を１筒、２筒、或は更に多数の吸着筒に充填し、コンプレッサを用いて大気を加圧供給し窒素を吸着させ、酸素を分離すると共に、流路を切換え、大気圧迄で圧力を減圧して吸着した窒素を脱着させるPSA方式、或は吸着筒を真空状態まで減圧することで脱着再生効率を上げたVPSA方式の各種装置が市場に供給されている。

特開２０００−１７６０１９号公報 特開昭６３−２４２９０１号公報 特開昭６０−２００８０４号公報 特開昭５９−２７４６５４号公報

在宅酸素療法に用いられる酸素濃縮器に求められる基本性能は、酸素濃縮性能の他に、特に在宅医療用として求められる要件として、静寂性、省エネ性他がある。これは、次の理由によるものである。

在宅酸素療法で使用する酸素濃縮器は、装置自体の費用の大部分は健康保険負担となり患者負担は少ないものの、運転費用は患者負担であり、患者は一日２４時間連続運転して使用するため、電気代は大きな負担となり、消費電力の小さい装置が必須要件となっている。また、在宅酸素療法で使用する酸素濃縮器は、一日24時間使用する場合が多く、夜間は装置の動作音が家族を含め患者の睡眠を妨げない静かな装置であることが要求される。

次にこれらの酸素濃縮器に求められている２つの要件について従来技術では、以下のような態様となっている。
（１）低消費電力性について
酸素濃縮器における主たる電力消費部は、空気圧縮機であるので、この部分の効率化が低消費電力化を実現する為に、多大な効果がある。特に高効率を実現する為の装置構成として、従来から一般的に使用されている往復動型ピストン方式の代わりに、効率の高い回転型スクロール方式やヘリカル方式の空気圧縮機を使用し、駆動する為の電動機に対しては、交流用誘導電動機よりも効率の高い直流電動機を使用することが一般的になりつつある。特開２０００−１７６０１９号公報の如く、スクロール方式の圧縮機と直流用ブラッシュレス電動機を使用する装置構成が、公知の技術である。

（２）静粛性について
従来、交流用誘導電動機を使用した装置構成が主流であった時は、装置における動作音の発生源は原料である空気を取り入れて圧縮する空気圧縮機の動作音と圧力変動吸着型酸素濃縮器の吸着筒の圧力切り替えと排気に伴って発生する排気音が主なものであった。

排気音は高性能のサイレンサを取り付けることにより、比較的良く消音することができる。しかし、空気圧縮機の動作音は振動を伴った低周波音を多く含んでおり容易には下げにくい。現在、医療用酸素濃縮気に使用されている空気圧縮機はピストン方式、ベーン方式、スクロール方式のものがある。ベーン方式のものは使用されているカーボンが摩耗し、二次側に黒いカーボンが出てくるし、これを取り除く為のフィルタが必要になってくる。更にこのフィルタも度々交換しなければならない。加えてカーボンベーンの摩耗寿命が２０００〜４０００Ｈであり、保守が頻繁に発生する為ピストン方式のものが主に使用されている。

ピストン方式の空気圧縮機の騒音は、通常上記の種類の酸素濃縮器に使用するクラスの空気圧縮機単体での騒音レベルは８０〜６０ｄＢＡの範囲にあり、これは、ピストンの動作に伴って生じる空気圧縮機の振動と電動機のトルク変動に伴う低周波動作音が原因である。振動の他への伝播を防ぐ為の手段としては特開昭６３−２４２９０１号公報に示される如くスプリングや防振ゴムにより浮かせる手段をとりかつ、特開昭６０−２００８０４号公報、特開昭５９−２７４６５４号公報などに示されるように二重の防音ボックスにより音を封じ込めている。しかし、完全に密閉することはできず、駆動電動機や空気圧縮に伴う発熱を冷却する必要があり、ファンを取り付けている。しかし、この冷却風の取り込み口、排出口を経由して騒音が外部に漏出するので屈曲した通路を設けてこれを防いでいる。このようにいろいろな防音手段を講じているので装置が大きく、重くなっており４０〜６０ｋｇであり、保守員１人では抱えて建物の階段を上り降りすることが困難である。

回転型のスクロール方式やヘリカル方式の空気圧縮機は、バルブレス構造で、バルブの開閉音がなく、騒音面で有利である為、近年、医療用酸素濃縮器への適応が増加している。

しかしながら、近年、省エネ技術として直流用ブラッシュレス電動機が使用されるようになって、モータから発生する騒音が新たな課題となっている。元来、吸着筒内の圧力変動を利用し、窒素成分を吸脱着することを基本原理とするＰＳＡおよびＶＰＳＡ方式の酸素濃縮器は、本質的に、周期的な負荷変動を伴うプロセスであり、空気圧縮機を駆動する為の電動機は、該負荷変動に応じた仕事が要求される。従来型の交流用誘導電動機と直流用ブラッシュレス電動機を比較した場合、その回転数−トルク特性の差異により、必要トルクが変化した場合の回転数変動は、直流用ブラッシュレス電動機の方が格段に大きい。該回転数変動の周期は、うなり音の周期と一致し、該回転数変動の回転数変動幅は、うなり音の大きさに比例するため、該回転数変動は、大きな問題となっている。

具体例をあげれば、吸着プロセス圧が１５０ｋＰａ±２０ｋＰａで、必要流量が７０Ｌ／ｍｉｎで運転される２筒式酸素濃縮器に、ピストン方式の空気圧縮機を組み合わせた場合、交流用誘導電動機では、回転数変動は、１６８０±２０ｒｐｍであることに対して、直流用ブラッシュレス電動機では、回転数変動は、１６８０±２００ｒｐｍである。上記、直流用ブラッシュレス電動機の回転数変動対策としては、駆動用インバータで、フィードバック制御の制御速度を高め、回転数制御の精度を上げることも有効であるが、この場合、ＣＰＵの負荷増大に伴う消費電力の悪化や、各負荷条件に対し、個別の制御時定数の設定が必要という欠点がある。

本発明は、上記のように在宅酸素療法に使用する静粛でかつ低消費電力の圧力変動吸着型の酸素濃縮器を提供するものである。そこで本発明者は、かかる課題に対して鋭意検討した結果、以下の酸素濃縮器を見出した。

すなわち本発明は、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少なくとも１個の吸着筒と該吸着筒に空気を加圧供給及び／または減圧排気する為の空気圧縮機を有する圧力変動型の酸素濃縮器において、該空気圧縮機を駆動する電動機が、直流電源で駆動するブラッシュレス電動機であり、且つインバータを備え、該空気圧縮機と該吸着筒の間に圧縮空気を保持する為のバッファタンクを有し、該バッファタンクの容量Ｖ（Ｌ）が、該空気圧縮機の２５℃−１ａｔｍに換算した単位時間辺りの吐出量ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）に対し、Ｖ＞＝ｑ／６００（Ｌ）であることを特徴とする酸素濃縮器を提供するものである。

直流用ブラッシュレス電動機にて駆動する空気圧縮機と切り替えバルブ間にバッファタンクを設置するとにより、静粛かつ低消費電力の圧力変動吸着型の酸素濃縮器を提供することができる。

本発明の医療用酸素濃縮装置の概略図を図１に示す。かかる酸素濃縮装置は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤として５A型ゼオライトを充填した吸着筒にコンプレッサにより加圧空気を供給し、酸素濃度９０％の酸素濃縮ガスを取り出し、加湿器を経由して使用者である呼吸器疾患患者に、例えば３L/minの流量で供給する２筒式の圧力変動吸着型酸素濃縮装置である。

空気圧縮機は圧縮比が１．５〜３．０の範囲にあり、かつ、排除容積が５０ｃｃ／ｒｅｖ以下の範囲を有するヘリカルブレード型の空気圧縮機である。該空気圧縮機を駆動する電動機が５０００ｒｐｍ以下で運転することができる能力を有するブラッシュレスＤＣ電動機であり、これをインバータにより制御することにより、任意に回転数を変更できるようになっている。

空気圧縮機と切り替えバルブの間には、容量Ｖ（Ｌ）が、該空気圧縮機の単位時間辺りの２５℃−１ａｔｍに換算した吐出量ｑ（L/min）に対し、Ｖ≧ｑ／６００（Ｌ）となるサイズのバッファタンクが挿入されている。バッファタンクの容量については、鋭意検討した結果、空気圧縮機の排除容積をＤ（Ｌ）とし、圧縮比をｒとした場合、Ｖ≧２００Ｄ／ｒ×０．１（Ｌ）で効果を発現することを見出した。しかし、空気圧縮機の設計仕様であるＤ（Ｌ）やｒの値は、開示されていない値であることが多い為、医療用酸素濃縮器として適用可能な空気圧縮機を検討した結果、Ｖ≧ｑ／６００（Ｌ）であることを見出した。

上限は規定していないが、性能的には大きい方が圧力変動幅を小さくすることが出来るのは明らかである。しかしながら、装置仕様から求められる要件としては、バッファタンクの性能を維持しつつ可能な限り小さくすることである為、濃縮器筐体内に設置可能なレベルを上限とする。

本発明においては、かかるバッファタンクを空気圧縮機と切り替えバルブ間に設置した構成を、酸素濃縮器に採用した。従来の構成の様に、直流用ブラッシュレス電動機にて駆動する空気圧縮機と切り替えバルブ間を配管で直接接続した構成では、バルブ切り替えによる空気圧縮機出側での圧力変動が大きく、その負荷変動周期に併せて電動機の回転数も変動する為、周期的なうなり音が発生する。しかしながら、本発明における構成では、空気圧縮機と切り替えバルブ間に設置されたバッファタンクが圧力変動を吸収する為のアキュムレータとして作用し、負荷変動が大幅に軽減する為、その結果、電動機の回転数変動が抑制され、うなり音は解消されることを見出した。また、負荷変動を緩和することにより、モータ自身の効率を高めることができ結果として消費電力低減効果も発生すると同時に、モータ寿命を延長し、機器信頼性の高い酸素濃縮器を提供することが可能となる。

以下、９１％の酸素濃度で、５Ｌ／分の流量を実現する酸素濃縮器の実施例及び比較例について説明する。

［実施例１］
直径７０ｍｍ、長さ４００ｍｍの吸着筒に５A型ゼオライトを密度０．８で充填したものを２本と、流量７０Ｌ／分が得られる性能を有するヘリカル型のコンプレッサと切り替え弁の間に、直径６０ｍｍ、長さ４００ｍｍの円筒型バッファタンクを図１のフローシートのように接続し、動作させる。ヘリカルコンプレッサは、直流用ブラッシュレス電動機によりインバータにて一定回転数指令で運転し、実回転数をタコメータにて測定する。

［比較例１］
直径７０ｍｍ、長さ４００ｍｍの吸着筒に５A型ゼオライトを密度０．８で充填したものを２本と、流量７０Ｌ／分が得られる性能を有するヘリカル型のコンプレッサを内径８ｍｍの配管で直接きり替え弁まで接続し、動作させる。その他の条件は、実施例１と同じ条件である。

上記実施例と比較例の結果を表１に示す。回転数の変動幅が±２０rpmと、比較例の１０分の１に収まり、騒音の変動レベルもΔ０．９dBAと、比較例の２９％のレベルに収束した。酸素濃度及び収率には影響なく、消費電力も５Ｗ低減した。このように実施例１と比較例１との性能差は、非常に大きく、直流用ブラッシュレス電動機にて駆動する空気圧縮機と切り替えバルブ間にバッファタンクを設置するとにより、周期的なうなり音の原因となる電動機の回転数変動は、大幅に改善されていることがわかる。また、消費電力も改善されていることが分かる。

本発明の２筒式酸素濃縮器の概略構成図。

Claims (2)

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少なくとも１個の吸着筒と、該吸着筒に空気を加圧供給及び／または減圧排気する為の空気圧縮機と、吸脱着流路を切り替える切り替えバルブとを備えた圧力変動型の酸素濃縮器において、該空気圧縮機を駆動する電動機が、インバータを備えた直流電源で駆動され、前記切り替えバルブの切り替え動作に伴う圧縮機出力側の負荷変動に応じて回転数が変動するブラッシュレス電動機であり、且つ、該空気圧縮機と該切り替えバルブの間に、圧力変動を吸収する為のアキュムレータとして作用して前記負荷変動を吸収することで前記ブラッシュレス電動機の回転数変動を抑制するための、タンク容量（Ｖ）が該空気圧縮機の２５℃−１ａｔｍに換算した単位時間辺りの吐出量ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）に対し、Ｖ≧ｑ／６００（Ｌ）であるバッファタンクを有することを特徴とする酸素濃縮器。
2. 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個の吸着筒と、該吸着筒に空気を加圧供給及び／または減圧排気する為の空気圧縮機と、吸脱着流路を切り替える切り替えバルブとを備えた圧力変動型の酸素濃縮器において、該空気圧縮機を駆動する電動機が、インバータを備えた直流電源で駆動され、前記切り替えバルブの切り替え動作に伴う圧縮機出力側の負荷変動に応じて回転数が変動するブラッシュレス電動機であり、且つ、該空気圧縮機と該切り替えバルブの間に、圧力変動を吸収する為のアキュムレータとして作用して前記負荷変動を吸収することで前記ブラッシュレス電動機の回転数変動を抑制するための、タンク容量（Ｖ）が、空気圧縮機の排除容積Ｄ（Ｌ）、圧縮比ｒに対し、Ｖ≧２００Ｄ／ｒ×０．１（Ｌ）であるバッファタンクを有することを特徴とする酸素濃縮器。

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