JP5226282B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療用酸素濃縮装置や産業用酸素濃縮装置に関し、酸素より窒素を優先的に吸着する吸着剤を用い、圧力変動吸着法により高濃度の酸素を患者等に供給する酸素濃縮装置に関するものである。

近年、肺気腫症、慢性気管支炎などの呼吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向が見られるが、その治療法の効果的なものの一つとして、在宅酸素吸入療法が挙げられる。
この酸素吸入療法の治療装置として、空気中から酸素を直接分離して濃縮空気（酸素富化空気：酸素濃縮ガス）を製造する酸素濃縮装置が開発されており、使用時の利便性、保守管理の容易さから次第に普及するようになっている。

例えば、医療用酸素濃縮装置としては、窒素ガスを優先的に吸着する吸着剤（例えば５Ａ型や１３Ｘ型ゼオライト或いはＬｉ置換Ｘ型ゼオライトなどの吸着剤）を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置がよく使われている。

上述した酸素濃縮装置としては、窒素ガスを優先的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒を、少なくとも１本以上有したものが知られており、この装置では、コンプレッサ等により、加圧空気を供給して吸着筒内を加圧し、窒素を吸着剤に吸着させることによって、酸素濃縮ガスを得る吸着工程と、吸着筒内の加圧圧力を開放し、窒素を脱着させて吸着剤の再生を行う脱着工程とを、一定のサイクルで繰り返し行うことにより、連続的に酸素濃縮ガスを得ることができる（特許文献１、２参照）。

更に、高濃度の酸素濃縮ガスを効率良く得るために、吸着筒を大気開放して窒素を脱着させるとともに、製品ガスの一部を吸着筒内にパージガスとして送って吸着剤を再生させたり、真空ポンプを用いて、吸着筒内が負圧となるまで窒素排気を行い、吸着窒素を脱着させて吸着剤を再生させる方法が行われている。

また、上述した酸素濃縮装置では、空気中の湿度が高いと吸着剤の性能が低下するので、吸着筒内の湿度を低下させるために、吸着筒の入口付近に例えばシリカゲルや活性アルミナ等の吸湿剤を配置して空気中の水分を吸着させたり、或いは、吸着筒の入口付近の吸着剤を吸湿剤として使用する方法が工夫されている。
特開２００２−８５５６７号公報 特開２００２−２９１８９４号公報

しかしながら、上述した従来技術では必ずしも十分ではなく、以下のように、一層の改善が求められていた。
吸着工程や脱着工程を繰り返して継続的に酸素濃縮を行うと、吸着筒内で断熱圧縮が繰り返され、また、コンプレッサ等によって圧縮された外部空気の温度が室温より高いため、吸着筒内に充填されている吸着剤の温度は、４０℃〜５０℃に達する。

このように吸着剤の温度が上昇した状態で酸素濃縮装置を停止すると、吸着筒が外気と遮断されている場合には、吸着剤が低温でより多くの窒素を吸着するという特性により、運転停止後に吸着筒内の圧力が大気圧に対し負圧状態に維持される。この負圧になる度合いは、運転停止後の周囲の環境温度にも依存するが、著しい場合には−４０ｋＰａＧに達することがある。

このような負圧状態においては、大気圧状態と比較し、吸着筒入口付近の吸湿剤等に残留している水蒸気が、吸着筒内全域に拡散しやすい傾向があり、吸着剤全体に水蒸気が吸着されやすい状態となる。

このような状態で長時間にわたり装置を停止状態にすると、装置を稼働していないにも拘わらず、拡散した水蒸気の吸着（吸湿）により、吸着剤の吸着性能が低下し、著しい場合には、装置の性能の低下（発生酸素濃度の低下及び消費電力の増加）を引き起こすことがある。

そこで、このような停止時における減圧状態を回避するため、吸着筒と外気が連通する配管に、ノーマルオープン（ＮＯ：通電時閉）の電磁弁を設置することが可能であるが、この場合は、装置の停止状態で吸着筒が常時外気と連通状態になり、外気中の湿度が吸着筒に達し、内部の吸着剤の性能の低下を招くおそれがある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、酸素濃縮装置の停止時における吸着剤の性能の低下を防止することができる酸素濃縮装置を提供することである。

（１）請求項１の発明は、窒素ガスを選択的に吸着させる吸着剤が充填された吸着床に、加圧された外部空気を供給する加圧吸着工程と、前記吸着剤に吸着された窒素ガスを脱着する減圧脱着工程と、を繰り返す運転により、酸素濃縮ガスを生成する圧力変動吸着式の酸素濃縮装置であって、前記吸着床の上流側に設けられ、前記酸素濃縮装置の加圧吸着工程と減圧脱着工程とを繰り返して酸素濃縮ガスを製造する運転を停止した状態において、前記吸着床と外気とを遮断する遮断手段と、前記遮断手段によって前記吸着床と外気とが遮断された場合に、一時的に前記吸着床に大気を導入することにより、前記吸着床が大気に対して減圧状態になることを防止する減圧防止手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明では、酸素濃縮装置の加圧吸着工程と減圧脱着工程とを繰り返すことよって酸素濃縮ガスを製造する運転の停止後の放置状態において、例えば電磁弁等の遮断手段によって、吸着床（例えば吸着筒）と外気とを遮断し、この遮断された状態において、例えば逆止弁等の減圧防止手段によって、一時的に吸着床に大気を導入することにより、吸着床が大気に対して減圧状態になることを防止する。

これによって、装置の運転停止後に、吸着剤の温度が低下して多くの窒素が吸着されて、吸着床内の圧力が大気圧に対し負圧状態になっても、減圧防止手段によって、吸着床が大気に対して減圧となることが防止される。その結果、吸着床入口付近の吸湿剤等に残留している水蒸気が、吸着床内全域に拡散することがないので、水蒸気の吸着による吸着剤の吸着性能の低下を防止できる。よって、装置の性能の低下（発生酸素濃度の低下及び消費電力の増加）を防ぐことができる。

なお、本発明の運転の停止とは、加圧吸着工程と減圧脱着工程とを繰り返すことよって酸素濃縮ガスを製造する運転を停止することであり、この運転を中止した後でも、例えばバッテリにより電磁弁等の遮断手段を駆動することができる。

（２）請求項２の発明では、前記減圧防止手段は、前記酸素濃縮装置に前記遮断手段により遮断された経路とは別の経路にて外部空気を導入する外部空気供給部（例えば開口部）と前記吸着床との間の配管（例えば外気導入配管）に接続され、前記吸着床が大気に対して減圧状態となった時に開き、前記吸着床が大気に対して減圧状態でない場合に閉じる逆止弁であることを特徴とする。

本発明は、減圧防止手段を例示したものである。
本発明では、遮断手段により遮断された経路（例えば排気路）とは別の経路にて、吸着床に大気を導入することができる。つまり、装置内に外部空気を導入する外部吸気供給部から吸着床との間に（吸着床側が負圧でない場合は閉じている）逆止弁を配置することにより、吸着床が減圧状態になった場合には、逆止弁を介して外気を導入することができる。

（３）請求項３の発明では、前記減圧防止手段は、前記遮断手段による遮断を一時的に解除することで、前記吸着床に大気を導入する手段であることを特徴とする。

本発明では、減圧防止手段は、酸素濃縮装置の運転を停止した後の放置状態において、遮断手段による遮断（即ち吸着床と外気との遮断）を一時的に解除するので、吸着床が大気に対して減圧状態になることを防止できる。

これにより、装置の運転停止後に、吸着床が大気に対して減圧となることが防止できるので、吸着床入口付近の吸湿剤等に残留している水蒸気が、吸着床内全域に拡散することがない。よって、水蒸気の吸着による吸着剤の吸着性能の低下を防止できるので、装置の性能の低下を防ぐことができる。

（４）請求項４の発明では、前記遮断手段は、無通電時に閉となる電磁弁であることを特徴とする。
本発明では、遮断手段は、常時閉（ノーマルクローズ）の電磁弁であるので、運転が停止して電磁弁への通電が停止された場合には、その流路を閉じることができる。よって、運転停止中には、その流路を介して外気（従ってその中の水蒸気）が、吸着床に侵入することを防止できる。

次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について説明する。

本実施例では、空気中から、例えば窒素吸着剤としてゼオライト（以下吸着剤と記す）を用いて窒素を吸着して除去することにより、酸素を濃縮し、この高濃度の酸素を含む製品ガス（以下酸素濃縮ガスと記す）を、患者等に対して供給する圧力変動吸着型の医療用酸素濃縮装置（以下酸素濃縮装置と記す）を例に挙げる。

ａ）まず、本実施例の酸素濃縮装置の構成について説明する。
本実施例の酸素濃縮装置は、略直方体の筐体内に、以下に示す様な酸素濃縮のための各構成が配置されている。

具体的には、図１に示す様に、酸素濃縮装置１には、空気を外部から導入する酸素取入口３から、空気の流路に沿って、上流側より、防塵フィルタ５と、防塵フィルタ５より目の細かい吸気フィルタ７と、空気の圧縮を行うコンプレッサ９とを備えており、コンプレッサ９の近傍にはコンプレッサ９を冷却する冷却ファン１１が配置されている。

前記コンプレッサ９の下流には、加圧空気を供給する流路の開閉を行う第１給気弁１３及び第２給気弁１５が設けられ、その下流側には、それぞれ第１吸着筒１７及び第２吸着筒１９が設けられている。なお、第１給気弁１３及び第２給気弁１５は、通電時に開弁する常閉弁（ノーマルクローズ弁：ＮＣ弁）である。

そして、両吸着筒１７、１９には、窒素ガスを優先的に吸着する吸着剤として、例えば５Ａ型や１３Ｘ型ゼオライト或いはＬｉ置換Ｘ型ゼオライトなどの吸着剤が充填されており、この吸着剤を充填した部分（吸着剤配置部２１、２３）より上流側の入口付近（吸湿剤配置部２５、２７）には、吸着筒１７、１９内の湿度を低下させるために、吸湿剤（例えばシリカゲルや活性アルミナ）が配置されている。なお、この種の吸湿剤を配置せずに、吸着筒１７、１９の入口付近の吸着剤を吸湿剤として使用してもよい。

また、各給気弁１３、１５と各吸着筒１７、１９との間の各配管２９、３１には、分岐配管３３、３５が接続されており、この分岐配管３３、３５には、各吸着筒１７、１９からの排気の流路の開閉を行う第１排気弁３７及び第２排気弁３９が設けられている。この第１排気弁３７及び第２排気弁３９は、通電時に開弁する常閉弁（ＮＣ弁）である。なお、両排気弁３７、３９は、外気につながる排気路４１に接続され、排気路４１にはサイレンサ４３が設けられている。

特に本実施例では、各給気弁１３、１５と各吸着筒１７、１９との間の各配管２９、３１には、外気を装置内に取り込む外気導入配管４５、４７がそれぞれ接続され、この各外気導入配管４５、４７に第１逆止弁４９と第２逆止弁５１がそれぞれ設けられている。つまり、各逆止弁４９、５１は、各外気導入配管４５、４７の各開口部４５Ａ、４７Ａと各吸着筒１７、１９との間の配管部分に設置されている。

この両逆止弁４９、５１は、各配管２９、３１内が大気圧以上の場合には閉弁しているが、各配管２９、３１内が大気圧より減圧状態になると自動的に開弁して大気を導入し、配管２９、３１内（従って吸着筒１７、１９）内が負圧になることを防止するものである。なお、この外気導入配管４５、４７や逆止弁４９、５１は、前記配管２９、３１に連通状態の配管（例えば分岐配管３３、３５）に設けてもよい。

更に、各吸着筒１７、１９の下流側には、両吸着筒１７、１９間を連通する連通路５３と、連通路５３に設けられて両吸着筒１７、１９間の圧力を調節する二方弁（パージ弁）５５と、その両端に設けられた径が同一のオリフィス５７、５９と、酸素濃縮ガスの逆流を防止する一対の逆止弁６１、６３とが設けられている。また、それらの流路が合流する下流側には、酸素濃縮ガスを溜める製品タンク６５と、酸素濃縮ガスの圧力を調節する圧力調整器（レギュレータ）６７と、酸素濃縮ガスの流量を設定する流量設定器６９とが設けられ、加湿器７１を介して酸素濃縮ガスを外部に供給する酸素出口７３に接続されている。

なお、前記酸素濃縮器１には、酸素濃縮器１の動作を制御するために、周知のマイクロコンピュータを主要部とする電子制御装置７５が配置されている。
従って、図２に示す様に、この電子制御装置７５により、各種のスイッチ７７やセンサ（例えば酸素センサ７９）からの信号に基づいて、コンプレッサ９や各電磁弁１３、１５、３７、３９、５５などの動作を制御して、酸素濃縮やパージ等を行うようにしている。

ｂ）次に、本実施例の酸素濃縮器１の動作について説明する。
・本実施例の酸素濃縮器１では、基本的に、第１吸着筒１７及び第２吸着筒１９における加圧・減圧を交互に繰り返すことにより、酸素の濃縮及び吸着剤の再生を行う。

例えば第１吸着筒１７に関しては、第１給気弁１３を開くとともに第１排気弁３７を閉じ、コンプレッサ９により第１吸着筒１７に圧縮空気を送りこみ、吸着剤に窒素を吸着させて酸素を濃縮する（吸着工程）。一方、第２吸着筒１９に関しては、第２給気弁１５を閉じるとともに第２排気弁３９を開き、第２吸着筒１９を大気側に接続し、吸着剤に吸着した窒素が減圧とともに排出されるようにする（再生工程）。

そして、この吸着工程と再生工程とを、各両吸着筒１７、１９において、所定時間毎に交互に切り換えるようにする。
この様にして、第１、第２吸着筒１７、１９により、加圧時には酸素だけを抽出し、その酸素濃縮ガスを、下流の製品タンク６５、圧力調整器６９、流量設定器６９、加湿器７１、酸素出口７３を介して、外部（従って患者）に供給する。

・この動作を、図３のタイミングチャートを使用して詳細に説明する。
第１吸着筒１７に圧縮空気を供給する際に、例えば時刻ｔ１にて、第１給気弁１３をＯＮ（開）とし、もう一方の第２吸着筒１９から窒素を大気に放出するために、第２給気弁１５をＯＦＦ（閉）とする。逆に、第２吸着筒１９に圧縮空気を供給する際には、例えば時刻ｔ６にて、第２給気弁１５をＯＮ（開）とし、第１吸着筒１７から窒素を大気に放出するために、第１給気弁１３をＯＦＦ（閉）とする。

その時には、第１給気弁１３又は第２給気弁１５のＯＮ（開）のタイミングから、それぞれ数秒間程度遅らせて、例えば時刻ｔ３又は時刻ｔ８にて、第２排気弁３９又は第１排気弁３７のＯＮ（開）の動作を行う。

・特に、本実施例では、両給気弁１３、１５及び両排気弁３７、３９として常閉弁を使用しているので、酸素濃縮装置１の運転を停止した場合、詳しくは、コンプレッサ９等を停止して、吸着工程や脱着工程の動作を中止した場合には、両給気弁１３、１５と両排気弁３７、３９の通電も停止されて閉弁する。

つまり、酸素濃縮装置１の運転を停止した場合には、圧縮空気を吸着筒１７、１９に供給する流路と、吸着筒１７、１９側からの排気の流路が閉鎖され、配管２９、３１内は密閉状態となる。なお、吸着筒１７、１９の下流側（製品ガスが排出される側）には、酸素濃縮ガスの製品タンク６５側からの逆流を防ぐ逆止弁６１、６３が配置されているので、吸着筒１７、１９の下流側も密閉されている。

この吸着筒１７、１９が外気と遮断された状態で酸素濃縮装置１を停止しておくと、運転中に高温となった吸着剤の温度は低下するが、吸着剤の低温でより多くの窒素を吸着するという特性により、吸着筒１７、１９内の圧力が大気圧に対し負圧状態に維持され、そのままでは、吸着筒１７、１９入口付近の吸湿剤に残留している水蒸気が、吸着筒１７、１９内全域に拡散して、吸着剤全体に水蒸気が吸着されてしまう。

そこで、本実施例では、上述したように逆止弁４６、５９を設けることにより、吸着筒１７、１９内が負圧になった場合には、逆止弁４９、５１が自動的に開いて、外気を配管２９、３９内（従って吸着筒１７、１９内）に導入するようにしている。これによって、吸着筒１７、１９内が負圧になることを防止できる。

つまり、本実施例では、酸素濃縮装置１の運転の停止により、吸着筒１７、１９が外気から遮断された状態で、吸着剤の温度が低下し、それによって吸着筒１７、１９内が負圧状態になった場合には、逆止弁４９、５１が開いて、外気を導入するので、吸着筒１７、１９内が負圧になることを防止できる。

これにより、吸湿剤に残留している水蒸気が拡散して吸着剤全体に水蒸気が吸着されることを防止できるので、吸着剤の吸着性能を低下できる。その結果、酸素濃縮装置１の性能の低下（発生酸素濃度の低下及び消費電力の増加）を防止できる。

また、本実施例では、両給気弁１３、１５と両排気弁３７、３９は常閉弁であるので、運転の停止中に、外気中の水蒸気が吸着筒１７、１９内に侵入して、吸着剤が劣化することを抑制できる。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図４に示す様に、本実施例の酸素濃縮装置８１は、前記実施例１と同様に、電子制御装置８３、コンプレッサ８５、第１、第２給気弁８７、８９、第１、第２排気弁９１、９３、第１、第２吸着筒９５、９７等を備えているが、前記実施例１の様な第１、第２逆止弁を備えていない。

特に本実施例では、運転停止中にも、電子制御装置８３を駆動できるバッテリ９９を備えており、運転停止中に、電子制御装置８３によって、下記の制御を行う。
つまり、図５に示す様に、ステップ（Ｓ）１００にて、例えば所定のスイッチによって運転停止の指示があったと判断された場合には、ステップ１１０にて、コンプレッサ８５の停止、両給気弁８７、８９、両排気弁９１、９３への通電の停止などの運転の停止の処理を行う。

この状態では、吸着筒９５、９７が外気から遮断されて、上述した様に吸着筒９５、９７内が負圧になるので、本実施例では、ステップ１２０にて、運転停止から所定時間が経過したか否かを判断し（又は定期的に）、一時的に両排気弁９１、９３に通電し、両吸着筒９５、９７内に外気を導入して負圧にしないようにしている。

これにより、前記実施例１と同様な効果を奏する。
なお、両排気弁９１、９３を駆動する際には、装置８１の電源をＯＮして電力を供給してもよいが、バッテリ９９から電力を供給してもよい。また、運転停止から所定時間だけではなく、その後、所定時間毎（或いは設定時間毎）に、一時的に両排気弁９１、９３を開状態にすることが好ましい。更に、吸着筒９５、９７内の圧力を圧力センサで検出し、負圧を検知した場合に、両排気弁９１、９３を開状態にしてもよい。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

実施例１の酸素濃縮装置の基本構成を示す説明図である。 実施例１の酸素濃縮装置の電子制御装置の電気的構成を示すブロック図である。 実施例１の電子制御装置にて行われる処理を示すタイミングチャートである。 実施例２の酸素濃縮装置の基本構成を示す説明図である。 実施例２の電子制御装置にて行われる処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１、８１…酸素濃縮装置
９、８５…コンプレッサ
１３、８７…第１給気弁
１５、８９…第２給気弁
１７、９５…第１吸着筒
１９、９７…第２吸着筒
２９、３１…配管
３７、９１…第１排気弁
３９、９３…第２排気弁
４９…第１逆止弁
５１…第２逆止弁

Claims (4)

1. 窒素ガスを選択的に吸着させる吸着剤が充填された吸着床に、加圧された外部空気を供給する加圧吸着工程と、前記吸着剤に吸着された窒素ガスを脱着する減圧脱着工程と、を繰り返す運転により、酸素濃縮ガスを生成する圧力変動吸着式の酸素濃縮装置であって、
   前記吸着床の上流側に設けられ、前記酸素濃縮装置の加圧吸着工程と減圧脱着工程とを繰り返して酸素濃縮ガスを製造する運転を停止した状態において、前記吸着床と外気とを遮断する遮断手段と、
   前記遮断手段によって前記吸着床と外気とが遮断された場合に、一時的に前記吸着床に大気を導入することにより、前記吸着床が大気に対して減圧状態になることを防止する減圧防止手段と、
   を備えたことを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 前記減圧防止手段は、前記酸素濃縮装置に前記遮断手段により遮断された経路とは別の経路にて外部空気を導入する外部空気供給部と前記吸着床との間の配管に接続され、前記吸着床が大気に対して減圧状態となった時に開き、前記吸着床が大気に対して減圧状態でない場合に閉じる逆止弁であることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
3. 前記減圧防止手段は、前記遮断手段による遮断を一時的に解除することで、前記吸着床に大気を導入する手段であることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
4. 前記遮断手段は、無通電時に閉となる電磁弁であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。

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