JP5281468B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素濃縮装置に関する。

近年、在宅酸素療法などの分野において、酸素供給源方法として酸素濃縮装置からの高濃度の酸素供給方法と液体酸素からの酸素の供給方法などが一般的に用いられている。

在宅酸素療法分野において、呼吸不全患者に代表される在宅で酸素補給している患者が多数存在している。このような患者は、在宅用の酸素供給源から９０％程度に濃縮した酸素を取り込んでいるが、このような酸素供給源として酸素濃縮装置からの高濃度の酸素と液体酸素からの酸素が一般に用いられている。

このような酸素濃縮装置として、シリンダー内に窒素を吸着する機能を有する材料（窒素選択的吸着剤）を入れ、加圧と減圧を繰り返すことにより空気中の酸素と窒素を分離する方式ＰＳＡ（「圧力スイング吸着法」（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｗｉｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ））、最小圧力が大気圧よりも下で、最大圧力が大気圧を超えるＰＶＳＡ（圧力真空スイング吸着法）、最大圧力が大気圧またはこれより低く、最小圧力が大気圧より低いＶＳＡ（真空スイング吸着法）方式による空気から窒素を吸着する酸素濃縮装置が開発されている。

この種の酸素濃縮装置は、ゼオライトなどの酸素濃縮触媒から構成された酸素濃縮塔を複数本（通常２本）備えたＰＳＡまたはＰＶＳＡサーキットにより交互に濃縮した酸素を、酸素タンクを介して患者側に供給している。
この際にＰＳＡまたはＰＶＳＡサーキット側と酸素タンク側とは濃縮酸素流路を介して気密に接続されているが安定した酸素濃度の濃縮酸素ガスを提供するためには当該サーキットから酸素タンクまでの圧力（以下、系内の圧力という）を、酸素濃縮塔における酸素濃縮触媒の能力や濃度条件、温度条件などの各種条件に応じて常に所定範囲に設定する必要がある。

従来、このような系内の圧力制御は、酸素濃縮塔と酸素タンクの間に制御弁を設けてこれを酸素濃縮塔と酸素タンクの圧力を絶えずモニタして、モニタした圧力に応じて制御弁を制御するという方法で行われていた。

国際公開ＷＯ２００５／０３５０３７号パンフレット（全文）

しかしながら、従来技術でこのような系内の圧力制御を行う場合には、多数の部品やその部品を制御するための制御手段が必要であった。

そのため、構造が複雑となり、酸素濃縮装置自体が高価なものとなってしまうとともに、酸素濃縮装置の消費電力も大きくなってしまう。さらに、構造が複雑となるので、酸素濃縮装置のメンテナンスが大変であった。

従って、本発明の課題は、酸素濃縮塔内の圧力制御のための部品点数を少なくした上で、確実に酸素濃縮塔内の圧力制御が可能であり、そしてメンテナンスが容易な消費電力を低減した酸素濃縮装置を提供することである。

本発明の別の課題は、酸素濃縮効率を高めた酸素濃縮装置を提供することである。

上記課題を解決する本発明の酸素濃縮装置は、一対以上の酸素濃縮塔内で高圧側と低圧側とを切り替えて取り込んだ空気から窒素を吸着して酸素濃度を所定濃度まで濃縮して濃縮酸素を生成する酸素濃縮塔と、酸素濃縮塔内の圧力を調整する圧力調整手段と、生成した濃縮酸素を蓄える酸素タンクと、から構成されたＰＳＡ、ＰＶＳＡまたはＶＳＡ方式の酸素濃縮装置であって、酸素濃縮装置は、一対の酸素濃縮塔の各々から延びて、互いに合流して酸素タンクに繋がる複数の第１経路に個別に設けられ、酸素濃縮塔側から酸素タンク側への流れを許容すると共に、酸素タンク側から酸素濃縮塔側への流れを止める第１機械的流量制御手段と、酸素タンク側から一対の酸素濃縮塔に延びる第１経路とは異なる第２経路に設けられ、酸素濃縮塔側から酸素タンク側への流れを止めると共に、高圧側の酸素濃縮塔側から酸素タンクに入りきらない酸素を、低圧側の酸素濃縮塔側に逃がすスプリング付逆止弁と、一対の酸素濃縮塔の間に設けられ、高圧側と低圧側の切り換えの際に高圧側から低圧側に所定量の生成した濃縮酸素を供給する弁と、酸素タンク側から延びる第２経路から分岐して一対の酸素濃縮塔の各々に繋がる複数の第３経路に個別に設けられ、酸素タンク側から酸素濃縮塔側への流れを許容すると共に、酸素濃縮塔側から酸素タンク側への流れを止める逆止弁と、を備える。

本明細書で使用する用語「機械的流量制御手段」とは、例えば逆止弁、好ましくはスプリング付逆止弁のように機械的作用により流量（圧力）を制御する手段を言い、電磁弁などの制御信号により制御する制御手段と区別される。特に、前記酸素タンク側から酸素濃縮塔側への流れを規制するための機械的流量制御手段をスプリング付逆止弁とすることが好ましい。

このように、機械的流量制御手段を所定箇所に設けることにより、本発明の酸素濃縮装置は、圧力センサからの信号に応じて電磁弁などを制御することなしに、応答性よく酸素濃縮塔内の圧力を制御することが可能となる。

本発明の特定の実施態様において、前記酸素濃縮装置は、高圧側の酸素濃縮塔と低圧側の酸素濃縮塔の一対以上の酸素濃縮塔から構成され、前記対の酸素濃縮塔は低圧側と高圧側とを切り替えて使用するものであることが好ましい。より好ましくは、前記対の酸素濃縮塔の間には、前記高圧側と低圧側の切り換えの際に高圧側から低圧側に所定量の生成した濃縮酸素を供給するための弁が設けられている。

本発明によると、酸素濃縮塔と酸素タンクとの間に配置された逆止弁などの機械的流量制御手段を設けただけで酸素濃縮塔内の圧力を確実に所定範囲内に制御可能であるので、酸素タンク内の圧力を維持するための機構が簡単となり、部品点数も減少し、よってメンテナンスも容易となる。

さらに、本発明の酸素濃縮装置を、高圧側の酸素濃縮塔と低圧側の酸素濃縮塔の一対以上の酸素濃縮塔から構成され、前記対の酸素濃縮塔は低圧側と高圧側とを切り替えて使用し、前記対の酸素濃縮塔の間には、前記高圧側と低圧側の切り換えの際に高圧側から低圧側に所定量の高濃度酸素を供給するための弁を設けることにより、酸素濃縮効率を高めることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
まず、図１および図２に基づいて、本発明の第一実施形態に係る酸素濃縮装置を説明する。

図１は、本発明の酸素濃縮装置の一例を示す図面であり、図２は図１に示す酸素濃縮装置の要部を示す図面である。

なお、図１に示す酸素濃縮装置１は、一対の酸素濃縮塔ＢＦ１、ＢＦ２を備えたＰＶＳＡ式酸素濃縮装置であって、主として医療用として使用するための酸素濃縮装置である。しかしながら、本発明は、このようなＰＶＳＡ方式の医療用の酸素濃縮装置に限定されるものではない。

図１に示す通り、本発明の酸素濃縮装置１は、ポンプ（図示せず）によりフィルタ（図示せず）を介して取り込まれた空気（図中、吸気系）を酸素濃縮塔ＢＦ１またはＢＦ２内に送り込んで、当該空気から窒素を除去して酸素濃度の高い気体（酸素濃縮ガス）を酸素タンクＴに供給し、酸素タンクＴに蓄えられた濃縮酸素を患者等に供給する装置である。

この際に、一対の酸素濃縮塔ＢＦ１、ＢＦ２のうち一方を図示しない圧力調整手段（高圧）により高圧状態にし、他方の酸素濃縮塔を圧力調整手段（減圧）により減圧状態にし、これらの高圧、減圧を交互に行い圧力スイングを行うことにより効率よく空気中から窒素を除去し目的に応じた酸素濃度の酸素濃縮ガスを製造する。

すなわち、圧力調整手段（高圧）により高圧にされた酸素濃縮塔ＢＦ１またはＢＦ２では、空気中から窒素を吸着して酸素濃度を増加させる。一方圧力調整手段（減圧）により減圧された酸素濃縮塔ＢＦ２またはＢＦ１では窒素を脱着して系外に放出する（排気系）ことにより、酸素濃縮塔ＢＦ１またはＢＦ２内の触媒の再生を図る。なお、酸素濃縮塔を高圧にする圧力調整手段は、従来技術の酸素濃縮装置と同様に酸素濃縮塔の前段（吸気・排気系側）に配置し、一方酸素濃縮塔を減圧する圧力調整手段は、酸素濃縮塔の後段に配置するのが一般的である。

このように、本発明の酸素濃縮装置１は、高圧側の酸素濃縮塔における窒素の吸着による高濃度酸素の生成と減圧側の酸素濃縮塔における窒素の脱着による触媒の再生を交互に繰り返すことにより、常に安定した酸素濃縮ガスを提供する。

高圧側の酸素濃縮塔により生成された濃縮酸素ガスは、酸素タンクＴへ送られて酸素タンクＴに蓄えられる。このようにして蓄えられた濃縮酸素ガスは、酸素供給源として目的とする用途に使用される（図中、患者へ）。

この際に、酸素濃縮塔ＢＦ１、ＢＦ２に使用される触媒は、本発明の目的を達成できるものであれば特に限定されるものではなく、当該技術分野に周知の触媒、例えばゼオライト系の触媒から目的・用途に応じて適宜選択される。

図１に示す実施形態は、ＰＶＳＡ方式の医療用の酸素濃縮装置を例示するものであり、従来技術の酸素濃縮装置と同様に図示しない加圧器と減圧器（圧力調整手段）を備えており、酸素濃縮塔内の圧力を３つの電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３により切り替えて使用する構成となっている。

その他、図１に示す酸素濃縮装置は、取り込んだ空気から不純物を除去するためのフィルタ、取り込んだ空気を所定温度にするための熱交換器、装置内部で発生した音を低減するための消音器、脱着した窒素を装置外に放出するための流路および当該流路に配置された消音器など従来技術の酸素濃縮装置と同様な部材が必要に応じて適宜設けられている。

そして、酸素濃縮塔ＢＦ１、ＢＦ２から得られた濃縮酸素は、酸素タンクＴに貯蔵された後に、目的に応じて、患者等の使用者・使用物に送られる。

この際の内部圧力や酸素濃度は、例えば酸素タンクＴの後段に設けられた図示しない各種センサにより監視されている（酸素センサ、流量センサ、差圧センサなど）。

図１および図２に示す実施形態に係る酸素濃縮装置は、このような従来公知の酸素濃縮装置において、酸素濃縮塔内の圧力を所定範囲に制御するために各酸素濃縮塔と酸素タンクＴの間に第２機械的流量制御手段として逆止弁ＳＣ１を設けたことを特徴としている。

すなわち、図２に示す通り、本実施形態に係る酸素濃縮装置１は、酸素タンクＴ側から酸素濃縮塔ＢＦ１，ＢＦ２側への気体の流れを規制するスプリング付逆止弁（リリーフ式チェッキバルブ）ＳＣ１を備えていることを特徴とする。

このように所定箇所に逆止弁を設けることにより、本実施形態の酸素濃縮装置１は、酸素濃縮塔ＢＦ１，ＢＦ２内の圧力を自動的に所定範囲に調整している。すなわち、圧縮器による酸素濃縮塔内の加圧と減圧器による酸素濃縮塔内の減圧に加えて、これらの逆止弁による気体の流れを調整することによって、酸素濃縮塔内の圧力を常に（自動的に）所定範囲に保つことが可能である。

特に、スプリング付逆止弁ＳＣ１を酸素濃縮塔ＢＦ１、ＢＦ２と酸素タンクＴとの間に設けることにより、酸素濃縮塔ＢＦ１、ＢＦ２内の圧力を自動的に制御することができる。

すなわち、スプリング付逆止弁ＳＣ１は、酸素タンクＴ側から酸素濃縮塔ＢＦ１、ＢＦ２側への気体の流れを規制するのと同時に、濃縮酸素を生成している（高圧側の）酸素濃縮塔ＢＦ１またはＢＦ２側と酸素タンクＴ側との間の差圧が予め定められた範囲になって初めて当該酸素濃縮塔ＢＦ１またはＢＦ２側から酸素タンクＴ側へ濃縮酸素ガスを流通させる仕組みとなっている。そのため、高圧側の酸素濃縮塔ＢＦ１またはＢＦ２側の圧力が所定範囲未満である場合には生成した酸素濃縮ガスを酸素タンクＴ側へ流通させない。そのため、当該酸素濃縮塔ＢＦ１またはＢＦ２内の圧力は所定範囲内に常に維持される。

なお、逆止弁Ｃ１、Ｃ４は、各々酸素濃縮塔ＢＦ１、ＢＦ２側から酸素タンクＴへの気体の流れを制御している逆止弁である。このようにして構成された本発明の第一実施形態に係る酸素濃縮装置は、スプリング付逆止弁ＳＣ１の機能により酸素濃縮塔の圧力を、特別な制御回路および制御装置なしに常に所定範囲に保つことが可能である。

そのため、酸素濃縮塔内の圧力を監視する監視手段や圧力を制御する制御手段などを省略することが可能となる。また、簡単な構成により酸素濃縮塔内の圧力を常に所定範囲内に保持可能であるので、メンテナンスも容易になる。

次に、図３に基づいて、本発明の第二実施形態を説明する。
図３は、本発明の第二実施形態に係る酸素濃縮装置の要部を示す図面である。

第二実施形態にかかる酸素濃縮装置は、第一実施形態に係る酸素濃縮装置において、一対の酸素濃縮塔の高圧側と低圧側との切り換えの際に高圧側から低圧側へ所定量の濃縮酸素を供給する構成を有している点以外は、図１および図２に示す実施形態と同様である。

従って、重複説明を防ぐため、同一部材には同一の符号を附し、その詳細な説明を省略する。

図３に示す通り、本実施形態の酸素濃縮装置は、ＰＶＳＡサイクルの切り換え直後に、高圧側の酸素濃縮塔（例えば、ＢＦ１）から低圧側の酸素濃縮塔（ＢＦ２）に所定量の濃縮酸素を送る構成となっている。

そのために、切り換えバルブＳＶ２は、ＰＶＳＡサイクルの切り換え時に所定時間、例えば数ｍｓから数１００ｍｓ高圧側の酸素濃縮塔から低圧側の酸素濃縮塔への流路を開放する。

この際の、導入量は、酸素濃縮塔ＢＦ１、ＢＦ２の仕様（大きさ、酸素濃縮パフォーマンス）などにより適宜決定することが可能である。

このように構成することによって、低圧側の酸素濃縮塔の昇圧時間が早くなり、結果として効率的に酸素を濃縮することが可能となる。

この際に、逆止弁Ｃ２，Ｃ３は高圧側の酸素濃縮塔から低圧側の酸素濃縮塔への濃縮酸素ガスの漏洩を防止する機能を有する。

このようにして構成された本発明の第二実施形態に係る酸素濃縮装置は、第一実施形態と同様に逆止弁ＳＣ１の機能により酸素濃縮塔の圧力を、特別な制御回路および制御装置なしに常に所定範囲に保つことが可能であるとともに、ＰＶＳＡ切り換え時に高圧側の酸素濃縮塔から低圧側の酸素濃縮塔に所定量（所定圧力）の濃縮酸素を導入する構成となっているので、酸素濃縮効率を高めることが可能となる。

このような構成においても逆止弁ＳＣ１の作用により一対の酸素濃縮塔内の圧力を保持することが可能となる。

以上、本発明の酸素濃縮装置の実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されず幅広く適用可能である。例えば、図１から図３に示す第一および第二実施形態に係る酸素濃縮装置は、在宅医療用の酸素濃縮装置として説明したが、この際の動力源は、適宜変更可能である。

例えば、本発明の酸素濃縮装置を内蔵バッテリーで駆動させることによって、可搬式の携帯用酸素濃縮装置として適用することが可能である。さらに、例えば人工呼吸器等の酸素吸入機器の酸素供給源としても適用可能である。

また、窒素吸着触媒の能力などを変更することにより、ホームケア用の比較的低濃度の濃縮酸素を発生させる酸素濃縮装置としても適用可能である。

また、上記実施形態では主として一対の酸素濃縮塔を有するＰＶＳＡ方式の酸素濃縮装置を説明したが、酸素濃縮塔の数は限定されるものではなく、１つであっても複数であってもよい。またＰＶＳＡ方式に限定されるものではなくＰＳＡ、ＶＳＡ方式の酸素濃縮装置であってもよい。すなわち、図４に示す通り、酸素濃縮塔ＢＦと酸素タンクＴ間に酸素タンク側から酸素濃縮塔側への流れを規制するための第２機械的流量制御手段を有していれば本発明の範囲内である。図４は、本発明の酸素濃縮装置の要部の基本構成を示す図面である。

さらに、酸素タンクＴの数を１つとしたが、酸素タンクは複数設けてもよい。また、上記実施形態では、酸素濃縮塔内の圧力を３つの電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３により切り替える構成としたが、電磁弁の代わりにロータリーバルブを用いてもよい。

本発明の酸素濃縮装置の一例を示す図面である。 図１に示す酸素濃縮装置の要部を示す図面である。 別の実施形態の酸素濃縮装置の要部を示す図面である。 本発明の酸素濃縮装置の要部の基本構成を示す図面である。

Ｔ 酸素タンク
ＢＦ１、ＢＦ２ 酸素濃縮塔
Ｃ１〜Ｃ４ 逆止弁
ＳＣ１ スプリング付逆止弁
ＳＶ１〜ＳＶ３ 電磁弁

Claims (1)

1. 一対以上の酸素濃縮塔内で高圧側と低圧側とを切り替えて取り込んだ空気から窒素を吸着して酸素濃度を所定濃度まで濃縮して濃縮酸素を生成する酸素濃縮塔と、
   前記酸素濃縮塔内の圧力を調整する圧力調整手段と、
   生成した濃縮酸素を蓄える酸素タンクと、
   から構成されたＰＳＡ、ＰＶＳＡまたはＶＳＡ方式の酸素濃縮装置であって、
   前記酸素濃縮装置は、
   前記一対の酸素濃縮塔の各々から延びて、互いに合流して前記酸素タンクに繋がる複数の第１経路に個別に設けられ、前記酸素濃縮塔側から前記酸素タンク側への流れを許容すると共に、前記酸素タンク側から前記酸素濃縮塔側への流れを止める第１機械的流量制御手段と、
   前記酸素タンク側から前記一対の酸素濃縮塔に延びる前記第１経路とは異なる第２経路に設けられ、前記酸素濃縮塔側から前記酸素タンク側への流れを止めると共に、高圧側の前記酸素濃縮塔側から前記酸素タンクに入りきらない酸素を、低圧側の前記酸素濃縮塔側に逃がすスプリング付逆止弁と、
   前記酸素タンク側から延びる前記第２経路から分岐して前記一対の酸素濃縮塔の各々に繋がる複数の第３経路に個別に設けられ、前記酸素タンク側から前記酸素濃縮塔側への流れを許容すると共に、前記酸素濃縮塔側から前記酸素タンク側への流れを止める逆止弁と、
   を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。

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