JP5499265B1 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素を濃縮する効率が悪化することを防止する。
【解決手段】酸素濃縮装置１は、外部から取り込んだ空気ＡＩＲを除湿する除湿機構１１ａと、除湿機構１１ａの下流に設けられ、当該除湿機構１１ａで除湿された空気ＡＩＲを圧縮する圧縮機１２と、圧縮機１１で圧縮された空気ＡＩＲに含まれる窒素を触媒に吸着させて、高濃度の酸素ＯＸＹを生成する窒素吸着機構１３と、窒素吸着機構１３で生成された高濃度の酸素ＯＸＹを外部へ送り出す前に加湿する加湿機構１１ｂと、を備えている。除湿機構１１ａ及び加湿機構１１ｂは、外部から取り込んだ空気ＡＩＲと、窒素吸着機構１３で生成された高濃度の酸素ＯＸＹと、の間を、透水性を有する膜１１ｃで仕切ることで一体となっており、除湿機構１１ａの空気ＡＩＲの水分を、膜１１ｃを介して、加湿機構１１ｂの高濃度の酸素ＯＸＹに移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素濃縮装置に関する。

呼吸不全の患者に代表される、在宅で酸素を補給しなければならない患者の数は少なくない。このため、患者に酸素を供給する装置として、外部から取り込んだ空気を濃縮して酸素の濃度を高める酸素濃縮装置が開発されている。酸素濃縮装置は、圧縮した空気をゼオライトに接触させて当該ゼオライトに窒素を吸着させることで、高濃度の酸素を生成する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２２７５１７号公報

ゼオライトは、窒素だけでなく水分も吸着するものであり、水分を吸着した場合、窒素を吸着可能な量が少なくなり、酸素を濃縮する効率が悪化する。なお、このような問題は、ゼオライトに限られず、窒素を吸着する触媒に共通して存在する。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、酸素を濃縮する効率が悪化することを防止した酸素濃縮器を提供することを目的とする。

（１）本発明は、医療に用いられる酸素濃縮装置であって、外部から取り込んだ空気を除湿する除湿機構と、前記除湿機構の下流に設けられ、該除湿機構で除湿された前記空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記空気に含まれる窒素を触媒に吸着させて、高濃度の酸素を生成する窒素吸着機構と、前記窒素吸着機構で生成された前記高濃度の酸素を外部で送り出す前に加湿する加湿機構と、を備え、前記除湿機構及び前記加湿機構は、外部から取り込んだ前記空気と、前記窒素吸着機構で生成された前記高濃度の酸素と、の間を、透水性を有し複数のチューブを束ねた形状を呈する膜で仕切ることで一体となっており、前記除湿機構の前記空気の水分を、前記膜を介して、前記加湿機構の前記高濃度の酸素に移動させ、前記複数のチューブの内側の圧力に対して、前記複数のチューブの外側の圧力が低くなるように、外部から取り込んだ前記空気を前記複数のチューブの外側を通し、前記窒素吸着機構で生成された前記高濃度の酸素を前記複数のチューブの内側を通すことを特徴とする、酸素濃縮装置である。

本発明によれば、外部から取り込んだ空気を除湿してから触媒によって反応させるので、触媒が無用に吸着してしまう水分の量を低減できる。これにより、触媒の機能は低下せず、当該触媒が吸着できる窒素の量を維持することで、酸素を濃縮する効率が悪化することを防止できる。なお、空気に含まれる窒素を吸着する触媒は、水分も吸着するものであり、例えば、ゼオライトなどが挙げられる。

ところで、外部から取り込んだ空気を圧縮してから除湿する構造の場合には、高圧の空気が膜に影響を及ぼすことになる。結果、膜が劣化して孔が開くなどの故障が発生し、外部から取り込んで圧縮した空気が孔を介してそのまま外部に送り出される恐れがある。使用中に故障が発生した場合には、外部へ送り出されるべき高濃度の酸素を外部へ送り出すことができなくなり、人命にも関わる事故につながる危険性がある。

一方、本発明によれば、外部から取り込んだ空気を圧縮する前に除湿する構造であり、外部から取り込んだ空気が膜に及ぼす力は少なくて済む。このため、膜が劣化して孔が開くなどの故障を防止できる。故障が発生しなければ、人命に関わる事故につながる危険性もない。

そして、外部から取り込んだ空気と、外部へ送り出す高濃度の酸素と、の間で水分を移動させる構造を採用しているので、一連の流れで除湿と加湿を行うことができる。これにより、空気の除湿により得られる水分を排出する構造を省略できる。また、高濃度の酸素を加湿する水分を蓄えておいたり供給したりする構造を省略できる。結果、酸素濃縮装置の小型化や簡素化を実現できる。

また、除湿機構の下流に圧縮機を配置し、当該圧縮機が外部からの空気を引っ張る構造を採用しているので、除湿機構を流れる空気の速度を高めて、当該空気の流れを乱流にすることができる。すなわち、除湿機構を流れる空気を十分に撹拌することができる。これにより、膜に接触する空気の時間当たりの体積量を増やすことができ、膜の反対側の高濃度の酸素の加湿を促進することができる。すなわち、外部から取り込んだ空気から、膜の反対側の高濃度の酸素へ移動する水分の量を増やすことができる。結果、外部から取り込んだ空気の除湿を促進することができる。

さらに、膜が、複数のチューブを束ねた形状を呈するので、単位空間当たりの膜の面積を広げることができる。これにより、外部から取り込んだ空気の膜に接触する体積量を増やすことができる。また、外部へ送り出される高濃度の酸素の膜に接触する体積量を増やすことができる。
そして、加湿機構内の高濃度の酸素の圧力に対して、除湿機構内の空気の圧力が低くなるようにしているので、膜に孔が開いてしまった場合であっても、加湿機構内の高濃度の酸素が除湿機構に漏れるが、除湿機構内の空気が加湿機構に漏れて（短絡して）患者に供給されることはない。
また、チューブが潰れてしまうことを防止できる。

そして、膜によって形成される複数のチューブが細い場合、膜厚が薄くなり、膜を平面とする場合と比較して強度が弱いことがあり得る。しかしながら、外部から取り込んだ空気を圧縮する前に除湿する構造を採用しており、外部から取り込んだ空気が膜に及ぼす力は小さいので、仮に、膜の強度が弱い場合であっても、そのことによる影響は少なくて済む。

空気中の酸素の体積量が全体の５分の１程度であることから、外部から取り込む空気の体積量は、外部へ送り出す高濃度の酸素の体積量の５倍程度を必要とする。このため、上記発明によれば、相対的に体積量の多い、外部から取り込む空気を、複数のチューブの外側を通すことができる。また、相対的に体積量の少ない、外部へ送り出す高濃度の酸素を、複数のチューブの内側を通すことができる。このため、チューブを細くすることができる。ひいては、チューブの本数を増やすことができる。結果、単位空間当たりの膜の面積を広げることができる。

（４）本発明はまた、前記膜は、非多孔膜であることを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の酸素濃縮装置である。

（５）本発明はまた、前記膜は、ナフィオン（登録商標）又はフレミオン（登録商標）であることを特徴とする、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の酸素濃縮装置である。

本発明の上記（１）〜（７）に記載の酸素濃縮器によれば、酸素を濃縮する効率が悪化することを防止できるという優れた効果を奏し得る。

本発明に係る酸素濃縮装置の構成を示すブロック図である。 除加湿ユニットの斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る酸素濃縮装置について詳細に説明する。

まず、図１〜図３を用いて、本発明の実施形態に係る酸素濃縮装置１の構成について説明する。図１は、酸素濃縮装置１の構成を示すブロック図である。図２は、除加湿ユニットの斜視図である。図３は、窒素吸着機構１３の構成を示すブロック図である。なお、各図において、一部の構成などを適宜省略して、図面を簡略化する。

図１に示される医療用の酸素濃縮装置１は、患者に酸素ＯＸＹを供給する装置であり、外部から取り込んだ空気ＡＩＲを濃縮し、高濃度（例えば、９０％程度）の酸素ＯＸＹを生成する。具体的に、酸素濃縮装置１は、吸気フィルター１０と、除加湿ユニット１１と、圧縮機１２と、窒素吸着機構１３と、タンク１４と、バルブ１５と、制御ユニット（図示省略）と、などを備えている。

これら酸素濃縮装置１の各部は、制御ユニットによって統括的に制御される。制御ユニットは、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭなどから構成され、各種制御を実行する。ＣＰＵは、いわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて各種機能を実現する。ＲＡＭは、ＣＰＵの作業領域として使用される。ＲＯＭは、ＣＰＵで実行されるプログラムを記憶する。

吸気フィルター１０は、外部から取り込まれる空気ＡＩＲに含まれる塵埃や細菌などが内部に進入することを防止する。

除加湿ユニット１１は、除湿機構１１ａと、加湿機構１１ｂと、を備えている。これら除湿機構１１ａ及び加湿機構１１ｂは、透水性及び非通気性を有する膜１１ｃで仕切られることで一体となっている。膜１１ｃは、非多孔膜である。そして、膜１１ｃは、イオン交換膜である。この膜１１ｃには、デュポン社（米国）、デュポン株式会社（東京都千代田区）が販売するナフィオン（登録商標）、又は旭硝子株式会社（東京都千代田区）が販売するフレミオン（登録商標）を採用することができる。ナフィオン（登録商標）は、スルホ化されたテトラフルオロエチレンを基にしたフッ素樹脂の共重合体である。フレミオン（登録商標）は、テトラフルオロエチレンとカルボン酸基を含有するパーフルオロ型ビニルエーテルの共重合後、加水分解することにより製造されるものである。

膜１１ｃは、除湿機構１１ａを構成する空間に存する気体と、加湿機構１１ｂを構成する空間に存する気体と、の間で水分の遣り取りを可能にする。結果、除湿機構１１ａを構成する空間に存する気体から、加湿機構１１ｂを構成する空間に存する気体へ水分が移動される。

除湿機構１１ａは、吸気フィルター１０の下流に設けられている。この除湿機構１１ａは、吸気フィルター１０を介して外部から取り込まれた空気ＡＩＲを除湿する。例えば、除湿機構１１ａは、外部から取り込まれた空気ＡＩＲの相対湿度が２０％以上８０％以下の場合に、相対湿度が２０％程度となるように除湿する。

加湿機構１１ｂは、バルブ１５の下流に設けられている。この加湿機構１１ｂは、タンク１４に蓄えられている高濃度の酸素ＯＸＹを、外部へ送り出して患者に供給する前に加湿する。例えば、加湿機構１１ｂは、高濃度の酸素ＯＸＹを、例えば、相対湿度が６０％以上８０％以下程度に加湿する。

圧縮機１２は、除湿機構１１ａの下流に設けられている。この圧縮機１２は、除湿機構１１ａで除湿された空気ＡＩＲを圧縮する。すなわち、圧縮機１２は、その上流と下流との圧力差を生じさせる。具体的に、圧縮機１２は、除湿機構１１ａの空気ＡＩＲを大気圧よりも低圧にする一方、吸着塔１３ａ，１３ｂの空気ＡＩＲ又は酸素ＯＸＹを大気圧よりも高圧にする。結果、加湿機構１１ｂ内の高濃度の酸素ＯＸＹの圧力に対して、除湿機構１１ａ内の空気ＡＩＲの圧力が低くなる。

窒素吸着機構１３は、圧縮機１２の下流に設けられている。この窒素吸着機構１３は、圧縮機１２で圧縮された空気ＡＩＲに含まれる窒素を触媒（図示省略）に吸着させて、高濃度の酸素ＯＸＹを生成する。具体的に、窒素吸着機構１３は、一対の吸着塔１３ａ，１３ｂを備えている。一対の吸着塔１３ａ，１３ｂは、並列に設けられている。これら一対の吸着塔１３ａ，１３ｂの中には、触媒が充填されている。触媒は、水分も吸着するものであり、例えば、ゼオライトなどが挙げられる。このため、窒素吸着機構１３で生成された高濃度の酸素ＯＸＹは、相対湿度が０％以上２０％以下に除湿されている。

窒素吸着機構１３は、一方の吸着塔１３ａ又は１３ｂを加圧して、触媒に窒素を吸着させ、高濃度の酸素ＯＸＹを生成する。この時、窒素吸着機構１３は、他方の吸着塔１３ａ又は１３ｂを減圧して、触媒に吸着されている窒素を放出し、次の加圧に備える。このように、窒素吸着機構１３は、一対の吸着塔１３ａ，１３ｂを交互に加圧と減圧を繰り返し、高濃度の酸素ＯＸＹを生成する。なお、窒素吸着機構１３の詳細は、特開２０１０−２２７５１７号公報を参照されたい。

タンク１４は、窒素吸着機構１３の下流に設けられている。このタンク１４は、窒素吸着機構１３で生成された高濃度の酸素ＯＸＹを蓄える。

バルブ１５は、加湿機構１１ｂの下流に設けられている。このバルブ１５は、開閉することで、タンク１４から除湿機構１１ｂへの高濃度の酸素ＯＸＹの供給をオンオフしたり、その高濃度の酸素ＯＸＹの供給量を調整したりする。

図２に示されるように、除加湿ユニット１１は、筒状のチャンバー２０と、空気入口管２１と、空気出口管２２と、酸素入口管２３と、酸素出口管２４と、複数のチューブを束ねた形状を有する膜１１ｃと、一対のパッキン２５，２６と、を備えている。

チャンバー２０は、一対のパッキン２５，２６によって、３つの空間２０ａ，２０ｂ，２０ｃに気密に仕切られている。これら３つの空間は、２０ａ、２０ｂ、２０ｃの順番に配置されている。空間２０ａには、酸素入口管２３が接続されている。そして、空間２０ａには、膜１１ｃからなる複数のチューブの一端が接続されている。空間２０ｂには、空気入口管２１及び空気出口管２２が接続されている。そして、空間２０ｂには、膜１１ｃからなる複数のチューブが一対のパッキン２５，２６の間を架け渡されている。空間２０ｃには、膜１１ｃからなる複数のチューブの他端が接続されている。空間２０ｃには、酸素出口管２４が接続されている。

空気入口管２１は、吸気フィルター１０（図１参照）を介して外部から取り込まれた空気ＡＩＲを空間２０ｂに導く。空気出口管２２は、除加湿ユニット１１で除湿された空気ＡＩＲを、空間２０ｂから圧縮機１２（図１参照）に導く。

酸素入口管２３は、タンク１４（図１参照）に蓄えられた高濃度の酸素ＯＸＹを空間２０ａに導く。酸素出口管２４は、除加湿ユニット１１で加湿された高濃度の酸素ＯＸＹを、空間２０ｃから外部の患者へ導く。

膜１１ｃからなる複数のチューブは、いわゆる中空糸の束であり、一対のパッキン２５，２６の間を架け渡されることで、空間２０ｂの両脇の空間２０ａ，２０ｃを互いにつなげる。結果、複数のチューブを束ねた形状を有する膜１１ｃは、酸素入口管２３によって空間２０ａに導かれた高濃度の酸素ＯＸＹを空間２０ｃに導く。そして、複数のチューブを束ねた形状を有する膜１１ｃは、当該チューブの外側に存する空間２０ｂ内の空気ＡＩＲから、当該チューブの内側に存する高濃度の酸素ＯＸＹへ水分を移動させる。なお、膜１１ｃからなる複数のチューブは、互いに間隔を空けて配置されていることが好ましい。

以上説明したように、酸素濃縮器１によれば、外部から取り込んだ空気ＡＩＲを除湿してから触媒によって反応させるので、触媒が無用に吸着してしまう水分の量を低減できる。これにより、触媒の機能は低下せず、当該触媒が吸着できる窒素の量を維持することで、酸素ＯＸＹを濃縮する効率が悪化することを防止できる。

ところで、外部から取り込んだ空気ＡＩＲを圧縮してから除湿する構造の場合には、高圧の空気ＡＩＲが膜１１ｃに影響を及ぼすことになる。結果、膜１１ｃが劣化して孔が開くなどの故障が発生し、外部から取り込んで圧縮した空気が孔を介してそのまま外部に送り出される恐れがある。使用中に故障が発生した場合には、外部へ送り出されるべき高濃度の酸素ＯＸＹを外部へ送り出すことができなくなり、人命にも関わる事故につながる危険性がある。

一方、本発明によれば、外部から取り込んだ空気ＡＩＲを圧縮する前に除湿する構造であり、外部から取り込んだ空気が膜１１ｃに及ぼす力は少なくて済む。このため、膜１１ｃが劣化して孔が開くなどの故障を防止できる。故障が発生しなければ、人命に関わる事故につながる危険性もない。

そして、外部から取り込んだ空気ＡＩＲと、外部へ送り出す高濃度の酸素ＯＸＹと、の間で水分を移動させる構造を採用しているので、一連の流れで除湿と加湿を行うことができる。これにより、空気ＡＩＲの除湿により得られる水分を排出する構造を省略できる。また、高濃度の酸素ＯＸＹを加湿する水分を蓄えておいたり供給したりする構造を省略できる。結果、酸素濃縮装置１の小型化や簡素化を実現できる。

また、除湿機構１１ａの下流に圧縮機１２を配置し、当該圧縮機１２が外部からの空気ＡＩＲを引っ張る構造を採用しているので、除湿機構１１ａを流れる空気ＡＩＲの速度を高めて、当該空気ＡＩＲの流れを乱流にすることができる。すなわち、除湿機構１１ａを流れる空気ＡＩＲを十分に撹拌することができる。これにより、膜１１ｃに接触する空気ＡＩＲの時間当たりの体積量を増やすことができ、膜１１ｃの反対側の高濃度の酸素ＯＸＹの加湿を促進することができる。すなわち、外部から取り込んだ空気ＡＩＲから、膜１１ｃの反対側の高濃度の酸素ＯＸＹへ移動する水分の量を増やすことができる。結果、外部から取り込んだ空気ＡＩＲの除湿を促進することができる。

さらに、膜１１ｃが、複数のチューブを束ねた形状を有するので、単位空間当たりの膜１１ｃの面積を広げることができる。これにより、外部から取り込んだ空気ＡＩＲの膜１１ｃに接触する体積量を増やすことができる。また、外部へ送り出される高濃度の酸素ＯＸＹの膜１１ｃに接触する体積量を増やすことができる。

そして、膜１１ｃによって形成される複数のチューブが細い場合、膜厚が薄くなり、膜１１ｃを平面とする場合と比較して強度が弱いことがあり得る。しかしながら、外部から取り込んだ空気ＡＩＲを圧縮する前に除湿する構造を採用しており、外部から取り込んだ空気ＡＩＲが膜１１ｃに及ぼす力は小さいので、仮に、膜１１ｃの強度が弱い場合であっても、そのことによる影響は少なくて済む。

空気ＡＩＲ中の酸素の体積量が全体の５分の１程度であることから、外部から取り込む空気ＡＩＲの体積量は、外部へ送り出す高濃度の酸素ＯＸＹの体積量の５倍程度を必要とする。このため、酸素濃縮装置１によれば、相対的に体積量の多い、外部から取り込む空気ＡＩＲを、複数のチューブの外側を通すことができる。また、相対的に体積量の少ない、外部へ送り出す高濃度の酸素ＯＸＹを、複数のチューブの内側を通すことができる。このため、チューブを細くすることができる。ひいては、チューブの本数を増やすことができる。結果、単位空間当たりの膜１１ｃの面積を広げることができる。

さらに、加湿機構１１ｂ内の高濃度の酸素ＯＸＹの圧力に対して、前記除湿機構１１ａ内の空気ＡＩＲの圧力が低いので、膜１１ｃに孔が開いてしまった場合であっても、加湿機構１１ｂ内の高濃度の酸素ＯＸＹが除湿機構１１ａに漏れるが、除湿機構１１ａ内の空気ＡＩＲが加湿機構１１ｂに漏れて（短絡して）患者に供給されることはない。

そして、膜１１ｃが複数のチューブを束ねた形状を有し、外部から取り込んだ空気ＡＩＲ（相対的に低圧）が複数のチューブの外側を通り、窒素吸着機構で生成された高濃度の酸素（相対的に高圧）が複数のチューブの内側を通るように構成されているので、チューブが潰れてしまうことを防止できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

すなわち、上記実施形態において、各構成の位置、大きさ（寸法）、形状、材質、向き、数量は適宜変更できる。

例えば、上記実施形態において、窒素吸着機構１３が一対の吸着塔１３ａ，１３ｂを備えている場合を例に説明したが、本発明の吸着塔の数は限定されず、１つであっても複数であってもよい。

そして、上記実施形態において、窒素吸着機構１３の方式は限定されるものではなく、ＰＳＶＡ方式、ＰＶＡ方式、ＳＶＡ方式など、いずれの方式であってもよい。

あるいは、上記実施形態において、膜１１ｃが、複数のチューブを束ねた形状を有する場合を例に説明したが、本発明の膜はこれに限定されるものではない。本発明の膜は、外部から取り込んだ空気と、窒素吸着機構１３で生成された高濃度の酸素と、の間を仕切ることができればよく、平面その他の形状であってもよい。また、膜１１ｃは、一枚ものであってもよいし、複数枚を積層したものであってもよい。すなわち、膜１１ｃは、同心円状に巻回したものであってもよい。

あるいは、上記実施形態において、膜１１ｃが透水性及び非通気性を有する場合を好例として説明したが、本発明の膜は、少なくとも透水性を有していればよく、非通気性を有している必要はない。この場合、加湿機構１１ｂ内の高濃度の酸素ＯＸＹが除湿機構１１ａに漏れるので、外部に送り出して患者に供給する量が不足しないように高濃度の酸素ＯＸＹを生成する必要がある。

１ 酸素濃縮装置
１１ａ 除湿機構
１１ｂ 加湿機構
１１ｃ 膜（多孔膜、ナフィオン（登録商標）、フレミオン（登録商標））
１２ 圧縮機
１３ 窒素吸着機構
１３ａ，１３ｂ 吸着塔
１４ タンク
１５ バルブ
２０ チャンバー
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 空間
２１ 空気入口管
２２ 空気出口管
２３ 酸素入口管
２４ 酸素出口管
２５，２６ パッキン
ＡＩＲ 空気
ＯＸＹ 高濃度の酸素

Claims (3)

1. 医療に用いられる酸素濃縮装置であって、
   外部から取り込んだ空気を除湿する除湿機構と、
   前記除湿機構の下流に設けられ、該除湿機構で除湿された前記空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された前記空気に含まれる窒素を触媒に吸着させて、高濃度の酸素を生成する窒素吸着機構と、
   前記窒素吸着機構で生成された前記高濃度の酸素を外部へ送り出す前に加湿する加湿機構と、を備え、
   前記除湿機構及び前記加湿機構は、外部から取り込んだ前記空気と、前記窒素吸着機構で生成された前記高濃度の酸素と、の間を、透水性を有し複数のチューブを束ねた形状を呈する膜で仕切ることで一体となっており、前記除湿機構の前記空気の水分を、前記膜を介して、前記加湿機構の前記高濃度の酸素に移動させ、
   前記複数のチューブの内側の圧力に対して、前記複数のチューブの外側の圧力が低くなるように、外部から取り込んだ前記空気を前記複数のチューブの外側を通し、前記窒素吸着機構で生成された前記高濃度の酸素を前記複数のチューブの内側を通すことを特徴とする、
   酸素濃縮装置。
2. 前記膜は、非多孔膜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. 前記膜は、ナフィオン（登録商標）又はフレミオン（登録商標）であることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の酸素濃縮装置。

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