JP6211753B2 - 円筒ユニットの固定方法、および同方法を用いた酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は酸素濃縮装置などの圧力変動吸着型装置の組み立て方法に関するものである。

空気中の酸素を分離し製品ガスとして供給する圧力変動吸着型（ＰＳＡ）酸素濃縮装置が実用化され、医療用酸素濃縮装置として慢性呼吸器疾患患者の治療に使用されている。最近では、外出時の酸素ボンベの持ち運びに代り、携帯式酸素濃縮装置が開発され用途が拡大している。家庭一般に使用が拡大する中、これら携帯型の装置には、小型、軽量、安価であることや、組み立てやメンテナンスが容易であることが求められる。

酸素濃縮器などＰＳＡガス分離装置の部品点数の削減、組み立て性の向上を目的に、配管類を樹脂成形しマニホールド化すると共に、吸着筒や電磁弁類を樹脂マニホールドの一面に配置する方法が知られている（特許文献１）。またパージ弁などオリフィス部材をマニホールドブロックに組み込む方法も知られている（特許文献２）。
更にメンテナンス時の交換部品としてカートリッジ式の吸着筒（シーブベッド）を用い、吸着筒継手でマニホールドに接合される際に、継手先端部のフランジを板金裏面に当接させ架台上にネジ止めする方法が開示されている（特許文献３）。

特開２００５−０８７９３７号公報 特開２００８−２６４０６４号公報 特開２０１０−１１９７６３号公報 特開２００３−３１４７２１号公報

圧力変動吸着型酸素濃縮装置は、２つの吸着筒の一方の吸着筒に対してコンプレッサから加圧空気を供給し、加圧条件下で窒素を吸着除去し未吸着の酸素を取り出す吸着工程と、他方の吸着筒を大気開放し窒素を脱着除去し吸着剤を再生する脱着工程とを順次切り替えることで連続して酸素を生成する。コンプレッサや２つの吸着筒、生成した酸素を貯留する製品タンクと、原料空気供給路、酸素を取出し、供給する酸素供給流路、吸着剤に吸着した窒素を脱着排気する排気流路、吸着筒間を均圧する均圧流路、パージ流路などの流路を電磁弁を介して接続し、各流路の電磁弁を切り替え制御することで９０％以上の高濃度酸素を分離供給することができる。

酸素濃縮装置を組み立てる際に、多数の配管部品を樹脂成形体でマニホールド化することで、部品点数を大幅に削減することが出来る。しかし、マニホールドと吸着筒や製品タンク、電磁弁などの構成部品との流路接続は、シールを確実にすると共に配管接続を確実に固定する必要から、多くの場合部品同士をネジ止めすることで固定されている。携帯可能なように小型化が図られた酸素濃縮器では、細かな部品同士のネジ止め作業は、効率が悪く組み立て交差が大きくなるなどの問題を有する。

さらに酸素濃縮装置は、ゼオライトなどの窒素吸着剤を用いて空気中の窒素を吸着除去し未吸着の酸素を生成すると共に、窒素を脱着除去し再生して使用するが、主に空気中に含まれる水分が吸着剤の経時劣化を引きこす。このため、オーバーホール時には吸着剤の交換が必要となる。ネジ止め箇所の部品交換は、メンテナンス性が悪く、さらにネジ摩耗を引き起すなどの問題もある。

本願発明は、以下に示す筒状ユニットの固定方法およびそれを用いた酸素濃縮装置を提供するものである。
［１］酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填し、加圧空気中の酸素を分離生成する吸着筒と、加圧空気を供給するコンプレッサ、吸着工程脱着工程の流路を切り替える流路切替手段を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、吸着プロセスを形成する流路を組み込んだマニホールド成形体を備え、マニホールド成形体と吸着筒とが、吸着筒のエンド部に設けられた継手をマニホールド成形体に設けられた嵌合部に挿入し、継手外周部に設けたＯリングを介してシール嵌合され、マニホールド成形体外周部と継手外周部に設けた溝とを、溝に嵌合するＵ字形状部を備えたクリップ部材で挟む固定手段を備えた、酸素濃縮装置。
［２］製品の流路接続に適用し、当該製品が備えるプロセスを形成するのに用いる配管をマニホールド化したマニホールド成形体と筒状ユニットとを、筒状ユニットのエンド部に設けられた継手をマニホールド成形体に設けられた嵌合部に挿入し、継手外周部に設けたＯリングを介してシール嵌合すると共に、マニホールド成形体外周部と継手外周部に設けた溝とを、該溝に嵌合するＵ字形状部を備えたクリップ部材で挟むことで固定する、筒状ユニットの固定方法。

本願発明の酸素濃縮装置では、吸着筒や製品タンクなどの吸着ユニット類をガスシールを維持したまま、マニホールド成形体への組み付けを簡単に行うことが出来る。ネジ止めが不用となるため組立工数を大幅に削減することも可能となる。
さらに吸着筒などの部品の交換も容易に行うことが出来、ネジ摩耗の心配も無くなるなど、メンテナンス工数の大幅な削減効果を有する。

本発明の酸素濃縮装置の吸着筒とマニホールド成形体との固定方法を示す外観模式図。 本発明の酸素濃縮装置の吸着筒とマニホールド成形体との固定方法を示す外観模式図。 吸着筒とマニホールド成形体との固定方法を示す模式図。 本発明の実施態様例である酸素濃縮装置の構成図。

本発明の酸素濃縮装置の実施態様例を、図面を用いて説明する。
図４は、本発明の一実施形態である圧力変動吸着型の酸素濃縮装置を例示した概略装置構成図である。本発明の酸素濃縮装置は、加圧空気を供給するコンプレッサ、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒Ａ，Ｂ、吸着工程、脱着工程や均圧工程等のシーケンスを切り換える流路切換手段である供給弁Ａ，Ｂ、排気弁Ａ，Ｂ、均圧弁を備える。加圧空気から分離生成された酸素濃縮ガスは、コントロールバルブＣＶで所定流量に調整後、カニューラを用いて使用者に供給される。

先ず、外部から取り込まれる原料空気は、塵埃などの異物を取り除くための外部空気取り込みフィルタ等などを備えた空気取り込み口から装置内に取り込まれる。このとき、通常の空気中には、約２１％の酸素ガス、約７７％の窒素ガス、０．８％のアルゴンガス、二酸化炭素ほかのガスが１．２％含まれている。かかる装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素ガスのみを濃縮して取り出す。

酸素濃縮ガスの取り出しは、酸素分子よりも窒素分子を選択的に吸着するゼオライトなどからなる吸着剤が充填された吸着筒に対して、供給弁Ａ，Ｂ、排気弁Ａ，Ｂによって対象とする吸着筒Ａ，Ｂを順次切り換えながら、原料空気をコンプレッサにより加圧して供給し、吸着筒内で原料空気中に含まれる約７７％の窒素ガスを選択的に吸着除去することにより行われる。かかる吸着剤としては、５Ａ型、１３Ｘ型、Ｌｉ−Ｘ型等のモレキュラーシーブゼオライト等が用いることができる。

前記の吸着筒は、吸着剤を充填した円筒状容器で形成され、通常、１筒式、２筒式の他に３筒以上の多筒式が用いられるが、連続的かつ効率的に原料空気から酸素濃縮ガスを製造するためには、２筒式や多筒式の吸着筒を使用することが好ましい。

また、前記のコンプレッサとしては、圧縮機能のみ、或いは圧縮、真空機能を有するコンプレッサとして２ヘッドのタイプの揺動型空気圧縮機が用いられるほか、スクリュー式、ロータリー式、スクロール式などの回転型空気圧縮機が用いられる場合もある。また、このコンプレッサを駆動する電動機の電源は、交流であっても直流であってもよい。

加圧状態の吸着筒内で空気中の窒素ガスを吸着剤に吸着させ、吸着されなかった酸素を主成分とする酸素濃縮ガスが吸着筒の製品端から取り出され、吸着筒へ逆流しないように設けられた逆止弁を介して、製品タンクに流入する。

一方、吸着筒内に充填された吸着剤に吸着された窒素ガスは、新たに導入される原料空気から再度窒素ガスを吸着するために、吸着剤から脱着させパージする必要がある。このために、吸着筒を排気弁を介して排気ラインに接続し、加圧状態から大気開放状態に切り換え、加圧状態で吸着されていた窒素ガスを脱着させて大気中に排気し吸着剤を再生させる。さらにこの脱着工程において、窒素の脱着効率を高めるため、均圧弁を介して吸着工程中の吸着筒の製品端側から生成された酸素濃縮ガスの一部をパージガスとして脱着工程中の吸着筒に逆流させるパージ工程を行う。

製品タンクに蓄えられた酸素濃縮ガスは、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、医師の処方によって必要とされる酸素流量を患者自身が設定する。調圧弁、コントロールバルブ等の流量調整手段によってその供給流量と圧力が制御され、処方量の酸素濃縮ガスが患者に供給される。一方、患者に供給される酸素濃縮ガスの流量及び酸素濃度は酸素濃度センサ、流量センサで検知され、検知結果に基づいてコンプレッサの回転数や流路切換弁の開閉時間をＣＰＵ等の演算手段で制御し、酸素生成をコントロールしている。

２筒式の圧力変動吸着型（ＰＳＡ型）の酸素濃縮装置では、一方の吸着筒Ａが吸着工程を行っている場合は、他方の吸着筒Ｂでは脱着工程を行い、供給弁Ａ，Ｂ、排気弁Ａ，Ｂ及び均圧弁の開閉を制御することにより、吸着工程、脱着工程を各々逆位相の形で順次切り換え、酸素を連続的に生成している。再生効率を上げる為、吸着工程で生成した酸素の一部を均圧弁を介して脱着工程側吸着筒に流すパージ工程（パージ生成工程、パージ排気工程）、を組み込み、一方の吸着筒Ａについて吸着工程、パージ生成工程、脱着工程、パージ排気工程を、他方の吸着筒Ｂについて脱着工程、パージ排気工程、吸着工程、パージ生成工程を交互に切り換える定常シーケンスを行うことにより、効率的に酸素を生成することが出来る。

かかる切り換え流路は、吸着筒原料端側の供給弁Ａ，Ｂ、排気弁Ａ，Ｂの電磁弁切り換えにより、吸着筒Ａ，Ｂへの供給、吸着筒からの窒素排気を行うと共に、吸着筒製品端側の逆止弁、均圧弁の開閉制御により吸着筒から製品タンクへの酸素取り出し、吸着筒のパージを制御しており、複雑な配管をマニホールド化することで流路を集約することが出来る。

図４の点線で囲んだマニホールド成形体は吸着筒の原料端側配管類を集約したもの、製品端側の流路を集約したもので、樹脂成形品のほかアルミなどの金属成形品で製造することが出来る。

図１から図３にマニホールド成形品と吸着筒との接続例を示す。マニホールド成形体と吸着筒とは、吸着筒のエンド部に設けられた継手をマニホールド成形体に設けられた嵌合部に挿入することで流路接続する。吸着筒の継手の外周部にはＯリングを設け、Ｏリングを介して吸着筒とマニホールドの流路がシール嵌合される。

吸着筒のエンド部の外周部の基部側には溝を設け、マニホールド成形体と吸着筒継手を、継手外周に設けた溝に嵌合するＵ字形状部を備えたクリップ部材で、吸着筒エンド部の溝とマニホールド成形体を挟むことで両者を固定することが出来る。

クリップで固定することでマニホールド、吸着筒間の接続部に不要な応力がかからず、ネジ固定と同様に振動等にも強い固定手段として利用することが出来る。また、ネジ止めが不要となり、装置組み立て時やメンテナンス時の吸着筒の取り付け、取り外しが容易に行うことが出来る。

上記のとおり酸素濃縮装置の吸着筒とマニホールド成形体との接続例を説明したが、プロセスを形成する流路を組み込んだマニホールド成形体と筒状ユニットとを、筒状ユニットのエンド部に設けられた継手をマニホールド成形体に設けられた嵌合部に挿入し、継手外周部に設けたＯリングを介してシール嵌合すると共に、マニホールド成形体外周部と継手部外周に設けた溝とを、該溝に嵌合するＵ字形状部を備えたクリップ部材で挟むことで固定する固定方法は、酸素濃縮装置の製品タンクなどの吸着ユニット、その他、様々な製品の流路接続に適用することができる。

本発明の酸素濃縮装置は呼吸器系器官疾患に苦しむ患者に対する酸素吸入療法のための酸素供給源に使用される。また本発明が特徴とするマニホールド成形体と吸着ユニットの固定方法は、特に小型化が求められる装置の組み立て性、メンテナンス性を大幅に向上させる。

Claims (2)

1. 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填し、加圧空気中の酸素を分離生成する吸着筒と、加圧空気を供給するコンプレッサ、吸着工程、脱着工程の流路を切り替える流路切替手段を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、吸着プロセスを形成する流路を組み込んだマニホールド成形体を備え、マニホールド成形体と吸着筒とが、吸着筒のエンド部に設けられた継手をマニホールド成形体に設けられた嵌合部に挿入し、継手外周部に設けたＯリングを介してシール嵌合され、マニホールド成形体外周部と継手外周部に設けた溝とを、溝に嵌合するＵ字形状部を備えたクリップ部材で挟む固定手段を備えた、酸素濃縮装置。
2. 該マニホールド成形体と、該クリップのＵ字形状部とは反対側の端部との間に、該クリップを挟み込んだ際にクリップがマニホールド成形体にロックされるロック機構を備えた固定手段である、請求項１記載の酸素濃縮装置。