JP6313461B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、呼吸器疾患患者等の使用者に酸素濃縮空気を供給する医療用酸素濃縮装置に関し、圧力変動吸着法により酸素を生成する際に特に問題となる均圧路の流れ方向に違いによる流路圧力損失差を解消する均圧オリフィスに関する。

近年、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器系器官の疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、その治療法として最も効果的なもののひとつに酸素吸入療法がある。かかる酸素吸入療法とは、酸素ガスあるいは酸素富化空気を患者に吸入させるものである。その酸素供給源として、酸素濃縮装置、液体酸素、酸素ガスボンベ等が知られているが、使用時の便利さや保守管理の容易さから、在宅酸素療法には酸素濃縮装置が主流で用いられている。
酸素濃縮装置は、空気中に存在する約２１％の酸素を濃縮して使用者に供給する装置であり、それには酸素を選択的に透過する膜を用いた膜式酸素濃縮装置と、窒素または酸素を優先的に吸着しうる吸着材を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置があるが、９０％以上の高濃度の酸素が得られる点から圧力変動吸着型酸素濃縮装置が主流になっている。
圧力変動吸着型酸素濃縮装置は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着材として５Ａ型や１３Ｘ型、Ｌｉ−Ｘ型などのモレキュラーシーブゼオライトを充填した複数の吸着筒に、コンプレッサで圧縮された空気を供給することにより加圧条件下で窒素を吸着させ、未吸着の酸素濃縮ガスを得る吸着工程と、前記吸着筒内の圧力を大気圧またはそれ以下に減じて、吸着材に吸着された窒素を脱着させパージすることで吸着材の再生を行う脱着工程とを交互に繰り返し行うことで、高濃度酸素ガスを連続的に生成することができる。これら吸着工程、脱着工程に加え、吸着工程側吸着筒からの高濃度の酸素を脱着工程側吸着筒へ導入するパージ工程や、吸着工程終了の吸着筒と脱着工程終了の吸着筒を連通さて吸着筒間の圧力を均圧させ圧力エネルギーを回収する均圧工程を併用することで、更に高濃度の酸素ガスを生成することが出来る。
酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した複数の吸着筒と、該吸着筒へ原料空気を供給するコンプレッサ、該コンプレッサおよび各吸着筒の間の流路を順次切り替え、各吸着筒へ加圧空気を供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、各吸着筒を減圧し吸着剤を再生する脱着工程、各吸着筒を連通させる均圧工程、吸着工程側吸着筒からの高濃度の酸素を脱着工程側吸着筒へ導入するパージ工程を所定タイミングで繰り返すための流路切換手段を具備することで圧力変動吸着型酸素濃縮装置において該酸素濃度を高くすることができる。

特開２００８−２１４１５１号公報

複数の吸着筒間をつなぐ流路には、工程の切替えタイミングを制御する電磁弁と流量を制御するためのオリフィスを備え、所定タイミングで吸着筒間にガスを流すことによりパージ及び均圧工程を行う。この際、複数の吸着筒間を流れるガスの流量は、流れる方向によらず同程度であることが求められる。しかし、かかる流路（以下均圧路という）に備わっている電磁弁には方向性があり、ガス流れの方向によって圧力損失の値が異なっているため、コンプレッサから吸着筒に供給される空気量が複数の吸着筒間で同じであったとしても、吸着筒間を流れる流量は、流れる方向によって異なる。均圧路には流量を調節するためにオリフィスを備えているが、そのオリフィスを構成するオリフィス板やそれを構成要素に含む配管との接続部を兼ね備えたオリフィス構造体自体にも方向性があり、均圧路の流れる方向により圧力損失の値が異なり、流れるガス流量が向きによって異なる構造を有している。
本願発明は、酸素濃縮装置に搭載するオリフィスや配管の圧力損失差を調整することにより、電磁弁と組み合わせた時のガスの流れ方向の違いによる圧力損失差を低減させ、パージ工程や均圧工程時に均圧路を通って吸着筒間を流れるガス流量差を低減させる酸素濃縮装置を提供する。

本発明者らは、かかる問題の解決する方法として、以下の発明を見出した。
１．酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着材を充填した吸着筒と、該吸着筒に加圧空気を供給するコンプレッサと、該吸着筒に加圧空気を供給し加圧空気中の窒素を吸着し未吸着の酸素を生成する吸着工程と、該吸着筒を減圧パージし窒素を脱着し吸着材を再生する脱着工程、吸着工程終了後の吸着筒と脱着工程終了後の吸着筒同士を接続し両筒を均圧する均圧工程とを一定タイミンクで繰り返すため、該コンプレッサと該吸着筒、該吸着筒と脱着ガスを系外に排気する排気管との間の流路を切り換える流路切換弁、該吸着筒間をつなぐ均圧路に備えた均圧弁を備え、酸素濃縮ガスを生成する酸素濃縮装置において、
該均圧路を流れるガスの一方の流れの圧力損失と逆方向の流れの圧力損失が同等になるように、該均圧弁の少なくとも一端側に、流れ方向により圧力損失の差を有する圧力制御部材を備えたことを特徴とする酸素濃縮装置。
２．該圧力制御部材が、流れ方向によって圧損差を有するオリフィス構造体、或いは配管部材である、上記１に記載の酸素濃縮装置。
３．該均圧弁の両端に均圧弁側に接続するオリフィス板および配管接続部を備えた円筒部材を有するオリフィス構造体を備え、該均圧弁の入側のオリフィス構造体が、オリフィス板の円筒部材側がオリフィスを凹部とする円錐形状のテーパー部位を備え、均圧弁の出側のオリフィス構造体が、オリフィス板の円筒部材側が平面形状部材である構造体の組み合わせからなる、上記１または２の何れかに記載の酸素濃縮装置。
４．該均圧路を流れるガスの一方の流れの圧力損失と逆方向の流れの圧力損失の差が５ｋＰａ以下である、上記１〜３の何れかに記載の酸素濃縮装置。

本発明によると、パージ工程・均圧工程時に複数の吸着筒間に設けられた均圧路を流れるガス流量を、流れ方向に関係なく同程度に維持することができ、高濃度の酸素を安定して連続生成する酸素濃縮器を提供することができる。

図１は、本発明の実施態様例である圧力変動吸着型酸素濃縮装置の概略構成図を示す。図２は均圧弁単体の圧力損失差を示す。図３はオリフィス構造体の概形を、図４はオリフィス構造体の断面図概形を、図５は均圧弁構造体の断面図概形を示す。図６は、同一オリフィスを備えた均圧路の圧力損失差を、図７は、異なる形状のオリフィスを備えた均圧路の圧力損失差を示す。図８は、均圧弁である直動式ポペット弁の断面概略図を示す。

１：酸素濃縮装置、３：使用者（患者）、７０１：電源プラグ、１０１：ＨＥＰＡ フィルタ、１０２：吸気消音器、１０３：コンプレッサ、１０４：流路切換弁、１０５：吸着筒、１０６：均圧弁、１０７：オリフィス、１０８：逆止弁、１０９：製品タンク、１１０：調圧弁、１１１：流量設定手段、１１２：パーティクルフィルタ、２０１：加湿器、３０１：酸素濃度センサ、３０２：流量センサ、３０３：圧力センサ、４０１：制御手段、５０１：コンプレッサボックス、５０２：冷却ファン、５０３：排気消音器、８０１：スリーブ、８０２：コイル、８０３：プランジャー、８０４：弁体、８０５：弁座

本発明の構成を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態である圧力変動吸着型酸素濃縮装置を例示した概略装置構成図である。この図１において、１は酸素濃縮装置、３は加湿された酸素富化空気を吸入する使用者（患者）を示す。圧力変動吸着型酸素濃縮装置１は、外部空気取り込みフィルタ１０１、吸気消音器１０２、コンプレッサ１０３、流路切換弁１０４、吸着筒１０５、均圧弁１０６、オリフィス１０７、逆止弁１０８、製品タンク１０９、調圧弁１１０、流量設定手段１１１、パーティクルフィルタ１１２を備える。これにより外部から取り込んだ原料空気から酸素ガスを濃縮した酸素富化空気を製造することができる。また、酸素濃縮装置の筐体内には、生成された酸素富化空気を加湿するための加湿器２０１、前記流量設定手段１１１の設定値と、酸素濃度センサ３０１、流量センサ３０２圧力センサ３０３の測定値を用いて、コンプレッサや流路切換弁を制御する制御手段４０１、コンプレッサの騒音を防音するためのコンプレッサボックス５０１、コンプレッサを冷却するための冷却ファン５０２が内蔵されている。
ま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１０１、吸気消音器１０２を備えた空気取り込み口から取り込まれる。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、水蒸気ほかのガスが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。
この酸素ガスの取り出しは、原料空気を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材が充填された吸着筒１０５に対して、流路切換弁１０４によって対象とする吸着筒を順次切り換えながら、原料空気をコンプレッサ１０３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。
前記の吸着筒としては、前記吸着材を充填した円筒状容器で形成され、通常、１筒式、や図１に示す吸着筒Ａ、吸着筒Ｂを用いた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富化空気を製造するためには、２筒以上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１０３としては、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。
前記吸着筒１０５で吸着されなかった酸素ガスを主成分とする酸素富化空気は、吸着筒へ逆流しないように設けられた逆止弁１０８を介して、製品タンク１０９に流入する。
また、吸着筒内に充填された吸着材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材から脱着させる必要がある。このために、コンプレッサによって実現される加圧状態から、流路切換弁によって減圧状態（例えば大気圧状態又は負圧状態）に切り換え、吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着材を再生させる。
加圧エネルギーを回収するために、吸着工程終了直後の吸着筒と脱着工程終了直後の吸着筒との製品端同士を、均圧弁１０６の開閉により接続することで両筒の圧力を均圧させ圧力エネルギーを回収する。また脱着工程において、その脱着効率を高めるため、吸着工程中の吸着筒の製品端側から酸素富化空気をパージガスとして逆流させるパージ工程を設けてもよい。この際、均圧弁を介して流れるガスの流量を一定になるように調整するために均圧弁１０６の両端にはオリフィス構造体１０７を備える。
通常、窒素を脱着させるときには大きな気流音が発生するため、一般的には窒素排気消音器５０３が用いられる。
原料空気から生成された酸素富化空気は、製品タンク１０９へ蓄えられる。この製品タンク１０９に蓄えられた酸素富化空気は、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、調圧弁１１０や流量設定手段１１１などによってその供給流量と圧力とが制御されながら、加湿器２０１へ供給され、加湿された酸素富化空気が患者に供給される。かかる加湿器には、水分透過膜を有する水分透過膜モジュールによって、外部空気から水分を取り込んで乾燥状態の酸素富化空気へ供給する無給水式加湿器や、水を用いたバブリング式加湿器、或いは表面蒸発式加湿器を用いることが出来る。
また、流量設定手段１１１の設定値を検知し、制御手段４０１によりコンプレッサの電動機の回転数を制御することで吸着筒への供給風量を制御する。設定流量が低流量の場合には回転数を落とすことで生成酸素量を抑え、且つ消費電力の低減を図ることができる。
２筒式の場合、パージ工程及び均圧工程の時には、均圧弁１０６を開けることで吸着筒Ａから吸着筒Ｂへ、または吸着筒Ｂから吸着筒Ａにガスを流す。均圧弁１０６と吸着筒Ａ及び均圧弁と吸着筒Ｂの間には流量を調整するためオリフィスを備える。
２筒式の酸素濃縮装置の吸着筒間の圧力を調整する均圧流路の開閉を制御する均圧弁１０６には、図８に示すような小型の直動式ポペット弁が多用される。図８−２に示すように弁部の流路構造がガス流路の入側と出側では異なり、均圧弁１０６は入側から出側へ流れる流路と、出側から入側に流れる流路の構造は非対称となる。このため、均圧弁の入側を吸着筒Ａ側に、均圧弁の出側を吸着筒Ｂ側となるように均圧弁を取り付けた場合、図２に示すように流れる方向によって圧力損失の値が異なる。通常、かかる電磁弁は、一方向に流れるガス流路の開閉制御に使用することを前提に作られており、電磁弁の正逆両方向にガスを流した場合には、圧力損失差に違いが生じ、仮に電磁弁の両端に同じ圧力がかかったとしても、均圧路を流れるガス流れ方向によってガス流量に違いが生じる。
図２に示すように、酸素濃縮装置の均圧路の最大流速で均圧弁にガスを流した場合には、吸着筒Ａから吸着筒Ｂに流した時の圧力損失差を１００％としたときに吸着筒Ｂから吸着筒Ａに流した時の圧力損失差は１５２％にもなり、吸着筒Ａから吸着筒Ｂに流す方が圧力損失が小さい。このため、圧力変動吸着法により吸着筒間の圧力を切替え、酸素を連続生成する際に、各々吸着筒に対してコンプレッサから同量の原料空気を供給し、吸着筒間に同じ圧力差が生じたとしても、吸着筒Ｂから吸着筒Ａの方向よりも吸着筒Ａから吸着筒Ｂの方向の方がガスが流れやすく、単位時間におけるガス流量が異なる特徴を有している。このため、均圧弁の両端にオリフィスを設け、流れるガス流量を制御する対策が取られている。
均圧弁の両端に備えるオリフィス構造体は、例えば図３のような円筒状の外観をしており、一端はオリフィスを備えたオリフィス板、他端は配管との接続部位を備え、内面が円筒状の部材で構成されるオリフィス構造体を形成する。オリフィス構造体は均圧弁と吸着筒間の配管内に圧入するのが好ましいが、均圧弁とオリフィス構造体との接続はオリフィス側の端部外表面にネジ溝を備えることで接続可能とし、配管接続部位はワンタッチ継手等の接続部位を備える構造であってもよい。
オリフィス構造体は、図４のような断面形状で示す、円板中央に円筒状のオリフィスを備えたオリフィス板（図４−１）、円板中央のオリフィスを中心とする円錐状の凹部を有するオリフィス板（図４−２）を備えた構造を有しており、オリフィスの前後での配管径や形状、オリフィス自体の形状の違いなど、オリフィス構造体の形状も非対称なことからガス流れの方向の違いにより圧力損失差が生じる。
図４−１のオリフィス構造体の場合は、オリフィス前後の口径差の違いにより、ＡからＢ方向の圧力損失の方が逆方向に比べて大きいため、Ａ−Ｂ間に同じ圧力差がある場合、ＢからＡにガスを流す方が逆に流すよりも流量が大きくなる。図４−２のオリフィス構造体も同様に非対称であることから、圧力損失差が生じ、ＤからＣの方向にガスを流す方がＣからＤの方向に流すよりも流量が大きくなる。両者を比較した場合、図４−２のオリフィス構造体でＤからＣの方向にガスを流す方が、図４−１のオリフィスのＢからＡの方向に流すときよりも、圧力損失が小さくなり、より多くの流量が流れる。
同一のオリフィス構造体を均圧弁両端につけると、流れ方向によるオリフィスにおける圧損差が打ち消され、結果的に均圧弁の圧損差を解消することはできない。例えば、図４−２のオリフィス構造体を均圧弁両端に用いた場合、電磁弁の流量の差を打ち消すことができないため、図１の示す酸素濃縮装置の均圧弁１０６およびオリフィス１０７に搭載した場合の圧力損失差は、図６に示すように吸着筒Ａから吸着筒Ｂに流れる際の圧力損失１００％に対して、吸着筒Ｂから吸着筒Ａは１０２．１％となり、酸素の供給をガスの流れる方向によって流量が異なったままとなる。オリフィスを付けたことにより均圧路を流れる最大流速を流した時の圧力損失は絶対的に高くなり、酸素濃度の低下、酸素濃度不安定化を招く。圧損差をゼロにもっていくことが生成酸素濃度の上昇、供給酸素濃度の安定化に重要である。
同一形状のオリフィスよりも、異なる形状のオリフィスを組み合わせる方が、オリフィスの組合せによる圧損差のバラツキが小さく制御することができる。生成する製品ガスの酸素濃度を９０％以上に制御するためには均圧弁構造体の圧損差を５ｋＰａ以内に、９３％以上を維持するには１ｋＰａ以下、可能であればゼロに近づけるように制御するのが好ましい。
本願発明の酸素濃縮装置の実施態様例では、図４−１、図４−２のような異なる形状のオリフィス構造体を図５のように電磁弁の端にそれぞれ備え、均圧弁の流れにくい方向に向かってオリフィスの流れやすいようにオリフィスの向きを配置することにより、オリフィス構造体を流れるガス方向の圧力損失差が均圧弁の圧力損失差を打ち消しあう構成となる。
図７に示すように、均圧路を流れる方向による圧力損失の差は、吸着筒Ａから吸着筒Ｂに流れる際の圧力損失１００％に対して、吸着筒Ｂから吸着筒Ａは９９．４％と、１％以下の同等レベルに低減する設計となっており、吸着筒Ａから吸着筒Ｂに流すときと、吸着筒Ｂから吸着筒Ａに流すときと、同じ量の流量が流れる。
上記実施態様例では、均圧路を流れるガスの一方の流れの圧力損失と逆方向の流れの圧力損失が同等になるように、該均圧弁の少なくとも一端側に、流れ方向により圧力損失の差を有する圧力制御部材として、オリフィス構造体を備える酸素濃縮装置を例示したが、圧損差を制御可能であれば、均圧路等の配管部材の配管形状の違いによる制御でも可能である。
［均圧弁構造体の圧損差と酸素濃度の関係］
均圧弁１０６の両端にオリフィス１０７を備えた均圧弁構造体について、均圧路の流れ方向により異なる圧損差を有する均圧弁構造体４水準を用意し、図１に記載の酸素濃縮装置の均圧路に順方向および逆方向に組み込み、合計８水準の圧損差を有する装置について、製品ガスとして生成される酸素濃縮ガスの酸素濃度を測定した。
均圧弁構造体の流れ方向による圧力損失が同じ、すなわち圧損差が０で製品ガスの酸素濃度が最大にとなり、圧損差が５ｋＰａよりも小さくなるようにオリフィスを選択することにより、９０％以上の酸素濃度を維持することが出来る。

本発明の酸素濃縮装置では、オリフィス構造体と均圧弁とを組み合わせる事により、吸着筒間の圧力損失差をなくすように設定し、流量の差を低減する均圧路を備えることで安定した酸素生成を実現することが出来る。

Claims (2)

1. 酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着材を充填した吸着筒と、該吸着筒に加圧空気を供給するコンプレッサと、該吸着筒に加圧空気を供給し加圧空気中の窒素を吸着し未吸着の酸素を生成する吸着工程と、該吸着筒を減圧パージし窒素を脱着し吸着材を再生する脱着工程、吸着工程終了後の吸着筒と脱着工程終了後の吸着筒同士を接続し両筒を均圧する均圧工程とを一定タイミングで繰り返すため、該コンプレッサと該吸着筒、該吸着筒と脱着ガスを系外に排気する排気管との間の流路を切り換える流路切換弁、該吸着筒間をつなぐ均圧路に備えた均圧弁を備え、酸素濃縮ガスを生成する酸素濃縮装置において、該均圧路を流れるガスの一方の流れの圧力損失と逆方向の流れの圧力損失が同等になるように、該均圧弁の両端に均圧弁側に接続するオリフィス板および配管接続部を備えた円筒部材を有するオリフィス構造体を備え、該均圧弁の入側のオリフィス構造体が、オリフィス板の円筒部材側がオリフィスを凹部とする円錐形状のテーパ―部位を備え、均圧弁の出側のオリフィス構造体が、オリフィス板の円筒部材側が平面形状部材である構造体の組み合わせからなることを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 該均圧路を流れるガスの一方の流れの圧力損失と逆方向の流れの圧力損失の差が５ｋＰａ以下である、請求項１に記載の酸素濃縮装置。