JPH01201006A - 酸素富化モジュール及び酸素富化器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は酸素を選択的に透過させる中空糸状の酸素選択
透過性膜を用いた酸素富化モジュールおよび該モジュー
ルを用いた酸素富化器に関するものであり、特に小型・
軽量の酸素富化モジュールおよび酸素富化器に関するも
のである。

［従来技術］ 近年、喘息、肺気腫、慢性気管支炎等の呼吸器系器官の
疾患の患者が多くなっており、その効果的な治療法の一
つとして酸素吸入法が用いられている。また、快適な居
住環境として酸素′ｔＸｉ度を大気中のぞれよりも僅か
に高めることが行われつつある。

このような酸素富化空気は、深冷分離法によって得られ
る液体酸素を蒸発させて冑られる酸素ガスを用いる方法
やボンベに詰めた酸素ガスを用いる方法が用いられるが
、大気による希釈混合の頻雑さや、別器の取扱の困難を
避けるために、近年、酸素と窒素が高分子化合物中を透
過する速度の差を利用した、膜分離法が急速な伸展を遂
げてきている。かかる膜による酸素の濃縮技術すなわち
酸素富化膜の技術は医療用酸素富化器として呼吸器系患
者の治療にも用いられている。

しかし、これら従来の医療用酸素富化器においてはその
型開が数−Ｅキログラムあり、移動して用いることはほ
とんど不可能に近かった。

［発明の目的］ 本発明の［］的は、この問題点を解決し持ち運びが容易
な小型で軽量の酸素富化モジュールおよび酸素富化器を
提供することであり、家庭内での移動はもとより、自動
車の中や戸外において使用可能な酸素富化器を提供する
ことである。本発明の他の目的は、構造が簡単であり故
障の少い酸素富化器を安価に提供することである。

［発明の構成］ 本発明の小型・軽量の酸素富化器は、中空糸状酸素選択
透過性膜とこれに原料空気を供給するための原料空気供
給ファンを一体化することによって得られる中空糸型酸
素富化モジュールと、膜の両側に圧力差を与えるための
真空ポンプを少なくとも具備したものである。

すなわち本発明の酸素富化モジュールは、（ｉ）　　多
孔質中空糸状支持体の内壁面に選択透過性薄膜を形成し
た酸素選択透過性中空糸からなる中空糸束が収納された
筒状容器であって、該中空糸の中空部が開口した状態で
該中空糸束の両端部が該容器内壁面に固定シールされた
中空糸束収納セルと、 （ｉｉ）　　該セル内の中空糸束間隙部に連通した状態
で該セルの壁部に具＠された酸素富化空気取出口と、 （ｉｉｉ）　　該セルの少なくとも一端部において該中
空糸束の軸方向と実質上平行な軸方向を有し、発生しＩ
Ｊる空気流れの実質上全量を該中空糸の中空部に流入又
は該中空部から流出せしめるように、該セルの端部に一
体的に具備された軸流送風手段と、 を有したことを特徴とするものである。

また本発明の酸素富化器は、多孔質中空糸状支持体の内
壁面に選択透過性薄膜を形成した酸素選択透過性中空糸
からなる中空糸束を用いた中空糸型上ジュールと、該モ
ジュールにおける酸素富化空気取出りに吸引側が連結さ
れた真空ポンプ手段と、該真空ポンプ手段の吐出側に使
用に供するための酸素富化空気の流出手段を少なくとも
具備した酸素富化器であって、該中空糸型モジュールが
（ｉ）　　該中空糸束が収納された筒状容器であって、
該中空糸の中空部が開口した状態で該中空糸束の両端部
が該容器内壁面に固定シールされた中空糸束収納セルと
、 （ｉｉ）　　該セル内の中空糸束間隙部に連通した状態
で該セルの壁部に具備された該酸素富化空気取出口と、 （ｉｉｉ）　　該セルの少なくとも一端部において該中
空糸束の軸方向と実質上平行な軸方向を有し、発生し１
７る空気流れの実質上全量を該中空糸の中空部に流入又
は該中空部から流出せしめるように、該セルの端部に一
体的に具備された軸流送風手段と、 を少なくとも有したものであることを特徴としている。

本発明における酸素選択透過性中空糸としては、微多孔
質の壁膜を有する中空糸状支持体の内壁面に酸素を選択
的に透過し得る選択透過性の薄膜が形成された中空糸が
あげられる。

かかる中空糸状支持体の具体例としては、ポリスルホン
、セルロースエステル、ポリアミド等のポリマーを水溶
性溶媒に溶解し、円環状のノズルから押しだした後に凝
固液中で脱溶媒して固化させる従来公知の湿式紡糸の方
法で得られるものがあげられる。１７られた多孔質の中
空糸状支持体の内壁面に酸素選択透過性を有する薄膜を
形成させる方法としては、ポリジメチルシロキサンやポ
リ４−メチルペンテン−１の溶液を中空糸の内孔に流し
てコーティングする方法や例えば特開昭６Ｏ−１９０２
０２Ｑ公報に開示されるような多官能性上ツマ−の反応
による薄膜の形成法等を用いることができる。

このようにして１７られた多孔質中空糸状支持体の内壁
面に選択透過性を有する薄膜を形成した酸素選択透過性
中空糸は、多数本集束し、糸束の両端が外部に開口した
状態で中空県東収納セル用の筒状容器に収納され、例え
ば遠心成形法により接着剤を用いて中空糸束の両端部が
筒状容器内に固定シールされた後両端の成形部の一部を
切断して中空糸の中空部を開口させる。

運転に際して中空糸の一端から供給された原料空気は、
他端から排出されるまでにその一部が酸素富化空気とし
て取り出される。従って、排出側の原料空気中の酸素濃
度は入口側の酸素濃度（大気酸素濃度）に比べて低くな
る。すなわち排出側に近い位置の膜の部分から得られる
酸素富化空気中の酸素濃度は、入口付近の膜の部分から
得られる酸素富化空気中の酸素濃度に比べて低くなる。

このため、モジュールの効率をよくするためには１本の
中空糸から得られる酸素富化空気量に対して、数倍ない
し数十倍の原料空気を供給することが必要である。

用いる中空糸の内径としては、０．３〜２．０ｍｍが好
ましく、さらに好ましくは０．５〜１．５ｍｍである。

中空糸の内径がｏ、　３ｍｍより小さいと、原料空気供
給の圧力損失が大きくなり十−分な空気量を送ることが
困難になりやすく、また内径が２ｍｍより大きいと、運
転時の中空糸内外の圧力差で中空糸が変形するおそれが
あるばかりでなく、単位体積当りの収納膜面積が小さく
なるため好ましくない。

用いる中空糸の長さについては、中空糸の内径が小さく
、かつ中空糸長が大きい場合、原料空気供給の圧力損失
が大きくなるため、静圧の高い送風機を用いることが必
要となり、送風機の大型化。

消費型１ノの増加、富化器内の温度上昇を伴うため好ま
しいことではない。

単位体積内に充填される膜面積を大きくしかつ上）ホの
ような不都合を回避するためには、中空糸の内径をｄｍ
ｍ、良さを１−ｍｍとしたとき、Ｌ／ｄ３の値が１００
０以下、好ましくは８００以下になるようにｄとＬを選
定する。

このような条件を満たすＬ／ｄ３の値を有する中空糸径
及び中空糸長を選定することにより、高い静圧を有する
送風機を用いることなしに、排出口付近の酸素の濃度の
急激な低下を避けることが可能となり、モジュール全体
から得られる酸素富化空気の酸素ｖｉ度を高く保つこと
が可能となる。

用いる中空糸の数は、必要とする酸素富化空気Ｗ、運転
条件によって決められるが、モジュール製作時あるいは
装置への組み込みに際しての取扱を考慮し、適当な本数
の中空糸を含むモジュールを作成し、これを複数個使用
することも可能である。

中空糸束収納セルの断面形状は特に制約はないが、円、
楕円、矩形等が用いられ、成形時の容易さや原料空気供
給ファンとして用いる軸流ファンとの接続の容易さから
円形が好ましく用いられる。

本発明に用いる原料空気供給用の送風機は、小型・軽發
化の目的を達成するために軸流タイプの送風機が用いら
れる。送ｆｆ１ｌにはファンとブロアーの２種があるが
、中空糸の内径を比較的大きくすることによってその中
空部内を空気が流通する際の圧力損失を小さくして小τ
１にしやすい軸流ファンを用いるのが実用上好ましい。

従来、かかる空気用の送風機としてはシロッコファン等
が用いられていたが、これらにおいては吸入口と吐出口
が直角をなすために設置面積が大きくなる不都合があっ
た。軸流送風機を用いることによって、回転数を高く取
ることが可能であり特に軸流ファンはそれ自体が小型で
ある。加えて、空気の流れ方向が軸方向と一致するため
筒型となり、突起部分を有しない状態で酸素富化モジュ
ールと一体化した形状となすことが出来るため、小型・
軽量のモジュールを作ることが出来る。

しかしながら、軸流ファンは一般に最大静圧が小さく、
また吐出側あるいは吸引側の圧力損失に対して急激に流
量が低下する。モジュールに供給する原料空気量が少い
と、原料空気排出口付近の酸素濃度が低下し、（ワられ
る酸素富化空気中の酸素濃度の低下すなわら分離効率の
低下をきたす。

従って、中空糸の内径及び長さは用いる軸流ファンのル
カー流量特性を配慮して決定する必要がある。

通常容易に入手しうる軸流ファンでは利用できる圧力は
１０ｍｍＡｑ程度であるが、このとき取り出す酸素富化
空気五に対する供給原料空気量の比を１０以上、好まし
くは１５以上とすれば、得られる酸素富化空気の酸素濃
度は膜の選択性から理論的に求められる値の９７％以上
と高い水準を得ることができる。このような状態は、中
空糸の内径ｄと中空糸の長さＬから求められるＬ／ｄ３
の値が１０００以下、好ましくは８００以下にすること
により実現される。用いる軸流ファンの圧力を高くすれ
ば、Ｌ／ｄ３の値はより大きな値でもよいが、このよう
な軸流）７ンは一般に高回転数のモータを使用するため
、発熱、騒音、耐久性の点で好ましくない。

Ｌ／ｄ３の値の下限は特にないが、ｄの値を大きくする
と単位容積中に収納される膜面積が小さくなり、必要膜
面積を得るためにより大型のモジュールを必要とするこ
とから好ましいことではなく、またＬの値を小さくする
と、ｔジュール長に占める両端接着部の割合が大きくな
るため好ましくない。通常はＬ／ｄ３の値が約３００以
上、さらには約４００以上が好ましく用いられる。

尚、軸流ファンの羽根の大きさとしては、第１゜３．４
図に示す如く一体化された中空糸束収納ヒルの軸方向と
直角の断面の大きさと実質上等しくすることが、各中空
糸の中空部に均一に空気を供給するのに有利である。

電源は１００Ｖあるいは他の電圧の交流でもよいが、移
動しての使用の目的から１２Ｖまたはその他の電圧の直
流を用いることが好ましい。１２Ｖまたは他の電ｆ［の
直流によって駆動するモータを使用することによって、
可搬型の蓄電池を用い−（移動しながらの運転が可能に
なる他に、自動車のバッテリーを利用して車内での使用
が可能になる。必要に応じて交流／直流の変換器を内蔵
または付属させることによって、１００Ｖまたは他の電
圧の交流電源での使用も可能である。

直流駆動の尤−タを用いることによって１９られる他の
メリットは、モータの回転数の制御、すなわらファンの
特性の制御が容易になることである。

原料空気供給用送風機の取り付は位置は、モジユールの
中空糸開口端近傍が好ましい。モジュールは送ｆｆ１ｉ
の吸引側に位置しても押し込み側に位置してもよく、必
要ならばモジュールの両側に送風機を取り付けることも
可能である。原料空気供給に際しての圧力損失を少くす
るために送風機による空気の流れと中空糸束の軸が、望
ましくは中空糸の繊維軸がほぼ同一方向であることが好
ましい。また、送風機によって供給される空気量はモジ
ュール内を流れる空気線と実質的に等しくなるように両
者は接続固定される。中空糸収納セルの断面形状が円形
であれば、両者は筒型で一体化されるため最も好ましい
形状といえる。

酸素富化器の運転に際して、モジュールに供給される原
料空気中に浮遊する塵埃によって選択透過性膜が汚れた
り傷ついたりすることを防ぐために、原料空気はフィル
ターを通した後にモジュールに供給することが行われて
いる。かかるフィルターは、酸素富化器の空気取入れ口
に設置することができるが、本発明のモジュールにおい
ては、中空糸束収納セルと軸流送風機の間にフィルター
を収納せしめてモジュールの原料空気流入面に着脱容易
な状態で一体化せしめることが好ましい。

また、必要に応じて、該！ｆ２素富化器の空気取入れ口
及びモジュールの原料空気流入面の両方に設置してもよ
い。かかるモジュールにフィルターを設置する方法は、
セルの外径と実質的に同一の内径を有するスリーブの片
端に濾布を付設したフィルターユニットを、モジュール
の原料空気流入面に嵌合する方式が好ましく用いられる
。

本発明の酸素富化器に使用される真空ポンプは、特に制
約はないがオイルミストの除去の困難を避けるために、
ダイアフラム型や回転翼型のいわゆるドライタイプの真
空ポンプの使用が好ましい。

真空ポンプの駆動に就いても交流でも直流でもよいが、
原料空気供給ファンの駆動と同様に、特性の制御、移動
使用の容易さ等の点から直流による駆動が好ましい。

膜を透過する水蒸気の透過速度は酸素や窒素に比べて大
きいため真空ポンプから排出される酸素富化空気の相対
湿度は１００％でありかつ真空ポンプによって昇温され
た状態で排出される。この空気が冷却されると水滴が生
じるため不都合を生じる。この問題を解決するために、
排出された酸素富化空気の温度を低下せしめて過剰に含
まれる水蒸気を凝縮させる冷却手段と該凝縮水を除去す
るための水分離器を設置することが望ましい。冷却手段
および水分離器の具゛体向な形状は例えば特開昭５９−
１１５７２７　ｑ公報や実開昭５９−８２５３２号公報
に示されるものを用いることが出来る。

中空糸束収納セルから酸素富化空気を取り出すための取
り出し口の位置は、原料空気の流入口に近いセルの側面
が好ましいがモジュール長が短い場合は実質的な差異は
生じないため、セルの任意の位置でよい。取り出し口の
数は１個でも２個以上でもよい。

真空ポンプから排出され水分離器を通った酸素富化空気
は、必要に応じて流量計、酸素濃度計を経由した後、外
部に取り出して使用される。さらに、酸素富化空気の流
路に除菌フィルターを設置することも可能である。

この様に本発明の酸素富化器は、原料空気供給用の送＆
１機を備えた酸素富化−しジュール、真空ポンプに加え
て、酸素富化空気の冷却手段、および水分離器等の酸素
富化空気の流出手段を、函体に収納して酸素富化器とな
すことが好ましい。函体は、外部から空気を取り込むた
めの空気取入れ口、函体がら空気を排出する空気排出口
、酸素富化空気流出口、および電源接続端子を有する。

ただし、電源として蓄電池を使用し、該蓄電池を該函体
内に収納した場合は電源接続端子を省略することも可能
である。

空気取入れ口は原料空気供給用送風機によってモジュー
ルに供給される大気を取り込むためのものであり、空気
排出口は酸素富化空気を取り出した残りの空気を排出す
るためのものである。

酸素富化空気流出口は、酸素選択透過性膜を透過させる
ことによって酸素濃度を高めた空気を取り出すためのも
のであり、外部から容易に接続することの出来る配管継
手を取り付けておくことが好ましい。

原料空気供給ファンや真空ポンプの運転によって函体内
の温度が上昇することを避けるために、これらのファン
やポンプは空気排出口への空気の流路内に窓位置するよ
うに置くことが好ましい。

冷却のための別のファンを取り付けることも可能であり
、その際には冷却ファン用の空気取入れ口。

空気排出［１を独立に設けても、原料空気の取入れ口や
＋Ｊｌ出口と併用してもよい。

電源接続端子は、原料空気供給用送風機、真空ポンプ、
必要に応じて冷却ファンを駆動するための電気を供給す
るためのものであり、該端子からスイッチを経て、ある
いはスイッチを経ることなしに、ファンまたはポンプを
駆動するためのモータに接続される。スイッチは各々の
モータに独立に付けても、全てのモータが同時に作動す
るようにしてもよい。特に好ましい形式は、真空ポンプ
用は原料空気供給ファンが作動していないときには作動
しないようにする形式である。

電源として直流電源を用いる場合には、直流電源用の接
続端子の外に交流用の入力端子を設け、交流／直流の変
換器を経由してモータ類を作動させることも出来る。

第１図は本発明の酸素富化モジュールの好ましい一例を
示している。第１図において、１は中空糸であり、その
内壁面には酸素選択透過性の薄膜が形成されており、２
において外部に開口している。３は、中空糸束収納セル
用の筒状容器であり、４は、酸素富化空気の取り出し口
である。５は、シール部であり中空糸間および中空糸束
収納セル用筒状容器３との間を接着・シールしている。

６は、原料空気供給ファンであり、７の接続具で中空県
東収納セルに接続・固定されている。

第２図は酸素富化器の全体構成の例を示している。１１
は酸素富化モジュール、１２は真空ポンプ。

１３は酸素富化空気の冷却手段および水分離器、１４は
導管を示している。また、２１は酸素富化器函体。

２２は空気取入れ口、２３は空気排出口、２４は酸素富
化空気流出ＩＩ、２５は電源接続端子であり、これから
スイッチ（図示せず）を経由して、あるいは経由プるこ
となしに各モータに結線される。２６は仕切り板を示し
、必要に応じて配置される。２７は冷却用の送風ファン
であり、必要に応じて設置される。この時、冷却ファン
用の空気取入れロ２８．空気υ１出口２９を設けてもよ
いし、２２．２３と共用にしてもよい。

外部から酸素富化モジュールの原料空気供給ファン６に
よって取り込まれた空気は、必要に応じてフィルタ（図
示せず）を通した後、酸素富化モジュールの中空糸１の
内孔に供給される。真空ポンプ１２によって中空糸束間
隙部を減圧にすることによって膜の両側に圧力差を生じ
させ、これによって酸素富化空気を得る。得られた酸素
富化空気は冷却手段および水分離器１３によって過剰の
水分を除去した後、酸素富化空気排出口２４から取り出
される。

第３図は、本発明の酸素富化モジュールの好ましい例の
概略の斜視図を示したものである。同図において、３０
が中空糸束を収納した筒状容器であり、３１が軸流ファ
ンであり、３２が両者を一体化するための接続具であり
、３３が酸素富化空気の取出口を示している。

第４図もまた本発明の酸素富化モジュールの好ましい態
様例を示したものであり、３６が中空糸束を収納した筒
状容器、３８が軸流ファン、３７が両者の一体化のため
の接続具であり、３５が酸素富化空気の取出口である。

第５図は、第４図におけるＸ−Ｙ面で切断した場合の断
面図を概略的に示したものである。同図において４０が
中空糸であり、４１が筒状容器、４２が接続具、４３が
モーター、４４が軸流ファン、４５が軸流フッ・ンのブ
レード、４６が中空糸束の端部を接着剤でシール固定し
たシール部、４７が酸素富化空気取出口を示す。

〈実施例〉 以下に実施例をあげて本発明をさらに詳細に説明するが
、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるもの
ではない。

内径ｄｈ＜０．５　、０．８　、０．７１１１ｍの中空
糸を用いＴ、仝艮１−が２００ｍ１ｌｌである３種のモ
ジュールを作成し、特開昭６０−１９０２０２号公報に
開示される方法で、ポリスルホンの多孔質中空糸状支持
体の内壁面に、シ［］キリン含有ジアミンとイソシアネ
ート（ＭＤＩ）との界面重合反応によって酸素透過係数
が１．２　ｘｌＯ−４（ｃｃ（ＳＴＰ）　／ｃｍ２　／
ｓｅｃ　／ｃｍＨｑ）　、酸素の選択性が３．９の薄膜
を形成させた。

原料供給用送風機として最大静圧１０ｍｍＡｑの軸流フ
ァンを用い、運転圧力１５０Ｔｏｒｒで運転したとぎ、
得られた酸素富化空気の酸素ａ度をＬ−／　ｄ　３の値
と共に表−１に示した。

中空糸の長さを１５０ｍｍとし、他は上と同じ方法で製
膜し、上と同様に最大静圧１０ｍｍの軸流ファンで原料
空気を送りながら、運転圧力１６０Ｔｏｒｒで運転した
とき得られた酸素ｔｉをＬ／ｄ３の値と共に表−２に示
した。

この結果にみられるように、Ｌ／ｄ３の値が１０００を
越えると原料空気供給の圧力損失が大きくなり、１分な
原料空気を送り込むことができなくなるために排出口付
近の原料空気中の酸素濃度が低下覆ることにより、１ｑ
られた酸素富化空気中の酸素温良は低かった。

［発明の効果〕 本発明によって１９られる小型・軽量の酸素富化モジュ
ールおよび酸素富化器によって、家庭内の移動使用はも
ちろん、自動車内、屋外の移動使用が４能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の酸素富化モジュールの好ましい態様を
例示したものであり、１は中空糸、３は中空糸束収納セ
ル、５はシール部、６は軸流ファンである。 第２〜ａ図および第２−ｂ図は、本発明の酸素富化器の
好ましい態様例を示すブロック図であり、１１は酸素富
化モジュール、１２は真空ポンプ、１３は酸素富化空気
の冷却手段および水分離器である。また、２１は酸素富
化器函体、２２は空気取入れ口、２３は空気排出口、２
４は酸素富化空気流出口、２５は電源接続端子である。 第３図、第４図は、本発明の酸素富化モジュールの好ま
しい態様例を示したものであり、第５図は第４図におけ
るＸ−Ｙ面での切断断面図を概略的に示したものである
。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ｉ）多孔質中空糸状支持体の内壁面に選択透過
   性薄膜を形成した酸素選択透過性中空糸からなる中空糸
   束が収納された筒状容器であって、該中空糸の中空部が
   開口した状態で該中空糸束の両端部が該容器内壁面に固
   定シールされた中空糸束収納セルと、 （ｉｉ）該セル内の中空糸束間隙部に連通した状態で該
   セルの壁部に具備された酸素富化空気取出口と、 （ｉｉｉ）該セルの少なくとも一端部において該中空糸
   束の軸方向と実質上平行な軸方向を有し、発生し得る空
   気流れの実質上全量を該中空糸の中空部に流入又は該中
   空部から流出せしめるように、該セルの端部に一体的に
   具備された軸流送風手段と、 を有したことを特徴とする酸素富化モジュール。
2. （２）該軸流送風手段が、直流駆動モーターを用いたも
   のである請求項１記載の酸素富化モジュール。
3. （３）中空糸の内径をｄｍｍ、長さをＬｍｍとしたとき
   、Ｌ／ｄ＾３の値が１０００以下である中空糸を用いる
   ことを特徴とする請求項１記載の酸素富化モジュール。
4. （４）多孔質中空糸状支持体の内壁面に選択透過性薄膜
   を形成した酸素選択透過性中空糸からなる中空糸束を用
   いた中空糸型モジュールと、該モジュールにおける酸素
   富化空気取出口に吸引側が連結された真空ポンプ手段と
   、該真空ポンプ手段の吐出側に使用に供するための酸素
   富化空気の流出手段を少なくとも具備した酸素富化器で
   あって、該中空糸型モジュールが （ｉ）該中空糸束が収納された筒状容器であつて、該中
   空糸の中空部が開口した状態で該中空糸束の両端部が該
   容器内壁面に固定シールされた中空糸束収納セルと、 （ｉｉ）該セル内の中空糸束間隙部に連通した状態で該
   セルの壁部に具備された該酸素富化空気取出口と、 （ｉｉｉ）該セルの少なくとも一端部において該中空糸
   束の軸方向と実質上平行な軸方向を有し、発生し得る空
   気流れの実質上全量を該中空糸の中空部に流入又は該中
   空部から流出せしめるように、該セルの端部に一体的に
   具備された軸流送風手段と、 を少なくとも有したものであることを特徴とした酸素富
   化器。