JPH05212116A - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、使用に
供する酸素濃縮気体の流量が大きい場合でも、その酸素
濃度が低下しにくいように改善された装置を提供する。 【構成】サージタンク手段２に酸素濃縮気体が流入する
際に、少なくとも吸着工程の後期に流入した酸素濃縮気
体がそれ以前に流入した酸素濃縮気体と実質上混合しな
いようにしたことを特徴とした圧力変動吸着型酸素濃縮
装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大気から酸素濃縮気体
を分離して使用するための酸素濃縮装置に関するもので
ある。さらに詳細には、圧力変動吸着型酸素濃縮装置に
関するものであって、より高濃度の酸素濃縮気体が安定
して使用者に供給できるようにした改善された酸素濃縮
装置を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年ぜんそく，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
あると言われているが、その治療法で最も効果的なもの
の１つに酸素吸入法がある。

【０００３】かかる酸素吸入法とは、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って、その酸
素ガスや酸素富化空気の供給源として酸素ガスボンベが
従来より用いられていたが近年空気中から酸素濃縮気体
を分離する酸素濃縮器が開発されてからは、使用時の便
利さや保守管理の容易さから次第に普及するようになっ
てきている。

【０００４】酸素濃縮器としては主に、酸素選択透過性
膜を用いた膜型酸素濃縮器と、窒素又は酸素を選択的に
吸着し得る吸着剤を用いた吸着型酸素濃縮器の２種類が
あるが、本発明はこれらの酸素濃縮器等、なかでも吸着
型酸素濃縮器について改善を加えようとするものであ
る。

【０００５】これまでの吸着型酸素濃縮装置の主なもの
としては、コンプレッサーを用いた圧力変動吸着型酸素
濃縮装置がある。かかる装置は通常、窒素を選択的に吸
着し得る吸着剤を充填した吸着床にコンプレッサーで加
圧された圧縮空気を導入して加圧状態で窒素を吸着させ
ることによって酸素濃縮気体を得る吸着工程と、吸着床
の内圧を減少させて脱着を行なう工程を交互に行わせる
ことによって酸素濃縮気体を得るものである。この場合
に、吸着床からの酸素濃縮気体を一時的に貯留しておく
ためのサージタンクが使用され、サージタンク内に貯留
された酸素濃縮気体が吸着床の再加圧や、吸着床の脱着
のためのリンス用に用いられることが多い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した如く吸着床の
下流側に酸素濃縮気体用のサージタンクを用いたこれま
での圧力変動吸着型酸素濃縮装置では、特に高流量で酸
素濃縮気体を得ようとする際に、吸着工程の終了時近く
に吸着床で充分に窒素が吸着除去されないで窒素を比較
的多く含んだ酸素濃縮気体がサージタンクに流入しやす
くなり、結果としてサージタンクから使用に供するため
に取り出される酸素濃縮気体の酸素濃度が低くなりやす
い問題点があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、かかるこれ
までの酸素濃縮装置における問題点を解決することを目
的として鋭意研究した結果、酸素濃縮気体が吸着床から
サージタンク内に流れ込む際に、吸着工程の終期に流入
した気体とそれまでに流入した気体が混合しにくくなる
ようにサージタンクの構造を工夫することが非常に有効
であることを見い出し、本発明に到達したものである。

【０００８】即ち本発明は、酸素よりも窒素を選択的に
吸着し得る吸着剤を充填した吸着床と、該吸着床へ圧縮
空気を供給するためのコンプレッサー手段と、該吸着床
からの酸素濃縮気体を受け取り貯留するためのサージタ
ンク手段と、該サージタンク手段からの酸素濃縮気体を
使用に供するための酸素濃縮気体供給手段を備えた圧力
変動吸着型酸素濃縮装置において、少なくとも吸着工程
の後期に該サージタンク手段に流入した酸素濃縮気体が
その吸着工程のそれ以前に流入した酸素濃縮気体と実質
上混合しないようにしたサージタンク手段を用いたこと
を特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。

【０００９】かかる本発明の酸素濃縮装置には、サージ
タンク手段が細管状をなすものである場合、サージタン
ク手段が上流側領域と下流側流域の間で酸素濃縮気体の
流路が長くなるように仕切り板を具備せしめたタンクか
らなる場合、及びサージタンク手段が直列に連結された
複数のタンクからなる場合が含まれる。

【００１０】さらに本発明は、酸素よりも窒素を選択的
に吸着し得る吸着剤を充填した吸着床と、該吸着床へ圧
縮空気を供給するためのコンプレッサー手段と、該吸着
床からの酸素濃縮気体を受け取り貯留するためのサージ
タンク手段と、該サージタンク手段からの酸素濃縮気体
を使用に供するための酸素濃縮気体供給手段を備えた圧
力変動吸着型酸素濃縮装置において、該サージタンク手
段が導管手段を介して該吸着床に対して並列に連結され
た複数のタンクからなり、該導管手段に各々のタンクに
対応した自動開閉弁手段を有し、該吸着床の吸着工程の
進行に応じて順次酸素濃縮気体がタンクに流入するよう
に該自動開閉弁手段の開閉を制御する制御手段を有し、
吸着工程の初期に近い状態での酸素濃縮気体が流入する
タンクに酸素濃縮気体供給手段が連結されたことを特徴
とする酸素濃縮装置を提供する。

【００１１】本発明の酸素濃縮装置において、少なくと
も吸着工程の後期にサージタンク手段に流入した酸素濃
縮気体とそれ以前に流入した酸素濃縮気体が実質上混合
しないような構造としたサージタンク手段は、吸着床で
の吸着工程の後期に流入した酸素濃縮気体とそれ以前の
吸着工程で流入した酸素濃縮気体が実質上混合しないよ
うにした構造のものであればいかなるものでもよい。

【００１２】かかる後期とは、通常吸着工程の後半の期
間をいうが、終了時近くであって吸着工程の１／３の期
間等であってもよい。また「実質上混合しない」とは、
使用に供する酸素濃縮気体の濃度が実用的な範囲をこえ
て低下する程度までの混合が生じないことを意味する。

【００１３】具体的構造の例としては、細管状のものが
あげられ、その場合の細管の長さＬと相当直径Ｄｅの比
Ｌ／Ｄｅが１５以上、特に５０以上のものが上流側と下
流側との混合が生じにくいので好ましい。尚、そこでの
圧力損失の増加防止の点からＬ／Ｄｅは１０００以下が
実用上好ましい。尚、相当直径Ｄｅは、４×（流れの断
面積）／（浸辺長）で定義されるものである。

【００１４】またかかるサージタンク手段の他の好まし
い具体例としては、筒状，ボックス状等のタンクの内部
に仕切り板を挿入したものがあげられる。その仕切り板
の構造はいかなるものであってもよく、仕切り板がない
場合の気体の流れ方向に垂直なものや、平行なものがあ
げられる。仕切り板の数としては１枚であってもよい
が、より効果を大きくなるために複数の場合が好まし
い。かかるサージタンク内における仕切り板がない場合
の気体流路長ｌ₁ と仕切り板を挿入した場合の気体の流
路長ｌ₂ の比ｌ₂ ／ｌ₁ が２以上が好ましく、特に３以
上が好ましい。

【００１５】さらにサージタンク手段の他の具体例とし
ては、必要に応じて導管を介して直列に連結された複数
のタンクの組み合せがあげられる。この場合のタンクの
数としては、通常２〜６個が好ましい。

【００１６】また、本発明のサージタンク手段として
は、これらを組み合せたものであってもよい。さらに、
これらのサージタンク手段の少なくとも最下流側近く
に、酸素を吸着し得る吸着剤を充填して、サージタンク
手段から吸着床へ酸素濃縮気体を逆流させて吸着床の再
加圧等を行なう際に吸着工程終期の酸素濃縮気体を優先
して逆流させる効果を高めるようにしてもよい。

【００１７】また本発明の酸素濃縮装置において、吸着
床に対して並列に連結された複数のタンクから構成され
るサージタンク手段を用いてもよい。この場合には、複
数のタンクは各々専用の自動開閉弁手段を具備した導管
手段で吸着床と連結されており、吸着床の吸着工程の進
行に対応して、順次別々のタンクに酸素濃縮気体が流入
するように、各々の自動開閉弁手段の開閉を制御するた
めのマイクロコンピューター等の制御手段が具備されて
いることが望ましい。また吸着工程の初期に近い時点で
の酸素濃縮気体が流入するタンクに酸素濃縮気体供給手
段が連結されていることが好ましい。

【００１８】尚、この場合の各々の自動開閉弁の開閉を
制御して、吸着床の再加圧工程や脱着工程において、吸
着工程の終期での酸素濃縮気体が優先して吸着床に逆流
するするようにすることが望ましい。

【００１９】この場合のサージタンク手段を構成する複
数のタンクの個数としては、２〜５が好ましく、特に２
個又は３個が実用上好ましい。さらに、少なくとも酸素
濃縮気体供給手段の連結されたタンク内に酸素を吸着し
得る吸着剤を充填することが、そのタンクの容積を小さ
くしたり、そのタンクの圧力変化を小さくする等の点で
実用上好ましい。

【００２０】本発明の吸着床に用いられる吸着剤は、酸
素よりも窒素を選択的に吸着し得るものであれば、いか
なるものであってもよく、例えばモレキュラーシーブゼ
オライト５Ａ，１３Ｘなどやそれらを改質したものがあ
げられる。またサージタンク内に充填される吸着剤は酸
素を吸着し得るものであればいかなるものでもよく、例
えば上記のゼオライトやモレキュラーシーブカーボン等
があげられる。

【００２１】また本発明における吸着床は１基又は２基
以上のいずれであってもよいが、医療用の小型の酸素濃
縮装置の場合には２基以下が好ましく、特に１基の場合
が装置全体にコンパクトにしやすい点で優れている。

【００２２】本発明の酸素濃縮装置では、吸着床の再加
圧工程や脱着工程でのリンス等のために、サージタンク
手段の酸素濃縮気体が吸着床に逆流するような構成にな
っていることが発明の効果を発揮するうえで望ましい。

【００２３】本発明の酸素濃縮装置の用途としては、特
に限定されるものではなく、例えば家庭等で使用される
医療用等の用途に適している。

【００２４】

【実施例】以下に、必要により図面を用いながら、本発
明の酸素濃縮装置の具体的態様例についてさらに詳細に
説明する。

【００２５】図１は、本発明の酸素濃縮器の好ましい実
施態様の１例を示したものである。同図において、吸着
床１は酸素よりも窒素を吸着しやすいモレキュラーシー
ブ５Ａ等の吸着剤１０が充填されたものであり、リリー
フバルブ２５を備えたコンプレッサー４が流路切換弁で
ある２連式ポペット型弁５を介して導管によって吸着床
１に連結されており、さらにサージタンク２が自動開閉
弁１２を介して導管によって吸着床１に連結されてい
る。また流路切換弁５には吸気マフラー等を備えた吸気
用導管と排気マフラー等を備えた排気用導管が設けられ
ている。さらにサージタンク２には、減圧弁１９等を備
えた酸素濃縮空気取出し用導管２３が設けられている。
尚この導管２３には、さらに自動開閉弁１８，除菌フィ
ルター２０，流量設定器２２，加湿器７，鼻カニューラ
（図示せず）等が具備されていることが実用上好まし
い。尚、かかる導管手段及びこれらに具備されたもの
が、通常本発明にいう酸素濃縮気体供給手段を構成す
る。

【００２６】かかる図１の酸素濃縮装置は、特にサージ
タンク２の内部に、開口部１５を有した仕切り板１６
を、開口部の位置が交互になるようにして多数配置させ
ることによって、導管１３から酸素濃縮気体が順次サー
ジタンク２に流入して、先に流入した気体が後に流入し
た気体と混合にしにくくしたこと、即ち、吸着工程の終
期における酸素濃度がやや低くなった酸素濃縮気体がサ
ージタンクに流入してもそれ以前に流入した所定の高い
酸素濃度の酸素濃縮気体と実質上混合しにくくしたこと
を特徴としている。この様なサージタンク２を採用する
ことによって、吸着工程の終期における酸素濃縮気体が
優先的に吸着床に逆流するようになり、使用に供する酸
素濃縮気体の酸素濃度が低下しにくくなる。

【００２７】図１の酸素濃縮装置の運転態様例として
は、電磁弁１２，１８を開いた状態で、図１の如く弁５
を介してコンプレッサー４により加圧空気を吸着床１に
導入して窒素を吸着させ、得られた酸素濃縮気体が導管
１３を介してサージタンク２に貯留される。尚、図１の
サージタンク２は便宜のためその断面図で模式的に示し
たものである。サージタンク２に貯留された酸素濃縮気
体は、減圧弁１９により調圧された後、除菌フィルター
２０により除菌され、流量設定器２２により所定の流量
に設定され、加湿器７により加湿され、導管２３に連結
された鼻カニューラを経て呼吸器疾患の患者等に供給さ
れる。所定時間吸着を続けた後、弁１２を閉じて、弁５
を切り換えることによってコンプレッサー４を真空ポン
プとして使用して、吸着床１内の圧力を減圧して脱着を
行なう。所定の時間脱着を行なった後、弁５を切り換え
て加圧空気を吸着床１に導入せしめ、さらには弁１２を
開いてサージタンク２から酸素濃縮気体を逆流させるこ
とによって、吸着床を再加圧したうえで、引続き加圧空
気を吸着床１に導入しながら吸着工程を実施する。以下
順次これらの工程を繰り返す。

【００２８】尚図１中、送風機６は主にコンプレッサー
４を冷却するための冷却風を流すためのものである。

【００２９】図２は、本発明の酸素濃縮装置におけるサ
ージタンク手段が細管状のもの３０である場合を示す。
例えば直径Ｄが３２mmφ、長さが３．９ｍの細管をサー
ジタンクとして用いた図１の酸素濃縮装置では９３％の
酸素濃度の気体が得られた。尚直径Ｄが１０４mmφ、高
さが３７０mmの空筒状のサージタンクを用いた同様の酸
素濃縮装置では、９０．４％と少し低めの酸素濃度の気
体が得られた。

【００３０】図３は、本発明の酸素濃縮装置において好
ましく用いられるサージタンク３１を示したものであ
り、タンク３１の中に放射状に配置した４枚の仕切り板
３１１が収納されている。尚、仕切り板３１１は、交互
に上部又は下部にすき間３１２が出来るように収納され
ており、酸素濃縮気体が、図３に示す如く、各すき間３
１２を通って仕切られた空間を順次通過する。

【００３１】図４は、本発明で用いられるサージタンク
の一例であって、円筒上のタンク３２において、うずま
き状の仕切り板３２１が収納されたものである。

【００３２】図５は、本発明の酸素濃縮装置において有
利に用いられる吸着床に対して並列した３個のタンク３
４，３５，３６からなるサージタンク手段を示したもの
である。マイクロコンピューター等の制御手段によっ
て、吸着工程の初期に電磁弁３７を開き、中期に電磁弁
３８を開き、終期に電磁弁３９を開いて、各期間毎の酸
素濃縮気体を別々にタンク３４，３５，３６に流入させ
る。さらに吸着床の再加圧や脱着のためのリンスの際に
吸着床に酸素濃縮気体を吸着床に逆流させる場合に、電
磁弁３９，３８，３７の順に開くようにすることが望ま
しい。尚、図５の如く、タンク３４に酸素を吸着し得る
吸着剤を充填すれば、より高濃度の酸素濃縮気体を使用
に供することが容易にできる。

【００３３】

【発明の効果】本発明の酸素濃縮装置は、より高濃度の
酸素濃縮気体が安定して使用者に供給できるようにした
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素濃縮装置の好ましい実施態様例を
模式的に示した概略フローチャート。

【図２】本発明の酸素濃縮装置に用いられる細管状のサ
ージタンク手段。

【図３】本発明の酸素濃縮装置に用いられる気体の流れ
方向に仕切り板を有したサージタンク手段。

【図４】本発明の酸素濃縮装置に用いられるうずまき状
の仕切り板を有したサージタンク手段。

【図５】本発明の酸素濃縮装置に用いられる並列タンク
からなるサージタンク手段。

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【手続補正書】

【提出日】平成５年３月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着
   剤を充填した吸着床と、該吸着床へ圧縮空気を供給する
   ためのコンプレッサー手段と、該吸着床からの酸素濃縮
   気体を受け取り貯留するためのサージタンク手段と、該
   サージタンク手段からの酸素濃縮気体を使用に供するた
   めの酸素濃縮気体供給手段を備えた圧力変動吸着型酸素
   濃縮装置において、少なくとも吸着工程の後期に該サー
   ジタンク手段に流入した酸素濃縮気体がその吸着工程の
   それ以前に流入した酸素濃縮気体と実質上混合しないよ
   うにしたサージタンク手段を用いたことを特徴とする酸
   素濃縮装置。
2. 【請求項２】該サージタンク手段が細管状をなすもので
   ある請求項１の酸素濃縮装置。
3. 【請求項３】該サージタンク手段が、上流側領域と下流
   側領域の間で酸素濃縮気体の流路が長くなるように仕切
   り板を具備せしめたタンクである請求項１の酸素濃縮装
   置。
4. 【請求項４】該サージタンク手段が直列に連結された複
   数のタンクからなる請求項１の酸素濃縮装置。
5. 【請求項５】酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着
   剤を充填した吸着床と、該吸着床と圧縮空気を供給する
   ためのコンプレッサー手段と、該吸着床からの酸素濃縮
   気体を受け取り貯留するためのサージタンク手段と、該
   サージタンク手段からの酸素濃縮気体を使用に供するた
   めの酸素濃縮気体供給手段を備えた圧力変動吸着型酸素
   濃縮装置において、該サージタンク手段が導管手段を介
   して該吸着床に対して並列に連結された複数のタンクか
   らなり、該導管手段に各々のタンクに対応した自動開閉
   弁手段を有し、該吸着床の吸着工程の進行に応じて順次
   酸素濃縮気体がタンクに流入するように該自動開閉弁手
   段の開閉を制御する制御手段を有し、吸着工程の初期に
   近い状態での酸素濃縮気体が流入するタンクに酸素濃縮
   気体供給手段が連結されたことを特徴とする酸素濃縮装
   置。