JPS59115726A - 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】 本発明は窒素より大きい汀（２で酸素を透過させること
ができる選択透憫１１αを用い、大気から酸素の豊富な
空気を安定（、て効率よく苅る装置忙関するものであり
、特に医療用に使用するに適した脱法による酸素富化器
に関するものである。

近年ぜんそく、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸気系器
官の疾患圧苦しむ患者が多く、その最も効果的な治療法
の一つとして酸素吸入法がある。

しかしこの酸素吸入法において６０％以上の高酸素濃度
空気を吸入させると、治療効果よりか先って肺炎症状や
神経障害等を起し、害忙なることが知られており、ｌ’
ｌ！素濃度は長時間吸入しても安全である５０％以下が
一般に用いられる。

一方、酸素源としては切花の多くは深冷分離法によって
得た純９素ボンベ等につめ供給する方法あるいは液化酸
素を直接蒸発させて配管により供給する方法がとられて
いるが、純酸素ガスを空気で混合稀釈して所望の酸Ｘ［
度に下げること、酸素切れの監視、純酸素カスによる火
気管理の厳しさ、あるいは高圧ボンベの増扱い等管理の
厳しさが要求され、また、取換色や運搬に煩雑さがある
。そのためこの方式は特Ｋ　一般家庭内で使用するのは
困難である。

一方大気中の酸素分離・濃縮法としては、酸素より窒素
をより選択的に吸着するゼオライト等の吸着剤を用いた
吸着分離法が知られている。

この吸着分離法による医療用酸素富化器が最近開発され
ているが、吸着剤に空気を吸着及び離脱させる必要件か
ら、操作圧力は加圧及び／又は減圧を繰返す、いわゆる
プレッシャー・スイング方式であり、騒音が太き（その
騒音が大きくなったり小さくなったりの繰返しで使用者
、特に病人にとって苦痛を感じさせる。更にこの吸着法
によって得られる酸素濃度は一般に５０〜９０％の高酸
素濃度空気であり、また吸着剤は水蒸気をより吸着する
ので、得られる空気は乾燥空気であり、吸入療法にあた
っては別途加湿が必要となる。

そこで空気中より連続的に酸素富化空気を得、しかもそ
の富化空気が長時間吸入しても安全であるｓ　ｏ　％　
Ｊ〕下の酸素濃度であり、騒音の小さい、かつ耐久性の
ある、小型の酸素富化器が開発できれば長期に亘る呼吸
気系器官疾患者忙とって極めて望ましいことである。

か〜る要求にかなう酸素富化器として、窒素より大きい
速度で酸素を透過させることができる選択性酸素透過膜
を用いた脱法による富化器が提案されている（例えば特
開昭５１−６８７６゜特開昭５１−５２９１号公報参照
）、。

この脱法による酸素富化器の特徴は、一般に膜の酸素と
９素の選択性は２〜５の範囲にあることから一般の空気
分離で得られる酸素濃度は５０チ以下であること、一般
に酸素及び窒素より水蒸気の透過の方が大きいため膜を
透過して得られる富化空気は加湿されてでてくるため特
に！！ｌ！素富化空気吸入時に加湿を必要としないこと
、膜自体が超フィルターであるためゴミや細菌などの全
くない清浄空気として得られること、さらに操作圧を減
圧だけすなわち真空ポンプを使用した場合騒音の小さな
富化器ができることなどにあり、減圧タイプの脱法酸素
富化器は医療用として最適な富化器と言える。

ところ′Ｃ−膜法ｆｔり得られる酸素富化空気は前述の
通り水蒸気の透過の方Ｄ・大きいため空気中食まれる水
蒸気が濃縮されて含まれる。これを更に詳しく定量的に
説明すると、一般の高分子よりなる酸素選択透過膜にお
いては水蒸気の透過係数は酸素の透過係数に比し一桁も
大きいことが通常で、このような場合１（λの大気と接
触する側（以下虎流ｆｉＩｌ、高圧側あるいは大気側と
よぶ）を大気圧下（通常７６０Ｔｏｒｒ）で、ガスの透
過する側（以下透過側、低圧側あるいは富化空気側とよ
ぶ）を減圧下とした状態で膜を透過した富化空気中の水
蒸気割合および大気に対する水蒸気の濃縮割合は大路次
式で表わされる。

ｔ＋　＝　ＲＨＲ−ｈ　ｓ　／　ＰＬ ｔ・＝　Ｒ）［Ｒ−ｈ　ｓ　／　ＰＨ ）’　　＝　ｔ＋　／　ｔｏ　　＝　ＰＨ７Ｐｌ。

である。

医療用酸素腐化器に用いうる実用的な真空ポンプの範囲
では通常低圧側圧力ＰＬは１００〜２００　Ｔｏｒｒで
あり、上式にあてはめて高圧側圧力ｐＨを７６０　Ｔｏ
ｒｒとして水蒸気濃縮倍率ｙを求めると３．８〜７．６
倍となっており、富化空気は減圧下あるいは高温下では
その中産含まれる水蒸気は凝縮しないが常圧下圧移行す
る及び／又は温度が低下した場合忙は容易に水蒸気が凝
縮し導管部に水滴となって付着する。

このような導管部での水滴発生は膜透過直後でのような
無菌雰囲気ドでは細菌の繁殖の場とはならないが、富化
器から出た導管部のように使用時ＪＢＩ外の時大気と接
触する可能性のある場盾では浸入あるいは付着細菌の繁
殖の場となり爾後使用時吸入用空気としては不適となる
し、またたとえ無菌であるにせよ導管内に付着した水分
が患者の富化空気吸入部へ輸送され患者に不快感を与え
るのみならず、咳・クシャミを誘起する原因ともなる。

このため腓法を採用する酸素准化器においては富化器の
内部で積極的釦過剰水分を除去する手段が工夫されてい
る。一般的には真空ポンプを出てきた酸素富化空気の通
る導管を取入空気と効率よく接触させる熱交換器状に構
成し、該熱交換器状導管（以下冷却手段と略記する）で
富化空気を取入空気の温度をで近〜・温度迄冷却し過剰
水分を凝縮せしめ、凝縮し、た過剰水分ど非凝縮水蒸気
・酸素濃縮空気を含む富化空気を分離する手段（以下水
分分離手段と略記する）を設けて過剰水分を除去してい
る。

然るＫ、か匁る冷却手段及び水分分離手段の構成をとっ
ても冷却手段により冷却される富化空気の温度は取入空
気温度以下には下りえ１、一般的には０．５〜２℃程度
高く、富化器から出た導管部では水滴の発生速度は遅（
・とは云え除徐罠導管壁に発生しやがては成長し、患者
の方へ富化空気移動に伴なう粘性力で移動してゆき、前
述の患者に見られる問題が発生する。この様な現象は夏
期の如き高温多湿時クーラー等を使用する時あるいは冬
期での扉の開閉あるいは換気のための窓の開閉がなされ
る時顕著である。

即ち夏期のクーラー使用時の場合、クーラーの温度制御
中に起因する室温の変動があり、富化器外へ出ている導
Ｗ（輸送導管と略記する）は寸法が小さく熱容量も小さ
いため導管の外壁は冷風（平均室温より低い温度の室内
循還風を意味する）罠より急速に冷却され平均の室温以
下の温度となり、一方富化器自体は熱容量も太きく富化
器より排出される富化空気は平均室温より大きくは下が
らないため、結果的に輸送導管内での水滴発生が急激と
なり、一度発生した水滴は容易に再蒸発せず結果的に輸
送導管内での水滴蓄積となってしまう。一方冬期の場合
、扉あるいは窓の開閉で冷気が浸入すると冷気は床近く
を流れ、床近くの空気温度は平均室温よりかｔ、【り近
い温度となってしまう。一般罠上述の輸送導管は富化器
より患者の吸入部位迄の間は床上Ｋ　１！、かれること
が多く、このような冷気浸入時ＶＣ＠送導管外壁が平均
室温以下に冷やされ、容易に輸送導管内での水滴発生を
誘起し、前述の夏期クーラー使用時と同様の問題となる
。

この対策として、輸送導管内で発生した水分をとるため
のトラップを患者吸入部位置前に設けるとか、輸送導管
を保温あるいは加熱手段を輸送導管に沿わせたヒーター
付導管を使用する方策がとられているが、前者はよほど
注意しないと細菌の繁殖の場となりうるし後者の導管に
工夫をこらす方策は寸法が大きくなり高価になるととも
に導管の可撓性が減少１−取扱い上不便となってくる。

本発明者らは、脱法による酸素富化器の加湿不用なる特
徴を生かし、上述の如きの使用時の問題を解消すべく鋭
意研究した結果本発明に到達したものである。

すなわち、本発明は大気より酸素富化空気を得る酸素富
化器であって、選択性酸素透過膜よりなるエレメントの
多数の配列を収納したモジュール、該モジュールの各エ
レメントの内部を減圧圧し、かつ酸素富化空気を取り出
すための真空ポンプ、前記１列に大気の流れを生じさせ
る手段、器外から取り入れられる大気の流れと接触し真
空ポンプから出てくる「俊素富化空気の温度を下げ、か
つ酸素富化空気に過剰に含まれる水蒸気を凝縮させる冷
却手段、凝縮水分を酸素富化空気より分離する水分分離
手段及び酸素富化空気を使用のために取り出す手段から
主として構成され、前記冷却手段が前記配列に向５大気
の流れの中に設置されて大気の流れと接触する部分の少
なくとも一部が前記水分分離手段で分離された水分を保
持する機能を持つ部材又は部位を有することを特徴とす
る酸素富化器である。

か〜る本発明の酸素富化器は、例えばそれを使用する患
者に向う輸送導管内に水滴発生が認められず、かつ効率
よく酸素富化空気を供給することができる。

かかる本発明の富化器を図面を用いて更に詳しく説明す
るが、図面は本発明の一実施態様を示すにすぎず、本発
明はν１面により制限を５けるものではない。

第１図は脱法による酸素富化器の構成を模式的に示した
もので、破線は大気側の空気の流れを、実線は隣素富化
空気側の流れを示す。破線で示される様に酸素富化器の
周囲の室内空気は空気取入口ｌより酸素富化器内に導ひ
かれ冷却手段２と接触した後７７ン３によりモジュール
４内に送られモジュール４内で酸素濃度の低くなった空
気（貧化空気）は真空ボンフ５を冷却した後噛素富化器
外へ空気排出口６より排出される。この様な空気の流れ
糸路は酸素富化器の内部筐体構造を工夫して形成さ矛す
るのが一般的である。

モジュール４には追択性峻素透過膜よりなるエレメント
（図示せ′１）が多数配列され、該エレメントの透過膜
の片側には室内空気がファン３により掃引される流路が
、反対側には該透過膜を透過した富化空気が流れる流路
が夫々設けられ、上記透過膜が中空糸状に形成されてい
る場合は中空糸自体が上記流路を構成することとなるが
、平面状に形成されている場合（一般的には枠組積層あ
るいはスパイラルと呼ばれている）は通常透過側に流路
形成部材を設け（ｖＩｉ、素富化空気の流れが円滑にな
るよう配慮がなされるこの様な構造をもつ透過膜の両側
に圧力差があると、その両側の圧力比に応じて透過側に
酸素濃度の高い空気が得られる。ちなみに、高圧側の圧
力を７６０Ｔθｒｒ（大気圧）、低圧側の圧力を１６０
　Ｔｏｒｒ、透過膜の選択性を４（酸素の透過速度が窒
素のそれの４倍）の時通常空気を供給した際には酸素富
化空気中の酸素濃度は約４０％となる。

この圧力比の発生手段、即ち高圧１ｌＩＩｌが大気圧の
場合では減圧発生手段として真空ポンプ５が設けられ、
該真空ポンプ５の吸引ロアは前記エレメントで発生する
富化空気を集める導管手段８と導管９で連通され、富化
空気は真空ポンプ５内で圧縮され、大気圧以上の圧力で
吐出口１０より導管１１へ排出される。

導管１１の他端は冷却手段２に連通し、該冷却手段２で
真空ポンプ５の吐出口１０より排出された高温の富化空
気と多量に掃引される室内空気が熱交換をし、高温の富
化空気が室温近くの温度まで冷却されるとともに富化空
気内に過剰に含まれる水蒸気が冷却凝縮される。このよ
うに冷却されて水滴の混在した富化空気は導管１３を通
って水分分離手段１４に導びかれ、凝縮水分と飽和水蒸
気分を含んだ富化空気と釦分離され、富化空気は導管ｔ
Ｓ、水分ＰＡｅ用減圧手段１６．導管１７１／７１：導
びかれ、流量計１９で流量を監視しながら流量調節弁１
８で吸入療法に必要な富化空気流量となる様に尚節して
使用に供され、一方水分分離手段１４で分離された水分
は導管２０を介して排出される。この際、冷却手段２に
室内空気に争に接触させる場合冷却される常化墾気の焼
度は室内空気の温度以下にはなり得す、通常室内空気温
度より０．５〜２℃程度高く、先述の如く酸素富化器か
らの輸送導管での水滴付着の問題が発生する。このため
水分分離手段１４の酸累富化空気−ト流側に水分調整用
減圧手段１６を設け、冷却手段２での水分＠縮時の子方
を大気圧より高りシ寓化空気の水蒸気分圧を室内空気温
度に相当する飽和水蒸気の分圧以下とする方策がとられ
る。か瓦る手段をとる場合、蓚縮時のＩＥ力を高くとれ
ば先述の輸送溝・′ｎでの水滴付着の問題は解消される
が、導貿２０内での圧力降下を相当大きく発生させる工
夫が無いと導管２０からの酸素富化くと気の洩れが大き
くなり、導管１５へ導びかれるｒｖｌ素宵化空気景の減
少及び真空ポンプの吐出側が相当の加圧状態のため吐出
流量減少および所要動力増大と新たな問題が発生し、い
たずらに上記減圧手段１６で圧力降下を太き（すること
は出来ない。

然るに本発明では、水分分離手段１４で分離された水分
は導管２０を介して冷却手段２の外表部２１（即ち室内
空気と接する部位）に導びかれ、該外表部２１では水分
と室内空気が接触しているため室内空気の相対湿度に応
じて外表部２１の付着水分が蒸発してこの蒸発水分の蒸
発潜熱に応する白変だけ室内空気温度より外表部２１が
過冷却され、冷却手段２の熱交換部の表面温度は実η的
に室内空気温度以下に冷却される。通常の酸素富化器の
構成・構造では、室内空気の相対湿度にもよるがこの過
冷却温度は１〜４℃で生成される富化空気の温度は室温
と同程度あるいはそれ以下となり、先述の輸送導管での
水分付着の問題は解消される。一定温度の室内では、先
述の減圧手段を用いずとも本構成のみで酸素富化器の機
能は十分発揮されるか、一般に室内の温度は局所的に見
ればたえず変動しており、これらの小ｌＪではあるが急
峻な温度変化に対応するため、前記減圧手段の併用が望
ましく、特に冬期の室内暖房時の扉開閉時の冷風、ある
いは夏期の冷房時のクーラーの入切による冷ＩＮ、　／
品度変化がある場合に有効である。従ってより好まし、
（・酸素唐化器の構成は該減圧手段の減圧度を調整出来
るようにすることである。

全体的空気調和システムを採用している病院等に於ては
通年に亘って冷風等による温度変化も少なく、前記減圧
手段は必すしも必要はない。

本発明忙か又る酸素富化空気の過冷却の効率的７．ｃ実
施方法は、酸素富化空気の冷却手段全周Ｗ亘−って過冷
却となるように−すればよいが、室内の相対湿度が低く
かつ水分の蒸発速度が大きい構成をもたせた時過冷却忙
よるＩ俊素富化空気の温度が下り１ぎる場合があり、水
分の湿潤状態を発イボさせろ態様匠応じて冷却手段の一
部あるいは全周で水分蒸発を行なわせねばならない。

当然のことながら、水分蒸発速度の遅い態様では冷却手
段の熱交換面積の中での過冷却部の面積は増大する。

以下に過冷却の欅々の実施鴨様につき更に詳述する。水
分分離手段で分離された水分を冷却手段に確実に保持さ
せるためには、冷却手段の過冷却実施部位（以下過冷却
部と略す）に、それ自体が吸湿性をあるいは水分保持機
能を有しかつ付着した水分を効率よく蒸発させるため室
内空気と酸素富化空気との間の熱移動速度が大きい構成
をとる必要がある。

最も一般的には過冷却部にガーゼ、不織布。

綿等の吸湿部材を薄く取り付け、これらの部材の繊維間
、網目間に水分保持をさせる方法である。この場合吸湿
部材の単位面積当りの水分保持量が大きくかつ熱移動速
度も大きいので、通常は冷却手段全表面の１１５〜１　
／　３程度の過冷却部で十分であるう この様に部分的罠過冷却部を設ける場合、室内空気の温
度が出来るだけ低く、かつ酸素富化空気も出来うる限り
低い所で実施することが望ましく、このため冷却手段は
向流的に配置するのがよく、室内空気を上昇気流となす
のが器内構成上好ましい。従って堝冷却部は冷却手段の
１汁３より設置していくことが好適である。

−力水の表面張力を利用して過冷却部に水分を保持せん
とする場合には多孔質スポンジ、金網、プラスチックネ
ット等が採用できる。この際水分保持機能が割合小さく
又熱移動速度が水の熱的性質に左右されるので、実施の
除は注意を要する。本発明者らの検討結果によれば、水
分保持量が部材の体積に対してｌｏｖ／ｖ％以上。

部材の総厚みが２朋以下が好ましい。

表面張力を利用し、かつ熱移動速度を大きくした過冷却
部構造として第２図あるいは第３図が好ましい。第２図
は冷却手段の周りに薄いヒレ、即ちフイ７３０ａ、　３
０ｂを設はフィン表面に水分を保持させフィン上を水分
が次々とあるいは流れる間罠水分を蒸発させるもので、
酸素富化空気への熱移動は主としてフィンを介して行な
われる。フィンの形態としては板状で熱伝導度に優れた
ものであればどのようなものでもよいが、金属性金網は
水分保持性も向上し好適であり、フィンをら旋状忙形成
する事も好適である。

第３図は過冷却部表面そのものに水分な保持させる構造
であり、冷却手段の表面に凹凸３２が設げられている。

過冷却部面積は太き（要するが構造が簡便で、凹凸をら
旋的に構成すれば更に性能がよくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素富化器の空気の流れ及び各部の作用効果を
示すための全体構成図で、第２図。 第３図はそＪｌぞれ、本発明の酸素富化器に使用される
冷却手段の部分拡大図の一例を示す図である。 （良）（ｂ） ｆ２／狽 才３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　大気より［俊素寓化空気を得る酸素富化器であっ
   て、選択性酸素透過膜よりなるエレメントの多数の配列
   を収納したモジュール、該モジュールの各エレメントの
   内部を減圧にし、かつ酸紫畠化空気′ｔ！：取り出すた
   めの真空ポンプ、前記配夕１０℃大気の流れな生じさせ
   る手段器外から取り入れられる大気の流れと接触し真空
   ポンプから出てくる酸≠富化空気の温度？下げ、かつ酸
   素富化空気Ｗ過剰に含まれる水蒸気を凝縮させる冷却手
   段、＃縮水分を酸素ｚＷ化空気より分離する水分分離手
   段及び酸素富化空気を使用のために取り出す手段から主
   として構成され、前記冷却手段が前記配列に向う大気の
   流れの中に設置されて大気の流れと接触する部分の少な
   くとも一部が前記・水分分離手段で分離された水分を保
   持する機能を持つ部材又は部位を有することを特徴とす
   る酸素富化器。 ２、　該水分分離手段と酸素富化空気を使用のために取
   り出す手段との間に減圧手段を有する第１項記載の酸素
   富化器。 ３　該水分分離手段で分離された水分を保持するための
   冷却手段の外側の一部又は全部を囲うガーゼ、不織布、
   綿等の吸湿部材を有する第１項又は第２項記載の酸素富
   化器。 ４　該水分分離手段で分離された水分を保持するための
   冷却手段の外側の一部又は全部を囲う水分保持量が１０
   　ｖ　／　ｖ％以上で厚さが２寵以下の多孔質スポンジ
   、金網、プラスチックネット等の水分保持部材を有する
   第１項又は第２項記載の酸素富化器。 ５、　該冷却手段の外側・の一部又は全部の表面が、凹
   凸表面を有しその凹凸表面が水分を保持する。機能を有
   するものである第１項又は第２項記載の酸素富化器。