JPS6136104A - 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】 し技術分野〕 本発明は窒素より大きい速度で酸素を透過させることが
できる選択透過膜を用い、大気から酸素の富化された空
気を安定して効率よく得る装置に関するものであり、特
定の水分離手段によって酸素富化空気中の過剰の水分を
除去することによって特に医療用に使用するに適した酸
素富化器に関するものである。

［従来技術］ 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、治療効果よりかえって肺炎症状や
神経障害等を起し、害になることが知られており、酸ｉ
ｉｉは調時間吸入しても安全である５０％以下が一般に
用いられる。

かかる酸素濃度が５０％以下の酸素富化空気を長時間供
給するための言わゆる酸素富化器として、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せている（例えば
特開昭５１−６８７６、特開昭５１−５２９１＠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
窒素の選択性は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％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
に酸素富化空気吸入時に加湿を必要どしないこと、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。

ところで脱法により得られる酸素富化空気は前述の通り
水蒸気の透過の方が大きいため空気中介まれる水蒸気が
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、このような場合膜の大気と接触する側（
以下源流側、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　　Ｉ　＝ＲＨＲ−ｈｓ／ＰＬ ｔ　　ｏ　＝ＲＨＲ−ｈｓ／ＰＨ Ｖ　　＝ｔ　　Ｉ／ｊ　　ｏ　＝Ｐ）ｌ／ＰＬここで ｔｌ；富化空気中の水蒸気割合（Ｖ　／Ｖ％）ｔｏ；大
気中の水蒸気割合（Ｖ　／Ｖ％）ＲＨＲ：大気側の相対
湿度（％） ｈＳ；大気側温度での飽和水蒸気圧 （＃ｌ＃ｌＨｇ） ＰＬ；低圧側圧力（Ｔｏｒｒ） Ｐ１］；大気側圧力（通常７６０）　　（Ｔ　ｏｒ）Ｖ
；富化空気中の大気に対する水蒸気濃縮倍率（−） である。

医療用酸素富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１００〜２００Ｔ　ｏｒｒで
あり、上式にあてはめて高圧側圧力ＰＨを７６０Ｔ　ｏ
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
その中に含まれる水蒸気は凝縮しないが常圧下に移行す
る及び／又は温度が低下した場合に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、富化器から出た導管
部のように使用時以外の時大気と接触する可能性のある
場所では侵入あるいは付着細菌の繁殖の場となったり、
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ミ咳・クシャミを誘
起する原因ともなる。このため脱法を採用する酸素富化
器においては富化器の内部で積極的に過剰水分を除去す
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に近い
温度迄冷却し過剰水分を凝縮せしめ、凝縮した過剰水分
と非凝縮水蒸気・酸素濃縮空気を含む富化空気を分離す
る手段（以下水分離手段と略記する）を設けて過剰水分
を除去している。

このため、成型酸素富化器の水分離器では、該水分離器
の水分排出口より酸素富化空気の一部を漏洩させつつ水
分の排出を行なう手段が講じられている。即ちこの水排
出手段としてこれまでは、水分排出口の端部に可撓性チ
ューブを接続し該チューブ内にアクリルｌ　Ｉｆｔ等の
疎水性ＩＩの糸束を充填し、その充填密度及び糸束長を
適当に選択することによりそこを酸素富化空気及び水分
が通過する際の流動抵抗を生ぜしめ水分排出を完全にし
つつ酸素富化空気の漏洩量を可及的に小さくする方法が
用いられていた。

しかしながら疎水性繊維を充填物として用いた場合には
、導水性が乏しく、凝縮分離された水分を多量に排出さ
せるためには酸素富化空気を多聞に排出水に同伴させて
排出することが必要であり、そのため、同伴して排出す
る酸素富化空気に相当する酸素富化膜を余剰に搭載使用
しなければならず、経済的に非常に不利であった。又、
多聞の酸素富化空気を排出させる際の排出音が、酸素富
化器使用者に不快感を与えることになる。この排出音は
、騒音レベルの低い夜間の使用に際して非常に不都合で
ある。

［発明の目的及び構成］ 本発明者等は、かかる成型酸素富化器における欠点を解
消することを目的として、脱型酸素富化空気中の水分離
手段に具備される水排出管において排出水に同伴して排
出する酸素富化空気量を極力少（することにより経済的
で排出音のない水排出管の構成について鋭意研究した結
果、本発明に到達したものである。

即ち本発明は、大気より酸素濃度の高められた空気を得
るための装置であって、窒素より酸素を選択的に透過せ
しめる選択透過膜を有するエレメントの配列と、該配列
に大気を送りこみ且つ酸素貧化空気を取り出す大気移動
手段と該エレメントの内部の圧力をその外部の圧）〕よ
り低下せしめて且つ該内部より酸素富化空気を取り出す
酸素富化空気取出手段と、該酸素富化空気取出手段から
取り出された酸素富化空気の温度を低下せしめ過剰に含
まれる水蒸気を凝縮させる冷却手段と、該酸素富化空気
より凝縮した水分を除去するための水分ｌ１１１１手段
と、水分除去後の酸素富化空気を使用のために送り出す
酸素富化空気送出手段を有する酸素富化器において、該
水分離手段が該冷却手段からの酸素富化空気の導入口と
、該送出手段への酸素富化空気の導出口、及び該酸素富
化空気から分離された水分の排出口を有し、且つ該水分
排出口には親水性ｌＪ維と疎水性繊維からなる繊組集合
体が充填された水排出手段が具備されていることを特徴
とする酸素富化器を提供するものである。

以下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
はかかる図面により何ら制限をうけるものではない。

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、実線は酸素富化
空気側の流れを、１点鎖線は排出される水の流れを示す
。破線で示される様に酸素富化器の周囲の空気Ａは、フ
ァン３の吸収力により空気取入口１より吸引されて酸素
富化器内に導かれ冷却手段２と接触した後モジュール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（負化空気）は真空ポンプ５を冷却した後ファン３を
経由し通路２２を通り富化空気の加温手段としての熱交
換器１２及び通路２３を経て、酸素富化器外へ空気排出
口６より排気Ｃとして排出される。

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
工夫して形成されるのが一般的である。

モジュール４には選択性酸素透過膜よりなるエレメント
（図示せず）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
成部材を設は酸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。

この圧力比の発生手段、即ち高圧側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１
０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
って水分離手段１４に導かれ、凝縮水分と飽和水蒸気を
含んだ富化空気とに分離され、富化空気は導管１５．オ
リフィス、バルブ等の水分調整用減圧手段１Ｇ、導管１
７に導かれ、流量計１９で流量を監視しながら流量調節
弁１８で吸入療法に必要な富化空気流量となる様に調節
し酸素富化空気Ｂとして使用に供される。

−力水分離手段１４で分離された水分は水排出手段２０
を介して排出される。この際、冷却手段２に室内空気に
単に接触させる場合冷却される富化空気の温度は室内空
気の温度以下にはなり得ず、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。かかる問題の発生を
防止するために第１図に示す如く、冷却手段２の一部で
ある外表部２１（即ち大気と接する部位）に吸湿性部材
からなる水分保持機能２１を設け、その水分保持機能部
の少なくとも一部に前記排出手段２０から排出された水
分を供給させて、そこで水の蒸発を行なわしめてその気
化熱によって冷却を行なうことが望ましい。

本発明は、かかる酸素富化器の該水排出手段２０におい
て、前記した如く排出される水に同伴して排出される酸
素富化空気の量を極力小さくして、且つ凝縮水の全てが
そこから排出されるべく、水の流動抵抗と空気の流動抵
抗を種々の条件において非常に良好にバランスせしめた
ことを特徴とするものである。即ち本発明の水排出手段
は、親木性ＩＩ　ｌｌｔと疎水性ＩＩ　１ｆｆｌの両方
からなるｌｌｌ１ｔ集合体を充填したものである。

該水排出手段の形状としては、いかなるものでもよいが
、該水分離手段の種々の運転状態に適応し得る形態とし
て管状体中に該繊維集合体が充填されたものが望ましい
。

該管状体の形状は、その内径として１〜２０ｍｍが好ま
しく特に２〜８Ｍが好ましく、また内径（Ｄ）と充填長
さくＬ）の比Ｌ／Ｄとしては１０〜１ｏｏｏが好ましく
特に５０〜５００が好ましい。また該管状体の素材とし
ては、銅、アルミ、鉄等の金属、ガラス、樹脂等の管状
を保持するいかなるものでもよいが、可撓性を有するも
のの方が、該富化器の組立て及び点検保守を行なう場合
に操作が容易であり、その具体例としてポリプロピレン
、ポリビニルクロライド、シリコンゴム、ポリエチレン
等の軟質のものが挙げられる。

本発明にかかる疎水性繊維の素材としてはポリエステル
、アクリル、ポリプロピレン等の合成繊維や、ガラス繊
維、金属繊維等の無機繊維が好ましく、又、親水性繊維
の素材としては木綿、レーヨン、麻等のセルロース系ｉ
ｌ＃Ｉｉ及び羊毛等の動物性繊維が好ましい。

かかる親木性ｌｌｆｔ及び疎水性繊維の形状としては特
に限定されるものではなく、例えば長繊維状でも短繊維
状でもよく、また中実繊維でも中空繊維でもよい。さら
に該繊維の太さとしては、集合体として充填せしめた状
態において、分離除去すべき水が毛細管の原理によって
該集合体中を移動できる程度にｍ維どうしが密着できる
ものであればよく、その具体例としては該繊維の平均外
径が５〜１００μの範囲にあるものが望ましい。

本発明における水排出手段は、以上の如き親水性繊維と
疎水性繊維の両方からなる繊維集合体を充填したもので
あるが充填される疎水性繊維と親水性繊維の組合せもし
くは混合の形態としては、織布、不織布、混紡糸、フェ
ルト状物等の成形されたものや、単なる短繊維を混合し
たものや長繊紺を混合又はひきそろえたもの等のいづれ
の形態でも良いが、混紡糸が特に好ましい。

またかかる親水性綴紐と疎水性繊維の混合比としては、
親水性繊維の使用重量／疎水性繊維の使用重量比で表わ
して、０．１〜３が好ましく、更に０．１〜１が好まし
く、特に０．３〜０．７の範囲が好ましい。

さらに該ｍｔａ集合体の充填状態としては、Ｉ維又は糸
を集束体状にして該管状体内に長手方向に沿って充填し
たものが好ましい。また該管状体内に充填された繊維集
合体は、その端部または中間部においてその少なくとも
その１部を接着、結束等によって該管状体内に固定して
もよいが、必要がな【ブれば特に固定しなくてもよい。

該ＩＩｉ維集金集合体填部における充填率としは、分離
除去すべき水が毛細管の原理によって移動できる程度に
繊維どうしが密着している範囲であれば特に限定されな
いが、その下限としては酸素富化空気排出量を低くおさ
えるために、５ｖｏ１．％が好ましく、特に１０ｖｏ　
ｌ　０％が好ましい。また充填率の上限としては、水排
出量の点で４０ｖｏ１．％が好ましく、特に２０ＶＯ１
１％が好ましい。

更に本発明の酸素富化器におけるかかる水排出手段とし
ては、次の条件を満足するものが好ましい。即ち、該排
出手段の特性として、その背圧（入口側圧力と出口側圧
力　７６０ｓＨｇとの差）が１０ＩｎＩｎＨｑ、温度が
室温において、（ａ）その内部が実質的に乾燥された状
態での空気排出量Ｖ＋［ｃＣ（７６０ｍｍ　Ｈ９）　／
　ｍｉｎ　］と酸素富化空気（第１図における導管１７
を通過する空気）の流量Ｖ［ＯＣ（７６０ｓＨ（１）　
／ｍｉｎ　］との比Ｖ＋／Ｖが０．０２以下であること
、及び山）その内部が実質的に水で充填された状態での
水排出ｆｆ１Ｖ２［ｃｃ／ｍｉｎ　］と該酸素冨化空気
流ｆｆ１Ｖ　［ｃｃ（７６０ｍｍｌ−１（１）　／＋ｎ
ｉｎコとの比Ｖ２／Ｖが０．０００１以上であることが
満足されることが望ましい。更に該比Ｖ＋／Ｖとしては
０．００１〜０．０１が好ましく、該比Ｖ２／Ｖとして
は０．０００２〜０．００１の範囲にあることが望まし
い。

［発明の効果コ １５一 本発明による酸素富化器は、酸素富化空気中の過剰水分
の排出手段において、その広範な運転状態における酸素
富化空気の同伴排出量を極めて少く、ずなわち同伴によ
る酸素富化空気の損失を極めて少くすることができる、
経済的な酸素富化器を提供するものである。

以下実施例をあげて、本発明をさらに詳細に説明するが
、本発明の酸素富化器はかかる実施例によって何ら限定
されるものではない。

実施例１ ポリプロピレン多孔質支持体上に成形したポリ４−メチ
ルペンテン−１の極薄膜を両面に配したエレメントの配
列を内蔵した第１図に示す如き模型酸素富化器において
、水排出手段２０として、内径３　ｒｎｍの軟質塩化ビ
ニールチューブ内にアクリルｒａｍ＜平均外径的１３μ
）６５重量％羊毛（平均外径的１６μ）３５重量％の混
紡糸（長さ８０Ｃｍ、単糸４本毎により合わせたものが
５本、総乾燥重量０．９３ｇ）を束状にしてほぼ均一に
充１ｆ４　（充填率１４ｖｏｌ。

％）せしめたものを組み込んで、２５℃において真空ポ
ンプの吸引側を１６０ｍ　Ｈｇａｂ、で運転して酸素濃
度４０％の富化空気を６．Ｑ／ｍｉｎの流量で得た。

その場合の該水υ１１部段の背圧（即ち水の入口側の圧
力と出口側の圧カフ６０ｍｍＨ９との差）が３０ｓト１
ｇで、水の平均排水量が０．４ｃｃ／　ｍｉｎであり、
同伴して排出される酸素富化空気の平均量は５０ｃｃ／
ｍｉｎと非常に少ない状態で長時間にわたって安定に運
転することが出来た。

尚該水排出手段そのものの特性として、出口側を大気圧
とした背圧を種々変えて、その内部が実質的に乾燥され
た状態での空気の流量及び内部が実質的に水で充たされ
た状態における水排出量を測定したところ第１表の如き
値が得られた。

実施例２，３ 実施例１と同様の酸素富化器において、その水排出手段
に実施例と同様の混紡糸を用いてその充填率を１０ｖｏ
　Ｉ　、％及び１９ｖｏ１．％と変えて充填せしめた状
態で該富化器の運転を行なった。いずれの場合も、同伴
富化空気の流量が少ない状態で水の排出が出来、運転が
極めて良好であった。

尚、各々の場合の水排出手段の特待値を第１表に合せて
示ず。

（１ス下余白）

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る酸素富化器の１例を示したもの
であり、同図中で４がエレメントの配列、３が大気移動
手段、５が酸素富化空気取出手段、２が冷却手段、１４
が水分離手段、２０が水排出手段である。 第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）大気より酸素濃度の高められた空気を得るための
   装置であつて、窒素より酸素を選択的に透過せしめる選
   択透過膜を有するエレメントの配列と、該配列に大気を
   送りこみ且つ酸素貧化空気を取り出す大気移動手段と該
   エレメントの内部の圧力をその外部の圧力より低下せし
   めて且つ該内部より酸素富化空気を取り出す酸素富化空
   気取出手段と、該酸素富化空気取出手段から取り出され
   た酸素富化空気の温度を低下せしめ過剰に含まれる水蒸
   気を凝縮させる冷却手段と、該酸素富化空気より凝縮し
   た水分を除去するための水分離手段と、水分除去後の酸
   素富化空気を使用のために送り出す酸素富化空気送出手
   段を有する酸素富化器において、該水分離手段が該冷却
   手段からの酸素富化空気の導入口と、該送出手段への酸
   素富化空気の導出口、及び該酸素富化空気から分離され
   た水分の排出口を有し、且つ該水分排出口には親水性繊
   維と疎水性繊維からなる繊維集合体が充填された水排出
   手段が具備されていることを特徴とする酸素富化器。
2. （２）該水排出手段が、管状体中に該繊維集合体が充填
   されたものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の酸素富化器。
3. （３）該繊維集合体が、親水性繊維と疎水性繊維の混紡
   糸の集束体であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   、２項のいずれかに記載の酸素富化器。