JPS638204A - 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】 ［発明の利用分野］ 本発明は、窒素より大きい速度で酸素を透過させること
ができる選択性酸素透過膜を用いて、空気から酸素の富
化された空気を安定して効率よく得るための酸素富化器
に関するものである。特に本発明は、中空糸状の選択性
酸素透過膜を用いた改良された酸素富化器を提供するも
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気系器
官の疾患に苦しくむ患者が多く、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。

また手術後やスポーツの後の体力回復にも酸素の吸入法
が有効である。

しかしこの酸素吸入法における酸素濃度は長時間吸入す
る際により安全である５０％以下が一般に用いられるこ
とが多い。

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れている。

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としないこと、膜自
体が超微細なフィルターとしても機能するためゴミや細
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
の模型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、脱法による酸素富化空気の吸入量は患者によ
って異なるが、一般に１１１／履以上と比較的大きく、
そのため選択性酸素透過膜の表面積も大きくとることが
必要で装置もやや大きくなりやすいために、その膜モジ
ュールを出来るだけコンパクトにする必要がある。また
かかる模型酸素富化器では、通常選択性酸素透過膜の表
面側に空気を供給するだけではなくて、真空ポンプ等の
減圧手段を冷却するための大量の冷却風が必要であり、
その大凶の冷却用空気流れを膜モジュールに流す際の流
動抵抗が大きくなりやすい欠点があった。特に膜モジュ
ールが中空糸状選択性酸素透過膜からなる中空糸束を用
いたものである場合には、その空気流れの流動抵抗が非
常に大きく、大型のファンを必要としエネルギー消費や
騒音が大きくその改善が強く望まれていた。

［発明の目的及び構成］ 本発明の目的は、模型酸素富化器におけるこの様な欠点
を解決することにあり、特に中空糸状選択性酸素透過膜
を用いた酸素富化器であってエネルギー消費が少なくコ
ンパクトで低騒音のものを提供することである。

かかる目的を達成するために鋭意研究した結果、膜面側
を通過しないバイパスを設けて、膜面側に空気の流れを
生じせしめるための送風手段と別に、少なくともバイパ
スに空気流れを生じさせるためのもう１つの送風手段を
用いることが有効であることを見い出して本発明に到達
した。

即ち本発明は、選択性酸素透過膜を具備した分離機能部
の多数の配列を有する膜モジュールと、該膜モジュール
における該層の一面側をある程度の真空に保ち且つそこ
から酸素富化空気を取り出すための減圧手段を具備した
酸素富化器において、該膜モジュールにおける該層の他
面側に空気の流れを生じさせるための第１送風手段、該
層の他面側を通過しない空気バイパス手段及び少なくと
も該バイパス手段において空気の流れを生じさせるため
の第２送風手段を備えた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、本発明について図面を用いながらざらに詳細に説
明する。第１図〜第６図は、本発明における酸素富化器
の実施態様例を概略フローシートで示したものである。

第１図において、１は選択性酸素透過１１１１０を具備
した分離機能部の多数の配列を有する膜モジュールを模
式的に示しており、２は該膜モジユール中の選択性酸素
透過膜の一面側の空間を示し、その空間をある程度の真
空に保つための減圧手段４の吸引側に連結されている。

また３は膜モジユール中の該層の他面側の空間を示し、
第１送風手段えの下流側に位置している。

６は第２送風手段であり、富化器の入口部から流大した
空気を第１送風手段に送ることによって第１送風手段の
能力を高めると共に、バイパス７に空気を流入せしめる
ものである。バイパス７を通過した空気は、膜モジュー
ル１からの酸素貧化空気と合流し、真空ポンプ等の減圧
手段を冷却するためにその周囲を通過した後富化器外に
排出されるものである。他方選択性酸素透過膜１０を゛
透過した酸素富化空気は減圧手段４により取り出されて
使用に供されるようになっている。

第２〜６図における番号は第１図と同様のものを意味す
る。第２図は、第２送風手段６をバイパス７への空気送
風専用とした特徴を有する。第３図は、第１送風手段５
及び第２送風手段６を下流側に備えて吸引タイプとした
ことを特徴とする。

また第４図は、第１送風手段５を膜モジュールの上流側
に置いて押込みタイプとし、第２送風手段６を下流側に
置いて吸引タイプとしたことを特徴とする。第５図は、
第１送風手段を吸引タイプとし第２送風手段６を押込み
タイプとしたものである。さらに第６図は、減圧手段４
の周囲を通過した後の空気を第１送風手段５と第２送風
手段６により流通せしめるようにしたごとを特徴として
いる。尚本発明の酸素富化器は、これら第１〜６図に限
定されるものではないことは言うまでもない。

この様に本発明の酸素富化器は、膜モジュールに収納さ
れた分離機能部における原料気体流通側（以下膜表面側
という）の空間に空気を導入する以外に、空気のバイパ
ス手段を有することを特徴としている。尚該バイパス手
段は膜モジユール内の空間の一部に設けることも可能で
ある。また本発明の酸素富化器では、酸素富化空気を除
いて富化器外に排出される気体の流れ全体く即ち膜モジ
ュールから酸素貧化空気及びバイパスを通過した空気）
あるいは富化器に流入した空気の流れ全体を用いて減圧
手段を冷却することを特徴としている。

本発明の酸素富化器では、膜表面での濃度分権をできる
だけ小さくし分離効率を高めるために膜表面側に送入す
る空気量が多いほど好ましいが、膜表面側の空間をも小
さくしたコンパクトな膜モジュール、特に中空糸を選択
性透過膜に用いた膜モジュールでは中空糸内等の膜表面
側での流動抵抗が大きくなり、そのための送風手段とし
て能力の大きなものが必要となり騒音や電力消費の増大
をもたらす不利な面がある。その場合の膜表面側への供
給空気量は、酸素富化空気量の３倍以上５０倍以下、好
ましくは４倍以上４０倍以下、更に好ましくは５倍乃至
３０倍である。

またかかる酸素富化器では、減圧手段を冷却するための
風聞が膜表面側への供給空気量よりも大きいことが必要
であり、その多い分の冷却用風量の流路を確保するため
にバイパス手段を設けたものである。そのバイパス手段
を流れる空気流量■８と減圧手段の冷却用ｌ！を量ＶＣ
の比Ｖａ　／Ｖｃとしては０．３〜０．９５が好ましく
、更には０．５〜０．９０の範囲にあることが望ましく
、特に０．６５以上が良好である。、尚かかるＶＢ／Ｖ
Ｃは、同一の圧力と温度における各々の流量の比を意味
する。本発明の酸素富化器は、Ｖａ／ＶＣをこの様な範
囲にすることによって膜表面側への適正な空気の供給が
容易であり、且つ減圧手段の冷却用風量も非常に容易に
実現できるものである。

さらに本発明の酸素富化器は、かかるＶａ／ＶＣの範囲
の空気流量を確保するために、膜表面側に空気の流れを
生じさせるための第１送風手段の他に、少なくしもバイ
パス手段において空気の流れを生じさせ得る第２送風手
段を備えたことを特徴としている。かかる第２送風手段
はバイパス手段のみにおいて空気の流れを生じさせるよ
うにしたものであってもよく、それに加えて第１補充す
るように膜表面側に空気の流れも生じさせるものであっ
てもよい。この第１送風手段及び第２送風手段は、各々
の機能を発揮すればいかなる形式で位置していてもよい
が、特に第４図又は第５図に記載する如くその一方を押
込みタイプに位置させ他方を吸引タイプにする形式の方
が膜表面側での空気の流れを大きくしやすく、また富化
器全体がコンパクトになり騒音も小さくしやすい利点が
ある。尚該送風手段として、ファン、ブロアー等のいず
れであってもよく、具体例としてはシロツコ・ターボフ
ァン、軸流ファン等があげられる。

さらに本発明の酸素富化器の特徴は膜モジュールの膜表
面側の空間に流入する空気中に含まれる塵埃等を除去す
るためフィルター手段を、該膜表面側の空間に流入する
空気のみが通過するように設けられていることにある。

かかるフィルター手段の好ましい設置場所としては、該
モジュールの入口近くがあげられる。かかるフィルター
の性能としては大気中の塵埃をできるだけ除去するため
塵埃の補集率の高いものでが好ましいが、一般に補集率
が高くなると圧損が大きくなり、前述のファンの能力増
強を図らなければならず、騒音や消費電力の増大が差れ
られす、好ましくない。フィルターの性能としては、日
本空気清浄協会の第２性能試験方法に準拠して、Ｊ　Ｉ
　Ｓ　２８９０１に規定された８種の粉塵を用いてテス
トし、その補集効率が７０％以上、好ましくは８０％以
上、更に好ましくは９５％以上のものが用いられる。７
０％以下の補集効率であると膜の流ｍは急激に低下する
。尚、かかるフィルター手段の他に、該富化器の空気取
入口にも比較的目の粗いフィルター手段を設けてもよい
。

第７図は、本発明の酸素富化器の好ましい実施態様を模
式的に例示したものであって前記した如き特徴を備えて
いる。即ち中空糸状選択透過性質２１の集束体を収納し
その両端部を接着剤層２２により接着シールし且つ中空
糸を開口せしめた膜モジュール２３を備えている。この
中空糸膜の中空部に空気を供給され、中空糸の外側間隙
部が減圧手段２４によっである程度の真空に保持される
ことによって、空気の一部が膜壁を透過して酸素富化空
気が得らる導管手段２５等を介して取り出される。この
膜モジュールの下流側には中空糸束の中空部から酸素貧
化空気を吸引する第１送風手段２６が設けられており、
それからの該酸素貧化空気は減圧手段の冷却用に用いる
ことができるようになってい。

また該膜モジュールの上流側にはフィルター手段２７を
備え、さらにその上流には第２送風手段２８を備えてい
る。この第２送風手段からの空気の一部はフィルター手
段２７を通過した後膜モジュールに導入され、その他の
空気はバイパス手段２９を通して減圧手段の冷却用に用
いられるようになっている。

本発明の酸素富化器において用いられる選択性酸素透過
膜の形状は中空糸状、管状、平膜状等のいかなるもので
あってもよく、特に中空糸状膜が好ましい。尚これらの
躾を用いた膜モジュールの形態としては、例えば中空糸
型、チューブラ−型。

平板積層型、スパイラル型等があり、中で中空糸型、ス
パイラル型が本発明に適しており、特に中空糸型が好ま
しい。また例えば医療用等の場合には好ましくは３０％
以上、更に好ましくは３５％以上の酸素濃度の富化空気
が必要とされ、そのための該層の酸素／窒素の選択性（
酸素透過速度／窒素透過速度）は少なくとも３、好まし
くは３．５以上、更に好ましくは３．８以上である。

本発明の富化器はコンパクトであることにその特徴があ
るが、これを達成するには膜の透過性が重要である。即
ち本発明の膜の酸素透過速度は２０℃で測定し少なくと
も２　Ｘ　１０’５　ｃｃ／ｃＩｉ−Ｓｅｃ　−ｆｆＨ
ｇ、好ましくは５　ｘ１０４　ｃｃ／ｃｄ　−ｓｅｃ　
−ＣＩＩＩＨ！１１以上、更に好ましくは１×１０″４
ＣＣ／ｃｉ・５ｅＣ−αＨＱである。

酸素透過速度が２　Ｘ１０−５　ｃｃ／ＣＩＡ−ｓｅｃ
　−ａｔｔｏ−１０未満の場合、透過性が小さいため富
化器として必要な富化空気量を得るには、膜面積を大き
くせざるを得す、中空糸状膜形態であってもモジュール
の容積は大きくなりコンパクトにはならない。

尚中空糸状膜の場合には、その中空糸の膜壁全体が選択
透過性能を有していてもよく、その内表面又は該表面機
能するようにしたものであってもよい。特に内表面にそ
の選択性能を付与した内面膜の場合には、例えば界面重
合膜のように高性能が形成できて且つそれが破損しにく
い利点がある。

この様に中空部に原料空気を流通せしめるものであれば
、中空部での圧力損失を低くおさえられる点でその内径
として１００μ以上、更には３００μ以上の範囲にある
ことが好ましい。

本発明において用いられる減圧手段は分離機能部の裏面
側空間部を減圧にし分離の駆動力となるとともに、取出
し口及び導管手段を通して酸素富化空気を取出し、減圧
手段の吐出ガスとして富化空気を送出す働きをもつ。該
減圧手段としては通常電動機付の真空ポンプが好ましい
が、場合によってはブロアー等を用いることもできる。

ポンプの種類としては、人の吸入に使うため、オイルな
どの微細粒子の混入しないものがよく、オイルレスタイ
プのポンプで、しかも騒音も小さく、耐久性のあるもの
が好ましい。ポンプの能力としては、必要とする富化空
気量、酸素濃度、分離膜の性能によって大きく違ってく
るが、例えば医療用として酸素濃度３５％以上、富化空
気量６交／分以上分離膜としてその酸素、窒素の選択性
が３．５の場合のとき、絶対圧力２７０ｍＨｇで６交／
分の流思がでる性能以上のポンプが必要となる。

また本発明の酸素富化器において、温まったポンプを経
て出てくる富化空気を冷却する手段を備えていることが
好ましく、その冷却手段としては熱交換器を用いること
ができる。熱交換器における冷却媒体としては取り入れ
空気が利用でき、富化空気をとり入れ空気の温度近くま
で冷却するには、コイル状のバイブ等の該熱交換器をと
り入れ空気のとり入れ口のすぐそばに置くのが好ましく
、その囲りが、真空ポンプの熱により温められにくいこ
とが必要である。

さらに該酸素富化器では、この冷却手段により冷却され
て、酸素富化空気中の過剰の水分が凝縮して発生した水
を分離するため例えば円管状等の水分離手段を有してい
ることが望ましい。ここで分離された水は、上記した冷
却用のコイル状熱交換器の表面に付したガーゼ等の水分
保持機能部に供給して、そこでた蒸発せしめることによ
って冷却効果を高めるのがよい。

ざらに該酸素富化器においては、富化空気中のＮＯｘ　
、ＳＯｘ等の有害ガスや悪臭を除去するための例えば活
性炭を充填したカラム、あるいは、富化空気中の細菌を
除くための除菌フィルターを設置してもよく、これらは
休止中に富化空気の導管部分に細菌が入ることを防ぐ効
果もある。また運転時の異常を検知し、知らせる警報器
類、時間計、流量計、圧力計等の付属部品が設置されて
いてもよい。

また本発明の酸素富化器では、減圧手段と第１゜第２送
風手段を１つの防音ボックス内に収納し、該富化器の外
殻に設けられた空気の取入口から該防音ボックスの空気
入口部までの流入空気の流路と、該防音ボックスの空気
出口部から該富−化器の外殻に設けられた排出口までの
排出空気の流路の各々におい１回以上、更に好ましくは
３回以上。

特に好ましは５回以上の屈曲回数を設けることや、その
流路の内面に吸音材等をはりつけることが騒音の発生を
防ぐうえで望まれる。また取入れる大気の温度が低い場
合には、ヒーターの取付や、ポンプの排熱を利用して空
気を暖めたり、暖められた排出すべき空気の一部を再び
循環利用して膜モジュールへ導入する空気の温度を一定
温度以上に保つようにしてもよい。

本発明の酸素富化器は、医療用あるいは体力回復のため
人の吸入に使用されるものであるが、これに限らず、観
賞用にも供し得る魚の飼育用水槽への酸素の供給などそ
の用途は広い。

［実施例］ 第７図において示した如く、内径が７００μ、外径が１
０００μ、長さが約２５ＣＩ１１の酸素選択透過性中空
糸膜７３００本の集束体を収納した膜モジュールと第１
、第２のファン、真空ポンプおよびフィルターを備えた
酸素富化器を組み立てた。尚その第１フアン及び第２フ
アンとして能力の異なるものを用いて、第１表の条件に
なるようにして運転して、そのファン２基全体の消費電
力を評価して第１表の如き結果を得た。さらに比較例と
してバイパスを用いずにその流路をふさぎ且つ第１フア
ンを用いずに第２フアンのみを押込み形式で用いた場合
について評価を行なって得られた結果合わせて第１表に
示す。

第１表 ［発明の効果］ 本発明の酸素富化器は、真空ポンプ等の減圧手段を冷却
が確実に行なうことができるのでその減圧手段の加熱の
危険性が非常に少なく安全性に優れている。また本発明
では高流量の酸素富化空気が容易に得られ、その運転時
における消費電力が少なくてすみ、また騒音の発生も防
止しやすく、さらに富化器全体をコンパクトにしやすい
優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明に係る酸素富化器の実施態様を
概略フローシートで例示したものであり、第７図は、本
発明酸素富化器の特に好ましい実施態様の１例を模式的
に示したものである。 特許出願人　帝　人　株　式　会　社 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）選択性酸素透過膜を具備した分離機能部の多数の
   配列を有する膜モジュールと、該膜モジュールにおける
   該膜の一面側をある程度の真空に保ち且つそこから酸素
   富化空気を取り出すための減圧手段を具備した酸素富化
   器おいて、該膜モジュールにおける該膜の他面側に空気
   の流れを生じさせるための第１送風手段、該膜の他面側
   を通過しない空気バイパス手段及び少なくとも該バイパ
   ス手段において空気の流れを生じさせるための第２送風
   手段を備えたことを特徴とする酸素富化器。
2. （２）該膜の他面側を流通して生じた酸素富化空気と該
   バイパス手段を流通した空気流れにより該減圧手段を冷
   却するようにした特許請求の範囲第１項記載の酸素富化
   器。
3. （３）該膜の他面側に流入すべき空気流れと該バイパス
   手段に流入すべき空気流れにより該減圧手段を冷却する
   ようにした特許請求の範囲第１項記載の酸素富化器。
4. （４）該減圧手段を冷却するための空気の流量Ｖ＿Ｃに
   対する該バイパス手段を流通する空気流量Ｖ＿Ｂの比Ｖ
   ＿Ｂ／Ｖ＿Ｃが０．３〜０．９５である特許請求の範囲
   第１項記載の酸素富化器。
5. （５）該膜モジュールの入口近くにフィルター手段を備
   えた特許請求の範囲第１項記載の酸素富化器。
6. （６）分離機能部が、選択性酸素透過中空糸膜を用いた
   ものである特許請求の範囲第１項記載の酸素富化器。