JPS638205A - 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
膜を用いた膜性による富化器が提案されている。

この膜性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、膜性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２Ｊｌ／ｓ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
かかる膿型酸素富化器では、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、
その人晋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
に空気の流れを生じせしめるための風路だけではなくて
、膜面側を通過しないバイパスを設けることが有効であ
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と、該モジ
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
ための送風手段を有した酸素富化器においで、該送風手
段より生ずる空気の流れの一部を流通せしめるために該
層の表面側を通過しないバイパス手段を具備し、該層の
表面側を流通して生じた酸素貧化空気と該バイパス手段
を流通した大気流れにより該減圧手段を冷却せしめるよ
うにし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さらに詳細に説
明する。第１図〜第４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。

これらの図において、１は選択性酸素透過膜１０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
透過膜の裏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表面側の空間を示し、
その上流側又は下流側には送風手段５が備えられている
。かかる膜表面側の空間３を通過する空気流路の他に、
空気流路としてバイパス手段６が具備されている。第１
〜３図では、バイパス手段６を通過した空気は、膜モジ
ュールの膜表面側を通過して得られる酸素富化空気と合
流して、減圧手段を冷却するためにその周囲に供給され
、そこを通過した後富化器外に排出される。第４図では
、富化器の取入口から流入した空気によりまず減圧手段
を冷却するように構成されたものを示す。またこれらの
図では、選択透過性膜１０を透過して得られた酸素富化
空気が導管手段を介して減圧手段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。さらにこれらの図の
如く、該バイパス手段及び／又は膜表面側の空間に連結
された空気の流路において流量調節手段７．８が備えら
れていてもよい。また第１〜３図に示すように、膜モジ
ュールに流入される空気のみを通過させるためのフィル
ター手段９が備えられていることが望ましい。

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（即ち膜表面側
）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、膜表面での濃度分極をできる
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
風量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ＶＢと膜の表面側を流れる空気量とバ
イパス手段を流れる空気量の合計流ＩＶｔの比Ｖａ　／
Ｖｔ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０．６
５以上が良好である。尚かかるＶＢ／Ｖｔ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、Ｖｅ　／Ｖｔ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ＶＢ／Ｖｔの範囲
の空気流量を確保するために、膜表面側の空間に連結し
た空気の流路とバイパス手段の流路のどちらか一方又は
両方に流量調節手段を備えたことを特徴としている。こ
の流量調節手段としては、遮閉板開閉曙橋、バルブ、オ
リフィス等があげられるが、中でも遮閉板開閉機構即ち
所謂ダンパー機構が調節容易であり好ましい。かかる開
閉機構は、手動式であってもよいが、例えば小型のパル
スモータ−等の電動モーターで自動的に開閉するように
してもよい。その流量調節手段は、バイパス手段の流路
と膜表面側の空間に連結した空気の流路の両方に用いて
もよいが、バイパス手段のみに用いることが好ましく、
特にそのバイパス手段における下流部に設けることが好
ましい。

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。

かが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か好ましいが、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、騒音や消費電力の層大が差れ
られず、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量は急激に低下する
。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
。

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
膜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／ｃｉ−ｓｅｃ　−Ｈ９、好
ましくは５Ｘ１０′５ＣＣ／Ｉｌ−２１１−３ｅＣ−Ｃ
ＩＩＩＨ以上、更に好ましくは１　ｘ１０４ｃｃ／ｃｉ
−ｓｅｃ　−ｃＩＲＨ９である。

酸素透過速度が２ｘ１０’ｉｃｃ／Ｃ１−５ｅｃ　−ａ
ｓＨＱ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
ず、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磯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１ＩｌｌＩｌ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６Ｊ１／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２７０ｍＨ
！ＩＩで６！ｌ／分の流量がでる性能以上のポンプが必
要となる。

また該富化器において用いられる送風手段としては特に
限定されるものではないが、例えばシロッコ・ターボフ
ァンや軸流ファン等のファンやブロアーなどがあげられ
る。ざらに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、コイル状のパイプ等の該熱交換
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
保持礪能部に供給して、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。

さ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「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１図において示した如く、内径が７００μ、外径が１
０００μ、長さが約２５ａＲ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シロッコ
・ターボ、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いだ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Ｗ
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比較的少なくてすみ、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４図は本発明に係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。 図中、１が膜モジュール、４が減圧手段、５が送風手段
、９がフィルター手段を示している。 特許出願人　　帝　　人　　株　　式　　会　　社第１
図 第２図 第３図 第４図

Claims (5)

【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
   配列を有するモジュールと、該モジュールにおける該膜
   の裏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と、該モジュールにおけ
   る該膜の他面側に空気の流れを生じさせるための送風手
   段を有した酸素富化器において、該送風手段より生ずる
   空気の流れの一部を流通せしめるために該膜の表面側を
   通過しないバイパス手段を具備し、該膜の表面側を流通
   して生じた酸素貧化空気と該バイパス手段を流通した大
   気流れにより該減圧手段を冷却せしめるようにしたこと
   を特徴とする酸素富化器。
2. （２）該膜の表面側を流通する空気流れと該バイパス手
   段を流通する空気流れの合計流量Ｖｔ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／Ｖｔ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。
3. （３）該膜の表面側を流通する空気流量を調整する手段
   及び／又は該バイパス手段を流通する空気流量を調節す
   る手段を備えた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。
4. （４）該分離機能部が、平膜状、チューブ状又は中空糸
   状の選択性酸素透過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。
5. （５）該膜モジュールの表面側に流入する空気のみが通
   過する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。