JPWO2006112546A1 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、空気供給手段からの空気を吸着床へ一定のタイミングで順次加圧供給し吸脱着をさせるための流路切替え手段を具備した医療用の圧力変動吸着型の酸素濃縮装置において、該流路切替え手段が電動機を具備した回転分配器弁組立て構造体であり、該回転分配器弁組立て構造体が、ショアＡ硬度４５から６０度のＯリングで軸封された軸封機構を備えることを特徴とする酸素濃縮装置であり、回転分配器弁組立て構造体の回転軸の偏心及び偏角にも追従する回転駆動伝達と軸封を同時に実現する機構を備えた酸素濃縮装置を提供する。

Description

本発明は、大気中から酸素富化空気を含む酸素濃縮気体を分離する酸素濃縮装置に関する。更に詳細には、複数の吸着床を備えた吸着型酸素濃縮装置において、空気を吸着床へ一定のタイミングで順次加圧供給し、空気中の窒素を吸脱着させるための回転分配器弁組立て構造を備えた流路切替え手段における軸封機構に関するものである。

近年、喘息や肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、その最も効果的な治療法の一つとして酸素吸入療法がある。かかる治療に使用する酸素の供給源として、空気中から酸素濃縮気体を直接分離する酸素濃縮装置が開発されており、使用時の利便性や保守管理の容易さ等の理由から、酸素吸入療法のための治療装置として次第に普及するようになって来ている。
かかる酸素濃縮装置の１つとして、窒素又は酸素を選択的に吸着し得る吸着剤を１個或いは、複数の吸着床に充填した１筒式や２筒式、それ以上の吸着筒を用いた多筒式の吸着型酸素濃縮装置が知られている。原料空気の供給源としてコンプレッサーを用い、加圧−常圧の圧力域を使用するＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）型、加圧−真空の圧力域を使用するＶＰＳＡ（Ｖａｃｕｕｍ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）型の装置が使用されている。
窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した１個或いは複数の吸着床にコンプレッサーで圧縮空気を供給して加圧状態とすることにより、吸着剤に窒素を吸着させ未吸着の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窒素を脱着させ吸着剤の再生を行う脱着工程、更には、脱着工程終了直前に、既に生成した乾燥酸素濃縮気体を一部逆流させ再生効率の向上と昇圧を目的とする均圧工程を順次一定サイクルで行うことにより酸素濃縮気体を得ることができる。
かかる吸着型酸素濃縮装置では、コンプレッサーと吸着床とを配管で接続し、その間に切替えバルブを設置することにより吸着床への加圧空気の供給経路を切替えるフローを有するものが一般的である。しかし、吸着床の数や吸脱着工程の複雑な制御の実施に伴い、切替えバルブの種類や数など部品点数が増加し、メンテナンスに不具合が生じるという問題点がある。これらの不具合を改善する装置として、特表平７−５０８２０５号公報には、複数の吸着床や接続流路、流路切替えの為の回転バルブなど酸素濃縮機能部を全てモジュール化した流体分別装置を搭載した酸素濃縮装置が開発されている。

かかる吸着型酸素濃縮装置を在宅用、あるいは医療用途として使用する為には、装置の小型化、低コスト化が必須となる。多数の流路を切替える手段として回転バルブを含めた酸素発生手段のモジュール化は、装置の小型、部品点数の削減に対するの有力な手段となる。かかる酸素発生モジュールとして、特表平７−５０８２０５号公報には、多数の吸着筒を備え、コンプレッサーから吸着筒へのガス供給流路、吸着筒間の接続流路、排気流路をマニホールド化し、１つの回転バルブで流路切替えを行う流体分別装置が開示されている。この装置に使用される流路切替え手段は、メカニカルシールの回転バルブ及びマニホールド化した流路と一体化した固定バルブ部を備える。モジュールの小型化を図る為には、バルブ内に十分な機構スペースをとることは困難である。またメカニカルシールの機構上、軸心に対してアキシアル方向に荷重がかかる構造をとる為、回転バルブの軸受けには薄型のスラストベアリングを使用することが多くなる。しかし、薄型のスラストベアリングはラジアル方向の荷重を保持することが困難であり、結果として回転軸心のアライメントが偏心し易い構造となる。更には、市販のスラストベアリングは、構造上、グリース封入されていてもグリースをシールする機構がなく、スラストベアリング外部に余分なグリースが流出し、メカニカルシール機構部へ混入し不具合を発生することが知られている。
又、これと同時に該回転バルブの回転軸は低圧から高圧条件及び低温から高温までの範囲で気体の軸封機構を兼ね備えなければならず、このような偏心荷重発生は、十分な軸封性能を維持することができない、或いは、仮に軸封性能は維持することができたとしても回転軸がアライメントの偏心に追従できなくなり、回転不良を誘発するという課題を備えている。
本発明は、回転分配器弁組立体構造を備えた流路切替え手段を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該回転分配器弁組立て構造体の回転軸の偏心及び偏角にも追従する回転駆動伝達機構と軸封機構を同時に実現する改善された酸素濃縮装置を提供することを目的とする。
本発明者は、かかる課題に対して鋭意検討した結果、従来の酸素濃縮装置の流体分別装置中の回転分配器弁組立て構造体において、偏心及び偏角により軸封部材が歪んだとしても十分な軸封性能を維持することが可能であり、且つ回転駆動の負荷変動を防止することができる酸素濃縮装置を見出したものである。
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複数の吸着床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段と、該空気供給手段からの空気を吸着床へ一定のタイミングで順次加圧供給し空気中の窒素を吸脱着させるための流路切替え手段を具備した医療用の圧力変動吸着型酸素濃縮装置であり、該流路切替え手段が電動機を具備した回転分配器弁組立て構造体であり、該回転分配器弁組立て構造体が、該複数の吸着床への接続流路を構成するマニホールドと連通した固定バルブ、接続流路を切替える回転バルブ、回転バルブに対して電動機の回転運動を伝達する回転駆動伝達軸を備え、回転駆動伝達軸と回転バルブの接続部に遊び代を備えると共に、Ｏリングの軸封機構を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。
また本発明は、空気供給手段からの加圧空気の導入ポートが固定バルブ側にあり、且つ回転バルブの摺動面側から裏面である回転バルブと回転駆動伝達軸との接続部に該加圧空気が供給される加圧空気供給ポートを有することを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。
また本発明は、かかる軸封機構がＯリングの圧縮によるＯリング外径と内径による密封機構を有し、且つ該軸封機構を構成するＯリングがショアＡ硬度４５から６０度の硬度を有するＯリングであることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。
また本発明は、該軸封機構が、該回転駆動伝達軸に設けられた溝と該回転駆動伝達軸が挿入可能な回転バルブ内面壁との間に圧縮状態で設けられたＯリングで構成され、特に該Ｏリングがエチレンプロピレンジエンゴム製であることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。
更に本発明は、加圧空気の流路を切替える回転バルブに対して電動機の回転運動を伝達する回転駆動伝達軸と回転バルブの接続部に遊び代を備えると共に、回転駆動伝達軸と回転バルブとの間にショアＡ硬度４５から６０度の硬度を有するＯリングの圧縮によるＯリング外径と内径による軸封を行う回転バルブの軸封方法を提供するものである。

図１は、本発明の医療用酸素濃縮装置の概略構成図を示す。
図２は、本発明の酸素濃縮装置に使用する回転分配器弁組立て構造の軸封機構の概略図を示す。
図３は、本発明の酸素濃縮装置に使用する回転分配器弁組立て構造の軸封機構部分の拡大図を示す。
図４は、図２の軸封機構設計時の２０℃環境下における回転負荷変動を示す。
図５は、図２の軸封機構設計時の０℃環境下における回転負荷変動を示す。

本発明の酸素濃縮装置は、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複数の吸着床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段と、該空気供給手段からの空気を吸着床へ一定のタイミングで順次加圧供給し吸脱着をさせるための流路切替え手段を具備した医療用圧力変動吸着型酸素濃縮装置であり、該流路切替え手段が電動機を具備した回転分配器弁組立て構造体であり、該回転分配器弁組立て構造体が、ショアＡ硬度４５から６０度のＯリングで軸封されたことを特徴とするものである。
複数の吸着塔とその各々に連通するマニホールドを介してコンプレッサーからの加圧空気供給流路を回転式バルブで切替えることにより、各吸着床に加圧空気を順次供給することが可能であるモジュール化された酸素濃縮装置に効果的に使用することが出来る。
回転分配器弁組立て構造体は、固定バルブと回転バルブで構成されるメカニカルシール構造となっており、電動機の回転を伝える回転バルブに伝える回転駆動伝達軸、固定バルブと回転バルブの摺動面を押圧しシールするスプリング及び気体の軸封を目的としたＯリングより構成されるメカニカルシール部を備える。回転駆動伝達軸を受けるベアリングには、スラストベアリングやラジアルベアリングが具備される。
該回転駆動伝達軸の軸封機構はゴム製のＯリングで構成され、機器の使用温度範囲や気体成分により材質を選定する。好ましくはニトリルゴム（ＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ）、エチレンプロピレンジエンゴ厶（ＥＰＤＭ）、シリコンゴム（ＶＭＱ）等が用いられる。
かかる軸封機構で固定バルブと回転バルブの摺動面のシールを確保すると共に、機器の加工精度の公差を吸収し、回転軸の偏心、偏角を吸収することでトルク変動を吸収する。そのため、回転バルブと回転駆動伝達軸間のフレキシビリティと軸封の両機能を確保することが必要である。
回転駆動伝達軸の偏心及び偏角を吸収し、回転バルブの負荷変動を抑えるため、回転駆動伝達軸と回転バルブをＯリングを介して軸封する方法が取られる。従来技術として、フローティングシール方法（Ｐａｒｋｅｒ Ｏ−Ｒｉｎｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ，ｐ．５−１９，§５．２５；ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐａｒｋｅｒ．ｃｏｍ／ｏ−ｒｉｎｇ／Ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ／０５−５７００．ｐｄｆ／米国：Ｐａｒｋｅｒ Ｈａｎｎｉｆｉｎ社を参照。）で設計する場合がある。かかるフローティングシール方法では、軸に対してＯリングが浮いた状態となるように設計されている。無加圧の状態では軸封が成立していない寸法形状となり、加圧時にその差圧を利用してＯリングをＯリング溝内でシール面に移動し、外径面と及び上下側面の一方で軸封する構造となる。
しかし、低圧条件下及び／又は低温条件化ではＯリングが移動しない為に軸封が機能しないという不具合が生じる。本発明では回転駆動伝達軸に設けられた溝と該回転駆動伝達軸が挿入可能な回転バルブ内面壁との間に圧縮状態でＯリングを設け、Ｏリングの内径及び外径で軸封させる設計とする。
Ｏリングを圧縮状態で設けると、駆動回転伝達軸のフレキシビリティが低下し、回転軸の偏心偏角に伴い、回転バルブのトルク変動を来たす。これに対し、Ｏリングのゴム硬度が４５度から６０度（ショアＡ硬度）、特に好ましくは５０度の軸封材料を用いてシールすることによって、回転軸の偏心及び偏角を吸収し負荷変動を抑えることが可能となる。更にＯリングのゴム材質は使用環境条件や安全性から選定することが好ましく、酸素濃縮器においては特に耐熱性、安全性、耐グリース性の面で、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）が好ましい。

以下に本願発明の医療用酸素濃縮装置の好適な具体的実施例について必要に応じて図面を用いながら説明する。
本発明の医療用酸素濃縮装置１は図１に示すように、空気を原料とし、空気供給手段としてのコンプレッサー１０、複数の吸着床２１を備え且つかかる吸着床に加圧空気を順次一定タイミングで供給し吸脱着を繰り返す為の流路切替え手段２２を内蔵したＰＳＡ型の多筒式吸着塔ユニット２０（以下、ＡＴＦモジュールとも称する）、生成した酸素濃縮気体を所定圧に調整する調圧弁４０、流量設定器５０、加湿器６０を具備し、空気中の酸素を圧力変動吸着方法により分離濃縮し、加湿酸素濃縮気体として使用者に供給する装置である。
本発明の酸素濃縮装置の実施例においては、多筒式吸着塔ユニット２０としてティーエスプレシジョン社製ＡＴＦモジュールを使用した。このＡＴＦモジュールは、１２本の吸着塔と各吸着筒の各々と連通するマニホールドを介して回転式バルブで吸着床に加圧空気を順次供給することが可能であり、回転式バルブ自体の構造は固定バルブと回転バルブで構成されるメカニカルシール構造となっている。
各吸着筒には酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤として、Ｌｉ−Ｘ型のモレキュラーシーブゼオライトを充填した。
図２、図３に、かかるＡＴＦモジュールの回転式バルブ部分の概略構成を示す。ＡＴＦモジュールに組み込む回転分配器弁組立体の流路切替え手段の構造には、固定バルブ２７と回転バルブ２８、回転駆動伝達軸２９、スプリング３０及び気体の軸封を目的としたＯリング２３より構成されるメカニカルシール部を備える。
回転分配器弁組立体においては、固定バルブ側からその中心に設けた加圧空気の導入ポートを経由し、回転バルブの摺動面に設けた切替え溝により固定バルブに同心円状に設けた吸着筒との接続ポートとの流路を接続する。此れにより、加圧空気が吸着筒に送られ窒素を吸着し酸素を生成する吸着工程が行われる。吸着工程終了の吸着筒と脱着工程終了後の吸着筒を弓状の溝を介して接続し、吸着筒間の均圧を行う。加圧状態の吸着筒から窒素富化のガスが排気ポートを介して減圧排気される。
固定バルブ中心には固定バルブ摺動面の背面に通じる穴３１を設ける。回転バルブに加圧空気が供給され、摺動面に圧力がかかることで、吸着ポートにかかる力（シール面を押し上げる力）と、この固定バルブ中心にある穴３１を通じて摺動面反対側に圧を供給することで生じるシール面を押し下げる力とが相殺しあう。この中心の穴があることで、吸着ポートの面積と逆側の面積との比でシール面にかかる力が決まる。逆にこの穴が無いと、圧力が高くなるほど、吸着ポートにかかる力（シール面を押し上げる力）が強くなり、シール性が悪くなり、それを補うためには、強いばねでシール面を抑え、面圧を上げる必要がある。結果的に、摺動トルクの上昇を招き、駆動モータの出力向上が必要となってくる。
モータ回転軸２６の回転を受けて回転駆動伝達軸２９が回転し、かかる伝達軸２９の回転に伴って回転バルブ２８が回転する。Ｏリング２３は、回転バルブ２８と回転駆動伝達軸２９との間の軸封機能を果たす。スプリング３０は、そのバネ圧力により回転バルブ２８と固定バルブ２７の摺動面のシールを行う。
回転バルブ２８及び固定バルブ２７の摺動面は精密に加工されているが、機器の加工精度、組立て精度を考慮すると回転駆動伝達軸２９と回転バルブ２８の接続部には遊び代が必要となる。回転バルブ２８の回転駆動伝達軸２９が偏心・偏角することでＯリング２３が変形したとしても常に軸封を機能させるとともに、該偏心・偏角を吸収し回転負荷変動を抑える必要がある。
シール材としてのＯリングには、通常ショアＡ硬度７０以上のものが使用され、シール性と耐摩耗性を維持している。本実施例のＯリング２３には、ＥＰＤＭ製の硬度６０度乃至４５度（ショアＡ硬度）の材質のものを使用した。
図４及び図５に、図２の軸封機構を用い、一般的に使用されるゴム硬度品（ショアＡ硬度：７０）のＯリングと本願発明のゴム硬度品（ショアＡ硬度：６０、５０、４５）のＯリングを用いた時の回転負荷変動差を示した。ゴム材料は共にＥＰＤＭを使用した。図４の結果から２０℃環境下では、ショアＡ硬度：７０度のＯリングを用いた軸封機構では気体の軸封は可能であったが、回転軸の回転位相に同期して回転負荷変動が発生した。本願発明のゴム硬度６０度乃至４５度（ショアＡ硬度）のＯリングでは気体の軸封及び回転負荷変動の低減が図ることが出来た。特にショアＡ硬度が６０、５０、４５と下がるに伴って回転負荷変動の低減が認められた。ショアＡ硬度が４５以下となると柔らかくなり過ぎ、耐久性の問題や製造の困難性、使用上の取扱い性などの問題が生じる。
更に図５の結果から、０℃環境下ではゴム硬度は硬化する傾向を示し、ショアＡ硬度が７０度のＯリングを用いた場合には、回転駆動伝達軸２９が偏心・偏角するとＯリング２３での偏心・偏角を吸収できなくなり、回転負荷変動が更に増加するが、本願発明のショアＡ硬度６０乃至４５度のゴム硬度品を用いた場合では、回転負荷変動を抑制する効果が持続することが確認された。
Ｏリングの軸封機能、負荷変動吸収機能などの効果と、耐久性、製造コスト等を考慮した場合、ショアＡ硬度が５０度のものが最も優れている。
本願発明の酸素濃縮器を使用することにより、流体分別装置中の回転分配器弁組立て構造体の偏心及び偏角荷重発生により回転負荷変動を発生することなく、気体の軸封が可能となる酸素濃縮装置を提供することが可能になる。

Claims (7)

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複数の吸着床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段と、該空気供給手段からの空気を吸着床へ一定のタイミングで順次加圧供給し空気中の窒素を吸脱着させるための流路切替え手段を具備した医療用の圧力変動吸着型酸素濃縮装置であり、該流路切替え手段が電動機を具備した回転分配器弁組立て構造体であり、該回転分配器弁組立て構造体が、該複数の吸着床への接続流路を構成するマニホールドと連通した固定バルブ、接続流路を切替える回転バルブ、回転バルブに対して電動機の回転運動を伝達する回転駆動伝達軸を備え、回転駆動伝達軸と回転バルブの接続部に遊び代を備えると共に、Ｏリングの軸封機構を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
2. 空気供給手段からの加圧空気の導入ポートが固定バルブ側にあり、且つ回転バルブの摺動面側から裏面である回転バルブと回転駆動伝達軸との接続部に該加圧空気が供給される加圧空気供給ポートを有することを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
3. 該軸封機構がＯリングの圧縮によるＯリング外径と内径による密封機構を有し、且つ該軸封機構を構成するＯリングがショアＡ硬度４５から６０度の硬度を有するＯリングであることを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
4. 該軸封機構が、該回転駆動伝達軸に設けられた溝と該回転駆動伝達軸が挿入可能な回転バルブ内面壁との間に圧縮状態で設けられたＯリングで構成されることを特徴とする請求項３記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
5. 該Ｏリングがエチレンプロピレンジエンゴム製であることを特徴とする請求項３記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
6. 加圧空気の流路を切替える回転バルブに対して電動機の回転運動を伝達する回転駆動伝達軸と回転バルブの接続部に遊び代を備えると共に、回転駆動伝達軸と回転バルブとの間にショアＡ硬度４５から６０度の硬度を有するＯリングの圧縮によるＯリング外径と内径による軸封を行う回転バルブの軸封方法。
7. 該Ｏリングがエチレンプロピレンジエンゴムで構成される請求項６記載の回転バルブの軸封方法。