KR101126995B1 - 가습 장치 및 산소 농축 장치 - Google Patents

가습 장치 및 산소 농축 장치 Download PDF

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Abstract

피가습 기체를 공기 중의 수증기에 의해 가습하는 가습 장치 (10) 가, 수증기를 투과시키는 복수의 중공사를 소정의 축선방향으로 배향하여 묶은 중공사 다발 (14) 과, 중공사 다발 (14) 을 수납하는 공간을 갖는 하우징 (12) 으로서, 중공사의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 입구 (12a) 와, 중공사의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 출구 (12b) 와, 하우징 내에서 중공사의 외부 공간으로 연통하는 공기 입구 (12c) 와, 하우징 내에서 중공사의 외부 공간으로 연통하는 공기 출구 (12d) 를 갖는 하우징 (12) 과, 하우징 (12) 의 공기 입구 (12c) 에 배치되어 하우징 내로 공기를 도입하는 송풍 수단 (16) 을 구비하고, 중공사의 축선에 수직인 단면적의 합계와, 하우징 (12) 의 공간의 축선에 수직인 단면적으로부터 중공사의 단면적의 합계를 공제한 공기 유로 단면적과의 단면적비는 O.1～0.7 로 되어 있다.

Description

가습 장치 및 산소 농축 장치{HUMIDIFYING DEVICE AND OXYGEN CONCENTRATING APPARATUS}
본 발명은, 건조한 기체에 공기 중의 수분을 수송하여 상기 기체를 가습하는 가습 장치 및 그 가습 장치를 사용한 산소 농축 장치에 관한 것이다.
건조한 의료용 기체를 가습하기 위한 가습 장치로서 기포형의 가습 장치나 증발식 가습 장치 등 액체 상태의 물을 사용한 가습 장치가, 예를 들어 일본 공개특허공보 평6-238002호에 개시되어 있다. 그러나, 이러한 액체 상태의 물을 사용한 가습 장치에서는, 용기 내의 물을 정기적으로 보충할 필요가 있고, 또한, 장기간 사용하면 용기 내에 세균이 번식하거나 가습용 물이 부패하거나 하는 문제가 있다. 그 때문에 가습기를 정기적으로 세정하지 않으면 안된다.
한편, 일본 공개특허공보 평5-049697호나 일본 공개특허공보 평8-141087호에는, 수분 투과성의 막을 이용하여 의료용 기체를 가습하는 막식 가습 장치가 개시되어 있다. 막식 가습 장치에서는 공기 중의 수분을 이용하기 때문에 상기 서술한 문제는 해결되지만, 상기 공보에 개시된 가습 장치에서는 가압된 공기를 이용하기 때문에 습도의 제어가 어렵고, 특히 가습해야 할 의료용 기체의 유량이 낮은 경우에 지나치게 가습되어 드레인 (drain) 이 발생하는 문제가 있다.
또, 일본 공개특허공보 2000-237317호나 일본 공개특허공보 2000-237318호에는 대기압의 공기를 이용한 막식 가습 장치가 개시되어 있다. 그러나, 상기 공보에 개시된 가습 장치에서는 충분한 양의 공기를 수분 투과막에 접촉시키기가 어렵고, 장치가 설치되어 있는 실내 공기의 습도 등과 같은 환경 조건에 따라서 장치의 가습 성능이 좌우된다는 문제가 있다.
발명의 개시
그래서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제를 해결하는 것을 기술 과제로 하고 있고, 액체 상태의 물을 사용하지 않고서 피가습 기체, 특히 건조한 의료용 기체를 대기압 공기의 상대 습도와 같은 정도로 가습 가능한 가습 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 서술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따르면, 피가습 기체를 공기 중의 수증기에 의해 가습하는 가습 장치에 있어서, 수증기를 투과시키는 복수의 중공사를 소정의 축선방향으로 배향하여 묶은 중공사 다발과, 상기 중공사 다발을 수납하는 공간을 갖는 하우징으로서, 상기 중공사의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 입구와, 상기 중공사의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 출구와, 상기 하우징 내에서 상기 중공사의 외부 공간으로 연통하는 공기 입구와, 상기 하우징 내에서 상기 중공사의 외부 공간으로 연통하는 공기 출구를 갖는 하우징과, 상기 하우징의 공기 입구에 배치되어 그 하우징 내로 공기를 도입하는 송풍 수단을 구비하고,
상기 중공사의 상기 축선에 수직인 단면적의 합계와, 상기 하우징의 상기 공간의 상기 축선에 수직인 단면적으로부터 상기 중공사의 단면적의 합계를 공제한 공기 유로 단면적과의 단면적비가 0.1～0.7 로 되어 있는 가습 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 피가습 기체를 공기 중의 수증기에 의해 가습하는 가습 장치에 있어서, 수증기를 투과시키는 복수의 중공사를 소정의 축선방향으로 배향하여 묶은 복수의 중공사 다발과, 상기 복수의 중공사 다발을 수납하는 공간을 갖는 하우징으로서, 상기 복수의 중공사 다발 각각의 중공사의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 입구와, 상기 복수의 중공사 다발 각각의 중공사의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 출구와, 상기 하우징 내에서 상기 중공사의 외부 공간으로 연통하는 공기 입구와, 상기 하우징 내에서 상기 중공사의 외부 공간으로 연통하는 공기 출구를 갖는 하우징과, 상기 하우징의 공기 입구에 배치되어 그 하우징 내로 공기를 도입하는 송풍 수단을 구비하는 가습 장치가 제공된다.
또한 본 발명의 가습 장치는, 공기로부터 질소를 흡착, 제거하여 의료용 산소 농축 기체를 생성하는 의료용 산소 농축 시스템에 있어서, 내부에 질소에 대하여 선택적 흡착성을 갖는 흡착제가 충전된 복수의 흡착통을 가진 압력 변동형 산소 농축부와, 상기 산소 농축부에서 생성된 산소 농축 기체를 사용자에게 인도하기 위한 도관과, 상기 도관에 배치되어 상기 산소 농축부의 출구 압력을 일정 압력으로 조절하는 압력 조정 수단과, 상기 도관을 유통하는 산소 농축 기체의 유량을 일정 유량으로 조절하는 유량 조절 수단을 구비하는 의료용 산소 농축 시스템에서 생성된 산소 농축 기체를 가습하기 위해 사용할 수 있다.
도 1 은 본 발명을 적용하는 의료용 산소 농축 시스템의 블록도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 가습 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3 은 도 2 에 있어서 화살표로 나타낸 선 Ⅲ-Ⅲ 을 따른 단면도이다.
도 4 는 도 2, 3 의 가습 장치를 사용한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 가습 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6 은 도 5 에 있어서 화살표로 나타낸 선 Ⅵ-Ⅵ 을 따른 단면도이다.
발명을 실시하는 최선의 양태
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명한다.
도 1 을 참조하면, 본 발명에 따른 가습 장치를 적용하는 의료용 기체 공급 시스템의 일례로서 의료용 산소 농축 시스템이 나타나 있다. 산소 농축 시스템 (100) 은, 압력 변동형 산소 농축부 (110) 와, 버퍼 탱크 (120), 버퍼 탱크 (120) 의 출구 압력을 일정 압력으로 조절하는 압력 조정 밸브 또는 감압 밸브 (122) 와, 유량 조절부 (140) 와, 유량 설정부 (160) 와, 가습 장치 (170) 와, 산소 농축부 (110), 유량 조절부 (140) 및 가습 장치 (170) 의 작용을 제어하는 제어부 (150) 를 구비하고, 생성된 산소 농축 기체는 도관 (180) 및 비강 캐뉼라 (NP) 를 통해서 환자 (도시되지 않음) 에게 공급된다. 산소 농축부 (110) 는, 4개의 흡착통 (112), 가압 및 감압이 가능한 콤프레서 (114), 로터리 밸브 (116) 를 구비한, 4통식의 가압 진공압 변동형 산소 농축기로, 산소 농도 90% 의 대략 절건(絶乾) 농축 산소 농축 가스를 생성한다.
흡착통 (112) 은 금속 등의 가스 투과성이 거의 없는 재료로 형성된 중공 통부재를 구비할 수 있고, 내부에 질소에 대하여 선택적 흡착성을 갖는 흡착제가 충전되어 있다. 상기 흡착제로는 결정성 제올라이트 몰레큘러시브를 사용할 수 있다. 이러한 제올라이트는 양이온으로서 금속 원소를 갖는 제올라이트가 바람직하고, 예를 들어 나트륨 제올라이트 X, 리튬 제올라이트 X 등이 포함된다.
또한, 유량 조절부 (140) 는, 초음파식 유량 센서 (142), 자동 스로틀 밸브 수단 (144), 호흡 위상 검지 수단을 형성하는 압력 센서 (146) 를 구비하고 있다. 자동 스로틀 밸브 (144) 는, 최대 오리피스 직경 (φ)1.7㎜ 의 솔레노이드식 비례 밸브를 구비하고 있다. 압력 센서 (146) 는 압력 측정 범위 ±75Pa 의 압력 센서를 사용하고, 압력 센서 (146) 의 출력이 양압에서 음압으로 변화하는 포인트를 흡기상(相)의 시작으로 하도록 되어 있다.
다음으로, 도 2, 3 을 참조하여 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 가습 장치에 대해 설명한다.
가습 장치 (10) 는, 중공 원통형상의 하우징 (12) 과 하우징 (12) 내에 배치된 복수의 중공사 (14a) 로 이루어지는 중공사 다발 (14) 을 구비하고 있다. 하우징 (12) 내에는, 또한 격벽 (16a, 16b) 이 형성되어 있고, 그 격벽 (16a, 16b) 에 의해 하우징 (12) 의 내부 공간은, 중공사 다발 (14) 의 상류측 단면에 인접하 여 중공사 (14a) 의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 입구실 (13) 과, 중공사 다발 (14) 의 하류측 단면에 인접하여 중공사 (14a) 의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 출구실 (15) 과, 피가습 기체 입구실 (13) 과 피가습 기체 출구실 (15) 사이의 작용실 (17) 로 분할된다.
하우징 (12) 은, 또한 상류측 단벽에 형성되어 피가습 기체 입구실 (13) 로 연통하는 피가습 기체 입구 포트 (12a) 와, 하류측 단벽에 형성되어 피가습 기체 출구실 (15) 로 연통하는 피가습 기체 출구 포트 (12b) 를 갖고 있다. 피가습 기체 입구 포트 (12a) 및 피가습 기체 출구 포트 (12b) 는 도관 (180) 에 접속되어 있다. 하우징 (12) 의 측벽에는, 중공사 (14a) 의 외부 공간인 작용실 (17) 내로 연통하는 공기 입구 (12c) 와 공기 출구 (12d) 가 형성되어 있고, 공기 입구 (12c) 에는 외부의 공기를 작용실 (17) 내로 공급하는 팬 (16) 이 배치되어 있다. 또한, 도관 (180) 에 있어서 하우징 (12) 의 하류측에는 습도 센서 (18) 가 배치되어 있고, 제어부 (150) 는, 습도 센서 (18) 에 의해 측정된 습도가 소정 습도가 되도록 팬 (16) 의 회전수를 제어한다.
중공사 다발 (14) 은 50～1000개의 수분 투과성을 구비한 중공사 (14a) 를 갖고, 중공사 (14a) 는 관능기로서 술폰산을 갖는 불소계 고분자막, 예를 들어 듀퐁사 제조의 나피온막, 폴리이미드막 또는 폴리에테르이미드막으로부터 바람직하게 형성된다. 특히, 우베 흥산 주식회사 제조의 폴리이미드막이나 구로다 정공 주식회사 제조의 폴리에테르이미드막이, 수증기 투과 속도의 경시 변화가 작아 바람직하다. 중공사 (14a) 의 갯수는, 피가습 기체의 유량, 목표 가습도, 중공사 (14a) 의 수증기 투과 속도, 중공사 (14a) 의 길이, 직경, 팬 (16) 에 의한 공기 유량 등에 따라서 결정된다.
도 4 는, 도 2, 3 의 가습 장치를 사용한 실험 결과를 나타내는 그래프로, 중공사 (14a) 의 단면적의 합계 (ΣShy) 와, 작용실 (17) 의 단면적 (Sap) 으로부터 중공사 (14a) 의 단면적의 합계를 공제한 공기 유로의 단면적과의 비 (단면적비=ΣShy/(Sap－ΣShy)) 에 대한 피가습 기체로서의 산소 농축 기체의 습도를 나타내고 있다. 실험은, 중공사 다발 (14) 은 폴리이미드막을 사용하고, 내경 약 400㎛, 외경 약 500㎛, 길이 150㎜, 수증기 투과 속도 약 200×10-5㎤ (STP)/(㎠ sec cmHg) 인 200～1000개의 중공사 (14a) 를 갖고 있다. 피가습 기체로서, 23℃ 의 산소 농축 기체를 5000㎤/min 으로 공급하였다. 팬 (16) 은 소형 저소음의 축류팬을 사용하고, 23℃, 50% RH 의 공기를 공급하였다.
도 4 를 참조하면, 단면적비가 0.1～0.7 의 범위에 있는 경우, 대략 절건 상태의 산소 농축 기체가 상대 습도 약 40% RH 이상으로 가습되어, 의료용 기체 공급 시스템에 이용 가능해진다. 특히, 단면적비가 0.2～0.6 의 범위에 있는 경우에, 대략 절건 상태의 산소 농축 기체는 상대 습도 약 45% RH 이상으로 가습이 가능해진다.
다음으로, 도 6, 7 을 참조하여 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 가습 장치에 대해 설명한다.
제 2 실시형태에 의한 가습 장치 (20) 는 제 1 실시형태에 의한 가습 장치 (10) 와 대체로 동일하게 구성되어 있고, 중공 원통형상의 하우징 (22) 과, 하우징 (22) 내에 배치된 복수의 중공사 다발 (24) 을 구비하고, 각각의 복수의 중공사 다발 (24) 은 복수의 중공사 (24a) 로 이루어진다. 하우징 (22) 내에는, 또한 격벽 (16a, 16b) 이 형성되고 있고, 그 격벽 (16a, 16b) 에 의해 하우징 (22) 의 내부 공간은, 중공사 다발 (24) 의 상류측 단면에 인접하여 중공사 (24a) 의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 입구실 (23) 과, 중공사 다발 (24) 의 하류측 단면에 인접하여 중공사 (24a) 의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 출구실 (25) 과, 피가습 기체 입구실 (23) 과 피가습 기체 출구실 (25) 사이의 작용실 (27) 로 분할된다.
하우징 (22) 은, 또한 상류측 단벽에 형성되어 피가습 기체 입구실 (23) 로 연통하는 피가습 기체 입구 포트 (22a) 와, 하류측 단벽에 형성되어 피가습 기체 출구실 (25) 로 연통하는 피가습 기체 출구 포트 (22b) 를 갖고 있다. 피가습 기체 입구 포트 (22a) 및 피가습 기체 출구 포트 (22b) 는 도관 (180) 에 접속되어 있다. 하우징 (22) 의 측벽에는, 중공사 (24a) 의 외부 공간인 작용실 (27) 내로 연통하는 공기 입구 (22c) 와 공기 출구 (22d) 가 형성되어 있고, 공기 입구 (22c) 에는 외부의 공기를 작용실 (27) 내로 공급하는 팬 (26) 이 배치되어 있다. 또한, 도관 (180) 에 있어서 하우징 (22) 의 하류측에는 습도 센서 (28) 가 배치되어 있고, 제어부 (150) 는, 습도 센서 (28) 에 의해 측정된 습도가 소정 습도가 되도록 팬 (26) 의 회전수를 제어한다.
도 5, 6 에 나타내는 실시형태에서는 7개의 중공사 다발 (24) 을 구비하고, 각각의 중공사 다발 (24) 은 100개의 중공사 (24a) 를 갖고 있다. 중공사 (24a) 는 제 1 중공사 (14a) 와 동일한 중공사를 사용할 수 있다. 중공사 (24a) 의 갯수는, 피가습 기체의 유량, 목표 가습도, 중공사 (24a) 의 수증기 투과 속도, 중공사 (24a) 의 길이, 직경, 팬 (26) 에 의한 공기 유량 등에 따라서 결정되고, 중공사 다발 (24) 의 갯수는 사용하는 중공사 (14a) 의 갯수에 의존하고 있다. 예를 들어, 500개의 중공사 (24a) 가 필요한 경우에는, 각각의 중공사 다발 (24) 은 50～100개의 중공사 (24a) 를 가질 수 있고, 1000개의 경우에는, 각각의 중공사 다발 (24) 은 50～250개의 중공사 (24a) 를 가질 수 있고, 2000개의 경우에는, 각각의 중공사 다발 (24) 은 100～500개의 중공사 (24a) 를 가질 수 있으며, 5000개의 경우에는, 각각의 중공사 다발 (24) 은 200～1000개의 중공사 (24a) 를 가질 수 있다.
또한, 중공사막 다발 (24) 을 하우징 (22) 내에 수납할 때, 중공사막 다발 (24) 사이의 간극이 지나치게 크면 팬 (26) 에 의해 공급된 공기가 중공사막 다발 (24) 내로 진입하지 않고, 하우징 (22) 으로부터 배출되고 마는 소위 쇼트 패스가 발생하여 가습 성능이 현저히 저하된다. 따라서, 중공사막 다발 (24) 은, 수 ㎜ 이하의 간극을 두고 하우징 (22) 내에 배치해야 한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명하였는데, 본 발명이 이것에 한정되지 않고 여러 가지 변경과 수정이 가능함은 당업자에게는 당연한 사실이다.
예를 들어, 본 발명을 적용하는 의료용 기체 공급 시스템으로서 의료용 산소 농축 기체 공급 시스템을 설명하였는데, 이것에 한정되지 않고, 본 발명에 따른 가 습 장치는 다른 의료용 기체, 예를 들어 아산화질소 가스를 가습하기 위해서도 사용할 수 있다. 또한, 의료용 기체로서 공기로부터 질소를 분리한 산소 농축 기체 이외에도, 액체 산소를 증발시켜서 생성한 산소 가스를 가습하기 위해서도 본 발명에 따른 가습 장치를 사용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 피가습 기체를 공기 중의 수증기에 의해 가습하는 가습 장치에 있어서,
    수증기를 투과시키는 복수의 중공사를 소정의 축선방향으로 배향하여 묶은 중공사 다발과,
    상기 중공사 다발을 수납하는 공간을 갖는 하우징으로서, 상기 중공사의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 입구와, 상기 중공사의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 출구와, 대기로부터 공기를 도입하기 위해서 상기 하우징 내에서의 상기 중공사의 외부 공간으로 연통하는 공기 입구와, 상기 하우징 내에서의 상기 중공사의 외부 공간으로 연통하는 공기 출구를 갖는 하우징과,
    상기 하우징의 공기 입구에 배치되어 그 하우징 내에서의 상기 중공사의 외부 공간으로 대기로부터 공기를 도입하는 송풍 수단을 구비하고,
    상기 중공사의 상기 축선에 수직인 단면적의 합계와, 상기 하우징의 상기 공간의 상기 축선에 수직인 단면적으로부터 상기 중공사의 단면적의 합계를 공제한 공기 유로 단면적과의 단면적비가 0.1～0.7 로 되어 있는 가습 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단면적비가 0.2～0.6 인 가습 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공사가 폴리이미드막 또는 폴리에테르이미드막으로 이루어지는 가습 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가습 장치는, 상기 피가습 기체 출구에 설치되어 상기 피가습 기체의 습도를 검지하기 위한 습도 센서와,
    상기 습도 센서에 의해 검지된 상기 피가습 기체의 습도가 소정치가 되도록 상기 송풍 수단을 제어하는 제어부를 구비하는 가습 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 피가습 기체가 산소 농축 기체인 가습 장치.
  6. 공기로부터 질소를 흡착, 제거하여 의료용 산소 농축 기체를 생성하는 의료용 산소 농축 장치에 있어서,
    내부에 질소에 대하여 선택적 흡착성을 갖는 흡착제가 충전된 복수의 흡착통을 가진 압력 변동형 산소 농축부와,
    상기 산소 농축부에서 생성된 산소 농축 기체를 사용자에게 인도하기 위한 도관과,
    상기 도관에 배치되어 상기 산소 농축부의 출구 압력을 일정 압력으로 조절하는 압력 조정 수단과,
    상기 도관을 유통하는 산소 농축 기체의 유량을 일정 유량으로 조절하는 유량 조절 수단과,
    제 1 항에 기재된 가습 장치를 구비하는 의료용 산소 농축 장치.
  7. 피가습 기체를 공기 중의 수증기에 의해 가습하는 가습 장치에 있어서,
    수증기를 투과시키는 복수의 중공사를 소정의 축선방향으로 배향하여 묶은 복수의 중공사 다발과,
    상기 복수의 중공사 다발을 수납하는 공간을 갖는 하우징으로서, 상기 복수의 중공사 다발 각각의 중공사의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 입구와, 상기 복수의 중공사 다발 각각의 중공사의 내부 공간으로 연통하는 피가습 기체 출구와, 대기로부터 공기를 도입하기 위해 상기 하우징 내에서의 상기 중공사의 외부 공간으로 연통하는 공기 입구와, 상기 하우징 내에서의 상기 중공사의 외부 공간으로 연통하는 공기 출구를 갖는 하우징과,
    상기 하우징의 공기 입구에 배치되어 그 하우징 내에서의 상기 중공사의 외부 공간으로 대기로부터 공기를 도입하는 송풍 수단을 구비하는 가습 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 중공사가, 폴리이미드막 또는 폴리에테르이미드막으로 이루어지는 가습 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 각각의 중공사 다발이 50～1000개의 중공사를 포함하는 가습 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 가습 장치는,
    상기 피가습 기체 출구에 설치되어 상기 피가습 기체의 습도를 검지하기 위한 습도 센서와,
    상기 습도 센서에 의해 검지된 상기 피가습 기체의 습도가 소정치가 되도록 상기 송풍 수단을 제어하는 제어부를 구비하는 가습 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 피가습 기체가 산소 농축 기체인 가습 장치.
  12. 공기로부터 질소를 흡착, 제거하여 의료용 산소 농축 기체를 생성하는 의료용 산소 농축 장치에 있어서,
    내부에 질소에 대하여 선택적 흡착성을 갖는 흡착제가 충전된 복수의 흡착통을 가진 압력 변동형 산소 농축부와,
    상기 산소 농축부에서 생성된 산소 농축 기체를 사용자에게 인도하기 위한 도관과,
    상기 도관에 배치되어 상기 산소 농축부의 출구 압력을 일정 압력으로 조절하는 압력 조정 수단과,
    상기 도관을 유통하는 산소 농축 기체의 유량을 일정 유량으로 조절하는 유량 조절 수단과,
    제 7 항에 기재된 가습 장치를 구비하는 의료용 산소 농축 장치.
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