TW201420934A - 氧濃縮裝置 - Google Patents

Abstract

本發明是提供一種氧濃縮裝置，其作為減低氮排氣時之氣流音的裝置，具有筒狀容器與在容器內密封了兩端的水分透過性中空纖維透膜束，且具有藉由朝中空纖維透膜內側使原料空氣即壓縮空氣通過，朝容器內之中空纖維透膜外側使脫去排氣氣體通過，來除濕壓縮空氣的同時並消音脫去排氣氣體之排氣音的除濕消音功能。

Description

氧濃縮裝置 發明領域

本發明是一種有關於使用了比起氧會更優先將氮吸附之吸附材之壓力變動吸附型的氧濃縮裝置，特別是有關於一種使用於對慢性呼吸器疾病患者等所進行之氧吸入療法的醫療用氧濃縮裝置。進而詳而言之，是一種氧濃縮裝置，其具備有原料氣體即壓縮空氣之除濕功能，並具有減低吸附材所吸附之氮脫去排氣時所產生的氣流噪音的消音功能。

發明背景

近年，苦於氣喘、肺氣腫症、慢性氣管支炎等之呼吸器系器官疾病的患者有增加之趨勢，而作為其之治療法，最有效果者之一便是氧吸入療法。這種的氧吸入療法是意指使氧氣或是富含氧之空氣給患者吸入者。作為其之氧供給源，廣為人知的有氧濃縮裝置、液體氧、氧氣鋼瓶，但從使用時之便利性或存放管理之容易度來看，自宅氧療法則主流地使用氧濃縮裝置。

氧濃縮裝置是將空氣中所含之約21%的氧濃縮來對使用者供給的裝置，並且有：使用了選擇性透過氧之 膜的膜式氧濃縮裝置、與使用了與可將氮或氧優先地吸附之吸附材的壓力變動吸附型氧濃縮裝置。其中由於可獲得90%以上之高濃度氧氣之點，因此壓力變動吸附型氧濃縮裝置蔚為主流。

壓力變動吸附型氧濃縮裝置是交互地重複進行以下步驟，便可將高濃度氧氣體連續地生成：對填充了作為比起氧更會選擇吸附氮之吸附材的5A型或13X型、Li-X型等分子篩沸石的吸附筒，並供給用壓縮機所壓縮之空氣，藉此在加壓條件下使氮吸附，來獲得未吸附之氧濃縮氣體的加壓吸附步驟、與將前述吸附筒內之壓力減低至大氣壓或其以下，並藉由沖洗吸附材所吸附之氮來進行吸附材之再生的減壓步驟。

如本發明之氧濃縮裝置中，通常具有2個吸附筒，其中一方之吸附筒在加壓吸附步驟時，便用另一方吸附筒來進行減壓步驟，並依順序切換實施兩步驟，藉此可連續地生成氧濃縮氣體。為了用固定循環來切換這些吸附筒，會使用2向閥或3向閥之流路切換閥。

如日本特開2005-81258號公報所記載，一般之氧濃縮裝置中，為了減低消費電力與噪音，在其中一方之吸附筒結束加壓吸附步驟之後，用配管連接減壓步驟所在之另一方吸附筒，且設有使各自吸附筒之壓力變成相同之均壓步驟。藉由該均壓步驟，在開始加壓吸附步驟之吸附筒，會回收加壓能量，可保持預定之高壓力，便可減低消費電力。又開始減壓步驟之吸附筒中，可使朝吸附筒外將氮排 氣時之當前壓力變低，便可將氮排氣時所產生之氣流音壓低。

然而，減壓步驟開始之吸附筒中，即使在均壓步驟剛結束後，壓力還是非常高，當將脫去排氣氣體直接朝大氣壓排氣時，很大之氣流音便會產生。作為這種問題之解決方法，如日本特開2001-278603號公報、日本特開2001-120662號公報所記載，可在排氣口使用各種消音器或導管來消音，但為了獲得一定程度之消音效果需要很大的消音器，不只增加形狀、重量，因消音器之背壓增大而氮之排氣變得無法充分進行，亦會有成品氧濃度降低之問題產生。

先行技術文獻

日本特開2005-81258號公報

日本特開2001-278603號公報

日本特開2001-120662號公報

發明概要

本發明之目的在於提供一種裝置，其是藉由重新檢視裝置之氮排氣口的流路，來改善伴隨脫去排氣氣體排氣時的氣流音，便實現了低噪音化。

對於此課題，本發明者積極檢討之結果，找出了以下之氧濃縮裝置。

1.一種氧濃縮裝置，其特徵在於具有：吸附筒，充填了比起氧會更優先吸附氮之吸附材；壓縮機，對該吸附筒供給壓縮空氣；流路切換閥，為了用固定的時機重覆將該吸附筒加壓並吸附壓縮空氣中之氮且生成未吸附之氧的吸附步驟、與將該吸附筒減壓排淨並再生吸附材的脫去步驟，而將該壓縮機與該吸附筒、該吸附筒與將脫去排氣氣體朝纖維外排氣之排氣管之間的流路加以切換；及除濕消音器，除濕壓縮空氣的同時並消音脫去排氣氣體之排氣音；又，該除濕消音器具有筒狀容器與在容器內密封了兩端之水分透過性中空纖維透膜束，且朝中空纖維透膜內側使壓縮空氣通過，朝容器內之中空纖維透膜外側使脫去排氣氣體通過。

2.如上述1所記載之氧濃縮裝置，其中相對於該除濕消音器之筒狀容器之脫去排氣氣體導入通路截面的代表尺寸，筒狀容器截面的代表尺寸為3~8倍。

3.如上述2所記載之氧濃縮裝置，其中相對於該筒狀容器截面積，中空纖維透膜外側之流路截面積為40~80%。

4.如上述1~3任一項所記載之氧濃縮裝置，其中該水分透過性中空纖維透膜束為聚醯亞胺中空纖維透膜束。

藉由使用本發明之氧濃縮裝置，特別是可減低氮 排氣時之脫去排氣氣體的氣流音，並可實現氧濃縮裝置之静音化。又，藉由作為聚醯亞胺中空纖維透膜束模組將原料空氣之除濕功能與排氣消音功能一體化，便可用比膨脹型消音器具有更輕巧之設計來提升消音效率。

1‧‧‧壓力變動吸附型氧濃縮裝置

2‧‧‧使用者(患者)

6‧‧‧除濕消音器

101‧‧‧過濾器

102‧‧‧吸氣消音器

103‧‧‧壓縮機

104‧‧‧流路切換閥

105‧‧‧吸附筒

106‧‧‧均壓閥

107‧‧‧逆止閥

108‧‧‧製品槽

109‧‧‧調壓閥

110‧‧‧流量設定機構

111‧‧‧粒子過濾器

112‧‧‧氧濃度感應器

113‧‧‧流量感應器

114‧‧‧加濕器

115‧‧‧壓縮機或控制流路切換閥之控制機構

116‧‧‧冷卻扇

117‧‧‧除濕消音器

601‧‧‧中空纖維透膜束

602‧‧‧圓筒容器

603、604‧‧‧兩端

607‧‧‧脫去排氣氣體導入通路之入側

608‧‧‧脫去排氣氣體導入通路之出側

圖1是顯示本發明之氧濃縮裝置之實施態樣例即壓力變動吸附型氧濃縮裝置的示意圖。又，圖2是顯示使用於本發明之氧濃縮裝置之除濕消音器的截面示意圖。圖3是顯示對於脫去排氣氣體之導入通路內徑(I)之圓筒容器內徑(II)之內徑比與透過損失(dB)的關係圖。

用以實施發明之形態

用圖式來說明本發明之氧濃縮裝置之實施態樣例。

圖1是例示了本發明之實施形態即壓力變動吸附型氧濃縮裝置的概略裝置構成圖。該圖1中，1是氧濃縮裝置，2是顯示將已加濕之富含氧之空氣吸入的使用者(患者)。壓力變動吸附型氧濃縮裝置1具有：外部空氣吸入過濾器101、吸氣消音器102、壓縮機103、除濕消音器117、流路切換閥104、吸附筒105、均壓閥106、逆止閥107、製品槽108、調壓閥109、流量設定機構110、粒子過濾器111。藉此可製造已從外部吸入之原料空氣濃縮氧氣之富含氧之空氣。又，氧濃縮裝置之筐體內，使用用以將所生成之富含氧之空氣加濕之加濕器114、前述流量設定機構110之設 定值、與氧濃度感應器112、及流量感應器113之測定值，且內藏有壓縮機或控制流路切換閥之控制機構115、與用以冷卻裝置內之冷卻扇116。

首先從外部吸入之原料空氣是從具有用以除去塵埃等異物之外部空氣吸入過濾器101、吸氣消音器102的空氣吸入口來吸入。此時，普通空氣中，含有約21%之氧氣、約77%之氮氣、0.8%之氬氣、及水蒸氣其他氣體1.2%。這樣裝置中，可只將作為呼吸用氣體所需要之氧氣濃縮並取出。

取出該氧氣是對填充有將原料空氣比起氧氣分子更選擇性地吸附氮氣分子之沸石等所構成之吸附材的吸附筒，利用流路切換閥104，將作為對象之吸附筒依順序地切換，並利用壓縮機103來加壓且供給原料空氣，在吸附筒內選擇性地吸附除去原料空氣中所含之約77%之氮氣。

原料空氣中含有水蒸氣，另一方面，由於上述沸石等之氮吸附材中水分吸附能會比氮吸附能更高，因此宜使原料空氣事前除濕乾燥再使用，就可避免吸附材之吸濕劣化，在可長期間維持氧生成能之情形下，而以此為佳。作為將空氣中水蒸氣持續地除去並朝大氣中排氣的機構，這種除濕器可使用採用了水分透過性中空纖維透膜之除濕消音器117。

作為前述吸附筒，是用填充了前述吸附材之筒狀容器來形成，通常，除了1筒式、2筒式之外，還使用3筒以上之多筒式，為了連續且有效率地從原料空氣製造富含氧 之空氣，宜使用多筒式之吸附筒。又，作為前述壓縮機，除了使用搖動型空氣壓縮機之外，亦會有使用螺旋式、旋轉式、渦捲式等之旋轉型空氣壓縮機之情形。又，驅動該壓縮機之電動機的電源可為交流亦可為直流。

以未用前述吸附筒105吸附之氧氣為主成分的富含氧之空氣，透過設置之逆止閥107使其不會朝吸附筒逆流，並朝製品槽108流入。

又，吸附筒內所充填之吸附材所吸附之氮氣為了從新導入之原料空氣再度吸附氮氣，就必須從吸附材使其脫去。故，從由壓縮機所實現之加壓狀態，利用流路切換閥切換至減壓狀態(例如大氣壓狀態或負壓狀態)，來使已吸附之氮氣脫去並使吸附材再生。該脫去步驟中，為了提高其之脫去效率，從吸附步驟中之吸附筒的製品端側或是製品槽可使富含氧之空氣作為沖洗氣體來逆流。通常，使氮脫去時，由於有很大的氣流音產生，因此一般會使用消音器。

由原料空氣生成之富含氧之空氣會往製品槽108蓄積。該製品槽所蓄積之氧富化空氣例如含有稱為95%之高濃度氧氣，利用調壓閥109或流量設定機構110等來控制其之供給流量與壓力，並對患者供給。在這種加濕器114可使用：利用具有水分透過膜之水分透過膜模組從外部空氣來吸入水分並朝乾燥狀態之富含氧之空氣供給的無給水式加濕器、或是使用了水之氣泡式加濕器、或是表面蒸發式加濕器。

又，檢測流量設定機構110之設定值，藉由利用控制機構115控制壓縮機電動機之旋轉數來控制朝吸附筒之供給風量。設定流量為低流量時，則降低旋轉數來抑制生成氧量，且可謀求減低消費電力。

作為空氣冷卻裝置內之冷卻扇116，可使用軸流式之冷卻扇或離心型之底板(floor)等。驅動方式可為交流亦可為直流無妨。為了防止過度冷卻或謀求低噪音化，亦實施控制冷卻扇之旋轉數。又，冷卻風之方向，無論使用將壓縮機殼內之空氣加以換氣之強制對流方式、或對壓縮機直接接觸冷卻風之強制空氣冷卻方式之任一方均無妨。

壓力變動吸附型之氧濃縮方法中，用固定的時機來重複以下步驟便可連續地生成氧：使用複數吸附筒，將充填了氮吸附材之吸附筒，將壓縮空氣中之氮吸附並生成未吸附之氧的吸附步驟(加壓步驟)、與使吸附筒減壓到大氣壓或是減壓至真空區域，使吸附材所吸附之氮脫去排氣而再生的脫去步驟(減壓步驟-再生步驟)。進而藉由組合將吸附步驟結束後之吸附筒與與脫去步驟結束後之吸附筒透過均壓閥來連接藉此使壓力移動並謀求節能之均壓步驟、或將成品氣體即氧之一部份在脫去步驟之後半從成品端流動藉此促進氮之脫去並提升再生效率的沖洗步驟，便可長期間地有效率地生成高濃度之氧。

在脫去步驟之初期，由於從吸附步驟剛結束之加壓狀態之吸附筒透過排氣管，朝纖維外一時地排出氣體，因此成為排氣噪音的原因。通常，為了減低排氣音，在排 氣管下游會使用消音器。但，在謀求小型化、輕量化、成本削減之氧濃縮裝置，另外設置排氣消音器會與元件件數之增加、重量增加、成本增加相關。本發明之氧濃縮裝置中，將使用於原料空氣之除濕的中空纖維除濕器作為脫去排氣氣體的消音器而併用。

作為除濕消音器之筒狀容器的截面形狀，可使用矩形或圓形等之形狀。此時，筒狀容器之代表尺寸可在矩形時使用對角線，在圓形時使用內徑。而，筒狀容器之截面形狀從脫去排氣氣體與中空纖維透膜束容易接觸之觀點來看，宜使用圓形。

具體而言，其特徵在於：圖2中如截面形狀所示，除濕消音器6具有圓筒容器602與在容器內將兩端603、604密封之水分透過性中空纖維透膜束601，且朝中空纖維內側使壓縮空氣朝通過，並朝容器內之中空纖維透膜外側使脫去排氣氣體通過。

作為中空纖維透膜素材，可使用具有水分透過性能之聚堸或聚醚醯亞胺、聚醯亞胺等，但從化學的安定性、耐壓性等之觀點來看，宜使用聚醯亞胺。將數百根~數千根單位之中空纖維束膜束收納於圓筒容器，並將兩端用黏著劑密封。從朝中空纖維內側供給之壓縮空氣利用水蒸氣分壓差，水分會朝中空纖維外側移動，並將乾燥空氣朝吸附筒供給。根據除濕能力來決定中空纖維束之根數，藉由使用內徑約0.4~0.6mmφ、500~1000根之中空纖維透膜束，便可進行具有約0.5~1L/min之氧生成能力之原料的空氣除 濕。

對中空纖維透膜外側，連接從吸附筒朝纖維外排氣之排氣流路，並供給包含吸附材所吸附之水分、氮、沖洗所使用之氧的脫去排氣氣體。此時，在除濕消音器使脫去排氣氣體流動之方向，是使用與壓縮空氣之流動相對對向及並行之任一者均可。而，從除濕效率之觀點來看，宜為相對向。又，對於圓筒容器截面積之中空纖維透膜外側之流路截面積為40~80%，並宜為60~75%，藉此在使脫去排氣氣體與中空纖維透膜相接之情形下，來確保水分分壓差，並可使因脫去排氣氣體之排氣壓損之消音效果發揮。

將對於未搭載中空纖維透膜束時之脫去排氣氣體之導入通路內徑(I)之圓筒容器內徑(II)的內徑比、與顯示排氣音之消音功能之透過損失(dB)的關係顯示於圖3。前述透過損失是使氣流溫度為40℃，圓筒容器602之長度為90mm，脫去排氣氣體導入通路之入側607及出側608之內徑(I)均為4mm，並利用變更圓筒容器602之內徑(II)的條件下的理論計算來導出。

從圖3看來，可得知膨脹型消音功能是圓筒容器內徑愈大愈會增加，為了獲得高消音功能，必須使圓筒容器之內徑變大。

另一方面，本除濕消音器中，藉由搭載中空纖維透膜束，除了減低因前述膨脹型構造之音壓程度，亦可藉由抑制脫去排氣氣體之高流速來減低氣流音。

在使圓筒容器之長度為90mm，脫去排氣氣體導 入通路之入側及出側之內徑(I)均為4mmφ，圓筒容器之內徑(II)為25mmφ之容器中，作為聚醯亞胺中空纖維透膜，將收納了外徑0.5mmφ之中空纖維1000根之中空纖維除濕器搭載於圖1之壓力變動吸附型氧濃縮裝置，並與未搭載中空纖維除濕器之裝置、搭載無中空纖維之只有圓筒容器之裝置之間的噪音程度加以比較。

未搭載中空纖維除濕器時，相對於顯示41.0dB(A)之噪音值，只搭載除濕器之圓筒容器時，會顯示36.0dB(A)之噪音值，藉由搭載中空纖維除濕器，顯示36.6dB(A)之噪音值。這樣之實施例中，中空纖維除濕器、與只有除濕器之圓筒容器時，顯示了相同之消音效果，中空纖維束之存在對於消音效果幾乎沒有影響。

相對於上述實施例之圓筒容器截面積，中空纖維透膜外側之流路截面積的比為63%，而相對於中空纖維700根、圓筒容器截面積，中空纖維透膜外側之流路截面積的比即使為74%亦具有同樣的效果。當圓筒容器之內徑尺寸變大時，如圖3所示，作為膨脹型消音器之消音性能會提升，但另一方面，在中空纖維透膜之水分交換的除濕性能就會降低。當使內徑尺寸變小時，在除濕器容器內之壓損變大，便會招致因原料空氣供給量之降低之生成氧濃度的降低。

因此，相對於圓筒容器截面積，中空纖維透膜外側之流路截面積的比為40~80%，且宜為60~75%，藉此在脫去排氣氣體與中空纖維透膜相接之情況下來確保水分分壓 差，並可使脫去排氣氣體之排氣壓損的消音效果發揮。

產業上之可利用性

本發明可適用於要求安静穏定性能之小型、輕量的氧濃縮裝置。

6‧‧‧除濕消音器

103‧‧‧壓縮機

105‧‧‧吸附筒

601‧‧‧中空纖維透膜束

602‧‧‧圓筒容器

603、604‧‧‧兩端

607‧‧‧脫去排氣氣體導入通路之入側

608‧‧‧脫去排氣氣體導入通路之出側

Claims (4)

1. 一種氧濃縮裝置，其特徵在於具有：吸附筒，充填了比起氧會更優先吸附氮之吸附材；壓縮機，對該吸附筒供給壓縮空氣；流路切換閥，為了用固定的時機重覆將該吸附筒加壓並吸附壓縮空氣中之氮且生成未吸附之氧的吸附步驟、與將該吸附筒減壓排淨並再生吸附材的脫去步驟，而將該壓縮機與該吸附筒、該吸附筒與將脫去排氣氣體朝纖維外排氣之排氣管之間的流路加以切換；及除濕消音器，除濕壓縮空氣的同時並消音脫去排氣氣體之排氣音；又，該除濕消音器具有筒狀容器與在容器內密封了兩端之水分透過性中空纖維透膜束，且朝中空纖維透膜內側使壓縮空氣通過，朝容器內之中空纖維透膜外側使脫去排氣氣體通過。
2. 如請求項1之氧濃縮裝置，其中相對於該除濕消音器之筒狀容器之脫去排氣氣體導入通路截面的代表尺寸，筒狀容器截面的代表尺寸為3~8倍。
3. 如請求項2之氧濃縮裝置，其中相對於該筒狀容器截面積，中空纖維透膜外側之流路截面積為40~80%。
4. 如請求項1~3任一項之氧濃縮裝置，其中該水分透過性中空纖維透膜束為聚醯亞胺中空纖維透膜束。