TW201618844A - 氧濃縮裝置 - Google Patents

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Maki Hojo
Katsushi Fujimoto
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Teijin Pharma Ltd
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Abstract

本發明提供一種在氧濃縮裝置之吹掃步驟和均壓步驟時，使流通過均壓路徑之均壓閥的氣體流量差降低之氧濃縮裝置，其特徵在於在該均壓閥之至少一端側具備有因流動方向而有壓力損失差之壓力控制元件，使得流過均壓路徑之氣體的一方向流動之壓力損失等同於相反方向流動之壓力損失。

Description

氧濃縮裝置 發明領域
本發明是有關於一種將氧濃縮空氣供給至呼吸器官疾病患者等使用者之醫療用氧濃縮裝置，特別是有關於一種均壓孔口，能消除以變壓吸附法生成氧氣時特別會造成問題之因均壓路徑的流動方向不同而導致之流路壓力損失差。
發明背景
近年來，受到哮喘、肺氣腫症、慢性支氣管炎等呼吸系統器官的疾病折磨之患者有增加的傾向，作為其治療法，吸氧療法是最有效的治療方法之一。所謂吸氧療法，是令患者吸入氧氣或富含氧空氣。作為其氧氣的供給源，已知有氧濃縮裝置、液態氧、氧氣瓶等，從使用時的便利性和維護管理的容易性之觀點來看，在宅氧氣療法當中主流為使用氧濃縮裝置。
氧濃縮裝置是將存在於空氣中約21%的氧氣分離濃縮並供給至使用者的裝置。其中包括使用了選擇性地透過氧氣之膜的膜式氧濃縮裝置、以及使用了能夠優先吸附氮氣或氧氣之吸附劑的變壓吸附型氧濃縮裝置，從能獲 得90%以上之高濃度氧氣的觀點來看，變壓吸附型氧濃縮裝置成為主流。
變壓吸附型氧濃縮裝置藉由交替地反覆進行吸附步驟和解吸附步驟，可連續地產生高濃度氧氣氣體，前述吸附步驟中，藉由對填充有作為相較於氧氣更選擇性地吸附氮氣的吸附劑之5A型、13X型、Li-X型等分子篩沸石的複數個吸附筒供給經壓縮機壓縮的空氣，在加壓條件下吸附氮氣以獲得未吸附之氧氣；前述解吸附步驟中，將前述吸附筒內的壓力降低至大氣壓或低於大氣壓，使被吸附劑吸附之氮氣解吸附並吹掃，以進行吸附劑之再生。除了該等吸附步驟、解吸附步驟以外，還併用了吹掃步驟和均壓步驟，而能生成更高濃度之氧氣氣體，前述吹掃步驟是將來自吸附步驟側之吸附筒的高濃度氧氣導入解吸附步驟側之吸附筒；前述均壓步驟是將吸附步驟結束後之吸附筒與解吸附步驟結束後之吸附筒連通以使吸附筒間的壓力均衡，以回收壓力能量。
因具備有填充了相較於氧氣更選擇性地吸附氮氣的吸附劑之複數吸附筒、將原料空氣供給至該吸附筒之壓縮機、用於依序切換該壓縮機及各吸附筒間流路之流路切換組件，能使壓力變動吸附型氧濃縮裝置中的氧氣濃度提高。該流路切換組件能讓將加壓空氣供給各吸附筒並取出濃縮氧氣之吸附步驟、令各吸附筒減壓使吸附劑再生之解吸附步驟、連通各吸附筒之均壓步驟、以及將從吸附步驟側之吸附筒而來的高濃度氧氣導入解吸附步驟側吸附筒 之吹掃步驟在特定時間點反覆進行。
先行技術文獻
日本專利特開2008-214151號公報
發明概要
連接複數吸附筒間之流路中，具備有控制切換步驟時機之電磁閥與用以控制流量之孔口(orifice)，在特定時機將氣體流動於吸附筒間以進行吹掃及均壓步驟。此時，複數吸附筒間流動之氣體的流量需要大致相同而不受流動方向影響。然而該流路(以下稱均壓路徑)中所具備之電磁閥具有方向性，氣體流動之方向所造成壓力損失之值會相異，故即使由壓縮機供給至吸附筒之空氣量在複數吸附筒間為相同，然而流動於吸附筒間之流量會因流動方向而相異。均壓路徑具備有用於調節流量之孔口，然而孔口構造體(兼具構成該孔口之孔口板與將其包含作為構成要素之配管之連接部)本身亦有方向性，具有因均壓路徑之流動方向導致壓力損失之值相異、且流動氣體流量依據方向而相異之構造。
本發明提供一種氧濃縮裝置，其中藉由調整搭載於氧濃縮裝置之孔口或配管之壓力損失差，使與電磁閥組合時之氣體流動方向相異而導致之壓力損失差降低，且使於吹掃步驟或均壓步驟時通過均壓路徑而流動於吸附筒間的氣體流量差降低。
本發明人等發現下述發明作為解決該課題之方法。
1.一種氧濃縮裝置，用以生成氧氣濃縮氣體，具備有：吸附筒，其填充了相較於氧氣更優先地吸附氮氣的吸附劑、壓縮機，其將加壓空氣供給至該吸附筒、可流路切換閥，其可切換該壓縮機及該吸附筒、該吸附筒及將解吸附氣體排氣至系統外之排氣管之間的流路，且該流路切換閥用於在特定時機反覆進行以下步驟：吸附步驟，將加壓空氣供給該吸附筒並吸附加壓空氣中的氮氣且生成未吸附之氧氣；解吸附步驟，對該吸附筒進行減壓吹掃使氮氣解吸附並使吸附劑再生；均壓步驟，令吸附步驟結束後之吸附筒與解吸附步驟結束後之吸附筒彼此連通以使兩筒均衡壓力、以及均壓閥，其具有連接該吸附筒間之均壓路徑之；該氧濃縮裝置之特徵在於在該均壓閥之至少一端側具備有因流動方向而有壓力損失差之壓力控制元件，使得流過該均壓路徑之氣體的一方向流動之壓力損失等同於相反方向流動之壓力損失。
2.如上述1記載之氧濃縮裝置，其中該壓力控制元件是因流動方向而有壓損差之孔口構造體、或是配管元件。
3.如上述1或2中任一項之氧濃縮裝置，其中該均壓閥之兩端具備有包含圓筒元件之孔口構造體，該圓筒元件具備有連接均壓閥側之孔口板及配管連接部，且該孔口構造體是由下述構造體組合而構成：在該均壓閥入側之孔口構造體，其具備有孔口板之圓筒元件側將孔口作為凹部的圓錐形狀之錐形部位；在該均壓閥出側之孔口構造體，其孔口板之圓筒元件側為平面形狀元件。
4.如上述1至3項中任一項之氧濃縮裝置，其中流過該均壓路徑之氣體的一方向流動之壓力損失與相反方向流動之壓力損失之差在5kPa以下。
依據本發明，能提供一種在吹掃步驟.均壓步驟時，在設置於複數吸附筒間之均壓路徑流動之氣體流量能維持在大致相同而不受流動方向影響，且能安定地連續生成高濃度氧氣之氧濃縮器。
1‧‧‧氧濃縮裝置
101‧‧‧HEPA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‧‧‧孔口
108‧‧‧逆止閥
109‧‧‧製品槽
110‧‧‧調壓閥
111‧‧‧流量設定組件
112‧‧‧微粒過濾器
201‧‧‧加濕器
3‧‧‧使用者(患者)
301‧‧‧氧氣濃度檢測器
302‧‧‧流量檢測器
303‧‧‧壓力檢測器
401‧‧‧控制組件
501‧‧‧壓縮機殼
502‧‧‧冷卻風扇
503‧‧‧排氣消音器
701‧‧‧電源插頭
801‧‧‧套筒
802‧‧‧線圈
803‧‧‧柱塞
804‧‧‧閥體
805‧‧‧閥座
圖1...顯示作為本發明實施態樣例之變壓吸附型氧濃縮裝置之概略構成圖。
圖2...顯示均壓閥單體之壓力損失差。
圖3...顯示孔口構造體之概略形狀。
圖4(4-1)、(4-2)...顯示孔口構造體之截面圖概略形狀。
圖5...顯示均壓閥構造體之截面圖概略形狀。
圖6...顯示具備同一孔口之均壓路徑之壓力損失差。
圖7...顯示具備相異形狀孔口之均壓路徑之壓力損失 差。
圖8(8-1)、(8-2)...顯示作為均壓閥之直接動作式提動閥之截面概略圖。
用以實施發明之形態
使用圖示來說明本發明之構成。
圖1例示作為本發明之一實施態樣之變壓吸附型氧濃縮裝置之概略裝置構成圖。該圖1中，1為氧濃縮裝置，3為吸入經加濕之富含氧氣體的使用者(患者)。變壓吸附型氧濃縮裝置1具備有外部空氣引入過濾器101、吸氣消音器102、壓縮機103、流路切換閥104、吸附筒105、均壓閥106、孔口107、逆止閥108、製品槽109、調壓閥110、流量設定組件111、微粒過濾器112。藉此可由從外部引入之原料空氣製造濃縮了氧氣氣體之富含氧氣體。又，在氧濃縮裝置之筐體內，使用了用以加濕所生成之富含氧氣體之加濕器201、前述流量設定組件111之設定值，以及使用了氧氣濃度檢測器301、流量檢測器302壓力檢測器303之測定值，並內建有控制壓縮機和流路切換閥之控制組件401、用於防止壓縮機噪音之壓縮機殼501、用於冷卻壓縮機之冷卻風扇502。
首先，由外部引入之原料空氣會從具備有用以除去塵埃等異物之外部空氣引入過濾器101、吸氣消音器102之空氣引入口引入。此時，通常空氣中含有約21%之氧氣、約77%之氮氣、0.8%之氬氣、水蒸氣等其他氣體1.2%。使 用該裝置只將作為呼吸用氣體所必要之氧氣氣體濃縮並取出。
該氧氣氣體之取出是使用填充有相較於氧氣分子更選擇性地吸附氮氣分子的沸石所構成之吸附劑之吸附筒105，對其以壓縮機103加壓供給原料空氣並以流路切換閥104依序切換作為對象之吸附筒，在吸附筒內將原料空氣所含之約77%氮氣氣體選擇性地吸附除去。
作為前述吸附筒，是由填充有前述吸附劑之圓筒狀容器形成，通常使用1筒式或如圖1所示吸附筒A、吸附筒B之2筒式，此外還有3筒以上之多筒式，若欲連續並有效率地由原料空氣製造富含氧氣體，是以使用2筒以上之吸附筒為佳。又，作為前述壓縮機103，可使用擺動型空氣壓縮機，此外亦有使用螺桿式、滾筒式、渦旋式等旋轉型空氣壓縮機。又，驅動該壓縮機之電動機的電源可為交流亦可為直流。
富含氧氣體是以沒有被前述吸附筒105吸附之氧氣氣體作為主成份，經過設置成不會逆流回吸附筒之逆止閥108，流入製品槽109。
又，被填充於吸附筒內之吸附劑吸附的氮氣必須從吸附劑上解吸附，以便從新引入之原料空氣再次吸附氮氣。因此，從用壓縮機達成之加壓狀態以流路切換閥切換到減壓狀態(例如大氣壓狀態或負壓狀態)，使被吸附住的氮氣氣體解吸附並讓吸附劑再生。
為了回收加壓能量，令吸附步驟剛結束後之吸附 筒與解吸附步驟剛結束後之吸附筒兩製品端彼此藉由均壓閥106之開閉而連通，以使兩筒的壓力均衡並回收壓力能量。又，在解吸附步驟中，為了提高該解吸附效率，亦可設置吹掃步驟，使富含氧氣體從吸附步驟中的吸附筒之製品端側逆流作為吹掃氣體。此時，為使經過均壓閥流動之氣體的流量調整成固定，在均壓閥106之兩端具備有孔口構造體107。
通常來說，將氮氣解吸附之時會產生巨大氣流音，一般會使用氮氣排氣消音器503。
由原料空氣生成之富含氧氣體會儲存於製品槽109。儲存於製品槽109之富含氧氣體含有例如95%高濃度之氧氣氣體，藉由調壓閥110和流量設定組件111等控制其供給流量與壓力等，並供給至加濕器201，將經過加濕之富含氧氣體供給至患者。該加濕器可使用藉由具有透水膜之透水膜模組從外部空氣將水分引入並供給至乾燥狀態之富含氧氣體的無給水式加濕器、使用水之氣泡式加濕器、亦或表面蒸發式加濕器。
又，藉由檢測流量設定組件111之設定值，並以控制組件401控制壓縮機之電動機的轉數，可控制對於吸附筒之供給風量。若設定流量為低流量時，轉數下降則抑制生成氧氣量，且有助於降低消費電力。
使用2筒式之情況，在吹掃步驟及均壓步驟時，開啟均壓閥106造成氣體由吸附筒A流向吸附筒B，或由吸附筒B流向吸附筒A。在均壓閥106與吸附筒A之間、以及均 壓閥與吸附筒B之間具備有用於調整流量之孔口。
2筒式氧濃縮裝置中控制用來調整吸附筒間壓力之均壓流路開閉的均壓閥106，常使用如圖8所示之小型直接動作式提動閥。如圖8-2所示，閥部之流路構造在氣體流路的入側與出側相異，均壓閥106在入側往出側流動之流路以及在出側往入側流動之流路的構造為非對稱。因此，當均壓閥裝設成為均壓閥之入側為吸附筒A側且均壓閥之出側為吸附筒B側時，如圖2所示，會因流動方向而導致壓力損失之值相異。通常來說，該電磁閥是以使用於朝單一方向流動的氣體流路之開閉控制作為前提而製造，在氣體流動於電磁閥之正反方向的情況下，壓力損失差會產生差異，即便在電磁閥之兩端施加同樣的壓力，仍會因流動於均壓路徑之氣體流動方向而造成氣體流量產生差異。
如圖2所示，當氣體以氧濃縮裝置之均壓路徑的最大流速下流過均壓閥時，若將從吸附筒A流至吸附筒B時的壓力損失差設為100%，則從吸附筒B流至吸附筒A時的壓力損失差甚至會達到152%，從吸附筒A流至吸附筒B時的壓力損失較小。因此，以變壓吸附法切換吸附筒間之壓力並連續生成氧氣時，即使壓縮機對各吸附筒供給等量的原料空氣並在吸附筒間產生同樣的壓力差，仍存在有吸附筒A往吸附筒B之方向比吸附筒B往吸附筒A之方向更容易流動氣體，單位時間內的氣體流量相異之特徵。因此，採取了在均壓閥兩端設置孔口以控制流動的氣體流量之對策。
均壓閥兩端所設的孔口構造體呈現例如圖3所示 圓筒狀之外觀，一端具備設有孔口之孔口板，另一端具有與配管之連接部位，並形成以內部為圓筒狀之元件所構成之孔口構造體。孔口構造體是以壓入均壓閥與吸附筒間的配管之內為佳，而均壓閥與孔口構造體之連接可以是藉由在孔口側之端部外表面設置螺紋溝之方式達成，配管連接部位亦可為具備有單觸式連接器等連接部位之構造。
孔口構造體為如圖4所示之截面形狀，具備下述構造：在圓板中央具備圓筒狀孔口之孔口板(圖4-1)、及具備以圓板中央孔口為中心之圓錐狀凹部之孔口板(圖4-2)；在孔口前後之配管徑與形狀、孔口本身形狀之差異等孔口構造體之形狀亦呈現非對稱，故因氣體流動之方向的不同會產生壓力損失差。
若為如圖4-1之孔口構造體之情況，因孔口前後之口徑差不同，導致從A往B之方向之壓力損失會比反方向還大，故A-B間若有相同壓力差時，氣體從B往A流動比起反向流動會有更大的流量。而圖4-2之孔口構造體亦同樣為非對稱，故產生壓力損失差，氣體從D往C之方向流動比起從C往D之方向流動會有更大的流量。比較兩者之情況，氣體在圖4-2之孔口構造體從D往C之方向流動比起在圖4-1之孔口從B往A之方向流動，壓力損失會變小，會有更多的流量流動。
若將同一孔口構造體接在均壓閥兩端，因流動方向引起的孔口中的壓損差被抵銷，以結果來說無法消除均壓閥之壓損差。例如於均壓閥兩端使用圖4-2之孔口構造體 時，因無法抵銷電磁閥之流量差，若搭載於圖1所示氧濃縮裝置之均壓閥106及孔口107時，其壓力損失差假設以如圖6所示從吸附筒A流至吸附筒B時的壓力損失作為100%，則吸附筒B流至吸附筒A為102.1%，氧氣供給仍然因氣體流動方向而有流量差異。因設置了孔口，以均壓路徑的最大流速流動時的壓力損失會絕對性地變高，招致氧氣濃度低下、氧氣濃度變得不安定。將壓損差降到零對於生成氧氣濃度之提昇、供給氧氣濃度之安定化來說相當重要。
相較於以同一形狀之孔口進行組合，以不同形狀之孔口進行組合較能將起因於孔口組合之壓損差的歧異控制在小範圍。若欲將所生成製品氣體的氧氣濃度控制在90%以上則需要將均壓閥構造體之壓損差控制在5kPa以內，若欲維持在93%以上則需要控制在1kPa以下，可能的話以控制在趨近於零為佳。
本發明之氧濃縮裝置的實施態樣例中，如圖5之電磁閥的端部分別具備有如圖4-1、圖4-2之相異形狀的孔口構造體，且朝向均壓閥不易流動之方向並以孔口之流動更容易的方式配置孔口之方向，藉此成為流過孔口構造體之氣體方向之壓力損失差會抵銷均壓閥之壓力損失差的構造。
如圖7所示，依流過均壓路徑之方向所產生壓力損失之差異，相對於從吸附筒A流至吸附筒B時的壓力損失100%，從吸附筒B至吸附筒A為99.4%，成為減低至1%以下之相似程度的設計，從吸附筒A流至吸附筒B時與從吸附筒 B流至吸附筒A時有等量之流量在流動。
上述實施態樣例中例示了氧濃縮裝置，其中為了使氣體流過均壓路徑之一方向的壓力損失與反方向流動之壓力損失相等，在該均壓閥之至少一端側具備有孔口構造體，作為具有因流動方向而有壓力損失差之壓力控制元件，然而若能夠控制壓損差的話，亦可能以均壓路徑等配管元件之配管形狀的差異進行控制。
[均壓閥構造體之壓損差與氧氣濃度之關係]
關於均壓閥106之兩端具備有孔口107之均壓閥構造體，準備了因均壓路徑之流動方向而具有相異壓損差之均壓閥構造體4個版本，在圖1所示之氧濃縮裝置之均壓路徑中以順方向及反方向裝上，合計有8個版本的壓損差之裝置，對其所生成作為製品氣體的氧氣濃縮氣體之氧氣濃度進行測定。
均壓閥構造體因流動方向造成之壓力損失相同，亦即壓損差為0之製品氣體的氧氣濃度為最大，藉由選擇孔口使壓損差比5kPa小，能夠維持90%以上之氧氣濃度。
產業上之可利用性
本發明之氧濃縮裝置藉由組合孔口構造體與均壓閥，並設定成使吸附筒間的壓力損失差消失，且具備降低流量差異之均壓路徑，能實現穩定的氧氣生成。

Claims (4)

  1. 一種氧濃縮裝置，用以生成氧氣濃縮氣體，具備有：吸附筒，其填充了相較於氧氣更優先地吸附氮氣的吸附劑、壓縮機，其將加壓空氣供給至該吸附筒、流路切換閥，其可切換該壓縮機及該吸附筒、該吸附筒及將解吸附氣體排氣至系統外之排氣管之間的流路，且該流路切換閥用於在特定時機反覆進行以下步驟：吸附步驟，將加壓空氣供給至該吸附筒並吸附加壓空氣中的氮氣且生成未吸附之氧氣；解吸附步驟，對該吸附筒進行減壓吹掃使氮氣解吸附並使吸附劑再生；均壓步驟，令吸附步驟結束後之吸附筒與解吸附步驟結束後之吸附筒彼此連通以使兩筒均衡壓力、以及均壓閥，其具有連接該吸附筒間之均壓路徑；該氧濃縮裝置之特徵在於在該均壓閥之至少一端側具備有因流動方向而有壓力損失差之壓力控制元件，使得流過該均壓路徑之氣體的一方向流動之壓力損失等同於相反方向流動之壓力損失。
  2. 如請求項1之氧濃縮裝置，其中該壓力控制元件是因流動方向而有壓損差之孔口構造體、或是配管元件。
  3. 如請求項1或2中任一項之氧濃縮裝置，其中該均壓閥之兩端具備有包含圓筒元件之孔口構造體，該圓筒元件具備有連接均壓閥側之孔口板及配管連接部，且該孔口構 造體是由下述構造體之組合所構成：在該均壓閥入側之孔口構造體，其孔口板之圓筒元件側具備有將孔口作為凹部的圓錐形狀之錐形部位；在該均壓閥出側之孔口構造體，其孔口板之圓筒元件側為平面形狀元件。
  4. 如請求項1至3中任一項之氧濃縮裝置，其中流過該均壓路徑之氣體的一方向流動之壓力損失與相反方向流動之壓力損失之差在5kPa以下。
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