(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を充填した少なくとも1個の吸着筒と、該吸着筒に圧縮空気を供給するための圧縮室を有する空気圧縮手段と、該吸着筒を加圧し吸着剤に窒素を吸着し未吸着の酸素を生成する吸着工程と減圧し吸着剤を再生する脱着工程を一定タイミングで繰り返すための流路切換手段とを備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、
該吸着筒の脱着工程における該吸着筒からの窒素の排気管路先端が、該空気圧縮手段の圧縮室近傍に設けられ、先端からの窒素排気を該圧縮室表面に吹き付ける排気管路を備えると共に、
該空気圧縮手段が、シリンダ及びピストンを備えた往復運動式のコンプレッサであり、該排気管路先端からの窒素排気をピストン摺動部の該シリンダ外表面に吹き付ける排気管路を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項２】
該空気圧縮手段を内部に遮蔽するボックス手段を備え、該ボックス手段に、該空気圧縮手段を冷却する送風手段、および窒素排気を該空気圧縮手段の圧縮室に吹き付ける窒素パージノズルを先端に備えた排気管路を備えることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮装置に関するものであり、特に慢性呼吸器疾患患者などに対して行われる酸素吸入療法に使用する医療用酸素濃縮装置に関するものである。さらに詳細には、加圧空気を供給する圧縮手段の圧縮室に、吸着筒から脱着された窒素ガスを吹き付けることにより冷却し、冷却ファンの小型・軽量化、消費電力の削減を実現すると共に、圧縮手段の寿命を改善することができる圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器系器官の疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、その治療法として最も効果的なもののひとつに酸素吸入療法がある。かかる酸素吸入療法とは、酸素ガスあるいは酸素富化空気を患者に吸入させるものである。その供給源として、酸素濃縮装置、液体酸素、酸素ガスボンベ等が知られているが、使用時の便利さや保守管理の容易さから、在宅酸素療法には酸素濃縮装置が主流で用いられている。
【０００３】
酸素濃縮装置は、空気中の約２１％の酸素を濃縮して供給する装置であり、それには酸素を選択的に透過する膜を用いた膜式酸素濃縮装置と、窒素または酸素を優先的に吸着しうる吸着剤を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置があるが、得られる酸素濃度の点から圧力変動吸着型酸素濃縮装置が主流になっている。
【０００４】
圧力変動吸着型酸素濃縮装置は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤として５Ａ型や１３Ｘ型、Ｌｉ−Ｘ型などのモレキュラーシーブゼオライトを充填した吸着筒を用い、コンプレッサにより圧縮空気を供給することにより加圧条件下で窒素を吸着させ、未吸着の酸素を濃縮酸素として取出す装置である。
【０００５】
医療用酸素濃縮装置に使用されるコンプレッサには、圧縮室をピストンとシリンダで構成されるレシプロ式が一般的に使用されている。レシプロ式のコンプレッサは、空気の圧縮熱やピストンの摺動抵抗によりシリンダが発熱する。シリンダがある一定温度より高温になると、シリンダとピストンの気密を保つシール材の摩耗が加速され、結果としてコンプレッサの寿命が短くなるため、シリンダを冷却する必要がある。シリンダを冷却する手段として、一般的には軸流ファンや遠心ファンが使用されるが、コンプレッサ全体を冷却することになるため、シリンダのみを冷却することが困難で、効率的な冷却ができない。そのため、複数のファンを使用することや、より大型のファンを使用する必要があり、重量や消費電力の増加が問題となる（特許文献１）。
【０００６】
かかる問題の解決方法として、コンプレッサのシリンダに対して、細孔から噴流を吹き付けて局所冷却をするインピンジメント冷却が提案されている。しかし、細孔での圧力損失が大きくなるために、十分な風量を確保することが難しく、結果的に大きなファンが必要になっている（特許文献２）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２３７４２８号公報
【特許文献２】特開２００５−２２４４６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる装置の冷却手段を見直すことによって、冷却ファンの能力を大きくすること無く、コンプレッサのシリンダを十分に冷却することができ、装置の小型軽量化、省エネ化、低コスト化を実現した装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる課題に対して本発明者は鋭意検討した結果、以下の酸素濃縮装置を見出した。すなわち本発明は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を充填した少なくとも1個の吸着筒と、該吸着筒に圧縮空気を供給するための圧縮室を有する空気圧縮手段と、該吸着筒を加圧し吸着剤に窒素を吸着し未吸着の酸素を生成する吸着工程と減圧し吸着剤を再生する脱着工程を一定タイミングで繰り返すための流路切換手段とを備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該吸着筒の脱着工程における該吸着筒からの窒素の排気管路先端が、該空気圧縮手段の圧縮室近傍に設けられ、先端からの窒素排気を該圧縮室表面に吹き付ける排気管路を備えることを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。
【００１０】
また本発明は、かかる空気圧縮手段が、シリンダ及びピストンを備えた往復運動式のコンプレッサであり、該排気管路先端からの窒素排気をピストン摺動部の該シリンダ外表面に吹き付ける排気管路を備えることを特徴とし、該空気圧縮手段を内部に遮蔽するボックス手段を備え、該ボックス手段に、該空気圧縮手段を冷却する送風手段、および窒素排気を該空気圧縮手段の圧縮室に吹き付ける窒素パージノズルを先端に備えた排気管路を備えることを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の酸素濃縮装置を使用することにより、冷却ファンの能力増大や設置数の増大無しに、コンプレッサの圧縮室をより冷却することが可能になり、冷却ファンの小型・軽量化、消費電力の削減を実現すると共に、圧縮手段の寿命を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の酸素濃縮装置の実施態様例を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態である圧力変動吸着型酸素濃縮装置を例示した概略装置構成図である。この図１において、１は酸素濃縮装置、３は加湿された酸素富化空気を吸入する使用者（患者）を示す。圧力変動吸着型酸素濃縮装置１は、外部空気取り込みフィルタ101、吸気消音器102、コンプレッサ103、切換弁104、吸着筒105、逆止弁106、製品タンク107、調圧弁108、流量設定手段109、パーティクルフィルタ110を備える。これにより外部から取り込んだ原料空気から酸素ガスを濃縮した酸素富化空気を製造することができる。また、酸素濃縮装置の筐体内には、生成された酸素富化空気を加湿するための加湿器201、前記流量設定手段109の設定値と、酸素濃度センサ301、流量センサ302の測定値を用いて、コンプレッサや切換弁を制御する制御手段401、コンプレッサの騒音を防音するためのコンプレッサボックス501、コンプレッサを冷却するための冷却ファン502が内蔵されている。
【００１３】
まず外部から取り込まれる原料空気は、塵埃などの異物を取り除くための外部空気取り込みフィルタ101、吸気消音器102を備えた空気取り込み口から取り込まれる。このとき、通常の空気中には、約２１％の酸素ガス、約７７％の窒素ガス、０．８％のアルゴンガス、水蒸気ほかのガスが１．２％含まれている。かかる装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素ガスのみを濃縮して取り出す。
【００１４】
この酸素ガスの取り出しは、原料空気を酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着するゼオライトなどからなる吸着剤が充填された吸着筒に対して、切換弁104によって対象とする吸着筒を順次切り換えながら、原料空気をコンプレッサ103により加圧して供給し、吸着筒内で原料空気中に含まれる約７７％の窒素ガスを選択的に吸着除去する。
【００１５】
前記の吸着筒としては、前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成され、通常、１筒式、２筒式の他に３筒以上の多筒式が用いられるが、連続的かつ効率的に原料空気から酸素富化空気を製造するためには、多筒式の吸着筒を使用することが好ましい。また、前記のコンプレッサとしては、揺動型空気圧縮機が用いられるほか、スクリュー式、ロータリー式、スクロール式などの回転型空気圧縮機が用いられる場合もある。また、このコンプレッサを駆動する電動機の電源は、交流であっても直流であってもよい。
【００１６】
前記吸着筒105で吸着されなかった酸素ガスを主成分とする酸素富化空気は、吸着筒へ逆流しないように設けられた逆止弁106を介して、製品タンク107に流入する。
【００１７】
また、吸着筒内に充填された吸着剤に吸着された窒素ガスは、新たに導入される原料空気から再度窒素ガスを吸着するために吸着剤から脱着させる必要がある。このために、コンプレッサによって実現される加圧状態から、切換弁によって減圧状態（例えば大気圧状態又は負圧状態）に切り換え、吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着剤を再生させる。この脱着工程において、その脱着効率を高めるため、吸着工程中の吸着筒の製品端側或いは製品タンクから酸素富化空気をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。
【００１８】
原料空気から生成された酸素富化空気は、製品タンクへ蓄えられる。この製品タンクに蓄えられた酸素富化空気は、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、調圧弁108や流量設定手段109などによってその供給流量と圧力とが制御されながら、加湿器201へ供給され、加湿された酸素富化空気が患者に供給される。かかる加湿器には、水分透過膜を有する水分透過膜モジュールによって、外部空気から水分を取り込んで乾燥状態の酸素富化空気へ供給する無給水式加湿器や、水を用いたバブリング式加湿器、或いは表面蒸発式加湿器を用いることが出来る。
【００１９】
また、流量設定手段109の設定値を検知し、制御手段401によりコンプレッサの電動機の回転数を制御することで吸着筒への供給風量を制御する。設定流量が低流量の場合には回転数を落とすことで生成酸素量を抑え、且つ消費電力の低減を図ることができる。
【００２０】
通常、コンプレッサは耳障りな騒音を発生するため、これを防音するためにコンプレッサボックス501の中に設置される。また酸素濃縮装置のほとんどの発熱量はコンプレッサから発生されるため、コンプレッサボックスには冷却ファン502を設置して、コンプレッサを冷却する。冷却ファンとしては、軸流式の冷却ファンや遠心型のブロアなどが用いられる。駆動方式は交流であっても直流であっても構わない。過冷却の防止や低騒音化を図るために、冷却ファンの回転数を制御することも実施されている。また、冷却風の向きは、コンプレッサボックス内の空気を換気する強制対流方式や、コンプレッサに冷却風を直接当てる強制空冷方式のどちらを使用してもかまわない。
【００２１】
本発明では、冷却ファンによるコンプレッサの冷却を補助する方法として、吸着筒から脱着された窒素ガスを、コンプレッサの圧縮室に吹き付けるための窒素パージノズル503を用いている。酸素富化空気を取り出した後の窒素ガスは、原料空気の８割を占めるだけの流量があり、またＰＳＡ方式でもＶＰＳＡ方式でも通常は大気圧以上の圧力が確保されているために、ある流速をもって吹きつけることが可能である。窒素パージノズルは１つでも構わないし、好ましくは圧縮室を取り囲むように複数配置してもよい。さらには圧縮室に温度分布が存在している場合は、温度の高い部分に重点的に吹き付けるように配置するのが好ましい。
【００２２】
［実施例１］
以下に本発明の酸素濃縮装置の好適な具体実施例について説明する。本実施例で使用した酸素濃縮装置は、図１に示す構成の圧力変動吸着型酸素濃縮装置であり、酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着材としてＬｉ−Ｘ型ゼオライトを充填した２本の吸着筒と、該吸着筒へ圧縮空気を供給する２ヘッド型揺動式コンプレッサを具備し、生成できる酸素は濃度９０容量％以上で、最大酸素流量３Ｌ／ｍｉｎの能力を有する装置を使用した。かかるコンプレッサには米国Rietschle Thomas社製の揺動型コンプレッサ２５０５ＺＣ２６を使用した。かかるコンプレッサを金属製遮音ボックスに収容すると共に、コンプレッサの冷却用の送風手段として山洋電気製ブロアファンSan Ace B160を使用し、ＤＣ１２Ｖで駆動した。窒素パージノズルは、コンプレッサの各シリンダ（圧縮室Ａ、圧縮室Ｂ）当り４本を使用した。比較例には、窒素パージノズルを使用せず、冷却ファンのみでコンプレッサを冷却する方法を採用した。
【００２３】
酸素濃縮装置の運転条件および環境条件は実施例および比較例共に全て同一とし、環境温度４０℃において、最大酸素流量３Ｌ／ｍｉｎで運転し、各部の温度が平衡状態に達したところで、圧縮室の表面温度を測定した（表１）。
【００２４】
【表１】
0005431662.tif 000002
【００２５】
本発明を実施した結果、比較例に対して圧縮室表面温度を低下させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の酸素濃縮装置の実施態様例である圧力変動吸着型酸素濃縮装置の模式図。
【符号の説明】
【００２７】
１：酸素濃縮装置
２：無給水式加湿器
３：使用者
101：外部空気取り込みフィルタ
102：吸気消音器
103：コンプレッサ
104：切換弁
105：吸着筒
106：逆止弁
107：製品タンク
108：調圧弁
109：流量設定手段
110：パーティクルフィルタ
201：加湿器
301：酸素濃度センサ
302：流量センサ
401：制御手段
501：コンプレッサボックス
502：冷却ファン
503：窒素パージノズル
【図１】
0005431662.tif 000003