(57)【要約】【課題】シープベッドの高濃度酸素生成能力を適切に維持すること。【解決手段】シープベッド１０には、窒素と水分を吸着して空気から高濃度酸素を生成するゼオライト１１，１２が充填されている。シープベッド２０には、窒素と水分を吸着して空気から高濃度酸素を生成するゼオライト２１，２２が充填されている。シープベッド１０は、内部が２つの層に分割され、一方の層をゼオライト１１で充填し、他方の層を、ゼオライト１１と異なる吸脱着性能を有するゼオライト１２で充填した。シープベッド２０は、内部が２つの層に分割され、一方の層をゼオライト２１で充填し、他方の層を、ゼオライト２１とは異なる吸脱着性能を有するゼオライト２２で充填した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素と水分を吸着して空気から高濃度酸素を生成する吸着材を充填した吸着塔を有する酸素濃縮器において、
前記吸着塔の内部の第１の部分を、第１の吸着材で充填し、前記吸着塔の内部の第２の部分を、前記第１の吸着材と異なる吸脱着性能を有する第２の吸着材で充填した、
ことを特徴とする酸素濃縮器。
【請求項２】
前記第１の部分と前記第２の部分は、互いに区画された２つの層を形成する、
ことを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮器。
【請求項３】
前記第１の吸着材と前記第２の吸着材は、互いに異なる粒径を有する、
ことを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮器。
【請求項４】
前記吸着塔は、前記吸着塔の内部に空気を導入する入口部を有し、
前記吸着塔の内部の前記入口部側に、最も大きい粒径を有する吸着材を充填した、
ことを特徴とする請求項３記載の酸素濃縮器。
【請求項５】
前記吸着塔は、前記吸着塔の内部から吸着した水分を排出する出口部を有し、
前記吸着塔の内部の前記出口部側に、最も大きい粒径を有する吸着材を充填した、
ことを特徴とする請求項３記載の酸素濃縮器。
【請求項６】
前記第１の部分と前記第２の部分とを分割する仕切りを前記吸着塔に設けた、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の酸素濃縮器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気を吸気して高濃度の酸素を排気する酸素濃縮器に関する。
【背景技術】
【０００２】
呼吸器疾患の患者が在宅で酸素を吸入する在宅酸素療法（ＨＯＴ：Home Oxygen Therapy）において使用される酸素濃縮器の１つに、吸着型酸素濃縮器がある（例えば、特許文献１参照）。従来の吸着型酸素濃縮器では、フィルタを通して取込んだ室内の空気をコンプレッサにより圧縮し、この圧縮空気を、加圧空気を流すと窒素と水分を吸着し減圧空気を流すと吸着した窒素と水分を脱着する性質を持つ吸着材が充填されたシープベッドに加減圧の切替えを繰り返しながら通過させることにより、高濃度の酸素と窒素富化空気とを分離する。
【０００３】
シープベッドに充填する吸着材として、アルミノ珪酸塩を苛性ソーダや結着剤などとともに化学処理して得られるゼオライトが使用されている。ゼオライトは結晶中に微細孔を持つ多孔性材料であり、この微細孔で、窒素分子あるいは水分子の吸着と脱着が行われる。従来の吸着型酸素濃縮器では、シープベッドに、同一材料からなる同一サイズのゼオライトあるいは材料や成分の異なる複数種類のゼオライトを充填して使用している。
【特許文献１】特開２００４−１８８１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の吸着型酸素濃縮器にあっては、窒素と水分の吸脱着を繰り返していくと、シープベッドに充填されたゼオライトに脱着しきれない水分が停滞し、ゼオライトが劣化してしまうという問題がある。水分の停滞部位が広がりゼオライトの劣化が進むと、ゼオライトの吸脱着性能が低下し、十分な酸素濃度を得ることができない。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、シープベッドの高濃度酸素生成能力を適切に維持することができる酸素濃縮器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】
【０００６】
本発明の酸素濃縮器は、窒素と水分を吸着して空気から高濃度酸素を生成する吸着材を充填した吸着塔を有する酸素濃縮器において、前記吸着塔の内部の第１の部分を、第１の吸着材で充填し、前記吸着塔の内部の第２の部分を、前記第１の吸着材と異なる吸脱着性能を有する第２の吸着材で充填した、構成を採る。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、シープベッドの高濃度酸素生成能力を適切に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【０００９】
図１は、本発明の一実施の形態に係る酸素濃縮器１００の内部構成を示す図である。
【００１０】
図１において、酸素濃縮器１００は、風路ケース１、ヘパフィルタ２、吸気タンク３、コンプレッサ４、冷却パイプ５、冷却用ファン７、マニホールド８、切替弁９ａ，９ｂ、シープベッド１０，２０、製品タンク３０、均圧弁３１、パージオリフィス３２、消音器３３、圧力センサ３４、レギュレータ３５、止め弁３６、酸素センサ３７、バクテリアフィルタ３８、流量制限オリフィス３９、圧力センサ４０、流量センサ４１、加湿器４２、および酸素出口４３を備えている。
【００１１】
酸素濃縮器１００は、図示しない酸素濃縮器筐体（以下単に「筐体」と略記する）を有し、この筐体の内部に酸素濃縮器１００の各装置部が配置される。酸素濃縮器１００は、在宅時には家庭用の電源により、外出時には充電式バッテリにより電源供給を受けて駆動可能である。また、筐体の表面のいずれかの位置（例えば、筐体の上面）には、筐体の内部と外部を連通するための開口を有する窓部（図示せず）が形成されている。この窓部を通じて、筐体の外部の空気が、筐体の内部の冷却用として筐体の内部に導入される。
【００１２】
風路ケース１は、筐体の外部の空気を、呼吸用空気として筐体の内部に導入する。ヘパフィルタ２は、風路ケース１が導入した空気からゴミや埃などの空中浮遊粒子を除去する。吸気タンク３は、ヘパフィルタ２で空中浮遊粒子が除去された空気を貯蔵する。
【００１３】
コンプレッサ４は、吸気タンク３に貯蔵された空気を圧縮して圧縮空気を生成する。コンプレッサ４の回転速度や圧縮レベルは制御部（図示せず）によって制御され、圧縮空気の圧力は、例えば１３０ｋＰａから２００ｋＰａの値の範囲内で調整される。コンプレッサ４は、圧縮動作により発熱する発熱体であり、駆動時には連続的な騒音と振動を発生させる。冷却パイプ５は、コンプレッサ４で生成された圧縮空気をマニホールド８に送る。
【００１４】
冷却用ファン７は、筐体に形成された窓部（図示せず）を通じて外気から導入され、筐体の内部を循環した冷却用空気を吸気して、筐体に設けられた排気路（図示せず）に排気する。冷却用空気は、この排気路を通って、筐体の内部から外部に排気される。
【００１５】
マニホールド８は、コンプレッサ４から冷却パイプ５を介して送られた圧縮空気をシープベッド１０，２０の一方に送るとともに、シープベッド１０，２０の他方から送られた窒素富化空気を消音器３３に送る多岐管である。切替弁９ａ，９ｂは、例えば１０秒間隔で開放と閉鎖を交互に繰り返す電磁弁であり、圧縮空気および窒素富化空気がマニホールド８内を流れる経路を切替える。例えば、図１のように切替弁９ａが圧縮空気に対して開放し切替弁９ｂが圧縮空気に対して閉鎖している場合、コンプレッサ４から冷却パイプ５を介して送られた圧縮空気はマニホールド８内を矢印８Ａの方向に導かれてシープベッド１０に送られ、シープベッド２０から送られた窒素富化空気はマニホールド８内を矢印８Ｂの方向に導かれて消音器３３に送られる。逆に、切替弁９ａが圧縮空気に対して閉鎖し切替弁９ｂが圧縮空気に対して開放している場合、コンプレッサ４から冷却パイプ５を介して送られた圧縮空気はシープベッド２０に送られ、シープベッド１０から送られた窒素富化空気は消音器３３に送られる。
【００１６】
シープベッド１０，２０は、マニホールド８を通って送られた圧縮空気を分離して、高濃度酸素と窒素富化空気とを得る。より具体的には、シープベッド１０，２０の内部には、加圧空気を流すと窒素と水分を吸着し減圧空気を流すと吸着した窒素と水分を脱着する性質を持つゼオライトが充填されており、これらのシープベッド１０，２０に圧縮空気を交互に加減圧しつつ通過させることにより、高濃度酸素と窒素富化空気が分離される。分離された高濃度酸素の酸素濃度は、吸脱着の繰り返し回数や吸脱着時間などを変更することにより、例えば４０％〜９０％程度の範囲で調整することができる。また、ゼオライトは窒素のみならず水分をも吸着するので、分離された高濃度酸素は極めて乾燥しており、その湿度は、例えば０.１％〜０.２％である。シープベッド１０，２０に充填するゼオライトについては、図２を用いて後に詳細に説明する。
【００１７】
製品タンク３０は、一端がシープベッド１０に他端がシープベッド２０に連結された「コの字型」の形状を有しており、シープベッド１０，２０で圧縮空気から分離して得られた高濃度酸素を貯蔵する。均圧弁３１は、製品タンク３０の左右の部分の圧力をこれらが同一となるように調整する。パージオリフィス３２は、製品タンク３０に貯蔵された高濃度酸素を２次浄化する。
【００１８】
消音器３３は排出口３３ａを有しており、排出口３３ａは、シープベッド１０，２０で圧縮空気から分離されマニホールド８を通って送られた窒素富化空気を、筐体に設けられた排気路（図示せず）に排出する。窒素富化空気は、この排気路を通って、筐体の内部から外部に排気される。窒素富化空気の排出は切替弁９ａ，９ｂの開放と閉鎖の切替動作ごとに高い圧力で一気に行われるので、窒素富化空気の排出時および排気時には、比較的大きな音が発生する。この音を低減するために、消音器３３の筒内には排気抵抗（図示せず）が設けられている。
【００１９】
圧力センサ３４は、製品タンク３０からレギュレータ３５に送られる高濃度酸素の圧力を検出する。レギュレータ３５は、流路を流れる高濃度酸素の圧力を調整する。圧力センサ３４が検出した高濃度酸素の圧力は制御部（図示せず）に出力されており、この制御部は、圧力センサ３４から入力された圧力と予め設定された圧力とを比較してこれらが同一の値となるように、レギュレータ３５をフィードバック制御する。
【００２０】
止め弁３６は、閉鎖することにより、レギュレータ３５から圧力調整されて送られる高濃度酸素の流れを止める。止め弁３６は、例えば、高濃度酸素の供給を停止する操作が行われたときあるいは酸素濃縮器１００への電源供給が停止されたときに閉鎖して、筐体の内部に残留した高濃度酸素の流出を止める。
【００２１】
酸素センサ３７は、止め弁３６からバクテリアフィルタ３８に送られる高濃度酸素の酸素濃度を検出する。バクテリアフィルタ３８は、細菌類を捕集することにより、流路を流れる高濃度酸素を除菌する。流量制限オリフィス３９は、バクテリアフィルタ３８を通って送られる高濃度酸素の流路を絞ったり広げたりすることにより、高濃度酸素の流量を制限する。流量制限オリフィス３９の絞り具合あるいは広げ具合は、筐体に設けられたつまみ（図示せず）と連動して調整される。
【００２２】
圧力センサ４０は、流量制限オリフィス３９から流量センサ４１に送られる高濃度酸素の圧力を検出する。流量センサ４１は、流量制限オリフィス３９を通って送られる高濃度酸素の流量を検出する。圧力センサ４０で検出された高濃度酸素の圧力および流量センサ４１で検出された高濃度酸素の流量を継続的にメモリ（図示せず）に記憶することによって、予めなされた設定の通りに高濃度酸素が処理されているか否かをモニタリングすることができる。
【００２３】
加湿器４２は、精製水を貯水した容器であり、流量センサ４１を通って送られる高濃度酸素をこの精製水に通過させることにより、高濃度酸素に湿度を与える。酸素出口４３は、加湿器４２で湿度が与えられた高濃度酸素を、患者に供給するために排気する。酸素出口４３には、一端に酸素マスクや鼻腔カニューラが接続されたチューブ（図示せず）が取付けられ、このチューブを通じて高濃度酸素が患者に供給される。
【００２４】
なお、上述した構成は一例であり、各装置部の設置の有無や設置位置などは種々変更可能である。
【００２５】
次に、シープベッド１０，２０の内部に充填するゼオライトについて、図２を用いて詳細に説明する。
【００２６】
図２（Ａ），（Ｂ）は、シープベッド１０に充填されたゼオライト１１，１２、およびシープベッド２０に充填されたゼオライト２１，２２の一例を示す図である。
【００２７】
図２（Ａ）において、シープベッド１０には、成分（材料）が同一、且つ略球状でその粒径が異なるゼオライト１１，１２が２つの層に分割されて充填されている。より具体的には、窒素と水分の吸着時における圧縮空気の入口側、且つ窒素と水分の脱着時における窒素富化空気の出口側となるシープベッド１０の下層には、粒径が大きい方のゼオライト１１が充填され、シープベッド１０の上層には、粒径が小さい方のゼオライト１２が充填されている。
【００２８】
また、ゼオライト１１，１２の間には、シープベッド１０の上層と下層を分割してこれらを隔離するために、不織布などの仕切り１３が挿入されている。これにより、粒径が小さい方のゼオライト１２が、粒径が大きい方のゼオライト１１の隙間に入り込んでこれらが混合することがなくなる。
【００２９】
同様に、シープベッド２０には、成分が同一、且つ略球状でその粒径が異なるゼオライト２１，２２が２つの層に分割されて充填されている。より具体的には、窒素と水分の吸着時における圧縮空気の入口側、且つ窒素と水分の脱着時における窒素富化空気の出口側となるシープベッド２０の下層には、粒径が大きい方のゼオライト２１が充填され、シープベッド２０の上層には、粒径が小さい方のゼオライト２２が充填されている。また、ゼオライト２１，２２の間には、シープベッド２０の上層と下層を分割してこれらを隔離するために、不織布などの仕切り２３が挿入されている。
【００３０】
ゼオライト１１，１２は、シープベッド１０の内部で舞ったり移動したりしないような充填密度で、シープベッド１０に充填される。同様に、ゼオライト２１，２２は、シープベッド２０の内部で舞ったり移動したりしないような充填密度で、シープベッド２０に充填される。したがって、シープベッド１０に充填されるゼオライト１１，１２、シープベッド２０に充填されるゼオライト２１，２２は、仕切りによって分割されていなくても、互いに区画された層を形成し得る。
【００３１】
ゼオライトは、結晶中に微細孔を持つアルミノ珪酸塩、例えばアルカリ土類金属を含む結晶性含水アルミノ珪酸塩を、苛性ソーダや結着剤などの基材とともに高温高圧で化学処理して得られる。例えば、ゼオライトは、パン型やドラム型、振動型などの容器の中でアルミノ珪酸塩を転動させ、結着剤を含む水溶液を噴霧しつつ、粒子間の架橋形成により微粒子を形成させ、さらに転動や回転などの運動をこの粒子に与えることによって粒の成長を促進することによって得られる（転動造粒法）。目的の粒径に達した時点で粒子に与える運動を止めることにより、粒径の異なるゼオライトを得ることができる。
【００３２】
ゼオライトは結晶中に微細孔を持つ多孔性材料であり、この微細孔で窒素分子あるいは水分子を吸着し、この微細孔から、吸着した窒素分子あるいは水分子を脱着する。
【００３３】
１つのシープベッドに成分（材料）が同一、且つ略球状でその粒径が異なるゼオライトを複数層に分割して充填するというこの構成は、本発明者の鋭意研究の成果として得られた新規な知見である。
【００３４】
本発明者は、ゼオライトが、その格子構造によって分子の吸脱着性能が異なるものの、一般に、粒径が小さいほど高い吸着性能と低い脱着性能を示し、粒径が大きいほど低い吸着性能と高い脱着性能を示すことに着目した。また、本発明者は、ゼオライトが、窒素と水分が混在した圧縮空気が内部を通過した場合、窒素よりも水分を優先して吸着することに着目した。
【００３５】
そして、本発明者は、加圧した圧縮空気の入口側、且つ脱着した窒素富化空気の出口側となるシープベッドの下層には、圧縮空気中の水分を優先して吸着し、吸着した水分を高性能に脱着する粒径の大きなゼオライトを充填する一方、シープベッドの上層には、粒径の大きなゼオライトによって既に大部分の水分が吸着された圧縮空気から窒素を吸着および脱着する粒径の小さなゼオライトを充填するという構成に想到した。
【００３６】
そうすると、シープベッドの下層に充填した粒径の大きなゼオライトが圧縮空気中の水分を優先して高効率且つ高性能に吸脱着するので、ゼオライトの内部に脱着しきれない水分が停滞し難くなる。これにより、水分の停滞によるゼオライトの劣化が抑制され、高濃度の酸素を長期間に亘って安定して得ることができる（ゼオライトの長寿命化）。
【００３７】
この効果は、上層と下層のそれぞれに、厳密に粒径が異なるゼオライトを充填しなくても得ることができる。例えば、シープベッドの内部に仕切りを設け、仕切りの上部に平均粒径の小さなゼオライトを充填し、仕切りの下部に平均粒径の大きなゼオライトを充填することによっても同様の効果を得ることができる。この場合、平均粒径の大きなゼオライトが圧縮空気中の水分を優先して吸着し、続いて平均粒径の小さなゼオライトが圧縮空気中の窒素を主に吸着する。すなわち、シープベッドの内部に充填するゼオライトに、粒径の勾配を与えればよいのである。
【００３８】
なお、シープベッドに充填する粒径の大きなゼオライトと粒径の小さなゼオライトの体積比は、温度や湿度などの使用環境に応じて設定すればよい。例えば、図２（Ａ）の例では、粒径の大きなゼオライトと粒径の小さなゼオライトの体積比は１対１であるが、図２（Ｂ）に示すように、これらの体積比を１対３としてシープベッドに充填してもよい。
【００３９】
以下、上述のように構成された酸素濃縮器１００の動作について説明する。説明において、前述の図１および図２を適宜参照されたい。
【００４０】
酸素濃縮器１００への電源供給が開始されると、所定のセルフチェックプログラムによって動作環境が整えられ、操作者（患者または介護者）は、筐体に設けられたボタンやつまみなどの操作部（図示せず）を操作することにより、酸素流量および酸素濃度を設定する。例えば酸素流量は、つまみを回して流量制限オリフィス３９が設けられた位置における流路の断面積を物理的に変えることによって設定される。
【００４１】
風路ケース１により筐体の外部から内部に呼吸用空気として導入された室内の空気は、ヘパフィルタ２で空中浮遊粒子が除去されて吸気タンク３に貯蔵される。コンプレッサ４は、吸気タンク３に貯蔵された空気を圧縮して圧縮空気を生成する。コンプレッサ４で生成された圧縮空気は、冷却パイプ５を通ってマニホールド８に送られる。このとき、コンプレッサ４は圧縮動作によって発熱するとともに、連続的な騒音と振動を発生させる。
【００４２】
筐体に形成された窓部（図示せず）は、筐体の外部の空気を、筐体の内部、特にコンプレッサ４などの発熱体の冷却用空気として筐体の内部に導入する。導入された冷却用空気は、熱を吸収しながら筐体の内部を循環する。これにより、シープベッド１０，２０における圧縮空気からの窒素と水分の吸着効率、および酸素濃縮器１００の各装置部の耐久性が向上する。筐体の内部を循環した冷却用空気は冷却用ファン７により吸気され、筐体に設けられた排気路（図示せず）に排気される。冷却用空気は、この排気路を通って、筐体の内部から外部に排気される。
【００４３】
マニホールド８に送られた圧縮空気は、切替弁９ａ，９ｂの開閉状態の切替えに従って加減圧を繰り返しながらシープベッド１０，２０を通過することにより、高濃度酸素と窒素富化空気に分離される。より具体的には、シープベッド１０，２０に充填されたゼオライトは、加圧した圧縮空気が通過するとその圧縮空気から窒素と水分を吸着し、減圧した圧縮空気が通過すると吸着した窒素と水分を脱着する。
【００４４】
シープベッド１０，２０内を吸着と脱着を繰り返しながら通過することにより窒素と水分が除去され酸素濃度が高められた気体は、高濃度酸素として製品タンク３０に貯蔵される。ゼオライトは窒素だけでなく水分をも吸着するので、製品タンク３０に貯蔵される高濃度酸素は、水分がほとんど含まれていない乾燥した状態である。
【００４５】
一方、シープベッド１０，２０で除去された窒素と水分を含む窒素富化空気は、マニホールド８を通って消音器３３の排出口３３ａから筐体に設けられた排気路（図示せず）に排出される。窒素富化空気は、この排気路を通って、筐体の内部から外部に排気される。消音器３３の筒内に設けられた排気抵抗（図示せず）は、窒素富化空気の排気により発生する音を吸収して熱に変換することにより音を小さくする。
【００４６】
製品タンク３０に貯蔵された高濃度酸素は、圧力センサ３４およびレギュレータ３５により圧力調整され、バクテリアフィルタ３８により除菌され、流量制限オリフィス３９により流量制限されつつ流路を送られる。流量制限オリフィス３９を通った高濃度酸素は、圧力センサ４０で圧力が検出され、流量センサ４１で流量が検出される。これらの検出結果はメモリ（図示せず）に記憶され、設定通りに高濃度酸素が処理されているか否かがモニタリングされる。
【００４７】
加湿器４２は、流量センサを通って送られる高濃度酸素を加湿する。これにより、高濃度酸素に患者が吸引するために最適な水分が与えられる。加湿器４２で加湿された高濃度酸素は、酸素出口４３に接続されたチューブ（図示せず）を通って送られ、このチューブに接続された酸素マスクや鼻腔カニューラによって患者に吸引される。
【００４８】
いま、シープベッド１０に充填されたゼオライト１１，１２、およびシープベッド２０に充填されたゼオライト２１，２２に注目する。
【００４９】
切替弁９ａが開放し切替弁９ｂが閉鎖している場合、コンプレッサ４で圧縮された圧縮空気は、シープベッド１０の内部を加圧されつつ通過する。より具体的には、シープベッド１０の内部において、圧縮空気はまず粒径の大きなゼオライト１１が充填された領域を通過する。圧縮空気は酸素の他に窒素と水分が混在した状態なので、ゼオライト１１は、水分の吸着を優先しつつ、圧縮空気中の窒素と水分を吸着する。
【００５０】
ゼオライト１１の充填領域で大部分の水分が吸着された圧縮空気は、次いで粒径の小さなゼオライト１２が充填された領域を通過する。ゼオライト１２は、圧縮空気中の窒素と、圧縮空気中に残留した僅かな水分とを吸着する。このようにして、圧縮空気から窒素と水分が吸着され、極めて乾燥した高濃度の酸素が分離される。
【００５１】
切替弁９ａ，９ｂの開閉状態が切替えられ、切替弁９ａが閉鎖し切替弁９ｂが開放すると、コンプレッサ４で圧縮された圧縮空気は、シープベッド２０の内部を加圧されつつ通過する。シープベッド２０の内部において、粒径の大きなゼオライト２１はまず、水分の吸着を優先しつつ、圧縮空気中の窒素と水分を吸着する。次いで、粒径の小さなゼオライト２２は、ゼオライト２１により大部分の水分が吸着された圧縮空気中の窒素と僅かな水分とを吸着する。
【００５２】
一方、シープベッド１０の内部は減圧されており、シープベッド１０に充填されたゼオライト１１，１２は、加圧圧縮空気が通過したときに吸着した窒素と水分を脱着してマニホールド８に送る。このとき、シープベッド１０の窒素富化空気の出口側には、優れた脱着性能を有する粒径の大きなゼオライトが充填されているので、吸着した水分を高効率且つ高性能に脱着することができる。
【００５３】
以上の動作を繰り返すことにより、コンプレッサ４が生成した圧縮空気は、交互に加減圧されつつシープベッド１０，２０を通過する。シープベッド１０内のゼオライト１１，１２が加圧圧縮空気から窒素と水分を吸着している間、減圧されたシープベッド２０内のゼオライト２１，２２は、既に吸着した窒素と水分を窒素富化空気として脱着し、シープベッド２０内のゼオライト２１，２２が加圧圧縮空気から窒素と水分を吸着している間、減圧されたシープベッド１０内のゼオライト１１，１２は、既に吸着した窒素と水分を窒素富化空気として脱着する。
【００５４】
本実施の形態では、シープベッド１０，２０の内部において、水分に晒され易い部位には脱着性能が高いゼオライト１１，２１を充填し、水分に晒され難い部位には吸着性能が高いゼオライト１２，２２を充填する。すなわち、シープベッドの内部に一様にゼオライトを充填するのではなく、圧縮空気中の水分の吸着を重点的に行う領域と、水分の吸着後の窒素の吸着を重点的に行う領域とをシープベッド１０，２０の内部に別個に設けたのである。これにより、酸素濃縮器１００全体を見たときに、吸着性能を低下させることなく、水分による劣化への耐性を高くすることができる。
【００５５】
ところで、窒素と水分が多量に含まれた圧縮空気から水分の吸脱着を重点的に行うゼオライト１１，２１は、ゼオライト１２，２２よりは劣化の速度が速い。すると、ゼオライト１１，２１の交換が必要になってもゼオライト１２，２２は使用可能という状態が発生し得る。そこで、仕切り１３，２３の下部に充填されたゼオライト１１，２１だけを交換することによってゼオライトの吸脱着性能を維持することができる。この効果は、ゼオライト１１（２１）とゼオライト１２（２２）を、不織布のような簡単な仕切りによって分割するのではなく、これらを充填するための独立したユニットを設けることによってより顕著に得ることができる。
【００５６】
このように、本実施の形態によれば、窒素と水分を吸着して空気から高濃度酸素を生成する吸着材を充填した吸着塔を有する酸素濃縮器において、吸着塔の内部を複数層に分割し、分割した複数層のいずれかの層に、分割した複数層の他の層に充填した吸着材と異なる吸脱着性能を有する吸着材を充填した。これにより、シープベッドに充填したゼオライトに含まれる水分を適切に制御することができ、ひいては水分の停滞によるゼオライトの劣化を防止して、窒素と水分の高度な吸脱着性能を長期に亘って維持することができる。
【００５７】
特に、脱着性能が低くなることが問題になる低温時において、本発明は効果的である。
【００５８】
なお、本実施の形態では、粒径が異なるゼオライトを２つの層に分割して充填する場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、粒径が異なるゼオライトを３つ以上の層に分割して充填するようにしてもよい。
【００５９】
また、本実施の形態では、ゼオライトの形状が略球状であるものとして説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ペレット状やチップ状などの他の形状のゼオライトを使用してもよい。
【００６０】
なお、本実施の形態では、ゼオライトの粒径を変えることによってその吸脱着性能を異ならせたが、本発明はこれに限定されない。ゼオライトの吸脱着性能はその表面積や体積、充填密度などによっても異なりうると考えられるので、これらを変えることによってその吸脱着性能を異ならせてもよい。
【００６１】
また、本実施の形態では、シープベッドの下部から上部に加圧した圧縮空気を送るようにしているが、本発明はこれに限定されない。例えば、コンプレッサなどの装置部を筐体の上部に配置して、シープベッドの上部から下部に加圧した圧縮空気を送るようにしてもよい。この場合、シープベッドの上層に粒径が大きい方のゼオライトを充填し、シープベッドの下層に粒径が小さい方のゼオライトを充填する。
【００６２】
なお、本実施の形態では、シープベッドを起立して配置しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、シープベッドを横たえて配置し、あるいは傾いた状態に固定して使用してもよい。この場合、加圧した圧縮空気の入口側且つ窒素富化空気の出口側に粒径が大きい方のゼオライトを充填する。
【実施例】
【００６３】
本発明者は、本発明の効果を実証するために実験を行った。以下では、本発明のより具体的な実施の形態（実施例）について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定して解釈されるものではない。
【００６４】
本実施例では、同一成分で粒径が異なるゼオライトを２層に分割してシープベッドに充填し、このシープベッドに加減圧を繰り返しながら圧縮空気を通過させることにより高濃度酸素を分離してその酸素濃度を測定した。比較検討のために、粒径が小さい方のゼオライトのみを充填した場合、粒径が小さい方のゼオライトと粒径が大きい方のゼオライトを３対１の体積比で充填した場合、粒径が小さい方のゼオライトと粒径が大きい方のゼオライトを１対１の体積比で充填した場合、および粒径が大きい方のゼオライトのみを充填した場合の４つの場合について酸素濃度を測定した。粒径が小さい方のゼオライトと粒径が大きい方のゼオライトの双方を充填する場合、圧縮空気の入口側且つ窒素富化空気の出口側に、粒径が大きい方のゼオライトを充填した。環境温度は脱着性能の低い０℃、設定流量は５Ｌとした。
【００６５】
粒径が小さい方のゼオライト（ＯＸＹＳＩＶＥ７００）の粒度分布は「≧０.６０ｍｍ  ≦９.０％、且つ≦０.２５ｍｍ  ≧２.０％」であった。つまり、ゼオライト全体の８９％は０.２５ｍｍより大きく０.６０ｍｍより小さい粒径を有し、０.６０ｍｍ以上の粒径を有するものは全体の９％、０.２５ｍｍ以下の粒径を有するものは全体の２％であった。
【００６６】
一方、粒径が大きい方のゼオライト（ＯＸＹＳＩＶ７−ＨＰ）の粒度分布は「≧０.８５ｍｍ  ≦７.０％、且つ≦０.３２ｍｍ  ≧１.０％」であった。つまり、ゼオライト全体の９２％は０.３２ｍｍより大きく０.８５ｍｍより小さい粒径を有し、０.８５ｍｍ以上の粒径を有するものは全体の７％、０.３２ｍｍ以下の粒径を有するものは全体の１％であった。
【００６７】
表１は、本実施例による実験結果を示している。
【表１】
2008200113.tif 000003
【００６８】
表１に示すように、小粒径のゼオライトのみを充填した場合の酸素濃度は８４％〜８８％であり、小粒径のゼオライトと大粒径のゼオライトの体積比を３対１として充填した場合の酸素濃度は９０％〜９１％であり、小粒径のゼオライトと大粒径のゼオライトの体積比を１対１として充填した場合の酸素濃度は９１％〜９２％であり、大粒径のゼオライトのみを充填した場合の酸素濃度は９３％〜９４％であった。
【００６９】
このように、小粒径のゼオライトのみを充填した場合よりも、小粒径のゼオライトと大粒径のゼオライトを分割して充填した場合の方が、より高い酸素濃度を得ることができた。また、大粒径のゼオライトのみを充填した場合に最も高い酸素濃度が得られたが、これは環境温度を脱着性能が低い低温（０℃）としたためであり、高温時（例えば、４０℃）では、大粒径のゼオライトのみを充填すると酸素濃度が出にくくなる。
【００７０】
これら４つの場合にシープベッドとゼオライトを使用し続けて高濃度酸素の生成を継続していくと、まず小粒径のゼオライトのみを充填したシープベッドに水分が停滞し始めて酸素濃度が低下すると考えられる。一方、小粒径のゼオライトと大粒径のゼオライトとを分割して充填したシープベッドでは、大粒径のゼオライトが水分の吸脱着を高効率且つ高性能に行うので、小粒径のゼオライトのみを充填した場合と比較して、高い酸素濃度を長期間に亘って維持できると考えられる。また、大粒径のゼオライトと小粒径のゼオライトとを分割して充填したシープベッドでは、大粒径のゼオライトのみを充填した場合と比較して、使用するゼオライトの量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る酸素濃縮器の内部構成を示す図
【図２】（Ａ）本発明の一実施の形態に係るシープベッドに充填されたゼオライトの一例を示す図、（Ｂ）本発明の一実施の形態に係るシープベッドに充填されたゼオライトの他の例を示す図
【符号の説明】
【００７２】
４  コンプレッサ
８  マニホールド
９ａ、９ｂ  切替弁
１０、２０  シープベッド
１１，２１  大粒径ゼオライト
１２，２２  小粒径ゼオライト
１３，２３  仕切り
１００  酸素濃縮器
【図１】
2008200113.tif 000004
【図２】
2008200113.tif 000005