(57)【要約】      （修正有）【課題】在宅酸素療法に使用することを目的とし、低故障発生率を保証する装置信頼性、長期的にも安定した酸素濃縮性能を保証する、吸着性能安定性を有する圧力変動吸着型の酸素濃縮器を提供する。【解決手段】酸素よりも窒素を選択的に吸着し得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空気を加圧供給及び／または減圧排気する為の空気圧縮機を有する圧力変動型の酸素濃縮器において、該吸着筒と該空気圧縮機の空気通路間にシール材摩耗粉捕集用の不織布フィルタを備えることを特徴とする酸素濃縮器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素よりも窒素を選択的に吸着し得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空気を加圧供給及び／または減圧排気する為の空気圧縮機を有する圧力変動型の酸素濃縮器において、該吸着筒と該空気圧縮機の空気通路間にシール材摩耗粉捕集用の不織布フィルタを備えることを特徴とする酸素濃縮器。
【請求項２】
該不織布フィルタのエレメントがＡＳＨＲＡＥ質量法で６０〜１００％の範囲で規定される不織布により構成され、かつ、同部を通過する際の空気の平均流速が５ｍ／ｓ以下となる断面積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３】
該空気圧縮機がヘリカルブレードを備えたヘリカルコンプレッサ、又はスクロールコンプレッサであることを特徴とする、請求項１、２記載の酸素濃縮器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空気中から酸素を分離濃縮する酸素濃縮器、特に医療用として在宅で行なわれる酸素吸入療法に使用する圧力変動吸着型の酸素濃縮器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
在宅酸素療法に使用する医療用の酸素濃縮器は、空気を原料としてその中に含まれる約２１％の酸素を４０％や９０％前後に濃縮して使用するものである。その方法としては、酸素を選択的に透過する酸素富化膜を使用する膜型の酸素濃縮器と、ゼオライトなどの酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を用い、これを充填した吸着筒に原料である空気を加えて窒素を吸着分離する圧力変動吸着型の酸素濃縮器がある。前者の酸素濃縮器で濃縮される酸素濃度は約４０％で後者が約９０％である。現在では，後者が主流となっており、本発明は、後者に関するものである。
【０００３】
かかる圧力変動吸着型酸素濃縮器は、５Ａ型ゼオライトや１３Ｘ型ゼオライト、或はＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３比が２。０〜３。０であるＸ型ゼオライトでそのＡｌＯ４四面体単位の少なくとも８８％以上がＬｉカチオンと会合している高性能のＬｉゼオライト等を１筒、２筒、或は更に多数の吸着筒に充填し、コンプレッサを用いて大気を加圧供給し窒素を吸着させ、酸素を分離すると共に、流路を切り換え、大気圧まで圧力を減圧して吸着した窒素を脱着させるＰＳＡ方式、或は吸着筒を真空状態まで減圧することで脱着再生効率を上げたＶＰＳＡ方式の各種装置が市場に供給されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６３−２４２９０１号公報
【特許文献２】
特開昭６０−２００８０４号公報
【特許文献３】
特開昭５９−２７４６５４号公報
【特許文献４】
特開平１１−９２１０５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
在宅酸素療法に用いられる酸素濃縮器に求められる基本性能は、酸素濃縮性能の他に、特に在宅医療用としての使用に求められる要件として、低故障発生率を保証する装置信頼性、長期的にも安定した酸素濃縮性能を保証する、吸着性能安定性他がある。これは、次の理由によるものである。
【０００６】
即ち、在宅酸素療法で使用する酸素濃縮器は、一日２４時間使用する場合が多く、また、患者は本装置で製造する酸素を頼りに生活しているので、故障があると即座に保守員を呼び出し、修理を依頼することになるので保守員は２４時間体制でサポートしている。この患者にとっても、保守員にとっても、その装置の故障発生頻度が低く、装置信頼性が高いことが重要な要件である。
【０００７】
次に長期的にも安定した酸素濃縮性能の保証の点については、装置設計を行う際に、吸着剤に対して必要以上の初期充填量での設計が必要になり、消費電力を悪化させると同時に、装置の大型化につながる為に、初期の酸素濃縮性能と長期的な酸素濃縮性能の変化が小さい装置であることが必須要件となっている。
【０００８】
次にこれらの酸素濃縮器に求められている２つの要件について従来技術では、以下のような態様となっている。
【０００９】
（１）装置信頼性について
装置における故障の主要発生源は原料である空気を取り入れて圧縮する空気圧縮機と圧力変動吸着型酸素濃縮器の吸着筒の圧力切り替えの為に使用されるバルブ部分が主なものである。
【００１０】
医療用酸素濃縮気に使用されている空気圧縮機はピストン方式、ベーン方式、スクロール方式、ヘリカル方式のものがある。ベーン方式のものは使用されているベーン材の摩耗が激しく、摩耗粉が二次側に侵入することによる周辺機器の故障発生率が高い上に、ベーン材自体に発生する曲げ応力も格段に高いため空気圧縮機自体の故障発生率も高く、保守が頻繁に発生する為ピストン方式のものが主に使用されている。
【００１１】
ピストン方式の空気圧縮機の場合は、シール材の接触面積も小さく、シール材の摩耗粉量が少ない為、このことに起因する故障発生率は低いが、一方で、騒音レベルが高いという欠点がある。この騒音は、通常上記の種類の酸素濃縮器に使用するクラスの空気圧縮機単体での騒音レベルは８０〜６０ｄＢＡの範囲にあり、これは、ピストンの動作に伴って生じる空気圧縮機の振動と電動機のトルク変動に伴う低周波動作音が原因である。振動の他への伝播を防ぐ為の手段としては特開昭６３−２４２９０１号公報（特許文献１）に示される如くスプリングや防振ゴムにより浮かせる手段をとりかつ、特開昭６０−２００８０４号公報（特許文献２）、特開昭５９−２７４６５４号公報（特許文献３）などに示されるように二重の防音ボックスにより音を封じ込めている。しかし、完全に密閉することはできず、駆動電動機や空気圧縮に伴う発熱を冷却する必要があり、ファンを取り付けている。しかし、この冷却風の取り込み口、排出口を経由して騒音が外部に漏出するので屈曲した通路を設けてこれを防いでいる。このようにいろいろな防音手段を講じているので装置が大きく、重くなっており４０〜６０ｋｇであり、保守員１人では抱えて建物の階段を上り・降りすることが困難である。
【００１２】
スクロール方式の空気圧縮機は、主要部品としてそれぞれ一対となるインボリュート形状を有する揺動スクロール板と固定スクロール板を対向する形状で重ね合わせて、揺動スクロールを回転させることにより、連続的に吸気・圧縮・吐出の各工程を進行するものである。特開平１１−９２１０５号公報（特許文献４）には、スクロールコンプレッサを搭載した酸素濃縮器を提案している。しかしながら、スクロール方式の空気圧縮機もインボリュート上に設置される一対のチップシールを有する為に、シール長が長くい為、シール材の摩耗粉量は多く、摩耗粉が二次側に侵入することによる周辺機器の故障発生率が高い。また、スクロールコンプレッサは、上記インボリュート間に形成される隙間がエアリークポイントになる為、インボリュートを高精度に加工する必要が生じ、通常、３次元機械加工を必要とする為、非常に高価となるという問題点を有している。逆に、低価格化の為に、加工精度を落とせば、一回転させた場合の、インボリュート間の隙間は、あるポイントでは、大きなギャップを持ち、エアリークが大きく、あるポイントでは、インボリュートが接触し、その為に発生する金属摩耗粉も故障発生率を高める原因となっている。
【００１３】
（２）吸着性能安定性について
吸着性能安定性は、吸着筒内の吸着剤性能の劣化状態に関係し、吸着剤の劣化については、水分の他、空気中に含有される夾雑物の他、空気圧縮機内に使用されるシール材の摩耗粉の付着が悪影響を与える。通常、空気圧縮機の一次側には、吸入フィルタが設置されており、空気中の夾雑物の侵入を防止しているが、従来は、シール材の摩耗量が少ないレシプロ方式の空気圧縮機が主体的に使用されてきた為、空気圧縮機の二次側には何ら対策はなされていない。この為、従来の装置構成では、レシプロ型の吸着性能安定性は良好であるが、特にシール長が長いことを特徴する回転式空気圧縮機に区分される、ベーン方式、スクロール方式、ヘリカル方式の空気圧縮機を搭載した酸素濃縮器は、長期にわたる吸着性能安定性は得られなかった。
【００１４】
酸素濃縮器の空気圧縮機の２次側に摩耗粉捕集用のフィルタを装置に追加する場合、従来の金網フィルタでは、ろ過面積が十分に取れない為、直ちに目詰まりによる圧力上昇を招き、装置の消費電力悪化につながり採用できない。その対策として、金網をプリーツ型に構成したり、焼結金属フィルタを使用しようとする場合、装置のサイズアップと重量アップを招く為、好ましくない。同様に汎用のＨＥＰＡフィルタ等を採用した場合、収納スペースを確保する必要がある為、装置の大型化につながるという問題がある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のように在宅酸素療法に使用することを目的とし、低故障発生率を保証する装置信頼性、長期的にも安定した酸素濃縮性能を保証する、吸着性能安定性を有する圧力変動吸着型の酸素濃縮器を提供するものである。そこで本発明者は、かかる課題に対して鋭意検討した結果、以下の酸素濃縮器を見出した。
【００１６】
すなわち本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着し得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空気を加圧供給及び／または減圧排気する為の空気圧縮機を有する圧力変動型の酸素濃縮器において、該吸着筒と該空気圧縮機の空気通路間にシール材摩耗粉捕集用の不織布フィルタを備えることを特徴とする酸素濃縮器を提供するものである。
【００１７】
特に、該不織布フィルタのエレメントがＡＳＨＲＡＥ質量法で６０〜１００％の範囲で規定される不織布により構成され、かつ、同部を通過する際の空気の平均流速が５ｍ／ｓ以下となる断面積を有することを特徴とする酸素濃縮器であり、該空気圧縮機がヘリカルブレードを備えたヘリカルコンプレッサ、又はスクロールコンプレッサである酸素濃縮器に適用することを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の医療用酸素濃縮装置の概略図を図１に示す。かかる酸素濃縮装置は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤として５Ａ型ゼオライトを充填した吸着筒にコンプレッサにより加圧空気を供給し、酸素濃度９０％の酸素濃縮ガスを取り出し、加湿器を経由して使用者である呼吸器疾患患者に、例えば供給酸素量を１Ｌ／ｍｉｎ、２Ｌ／ｍｉｎ、３Ｌ／ｍｉｎの流量に切り替えて供給することのできる２筒式の圧力変動吸着型酸素濃縮装置である。
【００１９】
空気圧縮機は圧縮比が１．５〜３．０の範囲にあり、該空気圧縮機を駆動する電動機が５０００ｒｐｍ以下で運転することができる能力を有するブラッシュレスＤＣ電動機であり、これを、インバータにより制御することにより、任意の回転数に変更できるようになっている。
【００２０】
夾雑物捕集用のフィルタは、該空気圧縮機の二次側に配置され、圧縮空気に含有されるシール材の摩耗粉等の夾雑物は、該フィルタ部で捕集されるので、清浄化された空気が切り替えバルブを通過し吸着筒へ向う。
【００２１】
夾雑物捕集用フィルタのエレメントは、ポリプロピレンやポリエチレン性の高分子系合成繊維不織布により構成されており、同部のろ過面積は、同部の最大通過風量に対して、平均通過流速が５ｍ／ｓ以下となるように構成されている。平均流速が５ｍ／ｓ以上の場合、ろ過面に対し、空気の偏流生じ、かかる不織布フィルタは十分なろ過性能が発揮できない。
【００２２】
また、酸素濃縮器の運転条件によっては、圧縮比が高く、空気圧縮機出側の空気温度が１００℃近くなる場合が考えられる。このような場合には、Ｄｕ  Ｐｏｎｔ製のノーメックスＴＭや、帝人製のコーネックスＴＭといった芳香族ポリアミド系繊維の不織布が好適である。
【００２３】
また、偏流による有効ろ過面積の減少を防ぐために、不織布エレメントを介して接続される配管チューブは一直線上ではなく、対角上に配置されることが望ましい。
【００２４】
本発明においては、かかる不織布フィルタを空気圧縮機から発生するシール材の摩耗粉捕集用フィルタとして酸素濃縮器に採用した。従来の構成の酸素濃縮器では、空気圧縮機から発生するシール材の摩耗粉が切り替えバルブのスプール部等に噛み込み、経時的に故障発生率を高め、同時に、吸着筒内に侵入することにより、吸着剤の性能劣化を招いていた。空気圧縮機の二次側に夾雑物捕集用のフィルタを設置した酸素濃縮器においては、空気圧縮機から発生するシール材の摩耗粉は、該フィルタにより捕集される為、該フィルタの二次側に位置する切り替えバブルや吸着塔には、清浄化された空気が送られる為、故障発生率を低減し、装置信頼性を高めると同時に、長期的にも安定した酸素濃縮性能を維持でき、吸着性能安定性を確保できる。特に、従来、装置の信頼性や長期にわたる吸着性能安定性を確保することが困難であった、ベーン方式、スクロール方式、ヘリカル方式の空気圧縮機を搭載した酸素濃縮器においても、かかる装置構成をとることにより、装置の信頼性や長期に渡る吸着性能安定性を確保できる。
【００２５】
また、本発明では、該シール材摩耗粉捕集用フィルタのエレメントをＡＳＨＲＡＥ規格に定められる質量法試験で６０〜１００％の範囲で規定される不織布により構成し、かつ、同部を通過する際の平均流速が５ｍ／ｓ以下となるような断面積に設計することにより、該シール材摩耗粉捕集用フィルタは、小型に構成することができかつ、同部での空気の圧力損失が非常に小さく、同時に、長期間に渡って安定した捕集能力を発揮する。
【００２６】
【実施例】
以下、９１％の酸素濃度で、供給酸素量を１Ｌ／ｍｉｎ、２Ｌ／ｍｉｎ、３Ｌ／ｍｉｎの流量に切り替えて供給することのできる酸素濃縮器の実施例及び比較例について説明する。
【００２７】
［実施例１］
直径７０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの吸着筒に５Ａ型ゼオライトを密度０．８で充填したものを２本と、最高圧力１２０ｋＰａ設定時に流量４２Ｌ／分の圧縮空気が得られる能力を有するヘリカル型のコンプレッサに直流電源で駆動するブラッシュレス電動機を組み合わせた酸素濃縮器の空気流路間に、ＡＳＨＲＡＥ質量法で平均捕集率９０％の芳香族ポリアミド製不織布エレメントでろ過面積を０．００２５ｍ２の断面積で構成されたシール材摩耗粉捕集用フィルタを図１のフローシートのように接続した。酸素供給量３Ｌ／ｍｉｎの流量に応じてインバータにより回転数を設定し、５０００時間連続運転させた。
【００２８】
かかるフィルターには、図３に示す断面形状でもわかるように、空気入り側接続口と出側接続口を対角上に配置したものを使用した。
【００２９】
［比較例１］
直径７０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの吸着筒に５Ａ型ゼオライトを密度０．８で充填したものを２本と、最高圧力１２０ｋＰａ設定時に流量４２Ｌ／分の圧縮空気が得られる能力を有するヘリカル型のコンプレッサに直流電源で駆動するブラッシュレス電動機を組み合わせ、図２のフローシートに示すように接続し、酸素供給量３Ｌ／ｍｉｎの流量に応じて、インバータにより回転数を設定し、５０００時間連続運転させた。その他の条件は、実施例１と同じ条件を使用した。
【００３０】
上記実施例の結果を表１に示す。実施例１と比較例１との性能差は、非常に大きく、シール材摩耗粉捕集用フィルタを空気圧縮機の二次側に設置することにより、故障発生率低減により装置の信頼性が向上し、更に長期にわたる吸着性能安定性も向上することがわかる。
【００３１】
【表１】
2004261223.tif 000003
【００３２】
【発明の効果】
本発明の酸素濃縮器のように吸着筒と空気圧縮機の空気通路間にシール材摩耗粉捕集用の不織布フィルタを備えることにより、空気圧縮機から発生するシール材の摩耗粉は、該不織布フィルタにより捕集される為、フィルタの二次側に位置する切り替えバブルや吸着塔には、清浄化された空気が送られる為、故障発生率を低減し、装置信頼性を高めると同時に、長期的にも安定した酸素濃縮性能を維持でき、吸着性能安定性を確保できる。
【００３３】
特に、従来、装置の信頼性や長期にわたる吸着性能安定性を確保することが困難であった、ベーン方式、スクロール方式、ヘリカル方式の空気圧縮機を搭載した酸素濃縮器においても、かかる装置構成をとることにより、装置の信頼性や長期にわたる吸着性能安定性を確保できるようになり、効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の２筒式酸素濃縮器の概略構成図。
【図２】従来の２筒式酸素濃縮器の概略構成図。
【図３】本発明の酸素濃縮器に使用するシール材摩耗粉捕集用フィルタの概略断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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