(57)【要約】【課題】吸着床の酸素濃縮効率を改善することにより、少ない空気量を供給しても、その酸素濃縮性能を充分に維持でき、装置の小型化を図る。【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吸着床（１１）に加圧空気を供給して酸素濃縮気体を得る圧力変動吸着型の酸素濃縮装置（１）において、２成分系吸着平衡に基づく分離係数が４以上である吸着剤が少なくとも充填され、更に、該吸着剤の粒径分布が０．１〜３．０ｍｍである吸着床を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置である。【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吸着床に加圧空気を供給して酸素濃縮気体を得る圧力変動吸着型の酸素濃縮装置において、
２成分系吸着平衡に基づく分離係数が４以上である吸着剤が少なくとも充填され、更に、該吸着剤の粒径分布が０．１〜３．０ｍｍである吸着床を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
【請求項２】
前記吸着剤が、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３比が２．０〜３．０であるＸ型ゼオライトであり、かつそのＡｌＯ４四面体単位の少なくとも８８％がリチウムカチオンと会合している結晶性ゼオライトである請求項１記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
【請求項３】
前記吸着剤の粒径分布が０．３〜１．０ｍｍである請求項１又は２記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
【請求項４】
前記吸着床を前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成し、該円筒状容器の内径をＤ（ｍｍ）とし、前記吸着剤の平均粒径をｄ（ｍｍ）とした場合に、これらの比Ｄ／ｄが１０以上とする請求項１〜３の何れか一項に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気中に含まれる窒素ガスを吸着床に充填した吸着剤に吸着させて除去することで、酸素濃縮気体を得るための吸着型酸素濃縮装置に関するものであって、特に、加圧空気を供給するコンプレッサーを備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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り、その治療法として最も効果的なものの１つに酸素吸入療法があり、これ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。
【０００３】
この酸素吸入療法では、従来、酸素ガスや酸素富化空気の供給源として酸素ガスボンベが用いられていたが、近年、空気中から酸素濃縮気体を分離する酸素濃縮装置が開発され、使用時の便利さや保守管理の容易さから次第にこのようなタイプの酸素濃縮装置が普及するようになってきている。現在、このような酸素濃縮装置としては、酸素を選択的に透過させる膜を用いた膜式酸素濃縮装置と、窒素を吸着剤に選択的に吸着させて除去し、これによって酸素富化空気を得る吸着型酸素濃縮装置とがあるが、本発明は後者の吸着型酸素濃縮装置に関するものである。　ところで、これまでの吸着型酸素濃縮装置の主なものとしては、コンプレッサーを用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置がある。このタイプの酸素濃縮装置は通常、窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した吸着床にコンプレッサーで加圧された圧縮空気を導入し、加圧状態で窒素を吸着させることにより酸素濃縮気体を得る吸着工程と、吸着床内の圧力を減じて吸着床の再生を行う脱着工程とを交互に行わせることにより酸素濃縮気体を得るものである。
【０００４】
この場合に、前記吸着工程で得られる酸素濃縮気体はサージタンクに一時的に貯留され、このサージタンク内に貯留された酸素濃縮気体が患者に供給される。また、その一部は吸着床へ逆流させられて、窒素ガスを吸着した吸着床からの窒素ガスの脱着を行うことで吸着床の再加圧や吸着床再生のための窒素富化空気のパージに用いられることが多い。　このように、吸着床は、吸着型酸素濃縮装置において、極めて重要な役割を果たしており、この吸着床に使用される吸着剤についても、当然のことながら、酸素濃縮装置の性能を左右するほどの極めて重要な役割を担っている。ところが、現在使用されている吸着型酸素濃縮装置の大部分は未だ充分に小型化・軽量化されているとは言えず、装置の小型化を図るという観点から、如何にして窒素ガスを吸着する吸着剤の吸着効率を向上させてコンパクトな吸着型酸素濃縮装置を提供するかが重要となる。
【０００５】
もし、吸着床の高性能化が図れるならば、吸着床の小型化のみならず、これに付随する機器も小型化できることは言うまでもない。例えば、吸着床へ供給する空気量を減じることができれば、加圧空気を吸着床へ供給するコンプレッサーの能力もそれに対応したものとすることができる。このため、コンプレッサーの小型化と、小型化に伴うコンプレッサーの消費電力の低減とを同時に実現することもできる。
【０００６】
したがって、以上に述べたような観点から、着床床に使用する吸着剤の吸着性能を向上させることが強く求められてきた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べた従来の吸着型酸素濃縮装置が有する問題に鑑み、本願発明が解決しようとする課題は、圧力変動吸着型酸素濃縮装置における吸着床の酸素濃縮効率を改善することにより、従来装置よりも少ない空気量を供給しても、その酸素濃縮性能を同等以上に維持でき、これによって、吸着床のみならず、コンプレッサーの小型化と、これに伴う消費電力の低減をも実現することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
ここに、前記目的を達成するための本発明として、「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吸着床に加圧空気を供給して酸素濃縮気体を得る圧力変動吸着型の酸素濃縮装置において、２成分系吸着平衡に基づく分離係数が４以上である吸着剤が少なくとも充填され、更に、該吸着剤の粒径分布が０．１〜３．０ｍｍである吸着床を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置」が提供される。なお、本発明で言う「分離係数」とは空気中の窒素と酸素の分離の難易度を示す尺度であり、「吸着平衡時における分圧比に対する吸着量比の割合」を示す。
【０００９】
その際、本発明においては、「前記吸着剤が、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３比が２．０〜３．０であるＸ型ゼオライトであり、かつそのＡｌＯ４四面体単位の少なくとも８８％がリチウムカチオンと会合している結晶性ゼオライトである」ことが、本発明の目的を達成する上で好ましい。　また、前記吸着床に充填する吸着剤の粒径分布が、特に、０．３〜１．０ｍｍである場合において、本発明の目的を達成する上で効果的である。なお、本発明で言う「平均粒径」とは、島津製作所製ＣＰ−５０型Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｓｉｚｅ　Ａｎａｌｙｓｅｒを用いて測定したものである。すなわち、この測定器によって得られる遠心沈降曲線をもとに算出した各粒径の粒子とその存在量とのｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ曲線から、５０ｍａｓｓ　ｐｅｒｃｅｎｔに相当する粒径を読み取り、この値を上記平均粒径とする（Ｂｏｏｋ「粒度測定技術」日刊工業新聞社発行、１９７５年、頁２４２〜２４７参照）。　更に、本発明において、前記吸着床を円筒状容器で形成し、該円筒状容器の内径をＤ（ｍｍ）とし、前記吸着剤の平均粒径をｄ（ｍｍ）とした場合に、これらの比Ｄ／ｄが１０以上とすることが、特に、コンパクトで窒素ガスの吸着効率を向上させた吸着床を形成する上で好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、必要に応じて図面を参照しながら、詳細に説明する。　図１は、本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の構成を模式的に例示したブロック線図である。この図において、参照符号１は酸素濃縮装置本体であり、この酸素濃縮装置１は吸着床１１、コンプレッサー１２、フィルター１３、切り替え弁１４、逆止弁１５、サージタンク１６、調圧弁１７、流量設定器１８、そしてフィルター１９を含んで構成される。なお、吸着床１１には空気中の酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着する吸着剤が充填されており、コンプレッサー１２は該吸着床１１に加圧空気を供給し、フィルター１３は空気を取り入れる際に異物を除去する役割をそれぞれ果たしている。
【００１１】
その際、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着床１１としては、好ましくは前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成することが好ましく、通常、１筒式、２筒式の他に３筒以上の多筒式が用いられ、コンプレッサー１２としては揺動型空気圧縮機が用いられるほか、スクリュ式、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。なお、コンプレッサー１２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。
【００１２】
以上のようにして構成される圧力変動吸着型酸素濃縮装置１において、フィルター１３を通してコンプレッサー１２に供給された外部空気は圧縮、加圧され、切り替え弁１４を介して吸着床（図は２筒式の例である）へ供給される。そして、このようにして、吸着床１１へ供給された圧縮空気から選択的に窒素ガスが吸着され、吸着されずに残った酸素ガスを多く含んだ酸素富化空気は逆流しないように設けられた逆止弁１５を介して、サージタンク１６に流入する。そして、該サージタンク１６からフィルター１９を介して、調圧弁１７と流量設定器１８とによってその供給流量と圧力とが制御されながら、患者側に酸素富化空気が供給される。
【００１３】
以上に述べた本発明の装置では、２成分系吸着平衡に基づく分離係数が４以上である吸着剤が少なくとも充填されていることが必要である。何故ならば、本発明の目的を達成するためには、吸着床１１の小型化が必要であり、このためには、窒素ガスを選択的に吸着する吸着性能が高いものが要求されるからである。なお、このような吸着性能が高い吸着剤としては、例えば、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３比が２．０〜３．０であるＸ型ゼオライトであり、かつ、そのＡｌＯ４四面体単位の少なくとも８８％がリチウムカチオンと会合している結晶性ゼオライトを挙げることができる。
【００１４】
なお、従来用いられている吸着剤は、２成分系吸着平衡における分離係数が２．０〜３．０程度であるに対して、本発明に使用する吸着剤の分離係数は単成分系吸着平衡の値から４．０以上の高い値を示すことが要求される。このように、本発明に使用する吸着剤の吸着性能の目安となる分離係数は高いほど好ましく、より好ましくは、この分離係数が６以上である。
【００１５】
このとき、吸着剤には、例えば、前記の例示物の他に、モレキュラーシーブゼオライト５Ａや１３Ｘ、あるいは、これらを改質したものなどを挙げることができ、その際、これらの少なくとも２種を混合した混合物を使用することもできる。ただし、これらの混合物を使用する際には、前記分離係数が混合物全体で４．０以上ある必要がある。なお、このような吸着剤に対して水蒸気又は水分が付着すると、その性能が低下することから、吸着床１１の外部空気導入側に分離係数が低いが故に安価な吸着剤を設けるようにしても良い。なお、この場合、分離係数が低い吸着剤は水蒸気や水分を除去して、その上流側に配した分離係数の高い吸着剤の吸着性能を高く維持する効果を有する。
【００１６】
次に、驚くべきことに、本発明者等は、吸着床１１に充填する吸着剤の粒径分布がきわめて重要であって、該吸着剤の粒径分布が０．１〜３．０ｍｍであり、特に好ましくは０．３〜１．０ｍｍであることが肝要であることを見出した。その理由は明らかではないが、このような範囲にある場合において、前述のように分離係数が高い吸着剤を用いて初めて、本発明の目的を達成することができることが分った。もし、このような範囲の粒子分布を持たない吸着剤を使用すると、その分離係数が例えば４以上であったとしても、その性能を最大限に引き出すことができない。このため、圧力変動吸着型の酸素濃縮装置の小型化という目的に対して、その効果が充分に期待できないことは明らかである。なお、その理由を推定すると、吸着剤の粒径を大きくし過ぎると、その表面積が充分に大きく採ることできず、平均粒径が小さ過ぎると、吸着剤を構成する粒子群間を流通する空気の流動抵抗が増し好ましくない状態となるためと考えられる。
【００１７】
前述のような事実を見出して本発明者等が更に鋭意検討を加えた結果、前記吸着床を前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成し、該円筒状容器の内径をＤ（ｍｍ）とし、前記吸着剤の平均粒径をｄ（ｍｍ）とした場合に、これらの比Ｄ／ｄが１０以上になると、更に吸着剤の吸着性能が改善されることが分った。なお、この理由としては、このＤ／ｄが１０以下であると、吸着床１１を形成する容器壁面において、吸着剤粒子が細密充填されず、この壁面に沿って気体の流れがショートパスすることが原因であると推定される。
【００１８】
ただし、本発明において、前記のような範囲の粒子分布を具現化するためには、通常の手段として、篩を使用するが、この時、最大粒子径より大きい粒子径を有する粒子を除去するための篩と、最小粒子径より小さい粒子径を有する粒子を除去する篩の２種類用意すればよい。すなわち、このような篩を使用して最大粒子径より大きな粒子径を有する粒子を篩分けて除去し、次に、最小粒子径より小さい粒子径を有する粒子を篩分けて除去することによって、特定の粒子径分布を有する粒子を得ることができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上に詳細に述べたように、本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置では、その吸着床の酸素濃縮効率を従来のものと比較すると大幅に改善され、従来装置よりも少ない空気量を供給しても、その酸素濃縮性能を同等以上に維持でき、これによって、吸着床のみならず、コンプレッサーの小型化と、これに伴う消費電力の低減をも実現できるという極めて顕著な効果を有する。　その上、分離係数が高い吸着剤は効果であるため、この高価な吸着剤の使用量をも減少させることができ、トータルとして消耗品である吸着剤のコストを低減できると言う効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の吸着床における好ましい実施態様例を模式的に示した概略図である。
【符号の説明】
１．圧力変動吸着型酸素濃縮装置
１１．吸着床
１２．コンプレッサー
１３．フィルター
１４．切り替え弁
１５．逆止弁
１６．サージタンク
１７．調圧弁
１８．流量設定器
１９．製品フィルタ
【図１】
2004059339.tif 000003