(57)【要約】【課題】長期間に渡って使用したとしても、吸着剤に水分が吸着することによって生じる劣化を防ぐことによって装置寿命をさらに延長することができ、更には、外部から取り込む空気に含まれる水分を予め取り除くことによって発生するドレン水によって惹起される様々な問題を回避することができるＰＳＡ方式の酸素濃縮装置を提供する。【解決手段】窒素ガスを選択的に吸着させる吸着剤が充填された吸着床に加圧された外部空気を供給する加圧吸着工程と前記吸着床を減圧して前記吸着剤に吸着させた窒素ガスを脱着する減圧脱着工程とを交互に繰り返して酸素富化空気を生成する圧力変動吸着方式を採用する酸素濃縮装置において、前記外部空気に含まれる水分を水蒸気の状態で除去する除湿手段を前記吸着床に直列に、前記吸着床の入側より前段部に独立して設けたことを特徴とする酸素濃縮装置である。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素ガスを選択的に吸着させる吸着剤が充填された吸着床に加圧された外部空気を供給する加圧吸着工程と前記吸着床を減圧して前記吸着剤に吸着させた窒素ガスを脱着する減圧脱着工程とを交互に繰り返して酸素富化空気を生成する圧力変動吸着方式を採用する酸素濃縮装置において、
前記外部空気に含まれる水分を水蒸気の状態で除去する除湿手段を前記吸着床に直列に、前記吸着床の入側より前段部に独立して設けたことを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項２】
前記除湿手段に供給される外部空気を予熱することを特徴とする、請求項１に記載の酸素濃縮装置。
【請求項３】
前記除湿手段を保温することを特徴とする、請求項１又は２に記載の酸素濃縮装置。
【請求項４】
前記除湿手段が、吸湿用吸着剤を充填した吸着床を備えた圧力変動吸着方式の除湿装置であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の酸素濃縮装置。
【請求項５】
窒素ガスを選択的に吸着させる吸着剤が充填された前記吸着床と吸湿用吸着剤を充填した吸着床とに対して、前記外部空気の流れ方向と向流になる方向へ前記酸素富化空気をパージガスとして流すことを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の酸素濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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へ外部から取り入れた空気を加圧して供給して前記吸着剤に窒素ガスを吸着させる加圧吸着工程と前記吸着床を減圧して前記吸着剤に吸着させた窒素ガスを脱着する減圧脱着工程を交互に繰り返すことによって、酸素富化空気を生成する圧力変動吸着方式を採用した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疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、その最も効果的な治療法の一つとして酸素吸入療法があり、空気中から酸素濃縮気体を直接分離する酸素濃縮装置が開発され、使用時の利便性、保守管理の容易さから酸素吸入療法のための治療装置として次第に普及するようになっている。
【０００３】
このような酸素吸入療法に使用するための装置としては、使用者に供給する濃縮酸素を空気中に含まれる酸素から取り出して酸素富化空気として供給する方式と、既に濃縮された酸素ガスを充填した高圧容器から供給する方式がある。これらの装置の中で、高圧容器に充填された濃縮ガスを使用者に供給する方式は、その構造が簡単で軽量化とコンパクト化が容易であるため、使用者が外出時に使用するなどの携帯型装置として優れている。
【０００４】
しかしながら、使用者に供給される濃縮酸素ガスが消費されると、高圧容器に再び充填するか、既に充填済みの高圧容器に取り替える必要があり、使用者にとっては煩雑である。これに対して、空気中に含まれる酸素ガスを濃縮して使用することができれば、前述のような煩雑な作業が要求されないため、使用者にとっては非常に便利である。
【０００５】
ところで、前述の空気中に含まれる酸素ガスを濃縮する装置としては、酸素ガスを選択的に透過させる気体分離膜を利用したものの他に、ゼオライト等の吸着剤を利用した圧力変動吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式（以下、“ＰＳＡ方式”と略称する）を採用したものがある。
【０００６】
ここで、このＰＳＡ方式を簡単に説明すると、先ず前記吸着剤に窒素ガスをゼオライトなどからなる吸着剤に選択的に吸着させるために、取り入れた空気を加圧して圧縮空気とし、この圧縮空気を前記吸着剤と接触させて窒素ガスを取り除いて酸素富化空気を生成する加圧工程を行なう。そして、この加圧工程が完了すると、次に、減圧工程が行なわれて吸着剤から窒素ガスを脱着させる減圧工程を行なうことで、吸着剤が再び窒素ガスを選択的に吸着できる状況を現出させる。このようにして、加圧工程と減圧工程を繰り返すことによって、酸素富化空気を生成する方式をいう。なお、このＰＳＡ方式を使用して空気中から窒素ガスを選択的に取り除いて、例えば酸素濃度が９０％といった酸素富化空気は、一旦容器に貯えられ、容器に貯えられた酸素富化空気が使用者に呼吸用気体として供給される。
【０００７】
しかしながら、ゼオライトなどの吸着剤は、窒素ガスを選択的に吸着するという優れた性質を有する反面で、空気中に含まれる水分をも吸着するという好ましくない性質も併せ持っている。つまり、特にゼオライトを吸着剤として使用する場合には、ゼオライトは、その分子の結晶構造の中に、水の分子を最も強く、次いで窒素ガスの分子を強く吸着し、酸素の分子も若干量吸着する性質を有する。しかも、その吸着する量は、圧力が高い程多く、圧力が低い程少なくなる性質を有する。ところが、ゼオライトが水分を吸着すると、窒素ガスの場合と異なって、これを脱着させることが容易ではなく、窒素ガスを選択的に吸着させて除去する機能を喪失してしまって、酸素富化空気を得るという本来の目的を達成することができなくなる。
【０００８】
そこで、このような問題を解決するために、酸素富化空気を生成する工程へ供給する外部空気から予め水分を除去しておく方法が考えられる。しかしながら、このような場合には、酸素富化空気を生成する前の空気中から取り除かれた水分は、今度はドレン水として排出されるという新たな問題が発生することになる。そして、このようにして発生したドレン水が誤って室内の床面に排出されたりすると、床面が水浸しになったりするという問題も発生する。
【０００９】
このため、取り除いたドレン水をパンなどの容器中に一時的に収容しておき、これを自然乾燥によって蒸発させる方法が考えられている。ところが、空気中から取り除いた水分をドレン水として一時的に貯えておくと、ドレン水を貯えた容器に空気中に浮遊する細菌やカビが繁殖して不衛生になる、という問題が生じる。しかも、このような状態が生じると、息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器系疾患に苦しむ患者にとっては、新たに健康を害する要因が付加されることともなって健康面からも好ましいことではない。
【００１０】
さらには、吸着床に、そのまま水分を多く含んだ空気が供給されると、これらの水分が結露が生じることがあり、圧力センサーなどの配管に結露によって生じた水が流入し、圧力センサーの検知感度が悪くなったり、窒素ガスの吸着プロセスが安定しなくなったりするなどの問題も発生する。
【００１１】
【特許文献１】
特開昭６１−８６９２３号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開平０１−４７４２２号公報
【００１３】
【特許文献３】
特開平０８−１４１０８７号公報
【００１４】
【特許文献４】
特開平０２−９５４１３号公報
【００１５】
【特許文献５】
特開２０００−１３５２８７号公報
【００１６】
【特許文献６】
特開平０８−２４５５８号公報
【００１７】
【特許文献７】
特公平０７−８３８１８号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べた従来技術が有する問題、すなわち、酸素濃縮装置を医療用途に使用するためには、長期に安定して使用することが必須であるが、ＰＳＡ方式を採用する酸素濃縮装置においては、窒素ガスを選択的に吸着して取り除くゼオライトなどの吸着剤が空気中の水分を吸着してしまい、その機能を充分に発揮できず装置寿命も短縮されるという本質的な問題がある。しかも、ＰＳＡ方式では、取り込んだ大気をコンプレッサで圧縮して吸着剤を充填した吸着床に送り込むという態様が採られるために、吸着床で空気中に含まれる水分が空気をおくる配管などに結露することがしばしば生じる。そうすると、この結露した水分が吸着剤にまで到達してしまって付着し、これによって、吸着剤を劣化させて酸素濃縮装置の寿命を短くするという問題を惹起する。
【００１９】
そこで、本発明は、長期間に渡って使用したとしても、吸着剤に水分が吸着することによって生じる劣化を防ぐことができ、これによって、装置寿命をさらに延長することができるＰＳＡ方式の酸素濃縮装置を提供することを目的とする。更には、外部から取り込む空気に含まれる水分を予め取り除くことによって発生するドレン水によって惹起される様々な問題を回避することができるＰＳＡ方式の酸素濃縮装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
ここに、前記課題を解決するための本発明として、請求項１に記載の「窒素ガスを選択的に吸着させる吸着剤が充填された吸着床に加圧された外部空気を供給する加圧吸着工程と前記吸着床を減圧して前記吸着剤に吸着させた窒素ガスを脱着する減圧脱着工程とを交互に繰り返して酸素富化空気を生成する圧力変動吸着方式を採用する酸素濃縮装置において、
前記外部空気に含まれる水分を水蒸気の状態で除去する除湿手段を前記吸着床に直列に、前記吸着床の入側より前段部に独立して設けたことを特徴とする酸素濃縮装置」が提供される。
【００２１】
その際、本発明は、請求項２に記載のように、「前記除湿手段に供給される外部空気を予熱することを特徴とする、請求項１に記載の酸素濃縮装置」とすることが好ましい。
【００２２】
また、本発明は、請求項３に記載のように、「前記除湿手段を保温することを特徴とする、請求項１又は２に記載の酸素濃縮装置」とすることが好ましい。
【００２３】
また、本発明は、請求項４に記載のように、「前記除湿手段が、吸湿用吸着剤を充填した吸着床を備えた圧力変動吸着方式の除湿装置であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の酸素濃縮装置」とすることが好ましい。
【００２４】
そして、本発明は、請求項５に記載のように、「窒素ガスを選択的に吸着させる吸着剤が充填された前記吸着床と吸湿用吸着剤を充填した吸着床とに対して、前記外部空気の流れ方向と向流になる方向へ前記酸素富化空気をパージガスとして流すことを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の酸素濃縮装置」とすることが好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明は、このような課題に対して鋭意検討した結果、従来の酸素濃縮装置のコンプレッサの流入空気を予め除湿機構にて除湿した上で、窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された吸着床に圧縮空気として送り込むことを大きな特徴とするものである。このように、本発明のＰＳＡ方式の酸素濃縮装置では、前記除湿機構によって水分が除去されて実質的に絶乾状態にあるため、このような絶乾状態にある空気に対して加圧吸着工程と減圧脱着工程が交番的に繰り返される吸着床では結露が発生しない。このため、吸着床に充填されたゼオライトなどの吸着剤には、水分が吸着して生じる劣化が起こらず、装置寿命の延長を可能とする。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明することにする。
【００２７】
図１は、本発明のＰＳＡ方式を採用する酸素濃縮装置の１実施形態例を模式的に示した構成図であって、参照符号１は酸素濃縮装置本体であり、そして、参照符号２は加湿器をそれぞれ示す。
【００２８】
この図１において、先ず酸素濃縮装置本体１について簡単に説明すると、この酸素濃縮装置本体１は、除湿手段１０、吸着床１１、コンプレッサ１２、フィルタ１３、切替え弁１４、逆止弁１５、製品タンク１６、調圧弁１７、流量設定器１８、そして製品フィルタ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１２は、外部空気を加圧して圧縮した空気を前記除湿手段１０と１１へ供給する役割を果たし、フィルタ１３はコンプレッサ１２へ供給する外部空気から微小なゴミなどの異物を除去する役割をそれぞれ果たしている。
【００２９】
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、１筒式、２筒式の他に３筒以上の多筒式の吸着床（なお、図１は２筒式の例である）が用いられ、コンプレッサ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。
【００３０】
以上のようにして構成される酸素濃縮装置１において、フィルタ１３を通して外部空気導入手段であるコンプレッサ１２に供給された空気は圧縮されて切替え弁１４を通って除湿手段１０へ供給され、この除湿手段１０によって空気中の水分が除去される。なお、このような除湿手段１０の実施形態例として、水分を吸着するためのゼオライトを吸着剤として使用したＰＳＡ方式を採用した除湿装置がある。そこで、この除湿装置について以下に説明する。
【００３１】
ゼオライトは、その分子の結晶構造の中に、水の分子を最も強く、次いで窒素ガスや前記の不純ガスの分子を強く吸着し、酸素の分子も若干量吸着する性質を有することは、「従来の技術」欄で既に述べたとおりである。このとき、ゼオライトが吸着する量は、圧力が高い程多く、圧力が低い程少なくなる性質を有するので、このような吸着剤の性質を利用して原料ガスを加圧供給して吸着工程を行い、減圧して脱着工程を行うように圧力を変動させてガス分離を行い、空気中に含まれる水分を水蒸気というガスとして扱うことができれば、ＰＳＡ方式の酸素濃縮装置と実質的に同じ原理で、空気中の水分を除去することができる。
【００３２】
このとき、水蒸気の吸着剤として用いられるゼオライトには、カチオン（陽イオン）の加え方により、結晶格子とその細孔のサイズを調整することができる。例えば、ゼオライトの型としては、４Ａ，５Ａ，１３Ｘ等の型があり、それぞれ分子篩としての性能も異なる。水の分子は、前記何れのサイズのゼオライトに対しても強い吸着性を示すが、前記４Ａ型のゼオライトでは、窒素ガスや酸素ガスは吸着しないが、５Ａ型や１３Ｘ型は窒素ガスも良く吸着し、その中でも１３Ｘ型の方が吸着能力が優れていることが知られている。そこで、ＰＳＡ法による除湿装置を構成するに当たって、前記の４Ａ型のゼオライトを用いても良いが、この４Ａ型のゼオライトは、その細孔が小さいので、一旦吸着した水の分子が脱着しにくいという問題があり、この点から、５Ａ型や１３Ｘ型（好ましくは１３Ｘ型）のゼオライトを用いることが好ましい。
【００３３】
ところで、空気中に含まれる水分（湿気）の量は、季節、天候、温度などの環境条件によって異なるが、例えば、気温３０℃，相対湿度１００％の場合には、空気１ｍ３中に３５ｇあり、１モルの水（Ｈ２Ｏ）の重量は１８ｇであるから、これが水蒸気に変換されると、０℃の大気圧下で２２．４リットルになるので、４．６％（容量比、以下同じ）のガス濃度に相当する。一方、空気の組成は、窒素ガス７８％，酸素ガス２１％，アルゴンガス０．９％等である。したがって、空気中に含まれる窒素ガス７８％をゼオライトに選択的に吸着させて、窒素ガスを除去する場合と比較すると、空気中の水分を除去するのに使用する５Ａ型や１３Ｘ型のゼオライトの量はより少なくて済むため、この部分をコンパクトに設計することができる。
【００３４】
したがって、ＰＳＡ方式の除湿装置を使用する場合には、同じくＰＳＡ方式の酸素濃縮装置に使用する吸着床１１へ加圧空気を取り込む入側より手前の前段部に吸湿用の吸着床を直列に独立して設けるだけでよい。なお、水分を含んだ外部空気を取り込んでコンプレッサ１２で圧縮すると、取り込んだ空気は加圧されることによって温度が上昇して水蒸気に変換される。しかも、コンプレッサ１２の駆動による発熱も生じる。このため、空気中から水分を取り除くための吸湿用の吸着床を保温したり、熱を持ったコンプレッサ１２の近傍に設置したりすることによって、取り入れた空気中に膨れる水分は水蒸気に変換された状態で吸湿用の吸着床へ導入されることとなる。
【００３５】
このようにして、除湿手段１０によって、空気中の水分が水蒸気として吸着されてしまうと、酸素富化空気を生成する前記吸着床１１には、ほぼ絶乾状態の空気が導入されることとなるために、水分が付着してその窒素ガスの吸着能力が低下するという問題を実質的に解消することができる。しかも、このような作用を持つ除湿手段１０は、独立して設けられているために、装置が故障したり、水蒸気の吸着剤を交換したりする際に、メンテナンス性の向上が図られる。
【００３６】
しかしながら、ＰＳＡ方式の除湿装置においては、水蒸気を吸着したゼオライトなどによって構成された吸湿用吸着剤を繰り返し使用する必要があることから、一旦吸着した水蒸気を吸湿用吸着剤から脱着させて再生しなければならない。このために、減圧脱着工程において、ほぼ絶乾状態にあるパージガスを吸着床１１から吸湿用吸着床へ向かって向流に流して吸湿用吸着床に充填された吸着剤から水蒸気を脱着すると共に、系外へと排出する。
【００３７】
その際、前記パージガスとして使用するガスとしては、製品タンク１６に溜めた酸素富化空気を使用することが好ましい。何故ならば、この酸素富化空気は、その生成過程から明らかなように、窒素ガス分圧と水蒸気分圧が極めて低くなっているため、吸着床１１に吸着された窒素ガスを脱着し、引き続き吸着床１１に直列に接続された吸湿用吸着床から水蒸気を脱着させる上で極めて好都合だからである。しかも、吸湿用吸着床から脱着させられた水蒸気は、ドレン水という形態を採らないために、これを外部へ放出したとしても水浸しになることはない。また、ドレン水を自然蒸発させて処分するという方法も採らないため、これを一旦容器中に貯めておくということもないため、本質的に空気中に浮遊するバクテリアなどの細菌やカビが増殖することもない。
【００３８】
なお、ここで更に付言しておくならば、除湿手段１０によって水分が除去された実質的に絶乾状態にされた外部空気は、吸着床１１へ供給され、ここで選択的に窒素ガス分子が吸着され、吸着されずに残った酸素ガス分子を多く含んだ酸素富化空気が生成され、生成された酸素富化空気は、逆流しないように逆止弁１５を介して、製品タンク１６に流入してここで貯えられる。このようにして、前記製品タンク１６に貯えられた酸素富化空気は、製品フィルタ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、使用者（患者）側へ呼吸用気体として供給される。
【００３９】
なお、窒素ガス分子を吸着した吸着剤を充填した吸着床１１を再生することに関しては、先ず切替え弁１４を切り替えることによってコンプレッサ１２によって吸着床１１へ供給される加圧空気を遮断する。そうすると、吸着床１１内は減圧されるため、今度は吸着剤に吸着された窒素ガス分子が吸着剤から脱着する。そして、脱着した窒素ガス分子を多く含んだ空気は酸素濃縮装置１から外部へ放出され、吸着剤１１は窒素ガス分子を吸着するための活性を再び取り戻す。なお、この窒素ガス分子の吸着剤からの脱着工程においては、逆止弁１７より上流側は吸着床１１内の圧力よりも高圧であるため、窒素ガス分子を豊富に含んだ空気は逆止弁１７より上流側へは供給されることはない。
【００４０】
【発明の効果】
以上に述べた本発明に拠れば、ＰＳＡ方式の酸素濃縮装置を長期間に渡って使用したとしても、酸素富化空気を生成するための吸着剤に供給される外部空気から予め水分が除去されているために、この吸着剤に水分が吸着することによって生じる劣化を防ぐことができ、装置寿命をさらに延長することができる。
【００４１】
更には、本発明においては、酸素富化空気を生成するための吸着剤に供給される外部空気から予め水分をドレン水として除去することがないから、このドレン水を自然乾燥によって処分する必要がなく、しかも、一旦容器などに溜めておく必要もないため、空気中に浮遊するバクテリアなどの細菌やカビが増殖することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸素濃縮装置の好ましい実施態様例を模式的に示したブロック線図である。
【符号の説明】
１  酸素濃縮装置
１０  除湿手段
１１  吸着床
１２  コンプレッサ
１３  フィルタ
１４  切り替え弁
１５  逆止弁
１６  製品タンク
１７  調圧弁
１８  流量設定器
１９  製品フィルタ
２１    水分透過膜
２２  酸素流路
２３  空気清浄手段（フィルタ）
２４  外部空気導入手段（ファン）
２５  外部空気の導入方向
【図１】
2004344735.tif 000002