(57)【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と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、該空気圧縮機が、ヘリカルブレードによって区切られる２つの独立した圧縮経路および圧縮室を備えたヘリカルコンプレッサーであり、該圧縮経路のうち、１つを加圧供給経路、他の１つを減圧排気経路に接続することを特徴とする酸素濃縮器。
【請求項２】
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ーであり、該ヘリカルブレードが２条に配置され、該ブレードによって区切られる２つの独立した圧縮経路のうち、１つを加圧供給経路、他の１つを減圧排気経路に接続することを特徴とする、請求項１に記載の酸素濃縮器。
【請求項３】
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と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ーであり、該空気圧縮機のローラを挟んで内側と外側の両方にシリンダを設け、該ローラの内側及び外側に設けたヘリカル溝に該ヘリカルブレードを設けると共に、外側シリンダの内面からローラの外面間と、ローラの内面から内側シリンダの外面間に形成される２つの独立した圧縮経路のうち、１つを加圧供給経路、他の１つを減圧排気経路に接続することを特徴とする酸素濃縮器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸素濃縮器、特に在宅酸素療法に使用する真空−加圧圧力変動吸着型（以下ＶＰＳＡという）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酸素量約２１％を濃縮して使用するものである。その方法は、酸素を選択的に透過する膜を使用する膜型の酸素濃縮器と窒素を選択的に吸着する吸着剤を用いて、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、流路を切換え、大気圧迄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】
【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、特に在宅の医療用として求められる要件として、静寂性、小型軽量性、省エネ性他がある。これは、次の理由によるものである。
【０００５】
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、夜間は装置の動作音が家族を含め患者の睡眠を妨げない静かな装置であることが要求される。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。
【０００６】
この保守員にとっては、その故障装置の修理や装置の入れ替えの為の運搬が一人で容易にできるように小型軽量であることが重要な要件である。更に患者のクオリティ・オブ・ライフ（ＱＯＬ）をあげる為、患者は外出や旅行を楽しみにしており、従来、この場合ボンベに充填した酸素を使用している。
【０００７】
しかし、そのガス量は、有限なものであり、数時間の仕様で空になる為、度々の充填が必要となる。このため多くの人の手助けが必要となるので、外出や旅行にも簡単に出られないのが現実である。このため、酸素濃縮器が小型軽量であれば自動車に手軽に積み込んで運搬し、ホテル、旅館にて使用できるようになり、かつ、自宅においても酸素濃縮器を自在に移動させて行動範囲を容易に広げることができる。すなわち、患者のＱＯＬの点からも小型軽量化が要求されている。
【０００８】
次に消費電力の点については、患者は一日２４時間連続運転して、使用する。装置の費用の大部分が健康保険負担となり、あまり、多くの出費は生じないのに対して、電気代は患者の負担となるので収入の比較的少ない患者にとっては、電気代は大きな負担となり、消費電力の小さい装置が必須要件となっている。
【０００９】
次にこれらの酸素濃縮器に求められている３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。
【００１０】
（１）静粛性について
装置における動作音の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の動作音と圧力変動吸着型の酸素濃縮器の吸着筒の圧力切り替えと排気に伴って発生する排気音が主なものである。
排気音は高性能のサイレンサを取り付けることにより、比較的良く消音することができる。しかし、空気圧縮機の動作音は振動を伴った低周波音を多く含んでおり容易には下げにくい。現在、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、スクロール方式のものがある。ベーン方式のものは使用されているカーボンが摩耗し、二次側に黒いカーボンが出てくるし、これを取り除く為のフィルターが必要になってくる。更にこのフィルターも度々交換しなければならない。加えてカーボンベーンの摩耗寿命が２０００〜４０００Ｈであり、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、特開昭５９−２７４６５４号公報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は公報には、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、騒音を発生させる現象が生じる。このため、スクロール本来の、高効率、低騒音という特徴は、両方とも達成できないという問題がある。
【００１３】
（２）小型軽量性について
前述の静粛性を満たす為の構造により装置が大きく、重くなっているのがその他の要因として、装置を小型軽量化するには圧力変動吸着型の酸素濃縮器の筒数とその運転方法が大きく影響する。また、ＶＰＳＡ型の酸素濃縮器においては、通常、加圧用と真空用のコンプレッサを２台設置し、電磁弁によって、流路を切り替えて使用するか、あるいは、１台の空気圧縮機を使用して、吐出側と吸込側の流路を電磁弁によって、反転させて使用している。このため、前者の場合、装置は大型化し、重量も重くなるという問題があり、後者の場合、特に、２筒以上の吸着筒に対して、加圧供給と減圧排気を同時に行うことができないため、吸着筒の性能を十分に引き出すことができなくなってしまうという問題がある。
【００１４】
（３）低消費電力性について
空気圧縮機の内部シール構造を強化することにより、損失仕事を小さくすることができるので、高効率な空気圧縮機を提供できることが可能である。即ち、酸素濃縮器における主たる電力消費部は、空気圧縮機であるので、この部分の効率化が低消費電力化を実現する為に、多大な効果がある。同時に、損失仕事を小さくすることは、余分な発熱・振動を抑える効果を有することになる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような課題に対して、在宅酸素療法に使用する静粛で小型軽量な圧力変動吸着型の酸素濃縮器を提供するものである。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】
即ち本発明は、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と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ーであり、該ヘリカルブレードが２条に配置され、該ブレードによって区切られる２つの独立した圧縮経路のうち、１つを加圧供給経路、他の１つを減圧排気経路に接続す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】
また本発明は、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と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ーであり、該空気圧縮機のローラを挟んで内側と外側の両方にシリンダを設け、該ローラの内側及び外側に設けたヘリカル溝に該ヘリカルブレードを設けると共に、外側シリンダの内面からローラの外面間と、ローラの内面から内側シリンダの外面間に形成される２つの独立した圧縮経路のうち、１つを加圧供給経路、他の１つを減圧排気経路に接続することを特徴とする酸素濃縮器を提供するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る医療用酸素濃縮装置の実施形態について図面に基づき説明する。
【００１９】
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３L/minの流量で供給する２筒式の圧力変動吸着型酸素濃縮装置である。
【００２０】
空気圧縮機は圧縮比が１．５〜３．０の範囲にあり、かつ、排除容積が３０ｃｃ／ｒｅｖ以下の範囲を有する２つの圧縮経路を有するヘリカルブレード型の空気圧縮機である。
【００２１】
ヘリカルブレード型コンプレッサは、例えば特開2000-87886号公報に記載の回転式のコンプレッサである。該コンプレッサーは、冷蔵庫などの冷媒などの流体を圧縮するコンプレッサとして開発されたものであり、円筒形のシリンダと圧縮室の仕切りとなるヘリカルブレード、モータ回転軸に対して偏芯したローラを主な構成要素とし、ローラがシリンダ内部であるクリアランスを保ちながら旋回運動することにより圧縮室は軸方向に移動して圧縮される。
【００２２】
図２は、第１の実施態様例であるヘリカルブレード式コンプレッサの圧縮機構部分を示す概略構成図である。ヘリカルブレード式圧縮機構部分は、シリンダ１とこのシリンダ１内の偏芯位置に配置される回転体としてのローラ２との間に介装され、ローラ２の外周部に形成されるらせん状のヘリカル溝に収容されるらせん状のヘリカルブレード４ａと４ｂとを有する.上記ローラ２は、回転シャフト５のクランク部６に軸装され、回転シャフト５の回転により偏芯回転運動するようになっている。
【００２３】
このヘリカルブレード４ａと４ｂにより、シリンダ１とローラ２との間に２つの圧縮経路７ａと７ｂおよび、その経路上に存在する複数の圧縮室１０ａと１０ｂがローラ２の軸方向に沿って区画形成される。ヘリカルブレード４ａと４ｂのリードピッチは等しいもので、シリンダ１の軸方向に漸次小さくなるように形成されてあり、設計値に応じて軸方向に平行にずらせて構成してある。回転シャフト５のクランク部６に軸装されて偏芯回転を行うローラ１により圧縮室１０が旋回しながら軸方向に漸次移動し、圧縮室１０内の空気を漸次圧縮するようになっている。
【００２４】
ＶＰＳＡ型の酸素濃縮器においては、ブレードによって区切られる２つの独立した圧縮経路のうち、圧縮経路７ａを加圧供給に、圧縮経路７ｂを減圧排気に使用することにより、複数の吸着筒に対して同時に加圧と減圧を行うことができる。
【００２５】
図３は、本発明の第２の実施態様例であるヘリカルブレード式コンプレッサの圧縮機構部分を示す概略構成図である。
【００２６】
ヘリカルブレード式圧縮機構部分は、外側シリンダ１１ａとこのシリンダ１内の偏芯位置に配置される回転体としてのローラ１２の外周部との間と、ローラ１２の内周部と内側シリンダ１１ｂとの間に介装され、ローラ１２は外周部に形成されるらせん状のヘリカル溝に収容されるらせん状のヘリカルブレード１４ａと内周部に形成されるらせん状のヘリカルブレード１４ｂとを有する。上記ローラ１２は、回転シャフト１５のクランク部１６に軸装され、回転シャフト１５の回転により偏芯回転運動するようになっている。
【００２７】
このヘリカルブレード１４ａと１４ｂにより、外側シリンダ１１ａとローラ１２の外周部との間と、ローラ１２の内周部と内側シリンダ１１ｂの間に、それぞれ複数の圧縮室１３がローラ１２の軸方向に沿って区画形成される。圧縮室１３は、２つの圧縮経路１７ａと１７ｂを形成する。ヘリカルブレード１４ａと１４ｂのピッチは、シリンダ１１の軸方向に漸次小さくなるように形成されてある。回転シャフト１５のクランク部1６に軸装されて偏芯回転を行うローラ１２により圧縮室１３が旋回しながら軸方向に漸次移動し、圧縮室１３内の空気を漸次圧縮するようになっている。
【００２８】
ＶＰＳＡ型の酸素濃縮器においては、ブレードによって区切られる２つの独立した圧縮経路のうち、圧縮経路１７ａを加圧供給に、圧縮経路１７ｂを減圧排気に使用することにより、複数の吸着筒に対して同時に加圧と減圧を行うことができる。
【００２９】
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、任意に回転数を変更できるようになっている。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係るヘリカルブレード型の空気圧縮機を搭載した酸素濃縮器によれば、従来の様に、２台の空気圧縮機を設置する必要はなくなり、１台の空気圧縮機でＶＰＳＡ型の酸素濃縮器を小型に構成することができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸素濃縮器の概略構成図。
【図２】本発明の酸素濃縮器に搭載する空気圧縮機の実施態様例。
【図３】本発明の酸素濃縮器に搭載する空気圧縮機の別の態様例。
【図１】
0004064079.tif 000002
【図２】
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【図３】
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