(57)【要約】【課題】吸着剤からの窒素ガス脱着を促進し、酸素生成効率を上昇させた圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供する。【解決手段】圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、少なくとも酸素より窒素を吸着する吸着剤を収容した２つ以上の吸着床と、圧縮手段と、切替手段と、吸着床を連通させるパージガス連通径路からなり、該圧縮手段から発せられる熱を用いて該パージガス連通経路を流れるパージガスを加温することを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素より窒素を吸着する吸着剤を収容した２つ以上の吸着床と、該吸着床に加圧空気を供給する空気圧縮手段と、該吸着床における吸脱着工程を切り換えるの流路切換手段と、該吸着床同士を連通させ、酸素ガスの一部を他方の吸着床へ流すパージガス連通管路とを備え、更に該空気圧縮手段が発生する熱を該パージガス連通管路を流れるパージガスに伝達し加温する熱伝導手段を備えることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
【請求項２】
該熱伝導手段が、該空気圧縮手段から発生する熱を該パージガス連通管路表面に送風する送風手段であることを特徴とする請求項1に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
【請求項３】
該熱伝導手段が、該空気圧縮手段に該パージガス連通管路が密着する構造体であることを特徴とする請求項１に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
【請求項４】
該空気圧縮手段を内部に収容するボックス手段を備え、該熱伝導手段が、該ボックス手段内部に該パージガス連通管路を通過する構造体であることを特徴とする請求項１に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
【請求項５】
該空気圧縮手段を冷却する冷却手段を更に備え、酸素濃縮装置起動後、所定時間経過後に該冷却手段を起動させる制御手段を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
【請求項６】
該空気圧縮手段の温度を検知する温度検知手段、該空気圧縮手段を冷却する冷却手段を更に備え、該温度検知手段の検知結果に基づき、所定温度以上で該冷却手段を起動させる制御手段を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
【請求項７】
酸素濃縮装置起動後、所定時間経過後に該送風手段を起動させる制御手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
【請求項８】
該空気圧縮手段の温度を検知する温度検知手段を更に備え、該温度検知手段の検知結果に基づき、所定温度以上で該送風手段を起動させる制御手段を備えることを特徴とする請求項２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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中の酸素を分離し使用者に供給する酸素濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、肺気腫、肺結核後遺症や慢性気管支炎などの慢性呼吸器疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、かかる患者に対する治療方法として、高濃度酸素を吸入させる酸素吸入療法が行われている。酸素吸入療法とは前記疾病患者に対して酸素ガス若しくは酸素濃縮気体を吸入させる治療法である。治療用の酸素ガス或いは濃縮酸素気体の供給源としては、高圧酸素ボンベ、液体酸素ボンベ、酸素濃縮装置等の使用が挙げられるが、長時間の連続使用に耐えることができ、また使い勝手がよいなどの理由により、酸素濃縮装置を使用するケースが増加している。
【０００３】
酸素濃縮装置は空気中の酸素を分離し、濃縮することを可能にした装置である。かかる酸素を分離濃縮する装置としては、９０％以上の高濃度の酸素が得られるという観点で、空気中の窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を１個或いは、複数の吸着床に充填した吸着型酸素濃縮装置が広く知られ使用されている。吸着型酸素濃縮装置の濃縮方法は、その吸着方法の違いから、圧力スイング吸着法と温度スイング吸着法の２法に大別される。圧力スイング吸着法は、吸着剤へのガスの吸着量が目的ガスの分圧が高いほど多くなることを利用して目的の製品ガスを取り出す方法であり、一方、温度スイング吸着法は吸着剤へのガスの吸着量が低温ほど多くなることを利用して目的の製品ガスを取り出す方法である。医療用酸素濃縮装置においては圧力スイング吸着法(Pressure Swing Adsorption、以下PSA)を用い、圧縮手段としてコンプレッサを用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が広く世の中に広まっている。すなわち、圧力変動吸着型酸素濃縮装置は通常窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填させた1個或いは複数の吸着床に対して、少なくとも、コンプレッサから圧縮空気を供給し、吸着床内の窒素分圧を高くすることにより吸着剤に窒素を吸着させ、未吸着の高濃度の酸素を得る吸着工程と、吸着床内を減圧して窒素の分圧を低くすることにより吸着剤から窒素を脱着させる脱着工程を有し、これを一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を連続的に得る装置である。ＰＳＡには、吸着剤を再生させる脱着工程を大気圧で行なうＰＳＡ(Pressure Swing Adsorption)法や、真空ポンプで吸着床を真空まで減圧させるＶＰＳＡ(Vacuum Pressure Swing Adsorption)法がある。
【０００４】
ここで、脱着工程において窒素の分圧を下げる方法として、吸着床内を減圧する方法の他に気相の窒素濃度を下げることが挙げられる。窒素濃度を下げるための工業的手段として、濃縮分離された酸素ガスの一部を脱着再生工程中の吸着床に還流させ、気相の窒素濃度を下げることにより窒素分圧を低下させ、脱着を促進する方法が広く採用されている。この方法は、パージ法と呼ばれ、吸着床の出口側の吸着剤ほどよく脱着再生されるので、吸着床で分離濃縮された製品酸素ガスの純度向上に非常に有効な方法である。(特開平４−３６３１１０号公報)。本パージ法を改良する試みが、複数の方法で行なわれている。
【０００５】
例えば、特開平４−３６３１１０号公報では、本パージ法においては、吸着床に向かう酸素ガスが高濃度であれば狙い通りに吸着床出口側の吸着剤の再生が可能となるが、酸素ガスが低濃度の場合、吸着床内の酸素濃度は悪化することを従来技術が解決し得ない課題と捉え、パージ法の改良を図っている。同公報記載の技術は、脱着再生される吸着床と、その吸着床に送られるガスの圧力が同程度の低圧となるよう吸着床圧を制御することで、脱着再生される吸着床からの窒素の脱着効率を向上させるという特徴を持つ。
【０００６】
しかし、この場合、少なくとも３本以上の吸着床を具備し、且つ、ある吸着床のパージ工程において、高度に酸素を濃縮した吸着床を含む２床以上の吸着床が低圧状態となる必要がある。すなわち、本方法は２床以下の吸着床によるPSA酸素濃縮プロセスには応用できないという欠点がある。
特開平７−１５５５２６号公報では、脱着時に真空まで圧力を低下させる真空圧力スイング吸着分離（Vacuum Pressure Swing Adsorption）では、通常パージ法を用いないため、常圧までしか圧力を低下させないPSAに比べ、吸着剤の劣化が早い点を課題としている。
【０００７】
そこで、本公報記載の技術では、脱着工程における吸着床内圧が一定の圧力となった際に生成ガスを貯蔵する製品タンクから一定量の高濃度酸素を送り、パージを行なう方法を開示している。しかし、本方法によれば、製品側から吸着床に逆流させる流路、ないし制御を行なう必要があり、プロセスや運転制御が煩雑になるという問題がある。
【０００８】
特開平７−２６７６１２号公報では、PSAプロセスを用いて、99.5%以上の高濃度酸素を取得する装置に関する技術を開示している。濃縮部を粗濃縮部と高濃縮部とに大別し、高濃度酸素を得る方法は存在したものの、従来技術の開示内容が具体的でなかった点を課題としている。同公報では、粗濃縮の脱着回収工程で得られたガスと、高濃縮部再生工程で得られたガスとを、パージガスとして用いる技術を開示し、パージガス取得手段をより具体的に記載している。しかし、濃縮部を２系列持ち、かつその各々が異なる吸着剤で構成されている点は、プロセス制御の煩雑さ、部品点数の増加をもたらす点で課題を持つ。
【０００９】
ところで、既に前述したとおり、PSAと類似の技術に温度スイング吸着法(Thermal Swing Adsorption、以下TSA)がある。TSAでは、吸着時に吸着床を低温とし、脱着時に吸着床を高温とするが、さらにパージガスを加熱することが一般的に実施されている。ところが、TSAで用いられるパージガスは、電気ヒータなど、別の熱源を用いて加熱している。この点が非経済的である点を課題として捉え、その解決手段の一案を提案しているのが特開２００５−１０４７４０号公報である。同公報記載の技術は、焼却炉などの燃焼機器の排ガスをパージガスに使用するというものである。ところが、同方法の技術はボイラや燃焼装置など、高度に加熱された排ガスが発生する分野で使用される技術であり、燃焼装置を伴わない濃縮酸素の生成装置には現実的に搭載することは困難である。また、あくまで燃焼装置で昇温されたガスを用いることが前提であり、別途加熱源が必要である点が従来技術と同様に問題である。
【００１０】
ここで、圧力変動吸着型酸素濃縮装置内における熱源としてコンプレッサが挙げられる。コンプレッサは気体を圧縮する際に発生する熱で温度が高くなるが、温度が高くなると効率の低下、寿命の短縮が起こるため、温度を下げるための冷却手段が設けられ、装置の起動と同時にコンプレッサの冷却を開始することが一般的であり、効率の良い冷却方法が提案されている(特開２００５−３０４８６１号公報)。
【００１１】
【特許文献１】特開平４−３６３１１０号公報
【特許文献２】特開平７−１５５５２６号公報
【特許文献３】特開平７−２６７６１２号公報
【特許文献４】特開２００５−１０４７４０号公報
【特許文献５】特開２００５−３０４８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上の通り、PSAにおけるパージガスの効率的な使用には、装置や制御が煩雑化するといった観点で未だ十分な技術とはいえない。一方、TSAにおいては、吸着剤を脱着再生させる工程において吸着床およびパージガスを加熱することは一般的であり、加温により脱着が促進されることが知られているが、加熱用の熱源が必要であり、熱源の所要動力が問題となる。また、ＴＳＡの構成を圧力変動吸着型酸素濃縮装置に搭載させてパージの効率を上昇させることは従来技術の範囲内では困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記の課題を解決するものであり、圧力変動吸着型酸素濃縮装置において熱源となる圧縮手段からの発熱を利用してパージガスを加温することで脱着工程における吸着剤からの窒素ガスの脱着を促進することにより、より酸素生成効率の良い圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供する。
【００１４】
すなわち、本発明は少なくとも酸素より窒素を吸着する吸着剤を収容した２つ以上の吸着床と、該吸着床に加圧空気を供給する空気圧縮手段と、該吸着床における吸脱着工程を切り換える流路切換手段と、該吸着床同士を連通させ、酸素ガスの一部を他方の吸着床へ流すパージガス連通管路とを備え、更に該空気圧縮手段が発生する熱を該パージガス連通管路を流れるパージガスに伝達し加温する熱伝導手段を備えることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供する。
かかる本発明には、該圧縮手段からの発熱を送風手段により該パージガス連通管路へ送り、パージガスを加温することを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置が含まれる。
【００１５】
さらに本発明には、該圧縮手段からの発熱を用い、該圧縮手段と該パージガス連通管路が密着することによりパージガスを加温することを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供する。
【００１６】
また、本発明は、運転の開始時には切換手段と連動して冷却手段が動作することを特徴とした圧力スイング吸着用酸素濃縮装置の運転方法を提供する。運転開始段階では、パージガスを加温する熱源となる圧縮手段の温度は上昇していないため、冷却手段の運転を遅らせることで、圧縮手段の熱源としての利用価値を高めることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、圧縮手段の発熱を用いてパージガスを加温することにより、パージによる吸着剤からの窒素ガスの脱着が促進されるため、酸素生成効率の良い圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供することができる。
また、運転開始時もパージ効率を上昇させるための運転を行なうことから、運転初期における酸素濃度が早期に高濃度で安定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の酸素濃縮装置の実施態様例を、２筒式の圧力変動吸着型酸素濃縮装置を例に説明する。圧力変動吸着型の酸素濃縮装置は、外部空気取り込みフィルタ、圧縮機能を有するコンプレッサ、流路切換弁である電磁弁、吸着筒、製品タンク、調圧弁、流量設定手段、フィルタを備える。これにより外部から取り込んだ原料空気から酸素ガスを濃縮した酸素濃縮ガスを製造する。
【００１９】
先ず、外部から取り込まれる原料空気は、塵埃などの異物を取り除くための外部空気取り込みフィルタなどを備えた空気取り込み口から取り込まれる。このとき、通常の空気中には、約21％の酸素ガス、約77％の窒素ガス、0.8％のアルゴンガス、水蒸気ほかのガスが1.2％含まれている。かかる装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素ガスのみを濃縮して取り出す。
【００２０】
この酸素ガスの取り出しは、原料空気を酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着するゼオライトなどからなる吸着剤が充填された吸着筒に対して、切換弁によって対象とする吸着筒を順次切り換えながら、原料空気をコンプレッサにより加圧して供給し、吸着筒内で原料空気中に含まれる約77％の窒素ガスを選択的に吸着除去する。
【００２１】
前記の吸着筒としては、前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成され、通常、１筒式、２筒式の他に３筒以上の多筒式が用いられるが、連続的かつ効率的に原料空気から酸素富化空気を製造するためには、２筒式や多筒式の吸着筒を使用することが好ましい。
【００２２】
また、前記のコンプレッサとしては、圧縮機能だけでなく、真空機能も搭載されたコンプレッサであってもよい。この場合、真空機能側は、脱着後の窒素富化ガスを装置外に排出する流路に取り付けられる。こうした真空機能を具備させる場合、コンプレッサは圧縮機能と真空機能を持つコンプレッサをそれぞれ１台ずつ搭載してもよい。
【００２３】
例えば、使用するコンプレッサとしては、揺動型空気圧縮機が用いられるほか、スクリュー式、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。また、このコンプレッサ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。通常、回転数を制御し、コンプレッサからの加圧空気の吐出量を制御するためにインバータを搭載する。
前記吸着筒で吸着されなかった酸素ガスを主成分とする酸素富化空気は、吸着筒へ逆流しないように設けられた逆止弁を介して、製品タンクに流入する。
【００２４】
なお、吸着筒内に充填された吸着剤に吸着された窒素ガスは、新たに導入される原料空気から再度窒素ガスを吸着するために吸着剤から脱着させる必要がある。このために、コンプレッサによって実現される加圧状態から、電磁弁によって減圧ラインに接続され、減圧状態に切り換え、吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着剤を再生させる。さらにこの脱着工程において、その脱着効率を高めるため、均圧弁を介して吸着工程中の吸着筒の製品端側から酸素濃縮ガスをパージガスとして逆流させるようにしてもよい。
【００２５】
原料空気から酸素富化空気が製造され、製品タンクへ蓄えられる。この製品タンクに蓄えられた酸素富化空気は、例えば95％といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、調圧弁や流量設定手段などによってその供給流量と圧力とが制御されながら、加湿器へ供給され、加湿された酸素富化空気が患者に供給される。
【００２６】
かかる加湿器には、水分透過膜を有する水分透過膜モジュールによって、外部空気から水分を取り込んで乾燥状態の酸素富化空気へ供給する無給水式加湿器や、水を用いたバブリング式加湿器、或いは表面蒸発式加湿器を用いることが出来る。
【００２７】
二筒式の酸素濃縮装置では、一方の吸着筒が加圧吸着工程を行っている場合は、他方の吸着筒では減圧脱着工程を行い、吸着、脱着工程を各々逆位相の形で順次切り換え、酸素を連続的に生成している。
前述したコンプレッサは運転中に発熱するため、装置内部を冷却する必要があり、一般に冷却は冷却専用のファンを用いて冷却する。
【００２８】
本装置の１つの実施態様として、特にパージガスの加温を効果的に行なうため、最大熱源であるコンプレッサを冷却ファンにより第一に冷やし、加温された冷却風が当たるようにパージラインを設置する（図１）。このような設計とすることで、なんらの新たな加熱源を持たせることなく、パージラインの加熱が可能となる。
【００２９】
また、別の実施態様として、コンプレッサとパージラインを密着させる（図２）。この場合、コンプレッサの熱は、熱伝導によってパージライン中のパージガスを加温し、パージにおける吸着剤からの窒素ガス脱着が促進される。
【００３０】
また、圧力変動吸着装置における運転開始時においては、コンプレッサが十分に温まっていないことが想定される。冷却ファンの起動を装置の起動よりも遅らせることにより、コンプレッサの温度を装置起動後短時間で上昇させ、パージガス加温が可能な温度になった後に冷却ファンを起動させることが、吸着剤からの窒素ガス脱着促進の観点からは望ましい。冷却ファンの動作の目安としては、コンプレッサ表面温度を測定し、所定の温度となった場合に冷却ファンを起動させてもよい。
上記コンプレッサの表面温度は熱伝対により測定してもよいし、その他の温度測定素子でも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の概略構成図。
【図２】本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００３２】
１ コンプレッサ
２a、２b、３a、３b 切換弁 
４a、４b 吸着床
５a、５b 逆止弁
６ 均圧弁
７ 冷却ファン
【図１】
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【図２】
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