JP5065714B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気中から酸素富化空気、酸素濃縮気体を分離して使用するための酸素濃縮装置に関する。

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。

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吸着筒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。その中でも圧力変動装置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。かかる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複数の吸着床に対して、コンプレッサから圧縮空気を供給し、吸着床内を加圧状態にして窒素を吸着させ、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を脱着させる脱着工程からなり、これを一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を得る装置である。圧力変動吸着法には、脱着工程を大気圧まで減圧するＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）法、吸着剤の再生効率を高める為にコンプレッサを用いて吸着筒を真空圧まで減圧するＶＰＳＡ（Vacuum Pressure Swing Adsorption）法があり、医療用酸素濃縮装置として採用されている。

特開平2-280811号公報 特開昭64-90011号公報 特開昭61-187916号公報 特開平4-94715号公報

一般にVPSA型酸素濃縮装置を停止させる際には、停止中の吸着剤劣化及び再起動時の早期の運転安定化など、多くのことに留意する必要がある。特開平2-280811号公報には、特に運転中の即停止が及ぼす影響について記載され、運転停止状態を正確に規定しない場合、吸着床が大気圧に減圧された状態で停止する場合があり、この状態から再起動を行った場合には、起動初期の製品ガスに不純物が多く含まれているため、製品ガスの酸素濃度の安定に要する時間が長くなるため、運転停止の信号が入力された場合には、製品タンクから吸着床に高純度製品ガスが吸着床に滞留させた状態で停止させる技術が記載されている。

また、特開昭64-90011号公報には、停止信号が入力された場合、すぐには停止せず、所定の運転サイクル終了まで運転を継続した後に停止する技術が開示されている。特開昭61-187916号公報には、製品タンク中の製品ガスを用いることなく停止する運転方法として、停止の際に再生工程を行っている吸着床の運転停止直前に排気用ラインを他の電磁弁に比べて早く閉めることで、片側の吸着床を大気圧よりも高い状態として停止させることで、再起動時の運転における立ち上がり時間を短縮する技術が記載されている。

特開平4-94715号公報には、PSA特有の運転上の問題として、切替弁の開閉頻度が多いことから生ずるシール性の悪化及びリーク源の発生が記載され、停止中に吸着床内に外部から空気が進入しないようにするため、昇圧工程ないし吸着工程など、加圧工程にて停止を向かえた吸着床内の圧を、加圧工程でない工程で停止を向かえた吸着床に移すことで、両筒を大気圧以上とする技術が開示されている。

これらいずれの技術においても、装置運転停止時に吸着床やコンプレッサや配管中などの水分を排出するという点は考慮されておらず、運転停止後の吸着床内に残存している水分による吸着剤の吸湿劣化や、コンプレッサ、切替弁などにおける結露、錆びなどが問題となる。排気工程終了後に停止することで水分を排出する方法も考えられるが、その場合、一方の筒の水分は排出されるが、もう一方の筒には水分が溜まる。製品タンクからの製品ガスによるパージには、吸着床と製品タンク間に設けられる逆止弁で対応できず、新たに電磁弁を設ける必要が生じる。

本発明は上記課題を解決するものであり、装置停止後の吸着床や切換弁などにおける吸湿、結露を防止する技術を提供するものである。
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複数の吸着筒、該吸着筒へ加圧空気を供給すると共に真空減圧する機能を備えたコンプレッサ、該コンプレッサと各吸着筒間の流路を順次切り換え、各吸着筒へ加圧空気を供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、各吸着筒を真空減圧し吸着剤を再生する脱着工程を所定タイミングで繰り返すための流路切換手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、装置停止時に該吸着筒の内圧を常圧にする該流路切換手段の切り換え制御を行なう停止制御手段を備えることを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。

また本発明は、該停止制御手段が、コンプレッサの停止信号に基づいて、加圧側吸着筒とコンプレッサの真空ライン、真空脱着側吸着筒とコンプレッサ加圧ラインを連通するように該流路切換手段の切り換え制御を行なう手段であることを特徴とし、特に該停止制御手段が、コンプレッサの停止信号に基づいて、加圧側吸着筒とコンプレッサの真空ライン、真空脱着側吸着筒とコンプレッサ加圧ラインを連通するように該流路切換手段の切り換え制御を実施した後、更に該加圧側吸着筒とコンプレッサの加圧ライン、該真空脱着側吸着筒とコンプレッサ真空ラインを連通するように該流路切換手段の切り換え制御を行なう手段であることを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。

また本発明は、加圧側吸着筒と真空脱着側吸着筒の製品端同士を連通する均圧弁を備えた均圧流路を備え、該停止制御手段が、該均圧弁が開いた状態で該コンプレッサの駆動を停止する制御を行なう手段であること、該吸着筒が２つの吸着筒であり、該流路切換手段が吸着筒とコンプレッサの加圧ラインまたは真空ラインとを切り換える三方弁から構成され、且つ電源停止時に、該吸着筒と該コンプレッサの真空ラインが接続されることを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。

本発明の酸素濃縮装置では、VPSA型酸素濃縮装置の加圧吸着工程側と真空脱着工程側の双方の吸着床を大気圧状態で停止させることで、装置停止中における装置のガス移動を抑制することが出来、特に真空側吸着床への高湿度の外部空気の流入を防止することが出来る。また装置停止後の装置温度低下に伴う加圧空気の結露発生を、加圧空気の大気圧まで減圧排気すること未然に防止することが出来る。

更に2筒の吸着床とコンプレッサの加圧／真空を切り換える三方弁を、電源停止時に、吸着筒の双方がコンプレッサの真空ライン側に連通する接続形式を採用することで、若干吸着床の残る残圧をシールの甘いコンプレッサの真空ライン側板弁を介して排気することが出来、装置内を常圧に維持することが可能となる。

本発明の酸素濃縮装置の実施態様例を、以下の図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態である２筒式VＰＳＡ型の圧力変動吸着型酸素濃縮装置を例示した概略装置構成図である。

この図１において、１は酸素濃縮装置、３は加湿された酸素富化空気を吸入する使用者（患者）を示す。圧力変動吸着型の酸素濃縮装置１は、外部空気取り込みフィルタ101、圧縮・真空機能を有するコンプレッサ103、流路切換弁である三方電磁弁104a,104b、吸着筒105a,105b、逆止弁106a,106b、製品タンク107、調圧弁108、流量設定手段109、フィルタ110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ことができる。

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101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。

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105に対して、切換弁104a,104bによって対象とする吸着筒105a,105bを順次切り換えながら、原料空気をコンプレッサ103により加圧して供給し、吸着筒105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。

前記の吸着筒105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。

また、前記のコンプレッサ103としては、圧縮機能及び真空機能を有するコンプレッサとして2ヘッドのタイプの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103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。
前記吸着筒105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105へ逆流しないように設けられた逆止弁106a,106bを介して、製品タンク107に流入する。

なお、吸着筒105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103によって実現される加圧状態から、三方電磁弁（切換弁）104a,104bによってコンプレッサ103の真空ラインに接続され、真空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102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。

原料空気から酸素富化空気が製造され、製品タンク107へ蓄えられる。この製品タンク107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108や流量設定手段109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201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。

かかる加湿器201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。

使用者に供給される酸素濃縮ガスの流量及び酸素濃度は酸素濃度センサ301、流量センサ302で検知され、制御手段401にフィードバックされ圧縮機や流路切換弁を制御し、酸素生成をコントロールする。図１では加湿器上流側に流量センサ等を設けてあるが、下流側に設けても良い。

VPSA型の酸素濃縮装置では、一方の吸着筒105aが加圧吸着工程を行っている場合は、他方の吸着筒105bでは真空脱着工程を行い、吸着工程、脱着工程を各々逆位相の形で順次切り替え、酸素を連続的に生成している。吸着床105a,105bの圧力が各々ゼロ（大気圧）になった時点でコンプレッサ103を停止できれば吸着筒内圧を大気圧で停止できるが、現実にはコンプレッサ103は、停止信号を受信してもコンプレッサは慣性で若干の時間駆動するため、両筒を大気圧状態で停止させる制御は困難である。装置停止信号そのものは、吸脱着工程終了直後の圧力差が大きい時点ではなく、所定時間後の吸着筒間の圧力差が少ない時点でコンプレッサを停止させるように制御するのが、両筒を大気圧に戻す効率の点から好ましい。またコンプレッサの停止時の静穏化、振動抑制の点からも好ましい。

装置停止後に、吸着床の圧力を大気開放する方法もあるが、VPSA装置の場合には、排気ラインはコンプレッサ103の真空ラインに接続されている為、コンプレッサ停止と共に排気も停止する。

本発明の装置では、装置停止時に該吸着筒の内圧を常圧にするため、コンプレッサ103の停止信号に基づいて、加圧側吸着筒105aとコンプレッサ加圧ライン、真空脱着側吸着筒105bとコンプレッサ真空ラインに接続されている流路切換弁104a,104bを、加圧側吸着筒とコンプレッサの真空ライン、真空脱着側吸着筒とコンプレッサ加圧ラインを連通するように流路切換弁105a,105bの切り換え制御を行なう。これにより、慣性で動くコンプレッサを利用して、加圧側吸着筒の減圧、真空側吸着筒の加圧を行なう。かかる操作により、吸着筒の常圧による均圧が達成されるが、残圧が残る場合もあり、さらに加圧側吸着筒とコンプレッサの加圧ライン、真空脱着側吸着筒とコンプレッサ真空ラインを連通するように流路切換弁を再度切り換えることで残圧を排気する。

加圧側吸着筒と真空脱着側吸着筒の製品端同士を連通する均圧弁102を備えており、通常吸脱着工程に均圧工程や製品パージ工程を行う。本発明では、停止制御手段401は、均圧弁が開いた状態でコンプレッサの駆動を停止する制御を同時に行い、原料端での均圧だけではなく、吸着筒の製品端同士の均圧を行なう。

図１に示すように２つの吸着筒を用い、流路切換手段として吸着筒とコンプレッサの加圧ラインまたは真空ラインとを切り換える三方弁を用いて流路を構成する場合、電源停止時に、吸着筒とコンプレッサの真空ラインが接続されるように流路を設定するのが好ましい。電源停止時のノーマルオープンの流路を吸着筒とコンプレッサの真空ラインに接続することにより、仮に吸着床が加圧状態で停止したとしても、機密シールの甘いコンプレッサの真空ライン側板弁を介してかかる残圧を排気することが出来、装置内を常圧に維持することが可能となる。

本発明の酸素濃縮装置の実施態様例である圧力変動吸着型酸素濃縮装置の模式図。

符号の説明

１：酸素濃縮装置
３：使用者
101：外部空気取り込みフィルタ
102：均圧弁
103：コンプレッサ
104a,104b：三方電磁弁（切換弁）
105a,105b：吸着筒
106a,106b：逆止弁
107：製品タンク
108：調圧弁
109：流量設定手段
110：フィルタ
201：加湿器
301：酸素濃度センサ
302：流量センサ
401：制御手段

Claims (4)

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複数の吸着筒、該吸着筒へ加圧空気を供給すると共に真空減圧する機能を備えたコンプレッサ、該コンプレッサと各吸着筒間の流路を順次切り換え、各吸着筒へ加圧空気を供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、各吸着筒を真空減圧し吸着剤を再生する脱着工程を所定タイミングで繰り返すための流路切換手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、装置停止時に該吸着筒の内圧を常圧にする該流路切換手段の切り換え制御を行なう停止制御手段を備え、該停止制御手段が、コンプレッサの停止信号に基づいて、加圧側吸着筒とコンプレッサの真空ライン、真空脱着側吸着筒とコンプレッサ加圧ラインを連通するように該流路切換手段の切り換え制御を行なう手段であることを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 該停止制御手段が、コンプレッサの停止信号に基づいて、加圧側吸着筒とコンプレッサの真空ライン、真空脱着側吸着筒とコンプレッサ加圧ラインを連通するように該流路切換手段の切り換え制御を実施した後、更に該加圧側吸着筒とコンプレッサの加圧ライン、該真空脱着側吸着筒とコンプレッサ真空ラインを連通するように該流路切換手段の切り換え制御を行なう手段であることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
3. 加圧側吸着筒と真空脱着側吸着筒の製品端同士を連通する均圧弁を備えた均圧流路を備え、該停止制御手段が、該均圧弁が開いた状態で該コンプレッサの駆動を停止する制御を行なう手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。
4. 該吸着筒が２つの吸着筒であり、該流路切換手段が吸着筒とコンプレッサの加圧ラインまたは真空ラインとを切り換える三方弁から構成され、且つ電源停止時に、該吸着筒と該コンプレッサの真空ラインが接続されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の酸素濃縮装置。

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