JP5275677B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮装置に関するものであり、特に慢性呼吸器疾患患者などに対して行われる酸素吸入療法に使用する医療用酸素濃縮装置に関するものである。さらに詳細には、装置内部の防音ボックス内部での消音性能の向上し、かつ、冷却手段機能劣化時における空気圧縮手段の温度上昇による故障、及び酸素生成原料空気の窒素リッチ化による酸素生成能力低下を削減することができる圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関するものである。

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るが、その治療法として最も効果的なもののひとつに酸素吸入療法がある。かかる酸素吸入療法とは、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。その供給源として、酸素濃縮装置、液体酸素、酸素ガスボンベ等が知られているが、使用時の便利さや保守管理の容易さから、在宅酸素療法には酸素濃縮装置が主流で用いられている。

酸素濃縮装置は、空気中の約２１％の酸素を濃縮して供給する装置であり、それには酸素を選択的に透過する膜を用いた膜式酸素濃縮装置と、窒素または酸素を優先的に吸着しうる吸着剤を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置があるが、高濃度の酸素が得られるという観点から圧力変動吸着型酸素濃縮装置が主流になっている。

圧力変動吸着型酸素濃縮装置は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤として５Ａ型や１３Ｘ型、Ｌｉ−Ｘ型などのモレキュラーシーブゼオライトを充填した吸着筒を用い、コンプレッサにより圧縮空気を供給することにより加圧条件下で窒素を吸着させ、未吸着の酸素を濃縮酸素として取り出す装置である。

このような酸素濃縮装置は、患者の近傍に設置され、患者の飲食時、就寝時を問わず、終日連続的に使用するものである。そのため、酸素濃縮器から発生する騒音は、直接的に患者又は患者の家族等の耳に入り、不快感を与える恐れがある。特に就寝時などは、騒音の与える影響が大きく、患者又は患者の家族の睡眠を妨げ、メンタルヘルスにも悪影響を及ぼすことが懸念される。

圧力変動吸着タイプの酸素濃縮装置の騒音発生因子としては、圧力変動用のコンプレッサからの固体音、同コンプレッサの吸着音及び排気音、コンプレッサ駆動用モータの作動音、吸着床パージ気流音、機体内冷却用ファンの作動音等がある。中でも、コンプレッサ自身の固体放射音、コンプレッサの吸気音及び排気音を含むコンプレッサに起因する騒音は、全体に占める割合が大きい。

従来の酸素濃縮装置では、コンプレッサからの吸気音、排気音、あるいは各種パージ音等の気流音を低減させるために、空洞型あるいは膨張型と呼ばれている消音器を使用している。例えば、特開平１０−２４５２０３号公報には膨張室の形状を方形とした消音器が記載されている（特許文献１）。

しかしながら、酸素生成機構に影響が生じない範囲で消音性能を向上することは困難であり、消音器だけでは十分な消音効果が得られない場合が多い。そのため、消音器を防音ボックス内に設置することで、防音ボックスの遮音・消音効果を利用し、十分な消音効果を得る構造とすることが一般的である（特許文献２）。

しかしコンプレッサは内部の摺動部品や動力源、空気の圧縮による発熱を伴うため、防音ボックス内は外部環境よりも温度が高い状態であり、また、防音ボックス内に窒素リッチガスの排気・パージ音を低減する消音器を設置した場合、防音ボックス内も窒素リッチの状態になる。このような状態の防音ボックス内に、コンプレッサの吸気音を低減する吸気消音器を設置した場合、原料空気の温度が高くなるためにコンプレッサの寿命が短くなったり、窒素リッチな空気を原料空気として取り込むことになるため、製品酸素濃度が低下するといった問題が生じていた。

特開平１０−２４５２０３号公報 特開２００１−２７８６０３号公報

本発明は、かかる装置の防音ボックスの構造を見直すことによって、十分なコンプレッサの冷却と製品酸素濃度を確保し、かつコンプレッサの吸気騒音を消音する事ができる酸素濃縮装置を提供することにある。

かかる課題に対して本発明者は鋭意検討した結果、以下の酸素濃縮装置を見出した。すなわち本発明は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を充填した少なくとも1個の吸着筒と、該吸着筒に圧縮空気を供給する空気圧縮手段と、該空気圧縮手段を冷却する冷却風を供給する冷却手段と、該空気圧縮手段の放射騒音を低減するための防音ボックスとを備えた酸素濃縮装置において、該防音ボックスは隔壁によって第１室および第２室に分割され、第１室に該冷却風を供給する冷却風流路と、該空気圧縮手段に原料空気を供給する原料空気流路とが各々隔壁によって分割された２流路を備え、第２室に該空気圧縮手段を備えると共に、第１室の冷却風流路と第２室の隔壁に冷却風を送風する開口部を、第１室の原料空気流路と第２室の隔壁に、一端が該空気圧縮手段に接続され、他端が原料空気流路に開口する導管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、該原料空気流路内に、該導管に接続され、該空気圧縮手段から発生する吸気騒音を消音するための消音器が備えられた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、該消音器の吸気開口部の開口方向が、該防音ボックスの第１室に開口した該原料空気流路の吸気口の空気流入方向とが、直線上になく、異なる方向となるように設けられたことを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。

さらに本発明は、該冷却風流路と該原料空気流路の隔壁には吸音材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、コンプレッサを内蔵しコンプレッサから発生する放射騒音を低減させる防音ボックス、及び該コンプレッサを冷却する冷却ファンを備えた空気圧縮装置であり、該防音ボックスは隔壁によって第１室および第２室に分割され、第１室に、該コンプレッサを冷却する冷却風を供給する冷却風流路と、該コンプレッサの原料空気を供給する原料空気流路とが各々隔壁によって分割された２流路を備え、第２室にコンプレッサを備え、該原料空気流路端部からコンプレッサの原料空気供給口を接続する導管、該冷却風流路と第１室とを連通する開口部を第1室及び第2室の間の隔壁に備えた、空気圧縮装置を提供するものである。

さらに本発明は、該防音ボックスがコンプレッサを内蔵する第２室を上部とする上下２室に分割され、コンプレッサの原料空気供給口と接続する導管の第１室側端部に消音器を備えた空気圧縮装置を提供するものである。

本発明の酸素濃縮装置を使用することにより、製品酸素濃度が低下することなく、コンプレッサの吸気温度を下げることによってコンプレッサの寿命が向上し、かつ吸気騒音が低減した静音化された酸素濃縮器を提供できる。

本発明の酸素濃縮装置の実施態様例について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。圧力変動吸着型酸素濃縮装置１は、外部空気取り込みフィルタ101、吸気消音器102、コンプレッサ103、切換弁104、吸着筒105、逆止弁106、製品タンク107、調圧弁108、流量設定手段109、パーティクルフィルタ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富化空気を製造することができる。また、酸素濃縮装置の筐体内には、生成された酸素富化空気を加湿するための加湿器201、前記流量設定手段109の設定値と、酸素濃度センサ301、流量センサ302の測定値を用いて、コンプレッサや切換弁を制御する制御手段401、コンプレッサの騒音を防音するためのコンプレッサボックス501、コンプレッサを冷却するための冷却ファン502が内蔵されている。

ま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、吸気消音器102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に対して、切換弁104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103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。

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、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。
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、吸着筒へ逆流しないように設けられた逆止弁106を介して、製品タンク107に流入する。

また、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、切換弁によって減圧状態（例えば大気圧状態又は負圧状態）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。この脱着工程において、その脱着効率を高めるため、吸着工程中の吸着筒の製品端側或いは製品タンクから酸素富化空気をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。

原料空気から生成された酸素富化空気は、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。

また、流量設定手段109の設定値を検知し、制御手段401によりコンプレッサの電動機の回転数を制御することで吸着筒への供給風量を制御する。設定流量が低流量の場合には回転数を落とすことで生成酸素量を抑え、且つ消費電力の低減を図ることができる。

図２、図３は図１のコンプレッサ103の吸気騒音を低減するためコンプレッサボックス501内に吸気消音器102を備えた場合における、コンプレッサボックス501内の冷却風と原料空気の吸気機構の模式図である。コンプレッサボックス501はコンプレッサ底板隔壁601によってコンプレッサボックス下側の第１室602、コンプレッサボックス上側の第２室603の２室に分かれており、第１室602はさらに吸気消音器102と流路隔壁604によって原料空気流路701と冷却風流路702に分かれている。

原料空気は第１室の側面に開口した吸気口605より流入し、原料空気流路701を通り、原料空気流路内に設置された吸気消音器102の原料空気流路701側に設けられた空気取り込み口より吸気消音器102に取り込まれ、吸気配管606を通してコンプレッサに取り込まれる。かかる消音器は、コンプレッサが発生する吸気騒音によってその種類、大きさは選定されるが、かかる実施例では膨張型消音器を用いた。原料空気流路内に膨張型消音器モジュールを設置する他、原料空気流路を隔壁により区画して消音室を設けても良い。

一方、冷却ファン502によって冷却風は原料空気と同じ第１室の側面に開口した吸気口605より流入し、コンプレッサ底板隔壁601に備えられた冷却風流入口607を通り、コンプレッサ103を冷却し、コンプレッサボックス内部の熱と排気消音器111から放出される窒素リッチな空気を押し出すようにコンプレッサボックス501上部に備えられた冷却風流出口608を通り、冷却ファン502より流出する。

このようにコンプレッサ103の吸気騒音を低減するために、コンプレッサボックス501内に吸気消音器102を備えた場合においても、冷却風と原料空気の流路がコンプレッサボックス501内で切り離されているため、原料空気と冷却風が混じる可能性が少なくなり、冷却ファン502が機能劣化した場合においても原料空気が冷却風流路からの影響によって温度上昇や窒素リッチ化することが防ぐことができ、コンプレッサの劣化や酸素生成能力低下を抑えることができる。

具体的な実施事例として、図３（Ａ）のように吸気消音器102に備えられた空気取り込み口は吸気騒音をコンプレッサボックス501より漏れ出さないように、吸気口605からできるだけ離れた場所に備え消音性能を向上することが望ましく、該消音器の吸気開口部の開口方向が、該防音ボックスの第１室に開口した該原料空気流路の吸気口の空気流入方向とが、直線上になく、異なる方向となるように設けるのが好ましい。図３（Ａ）のように原料空気流路を第１室に鉤状に区画し、吸気口605と吸気消音器102の空気取り入れ口が最も離れるように設け、開口方向が同一方向にならないように開口部を設ける。

また冷却風流入口606はより外気に近い冷たい空気を吸い込むことで冷却性能が上がるため、吸気口605にできるだけ近い場所に備えることが望ましい。但し、冷却風流入口607からはコンプレッサ103の放射音が漏れ出るため冷却性能に影響が出ない範囲で吸気口605から離すことが望ましい。

また、図３（Ｂ）のように原料空気流路701や冷却風流路702の周囲隔壁に吸音材・制振材801を貼る事で、吸気消音器102から漏れ出す吸気騒音や冷却風流入口607から漏れ出すコンプレッサ103の放射音を低減する消音ダクトを構成することができる。

さらに、図３（Ｃ）のように冷却風流路の吸気ダクトの消音・遮音効果を高めるための構造として遮音・吸音隔壁802を追加することも可能であり、原料空気流路701には消音性能の向上と吸着性能の維持を、冷却風流路702には冷却性能の維持を考慮し、各々に適した消音ダクトを構築することができるため効果的にコンプレッサボックス501内で発生する騒音の低減を実現することができる。

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。 本発明の酸素濃縮装置の実施態様例である防音ボックス内の吸気機構の模式図。 本発明の酸素濃縮器装置の実施態様例である防音ボックス内コンプレッサボックス下側室水平断面の模式図。

符号の説明

１：酸素濃縮装置
２：無給水式加湿器
３：使用者
101：外部空気取り込みフィルタ
102：吸気消音器
103：コンプレッサ
104：切換弁
105：吸着筒
106：逆止弁
107：製品タンク
108：調圧弁
109：流量設定手段
110：パーティクルフィルタ
111：排気消音器
201：加湿器
301：酸素濃度センサ
302：流量センサ
401：制御手段
501：コンプレッサボックス
502：冷却ファン
601：コンプレッサ底板隔壁
602：コンプレッサボックス下側１室
603：コンプレッサボックス上側２室
604：流路隔壁
605：吸気口
606：吸気配管
607：冷却風流入口
608：冷却風流出口
701：原料空気流路
702：冷却風流路
801：吸音材・制振材
802：遮音・吸音隔壁

Claims (3)

1. 酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を充填した少なくとも1個の吸着筒と、該吸着筒に圧縮空気を供給する空気圧縮手段と、該空気圧縮手段を冷却する冷却風を供給する冷却手段と、該空気圧縮手段の放射騒音を低減するための防音ボックスとを備えた酸素濃縮装置において、
   該防音ボックスは隔壁によって第１室および第２室に分割され、第１室に該冷却風を供給する冷却風流路と、該空気圧縮手段に原料空気を供給する原料空気流路とが各々隔壁によって分割されたダクト構造を有する２流路を備え、第２室に該空気圧縮手段を備えると共に、第１室の冷却風流路と第２室の隔壁に冷却風を送風する開口部を、第１室の原料空気流路と第２室の隔壁に、一端が該空気圧縮手段に接続され、他端が原料空気流路に開口する導管を備え、
   該原料空気流路内に、該導管に接続され、該空気圧縮手段から発生する吸気騒音を消音するための消音器を備え、
   該消音器の吸気開口部の開口方向と、該防音ボックスの第１室に開口した該原料空気流路の吸気口における空気流入方向とが、異なる方向となるように設けられたことを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 該冷却風流路と該原料空気流路の隔壁に吸音材を備えることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
3. コンプレッサを内蔵しコンプレッサから発生する放射騒音を低減させる防音ボックス、及び該コンプレッサを冷却する冷却ファンを備えた空気圧縮装置であり、該防音ボックスは隔壁によって第１室および第２室に分割され、第１室に、該コンプレッサを冷却する冷却風を供給する冷却風流路と、該コンプレッサの原料空気を供給する原料空気流路とが各々隔壁によって分割されたダクト構造の２流路を備え、第２室にコンプレッサを備え、該原料空気流路端部からコンプレッサの原料空気供給口を接続する導管、該冷却風流路と第１室とを連通する開口部を第１室及び第２室の間の隔壁に備え、コンプレッサの原料空気供給口と接続する導管の第１室側端部に消音器を備え、
   該消音器の吸気開口部の開口方向と、該防音ボックスの第１室に開口した該原料空気流路の吸気口における空気流入方向とが、異なる方向となるように設けられたことを特徴とする空気圧縮装置。