JP2003180837A - 医療用酸素濃縮装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 在宅で長期使用する医療機器である圧力変動
吸着型酸素濃縮装置の吸着剤寿命を向上し、患者の長期
的な治療を可能にする。 【解決手段】 酸素より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本の吸着床、該吸着床に空気
を供給する空気供給手段、該吸着床の加圧減圧を制御す
る加減圧切替手段、該吸着床から得られた酸素濃縮気体
を使用者に供給する酸素供給手段を備えた圧力変動吸着
型の酸素濃縮装置において、該吸着床の下流側に酸素濃
縮気体の貯溜手段を備え、該加減圧切替制御手段が、該
酸素濃縮装置の運転停止時に、該貯溜手段から該吸着床
に酸素濃縮気体を逆流させパージするように流路を制御
する手段であることを特徴とする医療用酸素濃縮装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素より窒素を選
択的、または優先的に吸着する吸着剤を用い、圧力変動
吸着方法により空気中から酸素を濃縮して使用者に供給
する酸素濃縮装置に関する。更に詳細には、装置の定常
運転時の吸着床再生工程中に製品ガスの一部を用いて行
われるパージを、装置停止時に定常運転時以上の多量な
パージガスを吸着床に供給する事により、吸着剤の寿命
を向上させた医療用圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎な
どの呼吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向がある
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
から酸素吸入療法用の治療装置として、次第に普及する
ようになってきている。

【０００３】かかる酸素濃縮装置として、酸素より窒素
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知られ、中でも空気
供給手段としてコンプレッサーを用いた圧力変動吸着型
の酸素濃縮装置が、在宅酸素吸入療法の装置として用い
られている。

【０００４】圧力変動吸着型酸素濃縮装置においては、
一般には空気圧縮手段で吸着床に空気を供給し、床内を
加圧状態にすることにより空気中の窒素を吸着させ、未
吸着の酸素を取出す吸着工程と、吸着工程が終了した
後、該吸着床を大気開放して減圧し吸着窒素を脱着させ
吸着剤を再生する、該吸着床を大気開放して減圧し吸着
窒素を脱着させつつ製品ガスの一部を用いて該吸着床を
パージし吸着剤を再生する、または空気圧縮手段を逆に
用いて吸着床内が負圧になるまで排気を行い、吸着窒素
を脱着させ吸着剤を再生する脱着工程を繰り返し実施す
ることにより酸素濃縮空気を生成している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】かかる酸素濃縮装置
は、患者の治療に用いられる事から、長期的な安全性と
安定性が強く望まれている。かかる酸素濃縮装置には、
５Ａ型や１３Ｘ型ゼオライト、或はＬｉ置換Ｘ型ゼオラ
イトなどの親水性の吸着剤が用いられる事が多く、長期
的な使用により大気中の水分を吸着し、窒素の吸着性能
が低下することが知られている。しかしながら、患者宅
に装置を設置するという制限から、装置の高電力化や大
型化を避けるため、吸入空気の前処理装置として、大気
中の水分を除去する機能を搭載しない事が多く、このた
め長期的な使用により濃縮された酸素の濃度が徐々に低
下してゆくことがある。この酸素濃度低下を回避するた
め、種々の吸着剤寿命延命化技術の開発が行われてい
る。しかし、酸素濃度低下は未だ散見される。

【０００６】吸着剤寿命を延長化する方策としては、圧
縮空気中の水分をドレン化し除去する機能を搭載する
他、吸着床の空気供給側に酸素濃縮用吸着剤とは別に、
除湿用の吸着剤を配置するなど様々な公知の手段が取ら
れている。しかし、前述の手段は装置の複雑化や吸湿剤
の寿命など、何れの方法も吸着剤の延命効果が認められ
るものの、完全な改善が講じられたとは言い難い。

【０００７】本発明は、上記課題を解決するものであ
り、在宅で長期使用する医療機器である圧力変動吸着型
酸素濃縮装置の吸着剤寿命を向上し、患者の長期的な治
療を可能にするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かかる課題に対して本発
明者は鋭意検討した結果、酸素濃縮装置の停止時に全て
の吸着床に強制的にパージを行い、パージが完了した時
点で装置が完全に停止するパージ供給手段を備える事に
より、吸着剤の寿命を延長させることができることを見
出したものである。

【０００９】即ち本発明は、酸素より窒素を選択的に吸
着し得る吸着剤を充填した少なくとも１本の吸着床、該
吸着床に空気を供給する空気供給手段、該吸着床の加圧
減圧を制御する加減圧切替手段、該吸着床から得られた
酸素濃縮気体を使用者に供給する酸素供給手段を備えた
圧力変動吸着型の酸素濃縮装置において、該吸着床の下
流側に酸素濃縮気体の貯溜手段を備え、該加減圧切替制
御手段が、該酸素濃縮装置の運転停止時に、該貯溜手段
から該吸着床に酸素濃縮気体を逆流させパージするよう
に流路を制御する手段であることを特徴とする医療用酸
素濃縮装置を提供するものである。

【００１０】また本発明は、かかる酸素濃縮装置が、吸
着床の脱着再生工程中に該吸着床で生成した酸素濃縮空
気を供給するパージ工程を備え、該加減圧切替制御手段
が、該運転停止時のパージガス量が定常運転時のパージ
ガス量よりも多く供給する制御を行なう手段であること
を特徴とするものであり、特に該運転停止時に吸着床へ
供給されるパージガスの量が定常運転時のパージガス量
の１．５倍以上、４倍以下であることを特徴とする医療
用酸素濃縮装置を提供するものである。

【００１１】また本発明は、かかる加減圧切替制御手段
が、該運転停止時に全ての吸着床の下流側及び排気開放
側のバルブを所定時間開放した後に閉じる制御を行なう
手段であることを特徴とする医療用酸素濃縮器を提供す
るものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の医療用圧力変動吸着型酸
素濃縮装置は、酸素より窒素を選択的、または優先的に
吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも１本の吸着床
と、該吸着床に空気を供給する空気供給手段と、該吸着
床から得られた酸素濃縮気体を使用者に供給する酸素供
給手段と、該吸着床の加圧減圧を制御するための加減圧
切替制御手段を備えた医療用圧力変動吸着型酸素濃縮装
置において、該酸素濃縮装置運転停止時に加減圧切替制
御手段を制御する事により定常運転時以上の多量のパー
ジガスを該吸着床に供給する事が可能な医療用圧力変動
吸着型の酸素濃縮装置であり、かかる加減圧切替制御手
段の制御により装置に搭載する吸着剤の寿命を向上し、
患者の長期的な治療を実現する装置である。

【００１３】かかる装置には、装置の停止時に定常運転
時よりも過剰のパージガスを該吸着床に供給する事を可
能にした加減圧制御制御手段を備えるが、具体的には装
置停止時に供給するパージガスを貯留しておく、言い換
えれば製品ガスの一部を予め停止時のパージガスとして
確保しておく事により達成される。該パージガスの貯留
方法として、該吸着床の下流側である製品ガス抜出し側
に貯留タンクを設ける事が最も容易であるが、製品ガス
流路自体に容積を持たせ、パージガスを確保する事も可
能であり、本発明に適用する事が可能である。

【００１４】制御の基本方法としては、装置の停止時に
該空気供給手段を停止し、全ての該吸着床の内圧を排気
口より抜く。この際、該吸着床の排気は全ての該吸着床
が同時に行われても良い。この場合、該吸着床へのパー
ジガスの供給は排気と同時、または排気後、全吸着床に
同時に行う事が可能である。また、該吸着床の排気は、
定常運転シーケンスに則り行われても良い。この場合
は、定常運転シーケンス通りにパージを行う事も可能で
あるが、排気終了後に定常運転シーケンス通りに全吸着
床同時にパージガスの供給を行う事も可能である。これ
らの方式は、空気の供給、排気の加減圧切替制御手段の
構成により、任意に選択可能である。

【００１５】装置停止時に供給されるパージガスの量
は、予め定められた条件通りに供給するため、終了運転
時の運転シーケンスを予めプログラミングしておく事に
より、吸着剤の寿命は更に向上する。

【００１６】このような制御を用いないで済むよう、予
め吸着剤を多めに充填し、目標の時間まで吸着床の寿命
を確保するという方法もあるが、吸着床の大型化を導
く。かかる装置は吸着床大型化に伴う空気供給量増加に
至り、空気供給手段の大型化、即ち装置の消費電力量悪
化に繋がる。かかる装置は在宅で用いられるため、使用
者の経済的負担を軽減するという見地から、消費電力量
を低減する必要があり、その際に生ずる吸着剤寿命の短
期化を防ぐ意味で本発明は有効である。

【００１７】本発明の圧力変動吸着型の医療用酸素濃縮
装置に用いられる該パージガス貯留手段は、特に限定す
るものではなく、タンク式、流路容積式等の方式を使用
することが出来る。さらに、かかる装置は前述の該パー
ジガス貯留手段とは独立して、装置の停止時に該パージ
ガス貯留手段から吸着床へパージガスを供給する際の供
給方法として，該吸着床の加減圧切替制御手段により該
吸着床へのパージガス供給方法を制御する加減圧切替制
御手段が含まれる。

【００１８】該加減圧切替制御手段はガス流れ方向とタ
イミングを制御する事が可能であれば、特に具体的な手
法は限定されるものではないが、一般的には開閉式電磁
弁手段や回転式開閉弁手段などが用いられており、本発
明においても利用可能である。

【００１９】装置停止時の減圧流路切替は、予め定めら
れた条件通りに制御される。特に、回転式開閉弁手段を
用いる場合には、回転計などに代表される回転数監視手
段を有し、該回転数監視手段の検出結果に基づき回転数
を調整、安定化するフィードバック回路などの回転数安
定化手段によりパージガス供給量を制御する事により、
吸着剤寿命は更に向上する。

【００２０】加減圧切替制御手段による装置の吸着剤寿
命向上の基本方法としては、装置の停止時に、予め定め
られた条件に従い該吸着床の減圧を制御する。この後、
予め貯留された製品ガスの一部を吸着床に導入する事に
より、定常運転時の除去し切れなかった吸着剤性能低下
の原因となる水分子を強制的に脱離させ、酸素濃縮系外
へ放出する。この際、定常運転時と同量のパージガス量
では、吸着剤に吸着されている水分子を十分に脱離させ
ることが出来ない可能性があるため、装置停止時の吸着
床へ導入されるパージガス量は定常運転時よりも多いこ
とが望ましい。

【００２１】定常運転時のパージガス量には特別の条件
はなく、通常は、除湿のための再生という見地よりも、
高濃度の酸素を得るためのセッティングとしてパージガ
ス量が決定される。一般的には、下記のSkarstromの
「１：１容量則」という経験式、 供給空気量／吸着圧 ＝ パージガス量／再生圧 でパージガス量は決められる。

【００２２】かかる条件などで決定された定常運転時に
１パージ工程で吸着床へ供給されるパージガス量よりも
運転停止時には多量の酸素をパージするのが好ましく、
特に少なくとも１．５倍以上の量を供給する事が、吸着
剤寿命延長効果の発現には好ましい。

【００２３】さらに、かかる装置は前述のように製品ガ
スの一部を貯留して装置停止時にパージを行う事から、
生産された製品ガスの有効利用や、貯留タンクの大型化
を避けるという視点からも装置停止時のパージガス量は
ガス量を少なく抑えることが望ましい。しかしながら、
吸着剤中の残留水分除去を目的とした製品ガスによる吸
着床のパージは、不足すると十分な吸着剤中残留水分量
除去、即ち吸着剤寿命延長に十分な効果を発現せず、必
要最低限の量が存在する。さらにパージガス量を増加す
ると吸着剤中の残留水分除去量が増加するが、あるパー
ジガス量を超えると吸着剤中の残留水分除去量に変化が
なくなる。これ以上のパージガスは吸着剤寿命の延長に
効果を示さず、無駄に系外に排気されてしまう。この視
点から、装置停止時のパージガス量は定常運転時に１パ
ージ工程で吸着床へ供給されるパージガス量の多くとも
４倍以下に抑える事が生産された製品ガスの有効利用
や、貯留タンクの大型化を避けるという視点からも望ま
しい。

【００２４】

【実施例】本発明の具体的実施例を以下に示す。 ［実施例１］本発明の実施例である一般的な２筒床式圧
力変動吸着型酸素濃縮装置の停止時の装置挙動を示す。
図１は装置概要であり、図２は装置の制御パターン状態
を示している。

【００２５】かかる装置は、酸素よりも窒素を選択的に
吸着する吸着剤としてＬｉ-Ｘ型ゼオライトを充填した
２つの吸着筒（２ａ、２ｂ）を備えた２筒式の圧力変動
吸着型酸素濃縮装置であり、電磁弁（３ａ，３ｂ，４
ａ，４ｂ，５）の開閉制御によりコンプレッサー１から
の供給される加圧空気を供給する吸着工程、吸着した窒
素を排気する脱着（排気、パージ）工程、均圧工程を交
互に切替えて酸素を連続的に生成する装置である。図２
には各吸着床の工程とバルブの開閉制御状況を示してい
る。

【００２６】酸素濃縮装置の停止時、すなわち酸素濃縮
装置の電源停止信号を受信した場合、コンプレッサーは
停止し加圧空気の供給を停止するとともに、コンプレッ
サーから吸着床への原料供給用の切替バルブ３ａ、３ｂ
は何れも閉止となり、吸着床から大気への排気用のバル
ブ４ａ、４ｂは何れも開状態となり、吸着床内の加圧ガ
スを大気中に排気し、また製品タンク７に貯蔵されてい
る加圧酸素がオリフィス６ａ、６ｂから各吸着床に流れ
吸着床内をパージする。パージガス量は定常運転時のパ
ージ量の２倍となるようにバルブ開閉時間を設定した。
パージ終了後には排気用バルブ４ａ、４ｂともに閉止
し、装置全体を停止する。

【００２７】かかる装置を周囲温度35℃、周囲湿度90％
の高湿度環境下において、装置の運転、停止を繰り返し
た結果、図５に示すように１５回の繰り返し結果でも酸
素濃度の低下が認められず、パージ工程を行なわない装
置に比較しても吸着剤の寿命延長が達成されている事が
確認された。

【００２８】［実施例２］実施例１の装置と同様の装置
を市販の電動機を具備した回転分配器流路切替弁（ロー
タリーバルブ）で実現した例を示す。装置の基本構成は
実施例１の装置と同じであり、流路切替え用の電磁弁
（３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ）をインバータ（１１）制御
による一つの回転分配器流路切替弁１０で実現したもの
である。図３は装置概要であり、図４は分配器流路切替
手段により、吸着床がどのような過程を経るかを示して
いる。

【００２９】酸素濃縮装置の停止時、すなわち酸素濃縮
装置の電源停止信号を受信した場合、コンプレッサーは
停止し加圧空気の供給を停止する。一方の吸着床２ｂに
は製品タンク７に貯蔵されている加圧酸素がオリフィス
６ｂから流れ、吸着床内をパージする。回転分配器流路
切替弁１０が回転することで、他方の吸着床２ａがパー
ジされる。一方の吸着床では排気、パージ工程を行うと
ともに、他方の吸着床はコンプレッサーが停止したため
にガスの出入りのない保持工程となる。かかる工程を繰
り返し、各吸着床内をパージすると、ともにパージガス
量は定常運転時のパージ量の２倍となるように設定し
た。パージ終了後には回転分配器流路切替弁１０を流路
の途中で回転を停止し系を閉じ、装置全体を停止する。

【００３０】かかる装置を、周囲温度35℃、周囲湿度90
％の環境下において、装置の運転、停止を繰り返した結
果、酸素濃度の低下が認められず、吸着剤の寿命延長が
達成されている事が確認された。

【００３１】

【発明の効果】本発明の吸着型酸素濃縮装置は、装置の
停止時に、定常運転時に行われる吸着床のパージを装置
停止時にも実施する事により、吸着剤寿命を向上し、長
期的な患者治療に効果を示す。

【００３２】以下に、周囲温度３５℃、湿度９０％R.H.
の環境下において、装置停止時にパージを行う、行わな
いの比較を行ったものである。装置停止時のパージは定
常運転時の２倍を供給した結果、パージなしに比較して
明らかな吸着剤寿命の延長効果が認められた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の医療用酸素濃縮装置の概略
構成図。

【図２】本発明の実施例１の医療用酸素濃縮装置の制御
パターン。

【図３】本発明の実施例２の医療用酸素濃縮装置の概略
構成図。

【図４】本発明の実施例２の医療用酸素濃縮装置の制御
パターン。

【図５】本発明の実施例１の医療用酸素濃縮装置の効
果。

【符号の説明】

１ コンプレッサー ２ａ 吸着筒 ２ｂ 吸着筒 ３ａ 原料空気供給切替用電磁弁 ３ｂ 原料空気供給切替用電磁弁 ４ａ 排気切替用電磁弁 ４ｂ 排気切替用電磁弁 ５ 均圧用電磁弁 ６ａ オリフィス ６ｂ オリフィス ７ 製品タンク ８ 調圧弁 ９ 流量設定器 １０ 回転分配器流路切替弁 １１ インバーター

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素より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本の吸着床、該吸着床に空気
   を供給する空気供給手段、該吸着床の加圧減圧を制御す
   る加減圧切替手段、該吸着床から得られた酸素濃縮気体
   を使用者に供給する酸素供給手段を備えた圧力変動吸着
   型の酸素濃縮装置において、該吸着床の下流側に酸素濃
   縮気体の貯溜手段を備え、該加減圧切替制御手段が、該
   酸素濃縮装置の運転停止時に、該貯溜手段から該吸着床
   に酸素濃縮気体を逆流させパージするように流路を制御
   する手段であることを特徴とする医療用酸素濃縮装置。
2. 【請求項２】 該酸素濃縮装置が、吸着床の脱着再生工
   程中に該吸着床で生成した酸素濃縮空気を供給するパー
   ジ工程を備え、該加減圧切替制御手段が、該運転停止時
   のパージガス量が定常運転時のパージガス量よりも多く
   供給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記載の医療用酸素濃縮装置。
3. 【請求項３】 該運転停止時に吸着床へ供給されるパー
   ジガスの量が定常運転時のパージガス量の１．５倍以
   上、４倍以下であることを特徴とする請求項２に記載の
   医療用酸素濃縮装置。
4. 【請求項４】 該加減圧切替制御手段が、該運転停止時
   に全ての吸着床の下流側及び排気開放側のバルブを所定
   時間開放した後に閉じる制御を行なう手段であることを
   特徴とする請求項１〜３記載の医療用酸素濃縮器。