JPH0229602B2 - Sansofukaki - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は窒素より大きい速度で酸素を透過させ
ることができる選択透過膜を用い、大気から酸素
の富化された空気を安定して効率よく得る装置に
関するものであり、特定の水分離手段によつて酸
素富化空気中の過剰の水分を除去することによつ
て特に医療用に使用するに適した酸素富化器に関
するものである。 ［従来技術］ 近年ぜんそく、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多く、その最も
効果的な治療法の一つとして酸素吸入法がある。 しかしこの酸素吸入法において60％以上の高酸
素濃度空気を吸入させると、治療効果よりかえつ
て肺炎症状や神経障害等を起し、害になることが
知られており、酸素濃度は調時間吸入しても安全
である50％以下が一般に用いられる。 かかる酸素濃度が50％以下の酸素富化空気を長
時間供給するための言わゆる酸素富化器として、
窒素より大きい速度で酸素を透過させることがで
きる選択性酸素透過膜を用いた膜法による富化器
が提案させている（例えば特開昭51−6876、特開
昭51−5291号公報参照）。 この膜法による酸素富化器の特徴は、一般に膜
の酸素と窒素の選択性は２〜５の範囲にあること
から一般の空気分離で得られる酸素濃度は50％以
下であること、一般に酸素及び窒素より水蒸気の
透過の方が大きいため膜を透過して得られる富化
空気は加湿されてでてくるため特に酸素富化空気
吸入時に加湿を必要としないこと、膜自体が超フ
イルターであるためゴミや細菌などの全くない清
浄空気として得られること、さらに操作圧を減圧
だけすなわち真空ポンプを使用した場合騒音の小
さな富化器ができることなどにあり、減圧タイプ
の膜法酸素富化器は医療用として最適な富化器と
言える。 ところで膜法により得られる酸素富化空気は前
述の通り水蒸気の透過の方が大きいため空気中含
まれる水蒸気が濃縮されて含まれる。これを更に
詳しく定量的に説明すると、一般の高分子よりな
る酸素選択透過膜においては水蒸気の透過係数は
酸素の透過係数に比し一桁も大きいことが通常
で、このような場合膜の大気と接触する側（以下
源流側、高圧側あるいは大気側とよぶ）を大気圧
下（通常760Torr）で、ガスの透過する側（（以
下透過側、低圧側あるいは富化空気側とよぶ）を
減圧下とした状態で膜を透過した富化空気中の水
蒸気割合および大気に対する水蒸気の濃縮割合は
大略次式で表わされる。 t₁＝RHR・hs／PL t₀＝RHR・hs／PH ｙ＝t₁／t₀＝PH／PL ここで t₁；富化空気中の水蒸気割合（ｖ／ｖ％） t₀；大気中の水蒸気割合（ｖ／ｖ％） RHR；大気側の相対湿度（％） hs；大気側温度での飽和水蒸気圧（mmHg） PL；低圧側圧力（Torr） PH；大気側圧力（通常760）（Tor） ｙ；富化空気中の大気に対する水蒸気濃縮倍率
（−） である。 医療用酸素富化器に用いうる実用的な真空ポン
プの範囲では通常低圧側圧力PLは100〜200Torr
であり、上式にあてはめて高圧側圧力PHを
760Torrとして水蒸気濃縮倍率ｙを求めると3.8
〜7.6倍となつており、富化空気は減圧下あるい
は高温下ではその中に含まれる水蒸気は凝縮しな
いが常圧下に移行する及び／又は温度が低下した
場合には容易に水蒸気が凝縮し導管部に水滴とな
つて付着する。 このような導管部での水滴発生は、富化器から
出た導管部のように使用時以外の時大気と接触す
る可能性のある場所では侵入あるいは付着細菌の
繁殖の場となつたり、導管内に付着した水分が患
者の富化空気吸入部へ輸送され患者に不快感を与
えるのみならず、咳・クシヤミを誘起する原因と
もなる。このため膜法を採用する酸素富化器にお
いては富化器の内部で積極的に過剰水分を除去す
る手段が工夫されている。一般的には真空ポンプ
を出てきた酸素富化空気の通る導管を収入空気と
効率よく接触させる熱交換器状に構成し、該熱交
換器状導管（以下冷却手段と略記する）で富化空
気を取入空気の温度に近い温度迄冷却し過剰水分
を凝縮せしめ、凝縮した過剰水分と非凝縮水蒸
気・酸素濃縮空気を含む富化空気を分離する手段
（以下水分離手段と略記する）を設けて過剰水分
を除去している。 このため、膜型酸素富化器の水分離器では、該
水分離器の水分排出口より酸素富化空気の一部を
漏洩させつつ水分の排出を行なう手段が講じられ
ている。即ちこの水排出手段としてこれまでは、
水分排出口の端部に可撓性チユーブを接続し該チ
ユーブ内にアクリル繊維等の疎水性繊維の糸束を
充填し、その充填密度及び糸束長を適当に選択す
ることによりそこを酸素富化空気及び水分が通過
する際の流動抵抗を生ぜしめ水分排出を完全にし
つつ酸素富化空気の漏洩量を可及的に小さくする
方法が用いられていた。 しかしながら疎水性繊維を充填物として用いた
場合には、導水性が乏しく、凝縮分離された水分
を多量に排出させるためには酸素富化空気を多量
に排出水に同伴させて排出することが必要であ
り、そのため、同伴して排出する酸素富化空気に
相当する酸素富化膜を余剰に搭載使用しなければ
ならず、経済的に非常に不利であつた。又、多量
の酸素富化空気を排出させる際の排出音が、酸素
富化器使用者に不快感を与えることになる。この
排出音は、騒音レベルの低い夜間の使用に際して
非常に不都合である。 ［発明の目的及び構成］ 本発明者等は、かかる膜型酸素富化器における
欠点を解消することを目的として、膜型酸素富化
空気中の水分離手段に具備される水排出管におい
て排出水に同伴して排出する酸素富化空気量を極
力少くすることにより経済的で排出音のない水排
出管の構成について鋭意研究した結果、本発明に
到達したものである。 即ち本発明は、大気より酸素濃度の高められた
空気を得るための装置であつて、窒素より酸素を
選択的に透過せしめる選択透過膜を有するエレメ
ントの配列と、該配列に大気を送りこみ且つ酸素
貧化空気を取り出す大気移動手段と該エレメント
の内部の圧力をその外部の圧力より低下せしめて
且つ該内部より酸素富化空気を取り出す酸素富化
空気取出手段と、該酸素富化空気取出手段から取
り出された酸素富化空気の温度を低下せしめ過剰
に含まれる水蒸気を凝縮させる冷却手段と、該酸
素富化空気より凝縮した水分を除去するための水
分離手段と、水分除去後の酸素富化空気を使用の
ために送り出す酸素富化空気送出手段を有する酸
素富化器において、該水分離手段が該冷却手段か
らの酸素富化空気の導入口と、該送出手段への酸
素富化空気の導出口、及び該酸素富化空気から分
離された水分の排出口を有し、且つ該水分排出口
には親水性繊維と疎水性繊維からなる繊維集合体
が充填された水排出手段が具備されていることを
特徴とする酸素富化器を提供するものである。 以下本発明の富化器を図面を用いて更に詳しく
説明するが、図面は本発明の一実施態様を示すに
すぎず、本発明はかかる図面により何ら制限をう
けるものではない。 第１図は膜法による酸素富化器の構成を模式的
に示したもので、破線は大気側の空気の流れを、
実線は酸素富化空気側の流れを、１点鎖線は排出
される水の流れを示す。破線で示される様に酸素
富化器の周囲の空気Ａは、フアン３の吸収力によ
り空気取入口１より吸引されて酸素富化器内に導
かれ冷却手段２と接触した後モジユール４内に送
られ、モジユール４内で酸素濃度の低くなつた空
気（貧化空気）は真空ポンプ５を冷却した後フア
ン３を経由し通路２２を通り富化空気の加温手段
として熱交換器１２及び通路２３を径て、酸素富
化器外へ空気排出口６より排気Ｃとして排出され
る。この様な空気の流れ系路は酸素富化器の内部
筐体構造を工法して形成されるのが一般的であ
る。 モジユール４には選択性酸素透過膜よりなるエ
レメント（図示せず）が多数配列され、該エレメ
ントの透過膜の片側には室内空気がフアン３によ
り掃引される流路が、反対側には該透過膜を透過
した富化空気が流れる流路が夫々設けられ、上記
透過膜が中空糸状に形成されている場合は中空糸
自体が上記流路を構成することとなるが、平面状
に形成されている場合（一般的には枠組積層ある
いはスパイラルと呼ばれている）は通常透過側に
流路形成部材を設け酸素富化空気の流れが円滑に
なるよう配慮がなされる。この様な構造をもつ透
過膜の両側に圧力差があると、その両側の圧力比
に応じて透過側に酸素濃度の高い空気が得られ
る。 この圧力比の発生手段、即ち高圧側が大気圧の
場合では減圧発生手段として真空ポンプ５が設け
られ、該真空ポンプ５の吸引口７は前記エレメン
トで発生する富化空気を集める導管手段８と導管
９で連通され、富化空気は真空ポンプ５内で圧縮
され、大気圧以上の圧力で吐出口１０より導管１
１へ排出される。 導管１１の他端は冷却手段２に連通し、該冷却
手段２で真空ポンプ５の吐出口１０より排出され
た高温の富化空気と多量に掃引される室内空気が
熱交換をし、高温の富化空気が室温近くの温度ま
で冷却されるとともに富化空気内に過剰に含まれ
る水蒸気が冷却凝縮される。このように冷却され
て水滴の混在した富化空気は導管１３を通つて水
分離手段１４に導かれ、凝縮水分と飽和水蒸気を
含んだ富化空気とに分離され、富化空気は導管１
５、オリフイス、バルブ等の水分調整用減圧手段
１６、導管１７に導かれ、流量計１９で流量を監
視しながら流量調節弁１８で吸入療法に必要な富
化空気流量となる様に調節し酸素富化空気Ｂとし
て使用に供される。 一方水分離手段１４で分離された水分は水排出
手段２０を介して排出される。この際、冷却手段
２に室内空気に単に接触させる場合冷却される富
化空気の温度は室内空気の温度以下にはなり得
ず、通常室内空気温度より、0.5〜２℃程度高く、
先述の如く酸素富化器からの輸送導管での水滴付
着の問題が発生する。かかる問題の発生を防止す
るために第１図に示す如く、冷却手段２の一部で
ある外表部２１（即ち大気と接する部位）に吸湿
性部材からなる水分保持機能２１を設け、その水
分保持機能部の少なくとも一部に前記排出手段２
０から排出された水分を供給させて、そこで水の
蒸発を行なわしめてその気化熱によつて冷却を行
なうことが望ましい。 本発明は、かかる酸素富化器の該水排出手段２
０において、前記した如く排出される水に同伴し
て排出される酸素富化空気の量を極力小さくし
て、且つ凝縮水の全てがそこから排出されるべ
く、水の流動抵抗と空気の流動抵抗を種々の条件
において非常に良好にバランスせしめたことを特
徴とするものである。即ち本発明の水排出手段
は、親水性繊維と疎水性繊維の両方からなる繊維
集合体を充填したものである。 該水排出手段の形状としては、いかなるもので
もよいが、該水分離手段の種々の運転状態に適応
し得る形態として管状体中に該繊維集合体が充填
されたものが望ましい。 該管状体の形状は、その内径として１〜20mmが
好ましく特に２〜８mmが好ましく、また内径(D)と
充填長さ（Ｌ）の比Ｌ／Ｄとしては10〜1000が好
ましく特に50〜500が好ましい。また該管状体の
素材としては、銅、アルミ、鉄等の金属、ガラ
ス、樹脂等の管状を保持するいかなるものでもよ
いが、可撓性を有するものの方が、該富化器の組
立て及び点検保守を行なう場合に操作が容易であ
り、その具体例としてポリプロピレン、ポリビニ
ルクロライド、シリコンゴム、ポリエチレン等の
軟質のものが挙げられる。 本発明にかかる疎水性繊維の素材としてはポリ
エステル、アクリル、ポリプロピレン等の合成繊
維や、ガラス繊維、金属繊維等の無機繊維が好ま
しく、又、親水性繊維の素材としては木綿、レー
ヨン、麻等のセルロース系繊維及び羊毛等の動物
性繊維が好ましい。 かかる親水性繊維及び疎水性繊維の形状として
は特に限定されるものではなく、例えば長繊維状
でも短繊維状でもよく、また中実繊維でも中空繊
維でもよい。さらに該繊維の太さとしては、集合
体として充填せしめた状態において、分離除去す
べき水が毛細管の原理によつて該集合体中を移動
できる程度に繊維どうしが密着できるものであれ
ばよく、その具体例としては該繊維の平均外径が
５〜100μの範囲にあるものが望ましい。 本発明における水排出手段は、以上の如き親水
性繊維と疎水性繊維の両方からなる繊維集合体を
充填したものであるが充填される疎水性繊維と親
水性繊維の組合せもしくは混合の形態としては、
織布、不織布、混紡糸、フエルト状物等の成形さ
れたものや、単なる短繊維を混合したものや長繊
維を混合又はひきそろえたもの等のいづれの形態
でも良いが、混紡糸が特に好ましい。 またかかる親水性繊維と疎水性繊維の混合比と
しては、親水性繊維の使用重量／疎水性繊維の使
用重量比で表わして、0.1〜３が好ましく、更に
0.1〜１が好ましく、得に0.3〜0.7の範囲が好まし
い。 さらに該繊維集合体の充填状態としては、繊維
又は糸を集速体状にして該管状体内に長手方向に
沿つて充填したものが好ましい。また該管状体内
に充填された繊維集合体は、その端部または中間
部においてその少なくともその１部を接着、結束
等によつて該管状体内に固定してもよいが、必要
がなければ特に固定しなくてもよい。 該繊維集合体の充填部における充填率としは、
分離除去すべき水が毛細管の原理によつて移動で
きる程度に繊維どうしが密着している範囲であれ
ば特に限定されないが、その下限としては酸素富
化空気排出量を低くおさえるために、5vol％が好
ましく、特に10vol％が好ましい。また充填率の
上限としては、水排出量の点で40vol％が好まし
く、特に20vol％が好ましい。 更に本発明の酸素富化器におけるかかる水排出
手段としては、次の条件を満足するものが好まし
い。即ち、該排出手段の特性として、その背圧
（入口側圧力と出口側圧力760mmHgとの差）が10
mmHg、温度が室温において、(a)その内部が実質
的に乾燥された状態での空気排出量V₁［c.c.（760
mmHg）／min］と酸素富化空気（第１図におけ
る導管１７を通過する空気）の流量Ｖ［c.c.760mm
Hg）／min］との比V₁／Ｖが0.02以下であるこ
と、及び(b)その内部が実質的に水で充填された状
態での水排出量V₂［c.c.／min］と該酸素富化空気
流量Ｖ［c.c.（760mmHg）／min］との比V₂／Ｖが
0.0001以上であることが満足されることが望まし
い。更に該比V₁／Ｖとしては0.001〜0.01が好ま
しく、該比V₂／Ｖとしては0.0002〜0.001の範囲
にあることが望ましい。 ［発明の効果］ 本発明による酸素富化器は、酸素富化空気中の
過剰水分の排出手段において、その広範な運転状
態における酸素富化空気の同伴排出量を極めて少
く、すなわち同伴による酸素富化空気の損失を極
めて少くすることができる、経済的な酸素富化器
を提供するものである。 以下実施例をあげて、本発明をさらに詳細に説
明するが、本発明の酸素富化器はかかる実施例に
よつて何ら限定されるものではない。 実施例 １ ポリプロピレン多孔質支持体上に成形したポリ
４−メチルペンテン−１の極薄膜を両面に配した
エレメントの配列を内蔵した第１図に示す如き膜
型酸素富化器において、水排出手段２０として、
内径３mmの軟質塩化ビニールチユーブ内にアクリ
ル繊維（平均外径約13μ）65重量％羊毛（平均外
径約16μ）35重量％の混紡糸（長さ80cm、単糸４
本毎により合わせたものが５本、総乾燥重量0.93
ｇ）を束状にしてほぼ均一に充填（充填率14vol
％）せしめたものを組み込んで、25℃において真
空ポンプの吸引側を160mmHgab.で運転して酸素
濃度40％の富化空気を６／minの流量で得た。
その場合の該水排出手段の背圧（即ち水の入口側
の圧力と出口側の圧力760mmHgとの差）が30mm
Hgで、水の平均排水量が0.4c.c.／minであり、同
伴して排出される酸素富化空気の平均量は50c.c.／
minと非常に少ない状態で長時間わたつて安定に
運転することが出来た。 尚該水排出手段そのものの特性として、出口側
を大気圧とした背圧を種々変えて、その内部が実
質的に乾燥された状態での空気の流量及び内部が
実質的に水で充たされた状態における水排出量を
測定したところ第１表の如き値が得られた。 実施例 ２、３ 実施例１と同様の酸素富化器において、その水
排出手段に実施例と同様の混紡糸を用いてその充
填率を10vol％及び19vol％と変えて充填せしめた
状態で該富化器の運転を行なつた。いずれの場合
も、同伴富化空気の流量が少ない状態で水の排出
が出来、運転が極めて良好であつた。 尚、各々の場合の水排出手段の特性値を第１表
に合せて示す。 【表】

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る酸素富化器の１例を示
したものであり、同図中で４がエレメントの配
列、３が大気移動手段、５が酸素富化空気取出手
段、２が冷却手段、１４が水分離手段、２０が水
排出手段である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 大気より酸素濃度の高められた空気を得るた
   めの装置であつて、窒素より酸素を選択的に透過
   せしめる選択透過膜を有するエレメントの配列
   と、該配列に大気を送りこみ且つ酸素貧化空気を
   取り出す大気移動手段と該エレメントの内部の圧
   力をその外部の圧力より低下せしめて且つ該内部
   より酸素富化空気を取り出す酸素富化空気取出手
   段と、該酸素富化空気取出手段から取り出された
   酸素富化空気の温度を低下せしめ過剰に含まれる
   水蒸気を凝縮させる冷却手段と、該酸素富化空気
   より凝縮した水分を除去するための水分離手段
   と、水分除去後の酸素富化空気を使用のために送
   り出す酸素富化空気送出手段を有する酸素富化器
   において、該水分離手段が該冷却手段からの酸素
   富化空気の導入口と、該送出手段への酸素富化空
   気の導出口、及び該酸素富化空気から分離された
   水分の排出口を有し、且つ該水分排出口には親水
   性繊維と疎水性繊維からなる繊維集合体が充填さ
   れた水排出手段が具備されていることを特徴とす
   る酸素富化器。 ２ 該水排出手段が、管状体中に該繊維集合体が
   充填されたものであることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の酸素富化器。 ３ 該繊維集合体が、親水性繊維と疎水性繊維の
   混紡糸の集束体であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１、２項のいずれかに記載の酸素富化
   器。