JPH0419163B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の利用分野］ 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性酸素透過膜を用いて、空
気から酸素の富化された空気を安定して効率よく
得るための酸素富化器に関するものである。特に
本発明は、中空糸状の選択性酸素透過膜を用いた
改良された酸素富化器を提供するものである。 ［従来技術］ 近年ぜんそく、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼
吸気系器官の疾患に苦しくむ患者が多く、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。また手術後やスポーツの後の体力回復にも酸
素の吸入法が有効である。 しかしこの酸素吸入法における酸素濃度は長時
間吸入する際により安全である50％以下が一般に
用いられることが多い。 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
が提案されている。 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、膜自体が超微
細なフイルターとしても機能するためゴミや細菌
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、減圧タイプの膜型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、膜法による酸素富化空気の吸入量は
患者によつて異なるが、一般に２／mm以上と比
較的大きく、そのため選択性酸素透過膜の表面積
も大きくとることが必要で装置もやや大きくなり
やすいために、その膜モジユールを出来るだけコ
ンパクトにする必要がある。またかかる膜型酸素
富化器では、通常選択性酸素透過膜の表面側に空
気を供給するだけではなく、真空ポンプ等の減圧
手段を冷却するための大量の冷却風が必要であ
り、その大量の冷却用空気流れを膜モジユールに
流す際の流動抵抗が大きくなりやすい欠点があつ
た。特に膜モジユールが中空糸状選択性酸素透過
膜からなる中空糸束を用いたものである場合に
は、この空気流れの流動抵抗が非常に大きく、大
型のフアンを必要としエネルギー消費や騒音が大
きくその改善が強く望まれていた。 ［発明の目的及び構成］ 本発明の目的は、膜型酸素富化器におけるこの
用な欠点を解決することにあり、特に中空糸状選
択性酸素透過膜を用いた酸素富化器であつてエネ
ルギー消費が少なくコンパクトで低騒音のものを
提供することである。 かかる目的を達成するために鋭意研究した結
果、膜面側に空気の流れを生じせしめるための風
路だけではなくて、膜面側を通過しないバイパス
を設けることが有効であることを見い出して本発
明に到達した。 即ち本発明は、選択性酸素透過膜を具備した分
離機能部の多数の配列を有する膜モジユールと、
該膜モジユールにおける該膜の一面側をある程度
の真空に保ち且つそこから酸素富化空気を取り出
すための減圧手段と、該モジユールにおける該膜
の他面側に空気の流れを生じさせるための送風手
段を有した酸素富化器において、該送風手段より
生ずる空気の流れの一部を流通せしめるために該
膜の表面側を通過しないバイパス手段を具備し、
該膜の表面側を流通して生じた酸素貧化空気と該
バイパス手段を流通した大気流れにより該減圧手
段を冷却せしめるようにしたことを特徴とする酸
素富化器を提供するものである。 尚、参考例として、選択性酸素透過膜を具備し
た分離機能部の多数の配列を有するモジユール
と、該モジユールにおける該膜の裏面側をある程
度の真空に保ち且つそこから酸素富化空気を取り
出すための減圧手段と、該モジユールにおける該
膜の他面側に空気の流れを生じさせるための送風
手段を有した酸素富化器において、該送風手段よ
り生ずる空気の流れの一部を流通せしめるために
該膜の表面側を通過しないバイパス手段を具備
し、該減圧手段を冷却するために減圧手段の周囲
を通過せしめた後の大気流れの一部を該バイパス
手段に、該大気流れの残りを該膜の表面側に、
各々供給せしめるようにしたことを特徴とする酸
素富化器があげられる。 以下、本発明について図面を用いながらさらに
詳細に説明する。第１図〜第３図は、本発明にお
ける酸素富化器の実施態様例を概略フローシート
で示したものである。尚、第４図は参考例を示し
たものである。これらの図において、１は選択性
酸素透過膜１０を具備した分離機能部の多数の配
列を有する膜モジユールを模式的に示しており、
２は該膜モジユール中の選択性酸素透過膜の裏面
側の空間を示しその空間をある程度の真空に保つ
ための減圧手段４の吸引側に連結されている。ま
た３は膜モジユール中の該膜の表面側の空間を示
し、その上流側又は下流側には送風手段５が備え
られている。かかる膜表面側の空間３を通過する
空気流路の他に、空気流路としてバイパス手段６
が具備されている。第１〜３図では、バイパス手
段６を通過した空気は、膜モジユールの膜表面側
を通過して得られる酸素貧化空気と合流して、 減圧手段を冷却するためにその周囲に供給さ
れ、そこを通過した後富化器外に排出される。第
４図では、富化器の取入口から流入した空気によ
りまず減圧手段を冷却するように構成されたもの
を示す。またこれらの図では、選択透過性膜１０
を透過して得られた酸素富化空気が導管手段を介
して減圧手段４により取り出されて使用に供され
るようになつている。さらにこれらの図の如く、
該バイパス手段及び／又は膜表面側の空気に連結
された空気の流路において流量調節手段７，８が
備えられていてもよい。また第１〜３図に示すよ
うに、膜モジユールに流入される空気のみを通過
させるためのフイルター手段９が備えられている
ことが望ましい。 この様に本発明の酸素富化器は、膜モジユール
に収納された分離機能部における原料気体流通側
（即ち膜表面側）の空間に空気を導入する以外に、
空気のバイパス手段を有することを特徴としてい
る。尚該バイパス手段は膜モジユール内の空間の
一部に設けることも可能である。また本発明の酸
素富化器では、酸素富化空気を除いて富化器外に
排出される気体の流れ全体（即ち膜モジユールか
ら酸素貧化空気及びバイパスを通過した空気）あ
るいは富化器に流入した空気の流れ全体を用いて
減圧手段を冷却することを特徴としている。 本発明の酸素富化器では、膜表面での濃度分極
をできるだけ小さくし分離効率を高めるために膜
表面側に送入する空気量が多いほど好ましいが、
膜表面側の空間をも小さくしたコンパクトな膜モ
ジユール、特に中空糸を選択性透過膜に用いた膜
モジユールでは中空糸内等の膜表面側での流動抵
抗が大きくなり、そのための送風手段として能力
の大きなものが必要となり騒音や電力消費の増大
をもたらす不利な面がある。その場合の膜表面側
への供給空気量は、酸素富化空気量の３倍以上50
倍以下、好ましくは４倍以上40倍以下、更に好ま
しくは５倍乃至30倍である。 またかかる酸素富化器では、減圧手段を冷却す
るための風量が膜表面側への供給空気量よりも大
きいことが必要であり、その多い分の冷却用風量
の流路を確保するためにバイパス手段を設けたも
のである。そのバイパス手段を流れる空気流量
V_Bと膜の表面側を流れる空気量とバイパス手段
を流れる空気量の合計流量Vtの比V_B／Vtとして
は0.3〜0.95が好ましく、更には0.5〜0.90の範囲
にあることが望ましく、特に0.65以上が良好であ
る。尚かかるV_B／Vtは、同一の圧力と温度にお
ける各々の流量の比を意味する。本発明の酸素富
化器は、V_B／Vtをこの様な範囲にすることによ
つて膜表面側への適正な空気の供給が容易であ
り、且つ減圧手段の冷却用風量も非常に容易に実
現できるものである。 さらに本発明の酸素富化器は、かかるV_B／Vt
の範囲の空気流量を確保するために、膜表面側の
空間に連結した空気の流路とバイパス手段の流路
のどちらか一方又は両方に流量調節手段を備えた
ことを特徴としている。この流量調節手段として
は、遮閉板開閉機構、バルブ、オリフイス等があ
げられるが、中でも遮閉板開閉機構即ち所謂ダン
パー機構が調節容易であり好ましい。かかる開閉
機構は、手動式であつてもよいが、例えば小型の
パルスモーター等の電動モーターで自動的に開閉
するようにしてもよい。その流量調節手段は、バ
イパス手段の流路と膜表面側の空間に連結した空
気の流路の両方に用いてもよいが、バイパス手段
のみに用いることが好ましく、特にそのバイパス
手段における下流部に設けることが好ましい。 さらに本発明の酸素富化器の特徴は膜モジユー
ルの膜表面側の空間に流入する空気中に含まれる
塵埃等を除去するためフイルター手段を、該膜表
面側の空間に流入する空気のみが通過するように
設けられていることにある。かかるフイルター手
段が好ましい設置場所としては、該モジユールの
入口近くがあげられる。かかるフイルターの性能
としては大気中の塵埃をできるだけ除去するため
塵埃の捕集率の高いものでが好ましいが、一般に
捕集率が高くなると圧損が大きくなり、前述のフ
アンの能力増強を図らなければならず、騒音や消
費電力の増大が差れられず、好ましくない。フイ
ルターの性能としては、日本空気清浄協会の第２
性能試験方法に準拠して、JISZ8901に規定され
た８種の粉塵を用いてテストし、その補集効率が
70％以上、好ましくは80％以上、更に好ましくは
95％以上のものが用いられる。70％以下の補集効
率であると膜の流量は急激に低下する。尚、かか
るフイルター手段の他に、該富化器の空気取入口
にも比較的目の粗いフイルター手段を設けてもよ
い。 本発明の酸素富化器において用いられる選択性
酸素透過膜の形状は中空糸状、管状、平膜状等の
いかなるものであつてもよく、特に中空糸状膜が
好ましい。尚これらの膜を用いた膜モジユールの
形態としては、例えば中空糸型、チユーブラー
型、平板積層型、スパイラル型等があり、中で中
空糸型、スパイラル型が本発明に適しており、特
に中空糸型が好ましい。また例えば医療用等の場
合には好ましくは30％以上、更に好ましくは35％
以上の酸素濃度の富化空気が必要とされ、そのた
めの該膜の酸素／窒素の選択性（酸素透過速度／
窒素透過速度）は少なくとも３、好ましくは3.5
以上、更に好ましくは3.8以上である。 本発明の富化器はコンパクトであることにその
特徴があるが、これを達成するには膜の透過性が
重要である。即ち本発明の膜の酸素透過速度は20
℃で測定し少なくとも２×10^-5c.c.／cm²・sec・
Hg、好ましくは５×10^-5c.c.／cm²・sec・cmHg以
上、更に好ましくは１×10^-4c.c.／cm²・sec・cmHg
である。 酸素透過速度が２×10^-5c.c.／cm²・sec・cmHg未
満の場合、透過性が小さいため富化器として必要
な富化空気量を得るには、膜面積を大きくせざる
を得ず、中空糸状膜形態であつてもモジユールの
容積は大きくなりコンパクトにはならない。 尚中空糸状膜の場合には、その中空糸の膜壁全
体が選択透過性能を有していてよく、その内表面
又は該表面機能するようにしたものであつてもよ
い。特に内表面にその選択性能を付与した内面膜
の場合には、例えば界面重合膜のように高性能が
形成できて且つそれが破損しにくい利点がある。
この様に中空部に原料空気を流通せしめるもので
あれば、中空部での圧力損失を低くおさえらる点
でその内径として100μ以上、更には300μ以上の
範囲にあることが好ましい。 本発明において用いられる減圧手段は分離機能
部の裏面側空間部を減圧にし分離の駆動力となる
とともに、取出し口及び導管手段を通して酸素富
化空気を取出し、減圧手段の吐出ガスとして富化
空気を送出す働きをもつ。該減圧手段としては通
常電動機付の真空ポンプが好ましいが、場合によ
つてはブロアー等を用いることもできる。ポンプ
の種類としては、人の吸入に使うため、オイルな
どの微細粒子の混入しないものがよく、オイルレ
スタイプのポンプで、しかも騒音も小さく、耐久
性のあるものが好ましい。ポンプの能力として
は、必要とする富化空気量、酸素濃度、分離膜の
性能によつて大きく違つてくるが、例えば医療用
として酸素濃度35％以上、富化空気量６／分以
上分離膜としてその酸素、窒素の選択性が3.5の
場合のとき、絶対圧力270mmHgで６／分の流量
がでる性能以上のポンプが必要となる。 また該富化器において用いられる送風手段とし
ては特に限定されるものではないが、例えばシロ
ツユ・ターボフアンや軸流フアン等のフアンやブ
ロアーなどがあげられる。さらに本発明の酸素富
化器において、温まつたポンプを経て出てくる富
化空気を冷却する手段を備えていることが好まし
く、その冷却手段としては熱交換器を用いること
ができる。熱交換器における冷却媒体としては取
り入れ空気が利用でき、富化空気をとり入れ空気
の温度近くまで冷却するには、コイル状のパイプ
等の該熱交換器をとり入れ空気のとり入れ口のす
ぐそばに置くのが好ましく、その囲りが、真空ポ
ンプの熱により温められにくいことが必要であ
る。 さらに該酸素富化器では、この冷却手段により
冷却されて、酸素富化空気中の過剰の水分が凝縮
して発生した水を分離するため例えば円管状等の
水分離手段を有していることが望ましい。ここで
分離された水は、上記した冷却用のコイル状熱交
換器の表面に付したガーゼ等の水分保持機能部に
供給して、そこでた蒸発せしめることによつて冷
却効果を高めるのがよい。 さらに該酸素富化器においては、富化空気中の
NOx，SOx等の有害ガスや悪臭を除去するため
の例えば活性炭を充填したカラム、あるいは、富
化空気中の細菌を除くための除菌フイルターを設
置してもよく、これらは休止中に富化空気の導管
部分に細菌が入ることを防ぐ効果もある。また運
転時の異常を検知し、知らせる警報器類、時間
計、流量計、圧力計等の付属部品が設置されてい
てもよい。 また本発明の酸素富化器では、減圧手段と第
１，第２送風手段を１つの防音ボツクス内に収納
し、該富化器の外殻に設けられた空気の取入口か
ら該防音ボツクスの空気入口部までの流入空気の
流路と、該防音ボツクスの空気出口部から該富化
器の外殻に設けられた排出口までの排出空気の流
路の各々におい１回以上、更に好ましくは３回以
上、特に好ましは５回以上の屈曲回数を設けるこ
とや、その流路の内面に吸音材等をはりつけるこ
とが騒音の発生を防ぐうえで望まれる。また取入
れる大気の温度が低い場合には、ヒーターの取付
や、ポンプの拝熱を利用して空気を暖めたり、暖
められた排出すべき空気の一部を再び循環利用し
て膜モジユールへ導入する空気の温度を一定温度
以上に保つようにしてもよい。 本発明の酸素富化器は、医療用あるいは体力回
復のため人の吸入に使用されるものであるが、こ
れに限らず、観賞用にも供し得る魚の飼育用水槽
への酸素の供給などその用途は広い。 ［実施例］ 第１図において示した如く、内径が700μ、外
径が1000μ、長さが約25cmの酸素選択透過性中空
糸膜7300本の集束体を収納した膜モジユルーとシ
ロツコ・ターボ、真空ポンプおよびフイルターを
備えた酸素富化器を組み立てた。尚その際に実施
例１のフアン及び実施例２のフアンとして各々能
力の異なるものを用いて、第１表の条件になるよ
うにして運転して、そのフアンの消費電力を評価
して第１表の如き結果を得た。さらに比較例とし
て実施例２におけるバイパスを用いずにその流路
をふさいだ場合について評価を行なつて得られた
結果を合わせて第１表に示す。

【表】 ［発明の効果］ 本発明の酸素富化器は、真空ポンプ等の減圧手
段を冷却が確実に行なうことができるのでその減
圧手段の加熱の危険性が非常に少なく安全性に優
れている。また本発明では高流量の酸素富化空気
が容易に得られ、その運転時における消費電力が
比較的少なくてすみ、また騒音の発明も防止しや
すく、さらに富化器全体をコンパクトにしやすい
優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明に係る酸素富化器の実
施態様例を概略フローシートで示したものであ
る。第４図は参考例としての酸素富化器の概略フ
ローシートを示したものである。 図中、１が膜モジユール、４が減圧手段、５が
送風手段、９がフイルター手段を示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 選択性酸素透過膜を具備した分離機能部の多
   数の配列を有するモジユールと、該モジユールに
   おける該膜の裏面側をある程度の真空に保ち且つ
   そこから酸素富化空気を取り出すための減圧手段
   と、該モジユールにおける該膜の他面側に空気の
   流れを生じさせるための送風手段を有した酸素富
   化器において、該送風手段より生ずる空気の流れ
   の一部を流通せしめるために該膜の裏面側を通過
   しないバイパス手段を具備し、該膜の表面側を流
   通して生じた酸素貧化空気と該バイパス手段を流
   通した大気流れにより該減圧手段を冷却せしめる
   ようにしたことを特徴とする酸素富化器。 ２ 該膜の表面側を流通する空気流れと該バイパ
   ス手段を流通する空気流れの合計流量Vtに対す
   る該バイパス手段を流通する空気流用V_Bの比
   V_B／Vtが0.3〜0.95である特許請求の範囲第１項
   記載の酸素富化器。 ３ 該膜の表面側を流通する空気流量を調整する
   手段及び／又は該バイパス手段を流通する空気流
   量を調節する手段を備えた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。 ４ 該分離機能部が、平膜状、チユーブ状又は中
   空糸状の選択性酸素透過膜を用いたものである特
   許請求の範囲第１項記載の酸素富化器。 ５ 該膜モジユールの表面側に流入する空気のみ
   が通過するフイルター手段を備えた特許請求の範
   囲第１項記載の酸素富化器。