JPH0475841B2 - - 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
らに操作圧を減圧する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て、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、そ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
様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、膜面側を通過しないバイパスを設けて、膜面
側に空気の流れを生じせしめるための送風手段と
別に、少なくともバイパスに空気流れを生じさせ
るためのもう１つの送風手段を用いることが有効
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
すための減圧手段を具備した酸素富化器におい
て、該膜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第１送風手段、該膜の
他面側を通過しない空気バイパス手段及び少なく
とも該バイパス手段において空気の流れを生じさ
せるための第２送風手段を備えたことを特徴とす
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６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。第１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
一面側の空間を示し、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他面側の空
間を示し、第１送風手段えの下流側に位置してい
る。６は第２送風手段であり、富化器の入口部か
ら流入した空気を第１送風手段に送ることによつ
て第１送風手段の能力を高めると共に、バイパス
７に空気を流入せしめるものである。バイパス７
を通過した空気は、膜モジユール１からの酸素貧
化空気と合流し、真空ポンプ等の減圧手段を冷却
するためにその周囲を通過した後富化器外に排出
されるものである。他方選択性酸素透過膜１０を
透過した酸素富化空気は減圧手段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。 第２〜６図における番号は第１図と同様のもの
を意味する。第２図は、第２送風手段６をバイパ
ス７への空気送風専用とした特徴を有する。第３
図は、第１送風手段５及び第２送風手段６を下流
側に備えて吸引タイプとしたことを特徴とする。
また第４図は、第１送風手段５を膜モジユールの
上流側に置いて押込みタイプとし、第２送風手段
６を下流側に置いて吸引タイプとしたことを特徴
とする。第５図は、第１送風手段を吸引タイプと
し第２送風手段６を押込みタイプとしたものであ
る。さらに第６図は減圧手段４の周囲を通過した
後の空気を第１送風手段５と第２送風手段６によ
り流通せしめるようにしたことを特徴としてい
る。尚本発明の酸素富化器は、これら第１〜６図
に限定されるものではないことは言うまでもな
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
（以下膜表面側という）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と減圧手段の冷却用風量V_Cの比V_B／V_C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／V_C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／V_C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／V_C
の範囲の空気流量を確保するために、膜表面側に
空気の流れを生じさせるための第１送風手段の他
に、少なくしもバイパス手段において空気の流れ
を生じさせ得る第２送風手段を備えたことを特徴
としている。かかる第２送風手段はバイパス手段
のみにおいて空気の流れを生じさせるようにした
ものであつてもよく、それに加えて第１補充する
ように膜表面側に空気の流れも生じさせるもので
あつてもよい。この第１送風手段及び第２送風手
段は、各々の機能を発揮すればいかなる形式で位
置していてもよいが、特に第４図又は第５図に記
載する如くその一方を押込みタイプに位置させ他
方を吸引タイプにする形式の方が膜表面側での空
気の流れを大きくしやすく、また富化器全体がコ
ンパクトになり騒音も小さくしやすい利点があ
る。尚該送風手段として、フアン、ブロアー等の
いずれであつてもよく、具体例としてはシロツ
コ・ターボフアン、軸流フアン等があげられる。 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
段の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
塵埃の補集率の高いものでが好ましいが、一般に
補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。 第７図は、本発明の酸素富化器の好ましい実施
態様を模式的に例示したものであつて前記した如
き特徴を備えている。即ち中空糸状選択透過性質
２１の集束体を収納しその両端部を接着剤層２２
により接着シールし且つ中空糸を開口せしめた膜
モジユール２３を備えている。この中空糸膜の中
空部に空気を供給され、中空糸の外側間隙部が減
圧手段２４によつてある程度の真空に保持される
ことによつて、空気の一部が膜壁を透過して酸素
富化空気が得られる導管手段２５等を介して取り
出される。この膜モジユールの下流側には中空糸
束の中空部から酸素貧化空気を吸引する第１送風
手段２６が設けられており、それからの該酸素貧
化空気は減圧手段の冷却用に用いることができる
ようになつてい。また該膜モジユールの上流側に
はフイルター手段２７を備え、さらにその上流に
は第２送風手段２８を備えている。この第２送風
手段からの空気の一部はフイルター手段２７を通
過した後膜モジユールに導入され、その他の空気
はバイパス手段２９を通して減圧手段の冷却用に
用いられるようになつている。 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・cm
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もよく、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
れ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
路の各々において１回以上、更に好ましくは３回
以上、特に好ましくは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、ポンプの排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７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ールと第
１、第２のフアン、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。尚その第１フ
アン及び第２フアンとして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２基全体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バイパス
を用いずにその流路をふさぎ且つ第１フアンを用
いずに第２フアンのみを押込み形式で用いた場合
について評価を行なつて得られた結果合わせて第
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
少なくてすみ、また騒音の発生も防止しやすく、
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６図は本発明に係る酸素富化器の実
施態様を概略フローシートで例示したものであ
り、第７図は、本発明酸素富化器の特に好ましい
実施態様の１例を模式的に示したものである。

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
   手段を具備した酸素富化器おいて、該膜モジユー
   ルにおける該膜の他面側に空気の流れを生じさせ
   るための第１送風手段、該膜の他面側を通過しな
   い空気バイパス手段及び少なくとも該バイパス手
   段において空気の流れを生じさせるための第２送
   風手段を備えたことを特徴とする酸素富化器。 ２ 該膜の他面側を流通して生じた酸素富化空気
   と該バイパス手段を流通した空気流れにより該減
   圧手段を冷却するようにした特許請求の範囲第１
   項記載の酸素富化器。 ３ 該膜の他面側に流入すべき空気流れと該バイ
   パス手段に流入すべき空気流れにより該減圧手段
   を冷却するようにした特許請求の範囲第１項記載
   の酸素富化器。 ４ 該減圧手段を冷却するための空気の流量V_C
   に対する該バイパス手段を流通する空気流量V_B
   の比V_B／V_C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。 ５ 該膜モジユールの入口近くにフイルター手段
   を備えた特許請求の範囲第１項記載の酸素富化
   器。 ６ 分離機能部が、選択性酸素透過中空糸膜を用
   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。