JPH1192105A

JPH1192105A - 酸素濃縮器

Info

Publication number: JPH1192105A
Application number: JP9268045A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Sato; 重雄佐藤; Kazukiyo Takano; 和潔高野
Original assignee: Sanyo Electronic Industries Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electronic Industries Co Ltd
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 1999-04-06

Abstract

(57)【要約】【課題】在宅酸素療法に使用するＰＳＡ法による酸素
濃縮器であって、その動作時の騒音を静粛化し、合わせ
て小形化，軽量化する。【解決手段】該酸素濃縮器の機能要素の１つである空
気圧縮器をスクロール型のオイルフリーのものを使用
し、また、吸着剤を、アルミナと高性能吸着剤を含む複
数層に区分けして吸着筒へ充填する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】酸素濃縮器、特に在宅酸素
療法に使用する圧力変動吸着型の酸素濃縮器の改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】在宅酸素療法に使用する医療用の酸素
濃縮器は空気を原料にして、その中に含まれる酸素約２
１％を濃縮して使用するものである。その方法は酸素を
選択的に透過する膜を使用する膜型の酸素濃縮器と窒素
を選択的に吸着する吸着剤を用いて、これを充填した吸
着筒に原料である空気を加えて窒素を吸着分離除去する
圧力変動吸着型の酸素濃縮器がある。前者の酸素濃縮器
で濃縮される酸素濃度は約４０％で後者が約９０％であ
り、現在では主に後者が用いられる。本発明は後者の改
良に関するものである。

【０００３】在宅酸素療法に用いられる酸素濃縮器に
求められる基本性能の酸素濃縮性能の他に在宅の医療用
として求められる主な要件は、動作音が静かであるこ
と、小型，軽量であること、低い消費電力であるこ
と等であり、これは次のような理由によるものである。
在宅酸素療法で使用する酸素濃縮器は一日２４時間使用
する場合が多いため、夜間は装置の動作音が家族を含め
患者の睡眠を妨げない静かな装置であることが要求され
る。また、患者は本装置で製造する酸素をたよりに生活
しているので、故障があると即座に保守員を呼出し、修
理を依頼する事になるので保守員は２４時間体制でサポ
ートしている。

【０００４】この保守員にとってはその故障装置の修
理や装置の入替のための運搬が一人で容易にできるよう
小型，軽量である事が重要な要件である。更に患者のク
オリティ・オブライフ（ＱＯＬ）を上げるため、患者は
外出や旅行を楽しみにしており、従来、この場合ボンベ
に充填した酸素を使用している。しかし、そのガス量は
有限なものであり、数時間の使用で空になるため度々の
充填が必要である。このため多くの人の手助けが必要と
なるので、外出や旅行にも簡単に出られないのが現実で
ある。このため、酸素濃縮器が小型，軽量であれば自動
車に手軽に積み込んで運搬し、ホテル，旅館にて使用で
きるようになるし、自分の家の中においても酸素濃縮器
を移動させて行動範囲を容易に広げることが出来る。す
なわち患者のＱＯＬの点からも小型，軽量が要求されて
いる。

【０００５】次に低消費電力の点については、患者は
一日２４時間連続して運転して使用する。しかし装置の
費用の大部分については健康保険の負担となり、あまり
多くの出費は生じない。しかし電気代は患者の負担とな
るので収入の比較的少ない患者にとっては電気代は大き
い負担となり消費電力の小さい装置が必須の要件となっ
ている。次にこれ等酸素濃縮器に求められている３つの
要件について従来技術では静粛性について装置の動作音の原因は原料である空気を取り入れて圧縮
する空気圧縮機の動作音と圧力変動吸着型の酸素濃縮器
の吸着筒の圧力切替と排気に伴って発生する排気音が主
なものである。

【０００６】排気音は高性能のサイレンサーを取付
けることにより、比較的良く消音することが出来る。し
かし、空気圧縮機の動作音は振動を伴った低周波音を多
く含んでおり容易には下げにくい。現在、医療用の酸素
濃縮器に使用されている空気圧縮機はピストン方式のも
のとベーン方式のものがあるが、ベーン方式のものは使
用されているカーボンべーンが摩耗し、二次側に黒いカ
ーボンの粉が出てくるし、これを取り除くためのフィル
ターが必要になってくる。更にこのフィルターも度々交
換しなければならない。加えてカーボンベーンの摩耗寿
命が２０００Ｈ〜４０００Ｈであり、保守が頻繁に発生
するためピストン方式のものが多く使われている。

【０００７】ピストン方式の空気圧縮機の騒音は、通
常前記の種類の酸素濃縮器に使用するクラスの空気圧縮
機単体での騒音レベルは８０〜６０ｄＢＡの範囲であり
ピストンの動作に伴って生ずる空気圧縮機の振動と電動
機のトルク変動に伴う低周波の動作音が原因である。振
動の他への伝播を防ぐための手段としては特開昭６３−
２４２９０１号公報に示される如くスプリングや防振ゴ
ムにより浮かせる手段をとり、かつ、特開昭６０−２０
０８０４号公報，特開昭５９−２７４６５４号公報，特
開昭６０−２７７８１６号公報などに示されるように二
重の防音ボックスにより音を封じ込めている。しかし完
全に密閉することはできず、駆動電動機や空気の圧縮に
伴う発熱を冷却する必要があり、ファンを取付けてい
る。しかし、この冷却風の取込口，排出口を経由して騒
音が外部に漏出するので屈曲した通路を設けてこれを防
いでいる。このようにいろいろな防音手段を講じている
ので装置が大きく、重くなっており４０〜６０ｋｇであ
り、保守員１人では抱えて建物の階段を上り・下りする
ことは難しい。小型，軽量について前述の静粛性を満たすための構造により装置が大きく、
重くなっているがその他の要因として、装置を小型，軽
量化するには圧力変動吸着型の酸素濃縮器の吸着剤の性
能が大きく影響する。

【０００８】すなわち、単位重量当りの吸着量や選択
性、あるいは吸着速度などの吸着剤固有の性能が装置の
能力，性能やランニングコスト，寸法や重量に影響を強
く与える。従来は分離係数２．０〜３．０の値を有する
モレキュラーシーブスゼオライト５Ａあるいは１３Ｘを
充填した吸着筒が広く用いられてきた。近年、米国にお
いて特公平５−２５５２７号公報に示される高性能窒素
吸着剤が開発され、小量の原料空気で効率的に酸素を濃
縮できるようになった。しかし、かかる高性能窒素吸着
剤は従来品に比べ大変高価であると言う問題がある。特
開平５−２６９３３０号公報に吸着筒の空気の供給端部
に該高性能窒素吸着剤を充填し、続いて生産端部に従来
の低性能窒素吸着剤を充填することにより高性能ガス分
離特性を維持したまま低コストを兼備させることが出来
ることを提案している。

【０００９】しかし、現在一般に在宅酸素療法に使用
されている圧力変動吸着型の酸素濃縮器には小型化の点
から除湿装置を装備していないため、多くの空気中の水
分が吸着筒の空気供給端部に入り、該高性能窒素吸着剤
に該水分が先に強く吸着するので酸素分離にその高性能
を十分発揮できない部分が生じる。更に吸湿により吸着
性能劣化さえ生ずる。そのため、より多くの高性能窒素
吸着剤を必要とすることになる（削減率が少なくなる）
かまたはその高い性能を十分発揮できないので小型化が
図れないばかりかランニングコストの低減が十分できな
いと言う問題がある。更に特開平９−２０５０３号公報
には空気供給端部に低性能窒素吸着剤を配し、他端に高
性能窒素吸着剤を配して充填することにより収率の向上
と低コスト化を兼備することを提案している。しかし、
これは当方での実験結果によると該高性能窒素吸着剤の
効果が十分発揮されていない事が判った。

【００１０】すなわち、吸着筒の空気供給端部に最も
多く窒素ガスを吸着する部分が存在するので、この部分
に低性能窒素吸着剤を配したのでは窒素の吸着量が十分
でなくそして吸着筒の下流である製品端部には酸素分圧
の高い部分が存在するので窒素分圧は低く、ここに高性
能窒素吸着剤を配しても、その有効性が発揮されないの
が当然と言える。低消費電力について前記の高性能窒素吸着剤を使用する事により、より少な
い空気により必要量の酸素を得ることが出来るようにな
るのでより小さい空気圧縮機を使用する事が出来る。す
なわち主な電力消費部は空気圧縮機であるので、この部
分の効率化を図る事が低消費電力を実現するために大い
に効果がある。更に騒音低減の点からも発音体の小型化
はより騒音低下に有効である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】在宅酸素療法に使用
する静粛で小型，軽量な圧力変動吸着型の酸素濃縮器を
提供する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記問題点を鋭意研究
した結果、静粛で小型，軽量な圧力変動吸着型の酸素濃
縮器を次のような手段により解決するに至った。酸素よ
りも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個の吸着筒と該吸着筒に空気を供給するための空
気圧縮機と該吸着筒で濃縮した酸素を貯留するための製
品タンクを有する圧力変動吸着型の酸素濃縮器におい
て、該空気圧縮機が２ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇ以内の圧力が得
られ、かつそのときの風量が１０Ｌ／分から１００Ｌ／
分の範囲の能力を有するスクロール型のオイルフリー空
気圧縮機を使用する構成とした。他のピストン型など騒
音の大きい空気圧縮機を用いると前述の如く装置の静粛
性を求める余り二重防音ボックスや冷却風の取入口，排
出口部に騒音の漏出を防ぐ為の構造物とするため、その
寸法が大きくなり重量の増大が生じている事は前述の通
りであり、ここで根本に立ち戻って騒音発生の少ない空
気圧縮機を鋭意研究した結果、音が静かで振動の少ない
特性を有するスクロール型の小型空気圧縮機を在宅酸素
療法の用途に使用して圧力変動吸着型の酸素濃縮器とし
て開発するに至った。圧力変動吸着型の酸素濃縮用とし
ては、吸着筒内の吸着剤にオイルミストが混入する空気
が入ると吸着剤の性能劣化が生ずるのでこれに使用する
空気圧縮機はその機構上で吐出空気中にオイルミストが
含まれないオイルフリー型空気圧縮機である事が重要で
ある。さもないとオイルミストを除去するための活性炭
を主体にしたフィルターを装備する必要が生ずることと
なる。ピストン型やベーン型の空気圧縮機に比べてスク
ロール型は機械的摩擦部が無いので消費電力が大幅に少
なくなるばかりでなく、冬期にはピストン型は樹脂製ピ
ストンのシール部が固くなり、摩擦が大きくて起動時に
起動しない場合がよくある。このため起動用の進相コン
デンサーを追加して起動トルクを増大させるような工夫
が必要となっている。しかし、摩擦部のないスクロール
型はこの心配もなくなり、冬期，夏期関係なく、効率良
く使用でき、医療用に適している。

【００１３】そして吸着筒に使用する吸着剤にとって
みれば圧力は高い方が単位吸着剤当りの窒素の吸着量が
多くなり、吸着筒寸法が小さくなり装置の小型化には良
い方向になる。一方、圧力が高くなると空気圧縮機を駆
動する電動機の消費電力が増えるし、吸着筒の切替排気
時の排気音が大きくなる。これ等の相矛盾する条件を試
行錯誤の結果、その圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇ〜２ｋｇ
ｆ／ｃｍ²Ｇの範囲が騒音の大きさ，吸着筒寸法，電力
効率の上でのバランスが最も良好であることが判った。
更に、小型，軽量にする為には酸素の発生容量的に必要
最小限のものを選ぶ必要があり、在宅医療用として通常
１分間の酸素発生量が０〜２Ｌ，０〜３Ｌ，０〜６Ｌの
容量を持つ機種がある。これを最新の高性能窒素吸着剤
を用いてることにより少ない原料としての空気量でよく
前記酸素発生量の３機種については、必要酸素量を得る
為の空気量として１０Ｌ／分から１００Ｌ／分の範囲の
もののいずれかをスクロール型のオイルフリー空気圧縮
機で得ることにより十分医療用の酸素濃縮器としての性
能を満たし、かつ、防音ボックスの省略ができ、冷却風
用の騒音漏出防止がついた取込通路、排出通路が削減で
き、大幅に静粛で小型、軽量化が可能となった。

【００１４】スクロール型の空気圧縮機は可動部スク
ロールと固定部スクロールが互いに接しながら回転する
ことにより吸気・圧縮・吐出の各工程が連続して進行す
るため、脈動や圧縮トルクの変動が少なく動バランスに
優れて極めて低騒音にできる構造のものであり、更に部
品点数が少なく、高い耐久性を有しているので医療用の
如く長時間連続して使用する用途に最適の特性を有して
いることが判った。更に小型，低騒音化を図るためスク
ロール型の空気圧縮機と駆動電動機を直結した構造とし
た。更に該電動機を駆動するためインバーターすなわち
電子回路により交流電源を直流化し、更に交流化して電
動機の回転数を５０Ｈｚ，６０Ｈｚ地域に関係なく一定
にすることにより従来電動機の回転数が異なり、それに
より風量が変わり装置性能が地域により相違があったも
のを一定にするとともに、消費電力にも差異が生じてい
たものの差異を少なくする方法を取り入れた。このこと
によりスクロール型空気圧縮機の型も少なく性能も安定
し、消費電力の低減も出来た。しかし、スクロール型の
空気圧縮機は、可動部と固定部のスクロールの形状と寸
法を決めると吐出空気容量と圧縮比が決まるので、一度
定まったスクロール型の空気圧縮機が出来上がるとこれ
で得られる圧縮空気の使用圧力や流量を消費先で変えて
も電力消費は大きく変わらない特性を持っているので在
宅酸素療法用，圧力変動吸着型の酸素濃縮器の用途に合
わせて流量と圧力を決定する事が該用途の最適な酸素発
生量，静粛性，電力量を決める上で重要である。そして
これは今までになかったものである。この意味合いから
上記試行錯誤の結果得られた空気容量，圧力範囲は重要
である。

【００１５】また、本発明は、前記の酸素濃縮器にお
いて、該吸着筒の空気供給端部にアルミナを充填し、つ
づいて高性能窒素吸着剤を充填し、該吸着剤が２種類の
吸着剤を層別に充填した構成とし、かつ該空気圧縮機が
２ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇ以内の圧力が得られ、かつでそのと
きの風量が１０Ｌ／分から１００Ｌ／分の範囲の能力を
有するスクロール型のオイルフリー空気圧縮機を使用す
る構成とした。また本発明は、前記の酸素濃縮器におい
て、該吸着筒の空気供給端部にアルミナを充填し、つづ
いて高性能窒素吸着剤を充填し、その下流部（製品端
部）に低性能窒素吸着剤を充填し、該吸着筒に充填する
吸着剤が３種類の吸着剤を層別に充填した構成とし、か
つ、該空気圧縮機が２ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇ以内の圧力が得
られ、かつそのときの風量が１０Ｌ／分から１００Ｌ／
分の範囲の能力を有するスクロール型のオイルフリー空
気圧縮機を使用する構成とした。

【００１６】そして該スクロール型のオイルフリー空
気圧縮機をインバーターを使用し、５０Ｈｚ，６０Ｈｚ
地域に関係なく、回転数を一定に制御することにより装
置性能を一定にした。前述の高性能窒素吸着剤は、Ｓｉ
Ｏ₂／ＡｌＯ₂比が２．０〜３．０であるＸ型ゼオライ
トであり、かつ、そのＡｌＯ₂四面体単位の少なくとも
８８％がリチウムカチオンと結合している公知の高性能
窒素吸着剤である。

【００１７】低性能窒素吸着剤とは従前の５Ａ型ゼオ
ライト分子篩及び１３Ｘ型ゼオライト分子篩であり、リ
チウムカチオンとイオン交換をしていないゼオライト分
子篩を言う。吸着筒の空気供給端部に充填するアルミナ
は空気中の水分を吸着する吸着剤であり、窒素を吸着す
る高性能と低性能窒素吸着剤の和の量の５〜２０％の量
を充填し、高性能窒素吸着剤の充填量は該窒素吸着剤の
和の量の５０〜７５％を充填する。つづいて残り５０〜
２５％を低性能窒素吸着剤を充填する。小型で医療用の
圧力変動吸着型の酸素濃縮器の場合は除湿装置をつけて
ないため多くの空気中の水分が入るので、これを空気供
給端部に配置するアルミナにより吸着除去させ、乾いた
原料空気をこれに続いて配置する高性能窒素吸着剤で窒
素を吸着除去する。アルミナ部では窒素は吸着しないた
め、アルミナの次に配置される高性能窒素吸着剤の部分
が最も窒素吸着密度の高い部分であるため、該高性能窒
素吸着剤はその性能を十分に発揮できる。

【００１８】そして下流部すなわち製品端部は酸素分
圧の高い部分であるため、窒素の分圧が低いので、高性
能窒素吸着剤にかえて低性能窒素吸着剤を配しても収率
や電力原単位すなわちランニングコストなど、全く高性
能窒素吸着剤を充填したものとその効果に及ぼす影響が
少ないことが判った。そして、医療用途でその酸素発生
量も産業用途に比べれば少ないし、高性能である故に使
用量も少なくなるので、高価な高性能窒素吸着剤のみを
アルミナと２層にして使用しても価格アップも少ない。
以上のように前記スクロール型空気圧縮機と高性能窒素
吸着剤を組合せることにより低消費電力化もあわせて達
成するが、この結果、装置内部で発生する熱量も少なく
なり、このため冷却ファンも小型，低騒音のものを使用
することが出来る。防音ボックスや冷却風用の騒音漏出
防止のついた取込通路，排出通路を省いた構造の場合、
このことは静音化にとって重要なことである。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。「実施例１」直径９０ｍｍ，長さ４００ｍｍの吸着筒
にモレキュラーシーブスゼオライト１３Ｘを１．３５ｋ
ｇ充填したものを２本と、７０Ｌ／分の流量が得られる
能力を有するピストン型の空気圧縮機を図１のフローシ
ートに示すように接続し動作させる。装置の防音対策は
排気用のサイレンサー１３と二重防音筐体を装備した装
置で、騒音は無響室で前方１ｍで高さは装置の２分の１
の高さで測定する。この実施例は比較のために従来技術
で構成した。「実施例２」直径７０ｍｍ，長さ２９０ｍｍの吸着筒
に高性能窒素吸着剤を５６０ｇ充填した吸着筒２本と、
４１．５Ｌ／分の流量が得られる性能を有するスクロー
ル型の空気圧縮機を図１のフローシートに示すように接
続し動作させる。この実施例のスクロール型の空気圧縮
機は圧力１．５ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇで空気量４１．５Ｌ／
分で空気圧縮機単体の消費電力１６０Ｗで騒音レベルは
４３ｄＢＡである。装置の防音対策は排気用のサイレン
サー１３と一重の防音を兼ねた筐体のみであり、騒音の
測定は上記と同じで、以下の実施例も同一の測定条件と
した。「実施例３」直径７０ｍｍ，長さ２９０ｍｍの吸着筒
に空気供給端部にアルミナを６０ｇ、次に高性能窒素吸
着剤を３４０ｇ、製品端部に低性能窒素吸着剤を２２０
ｇを充填した２本の吸着筒に４１．５Ｌ／分の流量が得
られる性能を有するスクロール型の空気圧縮機を図１の
フローシートに示すように接続し動作させる。防音対策
は実施例２と同じ。「実施例４」直径７０ｍｍ，長さ２９０ｍｍの吸着筒
の空気供給端に低性能窒素吸着剤２２０ｇを充填し、続
いて高性能窒素吸着剤３４０ｇを充填し、２本の吸着筒
に４１．５Ｌ／分の流量が得られる性能を有するスクロ
ール型の空気圧縮機を図１のフローシートに示すように
接続して動作させる。装置の防音対策は実施例２，３に
同じ。

【００２０】

【発明の効果】上記実施例の結果を表１に示す。と
との性能差は無く、ととは大きな性能差が生じて
いる。しかしはと比べると収率は良くなっている。
とは小型で装置の容積比率でのほぼ２分の１であ
り、又１Ｌ当りの消費電力もほぼ２分の１であり騒音も
少なく格段の違いが生じていることが判る。

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかる酸素濃縮器のフロー
シートである。

【符号の説明】

１吸入フィルター２空気圧縮機３冷却コイル４電磁弁５，６吸着筒７製品タンク８，９流量制限手段１０製品ガス吐出口１１減圧弁１２流量計１３サイレンサー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素よりも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個の吸着筒と該吸着筒に空
気を供給するための空気圧縮機と該吸着筒で濃縮した酸
素を貯留するための製品タンクを有する圧力変動吸着型
の酸素濃縮器において、該空気圧縮機が２ｋｇｆ／ｃｍ
²Ｇ以内の圧力が得られ、かつそのときの風量が１０Ｌ
／分から１００Ｌ／分の範囲の能力を有するスクロール
型のオイルフリー空気圧縮機であることを特徴とする酸
素濃縮器。
【請求項２】酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着
剤を充填した少なくとも１個の吸着筒と該吸着筒に空気
を供給するための空気圧縮機と該吸着筒で濃縮した酸素
を貯留するための製品タンクを有する圧力変動吸着型の
酸素濃縮器において、該吸着筒の空気供給端部にアルミ
ナを充填し、つづいて高性能窒素吸着剤を充填し、該吸
着剤が２種類の吸着剤を層別に充填した構成とし、かつ
該空気圧縮機が２ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇ以内の圧力が得ら
れ、かつそのときの風量が１０Ｌ／分から１００Ｌ／分
の範囲の能力を有するスクロール型のオイルフリー空気
圧縮機であることを特徴とする酸素濃縮器。
【請求項３】酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着
剤を充填した少なくとも１個の吸着筒と該吸着筒に空気
を供給するための空気圧縮機と該吸着筒で濃縮した酸素
を貯留するための製品タンクを有する圧力変動吸着型の
酸素濃縮器において、該吸着筒の空気供給端部にアルミ
ナを充填し、つづいて高性能窒素吸着剤を充填し、その
下流部（製品端部）に低性能窒素吸着剤を充填し、該吸
着剤が３種類の吸着剤を層別に充填した構成とし、かつ
該空気圧縮機が２ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇ以内の圧力が得ら
れ、かつそのときの風量が１０Ｌ／分から１００Ｌ／分
の範囲の能力を有するスクロール型のオイルフリー空気
圧縮機であることを特徴とする酸素濃縮器。
【請求項４】前記の酸素濃縮器において、該空気圧縮
機がインバータを使用し、５０Ｈｚ，６０Ｈｚ地域に関
係なく回転数を一定に制御することを特徴とする請求項
１，請求項２，請求項３のいずれかに記載の酸素濃縮
器。