JPS6110006A - 酸素富化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、大気から酸素の豊富な空気を
安定して効率よく得る装置に関するものであり、特に医
療用に使用づるに適した膜法による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、ぞ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、治療効果よりかえって肺炎症状や
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％以下の酸素富空気を長時間供給
するための言わゆる酸素富化器としＣ１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
を用いた脱法による富化器が提案されている（例えば特
開昭５１−６８７６、特開昭５１−５２９１号公報参照
）。

この脱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（ｑ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
自体が超フィ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た
りすなわち真空ポンプを使用した場合ＵＳの小さな富化
器ができることなどにあり、減圧タイプの脱法酸素富化
器は医療用として最適な富化器とは言える。

ところで脱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申合まれる水蒸気が
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、このよな場合膜の人気と接触する側（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７６０
Ｔｏｒｒ　）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路次式で表わされる。

ｉ＋　　−ＲＨＲ−ｈｓ／ＰＬ （ｏ＝ＲＨｒで　−ｈｓ／　Ｐ　Ｈ Ｖ　　＝　　ｊ＋　　／　　ｔｏ　＝ＰＨ／ＰＬである
。

医療用酸素富化器に用い−）る実用的な真空ポンプの範
囲では通常低圧側圧力１〕「は１００〜２００Ｔ　ｏｒ
ｒであり、上式にあてはめてＡＩ（側Ｊｆ力ｐ　＋−＋
を７６０Ｔｏｒｒとして水蒸気濃縮イ６率ｙを求めると
３．８〜７．６倍どなっており、富化空気は減圧下ある
いは高温Ｊ・ではその中に合まれる水蒸気は凝縮しない
が常圧下に移りりる及び／又は温度が低下した場合には
容易に水譲気が凝縮し導管部に水滴となって付着する。

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ったり、
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・クシャミを誘
起する原因ともなる。このため脱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取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′ｆ７１１１ｉｉ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（以下水分分離手段と略記する）を設
けて過剰水分を除去している。

然るに、かかる冷ＩＪ１手段及び水分分離手段の構成を
とっても冷却手段により冷Ｍ１される富化空気の温度は
取入空気温度以−１・にはトリえず、一般的には０．５
〜２℃程度高く、富化器から出た導管部では水滴の梵牛
速億は遅いとは云え徐々に導管壁に発生しやがては成長
し、患者の方へ富化空気移動に伴なう粘性力で移動して
ゆき、前述の患者に見られる問題が発生する。この様な
現象は９朋の如き高温多湿＋１ｉ’＋クーラー等を使用
りる助あるいは冬期て゛の扉の開閉あるいは換気のため
の窓の開閉がなされる時顕茗である。即ち夏期のクーラ
ー使用時の場合、クーラーの温度制御中に起因り−る室
温の変動があり、富化器外へ出ている導管（輸送導管と
略記り−る）ｌよ１法が小さく熱容量も小さいため導管
の外壁は冷風（平均′￥潟より低い温度の室内循環風を
意味りる）により急速に冷ＪＪＩされ平均の室温以下の
温度となり、一方富化器自体は熱容量も大きく富化器よ
りＩＪ＋出される富化空気は平均室温より大きくは下が
らないため、結果的に輸送導管内での水滴発生が急激と
なり、一度発生した水滴は容易に再蒸発せず結果的に輸
送導管内での水滴蓄積となつ−（しま゛う。一方冬期の
場合、酢あるいは窓のｆｔｌ　［ｉｎで冷気が侵入する
と冷気は床近くを流れ、床近くの空気温度は平均室温よ
りかなり近い温痘となってしまう。一般に上述の輸送導
管は富化器より患者の吸入部位迄の間は床上に置かれる
ことが多く、このような冷気侵入時に輸送導管壁が平均
室温以下に冷やされ、容易に輸送導管内での水滴発生を
誘起し、前述の夏期クーラー使用時と同様の問題となる
。

この対策として、輸送導管内で発生した水分をとるため
のトラップを患者吸入部位置前に設けるとか、輸送導管
を保温あるいは加熱手段輸送導管に沿わせたヒーター付
導管を使用する方策がとられているが、前者はよほど注
意しないと細菌の繁殖の場どなりうるし後者の導管に工
夫をこらす方策は寸法が大きくなり高価になるとともに
導管の可撓性が減少し取扱い上不便となっている。

［発明の目的及び構成］ 本発明者らは、膜を用いた酸素富化器における酸素富化
空気の輸送力管内等での水滴光／ｌを防止することを目
的として鋭意研究した結果、本発明に到達したちのＣｉ
ｌｑる。

即り本発明は、人気ｊ、り酸素濃；（の高められた空気
を＋！？るためのＨｖＩ４’＜−あって、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、該配列に人気を送りこみ１１′つ酸素貧化空
気を取り出す人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Ｊ・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出て来る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１酸素富化空気送出手段を有する酸素富化装置に
おいて、該冷却手段が人気流れの中に設置されていてそ
の大気流れを接触する部分の少なくとも一部において水
分を保持する機能を持つ部材又は部位を有し、且つ該水
分保持機能部に水を供給づるための給水手段を具備した
ことを特徴とする酸素富化装置を捏供（るものである。

以下本発明の富化器を図面を用いて更に訂しく説明する
が、図面は本発明の一実施態様を示１にすぎず、本発明
は図面により制限をうけるものではない。

第１図は脱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点鎖線は給水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
ァン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と接触した後モジュール４
内に送られ、モジュール４内で酸素濃度の低くなった空
気（貧化空気）は真空ポンプ５を冷却した後ファン３を
経由し通路２２を通り富化空気の加温手段としての熱交
換器１２及び通路２３を経て、酸素富化器外へ空気排出
口６より排出される。この様な空気の流れ光路は酸素富
化器の内部筐体構造を工夫して形成されるのが一般的で
ある。

モジュール４には選択性酸素透過膜よりなるエレメント
（図示セチ）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ァン３により掩引される流路が、
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
夫々設りられ、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どなるが、
平面状に形成されている場合（一般的には枠組１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
成部材を設は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、その両側の圧ノコ比に応じて透過側に酸素濃
度の高い空気が得られる。

ちなみに、高圧側の圧力を７６０Ｔｏｒｒ　　（大気圧
）。

低圧側の圧力を１６０Ｔｏｒｒ　、透過膜の選択性を４
（酸素の透過速度が窒素のそれの４倍）の時通常空気を
供給した際には酸素富化空気中の酸素濃度は約４０％と
なる。

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の吸引ロアは前記エレメントで発生する富化空気
流量める導管手段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１
０より導管１１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
って水分分離手段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１５．
オリフィス、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湯調
節弁１８で吸入療法に必要な富化空気流量となる様に調
節して使用に供される。

一方水分分離手段１４で分離された水分は導管２０を介
して排出される。この際、冷却手段２に室内空気に中に
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１ｑ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１１着の問題が発生する。このため水分分離手
段１４のＭＪＲ富化空気下流側に水分調整用減圧手段１
６を設け、冷却手段２での水分凝縮時の圧力を大気圧よ
り高くし富化空気の水蒸気分圧を室内空気温度に相当す
る飽和水蒸気の分圧以下とする方策がとられる。

かかる手段をとる場合、凝縮時の圧力を高くとれば先述
の輸送導管での水滴付乞の問題は解消されるが、導管２
０内での１１力６７下を相当大きく発生させる工夫が無
いと導管２０からのＩＩ！ｉ素富化素気化空気が大きく
なり、導管１５へ導かれる酸素富化空気量の減少及び真
空ポンプの田川側が相当の加圧状態のため吐出流ＷＡ減
少および所要動力増大と新たな問題が梵生じ、いたずら
に１記減圧手段１６で圧力降下を人ぎくすることは出来
ない、。

そこで本弁明では、冷却１段２の一部である外表部２１
（即ち人気と接づる部イウ）に後述づる如き水分保持機
能部が設けられ、その水分保持機能部の少なくとも一部
に導管２４を介して給水タンク２５即ち（言わゆる強制
供給方式による給水手段）より水が供給される。該外表
部２１では水分と室内空気が接触しているため室内空気
の相対湿度に応じて外表部２１の付着水分が蒸発してこ
の蒸発水分の蒸発潜熱に応する温度だけ室内空気温度よ
り外表部２１が過冷却され、冷却手段２の熱交換部の表
面温度は実質的に室内空気温度以下に冷却される。

かかる強制供給方式による給水手段（給水タンク２５及
び導管２４）に加えて、水分分離手段１４で分Ｈされた
水分も導管２０を介して冷却手段２の外表部２１に導く
給水手段（古わゆる自己供給方式による給水手段）を併
用することにより効率的に過冷却を行なわせることがで
きる。

通常の酸素富化器の構成・構造では、室内空気の相対湿
度にもよるがこの過冷却温度は１〜４℃であって、生成
される富化空気の温度は室温と同程度あるいはイれ以下
となり、先述の輸送導管での水分付着の問題は解消され
る。

本発明におりるかかる強制供給り式による給水手段の水
源の具体例どしては、該酸素富化装置の内部あるいは外
部に具備されたタンク等の水貯留手段、該装置とは別に
準備された水貯留ト段等に貯留された水、又（よ水道水
等があげられる。またその給水方式の具体例としくは、
Φカ、毛管現象やポンプを利用したものであり、例えば
り−（−）　Ｊンの原理を応用した滴下り式、手帖ある
（唱ま自動でＷ４ｉｔされるバルブ等を介しＩ、：滴下
り式、シトワ一方式及びスプレーｆｊ式哲、毛管現象を
応用しＩ、：吸−１−げ方式等、又（、Ｌこれらを組み
含ｌＩこ１１式があげられる。またかかる強制供給り式
の水源として、供給した水が該冷７，１＋−”Ｆ段Ｃ恭
発Ｕず液状のまま残った場合にぞれを回収しく１４利用
り−ることもできる。　　− 該吸１−げ１ｊ式におｔＪる毛管現象を起こ−１のに適
したものとしては、中実繊維や中空繊維なる繊Ｉｌｌ状
物の集合体が好ましく、１１体的には、〕Ｊルト。

マルチフィラメント（即ら繊維集束体）、不織布。

織布などが上げられる。その素材としては親水性物質と
疎水性物質の組み合Ｕｋものでもよいが、親水性物質の
みからなるものが好ましい。また該吸上げ方式においＣ
給水部は該水分保持Ｉ！ｌ能部のどの部分でもよいが、
１・部のｈが好ましい。

第２図、第３図に【よ、本発明の給水手段に関する伯の
具体例を示す。両図は共に、水貯留手段２５から給水容
部２６により水を吸上げる方式に関するものであり、第
２図はかかる強制供給方式と自己供給方式を４Ｊ１川し
たものであり、第３図は強制供給方式単独の例である。

第３図の場合には、比較的貯留手段２５中の水のｍが保
持しやすく、水の補給が少なくて済む。

かかる強制供給方式による給水量は適当な範囲にコント
ロ−ルされるのが好ましい。その範囲は、前記冷却手段
内の富化空気を過冷却させるのに必弱な気化熱量に相当
する量を基準に定められる。

尚、該水分前手段Ｃ分離された水分を供給ジる自己供給
方式をも併用する場合には、両者の合計した給水量とし
てその範囲を定めるのがよい。該給水量の範囲としては
、一般には医療用酸素富化装置の場合は、０．０）へ・
１０ＣＣ／　ｍｉｎが好ましく、更には０．０５へ・り
ＧＣ／　ＩＩＩ！＋１がＯｆましく、特に０．１〜・１
ｃｃｉｍｒｎがＩＱ好である。このｆ！１Ｉｌｌを越え
て少ない場合には気化熱と（）（の冷７Ｊｌ効宋が５を
揮されにくくなり、多？！きる場合には、不要な水を供
給することになり場合にＪ、っては該富化Ｍｒ（内での
水漏れ等のトラブルが発生しやＭくなるので好ましくな
い。

かかる給水量のコントロールＩｊ法どしてＬＬ、１動で
あっても自動ぐあってもＪ、い。自動釣にコントロール
づる場合には、例えば該冷１４１手段中の水分保持機能
部にお（プる漏れ状態を検知し、その部分が常に漏れた
状態で富化器を運転ずべく給水量を調節づるのがよい。

特に、前記した強制供給方式と自己供給方式を併用した
場合には、該富化装置において該水分離器で充分な水分
が分離された状態での、運転時は主に自己供給方式にの
み給水を行ない、それ以外のスタート時、室内の温度及
び湿度の変動特等の該水分保持機能部での水分が不足し
た場合にのみ強制方式による給水を行なうことが効率的
で好ましい。

尚かかる給水方式、特に強制供給方式の場合にｔ、Ｌ、
水貯留手段等における菌の増殖を防ぐべく、蜜月をよく
すること、静菌剤を添加すること等の対策を取ることが
望ましい。

本発明のかかる給水手段を用いた該水分保持機能部にお
ける酸素富化空気の過冷却の効率的な実施方法は、酸素
富化空気の冷却手段全周にｎっで適冷Ｎ１となるように
すればよいが、室内の相対湿度が低くかつ水分の蒸発速
度が大きい構成をもたせた時過冷却による酸素富化空気
の温度が下りづざる場合があり、水分の湿潤状態を発揮
させる態様に応じて冷却手段の一部あるいは全周で水分
蒸発を行なわせねばならない。

当然のことながら、水分蒸発速酊の遅い態様では冷却手
段の熱交換面積の中での冷却部の面積は増大する。

以下に過冷却の種々の実ｌｉ＠態様につき更に詳述する
。水分分離手段で分離された水分を冷却手＆に確実に保
持させるためには、冷７ＪＩ手段の適冷７ＪＩ実施部位
（以下過冷ｆＪＩ部と略σ）に、ぞれ自体が吸湿性をあ
るいは水分保持機能を有しかつ付着した水分を効率よく
蒸発させるため室内空気と酸素富化空気との間の熱移動
速度が大きい構成をとる必要がある。

最も一般的には過冷却部にガーピ、不織布、綿チューブ
状組紐等の吸湿部材を薄く取り付り、これらの部材の繊
紺間、網１１間に水分保持をさせる方法である。この場
合吸湿部材の体面積当りの水分保持ｍが大きくかつ熱移
動速度も大きいので、通常は冷ｆｉ１１１！１手段表面
の１１５〜１／３程度の過冷却部で十分である。

この様に部分的に適冷ＨＩ部を設ける場合、室内空気の
温度が出来るだけ低く、かつ酸素富化空気も出来うる限
り低い所で実施することが望ましく、このため冷却手段
は向流的に配−１−るのがよく、室内空気を上昇気流と
なすのが器内構成上好ましい。従って過冷却部は冷却手
段の下部より設置していくことが好適である。

一方水の表面張力を利用して過冷却部に水分を保持Ｕん
とする場合には゛多孔質スポンジ、金網。

プラスチックネット等が採用できる。この際水分保持機
能が割合小さく又熱移動速度が水の熱的性質に左右され
るので、実施の際は注意を要づる。

本発明者らの検討結果によれば、水分保持量が部材の体
積に対して１０ｖ／ｖ％以上１部材の総厚みが２ｒｔｙ
ａ以下が好ましい。

表面張力を利用し、かつ熱移動速度を大きくした過冷却
部構造としては、過冷却部表面そのものに水分を保持さ
せる構造がこのましく、例えば冷却手段の表面に凹凸が
設けられて過冷却部面積が大きくされた構造が簡便で、
凹凸をら旋的に構成すれば更に性能がよくなる。また冷
却手段の周りに薄いフィンを設はフィン表面に水分を保
持させ、フィン上を水分が次々とあるいは流れる間に水
分を蒸発させるもので、酸素富化空気への熱移動は主と
してフィンを介して行なうこともできる。

また本発明の酸素富化装置における大気移動手段どして
は、通常ファン、ブロアー等が用いられるが、加圧を必
要とする場合には１Ｆ縮ａ等も用いられる。該ファンの
形成としてはターボファン。

シロッコファン、クロスフローファン、プロペラファン
等が用いられる。該大気移動手段を設置する位置として
は膜エレメントの配列の上流側及び下流側、！！素富化
空気取山手段の上流側及び下流側のいずれでもよい。

さらに本発明の前記酸素富化空気取出手段としては、大
気圧以下の該空気を該エレメント内部より取り出して大
気圧以上にりる機能を右づるものであればよく、例とし
て真空ポンプ、ブ［１アー等が挙げられる通常は真空ポ
ンプが用いられる。

［発明の効果］ 本発明の酸素富化装置は、酸素富化空気中の過剰水分を
除去づるための□能を強化して、該￥Ｒｒｉの導管等や
使用に供される酸素富化空気の導管内にお（）ろ水滴発
生を極めて少なくり、／こものである。

特に該酸素富化器「（３Ｌ、通常の運転時は熱論のこと
、該装置の運転開始Ａゝ〕、冬１！ＩＩ舌の取入れ空気
の相対湿度が例えば３０％以下の如き低湿度の状態にお
（）る運転のようにその水分離手段によって分離される
水分が該冨化空°気を過冷却するのに不充分な場合にお
いても、」−配水滴発生が極めて少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素富化器の空気の流れ及び各部の作用効果を
示すだめの全体構成図で、第２図、第３図はそれぞれ、
本発明の酸素富化器に使用される給水手段の一例を示す
図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）大気より酸素濃度の高められた空気を得るための
   装置であって、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出て来る酸
   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
   有する酸素富化装置において、該冷却手段が大気流れの
   中に設置されていてその大気流れと接触する部分の少な
   くとも一部において水分を保持する機能を持つ部材又は
   部位を有し、且つ該水分保持機能部に水を供給するため
   の給水手段を具備したことを特徴とする酸素富化装置。
2. （２）該給水手段が、該水分離手段で分離された水分を
   供給する自己供給方式によるものと他の供給源からの水
   を供給する強制供給方式によるものからなることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の酸素富化装置。
3. （３）該給水手段が、他の供給源からの水を供給する強
   制供給方式によるもののみからなることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の酸素富化装置。