CN101522246B - 氧浓缩装置 - Google Patents

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Abstract

本发明作为防止在氧供给流量的设定值为低流量区域的情况下产生的、伴随着原料空气的供给过多的氧分子的过吸附和伴随着氩浓缩的生成氧浓度降低，抑制消耗电力并且实现压缩机的稳定驱动的装置，提供一种压力变动吸附型氧浓缩装置，该氧浓缩装置包括：至少一个吸附床，填充有相比氧而言能选择性地吸附氮气的吸附剂；空气供给机构，向该吸附床供给加压空气；流路切换机构，用于在既定时机反复进行吸附工序和脱附工序，所述吸附工序是将来自该空气供给机构的空气供给到该吸附床并取出浓缩氧气的工序，所述脱附工序是使该吸附床减压并使吸附剂再生的工序；和流量设定机构，设定浓缩氧气供给到使用者的供给量，其特征在于，上述氧浓缩装置具备排气管路，该排气管路在该空气供给机构和该吸附床的流路间具备将供给至该吸附床的加压空气的一部分排出到大气中的排出阀。

Description

氧浓缩装置
技术领域
本发明涉及一种用于从大气中分离富氧空气或氧浓缩气体进行使用的氧浓缩装置。
背景技术
近年来，随着高龄化的发展和生活环境的恶化，受肺气肿、肺结核后遗症、慢性支气管炎等慢性呼吸系统疾病困扰的患者有增加的倾向。作为对该患者有效的治疗方法，进行吸入高浓度氧的氧吸入疗法。氧吸入疗法是使上述疾病患者吸入氧气或者氧浓缩气体的治疗方法。作为治疗用的氧气或氧浓缩气体的供给源，可以举出高压氧储气瓶、液体氧储气瓶、氧浓缩装置等的使用，但是，出于可长时间连续使用和使用方便等原因，使用氧浓缩装置的情况逐渐增加。
氧浓缩装置是能够分离空气中的氧并进行浓缩的装置。作为该对氧进行分离浓缩的装置，从可得到90％以上高浓度的氧的观点出发，向一个或者多个吸附床填充可选择性地吸附空气中的氮的吸附剂的吸附型氧浓缩装置被广泛公知，并在医院和家庭中使用。其中，作为压力变动装置使用压缩机的压力变动吸附型氧浓缩装置得到了广泛普及。该装置通常以恒定的循环反复进行下述工序而连续得到高浓度的氧：吸附工序，从压缩机向填充有选择性地吸附氮的吸附剂的一个或者多个吸附床供给压缩空气，使吸附床内为加压状态并使吸附剂吸附氮，从而得到未被吸附的高浓度的氧；以及脱附(解吸)工序，将吸附床内减压至大气压或真空区域，使氮从吸附剂脱附而进行再生。
为了应对伴随氧浓缩装置的使用温度和气压变动等使用的环境条件的变化而产生的氧浓缩气体的氧浓度降低、和伴随设备老化而产生的氧浓缩气体的氧浓度降低，采用以下对策：对从压缩机供给到吸附床的空气量的设定范围进行微调，修正为能够容许周围环境变化特别是吸附剂的温度依存性而维持氧浓度的吸附/脱附程序。
为了补偿伴随这样的生成氧浓度的时效变化和装置的老化而带来的氧浓度降低，从而将所生成的氧浓缩气体的氧浓度保持为恒定值，已知有这样的装置：利用氧传感器检测氧浓缩气体的氧浓度，对压缩机风量和吸附/脱附的周期等进行反馈控制，从而维持产品氧浓度(特表2000-516854号公报、特开平9-183601号公报)。
发明内容
作为从氧浓缩装置供给使用者的氧流量的处方氧量根据使用的患者的严重程度确定。与此配合使用的设备也从最大能供给流量为2L/分、3L/分的低流量类型的装置、以及5L/分、7L/分、10L/分的高流量类型的各种设备中选择对患者最佳的装置，以备使用。
虽然装置的最大供给流量是上述值，但实际临床使用的供给氧流量通常可以从0.25L/分、0.5L/分的低流量值进行设定。在该情况下，虽然处方流量是较低的值，但是当根据最大设定流量值生成氧时，会进行不必要的氧生成，消耗电力也增大。因此，在很多装置中对压缩机的驱动马达进行逆变控制，减少从压缩机供给吸附床的原料空气量，从而降低消耗电力。
另外，在高流量类型的装置中如果要确保供给高流量设定区域的高浓度氧所需的原料空气量，则在低流量设定区域原料空气量会过多，导致原料供给过多。这时，原料空气中的氧的一部分吸附在吸附剂上，未吸附的氩浓缩在生成气体中，结果导致所生成的氧浓缩气体中的氧浓度降低。
虽然采取了降低压缩机的转速以减少所供给的原料空气量的方法，但是压缩机的转速的控制范围有限度，在太低的旋转区域使用的情况下，存在动作不稳定的问题。
本发明用于解决上述课题，提供一种兼备降低装置的消耗电力、和维持氧浓缩装置的供给氧流量的低流量设定区域的氧浓度的功能的氧浓缩装置。
即，本发明提供一种氧浓缩装置，为压力变动吸附型氧浓缩装置，包括：至少一个吸附床，填充有相比氧而言能选择性地吸附氮的吸附剂；空气供给机构，向该吸附床供给加压空气；流路切换机构，用于在既定时机反复进行吸附工序和脱附工序，所述吸附工序是将来自该空气供给机构的空气供给到该吸附床并取出浓缩氧的工序，所述脱附工序是使该吸附床减压并使吸附剂再生的工序；和流量设定机构，设定浓缩氧气供给到使用者的供给量，其特征在于，上述氧浓缩装置具备排气管路，该排气管路在该空气供给机构和该吸附床的流路间具备将供给至该吸附床的加压空气的一部分排出到大气中的排出阀。
此外，本发明提供一种氧浓缩装置，其特征在于，具备控制机构，该控制机构根据该流量设定机构的流量设定值控制该空气供给机构的空气供给量，并且在该流量设定值是既定流量值以下的情况下，将该空气供给机构的空气供给量控制为恒定值，并且控制根据该流量设定值确定的来自该排出阀的加压空气的排出量。
此外，本发明提供一种氧浓缩装置，其特征在于，该排气管路是从连接该空气供给机构与该流路切换机构的管路分支、并且具备作为排出阀的流量控制阀的管路，该空气供给机构是具备逆变器的压缩机，该控制机构是下述机构：根据该流量设定机构的设定值来控制压缩机的转速，并且在该流量设定值是既定流量值以下的情况下，将该压缩机的转速控制为恒定值，并且进行从该排气管路排出根据该流量设定机构的设定值确定的排气量的排出阀的开闭控制。
此外，本发明提供一种氧浓缩装置，为压力变动吸附型氧浓缩装置，包括：至少一个吸附床，填充有相比氧而言能选择性地吸附氮的吸附剂；空气供给机构，向该吸附床供给加压空气；流路切换机构，用于在既定时机反复进行吸附工序和脱附工序，所述吸附工序是至少将来自该空气供给机构的空气供给到该吸附床并取出浓缩氧的工序，所述脱附工序是使该吸附床减压并使吸附剂再生的工序；和流量设定机构，设定浓缩氧气供给到使用者的供给量，其特征在于，该流路切换机构具备在吸附工序即将结束前将供给到吸附床的加压空气的一部分放出到外部的空气放出功能。
此外，本发明提供一种氧浓缩装置，其特征在于，该流路切换机构具备：二通电磁阀(a)，装备在连接该空气供给机构和该吸附床的加压空气供给导管上；设置在该二通电磁阀(a)的下游侧的该吸附床与排气侧的分支管路；和二通电磁阀(b)，装备在该排气侧的分支管路上。
此外，本发明提供一种氧浓缩装置，其特征在于，该吸附床由两个吸附床构成，该流路切换机构具备：连接该空气供给机构和各吸附床的加压空气供给用的分支管路；设置在各分支管路上的二通电磁阀(a1、a2)；设置在该二通电磁阀(a1、a2)的下游侧的该吸附床与排气侧的分支管路；装备在该排气侧的各分支管路上的二通电磁阀(b1、b2)；和连接排气口与二通电磁阀(b1、b2)的分支管路，特别是具备控制机构，该控制机构根据该流量设定机构的设定值，来控制确定吸附工序即将结束前的加压空气的排气量的该流路切换机构的切换时间。
附图说明
图1表示本发明的氧浓缩装置的实施方案例的压力变动吸附型氧浓缩装置的示意图。
图2是表示现有的氧浓缩装置中相对于设定流量的原料空气的必要供给量和生成氧浓度的关系的图。A-A’表示压缩机能供给的风量的范围，A’表示压缩机能供给的风量的下限值。
图3是表示本发明的氧浓缩装置中相对于设定流量的原料空气的必要供给量和生成氧浓度关系的图。
图4表示本发明的氧浓缩装置的另一实施方案例的压力变动吸附型氧浓缩装置的示意图。
图5是表示本发明与现有技术的切换阀的切换时机的不同的示意图。
图6是表示本发明的氧浓缩装置的吸附筒压力波形的图。
具体实施方式
以下使用附图说明本发明的氧浓缩装置的实施方案例。图1是例示本发明的一个实施方式的压力变动吸附型氧浓缩装置的概略装置构成图。在该图1中，1表示氧浓缩装置，3表示吸入被加湿的富氧空气的使用者(患者)。压力变动吸附型氧浓缩装置1包括外部空气取入过滤器101、压缩机103、切换阀104、吸附筒105、单向阀106、产品容器107、调压阀108、流量设定机构109和过滤器110。由此能够制造从自外部取入的原料空气浓缩氧气的富氧空气。
首先，从大气中取入氧浓缩装置中的原料空气作为除去了粉尘、尘埃等的洁净空气，从具备用于去除尘埃等异物的外部空气取入过滤器101的空气取入口取入到装置内。这时，在通常的大气空气中含有大约21％的氧气、大约77％的氮气、0.8％的氩气、1.2％的水蒸气等其它气体。在该氧浓缩装置中，选择性地将作为呼吸用气体必需的氧气浓缩并取出。
该氧气的取出使用压力变动吸附法，即，对填充有与氧气分子相比选择性地吸附氮气分子的由沸石构成的吸附剂的吸附筒105，利用切换阀104依次切换成为对象的吸附筒105，同时从压缩机103对原料气体进行加压供给，选择性地吸附以除去在吸附筒105内原料空气中含有的大约77％的氮气，并将未被吸附的氧气从吸附筒105的另一端侧取出到产品容器107中。
作为与氧气分子相比选择性地吸附氮气分子的吸附剂，使用5A型沸石、13X型沸石、Li-X型沸石或MD-X型沸石等分子筛沸石。
上述的吸附筒105由填充有上述吸附剂的圆筒状容器形成，通常有使用一个吸附筒而依次切换实施吸附工序和脱附工序从而断续地生成氧的单筒式装置、使用两个吸附筒而在一个吸附筒进行吸附工序时由另一个吸附筒进行脱附工序而通过切换各工序来连续地生成氧的双筒式的装置、以及三筒以上的多筒式的装置，但是为了连续且有效率地从原料空气制造富氧空气，优选使用两筒以上的多筒式的吸附筒105。
此外，作为上述的压缩机103，除了使用摆动式空气压缩机，也有时使用螺旋式、旋转式、涡旋式等旋转式空气压缩机。此外，驱动该压缩机103的电动机的电源既可以是交流也可以是直流。
以未被上述吸附筒105吸附的氧气为主要成分的氧浓缩气体经由设置为使得不会向吸附筒105倒流的单向阀106而流入产品容器107中。
此外，填充在吸附筒105内的吸附剂上吸附的氮气需要从吸附剂脱附，以便从新导入的原料空气再次吸附氮气。因此，利用切换阀104将从压缩机103所实现的加压状态切换为减压状态(例如大气压状态或负压状态)，使所吸附的氮气脱附从而使吸附剂再生。在该脱附工序中，为了提高其脱附效率，可以使氧浓缩气体作为净化气体从吸附工序中的吸附筒的产品端侧或产品容器107倒流。
从原料空气制造氧浓缩气体，并蓄积到产品容器107中。蓄积在该产品容器107中的氧浓缩气体含有例如95％的高浓度氧气。之后，利用调压阀108和流量设定机构109等控制供给使用者的供给氧流量和压力，并供给到加湿器201，被加湿后的氧浓缩气体供给患者3。
该加湿器可以使用不使用水的不给水式的加湿器，即利用具有透水膜的透水膜模块从外部空气取入水分从而对干燥状态的氧浓缩气体进行加湿，或者使用利用加湿用水的沸腾式加湿器或表面蒸发式加湿器。
检测流量设定机构109的设定值，利用控制机构401控制压缩机103的电动机的转速，从而控制对吸附筒105的供给风量。例如在设定流量是低流量值的情况下，通过降低压缩机的电动机转速，来抑制原料空气的供给量并且抑制所生成的氧量，并且通过降低电动机转速来减少消耗电力。
压缩机的转速控制存在限度，如果使压缩机转速降低到必要以上的转速，则也有时会使得压缩机的运转不稳定而停止。因此，不管氧浓缩装置的氧设定流量是怎样低的流量值，压缩机103的转速抑制控制都存在限度，在既定值以下，在压缩机103的运转下限值以恒定速度运转。
如图2所示，压缩机103能够稳定地供给加压空气的范围是A-A’的范围，在1L/分以下的设定流量的范围内，压缩机以下限值A’进行定速运转。
氧浓缩装置的吸附筒105设计为即使是装置的最大设定流量值也维持90％以上的氧浓度。因此，在设定氧流量为低流量区域时，虽然氧的取出量少，但是原料空气的供给量以压缩机运转下限值过剩地供给恒定量的情况下，在吸附筒105内会出现不仅氮分子吸附在吸附剂上而且氧分子也吸附在吸附剂上的过吸附现象。如图2中的单点划线所示，即使是1L/分以下的设定流量，如果能够减少压缩机的供给风量则也能够防止过吸附现象，但是在压缩机的额定条件以下不能进行稳定的驱动。结果，所生成的氧浓缩气体中的生成氧量减少，未吸附的氩的浓度上升，所以如图2所示，在低流量区域(1L/分以下)，出现氧浓缩气体中的氧浓度降低的现象。
为了防止该过吸附现象，在本发明的氧浓缩装置中，在压缩机103和切换阀104之间的流路上设置具备排出阀102的分支管，以排出过剩的原料空气。在流量设定机构的设定值为恒定值以下、压缩机的转速控制为下限值而进入稳态运转的情况下，打开排出阀102，排出相对于原料空气的必要供给量来说过剩的原料空气。作为该排出阀102，可以采用使用控制阀相对于设定流量控制阀开度而成比例地放出过剩原料供给量的方法、或根据电磁阀的开放时间放出过剩量的方法。通过采用该控制方式，来防止氧的过吸附，如图3所示，通过排出斜线部分的过剩供给的原料空气，能够与设定流量无关地维持生成氧浓度一定。
图4是例示本发明的另一实施方式的压力变动吸附型氧浓缩装置的概略装置构成图。
与图1的装置同样，从外部取入的原料空气从具备用于去除尘埃等异物的外部空气取入过滤器501的空气取入口取入。这时，在通常的空气中含有大约21％的氧气、大约77％的氮气、0.8％的氩气、1.2％的水蒸气等其它气体。在该装置中，仅将作为呼吸用气体必需的氧气浓缩并取出。
该氧气的取出这样进行：对填充有与氧气分子相比选择性地吸附原料空气中的氮气分子的由沸石构成的吸附剂的两个吸附筒505A、505B，利用切换阀504依次切换成为对象的吸附筒，利用压缩机503对原料气体进行加压供给，选择性地吸附以除去在吸附筒内原料空气中含有的大约77％的氮气。
以未被上述吸附筒吸附的氧气为主要成分的富氧空气经由设置为使不向吸附筒倒流的单向阀506流入产品容器507中。
填充在吸附筒内的吸附剂上吸附的氮气需要从吸附剂脱附，以便从新导入的原料空气再次吸附氮气。因此，利用切换阀504将从压缩机503所实现的加压状态切换为减压状态(例如大气压状态或负压状态)，使所吸附的氮气脱附从而使吸附剂再生。在该脱附工序中，为了提高其脱附效率，可以使氧浓缩气体作为净化气体从吸附工序中的吸附筒的产品端侧(或产品容器)倒流。
从原料空气制造氧浓缩气体，并蓄积到产品容器507中。蓄积在该产品容器507中的氧浓缩气体含有例如95％的高浓度氧气，利用调压阀和流量设定机构509(CV：控制阀)等控制其供给流量和压力，同时供给到加湿器512，被加湿后的氧浓缩气体供给患者。
检测流量设定机构509的设定值，利用控制机构控制压缩机503的电动机的转速，从而控制对吸附筒的供给风量。在设定流量是低流量的情况下，通过降低转速来抑制生成氧量，并且减少消耗电力。在原料空气的供给量以压缩机运转下限值过剩地供给恒定量的情况下，在吸附筒505A、505B内会出现不仅氮分子吸附在吸附剂上而且氧分子也吸附在吸附剂上的过吸附现象。为了防止该过吸附现象，在本发明的氧浓缩装置中，在吸附工序中对切换阀504进行切换，控制对吸附筒的原料空气供给量，排出过剩的原料空气。
在双筒式的氧浓缩装置的情况下，作为该切换阀504，如图4所示，采用4个二通阀(二通电磁阀a1、a2、b1、b2)组合的结构。各电磁阀既可以由配管、分支配管接合，也可以是4个电磁阀歧管化的结构。
图5表示各二通阀的开闭时机。通常在吸附筒505A在吸附工序中从压缩机供给加压空气时，另一个吸附筒505B在脱附工序中使加压状态的吸附筒减压，向大气中将吸附的氮排出。这时，通过打开二通阀a1并关闭二通阀a2、b1，将加压空气供给吸附筒505A。同时通过打开二通阀b2，将吸附筒505B的富氮气体排出。通过在既定时间后切换该动作，来切换并反复实施吸附筒505A、505B的吸附工序/脱附工序。
与此相对，在本申请发明的装置中，通过在吸附筒505A的吸附工序的末期打开二通阀b1，使得从压缩机503供给的加压空气的一部分从二通阀b1经由排气线路排出。这样，能够减少从二通阀a1供给到吸附筒505A的原料空气的量，从而防止氧的过吸附现象。同样通过在吸附筒505B的吸附工序的末期打开二通阀b2，使得加压空气的一部分从二通阀b2经由排气线路排出。
切换阀504的控制通过氧供给流量的设定值来确定，根据流量设定机构509的设定信号控制切换时间。例如在能供给到3L/分的供给流量的装置的情况下，在1L/分以上的设定值下，不改变切换时间地控制压缩机503的马达转速，从而控制原料空气的供给量，在1L/分以下的设定值下，通过将吸附工序末期的打开构成切换阀504的二通阀b1/b2的时机控制为较早，来控制供给到各吸附筒505A、505B的原料空气量。
在以每15秒反复吸附工序/脱附工序的程序、3L/分的设定氧流量使用上述能供给到3L/分的供给流量的图4中的双筒式的氧浓缩装置的情况下，能够获得具有93％的氧浓度的氧浓缩气体，与此相对，在以0.25L/分的设定氧流量使用的情况下，由于对吸附剂的氧分子的过吸附和氩气的浓缩，使得氧浓缩气体的氧浓度从93％减少至88％。
在本发明的装置中，如图5所示，通过在吸附筒505A的吸附工序中早5秒打开排气侧的切换阀504的二通阀b1、在吸附筒505B的吸附工序中早5秒打开排气侧的二通阀b2，将在吸附工序中从压缩机503供给到吸附筒的原料空气的一部分排出。由此，即使在以0.25L/分的设定氧流量使用的情况下，也能够维持93％的氧浓度。
更早打开的时间可以以根据设定流量值成比例地调整原料空气量的方式控制时间，也可以多阶段地控制。
如图6所示，虽然出现排出气体的一部分流入脱附工序即将结束之前的吸附筒中的现象，但是不会影响到生成氧浓度，相反地能够避免吸附筒的压力过分上升，因此能够减少消耗电力。
发明的效果
在本发明的氧浓缩装置中，通过在压缩机出口和吸附筒入口之间插入排出阀(电磁阀、CV等)，以排出不需要的原料吸气，能够提高生成氧浓度，并且使压缩机的驱动稳定而不受到周围环境的影响。
此外，在氧供给流量的设定值为低流量区域的情况下，通过在吸附工序末期排出不需要的原料空气，能够防止伴随原料空气的供给过多而产生的氧分子的过吸附、以及伴随氩浓缩而产生的生成氧浓度的降低。另外在低流量区域也能够抑制消耗电力并且使压缩机的驱动稳定。

Claims (5)

1.一种氧浓缩装置，为压力变动吸附型氧浓缩装置，包括：
至少一个吸附床，填充有与氧相比能选择性地吸附氮的吸附剂；
空气供给机构，向该吸附床供给加压空气；
流路切换机构，用于在既定时机反复进行吸附工序和脱附工序，所述吸附工序是至少将来自该空气供给机构的空气供给到该吸附床并取出浓缩氧的工序，所述脱附工序是使该吸附床减压并使吸附剂再生的工序；和
流量设定机构，设定浓缩氧供给到使用者的供给量，其特征在于，
该流路切换机构具备在吸附工序即将结束前将供给到吸附床的加压空气的一部分放出到外部的空气放出功能。
2.根据权利要求1所述的氧浓缩装置，其特征在于，该流路切换机构具备：第1二通电磁阀(a)，装备在连接该空气供给机构和该吸附床的加压空气供给导管上；设置在该第1二通电磁阀(a)的下游侧的该吸附床与排气侧的分支管路；和第2二通电磁阀(b)，装备在该排气侧的分支管路上。
3.根据权利要求1所述的氧浓缩装置，其特征在于，该吸附床由两个吸附床构成，该流路切换机构具备：连接该空气供给机构和各吸附床的加压空气供给用的分支管路；设置在各分支管路上的第1二通电磁阀(a1、a2)；设置在该第1二通电磁阀(a1、a2)的下游侧的该吸附床与排气侧的分支管路；装备在该排气侧的各分支管路上的第2二通电磁阀(b1、b2)；和连接排气口与该第2二通电磁阀(b1、b2)的分支管路。
4.根据权利要求3所述的氧浓缩装置，其特征在于，该流路切换机构是将连接该空气供给机构和各吸附床的加压空气供给用的分支管路、设置在各分支管路上的第1二通电磁阀(a1、a2)、设置在该第1二通电磁阀(a1、a2)的下游侧的该吸附床与排气侧的分支管路、装备在该排气侧的各分支管路上的第2二通电磁阀(b1、b2)、和连接排气口与该第2二通电磁阀(b1、b2)的分支管路歧管化的机构。
5.根据权利要求3所述的氧浓缩装置，其特征在于，该氧浓缩装置具备控制机构，该控制机构根据该流量设定机构的设定值，来控制确定吸附工序即将结束前的加压空气的排气量的该流路切换机构的切换时间。
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