CN104640592B - 氧浓缩装置 - Google Patents

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Abstract

作为能够在达到压缩机转数控制的上限时提升氧浓度、延长氧浓缩装置的使用时间的装置，提供一种氧浓缩装置，其特征在于，具备控制机构，该控制机构在基于氧浓度传感器的检出值控制该压缩机的转数的同时，基于该氧浓度传感器的检出值、该压力传感器的检出值及该吸附筒的使用时间来判断吸湿劣化，当满足吸湿劣化的判断标准时，使该吹扫工序的时间短于初始设定时间。

Description

氧浓缩装置
技术领域
本发明涉及使用了相较于氧更优先吸附氮的吸附剂的变压吸附型的氧浓缩装置，尤其涉及针对慢性呼吸系统疾病患者等进行的吸氧疗法中使用的医疗用氧浓缩装置。
背景技术
近年来，受到哮喘、肺气肿症、慢性支气管炎等呼吸系统器官的疾病折磨的患者有增加的倾向，作为上述疾病的治疗方法，吸氧疗法是最有效的治疗方法之一。所述吸氧疗法是指，使患者吸入氧气或氧浓缩气体。作为氧的供给源，已知有氧浓缩装置、液态氧、氧气瓶等，从使用时的便利性和维护管理的容易性方面考虑，在家庭氧疗法中使用氧浓缩装置是主流。
氧浓缩装置是将存在于空气中的约21%的氧分离浓缩并向使用者供给的装置。其中包括使用了选择性地透过氧的膜的膜式氧浓缩装置、以及使用了能够优先吸附氮或氧的吸附剂的变压吸附型氧浓缩装置，从能获得高浓度的氧的方面考虑，变压吸附型氧浓缩装置成为主流。
变压吸附型氧浓缩装置通过交替地反复进行加压・吸附工序和减压・解吸附工序，可连续地产生高浓度的氧浓缩气体，所述加压・吸附工序中，通过向填充有作为相较于氧选择性地吸附氮的吸附剂的5A型、13X型、Li-X型等分子筛沸石的吸附筒供给经压缩机压缩的空气而在加压条件下吸附氮，得到未吸附的氧；所述减压・解吸附工序中，将上述吸附筒内的压力降低至大气压或低于大气压，吹扫被吸附剂吸附的氮从而进行吸附剂的再生。
现有技术文献
日本特开2002-253675号公报
日本特开2000-516854号公报。
发明内容
发明所要解决的课题
对于变压吸附型氧浓缩装置而言，原料空气中所含的水分吸附于吸附剂，由于吸附剂的经时性的吸湿劣化而引起氧浓度的降低。在供给恒定浓度的氧浓度的氧浓缩装置中，为了补偿氧浓度的降低，进行以下控制：通过提高压缩机的转数、提高吸附筒的吸附压来提高氧浓度（记载于日本特开2002-253675号公报）。然而，通过提高压缩机的转数来补偿氧浓度是有限度的。
为了补偿所产生的氧浓度的经时性变化、伴随装置的经时劣化的氧浓度降低并将氧浓度保持恒定，还已知有通过用氧传感器检测氧浓缩气体的氧浓度，反馈控制压缩机风量、吸附解吸附的循环时间等，从而维持产品气体中的氧浓度的装置（记载于日本特开2000-516854号公报）。然而，该装置存在稳定控制方面的问题：吸附解吸附工序时间的切换、循环时间的变更会在切换时造成暂时的氧浓度变动，达到规定浓度需要时间等。
本发明人发现，使吸附工序中产生的氧的一部分流入解吸附工序侧的吸附筒从而促进氮的解吸附的吹扫工序的最佳时间会因吸附剂的吸湿劣化而向短时间侧移动，并且发现，在达到压缩机转数控制的上限值时，通过缩短吹扫时间，可提升氧浓度，可延长氧浓缩装置的使用时间。
用于解决课题的手段
本发明提供以下的氧浓缩装置。
1. 变压吸附型氧浓缩装置，其包括：
多个吸附筒，填充有相较于氧选择性地吸附氮的吸附剂；
压缩机，向该吸附筒供给加压空气；
流路切换机构，用于依次切换该压缩机和各吸附筒之间的流路，从而以规定时机反复进行以下工序：吸附工序，向各吸附筒供给加压空气并取出氧浓缩气体，解吸附工序，将各吸附筒减压并将吸附剂再生，吹扫工序，将来自吸附工序侧吸附筒的氧浓缩气体导入至解吸附工序侧吸附筒；
流量设定机构，将氧浓缩气体调整为所期望的流量而供给；
氧浓度传感器，测定氧浓缩气体浓度；
压力传感器，检测该吸附筒的压力；以及
控制机构，控制该压缩机、该流路切换机构的动作；
所述变压吸附型氧浓缩装置的特征在于，具备控制机构，该控制机构在基于该氧浓度传感器的检出值控制该压缩机的转数的同时，基于该氧浓度传感器的检出值、该压力传感器的检出值及该吸附筒的使用时间来判断吸附剂的吸湿劣化，当满足吸湿劣化的判断标准时，控制该流路切换机构的切换时间，以使该吹扫工序的时间短于初始设定时间。
2. 上述1所述的氧浓缩装置，其特征在于，该吸湿劣化的判断标准为满足以下3个条件：
该氧浓度传感器的检出值为规定浓度值以下；
该压缩机的转数为控制上限值，并且该压力传感器的检出值为压缩机在该条件下旋转时的装置使用初始时的压力值以上；
吸附筒的使用时间为规定时间以上。
3. 上述1所述的氧浓缩装置，其特征在于，该吸湿劣化的判断标准为满足以下3个条件：
该氧浓度传感器的检出值为规定浓度值以下；
该压缩机的转数为该流量设定机构的最大流量设定值下的压缩机的转数，并且该压力传感器的检出值为压缩机在该条件下旋转时的装置使用初始时的压力值以上；
吸附筒的使用时间为规定时间以上。
4. 上述2或3所述的氧浓缩装置，其特征在于，在满足该吸湿劣化的判断标准而控制该流路切换机构的切换时间，以使该吹扫工序的时间短于初始设定时间后，当再次满足该吸湿劣化的判断标准时，控制该流路切换机构的切换时间，以使该吹扫工序的时间短于变更后的设定时间。
5. 上述2～4中任一项所述的氧浓缩装置，其特征在于，该氧浓度传感器的检出值为90%以下，吸附筒的使用时间为2000小时以上。
发明的效果
根据本发明的氧浓缩装置，可提供一种氧浓缩装置，其针对吸附剂经时劣化所伴随的氮吸附性能的降低、伴随其的氧浓缩气体的氧浓度降低，能够快速地实现浓度上升，并可长期使用。
附图说明
图1示出了显示作为本发明的实施方式例的变压吸附型氧浓缩装置的流程的概略构成图。另外，图2示出了显示本发明的变压吸附型氧浓缩装置的吸附解吸附的各工序的供给阀、排气阀、均压阀的开闭切换时机。
图3示出吸附剂的吸湿劣化所伴随的氧浓度降低与吹扫时间的关系，另外，图4、图5示出氧浓缩装置的经时劣化所伴随的氧浓度变化与压缩机转数控制、吹扫时间控制的关系。
具体实施方式
使用附图来说明本发明的氧浓缩装置的实施方式例。
图1是例示了作为本发明的一个实施方式的变压吸附型的氧浓缩装置的概略装置构成图。本发明的氧浓缩装置具备：压缩机102，供给加压空气；吸附筒107A,107B，填充有相较于氧选择性地吸附氮的吸附剂；供给阀105A,105B、排气阀106A,106B、均压阀110，它们是切换吸附工序、解吸附工序、均压工序等的程序（sequence）的流路切换机构。从加压空气中分离产生的氧浓缩气体经控制阀113调整为规定流量，经滤器115除尘后，使用鼻套管116供给至使用者。
首先，将从外部引入的原料空气由具备用于除去尘埃等异物的外部空气引入滤器101的空气引入口引入至装置内。此时，通常的空气中含有约21%的氧气、约77%的氮气、0.8%的氩气、1.2%的二氧化碳等其他气体。利用所述装置，将作为呼吸用气体而必需的氧气浓缩并取出。
氧浓缩气体的取出可通过以下方式进行：相对于填充有相较于氧分子选择性地吸附氮分子的包括沸石等的吸附剂的吸附筒107，开闭供给阀105A,105B、排气阀106A,106B，由此依次切换作为对象的吸附筒107A,107B，同时供给经压缩机102加压的原料空气，在吸附筒内选择性地吸附除去原料空气中所含的约77%的氮气。作为所述吸附剂，可使用5A型、13X型、Li-X型等分子筛沸石等。
上述的吸附筒107由填充有吸附剂的圆筒状容器形成，通常，可使用1筒式、2筒式以及3筒以上的多筒式，为了连续且高效地由原料空气制造氧浓缩气体，优选使用2筒式、多筒式的吸附筒。
另外，关于上述的压缩机102，作为仅具有压缩功能、或具有压缩、真空功能的压缩机，除了可使用双头型的摆动型空气压缩机之外，有时也可使用螺杆式、旋转式、涡旋式等旋转型空气压缩机。另外，驱动该压缩机的电动机的电源可以是交流也可以是直流。
在加压状态的吸附筒内使空气中的氮气吸附于吸附剂，将以未被吸附的氧为主成分的氧浓缩气体从吸附筒的产品端取出，经由以不向吸附筒逆流的方式设置的止回阀108A,108B，流入至产品罐111。
另一方面，为了再次从新导入的原料空气中吸附氮气，需要进行吹扫从而使被吸附于填充在吸附筒内的吸附剂的氮气从吸附剂解吸附。因此，经由排气阀106A,106B将吸附筒107A,107B与排气线路连接，从加压状态切换至大气开放状态，使在加压状态下被吸附的氮气解吸附并排放到大气中从而使吸附剂再生。进而，在该解吸附工序中，为了提高氮的解吸附效率而进行以下的吹扫工序：使产生的氧浓缩气体的一部分作为吹扫气体，经孔（orifice）109A,109B及均压阀110，从吸附工序中的吸附筒的产品端侧向解吸附工序中的吸附筒逆流。
存储于产品罐111中的氧浓缩气体例如含有95%这样的高浓度的氧气，患者自己根据医生的处方来设定所需的氧流量。利用调压阀112、控制阀113等流量调整机构来控制其压力和供给流量，向患者供给处方量的氧浓缩气体。另一方面，用氧浓度传感器・流量传感器117来检测向患者供给的氧浓缩气体的流量和氧浓度，基于检测结果，利用CPU120等计算机构来控制压缩机102的转数、作为流路切换机构的供给阀105、排气阀106、均压阀110的开闭时间，从而控制氧的产生。
用吸附筒内压或压缩机喷出压来测量吸附压，如图1所示，用设置于压缩机喷出侧的配管的压力传感器、或设置于吸附筒的压力传感器来进行检测。
图2是作为本发明的一个实施方式的氧浓缩装置的流路切换机构的开闭时机的概略图，所述流路切换机构依次切换设置于压缩机与各吸附筒之间的流路的供给阀及排气阀、以及在吸附筒的下游侧将吸附筒间均压的均压阀。
对于2筒式的变压吸附型的氧浓缩装置而言，如图2所示，当一个吸附筒A进行吸附工序时，另一个吸附筒B则进行解吸附工序，通过控制供给阀A,B、排气阀A,B和均压阀的开闭，从而分别以反相形式依次切换吸附工序、解吸附工序，连续地产生氧。
为了提高吸附剂的再生效率而加入将在吸附工序中产生的氧的一部分经均压阀流入到解吸附工序侧吸附筒的吹扫工序，并进行下述恒定程序：针对一方的吸附筒A交替地切换吸附工序、吹扫产生工序、解吸附工序、吹扫排气工序、针对另一方的吸附筒B交替地切换解吸附工序、吹扫排气工序、吸附工序、吹扫产生工序，由此可高效地产生氧。
如图2的斜线部所示，吹扫工序例如是以下工序：由在吸附工序中产生氧的吸附筒B取出氧的同时，将产生的氧的一部分经由均压阀流至在解吸附工序中减压排出氮的吸附筒A，从而提高吸附剂的氮解吸附再生效率。在吸附筒B中进行吹扫产生工序，在所述吹扫产生工序中产生吹扫用的氧；在吸附筒A中进行吹扫排气工序，在所述吹扫排气工序中，将上述氧从产品端作为吹扫气体流动并排出到体系外。
如果延长该吹扫工序时间则吸附剂的再生效率也会提高，结果可确认到产生氧浓度的上升。另一方面，如果过度延长吹扫工序时间，则除了从吸附筒B向产品罐侧的氧的取出量减少之外，根据流出量，还存在因氮穿透而导致产生的氧的浓度降低，作为产品气体的产生量变少的缺点。当控制包括吸附工序、解吸附工序的时间改变的程序整体时，程序整体的平衡被破坏，稳定产生的氧的浓度需要时间，因此在本发明中控制吹扫工序时间。
长期使用氧浓缩装置，会导致吸附剂吸湿劣化，产生的氧浓缩气体的氧浓度降低。对于作为氮吸附剂使用的分子筛沸石而言，其水分吸附能力强，在解吸附工序、吹扫工序中无法完全地将吸附于吸附剂的水分除去，会引起氮吸附性能的降低。通常，为了补偿所述氧浓度的降低，通过提高氧浓缩装置的压缩机的转数、增加原料空气的供给量、提高吸附筒的吸附压，来进行提高氧浓度的控制。
相对于吸湿劣化所伴随的产生的氧浓缩气体的氧浓度，研究了吹扫时间的最优化。
如图3所示，吹扫时间的最佳值随着吸附剂的吸湿劣化而向短时间侧移动，通过缩短吸湿劣化吹扫时间，能实现氧浓度的上升。相对于初始设定时的吹扫时间3.5秒，随着吸附剂的经时劣化进行至劣化情形（劣化時）A、劣化情形B，吹扫时间的最佳值向短时间侧移动，变为2.5秒、2.0秒。因此，通过将吹扫时间向短时间侧改变，氧浓度上升。在上述吹扫时间向短时间侧改变时，并不是一次缩短至最佳时间，而是以0.1秒、0.2秒这样的小间隔逐渐改变，这对产生氧的浓度的影响少，故优选。
若不考虑氧浓度的降低原因而胡乱地改变吸附解吸附工序的循环时间，则会导致氧的产生变得不稳定。从多个参数来判断吸湿劣化的发生，并在事先掌握吸附剂的吸湿劣化是氧浓缩气体的氧浓度降低的原因的基础上，再控制吹扫工序时间向规定的短时间侧移动是重要的。
吸附剂的吸湿劣化会伴随产生的氧浓缩气体的浓度降低至规定浓度以下，吸附压上升至规定值以上的现象。氧浓度为90%以下，并设定为该氧浓缩装置保证的氧浓缩气体的最低值或其以上的值是优选的。例如，在供给高浓度氧浓缩气体的医疗用的氧浓缩装置的情况下，在80～90%之间设定阈值是优选的。
对于吸附压而言，根据吸附筒内压、压缩机喷出压等压力传感器的设置位置不同，其值存在一些差异，但可以使用任一数值进行控制。在氧浓缩装置的情况下，在吸附解吸附工序之间，压力变动大。另外，为了降低电力消耗、补偿氧浓度等，进行的是据流量设定值来控制压缩机转数。此时，检测氧浓度，反馈控制压缩机转数，吸附压不会显示恒定的阈值。另外，由于压缩机、电磁阀的异常故障、配管异常等而使吸附压降低等，因吸附剂吸湿劣化之外的因素，压力值也会变化。
关于吸附压力的变动，为了排除因除了吸附剂的吸湿劣化之外的因素而导致的吸附压力的变动（基于利用设定流量、氧浓度等进行的压缩机转数的正常控制的吸附压力的变动、基于机器异常的吸附压力的变动），作为其判断标准，优选设定1）压缩机的转数为控制上限值，并且该压力传感器的检出值为压缩机在该条件下旋转时的装置使用初期时的压力值以上；或者2）压缩机的转数为流量设定机构的最大流量设定值下的压缩机的转数、并且该压力传感器的检出值为压缩机在该条件下旋转时的装置使用初期时的压力值以上等条件。检测到该装置的吸附压显示正常范围以上的压力值。此外，相对于每一流量设定值，以预先设定的压缩机运转条件下的初始吸附压为基准，也能检测吸附压上升。
另外，所述吸附剂的吸湿劣化是运转氧浓缩装置一定时间以上而导致的结果，在运转开始不久的时间，本发明的控制启动则暗示产生了其他机器异常。因此，开始使用吸附筒后、经过规定时间以上则成为进行本发明的控制吹扫时间向短时间侧移动的前提。氧浓缩装置通常优选在5℃~35℃这样的生活环境下使用，但即使在冰点下的严冬期或40℃以上的酷暑下的条件下也可使用。尤其是在5℃以下或冰点下这样的低温环境下，会明显发生吸附剂的吸湿劣化。根据装置的使用环境不同，吸附剂的劣化速度存在较大差异。因此，吸附筒的使用时间优选经过至少500小时以上、优选2000小时以上。
图4、图5中表示在本发明的氧浓缩装置中，伴随产生的氧浓缩气体的氧浓度降低而通过提高压缩机转数来进行氧浓度补偿控制，并在压缩机转数控制达到限度后，进行了吹扫时间向短时间移动时的氧浓缩气体的氧浓度、压缩机转数、吹扫时间的关系。
如图4所示，即使在氧浓缩装置运转初期氧浓度显示95%的值，由于吸附剂经时性地吸湿劣化，产生的氧浓缩气体的氧浓度也会降低，在低于90%的时间点则提高压缩机转数并提高吸附压，由此将氧浓度维持在90%。随着吸湿劣化的进行，即使进行进一步提升压缩机转数的控制也有限度，在压缩机转数达到上限后，在氧浓度低于88%的时间点进行吹扫时间向短时间侧移动（劣化情形A）。由此，暂时提升产生的氧浓缩气体的氧浓度。若经时劣化进一步进行、氧浓度再次低于88%时，则进一步进行使吹扫时间向短时间侧移动的控制（劣化情形B）。由此，再次提升产生的氧浓缩气体的氧浓度。
图5表示并用了劣化情形A，B中的氧浓度补偿控制的例子。即使在氧浓缩装置运转初期氧浓度显示95%的值，由于吸附剂经时性地吸湿劣化，产生的氧浓缩气体的氧浓度也会降低，在低于90%的时间点a提高压缩机转数并提高吸附压，由此将氧浓度维持在90%。吸湿劣化进一步进行，在压缩机转数达到上限的时间点b，停止氧浓度补偿控制。随后，在氧浓度低于88%的时间点c，进行吹扫时间向短时间侧移动（劣化情形A）。由此，暂时提升产生的氧浓缩气体的氧浓度。在氧浓度上升的同时，再次开启氧浓度补偿控制，压缩机转数降低。经时劣化进一步进行，在压缩机转数再次达到上限的时间点d，氧浓度补偿控制停止，在氧浓度再次低于88%的时间点e，进一步进行使吹扫时间向短时间侧移动的控制（劣化情形B）。由此，产生的氧浓缩气体的氧浓度再次提高。随后，与劣化情形A同样地，再次开启氧浓度补偿控制，发生压缩机转数的降低，在压缩机转数达到上限值的f，发生氧浓度的降低。
关于所述吹扫时间的移动控制，在图4，图5中示出了2次的例子，但通过反复进行2次至5次左右，可维持产生的氧的浓度，能长期地使用氧浓缩装置。将吹扫时间设定为何值，根据氧浓缩装置的产生能力、供给氧浓度等的不同而不同。
在启动氧浓缩装置时，通常以默认设定的吹扫工序时间开始运转。基于产生的氧浓缩气体的氧浓度、吸附压、吸附筒的运转时间的上述3个条件来判断吸附剂的吸湿劣化，例如，在氧浓度小于88%、以压缩机的最大转数运转时的吸附压为初始压以上、吸附筒使用时间为2000小时以上时，将吹扫时间从3.5秒改变为2.5秒（劣化情形A）。预先存储吹扫时间的改变次数，在反复进行装置的ON/OFF期间，例如有3次以上满足吸湿劣化3个条件而进行吹扫时间向短时间侧移动时，在下次启动时，在劣化情形A的吹扫时间2.5秒的条件下启动。
另外，当随后再次满足上述3个条件时，作为劣化情形B，将吹扫时间向短时间侧移动，从2.5秒变为2秒。由此，可提升氧浓度，延长氧浓缩装置的使用时间。
工业适用性
本发明的氧浓缩装置作为医疗用氧浓缩装置可作为用于针对受哮喘、肺气肿症、慢性支气管炎等呼吸系统器官疾病折磨的患者的吸氧疗法的氧供给源使用。另外，本发明的特征是，可作为能长期稳定地供给氧的装置利用。

Claims (5)

1.变压吸附型氧浓缩装置，其包括：
多个吸附筒，填充有相较于氧选择性地吸附氮的吸附剂；
压缩机，向该吸附筒供给加压空气；
流路切换机构，用于依次切换该压缩机和各吸附筒之间的流路，从而以规定时机反复进行以下工序：吸附工序，向各吸附筒供给加压空气并取出氧浓缩气体；解吸附工序，将各吸附筒减压并将吸附剂再生；吹扫工序，将来自吸附工序侧吸附筒的氧浓缩气体导入至解吸附工序侧吸附筒；
流量设定机构，将氧浓缩气体调整为所期望的流量而供给；
氧浓度传感器，测定氧浓缩气体浓度；
压力传感器，检测该吸附筒的压力；以及
控制机构，控制该压缩机、该流路切换机构的动作；
所述变压吸附型氧浓缩装置的特征在于，具备控制机构，该控制机构在基于该氧浓度传感器的检出值控制该压缩机的转数的同时，基于该氧浓度传感器的检出值、该压力传感器的检出值及该吸附筒的使用时间来判断吸湿劣化，当满足吸湿劣化的判断标准时，控制该流路切换机构的切换时间，以使该吹扫工序的时间短于初始设定时间。
2.根据权利要求1所述的氧浓缩装置，其特征在于，该吸湿劣化的判断标准为满足以下3个条件：
该氧浓度传感器的检出值为规定浓度值以下；
该压缩机的转数为控制上限值，并且该压力传感器的检出值为压缩机在该条件下旋转时的装置使用初始时的压力值以上；
吸附筒的使用时间为规定时间以上。
3.根据权利要求1所述的氧浓缩装置，其特征在于，该吸湿劣化的判断标准为满足以下3个条件：
该氧浓度传感器的检出值为规定浓度值以下；
该压缩机的转数为该流量设定机构的最大流量设定值下的压缩机的转数，并且该压力传感器的检出值为压缩机在该条件下旋转时的装置使用初始时的压力值以上；
吸附筒的使用时间为规定时间以上。
4.根据权利要求2或3所述的氧浓缩装置，其特征在于，在控制该流路切换机构的切换时间，以使该吹扫工序的时间短于初始设定时间后，当再次满足该吸湿劣化的判断标准时，控制该流路切换机构的切换时间，以使该吹扫工序的时间短于变更后的设定时间。
5.根据权利要求2或3所述的氧浓缩装置，其特征在于，该氧浓度传感器的检出值为90%以下，吸附筒的使用时间为2000小时以上。
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