JP2000060973A - 酸素濃縮器の運転制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 必要とする酸素富化空気を過不足なく供給
し、同時に電気エネルギ−を無駄なく利用できる酸素濃
縮器を提供することを目的とする。 【解決手段】 製品タンク５の入口と出口の圧力差を差
圧センサ８により検出し、その差圧から製品タンク５を
通過する酸素富化空気の流量を算出し、その流量と供給
する酸素富化空気の設定流量とを比較し、その差に応じ
て圧縮機１の回転数を制御して、無駄に酸素富化空気を
生成することなく、供給する酸素富化空気の設定流量を
維持するようにしたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、医療用として酸素
富化空気を生成し供給する酸素濃縮器の運転制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、酸素富化空気を生成する方法とし
てはＰＳＡ方式（圧力スイング法）が主として用いられ
ている。ＰＳＡ方式は、分子篩（以下モレキュラシーブ
とする）を充填した吸着筒に除塵・除湿した空気を一定
圧力で送り込み、微細な細孔を多数形成したモレキュラ
シーブにより、空気中の窒素を吸着し、残った酸素富化
空気を製品タンクに蓄えて医療等に供給している。通
常、吸着筒に空気を送り込む圧縮機は供給する酸素富化
空気の設定流量や流量の変動に無関係に一定の回転数で
駆動し、酸素富化空気の流量が少ない場合には圧縮機の
能力が供給を上回り、無駄に酸素富化空気を生成し、余
分な酸素富化空気はそのまま空気中に放出されている。
モレキュラシーブは一定圧力下で、その細孔に吸着する
気体分子（窒素分子）は限定され、その他の気体分子
（酸素分子）は吸着しない。この物理的な吸着方法で
は、吸着面積により吸着率に限界があり、窒素を完全に
除去することができないが、窒素を吸着したモレキュラ
シーブを物理的な条件例えば温度を高くしたり、圧力を
吸着工程より一段と低くして、空気または酸素富化空気
を通すことにより、吸着した窒素を放出してモレキュラ
シーブを再生することができる。酸素富化空気の酸素の
比率を高めるには、上述の物理的な吸着法に代わり化学
的吸着法がある。化学的吸着法では、多孔質な吸着材に
対象気体（窒素）と不可逆な化学反応を起す物質を付着
保持し、細孔に物理的に吸着した気体を化学反応により
固定して吸着率を上げている。この場合、吸着材は吸着
した気体と一緒に廃棄することになり、吸着材の再生は
できない。また、圧縮機モータでは、ＡＣモータを使用
した場合、５０Ｈｚ地域より６０Ｈｚ地域の方が回転数
が高いため、同一条件の下で同一流量の酸素富化空気を
生成しても、６０Ｈｚ地域の方が圧縮機の消費電力が大
きくなる問題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、必要とす
る酸素富化空気を過不足なく供給し、同時に電気エネル
ギ−を無駄なく利用できる酸素濃縮器を提供することを
目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明では、流量設定器
を通過する酸素富化空気の流量を検出する流量検出手段
と、流量検出手段の検出流量と設定流量を比較する流量
比較手段と、比較結果に基づき前記圧縮機の回転数を制
御する回転数制御手段とを設け、これにより検出流量を
設定流量に等しく保つようにした。また、流量検出手段
として、製品タンクの入口と出口の圧力差を検出する差
圧センサと、差圧センサの検出する差圧値に基づき、流
量設定器を通過する酸素富化空気の流量を算出する流量
算出手段と、流量算出手段の算出流量と設定流量を比較
する流量比較手段とからなるようにした。

【０００５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の酸素濃縮器の構成
を示すブロック図、図２は本発明の酸素濃縮器の系統図
である。１は圧縮機で、その吸込み側に空気取入口を設
け、空気取入口には除塵フイルタ２と除湿器３を設け、
除塵フイルタ２と除湿器３を通して外気を取り込む。取
込んだ空気を圧縮機１により一定圧力に加圧して酸素濃
縮部４に送り、空気中の窒素を吸着材により吸着して、
相対的に酸素濃度の上昇した酸素富化空気を製品タンク
５に蓄える。酸素富化空気を供給するときは、圧力調整
器６を通して所定の圧力に調整し、流量調整器７を通し
てその流量を設定して供給先（医療現場）に放出する。
製品タンク５の入口側と出口側に差圧センサ８の圧力検
出端８ａ、８ｂを取付け、製品タンク５の入口と出口の
差圧を差圧センサ８により検出し、その差圧から流量算
出手段Ａにより、製品タンク５を通過する酸素富化空気
の流量を算出する。一般に、流量ｑは次式により求めら
れる。

【数式１】

【０００６】ついで、供給する酸素富化空気の設定流量
と製品タンク５を通過する酸素富化空気の流量とを流量
比較手段Ｂにより比較し、その差を圧縮機制御部９に送
り、圧縮機制御部９の回転数制御手段Ｃにより圧縮機１
の回転数を制御して酸素濃縮部４に送る空気の流量を調
整する。この調整により、製品タンク５を通過する酸素
富化空気の流量を供給する酸素富化空気の設定流量に保
つ。圧縮機１は、回転数制御に適したＤＣブラシレスモ
ータまたはインバータ制御ＡＣモータで駆動し、製品タ
ンク５を通過する酸素富化空気の流量と供給する酸素富
化空気の設定流量の差から、圧縮機１の回転数を制御し
て、酸素濃縮部４に送る空気の圧力とその流量を調整
し、酸素富化空気の生成を調整して、製品タンク５に蓄
えて、供給する酸素富化空気の設定流量に適切に対応す
る。

【０００７】図２において、圧縮機１の吸込み側に除塵
フイルタ２と除湿器３を連結し、圧縮機１の吐出側には
熱交換器１０を介して２方バルブマニホールド１１に連
結する。２方バルブマニホールド１１には、並列に２本
の吸着筒１２ａ、１２ｂを接続し、吸着筒１２ａ、１２
ｂにはそれぞれモレキュラシーブを充填する。本実施例
では、吸着材としてモレキュラシーブを充填している
が、他の窒素を吸着する固体吸着材または膜透過モジュ
ール等を用いてもよい。２本の吸着筒１２ａ、１２ｂ
は、その一方が吸着工程にあるときは、他方を吸着材の
再生に当て、そのサイクルごとに２方バルブマニホール
ド１１の４つの２方バルブを切換えて、連続して高い酸
素濃度の酸素富化空気を供給する。２本の吸着筒１２
ａ、１２ｂの出口に、それぞれチェックバルブ１３ａ，
１３ｂを接続し、２本の吸着筒１２ａ、１２ｂの出口間
にはパージオリフィス１４と、圧等化弁（ＰＥバルブ）
１５と均圧オリフィス１６を並列に接続する。さらに、
２本の吸着筒１２ａ、１２ｂの出口をそれぞれのチェッ
クバルブ１３ａ，１３ｂを介して製品タンク５に連結
し、製品タンク５から圧力センサ１７、圧力調整器６、
エアフィルタ１８、流量調節器７を通して医療現場に供
給する。さらに、製品タンク５の入口および出口にそれ
ぞれ差圧センサ８の圧力検出端８ａ、８ｂを取付け、差
圧センサ８の出力を圧縮機１の圧縮機制御部９に送る。
２方バルブマニホールド１１は、図２に示すように、４
個の２方バルブＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３、ＳＶ４から構
成され、４個の２方バルブをリング状に連結し、隣合う
２方バルブの間からそれぞれ配管を引出した形で構成す
る。熱交換器１０から２方バルブＳＶ２とＳＶ３の間
に、２方バルブＳＶ２とＳＶ１の間から吸着筒１２ａ
へ、２方バルブＳＶ３とＳＶ４の間から吸着筒１２ｂへ
それぞれ連結し、２方バルブＳＶ１とＳＶ４の間から消
音器２１を通して窒素を排出する。２本の吸着筒１２
ａ、１２ｂのいずれかを使用するサイクルに合せて２方
バルブを２個ずつセットとして開閉操作し、吸着筒１２
ａ、１２ｂを交互に使用して窒素の吸着を行う。

【０００８】以上の構成により、本発明の動作を説明す
る。図２において太線で示すように、除塵フイルタ２と
除湿器３を通して外気を圧縮機１の空気取入口から取込
み、一定圧力（約 1,0 kg／cm2 ）に圧縮して熱交換器
１０に導き、圧縮により上昇した空気温度を熱交換器１
０を通しファン２０により冷風を送って冷却する。吸着
筒１２ａ、１２ｂに送る空気の温度が高いと、モレキュ
ラシーブの吸着能力が低下するためである。第１サイク
ルとして、２方バルブマニホールド１１の２方バルブＳ
Ｖ２を開き２方バルブＳＶ３を閉じて、吸着筒１２ａに
加圧した空気を送込み、出口のチェックバルブ１３ａに
より吸着筒１２ａ内の圧力を急速に高め、吸着筒１２ａ
内で空気中の窒素をモレキュラシーブに吸着し、残った
酸素富化空気をチェックバルブ１３ａを通して製品タン
ク５に送る。製品タンク５に至る管路および製品タンク
５の圧力が上ると、酸素富化空気の一部をパージオリフ
ィス１４を通して吸着筒１２ｂに放出し、吸着筒１２ｂ
のモレキュラシーブから吸着している窒素を放出させ、
２方バルブＳＶ４を通し消音器２１を通して空気中に放
出する。吸着筒１２ｂの圧力を大巾に下げることによ
り、モレキュラシーブに吸着されいた窒素は容易に脱離
し、モレキュラシーブを窒素吸着前の状態に戻す。この
とき吸着筒１２ｂ内の温度を上げると窒素の脱離を促進
する効果をもたらす。吸着筒１２ａのモレキュラシーブ
が窒素を吸着し、その吸着能力が低下すると第２サイク
ルに移行する。吸着能力の低下は図２に示す供給側の酸
素濃度センサ２２により判断する。

【０００９】第２サイクルでは、２方バルブＳＶ２と２
方バルブＳＶ４を閉じ、２方バルブＳＶ３と２方バルブ
ＳＶ１を開き、第１サイクルと同様に、吸着筒１２ｂに
加圧した空気を送り込み、出口のチェックバルブ１３ｂ
により吸着筒１２ｂ内の圧力を急速に高め、加圧した空
気からモレキュラシーブにより窒素を吸着し、残った酸
素富化空気をチェックバルブ１３ｂを通して製品タンク
５に送る。製品タンク５に至る管路および製品タンク５
の圧力が上り、酸素富化空気の流出が止まると、パージ
オリフィス１４を通して吸着筒１２ａに放出し、吸着筒
１２ａのモレキュラシーブから窒素を放出させて、２方
バルブＳＶ１を通して空気中に放出する。ＰＥバルブ
（圧等化弁）１５は、２方バルブマニホールド１１が切
り替わる直前に一瞬開き、均圧オリフィス１６で流量を
制限しながら、酸素富化空気を生成する側の吸着筒１２
ａまたは１２ｂに酸素富化空気を吹き込み、その内部圧
力を高めて、次のサイクルを高い内部圧力の下でスター
トできるようにして、直ぐに酸素富化空気を生成する。
製品タンク５に蓄えられた酸素富化空気はほとんど水分
を含まず、医療現場では、エアーフィルタを介して加湿
器に送り、相対湿度約５０〜９０％に加湿して使用す
る。

【００１０】本発明では、製品タンク５の入口と出口の
圧力の差圧から製品タンク５を通過する酸素富化空気の
流量を算出し、この流量と供給する酸素富化空気の設定
流量（医療に使用する設定流量）と比較して、その差に
より圧縮機モータの回転数を変えて酸素濃縮部４に送る
空気の流量を調整し、供給する酸素富化空気の設定流量
を確保するとともに、必要以上に酸素富化空気を生成し
ないようにして、圧縮機１の効率的運転により消費電力
の増大を防止する。流量設定器の流量はその経路にオリ
フィスを設けてその間の差圧を検出しても求めることが
できる。また、流量設定器の設定値で直接圧縮機モータ
の回転数を制御することもできる。さらに、単純に流量
を測定する方法として、その経路内に羽根車（インペラ
ー）を設け、その回転数を検出して求める方法、または
経路内に電熱線を設けて通電し、流量によるその冷却の
変化（温度変化）から算出する方法等がある。この酸素
濃縮器を効率的に運転するには、圧縮機にスクロール型
圧縮機を採用することにより、圧縮機を効率よく運転す
ると同時に、圧縮機モータの回転数制御を容易に行うこ
とができる。また、スクロール型圧縮機を採用すること
により、スクロール型圧縮機の特徴である低騒音、コン
パクト化、省電力等の効果をもたらすことができる。

【００１１】

【発明の効果】本発明では、供給する酸素富化空気の設
定流量と製品タンクを通過する酸素富化空気の流量の差
に応じて、圧縮機の回転数を制御することにより、供給
する酸素富化空気の設定流量を確保するとともに、必要
以上に酸素富化空気を生成することなく効率よく酸素富
化空気を生成することができる。また、負荷に応じて圧
縮機の回転数を制御することにより、圧縮機の消費電力
を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素濃縮器の構成を示すブロック図で
ある。

【図２】本発明の酸素濃縮器のブロック系統図である。

【符号の説明】 Ａ 流量算出手段 Ｂ 流量比較手段 Ｃ 回転数制御手段 １ 圧縮機 ２ 除塵フイルタ ３ 除湿器 ４ 酸素濃縮部 ５ 製品タンク ６ 圧力調整器 ７ 流量調整器 ８ 差圧センサ ８ａ 圧力検出端ａ ８ｂ 圧力検出端ｂ ９ 圧縮機制御部 １０ 熱交換器 １１ ２方バルブマニホールド １２ａ 吸着筒ａ １２ｂ 吸着筒ｂ １３ａ チェックバルブａ １３ｂ チェックバルブｂ １４ パージオリフィス １５ 圧等化弁 １６ 均圧オリフィス １７ 圧力センサ １８ エアフィルタ １９ 流量設定器 ２０ ファン ２１ 消音器 ２２ 酸素濃度センサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 分子篩からなる吸着材を充填した吸着筒
   に、圧縮機より空気を送込み、空気中の窒素を吸着して
   酸素富化空気となし、これを製品タンクに蓄え、製品タ
   ンクより流量設定器を通して設定流量の酸素富化空気を
   供給する酸素濃縮器において、 前記流量設定器を通過する酸素富化空気の流量を検出す
   る流量検出手段と、 前記流量検出手段の検出流量と設定流量を比較する流量
   比較手段と、 比較結果に基づき前記圧縮機の回転数を制御する回転数
   制御手段とを設け、 これにより検出流量を設定流量に等しく保つことを特徴
   とする酸素濃縮器の運転制御装置。
2. 【請求項２】 前記流量検出手段として、前記製品タン
   クの入口と出口の圧力差を検出する差圧センサと、前記
   差圧センサの検出する差圧値に基づき、流量設定器を通
   過する酸素富化空気の流量を算出してなることを特徴と
   する請求項１記載の酸素濃縮器の運転制御装置。