JP2003071234A - 濃縮酸素供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒素を吸着可能な吸着塔と、吸着塔に空気を
圧送するためのエアコンプレッサと、生成される酸素富
化空気の吐出量を設定する流量設定器とを備え、流量設
定器の設定酸素富化空気の設定量に応じた消費電力で稼
動させる濃縮酸素供給装置を提供する。 【解決手段】 窒素を吸着・分離可能な吸着剤５４が封
入された複数の吸着塔７１、７２、７３、及び複数の吸
着塔８１、８２、８３を並列に接続した２つの吸着塔群
７０、８０と、これらの吸着塔群７０、８０に空気を圧
送するためのエアコンプレッサ１３と、吸着塔群７０、
８０で生成される酸素富化空気の吐出量を設定する流量
設定器４８とを備えた濃縮酸素供給装置１において、流
量設定器４８の設定量に応じて、稼動させる吸着塔の数
を決定すると共に、エアコンプレッサ１３の能力を制御
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、吸着剤により空気
中の窒素を吸着して酸素富化空気を生成する濃縮酸素供
給装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ゼオライト等の吸着剤を吸着塔内
に封入し、この吸着塔内に空気を通して吸着剤により窒
素を吸着することで、空気中の酸素濃度を上げ酸素富化
空気を生成しカニューラ等の酸素吸入装置に供給する濃
縮酸素供給装置が知られている。

【０００３】係る吸着剤は、空気中の窒素ガス分子を選
択的に捕まえる圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）により
窒素を吸着するものであり、この圧力スイング吸着法
は、吸着剤に空気を圧送して空気中の窒素を吸着させ、
一定期間の窒素吸着を行った後は、吸着した窒素を吸着
剤から分離放出し、これら吸着と分離とを繰り返しなが
ら酸素富化空気を生成するものである。

【０００４】前記濃縮酸素供給装置には配管経路が形成
され、この配管経路には、並列につないだ少なくとも２
つの吸着塔と、これら吸着塔に空気を圧送するための能
力一定のエアコンプレッサとを備え、窒素を吸着する吸
着行程と、飽和した窒素を分離して放出する分離行程と
を交互に行なっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記濃縮酸
素供給装置は、吸着塔の下流側の配管経路に流量設定器
を設け、酸素吸入装置から吐出する酸素富化空気の吐出
量を設定している。そして、この装置の稼動中は、エア
コンプレッサを常時稼動させているため、流量設定器の
設定量を少なく設定した場合でも、設定量を最大にした
場合と同じ電力量を消費しており、流量設定器の設定量
に関係なく一定の電力を消費していた。このため、流量
設定器の設定量に見合った（設定量が少ないときには消
費電力量も少なくする）消費電力になるような制御が望
まれていた。

【０００６】本発明は係る従来の課題を解消するために
なされたものであり、空気中の窒素を吸着・分離可能な
吸着剤が封入された吸着塔と、これら吸着塔に空気を圧
送するためのエアコンプレッサと、吸着塔の下流側への
酸素富化空気の吐出量を設定する流量設定器とを備え、
前記流量設定器で設定される酸素富化空気の設定量に応
じた消費電力で稼動する濃縮酸素供給装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、空気中の窒素を吸着・分
離可能な吸着剤が封入された複数の吸着塔を並列に接続
した複数の吸着塔群と、これら吸着塔群を並列に接続す
ると共に一方の吸着塔群を吸着行程とし他方の吸着塔群
を分離行程として切り換える流路制御手段と、これらの
吸着塔群に空気を圧送するためのエアコンプレッサと、
吸着塔群で生成される酸素富化空気の吐出量を設定する
流量設定器とを備えた濃縮酸素供給装置において、前記
流量設定器の設定量に応じて、稼動させる吸着塔の数を
決定すると共に、前記エアコンプレッサの能力を制御す
ることを特徴とする。

【０００８】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の濃縮酸素供給装置おいて、前記吸着塔群の各吸着塔へ
の空気の流れを制御する電磁弁を設け、この電磁弁の開
閉によって稼動させる吸着塔を決めることを特徴とす
る。

【０００９】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の濃縮酸素供給装置おいて、請求項２に記載の電磁弁は
前記各吸着塔の流入口及び流出口にそれぞれ設けられる
ことを特徴とする。

【００１０】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれかに記載の濃縮酸素供給装置おいて、前記エアコ
ンプレッサの能力はインバータ装置によって制御される
ことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１は本発明の濃縮酸素供給装置
の側断面図、図２は濃縮酸素供給装置の酸素富化空気生
成部の配管経路図、図３は濃縮酸素供給装置の電気的構
成を示すブロック図である。

【００１２】本発明の濃縮酸素供給装置１は、例えば一
般家庭の居室に設置されるものであり、容易に持ち運び
可能な寸法の本体ケース２内に各機器を内蔵して構成さ
れている。この本体ケース２の前面にはスリット状の空
気吸込口３が形成されており、この空気吸込口３の内側
にはエアフィルタ４が取り付けられ、エアフィルタ４の
更に内側には送風機７が取り付けられている。

【００１３】この送風機７は空気吸込口３から空気を吸
引し、エアフィルタ４にて塵埃や煙粒子などを除去した
後、本体ケース２内を通過し本体ケース２の下面に形成
された空気排出口８から空気を排出するものである。

【００１４】また、本体ケース２内の上部には電装箱９
が配設され、各種電気機器や電気部品を制御する制御装
置６１及びエアコンプレッサ１３を駆動するインバータ
装置６３が内蔵されている。本体ケース２内には酸素富
化空気生成部（以下単に生成部という）１２が内蔵さ
れ、この生成部１２には配管経路が形成されている。そ
して、この配管経路には、エアコンプレッサ１３、サク
ションタンク１４、冷却コイル１６、五方弁１７、吸着
塔群７０、８０、バッファタンク２３、２４、逆止弁２
６、２７、２８、サイレンサ３１、３２、流量設定器４
８、及び酸素富化空気吐出部（以下単に吐出部という）
３４等が設けられている。

【００１５】前記サクションタンク１４は、エアコンプ
レッサ１３の吸引側に接続されると共に、サクションタ
ンク１４の入口には前記サイレンサ３１が接続され、こ
れらの機器が前記エアフィルタ４の内側、かつ、下流側
に配置される。前記冷却コイル１６はエアコンプレッサ
１３の吐出側に接続されると共に、冷却コイル１６の出
口には五方弁１７の第１ポート１７Ａに接続される。

【００１６】この五方弁１７の第２ポート１７Ｂは、吸
着塔群７０の下端の流入口に配管３６により接続される
と共に、第３ポート１７Ｃは吸着塔群７０の下端の流入
口に配管３７により接続される。五方弁１７の第４ポー
ト１７Ｄと第５ポート１７Ｅは、三方配管３８により共
に配管３９に接続され、この配管３９はバッファタンク
２４、逆止弁２８を順次経てサイレンサ３２に接続され
る。

【００１７】なお、この五方弁１７は電磁コイルにより
駆動され、ＯＮ状態で、図２中実線で示す如く第１ポー
ト１７Ａを第２ポート１７Ｂに連通させ、かつ、第５ポ
ート１７Ｅを第３ポート１７Ｃに連通させる。また、Ｏ
ＦＦ状態では、図２中破線で示す如く第１ポート１７Ａ
を第３ポート１７Ｃに連通させ、かつ、第２ポート１７
Ｂを第４ポート１７Ｄに連通させるように流路を切り換
えるものである。

【００１８】前記三方配管３８、配管３９、バッファタ
ンク２４、逆止弁２８及びサイレンサ３２は、分離行程
時の吸着塔群８０、７０の下流側配管３７、３６と共に
排気経路を構成している。そして、逆止弁２８はサイレ
ンサ３２方向を順方向とされる。

【００１９】配管４３はほこり・バクテリアフィルタ５
８と逆止弁２６を介して配管４４に接続され、配管４１
はほこり・バクテリアフィルタ５９と前記逆止弁２７を
介して配管４４に接続される。前記逆止弁２６、２７は
配管４４方向を順方向とされると共に、各配管４１、４
３は各フィルタ５８、５９の手前、即ち、各逆止弁２
６、２７の上流側においてバイパス管４２、連通管４６
により相互に連通されている。バイパス管４２には電磁
弁４５が介設され、この電磁弁４５の開閉によりバイパ
ス管４２を開放・閉鎖している。そして、バイパス管４
２が開放されているときには、配管４１若しくは４３内
を配管４４方向に向かう空気のほとんどがバイパス管４
２を流れる。連通管４６にはオリフィス４７が介設さ
れ、配管４１若しくは４３内を配管４４方向に向かう空
気は、オリフィス４７の抵抗により、その１／５が連通
管４６に分流される。

【００２０】また、配管４４は前記バッファタンク２３
の入口に接続され、バッファタンク２３の出口は、流量
設定器４８に接続され、さらに吐出部３４に接続されて
いる。流量設定器４８は、流量設定器４８の下流側へ流
れる酸素富化空気量を調節して吐出部３４から吐出する
酸素富化空気量を、例えば、０．２５、０．５、１、
２、３リットル／分に設定することができる。吐出部３
４には着脱自在に可撓性のチューブ４９が接続され、こ
のチューブ４９の先端にはカニューラ３４ａが取り付け
られている。これらチューブ４９とカニューラ３４ａは
本体ケース２上面の収納部５１内に納出自在に格納され
ている。

【００２１】ここで、前記吸着塔群７０は吸着塔７１、
７２、７３を有し、これらの吸着塔７１、７２、７３が
並列に接続されている。それぞれの吸着塔７１、７２、
７３の下端の流入口側には電磁弁７６ａ、７７ａ、７８
ａを設け、上端の流出口側には電磁弁７６ｂ、７７ｂ、
７８ｂを設けている。同様に、前記吸着塔群８０は吸着
塔８１、８２、８３を有し、これらの吸着塔８１、８
２、８３が並列に接続されている。それぞれの吸着塔８
１、８２、８３の下端の流入口側には電磁弁８６ａ、８
７ａ、８８ａを設け、上端の流出口側には電磁弁８６
ｂ、８７ｂ、８８ｂを設けている。

【００２２】これら吸着塔７１、７２、７３、８１、８
２、８３は、それぞれ金属若しくは硬質剛性樹脂により
内部中空の縦長円筒状に構成されており、その内側には
吸着剤５４が封入されている。

【００２３】前記吸着剤５４は直径２ｍｍ〜３ｍｍの粒
状の例えばゼオライトであり、吸着塔群７０の吸着塔７
１、７２、７３の流入口、或いは吸着塔群８０の吸着塔
８１、８２、８３の流入口から室内空気を圧送させる
と、ゼオライトは当該室内空気中の窒素分子を選択的に
吸着する。以後、これを吸着行程と称する。これによ
り、吸着塔群７０の吸着塔７１、７２、７３の流出口、
或いは吸着塔群８０の吸着塔８１、８２、８３の流出口
からは酸素濃度９０％以上の酸素富化空気が出てくるも
のである。

【００２４】また、前記酸素富化空気を、吸着塔７１、
７２、７３或いは８１、８２、８３の流出口から内部に
流入させると、内部の酸素分圧は急激に上昇する。この
状態では吸着剤５４は、前記吸着行程にて吸着した前記
窒素分子等を分離放出する。以後、これを分離行程と称
する。これにより、吸着塔群７０の吸着塔７１、７２、
７３の流入口、或いは吸着塔群８０の吸着塔８１、８
２、８３の流入口からは窒素が富化された空気が流出す
るようになる。

【００２５】次に、図３において、６１は制御装置であ
り、この制御装置６１は前記電装箱９内に収納され、汎
用マイコン６２及び前記エアコンプレッサ１３のモータ
１３Ｍを制御するためのインバータ装置６３を備えてい
る。このマイコン６２の入力側には、運転スイッチ５７
及び流量設定器４８が接続されている。出力側にはイン
バータ装置６３、送風機７のモータ７Ｍ、五方弁１７、
電磁弁７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂ、７８ａ、７８
ｂ、８６ａ、８６ｂ、８７ａ、８７ｂ、８８ａ、８８ｂ
及びバイパス管４２に設けられた電磁弁４５がそれぞれ
接続されている。

【００２６】以上のように構成された濃縮酸素供給装置
の生成部の動作を説明する。

【００２７】流量設定器４８の設定量を設定し、運転ス
イッチ５７を操作すると、濃縮酸素供給装置１は運転を
開始する。制御装置６１は、送風機７のモータ７Ｍを駆
動すると共に、五方弁１７をＯＮする。そして、流量設
定器４８の設定量によって稼動させる吸着塔の数を決め
て吸着塔を選出する。稼動させる吸着塔の数は、各吸着
塔群７０、８０からそれぞれ同じ数を選出する。そし
て、稼動させる吸着塔の流入口側及び流出口側に設けら
れた電磁弁を開き、稼動させない吸着塔の流入口側及び
流出口側の電磁弁を閉じる。稼動させない吸着塔は流入
口側及び流出口側共に電磁弁を閉じることにより、流入
口及び流出口から吸着塔内に空気や湿気が進入しないよ
うにしている。

【００２８】次に、制御装置６１は、流量設定器４８の
設定量に応じて、エアコンプレッサ１３の能力を決め、
インバータ装置６３の周波数を決定し、モータ１３Ｍを
駆動する。例えば、流量設定器４８の設定量が０．２５
〜１リットル／分に設定されている場合には、制御装置
６１は、吸着塔群７０、８０の稼動させる吸着塔の数を
各１つとし、それぞれ吸着塔群７０、８０から吸着塔７
１及び吸着塔８１を選出する（設定量が２リットル／分
の場合は各２つの吸着塔を選出し、設定量が３リットル
／分の場合は各３つの吸着塔を選出する）。電磁弁７６
ａ、７６ｂ、８６ａ、及び８６ｂを開き、電磁弁７７
ａ、７７ｂ、７８ａ、７８ｂ、８７ａ、８７ｂ、８８
ａ、及び８８ｂを閉じる。制御装置６１はインバータ装
置６３の周波数を低く設定し、モータ１３Ｍを駆動す
る。

【００２９】そして、エアコンプレッサ１３が運転され
ると、エアフィルタ４を通過した室内空気は、サイレン
サ３１からサクションタンク１４を経てエアコンプレッ
サ１３に吸引される。吸引された室内空気は、エアコン
プレッサ１３から冷却コイル１６に吐出される。これら
エアコンプレッサ１３及び冷却コイル１６には前記送風
機７から送風されており、冷却コイル１６内に流入した
室内空気は、そこを通過する過程で冷却された後、五方
弁１７の第１ポート１７Ａに入る。

【００３０】そして、五方弁１７の第１ポート１７Ａに
入った室内空気は、第２ポート１７Ｂから流出し、配管
３６に流入する。さらに、配管３６を通って電磁弁７６
ａを経て吸着塔群７０の吸着塔７１の流入口から吸着塔
７１内に圧送される。吸着塔７１内に入った室内空気
は、吸着剤５４にて窒素が吸着され、酸素富化空気とな
って上端の流出口から流出する（吸着行程）。

【００３１】このとき、吸着塔７１から出た酸素富化空
気は、逆止弁２６及び連通管４６方向に向かうが、前述
の如くその４／５が逆止弁２６に向かい、１／５が連通
管４６に分流される（電磁弁４５が閉じているので、空
気はバイパス管４２を流れない）。逆止弁２６に向かっ
た酸素富化空気は配管４４からバッファタンク２３、流
量設定器４８、チューブ４９を経てカニューラ３４ａか
ら吐出する。患者はこのカニューラ３４ａを当てること
により、酸素富化空気を吸引することができる。

【００３２】一方、連通管４６に流入した１／５の酸素
富化空気は、オリフィス４７で絞られた後、配管４１を
経て吸着塔群８０の吸着塔８１の流入口より内部に流入
する。吸着塔８１内に酸素富化空気が流入すると、内部
の酸素分圧が上昇するため、吸着剤５４は吸着している
窒素を分離放出する（分離行程）。

【００３３】そして、下端の流入口から配管３７に流出
し、五方弁１７の第３ポート１７Ｃ、第５ポート１７Ｅ
を経て、配管３８、配管３９、バッファタンク２４、逆
止弁２８、サイレンサ３２を通って排出される。

【００３４】制御装置６１は運転開始から所定時間経過
すると、電磁弁４５に通電してバイパス管４２を数秒間
開放し配管４１、４３を連通する。これにより吸着塔７
１で生成された酸素富化空気が吸着塔８１に流入して内
部の酸素分圧は急激に上昇する。この状態で吸着塔８１
の吸着剤５４に窒素分子が吸着されている場合には窒素
分子が分離し放出される。

【００３５】その後、制御装置６１は電磁弁４５の通電
を停止して五方弁１７をＯＦＦ状態とする。第１ポート
１７Ａが第３ポート１７Ｃに連通されるので、冷却コイ
ル１６から出た室内空気は、配管３７を経て吸着塔８１
の下端の流入口から内部に圧送されるようになる。

【００３６】そして、吸着塔８１内では酸素富化空気が
生成され（吸着行程）、上端の流出口から配管４１に流
出して逆止弁２７及び連通管４６方向に向かうが、同様
にその４／５が逆止弁２７に向かい、１／５が連通管４
６に分流される。逆止弁２７に向かった酸素富化空気
は、前述同様に配管４４からバッファタンク２３、流量
設定器４８、チューブ４９を経てカニューラ３４ａから
吐出する。

【００３７】また、連通管４６に流入した１／５の酸素
富化空気は、オリフィス４７で絞られた後、配管４３を
経て吸着塔７１の流出口より内部に流入する。吸着塔７
１内では吸着剤５４が吸着している窒素分子等の分離放
出が行われる（分離行程）。

【００３８】そして、下端の流入口から配管３６に流出
し、五方弁１７の第２ポート１７Ｂ、第４ポート１７Ｄ
を経て、前述同様に、配管３８、配管３９、バッファタ
ンク２４、逆止弁２８、サイレンサ３２を通って排出さ
れることになる。

【００３９】以後、制御装置６１は、所定時間後に再び
五方弁１７をＯＮに切り換えるものである。このように
して、各吸着塔群７０、８０において吸着と分離とを交
互に、かつ、同時に行い、連続した酸素富化空気の生成
を行うものである。

【００４０】以上説明したように、本実施形態の濃縮酸
素供給装置１は、流量設定器４８の設定量に応じて、複
数の吸着塔７１、７２、７３、８１、８２、８３の中か
ら稼動させる吸着塔の数を決めると共に、エアコンプレ
ッサ１３の能力を制御するので、酸素富化空気の設定量
に応じた酸素富化空気量を生成すると共に、流量設定器
４８の設定量が少ないときにはインバータ装置６３の周
波数を下げ、エアコンプレッサ１３の能力を下げること
により消費電力が小さくなる。これにより、エアコンプ
レッサ１３の消費電力を流量設定器４８の設定量に見合
ったものにすることができる。

【００４１】また、流量設定器４８を少ない設定量で使
用する場合、騒音値（運転音）を低減できると共に、エ
アコンプレッサ１３の寿命を長くすることができる。

【００４２】さらに、稼動率の低い吸着塔では吸着剤の
寿命が長くなり、吸着剤の交換時期を長くして交換作業
の手間を削減することができる。

【００４３】以上、一実施形態に基づいて本発明を説明
したが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００４４】本実施形態では２つの吸着塔群を有し、こ
れらの吸着塔群に３つの吸着塔を設けているが、各吸着
塔群に２つの吸着塔、あるいは４つ以上の吸着塔を設け
ても良く、濃縮酸素供給装置の能力に合わせて吸着塔の
数や吸着塔の大きさ（吸着剤の量）を変えるようにして
も良い。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の濃縮酸素
供給装置は、吸着剤が封入された複数の吸着塔を並列に
接続した複数の吸着塔群と、これら吸着塔群を並列に接
続し吸着行程及び分離行程を切り換える流路制御手段
と、これら吸着塔群に空気を圧送するためのエアコンプ
レッサと、吸着塔群で生成される酸素富化空気の吐出量
を設定する流量設定器とを備え、流量設定器の設定量に
応じて、複数の吸着塔の中から稼動させる吸着塔の数を
決めると共に、エアコンプレッサの能力を制御するの
で、設定量に応じた酸素富化空気量を生成すると共に、
エアコンプレッサの消費電力を設定量に見合ったものに
でき省エネ運転をすることができる。

【００４６】また、稼動率の低い吸着塔では吸着剤の寿
命が長くなり、吸着剤の交換時期を長くして交換作業の
手間を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における濃縮酸素供給装置
の側断面図である。

【図２】図１の酸素富化空気生成部の配管経路図であ
る。

【図３】図１の濃縮酸素供給装置の電気的構成を示すブ
ロック図である。

【符号の説明】

１ 濃縮酸素供給装置 １３ エアコンプレッサ １７ 五方弁（流路制御手段） ４８ 流量設定器 ５４ 吸着剤 ６１ 制御装置 ６３ インバータ装置 ７０、８０ 吸着塔群 ７１、７２、７３、８１、８２、８３ 吸着塔 ７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂ、７８ａ、７８ｂ 電
磁弁 ８６ａ、８６ｂ、８７ａ、８７ｂ、８８ａ、８８ｂ 電
磁弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 播磨 和彦 栃木県足利市大月町１番地 三洋電機空調 株式会社内 (72)発明者 関上 邦衛 栃木県足利市大月町１番地 三洋電機空調 株式会社内 (72)発明者 中山 敏男 栃木県足利市大月町１番地 三洋電機空調 株式会社内 (72)発明者 二見 健太郎 栃木県足利市大月町１番地 三洋電機空調 株式会社内 (72)発明者 山田 和三 栃木県足利市大月町１番地 三洋電機空調 株式会社内 (72)発明者 野口 博司 栃木県足利市大月町１番地 三洋電機空調 株式会社内 Ｆターム(参考） 4D012 BA02 CA05 CB16 CD07 CE01 CF02 CF10 CG01 CH01 CH03 CJ03 4G042 BA15 BB02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気中の窒素を吸着・分離可能な吸着剤
   が封入された複数の吸着塔を並列に接続した複数の吸着
   塔群と、これら吸着塔群を並列に接続すると共に一方の
   吸着塔群を吸着行程とし他方の吸着塔群を分離行程とし
   て切り換える流路制御手段と、これらの吸着塔群に空気
   を圧送するためのエアコンプレッサと、吸着塔群で生成
   される酸素富化空気の吐出量を設定する流量設定器とを
   備えた濃縮酸素供給装置において、 前記流量設定器の設定量に応じて、稼動させる吸着塔の
   数を決定すると共に、前記エアコンプレッサの能力を制
   御することを特徴とする濃縮酸素供給装置。
2. 【請求項２】 前記吸着塔群の各吸着塔への空気の流れ
   を制御する電磁弁を設け、この電磁弁の開閉によって稼
   動させる吸着塔を決めることを特徴とする請求項１に記
   載の濃縮酸素供給装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の電磁弁は前記各吸着塔
   の流入口及び流出口にそれぞれ設けられることを特徴と
   する請求項２に記載の濃縮酸素供給装置。
4. 【請求項４】 前記エアコンプレッサの能力はインバー
   タ装置によって制御されることを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれかに記載の濃縮酸素供給装置。