JP2003126261A - 医療用酸素濃縮装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 商用電源周波数が50Hz、60Hzのいずれの地域
での使用においても、同一機種でほぼ同等の運転条件ま
たは性能を有する圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供
し、さらに運転条件の最適化による酸素濃縮の効率向上
と装置の電力低減を目的とする。 【解決手段】 圧力変動吸着型の酸素濃縮装置におい
て、使用者に供給する酸素濃縮空気の流量を設定する流
量設定手段を備え、流量設定値に基づいて、吸着床にお
ける原料空気の吸着及び脱着再生のサイクルを周期的に
切り替える切り替え弁を制御する制御手段を備えること
を特徴とする医療用酸素濃縮装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気中の酸素を分
離して使用者に供給する酸素濃縮装置に関する。更に詳
細には、慢性呼吸器疾患患者などに対して行われる酸素
吸入療法に使用する医療用酸素濃縮装置であり、酸素よ
りも窒素を優先的に吸着する吸着剤を用いた圧力変動吸
着型の酸素濃縮器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、喘息、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増加する傾向にあ
るが、その治療法として最も効果的なもののひとつに酸
素吸入療法がある。かかる酸素吸入療法とは、酸素ガス
あるいは酸素富化空気を患者に吸入させるものである。
その供給源として、酸素濃縮装置、液体酸素、酸素ガス
ボンベ等が知られているが、使用時の便利さや保守管理
の容易さから、在宅酸素療法には酸素濃縮装置が主流で
用いられている。

【０００３】酸素濃縮装置は空気中の約２１％の酸素を
分離濃縮して供給する装置であり、酸素を選択的に透過
する酸素富化膜を用いた膜式酸素濃縮装置と、窒素また
は酸素を優先的に吸着しうる吸着剤を用いた圧力変動吸
着型酸素濃縮装置があるが、本発明は圧力変動吸着型酸
素濃縮装置について改善を加えるものである。

【０００４】従来の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の主な
ものには、コンプレッサを用いた圧力変動吸着型酸素濃
縮装置がある。かかる装置は通常、窒素を優先的に吸着
し得る吸着剤を充填した吸着床にコンプレッサで加圧し
た圧縮空気を導入し、加圧状態で窒素を吸着することに
より酸素濃縮気体を得る吸着工程と、吸着床内の圧力を
減じて吸着床の再生を行う脱着工程を交互に行うことに
より酸素濃縮気体を得るものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】在宅酸素療法において
は、酸素濃縮装置はほぼ毎日24時間運転されることが多
く、安全性や信頼性はもちろんのこと、小型で、電気代
が少なくてすむ低消費電力型の装置が望まれている。一
般に酸素濃縮装置の電力の大半はコンプレッサが費やし
ており、空気圧縮量を抑えてコンプレッサの仕事を減ら
すことが装置全体の電力低減に非常に有効である。さら
に最小限の原料空気量で必要な酸素濃度を得るには、吸
脱着のサイクルタイムの適切な選択が欠かせない。特に
在宅酸素療法用の酸素濃縮装置は、数秒から十数秒の比
較的短時間の吸着工程を採用していることが多く、吸脱
着のサイクルタイムが性能に影響しやすい。

【０００６】このような医療用酸素濃縮装置は、通常一
般家庭の商用電源からその動力を供給できるように設計
されている。そのため、わが国のように商用電源周波数
が50Hzと60Hzの地域に分かれていることは、酸素濃縮装
置の供給において重要な問題となっている。特に、空気
圧縮手段や吸着システムのサイクルタイムを制御する切
り替え弁手段のモータが電源周波数の違いによって回転
数が異なる場合、同一機種でも運転条件が異なり性能に
差異が生じる。従って同一機種で同時に性能・効率の良
い最適運転条件を実現することができず、例えばいずれ
かの電源周波数に対して最適な条件を定めても、別の電
源周波数帯では酸素濃度の低下や消費電力の上昇が懸念
される。もちろん電源周波数50Hz用と60Hz用の機台分け
を行うことも有用であるが、装置の管理が煩雑であり、
またコストアップの要因にもなり得る。

【０００７】さらにモータの回転数が商用電源周波数に
よって決まる場合、製品ガスの設定流量によらず常に同
じ回転数で駆動するため、濃縮酸素1L供給時も3L供給時
も同程度の電力を必要とした。しかし通常吸着システム
の最適運転条件は製品ガスの流量によって異なり、運転
条件を詳細に設定できるか否かが効率的な酸素濃縮の鍵
となっている。

【０００８】上記のような問題を解決する手段として、
空気圧縮手段をインバータ制御する方法が行われてきた
（特開平5-329321号公報、特開2001-179030号公報）。
すなわち出力周波数を任意に設定できるインバータによ
り、原料空気量を任意の条件に応じて制御するものであ
る。しかし吸着システムのサイクルタイムを併せて制御
する手法はなく、50Hz、60Hz両用機台での高効率化およ
び電力低減化にはさらなる技術改良の余地がある。

【０００９】本発明は、商用電源周波数が50Hz、60Hzの
いずれの地域での使用においても、同一機種でほぼ同等
の運転条件または性能を有する圧力変動吸着型酸素濃縮
装置を提供し、さらに運転条件の最適化による酸素濃縮
の効率向上と装置の電力低減を目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、かかる問題
点を解決するために鋭意研究した結果、以下の酸素濃縮
装置を見出した。すなわち本発明は、酸素よりも窒素を
優先的に吸着する吸着剤を充填した少なくとも1個の吸
着床と、該吸着床に原料空気を供給する空気供給手段
と、該吸着床から生成した酸素濃縮空気を使用者に供給
する酸素供給手段と、該吸着床における原料空気の吸着
及び脱着再生のサイクルを周期的に切り替える切り替え
弁を備えた圧力変動吸着型の酸素濃縮装置において、使
用者に供給する酸素濃縮空気の流量を設定する流量設定
手段を備え、該切り替え弁手段が該流量設定手段の設定
値に基づいて吸着サイクルを制御する制御手段を備える
ことを特徴とする医療用酸素濃縮装置を提供するもので
ある。

【００１１】また本発明は、かかる切り替え弁手段がス
テッピングモータで駆動するロータリーバルブであり、
該制御手段が該ステッピングモータの回転数を制御する
手段であることを特徴とする医療用酸素濃縮装置、更に
はかかる空気圧縮手段が、回転数を任意に制御する駆動
回路を有したモータにより駆動するコンプレッサである
ことを特徴とする医療用酸素濃縮装置を提供するもので
ある。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の医療用酸素濃縮装置は、
酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を充填した少
なくとも1個の吸着床と、該吸着床に原料空気を供給す
る空気供給手段と、該吸着床から生成した酸素濃縮空気
を使用者に供給する酸素供給手段と、該吸着床における
原料空気の吸着及び脱着再生のサイクルを周期的に切り
替える切り替え弁を備える。

【００１３】かかる切り替え弁は、設定された製品ガス
流量に対してそれぞれ吸着床の吸脱着工程のサイクルタ
イムを切り替え制御することにより、高性能で効率の良
い酸素濃縮装置を提供することができる。特に上記切り
替え弁手段をステッピングモータによって駆動するロー
タリーバルブであり、ステッピングモータの回転数を制
御することにより、使用する電源周波数によらずに吸脱
着のサイクルタイムを任意に制御することができる。

【００１４】ステッピングモータの回転は交流電源の周
波数には無関係で、直流のパルス信号によって制御さ
れ、回転数は与えるパルス信号の周期によって決まる。
さらにステッピングモータは、特に遅い回転数における
トルクが強く、安定しているという特徴があり、吸着床
の切り替え弁の制御に用いるのに非常に適している。従
って、ステッピングモータを使用することで、製品ガス
の設定流量に応じた任意の回転数、すなわち任意の吸着
システムのサイクルタイムを容易に設定することができ
る。

【００１５】さらに電源周波数によらずに同等の性能を
提供する酸素濃縮装置のためには、吸着床に圧縮空気を
供給する空気圧縮手段についても電源周波数に関わらず
に任意に制御できることが好ましい。回転数を任意に制
御可能な駆動回路を有した空気圧縮手段と、ステッピン
グモータの使用により、電源周波数に関わらずに制御が
行え、また運転条件を細かく設定することも非常に容易
になり、全流量で同じ運転条件を採用してきた従来の酸
素濃縮装置に比べ、高効率で電力低減効果の高い酸素濃
縮装置の供給を可能にする。

【００１６】かかる駆動回路にはインバータ機能を備え
たものが使用される。切り替え弁を駆動するモータをか
かるインバータ電源で駆動させる手段も存在するが空気
圧縮手段の駆動モータ制御と同じ装置で制御するには困
難な面が多く、２つのインバータを備えるとコストが嵩
むなど問題点が多い。

【００１７】本発明による圧力変動吸着型酸素濃縮装置
は、商用周波数の異なる地域での使用においても、同一
機種においてほぼ同一の運転条件あるいは性能を実現で
き、機器の管理を容易にするものである。さらに各製品
ガス流量に対し、吸着床に供給する圧縮空気量および吸
着のサイクルタイムを任意に設定できるため、各流量で
の最適運転条件を実現することによる性能・効率の向上
と、低流量運転時の大幅な省エネ効果が期待できる。

【００１８】

【実施例】本発明の具体的実施例を図面を用いて更に詳
細に説明する。

【００１９】本発明の医療用酸素濃縮装置は、図１に概
略構成を示すように、酸素よりも窒素を優先的に吸着す
る吸着剤として５Ａ型ゼオライトを充填した吸着床と、
該吸着床に圧縮空気を供給するコンプレッサと、該吸着
床で濃縮された酸素濃縮気体を貯留しておくためのサー
ジタンクと、患者に供給する酸素濃縮空気の流量を設定
する流量設定手段を有し、該吸着床における原料空気の
吸着及び脱着再生のサイクルを周期的に切り替えるロー
タリーバルブを備えた圧力変動吸着型の酸素濃縮装置で
ある。かかる実施例では2本の吸着床を用いたが、この
吸着床は1本でも、複数であってもよい。図1において、
流量設定手段の設定値を設定流量検知手段13により検知
し、インバータ出力制御基板14とステッピングモータ制
御基板15に設定流量に応じた出力をする。この流量に対
して予め設定された回転数で駆動するよう、インバータ
出力制御基板14は、コンプレッサ4に交流電源6の周波数
をインバータ5により変換して出力し、ステッピングモ
ータ制御基板15は適切な周期のパルス信号をモータに出
力する。なお、コンプレッサの駆動には、単相100V入力
のモータを用い、モータを駆動するインバータは入出力
ともに単相100Vのものを用いた。

【００２０】

【発明の効果】本発明の医療用酸素濃縮装置は、製品ガ
ス流量ごとに吸着サイクルを制御するため、各流量での
最適な条件での運転が容易に可能となる。さらに吸着サ
イクルの切り替えにステッピングモータを使用すること
で、電源周波数によらず吸着時間、脱着時間を任意に制
御できる。さらにコンプレッサに回転数を任意に制御で
きるモータを使用することで、サイクルタイムに加え、
吸着床への圧縮空気供給量を任意に設定できる。従っ
て、運転条件を詳細に設定することのできる、高性能、
高効率で、省エネ効果の高い酸素濃縮装置を医療用途と
して患者に供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の医療用酸素濃縮装置の概略構成図。

【符号の説明】

１．吸着床A ２．吸着床B ３．切り替え弁手段 ４．コンプレッサ ５．インバータ ６．加湿器 ７．自動開閉弁手段 ８．チェックバルブA ９．チェックバルブB １０．サージタンク １１．減圧弁 １２．流量設定手段 １３．設定流量検知手段 １４．インバータ出力制御基板 １５．ステッピングモータ制御基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着
   剤を充填した少なくとも1個の吸着床と、該吸着床に原
   料空気を供給する空気供給手段と、該吸着床から生成し
   た酸素濃縮空気を使用者に供給する酸素供給手段と、該
   吸着床における原料空気の吸着及び脱着再生のサイクル
   を周期的に切り替える切り替え弁を備えた圧力変動吸着
   型の酸素濃縮装置において、使用者に供給する酸素濃縮
   空気の流量を設定する流量設定手段を備え、該切り替え
   弁手段が該流量設定手段の設定値に基づいて吸着サイク
   ルを制御する制御手段を備えることを特徴とする医療用
   酸素濃縮装置。
2. 【請求項２】 該切り替え弁手段がステッピングモータ
   で駆動するロータリーバルブであり、該制御手段が該ス
   テッピングモータの回転数を制御する手段であることを
   特徴とする請求項1に記載の医療用酸素濃縮装置。
3. 【請求項３】 該空気圧縮手段が、回転数を任意に制御
   する駆動回路を有したモータにより駆動するコンプレッ
   サであることを特徴とする請求項１，２記載の医療用酸
   素濃縮装置。