JP2003146621A - 酸素濃縮器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温時においても充分な起動トルクを発生さ
せ、安定して起動するコンプレッサ誘導電動機制御装置
を備えた酸素濃縮装置を提供する。 【解決手段】 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着
剤を充填した吸着筒と該吸着筒に空気を供給する為の電
動機駆動の空気圧縮手段を備えた酸素濃縮装置におい
て、該空気圧縮手段の電動機回転数と電動機への印加電
圧を、時間的に制御する制御手段を備えることを特徴と
する酸素濃縮装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気中から酸素を
分離し濃縮する医療用の酸素濃縮装置に関する。更に詳
細には、酸素濃縮装置の気体圧縮手段（以後、コンプレ
ッサとも称す）用の電動機を制御する事により、使用者
に対して安定した濃度、流量で酸素濃縮空気を供給する
事が出来る酸素濃縮装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎な
どの呼吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向がある
が、その最も効果的な治療法の一つとして酸素吸入療法
があり、空気中から酸素濃縮気体を直接分離する酸素濃
縮装置が開発され、使用時の利便性、保守管理の容易さ
から酸素吸入療法用の治療装置として、次第に普及する
ようになってきている。

【０００３】かかる酸素濃縮装置として、窒素を選択的
に吸着し得る吸着剤を１個或いは、複数の吸着床に充填
した吸着型酸素濃縮装置が知られ、中でも空気供給手段
としてコンプレッサを用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装
置が多用されている。かかる装置は、通常、窒素を選択
的に吸着し得る吸着剤を充填した１個或いは複数の吸着
床にコンプレッサから圧縮空気を供給して加圧状態で窒
素を吸着させることにより酸素濃縮気体を得る吸着工程
と、吸着床の内圧を減少させて窒素を脱着させ吸着剤の
再生を行う脱着工程を一定サイクルで繰り返し行い、更
に必要に応じて、脱着工程終了直前に、既に生成した乾
燥酸素濃縮気体を一部逆流させ再生効率の向上と昇圧を
目的とする均圧工程を加えて、順次一定サイクルで行う
ことにより酸素濃縮気体を得る装置である。

【０００４】近年、半導体集積技術の飛躍的進歩により
信頼性の高い小型インバータが汎用化している。インバ
ータは電圧と周波数を制御することでトルク一定での回
転数制御が行えることにより比較的安価な誘導モータを
用いて精度の高いプロセス制御機器が実現でき、現在、
広く実用化されている。一方、在宅医療分野において適
用される機器は商用交流電源で使用するものが殆どであ
るが、一般家庭用電源にて使用できるインバータが汎用
的でないこと、またそのために開発コストが高くなるこ
とやインバータ機器は高調波ノイズを発生しやすいなど
の理由によりインバータが使用されることは少なかっ
た。そのため、現在まで在宅などで使用される医療用酸
素濃縮装置に使用されているコンプレッサは、全て商用
交流電源により直接誘導モータを駆動する方式である。

【０００５】しかし、最近のＥＭＣ対策技術の進歩によ
り、インバータ使用時においても医療規格を充分満足で
きるようになり、インバータ機器を組み込んだ酸素濃縮
装置を製作できるようになってきた。かかる技術を利用
して、５０Hz,６０Hzの地域による周波数の違いの問題
を解決する為、交流電源を直流化し更に交流に変換する
インバータ搭載の酸素濃縮装置も考えられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】通常、酸素濃縮装置の
始動時にはコンプレッサ用誘導モータを起動する。かか
る装置においては、この起動時に最も電力を必要とし、
特に周囲温度が低温時にはこの必要電力が増大する傾向
にある。そのため、コンプレッサ用誘導モータのコンデ
ンサは、起動時の電力を確保する為に大きな容量とし、
モータが安定回転になる一定時間後モータ回転に必要な
容量のコンデンサを残して起動時に使用したコンデンサ
を切り離すことを行っているのが一般的である。しか
し、このような制御を行なう為には回路が複雑となり、
また大きなコンデンサが必要であった。

【０００７】本発明は、かかる状況を鑑みてなされたも
ので、コンプレッサ用誘導モータ起動時のみ一定時間大
きな電力を供給することを目的としたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者はかかる問題に
対して鋭意検討した結果、以下の酸素濃縮装置を見出し
た。すなわち本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着
する吸着剤を充填した吸着筒と該吸着筒に空気を供給す
る為の商用交流電源を使用する誘導電動機駆動の空気圧
縮手段を備えた酸素濃縮装置において、該空気圧縮手段
の電動機回転数と電動機への印加電圧を、時間的に制御
する制御手段を備え、該制御手段がインバータ手段、位
相制御整流手段、及びパルス幅変調手段を備え、該誘導
電動機の起動時に、該誘導電動機へ供給する電源の周波
数及び印加電圧を制御する手段であることを特徴とする
酸素濃縮器を提供するものである。

【０００９】また本発明は、かかる制御手段が、該誘導
電動機の起動時の所定時間、電動機に供給する電源の周
波数を漸増するとともに、定常運転時における印加電圧
よりも大きくする手段であることを特徴とするものであ
り、特に該誘導電動機を起動する際の該誘導電動機に供
給する初期電源周波数を所定時間、一定周波数値に制御
する手段を備えることを特徴とする酸素濃縮装置を提供
するものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の医療用酸素濃縮装置の概
略図を図１に示す。かかる酸素濃縮装置１は、酸素より
も窒素を選択的に吸着する吸着剤として５A型ゼオライ
トを充填した吸着筒にコンプレッサ５により加圧空気を
供給し、酸素濃度９０％の酸素濃縮ガスを取り出し、サ
ージタンクに貯留した後、加湿器を経由して使用者であ
る呼吸器疾患患者に３L/minで供給する１筒式の圧力変
動吸着型酸素濃縮装置である。

【００１１】酸素濃縮装置１を駆動するための単相１０
０Ｖの商用交流電源２を使用し、単相の誘導モータ４に
よりコンプレッサ５を駆動させ、加圧空気を吸着筒に供
給すると共に、単相誘導モータ４の回転を制御するイン
バータ３、交流電源を直流に変換する位相制御整流器
７、電源の電圧値から所定の電力となるパルス幅設定値
を演算してインバータ３に出力するためのパルス幅変調
調節器６を備える。

【００１２】空気圧縮手段の電動機回転数と電動機への
印加電圧を、時間的に制御する制御手段は、インバー
タ、位相制御整流器、及びパルス幅変調器を備え、該誘
導電動機の起動時の所定時間、電動機に供給する電源の
周波数を漸増するとともに、定常運転時における印加電
圧よりも大きくする手段である。

【００１３】酸素濃縮器１に用いる商用交流電源２は日
本では単相１００Ｖで周波数に関しては地域別に５０Ｈ
ｚと６０Ｈｚの２種類が存在する。誘導モータ４の回転
に対し、この周波数の違いの影響を除去するため位相制
御整流器を介し直流に変換する。

【００１４】通常、誘導モータ４は、設定トルク毎のト
ルクが一定となる特性を表すＶ／Ｆカーブ（電圧／周波
数曲線）という関係が成り立つように、設定回転数に対
応した電圧と周波数を制御することにより駆動する。本
発明の酸素濃縮装置のパルス幅変調調節器６では、該電
動機起動時に通常のＶ／Ｆカーブで規定される電圧より
大きな出力電圧を一定時間の間発生する。この出力電圧
および一定時間は設定可能で、あらかじめ設定してお
く。本実施例で使用したキャリア周波数は１８ｋＨｚの
ものを使用した。

【００１５】尚、電源の周波数を漸増するとは、Ｖ／Ｆ
特性のＦが起動時漸増する機能をさし、電動機の起動時
に、通常は一定のV／Ｆ特性を、周波数（モータ回転
数）を漸増、電圧は通常より大きく一定とすること（す
なわちモジュレーションを大きくすること）を意味す
る。本実施例では起動時の加速度を規定し、0.5秒で0〜
1,400ｒｐｍ(2,800rpm／sec)で直線状に増加させる。

【００１６】印加電圧は、本実施例の装置では、V／Ｆ
カーブを直線状にし、印加電圧Vを１００Ｖ（100%）か
ら１５０Ｖ（150%）が好ましい。モータの特性により異
なるが、本実施例のモータでは150%、4秒間が好まし
い。これ以上の時間延長は、モータの焼損につながりま
す。

【００１７】同一の誘導モータ４とコンプレッサ５を使
用し、同一条件（吐出圧１．２ｋｇｆ／ｃｍ²、回転数
１１７０ｒｐｍ）でコンプレッサを駆動させ、起動時、
Ｖ／Ｆカーブに規定される出力電圧で起動できる周囲温
度と、起動時、４秒間、モジュレーションを１００％に
設定して起動できる周囲温度を測定した。Ｖ／Ｆカーブ
に規定される出力電圧で起動できる周囲温度は３℃、起
動時、４秒間、モジュレーションを１００％に設定して
起動できる周囲温度はー５℃であった。これにより、周
囲温度が低温でも起動できるコンプレッサ、及びそれを
搭載した酸素濃縮装置を提供する事が可能となる。

【００１８】一方、直流電源、直流モータを使用した場
合についても、同様の効果を有する酸素濃縮装置を実現
する事が可能となる。即ち、例えば起動時の一定時間、
同様にモジュレーションを上げて、モータへの供給電力
が大きくなるように制御することにより、周囲温度が低
温でも起動できる制御システムが実現できる。

【００１９】

【発明の効果】本発明は、上述の如く、酸素濃縮器のコ
ンプレッサ用モータを周波数の違いや周囲温度が低温で
あっても、コンプレッサから安定して所定の設定流量の
空気を供給できるものであり、また患者ごとに必要な所
定の酸素量を設定して供給できることから、冬季の早朝
のように寒いときでも酸素濃縮器をすぐに使用でき、省
電力にもなることからコンプレッサの制御方法において
その効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸素濃縮器内部構成のブロック図である。

【図２】モジュレーション／周波数カーブを表すグラフ
である。

【図３】コンプレッサ起動時のインバータ出力周波数と
出力モジュレーションの時間変化を表すグラフの一例で
ある。

【符号の説明】

１ 酸素濃縮器 ２ 商用交流電源 ３ インバータ ４ 誘導電動機 ５ コンプレッサ ６ パルス幅変調調節器 ７ 位相制御整流器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西崎 芙美 山口県岩国市日の出町２番１号 帝人株式 会社医療岩国製造所内 Ｆターム(参考） 4D012 CA05 CD07 CE01 CF02 CF10 CG01 CJ03 4G042 BA15 BA38 BB02 BC04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着
   剤を充填した吸着筒と該吸着筒に空気を供給する為の商
   用交流電源を使用する誘導電動機駆動の空気圧縮手段を
   備えた酸素濃縮装置において、該空気圧縮手段の電動機
   回転数と電動機への印加電圧を、時間的に制御する制御
   手段を備え、該制御手段がインバータ手段、位相制御整
   流手段、及びパルス幅変調手段を備え、該誘導電動機の
   起動時に、該誘導電動機へ供給する電源の周波数及び印
   加電圧を制御する手段であることを特徴とする酸素濃縮
   器。
2. 【請求項２】 該制御手段が、該誘導電動機の起動時の
   所定時間、電動機に供給する電源の周波数を漸増すると
   ともに、定常運転時における印加電圧よりも大きくする
   手段であることを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮装
   置。
3. 【請求項３】 該制御手段が、該誘導電動機を起動する
   際の該誘導電動機に供給する初期電源周波数を所定時
   間、一定周波数値に制御する手段を備えることを特徴と
   する請求項２記載の酸素濃縮装置。