JP2003286009A - 酸素濃縮器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 所定の酸素濃度の酸素濃縮気体を、長期にわ
たり安定して供給することができる酸素濃縮器を提供す
ること。 【解決手段】 ステップ２００にて、加圧時の酸素濃度
の変化量を求める。続くステップ２１０では、今回の変
化量と前回の変化量とを比較する。ここで、今回の変化
量が前回の変化量未満であると判定されるとステップ２
２０に進み、一方、今回の変化量が前回の変化量以上で
あると判定されるとステップ２３０に進む。ステップ２
２０では、今回の変化量が前回の変化量未満であるの
で、標準加圧時間を増加する処理を行う。一方、ステッ
プ１３０では、今回の変化量が前回の変化量以上である
ので、標準加圧時間を減少する処理を行う。そして、こ
のステップ２００〜２３０の処理を繰り返して実施し、
両吸着筒１７、１８において、加圧時の変化量が前回と
の差が無くなるまで実施し、加圧時間を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば空気中から
窒素を吸着して除去することにより、高濃度の酸素を製
造して、例えば慢性的肺疾患の患者等に供給する医療用
の酸素濃縮器や、例えば、殺菌、脱臭、脱色などに利用
するオゾンガスを供給するためなどに用いられる酸素濃
縮器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、医療用や産業用などに、空気
中から高濃度の酸素を製造する酸素濃縮器が使用されて
いる。前記酸素濃縮器では、空気中の窒素を選択的に吸
着するゼオライト系の吸着剤を吸着筒に充填し、その吸
着筒内の吸着剤を加圧することにより、空気中の窒素を
吸着剤に吸着させて酸素を分離している。また、吸着剤
に加える圧力を低減することにより、吸着剤に吸着され
た窒素を放出させて吸着剤の再生を行っている。

【０００３】この種の酸素濃縮器としては、吸着剤を入
れた吸着筒を２筒用い、コンプレッサを駆動して、各吸
着筒内を交互に加圧、減圧することにより、連続的に高
濃度の酸素（酸素濃縮気体）を得る圧力変動型の装置が
知られている。前記圧力変動型の酸素濃縮器では、空気
を送り込む量（空気量）からコンプレッサを選定した後
に、吸着筒に対する加圧圧力、又は加圧時間を所定値に
制御し、加圧・減圧を繰り返すことにより、求める流量
の酸素濃縮気体を効率的に得ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した圧
力変動型の酸素濃縮器においては、加圧により送り込ま
れる主に水分などの影響により、吸着剤が徐々に経時変
化するとともに、窒素の吸着量が落ちてしまい、加圧圧
力が所定の圧力になっても、十分な酸素を分離できない
という問題があった。

【０００５】また、一定の時間加圧する時間制御の場合
も同様に、吸着剤の経時変化により、所定の時間空気を
送り込んでも、十分な酸素が得られず、濃度低下を招く
ことがあり、産業用や医療用の分野でも、一層の改善が
求められていた。本発明は、前記課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、所定の酸素濃度の酸
素濃縮気体を、長期にわたり安定して供給することがで
きる酸素濃縮器を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】（１）請
求項１の発明は、吸着剤に圧縮空気を送り、前記空気中
の窒素を前記吸着剤に吸着させて除去することにより、
前記空気中から酸素を濃縮して酸素濃縮気体を製造する
酸素濃縮器に関するものであり、本発明では、前記酸素
濃縮気体の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段（例え
ば酸素センサ）と、前記酸素濃度測定手段によって測定
された酸素濃度に基づいて、前記酸素濃縮気体の酸素濃
度の調節を行う動作制御手段（例えばマイクロコンピュ
ータ）と、を備えたことを特徴としている。

【０００７】本発明では、酸素測定手段により、吸着容
器から供給される酸素濃縮気体の酸素濃度を測定し、そ
の測定された酸素濃度に基づいて、動作制御手段によ
り、酸素濃縮気体の酸素濃度の調節を行うので、所望の
酸素濃度の酸素濃縮気体を容易に得ることができる。

【０００８】つまり、従来の様に、単に定圧力制御や定
時間制御を行うだけでは、水分などの影響による吸着剤
の経時変化によって、十分な酸素が得られないことがあ
るが、本発明では、酸素濃度を検出して、例えばコンプ
レッサや（吸着剤に空気を供給する状態を切り換える）
切換弁の動作、或いは加圧時間や加圧圧力などの酸素濃
縮器の動作を制御することにより、酸素濃度を調節でき
るので、たとえ吸着剤に経時変化が生じている場合で
も、常に必要な酸素濃度の酸素濃縮気体を供給できる。

【０００９】これにより、所望の酸素濃度の酸素濃縮気
体を、長期にわたり安定して供給することができるとい
う顕著な効果を奏する。 （２）請求項２の発明では、前記動作制御手段により、
前記酸素濃度測定手段によって測定された酸素濃度に基
づいて、前記酸素濃縮気体の酸素濃度が、所定の酸素濃
度以上となるように制御することを特徴とする。

【００１０】本発明は、酸素濃度を調節する内容を例示
したものである。本発明では、測定された酸素濃縮に基
づいて、酸素濃縮気体の酸素濃度が、所定の酸素濃度以
上となるように制御するので、常に必要な酸素濃度を実
現できるという効果がある。

【００１１】（３）請求項３の発明では、前記動作制御
手段により、前記空気を加圧する加圧状態を制御するこ
とを特徴とする。本発明では、空気を加圧する加圧状態
（例えば加圧時間や加圧圧力）を制御することにより、
窒素の吸着状態を変更できるので、酸素濃度を容易に調
節することができる。

【００１２】例えば酸素濃度が低い場合には、加圧時間
を長く（或いは加圧圧力を高く）することにより、酸素
濃度を高めることができる。 （４）請求項４の発明では、前記動作制御手段により、
前記空気を加圧する加圧時間を制御することを特徴とす
る。

【００１３】本発明では、空気を加圧する加圧時間を制
御することにより、酸素濃度を容易に調節することがで
きる。例えば酸素濃度が低い場合には、加圧時間を長く
することにより、酸素濃度を高めることができる。 （５）請求項５の発明では、前記動作制御手段により、
前記空気を加圧する加圧状態と前記空気を加圧する加圧
時間とを制御することを特徴とする。

【００１４】本発明は、前記請求項３の発明と請求項４
の発明とを組み合わせたものであり、これにより、一層
好適に常に高い酸素濃度を実現することができる。 （６）請求項６の発明では、前記酸素濃度検出手段を、
前記吸着剤の下流側に配置したことを特徴とする。

【００１５】本発明は、酸素濃度検出手段の配置位置を
例示したものである。つまり、吸着剤（従って吸着容
器）の下流側に酸素濃度検出手段を配置することによ
り、吸着剤を用いて製造された酸素濃縮気体の酸素濃度
を正確に検出することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の酸素濃縮器の実施
の形態の例（実施例）を、図面を参照して説明する。 （実施例１）本実施例では、空気中から窒素吸着剤（以
下吸着剤と記す）を用いて窒素を吸着して除去すること
により酸素を濃縮し、この高濃度の酸素を含む酸素濃縮
気体を患者に対して供給する圧力変動吸着型の医療用酸
素濃縮器（以下酸素濃縮器と記す）を例に挙げる。

【００１７】ａ）まず、本実施例の酸素濃縮器の機能を
実現するための各構成について説明する。 図１に示す様に、酸素濃縮器１は、その空気の導入路
３に、上流側より、空気取入口５、防塵フィルタ７、吸
気フィルタ９、吸気マフラ１０、コンプレッサ１１、熱
交換器１３、圧力センサ１４、一対の三方向切替弁（第
１切替弁１５、第２切替弁１６）、及び吸着剤を充填し
た一対の吸着筒（第１吸着筒１７、第２吸着筒１８）が
設けられている。尚、コンプレッサ１１及び熱交換器１
３の近傍には、シロッコファン１９が配置されている。

【００１８】また、一対の吸着筒１７、１８から窒素を
排気する排気路２１には、断続的な排気音を消すサイレ
ンサ２３が設けられている。更に、一対の吸着筒１７、
１８から、酸素濃縮気体を供給する供給路２７の構成と
して、その上流側から、両吸着筒１７、１８間の圧力を
調節する二方弁である均圧弁２９、酸素濃縮気体の逆流
を防止する一対の逆止弁３０、酸素濃縮気体を溜める製
品タンク３１、酸素濃縮気体の圧力を調節する圧力調整
器３３、酸素濃縮気体の酸素濃度を検出する酸素センサ
３４、細菌等の通過を防止するバクテリアフィルタ３
５、酸素濃縮気体の流量を設定するロータリスイッチで
ある流量設定器３７、酸素濃縮気体を加湿する加湿器３
９、及び酸素出口４１が設けられている。

【００１９】尚、これとは別に、圧力が上昇し過ぎると
好ましくないため、コンプレッサ１１により供給する圧
力や吸着筒１７、１８内の圧力が、所定の基準値（例え
ば２７４．６ｋＰａ）以上になると圧力を開放して調整
する調圧機構（図示せず）が設けられている。

【００２０】また、本実施例の酸素濃縮器１には、騒
音を防止する構成として、図中の点線で示すように、ス
チールボックス（金属ケース）５３を備えるとともに、
図中の実線で示す様に、それらを覆う外装ケース５５を
備えている。このうち、金属ケース５３は、金属板の内
側を、振動吸収ゴム及び吸音材で内貼りしたものであ
り、吸気フィルタ９、吸気マフラ１０、コンプレッサ１
１、熱交換器１３、切替弁１５、シロッコファン１９、
サイレンサ２３等の周囲を覆っている。

【００２１】特に本実施例では、図２に示す様に、酸
素濃縮器１には、酸素濃縮器１の動作を制御する電子制
御装置６１が搭載されている。前記電子制御装置６１
は、周知のマイクロコンピュータ（マイコン）６３を備
え、その入力部６５には、流量設定器３７、酸素センサ
３４などが接続され、その出力部６７には、コンプレッ
サ１１、シロッコファン１９、三方向切換弁１５、１
６、均圧弁２９等が接続されている。

【００２２】従って、電子制御装置６１には、流量設定
器３７により設定された設定流量や、酸素センサ３４に
より検出された酸素濃度を示す信号が入力する。また、
電子制御装置６１からは、コンプレッサ１１やシロッコ
ファン１９の動作を制御する制御信号が出力されるとと
もに、三方向切換弁１５、１６や均圧弁２９などの動作
を制御する制御信号が出力される。

【００２３】上述した構成を備えた本実施例の酸素濃
縮器１では、第１吸着筒１７及び第２吸着筒１８におけ
る加圧・減圧を交互に繰り返すことにより、酸素の濃縮
及び吸着剤の再生を行う。例えば第１吸着筒１７にコン
プレッサ１１で圧縮空気を送りこみ、圧力センサ１４に
より、約１９８ｋＰａの加圧に達したことを検出した
ら、両切替弁１５、１６により切り換えを行い、加圧方
向をもう一方の第２吸着筒１８に切り換えるとともに、
第１吸着筒１７を大気側に接続し、吸着した窒素が減圧
とともに排出されるように電気的に制御する。

【００２４】そして、両吸着筒１７、１８によって、加
圧時には酸素だけを抽出し、その下流の製品タンク３
１、圧力調整器３３、バクテリアフィルタ３５、流量設
定器３７、加湿器４１を通り、酸素濃縮気体が酸素出口
４５まで供給する。これを、両吸着筒１７，１８に対し
て交互に繰り返すことにより、９０％以上の濃縮酸素を
連続的に得ることができ、更に、製品タンク３１に溜め
ることにより変動を低減して連続性を確保している。

【００２５】尚、本実施例の酸素濃縮器１は、連続ベー
ス流量が毎分５Ｌの装置であり、重量３３ｋｇ、消費電
力２２０Ｗ、運転音は３０ｄＢ以下（無響音室におい
て）である。 ｂ）次に、本実施例の要部である前記電子制御装置６１
による行われる制御処理について説明する。

【００２６】本制御処理は、各吸着筒１７、１８にて、
十分な酸素濃度が得られない場合には、吸着剤が劣化し
たと見なして、加圧時間を増加する処理である。尚、予
め実験等により、標準的な加圧時間である標準加圧時間
（例えば１２秒）を求めておく。

【００２７】図３のフローチャートに示す様に、まず、
ステップ１００にて、一方の吸着筒（例えば第１吸着筒
１７）の加圧時において、酸素センサ３４からの信号に
基づいて、第１吸着筒１７から供給される酸素濃縮気体
の酸素濃度を検出する。続くステップ１１０では、検出
された酸素濃度が、所定の基準値に達しているか否かを
判定する。ここで肯定判断されると、酸素濃度が十分で
あるので、吸着剤が劣化していないと判断して、一旦本
処理を終了する。一方否定判断されると、酸素濃度が十
分では無いので、吸着剤が劣化していると判断して、ス
テップ１２０に進む。

【００２８】尚、加圧時間が経過するにつれて酸素濃度
が上昇するので、前記判定には、例えば加圧開始から所
定時間（例えば標準加圧時間）経過した時点における酸
素濃度を用いる。ステップ１２０では、吸着剤が劣化し
ていると判断されるので、加圧時間を増加する処理を行
う。

【００２９】尚、加圧時間を過度に増加することは、コ
ンプレッサ１１の負担が増す等の問題があるので、加圧
時間には上限を設定しておく。そして、上述した処理
を、両吸着筒１７、１８に対して実施して、適切な加圧
時間を設定する。

【００３０】尚、これとは別に、酸素濃度をチェック
し、酸素濃度が所定の基準値より高い場合、例えば９３
％以上では、加圧時間を増加せず一定とする処理を行っ
て、適切な加圧時間を設定することができる。 ｃ）上述した構成による本実施例の効果について説明す
る。

【００３１】本実施例では、吸着筒１７、１８を加圧す
る場合に、吸着筒１７、１８から供給される酸素濃縮気
体の酸素濃度を常にチェックし、その酸素濃度の程度か
ら吸着剤の劣化を判定し、吸着剤が劣化している場合に
は、加圧時間を増加させて、所望の酸素濃度を実現して
いる。

【００３２】従って、本実施例では、吸着剤が劣化して
いる場合でも、所望の酸素濃度の酸素濃縮気体が得られ
るという顕著な効果を奏する。つまり、吸着剤が劣化し
た場合、従来の定時間制御では、吸着剤の劣化とともに
窒素の吸着量が減少するので、十分な酸素濃度が得られ
ないことがあるが、本実施例の様に、酸素濃度に基づい
て加圧時間を調節することにより、いつも最適に制御で
き、９０〜９５％の高濃度の酸素濃度（任意に設定可
能）の酸素濃縮気体を、長期わたり安定して得ることが
できる。

【００３３】また、本実施例では、最適な加圧時間を設
定できるので、コンプレッサ１１の負担を低減でき、消
費電力も低減できるという利点がある。 （実施例２）次に実施例２について説明するが、前記実
施例１と同様な内容の説明は省略する。

【００３４】本実施例では、前記実施例１とは、その制
御処理が異なるので、制御処理のみを説明する。本制御
処理は、各吸着筒１７、１８にて、十分な酸素濃度が得
られない場合には、吸着剤が劣化したと見なして、加圧
圧力を増加する処理である。

【００３５】尚、予め実験等により、標準的な加圧圧力
である標準加圧圧力を求めておく。図４のフローチャー
トに示す様に、まず、ステップ２００にて、一方の吸着
筒（例えば第１吸着筒１７）の加圧時において、酸素セ
ンサ３４からの信号に基づいて、第１吸着筒１７から供
給される酸素濃縮気体の酸素濃度を検出する。

【００３６】続くステップ２１０では、検出された酸素
濃度が、所定の基準値に達しているか否かを判定する。
ここで肯定判断されると、酸素濃度が十分であるので、
吸着剤が劣化していないと判断して、一旦本処理を終了
する。一方否定判断されると、酸素濃度が十分では無い
ので、吸着剤が劣化していると判断して、ステップ２２
０に進む。

【００３７】尚、加圧圧力が経過するにつれて酸素濃度
が上昇するので、前記判定には、圧力センサ１４で測定
した測定値が、例えば加圧開始から所定圧力（例えば標
準加圧圧力）となった時点における酸素濃度を用いる。
ステップ２２０では、吸着剤が劣化していると判断され
るので、圧力センサ１４で圧力を測定し、加圧圧力を増
加する処理を行う。

【００３８】尚、加圧圧力を過度に増加することは、コ
ンプレッサ１１の負担が増す等の問題があるので、加圧
圧力には上限を設定しておく。そして、上述した処理
を、両吸着筒１７、１８に対して実施して、適切な加圧
圧力を設定する。

【００３９】尚、これとは別に、酸素濃度をチェック
し、酸素濃度が所定の基準値より高い場合、例えば９３
％以上では、加圧圧力を増加せず一定とする処理を行っ
て、適切な加圧圧力を設定することができる。ｃ）上述
した構成による本実施例の効果について説明する。

【００４０】本実施例では、吸着筒１７、１８を加圧す
る場合に、吸着筒１７、１８から供給される酸素濃縮気
体の酸素濃度を常にチェックし、その酸素濃度の程度か
ら吸着剤の劣化を判定し、吸着剤が劣化している場合に
は、圧力センサ１４で圧力を測定し、加圧圧力を増加さ
せて、所望の酸素濃度を実現している。

【００４１】従って、本実施例では、吸着剤が劣化して
いる場合でも、所望の酸素濃度の酸素濃縮気体が得られ
るという顕著な効果を奏する。つまり、吸着剤が劣化し
た場合、従来の定圧力制御では、必要な高濃度の酸素が
得られる前に吸着剤の圧力が上昇するので、十分な酸素
濃度が得られないことがあるが、本実施例の様に、酸素
濃度に基づいて加圧圧力を調節することにより、いつも
最適に制御でき、９０〜９５％の高濃度の酸素濃度（任
意に設定可能）の酸素濃縮気体を、長期わたり安定して
得ることができる。

【００４２】また、本実施例では、最適な加圧圧力を設
定できるので、コンプレッサ１１の負担を低減でき、消
費電力も低減できるという利点がある。尚、本発明は前
記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要
旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうるこ
とはいうまでもない。

【００４３】例えば加圧圧力及び加圧時間の一方を制御
するのではなく、加圧圧力及び加圧時間の両方を制御し
てもよい。具体的には、例えば、吸着筒内の圧力が、所
定の基準値（例えば２７４．６ｋＰａ）以上にならない
ように調節するとともに、上述した加圧時間を調節する
制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の酸素濃縮器の基本構成を示す説明
図である。

【図２】 実施例１の酸素濃縮器の電子制御装置の電気
的構成を示す説明図である。

【図３】 実施例１の電子制御装置にて行われる制御処
理を示すフローチャートである。

【図４】 実施例２の電子制御装置にて行われる制御処
理を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１…酸素濃縮器 １１…コンプレ
ッサ １７、１８…吸着筒 １５、１６…三
方向切換弁 ３４…酸素センサ ３７…流量設定
器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D012 CA05 CD07 CE01 CE02 CF03 CF05 CF10 CG01 CH01 4G042 BA15 BB02 BC03 BC04 BC06

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸着剤に圧縮空気を送り、前記空気中の
   窒素を前記吸着剤に吸着させて除去することにより、前
   記空気中から酸素を濃縮して酸素濃縮気体を製造する酸
   素濃縮器において、 前記酸素濃縮気体の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手
   段と、 前記酸素濃度測定手段によって測定された酸素濃度に基
   づいて、前記酸素濃縮気体の酸素濃度の調節を行う動作
   制御手段と、 を備えたことを特徴とする酸素濃縮器。
2. 【請求項２】 前記動作制御手段により、前記酸素濃度
   測定手段によって測定された酸素濃度に基づいて、前記
   酸素濃縮気体の酸素濃度が、所定の酸素濃度以上となる
   ように制御することを特徴とする請求項１に記載の酸素
   濃縮器。
3. 【請求項３】 前記動作制御手段により、前記空気を加
   圧する加圧状態を制御することを特徴とする請求項１又
   は２に記載の酸素濃縮器。
4. 【請求項４】 前記動作制御手段により、前記空気を加
   圧する加圧時間を制御することを特徴とする請求項１又
   は２に記載の酸素濃縮器。
5. 【請求項５】 前記動作制御手段により、前記空気を加
   圧する加圧状態と前記空気を加圧する加圧時間とを制御
   することを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素濃縮
   器。
6. 【請求項６】 前記酸素濃度検出手段を、前記吸着剤の
   下流側に配置したことを特徴とする請求項１〜５のいず
   れかに記載の酸素濃縮器。