JP2006141896A - 酸素濃縮器 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度変化に対する対応が早く、電力の消費が少なく、使用時の騒音も低く抑え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１００にて、温度センサ６９からの信号に基づいて周囲環境温度を求める。ステップ１１０では、周囲環境温度が第１〜第３温度範囲のどの範囲にあるかを判定する。そして、周囲環境温度が第１温度範囲であるとステップ１２０に進み、コンプレッサモータ７１の回転数を基本回転数に設定する。また、周囲環境温度が第１温度範囲より低い第２温度範囲であるとステップ１３０に進み、コンプレッサモータ７１の回転数を基本回転数より３％アップさせた回転数に設定する。更に、周囲環境温度が第２温度範囲より低い第３温度範囲であるとステップ１４０に進み、コンプレッサモータ７１の回転数を基本回転数より６％アップさせた回転数に設定する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、酸素より窒素を優先的に吸着する吸着剤を用い、圧力変動吸着法により高濃度の酸素を患者等に供給する酸素濃縮器に関するものである。

従来より、高濃度の酸素を患者等に供給することができる装置として、医療用の酸素濃縮器が、在宅酸素療法などに使用されている。
この種の酸素濃縮器として、例えば酸素より窒素を優先的に吸着する吸着剤を、少なくとも１個（例えば２個）の吸着筒に充填した吸着型酸素濃縮器が知られており、なかでも酸素供給手段としてコンプレッサを用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮器が、在宅酸素療法の装置として用いられている。

前記圧力変動吸着型酸素濃縮器においては、コンプレッサによって吸着筒に空気を供給して筒内を加圧状態にすることにより、空気中の窒素を吸着剤に吸着させ、酸素を濃縮して取り出す吸着行程と、吸着筒を大気開放して減圧することにより、吸着剤から吸着窒素を脱離させて吸着剤を再生する再生行程（排気行程）とを、交互又は順次繰り返し、連続的に酸素濃縮ガスを生成している。

ところが、前記酸素濃縮器に使用する吸着剤は、酸素濃縮器が配置された周囲環境温度に応じて窒素の吸着や離脱の性能が変化して、酸素の回収率（即ち酸素濃度）が大きく変動するため、周囲環境温度によっては高い酸素濃度を得ることが困難であった。

この対策として、コンプレッサの冷却用ファンの回転数を周囲環境温度に応じて制御し、吸着筒への流入空気温度を目標温度に調節するという技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−１８８３１３号公報 （第３頁、図１）

ところが、上述した技術では、制御による動作の立ち上がりが遅いという問題があった。つまり、従来では、コンプレッサの冷却ファンの回転数を制御して流入空気の温度を調節しているので、温度変化に対する応答性が悪いという問題がある。

また、上述した技術では、基本的に、どのような温度であっても、必要な濃度の酸素を確保するために装置が構成されていると考えられるが、その場合には、コンプレッサの回転数を高めに設定する必要があるので、消費電力が大きく、騒音も大きいという問題があった。

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、温度変化に対する対応が早く、電力の消費が少なく、使用時の騒音も低く抑えることができる酸素濃縮器を提供することである。

（１）請求項１の発明は、酸素より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個の吸着筒（例えば２以上の吸着筒）と、前記吸着筒に空気を供給して加圧する空気供給手段と、前記吸着筒内の圧力の加減圧を制御する加減圧切換手段（例えば切換弁）と、を備え、前記空気から酸素濃縮ガスを生成する圧力変動吸着型の酸素濃縮器において、前記空気供給手段として、コンプレッサモータの回転数が可変のコンプレッサを用い、前記酸素濃縮器の周囲環境温度に基づいて、前記コンプレッサモータの回転数を制御することを特徴とする。

本発明では、酸素濃縮器の周囲環境温度に基づいて、コンプレッサモータの回転数を制御するので、周囲環境温度が変化した場合でも、必要な高い酸素濃度の酸素濃縮ガスを安定して供給することができる。

また、本発明では、コンプレッサモータの回転数を高めに固定する必要が無く、必要に応じて回転数の制御を行えば良いので、装置の消費電力を低減することができ、騒音も低減することができる。

更に、本発明では、例えば周囲環境温度が低下した場合には、コンプレッサモータの回転数を増加すれば良いので、従来に比べて制御の立ち上がりが早いという利点もある。
尚、前記周囲環境温度とは、酸素濃縮器が配置された周囲雰囲気の温度であり、酸素濃縮器内に導入される空気の温度ということもできる（以下同様）。

（２）請求項２の発明は、前記生成される酸素濃縮ガスの酸素濃度が所定値以上となるように、前記周囲環境温度に基づいて、前記コンプレッサモータの回転数を制御することを特徴とする。

本発明では、酸素濃度が所定値以上となるように、周囲環境温度に基づいてコンプレッサモータの回転数を制御するので、常に所定値以上の高い酸素濃度が得られる。
（３）請求項３の発明は、前記周囲環境温度が所定値より低い場合には、前記周囲環境温度が高い場合と比べて、前記コンプレッサモータの回転数を増加させることを特徴とする。

本発明は、周囲環境温度が所定値より低い場合には高い場合と比べて、コンプレッサモータの回転数を増加させる制御を行うので、常に高い酸素濃度が得られる。
（４）請求項４の発明は、酸素より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個の吸着筒と、前記吸着筒に空気を供給して加圧する空気供給手段と、前記吸着筒内の圧力の加減圧を制御する加減圧切換手段と、を備え、前記空気から酸素濃縮ガスを生成する圧力変動吸着型の酸素濃縮器において、前記酸素濃縮器の周囲環境温度に基づいて、前記吸着筒に供給する空気の流量を制御することを特徴とする。

本発明では、酸素濃縮器の周囲環境温度に基づいて、例えばコンプレッサモータの回転数を制御し、吸着筒に供給する空気の流量を制御するので、周囲環境温度が変化した場合でも、必要な高い酸素濃度の酸素濃縮ガスを安定して供給することができる。

また、本発明では、コンプレッサモータの回転数を高めに固定する必要が無く、必要に応じて空気の流量を制御すればよいので、装置の消費電力を低減することができ、騒音も低減することができる。

更に、本発明では、例えば周囲環境温度が低下した場合には、吸着筒に供給する空気の流量を増加させれば良いので、従来に比べて制御の立ち上がりが早いという利点もある。
尚、空気の流量を制御する手法としては、コンプレッサモータの回転数の制御以外に、他のコンプレッサを作動させる等の各種の手段が挙げられる。

（５）請求項５の発明は、前記生成される酸素濃縮ガスの酸素濃度が所定値以上となるように、前記周囲環境温度に基づいて、前記空気の流量を制御することを特徴とする。
本発明では、酸素濃度が所定値以上となるように、周囲環境温度に基づいて空気の流量を制御するので、常に所定値以上の高い酸素濃度が得られる。

（６）請求項６の発明は、前記周囲環境温度が所定値より低い場合には、前記周囲環境温度が高い場合と比べて、前記空気の流量を増加させることを特徴とする。
本発明は、周囲環境温度が所定値より低い場合には高い場合と比べて、空気の流量を増加させる制御を行うので、常に高い酸素濃度が得られる。

尚、前記加減圧切換手段とは、例えば、空気供給手段から吸着筒に到る流路を開閉したり、吸着筒から外界に到る流路を開閉することにより、吸着筒内の圧力の加減圧を制御するものであり、例えば（空気供給手段及び吸着筒の連通状態と、吸着筒及び外界の連通状態とを切り換える）三方向切換弁や、複数の２位置開閉弁の組み合わせ等により実現できる。

また、前記周囲環境温度は、温度センサ等を用いて周囲環境温度を直接に測定してもよいが、他の測定値に対して実験等により求めた補正を加えることにより、間接的に求めてもよい。例えばある測定地点（例えば酸素濃縮器内の所定の位置）の温度が周囲環境温度と相関関係がある場合には、ある測定地点の温度から周囲環境温度を推定してもよい。

次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について説明する。

本実施例では、空気中から、例えば窒素吸着剤としてゼオライト（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製品ガス（以下酸素濃縮ガスと記す）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。

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には、空気を外部から導入する導入路３から、空気の流路に沿って、上流側より、コンプレッサ５と、導入した空気の逆流を防止する一対の逆止弁７、９と、流路の開閉を行う電磁弁である一対の切換弁（第１切換弁１１、第２切換弁１３）と、吸着剤を充填した一対の吸着筒（第１吸着筒１９、第２吸着筒２１）とが設けられている。また、各切換弁１１、１３と各吸着筒１９、２１との間の流路２３、２５から分離した流路（分岐流路２７、２９）にも、流路の開閉を行う電磁弁である一対の切換弁（第３切換弁１５、第４切換弁１７）が設けられ、窒素を排気する排気路３１に接続されている。

更に、前記一対の吸着筒１９、２１の下流側には、両吸着筒１９、２１間を連通する連通路３３と、連通路３３に設けられて両吸着筒１９、２１間の圧力を調節する二方弁（パージ弁）３５と、その両端に設けられた径が同一のオリフィス３７、３９と、酸素濃縮ガスの逆流を防止する一対の逆止弁４１、４３とが設けられている。また、それらの流路が合流する下流側には、酸素濃縮ガスを溜める製品タンク４５と、酸素濃縮ガスの圧力を調節する圧力調整器（レギュレータ）４７と、酸素濃縮ガスの流量を設定する流量設定器４９とが設けられ、酸素濃縮ガスの供給路５１に接続されている。

また、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４９、酸素濃縮器１の周囲環境温度を測定する温度センサ６９、酸素濃縮ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ７０等が接続され、その出力部６７には、コンプレッサ５を駆動するコンプレッサモータ７１、第１〜第４切換弁１１〜１７、パージ弁３５等が接続されている。

従って、電子制御装置６１には、流量設定器４９により設定された設定流量を示す信号、温度センサ６９からの周囲環境温度を示す信号、酸素センサ７０からの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、コンプレッサモータ７１、第１〜第４切換弁１１〜１７、パージ弁３５などの動作を制御する制御信号が出力される。
このうち、コンプレッサモータ７１は、その回転数を制御することができるインバータタイプのモータ、即ち、インバータ制御により回転数制御を行うＤＣブラシレスモータである。また、温度センサ６９は、酸素濃縮器１の周囲の温度（従って酸素濃縮器１に導入される空気の温度）を測定するものであり、酸素濃縮器１の表面近傍（好ましくはコンプレッサ３より上流の空気の導入路５）に設置されている。尚、酸素センサ７０は、例えば圧力調整器４７と流量設定器４９との間に配置されている。

ｂ）次に、上述した構成を備えた本実施例の酸素濃縮器１の動作について説明する。
本実施例の酸素濃縮器１では、基本的に、第１吸着筒１９及び第２吸着筒２１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１９に関しては、第１切換弁１１を開くとともに第３切換弁１５を閉じ、コンプレッサ５により第１吸着筒１９に圧縮空気を送りこみ、吸着剤に窒素を吸着させて酸素を濃縮する（吸着工程）。一方、第２吸着筒２１に関しては、第２切換弁１３を閉じるとともに第４切換弁１７は開き、第２吸着筒２１を大気側に接続し、吸着剤に吸着した窒素が減圧とともに排出されるようにする（再生工程）。

そして、この吸着工程と再生工程とを、各両吸着筒１９、２１において、所定時間毎に交互に切り換えるようにする。
この様にして、第１、第２吸着筒１９、２１により、加圧時には酸素だけを抽出し、その酸素濃縮ガスを、下流の製品タンク４５、圧力調整器４７、流量設定器４９を介して、外部（従って患者）に供給する。

特に本実施例では、上述した動作を行うとともに、以下に詳述する様に、温度センサ６９により検出した周囲環境温度に基づいて、コンプレッサモータ７１の回転数を制御する。

具体的には、周囲環境温度（Ｋ）が常温に近い第１温度範囲（例えば２２．５℃以上）の場合に対応して、コンプレッサモータ７１の回転数として、基本となる回転数（例えば１１００〜１２００ｒｐｍの範囲内の所定の基本回転数）を設定しておく。そして、第１温度範囲より低い第２温度範囲（例えば７．５℃以上２２．５℃未満）の場合には、回転数を基本回転数より僅かにアップ（例えば３％アップ）し、第２の温度範囲より低い第３温度範囲（７．５℃未満）の場合には、回転数を基本回転数より多めにアップ（例えば６％アップ）する。

つまり、基本回転数を低めに設定しておき、温度が低下するほど回転数を増加させる制御を行う。
ｃ）次に、前記電子制御装置４１により行われる本実施例の特徴的な制御処理について説明する。

電源スイッチ（図示せず）が操作され酸素濃縮器１が作動した場合には、図３のフローチャートに示す様に、ステップ１００にて、温度センサ６９からの信号に基づいて周囲環境温度を求める。

続くステップ１１０では、周囲環境温度が第１〜第３温度範囲のどの範囲にあるかを判定する。
そして、周囲環境温度がほぼ常温である第１温度範囲（例えば２２．５℃以上）であると判断されるとステップ１２０に進む。

このステップ１２０では、コンプレッサモータ７１の回転数を、基本回転数である例えば１１００ｒｐｍに設定する。つまり、コンプレッサモータ７１を基本回転数にて回転させる制御を継続する。

前記基本回転数とは、周囲環境温度が第１温度範囲である場合に、コンプレッサモータ７１を基本回転数で回転させることによって、十分に高い酸素濃度（例えば９１％以上）が得られる回転数である。

また、前記ステップ１１０にて、周囲環境温度が第１温度範囲より低い第２温度範囲（例えば７．５℃以上２２．５℃未満）であると判断されるとステップ１３０に進む。
このステップ１３０では、コンプレッサモータ７１の回転数を、基本回転数より３％アップさせた回転数に設定する。

前記基本回転数より３％アップした回転数（例えば１１３３ｒｐｍ）とは、周囲環境温度が第２温度範囲である場合に、コンプレッサモータ７１を３％アップした回転数で回転させることによって、十分に高い酸素濃度（例えば９１％以上）が得られる回転数である。

更に、前記ステップ１１０にて、周囲環境温度が第２温度範囲より低い第３温度範囲（例えば７．５℃未満）であると判断されるとステップ１４０に進む。このステップ１４０では、コンプレッサモータ７１の回転数を、基本回転数より６％アップさせた回転数に設定する。

前記基本回転数より６％アップした回転数（例えば１１６６ｒｐｍ）とは、周囲環境温度が第３温度範囲である場合に、コンプレッサモータ７１を６％アップした回転数で回転させることによって、十分に高い酸素濃度（例えば９１％以上）が得られる回転数である。

尚、常に周囲環境温度をモニタし、周囲環境温度が過度に低い場合（例えば０℃以下）、或いは過度に高い場合（例えば４０℃以上）の場合には、その旨を報知してもよい。
ｄ）次に、上述した構成による本実施例の効果について説明する。

以上詳述した様に、本実施例では、周囲環境温度が低いほどコンプレッサモータ７１の回転数を増加させる制御を行っているので、周囲環境温度が低いほど吸着筒１９、２１に供給する空気の流量を増加させることができる。

これにより、周囲環境温度が低い場合でも、酸素濃縮器１にて得られる酸素濃縮ガスの酸素濃度を高く（例えば９１％以上に）維持することができるという顕著な効果を奏する。

また、周囲環境温度が高い場合には、必要十分な低めの回転数で良く、周囲環境温度が低下した場合のみ回転数を増加させれば良いので、総合的に判断すると、消費電力及び騒音を低く抑えることができる。

しかも、周囲環境温度が低下した場合には、単に回転数を上げればよいので、従来技術と比べて応答性にも優れている。
ｅ）次に、上述した効果を確認するために行った実験例について説明する。

実験には、前記実施例と同様な構成の酸素濃縮器を用いた。但し、以下の各周囲環境温度に対して、コンプレッサモータの回転数を所望の値に設定できるようにした。
そして、この酸素濃縮器を、周囲環境温度０〜３５℃（５℃毎）、環境湿度３５％（相対湿度）の環境下に配置し、コンプレッサモータの回転数を、「基本回転数」、「基本回転数より３％アップ」、「基本回転数より６％アップ」の３種類に設定し、それによって生成される各酸素濃縮ガスの酸素濃度を測定した。尚、酸素濃度の測定は、運転開始して２時間経過後に行った。その結果を下記表１に記す。

この表１から明らかな様に、周囲環境温度が比較的高い第１温度範囲の場合には、低い基本回転数であっても、酸素濃縮ガスの酸素濃度が十分に高いこと（９３．５％以上）が分かる。

また、第１温度範囲より温度が低い第２温度範囲では、基本回転数のままの場合には、酸素濃度が９０％近くまで低下するが、基本回転数より３％アップした場合には、９２％以上の高い酸素濃度が得られることが分かる。

更に、第２温度範囲より温度が低い第３温度範囲では、基本回転数のままの場合には、酸素濃度８７％近くまで低下することがあり、基本回転数より３％アップした場合も８９％まで低下することがあるが、基本回転数より６％アップした場合には、９１％以上の高い酸素濃度が得られることが分かる。

つまり、周囲環境温度に応じて、コンプレッサモータの回転数を制御することにより、常に高い酸素濃度の酸素濃縮ガスが得られることが分かる。
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。

（１）例えば第１〜４切換弁に代えて、コンプレッサと一対の吸着筒との間に、一対の三方向切換弁を配置して、吸着筒の加減圧を制御するようにしてもよい。
（２）また、周囲環境温度に応じて、コンプレッサモータの回転数を制御するのではなく、例えば他のコンプレッサを作動させる等の方法により、直接的に空気の流量を制御するようにしてもよい。

（３）更に、酸素濃度をモニタし、酸素濃度が所定値以上の高濃度となるように、周囲環境温度に基づいてコンプレッサモータの回転数や吸着筒に供給する空気の流量を制御してもよい。例えば回転数を所定％アップしても酸素濃度が低い場合には、更に回転数をアップして、所望の酸素濃度を実現するようにしてもよい。

実施例の酸素濃縮器の基本構成を示す説明図である。 実施例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。 実施例の電子制御装置にて行われる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
５…コンプレッサ
１１、１３、１５、１７…切換弁
１９、２１…吸着筒
６９…温度センサ
７０…酸素センサ
７１…コンプレッサモータ

Claims (6)

1. 酸素より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個の吸着筒と、
   前記吸着筒に空気を供給して加圧する空気供給手段と、
   前記吸着筒内の圧力の加減圧を制御する加減圧切換手段と、
   を備え、
   前記空気から酸素濃縮ガスを生成する圧力変動吸着型の酸素濃縮器において、
   前記空気供給手段として、コンプレッサモータの回転数が可変のコンプレッサを用い、前記酸素濃縮器の周囲環境温度に基づいて、前記コンプレッサモータの回転数を制御することを特徴とする酸素濃縮器。
2. 前記生成される酸素濃縮ガスの酸素濃度が所定値以上となるように、前記周囲環境温度に基づいて、前記コンプレッサモータの回転数を制御することを特徴とする前記請求項１に記載の酸素濃縮器。
3. 前記周囲環境温度が所定値より低い場合には、前記周囲環境温度が高い場合と比べて、前記コンプレッサモータの回転数を増加させることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の酸素濃縮器。
4. 酸素より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個の吸着筒と、
   前記吸着筒に空気を供給して加圧する空気供給手段と、
   前記吸着筒内の圧力の加減圧を制御する加減圧切換手段と、
   を備え、
   前記空気から酸素濃縮ガスを生成する圧力変動吸着型の酸素濃縮器において、
   前記酸素濃縮器の周囲環境温度に基づいて、前記吸着筒に供給する空気の流量を制御することを特徴とする酸素濃縮器。
5. 前記生成される酸素濃縮ガスの酸素濃度が所定値以上となるように、前記周囲環境温度に基づいて、前記空気の流量を制御することを特徴とする前記請求項４に記載の酸素濃縮器。
6. 前記周囲環境温度が所定値より低い場合には、前記周囲環境温度が高い場合と比べて、前記空気の流量を増加させることを特徴とする前記請求項４又は５に記載の酸素濃縮器。