JP2006230753A - 酸素濃縮器 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動や騒音の発生を抑制できる酸素濃縮器を提供すること。
【解決手段】 下部室７３には、コンプレッサ１７が配置されている。コンプレッサ１７の左右のヘッド８３、８５には、第１空気配管７９から左右に分岐した分岐空気配管８７、８９が接続されるとともに、第２空気配管８１から左右に分岐した分岐空気配管９１、９３が接続されている。コンプレッサ１７の底部は４個の制振ばね１０１〜１０７によって支持されており、第２制振系を構成する制振ばね１０１〜１０７のばね定数は、振動を抑制して騒音の発生を防止するために、０．０５１２〜０．１７８８ｋｇｆの範囲内に設定されている。また、第１、第２空気配管７９、８１と分岐空気配管８７〜９３により、コンプレッサ１７の上下方向等の振動を規制してコンプレッサ１７の揺動を抑制する第１制振系が構成されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えば酸素より窒素を優先的に吸着する吸着剤を用い、圧力変動吸着法等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、例えば喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器疾患に苦しむ状患者等に、高濃度の酸素を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は、酸素選択透過膜を用いた膜型酸素濃縮器や、窒素又は酸素を選択吸着して得られる吸着型酸素濃縮器などがあり、吸着型酸素濃縮器としては、コンプレッサを用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮器が知られている。

前記圧力変動吸着型酸素濃縮器では、酸素より窒素を優先的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒を用いて、酸素濃縮を行っている。具体的には、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脱着工程（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、この圧力変動吸着型酸素濃縮器では、主としてコンプレッサからの騒音や振動が問題となっていた。また、圧力変動吸着型酸素濃縮器には、脱着工程を真空ポンプにより大気圧以下まで行うものがあり、その場合は、吸着剤の吸湿を抑えることができるという利点はあるものの、脱着工程では全く酸素を生成しないため、コンプレッサの大型化につながり、振動や騒音等の増加が大きくなるという問題があった。

この振動や騒音の対策として、従来より各種の対策が提案されている。例えば、コンプレッサの吸気音と排気音を低減するために、空洞型サイレンサを入れたり、絞りによって流量を調節して騒音を低減する方法が提案されていた。また、コンプレッサの振動を低減して騒音を抑制するために、制振ばねやゴム材料等の制振材料が用いられていた（引用文献１、２）。
特開平１１−２５５５０４号公報 （第２頁、図１） 特開２０００−２８１３１５号公報 （第２頁、図４）

ところが、上述した技術では、振動や騒音を抑制する効果が十分ではなく、一層の改善が望まれていた。
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、振動や騒音の発生を抑制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、空気を圧縮して供給する空気供給手段を備え、前記空気供給手段により供給された空気から酸素濃縮ガスを生成する酸素濃縮器において、前記空気供給手段として、モータにより駆動されるコンプレッサ及び／又は真空ポンプを用いるとともに、前記空気供給手段を支持する制振部材のばね定数を、０．０５１２〜０．１７８８ｋｇｆとしたことを特徴とする。

本発明では、モータにより駆動されるコンプレッサ及び／又は真空ポンプを支持する制振部材のばね定数を、０．０５１２〜０．１７８８ｋｇｆとしたので、コンプレッサ又は真空ポンプの振動及びそれに伴う騒音を大きく低減することができる。

尚、コンプレッサを用いる場合には、コンプレッサにより圧縮した空気を例えば窒素を充填した吸着筒に送ることができる。また、真空ポンプを用いる場合には、その吸気側を大気側とし吐出側を吸着筒側とすることにより、コンプレッサと同様に圧縮した空気を吸着筒側に送ることができる。更に、コンプレッサに真空ポンプを備えた空気供給手段を用いる場合には、コンプレッサにより圧縮した空気を吸着筒に供給し、真空ポンプにより吸着筒から効率良く排気を行うことができる。

（２）請求項２の発明は、前記制振部材を、前記空気供給手段の下方又は上方に配置したことを特徴とする。
本発明は、制振部材の配置を例示したものである。

（３）請求項３の発明は、前記制振部材を、前記空気供給手段の下方に配置するとともに、前記空気供給手段の上方には、前記空気供給手段の振動を抑制する振動抑制部材を配置したことを特徴とする。

本発明では、空気供給手段の上方に、空気供給手段の振動を抑制する振動抑制部材を配置したので、空気供給手段の上部の揺動を抑制することができる。よって、空気供給手段の振動及びそれに伴う騒音を効果的に抑制することができる。

（４）請求項４の発明は、前記振動抑制部材として、前記空気供給手段に接続された空気配管を用いたことを特徴とする。
この空気配管を空気供給手段の上方に配置することにより、空気供給手段の上下振動をを規制することができる。これにより、空気供給手段の揺動等を抑制できるので、効果的に振動及び騒音を防止することができる。

前記空気配管としては、若干の弾性を有する樹脂製の配管が挙げられる。例えば左右にピストンを有するコンプレッサや真空ポンプなどの場合、左右のヘッドに接続されて左右に伸びる一対の排気側の空気配管と、その空気配管に接続されて上方に伸びる１本の空気配管と、同様に左右のヘッドに接続されて左右に伸びる一対の吸気側の空気配管と、その空気配管に接続されて上方に伸びる１本の空気配管とが挙げられる。

（５）請求項５の発明は、前記振動抑制部材からなる第１制振系と前記制振部材からなる第２制振系とを直列に配置したことを特徴とする。
本発明は、制振系の構成を例示したものであり、この直列に配置した制振系により、効果的に振動及び騒音を抑制することができる。

（６）請求項６の発明は、前記空気供給手段を収納室に配置するとともに、前記収納室の下方に第３制振系を配置し、前記第１制振系と前記第２制振系と前記第３制振系とを直列に配置したことを特徴とする。

本発明は、制振系の構成を例示したものであり、この直列に配置した制振系により、一層効果的に振動及び騒音を抑制することができる。尚、第３制振系としては、収納室の下方に配置した吸音材等を採用できる。

（７）請求項７の発明は、前記空気供給手段を駆動するモータの駆動軸を、水平に配置
したことを特徴とする。
本発明は、モータの駆動軸の配置を例示したものである。

（８）請求項８の発明は、前記空気供給手段を駆動するモータの駆動軸を、垂直に配置したことを特徴とする。
本発明は、モータの駆動軸の配置を例示したものである。

（９）請求項９の発明は、前記制振部材が、ばね類、ゴム類、弾性を有する発泡体、シリンダ類、及びコイルチューブのうちの１種であることを特徴とする。
本発明は、制振部材を例示したものである。ここで、ばね類とは、コイルスプリングや板ばね等のばねを示している。ゴム類とは、天然ゴムや合成ゴム等の弾性を有するゴムを示している。弾性を有する発泡体とは、スポンジ等の弾性を有する発泡体を示している。シリンダ類とは、シリンダ内に配置されたピストン等の様にピストンを内嵌したシリンダなどを用いて制振な可能な部材を示している。

尚、上述した酸素濃縮器としては、例えば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、吸着筒に空気を圧縮して供給する空気供給手段と、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、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を採用できる。

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構成について説明する。
図１に示す様に、本実施例の酸素濃縮器１は、略直方体の筐体３の表面に、操作パネル５や加湿器７等が配置されており、筐体３内には、以下に示す様な酸素濃縮のための各構成が配置されている。

具体的には、図２に示す様に、酸素濃縮器１には、空気を外部から導入する酸素取入口１１から、空気の流路に沿って、上流側より、防塵フィルタ１３と、防塵フィルタ１３より目の細かい吸気フィルタ１５と、空気の圧縮を行うコンプレッサ１７とを備えており、コンプレッサ１７の近傍にはコンプレッサ１７を冷却する一対の冷却ファン１９、２１が配置されている。

前記コンプレッサ１７の下流には、吸着筒２７、２９に加圧空気を供給する第１供給弁２３及び第２供給弁２５と、吸着剤を充填した一対の吸着筒（第１吸着筒２７、第２吸着筒２９）とが設けられている。また、各供給弁２３、２５と各吸着筒２７、２９との間の流路３１、３３から分離した流路（分岐流路３５、３７）には、吸着筒２７、２９から排気を行う第１排気弁３９及び第２排気弁４１が設けられ、窒素を排気する排気路４３に接続されている。尚、排気路４３にはサイレンサ４５が設けられている。

更に、前記一対の吸着筒２７、２９の下流側には、両吸着筒２７、２９間を連通する連通路４７と、連通路４７に設けられて両吸着筒２７、２９間の圧力を調節する二方弁（パージ弁）４９と、その両端に設けられた径が同一のオリフィス５１、５３と、酸素濃縮ガスの逆流を防止する一対の逆止弁５５、５７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５９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）６１と、酸素濃縮ガスの流量を設定する流量設定器６３とが設けられ、前記加湿器７を介して酸素濃縮ガスを外部に供給する酸素出口６５に接続されている。

ｂ）次に、本実施例の要部であるコンプレッサ１７等について説明する。
図３に示す様に、酸素濃縮器１の内部は、吸音材である木材の隔壁６９により、大きく前方の区画Ｋ１と後方の区画Ｋ２と下方の区画Ｋ３とに区分されている。

このうち、前方の区画Ｋ１には、両吸着筒２７、２９や製品タンク５９などが配置されている。また、後方の区画Ｋ２には、図４に示す様に、金属製の略直方体のケース７１が配置され、それによって板金室６７が形成されている。この板金室６７は、仕切板７１により上部室７３と下部室（収納室）７５とに区分されている。

前記上部室７３には、吸気フィルタ１５と、吸気フィルタ１５に連通する吸気室７７と、吸気室７７からの空気をコンプレッサ１７に供給する第１空気配管７９と、コンプレッサ１７からの圧縮空気を吸着筒２７、２９に供給する第２空気配管８１と、冷却ファン１９、２１などが配置されている。

一方、下部室７３には、コンプレッサ１７が配置されている。このコンプレッサ１７の左右のヘッド８３、８５には、前記第１空気配管７９から左右に分岐した（コンプレッサ１７に空気を供給するための）分岐空気配管８７、８９が接続されるとともに、前記第２空気配管８１から左右に分岐した（吸着筒２７、２９に圧縮空気を供給するための）分岐空気配管９１、９３が接続されている。

前記コンプレッサ１７は、図５に示す様に、側面から見て略Ｔ字状であり、下部にはコンプレッサ１７を駆動するモータ（ＤＣブラシレスモータ）１１３を備え、上部の中央には、モータ１１３の駆動軸（回転軸）１１５やカム１１７やコンロッド１１９、１２１等の（ピストン１２３、１２５を駆動するための）機構を収容する機構部１２７を備え、機構部１２７の左右には、ピストン１２３、１２５が摺動するシリンダ１２７、１２９を有するヘッド８３、８５を備えている。

このコンプレッサ１７では、モータ１１３の駆動軸１１５は垂直であり、駆動軸１１５と直交する様に（即ち水平に）ピストン１２３、１２５やコンロッド１１９、１２１が配置されている。尚、左右のピストン１２３、１２５は、一方が空気を圧縮する場合には他方が排気を行うように移動する。即ち、一方のピストン１２３が例えば左方向移動する場合には、他方のピストン１２５も同じ方向に移動する。

本実施例では、コンプレッサ１７の底部は、図３、図４、図６に示す様に、４個の制振ばね１０１〜１０７によって支持されている。
詳しくは、コンプレッサ１７の底部には、中央に開口部１１０を有する略長方形の金属製の底板１０９が取り付けられ、その底板１０９の四隅に制振ばね１０１〜１０７の上部が固定されるとともに、ケース７１の長方形の底板１１１の四隅に制振ばね１０１〜１０７の下部が固定されている。これによって、制振ばね１０１〜１０７の上にコンプレッサ１７が上下方向等に揺動可能に支持されている構造となっている。尚、モータ１１３は、ケース７１の底板１１１の中心に開けられた開口部１１２を介して区画Ｋ３側に突出している。

特に本実施例では、制振ばね１０１〜１０７のばね定数は、振動を抑制して騒音の発生を防止するために、０．０５１２〜０．１７８８ｋｇｆの範囲内に設定されている。そして、この制振ばね１０１〜１０７により第２制振系が構成されている。尚、制振ばね１０１〜１０７は、従来よりモータ１１３の駆動軸１１５側に寄せて（例えば駆動軸１１５の軸中心より約１０ｃｍ以内）配置されている。

また、前記図４に示す様に、上下方向に伸びる第１、第２空気配管７９、８１と、第１、第２空気配管７９、８１から分岐して左右に水平に伸びる分岐空気配管８７〜９３により、コンプレッサ１７の上下方向等の振動を規制してコンプレッサ１７の揺動を抑制する第１制振系が構成されている。尚、空気等が流れる配管の分岐部分の屈曲部分は、硬質の金属材料や高分子材料などからなり、それ以外の長尺の第１、第２空気配管７９、８１や分岐空気配管８７〜９３は、やや柔軟な高分子材料（例えばソフトナイロン、ポリウレタン、ナイロン等）からなるパイプである（尚、このパイプとしてアルミ等の金属材料も用いることもできる）。

更に、ケース７１の下側の区画Ｋ３は吸音材６９で囲まれており、この吸音材６９が第３制振系として機能する。
従って、第１制振系と第２制振系と第３制振系とが、垂直方向に直列に配置される構成となっている。

ｃ）次に、本実施例の酸素濃縮器１の基本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２７及び第２吸着筒２９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２７に関しては、第１供給弁２３を開くとともに第１排気弁３９を閉じ、コンプレッサ１７により第１吸着筒２７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２９に関しては、第２供給弁２５を閉じるとともに第２排気弁４１を開き、第２吸着筒２７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２７、２９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２７、２９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５９、圧力調整器６１、流量設定器６３、加湿器７、酸素出口６５を介して、外部（従って患者）に供給する。

ｄ）次に、本実施例の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（３Ｌ機、コンプレッサの重量：５．２ｋｇ）を用いた。

詳しくは、制振ばねとして、下記表１及び図７に示すばね定数の異なる酸素濃縮器を用い、流量を、騒音測定時は最大流量（即ち３．００Ｌ／ｍｉｎ）に設定し、振動測定時は最小流量（即ち０．２５Ｌ／ｍｉｎ）に設定して、その時の酸素濃縮器の振動及び騒音を調べた。

振動は、酸素濃縮器の上部に振動センサ（即ち、汎用振動計：ＶＭ−８３及び圧電式加速度ピックアップ：ＰＶ−８４）を配置して測定した。
騒音は、ＪＩＳ Ｂ ９９５１（１９９３）の圧力スイング脱着装置性能試験方法の規定に従って、精密騒音計：ＮＡ−４１及びプリアンプ付きコンデンサマイクロフォンＵＣ−３４Ｐを用いて測定した。その結果を、表１及び図７に示す。

図７には、振動値及び騒音値をそれぞれ２次多項式で近似したグラフを記載した。また、グラフを、ばね定数で区分して、本発明の範囲の領域Ａ（試料No.２〜６）、領域Ｂ（試料No.６〜８）、本発明の範囲外の領域Ｃ（試料No.９、１０）に区分した。

この領域Ａの範囲では、振動レベルが低く好適である。また、領域Ａは、振動レベルが最も低く好適である。一方、領域Ｃは、振動レベルが高く好ましくない。
表１及び図７から、ばね定数を適切な値（０．０５１２〜０．１７８８ｋｇｆ）に設定することにより、振動及び騒音を低減できることが分かる。

この様に、本実施例では、上述した好ましいばね定数を有する制振ばね１０１〜１０７（第２制振系）にて、下方よりコンプレッサ１７を支持している。また、コンプレッサ１７の上部には、若干の弾性を有する空気配管７９、８１、８７〜９３（第１制振系）が配置されて、コンプレッサ１７の上下方向等の振動を抑制しているので、コンプレッサ１７の上部が揺動することを抑制できる。更に、コンプレッサ１７を収容する下部室７５の下方には吸音材６９（第３制振系）が配置されている。しかも、前記第１〜第３制振系が直列に配置されている。よって、振動及び騒音を大きく低減できるという顕著な効果を奏する。

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）例えば本発明は、ピストンが水平に移動するコンプレッサ以外に、図８に示す様に、モータ１３１の駆動軸１３３が水平に配置され、コンロッド１３５、１３７が垂直に配置され、ピストン１３９、１４１が垂直に移動するコンプレッサ１４３にも適用できる。

（２）また、一対のピストンがある場合、一対のピストンが同方向に移動するもの、或いは反対方向に移動するものが挙げられる。
（３）更に、一方のピストンが圧縮ポンプとして機能し、他方のピストンが真空ポンプとして機能するものにも、本発明は適用できる。例えば一筒式の酸素濃縮器に、このコンプレッサ（圧縮ポンプ）及び真空ポンプを備えた装置を適用する場合には、吸着筒からの排気を行う際に真空ポンプを作動させれば、十分に減圧することができるので、高い脱着性能（吸着剤から窒素や水分を除去する能力）を発揮することができる。

（４）また、コンプレッサに代えて、真空ポンプのみを用いることができる。この場合は、真空ポンプの吸気側に大気側を接続し、真空ポンプの排気側に吸着筒側を接続する。

実施例の酸素濃縮器の外観を示す斜視図である。 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内部構成を側面から示す説明図である。 実施例の酸素濃縮器の内部構成を裏面から示す説明図である。 酸素濃縮器に用いられるコンプレッサを示す側面図である。 酸素濃縮器に用いられるコンプレッサを示す上面図である。 実験結果を示すグラフである。 酸素濃縮器に用いられる他のコンプレッサを示す側面図である。

符号の説明

１…酸素濃縮器
１７、１４３…コンプレッサ
２７、２９…吸着筒
６９…隔壁（吸音材）（第３制振系）
７９…第１空気配管（第１制振系）
８１…第２空気配管（第１制振系）
８７、８９、９１、９３…分岐空気配管（第１制振系）
１０１、１０３、１０５、１０７…制振ばね（第２制振系）
１１３、１３１…モータ
１１５、１３３…駆動軸

Claims (9)

1. 空気を圧縮して供給する空気供給手段を備え、前記空気供給手段により供給された空気から酸素濃縮ガスを生成する酸素濃縮器において、
   前記空気供給手段として、モータにより駆動されるコンプレッサ及び／又は真空ポンプを用いるとともに、前記空気供給手段を支持する制振部材のばね定数を、０．０５１２〜０．１７８８ｋｇｆとしたことを特徴とする酸素濃縮器。
2. 前記制振部材を、前記空気供給手段の下方又は上方に配置したことを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮器。
3. 前記制振部材を、前記空気供給手段の下方に配置するとともに、前記空気供給手段の上方には、前記空気供給手段の振動を抑制する振動抑制部材を配置した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. 前記振動抑制部材として、前記空気供給手段に接続された空気配管を用いたことを特徴とする請求項３に記載の酸素濃縮器。
5. 前記振動抑制部材からなる第１制振系と前記制振部材からなる第２制振系とを直列に配置したことを特徴とする請求項３又は４に記載の酸素濃縮器。
6. 前記空気供給手段を収納室に配置するとともに、前記収納室の下方に第３制振系を配置し、前記第１制振系と前記第２制振系と前記第３制振系とを直列に配置したことを特徴とする請求項５に記載の酸素濃縮器。
7. 前記空気供給手段を駆動するモータの駆動軸を、水平に配置したことを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載の酸素濃縮器。
8. 前記空気供給手段を駆動するモータの駆動軸を、垂直に配置したことを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載の酸素濃縮器。
9. 前記制振部材が、ばね類、ゴム類、弾性を有する発泡体、シリンダ類、及びコイルチューブのうちの１種であることを特徴とする前記請求項１〜８のいずれかに記載の酸素濃縮器。

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