JP2006263441A - 酸素濃縮器 - Google Patents

Abstract

【課題】 各種の変動要因に影響されず、安定した動作が可能な酸素濃縮器を提供すること。
【解決手段】 ステップ１００では、ホールセンサ４７からの回転数を示すタイミング情報を入力し、タイミング情報に基づいて、現在のＤＣブラシレスモータ４５の回転数を算出する。ステップ１１０では、現在の回転数が設定流量に対応した目標回転数領域の範囲内であるか、範囲を下回るか、範囲を上回るかを判定する。現在の回転数が目標回転数領域の範囲内であると判断された場合には、現在の制御状態を維持するような制御信号をインバータ回路４９に出力する。また、現在の回転数が目標回転数領域の範囲を下回る場合には、回転数を予め設定された所定量だけ上げるような制御信号をインバータ回路４９に出力する。或いは、現在の回転数が目標回転数領域の範囲を上回る場合には、回転数を予め設定された所定量だけ下げるような制御信号をインバータ回路４９に出力する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、高濃度の酸素を患者等に供給することができる医療用の酸素濃縮器に関するものである。

近年では、呼吸器疾患をもつ患者等のために、自宅にて、空気中より酸素を取り出して酸素吸入を行うことができる酸素濃縮器が用いられている。
この酸素濃縮器の酸素濃縮の方法としては、窒素を優先的に吸着するゼオライト吸着剤にコンプレッサで圧縮空気を送り込み、その圧縮空気より高濃度酸素を取り出す、圧力変動吸着方式（ＰＳＡ方式）が広く用いられている（特許文献１、２参照）。

また、最近では、酸素流量が少量の時に消費電力を抑えるように、インバータ回路で回転数を可変制御できるコンプレッサを用いた酸素濃縮器が開発されている。
このインバータ回路によるコンプレッサの回転制御は、コンプレッサを駆動するＤＣモータに印加する直流電圧を、ＰＷＭ制御等によるスイッチングによって変化させて、回転数を所定の値に制御するものである。詳しくは、酸素流量に対応して予めスイッチングのタイミングを設定しておき、そのスイッチング動作によって、印加電圧を調節するものである。
特開２００３−２４６６０７号 特開２００１−２８０２３４号

しかしながら、コンプレッサのＤＣモータの回転数は、電源電圧や周囲温度の変化等、さまざまな変動要因によって変化してしまうので、従来の装置では、必ずしも十分ではないという問題があった。

つまり、酸素流量に応じて予め回転数（目標回転数）が設定されていても、実際の回転数は、上述した変動要因の影響を受けて変わってしまうため、コンプレッサの運転性能が不安定な状態となって、酸素濃縮器の性能が低下する可能性があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、各種の変動要因に影響されず、安定した動作が可能な酸素濃縮器を提供することにある。

（１）請求項１の発明は、空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサを駆動するモータの回転数を制御するインバータ回路と、を備え、前記空気中の酸素を分離して酸素濃縮ガスを発生させる酸素濃縮器において、前記モータがＤＣブラシレスモータであり、前記ＤＣブラシレスモータの回転数を前記インバータ回路によって制御する際に、前記ＤＣブラシレスモータの回転数を検出する回転数検出手段を備えるとともに、前記回転数検出手段によって検出した回転数に基づいて、前記ＤＣブラシレスモータの回転数が所定の回転数（目標回転数）になるように、前記インバータ回路を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

本発明では、ＤＣブラシレスモータの回転数をインバータ回路によって制御する際に、回転数検出手段によって検出した回転数に基づいて、ＤＣブラシレスモータの回転数が目標回転数になるように、マイコン等の制御手段によってインバータ回路を制御（フィードバック制御）するので、電源電圧や周囲温度の変化等が変化した場合でも、目標とする好ましい回転数でＤＣブラシレスモータ（従ってコンプレッサ）を回転させることができる。

これによって、コンプレッサは、各種の変動要因の影響を受けにくくなるので、コンプレッサの運転性能が安定し、酸素濃縮器の性能を高く維持することができる。
ここで、所定の回転数（目標回転数）としては、所定の回転数の範囲を設定することが好ましい。

尚、上述したフィードバック制御を行う際には、現在の回転数から即座に目標回転数となるように、ＤＣブラシレスモータを駆動する制御量を設定してもよいが、１回の制御量を小さめに設定して逐次目標回転数に近づく様に制御してもよい。

（２）請求項２の発明は、前記回転数検出手段が、ホールセンサであることを特徴とする。
本発明は、回転数検出手段を例示したものであり、この回転数検出手段として、ホール素子を用いたホールセンサを使用できる。尚、ホールセンサからは、回転に伴う磁気の変化を示すタイミング情報が出力されるが、このタイミング情報に基づいて回転数を算出することができる。

（３）請求項３の発明は、前記酸素濃縮ガスの設定流量に応じて、前記ＤＣブラシレスモータの回転数の目標値を設定することを特徴とする。
本発明では、ＤＣブラシレスモータの回転数は、酸素濃縮ガスの設定流量に対応して設定された目標回転数に精度良く制御されるので、所望の設定流量の酸素濃縮ガスを安定して患者に供給することができる。

尚、ＤＣブラシレスモータの回転数を検知する場合には、酸素濃縮器のサイクル単位（例えば１サイクル）にて、例えばその平均値を求めることが好ましい。ここで、１サイクルとは、吸着筒における吸着剤の再生・吸着の動作が１通り行われて、再度同じ状態に戻るサイクルのことである。また、吸着筒が複数ある場合には、全ての吸着筒の動作が行われて、再び同じ状態にもどるまでを、１サイクルと考えることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態の例（実施例）について説明する。

本実施例では、空気中から、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ガス（以下酸素濃縮空気と記す）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を、図１に基づいて、その動作とともに説明する。
本実施例の酸素濃縮器１では、室内の空気は、フィルタ３を通してコンプレッサ５で圧縮され、一対の三方向切換弁（第１切換弁７、第２切換弁９）によって、一対の吸着筒（第１吸着筒１１、第２吸着筒１３）に交互に切り換えて送られる。尚、両吸着筒１１、１３には、空気中の窒素を優先的に吸着して酸素を分離するゼオライト系の吸着剤（例えばＬｉ−Ｘ型ゼオライト）が充填されている。

そして、圧縮された空気は、例えば第１吸着筒１１を通る際に、吸着剤によって空気から窒素が吸着され、酸素濃縮空気となって逆止弁１５を通って製品ガスタンク１９内に貯留される。

このとき、第２吸着筒１３からは、吸着剤に吸着されていた窒素が排出され、第２切換弁９及び逆止弁２１を介して、消音器２３から排出される。尚、この窒素の排出の際には、第１吸着筒１１の出口側からは、オリフィス２５、２７及び開閉弁２９を介して、酸素濃縮空気の一部が第２吸着筒１３に送られ、吸着剤からの窒素の離脱を促進する。

一方、圧縮された空気が、例えば第２吸着筒１３を通るときは、前記圧縮された空気が第１吸着筒１１に供給されたときと同様な動作が行われ、これが交互に繰り返えされて、酸素濃縮空気が連続的に生成される。

また、各吸着筒１１、１３から送られて製品ガスタンク１９に貯留された酸素濃縮空気は、圧力調整器３１によって所定の圧力に調整され、バクテリアフィルタ３３で異物を取り除かれる。その後、流量設定器３５で所定の流量に調節されて、逆止弁３７及び加湿器３９を介して、鼻カニューラ４０から患者に供給される。

尚、コンプレッサ５から供給される圧縮空気の圧力は、（コンプレッサ５と切換弁７、９との間に配置された）圧力センサ４１でモニタされ、患者に供給される酸素濃縮空気の酸素濃度は、（流量設定器３５と逆止弁３７との間に配置された）酸素センサ４３でモニタされる。

本実施例では、特に、コンプレッサ５は、ＤＣブラシレスモータ４５により駆動されるものであり、このＤＣブラシレスモータ４５には、ＤＣブラシレスモータ４５の回転数（即ちコンプレッサ５の回転数）を検出するために、ホールセンサ４７が配置されている。

従って、ＤＣブラシレスモータ４７は、通常は、ホールセンサ４７によって検出された回転数を示す情報（即ち回転に伴う磁気の変化を示すタイミング情報）に基づいて、インバータ回路４９により、所定の目標の回転数となるように制御される。

それとともに、後に詳述する様に、タイミング情報は、インバータ回路４９を介して、電子制御装置５１に送られて、ＤＣブラシレスモータ４７の回転数（実回転数）が演算される。そして、その回転数に基づいて、インバータ回路４９を介して、ＤＣブラシレスモータ４５の回転数が目標回転数となるように、フィードバック制御される。

ｂ）次に、電子制御装置５１の構成について、図２に基づいて説明する。
電子制御装置５１は、周知のマイクロコンピュータ（マイコン）５３を主要部とし、酸素濃縮器１の各種の動作を制御する装置である。

この電子制御装置５１の入力部５５には、電源スイッチ５７及び流量設定器３５などが接続されるとともに、装置の状態を検出する手段として、圧力センサ４１、酸素センサ４３、ホールセンサ４７が接続されている。

尚、ホールセンサ４７は、インバータ回路４９を介して接続されており、ホールセンサ４７によって検出されたＤＣブラシレスモータ４５の回転数を示す情報は、インバータ回路４９からマイコン５３に入力される。

また、マイコン５３の出力部５９には、ブザー（又はスピーカ）６１、流量表示器６３、各種の異常報知ランプ６５、運転ランプ６７、流れ表示器６９、ＤＣブラシレスモータ４５、切換弁７、９、開閉弁２９などが接続されている。

尚、ＤＣブラシレスモータ４５は、インバータ回路４９を介して接続されており、マイコン５３からの制御信号によってインバータ回路４９が制御され、インバータ回路４９からの制御信号によってＤＣブラシレスモータ４５の回転数が制御される。

従って、本実施例の電子制御装置５１では、切換弁７、９や開閉弁２９の作動タイミングを調節して酸素濃縮空気を発生させる制御を行い、また、例えば酸素濃度の低下などのように何らかの異常が発生した場合には異常を報知する等の制御を行い、更に、ＤＣブラシレスモータ４５の回転数の情報に基づいて、ＤＣブラシレスモータ４５を目標回転数に制御するフィードバック制御を行う。

ｃ)次に、本実施例の要部であるＤＣブラシレスモータ４５の回転数（従ってコンプレッサ５の回転数）の制御処理について、図３に基づいて説明する。
本実施例では、設定流量に対応して目標回転数（詳しくは目標回転数領域）が設定されている。つまり、設定流量が多いほど、目標回転数領域が高く設定されている。

図３のフローチャートに示す様に、まず、ステップ１００では、ホールセンサ４７からの回転数を示すタイミング情報を、インバータ回路４９を介して入力し、そのタイミング情報に基づいて、現在のＤＣブラシレスモータ４５の回転数（実回転数）を算出する。

続くステップ１１０では、現在の回転数が、設定流量に対して適正な範囲であるかどうかを判定する。つまり、現在の回転数が、設定流量に対応した目標回転数領域の範囲内であるか、又は範囲を下回るか、或いは範囲を上回るかどうかを判定する。

ここで、現在の回転数が、設定流量に対応した目標回転数領域の範囲内であると判断された場合には、現在の制御状態を維持するような制御信号をインバータ回路４９に出力し、一旦本処理を終了する。

また、現在の回転数が、設定流量に対応した目標回転数領域の範囲を下回る場合には、回転数が低過ぎるので、回転数を予め設定された所定量だけ上げるような制御信号をインバータ回路４９に出力し、一旦本処理を終了する。

或いは、現在の回転数が、設定流量に対応した目標回転数領域の範囲を上回る場合には、回転数が高過ぎるので、回転数を予め設定された所定量だけ下げるような制御信号をインバータ回路４９に出力し、一旦本処理を終了する。

これによって、回転数が目標回転数領域の範囲から逸脱している場合でも、徐々に回転数を目標回転数領域内に導くことができる。
そして、この様な制御を行うのは、以下の理由による。

酸素濃縮器１の場合、切換弁７、９を開閉しコンプレッサ５からの空気を吸着筒１１、１３に送り込むため、吸着筒１１、１３内の吸着剤の吸着・再生のサイクルに同期し、コンプレッサ５の負荷、即ちＤＣブラシレスモータ４５の負荷も、図４に示す様に変化する。それに伴い、ＤＣブラシレスモータ４５の回転数も周期的に微妙に変化する。この時、回転数を検知するには、周期的に変動するサイクルの中で、ホールセンサ４７のタイミング情報から１サイクルの平均的な回転数を算出して行う。このようにサイクル単位でインバータ回路４９（従ってＤＣブラシレスモータ４５）へのフィードバック制御を行った方が、平均的には安定した回転制御を行うことができる。

尚、図４では、吸着筒７、９のそれぞれの動作に対応して、コンプレッサ５の吐出圧力やＤＣブラシレスモータ４５の回転数が、それぞれ凸状に変化する（増加する）ので、両吸着筒７、９の一連の動作が完了する期間を１サイクルとしている。従って、１サイクル後に、インバータ回路４５の制御量（制御値）が変更される。

この様に、本実施例では、ＤＣブラシレスモータ４５の回転数をホールセンサ４７からのタイミング情報に基づいて算出し、この算出した回転数に基づいて、目標とする回転数となるようにフィードバック制御するので、電源電圧や周囲温度の変化等が変化した場合でも、目標とする好ましい回転数でＤＣブラシレスモータ４５（従ってコンプレッサ５）を回転させることができる。

これによって、コンプレッサ５は、各種の変動要因の影響を受けにくくなるので、コンプレッサ５の運転性能が安定し、酸素濃縮器１の性能を高く維持することが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。
例えばモータの回転数を検出する手段としては、ホールセンサ以外にも、周知の例えばピックアップ式のセンサ等を利用できる。また、ホールセンサとしては、ホールＩＣを用いることができる。

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。 実施例の酸素濃縮器の周期的変化等を示すグラフである。

符号の説明

１…酸素濃縮器
５…コンプレッサ
７、９…切換弁
１１、１３…吸着筒
３５…流量設定器
４１…圧力センサ
４３…酸素濃度センサ
４５…ＤＣブラシレスモータ
４９…インバータ回路
５１…電子制御装置

Claims (3)

1. 空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサを駆動するモータの回転数を制御するインバータ回路と、を備え、前記空気中の酸素を分離して酸素濃縮ガスを発生させる酸素濃縮器において、
   前記モータがＤＣブラシレスモータであり、
   前記ＤＣブラシレスモータの回転数を前記インバータ回路によって制御する際に、前記ＤＣブラシレスモータの回転数を検出する回転数検出手段を備えるとともに、前記回転数検出手段によって検出した回転数に基づいて、前記ＤＣブラシレスモータの回転数が所定の回転数になるように、前記インバータ回路を制御する制御手段を備えたことを特徴とする酸素濃縮器。
2. 前記回転数検出手段が、ホールセンサであ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. 前記酸素濃縮ガスの設定流量に応じて、前記ＤＣブラシレスモータの回転数の目標値を設定す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。

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