JP2007296203A - 医療用酸素濃縮装置及びその作動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】医療用酸素濃縮装置を、原料空気に含まれる窒素を選択的に吸着しうる吸着剤が収容された吸着筒1a,1bと、吸着筒1a,1bに接続される流路を切り替えるための吸着筒切替弁2a,2b,2c,2dと、吸着剤に窒素が吸着されて酸素濃度が高められた酸素濃縮ガスを吸着筒1a,1bから取り出すための昇圧ポンプ3と、吸着筒1a,1bから取り出された酸素濃縮ガスを貯留するための貯留タンク4と、使用する酸素濃縮ガスの流量を設定するための流量設定手段5と、流量設定手段5に設定された流量に応じて貯留タンク4から取り出す酸素濃縮ガスの流量を制御する流量制御手段6と、吸着筒1a,1bの圧力を真空領域にまで低下させる真空ポンプ7とを備えたものとした。
【選択図】図1
Description
(a)原料空気に含まれる窒素を選択的に吸着しうる吸着剤が収容された複数の吸着筒と、
(b)それぞれの吸着筒に接続される流路を切り替えるための吸着筒切替弁と、
(c)吸着剤に窒素が吸着されて酸素濃度が高められた酸素濃縮ガスを吸着筒から取り出すための昇圧ポンプと、
(d)吸着筒から取り出された酸素濃縮ガスを一時的に貯留するための貯留タンクと、
(e)貯留タンクから取り出して使用する酸素濃縮ガスの流量を設定するための流量設定手段と、
(f)流量設定手段に設定された流量に応じて貯留タンクから取り出す酸素濃縮ガスの流量を制御する流量制御手段と、
(g)吸着筒の圧力を真空領域になるまで低下させる真空ポンプとを備え、
減圧状態の吸着筒に原料空気を自然流入させて該吸着筒の圧力を大気圧近傍まで上昇させ、原料空気に含まれる窒素を吸着剤に吸着させることによって酸素濃縮ガスを生成する吸着工程と、
吸着筒の圧力を真空領域になるまで低下させ、吸着剤に吸着されていた窒素を脱離させて吸着筒の外部へ排出することによって吸着剤の吸着能を再生する再生工程とを、
それぞれの吸着筒で順次行い、それぞれの吸着筒の圧力を真空領域と大気圧近傍との間で変動させることにより、酸素濃縮ガスを生成して患者に供給することができるようにしたことを特徴とする医療用酸素濃縮装置
を提供することによって解決される。
本発明の医療用酸素濃縮装置の好適な実施態様を、図面を用いてより具体的に説明する。図1は、本発明の医療用酸素濃縮装置の好適な実施態様を示したシステムフロー図である。
吸着筒1a,1bの内部には、窒素を選択的に吸着しうる吸着剤が収容されている。吸着筒1a,1bの形態は、とくに限定されないが、本実施態様の医療用酸素濃縮装置においては、円筒状のものを採用している。吸着筒1aの上部は、逆止弁11aを介して昇圧ポンプ3に接続されており、吸着筒1bの上部は、逆止弁11bを介して昇圧ポンプ3に接続されている。一方、吸着筒1aの下部(原料空気導入側の端部)は、吸着筒切替弁2aを介して原料空気が導入されるフィルター12に接続されている。また、吸着筒1aの下部は、吸着筒切替弁2bを介して真空ポンプ7にも接続されている。
吸着筒切替弁2a,2b,2c,2dは、吸着筒1a,1bの下部に接続される流路を切り替えるためのものとなっている。この吸着筒切替弁2a,2b,2c,2dの具体的な動作については後述する。
昇圧ポンプ3は、吸着工程(大気圧近傍)にある吸着筒1a又は吸着筒1bに収容されている吸着剤に窒素を吸着させた酸素濃縮ガスを吸着筒1a,1bから吸い出し、貯留タンク4へと移送するためのものである。使用する昇圧ポンプの種類は、とくに限定しないが、レシプロケイト式や電磁ダイヤフラム式など、従来公知の各種のものを採用することができる。
貯留タンク4は、吸着筒から取り出された酸素濃縮ガスを一時的に貯留するためのものとなっている。貯留タンク4の形態は、とくに限定されないが、本実施態様の医療用酸素濃縮装置においては、円筒状のものを採用している。貯留タンク4の上部は、昇圧ポンプ3に接続されており、貯留タンク4の下部は、酸素濃縮ガスに含まれる微細な異物を除去するためのフィルター13を介して流量制御手段6に接続されている。
流量設定手段5は、取り出す酸素濃縮ガスの流量を医師の処方に基づいた値に患者が適宜設定するためのものとなっている。本実施態様の医療用酸素濃縮装置においては、流量設定手段5として、つまみを回さなくてもボタンスイッチを押すだけで流量を設定でき、指先が不自由な人でも容易に操作することのできる押ボタンスイッチ式のものを採用している。酸素濃縮ガスの流量は、毎分0.25リットル、毎分0.5リットル、毎分0.75リットル、毎分1.0リットル、毎分1.5リットル、毎分2.0リットル、毎分2.5リットル、毎分3.0リットルの8段階で設定できるようになっている。設定された流量は、流量表示手段(図示省略)に数字で表示されるようになっており、患者が確認することができるようになっている。
流量制御手段6は、流量設定手段5に設定された流量に応じて、貯留タンク4から取り出す酸素濃縮ガスの流量を制御するためのものとなっている。流量制御手段6は、酸素濃縮ガスの流量を制御できるものであればとくに限定されず、径の異なる複数の孔を備えたオリフィスや、流量調節弁(減圧弁)などであってもよいが、本実施態様の医療用酸素濃縮装置においては、比例制御弁を用いている。この比例制御弁は、流量検知手段19が検知した酸素濃縮ガスの流量によってフィードバック制御されるようになっており、酸素濃縮ガスの流量を高い精度で制御することができるようになっている。また、患者に供給される酸素濃縮ガスの流量の異常な増大を防ぐなど、患者の安全性を高めることもできるようになっている。
真空ポンプ7は、吸着筒の圧力を真空領域にまで低下させるためのものとなっている。真空ポンプ7を駆動するモータの種類は、とくに限定されず、交流モータや直流ブラシレスモータを使用することができる。
均圧弁8は、上部均圧工程を行うためのものとなっている。均圧弁8の具体的な動作や上部均圧工程については後述する。
パージ弁9は、パージ工程を行うためのものとなっている。パージ弁9の具体的な動作やパージ工程については後述する。
消音器10は、真空ポンプ7から送出されたガスの脈動に起因する不快な騒音を軽減するためのものとなっている。図2は、図1における消音器10を切断した状態を示した断面図である。消音器10の形態は、とくに限定されないが、図2に示すように、タンク部10aにガス導入口10bとガス排出口10cとを有し、ガス導入口10bからタンク部10aの内部に導入されたガスを迂回させてガス排出口10cから排出させることができるようにしたものであると好ましい。これにより、消音器10の消音作用を高めることができる。ガス導入口10bとガス排出口10cは、タンク部10aの同じ側に設けると好ましい。これにより、消音器10の寸法を小さくすることが可能になる。ガス排出口10cをノズル状に形成してタンク部10aの外部へ突出させることも好ましい。これにより、消音器10の消音作用をさらに高めることができる。
続いて、上記の医療用酸素濃縮装置の具体的な作動方法について説明する。図3は、本発明の医療用酸素濃縮装置を駆動する動作シーケンスの一例を示したタイミングチャートである。図4は、図1の医療用酸素濃縮装置を図3の動作シーケンスで駆動した場合における吸着筒1aの真空度の変動を示したグラフである。図5は、図1の医療用酸素濃縮装置を図3の動作シーケンスで駆動した場合における吸着筒1bの真空度の変動を示したグラフである。
吸着工程は、再生工程を終えて減圧状態にある吸着筒に原料空気を自然流入させ、原料空気に含まれる窒素を吸着剤に吸着させることによって、酸素濃度が高められた酸素濃縮ガスを生成する工程である。
パージ工程は、吸着工程を終えた吸着筒の内部に残っている酸素濃縮ガスを、再生工程を終えた(次に吸着工程が開始される)他の吸着筒へと移送し、他の吸着筒の内部に残っている酸素濃度が低いガス(窒素濃度が高いガス)を外部へと追い出すことにより、酸素濃度が低いガスを酸素濃縮ガスで置換する工程である。
上部均圧工程は、吸着工程を終えた吸着筒の上部に残留している高濃度の酸素濃縮ガスを、再生工程を終えた(次に吸着工程が行われる)他の吸着筒の上部へと移送し、次に吸着工程が行われる吸着筒の圧力を予め高めておく工程である。
下部均圧工程は、吸着工程を終えた吸着筒の下部に残留している成分が空気に比較的近いガスを、再生工程を終えた(次に吸着工程が行われる)他の吸着筒の下部へと移送し、次に吸着工程が行われる吸着筒の圧力を予め高めておく工程である。下部均圧工程は、上部均圧工程と同時に行ってもよい。
再生工程は、吸着工程を終えた吸着筒の圧力を低下させ(吸着筒の真空度を高め)、吸着剤に吸着されていた窒素及び水分を脱離させて吸着筒の外部へ排出することによって、吸着剤の吸着能を再生する工程である。
図9は、図1の真空ポンプ7に交流100Vの電源電圧を印加した場合における真空ポンプ7の消費電力の変化を示したグラフである。図10は、図1の真空ポンプ7に交流70Vの電源電圧を印加した場合における真空ポンプ7の消費電力の変化を示したグラフである。図9と図10を見ると、真空ポンプ7の消費電力は、真空度が0kPaから50kPa程度になるまでの範囲では単調に増加するものの、真空度が50kPaを超えたあたりをピークに減少していくことが分かる。
真空ポンプ7を直流ブラシレスモータで駆動する場合には、流量設定手段5に設定された流量に応じて、直流ブラシレスモータの回転数を変化させると好ましい。すなわち、流量設定手段5に設定された流量が多い場合には、直流ブラシレスモータの回転数を高く設定し、流量設定手段5に設定された流量が少ない場合には、直流ブラシレスモータの回転数を低く設定する。これにより、真空ポンプを駆動する直流ブラシレスモータの消費電力を抑えることが可能になる。また、流量設定手段5に設定された酸素濃縮ガスの流量に応じて、再生工程、上部均圧工程又は下部均圧工程を行う時間の長さを変更することも好ましい。これにより、医療用酸素濃縮装置をより最適な条件で運転することが可能になり、医療用酸素濃縮装置の消費電力を従来品に比べて大幅に低減することができる。
本発明の医療用酸素濃縮装置は、安全性が高いために、酸素吸入療法に用いるものとして好適である。また、消費電力が低く、低騒音であり、かつ小型化も容易であるために、在宅で酸素吸入療法を行う際に用いるものとしてとくに好適である。さらに、携帯型の医療用酸素濃縮装置としての需要も大いに期待される。
1b 吸着筒
2a 吸着筒切替弁
2b 吸着筒切替弁
2c 吸着筒切替弁
2d 吸着筒切替弁
3 昇圧ポンプ
4 貯留タンク
5 流量設定手段
6 流量制御手段
7 真空ポンプ
8 均圧弁
9 パージ弁
10 消音器
11a 逆止弁
11b 逆止弁
12 フィルター(原料空気導入口)
13 フィルター
14 加湿手段
15 酸素濃縮ガス送出口
16 酸素濃度検知手段
17 圧力検知手段
18 逆止弁
19 流量検知手段
20 冷却ファン
21 オリフィス
Claims (9)
- (a)原料空気に含まれる窒素を選択的に吸着しうる吸着剤が収容された複数の吸着筒と、
(b)それぞれの吸着筒に接続される流路を切り替えるための吸着筒切替弁と、
(c)吸着剤に窒素が吸着されて酸素濃度が高められた酸素濃縮ガスを吸着筒から取り出すための昇圧ポンプと、
(d)吸着筒から取り出された酸素濃縮ガスを一時的に貯留するための貯留タンクと、
(e)貯留タンクから取り出して使用する酸素濃縮ガスの流量を設定するための流量設定手段と、
(f)流量設定手段に設定された流量に応じて貯留タンクから取り出す酸素濃縮ガスの流量を制御する流量制御手段と、
(g)吸着筒の圧力を真空領域になるまで低下させる真空ポンプとを備え、
減圧状態の吸着筒に原料空気を自然流入させて該吸着筒の圧力を大気圧近傍まで上昇させ、原料空気に含まれる窒素を吸着剤に吸着させることによって酸素濃縮ガスを生成する吸着工程と、
吸着筒の圧力を真空領域になるまで低下させ、吸着剤に吸着されていた窒素を脱離させて吸着筒の外部へ排出することによって吸着剤の吸着能を再生する再生工程とを、
それぞれの吸着筒で順次行い、それぞれの吸着筒の圧力を真空領域と大気圧近傍との間で変動させることにより、酸素濃縮ガスを生成して患者に供給することができるようにしたことを特徴とする医療用酸素濃縮装置。 - 真空ポンプが交流モータによって駆動されるものであり、流量設定手段に設定された流量が多い場合には再生工程を行う時間が短く設定され、流量設定手段に設定された流量が少ない場合には再生工程を行う時間が長く設定される請求項1記載の医療用酸素濃縮装置。
- 起動開始から所定時間が経過するまでの間は真空ポンプを駆動する交流モータの電圧が高く設定され、起動開始から所定時間が経過した後は真空ポンプを駆動する交流モータの電圧が低く設定される請求項2記載の医療用酸素濃縮装置。
- 真空ポンプが直流ブラシレスモータによって駆動されるものであり、流量設定手段に設定された流量が多い場合には、直流ブラシレスモータの回転数が高く設定され、流量設定手段に設定された流量が少ない場合には、直流ブラシレスモータの回転数が低く設定される請求項1記載の医療用酸素濃縮装置。
- それぞれの吸着筒における酸素濃縮ガス導出側の端部同士が並列配置された均圧弁及びパージ弁を介して接続され、流量設定手段に設定された流量が多い場合には、均圧弁又はパージ弁を開く時間が長く設定され、流量設定手段に設定された流量が少ない場合には、均圧弁又はパージ弁を開く時間が短く設定される請求項1〜4いずれか記載の医療用酸素濃縮装置。
- 装置停止時には、真空ポンプよりも先に昇圧ポンプが停止し、その後所定時間が経過してから真空ポンプが停止するように設定された請求項1〜5いずれか記載の医療用酸素濃縮装置。
- 真空ポンプの空気排出側に消音器を設けた請求項1〜6いずれか記載の医療用酸素濃縮装置。
- 流量設定手段が押ボタンスイッチ式のものである請求項1〜7いずれか記載の医療用酸素濃縮装置。
- (a)原料空気に含まれる窒素を選択的に吸着しうる吸着剤が収容された複数の吸着筒と、
(b)それぞれの吸着筒に接続される流路を切り替えるための吸着筒切替弁と、
(c)吸着剤に窒素が吸着されて酸素濃度が高められた酸素濃縮ガスを吸着筒から取り出すための昇圧ポンプと、
(d)吸着筒から取り出された酸素濃縮ガスを一時的に貯留するための貯留タンクと、
(e)貯留タンクから取り出して使用する酸素濃縮ガスの流量を設定するための流量設定手段と、
(f)流量設定手段に設定された流量に応じて貯留タンクから取り出す酸素濃縮ガスの流量を制御する流量制御手段と、
(g)吸着筒の圧力を真空領域になるまで低下させる真空ポンプとを備えた医療用酸素濃縮装置の作動方法であって、
減圧状態の吸着筒に原料空気を自然流入させて該吸着筒の圧力を大気圧近傍まで上昇させ、原料空気に含まれる窒素を吸着剤に吸着させることによって酸素濃縮ガスを生成する吸着工程と、
吸着筒の圧力を真空領域になるまで低下させ、吸着剤に吸着されていた窒素を脱離させて吸着筒の外部へ排出することによって吸着剤の吸着能を再生する再生工程とを、
それぞれの吸着筒で順次行い、それぞれの吸着筒の圧力を真空領域と大気圧近傍との間で変動させることにより、酸素濃縮ガスを生成して患者に供給することができるようにしたことを特徴とする医療用酸素濃縮装置の作動方法。
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