JP2015136565A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、呼吸器疾患の患者が自宅で酸素吸入を行う在宅酸素療法において使用され、大気中の空気から高濃度の酸素を生成して出力する酸素濃縮器に関するものである。
この種の酸素濃縮器としては、例えば特許文献1に開示されるように、加圧下において窒素を選択的に吸着し、その吸着した窒素を減圧下において放出する特性を有する吸着材(ゼオライト)を利用したPSA(Pressure Swing Adsorption)方式のものが知られており、それは吸着式とも呼ばれている。
このような吸着式の酸素濃縮器は、図10に示すように、窒素を吸着する吸着材(ゼオライト)が充填された2つのシーブベッドTa,Tbと、これらシーブベッドTa,Tbに対し圧縮空気を供給するコンプレッサCと、該コンプレッサCからの圧縮空気を上記2つのシーブベッドTa,Tbに対し供給するための給気流路を構成する各分岐流路Fa,Fbと、これら分岐流路Fa,Fbを個別に開閉する各給気用バルブPVa,PVbと、上記各シーブベッドTa,Tbを大気に開放する各排気流路Ea,Ebと、これら排気流路Ea,Ebを個別に開閉する各排気用バルブEVa,EVbとにより構成されている。
そして、上記2つのシーブベッドのうち一方Taに繋がる分岐流路Faの給気用バルブPVaを開き、排気流路Eaの排気用バルブEVaを閉じると同時に、他方Tbに繋がる分岐流路Fbの給気用バルブPVbを閉じ、排気流路Ebの排気用バルブEVbを開くことにより、一方のシーブベッドTaに圧縮空気を供給して高濃度の酸素を得ることができる。その間、他方のシーブベッドTbは減圧されるため、ゼオライトに吸着されていた窒素が離脱して大気に排出される。また、これらの給気用バルブPVa,PVb及び排気用バルブEVa,EVbを逆の開閉パターンに切り換えることにより、他方のシーブベッドTbに圧縮空気を供給して高濃度の酸素を得ることができ、その間、一方のシーブベッドTaのゼオライトに吸着されていた窒素が離脱して大気に排出される。
すなわち、上記各給気用バルブPVa,PVb及び排気用バルブEVa,EVbの開閉パターンを交互に切り換えることにより、上記各シーブベッドTa,Tbを通じて高濃度の酸素を連続的に得ることができる。
すなわち、上記各給気用バルブPVa,PVb及び排気用バルブEVa,EVbの開閉パターンを交互に切り換えることにより、上記各シーブベッドTa,Tbを通じて高濃度の酸素を連続的に得ることができる。
ところで、上記給気用バルブPVa,PVb及び排気用バルブEVa,EVbとしては、図2に示すような、ダイヤフラム弁10にノーマルオープン型の電磁式パイロット弁20を組み合わせたものが考えられ、該電磁式パイロット弁20がオフの時には、上記給気流路から分岐されたパイロット流路Fpを通じてパイロットエアがダイヤフラム弁10に供給されて、上記分岐流路Fa,Fbや排気流路Ea,Ebが閉じられ、一方、電磁パイロット弁20がオンの時には、該ダイヤフラム弁10に対するパイロットエアの供給が遮断されて、逆に上記分岐流路Fa,Fbや排気流路Ea,Ebが開かれるようになっている。
このように、パイロットエアを電磁式パイロット弁20に供給するパイロット流路Fpが給気流路から分岐されている場合、上記各給気用バルブPVa,PVb及び排気用バルブEVa,EVbの開閉パターンを切り換えて、酸素を生成するシーブベッドを一方Taから他方Tbに切り換えた直後には、当該他方のシーブベッドTbは直前までの減圧により圧力が未だ低い状態にあるため、コンプレッサCから供給される圧縮空気の圧力が図11に示すように一時的に降下してしまい、同時に、パイロット圧力も降下してしまう。
その一方で、排気される側となる一方のシーブベッドTaの給気用バルブPVaは、本来、パイロットエアが供給されて閉じられるべきであるが、該シーブベッドTa内の残圧が未だ高い状態にあるため、上述のようにパイロット圧力が降下することにより、該給気用バルブPVaのダイヤフラム弁10が、そのダイヤフラム13の両面に作用する圧力バランスが崩れて(図11の斜線部参照)開いてしまい、その結果、高濃度の窒素を含んだ排気が一時的に給気流路を逆流し、酸素を生成する側である他方のシーブベッドTbに流れ込んでしまうという問題があった。そして、このような問題は、逆に、酸素を生成するシーブベッドを他方Tbから一方Taに切り換えた直後にも発生する(図11のドット部参照)。なお、図11中、縦の破線は、上記各給気用バルブPVa,PVbの電磁式パイロット弁20に対する通電を交互にオン・オフするタイミング、すなわち上記各給気用バルブPVa,PVb及び各排気用バルブEVa,EVbの開閉パターンを切り換えるタイミングを示している。
その一方で、排気される側となる一方のシーブベッドTaの給気用バルブPVaは、本来、パイロットエアが供給されて閉じられるべきであるが、該シーブベッドTa内の残圧が未だ高い状態にあるため、上述のようにパイロット圧力が降下することにより、該給気用バルブPVaのダイヤフラム弁10が、そのダイヤフラム13の両面に作用する圧力バランスが崩れて(図11の斜線部参照)開いてしまい、その結果、高濃度の窒素を含んだ排気が一時的に給気流路を逆流し、酸素を生成する側である他方のシーブベッドTbに流れ込んでしまうという問題があった。そして、このような問題は、逆に、酸素を生成するシーブベッドを他方Tbから一方Taに切り換えた直後にも発生する(図11のドット部参照)。なお、図11中、縦の破線は、上記各給気用バルブPVa,PVbの電磁式パイロット弁20に対する通電を交互にオン・オフするタイミング、すなわち上記各給気用バルブPVa,PVb及び各排気用バルブEVa,EVbの開閉パターンを切り換えるタイミングを示している。
本発明の技術的課題は、2つのシーブベッドに対し圧縮空気を交互に切り換えて供給し、連続的に高濃度の酸素を生成することができるように構成された酸素濃縮器において、圧縮空気を供給するシーブベッドを切り換えた直後に、排気される側のシーブベッドの排気が圧縮空気の給気流路を逆流して、酸素を生成する側のシーブベッドに流れ込むのを防止することにある。
上記技術的課題を解決するため、本発明に係る酸素濃縮器は、圧縮空気を出力する圧縮空気供給源と、加圧下において空気から窒素を選択的に吸着し減圧下においてその吸着した窒素を放出する吸着材が内蔵されていて、圧縮空気から窒素を分離して高濃度酸素を生成する第1及び第2のシーブベッドと、上記圧縮空気供給源からの圧縮空気を上記各シーブベッドにそれぞれ供給する給気流路と、上記各シーブベッド内の排気をそれぞれ大気に排出する排気流路とを有していて、上記給気流路が、上記圧縮空気供給源に接続された本流路と、該本流路を分岐して上記第1及び第2のシーブベッドに接続された第1及び第2の分岐流路とにより構成され、上記第1及び第2の分岐流路に、上記第1及び第2のシーブベッドに対し上記圧縮空気供給源を交互に連通させる第1及び第2の給気用バルブがそれぞれ設けられ、上記排気流路に、上記第1の給気用バルブが閉じられている時に上記第1のシーブベッドを大気に連通させ、上記第2の給気用バルブが閉じられている時に上記第2のシーブベッドを大気に連通させる排気用バルブが設けられて成る酸素濃縮器であって、上記各給気用バルブが、主弁としてのダイヤフラム弁と、パイロットエアにより上記分岐流路を閉じる方向に該主弁を駆動する電磁式パイロット弁とからそれぞれ構成されていて、これらの電磁式パイロット弁に上記パイロットエアを供給するパイロット流路が、上記給気流路における上記給気用バルブよりも上流側の位置から分岐されており、該パイロット流路に、上記パイロットエアが逆流するのを阻止するチェック弁が設けられていることを特徴とする。
このとき、上記第1及び第2の給気用バルブの電磁式パイロット弁の双方にパイロットエアを供給する1本のパイロット流路が上記給気流路から分岐されていても良く、または、上記第1及び第2の給気用バルブの各電磁式パイロット弁にパイロットエアを供給する第1及び第2のパイロット流路が、上記給気流路からそれぞれ分岐されていても良い。
さらに、本発明に係る酸素濃縮器の好ましい実施形態においては、上記第1及び第2の給気用バルブ並びに排気用バルブが、単一のマニホールドベース上に搭載されていて、該マニホールドベース内に、上記給気流路と、そこから分岐された上記パイロット流路と、上記排気流路が形成されると共に、上記チェック弁が装着されており、上記マニホールドベースには、上記チェック弁を外部から挿入して装着するためのチェック弁装着孔が開設されていて、上記パイロット流路が、該チェック弁装着孔の側壁から上記給気流路へと通じる一次側流路孔と、該チェック弁装着孔の奥部から上記電磁式パイロット弁へと通じる二次側流路孔とから形成され、上記チェック弁が、軸方向の一端に上記二次側流路孔に連通させる第1開口が設けられ、上記チェック弁装着孔に該第1開口を奥側にして嵌合された中空の外筒と、該外筒内に配された中空の中子及び上記二次側流路孔からのパイロットエアの逆流を阻止するチェック弁本体とを有していて、上記一次側流路孔からのパイロットエアが、上記外筒及び中子の側壁にそれぞれ開設された第1及び第2のエア導入穴を通じて該中子内に導入され、該中子に開設されたエア導出穴を通じて該中子内から導出され、上記チェック弁本体の周囲を経て上記第1開口へと導かれるように構成されている。
そうすることにより、上記チェック弁をマニホールドベースの外部から該マニホールドベース内に形成されたパイロット流路に対し容易に装着することが可能となる。
そうすることにより、上記チェック弁をマニホールドベースの外部から該マニホールドベース内に形成されたパイロット流路に対し容易に装着することが可能となる。
このとき、上記チェック弁本体は、その断面形状が上記外筒の第1開口側に開くV字状に形成された環状のリップシールであっても良く、または、上記外筒の第1開口側に位置する中子の端面に上記エア導出穴が開設されていて、該エア導出穴を取り囲むように形成された弁座に対し、同じ外筒内に設けられた上記チェック弁本体としてのポペット弁が接離するように構成されていても良い。なお、上記中子内に上記第2のエア導入穴を覆うようにエアフィルタが装着されていることが望ましい。
また、本発明に係る酸素濃縮器のより好ましい実施形態においては、上記外筒における上記第1開口と逆側の他端に第2開口が開設されていて、該第2開口を通じて上記外筒内に上記中子が嵌合可能となっており、この外筒の第2開口を閉じる密閉キャップにより上記チェック弁装着孔が気密に閉塞されている。
本発明に係る酸素濃縮器においては、圧縮空気供給源に接続された給気流路に、第1及び第2のシーブベッドに対し交互に圧縮空気を供給するための第1及び第2の給気用バルブを設け、これら給気用バルブの電磁式パイロット弁に対しパイロットエアを供給するパイロット流路を、上記給気流路における上記給気用バルブよりも上流側の位置から分岐し、該パイロット流路に、上記パイロットエアが逆流するのを阻止するチェック弁を設けている。そのため、圧縮空気を供給して高濃度酸素を生成するシーブベッドを一方から他方に切り換えた直後、たとえ一時的に圧縮空気の供給圧力が降下したとしても、同様に上記パイロット圧力も降下してしまうのを防止することができ、必要なパイロット圧力を維持することが可能となる。その結果、排気される側(再生される側)のシーブベッドに接続された本来閉じられるべき給気用バルブが開いてしまい、該シーブベッド内の排気が給気流路を逆流し、高濃度酸素を生成する側のシーブベッドに流れ込むのを防止することが可能となる。
以下に、本発明に係る酸素濃縮器の一実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
この酸素濃縮器1は、加圧下において大気中の空気から窒素を選択的に吸着し、その吸着した窒素を減圧下において放出する特性を有する吸着材を利用することにより、大気中の空気から高濃度の酸素を生成して出力するもので、PSA(Pressure Swing Adsorption)方式と呼ばれており、例えば、呼吸器疾患の患者が自宅で酸素吸入を行う在宅酸素療法において使用される。
この酸素濃縮器1は、加圧下において大気中の空気から窒素を選択的に吸着し、その吸着した窒素を減圧下において放出する特性を有する吸着材を利用することにより、大気中の空気から高濃度の酸素を生成して出力するもので、PSA(Pressure Swing Adsorption)方式と呼ばれており、例えば、呼吸器疾患の患者が自宅で酸素吸入を行う在宅酸素療法において使用される。
図1に示すように、この酸素濃縮器1は、概略的には、大気から高濃度酸素を生成する酸素生成部2と、該酸素生成部2で生成された高濃度酸素をカニューラ等の出力器具51へと供給する酸素供給部50とにより構成されている。
上記酸素生成部2は、大気中の空気を圧縮して出力する圧縮空気供給源としてのコンプレッサ3と、上記吸着材としてのゼオライトが内蔵されていて、上記コンプレッサ3から出力された圧縮空気から窒素を選択的に分離して高濃度酸素を生成する第1及び第2のシーブベッド4A,4Bと、上記コンプレッサ3と各シーブベッド4A,4Bとの間に配され、上記圧縮空気をこれらシーブベッド4A,4Bにそれぞれ供給するための給気流路5と、上記各シーブベッド4A,4Bからの排気をそれぞれ大気に排出するための排気流路6とを有している。
上記酸素生成部2は、大気中の空気を圧縮して出力する圧縮空気供給源としてのコンプレッサ3と、上記吸着材としてのゼオライトが内蔵されていて、上記コンプレッサ3から出力された圧縮空気から窒素を選択的に分離して高濃度酸素を生成する第1及び第2のシーブベッド4A,4Bと、上記コンプレッサ3と各シーブベッド4A,4Bとの間に配され、上記圧縮空気をこれらシーブベッド4A,4Bにそれぞれ供給するための給気流路5と、上記各シーブベッド4A,4Bからの排気をそれぞれ大気に排出するための排気流路6とを有している。
上記給気流路5は、一端が上記コンプレッサ3に接続された本流路5cと、該本流路5cの他端で分岐されて上記第1及び第2のシーブベッド4A,4Bへと接続された第1及び第2の分岐流路5a,5bとにより構成されている。そして、上記第1及び第2の分岐流路5a,5bの途中には、これら分岐流路5a,5bを交互に開閉することにより、上記第1及び第2のシーブベッド4A,4Bに対し上記コンプレッサ3を交互に連通させる第1及び第2の給気用バルブ7a,7bがそれぞれ設けられている。
また、上記排気流路6は、上記第1及び第2のシーブベッド4A,4Bからの排気がそれぞれ通る第1及び第2の排気流路6a,6bにより構成されている。そして、該第1の排気流路6aには、上記第1の給気用バルブ7aが閉じられている時に開いて、上記第1のシーブベッド4Aを大気に連通させ、該シーブベッド4A内の排気を大気に排出させる第1の排気用バルブ8aが設けられ、該第2の排気流路6bには、上記第2の給気用バルブ7bが閉じられている時に開いて、上記第2のシーブベッド4Bを大気に連通させ、該シーブベッド4B内の排気を大気に排出させる第2の排気用バルブ8bが設けられている。
なお、ここでは、上記第2の分岐流路5bにおける上記第2の給気用バルブ7bよりも上流側の位置から、後に詳述する上記第1及び第2の給気用バルブ7a,7b並びに上記第1及び第2の排気用バルブ8a,8bの各電磁式パイロット弁20に対し、パイロットエアを供給するための1本のパイロット流路9が分岐されている。
そして、上記各電磁式パイロット弁20はそれぞれ、図2に示すように制御部60に接続され、該制御部60により上記各バルブ7a,7b,8a,8bを開閉操作することができるようになっている。
そして、上記各電磁式パイロット弁20はそれぞれ、図2に示すように制御部60に接続され、該制御部60により上記各バルブ7a,7b,8a,8bを開閉操作することができるようになっている。
すなわち、この酸素濃縮器1においては、上記第1の給気用バルブ7a及び第2の排気用バルブ8bを開き、上記第2の給気用バルブ7b及び第1の排気用バルブ8aを閉じて、第1のシーブベッド4Aに圧縮空気を供給して高濃度酸素を生成させると共に、第2のシーブベッド4B内の高濃度の窒素を含む排気を大気に排出させて該シーブベッド4Bを再生させる「第1のバルブ開閉パターン」と、逆に、上記第2の給気用バルブ7b及び第1の排気用バルブ8aを開き、上記第1の給気用バルブ7a及び第2の排気用バルブ8bを閉じて、第2のシーブベッド4Bに圧縮空気を供給して高濃度酸素を生成させると共に、第1のシーブベッド4A内の高濃度の窒素を含む排気を大気に排出させて該シーブベッド4Aを再生させる「第2のバルブ開閉パターン」とを、上記制御部60により交互に切り換えて、連続的に高濃度酸素を生成することができるようになっている。
一方、上記酸素供給部50は、上記酸素生成部2の各シーブベッド4A,4Bで生成された高濃度酸素を一旦タンク52内に貯蔵し、上記出力器具51へと出力するためのもので、上記第1及び第2のシーブベッド4A,4Bから高濃度酸素をそれぞれ出力させる第1及び第2の出力流路53a、53bと、これら第1及び第2の出力流路53a,53bを合流させた後、上記タンク52を経て出力器具51へと接続される第3の出力流路53cとを有している。ここで、上記第1及び第2の出力流路53a,53bには、上記タンク52から上記各シーブベッド4A,4Bに高濃度酸素が逆流するのを阻止するための出力側チェック弁54a,54bが設けられている。
そして、上記タンク52内に貯蔵された高濃度酸素が、上記第3の出力流路53cに設けられた減圧弁55、流量調整弁56、フィルタ57及び加湿器58等を経て、上記出力器具51へと導かれるようになっている。ここで、上記加湿器58は、上記シーブベッド4A,4Bに充填されたゼオライトが、空気中の窒素ばかりでなく水分をも吸着する性質を有していて、これらシーブベッド4A,4Bから高濃度酸素が極めて乾燥した状態で出力されるため、それを加湿する役割を果たしている。
なお、上記一対のシーブベッド4A,4Bの再生効率や高濃度酸素の生成効率を向上させるため、上記出力側チェック弁54a,54bよりも上流側において、上記第1の出力流路53aと第2の出力流路53bとの間を、オリフィスを設けた管路や、均圧弁を設けた管路で接続することができる。
なお、上記一対のシーブベッド4A,4Bの再生効率や高濃度酸素の生成効率を向上させるため、上記出力側チェック弁54a,54bよりも上流側において、上記第1の出力流路53aと第2の出力流路53bとの間を、オリフィスを設けた管路や、均圧弁を設けた管路で接続することができる。
次に、上記給気用バルブ7a,7b及び排気用バルブ8a,8bの構成についてより具体的に説明すると、上記第1及び第2の給気用バルブ7a,7bはそれぞれ、図1及び図2に示すように、上記給気流路5の分岐流路5a,5bを開閉する主弁としてのダイヤフラム弁10と、上記パイロット流路9を通じて導入されたパイロットエアにより、上記分岐流路5a,5bを閉じる方向に該ダイヤフラム弁10を駆動する上記電磁式パイロット弁20とから構成されている。
上記ダイヤフラム弁10は、上下に分割された第1部分11a及び第2部分11bにより構成されて内部に空間12を形成するケーシング11と、ゴム等の弾性材によって円盤状に形成され、周縁部13cが上記ケーシング11の第1部分11aと第2部分11bとの間に挟持されると共に、その内側の本体部分13dが上記空間12内に配されたダイヤフラム13とを有している。そして、該ダイヤフラム13によって上記空間12が、該ダイヤフラム13の一方の第1受圧面13a側(図中下面側)に形成された第1駆動室12aと、他方の第2受圧面13b側(図中上面側)に形成された第2駆動室12bとに気密に区画されている。
上記ケーシング11の底面には、上記分岐流路5a,5bのコンプレッサ3側が接続された第1ポート14aと、該分岐流路5a,5bのシーブベッド4A,4B側が接続された第2ポート14bと、上記パイロット流路9が接続された第3ポート14cと、大気に開放されていて上記電磁式パイロット弁20の排気を排出するための第4ポート14dとが開設されている。そして、上記第1及び第2ポート14a,14bは、上記第1駆動室12aに連通されており、上記空間12の内面であって、上記第2ポート14bの周囲には、該第2ポート14bを取り囲むように弁座15が形成されている。
上記ダイヤフラム13の第1受圧面13aには、上記弁座15に接離して上記第1ポート14aと第2ポート14bとの間を遮断又は連通させるシール用リブ13eが環状に形成されている。そして、上記ダイヤフラム13の第1受圧面13aに作用する圧力が第2受圧面13bに作用する圧力よりも所定量ΔP大きくなった時に初めて、該ダイヤフラム13の本体部分13dが上記空間12内を第2駆動室12b方向へ移動し、その結果、上記シール用リブ13eが弁座15から離間し上記第1ポート14aと第2ポート14bとが連通するように構成されている。
また、本実施形態の給気用バルブ7a,7bにおいては、上記ダイヤフラム13の第2受圧面13bの中央部分に、中空の凸部17aとその周囲の鍔部17bを有して上記シール用リブ13eよりも少し大径に形成された金属製の第1バネ座17が、その上記鍔部17bを上記ダイヤフラム13に埋設させて取り付けられている。該バネ座17の凸部17a内は該ダイヤフラム13を形成する弾性材で充たされている。その一方で、上記第2駆動室12bにおける上記第2受圧面13bと対向する内面には、上記第1バネ座17に対向させて凹状の第2バネ座18が形成されており、これら第1及び第2バネ座の間に、ダイヤフラム13の本体部分13dを第1駆動室12a側に付勢する付勢部材としてのコイルバネ16が設けられている。
そうすることにより、ダイヤフラム弁10を開くために必要とされる上記ΔPをより大きく設定している。なお、ダイヤフラム13の第2受圧面13bにおける上記第1ばね座17の周囲には、上記シール用リブ13eの径とほぼ同じ径の環状に配列された複数の突起13fが形成されていて、ダイヤフラム弁10が全開状態の時に、上記第2駆動室12bにおける上記第2受圧面13bと対向する内面に当接し、該内面に上記第2受圧面13bが密着するのを防止している。
また、上記電磁式パイロット弁20は、筒状のソレノイド21と、上記制御部60に接続されて該ソレノイド21に通電する給電端子22と、上記ソレノイド21内に配された固定鉄心23と、上記ソレノイド21内に該固定鉄心23と同軸に配された可動鉄心24と、該可動鉄心24の軸方向への移動により操作される弁部25とを有している。また、上記ダイヤフラム弁10のケーシング11内には、パイロット流路9が接続された上記第3ポート14cからパイロットエアを上記パイロット弁20の弁部25へと導くパイロット供給路10aと、該弁部25を上記ダイヤフラム弁10の第2駆動室12bへと接続し、上記パイロットエアを該第2駆動室12bに対して給排するパイロット給排路10bと、上記弁部25を大気へと連通させ、上記第2駆動室12bからパイロット給排路10bを通じて上記弁部25へと導出されたパイロットエアを、上記第4ポート14dを通じて大気へと排出するパイロット排気路10cとが形成されている。
そして、上記ソレノイド21への非通電時(オフ時)には、バネ26の付勢力で可動鉄心24が固定鉄心23から離間していて、上記弁部25により上記パイロット供給路10aとパイロット給排路10bとが連通されて、上記パイロット流路9からパイロットエアが上記ダイヤフラム弁10の第2駆動室12bへと導入される。そうすると、上記ダイヤフラム13の本体部分13dが、その第1受圧面13aに作用する圧力に抗して上記第1駆動室12a方向へと移動し、上記シール用リブ13eが上記弁座15に押し当てられて上記分岐流路5a,5bが閉じられる。
逆に、上記ソレノイド21への通電時(オン時)には、可動鉄心24が固定鉄心23に吸着され、上記弁部25により上記パイロット給排路10bとパイロット排気路10cとが連通されて、上記第2駆動室12bからパイロットエアが大気へと排出される。そうすると、上記ダイヤフラム13の本体部分13dが、その第2受圧面13bに作用する上記コイルバネ16の付勢力に抗して上記第2駆動室12b方向へと移動し、上記シール用リブ13eが上記弁座15から離間して上記分岐流路5a,5bが開かれる。
すなわち、上記電磁式パイロット弁20はノーマルオープン型のソレノイドバルブで、その非通電時(オフ時)には上記ダイヤフラム弁10により分岐流路5a,5bが閉じられて、上記シーブベッド4A,4Bへの圧縮空気の供給が遮断され、その通電時(オン時)には該ダイヤフラム弁10により分岐流路5a,5bが開かれて、上記シーブベッド4A,4Bに対し圧縮空気が供給されるようになっている。
すなわち、上記電磁式パイロット弁20はノーマルオープン型のソレノイドバルブで、その非通電時(オフ時)には上記ダイヤフラム弁10により分岐流路5a,5bが閉じられて、上記シーブベッド4A,4Bへの圧縮空気の供給が遮断され、その通電時(オン時)には該ダイヤフラム弁10により分岐流路5a,5bが開かれて、上記シーブベッド4A,4Bに対し圧縮空気が供給されるようになっている。
なお、上記排気用バルブ8a,8bも、基本的には図2に示す上記給気用バルブ7a,7bと同様の構造を有していれば良いが、本実施形態においては、図1にも示すように、コイルバネ16が省略されている。
そして、上記電磁式パイロット弁20の非通電時には上記ダイヤフラム弁10により上記排気流路6a,6bが閉じられて、上記シーブベッド4A,4Bが大気から遮断され、その通電時には該ダイヤフラム弁10により排気流路6a,6bが開かれて、上記シーブベッド4A,4Bからの排気が大気に排出されるようになっている。
そして、上記電磁式パイロット弁20の非通電時には上記ダイヤフラム弁10により上記排気流路6a,6bが閉じられて、上記シーブベッド4A,4Bが大気から遮断され、その通電時には該ダイヤフラム弁10により排気流路6a,6bが開かれて、上記シーブベッド4A,4Bからの排気が大気に排出されるようになっている。
ところで、このようなダイヤフラム式の給気用バルブ7a,7bを使用した場合において、例えば、酸素を生成するシーブベッドを第1のシーブベッド4Aから第2のシーブベッド4Bに切り換えた時、すなわち、上記「第1のバルブ開閉パターン」から「第2のバルブ開閉パターン」に切り換えた時、その直後には、依然として、上記第2のシーブベッド4Bは直前までの排気により内部圧力が低い状態にある。そのため、コンプレッサ3から給気流路5を通じて供給される圧縮空気の圧力が図11に示すように一時的に降下してしまう。その一方で、その時、上記第1のシーブベッド4Aの内部圧力は直前までの給気により依然として高い状態にある。
そこでもし、上記給気流路5から分岐されているパイロット流路9を通じて上記電磁式パイロット弁20に供給されるパイロット圧力も同時に降下してしまうと、上記第1の給気用バルブ7aのダイヤフラム弁10の第1駆動室12aには上記第2ポート14bを通じて上記第1のシーブベッド4Aの高い内部圧力がかかり、第2駆動室12bには上記第3ポート14cを通じて降下したパイロット圧力がかかることとなる。
そうすると、本来、第1の給気用バルブ7aのダイヤフラム弁10は、パイロットエアが供給されて閉じられるべきであるが、上述した理由により上記ΔPがダイヤフラム弁10を開くのに必要とされる量を上回って(図11の斜線部参照)ダイヤフラム弁10が開いてしまい、その結果、高濃度の窒素を含んだ第1のシーブベッド4Aからの排気が一時的に給気流路5を逆流し、酸素を生成する側である第2のシーブベッド4Bに流れ込んでしまう。
そして、このような問題は、逆に、酸素を生成するシーブベッドを第2のシーブベッド4Bから第1のシーブベッド4Aに切り換えた時、すなわち、上記「第2のバルブ開閉パターン」から「第1のバルブ開閉パターン」に切り換えた直後にも発生する(図11のドット部参照)。
そうすると、本来、第1の給気用バルブ7aのダイヤフラム弁10は、パイロットエアが供給されて閉じられるべきであるが、上述した理由により上記ΔPがダイヤフラム弁10を開くのに必要とされる量を上回って(図11の斜線部参照)ダイヤフラム弁10が開いてしまい、その結果、高濃度の窒素を含んだ第1のシーブベッド4Aからの排気が一時的に給気流路5を逆流し、酸素を生成する側である第2のシーブベッド4Bに流れ込んでしまう。
そして、このような問題は、逆に、酸素を生成するシーブベッドを第2のシーブベッド4Bから第1のシーブベッド4Aに切り換えた時、すなわち、上記「第2のバルブ開閉パターン」から「第1のバルブ開閉パターン」に切り換えた直後にも発生する(図11のドット部参照)。
そこで、本実施形態においては、図1に示すように、上記パイロット流路9における上記各給気用バルブ7a,7bの電磁式パイロット弁20よりも上流側(すなわち、上記給気流路5側)の位置に、該電磁式パイロット弁20側から上記給気流路5方向へとパイロットエアが逆流するのを阻止することによりパイロット圧力を維持するためのパイロット用チェック弁40を設けた。そうすることにより、図3に示すように、給気圧力の降下にもかかわらず、それに伴ってパイロット圧力も降下するのを抑制することができ、必要なパイロット圧力を維持することが可能となる。その結果、排気される側(再生される側)のシーブベッドに接続された本来閉じられるべき給気用バルブが開いてしまい、該シーブベッド内の排気が給気流路5を逆流し、高濃度酸素を生成する側のシーブベッドに流れ込むのを防止することが可能となる。なお、図3中、縦の破線は、上記制御部60によって、上記各給気用バルブ7a,7bの電磁式パイロット弁20に対する通電を交互にオン・オフするタイミング、すなわち、上記制御部60によって、上記「第1のバルブ開閉パターン」と「第2のバルブ開閉パターン」とを交互に切り換えるタイミングを示している。
さらに、上記酸素生成部2における上記パイロット用チェック弁40を含んだ空気圧回路の構成についてより具体的に説明すると、上記酸素生成部2の空気圧回路は、図1及び図4(a)〜図5に示すように、第1及び第2の給気用バルブ7a,7bと第1及び第2の排気用バルブ8a,8bとが単一のマニホールドベース30上に搭載されて成るバルブ集合体により形成されている。すなわち、このマニホールドベース30は、略直方体形状に一体成型されていて、その平面上に上記各給気用バルブ7a,7bと各排気用バルブ8a,8bとが、縦横2つずつ互いに隣接した状態で搭載されている。
上記マニホールドベース30は、その平面上に上記給気流路5の本流路5cのコンプレッサ3側が接続された給気ポートPを有し、その内部で該本流路5cが上記第1の分岐流路5aと第2の分岐流路5bとに分岐されている。該マニホールドベース30の正面には上記第1及び第2のシーブベッド4A,4Bが接続される第1出力ポートA及び第2出力ポートBが開設されており、該マニホールドベース30の側面には、その内部に形成された上記各排気流路6a,6bからの排気を大気に排出するための排気ポートEが開設されている。また、該マニホールドベース30内において、上記第2の分岐流路5bから上記パイロット流路9が分岐されている。
そして、図5に示すように、該マニホールドベース30の平面上には、上記給気ポートPに連通されていて、上記第1及び第2の給気用バルブ7a,7bの第1ポート14aにそれぞれ接続される第1給気側開口31a,31bと、上記第1及び第2出力ポートA,Bにそれぞれ連通されていて、これらバルブの上記第2ポート14bにそれぞれ接続される第2給気側開口32a,32bと、上記パイロット流路9に連通されていて、これらバルブの上記第3ポート14cにそれぞれ接続される第3給気側開口33a,33bと、上記各出力ポートA,Bに隣接して開設された第1及び第2パイロット排気口Ep1,Ep2にそれぞれ連通されていて、これらバルブの第4ポート14dにそれぞれ接続される第4給気側開口34a,34bとが、それぞれ同心円状に配設されている。
さらに、同平面上には、上記第1及び第2出力ポートA,Bにそれぞれ連通されていて、上記第1及び第2の排気用バルブ8a,8bの第1ポート14aにそれぞれ接続される第1排気側開口35a,35bと、上記排気ポートEに連通されていて、これらバルブの上記第2ポート14bにそれぞれ接続される第2排気側開口36a,36bと、上記パイロット流路9に連通されていて、これらバルブの上記第3ポート14cにそれぞれ接続される第3排気側開口37a,37bと、上記第1及び第2パイロット排気口Ep1,Ep2にそれぞれ連通されていて、これらバルブの第4ポート14dにそれぞれ接続される第4排気側開口38a,38bとが、それぞれ同心円状に配設されている。
上記マニホールドベース30には、その外部から内部へと上記パイロット用チェック弁40を挿入してパイロット流路9に装着するためのチェック弁装着孔39aが、上記排気ポートEに隣接して開設されている。そして、図6に示すように、該マニホールドベース30内において、上記パイロット流路9は、上記チェック弁40を挟んで上流側の一次側流路孔9aと下流側の二次側流路孔9bとにより形成されている。上記一次側流路孔9aは、上記チェック弁装着孔39aの開口寄りの側壁に開設されていて、上記第2の分岐流路5bへと通じており、上記二次側流路孔9bは、上記チェック弁装着孔39aの奥側の底部に開設されていて、上記第3給気側開口33a,33b及び第3排気側開口37a,37bを経て各バルブ7a,7b,8a,8bの電磁式パイロット弁20へと通じている。なお、上記一次側流路孔9a及び二次側流路孔9bは、上記チェック弁装着孔39aよりも小径に形成されていて、これらチェック弁装着孔39aと二次側流路孔9bとの境界の段部39bが、以下に詳述するパイロット用チェック弁40の位置決め兼ストッパとしての役割を果たしている。
上記パイロット用チェック弁40は、図6及び図7に示すように、上記二次側流路孔9bから一次側流路孔9aへとパイロットエアが逆流するのを阻止して、下流側のパイロット圧力を維持するためのもので、上記チェック弁装着孔39aに嵌合され該チェック弁40の外装を成す中空の外筒41と、該外筒41内に嵌合されパイロットエアの流路を形成する中空の中子42と、同じく該外筒41内に配されたチェック弁本体43と、上記中子42内に配されたエアフィルタ44と、上記チェック弁装着孔39aを気密に閉塞する密閉キャップ45とにより構成されている。
上記外筒41は、その軸方向の第1端に第1開口41aが開設され、逆側の第2端に第2開口41bが開設されていて、上記第1開口41aを奥側にして上記チェック弁装着孔39a内に嵌合されている。そのとき、その第1端を上記段部39bに当接させた状態で、上記第2開口41bが上記密閉キャップ45によって閉塞されており、上記第1開口41aが上記二次側流路孔9bに連通している。また、該外筒41の軸方向における上記一次側流路孔9aに対応する位置の側壁には、該チェック弁40内にパイロットエアを導入するための第1のエア導入穴41cが周方向に複数個開設されている。そして、上記第1のエア導入穴41cよりも第1端寄りの外周には、上記チェック弁装着孔39aの側壁との間を気密にシールする環状のシール部材S1が装着されている。なお、該外筒41は、その軸方向の略中央の内面に段部41dが形成されていて、第2端側から第1端側に向けて内径が小さくなるように形成されている。この段部41dは、以下に詳述する中子42の位置決め兼ストッパとしての役割を果たしている。
上記中子42は、外周に上記チェック弁本体43が装着された軸状の弁装着部42aと、パイロットエアの流路を形成する流路形成部42bと、上記エアフィルタ44を内部に装着するための筒状部42cとを、軸方向の第1端側からその逆側の第2端側に向けて順次配して一体成型したもので、その第1端側の上記弁装着部42aを奥側にして、上記外筒41の第2開口41bからその内部に嵌合されている。上記弁装着部42aの外周には溝42dが形成されていて、該溝42dに上記チェック弁本体43が取り付けられている。
上記流路形成部42bは、上記弁装着部42aよりも大径で、第2端側が開口した中空の筒状に形成されたもので、第2端側から内部に流入したパイロットエアを、該中子42の外周と上記外筒41の内周との間に導出するエア導出穴42eが周方向に複数個開設されている。
上記流路形成部42bは、上記弁装着部42aよりも大径で、第2端側が開口した中空の筒状に形成されたもので、第2端側から内部に流入したパイロットエアを、該中子42の外周と上記外筒41の内周との間に導出するエア導出穴42eが周方向に複数個開設されている。
上記筒状部42cは、上記流路形成部42bよりも大径で、軸方向の両端が開口した中空の筒状に形成されていて、上記外筒41の内径とほぼ同じ外径を有している。そして、第1端側が上記流路形成部42bに連通され、上記第1のエア導入穴41cに対応する位置の側壁には、該中子42内にパイロットエアを導入するための第2のエア導入穴42fが周方向に複数開設されている。また、該筒状部42cは、上記外筒41内に装着した状態において、その第1端側の端部が上記外筒41の段部41dに当接していると共に、第2端が上記密閉キャップ45によって閉塞されている。なお、この筒状部42cの上記第2のエア導入穴42fよりも第1端寄りの外周には、上記外筒41の内面との間を気密にシールするシール部材S2が装着されている。
さらに、上記チェック弁本体43は、図6に示すように、軸と平行を成し上記弁装着部42aの溝42dに嵌め込まれた環状の基部43aと、該基部43aの外周から上記外筒41の第1開口41a方向に傾斜させて立設された環状のリップ部43bとを有していて、ゴム等の弾性材によって一体成型されている。すなわち、該チェック弁本体43は、環状で、その断面形状が上記外筒41の第1開口41a方向に拡開する略V字状に形成されたリップシールによって形成されており、上記中子42を外筒41内に装着した状態では、上記リップ部43bの先端が上記外筒41の内面に当接している。そうすることにより、上記一次側流路孔9a側からのパイロットエアの流れに対しては、リップ部43bが倒れることにより外筒41の内面との間に流路を形成して、二次側流路孔9b方向への流れを許容し、二次側流路孔9b側からの流れに対しては、リップ部43bが起きることにより、その先端が外筒41の内面に押し当てられて流路が遮断され、一次側流路孔9a方向への流れが阻止される。
なお、上記エアフィルタ44は、その形状が上記筒状部42c内の流路室42gの形状とほぼ同じ径と軸方向長さを有する円柱状に形成されていて、該筒状部42cの第2端側から該流路室42gに挿入して装着することができるようになっている。そして、該エアフィルタ44は、該流路室42g内に装着された状態において、上記第2のエア導入穴42fの全体を覆っている。
また、上記密閉キャップ45は、軸方向に中実の円板状に形成されていて、その外周には、上記外筒41の内面との間を気密にシールするシール部材S3が装着されている。このとき、この密閉キャップ45を上記チェック弁装着孔39aに対し着脱可能なものとし、必要に応じてチェック弁40のメンテナンスをすることができるようにしても良い。
また、上記密閉キャップ45は、軸方向に中実の円板状に形成されていて、その外周には、上記外筒41の内面との間を気密にシールするシール部材S3が装着されている。このとき、この密閉キャップ45を上記チェック弁装着孔39aに対し着脱可能なものとし、必要に応じてチェック弁40のメンテナンスをすることができるようにしても良い。
このようなパイロット用チェック弁40を備えた上記パイロット流路9においては、上記一次側流路孔9aからのパイロットエアは、上記外筒41の側壁及び中子42の筒状部42cの側壁にそれぞれ開設された第1及び第2のエア導入穴41c、42fを通じて該筒状部42c内に導入される。そして、該筒状部42c内に装着されたエアフィルタ44で濾過された後、該中子42の流路形成部42b内へと流入し、上記エア導出穴42eを通じて、該中子42の外面と上記外筒41の内面との間に導出され、上記チェック弁本体43の周囲を経て、上記二次側流路孔9bに連通された上記外筒41の第1開口41aへと導かれる。その一方で、上記二次側流路孔9bから上記一次側流路孔9a方向の流れは、上記チェック弁本体43によって阻止される。
したがって、たとえ給気流路5の給気圧力が降下したとしても、上記パイロット流路9のパイロット圧力を維持することができる。また、そればかりでなく、上記パイロット用チェック弁40を、マニホールドベース30の外部から該マニホールドベース30内に形成されたパイロット流路9に対し容易に装着することが可能となる。
したがって、たとえ給気流路5の給気圧力が降下したとしても、上記パイロット流路9のパイロット圧力を維持することができる。また、そればかりでなく、上記パイロット用チェック弁40を、マニホールドベース30の外部から該マニホールドベース30内に形成されたパイロット流路9に対し容易に装着することが可能となる。
図8は上記パイロット用チェック弁の一変形例40Aを示している。ここでは説明の重複を避けるため、主として図6に示すパイロット用チェック弁40と異なる構成部分について説明し、同様の構成部分については図6に示すものと同じ符号を付して説明を省略することとする。
この変形例に係るパイロット用チェック弁40Aにおいては、中子46が、上記チェック弁40の中子42から弁装着部42aと流路形成部42bとを省いたもの、すなわち上記筒状部42cと同様の形態を有している。この中子46は、上記外筒41の第1開口41a側に位置する端面に、該中子46の内部からパイロットエアを外筒41内へと導出するエア導出穴46aと、該エア導出穴46aの周囲に該エア導出穴46aを取り囲むように形成された弁座46bとを備えている。
この変形例に係るパイロット用チェック弁40Aにおいては、中子46が、上記チェック弁40の中子42から弁装着部42aと流路形成部42bとを省いたもの、すなわち上記筒状部42cと同様の形態を有している。この中子46は、上記外筒41の第1開口41a側に位置する端面に、該中子46の内部からパイロットエアを外筒41内へと導出するエア導出穴46aと、該エア導出穴46aの周囲に該エア導出穴46aを取り囲むように形成された弁座46bとを備えている。
そして、上記外筒41内には、その軸方向において上記中子46と隣接させてポペット弁から成るチェック弁本体47が設けられている。該チェック弁本体47は、上記中子46よりも上記第1開口41a側に同軸に配されていて、外筒41内に軸に沿って往復摺動自在に挿入されており、軸方向の上記第1開口側の第1端とそれと逆側(中子46側)の第2端が第1及び第2受圧面47a,47bをそれぞれ形成している。上記中子46側の第2受圧面47bにおける上記弁座46bと対向する位置には、上記チェック弁本体47の往復動に伴って該弁座46bに対し接離する環状のシール用リブ47cが凸設されている。また、該チェック弁本体47は、その外周にバネ座47dを有していて、該バネ座47dと上記チェック弁装着孔39aの段部39bとの間に設けられた付勢部材としてのコイルバネ48によって、上記中子46方向に付勢されており、その付勢力によって、上記シール用リブ47cが上記弁座46bに当接している。
そうすることにより、上記一次側流路孔9a側からのパイロットエアの流れに対しては、上記チェック弁本体47の第2受圧面47bに作用する圧力によって該チェック弁本体47が軸方向に沿って上記第1開口側に摺動して、上記シール用リブ47cが上記弁座46bから離間することにより、パイロットエアが、上記中子46のエア導出穴46aからチェック弁本体47の外周面と外筒41の内周面との間隙を通じて、上記第1開口へと流れることを許容する。逆に、二次側流路孔9b側からの流れに対しては、上記第1受圧面47aに作用する圧力によって該チェック弁本体47が軸方向に沿って上記中子46側に摺動して、上記シール用リブ47cが上記弁座46bに押し当てられることにより流路が遮断され、一次側流路孔9a方向への流れが阻止される。
図9は、本発明に係る酸素濃縮器1の他の実施形態を示している。ここでは説明の重複を避けるため、主として図1に示す酸素濃縮器1と異なる構成部分について説明し、同様の構成部分については図1に示すものと同じ符号を付して説明を省略することとする。
この実施形態においては、給気流路5の本流路5cをマニホールドベース30よりも上流側で第1の分岐流路5aと第2の分岐流路5bとに分岐し、該マニホールドベース30に、これら各分岐流路5a,5bを接続するための第1給気ポートPaと第2給気ポートPbが設けられている。
この実施形態においては、給気流路5の本流路5cをマニホールドベース30よりも上流側で第1の分岐流路5aと第2の分岐流路5bとに分岐し、該マニホールドベース30に、これら各分岐流路5a,5bを接続するための第1給気ポートPaと第2給気ポートPbが設けられている。
そして、上記第1の給気用バルブ7a及び第1の排気用バルブ8aの電磁式パイロット弁20に対しパイロットエアを供給する第1のパイロット流路19が、マニホールドベース30内において上記第1の分岐流路5aから分岐されていて、該パイロット流路19における上記給気用バルブ7aよりも上流側の位置に、パイロットエアの逆流を阻止する第1のパイロット用チェック弁40aが設けられている。
また同様に、上記第2の給気用バルブ7b及び第2の排気用バルブ8bの電磁式パイロット弁20に対しパイロットエアを供給する第2のパイロット流路29が、マニホールドベース30内において上記第1の分岐流路5bから分岐されていて、該パイロット流路29における上記給気用バルブ7bよりも上流側の位置に、パイロットエアの逆流を阻止する第2のパイロット用チェック弁40bが設けられている。
また同様に、上記第2の給気用バルブ7b及び第2の排気用バルブ8bの電磁式パイロット弁20に対しパイロットエアを供給する第2のパイロット流路29が、マニホールドベース30内において上記第1の分岐流路5bから分岐されていて、該パイロット流路29における上記給気用バルブ7bよりも上流側の位置に、パイロットエアの逆流を阻止する第2のパイロット用チェック弁40bが設けられている。
具体的には、上記マニホールドベース30内において、上記第1及び第2のパイロット流路19,29はそれぞれ、図6,図8に示すものと同様に、上記チェック弁40a,40bを挟んで上流側の一次側流路孔19a,29aと下流側の二次側流路孔19b,29bとにより構成されていて、これらチェック弁40a,40bがそれぞれ、パイロットエアの一次側流路孔19a,29aから二次側流路孔19b,29bへの流れは許容し、二次側流路孔19b,29bから一次側流路孔19a,29aへの流れは遮断している。
そうすることにより、図3に示すように、上記「第1のバルブ開閉パターン」と「第2のバルブ開閉パターン」とを相互に切り換えた直後に、給気圧力の降下に伴ってパイロット圧力も降下してしまうのを防止することができ、必要なパイロット圧力を維持することが可能となる。
そうすることにより、図3に示すように、上記「第1のバルブ開閉パターン」と「第2のバルブ開閉パターン」とを相互に切り換えた直後に、給気圧力の降下に伴ってパイロット圧力も降下してしまうのを防止することができ、必要なパイロット圧力を維持することが可能となる。
以上、本発明に係る酸素濃縮器の実施形態について詳細に説明してきたが、本発明は上記各実施形態に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、様々な設計変更が可能である。例えば、図1の実施形態では第2の分岐流路5bからパイロット流路9を分岐させているが、第1の分岐流路5aから分岐させたり、図9の実施形態と同様に、双方の分岐流路5a,5bからそれぞれ分岐させたりしても良い。また、図1の実施形態において図9の実施形態と同様に、マニホールドベース30の上流側で本流路5cを第1及び第2の分岐流路5a,5bに分岐しても良い。さらに、図1及び図9の実施形態において、上記パイロット流路9,19,29を分岐流路5a,5bからではなく本流路5cから分岐させても良い。
1 酸素濃縮器
2 酸素生成部
3 コンプレッサ(圧縮空気供給源)
4A 第1のシーブベッド
4B 第2のシーブベッド
5 給気流路
5a 第1の分岐流路
5b 第2の分岐流路
5c 本流路
6 排気流路
7a 第1の給気用バルブ
7b 第2の給気用バルブ
8a 第1の排気用バルブ
8b 第2の排気用バルブ
9,19,29 パイロット流路
10 ダイヤフラム弁
20 電磁式パイロット弁
30 マニホールドベース
40,40A,40a,40b パイロット用チェック弁(チェック弁)
2 酸素生成部
3 コンプレッサ(圧縮空気供給源)
4A 第1のシーブベッド
4B 第2のシーブベッド
5 給気流路
5a 第1の分岐流路
5b 第2の分岐流路
5c 本流路
6 排気流路
7a 第1の給気用バルブ
7b 第2の給気用バルブ
8a 第1の排気用バルブ
8b 第2の排気用バルブ
9,19,29 パイロット流路
10 ダイヤフラム弁
20 電磁式パイロット弁
30 マニホールドベース
40,40A,40a,40b パイロット用チェック弁(チェック弁)
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