JP2019080800A - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素濃縮装置の軽量化や省電力化を実現することができ、しかも、高い制御性も確保できる酸素濃縮装置を提供すること。【解決手段】酸素濃縮装置１では、第１供給流路２５と第１排気流路２７とを切り替える第１三方向切替弁１１と、第２供給流路２９と第２排気流路３１とを切り替える第２三方向切替弁１３とを備えている。そのため、酸素濃縮装置１の構成を簡易化でき、酸素濃縮装置１の重量を小さくすることができる。また、消費電力を低減できるので、酸素濃縮装置１の稼働時間を長くすることができる。しかも、合流排気流路３５に二方向切替弁２３が配置されているので、この二方向切替弁２３の開閉動作を制御することにより、排気口２４に到る合流排気流路３５の開閉を、所望のタイミングで実施することができる。従って、酸素濃縮装置１の制御性が高い。【選択図】図１

Description

本開示は、酸素よりも窒素を優先的に吸着可能な吸着剤を利用して酸素濃縮気体を生成する圧力変動吸着型の酸素濃縮装置に関する。

従来より、慢性閉塞性肺炎等の在宅酸素療法で利用される医療用酸素濃縮装置として、窒素を優先的に吸着する吸着剤を用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮装置が使用されている。
また、近年では、患者等の使用者の呼吸状態に応じて酸素濃縮気体の供給状態を調節する呼吸同調機能を有し、使用者が搬送や携帯が可能な可搬型又は携帯型の酸素濃縮装置が知られている。

この種の酸素濃縮装置は、通常、吸着剤を充填した吸着筒を少なくとも２本以上有し、各吸着筒毎に加圧工程と減圧工程とを交互に繰り返し行うことによって、酸素濃縮気体を連続的に生成している。詳しくは、加圧工程（即ち吸着工程）では、コンプレッサを介して吸着筒内に高圧空気を供給して、高圧空気中の窒素を吸着剤に吸着させて酸素濃縮気体を生成し、減圧工程（即ち脱着工程）では、吸着筒内の圧力を減じて、吸着剤に吸着された窒素を離脱（即ち脱着）させて排気することによって吸着剤を再生している。

さらに、酸素濃縮装置では、例えば一方の吸着筒を減圧して吸着剤を再生する際に、他方の吸着筒で生成した酸素濃縮気体の一部を供給して、吸着剤の再生を効果的に行う方法も実施されている。

そして、上述した酸素濃縮装置においては、酸素濃縮気体の供給や排気の流路を切り替えるために、各種の電磁弁が設けられており、加圧工程や減圧工程の切り替え等の際に、電磁弁を駆動して流路を切り替える制御を行っていた（例えば下記特許文献１〜３参照）。

例えば特許文献１には、減圧工程にて排気される窒素の流量をコントロールするために、排気流路にバルブ等を設けることで、窒素排気時の騒音を低減する技術が開示されている。
また、特許文献２には、各吸着筒とコンプレッサと排気路とに繋がる経路に、電磁弁である一対の二方向切替弁（従って２個の吸着筒では合計４個の二方向切替弁）を設け、各二方向切替弁の動作タイミングをずらすことで、二方向切替弁の動作時の騒音を低減する技術が開示されている。

さらに、特許文献３では、酸素濃縮装置における流路を切り替える技術として、２個の吸着筒で合計４個の二方向切替弁（電磁弁）を設ける例（図７（ａ）参照）や、三方向切替弁（電磁弁）を２つ設ける例（図７（ｂ）参照）が開示されている。

特開２００９−２７３６２３号公報 特許第５２７５６７１号公報 特許第５１１２８３９号公報

ところで、患者が例えば屋外などで酸素濃縮装置を使用する場合などでは、酸素濃縮装置が軽量であると運搬等が容易であり、また、省電力であると酸素濃縮装置を長時間使用できるので好ましいが、その対策は必ずしも十分ではない。

例えば一対の吸着筒を備えた酸素濃縮装置において、４個の二方向切替弁を設けた場合には、４個の電磁弁のために構成が複雑になって装置の重量が大きくなり、しかも、４個の電磁弁を駆動するために多くの電力を消費するという問題がある。

それに対して、２個の三方向切替弁を設けた場合には、４個の二方向切替弁に比べて装置の重量は小さくなるが、三方向切替弁は吸気と排気とを単一の動作で切り替えるために、酸素濃縮装置の制御性が低くなってしまう。つまり、図８に示すように、三方向切替弁の場合には、吸着筒に空気を供給する動作か又は吸着筒から外部に窒素を排気する動作のどちらかしか実施できないので、制御性が低いという問題がある。

このように、４個の二方向切替弁を用いる場合には、任意のタイミングで吸気や排気をコントロールできるが、三方向切替弁を用いる場合には、そのような精密な制御ができない。そのため、吸気や排気の際の圧力変動の制御が容易ではなく、特に、減圧工程にて吸着剤から窒素を脱着させる際に、吸着筒内の圧力を精度よく調整することは困難である。

例えば、上述のように、生成された酸素濃縮気体の一部を減圧工程の吸着筒に供給して窒素の脱着を促進する場合には、必要以上に酸素濃縮気体が供給されること（従って装置全体における酸素生成効率が低下すること）があるが、この場合の対策も容易ではない。

そして、酸素生成効率が低下すると、目的とする酸素量を供給するために、酸素濃縮装置を駆動する電力を多く必要とするので、結果として、酸素濃縮装置の稼働時間が短くなってしまう。

本開示は、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、酸素濃縮装置の軽量化や省電力化を実現することができ、しかも、高い制御性も確保できる酸素濃縮装置を提供することである。

（１）本開示の第１局面は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を充填した第１吸着筒及び第２吸着筒と、第１吸着筒及び第２吸着筒に圧縮空気を生成して供給可能な空気供給部と、第１吸着筒及び第２吸着筒から排気を流路外に排出可能な排気口と、吸着剤に窒素を吸着させる吸着工程に合わせて、第１吸着筒又は第２吸着筒に圧縮空気を供給する流路を切り替えるとともに、吸着剤から窒素を脱着させる脱着工程に合わせて、第１吸着筒又は第２吸着筒からの排気の流路を切り替える流路切替部と、を備えた酸素濃縮装置に関するものである。

この酸素濃縮装置では、空気供給部から第１吸着筒に到る第１供給流路と、第１吸着筒から排気口に到る第１排気流路と、を切り替える第１三方向切替弁と、空気供給部から第２吸着筒に到る第２供給流路と、第２吸着筒から排気口に到る第２排気流路と、を切り替える第２三方向切替弁と、第１排気流路及び第２排気流路は合流点にて合流して排気口に到るように構成されており、合流点から排気口に到る合流排気流路に、合流排気流路を開閉する二方向切替弁が配置されている。

このように、本第１局面では、第１供給流路と第１排気流路とを切り替える第１三方向切替弁と、第２供給流路と第２排気流路とを切り替える第２三方向切替弁とを備えている。そのため、例えば４個の二方向切替弁を使用する場合に比べて、装置の構成を簡易化でき、装置の重量を小さくすることができる。また、消費電力を低減できるので、酸素濃縮装置の稼働時間を長くすることができる。

しかも、本第１局面では、合流点から排気口に到る合流排気流路に、合流排気流路を開閉する二方向切替弁が配置されているので、この二方向切替弁の開閉動作を制御することにより、合流排気流路の開閉を所望のタイミングで実施することができる。従って、酸素濃縮装置の制御性が高いという効果がある。

例えば、２個の三方向切替弁のみの場合には、排気口から排出される排気（即ち窒素等の排気）のタイミングの精密な制御ができないが、本第１局面では、合流排気流路に二方向切替弁が配置されているので、この二方向切替弁によって、排気のタイミングを容易にコントロールできるという効果がある。

例えば、生成された酸素濃縮気体の一部を脱着工程の吸着筒に供給して窒素の脱着を促進する場合には、必要以上に酸素濃縮気体が供給されること（従って装置全体における酸素生成効率が低下すること）があるが、本第１局面では、二方向切替弁によって、排気のタイミングをコントロールすることによって、酸素濃縮気体が吸着筒に導入される状態（従って吸着筒内の酸素濃度）を調節できる。

これにより、酸素濃縮気体を有効に利用できるので、酸素生成効率を高めることができる。その結果、酸素濃縮装置を駆動する電力を低減できるので、酸素濃縮装置の稼働時間が長くなるという利点がある。

（２）本開示の第２局面では、第１三方向切替弁にて、第１供給流路から第１排気流路に切り替えるタイミング、または、第２三方向切替弁にて、第２供給流路から第２排気流路に切り替えるタイミングと、二方向切替弁にて、合流排気流路を開くタイミングとをずらしてもよい。

第１吸着筒又は第２吸着筒から排気を開始するタイミング（ＴＡ）と、二方向切替弁にて合流排気流路を開くタイミング（実際に排気口から排気するタイミングＴＢ）とをずらすことにより、酸素濃縮装置の制御性が向上する。

なお、二方向切替弁（従って合流排気流路）を開くタイミングとしては、例えば脱着工程の開始時の前後の所定期間（例えば脱着工程の期間の１／４以下の範囲）を採用できる。また、二方向切替弁を開く前は二方向切替弁は閉じているが、二方向切替弁を閉じるタイミングとしては、脱着工程の開始時、又は脱着工程の開始時の前後の所定の範囲（例えば脱着工程の期間の１／４以下の範囲）を採用できる。

（３）本開示の第３局面では、脱着工程の第１吸着筒又は第２吸着筒に対して、脱着工程以外の第１吸着筒又は第２吸着筒から酸素濃縮気体を供給する構成を備え、第１吸着筒又は第２吸着筒にて脱着工程を開始する際に、第１三方向切替弁にて、第１供給流路から第１排気流路に切り替えた場合には、または、第２三方向切替弁にて、第２供給流路から第２排気流路に切り替えた場合には、二方向切替弁にて、合流排気流路を所定時間閉じる制御を行ってもよい。

本第３局面では、一方の吸着筒（例えば第１吸着筒）を吸着工程から脱着工程に切り替える場合には、一方の吸着筒における吸着剤からの窒素の脱着を効率よく行うために、他方の吸着筒（例えば第２吸着筒）から一方の吸着筒に対して酸素濃縮気体の一部を供給する。

この場合に、単に他方の吸着筒から一方の吸着筒に酸素濃縮気体を供給すると同時に、一方の吸着筒から合流排気流路を介して（従って排気口から）排気を行うのではなく、第１三方向切替弁にて、第１供給流路から第１排気流路に切り替えた場合には、または、第２三方向切替弁にて、第２供給流路から第２排気流路に切り替えた場合には、二方向切替弁にて、合流排気流路を所定時間閉じるようにする（即ち所定時間、合流排気流路を開かないようにする）。

つまり、本第３局面では、脱着工程が開始された吸着筒に酸素濃縮気体を供給してそのまま排気口から流出させるのではなく、脱着工程が開始されて吸着筒から窒素の排出が開始されてから所定時間（即ち所定期間）は、窒素を排気口から排出することを停止する。

例えば脱着工程が開始された時に、既に合流排気流路が閉じている場合には、その閉じた状態を所定時間維持する。また、例えば脱着工程が開始された時に、合流排気流路が開いている場合には、合流排気流路を閉じて、その閉じた状態を所定時間維持する。なお、どちらの場合も、所定時間経過後は、合流排気流路を開くことができる。

これにより、吸着筒からの窒素の排出の開始から合流排気流路の開放までの所定時間は、吸着筒に酸素濃縮気体が供給されるので、吸着筒内の酸素濃度が増加する。そのため、吸着筒内における窒素の脱着が促進されるので、その後排気口から排気を行うことにより、結果として、効率良く窒素の脱着を行うことができる。

また、単に他方の吸着筒から一方の吸着筒に酸素濃縮気体を流し続ける場合よりも、上述した二方向切替弁の動作によって、少ない量の酸素濃縮気体で窒素の脱着を効率良く行うことができるので、酸素濃縮気体を有効に利用することができる。

これにより、装置全体における酸素生成効率を高めることができるので、結果として、酸素濃縮装置を駆動する電力を低減でき、酸素濃縮装置の稼働時間を長くすることができるという利点がある。

なお、前記所定時間としては、例えば脱着工程の開始から終了までの期間の１／４以下の範囲を採用できる。
（４）本開示の第４局面では、排気口からの排気が、空気供給部に到るように、排気口を配置してもよい。

本第４局面では、排気口からの排気（即ち大気よりも窒素を多く含む気体）が、コンプレッサ等の空気供給部に到るように、排気口を配置することにより、空気供給部を効果的に冷却することができる。

つまり、窒素は酸素よりも比熱が大きいので、比熱の大きな窒素を空気供給部に供給することによって、空気供給部を効果的に冷却することができる。
なお、排気の当たる位置としては、例えばコンプレッサにおいて発熱が大きな場所、例えばピストンが摺動するシリンダやシリンダを覆うヘッドやその近傍等が挙げられる。

実施形態の酸素濃縮装置の基本構成を示す説明図である。 実施形態の酸素濃縮装置の主要な電磁弁の構成を示す説明図である。 実施形態の酸素濃縮装置の電気的構成を示すブロック図である。 実施形態の酸素濃縮装置の動作を示すタイミングチャートである。 実施形態の酸素濃縮装置の制御処理を示すフローチャートである。 実験例の排気停止時間の効果を示す説明図である。 従来の酸素濃縮装置における電磁弁の種類や配置の例を示す説明図である。 従来の酸素濃縮装置における三方向電磁弁の動作を示すタイミングチャートである。

以下、本開示の酸素濃縮装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
［１．実施形態］
本実施形態の酸素濃縮装置は、重量が例えば１０ｋｇ以下の可搬型の酸素濃縮装置である。なお、本実施形態は、重量が例えば３ｋｇ以下の携帯型の酸素濃縮装置にも適用できる。

この酸素濃縮装置は、空気中から窒素を吸着して除去することにより、酸素を濃縮し、使用者である例えば患者に対して、所定の連続流量（第１流量；例えば毎分２Ｌ）の酸素濃縮気体を連続することができる。また、必要に応じて呼吸同調に切り換えることにより、患者の吸気期間のみに、所定の流量（第２流量；連続流量換算で例えば毎分６Ｌ）の酸素濃縮気体を供給できる。なお、常に呼吸同調によって酸素濃縮気体を供給してもよい。
［１−１．酸素濃縮装置の全体構成］
ａ）まず、酸素濃縮装置の基本構成について説明する。

図１に示す様に、本実施形態の酸素濃縮装置１は、本体ケース３に収容されており、その空気の導入路５には、上流側より、空気取入口７と、空気を圧縮するコンプレッサ９と、流路の切り替えを行う一対の電磁弁である第１三方向切替弁１１及び第２三方向切替弁１３と、一対の吸着筒である第１吸着筒１７及び第２吸着筒１９とを備えている。

なお、第１、第２三方向切替弁１１、１３より下流側において、各吸着筒１７、１９から外部に窒素等を排出するための排気流路２１には、上流側より、電磁弁であるニ方向切替弁２３と、窒素等を外部に排出する排気口２４とを備えている。

詳しくは、第１吸着筒１７側には、コンプレッサ９から第１吸着筒１７に到る第１供給流路２５と、第１吸着筒１７から排気口２４に到る第１排気流路２７とを備えるとともに、第１供給流路２５と第１排気流路２７との分岐点には、第１供給流路２５と第１排気流路２７とを切り替える第１三方向切替弁１１が配置されている。

一方、第２吸着筒１９側には、コンプレッサ９から第２吸着筒１９に到る第２供給流路２９と、第２吸着筒１９から排気口２４に到る第２排気流路３１とを備えるとともに、第２供給流路２９と第２排気流路３１との分岐点には、第２供給流路２９と第２排気流路３１とを切り替える第２三方向切替弁１３が配置されている。

さらに、第１排気流路２７及び第２排気流路３１は合流点３３にて合流して排気口２４に到るように構成されており、合流点３３から排気口２４に到る合流排気流路３５に、合流排気流路３５を開閉する二方向切替弁２３が配置されている。

なお、第１三方向切替弁１１、第２三方向切替弁１３、ニ方向切替弁２３により、流路を切り替える流路切替部３７が構成されている。
また、前記排気口２４は、排気がコンプレッサ９（特に空気の圧縮部であるシリンダや、シリンダのヘッドなど）にかかるような位置に配置されている。

さらに、一対の吸着筒１７、１９から、酸素濃縮気体を供給する供給路３９の構成として、その上流側から、一対の吸着筒１７、１９の酸素濃縮気体の供給側を連結する連結流路４３と、連結流路４３を開閉する電磁弁である均圧弁４１と、各吸着筒１７、１９への逆流を防止する一対の逆止弁４５、４７と、酸素濃縮気体を溜める製品タンク４９と、酸素濃縮気体の圧力を調節するレギュレータ５１と、酸素濃縮気体の流量を調節する流量設定器５３と、酸素出口５７の直前の流路を開閉する電磁弁である出口開閉弁５５と、酸素濃縮気体が外部に供給される酸素出口５７等が設けられている。

なお、この出口開閉弁５５の開閉動作によって、患者等の使用者への酸素濃縮気体の供給又は停止が実施される。
また、流量設定器５３と出口開閉弁５５との間には、酸素濃縮気体の酸素濃度を検出する酸素センサ６１が配置されている。出口開閉弁５５と酸素出口５７との間には、酸素出口５７における酸素濃縮気体の圧力（従って呼吸の際の圧力）を検出する呼吸圧センサ６３が配置されている。製品タンク４９には、製品タンク４９における酸素濃縮気体の圧力を検出する圧力センサ６５が配置されている。その他、酸素濃縮装置１には、大気圧を検出する大気圧センサ６７や周囲の温度を検出する温度センサ６９が配置されている。なお、酸素出口５７には、カニューラ（鼻カニューラ）７１が接続される。

また、酸素濃縮装置１には、タッチパネルを兼ねる表示装置（ディスプレイ）７３、酸素濃縮装置１の動作を制御する電子制御装置７５、酸素濃縮装置１に電力を供給するバッテリ７７などが設けられている。

ｂ）次に、上述した各構成について、更に詳細に説明する。
まず、第１三方向切替弁１１、第２三方向切替弁１３、ニ方向切替弁２３について、図２に基づいて、詳しく説明する。

第１三方向切替弁１１は、第１供給流路２５と第１排気流路２７とを切り替える電磁弁である。
例えば、第１三方向切替弁１１がオンの場合には、第１供給流路２５が開いた状態となるともに、第１排気流路２７が閉じた状態となる。つまり、コンプレッサ９から第１吸着筒１７に圧縮空気が供給できる状態となるとともに、第１吸着筒１７から合流排気流路３５側に窒素等の排気ができない状態となる。図２はこの状態を示している。

一方、第１三方向切替弁１１がオフの場合には、第１供給流路２５が閉じた状態となるとともに、第１排気流路２７が開いた状態となる。つまり、コンプレッサ９から第１吸着筒１７に圧縮空気が供給できない状態となるとともに、第１吸着筒１７から合流排気流路３５側に窒素等の排気ができる状態となる。

同様に、第２三方向切替弁１３がオンの場合には、第２供給流路２９が開いた状態となるともに、第２排気流路３１が閉じた状態となる。つまり、コンプレッサ９から第２吸着筒１９に圧縮空気が供給できる状態となるとともに、第２吸着筒１７から合流排気流路３５側に窒素等の排気ができない状態となる。

一方、第２三方向切替弁１３がオフの場合には、第２供給流路２９が閉じた状態となるとともに、第２排気流路３１が開いた状態となる。つまり、コンプレッサ９から第２吸着筒１９に圧縮空気が供給できない状態となるとともに、第２吸着筒１９から合流排気流路３５側に窒素等の排気ができる状態となる。図２はこの状態を示している。

また、ニ方向切替弁２３がオンの場合には、合流排気流路３５の流路が開となって、窒素等を排気口２４から外部に排出できる状態となる。一方、ニ方向切替弁２３がオフの場合には、合流排気流路３５が閉となって、窒素等を排気口２４から外部に排出できない状態となる（図２はこの状態を示している）。

また、図１に示す前記一対の吸着筒１７、１９内には、ゼオライト系の吸着剤が充填されており、この吸着剤は、所定圧力に加圧すると空気中の窒素を優先的に吸着し、例えば大気圧まで圧力を下げると吸着した窒素を放出して吸着剤自身の再生を行うという性質を有する。

前記流量設定器５３は、表示装置７３のタッチパネルの操作により、酸素濃縮気体を供給する際の流量を設定できるものである。
具体的には、最大の連続流量の例えば毎分２Ｌまでは、オリフィスの調整により、連続流量を設定できる。また、最大の連続流量を超える流量を設定する場合には、連続流量の供給ができないので、その場合には、呼吸同調による制御に切り替える。

なお、表示装置７３のタッチパネルの操作により、流量の設定や、連続流量での供給と呼吸同調での供給との切り替えが可能となっている。
［１−２．酸素濃縮装置の電気的構成］
次に、酸素濃縮装置１の制御を行う電子制御装置７５等の電気的構成について説明する。

本実施形態では、酸素濃縮装置１の内部に、図３に示す様に、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力部、バスライン等を備えたマイクロコンピュータを主要部とする電子制御装置７５が配置されている。

なお、この電子制御装置７５のメモリ７５ａには、酸素濃縮装置１の動作を制御するために必要なデータ、例えば上述した各電磁弁の動作を制御するために必要な各種のデータ（例えばマップなど）等が記憶されている。

この電子制御装置７５には、酸素センサ６１、呼吸圧センサ６３、圧力センサ６５、大気圧センサ６７、温度センサ６９、第１三方向切替弁１１、第２三方向切替弁１３、二方向切替弁２３、均圧弁４１、出口開閉弁５５、タッチパネルを兼ねる表示装置７３、電源スイッチ等の各種のスイッチ（図示せず）が接続されている。

なお、周知のように、呼吸圧センサ６３によって検出された圧力により、使用者が吸気の状態か呼気の状態かを判別することができるので、この圧力に基づいて呼吸同調の制御を行うことができる。

この呼吸同調の制御とは、使用者がカニューラ７１を通して酸素濃縮気体を吸気した時のわずかの負圧（例えば０．４ｍｍＨ_２Ｏ）を検知し、患者の呼吸サイクルにおける吸気期間において酸素濃縮気体を供給するように、出口開閉弁５５を開閉する制御である。

例えば、呼吸圧センサ６３によって、前記負圧を検出した場合に、出口開閉弁５５を開弁することにより、使用者の吸気期間において酸素濃縮気体の供給を開始することができる。
［１−３．酸素濃縮装置の動作］
次に、酸素濃縮装置１の動作のうち、吸着工程や脱着工程の切り替えの際の動作などについて、図４のタイミングチャートに基づいて説明する。

図４に示すように、酸素濃縮装置１では、各吸着筒１７、１９において、所定の期間毎に、コンプレッサ９から圧縮空気を一方の吸着筒１７、１９に供給して、吸着剤に窒素を吸着させて酸素濃縮気体を生成する吸着工程と、他方の吸着筒１７、１９内を減圧して吸着剤から窒素を離脱（脱着）させて、吸着筒１７、１９外に排出する脱着工程とを繰り返して、酸素濃縮気体を連続的に生成する。

具体的には、例えば時刻ｔ１〜ｔ５は、第１吸着筒１７の吸着工程である。この場合、例えば時刻ｔ１にて、第１三方向切替弁１１によって、第１供給流路２５を開いて（従って第１排気流路２７を閉じて）、コンプレッサ９から圧縮空気を第１吸着筒１７に供給する。

また、例えば時刻ｔ５〜ｔ９は、第１吸着筒１７の脱着工程である。この場合、例えば時刻ｔ５にて、第１三方向切替弁１１によって、第１供給流路２５を閉じて（従って第１排気流路２７を開いて）、第１吸着筒１７内の減圧を開始する。

一方、第２吸着筒１９では、第１吸着筒１７とは、吸着工程と脱着工程とが逆になる。
例えば時刻ｔ１〜ｔ５は、第２吸着筒１７の脱着工程である。この場合、例えば時刻ｔ１にて、第２三方向切替弁１３によって、第２供給流路２９を閉じて（従って第２排気流路３１を開いて）、第２吸着筒１９内の減圧を開始する。

また、例えば時刻ｔ５〜ｔ９は、第２吸着筒１９の吸着工程である。この場合、例えば時刻ｔ５にて、第２三方向切替弁１３によって、第２供給流路２９を開いて（従って第２排気流路３１を閉じて）、コンプレッサ９から圧縮空気を第２吸着筒１９に供給する。

さらに、吸着工程と脱着工程とを切り替えるタイミング（例えば時刻ｔ１、ｔ５，ｔ９、ｔ１３）より前に、均圧弁４１を開弁している。なお、均圧弁４１は、後述する二方向切替弁２３の開弁のタイミング（例えば時刻ｔ２、ｔ６、ｔ１０、ｔ１４）に閉弁する。

この均圧弁４１の動作により、吸着工程が終了した一方の吸着筒１７、１９から、吸着工程によって生成された酸素濃縮気体の一部を、脱着工程が開始される他方の吸着筒１７、１９に供給することができる。これにより、他方の吸着筒１７、１９にて吸着剤からの窒素の脱着が促進される。

特に本実施形態では、酸素濃縮装置１の運転中は、通常、二方向切替弁２３にて合流排気流路３５を開いているが、吸着工程と脱着工程を切り替えるタイミング（例えば時刻ｔ１、ｔ５、ｔ９、ｔ１３）の前後の所定期間Ｔ１、Ｔ２（Ｔ１とＴ２の合計で１５秒）にわたり、二方向切替弁２３にて合流排気流路３５を閉じる制御を行っている。詳しくは、吸着工程と脱着工程を切り替えるタイミングから所定時間Ｔ２（例えば７.５秒）は、二方向切替弁２３にて合流排気流路３５を閉じる制御を維持している。

例えば時刻ｔ５にて第１吸着筒１７の脱着工程が開始されるが、その時刻ｔ５から時刻ｔ６の期間（即ち所定時間Ｔ２）は、二方向切替弁２３にて合流排気流路３５が閉じられているので、第１吸着筒１７から排出された窒素等が排気口２４から流路外に排出されないようになっている。なお、二方向切替弁２３は、それ以前の時刻ｔ４から閉状態とされている。

そして、所定時間Ｔ２の経過後（時刻ｔ６）には、二方向切替弁２３を開弁して、第２吸着筒１９からの窒素等を排気口２４から流路外に排出する。
同様に、例えば時刻ｔ９にて第２吸着筒１９の脱着工程が開始されるが、その時刻ｔ９から時刻ｔ１０の期間（即ち所定時間Ｔ２）は、二方向切替弁２３にて合流排気流路３５が閉じられているので、第２吸着筒１９から排出された窒素等が排気口２４から流路外に排出されないようになっている。なお、二方向切替弁２３は、それ以前の時刻ｔ８から閉状態とされている。

そして、所定時間Ｔ２の経過後（時刻ｔ１０）には、二方向切替弁２３を開弁して、第２吸着筒１９からの窒素等を排気口２４から流路外に排出する。
［１−４．酸素濃縮装置の制御処理］
次に、電子制御装置７５にて行われる制御処理について、図５のフローチャートに基づいて説明する。

本制御処理は、主として、吸着工程と脱着工程とを切り替える際に、第１三方向切替弁１１、第２三方向切替弁１３、二方向切替弁２３の動作を制御する処理である。
なお、第１吸着筒１７及び第２吸着筒１９における吸着工程及び脱着工程については、各吸着筒１７、１９毎に、基本的に同様な制御を繰り返すので、以下では、例えば第１吸着筒１７の吸着工程を開始する際の制御、即ち、第２吸着筒１７の脱着工程を開始する際の制御を例に挙げて説明する。

まず、図５のステップ（Ｓ）１００では、酸素濃縮装置１の運転が開始されてから後に、二方向切替弁２３の切り替えのタイミング、詳しくは、二方向切替弁２３を開から閉に切り替えるタイミング（例えば時刻ｔ８）であるか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ１１０に進み、一方否定判断されると待機する。

ステップ１１０では、二方向切替弁２３を開から閉に切り替えるタイミング（例えば時刻ｔ８）であるので、二方向切替弁２３を開から閉に切り替える。
続くステップ１２０では、一対の吸着筒１７、１９の切り替えのタイミングであるか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ１３０に進み、一方否定判断されると待機する。

つまり、一対の吸着筒１７、１９は、所定の期間毎に吸着工程と脱着工程とを繰り返すので、その工程の切り替えタイミング（例えば時刻ｔ９）であるか否かを判定する。なお、切り替えタイミングは、前回の切り替えタイミングから例えば時刻ｔ５〜ｔ９等の一定の期間が経過したか否かによって判定できる。

ステップ１３０では、工程の切り替えタイミング（例えば時刻ｔ９）であるので、例えば第１吸着筒１７の吸着工程を開始する場合には、第１三方向切替弁１１を「吸気」の状態に切り替える。即ち、第１供給流路２５を開くとともに第１排気流路２７を閉じるように、第１三方向切替弁１１の動作を制御する（即ち第１三方向切替弁１１をオンにする）。

続くステップ１４０では、前記切り替えタイミング（例えば時刻ｔ９）であるので、例えば第２吸着筒１９の脱着工程を開始する場合には、第２三方向切替弁１３を「排気」の状態に切り替える。即ち、第２供給流路２９を閉じるとともに第２排気流路３１を開くように、第２三方向切替弁１３の動作を制御する（即ち第２三方向切替弁１３をオフにする）。

続くステップ１５０では、第２三方向切替弁１３を「排気」の状態に切り替えてから、所定時間Ｔ２が経過したか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ１６０に進み、一方否定判断されると待機する。

ステップ１６０では、所定時間Ｔ２が経過したので、二方向切替弁２３を開く制御を行い、一旦本処理を終了する。
［１−５．効果］
（１）本実施形態では、第１供給流路２５と第１排気流路２７とを切り替える第１三方向切替弁１１と、第２供給流路２９と第２排気流路３１とを切り替える第２三方向切替弁１３とを備えている。そのため、例えば４個の二方向切替弁を使用する場合に比べて、酸素濃縮装置１の構成を簡易化でき、酸素濃縮装置１の重量を小さくすることができる。また、消費電力を低減できるので、酸素濃縮装置１の稼働時間を長くすることができる。

しかも、本実施形態では、合流排気流路３５に二方向切替弁２３が配置されているので、この二方向切替弁２３の開閉動作を制御することにより、排気口２４に到る合流排気流路３５の開閉を所望のタイミングで実施することができる。従って、酸素濃縮装置１の制御性が高いという効果がある。

例えば、２個の三方向切替弁のみの場合には、排気口から排出される排気（即ち窒素等の排気）のタイミングの精密な制御ができないが、本実施形態では、合流排気流路３５に二方向切替弁２３が配置されているので、この二方向切替弁２３によって、排気のタイミングを容易にコントロールできるという効果がある。

（２）本実施形態では、第１吸着筒１７の脱着工程の開始の際に、第１三方向切替弁１１にて、第１供給流路２５から第１排気流路２７に切り替えた場合には、二方向切替弁２３にて、前記流路の切り替えから、合流排気流路３５を所定時間Ｔ２にわたって閉じる制御を行っている。同様に、第２吸着筒１９の脱着工程の開始の際に、第２三方向切替弁１３にて、第２供給流路２９から第２排気流路３１に切り替えた場合には、二方向切替弁２３にて、前記流路の切り替えから、合流排気流路３５を所定時間Ｔ２にわたって閉じる制御を行っている。

これにより、各吸着筒１７、１９からの窒素の排出の開始から合流排気流路３５の開放までの所定時間Ｔ２は、均圧弁４１を介して各吸着筒１７、１９に酸素濃縮気体が供給されるとともに、各吸着筒１７、１９から酸素濃縮気体が流出することが抑制されるので、各吸着筒１７、１９内の酸素濃度が増加する。そのため、各吸着筒１７、１９内における窒素の脱着が促進されるので、その後排気口２４からの排気を行うことにより、結果として、効率良く窒素の脱着を行うことができる。

また、単に各吸着筒１７、１９に酸素濃縮気体を流し続ける場合よりも、上述した二方向切替弁２３の動作によって、少ない量の酸素濃縮気体で窒素の脱着を効率良く行うことができるので、酸素濃縮気体を有効に利用することができる。

これにより、装置全体における酸素生成効率を高めることができるので、結果として、酸素濃縮装置１を駆動する電力を低減でき、酸素濃縮装置１の稼働時間を長くすることができるという利点がある。

（３）本実施形態では、排気口２４からの排気（即ち大気よりも窒素を多く含む気体）が、コンプレッサ９に到るように、排気口２４を配置しているので、コンプレッサ９を効果的に冷却することができる。
［１−６．文言の対応関係］
本実施形態の、第１吸着筒１７、第２吸着筒１９、コンプレッサ９、排気口２４、流路切替部３７、酸素濃縮装置１、第１供給流路２５、第１排気流路２７、第１三方向切替弁１１、第２供給流路２９、第２排気流路３１、第２三方向切替弁１３、合流点３３、合流排気流路３５、二方向切替弁２３は、それぞれ、本開示の、第１吸着筒、第２吸着筒、空気供給部、排気口、流路切替部、酸素濃縮装置、第１供給流路、第１排気流路、第１三方向切替弁、第２供給流路、第２排気流路、第２三方向切替弁、合流点、合流排気流路、二方向切替弁の一例に該当する。
［２．実験例］
次に、本開示の効果を確認した実験例について説明する。

前記実施形態のように、脱着工程の開始の際に、所定期間にわたり二方向切替弁を閉弁するように制御して酸素濃縮装置を稼働させた。そして、このように稼働させた場合（例えば０．５時間稼働の場合）において、コンプレッサに通電した電流値（ＣＭＰ電流値）の平均値を求めた。その結果を、図６の「排気停止有り」のグラフに示す。なお、図６の縦軸の単位はアンペア［Ａ］である。

これとは別に、脱着工程の開始の際に、二方向切替弁を閉弁しないようにして酸素濃縮装置を前記と同様な時間稼働させた。そして、その場合に、コンプレッサに通電した電流値（ＣＭＰ電流値）の平均値を求めた。その結果を、図６の「排気停止無し」のグラフに示す。

この図６から明らかなように、前記実施形態のように、排気停止有りの場合（即ち所定時間Ｔに対応する排気停止時間を設けた場合）には、排気停止無しの場合に比べて、ＣＭＰ電流値を約４％低下させることができた。

つまり、前記実施形態では、消費電力を低減できるので、酸素濃縮装置の稼働時間を長くできることが分かる。
［３．他の実施形態］
本開示は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本開示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、本開示は、例えば重量が１５ｋｇ以上の設置型の酸素濃縮装置に適用してもよい。
（２）また、酸素濃縮装置の入力装置としては、酸素濃縮装置に設けられたタッチパネルや各種のスイッチ以外に、リモコンを用いてよい。

（３）前記実施形態では、一方の吸着筒の脱着工程の開始の前に、二方向切替弁を閉弁し、脱着工程の開始から所定時間後に開弁したが、それとは異なるタイミングで、二方向切替弁の閉弁や開弁の動作を制御してもよい。例えば脱着工程の開始時に、二方向切替弁を閉弁してもよい。或いは、（本開示の効果を損なわない範囲で）脱着工程の開始から僅かにずれて（即ち後に）、二方向切替弁を閉弁してもよい。

（４）なお、上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…酸素濃縮装置
９…コンプレッサ
１１…第１三方向切替弁
１３…第２三方向切替弁
１７…第１吸着筒
１９…第２吸着筒
２３…二方向切替弁
２５…第１供給流路
２４…排気口
２７…第１排気流路
２９…第２供給流路
３１…第２排気流路
３３…合流点
３５…合流排気流路
３７…流路切替部

Claims (4)

1. 酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を充填した第１吸着筒及び第２吸着筒と、
   前記第１吸着筒及び前記第２吸着筒に圧縮空気を生成して供給可能な空気供給部と、
   前記第１吸着筒及び前記第２吸着筒から排気を流路外に排出可能な排気口と、
   前記吸着剤に前記窒素を吸着させる吸着工程に合わせて、前記第１吸着筒又は前記第２吸着筒に前記圧縮空気を供給する流路を切り替えるとともに、前記吸着剤から前記窒素を脱着させる脱着工程に合わせて、前記第１吸着筒又は前記第２吸着筒からの排気の流路を切り替える流路切替部と、
   を備えた酸素濃縮装置において、
   前記空気供給部から前記第１吸着筒に到る第１供給流路と、前記第１吸着筒から前記排気口に到る第１排気流路と、を切り替える第１三方向切替弁と、
   前記空気供給部から前記第２吸着筒に到る第２供給流路と、前記第２吸着筒から前記排気口に到る第２排気流路と、を切り替える第２三方向切替弁と、
   前記第１排気流路及び前記第２排気流路は合流点にて合流して前記排気口に到るように構成されており、前記合流点から前記排気口に到る合流排気流路に、該合流排気流路を開閉する二方向切替弁が配置されていることを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 前記第１三方向切替弁にて、前記第１供給流路から前記第１排気流路に切り替えるタイミング、または、前記第２三方向切替弁にて、前記第２供給流路から前記第２排気流路に切り替えるタイミングと、前記二方向切替弁にて、前記合流排気流路を開くタイミングとをずらすことを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
3. 前記脱着工程の前記第１吸着筒又は前記第２吸着筒に対して、当該脱着工程以外の前記第１吸着筒又は前記第２吸着筒から前記酸素濃縮気体を供給する構成を備え、
   前記第１吸着筒又は前記第２吸着筒にて前記脱着工程を開始する際に、前記第１三方向切替弁にて、前記第１供給流路から前記第１排気流路に切り替えた場合には、または、前記第２三方向切替弁にて、前記第２供給流路から前記第２排気流路に切り替えた場合には、前記二方向切替弁にて、前記合流排気流路を所定時間閉じる制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の酸素濃縮装置。
4. 前記排気口からの排気が、前記空気供給部に到るように、前記排気口を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。