JP4206970B2

JP4206970B2 - 酸素濃縮器

Info

Publication number: JP4206970B2
Application number: JP2004170236A
Authority: JP
Inventors: 浩一田中; 誠岩亀
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: JP2005350282A

Description

本発明は、例えば呼吸器系疾患の治療等に用いられる酸素濃縮器に関する。

従来、酸素濃縮器としては、大気中の空気を吸入し、この吸入した空気に含まれる酸素を濃縮して酸素濃度の高い気体を生成するものが知られている。この種の酸素濃縮器では、生成した気体の酸素濃度を検出するために、ジルコニア式の酸素センサが用いられている（例えば特許文献１：特開２００２−１７４６１７号公報参照）。上記酸素センサは、耐用期間が、検出する酸素濃度の大きさと検出動作の累積時間とに反比例する特性を有する。したがって、上記酸素センサで検出する酸素濃度が比較的大きい上記酸素濃縮器は、上記酸素センサに電力供給を間欠的に行って酸素濃度検出を間欠的に行うことにより、検出動作の累積時間が増加する速さを小さくして、上記酸素センサの耐用期間を長くすることが考えられる。

しかしながら、上記ジルコニア式の酸素センサは、検出動作の数分前に予め電力を供給して活性化を行う必要があるので、停止した状態から直ぐに酸素検出動作を開始できない。したがって、上記従来の酸素濃縮器は、間欠的に検出動作を行う上記酸素センサの停止中に、異常等が発生しても、直ぐに酸素濃度を検知することができなくて、異常等への対応が不十分になるという問題がある。
特開２００２−１７４６１７号公報

そこで、本発明の課題は、酸素センサの耐用期間を短縮することなく、停止状態でも酸素濃度を直ぐに検知できる酸素濃縮器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の酸素濃縮器は、
大気中の空気に含まれる酸素を濃縮して、上記空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高酸素濃度気体を生成する酸素濃縮手段と、
上記酸素濃縮手段が生成した高酸素濃度気体の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
上記酸素濃度検出手段に、この酸素濃度検出手段が酸素濃度の検出動作をする作動時に駆動電力を供給する一方、上記酸素濃度検出手段が酸素濃度の検出動作をしない非作動時に上記駆動電力よりも小さい待機電力を供給する電力供給手段と
を備えて、
上記待機電力は、上記駆動電力の電圧と略同じオン時の最大電圧を有するパルス状の電力である
ことを特徴としている。

上記構成の酸素濃縮器は、大気中の空気を吸入し、上記酸素濃縮手段によって、上記吸入した空気に含まれる酸素を濃縮して、上記空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高酸素濃度気体を生成する。上記酸素濃縮手段が生成した高酸素濃度気体の酸素濃度を、上記酸素濃度検出手段によって検出する。この酸素濃度検出手段は、上記電力供給手段によって電力が供給される。

上記電力供給手段は、上記酸素濃度検出手段が酸素濃度の検出動作をする作動時に、所定の駆動電力を供給する。一方、上記酸素濃度検出手段が酸素濃度検出動作をしない非作動時には、上記電力供給手段は、上記駆動電力よりも小さい待機電力を供給する。これにより、上記酸素濃度検出手段は、非作動時においても電力供給が行われて待機状態になる。

上記酸素濃度検出手段の非作動時において、この酸素濃縮器に例えば異常等が生じた場合、酸素濃度を検出する必要が生じる場合がある。ここで、上記酸素濃度検出手段は、非作動時においても上記待機電力が供給されているので、上記電力供給手段による供給電力が待機電力から駆動電力に切り替わった場合、従来よりも短時間で酸素濃度の検出が可能になる。したがって、上記酸素濃縮器に例えば異常が生じた場合でも、上記酸素濃縮手段で生成される気体の酸素濃度を迅速に検知できて、上記異常に対応して、上記酸素濃縮手段の動作の制御等を迅速に行うことができる。

また、上記酸素濃度検出手段は、非動作時に上記駆動電力よりも小さい待機電力が供給されるので、耐用期間の大幅な短縮を防止できる。

さらに、上記酸素濃縮器の非作動時に上記酸素濃度検出手段に供給される待機電力は、パルス状の電力であり、このパルス状電力のオン時の最大電圧は、上記駆動電力の電圧と略同じであるので、上記駆動電力と待機電力とを簡易かつ迅速に切り替えることができる。

以上のように、本発明の酸素濃縮器は、大気中の空気に含まれる酸素を酸素濃縮手段で濃縮して高酸素濃度気体を生成し、この高酸素濃度気体の酸素濃度を、酸素濃度検出手段で検出する。この酸素濃度検出手段に、電力供給手段が、上記酸素濃度検出手段が酸素濃度の検出動作をする作動時に駆動電力を供給する一方、上記酸素濃度検出手段が酸素濃度の検出動作をしない非作動時に、上記駆動電力よりも小さい待機電力を供給する。したがって、上記酸素濃度検出手段は、非作動時においても電力供給が行われて動作の待機状態になる。したがって、上記酸素濃度検出手段は、供給電力が待機電力から駆動電力に切り替えられてから短時間の後に、酸素濃度の検出動作を行うことができる。その結果、この酸素濃縮器に異常が生じた場合でも、酸素濃度を迅速に検知できて、上記異常に適切に対応することができる。また、上記酸素濃度検出手段は、非動作時に駆動電力よりも小さい待機電力が供給されるので、耐用期間の大幅な短縮を防止できる。

さらに、上記酸素濃縮器の非作動時に上記酸素濃度検出手段に供給される上記待機電力は、パルス状の電力であり、このパルス状電力のオン時の最大電圧は、上記駆動電力の電圧と略同じであるので、上記駆動電力と待機電力とを簡易かつ迅速に切り替えることができる。

以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態の酸素濃縮器の構成を示すブロック図である。

この酸素濃縮器は、大気中の空気を吸入して圧縮するコンプレッサ１と、このコンプレッサ１に接続された酸素濃縮手段としての第１および第２吸着筒２，３を備える。

上記第１および第２吸着筒２，３は互いに並列に接続されており、上記コンプレッサ１の吐出ポートと、上記第１および第２吸着筒２，３の入り口との間に、入り口弁２１，３１を各々設けている。

上記第１および第２吸着筒２，３の各々は、高酸素濃度気体を排出する酸素排出管に接続され、この第１および第２吸着筒２，３に接続された２つの酸素排出管は、合流してチェック弁１０を介してアキュムレータタンク４に接続している。また、上記２つの酸素排出管は、加圧弁９が介設された接続管で互いに連通している。

上記第１および第２吸着筒２，３の各々は、上記空気から回収した窒素を酸素濃縮器の外部に排気する排気管に接続されており、この排気管に排気弁２２，３２を介設している。

上記アキュムレータタンク４から酸素を導く酸素配管に、減圧弁５と流量調節器６とを順次介設しており、この酸素配管を酸素の供給先に接続するようになっている。

上記酸素配管の減圧弁５と流量調節器６との間には、酸素濃度検出手段としての酸素センサ１１が設けられている。この酸素センサ１１は、この酸素センサ１１に電力を供給する電力供給手段１２と、この酸素センサ１１からの信号を受けて酸素濃度の値を算出する濃度値算出手段１３とに接続されている。

上記構成の酸素濃縮器は、以下のように動作する。

上記コンプレッサ１によって、大気中の空気が吸入されて圧縮空気が生成され、この圧縮空気が上記第１および第２吸着筒２，３に供給される。この第１および第２吸着筒２，３内にはゼオライトが収容されており、このゼオライトが上記圧縮空気の窒素成分を吸着する。これにより、上記圧縮空気の酸素濃度が増大して、高酸素濃度の気体が生成される。

上記第１および第２吸着筒２，３からの高酸素濃度の気体は、アキュムレータタンク４に蓄積され、このアキュムレータタンク４に蓄積された気体が、上記減圧弁で減圧され、上記流量調節器で所定の流量となって、上記酸素配管から供給先に供給される。

上記第１および第２吸着筒２，３内のゼオライトによる窒素の吸着が飽和すると、上記入り口弁２１，３１を閉鎖して圧縮空気の供給を停止し、上記排気弁２２，３２を開く。これにより、上記第１および第２吸着筒２，３内が減圧され、上記ゼオライトに吸着された窒素が脱着されて、この窒素が上記排気管を経て大気中に排気される。

上記酸素配管から供給先に供給される気体の酸素濃度を検出する上記酸素センサ１１は、酸素イオン伝導体であるジルコニア固体電解質を用いて形成されたジルコニア式酸素センサである。このジルコニア式酸素センサの供給電力は、上記電力供給手段１２によって制御される。

図２は、上記電力供給手段１２の構成を示すブロック図である。

この電力供給手段１２は、例えば一般電源からの交流電力を、所定の電圧値および電流値の直流電力に変換して出力する電源回路５１と、この電源回路５１から＋５Ｖの電力を受ける酸素センサ電源用のコンデンサ５２と、このコンデンサ５２から＋５Ｖの電力を受けて、所定の電圧波形の電力を生成する波形生成回路５３を備える。

上記波形生成回路５３は、ＣＰＵ（マイクロコンピュータ）５５からのオン／オフ信号を受けて、このオン／オフ信号に応じた電圧波形を有する電力を出力する。上記ＣＰＵ５５は、上記電源回路５１から電力が供給され、ＲＯＭ（読み出し専用メモリ）５６に格納された実行プログラムを読み出し、実行することにより、上記波形生成回路５３への信号出力動作を行う。

また、上記ＣＰＵ５５は、上記酸素センサ１１から酸素濃度値を示す信号を受けて、この信号に基づいた演算により酸素濃度値を算出する。すなわち、上記ＣＰＵ５５は、濃度値算出手段としても機能する。また、上記ＣＰＵ５５は、上記コンプレッサ１のモータへの供給電力の制御や、上記入り口弁２１，３１および排気弁２２，３２の開閉の制御を行う。

上記電力供給手段１２は、以下のようにして動作する。

まず、上記酸素センサ１１が酸素濃度の検出を行わない非作動時に、上記ＣＰＵ５５は、オン／オフ信号を所定のタイミングで波形生成回路５３に出力する。このＣＰＵ５５からの信号を受けた波形生成回路５３は、図３に示すように、オン信号を受けた時間に最大電圧値Ｖ_ａに立ち上がる一方、オフ信号を受けた時間に最小電圧値Ｖ_０に立ち下がるパルス状の電力（以下、待機電力という）を出力する。上記オン信号を受けた際に達する最大電圧値Ｖ_ａは、上記酸素センサ１１が検出動作を行う際に供給すべき電圧の値である。

上記待機電力の電圧のパルスは、図３に示すように、上記オン信号を受けてからオフ信号を受けるまでのオン期間Ｔ_ｏｎと、オフ信号を受けてから次のオン信号を受けるまでのオフ期間Ｔ_ｏｆｆとからなる周期Ｔ_０を有し、この周期Ｔ_０に対するオン期間Ｔ_ｏｎの割合を百分率で示したオンデューティ比を有する。上記周期Ｔ_０は、１０〜１ｋＨｚの範囲が好ましいが、他の周期であってもよい。

上記波形生成回路５３から出力されたパルス状の待機電力は、上記酸素センサ１１に入力される。この待機電力を受けた酸素センサ１１は、ジルコニア固体電解質で形成された酸素検出部の温度が、上記パルスのデューティ比に応じた温度になる。これにより、上記酸素センサ１１が待機状態になる。

上記酸素センサ１１が酸素濃度の検出を行う作動時には、上記ＣＰＵ５５は、上記波形生成回路５３にオン信号を連続して出力し、この連続するオン信号を受けた上記波形生成回路５３は、電圧Ｖ_ａの連続波形の電力（以下、駆動電力という）を出力する。この駆動電力を受けた酸素センサ１１は、上記酸素検出部の温度が約４００℃に上昇し、酸素濃度の検出が可能になる。

このように、上記酸素センサ１１は、酸素濃度の検出を行わない非作動時に待機電力が供給されるので、この待機電力から駆動電力に切り替わってから比較的短い時間の後、酸素濃度の検出が可能になる。したがって、上記酸素センサ１１の非作動時に、酸素濃縮器に異常等が生じた場合であっても、迅速に酸素濃度の検出を行うことができるので、上記異常に迅速に対応して、例えば上記コンプレッサ１の制御等を適切に行うことができる。

また、上記待機電力は、上記駆動電力の電圧と略同じ最大電圧Ｖ_ａを有するパルス状であるので、上記待機電力から駆動電力への切換を迅速に行うことができ、また、上記波形生成回路５３は少ない電力損失で待機電力を生成することができる。なお、上記待機電力の最大電圧は、駆動電力の電圧と同じでなくてもよい。

上記酸素センサ１１への供給電力が待機電力から駆動電力に切り替わってから検出動作が可能になるまでにかかる応答時間は、上記待機電力のオンデューティ比によって定まる。したがって、必要な応答時間に基づいて上記オンデューティ比を設定すればよい。上記オンデューティ比および周波数Ｔ_０は、予め定められてＲＯＭに格納してもよく、また、酸素濃縮器の使用者の入力に基づいて設定されて、ＥＥＰＲＯＭ等に格納するようにしてもよい。

また、上記酸素センサ１１による酸素濃度の検出動作は、所定時間おきに間欠的に行うのが好ましい。これにより、上記ジルコニア式酸素センサの検出動作の累積時間が増加する速さを小さくできて、上記酸素センサ１１の耐用期間の短縮を防止できる。

なお、上記間欠的に上記酸素センサ１１を検出動作させる時間間隔は、予め定められた間隔でもよく、また、酸素濃縮器の運転状態に応じて変更してもよい。

また、上記酸素センサ１１の非作動時の待機電力は、パルス状、すなわち矩形波状の変動電圧を有したが、この電圧の変動は矩形波状に限られず、例えば正弦波状、のこぎり波状および三角波状等のように、周期性のある波形であればどのような波形でもよい。

また、上記実施形態において、上記酸素センサ１１の非作動時に供給する待機電力として、パルス状電圧を有する電力を供給したが、上記待機電力は、上記酸素センサ１１の作動時に供給する駆動電力が有する電圧よりも低い電圧を有する電力であってもよい。すなわち、上記酸素センサ１１に、作動時には電圧Ｖ_ａを有する駆動電力を供給する一方、非作動時には電圧Ｖ_ａよりも低い電圧を有する待機電力を供給することにより、所定温度の待機状態にしておいて、酸素濃度の検出に必要な約４００℃に迅速に昇温できるようにしてもよい。

本実施形態の酸素濃縮器は、呼吸器系疾患の治療等のような医療分野に限られず、例えば、運動による疲労の回復用途や、美容・健康の改善用途や、動物の治療用途等のあらゆる用途に使用される。

本発明の実施形態の酸素濃縮器を示すブロック図である。電力供給手段を示すブロック図である。波形生成回路が生成する待機電力の電圧波形を示す図である。

符号の説明

１コンプレッサ
２第１吸着筒
３第２吸着筒
４アキュムレータタンク
５減圧弁
６流量調整器
９加圧弁
１１酸素センサ
１２電力供給手段
１３濃度値算出手段

Claims

大気中の空気に含まれる酸素を濃縮して、上記空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高酸素濃度気体を生成する酸素濃縮手段（２，３）と、
上記酸素濃縮手段（２，３）が生成した高酸素濃度気体の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段（１１）と、
上記酸素濃度検出手段（１１）に、この酸素濃度検出手段（１１）が酸素濃度の検出動作をする作動時に駆動電力を供給する一方、上記酸素濃度検出手段（１１）が酸素濃度の検出動作をしない非作動時に上記駆動電力よりも小さい待機電力を供給する電力供給手段（１２）と
を備えて、
上記待機電力は、上記駆動電力の電圧と略同じオン時の最大電圧（Ｖ _a ）を有するパルス状の電力である
ことを特徴とする酸素濃縮器。