JP4323914B2 - 酸素濃縮器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば空気中から窒素を吸着して除去することにより、高濃度の酸素を製造して、例えば慢性的肺疾患の患者等に供給する医療用の酸素濃縮器や、殺菌、脱臭、脱色などに利用するオゾンガスを供給するためなどに用いられる酸素濃縮器に関するものである。

従来より、医療用や産業用などに、空気中から高濃度の酸素を製造する酸素濃縮器が使用されている。
前記酸素濃縮器では、空気中の窒素を選択的に吸着する例えばゼオライト系の吸着剤を吸着筒に充填し、その吸着筒内に圧縮空気を供給し加圧することにより、空気中の窒素を吸着剤に吸着させて酸素を分離している。また、吸着剤に加える空気の圧力を低減することにより、吸着剤に吸着された窒素を放出させて大気中に排気することで、吸着剤の再生を行っている。

この種の酸素濃縮器としては、吸着剤を入れた吸着筒を２筒用い、コンプレッサを駆動して、各吸着筒内を交互に加圧・減圧することにより、連続的に高濃度の酸素（酸素濃縮気体）を得る圧力変動型の装置、即ち圧力変動吸着分離方法（ＰＳＡ法）を利用して酸素を分離する装置が知られている（特許文献１参照）。

そして、この圧力変動型の酸素濃縮器では、酸素濃度の増加等の目的で、吸着筒間を接続する配管に均圧弁を設け、吸着筒へ圧縮空気を空気を送り込む動作の切り換えの直前に均圧弁を開き、切り換えの直後に均圧弁を閉じる制御を行っていた。
特開２０００−２１０５２５号公報 （第２頁）

ところが、上述した圧力変動型の酸素濃縮器においても、必ずしも装置の能力を十分に引き出しているとは言えず、より高濃度の酸素を効率良く供給するために、一層の改善が望まれていた。

本発明は、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、酸素濃縮器の能力を最大限に発揮させて、高濃度の酸素を効率良く供給できる酸素濃縮器を提供することにある。

（１）請求項１の発明は、吸着剤を充填した複数の吸着筒と、前記各吸着筒への圧縮空気の供給状態（加圧状態）を切り換える切換弁と、前記吸着筒間を連通して均圧化する均圧弁とを有し、圧力変動吸着分離方法によって、空気から酸素を分離して濃縮し、その酸素濃縮気体を供給する酸素濃縮器において、前記圧縮空気を送る吸着筒を前記切換弁によって切り換える際に、その切り換えのタイミングと同時又は切り換えの直後に、前記均圧弁を開き始めて一定時間開放する制御を行うことを特徴とする。

本発明では、切換弁の切り換えタイミングと同時又は切り換えの直後に、均圧弁を開き始めて一定時間（均圧時間）Ｔにわたり開放して両吸着筒の出口側を連通するので、後述する図７に示す様に、高い酸素濃度が得られるという効果を奏する。また、高い酸素濃度を得られる期間が長いので、耐久性にも優れている。

これにより、酸素濃縮器の能力を最大限に発揮させて、高濃度の酸素を効率良く供給できるという顕著な効果を奏する。

なお、均圧時間を（吸着筒に圧縮空気を供給する）加圧時間の０．４倍以下とすることが好ましい。これは、均圧時間が、加圧時間の０．４倍より大きいと、加圧圧力が上がらないからである。

尚、均圧弁を開放するタイミングとしては、一方又は両方の吸着筒の加圧時間の０〜２０％を採用することができる。
また、複数の吸着筒間において、切換弁による加圧のタイミングと開放のタイミングとしては、同時を採用できるが、そのタイミングをずらしてもよい。例えば、タイミングをずらした場合における均圧弁の開放タイミングとして、全ての吸着筒（例えば一対の吸着筒）の切り換えが完了したタイミング又はその完了の直後のタイミングを採用できる。

（２）請求項２の発明は、前記均圧弁を開放する制御の開始タイミングを、前記酸素濃縮器から供給される前記酸素濃縮気体における酸素の濃度が９１％以上（好ましくは９３％以上）となるように設定することを特徴とする。

本発明は、均圧弁を開放する制御の開始タイミングを、酸素濃度により規定したものである。つまり、切換弁の切り換えのタイミングと同時又は切り換えの直後に、均圧弁を一定時間開放する制御を行うことにより、９１％以上の高い酸素濃度が得られる。

（３）請求項３の発明は、前記吸着筒から供給される前記酸素濃縮気体の流量を検出する流量検出手段（例えば流量検出器）又は前記酸素濃縮気体の流量を設定する流量設定手段（例えば流量設定器）を備え、前記流量検出手段又は前記流量設定手段から得られた信号に基づいて、前記均圧弁を開放するタイミング及び時間を制御することを特徴とする。

例えば酸素濃縮気体の流量が多い場合には、均圧弁を開放している時間（期間）を短くし、一方、流量が少ない場合には、均圧弁を開放している時間（期間）を長くする。これにより、高い酸素濃度の酸素濃縮気体を安定して得ることができる。

以下に、本発明の酸素濃縮器の最良の形態（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気体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機能を実現するための各構成について説明する。
(1)図１に示す様に、酸素濃縮器１は、その空気の導入路３に、上流側より、空気取入口５、防塵フィルタ７、吸気フィルタ９、吸気マフラ１０、コンプレッサ１１、熱交換器１３、圧力センサ１４、一対の三方向切換弁（第１切換弁１５、第２切換弁１６）、及び吸着剤を充填した一対の吸着筒（第１吸着筒１７、第２吸着筒１８）が設けられている。尚、コンプレッサ１１及び熱交換器１３の近傍には、シロッコファン１９が配置されている。

また、一対の吸着筒１７、１８から窒素を排気する排気路２１には、断続的な排気音を消すサイレンサ２３が設けられている。
更に、一対の吸着筒１７、１８から、酸素濃縮気体を供給する供給路２７の構成として、その上流側から、両吸着筒１７、１８間の圧力を調節する二方弁である均圧弁２９、酸素濃縮気体の逆流を防止する一対の逆止弁３０、酸素濃縮気体を溜める製品タンク３１、酸素濃縮気体の圧力を調節する圧力調整器３３、細菌等の通過を防止するバクテリアフィルタ３５、酸素濃縮気体の流量を設定するロータリスイッチである流量設定器３７、酸素濃縮気体の酸素濃度を検出する酸素センサ３８、酸素濃縮気体を加湿する加湿器３９、圧力センサ４０、及び酸素出口４１が設けられている。

尚、これとは別に、圧力が上昇し過ぎると好ましくないため、コンプレッサ１１により供給する圧力や吸着筒１７、１８内の圧力が、所定の基準値（例えば１９６ｋＰａ）以上になると圧力を開放して調整する調圧機構（図示せず）が設けられている。

また、本実施例では、図２に示す様に、酸素濃縮器１には、酸素濃縮器１の動作を制御する電子制御装置６１が搭載されている。
前記電子制御装置６１は、周知のマイクロコンピュータ（マイコン）６３を備え、その入力部６５には、流量設定器３７、酸素センサ３８、圧力センサ１４、４０などが接続され、その出力部６７には、コンプレッサ１１、シロッコファン１９、三方向切換弁１５、１６、均圧弁２９等が接続されている。

従って、電子制御装置６１には、流量設定器３７により設定された設定流量や、酸素センサ３８により検出された酸素濃度を示す信号等が入力される。また、電子制御装置６１からは、コンプレッサ１１やシロッコファン１９の動作を制御する制御信号が出力されるとともに、三方向切換弁１５、１６や均圧弁２９などの動作を制御する制御信号が出力される。

(2)上述した構成を備えた本実施例の酸素濃縮器１では、第１吸着筒１７及び第２吸着筒１８における加圧・減圧を交互に繰り返すことにより、酸素の濃縮及び吸着剤の再生を行う。

例えば第１吸着筒１７にコンプレッサ１１で圧縮空気を送りこみ、所定の加圧時間ｔが経過したら（或いは、圧力センサ１４により、約１５０ｋＰａの加圧に達したことを検出したら）、両切換弁１５、１６により切り換えを行い、加圧方向をもう一方の第２吸着筒１８に切り換えるとともに、第１吸着筒１７を大気側に接続し、吸着した窒素が減圧とともに排出されるように電気的に制御する。

そして、両吸着筒１７、１８によって、加圧時には酸素だけを抽出し、その下流の製品タンク３１、圧力調整器３３、バクテリアフィルタ３５、流量設定器３７、加湿器４１を通り、酸素濃縮気体が酸素出口４５まで供給する。

これを、両吸着筒１７、１８に対して交互に繰り返すとともに、後述する様に、加圧する吸着筒１７、１８を切り換える際に、流量設定器３７の信号によって、均圧弁２９の開閉を制御することにより、９５％以上の濃縮酸素を連続的に得ることができ、更に、製品タンク３１に溜めることにより変動を低減して連続性を確保している。

尚、本実施例の酸素濃縮器１は、連続ベース流量が毎分３Ｌの装置（３Ｌ機）であり、重量３０ｋｇ、消費電力２２０Ｗである。
ｂ）次に、本実施例の要部である均圧時間Ｔを設定する下記条件について説明する。

Ｔ＝ａＶ＋ｂ ・・・（１）
０＜Ｔ≦０．４ｔ ・・・（２）
−０．６５≦ａ≦−０．２９ ・・・（３）
但し、Ｔ（秒） ：均圧弁を開放する期間
ｔ（秒） ：吸着筒に圧縮空気を供給する加圧時間
Ｖ（l/min）：酸素濃縮気体の流量
ａ、ｂ ：係数
この均圧時間Ｔを設定するための条件は、実験により求めたものである。

具体的には、図３に示す様に、複数の３Ｌ機や５Ｌ機を用いて実験を行い、その結果、高い酸素濃度（９３％以上）が得られた場合には、酸素濃縮気体の流量（即ち流量設定器３７で設定した設定流量）Ｖと均圧時間Ｔとの間には、酸素濃縮気体の流量Ｖが多いほど均圧時間Ｔが短いという前記式（１）で示す比例関係があることが判明している。

この実験で用いた３種の３Ｌ機（同図の(1)〜(3)）とは、上述した実施例の構造と同様な機種であり、また、３種の５Ｌ機（同図の(1)〜(3)）とは、前記実施例の３Ｌ機と同様な構造を有するがその定格が異なる機種である。

尚、実験に用いた酸素濃縮器においては、均圧時間Ｔは、０＜Ｔ≦１０、酸素濃縮気体の流量Ｖは、０＜Ｖ≦１０、係数ｂは、０＜ｂ≦１６．５の範囲であった。
次に、前記条件にて設定される均圧時間Ｔの領域の例について、図４に基づいて説明する。

例えば（Ｖ、Ｔ）＝（３、０．５）の場合を考える。係数ａが、−０．６５≦ａ≦−０．２９の範囲の場合には、係数ｂは、１．３７≦ｂ≦２．４５の範囲となる。即ち、図４の点Ｃ（０、２．４５）、Ｄ（３、０．５）、Ｅ（０、１．３７）で囲まれた斜線の範囲内が、酸素濃度が高い範囲（９１％以上の範囲）である。尚、０＜Ｖ≦１０なので、Ｔ軸上は含まない。

従って、範囲内の点Ｆ（０．２５、１．４４）では、ａ＝−０．２９、ｂ＝１．３７で、酸素濃度９１％であり、範囲外の点Ｇ（１、２）では、ａ＝−０．７５、ｂ＝２．７５で、酸素濃度８８％であり、範囲外の点Ｈ（２、３）では、ａ＝−２．５、ｂ＝７で、酸素濃度８０％である。

ｃ）次に、前記電子制御装置６１による行われる制御処理について説明する。
本制御処理は、三方向切換弁１５、１６による切り換えの際に、均圧弁２９の開閉状態を制御する処理である。

図５のフローチャートに示す様に、まず、ステップ１００にて、流量設定器３７の信号（即ち酸素濃縮器の流量Ｖを示す信号）に基づいて、電子制御装置６１のメモリ（図示せず）に記憶された前記条件を満たすマップを利用して、前記均圧時間Ｔを決定する。

具体的には、本実施例の酸素濃縮器１では、実際に好適な酸素濃度が得られる様に調査した結果に基づいて、ａ＝−０．６５、ｂ＝２．４６（秒）、ｔ＝８．５（秒）と設定されている。そして、ここでは、流量設定器３７により設定された酸素濃縮器の流量Ｖは、３（l/min）に設定されているので、前記式（１）より、均圧時間Ｔは、０．５（秒）となる。この値は、前記式（２）を満たすものである。

尚、加圧時間ｔは、コンプレッサ１１の吐出流量及び吸着剤量等の定格が異なる機種によって、それぞれ決定される。
続くステップ１１０では、例えば第２吸着筒１８にコンプレッサ１１で圧縮空気を送りこんでいる状態（ＯＮ）において、圧縮空気を送り込んでいる時間（加圧時間）が、所定の加圧時間（８．５秒）を経過したか否かを判定する。尚、これとは別に、圧力センサ１４からの信号に基づいて、（切り換えタイミングに該当する）所定の圧力に達したか否かを判定してもよい。ここで、肯定判断されるとステップ１２０に進み、一方否定判断されると一旦本処理を終了する。

ステップ１２０では、所定の加圧時間が経過したので、両切換弁１５、１６の切り換えを行う。具体的には、例えば第１切換弁１５を作動させて、大気側に接続されていた第１吸着筒１７を加圧側に接続する様に切り換える（ＯＮ）と同時に、第２切換弁１６を作動させて、加圧側に接続されていた第２吸着筒１７を大気側に接続する様に切り換える（ＯＦＦ）。これにより、第１吸着筒１７に圧縮空気が供給されるとともに、第２吸着筒１８からは、吸着剤に吸着されていた窒素が減圧とともに大気側に排出される。

続くステップ１３０では、均圧弁２９を前記ステップ１００で決定した均圧時間の０．５秒だけ開放して、両吸着筒１７、１８の出口側を連通する。この均圧弁２９を開放することにより、吸着剤に吸着された窒素の脱着とともに、一方の吸着筒１８の出口側に存在する高濃度の酸素を、他方の吸着筒１７に効率良く回収することができる。

続くステップ１４０では、均圧弁２９を開放する時間が、所定時間（０．５秒）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１５０に進み、一方否定判断されると、その時間が経過するまで待機する。

ステップ１５０では、均圧弁２９を開放する均圧時間が経過したので、均圧弁２９を閉じて、一旦本処理を終了する。
ここで、均圧弁２９を開放している時間（期間）としては、各吸着筒の加圧時間の５０％以内を採用できる。

ｃ）次に、上述した制御による酸素濃縮器１の動作について、図６のタイミングチャートに基づいて説明ずる。
図６に示す様に、時点t1にて、第１切換弁１５が加圧側に切り換えられる（ＯＮ）と同時に、第２切換弁１６が大気側に切り換えられる（ＯＦＦ）。

そして、この時点t1にて、均圧弁２９が開放（連通）され、その後、所定の均圧時間（０．５秒）が経過した時点で、均圧弁２９が閉じられる。
また、図７には、均圧弁２９の開放タイミングを変更した場合において、酸素濃縮器１から供給される酸素濃縮気体の酸素濃度の変化が記載されているが、本実施例では、両切換弁１５、１６の切り換えタイミングである時点t1に均圧弁２９を開放しているので、得られる酸素濃度（即ち酸素濃縮器から外部に供給される酸素濃縮気体の酸素濃度）は約９３％と高濃度となる。

尚、前記図７には、従来技術における均圧弁２９の開放タイミングt0が示されているが、従来技術では、両切換弁１５、１６の切り換えタイミングより前に均圧弁２９を開放しているので、得られる酸素濃度は９０％程度と低い。

この様に、本実施例では、両切換弁１５、１６の切り換えと同時に、均圧弁２９を開放しているので、従来より高い酸素濃度が得られるという利点がある。
ｄ）次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。

この実験例は、酸素濃縮器によって得られる酸素濃縮気体の酸素濃度の変化を調べたものである。
ここでは、酸素濃縮器を、３５℃、相対湿度９０％という過酷な環境下で、連続運転し、発生した酸素濃度の経時的な変化を調べた。その結果を、図８に示す。

図８では、本発明の範囲である上記実施例の酸素濃縮器（図４の時点t1で均圧弁を開放）の性能変化（酸素濃度）を実線で示すが、１００００時間を経過しても、酸素濃縮器から外部に供給される酸素濃縮気体の酸素濃度は９１％以上と高く好適である。

一方、本発明の範囲外である従来の酸素濃縮器（図６の時点t0で均圧弁を開放）の性能変化（酸素濃度）を破線で示すが、５０００時間稼働すると、酸素濃度は８８％程度に低下しており、好ましくない。

つまり、本実施例の酸素濃縮器の場合には、高い酸素濃度が得られるという効果があるばかりでなく、長期間にわたり高い酸素濃度が得られるので、耐久性が高いという利点がある。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
本実施例では、前記実施例１とは、その制御処理が異なるので、本実施例の制御処理を説明する。

ａ）図９のフローチャートに示す様に、まず、ステップ２００にて、流量設定器３７の信号によって、均圧弁２９を開放する期間である均圧時間Ｔを決定する。
続くステップ２１０では、例えば第２吸着筒１８にコンプレッサ１１で圧縮空気を送りこんでいる状態で、所定の加圧時間を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２２０に進み、一方否定判断されると一旦本処理を終了する。

ステップ２２０では、所定の加圧時間が経過したので、両切換弁１５、１６の切り換えを行う。例えば、加圧方向をもう一方の第１吸着筒１７に切り換える（ＯＮ）とともに、第２吸着筒１８を大気側に接続する（ＯＦＦ）。

続くステップ２３０では、両切換弁１５、１６の切り換えを行った時点から所定時間（例えば１．０秒）経過したか（即ち切り換えの直後か）否か、つまり、均圧弁２９の開放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２４０に進む、一方否定判断されると、その時間が経過するまで待機する。

続くステップ２４０では、開放タイミングに達したので、均圧弁２９を開放して、両吸着筒１７、１８の出口側を連通する。
続くステップ２５０では、均圧弁２９を開放する時間が、所定時間（例えば０．５秒）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２６０に進む、一方否定判断されると、その時間が経過するまで待機する。

ステップ２６０では、均圧弁２９を開放する時間が経過したので、均圧弁２９を閉じて、一旦本処理を終了する。
ｂ）次に、上述した制御による酸素濃縮器１の動作について、前記図６のタイミングチャートに基づいて説明ずる。

図６に示す様に、時点t1にて、第１切換弁１５が加圧側に切り換えられる（ＯＮ）と同時に、第２切換弁１６が大気側に切り換えられる（ＯＦＦ）。
そして、時点t1から所定時間（例えば１．０秒）経過した時点t2にて、均圧弁２９が開放（連通）され、その後所定の均圧時間（例えば０．５秒）が経過した時点で、均圧弁２９が閉じられる。

また、図７には、均圧弁２９の開放タイミングを変更した場合において、酸素濃縮器１から供給される酸素濃縮気体の酸素濃度の変化が記載されているが、本実施例では、両切換弁１５、１６の切り換えタイミングより後の時点t2に均圧弁２９を開放しているので、得られる酸素濃度は約９５％と高濃度となる。

この様に、本実施例では、両切換弁１５、１６の切り換えと同時ではなく、切り換えの直後に、均圧弁２９を開放しているので、前記実施例１より高い酸素濃度が得られるという利点がある。

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。
例えば酸素濃縮気体の流量は、流量設定器の設定値から読み取るのではなく、流量設定器の下流に流量検出器を配置し、この流量検出器によって読み取ってもよい。

実施例１の酸素濃縮器の基本構成を示す説明図である。 実施例１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。 酸素濃縮気体の流量と均圧時間との関係を示すグラフである。 ある条件における酸素濃縮気体の流量と均圧時間との関係を示すグラフである。 実施例１の電子制御装置にて行われる制御処理を示すフローチャートである。 実施例１、２の酸素濃縮器の動作を示すタイミングチャートである。 実施例１、２の酸素濃縮器の均圧弁の開放タイミングと酸素濃度との関係を示すグラフである。 実施例１の実験結果を示すグラフである。 実施例２の電子制御装置にて行われる制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１…酸素濃縮器 １１…コンプレッサ
１７、１８…吸着筒 １５、１６…三方向切換弁
１４、４０…圧力センサ ２９…均圧弁
３８…酸素センサ ３７…流量設定器

Claims (3)

1. 吸着剤を充填した複数の吸着筒と、前記各吸着筒への圧縮空気の供給状態を切り換える切換弁と、前記吸着筒間を連通して均圧化する均圧弁とを有し、圧力変動吸着分離方法によって、空気から酸素を分離して濃縮し、その酸素濃縮気体を供給する酸素濃縮器において、
   前記圧縮空気を送る吸着筒を前記切換弁によって切り換える際に、その切り換えのタイミングと同時又は切り換えの直後に、前記均圧弁を開き始めて一定時間開放する制御を行うことを特徴とする酸素濃縮器。
2. 前記均圧弁を開放する制御の開始タイミングを、前記酸素濃縮器から供給される前記酸素濃縮気体における酸素の濃度が９１％以上となるように設定す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. 前記吸着筒から供給される前記酸素濃縮気体の流量を検出する流量検出手段又は前記酸素濃縮気体の流量を設定する流量設定手段を備え、前記流量検出手段又は前記流量設定手段から得られた信号に基づいて、前記均圧弁を開放するタイミング及び時間を制御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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