JP4579666B2 - 吸着式ガス生成装置 - Google Patents

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本発明は、原料気体中から選択的にある成分を吸着することにより、所定成分濃度が原料気体よりも高いガスを生成する吸着式ガス生成装置に関し、特に小型で信頼性の高い吸着式ガス生成装置に関する。
従来、複数の成分からなる混合気体中から選択的にある成分を吸着することにより、他の成分濃度の高いガスを生成する装置(本明細書では吸着式ガス生成装置と呼ぶ)として、酸素濃縮器が知られている。酸素濃縮器には様々な形式のものが存在するが、現在はゼオライトなどの吸着剤を用い、大気中の窒素を吸着することにより酸素濃度の高いガス(以下、酸素ガスという)を生成するものが一般的である。酸素濃縮器で生成した酸素ガスは、酸素濃縮器に接続されるカニューラやマスクによって、患者の鼻孔や口腔に供給される。
(酸素濃縮器の構成)
図1は従来の吸着式ガス生成装置の一例としての酸素濃縮器の構成例を示すブロック図である。
酸素濃縮器10において、コントロール基板210は酸素濃縮器の制御に係る部品が実装された基板であり、電源供給状態を検出する電源供給検出回路211と、製品タンク228に蓄積されている酸素ガスの圧力を検出する圧力トランスジューサ212及び、不図示の内蔵ROMに記憶されている制御手順に従って各構成の動作制御及び各センサの検出値からの異常検出、異常報知制御などを司るCPU213等が実装されている。
また、吸気フィルター221は例えばHEPA(High Efficiency Particulate Air)フィルター等から構成され、酸素ガスの原料ガスとしての空気取り入れ口に配設されて、空気中のゴミやチリなどを除去する。エアーコンプレッサ222は吸気フィルター221を通過した空気を所定圧に圧縮して出力するとともに、吸着塔225、226からの排気を行う真空ポンプとしても機能する。電磁弁223はエアーコンプレッサ222よりの圧縮空気を吸着塔225、226に送り込むか(原料空気の場合)、排気マフラー224を介して外部に放出する(吸着塔225、226からの排気ガスの場合)かを制御するために設けられている。排気マフラー224はエアーコンプレッサ222の出力する圧縮空気を吸着塔225、226へ供給しない場合などに用いられる排気口である。
吸着塔(シープヘッド)225、226は圧縮空気から酸素以外の成分を選択的に吸着することにより酸素濃度の高いガスを生成するものであり、例えば窒素の吸着剤が封入されている。吸着塔225、226内に封入する窒素吸着剤としては例えばゼオライト系吸着剤等を用いることができる。
CPU213は、電磁弁223を切り替えるとともにエアーコンプレッサ222を制御し、吸着工程ではコンプレッサ222を吸着塔225、226への圧縮空気の供給源として動作させ、脱着再生工程では吸着塔225、226内の吸着剤に吸着した窒素等を大気中に排出する真空ポンプとして動作させる。更に、コンプレッサ222を作動させる時間も制御することができる。吸着塔225、226の一方を吸着工程に、他方を脱着再生工程に用いるように電磁弁223とコンプレッサ222を制御することで、効率よく、かつ安定した酸素ガスの生成が可能になる。
また、電磁弁227は、コンプレッサ222を吸着工程における圧縮空気供給源として作動させる際に、酸素ガスを製品タンク228方向のみに通過させる一方向弁として作動する。製品タンク(保持タンク)228は、吸着塔225、226で生成した酸素ガスを蓄積するために設けられる。
圧力調整器230は製品タンク228に高圧で蓄積された酸素ガスを、使用者への供給に適した圧力で加湿器110に供給する様に圧力調整する。製品タンク228の出力ラインには圧力トランスジューサ212が接続され、製品タンク228からの酸素ガス圧を検出して、CPU213へ出力している。
酸素濃度センサ231は、供給される酸素ガスの酸素濃度を検出し、結果をCPU213へ出力する。流量設定器232は、使用者が操作する操作部180に設けられた、流量設定ダイヤル(図示せず)等の設定に従った流量で、酸素ガスを加湿器110に供給する。ゼオライト系吸着剤に代表される吸着剤では水分も吸着するため、製品タンク228から供給される酸素ガスは乾燥したものであることが多い。乾燥した状態で酸素ガスを使用者の鼻や口に供給すると、鼻や口の内部が乾燥してしまうため、加湿器110で適当な湿度を与えてから使用者に供給する構成が一般的である。
流量センサ241は、カニューラに代表される、酸素ガスを酸素濃縮器から使用者の口や鼻へ導くための供給器具が接続される酸素出口コネクタ250近傍に設けられ、実際に酸素濃縮器から流出する酸素ガスの流量を検出してCPU213へ出力する。酸素ガスの流量はCPU213によってLED表示器や液晶表示器を有する表示部150に表示される。
また、圧力監視用トランスジューサ242は酸素出口コネクタ250近傍の酸素ガス圧力を検出してCPU213へ出力する。酸素出口コネクタ250は酸素濃縮器で生成した酸素ガスが出力する吐出口である。この酸素出口コネクタ250にはカニューラ又は延長チューブが装着され、例えばカニューラが途中で折れ曲がって流路を閉塞したような場合には、圧力監視用トランスジューサ242の検出圧力が高くなり、カニューラ閉塞異常を検出することが可能である。
表示部150は例えばLED表示、液晶表示が可能であり、装置の運転状況や異常発生有無及び内容などを表示する。また、表示部150にはスピーカー等の音声出力装置が含まれていても良い。表示部150における視覚的、聴覚的な出力は、CPU213の制御によって行われる。
操作部180は例えばロータリースイッチやボタン等を含み、使用者が酸素濃縮器に対して指示を与えるために用いられる。CPU213は操作部180の操作に応じて酸素濃縮器の動作を制御する。
特開2003−40606号公報
上述したような2つの吸着塔を切り替えながら使用する従来の酸素濃縮器(2塔式酸素濃縮器)では、吸着塔同士及び吸着塔と製品タンクとが複雑な配管により接続されるのが一般的であった(特許文献1参照)。
図2に、図1の構成を有する従来の2塔式酸素濃縮器を実現する際の吸着塔及び製品タンク周りの配管の例を示す。
円筒形状の吸着塔225、226は一方弁としての電磁弁227が設けられた配管303a、303bを介してそれぞれ製品タンク228に接続される。また、吸着塔225、226の間にはさらに、均圧弁320が設けられた配管302a,302bと、吸着塔の吸排気効率を向上させるために設けられた、常に吸着塔間をつなぐ小径の流路であるパージオリフィス310が設けられた配管301a,301bが設けられる。
これらの配管は継手350を用いて行われ、さらに各継手においてカシメなどのガス漏れを防止するための作業が必要となるため、組立には非常に手間がかかる。さらに、配管が折れ曲がると内部が閉塞し、酸素ガスの流量低下などの原因となる。酸素濃縮器は主に家庭内で使用されるものであるため、装置が小型であることが望ましいが、配管を折れ曲がらないように引き回すにはある程度の長さが必要となり、小型化を妨げる要因となっていた。
このように、酸素濃縮器を代表とする従来の吸着式ガス生成装置では、吸着塔と製品タンク周りの配管が複雑で、かつ限界に近い配管の引き回しが要求されるため、組み立てが非常に困難である上、装置の小型化も難しかった。
本願発明はこのような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、小型で組み立てが容易な吸着式ガス生成装置を提供することをその目的とするものである。
すなわち、本発明の要旨は、原料気体中から特定の成分を吸着し、原料気体中の特定の成分以外の成分濃度が原料気体よりも高い製品ガスを生成する2つの吸着塔と、吸着塔が生成する製品ガスを蓄積する製品タンクとを有する吸着式ガス生成装置であって、製品タンクが、吸着塔の一方を接続するための第1の接続部と、製品ガスを蓄積する容器の一部である第1の容器とが一体に形成された第1のタンク部材と、吸着塔の他方を接続するための第2の接続部と、製品ガスを蓄積する容器の一部であって、第1の容器と係合して製品ガスを蓄積する容器を形成する第2の容器とが一体に形成された第2のタンク部材と、から構成され、第1の容器が、第1の容器の内面に設けられ、第1の接続部と第1の容器が形成する空間とを連通する突起と、当突起の先端に設けられ、製品ガスの流れを第1接続部から第1の容器が形成する空間への方向に制限する第1の一方弁と、を有し、第2の容器が、第2の容器の内面に設けられ、第2の接続部と第2の容器が形成する空間とを連通する突起と、当突起の先端に設けられ、製品ガスの流れを第2接続部から第2の容器が形成する空間への方向に制限する第2の一方弁と、を有し、第1及び第2の接続部は、フランジを有する円筒形状を有し、吸着塔の筐体は上端が第1及び第2の接続部と対応する円筒形状に開放されて製品ガスの出口を形成するとともに、上端に第1及び第2の接続部のフランジと対応した形状のフランジを有し、吸着式ガス生成装置が、第1及び第2の接続部のフランジと、吸着塔のフランジの両方を上下から挟持し、両方のフランジが接した状態を保持する着脱可能な保持手段をさらに有することにより、製品タンクと吸着塔とを接続するための配管を不要としたことを特徴とする吸着式ガス生成装置に存する。
このような構成により、本発明の吸着式ガス生成装置によれば、配管が大幅に省略可能であり、組み立てが容易で、かつ小型化が実現できる。
以下、図面を参照して本発明をその好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明においては本発明に係る吸着式ガス生成装置を酸素濃縮器に適用した実施形態について説明するが、他の装置に適用することも可能であることは言うまでもない。
■《第1の実施形態》
本実施形態に係る酸素濃縮器の全体的な構成は図1及び図2を用いて説明した従来構成と同じであってよい。そのため、以下の説明では、本実施形態の特徴である製品タンクの構成について説明する。
図3は、本実施形態における製品タンク228に、吸着塔225及び226を接続した状態を示す外観斜視図である。
製品タンク228は、第1及び第2のタンク部材410及び420が接続されてなり、第1のタンク部材410の下部には第1吸着塔225が、第2のタンク部材420の下部には第2吸着塔226が、略手錠形状を有する留め具400によって取り付けられている。また、均圧弁320が第1及び第2のタンク部材内部を接続する様に取り付けられている。
図4は、製品タンク228のみを示す外観斜視図、図5(a)は、図4の矢印a方向から見た側面図である。
図に示すように、製品タンク228を構成する第1及び第2タンク部材410、420は、一端がふさがれた円筒形状を有し、水平方向に配置される容器411、421と、容器411、421の略中央下部に略垂直に接続される円筒形状の吸着塔接続部412、422とが例えばエンジニアリングプラスチックなどを用いた射出成形により一体形成されたものである。容器411、421が、その開口部周囲に設けられたタンク接続部415、425をねじ等で接続されることで、製品タンク228を構成する。
第1及び第2のタンク部材410、420は、第2のタンク部材にのみ圧力調整器230への接続部426が設けられ、また均圧弁320を接続する接続部414、424の位置が異なる以外、ほぼ同一の全体形状を有する。
吸着塔接続部412、422の下部にはフランジ413、423がそれぞれ設けられており、吸着塔225、226上部にもやはりフランジ(図5、2251)が設けられる。そして、図5(a)の矢印1に示すようにフランジ同士を接着させて吸着塔を装着し、留め具400により吸着塔接続部のフランジ423と吸着塔のフランジ2251とを上下から挟み込み保持することにより、容易に吸着塔の取り付けを行うことが可能である。
このように、本実施形態においては、製品タンク228を構成する部材の一部である吸着塔接続部412、422を、吸着塔と製品タンクとを接続するための流路としての機能を持たせている。そして、吸着塔225、226を吸着塔接続部412,422に直接(配管を用いずに)接続する構成を有する。そのため、吸着塔上部(製品ガス出口)には蓋が存在せず、開いた状態にある。
なお、ここではタンク部材420と吸着塔225の取付についてのみ説明したが、タンク部材410と吸着塔226との取り付けも同様に行うことができる。
図6及び図7は、図5(a)に矢印A、Bで示す位置及び方向における垂直断面図である。なお、図6、図7は視線方向が互いに逆転している点に留意されたい。
図6及び図7に示すように、容器411、422の内部空間により、製品タンク228が形成されている。また、吸着塔接続部412、422の内部空間418、428は一方弁接続部4111、4211と通じており、一方弁接続部4111、4211に取り付けられる一方弁227を通じて図面下部に接続される吸着塔226、225の上部空間と容器411、421の内部空間(すなわち、製品タンク228)との間を接続する。
このように、一方弁227を製品タンク内部に配置し、一方弁227と吸着塔とを接続部412、422の内部空間418、428が形成する製品ガス流路で接続する構成を有することで、図2における、吸着塔226、225と製品タンク228とを接続する為の配管303a,303bや継手350等が不要となる。
また、接続部412、422の対向する側面には、略水平方向に延び、内部空間418、428との流路419、429に接続される凹部432、431が設けられている。従って、流路419、429及び凹部432、431は、接続部412、422の内部空間418、428を常時接続するパージオリフィスとして機能する。ただし、パージオリフィスは小径の流路である必要があるため、対向する凹部432、431で形成される円筒形状の空間に、適切な大きさの孔が設けられたパージオリフィス部材310がはめ込まれている。
パージオリフィス部材310と凹部432、431との関係をより明確に示す分解斜視図が図8である。このように、対向する凹部432、431で形成される空間にパージオリフィスとして適切な径の流路を構成するための部品を挿入して容器411、421を接続することで、流路419、429及び凹部432、431が連絡流路、すなわち図2におけるパージオリフィス310として機能する。そのため、従来必要であった配管301a、301b及び継手350が不要となる。なお、パージオリフィス部材310と凹部432、431との間にはOリング(図示せず)が設けられ、気密性を維持している。
図9は、留め具400の全体構成例を示す斜視図である。
本実施形態における留め具400は、同一形状を有する2つの部材401、402の両端を接続することにより用いる。
部材401、402には上述した接続部412、422のフランジ413、423と、吸着塔226、225上部のフランジ2115とを上下から挟み込むための溝403、404が内面全体に渡って設けられている。
従って、吸着塔225、226の全周に渡ってフランジを保持することが可能であり、確実な取付を行うことができる。また、接続部のフランジと吸着塔のフランジとが接している部分を側方から溝403、404に入れ込み、両端に設けられた一対の孔405、406及び407、408をそれぞれピンなどで接続することにより吸着塔225、226と製品タンク228との接続を行うことが可能であるため、非常に組立が簡単である。
このようにして組立を行った後、図3に示すように均圧弁320を接続部414、424に接続する。また、接続部426を圧力調整器230へ、吸着塔225、226を電磁弁223に接続することで、図1と同等の構成を有する酸素濃縮器を構成することができる。
以上説明したように、本実施形態の構成によれば、パージオリフィス310を挟み込みながら2つの容器411、421を接続し、留め具400を用いて容器411、421下部の接続部412、422に吸着塔226、225を装着するだけで、製品タンク228と吸着塔225、226との接続、吸着塔225、226とパージオリフィス310との接続が可能となる。これらの接続に配管は用いていないため、組立が非常に容易であり、かつ信頼性が高い。また製品タンク228と吸着塔225、226とが一体的に構成されるため、酸素濃縮器の小型化を実現することが可能である。
■《第2の実施形態》
第1の実施形態では、均圧弁320については配管を用いて吸着塔225、226と(接続部412、422の内部空間418、428と)接続する構成であった。しかしながら、パージオリフィス310を設けた構成と同様、接続部412、422の側面から水平方向に延びる凹部をもう一組設け、円筒形状の均圧弁を挟み込むように構成することにより、均圧弁320を接続するための配管も省略することが可能となる。
■《他の実施形態》
上述の実施形態では、2つの吸着塔を有する酸素濃縮器を例にして説明したが、吸着塔が1つであっても本発明を適用することができる。この場合、パージオリフィスを構成する連絡流路は設けないが、製品タンクと吸着塔とを直接接続することによる配管の省略及び小型化の達成という本発明の効果は同様に得ることができる。
本発明を適用可能な酸素濃縮器の構成例を示すブロック図である。 従来の酸素濃縮器における吸着塔−製品タンク周りの配管の例を説明する図である。 本発明の実施形態に係る製品タンクと、吸着塔とを接続した状態の構成例を示す外観斜視図である。 本発明の実施形態に係る製品タンクの構成例を示す外観斜視図である。 図4の矢印a方向から見た側面図である。 図5のA−A断面図である。 図5のB−B断面図である。 パージオリフィス310の取り付け構造を説明する斜視図である。 留め具400の構成例を示す外観斜視図である。

Claims (2)

  1. 原料気体中から特定の成分を吸着し、前記原料気体中の前記特定の成分以外の成分濃度が前記原料気体よりも高い製品ガスを生成する2つの吸着塔と、前記吸着塔が生成する前記製品ガスを蓄積する製品タンクとを有する吸着式ガス生成装置であって、
    前記製品タンクが、
    前記吸着塔の一方を接続するための第1の接続部と、前記製品ガスを蓄積する容器の一部である第1の容器とが一体に形成された第1のタンク部材と、
    前記吸着塔の他方を接続するための第2の接続部と、前記製品ガスを蓄積する容器の一部であって、前記第1の容器と係合して前記製品ガスを蓄積する容器を形成する第2の容器とが一体に形成された第2のタンク部材と、
    から構成され、
    前記第1の容器が、前記第1の容器の内面に設けられ、前記第1の接続部と前記第1の容器が形成する空間とを連通する突起と、当該突起の先端に設けられ、前記製品ガスの流れを前記第1接続部から前記第1の容器が形成する空間への方向に制限する第1の一方弁と、を有し、
    前記第2の容器が、前記第2の容器の内面に設けられ、前記第2の接続部と前記第2の容器が形成する空間とを連通する突起と、当該突起の先端に設けられ、前記製品ガスの流れを前記第2接続部から前記第2の容器が形成する空間への方向に制限する第2の一方弁と、を有し、
    前記第1及び第2の接続部は、フランジを有する円筒形状を有し、
    前記吸着塔の筐体は上端が前記第1及び第2の接続部と対応する円筒形状に開放されて前記製品ガスの出口を形成するとともに、前記上端に前記第1及び第2の接続部のフランジと対応した形状のフランジを有し、
    前記吸着式ガス生成装置が、前記第1及び第2の接続部のフランジと、前記吸着塔のフランジの両方を上下から挟持し、両方のフランジが接した状態を保持する着脱可能な保持手段をさらに有することにより、
    前記製品タンクと前記吸着塔とを接続するための配管を不要としたことを特徴とする吸着式ガス生成装置。
  2. 前記原料気体が大気であり、前記特定の成分が窒素であることを特徴とする請求項1記載の吸着式ガス生成装置。
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