JP5065581B2 - 圧力スイング吸着式酸素濃縮器 - Google Patents

Description

本発明は、圧力スイング吸着式の酸素濃縮器に関する。特に医療用酸素濃縮器として提供するものであり、治療効果を保ったまま低電力で酸素を供給するための制御機能を備えた装置に関する。

酸素濃縮器は、空気中の酸素を濃縮して供給する装置であり、それには酸素を選択的に透過する高分子酸素富化膜を用いた膜式酸素濃縮器と、窒素または酸素を優先的に吸着しうる吸着剤を用いた圧力スイング吸着式酸素濃縮器が主流になっている。

圧力スイング吸着式酸素濃縮器には、吸着筒の数により一筒式、二筒式、或いはそれ以上の吸着筒を備えた多筒式の装置がある。図２のように二筒式の場合、窒素を優先的に吸着しうる吸着剤を充填した二本の吸着筒13に、加圧手段10を用いて圧縮空気を導入して加圧状態で窒素を吸着させ、未吸着の酸素を製品ガスとして得る吸着工程と、大気開放もしくは減圧手段11により吸着筒の内圧を減少させ、吸着剤が吸着した窒素を脱着させて吸着剤の再生を行う脱着工程を交互に行うことにより酸素を濃縮することができる。この時、二本の吸着筒13と加圧手段10及び減圧手段11の接続用の導管途中に切り替え弁12を備え、切り替え弁12の開閉により各吸着筒の吸着工程、脱着工程が制御される。
吸着筒13で濃縮された酸素は流量制御手段16に供給され、所定の一定流量に調節された後に、開放型酸素供給手段17を介して患者の鼻孔に導かれる。

一般的に加圧手段10から供給される原料空気が一定量であれば、患者に供給される酸素流量が少ないほど酸素濃度は高くなり、逆に酸素流量が多いほど生成される濃縮酸素ガスの酸素濃度は低くなる。また、患者に供給される酸素流量が一定の場合、加圧手段10から吸着筒13に供給される原料空気量が多いほど生成される濃縮酸素ガスの酸素濃度は高くなり、逆に原料空気量が少ないほど酸素濃度は低くなる。

特開２００２−２５３６７５号公報 特開２００３−２８６００９号公報

従来の多くの圧力スイング式酸素濃縮器に於いては、製品として取り出される濃縮酸素ガスの酸素濃度は直接的には制御されておらず、原料空気供給手段であるコンプレッサーの能力や、吸脱着工程切り替え手段の切り替え時間は製品の寿命を通じて一定であった。このため、製品として取り出される濃縮酸素ガス中の酸素濃度は、使用時間と共に低下していくことになる。

使用中に供給される濃縮酸素ガス中の酸素濃度が低下するということは、患者の治療効果が時間を追って低下していくということに繋がるため、これまでの酸素濃縮器に於いては原料空気供給手段の能力や、吸着筒に充填する吸着剤の量を必要最小限度から比較してかなり余裕をもって設計がされており、初期に於いては過剰な酸素生成能力で運転し、寿命が近づき酸素生成能力が低下したときでも基準値以上の酸素濃度を保つように設計されている。このため、初期から装置の寿命に至るまでの間、一定の高い消費電力で装置が動作することになり、それによって患者の経済的負担を必要以上に多くしていた。

近年、特開２００２−２５３６７５号公報や特開２００３−２８６００９号公報に見られるように、酸素濃度検出手段を備え、検出された製品酸素濃度に応じて原料空気供給手段の能力や吸脱着工程の加圧時間を変化させることによって一定の酸素濃度に制御するような装置が提案されている。このような装置は、酸素濃度を一定に保つように制御することによって、装置が新品で酸素生成能力が高いときは、コンプレッサーの能力を抑えて消費電力を低下させ、酸素生成能力が低下するにつれてコンプレッサーの能力を上げることによって、従来の酸素濃縮器より初期における消費電力を低下させることを実現したものである。

しかし、通常の酸素濃縮器に於いてはコンプレッサーの能力を上げ加圧空気の供給量を上げて酸素濃度を高くしようとすると消費電力が上昇し、消費電力を下げようとしてコンプレッサーの能力を低下させると酸素濃度が低下するという性質があり、患者に供給する濃縮酸素ガスの酸素濃度すなわち患者の治療効果と、酸素濃縮器の消費電力すなわち患者の経済的負担の軽減は両立できず、最も経済的に最適な酸素濃度についても明らかではなかった。

本発明は上記の状況に鑑みなされたものであって、治療効果を損なうことなく酸素濃縮装置の消費電力量を低く保つために酸素濃縮装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、本願発明者は図３に示すように、酸素濃度が９１％以下の範囲では酸素濃度の変化に対する消費電力の変化が小さく、９１％以上の範囲では酸素濃度の変化に対する消費電力の変化が急激に大きくなる、つまり酸素濃度を９１％以上に制御しようとすると消費電力の大幅な増加を招き、また９１％を大幅に下回る酸素濃度に制御しようとすると経済的利益に対して治療効果の低下が著しいということを見いだし、本願発明に到達したものである。すなわち、本発明は下記する１）〜５）に記載の各構成を有する圧力スイング吸着式酸素濃縮器を提供するものである。

１）少なくとも酸素より窒素を吸着する吸着剤を収容した１個以上の吸着筒、該吸着筒に原料空気を供給する原料空気供給手段、該吸着筒へのガスの出入りを制御する流路切り替え手段を備えた圧力スイング吸着式酸素濃縮器において、製品ガスである酸素濃縮ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段を有し、該酸素濃度測定手段の測定値に基づいて該原料空気供給手段の供給能力を変化させ、該酸素濃度測定手段の測定値が８５％以上、９１％以下に制御する制御手段を有することを特徴とする圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
２）該制御手段が、該酸素濃度測定手段の測定値が８９％以上、９１％以下に制御する制御手段を有することを特徴とする、上記１）に記載の圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
３）該制御手段が、該原料空気供給手段の駆動モータの回転数を制御する手段であることを特徴とする、上記１）または２）に記載の圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
４）該吸着剤がＬｉ−ＬＳＸ型ゼオライトであることを特徴とする上記１）〜３）記載の何れかに記載の圧力スイング吸着式酸素濃縮器。

本発明は、治療効果を損なうことなく、消費電力を低減した酸素濃縮器を提供することができる。

以下、図面参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は圧力スイング吸着式酸素濃縮器のフローを示す模式図であり、酸素濃縮手段3は圧力スイング吸着方式の酸素濃縮手段であって、窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒にコンプレッサー等の加圧手段1で圧縮空気を導入して加圧状態で窒素を吸着させて濃縮酸素ガスを得る吸着工程と、大気開放もしくは真空ポンプなどの減圧手段2により吸着筒の内圧を減少させて吸着剤が吸着した窒素を脱着させて吸着剤の再生を行う脱着工程を交互に行うことにより酸素を濃縮することができる。

酸素濃縮手段3で生成された濃縮酸素ガスは、それを一時貯蔵するバッファータンク4に貯蔵される。バッファータンク4を用いることにより酸素濃縮手段3から吐出される濃縮酸素ガスの圧力変動が緩和され、供給酸素流量が安定する。バッファータンク4に貯蔵された濃縮酸素ガスは導管によって流量制御手段7に供給され、所定の一定流量に調節された後に、開放型酸素供給手段8を介して患者の鼻孔に導かれる。

該導管の途中には圧力測定手段5、酸素濃度測定手段6が備えられており、該圧力測定手段は半導体式の圧力トランスデューサ等が用いることができ、該酸素濃度測定手段にはジルコニア式センサー、超音波式センサー、磁気式センサー等が用いることができる。該酸素濃度測定手段にはガルバニ電池式センサーが用いられることもあるが、測定精度が十分でないため、目的の酸素濃度の範囲に実際の酸素濃度を制御することが難しく、本発明の目的には適切ではない。

ここで、酸素濃縮手段3によって連続的に生成された濃縮酸素が流量制御手段7によって所定の一定流量に調節され患者に供給されている状態において、圧力測定手段5で測定された圧力情報および酸素濃度測定手段6で測定された酸素濃度情報は制御部9に送られ、該圧力情報および該酸素濃度情報にもとづき制御部9が酸素濃縮手段3の窒素吸着および脱着の周期とコンプレッサー等の加圧手段1による供給空気量を調節することによって、導管内の圧力、酸素濃度を制御する。

すなわち、圧力変動型吸着方式の酸素濃縮手段から吐出される濃縮酸素の圧力は窒素吸着と脱着の周期を速くすれば低くなり、周期を遅くすれば高くなることから、圧力測定手段5により測定される導管内圧力が高くなれば吸脱着の周期を速くし、導管内圧力が低くなれば吸脱着の周期を遅くすることによって導管内圧力を所定の圧力に制御できる。また、圧力スイング吸着方式の酸素濃縮手段から吐出される濃縮酸素ガスの酸素濃度はコンプレッサー等の加圧手段１からの供給空気量を増加させれば高くなり、供給空気量を減少させれば低くなることから、酸素濃度測定手段6により測定される酸素濃度の値が高くなれば供給空気量を減少させ、酸素濃度が低くなれば供給空気量を増加させることによって、濃縮酸素濃度を８５％〜９１％の間に制御する。空気量の制御はコンプレッサーの駆動モータの回転数を制御することで行うことができる。

圧力スイング吸着式酸素濃縮器として、４筒式の吸着式酸素濃縮装置を用い、製品ガスである酸素濃縮ガス中の酸素濃度と消費電力との関係を検討した。

図４に実施例で使用した酸素濃縮装置の実施態様を示す。吸着ユニットには、吸着筒、回転バルブおよびバルブ駆動機構が一体となって含まれており、原料空気供給口、排気口および製品取り出し口を持つ。原料空気供給口にはコンプレッサーが取り付けられ、大気圧よりも圧力が高い空気が供給できるようになっている。また、排気口には真空ポンプが取り付けられており、大気圧よりも低い圧力で排気している。製品取り出し口には製品タンクが取り付けられており、その下流側には圧力センサ、酸素濃度センサ、減圧弁、流量調節器が取り付けられ、製品酸素を必要な量だけ取り出すことができるようになっている。尚、プロセス制御の制御手段の図面記載は省略する。

吸着ユニットの構造は図５のようになっている。吸着筒は４本有り、それぞれの一端はマニフォールドaに固定されており、マニフォールドa内の気体流通路によって、同じくマニフォールドaに固定されている回転バルブの固定子に接続されている。吸着筒の他端はマニフォールドbに固定されており、内部で４本の配管と接続されている。その配管はさらにマニフォールドaへと接続され、バルブ固定子のポート穴と接続される。

吸着剤としては、Ｌｉ−ＬＳＸ型ゼオライトを使用し、流路の切り替え手段は上記の回転バルブで行った。装置の更なる詳細な構成は特開2005-81258号公報に記載に装置を参照して実施した。

図３に製品酸素濃度に対する電力の変化を示す。図に示されている通り、酸素濃度が８７％から９０％に増加した場合の電力の変化は５Ｗ程度であるが、９０％から９３％に変化した場合には電力は２０Ｗ以上増加することが分かる。すなわち、本発明の制御方法を用い、酸素濃度を８９％〜９１％に制御することにより治療効果を損なうことなく電力を低減できる。

本発明の酸素濃縮装置の実施態様の説明図。 従来の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の説明図。 酸素濃度と消費電力の関係を表したグラフ。 実施例で使用した酸素濃縮装置の構成図。 実施例で使用した酸素濃縮装置の吸着ユニットの構成図。

符号の説明

１．加圧手段
２．減圧手段
３．酸素濃縮手段
４．バッファータンク
５．圧力測定手段
６．酸素濃度測定手段
７．流量制御手段
８．開放型酸素供給手段
９．制御部
１０．加圧手段
１１．減圧手段
１２．切り替え弁
１３．吸着筒
１４．切り替え弁
１５．調圧弁
１６．流量制御手段
１７．開放型酸素供給手段

Claims (6)

1. 少なくとも酸素より窒素を吸着する吸着剤を収容した１個以上の吸着筒、該吸着筒に原料空気を供給する原料空気供給手段、該吸着筒へのガスの出入りを制御する流路切り替え手段を備え酸素濃縮ガスを生成する圧力スイング吸着式酸素濃縮器において、酸素濃縮ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段を有し、該酸素濃度測定手段の測定値に基づいて該原料空気供給手段の供給能力を変化させ、該酸素濃度測定手段の測定値が８７％以上、９１％以下に制御する制御手段を有し、
   酸素濃度上昇に対する電力消費量が１０Ｗ／％未満の傾きであることを特徴とする圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
2. 少なくとも酸素より窒素を吸着する吸着剤を収容した１個以上の吸着筒、該吸着筒に原料空気を供給する原料空気供給手段、該吸着筒へのガスの出入りを制御する流路切り替え手段を備え酸素濃縮ガスを生成する圧力スイング吸着式酸素濃縮器において、酸素濃縮ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段を有し、該酸素濃度測定手段の測定値に基づいて該原料空気供給手段の供給能力を変化させ、該酸素濃度測定手段の測定値が８７％以上、９１％以下に制御する制御手段を有し、
   酸素濃度上昇に対する電力消費量が２．５Ｗ／％以下の傾きであることを特徴とする圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
3. 少なくとも酸素より窒素を吸着する吸着剤を収容した１個以上の吸着筒、該吸着筒に原料空気を供給する原料空気供給手段、該吸着筒へのガスの出入りを制御する流路切り替え手段を備え酸素濃縮ガスを生成する圧力スイング吸着式酸素濃縮器において、酸素濃縮ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段を有し、該酸素濃度測定手段の測定値に基づいて該原料空気供給手段の供給能力を変化させ、該酸素濃度測定手段の測定値が８７％以上、９１％以下に制御する制御手段を有し、
   酸素濃度の上限値及び下限値における電力消費量の差が１０Ｗ以内であることを特徴とする圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
4. 該制御手段が、該酸素濃度測定手段の測定値が８９％以上、９１％以下に制御する制御手段を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
5. 該制御手段が、該原料空気供給手段の駆動モータの回転数を制御する手段であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力スイング吸着式酸素濃縮器。
6. 該吸着剤がＬｉ−ＬＳＸ型ゼオライトであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧力スイング吸着式酸素濃縮器。

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