JP5080483B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents
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Description
酸素濃縮装置は空気中の酸素を分離し、濃縮することを可能にした装置である。かかる酸素を分離濃縮する装置としては、90%以上の高濃度の酸素が得られるという観点から、空気中の窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を1個或いは、複数の吸着床に充填した吸着型酸素濃縮装置が広く知られ、病院や家庭で使用されている。その中でも圧力変動装置としてコンプレッサを用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が広く世の中に広まっている。かかる装置は、通常窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填させた1個或いは複数の吸着床に対して、コンプレッサから圧縮空気を供給し、吸着床内を加圧状態にして吸着剤に窒素を吸着させ、未吸着の高濃度の酸素を得る吸着工程と、吸着床内を大気圧或いは真空領域まで減圧して窒素を吸着剤から脱着させ再生する脱着工程とを一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を連続的に得る装置である。
酸素濃縮装置の使用温度や気圧変動など使用する環境条件の変化に伴う生成する酸素濃縮気体の酸素濃度低下や、機器の経時劣化に伴う生成する酸素濃縮気体の酸素濃度の低下に対応するため、コンプレッサから吸着床に供給する空気量の設定範囲を微調整し、また周囲環境変化、特に吸着剤の温度依存性を許容して酸素濃度が維持できる吸脱着シーケンスに補正する方策が採られる。
このような生成酸素濃度の経時的変化や、装置の経時劣化に伴う酸素濃度低下を補償し、生成する酸素濃縮気体の酸素濃度を一定値に保持するため、酸素濃縮気体の酸素濃度を酸素センサーで検知し、コンプレッサ風量や吸脱着のサイクルタイムなどをフィードバック制御することで製品酸素濃度を維持する装置が知られている(特表2000−516854号公報、特開平9−183601号公報)。
装置の最大供給流量は上記値であるが、実際に臨床で使用される供給酸素流量は、通常、0.25L/分や0.5L/分といった低流量値から設定することが可能である。この場合、処方流量が低値であるにもかかわらず、最大設定流量値に合わせて酸素を生成すると、無駄な酸素生成を行うことになり消費電力も大きくなる。このことから、多くの装置ではコンプレッサの駆動モータをインバータ制御し、コンプレッサから吸着床に供給する原料空気量を削減することにより消費電力の低減を図っている。
また高流量タイプの装置において高流量設定域での高濃度酸素を供給するため必要な原料空気量を確保しようとすると、低流量設定域では原料空気量が多すぎて原料供給過多となる。このとき、原料空気中の酸素の一部が吸着剤に吸着し、未吸着のアルゴンが生成ガス中に濃縮されることになり、結果として生成される酸素濃縮気体中の酸素濃度が低下してしまう。
コンプレッサの回転数を低下させて供給する原料空気量を低減させる方法がとられるが、コンプレッサの回転数の制御範囲には限界があり、あまりにも低回転域で使用した場合には、動作が不安定になるといった問題がある。
本発明は、上記課題を解決するものであり、装置の消費電力の低減と、酸素濃縮装置の供給酸素流量の低流量設定領域での酸素濃度維持とを合わせ持つ機能を備えた酸素濃縮装置を提供するものである。
すなわち本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも1個の吸着床と、該吸着床へ加圧空気を供給する空気供給手段と、該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着工程を所定タイミングで繰り返すための流路切換手段と、濃縮酸素を使用者に供給する供給量を設定する流量設定手段とを具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該空気供給手段と該吸着床との流路間に該吸着床に供給する加圧空気の一部を大気中に排出する抜き出し弁を備えた排気管路を備えることを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。
また本発明は、かかる流量設定手段の流量設定値に基づいて該空気供給手段の空気供給量を制御すると共に、該流量設定値が所定流量値以下の場合に該空気供給手段の空気供給量を一定値に制御し、且つ、該流量設定値に基づいて定められた該抜き出し弁からの加圧空気の排出量を制御する制御手段を備えることを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。
また本発明は、該排気管路が、該空気供給手段と該流路切換手段とを接続する管路から分岐し、且つ抜き出し弁として流量制御弁を備える管路であること、該空気供給手段が、インバータを備えたコンプレッサであり、該制御手段が、該流量設定手段の設定値に基づいてコンプレッサの回転数を制御すると共に、流量設定値が所定流量値以下の場合に該コンプレッサの回転数を一定値に制御すると共に、該流量設定手段の設定値に基づいて決定された排気量を該排気管路から排気する抜き出し弁の開閉制御を行なう手段であることを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。
また本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも1個の吸着床と、該吸着床へ加圧空気を供給する空気供給手段と、少なくとも該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着工程を所定タイミングで繰り返すための流路切換手段と、濃縮酸素を使用者に供給する供給量を設定する流量設定手段とを具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該流路切換手段が吸着工程の終了直前に吸着床に供給する供給する加圧空気の一部を外部に放出する空気放出機能を備えることを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。
また本発明は、かかる流路切換手段が、該空気供給手段と該吸着床とを接続する加圧空気供給導管に備えた二方電磁弁(a)、該二方電磁弁(a)の下流側に設けた該吸着床と排気側との分岐管路、該排気側の分岐管路に備えた二方電磁弁(b)を備えることを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。
また本発明は、該吸着床が2つの吸着床からなり、該流路切換手段が該空気供給手段と各吸着床とを接続する加圧空気供給用の分岐管路、各分岐管路に設けた二方電磁弁(a1,a2)、該二方電磁弁(a1,a2)の下流側に設けた該吸着床と排気側との分岐管路、該排気側の各分岐管路に備えた二方電磁弁(b1,b2)、排気口と二方電磁弁(b1,b2)を接続する分岐管路を備えることを特徴とし、特に該流量設定手段の設定値に基いて、吸着工程終了直前の加圧空気の排気量を決定する該流路切換手段の切換時間を制御する制御手段を備えたことを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。
図2は、従来の酸素濃縮装置における設定流量に対する原料空気の必要供給量と生成酸素濃度との関係を示す図である。A−A’はコンプレッサが供給可能な風量の範囲を、A’がコンプレッサが供給可能なの風量の下限値を示す。
図3は、本発明の酸素濃縮装置における設定流量に対する原料空気の必要供給量と生成酸素濃度との関係を示す図である。
図4は、本発明の酸素濃縮装置の別の実施態様例である圧力変動吸着型酸素濃縮装置の模式図を示す。
図5は、本発明と従来技術の切換弁の切り換えタイミングの違いを示す模式図である。
図6は、本発明の酸素濃縮装置の吸着筒圧力波形を示す図である。
先ず、大気中から酸素濃縮装置に取り込まれる原料空気は、塵埃などの異物を取り除くための外部空気取り込みフィルター101を備えた空気取り込み口から装置内に、粉塵、塵埃等を除去した清浄空気として取り込まれる。このとき、通常の大気空気中には、約21%の酸素ガス、約77%の窒素ガス、0.8%のアルゴンガス、水蒸気ほかのガスが1.2%含まれている。かかる酸素濃縮装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素ガスを選択的に濃縮して取り出す。
この酸素ガスの取り出しには、酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着するゼオライトなどからなる吸着剤が充填された吸着筒105に対して、切換弁104によって対象とする吸着筒105を順次切り換えながら、コンプレッサ103から原料空気を加圧して供給し、吸着筒105内で原料空気中に含まれる約77%の窒素ガスを選択的に吸着除去し、未吸着の酸素ガスを吸着筒105の他端側から製品タンク107へ取り出す圧力変動吸着法を用いる。
酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着する吸着剤としては、5A型ゼオライト、13X型ゼオライト、Li−X型ゼオライト或いはMD−X型ゼオライト等のモレキュラーシーブゼオライトが用いられる。
前記の吸着筒105は、前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成され、通常、1本の吸着筒を用いて吸着工程、脱着工程を順次切り換えて実施し、断続的に酸素を生成する1筒式の装置、2本の吸着筒を用い、一方の吸着筒が吸着工程の時には、他方の吸着筒では脱着工程を行い、各工程を切り換えることにより連続的に酸素を生成する2筒式の装置、更には3筒以上の多筒式の装置が存在するが、連続的かつ効率的に原料空気から酸素富化空気を製造するためには、2筒以上の多筒式の吸着筒105を使用することが好ましい。
また、前記のコンプレッサ103としては、揺動型空気圧縮機が用いられるほか、スクリュー式、ロータリー式、スクロール式などの回転型空気圧縮機が用いられる場合もある。また、このコンプレッサ103を駆動する電動機の電源は、交流であっても直流であってもよい。
前記吸着筒105で吸着されなかった酸素ガスを主成分とする酸素濃縮気体は、吸着筒105へ逆流しないように設けられた逆止弁106を介して、製品タンク107に流入する。
なお、吸着筒105内に充填された吸着剤に吸着された窒素ガスは、新たに導入される原料空気から再度窒素ガスを吸着するために吸着剤から脱着させる必要がある。このために、コンプレッサ103によって実現される加圧状態から、切換弁104によって減圧状態(例えば大気圧状態又は負圧状態)に切り換え、吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着剤を再生させる。この脱着工程において、その脱着効率を高めるため、吸着工程中の吸着筒の製品端側或いは製品タンク107から酸素濃縮気体をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。
原料空気から酸素濃縮気体が製造され、製品タンク107へ蓄えられる。この製品タンク107に蓄えられた酸素濃縮気体は、例えば95%といった高濃度の酸素ガスを含んでいる。その後、調圧弁108や流量設定手段109などによって、使用者に供給する供給酸素流量と圧力とが制御され、加湿器201へ供給され、加湿された酸素濃縮気体が患者3に供給される。
かかる加湿器には、水分透過膜を有する水分透過膜モジュールによって、外部空気から水分を取り込んで乾燥状態の酸素濃縮気体を加湿する、水を使わない無給水式の加湿器や、加湿用水を用いたバブリング式加湿器、或いは表面蒸発式加湿器を用いることが出来る。
流量設定手段109の設定値を検知し、制御手段401によりコンプレッサ103の電動機の回転数を制御することで吸着筒105への供給風量を制御する。例えば設定流量が低流量値の場合にはコンプレッサの電動機回転数を落とすことで、原料空気の供給量を抑えると共に生成する酸素量を抑え、且つ電動機回転数を落とすことで消費電力の低減を図る。
コンプレッサの回転数制御には限界があり、必要以上にコンプレッサ回転数を落とすとコンプレッサの運転が不安定になり停止する場合も生じる。したがって酸素濃縮装置の酸素設定流量が如何に低流量値であったとしても、コンプレッサ103の回転数抑制制御には限界があり、所定値以下では、コンプレッサ103の運転下限値で一定速度で運転することになる。
図2に示すようにコンプレッサ103が安定的に加圧空気を供給することが可能な範囲はA−A’の範囲であり、1L/分以下の設定流量の範囲では、コンプレッサは下限値A’で定速運転する。
酸素濃縮装置の吸着筒105は、装置の最大設定流量値でも90%以上の酸素濃度を維持するように設計されている。このため、設定酸素流量が低流量域で、酸素の取出量が少ないにもかかわらず、原料空気の供給量がコンプレッサ運転下限値で過剰に一定供給された場合には、吸着筒105内では、吸着剤に対して窒素分子だけでなく酸素分子が吸着する過吸着現象が生じる。図2の一点鎖線で示すように、1L/分以下の設定流量でもコンプレッサの供給風量を落とすことが出来れば過吸着現象を防止することが出来るが、コンプレッサの定格条件以下では安定的な駆動は出来ない。結果、生成した酸素濃縮気体中の生成酸素量が減少し、未吸着のアルゴンの濃度が上昇するため、図2に示すように、低流量域(1L/分以下)では、酸素濃縮気体中の酸素濃度が低下する現象が生じる。
かかる過吸着現象を防止するため、本発明の酸素濃縮装置では、コンプレッサ103と切換弁104との間の流路上に抜き出し弁102を備えた分岐管を設け、過剰な原料空気を排気する。流量設定手段の設定値が一定値以下で、コンプレッサの回転数制御が下限値で定常運転に入った場合には、抜き出し弁102を開き、原料空気の必要供給量に対して過剰な原料空気を排気する。かかる抜き出し弁102としては、コントロールバルブを用い、設定流量に対してバルブ開度を制御し、過剰原料供給量を比例放出する方法や、電磁弁の開時間によって過剰量を放出する方法をとることが出来る。かかる制御方式を採用することにより酸素の過吸着を防止し、図3に示すように、斜線部分の過剰に供給された原料空気を排気することにより、設定流量にかかわらず生成酸素濃度を一定に維持することが出来る。
図4は本発明の別の実施形態である圧力変動吸着型酸素濃縮装置を例示した概略装置構成図である。
図1の装置と同様に、外部から取り込まれる原料空気は、塵埃などの異物を取り除くための外部空気取り込みフィルター501を備えた空気取り込み口から取り込まれる。このとき、通常の空気中には、約21%の酸素ガス、約77%の窒素ガス、0.8%のアルゴンガス、水蒸気ほかのガスが1.2%含まれている。かかる装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素ガスのみを濃縮して取り出す。
この酸素ガスの取り出しは、原料空気を酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着するゼオライトなどからなる吸着剤が充填された2つの吸着筒505A,505Bに対して、切換弁504によって対象とする吸着筒を順次切り換えながら、原料空気をコンプレッサ503により加圧して供給し、吸着筒内で原料空気中に含まれる約77%の窒素ガスを選択的に吸着除去する。
前記吸着筒で吸着されなかった酸素ガスを主成分とする酸素富化空気は、吸着筒へ逆流しないように設けられた逆止弁506を介して、製品タンク507に流入する。
吸着筒内に充填された吸着剤に吸着された窒素ガスは、新たに導入される原料空気から再度窒素ガスを吸着するために吸着剤から脱着させる必要がある。このために、コンプレッサ503によって実現される加圧状態から、切換弁504によって減圧状態(例えば大気圧状態又は負圧状態)に切り換え、吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着剤を再生させる。この脱着工程において、その脱着効率を高めるため、吸着工程中の吸着筒の製品端側(或いは製品タンク)から酸素濃縮気体をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。
原料空気から酸素濃縮気体が製造され、製品タンク507へ蓄えられる。この製品タンク507に蓄えられた酸素濃縮気体は、例えば95%といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、調圧弁や流量設定手段509(CV:コントロールバルブ)などによってその供給流量と圧力とが制御されながら、加湿器512へ供給され、加湿された酸素濃縮気体が患者に供給される。
流量設定手段509の設定値を検知し、制御手段によりコンプレッサ503の電動機の回転数を制御することで吸着筒への供給風量を制御する。設定流量が低流量の場合には回転数を落とすことで生成酸素量を抑え、且つ消費電力の低減を図る。原料空気の供給量がコンプレッサ運転下限値で過剰に一定供給された場合には、吸着筒505A,505B内では、吸着剤に対して窒素分子だけでなく酸素分子が吸着する過吸着現象が生じる。かかる過吸着現象を防止するため、本発明の酸素濃縮装置では、吸着工程中に切換弁504を切り換え、吸着筒への原料空気供給量を制御し、過剰な原料空気を排気する。
2筒式の酸素濃縮装置の場合、係る切換弁504として、図4に示すように二方弁を4個(二方電磁弁a1、a2、b1、b2)を組み合わせた構造を採用する。各電磁弁を配管、分岐配管で接合しても良いし、4個の電磁弁をマニホールド化してもよい。
図5に各二方弁の開閉タイミングを示す。通常、吸着筒505Aが吸着工程でコンプレッサから加圧空気を供給する際には、もう一方の吸着筒505Bは脱着工程で加圧状態の吸着筒を減圧させ大気中に吸着した窒素を排気する。その際、二方弁a1が開き、二方弁a2、b1は閉じることで加圧空気を吸着筒505Aに供給する。同時に二方弁b2が開くことで吸着筒505Bの窒素富化ガスを排気する。この動作を所定時間後に切り換えることで吸着筒505A、505Bの吸着工程・脱着工程を切り換え、繰り返し実施している。
これに対して、本願発明の装置では、吸着筒505Aの吸着工程の末期に二方弁b1を開くことで、コンプレッサ503から供給される加圧空気の一部が二方弁b1から排気ラインを経由して排気される。これにより二方弁a1から吸着筒505Aに供給される原料空気の量を削減することができ、酸素の過吸着現象を防止する。同様に吸着筒505Bの吸着工程末期に二方弁b2を開くことで、加圧空気の一部が二方弁b2から排気ラインを経由して排気される。
切換弁504の制御は酸素供給流量の設定値により決定し、流量設定手段509の設定信号を元にして切換時間を制御する。例えば、供給流量が3L/分まで供給可能な装置の場合、1L/分以上の設定値では切換時間は変更せずにコンプレッサ503のモータ回転数を制御することで原料空気の供給量を制御し、1L/分以下の設定値では吸着工程末期の切換弁504を構成する二方弁b1/b2を開くタイミングを早めに制御することで各吸着筒505A、505Bへ供給する原料空気量を制御する。
上記供給流量が3L/分まで供給可能な図4の2筒式の酸素濃縮装置を15秒毎に吸着工程・脱着工程を繰り返すシーケンス、3L/分の設定酸素流量で使用した場合には93%の酸素濃度を有する酸素濃縮気体が得られるのに対して、0.25L/分の設定酸素流量で使用した場合には、吸着剤に対する酸素分子の過吸着、アルゴンガスの濃縮により生成する酸素濃縮気体の酸素濃度が93%から88%に減少する。
本発明の装置では、図5に示すように吸着筒505Aの吸着工程で、5秒早く排気側の切換弁504の二方弁b1を開き、吸着筒505Bの吸着工程で5秒早く排気側の二方弁b2を開くことで、吸着工程中にコンプレッサ503から吸着筒に供給される原料空気の一部を排気する。これにより0.25L/分の設定酸素流量で使用した場合でも93%の酸素濃度を維持することができる。
早めに開く時間は、設定流量値に合わせて原料空気量を比例調整するように時間を制御しても良いし、多段階的に制御しても良い。
図6に示すように、排気ガスの一部が脱着工程終了直前の吸着筒に流入する現象が見られるが、生成酸素濃度には影響せず、逆に必要以上の吸着筒の圧力上昇を避けることができることから、消費電力の低減を実現することができる。
発明の効果
本発明の酸素濃縮装置では、コンプレッサ出口と吸着筒入口の間に抜きだし弁(電磁弁、CV等)を挿入し、不必要な原料吸気を排出することにより生成酸素濃度を向上させ、かつ、周囲環境に影響を受けないようにコンプレッサの駆動を安定させることが可能となる。
また、酸素供給流量の設定値が低流量域の場合、吸着工程末期に不必要な原料空気を排出することにより、原料空気の供給過多に伴う酸素分子の過吸着、アルゴン濃縮に伴う生成酸素濃度の低下を防止することができる。また低流量域においても、消費電力を抑え且つコンプレッサの駆動を安定させることが可能となる。
Claims (5)
- 酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも1個の吸着床と、該吸着床へ加圧空気を供給する空気供給手段と、少なくとも該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着工程を所定タイミングで繰り返すための流路切換手段と、濃縮酸素を使用者に供給する供給量を設定する流量設定手段とを具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該流路切換手段が吸着工程の終了直前に吸着床に供給する供給する加圧空気の一部を外部に放出する空気放出機能を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。
- 該流路切換手段が、該空気供給手段と該吸着床とを接続する加圧空気供給導管に備えた二方電磁弁(a)、該二方電磁弁(a)の下流側に設けた該吸着床と排気側との分岐管路、該排気側の分岐管路に備えた二方電磁弁(b)を備えることを特徴とする請求項1に記載の酸素濃縮装置。
- 該吸着床が2つの吸着床からなり、該流路切換手段が該空気供給手段と各吸着床とを接続する加圧空気供給用の分岐管路、各分岐管路に設けた二方電磁弁(a1,a2)、該二方電磁弁(a1,a2)の下流側に設けた該吸着床と排気側との分岐管路、該排気側の各分岐管路に備えた二方電磁弁(b1,b2)、排気口と二方電磁弁(b1,b2)を接続する分岐管路を備えることを特徴とする請求項1に記載の酸素濃縮装置。
- 該流路切換手段が、該空気供給手段と各吸着床とを接続する加圧空気供給用の分岐管路、各分岐管路に設けた二方電磁弁(a1,a2)、該二方電磁弁(a1,a2)の下流側に設けた該吸着床と排気側との分岐管路、該排気側の各分岐管路に備えた二方電磁弁(b1,b2)、排気口と二方電磁弁(b1,b2)を接続する分岐管路をマニホールド化したものである請求項3記載の酸素濃縮装置。
- 該流量設定手段の設定値に基いて、吸着工程終了直前の加圧空気の排気量を決定する該流路切換手段の切換時間を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項3に記載の酸素濃縮装置。
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