JP5242996B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気中の酸素を分離し使用者に供給する酸素濃縮装置に関する。更に詳細には酸素濃縮装置の起動時の酸素濃度立ち上がり時間を短くし、早期に高濃度の酸素ガスを使用者に供給するための制御手段を搭載した酸素濃縮装置に関するものである。

近年、肺気腫、肺結核後遺症や慢性気管支炎などの慢性呼吸器疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあり、かかる患者に対する治療方法として、高濃度酸素を吸入させる酸素吸入療法が行われている。酸素吸入療法とは前記疾病患者に対して酸素ガス若しくは酸素濃縮気体を吸入させる治療法である。治療用の酸素ガス或いは濃縮酸素気体の供給源としては、高圧酸素ボンベ、液体酸素ボンベ、酸素濃縮装置等の使用が挙げられるが、長時間の連続使用に耐えることができ、また使い勝手がよいなどの理由により、酸素濃縮装置を使用するケースが増加している。

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で、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、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、酸素よりも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、吸着床内を減圧して窒素を脱着させる脱着工程からなり、これを一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を得る装置である。

かかる酸素濃縮装置は、空気中に含まれる約21％の濃度の酸素を90％以上の濃度に濃縮するものであり、装置起動時の初期濃度の安定化が重要となる。特許文献１には、酸素濃縮機の起動時には、取出す製品ガス中の酸素濃度を短時間で設定値に近づけるために、コンプレッサ能力を最大限にし、かつそれにみあった加圧時間にすると共に、その後、製品ガス取出流量に応じて最適供給空気流量、最適加圧時間となるようにコンプレッサ能力、入口弁・排出弁の開閉制御を行なう装置が記載されている。
特開平１１−２０７１２８号公報

酸素濃縮装置は、生成酸素流量毎に特有の運転プロセスを有しており、一般的に製品ガス流量が低いほど、酸素濃度の立ち上がり時間が遅い。その原因の一つとして、酸素濃縮装置に具備された製品ガスを一度保存するためのバッファ（製品タンク）の存在が考えられる。かかる製品タンクは吸着筒から供給される酸素を一時貯留することで圧力変動を調整すると共に、製品ガス量を確保し、供給流量変動の対して安定的に供給する働きを行なう。一方、装置停止時には、流路が完全に密閉されず、空気の流入によって製品タンクが置換され、バッファ内部の酸素濃度が低下する。

装置の起動時には、製品タンク内部の低酸素濃度ガスが優先的に製品ガスとして排出されるため、製品ガス濃度を早期に高めるためには、タンク内をより早く新しく生成された高濃度酸素ガスによって置換する必要がある。

特許文献１記載の装置のように起動時のコンプレッサ風量を最大にして供給することで生成酸素量を最大とし、酸素濃度を短時間に上昇させる事ができる。しかし、近年使用されるコンプレッサは消費電力の削減を行なうため、最大酸素供給量に対して過剰な余力は保持しておらず、冬季の低温環境下で起動トルクが上昇した場合には、コンプレッサがストールを起こす可能性もある。

本発明はコンプレッサ風量を変更することなく、酸素濃度を短時間に立ち上げる装置を提供するものであり、起動時に製品ガス流量を一時的に最大にすることで、吸着筒からの高濃度酸素により製品タンクを置換することにより実現する酸素濃縮装置である。

すなわち本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着床と、該吸着床に加圧空気を供給する加圧空気供給手段、生成した酸素ガスを貯留する製品タンク、供給する酸素ガスの流量を制御する流量制御弁を備え、原料空気中の窒素を吸着除去し、未吸着の酸素ガスを選択された設定流量で供給する酸素濃縮装置において、該装置の起動時に、該加圧空気供給手段を選択された設定流量で酸素ガスを供給するために設定された供給風量とすると共に、該流量制御弁を全開または該装置の最大設定流量と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、かかる制御手段が、装置起動後、該流量制御弁から該製品タンクの容量以上の酸素ガスを供給した後に該流量制御弁を選択された設定流量の開度とする制御を行なう手段であり、特に該流量制御弁がコントロールバルブであり、該制御手段が該流量制御弁の下流に設けた流量センサの検出値に基づいて該コントロールバルブの開度を制御する手段である酸素濃縮装置を提供するものである。

本発明の酸素濃縮装置は、起動時に製品ガス流量を最大にすることで製品タンク内のガスの置換を早期に実現し、供給酸素濃度の立ち上がり時間を短縮することが可能となる。
また、流量制御弁のみを最大開度とすることで加圧空気供給手段であるコンプレッサの負荷を押さえ、ストールを防止することができる。

本発明の実施態様例である酸素濃縮装置を、図面を用いて説明する。
図１は本発明の一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。この図１において、１は酸素濃縮装置、３は加湿された酸素富化空気を吸入する使用者（患者）を示す。圧力変動吸着型酸素濃縮装置１は、外部空気取り込みフィルタ101、コンプレッサ103、切り替え弁104、吸着筒105、逆止弁106、製品タンク107、調圧弁108、流量設定手段109、フィルタ110を備える。これにより外部から取り込んだ原料空気から酸素ガスを濃縮した酸素富化空気を製造することができる。

先ず、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101など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。

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5A型、13X型、Li-X型、MD-X型ゼオライト等からなる吸着剤が充填された吸着筒105に対して、切り替え弁104によって対象とする吸着筒105を順次切り替えながら、原料空気をコンプレッサ103により加圧して供給し、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することにより、酸素ガスを取り出す。

前記の吸着筒105としては、前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成され、通常、１筒式、２筒式の他に３筒以上の多筒式が用いられるが、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、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富化空気は、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、切り替え弁104によって減圧状態（例えば大気圧状態又は負圧状態）に切り替え、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から酸素富化空気をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。

原料空気から酸素富化空気が製造され、製品タンク107へ蓄えられる。この製品タンク107に蓄えられた酸素富化空気は、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108や流量設定手段109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201へ供給され、加湿された酸素富化空気が患者に供給される。かかる流量設定手段109には、オリフィス式の流量設定器の他、コントロールバルブ（ＣＶ）等の流量制御弁を用いることができる。

酸素富化空気の供給流量を設定する流量設定手段109の設定値や、酸素濃度センサ301の濃度値、流量センサ302の実酸素流量値を検知し、検知結果を記録手段402に記憶することで運転状態を監視すると共に、検知結果に基づいて酸素生成量を調節する為、制御手段401により圧縮機103のモータ回転数を制御し原料空気の供給量を制御し、更に切り替え弁104を制御し吸脱着の切り替えタイミングを制御する。酸素濃度センサとしてはジルコニア式酸素センサや超音波式酸素センサを用いることができる。流量センサとしては、マスフローメータや超音波式流量センサを用いることができる。超音波式センサは、酸素濃度及び酸素流量を一つのセンサで測定が可能となり、小型化、部品点数削減の点から好ましい。

本発明の装置では起動時に、流量設定手段を一時的に装置の最大流量値に設定する。これにより製品タンク107に溜まっている低酸素濃度ガスの置換速度を早めることで、酸素濃度立ち上がりを早くすることができる。

最大酸素供給量が３Ｌ/分の酸素濃縮装置の場合、通常0.25Ｌ/分〜３Ｌ/分まで、多段階で流量を設定することが可能である。３Ｌ/分で酸素を供給する場合と0.25Ｌ/分で酸素を供給する場合では供給流量に１２倍の開きがあり、製品タンク内の酸素が全て置換するまでに要する時間も同様の差が生じる。

酸素濃度の立ち上がり時間の遅れは、製品タンクの容量に依存するが、特に酸素供給流量が１Ｌ/分以下の低流量域で問題となり、かかる設定流量値で酸素濃縮装置を起動した場合、制御手段401は流量設定手段109であるコントロールバルブの弁開度を３Ｌ/分の場合と同様の最大値とする制御を行なう。かかる制御を行なう時間は製品タンク容量との関係で決定し、少なくとも同タンク容量と同じ酸素量、好ましくは同タンクの２倍の酸素量が流出するまではコントロールバルブは最大開度とする制御を行なう。これにより製品タンク107内の酸素ガスが新たに生成された酸素ガスと置換され、酸素濃度が使用者に供給される酸素ガス濃度の立ち上がり時間を短縮することができる。

本発明の酸素濃縮装置の概略構成図。

Claims (2)

1. 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着床と、該吸着床に加圧空気を供給する加圧空気供給手段、生成した酸素ガスを貯留する製品タンク、供給する酸素ガスの流量を制御する流量制御弁を備え、原料空気中の窒素を吸着除去し、未吸着の酸素ガスを選択された設定流量で供給する酸素濃縮装置において、
   該装置の起動時に、該加圧空気供給手段を選択された設定流量で酸素ガスを供給するために設定された供給風量とすると共に、該流量制御弁を該装置の製品タンクから使用者に所定濃度で供給される酸素ガスの流量設定値を最大設定流量とする制御手段を備え、該制御手段が、装置起動後、該流量制御弁から該製品タンクの容量以上の酸素ガスを最大設定流量で供給した後に該流量制御弁を選択された設定流量の開度とする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。
2. 該流量制御弁がコントロールバルブであり、該制御手段が該流量制御弁の下流に設けた流量センサの検出値に基づいて該コントロールバルブの開度を制御する手段である請求項１に記載の酸素濃縮装置。

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