JP5443023B2 - コンプレッサおよび酸素濃縮装置 - Google Patents
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Description
この方式の酸素濃縮装置によれば、取り込んだ原料空気を圧縮手段であるコンプレッサで圧縮して圧縮空気を発生して、吸着剤を内蔵した吸着筒に対してこの圧縮空気を供給することで該吸着剤に窒素を吸着させ酸素を生成する。そして、生成された酸素はタンクに貯めておき、減圧弁や流量設定器を介してタンクから所定流量の酸素を供給可能な状態にすることで、患者は鼻カニューラ等の器具を用いて酸素吸入ができる。
特に、在宅酸素療法患者が就寝中も使用する場合には、酸素濃縮装置は騒音発生が極めて少ないことが好ましい。例えば、酸素濃縮装置の騒音は、室内の空調設備から発生する騒音レベル以下となることが望ましい。
そこで、患者がやむなく外出する場合には、例えば、所定の収容容器に酸素を充填した酸素ボンベを搭載したカートを押しながら、その酸素ボンベから濃縮酸素を吸うようにしている。この酸素ボンベに対する酸素の充填は専用設備にて行なわなければならない。
そこで、可搬型や移動型の酸素濃縮装置が提案されており、可搬型や移動型の酸素濃縮装置は、原料空気を取り込んで圧縮空気を発生する圧縮手段と減圧空気を発生する減圧手段とを備えて電池駆動可能なコンプレッサを備えている(特許文献1を参照)。
そこで、本発明は、原料空気を吸引して圧縮空気を生成する際に騒音が直接外に漏れずに低騒音化が図れ、しかも吸入しようとする原料空気中から塵埃等の不純物を除去できるコンプレッサおよび酸素濃縮装置を提供することを目的とする。
上記構成によれば、本発明のコンプレッサでは、原料空気を吸引して圧縮空気を生成する際に騒音が直接外に漏れずに低騒音化が図れ、フィルタが出力軸の原料空気取り込み部と同軸状に配置されているので、吸入しようとする原料空気中から塵埃等の不純物を除去できる。
上記構成によれば、コンプレッサからできるだけ騒音が直接外側に漏れないようにしながら、静かに原料空気をケース部内に取り込むことができる。
上記構成によれば、駆動用モータと出力軸の原料空気取り込み部は、ケース部の第1側面部と反対側の第2側面部側にそれぞれ振り分けて配置できるので、コンプレッサの小型化が図れる。
上記構成によれば、覆い部材は、出力軸の原料空気取り込み部が原料空気を取り込む際の騒音と、駆動用モータ自体の騒音を防ぐための騒音防止部材として機能することができる。
上記構成によれば、開口部を通じて原料空気取り込み部に導入しようとする原料空気は、出力軸の原料空気取り込み部に対して同軸状に配置されたこのフィルタを必ず通るので、原料空気中の塵埃等の不純物を確実に取り除いた状態で取り込むことができる。
図1は、本発明のコンプレッサを備える酸素濃縮装置の好ましい実施形態を示すブロック図である。
図1に示す酸素濃縮装置1は、好ましい実施形態として携帯型(可搬型や移動型ともいう)の酸素濃縮装置である。図1に示す酸素濃縮装置1は、例えば、酸素生成原理として圧縮空気による圧縮空気力変動吸着法(PSA:正圧変動吸着法)を用いている。
圧縮空気のみによる正圧変動吸着法は、圧縮空気のみを吸着筒体内に送って窒素を吸着させる。正圧変動吸着法は、圧縮空気と減圧空気による正負圧変動吸着法(VPSA)に比べて、コンプレッサの小型化と軽量化が図れるメリットがある。
図1に示す主筐体2は、外気である原料空気を導入するための吸気口2cと、排気するための排気口2bを有している。吸気口2cには空気中の塵埃等の不純物を除去するためのフィルタ3が配置されており、原料空気は、コンプレッサ10が作動すると、吸気口2cのフィルタ3を介してF方向に沿って内部の配管4を通じてコンプレッサ10側に導入される。
酸素出口9には、鼻カニューレ314のアダプタ313が着脱可能に接続される。アダプタ313は、チューブ315を介して鼻カニューレ314に接続されている。患者は、鼻カニューレ314を経て、例えば最大流量1L/分の流量で、約90%程度以上に濃縮された酸素の吸入が可能である。デマンド弁117を制御して呼吸同調制御を行なうことで、一般にIE比(吸気時間(秒)と呼気時間(秒)の比)は、1:2であることを考えると、呼吸同調制御により、患者には90%以上に濃縮された酸素が実質的に最大3L/分で供給する効果と同等となる。
図1に示すAC(商用交流)電源のコネクタ430は、スイッチングレギュレータ式のACアダプタ419に電気的に接続され、ACアダプタ419は商用交流電源の交流電圧を所定の直流電圧に整流する。内蔵電池228は、例えば、主筐体2の底部に内蔵されている。外部電池227は、コネクタ431を介して着脱自在可能に設けられる。電源制御回路226は、コネクタ430,431に電気的に接続されている。
内蔵電池228および外部電池227は、繰り返し充電可能な2次電池であり、内蔵電池228は電源制御回路226からの電力供給を受けて充電できる。外部電池227については、電源制御回路226からの電力供給を受けて充電することもできるが、通常は別途準備される電池充電器を用いて繰り返し充電されることになる。
図2は、コンプレッサ10を正面から見た斜視図であり、図3は、図2に示すコンプレッサ10をU方向から見た斜視図である。図4は、図2のコンプレッサ10をG方向から見た斜視図である。図5は、図2のコンプレッサ10を斜め上方向から見た一部を切り欠いて内部構造を示す斜視図である。図6は、図2のコンプレッサ10の第1ヘッド部を分解して示す斜視図である。後述する工夫された構成により全体の重量が全体の重量が300g〜900g程度に小型・軽量化されている。
図2と図3に示すコンプレッサ10は、駆動用モータ11と、第1ヘッド部21と、第2ヘッド部22と、ケース部23とを有する2ヘッド仕様のコンプレッサである。駆動用モータ11は、例えば1Lクラスの電動モータであるが、例えば単相交流誘導モータであっても良いし、単相4極交流同期モータであっても良い。
図2に示す第1ヘッド部21は、ケース部23の第1端部(上端部)23Aに設けられ、第2ヘッド部22は、ケース部23の第2端部(下端部)23Bに設けられている。第1ヘッド部21と第2ヘッド部22は、駆動用モータ11の1つの出力軸15により駆動されるレシプロ駆動のポンプヘッドである。第1ヘッド部21と第2ヘッド部22は、出力軸15の回転中心軸CLを中心としてほぼ上下対称形状に形成されている。
図1に示す第1ヘッド部21と第2ヘッド部22は、第1吸着筒体108aと第2吸着筒体108b側へ圧縮空気を安定して供給でき、第1吸着筒体108aと第2吸着筒体108bは、90%以上に濃縮した酸素を設定された酸素流量で安定して供給できる。
図2と図3に示すように、ケース部23は、クランクケースとも言い、V方向に沿って配置されている。このV方向は回転中心軸CLと直交する方向である。
図2と図3に示すように、ケース部23は、本体部24と、第1端部23Aと、第2端部23Bを有している。第1端部23Aは、第1ヘッド部21を取り付ける部分であり、第2端部23Bは、第2ヘッド部22を取り付ける部分である。
第1ヘッド部21は、上側のヘッドカバー51と第1ピストン61を有している。ヘッドカバー51は、ケース部23の第1端部23Aに対して、複数本のネジ51Nを用いて均等な力で固定されている。第1ピストン61はコンロッド61Cに取り付けられている。コンロッド61Cは出力軸15に軸受け部材を用いて取り付けられている。
図6は、第1ヘッド部21を示す分解斜視図である。ただし、第1ヘッド部21と第2ヘッド部22は、上下位置関係が反対であるだけで積層構造は同じである。そこで、第1ヘッド部21の構造を代表して説明する。
上述した原料空気70と圧縮空気71の経路は、第2ヘッド部22においても同様である。
図7において、第1ヘッド部21と第2ヘッド部22は、回転中心軸CLを中心としてほぼ上下対称構造を有している、第1ヘッド部21の第1ピストン61と第2ヘッド部22の第2ピストン62は、V方向に沿って反対方向に往復動する水平対向型ピストンである。
このことから、第1ピストン61と第2ピストン62は、互いに反対方向に同期して等しいストローク長1mm〜10mm程度で往復移動するようになっている。ストローク長が1mmより短いと圧縮される原料空気の量が小さくなり、ストローク長が10mmより長いとコンプレッサ10が長くなる。
このように、図7に例示するように第1ピストン61と第2ピストン62が上死点に位置するとシリンダ61S、62S内の原料空気が圧縮される。逆に、第1ピストン61と第2ピストン62が下死点に位置すると、シリンダ61S、62S内に原料空気が吸入される状態になる。なお、シリンダ61Sの内径、シリンダ62Sの内径は等しく、20mm〜60mm程度に形成されている。シリンダ61Sの内径、シリンダ62Sの内径が20mmより小さいと圧縮される原料空気の量が小さくなり、シリンダ61Sの内径、シリンダ62Sの内径が20mmより大きいとコンプレッサ10の小型・軽量化が図りづらくなる。
図3に示すように、駆動用モータ11は、ケース部23の第1側面部31側にボルト11Mにより固定されている。図7に示すように、駆動用モータ11は、回転中心軸CLに沿って薄く形成したほぼ円柱状のモータである。駆動用モータ11は、好ましくは第1ヘッド部21と第2ヘッド部22の間の空間11S内に収容されている。すなわち、駆動用モータ11は、第1ヘッド部21と第2ヘッド部22からは回転中心軸CL方向に突出しないように空間11S内に収まるように配置されている。言いかえれば、駆動用モータ11は、好ましくはケース部23の第1側面部31において第1ヘッド部21の外形部分と第2ヘッド部22の外形部分とで形成される領域内に収まっている。これにより、駆動用モータ11がコンプレッサ10の外形部分から外側に突出することがなく納まっているので、コンプレッサ10の小型・軽量化と薄型化が図れる。
この出力軸15の端部は、回転中心軸CLを中心として連続回転することで、原料空気を矢印M方向に沿ってケース部23内に取り込むことができるスクリュー90Sを有している。つまり、出力軸15の端部には、その外周を取り巻くように螺旋状の溝が形成されている。この原料空気取り込み部90は、このスクリュー90Sと円筒型の軸受け部材91Dを有している。このスクリュー90Sは、溝の深さが1mm〜10mm程度、ピッチが3mm〜20mm程度に形成されている。溝の深さが1mmより小さいと取り込まれる原料空気の量が少なくなり、溝の深さが10mmより大きくなるとスクリュー90Sの強度が小さくなる。ピッチが20mmより大きくなるとスクリュー90Sの長さが長くなり、コンプレッサ10の小型化が図りづらくなる。
これにより、駆動用モータ11の出力軸15が連続回転して第1ピストン61と第2ピストン62を往復移動させる際に、原料空気取り込み部90は、同時に原料空気を螺旋溝の溝内に導き、矢印M方向にケース部23内に取り込むことができる。このため、原料空気をケース部23内に取り込むために原料空気の吸入装置を別途用意する必要が無くなり、コンプレッサの小型・軽量化と薄型化と構造の簡単化が図れる。
つまり、この実施形態のコンプレッサは、ケース部23の第1端部側に設けられ、第1ピストン61を収容し得る大きさの第1ヘッド部21と、ケース部23の第2端部側に設けられ第2ピストンを収容し得る大きさの第2ヘッド部22とを備えている。
そして、図7に示すように、第1ヘッド部21と第2ヘッド部22の間であって、これら各ヘッド部21,22の、外縁の仮想の延長線G1,G1の内側に、駆動用モータ11と、該駆動用モータにより駆動される原料空気の取り込み部90が収容配置されている。
より具体的には、各ヘッド部21,22の、外縁の仮想の延長線G1,G1の内側の領域において、上述した第1、第2の各ピストンを駆動するコンロッド61C、62Cの一側である第1側面部に駆動用モータ11が配置され、他側である第2側面部に出力軸15と覆い部92とを有する原料空気取り込み部90が配置されている。
これにより、駆動用モータ11の原料空気取り込み部90がコンプレッサ10の外形から突出することがなく納まっているので、コンプレッサ10の小型化と薄型化が図れる。
しかも、駆動用モータと出力軸の原料空気取り込み部は、ケース部の第1側面部と反対側の第2側面部側にそれぞれ振り分けて配置できるので、コンプレッサの小型・軽量化が図れる。
図8は、覆い部材92を示す分解斜視図である。図7に示すように、覆い部材92は、第1ヘッド部21と第2ヘッド部22の間の空間11P内に配置されて、ケース部23の第2側面部23P側に対して、好ましくは機械的な噛み合い構造やねじ込み構造により着脱可能に固定されている。機械的な噛み合い構造を採用すれば、覆い部材92は、ケース部23からワンタッチで取り外したり、逆に取り付けることができる。
図7に示すように、覆い部材92は、出力軸15の原料空気取り込み部90を覆っている。覆い部材92とフィルタ95は、出力軸15の原料空気取り込み部90に対して回転中心軸CLを中心として同軸状に配置されている。つまり、覆い部材92とフィルタ95は中心軸を共通にしている。
リング状のフィルタ95は、出力軸15の原料空気取り込み部90と同軸状に配置され、原料空気を通過させて原料空気中の塵埃等の不純物を除去するようになっている。すなわち、リング状のフィルタ95には、リング状のカバー部材94の複数の原料空気取り入れ開口部96から取り入れられた原料空気を必ず通した後に、出力軸15の原料空気取り込み部90に達することができるようになっている。このように、複数の原料空気取り入れ開口部96から取り入れられた原料空気が、必ずフィルタ95を通って出力軸15の原料空気取り込み部90に達するようにするために、リング状のフィルタ95は、出力軸15の原料空気取り込み部90と同軸状に配置されている。
以上の構造を有する覆い部材92は、第1ヘッド部21と第2ヘッド部22の間の空間11P内に収容されている。すなわち、覆い部材92は、第1ヘッド部21と第2ヘッド部22からは回転中心軸CL方向の外側に突出しないように空間11P内に収まるように配置されている。これにより、覆い部材92がコンプレッサ10の外形部分から突出することがなく納まっているので、コンプレッサ10の小型化と薄型化が図れる。
図9では、コンプレッサ10の外形形状を2点鎖線で示し、このコンプレッサ10における原料空気の導入経路59を実線で示し、圧縮空気の排出経路79を破線で示している。
図1の中央制御部200がモータ制御部201に指令して、モータ制御部201がコンプレッサ10の駆動用モータ11を始動して、図7と図9に示す駆動用モータ11の出力軸15が回転中心軸CLを中心として連続回転をする。このため、図7に示す第1ヘッド部21の第1ピストン61と第2ヘッド部22の第2ピストン62は、安定して反対方向に往復移動する。
逆に、第1ピストン61と第2ピストン623が下死点に位置すると、第1シリンダ61Sと第2シリンダ62S内に原料空気が吸入される状態になる。
すなわち、第1ヘッド部21の第1ピストン61と第2ピストン62は、同時に空気の吸入工程を行った後に、同時に圧縮空気を圧縮して排出する圧縮工程を行い、これらの空気の吸入工程と圧縮工程を繰り返す。
この原料空気70の吸入の際には、図9に示す原料空気に含まれる塵埃等の不純物をフィルタ3で取り除くことができ、さらに図7に示す別のフィルタ95により取り除くことができる。しかも、フィルタ95に不純物が蓄積される前に、覆い部材92を取り外すことで、フィルタ95の清掃あるいはフィルタ95の交換を容易にすることができる。このため、フィルタ95のメンテナンス性を向上できる。
リング状のフィルタ95は、出力軸15の原料空気取り込み部90と同軸状に配置され、原料空気を通過させて原料空気中の塵埃等の不純物を除去するようになっている。このように、リング状のフィルタ95が出力軸15の原料空気取り込み部90と同軸状に配置されているので、出力軸15の原料空気取り込み部90の全周囲にわたって原料空気を吸入しながら原料空気中の塵埃等の不純物を除去することができる。従って、リング状のカバー部材94には複数の原料空気取り入れ開口部96を設けて、それぞれの開口部96から原料空気を取り込むようにしても、原料空気はリング状のフィルタ95に必ず通すことができるので、原料空気中から塵埃等の不純物を除去した後に、原料空気は出力軸15の原料空気取り込み部90に到達する。
そして、原料空気取り込み部90が原料空気をケース部23内に取り込むためにスクリュー型に形成されていることから、コンプレッサ10から騒音が直接外部に漏れないようにしながら、原料空気取り込み部90は静かに原料空気をケース部23内に取り込むことができる。
また、覆い部材92は、原料空気を取り込む際の騒音と駆動用モータ11自体の騒音が外部に漏れるのを防止する騒音漏れ防止部材としての機能を果たすことができる。このため、コンプレッサ10から騒音が直接外側に漏れないようにしながら、原料空気取り込み部90はさらに静かに原料空気をケース部23内に取り込むことができる。
一方、図9において、上側の第1シリンダ61S内と下側の第2シリンダ62S内で生成された圧縮空気80は、第2連通通路42と、排出口37と、配管6を介して、第1吸着筒体108aと第2吸着筒体108b側に供給できる。
圧縮空気のみによる正圧変動吸着法(PSA)は、圧縮空気のみを吸着筒体内に送り窒素を吸着させるので、圧縮空気と減圧空気による正負圧変動吸着法(VPSA)に比べて、コンプレッサの小型化と構造の簡単化が図れるメリットがある。
駆動用モータ11として同期モータが好ましくは使用されれば、電源電圧が変動しても、出力軸15の回転数が一定にでき、第1ヘッド部21と第2ヘッド部22を安定した回転数で駆動できる。
以上説明したように、本実施形態では、特に、小型化,軽量化した可搬型酸素濃縮装置において、90%以上に濃縮された酸素を連続で1L/分まで供給が可能となり、併せて消費電力の低減を図ることができる。また、呼吸同調機能を動作させれば、90%以上に濃縮された酸素を実質的に3L/分まで供給可能となる。
図7において、駆動用モータ11の外面の位置は、第1ヘッド部21と第2ヘッド部22の外形部分に対して、回転中心軸CL方向について同一であっても良いし、駆動用モータ11の外面の位置が第1ヘッド部21と第2ヘッド部22の外形部分よりも低い位置であっても良い。
例えば、酸素濃縮装置は、図示した携帯型の酸素濃縮装置に限らず、据え置き型の酸素濃縮装置であっても良い。図に示すコンプレッサ10の駆動用モータは、例えば1Lクラス(90%以上に濃縮された酸素を連続して1L/分供給できるという意味)の同期モータであるが、これに限らず1Lクラスを超える能力を有するモータ、例えば3Lクラス(90%以上に濃縮された酸素を連続して3L/分供給できるという意味)、5Lクラス(90%以上に濃縮された酸素を連続して5L/分供給できるという意味)等に適するモータを用いても良い。駆動用モータの種類は、各種のモータを採用でき、駆動用モータは単相交流誘導モータであっても良い。
第1ヘッド部21と第2ヘッド部22は、それぞれピストンが反対方向に往復移動する水平対向配置になっているが、これに限らず2つのピストンが例えばV字型に配置されていても良い。
Claims (4)
- 原料空気を圧縮して圧縮空気を発生するコンプレッサであって、
前記コンプレッサは、
ケース部と、
前記ケース部に設けられて出力軸を有する駆動用モータと、
前記駆動用モータの前記出力軸の回転により動作し、前記原料空気を吸入して圧縮して前記圧縮空気を発生するヘッド部と、
前記出力軸に設けられて前記出力軸の回転により前記原料空気を前記ケース部内に取り込んで前記ヘッド部側に前記原料空気を供給する原料空気取り込み部と、
前記出力軸の前記原料空気取り込み部と同軸状に配置され、前記原料空気を通過させて前記原料空気中の不純物を除去するフィルタとを備え、
前記出力軸の前記原料空気取り込み部は、前記出力軸の端部において前記原料空気を前記出力軸の軸方向に案内するスクリューと、前記スクリューを回転することより前記原料空気を前記ケース内に取り込む円筒型の軸受け部材とを有し、
前記ケース部の第1側面部には前記駆動用モータが設けられ、前記ケース部の前記第1側面部と反対側の第2側面部側には前記出力軸の前記原料空気取り込み部が設けられていて、
前記取り込まれた原料空気は、前記ヘッド部に導かれて、ピストンにより圧縮される構成とされ、
前記出力軸には前記原料空気を吸い込むために、該出力軸の外周を取り巻くように螺旋状の溝が設けられている
ことを特徴とするコンプレッサ。 - 前記ケース部には、前記出力軸の前記原料空気取り込み部を覆うための覆い部材が設けられていることを特徴とする請求項1に記載のコンプレッサ。
- 前記覆い部材は、前記原料空気を前記出力軸の前記原料空気取り込み部に導入するための開口部を有し、前記フィルタは、前記覆い部材の内部に配置されていることを特徴とする請求項2に記載のコンプレッサ。
- 原料空気を圧縮して圧縮空気を発生するコンプレッサと、該圧縮空気から窒素を吸着する吸着剤を収容する吸着部材とを備える酸素濃縮装置であって、
前記コンプレッサは、
ケース部と、
前記ケース部に設けられて出力軸を有する駆動用モータと、
前記駆動用モータの前記出力軸の回転により動作し、前記原料空気を吸入して圧縮して前記圧縮空気を発生するヘッド部と、
前記出力軸に設けられて前記出力軸の回転により前記原料空気を取り込んで前記ヘッド部側に前記原料空気を供給する原料空気取り込み部と、
前記出力軸の前記原料空気取り込み部と同軸状に配置され、前記原料空気を通過させて前記原料空気中の不純物を除去するフィルタとを備え、
前記出力軸の前記原料空気取り込み部は、前記出力軸の端部において前記原料空気を前記出力軸の軸方向に案内するスクリューと、前記スクリューを回転することより前記原料空気を前記ケース内に取り込む円筒型の軸受け部材とを有し、
前記ケース部の第1側面部には前記駆動用モータが設けられ、前記ケース部の前記第1側面部と反対側の第2側面部側には前記出力軸の前記原料空気取り込み部が設けられていて、
前記取り込まれた原料空気は、前記ヘッド部に導かれて、ピストンにより圧縮される構成とされ、
前記出力軸には前記原料空気を吸い込むために、該出力軸の外周を取り巻くように螺旋状の溝が設けられている
ことを特徴とする酸素濃縮装置。
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