JP5563435B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒素との親和性の高い吸着剤を充填した吸着筒にコンプレッサーから原料空気を送り込み、濃縮された酸素ガスを取り出す圧力変動吸着式（ＰＳＡ)の酸素濃縮装置に関するものであり、詳しくは、酸素濃縮ガスを加湿する加湿器の外れや漏れを簡単に検知する技術に関する。

図１は、一般に医療用として用いられる圧力変動吸着式の酸素濃縮装置の一例を示す。

この例では、濃縮酸素を製造するための主な構成要素として、原料空気を送り込むコンプレッサー３、原料空気の送り先を切り替える電磁弁８，９、酸素を選択的に取り出す２本の吸着筒１２，１３を備えている。

原料空気の流路は、通常は電磁弁８，９によって切り替えられて２本の吸着筒１２，１３に対して交互に原料空気が送り込まれる。各吸着筒１２，１３には、酸素よりも窒素との親和性が強いゼオライトが充填されている。原料空気が送り込まれた吸着筒１２，１３内では窒素がゼオライトに吸着されて酸素が濃縮され、製造された酸素濃縮ガスが最終的にカニューラ２６を通じて使用者に供給される。

片方の吸着筒（例えば１２）にコンプレッサー３で加圧した原料空気を送り込んで酸素を製造している間、他方の吸着筒（例えば１３）では、圧力を開放して前の酸素製造工程で吸着していた窒素を脱着するとともに、製造された酸素の一部を送り込んでパージすることが行われる。以上の工程を片方と他方で交互に行うように切り替え、繰り返して連続的に酸素を製造するのである。

吸着剤のゼオライトは、空気中の水分も強く吸着するので、製造された酸素ガスにはほとんど水分が含まれない。このような乾燥した酸素ガスを使用者が吸入すると、鼻やのどの粘膜を乾燥させ、不快感を与えるだけでなく、障害を引き起こすおそれもある。そのため、医療用の酸素濃縮装置には、酸素濃縮ガスに加湿するための加湿器が備えられている。このような加湿器には、多孔体を先端に着けたスパージャーから、水を入れた容器内に酸素ガスを導入してバブリングすることにより加湿する方式が一般に採用されている。

加湿器内の水は当然蒸発して減少するので、定期的に精製水を補給する必要がある。精製水を補給して、再び加湿器を装着するときに、加湿器の蓋をしっかり締めきれないことがある。また、加湿器を本体に装着する際にもきっちり装着できないことがある。特に、使用者は高齢の患者が多いことから、そのようなトラブルはよく起こる。このように、加湿器の蓋や本体を正常に装着できていないと、医師の処方通りの酸素濃縮ガスが患者に供給されなくなるという重大な問題があった。そのため、従来から加湿器の漏れ、外れ、あるいは酸素ガススパージャーの目詰まりなどの不具合を検知する方法が種々提案されてきた。
なお、以下の各文献の説明において、括弧内の符号は文献記載のものである。

特許２８５７０４４号公報 特開２０００−２６２６１９号公報 特開２００３−２７５３１２号公報 特開２００３−２７５３１３号公報 特開２００４−２０９１１５号公報

特許文献１（特許２８５７０４４号）は、加湿器（７）の上流にターレットオリフィス式の流量設定手段（２２）を配置し、この流量を設定するオリフィスの上流と下流の差圧を測定し、あらかじめ設定しておいた差圧との関係からそのとき流れている酸素濃縮ガスの流量に換算するものである。
しかしながら、この文献では、単にそのとき流れている酸素濃縮ガスの流量を計測するものにすぎず、加湿器の漏れや外れを検知するという問題意識はない。したがって、この文献では、オリフィスの下流に存在する加湿器周辺は大気圧に近い状態で運転されているため、加湿器に漏れや外れが発生したとしても、上記差圧に変化が生じるわけではなく、加湿器の漏れや外れを検知することはできない。

特許文献２（特開２０００−２６２６１９号）は、加湿器の取付や蓋締め付けの不具合により患者に供給される酸素ガスの実質流量が低下するのを検知するため、加湿器下流に流量計と圧力計を備えるものである。すなわち、第１に加湿器（３）の下流に流量検出手段（６）を配設し、第２に上記流量検出手段（６）の後段に圧力検出手段（７）を配設している。これにより、流量検出手段により異常の発生を検知し、圧力検出手段によりその異常がどこにあるかを判定する。
すなわち、加湿器に漏れや外れが生じたり、カニューラやチューブに閉塞・折れが生じたりすると、いずれにしても流量が低下するのでそれを流量検出手段で検知する。ただし、流量の検知だけでは、異常が加湿器側なのか、カニューラ・チューブ側なのかはわからない。そこで、カニューラ・チューブに閉塞や折れが生じると圧力検出手段の圧力が高くなり、加湿器に漏れや外れが生じても圧力検出手段の圧力は高くならないことにより、異常の発生位置を判定する。
しかしながら、この技術では、加湿器の下流に流量検出手段を配置することが必須となる。酸素濃縮装置によって供給される酸素濃縮ガスの流量は、患者に与える程度のものであるから一般の工業ガスのように大量に流すわけではない。このような少量のガス流量を精密に計測する熱式流量計は極めて価格が高く、それを採用するのはコスト的に現実的ではない。しかも加湿器で加湿されてミストを含む可能性さえある酸素濃縮ガスの流量測定は、流量検出手段の精度が低下しやすく、異常検出の信頼性が低下しやすい。

特許文献３（特開２００３−２７５３１２号）は、加湿器装着部に加湿器（３９）の装着を確認するための加湿器スイッチ（４５）を設けたものである。加湿器の装着状態に不具合があると、加湿器スイッチが加湿器の存在を検知しないため、異常と判断する。
しかしながら、これでは、加湿器装着部への加湿器の装着状態を検知するにすぎず、蓋が十分に締まらずに漏れが生じていることまでは検知できない。

特許文献４（特開２００３−２７５３１３号）は、酸素濃縮ガスの出口側の流路を一時的に遮断する電磁弁（４３）を設け、電磁弁で流路を遮断したときの圧力変化や流量変化を検知し、圧力低下や流量低下があったときは漏れがあると判断する。
しかしながら、この装置では、漏れを検知できるのは、酸素濃縮ガスの出口側を電磁弁で遮断したときに限られる。このため、検知タイミングは装置の起動時等ごく限られた瞬間だけであり、通常運転で酸素濃縮ガスを流している間は、たとえ異常が生じてもそれを検出することはできない。すなわち、使用中にカニューラに折れや閉塞が生じて患者に対して十分な酸素濃縮ガスが供給できない状態になったとしても、その異常が検知できないのである。

特許文献５（特開２００４−２０９１１５号）は、加湿器（１１６）の上流に圧力センサ（１１７）を、下流に流速センサ（１１９）を備えたものである。特許文献２と同様に、まず流速センサで異常を検知する。加湿器が完全に装着されていない、蓋がゆるんでいる、カニューラ折れ等の異常があると、流量が低下する。流量が所定のレベルを下回るときに圧力値を参照し、圧力が所定の閾値より高くなればカニューラ閉塞と判定し、圧力が所定の閾値より低ければ加湿器が装着されていないと判定する。
しかしながら、特許文献２と同様に、加湿器の下流に流速センサを配置することが必須となり、コスト的に不利である。また、流速センサの精度が低下しやすく、異常検出の信頼性が低下しやすいことから、その補正を行うために湿度計まで使用し、その結果システムが複雑になる。

以上のように、加湿器の外れや漏れを検知する方法は、いくつか開示されている。しかしながら、あるものは不具合を検知できるのが起動時等のごく限られたタイミングでしかない。また、あるものは流量計を装備することが必須となる。その場合、少量のガス流量を精密に計測する熱式流量計は価格が高く、しかも加湿されてミストを含む可能性さえある酸素濃縮ガスでは、流量検知の精度が低下しやすく、異常検出の信頼性も低下しやすい。このように、従来開示された技術は、未解決の各種問題を抱えていた。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、流量計等を使うことなく、酸素濃縮ガスを供給する運転中であっても、簡単かつ確実に加湿器の外れや漏れを検知することができる酸素濃縮装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の酸素濃縮装置は、原料空気中の窒素を吸着して酸素を濃縮するための吸着部と、上記吸着部から取り出された酸素濃縮ガスに対して湿度を付与するための加湿器と、上記加湿器で加湿された酸素濃縮ガスを使用者に供給するための供給流路とを備え、
上記加湿器の下流に供給流路を制限する流路制限手段を配置し、上記流路制限手段の上流に加湿器内の酸素濃縮ガスの圧力を計測する圧力計測手段を配置し、上記流路制限手段がオリフィスであることを第１の要旨とする。
上記目的を達成するため、本発明の酸素濃縮装置は、原料空気中の窒素を吸着して酸素を濃縮するための吸着部と、上記吸着部から取り出された酸素濃縮ガスに対して湿度を付与するための加湿器と、上記加湿器で加湿された酸素濃縮ガスを使用者に供給するための供給流路とを備え、
上記加湿器の下流に供給流路を制限する流路制限手段を配置し、上記流路制限手段の上流に加湿器内の酸素濃縮ガスの圧力を計測する圧力計測手段を配置し、
上記流路制限手段は複数の流路制限部を備え、そのうち使用する１以上の流路制限部を選択するようになっていることを第２の要旨とする。

従来の技術（特許文献２および５）では、運転時に加湿器の漏れや外れを検知するために必須の構成として流量計を設け、異常が流量計の上流か下流かを判定するために圧力計を使用していた。このとき、正常運転時の加湿器の圧力は大気圧にほぼ等しいため、圧力計は大気圧か高いかの二者択一で判定するしかない。
本発明者らは、圧力計をもっと有効に使って定量的な判定ができれば、流量計を装備しなくても、加湿器の外れや漏れだけでなく、使用者側のカニューラやチューブの折れ・閉塞等の異常も簡単かつ確実に検知できるのではないかと考え、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の第１の酸素濃縮装置は、上記加湿器の下流に供給流路を制限する流路制限手段を配置し、上記流路制限手段の上流に加湿器内の酸素濃縮ガスの圧力を計測する圧力計測手段を配置している。
このように、加湿器の下流に流路制限手段を組み込むことにより、加湿器内は流路制限手段がないときよりも圧力が高くなり、常に所定以上の圧力が保持される。そして、流路制限手段の上流に配置した圧力計測手段で加湿器内の圧力を計測することにより、加湿器の漏れや外れがあれば、圧力が下がるのでそれを検知することができる。また、使用中に例えばカニューラやチューブ等の供給流路に閉塞等のトラブルが生じた場合は、加湿器内の圧力が上昇することから、それを計測することで、異常を検出できる。このとき、流路制限手段は上流側に圧力を保持させながら、酸素濃縮ガスを常時所定の流量で供給流路に対して酸素濃縮ガスを流し続けることができる。
上記流路制限手段がオリフィスであるため、簡単な設備装置により、加湿器内の圧力を常に所定以上に保持することができる。

また、本発明の第２の酸素濃縮装置は、上記加湿器の下流に供給流路を制限する流路制限手段を配置し、上記流路制限手段の上流に加湿器内の酸素濃縮ガスの圧力を計測する圧力計測手段を配置している。
このように、加湿器の下流に流路制限手段を組み込むことにより、加湿器内は流路制限手段がないときよりも圧力が高くなり、常に所定以上の圧力が保持される。そして、流路制限手段の上流に配置した圧力計測手段で加湿器内の圧力を計測することにより、加湿器の漏れや外れがあれば、圧力が下がるのでそれを検知することができる。また、使用中に例えばカニューラやチューブ等の供給流路に閉塞等のトラブルが生じた場合は、加湿器内の圧力が上昇することから、それを計測することで、異常を検出できる。このとき、流路制限手段は上流側に圧力を保持させながら、酸素濃縮ガスを常時所定の流量で供給流路に対して酸素濃縮ガスを流し続けることができる。
さらに、上記流路制限手段は複数の流路制限部を備え、そのうち使用する１以上の流路制限部を選択するようになっているため、
必要に応じて酸素濃縮ガスの供給流量を変化させたとしても、確実に異常を検知できるようになる。すなわち、酸素濃縮ガスの供給流量を変化させる必要が生じたときは、使用する１以上の流路制限部を選択することにより段階的に供給流路を制限し、加湿器内の圧力を供給流量の変化に応じた適正な圧力に保持し、確実に異常を検知するのである。
流路制限手段が流路を一定に制限するものであると、多くの酸素濃縮ガスの供給が必要になって大流量を流そうとすると、酸素濃縮ガスの供給圧力を非常に高圧にせねばならなくなり、場合によっては加湿器の許容圧力を超えかねず、現実的にはそのような高圧での運転はできない。そこで、酸素濃縮ガスの供給流量を変化させる必要が生じたときは、使用する流路制限部を選択し、加湿器内の圧力を供給流量の変化に応じた適正な圧力に保持し、確実に異常を検知するのである。例えば、酸素濃縮ガスの供給流量が大きい場合、流路制限手段による流路の制限量を小さくし、加湿器内の圧力が不必要に上昇するのを防止する。反対に、酸素濃縮ガスの供給流量が小さい場合、流路制限手段による流路の制限量を大きくし、小さな供給流量であっても、加湿器内を必要な供給圧力以上の圧力に保持し、確実に異常を検知する。

従来の酸素濃縮装置の一例を示す構成図である。 本発明の酸素濃縮装置の第１実施形態を示す構成図である。 上記第１実施形態の要部を示す図である。 本発明の酸素濃縮装置の第２実施形態の要部を示す図である。 ０．６ｍｍのオリフィスを使用した時の流量と加湿器内圧力、加湿器外れ圧力の関係及び閾値の例を示す。 ０．６ｍｍのオリフィスを使用した時の流量と加湿器内圧力の関係を示す。 １．２ｍｍのオリフィスを使用した時の流量と加湿器内圧力の関係を示す。 ０．６ｍｍ及び１．２ｍｍのオリフィスを使用した時の流量と加湿器内圧力、加湿器外れ圧力の関係及び閾値の例を示す。

つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図２は、本発明の酸素濃縮器の一実施形態を示す構成図である。
図３は、加湿器２４周辺の構成を示す図である。
この例は、在宅酸素療法に用いられる２筒式の圧力変動吸着法による酸素濃縮器である。

この酸素濃縮器は、原料空気を供給するための圧縮機としてのコンプレッサー３と、上記圧縮機から供給された原料空気中の窒素を吸着して酸素を濃縮するための吸着部としてそれぞれ機能する２本の吸着筒１２，１３とを備えている。また、上記コンプレッサー３から原料空気を供給する吸着筒１２，１３を切り替える電磁弁８，９を備えている。そして、吸着筒１２，１３に原料空気を送り込んで窒素を吸着し、酸素が濃縮された酸素濃縮ガスを供給チューブ３２およびカニューラ２６を用いて使用者に供給するようになっている。

以下、詳しく説明する。

この酸素濃縮装置では、原料空気は、筐体２８に取り付けられたスポンジフィルター１と、流路の入口部分に設けられた吸気フィルター２によって異物が除去され、コンプレッサー３により加圧されて吸着筒１２，１３に導入される。コンプレッサー３は、モータ電力や空気の断熱圧縮熱などにより発熱するので、ブロワー４の送風により冷却する。コンプレッサー３で発生した異物はインラインフィルター５で除去する。

吸着筒１２，１３には窒素との親和性が強い吸着材（ゼオライト）が充填されており、吸着筒１２，１３一端の原料口に原料空気が送り込まれると、他方の製品口からはゼオライトとの親和性が弱い酸素が窒素より先に出てくる。これにより、酸素の濃縮を行なって酸素濃縮ガスを製造する。これを製品ガスとして酸素バッファータンク１９に蓄える。この工程を「酸素濃縮工程（加圧工程）」という。

一方の吸着筒（この説明では１２とする）で酸素濃縮工程（加圧工程）を行っている間、前の酸素濃縮工程（加圧工程）が終わった他方の吸着筒（この説明では１３とする）では、ゼオライトに多量の窒素が吸着されている。そこで、吸着筒１３の圧力を開放して窒素を大気に排出し、酸素濃縮工程（加圧工程）を行っている吸着筒１２で生成された酸素濃縮ガスの一部をパージ弁１４を通じて吸着筒１３の製品口から導入し、吸着筒１３内を酸素で置換する。この工程を「窒素脱着工程（パージ工程）」という。

酸素濃縮工程（加圧工程）を続けていると、ゼオライトの吸着力が限界に達して吸着筒１２で得られる酸素濃縮ガスの酸素濃度が低下するので、その前に、原料空気の行先を一方の吸着筒１２から他方の吸着筒１３に切り替えることが行われる。すなわち、各吸着筒１２，１３にそれぞれに対応するよう電磁弁８，９が設けられ、これら電磁弁８，９の開閉動作により吸着筒１２，１３の切り替えを行う。上記各吸着筒１２，１３へ導入される原料空気の逆流を防止するために、電磁弁８，９の上流に逆止弁６，７が設けられている。

一方の吸着筒１２へ原料空気を送るときは、吸着筒１２に対応した電磁弁８が「開」、他方の電磁弁９が「閉」となるよう切り換え制御する。他方の吸着筒１３へ原料空気を送るときは、吸着筒１３に対応した電磁弁９が「開」、他方の電磁弁８が「閉」となるよう切り換え制御する。

また、各吸着筒１２，１３にそれぞれに対応するよう開放弁１０，１１が設けられ、窒素脱着工程（パージ工程）を制御する。すなわち、吸着筒１２で酸素濃縮工程（加圧工程）を行っている間は、開放弁１０を「閉」として吸着筒１２内の加圧状態を維持する。吸着筒１２で窒素脱着工程（パージ工程）を行っている間は、開放弁１０を「開」とし、吸着された窒素を大気に放出する。反対に、吸着筒１３で酸素濃縮工程（加圧工程）を行っている間は、開放弁１１を「閉」として吸着筒１３内の加圧状態を維持する。吸着筒１３で窒素脱着工程（パージ工程）を行っている間は、開放弁１１を「開」とし、吸着された窒素を大気に放出する。吸着筒１２，１３を大気開放する際の騒音は、排気出口に設けたサイレンサー２７で消音する。

パージ用のガスは、酸素濃縮工程（加圧工程）を行っている一方の吸着筒１２（または１３）の製品口から、窒素脱着工程（パージ工程）を行っている他方の吸着筒１３（または１２）の製品口へ、パージラインを通じて供給される。パージラインには、直動式のパージ弁１４とオリフィス１５，１６が設けられている。パージ弁１４は、パージの時間を正確に制御するために設置され、オリフィス１５，１６は通過する酸素濃縮ガスの流量を制御するために設置される。

製造された酸素濃縮ガスは、酸素バッファータンク１９に蓄えられ、減圧弁２０で供給圧力が調整され、流量制御器２２で流量を設定し、酸素濃度計２３で酸素濃度を計測する。なお、流量制御器２２と酸素濃度計２３を異物から保護するためにメンブランフィルター２１が設けられている。また、ガスの逆流を防ぐための逆止弁１７，１８を適宜設置することができる。

また、騒音を発する機器や部品は金属製の防音ボックスの中に収容される。特に大きな騒音を発するのはコンプレッサー３と排気開放部である。ブロワー４の運転音とコンプレッサー３への吸気音がそれについで大きい。ブロワー４は、外気をコンプレッサー３に当てて冷却するものなので、コンプレッサー３と同居させることはできない。吸気フィルター２も酸素の少ない排気開放部と同居させることができない。従って、防音ボックスを２部屋に区分し、第１防音ボックス２９にはコンプレッサー３と排気開放部を収容し、第２防音ボックス３０にはブロワー４と吸気フィルター２を収容する。電磁弁８，９は、この例では、温度とスペースの関係から第２防音ボックス３０に収容している。装置全体は木材とプラスチックから構築される筐体２８に収納される。

製造された酸素濃縮ガスは絶乾燥状態であるため、加湿器２４で湿度を与え、供給チューブ３２およびカニューラ２６を通じて使用に供される。供給チューブ３２およびカニューラ２６は、本発明の供給流路３３の一部として機能する。本発明の供給流路３３は、後述するオリフィス３１より下流の酸素濃縮ガスが流通する流路をいい、供給チューブ３２やカニューラ２６はその一部を構成しうるものである。

上記加湿器２４は、この例では、バブリング式の加湿器２４であり、精製水を満たした容器内に、酸素濃度計２３で酸素濃度が計測された酸素濃縮ガスを多孔質部材から噴出させることにより加湿するものである。

そして、本実施形態では、上記加湿器２４の下流に供給流路３３を制限する流路制限手段としてのオリフィス３１を配置することにより、供給流路の流路断面積が小さくなるよう制限し、オリフィス３１より上流の加湿器内の圧力を、オリフィス３１を設けないときよりも高くするよう維持するのである。また、上記オリフィス３１の上流、この例では加湿器２４の上流で酸素濃度計２３の下流に、加湿器２４内の酸素濃縮ガスの圧力を計測する圧力計測手段としての圧力計３４を配置している。

以下、要部について詳しく説明する。

流量制御器２２は、この例では、熱式流量計と比例電磁弁を組み合わせたマスフローメーターが用いられている。流量制御器２２、酸素濃度計２３、圧力計３４の各計測値は、図示しない中央制御装置に取り込まれて運転状況が監視され、異常が生じた際は、図示しない警報手段がその異常に応じた警報を発報する。

本実施形態の特徴は、加湿器２４の下流で、供給チューブ３２が取り付けられる酸素取り出し口の上流に、オリフィス３１を含む流路制限手段を設置したことである。オリフィス３１で流路を絞ると所定量の酸素濃縮ガスを流すことによりオリフィス３１の上流側の圧力が上昇する。つまり正常運転のときにも、そのときの流量に応じ、オリフィス３１がないときの酸素取り出し口における酸素濃縮ガスの供給圧力より高い圧力が確保されることになる。

あらかじめ流量に応じた圧力（圧力計３４で計測される加湿器２４の圧力である）を計測し、流量対圧力の正常圧力曲線を作成しておく。加湿器２４が外れたり漏れたりしたときには、圧力が低下するので、圧力を計測するだけで外れや漏れを簡単に検知することができる。さらに設定された高圧の閾値より高ければカニューラ２６や供給チューブ３２などに閉塞状態があることが検知できる。

図４は本発明の第２の実施形態を示す。

この例は、流路制限手段が、供給流路３３を段階的に制限するものである。

この例では、上記流路制限手段は複数の流路制限部を備え、そのうち使用する１以上の流路制限部を選択するようになったものである。

酸素濃縮器が酸素濃縮ガスの小流量から大流量まで幅広い供給能力を持つ場合には、一個のオリフィス３１を用いるだけでは、小流量から大流量までにわたって加湿器２４に適切な圧力を保持させることが難しくなるときがある。すなわち、オリフィス３１として小口径のものでは、大流量の酸素濃縮ガスを流すためにはオリフィス３１上流すなわち加湿器２４の圧力を高くしなければならない。しかし、加湿器２４上流の圧力は普通減圧弁２０の設定圧力を超えることができず、また加湿器２４の許容圧力も考慮しなければならないので、圧力を高くするには限度がある。一方、オリフィス３１として大口径のものを用いると、圧力を上げなくても大流量の酸素濃縮ガスを流すことができるが、小流量を流すときに圧力が低くなり、加湿器が洩れたときの圧力と区別をつけにくくなる。

そこで、この第２実施形態では、オリフィスを並列に複数配置する。片方のオリフィスは口径が小さく、他方のオリフィスの口径を大きくする。酸素濃縮ガスの設定された流量に応じて流路を選択するために、図４（Ａ）では、三叉路に並列に２系列のオリフィスを配置した。図４（Ｂ）では、口径の大きなオリフィスの流路に２方向電磁弁を備えた。このようにすることにより、流量が小流量に設定されたときには、酸素濃縮ガスは口径の小さいオリフィスを流れ、流量が大流量に設定されたときには、酸素濃縮ガスは口径の大きなオリフィスを流れる。どちらの場合でも、加湿器２４内の圧力を適切な範囲に保持できる。以下、それぞれ詳しく説明する。

図４（Ａ）は第１例である。この例では、それぞれ口径が異なる複数（この例では２つ）のオリフィス３１ａ，３１ｂを備え、それぞれオリフィス３１ａ，３１ｂが配置された２本の分岐流路３６ａ，３６ｂが設けられている。そして、分岐流路３６ａ，３６ｂを切り替えて、使用するオリフィス３１ａ，３１ｂを選択する手段としての電磁弁３５を備えている。

一方のオリフィス３１ａとして小口径（例えば口径０．６ｍｍ）のものを使用し、他方のオリフィス３１ｂとして大口径（例えば口径１．２ｍｍ）のものを使用することができる。そして、供給する酸素濃縮ガスの流量が少ないときは、小口径のオリフィス３１ａを選択するよう電磁弁３５を切り替える。また、供給する酸素濃縮ガスの流量が多いときは、大口径のオリフィス３１ｂを選択するよう電磁弁３５を切り替える。このようにして、加湿器２４に保持される酸素濃縮ガスの圧力を適切な範囲に制御するのである。

なお、図示した例では、オリフィス３１ａ，３１ｂを２つ使用しているが、これに限定するものではなく、相互に口径が異なる３つ以上のオリフィスを使用し、選択するオリフィスを切り替えるように制御することもできる。

図４（Ｂ）は第２例である。この例では、それぞれ口径が異なる複数（この例では２つ）のオリフィス３１ａ，３１ｂを備え、それぞれオリフィス３１ａ，３１ｂが配置された２本の分岐流路３６ａ，３６ｂが設けられている。そして、上記分岐流路３６ａ，３６ｂのうちの一方に、酸素濃縮ガスを流すか否かを切り替える選択手段としての電磁弁３５を備えている。この装置では、電磁弁３５がない分岐流路３６ａのオリフィス３１ａは常に使用されて酸素濃縮ガスが流れている。他方の分岐流路３６ａのオリフィス３１ｂは電磁弁３５の開閉により、使用するか否かが選択される。

この例では、一方のオリフィス３１ａとして小口径（例えば口径０．６ｍｍ）のものを使用し、他方のオリフィス３１ｂとして大口径（例えば口径１．２ｍｍ）のものが使用されている。そして、使用者に供給する酸素濃縮ガスの流量が少ないときは、電磁弁３５を閉じて小口径のオリフィス３１ａだけを選択する。また、使用者に供給する酸素濃縮ガスの流量が多いときは、電磁弁３５を開けて小口径のオリフィス３１ａと大口径のオリフィス３１ｂの双方を選択する。このようにして、加湿器２４に保持される酸素濃縮ガスの圧力を適切な範囲に制御するのである。

なお、図示した例では、口径の異なる２つのオリフィス３１ａ，３１ｂを使用しているが、これに限定するものではなく、口径が同じ２つ以上のオリフィスを使用し、選択するオリフィスの数を切り替えるように制御することもできる。すなわち、流路制限部を複数準備し、必要に応じて使用する流路制限部の数を選択すればよい。

小さな口径のオリフィス３１が１つだけでは、大流量を流すためには上流の酸素濃縮ガスの圧力を高くしなければならず、加湿器２４の構造が許容する圧力を超えかねない。一方、大きな口径のオリフィス３１が１つだけでは、小流量を流すときに上流の圧力が低くなりすぎて、加湿器２４に外れや漏れが生じたときの圧力低下がほとんどなく、極めて異常を検出しにくくなる。

この不都合を解決するために、オリフィスを並列に複数配置したのである。このように、オリフィスを加湿器２４の下流に並列に設置することによって大流量から小流量まで総ての設定流量に対して、運転中の加湿器２４の外れや漏れを簡単に検知することができる。

なお、上述した説明では、それぞれオリフィスを設けた分岐流路を複数設け、酸素濃縮ガスを通す分岐流路を電磁弁３５で選択して使用するオリフィスを選択するようにしたが、これに限定するものではなく、例えばターレットオリフィスを用いて流路の制限量を変更することもできる。さらに、流路調整弁で、無段階に流路の制限量を変更することも含む趣旨である。

◆第１実施形態の実施例
実施例によって具体的に説明する。
表１は、図２の装置において、口径０．６ｍｍのオリフィス３１を加湿器２４の下流に設置し、０．２５Ｌ／ｍｉｎから３．０Ｌ／ｍｉｎまで段階的に酸素濃縮ガスの流量を変え、各流量において圧力計３４が示した加湿器２４内の圧力を示すものであり、流量が大きくなると徐々に圧力も高くなっていることがわかる。
表２は、加湿器２４が外れたときの圧力であり、どの流量でも０ｋＰａ近傍であることがわかる。

図５は、表１および表２の数値をグラフ化したものである。表１、表２および図５に示すように、加湿器２４が外れている、加湿器２４の装着が不完全である、加湿器２４の蓋がゆるんでいるなど、加湿器２４の周辺に不具合があると、圧力計３４は、前もって測定された正常な加湿器２４内の圧力よりも低い圧力を示す。

正常時の圧力が最も低いのは流量０．２５Ｌ／ｍｉｎのときであるが、そのときでも加湿器２４内の圧力は０．９ｋＰａある。一方、加湿器２４が外れたときの圧力は大気に通じるので０ｋＰａであるから、圧力を比較することにより加湿器２４外れを簡単に検知することができる。

注意しなければならないのは、圧力計３４の検出誤差である。この種の用途に通常使われているのは半導体の歪み圧力計であり、その検出誤差は最大０．４ｋＰａといわれている。この誤差を最大に考慮しても、０．２５Ｌ／ｍｉｎのときに加湿器２４が外れると、その圧力は０．４ｋＰａと見積もられるので、正常圧力０．９ｋＰａとは明確にできる。

加湿器２４が洩れたり外れたりしたときには、加湿器２４内の圧力が正常圧力曲線から低下する。これに対して、各流量に応じて警報を発するべき圧力値を低圧閾値曲線として設定しておく。この低圧閾値曲線は、原則として、圧力計誤差を加えた加湿器２４外れ曲線と正常圧力曲線との間にあればよい。

下流の供給流路３３の閉塞を検知するためには高圧の閾値を設定しておけばよい。閾値は原則として正常圧力曲線より十分高くする。例えば３５ｋＰａを高圧閾値曲線に設定しておけば、圧力計３４が３５ｋＰａを超えた時点で下流の供給流路３３に閉塞が生じたと判定することができる。

このように、低圧と高圧の閾値を設定しておくと、圧力計３４が低圧閾値を下回れば加湿器２４の外れや漏れを警告することができ、高圧閾値を上回ればカニューラ２６や供給チューブ３２の折れや閉塞を警告することができる。

◆第２実施形態の実施例
図４（Ａ）において、一方のオリフィス３１ａを口径０．６ｍｍとし、他方のオリフィス３１ｂの口径を１．２ｍｍとした。加湿器２４直後の三叉路には３方向の電磁弁３５を設置している。

表３および図６は、口径０．６ｍｍのオリフィス３１ａを使用したときの、各流量における加湿器２４内の圧力である。酸素濃縮器の酸素濃縮ガスの流量が１．５Ｌ／ｍｉｎ以下の流量に設定されているときは、酸素濃縮ガスが口径０．６ｍｍのオリフィス３１ａに流れるよう電磁弁３５を切り替える。

表４および図７は、口径１．２ｍｍのオリフィス３１ｂを使用したときの、各流量における加湿器２４内の圧力である。酸素濃縮ガスの流量の設定が１．７５Ｌ／ｍｉｎ以上であれば、酸素濃縮ガスが口径１．２ｍｍのオリフィス３１ｂを流れるように電磁弁３５を切り替える。

表５は、加湿器２４が外れたときの圧力計の最大誤差を加えた圧力である。

図８は、表３、表４および表５の数値をグラフ化したものである。加湿器２４の装着が不完全である、加湿器２４の蓋がゆるんでいるなど、加湿器２４の周辺に不具合があると、圧力計３４は、前もって測定された正常な加湿器２４内の圧力よりも低い圧力を示す。

それらの不具合に対して警報を発するために低圧閾値曲線を設定する。
この低圧閾値曲線は、圧力計の誤差や酸素濃縮器の個体ばらつき、時系列的な変動などの諸般のばらつきを考慮して、誤報しないように正常圧力曲線から離して設定する。また、低圧閾値曲線は、加湿器外れ曲線に近づき過ぎてもいけない。さらに、圧力が正常の何％に低下したら警報するのかという思想も勘案して決定するのであるが、概ね正常圧力曲線の３０〜７０％の範囲に設定すればよい。

また、カニューラ２６や供給チューブ３２など下流に閉塞状態が生じれば、加湿器２４内の圧力は上がるので、高圧の閾値を定義しておけば下流の閉塞を簡単に警報することができる。高圧閾値は原則として正常圧力曲線より高ければよい。例えば２０ｋＰａを高圧閾値に設定しておけば、圧力計３４が２０ｋＰａを超えた時点で下流が閉塞したと判定することができる。

このように低圧と高圧の閾値を設定しておくと、圧力計３４が低圧閾値を下回れば加湿器２４の外れや漏れを警告することができ、高圧閾値を上回ればカニューラ２６や供給チューブ３２の折れや閉塞を警告することができる。

ここで、減圧弁２０は、通常４０ｋＰａ程度に設定されている。これは、オリフィス３１上流の圧力が最大４０ｋＰａという意味だから、口径０．６ｍｍのオリフィス３１ａでは、事実上３Ｌ／ｍｉｎ以上の流量を流すことができない。例えば、５Ｌ／ｍｉｎ流すには、図６によれば８０ｋＰａの圧力が必要だからである。

口径１．２ｍｍのオリフィス３１ｂの場合には、５Ｌ／ｍｉｎのような大流量であっても加湿器内圧力は１０ｋＰａ以下ですむから５Ｌ／ｍｉｎ流すのになんの問題もない。ただし、低流量の領域では保持圧力が低いので、通常の圧力計では正常状態と加湿器２４の外れ状態が区別できないおそれがある。

そこで、流量に応じて、使用するオリフィスを選択するようにしたのである。口径の異なる２つのオリフィス３１ａ，３１ｂを加湿器２４の下流に並列に設置し、流路を切り替えるための電磁弁３５をオリフィス３１ａ，３１ｂの上流（または下流）に設置する。

流量が少ないときには口径が小さいオリフィス３１ａ側に酸素が流れるよう電磁弁３５を作動させる。流量が多いときには口径が大きいオリフィス３１ｂ側に酸素が流れるように電磁弁３５を作動させる。このようにすることにより、総ての流量範囲にわたって、加湿器２４の異常を検出できる。

１ スポンジフィルター
２ 吸気フィルター
３ コンプレッサー
４ ブロワー
５ インラインフィルター
６ 逆止弁
７ 逆止弁
８ 電磁弁
９ 電磁弁
１０ 開放弁
１１ 開放弁
１２ 吸着筒
１３ 吸着筒
１４ パージ弁
１５ オリフィス
１６ オリフィス
１７ 逆止弁
１８ 逆止弁
１９ 酸素バッファータンク
２０ 減圧弁
２１ メンブランフィルター
２２ 流量制御器
２３ 酸素濃度計
２４ 加湿器
２６ カニューラ
２７ サイレンサー
２８ 筐体
２９ 第１防音ボックス
３０ 第２防音ボックス
３１ オリフィス
３１ａ オリフィス
３１ｂ オリフィス
３２ 供給チューブ
３３ 供給流路
３４ 圧力計
３５ 電磁弁
３６ａ 分岐流路
３６ｂ 分岐流路

Claims (2)

1. 原料空気中の窒素を吸着して酸素を濃縮するための吸着部と、上記吸着部から取り出された酸素濃縮ガスに対して湿度を付与するための加湿器と、上記加湿器で加湿された酸素濃縮ガスを使用者に供給するための供給流路とを備え、
   上記加湿器の下流に供給流路を制限する流路制限手段を配置し、上記流路制限手段の上流に加湿器内の酸素濃縮ガスの圧力を計測する圧力計測手段を配置し、上記流路制限手段がオリフィスであることを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 原料空気中の窒素を吸着して酸素を濃縮するための吸着部と、上記吸着部から取り出された酸素濃縮ガスに対して湿度を付与するための加湿器と、上記加湿器で加湿された酸素濃縮ガスを使用者に供給するための供給流路とを備え、
   上記加湿器の下流に供給流路を制限する流路制限手段を配置し、上記流路制限手段の上流に加湿器内の酸素濃縮ガスの圧力を計測する圧力計測手段を配置し、
   上記流路制限手段は複数の流路制限部を備え、そのうち使用する１以上の流路制限部を選択するようになっていることを特徴とする酸素濃縮装置。

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