JP5578796B2

JP5578796B2 - 酸素濃縮装置

Info

Publication number: JP5578796B2
Application number: JP2009055486A
Authority: JP
Inventors: 洋志小川
Original assignee: Ikiken Co Ltd
Current assignee: Ikiken Co Ltd
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2029-03-09
Also published as: JP2010208878A

Description

本発明は、酸素濃縮装置に関し、特に取り込んだ原料空気を圧縮して、この圧縮空気を吸着剤に供給して酸素を供給可能な医療用の酸素濃縮装置に関するものである。

酸素濃縮装置は、原料空気中の酸素を透過させて窒素を選択的に吸着するゼオライトを吸着剤として用いることで酸素を生成する圧力スイング吸着法を利用することにより、酸素を得るようにされている。
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。

この酸素濃縮装置はＡＣ電源（商用交流電源）のが利用できる場所に設置しておけば、例えば肺機能が低下した在宅酸素療法患者が、就寝中でも安全に酸素を吸うことができるようになり安眠できる。
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。

また、慢性気管支炎等の呼吸器疾患の患者の治療法として有効となる長期酸素吸入療法に使用される酸素濃縮装置は、一般的には可搬型ではなく、患者が外出先に持ち出せるようには構成されていない。
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)。

特開２００２−４５４２４号公報

上述した従来の酸素濃縮装置では、コンプレッサのモータの出力軸が回転することでピストンを動作させるが、この動作時にモータの出力軸に加わる負荷変動が生じてしまい、消費電力の低減が図れないという問題がある。
特に、可搬型や移動型の酸素濃縮装置の場合には、重量の低減と小型化の要求から搭載電池の小型化が要望されており、コンプレッサのモータについても消費電力の低減が要望されている。
そこで、本発明は、動作時にモータの出力軸に加わる負荷変動を小さくして消費電力の低減を図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。

本発明の酸素濃縮装置は、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を備える酸素濃縮装置であって、前記コンプレッサは、出力軸を有する駆動用モータと、該駆動用モータの出力軸の第１端部に連結されて、前記出力軸の回転により動作して原料空気を吸入して圧縮空気を発生する第１ポンプ部と、前記駆動用モータの前記出力軸の第２端部に連結されて、該出力軸の回転により動作して原料空気を吸入して圧縮空気を発生する第２ポンプ部とを備えることを特徴とする。
これにより、第１ポンプ部と第２ポンプ部が出力軸の第１端部と第２端部にそれぞれ左右対称的に設けられているので、ポンプ部が出力軸の１つの端部に設けられている場合に比べて、動作時にモータの出力軸に加わる負荷変動を小さくして消費電力の低減を図ることができる。特に、可搬型や移動型の酸素濃縮装置の場合には、重量の低減と小型化の要求により求められている搭載電池の小型化が図れる。

本発明の酸素濃縮装置では、前記第１ポンプ部は、第１ピストンを有する第１ヘッド部と、第２ピストンを有する第２ヘッド部とを有し、前記第１ヘッド部と前記第２ヘッド部は、前記第１ピストンと前記第２ピストンとを反対方向に往復動作させるように対向配置され、前記第２ポンプ部は、第３ピストンを有する第３ヘッド部と、第４ピストンを有する第４ヘッド部とを有し、前記第３ヘッド部と前記第４ヘッド部は、前記第３ピストンと前記第４ピストンとを反対方向に往復動作させるように対向配置されていることを特徴とする。これにより、ピストンは反対方向に往復動作するので、騒音と振動を低減できる。酸素濃縮装置は、患者が例えば就寝時においても常時使用するので、騒音と振動が低いことが望ましい。

本発明の酸素濃縮装置では、前記第１ポンプ部が原料空気を吸入する吸入工程では、前記第２ポンプ部が吸入した空気を圧縮して圧縮空気を発生する圧縮工程を行い、前記第１ポンプ部が吸入した空気を圧縮して圧縮空気を発生する圧縮工程では、前記第２ポンプ部が原料空気を吸入する吸入工程を行うことを特徴とする。
これにより、第１ポンプ部が吸入工程の場合には、第２ポンプ部は圧縮工程であるので、第２ポンプ部から駆動用モータの出力軸に負荷がよりかかるが、第１ポンプ部が圧縮工程の場合には、第２ポンプ部は吸入工程であるので、第１ポンプ部から駆動用モータの出力軸に負荷がよりかかる。このように、圧縮工程と吸入工程を第１ポンプ部と第２ポンプ部が交互に行うことで、出力軸には、一定の負荷がかかるようにして、駆動用モータに対する負荷変動を低減できるので、消費電力の低減を図ることができる。本発明の酸素濃縮装置では、前記駆動用モータは、交流同期モータであることを特徴とする。これにより、交流同期モータは、同期回転数で第１ポンプ部と第２ポンプ部を動作させることができ、誘導モータを用いる場合に比べて消費電力の低減が図れ、誘導モータに比べて構造も簡単である。

本発明は、動作時にモータの出力軸に加わる負荷変動を小さくして消費電力の低減を図ることができる酸素濃縮装置を提供することができる。

本発明の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に示すコンプレッサを示す斜視図である。図２に示すコンプレッサの一部を切り欠いた斜視図である。図２のコンプレッサの内部構造を示す縦方向断面図である。コンプレッサの外形形状を２点鎖線で示し、このコンプレッサにおける原料空気の導入経路と排出経路を矢印で示す図である。第１ポンプ部と第２ポンプ部の構造例を示す縦断面図である。第１ヘッド部の構造を一例として示す分解斜視図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
図１は、本発明の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、コンプレッサの構造が簡単化できるメリットがある。

図１に示す二重線は、原料空気、酸素、窒素ガスの流路となる配管を示している。また、細い実線は電源供給または電気信号の配線を示している。図１に示す酸素濃縮装置１の主筐体２は破線で示しており、主筐体２は内部に配置された要素を密閉している密閉容器である。主筐体２は、例えば射出成形樹脂製品であり耐衝撃性を有する熱可塑性樹脂により作られている。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に導入される。原料空気は、配管４を介してコンプレッサ１０に導入されて圧縮されることで圧縮空気になるが、原料空気を圧縮する際に熱が発生する。このため、コンプレッサ１０から排出される圧縮空気は送風ファン５の回転により冷却する。このように圧縮空気を冷却することで、高温では機能低下してしまう吸着剤であるゼオライトの昇温を抑制できるので、これにより、窒素の吸着により酸素を生成するための吸着剤として十分に機能できるようになり、酸素を９０％程度以上にまで濃縮できることとなる。

第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂは、吸着部材の一例であり、縦方向に並列に配置されている。これら第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂには、それぞれ切換え弁としての三方向切換弁１０９ａ，１０９ｂが接続されている。これら切換弁のうち、３方向切換弁１０９ａの一端部が配管６に接続されている。また、３方向切換弁１０９ａと１０９ｂとが互いにが接続され、さらに、３方向切換弁１０９ｂの一端部が配管７に接続されている。配管７と配管６とは互いには接続されている。この配管７は、第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂ内の不要ガスを脱離させるための浄化工程を行うために、配管６に接続されている。３方向切換弁１０９ａと１０９ｂは、第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂにそれぞれ対応して接続されている。コンプレッサ１０から発生する圧縮空気は、配管６と３方向切換弁１０９ａ、１０９ｂを介して第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂに対して交互に供給される。

触媒吸着剤であるゼオライトは、第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂ内にそれぞれ貯蔵されている。このゼオライトは、例えばＳｉ_２０_３／Ａｌ_２Ｏ_３比が２．０〜３．０であるＸ型ゼオライトであり、かつこのＡｌ_２Ｏ_３の四面体単位の少なくとも８８％以上をリチウムカチオンと結合させたものを用いることで、単位重量当たりの窒素の吸着量を増やせるようにしている。このゼオライトは、特に１ｍｍ未満の顆粒測定値を有するとともに、四面体単位の少なくとも８８％以上をリチウムカチオンと融合させたものが好ましい。ゼオライトを使用することで、他の吸着剤を使う場合に比べて酸素を生成するために必要となる原料空気の使用量を削減できるようになる。この結果、圧縮空気と減圧空気とを発生するためのコンプレッサ１０をより小型のタイプとすることができ、コンプレッサ１０の低騒音化を図ることができる。

図１に示すように、第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂの出口側には、逆止弁と絞り弁と開閉弁とからなる均等圧弁１０７が接続されている。均等圧弁１０７の下流側には、合流する配管８が接続されており、この配管８には製品タンク１１１が接続されている。この製品タンク１１１は、第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂにおいて分離生成された９０％程度以上の濃度の酸素を貯蔵するための容器である。

図１に示すように、製品タンク１１１の下流側には、圧力調整器１１２が接続されており、圧力調整器１１２は製品タンク１１１の出口側の酸素の圧力を一定に自動調整するレギュレータである。圧力調整器１１２の下流側には、ジルコニア式あるいは超音波式の酸素濃度センサ１１４が接続されており、酸素濃度センサ１１４は、酸素濃度の検出を間欠的に（１０〜３０分毎に）または連続的に行うようになっている。

図１に示すように、酸素濃度センサ１１４には、比例開度弁１１５が接続されている。この比例開度弁１１５は、中央制御部２００の指令により流量制御部２０２からの信号により、酸素流量設定ボタン３０８の設定ボタン操作に連動して開閉する。比例開度弁１１５には酸素流量センサ１１６が接続されている。この酸素流量センサ１１６には、好ましくは呼吸同調制御のための減圧空気回路基板を介してデマンド弁１１７が接続されており、デマンド弁１１７は滅菌フィルタ１１９を経て、酸素濃縮装置１の酸素出口９に接続されている。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５Ｌ／分〜８Ｌ／分で供給するのと同等の効果が得られるようになる。
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３Ｌ／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。

次に、図１に示す電源系統を説明する。
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、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。

これにより、図１の中央制御部２００が電源制御回路２２６を制御することで、電源制御回路２２６は、ＡＣアダプタ４１９からの電力供給を受けて作動する第１電力供給状態と、内蔵電池２２８からの電力供給を受けて作動する第２電力供給状態と、外部電池２２７からの電力供給を受けて作動する第３電力供給状態の合計３系統の電力供給状態の内の１つの供給状態に自動切換して使用できる。内蔵電池２２８および外部電池２２７は充電時のメモリ効果が少なく再充電時にも満杯充電できるリチウムイオン、リチウム水素イオン２次電池が良いが、従来からのニッカド電池やニッケル水素電池でも良い。さらに、緊急時に備えて、どこでも入手可能な例えば単２乾電池のボックスとして外部電池２２７を構成しても良い。

図１の中央制御部２００は、モータ制御部２０１とファンモータ制御部２０３に電気的に接続されている。中央制御部２００は生成する酸素量に応じた最適な動作モードに切り替えるプログラムが記憶されている。モータ制御部２０１とファンモータ制御部２０３は、中央制御部２００の指令により、多くの酸素生成をする場合は自動的にコンプレッサ１０と送風ファン５を高速駆動し、少ない酸素生成時の場合にはコンプレッサ１０と送風ファン５を低速に回転駆動する制御を行う。

この中央制御部２００には、所定動作プログラムを記憶したＲＯＭ（読み出し専用メモ）が内蔵されるとともに、中央制御部２００には、外部記憶装置２１０と、揮発メモリと一時記憶装置２０８とリアルタイムクロックからなる回路２０７が電気的に接続されている。中央制御部２００は、外部コネクタ４３３を介して通信回線４４４等と接続することで記憶内容へのアクセスが可能となる。

また、図１に示す３方向切換弁１０９ａ、１０９ｂと均等圧弁１０７とをオンオフ制御することで第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂ内の不要ガスを脱離させるように制御する制御回路（図示せず）と、流量制御部２０２と、酸素濃度センサ１１４が、中央制御部２００に電気的に接続されている。流量制御部２０２は、比例開度弁１１５と、流量センサ１１６と、デマンド弁１１７とを駆動制御する。その他に図１に示す中央制御部２００には、酸素流量設定ボタン３０８と、表示部１２８と、電源スイッチ３０６が電気的に接続されている。酸素流量設定ボタン３０８は、例えば９０％程度以上に濃縮された酸素を、毎分当たり０．２５Ｌ（リットル）から最大で３Ｌまで０．０１Ｌ段階で操作するごとに、酸素流量を設定できる。呼吸同調制御により、９０％以上の濃度の酸素を実質的に５Ｌ／分で患者に供給するため、好ましくは、患者が操作できる同調モード選択スイッチ（不図示）を設ける。呼吸同調制御が作動している時には、表示部１２８は、例えば、液晶ディスプレイなどの表示装置が利用されている。表示部１２８には、例えば運転ランプ、酸素ランプ、「同調モード」、充電ランプ、「バッテリ残量」、「積算時間」、「酸素流量」等の表示項目を点灯表示することができる。呼吸同調制御が作動している時には、「同調モード」の表示を例えば緑色で点灯させる。

次に、図２〜図４を参照して、図１に示すコンプレッサ１０の好ましい構造例を説明する。ここで、コンプレッサ１０の重量は、１ｋｇ程度に抑えられている。図２は、コンプレッサ１０を示す斜視図であり、図３は、図２に示すコンプレッサ１０の一部を切り欠いた斜視図である。図４は、図２のコンプレッサ１０の内部構造を示す縦方向（Ｖ方向）断面図である。

図２〜図４に示すコンプレッサ１０は、すでに説明したように圧縮空気のみを発生させることで正圧変動吸着法（ＰＳＡ）により、圧縮空気のみを図１に示す第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂ内に送り第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂ内の吸着剤により圧縮空気中の窒素を吸着させる。コンプレッサ１０は、駆動用モータ１１としての同期モータと、４つのヘッドを有する４ヘッド仕様のコンプレッサである。同期モータ１１の一方側には、第１ポンプ部２１が設けられ、駆動用モータ１１の他方側には、第２ポンプ部２２が設けられている。つまり、駆動用モータ１１は第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２の間に配置されている。

駆動用モータ１１は、例えば単相４極交流同期モータである。第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２はほぼ左右対称形状を有しており、第１ポンプ部２１と第２ポンプ部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である。駆動用モータ１１のロータは、交流波形から作られた回転磁界により回転する。駆動用モータ１１は、ＡＣ電源使用時において、始動時には整流ブリッジ回路により、ＤＣ（直流）ブラシレスモータとして運転し、同期回転数に達した運転時には整流ブリッジ回路を用いないでＡＣ同期モータに切り替わり、回転磁界と同速で回る。こうして、定常運転動作中のモータ効率が約８０％に上昇し、消費電力が低減される。

まず、図３と図４を参照して、駆動用モータ１１の構造を説明する。図３と図４に示す駆動用モータ１１は、アウターロータ型のモータであり、第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２の間に配置されており、図４に示すようにハウジング１２と、ロータ（回転子）１３と、ステータ（固定子）１４を備える。ロータ１３とステータ１４は、ハウジング１２に内に組み付けられている。ハウジング１２は、円筒型の外ケース１２Ａと、外ケース１２Ａの一端側の開口部と他端側の開口部を覆う左右のフタ部材１２Ｂ、１２Ｃを有する。

図４に示すロータ１３は、ロータケース（マグネットケース）２３と、リング状の永久磁石２４を有しており、ロータケース２３は、出力軸１５に対して同軸状に形成されていて、該出力軸１５の外周面に一体的に固定されている。永久磁石２４はロータケース２３の内周面に固定されている。出力軸１５は、フタ部材１２Ｂ、１２Ｃの軸受け１２Ｆ、１２Ｇにより回転可能に支持されている。ステータ１４は、ステータコア２５と、ステータ磁極２６を有している。ステータコア２５の中心孔２５Ｈ内には、出力軸１５が通っている。４つのステータ磁極２６が９０度間隔で配置されている。その他に、ステータ磁極２６の付近には、モータ基板やモータコイルが収納されたコイルボビンが組み付けられている。

駆動用モータ１１として好ましくは同期モータが使用されているので、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ポンプ部２１と第２ポンプ部２２を安定した回転数で駆動できる。すなわち、駆動用モータ１１は同期回転数で回転できるので、誘導モータに比べて消費電力を低減できる。従って、図１に示す第１ポンプ部２１と第２ポンプ部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、例えば０．５Ｌ／分〜３．０Ｌ／分の範囲で設定された酸素流量で安定して供給できる。

次に、図２〜図４を参照して、コンプレッサ１０の第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２の構造を説明する。図２と図３に示すように、コンプレッサ１０は、第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２を有しているが、第１ポンプ部２１は駆動用モータ１１の一方に配置され、第２ポンプ部２２は駆動用モータ１１の他方に配置されている。第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２は、出力軸１５の回転中心軸ＣＬと直交する仮想の中心線ＣＫ（図４参照）に関して、ほぼ左右対称形状を有している。図２と図３に示すように、第１ポンプ部２１は、第１ヘッド部３１と第２ヘッド部３２と、ケース部３３を有している。同様にして、第２ポンプ部２２は、第３ヘッド部４１と第４ヘッド部４２と、ケース部４３を有している。

ここで、図４に示す第１ヘッド部３１、第２ヘッド部３２、第３ヘッド部４１、第４ヘッド部４２について説明する。図４に示すように、ケース部３３の一端部には第１ヘッド部３１が設置され、ケース部３３の他端部には第２ヘッド部３２が設置されている。ケース部３３の中間部には、駆動用モータ１１の出力軸１５の第１端部１５Ａが通っており、出力軸１５の第１端部１５Ａはケース部３３の軸受け３３Ｂにより回転可能に支持されている。第１ヘッド部３１は、シリンダ部３１Ｓとヘッドカバー３１Ｈとピストン３１Ｐを有している。ピストン３１Ｐはコンロッド３１Ｃに取り付けられている。コンロッド３１Ｃは出力軸１５の第１端部１５Ａに軸受けを用いて取り付けられている。第２ヘッド部３２は、シリンダ部３２Ｓとヘッドカバー３２Ｈとピストン３２Ｐを有している。ピストン３２Ｐはコンロッド３２Ｃに取り付けられている。コンロッド３２Ｃは出力軸１５の第１端部１５Ａに軸受けを用いて取り付けられている。

図４に示すように、ケース部４３の一端部には第３ヘッド部４１が設置され、ケース部４３の他端部には第４ヘッド部４２が設置されている。ケース部４３の中間部には、駆動用モータ１１の出力軸１５の第２端部１５Ｂが通っており、出力軸１５の第２端部１５Ｂはケース部４３の軸受け４３Ｂにより回転可能に支持されている。第３ヘッド部４１は、シリンダ部４１Ｓとヘッドカバー４１Ｈとピストン４１Ｐを有している。ピストン４１Ｐはコンロッド４１Ｃに取り付けられている。コンロッド４１Ｃは出力軸１５の第２端部１５Ｂに取り付けられている。第４ヘッド部４２は、シリンダ部４２Ｓとヘッドカバー４２Ｈとピストン４２Ｐを有している。ピストン４２Ｐはコンロッド４２Ｃに取り付けられている。コンロッド４２Ｃは出力軸１５の第２端部１５Ｂに取り付けられている。

このように、コンプレッサ１０は、１つの出力軸１５を有する駆動用モータ１１と、駆動用モータ１１の出力軸１５の第１端部１５Ａに連結されて、出力軸１５の回転により動作して原料空気を吸入して圧縮空気を発生する第１ポンプ部２１と、駆動用モータ１１の出力軸１５の第２端部１５Ｂに連結されて、出力軸１５の回転により動作して原料空気を吸入して圧縮空気を発生する第２ポンプ部２２とを備える。

図４において、出力軸１５が回転中心軸ＣＬを中心として連続回転することにより、第１ポンプ部２１のピストン３１Ｐ、３２ＰはＶ方向に往復移動し、第２ポンプ部２２のピストン４１Ｐ、４２ＰはＶ方向に往復移動する。第１ヘッド部３１と第２ヘッド部３２の各２つのピストンは、反対方向に往復動する水平対向型ピストンである。すなわち、第１ポンプ部２１は、第１ピストン３１Ｐを有する第１ヘッド部３１と、第２ピストン３２Ｐを有する第２ヘッド部３２とを有し、第１ヘッド部３１と第２ヘッド部３２は、第１ピストン３１Ｐと第２ピストン３２ＰをＶ方向に沿って反対に往復動作させるように対向配置されている。同様にして、第２ポンプ部２２は、第３ピストン４１Ｐを有する第３ヘッド部４１と、第４ピストン４２Ｐを有する第４ヘッド部４２とを有し、第３ヘッド部４１と第４ヘッド部４２は、第３ピストン４１Ｐと第４ピストン４２ＰをＶ方向に沿って反対に往復動作させるように水平対向配置されている。

しかも、第１ポンプ部２１が原料空気を吸入する吸入工程では、第２ポンプ部２２が吸入した空気を圧縮して圧縮空気を発生する圧縮工程を行い、第１ポンプ部２１が吸入した空気を圧縮して圧縮空気を発生する圧縮工程では、第２ポンプ部２２が原料空気を吸入する吸入工程を行う。図４と図３に示すように、第１ポンプ部２１のピストン３１Ｐ、３２Ｐと第２ポンプ部２２のピストン４１Ｐ、４２Ｐは、互いに逆位相で往復移動するようになっている。ピストンが空気を圧縮して圧縮空気を発生する場合には出力軸１５には負荷がかかり、ピストンが空気を吸入する場合には圧縮する場合に比べて出力軸１５には負荷がかからない。本実施形態では、すでに説明したように出力軸１５には図４における左側のピストン３１Ｐ、３２Ｐと右側のピストン４１Ｐ、４２Ｐは、互いに反対位相になるように往復移動することで、駆動用モータ１１の出力軸１５にかかる負荷の変動を一定にしている。つまり、第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２が圧縮空気を発生する際の負荷バランスを一定になるように調整することができる。

従って、例えば図４に示すようにピストン３１Ｐ、３２Ｐが上死点に位置してシリンダ３１Ｓ、３２Ｓ内の原料空気が圧縮された状態である場合には、ピストン４１Ｐ、４２Ｐが下死点に位置してシリンダ４１Ｓ、４２Ｓ内の原料空気が吸入される状態になる。また、逆に、ピストン４１Ｐ、４２Ｐが上死点に位置してシリンダ４１Ｓ、４２Ｓ内の原料空気が圧縮された状態である場合には、ピストン３１Ｐ、３２Ｐが下死点に位置してシリンダ３１Ｓ、３２Ｓ内に原料空気が吸入される状態になる。これにより、本発明の実施形態と異なり左のピストン３１Ｐ、３２Ｐと右のピストン４１Ｐ、４２Ｐを同時に圧縮動作と吸入動作を行わせる同位相の場合を採用するのに比較して、本発明の実施形態のように左のピストン３１Ｐ、３２Ｐと右のピストン４１Ｐ、４２Ｐの圧縮動作と吸入動作を交互に逆位相にずらすことで、駆動用モータ１１の出力軸１５に与える負荷を一定にして負荷変動を低減させることができる。駆動用モータ１１に対する負荷変動を抑えることで、駆動用モータ１１の消費電力を低減できる。

次に、図５と図２を参照して、コンプレッサ１０の第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２における原料空気の導入経路と、原料空気が圧縮された後の圧縮空気の排出経路の例を説明する。
図５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５０を実線で示し、圧縮空気の排出経路６０を破線で示している。
図５において実線で示す原料空気の導入経路５０は、導入口５１Ａ、５１Ｂと、導入通路５２Ａ、５２Ｂを有している。導入口５１Ａ、５１Ｂは、内部の配管４を介して吸気口２ｃのフィルタ３に接続されている。導入口５１Ａと導入通路５２Ａは、第１ポンプ部２１のケース部３３に設けられており、導入通路５２ＡはＶ方向に沿って形成されている。導入口５１Ａは導入通路５２Ａにつながっていて、導入通路５２Ａの上端部は第１ヘッド部３１のシリンダ内に通じており、導入通路５２Ａの下端部は第２ヘッド部３２のシリンダ内に通じている。

また、導入口５１Ｂと導入通路５２Ｂは、第２ポンプ部２２のケース部４３に設けられており、導入通路５２ＢはＶ方向に沿って形成されている。導入口５１Ｂは導入通路５２Ｂにつながっていて、導入通路５２Ｂの上端部は第３ヘッド部４１のシリンダ内に通じており、導入通路５２Ｂの下端部は第４ヘッド部４２のシリンダ内に通じている。これにより、原料空気７０は、４つのピストン３１Ｐ、３２Ｐ、４１Ｐ、４２Ｐの吸入動作によりそれぞれ第１ヘッド部３１、第２ヘッド部３２、第３ヘッド部４１、第４ヘッド部４２内に供給できる。

一方、図５において破線で示す排出経路６０は、排出口６１Ａ、６１Ｂと、排出通路６２Ａ、６２Ｂと、を有している。排出口６１Ａ、６１Ｂは、配管６を介して第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂ側に接続されている。排出口６１Ａと排出通路６２Ａは、第１ポンプ部２１のケース部３３に設けられており、排出通路６２ＡはＶ方向に沿って形成されている。排出口６１Ａと排出通路６２Ａはつながっていて、排出通路６２Ａの上端部は第１ヘッド部３１のシリンダ内に通じており、排出通路６２Ａの下端部は第２ヘッド部３２のシリンダ内に通じている。

また、図５において排出口６１Ｂと排出通路６２Ｂは、第２ポンプ部２２のケース部４３に設けられており、排出通路６２ＢはＶ方向に沿って形成されている。排出口６１Ｂは排出通路６２Ｂにつながっていて、排出通路６２Ｂの上端部は第３ヘッド部４１のシリンダ内に通じており、排出通路６２Ｂの下端部は第４ヘッド部４２のシリンダ内に通じている。これにより、４つのピストン３１Ｐ、３２Ｐ、４１Ｐ、４２Ｐにより圧縮された圧縮空気８０は、配管６を経て第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂ側に供給できる。

図６は、第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２の構造例を示す縦断面図である。第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２とはほぼ同じ構造である。
図６に示すように、第１ポンプ部２１のケース部３３は、導入通路５２Ａと排出通路６２Ａを有している。同様にして、第２ポンプ部２２のケース部４３は、導入通路５２Ｂと排出通路６２Ｂを有している。図７は、４つの第１ヘッド部３１、第２ヘッド部３２、第３ヘッド部４１、第４ヘッド部４２の内の第１ヘッド部３１の構造を一例として示す分解斜視図である。ここで、第１ヘッド部３１、第２ヘッド部３２、第３ヘッド部４１、第４ヘッド部４２は、ほぼ同じ構造を有している。そこで、第１ヘッド部３１の構造を代表して説明する。

図７には、第１ヘッド部３１のヘッドカバー３１Ｈと、ガスケット９１，９２と、上方部材９３と、リード弁部材９４と、下方部材９５を示している。ヘッドカバー３１Ｈは、シリンダ３１Ｓに対して、ガスケット９１，９２、上方部材９３、リード弁部材９４、下方部材９５を、図示した順に挟み込んだ状態で、複数本のボルト９６により確実に均等に固定することができる。ガスケット９１，９２は、原料空気を圧縮する際に漏れないようにする。ガスケット９１，９２は、開口部９９を有している。リード弁部材９４は、２つのリード弁９４Ａ，９４Ｂを有している。上方部材９３は開口部９３Ａ、９３Ｂを有し、下方部材９５は開口部９５Ａ、９５Ｂを有している。

次に、上述した酸素濃縮装置１の動作例を説明する。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である同期モータを始動して、駆動用モータ１１が同期回転数で一定回転する。これにより、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ので、第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２を安定した回転数で駆動することができる。このため、第１ポンプ部２１の２つのピストン３１Ｐ、３２Ｐが同時に空気の吸入工程と、圧縮空気を圧縮して排出する圧縮工程とを繰り返すと同時に、第２ポンプ部２２の２つのピストン４１Ｐ、４２Ｐが同時に圧縮空気を圧縮して排出する圧縮工程と、空気の吸入工程とを繰り返す。

図４と図３に示すように、第１ポンプ部２１のピストン３１Ｐ、３２Ｐと第２ポンプ部２２のピストン４１Ｐ、４２Ｐは、互いに逆位相で往復移動する。すなわち、例えば図４に例示するように、ピストン３１Ｐ、３２Ｐが上死点に位置してシリンダ３１Ｓ、３２Ｓ内の原料空気が圧縮状態である場合には、ピストン４１Ｐ、４２Ｐが下死点に位置してシリンダ４１Ｓ、４２Ｓ内の原料空気が吸入される状態になる。図４に示す状態とは逆に、ピストン４１Ｐ、４２Ｐが上死点に位置してシリンダ４１Ｓ、４２Ｓ内の原料空気が圧縮状態である場合には、ピストン３１Ｐ、３２Ｐが下死点に位置してシリンダ３１Ｓ、３２Ｓ内の原料空気が吸入される状態になる。

このように、ピストンが空気を圧縮して圧縮空気を生成する場合には出力軸１５には負荷がかかり、ピストンが空気を吸入する場合には圧縮する場合に比べて出力軸１５には負荷がかからない。第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２が互いに反対位相になるように交互に圧縮工程と吸入工程を繰り返すことで、運転中の出力軸１５には常に一定の負荷がかかるようになり、駆動用モータ１１の出力軸１５にかかる負荷バランスを一定になるように調整することができる。第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２が出力軸１５の第１端部１５Ａと第２端部１５Ｂにそれぞれ左右対称的に設けられているので、ポンプ部が出力軸の１つの端部に設けられている場合に比べて、動作時に駆動用モータ１１の出力軸１５に加わる負荷変動を小さくして消費電力の低減を図ることができる。特に、可搬型や移動型の酸素濃縮装置の場合には、重量の低減と小型化の要求により求められている搭載電池の小型化が図れる。

図１のコンプレッサ１０が原料空気を圧縮して圧縮空気を発生する際には熱が発生するので、コンプレッサ１０は図１に示す送風ファン５により冷却される。このように圧縮空気を冷却することで、高温では機能低下してしまう吸着剤であるゼオライトが窒素の吸着により酸素を生成するための吸着剤として十分に機能できるようになるので、酸素を９０％程度以上にまで濃縮できる。圧縮空気は、配管６と３方向切換弁１０９ａ、１０９ｂを経て第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂ内の吸着剤を通過して窒素を吸着することにより、酸素が分離して生成される。製品タンク１１１は、分離して生成された９０％程度以上の濃度の酸素を貯蔵する。

そして、図１の酸素濃度センサ１１４は、製品タンク１１１からの酸素濃度の検出を行う。比例開度弁１１５は、酸素流量設定ボタン３０８に連動して開閉する。そして、酸素は、滅菌フィルタ１１９と酸素濃縮装置１の酸素出口９を経て、鼻カニューレ３１４に供給される。これにより、患者は、鼻カニューレ３１４を経て例えば最大流量３Ｌ／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。

上述した本発明の実施形態では、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、コンプレッサの構造が簡単化できるメリットがある。
コンプレッサ１０では、第１ポンプ部２１は駆動用モータ１１の一方に配置され、第２ポンプ部２２は駆動用モータ１１の他方に配置されている。第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２は、ほぼ左右対称形状を有していて、左右の重量バランスを取ることができる構造になっている。

そして、出力軸１５には図４における左側のピストン３１Ｐ、３２Ｐと右側のピストン４１Ｐ、４２Ｐは、互いに反対位相になるように往復移動することで、駆動用モータ１１にかかる負荷バランスをできる限り一定になるように調整することができる。これにより、動作時にモータの出力軸に加わる負荷変動を小さくして消費電力の低減を図ることができる。駆動用モータとして駆動用モータ１１が好ましくは使用されているので、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ポンプ部２１と第２ポンプ部２２を安定した回転数で駆動できる。駆動用モータ１１は同期回転数で回転し、誘導モータに比べて消費電力を低減できる。
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３Ｌ／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５Ｌ／分〜８Ｌ／分で供給可能となる。

ところで、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明は様々な修正と変更が可能であり、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変形が可能である。
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１に示す酸素濃縮装置は、圧縮空気のみによる正圧変動吸着法（ＰＳＡ）により酸素を生成しているが、これに限らず圧縮空気と減圧空気による正負圧変動吸着法（ＶＰＳＡ）により酸素を生成するようにしても良い。この正負圧変動吸着法は、圧縮空気に加えてと減圧空気を用いて減圧することで、より積極的に吸着筒体内のゼオライトの洗浄をおこなう。図に示すコンプレッサ１０の駆動用モータは、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）の同期モータであるが、これに限らず他の種類のモータであっても良い。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ポンプ部２１と第２ポンプ部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。また、第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２に対する原料空気の供給については、第１ポンプ部２１の第１ヘッド部３１と第２ヘッド部３２、第２ポンプ部２２の第３ヘッド部４１と第４ヘッド部４２との間に共通の吸入用の連結配管を接続することで行うことができる。そして、第１ポンプ部２１と第２ポンプ部２２から発生した圧縮空気を排出するのは、第１ポンプ部２１の第１ヘッド部３１と第２ヘッド部３２、第２ポンプ部２２の第３ヘッド部４１と第４ヘッド部４２との間に共通の排出用の連結配管を接続することで行うことができる。

１・・・酸素濃縮装置、２・・・主筐体、２ｃ・・・吸気口、３・・・フィルタ、４・・・配管、６・・・配管、１０・・・コンプレッサ、１１・・・駆動用モータ、１５・・・出力軸、２１・・・第１ポンプ部、２２・・・第２ポンプ部、３１・・・第１ヘッド部、３２・・・第２ヘッド部、３１Ｐ，３２Ｐ・・・ピストン、４１・・・第３ヘッド部、４２・・・第４ヘッド部、４１Ｐ，４２Ｐ・・・ピストン、３３，４３・・・ケース部、７０・・・原料空気、８０・・・圧縮空気、１０８ａ・・・第１吸着筒体（吸着部材）、１０８ｂ・・・第２吸着筒体（吸着部材）、１０９ａ，１０９ｂ・・・３方向切換弁、１１１・・・製品タンク、２０１・・・モータ制御部、３１４・・・鼻カニューレ

Claims

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を備える酸素濃縮装置であって、
前記コンプレッサは、
正立状態において、中央部に位置するハウジング内に駆動用モータのロータおよびステータを収容し、該ハウジング内を水平に延びて貫通し、前記ハウジングの左の外部と、右の外部とにそれぞれ露出するように突出した出力軸の左端部である第１端部と、前記出力軸の右端部である第２端部とを備えた駆動用モータと、
該駆動用モータの前記出力軸の前記第１端部に連結されて、前記出力軸の回転により動作して原料空気を吸入して圧縮空気を発生する第１ポンプ部と、
前記駆動用モータの前記出力軸の前記第２端部に連結されて、該出力軸の回転により動作して原料空気を吸入して圧縮空気を発生する第２ポンプ部と
を備え、
前記出力軸の左右の両端部の対称位置に前記第１ポンプ部と第２ポンプ部が配置され、
各ポンプ部は、前記出力軸の左右の両端部の対称位置において、前記一方向と直交する方向に沿って、互いに同じ距離離れた位置にそれぞれ設けられて、前記直交する各方向にそってそれぞれ往復動するピストンを有している
ことを特徴とする酸素濃縮装置。
前記第１ポンプ部は、第１ピストンを有する第１ヘッド部と、第２ピストンを有する第２ヘッド部とを有し、前記第１ヘッド部と前記第２ヘッド部は、前記第１ピストンと前記第２ピストンとを反対方向に往復動作させるように対向配置され、前記第２ポンプ部は、第３ピストンを有する第３ヘッド部と、第４ピストンを有する第４ヘッド部とを有し、前記第３ヘッド部と前記第４ヘッド部は、前記第３ピストンと前記第４ピストンとを反対方向に往復動作させるように対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
前記第１ポンプ部が前記原料空気を吸入する吸入工程では、前記第２ポンプ部が吸入した前記空気を圧縮して前記圧縮空気を発生する圧縮工程を行い、前記第１ポンプ部が吸入した前記空気を圧縮して前記圧縮空気を発生する圧縮工程では、前記第２ポンプ部が前記原料空気を吸入する吸入工程を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の酸素濃縮装置。
前記駆動用モータは、交流同期モータであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載の酸素濃縮装置。