JP5719640B2 - 酸素濃縮器 - Google Patents

Description

本発明は、空気を導入して高濃度の酸素を放出する酸素濃縮器に関する。

酸素濃縮器は主として、呼吸器疾患の患者が在宅で酸素を吸入する在宅酸素療法（ＨＯＴ：home oxygen therapy）において使用されるもので、ＰＳＡ式と酸素富化膜式が知られている。
図１は、一般的なＰＳＡ式の酸素濃縮器の概略構成を示す図である。図１に示すように、ＰＳＡ式の酸素濃縮器１は、空気取入部１０、空気圧縮部２０、ＰＳＡ部３０、酸素貯留部４０、及び酸素供給部５０を備えている。

酸素濃縮器１において、空気取入部１０から導入された原料空気は、空気圧縮部２０で圧縮されて圧縮空気となり、この圧縮空気がＰＳＡ部３０に送出される。
ＰＳＡ部３０は、酸素より窒素を早く吸着する性質を有するゼオライト等の吸着剤が充填された２本のシーブベッド（吸着塔）３３Ａ、３３Ｂを有している。シーブベッド３３Ａ、３３Ｂに圧縮空気が送り込まれて加圧状態になると、窒素及び水分が吸着されて酸素だけが通過し、高濃度酸素が生成される。一方、窒素を吸着したシーブベッド３３Ａ、３３Ｂが減圧状態（例えば大気圧）に戻されると、吸着していた窒素が脱離して放出され、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂの吸着能力が再生される。つまり、ＰＳＡ部３０において、２本のシーブベッド３３Ａ、３３Ｂで交互に加圧減圧を繰り返すことにより、連続して高濃度酸素を生成することができる。

ＰＳＡ部３０で生成された高濃度酸素は、一旦酸素貯留部４０の製品タンク４１に貯留された後、圧力調整部（圧力レギュレータ）４２により一定圧力に調整される。そして、高濃度酸素は酸素供給部５０から一定流量で放出され、当該酸素濃縮器１に接続された鼻カニューラや酸素マスク等を介して使用者（患者）の体内に供給される。

また、酸素濃縮器１では、所望の酸素濃度が実現されているかを監視するために、製品タンク４１に貯留されている高濃度酸素の濃度を定期的（例えば２０分間隔）に計測する必要がある。そのため、従来の酸素濃縮器１では、図２に示すように製品タンク４１から送出された高濃度酸素を圧力調整部４２により一定圧力とした後、流量制限オリフィス４５を介して酸素センサ４３で計測する構成が採用されている（例えば特許文献１）。この酸素濃度の計測には、例えばジルコニア方式の酸素センサが用いられる。

特開２０１１−５３７号公報

ところで、特許文献１に開示されているように、携帯型の酸素濃縮器においては、省電力化を実現して長時間にわたって連続運転できるように、患者の呼吸に同調して高濃度酸素を供給する呼吸同調式の酸素濃縮器が主流となっている。この呼吸同調式の酸素濃縮器では、据え置き型の酸素濃縮器のように高濃度酸素を設定流量で連続して供給する必要はない。したがって、図１、２における圧力調整部４２を省略することで、小型化・軽量化を図ることができると考えられる。

しかしながら、製品タンク４１にはいずれかのシーブベッド３３Ａ、３３Ｂで生成された高濃度酸素が常時流入してくるので、製品タンク４１及び製品タンク４１より下流の配管における高濃度酸素の圧力は常に変動する。このため、単純に圧力調整部４２を省略して、製品タンク４１の下流にジルコニア式の酸素センサ４３を直接配設した構成にすると、酸素センサ４３において内外圧力差が生じてしまうため、酸素濃度の正確な計測が困難となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、酸素濃度を正確に計測できるとともに、小型化・軽量化を図ることができる酸素濃縮器を提供することを目的とする。

本発明に係る酸素濃縮器は、原料空気を導入する空気取入部と、
前記空気取入部を介して導入された前記原料空気から圧縮空気を生成する空気圧縮部と、
前記空気圧縮部で生成された前記圧縮空気から窒素を分離して高濃度酸素を生成するＰＳＡ部と、
前記ＰＳＡ部により生成された前記高濃度酸素を貯留する酸素貯留部と、
前記酸素貯留部に貯留されている前記高濃度酸素を、使用者の呼吸に同調して酸素出口から放出する酸素供給部と、
前記酸素貯留部における前記高濃度酸素の濃度を検出する酸素濃度検出部と、を備えた呼吸同調式の酸素濃縮器であって、
前記酸素供給部から前記高濃度酸素が放出されていない期間に、前記ＰＳＡ部における高濃度酸素の生成を一時的に停止させ、前記酸素貯留部における圧力を一定に保持するＰＳＡ制御部を備え、
前記ＰＳＡ制御部により前記酸素貯留部の圧力が一定に保持されているときに、前記酸素濃度検出部が前記高濃度酸素の濃度を検出し、
前記ＰＳＡ制御部が、前記酸素供給部において検出された使用者の呼吸間隔が安定しており、かつ、前記酸素供給部からの前記高濃度酸素の放出が終了した直後に、前記ＰＳＡ部における高濃度酸素の生成を所定時間停止させることを特徴とする。

本発明によれば、酸素貯留部における高濃度酸素の圧力を一時的に一定とし、このタイミングで酸素濃度を計測するので、酸素濃度を正確に計測することができる。また、高濃度酸素の圧力を一定とするために従来採用されていた圧力調整部や酸素センサ専用のオリフィス管を省略することができるので、酸素濃縮器の小型化・軽量化を図ることができる。

一般的なＰＳＡ式の酸素濃縮器の概略構成を示す図である。 従来の酸素濃縮器における酸素貯留部の配管系統を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る酸素濃縮器の配管系統の概略構成を示す図である。 通常時の流路切替部の切替弁の開閉状態を示すタイミングチャートである。 実施の形態に係る酸素濃縮器の制御系統の概略構成を示す図である。 製品タンクに貯留されている高濃度酸素の濃度を酸素センサで測定する際の酸素濃度測定処理の一例について示すフローチャートである。 酸素濃度測定時の流路切替部の切替弁の開閉状態の一例を示すタイミングチャートである。 酸素濃度測定時の流路切替部の切替弁の開閉状態の他の一例を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図３は、本発明の一実施の形態に係る酸素濃縮器の配管系統の概略構成を示す図である。図３に示す酸素濃縮器１は、空気取入部１０、空気圧縮部２０、ＰＳＡ部３０、酸素貯留部４０、酸素供給部５０を備えたＰＳＡ式の酸素濃縮器である。

空気取入部１０は、原料空気となる外気を筐体内に取り入れる部分で、吸気フィルタ１１、ヘパフィルタ１２等を備えている。吸気フィルタ１１は、筐体に設けられた空気取入口１３を介して導入された原料空気からゴミや埃等の空中浮遊粒子を除去する。ヘパフィルタ１２は、吸気フィルタ１１により除去されなかった微細粒子を除去する。空気取入口１３から導入された原料空気は、吸気フィルタ１１、ヘパフィルタ１２によって濾過され、空気圧縮部２０に送出される。

空気圧縮部２０は、導入された原料空気を圧縮して圧縮空気を生成する、いわゆるコンプレッサである。空気圧縮部２０の下流には、温度上昇した圧縮空気を冷却するために放熱効果に優れた冷却パイプ２１が配管される。原料空気は空気圧縮部２０で圧縮されることにより温度上昇しており、そのままではＰＳＡ部３０における窒素の吸着効率が低下するため、冷却パイプ２１を通過させることにより原料空気を冷却するようになっている。
空気圧縮部２０で生成された圧縮空気は、冷却パイプ２１において冷却され、ＰＳＡ部３０に送出される。
なお、空気圧縮部２０の上流（ヘパフィルタ１２の下流）には、空気圧縮部２０の動作音に対して消音効果を発揮する膨張型消音器（サイレンサ）を配設するのが望ましい。

空気圧縮部２０及び冷却パイプ２１の近傍には、これらを冷却するための冷却ブロワ７０が配設される。冷却ブロワ７０は、筐体に設けられた吸気口（図示略）から外気を吸引し、空気圧縮部２０及び冷却パイプ２１に向けて送風する。送風された冷却風は、筐体に設けられた排気口（図示略）から排気される。なお、冷却ブロワ７０の吸気口として、前述の空気取入口１３を共用してもよい。

ＰＳＡ部３０は、空気圧縮部２０で生成された圧縮空気から窒素を分離して高濃度酸素を生成し、酸素貯留部４０に送出する部分で、流路切替部３１、排気サイレンサ３２、シーブベッド（吸着塔）３３Ａ、３３Ｂ、パージオリフィス３４、均圧弁３５、逆止弁３６、３６等を備えている。

流路切替部３１は、４つの切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４を備えたマニホールド（多岐管）で構成され、空気圧縮部２０で生成された圧縮空気をシーブベッド３３Ａ、３３Ｂに交互に送出するとともに、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂを交互に大気圧に開放して窒素富化空気を排出させる。
切替弁ＳＶ１の上流側には冷却パイプ２１からの配管が接続され、下流側にはシーブベッド３３Ａへの配管が接続される。同様に、切替弁ＳＶ３の上流側には冷却パイプ２１からの配管が接続され、下流側にはシーブベッド３３Ｂへの配管が接続される。
また、切替弁ＳＶ２の上流側には切替弁ＳＶ１又はシーブベッド３３Ａからの配管が接続され、下流側には排気サイレンサ３２への配管が接続される。同様に、切替弁ＳＶ４の上流側には切替弁ＳＶ３又はシーブベッド３３Ｂからの配管が接続され、下流側には排気サイレンサ３２への配管が接続される。

流路切替部３１では、切替弁ＳＶ１が“開”、切替弁ＳＶ２が“閉”とされることにより、空気圧縮部２０からシーブベッド３３Ａに向かう流路が開通される一方で、シーブベッド３３Ａから排気サイレンサ３２に向かう流路が閉鎖される（図４参照）。同時に、流路切替部３１では、切替弁ＳＶ３が“閉”、切替弁ＳＶ４が“開”とされることにより、空気圧縮部２０からシーブベッド３３Ｂに向かう流路が閉鎖される一方で、シーブベッド３３Ｂから排気サイレンサ３２に向かう流路が開通される。この場合、空気圧縮部２０で生成された圧縮空気がシーブベッド３３Ａに送出され、シーブベッド３３Ｂからは窒素富化空気が放出されて排気サイレンサ３２を介して排気されることとなる。
また、切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４が上記と逆の状態となっている場合は、空気圧縮部２０で生成された圧縮空気がシーブベッド３３Ｂに送出され、シーブベッド３３Ａからは窒素富化空気が放出されて排気サイレンサ３２を介して排気されることとなる（図４参照）。切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４の開閉状態は、例えば１０秒間隔で切り替えられる。

排気サイレンサ３２は、酸素濃縮器１の筐体に設けられた排気口（図示略）に接続され、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂから放出された窒素富化空気を筐体の外部に排出する際の排気音を消音する。

シーブベッド３３Ａ、３３Ｂは、流路切替部３１を介して送られてきた圧縮空気から窒素を分離し、高濃度酸素を生成する。シーブベッド３３Ａ、３３Ｂには、酸素より窒素を早く吸着する性質を有するゼオライト等の吸着剤が充填されている。ゼオライトとは、結晶中に微細孔をもつアルミノ珪酸塩（例えばアルカリ土類金属を含む結晶性含水アルミノ珪酸塩）からなる多孔質材料であり、市販されている各種のゼオライトを使用することができる。

シーブベッド３３Ａ、３３Ｂは、流路切替部３１によって空気圧縮部２０からの流路が開通されているとき、圧縮空気が送り込まれて加圧状態となる。このとき、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂでは、窒素及び水分が吸着され、酸素だけが通過するため、高濃度酸素が生成される（吸着工程）。
シーブベッド３３Ａ、３３Ｂで生成される高濃度酸素の濃度は、例えば９０％程度に調整される。また、ゼオライトは窒素のみならず水分をも吸着するので、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂで生成される高濃度酸素は極めて乾燥した状態となる（例えば湿度０．１〜０．２％）。

一方、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂは、流路切替部３１によって排気サイレンサ３２への流路が開通されているとき、大気圧に開放されて減圧状態となる。このとき、ゼオライトに吸着していた窒素及び水分が脱離され、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂから窒素富化空気が放出され、排気サイレンサ３２を介して排気される。これにより、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂの吸着能力が再生される（再生工程）。

シーブベッド３３Ａ、３３Ｂは、逆止弁３６、３６を介して酸素貯留部４０の製品タンク４１に接続されている。逆止弁３６、３６は、製品タンク４１に貯留された高濃度酸素がシーブベッド３３Ａ、３３Ｂに逆流するのを防止する。

また、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂの下流側は、パージオリフィス３４を有する配管で接続されている。一方のシーブベッド３３Ａ（又は３３Ｂ）で生成された高濃度酸素は、逆止弁３６を介して酸素貯留部４０に送出されるとともに、パージオリフィス３４を介して他方のシーブベッド３３Ｂ（又は３３Ａ）に送出される。生成された高濃度酸素の一部が他方のシーブベッド３３Ｂ（又は３３Ａ）に送り込まれることにより、当該シーブベッド３３Ｂ（又は３３Ａ）の再生工程が効率よく行われる。パージオリフィス３４のオリフィス径によって、それぞれの流路における高濃度酸素の流量が制御される。

また、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂの下流側は、均圧弁３５を有する配管で接続されている。再生工程にあるシーブベッド３３Ａ、３３Ｂを吸着工程に切り替える際、減圧（大気圧）下にそのまま圧縮空気を流入させると窒素の吸着効率が悪い。そのため、切替時に均圧弁３５が“開”とされ、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂの圧力が平均化される。

酸素貯留部４０は、ＰＳＡ部３０で生成された高濃度酸素を一時的に貯留しておく部分で、製品タンク４１、酸素センサ４３、及び圧力センサ４４等を備えている。

製品タンク４１は、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂで生成された高濃度酸素を貯留するための容器である。シーブベッド３３Ａ、３３Ｂから送出された高濃度酸素を一旦製品タンク４１に貯留しておくことにより、高濃度酸素の濃度変動及び圧力変動が抑制されるので、使用者に安定した濃度および流量で高濃度酸素を供給できる。

酸素センサ４３は、製品タンク４１に貯留された高濃度酸素の濃度を、所定の間隔（例えば２０分）で検出する。酸素センサ４３には、例えばジルコニア式や超音波式のセンサが好適である。
測定対象となる高濃度酸素の圧力が変動していると正確な測定が困難となるため、従来は、圧力調整部４２の下流に流量制限オリフィス４５を介して酸素センサ４３が接続されていた（図２参照）。これに対して、本実施の形態の酸素濃縮器１では、製品タンク４１の圧力が変動しない期間を設け、このタイミングで酸素濃度を測定するため、圧力調整部を省略することができる。

圧力センサ４４は、製品タンク４１に貯留された高濃度酸素の圧力を検出する。圧力センサ４４による検出結果に基づいて、製品タンク４１に貯留された高濃度酸素の圧力が正常な範囲に保持されているかを確認できる。圧力センサ４４は、２００ｋＰａ程度の圧力を検出可能な測定レンジの比較的広いものであればよく、微少な圧力変動を検出できる程度の精度は要求されない。

酸素供給部５０は、酸素貯留部４０から送出された高濃度酸素を、使用者の呼吸に同調して酸素出口５５から放出する部分で、バクテリアフィルタ５１、同調弁５２、及び圧力センサ５３等を備えている。

バクテリアフィルタ５１は、使用者に清浄な高濃度酸素を供給するために、高濃度酸素に含まれる細菌類を捕集して除菌する。

同調弁５２は、ポートＰ１〜Ｐ３を有する三方弁で構成され、使用者の呼吸に応じて開通する流路を切り替えるとともに、流路の開度を調整することで使用者に供給する高濃度酸素の流量を制御する。同調弁５２のポートＰ１にバクテリアフィルタ５１が接続され、ポートＰ２に酸素出口５５に接続され、ポートＰ３に圧力センサ５３が接続される。
例えば、同調弁５２が開いたとき、ポートＰ１とポートＰ２を結ぶ流路（第１流路）が開通され、高濃度酸素が酸素出口５５から放出される。一方、同調弁５２が閉じたとき、ポートＰ２とポートＰ３を結ぶ流路（第２流路）が開通され、使用者の呼吸に伴う圧力変動が圧力センサ５３によって検出可能となる。

圧力センサ５３は、使用者の呼吸を検出するためのセンサであり、同調弁５２のポートＰ３に接続されるとともに、同調弁５２の下流側（ポートＰ２と酸素出口５５を結ぶ流路）に流量制限オリフィス５４を介して接続されている。したがって、同調弁５２が“閉”となっている状態（第２流路が開通している状態）では使用者の呼吸に伴って変化する圧力を検出することができ、同調弁５２が“開”となっている状態（第１流路が開通している状態）では酸素供給に伴って変化する圧力を検出することができる。
なお、使用者の呼吸に伴う微少な圧力変動を確実に検出するため、圧力センサ５３としては、測定レンジが±４ｋＰａのものが好適である。

酸素濃縮器１では、圧力センサ５３による検出結果に基づいて、同調弁５２の開閉状態が制御される。具体的には、同調弁５２が“閉”となっている状態で、圧力センサ５３により陰圧が検出されると、同調弁５２が瞬時に“開”とされ、高濃度酸素の供給が開始される。そして、所定時間（例えば０．０８秒）経過後、同調弁５２が“閉”とされることにより、所定量の高濃度酸素が放出される。酸素供給部５０から放出された高濃度酸素は、酸素出口５５に接続された鼻カニューラや酸素マスクを介して使用者に供給される。
なお、高濃度酸素は極めて乾燥した状態となっているので、酸素出口５５の上流に、高濃度酸素を加湿するための加湿部を配設してもよい。

図５は、本実施の形態に係る酸素濃縮器の制御系統の概略構成を示す図である。
図５に示すように、制御部６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１、ＲＡＭ（Random Access Memory）６２、ＲＯＭ（Read Only Memory）６３等を備えている。ＣＰＵ６１は、処理内容に応じたプログラムをＲＯＭ６３から読み出してＲＡＭ６２に展開し、展開したプログラムと協働して酸素濃縮器１の各ブロックの動作を制御する。

具体的に説明すると、制御部６０には、酸素貯留部４０の酸素センサ４３、酸素供給部５０の圧力センサ５３、温度センサ７１、その他の各種センサからの検出信号が入力される。また、制御部６０には、操作ボタン等を有する操作部８１において、例えば使用者による供給流量の設定が行われた場合に、設定流量を指示する操作信号が入力される。
そして、制御部６０は、これらの入力信号に基づいて、例えば空気圧縮部２０や冷却ブロワ７０の駆動モータの回転数を制御したり、流路切替部３１の切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４や同調弁５２の開閉状態や開度を制御したりする。このような制御により、酸素濃縮器１から設定流量で高濃度酸素が供給される。

また、制御部６０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）や発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などからなる表示部８２における表示に係る制御や、スピーカ８３からの音声出力に係る制御を行う。表示部８２及びスピーカ８３は、使用者に各種の情報を報知する際に用いられる。
図示を省略するが、酸素濃縮器１に無線ＬＡＮ（Local Area Network）やBluetooth（登録商標）等の通信ネットワークに接続可能なインターフェースを設け、外部機器との間で各種データを送受信できるようにしてもよい。

酸素濃縮器１では、製品タンク４１に貯留されている高濃度酸素の濃度が、製品タンク４１に直接接続された酸素センサ４３によって測定される。このとき、製品タンク４１に貯留された高濃度酸素の濃度を酸素センサ４３で正確に測定するためには、圧力を一定にする必要がある。しかしながら、酸素濃縮器１においては、高濃度酸素の圧力を一定に調整する圧力調整部が設けられていないため、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂから送出された高濃度酸素の流入及び使用者の呼吸に伴う高濃度酸素の放出によって、製品タンク４１に貯留されている高濃度酸素の圧力は変動することとなる。
そこで、本実施の形態では、酸素供給部５０から高濃度酸素が放出されていない期間に、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂから高濃度酸素が流入するのを一時的に停止させ、このタイミングで酸素センサ４３からの検出信号に基づいて酸素濃度を測定する。この処理は、具体的には図６に示すフローチャートに従って行われる。

ここで、酸素供給部５０から高濃度酸素が放出されていない期間とは、同調弁５２が“閉”とされている期間であり、使用者の呼気期間（空気を吐いている期間）とほぼ一致する。ただし、呼気が始まる前に同調弁５２が“閉”となる場合（高濃度酸素の供給時間が短い場合）もあれば、呼気が始まっても同調弁５２が“開”となって場合（高濃度酸素の供給時間が長い場合）もある。

図６は製品タンク４１に貯留されている高濃度酸素の濃度を酸素センサ４３で測定する際の酸素濃度測定処理の一例について示すフローチャートで、図７は酸素濃度測定時の流路切替部３１の切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４の開閉状態の一例を示すタイミングチャートである。この酸素濃度測定処理は、ＣＰＵ６１がＲＯＭ６３に格納された所定のプログラムを実行することにより実現される。ここでは、２０分間隔で酸素濃度を測定するものとする。

図６のステップＳ１０１において、制御部６０は、前回の酸素濃度測定から２０分が経過したか否かを判定する。そして、前回の酸素濃度測定から２０分が経過したと判定した場合に、ステップＳ１０２に移行する。

ステップＳ１０２では、使用者の呼吸が安定しているか否かを判定する。そして、使用者の呼吸が安定していると判定した場合はステップＳ１０３に移行し、安定していないと判定した場合は安定するまで待機する。使用者の呼吸が安定していない場合に酸素濃度の測定を実行すると、酸素濃度の測定中に高濃度酸素が放出されることにより、製品タンク４１に貯留されている高濃度酸素の圧力が変動してしまい、酸素濃度が正確に測定されない虞があるためである。

使用者の呼吸が安定しているか否かを判定する手法としては、例えば、呼吸間隔の１分間の移動平均と直前２回の平均を比較し、これらの差によって判断することが考えられる。人間の呼吸間隔が３〜３．７５秒（１６〜２０回／分）であることに鑑みると、呼吸間隔の１分間の移動平均と直前２回の平均の差が２００ｍ秒以下の微差であれば、呼吸が極めて安定していると判断してよい。
なお、呼吸間隔の１分間の移動平均と直前２回の平均は、圧力センサ５３による呼吸検出に基づいて、例えばＲＡＭ６２に呼吸間隔を逐一記憶しておくことにより、容易に算出することができる。

ステップＳ１０３では、呼吸が安定していると判断できた直後の吸気に伴う酸素供給が終了したか否か、すなわち同調弁５２が“開”から“閉”に切り替えられたか否かを判定する。そして、次の吸気に伴う酸素供給が終了したと判定した場合に、ステップＳ１０４に移行する。

ステップＳ１０４では、流路切替部３１の切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４をすべて“開”とする。つまり、図７に示すように、切替弁ＳＶ１、ＳＶ４が“開”、切替弁ＳＶ２、ＳＶ３が“閉”となっており、シーブベッド３３Ａが吸着工程、シーブベッド３３Ｂが再生工程にある場合、切替弁ＳＶ１、ＳＶ４の開閉状態は保持され、切替弁ＳＶ２、ＳＶ３は“閉”から“開”に切り替えられる。

切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４の開閉状態が上述したように制御されると、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂが大気圧に開放されるため、空気圧縮部２０からの圧縮空気は、切替弁ＳＶ１、ＳＶ３を通過した後、切替弁ＳＶ２、ＳＶ４を通過して排気されることとなる。つまり、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂには圧縮空気が流入してこないので、新たに高濃度酸素が生成されることはない。また、逆止弁３６、３６により、製品タンク４１に貯留されている高濃度酸素がＰＳＡ部３０に逆流することもない。
また、同調弁５２が“開”から“閉”に切り替えられた直後は、酸素供給部５０から高濃度酸素が放出されていないので、製品タンク４１に貯留された高濃度酸素の圧力は、変動することなく一定に保持されることになる。

ステップＳ１０５では、酸素センサ４３からの検出信号に基づいて、製品タンク４１に貯留されている高濃度酸素の濃度を測定する。図７に示すように、切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４がすべて“開”となっている期間は、製品タンク４１に貯留された高濃度酸素の圧力が一定となるため、酸素濃度を正確に測定することができる。
なお、圧力センサ５３によって次の吸気が検出されると、高濃度酸素の供給が開始されるために製品タンク４１に貯留された高濃度酸素の圧力が変動する。そこで、酸素濃度の測定は、高濃度酸素の供給が開始されるまでに行う必要がある。１回の呼吸が３秒（２０回／分）で、吸気時間と呼気時間の比率が１：２であるとすると、同調弁５２が“閉”とされた後、２秒以内に酸素濃度が測定されればよいことになる。

ステップＳ１０６では、流路切替部３１の切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４を元の状態に戻し、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂにおいて吸着工程又は再生工程を再開させる。ここで、切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４の開閉状態は、予め設定された時間（例えば２．６秒）が経過した後切り替わるようにしてもよいし、酸素濃度の測定終了に伴い切り替わるようにしてもよい。また、図７では、次の吸気が検出される前に切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４の開閉状態が切り替わる場合について示しているが、次の吸気が検出された後に切り替わるようにしても構わない。ただし、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂにおける吸着工程又は再生工程の効率を考えると、酸素濃度の測定が終了した後、できるだけ早期に切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４の開閉状態を切り替えるのが望ましい。

このように、本実施の形態に係る酸素濃縮器１は、原料空気を導入する空気取入部（１０）と、空気取入部（１０）を介して導入された原料空気から圧縮空気を生成する空気圧縮部（２０）と、空気圧縮部（２０）で生成された圧縮空気から窒素を分離して高濃度酸素を生成するＰＳＡ部（３０）と、ＰＳＡ部（３０）により生成された高濃度酸素を貯留する酸素貯留部（４０）と、酸素貯留部（４０）に貯留されている高濃度酸素を、使用者の呼吸に同調して酸素出口（５５）から放出する酸素供給部（５０）と、酸素貯留部（４０）における高濃度酸素の濃度を検出する酸素濃度検出部（酸素センサ４３）と、を備えている。
また、酸素供給部（５０）から高濃度酸素が放出されていない期間に、ＰＳＡ部（３０）における高濃度酸素の生成を一時的に停止させ、酸素貯留部（４０）における圧力を一定に保持するＰＳＡ制御部（制御部６０、図６のフローチャート）を備えている。そして、ＰＳＡ制御部（制御部６０）により酸素貯留部（４０）の圧力が一定に保持されているときに、酸素濃度検出部（酸素センサ４３）が高濃度酸素の濃度を検出する。

酸素濃縮器１によれば、酸素貯留部４０における高濃度酸素の圧力を一時的に一定とし、このタイミングで酸素濃度を計測するので、酸素濃度を正確に計測することができる。また、酸素貯留部４０における高濃度酸素の圧力を一定とするために従来採用されていた圧力調整部や酸素センサ専用のオリフィス管（流量制限オリフィス４５）を省略することができるので、酸素濃縮器の小型化・軽量化を図ることができる。

また、酸素濃縮器１では、ＰＳＡ制御部（制御部６０）が、酸素供給部（５０）において検出された使用者の呼吸間隔が安定しており、かつ、酸素供給部（５０）からの高濃度酸素の放出が終了した直後に、ＰＳＡ部（３０）における高濃度酸素の生成を所定時間停止させる。
これにより、酸素貯留部４０における高濃度酸素の圧力が確実に一定となる（使用者の呼吸によって変動しない）タイミングで酸素濃度が測定されるので、酸素濃度を正確に測定することができる。

また、酸素濃縮器１では、ＰＳＡ部（３０）が、原料空気から窒素を吸着して高濃度酸素を生成する吸着工程と吸着した窒素を脱離して窒素富化空気を排出する再生工程とが交互に切り替えられる２つのシーブベッド（３３Ａ、３３Ｂ）と、圧縮空気を一方のシーブベッド（３３Ａ又は３３Ｂ）に送出するとともに、他方のシーブベッド（３３Ｂ又は３３Ａ）からの窒素富化空気を排出する流路切替部（３１）と、を有している。そして、酸素供給部（５０）から高濃度酸素が放出されていない期間に、２つのシーブベッド（３３Ａ、３３Ｂ）に圧縮空気が供給されないように、ＰＳＡ制御部（制御部６０）が流路切替部（３１）を制御する。

具体的には、酸素濃縮器１では、流路切替部（３１）が、一方のシーブベッド（３３Ａ）への圧縮空気の供給流路を開閉する第１切替弁（ＳＶ１）と、この一方のシーブベッド（３３Ａ）からの窒素富化空気の排気流路を開閉する第２切替弁（ＳＶ２）と、他方のシーブベッド（３３Ｂ）への圧縮空気の供給流路を開閉する第３切替弁（ＳＶ３）と、この他方のシーブベッド（３３Ｂ）からの窒素富化空気の排気流路を開閉する第４切替弁（ＳＶ４）と、を有している。そして、酸素供給部（５０）から高濃度酸素が放出されていない期間に、ＰＳＡ制御部（制御部６０）が第１〜第４切替弁（ＳＶ１〜ＳＶ４）をすべて開状態とする。
これにより、ＰＳＡ部３０が本来有している流路切替部３１の切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４を制御するだけで、ＰＳＡ部３０における高濃度酸素の生成を容易に停止させることができる。すなわち、実施の形態に係る酸素濃縮器１を実現するに際し、新たに部品を追加する必要はない。

［変形例］
図７に示すように、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂで行われている吸着／再生工程を一旦停止させ、酸素濃度を測定した後に再開させると、吸着／再生効率が少なからず低下する。そのため、吸着／再生工程の本来の切替タイミングを考慮して、流路切替部３１の切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４を制御するのが望ましい。

図８は、酸素濃度測定時の流路切替部３１の切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４の開閉状態の他の一例を示すタイミングチャートである。図８に示す例では、患者の呼吸が安定した後、吸着／再生工程の本来の切替タイミングの直前になる吸気タイミングを予測しておく。そして、その吸気に伴う酸素供給が終了した直後に、流路切替部３１の切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４をすべて“開”とする。
図８に示すように、切替弁ＳＶ１、ＳＶ４が“開”、切替弁ＳＶ２、ＳＶ３が“閉”となっており、シーブベッド３３Ａが吸着工程、シーブベッド３３Ｂが再生工程にある場合、切替弁ＳＶ１、ＳＶ４の開閉状態は保持され、切替弁ＳＶ２、ＳＶ３は“閉”から“開”に切り替えられる。製品タンク４１に貯留された高濃度酸素の圧力が一定となるので、この期間に酸素センサ４３からの検出信号に基づいて酸素濃度を測定する。

その後、流路切替部３１の切替弁ＳＶ１、ＳＶ４を“閉”に切り替えて、シーブベッド３３Ａにおいては再生工程を、シーブベッド３３Ｂにおいては吸着工程を開始させる。つまり、酸素濃度の測定前後で、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂの吸着／再生工程が切り替わることになる。これにより、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂにおける吸着／再生効率が損なわれることなく、正確に酸素濃度を測定することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、酸素供給部５０からの高濃度酸素の放出が終了した後に即座に次の吸気が開始される可能性は低いので、図６のステップＳ１０２の処理を省略してもよい。
また、酸素濃度の測定間隔（実施の形態では２０分）は任意に設定することができる。また、酸素濃縮器１の電源をオフするときに、切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４を“開”として酸素濃度を測定してもよい。このとき、空気圧縮部２０はオフ状態とし、冷却ブロワ７０はオン状態のままとする。そして、測定した酸素濃度に異常があった場合、アラームを出力する。

また、酸素濃度を測定する際に、切替弁ＳＶ１、ＳＶ３を“閉”とすることにより、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂにおける高濃度酸素の生成を停止させるようにしてもよい。この場合、切替弁ＳＶ２、ＳＶ４の開閉状態は任意であるが、それまでの吸着／再生工程での状態を保持した方が効率がよい。また、切替弁ＳＶ１、ＳＶ３を“閉”にすると、空気圧縮部２０のコンプレッサ圧が上昇してしまうので、時間的な制約を受ける。つまり、実施の形態で示したように、切替弁ＳＶ１〜ＳＶ４を全部“開”とする方が、空気圧縮部２０のコンプレッサ圧が使用圧力範囲以上に上昇せず、時間的な制約がないので望ましい。
また、実施の形態では、流路切替部３１に二方弁からなる４つの切替弁を配設しているが、三方弁からなる２つの切替弁を配設するようにしてもよい。この場合、２つの切替弁をともに“閉”とすることで、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂにおける高濃度酸素の生成を停止させることができる。
さらに、酸素センサ４３は、製品タンク４１に直接ではなく、製品タンク４１から同調弁５２までの配管に配設してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 酸素濃縮器
１０ 空気取入部
１１ 吸気フィルタ
１２ ヘパフィルタ
１３ 空気取入口
２０ 空気圧縮部
２１ 冷却パイプ
３０ ＰＳＡ部
３１ 流路切替部
３２ 排気サイレンサ
３３Ａ、３３Ｂ シーブベッド
３４ パージオリフィス
３５ 均圧弁
３６ 逆止弁
４０ 酸素貯留部
４１ 製品タンク
４２ 圧力調整部
４３ 酸素センサ
４４ 圧力センサ
４５ 流量制限オリフィス
５０ 酸素供給部
５１ バクテリアフィルタ
５２ 同調弁
５３ 圧力センサ
５４ 流量制限オリフィス
５５ 酸素出口
６０ 制御部（ＰＳＡ制御部）
６１ ＣＰＵ
６２ ＲＡＭ
６３ ＲＯＭ
７０ 冷却ブロワ
７１ 温度センサ
８１ 操作部
８２ 表示部
８３ スピーカ
ＳＶ１〜ＳＶ４ 切替弁

Claims (3)

1. 原料空気を導入する空気取入部と、
   前記空気取入部を介して導入された前記原料空気から圧縮空気を生成する空気圧縮部と、
   前記空気圧縮部で生成された前記圧縮空気から窒素を分離して高濃度酸素を生成するＰＳＡ部と、
   前記ＰＳＡ部により生成された前記高濃度酸素を貯留する酸素貯留部と、
   前記酸素貯留部に貯留されている前記高濃度酸素を、使用者の呼吸に同調して酸素出口から放出する酸素供給部と、
   前記酸素貯留部における前記高濃度酸素の濃度を検出する酸素濃度検出部と、を備えた呼吸同調式の酸素濃縮器であって、
   前記酸素供給部から前記高濃度酸素が放出されていない期間に、前記ＰＳＡ部における高濃度酸素の生成を一時的に停止させ、前記酸素貯留部における圧力を一定に保持するＰＳＡ制御部を備え、
   前記ＰＳＡ制御部により前記酸素貯留部の圧力が一定に保持されているときに、前記酸素濃度検出部が前記高濃度酸素の濃度を検出し、
   前記ＰＳＡ制御部が、前記酸素供給部において検出された使用者の呼吸間隔が安定しており、かつ、前記酸素供給部からの前記高濃度酸素の放出が終了した直後に、前記ＰＳＡ部における高濃度酸素の生成を所定時間停止させることを特徴とする酸素濃縮器。
2. 前記ＰＳＡ部が、前記原料空気から窒素を吸着して高濃度酸素を生成する吸着工程と吸着した窒素を脱離して窒素富化空気を排出する再生工程とが交互に切り替えられる２つのシーブベッドと、
   前記圧縮空気を一方の前記シーブベッドに送出するとともに、他方の前記シーブベッドからの窒素富化空気を排出する流路切替部と、を有し、
   前記酸素供給部から前記高濃度酸素が放出されていない期間に、２つの前記シーブベッドに前記圧縮空気が供給されないように、前記ＰＳＡ制御部が前記流路切替部を制御することを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮器。
3. 前記流路切替部が、一方の前記シーブベッドへの前記圧縮空気の供給流路を開閉する第１切替弁と、
   この一方のシーブベッドからの窒素富化空気の排気流路を開閉する第２切替弁と、
   他方の前記シーブベッドへの前記圧縮空気の供給流路を開閉する第３切替弁と、
   この他方のシーブベッドからの窒素富化空気の排気流路を開閉する第４切替弁と、を有し、
   前記酸素供給部から前記高濃度酸素が放出されていない期間に、前記ＰＳＡ制御部が前記第１〜第４切替弁をすべて開状態とすることを特徴とする請求項２に記載の酸素濃縮器。

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