JP5813967B2 - 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。特に、コンプレッサにより得た圧縮空気から高濃度酸素を生成する酸素濃縮器に関する。

酸素濃縮器として、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がある。この種の酸素濃縮器は、例えば特許文献１に記載されている。

酸素濃縮器は、フィルタおよび吸気タンクを通して取り込んだ室内の空気をコンプレッサにより圧縮する。酸素濃縮器は、この圧縮空気をシーブベッド（吸着塔）を通過させることにより、圧縮空気から高濃度の酸素を分離し、さらに、高濃度酸素を加湿する。シーブベッドは、加圧空気に対して窒素を吸着し減圧空気に対して窒素を脱着する性質を持つ吸着材（例えば、ゼオライト）が充填されている。加湿後の高濃度酸素は、使用時に患者が装着する鼻腔カニューラを介して患者体内に供給される。

特開２００６−２６３４４１号公報

ところで、吸着式の酸素濃縮器においては、窒素を吸着するための吸着材（例えば、ゼオライト）は、水分を吸着することによって吸着性能が著しく低下することが知られている。さらに、携帯型の酸素濃縮器では、その使用形態から、高湿度下での使用も想定されるため、吸着材の劣化が促進される可能性がある。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、吸着式酸素濃縮器の性能の低下を抑制することを目的とする。

本発明の酸素濃縮器の一つの態様は、圧縮空気を得るコンプレッサと、前記コンプレッサにより得られた前記圧縮空気から高濃度酸素を生成する、高濃度酸素生成部と、前記コンプレッサに巻回された、中空糸膜がチューブ状に束ねられた除湿モジュールと、を具備する。

本発明によれば、高濃度酸素生成部には、除湿モジュールによって除湿された乾燥した圧縮空気が導入されるので、窒素吸着材への水分の吸着量が少なくなり、性能劣化を低減でき、及び又は、高濃度酸素生成部を小型化できる。

本発明の一実施の形態に係る酸素濃縮器の概略構成を示す図 実施の形態の酸素濃縮器の制御系統の概略構成を示すブロック図 空気圧縮部の構成を示す分解斜視図 空気圧縮部の構成を示す分解斜視図 空気圧縮部の構成を示す斜視図 ボトムケースへの流量センサの取付状態を示す図 流量センサの外観構成を示す斜視図 流量センサの断面図 モータ制御の説明に供するブロック図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［１］酸素濃縮器の全体構成
図１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１に示す酸素濃縮器１は、空気取入部１０、空気圧縮部１００、ＰＳＡ部３０、酸素貯留部４０、酸素供給部５０を備えたＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）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。

空気圧縮部１００は、コンプレッサ１０１を有する。コンプレッサ１０１は、空気取入部１０を介して導入された原料空気を圧縮して圧縮空気を生成する。

なお、コンプレッサ１０１の上流（ヘパフィルタ１２の下流）には、コンプレッサ１０１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。

ＰＳＡ部３０は、高濃度酸素生成部として機能する。ＰＳＡ部３０は、コンプレッサ１０１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、これを酸素貯留部４０に送出する。ＰＳＡ部３０は、流路切換部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等を備えている。

流路切換部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、コンプレッサ１０１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する。

具体的には、流路切換部３１では、切替弁ＳＶ１が“開”、切替弁ＳＶ２が“閉”とされることにより、コンプレッサ１０１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。同時に、流路切換部３１では、切替弁ＳＶ３が“閉”、切替弁ＳＶ４が“開”とされることにより、コンプレッサ１０１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、コンプレッサ１０１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、コンプレッサ１０１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。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、流路切換部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材が充填されている。

シーブベッド３３Ａ、３３Ｂは、流路切換部３１によって空気圧縮部１００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、窒素および水分が吸着され、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、流路切換部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および水分が脱離され、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、切換時に均圧弁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ある。酸素貯留部４０は、製品タンク４１、圧力調整部（圧力レギュレータ）４２、酸素センサ４３、および圧力センサ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およ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。

圧力調整部４２は、供給する高濃度酸素の流量を制御するために、高濃度酸素の圧力を使用に適した一定圧に調整する。製品タンク４１に貯留されている高濃度酸素の圧力は、製品タンク４１への流入又は製品タンク４１からの流出がある限り少なからず変動する。この場合、正確な流量制御が困難となる上、酸素センサ４３による正確な濃度測定が困難となる。これを考慮して、圧力調整部４２により高濃度酸素が一定圧に調整されるようになっている。

酸素センサ４３は、圧力調整部４２から送出された高濃度酸素の濃度を、所定の間隔（例えば２０分）又は連続して検出する。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、一般には、酸素センサ４３は圧力調整部４２の下流に流量制限オリフィス４５を介して接続される。

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。

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ある。酸素供給部５０は、バクテリアフィルタ５１、同調弁５２、および圧力センサ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３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が接続され、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。

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２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２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、筐体内部に設置される温度センサ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。

これらの入力信号に基づいて、制御部６０は、コンプレッサ１０１の駆動モータの回転数を制御したり、流路切換部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およびスピーカ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（等力商標）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。

［２］空気圧縮部の構成
図３は、空気圧縮部１００の構成を示す分解斜視図である。空気圧縮部１００においては、コンプレッサ１０１は、フロントケース１０２、リアケース１０３およびボトムケース１０４によって収容される。

コンプレッサ１０１は、緩衝材としてのブッシュ１０５、１０６を介してケース１０２、１０３、１０４に取り付けられる。このようにすることで、コンプレッサ１０１からケース１０２、１０３、１０４への振動を低減できる。

ボトムケース１０４には、コンプレッサ１０１に空気を取り込むための風路１０７が形成されている。風路１０７は、コンプレッサ１０１に吸入される空気の通路であり、この空気を緩衝するダンパとしての機能を果たす。具体的には、風路１０７を設けずにコンプレッサ１０１に外気を取り込もうとすると、外部の環境や、吸気口の形状に起因して、コンプレッサ１０１に吸入される空気が乱れることによるコンプレッサ動作の乱れや、吸気音が発生するおそれがある。これに対して、風路１０７を設け、風路１０７によって整流された空気をコンプレッサに取り込むことにより、コンプレッサ１０１の動作を安定化させる効果や、消音効果を望める。

風路１０７には、流量センサ１０８が設けられている。流量センサ１０８は、コンプレッサ１０１の吸気口１１２（図４）に接続されており、コンプレッサ１０１に吸入される空気の流量を測定する。

コンプレッサ１０１の圧縮空気排出口１０９には、チューブ状の除湿モジュール１１０が取り付けられる。除湿モジュール１１０は、一端がコンプレッサ１０１の圧縮空気排出口１０９に取り付けられ、他端がＰＳＡ部３０に取り付けられる。

除湿モジュール１１０は、中空糸膜をエポキシ樹脂を用いて束ねた構成となっている。これにより、除湿モジュール１１０に流入される圧縮空気に含まれる水蒸気は、中空糸膜の内側から外側に透過し、この結果、除湿モジュール１１０からＰＳＡ部３０へは乾燥した圧縮空気が送られる。これにより、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂ内に設けられた吸着材（例えばゼオライト）での水分の吸着量を少なくできる。この結果、窒素を吸着するという、シーブベッド３３Ａ、３３Ｂの本来の性能が維持される。つまり、ＰＳＡ部３０の性能低下を抑制できる。

また、ケース１０２、１０３、１０４内部には、ブロア１１１が設けられる。ブロア１１１は、送風口が除湿モジュール１１０に向くように配設される。実際上、除湿モジュール１１０は、コンプレッサ１０１を巻回するように配設されるので（図５）、ブロア１１１は、除湿モジュール１１０およびコンプレッサ１０１に向けて送風することになる。これにより、除湿モジュール１１０での除湿効果が促進され、かつ、除湿モジュールおよびコンプレッサ１０１に対する冷却効果を得ることができる。

因みに、従来の一般的な酸素濃縮器においては、コンプレッサ１０１とＰＳＡ部３０との間に冷却パイプを配管し、この冷却パイプにブロアで送風することで、圧縮空気を冷却するようになっている。これに対して、本実施の形態の酸素濃縮器においては、除湿モジュール１１０が圧縮空気の冷却も行うので、冷却パイプが不要となる。

図４に示すように、コンプレッサ１０１の底部には、吸気口１１２が設けられている。吸気口１１２は、風路１０７に接続されており、風路１０７を介して原料空気を吸気する。

図５に示すように、除湿モジュール１１０は、コンプレッサ１０１に巻回される。このようにすることで、除湿モジュール１１０の長さを長くすることができるので、除湿効果を高めることができる。加えて、除湿モジュール１１０がコンプレッサ１０１に接するので、除湿モジュール１１０によるコンプレッサ１０１の冷却効果も得ることができる。また、ブロア１１１は、送風口が除湿モジュール１１０およびコンプレッサ１０１に向くように配設される。

図６に、風路１０７への流量センサ１０８の取付状態を示す。空気は、風路１０７内を矢印の方向に流れる。風路１０７の一端には、ボトムケース１０４の厚みを貫通する外気導入口１１３が形成されており、この外気導入口１１３から風路１０７内に空気が導入される。風路１０７の他端位置Ｐ１にはコンプレッサの吸気口１１２（図４）が配置される。流量センサ１０８は、図に示すように、風路１０７の経路に風路１０７に密着して取り付けられる。因みに、流量センサ１０８の排気口がコンプレッサの吸気口１１２に直接接続されてもよい。

［３］流量センサの構成
図７は、流量センサ１０８の外観構成を示す斜視図である。図８は、流量センサ１０８を流路方向に切った断面図である。

流量センサ１０８は、パッキン１２１を介して、ボトムケース１０４の風路１０７に密着した状態で取り付けられる。流量センサ１０８は、分流部１２２と、センサシング部１２３とを有する。図８に示すように、分流部１２２は、主管路１２４に形成されたオリフィス１２５と、オリフィスをバイパスするように形成されたバイパス管路１２６と、を有する。このバイパス管路１２６を介してセンシング部１２３に空気が導入される。

センシング部１２３は、バイパス管路１２６に繋がる流路と、この流路の上流側および下流側に設けられた抵抗素子と、抵抗素子に電流を供給する電源と、抵抗素子間の電流差を検出するブリッジ回路と、を有する。この構成により、抵抗素子間の電流差が大きいほど、流量が大きいとするセンシング結果が得られる。なお、センシング部の構成は、これに限らない。要は流量が検出できればよい。

上述した流量センサ１０８は、所謂マスフローセンサと呼ばれるものである。本実施の形態では、マスフローセンサを用いることにより、主管路１２４の流量の低下を抑制しつつ、かつ、省スペースで、高精度の流量測定を行うことができるようになっている。

ここで、コンプレッサ１０１のモータ駆動系を示した図９のように、流量センサ１０８によって得られた測定流量は、コンプレッサ１０１の制御部１３３に送られる。モータ１３１の回転数はホールセンサ１３２によって検出される。検出された回転数は制御部１３３に送られる。制御部１３３には、酸素濃縮器１のメインの制御部６０からの設定流量と、流量センサ１０８からの測定流量が入力される。制御部１３３は、測定流量が設定流量になるようにモータの回転数を制御する。これにより、コンプレッサ１０１の流量を、設定流用に合うように高精度に制御できるようになる。

［４］効果
本実施の形態によれば、コンプレッサ１０１とＰＳＡ部（高濃度酸素生成部）３０との間の圧縮空気の流路に除湿モジュール１１０を設けたので、ＰＳＡ部３０には、除湿モジュール１１０によって除湿された乾燥した圧縮空気が導入される。これにより、吸着材への水分の吸着量が少なくなり、性能劣化を低減できる。吸着材への水分の吸着量が少なくなるので、吸着材による窒素吸着性能を高めることができ、これにより、吸着材を少なくしても所望の窒素吸着性能を得ることができるようになる。これは、ＰＳＡ部３０の小型化にも寄与するので、より小型の携帯型酸素濃縮器の実現に寄与する。

また、除湿モジュール１１０として、中空糸膜がチューブ状に束ねられたものを用いたので、狭いスペースで高効率の除湿を行うことができる。よって、小型の携帯型酸素濃縮器をより実現し易くなる。

また、除湿モジュール１１０をコンプレッサ１０１に巻回したので、除湿モジュール１１０の除湿効果を高めることができ、かつ、コンプレッサ１０１の冷却効果を得ることもできる。

また、除湿モジュール１１０に送風するブロア１１１を設けたので、除湿モジュール１１０の除湿効果をより高めることができる。

なお、上述した実施の形態では、除湿モジュール１１０をコンプレッサ１０１に一回り巻回させた例を示したが、除湿モジュール１１０をコンプレッサ１０１に一回りより多く巻回させてもよい。除湿モジュール１１０のコンプレッサ１０１への巻回量を多くするほど、除湿モジュール１１０による除湿性能、および、除湿モジュール１１０によるコンプレッサ１０１に対する冷却効果を高めることができる。

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。

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
３０ ＰＳＡ部
４０ 酸素貯留部
５０ 酸素供給部
６０、１３３ 制御部
１００ 空気圧縮部
１０１ コンプレッサ
１０２ フロントケース
１０３ リアケース
１０４ ボトムケース
１０５、１０６ ブッシュ
１０７ 風路
１０８ 流量センサ
１０９ 圧縮空気排出口
１１０ 除湿モジュール
１１１ ブロア
１１２ 吸気口
１２１ パッキン
１２２ 分流部
１２３ センシング部
１２４ 主管路
１２５ オリフィス
１２６ バイパス管路
１３１ モータ
１３２ ホールセンサ

Claims (2)

1. 圧縮空気を得るコンプレッサと、
   前記コンプレッサにより得られた前記圧縮空気から高濃度酸素を生成する、高濃度酸素生成部と、
   前記コンプレッサに巻回された、中空糸膜がチューブ状に束ねられた除湿モジュールと、
   を具備する酸素濃縮器。
2. 前記コンプレッサ及び前記除湿モジュールの両方に送風することにより、前記コンプレッサの冷却と前記除湿モジュールの除湿促進との両方を行う送風機を、さらに具備する、
   請求項１に記載の酸素濃縮器。

Images