JP5890956B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents
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Description
また、シリンダ内のピストンの往復運動によるエネルギー損失が発生してエネルギー変換効率が低下し易いため、特に患者が家庭に設置して使用する場合には、消費電力が嵩むため、長時間利用するとコスト負担が重くなる。
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、前記コンプレッサから送り込まれた圧縮空気中から窒素を吸着する吸着材を貯蔵した吸着筒と、を備えた酸素濃縮装置であって、前記コンプレッサは、駆動軸の軸芯に対して偏芯したクランク軸を中心に回転する偏芯筒体に連繋する複数のピストンがシリンダ内を往復動することで圧縮空気発生部と負圧空気発生部とを交互に形成するロータリ式シリンダ装置を備え、前記ロータリ式シリンダ装置は、前記駆動軸に連結されるシャフトの軸芯に対して偏芯して組み付けられ、当該シャフトを中心に半径rの第1仮想クランクアームを介して回転可能に組み付けられる第1クランク軸と、前記第1クランク軸の軸芯に対して偏芯した第2仮想クランク軸を有する複数の筒体を備え、当該第1クランク軸を中心に半径rの第2仮想クランクアームを介して相対的に回転可能に組み付けられる前記偏芯筒体と、当該偏芯筒体に各第2仮想クランク軸を中心とする筒体外周に複数のピストンが互いに交差して相対的に回転可能に組み付けられたピストン複合体と、前記シャフト周りに組み付けられ、前記第1クランク軸及び前記ピストン複合体を含む前記シャフトを中心とした回転運動の質量バランスをとる第1,第2バランスウェイトと、前記シャフトを回転可能に軸支し、前記ピストン複合体の複数のピストンを往復動可能に収容するシリンダが組み付けられた本体ケースと、を具備し、前記複数のピストンの前記第2仮想クランク軸を中心とする第1の静回転バランス、前記ピストン複合体の第1クランク軸を中心とする第2の静回転バランス及び前記第1クランク軸及びピストン複合体の前記シャフトを中心とする第3の静回転バランスが、前記第1クランク軸の両端部に挿入組み付けられた前記第1,第2バランスウェイトのみにより各々の質量バランスが均等にバランス取りされたまま、前記シャフトを中心に前記第1クランク軸が回転し、当該第1クランク軸を中心に前記ピストン複合体が相対的に回転することで、前記各筒体外周に組み付けられた前記複数のピストンが前記シャフトを中心として相対的に回転しながら前記シャフトを中心とする半径2rの同心円の径方向である内サイクロイドの回転軌跡に沿って前記シリンダ内で直線往復運動を行なうことを特徴とする。
よって、可搬性に優れた酸素濃縮装置を提供することができる。
以下では酸素濃縮装置の一例として総重量が10〜15kg程度の可搬型酸素濃縮装置について述べる。ここで、本発明は総重量が2〜3kg程度の携帯型酸素濃縮装置や総重量が15kgを越える酸素濃縮装置など様々な修正と変更が可能であり、その内の特定の事例が図面に図示されており、以下に詳細に記述されることになるが、これらに限定されず請求の範囲に規定された範囲で種々の構成が可能である。
先ず、図1は一実施形態に係る可搬型の圧力スイング吸着方式の可搬型酸素濃縮装置1を前方左斜め上から見た外観斜視図である。また、図2は図1に示した可搬型酸素濃縮装置1の背面図である。
図5(a)において、警報表示部128cは「点検」の文字が印刷されており、酸素濃度が低下したときに内蔵のランプが点灯して知らせるようにしている。また装置側の異常発生時にはブザーも鳴り音声ガイドとともに知らせるようにしている。また、停電で装置が停止したときには、点滅して知らせる一方で、ブザーおよび音声ガイドで特に視覚障害者に対して確実に知らせることができるようにしている。そして、図5(c)において、酸素ランプ128bは、酸素が正常に酸素吸入されているときには内蔵のLEDが緑色に点灯する。また、酸素が出ていないときあるいは酸素濃度が低下したときには消灯する。そして、同調モード(呼吸同調モード)で、一定時間、例えば30秒程度呼吸状態を検出できなかった時に警報色である赤色に点灯し、ブザーを鳴らすとともに音声ガイドで知らせるようにしている。また、吸気に同期して濃縮酸素供給を行う同調モードで運転中の場合にはその旨を患者に視認させるために呼吸パターン(酸素出力)に実質的に同期して緑色に点灯または点滅して知らせるようにしている。こうすることで、患者は正常に濃縮酸素が供給されていることを確認できる。
次に酸素濃縮装置1の具体的な内部構成について図7から図13を参照して説明する。図7は、酸素濃縮装置1のブロック図を兼ねて図示した配管図である。本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛するとともに、図中の二重線は空気、酸素、窒素ガスの流路であり概ね配管24a〜24gで示されている。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。
次に、図12はコンプレッサ105を防振・防音状態で収納する二段式防音室34の下段部材37の要部を破断して示した外観斜視図である。本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、二段式防音室34の内周面には制振材と独立気泡スポンジとを多層構成した防音材が敷設されている。コンプレッサ105は電動モータMの駆動軸を中心に回転する偏芯筒体に連繋する直動ピストンがシリンダ内を往復動することで圧縮空気発生部と負圧空気発生部とを交互に形成するロータリ式シリンダ装置300を備えている。電動モータMの出力軸331に連繋して組み付けられた偏芯筒体303に第1,第2ピストン301,302が交差して組み付けられる。偏芯筒体303の回転運動にともなって第1,第2ピストン301,302が密閉されたシリンダ内で往復移動することで圧縮空気発生部105aと負圧空気発生部105bとが交互に形成されるようになっている。このために各ピストンの圧縮面には不図示の一方向弁が夫々搭載されている。
第1本体ケース305と第2本体ケース306とは、ボルト307aにより四隅をねじ嵌合させて一体に組み付けられている。この本体ケース307内には、図15に示すように、第1クランク軸308を中心に回転可能な偏芯筒体303と該偏芯筒体303に組み付けられた第1ピストン301及び第2ピストン302(以下、これらを「ピストン複合体P」という;図14参照)が回転可能に収容されている。以下、具体的に説明する。
第1ピストン301の中央部には、シャフト304との干渉を防ぐ逃げ孔301aが設けられている。逃げ孔301aの中心は第2仮想クランク軸314aに相当する。逃げ孔301aの周縁部には、外側軸受部316aを保持する軸受保持部301bが設けられている(図25(b)(c)参照)。
偏芯筒体303の軸受保持部303c(図22(a)(b)参照)に内側軸受部315a,315bを組み付ける。また、偏芯筒体303の内側軸受部315a,315b、第1円筒体303a(図22(a)(b)参照)の中心孔に第1クランク軸308を嵌め込む(図15参照)。また、第1,第2ピストン301,302の第1、第2ピストンヘッド部301c,302cに、シールカップ317a,317b及びシールカップ押さえ部材318a,318bをボルト319にて一体に組み付ける。更に、第1,第2ピストン301,302の軸受保持部301b(図25(c)参照),軸受保持部302b(図示せず)に外側軸受部316a,316bが嵌まり込むように組み付ける。そして、上記第1,第2ピストン301,302を第2円筒部303bに外側軸受部316a,316bを介して交差するように嵌め込む。
これにより、シャフト304を中心として第1クランク軸308、第1クランク軸308を中心として偏芯筒体303及び第1,第2ピストン301,302を含むピストン複合体Pが回転しても、回転振動を抑えて静音化を図ることができ、しかも複数ピストンの振動による損失を低減してエネルギー変換効率を高めることができる。
図29は原点位置、図30は原点位置より90度回転した位置、図31は原点位置より180度回転した位置、図32は原点位置より270度回転した位置を示す。図29から図30において、第1ピストン301は平面視で上方向に移動しており、第2ピストン302は平面視で右方向に移動している。シリンダ室327a,327c(負圧空気発生部105b)では流体の吸込みが行なわれ、シリンダ室327b,327d(圧縮空気発生部105a)では流体の送り出しが行なわれる。図30から図31において、第1ピストン301が平面視で上方向に移動しており、第2ピストン302が平面視で左方向に移動し始めているため、シリンダ室327b,327c(圧縮空気発生部105a)では流体の送り出し行なわれ、シリンダ室327a,327d(負圧空気発生部105b)では流体の吸込みが行なわれる。図31から図32において、第1ピストン301が平面視で下方向に移動し始め、第2ピストン302が平面視で左方向に移動しているため、シリンダ室327a,327c(圧縮空気発生部105a)では流体の送り出し行なわれ、シリンダ室327b,327d(負圧空気発生部105b)では流体の吸込みが行なわれる。
また、第1,第2ピストン301,302は直交するように配置したが、これに限定されるものではなく、第1クランク軸308を中心として例えば位相差が60度等に配置することも可能である。
よって、シャフト304を中心としてコンプレッサ構成部品が等速回転運動可能に組み付けられているので、損失が少なくエネルギー変換効率を高めて消費電力を低減することができる。
例えば、本実施形態で開示された2ピストンタイプのコンプレッサにおいては、単相4極交流同期モータを用いると、モータ出力のピークとコンプレッサの負荷(圧縮と吸引)のピークを合わせることで、コンプレッサの効率のよい駆動を実現できる。
P ピストン複合体
1 酸素濃縮装置
2 表面カバー
3 裏面カバー
4 ハンドル
5 操作パネル
6 電源スイッチ
7 酸素出口
8 酸素流
14 鼻カニューラ
15 チューブ
17 交換用蓋
20 外気導入フィルタ
23 スピーカ
32 遮蔽板
34 二段階防音室
35 密閉箱
38,39 防音室蓋
40 ベース
41 底蓋
48,50 鍔部
51 防音材
101 吸気フィルタ
102 吸気用バッファタンク
104 送風ファン
105 コンプレッサ
105a 圧縮空気発生部
105b 負圧空気発生部
107 均等圧弁
108a 第1吸着筒体
108b 第2吸着筒体
109a,109b 切換弁
110 消音器
111 製品タンク
112 圧力調整器
114 酸素濃度センサ
115 比例開度弁
116 酸素流量センサ
117 デマンド弁
119 滅菌フィルタ
120 第1負圧破壊弁
121 第2負圧破壊弁
128 実装基板
200 中央制御部
201 モータ制御部
202 負圧回路基板
203 音声制御部
204 表示作動部
205 揮発メモリ
206 一時記憶装置
207 リアルタイムクロック
226 電源装置
228 内蔵バッテリ
300 ロータリ式シリンダ装置
301 第1ピストン
301a 逃げ孔
301c 第1ピストンヘッド部
301d 台座
301f 段差部
302 第2ピストン
302c 第2ピストンヘッド部
303 偏芯筒体
303a 第1筒体
303b 第2筒体
304 シャフト
305 第1本体ケース
301b,302b,303c,303d,305a,306a 軸受保持部
305b,306b,320,321a 開口部
301e,305c,305d,306c,306d,309a,310a,
318c,321e ボルト孔
306 第2本体ケース
307 本体ケース
307a,312a,312b,319,322 ボルト
304 シャフト
308 第1クランク軸
308a スリット
308b ピン孔
308c Dカット部
309,310 バランスウェイト
309b,310b ピン孔
310c 軸部
311a,311b ピン
313a 第1軸受部
313b 第2軸受部
314a,314b 第2仮想クランク軸
315a,315b 内側軸受部
316a,316b 外側軸受部
317a,317b シールカップ
317c 起立部
318a,318b シールカップ押さえ部材
320a 第1開口部
320b 第2開口部
321 シリンダ
323 転がり円
324 仮想円
325 第1シリンダヘッド
326 第2シリンダヘッド
327a,327b,327c,327d シリンダ室
328 吸込み口
329 送出口
330 回転軌道
331 出力軸
401 電源室
402 バッテリ室
403 収容室
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と、
前記コンプレッサから送り込まれた圧縮空気中から窒素を吸着する吸着材を貯蔵した吸着筒と、を備えた酸素濃縮装置であって、
前記コンプレッサは、駆動軸の軸芯に対して偏芯したクランク軸を中心に回転する偏芯筒体に連繋する複数のピストンがシリンダ内を往復動することで圧縮空気発生部と負圧空気発生部とを交互に形成するロータリ式シリンダ装置を備え、
前記ロータリ式シリンダ装置は、
前記駆動軸に連結されるシャフトの軸芯に対して偏芯して組み付けられ、当該シャフトを中心に半径rの第1仮想クランクアームを介して回転可能に組み付けられる第1クランク軸と、
前記第1クランク軸の軸芯に対して偏芯した第2仮想クランク軸を有する複数の筒体を備え、当該第1クランク軸を中心に半径rの第2仮想クランクアームを介して相対的に回転可能に組み付けられる前記偏芯筒体と、当該偏芯筒体に各第2仮想クランク軸を中心とする筒体外周に複数のピストンが互いに交差して相対的に回転可能に組み付けられたピストン複合体と、
前記シャフト周りに組み付けられ、前記第1クランク軸及び前記ピストン複合体を含む前記シャフトを中心とした回転運動の質量バランスをとる第1,第2バランスウェイトと、
前記シャフトを回転可能に軸支し、前記ピストン複合体の複数のピストンを往復動可能に収容するシリンダが組み付けられた本体ケースと、を具備し、
前記複数のピストンの前記第2仮想クランク軸を中心とする第1の静回転バランス、前記ピストン複合体の第1クランク軸を中心とする第2の静回転バランス及び前記第1クランク軸及びピストン複合体の前記シャフトを中心とする第3の静回転バランスが、前記第1クランク軸の両端部に挿入組み付けられた前記第1,第2バランスウェイトのみにより各々の質量バランスが均等にバランス取りされたまま、
前記シャフトを中心に前記第1クランク軸が回転し、当該第1クランク軸を中心に前記ピストン複合体が相対的に回転することで、前記各筒体外周に組み付けられた前記複数のピストンが前記シャフトを中心として相対的に回転しながら前記シャフトを中心とする半径2rの同心円の径方向である内サイクロイドの回転軌跡に沿って前記シリンダ内で直線往復運動を行なうことを特徴とする酸素濃縮装置。 - 前記偏芯筒体は、第1クランク軸に同芯状に嵌め込まれる第1筒体と、該第1筒体の軸芯に対して偏芯した第2仮想クランク軸を軸芯として軸方向に連続して形成された第2筒体を備え、当該第2筒体に複数のピストンが交差して相対的に回転可能に嵌め込まれている請求項1記載の酸素濃縮装置。
- 前記ピストン複合体は、前記偏芯筒体に対して第1,第2のピストンが交差部で互いに近接して重なり合うように組み付けられている請求項1又は2記載の酸素濃縮装置。
- 前記シャフトと第1クランク軸との軸芯間距離rを前記第1仮想クランクアーム及び第2仮想クランクアームのアーム長とし、前記シャフトの軸芯周りの第1仮想クランクアーム長rを半径とする回転軌道上を前記第1クランク軸が回転する際に、当該第1クランク軸を中心とする前記第2仮想クランクアーム長rを半径とする仮想円上を前記第2仮想クランク軸が見かけ上滑らずに回転することにより、当該仮想円の直径R(2r)を半径とする転がり円の径方向に前記複数のピストンが各々往復動する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の酸素濃縮装置。
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