JP6032736B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気中の窒素を吸着剤で吸着することにより、酸素濃度の高い気体を製造して供給する酸素濃縮装置に関するものである。

この様な酸素濃縮装置として、圧力スイング吸着（Pressure Swing Adsorption 、ＰＳＡ）方法を用いた装置が従来から知られている。そして、この圧力スイング吸着方法を用いた可搬式の酸素濃縮装置は、たとえば、特開２００８−１４８８５９号公報（特許文献１）に記載されている。

特開２００８−１４８８５９号公報

解決しようとする問題点は、特許文献１に記載された酸素濃縮装置は、可搬式ではあるが、依然としてかなり嵩張っている点である。

本発明の酸素濃縮装置は、吸着剤を充填した一対の吸着筒（２１）と、この吸着筒に導入された空気の窒素が吸着剤で吸着されて酸素濃度が上昇した酸素濃縮気体を吸引して供給する酸素濃縮気体用吸引ポンプ（７）と、前記吸着筒の吸着剤に吸着された窒素が放出されて窒素濃度が上昇した窒素濃縮気体を吸引して排気する窒素濃縮気体用吸引ポンプ（６）と、前記酸素濃縮気体用吸引ポンプおよび窒素濃縮気体用吸引ポンプを駆動するモータ（４）と、前記各吸着筒への空気の供給流路を切り換える流路切換装置（１２）とを有し、圧力スイング吸着方法によって、空気から窒素を吸着して酸素を濃縮し、その酸素濃縮気体を供給する。そして、一対の吸着筒、２個の吸引ポンプ、モータ、流路切換装置は、酸素濃縮装置の外郭である酸素濃縮装置ケース（１）内に収納され、一対の吸着筒は並列に配設されており、この吸着筒の軸線の方向をＸ軸方向とし、このＸ軸方向に直角方向の吸着筒の並列の方向をＹ軸方向とし、前記Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直角の方向をＺ軸方向とすると、前記一対の吸着筒からＹ軸方向に順次、前記モータおよび前記２個の吸引ポンプが配設され、モータの駆動軸（４ａ）はモータ本体からＹ軸方向でかつ吸着筒から離れる方向に延在し、２個の吸引ポンプは、モータの駆動軸を挟んで、Ｘ軸方向に並んで配設されており、流路切換装置は、モータにＸ軸方向に隣接するとともに、窒素濃縮気体用吸引ポンプにＹ軸方向に隣接し、酸素濃縮装置ケースの内部空間は、仕切壁（１６）により、前記２個の吸引ポンプ、モータ、流路切換装置が配設されるポンプ室（１７）と、吸着筒の配設される吸着筒室（１８）とに区画されている。

さらに、窒素濃縮気体用吸引ポンプはＸ軸方向の一方の側に、酸素濃縮気体用吸引ポンプはＸ軸方向の他方の側に位置し、前記流路切換装置と前記吸着筒とを接続するためのパイプは、仕切壁に形成された配管用開口（１６ａ）を通って配管されており、この仕切壁の配管用開口は、前記モータよりもＸ軸方向の前記他方の側に位置している。

さらに、一対の吸着筒は、酸素濃縮装置本体に着脱可能なカートリッジ（３）に収納されており、このカートリッジのＸ軸方向の前記他方の側の端部に各吸着筒の一端部に通じる通気口（２１ａ）および各吸着筒の他端部に通じる通気口（２２ａ）が設けられ、酸素濃縮装置本体には、カートリッジの各通気口と対応して嵌合する通気口（３６，３７）が各々設けられ、カートリッジを押し込むことによりカートリッジが取り付けられ、カートリッジ側通気口が本体側通気口に係合し、カートリッジを引っ張ることによりカートリッジが取り外されてカートリッジ側通気口が本体側通気口から離脱する場合がある。
そして、酸素濃縮装置ケースには、Ｘ軸方向の前記一方の側の部分に、前記カートリッジを着脱するための開口（１ａ）が形成されている場合がある。

本発明によれば、酸素濃縮装置の部品である一対の吸着筒、２個の吸引ポンプ、モータ、流路切換装置が同じＸＹ平面に効率よく整列されており、コンパクトとなるとともに、Ｚ軸方向の厚みを薄くすることができる。特に、モータおよび窒素濃縮気体用吸引ポンプに隣接して形成される空間を、流路切換装置の配置場所として有効利用しており、酸素濃縮装置を小型化することができる。しかも、騒音源となる吸引ポンプ、モータ、流路切換装置は仕切壁で仕切られたポンプ室に配設されており、騒音を防止することができる。

さらに、窒素濃縮気体用吸引ポンプはＸ軸方向の一方の側（たとえば、左側）に、酸素濃縮気体用吸引ポンプはＸ軸方向の他方の側（たとえば、右側）に位置し、流路切換装置と吸着筒とを接続するためのパイプは、仕切壁に形成された配管用開口を通って配管されており、この仕切壁の配管用開口が、モータよりもＸ軸方向の前記他方の側（たとえば、右側）に位置しているので、Ｘ軸方向の一方の側（たとえば、左側）に位置する流路切換装置の作動音が、仕切壁の配管用開口（たとえば、右側に位置する）から漏れることを極力防止することができる。

さらに、一対の吸着筒が、酸素濃縮装置本体に着脱可能なカートリッジに収納され、このカートリッジを押し込むことによりカートリッジが取り付けられ、かつ、カートリッジを引っ張ることによりカートリッジが取り外される様に構成されている場合には、吸着筒内の吸着剤が劣化しても、カートリッジを交換することにより、簡単に対応することができる。

そして、酸素濃縮装置ケースにおけるＸ軸方向の前記一方の側の部分（たとえば、左側）に、カートリッジを着脱するためのカートリッジ着脱用開口が形成されている場合がある。この様な場合には、仕切壁の配管用開口（たとえば、右側に位置する）から漏れでた音が、反対側に位置するカートリッジ着脱用開口から酸素濃縮装置の外側に漏れることを極力防止することができる。

図１は本発明における酸素濃縮装置の実施の一形態の平面図である。 図２は酸素濃縮装置の回路図である。 図３はパイプなどの配置を説明するための説明図である。 図４は本体側接続具の斜視図である。

酸素濃縮装置をコンパクトにするとともに厚みを薄くすることができるという目的を、酸素濃縮装置の部品である一対の吸着筒、２個の吸引ポンプ、モータ、および、流路切換装置を同じＸＹ平面に効率よく整列させることで実現した。

次に、本発明における酸素濃縮装置の一実施例について、図１ないし図４を用いて説明する。図１は本発明における酸素濃縮装置の実施の一形態の平面図である。図２は酸素濃縮装置の回路図である。図３はパイプなどの配置を説明するための説明図である。図４は本体側接続具の斜視図である。なお、この酸素濃縮装置は、寝かした状態の「横置き」または、立てた状態の「縦置き」で設置することができるが、図においては、「横置き」の状態で図示されている。図１において、パイプや酸素濃縮装置のケースの上面板は外した状態で図示されている。また、酸素濃縮装置の説明において、図１の左右方向をＸ軸方向、図１の紙面上でＸ軸方向に直角の方向をＹ軸方向、紙面に直角の方向をＺ軸方向としている。さらに、図３において、通気口などの部材が複数、Ｚ軸方向に重なっており、流路をそのまま記載すると重なり分かりにくくなるため、流路は重ならないようにズレて図示されている。

まず始めに、酸素濃縮装置の全体の構造を説明する。
この酸素濃縮装置は、圧力スイング吸着（Pressure Swing Adsorption 、ＰＳＡ）方法を用いた装置であり、図１において、外郭であるケース１の内部空間には、奥側から手前側に向かって順次、フィルター２、カートリッジ３、モータ４、２個の吸引ポンプ６，７が配置されている。フィルター２、モータ４および吸引ポンプ６，７は、ケース１に固定された基板９に固定されている。この基板９には、カートリッジ３（詳細は後述する）が接続可能な本体側接続具１１が固定されている。

モータ４の駆動軸４ａ（図３参照）は、モータ本体からＹ軸方向に手前側に延在している。この駆動軸４ａの回転力がリンクやカムなどの連動機構により真空ポンプなどの吸引ポンプ６，７に伝達され、吸引ポンプ６，７が駆動される。このモータ駆動軸４ａを挟んで配置されている２個の吸引ポンプ６，７の一方（図１の左側）が窒素濃縮気体用吸引ポンプ６で、他方（右側）が酸素濃縮気体用吸引ポンプ７である。また、モータ４の左隣で、かつ、窒素濃縮気体用吸引ポンプ６の奥側に隣接して、流路切換装置としての２個の三方切換弁１２が基板９に固定されて配置されている。

そして、モータ４、２個の吸引ポンプ６，７および切換弁１２の周囲には、仕切壁１６が設けられており、ケース１の内部空間を、モータ４、２個の吸引ポンプ６，７および切換弁１２が配設されるポンプ室１７と、カートリッジ３が配設される吸着筒室１８とに区画している。また、仕切壁１６には、モータ４よりも右側の部分に、配管用開口１６ａ，１６ｂが形成されている。

ケース１の左側の部分には、カートリッジ３を取り出したり、また、装着したりするための開口部１ａ（図３参照）が形成され、この開口部１ａには、図示しない蓋が開閉自在に取り付けられている。また、カートリッジ３を酸素濃縮装置の本体から取り出したり、装着したりするために、カートリッジ３には把手１９が設けられている。そしてケース１の開口部１ａが形成されている面とは反対側の面（すなわち右側の面）には、酸素濃縮気体出口１ｂが形成されている。

図３において、交換可能なカートリッジ３の中央部３ａには、窒素を吸着する例えばゼオライト系の吸着剤が収納される吸着筒２１が一対貫通して形成されているとともに、一対の吸着筒２１の間には、酸素濃縮気体が流れる酸素濃縮気体流路２２、および、希釈用気体が流れる希釈流路２３が貫通して形成されている。また、前記一対の吸着筒２１はＹ軸方向に並列に配置され、各貫通孔２１，２２，２３はＸ軸方向に延在している。酸素濃縮気体流路２２と希釈流路２３は、図３においては、分かりやすいようにＹ軸方向に並列に配置されて図示されているが、実際は紙面に垂直な方向（Ｚ軸方向）に並列に配置され、重なっている。

そして、貫通孔２１，２２，２３の一端部（右端部）側を覆う第１蓋部３ｂが中央部３ａの右側にまた、他端部（左端部）側を覆う第２蓋部３ｃが中央部３ａの左側に取り付けられている。第１蓋部３ｂには、各貫通孔２１，２２，２３と連通する通気口２１ａ，２２ａ，２３ａ（２３ａは２２ａと重なっているため図示されていない）が各々突出して形成されている。第２蓋部３ｃには、吸着筒２１の他端部同士を、流量調整手段である流量絞り部２６を介して連通させる流路２７、各吸着筒２１を逆止弁２８を介して酸素濃縮気体流路２２と連通させる流路３１，３２と、この２個の流路３１，３２は途中で合流しておりこの合流した合流路に、希釈流路２３の他端部を連通させる流路３３が形成されている。この様にして、カートリッジ３の右側端部に設けられた通気口２１ａは吸着筒２１の一端部（右端部）に通じ、また、通気口２２ａは吸着筒２１の他端部（左端部）に逆止弁２８、流路３１，３２、酸素濃縮気体流路２２を介して通じている。

本体側接続具１１には、カートリッジ３の各通気口２１ａ，２２ａ，２３ａが嵌まり込む嵌合孔である通気口３６，３７，３８が各々凹んで形成されている。この本体側接続具１１には、通気口３６，３７，３８以外に５個の通気口が形成され、第１通気口４１は通気口３８と本体側接続具１１内の流路で連通するとともにフィルター２と接続され、第２通気口４２は第１通気口４１と本体側接続具１１内の流路で連通するとともに切換弁１２と接続され、第３，４通気口４３，４４は各々、対応する通気口３６と本体側接続具１１内の流路で連通するとともに切換弁１２と接続され、第５通気口４５は通気口３７と本体側接続具１１内の流路で連通するとともに酸素濃縮気体用吸引ポンプ７と接続される。第２通気口４２〜第５通気口４５はＺ軸方向に並列しており、図１および図３では重なっている。

そして、図３において、本体側接続具１１と切換弁１２とを接続するパイプ（流路）は、仕切壁１６の配管用開口１６ａを通っており、本体側接続具１１と酸素濃縮気体用吸引ポンプ７とを接続する流路は、仕切壁１６の配管用開口１６ｂを通っている。

カートリッジ３を装着する際には、カートリッジ３をケース１の開口部１ａからケース１内に挿入し、本体側接続具１１に向かって押し込む。すると、カートリッジ３の通気口２１ａ，２２ａ，２３ａが、本体側の本体側接続具１１の通気口３６，３７，３８に係合し接続される。一方、カートリッジ３を取り外す際には、カートリッジ３を引っ張ると、カートリッジ３の通気口２１ａ，２２ａ，２３ａと本体側接続具１１の通気口３６，３７，３８との接続が外れ離脱する。

この様に構成されている酸素濃縮装置に電源が入れられると、吸引ポンプ６，７が稼働する。図２において、この吸引ポンプ６，７は流路の下流側の端部に設けられているため、それよりも上流の流路（すなわち、大部分の流路）は負圧（すなわち、大気圧以下）となり、空気がフィルター２を介して吸い込まれて導入され、上流から下流に流れる。

そして、空気はフィルター２、本体側接続具１１の第１通気口４１から本体側接続具１１内の流路に流れ込み、その一部がカートリッジ３の希釈流路２３に流れるとともに、他の大部分が切換弁１２に流れ込む。この切換弁１２は適宜切り換えられるが、図２に図示する状態では、フィルター２からの空気は左側の吸着筒２１に導入される。なお、図２の状態から切換弁１２が切り換わると、フィルター２からの空気は右側の吸着筒２１に導入される。

そして、吸着筒２１に導入された空気は、その窒素成分が吸着剤で吸収され、酸素濃度が上昇し酸素濃縮気体となる。この酸素濃縮気体は極一部が流量絞り部２６を介して、他方（すなわち、右側）の吸着筒２１に流入し、他の酸素濃縮気体は逆止弁２８を介してカートリッジ３の酸素濃縮気体流路２２に流れ込む。この酸素濃縮気体は、酸素濃縮気体流路２２に流れ込む前に希釈流路２３からの空気で希釈され、希釈された酸素濃縮気体はカートリッジ３の酸素濃縮気体流路２２、逆止弁１３、酸素濃縮気体用吸引ポンプ７および逆止弁１３を介して、酸素濃縮気体出口１ｂに流れる。この酸素濃縮気体出口１ｂには、酸素マスクやカニューラなどの酸素吸入用具５３が着脱自在に接続されており、酸素濃縮気体が酸素吸入用具５３に供給される。

一方、右側の吸着筒２１は、窒素濃縮気体用吸引ポンプ６で気体が吸引されており、大きな負圧となっており、吸着剤は吸着した窒素を放出し、窒素濃縮気体が生成される。そして、この窒素濃縮気体は、流量絞り部２６を介して導入された酸素濃縮気体とともに切換弁１２、逆止弁５１、窒素濃縮気体用吸引ポンプ６、逆止弁５１を介して排気される。

そして、切換弁１２が切り換わると、左側の吸着筒２１で窒素濃縮気体が生成されて窒素濃縮気体用吸引ポンプ６を介して排気され、一方、右側の吸着筒２１で酸素濃縮気体が生成されて酸素濃縮気体用吸引ポンプ７を介して酸素吸入用具５３に供給される。

この様にして、吸着筒２１の吸着剤で、窒素の吸着・放出を繰り返している。そして、窒素の吸着・放出の繰り返しで吸着剤が劣化するため、吸着剤を交換する必要が生じる。吸着剤の交換は素人では困難であるため、吸着筒が取り外せないと、吸着筒の装着された酸素濃縮装置の本体を工場に送って新しい吸着剤を充填してもらう必要があった。この実施例の場合には、簡単に着脱可能なカートリッジ３に吸着筒２１が設けられているため、吸着剤が劣化した際には、古いカートリッジ３を取り外して新しいカートリッジ３と交換することにより対応することができる。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例を下記に例示する。
（１）酸素濃度の希釈は、カートリッジ３内で行われているが、カートリッジ３の外側で行うことも可能である。この場合には、カートリッジ３の希釈流路２３は不要である。
（２）流路切換装置は、２個の三方切換弁１２で構成されているが、流れを切り換えることが可能であれば、その構成は適宜変更可能である。

（３）本体側接続具やカートリッジの構造は、本体側接続具の通気口が対応するカートリッジの通気口と接続可能であれば、適宜変更可能である。また、カートリッジ３の通気口が突出してオスで、本体側接続具１１の通気口が凹んでおりメスであるが、カートリッジ側をメスにし、本体側接続具側をオスにすることも可能である。
（４）吸着筒はカートリッジに設けられているが、特許請求の範囲で限定されていない限り、カートリッジに設けないことも可能である。すなわち、吸着筒を酸素濃縮装置の本体にビスなどで固定することも可能である。

コンパクトにするとともに厚みを薄くすることができるので、移動可能な酸素濃縮装置に適用することが最適である。

１ 酸素濃縮装置のケース
１ａ カートリッジ着脱用の開口部
３ カートリッジ
４ モータ
４ａ モータの駆動軸
６ 窒素濃縮気体用吸引ポンプ
７ 酸素濃縮気体用吸引ポンプ
１２ 切換弁（流路切換装置）
１６ 仕切壁
１６ａ 仕切壁の配管用開口
１７ ポンプ室
１８ 吸着筒室
２１ 吸着筒
２１ａ カートリッジ側の通気口
２２ａ カートリッジ側の通気口
２３ａ カートリッジ側の通気口
３６ 本体側の通気口
３７ 本体側の通気口
３８ 本体側の通気口

Claims (4)

1. 吸着剤を充填した一対の吸着筒と、この吸着筒に導入された空気の窒素が吸着剤で吸着されて酸素濃度が上昇した酸素濃縮気体を吸引して供給する酸素濃縮気体用吸引ポンプと、前記吸着筒の吸着剤に吸着された窒素が放出されて窒素濃度が上昇した窒素濃縮気体を吸引して排気する窒素濃縮気体用吸引ポンプと、前記酸素濃縮気体用吸引ポンプおよび窒素濃縮気体用吸引ポンプを駆動するモータと、前記各吸着筒への空気の供給流路を切り換える流路切換装置とを有し、圧力スイング吸着方法によって、空気から窒素を吸着して酸素を濃縮し、その酸素濃縮気体を供給する酸素濃縮装置において、
   前記一対の吸着筒、２個の吸引ポンプ、モータ、流路切換装置は、酸素濃縮装置の外郭である酸素濃縮装置ケース内に収納され、
   前記一対の吸着筒は並列に配設されており、この吸着筒の軸線の方向をＸ軸方向とし、このＸ軸方向に直角方向の吸着筒の並列の方向をＹ軸方向とし、前記Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直角の方向をＺ軸方向とすると、
   前記一対の吸着筒からＹ軸方向に順次、前記モータおよび前記２個の吸引ポンプが配設され、
   前記モータの駆動軸はモータ本体からＹ軸方向でかつ吸着筒から離れる方向に延在し、
   前記２個の吸引ポンプは、モータの駆動軸を挟んで、Ｘ軸方向に並んで配設されており、
   前記流路切換装置は、前記モータにＸ軸方向に隣接するとともに、前記窒素濃縮気体用吸引ポンプにＹ軸方向に隣接し、
   前記酸素濃縮装置ケースの内部空間は、仕切壁により、前記２個の吸引ポンプ、モータ、流路切換装置が配設されるポンプ室と、吸着筒の配設される吸着筒室とに区画されており、
   前記窒素濃縮気体用吸引ポンプはＸ軸方向の一方の側に、酸素濃縮気体用吸引ポンプはＸ軸方向の他方の側に位置し、
   前記流路切換装置と前記吸着筒とを接続するためのパイプは、仕切壁に形成された配管用開口を通って配管されており、
   この仕切壁の配管用開口は、前記モータよりもＸ軸方向の前記他方の側に位置していることを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 前記一対の吸着筒は、酸素濃縮装置本体に着脱可能なカートリッジに収納されており、このカートリッジのＸ軸方向の前記他方の側の端部に各吸着筒の一端部に通じる通気口および各吸着筒の他端部に通じる通気口が設けられ、
   酸素濃縮装置本体には、カートリッジの各通気口と対応して嵌合する通気口が各々設けられ、
   カートリッジを押し込むことによりカートリッジが取り付けられ、カートリッジ側通気口が本体側通気口に係合し、カートリッジを引っ張ることによりカートリッジが取り外されてカートリッジ側通気口が本体側通気口から離脱することを特徴としている請求項１記載の酸素濃縮装置。
3. 前記酸素濃縮装置ケースには、Ｘ軸方向の前記一方の側の部分に、前記カートリッジを着脱するための開口が形成されていることを特徴としている請求項２記載の酸素濃縮装置。
4. 請求項２または３記載の酸素濃縮装置の本体に着脱される交換可能な酸素濃縮装置のカートリッジ。

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