JP6313120B2 - 酸素濃縮装置のメンテナンス管理システム - Google Patents

Description

本発明は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮装置のメンテナンス管理システムに関するものであり、特に慢性呼吸器疾患患者などに対して行われる酸素吸入療法に使用する在宅医療用酸素濃縮装置のメンテナンス管理システムに関するものである。

近年、肺気腫、肺結核後遺症や慢性気管支炎などの慢性呼吸器疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、かかる患者に対する治療方法として、高濃度酸素を吸入させる酸素吸入療法が行われている。酸素吸入療法とは前記疾病患者に対して酸素ガス若しくは酸素濃縮気体を吸入させる治療法である。治療用の酸素ガス又は濃縮酸素気体の供給源としては、高圧酸素ボンベ、液体酸素ボンベ、酸素濃縮装置等の使用が挙げられるが、長時間の連続使用に耐えることができ、また使い勝手が良いなどの理由により、酸素濃縮装置を使用するケースが増加している。

酸素濃縮装置は空気中の酸素を分離し、濃縮することを可能にした装置である。かかる酸素を分離濃縮する装置としては、９０％以上の高濃度の酸素が得られるという観点で、空気中の窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を１個もしくは複数の吸着床に充填した吸着型酸素濃縮装置が広く知られ使用されている。その中でも圧力変動装置としてコンプレッサを用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が広く世の中に広まっている。かかる装置は通常窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填させた１個もしくは複数の吸着床に対して、少なくとも、コンプレッサから圧縮空気を供給し、吸着床内を加圧状態にして窒素を吸着させ、未吸着の高濃度の酸素を得る吸着工程と、吸着床内を減圧して窒素を脱着させる脱着工程を有し、これを一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を得る装置である。圧力変動吸着法には、吸着した窒素成分を取り除き吸着剤を再生させる脱着工程を大気圧まで行うＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption法や、真空ポンプで吸着床を真空まで減圧させるＶＰＳＡ：Vacuum Pressure Swing Adsorption法がある。また、吸着床を加圧するために必要な動力の削減や、得られる酸素の純度の向上を図るため、吸着工程と脱着工程の間に、２個の吸着床を配管で接続することにより、両吸着床の圧力を均等化する均圧工程を行う場合もある。

このような吸着型酸素濃縮装置においては吸着剤の劣化等の経時変化により吸着筒の窒素吸着性能の低下、酸素生成能の低下が生じるが、吸着剤の交換などオーバーホール以外に対処する事が出来ないのが現状である。そのため、従来より吸着剤劣化を抑制する対策として特許文献１又は２のような吸着層の前に吸湿層や水分透過膜よりなる除湿器を設ける方法や、特許文献３〜５のように酸素濃縮装置の運転終了時や起動時に配管内等に残留している水分の低減を行う工夫が提案されている。
また、特許文献６〜８のように生成される酸素濃度を検知してコンプレッサのモータ回転数をフィードバック制御する工夫も提案されている。これにより吸着剤がある程度劣化してもコンプレッサの能力を最大限生かして酸素濃縮装置をできるだけ有効に活用することが出来る。

特に在宅医療に用いる酸素濃縮装置においては患者宅の家庭事情等により頻繁な装置点検が出来ない一方、継続的な治療を目的とした装置の信頼性が求められている。しかしながら種々の劣化対策を施していても吸着剤劣化を完全に抑制することが出来ない。そこで、定期的に患者宅訪問による装置点検から装置の累積稼働時間を調べて、ある一定時間を超えた場合、次回の点検までに酸素生成能力低下が起こる可能性が高くなると判断し、吸着剤性能の劣化にかかわらず一律に装置を事前交換することで治療継続を行っている。また、突発的な装置異常対応のためには特許文献９のような遠隔監視システムを用いた速やかな異常検出および交換対応がなされている。
酸素濃度を検知してコンプレッサモータ回転数をフィードバック制御する酸素濃縮装置においても、特許文献１０には、規定の酸素流速を得るために調整された圧縮機の特性が特定の限界を超えたときに指示を行うことが出来る、という言及があるが、具体的な記載はない。

特開２００４−３４４７３５号公報 特開２００７−４４１１６号公報 特開２００８−１７８７９５号公報 特開２００９−１１９０６９号公報 特開２００９−１４２３８０号公報 特開２０００−３５４６３０号公報 特開２００２−２１９１７６号公報 特開２００２−２５３６７５号公報 特開２００３−１６２１３号公報 特表２０００−５１６８５４号公報

本発明は、回転数制御可能なモータを有するコンプレッサと少なくとも１つの窒素選択吸着筒を有し、コンプレッサモータ回転数を制御して一定の酸素濃度を維持する、複数の流量設定ができる酸素濃縮装置において、装置個別にそれぞれ吸着剤の性能劣化を、装置の有効利用と信頼性のバランスから最適に判断できる判断基準を有するメンテナンス管理システムを提供することを目的とする。

本発明は、回転数制御可能なモータを有するコンプレッサと少なくとも１つの窒素選択吸着筒を有し、前記窒素選択吸着筒により窒素が吸着された後の酸素濃度を検出し、検出された酸素濃度が一定となるようにコンプレッサモータ回転数を制御する、複数の流量設定ができる酸素濃縮装置において、酸素濃縮装置の起動又は流量設定変更をしてから一定時間経過後のコンプレッサモータ回転数が、設定流量ごとに設定された判定値に到達したかを検知し、到達結果によって、前記窒素選択吸着筒の修理・部品交換の要否を判定することを特徴とする酸素濃縮装置のメンテナンス管理システムである。
これによって、コンプレッサモータ回転数制御で一定酸素濃度を維持できなくなる前に、酸素濃縮装置ごとに、修理、部品交換の要否を判定することができる。吸着剤の交換時を、従来の稼働累積時間が一定時間を超えたときに一律に交換していたときより、遅くすることが可能であるので、経済的である。

また、本発明は、前記判定値が、最大設定流量の設定時では、他の設定流量の設定値中最大値となるように設定されている。
さらに、本発明は、前記判定値が、前記コンプレッサモータ回転数の初期値の１倍より大きく、１．５倍より小さい値の範囲に設定したことを特徴とする。
さらに、本発明は、判定周期が１ヶ月以上６ヶ月以下であることを特徴とする。
さらに、本発明は、ある特定の設定流量以下では、判定値は設定流量によらず一定としたことを特徴とする。
さらに本発明は、外気の温度を検知して、外気の温度によって、前記判定値設定を変更することを特徴とする。

本発明により、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮装置を、一定の酸素濃度を維持できる範囲で活用し、適切な時期に修理・交換を行うことができるメンテナンス管理システムを提供することができる。特に、慢性呼吸器疾患患者などに対して行われる酸素吸入療法に使用する在宅医療用酸素濃縮装置で有効なものである。

コンプレッサモータ回転数を制御して一定の酸素濃度を維持する酸素濃縮装置のシステムの概略図である。 長期運転に伴うコンプレッサモータ回転数の変化を示すグラフである。 本発明におけるシステムの手順を示すフローチャートである。

従来一律に稼働累積時間によって、吸着剤の交換をしていたところ、本発明者らは、コンプレッサモータ回転数に着目することによって、従来より長く、また吸着剤劣化をより適切に見分けることが可能であることを見出し、本発明に至った。

コンプレッサモータ回転数を制御して一定の酸素濃度を維持する酸素濃縮装置において、時間経過に伴う吸着剤の劣化が生じると、新しい吸着剤での運転開始や流量設定時のコンプレッサモータ回転数（初期値）よりコンプレッサモータ回転数を上げないと、設定流量での濃縮酸素ガスを得ることができない。そのため、吸着剤の劣化に伴い、所定濃度の濃縮酸素ガスを得るため、酸素濃度センサで得られる酸素濃度値によって、コンプレッサモータ回転数を上げる制御を行っている。本発明におけるシステムでは、しばらくの間充分な濃縮酸素ガスが得られるコンプレッサモータ回転数を判定値として設定し、コンプレッサモータ回転数がその判定値に到達したら、吸着剤の交換を行う。

設定流量ごとの吸着剤劣化状態とコンプレッサモータ回転数の関係を詳細に調べた結果、少ない設定流量になるほどわずかなコンプレッサモータ回転数上昇でも吸着剤劣化が進行していることがわかった。吸着剤が劣化する頃の一定の稼働時間経過後において、低い設定流量の際に、コンプレッサモータ回転数の上昇がわずかであっても、患者の病態変化に伴い設定流量を上げた際に、高濃度酸素の供給を維持するために大きくコンプレッサモータ回転数が上昇する。従って、吸着剤劣化を判断するためのコンプレッサモータ回転数の判定値は、設定流量ごとに決めることと、最大設定流量で最大値となり、低い設定流量ではそれより低い値となる。

また、酸素濃縮装置の運転開始時や流量の設定変更時は温度も安定しておらず濃縮酸素の生成プロセスが安定していないため、コンプレッサモータ回転数を高い値に設定し、速やかに高濃度酸素ガスを供給できるようにしている。よって、吸着剤劣化判定のためのコンプレッサモータ回転数を検知するタイミングは、運転開始や設定変更時から一定時間経過し、生成プロセスが安定した後である。より具体的には運転開始あるいは流量設定変更から２時間後、より好ましくは３時間後である。

さらに、判定値はコンプレッサモータ回転数が、運転開始や流量設定変更後、生成プロセスが安定したときの値（以下、「初期値」という。）の１倍より大きく１．５倍より小さい値の範囲に設定したことを特徴とする酸素濃縮装置のメンテナンス管理システムである。コンプレッサモータ回転数を制御して一定の酸素濃度を維持する方式の酸素濃縮装置においては、吸着剤の劣化によりコンプレッサモータの回転数は上昇するため、判定値は初期値の１倍より大きくなる値を下限とするのが好ましい。また初期値の１．５倍以上の場合、吸着剤の劣化が進行しており、定期的、例えば１ヶ月間隔の判定期間に酸素濃度がコンプレッサモータ回転数制御で維持できない程度に低下してしまう可能性がある。

さらに、判定周期が１ヶ月以上６ヶ月以下であることを特徴とする酸素濃縮装置のメンテナンス管理システムである。判定周期が１ヶ月より短い場合、メンテナンス管理のためのデータ量が多くなる。６ヶ月より長い場合、従来の患者宅訪問（法的には６ヶ月に１回以上の訪問が定められている）での点検で、吸着剤劣化による性能低下を調べることが出来るため、メンテナンス管理システムを用いるメリットがなくなる。

さらに、ある設定流量以下では、判定値は設定流量によらず一定としたことを特徴とする酸素濃縮装置のメンテナンス管理システムである。本発明におけるメンテナンス管理システムでは、設定流量ごとに判定値を設定するが、低い設定流量では判定値の差が少ないため、簡素化するために一定の判定値にそろえることができる。具体的には、酸素濃縮装置の最大設定流量の１／３未満の設定流量で、判定値を一定の値にすることができる。

さらに、外気の温度を検知して、外気の温度によって判定値の設定を変更することを特徴とする酸素濃縮装置のメンテナンス管理システムである。酸素濃縮装置の濃縮酸素生成プロセスは外気温に依存し、特に低温では酸素濃度を維持するためにコンプレッサモータ回転数を上げる必要がある。特に５℃以下の温度での酸素濃縮器の運転では、コンプレッサモータ回転数を上げる必要があり、それに伴って判定値も上げることができる。具体的には各判定値について２０％から８０％高く設定する。
このようなメンテナンス管理は遠隔で行うことができ、酸素濃縮装置に取り付けたコンプレッサモータ回転数を検知する検知器からのデータ信号を、既存の有線あるいは無線手段を用いて管理センターに集めて部品修理・交換の判断を行うことができる。

図１に示す最大設定流量３リットル／分の酸素濃縮装置は、濃縮酸素ガスの酸素濃度をセンサ１で測定し、測定信号を酸素濃度制御回路２に送り、酸素濃度制御回路２は酸素濃度の低下がある場合コンプレッサ３のモータ回転数を上げる信号を送る。これによりコンプレッサモータ回転数が上昇し、低下した酸素濃度を補償することができる。
このような酸素濃縮装置を用いて４０℃環境下で３リットル／分（ＬＰＭ）設定で長期運転試験を行った。コンプレッサモータ回転数の上限は１６６６ｒｐｍであり、ｎ＝１０の運転試験結果から平均値＋６σ以下の範囲で判断し、定期的判定を行うための判定周期として１ヶ月で測定した。図２のグラフに示すように、ある運転時間から吸着剤劣化に伴いコンプレッサモータ回転数が上昇し始めた。判定値としては１３２３ｒｐｍであれば、一定酸素濃度を維持でき、酸素濃縮装置をできるだけ長く使用するために好ましいことがわかった。この判定値は初期の安定した回転数（初期値）の１．２倍であった。

同様な試験を、３ＬＰＭより低い設定流量で行い、２．５ＬＰＭで１２２９ｒｐｍで、初期値の１．４倍、２ＬＰＭで１０１２ｒｐｍ、初期値の１．３倍、１ＬＰＭで８９５ｒｐｍ、初期値の１．０３倍、０．５ＬＰＭで８６６ｒｐｍ、初期値の１．０１倍、また０．２５ＬＰＭでも８６６ｒｐｍで初期値の１．０１倍であった。
更に、同様な試験を０℃で行った結果、３ＬＰＭ設定で判定値は１４９７ｒｐｍであった。

本システムのフローチャートを図３に示す。
交換計画作成システムで、判定対象となる所定の稼働時間を超過して交換を指示された酸素濃縮器の機台番号を、酸素濃縮器遠隔監視装置へ送信する。ここで、所定の稼働時間を超過した酸素濃縮器を判定対象とするのは、吸着剤が劣化するまでにある程度時間がかかるため、一律に全ての機台を判定対象としなくても、稼働時間を目安にして選択したほうが、効率が良いからである。一方で、一律に全ての酸素濃縮器を判定対象としてもよく、または別の基準を目安にして判定対象として選択してもよい。酸素濃縮器遠隔監視装置は送信された機台番号のコンプレッサ回転数データを読み出し、判定値と比較して合否判定し、機台番号ごとの合否判定結果を交換計画作成システムへ送信する。交換計画作成システムは、合格した機台番号の交換指示を削除し、不合格の機台番号のみの交換指示を行う。この手順により、コンプレッサ回転数に基づき、吸着剤交換機台を特定することができる。

１ 流量、酸素濃度、圧力センサ
２ 濃度制御回路
３ コンプレッサ
４ 圧力センサ
５ 吸着筒
６ 製品タンク
７ 調圧弁
８ コントロールバルブ

Claims (6)

1. 回転数制御可能なモータを有するコンプレッサと少なくとも１つの窒素選択吸着筒を有し、前記窒素選択吸着筒により窒素が吸着された後の酸素濃度を検出し、検出された酸素濃度が一定となるようにコンプレッサモータ回転数を制御する、複数の流量設定ができる酸素濃縮装置において、
   前記酸素濃縮装置の起動又は流量設定変更をしてから一定時間経過後のコンプレッサモータ回転数が、設定流量ごとに設定された判定値に到達したかを検知し、到達結果によって、前記窒素選択吸着筒の修理又は部品交換の要否を判定することを特徴とする酸素濃縮装置のメンテナンス管理システム。
2. 前記判定値が、最大設定流量の設定時では最大値となるように設定された、請求項１に記載の酸素濃縮装置のメンテナンス管理システム。
3. 前記判定値が、前記コンプレッサモータ回転数の初期値の１倍より大きく、１．５倍より小さい値の範囲に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素濃縮装置のメンテナンス管理システム。
4. 判定周期が１ヶ月以上６ヶ月以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の酸素濃縮装置のメンテナンス管理システム。
5. 特定の設定流量以下では、判定値は設定流量によらず一定としたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の酸素濃縮装置のメンテナンス管理システム。
6. 外気の温度を検知して、外気の温度によって、前記判定値設定を変更することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の酸素濃縮装置のメンテナンス管理システム。