JP6927927B2 - 酸素供給装置 - Google Patents

Description

本開示は酸素供給装置に関する。さらに詳しくは、空気中の酸素濃度よりも高濃度の酸素を生成して供給する酸素供給装置に関する。

空気中の酸素濃度よりも高濃度の酸素を生成して、これをユーザーに供給する種々の酸素供給装置が知られている。これらの装置は、例えば肺に疾患を有し当該肺の機能が低下している患者が行っている在宅酸素療法に使用されるほか、居住環境を向上させるために居室の酸素濃度を上昇させるために使用されている。

近年、これらの酸素供給装置に対し、大型化ないし大容量化が求められるようになっている。大容量化の要求に対し、装置を構成するポンプや吸着筒等を大型化して装置全体をスケールアップすることが考えられるが、大型のポンプや吸着筒の開発には多大な工数が必要になるという問題や、大型ポンプ等の稼働により運転音や排気音が大きくなるという問題がある。

そこで、複数の酸素供給装置を同時に運転し、各酸素供給装置から得られる高濃度酸素を合わせてユーザーに供給することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の酸素供給装置では、複数の酸素濃縮器で生成した酸素ガスを酸素導入ポートで合体させ、酸素出口よりカニューラ等の供給手段に供給している。

特開２００５−４６５６６号公報

特許文献１記載の装置では、従来の酸素濃縮器を個別に運転し、各酸素濃縮器から得られる酸素を同時に合わせてユーザーに供給するため、前述した大型化のための開発費用は不要となるが、高濃度酸素生成のための部品又は要素が各酸素濃縮器に必要であり、共有化可能な部品等も各酸素濃縮器に独立して存在していることから、コスト高になるという問題がある。

本開示は、簡単な構成で大容量化を図ることができる酸素供給装置を提供することを目的としている。

本開示の酸素供給装置は、
（１）空気中の酸素濃度よりも高濃度の酸素を生成して供給する酸素供給装置であって、
それぞれが高濃度の酸素を生成する複数の酸素濃縮部と、
当該複数の酸素濃縮部の作動を制御する１つの制御部と
を備えており、
前記制御部は、既設の酸素濃縮部の取り外し時及び新規の酸素濃縮部の追加時に、取り外し後又は追加後の、酸素供給装置の酸素濃縮部の作動が可能であるように構成されている。

本開示の酸素供給装置では、酸素を生成する複数の酸素濃縮部の作動を１つの制御部が制御し、この制御部は、既設の酸素濃縮部の取り外し時及び新規の酸素濃縮部の追加時において、取り外し後又は追加後の、酸素供給装置が備える酸素濃縮部の作動が可能であるように構成されている。すなわち、本開示の酸素供給装置では、電磁弁等の開閉タイミングの制御や運転状態の表示等を行う制御部に含まれる記憶部に適宜の数（例えば、２〜５つ）の酸素濃縮部を作動させることができるプログラムが予め格納されており、酸素供給装置に含まれる酸素濃縮部の数を設定することで、設定した数の酸素濃縮部の作動を当該制御部で制御することができる。これにより、少なくとも制御部を共通化した簡単な構成で装置の大容量化を図ることができ、その結果、低コストを図ることができる。
また、本開示の酸素供給装置では、必要とされる酸素流量に応じて、酸素濃縮部を追加したり取り外したりすることができるので、例えば、装置の購入時には小容量でも問題なかったが、後に容量を大きくしたくなった場合に、必要な容量分の酸素濃縮部を装置に追加することができる。また、不要になった場合は、酸素濃縮部を取り外して必要台数の酸素濃縮部を稼働させることで、省エネを図ることができる。一部の酸素濃縮部が故障した場合、当該故障した酸素濃縮部だけを新しいものと交換することができる。この場合、交換完了までの間、一部が故障していても、酸素流量は低下するものの残りの酸素濃縮部だけを運転させることができる。

（２）前記（１）の酸素供給装置において、前記制御部は、前記複数の酸素濃縮部の運転サイクルを互いにずらして作動させるものとすることが望ましい。この場合、複数の酸素濃縮部の吸着筒内が最大圧（最低圧）となるタイミングを互いにずらすことで、当該吸着筒内を最大圧にするために必要なポンプの電力値（電流×電圧）になるタイミングをずらすことができる。これにより、装置の消費電力の変動を小さくすることができ、最大の消費電力に対応できるように選定する必要がある電気回路を小容量化することができる。また、酸素供給装置に電力を供給する電源に余裕がない場合、消費電力の大きな変動は当該電源に接続されている他の電気機器への電力供給に影響を与えることになるが、本開示の酸素供給装置では、消費電力の変動を小さくすることができるので、装置外部に与える電力変動の影響を小さくすることができる。

（３）前記（２）の酸素供給装置において、前記複数の酸素濃縮部のそれぞれから排出される廃棄ガスが合流する排気部を有することが望ましい。複数の酸素濃縮部の運転サイクルを互いにずらして作動させることから、吸着筒からの廃棄ガスを装置外に排出するタイミングもすらすことができるので、装置からの廃棄ガスの瞬間最大排出量を小さくすることができる。その結果、例えば排気部における配管径を、複数台の酸素濃縮部から同時に廃棄ガスが排出される場合に比べて小さくすることができる。また、ガスの排出時には排気音が発生するが、この排気音も同時に排出される場合に比べて小さくすることができる。

本開示の酸素供給装置の一実施形態のブロック図である。 図１に示される制御部Ｃのブロック図である。 １つの酸素濃縮部における吸着筒の圧力と装置の消費電力との関係を示す図である。 ２つの酸素濃縮部を備えた本開示の酸素供給装置、及び、当該酸素濃縮部の２倍の容量を有する酸素濃縮部を備えた参照例に係る酸素供給装置の消費電力を示す図である。 本開示の酸素供給装置の他の実施形態のブロック図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本開示の酸素供給装置を詳細に説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、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及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。

〔第１実施形態〕
図１は、本開示の一実施形態（第１実施形態）に係る酸素供給装置１のブロック図である。酸素供給装置１は、空気中の酸素濃度よりも高濃度の酸素を生成して供給する装置であり、例えば呼吸器疾患患者等に対して高濃度酸素を提供する在宅酸素療法において用いられる。酸素供給装置１は、それぞれが高濃度の酸素を生成する複数（本実施形態では２つ）の酸素濃縮部Ａ，Ｂと、１つの制御部Ｃとを備えている。

酸素濃縮部Ａと酸素濃縮部Ｂは同じ構成である。したがって、同じ要素ないし構成には、同じ参照符号を付して説明する。
酸素濃縮部Ａ及び酸素濃縮部Ｂは、それぞれ、外部から吸い込んだ空気を圧縮するコンプレッサ２と、当該コンプレッサ２から供給される圧縮空気中の窒素を吸着する吸着剤が収容された第１吸着筒３ａ及び第２吸着筒３ｂと、当該第１吸着筒３ａ及び第２吸着筒３ｂで生成された高濃度の酸素を収容する酸素タンク４とを備えている。また、酸素濃縮部Ａ及び酸素濃縮部Ｂは、それぞれ、圧縮空気等の流体の流量又は流れを制御するための種々弁、すなわち制御弁５ａ，５ｂ，パージ弁６、チェック弁７ａ，７ｂ、プロダクト弁８、減圧弁９，及び流量調節弁１０を備えている。

本実施形態の酸素濃縮部Ａ，Ｂは、一方の吸着筒にコンプレッサ２で圧縮された空気が供給されている間に、他方の吸着筒が大気開放されることで減圧されるＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）タイプの酸素濃縮部であるが、大気開放により吸着筒を減圧するのではなく、吸着筒を真空ポンプによって吸引することで減圧するＶＰＳＡ（Ｖａｃｕｕｍ Ｐｒｅｓｓｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）タイプの酸素濃縮部を採用することもできる。

制御弁５ａ、５ｂは、３ポート弁であり、コンプレッサ２から吐出された圧縮空気を第１吸着筒３ａ（第２吸着筒３ｂ）に供給する加圧状態と、大気に開放して当該第１吸着筒３ａ（第２吸着筒３ｂ）内の空気を外部に排出する減圧状態とを切り換える。一方の吸着筒が加圧状態にあるときは、他方の吸着筒は減圧状態にある。

チェック弁７ａは第１吸着筒３ａの下流側のガス流路に配設され、チェック弁７ｂは第２吸着筒３ｂの下流側のガス流路に配設されている。両チェック弁７ａ、７ｂは、第１吸着筒３ａ及び第２吸着筒３ｂから排出される酸素濃縮ガスが下流側に向かってだけ流れるように構成されている。パージ弁６は、第１吸着筒３ａとチェック弁７ａとの間のガス流路と、第２吸着筒３ｂとチェック弁７ｂとの間の流路とを接続する流路に配設されている。

チェック弁７ａからの酸素濃縮ガスと、チェック弁７ｂからの酸素濃縮ガスとが交互にプロダクト弁８を経由して酸素タンク４に供給され、当該酸素タンク４に貯留される。酸素タンク４の下流側には、当該酸素タンク４からの酸素濃縮ガスを減圧する減圧弁９と、酸素濃縮ガスの流量を調節する流量調節弁１０が配設されており、当該流量調節弁１０で流量調節された酸素濃縮ガスは酸素濃縮部Ａ，Ｂの取出口（図示せず）から供給される。

パージ弁６は、一方の吸着筒内のガスを外部に排出する際に開状態にされ、他方の吸着筒の空気を当該パージ弁６を介して当該一方の吸着筒に移動させることで効率よく前記一方の吸着筒内のガスを排出するために配設されている。酸素濃縮部Ａから排出される廃棄ガスと、酸素濃縮部Ｂから排出される廃棄ガスとは、排気部１１で合流して外部に排出される。排気部１１は、酸素濃縮部Ａからの廃棄ガスの配管と酸素濃縮部Ｂからの廃棄ガスの配管が合流する合流管の形状を呈している。

制御部Ｃは、制御回路２０と、表示回路３０とを備えている。制御回路２０は、図２に示されるように、駆動制御部２１及び記憶部２２を有している。駆動制御部２１は、コンプレッサ２、制御弁５ａ、５ｂ、パージ弁６、プロダクト弁８、減圧弁９、及び流量調節弁１０を制御する。記憶部２２には、酸素供給装置１を作動させるためのプログラムが予め格納されている。

表示回路３０は、酸素供給装置１の作動状態や酸素流量などの情報を、当該酸素供給装置１の液晶画面等で構成される表示部（図示せず）に表示する。

制御部Ｃの記憶部２２には、適宜の台数（例えば、２〜５台）の酸素濃縮部を作動させることができるプログラムが予め格納されている。したがって、酸素供給装置１に含まれる酸素濃縮部の数（本実施形態では２つ）を設定することで、設定した数の酸素濃縮部の作動を当該制御部Ｃの駆動制御部２１で制御することができる。

また、本実施形態の酸素供給装置１では、２つの酸素濃縮部Ａ，Ｂが配設されているが、必要とされる酸素流量に応じて、酸素濃縮部を追加したり取り外したりすることができる。このため、例えば、装置の購入時には小容量でも問題なかったが、後に容量を大きくしたくなった場合に、必要な容量分の酸素濃縮部を装置に追加することができる。また、不要になった場合は、酸素濃縮部を取り外して必要台数の酸素濃縮部を稼働させることで、省エネを図ることができる。一部の酸素濃縮部が故障した場合、当該故障した酸素濃縮部だけを新しいものと交換することができる。この場合、交換完了までの間、一部が故障していても、酸素流量は低下するものの残りの酸素濃縮部だけを運転させることができる。

本実施形態では、２つの酸素濃縮部を同じ運転サイクルで作動させるのではなく、当該運転サイクルを互いにずらして作動させている。具体的には、２つの酸素濃縮部Ａ，Ｂの吸着筒内が最大圧（最低圧）になるタイミングをずらしており、これにより当該吸着筒内を最大圧にするために必要なコンプレッサ２の電力値（電流×電圧）が最大になるタイミングをずらしている。

図３は、１つの酸素濃縮部における吸着筒の圧力と装置の消費電力との関係を示す図である。図の下側の部分は、１対の吸着筒の一方の吸着筒内の圧力（ｋＰａ）を示しており、図の上側の部分は当該一対の吸着筒を含む酸素供給装置の消費電力（Ｗ）を示している。
図３において、「ａ」で示される部分は、圧力変化が図示されている一方の吸着筒内の圧力上昇によってコンプレッサ２の負荷が大きくなることに起因する消費電力の上昇を示している。また、「ｂ」で示される部分は、圧力変化が図示されていない他方の吸着筒内の圧力上昇によってコンプレッサ２の負荷が大きくなることに起因する消費電力の上昇を示している。このように、酸素供給装置１の消費電力は、のこ歯状に連続して変動する。

図４は、２つの酸素濃縮部Ａ，Ｂを備えた本実施形態に係る酸素供給装置１、及び、酸素濃縮部Ａ又はＢの２倍の容量を有する酸素濃縮部を備えた参照例に係る酸素供給装置の消費電力を示す図である。図の下側の部分は、図３の下側部分と同じく、１つの酸素濃縮部における１対の吸着筒の一方の吸着筒内の圧力を示している。図の上下方向中央の部分は酸素濃縮部Ａ，Ｂの消費電力を示している。また、図の上側は、本実施形態における２つの酸素濃縮部Ａ，Ｂの各消費電力を加えた全体の消費電力と、酸素濃縮部Ａ又はＢの２倍の容量を有する酸素濃縮部の消費電力を示している。

本実施形態では、酸素濃縮部Ａによる消費電力のピークＰａ（一方の吸着筒の圧力上昇に起因するピーク）と、次のピークＰａ（他方の吸着筒の圧力上昇に起因するピーク）の中間に酸素濃縮部Ｂによる消費電力のピークＰｂが来るように、両酸素濃縮部Ａ，Ｂの運転サイクルを互いにずらしている。これにより、図４の上側に示されるように、単純に酸素濃縮部Ａ又はＢの２倍の容量を有する酸素濃縮部とした場合、すなわち２つの酸素濃縮部Ａ，Ｂを同じ運転サイクルで作動させた場合に比べて、装置全体の消費電力のピーク値、及び変動を小さくすることができる。その結果、最大の消費電力に対応できるように選定する必要がある電気回路を小容量化することができる。また、酸素供給装置１に電力を供給する電源に余裕がない場合、消費電力の大きな変動は当該電源に接続されている他の電気機器への電力供給に影響を与えることになるが、本実施形態に係る酸素供給装置１では、消費電力の変動を小さくすることができるので、装置外部に与える電力変動の影響を小さくすることができる。

また、２つの酸素濃縮部Ａ，Ｂの運転サイクルを互いにずらして作動させることから、吸着筒からの廃棄ガスを装置外に排出するタイミングもすらすことができ、装置からの廃棄ガスの瞬間最大排出量を小さくすることができる。本実施形態では、２つの酸素濃縮部Ａ，Ｂから排出される廃棄ガスを合流する排気部１１を構成する合流管の配管径を、２つの酸素濃縮部から同時に廃棄ガスが排出される場合に比べて小さくすることができる。また、ガスの排出時には排気音が発生するが、この排気音も同時に排出される場合に比べて小さくすることができる。

〔第２実施形態〕
図５は、本開示の第２実施形態に係る酸素供給装置１のブロックを示している。この実施形態は、プロダクト弁８の下流側に配設される酸素タンク４、減圧弁９及び流量調節弁１０が２つの酸素濃縮部Ａ１、Ｂ１で共有されている点において、図１に示される実施形態と異なっている。したがって、両実施形態において共通する要素ないし構成には、同じ参照符号を付し、簡単のため、それらについての説明は省略する。

本実施形態では、制御部Ｃに加えて、前記酸素タンク４等を共有させているので、図１に示される第１実施形態に比べ、装置全体の構成をさらに簡略化して、コストダウンを図ることができる。本実施形態においても、第１実施形態と同様にして、２つの酸素濃縮部の運転サイクルを互いにずらして酸素供給装置１の消費電力のピーク値、及び変動を小さくすることができる。

〔その他の変形例〕
本開示は前述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。
例えば、前述した実施形態では、２つの酸素濃縮部を設けているが、３つ以上の酸素濃縮部を１台の酸素供給装置に設けることもできる。

１ ： 酸素供給装置
２ ： コンプレッサ
３ａ： 第１吸着筒
３ｂ： 第２吸着筒
４ ： 酸素タンク
５ａ： 制御弁
５ｂ： 制御弁
６ ： パージ弁
７ａ： チェック弁
７ｂ： チェック弁
８ ： プロダクト弁
９ ： 減圧弁
１０ ： 流量調節弁
１１ ： 排気部
２０ ： 制御回路
２１ ： 駆動制御部
２２ ： 記憶部
３０ ： 表示回路
Ａ ： 酸素濃縮部
Ｂ ： 酸素濃縮部
Ｃ ： 制御部

Claims (1)

1. 空気中の酸素濃度よりも高濃度の酸素を生成して供給する酸素供給装置（１）であって、
   それぞれが高濃度の酸素を生成し、それぞれが空気を圧縮するコンプレッサ（２）を含む複数の酸素濃縮部（Ａ，Ｂ）と、
   当該複数の酸素濃縮部の作動を制御する１つの制御部（Ｃ）と、
   生成された高濃度の酸素を収容する酸素タンク（４）と、
   前記複数の酸素濃縮部（Ａ，Ｂ）のそれぞれから排出される廃棄ガスが合流する排気部（１１）と、
   を備えており、
   前記制御部（Ｃ）は、既設の酸素濃縮部の取り外し時及び新規の酸素濃縮部の追加時に、取り外し後又は追加後の、酸素供給装置（１）が備える酸素濃縮部（Ａ，Ｂ）の作動が可能であるように構成されており、
   前記制御部（Ｃ）は、前記複数の酸素濃縮部（Ａ，Ｂ）の吸着筒内を最大圧にするために必要な前記コンプレッサ（２）の電力値が最大になるタイミングがずれるように、当該複数の酸素濃縮部（Ａ，Ｂ）の運転サイクルを互いにずらして作動させ、
   前記排気部（１１）は、前記複数の酸素濃縮部（Ａ，Ｂ）から同時に廃棄ガスが排出される場合に必要な配管径よりも、小さい配管径を有する合流管である、酸素供給装置（１）。

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