JPWO2009063938A1 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、環境温度及び／又は高濃度酸素ガス流量に問わず、安定して高濃度酸素を患者に提供する装置を提供する。本発明は、酸素濃縮装置の生成した酸素ガス濃度を検知する酸素濃度センサ、環境温度を測定する温度センサ及び／又は流量センサを備え、酸素濃度検出値に基づいて加圧空気供給手段の供給風量を増減させ酸素濃度を所定濃度に維持する制御を実施し、装置の温度センサ測定値及び／又は流量センサ測定値により制御手段を変更することを特徴とする酸素濃縮器である。

Description

本発明は、酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着する吸着剤を使用して原料空気中から窒素ガスを選択的に除去した酸素富化空気を製造して使用者に供給する酸素濃縮装置に関するものである。
近年、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、その最も効果的な治療法の一つとして酸素吸入療法があり、酸素ボンベあるいは空気中から酸素濃縮気体を直接分離する酸素濃縮装置が開発され、酸素吸入療法のための治療装置として使用されている。
酸素濃縮装置としては、窒素ガスを選択的に吸着するゼオライトなどの吸着剤を充填した吸着筒へコンプレッサにより圧縮空気を導入し、空気中の窒素ガスを選択的に除去し、高濃度の酸素ガスを製造する圧力変動吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）型（以下、ＰＳＡ型）の酸素濃縮装置が広く世に広まっている。
このＰＳＡ型酸素濃縮装置は、次に述べるような工程を経て空気中から高濃度の酸素ガスを製造するものである。先ずコンプレッサによって吸着筒内へ加圧した空気を供給し、空気中に含まれる窒素ガスをゼオライトなどの吸着剤によって吸着する。窒素ガスを選択的に吸着除去することによって、空気中の酸素濃度を上げる。このようにして得られた高濃度の酸素ガスは酸素ガスの逆流を防止するために設置された逆止弁を介して酸素ガスを貯蔵するバッファ（製品タンク）へ送られ、ここで貯えられる。
その一方で、吸着筒内を減圧することによって、吸着剤に吸着した窒素ガスを脱着させて吸着剤の吸着能を回復させる。なお、この場合に少量の濃縮酸素ガスを吸着筒内へ供給して、窒素の脱着を促進することも行われている。
このように、ＰＳＡ型酸素濃縮装置を使用すれば、吸着筒の加圧と減圧を繰り返すことによって、空気中から例えば酸素濃度が９５％といった高濃度の酸素富化空気を得ることができる。なお、近年、このようなＰＳＡ方式酸素濃縮装置として、窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤を充填した多数の吸着筒を併設して、これらの吸着筒をロータリーバルブによって順次切り替えることによって、酸素の濃縮効率を高めた多筒式の酸素濃縮装置が使用されるようになっている。
ＰＳＡ型酸素濃縮装置では、得られる酸素濃度がコンプレッサで圧縮する空気の圧力に大きく依存することが分かっている。従って、高濃度の酸素ガスを得るために、吸着筒へ供給する空気の圧力をできるだけ高くするため、それだけコンプレッサの能力を高める必要が生じる。ところが、コンプレッサの加圧空気の供給能力を高めることに伴い、装置の消費電力が上昇するという問題が生じる。
このようなＰＳＡ型の酸素濃縮装置が有する問題を解決するための方策として各種の試みがなされている。特許文献２には、酸素ガスの酸素濃度検出手段の検出値に基づいて、コンプレッサなどの加圧空気供給手段の供給能力を変化させ、一定の酸素濃度に制御することで、装置の低消費電力化を実現するＰＳＡ型酸素濃縮装置が開示されている。
特開２００６−１４１８９６号公報 特開２００７−０００３４０号公報 特開２００２−２５３６７５号公報
吸着剤を利用したＰＳＡ型酸素濃縮装置は、一般的にコンプレッサなどの加圧空気供給手段からの原料空気供給量及び、吸着プロセスのシーケンスが一定の場合、得られる濃縮酸素ガスの酸素濃度は環境（供給空気）温度により変化する。吸着剤の特性により温度が高い場合には、吸着剤の窒素の吸着量が少なくなる為、窒素が破過し、製品酸素濃度が低下する。また温度が低い場合、吸着剤の窒素吸着量は大きくなるが、吸着速度が低下することによる窒素の脱着不足により、製品酸素濃度が低下する。
近年、特許文献１に見られるように、周囲環境温度に基づいて、コンプレッサなどの加圧空気供給手段の能力を変化させることによって、高濃度の酸素を確保する方法が提案されている。しかしながら、このような装置は吸着筒へ導入する空気の圧力をできるだけ高くし、それだけコンプレッサなどの加圧空気供給手段の能力を高める必要が生じる為、装置の高消費電力化などの問題が生じる。
特許文献２では、酸素ガスの酸素濃度検出手段の検出値に基づいて、コンプレッサなどの加圧空気供給手段の供給能力を変化させることで、低消費電力化を実現するＰＳＡ型酸素濃縮装置が記載されている。しかしながら、吸着剤を利用したＰＳＡ型酸素濃縮装置は、環境温度によって吸着特性が異なり、コンプレッサなどの加圧空気供給手段の供給能力を変化させた際の酸素濃度への応答時間・供給能力が異なる。その為、環境温度により制御手段を変更する必要がある。
特に低温環境下では高温に比べ、プロセスとしての安定に時間がかかる為、酸素濃度への応答性が遅く、製品濃度低下が発現するまで時間がかかる。このような装置は低温環境下で運転させた場合、コンプレッサなどの加圧空気供給手段の操作に対する酸素濃度の安定時間、つまり酸素濃度の応答時間が極端に遅く、吸着プロセスが不安定なまま酸素濃度が高い状態が続くことがある。その為、検出された酸素濃度に応じてコンプレッサなどの加圧空気供給手段の能力を、本来必要な原料空気量よりも下げてしまう。その後プロセスが安定した際には、本来必要な空気量よりも、原料空気供給手段の能力を下げている為、酸素濃度が急激に低下し、使用者のＱＯＬを低下させる恐れがある。
また、特許文献３に見られるように、酸素濃度検出手段を備え、検出された酸素濃度に応じてコンプレッサなどの加圧空気供給手段の能力を変化させることにより、生成する製品ガスを一定の酸素濃度に制御する装置が提案されている。このような装置は、酸素濃縮能力が高い新品時に、原料空気供給手段の能力を下げることで消費電力低減を図ったものである。
酸素濃縮装置は、一般的にコンプレッサなどの加圧空気供給手段からの原料空気供給量が一定の場合、得られる濃縮酸素ガスの酸素濃度は製品として取り出す流量によって変化し、製品ガス取り出し流量が多い場合には酸素濃度が低下し、逆に取り出し流量が少ない場合には製品ガスの酸素濃度は上昇する。
酸素濃縮装置を使用する患者は、装置に接続した延長チューブなどを介して、鼻カニューラから酸素を吸入するため、睡眠時などでは、酸素供給用具である鼻カニューラや延長チューブを自身の体で押し潰してしまい、患者が本来吸入すべき酸素流量を吸入できない場合も生じる。
特許文献３に記載の装置では、チューブの潰れなどにより製品流量が低下すると、一時的に酸素濃度が上昇するため、コンプレッサなどの加圧空気供給手段の能力を下げる制御がかかる。この状態でチューブ潰れが復帰し、製品流量が正常に戻ったときには、逆にコンプレッサなどの加圧空気供給手段の能力が足らず、酸素濃度が低下し、本来は不必要な酸素濃度異常警報を発報する恐れがある。
また、特許文献３のような装置に酸素流量の検出用として流量センサを搭載し、流量センサの検出値に基づいて比例バルブなどの流量調整手段を用いて酸素流量を調整する場合には、流量センサが正常に流量を検出できないとき、もしくは流量調整手段による流量調整が正常にできないときには、患者が本来吸入すべき酸素流量よりも酸素供給量が多くなる可能性がある。取り出す酸素流量が多くなると酸素濃度が低下するため、これを補償する為にコンプレッサなどの加圧空気供給手段の能力を上げる制御を行う。製品流量が正常に戻った際には、必要以上に消費電力が高くなり、患者への経済的負担を大きくする恐れがある。
本発明は原料空気供給手段の能力を下げることで消費電力低減を図った酸素濃縮装置において、環境温度及び／又は一定の酸素流量の増減に問わず安定して高濃度酸素を低消費電力で患者に提供する装置を提供するものである。
また、本願発明者らは酸素濃度検出値により原料空気供給手段の供給能力を制御するに加え、酸素流量検出用センサを搭載し、流量検出値があらかじめ設定した設定値を外れた場合には、原料空気供給手段の供給能力の変更を認めない制御を行うことにより、例えばチューブ潰れなどにより酸素流量が低下しても原料空気量が変化しないため、製品流量が正常に復帰した際にも酸素濃度を維持することができることを見出した。
また、前記と同様の制御を行うことにより、例えば流量センサが正常に検出できないときや流量調整手段による流量調整が正常にできず、本来患者が吸入すべき酸素流量よりも酸素流量が多くなっても、原料空気量が変化しないため、製品流量が正常に復帰した際に、加圧空気供給手段の能力を必要以上に高く設定することによる高消費電力化を防ぐことができることを見出した。
このような制御手段をもつ酸素濃縮装置において、予め定められる流量センサ検出値の閾値は、酸素濃縮装置の流量設定手段の設定値により個別に割り当てること、もしくは設定流量によらず割り当てることも可能である。
ただし、一般的に医療用酸素濃縮装置に搭載される流量センサとしては、国際標準規格ＩＳＯ８３５９や日本工業規格ＪＩＳＴ７２０９の記載にあるように、設定流量の±１０％程度の精度が求められるため、予め定められる流量センサ検出値の閾値としては、設定流量±１０％に設定し、＋１０％以上又は-１０％以下の流量検出値において、加圧空気供給手段の能力を変更することを認めないようにすることが望ましい。
また、酸素濃縮装置に使用する酸素濃度センサとしては、ジルコニア式又は超音波式であることが一般的で、同様に流量センサとしては、超音波式又は熱線式であることが一般的である。
すなわち、本発明は、下記である。
（１）酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着床と、該吸着床に加圧空気を供給する加圧空気供給手段を備え、原料空気中の窒素を吸着除去し、未吸着の酸素を生成し、流量設定手段により所定流量で酸素ガスを供給する酸素濃縮装置において、
該酸素濃縮装置の生成した酸素ガス濃度を検知する酸素濃度センサ、及び
環境温度を測定する温度センサを備え、
該酸素濃縮装置は、酸素濃度検出値に基づいて該加圧空気供給手段の供給風量を増減させ酸素濃度を所定濃度に維持する制御を実施し、かつ、該温度センサの検出値が予め定められた閾値を外れた場合、該温度センサの検出値に基づいて該加圧空気供給手段の供給風量の制御を行う温度起因制御手段を備えることを特徴とする圧力変動吸着型の酸素濃縮装置。
（２）該温度起因制御手段は、該酸素濃縮装置の起動中に該温度センサが予め定められた該閾値の温度下限値未満の値を検知した場合、該加圧空気供給手段の供給風量の減少を認めない制御を行う制御手段である、（１）記載の酸素濃縮装置。
（３）該温度起因制御手段は、該酸素濃縮装置の起動中に該温度センサが予め定められた該閾値の温度下限値未満の値を検知し、かつ供給風量が所定の風量より低い場合、該加圧空気供給手段の供給風量の減少を認めない制御を行う制御手段である、（１）記載の酸素濃縮装置。
（４）該温度起因制御手段が、装置起動時に該温度センサが該閾値の温度下限値未満の値を検知した場合、酸素濃度センサの検出値に関わらず該加圧空気供給手段の供給風量を、該酸素濃度の検出値に対応する供給風量よりも高い値で供給する制御を行う手段である、（１）〜（３）のいずれかに記載の酸素濃縮装置。
（５）該温度下限値が５℃であることを特徴とする（２）〜（４）のいずれかに記載の酸素濃縮装置。
（６）酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着床と、該吸着床に加圧空気を供給する加圧空気供給手段を備え、原料空気中の窒素を吸着除去し、未吸着の酸素を生成し、流量設定手段により所定流量で酸素ガスを供給する酸素濃縮装置において、
生成した酸素ガス濃度を検知する酸素濃度センサ、及び
酸素ガス流量を測定する流量センサを備え、
該酸素濃縮装置は、酸素濃度検出値に基づいて該加圧空気供給手段の供給風量を増減させ酸素濃度を所定濃度に維持する制御を行うと共に、該流量センサの検出値が予め定められた範囲を外れた場合、該加圧空気供給手段の供給風量の変更を認めない制御を行う流量起因制御手段を備える酸素濃縮装置。
（７）該流量センサの検出値の閾値が、該流量設定手段の設定値により個別に割り当て、又は設定流量値によらず割り当てられた値である、（６）に記載の酸素濃縮装置。
（８）該流量起因制御手段が、該流量センサの検出値が該流量設定手段設定値の＋１０％以上又は-１０％以下の場合、酸素濃度センサの検出値にかかわらず該加圧空気供給手段の供給風量の変更を認めない制御を行う手段である、（７）に記載の酸素濃縮装置。
（９）該流量センサが、超音波式又は熱線式流量センサである、（６）〜（８）のいずれかに記載の酸素濃縮装置。
（１０）酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着床と、該吸着床に加圧空気を供給する加圧空気供給手段を備え、原料空気中の窒素を吸着除去し、未吸着の酸素を生成し、流量設定手段により所定流量で酸素ガスを供給する酸素濃縮装置において、
該酸素濃縮装置の生成した酸素ガス濃度を検知する酸素濃度センサ、
環境温度を測定する温度センサ、及び
酸素ガス流量を測定する流量センサを備え、
該酸素濃縮装置が、酸素濃度検出値に基づいて該加圧空気供給手段の供給風量を増減させ酸素濃度を所定濃度に維持する制御を実施し、かつ、該温度センサの検出値が予め定められた閾値を外れた場合、該温度センサの検出値に基づいて該加圧空気供給手段の供給風量の制御を行う温度起因制御、及び、該流量センサの検出値が予め定められた範囲を外れた場合、該加圧空気供給手段の供給風量の変更を認めない流量起因制御を行う制御手段を備える酸素濃縮装置。
（１１）該制御手段が、該酸素濃縮装置の起動中に該温度センサが予め定められた該閾値の温度下限値未満の値を検知し、かつ供給風量が所定の風量より低い場合、該加圧空気供給手段の供給風量の減少を認めない制御を行う制御手段である、（１０）記載の酸素濃縮装置。
（１２）該制御手段が、装置起動時に該温度センサが該閾値の温度下限値未満の値を検知した場合、酸素濃度センサの検出値に関わらず該加圧空気供給手段の供給風量を、該酸素濃度の検出値に対応する供給風量よりも高い値で供給する制御を行う手段である、（１０）又は（１１）に記載の酸素濃縮装置。
（１３）該酸素濃度センサがジルコニア式又は超音波式の酸素濃度センサである、（１）〜（１２）のいずれかに記載の酸素濃縮装置。
本発明は、酸素ガス濃度を検知する酸素濃度センサの検出値に基づいて加圧空気供給手段の供給風量を増減させ、所定濃度に維持する制御を行う酸素濃縮装置において、ガス温度（環境温度）を測定する温度センサを備え、温度検出値により、加圧空気供給手段の供給量の減少を認めないこと、また起動時に酸素濃度検出値に対応する供給風量よりも高い値で供給することで、低温時における供給風量の過減少を防止し、環境温度に問わず患者に安定し高濃度酸素を提供することができる。
また本発明は、酸素ガス濃度を検知する酸素濃度センサの検出値に基づいて加圧空気供給手段の供給風量を増減させ、所定濃度に維持する制御を行う酸素濃縮装置において、酸素ガス流量を測定する流量センサを備え、流量検出値により加圧空気供給手段の供給量の増減を認めない制御を行うことにより、チューブ潰れや流量センサや流量調整手段が正常に機能しない場合においても、酸素濃度の低下や必要以上の消費電力上昇を防止することができる。
本発明の酸素濃縮装置の概略構成図。 本発明の制御概略説明図。 本発明の別の態様である酸素濃縮装置の概略構成図。
図面の符号
１．酸素濃縮装置
３．使用者（患者）
１０１．外部空気取入フィルタ
１０３．コンプレッサ
１０４．切り替え弁
１０５．吸着筒
１０６．均圧弁
１０７．逆止弁
１０８．製品タンク
１０９．調圧弁
１１０．流量設定手段
１１１．フィルタ
３０１．酸素濃度センサ
３０２．流量センサ
３０３．温度センサ
４０１．制御手段
４０２．記録手段
本発明の実施態様例である酸素濃縮装置を、図面を用いて説明する。なお、本発明は、これらの実施態様によって、いかなる意味においても制限するものではない。
図１は本発明の一実施形態であるＰＳＡ型酸素濃縮装置を例示した概略装置構成図である。この図１において、１は酸素濃縮装置、３は加湿された酸素富化空気を吸入する使用者（患者）を示す。ＰＳＡ型酸素濃縮装置１は、外部空気取入フィルタ１０１、加圧空気供給手段であるコンプレッサ１０３、切り替え弁１０４、吸着筒１０５、均圧弁１０６、逆止弁１０７、製品タンク１０８、調圧弁１０９、流量設定手段１１０、及びフィルタ１１１を備える。これにより外部から取り込んだ原料空気から酸素ガスを濃縮した酸素富化空気を製造することができる。
先ず、外部から取り込まれる原料空気は、塵埃などの異物を取り除くための外部空気取入フィルタ１０１などを備えた空気取入口から取り込まれる。このとき、通常の空気中には、約２１％の酸素ガス、約７７％の窒素ガス、０．８％のアルゴンガス、水蒸気ほかのガスが１．２％含まれている。かかる装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素ガスのみを濃縮して取り出す。
この酸素ガスの取り出しは、原料空気を酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着するゼオライトなどからなる吸着剤が充填された吸着筒１０５に対して、切り替え弁１０４によって対象とする吸着筒１０５を順次切り替えながら、原料空気をコンプレッサ１０３により加圧して供給し、吸着筒１０５内で原料空気中に含まれる約７７％の窒素ガスを選択的に吸着除去する。
前記の吸着筒１０５としては、前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成され、通常、１筒式、２筒式の他に３筒以上の多筒式が用いられるが、連続的かつ効率的に原料空気から酸素富化空気を製造するためには、多筒式の吸着筒１０５を使用することが好ましい。また、前記のコンプレッサ１０３としては、揺動型空気圧縮機が用いられるほか、スクリュー式、ロータリー式、スクロール式などの回転型空気圧縮機が用いられる場合もある。また、このコンプレッサ１０３を駆動する電動機の電源は、交流であっても直流であってもよい。
前記吸着筒１０５で吸着されなかった酸素ガスを主成分とする酸素富化空気は、吸着筒１０５へ逆流しないように設けられた逆止弁１０７を介して、製品タンク１０８に流入する。
なお、吸着筒１０５内に充填された吸着剤に吸着された窒素ガスは、新たに導入される原料空気から再度窒素ガスを吸着するために吸着剤から脱着させる必要がある。このために、コンプレッサ１０３によって実現される加圧状態から、切り替え弁１０４によって減圧状態（例えば大気圧状態又は負圧状態）に切り替え、吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着剤を再生させる。この脱着工程において、その脱着効率を高めるため、吸着工程中の吸着筒の製品端側から均圧弁１０６を介して酸素富化空気をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。
原料空気から酸素富化空気が製造され、製品タンク１０８へ蓄えられる。この製品タンク１０８に蓄えられた酸素富化空気は、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、調圧弁１０９や流量設定手段１１０などによってその供給流量と圧力とが制御されながら、加湿器２０１へ供給され、加湿された酸素富化空気が患者に供給される。かかる流量設定手段１１０には、オリフィス式の流量設定器の他、コントロールバルブ（ＣＶ）等の流量制御弁を用いることができる。
酸素富化空気の供給流量を設定する流量設定手段１１０の設定値や、酸素濃度センサ３０１の濃度値、流量センサ３０２の実酸素流量値を検知し、検知結果をメモリなどの記録手段４０２に記憶することで運転状態を監視すると共に、検知結果に基づいて酸素生成量を調節する為、制御手段４０１によりコンプレッサ１０３のモータ回転数を制御し原料空気の供給量を制御し、更に切り替え弁１０４を制御し吸脱着の切り替えタイミングを制御する。酸素濃度センサとしてはジルコニア式酸素センサや超音波式酸素センサを用いることができる。流量センサとしては、熱線式マスフローメータや超音波式流量センサを用いることができる。超音波式センサは、酸素濃度及び酸素流量を一つのセンサで測定が可能となり、小型化、部品点数削減の点から好ましい。
本発明は、酸素ガス濃度を検知する酸素濃度センサの検出値に基づいて加圧空気供給手段の供給風量を増減させ、所定濃度に維持する制御を行うとともに、該装置の温度を測定する温度センサ３０３を備え、温度センサ測定値により制御手段を変更する。本明細書では、温度センサ測定値によって行う制御を行う制御手段を温度起因制御手段とも呼ぶ。
該温度センサ検知値が予め定められた温度下限値（閾値）未満の値を検知した場合、該加圧空気供給手段の供給風量の減少を認めない制御を行い、また装置起動時に該温度センサが該温度下限値未満の値を検知した場合、酸素濃度センサの検出値に関わらず該加圧空気供給手段の供給風量を、該酸素濃度の検出値に対応する供給風量よりも高い値で供給する制御を行うことにより、製品酸素濃度が所定濃度未満となることを防止する。
すなわち、温度センサ検知値が予め定められた温度下限値未満の値を検知した場合、コンプレッサなどの加圧空気供給手段の供給風量を減少させる制御は行わない。このとき、温度下限値未満の値を検知することに加えて、さらに供給風量が所定の風量より低い場合に、該加圧空気供給手段の供給風量の減少を認めない制御を行えば、より精度の高い制御となって好ましい。供給風量が所定の風量より低い場合とは、供給風量が予め定められた温度下限値未満の環境で酸素濃度が所定濃度確保できないときの供給風量より低い場合である。すなわち、所定の風量とは、図２の点線で、予め定められた温度下限値（図２では５℃）未満の環境で酸素濃度を所定濃度確保できる最低供給風量である。
具体的には、図２のＢの領域が、温度下限値未満の値を検知し、かつ供給風量が所定の風量より低い場合である。図２は本発明の温度による制御を説明した図である。図２において、所定の風量は、温度下限値未満での起動時の供給風量と同じ風量に設定している。所定の風量は、予め定められた温度下限値や所定の酸素濃度によって異なるが、例えば、温度下限値以上の起動時の供給風量の１．０５〜１．２倍である。なお、温度センサ検知値が予め定められた温度下限値未満の値を検知し、かつ供給風量が所定の風量より高い場合には、コンプレッサなどの加圧空気供給手段の供給風量を減少させる制御は行う。具体的には、図２の温度下限値未満であるＡの領域である。Ａの領域とは、図２における斜線が引いてある領域である。
また、装置起動時に温度センサが予め定められた温度下限値未満の値を検知した場合、加圧空気供給手段としてコンプレッサを用いる酸素濃縮装置では、コンプレッサのピストンリングが硬化しているため、あらかじめ供給風量を多くしピストンリングの軟化を促進させることが効果的である。したがって、装置起動時に温度センサが予め定められた温度下限値未満の値を検知した場合、コンプレッサなどの加圧空気供給手段の供給風量を増加させて、濃度検出値に対する供給風量よりも高い値で供給する制御を行う。この供給風量の高い値は、各設定流量（処方流量）によって異なるが、例えば、温度下限値以上の供給量の１．０５〜１．２倍であり、予め設定しておくことができる。
本発明の酸素濃度センサの検出値に基づいて加圧空気供給手段の供給風量を増減させる制御としては、酸素濃度の目標値に対して、検出値との偏差に比例して入力値を操作するＰ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）制御や、偏差の積分値に比例して入力値を操作するＩ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御、それらを組み合せたＰＩ制御などの制御方式を好適に用いることができる。
また、酸素濃縮装置の場合、加圧空気供給手段の操作に対する安定時間、つまり酸素濃度の応答時間としては５〜１０分を設けることが望ましく、本発明では、５〜１０分の安定時間ごとに酸素濃度検出値によって、加圧空気供給手段の供給風量の増減を判断する。
低温では吸着剤の吸脱着速度が遅くなり、脱着工程での窒素脱着量が少なくなるため、徐々に吸着状態の窒素が多くなる。このため加圧空気供給手段の供給風量の増減制御、特に供給風量の減少制御による酸素濃度低下の応答が遅くなる。
酸素濃度の応答時間が遅いと、制御がオーバーシュートする可能性がある。また、吸着剤を使用する酸素濃縮装置では、吸着剤の特性は温度によって異なり、環境温度が低温かつ供給風量を減少させるときに、供給風量に対する酸素濃度の応答時間が遅いことを確認している。
供給風量に対する酸素濃度の応答時間が制御をオーバーシュートさせるほど遅くなる温度は、吸着プロセス、吸着剤量によって異なる。本発明の場合、５℃環境下において、上記制御がオーバーシュートして酸素濃度の顕著な低下が認められない、つまり供給空気量に対応する酸素濃度の応答性が充分であることを確認している。その為、酸素濃度検出値によって加圧空気供給手段の供給風量を減少させる制御の温度下限値は５℃以上であれば良い。本発明では加圧空気供給手段の供給風量を減少させる制御の温度下限値を５℃とする。
起動中に５℃未満の温度を検知し、かつ供給風量が所定の風量より低い場合には、酸素濃度が所定値より高くても酸素濃度の検出値に基づく加圧空気供給手段の供給風量を減少させる制御を止める。一方、酸素濃度が所定値よりも低い場合には酸素濃度の検出値に基づく加圧空気供給手段の供給風量を増加させる制御は維持する。５℃未満の値を維持している場合はこの制御を行うと共に、温度センサの検出値が５℃を超えた場合には、通常の酸素濃度の検出値に基づく加圧空気供給手段の供給風量の制御に切り替える。
酸素濃縮装置を起動させた際、環境温度センサが５℃未満を検出している場合、空気供給手段の供給風量は、本発明の動作保証温度下限である環境温度−５℃において所定の製品濃度を確保できる風量を供給すると共に、温度センサが５℃未満を検出している限り、該供給空気量より高い値で供給する制御を実施することで、上記制御のオーバーシュートによる濃度低下を防止している。
また、その後温度センサが５℃以上を検知した場合は、上記制御のオーバーシュートの懸念はなくなる為、該酸素濃度に対応する供給風量まで空気供給手段の供給風量の減少を認める制御を実施することで、装置を低消費電力化する。
また、起動時温度センサが５℃以上を検知し、その後５℃未満を検知し、かつ供給風量が所定の風量より低い場合は、温度センサが５℃未満を検知した際の供給風量から減少を認めない制御を行う。
本発明の別の態様では、酸素ガス濃度を検知する酸素濃度センサの検出値に基づいて加圧空気供給手段の供給風量を増減させ、所定濃度に維持する制御を行うとともに、酸素ガス供給流量を測定する流量センサを備え、流量検出値により設定流量を基準として定められた流量範囲を外れた場合には、加圧空気供給手段の供給量の増減を認めない制御を行う酸素濃縮装置である。この場合、温度センサは必須ではないので、図１から温度センサを除いた実施形態を図３に示す。本明細書では、流量検出値によって行う制御を行う制御手段を流量起因制御手段とも呼ぶ。
酸素濃度センサの検出値に基づいて加圧空気供給手段の供給風量を増減させる制御としては、酸素濃度の目標値に対して、検出値との偏差に比例して入力値を操作するＰ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）制御や、偏差の積分値に比例して入力値を操作するＩ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御、それらを組み合せたＰＩ制御などの制御方式を好適に用いることができる。
本発明では、５〜１０分の安定時間毎に加圧空気供給手段の制御判断を行うことが効率的であるが、特に睡眠時など、チューブの潰れなどによって長時間に渡って酸素流量が低下することにより、酸素濃度が上昇し加圧空気供給手段の供給能力を低下させてしまう場合には、５〜１０分周期で加圧空気供給手段の能力を減少させてしまうと、加圧空気供給手段の供給能力を必要以上に低下させてしまう恐れがあり、酸素流量が正常に戻っても、正常な酸素流量において必要な加圧空気供給手段の能力に戻すまでの時間内に、本来、装置は故障していないにも関わらず酸素濃度警報が発報する可能性がある。
従って、本発明では５〜１０分の安定時間ごとに酸素濃度の検出だけでなく、酸素ガス流量検出値によって、加圧空気供給手段の供給風量の増減可否を判断することで、酸素流量が低下もしくは増加することで酸素濃度が上昇もしくは低下しても、装置は正常なのに不必要な酸素濃度警報を発報させるようなことが無くなり、また、加圧空気供給手段の能力を増加させることによる不必要な消費電力上昇を抑えることができる。
また、酸素濃縮装置に求められる流量センサ精度を考慮した場合、設定流量の±１０％を外れている状態は酸素流量としては異常な状態である可能性が高く、本発明においては、装置が正常状態に復帰した際に所望の酸素濃度及び酸素流量を速やかに実現することを可能にする。
また、本発明の別の態様として、酸素ガス濃度を検知する酸素濃度センサの検出値に基づいて加圧空気供給手段の供給風量を増減させ、所定濃度に維持する制御を行うとともに、該装置の温度を測定する温度センサを備え、温度センサ測定値により制御手段を変更し、かつ、酸素ガス供給流量を測定する流量センサを備え、流量検出値により加圧空気供給手段の供給量の増減を認めない制御を行う酸素濃縮装置がある。
酸素濃縮装置としては、酸素濃度センサ、流量センサ、及び温度センサを有する、図１と同様のものが例として該当する。
すなわち、温度センサ検知値が予め定められた温度下限値未満の値を検知し、好ましくは、さらに加圧空気供給手段の供給風量が所定の供給風量より低い場合、又は、酸素ガス供給流量が設定流量を基準として定められた流量範囲を外れた場合には、加圧空気供給手段の供給風量の減少を認めない制御を行い、かつ、酸素ガス供給流量が設定流量を基準として定められた流量範囲を外れた場合には加圧空気供給手段の供給風量の増加を認めない制御を行い、さらに、装置起動時に温度下限値未満の値を検知し、酸素濃度の検出値に対応する供給風量よりも高い値で供給風量を供給する制御を行う。
この態様は、上述した温度による制御と流量による制御を合わせたものであって、重複する説明は省略する。例えば、温度下限値を５℃に設定すること、流量センサの検出値の閾値を、該流量設定手段の設定値により個別に割り当て、又は設定流量値によらず割り当てられた値にすること、流量センサの検出値が流量設定手段設定値の＋１０％以上又は-１０％以下の場合、酸素濃度センサの検出値にかかわらず該加圧空気供給手段の供給風量の変更を認めない制御を行うこと、などは上述の態様と同様である。
本発明によって、所望の酸素濃度を安定して提供することができる。

Claims (13)

  1. 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着床と、該吸着床に加圧空気を供給する加圧空気供給手段を備え、原料空気中の窒素を吸着除去し、未吸着の酸素を生成し、流量設定手段により所定流量で酸素ガスを供給する酸素濃縮装置において、
    該酸素濃縮装置の生成した酸素ガス濃度を検知する酸素濃度センサ、及び
    環境温度を測定する温度センサを備え、
    該酸素濃縮装置は、酸素濃度検出値に基づいて該加圧空気供給手段の供給風量を増減させ酸素濃度を所定濃度に維持する制御を実施し、かつ、該温度センサの検出値が予め定められた閾値を外れた場合、該温度センサの検出値に基づいて該加圧空気供給手段の供給風量の制御を行う温度起因制御手段を備えることを特徴とする圧力変動吸着型の酸素濃縮装置。
  2. 該温度起因制御手段は、該酸素濃縮装置の起動中に該温度センサが予め定められた該閾値の温度下限値未満の値を検知した場合、該加圧空気供給手段の供給風量の減少を認めない制御を行う制御手段である、請求項１に記載の酸素濃縮装置。
  3. 該温度起因制御手段は、該酸素濃縮装置の起動中に該温度センサが予め定められた該閾値の温度下限値未満の値を検知し、かつ供給風量が所定の風量より低い場合、該加圧空気供給手段の供給風量の減少を認めない制御を行う制御手段である、請求項１に記載の酸素濃縮装置。
  4. 該温度起因制御手段が、装置起動時に該温度センサが該閾値の温度下限値未満の値を検知した場合、酸素濃度センサの検出値に関わらず該加圧空気供給手段の供給風量を、該酸素濃度の検出値に対応する供給風量よりも高い値で供給する制御を行う手段である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
  5. 該温度下限値が５℃であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
  6. 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着床と、該吸着床に加圧空気を供給する加圧空気供給手段を備え、原料空気中の窒素を吸着除去し、未吸着の酸素を生成し、流量設定手段により所定流量で酸素ガスを供給する酸素濃縮装置において、
    生成した酸素ガス濃度を検知する酸素濃度センサ、及び
    酸素ガス流量を測定する流量センサを備え、
    該酸素濃縮装置は、酸素濃度検出値に基づいて該加圧空気供給手段の供給風量を増減させ酸素濃度を所定濃度に維持する制御を行うと共に、該流量センサの検出値が予め定められた範囲を外れた場合、該加圧空気供給手段の供給風量の変更を認めない制御を行う流量起因制御手段を備える酸素濃縮装置。
  7. 該流量センサの検出値の閾値が、該流量設定手段の設定値により個別に割り当て、又は設定流量値によらず割り当てられた値である、請求項６に記載の酸素濃縮装置。
  8. 該流量起因制御手段が、該流量センサの検出値が該流量設定手段設定値の＋１０％以上又は-１０％以下の場合、酸素濃度センサの検出値にかかわらず該加圧空気供給手段の供給風量の変更を認めない制御を行う手段である、請求項７に記載の酸素濃縮装置。
  9. 該流量センサが、超音波式又は熱線式流量センサである、請求項６〜８のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
  10. 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着床と、該吸着床に加圧空気を供給する加圧空気供給手段を備え、原料空気中の窒素を吸着除去し、未吸着の酸素を生成し、流量設定手段により所定流量で酸素ガスを供給する酸素濃縮装置において、
    該酸素濃縮装置の生成した酸素ガス濃度を検知する酸素濃度センサ、
    環境温度を測定する温度センサ、及び
    酸素ガス流量を測定する流量センサを備え、
    該酸素濃縮装置が、酸素濃度検出値に基づいて該加圧空気供給手段の供給風量を増減させ酸素濃度を所定濃度に維持する制御を実施し、かつ、該温度センサの検出値が予め定められた閾値を外れた場合、該温度センサの検出値に基づいて該加圧空気供給手段の供給風量の制御を行う温度起因制御、及び、該流量センサの検出値が予め定められた範囲を外れた場合、該加圧空気供給手段の供給風量の変更を認めない流量起因制御を行う制御手段を備える酸素濃縮装置。
  11. 該制御手段が、該酸素濃縮装置の起動中に該温度センサが予め定められた該閾値の温度下限値未満の値を検知し、かつ供給風量が所定の風量より低い場合、該加圧空気供給手段の供給風量の減少を認めない制御を行う制御手段である、請求項１０に記載の酸素濃縮装置。
  12. 該制御手段が、装置起動時に該温度センサが該閾値の温度下限値未満の値を検知した場合、酸素濃度センサの検出値に関わらず該加圧空気供給手段の供給風量を、該酸素濃度の検出値に対応する供給風量よりも高い値で供給する制御を行う手段である、請求項１０又は１１に記載の酸素濃縮装置。
  13. 該酸素濃度センサがジルコニア式又は超音波式の酸素濃度センサである、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
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