KR20180116394A - 산소 농축 장치 - Google Patents

Abstract

흡착제의 열화 상태에 따른 최적의 퍼지 시간을 선택함으로써, 매우 짧은 시간 동안에 치료에 적합한 산소 농도까지 회복시키는 제어 수단을 구비한 산소 농축 장치로서 산소 농도 센서의 검출값이 산소 농축 가스의 산소 농도 제어값 이하, 압력 센서의 검출값이 퍼지 시간을 단축하는 제어 전후에 있어서 산소 농도가 유의하게 상승하는 흡착압 이상인 경우에 흡착제의 흡습 열화 판정을 하여, 퍼지 공정의 시간을 설정 시간보다 단축하는 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 산소 농축 장치를 제공한다.

Description

산소 농축 장치

본 발명은, 산소보다 질소를 우선적으로 흡착하는 흡착제를 사용한 압력 변동 흡착형의 산소 농축 장치에 관한 것으로, 특히 만성 호흡기 질환 환자 등에 대하여 실시되는 산소 흡입 요법에 사용하는 의료용 산소 농축 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는 압력과 농도로부터 흡착제의 열화 정도를 판단하여, 열화 정도에 따라 최적의 운전 조건으로 적시에 전환하면서 운전을 실시할 수 있는 산소 농축 장치에 관한 것이다.

최근, 천식, 폐기종증, 만성 기관지염 등의 호흡기계 기관의 질환으로 고생하는 환자가 증가하는 경향이 있고, 그 치료법으로서 가장 효과적인 것의 하나로 산소 흡입 요법이 있다. 이러한 산소 흡입 요법이란, 산소 가스 혹은 산소 농축 가스를 환자에게 흡입시키는 것이다. 그 산소 공급원으로서, 산소 농축 장치, 액체 산소, 산소 봄베 등이 알려져 있지만, 사용시의 편리성이나 보수 관리의 용이함 등의 이유에서 특히 재택 산소 요법의 치료 장치로서 산소 농축 장치가 주류로 사용되고 있다.

산소 농축 장치는, 공기 중에 약 21 ％ 존재하는 산소를 농축시켜 사용자에게 공급하는 장치로, 그것에는 산소를 선택적으로 투과하는 막을 사용한 막식 산소 농축 장치와, 질소 또는 산소를 우선적으로 흡착할 수 있는 흡착제를 사용한 압력 변동 흡착형 산소 농축 장치가 있는데, 90 ％ 이상의 고농도 산소가 얻어지는 점에서 압력 변동 흡착형 산소 농축 장치가 주류를 이루고 있다.

압력 변동 흡착형 산소 농축 장치는, 산소보다 질소를 선택적으로 흡착하는 흡착제로서 5A 형이나 13X 형, Li-X 형 등의 몰레큘러 시브 제올라이트를 충전한 흡착통에, 컴프레서에 의해 압축된 공기를 공급함으로써, 가압 조건하에서 질소를 흡착제에 흡착시키고, 미흡착된 산소 농축 가스를 얻는 흡착 공정과, 상기 흡착통 내의 압력을 대기압 또는 그 이하로 줄여, 흡착제에 흡착된 질소를 탈착시켜 배기하는 탈착 공정, 생성된 산소 농축 가스의 일부를 사용하여 탈착 공정의 흡착통을 퍼지함으로써 흡착제의 재생을 촉진시키는 퍼지 공정을 교대로 반복해서 실시함으로써, 고농도 산소 가스를 연속적으로 생성할 수 있다.

이러한 제올라이트 흡착제는, 질소, 산소와 같은 특정 가스 이외에도, 수분을 매우 잘 흡착하는 성질을 갖기 때문에, 원료 공기 중의 수분을 흡착함으로써 흡착제가 시간 경과에 따라 열화되고, 생성 산소 농도가 서서히 저하되어 가는 문제가 있다. 산소 농축 장치의 운전 중에는, 흡착제에 흡착된 질소를 탈착 배기시킴과 함께 흡착제를 재생하는 탈착 공정에 있어서, 질소와 함께 많은 수분도 동시에 배기되지만, 그래도 약간 남은 수분이 서서히 흡착제에 축적되기 때문에, 일정 기간 경과 후에는 흡착제를 교환하는 것이 일반적이다. 또한 정기 점검시에는, 안정적으로 산소 농축 가스를 생성하고 있음을 확인하고, 이상이 발생한 경우에는 장치 그 자체의 교환이 이루어지고 있다.

산소 농도의 저하 레벨이 허용 범위를 초과한 경우에는, 산소 농도 이상 경보가 발보되어, 환자는 산소 농축 장치의 교환을 벤더에게 요청한다. 장치 교환이 완료될 때까지는, 환자는 일시적으로 자택에 배치되어 있는 산소 봄베로부터 산소를 흡입해야 하므로, 환자의 QOL : 퀄리티·오브·라이프를 적지않이 저해하게 된다.

일본 공개특허공보 2002-253675호 일본 공개특허공보 2000-516854호 일본 공개특허공보 2013-13497호 WO2014/046297호

이와 같은 산소 농축 장치의 사용자의 대부분은 만성 호흡기 질환 환자이기 때문에, 이러한 산소 농축 장치는 장기간에 걸쳐 사용된다. 한편으로, 질환의 중독도 (重篤度) 에 따라 처방 산소 유량이 결정되기 때문에, 경미한 증상이 있는 환자의 경우에는 노동시에만, 혹은 하루 수 시간과 같은 처방으로 산소 흡입이 행해진다. 예를 들어 1 일당 1 시간의 산소 흡입을 행하는 환자의 경우에는, 산소 농축 장치의 사용 시간은 1 년 동안 365 시간이고, 누적 휴지 시간은 8395 시간이 된다. 산소 농축 장치를 이와 같은 간헐 운전으로 구동시킨 경우에는, 장치의 휴지 시간중에 수분이 흡착통에 침입되고, 또한, 간헐 운전을 반복함으로써 발생하는 장치 내의 온도 변화에 의해 흡착통 내에서의 수분 확산이 촉진된다. 그 결과, 급속히 흡착제의 열화가 진행되어, 생성 산소의 농도 저하를 야기시키는 경우가 있다.

이러한 산소 농축 장치에서는, 산소 농도의 저하를 보상하기 위해서, 제품 가스 중의 생성 산소 농도를 산소 농도 센서로 검지하고, 산소 농도가 저하된 경우에는, 컴프레서 풍량을 증대시킴으로써 흡착압을 상승시켜 산소 농도를 보상하는 기술이 알려져 있다 (특허문헌 1). 그러나 흡착제가 열화됨에 따라, 최적의 퍼지 시간은 서서히 짧아진다. 초기에 설정된 퍼지 시간인 상태로 컴프레서의 풍량을 증대시켰다 하더라도, 농도 회복에는 큰 효과는 없고, 또한 흡착압을 상승시킴으로써 전력 절약성도 저해되게 된다.

또한, 산소 농축 장치에 있어서, 산소 센서로 검지한 제품 가스 중의 산소 농도가 저하된 경우에, 그 값에 기초하여 흡탈착의 사이클 타임의 값을 변경하는 등, 피드백 제어함으로써 제품 가스 중의 산소 농도를 유지하는 기술도 알려져 있다 (특허문헌 2, 3). 그러나, 이들 기술은, 산소 농도의 저하로부터 간접적으로 흡착제의 열화를 검지하고 있기 때문에, 최적의 흡탈착의 사이클 타임을 일의로 정하기는 어렵고, 각 공정 시간 등의 파라미터를 최적 상태로 조정하여, 산소 농도가 치료에 적절한 값까지 상승시키는 데에 시간이 걸리다는 과제가 있다.

또한 특허문헌 4 에 나타낸 기술은, 컴프레서의 회전수 제어와 퍼지 시간의 제어를 조합한 것이지만, 퍼지 시간을 변경하는 것은, 컴프레서의 회전수가 제어상의 상한값에 도달한 후이다. 흡착제 열화에 대하여 농도 상승 효과가 높은 퍼지 시간 변경이 실제로 행해질 때까지는 상당한 시간을 필요로 하는 것이 과제로 되어 있다.

따라서 본 발명에서는, 산소 농축 장치에서 운전 중의 흡착 압력과 산소 농도, 환경 온도를 각 센서로 검지하고, 일정 시간마다 흡착 압력과 산소 농도로부터 흡착제의 열화 정도를 복수 단계에서 판정하고, 그 때마다 기억하는 기술을 제공한다. 또한, 열화의 각 단계와 환경 온도 및 설정 유량에 따른 최적의 퍼지 시간 테이블을 미리 설정하고 있어, 열화 정도가 바뀌거나 환경 온도가 임계값을 초과하거나 설정 유량이 변경된 경우에는, 신속히 퍼지 시간을 최적값으로 변경함으로써, 매우 짧은 시간 동안에 치료에 적합한 산소 농도까지 회복시키는 제어를 제공한다.

본 발명은, 이하의 산소 농축 장치를 제공하는 것이다.

1. 산소보다 질소를 선택적으로 흡착하는 흡착제를 충전한 복수의 흡착통과, 그 흡착통에 가압 공기를 공급하는 컴프레서와, 그 컴프레서 및 각 흡착통 사이의 유로를 순차적으로 전환하고, 각 흡착통에 가압 공기를 공급하여 산소 농축 가스를 취출하는 흡착 공정, 각 흡착통을 감압하여 흡착제를 재생하는 탈착 공정, 흡착 공정측 흡착통으로부터의 산소 농축 가스를 탈착 공정측 흡착통에 도입하는 퍼지 공정을 소정 타이밍으로 반복하기 위한 유로 전환 수단과, 산소 농축 가스를 원하는 유량으로 조정하여 공급하는 유량 설정 수단과, 산소 농축 가스 농도를 측정하는 산소 농도 센서, 그 흡착통의 압력을 검지하는 압력 센서, 그 컴프레서, 그 유로 전환 수단의 동작을 제어하는 제어 수단을 구비한 압력 변동 흡착형 산소 농축 장치에 있어서,

그 산소 농도 센서의 검출값에 기초하여 그 컴프레서의 회전수를 제어함과 함께, 그 산소 농도 센서의 검출값 및 그 압력 센서의 검출값에 기초하여 흡착제의 흡습 열화를 판단하는 판단 수단, 흡습 열화의 판단 기준을 만족시킨 경우에, 그 퍼지 공정의 시간을 설정 시간보다 단축하도록 유로 전환 수단의 전환 시간을 제어하는 제어 수단을 구비하고,

그 흡습 열화의 판단 기준이, 그 산소 농도 센서의 검출값이, 산소 농축 가스의 산소 농도 제어값인 기준 농도값 이하인 것, 또한, 그 압력 센서의 검출값이, 그 퍼지 시간을 단축하는 제어 전후에 있어서 산소 농도가 유의하게 상승하는 흡착압 이상인 것을 특징으로 하는 산소 농축 장치.

2. 그 판단 수단이, 흡착제의 흡습 열화의 상태에 따른 최적의 퍼지 시간의 테이블을 구비하고, 산소 농축 장치의 운전 중에 소정 시간마다 흡착제의 흡습 열화의 상태를 판단하고, 판단 결과에 기초하여 그 제어 수단이 유로 전환 수단의 전환 시간의 변경 제어를 실시하는 수단인, 상기 1 에 기재된 산소 농축 장치.

3. 그 판단 수단이, 산소 농축 장치 운전 중에, 그 압력 센서 및 그 산소 농도 센서의 검출값에 기초하여 그 흡착제의 열화 상태를 복수 단계에서 판정하는 기준 압력을 구비함과 함께, 기준 압력값에 기초하여 설정되는 열화 상태의 단계의 판정 결과를 기억하는 기억 수단을 구비하는, 상기 2 에 기재된 산소 농축 장치.

4. 그 산소 농축 장치의 온도를 검지하는 온도 센서를 추가로 구비하고, 그 판단 수단이, 그 온도 센서의 검출값 및 그 유량 설정 수단의 설정 유량값에 따른 최적의 퍼지 시간의 테이블을 구비하고, 온도가 임계값을 초과하거나 또는 설정 유량이 변경되거나 한 경우, 컴프레서의 풍량 제어보다 우선적으로 퍼지 시간의 변경을 실시하는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 1 ∼ 3 중 어느 하나에 기재된 산소 농축 장치.

5. 그 판정 수단이, 흡착제의 개선 방향으로의 열화 상태 판정의 판단 기준을 구비하고, 그 산소 농도 센서의 검출값이 소정 농도값 이상인 것, 그 압력 센서의 피크값이 소정값 이하인 것의 두 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 상기 4 에 기재된 산소 농축 장치.

6. 그 판정 수단이, 흡착제의 개선 방향으로의 판정 기준을 만족시키고, 열화 상태 판정이 변경된 경우, 퍼지 시간을 변경하기 전후의 그 산소 농도 센서의 검출값을 감시하고, 변경 후에 산소 농도가 저하된 경우에는, 열화 상태 판정을 원래대로 되돌리고, 이후에는 신품 방향으로의 열화 상태 판정 기준을 만족시켜도, 판정값을 변경하지 않는 기능을 갖는, 상기 5 에 기재된 산소 농축 장치.

7. 산소보다 질소를 선택적으로 흡착하는 흡착제를 충전한 흡착통을 구비하고, 각 흡착통에 가압 공기를 공급하여 산소 농축 가스를 취출하는 흡착 공정, 각 흡착통을 감압하여 흡착제를 재생하는 탈착 공정, 흡착 공정측 흡착통으로부터의 산소 농축 가스를 탈착 공정측 흡착통에 도입하는 퍼지 공정을 소정 타이밍으로 전환함으로써 산소를 생성하는 압력 변동 흡착형 산소 농축 장치에 있어서, 산소 농축 가스 농도가, 산소 농축 가스의 산소 농도 제어값인 기준 농도값 이하인 것, 또한, 흡착통의 압력이, 퍼지 시간을 단축하는 제어를 실시하기 전후에 있어서 산소 농도가 유의하게 상승하는 흡착압 이상인 경우에, 흡착제가 열화된 것으로 판정하는, 흡착제의 열화 판정 방법.

본 발명의 산소 농축 장치에 의하면, 장치의 환경 변화로 인한 생성 산소 농도의 저하를 보상할 뿐만 아니라, 간헐 운전으로 인한 흡착제의 열화에 의해 생성 산소 농도가 저하된 경우에도, 사용에 적합한 농도까지 신속하게 상승시킬 수 있게 되고, 나아가서는 소비 전력의 저감, 산소 농축 장치의 장기 사용 및 메인터넌스 기간의 장기화를 도모할 수 있다.

또한 흡착제의 열화 상태를 조기에 검지할 수 있게 되어, 산소 농축 장치로서의 품질 확보뿐만 아니라, 오버홀 기간의 적정화, 오버홀에 드는 운용 비용의 삭감을 실현할 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 실시양태예인 압력 변동 흡착형 산소 농축 장치의 플로우를 나타낸 개략 구성도를 나타낸다. 도 2 는, 본 발명의 산소 농축 장치의 제어 플로우도를 나타낸다. 도 3 은, 열화 상태 판정에 걸리는 퍼지 시간 제어, 컴프레서의 풍량 제어의 관계도, 도 4 는, 열화 상태 판정의 천이를 나타내는 관계도, 도 5 는, 열화 판정 상태와 흡착압 및 환경 온도의 관계도를 나타낸다.
도 6 은 흡착제의 열화 진행에 수반되는, 압력 및 최적 퍼지 시간의 천이를 예시한 도면을, 도 7 은 본 발명의 열화 상태 판정, 퍼지 시간 변경 동작, 및 컴프레서 풍량 제어 기능을 실장한 산소 농축 장치의 산소 농도의 변동을 나타내는 관계도를, 도 8 은 컴프레서 풍량 제어 기능만을 실장한 산소 농축 장치의 산소 농도의 변동을 나타낸다.

[산소 농축 장치]

본 발명의 산소 농축 장치의 실시양태예를 도면을 사용하여 설명한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시형태인 압력 변동 흡착형의 산소 농축 장치를 예시한 개략 장치 구성도이다. 본 발명의 산소 농축 장치는, 가압 공기를 공급하는 컴프레서 (102), 산소보다 질소를 선택적으로 흡착하는 흡착제를 충전한 2 개의 흡착통 (107A, 107B), 흡착 공정, 탈착 공정이나 균압 공정 등의 시퀀스를 전환하는 유로 전환 수단인 공급 밸브 (105A, 105B), 배기 밸브 (106A, 106B), 균압 밸브 (110) 를 구비한다. 가압 공기로부터 분리 생성된 산소 농축 가스는, 컨트롤 밸브 (113) 에 의해 소정 유량으로 조정되고, 필터 (115) 에 의해 제진 (除塵) 된 후, 비강 캐뉼라 (116) 를 사용하여 사용자에게 공급된다.

컴프레서 (102) 는 산소 농축 장치에 있어서의 최대의 소음원이고, 열원이기도 하다. 컴프레서 박스에 수납함으로써 소음 저감을 도모함과 함께, 냉각 팬 (103) 에 의해 온도 조정을 행하고 있다.

먼저, 외부로부터 취입되는 원료 공기는, 진애 등의 이물질을 제거하기 위한 외부 공기 취입 필터 (101) 를 구비한 공기 취입구로부터 장치 내에 취입된다. 이 때, 통상적인 공기 중에는 약 21 ％ 의 산소 가스, 약 77 ％ 의 질소 가스, 0.8 ％ 의 아르곤 가스, 이산화탄소 외의 가스가 1.2 ％ 포함되어 있다. 이러한 산소 농축 장치에서는, 호흡용 가스로서 필요한 산소 가스를 농축시켜 취출한다.

산소 농축 가스의 취출은, 산소 분자보다 질소 분자를 선택적으로 흡착하는 제올라이트 흡착제가 충전된 흡착통 (107A, 107B) 에 대하여 공급 밸브 (105A, 105B), 배기 밸브 (106A, 106B) 를 개폐함으로써, 대상으로 하는 흡착통의 유로를순차적으로 전환하면서, 컴프레서 (102) 에 의해 가압한 원료 공기를 공급하고, 가압된 흡착통 내에서 원료 공기 중에 포함되는 약 77 ％ 의 질소 가스를 선택적으로 흡착 제거함으로써 행해진다. 이러한 흡착제로서는, 5A 형, 13X 형, LiX 형 등의 몰레큘러 시브 제올라이트 등을 사용할 수 있다.

상기 흡착통 (107) 은, 흡착제를 충전한 원통 형상 용기로 형성되고, 통상적으로 1 통식, 2 통식 이외에 3 통 이상의 다통식이 사용되지만, 연속적이며 또한 효율적으로 원료 공기로부터 산소 농축 가스를 제조하기 위해서는, 2 통식이나 다통식의 흡착통을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 컴프레서 (102) 로서는, 압축 기능만, 혹은 압축, 진공 기능을 갖는 컴프레서로서 2 헤드 타입의 요동형 공기 압축기가 사용되는 것 이외에, 스크루식, 로터리식, 스크롤식 등의 회전형 공기 압축기가 사용되는 경우도 있다. 또한, 이 컴프레서를 구동시키는 전동기의 전원은 교류여도 되고 직류여도 된다.

흡착 공정에서는, 컴프레서 (102) 로부터 공급된 가압 공기는 공급 밸브 (105A) 를 통해서 일방의 흡착통 (107A) 에 공급된다. 가압 상태인 흡착통 (107A) 내에서 공기 중의 질소 가스를 흡착제에 흡착시키고, 흡착되지 않은 산소를 주성분으로 하는 산소 농축 가스가 흡착통 (107A) 의 제품단 (端) 으로부터 취출되고, 흡착통으로 역류되지 않도록 형성된 역지 밸브 (108A) 를 통해서 제품 탱크 (111) 에 유입된다.

한편, 흡착통 내에 충전된 흡착제에 흡착된 질소 가스는, 새롭게 도입되는 원료 공기로부터 재차 질소 가스를 흡착하기 위해서, 흡착제로부터 탈착시켜 퍼지할 필요가 있다. 그래서, 탈착 공정에서는, 타방의 흡착통 (107B) 을 배기 밸브 (106B) 를 통해서 배기 라인에 접속시키고, 흡착통 (107B) 내의 압력을 가압 상태로부터 대기 개방 상태로 전환하고, 가압 상태에서 흡착제에 흡착되어 있던 질소 가스를 탈착시켜 대기 중으로 배기하여 흡착제를 재생시킨다. 또한 이 탈착 공정에 있어서, 질소의 탈착 효율을 높이기 위해, 오리피스 (109A, 109B) 및 균압 밸브 (110) 를 통해서 흡착 공정 중의 흡착통 (107A) 의 제품단측으로부터 생성된 산소 농축 가스의 일부를 퍼지 가스로서 취출하고 (흡착·퍼지 공정), 탈착 공정 중의 흡착통 (107B) 의 제품단으로부터 역류시키는 탈착·퍼지 공정을 실시한다.

흡착통 (107A) 에서는, 흡착 공정, 흡착·퍼지 공정, 탈착 공정, 탈착·퍼지 공정을, 흡착통 (107B) 에서는, 탈착 공정, 탈착·퍼지 공정, 흡착 공정, 흡착·퍼지 공정을 순차적으로 전환하면서 실시함으로써, 연속적으로 산소 농축 가스를 생성할 수 있다.

제품 탱크 (111) 에 축적된 산소 농축 가스는, 예를 들어 95 ％ 와 같은 고농도의 산소 가스를 포함하고 있어, 의사의 처방에 따라 필요해지는 산소 유량을 환자 자신이 설정한다. 조압 (調壓) 밸브 (112), 컨트롤 밸브 (113) 등의 유량 조정 수단에 의해 그 압력과 공급 유량이 제어되고, 처방량의 산소 농축 가스가 환자에게 공급된다. 한편, 환자에게 공급되는 산소 농축 가스의 유량 및 산소 농도는, 초음파식 산소 농도·유량 센서 (114) 에 의해 검지되고, 검지 결과에 기초하여 컴프레서 (102) 의 회전수나 유로 전환 수단인 공급 밸브 (105), 배기 밸브 (106), 균압 밸브 (110) 의 개폐 시간을 CPU (120) 등의 연산 수단으로 제어하여, 산소 생성을 컨트롤하고 있다.

흡착압은 흡착통 내압 또는 컴프레서 토출압으로 계측되고, 도 1 에 나타내는 바와 같이 컴프레서 토출측의 배관에 형성된 압력 센서 (104), 또는 흡착통에 형성된 압력 센서로 검지한다. 산소 농축 장치 내의 온도는 케이싱 내에 형성된 온도 센서 (117) 로 검지한다.

[제어의 개요]

도 2 는, 본 발명의 산소 농축 장치의 제어 동작 플로우를 예시한 도면이다. 본 발명의 산소 농축 장치는, 기동 후, 장치가 안정 상태에 이른 후에는, 5 분, 10 분과 같은 미리 설정한 일정 시간마다, 즉 제어 주기마다 흡착제의 열화 상태의 확인과 판정 및 환경 온도의 확인을 하여, 퍼지 시간 제어, 즉 퍼지 시간의 변경이 필요한지 어떤지를 판단한다.

퍼지 시간 제어가 필요한 경우에는, 컴프레서의 풍량 제어보다 우선적으로 퍼지 시간 제어를 개입시키는 플로우로 하고 있다. 단, 열화 상태 판정 또는 환경 온도의 확인에 의해, 퍼지 시간의 변경 제어가 필요 없는 경우에는, 도 2 의 플로우도 중에 나타내는 컴프레서 풍량 제어를 실시한다. 환경 온도란, 산소 농축 장치가 사용되고 있는 환경의 온도인데, 외기 (外氣) 온도에 한정하는 것이 아니라, 온도 센서의 설치 위치에 따라 장치 내 온도, 흡기 온도, 흡착 플로어 온도 등의 장치 온도를 포함한다.

컴프레서 풍량 제어는, 산소 농도의 검지 결과에 기초하여 컴프레서의 회전수를 제어하고, 흡착압을 제어함으로써 산소 농도를 일정하게 유지하는 제어로서, 흡착제의 흡습 열화 등으로 인해 산소 농도가 소정 임계값을 밑도는 경우에는, 컴프레서 회전수를 상승시켜 흡착통에 대한 공급 풍량을 높임으로써 흡착압을 상승시켜 제품 산소 농도를 높이는 제어를 실시한다. 또한, 소정 임계값을 상회한 경우에는 컴프레서 회전수를 하강시킴으로써 흡착압을 낮춰, 소정 농도까지 산소 농도를 낮춘다는 에너지 절약 제어를 실시한다.

열화 상태 및 환경 온도의 판정은 제어 주기마다 매회 실시하지만, 그 후의 퍼지 시간 제어 또는 컴프레서의 풍량 제어는 어느 한쪽만이 실시되게 된다. 실행의 우선도는, 퍼지 시간 제어, 컴프레서의 풍량 제어의 순이고, 실제 동작은 도 3 과 같이 된다.

도 3 은 컴프레서 풍량 제어와 퍼지 시간 제어의 관계를 모식적으로 나타낸 것이다. 예를 들어, 10 분의 제어 주기로 흡착제의 열화 판정을 하여, 소정 임계값보다 산소 농도의 저하가 확인되었지만, 퍼지 시간 제어의 변경 요건을 만족시키지 못하는 경우에는, 컴프레서 풍량 제어를 실시하여, 산소 농도를 소정 임계값으로 유지하는 제어를 실시한다. 다음 제어 타이밍에서는, 산소 농도가 소정 임계값을 하회하고, 압력도 임계값 이상이 되었을 때에, 열화 상태의 판정에 의해 퍼지 시간 제어가 필요할 것으로 판단된 경우에는, 컴프레서 풍량 제어는 실시하지 않고, 퍼지 시간 제어를 우선적으로 실시한다. 이러한 제어를 제어 주기마다 반복해서 실시한다. 또, 도 3 의 최후반에서는, 산소 농도가 제어 목표값 범위를 하회한 경우에, 더 이상 퍼지 시간 제어, 컴프레서 풍량 제어를 실시해도 산소 농도의 상승이 확인되지 않아, 제어가 불필요한 것으로 판단된 상태를 나타내고 있다.

설정 유량을 변경한 경우에는, 제어 주기의 타이머를 리세팅하여, 재차 장치 안정 상태에 이른 후부터, 제어 주기마다 열화 상태의 판정 및 환경 온도의 확인을 개시한다.

또, 도 3 은 제어 주기마다 컴프레서 회전수나 퍼지 시간의 변경 제어가 가해지는 모식도로 되어 있지만, 실제로는 열화 상태의 판정에 변경이 없는 한, 퍼지 시간 변경 제어는 가해지지 않는다.

[열화 상태의 판정]

열화 상태의 판정은, 흡착통 피크 압력 및 제품 가스 중의 산소 농도로부터 흡착제의 열화 상태를 복수 단계에서 판정한다. 여기서는 열화 상태를 신품, 열화 1, 열화 2 의 3 단계를 예로 들어 설명하는데, 2 단계 이상의 복수 단계의 판정이면 되고, 이 한정은 아니다.

열화 상태는, 도 4 에 나타내는 바와 같이 현재의 열화 상태에 의하지 않고, 어느 열화 상태로 이행하는 것도 가능하다. 예를 들어, 신품 → 열화 2 와 같이 급격히 열화 상태가 진행되어 1 단계를 건너 뛰거나, 열화 1 → 신품과 같이 흡착 성능이 회복 방향으로 이행되거나 하는 것도 가능하다.

판정 타이밍은, 산소 농축 장치의 기동 후, 또는 설정 유량의 변경 후에, 제품 가스의 산소 농도나 흡착압 등이 안정 상태에 이르고 나서 일정 시간 간격으로 제어 주기마다 판정을 한다. 열화 판정 방법은 하기와 같이 실시한다.

열화 방향에 대한 판정에 대해서는, 1) 산소 농도가 일정값 이하이고, 2) 흡착통 피크 압력이, 열화측 압력 임계값 (신품_degr, 열화 1_degr) 이상인, 두 조건을 만족시킨 경우에 열화 방향에 대한 판정을 한다. 예를 들어, 신품 → 열화 1, 열화 1 → 열화 2, 또는 신품 → 열화 2 에 대한 판정을 한다. 또한, 신품 방향, 즉 흡착 성능의 회복 방향에 대한 판정에 대해서는, 3) 산소 농도가 일정값 이상이고, 4) 흡착통 피크 압력이, 신품측 압력 임계값 (열화 1_new, 열화 2_new) 미만인, 두 조건을 만족시킨 경우에 신품 방향에 대한 판정을 한다. 예를 들어, 열화 1 → 신품, 열화 2 → 열화 1, 열화 2 → 신품으로 판정을 한다.

열화 방향에 대한 판정에 있어서의 산소 농도의 설정값은, 예를 들어 90 ％ 등, 공급하는 산소 농축 가스의 하한값에 기초하여 설정된다. 신품 방향에 대한 판정에 있어서의 산소 농도의 설정값은 열화 방향의 설정값에 대하여 높은 값으로 설정된다.

각각의 압력 임계값은, 설정 유량별로 설정한다. 또한, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 장치의 사용 온도 범위가 넓은 경우 등, 흡착압에 대한 온도의 영향이 큰 경우에는, 고온측, 저온측 등의 온도 임계값을 형성하고, 압력 임계값은 설정 유량과 흡기 온도에 기초하여 설정된다. 또, 압력이나 온도 임계값의 근방에서 열화 상태 판정이 빈번하게 변경되는 것을 방지하기 위해, 압력 임계값 및 온도 임계값에는 히스테리시스를 설정하고 있다.

또, 본원 발명에 있어서의 흡착통의 압력이란, 흡착통 압력에 한정하는 것이 아니고, 컴프레서의 토출압이나 제품 산소 가스를 저류하는 제품 탱크압, 흡착통 배관 압력 등, 흡착압을 추정할 수 있는 압력이면 된다. 또한, 압력값 이외에도 컴프레서의 토출측, 흡착통과의 사이에 유량계를 형성함으로써, 컴프레서 유량값으로부터 흡착통 압력을 산정할 수 있으므로, 컴프레서 풍량 및 제품 가스 중의 산소 농도로부터 흡착제의 열화 상태를 판정하는 것도 가능하다.

[열화 판정 압력 임계값의 설정]

도 6 은, 흡착제의 열화의 진행에 수반되는, 압력 및 최적 퍼지 시간의 천이를 예시한 도면이다. 흡착제의 열화는, 신품 → 열화 상태 A → 열화 상태 B → 열화 상태 C 의 순으로 진행된다. 열화 상태의 진행에 수반되어 흡착압은 서서히 상승하고, 퍼지 시간의 최적점은 서서히 짧은 시간으로 천이된다. 또한, 열화가 진행된 조건하에서, 최적이 아닌 퍼지 시간으로 운전하면, 농도가 크게 저하되는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은, 상기 특징을 이용하여, 흡착 압력이 상승하고 있고, 또한 산소 농도가 낮은 상황에서는, 흡착제가 열화되어 있어 퍼지 시간이 최적이 아닌 상태에서 운전되고 있는 것으로 판단하고, 신품으로부터 열화 1, 열화 1 로부터 열화 2 와 같이 열화 상태 판정을 변경하여, 각각의 흡착제의 열화 상태에 기초하여 미리 설정되어 있는 최적 퍼지 시간 테이블의 값으로 변경하는 것이다.

열화 방향으로 판정할 때의 압력 임계값 (예, 신품_degr, 열화 1_degr) 은, 퍼지 시간 단축 전후에 산소 농도가 유의하게 상승하는 흡착압 이상인 것이 조건이다.

도 6 에 있어서, 신품_degr 의 압력값 이상이면 퍼지 시간 5.0 초보다 퍼지 시간 4.0 초쪽이 유의하게 농도가 높고, 열화 1_degr 의 압력값 이상이면 퍼지 시간 4.0 초보다 퍼지 시간 3.0 초쪽이 유의하게 농도가 높아진다. 이 경우에는, 신품의 퍼지 시간을 5.0 초, 열화 1 의 퍼지 시간을 4.0 초, 열화 2 의 퍼지 시간을 3.0 초로 설정하게 된다.

열화 방향의 압력 임계값의 설정값을 낮은 값으로 지나치게 설정하면 빠른 단계에서 열화로 판정되어 반대로 농도가 저하되게 되고, 한편, 높은 값으로 지나치게 설정하면 열화로 판단되지 않고 운전을 계속하기 때문에, 유효하게 농도를 상승시킬 수 없게 된다. 퍼지 시간 단축 전후에 우위적으로 산소 농도가 상승하는 것으로 판단한 압력값에 대하여 대략 ±10 kPa 정도의 범위에서 설정하는 것이 바람직하다.

흡착제의 상태는, 사용 환경이나 상태의 변화에 따라 열화 방향이 아니라, 흡착제의 재생 방향, 신품 방향으로 천이되는 경우도 있다. 신품 방향으로 판정할 때의 압력 임계값 (열화 1_new, 열화 2_new) 은, 열화 방향으로 판정하는 압력 임계값 (신품_degr, 열화 1_degr) 에 대하여 5 ∼ 10 kPa 정도 낮은 값으로 설정함으로써, 임계값 근방에서 빈번하게 판정값이 전환되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 신품_degr 과 열화 1_new 의 사이, 열화 1_degr 과 열화 2_new 의 사이에서의 빈번한 전환을 방지할 수 있다.

또, 도 6 의 데이터 취득시에는, 컴프레서로부터의 풍량 일정한 조건하에서 취득한 것이고, 흡착제의 열화 정도 이외의 조건은 동일하다.

[퍼지 시간 제어]

설정 유량·열화 판정값·환경 온도로부터 미리 설정된 테이블을 갖고, 제어 주기에 기초하여 일정 시간마다의 판정에 따라 산소 농도 및 흡착압의 값으로부터 열화 판정값이 변경된 경우, 또는 환경 온도가 변경된 경우에 퍼지 시간을 소정의 값으로 변경하는 제어를 실시한다. 또, 설정 유량이 변경된 경우에는, 도 2 의 플로우에 나타내는 바와 같이, 다시 최초부터 제어를 실시한다.

열화 판정이 신품측으로 이행된 경우에, 퍼지 시간 변경으로 인해 산소 농도가 저하된 경우, 즉, 퍼지 시간 변경 전후의 산소 농도의 변화 (ΔO₂) 가 마이너스가 된 경우에는, 변경 전의 열화 판정값으로 되돌린다. 흡착제가 열화된 상태에서, 잘못 신품 상태로 판정된 경우에는, 퍼지 시간의 변경으로 인해 산소 농도가 급격히 저하되는 것이 상정되기 때문에, 퍼지 시간의 변경 전후의 산소 농도를 비교하여, 농도가 저하된 경우에는, 열화 판정값을 원래대로 되돌리고, 퍼지 시간을 원래대로 되돌리는 것이 바람직하다. 또한, 한 번 상기 동작에 의해, 원래의 열화 상태로 되돌아간 경우에는, 오판정으로 인한 산소 농도의 저하를 방지하기 위해서, 그 이후, 신품측으로 판단하는 조건을 만족시켰다 하더라도, 신품 방향으로 이행되지 않는 설계로 하는 것이 바람직하다.

퍼지 시간의 변경을 실시하는 경우, 목표 퍼지 시간으로의 변경은 단번에 실시하지 않고, 복수 회로 나눠 변경을 실시한다. 급격한 공정 시간 변경은 생성 산소 농도의 변동을 초래하여, 안정화에 시간을 필요로 하게 된다.

[실시예]

도 7 은, 본 발명의 열화 상태 판정이나 그에 따른 퍼지 시간 변경 동작, 컴프레서 풍량 제어를 실장한 도 1 의 산소 농축 장치에 열화된 흡착통을 탑재하고 운전한 결과를, 도 8 은 열화 상태 판정이나 퍼지 시간 제어를 실시하지 않고, 컴프레서 풍량 제어만을 실장한 산소 농축 장치에 대해서 마찬가지로 열화된 흡착통을 탑재하고 운전한 결과를 예시한 것이다. 또, 도 7, 도 8 모두 가로축의 시간, 세로축의 농도 등의 스케일은 동일하다.

도 7 로부터 본 발명에 의한 열화 상태 판정이나 퍼지 시간의 변경 동작 있음의 경우, 기동부터 일정 시간 후에 열화 판정을 하고 (E7), 신품 상태로부터 열화 2 로 흡착제가 열화된 것으로 판정되고, 그에 따라 퍼지 시간을 5.0 초부터 3.0 초로 2 단계로 나눠 단축하는 동작을 실시하고 있다 (D7). 이 동작에 의해 산소 농도가 크게 상승하고 (A7a), 그 후에 개입된 컴프레서 풍량 제어 (C7b) 도 유효하게 작용하여, 흡착통 피크압의 상승 (B7b) 과 함께 산소 농도의 상승 효과가 확인되고 (A7b), 결과적으로 기동 후부터 빠른 시간 동안에 치료에 적합한 산소 농도가 된다.

한편, 비교 대상으로서 도 8 에 나타내는, 열화 상태 판정 (E8) 이나 퍼지 시간의 변경 동작 없음 (D8) 의 경우에는, 컴프레서 풍량 제어에 의해 컴프레서의 회전수는 상승하고 (C8a, C8b, C8c), 흡착통 피크압 (B8a, B8b, B8c) 도 상승하고 있지만, 흡착제의 열화 상태 판정을 하지 않고, 퍼지 시간을 단축하는 등, 적절한 퍼지 시간으로 운전을 실시하지 않았다. 그래서, 흡착압이 상승해도 산소 농도 (A8a, A8b) 는 상승하지 않는 상황을 확인할 수 있다. 퍼지 시간이 적절하지 않은 조건하에서는, 컴프레서의 풍량을 상승시켜도 농도에 잘 기여하지 못함을 알 수 있다.

이것들로부터 본 발명에 의한 산소 농축 장치는, 흡착제의 열화에 의해 산소 농도가 저하된 경우에도, 사용에 적합한 농도까지 신속하게 상승시킬 수 있게 되어, 소비 전력의 저감, 산소 농축 장치의 장기 사용 및 메인터넌스의 장기화로 이어지는 효과를 기대할 수 있다.

이러한 흡착제의 열화 판정은, 당초에 상정했던 흡착제의 오버홀 시간에 대하여 열화 진행 속도가 진행된 경우에는, 열화 상태 판정값의 플래그를 봄으로써 교환 기대 (機臺) 를 조기에 찾아 낼 수 있어, 오버홀의 적정화를 실현할 수 있다.

산업상 이용가능성

본 발명의 산소 농축 장치는 의료용 산소 농축 장치로서 천식, 폐기종증, 만성 기관지염 등의 호흡기계 기관 질환에 괴로워하는 환자에 대한 산소 흡입 요법을 위한 산소 공급원에 사용된다. 보다 구체적으로는, 간헐 운전 등으로 인해 흡착제가 흡습 열화된 경우에도, 생성되는 산소를 고농도로 유지할 수 있고, 장기간에 걸쳐 안정적인 고농도 산소를 생성할 수 있는 산소 농축 장치를 제공할 수 있다.

Claims (8)

1. 산소보다 질소를 선택적으로 흡착하는 흡착제를 충전한 복수의 흡착통과, 그 흡착통에 가압 공기를 공급하는 컴프레서와, 그 컴프레서 및 각 흡착통 사이의 유로를 순차적으로 전환하고, 각 흡착통에 가압 공기를 공급하여 산소 농축 가스를 취출하는 흡착 공정, 각 흡착통을 감압하여 흡착제를 재생하는 탈착 공정, 흡착 공정측 흡착통으로부터의 산소 농축 가스를 탈착 공정측 흡착통에 도입하는 퍼지 공정을 소정 타이밍으로 반복하기 위한 유로 전환 수단과, 산소 농축 가스를 원하는 유량으로 조정하여 공급하는 유량 설정 수단과, 산소 농축 가스 농도를 측정하는 산소 농도 센서, 그 흡착통의 압력을 검지하는 압력 센서, 그 컴프레서, 그 유로 전환 수단의 동작을 제어하는 제어 수단을 구비한 압력 변동 흡착형 산소 농축 장치에 있어서,
   그 산소 농도 센서의 검출값에 기초하여 그 컴프레서의 회전수를 제어함과 함께, 그 산소 농도 센서의 검출값 및 그 압력 센서의 검출값에 기초하여 흡착제의 흡습 열화를 판단하는 판단 수단, 흡습 열화의 판단 기준을 만족시킨 경우에, 그 퍼지 공정의 시간을 설정 시간보다 단축하도록 유로 전환 수단의 전환 시간을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
   그 흡습 열화의 판단 기준이, 그 산소 농도 센서의 검출값이, 산소 농축 가스의 산소 농도 제어값인 기준 농도값 이하인 것, 또한, 그 압력 센서의 검출값이, 그 퍼지 시간을 단축하는 제어 전후에 있어서 산소 농도가 유의하게 상승하는 흡착압 이상인 것을 특징으로 하는 산소 농축 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   그 판단 수단이, 흡착제의 흡습 열화의 상태에 따른 최적의 퍼지 시간의 테이블을 구비하고, 산소 농축 장치의 운전 중에 소정 시간마다 흡착제의 흡습 열화의 상태를 판단하고, 판단 결과에 기초하여 그 제어 수단이 유로 전환 수단의 전환 시간의 변경 제어를 실시하는 수단인, 산소 농축 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   그 판단 수단이, 산소 농축 장치 운전 중에, 그 압력 센서 및 그 산소 농도 센서의 검출값에 기초하여, 그 흡착제의 열화 상태를 복수 단계에서 판정하는 기준 압력을 구비함과 함께, 기준 압력값에 기초하여 설정되는 열화 상태의 단계의 판정 결과를 기억하는 기억 수단을 구비하는, 산소 농축 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   그 산소 농축 장치의 온도를 검지하는 온도 센서를 추가로 구비하고, 그 판단 수단이, 그 온도 센서의 검출값 및 그 유량 설정 수단의 설정 유량값에 따른 최적의 퍼지 시간의 테이블을 구비하고, 온도가 임계값을 초과하거나 또는 설정 유량이 변경되거나 한 경우, 컴프레서의 풍량 제어보다 우선적으로 퍼지 시간의 변경을 실시하는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 산소 농축 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   그 판정 수단이, 흡착제의 개선 방향으로의 열화 상태 판정의 판단 기준을 구비하고, 그 산소 농도 센서의 검출값이 소정 농도값 이상인 것, 그 압력 센서의 피크값이 소정값 이하인 것의 두 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 산소 농축 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   그 판정 수단이, 흡착제의 개선 방향으로의 판정 기준을 만족시키고, 열화 상태 판정이 변경된 경우, 퍼지 시간을 변경하기 전후의 그 산소 농도 센서의 검출값을 감시하고, 변경 후에 산소 농도가 저하된 경우에는, 열화 상태 판정을 원래대로 되돌리고, 이후에는 신품 방향으로의 열화 상태 판정 기준을 만족시켜도, 판정값을 변경하지 않는 기능을 갖는, 산소 농축 장치.
7. 산소보다 질소를 선택적으로 흡착하는 흡착제를 충전한 흡착통을 구비하고, 각 흡착통에 가압 공기를 공급하여 산소 농축 가스를 취출하는 흡착 공정, 각 흡착통을 감압하여 흡착제를 재생하는 탈착 공정, 흡착 공정측 흡착통으로부터의 산소 농축 가스를 탈착 공정측 흡착통에 도입하는 퍼지 공정을 소정 타이밍으로 전환함으로써 산소를 생성하는 압력 변동 흡착형 산소 농축 장치에 있어서, 산소 농축 가스 농도가, 산소 농축 가스의 산소 농도 제어값인 기준 농도값 이하인 것, 또한, 흡착통의 압력이, 퍼지 시간을 단축하는 제어를 실시하기 전후에 있어서 산소 농도가 유의하게 상승하는 흡착압 이상인 경우에, 흡착제가 열화된 것으로 판정하는, 흡착제의 열화 판정 방법.
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   그 열화 판정 기능에 의해, 일정 이상의 흡착제 열화를 검출한 경우, 흡착제의 열화 교환이 필요한 상태로 되어 있음을 사용자 또는 점검자에게 통지하는 기능을 갖는, 산소 농축 장치.

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