TWI590847B - Oxygen concentration device - Google Patents

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TWI590847B
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Sumihiro Kobayashi
Hisashi Kiriake
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Teijin Pharma Ltd
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Description

氧濃縮裝置 發明領域
本發明有關於一種壓力變動吸附型之氧濃縮裝置，該裝置使用相較於氧優先吸附氮之吸附劑；特別是關於一種醫療用氧濃縮裝置，使用在對於慢性呼吸器官疾病患者等進行之氧吸入療法上。
發明背景
近年來，飽受氣喘、肺氣腫、慢性支氣管炎等呼吸器官疾病所苦的患者有增加的傾向，作為其治療法，最有效之其中一者為氧吸入療法。該氧吸入療法係，使患者吸入氧氣或濃縮氧氣。作為氧之供給源，已知有氧濃縮裝置、液態氧、高壓氧氣筒等，但從使用時之便利性及保養管理之容易性，於居家氧療法以使用氧濃縮裝置為主流。
氧濃縮裝置為將空氣中存在約21%之氧分離濃縮並供給給使用者之裝置。其中，雖有使用選擇性地將氧通過之膜的膜式氧濃縮裝置，與使用可優先的將氮或氧吸附之吸附劑的壓力變動吸附型氧濃縮裝置，但從獲得高濃度氧這一點，壓力變動吸附型氧濃縮裝置成為主流。
壓力變動吸附型氧濃縮裝置係藉由交互反覆進 行加壓．吸附步驟以及減壓．脫離步驟，而可連續的生成高濃度之濃縮氧氣，該加壓．吸附步驟係：在已填充有相較於氧更選擇性吸附氮之填充劑之5A型或13X型、Li-X型等分子篩沸石之吸附筒，藉由供給經壓縮機壓縮之空氣而在加壓條件下使氮吸附，獲得未吸附之氧的步驟；該減壓．脫離步驟係將前述吸附筒內之壓力減至大氣壓力或其以下，藉由將已由吸附劑吸附之氮清除來進行吸附劑再生之步驟。
先行技術文獻
日本特開2002-253675號公報
日本特開2000-516857號公報
發明概要
於壓力變動吸附型氧濃縮裝置，原料空氣中含有之水分會吸附至吸附劑，因吸附劑經時性吸濕劣化，會引起氧濃度之降低。於供給固定濃度之氧濃度的氧濃縮裝置，為了補償氧濃度之降低，進行著藉由提高壓縮機之旋轉數並提高吸附筒之吸附壓以提高氧濃度之調控(記載於日本特開2002-253675號公報)。但是，藉由提高壓縮機旋轉數以補償氧濃度亦有其界限。
為了補償生成之氧濃度經時性變化或裝置經時劣化所伴隨之氧濃度低下，將氧濃度保持固定，亦已知有一種裝置，該裝置以氧偵測器檢測濃縮氧氣之氧濃度，並 利用對壓縮機風量或吸附脫離之循環時間等進行反饋控制來維持製品氣體中氧濃度(記載於日本特開2000-5168575號公報)。但是，吸附脫離步驟時間之切換循環時間的變更，會導致切換時暫時性氧濃度變動，到達預定濃度需要時間等欠缺穩定調控之一面。
本案發明者發現，使吸附步驟中生成之氧的一部份流向脫離步驟側之吸附筒並促進氮脫離之清除步驟之最佳時間，會因吸附劑之吸濕劣化而位移至短時間側；並發現，當到達壓縮機旋轉數調控之上限值時，藉縮短清除時間可使氧濃度上昇，可延長氧濃縮裝置之使用時間。
本發明為，提供以下之氧濃縮裝置者。
1.一種氧濃縮裝置，係壓力變動吸附型氧濃縮裝置，具備：多數個填充有吸附劑之吸附筒，該吸附劑相較於氧更選擇性的吸附氮；壓縮機，其將加壓空氣供給至該吸附筒；管路切換手段，其用以將該壓縮機及各吸附筒間之管路依順序切換，並以所預定時間點反覆進行下數步驟：將加壓空氣供給至各吸附筒並取出濃縮氧氣之吸附步驟，將各吸附筒減壓並再生吸附劑之脫離步驟，將從吸附步驟側吸附筒之濃縮氧氣導入脫離步驟側吸附筒之清除步驟；流量設定手段，其將濃縮氧氣調整至所欲之流量並供給之； 氧濃度偵測器，其測定濃縮氧氣濃度；壓力偵測器，其檢測該吸附筒之壓力；及調控手段，其調控該壓縮機、該管路切換手段之動作，其特徵在於具備：調控手段，其基於該氧濃度偵測器之偵測值調控該壓縮機旋轉數，同時基於該氧濃度偵測器之偵測值、該壓力偵測器之偵測值及該吸附筒之使用時間判斷吸濕劣化，並在滿足吸濕劣化之判斷基準時，調控該管路切換手段之切換時間以使該清除步驟之時間縮短至較初始設定時間短。
2.如上述1之氧濃縮裝置，其中該吸濕劣化之判斷基準滿足下述3條件：該氧濃度偵測器之偵測值為預定濃度值以下；該壓縮機之旋轉數為調控上限值，且該壓力偵測器之偵測值係當壓縮機在該條件下旋轉時為裝置使用初始時之壓力值以上；及吸附筒之使用時間在預定時間以上。
3.如上述1之氧濃縮裝置，其中該吸濕劣化之判斷基準係滿足下述3條件：該氧濃度偵測器之偵測值為所預定濃度值以下；該壓縮機之旋轉數為該流量設定手段之最大流量設定值中之壓縮機旋轉數，且該壓力偵測器之偵測值係當壓縮機在該條件下旋轉時為裝置使用初始時之壓力值以上；吸附筒之使用時間在預定時間以上。
4.如上述2或3之氧濃縮裝置，其係在滿足該吸 濕劣化之判斷基準，於調控該管路切換手段之切換時間以使該清除步驟之時間縮短至較初期設定時間短，後，再度滿足該吸濕劣化之判斷基準時，調控該管路切換手段之切換時間以使該清除步驟之時間縮至較變更後之設定時間更短。
5.如上述2-4中任一項之氧濃縮裝置，其中該氧濃度偵測器之偵測值為90%以下，吸附筒之使用時間為2000小時以上。
若依本發明之氧濃縮裝置，可提供一氧濃縮裝置，相對於吸附劑經時劣化所伴隨的氮吸附性能低下及伴隨其之濃縮氧氣之氧濃度低下，其可圖得迅速的濃度上昇，並可長期使用。
101‧‧‧過濾器
102‧‧‧壓縮機
105A,105B‧‧‧供給閥
106A,106B‧‧‧排氣閥
107A,107B‧‧‧吸附筒
108A,108B‧‧‧逆止閥
109A,109B‧‧‧孔洞
110‧‧‧均壓閥
111‧‧‧製品缸
112‧‧‧調壓閥
113‧‧‧控制閥
115‧‧‧過濾器
116‧‧‧鼻導管
117‧‧‧氧濃度偵測器、流量偵測器
120‧‧‧CPU
圖1係顯示本發明實施態樣例之壓力變動吸附型氧濃縮裝置之流程的概略構成圖。又，圖2係顯示本發明壓力變動吸附型氧濃縮裝置之吸附脫離各步驟之供給閥、排氣閥、均壓閥之開閉切換時間點。
圖3係顯示吸附劑吸濕劣化所伴隨之氧濃度低下與清除時間之關係，又，圖4、圖5係顯示氧濃縮裝置經時劣化所伴隨之氧濃度變化與壓縮機旋轉數調控、清除時間調控之關係。
用以實施發明之型態
將本發明氧濃縮裝置之實施態樣例，使用圖示說明。
圖1為例示本發明一種型態之壓力變動吸附型之氧濃縮裝置之概略裝置構成圖。本發明之氧濃縮裝置係具備：供給加壓空氣之壓縮機102；填充有相較於氧更選擇性吸附氮之吸附劑之吸附筒107A,107B；用以切換吸附步驟、脫離步驟或均壓步驟等次序之管路切換手段即供給閥105A,105B、排氣閥106A,106B、均壓閥110。從加壓空氣分離生成之濃縮氧氣，以控制閥113調整成預定流量，以過濾器115除塵後，使用鼻導管116供給給使用者。
首先，從外部取進之原料空氣從空氣取進口被取進裝置內，該空氣取進口具備有用以將塵埃等異物去除之外部空氣取進過濾器101。此時，於通常之空氣中含有約21%的氧氣、約77%的氮氣、0.8%的氬氣、二氧化碳等之氣體1.2%。於該裝置，濃縮並取出作為呼吸用氣體必要之氧氣。
濃縮氧氣之取出係藉由下述來進行：對填充有相較於氧更選擇性吸附氮之吸附劑(該吸附劑由沸石等構成)之吸附筒107開閉供給閥105A,105B、排氣閥106A,106B，藉此一邊依序切換作為對象之吸附筒107A,107B並一邊供給已以壓縮機102加壓之原料空氣，而將吸附筒內原料空氣中含有的約77%之氮氣選擇性吸附除去。作為該吸附劑，可使用5A型、13X型、Li-X型等分子篩沸石等。
前述吸附筒107為以填充有吸附劑之圓筒狀容器形成，通常除1筒式、2筒式之外，亦使用3筒以上之多筒式，但為了連續性且有效率的從原料空氣製造濃縮氧氣，使用2筒式或多筒式之吸附筒為宜。
又，作為前述之壓縮機102，除使用僅有壓縮功能或作為具備壓縮、真空功能壓縮機之二頭式搖動型空氣壓縮機之外，亦有使用螺旋式、旋轉式、渦旋式等旋轉型空氣壓縮機之情況。又，驅動此壓縮機之電動機的電源，可為交流、亦可為直流。
在加壓狀態之吸附筒內使空氣中之氮氣吸附在吸附劑，將以未被吸附之氧作為主成分之濃縮氧氣從吸附筒之製品端取出，經由避免朝吸附筒逆流而設置之逆止閥108A、108B而流入製品缸111。
另一方面，被吸附筒內填充之吸附劑吸附之氮氣，為了從新導入之原料空氣再次吸附氮氣，有必要使之從吸附劑脫離清除。為此，將吸附筒107A、107B經由排氣閥106A,106B連接至排氣線，從加壓狀態切換至大氣開放狀態，使以加壓狀態被吸附之氮氣脫離、排氣至大氣中使吸附劑再生。更進一步於此脫離步驟中，為提高氮之脫離效率，進行清除步驟，該步驟係藉由孔洞109A,109B及均壓閥110，將吸附步驟中從吸附筒製品端側生成之濃縮氧氣的一部分作為清除氣體，使之逆流至脫離步驟中之吸附筒。
蓄存在製品缸111之濃縮氧氣為含有例如高達 95%之高濃度氧氣，由患者本身設定依醫師之處方所需要之氧流量。藉由調壓閥112、控制閥113等之流量調整手段其壓力與供給流量受到調控，處方量之濃縮氧氣便供給給患者。另一方面，供給給患者之濃縮氧氣的流量及氧濃度，以氧濃度偵測器‧流量偵測器117檢測，基於檢測結果以CPU120等演算手段調控壓縮機102之旋轉數或管路切換手段之供給閥105、排氣閥106、均壓閥110之開閉時間，控制氧生成。
吸附壓係以吸附筒內壓或壓縮機吐出壓測量，如圖1所示，以設置於壓縮機吐出側之配管的壓力偵測器，或設置於吸附筒的壓力偵測器檢測。
圖2係本發明一種實施形態之氧濃縮裝置之管路切換手段之開閉時間點之概略圖，該手段係順序切換壓縮機、設置於各吸附筒間管路之供給閥與排氣閥、在吸附筒下游側將吸附筒間均壓之均壓閥。
於2筒式之壓力變動吸附型之氧濃縮裝置，如圖2所示，當一方之吸附筒A進行吸附步驟時，於另一方之吸附筒B進行脫離步驟，藉由調控供給閥A,B，排氣閥A,B及均壓閥之開閉，各別將吸附步驟、脫離步驟以逆相位之形式順序切換，連續的生成氧。
為了提昇吸附劑之再生效率，組入清除步驟，即經由均壓閥使已於吸附步驟生成之氧的一部分流至脫離步驟側吸附筒，並將下述步驟以交互切換恆定的次序進行，即，針對一方之吸附筒A之吸附步驟、清除生成步驟、脫離 步驟、清除排氣步驟，與針對另一方之吸附筒B之脫離步驟、清除排氣步驟、吸附步驟、清除生成步驟，藉此可有效率的生成氧。
清除步驟如圖2之斜線部分所示，例如為，從以吸附步驟生成氧之吸附筒B取出氧，同時藉由均壓閥使生成之氧的一部分流至以脫離步驟將氮減壓排氣之吸附筒A，提昇吸附劑之氮脫離再生效率之步驟。於吸附筒B，進行生成清除用氧之清除生成步驟，於吸附筒A，進行使該氧從製品端作為清除氣體排氣流至系統外之清除排氣步驟。
若延長此清除步驟時間則吸附劑之再生效率亦提昇，結果上被認為生成氧濃度有上昇。另一方面，若清除步驟過長，除從吸附筒B往製品缸側之氧的取出量會減少之外，依取出量，亦有因氮穿透(break through)招致生成氧濃度之低下，作為製品氣體之生成量變少之缺陷。若是調控包含吸附步驟或脫離步驟之時間變更之次序全體的情況下，次序全體之平衡會崩壞、穩定的生成氧濃度需要時間，因此於本發明係調控清除步驟時間。
以長時間使用氧濃縮裝置，吸附劑會吸濕劣化，招致生成之濃縮氧氣之氧濃度降低。作為氮吸附劑使用之分子篩沸石係水分吸附能力強，於脫離步驟、清除步驟無法完全去除吸附劑吸收之水分，會引起氮吸附性能之降低。通常，為了補償該氧濃度之降低，利用提昇氧濃縮裝置之壓縮機的旋轉數、增加原料空氣之供給量、提昇吸附筒之吸附壓以進行提昇氧濃度之調控。
針對吸濕劣化所伴隨之生成濃縮氧氣之氧濃度，探討清除時間之最佳化。
如圖3所示，清除時間之最佳值會隨著吸附劑之吸濕劣化而位移至短時間側，藉由縮短吸濕劣化清除時間，可圖得氧濃度之上昇。相對於初始設定時之清除時間3.5秒，依從劣化時A、劣化時B與吸附劑經時劣化之進行，清除時間之最佳值為2.5秒、2.0秒位移至短時間側。於此，藉由將清除時間變更至短時間側，氧濃度會上昇。即便該清除時間變更至短時間側時，以所謂0.1秒、0.2秒之小間隔漸次變更至最佳時間而非一次縮短，如此對於生成氧濃度之影響少，為理想。
若不考慮氧濃度之降低原因而草率變更吸附脫離步驟之循環時間，會招致氧生成之不穩定化。從複數個參數判斷吸濕劣化之發生一事，並於事前掌握濃縮氧氣之氧濃度降低之原因在於吸附劑之吸濕劣化後，再行清除步驟時間往預定之短時間側之位移調控是很重要的。
吸附劑之吸濕劣化，會伴隨生成濃縮氧氣濃度降低至預定濃度以下、吸附壓上昇至預定值以上之現象。氧濃度為90%以下，以其為該氧濃縮裝置保證之濃縮氧氣之最低值或其以上之值為佳。例如，以供給高濃度濃縮氧氣之醫療用氧濃縮裝置而言，將閾值設定在80-90%間為佳。
吸附壓，雖依吸附筒內壓或壓縮機吐出壓等壓力偵測器之設置位置其值會有若干差異，可使用任何之值進行調控。就氧濃縮裝置而言，在吸附脫離步驟之間壓力會 有很大的變動。又，針對消耗電力之減低或氧濃度之補償等目的，進行依流量設定值調控壓縮機之旋轉數時，檢測氧濃度並反饋控制壓縮機旋轉數，吸附壓不會顯示在固定之閾值。又，因壓縮機或電磁閥之異常故障、配管異常等吸附壓會降低等，因吸附劑吸濕劣化以外之要因，壓力值亦會變化。
作為吸附壓力變動之判斷基準，為了排除基於依設定流量或氧濃度等所行之壓縮機旋轉數之正常調控、或基於機器異常等除基於吸附劑之吸濕劣化以外之要因，以設定下述條件為佳：1)壓縮機之旋轉數為調控上限值，且該壓力偵測器之偵測值係當壓縮機在該條件下旋轉時為裝置使用初始時之壓力值以上，或2)壓縮機之旋轉數為流量設定手段之最大流量設定值中壓縮機之旋轉數，且該壓力偵測器之偵測值係當壓縮機在該條件下旋轉時為裝置使用初始時之壓力值以上等兩條件。檢測出該裝置之吸附壓顯示正常範圍以上之壓力值。此外，依各個流量設定值，以已預先設定之壓縮機運轉條件下之初始吸附壓為基準，亦可檢測吸附壓上昇。
又，該吸附劑之吸濕劣化為使氧濃縮裝置運轉固定以上之期間之結果而產生者，在運轉開始不久之時間，本發明之調控便開始運作，正暗示了有其他機器異常發生。因此，開始使用吸附筒後，經過預定時間以上便成為進行本發明清除時間之短時間側變換調控之前提。氧濃縮裝置，通常使用在從5℃到35℃之所謂生活環境下為 佳，但在冰點下之寒冬期或40℃以上之炎夏之條件下亦可使用。吸附劑之吸濕劣化，特別顯著的表現在5℃以下或冰點下這種低溫環境。依裝置之使用環境，吸附劑之劣化速度會有很大變動。因此，吸附筒之使用時間為至少500小時以上，且經過2000小時以上為理想。
圖4、圖5顯示於本發明之氧濃縮裝置中，隨生成濃縮氧氣之氧濃度降低而致之由提高壓縮機旋轉數所行之氧濃度補償調控，並在壓縮機旋轉數調控之界限後，已進行清除時間之短時間位移濃縮氧氣之氧濃度、壓縮機旋轉數、清除時間之關係。
如圖4所示，即便在氧濃縮裝置之運轉初始其氧濃度之值顯示在95%，因吸附劑經時性吸濕劣化生成濃縮氧氣之氧濃度會降低，在一低於90%之時點即藉由提高壓縮機旋轉數並提昇吸附壓，將氧濃度維持在90%。隨著吸濕劣化的進行，進行將壓縮機旋轉數之更加提昇之調控亦有界限，當壓縮機旋轉數到達上限後，在氧濃度一低於88%之時點進行清除時間之短時間側位移(劣化時A)。藉此，生成濃縮氧氣濃度之氧濃度會暫時的上昇。經時劣化更進一步進行，當氧濃度再度低於88%時，更進一步進行使清除時間位移至短時間側之調控(劣化時B)。藉此，生成濃縮氧氣濃度之氧濃度會再一次的上昇。
圖5顯示於劣化時A,B併用氧濃度補償調控之例。即便在氧濃縮裝置之運轉初始其顯示氧濃度95%之值，因吸附劑經時的吸濕劣化，生成濃縮氧氣之氧濃度會 降低，在一低於90%之時點a藉由提高壓縮機旋轉數並提昇吸附壓，將氧濃度維持在90%。吸濕劣化更進一步進行，當壓縮機旋轉數到達上限之時點b，氧濃度補償調控會停止。之後，在氧濃度一低於88%之時點c進行清除時間之短時間側位移(劣化時A)。藉此，生成濃縮氧氣濃度之氧濃度會暫時的上昇。在氧濃度上昇之同時，氧濃度補償調控會再一次開啟，壓縮機旋轉數會下降。經時劣化更進一步進行，在壓縮機旋轉數再度到達上限之時點d，氧濃度補償調控會停止，在氧濃度再度低於88%之時點e，更進一步進行使清除時間位移至短時間側之調控(劣化時B)。藉此，生成濃縮氧氣濃度之氧濃度會再一次的上昇。之後，與劣化時A同樣的，發生氧濃度補償調控之再次開啟、壓縮機旋轉數之降低，當壓縮機旋轉數到達上限之時點f，會發生氧濃度之降低。
該清除時間之位移調控，於圖4、圖5雖顯示2次之例，不過藉由反覆2次至5次，可維持生成氧濃度、而使長時間使用氧濃縮裝置成為可能。清除時間設定在多久，依據氧濃縮裝置之生成能力、供給氧濃度等有差異。
在氧濃縮裝置啟動時，通常以預先設定之清除步驟時間開始運轉。基於生成濃縮氧氣之氧濃度、吸附壓、吸附筒之運轉時間此上述3條件判斷吸附劑之吸濕劣化，例如，當氧濃度為低於88%、以壓縮機最大旋轉數運轉時的吸附壓在初始壓以上、吸附筒使用時間在2000小時以上時，將清除時間從3.5秒變更至2.5秒(劣化時A)。將清除時 間之變更次數記憶起來，在反覆裝置的ON/OFF中，例如，滿足吸濕劣化3條件3次以上並進行清除時間之短時間位移的情況下，則於下次啟動時，以劣化時A之清除時間2.5秒之條件啟動。
又，之後，再度滿足上述3條件時，則視為劣化時B而將清除時間從2.5秒短時間位移至2秒。藉此氧濃度會上昇，可延長氧濃縮裝置之使用期間。
產業上之可利用性
本發明之氧濃縮裝置作為醫療用氧濃縮裝置，可使用在用於氧吸入療法之氧供給源，該氧吸入療法係針對苦於氣喘、肺氣腫、慢性支氣管炎等呼吸器官疾病之患者為之。又本發明之特徵在於可利用作為長時間穩定供給氧之裝置。

Claims (5)

  1. 一種氧濃縮裝置，係壓力變動吸附型氧濃縮裝置，具備：多數個填充有吸附劑之吸附筒，該吸附劑相較於氧更選擇性的吸附氮；壓縮機，其將加壓空氣供給至該吸附筒；管路切換手段，其用以將該壓縮機及各吸附筒間之管路依順序切換，並以預定時間點反覆進行下述步驟：將加壓空氣供給至各吸附筒並取出濃縮氧氣之吸附步驟，將各吸附筒減壓並再生吸附劑之脫離步驟，將從吸附步驟側吸附筒之濃縮氧氣導入脫離步驟側吸附筒之清除步驟；流量設定手段，其將濃縮氧氣調整成所欲之流量並供給之；氧濃度偵測器，其測定濃縮氧氣濃度；壓力偵測器，其檢測該吸附筒壓力；及調控手段，其調控該壓縮機、該管路切換手段之動作，其特徵在於具備：調控手段，其基於該氧濃度偵測器之偵測值調控該壓縮機旋轉數，同時基於該氧濃度偵測器之偵測值、該壓力偵測器之偵測值及該吸附筒之使用時間判斷吸濕劣化，並在滿足吸濕劣化之判斷基準時，調控該管路切換手段之切換時間以使該清除步驟之時間縮短至較初 始設定時間短。
  2. 如請求項1之氧濃縮裝置，其中該吸濕劣化之判斷基準為滿足下述3條件：該氧濃度偵測器之偵測值為預定濃度值以下；該壓縮機之旋轉數為調控上限值，且該壓力偵測器之偵測值係當壓縮機在該條件下旋轉時為裝置使用初始時之壓力值以上；及吸附筒之使用時間在預定時間以上。
  3. 如請求項1之氧濃縮裝置，其中該吸濕劣化之判斷基準係滿足下述3條件：該氧濃度偵測器之偵測值為預定濃度值以下；該壓縮機之旋轉數為該流量設定手段之最大流量設定值中之壓縮機旋轉數，且該壓力偵測器之偵測值係當壓縮機在該條件下旋轉時為裝置使用初始時之壓力值以上；吸附筒之使用時間在預定時間以上。
  4. 如請求項2或3之氧濃縮裝置，其係於調控該管路切換手段之切換時間以使該清除步驟之時間縮短至較初始設定時間短後，再度滿足該吸濕劣化之判斷基準時，調控該管路切換手段之切換時間以使該清除步驟之時間縮至較變更後之設定時間更短。
  5. 如請求項2或3之氧濃縮裝置，其中該氧濃度偵測器之偵測值為90%以下，吸附筒之使用時間為2000小時以上。
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