WO2003037786A1 - Dispositif d'enrichissement en oxygene - Google Patents

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ultrasonic
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Naotoshi Fujimoto
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Definitions

  • the present invention relates to an oxygen concentrator for generating an oxygen-enriched gas used for medical purposes, for example, and more particularly to an oxygen concentrator capable of measuring oxygen concentration and / or flow rate using ultrasonic waves.
  • the average molecular weight ⁇ ⁇ of the gas can be obtained by calculation.
  • the sample gas is a mixed gas of oxygen and nitrogen
  • / c l over a wide range of the mixing ratio of oxygen and nitrogen. It can be estimated as 4.
  • the ultrasonic propagation velocity (m / sec) is Vi ⁇ C + V
  • the gas flow velocity V (m / sec) can be obtained from the following equation (2).
  • V (V 1 -V 2 ) / 2... (2)
  • H08-233718 disclose one ultrasonic transducer and an ultrasonic transducer installed opposite to the ultrasonic transducer.
  • a device for measuring the concentration of a specific gas in a sample gas by measuring the propagation speed or propagation time of an ultrasonic wave propagating in an inspection volume by a sound reflection method using a radiation plate is described.
  • US Pat. No. 5,060,506 describes an apparatus for measuring the concentration of a sample gas composed of two types of molecules by measuring the change in the speed of sound of ultrasonic waves.
  • An object of the present invention is to solve such a problem of the prior art.
  • An oxygen concentrator capable of accurately measuring the oxygen concentration even when the flow rate of the oxygen-enriched gas generated by the oxygen concentrator changes. It is intended to provide
  • a pressurized air source for removing nitrogen from air to generate an oxygen-enriched gas
  • an adsorption cylinder for removing nitrogen from pressurized air from the pressurized air source
  • a flow measuring device disposed downstream of the adsorption column
  • an ultrasonic oxygen concentration measuring means disposed downstream of the flow measuring device.
  • an oxygen concentrator for removing oxygen from air to generate oxygen-enriched gas
  • a nitrogen source is removed from a pressurized air source and pressurized air from the pressurized air source.
  • An adsorption cylinder, and an ultrasonic oxygen concentration flow rate measuring means disposed downstream of the flow rate measuring device, wherein the ultrasonic oxygen concentration flow rate measuring means detects oxygen, oxygen, and oxygen based on the flow rate of the oxygen-enriched gas.
  • Oxygen concentration of oxygen-enriched gas composed of argon and nitrogen
  • An oxygen concentrator comprising means for generating a correction coefficient for deriving BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of an oxygen concentrator according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic block diagram of an ultrasonic oxygen concentration measuring device used in the oxygen concentrating device of FIG.
  • FIG. 3 is a schematic block diagram of an oxygen concentrator according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic block diagram of an ultrasonic oxygen concentration and flow rate measuring device used in the oxygen concentrating device of FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • an oxygen concentrator 150 is composed of two adsorption tubes 15 2 a, 15 2 b, each filled with a high-performance Li-X type zeolite as an adsorbent.
  • An ultrasonic oxygen concentration measuring means 170 is provided downstream of 52a and 152b.
  • One of the adsorption cylinders 15 2 a and 15 2 b is selected by the switching valve 15 4 so as to communicate with the compressor 15 6.
  • the air drawn into the compressor 156 via the filter 158 is compressed by the compressor 156, and the pressurized air is compressed by the directional control valve 154. Supplied to 1 5 2 b.
  • the adsorption cylinders 15 2 b and 15 2 a which are shut off from the compressor 15 56 by the switching valve 15 54, are released to the atmosphere. The release releases the adsorbed nitrogen and releases S from the adsorbent.
  • the oxygen-enriched gas from which nitrogen has been removed in the adsorption cylinder 15a or 152b is supplied to the product tank 162 via the check valves 16a and 16b.
  • the oxygen-enriched gas is supplied from the product tank 162 to the ultrasonic oxygen concentration measuring means 170 via the pressure regulating valve 1664, the flow setting device 1666, and the flow measuring device 1668.
  • the oxygen-enriched gas whose oxygen concentration has been measured by the ultrasonic oxygen-concentration measuring means 170 is supplied to a user or a patient after removing solid particles from the oxygen-enriched gas through the product filter 170.
  • the ultrasonic oxygen concentration measuring apparatus 100 includes a pipeline 102 through which oxygen-enriched gas or a calibration gas flows, and the pipeline 102 has a linear portion 108 and the linear portion. And vertical portions 104 and 106 connected to both ends of the.
  • An ultrasonic transducer 118 as an ultrasonic transmitter / receiver is fixed to one end inside the straight portion 108, and a reflection is made to the other end inside the straight portion 108.
  • the plate 122 is fixed so as to face the ultrasonic transducer 118.
  • the distance between the ultrasonic transducer 118 and the reflector 122 is defined as the inspection distance.
  • the transmission / reception switch 1 2 4 is connected to the ultrasonic transducer 1 18, and the transmission / reception switch 1 2 4 controls the operation mode of the ultrasonic transducer 1 18. The mode is switched between a transmission mode in which the transducer 118 transmits ultrasonic waves and a reception mode in which the ultrasonic transducer 118 receives ultrasonic waves.
  • the transmission / reception switch 1 2 4 is connected to the micro computer 1 2 6 The switching operation of the heaters 124 is controlled by the microcomputer 126.
  • the vertical portion 104 on the upstream side in the flow direction of the gas flowing through the pipeline 102 has an inlet port 104a, and the inlet port 104a has a supply pipeline 110.
  • the oxygen-enriched gas source 1 1 and the calibration gas source 1 1 4 are connected via the.
  • Oxygen enriched gas source 1 1 2 compressors 1 5 6 1 can be force s is formed by the adsorption column 1 5 2 a, 1 5 2 b like.
  • the calibration gas source 114 is a container (not shown) containing a calibration gas whose components and composition ratios are accurately known in advance, such as a mixed gas containing 20% oxygen and 80% nitrogen.
  • a pressure reducing valve (not shown) provided between the container and the supply line 110 may be included.
  • the calibration gas source 114 also has a temperature control for adjusting the temperature of the calibration gas supplied to the line 102 as a means for changing the temperature of the device 100, particularly the line 102.
  • An apparatus 1 13 can be provided. In the example of Fig. 1,
  • L3 includes a heating wire 113a and L13b for supplying power to the heating wire 113a.
  • the vertical portion 106 on the downstream side in the flow direction of the gas flowing through the pipeline 102 ⁇ has an outlet port 106a, and in the embodiment of FIG.
  • the product filter 1 7 2 is connected to a.
  • the calibration gas used for calibration is exhausted directly to the outside air from the product filter 172 or from the outlet port 106a.
  • temperature sensors 1 16 and 1 20 for measuring the temperature of the oxygen-enriched gas or the calibration gas flowing in the line 102 do not disturb the flow in the linear section 108. It is located in the vertical sections 104 and 106.
  • the temperature sensors 1 16 and 120 are connected to the microcomputer 126.
  • the temperature change of the oxygen-enriched gas is large. In this case, either one of the temperature sensors 116 and 120 may be used.
  • the micro computer 126 has a driver 128 for driving the ultrasonic transducer 118, and a receiver 133 for A / D converting a signal from the ultrasonic transducer 118. 0, Display device for displaying the operating status of device 100, measurement results, etc. 134, Microcomputer 126 Non-volatile memory device and disk device for storing the operation system and various parameters, etc. Is connected.
  • the inspection distance between the ultrasonic transducer 1 18 and the reflector 1 2 2 should be determined according to the procedure described below. Is calibrated to obtain a reference distance L 0 in advance.
  • Calibration gas source 1 14 As a calibration gas whose components and composition ratios are known, for example, a gas mixture with a mixture ratio of oxygen and nitrogen of P: (1-P) (0 ⁇ P ⁇ 1) Supplied to 102. At this time, the average value of the temperatures of the calibration gas measured by the two temperature sensors 1 16 and 120 is stored in the memory 13 2 as the reference temperature T 0 (K).
  • the reference temperature ⁇ 0 ( ⁇ ) may be any number (K) as long as it does not deviate from the operating temperature range of the device.
  • a pulse for generating an ultrasonic wave is sent from the micro computer 126 to the driver 128, and the ultrasonic wave is transmitted from the dryino 128 via the transmission / reception switch 124.
  • a pulse voltage is applied to transducers 1 18.
  • the ultrasonic transducer 118 transmits an ultrasonic wave corresponding to the pulse voltage.
  • the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer 118 propagates in the oxygen-enriched gas flowing in the straight portion 108 of the pipeline 102, and is reflected by the reflector 122. It returns to the ultrasonic transducer 1 18 again.
  • the transmission / reception switching unit 124 sets the operation mode of the ultrasonic transducer 118 immediately after applying the pulse voltage to the ultrasonic transducer 118 so that the ultrasonic wave can be received by the ultrasonic transducer 118. Switch the mode from transmission mode to reception mode.
  • the ultrasonic transducer 118 transmits an electric signal corresponding to the received ultrasonic wave to the microcomputer 126 via the transmission / reception switching device 124 and the receiver 130.
  • the micro computer 1 26 calculates the propagation time t from the time when the transmission pulse is first transmitted to the first transducer 118 and the time when the electric signal from the ultrasonic transducer 118 is received next. Jsec).
  • the ultrasonic wave propagation speed in the stationary calibration gas or oxygen-enriched gas is CU / sec
  • the ultrasonic wave travels from the ultrasonic transducer 118 to the reflector 122.
  • the velocity of the oxygen-enriched gas in the direction is V (m / sec)
  • the ultrasonic wave propagation velocity from the ultrasonic transducer 1 18 to the reflector 1 22 becomes C + V
  • the reflector 1 2 The ultrasonic wave reflected in the direction 2 returns to the ultrasonic transducer 1 18, and the ultrasonic wave propagation velocity in the direction is C-V.
  • the propagation speed of the ultrasonic wave measured by the apparatus 100 according to the first embodiment is reciprocating. Therefore, the velocity V of the oxygen-enriched gas is canceled, and the ultrasonic wave propagation velocity c in the stationary oxygen-enriched gas is measured.
  • Test distance L 0 in the (m) is stored as the reference distance memory 1 3 2.
  • the reference distance L 0 (m) between the ultrasonic transducer 118 and the reflector 122 at the temperature T 0 (K) is calibrated.
  • This method is a simple operation. For example, while the calibration gas is supplied to the apparatus 100, a button (not shown) provided on the apparatus 100 is pressed once and the micro computer 126 is automatically operated. It is possible to complete the calibration process. In addition, since the calculation itself is simple, the processing can be completed instantaneously.
  • the oxygen-enriched gas output from the oxygen-enrichment apparatus contains a substantial concentration of argon in addition to oxygen and nitrogen.
  • the concentration of argon is not always constant and changes with the flow rate of oxygen-enriched gas generated by the oxygen concentrator.
  • Table 1 shows the results of gas component analysis at each flow rate of the oxygen-enriched gas output from the oxygen concentrator 150. Gas component analysis was performed by gas chromatography. Flow rate (iter / min) Argon concentration (%)
  • the ratio of oxygen and argon differs depending on the flow rate.
  • Table 1 shows the results of measuring the oxygen-enriched gas generated by the oxygen concentrator 150, but even with the same type of oxygen concentrator, the output oxygen concentration varies somewhat. However, the ratio of oxygen Z and argon concentration is the same.
  • the oxygen-argon ratio varies depending on the type of machine such as the type and amount of the adsorbent and the shape of the adsorption cylinder. .
  • a correction coefficient generating means for generating a correction coefficient for deriving the oxygen concentration of the oxygen-enriched gas composed of oxygen, argon, and nitrogen based on the flow rate of the oxygen-enriched gas will be described.
  • One method of compensating for the change in argon concentration due to the change in flow rate is to directly describe the average molecular weight M in equation (1) using the abundance ratio of oxygen and argon from Table 1.
  • the average molecular weight M can be expressed by the following equation (6).
  • the flow rate of the oxygen-enriched gas is 1.0 OLiter / min. What is necessary is just to replace the oxygen / argon concentration ratio with the oxygen / argon concentration ratio at another flow rate.
  • the oxygen / argon concentration ratio becomes a correction coefficient for the argon concentration, and the argon concentration correction coefficient is referred to in a table based on the oxygen-enriched gas flow rate, or the oxygen Z argon concentration with respect to the previously measured flow rate. If the relationship of the ratio is determined by an approximate expression, and the argon concentration correction coefficient is derived as a function of the flow rate, an accurate oxygen concentration can be measured.
  • the following methods can be considered.
  • the components of the oxygen-enriched gas consist only of oxygen and nitrogen, and the oxygen concentration is calculated using equation (2).
  • the oxygen concentration obtained here is a value that disregards the presence of argon, and therefore differs from the actual oxygen concentration.
  • the concentration ratio of oxygen and argon at a specific flow rate is known, it is possible to approximate the oxygen concentration by multiplying the value of the oxygen concentration calculated in advance by a specific coefficient, as described later.
  • the concentration correction coefficient can be referred to a table from the oxygen-enriched gas flow rate, or the concentration correction coefficient for the flow rate can be approximated.
  • the correction coefficient generating means stores the table or the approximate expression for the correction coefficient and the above-described correction coefficient generation algorithm in the memory 1332 and executes the same by the microprocessor 1226. It can be realized.
  • the flow rate measuring device 168 and the ultrasonic oxygen concentration measuring means 170 in the first embodiment are replaced by ultrasonic oxygen concentration flow rate measuring means 268. Except for this point, the configuration is substantially the same as that of the first embodiment.
  • the oxygen concentrator 250 has two adsorption cylinders 25 2 a and 25 2 b filled with a high performance Li-X type zeolite as an adsorbent, and a switching valve 25 4 Compressor 25 6, which is connected to adsorption cylinders 25 2 a, 25 2 b via compressed air and supplies pressurized air to the adsorption cylinders 25 2 a, 25 2 b, adsorption cylinders 25 2 a, 25 It is equipped with an ultrasonic oxygen concentration flow rate measuring means 268 disposed downstream of 2b.
  • One of the adsorption cylinders 25 2 a and 25 2 b is selected by the switching valve 25 4 so as to communicate with the compressor 25 6.
  • the air sucked into the compressor 156 via the filter 158 is compressed by the compressor 156, and the pressurized air is compressed by the directional control valve 254. Is supplied to 25 2 b.
  • the adsorption cylinders 25 2 b and 25 2 a which are shut off from the compressor 255 by the switching valve 25 54, are released to the atmosphere. The release releases the adsorbed nitrogen and regenerates the adsorbent.
  • the oxygen-enriched gas from which nitrogen has been removed in the adsorption cylinders 252a and 252b is supplied to the product tank 262 via the check valves 260a and 260b.
  • the oxygen-enriched gas is supplied from the product tank 26 2 to the ultrasonic oxygen-concentration flow rate measuring means 2 68 via the pressure regulating valve 2 64 and the flow rate setting device 2 66.
  • the oxygen-enriched gas whose oxygen concentration and flow rate have been measured by the ultrasonic oxygen concentration / flow rate measuring means 268 is supplied to a user or a patient after solid particles are removed from the oxygen-enriched gas through a product filter 270. Is done.
  • the embodiment shown in FIG. 4 is different from the embodiment shown in FIG. 2 in that the reflection plate 122 in the embodiment shown in FIG. 2 is connected to a first ultrasonic transducer 218 as a first ultrasonic transceiver.
  • the configuration is substantially the same as that of the embodiment of FIG. 2 except that it is replaced by a second ultrasonic transducer 222 as an ultrasonic transceiver.
  • the ultrasonic gas concentration and flow rate measuring apparatus 200 includes a pipeline 202 through which an oxygen-enriched gas or a calibration gas flows, and the pipeline 202 has a straight section 200. 8 and vertical portions 204 and 206 connected to both ends of the linear portion.
  • the linear portion 208 is formed of a tube member having a circular cross section whose inner diameter does not change particularly in the longitudinal direction, and a first ultrasonic transceiver as a first ultrasonic transceiver is provided at an inner end thereof on the upstream side.
  • An ultrasonic transducer 210 is fixed, and a second ultrasonic transducer 2 as a second ultrasonic transceiver is provided at a downstream end inside the straight portion 208.
  • 2 2 is the first ultrasonic transformer It is fixed so as to face the speaker 218.
  • the distance between the first ultrasonic transducer 2 18 and the second ultrasonic transducer 2 22 is defined as an inspection distance.
  • the first and second ultrasonic transducers 2 18 and 2 22 are connected to a transmission / reception switch 222, and the transmission / reception switch 222 is connected to the first and second ultrasonic transducers.
  • the operation modes of the ultrasonic transducers 218 and 222 are set in the transmission mode in which the first and second ultrasonic transducers 218 and 222 transmit ultrasonic waves, and the first and second modes are set.
  • the ultrasonic transducers 2 18 and 22 2 switch independently of each other between a receiving mode in which ultrasonic waves are received.
  • the transmission / reception switch 224 is connected to the micro computer 226, and the switching operation of the transmission / reception switch 224 is controlled by the micro computer 226.
  • the vertical portion 204 on the upstream side of the pipeline 202 has an inlet port 204 a, and the oxygen-enriched gas is supplied to the inlet port 204 a via the supply pipeline 210.
  • the source 2 1 2 and the calibration gas source 2 1 4 are connected.
  • the oxygen-enriched gas source 2 12 can be formed by the compressor 256 and the adsorption cylinders 25a and 25b in FIG.
  • the calibration gas source 2 14 is a container (not shown) storing the calibration gas whose components and composition ratios are accurately known, and a pressure reducing valve provided between the container and the supply line 210. (Not shown).
  • the calibration gas source 2 14 can also include a temperature control device 2 13 as a means for changing the temperature of the device 200, in particular, the pipe line 202.
  • the temperature control device 2 13 includes a heating wire 2 13 a and a power supply 2 13 b for supplying power to the heating wire 2 13 a.
  • the vertical portion 206 downstream of the pipeline 202 has an outlet port 206a, and the oxygen-enriched gas or calibration gas used for concentration measurement or calibration is the outlet port 206.
  • the air is exhausted from a. These damn If the body is not suitable for exhausting directly to the outside air, it is firstly possible to provide a gas treatment device (not shown) downstream of the outlet port 206a. This is the same as the embodiment.
  • the temperature sensors 2 16 and 220 for measuring the temperature of the oxygen-enriched gas or the calibration gas flowing in the pipe line 202 should preferably not disturb the flow in the linear section 208. It is located in the vertical sections 204 and 206.
  • the temperature sensors 2 16 and 220 are connected to the microcomputer 2 26. If the temperature change of the oxygen-enriched gas is not large, either one of the temperature sensors 2 16 and 220 may be used.
  • the micro computer 226 has a driver 228 for driving the first ultrasonic transducer 218, and an AZD conversion of a signal from the first ultrasonic transducer 218.
  • Receiver 230 receives the operation status of device 200, measurement results, etc., microphone port For storing the operation system of computer 226, various noise radiators, etc.
  • a memory 232 composed of a non-volatile memory device and a disk device is connected.
  • the test distance and line 2 between the first and second ultrasonic transducers 2 18, 22 2 Calibrate the inner diameter D of the linear part of 02 and the reference distance L. And reference inner diameter D. Is obtained in advance.
  • the predetermined flow rate Q is obtained by the flow rate control valve of the calibration gas source 214 in particular. Accordingly, the same calibration gas as in the first embodiment is supplied from the calibration gas source 2 14 to the pipeline 202. At this time, the average value of the temperatures of the calibration gas measured by the two temperature sensors 2 16 and 220 is stored in the memory 2 32 as the reference temperature T 0 (K).
  • the pulse for generating ultrasonic waves is A pulse voltage is transmitted from the combi-mutator 226 to the driver 228, and is applied to the first ultrasonic transducer 218 via the transmission / reception switch 224.
  • the first ultrasonic transducer 218 transmits an ultrasonic wave corresponding to the pulse voltage.
  • the ultrasonic wave transmitted from the first ultrasonic transuser 218 propagates in the oxygen-enriched gas flowing in the straight line portion 208 of the pipeline 202, and the second ultrasonic trans Received by sense user 222.
  • the second ultrasonic transducer 222 transmits an electric signal corresponding to the received ultrasonic wave to the micro computer 226 via the transmission / reception switch 224 and the receiver 230. .
  • the micro computer 226 forwardly determines the time at which the transmission pulse was first transmitted to the driver 228 and the time at which the electric signal was received from the second ultrasonic transducer 228. Is calculated.
  • the transmission / reception switch 224 changes the operation mode of the first ultrasonic transducer 218 from the transmission mode to the reception mode immediately after receiving the electric signal from the second ultrasonic transducer 222.
  • the operation mode of the second ultrasonic transducer 222 is switched from the reception mode to the transmission mode.
  • a pulse for generating an ultrasonic wave is sent from the micro computer 226 to the dripper 228, and the pulse voltage is applied to the second ultrasonic transducer 222 via the transmission / reception switch 224. Is applied.
  • the second ultrasonic transducer 222 transmits an ultrasonic wave corresponding to the pulse voltage, and the ultrasonic wave is received by the first ultrasonic transducer 218.
  • the first ultrasonic transducer 218 transmits an electric signal corresponding to the received ultrasonic wave to the micro-commuter 226 via the transmission / reception switch 224 and the receiver 230.
  • the propagation time t 2 (sec) in the reverse direction is calculated from the time when the electric signal is received from the first ultrasonic transducer 218 and the time when the electric signal is received.
  • the ultrasonic wave propagation velocity C Q / se C ) in the gas at the temperature T Q (K) can be obtained by the aforementioned equation (3).
  • Inspection distance L in. (M) is stored in the memory 232 as a reference distance.
  • V 0 (V 01 -V 02 ) / 2... (1 1)
  • the reference inner diameter D at the reference temperature T Q (K). (M) can be obtained by the following equation (16).
  • the calibration gas of a known component and concentration is supplied to the apparatus 200, and the flow of the calibration gas is transmitted from the first and second ultrasonic transducers 2 18 and 22 2.
  • the temperature T by measuring the forward and reverse propagation times t1, t2.
  • Reference distance L between the first and second ultrasonic transducers 218 and 222 in (K). (M) is calibrated.
  • the reference inner diameter D 0 (m) can be simultaneously calibrated.
  • the correction coefficient of the oxygen concentration is generated based on the flow rate of the oxygen-enriched gas measured by the flow rate measuring device 168.
  • a correction coefficient for the oxygen concentration is generated based on the flow rate of the oxygen-enriched gas measured by the concentration flow measuring device 200.
  • Other operations are the same as in the first embodiment.

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Description

明 細 書 酸素濃縮装置 技術分野
本発明は、 例えば医療目的で使用される酸素濃縮気体を生成する 酸素濃縮装置に関し、 特に、 超音波を用いて酸素濃度および また は流量を測定可能な酸素濃縮装置に関する。 背景技術
気体中を伝播する超音波の伝播速度は、 気体の濃度、 温度の関数 と して表されることが広く知られている。 気体の平均分子量を M、 温度を T(K)とすれば、 気体中の超音波伝播速度 C (m/sec)は次式 ( 1 ) で表される。
C=( K RT/M)172 … ( 1 )
ここで、
κ ： 定積モル比熱と定圧モル比熱の比
R ： 気体定数
である。
すなわち、 気体中の超音波伝播速度 C (m/sec)と気体の温度 T (K )を測定すれば、 気体の平均分子量 Μを演算により求めることがで きる。 例えば酸素と窒素の混合比が Ρ : ( 1 - Ρ ) ( 0≤ Ρ≤ 1 ) の混合気体から成る試料気体の平均分子量 Μは、 酸素の'分子量を Μ 02、 窒素の分子量を ΜΝ2とすると、 Μ = Μ02 Ρ +ΜΝ2 ( 1 - Ρ) と なるので、 測定された平均分子量 Μから酸素濃度 Ρを演算により求 めることができる。 ここで、 該試料気体が、 酸素と窒素の混合気体 であれば、 酸素と窒素の混合比の広い範囲にわたって概ね / c = l . 4 と見積もることができる。
また、 気体中の超音波伝播速度が C (m/Sec)、 気体の流速が V(m/ sec)であったとき、 気体の流れに対して順方向に超音波を送信した ときに測定される超音波伝播速度 (m/sec)は、 Vi ^ C + V 逆 方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度 V2 (m/s ec)は、 V2= C— Vとなるので、 気体の流速 V (m/sec)は以下の式 ( 2 ) から求めることができる。
V=(V1-V2)/2 … ( 2 )
これに気体が流通している管路の断面積（m2 )を乗じることで、 気体の流量（m3Zsec)を求めることができる。
この原理を利用し、 試料気体中を伝播する超音波の伝播速度もし く は伝播時間から試料気体中の特定気体の濃度や、 試料気体の流量 を測定する方法及び装置が提案されている。 例えば、 特開平 6— 2 1 3 8 7 7号公報には、 試料気体が通る管路中に 2つの超音波トラ ンスデューサを対向させて配置し、 該超音波トランスデューサ間を 伝播する超音波の伝播時間を計測することによつて試料気体の濃度 及び流量を測定する装置が記載されている。 また、 特開平 7 — 2 0 9 2 6 5号公報ゃ特開平 8 — 2 3 3 7 1 8号公報には、 1つの超音 波トランスデューサと、 該超音波トランスデューザに対設された反 射板とを使用した音波反射方式で検査体積内を伝播する超音波の伝 播速度もしく は伝播時間を測定することによ り、 試料気体中の特定 気体の濃度を測定する装置が記載されている。 更に、 米国特許第 5， 060,506号には、 超音波の音速変化を測定することによ り、 2種類 の分子から構成されるサンプルガスの濃度を測定する装置が記載さ れている。
このよ うな超音波の伝播速度等に基づいて酸素濃縮装置から発生 する酸素濃縮気体中の酸素濃度を測定する方法には問題がある。 上 述した方法では、 酸素と窒素の 2成分気体を仮定しているが、 実際 に酸素濃縮装置から出力される酸素濃縮気体には、 酸素と窒素以外 に実質的な濃度のアルゴンが含まれる。 更に、 アルゴンの濃度は常 に一定ではなく、 酸素濃縮装置が生成する酸素濃縮気体の流量に伴 つて変化するため、 従来の超音波式酸素濃度測定装置では、 酸素濃 度を正確に測定できない。
発明の開示
本発明は、 こう した従来技術の問題点を解決することを技術課題 としており、 酸素濃縮装置の生成する酸素濃縮気体の流量が変化し ても、 酸素濃度を正確に測定可能にした酸素濃縮装置を提供するこ とを目的としている。
本発明によれば、 空気から窒素を除去して酸素濃縮気体を生成す る酸素濃縮装置において、 加圧空気源と、 前記加圧空気源からの加 圧空気から窒素を除去する吸着筒と、 前記吸着筒の下流に配設され た流量測定器と、 前記流量測定器の下流に配設された超音波式酸素 濃度測定手段とを具備し、
前記超音波式酸素濃度測定手段が、 前記流量.測定器により測定さ れた酸素濃縮気体の流量に基づき、 酸素、 アルゴン、 窒素で構成さ れる酸素濃縮気体の酸素濃度を導出するための補正係数を生成する 手段を具備する酸素濃縮装置が提供される。
本発明の他の特徴によれば、 空気から窒素を除去して酸素濃縮気 体を生成する酸素濃縮装置において、 加圧空気源と、 前記加圧空気 源からの加圧空気から窒素を除去する吸着筒と、 前記流量測定器の 下流に配設された超音波式酸素濃度流量測定手段とを具備し、 前記超音波式酸素濃度流量測定手段が、 酸素濃縮気体の流量に基 づき、 酸素、 アルゴン、 窒素で構成される酸素濃縮気体の酸素濃度 を導出するための補正係数を生成する手段を具備する酸素濃縮装置 が提供される。 図面の簡単な説明
図 1は本発明の第 1の実施形態による酸素濃縮装置の概略プロッ ク図である。
図 2は、 図 1 の酸素濃縮装置で用いる超音波式酸素濃度測定装置 の概略ブロック図である。
図 3は、 本発明の第 2の実施形態による酸素濃縮装置の概略プロ ック図である。
図 4は、 図 2の酸素濃縮装置で用いる超音波式酸素濃度流量測定 装置の概略ブロ ック図である。 発明を実施する最良の態様
以下に本発明の好ましい実施形態を説明する。
先ず、 図 1 を参照すると、 本発明による酸素濃縮装置 1 5 0は、 吸着剤として高性能の L i 一 X型ゼォライ トを充填した 2本の吸着 筒 1 5 2 a、 1 5 2 b、 切換弁 1 5 4を介して吸着筒 1 5 2 a、 1 5 2 bに接続され加圧空気を該吸着筒 1 5 2 a、 1 5 2 bに供給す るコンプレッサ 1 5 6、 吸着筒 1 5 2 a、 1 5 2 b の下流に配設さ れた超音波式酸素濃度測定手段 1 7 0を備える。
吸着筒 1 5 2 a、 1 5 2 bの何れか一方がコンプレッサ 1 5 6に 連通するよう切換弁 1 5 4によ り選択される。 フィルタ 1 5 8を介 してコンプレッサ 1 5 6に吸引された空気はコンプレッサ 1 5 6に よ り圧縮され、 加圧空気が切換弁 1 5 4によ り選択された吸着筒 1 5 2 a、 1 5 2 bへ供給される。 切換弁 1 5 4によ り コンプレッサ 1 5 6から遮断されている吸着筒 1 5 2 b、 1 5 2 aは、 大気に解 放することによ り吸着した窒素の放出が行われ、 吸着剤の S生が行 われる。
吸着筒 1 5 2 aまたは 1 5 2 bにおいて窒素を除去さた酸素濃縮 気体が、 逆止弁 1 6 0 a、 1 6 0 bを介して製品タンク 1 6 2へ供 給される。 酸素濃縮気体は、 製品タ ンク 1 6 2から調圧弁 1 6 4、 流量設定器 1 6 6、 流量測定器 1 6 8を介して超音波式酸素濃度測 定手段 1 7 0へ供給される。 超音波式酸素濃度測定手段 1 7 0にお いて酸素濃度が測定された酸素濃縮気体は、 製品フィルタ 1 7 2を 介して酸素濃縮気体から固体粒子を除去した後にユーザまたは患者 へ供給される。
次に、 図 2を参照して超音波式酸素濃度測定手段 1 7 0を構成す る超音波式酸素濃度測定装置の好ましい実施形態を説明する。
超音波式酸素濃度測定装置 1 0 0は、 酸素濃縮気体または校正用 気体を流通させる管路 1 0 2を具備しており、 管路 1 0 2は直線部 分 1 0 8 と、 該直線部分の両端部に連結された垂直部分 1 0 4、 1 0 6 とを有している。 直線部分 1 0 8内部の一方の端部には超音波 送受信子と して超音波ト ラ ンスジユーサ 1 1 8が固定されており、 同直線部分 1 0 8の内部の他方の端部には反射板 1 2 2が超音波ト ランスジユ ーサ 1 1 8に対向するよ うに固定されている。 なお、 本 実施形態では、 超音波トランスデューサ 1 1 8 と反射板 1 2 2の間 の距離を検査距離と定義する。
超音波ト ラ ンスジユ ーサ 1 1 8には送受信切り替え器 1 2 4が接 続されており、 送受信切り替え器 1 2 4は、 超音波ト ラ ンスデュー サ 1 1 8の動作モー ドを、 超音波ト ラ ンスデューサ 1 1 8が超音波 を送出する送信モー ドと、 超音波ト ラ ンスデューサ 1 1 8が超音波 を受信する受信モー ドとの間で切り換える。 送受信切り替え器 1 2 4はマイ ク ロ コ ンピュータ 1 2 6に接続されており、 送受信切り替 え器 1 2 4の切換動作はマイクロコンピュータ 1 2 6により制御さ れる。
管路 1 0 2内を流通する気体の流れ方向の上流側の垂直部分 1 0 4は入口ポート 1 0 4 aを有しており、 該入口ポート 1 0 4 aには 供給管路 1 1 0を介して酸素濃縮気体源 1 1 2 と、 校正用気体源 1 1 4 とが接続されている。 酸素濃縮気体源 1 1 2は、 図 1 のコンプ レッサ 1 5 6、 吸着筒 1 5 2 a、 1 5 2 b等により形成すること力 s できる。
校正用気体源 1 1 4は成分および構成比が予め正確に分っている 校正用気体、 例えば 2 0 %の酸素と 8 0 %の窒素を含む混合気体を 貯留した容器 （図示せず） 、 該容器と供給管路 1 1 0 との間に設け られた減圧弁 （図示せず） 等を含むことができる。 校正用気体源 1 1 4は、 また、 装置 1 0 0、 特に管路 1 0 2の温度を変更する手段 として管路 1 0 2へ供給する校正用気体の温度を調節するための温 度調節装置 1 1 3を具備することができる。 図 1 の例では、 温度調
L 3は電熱線 1 1 3 a と電熱線 1 1 3 aに電力を供給する L 1 3 b とを含んでいる。
管路 1 0 2內を流通する気体の流れ方向の下流側の垂直部分 1 0 6は出口ポー ト 1 0 6 aを有しており、 図 1 の実施形態では、 該出 口ポート 1 0 6 aに製品フィルタ 1 7 2が接続される。 校正に用い られた校正用気体は製品フィルタ 1 7 2から、 或いは、 出口ポート 1 0 6 aから直接外気に排気される。
管路 1 0 2内を流通する酸素濃縮気体または校正用気体の温度を 測定するための温度センサ 1 1 6、 1 2 0が、 直線部分 1 0 8内の 流れを乱さないように、 好ましく は垂直部分 1 0 4、 1 0 6に配設 されている。 温度センサ 1 1 6、 1 2 0はマイクロコンピュータ 1 2 6に接続されている。 なお、 酸素濃縮気体の温度変化が大きくな い場合には、 温度センサ 1 1 6、 1 2 0は何れか一方でもよい。 また、 マイ ク ロ コンピュータ 1 2 6には、 超音波トランスデュー サ 1 1 8を駆動するためのドライバ 1 2 8、 超音波トランスデュー サ 1 1 8からの信号を A/D変換するレシーバ 1 3 0、 装置 1 0 0 の動作状態や測定結果等を表示する表示装置 1 3 4、 マイク ロ コン ピュータ 1 2 6のオペレーショ ンシステムや種々のパラメータ等を 格納するための不揮発性メモリ装置やディスク装置から成るメモリ 1 3 2が接続されている。
以下、 超音波式酸素濃度測定装置 1 0 0の作用を説明する。
先ず、 酸素濃縮気体中の特定気体の濃度測定のための通常の測定 プロセスを開始する前に、 以下に説明する手順により、 超音波送受 信子 1 1 8 と反射板 1 2 2の間の検査距離を校正して基準距離 L0 を予め求める。
校正用気体源 1 1 4から成分および構成比が既知の校正用気体と して、 例えば酸素と窒素の混合比が P ： ( 1 - P ) ( 0 ≤ P≤ 1 ) の混合気体が管路 1 0 2に供給される。 このとき、 2つの温度セン サ 1 1 6、 1 2 0により測定された校正用気体の温度の平均値を基 準温度 T0 (K)と してメモリ 1 3 2に格納する。 基準温度 Τ0 (Κ)は 、 装置の使用温度範囲を逸脱しなければ何度（K)であってもよい。 校正用気体を供給している間、 マイ ク ロ コンピュータ 1 2 6から 超音波生成用パルスがドライバ 1 2 8に送出され、 ドライノ 1 2 8 から送受信切り替え器 1 2 4を介して超音波ト ランスデューサ 1 1 8にパルス電圧が印加される。 超音波トランスデューサ 1 1 8は、 このパルス電圧に対応した超音波を送出する。 超音波トランスデュ ーサ 1 1 8から送出された超音波は、 管路 1 0 2の直線部分 1 0 8 内を流通する酸素濃縮気体中を伝播して反射板 1 2 2にて反射され 、 再び超音波トランスデューサ 1 1 8に帰還する。 この帰還した超 音波を超音波 トランスデューサ 1 1 8にて受信できるよ うに、 送受 信切り替え器 1 2 4は、 超音波トランスデューサ 1 1 8にパルス電 圧を印加した直後に、 該超音波トランスデューサ 1 1 8の動作モー ドを送信モー ドから受信モー ドに切り換える。 超音波ト ランスデュ ーサ 1 1 8は、 受信した超音波に対応した電気信号を送受信切り替 え器 1 2 4、 レシーバ 1 3 0を介してマイクロコンピュータ 1 2 6 に送出する。 マイク ロ コンピュータ 1 2 6は、 最初に送信パルスを 第 1の トランスデューサ 1 1 8へ送出した時刻と、 次に超音波トラ ンスデューサ 1 1 8からの電気信号を受信した時刻とから、 伝播時 間 t Jsec)を演算する。
ここで、 温度 T。（K)における該校正用気体中の超音波の伝播速 度 CQ (m/sec)は、 前述の式 （ 1 ) から以下の式 （ 3 ) により示され る。
C0=(( K RT0)/(M02P+MN2 (1-P)))1 /2 … （ 3 ) 一方、
C0=2L0/t。 … （ 4 )
であるので、
L0=(( κ RT0)/(M02P+MN2 (1-P)))1 /2 X t0/2- ( 5 ) が得られる。
なお、 図 2の実施形態では、 静止した校正用気体または酸素濃縮 気体中の超音波伝播速度が C U/sec)であれば、 超音波トランスデ ユ ーサ 1 1 8から反射板 1 2 2に向かう方向への酸素濃縮気体の流 速が V (m/sec)であったとき、 超音波トランスデューサ 1 1 8から 反射板 1 2 2に向かう超音波伝播速度は、 C + Vとなり、 反射板 1 2 2にて反射された超音波が超音波トランスデューサ 1 1 8に戻る 方向への超音波伝播速度は C一 Vとなる。 このよ うに第 1の実施形 態による装置 1 0 0により測定される超音波の伝播速度は、 往復す る超音波の平均速度となるため、 酸素濃縮気体の流速 Vはキヤンセ ルされて、.静止した酸素濃縮気体中での超音波伝播速度 cが測定さ れることになる。
これらの演算は、 マイ ク ロコンピュータ 1 2 6において実施され る。 こ う した演算された基準温度 T。における検査距離 L 0 ( m )は、 基準距離と してメモリ 1 3 2に格納される。
以上の方法により、 既知の成分および構成比の校正用気体を装置 1 0 0に供給して超音波トランスデューサ 1 1 8から送出された超 音波の伝播時間 t。（sec )を測定することで、 温度 T 0 ( K )における 超音波トランスデューサ 1 1 8 と反射板 1 2 2の間の基準距離 L 0 ( m )が校正される。 この方法は簡単な操作、 例えば装置 1 0 0に校 正用気体を供給する間に、 装置 1 0 0に設けられるポタン （図示せ ず） を 1回押すだけでマイク ロ コンピュータ 1 2 6により 自動的に 校正処理を完了させることが可能である。 また、 演算自体も簡便な ものなので、 瞬時に処理を完了させることが可能である。 また、 装 置 1 0 0の経年変化等によ り、 超音波トランスデューサ 1 1 8 と反 射板 1 2 2の位置関係が変わってしまい、 超音波の伝播距離が変化 してしまった場合等においても、 簡単に装置を校正しなおし、 メモ リ 1 3 2に格納されている基準温度および基準距離を更新すること が可能である。
既述したように、 酸素濃縮装置から出力される酸素濃縮気体には 、 酸素と窒素以外に実質的な濃度のアルゴンが含まれる。 また、 ァ ルゴンの濃度は常に一定ではなく、 酸素濃縮装置が生成する酸素濃 縮気体の流量に伴って変化してしまう。
酸素濃縮装置 1 5 0から出力される酸素濃縮気体の各流量におい てガス成分分析を行った結果を表 1 に示す。 ガス成分分析はガスク ロマ トグラフ法で行なった。 流量 (し iter/min) アルゴン濃度（％)
1.00 93.5 6.4 0.1
2.00 94.0 5.2 0.8
3.00 93.5 5.4 1.1 表 1 に示すように、 酸素、 アルゴンの比率は流量によ り異なって いる。 表 1には、 酸素濃縮装置 1 5 0にて生成された酸素濃縮気体 を測定した結果を示しているが、 同じ種類の酸素濃縮装置において も、 出力される酸素濃度には多少のばらつきはあるものの、 酸素 Z アルゴン濃度の比率は同じである。 一方、 吸着剤の種類や量、 吸着 筒の形状など機台の種類が異なればかかる酸素 アルゴン比は異な る。 .
以下、 酸素濃縮気体の流量に基づき酸素、 アルゴン、 窒素で構成 される酸素濃縮気体の酸素濃度を導出するための補正係数を生成す る補正係数生成手段を説明する。
流量変化に伴うアルゴン濃度の変化を補正する 1つの方法は、 表 1から酸素とアルゴンの存在比率を用いて、 直接的に式 （ 1 ) にお ける平均分子量 Mを記述する方法である。
すなわち、 酸素、 窒素、 アルゴンの分子量を、 それぞれ 3 2、 2 8、 4 0 と し、 酸素濃度を 1 0 0 X P (%) で表せば、 酸素濃縮装 置からの出力流量が 1 . 0 0 Liter/minの時、 平均分子量 Mは、 以 下の式 （ 6 ) により表すことが可能となる。
M = 32P + 40(6.4/93.5)P + 28(1-Ρ-(6.4/93.5)P) … （ 6 ) さらに、 比熱比 kに関しても、 酸素および窒素の混合気体の比熱 比を 1. 4、 アルゴンの比熱比 1. 6 7を用いて、 次式のように表 すことが可能である。
k = 1.4(1-(6.4/93.5)Ρ) + 1.67(6.4/93.5)P … （ 7 ) したがって、 酸素濃縮気体中の音速、 及び温度を測定できれば、 式 （ 1 ) ( 6 ) ( 7 ) から、 酸素濃度 1 0 0 X P (%) を求めるこ とができる。
上述の例は、 酸素濃縮気体の流量が 1 . 0 OLiter/minの場合で あり、 その他流量の時には、 式 （ 6 ) 、 式 （ 7 ) における （ 6. 4 / 9 3 . 5 ) とした酸素/アルゴン濃度比を、 他の流量における酸 素 zアルゴン濃度比に置きかえればよい。 この場合、 酸素/アルゴ ン濃度比がアルゴン濃度の補正係数となり、 酸素濃縮気体流量に基 づき該アルゴン濃度補正係数をテーブル参照する、 もしく は、 あら かじめ測定された流量に対する酸素 Zアルゴン濃度比の関係を近似 式で求めておき、 該アルゴン濃度補正係数を流量の関数と して導出 すれば、 正確な酸素濃度を測定できる。
計算を簡単にするため、 次のような方法も考えられる。 先ず、 酸 素濃縮気体の成分は酸素と窒素のみから構成されるものと仮定し、 式 （ 2 ) を用いて酸素濃度を計算する。 ここで得られる酸素濃度は アルゴンの存在を無視した値であるため、 実際の酸素濃度とは異な る値となる。 然しながら、 特定流量における酸素とアルゴンの濃度 比が分かっているため、 後述するように、 予め計算された酸素濃度 の値に特定の係数を乗じることで酸素濃度を近似することが可能で める。
例えば、 酸素濃縮気体の流量が 1 . 0 0 Liter/minの場合、 式 （ 2 ) を用い、 比熱比 k = l . 4 としてアルゴンの存在を無視して酸 素濃度を計算した時、 酸素濃度は 1 0 2. 8 (%) と計算されてし まう。 然しながら、 実際の酸素濃度は 9 3. 5 (%) であることが あらかじめ分かっていれば、 1 . 0 OLiter/minの際の濃度補正係 数として （ 9 3. 5 / 1 0 2 . 8 ) を求めるこ とができ、 酸素濃縮 気体流量が 1 . 0 0 Liter/minの時には式 （ 2 ) で求まる酸素濃度 に濃度補正係数 （ 9 3. 5 / 1 0 2. 8 ) を乗じることで、 正確に 酸素濃度を測定できる。
1 . 0 0 Liter/min以外の場合についても、 同様の濃度補正係数 を予め求めておけば、 酸素濃縮気体流量から該濃度補正係数をテー ブル参照する、 もしくは、 流量に対する濃度補正係数を近似式で求 めておけば、 各流量における濃度補正係数を決定することが可能で あり、 正確な酸素濃度を測定できる。 補正係数生成手段は、 こ う し た補正係数のためのテーブルまたは近似式および上述した補正係数 生成アルゴリズムをメモリ 1 3 2に格納してマイク ロプロセッサ 1 2 6によ り実行するこ とにつて実現するこ とができる。
次に、 図 3を参照して、 本発明の第 2の実施形態を説明する。 第 2の実施形態は、 第 1の実施形態における流量測定器 1 6 8お よび超音波式酸素濃度測定手段 1 7 0が超音波式酸素濃流量度測定 手段 2 6 8によ り置換されている点を除き、 概ね第 1の実施形態と 同様に構成されている。
図 3を参照すると、 酸素濃縮装置 2 5 0は、 吸着剤として高性能 の L i 一 X型ゼォライ トを充填した 2本の吸着筒 2 5 2 a , 2 5 2 b、 切換弁 2 5 4を介して吸着筒 2 5 2 a、 2 5 2 bに接続され加 圧空気を該吸着筒 2 5 2 a、 2 5 2 bに供給するコンプレッサ 2 5 6、 吸着筒 2 5 2 a、 2 5 2 bの下流に配設された超音波式酸素濃 度流量測定手段 2 6 8を備える。
吸着筒 2 5 2 a、 2 5 2 bの何れか一方がコンプレッサ 2 5 6に 連通するよ う切換弁 2 5 4によ り選択される。 フィルタ 1 5 8を介 してコンプレッサ 1 5 6に吸引された空気はコンプレッサ 1 5 6に よ り圧縮され、 加圧空気が切換弁 2 5 4によ り選択された吸着筒 2 5 2 a、 2 5 2 bへ供給される。 切換弁 2 5 4によ り コンプレッサ 2 5 6から遮断されている吸着筒 2 5 2 b、 2 5 2 aは、 大気に解 放することによ り吸着した窒素の放出が行われ、 吸着剤の再生が行 われる。
吸着筒 2 5 2 a 、 2 5 2 bにおいて窒素を除去さた酸素濃縮気体 が、 逆止弁 2 6 0 a 、 2 6 0 bを介して製品タンク 2 6 2 へ供給さ れる。 酸素濃縮気体は、 製品タンク 2 6 2から調圧弁 2 6 4、 流量 設定器 2 6 6 を介して超音波式酸素濃度流量測定手段 2 6 8 へ供給 される。 超音波式酸素濃度流量測定手段 2 6 8において酸素濃度お よび流量が測定された酸素濃縮気体は、 製品フィルタ 2 7 0を介し て酸素濃縮気体から固体粒子を除去した後にユーザまたは患者へ供 給される。
次に、 図 4を参照して超音波式酸素濃度流量測定手段 2 6 8を構 成する超音波式酸素濃度流量測定装置の好ましい実施形態を説明す る。
図 4の実施形態は、 図 2の実施形態における反射板 1 2 2が、 第 1 の超音波送受信子と しての第 1 の超音波ト ランスデューサ 2 1 8 に対設された第 2の超音波送受信子としての第 2の超音波トランス デューサ 2 2 2によ り置換されている点を除いて図 2の実施形態と 概ね同様に構成されている。
図 4の実施形態による超音波式気体濃度流量測定装置 2 0 0は、 酸素濃縮気体または校正用気体を流通させる管路 2 0 2を具備して おり、 管路 2 0 2は直線部分 2 0 8 と、 該直線部分の両端部に連結 された垂直部分 2 0 4 、 2 0 6 とを有している。 直線部分 2 0 8は 、 本実施形態では、 特に長手方向に内径の変化しない断面円形の管 部材ょり成り、 その内部の上流側の端部には第 1の超音波送受信子 として第 1の超音波トランスジユーザ 2 1 8が固定されており、 同 直線部分 2 0 8の内部の下流側の端部には第 2の超音波送受信子と しての第 2の超音波トランスジユ ーサ 2 2 2が第 1 の超音波トラン スジユ ーサ 2 1 8に対向するように固定されている。 なお、 本実施 形態では、 第 1 の超音波トランスデューサ 2 1 8 と第 2の超音波ト ランスジユ ーサ 2 2 2の間の距離を検査距離と定義する。
第 1 と第 2の超音波ト ラ ンスジユ ーサ 2 1 8、 2 2 2は送受信切 り替え器 2 2 4に接続されており、 送受信切り替え器 2 2 4は、 第 1 と第 2の超音波ト ラ ンスデューサ 2 1 8、 2 2 2の動作モー ドを 、 第 1 と第 2の超音波ト ラ ンスデューサ 2 1 8、 2 2 2が超音波を 送出する送信モードと、 第 1 と第 2の超音波ト ラ ンスデューサ 2 1 8、 2 2 2が超音波を受信する受信モー ドとの間で各々独立に切り 換える。 送受信切り替え器 2 2 4はマイ ク ロ コ ンピュータ 2 2 6に 接続されており、 送受信切り替え器 2 2 4の切換動作はマイクロコ ンピュータ 2 2 6によ り制御される。
管路 2 0 2の上流側の垂直部分 2 0 4は入口ポー ト 2 0 4 aを有 しており、 該入口ポー ト 2 0 4 aには供給管路 2 1 0を介して酸素 濃縮気体源 2 1 2 と、 校正用気体源 2 1 4 とが接続されている。 酸 素濃縮気体源 2 1 2は、 図 3のコ ンプレッサ 2 5 6や吸着筒 2 5 2 a、 2 5 2 b等によ り形成することができる。
校正用気体源 2 1 4は成分および構成比の正確に分っている校正 用気体を貯留した容器 （図示せず） 、 該容器と供給管路 2 1 0 との 間に設けられた減圧弁 （図示せず） 等を含むことができる。 校正用 気体源 2 1 4は、 また、 装置 2 0 0、 特に管路 2 0 2の温度を変更 する手段と して温度調節装置 2 1 3を具備することができる。 図 1 の例では、 温度調節装置 2 1 3は電熱線 2 1 3 a と電熱線 2 1 3 a に電力を供給する電源装置 2 1 3 b とを含んでいる。
管路 2 0 2の下流側の垂直部分 2 0 6は出口ポート 2 0 6 aを有 しており、 濃度測定または校正に用いられた酸素濃縮気体または校 正甩気体は出口ポー ト 2 0 6 aから外気に排気される。 これらの気 体が外気へ直接排気するのに適していない場合には、 出口ポー ト 2 0 6 aの下流に気体処理装置 （図示せず） を適宜に配設するこ とが できるこ とは第 1 の実施形態と同様である。
管路 2 0 2内を流通する酸素濃縮気体または校正用気体の温度を 測定するための温度センサ 2 1 6 、 2 2 0が、 直線部分 2 0 8内の 流れを乱さないよ うに、 好ましくは垂直部分 2 0 4 、 2 0 6に配設 されている。 温度センサ 2 1 6 、 2 2 0はマイクロコンピュータ 2 2 6に接続されている。 なお、 酸素濃縮気体の温度変化が大きく な い場合には、 温度センサ 2 1 6 、 2 2 0は何れか一方でもよい。 また、 マイ ク ロ コンピュータ 2 2 6には、 第 1 の超音波トランス デューサ 2 1 8を駆動するためのドライバ 2 2 8、 第 1 の超音波 ト ランスデューサ 2 1 8からの信号を A Z D変換するレシ一パ 2 3 0 、 装置 2 0 0の動作状態や測定結果等を表示する表示装置 2 3 4 、 マイク口 コンピュータ 2 2 6のオペレーショ ンシステムや種々のノヽ ° ラメ一タ等を格納するための不揮発性メモリ装置やディスク装置か ら成るメモリ 2 3 2が接続されている。
以下、 図 4の実施形態の作用を説明する。
先ず、 酸素濃縮気体中の特定気体の濃度測定のための通常の測定 プロセスを開始する前に、 第 1 と第 2の超音波トランスデューサ 2 1 8 、 2 2 2の間の検査距離および管路 2 0 2の直線部分 2 0 8の 内径 Dを校正して基準距離 L。および基準内径 D。を予め求める。 本実施形態では、 特に校正用気体源 2 1 4の前記流量調整弁によ り所定流量 Q。を以て第 1 の実施形態と同じ校正用気体が校正用気 体源 2 1 4から管路 2 0 2に供給される。 このとき、 2つの温度セ ンサ 2 1 6 、 2 2 0によ り測定された校正用気体の温度の平均値が 基準温度 T 0 ( K )と してメモリ 2 3 2に格納される。
校正用気体を供給している間、 超音波生成用のパルスがマイ ク ロ コンビユマタ 2 2 6から ドライバ 2 2 8に送出され、 送受信切り替 え器 2 2 4を介して第 1 の超音波ト ラ ンスデューサ 2 1 8にパルス 電圧が印加される。 第 1 の超音波ト ラ ンスデューサ 2 1 8は、 この パルス電圧に対応した超音波を送出する。 第 1 の超音波ト ラ ンスデ ユーザ 2 1 8から送出された超音波は、 管路 2 0 2の直線部分 2 0 8内を流通する酸素濃縮気体中を伝播して第 2 の超音波ト ラ ンスデ ユーサ 2 2 2により受信される。 第 2 の超音波ト ランスデューサ 2 2 2は、 受信した超音波に対応した電気信号を送受信切り替え器 2 2 4、 レシ一ノ 2 3 0を介してマイ ク ロ コ ンピュータ 2 2 6に送出 する。 マイ ク ロ コ ンピュータ 2 2 6は、 最初に送信パルスを ドライ パ 2 2 8に送出した時刻と、 第 2 の超音波ト ラ ンスデューサ 2 2 2 からの電気信号を受信した時刻とから、 順方向の伝播時間 t ^ s e c ) を演算する。
送受信切り替え器 2 2 4は、 第 2 の超音波ト ラ ンスデューサ 2 2 2からの電気信号を受信した直後に、 第 1の超音波トランスデュー サ 2 1 8 の動作モー ドを送信モードから受信モードに切り換えると 共に、 第 2 の超音波ト ラ ンスデューサ 2 2 2 の動作モー ドを受信モ ードから送信モー ドに切り換える。 その後、 マイ ク ロ コ ンピュータ 2 2 6から超音波生成用のパルスが ドライパ 2 2 8に送出され、 送 受信切り替え器 2 2 4を介して第 2の超音波 ト ラ ンスデューサ 2 2 2にパルス電圧が印加される。 第 2の超音波トラ ンスデューサ 2 2 2は、 このパルス電圧に対応した超音波を送出し、 該超音波は第 1 の超音波ト ラ ンスデューサ 2 1 8により受信される。 第 1 の超音波 ト ラ ンスデューサ 2 1 8は、 受信した超音波に対応した電気信号を 送受信切り替え器 2 2 4、 レシーバ 2 3 0を介してマイ ク ロ コ ンビ ユータ 2 2 6 に送出する。 マイク ロコンピュータ 2 2 6は、 最初に 第 2 の超音波 トランスデューサ 2 2 2へ送信パルスを送出した時刻 と、 第 1 の超音波トランスデューサ 2 1 8からの電気信号を受信し た時刻とから、 逆方向の伝播時間 t 2 (sec)を演算する。
ここで、 1^と t 2の平均値を求めることによ り、 管路 2 0 2内の 校正用気体の流れの影響を除去することが可能であり、 超音波の伝 播時間 t Qを以下の式 （ 8 ) によ り定義する。
t0 = (t1+t2 )/2 ··· ( 8 )
また、 温度 TQ (K)の気体中の超音波伝播速度 CQ /seC)は、 前 述の式 （ 3 ) によ り求められる。
一方、
C0=L0/t0 … （ 9 )
であるので、
L0=(( K RT。）/(M。2P+MN2 (卜 P)))1 / 2 X t。 … ( 1 0 ) が得られる。
これらの演算は、 マイク ロ コンピュータ 2 2 6において実施され る。 う して演算された基準温度 T。における検査距離 L。（m)は、 基準距離と してメモリ 2 3 2に格納される。
さらに、 この基準距離 L。を利用し、 校正用気体の流れに対して 順方向の伝播速度 (ni/sec)と、 逆方向の伝播速度 V。2 (m/sec)は 、 各 ！^ ！；ぃ V02 = L。/ t 2によ り表されるので、 管路 2 0 2中を流れる校正用気体の流速 VQ (m/sec)は、 前述の式 （ 2 ) を用いて、 以下の式 （ 1 1 ) により求めることができる。
V0 = (V01-V02)/2 … （ 1 1 )
流速（m/sec)を流量（m3/ sec)に換算する際には、 流速 Vに管路 2 0 2の直線部分 2 0 8の中心軸線に垂直な平面で切断したときの 直線部分 2 0 8の断面積（m2 )を乗じればよい。 すなわち、 基準温 度 T0 (K)における直線部分 2 0 8の基準内径を D0 (m)とする と以 下の関係が成立する。 V0 π (D0/2)2=Q0 … ( 1 2 )
すなわち、 基準温度 TQ(K)における基準内径 D。（m)は、 以下の 式 （ 1 6 ) により求めるこ とができる。
D0-2(Q0/(D0/2))1 /2 … ( 1 3 )
上記の演算は、 マイクロコンピュータ 2 2 6において実施され、 ここで求めた基準内径 D。（m)はメモリ 2 3 2に格納される。
以上の方法により、 既知の成分、 濃度の校正用気体を装置 2 0 0 に供給して、 第 1 と第 2の超音波トランスデューサ 2 1 8、 2 2 2 から、 校正用気体の流れに対して順方向および逆方向の伝播時間 t 1、 t 2を測定することで、 温度 T。（K)における第 1 と第 2の超音 波ト ラ ンスデューサ 2 1 8、 2 2 2間の基準距離 L。（m)が校正さ れる。 特に、 本実施形態のように、 校正用気体を所定流量にて装置 2 0 0に供給することによ り、 基準内径 D0(m)を同時に校正可能 となる。
第 1の実施形態では、 流量測定器 1 6 8によ り測定された酸素濃 縮気体の流量に基づき酸素濃度の補正係数が生成されていたが、 第 2の実施形態では、 超音波式酸素濃度流量測定装置 2 0 0によ り測 定された酸素濃縮気体の流量に基づき酸素濃度の補正係数が生成さ れる。 その余の作用については、 第 1の実施形態と同様である。

Claims

1 . 空気から窒素を除去して酸素濃縮気体を生成する酸素濃縮装 置において、
加圧空気源と、
前記加圧空気源からの加圧空気から窒素を除去する吸着筒と、
ョー卩胄
前記吸着筒の下流に配設された流量測定器と、
前記流量測定器の下流に配設された超音波式酸素濃度測定手段と の
を具備し、
前記超音波式酸素濃度測定手段が、
前記流量測定器によ り測定された酸素濃囲縮気体の流量に基づき、 酸素、 窒素、 アルゴンで構成される酸素濃縮気体の酸素濃度を導出 するための補正係数を生成する手段を具備する酸素濃縮装置。
2 . 前記超音波式酸素濃度測定手段が、
濃度を測定すべき測定対象気体を流通させる管路と、
前記管路内に固定された超音波送受信子と、
前記超音波送受信子に対向させて前記管路内に固定された反射板 と、
前記超音波送受信子の動作モードを前記超音波送受信子が超音波 を送出する送信モー ドと、 超音波を受信する受信モー ドとの間で切 り換える送受信切換器と、
前記管路内に配設され、 前記管路を流通する校正用気体の温度を 測定する温度センサと、
前記超音波送受信子が超音波を送出した時刻と、 該超音波送受信 子が前記反射板によ り反射された超音波を受信した時刻とから、 前 記超音波が前記管路内の校正用気体中を伝播する時間を演算する伝 播時間演算手段とを具備する請求項 1 に記載の酸素濃縮装置。
3 . 前記超音波式酸素濃度測定手段が、
成分および構成比の既知となっている校正用気体を前記管路へ供 給する校正用気体源と、
前記校正用気体源からの校正用気体を前記管路へ流通させたとき の前記伝播時間演算手段による演算結果から前記超音波送受信子と 前記反射板との間の基準距離を校正する校正手段を具備した請求項 2に記載の酸素濃縮装置。
4 . 空気から窒素を除去して酸素濃縮気体を生成する酸素濃縮装 置において、
加圧空気源と、
前記加圧空気源からの加圧空気から窒素を除去する吸着筒と、 前記流量測定器の下流に配設された超音波式酸素濃度流量測定手 段とを具備し、
前記超音波式酸素濃度流量測定手段が、
酸素濃縮気体の流量に基づき、 酸素、 アルゴン、 窒素で構成され る酸素濃縮気体の酸素濃度を導出するための補正係数を生成する手 段を具備する酸素濃縮装置。
5 . 前記超音波式酸素濃度流量測定手段が、
濃度を測定すべき測定対象気体を流通させる管路と、
前記管路内に固定された第 1の超音波送受信子と、
前記第 1 の超音波送受信子に対向させて前記管路内に固定された 第 2の超音波送受信子と、
前記第 1 と第 2の超音波送受信子の動作モー ドを前記超音波送受 信子が超音波を送出する送信モー ドと、 超音波を受信する受信モー ドとの間で切り換える送受信切換器と、
前記管路内に配設され、 前記管路を流通する校正用気体の温度を 測定する温度センサと、 前記第 1の超音波送受信子が超音波を送出した時刻と、 前記第 2 の超音波送受信子が受信した時刻とから、 前記超音波が前記管路内 の校正用気体中を伝播する第 1 の伝播時間を演算し、 前記第 2の超 音波送受信子が超音波を送出した時刻と、 前記第 1 の超音波送受信 子が受信した時刻とから、 前記超音波が前記管路内の校正用気体中 を反対方向に伝播する第 2の伝播時間を演算する伝播時間演算手段 とを具備した請求項 4に記載の酸素濃縮装置。
6 . 前記超音波式酸素濃度測定手段が、
成分および構成比の既知となっている校正用気体を前記管路へ供 給する校正用気体源と、
前記校正用気体源からの校正用気体を前記管路へ流通させたとき の前記伝播時間演算手段による演算結果から前記第 1 と第 2の超音 波送受信子の間の基準距離および前記管路の基準内径を校正する校 正手段を具備した請求項 5に記載の酸素濃縮装置。
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