WO2011052803A1 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Abstract

　酸素濃縮装置の使用環境温度の変化に対する吸着性能の変化に追従し、消費電力を低減する装置として、酸素濃縮装置の運転中に流路切換手段の開閉タイミングを変えることによりパージ工程の時間を増減させ、該酸素ガス濃度が最大となるパージ工程時間に制御するパージ工程制御手段を備えることを特徴とする酸素濃縮装置を提供する。

Description

酸素濃縮装置

　本発明は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着材を用いた圧力変動吸着型の酸素濃縮装置に関するものであり、特に慢性呼吸器疾患患者などに対して行われる酸素吸入療法に使用する医療用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器官の疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、その治療法として最も効果的なもののひとつに酸素吸入療法がある。かかる酸素吸入療法とは、酸素ガスあるいは酸素富化空気を患者に吸入させるものである。酸素吸入療法に使用する酸素の供給源として、空気中の酸素を分離する酸素濃縮装置、液体酸素を用いた酸素供給装置や酸素ガスボンベ等が知られているが、使用時の便利さや保守管理の容易さから、在宅酸素療法には酸素濃縮装置が主流で用いられている。
　酸素濃縮装置は、空気中に存在する約２１％の酸素を分離濃縮して供給する装置であり、酸素を選択的に透過する酸素富化膜を用いた膜式酸素濃縮装置と、窒素または酸素を選択的に吸着する吸着材を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置があるが、９０％以上の高い酸素濃度が得られる利点から圧力変動吸着型酸素濃縮装置が主流になっている。
　圧力変動吸着型酸素濃縮装置は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着材として５Ａ型や１３Ｘ型、Ｌｉ−Ｘ型などのモレキュラーシーブゼオライトを充填した吸着筒に、コンプレッサで圧縮された空気を供給することにより、加圧条件下で窒素を吸着させ、未吸着の酸素濃縮ガスを得る吸着工程と、前記吸着筒内の圧力を大気圧またはそれ以下に減じて、吸着材に吸着された窒素を脱着排気することで吸着材の再生を行う脱着工程とを交互に繰り返し行うことで、高濃度酸素ガスを連続的に生成することができる。

特開２００６−１４１８９６号公報 特開２００２−２５３６７５号公報

　吸着材を利用した圧力変動吸着型酸素濃縮装置は、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および吸着プロセスのシーケンスが一定の場合、得られる製品ガス中の酸素濃度は環境温度、供給空気温度により変化する。これは吸着材の窒素酸素選択吸着率の温度特性によるものであり、Ｌｉ−Ｘ型やＭＤ−Ｘ型などのモレキュラーシーブゼオライトにおいては、環境温度が高い場合には吸着材の窒素の吸着量が少なくなる為、常温で最適化したシーケンスを用いた場合には吸着工程で窒素が破過し、製品酸素濃度が低下する。また温度が低い場合には吸着材の窒素吸着率は大きくなるが、吸着速度が低下するため、脱着工程において吸着材からの窒素の脱着不足を招き、製品ガス中の酸素濃度が低下することになる。
　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方法を用いることによって、高濃度の酸素を確保する方法が提案されている。しかし、かかる方法を用いた酸素濃縮装置では吸着筒へ導入する空気の圧力をできるだけ高くする必要があり、コンプレッサの加圧空気供給能力を高めることに伴い、装置の消費電力の上昇を招く問題が生じる。
　このような在宅で使用される医療用酸素濃縮装置を用いる場合には、装置を動作させるために必要な電力料金は患者負担となるため、消費電力を低下させる事が強く求められている。
　圧力変動吸着型酸素濃縮装置の消費電力を低下させる方法として、製品ガスである酸素ガス濃度を検知し、検知結果に基づいて空気供給手段の電動機回転数を制御する方法が提案されている（特許文献２）。特許文献２には、酸素濃縮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圧力変動吸着型酸素濃縮装置が記載されている。しかし、特許文献１に記載の装置と同様に、環境温度が変化すると加圧空気供給手段の加圧能力を高める必要が生じることとなり、装置の消費電力上昇を招くなどの問題が生じる。
　このような装置では、酸素濃度を一定に保つように電動機回転数を制御することによって、装置の運転環境や部品の状態が良く、酸素生成能力が高いときには、空気供給手段の能力を抑えて消費電力を低下させ、逆に、高温や寒冷下といった装置の運転環境が悪化した場合や部品の劣化が進むことによって酸素生成能力が低下した場合には、空気供給手段の供給能力を上げることで、従来の酸素濃縮装置より初期における消費電力を低下させることを実現している。しかしながら空気供給手段の制御だけでは、環境温度の変化に対する吸着材の吸着性能の変化に追従して高濃度の酸素生成を維持する事は難しく、また、消費電力の大幅な低下を実現することは困難であった。

　かかる問題の解決方法として、本願発明者らは以下に示す発明を見出した。すなわち、本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着材を充填した複数の吸着筒と、該吸着筒へ原料空気を供給するコンプレッサ、該コンプレッサおよび各吸着筒の間の流路を順次切り替え、各吸着筒へ加圧空気を供給し酸素濃縮ガスを取り出す吸着工程、各吸着筒を減圧し吸着材を再生する脱着工程、各吸着筒を連通させる均圧工程、吸着工程側の吸着筒からの高濃度の酸素を脱着工程側の吸着筒へ導入するパージ工程を所定タイミングで繰り返すための流路切換手段を具備し、所定流量で使用者に酸素濃縮ガスを供給する流は設定手段を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該酸素濃縮装置の生成した酸素濃縮ガスの酸素濃度を検知する酸素濃度センサ、装置温度を測定する温度センサを備え、該酸素濃度センサの出力値が所定値を下回った場合、あるいは該温度センサの出力値が所定温度範囲を外れた場合、該流路切換手段の開閉タイミングを変えることによりパージ工程の時間を増減させ、酸素濃度が最大となるパージ工程時間に変更制御するパージ工程制御手段を備えることを特徴とする酸素濃縮装置を提供する。
　また、本発明は、かかるパージ工程制御手段が、パージ工程時間の変更制御開始直前の酸素濃縮ガスの酸素濃度を基準濃度とし、パージ工程時間を一定時間増加させる制御及び制御後の酸素濃度検知を行い、酸素濃度が上昇した場合はパージ工程時間変更後の酸素濃度を基準濃度に書き換え、更にパージ工程時間の増加、酸素濃度検知を行う制御を、基準濃度に対して酸素濃度が低下する点（以下、Ｐ^１点という。）まで繰り返し行い、その後、Ｐ^１点における酸素濃度を基準濃度とし、パージ工程時間を一定時間減少させる制御及び制御後の酸素濃度検知を行い、酸素ガス濃度が上昇した場合はパージ工程時間変更後の酸素濃度を基準濃度に書き換え、更にパージ工程時間の減少および酸素濃度検知を行う制御を、基準濃度に対して酸素濃度が低下する点（以下、Ｑ^１点という。）まで繰り返し行い、その後、Ｑ^１点における酸素濃度を基準濃度とし、パージ工程時間を一定時間増加させる制御及び制御後の酸素濃度検知を行い、酸素ガス濃度が上昇した場合はパージ工程時間変更後の酸素濃度を基準濃度に書き換え、更にパージ工程時間の増加および酸素濃度検知を行う制御を、基準濃度に対して酸素濃度が低下する点（以下、Ｒ^１点という。）まで繰り返し行い、Ｑ^１点及びＲ^１点の中間値をパージ工程時間と決定する制御を行う手段である、酸素濃縮装置を提供する。
　また、本発明は、かかるパージ工程制御手段が、パージ工程時間の変更制御開始直前の酸素濃縮ガスの酸素濃度を基準濃度とし、パージ工程時間を一定時間減少させる制御及び制御後の酸素濃度検知を行い、酸素濃度が上昇した場合はパージ工程時間変更後の酸素濃度を基準濃度に書き換え、更にパージ工程時間の減少、酸素濃度検知を行う制御を、基準濃度に対して酸素濃度が低下する点（以下、Ｐ^２点という。）まで繰り返し行い、その後、Ｐ^２点における酸素濃度を基準濃度とし、パージ工程時間を一定時間増加させる制御及び制御後の酸素濃度検知を行い、酸素濃度が上昇した場合はパージ工程時間変更後の酸素濃度を基準濃度に書き換え、更にパージ工程時間の増加および酸素濃度検知を行う制御を、基準濃度に対して酸素濃度が低下する点（以下、Ｑ^２点という。）まで繰り返し行い、その後、Ｑ^２点における酸素濃度を基準濃度とし、パージ工程時間を一定時間減少させる制御及び制御後の酸素濃度検知を行い、酸素濃度が上昇した場合はパージ工程時間変更後の酸素濃度を基準濃度に書き換え、更にパージ工程時間の減少および酸素濃度検知を行う制御を、基準濃度に対して酸素濃度が低下する点（以下、Ｒ^２点という。）まで繰り返し行い、Ｑ^２点及びＲ^２点の中間値をパージ工程時間と決定する制御を行う下段である、酸素濃縮装置を提供する。
　また本発明は、該パージ工程制御手段が、酸素濃縮装置の起動時または設定流量の変更時における該温度センサの出力値を基準温度として記憶し、基準温度の値によって定められたパージ時間を初期値として設定制御する手段であり、更に、酸素濃縮装置の起動時または設定流量の変更時における該温度センサの出力値を基準温度として記憶し、温度センサの検出値が該基準温度に対して一定以上変化した場合、予め温度センサの出力値によって定められたパージ時間に再設定する手段である酸素濃縮装置を提供する。
　また、本発明は、該パージ工程制御手段が、予め設定されたパージ工程時間変更可能範囲を備え、基準濃度に対して酸素濃度が低下するＰ点を検知せずにパージ時間変更可能限界点に到達した場合、またはＰ点を検知後に、基準濃度に対して酸素濃度が低下するＱ点を検知せずにパージ時間変更可能限界点に到達した場合、到達したパージ時間変更可能限界点をパージ時間と決定する制御を行う手段である酸素濃縮装置を提供する。
　また、本発明は、該酸素濃縮装置の生成した酸素濃縮ガスの流量を検知する酸素流量センサを備え、該パージ工程制御手段が、酸素ガス流量が一定範囲を外れた場合、また、温度センサの検出値が一定変化量の範囲を外れた場合に、パージ工程時間の変更制御の実施を中止又は中断する制御を行う手段である、酸素濃縮装置を提供する。

　本発明によると、酸素濃縮装置の使用環境の温度変化に基づく吸着材の吸着効率の変動に対し、常に所定の高濃度の酸素濃縮ガスを生成することが可能な最適な運転シーケンスを提供することが可能であり、使用者に対して、低消費電力で安定した酸素供給を行う装置を提供することが可能である。

　図１は、本発明の酸素濃縮装置の実施態様例である圧力変動吸着型酸素濃縮装置の模式図を示す。また、図２は、本発明の酸素濃縮装置の実施態様例である各工程の概略図を、図３、図４は本発明の酸素濃縮装置の実施態様例であるパージ時間制御の概略図を示す。

　本発明の酸素濃縮装置の実施態様例を、図面を用いて説明する。
　図１は、本発明の一実施形態である圧力変動吸着型酸素濃縮装置を例示した概略装置構成図である。本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置１は、原料空気を供給するコンプレッサ１１２、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着材を充填した吸着筒１３１，１３２、吸脱着工程を切替る流路切替手段である供給弁１２１，１２２、排気弁１２３，１２４、均圧弁１２５を備え、原料空気から分離生成した酸素濃縮ガスを流量設定器であるコントロールバルブ１４２で所定流量に調整後、カニューラ１４８を用いて使用者に供給される。
　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り込みフィルタ１１１等などを備えた空気取り込み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、二酸化炭素ほかのガスが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を分離濃縮して取り出す。
　酸素濃縮ガスの分離は、吸着工程に於いて、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等からなる吸着材を充填した吸着筒１３１、１３２に対して、供給弁１２１，１２２、排気弁１２３，１２４の開閉を制御することによって、原料空気を供給対象とする吸着筒への流路を切り換えることにより、コンプレッサ１１２から加圧空気を順次供給し、加圧状態の吸着筒１３１，１３２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ことにより行われる。
　前記の吸着筒は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着材を充填した円筒状容器で構成される。吸着筒の数は酸素生成量との関係で決定され、１筒、２筒の他に３筒以上の多筒を用いた酸素濃縮装置があるが、連続的かつ効率的に原料空気から酸素濃縮ガスを製造するためには、図１に示す２筒式や多筒式の吸着筒を使用することが好ましい。
　また、前記のコンプレッサ１１２としては、圧縮機能のみ、或いは圧縮、真空機能を有するコンプレッサとして２ヘッドのタイプの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。コンプレッサ１１２は、騒音源および熱発生源となるため、冷却ファン１１３を備えたコンプレッサボックス内に収納することにより装置の静穏化を図ることが出来る。
　前記吸着筒１３１，１３２で吸着されなかった酸素ガスを主成分とする酸素濃縮ガスは、吸着筒へ逆流しないように設けられた逆止弁１２８，１２９を介して、製品タンク１４０に流入する。
　なお、酸素濃縮ガスを連続して生成するためには、吸着筒内に充填された吸着材に吸着した窒素を脱着除去させる必要がある。そこで脱着工程では供給弁１２１，１２２を閉じ、排気弁１２３，１２４を開くことにより吸着筒を排気ラインに接続し、加圧状態の吸着筒１３１，１３２を大気開放状態に切り換え、加圧状態で吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着材を再生する。排気ラインの末端には排気消音器１５０を備えることにより、窒素排気に伴う騒音を低減させることが出来る、
　さらにこの脱着工程において、その窒素の脱着効率を高めるため、均圧弁１２５を介して吸着工程中の吸着筒１３１の製品端側から脱着工程中の吸着筒１３２に対して酸素濃縮ガスをパージガスとして逆流させるパージ工程を行う。パージガスの流量を制御する為に均圧弁１２５にはオリフィス１２６，１２７を備える。
　２つの吸着筒１３１，１３２では、各工程をずらして運転制御を行い、一方の吸着筒１３１で吸着工程を行い酸素を生成している時には、他方の吸着筒１３２では脱着工程を行い吸着材の再生を行い、各工程を切り換えることにより連続的に酸素を生成する。
　原料空気から酸素濃縮ガスが製造され、製品タンク１４０へ蓄えられる。この製品タンク１４０に蓄えられた酸素濃縮ガスは、例えば９５％といった高濃度の酸素濃縮ガスを含んでおり、調圧弁１４１、コントロールバルブ等の流量設定手段１４２によってその供給流量と圧力が制御されながら、加湿器１４５へ供給され、加湿された酸素濃縮ガスが患者に供給される。
　かかる加湿器１４５には、加湿源として水を用いたバブリング式加湿器あるいは表面蒸発式加湿器の他、ナフィオンなどのパーフルオロスルフォン酸系膜やポリイミド膜、ポリエーテルイミド膜などの水分透過膜を有する水分透過膜モジュールによって、外部空気から水分を取り込んで乾燥状態の酸素濃縮ガスへ供給し加湿する無給水式加湿器を用いることが出来る。
　使用者に供給される酸素濃縮ガスの流量及び酸素濃度は超音波式の酸素濃度・流量センサ１４４で検知され、コンプレッサ１１２の回転数や流路切換弁の開閉時間をフィードバック制御し、酸素生成をコントロールすることも可能である。
　その他、酸素濃縮装置には圧力センサ１１５やリリーフ弁１１４を備えることでコンプレッサの運転異常や吸着筒の加圧異常を検知する他、温度センサ１５１を備えることにより、酸素濃縮装置の吸着温度を検知し、装置異常の検知や、吸脱着工程の最適化制御を行う。
　図２は、本発明の一実施形態である、コンプレッサ１１２と各吸着筒１３１，１３２間の流路に設けられた供給弁１２１，１２２、排気弁１２３，１２４、吸着筒の下流側で吸着筒間を均圧する均圧弁１２５を順次切り換える流路切換手段の開閉タイミングの概略図を示したものである。
　圧力変動吸着型の酸素濃縮装置では、図２に示すように、一方の吸着筒１３１が吸着工程を行っている場合は、他方の吸着筒１３２では脱着工程を行い、供給弁１２１，１２２、排気弁１２３，１２４及び均圧弁１２５の開閉を制御することにより、吸着工程、脱着工程を各々逆位相の形で順次切り替え、酸素を連続的に生成している。再生効率を上げる為、吸着工程で生成した酸素の一部を均圧弁１２５を介して脱着工程側の吸着筒に流すパージ工程（パージ生成工程、パージ排気工程）、吸着工程またはパージ生成工程終了後の吸着筒と脱着工程またはパージ排気工程終了後の吸着筒の間を連結し、圧力移動によるエネルギー回収を行う均圧工程を組み込み、一方の吸着筒１３１において吸着工程、パージ生成工程、均圧工程、脱着工程、パージ排気工程、均圧工程を順次切り換えると共に、他方の吸着筒１３２においては脱着工程、パージ排気工程、均圧工程、吸着工程、パージ生成工程、均圧工程を順次切り換える定常シーケンスを行うことにより、効率的に酸素を生成することが出来る。
　パージ工程は、例えば、吸着工程で酸素を生成している吸着筒１３２から酸素を取り出すと共に、均圧弁１２５を介して脱着工程で窒素を減圧排気している吸着筒１３１に生成酸素の一部を流し、吸着材の窒素脱着再生効率を上げる工程である。このパージ時間を長くすると吸着材の再生効率も上がり、結果として生成する酸素濃縮ガスの酸素濃度の上昇が認められる。酸素取出し量が少ない場合には、窒素だけでなく酸素も吸着材に吸着する過吸着現象が生じ、酸素濃縮ガス中のアルゴンガス濃度が上昇するため、酸素濃度の低下を引き起こす。そこでパージ工程時間を長くすることで、酸素生成量を調整することで酸素濃度を高く維持する制御を行うことも可能である。
　一方、パージガスはそのまま大気中に排気されるため、排気パージ時間を長くし過ぎると吸着筒１３２からの酸素取り出し量が減少する他、取り出し量によっては、窒素破過による生成酸素濃度の低下を招き、製品ガスとしての生成量が少なくなるなどのデメリットもある。
　このように酸素濃縮装置の運転環境温度や酸素取出し量等によって酸素濃縮ガスの酸素濃度を最適に維持するためのパージ時間は異なって来る。
　図３は、本発明の一実施形態である圧力変動吸着型酸素濃縮装置のパージ工程時間制御の概略図であり、パージ工程時間制御は以下の通り実施される。
　酸素濃縮装置の起動時には、酸素濃縮装置の温度に基づき設定されたパージ工程時間（図３のＮｏ．１）を含む吸脱着シーケンスで起動する。吸脱着シーケンスは装置温度によって最適シーケンスが大きく変化するため、予め装置の温度検知結果に基づいてパージ工程時間を含む初期設定時間で起動させるのが良い。吸着工程や脱着工程の時間変更を含むシーケンス全体を制御した場合には、シーケンス全体のバランスが崩れ、生成する酸素濃縮ガスの酸素濃度が安定するのに時間を要することとなりため、本願発明ではパージ工程の時間を制御する。
　起動時のパージ工程時間は、酸素濃縮装置の周囲環境温度によって決定され、当該温度によって決まる最適時間で起動させる。特に吸着材の窒素吸着特性から１０℃以下の低温域では常温領域の場合に比較して、起動初期のパージ工程時間を長く設定することで、生成する酸素濃縮ガスの酸素濃度を高くすることが出来る。また、運転中の環境温度の影響を排除するため、使用者に供給する流量設定値の変更時においても、運転中の温度変化に対応するため、パージ工程時間を、運転中の装置温度に対応するパージ工程時間に変更することで、最適シーケンスで運転することが出来る。更に、冷暖房等の影響により起動中の環境温度が所定閾値以上に変動した場合にも、パージ工程時間の変更制御を行っても良い。
　酸素濃縮装置は、氷点下領域から４０℃近くの高温領域まで多様な環境条件下で使用される場合があり、起動後の使用環境温度の変動は吸着材の窒素酸素吸着効率に大きな変動をもたらす。起動時の所定の運転シーケンスで酸素濃縮装置を起動した後は、その後の環境変化に伴って生じる酸素濃縮ガスの酸素濃度の変動に応じて最適な運転シーケンスを決定する。そのため、パージ工程制御手段により、供給弁、排気弁の開閉時間を制御し、酸素濃度が最大となるようにパージ工程時間の最適化を行う。かかる制御は、生成する酸素濃縮ガス中の酸素濃度が例えば９０％を下回るなど、予め設定した所定濃度値を下回った場合に、生成酸素濃度とパージ時間の関係を調べることによりパージ工程時間の最適化を行い、生成酸素濃度の上昇を図るものである。
　パージ工程制御の開始直近の酸素濃縮ガス中の酸素濃度を制御基準濃度として記憶し、その後、パージ工程時間を所定時間増加させる（図３のＮｏ．２）。一定時間経過後の酸素濃度検知結果に基づき、基準濃度に対して生成酸素濃縮ガスの酸素濃度が上昇したか、下降したかの判断を行い、酸素濃度が上昇した場合には、直近の濃度を制御基準濃度に差し替えてさらにパージ工程時間を増加させる。酸素濃度が下降した場合には、この時間（図３のＮｏ．２）をＰ^１点として記憶する。この作業は、酸素濃度低下が検知されるまで繰り返し、パージ時間を増加させる。
　Ｐ^１点が決定した場合、Ｐ^１点の酸素濃度を制御基準濃度として記録し、逆にパージ工程時間を所定時間減少（図３のＮｏ．３）させる。一定時間経過後、生成した酸素濃縮ガスの濃度が制御基準濃度に対して上昇したか、下降したかの判断を行い、酸素濃度が上昇した場合には、直近の濃度を制御基準濃度に差し替えてさらにパージ時間を減少させる。この作業は、酸素濃度低下が検知されるまで繰り返し、パージ時間を減少させる（図３のＮｏ．３~Ｎｏ．９）。酸素濃度が下降した場合、この時間（図３のＮｏ．９）をＱ^１点として記憶する。
　Ｑ^１点が決定した場合、直近濃度であるＱ^１点の酸素濃度を制御基準濃度として記録し、逆にパージ時間を所定時間増加させる。一定時間経過後、制御基準濃度に対して酸素濃度が上昇したか、下降したかの判断を行い、酸素濃度が上昇した場合には、直近の濃度を制御基準濃度に差し替えてさらにパージ時間を増加させ、この作業を酸素濃度低下が検知されるまで（図３のＮｏ．１０~Ｎｏ．１４）繰り返し行う。酸素濃度が下降した場合、この時間をＲ^１点（図３のＮｏ．１４）として記憶する。
　Ｒ^１点が決定した後、Ｑ^１点とＲ^１点の中間点である図３のＳ^１点を最適パージ時間として確定する。具体的には、Ｑ^１点とＲ^１点のパージ時間の平均時間をＳ^１点として決定することが出来る。このように、Ｓ^１点においては、装置が運転されている環境下での最大酸素濃度の酸素濃縮ガスを生成することができる。
　かかる実施例態様例では、パージ時間制御開始時にパージ時間を延長する制御から行ったが、逆にパージ時間を短くする制御から開始してもよい。即ち、図４に示すように、パージ時間制御開始直近（図４のＮｏ．１）の酸素濃縮ガス中の酸素濃度を制御基準濃度として記憶し、その後、パージ時間を所定時間減少させ、（図４のＮｏ．２）、一定時間経過後の酸素濃度検知結果に基づき、制御基準濃度に対して生成酸素濃縮ガスの酸素濃度が上昇したか、下降したかの判断を行い、酸素濃度が上昇した場合には、直近の濃度を制御基準濃度に差し替えてさらにパージ時間を減少させる。この制御を酸素濃度が下降するまで繰返し行い（図４のＮｏ．２~Ｎｏ．７）、酸素濃度の下降を検知した時間（図４のＮｏ．７）をＰ^２点として記憶する。
　Ｐ^２点が決定した場合、Ｐ^２点の酸素濃度を制御基準濃度として記録し、パージ時間を所定時間上昇（図４のＮｏ．８）させる。一定時間経過後、生成酸素濃縮ガスの酸素濃度が制御基準濃度に対して上昇したか、下降したかの判断を行い、酸素濃度が上昇した場合には、直近の濃度を制御基準濃度に差し替えてさらにパージ時間を増加させ、酸素濃度低下が検知されるまでこの操作を繰り返し行う（図４のＮｏ．８~Ｎｏ．１２）。酸素濃度が下降した場合、この時間（図４のＮｏ．１２）をＱ^２点として記憶する。
　Ｑ^２点が決定した場合、直近濃度であるＱ^２点の酸素濃度を制御基準濃度として記録し、再度、パージ工程時間を所定時間減少させる。一定時間経過後、制御基準濃度に対して酸素濃度が上昇したか、下降したかの判断を行い、酸素濃度が上昇した場合には、直近の濃度を制御基準濃度に差し替えてさらにパージ時間を減少させ、この作業を酸素濃度低下が検知されるまで（図４のＮｏ．１３~Ｎｏ．１７）繰り返し行う。酸素濃度が下降した場合、この時間をＲ^２点（図４のＮｏ．１７）として記憶する。
　Ｒ^２点が決定した後、Ｑ^２点とＲ^２点の中間点である図４のＳ^２点を最適パージ時間として確定する。具体的には、Ｑ^２点とＲ^２点のパージ時間の平均時間をＳ^２点として決定することが出来る。この場合、Ｐ^２点とＲ^２点は、結果的に同一点となるが、制御開始時点では、最適パージ時間に対する本制御開始初期のパージ時間の長短が認識できないことから、Ｐ^２点とＱ^２点の中間点ではなく、Ｑ^２点とＲ^２点の中間点をＳ^２点として決定する。
　このように、最適パージ時間であるＳ^１点、Ｓ^２点においては、酸素濃縮装置は、運転されている現環境下での最大酸素濃度の酸素濃縮ガスを生成することができる。
　上記制御は、吸着筒から生成される酸素濃縮ガスの酸素濃度が所定値以下になった場合に開始されるが、室内の冷暖房等により運転中の温度が起動時の温度よりも所定値以上、乖離した場合にも行っても良い。
　このように製品ガス中の酸素濃度を検知し、最適なパージ時間を精度よく設定することで、最高酸素濃度を実現する運転シーケンスを決定することができる。そして過剰な酸素供給を抑制するため、コンプレッサの回転数を下げるなど空気供給手段の能力を抑え、酸素濃縮ガスの酸素濃度を例えば９０％に維持する運転をすることで、消費電力を低下させることも実現できる。更に、酸素濃縮装置の運転環境の悪化や部品劣化による酸素生成能力が低下した状態においても、安定し酸素濃縮ガスを供給することが可能となる。
　パージ工程時間の変更制御は無制限に行えるわけではなく、パージ工程時間を長くし過ぎると吸着工程での窒素破過を起こし、短くし過ぎると吸着材の再生効率が落ち、酸素濃度を一定に維持制御することが出来なくなる。従って酸素濃度の制御が補償できるパージ工程時間の変更可能範囲を予め設定しておき、その範囲内でパージ時間制御を制限するのが好ましい。
　具体的には、上記パージ工程制御において、基準濃度に対して酸素濃度が低下するＰ点を検知せずにパージ時間変更可能限界点に到達した場合、またはＰ点を検知後に、基準濃度に対して酸素濃度が低下するＱ点を検知せずにパージ時間変更可能限界点に到達した場合には、到達したパージ時間変更可能限界点をパージ時間と決定する。
　そのほか、製品ガス流量や温度条件も、酸素濃度制御に大きく影響する為、酸素ガス流量が一定範囲を外れた場合には、パージ時間の変更制御の実施を中止又は中断する制御を行う。更に温度センサの検出値が、環境温度の変化により一定量変化した場合には、パージ時間の変更制御の実施を中止又は中断する。これにより運転中の酸素ガス濃度を補償することができる。
　本願発明のパージ工程制御手段は、製品酸素ガス濃度を最大値となるパージ時間に決定する制御を行う。必要以上の酸素濃度である場合には、コンプレッサの供給風量を落し、例えば酸素濃度を９０％とする省エネ運転を行うことが出来る。逆に吸着材の劣化等により酸素濃度が低下した場合にはコンプレッサ回転数を上げ、供給風量、吸着圧を上げる制御を併用することが出来る。尚、コンプレッサの供給風量の変更、すなわちコンプレッサの回転数の変更制御と、パージ時間の最適化を行うパージ工程制御は同時におこなうことは制限することが好ましい。

　本願発明の酸素濃縮装置は医療用酸素濃縮装置として、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器系器官疾患に苦しむ患者に対する酸素吸入療法のための酸素供給源に使用される。また本願発明が特徴とする低消費電力で安定し酸素を供給可能な装置として利用可能である。

Claims (11)

1. 　酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着材を充填した複数の吸着筒と、該吸着筒へ原料空気を供給するコンプレッサ、該コンプレッサおよび各吸着筒の間の流路を順次切り替え、各吸着筒へ加圧空気を供給し酸素濃縮ガスを取り出す吸着工程、各吸着筒を減圧し吸着材を再生する脱着工程、各吸着筒を連通させる均圧工程、吸着工程側の吸着筒からの高濃度の酸素を脱着工程側の吸着筒へ導入するパージ工程を所定タイミングで繰り返すための流路切換手段を具備し、所定流量で使用者に酸素濃縮ガスを供給する流量設定手段を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、
   　該酸素濃縮装置の生成した酸素濃縮ガスの酸素濃度を検知する酸素濃度センサ、装置温度を測定する温度センサを備え、該酸素濃度センサの出力値が所定値を下回った場合、あるいは該温度センサの出力値が所定温度範囲を外れた場合、該流路切換手段の開閉タイミングを変えることによりパージ工程の時間を増減させ、酸素濃度が最大となるパージ工程時間に変更制御するパージ工程制御手段を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 　該パージ工程制御手段が、パージ工程時間の変更制御開始直前の酸素濃縮ガスの酸素濃度を基準濃度とし、パージ工程時間を一定時間増加させる制御及び制御後の酸素濃度検知を行い、酸素濃度が上昇した場合はパージ工程時間変更後の酸素濃度を基準濃度に書き換え、更にパージ工程時間の増加、酸素濃度検知を行う制御を、基準濃度に対して酸素濃度が低下する点（以下、Ｐ^１点という。）まで繰り返し行い、
   　その後、Ｐ^１点における酸素濃度を基準濃度とし、パージ工程時間を一定時間減少させる制御及び制御後の酸素濃度検知を行い、酸素ガス濃度が上昇した場合はパージ工程時間変更後の酸素濃度を基準濃度に書き換え、更にパージ工程時間の減少および酸素濃度検知を行う制御を、基準濃度に対して酸素濃度が低下する点（以下、Ｑ^１点という。）まで繰り返し行い、
   　その後、Ｑ^１点における酸素濃度を基準濃度とし、パージ工程時間を一定時間増加させる制御及び制御後の酸素濃度検知を行い、酸素ガス濃度が上昇した場合はパージ工程時間変更後の酸素濃度を基準濃度に書き換え、更にパージ工程時間の増加および酸素濃度検知を行う制御を、基準濃度に対して酸素濃度が低下する点（以下、Ｒ^１点という。）まで繰り返し行い、
   　Ｑ^１点及びＲ^１点の中間値をパージ工程時間と決定する制御を行う手段である、請求項１記載の酸素濃縮装置。
3. 　該パージ工程制御手段が、パージ工程時間の変更制御開始直前の酸素濃縮ガスの酸素濃度を基準濃度とし、パージ工程時間を一定時間減少させる制御及び制御後の酸素濃度検知を行い、酸素濃度が上昇した場合はパージ工程時間変更後の酸素濃度を基準濃度に書き換え、更にパージ工程時間の減少、酸素濃度検知を行う制御を、基準濃度に対して酸素濃度が低下する点（以下、Ｐ^２点という。）まで繰り返し行い、
   　その後、Ｐ^２点における酸素濃度を基準濃度とし、パージ工程時間を一定時間増加させる制御及び制御後の酸素濃度検知を行い、酸素濃度が上昇した場合はパージ工程時間変更後の酸素濃度を基準濃度に書き換え、更にパージ工程時間の増加および酸素濃度検知を行う制御を、基準濃度に対して酸素濃度が低下する点（以下、Ｑ^２点という。）まで繰り返し行い、
   　その後、Ｑ^２点における酸素濃度を基準濃度とし、パージ工程時間を一定時間減少させる制御及び制御後の酸素濃度検知を行い、酸素濃度が上昇した場合はパージ工程時間変更後の酸素濃度を基準濃度に書き換え、更にパージ工程時間の減少および酸素濃度検知を行う制御を、基準濃度に対して酸素濃度が低下する点（以下、Ｒ^２点という。）まで繰り返し行い、
   　Ｑ^２点及びＲ^２点の中間値をパージ工程時間と決定する制御を行う手段である、請求項１記載の酸素濃縮装置。
4. 　該パージ工程制御手段が、Ｑ^１点及びＲ^１点の中間値、またはＱ^２点及びＲ^２点の中間値を、各々のパージ工程時間の平均値により決定する制御手段である、請求項２または請求項３に記載の酸素濃縮装置。
5. 　該パージ工程制御手段が、酸素濃縮装置の起動時または設定流量の変更時における該温度センサの出力値を基準温度として記憶し、基準温度の値によって定められたパージ時間を初期値として設定制御する手段である、請求項１~４の何れかに記載の酸素濃縮装置。
6. 　該パージ工程制御手段が、酸素濃縮装置の起動時または設定流量の変更時における該温度センサの出力値を基準温度として記憶し、温度センサの検出値が該基準温度に対して一定以上変化した場合、予め温度センサの出力値によって定められたパージ時間に再設定する手段である、請求項５に記載の酸素濃縮装置。
7. 　該パージ工程制御手段が、予め設定されたパージ工程時間変更可能範囲を備え、基準濃度に対して酸素濃度が低下するＰ点を検知せずにパージ時間変更可能限界点に到達した場合、またはＰ点を検知後に、基準濃度に対して酸素濃度が低下するＱ点を検知せずにパージ時間変更可能限界点に到達した場合、到達したパージ時間変更可能限界点をパージ時間と決定する制御を行う手段である、請求項２から請求項４の何れかに記載の酸素濃縮装置。
8. 　該酸素濃縮装置の生成した酸素濃縮ガスの流量を検知する酸素流量センサを備え、該パージ工程制御手段が、酸素ガス流量が一定範囲を外れた場合に、パージ工程時間の変更制御の実施を中止又は中断する制御を行う手段である、請求項１~７の何れかに記載の酸素濃縮装置。
9. 　該パージ工程制御手段が、温度センサの検出値が一定変化量の範囲を外れた場合に、パージ工程時間の変更制御の実施を中止又は中断する制御を行う手段である、請求項１~７の何れかに記載の酸素濃縮装置。
10. 　該酸素濃縮ガスの酸素濃度の検出値に基づいて、該コンプレッサ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、コンプレッサ制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
11. 　該パージ工程制御手段が、該パージ工程制御手段による制御と該コンプレッサ制御手段による制御が、同時には実施されない制御手段であることを特徴とする請求項１０に記載の酸素濃縮装置。

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