WO2014045796A1

WO2014045796A1 - 酸素濃縮装置のカートリッジ

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Publication number: WO2014045796A1
Application number: PCT/JP2013/072495
Authority: WO
Inventors: 鈴木　暢晃; 明夫徳海; 峰演陳
Original assignee: ビィーゴ株式会社; 株式会社サンバイオ２
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2014-03-27
Also published as: CN104755123B; JP2014057693A; JP5972727B2; KR20140036926A; KR101413711B1; CN104755123A

Abstract

カートリッジ（３）の一端部には、各吸着筒（２１）の一端部を流路切換装置に接続するための流路切換装置接続用通気口（２１ａ）および、各吸着筒の他端部から酸素濃縮気体を排出するための酸素濃縮気体排出用通気口（２２ａ）が設けられている。カートリッジを押し込むことによりカートリッジが酸素濃縮装置の本体に取り付けられて、カートリッジ側通気口である流路切換装置接続用通気口および酸素濃縮気体排出用通気口が対応する本体側通気口（３６，３７）に係合し、カートリッジを引っ張ることによりカートリッジが取り外されてカートリッジ側通気口が本体側通気口から離脱する。吸着剤の交換は、古いカートリッジを外し、新しいカートリッジと交換することにより行われる。

Description

酸素濃縮装置のカートリッジ

本発明は、空気中の窒素を吸着剤で吸着することにより、酸素濃度の高い気体を製造して供給する酸素濃縮装置に関するものである。

この様な酸素濃縮装置として、たとえば、特開２００８－１４８８５９号公報（特許文献１）に記載されているように、圧力スイング吸着（Pressure Swing Adsorption 、ＰＳＡ）方法を用いた装置が従来から知られている。この圧力スイング吸着方法を用いた酸素濃縮装置では、吸着筒内に吸着剤が充填されている。そして、この吸着筒内に空気を導入し、導入された空気の窒素を吸着剤で吸着して酸素を濃縮し、その酸素濃縮気体を供給する。吸着剤は所定量窒素を吸着すると吸着能力が落ちるので、吸着筒内の気圧を下げて吸着剤から吸着した窒素を放出させて再生する。この様にして、吸着剤は窒素の吸着・放出を繰り返すが、使用期間が長くなると劣化する。そこで、劣化した古い吸着剤を新しい吸着剤と交換する必要がある。この交換作業は素人では難しいので、酸素濃縮装置を販売店やメンテナンス工場などに送り、作業員が吸着剤を交換し、ユーザーに送り返している。

特開２００８－１４８８５９号公報

解決しようとする問題点は、吸着剤の交換するために、酸素濃縮装置を販売店やメンテナンス工場などに送る必要がある点である。

本発明の酸素濃縮装置のカートリッジ（３）は、吸着剤を充填した一対の吸着筒（２１）と、この吸着筒に導入される空気の供給流路を切り換える流路切換装置（１２）とを有し、この流路切換装置を作動して空気の供給される吸着筒を交互に切り換えて圧力スイング吸着方法によって、空気から窒素を吸着して酸素を濃縮し、その酸素濃縮気体を供給する。そして、カートリッジは前記一対の吸着筒を収納するとともに、酸素濃縮装置の本体に着脱可能に設けられており、カートリッジの一端部には、各吸着筒の一端部を流路切換装置に接続するための流路切換装置接続用通気口（２１ａ）および、各吸着筒の他端部から酸素濃縮気体を排出するための酸素濃縮気体排出用通気口（２２ａ）が設けられ、カートリッジを押し込むことによりカートリッジが酸素濃縮装置の本体に取り付けられて、カートリッジ側通気口である流路切換装置接続用通気口および酸素濃縮気体排出用通気口が対応する本体側通気口（３６，３７）に係合し、カートリッジを引っ張ることによりカートリッジが取り外されてカートリッジ側通気口が本体側通気口から離脱する。　

また、各吸着筒の他端部は、逆止弁（２８）を介して前記酸素濃縮気体排出用通気口に通じている場合がある。
　さらに、カートリッジ側通気口と本体側通気口とは、一方が突出し、他方が凹んでいる雄雌で係合する場合がある。　

そして、カートリッジの一端部には、希釈用気体が導入される希釈気体用通気口（２３ａ）が設けられ、希釈気体用通気口から導入された希釈用気体がカートリッジ内で酸素濃縮気体と混合される場合がある。　

また、カートリッジはハンドル（６１）を具備しており、このハンドルには、案内部（６４）または係合部（７２）の一方が設けられ、酸素濃縮装置の本体には、案内部または係合部の他方が設けられ、カートリッジが押し込まれて酸素濃縮装置の本体に取り付けられると、前記係合部が案内部に係合し、その状態でハンドルを回動すると、係合部と案内部との係合によりカートリッジが固定されて引き出せない場合がある。

本発明によれば、一対の吸着筒を収納するカートリッジの一端部に、各吸着筒の一端部を流路切換装置に接続するための流路切換装置接続用通気口および、各吸着筒の他端部から酸素濃縮気体を排出するための酸素濃縮気体排出用通気口が設けられ、カートリッジを押し込むことによりカートリッジを酸素濃縮装置の本体に取り付けることができる。したがって、吸着剤が劣化した際には、カートリッジを酸素濃縮装置の本体から引き出して取り外し、交換用の新しいカートリッジを押し込むことにより簡単に交換作業を行うことができる。その結果、吸着剤の交換のために、酸素濃縮装置の本体を販売店やメンテナンス工場などに送る必要がなくなる。　

また、カートリッジの一端部には、希釈用気体が導入される希釈気体用通気口が設けられ、希釈気体用通気口から導入された希釈用気体がカートリッジ内で酸素濃縮気体と混合される場合には、希釈気体用の流路の構成が簡単となる。　

そして、カートリッジがハンドルを具備し、ハンドルを回動して、係合部と案内部との係合によりカートリッジが固定されて引き出せない場合には、カートリッジが不用意に離脱することを防止することができる。

図１は本発明における酸素濃縮装置の実施の一形態の平面図である。図２は酸素濃縮装置の回路図である。図３はパイプなどの配置を説明するための説明図である。図４は本体側接続具の斜視図である。図５は実施例２のカートリッジおよびその周囲の部材を底面側から見た斜視図である。図６はカートリッジのハンドルの斜視図である。図７はハンドル操作時の説明図である。

酸素濃縮装置を販売店やメンテナンス工場などに送らずに、吸着剤を交換するという目的を、吸着剤の充填された吸着筒を収納するカートリッジを、酸素濃縮装置の本体に着脱可能に装着することで実現した。

次に、本発明における酸素濃縮装置のカートリッジの一実施例としての実施例１について、図１ないし図４を用いて説明する。図１は本発明におけるカートリッジを備えた酸素濃縮装置の実施の一形態の平面図である。図２は酸素濃縮装置の回路図である。図３はパイプなどの配置を説明するための説明図である。図４は本体側接続具の斜視図である。なお、この酸素濃縮装置は、寝かした状態の「横置き」または、立てた状態の「縦置き」で設置することができるが、図においては、「横置き」の状態で図示されている。図１において、パイプや酸素濃縮装置のケースの上面板は外した状態で図示されている。また、酸素濃縮装置の説明において、図１の左右方向をＸ軸方向、図１の紙面上でＸ軸方向に直角の方向をＹ軸方向、紙面に直角の方向をＺ軸方向としている。さらに、図３において、通気口などの部材が複数、Ｚ軸方向に重なっており、流路をそのまま記載すると重なり分かりにくくなるため、流路は重ならないようにズレて図示されている。　

まず始めに、酸素濃縮装置の全体の構造を説明する。
　この酸素濃縮装置は、圧力スイング吸着（Pressure Swing Adsorption 、ＰＳＡ）方法を用いた装置であり、図１において、外郭であるケース１の内部空間には、奥側から手前側に向かって順次、フィルター２、カートリッジ３、モータ４、２個の吸引ポンプ６，７が配置されている。フィルター２、モータ４および吸引ポンプ６，７は、ケース１に固定された基板９に固定されている。この基板９には、カートリッジ３（詳細は後述する）が接続可能な本体側接続具１１が固定されている。　

モータ４の駆動軸４ａ（図３参照）は、モータ本体からＹ軸方向に手前側に延在している。この駆動軸４ａの回転力がリンクやカムなどの連動機構により真空ポンプなどの吸引ポンプ６，７に伝達され、吸引ポンプ６，７が駆動される。このモータ駆動軸４ａを挟んで配置されている２個の吸引ポンプ６，７の一方（図１の左側）が窒素濃縮気体用吸引ポンプ６で、他方（右側）が酸素濃縮気体用吸引ポンプ７である。また、モータ４の左隣で、かつ、窒素濃縮気体用吸引ポンプ６の奥側に隣接して、流路切換装置としての２個の三方切換弁１２が基板９に固定されて配置されている。　

そして、モータ４、２個の吸引ポンプ６，７および切換弁１２の周囲には、仕切壁１６が設けられており、ケース１の内部空間を、モータ４、２個の吸引ポンプ６，７および切換弁１２が配設されるポンプ室１７と、カートリッジ３が配設される吸着筒室１８とに区画している。また、仕切壁１６には、モータ４よりも右側の部分に、配管用開口１６ａ，１６ｂが形成されている。　

ケース１の左側の部分には、カートリッジ３を取り出したり、また、装着したりするための開口部１ａ（図３参照）が形成され、この開口部１ａには、図示しない蓋が開閉自在に取り付けられている。また、カートリッジ３を酸素濃縮装置の本体から取り出したり、装着したりするために、カートリッジ３には把手１９が設けられている。そしてケース１の開口部１ａが形成されている面とは反対側の面（すなわち右側の面）には、酸素濃縮気体出口１ｂが形成されている。　

図３において、交換可能なカートリッジ３の中央部３ａには、窒素を吸着する例えばゼオライト系の吸着剤が収納される吸着筒２１が一対貫通して形成されているとともに、一対の吸着筒２１の間には、酸素濃縮気体が流れる酸素濃縮気体流路２２、および、希釈用気体が流れる希釈流路２３が貫通して形成されている。この中央部３ａはダイカストなどの鋳物で一体に形成され、この一体形成体に、貫通孔２１，２２，２３が形成されている。また、前記一対の吸着筒２１はＹ軸方向に並列に配置され、各貫通孔２１，２２，２３はＸ軸方向に延在している。酸素濃縮気体流路２２と希釈流路２３は、図３においては、分かりやすいようにＹ軸方向に並列に配置されて図示されているが、実際は紙面に垂直な方向（Ｚ軸方向）に並列に配置され、重なっている。　

そして、貫通孔２１，２２，２３の一端部（右端部）側を覆う第１蓋部３ｂが中央部３ａの右側にまた、他端部（左端部）側を覆う第２蓋部３ｃが中央部３ａの左側に取り付けられている。第１蓋部３ｂには、各貫通孔２１，２２，２３と連通する通気口２１ａ，２２ａ，２３ａ（２３ａは２２ａと重なっているため図示されていない）が各々突出して形成されている。第２蓋部３ｃには、吸着筒２１の他端部同士を、流量調整手段である流量絞り部２６を介して連通させる流路２７、各吸着筒２１の他端部を逆止弁２８を介して酸素濃縮気体流路２２と連通させる流路３１，３２と、この２個の流路３１，３２は途中で合流しておりこの合流した合流路に、希釈流路２３の他端部を連通させる流路３３が形成されている。この様にして、カートリッジ３の右側端部には、通気口２１ａ，２２ａ，２３ａが設けられ、流路切換装置接続用通気口としての通気口２１ａは吸着筒２１の一端部（右端部）に通じ、また、酸素濃縮気体排出用通気口としての通気口２２ａは吸着筒２１の他端部（左端部）に逆止弁２８、流路３１，３２、酸素濃縮気体流路２２を介して通じている。さらに、希釈気体用通気口としての通気口２３ａは希釈流路２３の一端部（右端部）に通じている。　

本体側接続具１１には、カートリッジ３の各通気口２１ａ，２２ａ，２３ａが嵌まり込む嵌合孔である通気口３６，３７，３８が各々凹んで形成されている。この本体側接続具１１には、通気口３６，３７，３８以外に５個の通気口が形成され、第１通気口４１は通気口３８と本体側接続具１１内の流路で連通するとともにフィルター２と接続され、第２通気口４２は第１通気口４１と本体側接続具１１内の流路で連通するとともに切換弁１２と接続され、第３，４通気口４３，４４は各々、対応する通気口３６と本体側接続具１１内の流路で連通するとともに切換弁１２と接続され、第５通気口４５は通気口３７と本体側接続具１１内の流路で連通するとともに酸素濃縮気体用吸引ポンプ７と接続される。第２通気口４２～第５通気口４５はＺ軸方向に並列しており、図１および図３では重なっている。　

そして、図３において、本体側接続具１１と切換弁１２とを接続するパイプ（流路）は、仕切壁１６の配管用開口１６ａを通っており、本体側接続具１１と酸素濃縮気体用吸引ポンプ７とを接続する流路は、仕切壁１６の配管用開口１６ｂを通っている。　

カートリッジ３を装着する際には、カートリッジ３をケース１の開口部１ａからケース１内に挿入し、本体側接続具１１に向かって押し込む。すると、カートリッジ３の通気口２１ａ，２２ａ，２３ａが、本体側の本体側接続具１１の通気口３６，３７，３８に係合し接続される。一方、カートリッジ３を取り外す際には、カートリッジ３を引っ張ると、カートリッジ３の通気口２１ａ，２２ａ，２３ａと本体側接続具１１の通気口３６，３７，３８との接続が外れ離脱する。　

この様に構成されている酸素濃縮装置に電源が入れられると、吸引ポンプ６，７が稼働する。図２において、この吸引ポンプ６，７は流路の下流側の端部に設けられているため、それよりも上流の流路（すなわち、大部分の流路）は負圧（すなわち、大気圧以下）となり、空気がフィルター２を介して吸い込まれて導入され、上流から下流に流れる。　

そして、空気はフィルター２、本体側接続具１１の第１通気口４１から本体側接続具１１内の流路に流れ込み、その一部がカートリッジ３の希釈流路２３に流れるとともに、他の大部分が切換弁１２に流れ込む。この切換弁１２は適宜切り換えられるが、図２に図示する状態では、フィルター２からの空気は左側の吸着筒２１に導入される。なお、図２の状態から切換弁１２が切り換わると、フィルター２からの空気は右側の吸着筒２１に導入される。　

そして、吸着筒２１に導入された空気は、その窒素成分が吸着剤で吸収され、酸素濃度が上昇し酸素濃縮気体となる。この酸素濃縮気体は極一部が流量絞り部２６を介して、他方（すなわち、右側）の吸着筒２１に流入し、他の酸素濃縮気体は逆止弁２８を介してカートリッジ３の酸素濃縮気体流路２２に流れ込む。この酸素濃縮気体は、酸素濃縮気体流路２２に流れ込む前に希釈流路２３からの空気で希釈され、希釈された酸素濃縮気体はカートリッジ３の酸素濃縮気体流路２２、逆止弁１３、酸素濃縮気体用吸引ポンプ７および逆止弁１３を介して、酸素濃縮気体出口１ｂに流れる。この酸素濃縮気体出口１ｂには、酸素マスクやカニューラなどの酸素吸入用具５３が着脱自在に接続されており、酸素濃縮気体が酸素吸入用具５３に供給される。　

一方、右側の吸着筒２１は、窒素濃縮気体用吸引ポンプ６で気体が吸引されており、大きな負圧となっており、吸着剤は吸着した窒素を放出し、窒素濃縮気体が生成される。そして、この窒素濃縮気体は、流量絞り部２６を介して導入された酸素濃縮気体とともに切換弁１２、逆止弁５１、窒素濃縮気体用吸引ポンプ６、逆止弁５１を介して排気される。　

そして、切換弁１２が切り換わると、左側の吸着筒２１で窒素濃縮気体が生成されて窒素濃縮気体用吸引ポンプ６を介して排気され、一方、右側の吸着筒２１で酸素濃縮気体が生成されて酸素濃縮気体用吸引ポンプ７を介して酸素吸入用具５３に供給される。　

この様にして、吸着筒２１の吸着剤で、窒素の吸着・放出を繰り返している。そして、窒素の吸着・放出の繰り返しで吸着剤が劣化するため、吸着剤を交換する必要が生じる。吸着剤を交換する際には、カートリッジ３を引っ張って取り外し、この取り外したカートリッジ３は販売店やメンテナンス工場などに送る。そして、新しいカートリッジ３をケース１内に押し込んで装着する。したがって、酸素濃縮装置の本体を送ることなく、カートリッジ３を交換するだけで、吸着剤を新しいものにすることができる。

次に、本発明における酸素濃縮装置のカートリッジの実施例２について説明する。図５は実施例２のカートリッジおよびその周囲の部材を底面側から見た斜視図である。図６はカートリッジのハンドルの斜視図である。図７はハンドル操作時の説明図である。なお、この実施例２の説明において、前記実施例１の構成要素に対応する構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。　

前述の実施例１では、把手１９はカートリッジ３に固定されていたが、実施例２では、把手１９に相当するハンドル６１は軸６２を中心として回転する。ハンドル６１の回転中心軸Ｏ（すなわち、軸６２の軸心）は、一対の吸着筒２１が並んでいる方向であるＹ軸方向に延在している。すなわち、ハンドル６１の回転中心軸Ｏの延在する方向は、吸着筒２１の延在する方向に直角の方向である。そして、ハンドル６１はコの字状をし、その両端部の付け根付近に円形状の板部６３がハンドル６１の本体に一体に形成されている。この板部６３のカートリッジ３の本体側の面に案内部としてのガイド溝６４が形成されている。このガイド溝６４は周縁部から径方向に延びる導入部６４ａと、この導入部６４ａにおける回転中心軸Ｏ側の端部から弧状に延びる弧状部６４ｂとを具備している。弧状部６４ｂは、ほぼ軸６２の軸心Ｏを中心とする円弧であるが、ハンドル６１をカートリッジ挿入回動位置からカートリッジ固定回動位置に回動した際に、カートリッジ３を本体側接続具１１側に押しつけて締めつける形状であり、円弧ではなく少し変形している。すなわち、図７（ｂ）において、導入部６４ａの導入側端部Ａと軸心Ｏとの距離ＡＯは、導入部６４ａの弧状部６４ｂ側端部Ｂと軸心Ｏとの距離ＢＯよりも大きく、この距離ＢＯは、弧状部６４ｂの先端部Ｃと軸心Ｏとの距離ＣＯよりも大きい。すなわち、距離ＣＯが、距離ＡＯや距離ＢＯよりも小さい。　

また、実施例２では、カートリッジ３および本体側接続具１１は、カートリッジ３を挿入するための挿入口が開口したカバーであるカートリッジ保持シャーシー７１で覆われている。このカートリッジ保持シャーシー７１は、基板９に固定されているとともに、ハンドル６１のガイド溝６４に係合する係合部７２が外面に突出して形成されている。そして、カートリッジ３が装着された状態では、カートリッジ保持シャーシー７１の端部の一部は、カートリッジ３の本体とハンドル６１の端部である板部６３との間の隙間に嵌まり込む。　

図７（ａ）に図示するように、ハンドル６１をカートリッジ挿入回動位置にして、カートリッジ３を押し込んで装着すると、ハンドル６１のガイド溝６４の導入部６４ａに、カートリッジ保持シャーシー７１の係合部７２が嵌まり込む。そして、ハンドル６１をカートリッジ挿入回動位置からカートリッジ固定回動位置へ回動すると、係合部７２をガイド溝６４の弧状部６４ｂに係合させた状態で、板部６３が軸６２を中心として回動し図７（ｂ）、図７（ｃ）に図示するように変化する。ハンドル６１がカートリッジ固定回動位置になった図７（ｃ）の状態では、カートリッジ３を引き出すことはできないとともに、カートリッジ３を本体側接続具１１側に押しつけて締めつけている。
一方、カートリッジ３を取り外す際には、ハンドル６１を図７（ｃ）のカートリッジ固定回動位置から図７（ａ）のカートリッジ挿入回動位置に回動し、引っ張るとカートリッジ３を外すことができる。　

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例を下記に例示する。
（１）酸素濃度の希釈は、カートリッジ３内で行われているが、カートリッジ３の外側で行うことも可能である。この場合には、カートリッジ３の希釈流路２３は不要である。
（２）流路切換装置は、２個の三方切換弁１２で構成されているが、流れを切り換えることが可能であれば、その構成は適宜変更可能である。　

（３）本体側接続具やカートリッジの構造は、本体側接続具の通気口が対応するカートリッジの通気口と接続可能であれば、適宜変更可能である。また、カートリッジ３の通気口が突出してオスで、本体側接続具１１の通気口が凹んでおりメスであるが、カートリッジ側をメスにし、本体側接続具側をオスにすることも可能である。
（４）案内部であるガイド溝６４がハンドル６１側に、また、係合部７２がカートリッジ保持シャーシー７１（すなわち、酸素濃縮装置本体側）に設けられているが、案内部を酸素濃縮装置本体側に、また、係合部をハンドル側に設けることも可能である。　

（５）実施例２では、案内部は、ハンドル６１をカートリッジ挿入回動位置からカートリッジ固定回動位置に回動すると、カートリッジ３を本体側接続具１１側に押しつけて締めつける形状となっているが、カートリッジ固定回動位置においてカートリッジを引き出すことができなければ、その形状は適宜変更可能である。ただし、カートリッジを本体側接続具側に押しつけて締めつける形状であることが好ましい。

簡単に吸着剤を交換することができるので、吸着剤を交換することが必要な酸素濃縮装置に適用することが最適である。

３　カートリッジ　　１２　切換弁（流路切換装置）　　２１　吸着筒　　２１ａ　流路切換装置接続用通気口　　２２ａ　酸素濃縮気体排出用通気口　　２３ａ　希釈気体用通気口　　２８　逆止弁　　３６　本体側通気口　　３７　本体側通気口　　６１　ハンドル　　６４　ガイド溝（案内部）　　７２　係合部

Claims

吸着剤を充填した一対の吸着筒と、この吸着筒に導入される空気の供給流路を切り換える流路切換装置とを有し、この流路切換装置を作動して空気の供給される吸着筒を交互に切り換えて圧力スイング吸着方法によって、空気から窒素を吸着して酸素を濃縮し、その酸素濃縮気体を供給する酸素濃縮装置のカートリッジであって、
　このカートリッジは前記一対の吸着筒を収納するとともに、酸素濃縮装置の本体に着脱可能に設けられており、
　カートリッジの一端部には、各吸着筒の一端部を流路切換装置に接続するための流路切換装置接続用通気口および、各吸着筒の他端部から酸素濃縮気体を排出するための酸素濃縮気体排出用通気口が設けられ、
　カートリッジを押し込むことによりカートリッジが酸素濃縮装置の本体に取り付けられて、カートリッジ側通気口である流路切換装置接続用通気口および酸素濃縮気体排出用通気口が対応する本体側通気口に係合し、カートリッジを引っ張ることによりカートリッジが取り外されてカートリッジ側通気口が本体側通気口から離脱することを特徴としている酸素濃縮装置のカートリッジ。
前記各吸着筒の他端部は、逆止弁を介して前記酸素濃縮気体排出用通気口に通じていることを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮装置のカートリッジ。
前記カートリッジ側通気口と本体側通気口とは、一方が突出し、他方が凹んでいる雄雌で係合することを特徴とする請求項１または２記載の酸素濃縮装置のカートリッジ。
前記カートリッジの一端部には、希釈用気体が導入される希釈気体用通気口が設けられ、希釈気体用通気口から導入された希釈用気体がカートリッジ内で酸素濃縮気体と混合されることを特徴としている請求項１，２または３記載の酸素濃縮装置のカートリッジ。
前記カートリッジはハンドルを具備しており、
　このハンドルには、案内部または係合部の一方が設けられ、
　酸素濃縮装置の本体には、案内部または係合部の他方が設けられ、
　カートリッジが押し込まれて酸素濃縮装置の本体に取り付けられると、前記係合部が案内部に係合し、その状態でハンドルを回動すると、係合部と案内部との係合によりカートリッジが固定されて引き出せないことを特徴としている請求項１ないし４の何れか１項記載の酸素濃縮装置のカートリッジ。
請求項１ないし５の何れか１項記載のカートリッジが着脱される酸素濃縮装置。