WO2017146271A1 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Abstract

吸着剤の劣化状態に応じた最適なパージ時間を選択することで、ごく短い時間で治療に適した酸素濃度まで回復させる制御手段を備えた酸素濃縮装置として、酸素濃度センサの検出値が酸素濃縮ガスの酸素濃度制御値以下、圧力センサの検出値がパージ時間を短縮する制御の前後において酸素濃度が有意に上昇する吸着圧以上である場合に吸着剤の吸湿劣化判定を行い、パージ工程の時間を設定時間よりも短縮する制御を行う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剤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。さらに詳細には、圧力と濃度から吸着剤の劣化度合いを判断し、劣化の度合いに応じて最適な運転条件に適時切替えながら運転を行うことが出来る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り、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濃縮ガスを患者に吸入させるものである。その酸素供給源として、酸素濃縮装置、液体酸素、酸素ボンベ等が知られているが、使用時の利便性や保守管理の容易さなどの理由から、特に在宅酸素療法の治療装置として酸素濃縮装置が主流で用いられている。
　酸素濃縮装置は、空気中に約２１％存在する酸素を濃縮して使用者に供給する装置であり、それには酸素を選択的に透過する膜を用いた膜式酸素濃縮装置と、窒素または酸素を優先的に吸着しうる吸着剤を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置があるが、９０％以上の高濃度の酸素が得られる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剤として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剤に吸着させ、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、吸着剤に吸着された窒素を脱着させ排気する脱着工程、生成した酸素濃縮ガスの一部を用いて脱着工程の吸着筒をパージすることで吸着剤の再生を促進するパージ工程を交互に繰り返し行うことにより、高濃度の酸素ガスを連続的に生成することができる。
　かかるゼオライト吸着剤は、窒素、酸素といった特定のガス以外にも、水分を非常によく吸着する性質を有するため、原料空気中の水分を吸着することにより吸着剤が経時劣化し、生成酸素濃度が徐々に低下していく問題がある。酸素濃縮装置の運転中は、吸着剤に吸着した窒素を脱着排気すると共に吸着剤を再生する脱着工程において、窒素と共に多くの水分も同時に排気されるが、それでもわずかに残った水分が徐々に吸着剤に蓄積するため、一定期間経過後には吸着剤を交換するのが一般的である。また定期点検時には、安定して酸素濃縮ガスを生成していることを確認し、異常が発生していた場合は装置そのものの交換がなされている。
　酸素濃度の低下レベルが許容範囲を超えた場合には、酸素濃度異常警報が発報され、患者は酸素濃縮装置の交換をベンダーに要請する。装置の交換が完了するまでは、患者は一時的に自宅に配置されている酸素ボンベから酸素を吸入しなければならず、患者のＱＯＬ：クオリティ・オブ・ライフを少なからず損なうことになる。

特開２００２−２５３６７５号公報 特開２０００−５１６８５４号公報 特開２０１３−１３４９７号公報 ＷＯ２０１４／０４６２９７号

　このような酸素濃縮装置の使用者の多くは慢性呼吸器疾患患者であるため、かかる酸素濃縮装置は長期間にわたり使用される。その一方で、疾患の重篤度により処方酸素流量が決定されるため、軽微な症状の患者の場合には労作時のみ、あるいは１日数時間といった処方で酸素吸入が行われる。例えば１日あたり１時間の酸素吸入を行う患者の場合には、酸素濃縮装置の使用時間は１年間で３６５時間であり、累積休止時間は８３９５時間となる。酸素濃縮装置をこのような間歇運転で駆動した場合には、装置の休止時間中に水分が吸着筒に侵入し、また、間歇運転を繰り返すことで生じる装置内の温度変化によって、吸着筒内での水分の拡散が促進される。その結果、急速に吸着剤の劣化が進行し、生成酸素の濃度低下を引き起こすことがある。
　かかる酸素濃縮装置では、酸素濃度の低下を補償するために、製品ガス中の生成酸素濃度を酸素濃度センサで検知し、酸素濃度が低下した場合には、コンプレッサ風量を増大させることで吸着圧を上げ、酸素濃度を補償する技術が知られている（特許文献１）。しかし吸着剤が劣化するにしたがって、最適なパージ時間は徐々に短くなる。初期に設定されたパージ時間のままコンプレッサの風量を増大させたとしても、濃度回復には大きな効果はなく、さらに吸着圧を上昇させることにより省電力性も損なわれることになる。
　また、酸素濃縮装置において、酸素センサで検知した製品ガス中の酸素濃度が低下した場合に、その値に基づいて吸脱着のサイクルタイムの値を変更するなど、フィードバック制御することで製品ガス中の酸素濃度を維持する技術も知られている（特許文献２，３）。しかし、これらの技術は、酸素濃度の低下から間接的に吸着剤の劣化を検知しているため、最適な吸脱着のサイクルタイムを一意に決めることは難しく、各工程時間等のパラメータを最適状態に調整し、酸素濃度が治療に適切な値まで上昇させるのに時間がかかるという課題がある。
　さらに特許文献４に示す技術は、コンプレッサの回転数制御とパージ時間の制御を組み合わせたものであるが、パージ時間を変更するのは、コンプレッサの回転数が制御上の上限値に達した後である。吸着剤劣化に対して濃度上昇効果が高いパージ時間変更が実際に行われるまでには相当の時間を要することが課題となっている。
　したがって本発明では、酸素濃縮装置にて運転中の吸着圧力と酸素濃度、環境温度を各センサにて検知し、一定時間ごとに吸着圧力と酸素濃度から吸着剤の劣化度合いを複数段階で判定し、都度記憶する技術を提供する。さらに、劣化の各段階と環境温度および設定流量に応じた最適なパージ時間テーブルを予め設定しており、劣化の度合いが変わったり、環境温度が閾値を超えたり、設定流量が変更された場合には、速やかにパージ時間を最適値に変更することにより、ごく短い時間で治療に適した酸素濃度まで回復させる制御を提供する。

　本発明は、以下の酸素濃縮装置を提供するものである。
１．酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した複数の吸着筒と、該吸着筒へ加圧空気を供給するコンプレッサと、該コンプレッサおよび各吸着筒の間の流路を順次切り換え、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剤を再生する脱着工程、吸着工程側吸着筒からの酸素濃縮ガスを脱着工程側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と、酸素濃縮ガスを所望の流量に調整して供給する流量設定手段と、酸素濃縮ガス濃度を測定する酸素濃度センサ、該吸着筒の圧力を検知する圧力センサ、該コンプレッサ、該流路切換手段の動作を制御する制御手段と、を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、
　該酸素濃度センサの検出値に基づいて該コンプレッサの回転数を制御すると共に、該酸素濃度センサの検出値および該圧力センサの検出値に基づいて吸着剤の吸湿劣化を判断する判断手段、吸湿劣化の判断基準を満たした場合に、該パージ工程の時間を設定時間よりも短縮するように流路切換手段の切換時間を制御する制御手段を備え、
　該吸湿劣化の判断基準が、該酸素濃度センサの検出値が、酸素濃縮ガスの酸素濃度制御値である基準濃度値以下であること、かつ、該圧力センサの検出値が、該パージ時間を短縮する制御の前後において酸素濃度が有意に上昇する吸着圧以上であること、を特徴とする酸素濃縮装置。
２．該判断手段が、吸着剤の吸湿劣化の状態に応じた最適なパージ時間のテーブルを備え、酸素濃縮装置の運転中に所定時間ごとに吸着剤の吸湿劣化の状態を判断し、判断結果に基づいて、該制御手段が流路切換え手段の切換え時間の変更制御を行う手段である、上記１記載の酸素濃縮装置。
３．該判断手段が、酸素濃縮装置運転中に、該圧力センサおよび該酸素濃度センサの検出値に基づいて、該吸着剤の劣化状態を複数段階で判定する基準圧力を備えると共に、基準圧力値に基づいて設定される劣化状態の段階の判定結果を配憶する記憶手段を備える、上記２記載の酸素濃縮装置。
４．該酸素濃縮装置の温度を検知する温度センサを更に備え、該判断手段が、該温度センサの検出値、および該流量設定手段の設定流量値に応じた最適なパージ時間のテーブルを備え、温度が閾値を超えたり、或いは設定流量が変更されたりした場合、コンプレッサの風量制御より優先してパージ時間の変更を実施する制御手段を有することを特徴とする、上記１~３の何れかに記載の酸素濃縮装置。
５．該判定手段が、吸着剤の改善方向への劣化状態判定の判断基準を備え、該酸素濃度センサの検出値が所定濃度値以上であること、該圧力センサのピーク値が所定値以下であることの２条件を満たすことを特徴とする、上記４に記載の酸素濃縮装置。
６．該判定手段が、吸着剤の改善方向への判定基準を満たし、劣化状態判定が変更された場合、パージ時間を変更する前後の該酸素濃度センサの検出値を監視し、変更後に酸素濃度が低下した場合は、劣化状態判定を元に戻し、以降は新品方向への劣化状態判定基準を満足しても、判定値を変更しない機能を有する、上記５に記載の酸素濃縮装置。
７．酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒を備え、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剤を再生する脱着工程、吸着工程側吸着筒からの酸素濃縮ガスを脱着工程側吸着筒へ導入するパージ工程を所定タイミングで切り換えることにより酸素を生成する圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、酸素濃縮ガス濃度が、酸素濃縮ガスの酸素濃度制御値である基準濃度値以下であること、かつ、吸着筒の圧力が、パージ時間を短縮する制御を行う前後において酸素濃度が有意に上昇する吸着圧以上である場合に、吸着剤が劣化していると判定する、吸着剤の劣化判定方法。

　本発明の酸素濃縮装置によると、装置の環境変化による生成酸素濃度の低下を補償するだけでなく、間歇運転による吸着剤の劣化によって生成酸素濃度が低下した場合であっても、使用に適した濃度まで速やかに上昇させることが可能となり、さらには消費電力の低減、酸素濃縮装置の長期使用およびメンテナンス期間の長期化を図ることが出来る。
　また吸着剤の劣化状態を早期に検知することが可能となり、酸素濃縮装置としての品質確保のみならず、オーバーホール期間の適正化、オーバーホールにかかる運用コストの削減を実現することが出来る。

　図１は、本発明の実施態様例である圧力変動吸着型酸素濃縮装置のフローを示した概略構成図を示す。図２は、本発明の酸素濃縮装置の制御フロー図を示す。図３は、劣化状態判定にかかるパージ時間制御、コンプレッサの風量制御の関係図、図４は、劣化状態判定の遷移を示す関係図、図５は、劣化判定状態と吸着圧および環境温度の関係図を示す。
　図６は吸着剤の劣化の進行に伴う、圧力および最適パージ時間の遷移を例示した図を、図７は本発明の劣化状態判定、パージ時間変更動作、およびコンプレッサ風量制御機能を実装した酸素濃縮装置の酸素濃度の変動を示す関係図を、図８はコンプレッサ風量制御機能のみを実装した酸素濃縮装置の酸素濃度の変動を示す。

［酸素濃縮装置］
　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の酸素濃縮装置を例示した概略装置構成図である。本発明の酸素濃縮装置は、加圧空気を供給するコンプレッサ１０２、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した２つの吸着筒１０７Ａ，１０７Ｂ、吸着工程、脱着工程や均圧工程等のシーケンスを切り換える流路切換手段である供給弁１０５Ａ，１０５Ｂ、排気弁１０６Ａ，１０６Ｂ、均圧弁１１０を備える。加圧空気から分離生成された酸素濃縮ガスは、コントロールバルブ１１３で所定流量に調整され、フィルタ１１５で除塵され後、鼻カニューラ１１６を用いて使用者に供給される。
　コンプレッサ１０２は酸素濃縮装置における最大の騒音源であり、熱源でもある。コンプレッサボックスに収納することで騒音低減を図ると共に、冷却ファン１０３により温度調整を行っている。
　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１０１を備えた空気取り込み口から装置内に取り込まれる。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。かかる酸素濃縮装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素ガスを濃縮して取り出す。
　酸素濃縮ガスの取り出しは、酸素分子よりも窒素分子を選択的に吸着するゼオライト吸着剤が充填された吸着筒１０７Ａ、１０７Ｂに対して、供給弁１０５Ａ，１０５Ｂ、排気弁１０６Ａ，１０６Ｂを開閉することにより、対象とする吸着筒の流路を順次切り換えながら、コンプレッサ１０２により加圧した原料空気を供給し、加圧された吸着筒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。かかる吸着剤としては、５Ａ型、１３Ｘ型、ＬｉＸ型等のモレキュラーシーブゼオライト等が用いることができる。
　前記の吸着筒１０７は、吸着剤を充填した円筒状容器で形成され、通常、１筒式、２筒式の他に３筒以上の多筒式が用いられるが、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、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１０２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。
　吸着工程では、コンプレッサ１０２から供給された加圧空気は供給弁１０５Ａを介して一方の吸着筒１０７Ａに供給される。加圧状態の吸着筒１０７Ａ内で空気中の窒素ガスを吸着剤に吸着させ、吸着されなかった酸素を主成分とする酸素濃縮ガスが吸着筒１０７Ａの製品端から取り出され、吸着筒へ逆流しないように設けられた逆止弁１０８Ａを介して、製品タンク１１１に流入する。
　一方、吸着筒内に充填された吸着剤に吸着された窒素ガスは、新たに導入される原料空気から再度窒素ガスを吸着するために、吸着剤から脱着させパージする必要がある。このために、脱着工程では、他方の吸着筒１０７Ｂを排気弁１０６Ｂを介して排気ラインに接続し、吸着筒１０７Ｂ内の圧力を加圧状態から大気開放状態に切り換え、加圧状態で吸着剤に吸着されていた窒素ガスを脱着させて大気中に排気し吸着剤を再生させる。さらにこの脱着工程において、窒素の脱着効率を高めるため、オリフィス１０９Ａ，１０９Ｂおよび均圧弁１１０を介して吸着工程中の吸着筒１０７Ａの製品端側から生成された酸素濃縮ガスの一部をパージガスとして取り出し（吸着・パージ工程）、脱着工程中の吸着筒１０７Ｂの製品端から逆流させる脱着・パージ工程を行う。
　吸着筒１０７Ａでは、吸着工程、吸着・パージ工程、脱着工程、脱着・パージ工程を、吸着筒１０７Ｂでは、脱着工程、脱着・パージ工程、吸着工程、吸着・パージ工程を順次切り替えながら行うことにより、連続して酸素濃縮ガスを生成することが出来る。
　製品タンク１１１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ガスを含んでおり、医師の処方によって必要とされる酸素流量を患者自身が設定する。調圧弁１１２、コントロールバルブ１１３等の流量調整手段によってその圧力と供給流量が制御され、処方量の酸素濃縮ガスが患者に供給される。一方、患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１１４で検知され、検知結果に基づいてコンプレッサ１０２の回転数や流路切換手段である供給弁１０５、排気弁１０６、均圧弁１１０の開閉時間をＣＰＵ１２０等の演算手段で制御し、酸素生成をコントロールしている。
　吸着圧は吸着筒内圧或いはコンプレッサ吐出圧で計測され、図１に示すようにコンプレッサ吐出側の配管に設けた圧力センサ１０４、或いは吸着筒に設けた圧力センサで検知する。酸素濃縮装置内の温度は筐体内に設けた温度センサ１１７により検知する。
［制御の概要］
　図２は、本発明の酸素濃縮装置の制御動作フローを例示した図である。本発明の酸素濃縮装置は、起動後、装置が安定状態に至った後は、５分、１０分といった予め設定した一定時間毎、すなわち制御周期毎に吸着剤の劣化状態の確認と判定、および環境温度の確認を行い、パージ時間制御、すなわちパージ時間の変更が必要かどうかを判断する。
　パージ時間制御が必要な場合には、コンプレッサの風量制御よりも優先してパージ時間制御を介入させるフローとしている。ただし、劣化状態判定、または環境温度の確認により、パージ時間の変更制御が必要ない場合には、図２のフロー図中に示すコンプレッサ風量制御を実施する。環境温度とは、酸素濃縮装置が使用されている環境の温度であるが、外気温度に限定するものではなく、温度センサの設置位置により、装置内温度、吸気温度、吸着床温度などの装置温度を含む。
　コンプレッサ風量制御は、酸素濃度の検知結果に基づいてコンプレッサの回転数を制御し、吸着圧を制御することで酸素濃度を一定に維持する制御であり、吸着剤の吸湿劣化等によって酸素濃度が所定閾値を切った場合には、コンプレッサ回転数を上げ吸着筒への供給風量を上げることにより吸着圧を上げ、製品酸素濃度を上げる制御を行う。また、所定閾値を上回った場合にはコンプレッサ回転数を下げることで吸着圧を下げ、所定濃度まで酸素濃度を下げるという省エネ制御を行う。
　劣化状態および環境温度の判定は制御周期毎に毎回実施するが、その後のパージ時間制御またはコンプレッサの風量制御はどちらか一方のみが実施されることになる。実行の優先度は、パージ時間制御、コンプレッサの風量制御の順であり、実際の動作は図３のようになる。
　図３はコンプレッサ風量制御とパージ時間制御の関係を模式的に表したものである。例えば、１０分の制御周期で吸着剤の劣化判定を行い、所定閾値より酸素濃度の低下が認められたが、パージ時間制御の変更要件を満たしていない場合には、コンプレッサ風量制御を行い、酸素濃度を所定閾値に維持する制御行う。次の制御タイミングでは、酸素濃度が所定閾値を下回り、圧力も閾値以上となった際に、劣化状態の判定によりパージ時間制御が必要と判断された場合には、コンプレッサ風量制御は行わず、パージ時間制御を優先して行う。かかる制御を制御周期毎に繰り返し実施する。なお、図３の最後半では、酸素濃度が制御目標値範囲を下回った場合であって、これ以上パージ時間制御、コンプレッサ風量制御を行っても酸素濃度の上昇が認められず、制御不要と判断されている状態を示している。
　設定流量を変更した場合には、制御周期のタイマをリセットして、再度、装置安定状態に至った後から、制御周期ごとに劣化状態の判定および環境温度の確認を開始する。
　なお、図３は制御周期毎にコンプレッサ回転数やパージ時間の変更制御が掛る模式図となっているが、実際には劣化状態の判定に変更が無い限り、パージ時間変更制御はかからない。
［劣化状態の判定］
　劣化状態の判定は、吸着筒ピーク圧力および製品ガス中の酸素濃度から吸着剤の劣化状態を複数段階で判定する。ここでは劣化状態を新品、劣化１、劣化２の３段階を例として説明するが、２段階以上の複数段階の判定であれば良く、この限りではない。
　劣化状態は、図４に示すように現在の劣化状態によらず、どの劣化状態に移行することも可能である。例えば、新品→劣化２のように急激に劣化状態が進行し、１段階を飛ばしたり、劣化１→新品のように吸着性能が回復方向に移行したりすることも可能である。
　判定タイミングは、酸素濃縮装置の起動後、あるいは設定流量の変更後であって、製品ガスの酸素濃度や吸着圧などが安定状態に至ってから一定時間間隔で制御周期ごとに判定を行う。劣化判定方法は下記の通りに行う。
　劣化方向への判定については、１）酸素濃度が一定値以下であり、２）吸着筒ピーク圧力が、劣化側圧力閾値（新品＿ｄｅｇｒ、劣化１＿ｄｅｇｒ）以上である、両条件を満足した場合に劣化方向への判定を行う。例えば、新品→劣化１、劣化１→劣化２、あるいは、新品→劣化２への判定を行う。また、新品方向、すなわち吸着性能の回復方向への判定については、３）酸素濃度が一定値以上であり、４）吸着筒ピーク圧力が、新品側圧力閾値（劣化１＿ｎｅｗ、劣化２＿ｎｅｗ）未満である、両条件を満たした場合に新品方向への判定を行う。例えば、劣化１→新品、劣化２→劣化１、劣化２→新品へと判定を行う。
　劣化方向への判定における、酸素濃度の設定値は、例えば９０％など、供給する酸素濃縮ガスの下限値に基づいて設定する。新品方向への判定における酸素濃度の設定値は劣化方向の設定値に対して高い値に設定する。
　それぞれの圧力閾値は、設定流量毎に設定する。また、図５に示すように、装置の使用温度範囲が広い場合など、吸着圧に対する温度の影響が大きい場合には、高温側、低温側などの温度閾値を設け、圧力閾値は設定流量と吸気温度に基づいて設定する。なお、圧力や温度閾値の近傍で劣化状態判定が頻繁に変更されるのを防ぐため、圧力閾値および温度閾値にはヒステリシスを設けている。
　なお、本願発明における吸着筒の圧力とは、吸着筒圧力に限定するものではなく、コンプレッサの吐出圧や製品酸素ガスを貯留する製品タンク圧、吸着筒配管圧力など、吸着圧を推定可能な圧力であれば良い。また、圧力値以外にもコンプレッサの吐出側、吸着筒との間に流量計を設けることにより、コンプレッサ流量値から吸着筒圧力を算定することが出来ることから、コンプレッサ風量および製品ガス中の酸素濃度から吸着剤の劣化状態を判定することも可能である。
［劣化判定圧力閾値の設定］
　図６は、吸着剤の劣化の進行に伴う、圧力および最適パージ時間の遷移を例示した図である。吸着剤の劣化は、新品→劣化状態Ａ→劣化状態Ｂ→劣化状態Ｃの順に進行する。劣化状態の進行に伴い、吸着圧は徐々に上昇し、パージ時間の最適点は徐々に短い時間に遷移する。また、劣化が進行した条件下で、最適でないパージ時間で運転すると、大きく濃度が低下することが確認することが出来る。
　本発明は、上記の特徴を利用し、吸着圧力が上昇しており、かつ酸素濃度が低い状況では、吸着剤が劣化していてパージ時間が最適でない状態で運転されていると判断し、新品から劣化１、劣化１から劣化２というように劣化状態判定を変更し、それぞれの吸着剤の劣化状態に基づいて予め設定してある最適パージ時間テーブルの値に変更するものである。
　劣化方向に判定する際の圧力閾値（例、新品＿ｄｅｇｒ、劣化１＿ｄｅｇｒ）は、パージ時間短縮前後で酸素濃度が有意に上昇する吸着圧以上であることが条件である。
　図６において、新品＿ｄｅｇｒの圧力値以上であればパージ時間５．０秒よりもパージ時間４．０秒の方が有意に濃度が高く、劣化１＿ｄｅｇｒの圧力値以上であればパージ時間４．０秒よりもパージ時間３．０秒の方が有意に濃度が高くなる。この場合には、新品のパージ時間を５．０秒、劣化１のパージ時間を４．０秒、劣化２のパージ時間を３．０秒に設定することになる。
　劣化方向の圧力閾値の設定値を低い値に設定しすぎると早い段階で劣化と判定され逆に濃度が下がることになり、一方、高い値に設定しすぎると劣化と判断されずに運転を続けるため、有効に濃度を上昇させることが出来なくなる。パージ時間短縮前後で優位に酸素濃度が上昇すると判断した圧力値に対し概ね±１０ｋＰａ程度の範囲で設定するのが望ましい。
　吸着剤の状態は、使用環境や状態の変化により、劣化方向ではなく、吸着剤の再生方向、新品方向に遷移する場合もある。新品方向に判定する際の圧力閾値（劣化１＿ｎｅｗ、劣化２＿ｎｅｗ）は、劣化方向に判定する圧力閾値（新品＿ｄｅｇｒ、劣化１＿ｄｅｇｒ）に対し、５~１０ｋＰａ程度低い値に設定することで、閾値近傍で頻繁に判定値が切り替わることを防止することができる。例えば、新品＿ｄｅｇｒと劣化１＿ｎｅｗの間、劣化１＿ｄｅｇｒと劣化２＿ｎｅｗの間での頻繁な切り替えを防止することができる。
　なお、図６のデータ取得時は、コンプレッサからの風量一定の条件下で取得したものであり、吸着剤の劣化度合い以外の条件は同一である。
［パージ時間制御］
　設定流量・劣化判定値・環境温度から、予め設定されたテーブルを持ち、制御周期に基づいて一定時間ごとの判定により、酸素濃度および吸着圧の値から劣化判定値が変更された場合、または環境温度が変更された場合にパージ時間を所定の値に変更する制御を行う。なお、設定流量が変更された場合には、図２のフローに示すように、改めて最初から制御を行う。
　劣化判定が新品側へ移行した場合で、パージ時間変更により酸素濃度が低下した場合、すなわち、パージ時間変更前後の酸素濃度の変化（ΔＯ_２）がマイナスとなった場合には、変更前の劣化判定値に戻す。吸着剤が劣化した状態で、誤って新品状態と判定された場合には、パージ時間の変更により酸素濃度が急激に低下することが想定されるため、パージ時間の変更前後の酸素濃度を比較し、濃度低下した場合は、劣化判定値を元に戻し、パージ時間を元に戻すのが好ましい。また、一度上記の動作により、元の劣化状態に戻った場合には、誤判定による酸素濃度の低下を防止するために、それ以降、新品側に判断する条件を満たしたとしても、新品方向に移行しない設計とするのが好ましい。
　パージ時間の変更を行う場合、目標パージ時間への変更は一気に行わず、複数回に分けて変更を行う。急激な工程時間変更は生成酸素濃度の変動を来たし、安定化に時間を要することになる。

　図７は、本発明の劣化状態判定やそれに伴うパージ時間変更動作、コンプレッサ風量制御を実装した図１の酸素濃縮装置に劣化した吸着筒を搭載し運転した結果を、図８は劣化状態判定やパージ時間制御を行わず、コンプレッサ風量制御のみを実装した酸素濃縮装置について、同じく劣化した吸着筒を搭載し運転した結果を例示したものである。なお、図７，図８とも横軸の時間、縦軸の濃度等のスケールは同じである。
　図７より、本発明による劣化状態判定やパージ時間の変更動作有りの場合、起動から一定時間後に劣化判定を行い（Ｅ７）、新品状態から劣化２に吸着剤が劣化していると判定され、それに伴ってパージ時間を５．０秒から３．０秒に２段に分けて短縮する動作を行っている（Ｄ７）。この動作によって酸素濃度が大きく上昇し（Ａ７ａ）、その後に介入したコンプレッサ風量制御（Ｃ７ｂ）も有効に働き、吸着筒ピーク圧の上昇（Ｂ７ｂ）に併せて酸素濃度の上昇効果が認められ（Ａ７ｂ）、結果として起動後から早い時間で治療に適した酸素濃度となる。
　一方、比較対象として図８に示す、劣化状態判定（Ｅ８）やパージ時間の変更動作無し（Ｄ８）の場合では、コンプレッサ風量制御によりコンプレッサの回転数は上昇し（Ｃ８ａ、Ｃ８ｂ、Ｃ８ｃ）、吸着筒ピーク圧（Ｂ８ａ、Ｂ８ｂ、Ｂ８ｃ）も上昇しているが、吸着剤の劣化状態判定を行わず、パージ時間を短縮するなど、適切なパージ時間で運転を行っていない。このために、吸着圧が上昇しても酸素濃度（Ａ８ａ、Ａ８ｂ）は上昇しない状況が確認することが出来る。パージ時間が適切でない条件下では、コンプレッサの風量を上昇させても濃度に寄与しにくいことが判る。
　これらより、本発明による酸素濃縮装置は、吸着剤の劣化により酸素濃度が低下した場合も、使用に適した濃度まで速やかに上昇させることが可能となっており、消費電力の低減、酸素濃縮装置の長期使用およびメンテナンスの長期化につながる効果が期待できる。
　かかる吸着剤の劣化判定は、当初想定していた吸着剤のオーバーホール時間に対して劣化進行速度が進んでいた場合には、劣化状態判定値のフラグを見ることで交換機台を早期に見出することができ、オーバーホールの適正化を実現することが出来る。

　本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。より具体的には、間歇運転等によって吸着剤が吸湿劣化した場合でも、生成される酸素を高濃度に維持することができ、長期間にわたって安定した高濃度酸素を生成できる酸素濃縮装置を提供することができる。

Claims (8)

1. 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した複数の吸着筒と、該吸着筒へ加圧空気を供給するコンプレッサと、該コンプレッサおよび各吸着筒の間の流路を順次切り換え、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剤を再生する脱着工程、吸着工程側吸着筒からの酸素濃縮ガスを脱着工程側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と、酸素濃縮ガスを所望の流量に調整して供給する流量設定手段と、酸素濃縮ガス濃度を測定する酸素濃度センサ、該吸着筒の圧力を検知する圧力センサ、該コンプレッサ、該流路切換手段の動作を制御する制御手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、
   　該酸素濃度センサの検出値に基づいて該コンプレッサの回転数を制御すると共に、該酸素濃度センサの検出値および該圧力センサの検出値に基づいて吸着剤の吸湿劣化を判断する判断手段、吸湿劣化の判断基準を満たした場合に、該パージ工程の時間を設定時間よりも短縮するように流路切換手段の切換時間を制御する制御手段を備え、
   　該吸湿劣化の判断基準が、該酸素濃度センサの検出値が、酸素濃縮ガスの酸素濃度制御値である基準濃度値以下であること、かつ、該圧力センサの検出値が、該パージ時間を短縮する制御の前後において酸素濃度が有意に上昇する吸着圧以上であること、を特徴とする酸素濃縮装置。
2. 該判断手段が、吸着剤の吸湿劣化の状態に応じた最適なパージ時間のテーブルを備え、酸素濃縮装置の運転中に所定時間ごとに吸着剤の吸湿劣化の状態を判断し、判断結果に基づいて、該制御手段が流路切換え手段の切換え時間の変更制御を行う手段である、請求項１記載の酸素濃縮装置。
3. 該判断手段が、酸素濃縮装置運転中に、該圧力センサおよび該酸素濃度センサの検出値に基づいて、該吸着剤の劣化状態を複数段階で判定する基準圧力を備えると共に、基準圧力値に基づいて設定される劣化状態の段階の判定結果を記憶する記憶手段を備える、請求項２記載の酸素濃縮装置。
4. 該酸素濃縮装置の温度を検知する温度センサを更に備え、該判断手段が、該温度センサの検出値、および該流量設定手段の設定流量値に応じた最適なパージ時間のテーブルを備え、温度が閾値を超えたり、或いは設定流量が変更されたりした場合、コンプレッサの風量制御より優先してパージ時間の変更を実施する制御手段を有することを特徴とする請求項１~３の何れかに記載の酸素濃縮装置。
5. 該判定手段が、吸着剤の改善方向への劣化状態判定の判断基準を備え、該酸素濃度センサの検出値が所定濃度値以上であること、該圧力センサのピーク値が所定値以下であることの２条件を満たすことを特徴とする請求項４に記載の酸素濃縮装置。
6. 該判定手段が、吸着剤の改善方向への判定基準を満たし、劣化状態判定が変更された場合、パージ時間を変更する前後の該酸素濃度センサの検出値を監視し、変更後に酸素濃度が低下した場合は、劣化状態判定を元に戻し、以降は新品方向への劣化状態判定基準を満足しても、判定値を変更しない機能を有する請求項５に記載の酸素濃縮装置。
7. 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒を備え、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剤を再生する脱着工程、吸着工程側吸着筒からの酸素濃縮ガスを脱着工程側吸着筒へ導入するパージ工程を所定タイミングで切り換えることにより酸素を生成する圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、酸素濃縮ガス濃度が、酸素濃縮ガスの酸素濃度制御値である基準濃度値以下であること、かつ、吸着筒の圧力が、パージ時間を短縮する制御を行う前後において酸素濃度が有意に上昇する吸着圧以上である場合に、吸着剤が劣化していると判定する、吸着剤の劣化判定方法。
8. 該劣化判定機能により、一定以上の吸着剤劣化を検出した場合、吸着剤の劣化交換が必要な状態となっていることを使用者または点検者に通知する機能を有する請求項１~３の何れかに記載の酸素濃縮装置。

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