WO2024063041A1 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

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oxygen
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oxygen concentrator
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裕太 森下
佳宏 室重
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帝人ファーマ株式会社
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    • A61M16/10—Preparation of respiratory gases or vapours
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
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    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
    • B01D53/053—Pressure swing adsorption with storage or buffer vessel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02—Preparation of oxygen

Definitions

  • the present invention relates to a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator that separates oxygen from air.
  • oxygen inhalation therapy involves having patients with respiratory diseases inhale oxygen gas or oxygen-enriched gas.
  • oxygen concentrators include oxygen concentrators, liquid oxygen, and oxygen gas cylinders, but oxygen concentrators are the mainstream for home oxygen therapy due to their ease of use and maintenance.
  • An oxygen concentrator is a device that separates and concentrates approximately 21% of the oxygen present in the air.
  • membrane type oxygen concentrators using membranes that selectively permeate oxygen and pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrators using adsorbents that can preferentially adsorb nitrogen or oxygen are known.
  • pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrators are mainly used as devices for home oxygen therapy because they can provide oxygen at a high concentration of 90% or more.
  • a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator uses a compressor to compress nitrogen into an adsorption cylinder filled with molecular sieve zeolite such as 5A type, 13X type, and Li-X type, which is an adsorbent that selectively adsorbs nitrogen over oxygen.
  • a pressurization/adsorption step in which nitrogen is adsorbed on the adsorbent under pressurized conditions by supplying air to obtain unadsorbed oxygen, and the pressure inside the adsorption column is reduced to atmospheric pressure or lower to remove the adsorbent.
  • Highly concentrated oxygen-enriched gas can be continuously generated by alternately repeating the depressurization and desorption steps in which the adsorbent is regenerated by purging the nitrogen adsorbed by the adsorbent.
  • Oxygen concentrators that use a compressor as a source of pressurized air are equipped with a pressure sensor on the discharge side of the compressor to detect adsorption pressure, and also to detect pressure abnormalities due to compressor abnormalities and issue an alarm. It is equipped with a safety mechanism that reduces or stops the rotation speed. It is also equipped with a relief valve to ensure equipment safety.
  • an oxygen concentrator device that has a function of detecting abnormalities in intake valves and exhaust valves based on the detection result of compressor pressure.
  • the downstream side of the compressor becomes a high humidity environment under pressurized conditions. Therefore, there is a problem that condensation occurs in the tube that connects the pressure sensor, and as a solution, it is necessary to provide a dehumidifying function for the raw air or use an expensive anti-condensation tube for the connecting tube.
  • the downstream side of the adsorption cylinder of the oxygen concentrator is dehumidified by the adsorbent and is in a dry oxygen environment, so by detecting the pressure inside the product tank, such equipment for dehumidification is not required.
  • the pressure in the product tank fluctuates depending on the oxygen generation conditions and the timing of the adsorption/desorption process. It is difficult to detect which component upstream of a product tank is malfunctioning.
  • the oxygen concentrator adjusts the amount of oxygen generated according to the amount of oxygen supplied, the adsorption pressure and product tank pressure associated with the control of the compressor rotation speed will fluctuate greatly even under normal conditions.
  • the present inventor has discovered a method for detecting an abnormal location in an upstream flow path switching valve from the waveform of a pressure sensor provided in a product tank.
  • the present invention provides the following oxygen concentrator. 1. Multiple adsorption cylinders filled with an adsorbent that selectively adsorbs nitrogen over oxygen under pressurized conditions, a compressor that supplies pressurized air to the adsorption cylinder; a flow path switching valve equipped with a supply valve that supplies pressurized air to each adsorption cylinder and an exhaust valve that discharges exhaust gas from the adsorption cylinder to the outside of the system; A product tank that temporarily stores the oxygen generated from the adsorption column, Equipped with a pressure sensor that detects product tank pressure, In a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator that continuously generates oxygen by sequentially switching and repeating an adsorption process in which each adsorption column generates oxygen under pressure, and a desorption process in which nitrogen is exhausted under reduced pressure, A monitoring means is provided to monitor the state of the flow path switching means based on the output of the pressure sensor, and when the detected value of the pressure sensor in the adsorption step and/or desorption step is out of
  • An oxygen concentrator characterized in that an abnormality in a flow path switching valve is detected when the side deviates from a predetermined range. 2.
  • the above method is characterized in that the monitoring means determines that there is an abnormality in the flow path switching valve when the difference or ratio between the adsorption process or the desorption process of the plurality of adsorption cylinders and the product tank pressure at a specific timing is larger than a predetermined threshold value. 1.
  • the oxygen concentrator according to 1. 3.
  • the product tank pressure at the end of the adsorption process in one adsorption cylinder among the plurality of adsorption cylinders is greater than a predetermined threshold value compared to the product tank pressure at the start of the adsorption process, and the product tank pressure at the end is greater than the product tank pressure at the start of the desorption process.
  • the oxygen concentrator according to item 1 wherein if the tank pressure is higher than a predetermined threshold value, the monitoring means determines that there is an abnormality in the supply valve that supplies pressurized air to the adsorption column. 5.
  • the product tank pressure at the end of the desorption process in one adsorption cylinder among the plurality of adsorption cylinders is smaller than a predetermined threshold value compared to the product tank pressure at the start of the adsorption process, and the product at the end is lower than the product tank pressure at the start of the adsorption process.
  • the oxygen concentrator according to item 1 wherein when the tank pressure is higher than a predetermined threshold value, the monitoring means determines that there is an abnormality in the exhaust valve that discharges the exhaust gas from the adsorption cylinder to the outside of the system. 6.
  • the monitoring means determines that the flow path switching valve is abnormal when the difference or ratio between the maximum pressure and the minimum pressure of the product tank in the adsorption step or desorption step of each adsorption column is larger than a predetermined threshold.
  • oxygen concentrator 8.
  • the predetermined threshold value is a value determined based on a product tank pressure set according to oxygen supply conditions of the oxygen concentrator. 9. 8.
  • the pressure sensor for detecting adsorption pressure can be provided in the product tank that stores dry oxygen-concentrated gas, instead of being provided on the compressor discharge side that contains a large amount of water vapor.
  • abnormalities in equipment upstream of the product tank are detected, and abnormalities in flow path switching valves such as supply valves and exhaust valves are detected based on the relationship between fluctuations in the pressure waveform of the product tank and switching timing of the adsorption/desorption process. be able to.
  • FIG. 1 shows a configuration diagram of an oxygen concentrator of the present invention.
  • Fig. 3 shows fluctuations in product tank pressure of the oxygen concentrator of the present invention.
  • 3 shows fluctuations in product tank pressure when a supply valve abnormality occurs in the oxygen concentrator of the present invention.
  • 3 shows fluctuations in product tank pressure when an exhaust valve abnormality occurs in the oxygen concentrator of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic device configuration diagram illustrating a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator that is an embodiment of the present invention.
  • the pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator of the present invention includes a compressor 101 that supplies raw air, an adsorption cylinder 102 filled with an adsorbent that selectively adsorbs nitrogen over oxygen, and a flow path switching means that switches between adsorption and desorption processes. It is equipped with a supply valve 103, an exhaust valve 104, and a pressure equalization valve 105, and after adjusting the oxygen enriched gas separated and generated from raw air to a predetermined flow rate with a pressure regulating valve 108 and a control valve 109, which are flow rate setting devices, a water humidifier 110 is provided. After humidification, it is supplied to the user using the cannula 111.
  • Normal air contains about 21% oxygen gas, about 77% nitrogen gas, 0.8% argon gas, and 1.2% carbon dioxide and other gases.
  • a supply valve 103 and an exhaust valve 104 are opened and closed on an adsorption column filled with an adsorbent made of zeolite or the like that selectively adsorbs nitrogen molecules rather than oxygen molecules.
  • pressurized air is sequentially supplied from the compressor 101, and the approximately This is done by selectively adsorbing and removing 77% of nitrogen gas.
  • the adsorption cylinder described above is composed of a cylindrical container filled with an adsorbent that selectively adsorbs nitrogen over oxygen.
  • the number of adsorption cylinders is determined in relation to the amount of oxygen produced, and in order to continuously and efficiently produce oxygen-enriched gas from raw air, a two-cylinder or multi-cylinder adsorption cylinder as shown in Figure 1 is used. It is preferable to do so.
  • the oxygen-enriched gas which is mainly composed of oxygen that has not been adsorbed in the adsorption cylinder, flows into the product tank 107 through a check valve 106 provided to prevent it from flowing back into the adsorption cylinder, and is temporarily stored therein.
  • the supply valve is closed and the exhaust valve is opened to connect the adsorption cylinder to the exhaust line, switch the pressurized adsorption cylinder to the atmosphere, and desorb the nitrogen that was adsorbed under pressure. Regenerate the adsorbent.
  • the operation of the two adsorption cylinders is controlled by shifting each process, so that when one adsorption cylinder is performing the adsorption process and generating oxygen, the other adsorption cylinder performs the desorption process to regenerate the adsorbent. Oxygen is continuously generated by switching each process.
  • Compressor 101 supplies pressurized air to adsorption tube 102(a) via supply valve 103(a), and the adsorption process in which nitrogen is adsorbed to generate oxygen is repeated alternately.
  • the other adsorption tube 102(b) is depressurized to desorb the adsorbed nitrogen, and the adsorption process is exhausted to the outside of the system via exhaust valve 104(b). By repeating these processes alternately, unadsorbed oxygen is continuously generated.
  • the adsorption and desorption processes are repeated while incorporating a pressure equalization process in which the pressure between the adsorption tubes is equalized via a pressure equalization valve, and a purging process in which oxygen is generated while flowing some of it to the other adsorption tube to increase regeneration efficiency, thereby generating oxygen-enriched gas.
  • Oxygen-enriched gas is produced from raw air and temporarily stored in the product tank.
  • the oxygen enriched gas stored in this product tank contains a high concentration of oxygen enriched gas, for example 95%, and its supply flow rate and pressure are controlled by flow rate setting devices such as pressure regulating valves and control valves and sent to the humidifier.
  • the supplied and humidified oxygen enriched gas is delivered to the patient.
  • a humidifier a bubbling type humidifier or a surface evaporation type humidifier using water as a humidification source can be used.
  • the flow rate and oxygen concentration of the oxygen-enriched gas supplied to the user are detected by an ultrasonic oxygen concentration/flow sensor, and the compressor speed and the opening and closing time of the flow path switching valve are feedback-controlled based on the oxygen concentration detection value and oxygen supply flow rate value, making it possible to control oxygen generation.
  • Molecular sieve zeolite such as Na-X type, Li-X type, and MD-X type, is used as an adsorbent filled in the adsorption column to selectively adsorb nitrogen over oxygen. Since the water is also adsorbed, the oxygen-enriched gas produced is separated as an almost completely dry gas.
  • humidifying water is placed in the middle of the piping connecting the product tank that primarily stores the generated oxygen-enriched gas and the cannula that supplies oxygen to the patient.
  • a water humidifier that humidifies oxygen-enriched gas by bubbling or a non-water humidifier using a hollow fiber membrane that selectively permeates water vapor in the air can be installed as necessary.
  • FIG. 2 shows the pressure waveform of the pressure sensor 112 installed in the product tank 107.
  • the compressor pressure which is the adsorption pressure
  • the sequence of the adsorption/desorption process are controlled so that the amount of oxygen generated and the amount of oxygen supplied are constant.
  • a slight drop in product tank pressure was observed during the pressure equalization process when switching between adsorption and desorption processes. Although the steady pressure varies depending on the supply flow rate, the product tank pressure is maintained at a substantially constant value.
  • Figure 3 shows the pressure waveform in the product tank when an abnormality occurs in the supply valves and one of the supply valves does not open.
  • the solenoid valves used for supply valves, exhaust valves, etc. are open when the power is turned on and closed when the power is turned off, in order to close the supply path to the adsorption cylinder when the system is stopped and prevent moisture absorption and deterioration of the adsorbent. This often results in an abnormality in which the solenoid valve does not open even when voltage is applied, but the opposite may also occur.
  • Figure 4 shows the pressure waveform in the product tank when an abnormality occurs in the exhaust valve and one exhaust valve remains closed. If an exhaust valve malfunctions and is permanently closed, it becomes impossible to exhaust desorbed nitrogen and barge gas during the desorption process of the corresponding adsorption cylinder. Of the oxygen gas generated in the adsorption process in the adsorption cylinder on the opposite side, a large amount of the oxygen gas is generated to be purged and exhausted, so the product tank pressure gradually increases.
  • the pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator of the present invention includes a monitoring means for monitoring the state of the flow path switching means based on the output of the pressure sensor of the product tank, and includes an adsorption process and/or a desorption process that involves switching the flow path switching means.
  • a monitoring means for monitoring the state of the flow path switching means based on the output of the pressure sensor of the product tank, and includes an adsorption process and/or a desorption process that involves switching the flow path switching means.
  • This predetermined threshold value is a value determined based on the product tank pressure set according to the oxygen supply conditions of the oxygen concentrator, such as the set flow rate, supply mode such as continuous supply or breathing synchronized supply, and the accompanying compressor rotation speed. be.
  • the adsorption process of multiple adsorption cylinders that is, the product tank pressure at a specific timing of the adsorption process of adsorption cylinder (a) and the product tank pressure at the same timing of the subsequent adsorption process of adsorption cylinder (b) should normally be the same pressure.
  • the monitoring means determines that the flow path switching valve is abnormal. It is preferable that such specific timing is set at a predetermined time before the end of the adsorption step or desorption step, such as 10 seconds or 5 seconds before the end, when the value of the product tank pressure becomes stable.
  • the monitoring means can determine that the flow path switching valve is abnormal.
  • the monitoring means of the flow path switching means monitors the adsorption/desorption process sequence and the product tank pressure, and as shown in the product tank pressure waveform of FIG.
  • the product tank pressure (3f) at the end of the adsorption process is greater than the predetermined threshold (differential pressure between 3b and 3c) with respect to the product tank pressure (3e) at the start of the adsorption process, and the product tank pressure (3d) at the start of the desorption process is If the product tank pressure (3e) at the end of the process is greater than a predetermined threshold, the monitoring means can determine that there is an abnormality in the supply valve 103(a) that supplies pressurized air to the adsorption cylinder 102(a).
  • the monitoring means can determine that there is an abnormality in the exhaust valve 104(a), which releases exhaust gas from the adsorption tube to the outside of the system.
  • the oxygen concentrator of the present invention can be used as a safe medical device for home oxygen inhalation therapy, which supplies oxygen to patients with chronic respiratory diseases.

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Abstract

【課題】　製品タンクに備えた圧力センサの波形から酸素濃縮装置の上流側の流路切換弁の異常を検知する。 【解決手段】　製品タンクの圧力センサの出力により流路切換手段の状態を監視する監視手段を備え、吸着工程及び／又は脱着工程における圧力センサの検出値が所定閾値の範囲を外れたとき、流路切換弁異常を検出することを特徴とする酸素濃縮装置。

Description

酸素濃縮装置
　本発明は、空気中から酸素を分離する圧力変動吸着型の酸素濃縮装置に関する。
　喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器疾患や、最近では新型コロナウイルス感染症によるウイルス性肺炎に苦しむ患者が増加しており、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呼吸器疾患患者に吸入させるものである。これに用いる酸素の供給源として、酸素濃縮装置、液体酸素、酸素ガスボンベ等が知られているが、使用方法の簡便性や保守管理の容易性などの理由から、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る。かかる装置としては、酸素を選択的に透過する膜を用いた膜式酸素濃縮装置や、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知られているが、９０％以上の高濃度の酸素が得られることから、在宅酸素療法用の装置としては、圧力変動吸着型酸素濃縮装置が主に使用されている。
　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である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吸着剤に窒素を吸着させ、未吸着の酸素を得る加圧・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パージすることにより吸着剤の再生を行う減圧・脱着工程を交互に繰り返し行うことで、高濃度の酸素濃縮ガスを連続的に生成することができる。
特開２０１８－１７５５４２号公報
　加圧空気の供給源としてコンプレッサを使用する酸素濃縮装置には、圧力センサをコンプレッサ吐出側に備えることで吸着圧力を検知すると共に、コンプレッサの異常に伴う圧力異常を検知し警報を発し、コンプレッサの回転数を落とし、あるいは停止させるなどの安全機構を備えている。また、機器の安全を担保するためにリリーフ弁も備えている。
　また特許文献１に記載のように、コンプレッサ圧力の検知結果に基づき、吸気弁や排気弁の異常を検知する機能を備えた酸素濃縮装置も知られている。
　原料空気には水蒸気が多く含まれているため、コンプレッサの下流側は加圧条件下で高湿度環境となる。そのため、圧力センサを接続するチューブ内に結露が発生する問題があり、解決策として原料空気の除湿機能を設け、あるいは接続チューブに高価な結露防止チューブを使用するなどの対応が必要となる。これに対して酸素濃縮装置の吸着筒の下流側は、吸着材により除湿され乾燥状態の酸素環境下となるため、製品タンク内の圧力を検知することで、かかる除湿に関する装備は不要となる。
　一方、製品タンクの圧力は酸素生成条件や吸脱着工程の時期により圧力値が変動するため、製品タンク圧力の変動から圧力異常の発生原因として考えられる、コンプレッサ、吸着筒、流路切換弁などの製品タンクの上流側の構成部品のどれが異常を来しているか検知することは難しい。
　さらに酸素濃縮装置では酸素供給量に応じて酸素生成量の調整を行うため、コンプレッサ回転数の制御に伴う吸着圧、製品タンク圧の値は正常時でも大きく変動することになる。
　本発明者は、製品タンクに備えた圧力センサの波形から上流側の流路切換弁の異常箇所を検知する方法を見出した。
　本発明は、以下の酸素濃縮装置を提供する。
１．加圧条件下で酸素より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、
　該吸着筒に加圧空気を供給するコンプレッサと、
　各吸着筒へ加圧空気を供給する供給弁、吸着筒からの排気を系外に放出する排気弁を備えた流路切換弁と、
　吸着筒から生成した酸素を一時貯留する製品タンクと、
　製品タンク圧力を検出する圧力センサと、を備え、
各吸着筒が加圧状態で酸素を生成する吸着工程、減圧状態で窒素を排気する脱着工程を順次切り替えて繰り返すことで酸素を連続的に生成する圧力変動吸着型の酸素濃縮装置において、
　該圧力センサの出力により該流路切換手段の状態を監視する監視手段を備え、吸着工程及び／又は脱着工程における圧力センサの検出値が所定閾値の範囲を外れたとき、すなわち、プラス側或いはマイナス側に所定範囲を外れた時、流路切換弁異常を検出することを特徴とする、酸素濃縮装置。
２．複数の吸着筒の吸着工程又は脱着工程の、特定タイミングにおける製品タンク圧力との差或いは比が、所定閾値より大きいとき、前記監視手段が流路切換弁異常と判断することを特徴とする、上記１に記載の酸素濃縮装置。
３．前記特定タイミングが、吸着工程又は脱着工程の終了前の所定時間である、上記２に記載の酸素濃縮装置。
４．複数の吸着筒のうち、１つの吸着筒における吸着工程開始時の製品タンク圧力に対して終了時の製品タンク圧力が所定閾値より大きく、脱着工程開始時の製品タンク圧力に対して終了時の製品タンク圧力が所定閾値より大きい場合、前記監視手段が、該吸着筒へ加圧空気を供給する供給弁の異常と判断することを特徴とする、上記１に記載の酸素濃縮装置。
５．複数の吸着筒のうち、１つの吸着筒における脱着工程開始時の製品タンク圧力に対して終了時の製品タンク圧力が所定閾値より小さく、吸着工程開始時の製品タンク圧力に対して終了時の製品タンク圧力が所定閾値より大きい場合、前記監視手段が、該吸着筒からの排気を系外に放出する排気弁の異常と判断することを特徴とする、上記１に記載の酸素濃縮装置。
６．各吸着筒の吸着工程又は脱着工程における製品タンクの最大圧力と最小圧力との差或いは比が、所定閾値よりも大きいとき、前記監視手段が流路切換弁異常と判断することを特徴とする、上記１に記載の酸素濃縮装置。
７．各吸着筒の吸着工程および脱着工程における製品タンクの最大圧力の差或いは比が、所定閾値よりも大きいとき、前記監視手段が流路切換弁異常を判断することを特徴とする、上記１に記載の酸素濃縮装置。
８．前記所定閾値が、酸素濃縮装置の酸素供給条件によって設定された製品タンク圧力に基づいて定められた値であることを特徴とする上記１～７の何れかに記載の酸素濃縮装置。
９．前記酸素供給条件が、酸素濃縮装置の設定流量、連続流あるいは呼吸同調流での酸素供給モード、吸着筒圧力、あるいはコンプレッサの回転数であることを特徴とする、上記８に記載の酸素濃縮装置。
　本発明の酸素濃縮装置では、吸着圧を検知する圧力センサを、水蒸気を多く含むコンプレッサ吐出側に備えるのではなく、乾燥状態の酸素濃縮ガスを貯留する製品タンクに備えることが出来る。これに伴って製品タンクの上流側の機器異常の検出、供給弁や排気弁などの流路切換弁の異常を製品タンクの圧力波形の変動と吸脱着工程の切替えタイミングとの関係からから検知することができる。
本発明の酸素濃縮装置の構成図を示す。 本発明の酸素濃縮装置の製品タンク圧力の変動を示す。 本発明の酸素濃縮装置の供給弁異常時の製品タンク圧力の変動を示す。 本発明の酸素濃縮装置の排気弁異常時の製品タンク圧力の変動を示す。
　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は、原料空気を供給するコンプレッサ１０１、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１０２、吸脱着工程を切替る流路切換手段である供給弁１０３、排気弁１０４、均圧弁１０５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調圧弁１０８やコントロールバルブ１０９で所定流量に調整した後、水加湿器１１０で加湿後にカニューラ１１１を用いて使用者に供給する。
　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を分離して取り出す。酸素濃縮ガスの分離は、吸着工程に於いて、酸素分子よりも窒素分子を選択的に吸着するゼオライト等からなる吸着剤を充填した吸着筒に対して、供給弁１０３、排気弁１０４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１０２への流路を切り換えることにより、コンプレッサ１０１から加圧空気を順次供給し、加圧状態の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。
　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、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。
　前記吸着筒で吸着されなかった酸素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１０６を介して、製品タンク１０７に流入し、一時貯留される。
　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剤に吸着した窒素を脱着除去する必要がある。そこで脱着工程では供給弁を閉じ、排気弁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を脱着させて吸着剤を再生する。
　２つの吸着筒では、各工程をずらして運転制御を行い、一方の吸着筒で吸着工程を行いながら酸素を生成している時には、他方の吸着筒では脱着工程を行い吸着剤の再生を行い、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。
　吸着筒１０２（ａ）に対してコンプレッサ１０１から供給弁１０３（ａ）を介して加圧空気が供給され、窒素を吸着し酸素を生成する吸着工程、他方の吸着筒１０２（ｂ）を減圧し吸着した窒素を脱着させ、排気弁１０４（ｂ）を介して系外に排気する脱着工程を交互に繰り返すことで未吸着の酸素を連続的に生成する。その間、均圧弁を介して吸着筒間を均圧する均圧工程、吸着筒を加圧し、酸素を生成しながら一部を他方の吸着筒に流すことで再生効率を高めるパージ工程などを組み込みながら吸脱着工程を繰り返し、酸素濃縮ガスを生成する。
　原料空気から酸素濃縮ガスが製造され、製品タンクへ一時的に蓄えられる。この製品タンク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、コントロールバルブ等の流量設定器によってその供給流量と圧力が制御されて加湿器へ供給され、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・流量センサで検知され、酸素濃度検出値、酸素供給流量値に基づいてコンプレッサ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。
　吸着筒内に充填された、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤として、Ｎａ－Ｘ型、Ｌｉ－Ｘ型、ＭＤ－Ｘ型などのモレキュラーシーブゼオライトは、窒素を吸着すると同時に空気中の水分も吸着することから、生成された酸素濃縮ガスは、ほぼ絶乾状態のガスとして分離される。かかる酸素濃縮ガスを連続して吸入することによって生じる鼻孔等の乾燥を防ぐため、生成した酸素濃縮ガスを一次貯留する製品タンクと患者へ酸素を供給するカニューラを繋ぐ配管の途中に、加湿水中をバブリングすることで酸素濃縮ガスを加湿する水加湿器や、空気中の水蒸気を選択的に透過する中空糸膜を用いた無給水加湿器を、必要に応じて設置することができる。
　図２に、製品タンク１０７に設置した圧力センサ１１２の圧力波形を示す。省エネルギーを実現するため、酸素生成量と酸素供給量が一定になるように、吸着圧であるコンプレッサ圧力および吸脱着工程のシーケンスが制御される。製品タンク圧力は、吸脱着工程の切替え時の均圧工程で若干の圧力低下が認められる。供給流量に応じて定常圧は異なるが、製品タンク圧力は略一定に値に維持がされている。
　図３に、供給弁に異常が生じ、一方の供給弁が開かない状態となった場合の製品タンクの圧力波形を示す。供給弁、排気弁等に使用する電磁弁は、停止時には吸着筒への供給路を閉止し、吸着剤の吸湿劣化を防ぐ目的から、電源ＯＮ時には開状態、電源ＯＦＦ時に閉状態のものが使用され、電圧をかけても電磁弁が開かない異常を来す場合が多いが、逆の場合もある。
　一方の供給弁が開かない場合、吸着工程での酸素生成が出来なくなることから、同工程での製品タンク圧力は低下する。脱着工程に切り替わった際には他方の吸着筒へ加圧空気を供給する供給弁は正常に稼働し、酸素が生成されることから製品タンク圧力は回復する。かかる吸脱着工程と製品タンク圧の変動を検知することで、供給弁の異常を検知することが出来る。
　図４に、排気弁に異常が生じ、一方の排気弁が閉じたままの状態となった場合の製品タンクの圧力波形を示す。排気弁が故障し常時閉じた状態となった場合、対応する吸着筒の脱着工程において脱着窒素の排気、バージガスの排気が出来なくなる。反対側の吸着筒の吸着工程で生成される酸素ガスのうちパージ排気される分が多く生成されることになるため、製品タンク圧が徐々に上昇する。吸脱着工程が切り替わっても排気弁異常の吸着工程側の吸着筒は高圧力が維持されており、かかる吸着筒に加圧空気が供給され、製品タンク圧は更に上昇すると共に、パージ排気工程の開始に伴って生成ガス量と供給ガス量が均衡するため一定圧となる。一方、正常な排気弁を有する吸着筒では、吸着工程開始時に吸着筒間の均圧により吸着筒圧が大きく低下し、製品タンク圧もそれに伴って低下するが、その後は吸脱着工程に伴って上昇、定圧維持、低下のパターンを繰り返す。
　このように、製品タンク圧力の大小だけでは供給弁、排気弁などの流路切換手段の異常を特定することはできない。
　本発明の圧力変動吸着型の酸素濃縮装置では、製品タンクの圧力センサの出力により流路切換手段の状態を監視する監視手段を備え、流路切換手段の切り替えの伴う吸着工程及び／又は脱着工程の段階と製品タンク圧を同時に監視することで、圧力センサの検出値が所定閾値より大きいとき、すなわちプラス側あるいはマイナス側に所定範囲を外れた場合、流路切換弁異常を検出することを特徴とする。
　かかる所定閾値は、酸素濃縮装置の酸素供給条件である設定流量や連続供給や呼吸同調供給などの供給モード、それに伴うコンプレッサの回転数等によって設定された製品タンク圧力に基づいて定められた値である。
　複数の吸着筒の吸着工程、すなわち吸着筒（ａ）の吸着工程の特定タイミングにおける製品タンク圧力とそれに続く吸着筒（ｂ）の吸着工程の同タイミングにおける製品タンク圧は、本来であれば同じ圧力値（図３の３ａ、３ｃ）を示すが、両者の差或いは比が所定閾値より大きいとき、前記監視手段が流路切換弁異常と判断する。かかる特定タイミングは、製品タンク圧の値が安定する吸着工程又は脱着工程の終了１０秒前、５秒前といった終了前の所定時間で定めるのが好ましい。
　また、各吸着筒の吸着工程又は脱着工程における製品タンクの最大圧力と最小圧力との差、或いは両者の比が、正常時の差圧等で定められる所定閾値よりも大きいとき、あるいは、各吸着筒の吸着工程と脱着工程における製品タンクの最大圧力の差或いはその比が、所定閾値よりも大きいとき、監視手段は流路切換弁異常を判断することができる。
　尚、かかる方法では流路切換弁異常を来していることは判断できるが、異常箇所の特定することは出来ない。
　本発明の酸素濃縮装置では、流路切換手段の監視手段が吸脱着工程のシーケンスおよび製品タンク圧力を監視しており、図３の製品タンク圧力波形で示すように、吸着筒１０２（ａ）の吸着工程開始時の製品タンク圧力（３ｅ）に対して終了時の製品タンク圧力（３ｆ）が所定閾値（３ｂ、３ｃの差圧）より大きく、脱着工程開始時の製品タンク圧力（３ｄ）に対して終了時の製品タンク圧力（３ｅ）が所定閾値より大きい場合、監視手段が、該吸着筒１０２（ａ）へ加圧空気を供給する供給弁１０３（ａ）の異常と判断することができる。
　また、図４の製品タンク圧力波形で示すように、吸着筒１０２（ａ）の脱着工程開始時の製品タンク圧力（４ｄ）に対して終了時の製品タンク圧力（４ｅ）が所定閾値内であり、吸着工程開始時の製品タンク圧力（４ｅ）に対して終了時の製品タンク圧力（４ｆ）が所定閾値より大きい場合、前記監視手段が、該吸着筒からの排気を系外に放出する排気弁１０４（ａ）の異常と判断することができる。
　本発明の酸素濃縮装置は、慢性呼吸器疾患などの患者に対して酸素を供給する在宅酸素吸入療法に適用する安全性を担保した医療装置として、適用することが出来る。
１０１  コンプレッサ
１０２  吸着筒
１０３  供給弁
１０４  排気弁
１０５  均圧弁
１０６  逆止弁
１０７  製品タンク
１０８  調圧弁
１０９  コントロールバルブ
１１０  水加湿器
１１１  カニューラ
１１２  圧力センサ

Claims (9)

  1. 　加圧条件下で酸素より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、
    　該吸着筒に加圧空気を供給するコンプレッサと、
    　各吸着筒へ加圧空気を供給する供給弁、吸着筒からの排気を系外に放出する排気弁を備えた流路切換弁と、
    　吸着筒から生成した酸素を一時貯留する製品タンクと、
    　製品タンク圧力を検出する圧力センサと、を備え、
    各吸着筒が加圧状態で酸素を生成する吸着工程、減圧状態で窒素を排気する脱着工程を順次切り替えて繰り返すことで酸素を連続的に生成する圧力変動吸着型の酸素濃縮装置において、
    　該圧力センサの出力により該流路切換手段の状態を監視する監視手段を備え、吸着工程及び／又は脱着工程における圧力センサの検出値が所定閾値の範囲を外れたとき、流路切換弁異常を検出することを特徴とする、酸素濃縮装置。
  2. 　複数の吸着筒の吸着工程又は脱着工程の、特定タイミングにおける製品タンク圧力の差或いは比が、所定閾値より大きいとき、前記監視手段が流路切換弁異常と判断することを特徴とする、請求項１に記載の酸素濃縮装置。
  3. 　前記特定タイミングが、吸着工程又は脱着工程の終了前の所定時間である、請求項２に記載の酸素濃縮装置。
  4. 　複数の吸着筒のうち、一つの吸着筒における吸着工程開始時の製品タンク圧力に対して終了時の製品タンク圧力が所定閾値より小さく、脱着工程開始時の製品タンク圧力に対して終了時の製品タンク圧力が所定閾値より大きい場合、前記監視手段が、該吸着筒へ加圧空気を供給する供給弁の異常と判断することを特徴とする、請求項１に記載の酸素濃縮装置。
  5. 　複数の吸着筒のうち、一つの吸着筒における脱着工程開始時の製品タンク圧力に対して終了時の製品タンク圧力が所定閾値より大きく、吸着工程開始時の製品タンク圧力に対して終了時の製品タンク圧力が所定閾値より大きい場合、前記監視手段が、該吸着筒からの排気を系外に放出する排気弁の異常と判断することを特徴とする、請求項１に記載の酸素濃縮装置。
  6. 　複数の吸着筒の吸着工程又は脱着工程における製品タンクの最大圧力と最小圧力との差或いは比が、所定閾値よりも大きいとき、前記監視手段が流路切換弁異常と判断することを特徴とする、請求項１に記載の酸素濃縮装置。
  7. 　複数の吸着筒の吸着工程および脱着工程における製品タンクの最大圧力の差或いは比が、所定閾値よりも大きいとき、前記監視手段が流路切換弁異常を判断することを特徴とする、請求項１に記載の酸素濃縮装置。
  8. 　前記所定閾値が、酸素濃縮装置の酸素供給条件によって設定された製品タンク圧力に基づいて定められた値であることを特徴とする請求項１～７の何れかに記載の酸素濃縮装置。
  9. 　前記酸素供給条件が、酸素濃縮装置の設定流量、連続流あるいは呼吸同調流での酸素供給モード、吸着筒圧力、あるいはコンプレッサの回転数であることを特徴とする、請求項８に記載の酸素濃縮装置。
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