JP4313087B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素濃縮装置とその制御方法に係り、低純度ガスを呼吸用として用いて治療を行う場合に設定流量に拘わらす常に安定して酸素の供給を行うことのできる酸素濃縮装置およびその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
吸着型酸素濃縮方式の酸素濃縮装置は、大気を原料空気とした圧縮空気を、２本の吸着筒体内に交互に送り込み、吸着筒体内に充填された吸着剤により窒素を吸着し、酸素のみを製品タンク内に貯蔵しておき、酸素濃度を９０％程度に維持し、適宜供給できるように構成されている。また、この酸素濃縮装置を使用する患者は、症状に応じて酸素流量を任意に設定することができ、例えば毎分０．１〜５リットルの範囲の連続使用状態に設定できる。この吸着型酸素濃縮方式の酸素濃縮装置を使用することで、慢性呼吸不全などの患者に、例えば酸素濃度９０％の酸素を供給できるようにしている。
【０００３】
一方、酸素分離膜を用いた膜式酸素濃縮器も実用化されている。この酸素分離膜を用いた動作原理による機種では、酸素濃度が約４０％程度の酸素を安定供給できることから、高濃度の酸素を必要としない主に乳児の慢性肺疾患の治療用として使用されている。
【０００４】
また、吸着型酸素濃縮方式の酸素濃縮装置において、酸素流量と酸素濃度を任意に設定するための具体的な構成について提案されている（特許文献１）。
【０００５】
【特許公報１】
特開平６−３１５５３３号公報
【発明が解決しようとする課題】
以上の吸着型酸素濃縮方式の酸素濃縮装置によれば、一般的に酸素濃度４０％の酸素を呼吸用として連続して安定供給できるように構成されているが、この酸素濃度は酸素の消費に伴い変動することが知られている。すなわち、酸素流量を大きく設定すると、酸素濃度が低下し、逆に酸素流量を小さく設定すると、酸素濃度が上昇する傾向となる。さらに、使用環境温度によっても影響を受ける。
【０００６】
したがって、本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであり、設定される酸素流量の如何に拘わらず、酸素濃度を安定的に保持できる酸素濃縮装置の提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、圧縮空気を入口部から内部に導入し、前記内部に充填された吸着剤により窒素を吸着し、酸素を出口部から排出する２本の吸着筒体と、
前記２本の吸着筒体に対して交互に前記圧縮空気を導入し、一方の吸着筒体の吸着剤が飽和したときに窒素を外部に排出し、他方の吸着筒体から酸素を取り出すように切り換えるために前記入口部に配管される切換弁と、
前記２本の吸着筒体の出口部の間に配管され、前記２本の吸着筒体の一方が所定内圧になったときに開かれることで均等圧化をする均等圧弁と、
前記排出された酸素を４０％の酸素濃度と設定流量とで送り出す酸素供給手段とを配管した酸素濃縮装置であって、
前記酸素供給手段に配管され、酸素濃度の検出をする濃度検出手段と、
前記濃度検出手段で検出された酸素濃度が４０％よりも高いときには、その差分に応じて前記均等圧弁の開時間を長くし、４０％よりも低いときには、その差分に応じて前記均等圧弁の開時間を短くする補正手段と、を備えることを特徴としている。
また、本発明によれば、圧縮空気を入口部から内部に導入し、前記内部に充填された吸着剤により窒素を吸着し、酸素を出口部から排出する２本の吸着筒体と、前記２本の吸着筒体に対して交互に前記圧縮空気を導入し、一方の吸着筒体の吸着剤が飽和したときに窒素を外部に排出し、他方の吸着筒体から酸素を取り出すように切り換えるために前記入口部に配管される切換弁と、前記２本の吸着筒体の出口部の間に配管され、前記２本の吸着筒体の一方が所定内圧になったときに開かれることで均等圧化をする均等圧弁と、前記排出された酸素を、任意に設定された設定濃度と設定流量とで送り出す酸素供給手段とを配管した酸素濃縮装置であって、前記酸素供給手段に配管され、酸素濃度の検出をする濃度検出手段と、前記酸素供給手段に配管され、酸素流量の検出をする流量検出手段と、前記濃度検出手段で検出された酸素濃度が前記設定濃度よりも高いときには、その差分に応じて前記均等圧弁の開時間を長くし、前記設定濃度よりも低いときには、その差分に応じて前記均等圧弁の開時間を短くする補正手段と、を備えることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な一実施形態について添付の図面を参照して述べる。
【００１６】
図１は、ブロック図を兼ねた吸着型酸素濃縮方式の酸素濃縮装置の配管図である。本図において、太い実線は配管３６であって空気、酸素、窒素ガスの流路を示している。また、細い実線は電源供給または電気信号の配線を示している。
【００１７】
本図において、以下原料空気の流れ方向と酸素と窒素ガスの流れ方向に準じて述べると、配管３６の最上流側には配管３６の内部に流入される原料空気の最初の濾過を行うフィルター３３が接続されている。この下流側には、さらに微小なゴミの濾過を行う吸気フィルター３０が接続されており、ゴミ、ダスト類の除去が行われる。この吸気フィルター３０の下流には濾過された原料空気の消音を行う吸気用消音器３７が接続されており、吸気音が消音される。この下流には配管３６を介してコンプレッサー３８が接続されている。コンプレッサー３８において吸気口から濾過後の原料空気が導入されてから、２つの圧縮室内において圧縮されることで圧縮空気が発生される。その後に、下流側に配管された熱交換器４０に送り出される。この熱交換器４０は、コンプレッサー３８で圧縮により温度上昇した圧縮空気を冷やすためのものであり、放熱効果に優れたアルミ管などの金属パイプをコイル状にすることで表面積を増やしている。
【００１８】
この熱交換器４０はコンプレッサー３８の近くに配置されており、外部から装置内に導入された外部空気を直に送風するための一対の冷却用ファン３９、３９からの送風をコンプレッサー３８と同時に受けることで金属パイプを冷やすことで圧縮空気を冷却できるように構成されている。この熱交換器４０で十分に冷やされた後の圧縮空気は、下流に配管されている２本の第１吸着筒体４３と第２吸着筒体４４の入口部４３ａ、４４ａに対して交互に供給される。このように交互に切り換えて圧縮空気を各吸着筒体４３、４４の入口部に供給するために４個のニ方向弁であって電磁駆動されるソレノイド弁により流路を２方向に個別に切り換えるための切換弁１、２、３、４が図示のように接続されている。
【００１９】
具体的には、４個のニ方向弁１、２、３、４をリング状に連結し、隣合う各弁の間からそれぞれ配管を引出して配管し、コンプレッサー３８からの配管３６を切換弁２、３に分岐して接続し、切換弁１からの配管を第１吸着筒体４３の入口部４３ａに、そして切換弁４からの配管を第２吸着筒体４４の入口部４４ａに接続している。また、切換弁１、４からの配管は消音器４２に接続されており、第１吸着筒体４３と第２吸着筒体４４から放出される窒素と水分による排気音を低減してから装置外部に排気するようにしている。
【００２０】
そして、第１吸着筒体４３と第２吸着筒体４４は上方においてさらに出口部４３ｂ、４４ｂを形成した筒体として形成されており起立状態で固定されるとともに、内部に吸着剤である顆粒状のゼオライトが充填されており、表面積を大きくすることで窒素の吸着と酸素を生成するための触媒担体として機能できるようにしている。これらの各吸着筒体４３、４４はその一方が吸着工程にあるときは、他方を吸着剤の再生に当て、そのサイクルごとに切換弁を後述するように所定のタイミングで切換えることにより、連続して酸素を発生する。
【００２１】
一方、第１吸着筒体４３と第２吸着筒体４４の出口部４３ｂ、４４ｂには２本の吸着筒体４３、４４の内の一方が、圧縮空気が送られることにより所定の内圧になったときに開かれることで相互の均等圧化をするために電磁的に駆動される均等圧弁５が配管されている。この均等圧弁５にはさらに絞り弁６が配列して配管されている。あるいは、均等圧弁５は絞り弁を一体化した電磁ソレノイド弁として構成されている。
【００２２】
さらに、第１吸着筒体４３の出口部４３ｂ側には第１逆止弁４６ａが、また第２吸着筒体４４の出口部４４ｂ側には第２逆止弁４６ｂが図示のように接続されている。また、各逆止弁の下流側は合流点で合流するように図示のように配管３６がされており、この合流点において各吸着筒体４３、４４内の圧力を検出するための圧力センサ２９が接続されており、この圧力センサ２９からの出力結果に応じて後述する制御を行なうようにしている。
【００２３】
圧力センサ２９から分岐した配管には各吸着筒体で生成された酸素を貯蔵するための製品タンク４７が配管されている。また、この製品タンク４７の下流側には、酸素を取り出す圧力を調整するための圧力調整器３１が配管されている。この圧力調整器３１の下流側には、細菌類の除菌を行なうバクテリアフィルター３２が配管されており、除菌後の酸素を流量設定手段である流量設定ダイヤル２７に送るようにしている。さらに、図示のように配管３６は途中から分岐しており濃度検出手段である酸素濃度センサ４８に対して酸素を送り、酸素濃度の検出を行ない、検出結果を後述の制御基板に送るようにしている。
【００２４】
各吸着筒体に内蔵されたゼオライトにより窒素が吸着されることにより生成された酸素は、湿度はほとんどゼロに近いことから患者がそのまま吸引すると喉の渇きを招く。そこで、下流には精製水を貯液した加湿器２０が配管されており、精製水中を微細な気泡として通過する過程で、酸素に湿度を与えるようにしている。この加湿器２０の下流側には、湿度センサーと流量検出手段である流速センサ５０が接続されており、酸素出口管１０に対して設定された流量の酸素が供給されていることを常時モニターするようにしている。この酸素出口管１０には、カプラー１１が接続されており、このカプラー１１に接続されたチューブ１２を介して鼻カニューラ１３が接続されている。患者はこの鼻カニューラ１３を鼻腔にセットして酸素を吸入することとなる。
【００２５】
一方、上記の各センサとニ方向の切換弁１、２、３、４と均等圧弁５の各電磁弁は制御基板５１に接続されており、後述する電磁弁の切換制御が行なわれるようにしている。この制御基板５１は点検が容易となる位置に配設される点検用基板２３にさらに接続されるとともに、商用電源１９に接続された安定化電源５２からの電源供給を受け、停電時に自動的に電力供給可能な状態に切り換わる充電電池などの２次電源３４がさらに接続されている。
【００２６】
図２(ａ)から(ｃ)は、図１の動作説明ために切換弁１、２、３、４と均等圧弁５を模式的に示した図である。本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、先ず、図２(ａ)において、切換弁１、２、３、４は図示の状態に切り換えられており、配管３６からの圧縮空気を第１の吸着筒体４３のみに供給する。このとき均等圧弁５は閉じており、絞り弁６を介して酸素を第２の吸着筒体４４にごく僅か供給する状態となっている。この状態で、第１の吸着筒体４３のゼオライトによる窒素の吸着がされて酸素が逆止弁４６ａを介して製品タンク４７内に供給される。やがて第１の吸着筒体４３のゼオライトが窒素で飽和するが、この状態は圧力センサ２９により内圧が高くなったことで検出される。
【００２７】
すると、図２(ｂ)に示すように均等圧弁５が開かれることで、第１の吸着筒体４３で生成された酸素が第２の吸着筒体４４の出口部に送り込まれることで、内蔵のゼオライトの洗浄化が行なわれる。これに続き、配管３６が吸着筒体４３、４４の各入口部に連結するように切換弁３、４とを切り換えることによって、左右圧の均圧化を図り、その後、切換弁１を消音器４２の配管と第１の吸着筒体４３の入口部との間を連結するように切り替えることで、第１の吸着筒体４３の内部に溜まった窒素を外部に排気する。
【００２８】
これに続き、図２(ｃ)において、切換弁１、２、３、４を図示の状態に切り換えることで、配管３６からの圧縮空気を第２の吸着筒体４４のみに供給する状態に移行する。このとき均等圧弁５は閉じられており、絞り弁６を介して酸素を第１の吸着筒体４３に対してごく僅か供給する状態となっている。この状態で、第２の吸着筒体４４のゼオライトによる窒素の吸着がされて酸素が逆止弁４６ｂを介して製品タンク４７内に供給される。やがて第２の吸着筒体４４のゼオライトが窒素で飽和するが、この状態は圧力センサ２９により内圧が高くなったことで検出される。
【００２９】
すると、図２(ｄ)に示すように均等圧弁５が開かれることで、第２の吸着筒体４４で生成された酸素が第１の吸着筒体４３の出口部に送り込まれることで、内蔵のゼオライトの洗浄化が行なわれる。これに続き、配管３６が吸着筒体４３と４４の入口部に連結するように切換弁１と２とを切り替えることによって、左右圧の均圧化を図りその後、切換弁４を消音器４２の配管と第１の吸着筒体４４の入口部との間を連結するように切り替えることで、第２の吸着筒体４４の内部に溜まった窒素を外部に排気する。以上の切換動作を所定タイミングで繰り返し行うことで、連続した酸素の安定供給を可能としている。
【００３０】
図３(ａ)は、均等圧弁５の開く時間を固定した状態で、図２のサイクルを実行したときの酸素の流量と、酸素濃度％の関係を温度１５℃の環境下で測定して得られた図表である。
【００３１】
この図表から分かるように、均等圧弁５の開く時間を例えば２．１５秒に固定したときには酸素の流量を毎分６リットルに設定ダイヤル２７を用いて設定したときに酸素濃度が４０％になることが確認された。換言すれば、最大設定流量である毎分６リットルに設定されたときに、酸素濃度が４０％を維持できるように均等圧弁５の開く時間を２．１５秒に設定していた。しかし、このように均等圧弁５の開く時間を固定してしまうと、酸素の流量をより少ない例えば毎分２リットルに設定すると酸素濃度が８０％になることが確認された。さらには、毎分１リットルに設定すると酸素濃度が９０％になることも測定された。
【００３２】
そこで、図３(ｂ)の図表に示すように、均等圧弁５の開く時間を固定せずに設定される流量が少なくなるにしたがって均等圧弁５の開く時間を長くして、図２のサイクルを実行した結果、酸素の流量の変動に応じて酸素濃度の４０％の関係を得られるようにした。
【００３３】
すなわち、図３(ｂ)の図表から分かるように、均等圧弁５の開く時間が２．１５秒のときに酸素の流量を毎分６リットルに設定したときに酸素濃度が４０％になり、酸素の流量をより少ない例えば毎分２リットルに設定したときには均等圧弁５の開く時間をより長い３．５４秒にすることで酸素濃度が４２％になることが確認され、毎分１リットルに設定したときには、均等圧弁５の開く時間を３．７５秒にすることで酸素濃度が４２％になることも測定された。このようにして流量（Ｌ／分）ー均等圧弁の開時間間隔とをテーブル化して記憶部に記憶させておき、均等圧弁５の開時間を長短に補正することにより、ゼオライトによる吸着時における酸素、窒素分圧の比率を変化させることができるので、酸素濃度を一定に保持する事が可能となる。特に均等圧弁５の開いた初期段階では比較的に高い酸素濃度の酸素ガスが流れ込むが、徐々に開時問が長くなるにつれて低い濃度の酸素ガスであって主に窒素を多く含むガスが反対側の吸着筒体に送り込まれる。この結果、吸着筒体の内部で発生する酸素濃度は低下してくる。吐出流量が減少し、酸素濃度が上昇した場合には、均等圧弁５の開時間を延長して低濃度ガスを反対側に送り込み、発生する酸素濃度を低下させ、逆に、酸素濃度が低下した場合には、開時間を短くして酸素濃度を上昇させることにより、酸素濃度を略一定にする事が可能となる。以上のように均等圧弁５の開く時間を補正することによって安定した酸素供給が可能になる。
【００３４】
図４(ａ)は、装置への電源投入後の全体のタイミングチャートである、また図４(ｂ)は各切換弁１、２、３、４と均等圧弁５への通電状態を示したタイミングチャートである。そして、図５は、上記の制御基板５１において実行される動作説明のフローチャートである。
【００３５】
図４と図５を参照して、補正手段は制御基板５１に実装されるマイクロコンピュータを実装した回路に所定のプログラムとして内蔵されており、酸素濃度が設定濃度以上であると圧等化弁の開時間を長く補正し、設定濃度以下であると均等圧弁の開時間を短く補正するように機能する。また、この補正手段は、所定時間間隔の経過毎に行ない、前回行なった補正の補正値を一時記憶し、一時記憶された補正値を次回の補正に用いるようにしている。または、予め図３(ｂ)に示した図表を記憶素子に予め記憶しておき、均等圧弁の開く時間を設定流量と酸素濃度との関係から決定するようにしても良い。
【００３６】
図４と図５に図１のブロック図をさらに参照して、装置の電源が投入されると図５の動作説明のフローチャートにおいてステップＳ１に進み、初期切換動作を行い図２(ａ)から(ｄ)の動作を繰り替えすことで酸素を製品タンク４７中に貯める。このとき、均等圧弁５の開く時間は例えば２．１６秒に固定されており、毎分６リットルの流量で酸素濃度４０％の酸素を供給できるようにしている。この後に約５分間経過したことがステップＳ２で判断されるとステップＳ３に進み、酸素濃度センサ４８と流速センサ５０による酸素濃度と酸素流量の検出が行われることで、制御基板５１に各検出結果が送られる。次のステップＳ４では、ステップＳ３での各センサによる検出後に一定時間の経過を待ち検出誤差などを解消した後にステップＳ５に進み、再度酸素濃度の検出を行い設定濃度であるか否かを判断する。設定濃度であると判断されるとステップＳ３に戻り再度検出のループを繰り替えす。ステップＳ４の経過時間は設定した酸素流量に伴い決定される、これは設定した流量に伴い酸素の濃度変化時間が変わる為である。
【００３７】
一方、ステップＳ５で酸素濃度が設定酸素濃度を逸脱していると判定すると、ステップＳ６に進み、補正手段による均等圧弁５の開放時間の変更が行われる。具体的には、酸素濃度が設定酸素濃度よりも高いときには、均等圧弁５の開放時間を長くし、酸素濃度が低いときには、均等圧弁５の開放時間を短くする。この補正量は、酸素濃度が設定酸素濃度から逸脱する逸脱濃度量によって決まり、大きく逸脱しているときには、大きな補正量が加えられる。その後、ステップＳ７で補正した値を記憶し、ステップＳ８で機器が動作継続のときには、ステップＳ３に戻り、一定の経過時間まで各種センサの読み込みを行う。
【００３８】
図６は、異なる温度の使用環境下における流量と酸素濃度の関係を示した図表である。
【００３９】
この図表から分かるように、環境温度が１５℃において設定ダイヤル２７を用いて酸素の流量を毎分６リットルに設定し、酸素濃度が４０％になるように設定したときには、これより低い温度の５℃と高い温度の３５℃でも同様に毎分６リットル時に酸素濃度を４０％にすることが確認できた。
【００４０】
しかしながら、例えば５℃のときに流量を毎分１リットルに設定したときには酸素濃度が５０％に上昇し、３５℃のときに流量を毎分１リットルに設定したときには酸素濃度が３２％に低下することが確認された。この現象は均等圧弁５の開いた時間が長いほど、温度による影響を受け易く、さらに吸着剤の温度特性により、低温時には吸着量が増すために送り込まれる酸素ガス分圧が高くなる結果、酸素濃度が上昇すると思われる。高温時にはその逆となる。
【００４１】
そこで、図１に示した温度センサ６０で検出された温度を補正時に考慮するようにして均等圧弁５の開く時間を上記のように所定時間間隔毎に変化させることで、温度変化にともなう酸素濃度の変動について防止できるようになる。
【００４２】
以上のように補正手段による制御を行うためには、制御基板５１に実装される半導体素子のプログラムの書換のみでよいのでハード的な変更は不要となる利点がある。特に、均等圧弁５の開時問は、設置環境温度により温度が上下するとともにフィルタの目詰まりなどの影響で変動する原料空気の影響や、ゼオライトの充填量などによって異なってくるために、生成される酸素濃度を検知して適宜補正することが理想的となる。そこで、上記のように均等圧弁５の開時間を変更するフィードバック制御は効果的となるが、温度変化による酸素濃度の変化量を予め実験より算出しておき、酸素濃度が所定濃度の略４０％となるように、温度（℃）−流量（Ｌ／分）−均等圧弁の開時間（秒）をパラメータとしてテーブル化して記憶部に記憶しても良い。
【００４３】
尚、流量検出手段は、上記のように使用する酸素流量を決定するための流量設定器の設定値を制御基板が読み取るものであるが、さらに、チューブ折れ等の外乱要因により流量低下した場合に備えて、実流量を測定するための流量センサを装備するようにしても良い。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、任意に設定される酸素流量の大小の如何に拘わらず、酸素濃度を安定的に保持できる酸素濃縮装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るブロック図を兼ねた吸着型酸素濃縮方式の酸素濃縮装置の配管図である。
【図２】 (ａ)から(ｃ)は、図１の切換弁１、２、３、４と均等圧弁５を模式的に示した動作説明図である。
【図３】 (ａ)は、均等圧弁５の開く時間を固定した状態で、図２のサイクルを実行したときの酸素の流量と、酸素濃度％の関係を温度１５度氏の環境下で測定して得られた図表、(ｂ)は均等圧弁５の開く時間を酸素の流量の変動に応じて変動させて得られた図表である。
【図４】 (ａ)は、装置への電源投入後の全体のタイミングチャート、(ｂ)は各切換弁１、２、３、４と均等圧弁５への通電状態を示したタイミングチャートである。
【図５】 制御基板５１において実行される動作説明のフローチャートである。である。
【図６】異なる温度の使用環境下での流量と酸素濃度の関係を示した図表である。
【符号の説明】
１、２、３、４ 切換弁
５ 均等圧弁
６ 絞り弁
１０ 酸素出口管
１１ カプラー
１２ チューブ
１３ 鼻カニューラ
２０ 加湿器
３６ 配管
３７ 消音器
３８ コンプレッサー
３９ 冷却用ファン
４０ 熱交換器
４１ 切換弁
４２ 消音器
４３ 第１吸着筒体
４４ 第２吸着筒体
４５ 均等圧弁
４６ａ、４６ｂ 逆止弁
４７ 製品タンク
４８ 酸素濃度センサ
５０ 流速センサ
５１ 制御基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素濃縮装置とその制御方法に係り、低純度ガスを呼吸用として用いて治療を行う場合に設定流量に拘わらす常に安定して酸素の供給を行うことのできる酸素濃縮装置およびその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
吸着型酸素濃縮方式の酸素濃縮装置は、大気を原料空気とした圧縮空気を、２本の吸着筒体内に交互に送り込み、吸着筒体内に充填された吸着剤により窒素を吸着し、酸素のみを製品タンク内に貯蔵しておき、酸素濃度を９０％程度に維持し、適宜供給できるように構成されている。また、この酸素濃縮装置を使用する患者は、症状に応じて酸素流量を任意に設定することができ、例えば毎分０．１〜５リットルの範囲の連続使用状態に設定できる。この吸着型酸素濃縮方式の酸素濃縮装置を使用することで、慢性呼吸不全などの患者に、例えば酸素濃度９０％の酸素を供給できるようにしている。
【０００３】
一方、酸素分離膜を用いた膜式酸素濃縮器も実用化されている。この酸素分離膜を用いた動作原理による機種では、酸素濃度が約４０％程度の酸素を安定供給できることから、高濃度の酸素を必要としない主に乳児の慢性肺疾患の治療用として使用されている。
【０００４】
また、吸着型酸素濃縮方式の酸素濃縮装置において、酸素流量と酸素濃度を任意に設定するための具体的な構成について提案されている（特許文献１）。
【０００５】
【特許公報１】
特開平６−３１５５３３号公報
【発明が解決しようとする課題】
以上の吸着型酸素濃縮方式の酸素濃縮装置によれば、一般的に酸素濃度４０％の酸素を呼吸用として連続して安定供給できるように構成されているが、この酸素濃度は酸素の消費に伴い変動することが知られている。すなわち、酸素流量を大きく設定すると、酸素濃度が低下し、逆に酸素流量を小さく設定すると、酸素濃度が上昇する傾向となる。さらに、使用環境温度によっても影響を受ける。
【０００６】
したがって、本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであり、設定される酸素流量の如何に拘わらず、酸素濃度を安定的に保持できる酸素濃縮装置の提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、圧縮空気を入口部から内部に導入し、前記内部に充填された吸着剤により窒素を吸着し、酸素を出口部から排出する２本の吸着筒体と、
前記２本の吸着筒体に対して交互に前記圧縮空気を導入し、一方の吸着筒体の吸着剤が飽和したときに窒素を外部に排出し、他方の吸着筒体から酸素を取り出すように切り換えるために前記入口部に配管される切換弁と、
前記２本の吸着筒体の出口部の間に配管され、前記２本の吸着筒体の一方が所定内圧になったときに開かれることで均等圧化をする均等圧弁と、
前記排出された酸素を４０％の酸素濃度と設定流量とで送り出す酸素供給手段とを配管した酸素濃縮装置であって、
前記酸素供給手段に配管され、酸素濃度の検出をする濃度検出手段と、
前記濃度検出手段で検出された酸素濃度が４０％よりも高いときには、その差分に応じて前記均等圧弁の開時間を長くし、４０％よりも低いときには、その差分に応じて前記均等圧弁の開時間を短くする補正手段と、を備えることを特徴としている。
また、本発明によれば、圧縮空気を入口部から内部に導入し、前記内部に充填された吸着剤により窒素を吸着し、酸素を出口部から排出する２本の吸着筒体と、前記２本の吸着筒体に対して交互に前記圧縮空気を導入し、一方の吸着筒体の吸着剤が飽和したときに窒素を外部に排出し、他方の吸着筒体から酸素を取り出すように切り換えるために前記入口部に配管される切換弁と、前記２本の吸着筒体の出口部の間に配管され、前記２本の吸着筒体の一方が所定内圧になったときに開かれることで均等圧化をする均等圧弁と、前記排出された酸素を、任意に設定された設定濃度と設定流量とで送り出す酸素供給手段とを配管した酸素濃縮装置であって、前記酸素供給手段に配管され、酸素濃度の検出をする濃度検出手段と、前記酸素供給手段に配管され、酸素流量の検出をする流量検出手段と、前記濃度検出手段で検出された酸素濃度が前記設定濃度よりも高いときには、その差分に応じて前記均等圧弁の開時間を長くし、前記設定濃度よりも低いときには、その差分に応じて前記均等圧弁の開時間を短くする補正手段と、を備えることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な一実施形態について添付の図面を参照して述べる。
【００１６】
図１は、ブロック図を兼ねた吸着型酸素濃縮方式の酸素濃縮装置の配管図である。本図において、太い実線は配管３６であって空気、酸素、窒素ガスの流路を示している。また、細い実線は電源供給または電気信号の配線を示している。
【００１７】
本図において、以下原料空気の流れ方向と酸素と窒素ガスの流れ方向に準じて述べると、配管３６の最上流側には配管３６の内部に流入される原料空気の最初の濾過を行うフィルター３３が接続されている。この下流側には、さらに微小なゴミの濾過を行う吸気フィルター３０が接続されており、ゴミ、ダスト類の除去が行われる。この吸気フィルター３０の下流には濾過された原料空気の消音を行う吸気用消音器３７が接続されており、吸気音が消音される。この下流には配管３６を介してコンプレッサー３８が接続されている。コンプレッサー３８において吸気口から濾過後の原料空気が導入されてから、２つの圧縮室内において圧縮されることで圧縮空気が発生される。その後に、下流側に配管された熱交換器４０に送り出される。この熱交換器４０は、コンプレッサー３８で圧縮により温度上昇した圧縮空気を冷やすためのものであり、放熱効果に優れたアルミ管などの金属パイプをコイル状にすることで表面積を増やしている。
【００１８】
この熱交換器４０はコンプレッサー３８の近くに配置されており、外部から装置内に導入された外部空気を直に送風するための一対の冷却用ファン３９、３９からの送風をコンプレッサー３８と同時に受けることで金属パイプを冷やすことで圧縮空気を冷却できるように構成されている。この熱交換器４０で十分に冷やされた後の圧縮空気は、下流に配管されている２本の第１吸着筒体４３と第２吸着筒体４４の入口部４３ａ、４４ａに対して交互に供給される。このように交互に切り換えて圧縮空気を各吸着筒体４３、４４の入口部に供給するために４個のニ方向弁であって電磁駆動されるソレノイド弁により流路を２方向に個別に切り換えるための切換弁１、２、３、４が図示のように接続されている。
【００１９】
具体的には、４個のニ方向弁１、２、３、４をリング状に連結し、隣合う各弁の間からそれぞれ配管を引出して配管し、コンプレッサー３８からの配管３６を切換弁２、３に分岐して接続し、切換弁１からの配管を第１吸着筒体４３の入口部４３ａに、そして切換弁４からの配管を第２吸着筒体４４の入口部４４ａに接続している。また、切換弁１、４からの配管は消音器４２に接続されており、第１吸着筒体４３と第２吸着筒体４４から放出される窒素と水分による排気音を低減してから装置外部に排気するようにしている。
【００２０】
そして、第１吸着筒体４３と第２吸着筒体４４は上方においてさらに出口部４３ｂ、４４ｂを形成した筒体として形成されており起立状態で固定されるとともに、内部に吸着剤である顆粒状のゼオライトが充填されており、表面積を大きくすることで窒素の吸着と酸素を生成するための触媒担体として機能できるようにしている。これらの各吸着筒体４３、４４はその一方が吸着工程にあるときは、他方を吸着剤の再生に当て、そのサイクルごとに切換弁を後述するように所定のタイミングで切換えることにより、連続して酸素を発生する。
【００２１】
一方、第１吸着筒体４３と第２吸着筒体４４の出口部４３ｂ、４４ｂには２本の吸着筒体４３、４４の内の一方が、圧縮空気が送られることにより所定の内圧になったときに開かれることで相互の均等圧化をするために電磁的に駆動される均等圧弁５が配管されている。この均等圧弁５にはさらに絞り弁６が配列して配管されている。あるいは、均等圧弁５は絞り弁を一体化した電磁ソレノイド弁として構成されている。
【００２２】
さらに、第１吸着筒体４３の出口部４３ｂ側には第１逆止弁４６ａが、また第２吸着筒体４４の出口部４４ｂ側には第２逆止弁４６ｂが図示のように接続されている。また、各逆止弁の下流側は合流点で合流するように図示のように配管３６がされており、この合流点において各吸着筒体４３、４４内の圧力を検出するための圧力センサ２９が接続されており、この圧力センサ２９からの出力結果に応じて後述する制御を行なうようにしている。
【００２３】
圧力センサ２９から分岐した配管には各吸着筒体で生成された酸素を貯蔵するための製品タンク４７が配管されている。また、この製品タンク４７の下流側には、酸素を取り出す圧力を調整するための圧力調整器３１が配管されている。この圧力調整器３１の下流側には、細菌類の除菌を行なうバクテリアフィルター３２が配管されており、除菌後の酸素を流量設定手段である流量設定ダイヤル２７に送るようにしている。さらに、図示のように配管３６は途中から分岐しており濃度検出手段である酸素濃度センサ４８に対して酸素を送り、酸素濃度の検出を行ない、検出結果を後述の制御基板に送るようにしている。
【００２４】
各吸着筒体に内蔵されたゼオライトにより窒素が吸着されることにより生成された酸素は、湿度はほとんどゼロに近いことから患者がそのまま吸引すると喉の渇きを招く。そこで、下流には精製水を貯液した加湿器２０が配管されており、精製水中を微細な気泡として通過する過程で、酸素に湿度を与えるようにしている。この加湿器２０の下流側には、湿度センサーと流量検出手段である流速センサ５０が接続されており、酸素出口管１０に対して設定された流量の酸素が供給されていることを常時モニターするようにしている。この酸素出口管１０には、カプラー１１が接続されており、このカプラー１１に接続されたチューブ１２を介して鼻カニューラ１３が接続されている。患者はこの鼻カニューラ１３を鼻腔にセットして酸素を吸入することとなる。
【００２５】
一方、上記の各センサとニ方向の切換弁１、２、３、４と均等圧弁５の各電磁弁は制御基板５１に接続されており、後述する電磁弁の切換制御が行なわれるようにしている。この制御基板５１は点検が容易となる位置に配設される点検用基板２３にさらに接続されるとともに、商用電源１９に接続された安定化電源５２からの電源供給を受け、停電時に自動的に電力供給可能な状態に切り換わる充電電池などの２次電源３４がさらに接続されている。
【００２６】
図２(ａ)から(ｃ)は、図１の動作説明ために切換弁１、２、３、４と均等圧弁５を模式的に示した図である。本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、先ず、図２(ａ)において、切換弁１、２、３、４は図示の状態に切り換えられており、配管３６からの圧縮空気を第１の吸着筒体４３のみに供給する。このとき均等圧弁５は閉じており、絞り弁６を介して酸素を第２の吸着筒体４４にごく僅か供給する状態となっている。この状態で、第１の吸着筒体４３のゼオライトによる窒素の吸着がされて酸素が逆止弁４６ａを介して製品タンク４７内に供給される。やがて第１の吸着筒体４３のゼオライトが窒素で飽和するが、この状態は圧力センサ２９により内圧が高くなったことで検出される。
【００２７】
すると、図２(ｂ)に示すように均等圧弁５が開かれることで、第１の吸着筒体４３で生成された酸素が第２の吸着筒体４４の出口部に送り込まれることで、内蔵のゼオライトの洗浄化が行なわれる。これに続き、配管３６が吸着筒体４３、４４の各入口部に連結するように切換弁３、４とを切り換えることによって、左右圧の均圧化を図り、その後、切換弁１を消音器４２の配管と第１の吸着筒体４３の入口部との間を連結するように切り替えることで、第１の吸着筒体４３の内部に溜まった窒素を外部に排気する。
【００２８】
これに続き、図２(ｃ)において、切換弁１、２、３、４を図示の状態に切り換えることで、配管３６からの圧縮空気を第２の吸着筒体４４のみに供給する状態に移行する。このとき均等圧弁５は閉じられており、絞り弁６を介して酸素を第１の吸着筒体４３に対してごく僅か供給する状態となっている。この状態で、第２の吸着筒体４４のゼオライトによる窒素の吸着がされて酸素が逆止弁４６ｂを介して製品タンク４７内に供給される。やがて第２の吸着筒体４４のゼオライトが窒素で飽和するが、この状態は圧力センサ２９により内圧が高くなったことで検出される。
【００２９】
すると、図２(ｄ)に示すように均等圧弁５が開かれることで、第２の吸着筒体４４で生成された酸素が第１の吸着筒体４３の出口部に送り込まれることで、内蔵のゼオライトの洗浄化が行なわれる。これに続き、配管３６が吸着筒体４３と４４の入口部に連結するように切換弁１と２とを切り替えることによって、左右圧の均圧化を図りその後、切換弁４を消音器４２の配管と第１の吸着筒体４４の入口部との間を連結するように切り替えることで、第２の吸着筒体４４の内部に溜まった窒素を外部に排気する。以上の切換動作を所定タイミングで繰り返し行うことで、連続した酸素の安定供給を可能としている。
【００３０】
図３(ａ)は、均等圧弁５の開く時間を固定した状態で、図２のサイクルを実行したときの酸素の流量と、酸素濃度％の関係を温度１５℃の環境下で測定して得られた図表である。
【００３１】
この図表から分かるように、均等圧弁５の開く時間を例えば２．１５秒に固定したときには酸素の流量を毎分６リットルに設定ダイヤル２７を用いて設定したときに酸素濃度が４０％になることが確認された。換言すれば、最大設定流量である毎分６リットルに設定されたときに、酸素濃度が４０％を維持できるように均等圧弁５の開く時間を２．１５秒に設定していた。しかし、このように均等圧弁５の開く時間を固定してしまうと、酸素の流量をより少ない例えば毎分２リットルに設定すると酸素濃度が８０％になることが確認された。さらには、毎分１リットルに設定すると酸素濃度が９０％になることも測定された。
【００３２】
そこで、図３(ｂ)の図表に示すように、均等圧弁５の開く時間を固定せずに設定される流量が少なくなるにしたがって均等圧弁５の開く時間を長くして、図２のサイクルを実行した結果、酸素の流量の変動に応じて酸素濃度の４０％の関係を得られるようにした。
【００３３】
すなわち、図３(ｂ)の図表から分かるように、均等圧弁５の開く時間が２．１５秒のときに酸素の流量を毎分６リットルに設定したときに酸素濃度が４０％になり、酸素の流量をより少ない例えば毎分２リットルに設定したときには均等圧弁５の開く時間をより長い３．５４秒にすることで酸素濃度が４２％になることが確認され、毎分１リットルに設定したときには、均等圧弁５の開く時間を３．７５秒にすることで酸素濃度が４２％になることも測定された。このようにして流量（Ｌ／分）ー均等圧弁の開時間間隔とをテーブル化して記憶部に記憶させておき、均等圧弁５の開時間を長短に補正することにより、ゼオライトによる吸着時における酸素、窒素分圧の比率を変化させることができるので、酸素濃度を一定に保持する事が可能となる。特に均等圧弁５の開いた初期段階では比較的に高い酸素濃度の酸素ガスが流れ込むが、徐々に開時問が長くなるにつれて低い濃度の酸素ガスであって主に窒素を多く含むガスが反対側の吸着筒体に送り込まれる。この結果、吸着筒体の内部で発生する酸素濃度は低下してくる。吐出流量が減少し、酸素濃度が上昇した場合には、均等圧弁５の開時間を延長して低濃度ガスを反対側に送り込み、発生する酸素濃度を低下させ、逆に、酸素濃度が低下した場合には、開時間を短くして酸素濃度を上昇させることにより、酸素濃度を略一定にする事が可能となる。以上のように均等圧弁５の開く時間を補正することによって安定した酸素供給が可能になる。
【００３４】
図４(ａ)は、装置への電源投入後の全体のタイミングチャートである、また図４(ｂ)は各切換弁１、２、３、４と均等圧弁５への通電状態を示したタイミングチャートである。そして、図５は、上記の制御基板５１において実行される動作説明のフローチャートである。
【００３５】
図４と図５を参照して、補正手段は制御基板５１に実装されるマイクロコンピュータを実装した回路に所定のプログラムとして内蔵されており、酸素濃度が設定濃度以上であると圧等化弁の開時間を長く補正し、設定濃度以下であると均等圧弁の開時間を短く補正するように機能する。また、この補正手段は、所定時間間隔の経過毎に行ない、前回行なった補正の補正値を一時記憶し、一時記憶された補正値を次回の補正に用いるようにしている。または、予め図３(ｂ)に示した図表を記憶素子に予め記憶しておき、均等圧弁の開く時間を設定流量と酸素濃度との関係から決定するようにしても良い。
【００３６】
図４と図５に図１のブロック図をさらに参照して、装置の電源が投入されると図５の動作説明のフローチャートにおいてステップＳ１に進み、初期切換動作を行い図２(ａ)から(ｄ)の動作を繰り替えすことで酸素を製品タンク４７中に貯める。このとき、均等圧弁５の開く時間は例えば２．１６秒に固定されており、毎分６リットルの流量で酸素濃度４０％の酸素を供給できるようにしている。この後に約５分間経過したことがステップＳ２で判断されるとステップＳ３に進み、酸素濃度センサ４８と流速センサ５０による酸素濃度と酸素流量の検出が行われることで、制御基板５１に各検出結果が送られる。次のステップＳ４では、ステップＳ３での各センサによる検出後に一定時間の経過を待ち検出誤差などを解消した後にステップＳ５に進み、再度酸素濃度の検出を行い設定濃度であるか否かを判断する。設定濃度であると判断されるとステップＳ３に戻り再度検出のループを繰り替えす。ステップＳ４の経過時間は設定した酸素流量に伴い決定される、これは設定した流量に伴い酸素の濃度変化時間が変わる為である。
【００３７】
一方、ステップＳ５で酸素濃度が設定酸素濃度を逸脱していると判定すると、ステップＳ６に進み、補正手段による均等圧弁５の開放時間の変更が行われる。具体的には、酸素濃度が設定酸素濃度よりも高いときには、均等圧弁５の開放時間を長くし、酸素濃度が低いときには、均等圧弁５の開放時間を短くする。この補正量は、酸素濃度が設定酸素濃度から逸脱する逸脱濃度量によって決まり、大きく逸脱しているときには、大きな補正量が加えられる。その後、ステップＳ７で補正した値を記憶し、ステップＳ８で機器が動作継続のときには、ステップＳ３に戻り、一定の経過時間まで各種センサの読み込みを行う。
【００３８】
図６は、異なる温度の使用環境下における流量と酸素濃度の関係を示した図表である。
【００３９】
この図表から分かるように、環境温度が１５℃において設定ダイヤル２７を用いて酸素の流量を毎分６リットルに設定し、酸素濃度が４０％になるように設定したときには、これより低い温度の５℃と高い温度の３５℃でも同様に毎分６リットル時に酸素濃度を４０％にすることが確認できた。
【００４０】
しかしながら、例えば５℃のときに流量を毎分１リットルに設定したときには酸素濃度が５０％に上昇し、３５℃のときに流量を毎分１リットルに設定したときには酸素濃度が３２％に低下することが確認された。この現象は均等圧弁５の開いた時間が長いほど、温度による影響を受け易く、さらに吸着剤の温度特性により、低温時には吸着量が増すために送り込まれる酸素ガス分圧が高くなる結果、酸素濃度が上昇すると思われる。高温時にはその逆となる。
【００４１】
そこで、図１に示した温度センサ６０で検出された温度を補正時に考慮するようにして均等圧弁５の開く時間を上記のように所定時間間隔毎に変化させることで、温度変化にともなう酸素濃度の変動について防止できるようになる。
【００４２】
以上のように補正手段による制御を行うためには、制御基板５１に実装される半導体素子のプログラムの書換のみでよいのでハード的な変更は不要となる利点がある。特に、均等圧弁５の開時問は、設置環境温度により温度が上下するとともにフィルタの目詰まりなどの影響で変動する原料空気の影響や、ゼオライトの充填量などによって異なってくるために、生成される酸素濃度を検知して適宜補正することが理想的となる。そこで、上記のように均等圧弁５の開時間を変更するフィードバック制御は効果的となるが、温度変化による酸素濃度の変化量を予め実験より算出しておき、酸素濃度が所定濃度の略４０％となるように、温度（℃）−流量（Ｌ／分）−均等圧弁の開時間（秒）をパラメータとしてテーブル化して記憶部に記憶しても良い。
【００４３】
尚、流量検出手段は、上記のように使用する酸素流量を決定するための流量設定器の設定値を制御基板が読み取るものであるが、さらに、チューブ折れ等の外乱要因により流量低下した場合に備えて、実流量を測定するための流量センサを装備するようにしても良い。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、任意に設定される酸素流量の大小の如何に拘わらず、酸素濃度を安定的に保持できる酸素濃縮装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るブロック図を兼ねた吸着型酸素濃縮方式の酸素濃縮装置の配管図である。
【図２】 (ａ)から(ｃ)は、図１の切換弁１、２、３、４と均等圧弁５を模式的に示した動作説明図である。
【図３】 (ａ)は、均等圧弁５の開く時間を固定した状態で、図２のサイクルを実行したときの酸素の流量と、酸素濃度％の関係を温度１５度氏の環境下で測定して得られた図表、(ｂ)は均等圧弁５の開く時間を酸素の流量の変動に応じて変動させて得られた図表である。
【図４】 (ａ)は、装置への電源投入後の全体のタイミングチャート、(ｂ)は各切換弁１、２、３、４と均等圧弁５への通電状態を示したタイミングチャートである。
【図５】 制御基板５１において実行される動作説明のフローチャートである。である。
【図６】異なる温度の使用環境下での流量と酸素濃度の関係を示した図表である。
【符号の説明】
１、２、３、４ 切換弁
５ 均等圧弁
６ 絞り弁
１０ 酸素出口管
１１ カプラー
１２ チューブ
１３ 鼻カニューラ
２０ 加湿器
３６ 配管
３７ 消音器
３８ コンプレッサー
３９ 冷却用ファン
４０ 熱交換器
４１ 切換弁
４２ 消音器
４３ 第１吸着筒体
４４ 第２吸着筒体
４５ 均等圧弁
４６ａ、４６ｂ 逆止弁
４７ 製品タンク
４８ 酸素濃度センサ
５０ 流速センサ
５１ 制御基板
Claims (3)
- 圧縮空気を入口部から内部に導入し、前記内部に充填された吸着剤により窒素を吸着し、酸素を出口部から排出する２本の吸着筒体と、
前記２本の吸着筒体に対して交互に前記圧縮空気を導入し、一方の吸着筒体の吸着剤が飽和したときに窒素を外部に排出し、他方の吸着筒体から酸素を取り出すように切り換えるために前記入口部に配管される切換弁と、
前記２本の吸着筒体の出口部の間に配管され、前記２本の吸着筒体の一方が所定内圧になったときに開かれることで均等圧化をする均等圧弁と、
前記排出された酸素を４０％の酸素濃度と設定流量とで送り出す酸素供給手段とを配管した酸素濃縮装置であって、
前記酸素供給手段に配管され、酸素濃度の検出をする濃度検出手段と、
前記濃度検出手段で検出された酸素濃度が４０％よりも高いときには、その差分に応じて前記均等圧弁の開時間を長くし、４０％よりも低いときには、その差分に応じて前記均等圧弁の開時間を短くする補正手段と、を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。 - 圧縮空気を入口部から内部に導入し、前記内部に充填された吸着剤により窒素を吸着し、酸素を出口部から排出する２本の吸着筒体と、
前記２本の吸着筒体に対して交互に前記圧縮空気を導入し、一方の吸着筒体の吸着剤が飽和したときに窒素を外部に排出し、他方の吸着筒体から酸素を取り出すように切り換えるために前記入口部に配管される切換弁と、
前記２本の吸着筒体の出口部の間に配管され、前記２本の吸着筒体の一方が所定内圧になったときに開かれることで均等圧化をする均等圧弁と、
前記排出された酸素を、任意に設定された設定濃度と設定流量とで送り出す酸素供給手段とを配管した酸素濃縮装置であって、
前記酸素供給手段に配管され、酸素濃度の検出をする濃度検出手段と、
前記酸素供給手段に配管され、酸素流量の検出をする流量検出手段と、
前記濃度検出手段で検出された酸素濃度が前記設定濃度よりも高いときには、その差分に応じて前記均等圧弁の開時間を長くし、前記設定濃度よりも低いときには、その差分に応じて前記均等圧弁の開時間を短くする補正手段と、
を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。 - 前記設定流量を設定するための流量設定手段を備え、
前記流量設定手段は、最大設定流量として毎分６リットルの流量が設定可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素濃縮装置。
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