JP5275671B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

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。さらに詳細には、吸着材を充填した吸着筒において圧力変動を発生させるために気体の流路を切り換えるパイロット式流路切換弁のパイロット圧排気流路を改良し、騒音を改善することができる圧力変動吸着型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。その供給源として、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、空気中の約２１％の酸素を濃縮して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材を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置があるが、得られる酸素濃度の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、吸着材に吸着された窒素をパージすることで吸着材の再生を行う減圧・脱着（再生）工程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。

本発明のような酸素濃縮装置では、通常２本以上の吸着筒を有しており、一方の吸着筒が吸着工程のときは、他方の吸着筒では脱着工程にし、両工程を順次切り換え実施することによって、連続して酸素濃縮ガスを生成できるようにしているが、これらの吸着筒を一定サイクルで切り換えるために、２方弁や３方弁の流路切換弁が使用されている。現在の酸素濃縮装置では低消費電力の要求があるため、流路切換弁にパイロット式の電磁弁が使用されることもある。パイロット式の電磁弁は直動式よりも電磁弁部分を小さくする事が可能であるが、駆動方法が異なるだけで弁部分の構造は同じであり、どちらの流路切換弁を使用しても作動時に騒音が発生する。

これらの騒音を減衰させ、静音化した酸素濃縮器を提供するために、騒音源となるものを遮蔽板と吸音材で構成された収納ケースに入れる方法が提案されている（特許文献１、２）。しかしながら、この方法では収納ケース内のデッドスペースが大きくなり、酸素濃縮装置の本体が大型化してしまうという問題があった。

また別の方法としては、騒音を発生する部品そのものに防音材で構成するカバーを取り付けることによって、騒音が拡散する前に防音する方法も提案されているが、騒音源そのものを静音化するものではなく、問題の根本的な解決には至っていない。（特許文献３）

特開２００４−１８８１２３号公報 特開２００８−１１９３３号公報 特開２００７−２２２３７８号公報

本発明は、かかる装置に使用される流路切換弁の作動タイミングを見直すことによって、流路切換弁の作動騒音を低減させ、低騒音化を実現した酸素濃縮装置を提供することを目的とする。

かかる課題に対して本発明者は鋭意検討した結果、吸着工程・脱着工程を切り換える際に、２つ以上の該流路切換弁が同時に作動するときの切り換えタイミングを、微小時間のずれを有して作動することにより低騒音化を実現できることを見出した。

すなわち、本発明は、一端に空気圧縮手段または排気管と接続される原料供給端、他端に製品酸素を取り出す製品端を備え、内部に酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着材を充填した吸着筒と、該吸着筒に圧縮空気を供給する空気圧縮手段と、吸着材に吸着した窒素を大気中へ排気する排気管、該吸着筒を加圧し圧縮空気中の窒素を吸着し未吸着の酸素を生成する吸着工程と、該吸着筒を減圧し吸着した窒素を脱着排気し吸着材を再生する脱着工程とを一定のタイミングで繰り返すため、該空気圧縮手段と該吸着筒と該排気管との間の流路を切り換える複数の流路切換弁と、を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、工程切り換え時の複数の該流路切換弁を同時に作動する際に、それぞれの該流路切換弁の切り換タイミングを時間のずれを有して作動させる流路切換制御手段を有することを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。

また本発明は、かかる流路切換制御手段が、該流路切換弁の各々の切り換タイミングを、0.2秒乃至0.4秒の微小時間のずれを持って各流路切換弁を作動させる手段、あるいは流路切換弁単独作動時の最大音圧よりも２〜１０ｄＢＡの範囲で低下する時間のずれをもって各流路切換弁を作動させる手段である酸素濃縮装置を提供するものである。

また本発明は、該吸着筒が２つの吸着筒A,Bからなり、該流路切換弁が２方電磁弁であり、該空気圧縮手段と吸着筒Aの間の流路に設けられた切換弁A、吸着筒Aと排気管の間の流路に設けられた切換弁B、空気圧縮手段と吸着筒Bの間の流路に設けられた切換弁C、吸着筒Bと排気管の間の流路に設けられた切換弁Dを備え、流路切換制御手段が該切換弁A,B,C,Dの切り換タイミングを制御する手段である酸素濃縮装置、更に該吸着筒A、吸着筒Bの製品端側同士を接続する均圧弁を備えた均圧流路を備え、該流路切換手段が、該均圧弁および該切換弁A,B,C,Dの切り換タイミングを制御する手段である酸素濃縮装置を提供するものである。

また本発明は、かかる流路切換弁がパイロット式電磁弁、または直動式電磁弁である、上記酸素濃縮装置を提供する。

本発明の酸素濃縮装置を使用することにより流路切換弁が作動する時に発生する騒音を低減することができ、酸素濃縮装置の静音化することが可能になる。

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。この図１において、１は酸素濃縮装置、３は加湿された酸素富化空気を吸入する使用者（患者）を示す。圧力変動吸着型酸素濃縮装置１は、外部空気取り込みフィルタ101、吸気消音器102、コンプレッサ103、流路切換弁104、吸着筒105、逆止弁106、製品タンク107、調圧弁108、流量設定手段109、パーティクルフィルタ110を備える。これにより外部から取り込んだ原料空気から酸素ガスを濃縮した酸素富化空気を製造することができる。また、酸素濃縮装置の筐体内には、生成された酸素富化空気を加湿するための加湿器201、前記流量設定手段109の設定値と、酸素濃度センサ301、流量センサ302の測定値を用いて、コンプレッサや流路切換弁を制御する制御手段401、コンプレッサの騒音を防音するためのコンプレッサボックス501、コンプレッサを冷却するための冷却ファン502が内蔵されている。

ま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、吸気消音器102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、水蒸気ほかのガスが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のみを濃縮して取り出す。

この酸素ガスの取り出しは、原料空気を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などからなる吸着材が充填された吸着筒に対して、流路切換弁104によって対象とする吸着筒を順次切り換えながら、原料空気をコンプレッサ103により加圧して供給し、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。

前記の吸着筒としては、前記吸着材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富化空気を製造するためには、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としては、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。
前記吸着筒105で吸着されなかった酸素ガスを主成分とする酸素富化空気は、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に流入する。

また、吸着筒内に充填された吸着材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材から脱着させる必要がある。このために、コンプレッサによって実現される加圧状態から、流路切換弁によって減圧状態（例えば大気圧状態又は負圧状態）に切り換え、吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着材を再生させる。この脱着工程において、その脱着効率を高めるため、吸着工程中の吸着筒の製品端側或いは製品タンクから酸素富化空気をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。通常、窒素を脱着させるときには大きな気流音が発生するため、一般的には窒素排気消音器503が用いられる。

原料空気から生成された酸素富化空気は、製品タンクへ蓄えられる。この製品タンクに蓄えられた酸素富化空気は、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、調圧弁108や流量設定手段109などによってその供給流量と圧力とが制御されながら、加湿器201へ供給され、加湿された酸素富化空気が患者に供給される。かかる加湿器には、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富化空気へ供給する無給水式加湿器や、水を用いたバブリング式加湿器、或いは表面蒸発式加湿器を用いることが出来る。

また、流量設定手段109の設定値を検知し、制御手段401によりコンプレッサの電動機の回転数を制御することで吸着筒への供給風量を制御する。設定流量が低流量の場合には回転数を落とすことで生成酸素量を抑え、且つ消費電力の低減を図ることができる。

通常、コンプレッサは耳障りな騒音を発生するため、これを防音するためにコンプレッサボックス501の中に設置される。また酸素濃縮装置のほとんどの発熱量はコンプレッサから発生されるため、コンプレッサボックスには冷却ファン502を設置して、コンプレッサを冷却する。冷却ファンとしては、軸流式の冷却ファンや遠心型のブロアなどが用いられる。駆動方式は交流であっても直流であっても構わない。過冷却の防止や低騒音化を図るために、冷却ファンの回転数を制御することも実施されている。また、冷却風の向きは、コンプレッサボックス内の空気を換気する強制対流方式や、コンプレッサに冷却風を直接当てる強制空冷方式のどちらを使用してもかまわない。

図２は、本発明の酸素濃縮器に使用される流路切換弁104をさらに詳しく示したものである。本図では２方弁を４個使用する方法を示しているが、３方弁を２個使用する方法でも構わない。

図３には、図２に示すように流路切換弁を４個使用した場合の、流路切換弁の作動タイミングの一例を示している。本図のように流路切換弁を４個使用した場合、吸着筒Ａ105Aを加圧吸着工程に、かつ吸着筒Ｂ105Bを減圧排気工程にする時には、切換弁104Aと切換弁104Dを開き、切換弁104Bと104Cを閉じることで可能になる。また、吸着筒Ａ104Aを減圧排気工程に、かつ吸着筒Ｂ104Bを加圧吸着工程にする場合には、切換弁104Aと104Dを閉じ、切換弁104Bと104Cを開くことで可能になる。本図によると、タイミングＡとタイミングＢにおいて、３個同時に流路切換弁が作動していることが分かる。

同じ音圧レベルの騒音が発生する流路切換弁を２個同時に作動させた場合には、１個を単独で作動させた時より３ｄＢの騒音増大に、また３個同時に作動させた場合には５ｄＢの騒音増大になるが、本発明による酸素濃縮装置では、これらの流路切換弁が微少時間のずれを伴って作動するため、それぞれの流路切換弁が個別に作動し、同時に騒音を発生させる事がないため、単独で作動させた場合とほぼ同じ騒音レベルを実現する事ができる。

以下に本発明の酸素濃縮装置の好適な具体実施例について説明する。本実施例で使用した流路切換弁はＳＭＣ社製のパイロット式電磁弁を４個使用し、図３に示す作動タイミングで、かつ±０．３秒の時間差を持たせて作動させ、その時に発生した騒音を測定した。比較例として、実施例と同じ構成の流路切換弁を、図３に示す作動タイミングで、かつ３個同時に作動させた時に発生する騒音を測定した。測定は暗騒音レベル１７ｄＢＡの無響音室において、集音マイクと流路切換弁の距離を１．０ｍ離し、Ａ特性音圧レベルを測定した。

図４には、本実施例で使用した流路切換弁を１個単独で作動させた時の騒音レベルを示している。本図から流路切換弁１個の作動騒音は、約３５ｄＢＡであることが分かる。
図５は、本実施例を示す騒音レベルであり、３個の流路切換弁が０．３秒の時間差で作動していることを示している。本図により、最大騒音レベルは１個単独で作動させた時とほぼ同じ３５ｄＢＡであることが分かる。図６は、比較例を示す騒音レベルであり、３個の流路切換弁を同時に作動させた場合、約４０ｄＢＡの騒音が発生している事が分かる。

３個の流路切換弁を時間差０．１秒で作動させた場合は、１個単独作動の騒音レベル（３５ｄＢＡ）より２ｄＢＡ程度上昇して３７ｄＢＡとなるが、３個同時（時間差ゼロ）で作動させた場合の４０ｄＢＡに比較すると騒音低減効果が認められる。更に、３個の流路切換弁を時間差０．２秒で作動させた場合には、１個単独作動の騒音レベルに対して１ｄＢＡアップの３６ｄＢＡとなる。 なお、０．４秒よりも長い時間差で作動させても、１個単独作動の騒音レベルよりも低くなることはなく、逆に吸着シーケンスに悪影響がある。同様に、２つの音源の音圧レベル差が2〜4dBの時（0.1秒差、33ｄＢＡ）では+2dB（37ｄＢＡ）、音圧レベル差が5〜9dBの時（0.2秒差、28ｄＢＡ）は＋1dB（36ｄＢＡ）、音圧レベル差が10dB以上の差があるときは小さい方の音はマスキングされ、大きい方の音だけが聞こえるという状態になる。従って２つの音源の音圧レベル差が２〜10ｄＢＡの範囲、特に約10dBＡとなる時間差０．３秒の時間差で作動させるのが低騒音の面からも、吸着シーケンスへの影響を最小限に抑える面からも好ましい。

これらの結果より、本発明の技術を使用することで、特別な防音カバーを取り付けることなく、騒音レベルを低減する事が実現できる。

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。 本発明の酸素濃縮装置の実施態様例である流路切換弁の構成を示した模式図。 本発明の酸素濃縮装置の実施態様例である流路切換弁の作動タイミングを示した模式図。 本発明の実施例で使用した流路切換弁を１個単独で作動させた時の騒音レベル。 本発明の実施例を示す騒音レベル。 比較例の示す騒音レベル。

符号の説明

１：酸素濃縮装置
２：無給水式加湿器
３：使用者
101：外部空気取り込みフィルタ
102：吸気消音器
103：コンプレッサ
104：流路切換弁
105：吸着筒
106：均圧弁
107：逆止弁
108：製品タンク
109：調圧弁
110：流量設定手段
111：パーティクルフィルタ
201：加湿器
301：酸素濃度センサ
302：流量センサ
401：制御手段
501：コンプレッサボックス
502：冷却ファン
503：消音器

Claims (5)

1. 一端に空気圧縮手段または排気管と接続される原料供給端、他端に製品酸素を取り出す製品端を備え、内部に酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着材を充填した吸着筒と、該吸着筒に圧縮空気を供給する空気圧縮手段と、吸着材に吸着した窒素を大気中へ排気する排気管、該吸着筒を加圧し圧縮空気中の窒素を吸着し未吸着の酸素を生成する吸着工程と、該吸着筒を減圧し吸着した窒素を脱着排気し吸着材を再生する脱着工程とを一定のタイミングで繰り返すため、該空気圧縮手段と該吸着筒と該排気管との間の流路を切り換える複数の流路切換弁と、を備えた圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、
   工程切り換え時の複数の該流路切換弁を同時に作動するように制御する際に、それぞれの該流路切換弁の各々の切り換えタイミングを、0.4秒以下の微小時間のずれを持って各流路切換弁を作動させる流路切換制御手段を有することを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 流路切換制御手段が、該流路切換弁の各々の切り換えタイミングを、流路切換弁単独作動時の最大音圧よりも２〜１０ｄＢＡの範囲で低下する時間のずれをもって各流路切換弁を作動させる手段である、請求項１に記載の酸素濃縮装置。
3. 該吸着筒が２つの吸着筒A,Bからなり、該流路切換弁が２方電磁弁であり、該空気圧縮手段と吸着筒Aの間の流路に設けられた切換弁A、吸着筒Aと排気管の間の流路に設けられた切換弁B、空気圧縮手段と吸着筒Bの間の流路に設けられた切換弁C、吸着筒Bと排気管の間の流路に設けられた切換弁Dを備え、流路切換制御手段が該切換弁A,B,C,Dの切り換えタイミングを制御する手段である請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。
4. 該吸着筒A、吸着筒Bの製品端側同士を接続する均圧弁を備えた均圧流路を備え、該流路切換手段が、該均圧弁および該切換弁A,B,C,Dの切り換えタイミングを制御する手段である請求項３に記載の酸素濃縮装置。
5. 該流路切換弁がパイロット式電磁弁、または直動式電磁弁である、請求項１から４の何れかに記載の酸素濃縮装置。

Images