(57)【要約】本発明は、酸素供給流量の設定値が低流量域の場合に生じる、原料空気の供給過多に伴う酸素分子の過吸着、アルゴン濃縮に伴う生成酸素濃度の低下を防止し、消費電力を抑え且つコンプレッサの安定駆動を実現する装置として、酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床と、該吸着床へ加圧空気を供給する空気供給手段と、該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着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、濃縮酸素を使用者に供給する供給量を設定する流量設定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、該空気供給手段と該吸着床との流路間に該吸着床に供給する加圧空気の一部を大気中に排出する抜き出し弁を備えた排気管路を備えることを特徴とする酸素濃縮装置を提供する。
2008035817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床と、該吸着床へ加圧空気を供給する空気供給手段と、該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着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、濃縮酸素を使用者に供給する供給量を設定する流量設定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、該空気供給手段と該吸着床との流路間に該吸着床に供給する加圧空気の一部を大気中に排出する抜き出し弁を備えた排気管路を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項２】
該流量設定手段の流量設定値に基づいて該空気供給手段の空気供給量を制御すると共に、該流量設定値が所定流量値以下の場合に該空気供給手段の空気供給量を一定値に制御し、且つ、該流量設定値に基づいて定められた該抜き出し弁からの加圧空気の排出量を制御する制御手段を備えることを特徴とする、請求項１記載の酸素濃縮装置。
【請求項３】
該排気管路が、該空気供給手段と該流路切換手段とを接続する管路から分岐し、且つ抜き出し弁として流量制御弁を備える管路であることを特徴とする、請求項２記載の酸素濃縮装置。
【請求項４】
該空気供給手段が、インバータを備えたコンプレッサであり、該制御手段が、該流量設定手段の設定値に基づいてコンプレッサの回転数を制御すると共に、流量設定値が所定流量値以下の場合に該コンプレッサの回転数を一定値に制御すると共に、該流量設定手段の設定値に基づいて決定された排気量を該排気管路から排気する抜き出し弁の開閉制御を行なう手段であることを特徴とする、請求項２記載の酸素濃縮装置。
【請求項５】
酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床と、該吸着床へ加圧空気を供給する空気供給手段と、少なくとも該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着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、濃縮酸素を使用者に供給する供給量を設定する流量設定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、該流路切換手段が吸着工程の終了直前に吸着床に供給する供給する加圧空気の一部を外部に放出する空気放出機能を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項６】
該流路切換手段が、該空気供給手段と該吸着床とを接続する加圧空気供給導管に備えた二方電磁弁（ａ）、該二方電磁弁（ａ）の下流側に設けた該吸着床と排気側との分岐管路、該排気側の分岐管路に備えた二方電磁弁（ｂ）を備えることを特徴とする請求項５に記載の酸素濃縮装置。
【請求項７】
該吸着床が２つの吸着床からなり、該流路切換手段が該空気供給手段と各吸着床とを接続する加圧空気供給用の分岐管路、各分岐管路に設けた二方電磁弁（ａ１，ａ２）、該二方電磁弁（ａ１，ａ２）の下流側に設けた該吸着床と排気側との分岐管路、該排気側の各分岐管路に備えた二方電磁弁（ｂ１，ｂ２）、排気口と二方電磁弁（ｂ１，ｂ２）を接続する分岐管路を備えることを特徴とする請求項５に記載の酸素濃縮装置。
【請求項８】
該流路切換手段が、該空気供給手段と各吸着床とを接続する加圧空気供給用の分岐管路、各分岐管路に設けた二方電磁弁（ａ１，ａ２）、該二方電磁弁（ａ１，ａ２）の下流側に設けた該吸着床と排気側との分岐管路、該排気側の各分岐管路に備えた二方電磁弁（ｂ１，ｂ２）、排気口と二方電磁弁（ｂ１，ｂ２）を接続する分岐管路をマニホールド化したものである請求項７記載の酸素濃縮装置。
【請求項９】
該流量設定手段の設定値に基いて、吸着工程終了直前の加圧空気の排気量を決定する該流路切換手段の切換時間を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項７に記載の酸素濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中から酸素富化空気、あるいは酸素濃縮気体を分離して使用するための酸素濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高齢化の進展や生活環境の悪化に伴い、肺気腫、肺結核後遺症や慢性気管支炎などの慢性呼吸器疾患に苦しむ患者が増加する傾向にある。かかる患者に対する効果的な治療方法として、高濃度酸素を吸入させる酸素吸入療法が行われている。酸素吸入療法とは前記疾病患者に対して酸素ガス若しくは酸素濃縮気体を吸入させる治療法である。治療用の酸素ガス或いは濃縮酸素気体の供給源としては、高圧酸素ボンベ、液体酸素ボンベ、酸素濃縮装置等の使用が挙げられるが、長時間の連続使用に耐えることができ、また使い勝手がよいなどの理由により、酸素濃縮装置を使用するケースが増加している。
酸素濃縮装置は空気中の酸素を分離し、濃縮することを可能にした装置である。かかる酸素を分離濃縮する装置としては、９０％以上の高濃度の酸素が得られるという観点から、空気中の窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を１個或いは、複数の吸着床に充填した吸着型酸素濃縮装置が広く知られ、病院や家庭で使用されている。その中でも圧力変動装置としてコンプレッサを用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が広く世の中に広まっている。かかる装置は、通常窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填させた１個或いは複数の吸着床に対して、コンプレッサから圧縮空気を供給し、吸着床内を加圧状態にして吸着剤に窒素を吸着させ、未吸着の高濃度の酸素を得る吸着工程と、吸着床内を大気圧或いは真空領域まで減圧して窒素を吸着剤から脱着させ再生する脱着工程とを一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を連続的に得る装置である。
酸素濃縮装置の使用温度や気圧変動など使用する環境条件の変化に伴う生成する酸素濃縮気体の酸素濃度低下や、機器の経時劣化に伴う生成する酸素濃縮気体の酸素濃度の低下に対応するため、コンプレッサから吸着床に供給する空気量の設定範囲を微調整し、また周囲環境変化、特に吸着剤の温度依存性を許容して酸素濃度が維持できる吸脱着シーケンスに補正する方策が採られる。
このような生成酸素濃度の経時的変化や、装置の経時劣化に伴う酸素濃度低下を補償し、生成する酸素濃縮気体の酸素濃度を一定値に保持するため、酸素濃縮気体の酸素濃度を酸素センサーで検知し、コンプレッサ風量や吸脱着のサイクルタイムなどをフィードバック制御することで製品酸素濃度を維持する装置が知られている（特表２０００−５１６８５４号公報、特開平９−１８３６０１号公報）。
【発明の開示】
【０００３】
酸素濃縮装置から使用者に供給する酸素流量である処方酸素量は、使用する患者の重篤度により決まる。それに合わせて使用する機器も、最大供給可能流量が２Ｌ／分、３Ｌ／分といった低流量タイプの装置から、５Ｌ／分、７Ｌ／分、１０Ｌ／分といった高流量タイプの各種機器の中から患者にとって最適な装置が選択され、使用に供せられる。
装置の最大供給流量は上記値であるが、実際に臨床で使用される供給酸素流量は、通常、０．２５Ｌ／分や０．５Ｌ／分といった低流量値から設定することが可能である。この場合、処方流量が低値であるにもかかわらず、最大設定流量値に合わせて酸素を生成すると、無駄な酸素生成を行うことになり消費電力も大きくなる。このことから、多くの装置ではコンプレッサの駆動モータをインバータ制御し、コンプレッサから吸着床に供給する原料空気量を削減することにより消費電力の低減を図っている。
また高流量タイプの装置において高流量設定域での高濃度酸素を供給するため必要な原料空気量を確保しようとすると、低流量設定域では原料空気量が多すぎて原料供給過多となる。このとき、原料空気中の酸素の一部が吸着剤に吸着し、未吸着のアルゴンが生成ガス中に濃縮されることになり、結果として生成される酸素濃縮気体中の酸素濃度が低下してしまう。
コンプレッサの回転数を低下させて供給する原料空気量を低減させる方法がとられるが、コンプレッサの回転数の制御範囲には限界があり、あまりにも低回転域で使用した場合には、動作が不安定になるといった問題がある。
本発明は、上記課題を解決するものであり、装置の消費電力の低減と、酸素濃縮装置の供給酸素流量の低流量設定領域での酸素濃度維持とを合わせ持つ機能を備えた酸素濃縮装置を提供するものである。
すなわち本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床と、該吸着床へ加圧空気を供給する空気供給手段と、該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着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、濃縮酸素を使用者に供給する供給量を設定する流量設定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、該空気供給手段と該吸着床との流路間に該吸着床に供給する加圧空気の一部を大気中に排出する抜き出し弁を備えた排気管路を備え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、かかる流量設定手段の流量設定値に基づいて該空気供給手段の空気供給量を制御すると共に、該流量設定値が所定流量値以下の場合に該空気供給手段の空気供給量を一定値に制御し、且つ、該流量設定値に基づいて定められた該抜き出し弁からの加圧空気の排出量を制御する制御手段を備え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、該排気管路が、該空気供給手段と該流路切換手段とを接続する管路から分岐し、且つ抜き出し弁として流量制御弁を備える管路であること、該空気供給手段が、インバータを備えたコンプレッサであり、該制御手段が、該流量設定手段の設定値に基づいてコンプレッサの回転数を制御すると共に、流量設定値が所定流量値以下の場合に該コンプレッサの回転数を一定値に制御すると共に、該流量設定手段の設定値に基づいて決定された排気量を該排気管路から排気する抜き出し弁の開閉制御を行なう手段であ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、酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床と、該吸着床へ加圧空気を供給する空気供給手段と、少なくとも該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着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、濃縮酸素を使用者に供給する供給量を設定する流量設定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、該流路切換手段が吸着工程の終了直前に吸着床に供給する供給する加圧空気の一部を外部に放出する空気放出機能を備え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、かかる流路切換手段が、該空気供給手段と該吸着床とを接続する加圧空気供給導管に備えた二方電磁弁（ａ）、該二方電磁弁（ａ）の下流側に設けた該吸着床と排気側との分岐管路、該排気側の分岐管路に備えた二方電磁弁（ｂ）を備え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、該吸着床が２つの吸着床からなり、該流路切換手段が該空気供給手段と各吸着床とを接続する加圧空気供給用の分岐管路、各分岐管路に設けた二方電磁弁（ａ１，ａ２）、該二方電磁弁（ａ１，ａ２）の下流側に設けた該吸着床と排気側との分岐管路、該排気側の各分岐管路に備えた二方電磁弁（ｂ１，ｂ２）、排気口と二方電磁弁（ｂ１，ｂ２）を接続する分岐管路を備えることを特徴とし、特に該流量設定手段の設定値に基いて、吸着工程終了直前の加圧空気の排気量を決定する該流路切換手段の切換時間を制御する制御手段を備えたことを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、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を示す。
図２は、従来の酸素濃縮装置における設定流量に対する原料空気の必要供給量と生成酸素濃度との関係を示す図である。Ａ−Ａ’はコンプレッサが供給可能な風量の範囲を、Ａ’がコンプレッサが供給可能なの風量の下限値を示す。
図３は、本発明の酸素濃縮装置における設定流量に対する原料空気の必要供給量と生成酸素濃度との関係を示す図である。
図４は、本発明の酸素濃縮装置の別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を示す。
図５は、本発明と従来技術の切換弁の切り換えタイミングの違いを示す模式図である。
図６は、本発明の酸素濃縮装置の吸着筒圧力波形を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明の酸素濃縮装置の実施態様例を、以下の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面である。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ー１０１、コンプレッサ１０３、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、フィルター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。
先ず、大気中から酸素濃縮装置に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ー１０１を備えた空気取り込み口から装置内に、粉塵、塵埃等を除去した清浄空気として取り込まれる。このとき、通常の大気空気中には、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。かかる酸素濃縮装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素ガスを選択的に濃縮して取り出す。
この酸素ガスの取り出しには、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剤が充填された吸着筒１０５に対して、切換弁１０４によって対象とする吸着筒１０５を順次切り換えながら、コンプレッサ１０３から原料空気を加圧して供給し、吸着筒１０５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し、未吸着の酸素ガスを吸着筒１０５の他端側から製品タンク１０７へ取り出す圧力変動吸着法を用いる。
酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着する吸着剤としては、５Ａ型ゼオライト、１３Ｘ型ゼオライト、Ｌｉ−Ｘ型ゼオライト或いはＭＤ−Ｘ型ゼオライト等のモレキュラーシーブゼオライトが用いられる。
前記の吸着筒１０５は、前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成され、通常、１本の吸着筒を用いて吸着工程、脱着工程を順次切り換えて実施し、断続的に酸素を生成する１筒式の装置、２本の吸着筒を用い、一方の吸着筒が吸着工程の時には、他方の吸着筒では脱着工程を行い、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２筒式の装置、更には３筒以上の多筒式の装置が存在するが、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、２筒以上の多筒式の吸着筒１０５を使用することが好ましい。
また、前記のコンプレッサ１０３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１０３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濃縮気体は、吸着筒１０５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。
なお、吸着筒１０５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る必要がある。このために、コンプレッサ１０３によって実現される加圧状態から、切換弁１０４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剤を再生させる。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１０７から酸素濃縮気体をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。
原料空気から酸素濃縮気体が製造され、製品タンク１０７へ蓄えられる。この製品タンク１０７に蓄えられた酸素濃縮気体は、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んでいる。その後、調圧弁１０８や流量設定手段１０９などによって、使用者に供給する供給酸素流量と圧力とが制御され、加湿器２０１へ供給され、加湿された酸素濃縮気体が患者３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濃縮気体を加湿する、水を使わない無給水式の加湿器や、加湿用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。
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１０３の電動機の回転数を制御することで吸着筒１０５への供給風量を制御する。例えば設定流量が低流量値の場合にはコンプレッサの電動機回転数を落とすことで、原料空気の供給量を抑えると共に生成する酸素量を抑え、且つ電動機回転数を落とすことで消費電力の低減を図る。
コンプレッサの回転数制御には限界があり、必要以上にコンプレッサ回転数を落とすとコンプレッサの運転が不安定になり停止する場合も生じる。したがって酸素濃縮装置の酸素設定流量が如何に低流量値であったとしても、コンプレッサ１０３の回転数抑制制御には限界があり、所定値以下では、コンプレッサ１０３の運転下限値で一定速度で運転することになる。
図２に示すようにコンプレッサ１０３が安定的に加圧空気を供給することが可能な範囲はＡ−Ａ’の範囲であり、１Ｌ／分以下の設定流量の範囲では、コンプレッサは下限値Ａ’で定速運転する。
酸素濃縮装置の吸着筒１０５は、装置の最大設定流量値でも９０％以上の酸素濃度を維持するように設計されている。このため、設定酸素流量が低流量域で、酸素の取出量が少ないにもかかわらず、原料空気の供給量がコンプレッサ運転下限値で過剰に一定供給された場合には、吸着筒１０５内では、吸着剤に対して窒素分子だけでなく酸素分子が吸着する過吸着現象が生じる。図２の一点鎖線で示すように、１Ｌ／分以下の設定流量でもコンプレッサの供給風量を落とすことが出来れば過吸着現象を防止することが出来るが、コンプレッサの定格条件以下では安定的な駆動は出来ない。結果、生成した酸素濃縮気体中の生成酸素量が減少し、未吸着のアルゴンの濃度が上昇するため、図２に示すように、低流量域（１Ｌ／分以下）では、酸素濃縮気体中の酸素濃度が低下する現象が生じる。
かかる過吸着現象を防止するため、本発明の酸素濃縮装置では、コンプレッサ１０３と切換弁１０４との間の流路上に抜き出し弁１０２を備えた分岐管を設け、過剰な原料空気を排気する。流量設定手段の設定値が一定値以下で、コンプレッサの回転数制御が下限値で定常運転に入った場合には、抜き出し弁１０２を開き、原料空気の必要供給量に対して過剰な原料空気を排気する。かかる抜き出し弁１０２としては、コントロールバルブを用い、設定流量に対してバルブ開度を制御し、過剰原料供給量を比例放出する方法や、電磁弁の開時間によって過剰量を放出する方法をとることが出来る。かかる制御方式を採用することにより酸素の過吸着を防止し、図３に示すように、斜線部分の過剰に供給された原料空気を排気することにより、設定流量にかかわらず生成酸素濃度を一定に維持することが出来る。
図４は本発明の別の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。
図１の装置と同様に、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ー５０１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剤が充填された２つの吸着筒５０５Ａ，５０５Ｂに対して、切換弁５０４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５０３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。
前記吸着筒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５０６を介して、製品タンク５０７に流入する。
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る必要がある。このために、コンプレッサ５０３によって実現される加圧状態から、切換弁５０４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剤を再生させる。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）から酸素濃縮気体をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。
原料空気から酸素濃縮気体が製造され、製品タンク５０７へ蓄えられる。この製品タンク５０７に蓄えられた酸素濃縮気体は、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、調圧弁や流量設定手段５０９（ＣＶ：コントロールバルブ）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５１２へ供給され、加湿された酸素濃縮気体が患者に供給される。
流量設定手段５０９の設定値を検知し、制御手段によりコンプレッサ５０３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。原料空気の供給量がコンプレッサ運転下限値で過剰に一定供給された場合には、吸着筒５０５Ａ，５０５Ｂ内では、吸着剤に対して窒素分子だけでなく酸素分子が吸着する過吸着現象が生じる。かかる過吸着現象を防止するため、本発明の酸素濃縮装置では、吸着工程中に切換弁５０４を切り換え、吸着筒への原料空気供給量を制御し、過剰な原料空気を排気する。
２筒式の酸素濃縮装置の場合、係る切換弁５０４として、図４に示すように二方弁を４個（二方電磁弁ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２）を組み合わせた構造を採用する。各電磁弁を配管、分岐配管で接合しても良いし、４個の電磁弁をマニホールド化してもよい。
図５に各二方弁の開閉タイミングを示す。通常、吸着筒５０５Ａが吸着工程でコンプレッサから加圧空気を供給する際には、もう一方の吸着筒５０５Ｂは脱着工程で加圧状態の吸着筒を減圧させ大気中に吸着した窒素を排気する。その際、二方弁ａ１が開き、二方弁ａ２、ｂ１は閉じることで加圧空気を吸着筒５０５Ａに供給する。同時に二方弁ｂ２が開くことで吸着筒５０５Ｂの窒素富化ガスを排気する。この動作を所定時間後に切り換えることで吸着筒５０５Ａ、５０５Ｂの吸着工程・脱着工程を切り換え、繰り返し実施している。
これに対して、本願発明の装置では、吸着筒５０５Ａの吸着工程の末期に二方弁ｂ１を開くことで、コンプレッサ５０３から供給される加圧空気の一部が二方弁ｂ１から排気ラインを経由して排気される。これにより二方弁ａ１から吸着筒５０５Ａに供給される原料空気の量を削減することができ、酸素の過吸着現象を防止する。同様に吸着筒５０５Ｂの吸着工程末期に二方弁ｂ２を開くことで、加圧空気の一部が二方弁ｂ２から排気ラインを経由して排気される。
切換弁５０４の制御は酸素供給流量の設定値により決定し、流量設定手段５０９の設定信号を元にして切換時間を制御する。例えば、供給流量が３Ｌ／分まで供給可能な装置の場合、１Ｌ／分以上の設定値では切換時間は変更せずにコンプレッサ５０３のモータ回転数を制御することで原料空気の供給量を制御し、１Ｌ／分以下の設定値では吸着工程末期の切換弁５０４を構成する二方弁ｂ１／ｂ２を開くタイミングを早めに制御することで各吸着筒５０５Ａ、５０５Ｂへ供給する原料空気量を制御する。
上記供給流量が３Ｌ／分まで供給可能な図４の２筒式の酸素濃縮装置を１５秒毎に吸着工程・脱着工程を繰り返すシーケンス、３Ｌ／分の設定酸素流量で使用した場合には９３％の酸素濃度を有する酸素濃縮気体が得られるのに対して、０．２５Ｌ／分の設定酸素流量で使用した場合には、吸着剤に対する酸素分子の過吸着、アルゴンガスの濃縮により生成する酸素濃縮気体の酸素濃度が９３％から８８％に減少する。
本発明の装置では、図５に示すように吸着筒５０５Ａの吸着工程で、５秒早く排気側の切換弁５０４の二方弁ｂ１を開き、吸着筒５０５Ｂの吸着工程で５秒早く排気側の二方弁ｂ２を開くことで、吸着工程中にコンプレッサ５０３から吸着筒に供給される原料空気の一部を排気する。これにより０．２５Ｌ／分の設定酸素流量で使用した場合でも９３％の酸素濃度を維持することができる。
早めに開く時間は、設定流量値に合わせて原料空気量を比例調整するように時間を制御しても良いし、多段階的に制御しても良い。
図６に示すように、排気ガスの一部が脱着工程終了直前の吸着筒に流入する現象が見られるが、生成酸素濃度には影響せず、逆に必要以上の吸着筒の圧力上昇を避けることができることから、消費電力の低減を実現することができる。
発明の効果
本発明の酸素濃縮装置では、コンプレッサ出口と吸着筒入口の間に抜きだし弁（電磁弁、ＣＶ等）を挿入し、不必要な原料吸気を排出することにより生成酸素濃度を向上させ、かつ、周囲環境に影響を受けないようにコンプレッサの駆動を安定させることが可能となる。
また、酸素供給流量の設定値が低流量域の場合、吸着工程末期に不必要な原料空気を排出することにより、原料空気の供給過多に伴う酸素分子の過吸着、アルゴン濃縮に伴う生成酸素濃度の低下を防止することができる。また低流量域においても、消費電力を抑え且つコンプレッサの駆動を安定させることが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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