(57)【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、該吸着筒の下流側に吸着筒間を均圧する均圧弁、該吸着筒の上流側に該コンプレッサと各吸着筒間の流路を接続する供給弁、各吸着筒と排気管との流路を接続する排気弁を備え、吸着筒へ加圧空気を供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、吸着工程終了後の吸着筒を減圧排気し吸着剤を再生する脱着工程、吸着工程側吸着筒から濃縮酸素を該均圧弁を開いて脱着工程側吸着筒へ導入し吸着剤をパージするパージ工程、各吸着筒間を連通させる均圧工程を所定タイミングで繰り返す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、
該制御手段が、装置停止時に、該コンプレッサの回転数を段階的に下げて停止させる制御を行うと共に、該供給弁及び該排気弁の全てを開いた状態でコンプレッサを停止する制御を行う手段であることを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項２】
該吸着筒が２つの吸着筒からなり、該制御手段が、該流路切換手段及び該均圧弁の開閉制御を行うことにより、一方の吸着筒について吸着工程、パージ生成工程、均圧工程、脱着工程、パージ排気工程、均圧工程を、他方の吸着筒について脱着工程、パージ排気工程、均圧工程、吸着工程、パージ生成工程、均圧工程を交互に切り換える定常シーケンスを行う手段であり、
該装置の運転停止信号を認識すると、
(1) パージ生成工程の終了時またはパージ排気工程の終了時まで定常シーケンスで運転し、
(2) 均圧弁を閉じると共に、パージ生成工程側吸着筒の該供給弁及び該排気弁を開き、且つパージ排気工程側吸着筒の該供給弁は閉じ且つ該排気弁は開いた状態で該コンプレッサを運転し、
(3) 該供給弁及び該排気弁を全て開いた状態で該コンプレッサを停止する、
制御を順次行う手段であ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】
該制御手段が、該ステップ(2)の時に該コンプレッサの回転数を定常シーケンス時の回転数よりも下げた状態で運転する制御を行う手段である、請求項２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、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が、かかる患者に対する治療方法として、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ガスを吸入させる治療法である。治療用の酸素ガス或いは酸素濃縮ガスの供給源としては、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、また使い勝手が良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。
【０００３】
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。かかる酸素濃縮装置としては、90％以上の高濃度の酸素が得られるという観点で、空気中の窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を吸着筒に充填した圧力変動吸着型酸素濃縮装置が広く知られ使用されている。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、吸着床内を減圧して窒素を脱着させる脱着工程からなり、これを一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を得る装置である。圧力変動吸着法には、脱着工程を大気圧まで減圧するＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）法、吸着剤の再生効率を高める為にコンプレッサを用いて吸着筒を真空圧まで減圧するＶＰＳＡ（Vacuum Pressure Swing Adsorption）法があり、医療用酸素濃縮装置として採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2003-79735号公報
【特許文献２】特開2003-235982号公報
【特許文献３】特開2000-281315号公報
【特許文献４】特開2008-228970号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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て吸着床内を加圧状態にし、窒素を吸着させて未吸着の酸素を得る吸着工程と、吸着床内を減圧して、吸着した窒素を脱着させ再生する脱着工程を一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を得る装置である。
【０００６】
かかる装置は、基本的に患者が飲食時や就寝時などを問わず使用され、特に重症の呼吸器疾患患者の場合には終日連続使用される場合がある。装置は患者の傍らに設置され場合が多く、かかる装置から発生する騒音や振動は、直接患者、患者の家族等の耳に入り、不快感を与える恐れがある。特に就寝時などは騒音の与える影響が大きく、患者、或いは患者の家族の睡眠を妨げ、メンタルヘルスにも悪影響を及ぼすことが懸念される。圧力変動吸着型酸素濃縮装置の最大の騒音および振動の発生要素はコンプレッサである。
【０００７】
コンプレッサの騒音低減、振動防止のために医療用酸素濃縮装置には各種の対策が採られている。例えば、コンプレッサそのものの発生する騒音を低減する方法として、特開2003-79735号公報には、低騒音のヘリカルコンプレッサを搭載した酸素濃縮装置が記載されている。騒音を消音させる対策としては、特開2003-235982号公報には、コンプレッサへ空気を送る吸気ライン上に共鳴型消音器を備えた酸素濃縮装置が記載されている。更に、特開2000-281315号公報には、筐体内の各手段のうち、振動の発生源になっている手段とその振動の影響を受ける手段とを個々独立に、防振部材により宙に配置して弾性的に保持していることを特徴とする酸素濃縮装置が開示されている。
【０００８】
上記のハード面での騒音、防振対策の他に、ソフト面での対応として、VPSA型酸素濃縮装置の停止時の運転シーケンスを改良し、特開2008-228970号公報には、装置停止指令信号を受信した後、均圧弁を開き、吸着筒内圧が所定圧以下となったの時点でコンプレッサの駆動を停止する制御を行うことで、コンプレッサの停止時の振動を抑えることが出来ることが記載されている。
【０００９】
このように、コンプレッサにかかる負荷を減らすことで、装置停止時のコンプレッサの騒音、振動発生を防ぐことが出来る。そのためには、装置停止時の吸着筒内圧力を下げる操作が必要となるが、長期の酸素濃縮性能を維持するためには、装置停止時の吸着剤の再生操作も同時に必要となる。しかし、圧力変動吸着方法では、一方の吸着筒を加圧して酸素を生成している間に、他方の吸着筒では減圧排気、酸素パージを行うことにより吸着剤の再生を行い、各吸着筒の流路を切り換えることで連続的に酸素を生成する。従って、何れか一方の吸着筒の吸着剤については、大気中の窒素、水分を吸着した状態で装置が停止することになる。また配管途中に凝集した結露水がそのまま残存する可能性もある。
【００１０】
本発明は、装置停止時のコンプレッサの負荷を抑え、騒音や振動の発生を抑えると共に、装置停止後における吸着剤の吸湿劣化を抑え、配管系に溜まった吸着水及び配管中の結露水を系外に確実に排出する機能を備えた酸素濃縮装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、以下の酸素濃縮装置を提供する。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、該吸着筒の下流側に吸着筒間を均圧する均圧弁、該吸着筒の上流側に該コンプレッサと各吸着筒間の流路を接続する供給弁、各吸着筒と排気管との流路を接続する排気弁を備え、吸着筒へ加圧空気を供給し濃縮酸素を取り出す吸着工程、吸着工程終了後の吸着筒を減圧排気し吸着剤を再生する脱着工程、吸着工程側吸着筒から濃縮酸素を該均圧弁を開いて脱着工程側吸着筒へ導入し吸着剤をパージするパージ工程、各吸着筒間を連通させる均圧工程を所定タイミングで繰り返す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、該制御手段が、装置停止時に、該供給弁及び該排気弁の全てを開いた状態でコンプレッサを停止する制御を行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。
【００１２】
また本発明は、かかる制御手段が、装置停止時に該コンプレッサの回転数を段階的に下げて停止させる制御を行う手段である酸素濃縮装置を提供する。
また本発明は、該吸着筒が２つの吸着筒からなり、該制御手段が、該流路切替手段及び該均圧弁の開閉制御を行うことにより、一方の吸着筒について吸着工程、パージ生成工程、均圧工程、脱着工程、パージ排気工程、均圧工程を、他方の吸着筒について脱着工程、パージ排気工程、均圧工程、吸着工程、パージ生成工程、均圧工程を交互に切替える定常シーケンスを行う手段であり、該装置の運転停止信号を認識すると、(1) パージ生成工程の終了時またはパージ排気工程の終了時まで定常シーケンスで運転し、(2) 均圧弁を閉じると共に、パージ生成工程側吸着筒の該供給弁及び該排気弁を開き、且つパージ排気工程側吸着筒の該供給弁は閉じ且つ該排気弁は開いた状態で該コンプレッサを運転し、(3) 該供給弁及び該排気弁を全て開いた状態で該コンプレッサを停止する、という(1)から(3)のステップの制御を順次行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。
また本発明は、かかる制御手段が、該ステップ(2)の時に該コンプレッサの回転数を定常シーケンス時の回転数よりも下げた状態で運転する制御を行う手段である酸素濃縮装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の酸素濃縮装置は、運転スイッチを切ることにより装置の停止信号を受けとった場合、定常の運転シーケンスのパージ工程終了までは運転を継続することで、パージ排気工程側吸着筒の吸着材の吸着した水分を完全に排気する。均圧弁を閉じ、パージ生成工程側吸着筒への供給弁及び排気弁を開くことで、パージ生成工程側吸着筒を減圧排気し吸着水を排気すると共に、パージ排気工程側吸着筒供給弁は閉じ、且つ排気弁を開いた状態で維持することで吸着筒内圧が大気圧となるまで排気する。この間、コンプレッサ回転数を落すことで、排気効率を上げると共にコンプレッサの負荷を低減し、最終的に全ての供給弁及び排気弁を開いた状態でコンプレッサを運転することで配管中の結露水等を全て排出し、筒内の圧力を低下させ、コンプレッサを停止させる。これにより、装置停止時のコンプレッサの負荷を抑え、騒音や振動の発生を抑えることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本願発明の酸素濃縮装置のフロー図。
【図２】本願発明の酸素濃縮装置の終了シーケンスの動作図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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２筒式ＰＳＡ型の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。
【００１６】
本発明の酸素濃縮装置は、原料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吸着筒105a,105b、吸脱着工程を切り換える切換弁（供給弁、排気弁）104および均圧弁107を備え、原料空気から分離生成した酸素ガスを流量設定器110で所定流量に調整後、カニューラ115を用いて使用者に供給される。
【００１７】
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等など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、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ガスのみを濃縮して取り出す。
【００１８】
この酸素ガスの取り出しは、原料空気を酸素分子よりも窒素分子を選択的に吸着する、ナトリウム５A型、１３X型、あるいはLi-X型のモレキュラーシーブゼオライトなどの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105a,105bを順次切り換えながら、コンプレッサ102から原料空気を加圧供給し、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する。前記の吸着筒105としては、前記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富化空気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。
【００１９】
また、前記のコンプレッサ102としては、圧縮機能及び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102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。
【００２０】
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105へ逆流しないように設けられた逆止弁106a,106bを介して、製品タンク108に流入する。
なお、吸着剤に吸着した窒素分子は、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、加圧状態の吸着筒を、排気弁104c,104dによって排気ラインに接続して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分子を脱着させて吸着剤を再生させる。さらにこの脱着工程において、その脱着効率を高めるため、均圧弁107を介して吸着工程中の吸着筒の製品端側から酸素濃縮ガスをパージガスとして逆流させる。
【００２１】
原料空気から酸素濃縮ガスが製造され、製品タンク108へ蓄えられる。この製品タンク108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、調圧弁109、コントロールバルブ等の流量設定手段110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113へ供給され、加湿された酸素が患者に供給される。
【００２２】
かかる加湿器113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。
【００２３】
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112で検知され、コンプレッサ102の回転数や流路切換弁104の開閉時間、コントロールバルブ110の開度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。
【００２４】
PSA型の酸素濃縮装置では、一方の吸着筒105aが吸着工程を行っている場合は、他方の吸着筒105bでは脱着工程を行い、吸着工程、脱着工程を各々逆位相の形で順次切り替え、酸素を連続的に生成している。再生効率を上げる為、吸着工程で生成した酸素の一部を均圧弁107を介して脱着工程側吸着筒に流すパージ工程（パージ生成工程、パージ排気工程）、吸着工程・パージ生成工程終了後の吸着筒と脱着工程・パージ排気工程終了後の吸着筒の間を連結し圧力移動によるエネルギー回収を行う均圧工程を組み込み、一方の吸着筒105aについて吸着工程、パージ生成工程、均圧工程、脱着工程、パージ排気工程、均圧工程を、他方の吸着筒について脱着工程、パージ排気工程、均圧工程、吸着工程、パージ生成工程、均圧工程を交互に切り換える定常シーケンスを行うことにより、効率的に酸素を生成することが出来る。
【００２５】
酸素濃縮装置装置を停止する場合、吸着床は、運転シーケンスのうち、吸着工程、パージ生成工程、均圧工程、脱着工程、パージ排気工程、均圧工程の何れかの工程で装置が停止することになる。吸着材の再生という観点からは脱着工程及びパージ排気工程が終了し、吸着剤の窒素分子を完全に除去した後に装置を停止するのが最も効率的である。しかし、もう一方の吸着筒では、逆位相状態で運転シーケンスが切り換っているため、必ずパージしながら酸素を生成するパージ生成工程で終了することになり、最も窒素や水分等が吸着剤に吸着した状態となっている。更に両吸着筒の一方はパージ生成工程が終了した最大圧の状態であり、他方はパージ排気工程は終了した略大気圧の最小圧の状態となっている。この状態でコンプレッサを停止させると大きな負荷がかかり、大きな振動及び騒音が発生する。また吸着筒の圧力を下げるため、均圧弁を開くとパージ排気工程終了後の吸着剤再生が完了した吸着筒に、パージ生成工程側の吸着筒からガスが流入することになる。
【００２６】
本発明の酸素濃縮装置においては、装置停止時に均圧弁107を閉じ、且つ流路切替手段である供給弁104a,104b及び排気弁104c,104dの全ての電磁弁を開いた状態でコンプレッサ102を停止する運転制御手段を備える。
【００２７】
装置運転時に装置停止信号を認識すると、次の(1)〜(3)のステップ、すなわち、
(1) パージ生成工程の終了時またはパージ排気工程の終了時まで定常シーケンスで運転し、
(2) 均圧弁を閉じ、且つ、パージ生成工程側吸着筒の該供給弁及び該排気弁を開き、パージ排気工程側吸着筒の該供給弁は閉じ且つ該排気弁は開いた状態で該コンプレッサを運転し、
(3) 該供給弁及び該排気弁を全て開いた状態で該コンプレッサを停止する、
という制御を順次行う。
【００２８】
具体的には、図２に示す供給弁104a,104b、排気弁104c,104d、均圧弁107の開閉制御及びコンプレッサ102の回転数の制御を行う。
定常運転時の吸着工程、パージ生成工程、均圧工程、脱着工程、パージ排気工程、均圧工程の何れの工程中に停止スイッチが押されたとしても、終了シーケンス(1)として、次のパージ生成工程或いはパージ排気工程まで運転する。これにより吸着筒の一方（吸着筒105b）では必ず吸着剤の再生が完了することになる。
【００２９】
次にパージ工程で開いていた均圧弁107を閉じることで再生が完了した吸着筒105bへのガス流入を遮断し、窒素吸着、酸素生成を行っていた吸着筒105a側の排気弁105cを開くことで、吸着筒105aの減圧再生が始まる。この間、コンプレッサ102は駆動しているため、供給風を受けるが、排気弁104cが開いているため、吸着筒105aの吸着した窒素、酸素、水分は圧力差に従って排気弁104cから脱着排気される。また、配管中に溜まった凝結水についてもコンプレッサからの加圧空気によって系外に吹き飛ばされ、排気される。この時、コンプレッサ102の回転数を1/2程度に落すことで排気効率を上げることが出来る。吸着筒105bの排気弁104dは開いているので、大気圧近傍まで残圧を排気することが出来る。
【００３０】
最後に、流路切換弁104の供給弁104a,104b、排気弁104c,104dの全てを開くことで、コンプレッサと吸着筒105a及び吸着筒105bの連結配管途中に残る結露水等を全て排気することが出来る。
かかる終了シーケンスを行うことで、吸着筒105a,105bの吸着剤の再生及び残圧の排気を行うと共に、吸着剤及び配管中の水分を全て排出することが出来る。そしてかかる工程を行うことで吸着筒の内圧が大気圧近傍まで下がるため、コンプレッサ102の停止に際し、コンプレッサ駆動部にかかる圧力負荷が最小限に抑えることができ、停止時の振動、騒音を抑えることが出来る。
【００３１】
本装置において、パージ工程終了直後の吸着筒105aの最大内圧の時にコンプレッサを停止した場合に比較して、終了シーケンス(1)〜(3)を実施後にコンプレッサを停止した時の振動は約２／３に抑えることができ、騒音も10％低下する。ステップ(2)において、コンプレッサの回転数を定常シーケンスの場合に比べて１／２に落すことで２段階でコンプレッサ回転数を落すことで、停止時の振動は約１／２に落すことが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本願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。特に装置停止時の振動、騒音を抑えつつ、吸着剤の再生、吸湿劣化を抑えることができ、長期運転にかかる安定性を担保する酸素濃縮装置を提供する。
【符号の説明】
【００３３】
101 吸気サイレンサ
102 コンプレッサ
103 コンプレッサボックス
104 流路切換弁
104a  供給弁a
104b  供給弁b
104c  排気弁ｃ
104d  排気弁ｄ
105a  吸着筒a
105b  吸着筒b
106a,106b 逆止弁
107 均圧弁
108 製品タンク
109 調圧弁
110 流量設定器
111 フィルタ
112 酸素濃度／酸素流量センサ
113 加湿器
114 フィルタ
115 カニューラ
116 加湿器装着センサ
117 排気サイレンサ
118 冷却ファン
119 圧力センサ
120 リリーフ弁
【図１】
0005524574.tif 000002
【図２】
0005524574.tif 000003