(57)【要約】【目的】  信頼性ないし耐久性を低下させることなく、省電力化を図ることのできる酸素濃縮装置を提供する。【構成】  窒素吸着容器３１，３２に圧縮空気を送り込む加圧工程と、窒素吸着容器３１，３２に送り込まれて吸着された窒素を含むガスを外部に放出するための減圧工程とを切換える、切換え弁４１，４２，５１，５２に、パイロット式の電磁弁であって、主弁がダイアフラムからなるものを使用した。従来の直動式の電磁弁でなく、パイロット式の電磁弁としたため、低電力で小さいパイロット弁を開閉することで、大きい主弁を開閉できる。このため、有効流路断面積を大きく確保できるために流量損失を小さくできるので、吐出量の小さいコンプレッサを使用できる。また、主弁がダイヤフラム式のものとしたため、弁シートのために摺動部もなく、スプール式のものやポペット式のものに比べると、構造の複雑化を招くこともないから信頼性を高めることができる。【選択図】     図２
2006062932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素よりも窒素を優先的に吸着し得る吸着剤を充填した窒素吸着容器内に圧縮空気を供給することによって高酸素濃度ガスを得る加圧工程と、窒素吸着容器内の圧力を減じることによって吸着された窒素を外部に排気することで吸着剤の再生を行う減圧工程とを、交互に繰り返し行うことによって高酸素濃度ガスを得る方式の圧力変動吸着型の酸素濃縮装置であって、
２以上の窒素吸着容器を有し、各窒素吸着容器には、圧縮空気供給源から圧縮空気を供給するための配管が接続されるとともに、吸着された窒素を外部に排気するための配管が接続されており、これらの各配管に、前記加圧工程と前記減圧工程とを切換えるための切換え弁を備えてなるものにおいて、
前記切換え弁の少なくとも１つをパイロット式電磁弁であって主弁がダイヤフラム式弁のものを使用したことを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項２】
請求項１において、前記切換え弁の少なくとも１つをパイロット式電磁弁であって主弁がダイヤフラム式弁のものを使用したことに代えて、前記切換え弁の全部をパイロット式電磁弁であって主弁がダイヤフラム式弁のものを使用したことを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項３】
前記各パイロット式の電磁弁をマニホールド化した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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素濃縮装置に関し、詳しくは慢性気管支炎等の呼吸器系器官の疾患の治療法として有効な酸素吸入療法に使用される酸素濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の酸素濃縮装置（酸素濃縮器ともいわれる。以下、単に装置ともいう）において空気中の酸素を分離、濃縮する酸素濃縮法としては、酸素を透過し窒素を選択的（優先的）に吸着する吸着剤（例えばゼオライト）を用いた、いわゆる吸着型酸素濃縮装置が広く使用されている。この酸素濃縮装置は、通常、酸素よりも窒素を優先的に吸着し得る吸着剤を充填した窒素吸着容器内（吸着筒）にコンプレッサで圧縮された空気を供給し、その内部に加圧状態で窒素を吸着させることにより、高酸素濃度ガス（酸素濃縮空気）を得る加圧工程（吸着工程）と、窒素吸着容器内の圧力を減じて吸着された窒素を外部に排気（放出）することで吸着剤の再生を行う減圧工程（再生工程）とを、交互に（順次）繰り返し行うことによって、高酸素濃度ガスが連続して生成（製造）されるように構成されている（特許文献１、特許文献２）。そして、こうして生成された高圧の高酸素濃度ガスは、これを一時的に貯蔵するタンク（リザーバ）へ送り込まれ、レギュレータ及び流量設定器で、圧力、流量が調整され、加湿などの処理を施された後、患者に供給される。
【０００３】
このような装置における窒素吸着容器は、通常２つ（２本）設けられている。このものでは、各窒素吸着容器に、コンプレッサからの圧縮供給用の配管が接続され、また排気用の配管が接続されている。そして、一方の容器において加圧工程が行われているとき、他方の容器では減圧工程が行われるように、各配管に設けられた切換え弁（２方弁）を交互に切換え（開閉）制御するように構成されている。すなわち、加圧工程と、減圧工程とを、一定時間サイクルで繰り返し行うことにより、連続的に高酸素濃度ガスを得るようにされている。
【０００４】
ところで、この種の酸素濃縮装置は、患者が睡眠時も含め昼夜（常時）連続して長期間にわたって使用するものであることから、その使用（運転）においては、コンプレッサの駆動用のモーター等の消費電力を含め、相当の電力が消費されることになり、したがって、在宅療法する患者の電気代の負担を低減できるように省電力化することが極めて重要である。特許文献１には、この省電力化に、窒素の吸着能力の高い吸着剤を使用する方法が開示されている。また特許文献２には、加圧工程と減圧工程とを切換える切換え弁の開閉のタイムシーケンスの最適化を図る技術が提案されている。
【特許文献１】特開平９−２０５０３号公報
【特許文献２】特開２００２−７９０３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記した手段のみでは十分な省電力化が図られるというものではなく、さらに強い省電力化が要請されている。こうした中、本願発明者においては、上記手段とは、全く別の観点から省電力化について研究開発を行ってきたところ、従来の酸素濃縮装置において必要な上記した加圧工程と減圧工程との切換えを行うための、加圧又は減圧用の各切換え弁そのものの選択の最適化を図ることで、消費電力の低減に寄与できると考えた。理由は次のようである。
【０００６】
従来、このような加圧、減圧を行う切換え弁には、直動式（直接動作方式）の電磁弁が使用されている。これは、直動式電磁弁はそれ自体が低コストであり、また、これを使用する場合にはパイロット配管も必要ないことより配管等もシンプルになるためである。ところが、このような直動式電磁弁では、有効流路断面積の小さいものを用いることになるため、流量損失が大きい。このため、従来の酸素濃縮装置においては、コンプレッサに吐出量の大き目のものを使用せざるを得ず、したがって、その駆動に要する消費電力が増大し、結果として酸素濃縮装置の電力消費の増大を招いていた。他方、開弁時の流路断面積が大きい、直動方式の電磁弁を用いれば流量損失を小さくできるものの、弁の作動に大きな力が必要となるため、長期間にわたって昼夜連続して無数回の切換えが行われるこの種の切換え弁には電力消費が大きくなり、したがって、そのような流路断面積が大きい直動方式の電磁弁を採用することはできない。
【０００７】
そこで、このような直動式電磁弁に代えて、パイロット式電磁弁を用いることを提案できる。パイロット式電磁弁によれば、電磁弁として駆動されるのはパイロット弁としての小弁であり、パイロット圧（空気圧）にて大きい主弁を作動し切換えるものであるため、その流路断面積の大きいものを用いても、弁の切換えに要する消費電力は小さく抑えることができる。したがって、この電磁弁によれば流路断面積の大きいものを用いることができるため、流量損失を低減でき、コンプレッサの吐出流量を小さくできる。かくして、装置における主たる電力消費機器であるコンプレッサの駆動に要する消費電力を低減できる結果として、装置の省電力化を図ることができる。
【０００８】
ところが、パイロット式電磁弁を用いるとしても、主弁がスプール式のものでは、スプールと弁本体をなすスリーブ内面との間に微小固形物が付着したときにスプールの動きが不円滑となるため、信頼性ないし耐久性において問題がある。酸素濃縮装置は患者が療法として昼夜連続して長期間にわたって使用するものであることから、極めて高い信頼性が要求される。したがってこれを採用することはできない。また、主弁がポペット式からなるパイロット式電磁弁では、流路断面積を大きく確保するには、その大型化を招くといった問題がある。加えて、このものも、摺動部（ポペットの軸）があるため等に基づき、その内部構造が複雑化するという点で、信頼性ないし耐久性に疑問があるし、しかも高コストとなるという問題もある。
【０００９】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたもので、加圧又は減圧を行う切換え弁の信頼性ないし耐久性を低下させることなく、省電力化を図ることのできる酸素濃縮装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的達成のために請求項１に記載の本発明は、酸素よりも窒素を優先的に吸着し得る吸着剤を充填した窒素吸着容器内に圧縮空気を供給することによって高酸素濃度ガスを得る加圧工程と、窒素吸着容器内の圧力を減じることによって吸着された窒素を外部に排気することで吸着剤の再生を行う減圧工程とを、交互に繰り返し行うことによって高酸素濃度ガスを得る方式の圧力変動吸着型の酸素濃縮装置であって、
２以上の窒素吸着容器を有し、各窒素吸着容器には、圧縮空気供給源から圧縮空気を供給するための配管が接続されるとともに、吸着された窒素を外部に排気するための配管が接続されており、これらの各配管に、前記加圧工程と前記減圧工程とを切換えるための切換え弁を備えてなるものにおいて、
前記切換え弁の少なくとも１つをパイロット式電磁弁であって主弁がダイヤフラム式弁のものを使用したことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、前記切換え弁の少なくとも１つをパイロット式電磁弁であって主弁がダイヤフラム式弁のものを使用したことに代えて、前記切換え弁の全部をパイロット式電磁弁であって主弁がダイヤフラム式弁のものを使用したことを特徴とする酸素濃縮装置である。そして、請求項３に記載の本発明は、前記各パイロット式の電磁弁をマニホールド化した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である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の酸素濃縮装置においては、窒素吸着容器の加圧工程（以下、加圧用、又は単に加圧ともいう）と減圧工程（以下、減圧用又は単に減圧ともいう）の切換え弁に、パイロット方式の電磁弁を用いたことから、消費電力が同じでも直動方式の電磁弁を用いる場合より、主弁開口時の有効流路断面積の大きいものを使用できる。したがって、流量損失を低減できるので、コンプレッサの吐出流量を小さくできることから、その駆動に要する消費電力を低減でき、結果、酸素濃縮装置としての省電力化が図られる。
【００１３】
しかも、本発明では窒素吸着容器の加圧、減圧の切換え弁に、パイロット方式の電磁弁のうち、その主弁がダイヤフラム式のものを用いたことから、その主弁は弁シートのために摺動部もない。しかも、その構造上、スプール式のものやポペット式のものに比べると、構造の複雑化を招くこともないから信頼性、耐久性を高めることができる。その上に、容易に流路断面積を大きいものとすることができるため、流量損失を小さく抑えることができる。かくして、本発明の酸素濃縮装置によれば、加圧又は減圧を行う切換え弁の信頼性ないし耐久性を低下させることなく、省電力化を図ることができる。省電力化のメリットは、パイロット式電磁弁であって主弁がダイヤフラム式弁のものを使用する数に対応するが、請求項２に記載の発明のように、前記切換え弁に、その全部をパイロット式電磁弁であって主弁がダイヤフラム式弁のものを使用した場合には、極めて高い省電力化が図られる。
【００１４】
また、請求項３に記載の本発明のように、前記各パイロット式の電磁弁をマニホールド化したことで、切換え弁を個別に各配管途中に設ける場合に比べて、配管の簡素化及び省スペース化（コンパクト化）が図られる。したがって、配管の接続作業が効率化し、酸素濃縮装置全体のコンパクト化にも寄与できる。なお、マニホールド化の形態（マニホールドの構造）については、マニホールド本体が一体化されてなる単体型マニホールドとしてもよいし、２つに分割されていても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態について、図１及び図２に基いて詳細に説明する。図１は、本発明に係る酸素濃縮装置１０１の概略構成を示す配管系統（ブロック）図である。本形態の酸素濃縮装置１０１は、この回路図に示したように、空気取入れ口２から取込んだ空気を、防塵フィルター４ａ、吸気フィルター４ｂ、さらに吸気マフラ４ｃを通して圧縮空気供給源であるコンプレッサ２１で圧縮し、圧縮された空気を、２本並列的に配置された窒素吸着容器（吸着筒）３１、３２に供給するための加圧用の配管（加圧用配管）で接続されている。なお、窒素吸着容器３１，３２にはその内部に図示はしないが、酸素よりも窒素を選択的に吸着する窒素吸着剤として例えばゼオライト粉末が充填されている。また、コンプレッサ２１と窒素吸着容器３１，３２と配管の途中には、冷却ファン２３、熱交換器２４及び圧力センサ２５が設けられている。
【００１６】
そして、加圧用配管は、圧力センサ２５よりも２次側において、管路が２つに分岐されて各窒素吸着容器３１，３２に配管接続されている。そして、その各分岐配管の途中には、窒素吸着容器３１，３２への加圧用の切換え弁（開閉弁）４１，４２として、ともにパイロット方式の電磁弁（２ポート弁）であって、主弁（図示せず）がダイヤフラム式のものが取り付けられている。
【００１７】
また、この加圧用の各切換え弁４１，４２と各窒素吸着容器３１，３２とを接続する配管途中には、窒素吸着容器３１，３２を加圧した後において、内部に吸着された窒素を外部に排気するための減圧用の配管がそれぞれ分岐され、その管の各部位に減圧用の切換え弁（開閉弁）５１，５２として、ともにパイロット方式の電磁弁（２ポート弁）であって、主弁（図示せず）がダイヤフラム式のものが取り付けられている。そして、本形態では、減圧用の切換え弁５１，５２の二次側で減圧用の配管が結合されて１本の排気管とされ、その外側端部（排気口）に排気マフラ６０が取り付けられている。本形態では、このような各切換え弁（電磁弁）４１，４２，５１、５２を切換え制御することで、左右の窒素吸着容器３１，３２が、それぞれ交互に加圧、減圧を繰り返し行うようにされている。詳しくは後述する。
【００１８】
一方、２つの窒素吸着容器３１，３２の２次側（図１上方）には、生成された高酸素濃度ガスを製品タンク７１に送り込む配管が接続され、それぞれ１本の主配管に接続されて製品タンク７１に接続されている。なお、本形態では、各窒素吸着容器の２次側にそれぞれ逆止弁６１，６２が設けられており、その逆止弁の１次側であって、２つの窒素吸着容器３１，３２の２次側を２方弁（直動式電磁弁）６４を介して配管接続している。この２方弁６４の作用については後述する。また、タンク７１の２次側の配管には、その酸素出口１００に至る間に、レギュレータ（流量調整弁）７３、バクテリアフィルタ７５、流量設定器７７、酸素センサ７９、圧力センサ９１及び加湿器９２等が取り付けられている。
【００１９】
このような本形態の装置１０１では、空気取入れ口２から取り込んだ空気をコンプレッサ２１で圧縮し、加圧又は減圧のための切換え弁４１，４２，５１，５２を切換え制御することで、各窒素吸着容器３１，３２において、窒素の吸着による高濃度酸素ガスの生成と吸着剤の再生のための加圧、減圧を一定サイクルで交互に繰り返すことで高酸素濃度ガスを連続して生成、供給するように構成されている。そして、タンク７１へ送り込まれた高酸素濃度ガスは、流量の調整等、適宜の処理が施された後、酸素出口１００からカニューラ等の導管を介して患者に供給される。
【００２０】
なお、本形態の装置１０１では、一方の窒素吸着容器３１に圧縮空気を供給して加圧して高酸素濃度ガスを生成している間において、他方の窒素吸着容器３２では吸着した窒素を排気（放出）して吸着剤の再生を行い、これを交互に定期的に繰り返すように、図示しない制御装置にて各切換え弁が開閉制御されるように構成されている。具体的には次のようである。例えば、図示左側の窒素吸着容器３１に圧縮空気を供給して加圧するときは、図示左側の加圧用の切換え弁（以下、加圧弁ともいう）４１を、同左側の減圧用の切換え弁（以下、減圧弁ともいう）５１が閉弁されている状態で開弁し、図示右側の加圧弁４２を、図示左側の加圧弁４１が開弁されている間閉弁する。そして、図示右側の加圧弁４２が閉弁されている状態において、図示右側の窒素吸着容器３２内を減圧するため、図示右側の減圧弁５２を開弁する。そして、これとは逆に、図示右側の窒素吸着容器３２に圧縮空気を供給して加圧するときは、図示右側の加圧弁４２を、同右側の減圧弁５２が閉弁されている状態で開弁し、図示左側の加圧弁４１を、図示右側の加圧弁４２が開弁されている間閉弁する。そして、図示左側の加圧弁４１が閉弁されている状態において、図示左側の窒素吸着容器３１内を減圧するため、図示左側の減圧弁５１を開弁する。
【００２１】
なお、上記したように、本形態では、逆止弁６１，６２の１次側において、２つの窒素吸着容器３１，３２の２次側を２方弁（直動式電磁弁）６４を介して配管接続している。これは、図示左右のうちのいずれか一方の窒素吸着容器を減圧する際に、他方の窒素吸着容器にて生成された製品ガスの一部を逆流させることによりパージガスとして利用し、吸着剤の再生を促進させるために設けられているもので、排気に応じて開閉制御するようにされている。なお、この２方弁６４の各ポート側には固定絞りが設けられている。
【００２２】
以上説明したように、本形態の酸素濃縮装置１０１は、その配管の形態自体は従来のものと共通するが、重要なのは、窒素吸着容器３１，３２の加圧、減圧用の（本形態では全部の）切換え弁４１，４２，５１，５２に、パイロット方式の電磁弁であって、主弁がダイヤフラム式のものを用いた点である。すなわち、それらにパイロット方式の電磁弁を用いたことから、消費電力が同じ直動方式の電磁弁を用いた場合より、大口径の電磁弁を用いることができるため、相対的にコンプレッサ２１の吐出量の小容量化を図ることができる。すなわち、パイロット式電磁弁によれば、電磁弁として駆動されるのはパイロット弁としての小弁であり、パイロット圧（空気圧）にて大き目の主弁を作動することで、その開閉をするものであるため、流路断面積の大きいものを用いても、弁の切換えに要する消費電力は小さく抑えることができる。つまり、パイロット方式の電磁弁を用いたことから、流路断面積の大きいものを用いることができるため、加圧、減圧のいずれの工程においても、そのガスの流量損失を低減できる。したがって、使用するコンプレッサ２１の吐出流量を小さくできるため、その駆動に要する消費電力を低減できることから、装置としての省電力化を図ることができる。
【００２３】
しかも、このような加圧、減圧に使用している切換え弁４１，４２，５１，５２は、パイロット方式の電磁弁であるというだけでなく、その主弁がダイヤフラム式のものを用いたことから、その主弁は弁シートのために摺動部もない。したがって、スプール式のものやポペット式のものに比べると、構造の複雑化を招くこともないから信頼性を高めることができる。その上に、主弁がダイヤフラム式のものであるため、容易に流路断面積を大きいものとすることができることから、流量損失を小さく抑えることができる点で、さらなる省電力化にも寄与できる。このように、本形態の装置１０１においては、信頼性ないし耐久性を低下させることなく、省電力化を図ることのできる酸素濃縮装置となすことができるため、在宅療法する患者にとって福音となる。
【００２４】
因みに、従来の装置に使用されていた、開弁時の有効流路断面積が６ｍｍ２の直動式の電磁弁の駆動に要する消費電力は、１０Ｗであるのに対し、有効流路断面積が１８ｍｍ２のパイロット方式の電磁弁で、主弁がダイヤフラム式のものでは、その駆動に要する消費電力は１Ｗであり、電磁弁の駆動に要する消費電力は１／１０ですむ。また、このような直動式の電磁弁を用た場合と、上記パイロット方式の電磁弁を用いた場合とで、同一のコンプレッサ（ＤＣブラシレスモーターを搭載したコンプレッサで、インバータ制御により回転数を可変できるコンプレッサ）を用いて発生酸素濃度を９３ｖｏｌ．％に保持して、酸素濃縮装置全体の消費電力を比較した。結果は、直動式の電磁弁を用いた場合は１４０Ｗであり、上記パイロット方式の電磁弁を用いた場合は１００Ｗとであり、約３０％軽減できた。このことは、とりもなおさず本発明の効果を実証するものである。これは、上記したパイロット方式の電磁弁を用いた場合には、直動式の電磁弁を用いた場合よりも、主弁の有効流路断面積を３倍確保できるため、流量損失を著しく低減できることから、コンプレッサの負荷を低減でき、その結果として酸素濃縮装置としての消費電力を大きく軽減できるのである。
【００２５】
なお、上記形態においては、４つの切換え弁４１，４２，５１，５２を、それぞれ独立のものとして、各配管途中に設けた場合で説明したが、図３に示したように、４つの切換え弁をマニホールド化するとよい。すなわち、弁本体２０１を例えば１つの金属ブロックで形成し、その内部に各弁４１，４２，５１，５２及び上記した配管の部位をなす流路（太い実線で示す）Ｐを形成したものとしておくとよい。同図のものでは、弁本体２０１の図示左側下部に圧縮空気供給用の接続口２０３が設けられており、図示上端の両側寄り部位に吸着容器３１，３２に対する供給用の接続口２０５，２０６が設けられ、その間に減圧用の排気接続口２０７が設けられている。図３では、流路が交差しないように排気接続口２０７を図の上に設けているが、図１、２に示したものとその回路は同じである。なお、このようにすれば、個別、独立の電磁弁を各配管途中に設ける必要がなくなるため、酸素濃縮装置内における配管スペースの省略化や配管作業の効率化が図られる。なお、マニホールド化の形態としては、２つの２方（２ポート）切換え弁を２連式にしたものを、接合したものとしても良い。
【００２６】
本発明は、上記した実施の形態のものに限定されるものではなく、適宜に、設計変更して具体化できる。例えば、上記においては、２つの窒素吸着容器を有するものとして具体化したが、その数は３以上とすることもできる。パイロット式の電磁弁は、内部パイロット式のものを用いても良いし、外部パイロット式のものを用いても良い。また、コンプレッサに代えて空気ポンプを圧縮空気供給源（圧縮空気供給手段）としても良い。
【００２７】
さらに、各加圧用の切換え弁からガスが逆流するのを防止するため、同切換え弁と窒素吸着容器の間の配管に逆止弁を設けてもよい。また。このような逆止弁は、同切換え弁の一次側に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の酸素濃縮装置の回路図。
【図２】図１の要部を示す図。
【図３】複数のパイロット式の電磁弁をマニホールド化した１態様の説明用模式図。
【符号の説明】
【００２９】
２１  コンプレッサ（圧縮空気供給源
３１，４１  窒素吸着容器
４１，４２  加圧用の切換え弁
５１，５２  減圧用の切換え弁
１０１  酸素濃縮装置
【図１】
2006062932.tif 000003
【図２】
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【図３】
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