(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、
該吸着筒へ原料空気を供給する空気供給手段と、
複数の該吸着筒の上流側と該空気供給手段の流路を一定タイミングで切り換えするための切換弁を有し、
該吸着筒へ原料空気を供給し酸素濃縮ガスを取り出す吸着工程、吸着工程終了後の該吸着筒を減圧排気し吸着剤を再生する脱着工程、吸着工程側の該吸着筒から酸素濃縮ガスを該均圧弁を開いて脱着工程側の該吸着筒へ導入しパージするパージ工程を、所定タイミングで繰り返す制御手段と、
生成された濃縮酸素の酸素濃度を計測する酸素濃度センサと、アルゴンガス濃度を計測するアルゴンガス濃度センサと、酸素濃度センサ及びアルゴンガス濃度センサの出力値からガス濃度成分を判断する手段を備えたガス濃度監視手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、
該ガス濃度監視手段によって酸素濃縮ガスの成分比を検出し、該成分比に基づいて、該空気供給手段の出力および／または該切換弁の切換時間を制御する制御手段を備え、かつ該ガス濃度監視手段による計測結果が、該酸素濃縮ガスの成分が酸素と窒素とアルゴンの３成分系であり、かつアルゴンガス濃度が５％以下の場合に、該制御手段が、空気供給手段の出力を増加させる制御を行う、または／および該吸着工程と該脱着工程の時間を増加するように該切換弁を制御する手段であることを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項２】
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、
該吸着筒へ原料空気を供給する空気供給手段と、
複数の該吸着筒の上流側と該空気供給手段の流路を一定タイミングで切り換えするための切換弁を有し、
該吸着筒へ原料空気を供給し酸素濃縮ガスを取り出す吸着工程、吸着工程終了後の該吸着筒を減圧排気し吸着剤を再生する脱着工程、吸着工程側の該吸着筒から酸素濃縮ガスを該均圧弁を開いて脱着工程側の該吸着筒へ導入しパージするパージ工程を、所定タイミングで繰り返す制御手段と、
生成された濃縮酸素の酸素濃度を計測する酸素濃度センサと、アルゴンガス濃度を計測するアルゴンガス濃度センサと、酸素濃度センサ及びアルゴンガス濃度センサの出力値からガス濃度成分を判断する手段を備えたガス濃度監視手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、
該ガス濃度監視手段によって酸素濃縮ガスの成分比を検出し、該成分比に基づいて、該空気供給手段の出力および／または該切換弁の切換時間を制御する制御手段を備え、かつ該ガス濃度監視手段による計測結果が、該酸素濃縮ガスの成分が酸素と窒素とアルゴンの３成分系あり、かつアルゴンガス濃度が５％以上の場合に、該制御手段が、空気供給手段の出力を低下させる制御を行う、または／および該吸着工程と該脱着工程の時間を短縮するように該切換弁を制御する手段であることを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項３】
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、
該吸着筒へ原料空気を供給する空気供給手段と、
複数の該吸着筒の上流側と該空気供給手段の流路を一定タイミングで切り換えするための切換弁を有し、
該吸着筒へ原料空気を供給し酸素濃縮ガスを取り出す吸着工程、吸着工程終了後の該吸着筒を減圧排気し吸着剤を再生する脱着工程、吸着工程側の該吸着筒から酸素濃縮ガスを該均圧弁を開いて脱着工程側の該吸着筒へ導入しパージするパージ工程を、所定タイミングで繰り返す制御手段と、
生成された濃縮酸素の酸素濃度を計測する酸素濃度センサと、アルゴンガス濃度を計測するアルゴンガス濃度センサと、酸素濃度センサ及びアルゴンガス濃度センサの出力値からガス濃度成分を判断する手段を備えたガス濃度監視手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、
該ガス濃度監視手段によって酸素濃縮ガスの成分比を検出し、該成分比に基づいて、該空気供給手段の出力および／または該切換弁の切換時間を制御する制御手段を備え、かつ該ガス濃度監視手段による計測結果が、該酸素濃縮ガスの成分が酸素とアルゴンからなる２成分系である場合は、該制御手段が、該空気供給手段の出力を低下させる制御を行う、または／および該吸着工程と該脱着工程の時間を短縮するように該切換弁を制御する手段であることを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項４】
該切換弁の制御よりも、該空気供給手段の制御を優先することを特徴とする請求項１から３の何れか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、空気中に存在する約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剤を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置があるが、高濃度の酸素が得られることから圧力変動吸着型酸素濃縮装置が主流になっている。
【０００４】
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剤として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、吸着剤に吸着された窒素をパージすることで吸着剤の再生を行う減圧・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。
【０００５】
圧力変動吸着型酸素濃縮装置の吸着床として使用する５Ａ型、１３Ｘ型、Ｌｉ−Ｘ型などのゼオライト吸着剤は、特定のガス以外にも水分を吸着する性質を有するため、原料空気中の水分を吸着することにより吸着剤が経時劣化し、生成酸素濃度が徐々に低下していく問題がある。酸素濃縮装置の運転中は、吸着剤に吸着した窒素を排気再生する脱着工程において、窒素と共に水分も排気されるが、それでもわずかに残った水分が徐々に蓄積するため、一定期間で吸着剤を交換されるのが一般的である。また定期点検時には、安定して濃縮酸素を生成していることを確認し、異常が発生していた場合は装置の交換を行うことがなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表2000-516854号公報
【特許文献２】特開2002-306601号公報
【特許文献３】特開平7-227516号公報
【特許文献４】特開2008-113862号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような酸素濃縮装置の使用者の多くは慢性呼吸器疾患患者であるため、かかる酸素濃縮装置は長期間にわたり使用されるが、疾患の重篤度により処方酸素流量が決定されるため、軽微な症状の患者の場合には労作時のみ、あるいは１日数時間といった処方で酸素吸入が行われる。例えば１日あたり1時間の酸素吸入する患者の場合には、酸素濃縮装置の使用時間は１年間で３６５時間であり、累積休止時間は８３９５時間となる。酸素濃縮装置をこのような間歇運転で駆動した場合には、装置の休止時間中に水分が吸着筒に侵入し、また、間歇運転を繰り返すことで生じる装置内の温度変化によって、吸着筒内の水分の拡散が促進される。その結果、設計寿命より急速に吸着剤が劣化し、生成酸素の濃度低下を引き起こすことがあった。
【０００８】
かかる酸素濃縮装置では、生成する製品ガス中の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するために、生成酸素濃度を酸素濃度センサで検知し、酸素濃度が低下した場合には、コンプレッサの風量を増大させたり吸脱着のサイクルタイムを制御したりすることで、酸素濃度を一定に保持する技術が知られている（特許文献１）。しかし、このような技術は装置の環境変化に対する生成酸素濃度を補償する技術であり、経時劣化した吸着剤による生成酸素濃度の低下には、効果が得られないことがあった。
【０００９】
また安定した酸素濃度を維持するために、酸素濃縮装置にアワーメータ等を備え、積算運転時間を把握することで定期的に保守点検を行うことや、外部端末を用いて酸素濃縮装置の状態を把握することで機器管理をすることも行われている（特許文献２、特許文献３）。しかし、主に在宅療法として使用される酸素濃縮装置の場合、保守点検は患者宅に訪問して行われるため、安定した酸素濃縮ガスを生成できる酸素濃縮装置を維持するためには、定期点検を頻繁に行うことが必要になり、また、定期点検までの間に吸着剤が急速に劣化した場合には対応できないという問題があった。
【００１０】
最近では、酸素濃縮装置に備えられた積算運転時間情報に基づいて、コンプレッサの制御や切換弁による吸脱着のサイクルタイムを制御することも行われるようになっているが（特許文献４）、吸着剤が劣化していないにも拘らず、所定の積算運転時間が経過したために、過剰な制御を行うことで消費電力が増大し、過剰制御運転により部品の磨耗や劣化が進行し、製品寿命を短くするという問題もあった。また逆に、所定の積算運転時間に達していなくても、吸着剤が急速に劣化した場合では、生成される酸素濃度が低下することが問題となっていた。
【００１１】
本発明は、このような運転と休止が頻繁に繰り返される酸素濃縮装置において、環境要因による生成酸素濃度の低下だけでなく、水分劣化した吸着剤であっても生成酸素濃度を補償し、安定した高濃度の濃縮酸素ガスを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる問題の解決方法として、以下の発明を見出した。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、該吸着筒へ原料空気を供給する空気供給手段と、複数の該吸着筒の下流側に、それぞれの吸着筒間の圧力を均圧するための均圧弁と、複数の該吸着筒の上流側と該空気供給手段の流路を一定タイミングで切り換えするための切換弁を有し、該吸着筒へ原料空気を供給し酸素濃縮ガスを取り出す吸着工程、吸着工程終了後の該吸着筒を減圧排気し吸着剤を再生する脱着工程、吸着工程側の該吸着筒から酸素濃縮ガスを該均圧弁を開いて脱着工程側の該吸着筒へ導入しパージするパージ工程、所定タイミングで繰り返す制御手段と、生成された酸素濃縮ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度センサと、アルゴンガス濃度を計測するアルゴンガス濃度センサによって構成されるガス濃度監視手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該ガス濃度監視手段によって酸素濃縮ガスの成分比を検出し、該成分比に基づいて、該空気供給手段の出力および／または該切換弁と該均圧弁の切換時間を制御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。
【００１３】
また本発明は、該ガス濃度監視手段による計測結果から、生成された酸素濃縮ガスの成分が酸素と窒素とアルゴンの３成分系であり、かつアルゴンガス濃度が所定値以下の場合に、該空気供給手段の出力を増加させる制御を行うことを特徴とし、それとは別に／または同時に、該加圧工程と該脱着工程、および／または該パージ工程の時間を短縮するように、該切換弁および／または該均圧弁を制御することを特徴とし、本制御においては、該切換弁および／または該均圧弁の制御よりも、該空気供給手段の制御を優先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。
さらに本発明は、該ガス濃度監視手段による計測結果から、生成された酸素濃縮ガスの成分が酸素とアルゴンからなる２成分系である場合に、該空気供給手段の出力は増加させず／または減少させる制御を行うことを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の酸素濃縮装置によると、装置の環境変化による生成酸素濃度の低下を補償するだけでなく、間欠運転による吸着剤の劣化によって生成酸素濃度が低下した場合でも、安定して酸素濃縮ガスを提供することが可能になり、さらには消費電力の低下、製品寿命を長くすることも可能な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】
【００１５】
【図１】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。
【図２】本発明の酸素濃縮装置が生成する製品ガス濃度と原料空気の供給圧力の関係図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。但し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００１７】
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流路切換弁（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部110で所定流量に調整後、カニューラ113を用いて使用者に供給される。
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吸気フィルタ101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、流路切換弁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濃縮ガス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。
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ガスは、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。
【００２０】
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、切換弁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脱着工程中の吸着筒へ酸素濃縮ガスをパージガスとして逆流させる。
【００２１】
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と窒素ガス、アルゴンガスなどを含んでおり、調圧弁109、コントロールバルブ等の流量設定部110によってその供給流量と圧力とが制御部103によって制御されながら、カニューラ113へ供給され、酸素が患者に供給される。
【００２２】
使用者に供給される酸素濃縮ガスの濃度は、酸素濃度・流量センサ111、アルゴンガス濃度センサ112で検知される。酸素濃度センサとしてはジルコニア式や超音波式などのセンサを用いることが出来る。またアルゴン濃度センサとしては気体熱伝導式センサを用いることが出来る。制御部103に備えたガス濃度監視手段において、酸素濃度およびアルゴンガス濃度の計測値から窒素ガス濃度を計算し、それぞれの濃度比率が所定値から変化した場合に、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等の流路設定部110の開度を制御部103でフィードバック制御し、酸素生成をコントロールする制御を行う。
【００２３】
本発明の酸素濃縮装置が生成する製品ガス濃度と原料空気の供給圧力の関係を図２に示す。
酸素濃縮装置の運転を開始させると、初期設定の回転数でコンプレッサ102から原料空気が吸着筒105に供給され、高濃度酸素ガスが生成される。しかしながら、コンプレッサ102から吸着筒105の経路の途中で原料空気の漏れが生じた場合や、吸着剤の劣化によって十分な窒素吸着ができなかった場合では、運転開始から所定時間後の酸素濃度が、90％以上の濃度設定値に達せず、図２のＡ点になる。この場合、酸素濃度を上昇させるために、低下した吸着剤の吸着効率を補う分だけコンプレッサ102の出力を上げて原料空気の供給量を増やし、酸素濃度が図２のＢ点になるように制御部103で制御する。また、コンプレッサ102の回転数が上限に達している場合には、切換弁104のサイクルタイムを長くし、窒素を吸着する時間を長くすることで酸素濃度の上昇を図り、酸素濃度がＢ点になるように制御する。
【００２４】
ただし、コンプレッサ102の回転数を過剰に上昇させたり、切換弁104の制御を過剰に遅くさせたりすると、生成される酸素濃度は下降する。これは過吸着と呼ばれる現象で、過剰な圧力で原料空気を供給すると、窒素だけでなく酸素も吸着されてしまい、結果としてアルゴンガスが濃縮されて、製品ガス中の酸素濃度が減少する。さらに原料空気を過剰に供給すると、吸着筒105内に充填された量の吸着剤では窒素吸着が限界に達し、原料空気中の窒素が製品ガスに混入する破過とよばれる現象が現れる。これらの現象は、例えば製品ガスの生成量を低下させた場合にも、同様に発生することがある。
【００２５】
従来の酸素濃縮装置では酸素濃度センサしか搭載されていないため、運転開始から所定時間後に計測される酸素濃度や、設定流量に変更があった時から所定の時間が経ったときに計測された酸素濃度が規定の酸素濃度よりも低い場合、その濃度がＡ点であるのかＣ点またはＤ点であるのか判断することができなかった。そのため、Ｃ点やＤ点であるにも関わらず、原料空気の供給量を増大させたり、切換弁104のタイミングを遅くさせたりして、上述した過吸着の領域に制御してしまうことがあり、場合によっては破過の状態になるまで異常制御してしまい、酸素濃縮装置の停止を勧める濃度低下警報を発報することがあった。
【００２６】
本発明の酸素濃縮装置では、アルゴンガス濃度センサ112によって製品ガス中に含まれるアルゴンガスの濃度も検出することで、製品ガスの成分を特定できるようになっている。すなわち、制御部103で酸素濃度センサ111とアルゴンガス濃度センサ112による製品ガスの成分比を算出することが可能になる。これにより製品ガスの成分が、酸素濃度とアルゴン濃度を足し合わせてほぼ１００％になる場合は、２成分で構成されていることが分かり、図２のＢ点またはＣ点であることが把握できる。そして、その時のアルゴンガス濃度がおおよそ５％を境にそれ以下の場合は正常状態であるＢ点、それ以上の場合は過吸着状態であるＣ点であることが把握できる。
【００２７】
また、製品ガスの成分が、酸素濃度とアルゴン濃度を足し合わせて１００％にならない場合は、酸素とアルゴンと窒素の３成分から構成されていると判断する。その時のアルゴンガス濃度がおおよそ５％を境にそれ以下の場合は濃度低下状態であるＡ点、それ以上の場合は破過状態であるＤ点であることが把握できる。
【００２８】
酸素濃縮装置は通常は酸素濃度が90％前後で運転されることが好ましいため、コンプレッサ102の回転数や切換弁104のサイクル時間を調整して、Ａ点からＣ点の範囲で運転している。製品ガスの成分比から過吸着領域（Ｃ点）である場合には、コンプレッサ102の回転数を低下させることで、酸素濃度の低下を防止することが可能になる。またコンプレッサ102の回転数低下だけでは酸素濃度が回復しない場合や、回転数の下限値に達してしまった場合には、切換弁104のサイクル時間を短くすることで過吸着の状態を防止し、製品ガスの酸素濃度を回復させることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
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。より具体的には、間歇運転等によって吸着剤が吸湿劣化した場合でも、生成される酸素を高濃度に維持することができ、長期間にわたって安定した高濃度酸素を生成できる酸素濃縮装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００３０】
101  吸気フィルタ
102  コンプレッサ
103  制御部
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  流量設定部
111  酸素濃度／酸素流量センサ
112  アルゴンガス濃度センサ
113  カニューラ
【図１】
0005833358.tif 000002
【図２】
0005833358.tif 000003