(57)【要約】      （修正有）【課題】酸素濃縮装置起動時のコンプレッサ負荷を抑えることが可能な装置を提供する。【解決手段】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１０５ａ、１０５ｂ、該吸着筒へ加圧空気を供給するコンプレッサ１０３、該コンプレッサと各吸着筒間の流路を順次切り替え、各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、各吸着筒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を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置１において、該吸着筒の下流側に吸着筒間を均圧する均圧弁１０２を有した均圧流路を備え、かつ該コンプレッサの起動時に該均圧弁を開いた状態で起動させる起動制御手段４０１を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。【選択図】図１
2008214151.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複数の吸着筒、該吸着筒へ加圧空気を供給するコンプレッサ、該コンプレッサと各吸着筒間の流路を順次切り替え、各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、各吸着筒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を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該吸着筒の下流側に吸着筒間を均圧する均圧弁を有した均圧流路を備え、かつ該コンプレッサの起動時に該均圧弁を開いた状態で起動させる起動制御手段を備え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、該流路切換手段が各吸着筒とコンプレッサ、排気管を切り換える電磁弁であり、該起動制御手段が、該コンプレッサの起動時に所定時間、該電磁弁を介してコンプレッサと吸着工程側吸着筒とを連通させると共に、均圧弁を開き、脱着工程側吸着筒と電磁弁を介し排気管を連通させるように、該均圧弁及び該電磁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１記載の酸素濃縮装置。
【請求項３】
該流路切換手段が三方電磁弁であることを特徴とする請求項２に記載の酸素濃縮装置。
【請求項４】
該起動制御手段が、該コンプレッサの起動時の回転数を定常状態よりも低回転数で起動させる制御手段であることを特徴とする請求項１〜３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、大気中から酸素富化空気、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、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。
【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吸着型酸素濃縮装置が広く知られ使用されている。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。
【０００４】
吸着工程時における吸着筒の昇圧時間を短縮し、早期に吸着効率を向上させる装置として、特開平6-31129号公報には、吸着工程時の所定時間コンプレッサ駆動モータの回転数を増速させ、それ以外は通常回転数に制御する気体分離装置が開示されている。  
【特許文献１】特開平6-31129号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
酸素濃縮装置の起動時には、コンプレッサの圧縮部にかかる圧力負荷、摩擦抵抗などにより定常運転時に比較してコンプレッサを駆動するモータに負荷がかかる。
静的負荷抵抗の大きさは酸素濃縮装置の使用環境によって大きく変動し、特に冬季における低温環境下ではコンプレッサが起動しないという事態も生じることがある。原因として起動時の必要トルクが大きくなり駆動モータの起動電流が大きくなるため、トルク不足、場合によっては装置が起動しないことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記課題を解決するものであり、酸素濃縮装置起動時のコンプレッサ負荷を抑えることが可能な装置を実現するものである。
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複数の吸着筒、該吸着筒へ加圧空気を供給するコンプレッサ、該コンプレッサと各吸着筒間の流路を順次切り替え、各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、各吸着筒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を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該吸着筒の下流側に吸着筒間を均圧する均圧弁を有した均圧流路を備え、かつ該コンプレッサの起動時に該均圧弁を開いた状態で起動させる起動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。
【０００７】
また本発明は、かかる吸着筒が２つの吸着筒、該流路切換手段が各吸着筒とコンプレッサ、排気管を切り換える電磁弁であり、該起動制御手段が、該コンプレッサの起動時に所定時間、該電磁弁を介してコンプレッサと吸着工程側吸着筒とを連通させると共に、均圧弁を開き、脱着工程側吸着筒と電磁弁を介し排気管を連通させるように、該均圧弁及び該電磁弁の開閉制御を行なう手段であることを特徴とし、特に該流路切換手段が三方電磁弁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。
【０００８】
また本発明は、かかる起動制御手段が、該コンプレッサの起動時の回転数を定常状態よりも低回転数で起動させる制御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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の酸素濃縮装置では、均圧弁を介して加圧側吸着筒、脱着側吸着筒が連通し、加圧空気が吸着筒内圧の加圧に利用されることなく、そのまま排気側に流れる為、実質的に圧力負荷のない状態でコンプレッサを起動させることが可能となる。従って、起動時に起動電流が大きくなることがなくなり、起動時の突入電流の低減に寄与する。また、起動時初期に加圧側吸着筒の製品端から生成される、不純物を含む低酸素濃度ガスを均圧弁を介して脱着工程側吸着筒に回収することで低濃度酸素ガスが製品タンク側に流れることを防止することが出来、９０％といった高濃度酸素ガスを早期に使用者に供給することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。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。圧力変動吸着型の酸素濃縮装置１は、外部空気取り込みフィルタ101、コンプレッサ103、流路切換弁である三方電磁弁104a,104b、吸着筒105a,105b、逆止弁106a,106b、製品タンク107、調圧弁108、流量設定手段109、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濃縮ガスを製造することができる。使用者に供給される酸素ガスの濃度、流量は酸素濃度センサ301、流量センサ302で検知され、コンプレッサ103、流路切換弁の切り替えを制御する制御手段401にフィードバックされる。図１では流量センサ302は加湿器201の上流側に設けてあるが、加湿器201の下流側に設けてもよい。
【００１１】
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、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。
【００１２】
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吸着筒105に対して、切換弁104a,104bによって対象とする吸着筒105a,105b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。
【００１３】
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。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107に流入する。
【００１４】
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、三方電磁弁（切換弁）104a,104bによって減圧状態（大気圧状態）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。図１はPSA型の酸素濃縮装置であるが、排気を真空ポンプに接続することで真空脱着させるVPSA型とすることも可能である。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102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ようにしてもよい。
【００１５】
原料空気から酸素富化空気が製造され、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。
【００１６】
圧力変動吸着法で使用する吸着剤は圧力に依存するため、酸素濃縮装置の起動初期には吸着筒の圧力が十分に上昇しない間に製品端からガスが精製されるため、起動初期の生成ガスの酸素濃度は定常状態の90％以上よりも低値となり、結果として製品タンク107中の酸素濃度が定常状態に達するのに時間を要することになる。本発明の装置の起動時には、コンプレッサ（圧縮機）103の起動と合わせて制御手段401により吸着筒105の下流側（製品端側）の均圧弁102を開く制御を行い、例えば吸着工程である吸着筒105aに加圧空気を供給し、生成初期のガスを均圧弁102を介して、脱着工程の吸着筒105bの製品端から回収する。通常は数秒で吸着筒105aは昇圧するので、その後均圧弁102を閉じ、通常の吸着工程を開始し、例えば90％といった高濃度酸素を逆止弁106aを介して生成タンクにする貯留する。
【００１７】
コンプレッサの起動時には定常運転状態に比較して負荷がかかる。特に冬季などの低温状態で起動する際にはコンプレッサの駆動トルクが上昇するため、場合によっては電源を入れてもコンプレッサが起動しない状態になる。通常、コンプレッサ起動時には必要トルクが大きく、駆動モータの起動電流が大きくなる。
【００１８】
本発明の装置では、コンプレッサ駆動時には吸着工程の吸着筒105aと脱着工程の吸着筒105bを均圧弁102を介して連通した状態で起動するため、コンプレッサの圧縮部に加圧負荷が殆どかからず、実質的に圧力負荷のかからない状態での起動となり、上記のような必要以上に突入電流が上げるといったことが起こらず、起動させることができる。
従って、装置起動時には、起動を制御する制御手段401が、コンプレッサの起動時の回転数を定常状態よりも低回転数で起動させることも可能である。
【００１９】
酸素濃縮装置の制御手段401は、定常状態では種々の運転制御を行う。流量設定手段109の設定値、流量センサ302による製品ガス流量値、酸素濃度センサ301による生成された酸素濃縮ガスの酸素濃度を検知し、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。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。切換弁104a,104b、均圧弁102の切り換えタイミングを制御し、吸脱着シーケンスタイムを変更することで最適な酸素生成を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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。
【符号の説明】
【００２１】
１：酸素濃縮装置
３：使用者
101：外部空気取り込みフィルタ
102：均圧弁
103：コンプレッサ
104a,104b：三方電磁弁（切換弁）
105a,105b：吸着筒
106a,106b：逆止弁
107：製品タンク
108：調圧弁
109：流量設定手段
110：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
【図１】
2008214151.tif 000003