(57)【要約】【課題】  各種の運転条件を、貯留タンクから実際に取り出されている製品ガスの流量に関連させて変更することが可能な酸素濃縮装置を提供する。【解決手段】  空気中の窒素を選択的に吸着する吸着剤が収容された吸着室１０、１１と、吸着室１０、１１へ空気を送出するコンプレッサー４０と、吸着室１０、１１から送出される製品ガスが一時的に貯留される貯留タンク２０とが備えられた圧力変動吸着式の酸素濃縮装置において、貯留タンク２０の内部圧力を検知する貯留タンク圧力検知手段３０を設けた。貯留タンク圧力検知手段３０によって検知された貯留タンク２０の内部圧力データから圧力減少速度αが算出される。各種の運転条件は、算出された圧力減少速度αに応じて、自動的に変更される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中の窒素を選択的に吸着する吸着剤が収容された複数の吸着室と、吸着室へ空気を送出するコンプレッサーと、吸着室から送出される製品ガスが一時的に貯留される貯留タンクとが備えられた圧力変動吸着式の酸素濃縮装置において、貯留タンクの内部圧力を検知する貯留タンク圧力検知手段が設けられ、検知された貯留タンクの内部圧力データから算出された圧力減少速度αに応じて運転条件が自動的に変更されることを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項２】
コンプレッサーの空気送出流量が、圧力減少速度αが速くなるにつれて多く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて少なく変更される請求項１記載の酸素濃縮装置。
【請求項３】
コンプレッサーを冷却する冷却ファンの回転速度が、圧力減少速度αが速くなるにつれて速く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて遅く変更される請求項２記載の酸素濃縮装置。
【請求項４】
吸着室の内部圧力を検知する吸着室圧力検知手段が設けられ、吸着室圧力検知手段によって検知された吸着室の内部圧力が上限値Ｐ０に達したところで、吸着室の均圧操作が開始される請求項１〜３いずれか記載の酸素濃縮装置。
【請求項５】
上限値Ｐ０が、圧力減少速度αが速くなるにつれて高く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて低く変更される請求項４記載の酸素濃縮装置。
【請求項６】
吸着室の均圧操作を行う時間が、圧力減少速度αが速くなるにつれて長く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて短く変更される請求項１〜５いずれか記載の酸素濃縮装置。
【請求項７】
運転条件が、予め設定された複数の運転条件の組み合せの中から選択される請求項１〜６いずれか記載の酸素濃縮装置。
【請求項８】
ガス流量を連続的に調整できる可変弁が、貯留タンクから製品ガスを取り出すガス流路に設けられ、可変弁の開度が、圧力減少速度αに応じて微調整される請求項１〜７いずれか記載の酸素濃縮装置。
【請求項９】
酸素濃縮装置が起動されてから所定時間が経過するまでの間は、運転条件が変更されない請求項１〜８いずれか記載の酸素濃縮装置。
【請求項１０】
空気中の窒素を選択的に吸着する吸着剤が収容された複数の吸着室と、吸着室へ空気を吐出するコンプレッサーと、吸着室から送出される製品ガスが一時的に貯留される貯留タンクとが備えられた圧力変動吸着式の酸素濃縮装置において、貯留タンクの内部圧力を検知する貯留タンク圧力検知手段と、異常発生信号が入力されると警報を発する警報手段とが設けられ、検知された貯留タンクの内部圧力から算出された圧力減少速度αが監視され、圧力減少速度αの異常が検知されると警報手段へ異常発生信号が入力されることを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項１１】
製品ガスの所望の取出流量を設定する取出流量設定手段が設けられ、取出流量設定手段によって設定された取出流量設定値Ｑ０と圧力減少速度αとのスケーリング後の差が所定の許容値を越えた場合に警報手段へ異常発生信号が入力される請求項１０記載の酸素濃縮装置。
【請求項１２】
警報手段へ異常発生信号が入力されている間は、運転条件が変更されない請求項１０又は１１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、圧力変動吸着式の酸素濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、空気中の窒素を選択的に吸着する吸着剤が収容された吸着室と、吸着室へ空気を送出するコンプレッサーと、吸着室から送出される製品ガスが一時的に貯留される貯留タンクとが備えられた圧力変動吸着式の酸素濃縮装置が知られている。この酸素濃縮装置は、空気中の窒素を吸着室に収容された吸着剤に吸着させる窒素吸着操作と、吸着剤に吸着された窒素を脱着して大気に排出する窒素脱着操作とを繰り返し行い、窒素吸着工程によって酸素濃度が高められた空気（以下、酸素濃縮ガスということがある）を製品ガスとして貯留タンクに連続的に供給するものである。窒素吸着操作は、吸着室をコンプレッサーで加圧することによって行われる。また、窒素脱着操作は、吸着室を大気に開放して減圧することによって行われ、吸着剤の窒素吸着能力が再生される。貯留タンクに供給された製品ガスは、貯留タンクに一時的に蓄えられた後、取り出される。
【０００３】
このような酸素濃縮装置は、近年、喘息や気管支炎などの呼吸器系の疾患に苦しむ患者が増加してきたことに呼応して、在宅医療用として一般家庭で使用されるようになってきている。患者は、鼻カニューラや鼻マスクを酸素濃縮装置へ接続して製品ガスを吸入する。患者が吸入する製品ガスの流量は、医師の処方によって定められる。このため、一般的な酸素濃縮装置は、患者が製品ガスの取出流量を設定できるようになっている。しかし、一方で、コンプレッサーを駆動するモーターは、常に一定の電圧で駆動されるものが殆どであった。このため、このような酸素濃縮装置は、製品ガスの取出流量が設定変更されるにもかかわらず、消費電力が常に一定であり、電力を過剰に消費することがあるものであった。医療用の酸素濃縮装置は、昼夜を問わずに運転されるものも多く、このように電力を過剰に消費していたのでは、経済的な負担が大きくなる。これまでに、省電力化を目的に開発された酸素濃縮装置としては、コンプレッサーの駆動電圧を制御することが可能なものが提案されている。
【０００４】
例えば、特開２０００−３５４６３０号公報（特許文献１）には、空気中から酸素と窒素を分離吸着する吸着剤を内蔵した吸着塔と、吸着塔に圧縮空気を送る電動式コンプレッサーと、酸素濃縮ガスを貯留する貯留タンクと、酸素濃縮ガスを取り出して使用者に供給する導管と、自動開閉弁によって吸着塔の吸着工程と脱着工定とを交互に繰返すように制御する制御手段とからなる酸素濃縮装置において、酸素濃縮ガスの取出流量を設定する流量設定手段に関連して電動式コンプレッサーの駆動電圧を制御する制御手段を設けてなることを特徴とする酸素濃縮装置が記載されている。このとき、貯留タンクの内部圧力の変化によってコンプレッサーの駆動電圧を制御することについても記載されている。これにより、酸素濃縮装置を安定して作動させながら消費電力を下げることが可能になるとされている。
【０００５】
また、特開平１１−２０７１２８号公報（特許文献２）には、空気中から酸素を選択的に吸着し得る吸着剤を含む吸着室と、吸着室に空気を供給する送風手段と、吸着室から取り出された酸素濃縮ガスを貯留するガス貯留手段と、ガス貯留手段から酸素濃縮ガスを取り出すガス取出手段とを備えた酸素濃縮機において、ガス取出手段を介して取り出されるガスの流量を決定する製品ガス取出流量設定手段と、製品ガス取出流量に応じて、送風手段を介して吸着室に供給される空気の流量を決定する供給空気流量設定手段と、製品ガス取出流量に応じて、吸着室内でのガス加圧時間を決定する加圧時間決定手段とを備えることを特徴とする酸素濃縮機が記載されている。これにより、低消費電力化を図ることや、高い酸素収率で製品ガスを取り出すことが可能になるとされている。このとき、決定された供給空気流量に応じて、コンプレッサーの能力を制御することについても記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３５４６３０号公報（特許請求の範囲、２頁、図１）
【特許文献２】特開平１１−２０７１２８号公報（特許請求の範囲、３頁、図面）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１には、貯留タンクの内部圧力が所定の数値に達した場合にコンプレッサーの駆動電圧を低下させるといった、いわゆる閾値制御を行うことについては記載されているものの、コンプレッサーの駆動電圧を、実際の製品ガスの取出流量に関連させて変更することについては記載されていない。また、特許文献２には、患者によって設定された製品ガスの取出流量設定値に応じて、コンプレッサーの能力を変更することについては記載されている。しかしながら、この場合に変更の基準となるのはあくまで設定値であり、実際の製品ガスの取出流量に応じて変更することについては記載されていない。このため、いずれの酸素濃縮装置においても、実際の製品ガスの取出流量に異常があるような場合には、制御が適切に行われなくなるおそれがある。例えば、チューブ折れなどの何らかの原因によって、実際の製品ガスの取出流量が、所望の製品ガスの取出流量よりも低下したような場合には、その異常の発生を検知できないおそれがある。これを検知するために、マスフローメーターなどの流量計を新たに取り付けたのでは、酸素濃縮装置の寸法や重量が大きくなるだけでなく、その製造原価も高くなる。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、コンプレッサーの空気送出流量など各種の運転条件を、貯留タンクから実際に取り出されている製品ガスの流量と関連させて変更することが可能な酸素濃縮装置を提供することを目的とする。また、貯留タンクから実際に取り出されている製品ガスの流量に異常がある場合であっても、制御が適切に行われる酸素濃縮装置を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題は、空気中の窒素を選択的に吸着する吸着剤が収容された複数の吸着室と、吸着室へ空気を送出するコンプレッサーと、吸着室から送出される製品ガスが一時的に貯留される貯留タンクとが備えられた圧力変動吸着式の酸素濃縮装置において、貯留タンクの内部圧力を検知する貯留タンク圧力検知手段が設けられ、検知された貯留タンクの内部圧力データから算出された圧力減少速度αに応じて運転条件が自動的に変更されることを特徴とする酸素濃縮装置を提供することによって解決される。ここで、圧力減少速度αとは、貯留タンクの内部圧力の所定の時間当たりの減少量をいう。圧力減少速度αは、貯留タンクから実際に取り出されている製品ガスの流量と比例関係にある。これにより、酸素濃縮装置の各種の運転条件を、貯留タンクから実際に取り出されている製品ガスの流量と関連させて変更することが可能となる。
【００１０】
コンプレッサーの空気送出流量が、圧力減少速度αが速くなるにつれて多く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて少なく変更されることが好適な実施態様である。これにより、コンプレッサーで消費される電力を低減することが可能となる。このとき、コンプレッサーを冷却する冷却ファンの回転速度が、圧力減少速度αが速くなるにつれて速く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて遅く変更されることがより好適である。これにより、冷却ファンで消費される電力や、冷却ファンから発生する騒音を、低減することも可能となる。
【００１１】
吸着室の内部圧力を検知する吸着室圧力検知手段が設けられ、吸着室圧力検知手段によって検知された吸着室の内部圧力が上限値Ｐ０に達したところで、吸着室の均圧操作が開始されることも好適な実施態様である。これにより、実際の製品ガスの取出流量に適した効率のよい圧力で、酸素を濃縮することが可能となる。このとき、上限値Ｐ０が、圧力減少速度αが速くなるにつれて高く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて低く変更されるとより好適である。
【００１２】
吸着室の均圧操作を行う時間が、圧力減少速度αが速くなるにつれて長く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて短く変更されることも好適な実施態様である。これにより、実際の製品ガスの取出流量に適した効率のよい均圧時間を採用して、酸素を濃縮することが可能となる。
【００１３】
運転条件が、予め設定された複数の運転条件の組み合せの中から選択されることも好適な実施態様である。運転条件を、無段階で連続的に変更するのでは、その制御が複雑なものとなり過ぎるおそれがあるが、この運転条件を、複数段階で変更することによって、その制御を簡素なものとすることが可能となる。
【００１４】
ガス流量を連続的に調整できる可変弁が、貯留タンクから製品ガスを取り出すガス流路に設けられ、可変弁の開度が、圧力減少速度αに応じて微調整されることも好適な実施態様である。ガス流量を連続的に調整できる可変弁としては、マスフローコントローラなどが例示される。従来の酸素濃縮装置は、実際の製品ガスの取出流量を数段階にしか調整できないものが殆どであったが、これにより、実際の製品ガスの取出流量を連続的（無段階的）に調整して最適化することが可能となる。
【００１５】
酸素濃縮装置が起動されてから所定時間が経過するまでの間は、運転条件が変更されないことが好ましい。貯留タンクの内部圧力は、酸素濃縮装置が起動された直後には不安定であることが多い。このため、実際の製品ガスの正確な取出流量を、圧力減少速度αから求めることが困難となり、酸素濃縮装置の動作に不具合が生じるおそれがあるからである。この間は、酸素を最も効率的に濃縮できる運転条件（製品ガスの取出流量が最大となったときに選択される運転条件）に従わせるとより好適である。これにより、貯留タンクの内部圧力を、短時間で安定させることが可能となる。また、コンプレッサーのモーターを、起動時に確実に回転させることも可能となる。酸素濃縮装置が起動されてから所定時間が経過すると、通常運転（運転条件が変更される運転）が開始される。
【００１６】
また、上記課題は、空気中の窒素を選択的に吸着する吸着剤が収容された複数の吸着室と、吸着室へ空気を吐出するコンプレッサーと、吸着室から送出される製品ガスが一時的に貯留される貯留タンクとが備えられた圧力変動吸着式の酸素濃縮装置において、貯留タンクの内部圧力を検知する貯留タンク圧力検知手段と、異常発生信号が入力されると警報を発する警報手段とが設けられ、検知された貯留タンクの内部圧力から算出された圧力減少速度αが監視され、圧力減少速度αの異常が検知されると警報手段へ異常発生信号が入力されることを特徴とする酸素濃縮装置を提供することによっても解決される。これにより、貯留タンクから実際に取り出される製品ガスの流量に異常がある場合に、その異常の発生を検知することが可能となる。例えば、チューブ折れなどの何らかの原因によって、実際の製品ガスの取出流量が、所望の製品ガスの取出流量よりも低下した場合には、その異常の発生を検知することが可能となる。ただし、酸素濃縮装置が起動されてから所定の時間が経過するまでの間は、停電や過電流などの緊急を要する異常が発生した場合を除いて、警報手段へ異常発生信号が入力されないように制御することが好ましい。前述したように、この間は、貯留タンクの内部圧力が不安定であることが多く、圧力減少速度αが、所望の速度（例えば、後述する取出流量設定値Ｑ０に対応する圧力減少速度αの値）よりも遅いのが通常だからである。
【００１７】
このとき、製品ガスの所望の取出流量を設定する取出流量設定手段が設けられ、取出流量設定手段によって設定された取出流量設定値Ｑ０と圧力減少速度αとのスケーリング後の差が所定の許容値を越えた場合に警報手段へ異常発生信号が入力されることが好ましい。ここで、スケーリングとは、取出流量設定値Ｑ０と圧力減少速度αとを比較することが可能な尺度にそろえることをいう。例えば、圧力減少速度αを流量に換算する場合や、取出流量設定値Ｑ０を圧力減少速度に換算する場合などがある。
【００１８】
警報手段へ異常発生信号が入力されている間は、運転条件が変更されないことが好ましい。異常が発生したときに運転条件が変更されるのでは、所望の制御から大きくかけ離れるおそれがあるためである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の酸素濃縮装置は、コンプレッサーの空気送出流量など各種の運転条件を、貯留タンクから実際に取り出されている製品ガスの流量と関連させて変更することが可能なものである。これにより、酸素濃縮装置の消費電力や騒音を低減できるだけでなく、酸素を濃縮するのに適した効率的な運転条件で酸素濃縮装置を運転することも可能となる。また、本発明の酸素濃縮装置は、貯留タンクから実際に取り出される製品ガスの流量に異常がある場合であっても、制御が適切に行われるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を用いて、本発明の酸素濃縮装置をより詳細に説明する。図１は、本発明の酸素濃縮装置の空気回路を示した模式図である。図２は、制御基板の構成を示した模式図である。図３は、貯留タンクの内部圧力の変化を示した模式図である。
【００２１】
図１に、本発明の酸素濃縮装置の一例を示す。空気中の窒素を選択的に吸着する吸着剤が収容された吸着室１０、１１と、吸着室１０、１１へ空気を送出するコンプレッサー４０と、吸着室１０、１１から送出される製品ガスが一時的に貯留される貯留タンク２０とが備えられてなる。コンプレッサー４０には、それを冷却する冷却ファン５０が備えられており、吸着室１０、１１とコンプレッサー４０とを連結するガス流路には、吸着室１０、１１の内部圧力を検知する吸着室圧力検知手段３１が備えられている。貯留タンク２０には、その内部圧力を検知する貯留タンク圧力検知手段３０が備えられており、貯留タンク２０から製品ガスが取り出されるガス流路には、製品ガスの所望の取出流量を設定する取出流量設定手段１００が備えられている。この酸素濃縮装置の各部は、図２に示す制御基板２００によって制御される。
【００２２】
以下、酸素濃縮装置の各部について説明する。吸着室１０、１１は、窒素を選択的に吸着する吸着剤を収容している。コンプレッサー４０から送出された空気は、それに含まれる窒素が吸着剤に吸着されて、吸着剤に吸着されなかった酸素が濃縮され取り出される。本例においては、２つの吸着室１０、１１が備えられているが、これに限定されるものではなく、吸着室が３つや４つの場合もある。この吸着室１０、１１では、窒素吸着操作と窒素脱着操作とが交互に繰り返され、一方の吸着室で窒素吸着操作が行われるときには、他方の吸着室で窒素脱着操作が行われる。このため、酸素濃縮装置全体として、窒素吸着操作を効率的に行うことができる仕組となっている。吸着室１０、１１の形状や素材は、窒素吸着操作で加えられる圧力に耐えるものであれば特に限定されないが、本例においては、円筒形状に成形された金属製のタンクを使用している。また、吸着室１０、１１の内容積も、特に限定されるものではないが、通常、０．３〜２．０リットルであり、本例においては、１．０リットルとなっている。さらに、吸着剤も、窒素を選択的に吸着するものであれば特に限定されないが、本例においては、合成ゼオライトを使用している。
【００２３】
貯留タンク２０は、吸着室１０、１１から交互に送出されてくる酸素濃縮ガスを製品ガスとして一時的に貯留する。貯留タンク２０に貯留された製品ガスは、減圧弁８０、流量設定手段１００に設けられた流量調整弁、逆止弁７２、加湿器１３０を介して患者に供給される。吸着室１０、１１から製品ガスが供給されているときには、貯留タンク２０に供給される製品ガスの流量が、貯留タンク２０から取り出される製品ガスの流量を上回っているために、貯留タンク２０の内部圧力は増加する。また、吸着室１０、１１から製品ガスが供給されていないときには、貯留タンク２０に貯留された製品ガスは取り出される一方であるために、貯留タンク２０の内部圧力は減少する。このため、貯留タンク２０の内部圧力は、図３に示すように、周期的に増減を繰り返しながら変化する。貯留タンク２０の形状や素材は、内部の製品ガスによって加えられる圧力に耐えるものであれば特に限定されないが、本例においては、吸着室１０、１１と同様の円筒形状に成形された金属製のタンクを使用している。また、貯留タンク２０の内容積も、特に限定されるものではないが、通常、０．３〜２．０リットルであり、本例においては、０．５リットルとなっている。
【００２４】
貯留タンク圧力検知手段３０は、周期的に増減を繰り返す貯留タンク２０の内部圧力を測定することが可能な圧力センサーであれば特に限定されない。貯留タンク圧力検知手段５０に要求される測定圧力範囲は、貯留タンク２０の内容積によって異なるが、通常、０．３〜２．０ｋｇｆ／ｃｍ２である。吸着室圧力検知手段３１も、貯留タンク圧力検知手段３０と同様である。
【００２５】
コンプレッサー４０は、空気送出流量が調節できるものを使用する。本例においては、モーターの回転速度を変化させることによって空気送出流量を調節することができるものを使用している。コンプレッサー４０に要求される最大空気送出流量は、吸着室１０、１１に収容された吸着剤の量や窒素吸着性能などによっても異なるが、通常、１０〜１００リットル／ｍｉｎである。
【００２６】
コンプレッサー４０を駆動するモーターは、交流式のものを使用してもよいが、直流式のものを使用することが好ましい。これにより、コンプレッサー４０の空気送出流量を、モーターの駆動電圧を調節することによって容易に変化させることが可能となるだけでなく、吸着室１０、１１を高い圧力にまで加圧することも可能となる。なかでも、ブラシレスのモーターを使用することが好ましい。ブラシレスのモーターは、寿命が長く、長時間駆動されることが多い医療用の酸素濃縮装置にも好適に使用することができるためである。モーターの駆動電圧は、通常、インバーターによって制御される。このインバーターは、その出力電圧がモーターの駆動電圧と一致するものであることが好ましい。これにより、電圧の変換回路を別途設ける必要がなくなる。例えば、モーターの駆動電圧がＤＣ１４０Ｖである場合に、出力電圧がＤＣ１４０Ｖのインバーターを使用すると、電源電圧（例えば商用のＡＣ１００Ｖ)からＤＣ１４０Ｖへの変換をインバーターで行い、インバーターから出力される電圧でモーターを直に駆動することが可能となる。酸素濃縮装置の電源は、商用のＡＣ１００Ｖを使用するのが一般的であるが、これに限定されるものではなく、車のシガーライターや燃料電池を使用してもよい。これにより、携帯型の酸素濃縮装置を提供することが可能となり、患者のＱＯＬ（Ｑｕａｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｌｉｆｅ）の向上が期待できる。
【００２７】
また、コンプレッサー４０を駆動するモーターは、その回転速度を検知するモーター回転速度検知手段が備えられたものであることが好ましい。これにより、モーターの回転速度を、フィードバック制御することが可能となる。このため、モーターに異常が発生して、その回転速度が所望の範囲から逸脱した場合に、その異常を検知することが可能となる。さらに、モーターの回転速度を、必要以上に増減を繰り返さないように制御することも可能となる。コンプレッサー４０を駆動するモーターは、コンプレッサーの空気送出流量が多くなって負荷が増大してくると、回転速度が徐々に遅くなり、その後再び速くなるといったことを繰り返すようになる傾向がある。この場合には、モーターから発生する騒音が短い周期で変化して耳障りなものとなるが、この騒音を抑えることが可能となる。
【００２８】
冷却ファン５０は、コンプレッサー４０を冷却する能力を有するものであれば特に限定されないが、通常、その最大風量が０．１〜１．５ｍ３／ｍｉｎのものが選択される。冷却ファン５０の消費電力を節約する場合には、その風量（ファンの回転速度）が可変であるものを使用する。
【００２９】
取出流量設定手段１００は、それに設定された取出流量設定値Ｑ０に応じた出力ができるものであれば特に限定されないが、本例においては、流量調整弁にポテンショメータを取り付けたものを使用している。この取出流量設定手段１００は、ポテンショメータに設けられたツマミを回すことによって、取出流量設定値Ｑ０を設定することが可能なものであり、０．２５リットル／ｍｉｎ、０．５リットル／ｍｉｎ、０．７５リットル／ｍｉｎ、１リットル／ｍｉｎ、１．５リットル／ｍｉｎ、２リットル／ｍｉｎ、２．５リットル／ｍｉｎ、３リットル／ｍｉｎの８種類の設定ができるようになっている。取出流量設定手段１００は、各取出流量設定値Ｑ０毎に異なる電気的信号を制御基板２００や流量調整弁へ出力する。流量調整弁は、径の異なる複数のオリフィスが設けられた仕切板の回転位置が変化することによって、ガス流量を調節することが可能なものを使用している。この流量調整弁は、取出流量設定値Ｑ０の設定が変更されると、それに連動して仕切板が回転し、オリフィスの径が切り替わるようになっている。本例においては、設定された取出流量設定値Ｑ０は、制御基板２００や流量調整弁だけでなく、後述する制御基板の比較回路にも出力されるが、これについては、比較回路の説明の中で詳しく言及する。
【００３０】
次に、制御基板２００について説明する。制御基板２００は、図２に示すように、換算回路２０１と駆動回路２０２と比較回路２０３とを有する。換算回路２０１は、貯留タンク圧力検知手段３０から貯留タンク２０の内部圧力データを受け取って、該内部圧力データから圧力減少速度αを算出し、得られた圧力減少速度αを製品ガス取出流量Ｑ１に換算する。圧力減少速度αの算出と製品ガス取出流量Ｑ１への換算は、通常同時に行われる。換算回路２０１によって換算された製品ガス取出流量Ｑ１は、貯留タンクから実際に取り出されている製品ガスの流量に相当するものであり、酸素濃縮装置を制御する基準値となる。この製品ガス取出流量Ｑ１は、駆動回路２０２と比較回路２０３へそれぞれ出力される。
【００３１】
貯留タンク２０の内部圧力データから圧力減少速度α（ｋｇｆ／ｃｍ２・ｓ）を算出するアルゴリズムは、貯留タンク２０の内部圧力の所定の時間当たりの減少量を算出するものであれば特に限定されないが、下記式（１）を用いたものであることが簡単で好ましい。
α＝（Ｐ１−Ｐ２）／ΔＴ２                （１）
ここで、Ｐ１（ｋｇｆ／ｃｍ２）は、図３に示すように、貯留タンク２０の内部圧力が極大値Ｐｍａｘになった時刻Ｔ０（ｓｅｃ）から所定時間ΔＴ１（ｓｅｃ）が経過した瞬間の貯留タンク２０の内部圧力であり、Ｐ２（ｋｇｆ／ｃｍ２）は、その後さらに所定時間ΔＴ２（ｓｅｃ）が経過した瞬間の貯留タンク２０の内部圧力である。ただし、貯留タンク２０の内部圧力は、時刻Ｔ０（ｓｅｃ）から時刻Ｔ０＋ΔＴ１＋ΔＴ２（ｓｅｃ）までの間に極小値Ｐｍｉｎにならないものとする。所定時間ΔＴ１は、通常、０．１〜２．０ｓｅｃであり、所定時間ΔＴ２は、通常、０．５〜２．０ｓｅｃである。
【００３２】
また、圧力減少速度α（ｋｇｆ／ｃｍ２・ｓ）から製品ガス取出流量Ｑ１（リットル／ｍｉｎ）を得る換算式は、下記式（２）の通りである。
Ｑ１＝（６０・Ｖ／Ｐａ）・α              （２）
ここで、Ｐａ（ｋｇｆ／ｃｍ２）は、標準大気圧（約１．０（ｋｇｆ／ｃｍ２））であり、Ｖは、貯留タンク２０の内容積（リットル）である。このように、圧力減少速度αからは、貯留タンク２０から実際に取り出されている製品ガスの流量を容易に算出することができる。
【００３３】
比較回路２０３は、換算回路２０１から受け取った製品ガス取出流量Ｑ１と、取出流量設定手段１００から受け取った取出流量設定値Ｑ０とを比較して、その差が所定の許容値を超えたものである場合に、異常発生信号を駆動回路２０２や警報手段２１０へ出力する。これにより、実際の製品ガスの取出流量に異常がある場合に、その異常の発生を検知することが可能となる。比較回路２０３は、製品ガス取出流量Ｑ１と取出流量設定値Ｑ０との差が所定の許容値を瞬間的に超えた場合に異常発生信号を出力するものであってもよいが、製品ガス取出流量Ｑ１と取出流量設定値Ｑ０との差が所定の許容値を継続的に（例えば、数回又は数分間連続して）超えた場合に異常発生信号を出力するものであることが好ましい。これにより、警報手段２１０から発せられる警報の信頼性を高めて酸素濃縮装置の誤動作を防止することが可能となる。また、比較回路２０３は、酸素濃縮装置が起動されてから所定時間が経過するまでの間は、異常発生信号を出力しないものであることが好ましい。これにより、酸素濃縮装置の誤動作を防止することが可能となる。警報手段は、光、音又は振動などの人間の五感で感知できる手段によって警報を発するものであれば特に限定されないが、本例においては、光を使用している。
【００３４】
このように、比較回路２０３が、製品ガス取出流量Ｑ１と取出流量設定値Ｑ０とを比較することによって、製品ガス取出流量Ｑ１が変化した場合に、その変化が、取出流量設定値Ｑ０の設定変更に起因するものなのか、酸素濃縮装置の故障や不具合に起因するものなのかを判断することが可能となる。例えば、製品ガス取出流量Ｑ１が３リットル／ｍｉｎから２リットル／ｍｉｎに低下した場合に、その低下が取出流量設定値Ｑ０を３リットル／ｍｉｎから２リットル／ｍｉｎに設定変更を行ったことに起因するものなのか、チューブが潰れて閉塞したり、チューブの内側に結露が生じたことなどに起因するものなのかを判断することが可能となる。このとき、その低下が、取出流量設定値Ｑ０の設定変更に起因すると判断した場合には通常運転を継続し、酸素濃縮装置の故障や不具合に起因すると判断した場合には異常発生信号を出力することが好ましい。これにより、製品ガス取出流量Ｑ１が変化した場合に、適切な制御を行うことが可能となる。ここでは、製品ガス取出流量Ｑ１が低下した場合について説明したが、これは、製品ガス取出流量Ｑ１が増加した場合についても同様である。製品ガス取出流量Ｑ１の増加は、取出流量設定値Ｑ０の設定変更のほか、減圧弁８０の調整が狂った場合などに生じ得る。
【００３５】
駆動回路２０２は、各種の運転条件を、換算回路２０１から受け取った製品ガス取出流量Ｑ１に対応するものへと変更し、変更された運転条件に従った制御信号を酸素濃縮装置の各部へ出力する。駆動回路２０２は、製品ガス取出流量Ｑ１が変化するたびに各種の運転条件を変更するものであってもよいが、製品ガス取出流量Ｑ１が、継続的に（例えば、数回又は数分間連続して）それまでの値からある程度変化したものであり、かつ、それらの値がある範囲内に収束したものである場合に、各種の運転条件を変更するものであることが好ましい。例えば、製品ガス取出流量Ｑ１が、１リットル／ｍｉｎから、その後、２リットル／ｍｉｎ、１リットル／ｍｉｎ、１リットル／ｍｉｎと変化した場合には、２リットル／ｍｉｎをノイズと判断して、各種の運転条件を変更しないが、製品ガス取出流量Ｑ１が、１リットル／ｍｉｎから、その後、２リットル／ｍｉｎ、２リットル／ｍｉｎ、２リットル／ｍｉｎと変化した場合には、製品ガス取出流量Ｑ１が２リットル／ｍｉｎに変化したと判断して、各種の運転条件を変更する。これにより、各種の運転条件の制御の信頼性を高めて酸素濃縮装置の誤動作を防止することが可能となる。また、酸素濃縮装置の各部に出力される制御信号は、アナログ信号である場合と、デジタル信号である場合とがある。アナログ信号としては、電圧や電流を連続的に変化させるものが例示され、デジタル信号としては、電圧や電流をパルス的に変化させるものが例示される。制御信号は、本例において、コンプレッサー４０、冷却ファン５０、二方弁６０〜６４へ出力されており、駆動回路２０２によって、コンプレッサー４０の回転数や、冷却ファン５０の駆動電圧、二方弁６０〜６４の切替タイミングなどを制御することが可能となっている。例えば、製品ガス取出流量Ｑ１が多く、貯留タンク２０へ大量の酸素濃縮ガスを送出する必要がある場合に、コンプレッサー４０の回転速度を速めるといったことが可能である。ただし、本例において、駆動回路２０２は、比較回路２０３から異常発生信号が入力されると、運転条件の変更を行わないようになっている。この場合は、酸素濃縮装置は、異常発生信号が入力される直前の運転条件で運転を続ける。
【００３６】
この駆動回路２０２は、運転条件テーブルの中から製品ガス取出流量Ｑ１に応じた１組の運転条件グループを選択し、その運転条件グループに従って制御信号を出力するものであることが好ましい。ここで、運転条件グループとは、複数個の運転条件が１組になったものをいい、運転条件テーブルとは、複数組の運転条件グループが１組になったものをいう。これにより、複数個の運転条件を、同時かつ段階的に変更することが可能となり、酸素濃縮装置の制御をさらに簡素なものとすることができる。運転条件テーブルは、２組以上の運転条件グループからなるものであれば特に限定されないが、３〜２０組の運転条件グループからなることが好ましく、３〜６組の運転条件グループからなることがより好適である。本例において、運転条件テーブルは、表１に示すように、３組の運転条件グループＧ１〜Ｇ３からなっている。運転条件グループＧ１〜Ｇ３には、コンプレッサー回転速度、吸着室切替圧力（上限値Ｐ０）、冷却ファン駆動電圧、上部均圧時間及び下部均圧時間が予め設定されている。運転条件グループＧ３は、製品ガス取出流量Ｑ１が多い場合に選択されるものであり、運転条件グループＧ１は、製品ガス取出流量Ｑ１が少ない場合に選択されるものである。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
続いて、図１を使用して、本発明の酸素濃縮装置の動作を、６ステップに分けて説明する。本発明の酸素濃縮装置は、以下の第１ステップ〜第６ステップを繰り返すことによって動作する。以下においては、説明の便宜上、酸素濃縮装置が起動されてから所定の時間が経過しているものとし、第１ステップの開始直後において、吸着室２０の内部圧力は大気圧近くにまで低下しており、また、吸着室２１の内部には酸素濃縮ガスが残留しているものとする。
【００３９】
第１ステップにおいては、吸着室１０が窒素吸着工程にあり、吸着室１１が窒素脱着工程にある。このとき、弁６０と弁６３は開いており、弁６１と弁６２と弁６４は閉じている。コンプレッサー４０によって圧縮された空気は、弁６０を介して吸着室１０へ送出された後、吸着室１０に収容された吸着剤で窒素が吸着され、吸着されなかった酸素が濃縮される。酸素が濃縮された空気（酸素濃縮ガス)は、吸着室１０の内部圧力が貯留タンク２０の内部圧力よりも高くなると、逆止弁７０を介して貯留タンク２０へ送出される。この酸素濃縮ガスは、製品ガスとして貯留タンク２０に一時的に蓄えられた後、患者へ供されることになる。またこのとき、吸着室１１の内部に残留しているガスは、吸着剤に吸着されていた窒素とともに、弁６３を介して大気に排出される。このため、吸着室１１に収容された吸着剤は、再び窒素を吸着できるようになる。吸着室１１の内部圧力は大気圧近くまで低下する。この後、吸着室圧力検知手段３１によって検知された吸着室１０の内部圧力が上限値Ｐ０に達すると、弁６４が開いて、吸着室１０と吸着室１１との上部均圧操作が開始され、第２ステップに移行する。
【００４０】
第２ステップにおいては、吸着室１０と吸着室１１の上部均圧操作が行われる。このとき、弁６０と弁６３と弁６４は開いており、弁６１と弁６２は閉じている。この上部均圧操作によって、吸着室１０の上部に残留していた酸素濃度の比較的高い酸素濃縮ガスは、弁６４を介して吸着室１１の上部へ移送される。このため、吸着室１１は、第４ステップの窒素吸着工程が開始された際に、酸素濃縮ガスを貯留タンク２０へ速やかに送出することが可能となる。この上部均圧操作において、弁６３は閉じていてもよいが、吸着室１０の上部に残っていた酸素濃縮ガスを、吸着室１１の上部へ短時間で大量に移送したい場合には、弁６３を開いていた方が、吸着室１１の内部圧力の上昇が少ないために有利である。この後、所定の時間ΔＴ３が経過すると、弁６２が開くと同時に弁６３が閉じられて、吸着室１０と吸着室１１との下部均圧操作が開始され、第３ステップに移行する。
【００４１】
第３ステップにおいては、吸着室１０と吸着室１１の下部均圧操作が行われる。また、上部均圧操作も引き続き行われる。このとき、弁６０と弁６２と弁６４は開いており、弁６１と弁６３は閉じている。この下部均圧操作によって、吸着室１０の下部に残留していた酸素濃度が空気に比較的近い酸素濃縮ガスは、弁６０と弁６２とを介して吸着室１１の下部へ移送される。このため、第４ステップの窒素吸着工程を、吸着室１１の内部圧力が予め高められた状態で開始させることが可能となり、コンプレッサー４０の空気送出流量を少なくすることができる。この後、所定の時間ΔＴ４が経過すると、弁６１が開くと同時に弁６０と弁６４とが閉じられて、吸着室１０と吸着室１１の上部均圧操作と下部均圧操作が同時に終了し、吸着室１１の窒素吸着工程が開始され、第４ステップに移行する。
【００４２】
第４ステップにおいては、吸着室１０が窒素脱着工程にあり、吸着室１１が窒素吸着工程にある。このとき、弁６１と弁６２は開いており、弁６０と弁６３と弁６４は閉じている。コンプレッサー４０によって圧縮された空気は、弁６２を介して吸着室１１へ送出された後、吸着室１１に収容された吸着剤で窒素が吸着され、吸着されなかった酸素が濃縮される。酸素が濃縮された空気（酸素濃縮ガス)は、逆止弁７１を介して貯留タンク２０に送出される。また、これと同時に、吸着室１０に残留していたガスは、吸着剤に吸着されていた窒素とともに、弁６１を介して大気に排出される。その他の詳細部については、第１ステップで説明したものと同様である。この後、吸着室圧力検知手段３１によって検知された吸着室１１の内部圧力が上限値Ｐ０に達すると、弁６４が開いて、吸着室１０と吸着室１１との上部均圧操作が開始され、第５ステップに移行する。
【００４３】
第５ステップにおいては、吸着室１０と吸着室１１の上部均圧操作が行われる。このとき、弁６１と弁６２と弁６４は開いており、弁６０と弁６３は閉じている。この上部均圧操作によって、吸着室１１の上部に残留していた酸素濃度の比較的高いガスは、弁６４を介して吸着室１０の上部へ移送される。この上部均圧操作において、弁６１を開いていた方が有利なのは、第２ステップにおける弁６３の場合と同様であり、その他の詳細部についても、第２ステップで説明したものと同様である。この後、所定の時間ΔＴ３が経過すると、弁６０が開くと同時に弁６１が閉じられて、吸着室１０と吸着室１１の下部均圧操作が開始され、第６ステップに移行する。
【００４４】
第６ステップにおいては、吸着室１０と吸着室１１の下部均圧操作が行われる。また、上部均圧操作も引き続き行われる。このとき、弁６０と弁６２と弁６４は開いており、弁６１と弁６３は閉じている。この下部均圧操作によって、吸着室１１の下部に残留していた酸素濃度が空気に比較的近いガスは、弁６２と弁６０とを介して吸着室１０の下部へ移送される。その他の詳細部については、第３ステップで説明したものと同様である。この後、所定の時間ΔＴ４が経過すると、弁６３が開くと同時に弁６２と弁６４とが閉じられて、吸着室１０と吸着室１１の上部均圧操作と下部均圧操作が同時に終了し、吸着室１０の窒素吸着工程が開始され、再び第１ステップに移行する。
【００４５】
第１ステップ〜第６ステップにおいて、コンプレッサー４０の空気送出流量は、圧力減少速度αが速くなるにつれて多く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて少なく変更される。また、第１ステップ〜第６ステップにおいて、冷却ファン５０の回転速度は、圧力減少速度αが速くなるにつれて速く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて遅く変更される。これにより、酸素濃縮装置の消費電力や騒音を低減することが可能となっている。
【００４６】
さらに、第１ステップと第４ステップにおいて、上限値Ｐ０は、圧力減少速度αが速くなるにつれて高く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて低く変更される。これにより、実際の製品ガスの取出流量に適した効率のよい圧力で、酸素を濃縮することが可能となる。さらにまた、第２ステップと第５ステップにおいて、時間ΔＴ３（上部均圧時間）は、圧力減少速度αが速くなるにつれて長く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて短く変更され、第３ステップと第６ステップにおいて、時間ΔＴ４（下部均圧時間）は、圧力減少速度αが速くなるにつれて長く変更され、圧力減少速度αが遅くなるにつれて短く変更される。これにより、実際の製品ガスの取出流量に適した効率のよい均圧時間を採用して、酸素を濃縮することが可能となる。
【００４７】
本発明の酸素濃縮装置は、様々な分野に使用可能なものあるが、なかでも、喘息や気管支炎などの呼吸器系の疾患に苦しむ患者の治療に使用される医療用の酸素濃縮装置として好適である。とくに、在宅医療に使用される小型のものとして好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の酸素濃縮装置の空気回路を示した模式図である。
【図２】制御基板の構成を示した模式図である。
【図３】貯留タンクの内部圧力の変化を示した模式図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０、１１  吸着室  
２０  貯留タンク
３０  貯留タンク圧力検知手段
３１  吸着室圧力検知手段
４０  コンプレッサー
５０  冷却ファン
６０〜６４  二方弁  
７０〜７２  逆止弁
８０  減圧弁
９０  オリフィス
１００  取出流量設定手段
１１０  吸入フィルター
１２０  サイレンサー
１３０  加湿器
２００  制御基盤
２０１  換算回路
２０２  駆動回路
２０３  比較回路
２１０  警報手段
【図１】
2005058469.tif 000004
【図２】
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【図３】
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