(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する吸着剤を充填した吸着筒と該吸着筒に空気を供給する為の電動機駆動の空気圧縮手段を備えた酸素濃縮装置において、該電動機が商用交流電源を使用する誘導電動機であり、該商用交流電源の電圧を検出する電圧検出手段、位相制御整流手段、インバータ手段を備え、該電圧検出手段の結果に基づいて、該インバータ手段によるパルス電圧のパルス幅を制御するパルス幅変調調節手段を備えると共に、
該パルス幅変調調節手段が、誘導電動機に供給する電力を一定になるようにモジュレーションを制御する手段であり、複数のモジュレーション／周波数カーブによってトルクが一定となるようにパルス幅を制御することで該誘導電動機を制御すると共に、該電圧検出手段が所定電圧よりも低い電圧値を検出した場合、該モジュレーション／周波数カーブを切り換え、該誘導電動機が過負荷による停止を防止するように制御する手段である事を特徴とする酸素濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気中から酸素を分離し濃縮する医療用の酸素濃縮装置に関する。更に詳細には、酸素濃縮装置の気体圧縮手段（以後、コンプレッサとも称す）用の電動機を制御する事により、使用者に対して安定した濃度、流量で酸素濃縮空気を供給する事が出来る酸素濃縮装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎などの呼吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向があるが、その最も効果的な治療法の一つとして酸素吸入療法があり、空気中から酸素濃縮気体を直接分離する酸素濃縮装置が開発され、使用時の利便性、保守管理の容易さから酸素吸入療法用の治療装置として、次第に普及するようになってきている。
【０００３】
かかる酸素濃縮装置として、窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を１個或いは、複数の吸着床に充填した吸着型酸素濃縮装置が知られ、中でも空気供給手段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多用されている。かかる装置は、通常、窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した１個或いは複数の吸着床にコンプレッサから圧縮空気を供給して加圧状態で窒素を吸着させることにより酸素濃縮気体を得る吸着工程と、吸着床の内圧を減少させて窒素を脱着させ吸着剤の再生を行う脱着工程を一定サイクルで繰り返し行い、更に必要に応じて、脱着工程終了直前に、既に生成した乾燥酸素濃縮気体を一部逆流させ再生効率の向上と昇圧を目的とする均圧工程を加えて、順次一定サイクルで行うことにより酸素濃縮気体を得る装置である。
【０００４】
近年、半導体集積技術の飛躍的進歩により信頼性の高い小型インバータが汎用化している。インバータは電圧と周波数を制御することでトルク一定での回転数制御が行えることにより比較的安価な誘導モータを用いて精度の高いプロセス制御機器が実現でき、現在、広く実用化されている。
【０００５】
一方、在宅医療分野において適用される機器は商用交流電源で使用するものが殆どであるが、一般家庭用電源にて使用できるインバータが汎用的でないこと、またそのために開発コストが高くなることやインバータ機器は高調波ノイズを発生しやすいなどの理由によりインバータが使用されることは少なかった。そのため、現在まで在宅などで使用される医療用酸素濃縮装置に使用されているコンプレッサは、全て商用交流電源により直接誘導モータを駆動する方式である。
【０００６】
しかし、最近のＥＭＣ対策技術の進歩により、インバータ使用時においても医療規格を充分満足できるようになり、インバータ機器を組み込んだ酸素濃縮装置を製作できるようになってきた。かかる技術を利用して、５０Hz,６０Hzの地域による周波数の違いの問題を解決する為、交流電源を直流化し更に交流に変換するインバータ搭載の酸素濃縮装置も考えられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
通常、患者が吸入に必要な酸素量は症状により異なり、インバータを使用しない従来の直接駆動方式ではコンプレッサを一定回転数でしか運転できず、濃縮した酸素の内の必要な酸素量のみを供給し、不要分は無駄に大気中へ放出していた。また、従来のインバータ搭載の酸素濃縮装置も、商用交流電源の周波数問題を解消するのみであり、使用する電源の電圧変動がもたらす問題については何ら対策がなく、誘導モータの回転数やトルクが変動するなどの不具合が発生するなど、安定性において大きな問題があった。
【０００８】
本発明はかかる状況を鑑みてなされたもので、電源電圧変動が発生する場合においても安定して所定の設定流量を供給できるコンプレッサ用誘導モータ制御を目的としたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者はかかる問題に対して鋭意検討した結果、以下の酸素濃縮装置を見出した。すなわち本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒と該吸着筒に空気を供給する為の電動機駆動の空気圧縮手段を備えた酸素濃縮装置において、該電動機が商用交流電源を使用する誘導電動機であり、該商用交流電源の電圧を検出する手段、位相制御整流手段、インバータ手段を備え、該電圧検出手段の結果に基づいて、該インバータ手段によるパルス電圧のパルス幅を制御するパルス幅変調調節手段を備える事を特徴とする医療用酸素濃縮装置を提供するものである。
【００１０】
また本発明は、かかるパルス幅変調調節手段が、誘導電動機に供給する電力を一定になるようにモジュレーションを制御する手段である事を特徴とする医療用酸素濃縮装置を提供するものである。
【００１１】
また本発明は、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と該吸着筒に空気を供給する為の電動機駆動の空気圧縮手段を備えた酸素濃縮装置において、該電動機が直流電動機であり、直流電源の電圧を検出する手段を備え、該電圧検出手段の結果に基づいて、直流パルス電圧のパルス幅を制御するパルス幅変調調節手段を備える事を特徴とする医療用酸素濃縮装置、特にかかるパルス幅変調調節手段が、直流電動機に供給する電力を一定になるようにモジュレーションを制御する手段である事を特徴とする医療用酸素濃縮装置を提供するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の医療用酸素濃縮装置の概略図を図１に示す。かかる酸素濃縮装置１は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤として５A型ゼオライトを充填した吸着筒にコンプレッサ５により加圧空気を供給し、酸素濃度９０％の酸素濃縮ガスを取り出し、加湿器を経由して使用者である呼吸器疾患患者に３L/minで供給する１筒式の圧力変動吸着型酸素濃縮装置である。尚、吸着筒などの吸着型酸素濃縮装置の基本構成は、例えば特開平９−１８３６０１号公報などに記載のように公知の技術であり、本発明の特徴部分であるコンプレッサの制御部分のブロック図を図１に示す。
【００１３】
酸素濃縮装置１を駆動するための単相１００Ｖの商用交流電源２を使用し、単相の誘導モータ４によりコンプレッサ５を駆動させ、加圧空気を吸着筒に供給すると共に、単相誘導モータ４の回転を制御するインバータ３、交流電源を直流に変換する位相制御整流器７、電源の電圧値から所定の電力となるパルス幅設定値を演算してインバータ３に出力するためのパルス幅変調調節器６を備える。
【００１４】
酸素濃縮器１に用いる商用交流電源２は日本では単相１００Ｖで周波数に関しては地域別に５０Ｈｚと６０Ｈｚの２種類が存在する。誘導モータ４の回転に対し、この周波数の違いの影響を除去するため、インバータ３に内蔵される位相制御整流器を介し直流に変換する。
【００１５】
通常、誘導モータ４は、設定トルク毎のトルクが一定となる特性を表すＶ／Ｆカーブ（電圧／周波数曲線）という関係が成り立つように、設定回転数に対応した電圧と周波数を制御することにより駆動する。本発明の酸素濃縮装置のパルス幅変調調節器６では、整流後の直流電圧を検出し、図２に示すように、直流電圧のパルス幅変調時のモジュレーション（キャリア周波数をもつ三角波の波高値に対する出力設定周波数をもつ正弦波波高値の割合）と周波数との関係によりトルクが一定になるようにパルス幅を制御する。尚、本実施例で使用したキャリア周波数は１８ｋＨｚのものを使用した。
【００１６】
そして、図２に示すｕｓｅｒ＃１とｕｓｅｒ＃２の２種類のモジュレーション／周波数カーブによって、同一の誘導モータ４とコンプレッサ５を使用し、同一条件（吐出圧１．２ｋｇｆ／ｃｍ2、回転数１１７０ｒｐｍ）でコンプレッサを駆動させ、電源電圧をモータ定格電圧であるＡＣ１００Ｖから徐々に減少させてゆき、誘導モータ４が過負荷により停止する電源電圧を調べた。ｕｓｅｒ＃１の場合は、ＡＣ７９Ｖ、ｕｓｅｒ＃２の場合はＡＣ７４．５Ｖでコンプレッサが停止した。これにより、電源電圧が低下した場合には、例えばｕｓｅｒ＃１からｕｓｅｒ＃２のモジュレーション／周波数カーブに切り換え、誘導モータ４に供給する電力が一定になるようモジュレーションを制御することにより、電源電圧変動に影響を受けにくい制御システムを備えたコンプレッサ、及びそれを搭載した酸素濃縮装置を提供する事が可能となる。
【００１７】
一方、直流電源、直流モータを使用した場合についても、同様の効果を有する酸素濃縮装置を実現する事が可能となる。即ち、その直流電圧を検出して、例えば電圧が下がった場合には、同様にモジュレーションを上げて、モータ消費電力が一定になるように制御することにより、電源電圧変動に影響を受けにくい制御システムが実現できる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は、上述の如く、酸素濃縮器のコンプレッサ用モータを周波数の違いや電圧変動が発生する場合においても、コンプレッサから安定して所定の設定流量の空気を供給できるものであり、また患者ごとに必要な所定の酸素量を設定して供給できることから、無駄にコンプレッサを駆動させることがなく、省電力にもなることからコンプレッサの制御方法においてその効果は顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の医療用酸素濃縮装置の内部構成のブロック図である。
【図２】モジュレーション／周波数カーブを表すグラフである。
【符号の説明】
１  酸素濃縮器
２  商用交流電源
３  インバータ
４  誘導電動機
５  コンプレッサ
６  パルス幅変調調節器
７  位相制御整流器
【図１】
0004486265.tif 000002
【図２】
0004486265.tif 000003