JP2003126260A - Oxygen-concentrating device for medical treatment - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pressure depending adsorption oxygen-concentrating device which is approximately equivalent to the conventional device regardless of the frequencies of commercial power sources, and increase the efficiency of oxygen concentration by optimizing the operating conditions, and save the electricity consumption. SOLUTION: This pressure depending adsorption oxygen concentrating device for medical treatment is equipped with a plurality of adsorption beds, an air-feeding means, an oxygen-feeding means, and a rotary valve. In the plurality of adsorption beds, an adsorbent which adsorbs nitrogen with priority over oxygen is filled. The air-feeding means feeds a material air to the adsorption beds. The oxygen-feeding means feeds an oxygen-concentrated air generated from the adsorption beds to a user. The rotary valve periodically switches the cycle of the adsorption and the desorption-reproduction of the material air in the adsorption beds. Such a pressure depending adsorption oxygen concentrating device is also equipped with a flow rate- setting means which sets the flow rate of the oxygen-concentrated air which is fed to the user, and a control means. The control means simultaneously controls the amount of the material air to be fed to the adsorption beds, and the switching period of time for the switching valve, based on the set value by the flow rate setting means.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、空気中の酸素を分
離し使用者に供給する酸素濃縮装置に関する。更に詳細
には慢性呼吸器疾患患者などに対して行なわれる酸素吸
入療法に使用する医療用酸素濃縮装置であり、酸素より
も窒素を優先的に吸着する吸着剤を用いた圧力変動吸着
型の酸素濃縮器に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen concentrator for separating oxygen in air and supplying it to a user. More specifically, it is a medical oxygen concentrator used for oxygen inhalation therapy performed for patients with chronic respiratory diseases, and pressure fluctuation adsorption oxygen using an adsorbent that preferentially adsorbs nitrogen over oxygen. It relates to a concentrator.

【０００２】[0002]

【従来の技術】近年、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等
の呼吸器系器官の疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあ
るが、その治療法として最も効果的なもののひとつに酸
素吸入療法がある。かかる酸素吸入療法とは、酸素ガス
あるいは酸素富化空気を患者に吸入させるものである。
その供給源として、酸素濃縮装置、液体酸素、酸素ガス
ボンベ等が知られているが、使用時の便利さや保守管理
の容易さから、在宅酸素療法には酸素濃縮装置が主流で
用いられている。2. Description of the Related Art Recently, the number of patients suffering from diseases of respiratory organs such as asthma, emphysema, and chronic bronchitis has been increasing. One of the most effective treatments is oxygen inhalation therapy. . Such oxygen inhalation therapy is to inhale oxygen gas or oxygen-enriched air into a patient.
As a supply source thereof, an oxygen concentrator, liquid oxygen, an oxygen gas cylinder, etc. are known, but the oxygen concentrator is mainly used for home oxygen therapy because of convenience in use and easy maintenance.

【０００３】酸素濃縮装置は空気中の約２１％の酸素を
濃縮して供給する装置で、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、本発明は圧力変動吸着型酸素濃縮装
置について改善を加えようとするものである。An oxygen concentrator is a device that concentrates and supplies about 21% oxygen in the air, and a membrane oxygen concentrator using a membrane that selectively permeates oxygen, and nitrogen or oxygen are given priority. Although there is a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrating device using an adsorbent capable of adsorbing to the above, the present invention intends to improve the pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrating device.

【０００４】従来の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の主な
ものには、コンプレッサを用いた圧力変動吸着型酸素濃
縮装置がある。かかる装置は通常、窒素を優先的に吸着
し得る吸着剤を充填した吸着床にコンプレッサで加圧し
た圧縮空気を導入し、加圧状態で窒素を吸着することに
より酸素濃縮気体を得る吸着工程と、吸着床内の圧力を
減じて吸着床の再生を行う脱着工程を交互に行うことに
より酸素濃縮気体を得るものである。The main pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator of the prior art is a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator using a compressor. Such an apparatus usually has an adsorption step of introducing compressed air compressed by a compressor into an adsorption bed filled with an adsorbent capable of preferentially adsorbing nitrogen, and adsorbing nitrogen under pressure to obtain an oxygen-enriched gas. The oxygen-enriched gas is obtained by alternately performing the desorption process of reducing the pressure in the adsorption bed to regenerate the adsorption bed.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】在宅酸素療法において
は、酸素濃縮装置は、ほぼ毎日24時間運転されることが
多く、安全性や信頼性はもちろんのこと、小型で、電気
代が少なくてすむ低消費電力型の装置が望まれている。
一般に酸素濃縮装置の電力の大半はコンプレッサが費や
しており、空気圧縮量を抑えてコンプレッサの仕事を減
らすことが装置全体の電力低減に非常に有効である。さ
らに最小限の原料空気量で必要な酸素濃度を得るには、
吸脱着のサイクルタイムの適切な選択が欠かせない。特
に在宅酸素療法用の酸素濃縮装置は、数秒から十数秒の
比較的短時間の吸着工程を採用していることが多く、吸
脱着のサイクルタイムが性能に影響しやすい。In home oxygen therapy, the oxygen concentrator is often operated almost every day for 24 hours, and it is safe and reliable, and it is compact and requires little electricity bill. A device of low power consumption type is desired.
Generally, most of the electric power of the oxygen concentrator is consumed by the compressor, and it is very effective to reduce the work of the compressor by suppressing the air compression amount. To obtain the required oxygen concentration with a minimum amount of raw material air,
Proper selection of adsorption and desorption cycle times is essential. In particular, oxygen concentrators for home oxygen therapy often employ a relatively short adsorption step of several seconds to ten and several seconds, and the adsorption / desorption cycle time tends to affect the performance.

【０００６】吸着筒が複数の場合、特に６本や１２本と
いった多筒式の場合には流路の切り替えには２方弁や５
方弁などの組合せ弁を使用すると流路や弁開閉の制御が
複雑となり信頼性の面で不利益となり、この点を解消す
る為にロータリーバルブが用いられる。しかしロータリ
ーバルブはモータの回転で切り替えを行なう為、コンプ
レッサのモータと同様に周波数の影響を受ける。In the case of a plurality of adsorption cylinders, especially in the case of a multi-cylinder type such as 6 or 12 cylinders, a two-way valve or 5 is used for switching the flow path.
If a combination valve such as a one-way valve is used, control of the flow passage and valve opening / closing becomes complicated, which is disadvantageous in terms of reliability, and a rotary valve is used to eliminate this point. However, since the rotary valve is switched by the rotation of the motor, it is affected by the frequency like the motor of the compressor.

【０００７】在宅酸素療法に用いられる圧力変動吸着型
酸素濃縮装置は、通常一般家庭の商用電源からその動力
を供給できるように設計されている。そのため、わが国
のように商用電源周波数が50Hzと60Hzの地域に分かれて
いることは、酸素濃縮装置の供給において重要な問題と
なっている。特に、空気圧縮手段や吸着システムのサイ
クルタイムを制御する切り替え弁手段が交流モータによ
り駆動している場合、電源周波数の違いによってモータ
の回転数が異なるため、同一機種でも運転条件が異なり
性能に差異が生じる。従って同一機種で同時に最適運転
条件を実現することができず、例えばいずれかの電源周
波数に対して最適な条件を定めても、別の電源周波数帯
では酸素濃度の低下や消費電力の上昇が懸念される。も
ちろん電源周波数50Hz用と60Hz用の機台分けを行うこと
も有用であるが、装置の管理が煩雑であり、またコスト
アップの要因にもなり得る。The pressure swing adsorption type oxygen concentrator used for home oxygen therapy is usually designed so that it can be supplied with power from a commercial power source for general households. For this reason, the fact that the commercial power frequency is divided into regions of 50 Hz and 60 Hz as in Japan is an important issue in the supply of oxygen concentrators. In particular, when the switching valve means that controls the cycle time of the air compression means or adsorption system is driven by an AC motor, the rotation speed of the motor will differ due to the difference in the power supply frequency, so the operating conditions will differ and the performance will differ even for the same model. Occurs. Therefore, it is not possible to realize optimum operating conditions at the same time with the same model. For example, even if optimum conditions are set for any power supply frequency, there is a concern that oxygen concentration will decrease and power consumption will increase in another power supply frequency band. To be done. Of course, it is also useful to separate the power supply frequency for 50 Hz and 60 Hz, but the management of the device is complicated, and it may cause a cost increase.

【０００８】さらにモータの回転数が商用電源によって
決まる場合、製品ガスの設定流量によらず常に同じ運転
条件で駆動するため、濃縮酸素1L供給時も3L供給時も同
程度の電力を必要とした。しかし通常吸着システムの最
適運転条件は製品ガスの流量によって異なり、運転条件
を詳細に設定できるか否かが効率的な酸素濃縮の鍵とな
っている。Further, when the number of rotations of the motor is determined by the commercial power source, the motor is always driven under the same operating condition irrespective of the set flow rate of the product gas. . However, the optimum operating conditions of the adsorption system usually differ depending on the flow rate of the product gas, and whether or not the operating conditions can be set in detail is the key to efficient oxygen concentration.

【０００９】上記のような問題を解決する手段として、
空気圧縮手段をインバータ制御する方法が行われてきた
（特開平5-329321号公報、特開2001-179030号公報）。
すなわち出力周波数を任意に設定できるインバータによ
り、原料空気量を任意の条件に応じて制御するものであ
る。しかし吸着システムのサイクルタイムを併せて制御
する手法はなく、50Hz、60Hz両用機台での高効率化およ
び電力低減化にはさらなる技術改良の余地がある。As a means for solving the above problems,
Inverter control of air compression means has been performed (Japanese Patent Laid-Open Nos. 5-329321 and 2001-179030).
That is, the amount of raw material air is controlled according to an arbitrary condition by an inverter whose output frequency can be arbitrarily set. However, there is no method to control the cycle time of the adsorption system at the same time, and there is room for further technological improvements to improve efficiency and reduce power consumption at both 50Hz and 60Hz machine bases.

【００１０】本発明は、商用電源周波数が50Hz、60Hzの
いずれの地域での使用においても、同一機種でほぼ同等
の運転条件または性能を有する圧力変動吸着型酸素濃縮
装置を提供し、さらに運転条件の最適化による酸素濃縮
の効率向上と装置の電力低減を目的としている。The present invention provides a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator having substantially the same operating condition or performance in the same model, even when used in any area where the commercial power supply frequency is 50 Hz or 60 Hz. The objective is to improve the efficiency of oxygen enrichment and reduce the power consumption of the device by optimizing.

【００１１】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明者は、かかる問題
点を解決するために鋭意研究した結果、圧力変動吸着型
酸素濃縮装置において、コンプレッサおよび吸脱着工程
の周期的切り替え弁手段の駆動に用いているそれぞれの
モータをインバータで制御することにより、使用する商
用電源周波数によらず、コンプレッサから吸着床への圧
縮空気流量および吸着システムのサイクルタイムを任意
に制御できることを見出し、本発明に到達した。特にコ
ストアップおよび部品点数の増加を避けるため、一台の
インバータの出力でコンプレッサと切り替え弁手段のモ
ータを同時に制御することを特徴とする。適切なギアの
モータを選択することにより、圧縮空気導入量およびサ
イクルタイムの最適な条件設定を同時に満たすことも容
易に可能である。As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has found that in a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator, the compressor and the periodic switching valve means for the adsorption / desorption process are driven. By controlling each motor used by an inverter, it was found that the flow rate of compressed air from the compressor to the adsorption bed and the cycle time of the adsorption system can be arbitrarily controlled regardless of the commercial power frequency used, and the present invention was reached. did. In particular, in order to avoid an increase in cost and an increase in the number of parts, it is characterized in that the compressor and the motor of the switching valve means are controlled simultaneously by the output of one inverter. By selecting an appropriate gear motor, it is possible to easily satisfy the optimum condition settings of the compressed air introduction amount and the cycle time at the same time.

【００１２】さらにインバータの出力を製品ガスの各流
量に対してそれぞれ設定することにより、吸着床への空
気供給量と、各流量における吸着システムのサイクルタ
イムの最適条件での運転を行うことができる。従って全
流量で同じ運転条件を採用してきた従来の酸素濃縮装置
に比べ、高効率で電力低減効果の高い酸素濃縮装置の供
給が可能となる。Further, by setting the output of the inverter for each flow rate of the product gas, the operation can be performed under the optimum conditions of the air supply amount to the adsorption bed and the cycle time of the adsorption system at each flow rate. . Therefore, it is possible to supply an oxygen concentrator having a high efficiency and a high power reduction effect as compared with the conventional oxygen concentrator that has adopted the same operating condition at all flow rates.

【００１３】すなわち本発明は、酸素よりも窒素を優先
的に吸着する吸着剤を充填した少なくとも1個の吸着床
と、該吸着床に圧縮空気を供給するための空気圧縮手段
と、該吸着床への原料空気の供給および該吸着床の再生
などの吸着システムのサイクルを周期的に切り替える切
り替え弁手段とを有する圧力変動吸着型の酸素濃縮器に
おいて、該空気圧縮手段と該切り替え弁手段とを、1台
のインバータ手段の出力で同時に制御することを特徴と
する酸素濃縮器を提案するものである。That is, according to the present invention, at least one adsorption bed filled with an adsorbent that preferentially adsorbs nitrogen over oxygen, air compression means for supplying compressed air to the adsorption bed, and the adsorption bed. In a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator having a switching valve means for periodically switching the cycle of an adsorption system such as supply of raw material air to the adsorption bed and regeneration of the adsorption bed, the air compression means and the switching valve means are provided. , An oxygen concentrator characterized by being controlled simultaneously by the output of one inverter means.

【００１４】かかる本発明には、該インバータ手段が、
各製品ガス流量に対して予め定められた出力をするよう
に設定されている酸素濃縮装置が含まれる。さらに本発
明には、該インバータ手段の出力が、該コンプレッサ手
段を駆動させるよりも一定時間早く、または遅く、該切
り替え弁手段の駆動を開始または停止させるようなシス
テムとなっている酸素濃縮装置が含まれる。According to the present invention, the inverter means is
An oxygen concentrator is included that is set to provide a predetermined output for each product gas flow rate. Further, according to the present invention, there is provided an oxygen concentrating device having a system in which the output of the inverter means is earlier or later than the driving of the compressor means by a certain time, and the driving of the switching valve means is started or stopped. included.

【００１５】本発明による圧力変動吸着型酸素濃縮装置
は、商用周波数の異なる地域での使用においても、同一
機種においてほぼ同一の運転条件あるいは性能を実現で
き、機器の管理を容易にするものである。さらに各製品
ガス流量に対し、吸着床に供給する圧縮空気量および吸
着のサイクルタイムを任意に設定できるため、各流量で
の最適運転条件を実現することによる性能・効率の向上
と、低流量運転時の大幅な省エネ効果が期待できる。The pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator according to the present invention can realize substantially the same operating conditions or performances in the same model even when used in regions having different commercial frequencies, and facilitates the management of the device. . Furthermore, since the amount of compressed air supplied to the adsorption bed and the adsorption cycle time can be set arbitrarily for each product gas flow rate, performance and efficiency are improved by realizing optimum operating conditions at each flow rate, and low flow rate operation is achieved. You can expect a great energy saving effect.

【００１６】[0016]

【発明の実施の形態】以下に本発明の具体的実施例につ
いて説明する。酸素よりも窒素を優先的に吸着するゼオ
ライト系の吸着剤を充填した吸着床と、該吸着床に圧縮
空気を供給するコンプレッサと、該吸着床で濃縮された
酸素濃縮気体を貯留しておくためのサージタンクと、患
者に供給する酸素濃縮空気の流量を設定する流量設定手
段を有し、該吸着床における原料空気の吸着及び脱着再
生のサイクルを周期的に切り替える切り替え弁を備えた
圧力変動吸着型の酸素濃縮装置を製造した。図1は、本
発明の酸素濃縮装置の概要を示す図である。なお本実施
例では2本の吸着床を用いたが、この吸着床は1本でも可
能であるが、２本以上、６本、１２本といった多数の吸
着床を備えた酸素濃縮装置に適用できる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Specific embodiments of the present invention will be described below. To store an adsorption bed filled with a zeolite-based adsorbent that preferentially adsorbs nitrogen over oxygen, a compressor that supplies compressed air to the adsorption bed, and an oxygen-enriched gas concentrated in the adsorption bed Pressure surge adsorption device having a surge tank and a flow rate setting means for setting the flow rate of oxygen-enriched air supplied to the patient, and provided with a switching valve that periodically switches the adsorption and desorption regeneration cycle of the raw material air in the adsorption bed. Type oxygen concentrator was manufactured. FIG. 1 is a diagram showing an outline of an oxygen concentrator of the present invention. Although two adsorption beds were used in this example, one adsorption bed is possible, but it can be applied to an oxygen concentrator equipped with a large number of adsorption beds such as two or more, six or twelve. .

【００１７】図1において、流量設定手段の設定値を設
定流量検知手段13により検知し、インバータ出力制御基
板14に制御信号を出力する。インバータ出力制御基板14
は、コンプレッサ4と切り替え弁手段3が設定流量に基づ
いて予め設定された回転数となるよう、交流電源6の周
波数をインバータ5により変換して出力させる。コンプ
レッサおよび切り替え弁手段の駆動には、いずれも単相
100V入力のモータを用いた。またモータを駆動するイン
バータは、入出力ともに単相100Vのものを用いた。In FIG. 1, the set value of the flow rate setting means is detected by the set flow rate detecting means 13, and a control signal is output to the inverter output control board 14. Inverter output control board 14
The inverter 4 converts the frequency of the AC power supply 6 and outputs it so that the compressor 4 and the switching valve means 3 have a preset rotation speed based on the set flow rate. Both single-phase drive for the compressor and switching valve means
A 100V input motor was used. The inverter that drives the motor was a single-phase 100V input and output.

【００１８】予め実験により、製品ガスの流量に対し
て、必要な濃度の酸素濃縮ガスを少ない電力で効率よく
得るためのコンプレッサおよび切り替え弁手段のモータ
回転数を設定する。この回転数を得るに必要な駆動周波
数を求め、検知された製品ガス流量の設定値に応じた周
波数をインバータに出力させる。この際、コンプレッサ
と切り替え弁手段のモータを同一の周波数で駆動させる
ため、同時に目的とする回転数を得られるようなモータ
を選択しておくことが好ましい。各製品ガス流量に対し
てインバータの出力周波数を設定したときの消費電力の
測定結果を表1に示す。流量ごとにインバータの出力周
波数を変えることでにより、高効率となり、電力を大き
く低減することができた。By experiments, the motor rotation speeds of the compressor and the switching valve means for efficiently obtaining the oxygen-enriched gas of the required concentration with a small amount of electric power are set with respect to the flow rate of the product gas. The drive frequency required to obtain this rotation speed is obtained, and the frequency corresponding to the detected set value of the product gas flow rate is output to the inverter. At this time, since the compressor and the motor of the switching valve means are driven at the same frequency, it is preferable to select a motor that can obtain a target rotation speed at the same time. Table 1 shows the measurement results of power consumption when the inverter output frequency is set for each product gas flow rate. By changing the output frequency of the inverter for each flow rate, high efficiency was achieved and power could be greatly reduced.

【００１９】[0019]

【表１】 [Table 1]

【００２０】本発明により、製品ガス流量ごとに圧縮空
気の供給量を設定することにより、必要な濃度の酸素濃
縮ガスを効率良く供給することができ、高性能で低流量
設定時の省エネ効果の高い医療用酸素濃縮器を提供する
ことができた。さらに吸着床への圧縮空気供給手段の電
動機と吸脱着を切り替える切り替え弁手段の電動機をイ
ンバータで同時に制御することにより、商用電源周波数
の異なる地域での使用においても、同一機種でほぼ同一
の運転条件あるいは性能を供給する圧力変動吸着型酸素
濃縮装置を実現することができた。これにより電源周波
数に対する機台分けの必要がなくなり、機器の管理が容
易となった。According to the present invention, by setting the amount of compressed air supplied for each product gas flow rate, it is possible to efficiently supply the oxygen-enriched gas of the required concentration, and the energy saving effect at the time of high performance and low flow rate setting is achieved. It was possible to provide a high medical oxygen concentrator. Furthermore, by simultaneously controlling the electric motor of the compressed air supply means to the adsorption bed and the electric motor of the switching valve means that switches between adsorption and desorption with the inverter, even when used in regions with different commercial power supply frequencies, the same model and almost the same operating conditions are used. Alternatively, it was possible to realize a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator that supplies performance. As a result, it is not necessary to divide the power supply frequency into different machines, which makes it easier to manage the equipment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の酸素濃縮装置の概要を示した概略図。FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of an oxygen concentrator of the present invention.

【符号の説明】 １．吸着床A ２．吸着床B ３．切り替え弁手段 ４．コンプレッサ ５．インバータ ６．加湿器 ７．自動開閉弁手段 ８．チェックバルブA ９．チェックバルブB １０．サージタンク １１．減圧弁 １２．流量設定手段 １３．設定流量検知手段 １４．インバータ出力制御基板[Explanation of symbols] 1. Adsorption bed A 2. Adsorption bed B 3. Switching valve means 4. compressor 5. Inverter 6. humidifier 7. Automatic opening / closing valve means 8. Check valve A 9. Check valve B 10. Surge tank 11. Pressure reducing valve 12. Flow rate setting means 13. Set flow rate detection means 14. Inverter output control board

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着
剤を充填した複数の吸着床と、該吸着床に原料空気を供
給する空気供給手段と、該吸着床から生成した酸素濃縮
空気を使用者に供給する酸素供給手段、該吸着床に於け
る原料空気の吸着及び脱着再生のサイクルを周期的に切
り替えるロータリーバルブを備えた圧力変動吸着型の酸
素濃縮装置において、使用者に供給する酸素濃縮空気の
流量を設定する流量設定手段を備え、該流量設定手段の
設定値に基づいて該吸着床に供給する原料空気の量及び
該切り替え弁の切り替え時間を同時に制御する制御手段
を備えることを特徴とする医療用酸素濃縮装置。1. A plurality of adsorbent beds filled with an adsorbent that preferentially adsorbs nitrogen over oxygen, air supply means for supplying raw material air to the adsorbent beds, and oxygen-enriched air generated from the adsorbent beds. Oxygen supplied to the user in a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator equipped with an oxygen supply means for supplying the user, and a rotary valve for periodically switching the cycle of adsorption and desorption regeneration of the raw material air in the adsorption bed. A flow rate setting means for setting the flow rate of the concentrated air, and a control means for simultaneously controlling the amount of raw material air supplied to the adsorption bed and the switching time of the switching valve based on the set value of the flow rate setting means. Characteristic medical oxygen concentrator. 【請求項２】 該制御手段が、該空気供給手段と該切り
替え弁手段の電動機を制御する手段であり、インバータ
手段の出力で両者を同時に制御する手段であることを特
徴とする請求項１記載の医療用酸素濃縮装置。2. The control means is means for controlling the electric motors of the air supply means and the switching valve means, and is means for simultaneously controlling both by the output of the inverter means. Medical oxygen concentrator. 【請求項３】 該インバータ手段が、該流量設定手段の
各設定値に対して、予め定められた出力をする手段であ
ることを特徴とする請求項1、２記載の医療用酸素濃縮
装置。3. The medical oxygen concentrator according to claim 1, wherein said inverter means is means for outputting a predetermined output for each set value of said flow rate setting means.