JP3723478B2 - 濃縮酸素供給装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸着剤により空気中の窒素を吸着して酸素富化空気を生成する濃縮酸素供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ゼオライト等の吸着剤を吸着塔内に封入し、この吸着塔内に空気を通して吸着剤により窒素を吸着することで、空気中の酸素濃度を上げ酸素富化空気を生成しカニューラ等の酸素吸入装置に供給する濃縮酸素供給装置が知られている。
【０００３】
係る吸着剤は、空気中の窒素ガス分子を選択的に捕まえる圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）により窒素を吸着するものであり、この圧力スイング吸着法は、吸着剤に空気を圧送して空気中の窒素を吸着させ、一定期間の窒素吸着を行った後は、吸着した窒素を吸着剤から分離放出し、これら吸着と分離とを繰り返しながら酸素富化空気を生成するものである。
【０００４】
前記濃縮酸素供給装置には配管経路が形成され、この配管経路には、並列につないだ少なくとも２つの吸着塔と、これら吸着塔に空気を圧送するための能力一定のエアコンプレッサとを備え、窒素を吸着する吸着行程と、飽和した窒素を分離して放出する分離行程とを交互に行なっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記濃縮酸素供給装置は、吸着塔の下流側の配管経路に流量設定器を設け、酸素吸入装置から吐出する酸素富化空気の吐出量を設定している。そして、この装置の稼動中は、エアコンプレッサを常時稼動させているため、流量設定器の設定量を少なく設定した場合でも、設定量を最大にした場合と同じ電力量を消費しており、流量設定器の設定量に関係なく一定の電力を消費していた。このため、流量設定器の設定量に見合った（設定量が少ないときには消費電力量も少なくする）消費電力になるような制御が望まれていた。
【０００６】
本発明は係る従来の課題を解消するためになされたものであり、空気中の窒素を吸着・分離可能な吸着剤が封入された吸着塔と、これら吸着塔に空気を圧送するためのエアコンプレッサと、吸着塔の下流側への酸素富化空気の吐出量を設定する流量設定器とを備え、前記流量設定器で設定される酸素富化空気の設定量に応じた消費電力で稼動する濃縮酸素供給装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、空気中の窒素を吸着・分離可能な吸着剤が封入された複数の吸着塔を並列に接続した複数の吸着塔群と、これら吸着塔群を並列に接続すると共に一方の吸着塔群を吸着行程とし他方の吸着塔群を分離行程として切り換える流路制御手段と、これらの吸着塔群に空気を圧送するためのエアコンプレッサと、吸着塔群で生成される酸素富化空気の吐出量を設定する流量設定器とを備えた濃縮酸素供給装置において、前記流量設定器の設定量に応じて、稼動させる吸着塔の数を決定すると共に、前記エアコンプレッサの能力を制御することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の濃縮酸素供給装置おいて、前記吸着塔群の各吸着塔への空気の流れを制御する電磁弁を設け、この電磁弁の開閉によって稼動させる吸着塔を決めることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の濃縮酸素供給装置おいて、請求項２に記載の電磁弁は前記各吸着塔の流入口及び流出口にそれぞれ設けられることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の濃縮酸素供給装置おいて、前記エアコンプレッサの能力はインバータ装置によって制御されることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の濃縮酸素供給装置の側断面図、図２は濃縮酸素供給装置の酸素富化空気生成部の配管経路図、図３は濃縮酸素供給装置の電気的構成を示すブロック図である。
【００１２】
本発明の濃縮酸素供給装置１は、例えば一般家庭の居室に設置されるものであり、容易に持ち運び可能な寸法の本体ケース２内に各機器を内蔵して構成されている。この本体ケース２の前面にはスリット状の空気吸込口３が形成されており、この空気吸込口３の内側にはエアフィルタ４が取り付けられ、エアフィルタ４の更に内側には送風機７が取り付けられている。
【００１３】
この送風機７は空気吸込口３から空気を吸引し、エアフィルタ４にて塵埃や煙粒子などを除去した後、本体ケース２内を通過し本体ケース２の下面に形成された空気排出口８から空気を排出するものである。
【００１４】
また、本体ケース２内の上部には電装箱９が配設され、各種電気機器や電気部品を制御する制御装置６１及びエアコンプレッサ１３を駆動するインバータ装置６３が内蔵されている。本体ケース２内には酸素富化空気生成部（以下単に生成部という）１２が内蔵され、この生成部１２には配管経路が形成されている。そして、この配管経路には、エアコンプレッサ１３、サクションタンク１４、冷却コイル１６、五方弁１７、吸着塔群７０、８０、バッファタンク２３、２４、逆止弁２６、２７、２８、サイレンサ３１、３２、流量設定器４８、及び酸素富化空気吐出部（以下単に吐出部という）３４等が設けられている。
【００１５】
前記サクションタンク１４は、エアコンプレッサ１３の吸引側に接続されると共に、サクションタンク１４の入口には前記サイレンサ３１が接続され、これらの機器が前記エアフィルタ４の内側、かつ、下流側に配置される。前記冷却コイル１６はエアコンプレッサ１３の吐出側に接続されると共に、冷却コイル１６の出口には五方弁１７の第１ポート１７Ａに接続される。
【００１６】
この五方弁１７の第２ポート１７Ｂは、吸着塔群７０の下端の流入口に配管３６により接続されると共に、第３ポート１７Ｃは吸着塔群７０の下端の流入口に配管３７により接続される。五方弁１７の第４ポート１７Ｄと第５ポート１７Ｅは、三方配管３８により共に配管３９に接続され、この配管３９はバッファタンク２４、逆止弁２８を順次経てサイレンサ３２に接続される。
【００１７】
なお、この五方弁１７は電磁コイルにより駆動され、ＯＮ状態で、図２中実線で示す如く第１ポート１７Ａを第２ポート１７Ｂに連通させ、かつ、第５ポート１７Ｅを第３ポート１７Ｃに連通させる。また、ＯＦＦ状態では、図２中破線で示す如く第１ポート１７Ａを第３ポート１７Ｃに連通させ、かつ、第２ポート１７Ｂを第４ポート１７Ｄに連通させるように流路を切り換えるものである。
【００１８】
前記三方配管３８、配管３９、バッファタンク２４、逆止弁２８及びサイレンサ３２は、分離行程時の吸着塔群８０、７０の下流側配管３７、３６と共に排気経路を構成している。そして、逆止弁２８はサイレンサ３２方向を順方向とされる。
【００１９】
配管４３はほこり・バクテリアフィルタ５８と逆止弁２６を介して配管４４に接続され、配管４１はほこり・バクテリアフィルタ５９と前記逆止弁２７を介して配管４４に接続される。前記逆止弁２６、２７は配管４４方向を順方向とされると共に、各配管４１、４３は各フィルタ５８、５９の手前、即ち、各逆止弁２６、２７の上流側においてバイパス管４２、連通管４６により相互に連通されている。バイパス管４２には電磁弁４５が介設され、この電磁弁４５の開閉によりバイパス管４２を開放・閉鎖している。そして、バイパス管４２が開放されているときには、配管４１若しくは４３内を配管４４方向に向かう空気のほとんどがバイパス管４２を流れる。連通管４６にはオリフィス４７が介設され、配管４１若しくは４３内を配管４４方向に向かう空気は、オリフィス４７の抵抗により、その１／５が連通管４６に分流される。
【００２０】
また、配管４４は前記バッファタンク２３の入口に接続され、バッファタンク２３の出口は、流量設定器４８に接続され、さらに吐出部３４に接続されている。流量設定器４８は、流量設定器４８の下流側へ流れる酸素富化空気量を調節して吐出部３４から吐出する酸素富化空気量を、例えば、０．２５、０．５、１、２、３リットル／分に設定することができる。吐出部３４には着脱自在に可撓性のチューブ４９が接続され、このチューブ４９の先端にはカニューラ３４ａが取り付けられている。これらチューブ４９とカニューラ３４ａは本体ケース２上面の収納部５１内に納出自在に格納されている。
【００２１】
ここで、前記吸着塔群７０は吸着塔７１、７２、７３を有し、これらの吸着塔７１、７２、７３が並列に接続されている。それぞれの吸着塔７１、７２、７３の下端の流入口側には電磁弁７６ａ、７７ａ、７８ａを設け、上端の流出口側には電磁弁７６ｂ、７７ｂ、７８ｂを設けている。同様に、前記吸着塔群８０は吸着塔８１、８２、８３を有し、これらの吸着塔８１、８２、８３が並列に接続されている。それぞれの吸着塔８１、８２、８３の下端の流入口側には電磁弁８６ａ、８７ａ、８８ａを設け、上端の流出口側には電磁弁８６ｂ、８７ｂ、８８ｂを設けている。
【００２２】
これら吸着塔７１、７２、７３、８１、８２、８３は、それぞれ金属若しくは硬質剛性樹脂により内部中空の縦長円筒状に構成されており、その内側には吸着剤５４が封入されている。
【００２３】
前記吸着剤５４は直径２ｍｍ〜３ｍｍの粒状の例えばゼオライトであり、吸着塔群７０の吸着塔７１、７２、７３の流入口、或いは吸着塔群８０の吸着塔８１、８２、８３の流入口から室内空気を圧送させると、ゼオライトは当該室内空気中の窒素分子を選択的に吸着する。以後、これを吸着行程と称する。これにより、吸着塔群７０の吸着塔７１、７２、７３の流出口、或いは吸着塔群８０の吸着塔８１、８２、８３の流出口からは酸素濃度９０％以上の酸素富化空気が出てくるものである。
【００２４】
また、前記酸素富化空気を、吸着塔７１、７２、７３或いは８１、８２、８３の流出口から内部に流入させると、内部の酸素分圧は急激に上昇する。この状態では吸着剤５４は、前記吸着行程にて吸着した前記窒素分子等を分離放出する。以後、これを分離行程と称する。これにより、吸着塔群７０の吸着塔７１、７２、７３の流入口、或いは吸着塔群８０の吸着塔８１、８２、８３の流入口からは窒素が富化された空気が流出するようになる。
【００２５】
次に、図３において、６１は制御装置であり、この制御装置６１は前記電装箱９内に収納され、汎用マイコン６２及び前記エアコンプレッサ１３のモータ１３Ｍを制御するためのインバータ装置６３を備えている。このマイコン６２の入力側には、運転スイッチ５７及び流量設定器４８が接続されている。出力側にはインバータ装置６３、送風機７のモータ７Ｍ、五方弁１７、電磁弁７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂ、７８ａ、７８ｂ、８６ａ、８６ｂ、８７ａ、８７ｂ、８８ａ、８８ｂ及びバイパス管４２に設けられた電磁弁４５がそれぞれ接続されている。
【００２６】
以上のように構成された濃縮酸素供給装置の生成部の動作を説明する。
【００２７】
流量設定器４８の設定量を設定し、運転スイッチ５７を操作すると、濃縮酸素供給装置１は運転を開始する。制御装置６１は、送風機７のモータ７Ｍを駆動すると共に、五方弁１７をＯＮする。そして、流量設定器４８の設定量によって稼動させる吸着塔の数を決めて吸着塔を選出する。稼動させる吸着塔の数は、各吸着塔群７０、８０からそれぞれ同じ数を選出する。そして、稼動させる吸着塔の流入口側及び流出口側に設けられた電磁弁を開き、稼動させない吸着塔の流入口側及び流出口側の電磁弁を閉じる。稼動させない吸着塔は流入口側及び流出口側共に電磁弁を閉じることにより、流入口及び流出口から吸着塔内に空気や湿気が進入しないようにしている。
【００２８】
次に、制御装置６１は、流量設定器４８の設定量に応じて、エアコンプレッサ１３の能力を決め、インバータ装置６３の周波数を決定し、モータ１３Ｍを駆動する。例えば、流量設定器４８の設定量が０．２５〜１リットル／分に設定されている場合には、制御装置６１は、吸着塔群７０、８０の稼動させる吸着塔の数を各１つとし、それぞれ吸着塔群７０、８０から吸着塔７１及び吸着塔８１を選出する（設定量が２リットル／分の場合は各２つの吸着塔を選出し、設定量が３リットル／分の場合は各３つの吸着塔を選出する）。電磁弁７６ａ、７６ｂ、８６ａ、及び８６ｂを開き、電磁弁７７ａ、７７ｂ、７８ａ、７８ｂ、８７ａ、８７ｂ、８８ａ、及び８８ｂを閉じる。制御装置６１はインバータ装置６３の周波数を低く設定し、モータ１３Ｍを駆動する。
【００２９】
そして、エアコンプレッサ１３が運転されると、エアフィルタ４を通過した室内空気は、サイレンサ３１からサクションタンク１４を経てエアコンプレッサ１３に吸引される。吸引された室内空気は、エアコンプレッサ１３から冷却コイル１６に吐出される。これらエアコンプレッサ１３及び冷却コイル１６には前記送風機７から送風されており、冷却コイル１６内に流入した室内空気は、そこを通過する過程で冷却された後、五方弁１７の第１ポート１７Ａに入る。
【００３０】
そして、五方弁１７の第１ポート１７Ａに入った室内空気は、第２ポート１７Ｂから流出し、配管３６に流入する。さらに、配管３６を通って電磁弁７６ａを経て吸着塔群７０の吸着塔７１の流入口から吸着塔７１内に圧送される。吸着塔７１内に入った室内空気は、吸着剤５４にて窒素が吸着され、酸素富化空気となって上端の流出口から流出する（吸着行程）。
【００３１】
このとき、吸着塔７１から出た酸素富化空気は、逆止弁２６及び連通管４６方向に向かうが、前述の如くその４／５が逆止弁２６に向かい、１／５が連通管４６に分流される（電磁弁４５が閉じているので、空気はバイパス管４２を流れない）。逆止弁２６に向かった酸素富化空気は配管４４からバッファタンク２３、流量設定器４８、チューブ４９を経てカニューラ３４ａから吐出する。患者はこのカニューラ３４ａを当てることにより、酸素富化空気を吸引することができる。
【００３２】
一方、連通管４６に流入した１／５の酸素富化空気は、オリフィス４７で絞られた後、配管４１を経て吸着塔群８０の吸着塔８１の流入口より内部に流入する。吸着塔８１内に酸素富化空気が流入すると、内部の酸素分圧が上昇するため、吸着剤５４は吸着している窒素を分離放出する（分離行程）。
【００３３】
そして、下端の流入口から配管３７に流出し、五方弁１７の第３ポート１７Ｃ、第５ポート１７Ｅを経て、配管３８、配管３９、バッファタンク２４、逆止弁２８、サイレンサ３２を通って排出される。
【００３４】
制御装置６１は運転開始から所定時間経過すると、電磁弁４５に通電してバイパス管４２を数秒間開放し配管４１、４３を連通する。これにより吸着塔７１で生成された酸素富化空気が吸着塔８１に流入して内部の酸素分圧は急激に上昇する。この状態で吸着塔８１の吸着剤５４に窒素分子が吸着されている場合には窒素分子が分離し放出される。
【００３５】
その後、制御装置６１は電磁弁４５の通電を停止して五方弁１７をＯＦＦ状態とする。第１ポート１７Ａが第３ポート１７Ｃに連通されるので、冷却コイル１６から出た室内空気は、配管３７を経て吸着塔８１の下端の流入口から内部に圧送されるようになる。
【００３６】
そして、吸着塔８１内では酸素富化空気が生成され（吸着行程）、上端の流出口から配管４１に流出して逆止弁２７及び連通管４６方向に向かうが、同様にその４／５が逆止弁２７に向かい、１／５が連通管４６に分流される。逆止弁２７に向かった酸素富化空気は、前述同様に配管４４からバッファタンク２３、流量設定器４８、チューブ４９を経てカニューラ３４ａから吐出する。
【００３７】
また、連通管４６に流入した１／５の酸素富化空気は、オリフィス４７で絞られた後、配管４３を経て吸着塔７１の流出口より内部に流入する。吸着塔７１内では吸着剤５４が吸着している窒素分子等の分離放出が行われる（分離行程）。
【００３８】
そして、下端の流入口から配管３６に流出し、五方弁１７の第２ポート１７Ｂ、第４ポート１７Ｄを経て、前述同様に、配管３８、配管３９、バッファタンク２４、逆止弁２８、サイレンサ３２を通って排出されることになる。
【００３９】
以後、制御装置６１は、所定時間後に再び五方弁１７をＯＮに切り換えるものである。このようにして、各吸着塔群７０、８０において吸着と分離とを交互に、かつ、同時に行い、連続した酸素富化空気の生成を行うものである。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態の濃縮酸素供給装置１は、流量設定器４８の設定量に応じて、複数の吸着塔７１、７２、７３、８１、８２、８３の中から稼動させる吸着塔の数を決めると共に、エアコンプレッサ１３の能力を制御するので、酸素富化空気の設定量に応じた酸素富化空気量を生成すると共に、流量設定器４８の設定量が少ないときにはインバータ装置６３の周波数を下げ、エアコンプレッサ１３の能力を下げることにより消費電力が小さくなる。これにより、エアコンプレッサ１３の消費電力を流量設定器４８の設定量に見合ったものにすることができる。
【００４１】
また、流量設定器４８を少ない設定量で使用する場合、騒音値（運転音）を低減できると共に、エアコンプレッサ１３の寿命を長くすることができる。
【００４２】
さらに、稼動率の低い吸着塔では吸着剤の寿命が長くなり、吸着剤の交換時期を長くして交換作業の手間を削減することができる。
【００４３】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４４】
本実施形態では２つの吸着塔群を有し、これらの吸着塔群に３つの吸着塔を設けているが、各吸着塔群に２つの吸着塔、あるいは４つ以上の吸着塔を設けても良く、濃縮酸素供給装置の能力に合わせて吸着塔の数や吸着塔の大きさ（吸着剤の量）を変えるようにしても良い。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の濃縮酸素供給装置は、吸着剤が封入された複数の吸着塔を並列に接続した複数の吸着塔群と、これら吸着塔群を並列に接続し吸着行程及び分離行程を切り換える流路制御手段と、これら吸着塔群に空気を圧送するためのエアコンプレッサと、吸着塔群で生成される酸素富化空気の吐出量を設定する流量設定器とを備え、流量設定器の設定量に応じて、複数の吸着塔の中から稼動させる吸着塔の数を決めると共に、エアコンプレッサの能力を制御するので、設定量に応じた酸素富化空気量を生成すると共に、エアコンプレッサの消費電力を設定量に見合ったものにでき省エネ運転をすることができる。
【００４６】
また、稼動率の低い吸着塔では吸着剤の寿命が長くなり、吸着剤の交換時期を長くして交換作業の手間を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における濃縮酸素供給装置の側断面図である。
【図２】図１の酸素富化空気生成部の配管経路図である。
【図３】図１の濃縮酸素供給装置の電気的構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 濃縮酸素供給装置
１３ エアコンプレッサ
１７ 五方弁（流路制御手段）
４８ 流量設定器
５４ 吸着剤
６１ 制御装置
６３ インバータ装置
７０、８０ 吸着塔群
７１、７２、７３、８１、８２、８３ 吸着塔
７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂ、７８ａ、７８ｂ 電磁弁
８６ａ、８６ｂ、８７ａ、８７ｂ、８８ａ、８８ｂ 電磁弁

Claims (4)

1. 空気中の窒素を吸着・分離可能な吸着剤が封入された複数の吸着塔を並列に接続した複数の吸着塔群と、これら吸着塔群を並列に接続すると共に一方の吸着塔群を吸着行程とし他方の吸着塔群を分離行程として切り換える流路制御手段と、これらの吸着塔群に空気を圧送するためのエアコンプレッサと、吸着塔群で生成される酸素富化空気の吐出量を設定する流量設定器とを備えた濃縮酸素供給装置において、
   前記流量設定器の設定量に応じて、稼動させる吸着塔の数を決定すると共に、前記エアコンプレッサの能力を制御することを特徴とする濃縮酸素供給装置。
2. 前記吸着塔群の各吸着塔への空気の流れを制御する電磁弁を設け、この電磁弁の開閉によって稼動させる吸着塔を決めることを特徴とする請求項１に記載の濃縮酸素供給装置。
3. 請求項２に記載の電磁弁は前記各吸着塔の流入口及び流出口にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項２に記載の濃縮酸素供給装置。
4. 前記エアコンプレッサの能力はインバータ装置によって制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の濃縮酸素供給装置。

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