JP3723478B2 - 濃縮酸素供給装置 - Google Patents
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Description
【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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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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