JP3749150B2 - 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吸着塔に空気を圧送しているため、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と、これらの吸着塔を並列に接続するともに一方の吸着塔を吸着行程とし他方の吸着塔を分離行程として切り換える流路制御手段と、これらの吸着塔に空気を圧送するための能力可変のエアコンプレッサと、生成される酸素富化空気を貯留可能な製品タンクと、この製品タンクの出口に設けられ吐出する酸素富化空気量を一定に保つレギュレータとを備えた濃縮酸素供給装置において、前記製品タンクの内部圧力を検出する圧力センサを設け、この圧力センサの検出値に基づいて、エアコンプレッサの能力を制御する制御装置を設け、この制御装置は製品タンクの内部圧力の上限値と下限値を設定記憶し、前記圧力センサの検出値が下限値以下のときには前記エアコンプレッサを最大能力で制御し、上限値以上のときにはエアコンプレッサを定常能力で制御することを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記制御装置はエアコンプレッサを駆動するインバータ装置を備えていることを特徴とする。
【００１２】
【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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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１８、１９、製品タンク２０、バッファタンク２４、逆止弁２６、２７、２８、サイレンサ３１、３２、流量設定器２１、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。
【００１６】
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の出口は五方弁１７の第１ポート１７Ａに接続される。
【００１７】
この五方弁１７の第２ポート１７Ｂは、吸着塔１８の下端の入口に配管３６により接続されると共に、第３ポート１７Ｃは吸着塔１８の下端の入口に配管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。
【００１８】
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。
【００１９】
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１９、１８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。
【００２０】
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に接続されている。前記逆止弁２６及び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。
【００２１】
また、配管４４は前記製品タンク２０の入口に接続されている。この製品タンク２０は、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、生成部１２で生成された酸素富化空気を取り入れて貯留し、出口から吐出する比較的大容量のタンクであり、その出口には吐出する酸素富化空気量を一定に保つレギュレータ２３が設けられている。タンク２０内部には製品タンク２０内の圧力を検出する圧力センサ２２が設けられ、信号線にて前記制御装置６１に接続されている。
【００２２】
このレギュレータ２３の下流側には流量設定器２１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２１は、流量設定器２１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。
【００２３】
ここで、前記吸着塔１８、１９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。この吸着剤５４は直径２ｍｍ〜３ｍｍの粒状の例えばゼオライトであり、室内空気が入口１８ａを通して吸着塔１８内、或いは入口１９ａを通して吸着塔１９内に圧送されると、この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１８の出口１８ｂ、或いは吸着塔１９の出口１９ｂ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１８の出口１８ｂ或いは吸着塔１９の出口１９ｂ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を分離し放出する。以後、これを分離行程と称する。これにより、吸着塔１８の入口１８ａ、或いは吸着塔１９の入口１９ａ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は汎用マイコン６２から構成された制御装置であり、前記電装箱９内に収納されている。このマイコン６２には運転スイッチ５７の出力、及び圧力センサ２２の出力が入力される。また、制御装置６１の出力には前記エアコンプレッサ１３のモータ１３Ｍを制御するインバータ装置６３、送風機７のモータ７Ｍ、五方弁１７、及び電磁弁４５がそれぞれ接続されている。
【００２６】
前記圧力センサ２２は製品タンク２０の内部圧力を検出してその信号をマイコン６２に送信する。このマイコン６２には、圧力の上限値と下限値が記憶されており、送信された値が下限値以下と判定したときには、制御装置６１は、エアコンプレッサ１３を最大能力で運転するようにインバータ装置６３に指令し、最大周波数にしてエアコンプレッサモータ１３Ｍを駆動する。また、マイコン６２が送信された値を上限値以上と判定したときには、制御装置６１は、エアコンプレッサ１３を定常能力で運転するようにインバータ装置６３に指令し、定常周波数にしてエアコンプレッサモータ１３Ｍを駆動する。
【００２７】
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。
【００２８】
流量設定器２１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。
【００２９】
次に、圧力センサ２２により製品タンク２０の圧力が検出され、その圧力値の信号がマイコン６２に送信される。運転開始時、圧力は下限値以下を示しているので、制御装置６１は、エアコンプレッサ１３を最大能力で駆動する。そして、エアフィルタ４を通過した室内空気がサイレンサ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に流入し、吸着塔１８の入口１８ａから内部に圧送される。吸着塔１８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出口１８ｂから流出する（吸着行程）。
【００３１】
このとき、吸着塔１８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は閉じているので、バイパス管４２を空気が流れることはない）。逆止弁２６に向かった酸素富化空気は、配管４４から製品タンク２０に流入し、出口のレギュレータ２３を通って流出される。製品タンク２０に流入する酸素富化空気は流出する酸素富化空気より多いので、多い分が製品タンク２０に貯留される。レギュレータ２３を通った後、酸素富化空気は流量設定器２１、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ようになる。
【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１９の入口１９ａから内部に流入する。吸着塔１９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し放出する（分離行程）。
【００３３】
そして、下端の入口１９ａ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、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１８で生成された酸素富化空気が吸着塔１９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１９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への通電を停止し五方弁１７をＯＦＦ状態にする。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１９の下端の入口１９ａから内部に圧送されるようになる。
【００３６】
そして、吸着塔１９内では酸素富化空気が生成され（吸着行程）、上端の出口１９ｂ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配管４４から製品タンク２０、流量設定器２１、チューブ４９を経て前述同様にカニューラ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１８の出口１８ｂより内部に流入する。吸着塔１８内では吸着剤５４に吸着している窒素が分離し放出される（分離行程）。
【００３８】
そして、下端の入口１８ａ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。
【００３９】
以後、制御装置６１は、再び五方弁１７をＯＮに切り換える。このようにして、各吸着塔１８、１９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】
その後、製品タンク２０に酸素富化空気が貯留され、圧力センサ２２がタンク２０圧力の設定された上限以上の値を検出すると、制御装置６１はエアコンプレッサ１３の能力を定常にして制御する。これにより、生成される酸素富化空気量が低減され、製品タンク２０に流入する酸素富化空気量よりも流出する酸素富化空気量が多くなり、製品タンク２０内の圧力が徐々に小さくなる。なお、タンク２０圧力が上限以上の値を検出した後低下しない場合には、エアコンプレッサ１３が停止することもある。
【００４１】
濃縮酸素供給装置１の運転を停止すると、製品タンク２０内に貯留されている酸素富化空気は、吐出部３４から徐々に排出される。
【００４２】
図４は流量設定器の設定量に対する製品タンク内の圧力変動幅を示すグラフであり、吐出部にカニューラを接続しない場合（実線）と、１５ｍの延長チューブを介してカニューラに接続した場合（破線）を示している。
【００４３】
図４において、吐出部にカニューラを接続しない場合で、流量設定器２１を０．２５、０．５、１、２、３リットル／分に設定したとき、圧力変動幅は、それぞれ０．０９、０．２１、０．２８、０．４３、０．４９Ｋｇ／ｃｍ²であり、吐出部にカニューラを接続しない場合でも、それぞれ０．０９、０．２２、０．３０、０．３９、０．４７Ｋｇ／ｃｍ² であり、接続されるカニューラ３４ａの有無にかかわらず、変動幅の差は少ない。このように、生成された酸素富化空気を貯留する製品タンク２０と、この製品タンク２０の出口にレギュレータ２３とを設けたことにより、カニューラ３４ａを接続した場合でも、接続しない場合と同様に、吐出部３４から酸素富化空気が安定して吐出される。
【００４４】
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、生成される酸素富化空気を貯留可能な製品タンク２０と、この製品タンク２０の内部圧力を検出する圧力センサ２２とを設け、この圧力センサ２２に基づいてエアコンプレッサ１３の能力を制御するので、エアコンプレッサ１３の消費電力を酸素富化空気の使用量に応じた（流量設定器２１の設定量に見合った）ものにすることができる。
【００４５】
また、流量設定器４８を少ない設定量で使用する場合には、騒音値（運転音）を低減できる。
【００４６】
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。最大の設定量吸着塔に空気を圧送し
本実施形態では、吸着塔１８、１９に空気を圧送するために能力可変のエアコンプレッサ１３を用い、製品タンク２０の内部圧力を検出する圧力センサ２２の検出値に基づいて、エアコンプレッサ１３の能力を制御しているが、この能力可変のエアコンプレッサ１３の代わりに一定能力のエアコンプレッサを用いて行うようにしても良い。この場合、エアコンプレッサは流量設定器２１の最大設定量以上の酸素富化空気が生成できるような大きい能力のものを使用し、圧力センサ２０の検出値が下限値以下のときにエアコンプレッサをオン、上限値以上のときエアコンプレッサをオフするように制御する。このようにしてエアコンプレッサ１３の稼動率を少なくして消費電力を抑え、酸素富化空気の使用量に見合った消費電力にすることができる。
【００４７】
【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、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と、これらの吸着塔に空気を圧送するための能力可変のエアコンプレッサと、生成される酸素富化空気を貯留可能な製品タンクと、この製品タンクの出口に設けられ吐出する酸素富化空気量を一定に保つレギュレータとを備え、エアコンプレッサの能力を制御するので、流量設定器の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し、省エネ効果を向上することができる。
【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。
【図４】図１の製品タンクの圧力変動幅を示すグラフである。
【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）
１８、１９ 吸着塔
２０ 製品タンク
２２ 圧力センサ
２３ レギュレータ
５４ 吸着剤
６１ 制御装置
６３ インバータ装置

Claims (2)

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と、これらの吸着塔を並列に接続するともに一方の吸着塔を吸着行程とし他方の吸着塔を分離行程として切り換える流路制御手段と、これらの吸着塔に空気を圧送するための能力可変のエアコンプレッサと、生成される酸素富化空気を貯留可能な製品タンクと、この製品タンクの出口に設けられ吐出する酸素富化空気量を一定に保つレギュレータとを備えた濃縮酸素供給装置において、前記製品タンクの内部圧力を検出する圧力センサを設け、この圧力センサの検出値に基づいて、エアコンプレッサの能力を制御する制御装置を設け、この制御装置は製品タンクの内部圧力の上限値と下限値を設定記憶し、前記圧力センサの検出値が下限値以下のときには前記エアコンプレッサを最大能力で制御し、上限値以上のときにはエアコンプレッサを定常能力で制御することを特徴とする濃縮酸素供給装置。
2. 前記制御装置はエアコンプレッサを駆動するインバータ装置を備えてい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。

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