JP4612218B2

JP4612218B2 - 酸素濃縮装置

Info

Publication number: JP4612218B2
Application number: JP2001116609A
Authority: JP
Inventors: 直登志藤本
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2001-04-16
Filing date: 2001-04-16
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2021-04-16
Also published as: JP2002306603A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により、ガスの濃度及び流量を測定する装置に関するものである。さらに詳細には、例えば医療目的で使用される酸素濃縮器から送り出され、加湿器を通過した加湿後のガスから、ガスの流量、及び、加湿前後の酸素濃度の測定に適する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、加湿器を内蔵、もしくは外付けにて利用する酸素濃縮器において、酸素濃度測定装置としては、一般的に、酸化物イオン導電体である安定化ジルコニアを用いたジルコニアセンサが用いられている。また、該ガスの流量測定装置としては差圧式流量計が広く用いられており、濃度、流量測定のために別々の測定装置が搭載されている。
【０００３】
酸素濃縮器から送り出されるガスの流量及び酸素濃度を同時に測定可能とする測定装置として、たとえば特開平6-213877には、ガスが通る配管中に超音波振動子２つを対向させて配置し、該超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間を計測することによってガスの濃度及び流量を測定する、超音波式ガス濃度流量測定装置が記載されている。
【０００４】
従来から提案されている超音波式ガス測定装置のガス濃度測定方法は次の２種類に大別できる。
▲１▼被測定ガス中を伝播する音速と濃度との関係式、もしくは音速−濃度の関係テーブルをあらかじめ保持しておき、測定される音速からガス濃度を求める方法。
▲２▼被測定ガスを構成する分子の割合を１つの変数で記述できる場合、すなわち、被測定ガスが例えば酸素と窒素の２分子から構成されており、酸素濃度をPとすれば窒素濃度は1-Pと記述できるような場合に、被測定ガス中を伝播する音速は被測定ガスの温度と平均分子量の関数になっていることから、音速と温度を測定することで平均分子量を計算し、平均分子量＝酸素分子量×P＋窒素分子量×(1-P)から酸素濃度Pを求める方法。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
酸素濃縮器から送り出されるガスの酸素濃度、流量を測定するために、それぞれジルコニアセンサ、差圧式流量計等を装備する場合、測定装置が２つになるために占有体積が増加し、装置の小型化に不利となり、また、コストアップにつながるといった欠点があった。
【０００６】
このような問題点を解決するため、安価に作成でき、１つの測定装置にて濃度、流量を同時に測定できる装置として、超音波式ガス測定装置が各種提案されているが、上述した▲１▼の方法を酸素濃縮器から送り出されたガスが加湿器を通過した後に設置された測定装置に適用する場合には、酸素分子と水分子の濃度は独立に変化するため、濃度と音速の関係式を導き出すためには多種多様な濃度の組み合わせにおける音速をあらかじめ測定しておかなければならず、多大な労力が必要であるという欠点があった。
【０００７】
また、▲２▼の方法を適用する場合には、酸素分子と水分子の濃度が独立に変化するため、測定装置を加湿器の後に設置しても正確な酸素濃度を測定できないという欠点があった。
【０００８】
酸素濃縮器を使用する使用者に対しては、使用者に最も近い部分、すなわち、加湿器を接続して使用する場合には、加湿器の後にガス測定装置を測定することが好ましい。なぜなら、加湿器の前に測定装置を接続した場合には、例えば加湿器の装着ミス等がありガス漏れが発生している場合、使用者には測定装置にて測定された流量とは異なる流量にてガスが送られることになってしまう。
【０００９】
本発明は、加湿器の後に超音波式ガス測定装置を１つだけ接続することにより、安価、かつ簡便に加湿前後における酸素濃度、及び加湿後におけるガス流量を測定できる方法、及び装置を見出すことを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる目的を達成するために鋭意研究した結果、加湿後のガスの流れる配管中に、２つの超音波振動子、温度センサ、及び湿度センサを装備した測定装置を１つだけ接続することにより、加湿前後の酸素濃度、及び加湿後のガス流量を測定可能となることを見出したものである。
【００１１】
即ち本発明は、空気から酸素を分離する酸素濃縮手段、酸素濃縮空気を加湿する加湿器、加湿後酸素濃縮空気を使用者に供給する酸素供給手段を備えた酸素濃縮装置において、加湿器の下流に超音波式ガス測定手段を備え、該超音波式ガス測定手段が測定ガスの流れる配管、該配管中に対向させて配置した超音波を送受信する２つの超音波振動子、温度センサ、及び湿度センサを備え、該超音波振動子の各々から送信された超音波を他方の超音波振動子で受信するまでの伝播速度を検出し、検出結果に基づいてガス流量を演算する流量演算手段、該温度センサ及び湿度センサの出力値から測定ガス中の含有水分量を演算し、超音波の伝播速度、ガス温度から、測定ガス濃度を演算する濃度演算手段を備えることを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。
【００１２】
また本発明は、測定ガスの流れる配管、該配管中に対向させて配置した超音波を送受信する２つの超音波振動子、温度センサ、及び湿度センサを備え、該超音波振動子の各々から送信された超音波を他方の超音波振動子で受信するまでの伝播速度を検出し、検出結果に基づいてガス流量を演算する流量演算手段、該温度センサ及び湿度センサの出力値から測定ガス中の含有水分量を演算し、超音波の伝播速度、ガス温度から、測定ガス濃度を演算する濃度演算手段を備えることを特徴とする超音波式ガス測定装置を提供するものである。
【００１３】
また本発明は、測定ガスの温度及び湿度から測定ガス中の含有水分量を算出し、測定ガスの流れに対して超音波振動子を対向して配置し２つの超音波振動子の各々から送信された超音波を他方の超音波振動子で受信するまでの伝播速度を測定し、ガス温度及び該含有水分量からガス流量及びガス濃度を測定する方法を提供するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
ガス流量を測定する方法は、上述の装置構成を用い、広く知られている方法にて簡便に計算可能である。すなわち、２つの超音波振動子間を流れるガス中の超音波伝播速度がC[m/sec]、該ガスの流速がV[m/sec]であったとき、該ガスの流れに対して順方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度V₁[m/sec]は、
Ｖ₁ ＝Ｃ＋Ｖ ---------- 式（１）
逆方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度V₂[m/sec]は、
Ｖ₂ ＝Ｃ−Ｖ ---------- 式（２）
となるので、該ガスの流速V[m/sec]は、次式で求めることができる。
Ｖ＝（Ｖ₁−Ｖ₂）／２ ---------- 式（３）
これに該ガスの流れている配管の内面積[m²]を乗じることで、該ガスの流量[m³/sec]を求めることができる。さらに体積換算、時間換算を行えば、流量を[L/min]で求めることも容易である。
【００１５】
以下には、加湿後に設置された超音波式ガス測定装置により、加湿前後のガス濃度を求める方法について述べる。ガス中を伝播する超音波の伝播速度は、ガスの濃度、温度の関数として表されることが広く知られている。すなわち、ガスの平均分子量をM、温度をT[K]とすれば、ガス中の超音波伝播速度C[m/sec]は、次式で表される。
【００１６】
【数１】

【００１７】
ここで、k、Rはそれぞれ、比熱比（定積モル比熱と定圧モル比熱の比。分子毎に既知の値）、気体定数である。すなわち、ガス中の超音波伝播速度C[m/sec]とガスの温度T[K]が測定できれば、ガスの平均分子量Mを決定できる。
【００１８】
ガスの温度Tは、具備する温度センサにて測定し、ガス中の音速Cは、式（１）、（２）のように測定される音速V₁、V₂を用いて次式で求める。
【００１９】
【数２】

【００２０】
前述のように、被測定ガスを構成する分子の割合を１つの変数で記述できる場合であれば、計算された平均分子量からガス濃度を決定可能であるが、例えば酸素濃縮器から送り出されたガスが加湿器を通過した後のガスのように、酸素分子と水分子といった被測定ガスを構成する分子の割合が独立となっているような場合には、該方法で正確な酸素濃度を導出することは不可能である。
【００２１】
しかしながら、超音波式ガス測定装置に新たに湿度センサを内蔵させることで、以下に示す方法により、加湿後に該測定装置を１つだけ設置した場合においても加湿前後のガス濃度を正確に測定することが可能となる。以下では加湿前のガスが酸素分子、窒素分子の2種類からなるガスに関して記述するが、加湿前の被測定ガスを構成する分子の割合を１つの変数で記述できる場合であれば容易に適用できるものであり、これだけに限定されるものではない。
【００２２】
まず、本願発明による超音波式ガス測定装置に内蔵された湿度センサの出力から、加湿後のガス中の含有水分量を求める。湿度センサの出力が相対湿度A[%]である場合には、温度センサによって得られるガス温度T_s[K]と飽和水蒸気量[g/m³]との関係を用いて、絶対湿度B[g/m³]を計算する。ガス温度と飽和水蒸気量の関係は一般的に知られており、A[%]からB[g/m³]を求めることは容易である。B[g/m³]は、水の分子量を18とするとB/18[mol/m³]と変換することができる。すなわち、気体1[m³]中に、B/18[mol]の水分子が存在することになる。ここで、気体の状態方程式（PV=nRT）を用いると、1[atm]における被測定ガス1[m³]（=1000[L]）中の水分子の体積V_w[L]を次式で求めることができる。
V_w = (B/18)RT_s ---------- 式（６）
すなわち、被測定ガス中に存在する水分子の濃度100×α[%]を次式で求めることができる。
100×α = 100×(V_w/1000) ---------- 式（７）
【００２３】
被測定ガス中の水分子の濃度（100×α[%]）を一意に決定できれば、加湿前のガスが酸素（100×ρ[%]）と窒素（100×(1-ρ)[%]）からなる混合気体とした場合には、被測定ガスの平均分子量Mは次式で表すことが可能となる。ただし、酸素、窒素の分子量をそれぞれ32、28とする。
M = (32ρ+28(1-ρ))(1-α) + 18α -------- 式（８）
【００２４】
さらに、 2原子分子（例：O₂、N₂）の比熱比k₂は1．4であり、3原子分子（例：H₂O）の比熱比k₃は1．3であることが知られており、被測定ガスの比熱比kは次式で求めることができる。
k = 1．4(1-α) + 1．3α ---------- 式（９）
【００２５】
すなわち、被測定ガスの温度T_s[K]は既に測定済であるので、被測定ガス中の音速C_s[m/sec]は式（４）から、次式で表すことが可能である。
【００２６】
【数３】

【００２７】
したがって、被測定ガス中の音速C_s[m/sec]を式（５）を用いて測定すれば、未知数である酸素濃度ρは、式（１０）を変形して整理することにより、次式のように求めることが可能である。
【００２８】
【数４】

【００２９】
また、加湿前の酸素濃度100×ρ[%]を特定できれば、加湿後の酸素濃度100×ρ'[%]も次式から容易に求めることが可能である。
【００３０】
ρ'= ρ×(1‐α) ---------- 式（１２）
以上により、被測定ガスの温度T_s[K]、湿度A[%]（Aよりαを求める）、音速C_s[m/sec]を測定できれば、加湿前後の酸素濃度、及び被測定ガスの流量を測定可能である。
【００３１】
以下に実施例を示す。本実施例においては、加湿前の被測定ガスが酸素と窒素の２分子からなっており、ガスの流量、及び、加湿前後の酸素濃度を測定する装置に関して示す。本発明によって測定できるガスは、本実施例に示すように加湿前は酸素と窒素からなるガスだけに限定されるものではなく、他の分子によって構成されるガスに対しても容易に適用できる。
【００３２】
図１に本願発明による超音波式ガス測定装置の構成を示す概略図を示す。２つの超音波振動子２を結ぶ部分の配管１は円筒形状をしており、超音波振動子２は、加湿後のガスの流れる配管１の中に対向させて配置する。温度センサ３は、超音波伝播経路上のガスの流れを乱すことのないように、ガスの出口付近に配置する。配管１を流れる被測定ガスの温度変化が無視できない場合には、ガスの入り口付近にも温度センサ３を装備し２つの温度センサの出力平均値をガス温度とするような構成でも良い。さらに、温度センサ３の近傍に湿度センサ１０を装備する。２つの超音波振動子２は、それぞれ超音波の送受信が可能であり、送受信の切り替えは送受信切り替え器４によって実施される。
【００３３】
加湿後のガスから、流量、及び、加湿前後の酸素濃度を測定する際には、ガス投入中において、マイクロコンピュータ７より超音波の送信パルスをドライバ５に送り、送受信切り替え器４によって被測定ガスの流れと順方向に超音波を送信するように選択された超音波振動子２にパルス電圧が印加され、超音波が送信される。もう一方の超音波振動子２によって受信された超音波は、送受信切り替え器４、レシーバ６を介してマイクロコンピュータ７に入力され、超音波伝播速度V₁[m/sec]が測定される。該超音波伝播速度V₁[m/sec]が測定された後、送受信切り替え器４によって超音波振動子２の送受信を切り替え、今度は被測定ガスの流れと逆方向に超音波の送信を行い、先と同様に超音波伝播速度V₂[m/sec]を測定する。そして、マイクロコンピュータ７にて、上述した式（３）を用いて被測定ガスの流速、さらには流量が計算され、表示器８に結果が表示される。
【００３４】
さらに、マイクロコンピュータ７にてV₁、V₂から被測定ガス中の音速C_s[m/sec]も計算される。このとき、温度センサ３と湿度センサ１０によって被測定ガスの温度T_s[K]、相対湿度A[%]を測定しておく。温度と相対湿度が測定されると、マイクロコンピュータ７において、ガス温度T_s[K]と飽和水蒸気量[g/m³]との関係から絶対湿度B[g/m³]が計算され、上述の式（６）、（７）から被測定ガス中に存在する水分子の濃度100×α[%]が計算される。
【００３５】
αが計算されれば、すでに求められている被測定ガスの温度T_s、被測定ガス中の音速C_sを用いて式（１１）、（１２）から加湿前後の酸素濃度がマイクロコンピュータ７にて計算され、表示器８に結果が表示される。
【００３６】
以上のように、本願発明によれば、加湿後のガスであっても被測定ガスの流量、及び、加湿前後のガス濃度を測定可能となる。
【００３７】
本発明の酸素濃縮装置（図示せず）は、空気中の酸素を分離濃縮して呼吸器疾患患者に供給する装置であり、酸素濃縮手段としては、酸素よりも窒素を選択的に充填した５Ａ型ゼオライトなどの吸着剤を充填した吸着床を使用した圧力変動吸着型酸素濃縮装置が好適に使用される。しかし特にかかる手段に限定するものではなく、酸素を選択的に透過する高分子酸素富化膜や、固体電解質膜などを使用し空気を原料として酸素を分離する手段にも適用可能である。
【００３８】
かかる手段で発生した酸素濃縮空気を、内部に水を充填した加湿器を通すことで酸素を加湿し、鼻カニューラなどの供給手段を用いて使用者に供給する。加湿器としてはバブリング式や表面蒸発式などの水加湿器が使用される。
【００３９】
上記超音波式ガス測定装置（手段）は、かかる加湿器の下流側に組み込む。これにより実際に使用者に供給する加湿酸素の流量、酸素濃度を正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波式ガス測定装置の構成を示す概略図。
【符号の説明】
１配管
２超音波振動子
３温度センサ
４送受信切り替え器
５ドライバ
６レシーバ
７マイクロコンピュータ
８表示器
９不揮発性メモリ
１０湿度センサ

Claims

空気から酸素を分離する酸素濃縮手段、酸素濃縮空気を加湿する加湿器、加湿後酸素濃縮空気を使用者に供給する酸素供給手段を備えた酸素濃縮装置において、加湿器の下流に超音波式ガス測定手段を備え、該超音波式ガス測定手段が測定ガスの流れる配管、該配管中に対向させて配置した超音波を送受信する２つの超音波振動子、温度センサ、及び湿度センサを備え、該超音波振動子の各々から送信された超音波を他方の超音波振動子で受信するまでの伝播速度を検出し、検出結果に基づいてガス流量を演算する流量演算手段、該温度センサ及び湿度センサの出力値から測定ガス中の含有水分量を演算し、超音波の伝播速度、ガス温度から、測定ガス濃度を演算する濃度演算手段を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。