JP5468972B2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、酸素より窒素を優先的に吸着する吸着剤を用いて生成した高濃度の酸素（酸素濃縮ガス）を患者等に供給する圧力変動吸着型の酸素濃縮装置に関する。

近年、呼吸器系疾患の最も効果的な治療法の一つとして、酸素吸入療法が知られている。この酸素吸入療法とは、酸素ガス或いは酸素濃縮ガスを患者に供給する方法であり、その供給源として、最近では、空気中から酸素濃縮ガスを直接分離できる酸素濃縮装置が開発されている。

かかる酸素濃縮装置としては、例えば窒素又は酸素を選択吸着して得られる吸着剤を用いた吸着型酸素濃縮装置が知られており、この吸着型酸素濃縮装置としては、コンプレッサを用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が使用されている。

この酸素濃縮装置においては、コンプレッサを駆動するモータの回転数を、インバータを用いてフィードバック制御する技術が知られている。例えば、酸素濃縮装置のコンプレッサのモータとしてＤＣブラシレスモータを用い、このＤＣブラシレスモータの回転数を検出して、その回転数が所定の目標回転数となるように、インバータの制御値を増減させる技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００６−２６３４４１号公報

従来の酸素濃縮装置では、酸素濃縮装置の運転開始から、コンプレッサの回転数が目標回転数に達するまでの間は、酸素濃縮ガスにおける酸素濃度を十分に高くすることができなかった。

従来の酸素濃縮装置は、コンプレッサの回転数の制御において、常に、インバータの制御値をフィードバック制御の１サイクルごとに１ポイントずつしか増減させないため、コンプレッサの回転数が目標回転数に到達するまでに要する時間が長かったためである。特に、低温時や、酸素濃縮装置に供給する電力が定格値を下回っているとき等は、一層長時間を要した。その結果、酸素濃縮装置の運転開始から、酸素濃度が十分に高い酸素濃縮ガスを供給できるまでの時間が長くなるという問題があった。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、酸素濃縮装置の運転開始から、酸素濃度が十分に高い酸素濃縮ガスを供給できるまでの時間を短縮できる酸素濃縮装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためになされた本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤が充填された吸着筒と、前記吸着筒に加圧空気を供給するコンプレッサと、前記コンプレッサの回転数を、インバータを用いたフィードバック制御により制御する制御部と、を備え、前記吸着筒にて空気から酸素濃縮ガスを生成する圧力変動吸着型の酸素濃縮装置であって、前記制御部は、前記コンプレッサの回転数と予め設定された目標回転数との差が所定の閾値より大きい場合は、前記差が前記閾値以下である場合よりも、前記フィードバック制御の１サイクルにおける前記インバータの制御値の増減幅を大きくし、前記閾値の値を、前記酸素濃縮ガスの設定流量が所定の値以上である場合は、前記設定流量が前記所定の値未満である場合よりも小さくすることを特徴とする。

本発明では、フィードバック制御の１サイクルにおけるインバータの制御値の増減幅を、コンプレッサの回転数（すなわちモータの回転数）と予め設定された目標回転数との差（以下では差Δとする）に応じて変動させる。そのことにより、差Δが大きい場合は、制御値の増減幅が大きくなり、制御値が早期に大きく変動するので、酸素濃縮装置の運転開始から、コンプレッサの回転数が目標回転数に達するまでの時間を短く、且つその時間のばらつきを低減することができる。その結果、酸素濃縮装置の運転開始から、供給する酸素濃縮ガスにおける酸素濃度が予定の濃度に達するまでの時間を短縮し、且つその時間のばらつきを低減できる。

特に、低温時や、酸素濃縮装置に供給する電力が定格値を下回っているとき等、コンプレッサの回転数が上がりにくいときに、上述した本発明の効果が顕著となる。また、コンプレッサの個体差がある場合でも、酸素濃縮装置の運転開始から、コンプレッサの回転数が目標回転数に達するまでの時間を短く、且つその時間のばらつきを低減できる。

また、本発明では、差Δが小さい場合、フィードバック制御の１サイクルにおけるインバータの制御値の増減幅を小さくするので、制御値の増減が緩やかになる。その結果として、制御値の増減が過度に大きくなり、実際の回転数が目標回転数を通り越して変化してしまうようなことが起こり難い。

前記増減幅の設定方法としては、以下のようなものがある。
（ａ）差Δが所定の閾値より大きい場合は、差Δが閾値以下である場合よりも、増減幅を大きくする。

酸素濃縮装置１の基本構成を表す説明図である。 酸素濃縮装置１の制御系を表す説明図である。 電子制御装置７７がコンプレッサ１１の回転数を制御する処理を表すフローチャートである。 電子制御装置７７がコンプレッサ１１の回転数を制御する処理を表すフローチャートである。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、差Δと制御値の増減幅との関係を規定したマップを表す説明図である。 試験１において酸素濃縮装置１が供給する酸素濃縮ガスの酸素濃度を示すグラフである。 試験１において酸素濃縮装置Ｒが供給する酸素濃縮ガスの酸素濃度を示すグラフである。 試験２において酸素濃縮装置１が供給する酸素濃縮ガスの酸素濃度を示すグラフである。 試験２において酸素濃縮装置Ｒが供給する酸素濃縮ガスの酸素濃度を示すグラフである。

本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
本実施形態では、空気中から窒素吸着剤（以下吸着剤とする）を用いて窒素を吸着して除去することにより酸素を濃縮し、この高濃度の酸素を含む酸素濃縮ガスを患者に対して供給する圧力変動吸着型の医療用酸素濃縮装置（以下、酸素濃縮装置１とする）を例に挙げる。

１．酸素濃縮装置１の概略構成
酸素濃縮装置１の概略構成を図１に基づいて説明する。図１に示す様に、酸素濃縮装置１において、空気取入口３及び防塵フィルタ５を介して周囲の空気が導入され、導入された空気は、吸気フィルタ７及び吸気マフラ９を介してコンプレッサ１１に吸入される。

コンプレッサ１１は、モータ１３の回転により、吸入空気を圧縮して高圧空気を生成する。モータ１３は、インバータ１４に接続されており、そのインバータ１４は図示しない商用電源に接続されている。インバータ１４は、後述する電子制御装置７７から出力される制御値に応じて、モータ１３の回転数（すなわちコンプレッサ１１の回転数）を制御する。また、インバータ１４は、モータ１３の回転数を検出し、その検出結果を電子制御装置７７に送信する。

なお、この回転数の検出は以下のように行う。モータ１３はブラシレスモータであり、その回転子の回転位置を検出する磁気センサ（図示略）を備えている。磁気センサの出力は、インバータ１４に入力される。インバータ１４は、磁気センサの出力をモータ１３の回転数信号に変換し、電子制御装置７７に送信する。

コンプレッサ１１により生成された高圧空気は、チェック弁１５、１７、供給弁（第１供給弁１９、第２供給弁２１）を介して、一対の吸着筒（第１吸着筒２３、第２吸着筒２５）に供給される。

供給弁１９、２１から吸着筒２３、２５に至る高圧空気の供給経路には、それぞれ排気弁（第１排気弁２７、第２排気弁２９）が接続されており、排気弁２７、２９の開弁時には、各吸着筒２３、２５を大気に開放できる。

吸着筒２３、２５には、空気中の窒素を優先的に吸着して酸素を分離するゼオライト系の吸着剤が充填されている。そして、排気弁２７、２９が閉弁状態にあるとき、チェック弁１５、１７及び供給弁１９、２１を介して、コンプレッサ１１から高圧空気が供給されると、その空気中から窒素を吸着して酸素濃縮ガスを生成し、酸素濃縮ガスを、チェック弁３１、３３を介して製品タンク３５側に送出する。

なお、吸着筒２３、２５からチェック弁３１、３３に至る酸素濃縮ガスの吐出経路には、両吸着筒２３、２５の吐出側を連通する連通路３７が設けられ、その連通路３７には、オリフィス３９、４１を介して電磁弁からなるパージ弁４３が設けられている。

また、製品タンク３５の下流側には、酸素濃縮ガスの圧力を調節する圧力調整器４５が設けられ、圧力調整器４５で調圧された酸素濃縮ガスは、流量設定器４７によって流量が設定された後に、加湿器４９まで送られ、加湿器４９にて加湿された後、排出口５１を介して、外部に排出される。

更に、酸素濃縮ガスの排出経路には、酸素濃縮ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ５３が設けられている。
また、酸素濃縮装置１は、各部を制御する電子制御装置７７を備えている。電子制御装置７７の動作については後述する。

２．酸素濃縮装置１の制御系
酸素濃縮装置１の制御系を、図２に基づいて説明する。酸素濃縮装置１は、流量設定器４７における流量設定を検出するポテンショメータ１０１、酸素濃縮ガスの流量を検出する流量センサ１０３、上述した酸素センサ５３、酸素濃縮装置１の雰囲気温度を検出する温度センサ１０７、コンプレッサ１１の圧力を検出する圧力センサ１０９、及び電子制御装置７７を備える。

電子制御装置７７は、入力部７８、出力部７９、周知のマイクロコンピュータ（マイコン）８０、各種のデータを記憶するメモリ（例えばＥＥＰＲＯＭ）８１を備えている。メモリ８１に記憶されているデータには、コンプレッサ１１の目標回転数が含まれる。ポテンショメータ１０１、流量センサ１０３、酸素センサ５３、温度センサ１０７、圧力センサ１０９、及びインバータ１４（以下、これらをセンサ類と総称する）の出力は、電子制御装置７７の入力部７８に送られる。なお、インバータ１４の出力は、上述したように、モータ１３の回転数信号である。

電子制御装置７７のマイコン８０は、センサ類から入力した結果に基づき、供給弁１９、２１、排気弁２７、２９、パージ弁４３、コンプレッサ１１（特にモータ１３）等を制御する。制御信号は、出力部７９を介して、供給弁１９、２１、排気弁２７、２９、パージ弁４３、コンプレッサ１１に出力される。供給弁１９、２１、排気弁２７、２９、パージ弁４３の制御は、周知のものと同様であるから、説明を省略する。コンプレッサ１１の制御については後述する。

３．コンプレッサ１１の制御方法
電子制御装置７７がコンプレッサ１１の回転数（モータ１３の回転数）を制御する処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。この処理は、インバータ１４を用いたフィードバック制御であり、図３に示す処理がフィードバック制御の１サイクルである。この処理は、酸素濃縮装置１の電源がＯＮであるとき、所定時間ごとに繰り返し実行される。

ステップ１０では、インバータ１４で検出したコンプレッサ１１の回転数から、電子制御装置７７のメモリに予め記憶されている目標回転数を差し引いた差Δを算出する。
ステップ２０では、コンプレッサ１１の実際の回転数が目標回転数と一致しているか（すなわち差Δが０であるか）否かを判断する。一致していない場合はステップ３０に進む。一方、一致している場合は本処理を終了する。

ステップ３０では、前記ステップ１０で算出した差Δが、所定の閾値以下であるか否かを判断する。差Δが閾値より大きい場合はステップ４０に進み、差Δが閾値以下である場合はステップ５０に進む。

ステップ４０では、インバータ１４の制御値における、フィードバック制御の１サイクルあたりの増減幅を値Ａとする。
ステップ５０では、インバータ１４の制御値における、フィードバック制御の１サイクルあたりの増減幅を値Ｂとする。ここで、値Ｂは値Ａよりも小さい値である。

ステップ６０では、インバータ１４の制御値を、前記ステップ１０で算出した差Δの正負に応じて増減する。すなわち、差Δが負の値である（コンプレッサ１１の実際の回転数が目標回転数よりも小さい）場合は、インバータ１４の制御値を所定の増減幅だけ増加させる。一方、差Δが正の値である（コンプレッサ１１の実際の回転数が目標回転数よりも大きい）場合は、インバータ１４の制御値を所定の増減幅だけ減少させる。

ここで、本ステップにおける制御値の増減幅は、直前のステップ４０、又は直前のステップ５０で設定した値である。従って、前記ステップ４０で増減幅を値Ａとした場合は、値Ａの分だけ、制御値を増減する。一方、前記ステップ５０で増減幅を値Ｂとした場合は、値Ｂの分だけ、制御値を増減する。

４．酸素濃縮装置１が奏する効果
電子制御装置７７は、差Δが大きい場合、インバータ１４の制御値の増減幅を大きくする。そのことにより、制御値が早期に大きく変動するので、酸素濃縮装置１の運転開始から、コンプレッサ１１の回転数が目標回転数に達するまでの時間を短く、且つその時間のばらつきを低減できる。その結果、酸素濃縮装置１の運転開始から、供給する酸素濃縮ガスにおける酸素濃度が予定の濃度に達するまでの時間を短縮し、且つその時間のばらつきを低減できる。

特に、低温時や、酸素濃縮装置１に供給する電力が定格値を下回っているとき等、コンプレッサ１１の回転数が上がりにくいときに、その効果が顕著となる。また、コンプレッサ１１の個体差がある場合でも、酸素濃縮装置１の運転開始から、コンプレッサ１１の回転数が目標回転数に達するまでの時間を短く、且つその時間のばらつきを低減できる。

さらに、酸素濃縮装置１の運転中に、供給電力が変動し、酸素濃縮ガスにおける酸素濃度が予定の濃度からずれた場合でも、酸素濃度を早期に、予定の濃度に戻すことができる。

また、電子制御装置７７は、差Δが小さい場合、制御値の増減幅を小さくするので、制御値の増減が緩やかになる。その結果として、制御値の増減が過度に大きくなり、実際の回転数が目標回転数を通り越して変化してしまうようなことが起こり難い。

５．酸素濃縮装置１が奏する効果を実証するための試験
酸素濃縮装置１が奏する効果を、以下の試験により実証した。
（１）試験１
本実施形態の酸素濃縮装置１が供給する酸素濃縮ガスにおける酸素濃度を、酸素濃縮装置１の起動時から、継続的に測定した。試験１は、供給電圧が１００Ｖの場合と、８５Ｖの場合とでそれぞれ行った。その結果を図６に示す。

なお、この試験１で用いた酸素濃縮装置１では、上述した閾値を５０ｒｐｍとした。また、差Δが５０ｒｐｍを超えた場合の制御値の増減幅（値Ａ）を１０とし、差Δが５０ｒｐｍ以下である場合の制御値の増減幅（値Ｂ）を１とした。

比較例として、基本的な構成及び作用は酸素濃縮装置１と同様であるが、差Δによらず、制御値の増減幅を常に１とした酸素濃縮装置Ｒについても、同様の試験を行った。その結果を図７に示す。

図６に示すように、酸素濃縮装置１は、供給電圧が１００Ｖ、８５Ｖのいずれの場合でも、酸素濃縮ガスにおける酸素濃度が早期に安定した。それに対し、酸素濃縮装置Ｒでは、図７に示すように、特に供給電圧が８５Ｖの場合、酸素濃縮ガスにおける酸素濃度が安定するまでに、非常に長時間を要した。
（２）試験２
酸素濃縮装置１に供給する電圧を、当初は１００Ｖとし、その後、９０Ｖに下げ、その後さらに１００Ｖに戻した。この一連の過程における酸素濃縮ガスの酸素濃度を継続的に測定した。その結果を図８に示す。酸素濃縮装置Ｒについても同様の試験を行った。その結果を図９に示す。

なお、この試験２でも、酸素濃縮装置１における閾値を５０ｒｐｍとした。また、差Δが５０ｒｐｍを超えた場合の制御値の増減幅（値Ａ）を１０とし、差Δが５０ｒｐｍ以下である場合の制御値の増減幅（値Ｂ）を１とした。

図８に示すように、酸素濃縮装置１は、供給電圧の変化により酸素濃度が一時的に変動しても、その後酸素濃度は早期に安定した、それに対し、酸素濃縮装置Ｒでは、図９に示すように、供給電圧の変化により酸素濃度が変動してから、酸素濃度が安定するまでに非常に長時間を要した。
（第２実施形態）
本実施形態の酸素濃縮装置１は、基本的な構成及び動作において前記実施形態１と同様であるが、コンプレッサ１１の制御方法において、一部相違する。以下では、相違する部分を中心に説明し、前記実施形態１と同様の部分の説明は省略乃至簡略化する。

１．コンプレッサ１１の制御方法
電子制御装置７７がコンプレッサ１１の回転数を制御する処理を図４のフローチャートに基づいて説明する。この処理は、インバータ１４を用いたフィードバック制御である。そして、図４に示す処理がフィードバック制御の１サイクルである。この処理は、酸素濃縮装置１の電源がＯＮであるとき、所定時間ごとに繰り返し実行される。

ステップ１１０では、インバータ１４で検出したコンプレッサ１１の回転数から、電子制御装置７７のメモリに予め記憶されている目標回転数を差し引いた差Δを算出する。
ステップ１２０では、コンプレッサ１１の実際の回転数が目標回転数と一致しているか（すなわち差Δが０であるか）否かを判断する。一致していない場合はステップ１３０に進む。一方、一致している場合は本処理を終了する。

ステップ１３０では、前記ステップ１１０で算出した差Δに応じて、インバータ１４の制御値における、フィードバック制御の１サイクルあたりの増減幅を設定する。具体的には、以下のようにする。電子制御装置７７のメモリは、図５（ａ）に示すような、差Δと増減幅との関係を規定するマップを記憶している。このマップでは、差Δが大きくなるにつれて、階段状に増減幅が大きくなる。そして、前記ステップ１１０で算出した差Δをこのマップに当てはめて、増減幅を設定する。なお、使用するマップは、図５（ｂ）に示すものであってもよい。このマップでは、差Δに比例して、増減幅が大きくなる。

ステップ１４０では、インバータ１４の制御値を、前記ステップ１１０で算出した差Δの正負に応じて増減する。すなわち、差Δが負の値である（コンプレッサ１１の実際の回転数が目標回転数よりも小さい）場合は、インバータ１４の制御値を所定の増減幅だけ増加させる。一方、差Δが正の値である（コンプレッサ１１の実際の回転数が目標回転数よりも大きい）場合は、インバータ１４の制御値を所定の増減幅だけ減少させる。

ここで、本ステップにおける制御値の増減幅は、直前のステップ１３０で設定した値とする。
２．酸素濃縮装置１が奏する効果
本実施形態の酸素濃縮装置１も、前記第１実施形態の場合と略同様の効果を奏することができる。

尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記第１実施形態において、制御値の増減幅の設定に用いる閾値は、酸素濃縮装置１の状態に応じて可変としてもよい。例えば、その閾値を、流量設定器４７における流量設定に応じて可変とすることができる。具体的には、流量設定が所定の値以上である場合は、閾値を低い値αとして、流量設定が前記所定の値未満である場合は、閾値を前記値αよりも高い値βとすることができる。設定流量が多い場合は、コンプレッサ１１の回転数が目標回転数に到達するまでの時間が一層長くなるが、上記のように、閾値を低くし、制御値の増減幅を大きくなり易くすることで、コンプレッサ１１の回転数を早期に上昇させ、目標回転数に達するまでの時間を短縮できる。

１・・・酸素濃縮装置、３・・・空気取入口、５・・・防塵フィルタ、
７・・・吸気フィルタ、９・・・吸気マフラ、１１・・・コンプレッサ、
１３・・・モータ、１４・・・インバータ、１５・・・チェック弁、
１９・・・第１供給弁、２１・・・第２供給弁、２３・・・第１吸着筒、
２５・・・第２吸着筒、２７・・・第１排気弁、２９・・・第２排気弁、
３１・・・チェック弁、３５・・・製品タンク、３７・・・連通路、
３９・・・オリフィス、４３・・・パージ弁、４５・・・圧力調整器、
４７・・・流量設定器、４９・・・加湿器、５１・・・排出口、５３・・・酸素センサ、
７７・・・電子制御装置、７８・・・入力部、７９・・・出力部、８０・・・マイコン、８１・・・メモリ、１０１・・・ポテンショメータ、１０３・・・流量センサ、
１０７・・・温度センサ、１０９・・・圧力センサ

Claims (1)

1. 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤が充填された吸着筒と、
   前記吸着筒に加圧空気を供給するコンプレッサと、
   前記コンプレッサの回転数を、インバータを用いたフィードバック制御により制御する制御部と、
   を備え、前記吸着筒にて空気から酸素濃縮ガスを生成する圧力変動吸着型の酸素濃縮装置であって、
   前記制御部は、前記コンプレッサの回転数と予め設定された目標回転数との差が所定の閾値より大きい場合は、前記差が前記閾値以下である場合よりも、前記フィードバック制御の１サイクルにおける前記インバータの制御値の増減幅を大きくし、
   前記閾値の値を、前記酸素濃縮ガスの設定流量が所定の値以上である場合は、前記設定流量が前記所定の値未満である場合よりも小さくすることを特徴とする酸素濃縮装置。