JP4904127B2 - Pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator - Google Patents
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Description
本発明は、大気中から酸素富化空気、酸素濃縮気体を分離して使用するための酸素濃縮装置に関する。更に詳細には、圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関し、該積算時間の経過に伴い、該空気供給手段及び/又は該吸着床に充填されている該吸着剤の性能低下によって生成酸素濃縮気体の体積濃度の低下を防ぎ、該積算時間の経過に影響されること無く安定的に使用者に所定濃度以上の酸素濃縮気体を供給できるようにした、改善された圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関する。 The present invention relates to an oxygen concentrator for separating and using oxygen-enriched air and oxygen-enriched gas from the atmosphere. More specifically, regarding the pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator, the volume of the oxygen-enriched gas produced due to the reduced performance of the adsorbent filled in the air supply means and / or the adsorbent bed as the integration time elapses. The present invention relates to an improved pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator capable of preventing a decrease in concentration and stably supplying an oxygen-enriched gas having a predetermined concentration or more to a user without being affected by the elapsed time.
近年、肺気腫、肺結核後遺症や慢性気管支炎などの慢性呼吸器疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、かかる患者に対する治療方法として、高濃度酸素を吸入させる酸素吸入療法が行われている。酸素吸入療法とは前記疾病患者に対して酸素ガス若しくは酸素濃縮気体を吸入させる治療法である。治療用の酸素ガス或いは濃縮酸素気体の供給源としては、高圧酸素ボンベ、液体酸素ボンベ、酸素濃縮装置等の使用が挙げられるが、長時間の連続使用に耐えることができ、また使い勝手がよいなどの理由により、酸素濃縮装置を使用するケースが増加している。 In recent years, the number of patients suffering from chronic respiratory diseases such as pulmonary emphysema, pulmonary tuberculosis sequelae and chronic bronchitis tends to increase. As a treatment method for such patients, oxygen inhalation therapy for inhaling high concentration oxygen is performed. The oxygen inhalation therapy is a treatment method for inhaling oxygen gas or oxygen enriched gas to the diseased patient. Examples of the supply source of therapeutic oxygen gas or concentrated oxygen gas include the use of high-pressure oxygen cylinders, liquid oxygen cylinders, oxygen concentrators, etc., which can withstand long-term continuous use and are easy to use. For this reason, cases of using oxygen concentrators are increasing.
酸素濃縮装置は空気中の酸素を分離し、濃縮することを可能にした装置である。かかる酸素を分離濃縮する装置としては、90%以上の高濃度の酸素が得られるという観点で、空気中の窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を1個或いは、複数の吸着床に充填した吸着型酸素濃縮装置が広く知られている。その中でも圧力変動装置としてコンプレッサを用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が広く世の中に広まっている。かかる装置は通常窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填させた1個或いは複数の吸着床に対して、コンプレッサから圧縮空気を供給し、吸着床内を加圧状態にして窒素を吸着させ、未吸着の高濃度の酸素を得る吸着工程と、吸着床内を減圧して窒素を脱着させる脱着工程からなり、これを一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を得る装置である。 The oxygen concentrator is an apparatus that can separate and concentrate oxygen in the air. As an apparatus for separating and concentrating oxygen, one or a plurality of adsorbent beds is packed with an adsorbent capable of selectively adsorbing nitrogen in the air from the viewpoint of obtaining high concentration oxygen of 90% or more Adsorption type oxygen concentrators are widely known. Among them, a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator using a compressor as a pressure fluctuation apparatus is widely spread in the world. Such an apparatus normally supplies compressed air from a compressor to one or a plurality of adsorbent beds filled with an adsorbent that selectively adsorbs nitrogen, and adsorbs nitrogen by bringing the inside of the adsorbent bed into a pressurized state. This is an apparatus for obtaining high concentration oxygen by repeating an adsorption process for obtaining unadsorbed high concentration oxygen and a desorption step for desorbing nitrogen by depressurizing the inside of the adsorption bed.
生成する酸素濃度の経時的変化、装置の経時劣化に伴う酸素濃度低下を補償し、酸素濃度を一定に保持するため、酸素濃縮気体の酸素濃度を酸素センサーで検知し、コンプレッサ風量や吸脱着のサイクルタイムなどをフィードバック制御することで製品酸素濃度を維持する装置が知られている(特許文献1)。 To compensate for the change in oxygen concentration over time and the decrease in oxygen concentration due to aging of the device, and to keep the oxygen concentration constant, the oxygen concentration of the oxygen-enriched gas is detected by an oxygen sensor, and the compressor air volume and adsorption / desorption An apparatus that maintains product oxygen concentration by feedback control of cycle time or the like is known (Patent Document 1).
酸素濃縮装置の保守点検において、当該装置の積算使用時間を確認し、各種保守管理を実施することは重要であり、積算使用時間の確認の方法としては、当該装置に備えられたアワーメータを用いる方法、外部端末を用いて管理する方法(特許文献2、特許文献3)が広く用いられている。
In the maintenance and inspection of the oxygen concentrator, it is important to check the accumulated usage time of the device and perform various maintenance management. As a method of confirming the accumulated usage time, use the hour meter provided in the device. A method and a management method using an external terminal (
在宅酸素療法では、医師の処方により吸入する酸素量が決定され、圧力変動吸着型酸素濃縮装置を酸素供給源として使用する場合、90%以上の酸素濃度が常に生成されることを前提として、患者の血中酸素濃度データを基にして処方酸素流量及び吸入時間が決定される。 In home oxygen therapy, the amount of oxygen to be inhaled is determined by a doctor's prescription, and when using a pressure fluctuation adsorption oxygen concentrator as an oxygen supply source, it is assumed that an oxygen concentration of 90% or more is always generated. The prescription oxygen flow rate and the inhalation time are determined based on the blood oxygen concentration data.
圧力変動吸着型酸素濃縮装置の吸着床として使用する5A型,13X型,Li-X型などのゼオライト吸着剤は水を選択的に吸着する性質を有するため、原料空気中の水分を吸着することにより吸着剤が経時劣化し、生成酸素濃度が徐々に低下していく傾向にある。装置の運転中は吸着剤に吸着した窒素を排気再生する脱着工程で吸着した窒素と共に水分も排気されるが、一部残った水分が徐々に蓄積していくため、通常2年程度で吸着剤の交換をする必要がある。 Zeolite adsorbents such as 5A, 13X, and Li-X used as adsorption beds for pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrators have the property of selectively adsorbing water, and therefore adsorb moisture in the raw material air. As a result, the adsorbent deteriorates with time, and the oxygen concentration tends to decrease gradually. During the operation of the equipment, moisture is exhausted together with the adsorbed nitrogen in the desorption process that exhausts and regenerates the nitrogen adsorbed on the adsorbent, but the remaining moisture gradually accumulates, so the adsorbent usually takes about 2 years. It is necessary to exchange.
使用者の多くは慢性呼吸器疾患患者であるため、かかる酸素濃縮装置は1年、2年といった長期間にわたり連続使用される。しかし、病気の重篤度により処方酸素量が決定される為、軽症の患者の場合には運動時(活動時)のみ、あるいは1日数時間といった処方で酸素吸入が行われる。例えば1日あたり1時間の酸素吸入する患者の場合には、酸素濃縮装置の使用時間は1年間で365時間(15.2日)であり、累積休止時間は8395時間となる。このような間歇運転を行った場合には休止時間中の水分の侵入、間欠運転を繰り返すことで生じる装置の温度変化による吸着筒中の水分拡散を促進する。結果、数ヶ月で吸着剤が急速に劣化し、生成酸素濃度の低下を引き起こすことになる。 Since many users are patients with chronic respiratory diseases, such oxygen concentrators are used continuously over a long period of time, such as one year or two years. However, since the prescription oxygen amount is determined by the severity of the disease, in the case of mild patients, oxygen inhalation is performed only during exercise (during activity) or with a prescription such as several hours per day. For example, in the case of a patient who inhales oxygen for 1 hour per day, the usage time of the oxygen concentrator is 365 hours (15.2 days) in one year, and the cumulative rest time is 8395 hours. When such intermittent operation is performed, moisture diffusion in the adsorption cylinder due to the temperature change of the apparatus caused by repeated intrusion and intermittent operation of moisture during the downtime is promoted. As a result, the adsorbent rapidly deteriorates within a few months, causing a decrease in the generated oxygen concentration.
本発明は、このような酸素濃縮装置の休止劣化に対し、装置の運転および休止情報に基づいてコンプレッサ風量や吸脱着サイクルを制御することにより生成する酸素濃度の経時的変化、装置の経時劣化に伴う酸素濃度低下を補償し、酸素濃度を一定に保持する装置を見出したものである。 In the present invention, in response to such deterioration of the oxygen concentrator due to pause, the oxygen concentration generated by controlling the compressor air volume and the adsorption / desorption cycle based on the operation and pause information of the device and the deterioration of the oxygen with time are reduced. The present inventors have found an apparatus that compensates for the accompanying decrease in oxygen concentration and keeps the oxygen concentration constant.
すなわち本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも1個の吸着床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段、該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着工程を一定タイミングで繰り返すための流路切替手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、該装置の運転時間計測手段を備え、該運転時間計測手段の運転時間情報に基づいて、該空気供給手段の空気供給量及び/または該流路切替手段の切り替え時間を制御する制御手段を備えたことを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。 That is, the present invention includes at least one adsorption bed filled with an adsorbent capable of selectively adsorbing nitrogen over oxygen, air supply means for supplying air to the adsorption bed, and air from the air supply means. In the pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrating apparatus provided with the flow path switching means for repeating the adsorption process for supplying the adsorbent bed and taking out the concentrated oxygen, and the desorption process for depressurizing the adsorbent bed and regenerating the adsorbent at a fixed timing. And a control means for controlling the air supply amount of the air supply means and / or the switching time of the flow path switching means based on the operation time information of the operation time measurement means. A pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrating device is provided.
また本発明は、かかる運転時間計測手段の運転時間情報に基づいて、運転時間比率及び/又は累積休止時間を演算する演算手段を備え、演算結果に基づいて該制御手段が該空気供給手段の空気供給量及び/または該流路切替手段の切り替え時間を制御することを特徴とするものである、該運転時間比率が所定値以下(特に0.02以下)であり、累積休止時間が所定時間以上(特に2000時間以上)の場合には該制御手段が該空気供給手段の空気供給量を増加させる制御あるいは該流路切替手段の切り替え時間を遅くする制御を行うことを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。 The present invention further includes a calculation unit that calculates an operation time ratio and / or an accumulated downtime based on the operation time information of the operation time measurement unit, and the control unit determines whether the air supply unit has an air flow based on the calculation result. The operation amount ratio is not more than a predetermined value (particularly not more than 0.02) and the cumulative pause time is not less than the prescribed time (particularly, characterized by controlling the supply amount and / or the switching time of the flow path switching means. In the case of 2000 hours or more), the control means performs control for increasing the air supply amount of the air supply means or control for delaying the switching time of the flow path switching means. A device is provided.
更に本発明は、かかる運転時間比率が所定値以下であり、累積休止時間が所定時間以上の場合、該制御手段が該空気供給手段の空気供給量の制御、あるいは該流路切替手段の切り替え時間の制御を実施していることを表示させる表示手段を備えることを特徴とし、また、かかる表示手段が、通信回線を通じて情報を管理する管理センターに制御情報を送信し、表示させる手段であることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。 Further, according to the present invention, when the operation time ratio is not more than a predetermined value and the accumulated pause time is not less than the predetermined time, the control means controls the air supply amount of the air supply means or the switching time of the flow path switching means. It is characterized by comprising display means for displaying that the control is executed, and such display means is means for transmitting and displaying control information to a management center that manages information through a communication line. A pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrating device is provided.
本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、間歇運転による装置劣化を予測しソフト的に対応することで、生成酸素濃度を維持することが可能となる。
更には、初期的に吸着剤充填量を増加させ、あるいは最初から空気供給手段の圧縮空気供給量を増加させる設計は不要となり、圧力変動吸着型酸素濃縮装置の消費電力、コスト、重量等を抑える商品設計が可能となる。
In the pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator of the present invention, it is possible to maintain the generated oxygen concentration by predicting the apparatus deterioration due to the intermittent operation and responding in software.
Furthermore, it is not necessary to initially increase the adsorbent filling amount or to increase the compressed air supply amount of the air supply means from the beginning, thereby reducing the power consumption, cost, weight, etc. of the pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator. Product design becomes possible.
本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の実施態様例について、従来技術と比較しながら図面を用いて説明する。但し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
図1において、1は酸素濃縮装置、3は加湿された酸素富化空気を吸入する使用者(患者)を示す。圧力変動吸着型酸素濃縮装置1は、外部空気取り込みフィルター101、コンプレッサ103、切り替え弁104、吸着筒105、逆止弁106、製品タンク107、調圧弁108、流量設定手段109、フィルター110を備える。これにより外部から取り込んだ原料空気から酸素ガスを濃縮した酸素富化空気を製造することができる。
An embodiment of the pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator of the present invention will be described with reference to the drawings while comparing with the prior art. However, the present invention is not limited to these examples.
In FIG. 1, 1 is an oxygen concentrator, and 3 is a user (patient) who inhales humidified oxygen-enriched air. The pressure fluctuation adsorption-type oxygen concentrator 1 includes an external
先ず、外部から取り込まれる原料空気は、塵埃などの異物を取り除くための外部空気取り込みフィルター101などを備えた空気取り込み口から取り込まれる。このとき、通常の空気中には、約21%の酸素ガス、約77%の窒素ガス、0.8%のアルゴンガス、水蒸気ほかのガスが1.2%含まれている。かかる装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素ガスのみを濃縮して取り出す。
First, the raw material air taken in from the outside is taken in from an air intake port provided with an external
この酸素ガスの取り出しは、原料空気を酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着するゼオライトなどからなる吸着剤が充填された吸着筒105に対して、切り替え弁104によって対象とする吸着筒105を順次切り替えながら、原料空気をコンプレッサ103により加圧して供給し、吸着筒105内で原料空気中に含まれる約77%の窒素ガスを選択的に吸着除去する。
The oxygen gas is taken out from the
前記の吸着筒105としては、前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成され、通常、1筒式、2筒式の他に3筒以上の多筒式が用いられるが、連続的かつ効率的に原料空気から酸素富化空気を製造するためには、多筒式の吸着筒105を使用することが好ましい。また、前記のコンプレッサ103としては、揺動型空気圧縮機が用いられるほか、スクリュー式、ロータリー式、スクロール式などの回転型空気圧縮機が用いられる場合もある。また、このコンプレッサ103を駆動する電動機の電源は、交流であっても直流であってもよい。
前記吸着筒105で吸着されなかった酸素ガスを主成分とする酸素富化空気は、吸着筒105へ逆流しないように設けられた逆止弁106を介して、製品タンク107に流入する。
The adsorbing
Oxygen-enriched air mainly composed of oxygen gas that has not been adsorbed by the
なお、吸着筒105内に充填された吸着剤に吸着された窒素ガスは、新たに導入される原料空気から再度窒素ガスを吸着するために吸着剤から脱着させる必要がある。このために、コンプレッサ103によって実現される加圧状態から、切り替え弁104によって減圧状態(例えば大気圧状態又は負圧状態)に切り替え、吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着剤を再生させる。この脱着工程において、その脱着効率を高めるため、吸着工程中の吸着筒の製品端側或いは製品タンク107から酸素富化空気をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。
Note that the nitrogen gas adsorbed by the adsorbent filled in the
原料空気から酸素富化空気が製造され、製品タンク107へ蓄えられる。この製品タンク107に蓄えられた酸素富化空気は、例えば95%といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、調圧弁108や流量設定手段109などによってその供給流量と圧力とが制御されながら、加湿器201へ供給され、加湿された酸素富化空気が患者に供給される。かかる加湿器には、水分透過膜を有する水分透過膜モジュールによって、外部空気から水分を取り込んで乾燥状態の酸素富化空気へ供給する無給水式加湿器や、水を用いたバブリング式加湿器、或いは表面蒸発式加湿器を用いることが出来る。
Oxygen-enriched air is produced from the raw air and stored in the product tank 107. The oxygen-enriched air stored in the product tank 107 contains high-concentration oxygen gas, for example, 95%, and the supply flow rate and pressure are controlled by the
流量設定手段109の設定値を検知し、制御手段401によりコンプレッサ103の電動機の回転数を制御することで吸着筒105への供給風量を制御する。設定流量が低流量の場合には回転数を落とすことで生成酸素量を抑え、且つ消費電力の低減を図る。
The set value of the flow
運転時間計測手段402には、リアルタイムクロック(RTC)を採用し、酸素濃縮装置の運転時間の開始時刻および停止時刻を計測する。計測結果に基づいて運転時間比率(稼働率)及び累積休止時間を演算し、運転時間比率が所定値以下、累積休止時間が所定時間以上の場合には、制御手段401が圧縮機103の空気供給量を増加させる制御、あるいは切り替え弁104の切り替え時間を遅くする制御を行う。
The operating time measuring means 402 employs a real time clock (RTC) to measure the start time and stop time of the operating time of the oxygen concentrator. Based on the measurement result, the operation time ratio (operation rate) and the accumulated stop time are calculated. When the operation time ratio is equal to or less than the predetermined value and the accumulated stop time is equal to or more than the predetermined time, the control means 401 supplies the air to the
患者が軽症であり、必要酸素供給量が少なく処方時間が短い場合には、酸素濃縮装置の運転時間が短くなり、結果として間歇運転を行うことになる。装置は駆動すると装置内温度が上昇し、停止すると装置内温度は下がる。吸着筒105も同様であり、装置が停止し装置内温度が下がると吸着筒105の温度も低下し、吸着筒105の内圧は負圧になる。切り替え弁104は装置停止時には閉じているが負圧の影響を受け、外気を吸引し易くなる。多筒式で吸着筒の一部が大気開放されている場合にはその影響はより顕著になる。
When the patient is mild and the required oxygen supply amount is small and the prescription time is short, the operation time of the oxygen concentrator is shortened, resulting in intermittent operation. When the device is driven, the temperature inside the device increases, and when the device stops, the temperature inside the device decreases. The same applies to the
また2筒式、多筒式の吸着筒を有する酸素濃縮装置の場合には、必ず1つの吸着筒は吸着工程で終了する為、吸着筒に原料空気中の水分が残った状態となっており、吸着筒の温度低下に伴い、飽和蒸気圧の低下により水分凝縮を起こす可能性が生じる。 In addition, in the case of an oxygen concentrator having a two-cylinder type and a multi-cylinder type adsorption cylinder, one adsorption cylinder always ends in the adsorption process, so that moisture in the raw material air remains in the adsorption cylinder. As the temperature of the adsorption cylinder decreases, there is a possibility that moisture condensation will occur due to a decrease in saturated vapor pressure.
かかる課題は設定流量値には依存せず、運転時間比率(稼働率)と累積休止時間に依存する。図1の酸素濃縮装置を例にして、1日あたりの連続運転時間と酸素濃度低下の発生頻度を図2に示す。1日当たりの運転時間が1時間乃至2時間である装置の、酸素濃度低下発生率が高いことがわかる。このような短時間使用の場合には、使用者は必ずしも毎日酸素吸入を実施する訳ではない。かかる酸素濃度の低下は累積休止時間で2000時間以上の経過で発生する。図3に酸素濃縮装置の累積の運転時間比率(稼働率)と吸着剤の吸湿劣化に伴う酸素濃度低下の発生頻度の関係を示すと、稼働率4%以下で酸素濃度低下の問題が発生し、2%以下で急速に増加する傾向を示す。 Such a problem does not depend on the set flow rate value, but depends on the operation time ratio (operation rate) and the accumulated downtime. Taking the oxygen concentrator in FIG. 1 as an example, FIG. 2 shows the continuous operation time per day and the frequency of occurrence of a decrease in oxygen concentration. It can be seen that the rate of decrease in oxygen concentration is high in the apparatus in which the operation time per day is 1 to 2 hours. In such a short-time use, the user does not necessarily perform oxygen inhalation every day. Such a decrease in oxygen concentration occurs after 2000 hours or more in cumulative rest time. Fig. 3 shows the relationship between the cumulative operating time ratio (operating rate) of the oxygen concentrator and the frequency of occurrence of oxygen concentration reduction due to moisture absorption deterioration of the adsorbent. When the operating rate is 4% or less, the problem of oxygen concentration reduction occurs. It shows a tendency to increase rapidly at 2% or less.
運転時間比率が2%以下であり、累積休止時間が2000時間以上を超えた場合、制御手段401は圧縮機103の駆動モータ回転数を制御し、空気供給量を通常よりも増加させ、生成する酸素富化空気の酸素濃度を上昇させる制御を行う。また別の手段として流路切替手段である切り替え弁104の切り替え時間の制御をし、吸脱着時間を長くすることで吸着時間を延長し、酸素濃度を上昇させる。
When the operation time ratio is 2% or less and the accumulated pause time exceeds 2000 hours or more, the control means 401 controls the drive motor rotation speed of the
かかる制御がかかった場合には、LED表示等で使用者に注意喚起し、吸湿劣化による酸素濃度の低下の予報を行う。通信ネットワーク回線を通じて各機器の使用情報、異常情報を情報センター等で一括管理するシステムを採用している場合には、通信回線を通じて情報を管理する管理センターに制御情報を送信し、制御情報を表示させることで、機器の異常停止の前にメンテナンスを行うことを可能とする。 When such control is applied, the user is alerted with an LED display or the like, and a prediction of a decrease in oxygen concentration due to moisture absorption deterioration is made. When a system that collectively manages the usage information and abnormality information of each device through the communication network line is used at the information center, etc., the control information is sent to the management center that manages the information through the communication line and the control information is displayed. By doing so, it is possible to perform maintenance before the abnormal stop of the device.
1:酸素濃縮装置
2:無給水式加湿器
3:使用者
101:外部空気取り込みフィルター
103:コンプレッサ
104:切り替え弁
105:吸着筒
106:逆止弁
107:製品タンク
108:調圧弁
109:流量設定手段
110:フィルター
201:加湿器
301:酸素濃度センサー
302:流量センサー
401:制御手段
402:運転時間計測手段
1: Oxygen concentrator 2: Waterless humidifier 3: User
101: External air intake filter
103: Compressor
104: Switching valve
105: Adsorption cylinder
106: Check valve
107: Product tank
108: Pressure regulating valve
109: Flow rate setting method
110: Filter
201: Humidifier
301: Oxygen concentration sensor
302: Flow sensor
401: Control means
402: Operation time measurement means
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