JP2012228415A - Oxygen concentrator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流量制御装置を搭載し、主として医療目的で吸入される酸素濃縮ガスを供給するための酸素濃縮装置に関するものである。
The present invention relates to an oxygen concentrator equipped with a flow rate control device and for supplying oxygen-concentrated gas mainly inhaled for medical purposes.
肺ガン、肺気腫、慢性気管支炎、肺炎などの疾患により呼吸器系の機能が低下した患者に対しては酸素吸入療法が施される。このような酸素吸入療法における酸素ガスの供給源としては酸素ガスボンベ、液体酸素貯槽、圧力変動吸着式(PSA)酸素濃縮装置などが使用される。近年では、圧力変動吸着式の酸素濃縮装置が、在宅酸素療法に使われる酸素ガスの供給源として主流になっている。 Oxygen inhalation therapy is given to patients whose respiratory system function has been reduced due to diseases such as lung cancer, emphysema, chronic bronchitis, and pneumonia. As an oxygen gas supply source in such oxygen inhalation therapy, an oxygen gas cylinder, a liquid oxygen storage tank, a pressure fluctuation adsorption (PSA) oxygen concentrator, or the like is used. In recent years, pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrators have become mainstream as a source of oxygen gas used for home oxygen therapy.
圧力変動吸着式酸素濃縮装置の主な構成要素は、原料空気を送り込むコンプレッサー、原料空気の送り先を切り替える電磁弁、酸素を選択的に取り出す2本の吸着筒である。原料空気はフィルターによって異物を除去された後、コンプレッサーで圧縮されて吸着筒に送り込まれる。 The main components of the pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator are a compressor that feeds the raw air, an electromagnetic valve that switches the destination of the raw air, and two adsorption cylinders that selectively take out oxygen. After the foreign material is removed by the filter, the raw air is compressed by the compressor and sent to the adsorption cylinder.
原料空気の流路は通常は電磁弁によって切り替えられる。吸着筒には窒素との親和性が酸素より強いゼオライトが充填されている。原料空気口から原料空気が送り込まれた吸着筒内では窒素が留まり、酸素が濃縮された酸素濃縮ガスが先に製品口から流出する。このように片方の吸着筒が酸素を製造している間、他方の吸着筒には製造された酸素の一部を送り込んで前工程で吸着していた窒素を酸素でパージする(洗い流す)。酸素濃縮ガスは酸素バッファータンクに送り込まれ、減圧弁で酸素ガス供給圧力が制御され、流量制御器(流量設定器)、酸素濃度計、加湿器を経由して、最終的にカニューラを通じて使用者に供給される。 The flow path of the raw material air is usually switched by a solenoid valve. The adsorption cylinder is filled with zeolite having a higher affinity for nitrogen than for oxygen. Nitrogen stays in the adsorption cylinder to which the raw material air is fed from the raw material air port, and the oxygen-enriched gas enriched with oxygen flows out from the product port first. In this way, while one adsorption cylinder is producing oxygen, a part of the produced oxygen is fed into the other adsorption cylinder and the nitrogen adsorbed in the previous step is purged (washed out) with oxygen. The oxygen-enriched gas is fed into the oxygen buffer tank, the oxygen gas supply pressure is controlled by the pressure-reducing valve, passes through the flow rate controller (flow rate setting device), the oxygen concentration meter, and the humidifier, and finally reaches the user through the cannula. Supplied.
流量制御器としては、主として2つの方式のものが使われる。一つはオリフィスを用いるもの、もう一つは流量計と比例電磁弁あるいはそれらが統合された所謂マスフローコントローラーである。 Two types of flow rate controllers are mainly used. One is an orifice, and the other is a flow meter and a proportional solenoid valve or a so-called mass flow controller in which they are integrated.
オリフィスを用いるものは、オリフィスの1次側と2次側の圧力差(差圧)が一定である時、流量はオリフィス開口の面積に比例するという原理に基づいている。実際には金属製円盤の円弧上に小孔径から大孔径まで、設定したい流量に応じた孔径のオリフィス開口を形成し、ロータリースイッチ形式で円盤を回転させて対応するオリフィスを選択するものである。 Those using an orifice are based on the principle that when the pressure difference (differential pressure) between the primary side and the secondary side of the orifice is constant, the flow rate is proportional to the area of the orifice opening. Actually, an orifice opening having a hole diameter corresponding to a desired flow rate is formed on a circular arc of a metal disk from a small hole diameter to a large hole diameter, and the corresponding orifice is selected by rotating the disk in the form of a rotary switch.
一方、マスフローコントローラーはマスフローメーター(流量計)と比例電磁弁とを備えて構成される。マスフローメーターは微小のシリコンチップの上に発熱体と測温体などが配置されたマイクロフローセンサで、ガスの流れを測温体の温度変化で計測して、測定された流量が設定流量に一致するよう比例電磁弁の開度を調節するものである。 On the other hand, the mass flow controller includes a mass flow meter (flow meter) and a proportional solenoid valve. The mass flow meter is a micro flow sensor in which a heating element and a temperature sensor are arranged on a small silicon chip. The flow of gas is measured by the temperature change of the temperature sensor, and the measured flow rate matches the set flow rate. The degree of opening of the proportional solenoid valve is adjusted so that
このような酸素濃縮装置に関する先行技術文献として、下記の特許文献1〜4が開示されている。 The following patent documents 1 to 4 are disclosed as prior art documents relating to such an oxygen concentrator.
◆特許文献1
特許文献1は、熱式質量流量コントローラ(マスフローコントローラー)が装備された酸素濃縮装置を開示する。この酸素濃縮装置は、酸素ガスの流量計として熱式質量流量計を用い、流量制御弁としてソレノイドバルブやピエゾバルブを用い、酸素ガスの供給側に負荷がかかった場合でも設定流量値の酸素ガスを供給しようとするものである。
◆ Patent Document 1
Patent Document 1 discloses an oxygen concentrator equipped with a thermal mass flow controller (mass flow controller). This oxygen concentrator uses a thermal mass flow meter as a flow meter for oxygen gas, a solenoid valve or a piezo valve as a flow control valve, and supplies oxygen gas at a set flow rate value even when a load is applied to the oxygen gas supply side. It is what you want to supply.
◆特許文献2
特許文献2は、2次側の流量測定結果に基づいて流量調節バルブの開度を制御する酸素濃縮器を開示する。
◆ Patent Document 2
Patent Document 2 discloses an oxygen concentrator that controls the opening degree of a flow rate adjustment valve based on a flow rate measurement result on the secondary side.
◆特許文献3
特許文献3は、高度センサで検知した標高に基づいて、高度が高い場合にオリフィスを切り替えてユーザに対する酸素ガスの流量を増やす酸素濃縮システムを開示する。
◆
◆特許文献4
特許文献4は、PSA式の酸素濃縮装置に関するものである。PSA式では気圧の低い環境で酸素濃度の低下が起こることから、気圧センサで気圧の低下を検知した場合に、コンプレッサーの回転数を上げて原料空気の供給量を増加させることを開示する。
◆ Patent Document 4
Patent Document 4 relates to a PSA type oxygen concentrator. In the PSA system, since the oxygen concentration is lowered in an environment where the atmospheric pressure is low, it is disclosed that the supply amount of the raw air is increased by increasing the rotation speed of the compressor when the atmospheric pressure sensor detects the atmospheric pressure.
酸素吸入療法における酸素濃縮ガスの吸入量は、医師の処方箋において、例えば「5.0〔L/分〕」のように、単位時間あたりの流量で指示される。 The inhalation amount of the oxygen-enriched gas in the oxygen inhalation therapy is indicated by a flow rate per unit time, for example, “5.0 [L / min]” in a doctor's prescription.
酸素濃縮ガスの流量を処方箋通りに制御するために、一般に、オリフィスによる制御とマスフローコントローラーによる制御が採用されている。 In order to control the flow rate of the oxygen-enriched gas in accordance with a prescription, control by an orifice and control by a mass flow controller are generally employed.
オリフィス方式は、1次側のガスを2次側に流す際に小さな開口であるオリフィスを通過させることにより流量を制御する。したがって、オリフィス方式では、オリフィスの1次側と2次側の差圧で流量が決定される。酸素濃縮装置では、1次側の圧力は減圧弁によりほぼ一定に制御される一方、2次側の圧力が一定であることが必要条件である。 In the orifice method, the flow rate is controlled by passing an orifice, which is a small opening, when the gas on the primary side flows to the secondary side. Therefore, in the orifice method, the flow rate is determined by the differential pressure between the primary side and the secondary side of the orifice. In the oxygen concentrator, the primary side pressure is controlled to be substantially constant by the pressure reducing valve, while the secondary side pressure is constant.
ところが、2次側には、酸素ガスを加湿する加湿器や、使用者が鼻から酸素ガスを吸入するためのカニューラ、カニューラと酸素濃縮装置を繋ぐ細いプラスチックチューブなどが存在する。バブリング式の加湿器は、末端に多孔体を装着したチューブから気泡状の酸素濃縮ガスを水中に放出するので、加湿器内の水位に応じて2次側の圧力は変動する。多孔体の閉塞により圧力損失が発生することもある。また、使用者は装置から離れた場所で酸素濃縮ガスを吸入するときにチューブを延長することがあり、チューブそのものも折れ曲がることがある。これらの要因でも2次側の圧力負荷が変動し、2次側の圧力は一定にならない。 However, on the secondary side, there are a humidifier that humidifies oxygen gas, a cannula for a user to inhale oxygen gas from the nose, and a thin plastic tube that connects the cannula and the oxygen concentrator. In the bubbling humidifier, the bubble-like oxygen-enriched gas is released into the water from a tube having a porous body at the end, so that the secondary pressure varies depending on the water level in the humidifier. Pressure loss may occur due to the blockage of the porous body. In addition, the user may extend the tube when inhaling the oxygen-enriched gas at a location away from the apparatus, and the tube itself may be bent. Even with these factors, the pressure load on the secondary side fluctuates and the pressure on the secondary side does not become constant.
このように、2次側の圧力に変動があると、オリフィス前後の差圧も変動することになる。したがって、基本的に、オリフィス方式では、種々の2次側要因によって処方箋どおりの酸素吸入治療を実現できないことがあるのが実情である。 As described above, when the pressure on the secondary side varies, the differential pressure before and after the orifice also varies. Therefore, basically, in the orifice method, the actual situation is that the oxygen inhalation treatment according to the prescription may not be realized due to various secondary factors.
マスフローコントローラー(質量流量計)は、通過するガスの質量を検知し、ガスの質量を制御することで流量を制御する。このため、酸素濃縮ガスの流量をマスフローコントローラーで制御する場合は、2次側の圧力変動に流量が影響されず、一定の流量での酸素濃縮ガスの供給が実現できる。 A mass flow controller (mass flow meter) detects the mass of a gas passing therethrough and controls the flow rate by controlling the mass of the gas. For this reason, when the flow rate of the oxygen-enriched gas is controlled by the mass flow controller, the flow rate is not affected by the pressure fluctuation on the secondary side, and supply of the oxygen-enriched gas at a constant flow rate can be realized.
マスフローコントローラーは、質量に基づいて流量を制御することから、計測した質量を体積に換算して流量を表現しなければならない。通常はひとつの標準状態(例えば20〔℃〕、1013〔hPa〕)の体積に換算して表示される。使用環境が標準状態から乖離している場合、体積としての流量が処方箋と一致しないことがある。 Since the mass flow controller controls the flow rate based on the mass, it must express the flow rate by converting the measured mass into a volume. Usually, it is displayed in terms of the volume of one standard state (for example, 20 [° C.], 1013 [hPa]). When the usage environment deviates from the standard state, the flow rate as a volume may not match the prescription.
マスフローコントローラーで流量制御する酸素濃縮装置を5.0〔L/分〕の流量に設定したとする。マスフローコントローラーは標準状態で5.0〔L/分〕になるように流れるガスの質量を制御する。もし酸素濃縮装置の使われる環境が標高1000〔m〕、気圧900〔hPa〕であれば、その環境における実際の体積流量は5.6〔L/分〕となり、処方箋の指示より多めの酸素を吸入させることになる。 It is assumed that the oxygen concentrator whose flow rate is controlled by the mass flow controller is set to a flow rate of 5.0 [L / min]. The mass flow controller controls the mass of the flowing gas so as to be 5.0 [L / min] in the standard state. If the environment in which the oxygen concentrator is used is at an altitude of 1000 [m] and an atmospheric pressure of 900 [hPa], the actual volumetric flow rate in that environment will be 5.6 [L / min], and more oxygen than in the prescription instructions. Will be inhaled.
また、酸素濃縮ガスの体積流量は、環境温度によっても変動する。例えば、5.0〔L/分〕の設定をしたとすると、マスフローコントローラーは標準状態(20〔℃〕)で5.0〔L/分〕になるように流れるガスの質量を制御する。5〔℃〕の環境であれば、実体積流量は5×278/293=4.74〔L/分〕となる。逆に環境が35〔℃〕であれば実体積流量は5×308/293=5.26〔L/分〕となる。 Further, the volume flow rate of the oxygen-enriched gas varies depending on the environmental temperature. For example, if the setting is 5.0 [L / min], the mass flow controller controls the mass of the flowing gas so as to be 5.0 [L / min] in the standard state (20 [° C.]). If the environment is 5 [° C.], the actual volume flow rate is 5 × 278/293 = 4.74 [L / min]. Conversely, if the environment is 35 [° C.], the actual volume flow rate is 5 × 308/293 = 5.26 [L / min].
これらのことは、物理的にやむを得ないところではあるが、使用環境によっては、処方箋通りの流量が実現できなくなるのが実情である。 Although these are physically unavoidable, the actual situation is that the flow rate according to the prescription cannot be achieved depending on the use environment.
以上のように、患者が治療のために酸素濃縮ガスを吸入する場合、医師は酸素ガスの流量を処方する。通常は〔L(リットル)/分〕という単位で処方されるが、流量は使用者側の流路の抵抗によって減少することがあり、その体積は温度と気圧に依存する。これらの変動要因を克服してどんな使用環境、どんな使用形態であっても処方箋通りの正確な流量の酸素吸入治療を実現することが望ましい。 As described above, when a patient inhales an oxygen-enriched gas for treatment, a doctor prescribes a flow rate of oxygen gas. Usually, it is prescribed in units of [L (liter) / min], but the flow rate may be reduced by the resistance of the flow path on the user side, and its volume depends on temperature and atmospheric pressure. It is desirable to overcome these variable factors to realize an oxygen inhalation treatment with an accurate flow rate according to a prescription in any use environment and any use form.
従来技術のうち、上記特許文献1および2は、酸素濃縮ガス使用者側の負荷変動に起因する流量変化を修正するものに過ぎず、環境要因による体積変動を補正しうるものではない。また、特許文献3は、環境の高度が高い場合にオリフィスを切り替えるものである。ユーザに対する酸素ガスの流量は増えるものの、流量が増えた分だけその濃度は低下するおそれがあり、処方箋どおりの酸素吸入治療を実現しうるものではない。また、特許文献4は、酸素濃縮ガスの濃度低下を抑えることを目指しているものである。環境要因による気圧の低下による体積流量変動には言及されていない。
Among the prior arts, Patent Documents 1 and 2 described above merely correct flow rate changes caused by load fluctuations on the oxygen enriched gas user side, and cannot correct volume fluctuations due to environmental factors. In
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、どのような環境下であっても、酸素濃縮ガスの酸素濃度を確保しながら処方箋通りの供給流量を保証できる酸素濃縮装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances, and provides an oxygen concentrator capable of guaranteeing a supply flow rate as prescribed in a prescription while ensuring the oxygen concentration of the oxygen-enriched gas under any circumstances. For the purpose.
上記目的を達成するため、本発明の第1の酸素濃縮装置は、質量流量計と流量調節弁を含み、酸素濃縮ガスの流量を制御する流量制御手段と、
気圧センサにより使用環境の気圧を検知し、流量制御手段における設定流量を、使用環境の気圧における気体の体積に基づいた流量値に補正する補正手段とを備えたことを要旨とする。
In order to achieve the above object, a first oxygen concentrator of the present invention includes a mass flow meter and a flow control valve, and a flow rate control means for controlling the flow rate of the oxygen concentrated gas,
The gist of the invention is that it includes a correction unit that detects the atmospheric pressure of the usage environment by the atmospheric pressure sensor and corrects the set flow rate in the flow rate control unit to a flow rate value based on the volume of gas at the atmospheric pressure of the usage environment.
上記目的を達成するため、本発明の第2の酸素濃縮装置は、質量流量計と流量調節弁を含み、酸素濃縮ガスの流量を制御する流量制御手段と、
温度センサにより使用環境の温度を検知し、流量制御手段における設定流量を、使用環境の温度における気体の体積に基づいた流量値に補正する補正手段とを備えたことを要旨とする。
To achieve the above object, a second oxygen concentrator of the present invention includes a mass flow meter and a flow rate control valve, and a flow rate control means for controlling the flow rate of the oxygen enriched gas,
The gist of the invention is that it includes a correction unit that detects the temperature of the use environment with a temperature sensor and corrects the set flow rate in the flow rate control unit to a flow rate value based on the volume of gas at the temperature of the use environment.
上記目的を達成するため、本発明の第3の酸素濃縮装置は、質量流量計と流量調節弁を含み、酸素濃縮ガスの流量を制御する流量制御手段と、
気圧センサおよび温度センサにより使用環境の気圧と温度を検知し、流量制御手段における設定流量を、使用環境の気圧と温度における気体の体積に基づいた流量値に補正する補正手段とを備えたことを要旨とする。
In order to achieve the above object, a third oxygen concentrator of the present invention includes a mass flow meter and a flow control valve, and a flow rate control means for controlling the flow rate of the oxygen concentrated gas,
A pressure sensor and a temperature sensor for detecting the atmospheric pressure and temperature of the usage environment, and a correction means for correcting the set flow rate in the flow control means to a flow rate value based on the gas volume at the atmospheric pressure and temperature of the usage environment. The gist.
本発明の第1の酸素濃縮装置は、流量制御手段における設定流量を、使用環境の気圧における気体の体積に基づいた流量値に補正する。このため、装置を使用する標高の気圧に応じた正確な流量で酸素濃縮ガスを供給することができる。したがって、使用場所の標高にかかわらず、医師の処方箋通りの酸素吸入治療を実現することができる。また、標高の高い環境であっても、酸素濃度が低下することがなく、安定的に酸素濃度を維持した酸素吸入治療を行うことができる。 The first oxygen concentrator of the present invention corrects the set flow rate in the flow rate control means to a flow rate value based on the volume of gas at the atmospheric pressure of the use environment. For this reason, the oxygen-enriched gas can be supplied at an accurate flow rate corresponding to the atmospheric pressure of the altitude using the apparatus. Therefore, the oxygen inhalation treatment according to the doctor's prescription can be realized regardless of the altitude of the place of use. In addition, even in an environment with a high altitude, the oxygen concentration does not decrease, and oxygen inhalation therapy can be performed while maintaining the oxygen concentration stably.
本発明の第1の酸素濃縮装置において、気圧センサが、静電容量式のマイクロチップ型マイクロセンサ気圧計である場合には、
気圧センサを例えば制御基板に組み込むことが可能となり、機器への組み込みが容易で、装置自体を複雑化・大型化することがない。
In the first oxygen concentrator of the present invention, when the barometric sensor is a capacitance type microchip microsensor barometer,
The barometric sensor can be incorporated into, for example, a control board, can be easily incorporated into equipment, and the apparatus itself is not complicated or enlarged.
本発明の第1の酸素濃縮装置において、気圧センサが、酸素濃縮装置の運転制御基板の上に搭載されている場合には、
機器に対して容易に組み込んで、装置自体を複雑化・大型化することもない。
In the first oxygen concentrator of the present invention, when the atmospheric pressure sensor is mounted on the operation control board of the oxygen concentrator,
It can be easily incorporated into equipment, and the device itself is not complicated or enlarged.
本発明の第2の酸素濃縮装置は、流量制御手段における設定流量を、使用環境の温度における気体の体積に基づいた流量値に補正する。このため、装置を使用する環境温度に応じた正確な流量で酸素濃縮ガスを供給することができる。したがって、使用場所の気温にかかわらず、医師の処方箋通りの酸素吸入治療を実現することができる。また、気温の高い環境であっても、酸素濃度が低下することがなく、安定的に酸素濃度を維持した酸素吸入治療を行うことができる。 The second oxygen concentrator of the present invention corrects the set flow rate in the flow rate control means to a flow rate value based on the volume of gas at the temperature of the usage environment. For this reason, oxygen concentration gas can be supplied with the exact flow volume according to the environmental temperature which uses an apparatus. Therefore, the oxygen inhalation treatment according to the doctor's prescription can be realized regardless of the temperature of the place of use. Further, even in an environment where the temperature is high, the oxygen concentration does not decrease, and an oxygen inhalation treatment can be performed in which the oxygen concentration is stably maintained.
本発明の第2の酸素濃縮装置において、温度センサが、酸素濃縮装置の運転制御基板の上に搭載されている場合には、
機器に対して容易に組み込んで、装置自体を複雑化・大型化することがない。
In the second oxygen concentrator of the present invention, when the temperature sensor is mounted on the operation control board of the oxygen concentrator,
It can be easily incorporated into equipment, and the device itself does not become complicated and large.
本発明の第3の酸素濃縮装置は、流量制御手段における設定流量を、使用環境の気圧と温度における気体の体積に基づいた流量値に補正する。このため、使用環境の気圧と気温に応じた正確な流量で酸素濃縮ガスを供給することができる。したがって、使用場所の標高や気温にかかわらず、医師の処方箋通りの酸素吸入治療を実現することができる。また、標高や気温の高い環境であっても、酸素濃度が低下することがなく、安定的に酸素濃度を維持した酸素吸入治療を行うことができる。 The third oxygen concentrator of the present invention corrects the set flow rate in the flow rate control means to a flow rate value based on the gas volume at the atmospheric pressure and temperature of the use environment. For this reason, oxygen concentration gas can be supplied with the exact flow volume according to the atmospheric pressure and temperature of use environment. Accordingly, it is possible to realize oxygen inhalation treatment according to the doctor's prescription regardless of the altitude and temperature of the place of use. In addition, even in an environment where the altitude and temperature are high, the oxygen concentration does not decrease, and oxygen inhalation therapy can be performed while maintaining the oxygen concentration stably.
本発明の第3の酸素濃縮装置において、気圧センサと温度センサが、酸素濃縮装置の運転制御基板の上に搭載されている場合には、
機器に対して容易に組み込んで、装置自体を複雑化・大型化することがない。
In the third oxygen concentrator of the present invention, when the atmospheric pressure sensor and the temperature sensor are mounted on the operation control board of the oxygen concentrator,
It can be easily incorporated into equipment, and the device itself does not become complicated and large.
つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は本発明の一実施形態の医療用酸素濃縮装置のフローシートである。この例では、在宅酸素療法において用いられる2筒式圧力変動吸着法による酸素濃縮装置を示している。 FIG. 1 is a flow sheet of a medical oxygen concentrator according to an embodiment of the present invention. In this example, an oxygen concentrator using a two-cylinder pressure fluctuation adsorption method used in home oxygen therapy is shown.
この酸素濃縮装置は、原料空気を供給するための圧縮機としてのコンプレッサー3と、上記圧縮機から供給された原料空気中の窒素を吸着して酸素を濃縮するための吸着部としてそれぞれ機能する2本の吸着筒12,13とを備えている。また、上記コンプレッサー3から原料空気を供給する吸着筒12,13を切り替える電磁弁8,9を備えている。そして、吸着筒12,13に原料空気を送り込んで窒素を吸着し、酸素が濃縮された酸素濃縮ガスを酸素取出口25に接続された供給チューブおよびカニューラ26を用いて使用者に供給するようになっている。
This oxygen concentrator functions as a
この酸素濃縮装置では、原料空気は、筐体28に取り付けられた防塵フィルター1と、空気流路の入口部分に設けられた吸気フィルター2によって異物が除去され、コンプレッサー3により加圧されて吸着筒12,13に導入される。コンプレッサー3は、モータ電力や空気の断熱圧縮熱などにより発熱するので、ブロワー4の送風により冷却する。コンプレッサー3で発生した異物はインラインフィルター5で除去する。
In this oxygen concentrator, the raw material air is removed by a dustproof filter 1 attached to the
吸着筒12,13には窒素との親和性が強い吸着剤(ゼオライト)が充填されており、例えば吸着筒12,13の原料口に原料空気が送り込まれると、吸着筒12の製品口からはゼオライトとの親和性が弱い酸素が先に出てくる。これを酸素濃縮ガスとして酸素バッファータンク19に蓄える。この工程を「酸素濃縮工程(加圧工程)」という。
The
酸素濃縮工程の終盤になり、吸着筒12の製品口から窒素ガスが出てくる前に、原料空気の行先を一方の吸着筒12から他方の吸着筒13に切り替える。各吸着筒12,13には、それぞれに対応するよう電磁弁8,9が設けられている。
Before the nitrogen gas comes out from the product port of the
吸着筒12へ原料空気を送るときは、吸着筒12に対応した電磁弁8が「開」、吸着筒13に対応した電磁弁9が「閉」となるよう切り換え制御する。吸着筒13へ原料空気を送るときは、吸着筒13に対応した電磁弁9が「開」、吸着筒12に対応した電磁弁8が「閉」となるよう切り換え制御する。
When the raw material air is sent to the
一方の吸着筒(この説明では12とする)で酸素濃縮工程(加圧工程)を行っている間、前の酸素濃縮工程(加圧工程)が終わった他方の吸着筒(この説明では13とする)では、ゼオライトに窒素が吸着されている。そこで、吸着筒13の圧力を開放して窒素を大気に排出する。続いて、酸素濃縮工程(加圧工程)を行っている吸着筒12で生成された酸素濃縮ガスの一部をパージ弁14を通じて吸着筒13の製品口から導入し、吸着筒13内を酸素で置換する。この一連の工程を「窒素脱着工程(パージ工程)」という。
While the oxygen concentration process (pressurization process) is performed in one adsorption cylinder (in this description, it is 12), the other adsorption cylinder (in this description, 13 and the previous oxygen concentration process (pressurization process)) is completed. In this case, nitrogen is adsorbed on the zeolite. Therefore, the pressure in the
各吸着筒12,13には、それぞれに対応するよう開放弁10,11が設けられ、窒素脱着工程(パージ工程)を制御する。すなわち、吸着筒12で酸素濃縮工程(加圧工程)を行っている間は、開放弁10を「閉」として吸着筒12内の加圧状態を維持する。吸着筒12で窒素脱着工程(パージ工程)を行うときには、開放弁10を「開」とし、吸着された窒素を大気に放出する。同様に、吸着筒13で酸素濃縮工程(加圧工程)を行っている間は、開放弁11を「閉」として吸着筒13内の加圧状態を維持する。吸着筒13で窒素脱着工程(パージ工程)を行うときには、開放弁11を「開」として、吸着された窒素を大気に放出する。吸着筒12,13を大気開放する際の騒音は、排気出口に設けたサイレンサー27で消音する。
Opening
パージ工程に用いられる酸素濃縮ガスは、酸素濃縮工程(加圧工程)を行っている一方の吸着筒12(または13)の製品口から、窒素脱着工程(パージ工程)を行っている他方の吸着筒13(または12)の製品口へ、パージラインを通じて供給される。パージラインには、直動式のパージ弁14とオリフィス15,16が設けられている。パージ弁14は、パージの時間を正確に制御するために設置され、オリフィス15,16は通過する酸素濃縮ガスの流量を制御するために設置される。
The oxygen-enriched gas used in the purge process is taken from the product port of one adsorption cylinder 12 (or 13) performing the oxygen enrichment process (pressurization process) and the other adsorption performing the nitrogen desorption process (purge process). It is supplied to the product port of the cylinder 13 (or 12) through the purge line. The purge line is provided with a direct-acting
製造された酸素濃縮ガスは、酸素バッファータンク19に蓄えられ、減圧弁20で供給圧力が調整され、マスフローコントローラー22で流量を制御し、酸素濃度計23で酸素濃度を計測する。なお、マスフローコントローラー22と酸素濃度計23を異物から保護するためにバクテリアフィルター21が設けられている。
The produced oxygen-enriched gas is stored in the
また、騒音を発する機器や部品は金属製の防音ボックスの中に収容される。特に大きな騒音を発するのはコンプレッサー3と排気開放部である。ブロワー4の運転音とコンプレッサー3への吸気音がそれについで大きい。ブロワー4は、外気をコンプレッサー3に当てて冷却するものなので、コンプレッサー3と同居させることはできない。吸気フィルター2も酸素の少ない排気開放部と同居させることができない。従って、防音ボックスを2部屋に区分し、第1防音ボックス29にはコンプレッサー3と排気開放部を収容し、第2防音ボックス30にはブロワー4と吸気フィルター2を収容する。電磁弁8,9は、この例では、温度とスペースの関係から第2防音ボックス30に収容している。装置全体は木材とプラスチックから構築される筐体28に収納される。
In addition, noise-generating devices and parts are housed in a metal soundproof box. It is the
製造された酸素濃縮ガスは絶乾燥状態であるため、加湿器24で湿度を与え、カニューラ26を通じて使用に供される。上記加湿器24は、この例では、バブリング式の加湿器24であり、精製水を満たした容器内に、酸素濃度計23で酸素濃度が計測された酸素濃縮ガスを多孔質部材から噴出させることにより加湿するものである。
Since the produced oxygen-enriched gas is in an absolutely dry state, the
上記マスフローコントローラー22は、質量流量計と流量調節弁を含み、酸素濃縮ガスの流量を制御する本発明の流量制御手段として機能する。上記マスフローコントローラー22における目標流量は、制御手段31により補正される。
The
図2は、上記制御手段31を示す機能ブロック図である。 FIG. 2 is a functional block diagram showing the control means 31.
この制御手段31は、流量設定器34(図1には示していない)における設定流量に基づいてマスフローコントローラー22を制御するCPU32を備えている。上記流量設定器34では、処方箋で指示された流量を設定流量値として入力する。
The control means 31 includes a
上記制御手段31は、気圧センサ37および温度センサ38を備え、気圧センサ37により使用環境の気圧を検知し、温度センサ38によりと使用環境の温度を検知する。上記CPU32は、マスフローコントローラー22における目標流量値を、使用環境の気圧と温度における気体の体積に基づいた流量値に補正し、本発明の補正手段として機能する。
The control means 31 includes an
なお、この説明では、装置に気圧センサと温度センサの双方を備え、使用環境の気圧と温度の双方に基づいて流量値を補正するようにしたが、気圧センサだけを備えて使用環境の気圧だけに基づいて流量値を補正するようにしてもよいし、温度センサだけを備えて使用環境の温度だけに基づいて流量値を補正するようにしてもよい。 In this description, the apparatus is provided with both the atmospheric pressure sensor and the temperature sensor, and the flow rate value is corrected based on both the atmospheric pressure and the temperature of the usage environment. However, only the atmospheric pressure of the usage environment is provided with only the atmospheric pressure sensor. The flow rate value may be corrected based on the above, or only the temperature sensor may be provided and the flow rate value may be corrected based only on the temperature of the use environment.
第1圧力計35はコンプレッサー3の吐出圧力を計測し、CPU32では、第1圧力計35で検知したコンプレッサー3の吐出圧力が予め設定された圧力閾地を超えたときに、図示しない警報手段により圧力異常を警報する。
第2圧力計36は加湿器上流39の圧力を計測し、CPU32では、第2圧力計36が検知した加湿器上流39の圧力が予め設定された圧力範囲から外れたときに、図示しない警報手段により、加湿器24の洩れ・外れ、カニューラ26の折れ曲がり等の異常を警報する。
CPU32では、タイマ33を参照して予め定められたタイムサイクル通りに電磁弁8,9をオン/オフする。
また、タイマ33は、CPU32が酸素濃縮ガスの濃度と流量、圧力などを一定時間における平均値を算出する際に参照される。さらに、CPU32が装置の稼働時間を積算する際にもタイマ33が参照され、運転制御のいろいろな場面で参照される。
また、酸素濃度計23で検知した酸素濃度が、一定時間の間規定値を下回ったときに、CPU32では、図示しない警報手段により異常を警報する。
The
The
The
The
In addition, when the oxygen concentration detected by the
以下、補正手段としてのCPU32の動作について詳しく説明する。
Hereinafter, the operation of the
マスフローコントローラー22は原理的に流れるガスの質量を計測して流量を制御するものであり、通常は20〔℃〕、1013〔hPa〕の条件に換算して体積流量を表現する。例えば5.0〔L/分〕と設定したとき、マスフローコントローラーは20〔℃〕、1013〔hPa〕において5.0〔L/分〕に相当する酸素ガスを流すから、もし環境の気圧が900〔hPa〕であれば、その環境における実際の体積流量は5.0×900/1013=5.63〔L/分〕となる。900〔hPa〕の環境で体積流量を正確に5.0〔L/分〕にしようとするならばマスフローコントローラーの設定流量を5.0×900/1013=4.44〔L/分〕とすればよい。
The
気圧センサ37としては電気的信号が取り出せる形式のものなら特に限定するものではなく、各種のものを適用することができる。例えば、制御基板に組み込み可能な静電容量式マイクロチップセンサ(秋月電子通商社、MPL115A1、MPL115A2)を好適に用いることができる。また、気圧センサと温度センサが一体化したもの(秋月電子通商社、SPC1000−D01)を好適に用いることができる。
The
マイクロセンサ気圧計は、集積回路の技術を応用して製造されたチップ型のもので、加工の精度が非常に高く、精度や安定性の点で優れており、機器への組込みも容易なことから、本発明には好適に適用することができる。その中でも、静電容量式のマイクロセンサはシリコン等でできたチャンバーがコンデンサを形成しているもので、気圧による電極間の距離の変化を静電容量の変化として検出し、デジタル信号として出力するもので、本発明には好適に適用することができる。 A microsensor barometer is a chip type manufactured by applying integrated circuit technology. It has extremely high processing accuracy, is excellent in accuracy and stability, and can be easily incorporated into equipment. Therefore, it can be suitably applied to the present invention. Among them, a capacitance type micro sensor is a chamber made of silicon or the like that forms a capacitor. A change in the distance between electrodes due to atmospheric pressure is detected as a change in capacitance and output as a digital signal. Therefore, it can be suitably applied to the present invention.
酸素ガスの流量はマスフローメーターと比例電磁弁の組み合わせによって制御することができるが、両者を一体化したマスフローコントローラー22によっても好適に制御することができる。此処ではマスフローコントローラー22を適用した場合を説明する。
The flow rate of oxygen gas can be controlled by a combination of a mass flow meter and a proportional solenoid valve, but can also be suitably controlled by a
マスフローコントローラー22の計測原理は、つぎの通りである。
The measurement principle of the
図3はマスフローコントローラー22に組み込まれるマイクロフローセンサの概念図である。
FIG. 3 is a conceptual diagram of a microflow sensor incorporated in the
マイクロフローセンサはシリコンチップ基台の表面上にヒータ(Rh)、上流側温度センサ(Ru)、下流側温度センサ、周囲温度センサ(Rr)が白金薄膜で形成されている。 In the microflow sensor, a heater (Rh), an upstream temperature sensor (Ru), a downstream temperature sensor, and an ambient temperature sensor (Rr) are formed of a platinum thin film on the surface of a silicon chip base.
白金薄膜は温度に応じて抵抗値が変化し、測温抵抗体として機能する。ヒータ(Rh)は基台の中央部にあり、その両側にガス流れの上流側温度センサ(Ru)と下流側温度センサ(Rd)が、また周囲温度センサ(Rr)は基台の周辺部に配置されている。 The resistance value of the platinum thin film changes depending on the temperature and functions as a resistance temperature detector. The heater (Rh) is located at the center of the base. The upstream side temperature sensor (Ru) and downstream side temperature sensor (Rd) of the gas flow are located on both sides of the heater. The ambient temperature sensor (Rr) is located at the periphery of the base. Has been placed.
ガスの流れがないとき、ヒータ(Rh)両側の温度分布は図3の点線で示すように対称になり、上流側温度センサ(Ru)と下流側温度センサ(Rd)の温度は等しくなる。 When there is no gas flow, the temperature distribution on both sides of the heater (Rh) is symmetric as shown by the dotted line in FIG. 3, and the temperatures of the upstream temperature sensor (Ru) and the downstream temperature sensor (Rd) are equal.
ここにガスの流れが生じると図3の実線で示すように上流側温度センサ(Ru)の温度は低下し、下流側温度センサ(Rd)の温度は上昇する。この温度差(抵抗値の差)をブリッジ回路で検出することにより流れに応じた電気出力が得られる。このようにマイクロフローセンサは熱を利用した計測原理を用いているため、出力は気体の熱伝導率に関係しており質量流量の計測ができる。 When a gas flow occurs here, the temperature of the upstream temperature sensor (Ru) decreases and the temperature of the downstream temperature sensor (Rd) increases as shown by the solid line in FIG. By detecting this temperature difference (resistance difference) with a bridge circuit, an electrical output corresponding to the flow can be obtained. Thus, since the microflow sensor uses the measurement principle using heat, the output is related to the thermal conductivity of the gas, and the mass flow rate can be measured.
ガスの流量制御をするときには、計測された質量流量が設定流量に一致するよう比例電磁弁の開度を調節するのである。このようにして、マスフローコントローラー22はオリフィス方式の流量制御と較べてはるかに正確な流量を供給できる。
When controlling the gas flow rate, the opening of the proportional solenoid valve is adjusted so that the measured mass flow rate matches the set flow rate. In this way, the
マスフローセンサが計測するのは酸素ガスの質量であるから、それを体積に換算して表現する必要がある。ふつうは気体の標準状態に換算して表示するのだが、技術分野によって様々な標準状態が定義されているのが実情である。 Since the mass flow sensor measures the mass of oxygen gas, it must be expressed in terms of volume. Normally, it is displayed in terms of the standard state of gas, but the actual situation is that various standard states are defined by the technical field.
例えば、従来の学校教育においては、気体の標準状態は0〔℃〕(273.15〔K〕)、1気圧(101.325〔kPa〕)とされ、これを基準状態(Normal condition)と称していた。また、SATP(標準環境温度と圧力、standard ambient temperature and pressure)といわれる、25〔℃〕、100.000〔kPa〕という標準が用いられる場合もある。 For example, in conventional school education, the standard state of gas is 0 [° C.] (273.15 [K]) and 1 atm (101.325 [kPa]), which is referred to as a normal condition. It was. In addition, the standard of 25 [° C.] and 100.000 [kPa] called SATP (standard ambient temperature and pressure) is sometimes used.
本願では、人間の生活環境に最も近い20〔℃〕(293.15〔K〕)、1〔気圧〕(101.325〔kPa〕)を標準状態として説明をする。 In this application, 20 [° C.] (293.15 [K]) and 1 [atmospheric pressure] (101.325 [kPa]) closest to the human living environment will be described as a standard state.
ここで、一般に、酸素濃縮装置に搭載されるマスフローコントローラー22は、事前に標準状態の酸素ガスを用いてキャリブレーションを行い、酸素ガス流量5.0〔L/分〕が選択されたときには、上述した20〔℃〕、1〔気圧〕の条件で5.0〔L/分〕の流量が得られるように制御される。なお、マスフローコントローラー22は、他の標準状態の体積にも換算できるように設計されているから、必要に応じて0〔℃〕、1〔気圧〕のときの体積流量を出力するように設定することも可能である。
Here, generally, the
酸素濃縮装置が標準状態と同じ環境、即ち20〔℃〕、1〔気圧〕の環境で使用されるのなら処方箋通りの流量の酸素濃縮ガスを正確に流すことができ、処方箋に従った吸入治療を行うことができる。しかしながら、この標準状態から離れた環境で使用されると、酸素濃縮ガスの流量は処方箋から乖離してくるのである。 If the oxygen concentrator is used in the same environment as the standard condition, that is, 20 [° C.], 1 [atm], the oxygen-concentrated gas at the flow rate as prescribed can be accurately flowed, and inhalation treatment according to the prescription It can be performed. However, when used in an environment away from this standard state, the flow rate of the oxygen-enriched gas deviates from the prescription.
例えば、軽井沢、米国のデンバー、中国の昆明、ヨルダンの死海において酸素濃縮装置がどのように動作するか考えてみよう。マスフローコントローラー22が酸素ガスを標準状態で5.0〔L/分〕流すとき、標高1000〔m〕、気圧900〔hPa〕の軽井沢では、気圧が低い分だけガスが膨張するので、流量は5.63〔L/分〕になる。標高1600〔m〕、気圧835〔hPa〕のデンバーでは6.07〔L/分〕、標高1900〔m〕、気圧805〔hPa〕の昆明では6.29〔L/分〕流れることになる。逆に、海抜マイナス400〔m〕、気圧1060〔hPa〕の死海では4.78〔L/分〕の流量となる。
For example, consider how the oxygen concentrator works in Karuizawa, Denver in the US, Kunming in China, and the Dead Sea in Jordan. When the
このように、装置が使用される環境によって、実際の流量が変わってくるのが実情である。そこで、どのような標高の環境でも正しい流量を提供するためには以下に述べるようにすればよい。 As described above, the actual flow rate varies depending on the environment in which the apparatus is used. Therefore, in order to provide a correct flow rate in any altitude environment, the following may be performed.
まず、酸素濃縮装置に気圧センサ37と、さらに好ましくは温度センサ38を装備する。
First, the oxygen concentrator is equipped with a
そして、流量設定器34において処方箋どおりに酸素流量5.0〔L/分〕が選択され、標高1000〔m〕の軽井沢で使用されるときは、気圧計が計測した気圧、ここでは900〔hPa〕を使って設定流量を補正し、5.0〔L/分〕×900/1013=4.44〔L/分〕をマスフローメーターに指示する。マスフローメーターは標準状態で4.44〔L/分〕の酸素を正確に流す。これはもちろん、気圧900〔hPa〕の環境では4.44〔L/分〕×1013/900=5.00〔L〕になるのである。
When the oxygen flow rate of 5.0 [L / min] is selected according to the prescription in the flow
同様に、酸素ガスの流量は環境の温度にも依存して変化する。 Similarly, the flow rate of oxygen gas varies depending on the temperature of the environment.
環境温度が35〔℃〕であれば、標準状態、20〔℃〕で5.0〔L/分〕の流量は、5.0〔L/分〕×308/293=5.26〔L/分〕となる。
環境温度が35℃の場合を補正するには、マスフローメーターヘの指示値を、5.0〔L/分〕×293/308=4.765〔L/分〕とすればよい。
If the ambient temperature is 35 [° C.], the flow rate is 5.0 [L / min] × 308/293 = 5.26 [L / min] in the standard state, 20 [° C.] and 5.0 [L / min]. Min].
In order to correct the case where the environmental temperature is 35 ° C., the indication value to the mass flow meter may be set to 5.0 [L / min] × 293/308 = 4.765 [L / min].
以上に述べた手順を、気圧と気温の補正を含めて一般化するとマスフローコントローラー22への指示値は下記の式のようになる。
指示値=V×Pa×Ts/(Ps×Ta)〔L/分〕
V :酸素流量設定値〔L/分〕
Ps:標準状態の気圧〔hPa〕=1013.25〔hPa〕
Ts:標準状態の気温〔K〕=293.15〔K〕
Pa:環境の気圧〔hPa〕
Ta:環境の気温〔K〕
If the procedure described above is generalized including correction of atmospheric pressure and air temperature, an instruction value to the
Indicated value = V × Pa × Ts / (Ps × Ta) [L / min]
V: oxygen flow rate setting value [L / min]
Ps: Standard atmospheric pressure [hPa] = 1013.25 [hPa]
Ts: Standard temperature [K] = 293.15 [K]
Pa: atmospheric pressure [hPa]
Ta: Environmental temperature [K]
上述の説明は、マスフローコントローラー22の制御機構を例にあげ、正確な酸素流量を供給する方法を述べたが、マスフローメーターと比例電磁弁の組み合わせに関しても同様に適用できる。
In the above description, the control mechanism of the
また圧力変動吸着式の酸素濃縮装置によって製造される酸素ガスの流量制御ばかりでなく、酸素ガスがボンベや液体酸素容器から供給される場合であっても流量制御に質量流量計を用いるならば、本発明は同様に適用できる。 In addition to controlling the flow rate of oxygen gas produced by a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator, if a mass flow meter is used for flow rate control even when oxygen gas is supplied from a cylinder or liquid oxygen container, The present invention is equally applicable.
以上のように、本実施形態によれば、マスフローコントローラー22における設定流量を、使用環境の気圧と温度における気体の体積に基づいた流量値に補正する。これにより、使用環境の気圧と気温に応じた正確な流量で酸素濃縮ガスを供給することができる。したがって、使用場所の標高や気温にかかわらず、医師の処方箋通りの酸素吸入治療を実現することができる。また、標高や気温の高い環境であっても、酸素濃度が低下することがなく、安定的に酸素濃度を維持した酸素吸入治療を行うことができる。
As described above, according to the present embodiment, the set flow rate in the
また、気圧センサ37と温度センサ38が、酸素濃縮装置の運転制御基板の上に搭載されている場合には、機器に対して容易に組み込んで、装置自体を複雑化・大型化することもない。
Further, when the
また、気圧センサ37が、静電容量式のマイクロチップ型マイクロセンサ気圧計である場合には、気圧センサ37を例えば基板組み込み可能となり、機器への組み込みが容易で、装置自体を複雑化・大型化することもない。
Further, when the
1 防塵フィルター
2 吸気フィルター
3 コンプレッサー
4 ブロワー
5 インラインフィルター
8 電磁弁
9 電磁弁
10 開放弁
11 開放弁
12 吸着筒
13 吸着筒
14 パージ弁
15 オリフィス
16 オリフィス
19 酸素バッファータンク
20 減圧弁
21 バクテリアフィルター
22 マスフローコントローラー
23 酸素濃度計
24 加湿器
25 酸素取出口
26 カニューラ
27 サイレンサー
28 筐体
29 第1防音ボックス
30 第2防音ボックス
31 制御手段
32 CPU
33 タイマ
34 流量設定器
35 第1圧力計
36 第2圧力計
37 気圧センサ
38 温度センサ
39 加湿器上流
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Dust-proof filter 2
33
Claims (7)
気圧センサにより使用環境の気圧を検知し、流量制御手段における設定流量を、使用環境の気圧における気体の体積に基づいた流量値に補正する補正手段とを備えたことを特徴とする酸素濃縮装置。 A flow rate control means for controlling the flow rate of the oxygen-enriched gas, including a mass flow meter and a flow rate control valve;
An oxygen concentrator comprising: correction means for detecting the atmospheric pressure of a use environment by an atmospheric pressure sensor and correcting a set flow rate in the flow control means to a flow rate value based on a gas volume in the atmospheric pressure of the use environment.
温度センサにより使用環境の温度を検知し、流量制御手段における設定流量を、使用環境の温度における気体の体積に基づいた流量値に補正する補正手段とを備えたことを特徴とする酸素濃縮装置。 A flow rate control means for controlling the flow rate of the oxygen-enriched gas, including a mass flow meter and a flow rate control valve;
An oxygen concentrator comprising: a correction unit that detects a temperature of a use environment by a temperature sensor and corrects a set flow rate in the flow control unit to a flow rate value based on a gas volume at the temperature of the use environment.
気圧センサおよび温度センサにより使用環境の気圧と温度を検知し、流量制御手段における設定流量を、使用環境の気圧と温度における気体の体積に基づいた流量値に補正する補正手段とを備えたことを特徴とする酸素濃縮装置。 A flow rate control means for controlling the flow rate of the oxygen-enriched gas, including a mass flow meter and a flow rate control valve;
A pressure sensor and a temperature sensor for detecting the atmospheric pressure and temperature of the usage environment, and a correction means for correcting the set flow rate in the flow control means to a flow rate value based on the gas volume at the atmospheric pressure and temperature of the usage environment. A featured oxygen concentrator.
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