6012031 酸素濃縮器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6012031

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月25日

(54)【発明の名称】酸素濃縮器

(51)【国際特許分類】

   A61M 16/10 20060101AFI20161011BHJP

【ＦＩ】

   A61M16/10 B

【請求項の数】2

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2010-237026(P2010-237026)

(22)【出願日】2010年10月22日

(65)【公開番号】特開2012-85934(P2012-85934A)

(43)【公開日】2012年5月10日

【審査請求日】2013年1月25日

【審判番号】不服2014-22463(P2014-22463/J1)

【審判請求日】2014年11月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000126115

【氏名又は名称】エア・ウォーター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109472

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 直之

(72)【発明者】

【氏名】土屋 寛明

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 大介

【合議体】

【審判長】 山口 直

【審判官】 長屋 陽二郎

【審判官】 宮下 浩次

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２３８０７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−１４４９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２８３０５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２２０１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１３２７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２２４９２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

A61M 16/10

B01D 53/04

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料空気を供給するための圧縮機と、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複数の吸着部と、各吸着部に対応して設けられて上記圧縮機から原料空気を供給する吸着部を切り替えるために開閉する開閉弁とを備えた酸素濃縮装置であって、
上記開閉弁は上記圧縮機からパイロットエアーが導入されることにより開閉するパイロット式の開閉弁であり、上記パイロットエアーを導入するパイロットエアー流路にオリフィスを設けるとともに、
上記オリフィスと開閉弁との間のパイロットエアー流路に、パイロットエアーの圧力変化の速度をより緩やかとし、上記圧縮機の吐出圧力が急変したときに、パイロットエアーの圧力変化に遅れを生じさせてパイロットエアーの圧力を維持するための、圧力貯槽で内部に多孔体を収容したフィルタータイプとしたバッファー手段を存在させたことを特徴とする酸素濃縮装置。

【請求項2】

上記オリフィスの口径が０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である請求項１記載の酸素濃縮装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒素との親和性の強い吸着剤を充填した吸着筒にコンプレッサーから原料空気を送り込み、濃縮された酸素ガスを取り出す圧力変動吸着式（ＰＳＡ)酸素濃縮器に関するものであり、詳しくは、吸着筒への原料空気の供給経路を切り替える電磁弁システムに関する。

【背景技術】

【0002】

図１は、一般に用いられる医療用圧力変動吸着式酸素濃縮器の構成の一例を示す。

【0003】

この例では、濃縮酸素を製造するための主な構成要素として、原料空気を送り込むコンプレッサー３、原料空気の送り先を切り替える電磁弁８，９、酸素を選択的に取り出す２本の吸着筒１２，１３を備えている。

【0004】

原料空気の流路は、電磁弁８，９によって切り替えられて２本の吸着筒１２，１３に対して交互に原料空気が送り込まれる。各吸着筒１２，１３には、酸素よりも窒素との親和性が強いゼオライトが充填されている。原料空気が送り込まれた吸着筒１２，１３内では窒素がゼオライトに吸着されて酸素が濃縮され、製造された酸素濃縮ガスが最終的にカニューラ２６を通じて使用者に供給される。

【0005】

片方の吸着筒（例えば１２）にコンプレッサー３で加圧した原料空気を送り込んで酸素を製造している間、他方の吸着筒（例えば１３）では、圧力を開放して前の酸素製造工程で吸着していた窒素を脱着するとともに、製造された酸素の一部を送り込んでパージすることが行われる。以上の工程を片方と他方で交互に行うように切り替え、繰り返して連続的に酸素を製造するのである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７−２２２３７８号公報

【特許文献2】特開２００８−２３８０７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述したような原料ガス切り替え用の電磁弁８，９には、直動式とパイロット式の２種類がある。ここで、直動式はガス流路を直接電磁石で開閉する構造から、大容量の空気を制御する際の消費電力が大きいうえ大型になり、効率が悪い。一方、パイロット式電磁弁は、パイロットエアーでダイヤフラムを開閉し、このパイロットエアーの制御を小型の電磁弁で行うものである。このため、空気容量が比較的大きく、一晩中稼動させることが多い医療用の酸素濃縮器に搭載される電磁弁８，９としては、パイロット式の電磁弁８，９が採用されることが多い。

【0008】

このようなパイロット式の電磁弁８，９の開閉は、ガスの圧力によって行われる。この動作用のガスはパイロットエアーと呼ばれ、上述した酸素濃縮器では、原料空気を圧縮するコンプレッサー３の吐出ガスが用いられている。

【0009】

ここで、パイロット式電磁弁には、パイロットエアーとして外部から導入する空気圧を利用する外部パイロット式と、装置内に保有する空気圧（例えばコンプレッサー３の空気圧）を利用する内部パイロット式との２種類がある。医療用酸素濃縮器は、外部の空気圧供給機器との接続がない独立した装置であり、それ自体にコンプレッサーを備えたものであるため、内部パイロット式電磁弁が用いられる。

【0010】

図２は、内部パイロット式電磁弁の模式図を示す。

【0011】

図２（Ａ）は電磁弁の閉状態であり、パイロット弁３３（パイロットエアーを制御する小型電磁弁）は、パイロットエアー入口側が開き、パイロットエアー出口側が閉じている。この状態では、コンプレッサー３の圧力がダイヤフラム３４を裏側から押さえつけるように働き、エアー入口３５およびエアー出口３６（原料空気の主流路である）を閉じる。

【0012】

図２（Ｂ）は電磁弁の開状態であり、パイロット弁３３は、パイロットエアー入口側が閉じ、パイロットエアー出口側が開く。すると、ダイヤフラム室内のエアーはパイロットエアー出口から排出されて圧力が下がる。この状態では、ダイヤフラム３４を裏側から押さえつけるコンプレッサー３の圧力が働かず、ダイヤフラム３４は主流路のコンプレッサーエアーに押し上げられ、エアー入口３５およびエアー出口３６が開くのである。

【0013】

コンプレッサー３が常に高い圧力を維持していれば、パイロット式の電磁弁８，９の開閉には何の問題も起こらない。

【0014】

ところが、上述したように、酸素濃縮器の圧力変動吸着サイクルでは、パイロット式の電磁弁８，９で吸着筒１２，１３を交互に切り替えることが行われる。この切り換えの際、加圧状態で窒素を吸着している吸着筒（仮にＡとする）に接続されていたコンプレッサー３は、それまで圧力開放状態で酸素パージされていた吸着筒（仮にＢとする）に接続されるため、コンプレッサー３の吐出圧が急激に低下する。このように、コンプレッサー３の吐出圧が低下すると、それに伴いパイロットエアーの圧力が低下する。このとき、それまで加圧されていた吸着筒（Ａ）の圧力はまだ充分高いので、圧力の下がったパイロットエアーではダイヤフラム３４を抑えきることができない。そうすると、それまで開いていた電磁弁８，９が、閉じなければならないタイミングで閉じないことになり、それまで加圧されていた吸着筒（Ａ）から原料空気が逆流してしまうのである。このような逆流が起こると、吸着筒（Ａ）から吸着筒（Ｂ）に水分や窒素で汚染された空気が流れ込んでしまい、酸素濃度の低下につながってしまう。

【0015】

そこで、この逆流を防止するため、逆止弁６，７を設けているのである。このような逆止弁６，７には、いくつかの問題点がある。

【0016】

第１の問題点は、逆止弁６，７がうなり音を発することである。すなわち、逆止弁６，７の弁体は、バネで流路口に押しつけられており、逆方向に空気が流れないのはもちろんだが、正方向の流れもバネによる抵抗を受けている。上述したように、吸着筒１２，１３への導入流路は弁の切り換え動作に伴う圧力変動が大きいため、この空気の流れとバネとがせめぎ合って振動し、あたかも一種の楽器のようにうなり音を発生することがある。医療用酸素濃縮器は２４時間使用されるものであるから、静寂な夜間にはこの僅かな振動音が使用者にとって不快な音と感じられることがある。このため、特開２００７−２２２３７８号（上記特許文献１）では、逆止弁６，７を包み込む技術が開示されている。

【0017】

第２の問題点は、動作不良の発生である。圧力変動型酸素濃縮器においては、逆止弁６，７は吸着筒１２，１３へ送る空気流路の切替タイミング毎に頻繁な開閉を繰り返し、上述した振動が加わる。これにより、弁体とケーシングとの摩擦・摩耗が発生し、長期使用する間に動作不良を起こすことがある。このような動作不良は、必然的に酸素濃度の低下の要因となる。

【0018】

第３の問題点は、逆止弁６，７には圧力損失がともなうことである。すなわち、原料空気の量を確保するためには逆止弁６，７の抵抗を乗り越えるまでコンプレッサー３の圧力を高めなければならない。そうすると必然的に、消費電力も騒音も増大してしまう。

【0019】

これら数々の問題があるため、逆止弁を使わないパイロット式の電磁弁システムが望まれていた。

【0020】

そこで、特開２００８−２３８０７６号（上記特許文献２）では、パイロットガスの圧力を主弁内を流通するガスの圧力に対し実質的に同等以上になるよう、パイロットガス流路にパイロット空気タンクを設け、逆流を防止することが検討されている。しかしながら、特許文献２の構成では、依然としてパイロット空気タンクの上流、すなわち弁の切り換え動作に伴う圧力変動が大きい流路に逆止弁を使用しており、上述した各問題を解消するには至っていない。

【0021】

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、数々のトラブルの元凶となっていた逆止弁を完全に排除し、静音化を実現するとともに長期的な性能の安定性を高め、消費電力や騒音が増大することもない酸素濃縮器の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0022】

上記目的を達成するため、本発明の酸素濃縮器は、原料空気を供給するための圧縮機と、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複数の吸着部と、各吸着部に対応して設けられて上記圧縮機から原料空気を供給する吸着部を切り替えるために開閉する開閉弁とを備えた酸素濃縮装置であって、
上記開閉弁は上記圧縮機からパイロットエアーが導入されることにより開閉するパイロット式の開閉弁であり、上記パイロットエアーを導入するパイロットエアー流路にオリフィスを設けるとともに、
上記オリフィスと開閉弁との間のパイロットエアー流路に、パイロットエアーの圧力変化の速度をより緩やかとし、上記圧縮機の吐出圧力が急変したときに、パイロットエアーの圧力変化に遅れを生じさせてパイロットエアーの圧力を維持するための、圧力貯槽で内部に多孔体を収容したフィルタータイプとしたバッファー手段を存在させたことを要旨とする。

【発明の効果】

【0023】

すなわち、本発明では、パイロットエアー流路に、流路面積を絞るオリフィスを設けることにより、圧縮機の吐出圧力に急激な変化が生じたとしても、パイロットエアー圧力の変化に遅れを生じさせることができる。このような圧力変化の遅れにより、圧縮機の吐出圧力が瞬間的に低下しても、パイロットエアーは、開閉弁を閉めるのに必要な圧力を維持できる。数秒後には、圧縮機の吐出圧力は回復して再び高圧となり、パイロットエアーとして十分に閉弁動作を行なうだけの圧力となる。このようなメカニズムにより、従来問題となっていた、開閉弁が閉まりきらないことによる逆流を完全に防止しながら、上述した各種の問題を引き起こす逆止弁を完全に撤廃することができた。これにより、逆止弁のうなり音がなくなって酸素濃縮器の静音化を実現した。また、逆止弁の長期使用による動作不良の問題も解消し、酸素濃縮器の性能を長期的に安定化させることができる。さらに、消費電力や騒音が増大することもない。
上記オリフィスと開閉弁との間のパイロットエアー流路に、バッファー手段を存在させ、パイロットエアーの圧力変化の速度をより緩やかとし、圧縮機の吐出圧力に急激な変化が生じたときに、パイロットエアーの圧力変化に適切な遅れを生じさせ、パイロットエアーの圧力を適切に維持したため、開閉弁が閉まりきらないことによる逆流を完全に防止できる。

【0024】

本発明において、上記オリフィスの口径が０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である場合には、
圧縮機の吐出圧力に急激な変化が生じたときに、パイロットエアー圧力の変化に適切な遅れを生じさせ、パイロットエアーの圧力を適切に維持し、開閉弁が閉まりきらないことによる逆流を完全に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】従来の酸素濃縮器の一例を示す構成図である。

【図2】パイロット式電磁弁の動作を説明する構成図である。

【図3】本発明の酸素濃縮器の一実施形態を示す構成図である。

【図4】上記実施形態のパイロット式電磁弁の動作を説明する構成図である。

【図5】酸素濃縮器による圧力変動チャートを示す線図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

【0029】

図３は、本発明の酸素濃縮器の一実施形態を示す構成図である。この例は、在宅酸素療法に用いられる２筒式の圧力変動吸着法による酸素濃縮器である。

【0030】

この酸素濃縮器は、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、上記各吸着筒１２，１３に対応して設けられ、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を切り替えるために開閉する開閉弁として機能する電磁弁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カニューラ２６等を用いて使用者に供給するようになっている。

【0031】

このとき、原料空気は、電磁弁８，９によって切り替えられて２本の吸着筒１２，１３に対して交互に送り込まれる。また、開放弁１０，１１を切り換えて開閉動作することによって、原料空気が送り込まれるのと同期して交互に、２本の吸着筒１２，１３を大気開放するようになっている。

【0032】

すなわち、一方の吸着筒（例えば１２）に加圧した原料空気を送り込んで酸素濃縮ガスを製造している間、他方の吸着筒（例えば１３）では、圧力を開放して前の酸素濃縮で吸着された窒素を脱着するとともに、製造された酸素濃縮ガスの一部を送り込んでパージすることが行われる。上記電磁弁８，９および開放弁１０，１１の開閉動作により、２本の吸着筒１２，１３で「酸素濃縮工程」と「窒素脱着工程」を交互に行うように切り替えることを繰り返し、連続的に酸素濃縮ガスを製造する。

【0033】

以下、詳しく説明する。

【0034】

この酸素濃縮器では、原料空気は、筐体２８に取り付けられたスポンジフィルター１と、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。

【0035】

吸着筒１２，１３には窒素との親和性が強い吸着材（ゼオライト）が充填されており、吸着筒１２，１３一端の原料口に原料空気が送り込まれると、他方の製品口からはゼオライトとの親和性が弱い酸素が窒素より先に出てくる。これにより、酸素の濃縮を行なって酸素濃縮ガスを製造する。これを製品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。

【0036】

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、ゼオライトに多量の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し、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。この工程を「窒素脱着工程（パージ工程）」という。

【0037】

酸素濃縮工程（加圧工程）を続けていると、ゼオライトの吸着力が限界に達して吸着筒１２で得られる酸素濃縮ガスの酸素濃度が低下しだすので、その前に、原料空気の行先を一方の吸着筒１２から他方の吸着筒１３に切り替えることが行われる。すなわち、各吸着筒１２，１３にそれぞれに対応するよう電磁弁８，９が設けられ、これら電磁弁８，９の開閉動作により吸着筒１２，１３の切り替えを行う。

【0038】

一方の吸着筒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」、他方の電磁弁９が「閉」となるよう切り換え制御する。他方の吸着筒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」、他方の電磁弁８が「閉」となるよう切り換え制御する。

【0039】

また、各吸着筒１２，１３にそれぞれに対応するよう開放弁１０，１１が設けられ、上記電磁弁８，９の開閉動作に伴って開閉動作を行ない、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）を行っている間は、開放弁１０を「開」とし、吸着された窒素を大気に放出する。反対に、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）を行っている間は、開放弁１１を「開」とし、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。

【0040】

パージ用のガスは、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）の製品端から、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）の製品端へ、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は通過する酸素ガスの流速を制御するために設置される。

【0041】

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、流量制御器２２で流量を設定し、酸素濃度計２３で酸素濃度を計測する。また、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。なお、流量制御器２２と酸素濃度計２３を異物から保護するためにメンブランフィルター２１が設けられている。また、ガスの逆流を防ぐための逆止弁１７，１８，２５を適宜設置することができる。

【0042】

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。

【0043】

ここで、吸着材であるゼオライトの量とコンプレッサー３の送風能力が設定されたとき、２筒式の酸素濃縮器で純度の高い酸素濃縮ガスを効率的に製造するためには、原料空気の送り込み量（すなわちコンプレッサー３が原料空気を加圧して送り込んでいる時間）と、酸素濃縮ガスによるパージ量（すなわちパージ時間）を最適化することが重要である。このとき、酸素濃縮工程（加圧工程）で送り込まれる原料空気の量を制御するのは電磁弁８，９であり、大容量の原料空気を低消費電力で効率よく制御できることから、パイロット式の電磁弁８，９が用いられる。

【0044】

図４は、本実施形態におけるパイロット式の電磁弁８，９を示す構成図である。

【0045】

パイロット式の電磁弁８，９は、パイロットエアーの流路を小型の直動式電磁弁（パイロット弁３３）で開閉し、パイロットエアーの圧力をダイヤフラム３４に作用させて大きな弁体（ダイヤフラム３４）を開閉するメカニズムである。医療用の酸素濃縮器は、独立据え置きの機器であり外部からパイロットエアーを得ることはできないことから、それ自体に備えたコンプレッサー３で加圧された原料空気の一部を内部パイロットエアーとして用いられる。

【0046】

上述したように、２筒式の酸素濃縮器においては原料空気の送り込み先を吸着筒Ａ（１２）から吸着筒Ｂ（１３）に切り替えることが行われる。このとき、それまで酸素濃縮工程（加圧工程）を行っていた吸着筒Ａ（１２）から、それまでパージ工程を行っていた吸着筒Ｂ（１３）に切り替える。吸着筒Ｂ（１３）はそれまでパージ工程にあって圧力は大気圧にほぼ等しいため、吸着筒Ｂ（１３）に繋がったコンプレッサー３の圧力は急激に低下する。

【0047】

このときに吸着筒Ａ（１２）に対応してコンプレッサー３を繋ぐパイロット式の電磁弁８は「閉」にならなければならないが、コンプレッサー３の圧力が急激に低下したためにダイヤフラムを押す力が非常に弱くなる。一方、遮断されるべき吸着筒Ａ（１２）の圧力はそれまでコンプレッサー３で加圧されていたので充分に高い。したがって、その高い圧力を低下したパイロットエアーでは抑えきることができない。このため、吸着筒Ａ（１２）から吸着筒Ｂ（１３）に切り替えるときに、吸着筒Ａ（１２）からコンプレッサー３へ原料空気が逆流するのである。吸着筒Ａ（１２）から逆流した原料空気には、吸着していた原料空気中の水分や窒素が多く含まれ、これがコンプレッサー３を経由して吸着筒Ｂ（１３）に送り込まれることとなり、吸着筒Ｂ（１３）が汚染されて機能の低下を大幅に早める。なお、吸着筒Ｂ（１３）から吸着筒Ａ（１２）へ切り替える際にも同様の現象が起こる。

【0048】

このような逆流と汚染を防ぐため、従来は逆止弁６，７（図１参照）が使用されていた。

【0049】

本発明者らは、この吸着筒１２，１３からコンプレッサー３への逆流現象を静的、動的に仔細に解析した。

【0050】

図２（Ａ）（Ｂ）は従来のパイロット式電磁弁の構造の一例を示す。パイロット式電磁弁は、弁体であるダイヤフラム３４と、コンプレッサー３からのエアー入口３５と吸着筒１２，１３へのエアー出口３６が形成された弁座とを有し、ダイヤフラム３４が弁座に接触したら閉じ、ダイヤフラム３４が弁座から離れたら開くようになっている。ダイヤフラム３４の開閉動作は、ダイヤフラム３４のパイロットエアー側（図示の上側）と弁座側（図示の下側）の圧力のバランスによって行われる。

【0051】

閉じた状態において、上記ダイヤフラム３４のパイロットエアー側には、パイロットエアーの圧力がその全面積に対して加わるのに対し、弁座側のエアー入口３５とエアー出口３６がダイヤフラム３４に対して開口して圧力が加わる面積は小さい。従って、閉じたダイヤフラム３４を閉じ続けるためには、パイロットエアーの圧力はコンプレッサーエアーの圧力よりずっと小さくてよい。一方、開いていたダイヤフラム３４を閉じるときには、ダイヤフラム３４の上下の圧力が加わる面積がほぼ等しくなるので、静的に見ればパイロットエアーの圧力は、コンプレッサーエアーまたは吸着筒エアーと、同等かあるいはそれ以上の圧力が必要となる。

【0052】

しかしながら、コンプレッサーエアーの吸着筒１２，１３への流路切替え直後を瞬間的にみれば、上述したように、弁座側の主流路では、加圧状態で吸着していた吸着筒と常圧でパージされていた吸着筒がコンプレッサー３を介して一瞬つながった状態となる。この瞬間に、弁座側の主流路内の圧力は、加圧状態から急速に低下する。しかも、このときの急速な空気の流れはベルヌーイの法則によりさらにダイヤフラム３４を閉じる方向に働く。これらのことを勘案すると、このときにダイヤフラム３４を閉じるためのパイロットエアーの圧力は、必ずしも吸着のときと同じだけの高圧を維持する必要はなく、多少圧力が下がってもダイヤフラム３４を閉じることができると考えられた。

【0053】

そこで、パイロットエアーがコンプレッサー３につながる流路を絞って、パイロットエアーの圧力低下を緩やかにすることで逆流が防止できることを見いだしたのである。

【0054】

すなわち、本実施形態の酸素濃縮器は、上記パイロットエアーを導入するパイロットエアー流路にオリフィス３１を設けたことを特徴とする。

【0055】

このようにパイロットエアー流路に、流路面積を絞るオリフィス３１を設けることにより、コンプレッサー３の吐出圧力に急激な変化が生じたとしても、パイロットエアー圧力の変化に遅れを生じさせることができる。このような圧力変化の遅れにより、コンプレッサー３の吐出圧力が瞬間的に低下しても、パイロットエアーは、電磁弁８，９を閉めるのに必要な圧力を維持できる。数秒後には、コンプレッサー３の吐出圧力は回復して再び高圧となり、パイロットエアーとして十分に閉弁動作を行なうだけの圧力となる。このようなメカニズムにより、従来問題となっていた、電磁弁８，９が閉まりきらないことによる逆流を完全に防止しながら、上述した各種の問題を引き起こす逆止弁６，７を完全に撤廃することができた。これにより、逆止弁６，７のうなり音がなくなって酸素濃縮器の静音化を実現した。また、逆止弁６，７の長期使用による動作不良の問題も解消し、酸素濃縮器の性能を長期的に安定化させることができる。さらに、消費電力や騒音が増大することもない。

【0056】

このような構造によってダイヤフラム３４を閉じるためには、ダイヤフラム３４による主弁を流れる空気圧と同等以上のパイロットエアー圧力は必ずしも必要とはしない。

【0057】

上記オリフィス３１の口径は０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に設定するのが好ましい。このようなオリフィス３１の口径に設定した場合には、コンプレッサー３の吐出圧力に急激な変化が生じたときに、パイロットエアー圧力の変化に適切な遅れを生じさせ、パイロットエアーの圧力を適切に維持し、電磁弁８，９が閉まりきらないことによる逆流を完全に防止できる。

【0058】

上記オリフィス３１と電磁弁８，９との間のパイロットエアー流路に、バッファー手段を存在させることが望ましい。

【0059】

具体的には、このメカニズムを更に好ましく発揮させるために、オリフィス３１とパイロット式の電磁弁８，９との間にバッファー手段として圧力貯槽３２を設けることができる。圧力貯槽３２を設けることでパイロットエアーの圧力低下速度をさらに緩やかにすることができる。

【0060】

このように、上記オリフィス３１と電磁弁８，９との間のパイロットエアー流路に、圧力貯槽３２を存在させた場合には、パイロットエアーの圧力変化の速度はより緩やかになり、コンプレッサー３の吐出圧力に急激な変化が生じたときに、パイロットエアーの圧力変化に適切な遅れを生じさせ、パイロットエアーの圧力を適切に維持し、開閉弁が閉まりきらないことによる逆流を完全に防止できる。
ここで、圧力貯槽３２としては、中空容器であれば形状は問わず、また内部に多孔体を収容したフィルタータイプであってもよい。

【0061】

パイロット式の電磁弁８，９はマニフォールドと呼ばれる内部に空気の流通路を掘り込んだアルミブロックの上に電磁弁本体を複数乗せた構造がよく使われる。その場合には、マニフォールド内のパイロットエアー通路を大きく掘り込み、バッファー手段として機能させることも有力である。

【0062】

さらに、上記オリフィス３１と電磁弁８，９との間のパイロットエアー流路を、バッファー手段として機能させる容積となるよう形成することもできる。

【0063】

このようにした場合には、パイロットエアー流路自体をバッファー手段として機能させることにより、装置の大型化を避けながら、パイロットエアーの圧力変化速度をより緩やかにし、コンプレッサー３の吐出圧力に急激な変化が生じたときに、パイロットエアー圧力の変化に適切な遅れを生じさせ、パイロットエアーの圧力を適切に維持し、開閉弁が閉まりきらないことによる逆流を完全に防止できる。

【0064】

オリフィス３１は逆止弁６，７のようなうなり音を発することがなく、運動部分がないため部品の消耗もない。このように、原料空気の供給切り替え流路に逆止弁６，７を使わずにすみ、騒音と不具合を完全に解消することができた。

【実施例】

【0065】

図３に示す酸素濃縮器において、図４に示すオリフィスバッファーパイロット電磁弁システムを構築した。

【0066】

オリフィス３１には内径０．１ｍｍのものを使用した。オリフィス３１とパイロット式の電磁弁８，９の間に内径３０ｍｍ、有効長４６ｍｍ、有効内容積約３５ｃｍ^３の円筒形の圧力貯槽３２を装着した。

【0067】

このシステムで酸素濃縮器を５Ｌ／ｍｉｎのモードで運転したところ、酸素濃縮ガスの酸素濃度は９４％以上であり、逆止弁がなくても優良な酸素濃度が得られることが立証された。

【0068】

図５は、運転中のコンプレッサー圧力、パイロットエアー圧力、及び吸着筒圧力を示すチャートである。吸着筒１２，１３を切り替えるとき、加圧されていた吸着筒は急な圧力低下がなく、他方ではコンプレッサー３の圧力は急降下し、パイロット式の電磁弁８，９における逆流が生じていないことが確認された。

【0069】

以上、本発明を詳しく説明したが、本発明に使用されるバッファー手段はバッファータンクとしての形状を持つものに限定されるものではなく、バッファー手段としての機能を有すればそれで目的が達せられる。例えばオリフィスとチューブの組み合わせだけでも必要とされるパイロットエアーの量を満たすならバッファー手段としての目的は達せられる。

【符号の説明】

【0070】

１ スポンジフィルター
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
６ 逆止弁
７ 逆止弁
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
１７ 逆止弁
１８ 逆止弁
１９ 酸素バッファータンク
２０ 減圧弁
２１ メンブランフィルター
２２ 流量制御器
２３ 酸素濃度計
２４ 加湿器
２５ 逆止弁
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 オリフィス
３２ 圧力貯槽
３３ パイロット弁
３４ ダイヤフラム
３５ エアー入口
３６ エアー出口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】