特許 7481907 ガス濃度流量測定装置、および酸素濃縮装置

(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】

(24)【登録日】2024-05-01

(45)【発行日】2024-05-13

(54)【発明の名称】ガス濃度流量測定装置、および酸素濃縮装置

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/667 20220101AFI20240502BHJP

   G01F 1/66 20220101ALI20240502BHJP

   G01N 29/024 20060101ALI20240502BHJP

   A61M 16/10 20060101ALI20240502BHJP

【ＦＩ】

G01F1/667 A

G01F1/66 101

G01N29/024

A61M16/10 B

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020093012

(22)【出願日】2020-05-28

(65)【公開番号】P2021188982

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2023-05-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000112602

【氏名又は名称】フクダ電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112689

【弁理士】

【氏名又は名称】佐原 雅史

(74)【代理人】

【識別番号】100128934

【弁理士】

【氏名又は名称】横田 一樹

(72)【発明者】

【氏名】本多 茂

(72)【発明者】

【氏名】溝田 巌

(72)【発明者】

【氏名】上山 喜弘

(72)【発明者】

【氏名】竹内 雅彦

【審査官】羽飼 知佳

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－０３０９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２０８６２１５６０（ＣＮ，Ｕ）

【文献】中国実用新案第２１０５７２１１９（ＣＮ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｆ １／６６－ １／６６７

Ｇ０１Ｎ ２９／０２－２９／０３６

Ａ６１Ｍ １６／００－１６／２２

Ｇ０５Ｄ ７／００－ ７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスが流通する測定流路を形成する測定部と、
前記測定流路における上流側および下流側にそれぞれ配置された一対の超音波センサと、
前記測定流路を流通する前記ガスの流量を調整する電磁弁装置と、
前記測定流路を流通する前記ガスの温度を測定する温度センサと、
一方の前記超音波センサから発信された超音波の伝搬速度と、他方の前記超音波センサから発信された超音波の伝搬速度との差分に基づいて前記ガスの流量を算出するとともに、前記ガスの流量および前記超音波の伝搬速度から前記超音波の音速を算出し、前記音速と前記ガスの温度と前記ガスの成分とに基づいて前記ガス中の特定の成分の濃度を算出する演算制御装置と、
少なくとも前記電磁弁装置および前記超音波センサを電気的に接続する装置基板パターンを有するとともに、前記電磁弁装置および前記測定部を支持する装置基板と、
を備え、
前記電磁弁装置は前記装置基板上に載置され、
前記電磁弁装置の周囲には、前記装置基板を厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されているガス濃度流量測定装置。

【請求項2】

前記貫通孔はスリット状をなしている請求項１に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項3】

前記測定部は、前記測定流路を形成して前記装置基板の表面に沿う面縦方向に延びる流路形成部を有し、
前記電磁弁装置と前記流路形成部とは、前記装置基板の表面に沿って前記面縦方向に直交する面横方向に離れた位置で、前記装置基板の表面上に設けられ、
前記装置基板には前記貫通孔として、前記面横方向に前記流路形成部と前記電磁弁装置との間に配置されて前記面縦方向に延びる縦スリットが形成されている請求項２に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項4】

前記測定部は、前記測定流路を形成して前記装置基板の表面に沿う面縦方向に延びる流路形成部を有し、
前記電磁弁装置と前記流路形成部とは、前記装置基板の表面に沿って前記面縦方向に直交する面横方向に離れた位置で、前記装置基板の表面上に設けられ、
前記装置基板には前記貫通孔として、前記面横方向に延びるとともに前記面縦方向に間隔をあけて配置された複数の横スリットが形成され、
前記横スリットは前記電磁弁装置の前記面縦方向の両外側に配置されている請求項２または３に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項5】

前記測定部は、前記測定流路を形成して前記装置基板の表面に沿う面縦方向に延びる流路形成部を有し、
前記電磁弁装置と前記流路形成部とは、前記装置基板の表面に沿って前記面縦方向に直交する面横方向に離れた位置で、前記装置基板の表面上に設けられ、
前記装置基板には、前記面横方向に前記流路形成部と前記電磁弁装置との間に配置されて前記面縦方向に延びる縦スリット、および、前記面横方向に延びるとともに前記面縦方向に間隔をあけて配置された複数の横スリットが前記貫通孔として形成され、
前記横スリットは前記電磁弁装置の前記面縦方向の両外側に配置され、
前記縦スリットは前記装置基板の端縁に対して前記面横方向に離れた位置に設けられ、
前記縦スリット、前記横スリット、および前記縁部は前記電磁弁装置を囲むように配置されている請求項２に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項6】

前記流路形成部における前記面横方向の幅寸法に対して、前記流路形成部と前記電磁弁装置との前記面横方向の距離が２．０倍以上になっている請求項３から５のいずれか一項に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項7】

前記流路形成部における前記面横方向の幅寸法に対して、前記流路形成部と前記電磁弁装置との前記面横方向の距離が３．０倍以下になっている請求項６に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項8】

前記電磁弁装置と前記測定部とを接続し、前記電磁弁装置と前記測定流路との間で前記ガスを流通させる接続流路が形成された接続部をさらに備え、
前記測定部は前記測定流路を形成して前記装置基板の表面に沿う面縦方向に延びる流路形成部を有し、
前記電磁弁装置と前記流路形成部とは、前記装置基板の表面に沿って前記面縦方向に直交する面横方向に離れた位置で、前記装置基板の表面上に設けられ、
前記接続部には前記接続流路として、
前記電磁弁装置から前記面縦方向に延びる縦流路、前記縦流路に連通して湾曲する曲がり流路、および前記曲がり流路に連通して前記面横方向に延びて前記測定流路に連通している横流路が形成されている請求項１から７のいずれか一項に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項9】

前記接続部は可撓性を有するチューブによって形成されている請求項８に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項10】

前記電磁弁装置には、前記ガスが流入する入口部、および前記ガスが流出する出口部が設けられ、
前記出口部は、前記入口部に対して前記面横方向に前記電磁弁装置および前記流路形成部から離れる側に設けられ、
前記接続部は前記出口部に接続されるとともに、前記測定流路における上流側で前記測定部に接続され、前記ガスを前記電磁弁装置から前記測定流路に流入可能としている請求項８または９に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項11】

前記電磁弁装置には、前記ガスが流入する入口部、および前記ガスが流出する出口部が設けられ、
前記入口部は、前記出口部に対して前記面横方向に前記電磁弁装置および前記流路形成部から離れる側に設けられ、
前記接続部は前記入口部に接続されるとともに、前記測定流路における下流側で前記測定部に接続され、前記ガスを前記測定流路から前記電磁弁装置に流入可能としている請求項８または９に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項12】

前記接続部は、前記縦流路が内側に形成されて前記面縦方向に延びる縦筒部を有し、
前記流路形成部と前記電磁弁装置との前記面横方向の距離に対して、前記流路形成部と前記縦筒部との前記面横方向の距離が１．５倍以上となっている請求項８から１１のいずれか一項に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項13】

前記ガスとしての酸素含有ガス中の酸素濃度、および前記酸素含有ガスの流量を測定する請求項１から１２のいずれか一項に記載のガス濃度流量測定装置と、
前記ガス濃度流量測定装置を組み込んだ濃縮装置本体と、
を備える酸素濃縮装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスの濃度および流量を測定するガス濃度流量測定装置、およびガス濃度流量測定装置を組み込んだ酸素濃縮装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、特許文献１に記載されているようにガスの流通する測定管に超音波送受信器を対向して配置して、ガスの流量および濃度を計測する超音波式のガス濃度流量測定装置が知られている。

【0003】

このようなガス濃度流量測定装置は酸素濃縮装置にも使用されている。特許文献２に示すように酸素濃縮装置は、例えば空気を圧縮した後に空気中の窒素を取り除き、高濃度の酸素を生成する装置である。なお酸素濃縮装置は、例えば呼吸不全等の理由により在宅で酸素を補給しなければならない患者に対して酸素を供給するために用いられる装置である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許６３０５２０９号公報

【文献】特許５４９９２６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、特許文献２に記載の酸素濃縮装置には酸素の流量を調整するバルブが設けられている。例えばこのバルブが電磁弁である場合には、バルブからは熱が発生する。現状ではガス濃度流量測定装置のコンパクト化を図りたいとの要望があるが、装置のコンパクト化を図ることによりバルブと測定管との距離が近接してしまい、バルブからの発熱によって測定管内のガスの温度が変化し、ガスの流量および濃度の計測結果に影響を及ぼしてしまう可能性がある。

【0006】

そこで本発明は、測定精度を確保しつつ、コンパクト化が可能なガス濃度流量測定装置等を提供する。

【0007】

本発明の一態様に係るガス濃度流量測定装置は、ガスが流通する測定流路を形成する測定部と、前記測定流路における上流側および下流側にそれぞれ配置された一対の超音波センサと、前記測定流路を流通する前記ガスの流量を調整する電磁弁装置と、前記測定流路を流通する前記ガスの温度を測定する温度センサと、一方の前記超音波センサから発信された超音波の伝搬速度と、他方の前記超音波センサから発信された超音波の伝搬速度との差分に基づいて前記ガスの流量を算出するとともに、前記ガスの流量および前記超音波の伝搬速度から前記超音波の音速を算出し、前記音速と前記ガスの温度と前記ガスの成分とに基づいて前記ガス中の特定の成分の濃度を算出する演算制御装置と、少なくとも前記電磁弁装置および前記超音波センサを電気的に接続する装置基板パターンを有するとともに、前記電磁弁装置および前記測定部を支持する装置基板と、を備え、前記電磁弁装置は前記装置基板上に載置され、前記電磁弁装置の周囲には、前記装置基板を厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている。

【0008】

また上記ガス濃度流量測定装置では、前記貫通孔はスリット状をなしていてもよい。

【0009】

また上記ガス濃度流量測定装置では、前記測定部は、前記測定流路を形成して前記装置基板の表面に沿う面縦方向に延びる流路形成部を有し、前記電磁弁装置と前記流路形成部とは、前記装置基板の表面に沿って前記面縦方向に直交する面横方向に離れた位置で、前記装置基板の表面上に設けられ、前記装置基板には前記貫通孔として、前記面横方向に前記流路形成部と前記電磁弁装置との間に配置されて前記面縦方向に延びる縦スリットが形成されていてもよい。

【0010】

また上記ガス濃度流量測定装置では、前記測定部は、前記測定流路を形成して前記装置基板の表面に沿う面縦方向に延びる流路形成部を有し、前記電磁弁装置と前記流路形成部とは、前記装置基板の表面に沿って前記面縦方向に直交する面横方向に離れた位置で、前記装置基板の表面上に設けられ、前記装置基板には前記貫通孔として、前記面横方向に延びるとともに前記面縦方向に間隔をあけて配置された複数の横スリットが形成され、前記横スリットは前記電磁弁装置の前記面縦方向の両外側に配置されていてもよい。

【0011】

また上記ガス濃度流量測定装置では、前記測定部は、前記測定流路を形成して前記装置基板の表面に沿う面縦方向に延びる流路形成部を有し、前記電磁弁装置と前記流路形成部とは、前記装置基板の表面に沿って前記面縦方向に直交する面横方向に離れた位置で、前記装置基板の表面上に設けられ、前記装置基板には、前記面横方向に前記流路形成部と前記電磁弁装置との間に配置されて前記面縦方向に延びる縦スリット、および、前記面横方向に延びるとともに前記面縦方向に間隔をあけて配置された複数の横スリットが前記貫通孔として形成され、前記横スリットは前記電磁弁装置の前記面縦方向の両外側に配置され、前記縦スリットは前記装置基板の端縁に対して前記面横方向に離れた位置に設けられ、前記縦スリット、前記横スリット、および前記縁部は前記電磁弁装置を囲むように配置されていてもよい。

【0012】

また上記ガス濃度流量測定装置では、前記流路形成部における前記面横方向の幅寸法に対して、前記流路形成部と前記電磁弁装置との前記面横方向の距離が２．０倍以上になっていてもよい。

【0013】

また上記ガス濃度流量測定装置では、前記流路形成部における前記面横方向の幅寸法に対して、前記流路形成部と前記電磁弁装置との前記面横方向の距離が３．０倍以下になっていてもよい。

【0014】

また上記ガス濃度流量測定装置は、前記電磁弁装置と前記測定部とを接続し、前記電磁弁装置と前記測定流路との間で前記ガスを流通させる接続流路が形成された接続部をさらに備え、前記測定部は前記測定流路を形成して前記装置基板の表面に沿う面縦方向に延びる流路形成部を有し、前記電磁弁装置と前記流路形成部とは、前記装置基板の表面に沿って前記面縦方向に直交する面横方向に離れた位置で、前記装置基板の表面上に設けられ、
前記接続部には前記接続流路として、前記電磁弁装置から前記面縦方向に延びる縦流路、前記縦流路に連通して湾曲する曲がり流路、および前記曲がり流路に連通して前記面横方向に延びて前記測定流路に連通している横流路が形成されていてもよい。

【0015】

また上記ガス濃度流量測定装置では、前記接続部は可撓性を有するチューブによって形成されていてもよい。

【0016】

また上記ガス濃度流量測定装置では、前記電磁弁装置には、前記ガスが流入する入口部、および前記ガスが流出する出口部が設けられ、前記出口部は、前記入口部に対して前記面横方向に前記電磁弁装置および前記流路形成部から離れる側に設けられ、前記接続部は前記出口部に接続されるとともに、前記測定流路における上流側で前記測定部に接続され、前記ガスを前記電磁弁装置から前記測定流路に流入可能としてもよい。

【0017】

また上記ガス濃度流量測定装置では、前記電磁弁装置には、前記ガスが流入する入口部、および前記ガスが流出する出口部が設けられ、前記入口部は、前記出口部に対して前記面横方向に前記電磁弁装置および前記流路形成部から離れる側に設けられ、前記接続部は前記入口部に接続されるとともに、前記測定流路における下流側で前記測定部に接続され、前記ガスを前記測定流路から前記電磁弁装置に流入可能としていてもよい。

【0018】

また上記ガス濃度流量測定装置では、前記接続部は、前記縦流路が内側に形成されて前記面縦方向に延びる縦筒部を有し、前記流路形成部と前記電磁弁装置との前記面横方向の距離に対して、前記流路形成部と前記縦筒部との前記面横方向の距離が１．５倍以上となっていてもよい。

【0019】

また本発明の一態様に係る酸素濃縮装置は、前記ガスとしての酸素含有ガス中の酸素濃度、および前記酸素含有ガスの流量を測定する上記のガス濃度流量測定装置と、前記ガス濃度流量測定装置を組み込んだ濃縮装置本体と、を備えている。

【発明の効果】

【0020】

上記のガス濃度流量測定装置等によれば、測定精度を確保しつつ、コンパクト化が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施形態に係る酸素濃縮装置の全体図である。

【図2】上記酸素濃縮装置の構成を示すブロック図である。

【図3】上記酸素濃縮装置におけるガス濃度流量測定装置のブロック図である。

【図4】上記酸素濃縮装置におけるガス濃度流量測定装置の全体斜視図である。

【図5】上記酸素濃縮装置におけるガス濃度流量測定装置の全体斜視図であって、構成部品に分解して示す図である。

【図6】上記ガス濃度流量測定装置における装置基板を表面から見た上面図である。

【図7】上記ガス濃度流量測定装置における接続部を拡大して示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
（全体構成）
図１および図２に示すように、本実施形態の酸素濃縮装置１は、患者に酸素を供給する装置であり、外部から取り込んだ空気Ａを濃縮し、高濃度（例えば、９０％程度）の酸素含有ガスＧを生成する。具体的には酸素濃縮装置１は、吸気フィルタ１１、圧縮機１２、窒素吸着機構１３、タンク１４、および筐体１２０（図１参照）を有する濃縮装置本体１００と、濃縮装置本体１００に組み込まれたガス濃度流量測定装置１５とを備えている。

【0023】

酸素濃縮装置１では、筐体１２０の背面に設けられた吸気フィルタ１１を介して外部から取り込まれた空気Ａを圧縮機１２で圧縮し、圧縮された空気Ａに含まれる窒素を窒素吸着機構１３で触媒（図示省略）に吸着させて高濃度の酸素を含有する酸素含有ガス（酸素および窒素を含有するガス）Ｇを生成し、患者へ供給可能とする。以下、酸素含有ガスＧを単に「ガスＧ」とする。

【0024】

ここで図２に示すように窒素吸着機構１３は一対の吸着塔１３ａ、１３ｂを備えている。一対の吸着塔１３ａ、１３ｂの中にはゼオライト等の触媒が充填されている。吸着塔１３ａおよび１３ｂのうちの一方を加圧して触媒に窒素を吸着させ、他方を減圧して触媒に吸着されている窒素を放出し、次の加圧に備える。このように窒素吸着機構１３では、一対の吸着塔１３ａ、１３ｂを交互に加圧および減圧させて高濃度の酸素が生成される。窒素吸着機構１３で生成された高濃度の酸素はタンク１４に蓄えられる。タンク１４に蓄えられた酸素は、ガスＧとしてガス濃度流量測定装置１５を通った後に患者に供給される。すなわち、本実施形態の酸素濃縮装置１はＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式を採用している。

【0025】

ここで酸素濃縮装置１の各構成部品は、不図示の制御ユニットによって統括的に制御される。制御ユニットは、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭなどから構成され、各種制御を実行する。ＣＰＵは、いわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて各種機能を実現する。ＲＡＭは、ＣＰＵの作業領域として使用される。ＲＯＭは、ＣＰＵで実行されるプログラムを記憶する。

【0026】

図１に示すように筐体１２０は略直方体形状をなしている。筐体１２０には操作ボタン１２１、ディスプレイ１２２、および、ガス濃度流量測定装置１５に接続されてガスＧを吐出する吐出チューブ（ゴムチューブ等）１２３が設けられている。

【0027】

（ガス濃度流量測定装置）
次にガス濃度流量測定装置１５の詳細について説明する。
ガス濃度流量測定装置１５は筐体１２０に組み込まれている。図２に示すように、ガス濃度流量測定装置１５は、タンク１４の下流側に設けられて、ガスＧ中の酸素の濃度および流量を計測可能となっている。より具体的には図３に示すように、ガス濃度流量測定装置１５は超音波式の測定装置であって、測定部２０と、温度センサ３０と、演算制御装置４０と、装置基板５０と、超音波センサ６０と、圧力センサ７０と、比例弁（電磁弁装置）８０と、接続部８４と、を備えている。

【0028】

（装置基板）
図４および図５に示すように装置基板５０は、一対の端縁５０ａ、および端縁５０ａに直交する一対の端縁５０ｂを有する矩形のプリント基板であって、基材５１、基材５１に設けられて伝導体によって形成された装置基板パターン５２、および、基材５１を貫通する装置基板ホール５１ａ周りに設けられて装置基板パターン５２に電気的に接続される複数の装置基板ランド５３を有している。なお装置基板ホール５１ａは、後述する各電子部品を挿入実装するための孔であるが、装置基板ホール５１ａの無い装置基板ランド５３も設けられて、後述する各電子部品が装置基板５０に面実装されてもよい。
一部の装置基板ランド５３には後述する素子基板６２が電気的に接続される。

【0029】

さらに、図６に示すように装置基板５０には厚さ方向に貫通する貫通孔５４が形成されている。貫通孔５４は後述する比例弁８０の周囲に形成されている。本実施形態では貫通孔５４はスリット状をなしている。また装置基板５０には貫通孔５４として、装置基板５０の表面に沿う面縦方向に延びる縦スリット５５と、装置基板５０の表面に沿うとともに面縦方向に直交する面横方向に延びる横スリット５６とが形成されている。なお本実施形態では装置基板５０は矩形状をなしている。そして縦スリット５５は装置基板５０の端縁５０ａに平行に形成されている。また横スリット５６は装置基板５０の端縁５０ｂに平行に形成されている。

【0030】

縦スリット５５は面縦方向に間隔を空けて面横方向に同じ位置で並んで複数設けられている。縦スリット５５は装置基板５０における端縁５０ａに対して面横方向に離れた位置に配置されている。また横スリット５６は面縦方向に間隔を空けて対をなして複数設けられている。縦スリット５５は面縦方向に対をなす横スリット５６同士の間に配置されている。そして横スリット５６が縦スリット５５と端縁５０ａとの間に形成されていることで、縦スリット５５、横スリット５６、および端縁５０ａによって囲まれる領域である弁配置領域Ｓが装置基板５０の表面上に形成されている。この弁配置領域Ｓに後述する比例弁８０が配置されている。

【0031】

（温度センサ）
図５に示すように温度センサ３０は、装置基板５０の表面上に設けられている。温度センサ３０は、後述する測定流路Ｆを流通するガスの温度Ｔを測定流路Ｆの下流側で測定可能となっている。温度センサ３０は装置基板ランド５３にはんだ付けによって固定されて装置基板パターン５２（図４参照）に電気的に接続されている。

【0032】

（圧力センサ）
圧力センサ７０は、温度センサ３０と同じように装置基板５０の表面上に設けられている。圧力センサ７０は後述する測定流路Ｆを流通するガスＧの圧力を測定流路Ｆの上流側で測定可能となっている。圧力センサ７０は装置基板ランド５３にはんだ付けによって固定されて装置基板パターン５２（図４参照）に電気的に接続されている。圧力センサ７０で測定されたガスＧの圧力は、例えば後述する演算制御装置４０（図３参照）における演算において、圧力によって変動し得る定数を確定する際に用いられる。

【0033】

（測定部）
図４および図５に示すように測定部２０は、装置基板５０の表面上に固定されて設けられている。以下、装置基板５０を基準として表面から離れる方向を基板上方とし、装置基板５０の表面と反対側の裏面から離れる方向を基板下方とする。測定部２０は筒状をなしている。より具体的には測定部２０は、測定管（流路形成部）２１と、測定管２１の両端部に設けられた超音波センサ取付部２２、温度センサ取付部２３、吐出口部２４、吸込口部２５、および圧力センサ取付部２６とを有している。

【0034】

（測定管）
測定管２１は、タンク１４（図３参照）からのガスＧが流通する測定流路Ｆを内側に形成する円筒状をなしている。測定管２１は例えばＡＢＳ樹脂等の樹脂材料によって形成されている。

【0035】

以下、測定管２１の延びる方向を測定部長手方向とする。測定部長手方向は上述の面縦方向に一致する。また測定部長手方向に直交する測定管２１の径方向を測定部径方向とする。測定部径方向のうち、装置基板５０の表面に沿う方向が上述の面横方向に一致する。

【0036】

（超音波センサ取付部）
超音波センサ取付部２２は、測定管２１における測定部長手方向の両端部、すなわち測定流路Ｆの上流側および下流側の端部に一つずつ設けられている。本実施形態では超音波センサ取付部２２は測定管２１と同じ樹脂によって測定管２１と一体成型されている。超音波センサ取付部２２は測定管２１よりも外径が大径の筒状をなしている。図５に示すように各々の超音波センサ取付部２２には、測定部長手方向に貫通して測定流路Ｆにつながる断面円形状の孔である開口２２ａが形成されている。

【0037】

（温度センサ取付部）
図４および図５に示すように温度センサ取付部２３は、測定流路Ｆの下流側の超音波センサ取付部２２Ｘに近接する位置で、測定管２１の外周面から基板下方に突出して設けられている。本実施形態では温度センサ取付部２３は測定管２１と同じ樹脂によって測定管２１と一体成型されている。温度センサ取付部２３の内側には、測定流路Ｆにつながる空間（不図示）が形成されている。この空間は基板下方に向かって開口し、装置基板５０に設けられた温度センサ３０を基板上方から覆うようにして装置基板５０の表面に接して温度センサ取付部２３が設けられている。温度センサ取付部２３は例えばボルト３５によって装置基板５０に取り付けられている。

【0038】

（吐出口部）
吐出口部２４は、測定流路Ｆの下流側の超音波センサ取付部２２Ｘに近接する位置で温度センサ取付部２３に設けられている。本実施形態では吐出口部２４は温度センサ取付部２３と同じ樹脂によって温度センサ取付部２３と一体成型されている。そして図４および図５に示すように吐出口部２４は温度センサ取付部２３から装置基板５０の表面に沿って測定部径方向の外側へ突出するとともに温度センサ取付部２３における上記空間を介して測定流路Ｆに連通している。したがって測定流路Ｆを流通したガスＧは、温度センサ取付部２３を介して吐出口部２４から吐出される。

【0039】

（吸込口部）
吸込口部２５は、測定流路Ｆの上流側の超音波センサ取付部２２Ｙに近接する位置で測定管２１の外周面から装置基板５０の表面に沿って測定部径方向の外側へ突出して吐出口部２４と平行に延びている。本実施形態では吸込口部２５は測定管２１と同じ樹脂によって測定管２１と一体成型されている。吸込口部２５は円筒状をなして測定流路Ｆに連通している。吸込口部２５は後述の比例弁８０を介してタンク１４に接続されている（図２参照）。したがってタンク１４からは吸込口部２５を介して測定流路ＦにガスＧが流入するようになっている。

【0040】

（圧力センサ取付部）
圧力センサ取付部２６は、吸込口部２５に設けられている。本実施形態では圧力センサ取付部２６は吸込口部２５と同じ樹脂によって圧力センサ取付部２６と一体成型されている。圧力センサ取付部２６は円筒状をなし、吸込口部２５から基板下方に突出している。圧力センサ取付部２６の内側には吸込口部２５の内側につながる空間（不図示）が形成されている。この空間は基板下方に向かって開口し、装置基板５０に設けられた圧力センサ７０を基板上方から覆うようにして装置基板５０の表面に接して圧力センサ取付部２６が設けられている。圧力センサ取付部２６は例えば爪７５によって装置基板５０に取り付けられている。

【0041】

（比例弁）
比例弁８０は装置基板５０の表面上に固定されて設けられている。比例弁８０は測定管２１に対して吸込口部２５および吐出口部２４が設けられた側で、装置基板５０において面縦方向に延びる端縁５０ａに沿って、測定部長手方向に吸込口部２５と吐出口部２４との間に配置されている。また比例弁８０は、測定管２１に対して面横方向（測定部径方向）に離れた位置に配置されている。さらに比例弁８０は縦スリット５５、横スリット５６、および端縁５０ａによって囲まれた弁配置領域Ｓ内で装置基板５０上に載置されている。これにより比例弁８０に対して横スリット５６が、面縦方向の両外側に配置されている。比例弁８０は、濃縮装置本体１００の操作ボタン１２１で指定された数値に基づき、測定流路Ｆを流通するガスＧの流量を制御する。

【0042】

比例弁８０には、比例弁８０から装置基板５０の端縁５０ａから面横方向（測定部径方向）に一部が突出して装置基板５０と比例弁８０との間に介在された比例弁ブラケット８１が設けられている。比例弁ブラケット８１は例えばボルト８５によって比例弁８０に取り付けられている。また比例弁ブラケット８１は、比例弁８０を基板下方から支持している。比例弁ブラケット８１には基板下方に突出する爪８１ａが設けられている。爪８１ａが装置基板５０を厚さ方向に貫通する受け孔５１ｂに挿通されて係止されることにより、比例弁ブラケット８１が装置基板５０に取り付けられている。比例弁ブラケット８１は比例弁８０とともに装置基板５０の表面上において弁配置領域Ｓに載置されている。また比例弁ブラケット８１にはタンク１４に接続される入口部８２と、吸込口部２５に接続される出口部８３とが設けられている。

【0043】

入口部８２は装置基板５０の端縁５０ａに沿って、測定部長手方向に吸込口部２５の側に向かって延びる円筒状をなしている。
出口部８３は入口部８２に併設され、入口部８２を挟んで比例弁８０とは装置基板５０の表面に沿う面横方向（測定部径方向）に反対側に配置されている。換言すると、出口部８３は入口部８２に対して面横方向に比例弁８０および測定管２１から離れる側に設けられている。出口部８３は入口部８２と同様に装置基板５０の端縁５０ａに沿って測定部長手方向に吸込口部２５の側に向かって延びる円筒状をなしている。入口部８２と出口部８３とは比例弁８０を介して連通している。入口部８２および出口部８３と比例弁８０との間にはパッキン８６が介在されている。

【0044】

ここで図６に示すように、測定管２１における面横方向の幅寸法Ｗに対して、測定管２１と比例弁８０との面横方向の距離Ｌ１が２．０倍以上３．０倍以下になっているとよく、２．５倍以上２．６倍以下となっているとさらによい。

【0045】

（接続部）
接続部８４は比例弁８０と測定部２０とを接続している。より具体的には接続部８４は、比例弁ブラケット８１の出口部８３と、測定部２０の吸込口部２５とを接続している。本実施形態では接続部８４は可撓性を有するチューブによって形成されている。

【0046】

図７に示すように、接続部８４には接続流路Ｃが形成されている。本実施形態の接続部８４には、接続流路Ｃとして縦流路Ｃ１、曲がり流路Ｃ２、および横流路Ｃ３が形成されている。縦流路Ｃ１は出口部８３から面縦方向（測定部長手方向）に延びている。曲がり流路Ｃ２は、縦流路Ｃ１に連通して湾曲している。曲がり流路Ｃ２によって接続流路Ｃの延在方向が面縦方向から面横方向に変化させられる。ここで接続部８４における縦流路Ｃ１が形成された部分を縦筒部８４Ａとし、曲がり流路Ｃ２が形成された部分を曲筒部８４Ｂとする。本実施形態では曲筒部８４Ｂの位置で接続流路Ｃおよび接続部８４は円弧状に約９０度湾曲している。また横流路Ｃ３は曲がり流路Ｃ２に連通して面横方向（測定部径方向）に延び、吸込口部２５を介して測定流路Ｆに連通している（図４および図５参照）。横流路Ｃ３が形成された部分を横筒部８４Ｃとする。

【0047】

図６に戻って、本実施形態では測定管２１と比例弁８０との面横方向の距離Ｌ１に対して、測定管２１と縦筒部８４Ａとの面横方向の距離Ｌ２が１．５倍以上となっているとよく、２．０倍以上となっているとさらによい。

【0048】

そしてタンク１４内のガスＧが比例弁ブラケット８１の入口部８２に流入し、比例弁８０を経由して出口部８３に流入し、接続部８４の接続流路Ｃを介して吸込口部２５から測定流路Ｆに流入する。ここで後述する演算制御装置４０（図２参照）によって算出されるガスＧの流量が操作ボタン１２１で指定された流量となるように、比例弁８０が演算制御装置４０によってフィードバック制御されるようになっている。

【0049】

（超音波センサ）
図５に戻って各々の超音波センサ６０は、測定部２０における超音波センサ取付部２２に一つずつ設けられている。よって超音波センサ６０は測定流路Ｆの上流側および下流側に対向して配置されている。各々の超音波センサ６０は、超音波素子６１と、超音波素子６１を支持する素子基板６２と、素子基板６２に設けられた基板端子６３とを有している。

【0050】

（超音波素子）
超音波素子６１は、超音波を発信および受信可能な送受信器である。超音波素子６１は、測定部２０における超音波センサ取付部２２の開口２２ａ内に配置されている。測定流路Ｆの上流側の超音波素子６１Ａから発信された超音波は、測定流路Ｆの下流側の超音波素子６１Ｂによって受信可能となっている。一方で、測定流路Ｆの下流側の超音波素子６１Ｂから発信された超音波は、測定流路Ｆの上流側の超音波素子６１Ａによって受信可能となっている。超音波素子６１は円柱状をなしており、開口２２ａ内に設置された状態で測定部長手方向に延びている。

【0051】

（素子基板）
素子基板６２は矩形のプリント基板であって、超音波素子６１が電気的に接続されている。素子基板６２は、測定部２０に対して測定部長手方向に対向して配置された状態で、ボルト９０によって測定部２０の超音波センサ取付部２２に固定される。

【0052】

ここで素子基板６２において、測定部長手方向に測定部２０の側を向く表面にシールリング６９が接触して設けられている。シールリング６９は樹脂製のパッキンである。シールリング６９は超音波素子６１および開口２２ａの外周側に設けられている。ボルト９０によって素子基板６２が測定部２０へ固定された状態、すなわち素子基板６２が測定部２０に押し付けられた状態でシールリング６９が押しつぶされて弾性変形し、素子基板６２と超音波センサ取付部２２との間の隙間がシールされている。

【0053】

（基板端子）
基板端子６３は素子基板６２に支持されて、測定部長手方向に超音波素子６１と同じ側に設けられている。基板端子６３の他端は、素子基板６２から基板下方に向かって突出し、装置基板５０に電気的に接続されている。

【0054】

そして本実施形態では素子基板６２の表面が、装置基板５０の表面に対して交差する（直交する）ように、素子基板６２が基板上方に向かって装置基板５０に立設されており、素子基板６２が装置基板５０の表面上に露出している。

【0055】

（演算制御装置）
図２に戻って演算制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭなどから構成されている。ＣＰＵは、いわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて各種機能を実現する。ＲＡＭは、ＣＰＵの作業領域として使用される。ＲＯＭは、ＣＰＵで実行されるプログラムを記憶する。本実施形態では演算制御装置４０は装置基板５０の裏面に設けられている（図５参照）。

【0056】

演算制御装置４０は、上流側の超音波素子６１Ａから発信されて下流側の超音波素子６１Ｂで受信されるまでの超音波の伝搬速度ｖ_ＦＷＤ〔ｍ／ｓ〕と、下流側の超音波素子６１Ｂから発信されて上流側の超音波素子６１Ａで受信されるまでの超音波の伝搬速度ｖ_ＲＥＶ〔ｍ／ｓ〕とを算出し、これらの伝搬速度ｖ_ＦＷＤ、ｖ_ＲＥＶの差分に基づいて測定流路Ｆを流通するガスＧの流量Ｑ〔ｍ^３／ｓ〕を算出する。

【0057】

上記の伝搬速度ｖ_ＦＷＤ、ｖ_ＲＥＶは、以下の式（１）、（２）によって算出される。なお、測定流路Ｆの長さ（超音波素子６１Ａ、６１Ｂ間の距離）をＬ〔ｍ〕とする。また、上流側の超音波素子６１Ａから発信されて下流側の超音波素子６１Ｂで受信されるまでの超音波の伝搬時間をｔ_ＦＷＤ〔ｓ〕とし、下流側の超音波素子６１Ｂから発信されて上流側の超音波素子６１Ａで受信されるまでの超音波の伝搬時間をｔ_ＲＥＶ〔ｓ〕とする。

【0058】

【数1】

【数2】

【0059】

ここで演算制御装置４０は、上記式（１）、（２）、および以下の式（３）、（４）から導かれる以下の式（５）によって測定流路Ｆを流通するガスＧの流速ｖ〔ｍ／ｓ〕を算出する。なお測定流路Ｆ内での超音波の音速をｃ〔ｍ／ｓ〕とする。

【0060】

【数3】

【数4】

【0061】

【数5】

【0062】

そして演算制御装置４０は以下の式（６）によって、測定流路Ｆを流通する酸素の流量Ｑ〔ｍ^３／ｓ〕を算出する。なお測定流路Ｆの流路断面積をＡ〔ｍ^２〕とする。演算制御装置４０は算出された流量Ｑが予め設定された流量となるように、比例弁８０の開度を制御する。

【0063】

【数6】

【0064】

次に、演算制御装置４０は上記の式（１）から（５）から導かれる以下の式（７）によって測定流路Ｆ内での超音波の音速ｃ〔ｍ／ｓ〕を算出する。

【0065】

【数7】

【0066】

ここで、ガス中を伝搬する超音波の音速ｃ〔ｍ／ｓ〕は、ガスの平均分子量Ｍ〔ｇ／ｍｏｌ〕と、ガスの温度Ｔ〔Ｋ〕との関数で表現できる。すなわち音速ｃ〔ｍ／ｓ〕は以下の式（８）によって算出される。なお、ｋは比熱比、Ｒは気体定数である。ガスＧの温度Ｔ〔Ｋ〕は温度センサ３０で測定した値であり、本実施形態では測定流路Ｆを流通するガスＧが酸素と窒素の２分子からなる混合ガスであるとしてｋ＝１．４とする。

【0067】

【数8】

【0068】

演算制御装置４０は、上記式（７）、（８）から、測定流路Ｆ中のガスＧの平均分子量Ｍ〔ｇ／ｍｏｌ〕を算出する。そして算出された平均分子量Ｍ〔ｇ／ｍｏｌ〕を基に、以下の式（９）によってガスＧ中の酸素濃度Ｐ_Ｏ２〔％〕を算出する。なお、Ｍ_Ｏ２〔ｇ／ｍｏｌ〕は酸素の分子量であり、Ｍ_Ｎ２〔ｇ／ｍｏｌ〕は窒素の分子量である。Ｍ_Ｏ２＝３２、Ｍ_Ｎ２＝２８である。なお演算制御装置４０は、酸素濃度が予め設定された値となるように上記の制御ユニット（不図示）へ信号を送信し、この制御ユニットで窒素吸着機構１３の制御が行われる。

【0069】

【数9】

【0070】

以上説明した本実施形態の酸素濃縮装置１では、ガス濃度流量測定装置１５において比例弁８０および測定部２０が装置基板５０の表面側に設けられ、かつ、比例弁８０が比例弁ブラケット８１とともに装置基板５０の表面上に載置されている。したがって比例弁８０が発熱した際、熱が比例弁８０から測定部２０に装置基板５０を介して伝わることになる。この場合、測定部２０の測定流路Ｆ内のガスＧが加熱されてしまい、ガス濃度流量測定装置１５による測定精度が低下してしまう可能性がある。

【0071】

ここで本実施形態では、装置基板５０において比例弁８０の周囲には貫通孔５４が形成されている。したがって貫通孔５４によって比例弁８０と測定部２０との間に装置基板５０上に空間が形成されることになり、比例弁８０から測定部２０へ熱が伝わりにくくなる。よって装置基板５０上で測定部２０と比例弁８０とを近接して配置したとしても、測定流路Ｆ内のガスが比例弁８０の熱によって加熱されてしまう可能性を低減できる。この結果、測定精度を確保しつつ、ガス濃度流量測定装置１５のコンパクト化が可能となる。
特に測定管２１における面横方向の幅寸法Ｗに対して、測定管２１と比例弁８０との面横方向の距離Ｌ１が２．０倍以上３．０倍以下で、より好ましくは２．５倍以上２．６倍以下となっていることで、貫通孔５４による遮熱効果を得つつも、測定管２１と比例弁８０との距離を近づけて装置全体のコンパクト化を図ることができる。

【0072】

また貫通孔５４はスリット状をなしているため、貫通孔５４が円形状の孔である場合に比べて比例弁８０と測定部２０との間の空間の容積を大きくすることができ、遮熱効果を高めることができる。そして縦スリット５５は測定管２１と比例弁８０との間を仕切るように設けられている。したがって比例弁８０の熱が最短経路で測定部２０に到達することを回避できるため、縦スリット５５によって遮熱効果をより高めることができる。

【0073】

そして比例弁８０は縦スリット５５と横スリット５６と装置基板５０の端縁５０ａとによって囲まれた弁配置領域Ｓに設けられている。このため縦スリット５５のみを設けた場合に比べて、横スリット５６によって比例弁８０から面縦方向に伝達する熱の遮断も可能となるため、遮熱効果のさらなる向上が可能となる。

【0074】

また比例弁８０と測定管２１とを面横方向（測定部径方向）に離れた位置に配置されていることで、比例弁ブラケット８１における出口部８３と、測定部２０における吸込口部２５との間の距離を確保することができる。例えば出口部８３と吸込口部２５とが近接している場合には、急角度で屈曲するような接続流路を有する接続部によって出口部８３と吸込口部２５とを接続しなければならないが、本実施形態では、出口部８３と吸込口部２５とが離れており、さらに、好ましくは測定管２１と比例弁８０との面横方向の距離Ｌ１に対して、測定管２１と縦筒部８４Ａとの面横方向の距離Ｌ２が１．５倍以上、より好ましくは２．０倍以上となっていることで、出口部８３と吸込口部２５との間を曲がり流路Ｃ２が形成された接続部８４によって接続することができる。このため比例弁８０から測定部２０へ流入するガスＧの流れを円滑にすることができ、接続流路Ｃでの乱流の発生を抑制し、測定精度を向上することができる。

【0075】

さらに出口部８３は、入口部８２に対して面横方向（測定部径方向）に比例弁８０および測定部２０から離れる側に設けられている。このため、出口部８３と吸込口部２５との間の距離を稼ぐことができ、接続流路Ｃを急角度で屈曲させることなく、出口部８３と吸込口部２５とを接続することができる。よってガスＧの流れをさらに円滑にすることができる。

【0076】

本発明は、上記した実施の形態に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内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、接続部８４は可撓性を有するチューブである必要はなく、測定部２０と同じ樹脂によって形成されていてもよい。

【0077】

また比例弁８０は、測定部２０の吐出口部２４に接続部８４を介して接続されていてもよい。この場合、出口部８３よりも入口部８２が面横方向（測定部径方向）に比例弁８０および測定部２０から離れる側に配置されていることが好ましい。このような構成によっても上記実施形態と同様に入口部８２と吐出口部２４との距離を稼ぐことができ、接続流路Ｃを急角度で屈曲させることなく入口部８２と吐出口部２４とを接続することができる。よってガスＧの流れを円滑にすることができる。

【0078】

また装置基板５０の貫通孔５４の数量や形状は上記の実施形態の場合には限定されない。例えば貫通孔５４は断面円形状の孔であってもよい。この場合、パンチングメタルのように複数の貫通孔５４を互いに近接して形成してもよい。

【0079】

また、横スリット５６は必ずしも設けなくともよく縦スリット５５のみを設けてもよい。また横スリット５６のみを設けてもよい。さらに、上記実施形態では縦スリット５５、横スリット５６、および端縁５０ａによって弁配置領域Ｓを形成しているが、例えば縦スリット５５を面横方向（測定部径方向）に間隔をあけて対をなして形成し、これら対をなす縦スリット５５同士の間に、面縦方向（測定部長手方向）に間隔をあけて対をなす横スリット５６を配置することで、四角形状の弁配置領域を形成してもよい。すなわち比例弁８０を端縁５０ａから離れた位置で装置基板５０上に載置し、比例弁８０の全周囲を縦スリット５５および横スリット５６で囲むようにしてもよく、比例弁８０の設置位置は上述の場合に限定されない。

【0080】

例えば演算制御装置４０は装置基板５０とは別の場所に設置されてもよい。また、測定部２０の装置基板５０への固定方法も上述の場合に限定されない。温度センサ３０および圧力センサ７０の設置位置も上述の場合に限定されない。

【0081】

また、上記のガス濃度流量測定装置１５は、酸素濃縮装置１以外の装置にも使用可能である。また酸素濃縮装置１はＰＳＡ方式の装置に限定されることなく、膜分離方式などの他の方式を用いた装置であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0082】

本発明のガス濃度流量測定装置等によれば、測定精度を確保しつつ、コンパクト化が可能である。

【符号の説明】

【0083】

１ 酸素濃縮装置
１５ ガス濃度流量測定装置
２０ 測定部
２１ 測定管（流路形成部）
２２ａ 開口
３０ 温度センサ
４０ 演算制御装置
５０ 装置基板
５２ 装置基板パターン
５３ 装置基板ランド
５４ 貫通孔
５５ 縦スリット
５６ 横スリット
６０ 超音波センサ
６１（６１Ａ、６１Ｂ） 超音波素子
６２ 素子基板
６３ 基板端子
６９ シールリング
８０ 比例弁（電磁弁装置）
８４ 接続部
８４Ａ 縦筒部
９０ ボルト
１００ 濃縮装置本体
Ｆ 測定流路
Ａ 空気
Ｇ 酸素含有ガス
Ｃ 接続流路
Ｃ１ 縦流路
Ｃ２ 曲がり流路
Ｃ３ 横流路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】