JP2001220110A - 医療用酸素発生器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 100％の高純度かつ殺菌された清浄な酸素を
連続して供給することができる医療用酸素発生器を提供
する。 【解決手段】 イオン伝導性,電子伝導性をもつ固体電
解質膜で内部が仕切られたチャンバを700〜800℃の炉内
に収容して固体電解式酸素発生部(3)とし、固体電解質
膜の一面を覆う陰極側を空気の取入口(2)に連通させる
一方、固体電解質膜の他面を覆う陽極側を酸素供給路
(4)を介して酸素の吐出口(5)に連通させる。酸素供給路
(4)に、上流側から順にアキュムレータタンク(6),供給
路(4)を開閉する制御弁(7),減圧弁(8),積算式流量計(9)
を介設するとともに、吐出口(5)と並列に携帯酸素ボン
ベを接続する接続口(12)を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気中から選択的
に分離した酸素を患者の呼吸用に供給する医療用酸素発
生器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、肺疾患等による呼吸不全の患者へ
の酸素は、高圧酸素を充填したボンベから供給される
か、あるいは空気中の窒素を選択的に吸着する吸着剤を
用いた圧力変動吸着式の酸素濃縮器を使用して供給され
ている。圧力変動吸着式の酸素濃縮器は、原料空気を圧
縮するコンプレッサと、高圧で空気中の窒素を吸着し,
低圧で吸着した窒素を放出するゼオライト等の吸着剤を
充填した吸着筒と、吸着筒内を上記コンプレッサと大気
に切換連通する切換弁と、吸着筒からチェック弁を経て
出てくる酸素富化気体を蓄えるアキュムレータと、アキ
ュムレータから減圧弁を経て流れ出てくる患者に供給す
べき酸素富化気体の流量を調整する流量調整器で構成さ
れる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記ボンベからの酸素
供給は、薬局方の基準を満たす99.5％以上の高濃度で清
浄な酸素を供給できるという利点がある反面、空になる
と供給が途絶え、再充填しなければならないという欠点
がある。一方、上記圧力変動吸着式の酸素濃縮器による
酸素供給は、電源さえあれば再充填の必要もなく酸素を
連続供給できるという利点がある反面、清浄度が大気と
同じで酸素濃度も95％前後と薬局方の基準を満たさず、
また、病院内使用では院内感染防止の観点から、空気取
入口を屋外に設けなければならないという欠点がある。

【０００４】そこで、本発明の目的は、空気から酸素を
選択的に分離する新たな手段を用いることによって、薬
局方の基準を満たす100％の高純度かつ殺菌された清浄
な酸素を連続して供給することができる医療用酸素発生
器を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる課
題について鋭意検討を重ねた結果、最近注目を集めてい
る固体電解質膜が空気中の酸素分離手段として最適であ
ることを見出し、本発明をなすに至った。なお、固体電
解質膜は、ジルコニア等のセラミックからなるイオン伝
導性と電子伝導性を有する膜であり、膜の両面に被覆し
た触媒作用をもつＡgやＰtなどの電極に電圧を印加する
と、陰極側で空気中の酸素分子が酸素イオンに解離し、
解離した酸素イオンが電解質中を通って陽極に達し、陽
極側で電子を取り除くことによって酸素分子に再生され
るものである。

【０００６】即ち、請求項１の発明は、取入口から取り
入れた空気から選択的に酸素を分離し、分離した酸素を
吐出口から患者の呼吸用に供給する医療用酸素発生器に
おいて、上記空気から酸素を選択的に分離する手段とし
て、イオン伝導性および電子伝導性を有する固体電解質
膜を用いたことを特徴とする。

【０００７】請求項１の医療用酸素発生器では、固体電
解質膜で仕切られたチャンバが酸素分離に必要な高温(7
00〜800℃)の炉内に収容され、固体電解質膜の陰極側が
空気の取入口に、陽極側が酸素の吐出口に夫々連通して
いる。固体電解質膜は、電気化学的に陰極側で空気中の
酸素をイオン化し電解質中を通して反対側表面へ送ら
れ、陽極側で酸素分子に再生するので、100％という高
純度のうえ、空気中の雑菌等が炉内の高温で死滅した清
浄な患者の呼吸に最適の酸素が吐出口から得られる。従
って、従来の酸素ボンベによる場合のように、酸素の残
量によって供給が不安定になったり途絶えたりせず、再
充填の必要もなく連続して酸素が供給でき、また、従来
の酸素濃縮器の場合のように、酸素濃度が薬局方の基準
以下にならず、病院内感染防止のために空気取入口を屋
外に設ける必要もなくなる。

【０００８】請求項２の医療用酸素発生器は、上記吐出
口を含む酸素供給路に、積算式流量計を設けたことを特
徴とする。

【０００９】請求項２の医療用酸素発生器では、吐出口
を経て患者に供給された酸素の累計量を積算式流量計に
よって知ることができる。従って、従来の酸素ボンベや
酸素濃縮器に比して設置費用の高いこの医療用酸素発生
器でも、これを業者から借りた患者が、使用酸素量に応
じた料金のみを支払うなどして、低額な負担でもって薬
局方の基準を満たす高純度かつ清浄な酸素により在宅療
養することができる。

【００１０】請求項３の医療用酸素発生器は、上記吐出
口を含む酸素供給路に、携帯用酸素ボンベに酸素を充填
するための接続口を設けたことを特徴とする。

【００１１】固体電解質膜は、発生する酸素の圧力が固
体電解質膜の材料強度の限度内で上昇するというポンピ
ング機能をもつので、接続口を閉じて上流側の酸素供給
路にその容積に応じた高圧の酸素を蓄えた後、開いた接
続口を介して携帯用ボンベに高圧酸素を充填することが
できる。従って、請求項３の医療用酸素発生器を用い
て、薬局方の基準を満たす高純度かつ清浄な酸素をボン
ベ詰めで販売することができ、充填された携帯用ボンベ
を在宅療養の患者に便宜かつ安価に提供することができ
る。

【００１２】請求項４の医療用酸素発生器は、上記吐出
口を含む酸素供給路に、酸素を冷却する強制冷却手段を
設けたことを特徴とする。

【００１３】炉内に収容されたチャンバ内を仕切る固体
電解質膜によって生成された酸素は、高温であり、導入
空気との熱交換やファン冷却により冷却されるが室温よ
りは高い温度の酸素が供給される。請求項４の医療用酸
素発生器においては、吐出口を含む酸素供給路中で強制
冷却手段によって冷却され、快適に呼吸できる最適な温
度の酸素を患者に供給することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
により詳細に説明する。図１は、本発明の医療用酸素発
生器の一実施形態を示す概略図である。この医療用酸素
発生器１は、室内雰囲気に開口した空気の取入口２と、
700〜800℃に保持される炉内に固体電解質膜で内部が仕
切られたチャンバを収容し、固体電解質膜の一面を覆う
陰極側を上記取入口１に連通させてなる固体電解式酸素
発生部３と、この固体電解式酸素発生部３に酸素供給路
４を介して上記固体電解質膜の他面を覆う陽極側に連通
しうるように接続された酸素の吐出口５を備えている。
上記固体電解質膜は、特開平６−２１９８６１号公報お
よび特開平９−１３２４０２号公報等に記載された既に
公知のものなので、ここでは説明を省略する。

【００１５】上記酸素供給路４には、空気から酸素を電
気化学的に分離する固体電解式発生部３の側から順に、
発生酸素を蓄えるアキュムレータタンク６、酸素供給路
４の開閉を制御する制御弁７、酸素圧を所定値以下に調
整する減圧弁８、および酸素供給路４を流れる酸素の累
積流量を検出して表示する積算式流量計９を介設してい
る。アキュムレータタンク６には、タンク内の酸素の圧
力を検出する圧力検出部１０が設けられ、制御部１１
が、圧力検出部１０からの入力信号が表わす検出圧力を
予め設定された設定圧と比較して、検出圧力が設定圧に
なるように固体電解式酸素発生部２の固体電解質膜両面
の陰極,陽極間に加える電圧と電流を増減して酸素発生
量を制御するようになっている。また、制御部１０は、
患者等の操作者によって入力される開閉指令信号に基づ
いて、制御弁７を開閉する。酸素供給路４の終端には、
図示しないコックを介して患者の吸入器に接続される吐
出口５と並列に接続口１２が設けられ、上記コックが閉
じられて接続口１２に携帯用酸素ボンベの口金が接続さ
れると、高圧酸素が酸素供給路４の減圧弁８をバイパス
し、積算式流量計９を経て携帯用ボンベに充填されるよ
うになっている。

【００１６】上記構成の医療用酸素発生器１は、次のよ
うに動作する。固体電解式酸素発生部３の高温炉に収容
されたチャンバ内を仕切る固体電解質膜は、制御部１１
によって両面の陰,陽極間に加えられる電圧と電流に応
じた量の酸素を生成する。つまり、固体電解質膜は、電
気化学的に取入口２に連通する陰極側で空気中の酸素を
イオン化し、アキュムレータタンク６に連通する陽極側
で透過してきた酸素イオンを酸素分子に再生するので、
100％という高純度でしかも空気中の雑菌等が炉内の高
温で死滅した清浄な酸素が得られる。従って、従来の酸
素ボンベによる場合のように、酸素の残量によって供給
が不安定になったり途絶えたりせず、再充填の必要もな
く連続して酸素が供給でき、従来の酸素濃縮器による場
合のように、酸素濃度が薬局方の基準以下にならず、病
院内感染防止のために空気取入口を屋外に設ける必要も
なくなる。

【００１７】固体電解質膜は、その材料強度の限度内で
発生酸素の圧力が上昇するというポンピング機能をもつ
ので、操作者により制御部１１を介して制御弁７が閉じ
られていると、アキュムレータタンク６内の酸素圧は、
圧力検出部１０からの信号に基づく制御部１１による固
体電解質膜両面の電極への印加電圧,電流のフィードバ
ック制御により、最大値が上記材料強度に対応しうる所
定の設定圧に達する。次いで、操作者が制御部１１を介
して入力する開指令信号で、制御弁７が開かれ、接続口
１２に携帯用ボンベが接続されておらず、かつ吐出口５
に接続した吸入器へのコックが開かれている場合は、ア
キュムレータタンク６に蓄えられていた高圧酸素は、減
圧弁８を経て患者の呼吸に適した所定圧に減圧され、積
算式流量計９で供給流量が累計,表示されて吸入器を経
て患者に供給される。

【００１８】上記医療用酸素発生器１は、従来の酸素ボ
ンベや圧力変動式の酸素濃縮器に比して高価なため、設
置費用が高いが、積算式流量計９によって吐出口５を経
て患者に供給された酸素の累計量を知ることができるの
で、例えば在宅療養あるいは酸素療養に健康保険が適用
されない呼吸不全患者でも、この医療用酸素発生器１を
業者から借り、使用酸素量に応じた料金のみを支払うこ
とで、低額な負担でもって薬局方の基準を満たす高純度
かつ清浄な酸素を得ることができるという利点がある。
また、上記医療用酸素発生器１は、固体電解質膜をもつ
チャンバを収容する炉の加熱のため起動から酸素発生ま
での待ち時間が従来の酸素濃縮器に比して長くなるが、
固体電解式酸素発生部３の後段に酸素を蓄えるアキュム
レータタンク６を設けているので、予め蓄えた酸素によ
って待ち時間を短縮できるとともに、停電時にも一時的
に酸素を供給できるという利点がある。なお、アキュム
レータタンク６を省略した場合でも、固体電解質膜の上
述のポンピング機能により、制御弁７の上流側の酸素供
給路４にその容積に応じた高圧の酸素を蓄えることがで
きるので、程度は小さいが同様の効果が奏される。

【００１９】さらに、上記医療用酸素発生器１では、ア
キュムレータタンク６に蓄えた酸素を減圧弁８を介して
吐出口５から供給しているので、過大な高圧酸素が患者
に供給されるのが防止される。なお、アキュムレータタ
ンク４の前段にブースタやポンプ等の加圧手段を設けた
り、アキュムレータタンク４内にゼオライト等の吸着剤
を充填し,この吸着剤に酸素を着脱させる圧力変動また
は温度変動手段を設けたりすれば、アキュムレータタン
ク４の酸素貯蔵能を高めることができる。

【００２０】一方、操作者の開指令信号で制御弁７が開
かれ、接続口１２に携帯用ボンベが接続され、かつ吐出
口５に接続した吸入器へのコックが閉じられている場合
は、アキュムレータタンク６に蓄えられていた高圧酸素
は、減圧弁８をバイパスし、減圧されずに積算式流量計
９を経て接続口１２から携帯ボンベに充填される。従っ
て、上記医療用酸素発生器１では、薬局方の基準を満た
す高純度かつ清浄な酸素を計量しつつボンベ詰めで販売
することができ、充填された携帯用ボンベを、在宅療養
等の呼吸不全患者に便宜かつ安価に提供することができ
るという利点がある。なお、上記実施の形態では、操作
者によって制御部１１に入力される指令信号に基づいて
制御弁７を開閉制御するようにしたが、制御弁７の開度
を制御するようにしてもよい。

【００２１】図２は、本発明の医療用酸素発生器の他の
実施形態を示す概略図である。この医療用酸素発生器
は、図１で述べた医療用酸素発生器１の接続口１２を省
略し、積算式流量計９と吐出口５の間の酸素供給路４
に、積算式流量計９の側から順に強制冷却手段としての
ペルチェ素子を用いた電子冷却ユニット１３と、酸素の
流量を設定値に調整する流量調整弁１４を介設したもの
である。電子冷却ユニット１３には、内部を流れて冷却
された酸素の温度を検出する温度センサ１５が設けら
れ、制御部１１が、温度センサ１５からの入力信号が表
わす検出温度を予め設定された設定温度と比較して、検
出温度が設定温度になるように電子冷却ユニット１３の
ペルチェ素子へ供給する電流を増減して冷却能を制御す
るようになっている。なお、制御部１１のその他の制御
動作は、図１で述べたと同様である。

【００２２】上記構成の医療用酸素発生器は、図１の接
続口１２を省略したので段落[0020]で述べた携帯ボンベ
への充填動作がなく、電子冷却ユニット１３の追加によ
る動作が加わる点を除いて図１で述べたと同じである。
従って、図１と異なる動作のみを述べることにする。制
御弁７(図１)の閉時にアキュムレータタンク６内に設定
圧で蓄えられた酸素は、吐出口５に接続された吸入器へ
のコックが開かれている場合、操作者の開指令信号で制
御弁７が開かれると、減圧弁８(図１)で減圧され、積算
式流量計９で流量が累計,表示されて、電子冷却ユニッ
ト１３に流入する。流入直後の酸素は、固体電解式酸素
発生部３の固体電解質膜をもつチャンバを収容する炉の
温度が700〜800℃であり、導入空気との熱交換やファン
冷却によって冷却されるものの、室温よりは高い温度と
なるため、温度センサ１５の検出信号に基づく制御部１
１による電子冷却ユニット１３のペルチェ素子への給電
フィードバック制御により、患者の呼吸に最適な設定温
度まで冷却され、次いで流量調整弁１４で設定流量に調
整されて、吐出口５から吸入器を経て患者に供給され
る。

【００２３】従って、図２の実施形態によれば、図１の
実施形態で述べた効果に加えて、快適に呼吸できる適温
の酸素を患者に供給することができる。なお、強制冷却
手段として、高温の酸素を水を用いた加湿器に通して潜
熱により冷却する方法も考えられるが、この方法は、冷
却効果が不足するうえ、加湿された酸素により後続の酸
素供給路内で結露が生じるという問題があるため強制冷
却手段として採用できない。しかし、本発明の強制冷却
手段は、上記ペルチェ素子による電子冷却ユニット１３
に限られず、例えばヒートポンプ式の冷却機等を採用す
ることもできる。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、請求項１
の発明は、取入口から取り入れた空気から選択的に酸素
を分離し、分離した酸素を吐出口から患者の呼吸用に供
給する医療用酸素発生器において、上記空気から酸素を
選択的に分離する手段として、イオン伝導性および電子
伝導性を有する固体電解質膜を用いているので、空気中
から電気化学的に100％という高純度かつ無菌で清浄な
酸素を生成できるうえ、従来の酸素ボンベのように再充
填が要らず空になって供給が途絶えず、従来の酸素濃縮
器のように酸素純度が薬局方の基準以下にならず、病院
内感染防止のために空気取入口を屋外に設ける必要もな
い。

【００２５】請求項２の医療用酸素発生器は、吐出口を
含む酸素供給路に、積算式流量計を設けているので、そ
れ自体は高価な医療用酸素発生器を、患者である使用者
が業者から借り、積算式流量計に表示される使用酸素量
に応じた料金のみを支払うなどして、低額な負担でもっ
て薬局方の基準を満たす高純度かつ清浄な酸素により容
易に在宅療養をすることができる。

【００２６】請求項３の医療用酸素発生器は、吐出口を
含む酸素供給路に、携帯用酸素ボンベに酸素を充填する
ための接続口を設けているので、高純度かつ清浄な酸素
をボンベ詰めで販売することができ、充填された携帯用
ボンベを在宅療養の患者等に便宜かつ安価に提供するこ
とができる。

【００２７】請求項４の医療用酸素発生器は、吐出口を
含む酸素供給路に、酸素を冷却する強制冷却手段を設け
ているので、固体電解質膜によって生成された高温の酸
素を、呼吸に最適な温度まで冷却して患者に供給するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の医療用酸素発生器の一実施形態を示
す概略図である。

【図２】 本発明の医療用酸素発生器の他の実施形態を
示す概略図である。

【符号の説明】

１ 医療用酸素発生器 ２ 空気の取入口 ３ 固体電解式酸素発生部 ４ 酸素供給路 ５ 吐出口 ６ アキュムレータタンク ７ 制御弁 ８ 減圧弁 ９ 積算式流量計 １０ 圧力検出部 １１ 制御部 １２ 携帯用ボンベの接続口 １３ 電子冷却ユニット １４ 流量調整弁 １５ 温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D006 GA41 JA51A JA62A JA67A KA17 KA31 KA72 KB12 KB30 KD09 KE03Q KE08P KE16Q KE17Q KE18Q MA11 MC03 PA01 PA03 PB17 PB62 PC41 PC80 4G042 BA31 BB02 BC04

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 取入口(２)から取り入れた空気から選択
   的に酸素を分離し、分離した酸素を吐出口(５)から患者
   の呼吸用に供給する医療用酸素発生器(１)において、 上記空気から酸素を選択的に分離する手段として、イオ
   ン伝導性および電子伝導性を有する固体電解質膜(３)を
   用いたことを特徴とする医療用酸素発生器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の医療用酸素発生器にお
   いて、上記吐出口(５)を含む酸素供給路(４)に、積算式
   流量計(９)を設けたことを特徴とする医療用酸素発生
   器。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の医療用酸素発
   生器において、上記吐出口(５)を含む酸素供給路(４)
   に、携帯用酸素ボンベに酸素を充填するための接続口
   (１２)を設けたことを特徴とする医療用酸素発生器。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の
   医療用酸素発生器において、上記吐出口(５)を含む酸素
   供給路(４)に、酸素を冷却する強制冷却手段(１３)を設
   けたことを特徴とする医療用酸素発生器。