JP2005074061A

JP2005074061A - 気体供給装置

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Publication number: JP2005074061A
Application number: JP2003309861A
Authority: JP
Inventors: Naotoshi Fujimoto; 直登志藤本; Kanji Kurome; 寛治黒目
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: JP4381751B2

Abstract

【課題】急激な製品ガスの流量変化が発生する呼吸同調型気体供給装置において、超音波式ガス濃度流量測定手段を搭載して正確な製品ガスの酸素濃度を測定する機能を搭載した装置を提供する。
【解決手段】使用者の呼吸に同調して製品ガス流量の出力が停止している時にのみ、製品ガスの酸素濃度を測定する超音波式ガス濃度流量測定手段を搭載した呼吸同調型気体供給装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、使用者の呼吸に同調して作動する製品ガス流路開閉弁を備えた呼吸同調型の気体供給装置に関する。さらに詳細には、慢性呼吸器疾患患者等が酸素吸入療法を行なう際に使用する医療機器であり、酸素又は酸素濃縮気体を呼吸用気体として、呼吸サイクルに応じて間歇的に使用者に供給する機能を備えた酸素供給装置に関するものである。

喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器系疾患に苦しむ患者に対し、最も効果的な治療法の一つとして酸素吸入療法がある。酸素吸入療法には、空気中から酸素濃縮気体を分離する酸素濃縮装置、あるいは、酸素ボンベが使用されている。

患者が通院などで外出する場合には、携帯型の酸素ボンベが用いられるが、充填量に限りがあるため、使用できる時間を延長するために、特許文献１等に記載されているように、内部に呼吸検出手段と自動開閉弁を内蔵し、患者の吸気時間だけに酸素を供給し、呼気時間は供給を停止する呼吸同調酸素供給装置が提案されている。

また、この呼吸同調酸素供給装置は呼気時に無駄に酸素を供給することが無く、経済的にも有効であることから、特許文献２等で酸素濃縮装置においても呼吸同調型の酸素供給装置の使用が提案されている。さらに、特許文献３等ではバッテリ駆動ができる移動型あるいは携帯型の酸素濃縮装置が提案されており、バッテリ容量の制限から使用できる時間を延長するために呼吸同調型の酸素供給装置の併設が所望される。

さらに、酸素ボンベではなく、酸素濃縮装置を使用する場合には、酸素濃縮装置内に製品酸素ガス濃度を検出する手段の搭載が望ましい。酸素濃縮装置はゼオライト吸着材等によって空気中の窒素を選択的に吸着させ、吸着された窒素を大気中に排出し、残りの酸素濃度の高いガスを製品酸素ガスとして患者に供給できる装置である。したがって、該吸着材の劣化や濃縮装置自体の故障等により、製品酸素ガスの酸素濃度が変化してしまうことが考えられる。患者にとって、製品酸素ガスの酸素濃度の低下が発生すると、治療効果に影響が及ぶため、酸素濃縮装置には製品酸素ガスの酸素濃度の異常を検出するため、酸素濃度検出手段を搭載することが一般的である。

製品酸素ガスの酸素濃度を検出する方法は各種実用化されており、ジルコニア式の酸素濃度計の使用が一般的であるが、近年、特許文献４、５等に示されたような、超音波式ガス濃度流量測定手段も実用化されつつある。該超音波式ガス濃度流量測定手段によるガス濃度測定原理は以下の通りである。

製品ガスの流れる配管中に、お互いに超音波の送受信のできる超音波振動子２つを対向させて配置し、ガスの流れに対して順方向に超音波送受信を実施する。その時に観測される音速V₁は、静止ガス中の音速をC、配管中のガスの流速をVとすると、V₁は次式（１）で表すことができる。
V₁＝ C + V ---------- 式（１）

続いて、ガスの流れに対して逆方向に超音波送受信を実施した場合に観測される音速V₂は、次式（２）で表すことができる。
V₂＝ C - V ---------- 式（２）

したがって、ガスの流速Vが不明であっても、式（１）と（２）を加算することで流速Vをキャンセルすることが可能となり、次式（３）によって静止ガス中における音速Cのみを計算することができる。
C = ( V₁ + V₂ ) / 2---------- 式（３）
また、静止ガス中の音速Cは、ガスの温度をT、ガスの比熱比をk、気体定数をR、ガスの平均分子量をMとすると、次式（４）で表せることが知られている。

式（４）において、k、Rは定数であり、式（３）にてCの値を獲得できているため、ガスの温度Tを測定すれば、式（４）は式（５）のように変形されてガスの平均分子量Mを求めることができる。
M = kRT / C² ---------- 式（５）
すなわち、例えば測定されるガスが酸素と窒素の2成分ガスであり、酸素濃度がx、窒素濃度が1-xであれば、酸素の分子量を32、窒素の分子量を28とすると、次式（６）の関係を用いて酸素濃度xを特定することが可能となる。
32x + 28(1-x) = M ---------- 式（６）

さらに、超音波振動子２つを対向させて配置させた超音波式ガス濃度流量測定装置における流量測定原理は以下の通りである。
先述の式（１）、（２）を用いると、静止ガス中の音速Cが不明であっても、次式（７）によってガスの流速Vを求めることができる。
V = ( V₁ - V₂ ) / 2---------- 式（７）
そして、ガスの流速Vを求めることができれば、ガスの流れる配管の内面積を乗じることで、ガスの流量を求めることも容易である。

特公平３−２２１８５号公報特開昭６１−１３１７５６号公報特開２００２−４５４２４号公報特開２００２−２１４０１２号公報特開２００３−１３５６０１号公報

超音波式ガス濃度流量測定手段によるガス濃度および流量の測定原理から明らかなように、ガスの流れに対して順方向での音速V₁を計測し、続いてガスの流れに対して逆方向での音速V₂を計測する方法を取る場合、濃度を求める際に先述の式（３）によってガスの流速Vをキャンセルするためには、V₁、V₂それぞれの計測時のガス流速Vが一定でなければならない。しかしながら、呼吸同調型の酸素濃縮装置に超音波式ガス濃度流量測定手段を使用する場合、製品酸素ガスの供給の開始、停止の間での超音波式ガス濃度測定手段内を流れる製品酸素ガスの流量変化は非常に大きくなるため、式（３）による音速Cの測定誤差が非常に大きくなってしまい、酸素濃度を正確に測定できないという課題がある。

本発明は、かかる課題を解決するものであり、正確な製品ガスの酸素濃度を測定することのできる超音波式ガス濃度流量測定手段を搭載した呼吸同調型気体供給装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、かかる目的を達成するために鋭意研究した結果、使用者の呼吸に同調して製品ガス流量の出力が停止している時に酸素濃度を測定する方法を取ることで、呼吸同調型気体供給装置においても超音波式ガス濃度流量測定手段にて正確な酸素濃度を測定できることを見出したものである。

すなわち本発明は、使用者の呼吸を検出する手段、検出結果に基づいて使用者の呼吸に同調して製品ガス出力を開始及び停止する機能を有する製品ガス流路開閉弁を具備した気体供給装置において、製品ガスの流れる配管中に、対向させて配置した２つの超音波振動子を具備した超音波式ガス濃度流量測定手段を備え、かつ該製品ガス出力が停止している状態における濃度測定値を製品ガス濃度とする手段であることを特徴とする気体供給装置を提供するものである。

また本発明は、製品ガス出力が停止している状態を、超音波式ガス濃度流量測定装置自身の測定する流量出力値に基づいて判断する手段、或いは製品ガス出力の開始及び停止を制御する手段からの情報に基づいて判断する手段を備えることを特徴とする気体供給装置を提供するものである。

また本発明は、かかる気体供給装置が、大気から酸素を分離する酸素濃縮手段を備え、製品ガスとして酸素濃縮気体を供給する装置であり、該超音波式ガス濃度流量測定手段が、該製品ガス流路開閉弁の上流側に設置されていることを特徴とする気体供給装置を提供するものである。

本実施例における呼吸同調型の気体供給装置の概略構成は、図１に示す通りである。該呼吸同調型気体供給装置1は、原料ガスとして空気を吸い込み、フィルタ2を介して該空気を酸素濃縮手段4に送り込むコンプレッサ3、空気中から酸素を分離する酸素濃縮手段4、製品ガスである酸素濃縮気体の圧力を調節するガス圧力調節手段9、超音波式ガス濃度流量測定手段5、製品ガス流路開閉弁6、使用者の呼吸を検出する呼吸検出手段7、さらに、それぞれをコントロールするために電気的に接続されたメインコントローラ8を備える。

超音波式ガス濃度流量測定手段5の概略構成は、図２に示す通りである。お互いに超音波の送受信が可能な２つの超音波振動子11を結ぶ部分の配管10は円筒形状をしており、超音波振動子11は、製品ガスの流れる配管10の中に対向させて配置されており、本実施例においては、中心周波数が40kHzの超音波振動子を採用した。温度センサ12は、超音波伝播経路上のガスの流れを乱すことのないように、製品ガスの出入り口付近に２つ配置する。２つの温度センサ12を配管10の出入り口に配置することで、配管10を流れる製品ガスの平均温度を測定できるようにしている。製品ガスの温度変化が大きくない場合には、温度センサ12は１つでも良い。

呼吸検出手段7は、微差圧センサにより実現した。使用者の呼吸を検出する際、該微差圧センサの出力する圧力変動をメインコントローラによって監視し、吸気の開始タイミングを検出するものである。

本実施例における呼吸同調型気体供給装置1の動作手順を以下に示す。使用者の呼吸を検知していない状態において、製品ガス流路開閉弁６は閉じた状態にある。該呼吸同調型気体供給装置1は、使用者の吸気が検出されるまでの間において、使用者に必要な製品ガスを供給するための準備として、コンプレッサ3によって原料空気を吸い込み、酸素濃縮手段4にて製品ガスとして高濃度酸素ガスを作成し、ガス圧力調節手段9によってガス流路開閉弁6の前段までの製品ガス流路内の圧力を所定の圧力に保持できるようになっている。使用者が呼吸を開始し、製品ガスの供給を実施する際には、まず呼吸検出手段7によって使用者の吸気開始タイミングを検出し、吸気開始タイミングが検出されると、メインコントローラ8はガス圧力調節手段9によって調節された現在の製品ガス圧力情報を元に、事前に設定された製品ガスの量を使用者に供給するために必要なガス流路開放時間を判断し、該ガス流路開放時間だけガス流路開閉弁6を開く。その後、ガス流路開閉弁6は閉じた状態に戻り、上記処理を繰り返す。

上記動作中において、該呼吸同調型気体供給装置１は、製品ガスが所定の酸素濃度以上になっていることを判断するため、超音波式ガス濃度流量測定手段5を用いる。該超音波式ガス濃度流量測定手段5は製品ガス流量が停止している状態において正確な酸素濃度を検出できるため、メインコントローラ8はガス流路開閉弁6を閉じている状態において超音波式ガス濃度流量測定手段5に測定開始の信号を送る。その後、該超音波式ガス濃度流量測定手段5内のマイクロコンピュータ16は、ドライバ14に超音波の送信信号を送り、送受信切り替え器13を介して選択された超音波振動子11から超音波が送信される。もう一方の超音波振動子11は、送信された超音波を受信し、受信された超音波は送受信切り替え器13を介してレシーバ15にて電気信号として受信され、マイクロコンピュータ16に送られ、音速を計算する。

続いて、送受信切り替え器13は超音波の送受信方向を入れ替え、先述と同じ方法にて逆方向での音速を計算する。該音速計算は、使用者の吸気を検出してガス流路開閉弁6を開くまで繰り返し実施され、複数回計算された音速の値を加算平均処理することによって、測定誤差の影響を低減させた音速の値を獲得する。

上記超音波の送受信と同時に、マイクロコンピュータ16は温度センサ12によって製品ガス温度も検出しておく。使用者の吸気が検出された場合、メインコントローラ8は、超音波式ガス濃度流量測定手段5に測定の停止信号を送る。該停止信号を受けたマイクロコンピュータ16は、それまでに検出された音速と製品ガス温度から、先述の式（４）を利用した方法によって、製品ガスの酸素濃度を計算する。さらに詳細には、例えば先述の特許文献４や特許文献５に示された方法を用いて酸素濃度を計算することができる。該酸素濃度計算値は、マイクロコンピュータ16からメインコントローラ8に送り返される。

本実施例においては、製品ガスの出力が停止していることをメインコントローラ8によって判断させる手段を採用したが、超音波式ガス濃度流量測定手段5は、ガス濃度のみならずガス流量も検出できる特徴を利用し、該超音波式ガス濃度流量測定手段5自身にて製品ガスの出力が停止していることを判断させることも可能である。すなわち、超音波式ガス濃度流量測定手段5は常に超音波の送受信を繰り返し、その都度、ガス流量を検出し、ガス流量がゼロであると判断できた場合にのみ製品ガスの酸素濃度を計算し、メインコントローラ8に計算された酸素濃度を送り出すこともできる。

以上のように、本発明によって、使用者の呼吸に同調して製品ガス流量の出力が停止している時に酸素濃度を測定する方法を取ることで、呼吸同調型気体供給装置においても超音波式ガス濃度流量測定手段にて正確な製品ガスの酸素濃度を測定できる。

呼吸同調型気体供給装置の概略構成図。超音波式ガス濃度流量測定手段の概略構成図。

符号の説明

１．呼吸同調型気体供給装置
２．フィルタ
３．コンプレッサ
４．酸素濃縮手段
５．超音波式ガス濃度流量測定手段
６．製品ガス流路開閉弁
７．呼吸検出手段
８．メインコントローラ
９．ガス圧力調節手段
１０．配管
１１．超音波振動子
１２．温度センサ
１３．送受信切り替え器
１４．ドライバ
１５．レシーバ
１６．マイクロコンピュータ
１７．不揮発性メモリ

Claims

使用者の呼吸を検出する手段、検出結果に基づいて使用者の呼吸に同調して製品ガス出力を開始及び停止する機能を有する製品ガス流路開閉弁を具備した気体供給装置において、製品ガスの流れる配管中に、対向させて配置した２つの超音波振動子を具備した超音波式ガス濃度流量測定手段を備え、かつ該製品ガス出力が停止している状態における濃度測定値を製品ガス濃度とする手段であることを特徴とする気体供給装置。
製品ガス出力が停止している状態を、超音波式ガス濃度流量測定装置自身の測定する流量出力値に基づいて判断する手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の気体供給装置。
製品ガス出力が停止している状態を、製品ガス出力の開始及び停止を制御する手段からの情報に基づいて判断する手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の気体供給装置。
該気体供給装置が、大気から酸素を分離する酸素濃縮手段を備え、製品ガスとして酸素濃縮気体を供給する装置であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の気体供給装置。
該超音波式ガス濃度流量測定手段が、該製品ガス流路開閉弁の上流側に設置されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の気体供給装置。