JP2006255079A

JP2006255079A - 酸素濃縮装置

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Publication number: JP2006255079A
Application number: JP2005075074A
Authority: JP
Inventors: Masako Nakano; 雅子中野; Eriko Oshima; 栄里子大島
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: JP4636910B2

Abstract

【課題】患者の在宅及び／または外出時(車内移動時等を含む)でも使用が可能な酸素濃縮装置で、加湿ビンを設けることなく、簡単な構成で加湿できる可搬型医療用酸素濃縮装置の提供。
【解決手段】空気の取り入れ口から取り入れられた空気を圧縮するための圧縮手段と、圧縮された空気内の酸素以外の所定の成分を吸着筒内で吸着して圧縮された空気内から除去するための吸着手段と、所定の成分が除去された濃縮酸素を蓄積するための製品タンクとを備え、鼻カニューレが着脱可能な可搬型医療用酸素濃縮装置であって、鼻カニューレの適所に加湿部を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素濃縮装置に関し、より詳細には可搬型医療用酸素濃縮装置に関する。

従来、慢性気管支炎等の呼吸器疾患の患者の治療法として有効な酸素吸入法に使用される酸素濃縮装置は、空気中の酸素を透過し窒素を選択的に吸着するゼオライトを吸着剤として用いた吸着法が広く使われている。

しかしながら、この種の酸素濃縮装置は、在宅患者が通常家庭内に据置いて使用するもの一般的であるが、バッテリーで駆動する可搬型酸素濃縮装置が提案されている(特許文献１：特開２００５−４６４０７号公報)。しかしながら、軽量化優先させているため、濃縮酸素は適度の加湿がされることなく、鼻カニューレから患者に供給されている。特に、乾燥する冬季において、屋外での使用は咽を痛める原因ともなる。
特開２００５−４６４０７号公報

上記課題を解決するための本発明は、患者の在宅及び／または外出時(車内移動時等を含む)でも使用が可能な酸素濃縮装置で、加湿ビンを設けることなく、簡単な構成で加湿できる可搬型医療用酸素濃縮装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の酸素濃縮装置は、空気の取り入れ口から取り入れられた空気を圧縮するための圧縮手段と、圧縮された空気内の酸素以外の所定の成分を吸着筒内で吸着して圧縮された空気内から除去するための吸着手段と、所定の成分が除去された濃縮酸素を蓄積するための製品タンクとを備え、鼻カニューレが着脱可能な可搬型医療用酸素濃縮装置であって、鼻カニューレの適所に加湿部を設けたことを特徴とする。この加湿部は、鼻カニューレから着脱自在であり、使い捨てであることを特徴とする。また、携帯型酸素ボンベから鼻カニューレにより、濃縮酸素を患者へ供給する医療用酸素供給装置であって、鼻カニューレが着脱可能で、鼻カニューレの適所に加湿部を設けたことを特徴とする。

本願発明の酸素濃縮装置によれば、小型、軽量、低消費電力であり、患者の外出時等においても可搬性を有することが可能となり、呼吸時にも適度に加湿された濃縮酸素が鼻カニューレから患者に供給される。

図１は、本発明の実施形態に対応した酸素濃縮装置（可搬型医療用酸素濃縮装置）の外観斜視図（ａ）、表示／操作パネル部の外観図（ｂ）、図２は、構成の一例を示すブロック図である。なお、太線および矢印は、配管流路(導管)および空気(濃縮酸素)の流れ方向を示すものである。

図２に示すように、空気取入口１００から酸素濃縮装置１内に取り込まれる空気は、空気取入口１００から取入れられ、フィルタ１０１と、消音バッファも兼ねる吸気フィルタ１０２とによりゴミが除去された後、コンプレッサ(圧縮手段)１０５で圧縮される。なお、コンプレッサ(圧縮手段)１０５は、冷却用ファン１０４により冷却される。

圧縮された空気は配管流路を切替える流路切換手段としての３方向切換弁(パイロット式３方向電磁弁)１０７を介して、吸着剤が充填され、並列に２本配列された吸着筒１０８ａ，１０８ｂのいずれかに送り込まれる。

吸着筒１０８ａ，１０８ｂ内ではガス分離が行われ、生成された酸素濃縮ガスは一時的に製品タンク１１１に送り込まれた後、さらに圧力調整器１１２と流量調節器(流量設定器)１１５とを介して圧力と流速に基づく流量とが制御され（このとき、酸素濃度は圧力調整器１１２に接続した酸素濃度センサ１１４によって検知される。）、呼吸同調器(デマンド弁：必ずしも必要ではない)１１６を経て、酸素濃縮装置１の酸素供給出口(ワンタッチ酸素出口)１１７から鼻カニューレ２，２０、鼻孔挿入用ノズル２ａ（図１参照）を経て、患者に最大流量２Ｌ／分の９０％程度に濃縮され適度に加湿された酸素が供給されるように構成されている。ここで、広義の意味では、鼻カニューレは、ソケットまでも含むものである。

また、吸着された酸素以外の成分を排出(排気)するため、コンプレッサ１０５の減圧手段ＶＰ、排気マフラ１２０、排気口１２１により排気流路を形成している。この排気流路に開放弁(真空破壊弁)１１８が設けられている。

酸素濃縮装置１の駆動は、通常は、ＡＣ電源と接続するＡＣ電源コネクタ１３０、スイッチング電源部１２５を介して商用電源により行われる。外出時等においては、ＡＣ電源コネクタ１３０が接続されていないとスイッチング電源部１２５により、ＡＣバッテリ(充電式バッテリ)１２７から電源が供給される。

なお、１２６は、電源スイッチ、１２８は、表示部である。表示部１２８は、ＬＥＤ等で形成され、運転状態(通常動作時は緑色に点灯または点滅／異常時または停止時は赤色に点灯または点滅)する運転ランプ１２８ａ、バッテリ残量表示(緑色から赤色までの複数段階の色、例えば６色)等の表示を行うようになっているバッテリ残量表示部１２８ｂ、点検ランプ１２８ｃで構成されている。なお、酸素濃度(所定濃度時は緑色に点灯または点滅／所定濃度範囲外は赤色に点灯または点滅)の状態を示す酸素ランプ１２８ｄ、呼吸同調モニタ表示(呼吸同調制御時は緑色に点灯または点滅)等の表示行なうようにしてもよい。

この酸素濃縮装置１は、バッテリ駆動時において駆動時間を長くするためと、患者の外出時／室内での移動時の利便性を向上するための小型化、軽量化、低消費電力化を実現するために様々な工夫がなされており、以下に詳述する。

＜吸気フィルタ＞
吸気フィルタ１０２は、消音構造となっており、内部にフィルタを兼ね備えた一体構造となっている。約２００ｃｃ程度の体積で、重量は１２０ｇｗ程度である。

＜コンプレッサ＞
コンプレッサ１０５は、総重量約１ｋｇｗであり、制御部(ＣＰＵ)１２４、モータ制御部１２３、可変速度制御器１２３ａにより駆動制御が行われる。コンプレッサ１０５は、加圧機能(加圧手段：Ｐ)と減圧機能(減圧手段：ＶＰ)の両方の機能を備えるものである。コンプレッサ１０５は、取出される酸素流量に応じて回転数が制御され、速度が５００ｒｐｍから３０００ｒｐｍの間で制御される。

至適速度（１７００ｒｐｍ程度)で回転するときの操作寿命は１５０００時間程度である。コンプレッサ／モータ・システムを取り巻く操作温度は、好ましくは０℃〜４０℃である。コンプレッサ１０５用の電圧は、好ましくは１２Ｖまたは２４ＶＤＣ(自動車などのアダプタから得られる電源)で、電力使用量は、約４５〜８０Ｗ程度で制御される。コンプレッサ１０５の冷却と、できれば酸素濃縮装置１全体の冷却のために、コンプレッサ１０５には消費電力約２．７Ｗ程度のシャフト搭載ファン、もしくはブロア等の冷却ファン(冷却手段)１０４が少なくとも２本取り付けられ得る。酸素濃縮装置１の最大騒音圧力レベルは、制御される最大の回転数の場合、３５ｄＢＡ以下であり、濃縮酸素流量１Ｌ／分以下の場合、３３ｄＢＡである。また、コンプレッサ１０５は、空気を１００ｋＰａ、好ましくは６０ｋＰａ以下に圧縮するように適応される。

コンプレッサ１０５は、各種速度で運転可能であり、必要な真空／圧力レベルと流量を提供し、僅かな騒音と振動しか出さず、僅かな熱しか発生せず、小型軽量であり、そして僅かな電力を消費するものであることが好ましい。充電式バッテリ１２７や他の商用電源等の電源に対してコンプレッサ１０５に必要とされる消費電力を軽減するために可変速度制御器(可変速度制御手段)１２３ａが設けられている。可変速度制御器１２３ａを備えることにより、患者の活動レベル、環境条件に基づいてコンプレッサ１０５の速度を変化させることができる。

例えば、可変速度制御器１２３ａは、患者が座ったり、寝たり、低い場所にいる時等、患者の酸素要求が比較的低いと判断される時にはコンプレッサ１０５の駆動(回転)速度を落とし、患者が立ったり、活動的であったり、高地にいるときなど、患者の酸素要求が比較的高い、もしくは高まったと判断される時には速度を上げることができる。これによって酸素濃縮装置１全体の消費電力が低減され、充電式バッテリ１２７での駆動時の充電式バッテリ１２７の寿命を延ばし、充電式バッテリ１２７の重量と大きさを軽減し、コンプレッサ１０５の摩耗度を低めて寿命を延ばし信頼性が向上する。

＜３方向切換弁／制御＞
従来装置においては、一般的に直動式と呼ばれる電磁弁が使用されており、弁の動作は電気の力によるものである。この種の電磁弁は直接電気の力だけで主弁を動作させるため消費電力が高いという問題点があった。酸素濃縮装置１に採用されるパイロット式３方向切換弁１０７は、僅かな消費電力とコンプレッサからの空気圧を利用して動作させることが出来るため大幅に電力が低減される（８Ｗから０．５Ｗに低減される）。

＜開放弁＞
酸素濃縮装置１に採用されるコンプレッサ１０５の形態は加圧機能(加圧手段：Ｐ)と減圧機能(減圧手段：ＶＰ)の両機能を備えるものである。加圧手段のみで構成された酸素濃縮装置より、この種のコンプレッサを採用することで酸素の回収率が高まり濃縮部の小型化できるという利点がある。しかしながら、一体化されたコンプレッサは加圧専用コンプレッサや真空専用コンプレッサに対して振動が大きいという問題点があった。特に、酸素濃縮プロセスにおいては均圧工程時に振動が激しくなる。均圧工程時には３方向切換弁１０７の流路は加圧機能側と吸着筒側が連通され、減圧機能側は遮断された状態となるため、３方向切換弁と減圧手段間は極端な高真空状態となるためである。この問題点を解決するために、まず、この流路内に外気と連通する開放弁１１８を設け、さらには均圧工程と同期して、制御部１２４により開放弁１１８を開状態に動作させることで流路内に外気が入り込み、流路内は大気圧により近い状態となる。この作用によりコンプレッサ１０５は無負荷状態に近い状態となるため、振動の発生を防止できまた、騒音の低減や低電力化にも寄与する結果となる。

＜吸着筒＞
気体分離手段としての吸着筒１０８ａ，１０８ｂは、少なくとも２本以上の吸着筒が並列に配置されており、充填される吸着剤には、１ｍｍ未満の顆粒測定値を有し、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３比が２．０〜３．０であるＸ型ゼオライトであり、かつ、Ａｌ_２Ｏ_３の四面体単位の少なくとも８８％以上をリチウムカチオンと融合させたものが好ましい。

＜圧力調整器＞
図２の製品タンク１１１では、吸着筒内圧力と同期して圧力が変動しているため、圧力調整器１１２は、リリーフ弁(開放弁)１１２ａ、減圧弁１１２ｃを含み、濃縮酸素を減圧し、ほぼ一定圧力となるよう機能する。更に、図４に示すように、酸素吐出圧(２次側圧力)が異常に上昇した場合のリリーフ機能(リリーフ弁)１１２ａとフィルタ機能(フィルタ１１２ｂ)を備えており、従来機のような個々に部品を設置するタイプに比べ、小型・軽量化・メンテナンス等の作業性の向上が図れる。

なお、圧力調整器下流側には流量設定器が設置されるが、この流量設定器は流量制限をオリフィスで行っており、その穴孔径は設定される吐出圧力にもよるが最小で１２０〜１５０ミクロン(マイクロメータ)程度の孔径(平均孔径)が設定される。よって、ここで使用されるフィルタには１００ミクロン(マイクロメータ)以下の孔径(平均孔径)のものが使用されることが流量を安定して得られる点で好ましい。また、リリーフ機能は、吸気検知の際に使用する微圧センサの保護を目的とする。

＜呼吸同調器(デマンド弁)／制御＞
制御部１２４は、流量設定器１１５での酸素流量が所定流量(例えば１．２５Ｌ／分以上)に設定され、かつ、バッテリ１２７で駆動動作されると判断すると、充電式バッテリ１２７の消費電力を押さえるため、図５に示すシーケンス制御により、制御部１２４、呼吸同調制御部(デマンド制御部)１２２によって、１Ｌ／分の濃縮酸素発生能力と呼吸同調制御(デマンド制御)で実質的に２Ｌ／分の酸素流量まで対応可能としている。このため、２Ｌ／分の濃縮酸素流量時で消費電力は約５０Ｗである。

＜電源＞
酸素濃縮装置１の本体重量が１０ｋｇｗ以下の軽量で、可搬可能なシステムとして適切に機能するためには、適切な再充電可能な電源から電源供給を受けなければならない。従来、このようなシステムに使用される電池は残量が不明確で、繰り返し使用による容量減少により、更に電池残量の予測が難しいものであった。酸素濃縮装置１の電源は、数１００回程度の充放電が可能で、バッテリ残量、使用充放電サイクル数、劣化程度、出力電圧等のマネジメント機能を有するものが使用され、バッテリ残量、残充電容量、充放電回数が表示部１２８ｂ(図１（ｂ）参照)に表示または通信コネクタ１２９(図２参照)を介して外部モニタ装置で読取れるようにされている。

本機能により、従来の電池のように不確実な残量ではなく、劣化程度に応じた、電池の実力値としての残量管理が可能となった。また、充電式バッテリ１２７は、酸素濃縮装置１に好ましくは着脱自在に設けられ、好ましくはリチウム・イオン形式で積層された構造で、出力電圧が２１．０〜２９．０Ｖの充電式バッテリ１２７を含む。また、重量は、１．５ｋｇｗ程度で、呼吸同調制御を行う場合、濃縮酸素流量が最大２Ｌ／分時に最大３時間の動作を可能にしている。酸素濃縮装置１は、リチウム・イオン・バッテリ以外にも他の携帯用エネルギ源からの供給も受け得る。例えば、充電式もしくは取替え式の燃料電池セルが使用され得る。当該酸素濃縮装置１は、全般に１つの充電式バッテリ１２７により動力供給されるように記述されているが、酸素濃縮装置１は多数のバッテリによっても動力供給がされ得る。したがって、ここで言う「バッテリ」は、１つ、もしくはそれ以上のバッテリを含む。さらには、充電式バッテリ１２７には、１つ、もしくはそれ以上の内部、及び／又は外部バッテリを含み得る。充電式バッテリ１２７、もしくはバッテリ１２７を含むバッテリ・モジュールは、好ましくは酸素濃縮装置１から着脱が可能である。充電式システム１００は、標準の内部バッテリ、低価格バッテリ、延長作動内部バッテリ、クリップ取り付けモジュールの外部の２次的バッテリを使用することができる。

酸素濃縮装置１は、充電コネクタ１３１に接続できるバッテリ充電器１４３と、１つ、もしくはそれ以上のプラグ(不図示)とを含む組込み式のアダプタを備えることができ、これらは、酸素濃縮装置１がＤＣ電源（例えば、自動車のシガレット・ライタ・アダプタ）から、及び／又はＡＣ電源（例えば家庭もしくは事務所の商用電源のＡＣ壁ソケット）から電力を供給され、同時にバッテリ１２７は前記ＤＣもしくはＡＣ電源から充電されるよう構成されている。アダプタもしくは充電器１４３は、個別のアクセサリとすることもできる。例えば、アダプタは、自動車内で酸素濃縮装置１を駆動し、及び／又はバッテリ１２７を充電する個別のシガレット・ライタ・アダプタ１４４であってもよい。

酸素濃縮装置１に使用され、及び／又はバッテリ１２７を充電するため、出力からのＡＣをＤＣに変換するように個別のＡＣアダプタを使用してもよい。アダプタの他の例には、車椅子バッテリ、もしくはその他のカートと共に使用するアダプタがある。

酸素濃縮装置１を搭載するキャスタ（架台）１４２は、酸素濃縮装置１の一部とも、あるいは酸素濃縮装置１とは独立したアクセサリとも考え得る。キャスタ１４２は、スペアのバッテリ・パック(不図示)を充電するため、充電器(不図示)に接続された１つ、もしくはそれ以上の追加の充電取付部(不図示)を含んでいてもよい。充電取付部と１つ、もしくはそれ以上の追加のバッテリ・パックとを持つことにより、患者は、より長時間の外出等が可能となり、そのＱＯＬが向上する。患者は常に追加の、新鮮な充電済みバッテリ１２７を持つことができる。

＜呼吸同調制御＞
充電式バッテリ１２７により、酸素濃縮装置１全体が駆動されている場合、濃縮された酸素をより効率的に患者が使用するために、呼吸に同調した制御を行う。通常の呼吸の間、患者は、吸息／呼息サイクル時間の約１／３を吸息に、残りの２／３を呼息に当てている。呼息の間に生成される濃縮酸素は患者にとっては不要のもので、その結果この余剰の濃縮酸素の流れを効率的に提供する追加のバッテリ電力は無駄にされているといえる。呼息の間に生成された濃縮酸素を吸息時に供給することにより、仮に、吸息／呼息サイクルが１(吸息)：２(呼息)であるならば、吸息時に３倍の流量まで供給することが可能となる。このように、呼吸同調制御を行うことにより、装置の小型化、低消費電力化が可能となる。

＜各種センサ＞
酸素濃縮装置１は、酸素センサ１１４を標準装備しているが、加速度センサ１２５、ＧＰＳ(全地球位置センサ)１３４、ショックセンサ１３２等の各種センサ、脈拍センサ、血圧センサ、血中酸素飽和度センサ等をオプションとして付属させることも可能である。採用される酸素センサにはガルバニ電池式、超音波式、ジルコニア式等のセンサが使用可能であるが、大きさの点や測定精度の点からもジルコニア式酸素センサが好ましい。しかしながら、ジルコニア式と呼ばれるその方法はジルコニア高分子膜をヒータで熱せなくてはならず、消費電力が高いという問題点があった。消費電力低減には特にバッテリ動作時には、連続測定(ヒータを連続加熱)でなく、間欠測定(ヒータを間欠加熱)するように動作させることが消費電力を最小限に抑えるうえで有効な手段であり、この酸素センサ１１４による測定値が所定の範囲を外れる場合には所定期間連続測定に切替えるようにすることで、測定の信頼性も向上できる。なお、所定期間の連続測定で所定範囲内であることが確認されると自動的に間欠測定に戻るようにしてもよい。

＜加湿部＞
図１において、鼻カニューレの適所、特に好ましくは鼻孔挿入用ノズル２ａ，２０ａに加湿部材２００を設ける。例えば、ソケット１１７ａを介して酸素供給口１１７にワンタッチで鼻カニューレを接続するタイプの鼻カニューレ２の鼻孔挿入用ノズル２ａを加湿部とすることができる。この場合、鼻孔挿入用ノズル２ａの着脱・交換が容易で、使い捨てにすることが好ましい。

例えば、延長チューブ２０ｂを備え、ソケット１１７ａを介して酸素供給口１１７にワンタッチで鼻カニューレを接続するタイプの鼻カニューレ２０でも、鼻孔挿入用ノズル２ａを加湿部とすることができる。
なお、鼻孔挿入用ノズル２ａの着脱・交換が容易で、使い捨てにすることが好ましい。

＜加湿部材の構造＞
図３は、加湿部を構成する加湿部材２００の長手方向の断面構造（ａ）および横断面構造（ｂ）を示すものである。板状の厚さ５０〜１００μ程度の薄紙２００ａと波状の厚さ５０〜１００μ程度の薄紙２００ｂを組合せたコルゲート紙が好ましく用いられる。このコルゲート紙をそのまま使用するか、このコルゲート紙に吸湿性物質を設けてもよい。吸湿性物質として、グリセリン、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩類、ポリビニルアルコール、グリコール類、塩化カルシウムおよび塩化リチウムよりなる群から選択された少なくとも一種の化合物であることが好ましい。そして吸湿性物質の含有量は５〜50w／ｗ％であるのがよい。こうして、患者の呼気時に鼻孔から水分が放散されるとこの水分が加湿部材２００に吸着し、吸気時には濃縮酸素が加湿され鼻孔挿入用ノズル２ａ，２０ａから患者に供給される。なお、図３において、加湿部材２００の長手方向の長さが長くなるほど、また、鼻孔挿入用ノズル２ａ，２０ａの内径断面積に占める比率が大きいほど加湿の程度が高くなるが、圧力損失が増えるので、加湿部材２００の長手方向の長さ，鼻孔挿入用ノズル２ａ，２０ａの内径断面積に占める比率が異なる複数の組合せ種類の鼻孔挿入用ノズル２ａ，２０ａから選択できるようにすることが好ましい。

コルゲート紙の構成材料としては、植物繊維、ビスコースレーヨン、セルロース、アセテートが好ましく、またポリアミド系、ポリエステル系、ポリウレタン系、ポリアクリルニトリル系、ポリビニルアルコール系などの合成繊維も可能であり、その他コルゲート状の加工ができるものであれば何でもよい。

また、またポリアミド系、ポリエステル系、ポリウレタン系、ポリアクリルニトリル系、ポリビニルアルコール系などの合成繊維を３次元網目構造の多孔質に形成したり、スポンジ状に形成してもよい。

以上、実施例について説明したが、本願発明はこれらに限られるものではなく、膜型酸素濃縮装置等にも適用が可能である。また、携帯の酸素ボンベから鼻カニューレにより高濃度の酸素を供給する型の酸素供給装置にも適用が可能である。

本発明に対応した酸素濃縮装置の外観を示す図である。本発明の酸素濃縮装置の構成ブロック図である。本発明の加湿部の構造を示す図である。

符号の説明

１・・・酸素濃縮装置、２，２０・・・鼻カニューレ、２ａ，２０ａ・・・鼻孔挿入用ノズル(加湿部)、１０１・・・フィルタ、１０２・・・吸気フィルタ、１０５・・・コンプレッサ、１０７・・・電磁弁、１０８ａ，ｂ・・・吸着筒、１１２・・・圧力調整器、１１６・・・呼吸同調器、１１４・・・酸素センサ、１２７・・・バッテリ、２００・・・加湿部材

Claims

空気の取り入れ口から取り入れられた空気を圧縮するための圧縮手段と、前記圧縮された空気内の酸素以外の所定の成分を吸着筒内で吸着して前記圧縮された空気内から除去するための吸着手段と、前記所定の成分が除去された濃縮酸素を蓄積するための製品タンクとを備え、鼻カニューレが着脱可能な可搬型医療用酸素濃縮装置であって、
前記鼻カニューレの適所に加湿部を設けたことを特徴とする可搬型医療用酸素濃縮装置。
前記加湿部は、前記鼻カニューレから着脱自在であり、使い捨てであることを特徴とする請求項１記載の可搬型医療用酸素濃縮装置。
携帯型酸素ボンベから鼻カニューレにより、濃縮酸素を患者へ供給する医療用酸素供給装置であって、
前記鼻カニューレが着脱可能で、前記鼻カニューレの適所に加湿部を設けたことを特徴とする医療用酸素供給装置。