JP2008212206A - 酸素濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気吸気音を設定酸素供給量の大小に無関係に減少させることのできる酸素濃縮装置の提供。
【解決手段】 負圧破壊弁に対して負圧発生部を中継して接続されることで排気を行う消音器１１０をその一端に配管用開口部１４１ｂをまたその他端に閉塞部１４１ａを形成するとともに長手方向に沿って複数の小孔１４４を穿設した第１内筒１４１と、閉塞部から複数の小孔までの部分を密閉状態で覆うとともにその他端に接続用開口部１４２ｂを形成した外筒１４２と、その一端に接続用開口部に固定される取付開口部１４３ｂを、またその他端に閉塞部１４３ａを形成するとともに長手方向に沿う複数の小孔１４４を穿設した第２内筒１４３から構成する。
【選択図】 図１４

Description

本発明は、医療用の酸素濃縮装置に係り、特に一般に圧力スイング吸着方式と呼ばれる酸素濃縮装置に関する。

空気中の酸素を透過させて、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ることで酸素を生成する圧力スイング吸着法による酸素濃縮装置が医療用として各種機器が実用化されている。

この方式の酸素濃縮装置によれば、空気取入口から取り込んだ原料空気を圧縮手段であるコンプレッサで圧縮して圧縮空気を発生し、この圧縮時に温度上昇した圧縮空気を熱交換器で冷やしている。この熱交換器を上記の圧縮手段とともに外気空気を吹付ける冷却手段で冷却するとともに、吸着剤を内蔵した吸着筒に対して圧縮空気を供給することで、酸素を生成し、生成された酸素をタンクに貯めておき、減圧弁や流量設定器を介してタンクから所定流量の酸素を供給可能な状態にすることで、鼻カニューラ等を介して患者に対する酸素吸入ができるように構成されている。

このように構成される酸素濃縮装置を、例えばＡＣ電源（商用電源）の備わっている場所に設置しておけば、例えば肺機能が低下した在宅酸素療法患者は、就寝中でも安全に酸素を吸うことができるようになり安眠できることとなる。特に、就寝中も使用する場合には、酸素濃縮装置は騒音発生が極めて少ないことが好ましい。可能であれば室内の空調設備から発生する騒音レベル以下となることが望ましい。

一方、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となる長期酸素吸入療法に使用される酸素濃縮装置は、一般的には可搬型ではない。すなわち、患者が外出先に持ち出せるように構成されていない。そこで、患者がやむなく外出する場合には、酸素ボンベを搭載したカートを押しながら、その酸素ボンベから濃縮酸素を吸うようにしている。この酸素ボンベに対する酸素供給は専用設備にて行なわなければならず、患者のＱＯＬ（クオリティ・オブ・ライフ）を少なからず損なうものであった。

そこで、バッテリ駆動されるコンプレッサを使用した可搬型や移動型の酸素濃縮装置が提案されている。(特許文献１、特許文献２)。

また、本願出願人は圧縮空気を発生する圧縮手段と負圧を発生する減圧手段とを備えたコンプレッサを採用する場合、特に一体化されたコンプレッサの振動、そして、酸素濃縮プロセスにおける均圧工程時によって発生する振動を低減することを目的とし、減圧手段と切換弁との流路間に外気と連通する負圧破壊弁設け、更に均圧工程時と同期して負圧破壊弁を開状態にすることで、減圧手段と切換弁との流路内に外気が入り込むことによりコンプレッサの振動防止と低電力化を図る技術を提案している。（特許文献３）。

また、本願出願人は圧縮空気を発生する圧縮手段と負圧を発生する減圧手段とを備えたコンプレッサと、コンプレッサをその入口側に夫々接続することで圧縮空気を筒体の内部に導入し、筒体内に充填された吸着剤により窒素を吸着して酸素を分離生成してその出口側から酸素を供給するとともに、吸着剤が窒素で飽和したときに負圧を導入して窒素を吸着筒体の外部に排出させる２本の吸着筒体と、２本の吸着筒体の入口側とコンプレッサとの間に接続されることで圧縮空気流路と負圧流路と閉流路とに交互に切り換える２組の３方向切換弁と、２本の吸着筒体のいずれかが最高内圧値になったことを検出する圧力センサと、２本の吸着筒体の出口側の間で分岐配管されるとともに圧力センサで最高内圧値が検出されると２本の吸着筒体の間の均等圧化を行うように開状態にされる均等圧弁と、負圧発生部と３方向切換弁の負圧流路との間に接続されるとともに均等圧化を行うときに開状態にし流路内の圧力を制御する負圧破壊弁を備え、消音器を介して排気を行うことで消音器を介して排気を行うことで騒音低下を図る技術が提案されている。
特開２００２−１２１０１０号公報 特開２０００−７９１６５号公報 特開２００５−１１１０１６号公報

上記のように、負圧発生部と３方向切換弁の負圧流路間に負圧破壊弁が接続されるとともに均等圧化を行うときに開状態にされることで外気を導入することが可能であり、かつ消音器を介して排気を行う装置によれば、均圧工程時に発生する高真空化を低減することができ、騒音低下、低電力化を図れる。

また、設定酸素流量に応じてコンプレッサの駆動回転数を変えるような装置では、特に高回転時に、上記の触媒筒体内の排気を消音器を用いて行うときには、排気量に応じて排気を行うことで騒音低下を図ることが要求されている。

しかしながら、排気量に応じて排気を行うためには内容積を大きくしなければならず、このため大型化する問題があった。

したがって、本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであり、排気音を低下させるための消音器を小型にすることのできる酸素濃縮装置の提供を目的としている。特に、病院などの医療サイト、在宅等で使用可能な好適な医療用の酸素濃縮装置の提供を目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、圧縮空気を発生する圧縮手段と、負圧を発生する減圧手段と、圧縮空気を筒体の内部に導入し、前記筒体内に充填された吸着剤により窒素を吸着して酸素を濃縮分離する吸着手段と、切換弁とを備えた酸素濃縮装置であって、前記減圧手段に連通して消音器を設け、前記消音器は、金属あるいは樹脂材料からなる管から構成され、かつ前記管の側面の長手方向に所定間隔で複数個の小孔が穿設されることを特徴としている。

また、圧縮空気を発生する圧縮手段と負圧を発生する減圧手段とを備えたコンプレッサと、圧縮空気を筒体の内部に導入し、前記筒体内に充填された吸着剤により窒素を吸着して酸素を濃縮分離する吸着手段と、切換弁とを備えた酸素濃縮装置であって、前記減圧手段に連通して消音器を設け、前記消音器は、金属あるいは樹脂材料からなる管から構成され、かつ前記管の側面の長手方向に所定間隔で複数個の小孔が穿設されることを特徴としている。

また、前記消音器は、第１内筒を備え、その内直径が約６〜８ｍｍの円筒管であり、前記小孔の直径を約１ｍｍとしてその長手方向に約５ｍｍの間隔で５個分を穿設して形成され、前記外筒はその内直径が約１５ｍｍ以上、その全長が約５ｃｍの容積部を形成した円筒管であり、前記第２内筒はその内直径が約６〜８ｍｍの円筒管であり、前記小孔の直径を約１ｍｍとしてその長手方向に約５ｍｍの間隔で５個分を穿設して形成され、前記消音器の全長を約１０〜１５ｃｍとすることを特徴としている。

そして、前記第１内筒はその内直径が約６〜８ｍｍの円筒管を湾曲形状に加工するとともに、前記小孔の直径を約１ｍｍとしてその長手方向に約５ｍｍの間隔で５個分を穿設して形成され、前記外筒はその内直径が約３０ｍｍ以上、その全長が約４ｃｍの容積部を形成した楕円管であり、前記第２内筒は前記楕円管の側面に沿うように固定されるとともに、その内直径が約６〜８ｍｍの円筒管であり、前記小孔の直径を約１ｍｍとしてその長手方向に約５ｍｍの間隔で５個分を穿設して形成され、前記消音器の全長を約５〜７ｃｍとすることを特徴としている。

本発明によれば、その一端に配管用開口部をまたその他端に閉塞部を形成するとともに長手方向に沿って複数の小孔を穿設した第１内筒と、前記閉塞部から前記複数の小孔までの部分を密閉状態で覆うとともにその他端に接続用開口部を形成した外筒と、その一端に前記接続用開口部に固定される取付開口部を、またその他端に閉塞部を形成するとともに長手方向に沿う複数の小孔を穿設した第２内筒と、から共鳴型消音器が構成され、音響質量と音響コンプライアンスとで特定周波数すなわち共鳴周波数に対する選択性の消音機能を備える消音器により排気音を小さくできる酸素濃縮装置を提供できる。

以下に、本発明の好適な一実施形態について添付の図面を参照して述べる。ここで、本発明は様々な修正と変更が可能であり、その内の特定の事例が図面に図示されており、以下に詳細に記述されることになるが、これらに限定されず請求の範囲に規定された範囲で種々の構成が可能であり、特に商用電源であるＡＣ電源のみとする室内設置式の圧力スイング吸着方式の酸素濃縮装置１にも適用可能であることは言うまでもない。

＜酸素濃縮装置１の全体構成の説明＞
先ず、図１は一実施形態に係る可搬型の圧力スイング吸着方式の酸素濃縮装置１を前方左斜め上から見た外観斜視図である。また、図２は図１に示した酸素濃縮装置１の背面図である。

図１と図２から分かるように、この酸素濃縮装置１は、設置場所を最少にするために上下方向に細長いスマートな一見して小型旅行カバン風の外観形状を備えている。このため一瞥しただけでは他人に酸素濃縮装置１であることが知られないように配慮している。

また、特長としては従来の酸素濃縮装置の約三分の一の重さの軽量化、省エネを追求したことで電気代は一日当たり約３４５６円（電気代を１ｋｗＨ当たり１５．５８円として）とする一方で、付属の着脱可能で繰り返し充電可能な外部バッテリと繰り返し充電可能な内蔵された充電バッテリと家庭用商用（ＡＣ）電源の３系統で使用できることなどが挙げられる。また、特に内蔵バッテリおよび外部バッテリは、停電時におけるバックアップ電源としても使用できるので安心して使える。さらに、バッテリ節約のために吸気に同調して酸素を送り出す「同調モード」に切り替えることが出来る機能を備えている。

また、後述するように、酸素濃縮装置１密閉容器を構成するための図示のような形状の表面カバー２と裏面カバー３を射出成形樹脂部品とし、さらに吸着剤を充填した並列に複数配列した吸着筒（本実施例では、２本）を含む他の構成部品についても、極力軽量化することで総重量が約１０１２ｋｇ程度の軽量化（ＡＣ電源使用でキャリア１０を設けない場合）とした。この結果、大人が片手で持ち運べることから、所謂可搬型にするための酸素濃縮装置１を持ち上げる力に十分に耐え得る強度を備える取っ手部分となるハンドル４を図示のように上方に設けてデザイン的な特徴を演出している。

また、この酸素濃縮装置１の外形は全体が丸みを帯びており、寸法は幅Ｗが３５０ｍｍ×奥行きＤが２５０ｍｍ×高さＨが５５０ｍｍである。このため、床面上の占有面積を極力小できることから上記の軽量化とともに小型化を図っている。また、酸素濃縮装置１のデザイン上の特徴点としては、設置床面から酸素濃縮装置１の前面を３次元的に覆うようにした前面カバー２を、図１に示すようにハンドル４の底面に連続するアクセントラインを左右に上下方向に凹状に一体形成し、さらにこれらのアクセントラインで挟まれる部分を淡い暖色系とし、この上方に同色系の操作パネル５を配置する一方で、裏面カバー３を含む残りの部分をベージュ乃至クリーム系の色としている。

以上のようなデザインおよび配色を施した所謂ツートンカラーの近代的なデザインとすることで、酸素濃縮装置１を室内に設置したときに家具などの他の調度品との調和を図れるように配慮している。また、表面カバー２と裏面カバー３は、耐衝撃性を有する熱可塑性樹脂である例えばＡＢＳ樹脂製とすることでデザイン的な自由度を確保している。

図１において、操作パネル５は、ハンドル４の下方の開口部において裏面カバー３との接合面まで、例えば約１０度の角度で斜め上に延設されており、その上に左から順に、樹脂製の大型ダイヤル式の電源スイッチ６と、樹脂金属製部品の酸素出口７と、樹脂製カバー付きの酸素流用設定ボタン８と、７セグメントの数字でＬＥＤまたは液晶表示を行う酸素流量表示部９が配置されている。また酸素出口７の上方には、酸素出口７に形成された段差部に対して気密状態に係合されるとともに、着脱自在に設けられる樹脂製のカプラ１３が示されている。このカプラ１３には鼻カニューラ１４等のチューブ１５の開口部が連通するようにセットされる。

この操作パネル５は、日本人の標準身長（１６０〜１７０ｃｍ）の患者が起立状態で両手を下げた腰部分に略該当する高さ付近に設けられているので、立ったままの姿勢で酸素濃縮装置１の運転操作を行なうことができる。このため従来の酸素濃縮装置のようにいちいち座たり覗き込む必要がなくなる。また、場合によっては後述する遠隔操作で使用することもできる。したがって、特に患者の腹部への負担は大きく軽減される。さらには、左利きの人であっても酸素出口７を中央にして左右対称位置に各ダイヤルが配置されているので、何ら違和感なく操作できることになる。

なお、鼻カニューラ１４等に接続されたチューブ１５を引っかけるための不図示のフックを設けて、鼻カニューラ１４等に接続されたチューブ１５を患者が生活する同じ部屋内で移動する範囲に略相当する全長としてフックから外して使用し、未使用時はチューブ１５を数回巻き付けた後に、鼻カニューラ１４等を接続した状態のチューブ１５をフックに引っかけるようにしても良い。

また、図中の二点鎖線で示した底蓋４１も軽量化のために耐衝撃性の熱可塑性樹脂、例えばＡＢＳ樹脂製である。この底蓋４１には４つのゴム足２２が四隅に固定されており、床面上に設置して使用するときに横滑りを防止している。一方、外出時等の移動時に使用するキャリア１０を２本の固定ネジ１２で底蓋４１に対して固定するように構成されている。このキャリア１０には、上記の各ゴム足２２より大きな孔部１０ｂが対応位置に穿設されるとともに、図示のように四隅に樹脂製の自在キャスタ１１を設けている。また、このキャリア１０のベースは軽量化のために軽金属の強化アルミ板製であり、４辺の縁部を全て曲げ加工して強度を確保している。また、後述する外部バッテリを裏側から挿入し所定位置に収容し不動状態にするための収容部１０ｃと、２本の固定ネジ１２を通過させて上記の底蓋４１の雌ネジ部に螺合固定させることでキャリア１０を装置１に対して一体化するための孔部１０ａがそれぞれ設けられている。

次に、図２を参照して説明する。裏面カバー３は、合計で８本の複数の固定用のネジ１６により上記の表面カバー２に対して固定されることで密閉容器を構成している。この裏面カバー３も上記の前面カバー２と同様に、耐衝撃性の熱可塑性樹脂の例えばＡＢＳ樹脂製である。この裏面カバー３に一体形成される前後方向半分のハンドル４の下方に手が入るようにした開口部の下方には、密閉容器内部に導入される大気を一次濾過するための外気導入フィルタ２０を交換自在に収容したフィルタ交換用蓋１７が着脱自在に設けられている。

この裏面カバー３の下方の左右部分には後述する排気を行う排気口３ａ、３ｂが格子を設けた状態で形成されている。また、各排気口３ａ、３ｂの間の部分は、上方に切り欠かれた切り欠き部となっており、外部バッテリコネクタ１３１、ＡＣアダプタコネクタ１３０を図示のようにこの切り欠き部から夫々露出させている。さらに、図示のＡＣアダプタ１９のＡＣケーブル１９ａはＡＣアダプタコネクタ１３０に挿入されて酸素濃縮装置１へのＡＣアダプタ（交流１００Ｖ）１９から酸素濃縮装置へ電力の供給を行う。また、繰り返し充電可能な外部バッテリ２２７のコネクタ２２７ｃをバッテリコネクタ１３１にセットすることで、外出時、室内（屋内）等での移動時などにおいて、患者に供給される酸素流量にもよるが、最大２時間程度のバッテリ駆動を可能になる。

さらに、繰り返し充電可能な内蔵バッテリ２２８（図７を参照の事）も備えており、ＡＣ電源、外部バッテリ、内蔵バッテリの３系統の電源としている。また、使用する電源の優先順位をＡＣ電源、外部バッテリ、内蔵バッテリとすることで、特に内蔵バッテリの温存を図るようにしている。この外部バッテリ２２７の表面には押圧されることでバッテリ残量を表示する残量確認ボタン２２７ａと、残量確認のためにこの残量確認ボタン２２７ａが押圧されると残量１００％で複数、例えば５個の表示部が点灯し、残量２０％で１個の表示部が点灯する複数段階（５段階）表示を例えばＬＥＤ表示するための残量確認モニタ２２７ｂを備えている。また、この外部バッテリ２２７は例えばリチウムイオン電池などの二次電池であり充電器が一体的に設けられた専用設計されると良い。または、ＡＣ電源に接続される充電器から充電を行うようにしても良い。このように構成された充電式バッテリ２２７を、使用前に充電残量を必ず確認することで、外出先でバッテリ切れが起こる最悪の事態にならないようにしている。

また、キャリア１０には、収容部１０ｃをはさんでコードフック２１、２１が固定されており、上記のＡＣアダプタケーブル１９ａを巻き付けるようにして移動時に邪魔にならないようにしている。

次に、図３は鼻カニューラ１４等の延長チューブセットの外観斜視図である。本図において、鼻カニューラ１４等のチューブ１５にはカプラ１３を介して延長チューブ３１を接続するために樹脂製の中継カプラ３０が接続されている。このように延長チューブ３１を接続することで最長約１５ｍの長さまで延長できる結果、患者の移動範囲を大きくでき、さらなるＱＯＬの改善ができることとなる。

図４は酸素濃縮装置１の操作パネル５の実体図である。本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、電源スイッチ６は図示のオフ位置と約９０度分時計周りに回転したオン位置との間で操作される。また、この電源スイッチ６は殆どの部分が操作パネル５の操作面から奥側（図面の裏面側）に引っ込むように設けられているので、例えば患者がつまづくなどして操作パネル５に対して激しくぶつかった場合でも、怪我などをしないように安全上の配慮がされている。この電源スイッチ６のオン位置に相当する位置には緑と赤に点灯する例えば発光ＬＥＤを内蔵した運転状態ランプ１２８ａが設けられている。また、この運転状態ランプ１２８ａの上にはバッテリ残量モニタ１２８ｄが設けられている。

また、中央の酸素出口７についても図示のように全ての囲い部分が操作パネル５の操作面から奥側（図面の裏面側）に引っ込むように設けられている。この酸素出口７の上には「点検」の文字またはこれに相当するキャラクター表示を横に印刷した警報表示部１２８ｃが設けられている。この警報表示部１２８ｃの下方には緑と赤と黄色とに点灯する例えば発光ＬＥＤを内蔵した酸素ランプ１２８ｂが設けられている。

そして、酸素流量設定ボタン８は、上下矢印を印刷したフラットスイッチ８ａ、８ｂとして設けられており操作パネル５の操作面と略同一面となるように設けられている。この酸素流用設定ボタン８は、９０％程度以上に濃縮された酸素を毎分当たり０．２５Ｌ(リットル）から最大で５Ｌまで０．２５Ｌ段階または０．０１Ｌ段階で押圧操作する度に酸素流量の設定できるように構成されており、上方の酸素流量表示部９で表示するようにしている。また、同調ランプ２５は、濃縮酸素を呼吸同調により断続供給状態で運転中であることを点灯または点滅表示により患者に知らせるために設けられている。

以上のように操作パネル５に配置された各操作部は使用上の安全性および高齢者の使用を前提として必要最小限度の操作を行うようにしている。

図５(ａ)は、図４の操作パネル５のバッテリ残量表示部１２８ｄの動作説明図、図５(ｂ)は、図４の操作パネル５の警報表示部１２８ｃの動作説明図、また図５(ｃ)は、酸素濃度ランプ１２８ｂの動作説明図である。

先ず、図５（ａ）において、バッテリ残量表示部１２８ｄは、電源オンで約２秒間全点灯する。その後に、内蔵バッテリ２２８（図７参照）または外部充電式バッテリ２２７の残量が１００％であると、左側に設けられた発光ＬＥＤを内蔵したランプが緑色に点灯（連続して光る）するとともに、複数段階（例えば、５段階）の表示部の全てが図示のように点灯表示される。また、バッテリ残量が満充電に対して所定割合（例えば、２０％）減る度に、右側から順次消灯するとともに点灯数が次第に少なくなり、残り１つの点灯状態になるとオレンジ色等の注意色で点灯して、内蔵のブザーまたは後述する音声ガイドで警告できるように構成されている。

そして、充電式バッテリの残量が満充電に対して所定割合（例えば、１０％）以下になると左側に設けられた発光ＬＥＤを内蔵したランプが赤色等の警報色に点滅（間欠的に光る）するとともに、所定間隔、例えば、５分おきに内蔵のブザーまたは音声ガイドでその旨を警告する。このようにして、特に外出時や停電時におけるバッテリ駆動モードでの使用上の安全性を確保している。なお、内蔵バッテリ２２８と外部充電式バッテリ２２７のバッテリ残量表示部１２８ｄを、内蔵バッテリ２２８と外部充電式バッテリ２２７それぞれに対応するように別々に表示し、視認しやすいようにしてもよい。

次に、図５（ｂ）において、警報表示部１２８ｃは「点検」の文字が印刷されており、酸素濃度が低下したときに内蔵のランプが点灯して知らせるようにしている。また装置側の異常発生時にはブザーも鳴り音声ガイドとともに知らせるようにしている。また、停電で装置が停止したときには、点滅して知らせる一方で、ブザーおよび音声ガイドで特に視覚障害者に対して確実に知らせることができるようにしている。

そして、図５（ｃ）において、酸素ランプ１２８ｂは、酸素が正常に酸素吸入されているときには内蔵のＬＥＤが緑色に点灯する。また、酸素が出ていないときあるいは酸素濃度が低下したときには消灯する。そして、同調モード（呼吸同調モード）で、一定時間、例えば３０秒程度呼吸状態を検出できなかった時に警報色である赤色に点灯し、ブザーを鳴らすとともに音声ガイドで知らせるようにしている。また、吸気に同期して濃縮酸素供給を行う同調モードで運転中の場合にはその旨を患者に視認させるために呼吸パターン（酸素出力）に実質的に同期して緑色に点灯または点滅して知らせるようにしている。こうすることで、患者は正常に濃縮酸素が供給されていることを確認できる。

一方、電源スイッチ６をオンすると、ブザーが鳴り音声ガイドとともに、全てのランプが２秒間緑色に点灯する（初期セルフチェック）。そして、バッテリ駆動モードで使用するときには、その後に５段階の表示部において残量に応じて点灯表示される。患者は医師の処方にしたがって酸素流量設定ボタン８の増減スイッチ８ａ，８ｂを操作し所定流量に設定すると酸素供給が開始されることとなる（増減スイッチ８ａを押すことで酸素流量が増加し、増減スイッチ８ｂを押すことで酸素流量が減少）。なお、通常に酸素濃縮装置１を停止させた場合、一時記憶装置２０６に前回の動作条件（酸素流量，同調モードの有無）が記憶される。このため、初期セルフチェックの後、酸素流量設定ボタン８を押さない場合、自動的に前回の動作条件で濃縮酸素の供給を行なうようになっている。なお、その旨（前回と同一動作条件等）を音声ガイドで知らせるようにしてもよい。

停止時には、電源スイッチ６をオフすると、酸素ランプ１２８ｂが消灯し、しばらくの間、運転ランプ１２８ａが点滅した後に自動的に終了する。

患者が毎日行う作業として、裏面カバー３に設けられた外気導入フィルタ２０に付着したゴミや埃などを掃除機で取り除くことがある。この作業を簡単にできるようにするために外気導入フィルタ２０を容易に着脱できるように構成されている。

図６(ａ)は、酸素濃縮装置１の裏面カバー３から外気導入フィルタ２０を着脱自在にするための様子を示した外観斜視図、(ｂ)は、外気導入フィルタ２０がさらに交換用蓋１７から取り外される様子を示した外観斜視図、また(ｃ)は、図６(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図である。

先ず、図６（ａ）において、裏面カバー３には外気導入用の縦方向の開口３Ｋ１を穿設した開口部３ｋが設けられており、この開口部３ｋに対して交換用蓋１７が図示のように着脱可能に設けられている。また、この開口部３ｋは交換用蓋１７の全体を埋没する容積を有しており、上方において指先が入る凹部３ｃを形成している。

次に、図６（ｂ）において、交換用蓋１７は図示のように横方向の開口部１７ｂと４隅の起立部１７ａが設けられており、起立部１７ａで囲まれる部分の中に連続気泡のスポンジ製の外気導入フィルタ２０を、それ自体の有する弾性力により不動状態で収めるようにしている。この起立部１７ａは、開口部３ｋへの取付壁部を兼ねている。このため、図示の状態で外気導入フィルタ２０を取り出し、水洗により洗浄するか、新品に交換することで、交換用蓋１７にセットするようにして元に戻せることとなる。

図６（ｃ）において、交換用蓋１７が図示のように開口部３ｋにセットされると、本体の遮蔽板３２の端面３２ａが外気導入用の縦方向の開口３Ｋ１の殆どの部分を覆い隠し、わずかに上方部分を残す状態になる。この結果、外気は矢印Ｆ方向に内部に導入されることになる。このように遮蔽板３２で内部から裏面カバー３を覆うことで騒音が外部に漏れることを効果的に防止している。すなわち、酸素濃縮装置１の外部に対する開口部分としては、この開口３Ｋ１と上記の排気口３ａ、３ｂのみとするとともに、開口面積は後述する原料空気の流量を確保するために必要となる最少限度とすることで、内部から発生する音が外部に極力漏洩しないようにして運転時の騒音レベルの３８デシベル以下を実現可能にしている。さらに、密閉カバー構造により周囲を完全に覆い且つ出口部分を少なくして防音に加えて防水対策も可能にしている。遮蔽板３２は黒色樹脂の成形部品として準備され、スピーカ２３と、外部通信コネクタ１３３が図示のように固定される。

また、酸素濃縮装置１は通常、部屋の壁面から狭い間隙を経て設置されるので、外気導入と排気を裏面カバー３側から行うことで、外気導入と排気音が最も低くなる個所からの排気を可能にしている。

一方、上記の裏面カバー３の凹部３ｃは図示のように指先が入るようにして交換用蓋１７を外側に取り出せるようにしている。以上が患者が直に使用する構成部分である、以下に具体的な内部構成について図７から図１３を参照して述べる。

＜酸素濃縮装置１の配管およびブロック図の説明＞
図７は、酸素濃縮装置１のブロック図を兼ねて図示した配管図である。本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛するとともに、図中の二重線は空気、酸素、窒素ガスの流路であり概ね配管２４ａ〜２４ｇで示されている。また、細い実線は電源供給または電気信号の配線を示している。

ここで、以下の説明ではコンプレッサ１０５として圧縮手段（圧縮空気発生部）と減圧手段（負圧発生部）を一体化構成したものを用いる場合について述べる。しかしながら、この構成に限定されず圧縮空気発生部と負圧発生部を個別に構成しても良いことは言うまでもない。また、外気を吸気口を介して内部に導入し、排気口を介して外部に排出する表面カバー２と裏面カバー３については酸素濃縮装置１（密閉容器）として図中破線で図示されている。

図７において、導入空気の流れに沿って順次述べると、上記のフィルター交換用蓋体１７（図６参照）に内蔵された外気導入用フィルタ２０を通過して酸素濃縮装置１内部に空気（外気）が矢印Ｆ１、Ｆ２方向に導入される。このＦ２方向の空気は、一対の送風ファン１０４、１０４による送風により二段式防音室３４内に入る。すなわち、後述するように上段部材上に送風ファン１０４、１０４を配設し下段部材にコンプレッサ１０５を防振状態で配設した二段式防音室３４（破線図示の）側面に穿設された開口部を介して二段式防音室３４内に空気が入る。

一方、矢印Ｆ１方向の大気をコンプレッサ１０５の圧縮手段１０５ａに対して原料空気として配管２４を介して供給するために、二次濾過を行う吸気フィルタ１０１を設けた吸気バッファタンク４００に大気が送られる。また、この吸気フィルタ１０１には後述する吸気管が２本接続されており、開閉弁１２６の開閉によって所定の設定流量以下では原料空気の吸気音が小さくなるようにしている。

この二段式防音室３４は軽量化のために厚さ約０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの強化軽合金、アルミ合金、チタン合金板または他の好適な材料から構成される。このように薄板から構成するとネジ孔部の強度が確保されない。そこでネジ孔部としてインサートナットを適所に固定している。この二段式防音室３４の内部には原料空気を圧縮して圧縮空気を発生する圧縮手段１０５ａと、減圧手段１０５ｂとを好ましくは一体構成したコンプレッサ１０５が防振状態で固定されている。

次に、吸気バッファタンク４００の二次フィルタ１０１で濾過された原料空気は、コンプレッサ１０５の圧縮部１０５ａで加圧されて圧縮空気となるがこのとき温度上昇した状態で配管２４ｃに送り出されるので、この配管２４ｃを放熱効果に優れた軽量の金属パイプ（例えば、外径６ｍｍ内径４ｍｍのアルミ管）とし、送風ファン１０４からの送風で冷却すると良い。このように圧縮空気を冷却することで高温では機能低下する吸着剤であるゼオライトが窒素の吸着により酸素を生成するための吸着剤として、十分に酸素を９０％程度以上に濃縮できることとなる。

圧縮空気は配管２４ｃを介して、並列に少なくも２つ配置された、第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂに対して交互に供給される。このため切換弁（３方向切換弁）１０９ａ、１０９ｂが図示のように接続されている。これらの切換弁１０９ａ、１０９ｂと、さらに第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂの不要ガスを脱離させるため流路に連通する配管２４ｆに負圧破壊第１弁１２０と負圧破壊第２弁１２１が直列に複数（少なくとも２つ）接続されている。これらを開くことで、配管２４ｆ内の圧力を均圧工程時には大気圧付近まで、所定流量以下では圧力を最適に制御することでコンプレッサ１０５の振動抑制と低電量化を図っている。

ここで、第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂ内に夫々貯蔵されている触媒吸着剤であるゼオライトは、SiO2／Al2O3比が２．０〜３．０であるＸ型ゼオライトであり、かつこのAl2O3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結合させたものを用いることで、単位重量当たりの窒素の吸着量を増やしている。特に、１ｍｍ未満の顆粒測定値を有し、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。

このようなゼオライトを使用することで、同じ酸素を生成するために必要となる原料空気の使用量を削減できるようになる結果、圧縮空気を発生するためのコンプレッサ１０５を小型のタイプとすることができ、低騒音化を一層図ることができた。ここで、従前から使用されている通常のゼオライトを使用しても良く、この場合でも後述する消音機能により十分な低騒音化を図ることができる。

一方、第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂの上方の出口側には逆止弁と、開閉弁とからなる均等圧弁１０７が分岐接続されている。また、均等圧弁１０７の下流側は合流するように配管２４ｄが成されており、分離生成された９０％程度以上の濃度の酸素を貯蔵するための容器となる製品タンク１１１が図示のように配管されている。また、各吸着筒体内の圧力を検出する圧力センサ２０８が図示のように配管される。

製品タンク１１１の下流側には、出口側の酸素の圧力を一定に自動調整する圧力調整器１１２が配管されている。この圧力調整器１１２の下流側には、ジルコニア式あるいは超音波式の酸素濃度センサ１１４が接続されており、酸素濃度の検出を間欠（１０〜３０分毎）または連続で行うようにしている。この下流側には上記の酸素流量設定ボタン８に連動して開閉する比例開度弁１１５が接続されており、その下流側には酸素流量センサ１１６が接続されている。またこのセンサ１１６の下流には呼吸同調制御のための流量制御基板２０２を介してデマンド弁１１７が接続されており、滅菌フィルタ１１９を経て、装置１の酸素出口７に対して接続されている。以上の構成により、鼻カニューレ１４等を経て患者に対する最大流量５Ｌ／分で約９０％程度以上に濃縮された酸素の吸入が可能になることとなる。

次に、図７において電源系統は、ＡＣ（商用交流）電源を所定直流電圧に整流するスイッチングレギュレータ式のＡＣアダプタ１９に接続されたＡＣ電源のコネクタ１３０を中継して接続されるＡＣアダプタ１９と、装置本体に内蔵される内蔵バッテリ２２８と、上記のコネクタ１３１を介して着脱自在可能に設けられる外部バッテリ２２７と電源制御回路２２６から構成されている。内蔵バッテリ２２８および外部バッテリ２２７は繰り返し充電可能な２次電池であり、内蔵バッテリ２２８は電源制御回路２２６からの電力供給を受けて充電される。なお、少なくとも内蔵バッテリ２２８は、少なくとも５００回程度の繰り返し充放電が可能で、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、充放電回数を外部の携帯端末などで確認可能なマネジメント機能を有するものが好ましい。

また、外部バッテリ２２７については、コネクタ１３１を介する接続状態において、電源制御回路２２６からの電力供給を受けて充電することもできるが、通常は別途準備されるバッテリチャージャーを用いて繰り返し充電される。または、専用設計されたバッテリチャージャーを一体化した外部バッテリ２２７として準備しても良い。

以上の電源系統の構成において、酸素濃縮装置はＡＣアダプタ１９からの電力供給を受けて作動する第１電力供給状態と、内蔵バッテリ２２８からの電力供給を受けて作動する第２電力供給状態と、外部バッテリからの電力供給を受けて作動する第３電力供給状態との３系統の電力供給状態の内の一つに自動切換えされて使用される。

この自動切換えのための優先順位は上記の第１電力供給状態、第３電力供給状態、第２電力供給状態の順序で自動決定するように電源制御回路２２６により制御される。

また、電源制御回路２２６と、内蔵の内蔵バッテリ２２８については酸素濃縮装置１の低重心化を図るために後述するように底面に配設される。一方、外部バッテリ２２７は上記のようにキャリア１０の収容部に内蔵されることで外出時などで使用可能になる。この外部バッテリ２２７には上記の充電残量表示部他が設けられているので残り使用時間を音声ガイドとともに知ることができる。

ＡＣアダプタ１９は周波数の違いの影響および電圧の変動を受けずに所定直流電圧を発生することが可能であって、かつまた小型軽量に構成できるスイッチングレギュレータ式が良いが、通常のトランス式でも良い。また、内蔵バッテリ２２８および外部バッテリ２２７は充電時のメモリ効果が少なく再充電時にも満杯充電できるリチウムイオン、リチウム水素イオン２次電池が良いが、従来からのニッカド電池でも良い。

さらに、緊急時に備えて、どこでも入手可能な単２乾電池のボックスとして外部バッテリを構成しても良い。

また、酸素濃縮装置１の中央制御部２００は、生成する酸素量に応じた、最適な動作モードに切り替える機能を備えており、多くの酸素生成をする場合は高速に、少ない酸素生成時において低速に自動的にコンプレッサ１０５、送風ファン１０４をそれぞれ回転駆動する制御を行う。このようにして、内蔵バッテリ２２８を温存させるようにしている。この結果、外部バッテリ２２７を充電し忘れた場合であっても突然の外出時や停電時等の対応が可能になる。こうすることで例えば、外出時に外部バッテリ２２７が残量ゼロになった場合でも内蔵バッテリ２２８で継続使用できるようになるので、患者は安心して使用できるようになる。

＜吸気用バッファタンク４００の構成＞
図８(ａ)は、圧縮空気発生部１０５ａの上流側に接続される吸気用バッファタンク４００の模式図、(ｂ)は開閉弁１２６が開かれた状態の模式図を夫々図示したものである。

本図において、既に説明済みの構成または部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、吸気用バッファタンク４００は、消音に必要となる約２００ｃｃ〜３００ｃｃの容積を有する、外径５０ｍｍ程度、内径４０ｍｍ程度、長さ２２０ｍｍ程度の樹脂製の円筒筒体４０５と、この筒体に内蔵され、外径８ｍｍ程度、内径５ｍｍ程度、長さ１２０ｍｍ程度の樹脂製の円筒内管（ノズル）４０６とを備えており、図示のように上記の二次フィルタ１０１を入口部に固定し、配管２４を出口部に接続している。

二次フィルタ１０１からは大気（空気）の一部を導入するための、内径５ｍｍ程度の第１吸気管４０１と、これに並設して配管される、内径５ｍｍ程度の第２吸気管４０２とが接続されており、第２吸気管４０２の途中に開閉弁１２６を接続している。
以上の構成において、コンプレッサ１０５が低速回転される状態では、開閉弁１２６は閉じており、第１吸気管４０１を介しての吸気が破線矢印方向に行われる。この結果、第１吸気管４０１の開口部から発生する吸気音が小さくなる。一方、コンプレッサ１０５が高速回転される状態では、開閉弁１２６は開かれ、第１吸気管４０１と第２吸気管４０２とを介して２経路からの吸気が破線矢印方向に行われる。よって、所定の回転数以下では、吸気音の原因となる吸気部分の開口面積が小さくなるため、吸気音を小さくすることが可能となる。

上記のコンプレッサの回転速度は設定される酸素供給量に応じて決定され、例えば最大供給量の５０％以上（毎分１．５リットル以上）に大きく設定されると高速回転され、最大供給量の５０％未満（毎分１．５リットル未満）であると低速回転される。

図９は、酸素供給量に応じて上記の開閉弁１２６を駆動する一例を示した動作説明フローチャートである。

本図において、開始されるとステップＳ１で電源スイッチ６をオンしたことが確認され、ステップＳ２でコンプレッサ１０５が起動されたことが確認される。その後、ステップＳ３で酸素供給量の設定がされたことが確認されて、ステップＳ４において設定酸素供給量は毎分１．２５リットル以上であるか否かの判定が行われる。この判定で毎分１．２５リットル以上ではないと判定されるとステップＳ５に進み、開閉１２６への通電を行わず閉じた状態に維持することで、図８(ａ)に図示した動作状態とする。

一方、ステップＳ４で設定酸素供給量は毎分１．２５リットル以上であると判定されるとステップＳ６に進み、開閉弁１２６への通電を行うことで開状態にすることで図８(ｂ)に図示した動作状態とする。これによりステップＳ７においてコンプレッサ１０５の圧縮空気発生部１０５ａに二次濾過後の大気が大量に導入されて、ステップＳ８で電源スイッチ６がオフかされるまで大気を供給する。ステップＳ８で電源オフされるとステップＳ９でコンプレッサ１０５および開閉弁１２６への通電を停止して終了する。以上のように制御を行うことで吸気音が低減された。

再度、図７において、上記の３電源系統のうちの一つから電力供給を受けて作動する中央制御部２００には上記の電源スイッチ６と上記の表示用のＬＥＤ素子を図５で説明したように点灯、点滅駆動するとともに、７セグメントＬＥＤで設定流量、積算時間を表示するように駆動する表示駆動部２０４とが図示のように接続されている。

また、中央制御部２００にはコンプレッサ１０５の直流モータおよび送風ファン１０４のモータの駆動制御を夫々行うモータ制御部２０１および上記のスピーカ２３に接続されることで音声内容を発生する音声制御部２０３が接続されている。

この中央制御部２００には所定動作プログラムを記憶したＲＯＭが内蔵されるとともに、外部記憶装置２１０と揮発メモリ２０５と一時記憶装置２０６とリアルタイムクロック２０７とがさらに接続されており、外部コネクタ１３３を介して通信回線などと接続することで記憶内容へのアクセスが可能となるように構成されている。

また、上記の３方向切換弁１０９ａ、１０９ｂと均等圧弁１０７と、第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂ内の不要ガスを脱離させるためのパージ（浄化）を行うために負圧発生部１０５ｂと配管２４ｆ内の圧力を制御するためのを開放させるように開かれる負圧破壊第１弁１２０と負圧破壊第２弁１２１と酸素濃度センサ１１４と比例開度弁１１５と、流量センサ１１６とデマンド弁１１７を駆動制御する弁及び流量制御部２０２が中央制御部２００に接続されている。

ところで、総重量が約１ｋｇのコンプレッサ１０５はモータ制御部２０１に内蔵される可変速度制御器であって正弦波駆動波形によりモータの駆動制御が行われることで運転音を低くしている。このコンプレッサ１０５は、各速度で運転可能であって、必要な真空（負圧）／正圧の圧力レベルと流量を発生でき、僅かな騒音と振動しか出さず、僅かな熱しか発生せず、小型軽量であって僅かな電力消費で運転できることが好ましい。

可変速度制御手段である可変速度制御器をモータ制御部２０１に備えることにより、患者の活動レベル、環境条件に基づいてコンプレッサ１０５の速度を自在に変化させることができる。この結果、患者が座ったり、寝たりしている等、患者の酸素要求が比較的低いことがデマンド弁１１７によって呼吸同調により判断されると、コンプレッサ１０５の駆動回転速度を自動的に落とすことができる。また、患者が立ったり、活動的であったり、酸素濃度の低い高地にいるときなど、患者の酸素要求が比較的高く、酸素要求量が高まったと判断されると速度を自動的に高めることができるように構成されている。

以上のモータ制御によって装置１全体の消費電力が低減され、充電式バッテリでの駆動時の寿命を延ばすことが可能になるとともに、充電式バッテリ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すことで信頼性を向上させるようにできる。

このコンプレッサ１０５は、上記のように圧縮空気発生と負圧発生の両方の機能を備えるものであり、取り出される酸素流量に応じて回転数が自動制御される。具体的には、回転速度が５００ｒｐｍから３０００ｒｐｍの間で制御され、通常の速度である１７００ｒｐｍ程度で回転するときの操作寿命を１００００〜１５０００時間と長くできるようにしている。また、このコンプレッサ１０５は、空気を１００ｋＰａ、好ましくは７５ｋＰａ程度に圧縮する性能を備えている。また、上記の操作寿命が経過すると音声ガイドや表示ランプにて知らせる機能を備えている。

このコンプレッサ１０５を取り巻く操作温度は、０℃〜４０℃であり、コンプレッサ１０５用の駆動電圧は、自動車やトラックなどのシガーライターアダプタから得られる電源である直流１２Ｖまたは２４Ｖであって、電力使用量は、約４５〜１４０Ｗ程度である。このため、最悪の場合にはコネクタ１３１に接続して電源供給することもできる。

ここで、負圧破壊弁１２０、１２１のそれぞれの役割は、コンプレッサ１０５の減圧手段側の真空度を自動調整するものである。すなわち、装置１に採用されるコンプレッサ１０５は圧縮手段と減圧手段の両機能を備えているので、小型軽量化できるという利点がある。しかしながら、このように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（負圧）専用コンプレッサに比較して振動が大きくなるという問題がある。特に、圧縮工程において均圧工程時に似移行する時に特に振動が激しくなり、この原因は、均圧工程時には３方向切換弁１０９ａ、１０９ｂの流路は圧縮空気発生部１０５ａ側と一方の吸着筒体１０８ａ側が連通され、このとき負圧部１０５ｂ側は遮断された状態となるために、３方向切換弁と負圧部１０５ｂの流路２４ｆ内圧力は極端な高真空状態となることによる。この高真空状態を解消するために、外気と連通するように負圧破壊弁１２０、１２１を図７に図示のように配管している。

この均圧工程と同期して、各弁１２０、１２１を開状態に動作させることで、流路内に外気が入り込むようにして、流路内を大気圧により近い状態とする。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ようにできるようになる。負圧破壊弁１２０、１２１は、後述するように設定酸素流量に応じてオン状態にされて開状態にされる。

一方、このコンプレッサ１０５の冷却と、装置１内部の冷却を行うための上記の送風ファン１０４は、消費電力約１５Ｗ程度である。このブロアに代えて軸流ファンでもよい。ここで、装置１の最大騒音圧力レベルは、最大の回転数のときに３８ｄＢＡ以下であり、濃縮酸素流量１Ｌ／分以下の場合には３２ｄＢＡである。

３方向切換弁１０９ａ、１０９ｂには、一般的に直動式と呼ばれる弁の動作を通電時の磁力で行う電磁弁が使用可能である。この種の電磁弁は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る。そこで、３方向切換弁１０９ａ、１０９ｂとしてパイロット式３方向切換弁を使用することもできる。このパイロット式３方向切換弁によれば、僅かな消費電力とコンプレッサからの空気圧を有効利用して動作させることが出来るために従来の８Ｗから０．５Ｗにまで低減される結果、大幅な電力低減が期待されることになる。以上の各構成部品の内で、１対の送風ファンと３方向切換弁１０９ａ、１０９ｂは防音室３００上に固定されている。

以上の各構成部品は、低騒音化された小型の酸素濃縮装置１の組立作業性および点検整備性の向上を配慮して主に二段式防音室３４を取り付け部として固定されている。即ち、騒音発生の大きなコンプレッサ１０５と、送風でコンプレッサ１０５の冷却を行うために送風音が発生する送風ファン１０４と、３方向切換弁１０９と、排気時に排気音が発生する消音器１１０と他の各種弁を内周面全面に防音材を敷設した二段式防音室３４の内部に配置し、この二段式防音室３４の外壁部分を有効利用して上記の遮蔽板３２と、吸着筒体１０８ａ、１０８ｂと、製品タンク１１１と、吸気用バッファタンク１０２と、各種制御基板２００、２０１、２０２と、上記のように酸素の圧力を一定に自動調整する圧力調整器１１２と、圧力調整器１１２の下流側の酸素濃度センサ１１４と比例開度弁１１５と、酸素流量センサ１１６と呼吸同調制御のための流量制御基板２０２に接続されるデマンド弁１１７とが固定されている。

このように振動または騒音発生の伴う構成部品は二段式防音室３４内部において防音状態でそれぞれ設けることで、圧縮空気の供給音と、外部空気の導入音と、原料空気を作るための濾過空気の導入音と、例えば３方向切換弁の作動音と消音器１１０から周期的に発生する排気音が外部に漏れないようにして騒音低減を図っている。

圧縮空気発生部および負圧発生部に接続される配管２４は、ラバーブッシュに挿通後に蓋部に固定されることでコンプレッサの振動に伴い振動する配管２４の振動をラバーブッシュで吸収する。以上のように構成される防音室３００を防振かつ制動状態で防振制動部材である４つのコイルバネとラバーブッシュとにより鉛直方向に支持する。

また、上記のように前面カバー２と裏面カバー３は外気を吸気口を介して内部に導入し、排気口３ａ、３ｂを介して外部に排出するための必要最小限の開口を備えた筺体カバーとして構成することで同様に騒音低減を図っている。

尚、以上は本発明の医療用の装置１を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、空気中から窒素を吸着して、酸素を生成するための触媒担体吸着剤として、SiO2／Al2O3比が２．０〜３．０であるＸ型ゼオライトであり、かつ前記Al2O3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結合させることにより、吸着筒体は１本にすることもできる。以上の構成により装置１の電源スイッチ６がオンされる事で、所定電圧の供給が開始され、セルフチェックが行われる。これに続きコンプレッサ１０５と、送風ファン１０４、１０４と、３方向切換弁１０９への通電が行われることで、外部空気の導入が行われ、それに伴う空気導入音が連続的に発生する。同時にコンプレッサ１０５の振動やその振動に伴う騒音、各吸着筒に及ぶ配管からの透過音が連続して発生する。これに続き、導入された空気は一方の３方向切換弁１０９ａを経て第１吸着筒体１０８ａに導入されて、生成酸素は後述する逆止弁を通り、製品タンク１１１に流れ込み圧力が次第に上昇する。所定の圧力になると均等圧弁１０７が所定時間 「開状態」となる。以上で第１吸着筒体１０８ａで濃縮された一部の酸素を使用して、第２吸着筒体１０８ｂの洗浄が行われ、続いて均圧工程が行われる。また、均圧工程と同期して負圧破壊第１弁１２０が動作されることによりコンプレッサの振動を低減する。また次の加圧に備えた準備が行われる。又、均等圧弁１０７の作動時には大きな作動音を伴うので、吸音防音スポンジで取り囲まれている。

次に、第１吸着筒体１０８ａの脱着工程（窒素や水分の排出）と第２吸着筒体１０８ｂへの圧縮空気の取入れを行うべく３方切換弁１０９ｂが作動する。これに前後して負圧破壊第１弁１２０が動作され第１吸着筒体１０８ａ内に残った窒素の放出が消音器１１０を介して行われる。この排気音は、一時的ではあるが最も大きい。第２吸着筒体１０８ｂに流れ込んだ圧縮空気で分離生成された酸素は不図示の逆止弁を介して製品タンク１１１中に流れる。その後所定の圧力となったことが圧力センサ２０８で検出されると均等圧弁１０７が所定時間「 開」となる。この後に、第２吸着筒体１０８ａの洗浄及び均圧工程が行われる。次の加圧に備えての準備が行われることとなる。

以上のように均等圧弁１０７が開かれることで、第２の吸着筒体１０８ｂで生成された酸素が第１の吸着筒体１０８ａの出口部に送り込まれるので、内蔵のゼオライトの洗浄化が行なわれることになる。以上の切換動作を所定タイミングで繰り返し行うことで、連続した酸素の安定供給が可能としている。

尚、流量センサ１１６は、使用する酸素流量を決定するための流量設定で設定された設定値を読み取るものであるが、さらに、チューブ折れ等の外乱要因により流量低下した場合に備えて、実流量を測定して音声ガイドにて知らせるようにしている。以上説明した構成によれば、任意に設定される酸素流量の大小の如何に拘わらず、酸素濃度を安定的に保持できる。

従来からの装置によれば外部空気導入通路を長く設定し、かつ多くの屈折回数を与え、さらに吸音材を設けた遮音箱内に収容していた。このために静かな酸素濃縮装置は大型化するとされていた。また、ゼオライトを充填した吸着筒は、温度上昇すると窒素吸着量が減少するために温度の影響を受け難い場所において離間して配置されるのが一般的であった。このため、配管経路が長くなることによる圧力損失も無視できない場合があったがこれらの問題は、図７に示した構成と後述する機械的構成により全て解決された。

＜負圧破壊第１弁１２０、負圧破壊第２弁１２１の説明＞
次に、図１０（ａ）は酸素流量が所定流量以上、例えば本実施例では毎分１．２５リットルより大きい場合の第１吸着筒体１０８ａの吸着工程、（ｂ）は洗浄工程、（ｃ）は第１吸着筒体１０８ａの均圧工程を夫々図示した模式図である。

また、図１１（ｄ）は酸素流量が所定流量以下、例えば毎分１．２５リットル以下の場合の上記の第１吸着筒体１０８ａの吸着工程、（ｅ）は洗浄工程、（ｆ）は第１吸着筒体１０８ａの均圧工程を夫々図示した模式図である。

図１２（ａ）は酸素流量が所定流量以上、例えば毎分１．２５リットルより大きい場合のバルブシーケンスであり、（ｂ）は酸素流量が所定流量以下、例えば毎分１．２５リットル以下の場合のバルブシーケンスを表している。ここで、斜線部は動作状態にあることを示している。そして、酸素流量が所定流量以下、例えば毎分１．２５リットル以下の場合は常に負圧破壊弁１２０を動作させている。ここで、斜線部は各バルブが作動状態に有ることを示している。そして、負圧破壊弁１２１は、酸素流量によらず、均圧工程で作動させている。一方、負圧破壊弁１２０は、酸素流量に閾値を設け、例えば酸素流量が所定流量以下、例えば毎分１．２５リットル以下の場合に連続（吸着／脱着，洗浄，均圧のすべての工程）作動させている。

図１０（ａ）において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、均等圧弁１０７が、図示のように２本の吸着筒体の出口側の間で分岐配管されている。この均等圧弁１０７は、圧力センサ２０８で筒体内の最高内圧値が検出されると２本の吸着筒体の間の均等圧化を行うように制御部２０２からの通電で開状態にされる。また、この均等圧弁１０７に対して平行となるように絞り３０６が配管されており、適度な酸素供給を他方の筒体内に送るようにしている。一方、配管２４の合流点の手前には各筒体から製品タンク１１１に生成された酸素が供給されるようにした逆止弁３０７ａ、３０７ｂがそれぞれ接続されている。

そして、図７に図示した３方向切換弁(主電磁弁)１０９ａ、１０９ｂは、パイロット電磁弁を備えており、これらのパイロット電磁弁は、コンプレッサ１０５の圧縮空気発生部１０５ａからのわずかな圧力で主弁が開閉動作できるように構成されている。このため、直動式電磁弁に比べ低消費電力化が図られるように構成されており不図示の逆止弁も内蔵されている。

制御シーケンスは、まずコンプレッサ１０５を所定秒(約０．５秒)作動させてコンプレッサ起動工程とし、次に３方向切換弁１０９ａのパイロット弁を開動作させるように制御する。このように制御をすることにより、パイロット弁は空気圧を利用できる状態となり、わずかな電力で主弁を作動させることが可能となる。この主弁が開状態になると圧縮流路に切り換えられて圧縮空気は、第１吸着筒体１０８ａ中に流れ込み、触媒で窒素吸着を行なうとともに分離生成された酸素が逆止弁３０７ａと介して製品タンク１１１に向かう酸素分離生成工程になる。このとき絞り３０６を介して酸素が第２吸着筒体１０８ｂ中に流れることで出口付近の触媒の浄化を行う。

これに続き図１０（ｂ）に図示したように、均等圧弁１０７を所定秒間開動作させると、開動作状態の前半は、絞り３０６と均等圧弁１０７とを介して第２吸着筒体１０８ｂ中に酸素が矢印方向に流れる洗浄工程となる。この第２吸着筒体１０８ｂの洗浄工程が終了すると、３方向切換弁１０９ｂの負圧流路を開く閉じるための主弁を開閉動作させるように制御するとともに、負圧破壊第１弁１２０を開くことで窒素の排気を消音器１１０を介して行う。このため酸素供給量が大きいときに低騒音化を実現可能にできる。この真空到達圧力の度合いは、破壊弁のオリフィス口径で決定されることとなり負圧破壊第１弁１２０はφ２．３のオリフィスとしており、負圧破壊第２弁はφ１．０程度としている。

これ以降、同様のシーケンスで吸着工程、洗浄工程、均圧工程を繰り返す。なお、コンプレッサ１０５は、上記すべての工程(起動時工程、吸着工程、洗浄工程、均圧工程)で動作状態となっている。ここでは、第１吸着筒体１０８ａの吸着工程から始まる工程について説明したが、先に第２吸着筒体１０８ｂの吸着工程から始まる工程としてもよい。また、３方向切換弁１０７の負圧流路側には上記の負圧破壊弁１２０が接続連通されているので、均圧工程と同期して開状態に動作させてコンプレッサ１０５の高真空状態を低減させることで高くなる真空度を外気に連通させるようにして、振動の発生を防止し、騒音を低減している。こうして、コンプレッサへの負荷は低減され、騒音の低減と電力の低減が図れる。

酸素流量が毎分１．５リットル未満である場合において、上記の均圧工程と同期して負圧破壊第２弁１２１をさらに開状態に動作させることでコンプレッサ１０５の高真空状態をより短時間内に低減させることで、コンプレッサの振動の発生を防止し、騒音を低減している。配管２４ｆ内の圧力コントロールは負圧破壊弁のオリフィス口径で決定されるが、負圧破壊弁１２０は略大気圧下まで下げることが最も効果があるため、ここではφ２．３程度としている。また、負圧破壊弁１２１は配管２４ｆ内の圧力を所定の圧力下まで低減させれれば良く、ここではφ１．０程度が選択されている。なお、本実施例では負圧破壊弁１２０、１２１は配管２４ｆに直列に配置されているが、３個以上を直列に設けてもよい。

均等圧工程において負圧破壊第１弁１２０への通電を行わず閉じた状態にしておくと圧力波形となり大きな圧力変動になる結果、コンプレッサの振動騒音が大きくなる。そこで、この均等圧工程において負圧破壊第１弁１２０への通電により開く状態にすることで小さい振幅の圧力変動とできる。この結果、コンプレッサの振動騒音が低くなる。均等圧工程において負圧破壊第１弁１２０への通電で開いた状態にし、さらに負圧破壊第２弁１２１を閉じた状態にしておくとやや大きな圧力変動となる結果、コンプレッサの振動騒音がやや大きくなる。そこで、この均等圧工程において負圧破壊第１弁１２０への通電に加えて負圧破壊第２弁１２１も開く状態にすると小さい振幅の圧力変動となる結果、コンプレッサの振動騒音が非常に低くなることが確認された。

以上のように、特に設定酸素流量が小さく設定されコンプレッサの負荷が低減された場合において、排気の騒音を小さくでき、電力を低減できる酸素濃縮装置が提供されることとなった。すなわち、高流量かつ高濃度で酸素を分離生成させるためには、吸着筒体内の圧力を極力高真空（負圧状態）にさせることが好ましいために負圧破壊第２弁１２１を閉じた状態にしておく。しかし低流量では高濃度の酸素を容易に得られるために負圧破壊第２弁１２１を開く状態にして高濃度の酸素が得られる最低限の圧力まで下げるようにしてコンプレッサの振動を低く抑えるとともに低騒音と低電力での運転を可能にしている。

＜消音器１１０の説明＞
図１３は、消音器１１０の一部を破断して示した外観斜視図である。この消音器は、図示のような二重管として構成されている。すなわち、その一端に配管用開口部１４１ｂをまたその他端に閉塞部１４１ａを形成するとともに長手方向に沿って複数の小孔１４４を穿設した第１内筒１４１と、この第１内筒１４１の閉塞部１４１ａから複数の小孔１４４までの部分を密閉状態で覆う外筒１４２とを備えている。また、この外筒１４２の他端には接続用開口部１４２ｂがさらに形成されており、長手方向に沿う複数の小孔１４４を穿設した第２内筒１４３を図示のように固定している。この第２内筒１４３は、その一端に接続用開口部１４２ｂに固定される取付開口部１４３ｂを、またその他端に閉塞部１４３ａを形成している。

次に、図１４は、図１３の消音器１１０において複数の小孔１４４に沿う断面で破断して図示した断面図である。本図において、既に説明済みの構成または部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、第１内筒１４１は外筒１４２の内部の全長Ｌ１が約５ｃｍであり内直径Ｄ１が約６〜８ｍｍの円筒管であり、小孔１４４の直径Ｄ４を約１ｍｍとしてその長手方向に約５ｍｍの間隔で５個分を穿設して形成される。また、外筒１４２は全長Ｌ２が約６ｃｍでありその内直径Ｄ２が約１５ｍｍ以上の容積部を形成した円筒管である。そして、第２内筒は全長Ｌ３が約５ｃｍでその内直径Ｄ３が約６〜８ｍｍの円筒管であり、小孔１４４の直径を約１ｍｍとしてその長手方向に約５ｍｍの間隔で５個分を穿設して形成されている。以上の構成部品を図示のように溶接または接着して一体化することで消音器１１０の全長を約１０〜１５ｃｍとしている。以上の各部材は金属製が良いが、これに限定されず樹脂製でも良い。

以上のように構成される消音器１１０によれば共鳴型消音器が構成される結果、音響質量と音響コンプライアンスとで特定周波数すなわち共鳴周波数に対する選択性の消音機能を備える消音器を得ることができた。このためコンプレッサ１０５の特定の周波数に応じた排気音を小さくできるようになった。さらに全長および外形寸法を小さくできた。

図１５(ａ)と(ｂ)は、消音器１１０の別構成を図示した外観斜視図である。本図において、既に説明済みの構成または部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、図１５(ａ)において、第１内筒１４１は図示のように「つ」の字形状に曲がって形成されている。また、外筒１４２は横断面形状が楕円または長円形となる容積部を形成しており、第１内筒１４１を覆うとともに、破線図示の接続用開口部１４２ｂを上方に設けており、これに対して第２内筒１４３を図示のように接続している。以上のように構成することで、全長Ｌを約三分の一にできた。

また、図１５(ｂ)において、第１内筒１４１と、外筒１４２と第２内筒１４３は実線図示の状態から破線図示の位置に曲げることができるように弾性部材から形成されている。このように曲げるときに、外筒１４２と第１内筒１４１との間を一定に保持するための保持部材１４９が図示のように設けられている。以上のように構成される消音器１１０を用いることでより最大の騒音発生源であるコンプレッサーの低騒音化を図ることのできる小型化された酸素濃縮装置を提供できる。

上記のバッテリはリチウム・イオン積層構造であって、出力電圧が２１．０〜２９．０Ｖの二次電池が含まれその重量は、１．５ｋｇ程度で、呼吸同調制御を行う場合において、８８〜９４％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。このリチウム・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ることができる。例えば、充電式もしくは取替え式の燃料電池が使用可能である。このシステムは、二次電池として内蔵バッテリと外部バッテリから電力供給されるが、多数のバッテリによって駆動してもよい。

また、患者は常に追加の新鮮な充電済みの外部バッテリを持つことで、より長時間の外出等が可能となり、その際のＱＯＬが大幅に向上する。また、適当な接続部を介して濃縮酸素の流れに湿気を加えるための加湿手段（不図示）を備えていてもよい。

上記の呼吸同調制御は、充電式バッテリで、酸素濃縮装置１全体が駆動されている場合に、濃縮された酸素をより効率的に患者が使用できるようにするために、呼吸に同調した制御を行うためのものである。通常の呼吸の間は、患者は、吸気相／呼気相サイクル時間の約１／３を吸気相に、残りの２／３を呼気相に当てている。呼気相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ある。こ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。そこで、呼気相の間に生成された濃縮酸素を吸気相に供給することにより、仮に、吸気相／呼気相サイクルが１(吸気相)：２(呼気相)であるならば、吸気相時に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は装置の小型化、低消費電力化が可能となる利点がある。尚、酸素ボンベから酸素吸入するように構成された酸素吸入装置にも適用可能となることは言うまでもない。

また、酸素濃縮装置１は、加速度センサ、ＧＰＳ(全地球位置センサ)、ショックセンサ等の各種センサ、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することも可能である。

は、本発明の一実施形態である酸素濃縮装置１を前方側の左斜め上から見た外観斜視図である。 は、図１に示した酸素濃縮装置１の背面図である。 は、鼻カニューラの延長チューブセットの外観斜視図である。 は、図１の酸素濃縮装置１の操作パネル５の実体図である。 (ａ)は、図４の操作パネル５のバッテリ残量表示部１２８ｄの動作説明図、(ｂ)は、図４の操作パネル５の警報表示部１２８ｃの動作説明図、また(ｃ)は、図４の操作パネル５の酸素濃度ランプ１２８ｂの動作説明図である。 (ａ)は、酸素濃縮装置１の裏面カバー３から外気導入フィルタ２０を着脱自在にする様子を示した外観斜視図、(ｂ)は、外気導入フィルタ２０がさらに交換用蓋１７から取り外される様子を示した外観斜視図、また(ｃ)は、図６(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図である。 は、装置１の配管図を兼ねたブロック図である。 (ａ)は、圧縮空気発生部１０５ａの上流側に接続される吸気用バッファタンク４００の模式図、(ｂ)は開閉弁１２６が開かれた状態の模式図、(ｃ)は別構成の模式図を夫々図示したものである。 は、酸素供給量に応じて上記の開閉弁１２６を駆動する一例を示した動作説明フローチャートである。 (ａ)〜(ｃ)は、設定流量３Ｌ以上の場合の３方向弁と真空破壊第１弁、真空破壊第２弁の動作説明のための配管図である。 (ｄ)〜(ｅ)は、設定流量１Ｌ以下の場合の３方向弁と真空破壊第１弁、真空破壊第２弁の動作説明のための配管図である。 (ａ)は、制御シーケンスを示す図、(ｂ)は制御シーケンスを示す図である。 は、消音器１１０の一部を破断して示した外観斜視図である。 は、消音器１１０において複数の小孔１４４に沿う断面で破断して図示した断面図である。 (ａ)と(ｂ)は、消音器１１０の別構成を図示した外観斜視図である。

符号の説明

１ 酸素濃縮装置、
２ 表面カバー（密閉容器、樹脂製）
３ 裏面カバー（密閉容器、樹脂製）
４ 取っ手（樹脂製）
５ 操作パネル
６ 電源スイッチ（樹脂製）
７ 酸素出口(樹脂製）
８ 酸素流量設定ボタン（８ａ、８ｂ）
１０ キャリア（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）
１１ キャスタ
１２ 固定ネジ
１３ カプラ（樹脂製）
１４ 鼻カニューラ（樹脂製）
１５ チューブ（樹脂製）
１７ フィルタ交換用蓋（樹脂製）
１６ ネジ
１９ ＡＣケーブル
２０ 外気導入フィルタ
２１ コードフック
２２ ゴム足
２３ スピーカ
２４ 配管
３０ 中継カプラ（樹脂製）
３１ 延長チューブ（樹脂製）
３２ 遮蔽板（成形品）
３４ 二段式防音室
１０１ 吸気フィルタ
１０４ 冷却ファン
１０５ コンプレッサ（空気圧縮部１０５ａ、負圧部１０５ｂ）
１０８ａ、１０８ｂ 吸着筒体（アルミ製）
１０９ａ、１０９ｂ 三方切換弁
１１０ 消音器
１１１ 製品タンク
１１２ 圧力調整器
１１４ 酸素センサ
１１５ 比例開度弁
１１６ 流量センサ
１２０ 負圧破壊第１弁
１２１ 負圧破壊第２弁
２００ 中央制御部（ＣＰＵ基板）
２０１ モータ制御部（モータドライバ基板）
２０２ 流量制御部
２０３ 音声発生部（音声モジュール基板）
２０４ 表示部
２０５ 不揮発性メモリ
２０６ ＲＡＭ
２０７ リアルタイムクロック
２０８ 圧力センサ
２２６ 電源制御装置
２２７ 外部バッテリ
２２８ 内蔵バッテリ
４００ 吸気用バッファタンク
４０１ 第１吸気管
４０２ 第２吸気管
１２６ 開閉弁

Claims (3)

1. 圧縮空気を発生する圧縮手段と、負圧を発生する減圧手段と、圧縮空気を筒体の内部に導入し、前記筒体内に充填された吸着剤により窒素を吸着して酸素を濃縮分離する吸着手段と、切換弁とを備えた酸素濃縮装置であって、
   前記減圧手段に連通して消音器を設け、
   前記消音器は、金属あるいは樹脂材料からなる管から構成され、かつ前記管の側面の長手方向に所定間隔で複数個の小孔が穿設されることを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 圧縮空気を発生する圧縮手段と負圧を発生する減圧手段とを備えたコンプレッサと、圧縮空気を筒体の内部に導入し、前記筒体内に充填された吸着剤により窒素を吸着して酸素を濃縮分離する吸着手段と、切換弁とを備えた酸素濃縮装置であって、
   前記減圧手段に連通して消音器を設け、
   前記消音器は、金属あるいは樹脂材料からなる管から構成され、かつ前記管の側面の長手方向に所定間隔で複数個の小孔が穿設されることを特徴とする酸素濃縮装置。
3. 前記消音器は、第１内筒を備え、その内直径が約６〜８ｍｍの円筒管であり、前記小孔の直径を約１ｍｍとしてその長手方向に約５ｍｍの間隔で５個分を穿設して形成され、
   前記外筒はその内直径が約１５ｍｍ以上、その全長が約５ｃｍの容積部を形成した円筒管であり、
   前記第２内筒はその内直径が約６〜８ｍｍの円筒管であり、前記小孔の直径を約１ｍｍとしてその長手方向に約５ｍｍの間隔で５個分を穿設して形成され、
   前記消音器の全長を約１０〜１５ｃｍとすることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。

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