JP2009178428A

JP2009178428A - 酸素濃縮装置

Info

Publication number: JP2009178428A
Application number: JP2008021482A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Ouchi; 輝彦大内; Takashi Enomoto; 尚榎本; Hiroshi Ogawa; 洋志小川
Original assignee: Terumo Corp; Ikiken Co Ltd
Current assignee: Terumo Corp; Ikiken Co Ltd
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2028-01-31
Also published as: JP5149025B2

Abstract

【課題】患者にとって、使い勝手のよい酸素濃縮装置の提供。
【解決手段】窒素を選択的に吸着して酸素を生成する一対の吸着筒と、圧縮空気となる原料空気を濾過するフィルタ手段と、フィルタ手段で濾過された空気から圧縮空気を得るコンプレッサ手段と、一対の吸着筒に対して交互に圧縮空気を供給するように切り換えられる切換弁と、生成された酸素を貯める製品タンクと、酸素センサと、製品タンクから設定された流量で酸素を供給する鼻カニューレと、リモートコントロール部と、を備えた酸素濃縮装置であって、リモートコントロール部は、鼻カニューレの端部と酸素濃縮装置の酸素供給口との間の適所に設けられ、リモートコントロール部までは信号線とエア配管が一体となったチューブにより接続されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、医療用の酸素濃縮装置に係り、特に在宅酸素療法患者にとって使い易い可搬型の酸素濃縮装置に関するものである。

空気中の酸素を透過させ、窒素を選択的に吸着するゼオライトを触媒の吸着剤として用いることで酸素を生成する吸着法による酸素濃縮装置が、医療用として各種の機種が実用化されている。

こ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により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、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し、触媒を内蔵した一対の吸着筒に対して圧縮空気を交互に供給することで酸素を生成して、吸着筒内で生成された酸素を製品タンクに貯めておき、減圧弁や流量設定器により製品タンクから所定流量の酸素を供給可能にして、鼻カニューラ（酸素吸入具）を介して患者に対して酸素を供給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、鼻カニューラを延長チューブ等を介して長く伸ばすことで、安全に酸素を吸うことができるようになり安眠できる（特許文献１）。また、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２)。しかしながら、上記提案によるいずれの酸素濃縮装置においても、流量設定は、装置本体の設定部において行わなければならないものであった。
特開昭６３−２１２３７２号公報特開２００４−５６０号公報

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、使用者（患者）にとって、使い勝手のよい、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、収納されたゼオライトの吸着剤中に圧縮空気を透過させ、吸着剤で窒素を選択的に吸着して酸素を生成する一対の吸着筒と、圧縮空気となる原料空気を濾過するフィルタ手段と、フィルタ手段で濾過された空気から圧縮空気を得るコンプレッサ手段と、一対の吸着筒に対して交互に圧縮空気を供給するように切り換えられる切換弁と、生成された酸素を貯める製品タンクと、酸素センサと、製品タンクから設定された流量で酸素を供給する鼻カニューレと、リモートコントロール部と、を備えた酸素濃縮装置であって、リモートコントロール部は、鼻カニューレ（酸素吸入具）の端部と酸素濃縮装置の酸素供給口との間の適所に設けられ、リモートコントロール部までは信号線とエア配管が一体となったチューブにより接続されていることを特徴とする。

また、上記コンプレッサ手段は、水平対向２筒の小型コンプレッサで形成されたことを特徴とする。

また、上記酸素センサは、線材に流れる電流を測定する電流計を設けた酸素センサであり、前記線材にＬｎＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ΔとLｎ_２ＢａＣｕＯ₅とを混合した複合セラミックスの線材を用いたことを特徴とする。

また、上記酸素濃縮装置の筐体の内部の少なくとも一部にポリプロピレン不織布を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、収納されたゼオライトの吸着剤中に圧縮空気を透過させ、吸着剤で窒素を選択的に吸着して酸素を生成する一対の吸着筒と、圧縮空気となる原料空気を濾過するフィルタ手段と、フィルタ手段で濾過された空気から圧縮空気を得るコンプレッサ手段と、一対の吸着筒に対して交互に圧縮空気を供給するように切り換えられる切換弁と、生成された酸素を貯める製品タンクと、酸素センサと、製品タンクから設定された流量で酸素を供給する鼻カニューレと、リモートコントロール部と、を備えた酸素濃縮装置であって、リモートコントロール部と、酸素濃縮装置の制御部とは無線で通信することを特徴とする。

本発明によれば、使用者（患者）にとって、使い勝手のよい、酸素濃縮装置を提供することができる。なお、各構成要素の効果は以下の通りである。
＜信号線／エア配管一体化の効果＞
患者の手元で操作できるリモートコントロール部を設けることができるとともに、エア配管の折れ曲がりが防止できる。
＜水平対向２筒式小型コンプレッサの効果＞
水平対向２筒式小型コンプレッサは、従来の両軸モータの左右にピストンが配置されたコンプレッサ構造と比較すると、モータ軸が片軸となり、部品点数が減少し、特に長手方向が短くなり、小型化される。また、振動が少ない効果が得られる。
＜小型酸素センサの効果＞
従来の携帯型酸素濃縮装置には酸素センサは搭載されておらず、本願の小型酸素センサは、線材に流れる電流を測定する電流計を設けた酸素センサであり、前記線材にＬｎＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ΔとLｎ_２ＢａＣｕＯ₅とを混合した複合セラミックスの線材を用いたことを特徴とし、高精度で小型、軽量を実現できる。
＜マニホルドの効果＞
従来の携帯型酸素濃縮装置は配管継手および配管チューブを組み付けていたがマニホルド構造にすることで、無駄な配管が削除され、組立性が向上し、効率の良い流路が確保される。また、配管部品の経年劣化による性能低下がなくなる。
＜ポリプロピレン不織布の効果＞
筐体カバーの内側および本体内部にポリプロピレン不織布を用いた消音部品を配置することにより、携帯型酸素濃縮装置の低騒音が実現できる。
＜気圧に応じた酸素濃度調整の効果＞
気圧に応じたコンプレッサ回転制御を行なうことにより、気象状況の変化や高度変化に左右されず、安定した濃度の酸素を供給することができる。
＜ＧＰＳの効果＞
携帯型酸素濃縮装置にＧＰＳを搭載することにより、販売した酸素濃縮装置の位置情報を把握し、稼動状況を知り得る１つの手段とすることができる。
＜気圧センサの効果＞
ＧＰＳとの組合せにより、屋外，航空機等いかなる使用環境にも適応して、濃縮酸素を供給することができる。

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、特にバッテリ電源のみで駆動する携帯型（可搬型）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。

図１は、一実施形態に係る酸素濃縮装置１を前方左斜め上から見た外観斜視図である。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、特徴としては従来の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３４円（電気代を１ｋｗＨ当たり１５．５８円として）とする一方で、付属された充電式バッテリと家庭用電源で使用できることなどがある。また、充電式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、充電式バッテリ使用モードでは酸素流量が毎分１．２５Ｌ以上に設定された場合には、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」に自動的に切り替わる機能を備えている。

表面カバー２ａと裏面カバー２ｂを射出成形樹脂部品とし、さらに吸着筒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１０ｋｇの軽量化（ＡＣ電源使用でキャリアを設けない場合）とした。この結果、大人が片手で持ち運べる、所謂可搬型にするための取っ手部分となるとともに、装置１を持ち上げる力に十分に耐え得る強度を備えるハンドル４を上方に設けており、デザイン的な特徴を演出している。

この酸素濃縮装置１の外形寸法は、全体が丸みを帯びており、具体的には幅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２ａ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２ｂを含む残りの部分をベージュないし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、室内に酸素濃縮装置１を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２ａと裏面カバー２ｂ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自由度を確保している。また、キヤリア１２上にボルト１２ａを介して酸素濃縮装置１を載置し、キヤリア１２に一体的に設けられたキャスタ１２ｂにより室内などで移動を容易にしている。

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２ｂ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、電源スイッチ６と、樹脂製部品である酸素出口７と、酸素流量設定スイッチ８が配置されている。この酸素出口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５〜１５ｍｍ程度の延長チューブ１５の開口部が連通し、その先端にはリモートコントロール部８ａが設けられている。このリモートコントロール部８ａには、酸素流量設定スイッチ、異常を知らせるイベントスイッチ，酸素流量表示部等が設けられている。さらに、リモートコントロール部８ａと鼻カニューレ（酸素吸入具）１４ａの延長チューブ１４の端部１４ｂの開口部が連通するようにセットされる。なお、延長チューブ１５は、塩化ビニル樹脂等で外径５〜１０ｍｍ、内径３〜６ｍｍ程度に形成され、電気信号線が埋め込まれるか電気信号線用のルーメン１５ｃを設けてその中に電気信号線が設けられている。また、濃縮酸素供給用のルーメン１５ａが設けられている。こうして、電気信号線とエア配管が一体化されている。なお、この電気信号線は螺旋状に設けることで、チューブの折れ曲がりを防止することができる。

操作パネル５は、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。このため従来の装置のようにいちいち座ったり覗き込む必要がなくなる。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。

また、鼻カニューレ（酸素吸入具）１４ａに接続された延長チューブ１５を引っかけるための不図示のフックを設けてもよい。鼻カニューラ１４ａに接続されたチューブ１５は、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を有しており、未使用時は、延長チューブ１５を数回巻き付けた後に、延長チューブ１５をフックに引っかける。

また、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表示部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殆ど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」の文字を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の下方には緑と赤に点灯する例えば発光ＬＥＤを内蔵した酸素濃度ランプ１２８ｂが設けられている。また、設定した酸素流量（Ｌ／分）表示部１２８ｅも備えている。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、充電式バッテリ１２７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、５段階の液晶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２０％減るごとに、右側から消灯して点灯数がすくなくなり、残り１つになると内蔵のブザーで警告する。

そして、充電式バッテリ１２７の残量が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に点滅（間欠的に光る）するとともに、５分おきに内蔵のブザーで警告する。このようにして、特に外出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。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が鳴り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、ブザーを鳴らすことで特に視覚障害者に知らせるようにしている。酸素濃度ランプ１２８ｂは、酸素が正常に流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、バッテリ駆動モードで、酸素流量が１．２５Ｌ以上のときに一定時間、呼吸状態を検出できなかったときに赤色に点灯し、ブザーを鳴らすようにしている。

なお、電源スイッチ６をオンすると、ブザーが鳴り、全てのランプが２秒間緑色に点灯する。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段階の液晶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キー８で所定流量に設定すると、酸素供給が開始される。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２２に付着したゴミ、埃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２２を容易に着脱できるように構成されている。

＜酸素濃縮装置１の配管およびブロック図の説明＞
図２は、酸素濃縮装置１のブロック図を兼ねて図示した配管の模式図である。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。図中の二重線は空気、酸素、窒素ガスの流路となる配管２４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１０として水平対向２筒式のコンプレッサを使用した場合について述べる。また、外気（空気）を吸気口２ａ、フィルタ２２を介してコンプレッサ１０に導入し、排気口２ｂを介して外部に排出する主筐体２については密閉容器として図中において概ね破線で図示されている。

図２において、導入空気の流れに沿って順次述べる。吸気口２ａ、フィルタ２２、配管２４を介して原料空気（外気）が破線で図示した防音室３内に位置するコンプレッサ１０に入る。コンプレッサ１０は防振状態で、ボルトにより、下部マニホルドＭ１に固定され、また、防音室３に固定されている（図１，図３参照）。

濾過された原料空気は、後述するコンプレッサ１０の圧縮機構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が形成されたアルミ製の下部マニホルドＭ１（破線で示す）に送り出され下部マニホルドＭ１の放熱効果により冷却されるため、送風ファン３０の小型化が図れる。冷却された圧縮空気が第１吸着筒体１０８ａと第２吸着筒体１０８ｂに導入される。こうして、高温では機能低下してしまう吸着剤であるゼオライトが十分に機能できるようになる結果、酸素を９０％程度以上にまで濃縮できるようになる。

圧縮空気は、配管２４ｄを介して並列に２本分が上記のように配置された、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とになる。このため切換弁である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３方向切換弁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の浄化工程を行うために、３方向切換弁１０９ａ、１０９ｂに対して配管２４ｆが図示のように接続されている。

以上の第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、Ｓｉ_２０_３／Ａｌ_２Ｏ_３比が２．０〜３．０であるＸ型ゼオライトであり、かつこの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せるようにしている。特に約０.３〜０.６ｍｍ程度の顆粒測定値を有するとともに、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。この結果、圧縮空気を発生するためのコンプレッサ１０をより小型のタイプとすることができ、一層の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、絞り弁と開閉弁とからなる均等圧弁１０７が図示のように分岐接続されている。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２４ｄに対して配管されている。また、各吸着筒体内の圧力を検出する不図示の圧力センサが配管されている。

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所謂レギュレータである圧力調整器１１２が配管されている。この圧力調整器１１２の下流側には、後述する酸素濃度センサ１１４が配管２４ｅを介して接続されており、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が配管２４ｇを介して接続されており、その下流側には酸素流量センサ１１６がさらに接続されている。またこのセンサ１１６の下流には呼吸同調制御のための負圧回路基板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、酸素濃縮装置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。

次に、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、主筐体２の底部に内蔵される内蔵電池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電池２２７と電源制御回路２２６から構成されている。内蔵電池２２８および外部電池２２７は繰り返し充電可能な２次電池であり、内蔵電池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、少なくとも内蔵電池２２８は、少なくとも５００回（数１００回程度）程度の繰り返し充放電が可能で、電池残量、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、電池残量、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、外部電池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電池充電器を用いて繰り返し充電されることになる。または、専用設計された電池充電器を一体化した外部電池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１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、内蔵電池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、外部電池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とになる。

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中央制御部２００により電源制御回路２２６が制御される。

また、電源制御回路２２６には、ＩＤタグコード識別回路２３０がさらに接続される場合があり、後述するように携帯時に充電式電池切れとなる事態を防止できるようにしている。すなわち、携帯時に充電式電池切れとなる事態を防止するためには、複数の充電式電池２２８を接続すると良いが、このように複数の電池を接続すると電源切替の手段が複雑になるし、また個別に電力消費をモニタすることができなくなる。

そこで複数の充電式電池２２８、・・・２２８の内で、放電済の電池からフル充電された充電式電池に自動的に切り換える制御を可能にするために個別に識別ＩＤタグコード及び充電状態検出手段を設けておき、放電済の電池を確認可能にしてフル充電された電池に切り換えるようにしている。さらにまた、電池使用したい時間に合致させて、接続する電池の数を自由に選択し、利便性を高めるようにしている。

さらに内蔵の内蔵電池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、外部電池２２７は例えば患者の衣類のポケット内に収容しておき、適宜接続することで外出時などで使用することが可能になる。この外部電池２２７には上記の充電残量表示部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り、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、通常のシリーズ式でも良い。また、内蔵電池２２８および外部電池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やニッケル水素電池でも良い。さらに、緊急時に備えて、どこでも入手可能な乾電池のボックスとして外部電池を構成しても良いことになる。

また、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プログラムが記憶されており、多くの酸素生成をする場合は自動的にコンプレッサ１０、送風ファン３０を高速駆動し、少ない酸素生成時の場合には低速に回転駆動する制御を行うモータ制御部２０１、ファンモータ制御部２０３を介して夫々行うことで、特に、内蔵電池２２８を温存させるようにしている。この結果、外部電池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、揮発メモリと一時記憶装置とリアルタイムクロックからなる回路２０７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とをオンオフ制御することで、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ように制御する制御回路２０８と、上記の酸素濃度センサ１１４と比例開度弁１１５と、流量センサ１１６とデマンド弁１１７とを駆動制御する流量制御部２０２が中央制御部２００に接続されている。

総重量が約５００ｇのコンプレッサ１０は、モータ制御部２０１に内蔵される可変速度制御部により正弦波駆動波形でアウターロータ式の電動モータを含む直流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１０は、各速度で運転可能であって、必要な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ように構成されている。

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１０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の頻度に基づき判断されると、コンプレッサ１０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、後述するように酸素濃度の低い高地にいることがＧＰＳで判断されたときなど、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、充電式電池での駆動時の寿命を延ばすことが可能になるとともに、充電式電池の重量と大きさを軽減し、コンプレッサ１０の摩耗度を低めて寿命を延ばすことで信頼性を向上できる二次的効果を得ることも可能になる。

このコンプレッサ１０は、上記のように圧縮空気発生のみ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、回転速度が５００ｒｐｍから３０００ｒｐｍの間で制御される。また、このコンプレッサ１０は、空気を６０〜１５０ｋＰａ程度に圧縮する性能を備えている。

このコンプレッサ１０を取り巻く操作温度は、０℃〜４０℃であり、コンプレッサ１０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３０Ｗ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。下部マニホルドＭ１に放熱・冷却効果があるため、必要最小限のファンでよく騒音の低下、電力の低減に貢献する。

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にまで低減されるので大幅な電力低減が図れることになる。

以上の各構成部品は、低騒音化された小型酸素濃縮装置１の組立作業性および点検整備性の向上を配慮して、一方向から主に主筐体２をその取り付け部として固定できるように設計されている。すなわち、各種制御基板と、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負圧回路基板１１８に接続されるデマンド弁１１７を、全て一方向から固定できるように構成されている。特に振動または騒音発生の伴う構成部品は防音室３の内部において防音状態かつ防振状態で設けることで、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。また、３方向切換弁の作動音は上記のように防音材（防音シート）１１で覆うことで防音している。さらに主筐体２は、その吸気口２ｃを介して内部に導入し、排気口（不図示）を介して外部に排出する必要最小限の開口を備えた密閉カバーとして構成されることから、さらなる騒音低減を図ることが可能になる。

＜水平対向２筒式コンプレッサの構造＞
図１において、コンプレッサ１０を防音状態で収納する防音室３の内側には防音材１１が適所（好ましくはほぼ全面）に敷設されている。この防音材１１は、その繊維径が１〜４μｍのポリオレフィレン系繊維（好ましくは、ポリプロピレン繊維）と、繊維径が２０〜３０μｍのポリオレフィレン系繊維（好ましくは、ポリプロピレン繊維）とからなる不織布を用いることができる。このような不織布を用いて軽量に構成することができ、かつ防音効果がある。
コンプレッサ１０は水平対向式のコンプレッサであり、モータ軸が片軸で、部品点数が減少し、特に長手方向が短くなり、小型化される。また、振動が少

図３は、コンプレッサ１０、吸着筒１０８ａ，１０８ｂ、下部マニホルドＭ１、上部マニホルドＭ２を固定した様子を図示した模式図であり、全体の総重量が約１ｋｇ程度である。コンプレッサ１０の配管２４は、下部マニホルドＭ１に嵌め込まれ、Ｏリングでシールされている。また、吸着筒１０８ａ，１０８ｂの上部は上部マニホルドＭ２に嵌め込まれ、Ｏリングでシールされている。また、上部マニホルドＭ２とコンプレッサ１０はボルトにより、固定され、こうしてコンプレッサ１０、吸着筒１０８ａ，１０８ｂ、下部マニホルドＭ１、上部マニホルドＭ２を固定されている。

以上の構成により酸素濃縮装置１の電源スイッチ６がオンされることで、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１０と、３方向切換弁１０９ａ、１０９ｂ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と同時にコンプレッサ１０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が、上記のように防振及び防音が施されているので外部に漏れ出る騒音、振動は非常に小さくできる。

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、生成された酸素は逆止弁を通り、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。

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次の加圧に備えた準備が行われる。

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。第２吸着筒体１０８ｂに流れ込んだ圧縮空気から分離されて生成された酸素は、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不図示の圧力センサ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。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なる。

尚、流量センサ１１６は、使用する酸素流量を決定するために、流量設定で設定された設定値を読み取るとともに、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、実流量を測定できるようにしている。

＜全地球測位システム（ＧＰＳ），気圧に応じた酸素供給の自動設定＞
制御装置２００は選択モードにより全地球測位システム装置２２１に接続されることで、全地球測位システム２２１で計測される酸素濃縮装置１の使用場所の高度に応じてコンプレッサ１０の回転数を増減させ、圧縮空気量を変化させることができる。

図４は、全地球測位システム２２１により装置の使用場所の高度を計測して、酸素供給量を増加させる動作説明フローチャートである。酸素濃縮装置１が起動されるとステップＳ１０に進み全地球測位システムの測量が行われる。この全地球測位システム２２１では、４つの人工衛星との間で行われる４点測量と３つの人工衛星との間で行われる３点測量から求めた座標と、内蔵の高度地図との対比から高度を計測することができるので、ステップＳ１１において、４点測量または３点測量を選択する。ステップＳ１１にて４点測量が選択されるとステップＳ１２に進み高度計算を行う。この高度計算の結果と気圧センサ２２２により測定された気圧に基づき（ステップＳ１３）、高高度で気圧が低い時はコンプレッサ１０の回転数を増やし、酸素濃度を改善させる（ステップＳ１４）。なお、航空機内では、全地球測位システム２２１を作動させずに気圧計２２２により測定された機内の気圧に基づいてモータの駆動制御を行うようにするとよい。この後、ステップＳ１５においてモータ駆動制御を行い処理を終了する。一方、ステップＳ１１において、３点測量が選択されるとステップＳ１６に進み、３点測量でも無いと判断されると再測量のためにステップＳ１０に戻り、上記のステップＳ１０からやり直す。ステップＳ１６で３点測量であると判断されるとステップＳ１７において、内蔵の高度地図を参照して高度が決定されるので、この高度と気圧センサ２２２により測定された気圧に対応したコンプレッサ１０の回転数とし、安定した酸素濃度を供給する。この後、ステップＳ１５においてモータ駆動制御を行い処理を終了する。なお、登山／下山等で高度，気圧の変化がある場合に備えて図４に示す処理フローを３０分ごとに更新するようにしてもよい。また、気圧センサ２２２による使用環境での気圧に基づきモータ駆動制御を行ってもよい。

＜小型酸素センサの説明＞
次に、小型酸素センサの構成について説明する。外径０．３〜１．０ｍｍ程度の線材の両端に電源を設け、この線材に所定電圧を印加して、流れる電流を測定する電流計を設けた酸素センサであり、この線材にＬｎＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ΔとＬｎ_２ＢａＣｕＯ₅とを混合した複合セラミックスの線材を用いたことを特徴とするものである。また、線材の両端に電源を設け、この線材に所定電圧を印加して、流れる電流を測定する電流計を設けた酸素センサであり、この線材にＧｄＢａ_２Ｃｕ_３０_７−ΔとＧｄ_２ＢａＣｕＯ₅とを混合した複合セラミックスの線材を用いたことを特徴とするものである。また、線材の両端に電源を設け、この線材に所定電圧を印加して、流れる電流を測定する電流計を設けた酸素センサであり、線材中にＬｎＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ΔとＬｎ_２ＢａＣｕＯ₅とを含む線材を用いたことを特徴とするものである。また、線材の両端に電源を設け、線材に所定電圧を印加して、流れる電流を測定する電流計を設けた酸素センサであり、この線材中にＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ΔとＧｄ_２ＢａＣｕＯ₅とを含む線材を用いたことを特徴とするものである。

＜モジュラー電池２２８の説明＞
図５(ａ)は、モジュラー電源装置の模式図、図５(ｂ)はモジュラー電源装置の回路図である。本図において、複数の充電式電池２２８、・・・、２２８の内で、放電済の電池からフル充電された充電式電池に自動的に切り換える制御を可能にするために個別に特有のＩＤコード（識別コード）２２８ａ、２２８ｂ、２２８ｃ、２２８ｄ、２２８ｅと充電状態検出装置２３０を設けておき、放電済の電池を確認可能にして、フル充電された電池に切り換えるようにしている。さらにまた、電池使用したい時間に合致させて、接続する電池の数を自由に選択し、利便性を高めるようにしている。

図６は、モジュラー電源装置の動作説明フローチャートである。本図において、装置１の起動後にステップＳ３１において、各充電式電池に特有のＩＤコード２２８ａ、２２８ｂ、２２８ｃ、２２８ｄ、２２８ｅを個別に確認する。これに続き、ステップＳ３２において各充電式電池の充電状態または放電状態を確認する。以上のステップＳ３１、３２によって電圧電池が放電済である電池が確認されることで上記のＩＤコードとともに記憶される。その後、ステップＳ３４において放電前の充電式電池に切り換えることで電源供給端子を介して電力供給を行う。以上のステップ３１〜３４を繰り返し実行して、全電池が放電したことをステップＳ３５で確認されるとステップＳ３６に進みアラームにより使用できなくなったことを知らせる。

なお、上記の電池はリチウム・イオン積層構造であって、出力電圧が３．７〜２９．０Ｖの二次電池が含まれる。その重量は５００ｇ程度で、呼吸同調制御を行う場合において、８８〜９４％の濃縮酸素流量が最大２Ｌ／分時に最大２時間の動作を可能にしている。このリチウム・イオン・電池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電池と外部電池から電力供給されるが、多数の電池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電池を持つことで、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。

本発明の一実施形態である小型酸素濃縮装置１の外観斜視図である。小型酸素濃縮装置１の配管図を兼ねたブロック図である。一体化された水平２筒式コンプレッサ，マニホルド，吸着筒の模式図である。全地球測位システムにより装置の使用場所の高度を計測して、酸素供給量を増加させる動作説明フローチャートである。 (ａ)は、モジュラー電源装置の模式図、(ｂ)はモジュラー電源装置の回路図である。モジュラー電源装置の動作説明フローチャートである。

符号の説明

１酸素濃縮装置
３防音室
４携帯用バッグ
５操作パネル
１０コンプレッサ
１１防音材
１１４酸素センサ
２２１全地球測位システム
２２２気圧センサ

Claims

収納されたゼオライトの吸着剤中に圧縮空気を透過させ、前記吸着剤で窒素を選択的に吸着して酸素を生成する一対の吸着筒と、前記圧縮空気となる原料空気を濾過するフィルタ手段と、前記フィルタ手段で濾過された空気から前記圧縮空気を得るコンプレッサ手段と、前記一対の吸着筒に対して交互に圧縮空気を供給するように切り換えられる切換弁と、前記生成された酸素を貯める製品タンクと、酸素センサと、前記製品タンクから設定された流量で酸素を供給する鼻カニューレと、リモートコントロール部と、を備えた酸素濃縮装置であって、
前記リモートコントロール部は、前記鼻カニューレの端部と酸素濃縮装置の酸素供給口との間の適所に設けられ、前記リモートコントロール部までは信号線とエア配管が一体となったチューブにより接続されていることを特徴とする酸素濃縮装置。
前記コンプレッサ手段は、水平対向２筒の小型コンプレッサで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
前記酸素センサは、線材に流れる電流を測定する電流計を設けた酸素センサであり、前記線材にＬｎＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ΔとLｎ_２ＢａＣｕＯ₅とを混合した複合セラミックスの線材を用いたことを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
前記酸素濃縮装置の筐体の内部の少なくとも一部にポリプロピレン不織布を設けたことを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
収納されたゼオライトの吸着剤中に圧縮空気を透過させ、前記吸着剤で窒素を選択的に吸着して酸素を生成する一対の吸着筒と、前記圧縮空気となる原料空気を濾過するフィルタ手段と、前記フィルタ手段で濾過された空気から前記圧縮空気を得るコンプレッサ手段と、前記一対の吸着筒に対して交互に圧縮空気を供給するように切り換えられる切換弁と、前記生成された酸素を貯める製品タンクと、酸素センサと、前記製品タンクから設定された流量で酸素を供給する鼻カニューレと、リモートコントロール部と、を備えた酸素濃縮装置であって、
前記リモートコントロール部と、前記酸素濃縮装置の制御部とは無線で通信することを特徴とする酸素濃縮装置。