JP2011505906A - 呼吸レートにもとづいて酸素の供給を制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ユーザによって容易に運ばれるように構成され、ユーザに酸素を届ける重量４〜２０ポンドの可搬の酸素濃縮器システムが、充電式のエネルギー源と、前記エネルギー源を動力とし、外気を前記ユーザのための濃縮酸素ガスへと変換するように構成された濃縮器と、ユーザの呼吸活動を検出し、呼吸活動に応答した信号を生成する吸気センサと、前記検出された呼吸活動に応答した信号を受信し、前記検出された呼吸活動に応答した受信信号に部分的にもとづいて呼吸レートを割り出し、該割り出された呼吸レートに少なくとも部分的にもとづいてユーザの酸素の要求を満たすために充分な酸素の流れを届けるように当該可搬の酸素濃縮器システムを制御する制御ユニットと、を備える。

Description

本発明の分野は、広くには、酸素濃縮システムに関し、とくには、歩行可能な呼吸器関連ユーザ（以下では、「ユーザ」と称する）のための可搬の酸素濃縮システムに関する。さらに、本発明は、酸素濃縮システムまたは可搬の酸素濃縮システムにおいてユーザへの酸素の供給を制御するための方法に関する。

家庭および歩行中の酸素について、ニーズが急成長している。例えば肺線維症、サルコイドーシス、または職業性肺疾患などの肺障害を抱えるユーザのために、酸素補給が必要である。そのようなユーザのために、酸素療法が、ますます有用な、長生きの秘訣となっている。肺疾患の治療ではないものの、酸素補給は、血液酸素化を向上させ、低酸素血症を覆す。この療法は、器官系（とくには、心臓、脳、および腎臓）への酸素不足の長期的影響を防止する。

酸素治療は、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）ならびに心疾患およびＡＩＤＳなどといった呼吸器系を弱らせる他の病気にも処方される。酸素補給療法は、ぜんそくおよび肺気腫にも処方される。

可搬の酸素濃縮器が、ＣＯＰＤおよび他の呼吸の病気を抱える歩行可能な呼吸器関連ユーザに気体酸素を供給するために市販されている。可搬の酸素濃縮器は、大気の酸素含有量を高濃度の気体酸素へと高める。可搬の酸素濃縮器は、小型かつ軽量であり、歩行可能な呼吸器関連ユーザが、可搬の酸素濃縮器を自宅の内外で容易に使用および運搬することを可能にしている。結果として、呼吸器関連ユーザに、ユーザの全体としての健康を改善することができる、より活発なライフスタイルをもたらすことができる。

可搬の酸素濃縮器は、例えば家庭用の酸素濃縮器と比べてサイズおよび重量が小さく、可搬の酸素濃縮器をユーザにとってより運搬しやすいものにしている。可搬の酸素濃縮器は、一般に、１つ以上の充電式電池にて動作する。小さなサイズ、重量、および電源の制約に起因する可搬の酸素濃縮器の弱点は、酸素をユーザへと大流量で長時間にわたって届けることが、通常はできない点にある。結果として、可搬の酸素濃縮器においては必要とされるときにだけユーザへと酸素の流れを届け、酸素の流れをユーザが必要とする量だけ届けるために、特定の効率化技術を使用する必要がある。可搬の酸素濃縮器において生じる他の問題は、歩行可能な患者が、場合によっては、可搬の酸素濃縮器が移動の最中にもたらす酸素よりも多くの酸素を要求する点にある。

したがって、本発明の態様は、呼吸レートにもとづく酸素の生成および送出の閉ループ制御のためのシステムおよび方法に関する。このシステムおよび方法は、システムが要求モードまたはパルスモードにあるときに使用される。このシステムおよび方法は、ユーザの要求が増したときにより多くの酸素をユーザへともたらすために、システムがユーザへと正しい量の酸素を最適に届けるよう、濃縮器の送出量および酸素生成量を自動的に調節することができる。このシステムおよび方法は、ユーザの呼吸レートを割り出し（血中酸素濃度が、割り出された呼吸レートから推測される）、システムによって生成される酸素の流れを圧縮機の速度および／またはバルブのタイミングを調節することによってユーザの要求に一致するように調節する。これによる電力の節約が、可搬の酸素濃縮器について電源でのより長い動作時間をもたらす。さらには、呼吸レートが活動のレベルおよび他の要因につれて変化するときに、ユーザの血液酸素が酸素について飽和した状態のままであるため、臨床上の利点がユーザへともたらされる。

本発明の別の態様は、ユーザによって容易に運ばれるように構成され、ユーザへと酸素を届ける可搬の酸素濃縮器システムに関する。この可搬の酸素濃縮器システムが、充電式電池などのエネルギー源と、前記エネルギー源を動力とし、外気を前記ユーザのための濃縮酸素ガスへと変換するように構成された濃縮器と、ユーザの呼吸活動を検出し、検出された呼吸活動に応答した信号を生成する吸気センサと、前記検出された呼吸活動に応答した信号を受信し、前記検出された呼吸活動に応答した受信信号に部分的にもとづいて呼吸レートを割り出し、該割り出された呼吸レートに少なくとも部分的にもとづいてユーザの酸素の要求を満たすために充分な酸素の流れを届けるように前記濃縮器を制御する制御ユニットとを備えており、重量が４〜２０ポンドである。

本発明のさらなる態様は、すぐ上で述べた可搬の酸素濃縮器システムを使用してユーザへと酸素を届けるための方法に関する。この方法は、前記吸気センサによってユーザの呼吸活動を検出し、検出された呼吸活動に応答した信号を生成するステップ、前記検出された呼吸活動に応答した信号を、前記制御ユニットによって受信するステップ、前記検出された呼吸活動に応答した受信信号に部分的にもとづいて、呼吸レートを前記制御ユニットにおいて割り出すステップ、および該割り出された呼吸レートに少なくとも部分的にもとづいてユーザの酸素の要求を満たすために充分な酸素の流れを届けるように前記濃縮器を前記制御ユニットで制御するステップを含んでいる。

本発明の他の目的、特徴、態様、および利点、ならびにさらなる目的、特徴、態様、および利点が、添付の図面についての以下の詳細な説明によって、よりよく理解されるであろう。

呼吸レートにもとづいて酸素の供給を制御する可搬の酸素濃縮システムの実施の形態のブロック図である。 呼吸レートにもとづいて酸素の供給を制御する方法の実施の形態のフローチャートである。 本発明の実施の形態に従って構成された可搬の酸素濃縮システムの別の実施の形態のブロック図である。 本発明のさらなる実施の形態に従って構成された可搬の酸素濃縮システムのブロック図であり、とくには空気分離装置の実施の形態を示している。 可搬の酸素濃縮システムにおいて使用することができる濃縮器の実施の形態の斜視切断図である。 図５Ａに示した濃縮器の斜視分解図である。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器において使用することができる上部マニホールドおよび複数の吸着ベッドの実施の形態の上方からの斜視図である。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器において使用することができる回転バルブシューの実施の形態の底面図である。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器において使用することができる回転バルブシューの実施の形態の上面図である。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器において使用することができるバルブポートプレートの実施の形態の上面図である。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器における典型的なプロセスサイクルのフローチャートである。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器において使用することができる媒体保持キャップの実施の形態の上方からの斜視図である。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器において使用することができる媒体保持キャップの実施の形態の下方からの斜視図である。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器において使用することができる心出しピンを備える回転バルブアセンブリの実施の形態の上方からの斜視分解図である。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器において使用することができる心出しピンを備える回転バルブアセンブリの実施の形態の下方からの斜視分解図である。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器において使用することができる心出しリングを備える回転バルブアセンブリの実施の形態の下方からの斜視分解図である。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器において使用することができる心出しリングを備える回転バルブアセンブリの実施の形態の上方からの斜視分解図である。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器において使用することができる回転バルブシュー、モータ駆動部、および１対の弾性チェーンリンクの実施の形態の下方からの斜視図である。 図１２Ａに示した回転バルブシュー、モータ駆動部、および１対の弾性チェーンリンクの上方からの斜視分解図である。 図１２Ａに示した回転バルブシュー、モータ駆動部、および１対の弾性チェーンリンクの下方からの斜視分解図である。 図５Ａおよび５Ｂに示した濃縮器を備える可搬の酸素濃縮システムについての実験データの表である。 可搬の酸素濃縮システムのさらなる実施の形態および可搬の酸素濃縮システムとともに使用するためのクレードルの実施の形態の概略図である。 可搬の酸素濃縮システムの実施の形態において使用することができる１つ以上のセンサのブロック図である。 可搬の酸素濃縮システムの制御ユニットによって制御することができる１つ以上の構成要素のブロック図である。 本発明のさらなる実施の形態に従って構成された可搬の酸素濃縮システムのブロック図である。 高圧リザーバを備える可搬の酸素濃縮システムの別の実施の形態の概略図である。 本明細書に記載の種々の実施の形態に関連して使用することができる典型的なコンピュータシステムを示すブロック図である。

図１を参照し、呼吸レートにもとづいて酸素の供給を制御する可搬の酸素濃縮システム１００の実施の形態を説明する。システム１００を、可搬の酸素濃縮システム１００として説明するが、別の実施の形態においては、システム１００が、家庭の酸素濃縮システム１００、航空機の酸素濃縮システム、またはその他のケア用の酸素濃縮システムである。

可搬の酸素濃縮システム１００は、圧縮機１１０と、濃縮された酸素ガスを大気から分離する酸素ガス発生器または濃縮器１２０などの空気分離装置と、酸素ガス発生器１２０から濃縮された酸素ガスを受け取る生成物タンク１３０と、１つ以上のセンサ１４０、１５０（例えば、流量センサ１４０、吸入／吸気センサ１５０）と、ユーザ１７０への流れを制御するためのバルブ１６０（例えば、プロポーショナルバルブ）と、濃縮された酸素ガスをユーザ１７０へと直接届けるためのカニューレ（ｃａｎｎｕｌａ）１８０と、本明細書に記載の様相で可搬の酸素濃縮システム１００を制御するためにセンサ１４０、１５０、酸素ガス発生器１２０、バルブ１６０、および圧縮機１１０へと接続された制御ユニット１９０と、本明細書に記載の電気部品のうちの１つ以上を動作させるエネルギー源２００（例えば、充電式電池、充電式電池パック、燃料電池）とを備えている。

流量センサまたは流量測定装置１４０が、生成物タンク１３０からユーザ１７０へと延びる供給配管２１０を通過する酸素ガス生成物の流量を測定する。制御ユニット１９０が、ボーラス量（ｂｏｌｕｓ ｖｏｌｕｍｅ）を割り出すために流量を積分する。

吸気センサ１５０は、ユーザの呼吸の変化を割り出すためにユーザ１７０の呼吸活動を監視する吸入／呼吸センサである。吸気センサ１５０は、ユーザ１７０が吸気する努力を開始しているときを判断するために使用される信号を生成する。図示の実施の形態においては、これが、供給配管２１０の圧力の変化を測定することによって行われるが、別の実施の形態においては、吸気センサ１５０が、流量を測定してもよい。好ましくは吸入が検出されるが、別の実施の形態においては、吸気センサ１５０が、これらに限られるわけではないが胸部の運動または呼気など、何らかの追加の状態または活動あるいは他の状態または活動の検出にもとづいて、吸入が生じているときを判断する。

バルブ１６０は、好ましくは、ボーラス投与（ｂｏｌｕｓ ｄｅｌｉｖｅｒｙ）の際にユーザへの酸素の流れを制御するために比例的に開くプロポーショナルバルブである。

制御ユニット１９０は、吸気する試み（ｅｆｆｏｒｔ）を監視し、圧縮機１１０の速度および／またはＡＴＦバルブアセンブリを制御し、ユーザ１７０へと送出される流れおよびボーラスサイズ（ｂｏｌｕｓ ｓｉｚｅ）を制御する。制御ユニット１９０は、さらに詳しく後述される流れ制御アルゴリズムを備えており、そのようなアルゴリズムを処理する。

制御ユニット１９０の中心的な制御アルゴリズムは、呼吸レートにもとづいてユーザ１７０が求める酸素の量を測定する手段を提供する。割り出された呼吸レートから、ユーザ１７０の血中酸素濃度が推定される。次いで、可搬の酸素濃縮システム１００の生成速度が、ユーザ１７０によって求められる必要な酸素の流量に対応するように調節される。これは、制御ユニット１９０に搭載されるマイクロプロセッサソフトウェアへと呼吸レートの推定器またはユーザの求める流量を推定する推定器を組み込むことによって達成される。この実施の形態においては、推定器が、１０秒の期間において行われる呼吸の数の測定を、４回行う。次いで、これらの４つの数が、ユーザの求める流量の推定をもたらすために、コンピュータによる有限インパルス応答低域通過フィルタを使用してフィルタ処理される。設定すべきボーラスサイズ、およびユーザ１７０による１分当たりの呼吸における呼吸レートを知ることで、制御ユニット１９０が、等価流量を計算することができる。例えば、ボーラスサイズが４８ｍｌであり、呼吸レートが毎分２０回の呼吸であると判断される場合、等価流量は０．９６リットル／分である。次いで、可搬の酸素濃縮システム１００の酸素生成速度が、ＡＴＦ酸素ガス発生器１２０への空気および真空（送出速度を制御する）の流れを制御する圧縮機１１０の速度を調節すること、および酸素発生速度を制御するＡＴＦ回転バルブアセンブリの回転バルブ速度の速度を調節することによって、この速度に設定される。別の実施の形態は、真空を必要としない。またさらなる実施の形態は、減圧スイング吸着または圧力スイング吸着を必要としない。

図２を参照して、ユーザの求める流量を割り出すための典型的な方法３００を説明する。上述のように、推定器が、１０秒間の期間において行われる呼吸の回数を４回測定し、したがって各々の１０秒間のタイミングループが、ユーザの求める流量を割り出すために４回実行される。ステップ３１０において、１０秒間のタイミングループが開始される。制御が、ステップ３２０へと渡され、制御ユニット１９０が、吸気センサ１５０からの信号の読み取りを取得する。ステップ３３０において、ユーザ１７０による吸気が検出されるか否かが判断される。吸気が検出されない場合、制御がステップ３２０へと戻される。吸気が検出された場合、制御はステップ３４０に渡され、酸素のボーラスがユーザ１７０へと届けられる。次いで、ステップ３５０において、呼吸カウンタがインクリメントされる。ステップ３６０において、タイミングループが１０秒に達したか否かが判断される。達していなければ、制御はステップ３２０へと戻る。タイミングループが１０秒に達した場合、制御はステップ３７０へと渡され、ユーザの求める流量を割り出すためにデジタルフィルタが適用される。フィルタは、１０秒ごとに最も古い１０秒のサンプルを除外し、新しい１０秒のサンプルを追加する有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタを含んでいる。次いで、呼吸レート推定器は、３つの古いサンプルおよび新しいサンプルにもとづいて推定の呼吸レートを再計算する。重み付け係数が、より新しい測定値に、より重みを与えるように各々のエントリへと与えられる。これは、フィルタの時間応答特性を制御する。次いで、ユーザの求める流量（そこからユーザの血中酸素濃度が推定される）および既存のＡＴＦ酸素ガス発生器のサイクル速度データを知ることで、ステップ３８０において、ＡＴＦ酸素ガス発生器のサイクル速度が、酸素の生成速度を制御するために制御ユニット１９０によって調節される。ステップ３９０において、空気の流量データがもたらされ、圧縮機の速度が、ユーザの求める流量に一致するための所望の空気の流量へと調節される。空気の流量データは、制御ループの副産物である。システムは、生成物タンクの圧力をサーボ制御する。より多くの酸素が求められるとき、生成物タンクの圧力が低下し、システム１００が、圧力誤差信号に比例して圧縮機１１０の速度を高める。バルブ速度が、製造速度にもとづいて所定の速度に設定される。次いで、制御はステップ３１０に進み、プロセス３００が繰り返される。

１つ以上の実施の形態においては、可搬の酸素濃縮システム１００が、セクションＩ〜Ｖおよび図３〜図１８に関して図示および後述される特徴のうちの１つ以上を含む。好ましい実施の形態においては、可搬の酸素濃縮システム５０が、４〜２０ポンドの重量である。

圧縮機１１０は、好ましくは、ユーザの要求を満たすための充分な酸素を生成するための充分な空気および真空の流れを生成する可変速の圧縮機である。圧縮機１１０は、セクションＩ〜Ｖおよび図３〜図１８に関して図示および後述される特徴のうちの１つ以上を含む。

酸素ガス発生器１２０は、好ましくは、ＡＴＦ可変速回転バルブアセンブリを備えているアドバンスト・テクノロジ・フラクショネータ（ＡＴＦ）濃縮器である。酸素ガス発生器１２０は、セクションＩ〜Ｖおよび図３〜１８に関して図示および後述される特徴のうちの１つ以上を含む。可変速回転ＡＴＦバルブアセンブリは、ユーザ１７０に充分な酸素を生成するために、ＡＴＦへと供給される空気の量を制御する。説明されるコンセプトを、いくつかあるバルブの実施の形態のいずれにも使用することが可能である。別の実施の形態においては、ＡＴＦ濃縮器以外の他の種類の空気分離装置が使用される。さらに、別の実施の形態においては、回転バルブアセンブリ以外の他の種類のバルブアセンブリが使用される。

Ｉ．可搬の酸素濃縮システム
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態に従って構成された可搬の酸素濃縮システム（全体として、参照番号１００で指し示されている）を説明する。酸素濃縮システム１００は、濃縮された酸素ガスを大気から分離する酸素ガス発生器または濃縮器１０２などの空気分離装置と、酸素ガス発生器１０２の少なくとも一部分を動作させる充電式電池、電池パック、または燃料電池１０４などのエネルギー源と、ユーザによって必要とされ、あるいはシステム１００から必要とされる酸素の出力を割り出すために、ユーザ１０８、環境、などの１つ以上の状態を検出するために使用される１つ以上の出力センサ１０６と、１つ以上の出力センサ１０６によって検出される１つ以上の状態に応答して空気分離装置１０２の動作を制御するために、出力センサ１０６、空気分離装置１０２、およびエネルギー源１０４へと接続された制御ユニットとを備えている。

別の実施の形態においては、システム１００が、制御ユニット１１０へと接続される１つ以上の出力センサ１０６を備えなくてもよい。この実施の形態においては、流量、酸素濃度レベル、などといったシステム１００の状態が、システムにとって一定であってよく、あるいは手動で制御可能であってよい。例えば、システム１００が、システム１００の酸素の出力を制御するためにユーザ、供給者、医師、などによって例えば処方の酸素レベル、流量、などの情報を入力できるようにするユーザインターフェイス１１１（図１６）を備えることができる。

次に、システム１００の各々の構成要素を、さらに詳しく説明する。

Ａ．空気分離装置
図４を参照すると、空気分離装置は、好ましくは、圧縮機１１２などのポンプと酸素濃縮器１１４（ＯＣ）とを通常は備えている（これらが、一体化されていてもよい）酸素発生器１０２である。

さらに、酸素発生器１０２は、図４の仕切りの境界線の内側に示されている後述の構成要素のうちの１つ以上を備えることができる。外気を、圧縮機１１２によって入口マフラ１１６を通じて引き込むことができる。圧縮機１１２を、充電式電池１０４（ＲＢ）によって供給されるＤＣ電流で動作する１つ以上のＤＣモータ１１８（Ｍ）によって駆動することができる。さらに、モータ１１８は、好ましくは熱交換器１２０の冷却ファン部分を駆動する。可変速コントローラ（ＶＳＣ）または圧縮機モータ速度コントローラ１１９（さらに詳しくは、後述）が、制御ユニット１１０（ＣＵ）と一体または別体であってよく、好ましくは電気の消費を節約するためにモータ１１８へと接続される。圧縮機１１２が、濃縮器１１４へと加圧された空気をもたらす。

一実施の形態においては、最大速度において、空気が７．３ｐｓｉｇ（ｐｏｕｎｄ ｐｅｒ ｓｑｕｒｅ ｉｎｃｈ ｇａｕｇｅ）（公称）で濃縮器１１４へと届けられ、５．３〜１２．１ｐｓｉｇの範囲であってよい。この実施の形態では、最大速度において、供給の流量は、１４．６９６ｐｓｉａ（絶対）、華氏７０°、相対湿度５０％の入口条件において、２３．８ＳＬＰＭという最小値である。

熱交換器１２０を、空気を濃縮器１１４に進入する前に所望の温度へと冷却または加熱するために、圧縮機１１２と濃縮器１１４との間に配置することができ、フィルタ（図示されていない）を、供給空気から不純物を取り除くために、圧縮機１１２と濃縮器１１４との間に配置することができ、圧力トランスデューサ１２２を、濃縮器１１４に進入する空気の流れの圧力を測定するために、圧縮機１１２と濃縮器１１４との間に配置することができる。

濃縮器１１４が、周知の様相でユーザ１０８へと最終的に届けるために空気から酸素ガスを分離する。以下の構成部品、すなわち圧力センサ１２３、温度センサ１２５、ポンプ１２７、低圧リザーバ１２９、供給バルブ１６０、流量および純度センサ１３１、ＨＥＰＡフィルタ、および保存装置１９０のうちの１つ以上を、濃縮器１１４とユーザ１０８との間の供給配管１２１に配置することができる。本明細書において使用されるとき、供給配管１２１は、配管における構成部品を接続するために使用される管類、コネクタ、などを指す。ポンプ１２７を、モータ１１８によって駆動することができる。酸素ガスを低圧リザーバ１２９に貯蔵し、そこから供給配管１２１を介してユーザ１０８へと届けることができる。供給バルブ１６０を、大気圧での低圧リザーバ１２９からユーザ１０８への酸素ガスの供給を制御するために使用することができる。

さらに、排気ガスを、濃縮器１１４から追い出すことができる。本発明の好ましい実施の形態においては、モータ１１８によっても駆動することができ、圧縮機１１２に一体化させることができる真空発生器１２４（Ｖ）が、濃縮器１１４の回収率および生産性を改善するために、濃縮器１１４から排気ガスを取り出す。排気ガスを、排気マフラ１２６を介してシステム１００から出すことができる。圧力トランスデューサ１２８を、濃縮器１１４からの排気の流れの圧力を測定するために、濃縮器１１４と真空発生器１２４との間に配置することができる。最大定格の速度および２０．８ＳＬＰＭの流量において、真空側における圧力は、好ましくは−５．９ｐｓｉｇ（公称）であり、−８．８〜−４．４ｐｓｉｇの範囲であってよい。

１．圧縮機／可変速コントローラ
圧縮機１１２に使用することができる圧縮機技術の例として、これらに限られるわけではないが、回転ベーン、リストピン付きの直線ピストン、リストピンなしの直線ピストン、揺動ディスク、スクロール、転がりピストン、ダイアフラムポンプ、および音響が挙げられる。好ましくは、圧縮機１１２および真空発生器１２４が、モータ１１８と一体化され、オイルレスであり、空気の流路への油またはグリスの進入を防止している。

圧縮機１１２は、好ましくは、少なくとも１，０００ｒｐｍの低速において少なくとも３：１の速度比を含んでおり、最大速度で動作するときに１５，０００時間の動作寿命を含んでいる。圧縮機／モータシステムの周囲の動作温度は、好ましくは華氏３２〜１２２度である。保管温度は、好ましくは華氏−４〜１４０度である。相対湿度は、好ましくは５〜９５％ＲＨで、凝縮なしである。圧縮機１１２のための電圧は、好ましくは直流１２Ｖまたは直流２４Ｖであり、電力要件は、好ましくは最大速度および定格の流量／公称の圧力において１００Ｗ未満であり、１／３の速度および定格の圧力での１／３の流量において４０Ｗ未満である。シャフト取り付けのファンまたはブロアを、圧縮機を冷却し、可能であればシステム全体を冷却するために、圧縮機１１２に組み込みことができる。好ましくは、圧縮機１１２の最大音圧レベルは、最大定格速度および流量／圧力において４６ｄＢＡであってよく、１／３の定格速度において３６ｄＢＡであってよい。好ましくは、圧縮機１１２の重量は、３．５ポンド未満である。

圧縮機１１２については、さまざまな速度で動作し、必要とされる真空／圧力のレベルおよび流量をもたらし、発する騒音および振動が少なく、熱をあまり出さず、小型であり、重くなく、電力をあまり消費しないことが望まれる。

可変速コントローラ１１９が、充電式電池１０４または他のエネルギー源への圧縮機１１２の電力消費の要件を軽くするために重要である。可変速コントローラによって、圧縮機１１２の速度を、ユーザの活動レベル、ユーザの代謝の状態、環境の状態、または１つ以上の出力センサ１０６によって判断されるユーザの酸素の必要性を表わす他の状態に応じて、変化させることができる。

例えば、可変速コントローラは、例えばユーザが着席中であり、睡眠中であり、あるいは低い標高にあるなど、ユーザ１０８の酸素の必要性が比較的小さいと判断される場合に、モータ１１８の速度を低下させることができ、例えばユーザが起立しており、活動中であり、あるいは高い標高にあるなど、ユーザ１０８の酸素の必要性が比較的大きいと判断される場合に、モータ１１８の速度を高めることができる。これは、電池１０４の寿命を温存し、電池１０４の重量およびサイズを削減し、圧縮機の摩耗の進行を遅らせ、圧縮機の信頼性を高めるうえで役に立つ。

可変速コントローラ１１９が、圧縮機１１２が低い平均速度（典型的には、圧縮機１１２の最大速度と最大速度の１／６との間）で動作することを可能にし、電池の持ちの向上、電池のサイズおよび重量の削減、圧縮機の騒音および発せられる熱の低減をもたらす。

２．濃縮器
好ましい実施の形態において、濃縮器１１４は、医療および工業の用途に使用することができるアドバンスト・テクノロジ・フラクショネータ（ＡＴＦ）である。濃縮器１１４が、ただ１つの回転バルブアセンブリを備えるものとして図示および説明されるが、別の実施の形態においては、濃縮器が、異なる数の回転バルブアセンブリ（例えば、２つの回転バルブアセンブリ）を有してもよい。さらに、別の実施の形態においては、濃縮器１１４が、回転バルブアセンブリ以外の１つ以上のバルブアセンブリを含む（例えば、別個のバルブ）。ＡＴＦは、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）プロセス、減圧スイング吸着（ＶＰＳＡ）プロセス、高速ＰＳＡプロセス、超高速ＰＳＡプロセス、または他のプロセスを実行することができる。ＰＳＡまたはＶＰＳＡプロセスが実行される場合、濃縮器は、内部の複数のシーブベッドを通過する空気の流れを制御するための回転バルブまたは非回転バルブ機構を備えることができる。シーブベッドは、気体の流れがベッドへと進入する大きい直径と、気体の流れがベッドから出る小さい直径とを有するように、テーパが付けられていてもよい。このやり方でシーブベッドにテーパを付することで、同じ出力を得るために必要なシーブの材料および流れが少なくてすむ。

好ましい実施の形態においては、ＡＴＦ濃縮器１１４が使用されるが、これらに限られるわけではないが膜分離式および電気化学セル（高温または低温）など、他の種類の濃縮器または空気分離装置を使用してもよいことは、当業者にとって容易に理解可能であろう。他の種類の濃縮器または空気分離装置が使用される場合、本明細書に記載のいくつかの態様を相応に変更できることが、当業者にとって容易に理解可能であろう。例えば、空気分離装置が膜分離式である場合には、システムを通って空気を移動させるために、圧縮機以外のポンプを使用することが可能である。

好ましく使用されるＡＴＦは、過去に設計されたＡＴＦよりも大幅に小さい。本発明の発明者は、ＡＴＦ濃縮器１１４のサイズを小さくすることが、システム１００をより小型かつより可搬にするだけでなく、回収の割合（すなわち、濃縮器１１４によって回収または生成される空気中の酸素ガスの割合）および濃縮器１１４の生産性（シーブ材料１ポンド当たりの毎分のリットル数）も改善することに気が付いた。ＡＴＦのサイズを小さくすることで、装置のサイクル時間が短くなる。結果として、生産性が向上する。

限界の範囲内において、より細かいシーブ材料は、回収率および生産性を向上させる。望ましくないガスを吸着するための時定数が、より微細な粒子においては、より大きな粒子に比べてガスの流路が短いため、より小さい。したがって、小さな時定数を有する細かいシーブ材料が好ましい。ＡＴＦ濃縮器１１４において使用することができるシーブ材料の例は、リチウムイオンの高い交換を可能にするＬｉｔｈｉｕｍＸ ゼオライトである。ビーズのサイズは、例えば０．２〜０．６ｍｍであってよい。別の実施の形態においては、ゼオライトが、押し出しによるモノリスなどの剛構造の形態であってよく、あるいは丸められた紙の形態であってよい。この実施の形態においては、ゼオライトの構造が、供給の流れと生成物の流れとの間に大きな圧力低下を導入することなく、材料の急激な圧力サイクルを可能にすると考えられる。

濃縮器１１４のサイズは、所望される流量に応じてさまざまであってよい。例えば、濃縮器１１４は、毎分１．５リットル（１．５ＬＰＭ）のサイズ、２ＬＰＭのサイズ、２．５ＬＰＭのサイズ、３ＬＰＭのサイズ、などであってよい。

さらに、酸素ガス発生器１０２は、さらに詳しく後述されるとおり、高圧酸素リザーバ（これに限られるわけではない）などの酸素源を、濃縮器１１４に加えて備えることができる。

ＡＴＦバルブコントローラ１３３は、制御ユニット１１０と一体または別体であってよく、濃縮器１１４のバルブを制御するために濃縮器１１４のバルブ電子機器に接続される。

濃縮器は、以下のエネルギー節約モード、すなわちスリープモード、保存モード、およびアクティブモードのうちの１つ以上を有することができる。これらのモードの選択を、ユーザ１０８によって手動で行うことができ、あるいは上述の１つ以上のセンサ１０６および制御ユニット１１０によるなど、自動的に行うことができる。

次に、図５Ａおよび５Ｂを参照して、酸素発生器１０２において使用することができる濃縮器１１４の実施の形態を、さらに詳しく説明する。濃縮器１１４を、空気から酸素を分離するものとして説明するが、濃縮器１１４を、これらに限られるわけではないが、窒素の生成のための空気の分離、水素の精製、空気からの水の除去、および空気からのアルゴンの濃縮など、他の用途に使用してもよいことに、注意すべきである。本明細書において使用されるとき、用語「流体」は、気体および液体の両方を含む。

後述される濃縮器１１４は、これまでの濃縮器に対して、所望の成分の回収率の向上およびシステムの生産性の向上をもたらす多数の改善を含んでいる。回収率の向上は、濃縮器の効率の指標であるため、重要である。濃縮器の回収率が向上すると、所与の量の生成物を生み出すために必要な供給ガスの量が少なくてすむ。したがって、より高い回収率の濃縮器は、（例えば、空気からの酸素の濃縮のために）より小さい供給圧縮機しか必要とせず、あるいは有益な種を回収するために（例えば、改質物の流れからの水素の精製のために）供給ガスをより効果的に利用できるであろう。生産性の向上は、濃縮器のサイズに直接関係するため、重要である。生産性は、濃縮器の質量または体積当たりの生成物の流れを単位として測定される。したがって、より高い生産性の濃縮器は、より生産性の低い濃縮器よりも小型かつ軽量であり、多くの用途により魅力的な製品をもたらす。したがって、回収率、生産性、または両方における濃縮器の改善が、好都合である。回収率および生産性の改善につながる具体的な改良が、詳しく後述される。

濃縮器１１４は、５つの吸着ベッド３００（各々が、流体の特定の分子種または混入物質について選択的である吸着材料のベッドを収容している）と、流体を、吸着ベッド３００を通って選択的に移動させるための回転バルブアセンブリ３１０と、一体化されたチューブアセンブリおよびマニホールド（「マニホールド」）３２０と、生成物タンクカバー３３０と、バルブアセンブリ筐体３４０とを備えている。

吸着ベッド３００は、好ましくは直線状であって細長い成型によるプラスチック製または金属製の容器であり、金属（好ましくは、アルミニウム）で製作された生成物タンクカバー３３０によって囲まれている。金属製のカバー３３０によって囲まれた成型によるプラスチック製の吸着ベッド３００は、従来技術のプラスチック製のハウジングまたはカバーにおいて生じる水浸入の有害な影響がない低コストデザインを生み出す。プラスチック製の吸着ベッドのチューブは、プラスチックが水を通すという生来の問題を有する。これは、水の吸着材料への侵入を許し、吸着材料の性能を低下させる。プラスチック製の吸着ベッド３００を、生成物の蓄積タンクとしても機能できるアルミニウム製のカバー３３０で囲むことは、デザインの低コスト性を維持し、かつ性能を犠牲にしない。

各々の吸着ベッド３００は、生成物端３５０および供給端３６０を備えている。さらに図６を参照すると、ベッド３００の生成物端３５０が、回転バルブアセンブリ３１０との連絡のための生成物配管３８０を介して、マニホールド３２０の生成物到着通路３７０に連絡している。ベッド３００の供給端３６０は、回転バルブアセンブリ３１０との連絡のためのマニホールド３２０の供給物流出通路３９０に連絡している。

さらに、マニホールド３２０は、回転バルブアセンブリ３１０を生成物タンク３３０の内部に連絡させる生成物流出通路４００と、回転バルブアセンブリ３１０を供給圧力配管４２０に連絡させる供給物到着通路４１０と、回転バルブアセンブリ３１０を真空圧力配管４４０に連絡させる真空チャンバ４３０とを備えることができる。図４に関して上述した供給配管１２１と同じであってよい生成物送出配管４５０が、生成物タンク３３０の内部に連絡している。真空圧力配管４４０は、濃縮器１１４から排気ガスを吸うために真空発生器１２４に直接的または間接的に連絡することができる。

使用時、空気が、マニホールド３２０の供給物到着通路４１０を通って圧縮機１１２から供給圧力配管４２０へと流れる。そこから、空気は、回転バルブアセンブリ３１０へと流れ、マニホールド３２０の供給物流出通路３９０を通って分配される。そこから、供給空気は、吸着ベッド３００の供給端３６０へと流れる。吸着ベッド３００は、吸着すべき種に適した吸着媒体を含んでいる。酸素の濃縮においては、酸素が非吸着の生成ガスとして生成されるよう、供給空気中の酸素に比べて窒素を優先的に吸着するパックされた微粒子の吸着材料を有することが好ましい。高リチウム交換のＸ型ゼオライトなどの吸着剤を、使用することが可能である。２つ以上の別個の吸着材料を含んでいる層状の吸着ベッドも使用することができる。例として、酸素の濃縮においては、水の吸着に使用される活性アルミナまたはシリカゲルの層を、吸着ベッド３００の供給端３６０の付近に配置することができ、リチウム交換のＸ型ゼオライトを、窒素を吸収するために、生成物端３５０へと向かうベッドの大部分として使用することができる。正しく用いられる材料の組み合わせは、単一の種類の吸着剤よりも効果的になりうる。別の実施の形態においては、吸着剤が、構造化された材料であってよく、水吸着材料および窒素吸着材料の両方を取り入れることができる。

得られる生成酸素ガスは、吸着ベッド３００の生成物端３５０に向かって流れ、生成物配管３８０を通り、マニホールド３２０の生成物到着通路３７０を通過し、回転バルブアセンブリ３１０へと流れ、回転バルブアセンブリ３１０において、生成物流出通路４００を介して生成物タンク３３０へとマニホールド３２０を通って分配される。生成物タンク３３０から、酸素ガスが、生成物送出配管４５０および供給配管１２１を通ってユーザ１０８へと供給される。

次に、図５Ｂ、７Ａ、７Ｂ、８Ａ、１０Ａ、および１０Ｂを参照し、回転バルブアセンブリ３１０の実施の形態を説明する。回転バルブアセンブリ３１０は、回転バルブシューまたはディスク５００と、バルブポートプレートまたはディスク５１０を備えている。回転バルブシュー５００およびバルブポートプレート５１０は、両者とも好ましくは円形の構成であり、バルブシュー５００およびポートプレート５１０の面が押し合わせられたときに流体を漏らさないシールを形成できるよう、高度に磨かれた平坦な仕上げへと研磨することができるセラミックなどの耐久性のある材料から作られている。

とくに図７Ａを参照すると、回転バルブシュー５００が、平坦な底部係合面５２０と、平滑な円筒形の側壁５３０とを有している。バルブシュー５００は、係合面５２０に切り開けられたいくつかの対称な弓形の通路またはチャネルを有しており、そのすべてが、自身の中心として、円形の係合面５２０の幾何学的中心を有している。通路またはチャネルは、対向している高圧供給チャネル５４０と、等化（ｅｑｕｌｉｚａｔｉｏｎ）チャネル５５０と、対向している低圧排気通路５６０と、排気通路５６０に連絡している円形の低圧排気溝５７０と、対向している生成物送出チャネル５８０と、対向しているパージチャネル５９０と、高圧中央供給通路６００と、第１の環状の通気溝６１０と、第２の環状の通気溝６２０とを含んでいる。

次に、さらに図７Ｂを参照し、回転バルブシュー５００の平行な上側の第２のバルブ面６３０を説明する。係合面５２０のパージチャネル５９０が、垂直な円柱形のパージ通路６４０と上面６３０の虹形のパージ溝６５０とを介して、互いに連絡している。係合面５２０の等化チャネル５５０が、バルブシュー５００を貫いて垂直に延びている。等化チャネル５５０のペアが、上面６３０の等化溝６６０によって連絡している。等化溝６６０は、おおむねＵ字形であり、収容穴６７０の周囲に延びている。係合面５２０によって定められる平面の外、かつ係合面５２０によって定められる平面に平行な平面にある第２のバルブ面６３０の溝６６０による等化経路は、回転バルブシュー５００の比較的小さなサイズを維持すると同時に、より複雑な流体の経路をバルブシュー５００において可能にするために役立つ。等化溝が、第２のバルブ面を吸着ベッド３００間の圧力の等化に使用することを可能にする。

図５Ｂ、図１０Ａ、および図１０Ｂを参照すると、第１のバルブシューカバー６８０が、第２のバルブ面６３０の種々の溝および通路を絶縁するために、第２のバルブ面６３０を覆って配置される。第１のバルブシューカバー６８０および第２のバルブシューカバー６９０の両者が、第２のバルブシューカバー６９０の円柱形のベース６９３の外周を巡って形成される中央供給通路６００を高圧供給流体チャンバに連絡させるために、整列した中央穴６９１、６９２をそれぞれ備えている。さらに、第１のバルブシューカバー６８０は、円柱形のベース６９３と第２のバルブ面６３０との間の第１のバルブシューカバー６８０の各側の動作の際の圧力のバランスを維持する目的のために、外周の付近に複数の穴６９４を備えている。高圧の供給流体を、バルブシュー５００の上側または下側の高圧供給流体チャンバへと案内することで、バルブシュー５００をポートプレート５１０から離れるように押す圧力に対抗するバルブシュー５００への圧力のバランスが生じる。ばねまたは他の種類の受動シール機構（図示されていない）を、濃縮器１１４が動作していないときに回転バルブシュー５００をポートプレート５１０に対して保持するために使用してもよい。

図７Ａを参照すると、回転バルブシュー５００をポートプレート５１０から離すように作用する圧力にさらに対抗するため、濃縮器１１４が公称の供給およびパージ（真空）圧力で運転されるときに、排気溝５７０の真空に起因するシール力が、この回転バルブシュー５００をポートプレート５１０から離そうとする圧力に実質的につり合うように、排気溝５７０が寸法付けられている。これにより、比較的小さい受動シール機構を使用することができ、回転バルブシュー５００を回転させるために必要なトルクおよび力が少なくなり、濃縮器１１４の重量およびサイズも小さくなる。

次に、図８Ａを参照して、バルブポートプレート５１０をさらに詳しく説明する。バルブポートプレート５１０は、回転バルブシュー５００の平坦な係合面５２０と係合する平坦な係合面７００と、平滑な円柱形の側壁７１０とを有している。さらに図５Ｂを参照すると、バルブポートプレート５１０の下面が、マニホールドガスケット７２０上に配置される。バルブポートプレート５１０は、おおむね対称な同心配置のポートまたは開口からなる複数の組を備えており、これらが、マニホールド３２０の通路と連絡するようにマニホールドガスケット７２０の開口に整列している。ポートは、係合面７００におおむね垂直な方向にバルブポートプレート５１０を垂直に貫いて延びている。別の実施の形態においては、ポートが、係合面７００に向かって角度のある方向にバルブポートプレート５１０を垂直に貫いて延びている。好ましくは、同心な各組のポートのすべてが、同じ構成を有している。次に、ポートの同心組の各々を説明する。

バルブポートプレート５１０の幾何学的中心から第１の半径に同心に配置された８つの円形の真空ポート７３０からなる第１の組は、マニホールド３２０の真空チャンバ４３０およびバルブシュー５００の排気ガス溝５７０に連絡している。好ましい実施の形態においては、８つのポートが、大きな圧力低下を生じることなくバルブを通って充分なガスを流すことができるために使用される。別の実施の形態においては、８つ以外のポートの数を使用することができる。

バルブポートプレート５１０の幾何学的中心から第２の半径に同心に配置された５つの円形の供給物流出ポート７４０からなる第２の組は、マニホールド３２０の供給物流出通路３９０に連絡し、バルブシュー５００の供給チャネル５４０に連絡し、バルブシュー５００の排気通路５６０を介して真空ポート７３０に連絡している。

バルブポートプレート５１０の幾何学的中心から第３の半径に同心に配置された５つのおおむね楕円形の生成物到着ポート７５０からなる第３の組は、マニホールド３２０の生成物到着通路３７０、バルブシュー５００の等化チャネル５５０、バルブシュー５００のパージチャネル５９０、および生成物送出チャネル５８０に連絡している。

バルブポートプレート５１０の幾何学的中心から第４の半径に同心に配置された５つの円形の生成物流出ポート７６０からなる第４の組は、マニホールド３２０の生成物流出通路４００に連絡し、生成物送出チャネル５８０を介して生成物到着ポート７５０に連絡している。

バルブポートプレート５１０の幾何学的中心から第５の半径に同心に配置された３つの円形のポートプレート整列穴７３１からなる第５の組は、マニホールド３２０上の整列ピン３２１（図５Ｂ、６）に整列している。整列穴７３１は、ポートプレート５１０がマニホールド３２０との正しい整列位置にあることを保証する。別の実施の形態においては、バルブポートプレート５１０の幾何学的中心から１つ以上の半径に配置された２つ以上の整列穴を、マニホールド３２０上の所定の位置に配置された同数の整列ピンに整列させることができる。

バルブポートプレート５１０の幾何学的中心かつバルブアセンブリ３１０の回転の中心に配置された丸い中央供給物到着ポート７７０が、マニホールド３２０の供給物到着通路４１０および回転バルブシュー５００の中央供給通路６００に連絡している。

上述の回転バルブアセンブリ３１０において、最大で１ＰＳＩの圧力低下が、システムが３ＬＰＭの酸素生成物を生み出しているときにバルブアセンブリ３１０のポートによって生じる。流れがより少ない場合、圧力の低下は無視できる。

次に、図８Ｂをさらに参照して、濃縮器１１４の１回の圧力スイング吸着サイクルを説明する。使用時に、後述されるサイクルが各々の吸着ベッド３００について順次的かつ連続的に確立されるよう、回転バルブシュー５００が、バルブポートプレート５１０に対して回転する。バルブポートプレート５１０に対する回転バルブシュー５００の回転の速度は、生成物の所与の生成のために最適なサイクルタイミングおよび外気の供給をもたらすために、単独または可変速圧縮機との組み合わせにおいて変更可能である。読者が本発明をよりよく理解するうえで助けとなるように、１回のサイクルにおいて１つの吸着ベッド３００および回転バルブアセンブリ３１０において何が生じるのかを、以下で説明する。回転バルブシュー５００の１回転ごとに、吸着ベッド３００がサイクル全体を２回行うことに注意すべきである。各々のサイクルに、１）予備的加圧７７４、２）吸着７７６、３）第１の下向き等化７７８、４）第２の下向き等化７８０、５）並流ブローダウン７８２、６）低圧通気７８４、７）対向流パージおよび低圧通気７８６、８）第１の上向き等化７８８、および９）第２の上向き等化７９０の各段階が含まれる。次に、これらの段階の各々を、吸着ベッド３００について以下で説明する。

予備的加圧の段階７７４において、空気は、圧縮機１１２から供給圧力配管４２０へと流れ、マニホールド３２０の供給物到着通路４１０を通って流れる。そこから、空気は、ポートプレート５１０の中央供給物到着ポート７７０を通って流れ、バルブシュー５００の中央供給通路６００を通って供給チャネル５４０から出、供給物流出ポート７４０を通り、マニホールド３２０の供給物流出通路３９０を通過する。そこから、供給空気は、吸着ベッド３００の供給端３６０へと流れる。図７Ａを参照すると、供給チャネル５４０が、生成物送出チャネル５８０よりも進んでいる（すなわち、最初に供給チャネル５４０が供給物流出ポート７４０に連絡し、生成物送出チャネル５８０は閉鎖され、生成物到着ポート７５０に連絡しない）ため、吸着ベッド３００の供給端３６０が、供給ガスによって加圧され、すなわち生成物の送出の開始に先立って加圧される。別の実施の形態においては、生成物端３５０を、生成物ガスで予備的に加圧してもよく、あるいは生成物端３５０を生成物ガスで予備的に加圧し、供給端３６０を供給ガスで予備的に加圧してもよい。

吸着段階７７６においては、生成物送出チャネル５８０が生成物到着ポート７５０に連絡するため、ベッド３００において窒素の吸着が生じ、得られた生成物酸素ガスが、吸着ベッド３００の生成物端３５０に向かって流れ、生成物配管３８０を通り、マニホールド３２０の生成物到着通路３７０を通過する。そこから、酸素ガスは、生成物到着ポートを通過し、生成物送出チャネル５８０へと流れ、生成物送出チャネル５８０から出、生成物流出ポート７６０を通過し、生成物流出通路４００を通って、生成物タンク３３０へと流れる。生成物タンク３３０から、酸素ガスは、生成物送出配管４５０および供給配管１２１を通ってユーザ１０８へと供給される。

第１の下向き等化の段階７７８においては、高い圧力にあるベッド３００の生成物端３５０が、ベッド３００の生成物端３５０をより低い中間的な圧力にするために、低い圧力にある他のベッドの生成物端と等化される。生成物端３５０が、生成物配管３８０、生成物到着通路３７０、生成物到着ポート７５０、等化チャネル５５０、および等化溝６６０を介して連絡する。上述のように、係合面５２０によって定められる平面の外、かつ係合面５２０によって定められる平面に平行な平面にある第２のバルブ面６３０の溝６６０による等化経路は、回転バルブシュー５００の比較的小さなサイズを維持するために役立ち、バルブシュー５００を回転させるために必要なトルクを可能な限り小さく保つと同時に、バルブシュー５００を通るより複雑な流体の経路を可能にする。この段階および後述される等化段階７８０、７８８、７９０において、吸着ベッド３００を、供給端３６０、生成物端３５０、あるいは供給端３６０および生成物端３５０の組み合わせにおいて等化させてもよい。

第２の下向き等化の段階７８０においては、中間的な圧力にあるベッド３００の生成物端３５０が、ベッド３００の生成物端３５０を段階７７８よりもさらに低い圧力へと下げるために、より低い圧力にある別のベッドの生成物端と等化される。第１の下向き等化の段階７７８と同様に、生成物端３５０が、生成物配管３８０、生成物到着通路３７０、生成物到着ポート７５０、等化チャネル５５０、および等化溝６６０を介して連絡する。

並流ブローダウン（「ＣＣＢ」）の段階７８２においては、吸着ベッド３００の生成物端３５０から生成される酸素豊富なガスが、第２の吸着ベッド３００をパージするために使用される。ガスが、吸着ベッド３００の生成物側から、生成物配管３８０、生成物到着通路３７０、および生成物到着ポート７５０を通って流れる。さらにガスは、パージチャネル５９０を通り、パージ通路６４０を通り、パージ溝６５０を通り、バルブシュー５００の反対側のパージ通路６４０を出、パージチャネル５９０を通り、生成物到着ポート７５０を通り、生成物到着通路３７０を通り、生成物配管３８０を通って、吸着ベッド３００の生成物端３５０へと流れ、パージ流として機能する。別の実施の形態においては、この段階７８２および続く段階７８４において、並流ブローダウンを、対向流ブローダウンで置き換えてもよい。

低圧通気（「ＬＰＶ」）段階７８４においては、吸着ベッド３００が、吸着ベッド３００の供給端３６０を通じて低圧へと通気される。回転バルブシュー５００の排気溝５７０の真空が、排気通路５６０および吸着ベッド３００の供給端３６０に連絡（供給物流出ポート７４０および供給物流出通路３９０を経由）し、再生排気ガスを吸着ベッド３００から吸い出す。低圧通気段階７８４は、排気通路５６０が供給物流出ポート７４０に連絡し、パージチャネル５９０が生成物到着ポート７５０に連絡していないため、酸素豊富なガスの導入なくして生じる。

対向流パージおよび低圧通気（「ＬＰＶ」）の段階７８６においては、酸素豊富なガスが、上記段階７８４において説明した吸着ベッド３００の供給端３６０の低圧への通気と同時に、段階７８２において上述したやり方で吸着ベッド３００の生成物端３５０へと導入される。対向流パージが、吸着ベッド３００の生成物端３５０へと、第２の吸着ベッド３００の生成物端３５０との連通によって導入される。酸素豊富なガスが、第２の吸着ベッド３００の生成物端３５０から、生成物配管３８０を通り、生成物到着通路３７０を通り、生成物到着ポート７５０を通り、パージチャネル５９０を通り、パージ通路６４０を通り、パージ溝６５０を通り、バルブシュー５００の反対側のパージ通路６４０を出、パージチャネル５９０を通り、生成物到着ポート７５０を通り、生成物到着通路３７０を通り、生成物配管３８０を通って、吸着ベッド３００の生成物端３５０へと流れる。排気通路５６０も、この段階７８６において供給物流出ポート７４０に連絡しているため、酸素豊富なガスは、生成物端３５０から供給端３６０へと流れ、吸着ベッド３００を再生する。回転バルブシュー５００の排気溝５７０の真空が、排気通路５６０および吸着ベッド３００の供給端３６０に連絡（供給物流出ポート７４０および供給物流出通路３９０を経由）し、再生排気ガスを吸着ベッド３００から吸い出す。排気通路５６０から、排気ガスが、真空ポート７３０を通って真空チャンバ４３０へと流れ、真空圧力配管４４０から流出する。別の実施の形態においては、真空を、大気圧または供給圧力よりも低い他の圧力に近い低圧通気によって置き換えることができる。他の実施の形態においては、生成物タンク３３０からの生成物ガスが、吸着ベッド３００の生成物端３５０をパージするために使用される。

第１の上向き等化の段階７８８においては、きわめて低い圧力にあるベッド３００の生成物端３５０が、吸着ベッド３００をより高い中間的な圧力にするために、高い圧力にある別のベッドの生成物端と等化される。生成物端３５０が、生成物配管３８０、生成物到着通路３７０、生成物到着ポート７５０、等化チャネル５５０、および等化溝６６０によって連絡する。

第２の上向き等化の段階７９０においては、中間的な圧力にあるベッド３００の生成物端３５０が、ベッド３００の生成物端３５０をさらに段階７８８よりも高い圧力にするために、より高い圧力にある別のベッドの生成物端と等化される。第１の下向き等化の段階７７８と同様に、生成物端３５０が、生成物配管３８０、生成物到着通路３７０、生成物到着ポート７５０、等化チャネル５５０、および等化溝６６０によって連絡する。

好ましい実施の形態において、供給段階７７４、７７６の合計の継続時間が、各々の等化段階７７８、７８０、７８８、７９０の継続時間の実質的に３倍であってよいパージ段階７８２、７８４、７８６の合計の継続時間と実質的に同じであってよいことに、注意すべきである。別の実施の形態においては、供給段階７７４、７７６、パージ段階７８２、７８４、７８６、および各々の等化段階７７８、７８０、７８８、７９０の相対的継続時間が、さまざまであってよい。

第２の上向き等化の段階７９０の後で、予備的加圧の段階７７４で始まる新たなサイクルが、吸着ベッド３００において開始される。

上述の５ベッドの濃縮器１１４およびサイクルは、過去において使用されている他の数の濃縮器およびサイクルに対して、いくつかの利点を有している。そのいくつかを、後述する。生成物端３５０における複数の等化段階７８８、７９０および予備的加圧の段階７７４が、生成物の送出に先立つ吸着ベッド３００の予備的加圧に貢献する。結果として、ベッド３００が、迅速に自身の最終的な圧力（供給圧力に実質的に等しい）に達し、したがって吸着媒体を最大限に利用することができる。さらに、吸着ベッド３００の予備的な加圧により、生成物を実質的に供給と同じ圧力で送出することができ、流れに圧縮のエネルギーを保持して、生成物の流れを下流のプロセスでの使用にとってより価値のあるものにすることができる。別の実施の形態においては、ベッド３００の供給端３６０を供給の流れに曝す前に生成物によってベッド３００を予備的に加圧することで、供給端３６０における２つ以上の吸着ベッド３００の間の流体の相互作用または流体の連絡に起因して直面される圧力低下がなくなる。さらに、より多数のベッドを使用するシステムと比較し、５ベッドのシステムを使用することは、同時に供給チャネル５４０に連通するベッドの継続時間および数を少なくし、したがって吸着ベッド間の流体の流れの傾向を少なくする。吸着ベッド間の流体の流れは、より高い圧力のベッドにおける流れの方向の逆転に関連付けられる（性能の低下につながる）ため、この影響の低減が好都合である。

多くのシステムに対する５ベッドシステムのさらなる利点は、吸着ベッド３００の数が少ないため、濃縮器を比較的小型、コンパクト、かつ軽量にできる一方で、充分な流れおよび純度をもたらすことができ、かつ高い酸素の回収率を維持できる点にある。他のＰＳＡシステム（典型的には、吸着ベッドの数が少ないシステム）は、サイクルの一部において圧縮機のデッドヘッド（ｄｅａｄｈｅａｄｉｎｇ）を生じる（電力を多く使用する結果となる）。圧縮機のデッドヘッドは、（上述のような）２つ以上の吸着ベッド３００の供給側３６０の間の不利な流れをなくすが、システムの電力を増加させる。５ベッドのシステムは、圧縮機のデッドヘッドをなくし、性能を制約する吸着ベッド３００の間の供給側３６０の流れを最小限にする。

複数の圧力等化段階７７８、７８０、７８８、７９０の使用は、濃縮器１１４を動作させるために必要な圧縮のエネルギーの量を少なくする。ベッド３００の等化によって、高圧のガスが、大気または真空ポンプへと通気されるのではなく、別のベッド３００へと移動させられることで保存される。ガスの加圧に関するコストの存在ゆえに、ガスの保存は、節約をもたらし、回収率を改善する。また、ベッド３００は、通常はベッド３００の生成物端３５０に生成物を多く含むガスを含むため、このガスを通気するのではなく、他のベッド３００へと移動させることで、生成物が保存され、回収率が向上する。等化の数は、好ましくは１〜４の間である。各々の等化が、下向き等化の段階および上向き等化の段階という２つの等化段階を呈することに、注意すべきである。すなわち、２回の等化は、２回の下向き等化および２回の上向き等化を意味し、合計４回の等化を意味する。同じことが、他の数の等化にも当てはまる。好ましい実施の形態においては、１〜４回の等化（２〜８つの等化段階）が、各々のサイクルにおいて使用される。より好ましい実施の形態においては、１〜３回の等化（２〜６つの等化段階）が、各々のサイクルにおいて使用される。最も好ましい実施の形態においては、２回の等化（４つの等化段階）が、各々のサイクルにおいて使用される。

別の実施の形態においては、濃縮器１１４が、供給の流れの濃度、分離すべき特定のガス、圧力スイング吸着サイクル、および動作条件にもとづいて、他の数の吸着ベッド３００を有してもよい。例えば、これらに限られるわけではないが、４ベッドの濃縮器および６ベッドの濃縮器にも、利点が存在するであろう。４ベッドの濃縮器において上述と同様のサイクルを動作させるとき、（或る１つの瞬間における）供給チャネル５４０および２つ以上の吸着ベッドの間の流体の連絡という問題は、完全に除かれる。供給端の流体の連絡が除かれる場合、供給段階７７４、７７６が、より望ましい様相で生じ、所望の生成物の回収率の改善がもたらされる。５ベッドのシステムと比較した６ベッドのシステムの利点は、上述の圧力スイングサイクルが、２つの上向き等化段階および２つの下向き等化段階に代えて３つの上向き等化段階および３つの下向き等化段階が存在するように変更されるときに実現される。第３の等化は、供給ガスを高い圧力で利用できる場合に好都合である。第３の等化は、等化されたベッドが供給圧力の実質的に７５％を得ることを可能にする（２つの等化段階が使用される場合には、供給圧力の実質的に６７％である）ため、圧縮機のエネルギーを節約する。あらゆるＰＳＡサイクルにおいて、上向き等化が生じるときは常に、対応する下向き等化が存在する。マッチングをなす等化段階の必要性は、サイクルの各段階の相対的タイミングにいくつかの制約を課す。例えば、供給段階の継続時間が、各々の等化段階の継続時間と実質的に同じである場合に、６ベッドのサイクルは、必要とされる等化段階のマッチングをもたらすと考えられる。

次に、所望の成分の回収率およびシステムの生産性を向上させる濃縮器１１４に関する本発明のいくつかのさらなる態様を説明する。図５Ａ、５Ｂ、９Ａ、および９Ｂを参照し、吸着ベッド３００の死空間を少なくする媒体保持キャップ８００の実施の形態を、以下で説明する。各々の媒体保持キャップ８００は、吸着ベッド３００の生成物端３５０に位置し、媒体保持キャップ８００の上方の吸着材料を支持している。媒体保持キャップ８００の内部の下方に位置するばね８１０が、媒体保持キャップ８００を上方へと押し付けて、吸着材料が詰まったベッドを堅固に保持している。媒体保持キャップ８００は、第１および第２の環状フランジ８３０、８４０を有する円筒形のベース８２０を有している。第２の環状フランジ８４０の上部が、円形のリム８５０を終端としている。媒体保持キャップ８００の上面８６０は、中央のポート８８０からおおむね日射のパターンで放射状に延びる複数のリブ８７０を備えている。中央のポート８８０に隣接して、ギャップ８９０が、中央のポート８８０から出てくるパージ流体のための拡散ゾーンを生み出している。ギャップ８９０および放射状のリブ８７０が、パージ流体を中央のポート８８０から外へと分散させ、パージ段階において、より一様な改善された吸着材料の再生を生じさせる。さらに、放射状のリブ８７０は、生成物の送出段階において、生成物ガスを中央のポート８８０に向かって導くうえでも役に立つ。別の実施の形態においては、媒体保持キャップ８００が、おおむね非円筒形の吸着ベッド３００に媒体を保持するために、おおむね非円柱形の表面を有してもよい。さらに別の実施の形態においては、中央のポート８８０が、円筒形または非円筒形の媒体保持キャップ８００の幾何学的中心から外れて位置してもよい。

図９Ｂを参照すると、媒体保持キャップ８００の下面において、円筒形のベース８２０が、ばね８１０が配置される内部チャンバを形成している。中央ポートニップル９００が、媒体保持キャップ８００の底面９１０から延びている。生成物配管３８０の端部が、吸着ベッド３００の生成物端３５０をマニホールド３２０の生成物到着通路３７０に連絡させるために、中央ポートニップル９００へとつながっている。

過去において、媒体保持キャップを、キャップの内側かつ上方にはまり込むばねによって保持することができ、結果としてばねが、吸着材料の底部とベッド３００の生成物端３５０の出口ポートとの間の流体の流路に位置する。ばねが収容される空間が、システムにおいて死空間を呈する。本明細書において使用されるとき、「死空間」は、圧縮およびパージされるが、吸着媒体を収容してはいないシステムの空間である。この空間を圧縮された供給物で満たし、次いでこの空間を通気するプロセスは、無駄にされる供給物を呈する。改善された媒体保持キャップ８００は、ばね８１０が流体の流路の外部に収容されるため、システムに死空間を追加することがない。システム内の余分な空間を排除することで、供給のより効果的な利用、したがって所望の生成物のより高い回収率が、直接的にもたらされる。

次に、図１０Ａおよび図１０Ｂを参照し、回転バルブシュー５００をバルブポートプレート５１０に対して横方向に固定されて心出しされた状態に保つための心出し機構の実施の形態を説明する。心出し機構は、中空円筒の形状を有しており、剛体材料で作られている心出しピン９２０を備えることができる。回転バルブシュー５００の係合面５２０にバルブポートプレート５１０の係合面７００が係合するとき、心出しピン９２０は、部分的に、回転バルブシュー５００の中央供給通路６００およびバルブポートプレート５１０の中央供給物到着ポート７７０に配置される。使用時、回転バルブシュー５００が、心出しピン９２０の周囲を回転し、心出しピン９２０の中空の内部が、高圧の供給流体の流れの通過を可能にする。ピン９２０が、回転バルブシューをバルブポートプレート５１０に対して固定の位置に保つ。過去においては、回転バルブシューは、回転バルブシューを駆動するモータによってバルブポートプレートに対して大まかに心出しされていた。回転バルブシュー５００およびバルブポートプレート５１０の中心が互いにずれると、濃縮器１１４のサイクルが意図されるとおりにならず、濃縮器の生産性、回収率、および効率が損なわれる。心出しピン９２０によってもたらされる精度は、バルブアセンブリ３１０が複雑なサイクルを制御しており、あるいはきわめて小さな圧力低下を維持している場合に、重要である。

図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、本発明の別の実施の形態に従って構成された回転バルブアセンブリは、回転バルブシュー５００をバルブポートプレート５１０に対して固定された位置に保つために、別の心出し機構を備えている。円形の心出しシリング９３０が、回転バルブシュー５００の平滑な円柱形の側壁５３０および固定バルブポートプレート５１０の平滑な円柱形の側壁７１０を覆ってぴったりとはまっている。円形のリング９３０が、回転バルブシュー５００の回転を許しつつ、回転シュー５００をポートプレート５１０に対して固定の位置に保持することによって、回転バルブシュー５００をバルブポートプレート５１０に対して心出ししている。

次に、図１２Ａ〜図１２Ｃを参照し、モータ１１８をバルブシュー５００へと接続するための弾性リンクの実施の形態を説明する。駆動機構９４０が、駆動シャフト９５０、駆動ホイール９６０、および３つ（２つが図示されている）の弾性チェーンリンク９７０を備えている。駆動シャフト９５０を、駆動ホイール９６０を回転させるためにモータ１１８へと接続することができる。図１２Ｃを参照すると、駆動ホイール９６０の下面９８０に、下向きに突き出す円柱形の支持ポスト９９０を備えることができる。同様に、図１２Ｂを参照すると、第２のバルブシューカバー６９０の上面１０００が、上向きに突き出す円柱形の支持ポスト１０１０を備えることができる。弾性チェーンリンク９７０は、好ましくは、半剛体の弾性材料（シリコーンゴムなど）で製作され、おおむねレンチ形の構成を有している。各々の弾性チェーンリンク９７０が、中央に円柱形の穴１０３０を有する円筒形の収容部材１０２０を含んでいる。円筒形の収容部材１０２０が、細い接続部材１０４０によって接合されている。駆動ホイール９６０が、弾性チェーンリンク９７０によって第２のバルブシューカバー６９０へと接続される。各々の弾性チェーンリンクの一方の収容部材１０２０が、駆動ホイール９６０の支持ポスト９９０を受け入れ、他方の収容部材１０２０が、第２のバルブシューカバー６９０の支持ポスト１０１０を受け入れる。過去においては、モータと回転バルブシューとの間に、剛な接続が行われていた。そのような剛な接続が、モータの振動または他の非回転の運動による影響を、回転バルブシューに生じさせていた。弾性チェーンリンク９７０は、モータの振動および非回転の運動を吸収し、この不利なエネルギーが回転バルブシュー５００に加わることを防止する。

図１３は、図５〜図１２に関して図示および上述した濃縮器１１４と同様の濃縮器からの実験データの表である。この表によって示されるとおり、濃縮器１１４による空気からの酸素の回収率は、約９０％の純度において４５〜７１％である。酸素の流量（リットル／分（ＬＰＭ））に対する断熱パワー（ワット（Ｗ））の比は、６．２Ｗ／ＬＰＭ〜２３．０Ｗ／ＬＰＭの範囲である。Ｅｕｇｅｎｅ Ａ． ＡｖａｌｌｏｎｅおよびＴｈｅｏｄｏｒｅ Ｂａｕｍｅｉｓｔｅｒによる「Ｍａｒｋｓ’ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｆｏｒ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ， Ｎｉｎｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ」に定められているとおり、断熱仕事からの式から得られる断熱パワーの式は、以下のとおりである。

Ｐｏｗｅｒ＝断熱パワー（ワット）
Ｗ＝断熱仕事（ジュール）
ｔ＝時間（秒）
Ｐ_１＝大気圧（ｐｓｉａ）
Ｐ_２＝圧縮機／真空圧力（ｐｓｉａ）
ｋ＝比熱の比＝定数＝１．４（空気について）
Ｖ_１＝大気圧における体積流量（ＳＬＰＭ）
Ｃ＝わかりやすくするために著者によって追加された変換係数＝０．１１４８７１ワット／ｐｓｉ／ＬＰＭ

Ｂ．エネルギー源
さらに図１４を参照すると、軽量かつ可搬なシステム１００として適切に機能させるために、システム１００を、適切な再充電可能なエネルギー源によって駆動しなければならない。エネルギー源は、好ましくは、リチウムイオン式の充電式電池１０４を含んでいる。システム１００を、リチウムイオン電池以外の可搬のエネルギー源によって駆動してもよいことは、当業者にとって容易に理解可能であろう。例えば、充電可能または再生可能な燃料電池を、使用することが可能である。システムを、一般に充電式電池１０４によって駆動されるものとして説明するが、システム１００を複数の電池によって駆動することも可能である。したがって、本明細書において使用されるとき、用語「電池」は、１つ以上の電池を含む。さらに、充電式電池１０４を、１つ以上の内部および／または外部の電池で構成することができる。電池１０４または電池１０４を含む電池モジュールは、好ましくはシステム１００から取り外し可能である。システム１００は、標準的な内部の電池、低コスト電池、長時間動作の内部の電池、およびクリップ式モジュールでの外部の二次電池を使用することができる。

システム１００は、電池充電回路１３０および１つ以上のプラグ１３２を備える組み込みのアダプタを有することができ、そのようなアダプタを、システムをＤＣ電源（例えば、自動車のシガーライターアダプタ）および／またはＡＣ電源（例えば、家庭または職場の１１０ＶＡＣのコンセント）によって動作させつつ、同時に電池１０４をＤＣまたはＡＣ電源から充電できるように構成することができる。アダプタまたは充電器は、別個の付属品であってもよい。例えば、アダプタが、自動車におけるシステム１００の動作および／または電池１０４の充電に使用される別個のシガーライターアダプタであってよい。別個のＡＣアダプタを、コンセントからのＡＣをシステム１００による使用および／または電池１０４の充電のためのＤＣへと変換するために使用することができる。アダプタの他の例は、車いすの電池または他のカートにおいて使用されるアダプタであってよい。

これに代え、あるいはこれに加えて、システム１００を受け入れて支持するように構成された電池充電クレードル（ｂａｔｔｅｒｙ−ｃｈａｒｇｉｎｇ ｃｒａｄｌｅ）１３４は、ＤＣおよび／またはＡＣ電源からシステム１００を動作させつつ同時に電池１０４を充電できる電池充電回路１３０およびプラグ１３２を含むアダプタを有することができる。

システム１００およびクレードル１３４が、好ましくは、システム１００をクレードル１３４にドッキングさせるべくシステム１００をクレードル１３４へと容易に下ろすことができる対応する噛合部１３８、１４０を備えている。噛合部１３８、１４０は、システム１００をクレードル１３４へと電気的に接続するための対応する電気接点１４２、１４４を含むことができる。

クレードル１３４を、家庭、職場、自動車などにおける充電および／またはシステム１００の動作に使用することができる。クレードル１３４を、システム１００の一部と考えることができ、あるいはシステム１００のための別個の付属品と考えることができる。クレードル１３４は、予備の電池パック１０４を充電するために、充電回路１３０へと接続された１つ以上の追加の充電受け１４６を備えることができる。充電受け１４６および１つ以上の追加の電池パック１０４によって、ユーザは、常に追加の新鮮な充電済みの電池１０４の供給を有することができる。

別の実施の形態においては、クレードル１３４を、１つ以上の異なる種類のシステム１００に対応するように、１つ以上の異なるサイズでもたらすことができる。

クレードル１３４および／またはシステム１００は、適切な接続１４９を介してシステム１００内の空気の流れに水分を加えるための加湿機構１４８をさらに備えることができる。本発明の別の実施の形態においては、加湿機構１４８が、システム１００およびクレードル１３４とは別個であってよい。システム１００およびクレードル１３４とは別個である場合、クレードル１３４および／またはシステム１００が、別個の加湿機構１４８との連絡のための適切な連絡ポートを備えることができる。また、クレードル１３４が、システム１００がクレードル１３４にドッキングしたときにシステム１００とともに使用するための別個の加湿機構１４８を受け入れるように構成された受け部を備えてもよい。

クレードル１３４および／またはシステム１００は、システム１００の制御ユニット１１０を１つ以上の遠方のコンピュータと通信させるために、電話回線モデム、高速ケーブルモデム、ＲＦ無線モデムなどのテレメトリ機構またはモデム１５１をさらに備えることができる。この目的のため、クレードル１３５が、ケーブルアダプタまたは電話ジャックプラグ１５５を有する配線１５３を備えることができ、あるいはＲＦアンテナ１５７を備えることができる。本発明の別の実施の形態においては、テレメトリ機構またはモデム１５１が、クレードル１３４とは別個であってよく、この目的のために、クレードル１３４またはシステム１００が、テレメトリ機構またはモデム１５１をクレードル１３４またはシステム１００に直接通信させるための１つ以上の適切な通信ポート（例えば、ＰＣポート）を備えることができる。例えば、クレードル１３４を、テレメトリ機構またはモデム１５１を含む（クレードルの位置の）コンピュータと通信するように構成することができる。コンピュータは、テレメトリ機構またはモデム１５１を使用して後述の情報を１つ以上の遠方のコンピュータと通信するための適切なソフトウェアを含むことができる。

テレメトリ機構またはモデム１５１を、これらに限られるわけではないが、心拍数、酸素飽和度、呼吸数、血圧、ＥＫＧ、体温、吸気／呼気の時間比（Ｉ／Ｅ比）、などといったユーザの生理学的情報を、１つ以上の遠方のコンピュータと通信するために使用することができる。テレメトリ機構またはモデム１５１を、これらに限られるわけではないが、酸素の使用、システム１００の保守スケジュール、および電池の使用などといった他の種類の情報を、１つ以上の遠方のコンピュータと通信するために使用することができる。

ユーザは、理想的には、システム１００を家庭、職場、自動車、などにおいてクレードル１３４にて使用する。ユーザは、例えば家庭に１つ、職場に１つ、自動車に１つ、など、２つ以上のクレードルを有するように決定でき、あるいは家庭において所望の各部屋に１つずつ、複数のクレードルを有するように決定できる。例えば、ユーザが家庭に複数のクレードル１３４を有する場合、ユーザは、例えば居間から寝室など、部屋から部屋へと移動するときに、単純に或る部屋のクレードル１３４からシステム１００を持ち上げ、電池での動作のもとで別の部屋へと移動することができる。移動先の部屋の別のクレードル１３４へとシステム１００を下ろすことで、システム１００とＡＣ電源との間の電気的な接続が回復する。システムの電池１０４が、クレードル１３４に位置するときに常に充電中または充電されているため、家庭、職場、などの外部へのちょっとした移動が、ユーザの家庭での部屋から部屋への移動のように簡単である。

システム１００が小型かつ軽量であるため、システム１００を単純にクレードル１３４から持ち上げ、平均的なユーザが例えば肩紐によって目的地へと容易に運ぶことができる。ユーザがシステム１００を携行できない場合には、システム１００を、カートまたは他の運搬装置を使用して目的地まで容易に運ぶことができる。家庭や職場などから長期にわたって離れる場合、ユーザは、目的地において使用するために１つ以上のクレードル１３４を持って行くことができる。あるいは、組み込みのアダプタを備えているシステム１００の実施の形態においては、電力を、自動車のシガーライターアダプタおよび／または目的地において利用できるＡＣコンセントなどの電源から取り出すことができる。さらに、予備の電池パック１０４を、標準的な電源から長時間にわたって離れるために使用することができる。

電池パック１０４が複数の電池を含んでいる場合には、システム１００が、携帯電話機またはラップトップコンピュータの技術分野において周知のとおり、電池の持ちを保つための電池シーケンシング機構を備えることができる。

Ｃ．出力センサ
図３、図４、および図１５を参照すると、１つ以上の出力センサ１０６が、ユーザが必要とする酸素の流量を割り出し、したがってシステム１００の酸素の流量の出力要求を割り出すために、ユーザ１０８、環境、などの１つ以上の状態を検出するために使用される。制御ユニット１１０が、１つ以上の出力センサ１０６によって検出される状態に応答して酸素発生器１０２を制御するために、１つ以上の出力センサ１０６および酸素ガス発生器１０２へと接続されている。例えば、これに限られるわけではないが、出力センサ１０６は、圧力センサ１５０、姿勢センサ１５２、加速度センサ１５４、生理学的状態または代謝センサ１５６、および／または高度センサ１５８（これらに限られるわけではない）のうちの少なくとも１つを含むことができる。

最初の３つのセンサ１５０、１５２、１５４（特定の状況では、生理学的状態センサ１５６も）は、ユーザ１０８の活動を表わす信号をもたらすため、活動センサである。可搬の酸素濃縮システムによる酸素の送出においては、過剰な酸素を送出することなく、ユーザ１０８の活動レベルに比例した量の酸素ガスを送出することが重要である。過剰な酸素は、ユーザ１０８によって有害となる可能性があり、電池１０４の寿命を短くする。制御ユニット１１０が、１つ以上のセンサに１０６によって生成されるユーザの活動レベルを表わす１つ以上の信号にもとづいて、ユーザ１０８への酸素ガスの流量を制御するために酸素ガス発生器１０２を調節する。例えば、出力センサ１０６が、ユーザ１０８が不活発な状態から活動状態へと移行した旨を示す場合に、制御ユニット１１０は、酸素ガス発生器１０２によってユーザ１０８への酸素ガスの流量を増加させることができ、さらには／あるいは後述される高圧酸素リザーバからユーザ１０８へと突発の酸素ガスを供給することができる。出力センサ１０６が、ユーザ１０８が活動状態から不活発な状態へと移行した旨を示す場合、制御ユニット１１０は、酸素ガス発生器１０２によってユーザへの酸素ガスの流量を減らすことができる。

本発明の実施の形態において、供給される酸素ガスの量は、可変速コントローラ１１９によって圧縮機のモータ１１８の速度を制御することによって制御される。

可変速コントローラに代え、あるいは可変速コントローラに加えて、酸素ガスの供給を、酸素ガス発生器１０２とユーザ１０８との間の供給配管１２１に位置する供給バルブ１６０によって制御してもよい。例えば、供給バルブ１６０は、少なくとも第１の位置と第２の位置との間で可動であってよく、第２の位置が、第１の位置よりも大量の濃縮気体酸素の流れの通過を許す。制御ユニット１１０は、活動レベルセンサ１５２、１５４、１５６のうちの１つ以上がユーザ１０８の活動について活発なレベルを検出する場合に、供給バルブ１６０を第１の位置から第２の位置へと動かすことができる。例えば、制御ユニット１１０がタイマーを備えることができ、活発なレベルが所定の時間期間を超える時間期間にわたって検出された場合に、制御ユニット１１０が、バルブ１６０を第１の位置から第２の位置へと動かすことができる。

圧力センサ１５０の例として、これらに限られるわけではないが、ユーザが座った姿勢に比べて立った姿勢にあることを知らせる足踏みスイッチ、およびユーザが起立位置に比べて着席位置にあることを知らせる座席スイッチが挙げられる。

振り子スイッチが、姿勢センサ１５２の例である。例えば、振り子スイッチは、振り子状に配置された太腿スイッチを備えることができ、そのようなスイッチが、ユーザが起立している（すなわち、スイッチが垂直に垂れ下がっている）ときの１つのモードと、ユーザが着席している（すなわち、太腿スイッチがより水平な位置へ上げられている）ときの別のモードとを示すことができる。水銀スイッチを、姿勢センサとして使用することができる。

加速度計などの加速度センサ１５８が、ユーザの活動を表わす信号をもたらす活動センサの別の例である。

生理学的状態または代謝センサ１５６も、活動センサとして機能することができる。生理学的状態センサ１５６を、酸素ガス発生器１０２の制御または他の目的のために、ユーザの１つ以上の生理学的状態を監視するために使用することができる。センサ１５６によって監視することができる生理学的状態の例として、これらに限られるわけではないが、血中酸素レベル、心拍数、呼吸数、血圧、ＥＫＧ、体温、およびＩ／Ｅ比が挙げられる。オキシメータが、システム１００において好ましく使用されるセンサの例である。オキシメータは、ユーザの血中酸素レベルを測定し、酸素の生成が、少なくとも部分的にユーザの血中酸素レベルにもとづくことができる。

高度センサ１５８が、環境または周囲条件を検出することができる環境または周囲条件センサの例であり、そのような環境または周囲条件に少なくとも部分的にもとづいて、ユーザへの酸素ガスの供給を制御することができる。高度センサ１５８を、単独または上述のセンサのいずれかまたはすべてと併せて使用することができ、制御ユニット１１０および酸素ガス発生器１０２が、検出された高度または標高に従ってユーザへの酸素ガスの供給を制御する。例えば、検出された標高が高い（空気の濃度がより低い）とき、制御ユニットは、ユーザ１０８への酸素ガスの流量を増やすことができ、検出された標高が低い（空気の濃度がより高い）とき、制御ユニットは、ユーザ１０８への酸素ガスの流量を減らすことができ、あるいは制御されたレベルに保つことができる。

１つ以上の追加のセンサまたは別のセンサを使用し、そのようなセンサによって検出される状態に少なくとも部分的にもとづいて、ユーザへの酸素ガスの供給を制御できることは、当業者にとって容易に理解可能であろう。さらに、ユーザ１０８へと供給される酸素ガスの量を調節するための上述の実施の形態（すなわち、可変速コントローラ１１９、供給バルブ１６０、あるいは他の実施の形態）のいずれかまたはすべてを、ユーザ１０８への酸素ガスの供給を制御するために、１つ以上のセンサおよび制御ユニット１１０とともに使用することができる。

Ｄ．制御ユニット
図１６を参照すると、制御ユニット１１０は、この技術分野における任意の周知の形態をとることができ、システムを制御および管理するために１つ以上のインターフェイス、コントローラ、または他の電気回路素子を介して本明細書に記載のシステムの構成要素と連絡する中央マイクロプロセッサまたはＣＰＵ１６０を備えている。システム１００は、ユーザ、供給者、医師、などがシステム１００を制御すべく情報（例えば、処方の酸素レベル、流量、活動レベル、など）を入力できるようにするために、ユーザインターフェイス（図１６）を、制御ユニット１１０の一部として備えることができ、あるいは制御ユニット１１０へと接続することができる。

システム１００の実施の形態の主たる構成要素を上述した。以下のセクションでは、いくつかのさらなる特徴を説明するが、そのうちの１つ以上を、本発明の１つ以上の別個の実施の形態として、上述した本発明の実施の形態へと取り入れることが可能である。

ＩＩ．保存装置
図１７を参照すると、保存装置または要求装置１９０を、酸素ガス発生器１０２によって生成される酸素をより効率的に利用するために、システム１００へと取り入れることができる。通常の呼吸の際に、ユーザ１０８は、吸気／呼気のサイクルの時間のうちの約３分の１において吸気を行い、残りの３分の２の時間において呼気を行う。呼気の最中にユーザ１０８へともたらされる酸素の流れは、ユーザ１０８にとって役に立たず、結果的に、この余分な酸素の流れを効果的にもたらすために使用される追加の電池の電力が無駄になる。保存装置１９０は、カニューレ１１１またはシステム１００の他の部分の圧力の変化を検出することによって吸気／呼気のサイクルを検出し、呼吸サイクルの吸気部分または吸気部分の一部においてのみ酸素を供給するセンサを備えることができる。例えば、吸気される空気の最後の部分は、鼻と肺の上部との間に捕らえられるがゆえにとくに利用されないため、保存装置１９０を、吸気の終わりよりも前に酸素の流れを停止させることで、システム１００の効率を改善するように構成できる。効率の改善は、システム１００のサイズ、重量、コスト、および電力の必要量を少なくすることにつながる。

保存装置１９０は、スキューバダイビング用のレギュレータと同様のシステム１００の出力配管のスタンドアロンの装置であってよく、あるいはユーザ１０８による吸気の際にのみ酸素を供給すべく酸素発生器１０２を制御するために制御ユニット１１０へと接続されてもよい。

保存装置１９０は、上述のセンサのうちの１つ以上を含むことができる。例えば、保存装置は、ユーザの呼吸数を監視するためのセンサを含むことができる。

システム１００は、使用されないときにカニューレ１１１を引き込むための特別なカニューレ引き込み装置をさらに備えることができる。さらに、カニューレ１１１は、さまざまな長さおよびサイズであってよい。

ＩＩＩ．高圧リザーバ
図１８を参照すると、高圧リザーバ１６４を、酸素ガス発生器１０２がユーザ１０８の酸素ガスの要求を満たすことができない場合に、ユーザ１０８へと酸素ガスのさらなる供給を届けるために、二次配管１６６に配置することができる。二次配管１６６の後述される構成要素のいずれも、制御のために制御ユニット１１０または高圧リザーバコントローラ１６７（図１６）へと接続することができる。この追加の酸素ガスの必要が生じうる典型的な状況は、例えば椅子から立ち上がる場合など、ユーザが急激に非活動的な状態から活動状態へと移行する場合や、システム１００がオンにされるときや、システム１００が保存モードまたはスリープモードから活動モードへと移行する場合である。本明細書において使用されるとき、二次配管１６６は、この配管における構成要素を接続するために使用される管類、コネクタ、などを指す。バルブ１６８を、気体酸素の二次配管１６６への流入を可能にするために、制御ユニット１１０によって制御することができる。バルブ１６８を、供給配管１２１および二次配管１６６の両方への同時の流れ、供給配管１２１のみへの流れ、あるいは二次配管１６６のみへの流れを可能にするように構成することができる。

好ましくはモータ１１８によって駆動されるポンプまたは圧縮機１６８が、例えば少なくとも約１００ｐｓｉなどの比較的高い圧力で酸素ガスを高圧リザーバ１６４へともたらす。

酸素発生電気化学セル１７１を、追加の酸素ガスをユーザ１０８へと供給するために、二次配管１６６において上述した構成要素と併せ、あるいは上述した構成要素の代わりに使用することができる。例えば、電気化学セル１７１を、高圧リザーバ１６４へと比較的高い圧力の酸素ガスを届けるために使用することができる。

圧力センサ１７２が、高圧リザーバ１６４および制御ユニット１１０に連絡しており、高圧リザーバ１６４の圧力が特定の限界に達すると、制御ユニット１１０が、バルブ１６８によって酸素を二次配管１６６へと案内する。

レギュレータ１７４を、ユーザ１０８への酸素ガスの流れを制御し、圧力を下げるために使用することができる。

また、バルブ１７６を、ユーザ１０８が酸素ガス発生器１０２では満たすことができない量の酸素ガスを必要とする場合に、高圧リザーバ１６４からの気体酸素を供給配管１２１へと流すことができるように、制御ユニット１１０によって制御してもよい。バルブ１７６を、酸素ガス発生器１０２および高圧リザーバ１６４からの同時の流れを可能にするように構成でき、あるいは酸素ガス発生器１０２だけから、または高圧リザーバ１６４だけからの流れを可能にするように構成することができる。

１つ以上のセンサ１０６が、１つ以上のセンサ１０６によって検出される１つ以上の状態に少なくとも部分的にもとづいてユーザ１０８の酸素ガスの必要量に等しい量の酸素ガスを供給するために、制御ユニット１１０および酸素ガス発生器１０２に相関付けられる。酸素ガス発生器１０２が、ユーザ１０８の酸素ガスの要求を満たすことができない場合、制御ユニット１１０が、ユーザの酸素の必要量を表わす１つ以上の状態の検出に少なくとも部分的にもとづいて、高圧リザーバ１６４に必要とされる追加の酸素ガスの供給を行わせることができる（バルブ１７６を経由して）。

酸素ガス発生器１０２が、ユーザ１０８の必要とする酸素ガスをすべて供給する能力を有するが、単純にオフにされており、あるいは保存またはスリープモードにある場合、高圧リザーバ１６４が酸素ガスを供給する時間期間、すなわちバルブ１７６が高圧リザーバ１６４を供給配管１２１に接続している時間期間は、少なくとも酸素ガス発生器１０２がオフ状態または非動作状態からオン状態または動作状態へと移行するために必要な時間の長さである。別の筋書きにおいては、制御ユニット１１０が、ユーザによる酸素ガスの要求が酸素ガス発生器１０２の最大酸素ガス出力を超える場合に、高圧リザーバ１６４からユーザへと酸素ガスを供給させることができる。高圧リザーバ１６４が、酸素ガス発生器１０２によって充てんされるものとして図示および説明されているが、他の実施の形態においては、高圧リザーバ１６４を、システムの外側または外部の供給源によって満たしてもよい。

ＩＶ．全地球測位システム
再び図１４を参照すると、本発明の別の実施の形態においては、システム１００が、システム１００の位置を割り出すための全地球測位システム（ＧＰＳ）レシーバ２００を備えることができる。レシーバ２００の位置、したがってユーザ１０８の位置を、テレメトリ機構またはモデム１５１を介して遠方のコンピュータへと伝えることができる。これは、ユーザが健康上の問題（例えば、心臓発作）を抱え、システムの非常ボタンが押され、システムの警報が作動し、あるいは他の何らかの理由で、ユーザ１０８の位置を突き止めるために望ましいと考えられる。そのような健康上の不都合な事象は、ユーザへと配置でき、あるいはユニットに組み込むことができる種々のセンサによって検出される。

Ｖ．さらなる選択肢および付属品
クレードル１３４に加えて、可搬の酸素濃縮システム１００は、さらなる選択肢および付属品を含むことができる。これらに限られるわけではないが、さまざまな色および模様のショルダーバッグ、バックパック、ウエストポーチ、フロントパック、およびスプリットパックなど、いくつかあるさまざまな種類のバッグおよびキャリングケースを、システム１００および他のシステムの付属品を運ぶために使用することができる。カバーを、厳しい気候または他の環境からの損傷からシステムを守るために使用することができる。システム１００を、転がりトロリー／カート、スーツケース、またはトラベルケースによって運んでもよい。トラベルケースを、システム１００を運び、かつカニューレ１１１、追加の電池、アダプタ、などを携行する充分な空間を含むように設計することができる。システム１００を保持するためのフック、ストラップ、ホルダの例として、これらに限られるわけではないが、自動車のシートベルトのフック、歩行者用のフック／ストラップ、車椅子用のフック／ストラップ、病院のベッド用のフック／ストラップ、人工呼吸器などの他の医療装置用のフック、ゴルフバッグまたはゴルフカート用のフック／ストラップ、自転車用のフック／ストラップ、および吊り下げフックが挙げられる。さらに、システム１００は、１つ以上の警報の選択肢を含むことができる。システム１００の警報を、例えばユーザ１０８について検出される生理学的状態が所定の範囲の外へと外れる場合に、作動させることができる。さらに、警報は、ユーザ１０８が手動で作動させることができる非常警報を含むことができる。警報は、システム１００のブザーまたは他の音響装置を作動させることができ、さらには／あるいはテレメトリ機構またはモデム１５１を介して別のエンティティ（例えば、医師、救急隊司令所、介護士、家族、など）への連絡の送信を生じさせることができる。

図１９は、本明細書に記載の制御ユニットおよび／またはコンピュータに関連して使用することができる典型的なコンピュータシステム１１５０を示すブロック図である。しかしながら、当業者にとって明らかであるとおり、他のコンピュータシステムおよび／またはアーキテクチャも使用することが可能である。

コンピュータシステム１１５０は、好ましくは１つ以上のプロセッサ（プロセッサ１１５２など）を備えている。入力／出力を管理するための補助プロセッサ、浮動小数点演算を実行するための補助プロセッサ、信号処理アルゴリズムの高速な実行に適したアーキテクチャを有する専用のマイクロプロセッサ（例えば、デジタルシグナルプロセッサ）、主たる処理システムに従属するスレーブプロセッサ（例えば、バックエンドプロセッサ）、デュアルまたはマルチプロセッサシステムのための追加のマイクロプロセッサまたはコントローラ、あるいはコプロセッサなど、さらなるプロセッサを設けることが可能である。そのような補助プロセッサは、別個のプロセッサであっても、プロセッサ１１５２に統合されてもよい。

プロセッサ１１５２は、好ましくは通信バス１１５４へと接続される。通信バス１１５４は、ストレージとコンピュータシステム１１５０の他の周辺コンポーネントとの間の情報の伝達を容易にするためのデータチャネルを含むことができる。さらに、通信バス１１５４は、データバス、アドレスバス、および制御バス（図示されていない）など、プロセッサ１１５２との通信に使用される信号一式をもたらすことができる。通信バス１１５４は、例えば、業界標準アーキテクチャ（「ＩＳＡ」）、拡張業界標準アーキテクチャ（「ＥＩＳＡ」）、マイクロ・チャネル・アーキテクチャ（「ＭＣＡ」）、ペリフェラル・コンポーネント・インターコネクト（「ＰＣＩ」）ローカルバス、あるいは電気電子技術者協会（「ＩＥＥＥ」）によって公表されたＩＥＥＥ ４８８ 汎用インターフェイスバス（「ＧＰＩＢ」）、ＩＥＥＥ ６９６／Ｓ−１００、などの規格に準拠するバスアーキテクチャなど、任意の標準または非標準のバスアーキテクチャを備えることができる。

コンピュータシステム１１５０は、好ましくは、主メモリ１１５６を備えており、さらに二次メモリ１１５８を備えることができる。主メモリ１１５６は、プロセッサ１１５２上で動作するプログラムのためのインストラクションおよびデータの保存を提供する。主メモリ１１５６は、典型的には、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（「ＤＲＡＭ」）および／またはスタティック・ランダム・アクセス・メモリ（「ＳＲＡＭ」）などの半導体べースのメモリである。他の半導体べースのメモリの種類として、例えば、読み出し専用メモリ（「ＲＯＭ」を含め、シンクロナス・ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（「ＳＤＲＡＭ」）、ラムバス（Ｒａｍｂｕｓ）ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（「ＲＤＲＡＭ」）、強誘電体ランダム・アクセス・メモリ（「ＦＲＡＭ」）、などが挙げられる。

二次メモリ１１５８は、随意により、ハードディスクドライブ１１６０および／またはリムーバブル・ストレージ・ドライブ１１６２（例えば、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、磁気テープ駆動装置、コンパクトディスク（「ＣＤ」）駆動装置、デジタル他用途ディスク（「ＤＶＤ」）駆動装置、など）を含むことができる。リムーバブル・ストレージ・ドライブ１１６２は、周知のやり方でリムーバブル記憶媒体１１６４からの読み出しおよび／またはリムーバブル記憶媒体１１６４への書き込みを行う。リムーバブル記憶媒体１１６４は、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、磁気テープ、ＣＤ、ＤＶＤ、などであってよい。

リムーバブル記憶媒体１１６４は、好ましくは、コンピュータにとって読み取り可能な媒体であって、コンピュータによって実行することができるコード（すなわち、ソフトウェア）および／またはデータが保存されている。リムーバブル記憶媒体１１６４に保存されたコンピュータソフトウェアまたはデータを、電気通信信号１１７８としてコンピュータシステム１１５０へと読み込むことができる。

別の実施の形態においては、二次メモリ１１５８が、コンピュータプログラムあるいは他のデータまたはインストラクションをコンピュータシステム１１５０へとロードできるようにするための他の同様の手段を含むことができる。そのような手段として、例えば、外部の記憶媒体１１７２およびインターフェイス１１７０を挙げることができる。外部の記憶媒体１１７２の例として、外部のハードディスクドライブまたは外部の光学ドライブ、あるいは外部の光磁気ドライブを挙げることができる。

二次メモリ１１５８の他の例として、プログラマブル読み出し専用メモリ（「ＰＲＯＭ」）、消去可能なプログラマブル読み出し専用メモリ（「ＥＰＲＯＭ」）、電子的に消去可能な読み出し専用メモリ（「ＥＥＰＲＯＭ」）、またはフラッシュメモリ（ＥＥＰＲＯＭに類似のブロック指向のメモリ）など、半導体べースのメモリを挙げることができる。さらに、他の任意のリムーバブル記憶ユニット１１７２およびインターフェイス１１７０（ソフトウェアおよびデータをリムーバブル記憶ユニット１１７２からコンピュータシステム１１５０へと受け渡すことができる）も挙げられる。

さらに、コンピュータシステム１１５０は、通信インターフェイス１１７４を備えることができる。通信インターフェイス１１７４は、コンピュータシステム１１５０と外部の装置（例えば、プリンタ）、ネットワーク、または情報源との間のソフトウェアおよびデータの受け渡しを可能にする。例えば、コンピュータソフトウェアまたは実行可能コードを、通信インターフェイス１１７４を介してネットワークサーバからコンピュータシステム１１５０へと渡すことができる。通信インターフェイス１１７４の例として、これらに限られるわけではないが、モデム、ネットワーク・インターフェイス・カード（「ＮＩＣ」）、通信ポート、ＰＣＭＣＩＡスロットおよびカード、赤外線インターフェイス、ならびにＩＥＥＥ １３９４ ｆｉｒｅ−ｗｉｒｅが挙げられる。

通信インターフェイス１１７４は、好ましくは、イーサネット（登録商標） ＩＥＥＥ ８０２ 規格、ファイバチャネル、デジタル加入者線（「ＤＳＬ」）、非同期デジタル加入者線（「ＡＤＳＬ」）、フレームリレー、非同期転送モード（「ＡＴＭ」）、デジタル総合サービス網（「ＩＳＤＮ」）、パーソナル通信サービス（「ＰＣＳ」）、通信制御プロトコル／インターネットプロトコル（「ＴＣＰ／ＩＰ」）、シリアル回線インターネットプロトコル／ポイント・トゥ・ポイント・プロトコル（「ＳＬＩＰ／ＰＰＰ」）、などの業界標準のプロトコル規格を実装するが、専用または非標準のインターフェイスプロトコルを実装してもよい。

通信インターフェイス１１７４を介して伝送されるソフトウェアおよびデータは、一般に、電気通信信号１１７８の形態である。これらの信号１１７８は、好ましくは、通信チャネル１１７６を介して通信インターフェイス１１７４へともたらされる。信号１１７８を運ぶ通信チャネル１１７６を、これらに限られるわけではないが、配線またはケーブル、光ファイバ、従来からの電話線、携帯電話リンク、無線データ通信リンク、高周波（ＲＦ）リンク、または赤外線リンクなど、さまざまな有線または無線の通信手段を使用して実現することができる。

コンピュータによって実行できるコード（すなわち、コンピュータプログラムまたはソフトウェア）が、主メモリ１１５６および／または二次メモリ１１５８に保存される。コンピュータプログラムを、通信インターフェイス１１７４を介して受信して、主メモリ１１５６および／または二次メモリ１１５８に保存してもよい。そのようなコンピュータプログラムは、実行されたときに、コンピュータシステム１１５０が上述のとおりの本発明の種々の機能を実行することを可能にする。

本明細書において、用語「コンピュータにとって読み取り可能な媒体」は、コンピュータによる実行が可能なコード（例えば、ソフトウェアおよびコンピュータプログラム）をコンピュータシステム１１５０へともたらすために使用される任意の媒体を指して使用される。そのような媒体の例として、主メモリ１１５６、二次メモリ１１５８（ハードディスクドライブ１１６０、リムーバブル記憶媒体１１６４、および外部の記憶媒体１１７２を含む）、および通信インターフェイス１１７４に通信可能に接続される任意の周辺装置（ネットワーク情報サーバまたは他のネットワーク装置を含む）が挙げられる。これらのコンピュータにとって読み取り可能な媒体は、実行可能なコード、プログラムインストラクション、およびソフトウェアをコンピュータシステム１１５０へともたらすための手段である。

ソフトウェアを使用して実現される実施の形態においては、ソフトウェアを、コンピュータ読み取り可能な媒体に保存し、リムーバブル・ストレージ・ドライブ１１６２、インターフェイス１１７０、または通信インターフェイス１１７４によってコンピュータシステム１１５０へとロードすることができる。そのような実施の形態においては、ソフトウェアが、電気通信信号１１７８の形態でコンピュータシステム１１５０へとロードされる。ソフトウェアが、プロセッサ１１５２によって実行されたときに、好ましくはプロセッサ１１５２に本明細書においてすでに述べた本発明の特徴および機能を実行させる。

種々の実施の形態を、例えば特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）またはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（「ＦＰＧＡ」）などといった構成部品を使用して、主としてハードウェアにて実現してもよい。本明細書に記載の機能を実行することができるハードウェア状態機械の実現も、当業者にとって明らかであろう。また、種々の実施の形態を、ハードウェアおよびソフトウェアの両者の組み合わせを使用して実現してもよい。

さらに、上述の図および本明細書に開示の実施の形態に関して説明した種々の例示の論理ブロック、モジュール、回路、および方法の各段階を、多くの場合に、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両者の組み合わせとして実現できることを、当業者であれば理解できるであろう。このハードウェアおよびソフトウェアの入れ換え可能性を明確に示すために、種々の例示のコンポーネント、ブロック、モジュール、回路、およびステップを、おおむねそれらの機能に関して上述した。そのような機能をハードウェアまたはソフトウェアのどちらで実現するかは、特定の用途および全体としてのシステムに課せられる設計の制約に依存して決まる。当業者であれば、上述の機能を各々の特定の用途に合わせてさまざまなやり方で実現できるが、そのような実現の決定を、本発明の技術的範囲からの逸脱を生じるものと解釈してはならない。さらに、説明を容易にするために、いくつかの機能をモジュール、ブロック、回路、またはステップにまとめている。特定の機能またはステップを、本発明から逸脱することなく、或るモジュール、ブロック、または回路から他のモジュール、ブロック、または回路へと移動させることができる。

さらに、本明細書に開示の実施の形態に関連して説明した種々の例示の論理ブロック、モジュール、および方法を、本明細書に記載の機能を実行するように設計された汎用のプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（「ＤＳＰ」）、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、または他のプログラマブルなロジックデバイス、ディスクリートなゲートまたはトランジスタロジック、ディスクリートなハードウェアコンポーネント、あるいはこれらの任意の組み合わせによって実現または実行することができる。汎用のプロセッサは、マイクロプロセッサであってよいが、代案においては、プロセッサが、任意のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であってよい。また、プロセッサを、例えば、ＤＳＰおよびマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連動する１つ以上のマイクロプロセッサ、または他の任意の同様の構成など、演算装置の組み合わせとして実現してもよい。

さらには、本明細書に開示の実施の形態に関連して説明した方法またはアルゴリズムの各段階を、ハードウェア、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュール、または両者の組み合わせにて直接的に具現化することができる。ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、またはネットワーク記憶媒体を含む任意の他の形態の記憶媒体に位置させることができる。典型的な記憶媒体を、プロセッサへと、プロセッサが記憶媒体から情報を読み出すことができ、記憶媒体へと情報を書き込むことができるように、接続することができる。あるいは、記憶媒体がプロセッサと一体であってよい。プロセッサおよび記憶媒体が、ＡＳＩＣに位置してもよい。

上記の図は、本発明の典型的な構成を示すことができるが、それらは、本発明に含まれうる特徴および機能の理解を助けるために行われている。本発明は、例示したアーキテクチャまたは構成に限定されず、さまざまな代案のアーキテクチャおよび構成を使用して実現することが可能である。さらに、本発明を種々の典型的な実施の形態および実施例に関して上述したが、個々の実施の形態のうちの１つ以上において説明された種々の特徴および機能を、単独または何らかの組み合わせにて、本発明の残りの１つ以上の実施の形態へと適用することが、そのような実施の形態が記載されているか否かにかかわらず、かつそのような特徴が記載の実施の形態の一部として提示されているか否かにかかわらず可能であることを、理解すべきである。このように、とくには以下の特許請求の範囲における本発明の広さおよび範囲は、上述の典型的な実施の形態のいずれにも限定されるものではない。

本明細書において使用される用語および語句ならびにその変種は、とくにそのようでないと明示されない限りは、限定的に解釈するのではなく、制限のないものとして解釈されなければならない。そのような例として、用語「・・・含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、「・・・を含むが、・・・に限られない」などと理解すべきであり、用語「例」は、該当の項目について典型的な事例を提示するために使用されており、そのような項目を述べ尽くすものでも、そのような項目の限定列挙を提示するものでもなく、「従来からの（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ）」、「伝統的な（ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ）」、「標準的な（ｓｔａｎｄａｒｄ）」、「公知の（ｋｎｏｗｎ）」、などといった形容詞ならびに同様の意味の用語は、該当の項目を所与の時間期間または所与の時点において利用可能な項目に限定するものと解釈してはならず、むしろ現時点において利用可能または公知であり、あるいは将来の任意の時点において利用可能または公知であろう従来からの技法、伝統的な技法、通常の技法、または標準的な技法を包含すると解釈すべきである。同様に、接続詞「および（ａｎｄ）」によって結び付けられた項目の集まりは、そのような項目の各々がすべて集まりに存在しなければならないと解釈してはならず、むしろ、とくにそのようでないと明示されない限りは、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」と解釈されなければならない。同様に、接続詞「または（ｏｒ）」によって結び付けられた項目の集まりは、そのような集まりにおいて互いの排他性が必要であると解釈してはならず、むしろ、とくにそのようでないと明示されない限りは、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」と解釈されなければならない。さらに、開示の項目、構成要素、または構成部品が、単数形にて記載または請求されているかもしれないが、単数に限られる旨が明示されていない限りは、複数もその範囲に包含されると考えられる。いくつかの場合において「１つ以上（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」、「少なくとも（ａｔ ｌｅａｓｔ）」、「・・・に限られるわけではないが（ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」などといった広がりの用語および語句あるいは他の同様の語句が存在しているからといって、そのような広がりの語句が存在しない場合を、より狭い事例を意図しており、あるいはより狭い事例を必要としていると解釈してはならない。

Claims (16)

1. ユーザへと酸素を届けるための可搬の酸素濃縮器システムであって、ユーザによって容易に運ばれるように構成されており、
   充電式のエネルギー源と、
   前記エネルギー源を動力とし、外気を前記ユーザのための濃縮酸素ガスへと変換するように構成された濃縮器と、
   ユーザの呼吸活動を検出し、検出された呼吸活動に応答した信号を生成する吸気センサと、
   前記検出された呼吸活動に応答した信号を受信し、前記検出された呼吸活動に応答した受信信号に部分的にもとづいて呼吸レートを割り出し、該割り出された呼吸レートに少なくとも部分的にもとづいてユーザの酸素の要求を満たすために充分な酸素の流れを届けるように当該可搬の酸素濃縮器システムを制御する制御ユニットと、
   を備えており、
   重量が４〜２０ポンドである可搬の酸素濃縮器システム。
2. 前記制御ユニットが、前記割り出された呼吸レートにもとづいてユーザの血中酸素濃度を推定する請求項１に記載の可搬の酸素濃縮器システム。
3. 連続流の濃縮器を備えている請求項１に記載の可搬の酸素濃縮器システム。
4. パルス流の濃縮器ならびに連続流およびパルス流の組み合わせの濃縮器の少なくとも一方を備えている請求項１に記載の可搬の酸素濃縮器システム。
5. 前記濃縮器が、ユーザによる呼吸のたびごとにユーザへとボーラスサイズの酸素を届け、
   前記制御ユニットが、少なくとも前記吸気センサから該制御ユニットが受信する前記検出された呼吸活動に応答した信号にもとづいて、１つ以上の期間におけるユーザの呼吸の回数を測定し、
   前記制御ユニットが、割り出された時間期間当たりの呼吸の回数を呼吸ごとのボーラスサイズで乗算することによって、ユーザの呼吸レートを推定する請求項４に記載の可搬の酸素濃縮器システム。
6. 前記制御ユニットが、２つ以上の期間においてユーザの呼吸の回数を測定し、ユーザの呼吸レートの推定において、より新しく測定された呼吸の回数に、より古く測定された呼吸の回数に与える重要性よりも大きい重要性を与える請求項５に記載の可搬の酸素濃縮器システム。
7. 可変速の圧縮機をさらに備えており、
   前記濃縮器が、複数の吸着ベッドと、外気を前記ユーザのための濃縮酸素ガスへと変換するために流体を前記複数の吸着ベッドを通って選択的に移動させるべく回転式のバルブ作用をもたらすための１つ以上の回転バルブアセンブリとを備えており、
   前記制御ユニットが、当該可搬の酸素濃縮器システムを、前記可変速圧縮機の速度を調節することおよび前記１つ以上の回転バルブアセンブリの速度を調節することの少なくとも一方によって、ユーザの酸素の要求を満たすために充分な酸素の流れを届けるように制御する請求項１に記載の可搬の酸素濃縮器システム。
8. 可変速の圧縮機と、真空発生器とをさらに備えており、
   前記濃縮器が、減圧スイング吸着（ＶＰＳＡ）酸素濃縮器であり、
   前記圧縮機が、外気を圧縮して前記ＶＰＳＡ酸素濃縮器へと供給するように構成され、
   前記ＶＰＳＡ酸素濃縮器が、前記供給される外気から濃縮された気体酸素を分離するように構成されており、
   前記真空発生器が、前記ＶＰＳＡ酸素濃縮器の回収率および生産性を向上させるべく前記ＶＰＳＡ酸素濃縮器から排気ガスを吸い出す請求項１に記載の可搬の酸素濃縮器システム。
9. 請求項１に記載の可搬の酸素濃縮器システムを使用してユーザへと酸素を届けるための方法であって、
   前記吸気センサによってユーザの呼吸活動を検出し、検出された呼吸活動に応答した信号を生成するステップと、
   前記検出された呼吸活動に応答した信号を、前記制御ユニットによって受信するステップと、
   前記検出された呼吸活動に応答した受信信号に部分的にもとづいて、呼吸レートを前記制御ユニットにおいて割り出すステップと、
   該割り出された呼吸レートに少なくとも部分的にもとづいてユーザの酸素の要求を満たすために充分な酸素の流れを届けるように前記可搬の酸素濃縮器システムを前記制御ユニットで制御するステップと、
   を含んでいる方法。
10. 前記割り出された呼吸レートにもとづいてユーザの血中酸素濃度を前記制御ユニットによって推定するステップ
    をさらに含んでいる請求項９に記載の方法。
11. 前記可搬の酸素濃縮器システムが、連続流の濃縮器を備えている請求項９に記載の方法。
12. 前記可搬の酸素濃縮器システムが、パルス流の濃縮器ならびに連続流およびパルス流の組み合わせの濃縮器の少なくとも一方を備えている請求項９に記載の方法。
13. ユーザによる呼吸のたびごとにユーザへとボーラスサイズの酸素を前記濃縮器によって届けるステップと、
    前記制御ユニットによって、少なくとも前記吸気センサから該制御ユニットが受信する前記検出された呼吸活動に応答した信号にもとづいて、１つ以上の期間におけるユーザの呼吸の回数を測定するステップ、
    前記制御ユニットによって、割り出された時間期間当たりの呼吸の回数を呼吸ごとのボーラスサイズで乗算することによって、ユーザの呼吸レートを推定するステップと、
    をさらに含んでいる請求項１２に記載の方法。
14. 前記制御ユニットによる測定が、２つ以上の期間においてユーザの呼吸の回数を測定することを含んでおり、ユーザの呼吸レートの推定において、前記制御ユニットが、より新しく測定された呼吸の回数に、より古く測定された呼吸の回数に与える重要性よりも大きい重要性を与える請求項１３に記載の方法。
15. 前記可搬の酸素濃縮器システムが、可変速の圧縮機をさらに備えており、
    前記濃縮器が、複数の吸着ベッドと、外気を前記ユーザのための濃縮酸素ガスへと変換するために流体を前記複数の吸着ベッドを通って選択的に移動させるべく回転式のバルブ作用をもたらすための１つ以上の回転バルブアセンブリとを備えており、
    前記制御ユニットが、前記可搬の酸素濃縮器システムを、前記可変速圧縮機の速度を調節することおよび前記１つ以上の回転バルブアセンブリの速度を調節することの少なくとも一方によって、ユーザの酸素の要求を満たすために充分な酸素の流れを届けるように制御する請求項９に記載の方法。
16. 前記可搬の酸素濃縮器システムが、可変速の圧縮機と、真空発生器とを備えており、
    前記濃縮器が、減圧スイング吸着（ＶＰＳＡ）酸素濃縮器であり、
    前記圧縮機が、外気を圧縮して前記ＶＰＳＡ酸素濃縮器へと供給するように構成され、前記ＶＰＳＡ酸素濃縮器が、前記供給される外気から濃縮された気体酸素を分離するように構成されており、
    前記真空発生器が、前記ＶＰＳＡ酸素濃縮器の回収率および生産性を向上させるべく前記ＶＰＳＡ酸素濃縮器から排気ガスを吸い出す請求項９に記載の方法。

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