JP2022519730A - 呼吸器疾患治療のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

装置、例えば、ポータブル酸素濃縮器（１００）またはそれと通信するほかのデバイスのような装置は、濃縮器のふるい床の残存容量を、例えば、プロセッサ（複数可）を用いて推定するように構成され得る。かかる装置は、酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階における、測定されたふるい床の圧力対時間特性のパラメータにアクセスするように構成され得る。装置は、圧力対時間特性のパラメータの関数（複数可）と、ふるい床の動作特性（複数可）と、にアクセスするように構成され得る。装置は、測定された圧力対時間特性のパラメータに関数（複数可）を適用することによって残存容量を推定するように構成され得る。その後、かかる推定は、ふるい床の残存寿命を知らせるか、もしくは別の方法で消耗部品の適時交替を促すために、ディスプレイまたは電子メッセージ通信による通知を提供する根拠として使うことができる。【選択図】図９

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国仮特許出願第６２／８０２０７６号（出願日：２０１９年２月６日）の利益を主張する。本明細書中、同文献全体を参考により援用する。

技術の分野
本技術は概して、呼吸器疾患を治療するための方法および装置に関し、より具体的には、呼吸器疾患の患者に酸素富化ガスを供給するための酸素濃縮器で使用されるふるい床の残存寿命／容量を推定するための方法および装置に関するものである。

関連技術の説明
長期酸素治療（ＬＴＯＴ）の一環として酸素補充を必要とするユーザが、多数存在している。現在、ＬＴＯＴを利用している大多数のユーザは、一般的な慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）のカテゴリー下において診断される。その一般的診断を挙げると、慢性喘息、肺気腫および他のいくつかの心肺状態などの一般的疾病がある。他にも、酸素補充を必要とするユーザがおり、例えば、肥満の人が高い活動レベルを維持するために利用したり、あるいは嚢胞性繊維症または気管支肺異形成症の幼児が利用する場合もある。

医師は、これらのユーザのために、酸素濃縮器または医療用酸素のポータブルタンクを処方し得る。一般的には、特定の連続的酸素流量が処方される（例えば、１リットル／分（ＬＰＭ）、２ＬＰＭ、３ＬＰＭなど）。この分野における専門家によれば、これらのユーザが運動を行うと、疾病進行の抑制、生活の質の向上およびユーザ寿命の延びという長期的恩恵が得られることも判明している。しかし、トレッドミルおよび定置式自転車などの定置型の運動は、これらのユーザにとって激し過ぎる。そのため、可動性の必要性が、長く認識されている。最近まで、小型の圧縮酸素タンクの利用により、この可動性が促進されている。これらのタンクの不利点として、酸素量が有限である点と、（ドーリーホイール付きのカート上に取り付けた際に）重量が約５０ポンドであり高重量である点がある。

酸素濃縮器は、呼吸不全に罹患しているユーザへの酸素富化ガスを持つ酸素補充供給のために、約５０年間利用されている。これらの流量を提供するために使用されている従来の酸素濃縮器の場合、嵩高かつ高重量であるため、酸素濃縮器を装着しながら通常の歩行活動を行うことは、困難かつ非実際的である。最近、大型の定置型家庭用酸素濃縮器の製造会社は、ポータブル酸素濃縮器（ＰＯＣ）の開発を開始している。ＰＯＣの利点として、理論的には酸素富化ガスをエンドレスに供給できる点がある。これらのデバイスを可動性のために小型にするために、酸素富化ガス生成に必要な多様なシステムが高密度化されている。

酸素濃縮器は、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）を利用してもよい。圧力スイング吸着法においては、コンプレッサを用いて、酸素よりも窒素をより吸着するガス分離吸着剤の粒子を含むキャニスタ内のガス圧力が増加される。キャニスタ内の吸着剤粒子の塊を「ふるい床」と称する。周囲空気は、およそ７８％の窒素および２１％の酸素を一般的に含み、そのバランスの内訳は、アルゴン、二酸化炭素、水蒸気および他の微量気体である。例えば、空気などの供給ガス混合物が圧力下でふるい床に通されると、窒素の一部または全部がふるい床によって吸着され、容器から出てくるガスは酸素が豊富になる。このふるい床が窒素吸収能力の限界に到達した場合、圧力低下により床を再生することができ、これにより、吸収された窒素が放出される。その後、別の酸素富化ガス生成の「ＰＳＡサイクル」に対して準備が完了する。２キャニスタシステムにおいてキャニスタを交互に配置することにより、一方のキャニスタがパージされている間（「パージ段階」）に、もう一方のキャニスタが酸素を濃縮する（いわゆる「吸着段階」）ことができる。この交互配置により、酸素と窒素がほぼ絶え間なく分離する。このようにして、ユーザへの補充酸素供給を含めた多様な要求のために、酸素を空気から濃縮することができる。酸素濃縮器についてのさらなる詳細について、例えば米国公開特許出願第２００９－００６５００７号（公開日：２００９年３月１２日、タイトル「Ｏｘｙｇｅｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」）に記載がある。本明細書中、同文献を参考のため援用する。

ＰＯＣで使用されているガス分離吸着剤は、水との親和性が非常に高い。この親和性は、窒素の親和性を上回るほど高いため、（周囲空気などの）供給ガス流において水蒸気と窒素の両方が提供されていると、吸着剤は窒素よりも水蒸気を優先的に吸着することになる。さらには、水は吸着しても窒素ほど簡単には脱離しない。その結果、再生後も水分子が吸着したままとなり、窒素の吸着サイトを塞いでしまう。そのため、使用しているうちに吸着剤に水が溜まり、窒素の吸着効率が低下し、酸素を濃縮できる余地がなくなってくるため、ふるい床を交換する必要が出てくる。かかるふるい床は、消耗または不活性化したと称され得る。

ＰＯＣがふるい床の残存窒素吸着能力を推定できることには利点がある。消耗したふるい床の交換や、消耗しかけて許容水準を下回る性能しか発揮できなくなったふるい床の交換を計画するために、ユーザが残存容量を常に把握でき得るからである。

本明細書には、ポータブル酸素濃縮器のふるい床の残存容量を推定するための方法および装置が開示されている。ふるい床が不活性化すると、吸着剤によって吸着される窒素の量が減るため、ふるい床内の増圧に利用できる窒素の量が増える。そのため、供給ガスが供給されるにつれて圧力が速やかに上昇する。ＰＳＡサイクルにわたるふるい床の圧力対時間特性の分析により、ふるい床内の吸着材の残存吸着能力を推定できるようになる。開示された方法および装置は、圧力対時間特性の１つ以上のパラメータを抽出し、その１つ以上のパラメータに基づいて、ふるい床の残存容量を推定する。

本技術のいくつかのバージョンは、酸素濃縮器内のふるい床の残存容量を推定する方法を含む。この方法は、酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階で、測定されたふるい床の圧力対時間特性のパラメータにアクセスすることを含み得る。この方法は、測定された圧力対時間特性のパラメータの１つ以上の関数と、ふるい床の１つ以上の動作特性（複数可）と、にアクセスすることを含み得る。この方法は、測定された圧力対時間特性のパラメータに１つ以上の関数を適用することによって残存容量を推定することを含み得る。

いくつかのバージョンにおいては、この１つ以上の関数が、このふるい床と同じタイプの未使用ふるい床のパラメータの初期値を使用し得る。この方法は、パラメータの初期値が測定されてからの周囲条件の変化を補正するために、（ａ）パラメータの初期値および（２）パラメータのうちの少なくとも一方を調整することを含み得る。この１つ以上の関数は、ふるい床と同じタイプの消耗したふるい床のパラメータの消耗値を使用し得る。この方法は、パラメータの消耗値が測定されてからの周囲条件の変化を補正するためにパラメータの消耗値を調整することを含み得る。この１つ以上の関数は、線形補間など、パラメータの初期値およびパラメータの消耗値を使用した補間を含み得る。このパラメータは、圧力上昇時間であり得る。このパラメータは、ふるい床に供給された供給ガスの未吸着率であり得る。この１つ以上の関数は、ふるい床に供給される供給ガスの総モル数を表すパラメータを含み得る。この１つ以上の関数は、ふるい床に供給される供給ガスの質量流量を表すパラメータを含み得る。この１つ以上の関数は、ふるい床に供給され、ふるい床のキャニスタの圧力を高めた未吸着の供給ガスの量を表すパラメータを含み得る。この１つ以上の関数は、その段階における圧力の変化を表すパラメータと、ふるい床のキャニスタの空隙体積と、ふるい床に供給される供給ガスの温度と、および普遍気体定数と、を含み得る。１つ以上の関数は、ふるい床に供給された未吸着の供給ガスの量を、ふるい床に供給された供給ガスの量で除算することを含み得る。

いくつかのバージョンでは、この１つ以上の関数が、１つ以上のルックアップテーブルを含み得る。この方法は、残存容量のさらなる推定値を得るために、アクセスおよび推定を繰り返すことをさらに含み得る。この方法は、残存容量の推定値およびさらなる推定値から、ふるい床の残存使用時間を推定することをさらに含み得る。この方法は、酸素濃縮器のディスプレイに残存容量の推定値のインジケータを表示することをさらに含み得る。この方法は、残存容量の推定値に基づいてメッセージを生成することをさらに含み得る。

いくつかのバージョンでは、この方法が、パラメータを生成するために、酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階におけるふるい床の圧力対時間特性を測定することを含み得る。この方法は、残存容量のさらなる推定値を得るために測定を繰り返すことを含み得る。

本技術のいくつかのバージョンは、酸素濃縮器内のふるい床の残存容量を推定する方法を含み得る。この方法は、酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階におけるふるい床の圧力対時間特性を測定することを含み得る。この方法は、圧力対時間特性のパラメータを抽出することを含み得る。この方法は、圧力対時間特性のパラメータを用いて残存容量を推定することを含み得る。

いくつかのバージョンでは、このパラメータが、ふるい床に供給される供給ガスの未吸着率である。いくつかのバージョンでは、このパラメータが圧力上昇時間である。この方法は、残存容量のさらなる推定値を得るために、測定、抽出、および推定を繰り返すことをさらに含み得る。この方法は、残存容量の推定値およびさらなる推定値から、ふるい床の残存使用時間を推定することを含み得る。

本技術のいくつかのバージョンは、酸素濃縮器を含み得る。酸素濃縮器は、ガス分離吸着剤が入っているふるい床を含み得る。酸素濃縮器は、供給ガスをふるい床に供給するように構成された圧縮システムを含み得る。酸素濃縮器は、メモリとコントローラとを含み得る。コントローラは、１つ以上のプロセッサを含み得る。この１つ以上のプロセッサは、先述の方法や本明細書でさらに説明した方法など、ふるい床の残存容量を推定する方法を、メモリに記憶されたプログラム命令によって実行するように構成され得る。

本技術のいくつかのバージョンは、酸素濃縮器を含み得る。酸素濃縮器は、ガス分離吸着剤が入っているふるい床を含み得る。酸素濃縮器は、供給ガスをふるい床に供給するように構成された圧縮システムを含み得る。酸素濃縮器は、メモリとコントローラとを含み得る。コントローラは、酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階における、測定されたふるい床の圧力対時間特性のパラメータにアクセスするように構成され得る。コントローラは、圧力対時間特性のパラメータの１つ以上の関数と、ふるい床の１つ以上の動作特性と、にアクセスするように構成され得る。コントローラは、測定された圧力対時間特性のパラメータに１つ以上の関数を適用することによって残存容量を推定するように構成され得る。

本技術のいくつかのバージョンは、酸素濃縮器を含み得る。酸素濃縮器は、ガス分離吸着剤が入っているふるい床を含み得る。酸素濃縮器は、供給ガスをふるい床に供給するように構成された圧縮システムを含み得る。酸素濃縮器は、メモリを含み得る。酸素濃縮器は、コントローラを含み得る。コントローラは、酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階におけるふるい床の圧力対時間特性を１つ以上のセンサなどで測定するように構成され得る。コントローラは、圧力対時間特性のパラメータを抽出するように構成され得る。コントローラは、圧力対時間特性のパラメータを用いて残存容量を推定するように構成され得る。

本技術のいくつかのバージョンは、接続型酸素療法システムを含み得る。このシステムは、ガス分離吸着剤を含有するふるい床を含み得るポータブル酸素濃縮器を含み得る。このシステムは、ポータブル酸素濃縮器と通信する外部コンピューティングデバイスを含み得る。このシステムは、メモリと、本明細書に記載されているいずれかのようなふるい床の残存容量を推定する方法を、メモリに記憶されたプログラム命令によって実行するように構成されたプロセッサと、を含み得る。かかる方法は、ポータブル酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階で、測定されたふるい床の圧力対時間特性のパラメータにアクセスすることを含み得る。かかる方法は、圧力対時間特性のパラメータの１つ以上の関数と、ふるい床の１つ以上の動作特性にアクセスすることと、を含み得る。かかる方法は、測定された圧力対時間特性のパラメータに１つ以上の関数を適用することによって残存容量を推定することを含み得る。

いくつかのバージョンでは、プロセッサおよびメモリが、ポータブル酸素濃縮器の一部であり得る。プロセッサは、残存容量の推定値を外部コンピューティングデバイスに送信するようにさらに構成され得る。プロセッサおよびメモリは、外部コンピューティングデバイスの一部であり得る。このシステムは、ディスプレイを含み得る。プロセッサは、残存容量の推定値のインジケータをディスプレイに表示するようにさらに構成され得る。外部コンピューティングデバイスは、ポータブルコンピューティングデバイスであり得る。外部のコンピューティングデバイスは、サーバであり得る。このシステムは、サーバと通信するパーソナルコンピューティングデバイスをさらに含み得る。パーソナルコンピューティングデバイスは、サーバによってホストされるポータルシステムと対話するように構成され得る。パーソナルコンピューティングデバイスは、ポータルシステムから残存容量の推定値を受信するように構成され得る。パーソナルコンピューティングデバイスは、そのパーソナルコンピューティングデバイスのディスプレイに残存容量の推定値を表示するように構成され得る。

いくつかのバージョンでは、このシステムが、サーバと通信するポータブルコンピューティングデバイスをさらに含み得る。ポータブルコンピューティングデバイスは、サーバから残存容量の推定値を受信するように構成され得る。ポータブルコンピューティングデバイスは、ポータブルコンピューティングデバイスのディスプレイに残存容量の推定値を表示するように構成され得る。

本技術のいくつかのバージョンは、酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階における、測定されたふるい床の圧力対時間特性のパラメータにアクセスするための手段を含み得る装置を含み得る。この装置は、圧力対時間特性のパラメータの１つ以上の関数と、ふるい床の１つ以上の動作特性と、にアクセスするための手段を含み得る。この装置は、測定された圧力対時間特性のパラメータに１つ以上の関数を適用することによってふるい床の残存容量を推定するための手段を含み得る。

本技術のいくつかのバージョンは、酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階におけるふるい床の圧力対時間特性を測定するための手段を含む装置を含み得る。この装置は、圧力対時間特性のパラメータを抽出するための手段を含み得る。この装置は、圧力対時間特性のパラメータを用いてふるい床の残存容量を推定するための手段を含み得る。

もちろん、上記態様の一部は、本技術の下位態様を形成し得る。また、下位態様および／または態様のうち多様な１つを多様に組み合わせることができ、本技術のさらなる態様または下位態様も構成し得る。

本技術の他の特徴は、以下の詳細な説明、要約、図面および特許請求の範囲中に含まれる情報に鑑みれば明らかになる。

本技術の利点は、当業者にとって、以下の実施形態の詳細な説明の恩恵および添付図面の参照により、明らかになる。
酸素濃縮器のコンポーネントの概略図である。 酸素濃縮器の主要コンポーネントの例の側面図である。 圧縮システムの斜視側面図である。 熱交換導管を含む圧縮システムの側面斜視図である。 酸素濃縮器の出口コンポーネントの概略図である。 酸素濃縮器のための出口導管を示す。 酸素濃縮器のための別の出口導管を示す。 酸素濃縮器のための外側ハウジングを示す。 酸素濃縮器のためのコントロールパネルを示す。 接続型酸素療法システム５０に実装され得る例示的なデバイスの通信配置を示している。 「未使用時の分率」に基づいて算出された分率から残存容量を線形補間した様子を表すグラフである。 「未使用の」圧力上昇時間および「消耗した」圧力上昇時間に基づいて、測定された圧力上昇時間から残存容量を線形補間した様子を表すグラフである。 本技術の一実装形態におけるふるい床の残存容量推定方法のフローチャートを含む。 本技術の一実装形態におけるふるい床の残存容量推定方法のフローチャートを含む。 本技術は、多様な改変例および代替形態が可能であるが、その特定の実施形態を図面中に例示的に示し、本明細書中において詳述する。しかし、図面およびその詳細な説明は、本技術を開示の特定の形態に限定することを意図していないことが理解されるべきである。しかし、反対に、添付の特許請求の範囲によって定義されるとおりの本技術の精神および範囲に含まれるすべての修正、等価物、および代替物を網羅することが意図されていることも理解されるべきである。

本技術は、特定のデバイスまたは方法に限定されず、当然ながらそのようなデバイスまたは方法は異なり得ることが理解される。本明細書中に用いられる用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、限定的なものではないことも理解されるべきである。見出しは、ひとえに編成目的のためのものであり、記載または特許請求の範囲を限定または解釈するためのものを意図していない。本明細書中および添付の特許請求の範囲において用いられるように、単数形である「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、他に明記無き限り、単数形および複数形を含む。さらに、本出願全体において、「ｍａｙ」という用語は、必須の意味（すなわち、必要である）を持つものとしてではなく、許容的な意味（すなわち、可能性がある、可能である）を持つものとして用いられる。「ｉｎｃｌｕｄｅ」という用語およびその派生形は、「～を非限定的に含む」ということを意味する。

本明細書中用いられる「接続される」という用語は、１つ以上の物体またはコンポーネント間の直接的接続または間接的接続（例えば、１つ以上の介在的接続）を意味する。「接続される」という言い回しは、物体またはコンポーネントが直接相互接続されるような物体またはコンポーネント間の直接的接続を意味する。本明細書中において用いられるように、デバイス「を得る」という言い回しは、当該デバイスを購入または構築したことを意味する。

図１は、実施形態による酸素濃縮器１００の概略図である。酸素濃縮器１００は、気流から酸素を濃縮させて、酸素富化ガスをユーザへ提供し得る。本明細書中用いられるように、「酸素富化ガス」は、少なくとも約５０％の酸素、少なくとも約６０％の酸素、少なくとも約７０％の酸素、少なくとも約８０％の酸素、少なくとも約９０％の酸素、少なくとも約９５％の酸素、少なくとも約９８％の酸素、または少なくとも約９９％の酸素を含む。

酸素濃縮器１００は、ポータブル酸素濃縮器であり得る。例えば、酸素濃縮器１００の重量およびサイズは、酸素濃縮器を手で持ち運びできかつ／またはキャリーケースに入れて持ち運びできるような重量およびサイズになり得る。一実施形態において、酸素濃縮器１００の重量は、約２０ポンド未満、約１５ポンド未満、約１０ポンド未満または約５ポンド未満である。一実施形態において、酸素濃縮器１００の容量は、約１０００立方インチ未満、約７５０立方インチ未満、約５００立方インチ未満、約２５０立方インチ未満、または約２００立方インチ未満である。

キャニスタ
ガス分離吸着剤が入っているキャニスタ３０２および３０４において供給ガスを加圧することにより、供給ガスから酸素が回収され得る。酸素濃縮器中において有用に用いられるガス分離吸着剤は、少なくとも窒素を気流から分離させて、酸素富化ガスを残しておくことができる。ガス分離吸着剤の例を挙げると、気流からの窒素分離が可能な分子篩がある。酸素濃縮器内において用いられ得る吸着剤の例を非限定的に挙げると、高圧下における気流中の酸素からの窒素分離を行うゼオライト（天然）または合成結晶質アルミノ珪酸塩がある。利用可能な合成結晶質アルミノ珪酸塩の例を非限定的に以下に挙げる：ＯＸＹＳＩＶ吸着剤（入手元：ＵＯＰＬＬＣ、デスプレーンズ、ＩＷ）；ＳＹＬＯＢＥＡＤ吸着剤（入手元：Ｗ．Ｒ．Ｇｒａｃｅ＆Ｃｏ、コロンビア、ＭＤ）；ＳＩＬＩＰＯＲＩＴＥ吸着剤（入手元：ＣＥＣＡＳ．Ａ．、パリ、フランス）；ＺＥＯＣＨＥＭ吸着剤（入手元：ＺｅｏｃｈｅｍＡＧ、ウエーティコン、スイス）；およびＡｇＬｉＬＳＸ吸着剤（入手元：Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ、Ｉｎｃ．、アレンタウン、ＰＡ）。

図１に示すように、空気は、空気入口１０７を通じて酸素濃縮器へ進入し得る。空気は、圧縮システム２００により空気入口１０７中へ引き込まれ得る。圧縮システム２００は、酸素濃縮器の周囲から空気を引き込み、この空気を圧縮し得、これにより、圧縮空気をキャニスタ３０２および３０４の一方または双方の内部へ強制移動させ得る。実施形態において、入口マフラー１０８は、圧縮システム２００によって空気が酸素濃縮器中へ引き込まれる際に発生する音を低減するように、空気入口１０７へ接続され得る。実施形態において、入口マフラー１０８は、湿気および音吸収マフラーであり得る。例えば、吸水材（例えば、ポリマー吸水材またはゼオライト材料）は、入来空気からの水分の吸収と、空気入口１０７中へ進入する空気音の低減とをどちらとも行うために用いられ得る。

圧縮システム２００は、空気を圧縮することが可能な１つ以上のコンプレッサを含み得る。圧縮システム２００によって生成された加圧空気は、キャニスタ３０２および３０４の一方または双方の内部へ強制移動させられ得る。いくつかの実施形態において、供給ガスは、キャニスタ中においておよそ最大３０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）までの範囲にいて加圧され得る。キャニスタ内に配置されるガス分離吸着剤の種類に応じて、他の圧力を用いてもよい。

各キャニスタ３０２／３０４には、入口弁１２２／１２４および出口弁１３２／１３４が接続される。図１に示すように、入口弁１２２はキャニスタ３０２へ接続され、入口弁１２４はキャニスタ３０４へ接続される。出口弁１３２はキャニスタ３０２へ接続され、出口弁１３４はキャニスタ３０４へ接続される。入口弁１２２／１２４は、圧縮システム２００から各キャニスタへの空気の通過を制御するために用いられる。出口弁１３２／１３４は、通気プロセス時において各キャニスタからのガスの放出のために用いられる。いくつかの実施形態において、入口弁１２２／１２４および出口弁１３２／１３４は、シリコンプランジャーソレノイド弁であり得る。しかし、他の種類の弁を用いてもよい。プランジャー弁の場合、静音性がありかつ漏洩が少ない点において、他の種類の弁よりも有利である。

いくつかの実施形態において、２段弁作動電圧が、入口弁１２２／１２４および出口弁１３２／１３４の制御のために用いられ得る。例えば、入口弁を開口させるために、高圧（例えば、２４Ｖ）が入口弁へ付加され得る。次に、電圧を（例えば７Ｖ）へ低下させると、入口弁の開口状態が維持される。弁開口状態を維持するための電圧が低いほど、使用電力も低くなり得る（電力＝電圧＊電流）。このように電圧が低下すると、発熱および消費電力が最小化され、電源１８０（以下に記述）からのランタイムが延びる。弁への電力が断ち切られると、弁はバネ作用によって閉鎖する。いくつかの実施形態において、電圧は、必ずしも段階的応答ではない時間の関数として付加され得る（例えば、初期２４Ｖ～最終７Ｖの曲線状の下方電圧）。

実施形態において、加圧空気は、キャニスタ３０２または３０４のうち１つの内部へ供給され、他方のキャニスタは減圧される。例えば、使用時に、入口弁１２２は開口され、入口弁１２４は閉鎖される。圧縮システム２００からの加圧空気は、キャニスタ３０２中へ強制移動させられる一方、キャニスタ３０４中への進入は入口弁１２４によって抑止される。実施形態において、コントローラ４００は、弁１２２、１２４、１３２および１３４へ電気的に接続される。コントローラ４００は、メモリ４２０中に保存されたプログラム命令を実行することが可能なプロセッサ４１０を１つ以上含む。これらのプログラム命令は、酸素濃縮器の動作に用いられる多様な事前規定された方法を行うように、動作することができる。コントローラ４００は、入口弁１２２および１２４を相互に逆位相で動作させる（すなわち、入口弁１２２または１２４のうち一方が開口しているとき、他方の弁が閉鎖している）ためのプログラム命令を含み得る。キャニスタ３０２の加圧時において、出口弁１３２は閉鎖され、出口弁１３４は開口される。入口弁と同様に、出口弁１３２および１３４は、相互に逆位相に動作される。いくつかの実施形態において、電圧、ならびに入力弁および出力弁の開口に用いられる電圧の継続期間は、コントローラ４００によって制御され得る。

チェック弁１４２および１４４は、それぞれキャニスタ３０２および３０４へ接続される。チェック弁１４２および１４４は一方向弁であり、キャニスタの加圧および通気時に発生する圧力差によって受動的に動作させられる。チェック弁１４２および１４４は、キャニスタの加圧時に生成された酸素富化ガスがキャニスタから流動することおよび酸素富化ガスまたは他の任意のガスのキャニスタ中への逆流を抑止することを行うように、キャニスタへ接続される。このようにして、チェック弁１４２および１４４は、加圧中において各キャニスタからの酸素富化ガスの退出を可能にする一方向弁として機能する。

本明細書中用いられるように、「チェック弁」という用語は、流体（気体または液体）の一方向への流動を可能にしかつ流体の逆流を抑止する弁を指す。利用に適したチェック弁の例を以下に非限定的に挙げる：ボールチェック弁；ダイヤフラムチェック弁；バタフライチェック弁；スイングチェック弁；ダックビル弁；およびリフトチェック弁。圧力下において、加圧供給ガス中の窒素分子は、加圧されたキャニスタ中のガス分離吸着剤によって吸収される。圧力増加と共に、キャニスタ中のガスに含まれる酸素が多くなるまで、より多くの窒素が吸収される。吸収されなかったガス分子（主に酸素）は、キャニスタに結合したチェック弁にわたる圧力差が当該チェック弁の抵抗を充分圧倒するくらいの値に到達するまで、加圧されたキャニスタから流動する。一実施形態において、前方方向におけるチェック弁の圧力降下は、１ｐｓｉ未満である。逆方向における破壊圧力は、１００ｐｓｉを超える。しかし、１つ以上のコンポーネントの変更により、これらの弁の動作パラメータも変化することが理解されるべきである。前方流れ圧力が増加すると、酸素富化ガス生成が一般的に低下する。逆流のための破壊圧力が低下した場合または低すぎる値に設定された場合、酸素富化ガス圧力も概して低下する。

例示的実施形態において、キャニスタ３０２は、圧縮システム２００中において生成されてキャニスタ３０２中に送られた圧縮空気によって加圧される。キャニスタ３０２の加圧時において、入口弁１２２は開口され、出口弁１３２は閉鎖され、入口弁１２４は閉鎖され、出口弁１３４は開口される。出口弁１３２が閉鎖されると、出口弁１３４が開口され、これにより、キャニスタ３０２の加圧時におけるキャニスタ３０４の実質的な同時通気が可能になる。キャニスタ中の圧力がチェック弁１４２を開口させるのに充分になるまで、キャニスタ３０２が加圧される。キャニスタ３０２中に生成された酸素富化ガスは、チェック弁を通じて退出し、一実施形態において、アキュムレータ１０６中において収集される。

一定期間後、ガス分離吸着剤は窒素と共に飽和し、有意な量の窒素を入来空気から分離させることができなくなる。上記した実施形態において、キャニスタ３０２中のガス分離吸着剤がこの飽和点に到達すると、圧縮空気の流入が停止され、キャニスタ３０２が通気されて、窒素が除去される。通気時において、入口弁１２２は閉鎖され、出口弁１３２は開口される。キャニスタ３０２の通気時において、キャニスタ３０４への加圧により、酸素富化ガスの生成を上記した方法と同じ方法で行う。キャニスタ３０４の加圧は、出口弁１３４および開口部入口弁１２４の閉鎖によって達成される。酸素富化ガスは、チェック弁１４４を通じてキャニスタ３０４から退出する。

キャニスタ３０２の通気時において、出口弁１３２を開口させて、加圧ガス（主に窒素）を濃縮器出口１３０を通じてキャニスタから退出させる。実施形態において、通気ガスをマフラー１３３を通じて方向付けることにより、キャニスタからの加圧ガスの放出に起因して発生するノイズを低減することができる。ガスがキャニスタ３０２から放出されると、キャニスタ中の圧力が低下するため、窒素がガス分離吸着剤から脱着される。放出された窒素が出口１３０を通じてキャニスタから退出すると、キャニスタは、気流からの酸素の分離が更新された状態にリセットされる。マフラー１３３は、酸素濃縮器から退出したガスの音を消音するための連続気泡発泡体（または別の材料）を含み得る。いくつかの実施形態において、空気入力およびガス出力のための消音コンポーネント／技術の組み合わせにより、酸素濃縮器を５０デシベルを下回る音レベルにおいて動作させることが可能になり得る。

キャニスタの通気時において、窒素のうち少なくとも大部分が有利に除去される。実施形態において、キャニスタが再利用されて空気からの酸素を分離する前に、キャニスタ中の窒素のうち少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９８％または実質的に全てが除去される。いくつかの実施形態において、他方のキャニスタからキャニスタ中へ導入された酸素を豊富に含む流れを用いて、キャニスタから窒素をさらにパージする。

例示的実施形態において、キャニスタ３０４から窒素が通気されると、酸素富化ガスの一部がキャニスタ３０２からキャニスタ３０４へ移動され得る。キャニスタ３０４の通気時における酸素富化ガスのキャニスタ３０２から３０４への移動により、キャニスタからの窒素（および他のガス）のさらなるパージが支援される。実施形態において、酸素富化ガスは、２つのキャニスタ間の流れ抵抗器１５１、１５３および１５５を通じて移動し得る。流れ抵抗器１５１は、トリクル流れ抵抗器であり得る。流れ抵抗器１５１は、例えば０．００９Ｄ流れ抵抗器であり得る（例えば、流れ抵抗器の半径０．００９”は、内部の管の直径未満である）。流れ抵抗器１５３および１５５は、０．０１３Ｄ流れ抵抗器であり得る。他の種類およびサイズの流れ抵抗器も企図され、キャニスタの接続に用いられる特定の構成および配管に応じて用いられ得る。いくつかの実施形態において、流れ抵抗器は、圧入型流れ抵抗器であり得、各管中の直径を狭くすることにより、空気流れを制限する。いくつかの実施形態において、圧入型流れ抵抗器は、サファイア、金属またはプラスチック製であり得る（他の材料も企図される）。

酸素富化ガスの流れは、弁１５２および弁１５４の利用によっても制御される。弁１５２および１５４は、通気プロセス時において短い継続期間にわたって開口され得（および他の場合に閉鎖され得）、これにより、パージされているキャニスタからの過度の酸素損失を回避する。他の継続期間も、企図される。例示的な実施形態において、キャニスタ３０２は通気され、キャニスタ３０４中において生成された酸素富化ガスの一部をキャニスタ３０２中に送ることにより、キャニスタ３０２をパージすることが望ましい。酸素富化ガスの一部は、キャニスタ３０４が加圧されると、キャニスタ３０２の通気時において流れ抵抗器１５１を通じてキャニスタ３０２中へ移動する。さらなる酸素富化ガスが、キャニスタ３０４から弁１５４および流れ抵抗器１５５を通じてキャニスタ３０２中へ送られる。弁１５２は、移動過程時において閉鎖させたままでもよいし、あるいは、さらなる酸素富化ガスが必要な場合は開口させたままでもよい。適切な流れ抵抗器１５１および１５５の選択と、弁１５４の開口部の制御とにより、制御された量の酸素富化ガスをキャニスタ３０４から３０２へ送ることが可能になる。実施形態において、制御された量の酸素富化ガスとは、キャニスタ３０２をパージするためおよびキャニスタ３０２の通気弁１３２を通じた酸素富化ガスの損失を最小化するために充分な量である。本実施形態において、キャニスタ３０２の通気について述べているが、同じプロセスを流れ抵抗器１５１、弁１５２および流れ抵抗器１５３を用いたキャニスタ３０４の通気のために用いることが可能であることが理解されるべきである。

一対の均圧／通気弁１５２／１５４が流れ抵抗器１５３および１５５と協働することにより、これら２つのキャニスタ間の気流バランスが最適化される。その結果、キャニスタのうち他方からの酸素富化ガスによるキャニスタの通気のための制御の向上が可能になる。また、これら２つのキャニスタ間の流れ方向も向上する。流れ弁１５２／１５４は、２方向弁として動作し得るが、このような弁を通じた流量は、弁を通過する流体の方向によって異なることが分かっている。例えば、キャニスタ３０４から弁１５２を通じてキャニスタ３０２へ流動する酸素富化ガスの流量は、キャニスタ３０２から弁１５２を通じてキャニスタ３０４へ流れる酸素富化ガスの流量よりも高い。単一の弁が用いられた場合、キャニスタ間において送られる酸素富化ガスは最終的に過度に多くなるかまたは少なくなり、時間と共にキャニスタからは異なる量の酸素富化ガスが経時的に生成され始める。対向する弁および流れ抵抗器を平行な空気経路上において用いると、２つのキャニスタ間の酸素の流れパターンが均等化され得る。このような流れの均等化により、一定量の酸素を複数のサイクルにわたってユーザへ利用可能にすることが可能になり得、また、他方のキャニスタをパージするための酸素量の予測も可能になり得る。いくつかの実施形態において、空気経路に絞り弁を設けなくてもよいが、あるいは、弁に内蔵抵抗を設けるかまたは空気通路そのものの半径を小さくして抵抗を提供するようにしてもよい。

場合によっては、酸素濃縮器を一定期間にわたって停止してもよい。酸素濃縮器を停止した場合、圧縮システムからの断熱が失われるため、キャニスタの内部温度が低下し得る。温度が低下すると、キャニスタ内を占めるガス量が低下する。キャニスタが低温になると、キャニスタ中が負圧になり得る。キャニスタに繋がる弁およびキャニスタから延びる弁（例えば、弁１２２、１２４、１３２および１３４）は、気密的にシールされるのではなく、動的にシールされる。そのため、停止後、圧力差に対応する際に外部空気がキャニスタに進入し得る。キャニスタ中に外部空気が進入した場合、キャニスタ中において空気が低温になるにつれて外部空気からの湿気が凝縮し得る。キャニスタ中の水分が凝縮すると、ガス分離吸着剤が徐々に劣化し得、ガス分離吸着剤の酸素富化ガス生成能力が徐々に低下する。

一実施形態において、双方のキャニスタを停止前に加圧することにより、酸素濃縮器の停止後に外部空気がキャニスタに進入する事態を回避することができる。キャニスタを陽圧下において保存することにより、キャニスタ中の空気の内部圧力により、弁を気密的に閉鎖された位置へ強制移動させることができる。実施形態において、停止時におけるキャニスタ中の圧力は、少なくとも雰囲気圧力よりも高くすべきである。本明細書中用いられるように、「雰囲気圧力」という用語は、酸素濃縮器が配置されている雰囲気の圧力を指す（例えば、室内の圧力、室外の圧力、飛行機内の圧力）。実施形態において、停止時におけるキャニスタ中の圧力は、少なくとも標準的気圧よりも高い（すなわち、７６０ｍｍＨｇ（Ｔｏｒｒ）、１ａｔｍ、１０１，３２５Ｐａよりも高い）。実施形態において、停止時におけるキャニスタ中の圧力は、少なくとも雰囲気圧力の約１．１倍であり、少なくとも雰囲気圧力の約１．５であるか、または少なくとも雰囲気圧力の約２倍である。

実施形態において、加圧空気を圧縮システムから各キャニスタ中へ方向付けて全ての弁を閉鎖させて、加圧空気をキャニスタ中に閉じ込めることにより、キャニスタの加圧を達成することができる。例示的実施形態において、停止シーケンスが開始されると、入口弁１２２および１２４が開口され、出口弁１３２および１３４は閉鎖される。入口弁１２２および１２４は、共通導管によって接合されるため、キャニスタ３０２および３０４双方を空気として加圧することができ、かつ／または１つのキャニスタからの酸素富化ガスを他方のキャニスタへ移動させることができる。この状況は、圧縮システムと２つの入口弁との間の経路においてこのような移動が行われた場合に発生し得る。酸素濃縮器は、交互の加圧／通気モードにおいて動作するため、キャニスタのうち少なくとも１つを任意の所与の時期において加圧状態にする必要がある。別の実施形態において、圧力は、圧縮システム２００の動作によって各キャニスタ中において増加され得る。入口弁１２２および１２４が開口されると、キャニスタ３０２および３０４間の圧力が均等化されるが、いずれかのキャニスタ中の均等化された圧力は、停止時に空気がキャニスタに進入する事態を抑止するのには不十分であり得る。キャニスタへの空気進入を確実に抑止するために、双方のキャニスタ中の圧力を少なくとも雰囲気圧力を超えるレベルまで増加させるだけの充分な時間にわたって圧縮システム２００を動作させることができる。キャニスタの加圧方法に関わらず、キャニスタが加圧された後、入口弁１２２および１２４は閉鎖されるため、加圧空気はキャニスタ中に閉じ込められ、その結果、停止期間時においてキャニスタへの空気進入が抑止される。

図２を参照して、酸素濃縮器１００の一実施形態が図示される。酸素濃縮器１００は、圧縮システム２００と、キャニスタアセンブリ３００と、外側ハウジング１７０内に配置された電源１８０とを含む。入口１０１を外側ハウジング１７０内に設けることにより、環境からの空気が酸素濃縮器１００に進入することが可能になる。入口１０１により、区画内への空気流入が可能になるため、区画内のコンポーネントの冷却が支援される。電源１８０により、酸素濃縮器１００の電力源が得られる。圧縮システム２００により、入口１０７およびマフラー１０８を通じて空気が引き込まれる。マフラー１０８により、圧縮システムによって引き込まれる空気のノイズが低減され得、入来空気から水蒸気を除去するための乾燥剤材料も含み得る。酸素濃縮器１００は、酸素濃縮器からの空気および他のガスの通気に用いられるファン１７２をさらに含み得る。

圧縮システム
いくつかの実施形態において、圧縮システム２００は、１つ以上のコンプレッサを含む。別の実施形態において、圧縮システム２００は、キャニスタシステム３００の全キャニスタへ接続された単一のコンプレッサを含む。図３Ａおよび図３Ｂに戻って、コンプレッサ２１０およびモータ２２０を含む圧縮システム２００が図示されている。モータ２２０は、コンプレッサ２１０へ接続され、圧縮機構の動作のための動作力をコンプレッサへ提供する。例えば、モータ２２０は、回転コンポーネントを提供するモータであり得る。この回転コンポーネントにより、空気を圧縮させるコンプレッサのコンポーネントの周期的運動が発生する。コンプレッサ２１０がピストン型コンプレッサである場合、モータ２２０により、コンプレッサ２１０のピストンの往復運動を発生させる動作力が得られる。ピストンの往復運動により、圧縮空気がコンプレッサ２１０によって生成される。圧縮空気の流量は、コンプレッサの動作速度（例えば、ピストンの往復運動速度）によって部分的に推定され得る。そのため、モータ２２０は、可変速モータであり得、コンプレッサ２１０によって生成される空気の流量を動的に制御するために、多様な速度において動作することができる。

一実施形態において、コンプレッサ２１０は、ピストンを有する単一のヒートウォブル型コンプレッサを含む。他の種類のコンプレッサも用いられ得る（例えば、ダイヤフラムコンプレッサおよび他の種類のピストンコンプレッサ）。モータ２２０は、ＤＣまたはＡＣモータであり得、コンプレッサ２１０の圧縮コンポーネントへ動作力を提供する。モータ２２０は、実施形態において、ブラシレスＤＣモータであり得る。モータ２２０は、可変速モータであり得、コンプレッサ２１０の圧縮コンポーネントを可変速において動作させることができる。図１に示すように、モータ２２０は、コントローラ４００へ接続され得る。コントローラ４００は、モータ動作の制御のために、動作信号をモータへ送る。例えば、コントローラ４００は、モータをオンにすること、モータをオフにすること、およびモータの動作速度を設定することを行うための信号をモータ２２０へ送り得る。

圧縮システム２００は、実質的な熱を本質的に生成する。熱は、モータ２２０による電力消費および動力から機械運動への変換によって発生する。コンプレッサ２１０は、空気圧縮によるコンプレッサコンポーネントの移動に対する抵抗増加に起因して熱を発生させる。コンプレッサ２１０による空気の断熱圧縮によっても、熱が本質的に発生される。そのため、空気の連続的加圧により、封入容器中に熱が発生する。さらに、電源１８０は、圧縮システム２００への給電時において熱を生成し得る。さらに、酸素濃縮器のユーザは、屋内よりも高温であり得る外気温において条件付きではない環境（例えば、屋外）においてデバイスを動作させ得るため、入来空気は既に加熱状態になる。

酸素濃縮器１００内において熱が発生すると、問題になり得る。リチウムイオン電池は、長寿命および軽量であるため、主に酸素濃縮器の電源として用いられる。しかし、リチウムイオン・バッテリーパックの場合、高温において危険であり、危険な高温の電源が検出された場合にシステムを停止させるための安全制御が酸素濃縮器１００内において用いられる。加えて、酸素濃縮器１００の内部温度の上昇に伴い、濃縮器によって生成される酸素富化ガス中の酸素の分率が減少し得る。その部分的原因として、高温における所与の量の空気中の酸素が低下する点がある。酸素の分率が所定量を下回ると、酸素濃縮器１００は自動停止するか、または警告音を鳴らし得る。

酸素濃縮器はコンパクトであるため、放熱は困難であり得る。典型的な解決方法を挙げると、１つ以上のファンの使用により封入容器中に冷却空気の流れを発生させる方法がある。しかし、このような解決方法の場合、電源１８０からさらに電力が必要になるため、酸素濃縮器のポータブル利用時間が短くなる。実施形態において、受動的冷却システムは、コンプレッサ２１０のモータ２２０によって生成される機械的動力を利用するために用いられ得る。図３Ａおよび図３Ｂを参照して、圧縮システム２００は、外部回転電機子２３０を有するモータ２２０を含む。詳細には、モータ２２０（例えば、ＤＣモータ）の電機子２３０は、電機子を駆動する定常場の周囲を包囲する。モータ２２０は、システム全体への熱に大きく貢献するため、モータから熱を伝達し、封入容器から掃き出すと有用である。外部高速回転に起因して、モータの主要コンポーネントの相対速度およびその周囲の空気が高くなる。電機子の表面積は、内部に取り付けられた場合よりも、外部に取り付けられた場合に大きくなる。熱交換速度は表面積および速度の二乗に比例するため、外部に取り付けられたより大型の表面積電機子を用いた場合、モータ２２０からの放熱能力が増加する。電機子を外部に取り付けられたときの冷却効率の利得により、１つ以上の冷却ファンを無くすことができるため、酸素濃縮器の内部を適切な温度範囲内に維持しつつ、重量および消費電力が低減する。さらに、外部に取り付けられた電機子が回転すると、モータの近隣の空気が動くため、さらなる冷却が生成される。

その上、外部回転電機子によりモータ効率が支援され得、熱の発生が低減する。外部回転電機子を有するモータは、内燃機関中において機能するフライホイールと同様に動作する。モータがコンプレッサを駆動させる際、回転に対する抵抗は、低圧力において低くなる。圧縮空気の圧力が高くなると、モータ回転に対する抵抗が高くなる。その結果、モータは、一貫した理想的な回転安定性を維持できなくなり、コンプレッサの圧力要求に応じてサージおよび低速化が発生する。このようなモータのサージおよびその後の低速化の傾向は、非効率であり、そのため熱の原因となる。外部回転電機子を用いた場合、モータの角運動量が大きくなるため、モータの可変抵抗の補償が支援される。モータの仕事量が大きくなくてすむため、モータから発生する熱が低下し得る。

実施形態において、空気移動デバイス２４０を外部回転電機子２３０へ接続させることにより、冷却効率がさらに増加し得る。実施形態において、空気移動デバイス２４０を外部回転電機子２３０へ接続させる際には、外部回転電機子の回転により空気移動デバイス２４０が気流を発生させて、この気流がモータの少なくとも一部へ移動するように、接続が行われる。実施形態において、空気移動デバイス２４０は、電機子へ接続された１つ以上のファンブレードを含む。実施形態において、空気移動デバイス２４０が外部回転電機子の運動により回転するインペラとして機能するように、複数のファンブレードが環状リング内に配置され得る。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、空気移動デバイス２４０は、モータと整列した様態で外部回転電機子２３０の外面へ取り付けられ得る。空気移動デバイス２４０を電機子に取り付けることにより、気流を外部回転電機子の主要部分へ方向付けることが可能になり、これにより、使用時における冷却効果が可能になる。実施形態において、空気移動デバイス２４０により、外部回転電機子の大部分が空気流路中に配置されるように、気流が方向付けられる。

さらに、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、コンプレッサ２１０によって加圧された空気は、コンプレッサ出口２１２においてコンプレッサ２１０から退出する。コンプレッサ出口導管２５０は、圧縮空気をキャニスタシステム３００へ移動させるように、コンプレッサ出口２１２へ接続される。上記したように、空気が圧縮されると、空気の温度が上昇する。このような温度上昇は、酸素濃縮器の効率にとって有害であり得る。加圧空気の温度を低下させるために、コンプレッサ出口導管２５０が、空気移動デバイス２４０によって生成される空気流路中に配置される。コンプレッサ出口導管２５０の少なくとも一部は、モータ２２０の近隣に配置され得る。そのため、空気移動デバイス２４０によって生成された気流が、モータ２２０およびコンプレッサ出口導管２５０と接触し得る。一実施形態において、コンプレッサ出口導管２５０の大部分が、モータ２２０の近隣に配置される。実施形態において、図３Ｂに示すように、コンプレッサ出口導管２５０は、モータ２２０の周囲に渦巻き状にされる。

実施形態において、コンプレッサ出口導管２５０は、熱交換金属によって構成される。熱交換金属の例を非限定的に挙げると、アルミニウム、炭素鋼、ステンレススチール、チタン、銅、銅ニッケル合金またはこれらの金属の組み合わせから形成される他の合金がある。よって、コンプレッサ出口導管２５０は、空気圧縮に本質的に起因する熱を除去する熱交換器として機能し得る。圧縮空気からの熱除去により、所与の圧力における所与の量の分離の数が増加する。その結果、各圧力スイングサイクル時において各キャニスタが発生することが可能な酸素富化ガス量が増加し得る。

本明細書中に記載の放熱機構は、受動的なものであるか、または、酸素濃縮器１００に必要な要素を利用する。よって、例えば、さらなる電力を必要とするシステムを用いること無く、放熱の増加が可能になり得る。さらなる電力が不要になるため、バッテリーパックのランタイム増加が可能になり得、酸素濃縮器のサイズおよび重量の最小化が可能になり得る。同様に、さらなるボックスファンまたは冷却ユニットの利用も不要になり得る。このようなさらなる特徴を無くすことにより、酸素濃縮器の重量および消費電力が低下する。

上記したように、空気の断熱圧縮に起因して、空気温度が上昇する。キャニスタシステム３００中のキャニスタの通気時において、キャニスタから放出されるガスの圧力が低下する。キャニスタ中のガスの断熱減圧に起因して、通気と共にガス温度が低下する。実施形態において、キャニスタシステム３００からの冷却された通気ガスは、電源１８０および圧縮システム２００へ方向付けられる。一実施形態において、圧縮システム２００のベース３１５は、通気ガスをキャニスタから受領する。通気ガス３２７は、ベース３１５を通じてベースの出口３２５および電源１８０へ方向付けられる。通気ガスは、上記したようにガス減圧によって冷却されるため、電源１８０へ冷却を受動的に提供する。圧縮システムが動作すると、空気移動デバイス２４０は、冷却された通気ガスを収集し、ガスを圧縮システム２００のモータへ方向付ける。ファン１７２は、圧縮システム２００上の通気ガスをハウジング１７０から方向付けることも支援し得る。このようにして、電池からのさらなる電力を全く必要とすること無く、さらなる冷却を得ることが可能になり得る。

出口システム
キャニスタのうち１つ以上へ接続された出口システムは、酸素富化ガスをユーザへ提供する１つ以上の導管を含む。実施形態において、キャニスタ３０２および３０４のいずれかの内部において生成された酸素富化ガスは、図１に概略的に示すように、チェック弁１４２および１４４それぞれを通じてアキュムレータ１０６中に収集される。キャニスタから退出した酸素富化ガスは、酸素アキュムレータ１０６中に収集された後、ユーザへ提供され得る。いくつかの実施形態において、チューブにアキュムレータ１０６を接続することにより、酸素富化ガスをユーザへ提供することができる。酸素富化ガスは、酸素富化ガスをユーザの口腔および／または鼻へ移動させる気道送達デバイスを通じてユーザへ提供され得る。実施形態において、出口は、酸素をユーザの鼻および／または口腔へ方向付けるチューブを含み得る。このチューブは、ユーザの鼻へ直接接続されていない場合がある。

図４Ａを参照して、酸素濃縮器のための出口システムの実施形態の概略図が図示されている。アキュムレータ１０６からユーザへの酸素富化ガスの放出を制御するように、供給弁１６０が出口チューブへ接続され得る。実施形態において、供給弁１６０は、電磁駆動プランジャー弁である。ユーザへの酸素富化ガス放出を制御するように、コントローラ４００により供給弁１６０が作動される。供給弁１６０は、以下に述べるような場合を除いて、デフォルト設定では一般的には閉鎖している。

アキュムレータ１０６中の酸素富化ガスは、図４Ａに示すように、流れ抵抗器１７５を介して供給弁１６０を通じて酸素センサ１６２中へ移動する。実施形態において、酸素センサ１６２は、このチャンバを通過するガスの酸素濃度を決定するための１つ以上のデバイスを含み得る。その後、酸素富化ガスは、質量流れセンサ１８５および微粒子フィルタ１８７を通過する。

供給弁１６０の作動は、圧力スイング吸着法プロセスとタイミングを合わせられないかまたは同期されないかもしれない。その代わりに、いくつかの実施形態において、供給弁１６０の作動は、ユーザの呼吸と同期される。さらに、供給弁１６０は、オン／オフ動作またはバイナリ動作ではなく、連続値動作を有し得る。

流れ抵抗器１７５は、供給弁１６０が作動したときに、アキュムレータ１０６からユーザに放出される酸素富化ガスの流量を制限するように構成された受動デバイスである。供給弁１６０と流れ抵抗器１７５の組み合わせにより、供給弁１６０がバイナリであっても、送達されるボーラスの振幅が制限される。代替として、連続的に動作可能な供給弁１６０を適切に作動させることにより、コントローラ４００は、流れ抵抗器１７５を必要とせずに、臨床上有効および／または快適なボーラスの可変振幅プロファイルを確立することができる。

質量流れセンサ１８５は、導管内を流動するガスの質量流量を推定することが可能な任意のセンサまたは複数のセンサであり得る。微粒子フィルタ１８７は、ユーザへの酸素富化ガス送達の前の細菌、埃、細粒微粒子などのフィルタリングのために用いられる。酸素富化ガスは、フィルタ１８７を通じてコネクタ１９０へ移動する。コネクタ１９０は、酸素富化ガスを導管１９２を介してユーザへ送り、圧力センサ１９４へ送る。

出口通路の流体力学を供給弁１６０の作動と組み合わせることにより、酸素のボーラスの伝達を正確なタイミングで行うことが可能になり得、また、ユーザの肺中への高速送達を、過度な無駄無しに確保することが可能な振幅プロファイルも得られる。

酸素センサ１６２は、そのセンサを通過するガスの酸素濃度を判断する目的で使用され得る。酸素センサ１６２は、化学式酸素センサ、超音波式酸素センサ、または他のタイプの酸素センサであり得る。

質量流れセンサ１８５は、出口システム中を流れるガスの質量流量の決定に用いられ得る。質量流れセンサ１８５は、コントローラ４００へ接続され得る。出口システム中を流れるガスの質量流量は、ユーザの呼吸量を示し得る。出口システム中を流れるガスの質量流量の変化を用いて、ユーザの呼吸速度を決定することも可能であり得る。コントローラ４００は、質量流れセンサ１８５によって推定されるような、ユーザの呼吸速度および／または呼吸量に基づいて、供給弁１６０の作動を制御し得る。

酸素富化ガスは、質量流れセンサ１８５を通じてフィルタ１８７へ移動する。フィルタ１８７により、細菌、埃、細粒微粒子などが除去された後、酸素富化ガスがユーザへ提供される。酸素富化ガスは、フィルタ１８７を通じて、コネクタ１９０へ移動する。コネクタ１９０は、フィルタ１８７の出口を圧力センサ１９４および出口導管１９２へ接続させる「Ｙ字型」コネクタであり得る。圧力センサ１９４は、導管１９２を通じてユーザへ移動するガスの圧力を監視するように用いられ得る。圧力センサ１９４によって感知される圧力の変化は、吸息開始（単数または複数）（トリガインスタント（単数または複数）とも呼ばれる）を決定するために用いられ得る。よって、このような圧力センサからの圧力信号は、ユーザの呼吸速度を示し得る。コントローラ４００は、圧力センサ１９４によって推定されるようなユーザの呼吸速度および／または吸息の開始に基づいて、供給弁１６０の作動を制御し得る。実施形態において、コントローラ４００は、酸素センサ１６２、質量流れセンサ１８５、および圧力センサ１９４から提供される情報に基づいて、供給弁１６０の作動を制御し得る。

酸素富化ガスは、導管１９２を通じてユーザへ提供され得る。実施形態において、導管１９２は、シリコーンチューブであり得る。導管１９２は、図４Ｂおよび図４Ｃに示すように、気道接続部材（例えば、気道送達デバイス７１０）によってユーザへ接続され得る。気道送達デバイス７１０は、酸素富化ガスを鼻腔または口腔へ提供することが可能な任意のデバイスであり得る。気道接続部材の例を以下に非限定的に挙げる：鼻マスク、鼻枕、鼻プロング、鼻カニューレ、およびマウスピース。鼻カニューレ気道送達デバイスを図４Ｂに示す。使用時に、酸素濃縮器１００からの酸素富化ガスは、導管１９２および気道接続部材（例えば、気道送達デバイス７１０）を通じてユーザへ提供される。気道送達デバイス７１０は、ユーザが周囲からの空気を呼吸することを可能にしつつユーザへの酸素富化ガス送達を可能にするように、ユーザの気道の近隣（例えば、ユーザの口および／または鼻の近隣）に配置される。

別の実施形態において、酸素富化ガスをユーザへ提供するために、マウスピースが用いられ得る。図４Ｃに示すように、マウスピース７２０が、酸素濃縮器１００へ接続され得る。マウスピース７２０を酸素富化ガスのユーザへの提供のために用いられる唯一のデバイスにしてもよいし、あるいは、マウスピースを鼻送達デバイス（例えば、鼻カニューレ）と組み合わせて用いてもよい。図４Ｃに示すように、酸素富化ガスが鼻接続部材（例えば、気道送達デバイス７１０）およびマウスピース７２０双方を通じてユーザへ提供され得る。

マウスピース７２０を、ユーザの口内に取り外し可能に配置することができる。一実施形態において、マウスピース７２０を、ユーザの口中の１本以上の歯へ取り外し可能に接続することができる。使用時に、酸素富化ガスは、ユーザの口中へマウスピースを介して方向付けられる。マウスピース７２０は、ユーザの歯に適合するように成型されたナイトガードマウスピースであり得る。あるいは、マウスピースは、下顎再配置デバイスであり得る。実施形態において、少なくともマウスピースの大部分は、使用時においてユーザの口中に配置される。

使用時に、マウスピースの近隣において圧力変化が検出されると、酸素富化ガスがマウスピース７２０へ方向付けられ得る。一実施形態において、マウスピース７２０は、圧力センサ１９４へ接続され得る。ユーザがユーザの口腔を通じて空気を吸息すると、圧力センサは、マウスピースの近隣の圧力降を検出し得る。吸息開始時において、酸素濃縮器１００のコントローラ４００により、酸素富化ガスのボーラスがユーザへ送達され得る。

個人の典型的な呼吸時において、吸息は、鼻を通じて、口腔を通じてあるいは鼻および口腔双方を通じて行われ得る。さらに、呼吸は、多様な要素に応じて、１つの通路から別の通路へ変化し得る。例えば、より活発な活動時において、ユーザは、鼻を通じた呼吸を口を通じた呼吸（あるいは口および鼻を通じた呼吸）へ切り換え得る。単一の送達モード（鼻または口）に依存するシステムの場合、監視された経路を通じた呼吸が停止した場合に適切に機能できなくなり得る。例えば、ユーザへの酸素富化ガス提供のために鼻カニューレが用いられる場合、吸息開始を決定するために、吸息センサ（例えば、圧力センサまたは流量センサ）が鼻カニューレへ接続され得る。ユーザが鼻を通じた呼吸を停止し、口を通じた呼吸に切り換えると、鼻カニューレからのフィードバックが無いため、酸素濃縮器１００は、いつ酸素富化ガスを提供すればよいのかわからなくなり得る。このような状況下において、酸素濃縮器１００は、吸息センサがユーザの吸息を検出するまで、流量を増加し得かつ／または酸素富化ガスの提供頻度を増加させ得る。ユーザが呼吸モードの切り換えを頻繁に行うと、デフォルトの酸素富化ガス提供モードに起因して、酸素濃縮器１００の作動頻度が高くなり、その結果、システムのポータブル利用時間が潜在的に制限される。

実施形態において、ユーザへの酸素富化ガス提供に用いられる気道送達デバイス７１０（例えば、鼻カニューレ）と共に用いられるマウスピース７２０が、図４Ｃに示される。マウスピース７２０および気道送達デバイス７１０はどちらとも、吸息センサへ接続される。一実施形態において、マウスピース７２０および気道送達デバイス７１０は、同一の吸息センサへ接続される。別の実施形態において、マウスピース７２０および気道送達デバイス７１０は、異なる吸息センサへ接続される。いずれかの実施形態において、吸息センサ（単数または複数）は、それから吸息開始を口または鼻から検出し得る。酸素濃縮器１００は、近隣において吸息開始が検出されたデバイス（すなわち、マウスピース７２０または気道送達デバイス７１０）へ酸素富化ガスを提供するように構成され得る。あるいは、いずれかのデバイスの近隣において吸息開始が検出された場合、酸素富化ガスをマウスピース７２０および気道送達デバイス７１０双方へ提供してもよい。例えば図４Ｃに示すような２重送達システムを用いると、睡眠中のユーザにとって特に有用であり得、鼻呼吸／口呼吸間の切り換えを意識的努力無く遂行し得る。

コントローラシステム
酸素濃縮器１００の動作は、本明細書中に記載のような酸素濃縮器１００の多様なコンポーネントへ接続された内部コントローラ４００を用いて自動的に行われ得る。図１に示すように、コントローラ４００は、１つ以上のプロセッサ４１０および内部メモリ４２０を含む。酸素濃縮器１００の動作および監視に用いられる方法は、メモリ４２０中に保存されたプログラム命令またはコントローラ４００へ接続された分散媒によって具現され得、１つ以上のプロセッサ４１０によって実行され得る。メモリ媒体は、多様な種類のメモリデバイスまたは記憶装置のうちいずれかを含み得る。「メモリ媒体」という用語は、インストール媒体を含むことを意図する（例えば、コンパクトディスクリードオンリーメモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、フロッピーディスク、またはテープデバイス；コンピュータシステムメモリまたはランダムアクセスメモリ（例えば、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、ダブルデータレートランダムアクセスメモリ（ＤＤＲＲＡＭ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、拡張データアウトランダムアクセスメモリ（ＥＤＯＲＡＭ）、ラムバスランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ））；または不揮発性メモリ（例えば、磁気媒体（例えば、ハードドライブ、フラッシュメモリー、または光学記憶装置）））。メモリ媒体は、他の種類のメモリまたはその組み合わせも含み得る。

いくつかの実施形態において、コントローラ４００は、プロセッサ４１０を含む。プロセッサ４１０は、例えば、１つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、酸素濃縮器１００中に配置された回路基板上に設けられたマイクロコントローラなどを含む。プロセッサ４１０は、メモリ４２０中に保存されたプログラミング命令を実行することができる。いくつかの実施形態において、プログラミング命令は、プロセッサの外部のメモリに別個にアクセスできない（すなわち、メモリ４２０は、プロセッサ４１０の内部に設けられ得る）ように、プロセッサ４１０中に構築され得る。

プロセッサ４１０は、酸素濃縮器１００の多様なコンポーネントへ接続され得る（例を非限定的に挙げると、圧縮システム２００、システム中を流れる流体の制御に用いられる弁のうち１つ以上（例えば、弁１２２、１２４、１３２、１３４、１５２、１５４、１６０）、酸素センサ１６２、圧力センサ１９４、質量流れセンサ１８５、温度センサ、冷却ファン、湿度センサ、アクティグラフィーセンサ、高度計、および電気制御または監視が可能な他の任意のコンポーネント）。いくつかの実施形態において、別個のプロセッサ（および／またはメモリ）が、これらのコンポーネントのうち１つ以上へ接続され得る。

コントローラ４００は、酸素濃縮器１００を動作させるようにプログラムされ、酸素濃縮器１００を故障状態について監視するようにさらにプログラムされる。例えば、一実施形態において、コントローラ４００は、システムが動作しておりかつ所定の期間にわたってユーザにより呼吸が検出されない場合に警告をトリガするように、プログラムされる。例えば、コントローラ４００が７５秒間の期間にわたって呼吸を検出しない場合、警告ＬＥＤが点灯されかつ／または可聴警告が発生し得る。例えば睡眠時無呼吸エピソード時にユーザの呼吸が本当に止まった場合、この警告はユーザを覚醒させるのに充分であり得、これにより、ユーザの呼吸を再開させる。この呼吸活動は、コントローラ４００がこの警告機能をリセットするのに充分であり得る。あるいは、出力導管１９２がユーザから取り外されたときにシステムがうっかりオンのまま放置された場合、この警告は、ユーザに酸素濃縮器１００をオフにして電力を節約するよう促すためのリマインダとして機能し得る。

コントローラ４００は、酸素センサ１６２へさらに接続され得、酸素センサ１６２を通過する酸素富化ガスの酸素濃度の連続的または定期的監視のためにプログラムされ得る。最小酸素濃度閾値は、ユーザに対し酸素濃度低下について警告するためのＬＥＤ視覚警告および／または可聴警告をコントローラが点灯するように、コントローラ４００内にプログラムされ得る。

コントローラ４００は、内部電源１８０にも接続され、内部電源の充電レベルを監視することが可能である。最小電圧および／または現在の閾値コントローラ４００内にプログラムすることにより、コントローラがユーザに対して電力低下状態について警告するためのＬＥＤ視覚警告および／または可聴警告を点灯することができる。これらの警告の起動は、間欠的に行ってもよいし、あるいは、電池の利用可能な充電がゼロに近づくにつれて頻度を上げて行ってもよい。

コントローラ４００は、１つ以上の外部コンピューティングデバイスと通信可能に接続され、接続型酸素療法システムを構成し得る。図７は、接続型酸素療法システム５０の一実装形態を表しており、コントローラ４００は、携帯電話用グローバルシステム（ＧＳＭ）または他の無線通信プロトコル（例えば、ＷＩＦＩ）を使用して、コントローラ４００がクラウドベースのサーバなどのリモートコンピューティングデバイス（例えば、サーバ４４０）とネットワーク経由などで通信できるように構成されたセルラーワイヤレスモジュール（ＣＷＭ）４３０または他の無線通信モジュールを含み得る。コントローラ４００は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈなどの短距離無線通信プロトコルを使用してコントローラ４００がスマートフォンなどのポータブルコンピューティングデバイス４６０と通信できるように構成された短距離無線モジュール（ＳＲＷＭ）４５０も含み得る。ポータブルコンピューティングデバイス４６０（例えば、スマートフォン）は、ＰＯＣ１００のユーザと関連付けられ得る。

サーバ４４０は、ＧＳＭなどの無線通信プロトコルを用いてポータブルコンピューティングデバイス４６０との無線通信も行い得る。ポータブルコンピューティング４６０（例えば、スマートフォン）のプロセッサは、スマートフォンとＰＯＣ１００および／またはサーバ４４０とのやりとりを制御するために、「アプリ」と称されるプログラムを実行し得る。

サーバ４４０は、インターネットなどのワイドエリアネットワークやイーサネットなどのローカルエリアネットワークへの有線または無線接続を介して、パーソナルコンピューティングデバイス４７０との通信も行い得る。パーソナルコンピューティングデバイス４７０のプロセッサは、パーソナルコンピューティングデバイス４７０とサーバ４４０とのやりとりを制御するために、「クライアント」プログラムを実行し得る。クライアントプログラムの一例がブラウザである。

接続型酸素療法システム５０は、ＰＯＣ１００のような複数または一「群」のＰＯＣ（非図示）を備え得、いずれも、直接的に、またはＰＯＣのそれぞれのユーザと関連付けられたそれぞれのポータブルコンピューティングデバイス４６０を介して、サーバ４４０と通信し得る。パーソナルコンピューティングデバイス４７０は、そのＰＯＣ群のユーザの集団の治療を司る健康管理責任者（ＨＭＥ）と連動し得る。

コントローラ４００のさらなる機能について、本開示の他の部分に詳細の記載がある。

外側ハウジング―コントロールパネル
図５は、酸素濃縮器１００の外側ハウジング１７０の実施形態を示す。いくつかの実施形態において、外側ハウジング１７０は、軽量プラスチックを含み得る。外側ハウジングは、圧縮システム入口１０７と、冷却システム受動的入口１０１と、外側ハウジング１７０の各端部における出口１７３と、出口ポート１７４と、コントロールパネル６００とを含む。入口１０１および出口１７３により、冷却空気がハウジングに進入し、ハウジングを通過し、ハウジング１７０内から退出して、酸素濃縮器１００の冷却を支援することができる。圧縮システム入口１０７により、圧縮システム内への空気進入が可能になる。出口ポート１７４は、酸素濃縮器１００によって生成された酸素富化ガスをユーザへ提供するための導管を取り付けるために用いられる。

コントロールパネル６００は、ユーザとコントローラ４００との間のインターフェースとして機能して、ユーザが酸素濃縮器１００の所定の動作モードを開始することおよびシステムの状態を監視することを可能にする。充電入力ポート６０５は、コントロールパネル６００内に配置され得る。図６は、コントロールパネル６００の実施形態を示す。

いくつかの実施形態において、コントロールパネル６００は、酸素濃縮器１００のための多様な動作モードを起動するためのボタンを含み得る。例えば、コントロールパネルは、電源ボタン６１０、投与量ボタン６２０～６２６、活性モードボタン６３０、スリープモードボタン６３５、および電池チェックボタン６５０を含み得る。いくつかの実施形態において、これらのボタンのうち１つ以上は、各ＬＥＤを有し得る。このＬＥＤは、各ボタンが押圧されたときに発光し得（各ボタンが再度押圧されたときに電力オフにされ得る）。電源ボタン６１０は、システムの電力をオンまたはオフにさせ得る。システムをオフにするために電源ボタンが起動されると、コントローラ４００は、システムを停止状態にさせるための停止シーケンスを開始し得る（例えば、双方のキャニスタが加圧された状態）。投与量ボタン６２０、６２２、６２４および６２６により、酸素富化ガスの処方された連続流量の選択が可能になる（例えば、ボタン６２０により１ＬＰＭ、ボタン６２２により２ＬＰＭ、ボタン６２４により３ＬＰＭ、およびボタン６２６により４ＬＰＭ）。ユーザが通常時に酸素濃縮器１００を用いる場所よりも高い場所にユーザが行く場合、高度ボタン６４０が選択され得る。高度モードの起動に応答して行われる酸素濃縮器１００による調節について、本明細書中より詳細に説明する。

電池チェックボタン６５０が電池チェックルーチンを酸素濃縮器１００内において開始すると、１つ以上の相対的な残留電池電力ＬＥＤ６５５がコントロールパネル６００上において発光される。

検出された呼吸速度または深さを閾値に比較することにより推定されるようにユーザの活動が比較的低い場合（例えば、熟睡時、座位時）において、ユーザの呼吸速度または深さが低くなるときがある。ユーザの活動が比較的高い場合（例えば、歩行時、運動時）において、ユーザの呼吸速度または深さが高くなるときがある。活性／スリープモードは自動的に推定され得かつ／または活性モードの場合はボタン６３０を、そしてスリープモードの場合はボタン６３５を押圧することにより、ユーザが各活性モードまたはスリープモードを手動で指示することができる。活性モードまたはスリープモードの起動に応答して行われる酸素濃縮器１００による調節について、本明細書中より詳細に説明する。

酸素富化ガスの送達方法
酸素濃縮器１００の主な用途として、ユーザへの酸素補充がある。酸素濃縮器１００のコントロールパネル６００で１つ以上の流量設定が選択され得、これにより、選択された流量設定に応じた酸素富化ガスの生成を実現するように動作が制御される。いくつかのバージョンでは、複数の流量設定（例えば、５つの流量設定）が実装され得る。本明細書でさらに詳述するとおり、コントローラは、１つ以上の放出ボーラスのサイズを調節して、選択された流量設定に応じた酸素富化ガスの送達を実現するために、ＰＯＤ（パルス酸素供給）または需要モードの動作を実施し得る。

送達された酸素富化ガスの効果を最大化するために、コントローラ４００は、酸素富化ガスの各ボーラスの放出をユーザの吸息と同期させるようにプログラミングされ得る。ユーザの吸息時にユーザへの酸素富化ガスのボーラス放出を行うと、例えばユーザの呼息時に酸素放出を行わないことにより、酸素の浪費を回避することができる。ＰＯＤモードで動作する濃縮器の場合には、コントロールパネル６００上の流量設定が、例えば、０．２ＬＰＭ、０．４ＬＰＭ、０．６ＬＰＭ、０．８ＬＰＭ、１．１ＬＰＭなど、微量の送達酸素（１分あたりの呼吸数を乗じたボーラス量）に対応し得る。

酸素濃縮器１００によって生成された酸素富化ガスは、酸素アキュムレータ１０６中に保存され、ユーザの吸息時においてユーザへ放出される。酸素濃縮器１００によって提供される酸素富化ガス量は、供給弁１６０によって部分的に制御される。一実施形態例において、供給弁１６０の開口は、コントローラ４００によって推定されたような適切な量の酸素富化ガスをユーザに提供することができるだけの充分な量の時間の間行われる。酸素の浪費を最小化するために、酸素富化ガスは、検出されたユーザ吸息と同期してボーラスとして送達され得る。例えば、酸素富化ガスのボーラスは、ユーザ吸息の最初の数ミリ秒において送達され得る。

実施形態において、圧力センサ１９４は、ユーザの吸息開始を決定するように、用いられ得る。例えば、ユーザの吸息は、圧力センサ１９４の利用によって検出され得る。使用時において、酸素富化ガスを提供するための導管が、気道送達デバイス７１０および／または７２０を通じてユーザの鼻および／または口へ接続される。吸息開始時において、ユーザは、鼻および／または口を通じて空気を体内へ引き込むことを開始する。空気が引き込まれる際、送達導管端部において引き込まれる空気のベンチュリ作用に部分的に起因して、送達導管端部において負圧が発生する。このような圧力降下は、圧力センサ１９４または他の適切なセンサから提供される信号中に検出されて、吸息開始を示し得る。吸息開始が検出されると、供給弁１６０が開口されて、酸素富化ガスのボーラスがアキュムレータ１０６から送達される。場合によっては、オンセット遅延と称される待機インタバルの実装形態により、オンセット検出に合わせて供給弁の開口が任意選択で遅延され得る。圧力の正の変化または上昇は、ユーザの呼息を示し、概して酸素富化ガス放出が中止されたときである。一般的に、陽圧変化が感知されると、次の吸息開始まで供給弁１６０は閉鎖される。あるいは、ボーラス継続期間として知られる所定インタバル後、供給弁１６０は、閉鎖され得る。隣接する吸息開始間のインタバルを測定することにより、ユーザの呼吸速度が推定され得る。吸息開始時とその後の呼息開始時との間のインタバルを測定することにより、ユーザの吸気時間が推定され得る。

ふるい床の残存容量の推定
どちらかのキャニスタ（３０２または３０４）のＰＳＡサイクルの開始時に、キャニスタの圧力を所定のキャニスタ圧力上昇分ΔＰだけ高めるために、一方のキャニスタに供給ガスが供給される（「加圧段階」）。加圧段階継続時間は、未使用のキャニスタのキャニスタ圧力をキャニスタ圧力上昇分ΔＰだけ上昇させるのにかかる時間として予め決められ得る。加圧段階の後、チェック弁１４２または１４４が開き、キャニスタ圧力が安定するか、加圧段階よりもゆっくりと上昇する「吸着段階」が始まる。別の所定インタバルの後に、入口弁１２２または１２４を閉じ、出口弁１３２または１３４を別の所定期間にわたって開くことにより、キャニスタが減圧される（「減圧段階」）。

ふるい床が不活性化すると、吸着剤によって吸着される窒素の量が減るため、ふるい床内の増圧に利用できる窒素の量が増える。そのため、所与の量の供給ガスが供給されると、圧力が急激に上昇する。したがって、ふるい床の圧力が所与の入力流量に対してキャニスタ圧力上昇分ΔＰだけ上昇するのに必要な時間は、周囲条件に変化がないと仮定すると、ふるい床に存在する吸着材の残存吸着容量を反映する。

充填されたふるい床の中には、２つの空隙が存在するのが典型的である。１つは粒子間の空隙で、これは粒子の固体物質によって占有されていないキャニスタの容積である。この空隙は、床空隙と呼ばれる。ポータブル酸素濃縮器で使用されている吸着剤が多孔質であることから、他方の空隙は各粒子内にある。この空隙は、粒子空隙と呼ばれる。この２つの空隙の組み合わせが、非充填床の総空隙を成す。空隙体積（床空隙と粒子空隙の合計が総空隙とみなされ得る）は、分数εで示されるのが通例である。

床空隙率ε_ｂは、キャニスタ容積に対する床空隙体積の割合である。床空隙率ε_ｂは、次式で求めることができ、

式中、ρ_ｂｕｌｋはキャニスタ内の吸着剤の「バルク」密度（単位容積当たりの質量）、ρ_{ｐａｒｔｉｃｌｅ}は個々の吸着剤粒子の「物質」密度（単位容積当たりの質量、単位はρ_ｂｕｌｋと同じ）である。嵩密度ρ_ｂｕｌｋは、キャニスタの容積Ｖに対するキャニスタ内の吸着剤粒子の質量（既知のキャニスタパラメータ）の割合であり、５００～８００ミリグラム／立方センチメートルであるのが典型的である。物質密度ρ_{ｐａｒｔｉｃｌｅ}は、吸着材のメーカーが指定する量で、１立方センチメートルあたり９００～１５００ミリグラムが典型的である。

ρ_{ｐａｒｔｉｃｌｅ}が不明であるか、メーカーから提供されていない場合には、当業者に公知のＥｒｇｕｎ式を用いてふるい床の圧力損失からε_ｂを求めることができる。

粒子空隙率またはε_ｐは、粒子体積に対する粒子空隙体積の割合のことである。この値は、材料メーカーから提供され得る。この値が材料メーカーから提供されていなくても、ガスピクノメータデータから算出することができる。ガスピクノメータは、粒子内の固体成分の体積に対する質量（空隙および空きスペースをすべて取り除いたもの）である材料骨格密度ρ_{ｓｋｅｌｅｔａｌ}を提供することができる。このデータとρ_{ｐａｒｔｉｃｌｅ}とを用いて、次式で空隙率ε_ｐを求めることができる。

ε_ｐとε_ｂの両方に基づき、次式で総空隙率ε_{ｔｏｔａｌ}を求めることができる。

供給ガス分子がふるい床に供給されると、空隙内に留まる（この場合には、キャニスタ内の圧力が上昇する）か、吸着剤によって吸着される（この場合には、キャニスタ内の圧力が上昇しない）。キャニスタ内の圧力がΔＰだけ上昇した場合、圧力を上昇させた、すなわち空隙に留まったガスのモル数ｎ_ｖｏｉｄは、次に示す理想気体の方程式から算出することができる。

式中、Ｒは普遍気体定数（ＳＩ単位で８．３１にほぼ等しい）、Ｔはふるい床内の供給ガスの温度、Ｖ_ｖｏｉｄは空隙の容積、すなわち式（３）の空隙率ε_{ｔｏｔａｌ}の合計にキャニスタの容積Ｖを乗算したものである。キャニスタ圧力上昇分ΔＰは、ＰＳＡサイクルの所定パラメータである。ふるい床内の気体の温度Ｔは、キャニスタ近傍の気体経路に所在する１つ以上の温度センサによって、より正確には、ふるい床／Ｓに沿って所在するいくつかの温度センサによって測定された供給ガスの温度に設定され得る。例えば、温度センサは、コンプレッサ２００と一方または両方のキャニスタとの間、および／もしくは一方または両方のキャニスタ内、ならびに／または一方または両方のキャニスタの出口に所在し得る。温度センサが複数ある場合には、Ｔの値が、それぞれの温度センサからの複数の温度測定値の組み合わせ、例えば平均値と推定され得る。

ふるい床に供給された供給ガスの総モル数Ｎ（式（４）の空隙に留まったｎ_ｖｏｉｄモル数と吸着剤に吸着されたｎ_ａｄｓモル数からなる）は、圧縮システム２００の質量流量Ｑ（単位：モル／秒）および圧力上昇時間Δｔ、すなわちキャニスタ圧力上昇分ΔＰだけキャニスタ圧力を上げるのにかかる時間から、次式で算出され得る。

圧縮システム２００によってふるい床に供給される供給ガスの質量流量Ｑの値は、いくつかの方法で得られ得る。１つの方法は、コンプレッサ２００の出力に質量流れセンサを使用して、Ｑをリアルタイムで正確に測定することである。また、モータの回転数といった現在のコンプレッサ特性、および温度、気圧、高度、湿度のうちの１つ以上といった現在の周囲条件から質量流量Ｑを求める関数を使用する方法もある。かかる関数は、コンプレッサ２００の較正中に作られ、例えば、ＰＯＣ１００の製造時にメモリ４２０に記憶された多次元ルックアップテーブルなどのルックアップテーブルに具現化され得る。代替として、かかる関数は、理想気体の方程式から作られ得る（往復運動型コンプレッサ２１０の場合）。適切なセンサがないために得られない周囲条件は、温度は２０℃、相対湿度は７０％、高度は海抜など、典型的な値に設定され得る。

供給ガスの質量流量Ｑは、加圧段階で時間とともに変化し得る。かかる実装形態においては、ふるい床に供給される供給ガスの総モル数Ｎが、圧力上昇時間Δｔにわたる時間に対する質量流量Ｑ（ｔ）の積分として算出され得る。

キャニスタが吸着剤の上流に乾燥剤の層を含む場合には、実際にふるい床に到達するガスのモル数Ｎが、コンプレッサから出るガスのモル数よりも少ない。かかる実装形態においては、次式における値Ｎが、式（５）によって算出された値から割り引かれ得る。割引量は、供給ガス中の水蒸気のモル分率の関数であり、ひいては相対周囲湿度Ｈと周囲の温度および圧力との関数である。相対湿度Ｈは、外気温に基づき、アントワン式など公知の方法を用いて、供給ガス中の水蒸気の分圧に変換され得る。次に、供給ガス中の水蒸気のモル分率を求めるために、供給ガス中の水蒸気の分圧が雰囲気圧力で除算され得る。水蒸気のモル分率はその後、乾燥剤層が供給ガス中の水蒸気をすべて吸着するわけではないという事実を反映するために、多少割り引かれ得る。式（５）によって算出されたＮの値に、水蒸気の割引モル分率を１から引いた値が乗算され得る。

他の実装形態においては、乾燥剤材料の空隙率が、先述の吸着剤材料の空隙率ε_{ｔｏｔａｌ}と同様の方法でメーカーのデータから推定され得る。式（４）で使用する空隙容積Ｖ_ｖｏｉｄを求めるために、乾燥剤材料および吸着剤の空隙率の質量加重平均が、全体の空隙率として使用され得る。

ふるい床に供給された供給ガスのモル数の「未吸着率」Ｘは、次式で算出され得る。

式中、Ｎは、ふるい床に供給されたモル数である。

分率Ｘは、ふるい床の消耗度を示す指標で、ふるい床が完全に消耗すると、供給されたガス分子が吸着されないため、そのふるい床は１に等しい分率Ｘを有するが、未使用のふるい床では分率Ｘが１未満となる。ふるい床の残存容量は、ふるい床の寿命を経て容量が減少するにつれてＸの値が増加するという意味で、分率Ｘに反比例する。

代替実装形態として、酸素は窒素と同じ速度では吸着床に吸着されないという事実を考慮したものもある。この効果は、ふるい床に供給された酸素分子（供給ガスの２１％）がふるい床の最上部で特異的に吸着され、その後、窒素吸着フロントがその床を通過する際に空隙に放出されてキャニスタ内の圧力を高めると仮定することによってモデル化され得る。つまり、未吸着分子の分率Ｘにふるい床に供給された供給ガスの総モル数Ｎを乗算した値に加え、（１－Ｘ）Ｎモルの残存供給ガスのさらに２１％も、キャニスタの圧力上昇に寄与していることになる。すなわち、以下のようになる。

式（７）は、分率Ｘが次式で算出できるように再編成され得る。

なお、ふるい床が完全に消耗し、すべてのガス供給分子が空隙に移動して圧力を高めると（ｎ_ｖｏｉｄ＝ＱΔｔ）、式（８）の下では、分率Ｘが、より単純な式（６）と全く同じく１になる。

ふるい床が未使用（すなわち、残存容量Ｃ＝１００％）であれば、分率Ｘは、１よりも小さい値Ｘ_{ｆｒｅｓｈ}を有する。任意のふるい床において、この「未使用分率」Ｘ_{ｆｒｅｓｈ}は、ふるい床の動作特性であり、キャニスタ内の吸着材の量および性質、ＰＳＡプロセスのパラメータ、ならびに周囲条件から推定され得るか、同じタイプ（すなわち、同じ寸法と内容物）のふるい床の１つ以上の初期加圧時に、コンプレッサ質量流量Ｑ、ガス温度Ｔ、「未使用の」圧力上昇時間Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}、キャニスタの圧力上昇分ΔＰ、および空隙容積Ｖ_ｖｏｉｄから、式（４）および式（６）または式（８）を用いて算出され得る。複数の初期加圧が使用された場合には、Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}（ふるい床の動作特性）の値が、各加圧時に測定した圧力上昇時間の組み合わせ、例えば平均値として推定され得る。

そして、ふるい床使用時には、コンプレッサ質量流量Ｑ、ガス温度Ｔ、圧力上昇時間Δｔ、キャニスタ圧力上昇分ΔＰから、式（４）および式（６）または式（８）を用いて空隙容積Ｖ_ｖｏｉｄが算出され得る。そして、ふるい床の残存容量Ｃは、「未使用の」値である１（Ｘ＝Ｘ_{ｆｒｅｓｈ}の場合）および「消耗した」値である０（Ｘが「消耗」した分率、すなわち１、に等しい場合）を用いて、分率Ｘの関数として推定され得る。ある実装形態においては、この関数が線形補間であり得る。

図８は、未使用時の分率Ｘ_{ｆｒｅｓｈ}に基づいて求められた分率Ｘから残存容量Ｃ（Ｘ）を線形補間する様子を表すグラフ８００である。

代替実装形態は、一定ガス温度Ｔ、キャニスタ圧力上昇分ΔＰ、空隙容積Ｖ_ｖｏｉｄ、およびコンプレッサ質量流量Ｑが与えられた場合に、圧力上昇時間Δｔが分率Ｘに反比例するという、式（６）からの観察結果に基づいている。式（８）における代替定式化の下では、圧力上昇時間Δｔが分率Ｘに反比例しないが、ＸはΔｔの上昇に伴って単調に低下するため、圧力上昇時間Δｔは分率Ｘに概して反比例すると言え得る。

そのため、容量Ｃの補間（例えば、線形）は、分率Ｘではなく、圧力上昇時間Δｔに基づき得る。そのために、未使用時の圧力上昇時間Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}および「消耗した」圧力上昇時間Δｔ_ｅｘ（ふるい床の別の動作特性）が、式（４）から（６）を用いて、未使用分率Ｘ_{ｆｒｅｓｈ}および消耗分率（１）から推定され得るか、所与のふるい床タイプ（寸法および内容物）の未使用および消耗したサンプルからそれぞれ測定され得る。同じタイプのふるい床の残存容量Ｃは、使用中に、未使用時の圧力上昇時間Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}および消耗時の圧力上昇時間Δｔ_ｅｘを用いて、測定された圧力上昇時間Δｔの関数として推定され得る。ある実装形態においては、この関数が線形補間であり得る。

図９は、未使用時の圧力上昇時間Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}および消耗時の圧力上昇時間Δｔ_ｅｘに基づいて、測定された圧力上昇時間Δｔから残存容量Ｃ（Δｔ）を線形補間する例を表すグラフ９００である。

所与の残存容量で所与の空隙体積を有するふるい床に対して、所与のキャニスタ圧力上昇分ΔＰを達成するために所与のコンプレッサによって必要とされる圧力上昇時間Δｔは、周囲条件（温度、湿度、圧力のうちの１つ以上）によって変わる。そのため、残存容量Ｃの推定精度を高めるために、式（１０）を適用する前に、圧力上昇時間Δｔが調整されて、使用中の周囲条件と、未使用時の圧力上昇時間Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}および消耗時の圧力上昇時間Δｔ_ｅｘの測定時における周囲条件と、の間の差を補正し得る。いくつかの実装形態においては、未使用時の圧力上昇時間Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}および消耗時の圧力上昇時間Δｔ_ｅｘが測定されたときに、温度、湿度、および圧力センサなど、適切なセンサを使用して周囲条件が測定され得る。これらの測定値は、メモリ４２０に記憶され得る。使用中に、現在の周囲条件を測定するために同じセンサが使用され得、式（１０）を適用する前に、周囲条件の変化に基づいて圧力上昇時間Δｔの値が調整され得る。代替として、未使用時の圧力上昇時間Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}および消耗時の圧力上昇時間Δｔ_ｅｘが、それらのパラメータが測定されてからの周囲条件の変化に基づいて調整され（圧力上昇時間Δｔを調整しないまま）得る。調整の一例示的実装形態においては、測定された圧力上昇時間Δｔが、絶対温度の変化に反比例してスケーリングされ得る。別の例示的実装形態においては、測定された圧力上昇時間Δｔが、コンプレッサ質量流量Ｑの変化に反比例してスケーリングされ得る。（コンプレッサ質量流量Ｑの変化は、上記のとおり、質量流量Ｑを現在の周囲条件に関連付ける関数を用いてモデル化され得る）。

先述の式の任意の１つ以上、およびそれらの演算の任意の形態が、ＰＯＣなど、ふるい床の残存容量を推定するためのデバイスにより、１つ以上の関数として実装され得る。かかる関数は、場合によっては、１つ以上のデータルックアップテーブルを用いて実装され得る。

例えば、図１０は、本技術の一実装形態におけるふるい床の残存容量Ｃを推定する方法１０００のフローチャート例を含む。方法１０００は、コントローラ４００の１つ以上のプロセッサ４１０など、先述のとおり、ＰＯＣ１００のメモリ４２０などのメモリに記憶された１つ以上の関数および／またはそれらの関数に対応する関連データなどのプログラム命令によって構成された１つ以上のプロセッサによって実行され得る。代替として、方法１０００のステップの一部または全部が、上記のとおり、ＰＯＣ１００のコントローラ４００の通信相手となるように構成された外部コンピューティングデバイスの１つ以上のプロセッサによって同様に実行され得る。この後者の実装形態においては、プロセッサ４１０が、ＰＯＣ１００のメモリ４２０に記憶されたプログラム命令により、外部コンピューティングデバイスで実施されるべきそれらのステップの実行に必要な測定値およびパラメータを外部コンピューティングデバイスに送信するように構成され得る。外部コンピューティングデバイスは、リモートコンピューティングデバイス（例えば、サーバ４４０）、ポータブルコンピューティングデバイス４６０、またはパーソナルコンピューティングデバイス４７０であり得る。

任意選択で、方法１０００は、未使用時の分率Ｘ_{ｆｒｅｓｈ}を推定または算出するステップ１０１０より開始し得る。未使用時の分率Ｘ_{ｆｒｅｓｈ}は、上記の式（６）または式（８）を用いて、コンプレッサ質量流量Ｑ、ガス温度Ｔ、未使用時の圧力上昇時間Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}、キャニスタ圧力上昇分ΔＰ、および空隙容積Ｖ_ｖｏｉｄの関数として求められ得る。ステップ１０１０は、同じタイプのすべてのふるい床に対して１回、または所与のふるい床に対して１回実施され得る初回ステップであり得る。例えば、かかる情報は、（例えば、他の装置またはＰＯＣ１００によって）予め決定され得、この方法の後半のステップで使用するためにＰＯＣ１００または他の装置のメモリ内に記憶され得る。後続ステップ１０２０から１０５０は、ステップ１０１０で使用されたものと同じタイプのふるい床、またはステップ１０１０で使用されたものと同じふるい床の残存容量を推定するたびに実施され得る。

ステップ１０２０は、ＰＳＡサイクルの加圧段階で加圧されるキャニスタの温度Ｔを測定する。ステップ１０２０と同時に行われるなどするステップ１０３０で、圧力上昇時間Δｔを測定する。次にステップ１０４０で、分率Ｘが、上記の式（６）または式（８）を用いて、コンプレッサ質量流量Ｑ、ガス温度Ｔ、圧力上昇時間Δｔ、キャニスタ圧力上昇分ΔＰ、および空隙容積Ｖ_ｖｏｉｄの関数として算出される。任意選択のステップ１０５０で、上記のとおり、未使用時の分率Ｘ_{ｆｒｅｓｈ}が測定されてからの周囲条件の変化に基づいて、分率Ｘまたは未使用時の分率Ｘ_{ｆｒｅｓｈ}が調整される。最後に、ステップ１０６０で、残存容量Ｃの推定値が、式（９）を用いて、分率Ｘおよび未使用時の分率Ｘ_{ｆｒｅｓｈ}の関数として求められる。

図１１は、本技術の一実装態様におけるふるい床の残存容量Ｃを推定する方法１１００のフローチャートを含む。方法１１００は、ＰＯＣ１００のメモリ４２０に記憶されたプログラム命令によって構成されたコントローラ４００によって実行され得る。代替として、方法１１００のステップの一部または全部が、上記のとおり、ＰＯＣ１００のコントローラ４００の通信相手となるように構成された外部コンピューティングデバイスの１つ以上のプロセッサによって実行され得る。この後者の実装形態においては、プロセッサ４１０が、ＰＯＣ１００のメモリ４２０に記憶されたプログラム命令により、外部コンピューティングデバイスで実施されるべきそれらのステップの実行に必要な測定値およびパラメータを外部コンピューティングデバイスに送信するように構成され得る。外部コンピューティングデバイスは、リモートコンピューティングデバイス（例えば、サーバ４４０）、ポータブルコンピューティングデバイス４６０、またはパーソナルコンピューティングデバイス４７０であり得る。

方法１１００は、任意選択で、未使用のふるい床の未使用時の圧力上昇時間Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}を推定または測定するステップ１１１０より開始し得る。ステップ１１２０は、消耗したときの同じふるい床、または同じタイプの消耗したふるい床の消耗時の圧力上昇時間Δｔ_ｅｘを推定または測定する。

ステップ１１１０および１１２０は、同じタイプのすべてのふるい床に対して一度だけ実施され得る任意選択の初回ステップである。例えば、かかる情報は、（例えば、他の装置またはＰＯＣ１００によって）予め決定され得、この方法の後半のステップで使用するためにＰＯＣ１００または他の装置のメモリ内に記憶され得る。ステップ１１１０はまた、セットアッププロセスなどで、所与のふるい床に対して一度だけ実施され得る。後続ステップ１１３０から１１５０は、ステップ１１１０および１１２０で使用されたものと同じタイプのふるい床、またはステップ１１１０に使用されたものと同じふるい床の残存容量が推定されるたびに実施され得る。

ステップ１１３０は、ＰＳＡサイクルの加圧段階の圧力上昇時間Δｔを測定する。任意選択のステップ１１４０で、上記のとおり、未使用時の圧力上昇時間Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}および消耗時の圧力上昇時間Δｔ_ｅｘが測定されてからの周囲条件の変化に基づいて、圧力上昇時間Δｔ、または未使用時の圧力上昇時間Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}および消耗時の圧力上昇時間Δｔ_ｅｘが調整される。次にステップ１１５０で、残存容量Ｃの推定値が、式（１０）を用いて、圧力上昇時間Δｔ、未使用時の圧力上昇時間Δｔ_{ｆｒｅｓｈ}、および消耗時の圧力上昇時間Δｔ_ｅｘの関数として計算される。

さらなる代替方法では、方法１０００および１１００で、ふるい床の残存容量Ｃを推定するために圧力上昇時間Δｔが使用される方法と同じように、ふるい床の圧力対時間特性Ｐ（ｔ）の加圧段階の他のパラメータが使用され得る。かかるパラメータの一例が、圧力対時間特性の初期勾配ｄＰ／ｄｔであり、この勾配は、残存容量Ｃが１００％のときに低く、残存容量Ｃが減少するにつれて大きくなる。かかるパラメータの別例が、吸着段階における圧力対時間特性の勾配ｄＰ／ｄｔである。かかるパラメータのさらなる別例が、吸着段階における圧力対時間特性の勾配ｄＰ／ｄｔに対する圧力対時間特性の初期勾配ｄＰ／ｄｔの比である。

さらなる代替方法では、ふるい床の圧力対時間特性Ｐ（ｔ）の減圧段階のパラメータが、方法１０００および１１００でふるい床の残存容量Ｃを推定するために加圧段階の圧力上昇時間Δｔが使用される方法と同じように使用される。かかるパラメータの例は、圧力降下時間である。

上述したように、コントローラ４００は、酸素センサ１６２へ接続され得、酸素センサ１６２を通過する酸素富化ガスの酸素濃度の連続的または定期的監視のためにプログラムされ得る。酸素濃度ｐＯ_２は、ふるい床の残存容量の推定値Ｃ_ｏｘを得るのに使用された。なお、酸素濃度から推定された残存容量Ｃ_ｏｘは、上記の圧力対時間特性パラメータから推定された残存容量Ｃと比較され得る。２つの残存容量推定値の間にある有意な差が、漏水、結露、センサ不良、ガスの詰まりなど、ＰＯＣ１００内の内部システム不良を明示するのに使用され得る。

代替として、酸素濃度ｐＯ_２が、圧力対時間特性から推定された残存容量Ｃの「正常性チェック」として使用され得る。例えば、残存容量Ｃが０％に近づいていながら、酸素濃度ｐＯ_２が最大値付近に留まっていれば、酸素濃度ｐＯ_２がシステム不良の合図となり得る。逆に、酸素濃度ｐＯ_２が大幅（例えば、９０％未満）に低下すれば、酸素濃度ｐＯ_２が、残存容量の推定値の低下を確認するための合図となり得る。

時期ｔ_１、ｔ_２、．．．ｔＮにおける複数の残存容量推定値Ｃ（ｔ_１）、Ｃ（ｔ_２）、．．．Ｃ（ｔ_Ｎ）は、ふるい床が消耗するまでの残存使用時間の推定値Ｒに変換され得る。ある実装形態においては、残存容量の推定値Ｃ（ｔ_１）、Ｃ（ｔ_２）、．．．、Ｃ（ｔ_Ｎ）から傾向または時間プロファイルＣ（ｔ）が抽出され得、推定値Ｃ（ｔ_１）、Ｃ（ｔ_２）、．．．、Ｃ（ｔ_Ｎ）をもたらす同様の使用パターンが継続すると仮定して、残存容量Ｃ（ｔ_０）がゼロに達する時期ｔ_０を推定するために、時間プロファイルＣ（ｔ）が外挿され得る。その後、残存使用時間の推定値Ｒが、ｔ_０と現在時刻との差に設定され得る。

残存容量／使用時間の推定値の使用
ふるい床の残存容量および／または使用時間の推定値は、接続型酸素療法システム５０の様々なエンティティによってさらに利用され得る。

一実装形態においては、残存容量および／または使用時間の推定値が、ＰＯＣ１００のコントロールパネル６００に表示され得る。例えば、ＬＥＤ６５５は、電池残量ではなく、残存容量推定値の現在値（例えば、図示のとおり、１００％、７５％、５０％、２５％）を示す目的で使用され得る。このディスプレイは、コントロールパネル６００上の別個のボタン（非図示）の有効化を受けて現れ得る。同様に、残存容量や使用時間の推定値の現在値を表示するのに、数字（例えば８セグメント）ディスプレイ（非図示）が使用でき得る。

別の実装形態においては、ポータブルコンピューティングデバイス４６０上で稼働する「アプリ」により、残存容量および／または使用時間の推定値を、ポータブルコンピューティングデバイス４６０のディスプレイ上に表示させることができ得る。これは、アプリへの「プッシュ通知」を介したサーバ４４０の命令、またはアプリ自身の主導で行うことができ得る。任意選択で、場合によっては、ポータブルコンピューティングデバイスのプロセッサが、ＰＯＣからかかるデータを受信するなどして、ＰＯＣによって測定されたデータにアクセスし、先述のような処理方法のいずれかを使用して、残存容量および／または使用時間の推定値を算出し得る。

さらなる実装形態においては、サーバ４４０が、ポータルシステムをホストするように構成され得る。ポータルシステムは、ポータブルコンピューティングデバイス４６０から、またはＰＯＣ１００から直接、ＰＯＣ１００の動作に関連するデータを受信し得る。例えば、かかる動作データは、ＰＯＣ１００におけるふるい床の残存容量もしくは使用時間の推定値、またはポータルシステムのサーバにおいてかかる推定値を算出するための測定値を含み得る。上記のとおり、パーソナルコンピューティングデバイス４７０は、ブラウザなどのクライアントアプリケーションを実行して、パーソナルコンピューティングデバイス４７０のユーザ（ＨＭＥの代表者など）が、サーバ４４０によってホストされたポータルシステムを介して、ＰＯＣ１００および接続型酸素療法システム５０内の他のＰＯＣの動作データにアクセスできるようにし得る。このようにして、かかるポータルシステムは、例えばＰＯＣデバイス１００など、接続型酸素療法システム５０におけるＰＯＣデバイスのユーザの集団を管理するために、ＨＭＥによって利用され得る。

ポータルシステムは、このポータルシステムによって受信された動作データに基づいて、ＰＯＣデバイスおよびそのユーザの集団に対して、ユーザまたはデバイスの状態に関する有用な洞察を提供し得る。かかる洞察は、動作データに適用される規則に基づき得る。一実装形態においては、一群のＰＯＣの推定残存使用時間が、ポータルシステムと対話するクライアントプログラムの「ウィンドウ」内のパーソナルコンピューティングデバイス４７０のディスプレイ上でＨＭＥの代表者に表示され得る。さらには、残存使用時間の推定値ごとに規則が適用され得る。かかる規則の一例が、「ＰＯＣの残存使用時間が３週間を下回ったら、使用時間のディスプレイにおいてそのＰＯＣを強調表示する」というものである。かかる規則を推定残存使用時間に適用すると、ふるい床が消耗しつつあるＰＯＣがディスプレイ上で強調表示される。強調表示されたＰＯＣはその後、ＨＭＥにより、ふるい床の交換時期が迫っていることを指摘され得る。これは、接続型酸素療法システム５０内で動作しているふるい床の残存容量を推定する方法１０００および１１００によって可能になる、一種のルールベースのフリート管理の一例である。

任意選択で、ＰＯＣ１００がふるい床の残存容量Ｃの推定値を判断する場合などに、ＰＯＣ１００は、閾値との比較（例えば、推定値が閾値以下である場合）などにより、ふるい床の必要性を表す通知メッセージを提供するなどの目的で、その推定値に基づき得るメッセージをシステム５０の外部コンピューティングデバイスに伝達し得る。かかるメッセージは、図７のデバイスのいずれかで実装された注文または履行システムを介して、新しいふるい床の購入注文または交換注文の手配など、新しいふるい床の依頼を備え得る。また、かかるメッセージは、推定値か、推定値を決定するために必要な測定値およびパラメータのどちらかを受信するシステム５０のデバイスのいずれかによっても生成され得る。かかる場合、このメッセージは、かかる注文を手配および／または完了するためにシステム５０のデバイスと通信するように構成され得る購入、注文、または履行システムまたはサーバ（複数可）など、他のシステムへとさらに送信され得る。さらに、いくつかのバージョンでは、ＰＯＣが、推定値か、推定値と１つ以上の閾値との比較に基づいて、ＰＯＣの制御パラメータの変更を行い得る。例えば、ＰＯＣのＰＳＡサイクルを制御するための１つ以上のパラメータが、この比較に基づいて調整され得る。かかる調整は、例えば、供給およびパージサイクルのためにキャニスタを通過する流れおよび／またはコンプレッサの速度などを制御する弁の様々な弁タイミングのパラメータを含み得る。かかる調整は、一部が損傷した床が検出された場合（例えば、１００％未満、５０％など）にふるい床の残存使用寿命を延ばす目的、または再生された床を検出するために（例えば、５０％超または１００％もしくは１００％近く）通常の動作パラメータを再開する目的で実施され得る。任意選択で、システム５０のデバイスのいずれかは、ＰＯＣの動作においてかかる変更が必要であることを、推定値、または推定値と１つ以上の閾値との比較に基づいてかかる装置が検出した場合などに、ＰＯＣがＰＯＣの制御パラメータの変更を実施するためのコマンドをＰＯＣに伝達するように構成され得る。

一般的注意事項
本開示において、特定の米国特許、米国特許出願および他の文献（例えば、論文）を参考のため援用する。しかし、このような米国特許、米国特許出願および他の文献の本文を、そのような本文と本明細書中に記載の他の記載および図面との間に矛盾が存在しない範囲内において、参考のためひとえに援用する。そのような矛盾が生じた場合、そのような参考のため援用された米国特許、米国特許出願および他の文献中のそのような矛盾のある記載は全て、本特許中において参考のため特定的に援用されない。

本技術の多様な態様のさらなる改変例および代替的実施形態は、当業者にとって本記載に鑑みて明らかになり得る。よって、本記載は、あくまで例示的なものとして解釈されるべきであり、本技術を実行する一般的様態を当業者に教示する目的のためのものである。本明細書中に図示および記載された本技術の形態は、実施形態としてとられるべきであることが理解されるべきである。本技術の本記載の恩恵に鑑みれば当業者にとって全て明らかであるように、要素および材料は、本明細書中に例示および記載したものにおいて代替可能であり、部分およびプロセスは逆転され得、本技術の特定の特徴は独立的に利用され得る。以下の特許請求の範囲に記載のような本技術の意図および範囲から逸脱すること無く、本明細書中に記載の要素において変更が可能であり得る。

例えば、先述の技術は、以下の説明段落の実施例でさらに考慮され得る。

実施例１．酸素濃縮器内のふるい床の残存容量を推定する方法であって、
前記酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階で前記ふるい床の圧力対時間特性を測定することと、
前記圧力対時間特性のパラメータを抽出することと、
前記圧力対時間特性の前記パラメータを用いて前記残存容量を推定することと、を含む、方法。

実施例２．前記推定することが、前記ふるい床と同じタイプの未使用のふるい床の前記パラメータの初期値をさらに使用する、実施例１に記載の方法。

実施例３．パラメータの初期値が測定されてからの周囲条件の変化を補正するために、（ａ）パラメータおよび（ｂ）パラメータの初期値のうちの少なくとも一方を調整することをさらに含む、実施例２の方法。

実施例４．前記１つ以上の関数が、前記ふるい床と同じタイプの消耗したふるい床の前記パラメータの消耗値を使用する、実施例２に記載の方法。

実施例５．前記パラメータの前記消耗値が測定されてからの周囲条件の変化を補正するために前記パラメータの前記消耗値を調整することをさらに含む、実施例４に記載の方法。

実施例６．前記残存容量を前記推定することが、前記パラメータと、前記パラメータの前記初期値との間を補間することを含む、実施例２～５のいずれか１つに記載の方法。

実施例７．前記パラメータが、前記ふるい床に供給される供給ガスの未吸着率である、実施例１～６のいずれか１つに記載の方法。

実施例８．前記パラメータを抽出することが、未吸着の供給ガスの量を、前記ふるい床に供給された供給ガスの量で除算することを含む、実施例７の方法。

実施例９．前記推定することが、前記ふるい床と前記同じタイプの消耗したふるい床の前記パラメータの値をさらに使用する、実施例１～６のいずれか１つに記載の方法。

実施例１０．前記パラメータが圧力上昇時間である、実施例９に記載の方法。

実施例１１．実施例１～１０のいずれか１つの方法であって、
残存容量のさらなる推定値を得るために、前記測定、抽出、推定を繰り返すことと、
前記推定値と残存容量の前記さらなる推定値から、前記ふるい床の残存使用時間を推定することと、を含む、方法。

実施例１２．前記酸素濃縮器のディスプレイに、残存容量の前記推定値のインジケータを表示することをさらに含む、実施例１～１１のいずれか１つに記載の方法。

実施例１３．酸素濃縮器であって、
ガス分離吸着剤が入っているふるい床と、
供給ガスを前記ふるい床に供給するように構成された圧縮システムと、
メモリと、
前記１つ以上のプロセッサを備えるコントローラであって、メモリに記憶されたプログラム命令により、実施例１～１２のいずれか１つの前記ふるい床の前記残存容量を推定する前記方法を実行するように構成された１つ以上のプロセッサと、を含む、酸素濃縮器。

実施例１４．接続型酸素療法システムであって、
ガス分離吸着剤が入っているふるい床を備えるポータブル酸素濃縮器と、
前記ポータブル酸素濃縮器と通信する外部コンピューティングデバイスと、
メモリと、
前記メモリに記憶されたプログラム命令によって前記ふるい床の残存容量を推定するように構成されたプロセッサと、を備え、前記プロセッサは、
前記酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの一段階で前記ふるい床の圧力対時間特性を測定し、
前記圧力対時間特性のパラメータを抽出し、
前記圧力対時間特性のパラメータを使用して前記残存容量を推定するように構成されている、接続型酸素療法システム。

実施例１５．前記プロセッサおよび前記メモリが前記ポータブル酸素濃縮器の一部である、実施例１４に記載の接続型酸素療法システム。

実施例１６．前記プロセッサが、前記残存容量推定値を前記外部コンピューティングデバイスに送信するようにさらに構成されている、実施例１５に記載の接続型酸素療法システム。

実施例１７．前記プロセッサおよび前記メモリが前記外部コンピューティングデバイスの一部である、実施例１４に記載の接続型酸素療法システム。

実施例１８．ディスプレイをさらに備える、実施例１４～１７のいずれか１つに記載の接続型酸素療法システム。

実施例１９．前記プロセッサが、推定される残存容量のインジケータを前記ディスプレイに表示するようにさらに構成されている、実施例１８に記載の接続型酸素療法システム。

実施例２０．前記外部コンピューティングデバイスがポータブルコンピューティングデバイスである、実施例１４～１９のいずれか１つに記載の接続型酸素療法システム。

実施例２１．前記外部コンピューティングデバイスがサーバである、実施例１４～１９のいずれか１つに記載の接続型酸素療法システム。

実施例２２．前記サーバと通信するパーソナルコンピューティングデバイスをさらに備える、実施例２１の接続型酸素療法システム。

実施例２３．前記パーソナルコンピューティングデバイスが、前記サーバによってホストされるポータルシステムと対話するように構成されている、実施例２２に記載の接続型酸素療法システム。

実施例２４．前記パーソナルコンピューティングデバイスは、
ポータルシステムから残存容量の推定値を受信し、
パーソナルコンピューティングデバイスのディスプレイに残存容量の推定値を表示するように構成されている、実施例２３に記載の接続型酸素療法システム。

実施例２５．前記サーバと通信するポータブルコンピューティングデバイスをさらに備える、実施例２１に記載の接続型酸素療法システム。

実施例２６．前記ポータブルコンピューティングデバイスは、
前記サーバから前記残存容量の推定値を受信し、
前記残存容量推定値を前記ポータブルコンピューティングデバイスのディスプレイに表示するように構成されている、実施例２５に記載の接続型酸素療法システム。

実施例２７．装置であって、
前記酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階でふるい床の圧力時間特性を測定するための手段と、
前記圧力対時間特性のパラメータを抽出するための手段と、
前記圧力対時間特性のパラメータを用いて前記ふるい床の残存容量を推定するための手段と、を含む、装置。

５０ 酸素療法システム
１００ 酸素濃縮器
１０１ 入口
１０６ アキュムレータ
１０７ 入口
１０８ 入口マフラー
１２２ 入口弁
１２４ 入口弁
１３０ 出口
１３２ 出口弁
１３３ マフラー
１３４ 出口弁
１４２ チェック弁
１４４ チェック弁
１５１ 流れ抵抗器
１５２ 弁
１５３ 流れ抵抗器
１５４ 弁
１５５ 流れ抵抗器
１６０ 供給弁
１６２ 酸素センサ
１７０ 外側ハウジング
１７２ ファン
１７３ 出口
１７４ 出口ポート
１７５ 流れ抵抗器
１８０ 電源
１８５ 質量流れセンサ
１８７ フィルタ
１９０ コネクタ
１９２ 導管
１９４ 圧力センサ
２００ 圧縮システム
２１０ コンプレッサ
２１２ コンプレッサ出口
２２０ モータ
２３０ 外部回転電機子
２４０ 空気移動デバイス
２５０ コンプレッサ出口導管
３００ キャニスタシステム
３０２ キャニスタ
３０４ キャニスタ
３１５ ベース
３２５ 出口
３２７ ガス
４００ コントローラ
４１０ プロセッサ（単数または複数）
４２０ メモリ
４３０ セルラーワイヤレスモジュール
４４０ リモートコンピューティングデバイス
４５０ 近距離無線通信プロトコルワイヤレスモジュール
４６０ ポータブルコンピューティングデバイス
４７０ パーソナルコンピューティングデバイス
６００ コントロールパネル
６０５ 入力ポート
６１０ 電源ボタン
６２０ ボタン
６２２ ボタン
６２４ ボタン
６２６ ボタン
６３０ ボタン
６３５ ボタン
６４０ 高度ボタン
６５０ 電池チェックボタン
６５５ ＬＥＤ
７１０ 気道接続部材
７２０ マウスピース
８００ グラフ
９００ グラフ
１０００ 方法
１０１０ ステップ
１０２０ ステップ
１０３０ ステップ
１０４０ ステップ
１０５０ ステップ
１０６０ ステップ
１１００ 方法
１１１０ ステップ
１１２０ ステップ
１１３０ ステップ
１１４０ ステップ
１１５０ ステップ

Claims (41)

1. 酸素濃縮器内のふるい床の残存容量を推定する方法であって、
   前記酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階における、測定された前記ふるい床の圧力対時間特性のパラメータにアクセスすることと、
   前記測定された圧力対時間特性のパラメータの１つ以上の関数と、前記ふるい床の１つ以上の動作特性にアクセスすることと、
   前記測定された圧力対時間特性のパラメータに１つ以上の関数を適用することによって残存容量を推定することと、を含む、方法。
2. 前記１つ以上の関数が、前記ふるい床と同じタイプの未使用のふるい床の前記パラメータの初期値を使用する、請求項１に記載の方法。
3. パラメータの初期値が測定されてからの周囲条件の変化を補正するために、（ａ）パラメータの初期値および（ｂ）パラメータのうちの少なくとも一方を調整することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記１つ以上の関数は、前記ふるい床と同じタイプの消耗したふるい床の前記パラメータの消耗値を使用する、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記パラメータの前記消耗値が測定されてからの周囲条件の変化を補正するために前記パラメータの前記消耗値を調整することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記１つ以上の関数は、パラメータの初期値およびパラメータの消耗値を使用した補間を含む、請求項４または５に記載の方法。
7. 前記パラメータは圧力上昇時間である、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記パラメータが、前記ふるい床に供給される供給ガスの未吸着率である、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記１つ以上の関数は、前記ふるい床に供給される供給ガスの総モル数を表すパラメータを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記１つ以上の関数は、前記ふるい床に供給される供給ガスの質量流量を表すパラメータを含む、請求項８または９に記載の方法。
11. 前記１つ以上の関数は、前記ふるい床に供給される未吸着の供給ガスの量を表すパラメータを含む、請求項８～１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記１つ以上の関数は、その段階における圧力の変化を表すパラメータと、前記ふるい床のキャニスタの空隙体積と、前記ふるい床に供給される供給ガスの温度と、普遍気体定数と、を含む、請求項８～１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記１つ以上の関数は、前記ふるい床に供給された未吸着の供給ガスの量を、前記ふるい床に供給された供給ガスの量で除算することを含む、請求項８～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記１つ以上の関数は、１つ以上のルックアップテーブルを含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 残存容量のさらなる推定値を得るために、アクセスおよび推定を繰り返すことと、
    前記推定値と残存容量の前記さらなる推定値から、前記ふるい床の残存使用時間を推定することと、をさらに含む、請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記酸素濃縮器のディスプレイに、推定された前記残存容量のインジケータを表示することをさらに含む、請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 推定された前記残存容量に基づいたメッセージを生成することをさらに含む、請求項１～１６のいずれか一項に記載の方法。
18. パラメータを生成するために、前記酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階における前記ふるい床の圧力対時間特性を測定することをさらに含む、請求項１～１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 残存容量のさらなる推定値を得るために測定を繰り返すことをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 酸素濃縮器内のふるい床の残存容量を推定する方法であって、
    前記酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階で前記ふるい床の圧力対時間特性を測定することと、
    前記圧力対時間特性のパラメータを抽出することと、
    前記圧力対時間特性の前記パラメータを用いて前記残存容量を推定することと、を含む、方法。
21. 前記パラメータが、前記ふるい床に供給される供給ガスの未吸着率である、請求項２０に記載の方法。
22. 前記パラメータは圧力上昇時間である、請求項２０または２１に記載の方法。
23. 残存容量のさらなる推定値を得るために、前記測定、抽出、推定を繰り返すことと、
    前記推定値と残存容量の前記さらなる推定値から、前記ふるい床の残存使用時間を推定することと、をさらに含む、請求項２０～２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 酸素濃縮器であって、
    ガス分離吸着剤が入っているふるい床と、
    供給ガスを前記ふるい床に供給するように構成された圧縮システムと、
    メモリと、
    前記１つ以上のプロセッサを備えるコントローラであって、メモリに記憶されたプログラム命令により、請求項１～２３のいずれか一項に記載の前記ふるい床の前記残存容量を推定する前記方法を実行するように構成された１つ以上のプロセッサと、を含む、酸素濃縮器。
25. 酸素濃縮器であって、
    ガス分離吸着剤が入っているふるい床と、
    供給ガスを前記ふるい床に供給するように構成された圧縮システムと、
    メモリと、
    コントローラとを含み、前記コントローラは、
    前記酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階における、測定された前記ふるい床の圧力対時間特性のパラメータにアクセスし、
    前記測定された圧力対時間特性のパラメータの１つ以上の関数と、前記ふるい床の１つ以上の動作特性にアクセスし、
    前記測定された圧力対時間特性のパラメータに１つ以上の関数を適用することによって前記ふるい床の残存容量を推定するように構成される、方法。
26. 酸素濃縮器であって、
    ガス分離吸着剤が入っているふるい床と、
    供給ガスを前記ふるい床に供給するように構成された圧縮システムと、
    メモリと、
    コントローラとを含み、前記コントローラは、
    前記酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの一段階で前記ふるい床の圧力対時間特性を測定し、
    前記圧力対時間特性のパラメータを抽出し、
    前記圧力対時間特性のパラメータを用いて前記ふるい床の残存容量を推定するように構成される、酸素濃縮器。
27. 接続型酸素療法システムであって、
    ガス分離吸着剤が入っているふるい床を備えるポータブル酸素濃縮器と、
    前記ポータブル酸素濃縮器と通信する外部コンピューティングデバイスと、
    メモリと、
    前記メモリに記憶されたプログラム命令によって前記ふるい床の残存容量を推定するように構成されたプロセッサと、を備え、前記プロセッサは、
    前記ポータブル酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階における、測定された前記ふるい床の圧力対時間特性のパラメータにアクセスし、
    前記測定された圧力対時間特性のパラメータの１つ以上の関数と、前記ふるい床の１つ以上の動作特性にアクセスし、
    前記測定された圧力対時間特性のパラメータに１つ以上の関数を適用することによって残存容量を推定するように構成される、接続型酸素療法システム。
28. 前記プロセッサおよび前記メモリが前記ポータブル酸素濃縮器の一部である、請求項２７に記載の接続型酸素療法システム。
29. 前記プロセッサが、前記残存容量推定値を前記外部コンピューティングデバイスに送信するようにさらに構成されている、請求項２８に記載の接続型酸素療法システム。
30. 前記プロセッサおよび前記メモリが前記外部コンピューティングデバイスの一部である、請求項２７に記載の接続型酸素療法システム。
31. ディスプレイをさらに備える、請求項２７～３０のいずれか一項に記載の接続型酸素療法システム。
32. 前記プロセッサが、推定される残存容量のインジケータを前記ディスプレイに表示するようにさらに構成されている、請求項３１に記載の接続型酸素療法システム。
33. 前記外部コンピューティングデバイスがポータブルコンピューティングデバイスである、請求項２７～３２のいずれか一項に記載の接続型酸素療法システム。
34. 前記外部コンピューティングデバイスがサーバである、請求項２７～３２のいずれか一項に記載の接続型酸素療法システム。
35. 前記サーバと通信するパーソナルコンピューティングデバイスをさらに備える、請求項３４の接続型酸素療法システム。
36. 前記パーソナルコンピューティングデバイスが、前記サーバによってホストされるポータルシステムと対話するように構成されている、請求項３５に記載の接続型酸素療法システム。
37. 前記パーソナルコンピューティングデバイスは、
    ポータルシステムから残存容量の推定値を受信し、
    パーソナルコンピューティングデバイスのディスプレイに残存容量の推定値を表示するように構成されている、請求項３６に記載の接続型酸素療法システム。
38. 前記サーバと通信するポータブルコンピューティングデバイスをさらに備える、請求項３４に記載の接続型酸素療法システム。
39. 前記ポータブルコンピューティングデバイスは、
    前記サーバから前記残存容量の推定値を受信し、
    前記残存容量推定値を前記ポータブルコンピューティングデバイスのディスプレイに表示するように構成されている、請求項３８に記載の接続型酸素療法システム。
40. 装置であって、
    酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階における、測定されたふるい床の圧力対時間特性のパラメータにアクセスするための手段と、
    前記測定された圧力対時間特性のパラメータの１つ以上の関数と、前記ふるい床の１つ以上の動作特性にアクセスするための手段と、
    前記測定された圧力対時間特性のパラメータに１つ以上の関数を適用することによって前記ふるい床の残存容量を推定するための手段と、を含む、装置。
41. 装置であって、
    酸素濃縮器の圧力スイング吸着サイクルの段階でふるい床の圧力対時間特性を測定するための手段と、
    前記圧力対時間特性のパラメータを抽出するための手段と、
    前記圧力対時間特性のパラメータを用いて前記ふるい床の残存容量を推定するための手段と、を含む、装置。

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