JP4357452B2

JP4357452B2 - 酸素濃縮装置

Info

Publication number: JP4357452B2
Application number: JP2005163023A
Authority: JP
Inventors: 輝彦大内; 博文渡辺; 隆弘小原
Original assignee: Terumo Corp; Ikiken Co Ltd
Current assignee: Terumo Corp; Ikiken Co Ltd
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: JP2005324042A

Description

本発明は、酸素濃縮装置に関し、より詳細には患者の使い勝手を向上させるための可搬型酸素濃縮装置に関する。

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

しかしながら、この種の酸素濃縮装置は、在宅患者が通常家庭内に据置いて使用するものであり総重量が４０〜５０ｋｇｗ程度と重く、可搬型のものではなかった。患者が外出する場合には酸素ボンベを搭載したカートを押しながら、その酸素ボンベから濃縮酸素を供給する必要があり、患者のＱＯＬを著しく損なうものであった。また、バッテリの使用を可能にした可搬型酸素濃縮装置が提案されている(特許文献１)が、総重量が１０ｋｇｗとなり、３０分程度の駆動しかできず、実用に即しないという問題があった。
特開２００２−４５４２４号公報

上記課題を解決するための本発明は、患者の在宅及び／または外出時(車内移動時等を含む)でも使用が可能な酸素濃縮装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の酸素濃縮装置は、空気の取り入れ口から取り入れられた空気を圧縮するための圧縮手段と、前記圧縮された空気内の酸素以外の所定の成分を吸着筒内で吸着して前記圧縮された空気内から除去するための吸着手段と、前記所定の成分が除去された濃縮酸素を蓄積するための製品タンクと圧力調整器の下流側流路に連通する場所に設けられた酸素センサとを備え、着脱可能なバッテリでの動作可能な酸素濃縮装置であって、前記バッテリによる駆動時かつ濃縮酸素流速(Ｌ／分)が所定以上の時、呼吸同調制御を行い、酸素濃度を間欠測定するように制御する制御部を有しており、吸着された酸素以外の成分を排出するための排気流路に開放弁を備え、前記コンプレッサは、加圧手段と減圧手段の両機能を有し、前記減圧手段は、前記排気流路に配置され、前記排気流路には排気を連通又は遮断するための流路切換手段が配置され、前記開放弁が、前記減圧手段と前記流路切換手段の間の前記排気流路に配置され、前記開放弁を動作させることで前記排気流路内圧力の真空度を調整可能としたことを特徴とする。

本願発明の酸素濃縮装置によれば、小型、軽量、低消費電力であり、患者の外出時等においても可搬性を有することが可能となり、騒音が低減され、患者のＱＯＬに役立つものである。

図１は、本発明の実施形態に対応した酸素濃縮装置で、可搬性を有する酸素濃縮装置の構成の一例を示すブロック図である。なお、太線および矢印は、配管流路(導管)および空気(濃縮酸素)の流れ方向を示すものである。図１に示すように、空気取入口１００から酸素濃縮装置１内に取り込まれる空気は、空気取入口１００から取入れられ、フィルタ１０１と、消音バッファも兼ねる吸気フィルタ１０２とによりゴミが除去された後、コンプレッサ(圧縮手段)１０５で圧縮される。なお、コンプレッサ(圧縮手段)１０５は、冷却用ファン１０４により冷却される。

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

吸着筒１０８ａ，１０８ｂ内ではガス分離が行われ、生成された酸素濃縮ガスは一時的に製品タンク１１１に送り込まれた後、さらに圧力調整器１１２と流量調節器(流量設定器)１１５とを介して圧力と流速に基づく流量とが制御され（このとき、酸素濃度は圧力調整器１１２に接続した酸素濃度センサ１１４によって検知される。）、呼吸同調器(デマンド弁)１１６を経て、酸素濃縮装置１の酸素供給出口(ワンタッチ酸素出口)１１７から鼻カニューレ(不図示)を経て患者に最大流量２Ｌ／分の９０％程度に濃縮された酸素が供給されるように構成されている。また、吸着された酸素以外の成分を排出(排気)するため、コンプレッサ１０５の減圧手段ＶＰ、排気マフラ１２０、排気口１２１により排気流路を形成している。この排気流路に開放弁(真空破壊弁)１１８が設けられている。酸素濃縮装置１の駆動は、通常は、ＡＣ電源と接続するＡＣ電源コネクタ１３０、スイッチング電源部１２５を介して商用電源により行われる。外出時等においては、バッテリ(充電式バッテリ)１２７によって行われる。なお、１２６は、電源スイッチ、１２８は、表示部である。表示部１２８は、ＬＥＤ等で形成され、運転状態(通常動作時は緑色に点灯または点滅／異常時または停止時は赤色に点灯または点滅)、酸素濃度(所定濃度時は緑色に点灯または点滅／所定濃度範囲外は赤色に点灯または点滅)、呼吸同調モニタ表示(呼吸同調制御時は緑色に点灯または点滅)、バッテリ残量表示(緑色から赤色までの複数段階の色、例えば６色)等の表示を行うようになっている。

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

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

＜コンプレッサ＞
コンプレッサ１０５は、総重量約１ｋｇｗであり、制御部(ＣＰＵ)１２４、モータ制御部１２３、可変速度制御器１２３ａにより駆動制御が行われる。コンプレッサ１０５は、加圧機能(加圧手段：Ｐ)と減圧機能(減圧手段：ＶＰ)の両方の機能を備えるものである。コンプレッサ１０５は、取出される酸素流量に応じて回転数が制御され、速度が５００ｒｐｍから３０００ｒｐｍの間で制御される。至適速度（１７００ｒｐｍ程度)で回転するときの操作寿命は１５０００時間程度である。コンプレッサ／モータ・システムを取り巻く操作温度は、好ましくは０℃〜４０℃である。コンプレッサ１０５用の電圧は、好ましくは１２Ｖまたは２４ＶＤＣ(自動車などのアダプタから得られる電源)で、電力使用量は、約４５〜８０Ｗ程度で制御される。コンプレッサ１０５の冷却と、できれば酸素濃縮装置１全体の冷却のために、コンプレッサ１０５には消費電力約２．７Ｗ程度のシャフト搭載ファン、もしくはブロア等の冷却ファン(冷却手段)１０４が少なくとも２本取り付けられ得る。酸素濃縮装置１の最大騒音圧力レベルは、制御される最大の回転数の場合、３５ｄＢＡ以下であり、濃縮酸素流量１Ｌ／分以下の場合、３３ｄＢＡである。また、コンプレッサ１０５は、空気を１００ｋＰａ、好ましくは６０ｋＰａ以下に圧縮するように適応される。

コンプレッサ１０５は、各種速度で運転可能であり、必要な真空／圧力レベルと流量を提供し、僅かな騒音と振動しか出さず、僅かな熱しか発生せず、小型軽量であり、そして僅かな電力を消費するものであることが好ましい。充電式バッテリ１２７や他の商用電源等の電源に対してコンプレッサ１０５に必要とされる消費電力を軽減するために可変速度制御器(可変速度制御手段)１２３ａが設けられている。可変速度制御器１２３ａを備えることにより、患者の活動レベル、環境条件に基づいてコンプレッサ１０５の速度を変化させることができる。例えば、可変速度制御器１２３ａは、患者が座ったり、寝たり、低い場所にいる時等、患者の酸素要求が比較的低いと判断される時にはコンプレッサ１０５の駆動(回転)速度を落とし、患者が立ったり、活動的であったり、高地にいるときなど、患者の酸素要求が比較的高い、もしくは高まったと判断される時には速度を上げることができる。これによって酸素濃縮装置１全体の消費電力が低減され、充電式バッテリ１２７での駆動時の充電式バッテリ１２７の寿命を延ばし、充電式バッテリ１２７の重量と大きさを軽減し、コンプレッサ１０５の摩耗度を低めて寿命を延ばし信頼性が向上する。

＜３方向切換弁／制御＞
従来装置においては、一般的に直動式と呼ばれる電磁弁が使用されており、弁の動作は電気の力によるものである。この種の電磁弁は直接電気の力だけで主弁を動作させるため消費電力が高いという問題点があった。酸素濃縮装置１に採用されるパイロット式３方向切換弁１０７は、僅かな消費電力とコンプレッサからの空気圧を利用して動作させることが出来るため大幅に電力が低減される（８Ｗから０．５Ｗに低減される）。図２において、１０７ａ１，１０７ｂ１は主弁(主電磁弁)、１０７ａ２，１０７ｂ２はパイロット弁(パイロット電磁弁)である。このパイロット弁１０７ａ２，１０７ｂ２は、コンプレッサ１０５からのわずかな圧力により、主弁１０７ａ１，１０７ｂ１を開閉動作するため、直動式に比べ低消費電力化が図られる。なお、図１と同一の参照符号は同一の構成要素であることを示す。１０７ａ３，１０７ｂ３は逆止弁である。その制御シーケンスは、従来の方法とは異なり、図３に示すように、まずコンプレッサ１０５を所定秒(図３では０．５秒)作動させ(コンプレッサ起動工程)、次に３方向切換弁１０７のパイロット弁１０７a２を作動(開動作)させるように制御する(動作状態は矢印で示す)。このように制御をすることにより、パイロット弁は空気圧を利用できる状態となり、わずかな電力で主弁を作動させることが可能となる。主弁が開となると圧縮空気は、吸着筒１０８ａ(吸着筒Ａ)に流れ込みガス吸着を行われる吸着工程となる。均圧弁を所定秒開動作(このとき、開動作状態の前半は、吸着筒１０８ｂ(吸着筒Ａ)の洗浄工程となる)させる。吸着筒１０８ｂの洗浄工程が終了すると、３方向切換弁１０７の主弁１０７ｂ１を作動(開動作)させるように制御する。均圧弁の開動作状態の後半は、３方向切換弁１０７の主弁１０７ａ１，１０７ｂ１ともに開動作状態であり、いわゆる均圧工程となる。以降、同様のシーケンスで吸着工程、洗浄工程、均圧工程を繰り返す。なお、コンプレッサ１０５は、上記すべての工程(起動時工程、吸着工程、洗浄工程、均圧工程)において、動作状態にある。ここでは、吸着筒１０８ａの吸着工程から始まる工程について説明したが、先に吸着筒１０８ｂの吸着工程から始まる工程としてもよい。また、３方向切換弁１０７の排気流路側には開放弁１１８が接続(連通)し、均圧工程と同期して、制御部１２４により開放弁１１８を開状態に動作させてコンプレッサ１０５に高真空状態を低減(真空度を調整可能にしている)させ、振動の発生を防止し、騒音を低減している。

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

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

＜圧力調整器＞
図１の製品タンク１１１では、吸着筒内圧力と同期して圧力が変動しているため、圧力調整器１１２は、リリーフ弁(開放弁)１１２ａ、減圧弁１１２ｃを含み、濃縮酸素を減圧し、ほぼ一定圧力となるよう機能する。更に、図４に示すように、酸素吐出圧(２次側圧力)が異常に上昇した場合のリリーフ機能(リリーフ弁)１１２ａとフィルタ機能(フィルタ１１２ｂ)を備えており、従来機のような個々に部品を設置するタイプに比べ、小型・軽量化・メンテナンス等の作業性の向上が図れる。なお、圧力調整器下流側には流量設定器が設置されるが、この流量設定器は流量制限をオリフィスで行っており、その穴孔径は設定される吐出圧力にもよるが最小で１２０〜１５０ミクロン(マイクロメータ)程度の孔径(平均孔径)が設定される。よって、ここで使用されるフィルタには１００ミクロン(マイクロメータ)以下の孔径(平均孔径)のものが使用されることが流量を安定して得られる点で好ましい。また、リリーフ機能は、吸気検知の際に使用する微圧センサの保護を目的とする。

＜呼吸同調器(デマンド弁)／制御＞
制御部１２４は、流量設定器１１５での酸素流量が所定流量(例えば１．２５Ｌ／分以上)に設定され、かつ、バッテリ１２７で駆動動作されると判断すると、バッテリ１２７の消費電力を押さえるため、図５に示すシーケンス制御により、制御部１２４、呼吸同調制御部(デマンド制御部)１２２によって、１Ｌ／分の濃縮酸素発生能力と呼吸同調制御(デマンド制御)で実質的に２Ｌ／分の酸素流量まで対応可能としている。このため、２Ｌ／分の濃縮酸素流量時で消費電力は約５０Ｗである。吸着工程、洗浄工程、均圧工程における３方向切換弁１０７の主弁１０７ａ１，１０７ｂ１の開動作、開放弁１１８、均圧弁の開動作は矢印で示すとおりである。この時、コンプレッサ１０５、呼吸同調機器１１６は連続動作状態にある。なお、製品タンク１１１内の圧力変動を下に示している。なお、このような酸素濃縮工程は一例であり、この例に限られるものではない。

＜電源＞
酸素濃縮装置１の本体重量が１０ｋｇｗ以下の軽量で、図６に示すように可搬可能なシステム１００として適切に機能するためには、システム１００は適切な再充電可能な電源から電源供給を受けなければならない。従来、このようなシステムに使用される電池は残量が不明確で、繰り返し使用による容量減少により、更に電池残量の予測が難しいものであった。酸素濃縮装置１の電源は、数１００回程度の充放電が可能で、バッテリ残量、使用充放電サイクル数、劣化程度、出力電圧等のマネジメント機能を有するものが使用され、バッテリ残量、残充電容量、充放電回数が表示部１２８(図１参照)に表示または通信コネクタ１２９(図１参照)を介して外部モニタ装置で読取れるようにされている。本機能により、従来の電池のように不確実な残量ではなく、劣化程度に応じた、電池の実力値としての残量管理が可能となった。また、コネクタ１２７ａ(図１参照)を介して酸素濃縮装置１に好ましくは着脱自在に設けられ、好ましくはリチウム・イオン形式で積層された構造で、出力電圧が２１．０〜２９．０Ｖの充電式バッテリ１２７を含む。また、重量は、１．５ｋｇｗ程度で、呼吸同調制御を行う場合、濃縮酸素流量が最大２Ｌ／分時に最大３時間の動作を可能にしている。システム１００は、リチウム・イオン・バッテリ以外にも他の携帯用エネルギ源からの供給も受け得る。例えば、充電式もしくは取替え式の燃料電池セルが使用され得る。当該システムは、全般に１つの充電式バッテリ１２７により動力供給されるように記述されているが、システム１００は多数のバッテリによっても動力供給がされ得る。したがって、ここで言う「バッテリ」は、１つ、もしくはそれ以上のバッテリを含む。さらには、充電式バッテリ１２７には、１つ、もしくはそれ以上の内部、及び／又は外部バッテリを含み得る。バッテリ１２７、もしくはバッテリ１２７を含むバッテリ・モジュールは、好ましくはシステム１００から着脱が可能である。システム１００は、標準の内部バッテリ、低価格バッテリ、延長作動内部バッテリ、クリップ取り付けモジュールの外部の２次的バッテリを使用することができる。システム１００は、充電コネクタ１３１に接続できるバッテリ充電器１４３と、１つ、もしくはそれ以上のプラグ(不図示)とを含む組込み式のアダプタを備えることができ、これらは、システム１００がＤＣ電源（例えば、自動車のシガレット・ライタ・アダプタ）から、及び／又はＡＣ電源（例えば家庭もしくは事務所の商用電源のＡＣ壁ソケット）から電力を供給され、同時にバッテリ１２７は前記ＤＣもしくはＡＣ電源から充電されるよう構成されている。アダプタもしくは充電器１４３は、個別のアクセサリとすることもできる。例えば、アダプタは、自動車内でシステム１００を駆動し、及び／又はバッテリ１２７を充電する個別のシガレット・ライタ・アダプタ１４４であってもよい。システム１００に使用され、及び／又はバッテリ１２７を充電するため、出力からのＡＣをＤＣに変換するように個別のＡＣアダプタを使用してもよい。アダプタの他の例には、車椅子バッテリ、もしくはその他のカートと共に使用するアダプタがある。システム１００を搭載する架台１４２は、システム１００の一部とも、あるいはシステム１００とは独立したアクセサリとも考え得る。架台１４２は、スペアのバッテリ・パック(不図示)を充電するため、充電器１４３に接続された１つ、もしくはそれ以上の追加の充電取付部(不図示)を含んでいてもよい。充電取付部と１つ、もしくはそれ以上の追加のバッテリ・パックとを持つことにより、患者は、より長時間の外出等が可能となり、そのＱＯＬが向上する。患者は常に追加の、新鮮な充電済みバッテリ１２７を持つことができる。架台１４２及び／又はシステム１００は、適当な接続部を介して、システム１００内の濃縮酸素の流れに湿気を加えるための加湿手段１４０を備えていてもよい。また、架台１４２及び／又はシステム１００は、車輪を有するカート(二輪または四輪カート)とし、ストッパ１４５、収縮／延伸自在な取手１４６等を設けた手押し車式１４２ａとしてもよい。システム１００は、就寝時の防音のために、酸素濃縮装置１と充電器１４３を覆う防音ボックス１４８を備えていてもよい。

＜呼吸同調制御＞
充電式バッテリ１２７により、酸素濃縮装置１全体が駆動されている場合、濃縮された酸素をより効率的に患者が使用するために、呼吸に同調した制御を行う。通常の呼吸の間、患者は、吸息／呼息サイクル時間の約１／３を吸息に、残りの２／３を呼息に当てている。呼息の間に生成される濃縮酸素は患者にとっては不要のもので、その結果この余剰の濃縮酸素の流れを効率的に提供する追加のバッテリ電力は無駄にされているといえる。呼息の間に生成された濃縮酸素を吸息時に供給することにより、仮に、吸息／呼息サイクルが１(吸息)：２(呼息)であるならば、吸息時に３倍の流量まで供給することが可能となる。このように、呼吸同調制御を行うことにより、装置の小型化、低消費電力化が可能となる。呼吸同調器１１６の開閉制御は図６に示すように全期間に亘って行われる(コンプレッサ１０５も全期間に亘って動作する)。なお、図５において、矢印は、３方向切換弁１０７の主弁１０７ａ１，１０７ｂ１の開動作、開放弁１１８、均圧弁の開動作の期間を示すものである。

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

本発明に対応した酸素濃縮装置の構成の一例を示す図である。本発明に対応した酸素濃縮装置の電磁弁を示す図である。本発明に対応した酸素濃縮装置における制御シーケンスを示す図である。本発明に対応した酸素濃縮装置における圧力調整器を示す図である。本発明に対応した酸素濃縮装置における呼吸同調器動作時の運転制御シーケンスを示す図である。本発明に対応した酸素濃縮装置を含むシステム全体を示す図である。

符号の説明

１・・・酸素濃縮装置、１０１・・・フィルタ、１０２・・・吸気フィルタ、１０５・・・コンプレッサ、１０７・・・電磁弁、１０８ａ，ｂ・・・吸着筒、１１２・・・圧力調整器、１１６・・・呼吸同調器、１１４・・・酸素センサ、１２７・・・バッテリ、１００・・・全体システム

Claims

空気の取り入れ口から取り入れられた空気を圧縮するための圧縮手段と、前記圧縮された空気内の酸素以外の所定の成分を吸着筒内で吸着して前記圧縮された空気内から除去するための吸着手段と、前記所定の成分が除去された濃縮酸素を蓄積するための製品タンクと圧力調整器の下流側流路に連通する場所に設けられた酸素センサとを備え、着脱可能なバッテリでの動作可能な酸素濃縮装置であって、
前記バッテリによる駆動時かつ濃縮酸素流速（Ｌ／分）が所定以上の時、呼吸同調制御を行い、酸素濃度を間欠測定するように制御する制御部を有しており、
吸着された酸素以外の成分を排出するための排気流路に開放弁を備え、
前記コンプレッサは、加圧手段と減圧手段の両機能を有し、
前記減圧手段は、前記排気流路に配置され、
前記排気流路には排気を連通又は遮断するための流路切換手段が配置され、
前記開放弁が、前記減圧手段と前記流路切換手段の間の前記排気流路に配置され、
前記開放弁を動作させることで前記排気流路内圧力の真空度を調整可能としたことを特徴とする酸素濃縮装置。
前記バッテリは、バッテリ残量、使用充放電サイクル数、劣化程度、電圧等のマネジメント機能を有することを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
前記酸素センサはジルコニア式酸素センサであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の酸素濃縮装置。
前記酸素センサは超音波式酸素センサであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の酸素濃縮装置。