JP4520210B2

JP4520210B2 - 酸素濃縮装置

Info

Publication number: JP4520210B2
Application number: JP2004127190A
Authority: JP
Inventors: 博文渡辺; 輝彦大内
Original assignee: TRUMO KABUSHIKI KAISHA; Ikiken Co Ltd
Current assignee: TRUMO KABUSHIKI KAISHA; Ikiken Co Ltd
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: JP2005304861A

Description

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

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

この酸素濃縮装置によれば、空気取入口から取り込んだ原料空気を圧縮手段であるコンプレッサにより圧縮して圧縮空気を発生し、この圧縮時に温度上昇した圧縮空気を熱交換器で冷やし、この熱交換器を上記の圧縮手段とともに外気空気を吹付ける冷却手段で冷却し、触媒を内蔵した一対の吸着筒に対して圧縮空気を交互に供給することで酸素を生成して、吸着筒内で生成された酸素を製品タンクに貯めておき、減圧弁や流量設定器により製品タンクから所定流量の酸素を供給可能にして、鼻カニューラを介して患者に対して酸素を供給できるように構成されている。

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

また、患者が外出先に持ち出せるようにして、慢性気管支炎等の呼吸器疾患の患者の治療法として有効となる酸素吸入法に使用される酸素濃縮装置は、一般的には可搬型ではないために、患者がやむなく外出する場合には、酸素ボンベを搭載したカートを押しながら、その酸素ボンベから濃縮酸素を吸うようにしている。

この酸素ボンベに対する酸素供給は専用設備にて行わなければならず、患者のＱＯＬ（クオリティ・オブ・ライフ）を少なからず損なうものであった。

このため、バッテリ駆動されるコンプレッサを使用した可搬型や移動型の酸素濃縮装置が提案されている(特許文献１、特許文献２)。
特開２０００−７９１６５号公報特開２００２−１２１０１０号公報

一方で、圧縮手段と減圧手段は、発熱が大きく温度上昇するので冷却手段からの風量では充分に冷却できない場合があるのでブロアを含む冷却手段からの風量を有効活用して効率的に冷却する必要がある。

しかしながら、上記提案による可搬型の酸素濃縮装置によれば、連続動作時間が３０分以内などの性能を有するものであり、未だ実用の域に達していない上に、圧縮手段と減圧手段を構成するコンプレッサの動作時と原料空気の吸気時の騒音と、冷却手段からの送風音が大きいなど、騒音発生への配慮がまったくなされていないことから、実用化に不向きであった。

したがって、本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであり、発熱量の大きい圧縮手段と減圧手段と冷却配管とを冷却手段からの風量を有効活用して充分に冷却することのできる酸素濃縮装置の提供を目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、原料空気を圧縮して圧縮空気を発生する圧縮手段と、温度が上昇する前記圧縮空気を冷却する冷却配管と、前記圧縮空気中から窒素を吸着し酸素を放出する触媒を貯蔵した吸着筒と、前記圧縮手段および前記冷却配管を送風により冷却する冷却手段とを備え、酸素の濃縮率が８８〜９４％であり、かつ、その流量が最大で１分当たり２リットルである酸素濃縮装置であって、前記圧縮手段を、防振状態かつ防音状態で収容するとともに、前記送風のための２つの第１開口部をその外壁部の上面に穿設し、かつ前記外壁部の上面に沿うように蛇行してアルミ製の前記冷却配管を配設した強化アルミ製の防音室と、前記第１開口部に略対向する位置に２つの第２開口部を穿設するとともに、前記第２開口部と前記第１開口部とを介して前記冷却手段による前記冷却を行うために前記外壁部の上面に固定されるアルミ製の冷却室と、前記原料空気を、前記冷却室から取り入れ、前記圧縮手段に対して供給するように配管される吸気用タンクと、を具備し、前記圧縮手段は、前記触媒の浄化を行う減圧状態を発生する減圧手段を一体構成したコンプレッサであり、前記コンプレッサを、前記防音室内に収容し、前記減圧手段を送風で冷却する前記冷却手段を、前記冷却室にさらに増設し、前記減圧手段の排気口に消音器を配管し、前記消音器からの排気および前記各冷却により温度上昇した送風を外部に行うために、前記防音室に第３開口部を穿設し、前記コンプレッサは、電動モータと、前記電動モータの出力軸に固定されるクランク軸周りにクランク運動する１対の水平対向ピストンを備え、一方のピストンにより前記コンプレッサが構成され、他方のピストンにより前記減圧手段が構成されるとともに、前記１対の水平対向ピストンの往復移動方向が略水平面に沿うようにして、前記防音室内で略垂直方向の防振状態に維持するとともに送風開口部を有したコンプレッサ固定台を介して固定され、さらに前記各冷却手段からの各送風が、前記コンプレッサと前記送風開口部とに向かうようにしたことを特徴としている。

また、前記冷却配管は、アルミ管を含む高熱伝導管材料から作られ、前記防音室の前記外壁部に対して蛇行して配置され、かつ前記外壁部に対して密着して固定されることを特徴としている。

また、前記防音室と前記冷却室との一方または双方は、アルミ板を含む高熱伝導板材料から作られることを特徴としている。

そして、ＡＣ駆動モードとバッテリ駆動モードとを備え、前記ＡＣ駆動モード時における酸素生成量を前記バッテリ駆動モード時における酸素生成量の約２倍になるように自動的に切替えるとともに、前記冷却手段を、前記ＡＣ駆動モード時において高速に、また前記バッテリ駆動モード時において低速に回転駆動する制御を行う制御手段を、具備することを特徴としている。

本発明によれば、発熱量の大きい圧縮手段と減圧手段と冷却配管とを冷却手段からの風量を有効活用して充分に冷却することのできる酸素濃縮装置を提供することができる。

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

先ず、図１は、一実施形態に係る酸素濃縮装置１を前方左斜め上から見た外観斜視図である。また、図２は、図１に示した酸素濃縮装置１の背面図である。

図１と図２から分かるように、この酸素濃縮装置１（これ以降、装置１とも呼ぶ）は、設置場所を最少にするために上下方向に細長いスマートな一見して小型旅行カバン風の外観形状を備えている。このため一瞥しただけでは他人に酸素濃縮装置１であることが知られないように配慮している。また、特長としては従来の装置の約三分の一の重さの軽量化、省エネを追求したことで電気代は一日当たり約３４円（電気代を１ｋｗＨ当たり１５．５８円として）とする一方で、付属された充電式バッテリと家庭用電源で使用できることなどがある。また、充電式バッテリは停電時におけるバックアップ電源としても使用できるので安心して使える。さらに、充電式バッテリ使用モードでは酸素流量が毎分１．２５Ｌ以上に設定された場合には、バッテリ節約のために吸気に同調して酸素を送り出す「同調モード」に自動的に切り替わる機能を備えている。

また、後述するように、図示の表面カバー２と裏面カバー３を業界では初めての射出成形樹脂部品とし、さらに吸着筒を含む他の構成部品についても極力軽量化することで総重量が約１０ｋｇの軽量化（ＡＣ電源使用でキャリアを設けない場合）とした。この結果、大人が片手で持ち運べる、所謂可搬型にするための取っ手部分となるとともに、装置１を持ち上げる力に十分に耐え得る強度を備えるハンドル４を上方に設けており、デザイン的な特徴を演出している。

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

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

図１において、操作パネル５は、ハンドル４の下方の開口部において裏面カバー３との接合面まで、例えば約１０度の角度で斜め上に延設されており、その上に左から順に、樹脂製の大型ダイヤル式の電源スイッチ６と、樹脂製部品である酸素出口７と、樹脂製の大型ダイヤル式の酸素流用設定ダイヤル８が配置されている。この酸素出口７の上方には、酸素出口７に形成された段差部に対して気密状態に係合されるとともに、着脱自在に設けられる樹脂製のカプラ１３が示されている。このカプラ１３には鼻カニューラ１４のチューブ１５の開口部が連通するようにセットされる。

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

なお、鼻カニューラ１４に接続されたチューブ１５を引っかけるための不図示のフックを設けてもよい。鼻カニューラ１４に接続されたチューブ１５は、患者が生活する同じ部屋内で移動する範囲に略相当する全長を有しており、未使用時は、チューブ１５を数回巻き付けた後に、鼻カニューラ１４のチューブ１５をフックに引っかける。

また、図中の二点鎖線で示した底面カバー９も耐衝撃性の熱可塑性樹脂である例えばＡＢＳ樹脂製であり、軽量化を図っている。この底面カバー９に対して外出の移動時に使用する着脱が容易なキャリア１０を固定ネジ１２で固定する。このキャリア１０は、図示のように四隅に樹脂製の車輪１１を設けたタイプが使用されるとともに、このキャリア１０のベースは軽金属の強化アルミ板製であり軽量化するとともに、４辺の縁部を全て曲げ加工して強度を確保している。

次に、図２を参照して、裏面カバー３は、合計で８本の複数の固定ネジ１６により上記の表面カバー２に対して固定される。この裏面カバー３も上記の前面カバー２と同様に耐衝撃性の熱可塑性樹脂の例えばＡＢＳ樹脂製である。この裏面カバー３に一体形成される半分のハンドル４の下方に手が入るようにした開口部の下方には、内部に外気導入フィルタ２０を交換自在に収容したフィルタ交換用蓋１７が着脱自在に設けられている。

この裏面カバー３の下方の左右部分には後述する排気を行う排気口３ａ、３ｂが形成されている。また、各排気口３ａ、３ｂの間の部分は、上方に切り欠かれた切り欠き部となっており、バッテリコネクタ１３１、ブレーカ１８、ＡＣコネクタ１３０を図示のようにこの切り欠き部から夫々露出させている。さらに、図示のＡＣケーブル１９はＡＣコネクタ１３０に挿入されて装置１へのＡＣ（交流１００Ｖ）電力の供給を行う一方で、不図示の充電式バッテリをバッテリコネクタ１３１にセットすることで、外出時、室内（屋内）等での移動時などのバッテリ駆動を可能にしている。

次に、図３(ａ)は、図１に示した酸素濃縮装置１に使用される充電式バッテリの外観斜視図、図３(ｂ)は、充電式バッテリの専用充電器の外観斜視図、図３(ｃ)は専用キャリングカートの外観斜視図、図３(ｄ)は、鼻カニューラの延長チューブセットの外観斜視図である。

先ず、図３（ａ）において、充電式バッテリ１２７は例えばリチウムイオン電池などの繰り返し充電可能な二次電池であり、上記のバッテリコネクタ１３１にセットされるコネクタ２１を介して電力供給する。また、その表面には押圧されることでバッテリ残量を表示する残量確認ボタン２２と、残量確認のためにこの残量確認ボタン２２が押圧されると残量１００％で５個の表示部が点灯し、残量２０％で１個の表示部が点灯する５段階の表示部を備えており、例えば液晶やＬＥＤ表示するための残量確認モニタ２３を備えている。このように構成された充電式バッテリ１２７を使用前に充電残量を必ず確認することで、外出先でバッテリ切れが起こる最悪の事態にならないようにできる。

図３（ｂ）に示した充電式バッテリの専用充電器２４には、ＡＣ電源に接続されるＡＣケーブル２７とコネクタ２１に接続されるコネクタ２５とが接続されており、充電器本体２６に内蔵された電源装置により充電を行うようにしている。

図３（ｃ）に示したキャリングカート２８は、上記のキャリア１０に代えて充電式バッテリ１２７を使用して外出するときに使用されるものであり、本体は軽量化のために耐衝撃性を有した熱可塑性樹脂である例えばポリプロピレン樹脂製であり、軽量化を図っている。また、このキャリングカート２８の本体には図示のように充電式バッテリ１２７をすっぽり収容できる凹部２９とハンドルとが形成されている。そして図示のように四隅に樹脂製の車輪１１を設けている。このように構成されるキャリングカート２８の上に装置１をセットすることで外出時においてバッテリ駆動での使用が可能になる。

そして、図３（ｄ）において、鼻カニューラ１４のチューブ１５にはカプラ１３を介して延長チューブ３１を接続するために樹脂製の中継カプラ３０が接続されている。このように延長チューブ３１を接続することで最長約１５ｍの長さまで延長できる。この結果、患者にとって使い易くなり、患者の移動範囲が大きくでき、さらなるＱＯＬの改善ができることとなる。

続いて、図４の酸素濃縮装置１の操作パネル５の実体図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、電源スイッチ６は図示のオフ位置と約９０度時計周りに回転したオン位置との間で操作される。また、この電源スイッチ６は殆どの部分が操作パネル５の操作面から奥側（図面の裏面側）に引っ込むように設けられている。

このため、例えば患者がつまづくなどして操作パネル５に対して激しくぶつかった場合でも、怪我などをしないように安全上の配慮がされている。この電源スイッチ６のオン位置に相当する位置には緑と赤に点灯する例えば発光ＬＥＤを内蔵した運転状態ランプ１２８ａが設けられている。また、この運転状態ランプ１２８ａの上にはバッテリ残量モニタ１２８ｄが設けられている。

また、中央の酸素出口７についても図示のように殆どの囲い部分が操作パネル５の操作面から奥側（図面の裏面側）に引っ込むように設けられている。この酸素出口７の上には「点検」の文字を印刷した警報表示部１２８ｃが設けられている。この警報表示部１２８ｃの下方には緑と赤に点灯する例えば発光ＬＥＤを内蔵した酸素濃度ランプ１２８ｂが設けられている。

そして、酸素流量設定ダイヤル８についても図示のように殆どの部分が操作パネル５の操作面から奥側（図面の裏面側）に、すり鉢形状の凹部内に引っ込むように設けられている。この酸素流量設定ダイヤル８は、毎分当たり０.２５Ｌ（リットル）から２Ｌまで０．２５Ｌ段階で示した文字位置に回転することで酸素流量の設定が行われる。

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

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

先ず、図５（ａ）において、バッテリ残量表示部１２８ｄは、電源オンで約２秒間全点灯する。その後に、充電式バッテリ１２７の残量が１００％であると、左側に設けられた発光ＬＥＤを内蔵したランプが緑色に点灯（連続して光る）するとともに、５段階の表示部の全てが図示のように点灯表示される。また、バッテリ残量が２０％減るごとに、右側から消灯して点灯数がすくなくなり、残り１つになると内蔵のブザーで警告する。

そして、充電式バッテリ１２７の残量が１０％以下になると左側に設けられた発光ＬＥＤを内蔵したランプが赤色に点滅（間欠的に光る）するとともに、５分おきに内蔵のブザーで警告する。このようにして、特に外出時におけるバッテリ駆動モードでの使用上の安全性を確保している。

次に、図５（ｂ）において、警報表示部１２８ｃは「点検」の文字が印刷されており、酸素濃度が低下したときに内蔵のランプが点灯して知らせるようにしている。また装置側の異常発生時にはブザーも鳴り、知らせるようにしている。また、停電で装置が停止したときには、点滅して知らせる一方で、ブザーを鳴らすことで特に視覚障害者に知らせるようにしている。

そして、図５（ｃ）において、酸素濃度ランプ１２８ｂは、酸素が正常に流れているときには内蔵のＬＥＤが緑色に点灯する。また、酸素が出ていないときあるいは酸素濃度が低下したときには消灯する。そして、バッテリ駆動モードで、酸素流量が１．２５Ｌ以上のときに一定時間、呼吸状態を検出できなかったときに赤色に点灯し、ブザーを鳴らすようにしている。

電源スイッチ６をオンすると、ブザーが鳴り、全てのランプが２秒間緑色に点灯する。そして、バッテリ駆動で使用するときには、その後に５段階の表示部において残量に応じて点灯表示される。患者は医師の処方にしたがって酸素流量設定ダイヤル８を所定流量に設定すると酸素供給が開始される。

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

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

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

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

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

図６（ｃ）において、交換用蓋１７が図示のように開口部３ｋにセットされると、本体の遮蔽板３２の端面３２ａが外気導入用の縦方向の開口３Ｋ１の殆どの部分を覆い隠し、わずかに上方部分を残す状態になる。この結果、外気は矢印Ｆ方向に流れることになるが、このように遮蔽板３２で内部から覆うことで後述する騒音が外部に漏れることを効果的に防止している。すなわち、装置１の外部に対する開口部分としては、この開口３Ｋ１と上記の排気口３ａ、３ｂのみとするとともに、開口面積は後述する原料空気の流量を確保するために必要となる最少限度として、内部から発生する音が外部に漏洩しないようにして３８デシベルを可能にしている。周囲を覆い且つ出口部分を少なくして防音と防水対策もできるようにしている。

また、装置１は通常部屋の壁面から狭い間隙分を離間して設置されるので、外気導入と排気を裏面カバー３側から行うことで、外気導入と排気音が最も低くなる個所からの排気を可能にしている。またブレーカー１８は、万が一の過剰電流発生時における対処を可能にしている。

一方、上記の裏面カバー３の凹部３ｃは図示のように指先が入るようにして交換用蓋１７を外側に取り出せるようにしている。以上が患者が直に使用する構成部分である、以下に内部構成について図７から図１９を参照して述べる。

図７は、装置１のブロック図を兼ねた配管図である。本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛するとともに、二重線は空気、酸素、窒素ガスの流路を示しており概ね配管３３として示されている。また、細い実線は電源供給または電気信号の配線を示している。

ここで、以下の説明ではコンプレッサとして圧縮手段と減圧手段を一体化構成したものを用いる場合について述べるが、これに限定されず圧縮手段と減圧手段を個別に構成した場合も可能であることは言うまでもない。

図７において、上記のフィルター交換用蓋体１７に内蔵された外気導入用フィルタ２０を通過して装置１の内部に空気が導入される。この空気は、一対の冷却手段であるブロア１０４による送風が矢印方向に行われることで、原料空気と冷却空気に分かれる。各ブロア１０４、１０４は温度が上昇する圧縮空気を冷却するために熱伝導率が高く、軽重量の金属材である例えばアルミなどの管材を蛇行させて配置した冷却配管３７を覆うようにした冷却室３６の内部に固定される。この冷却室３６には送風用の第２開口部が穿設されており、ブロア１０４、１０４からの送風を冷却室３６内に導入する。この冷却室３６は軽量化と高熱伝達のために強化アルミ板製と、アルミ合金、チタン合金などの、他の材料も可能である。

この冷却室３６は、送風のための第１開口部をその外壁部に穿設し、かつ外壁部に沿うように冷却配管３７を配設した防音室３５に図示のように固定される。この防音室についても、軽量化と高熱伝達のために強化アルミ板製がよく、アルミ合金、チタン合金などの他の材料のも可能となる。この防音室３５の内部には原料空気を圧縮して圧縮空気を発生する圧縮手段１０５ａと、減圧手段１０５ｂとを一体構成したコンプレッサ１０５が内蔵される。この防音室３５には、冷却室３６の第２開口部に対向した位置において第１開口部が夫々穿設されており、ブロア１０４、１０４からの送風を内部に導入してコンプレッサ１０５の冷却を行う。また、冷却後に温度上昇した排気は下方の開口部から矢印方向に外部に送りだされて上記の排気口に向かう。この途中で迷路状の消音室を通過してさらに消音される。

一方、冷却室３６からは生成酸素の原料空気を送るために、二次濾過を行う吸気フィルタ１０１に向かう配管３３が接続されている。この吸気フィルタ１０１の下流側には大容量の吸気用バッファタンク１０２が配管されており、この吸気用バッファタンク１０２から上記の圧縮手段１０５ａへの配管がされている。この吸気用バッファタンク１０２は、冷却室３６から取り入れられた原料空気を一時的に貯蔵し、圧縮手段１０５ａから発生する作動音の消音を行うためのものである。この吸気フィルタ１０２の内部は、約２００ｃｃ程度の体積で、重量は１２０ｇ程度である。

次に、濾過された原料空気は、コンプレッサ１０５の圧縮手段１０５ａで加圧されて圧縮空気となるがこのとき温度上昇するので、下流側に配管された熱交換器となる上記の冷却配管３７に送り出される。この冷却配管３７は上記のように放熱効果に優れた軽量の金属パイプ（例えば、外径６ｍｍ内径４ｍｍのアルミ管）を螺旋状、渦巻き型のコイル状にすることで表面積を増やしてもよい。また、パイプは丸パイプに限らす矩形パイプでもよい。この冷却配管３７はアルミ製の防音室３５の外壁部に密着固定されており、一対のブロア１０４、１０４からの直の送風と外壁部が送風で冷却されることで熱伝導で冷やされる。このように圧縮空気を冷却することで高温では機能低下する吸着剤であるゼオライトが窒素の吸着により酸素を十分に濃縮できるようにしている。

この冷却配管３７により十分に冷やされた後の圧縮空気は、配管３３を介して第１吸着筒１０８ａと第２吸着筒１０８ｂに対して、交互に圧縮空気を供給するための３方向切換弁１０７ａ、１０７ｂに送られる。これらの３方向切換弁１０７ａ、１０７ｂには、さらに第１吸着筒１０８ａと第２吸着筒１０８ｂのパージ（浄化）を行うために減圧手段１０５ｂに対する配管３３と開放弁１１８への配管が行われており、吸着剤を減圧状態にすることでパージを行うとともに吸着剤から放出される窒素と水分を排気するようにしている。また、減圧手段１０５ａには排気用の消音器１２０が配管されている。

第１吸着筒１０８ａと第２吸着筒１０８ｂ内に貯蔵されているゼオライトは、SiO2／Al2O3比が２．０〜３．０であるＸ型ゼオライトであり、かつこのAl2O3の四面体単位の少なくとも８８％以上をリチウムカチオンと結合させたものを用いることにより、単位重量当たりの窒素の吸着量を増やしている。特に、１ｍｍ未満の顆粒測定値を有し、四面体単位の少なくとも８８％以上をリチウムカチオンと融合させたものが好ましい。

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

一方、第１吸着筒１０８ａと第２吸着筒１０８ｂの図示の上方の出口側には逆止弁１３０が夫々図示のように接続されている。また、各逆止弁１３０、１３０の下流側は合流するように配管３３が成されており、生成した酸素を貯蔵するための製品タンク１１１が図示のように配管されている。さらに、第１吸着筒１０８ａと第２吸着筒１０８ｂの各出口側との間には均等圧弁１１９が配管されており、各吸着筒の二次浄化を行うようにしている。

製品タンク１１１の下流側には、出口側の酸素の圧力を一定に自動調整する圧力調整器１１２が配管されている。この圧力調整器１１２の下流側には、酸素濃度センサ１１４が接続されており、酸素濃度の検出を行うようにしいる。この下流側には上記の酸素流量設定ダイヤル８に連動する流量調整器１１５が接続されており、その下流側の呼吸同調器となるデマンド弁１１６を経て、装置１の酸素出口７に配管されている。

以上の構成により鼻カニューレ(不図示)を経て患者に最大流量２Ｌ／分で約８８〜９４％程度に濃縮された酸素が供給されることとなる。

また、ＡＣ電源に接続するＡＣ電源コネクタ１３０と、ブレーカー１８とスイッチング電源部１２５と介して商用電源により制御手段の制御基板１２４への通電が行われる。また外出時等においては、バッテリ(充電式バッテリ)１２７によって行われるためにコネクタ１３１を介して制御基板１２４への通電が行われる。

一方、酸素濃度センサ１１４と流量調整器１１５と、３方向切換弁１０７ａ、１０７ｂと均等圧弁１１９と開放弁１１８とは制御基板１２４に接続されている。

また、コンプレッサ１０５は、総重量が約１ｋｇであり、制御基板１２４に接続されるモータ制御部１２３と、これに接続される可変速度制御器１２３ａによりモータの駆動制御が行われる。このコンプレッサ１０５は、各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することができ、僅かな騒音と振動しか出さず、僅かな熱しか発生せず、小型軽量であり、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。

また、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、可変速度制御手段である可変速度制御器１２３ａが接続されている。モータ制御回路１２３に接続される可変速度制御器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の速度を自在に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ことが判断されると、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く、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ようにできる。

さらに、装置１は、ＡＣ駆動モードとバッテリ駆動モードとを備えており、ＡＣ駆動モード時における酸素生成量をバッテリ駆動モード時における酸素生成量の約２倍の２Ｌになるように自動的に切替えるとともに、ブロアをＡＣ駆動モード時において高速に、またバッテリ駆動モード時において低速に回転駆動する制御を行うようにしている。

このコンプレッサ１０５は、上記のように圧縮と減圧の両方の機能を備えるものであり、取り出される酸素流量に応じて回転数が自動制御されるが、具体的には、回転速度が５００ｒｐｍから３０００ｒｐｍの間で制御され、通常の至適速度である１７００ｒｐｍ程度で回転するときの操作寿命を１５０００時間と長くできるようにしている。また、このコンプレッサ１０５は、空気を１００ｋＰａ、好ましくは７５ｋＰａ程度に圧縮する。

このコンプレッサ１０５を取り巻く操作温度は、好ましくは０℃〜４０℃であり、コンプレッサ１０５用の駆動電圧は、好ましくは直流１２Ｖまたは２４Ｖであり(自動車などのアダプタから得られる電源)、電力使用量は、約４５〜８０Ｗ程度である。

ここで、開放弁１１８の役割は、コンプレッサ１０５の減圧手段側の真空度を調整するものである。すなわち、装置１に採用されるコンプレッサ１０５は圧縮手段と減圧手段の両機能を備えているので、小型軽量化できるという利点がある。しかしながら、このように一体化されたコンプレッサは、圧縮手段の加圧専用コンプレッサや減圧手段の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がある。特に、圧縮工程において均圧工程移行時に特に振動が激しくなる。この原因は、均圧工程時には３方向切換弁１０７ａ、１０７ｂの流路は圧縮手段側と一方の吸着筒側が連通され、減圧手段側は遮断された状態となるために、３方向切換弁と減圧手段の間は極端な高真空状態となることによる。この高真空状態を解消するために、外気と連通する開放弁１１８を設けておき均圧工程と同期して、制御基板１２４からの指示で開放弁１１８を開状態に動作させることで、流路内に外気が入り込むようにして、流路内を大気圧により近い状態とする。この作用によりコンプレッサ１０５は無負荷状態に近い状態となるため、振動の発生を防止できまた、騒音の低減や低電力化にも寄与するようにできる。

一方、このコンプレッサ１０５の冷却と、装置１内部の冷却を行う上記のブロア１０４、１０４は、消費電力約２．７Ｗ程度である。このブロアに代えて軸流ファンでもよい。ここで、装置１の最大騒音圧力レベルは、最大の回転数のときに３５ｄＢＡ以下であり、濃縮酸素流量１Ｌ／分以下の場合には３３ｄＢＡである。

３方向切換弁１０７ａ、１０７ｂには、一般的に直動式と呼ばれる弁の動作を通電時の磁力で行う電磁弁が使用可能である。この種の電磁弁は電気の力だけで主弁を動作させるため消費電力が高いという問題点があった。この装置１では３方向切換弁１０７ａ、１０７ｂにパイロット式３方向切換弁を使用することもできる。この弁によれば、僅かな消費電力とコンプレッサからの空気圧を有効利用して動作させることが出来るために従来の８Ｗから０．５Ｗまで低減される結果、大幅に電力が低減されることになる。動作説明は図１６により後述する。

以上の構成により装置１の電源スイッチ６がオンされる事で、所定電圧の供給が開始され、制御基板１２４でセルフチェックが行われる。これに続きコンプレッサ１０５と、ブロア１０４、１０４と、３方向切換弁１０７への通電が行われることで、外部空気の導入が行われてそれに伴う空気導入音が連続的に発生する。同時にコンプレッサ１０５の振動やその振動に伴う騒音、吸着筒に及ぶ配管からの透過音が連続して発生する。

これに続き、導入された空気は一方の３方向切換弁１０７ａを経て第１吸着筒１０８ａに導入され、生成酸素は逆止弁１３０を通り、製品タンク４７に流れ、徐々に圧力が上昇する。所定の圧力になると均等圧弁１１９が所定時間、「開状態」となる。以上で第１吸着筒１０８ａで濃縮された一部の酸素を使用して、第２吸着筒１０８ｂの、洗浄及び次の加圧に備えての準備が行われる。又、均等圧弁１１９の作動時には作動音を伴うので、防音スポンジで取り囲まれている。

次に、第１吸着筒１０８ａの脱着工程（窒素や水分の排出）と第２吸着筒１０８ｂへの圧縮空気の取入れを行うべく３方切換弁１０７ｂが作動する。これに前後して開放弁１１８が動作され第１吸着筒１０８ａ内に残る窒素ガスの放出が行われる。この排気音は一時的ではあるが最も大きい。第２吸着筒１０８ｂに流れ込んだ圧縮空気で生成された生成酸素は逆止弁１３０を介して、製品タンク１１１に流れる。その後所定の圧力となると均等圧弁１１９が所定時間「開」となる。この後に、第２吸着筒１０８ａの、洗浄及び次の加圧に備えての準備が行われる。

以上のように均等圧弁１１９が開かれることで、第２の吸着筒体１０８ｂで生成された酸素が第１の吸着筒体１０８ａの出口部に送り込まれるので、内蔵のゼオライトの洗浄化が行なわれることになる。以上の切換動作を所定タイミングで繰り返し行うことで、連続した酸素の安定供給を可能としている。

尚、流量検出手段は、上記のように使用する酸素流量を決定するための流量設定器の設定値を制御基板が読み取るものであるが、さらに、チューブ折れ等の外乱要因により流量低下した場合に備えて、実流量を測定しても良い。以上説明したように、任意に設定される酸素流量の大小の如何に拘わらず、酸素濃度を安定的に保持できる。

以上のように、圧縮空気の供給音と、外部空気の導入音と、原料空気を作るための濾過空気の導入音と、３方向切換弁の作動音と排気音が周期的に発生するが、このように発生する騒音低減のために、従来装置では外部空気導入通路を長く設定し、かつ多くの屈折回数を与え、さらに吸音材を設けた遮音箱内に収容していた。このために静かな酸素濃縮装置は大型化するとされていた。また、ゼオライトを充填した吸着筒は、温度上昇すると窒素吸着量が減少するために温度の影響を受け難い場所において離間して配置されるのが一般的であった。

このため、配管経路が長くなることによる圧力損失も無視できない場合があったがこれらの問題は、図７に示した構成と後述する機械的構成により全て解決された。

図８は、酸素濃縮装置１の内部構成を示すために背面側から見た立体分解図である。本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、下方より、図１で二点鎖線で示した樹脂製の底面カバー９が、同じく樹脂製のベース体４０の底面に対して複数の固定ネジ１６を用いて固定される。

このベース体４０には、上記の各コネクタ１３１、１３０とブレーカー１８が内蔵されている。また裏面カバー３の各排気口３ａ、３ｂに対向して排気口４０ｂ、４０ｃが穿設されており、これらの排気口が内部の迷路状の消音室に連通している。このベース体４０の上面は図示のように平らに形成されるとともに、防音室３５を左右面と裏面の３方から固定ネジ１６で固定するための孔部を穿設した起立部４０ｆを一体成形している。また、排気用開口部４０ａをさらに穿設している。

防音室３５は、コンプレッサ１０５を防音状態で収容する密閉箱であり、手前側に示した防音室蓋４１を複数の固定ネジ１６で固定するようにしている。このために防音室３５には図示のように曲げ加工されるとともにインサートナットを植設した取付部が一体的に設けられている。この防音室内部には防音材が敷設される。また外周面には制振部材であって、合成ゴムと特殊樹脂材料を混合した素材をシート状のものが敷設されており、アルミの薄板製である防音室３５自体が共鳴などで振動することを防止している。
防音室３５の下面には開口部３５ｄが上記のベース体４０の排気用開口部４０ａに対向して穿設される。また、防音室３５の上面には上記の冷却室３６の第２開口部３６ａ、３６ｂに対向した位置に第１開口部３５ａ、３５ｂが穿設されている。さらにこの防音室３５には孔部３５ｃ他が穿設されており、冷却配管３７を図示のように位置させ、かつ配管３３を外部に出るようにしている。

冷却室３６は上記のように、軽量で熱伝導性のよい金属等の材料、例えば、アルミ製であり取付部３６ｆが４方から曲げ加工されており、固定ネジ１６を用いて防音室３５の外壁部に固定される。この冷却室３６の上には上記の各第２開口部３６ａ、３６ｂに向けて送風を行うように、ブロア１０４の送風口１０４ａが下方に向くようにしてブラケット３８、３８で固定されている。

この防音室３５の左側側面には二点鎖線で示した筒状の吸着筒１０８ａ、１０８ｂが、吸気用バッファタンク１０２と並べて配置されている。また、二点鎖線図示の製品タンク１１１は図示のように長手方向に横たえて冷却室３６の上方に配置される。

上記の遮蔽板３２も軽量化のために軽量である金属板の例えば強化アルミ板製であり、図示のように冷却室３６を跨ぐようにした部材を一体的に設けており、防音室３５の上方の外壁に対して固定ネジ１６を用いて固定される。この部材の上に制御基板１２４他が固定されてブロア１０４、１０４の送風時の気体流れで冷却を可能としている。なお、この遮蔽板３２は上記のように一部が外部に出るので黒色に着色される。

図９は、酸素濃縮装置１の底面カバー９とベース体４０を示すために底面側から見た立体分解図である。図示のようにベース体４０には上記の開口部４０ａに連通する第１消音室４２と、通路４４を介してこの第１消音室４２に連通する第２消音４５と、上記の排気口４０ｃに連通する第３消音室４６と、排気口４０ｂに連通する第４消音室４７とが形成されている。これらの各消音室は図示のように迷路状になっているので、これらを通過する過程で、消音器１２０を介して排気される排気音が減衰される。

この消音器１２０は、軽金属であるアルミ製丸パイプ（外径Φ６ｍｍ、内径Φ４ｍｍ）で構成され、コンプレッサ１０５と接続されない側の端部は閉塞され、パイプ側面には長手方向にΦ０．３〜１．０ｍｍ程度の小孔が複数個、例えば２〜６個穿設されている。これ以上増やすと騒音の増加になり小さくするとコンプレッサの排気効率が下がり好ましくない。

図１０は、図８で示した構成を組立後の酸素濃縮装置１の内部構成を示すために反対側から見た外観斜視図である。本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、図示のようにベース体４０上において、隙間なく全ての部品が固定されている。各吸着筒１０８ａ、１０８ｂと吸気用バッファタンク１０２については複数のワンタッチ固定ベルト４９を用いて固定されている。また、酸素センサ１１４と流量調整器１１５は図示のように遮蔽部材３２の部材に固定されている。このよう略全ての構成部品をベース体４０上に固定することで４方向からアクセス可能となるので組立作業性が大幅に向上された。このために自動組立ライン化も可能となる。また、省スペース化にも大きく寄与できた。このように省スペース化するためには上記の表面カバー２と裏面カバー３はベース体４０から放射状に張り出さないようにする必要がある。

図１１は、酸素濃縮装置１の組立後の内部構成に対して表裏カバー２、３を固定する工程を示す外観斜視図である。本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、防音室３５の側面には上記のワンタッチ固定ベルト４９を通過させて固定する樹脂製のブロック４９ｋが固定されている。このようにしてすると、図示のようにベース体４０上において、隙間なく全ての部品が固定されている。各吸着筒１０８ａ、１０８ｂと吸気用バッファタンク１０２をワンタッチ固定ベルト４９で不動状態に固定できるようにしている。

一方、ベース体４０の外周面には一方の鍔部４８が形成されている。また、表面カバー２の裏面には独立気泡のウレタンスポンジ製の吸音材５１が敷設されている。また、上記の操作パネルに配置される各ランプ類と表示部を実装した実装基板１２８が図示のように固定されている。また、この表面カバー２の下方にはベース体４０の外周面に形成された一方の鍔部４８を上下方向から挟むようにした他方の鍔部５０、５０が一体成形されている。さらにこの表面カバー２の突合せ面２ｐは略平面に沿うように成形されるとともに、固定ネジ１６の雌ネジ部となるインサートナットをインサート成形した形状部２ｈが複数箇所に成形されている。

また、裏面カバー３の突合せ面３ｐは略平面に沿うように成形されるとともに、固定ネジ１６の挿通孔となる形状部３ｈが複数箇所に成形されている。

図１２は、表裏面カバー２、３を固定する様子を示す断面図である。本図に示すように表裏面カバー２、３をベース体４０に固定するために各カバー２、３を突合せ面２ｐ、３ｐにおいて当接させると、ベース体４０の一方の鍔部４８が他方の鍔部５０、５０の間に入るようになる。この後に固定ネジ１６で固定することで完成する。

以上のように構成することで省スペース化を実現できる。これらの表面カバー２、裏面カバー３と上記の底面カバー９、ベース４０は、ＡＢＳ樹脂材料を用いて射出成形された軽量部品であって、樹脂部品の総重量は２．６ｋｇであり、装置１の全重量１０ｋｇの約２６％となった。

ここで、表面カバー２と裏面カバー３とから形成される同じ表面積を有するカバーを、従来からの木製筐体であって加工が容易であり、かつ寸法に狂いの生じにくく軽量で防音性能が優れているＭＤＦ（Medium Density Fiberboard）木製とした場合には重量が約４．６ｋｇとなる。また、木製筐体は板厚が１ｃｍ前後の平らな板状であるので図示のような曲面状にするためには、これらの板部材を重ねるとともに、曲面状に加工することになるので約８ｋｇとなってしまう。このために、目標重量の約１０ｋｇは到底達成できなくなる。無論、軽量にする必要の無い場合には上記のＭＤＦでカバーを作ることもできることになる。

次に、図１３はコンプレッサ１０５を防音状態で収納する防音室３５の要部を破断して示した外観斜視図である。先ず、防音室３５のうち側には制振材６７と独立気泡スポンジ６８の防音材が敷設されている。また上記のようにコンプレッサ１０５は圧縮手段１０５ａと減圧手段１０５ｂを一体形成しており、アウターロータ式の電動モータ５５の出力軸５６に固定されるクランク軸周りにコンロッド５７、５８に連結されるピストンであって、クランク運動する１対の水平対向ピストンを備えている。一方の破線図示のピストン６０により圧縮手段が構成され、他方のピストン５９により減圧手段を構成するために各ピストンの圧縮面には不図示の一方向弁が夫々搭載されている。

また、この１対の水平対向ピストンの往復移動方向は防音室３５の底面に平行な水平方向であるが、負荷が大きくなると矢印Ｖ、Ｖ方向に大きく振動する。このためにコンプレッサを防音室３５内で略垂直方向の防振状態にするコンプレッサ固定台６１上にコンプレッサ１０５を固定して振動を効率的に吸収している。すなわち、４つのコイルバネ６２を四隅に固定し、ラバーブッシュ６３をさらに内蔵して図示のように底面に固定している。また、コンプレッサ固定台６１は送風が通過しかつ軽量にするために大きな開口部６１ａが穿設されている。これでは強度的に振動に耐えられないので起立部６１ｆを４辺に曲げ加工するとともに鉄製補強部材７０を固定している。

以上の構成によりコンプレッサの防振と防音が効果的に計れるとともにブロアによるコンプレッサ１０５の冷却のための送風が邪魔されず円滑に行えることとなる。

図１４は、外気導入空気と、原料空気および排気空気の流れる様子を示した外観斜視図、図１５は、図７のブロック図の拡大図であり外気導入空気と、原料空気および排気空気の流れる様子を示した図である。

両図を参照して、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、外気導入フィルタ２０で一次濾過された空気は矢印Ｆ１方向に内部に導入される。導入された空気は矢印Ｆ２、Ｆ３方向に分岐するようにブロア１０４により吸い込まれ、冷却室３６の第２開口部３６ａ、３６ｂと防音室３５の第１開口部３５ａ、３５ｂを介して矢印Ｆ４、Ｆ５方向に流入する。これによりコンプレッサ１０５を冷やす。コンプレッサ１０５は発熱が大きく冷却しないと最高７５度まで温度上昇するので効率的に冷却する必要がある。このため防音室の内部に収容し、圧縮後の高熱酸素を冷却する蛇行配管を密着させ、さらに冷却室を設けこの上にブロアを設けて、２個のブロアからの送風で蛇行配管とコンプレッサ１０５の双方を冷やすことで冷却効率をアップしている。

また、冷却室３６に導入された空気の一部は原料空気として配管３３を矢印Ｆ６方向に通り二次濾過を行うフィルタ１０１とバッファタンク１０２を矢印Ｆ７方向に通過して配管３３内を矢印Ｆ８方向に通過して圧縮手段１０５ａに向かう。このとき、吸気音は完全に遮断されることになる。また、排気は開口部３５ｄを矢印Ｆ９方向に出てから各消音室で充分に消音された後に排気口から矢印Ｆ１０方向に出される。

以上のように実質的に酸素を生成する上で必要となる主構成部品を全て防音する事で、連続する騒音源となるコンプレッサ１０５の音は、唯一の開口部となる空気の排出口から外部に出されるが、このとき各消音室を通過する際に、音エネルギーは、反射、吸音を繰り返して減衰される結果、耳障りな音は低減されることとなる。さらに、防音室内部は、内面に吸音材を貼ることにより、騒音源は最小限に抑えられ、更には、従来のような排出通路と酸素の生成に必要な部品とが区分けされている装置に比べて、効率良くスペース使うことが出来るため、装置の小型化とメンテナンス性を大幅に向上できることになる。

尚、以上は本発明の医療用の装置１を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、空気中から窒素を吸着して、酸素を生成するための触媒担体として、SiO₂／Al₂O₃比が２．０〜３．０であるＸ型ゼオライトであり、かつ前記Al₂O₃の四面体単位の少なくとも８８％以上をリチウムカチオンと結合させることにより、吸着筒は１本にすることもできる。さらに、カバーのデザインは上記構成に限定にされないことは言うまでもない。

図１６の３方向切換弁の動作説明のための配管図において、３方向主弁(主電磁弁)１０７ａ１，１０７ｂ１は、パイロット弁(パイロット電磁弁)１０７ａ２，１０７ｂ２を備えており、これらのパイロット弁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ように構成されている。また逆止弁１０７ａ３，１０７ｂ３が図示のように接続されている。

この制御シーケンスは、上述の制御方法とは異なり、図１７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。この主弁が開となると圧縮空気は、第１吸着筒１０８ａに流れ込み、ガス吸着を行われる吸着工程となる。均圧弁１１９を所定秒開動作させると、開動作状態の前半は、第２吸着筒１０８ｂの洗浄工程となる。第２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を開動作させるように制御する。均圧弁１１９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るので均圧工程となる。

これ以降、同様のシーケンスで吸着工程、洗浄工程、均圧工程を繰り返す。なお、コンプレッサ１０５は、上記すべての工程(起動時工程、吸着工程、洗浄工程、均圧工程)において、動作状態となっている。ここでは、第１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、先に第２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、制御基板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させて真空度を調整可能にして、振動の発生を防止し、騒音を低減している。

次に、図１８において圧力調整器１１２の役割は、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により、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ように構成されている。さらに酸素吐出圧(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ように構成されている。なお、圧力調整器１１２の下流側には流量設定器１１５が設置されるが、この流量設定器１１５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。

呼吸同調器のデマンド弁１１６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、充電式バッテリ１２７で駆動動作されると制御基板１２４において判断されると、充電式バッテリ１２７の消費電力を押さえるために、図１９に示すシーケンス制御により、呼吸同調制御部のデマンド制御部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)を行うようにして、実質的に２Ｌ／分の酸素流量までの対応を可能としている。

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、均圧弁の開動作タイミングは、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は連続動作状態となっている。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。

可搬可能なシステムとして適切に機能するためには、システム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。従来は、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。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に表示または通信コネクタ１２９（図７参照）を介して外部モニタ装置で読取れるようにしても良い。

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１３１を介して装置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が含まれる。この充電式バッテリ１２７の重量は、１．５ｋｇ程度で、呼吸同調制御を行う場合において、８８〜９４％濃縮酸素流量が最大２Ｌ／分時に最大３時間の動作を可能にしている。

システムは、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ることができ、例えば、充電式もしくは取替え式の燃料電池が使用可能である。このシステムは、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、システムは多数のバッテリによっても動力供給がされる。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から着脱が可能である。このシステムは、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。システムは、充電のコネクタ１３１に接続できるバッテリ充電器と、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る。アダプタもしくは充電器は、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・アダプタであってもよい。システムに使用され、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。

以上のように患者は常に追加の新鮮な充電済みの追加のバッテリ・パックを持つことで、患者は、より長時間の外出等が可能となり、そのＱＯＬが大幅に向上する。また、適当な接続部を介して、システム内の濃縮酸素の流れに湿気を加えるための加湿手段（不図示）を備えていてもよい。また、装置１を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、収縮／延伸自在な取手等を設けた手押し車式としてもよい。またシステムは、就寝時の防音のために、装置１をさらに覆う防音ボックスを備えていてもよい。

呼吸同調制御は、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に、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ためのものである。通常の呼吸の間は、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。そこで、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１９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１９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。ところで、呼吸同調制御時の酸素濃度検出は圧力変動により検出することができない。このため３０分に１回のペースで約１０秒間に渡り生成酸素を連続供給し、この酸素濃度を約１秒間遅れて１０秒間検出することで、呼吸同調制御時の酸素濃度検出を可能にしている。

尚、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１３５、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することも可能である。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。また、酸素使用量、動作時間、トラブル積算などを日時ともに時系列的に記憶したヒストリ記憶部を設け
、外部機器によりメンテナンスできるようにしてもよい。

は、本発明の一実施形態である酸素濃縮装置１を前方側の左斜め上から見た外観斜視図である。は、図１に示した酸素濃縮装置１の背面図である。 (ａ)は、図１に示した酸素濃縮装置１に使用される充電式バッテリの外観斜視図、(ｂ)は、充電式バッテリの専用充電器の外観斜視図、(ｃ)は専用キャリアの外観斜視図、(ｄ)は、鼻カニューラの延長チューブセットの外観斜視図である。は、図１の酸素濃縮装置１の操作パネル５の実体図である。 (ａ)は、図４の操作パネル５のバッテリ残量表示部１２８ｄの動作説明図、(ｂ)は、図４の操作パネル５の警報表示部１２８ｃの動作説明図、また(ｃ)は、図４の操作パネル５の酸素濃度ランプ１２８ｂの動作説明図である。 (ａ)は、酸素濃縮装置１の裏面カバー３から外気導入フィルタ２０を着脱自在にする様子を示した外観斜視図、(ｂ)は、外気導入フィルタ２０がさらに交換用蓋１７から取り外される様子を示した外観斜視図、また(ｃ)は、図６(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図である。は、酸素濃縮装置１のブロック図である。は、酸素濃縮装置１の内部構成を示す立体分解図である。は、酸素濃縮装置１の底面カバー９とベース体を示すために底面側から見た立体分解図である。は、組立後の酸素濃縮装置１の内部構成を示す外観斜視図である。は、酸素濃縮装置１の組立後の内部構成に対して表裏カバー２、３を固定する工程を示す外観斜視図である。は、表裏カバー２、３を固定する様子を示す断面図である。は、コンプレッサ１０５を防音状態で収納するためのコンプレッサ室の要部を破断して示した外観斜視図である。は、外気導入空気と、原料空気および排気空気の流れる様子を示した外観斜視図である。は、図７のブロック図の拡大図であり外気導入空気と、原料空気および排気空気の流れる様子を示した図である。は、３方向弁の動作説明のための配管図である。は、図１６の制御シーケンスを示す図である。は、酸素濃縮装置における圧力調整器の内部構成を示す図である。は、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。

符号の説明

１酸素濃縮装置、
２表面カバー（樹脂製）
３裏面カバー（樹脂製）
４取っ手（樹脂製）
５操作パネル
６電源スイッチ（樹脂製）
７酸素出口(樹脂製）
８酸素流量設定ダイヤル（樹脂製）
９底面カバー（樹脂製）
１０キャリア
１１キャスタ
１２固定ネジ
１３カプラ（樹脂製）
１４鼻カニューラ（樹脂製）
１５チューブ（樹脂製）
１６ネジ
１７フィルタ交換用蓋（樹脂製）
１８ブレーカー
１９ＡＣケーブル
２０外気導入フィルタ
２４充電器
２８キャリングカート（一部樹脂製）
２９バッテリ収納部（樹脂製）
３０中継カプラ（樹脂製）
３１延長チューブ（樹脂製）
３２遮蔽板
３３配管（樹脂製）
３５コンプレッサ室（アルミ製）
３６冷却室（アルミ製）
３７冷却配管（アルミ製）
３８取付ブラケット（アルミ製）
４０ベース体（樹脂製）
４１コンプレッサ室用蓋（アルミ製）
４２第１消音室（図９）
１０８ａ開口部
４５第２消音室
４６、４７第３消音室
４８一方の鍔部
４９取付バンド（図１０）
５０他方の鍔部（図１１）
５１吸音材（ウレタン製スポンジ）
５５モータ（図１３）
５６モータ軸
５７、５８コンロッド
５９、６０ピストン
６１コンプレッサ固定台（アルミ製）
６２圧縮コイルバネ（バネ鋼製）
６３防振ゴム
６７防振材
６８防音材
７０鉄製補強ブラケット
１０１吸気フィルタ
１０２吸気用バッファタンク
１０４冷却ファン（冷却手段）
１０５コンプレッサ（圧縮手段、減圧手段、筐体はアルミダイキャスト製）
１０７電磁弁（金属製）
１０８ａ、１０８ｂ吸着筒（アルミ製）
１１１製品タンク
１１２圧力調整器
１１６呼吸同調器
１１４酸素センサ
１２７充電式バッテリ
Ｄ奥行き寸法
Ｗ幅寸法
Ｈ高さ寸法
Ｖ振動方向
Ｆ１〜Ｆ１０外気導入空気、原料空気、排気空気の流れ方向

Claims

原料空気を圧縮して圧縮空気を発生する圧縮手段と、温度が上昇する前記圧縮空気を冷却する冷却配管と、前記圧縮空気中から窒素を吸着し酸素を放出する触媒を貯蔵した吸着筒と、前記圧縮手段および前記冷却配管を送風により冷却する冷却手段とを備え、酸素の濃縮率が８８〜９４％であり、かつ、その流量が最大で１分当たり２リットルである酸素濃縮装置であって、
前記圧縮手段を、防振状態かつ防音状態で収容するとともに、前記送風のための２つの第１開口部をその外壁部の上面に穿設し、かつ前記外壁部の上面に沿うように蛇行してアルミ製の前記冷却配管を配設した強化アルミ製の防音室と、
前記第１開口部に略対向する位置に２つの第２開口部を穿設するとともに、前記第２開口部と前記第１開口部とを介して前記冷却手段による前記冷却を行うために前記外壁部の上面に固定されるアルミ製の冷却室と、
前記原料空気を、前記冷却室から取り入れ、前記圧縮手段に対して供給するように配管される吸気用タンクと、
を具備し、
前記圧縮手段は、前記触媒の浄化を行う減圧状態を発生する減圧手段を一体構成したコンプレッサであり、
前記コンプレッサを、前記防音室内に収容し、
前記減圧手段を送風で冷却する前記冷却手段を、前記冷却室にさらに増設し、
前記減圧手段の排気口に消音器を配管し、
前記消音器からの排気および前記各冷却により温度上昇した送風を外部に行うために、前記防音室に第３開口部を穿設し、
前記コンプレッサは、電動モータと、前記電動モータの出力軸に固定されるクランク軸周りにクランク運動する１対の水平対向ピストンを備え、
一方のピストンにより前記コンプレッサが構成され、他方のピストンにより前記減圧手段が構成されるとともに、前記１対の水平対向ピストンの往復移動方向が略水平面に沿うようにして、前記防音室内で略垂直方向の防振状態に維持するとともに送風開口部を有したコンプレッサ固定台を介して固定され、
さらに前記各冷却手段からの各送風が、前記コンプレッサと前記送風開口部とに向かうようにしたことを特徴とする酸素濃縮装置。
前記冷却配管は、アルミ管を含む高熱伝導管材料から作られ、前記防音室の前記外壁部に対して蛇行して配置され、かつ前記外壁部に対して密着して固定されることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
前記防音室と前記冷却室との一方または双方は、アルミ板を含む高熱伝導板材料から作られることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素濃縮装置。
ＡＣ駆動モードとバッテリ駆動モードとを備え、前記ＡＣ駆動モード時における酸素生成量を前記バッテリ駆動モード時における酸素生成量の約２倍になるように自動的に切替えるとともに、前記冷却手段を、前記ＡＣ駆動モード時において高速に、また前記バッテリ駆動モード時において低速に回転駆動する制御を行う制御手段を、具備することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。