JP5117446B2 - 可搬式酸素濃縮器 - Google Patents

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Description

本発明は、概括的には圧力スウィング吸着（ＰＳＡ）により気体の混合物を分離するための気体濃縮器に、そしてより具体的には医療用として酸素を送出することを目的とするＰＳＡ装置に関する。
本出願は、２００２年１月３１日出願の米国仮特許出願第６０／３５３，５６３号による利益を請求する。
本発明が関わるＰＳＡ即ち圧力スウィング吸着装置の一般的型式並びに作動原理については、米国特許第３，５６４，８１６号、同第３，６３６，６７９号、同第３，７１７，９７４号、同第４，８０２，８９９号、同第５，５３１，８０７号、及び同５，８７１，５６４号などに記載されている。例えば、圧力スウィング吸着装置は、１つ又は複数の吸着器を含んでおり、各吸着器は、供給流からの気体混合物が順に並流方向に吸着器を通過して導かれる際に、床への吸着により気体混合物から少なくとも１つの成分ガスを分留するための、固定された吸着材料の篩床を有している。一方の吸着器が吸着を行なっている間、もう一方の吸着器からは、これと同時に、吸着した成分ガスが、第１又は生産吸着器から引き出され向流方向に他方の吸着器を通過するように導かれる製品ガスの一部によりパージされる。他方の吸着器がパージされると、事前に設定された時間に、供給流が他方の吸着器に向けて並流方向に導かれるので、前記他方の吸着器が今度は吸着を行なう。次に、第１の吸着器が、同時に、又は３つ以上の吸着器がある場合には別の時間指定された順序でパージされるが、この全容は上記特許文献を読めば理解頂けよう。
例えば、医療用、産業用、又は商業用を問わず各種用途で用いるために、周囲の大気から高濃度の酸素を生成するためにこのような装置を使用する場合、装置に入る空気は、通常、窒素約７８％、酸素約２１％、アルゴン約０．９％、及び可変量の水蒸気を含んでいる。医療用として、例えば、典型的には少なくとも約８０％の酸素を含むガス製品を生成するために、原則的には窒素の大部分は装置により除去される。医療用として使用されるこのような装置の殆どは、移動中の患者又は何らかの目的で家庭環境を離れたいと望む患者が使用するにはあまりに嵩張りすぎる。この様な場合、患者は、酸素濃縮器の使用を差し控え、加圧酸素タンクの使用に逆戻りするのが普通である。酸素タンクは、患者が自由に歩き回れるようにするには非常に有用であるが、それでも、例えば酸素保存容量が限られるため、又は可燃性材料が事故を引き起こす恐れのある或る種の公共輸送機関又は場所では使用が禁止されることもあることから、その使用は制限される。酸素タンクの有効寿命は、例えば、１９９９年１０月１９日出願の同時係属中の米国特許出願第０９／４２０，８２６号に開示されている酸素濃縮装置（ＯＣＤ）を使用することによって延びるが、それら機器の使用も、安全性と保管の点から、また、酸素を再供給するためのアクセス、並びに酸素のための医療費及び償還の書類手続きが継続するなどの点でなお問題がある。
本発明は、所望の用途に必要な酸素濃度を達成できると同時に、可搬性に優れ、操作が簡単で、相対的に身体能力が限られた患者でも運ぶことができる、新たな改良された圧力スウィング吸着（ＰＳＡ、又は酸素濃縮器）装置を提供する。
これは、発明的ＰＳＡ設計と、ＰＳＡからユーザに酸素をパルス状に供給するための酸素維持装置（ＯＣＤ）とを組み合わせた独自の構成により達成される。
本装置の意図する用途は、例えば各種の慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）などに苦しむ人たちに対して補助的な高純度の酸素を供給することである。本発明は、２床式ＰＳＡを一体構成のＯＣＤと併用し、濃度９０％超の継続的高濃度酸素を有効率毎分約５リットル（ＬＰＭ）相当までの投与量で酸素供給するのが望ましい。
本発明による、ＰＳＡ／ＯＣＤ合体型装置の概略図である。 本発明の好適な実施形態を上から見た斜視図であり、本発明の作動構成要素を強調表示するために上下ハウジング部分を仮想線で示している。 本発明の好適な実施形態を上から見た斜視図であり、本発明の作動構成要素を強調表示するために上下ハウジング部分を仮想線で示している。 上記同様の斜視図であるが、好適な実施形態を下から見た図である。 好適な実施形態の、上下ハウジング部分を取去った状態での上面図である。 好適な実施形態の、上下ハウジング部分を取去った状態での下面図である。 好適な実施形態の、上下ハウジング部分を取去った状態での右側面図である。 好適な実施形態の、上下ハウジング部分を取去った状態での左側面図である。 好適な実施形態の、上下ハウジング部分を取去った状態での前面図である。 図５の１０−１０線に沿う断面図である。 好適な実施形態の構成要素を制御するために使用される電子回路の線図である。 好適な実施形態の構成要素を制御するために使用される電子回路の線図である。 好適な実施形態の構成要素を制御するために使用される電子回路の線図である。 好適な実施形態の構成要素を制御するために使用される電子回路の線図である。 好適な実施形態の構成要素を制御するために使用される電子回路の線図である。 好適な実施形態の構成要素を制御するために使用される電子回路の線図である。 回路基板の図である。 好適な実施形態により供給される酸素の相対濃度に対するユーザの呼吸数の影響を近似するグラフである。 本装置が酸素モニターも含んでいる代わりの実施形態を部分的に示す図である。 本装置が酸素モニターも含んでいる代わりの実施形態を部分的に示す図である。
本発明の上記及びその他の目的、特性及び利点は、以下の説明を、本発明の好適な実施形態を示す添付図面を参照しながら読めば更に明確になるであろう。
以下、図面を参照しながら説明するが、本発明による好適な実施形態である、圧力スウィング吸着装置と酸素維持装置を合体させたもの、即ちＰＳＡ／ＯＣＤを、全体として参照番号２０で示しており、これは、必ずしもと言うわけではないが一般的には周囲の空気である気体混合物から、圧力スウィング吸着により少なくとも１つの成分即ち窒素を分留して製品ガスを製造し、この製品ガスをユーザの要求に応じて特定且つ調整可能な間隔で送出するために使用される。圧力スウィング吸着の一般的な作動原理は周知であり、例えば、それぞれ米国特許第４，８０２，８９９号、同第５，５３１，８０７号、及び同５，８７１，５６４号に開示されており、これ等の開示内容全体を本願に参考文献として援用する。同様に、保存されている酸素の有効寿命を延ばすために、加圧されたタンクから酸素のような製品ガスをパルス状に供給して維持することも広く知られており、例えば１９９９年１０月１９日出願の係属中の米国特許出願第０９／４２０，８２６号に開示されており、同開示全体を本願に参考文献として援用する。
図１では、フィルタ付き吸気口２１と、周囲の空気の供給気流の吸入により生じるノイズを下げるための吸気共振器２２を通してＰＳＡ／ＯＣＤ装置２０に周囲の空気が供給される。供給気流は共振器２２に続き、その出口２２ａから、供給空気圧縮機／熱交換器組立体２４によって、供給弁４０及び４２それぞれを介して、第１及び第２吸着器３０、３２に交互に送り込まれる。図示の圧縮機／熱交換器組立体２４は、空気入口２４ｃ及び出口２４ｄを備えた圧縮機２４ａと、これに続く熱交換器２４ｂを含んでいる。
供給気流が、吸着器３０、３２の入口３０ａ、３２ａに並流方向で交互に入ると、各吸着器は、供給気流を所望濃度の製品ガスに分留する。周囲の空気から窒素を分離するために床に使用される吸着材料は、合成ゼオライトか、又は等価な性質を有する他の既知の吸着材料でもよい。
周囲の空気が吸着器３０、３２のそれぞれに順次並流方向に流入することにより生成される酸素に富んだ製品ガスの相当部分又は有用部分は、対応する吸着器の出口３０ｂ、３２ｂ及び逆止弁３４、３６を通って製品マニホールド４８に至り、次いで後に述べる送出制御組立体６０に到る。各吸着器により生成される製品ガスの残りは、時間を決めて、パージオリフィス５０と、適切に時間設定された平衡弁５２と、随意的な流れ絞り弁５３を通して、他方の吸着器３０又は３２を通して、主に窒素ガスである吸着されたガスをパージするために、向流方向に、各出口３０ｂ、３２ｂから各入口３０又は３２へと迂回して流される。向流方向に流された製品ガスとパージされたガスは、次いで、適切に時間設定された逃がし弁４４、４６、配管４７及び吸音マフラー４８を通して吸着器から雰囲気中に排出される。
生成されたガスの有用部分が本発明により導かれる制御組立体６０は、合成ゼオライトが詰め込まれ、パルス供給様式で装置の出口６８を通してユーザに送出される前に製品酸素を保存しておくリザーバとして機能する混合タンク６２と、ユーザに送出される製品ガス圧力を調整するためのピストン式圧力制御調整器６４と、細菌フィルタ６６と、後に述べる電子回路８０のＯＣＤ構成要素を含むパルス式供給トランスデューサ７２、フロー制御ソレノイド操作弁７４及び低圧センサ７６を含んでいる酸素送出システム７０と、を備えている。図２、図３及び図５に示すように、供給弁、逃がし弁、平衡弁、及び流量制御弁は、全て共通の弁ブロック２６に取り付けられている。
本発明によれば、ＰＳＡで生成された酸素濃度の高いガスを混合タンク６２からユーザへの供給は、以下に説明する送出システム７０で制御される。
周知のように、吸入酸素が最も効果的に使用されるのは吸入の始めなので、各種装置は、装置が吸入を最初に感知した時だけ、そして吸入周期の初期段階にだけ、加圧された酸素タンクから酸素を送出するように作られている。我々は、この周知の原理を利用して、主として吸入の初期段階にだけ酸素を送出する酸素送出システムを含む非常にコンパクトで効率の高いＰＳＡを工夫した。例えば図１１及び図１２に示すように、低圧センサ７６は、酸素濃度の高いガスをユーザに送出する装置出口６８に接続されている従来型のカニューレ（図示せず）を通して、ユーザの吸入により感知される圧力低下を検出する。圧力センサ７６が圧力低下を検出すると、電子回路８０内のトランスデューサ回路７２が、所定の時間、流量制御弁７４を開き、混合タンク６２内の酸素に富んだガスを所定の量だけ出口６８を通してユーザに送り出すようにする。送出されるガスの量は、回路基板上の電子回路８０により、多数の効果的な流量の内の何れかで送出するためのプログラム可能な装置７７を使って制御されるが、我々の好適な実施形態では、約８０％から約９５％の酸素濃度での効果的な流量は、１ＬＰＭから５ＬＰＭまで５通りある。
設定は、多位置制御スイッチ８６を使って行なわれ、このスイッチには、図２に示すように、装置２０の上側ハウジング部分１０４のヒンジ式カバー１０２を開けてアクセスする。カバー１０２は、しっかりと閉鎖し簡単に開けるために磁気ラッチで閉じた状態に保持されるのが望ましい。装置２０は、更に下側ハウジング部分１０６で囲まれている。上下のハウジング部分１０４、１０６の間には、中央シャーシ１０８が両者と嵌合しており、シャーシ上には装置２０の作動構成要素が取り付けられている。
外側ハウジング部分１０４、１０６及びシャーシ１０８は、適していればどの様な耐衝撃材料で作ってもよいが、射出成形されたＡＢＳプラスチックであるのが望ましい。図示のシャーシ１０８は、一体成形された持ち運び用取っ手１０９も有している。
本発明の有効性とコンパクトサイズを可能にしているのは、本発明の構成要素の構造的配置と、装置内の気流の制御によるところが大きく、これについて以下説明する。
本発明によれば、周囲の空気は、装置２０の内部のアクセスカバー１０２と制御パネル１１１の間の空間にしか流入できず、これは出口６８を取囲む凹部内のアクセス通気孔１１０により、そしてカバー１０２のヒンジ接続部に上側ハウジング１０４まで形成された長形スロット１１２を通して達成される。アクセス通気孔１１０、スロット１１２及び空気排出点を除くと、上下のハウジング１０４と１０６とで、シャーシ１０８を備えた密閉チャンバを形成している。周囲の空気は、ファン９２によって、ヒンジカバー１０２を開くとアクセスできる制御パネル１１１上のアクセス可能な入口フィルタを通して、装置２０の密閉されたチャンバの内部に導入される。フィルタ１１３は、装置内部に流入する空気から埃やその他不純物を除去するように設計された発泡総粒子フィルタである。フィルタ１１３を通って装置２０の内部に流入する周囲の空気の一部は、圧縮機組立体２４により、フェルト材で作られた第２フィルタ１１４を通して分留対象の空気を更にフィルタ処理した後、共振器２２の入口２１に送り込まれる。装置２０の内部に流入する周囲の空気の残りは、本発明によれば、ＰＳＡ組立体の作動構成要素を冷却するために、装置の密閉された内部全体を通して制御された経路を流される。
明らかになっていくが、図１０に示すようにシャーシ１０８の傾斜した開口部９３内に配置されたファン９２は、装置２０内のシャーシ１０８とカバー部分１０４、１０６の間の密閉空間を通して、制御された経路で周囲の空気の残り(balance)を移動させる機能も併せ持つ。
図４から図９から分かるように、中央シャーシ１０８の上側に取り付けられている作動構成要素は、吸気口２１、制御スイッチ８６、装置を起動し流量を設定するためのアクセス可能な全体制御盤１１１、取り外し可能なバッテリパック９０、弁ブロック２６、圧縮機組立体２４、回路基板８１、ファン９２、及びカニューレ取り付け具６８である。中央シャーシの下側に取り付けられているのは、共振器２２、吸着床３０、３２、マフラー４６、混合タンク６２、及び圧力制御調整器６４である。
装置２０の作動構成要素を冷却するために使用される、装置２０全体を通して流れる周囲の空気の流を方向決めするに際し、フィルタ付吸気口１１３から流入する周囲の空気の内、フィルタ１１４に向かわない部分は、シャーシ１０８に形成された一連の水平及び垂直方向のバッフル１２０により装置を通過するように方向決めされ、バッフルは、フィルタ付き吸気口１１３を通ってアクセス空間に入る周囲の冷却用の空気を、ファン９２からの吸引によって、順次、回路基板８１、弁ブロック２６、及び圧縮機組立体２４上に向かわせる。周囲の冷却用の空気は、ファン９２によって、次に開口部９３を通ってシャーシ１０８の下側に引き込まれ、先ずシャーシ１０８の底面側に形成されたプレナムまたはダクト（図示せず）を通って、冷却用の空気全てがシャーシ１０８と下側ハウジング１０６の間に形成された空間の前方に向けて導かれる。冷却用の空気は、次いで、装置２０の背面に向って流れるよう再度方向決めされ、下側ハウジング部分１０６の後端でグリルワーク１２４を通して排出される前に、共振器２２、吸着器床３０、３２、混合タンク６２、マフラー４６、及び圧力調整器６４上を流れる。後に説明する図１２から明らかになるように、シャーシ１０８上に取り付けられた回路基板８１に取り付けられている発熱性構成要素は、全て、冷却用の空気が装置２０の内部に流入する際のその正流方向における、回路基板の後ろ側に配置されている。
本発明を構成する要素の新規な設計と組み合わせ及び配置により、好適な実施形態に基づく合体型ＰＳＡ／ＯＣＤは、標準的雰囲気において、吸入周期毎に、１ＬＰＭの設定では約８．７５ｍＬ、２ＬＰＭの設定では約１７．５ｍＬ、３ＬＰＭの設定では約２６．２５ｍＬ、４ＬＰＭの設定では約３５．０ｍＬ、及び５ＬＰＭの設定では約４３．７５ｍＬで、パルス状供給で約９０％±３％の濃縮酸素を送出することができる。全く意外ではあるが、この性能を、重量約４．５３６ｋｇ（約１０lb）未満、全体の大きさとしては長さ約４３．１８ｃｍ（１７インチ）未満、幅約２０．３２ｃｍ（８インチ）未満、高さ約１５．２４（６インチ）未満、放出ノイズレベル約５５デシベル未満、という装置で実現することができる。
図示の実施形態では、医療用の吸着床３０、３２は、それぞれ、長さが約２４．７７ｃｍ（９．７５インチ）、直径が約３．１７５ｃｍ（１．２５インチ）で、吸着床毎に重量約８１グラムのゼオライト篩材料(zeolite sieve material)を備えている。床３０、３２は、減圧又は圧力均等化段階で篩材料が「流動化」しないように、ばね付勢されているのが望ましい。空気の供給流は、公称速度毎分約７リットルで供給され、３ＬＰＭの設定でユーザの呼吸数が毎分約１５回の場合、概算作動圧力範囲が約１３１ｋＰａ（１９ｐｓｉａ）から約１５８．６ｋＰａ（２３ｐｓｉａ）以内、又は電力供給が約１３ボルトの場合は１４４．８ｋＰａ（２１ｐｓｉａ）で製品ガスを生成する。
印刷回路基板８１上の回路構成要素は、ＰＳＡ周期と、装置からの酸素のパルス状供給を制御する。上記構成要素は、図１１ａ−ｆ、及び図１２に示されており、回路８０についての付随の詳細な説明に述べる様に機能する。
各流量制御スイッチの設定に合わせて装置が供給する酸素の濃度は、システムの圧力、作動電圧（バッテリ又は外部供給）、及び患者の呼吸数に基づきパラメータの許容範囲内で決まる。後で示すが回路８０では、マイクロプロセッサは、セレクタ位置、作動電圧、及びＯＣＤの起動頻度を継続的又はサンプル採取して読み取り、ユーザに送出される予測可能な酸素濃度を計算する。上記の何れかが上下の閾値に近づくと、例えば、酸素濃度が８５％程度にまで下がると、間欠的なアラームが鳴り、ユーザに、装置は継続して使用できるが性能が仕様基準を外れないように対処するよう警告を発する。上記パラメータの何れかが継続して所定閾値を超過するようになると、例えば、計算された酸素濃度が８０％以下となる場合には、アラームが鳴り続けて、ユーザに、装置２０の性能は仕様基準を外れており、使用の中止を通知するようにプログラムすることができる。
例えば、装置は、合理的な呼吸数を許容するように設計されているが、ユーザの身体活動が非常に顕著に増大し、その結果として呼吸数が増すと、装置２０が供給できる以上に酸素の需要が高まることにより、装置が過剰吸引状態になることもある。図１３のグラフは、フロー制御スイッチが３ＬＰＭに設定され供給電圧が１３．５ＶＤＣの場合の、酸素濃度に対する呼吸数の影響を示している。
図示の実施形態は、装置の起動時の可聴信号、高圧及び低圧のシステム過剰吸引並びに無呼吸事象（即ち、事前設定時間内の無吸入）を信号連絡するための可聴赤色視認灯アラーム、低バッテリ状態を信号連絡するための可聴黄色視認灯アラーム、パルスモードでの正常な装置運転を示す点滅緑色灯を含んでいるのが望ましい。
装置の最大呼吸数は、各流量制御スイッチ設定と装置を制御する電圧の範囲との組合わせによって決まる。回路８０は、バッテリ電圧、流量制御スイッチ設定、及び患者の呼吸数を継続的に監視する。呼吸数によって装置が過剰吸引状態に近づくと（酸素濃度約８５％）、又は過剰吸引状態に到ると（酸素濃度８０％以下）、アラームが患者に身体活動を控えるように注意又は警報を出す。
回路基板の上で且つフィルタ１１３の下には、装置の累積使用時間を記録する液晶表示時間計１２２が取り付けられており、推奨稼動スケジュールに合わせられるようになっている。フィルタ１１３は、洗浄時にはユーザが取り外せるようになっており、ユーザが時間計１２２を容易に確認できる。稼動時、制御パネルからアクセス可能なテストボタン８７を起動させて、装置２０を各種作動モードで周期運転させ、装置の作動構成要素が設計どおり機能することを確認する。アクセス可能なリセットボタン１３０を使って、保守作業員が修理後に時間計のカウンタをリセットできるようになっている。
例えば冷却ファンの故障又は空気の入口／出口閉塞などにより過熱状態が発生した場合には、圧縮機組立体２４への電源を切るために、温度スイッチ１２４が設けられている。
図１１Ａに示すように、主回路基板８１は、クロック速度が１Ｍｈｚの外部水晶発振器８２を有するＰＩＣ１６Ｆ７４−１／Ｌマイクロコントローラ７７に基づいている。マイクロコントローラ７７は、入力データを、１）アナログ圧力調整回路（酸素維持装置、以下ＯＣＤ用）、２）公称１．５ａｍｐ定電流発生器を備えたバッテリ管理システム、３）弁制御装置７２（圧力スウィング吸着、以下ＰＳＡ、用）、４）回転式スイッチ８６、５）純度テストボタン８７、及び６）センサ圧力を示す圧力センサ７６、から受信する。マイクロコントローラ７７は、３つのＬＥＤ１２５、１２６、１２７と可聴アラーム１２８を介してオペレータと通信する。更に、時間計１２２は、定刻に圧縮機に指示を出す。
図１１Ｄ及び図１１Ｃに示すように、更に２つの回路が主回路基板８１上にある。バッテリリセット回路は、バッテリ電圧が基準電圧より低下すると５Ｖ調整器９７を使用不能にして、回路基板の大部分を停止させ、バッテリから引き出される電流を最小限に抑える。第２回路は、符号１００で示すオンボード回路リレーＫ１の切り替え応答時間を制御し、ＡＣアダプタが取り外されても作動が中断されないようにする。リレー１００は、外部電力供給装置が装置に差し込まれるとエネルギー供給されるので、外部供給によってしかエネルギーを得られない。外部供給装置が引き抜かれると、リレー１００はエネルギーが断たれ、装置はバッテリ電力によって作動することになる。
図１１Ｂは、圧力信号調整回路、即ちＯＣＤの概略線図である。回路のアナログ区間では、四重演算増幅器ＯＰＡ４３３６ＥＡ２５０が使用されている。４つの増幅器の内の２つＵ８−Ａ、８３とＵ８−Ｂ、８４は、入力が圧力トランスデューサＵ９、７８の差動出力に直接接続されている。Ｕ８−Ｂ、８４のピン７の最適オフセット電圧は、３．４７５±０．０２５ボルトになるように決められている。この電圧は、タイマーＲ１１、７９を調整することにより設定される。このステージのゲインは４００を超え、結果として、Ｕ８−Ｂ、８４のピン７の圧力信号は、患者呼吸数に関して決定を下す次のステージに備えた正しい範囲内にある。増幅器Ｕ８−Ｃ、８８は、比較器として構成されている。８８のピン１２は、直近の４から５呼吸の間の患者カニューレ内の平均圧力を表し、８８のピン１１は、呼吸圧力を瞬間的に追跡する。結果として、各吸入の初期段階に発生した減圧により、Ｕ８−Ｃ、８８の出力が低から高へと変化し、新しい吸入をマイクロコントローラ７７に信号連絡する。この回路を使用する利点の１つとして、温度変化又は構成要素の経年変化により引き起こされる微細又は緩慢なオフセットドリフトに対して比較的感受性が低いことが挙げられる。更に、「浮動」平均圧力信号は、呼吸パターンの変化に自動的に追従する。
ソレノイド弁７４が開いて酸素がカニューレを通って流れる時、システム内には比較的高い圧力が存在している。この圧力を、圧力センサＵ９、７８が読み、Ｕ８−Ａ、８３とＵ８−Ｂ、８４が増幅し、Ｕ８−Ｂ、８４の出力に５ボルトのスパイクを生成する。患者の呼吸だけに影響される正確な平均圧力値を維持するために、このスパイクは、トランジスタＱ３、８５の生成する逆パルスで補償される。このトランジスタのゲートは、Ｕ８−Ｂ、８４のピン７の信号が４．３７５ボルトより高ければ、マイクロコントローラＵ２、７７からの信号で起動される。Ｑ３、８５がオンで、Ｕ８−Ｃ、８８のピン１１に生じる電圧が、カニューレ内に圧力が存在していないときの電圧に非常に近い場合、それにより、平均圧力が、酸素の流れに伴う圧力の影響を受けるのが防がれる。
バッテリ管理システムは、図１１Ｃに示すように、ベンチマークＢＱ２００２ＴＳＮ（Ｕ１）バッテリ管理チップ９１、バール−ブラウン演算増幅器ＵＰＡ２３３４ＵＡ（Ｕ１３）１４６、アステックＤＣ−ＤＣ５ボルト・コンバータ（ＤＣ−１）８９、ＭＪＥ３０５５Ｔパワートランジスタ（Ｑ６）１３１、及び２つの支持ＭＯＳＦＥＴトランジスタＩＲＦ９Ｚ３４（Ｑ４）１３２とＢＳ１７０（Ｑ５）１３３で構成されている。この回路は以下の様に作動する。マイクロコントローラ７７は、バッテリ管理チップ９１への供給電圧（ＶＤＤ）を制御する。バッテリ管理チップ９１は、抵抗器Ｒ１、１３４とＲ２、１３５を介してバッテリ電圧を読む。電力が、外部電源を介して供給される場合、マイクロコントローラのピン３６は、バッテリ管理チップ９１のピン６に５ボルトを供給して、オンに切り替える。電力が最初にバッテリ管理チップに供給されたときに、チップは高速充電サイクルに入る。このサイクルによって、バッテリ管理チップ９１のピン８は、５ボルトを出力してＱ５、１３３をオンに切り替え、Ｑ５、１３３は、Ｑ４、１３２をオンに切り替え、公称１．５アンペアの電流がバッテリに流れ込むようにする。
公称１．５アンペアの電流は、Ｕ１３、９９、ＤＣ−ＤＣ５ボルト・コンバータ（ＤＣ−１）８９、パワートランジスタ（Ｑ６）１３１、及び２つの支持ＭＯＳＦＥＴトランジスタ（Ｑ４）１３２と（Ｑ５）１３３で構成されている定電流発生器から導き出される。この回路は以下の様に作動する。ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＣ−１）８９は、外部の１３．５ボルト電源電圧を１８．５ボルトに上げる。５ボルトの信号が、バッテリ管理チップ９１のピン８に存在すると、Ｑ５、１３３はオンに切り替わり、次いでＱ４、１３１をオンに切り替える。ここで、バール−ブラウン演算増幅器Ｕ１３、９９は、Ｒ６５、１３６に掛かる差圧を測定する。Ｒ６５、１３６に掛かる電圧が７５ｍＶのとき、バール−ブラウン演算増幅器は、Ｑ６、１３１を、バッテリ管理チップ９１のピン８が論理ハイ（５ボルト）にある限り、１．５アンペアの電流が流れるように維持する。
バッテリ管理チップ９１は、ピン＃５、即ちＴＳピンを通して充電サイクルを監視する。このピンは、バッテリパック内の１０ｋサーミスタ１３７と一緒に、バッテリパックからの温度フィードバックを電圧の形で供給する。ＴＳピンは、バッテリから１９秒毎に電圧をサンプル採取し、それを先に測定した３つのサンプルと比較する。電圧が２５ｍＶ以上になると高速充電は終了する。
弁制御装置（ＰＳＡ）を図１１Ｄに示す。マイクロコントローラは、弁ドライバＵ５、１３８、Ｕ６、１３９及びＵ７、１４０を制御する。これらは、ＰＳＡ弁４０、４２、４４、４６、５２及びＯＣＤ弁７４で構成されている。
各ＰＳＡ弁は、以下のタイミング順序に従って、ドライバを介してオンに切り替えられる。
Figure 0005117446
ＦＡ＝供給弁Ａ（４０）
ＦＢ＝供給弁Ｂ（４２）
ＷＡ＝逃がし弁Ａ（４４）
ＷＢ＝逃がし弁Ｂ（４６）
ＥＱ＝平衡弁（５２）
ＯＣＤ弁７４は、圧力信号送信状態調整回路がユーザの呼吸を検知する度に、オンに切り替わる。ＯＣＤ弁７４がオンになる時間は、流量セレクタスイッチ８６の設定によって決まる。
Figure 0005117446
回転式スイッチ８６を図１１Ｅに示す。マイクロコントローラ７７は、回転式スイッチ８６の状態を読み、装置はオンかオフか、ユーザはどの流量選択を選定しているか、を判定する。マイクロコントローラ７７が、マイクロコントローラ７７のピン２８で論理ローを読み取った場合、装置はオフの位置にある。マイクロコントローラ７７のピン２８が論理ハイの状態にあれば、装置が既にオンになっていることを示す。マイクロコントローラ７７は、マイクロコントローラ７７のピン２９から３３を介して回転式スイッチ８６の流量選択を読み取る。マイクロコントローラ７７のピン２９で論理ローが読み取られた場合、流量選択は位置１と読み取られる。マイクロコントローラ７７のピン３０で論理ローが読み取られた場合、流量選択は２と読み取られる。このプロセスは、ピン３１から３３に対して繰り返されるが、それぞれ流量選択３から５に対応している。これも図１１Ｅに示す純度テストボタンＳＷ３、８７は、常時開のスイッチで、マイクロコントローラ７７を２つのテストモードの内の一方に設定するのに使用される。スイッチが常時開の位置にあるとき、マイクロコントローラ７７のピン１８には、正常作動を示す論理ハイが適用される。スイッチを押すと、マイクロコントローラ７７は、ピン１８で論理ローを読み取り、２つのテストモードの内何れを実行しなければならないかを判定するため、回転式スイッチＳＷ２、８６の状態を読む。回転式スイッチ８６が、１から４の間の何れかの流量選択に設定されていれば、装置は、流量選択３のデフォルト値である毎分１５呼吸で呼吸する。これが第１テスト条件である。第２テストは、流量セレクタスイッチが位置５に設定され、純度テストスイッチＳＷ３、８７が押されたときに始まる。このテストモードでは、装置は、３分間隔で、毎分以下の呼吸数、即ち１５、１７．５、２０、２２．５、２５、２７．５、３０回で呼吸する。両テストモード共、装置のスイッチが切られるまで継続する。装置は、再度オンに切り替えられると、正常な作動を再開する。
回転式スイッチ８６を図１１Ｆに示す。マイクロコントローラ７７は、装置はオンかオフか、ユーザはどの流量選択を選定しているか、を判定するために、回転式スイッチ８６の状態を読む。マイクロコントローラ７７が、マイクロコントローラ７７のピン２８で論理ローを読み取った場合、装置はオフの位置にある。マイクロコントローラ７７のピン２８が論理ハイの状態にあれば、装置が既にオンになっていることを示す。マイクロコントローラ７７は、マイクロコントローラ７７のピン２９から３３を介して回転式スイッチの流量選択を読み取る。マイクロコントローラ７７のピン２９で論理ローが読み取られた場合、流量選択は位置１と読み取られる。マイクロコントローラ７７のピン３０で論理ローが読み取られた場合、流量選択は２と読み取られる。このプロセスは、ピン３１から３３に対して繰り返されるが、それぞれ流量選択３から５に対応している。これも図１１Ｆに示す純度テストボタンＳＷ３、８７は、常時開のスイッチで、マイクロコントローラ７７を２つのテストモードの内の一方に設定するのに使用される。スイッチが常時開の位置にあるとき、マイクロコントローラ（Ｕ２）７７のピン１８には、正常作動を示す論理ハイが適用される。スイッチを押すと、マイクロコントローラ７７は、ピン１８で論理ローを読み取り、２つのテストモードの内何れを実行しなければならないかを判定するため、回転式スイッチＳＷ２、８６の状態を読む。回転式スイッチＳＷ１が、１から４の間の何れかの流量選択に設定されていれば、装置は、流量選択３のデフォルト値である毎分１５呼吸で呼吸する。これが第１テスト条件である。第２テストは、流量セレクタスイッチが位置５に設定され、純度テストスイッチＳＷ３、８７が押されたときに始まる。このテストモードでは、装置は、３分間隔で、毎分以下の呼吸数、即ち１５、１７．５、２０、２２．５、２５、２７．５、３０回で呼吸する。両テストモード共、装置のスイッチが切られるまで継続する。装置は、再度オンに切り替えられると、正常な作動を再開する。
圧力センサ７６を図１１Ａに示す。高圧回路は、モトローラ製圧力センサＭＸ５５００ＤＰ（Ｕ１０）７６をベースにしている。マイクロコントローラ７７のピン５は、圧力センサ７６からアナログ出力を読み取る。圧力センサが２ｐｓｉ以下の場合、マイクロコントローラ７７はシステム故障の信号を送信する。この状態は、システム圧力が３６ｐｓｉ以上の場合にも繰り返される。更に、システム圧力が３３ｐｓｉになると、事前状態調整警報が発せられる。
図１１Ｆと１１Ｄには、３つのＬＥＤ（赤、緑、黄）とブザー１２８も示されている。緑色のＬＥＤ、Ｄ９、１２５は、ユーザに装置をオンに切り替えていることを知らせるために、始動後１、２秒間使用される。緑色のＬＥＤ１３０は、また、呼吸が検知され、ユーザにパルス状の供給が行われる度に閃光する。黄色のＬＥＤ、Ｄ１０、１２６は、装置がオフ状態のときのバッテリ充電の際に使用される。黄色のＬＥＤは、装置がバッテリを充電している間点滅する。黄色のＬＥＤ１２６は、バッテリが一杯に充電されると、点滅を止め点灯状態になる。このプロセスは約２時間を要し、装置がオフの位置にあるときにのみ見ることができる。装置がオンに切り替えられ、外部バッテリ無し（外部電源無し）で運転している場合、マイクロコントローラ７７は、抵抗器ディバイダネットワークＲ６７、Ｒ６８、及びマイクロコントローラ７７のピン１１を介してバッテリ電圧を読み取る。バッテリ電圧が１０．９ボルトまで下がると、黄色のＬＥＤ１２６とブザー１２８は、５秒毎に１秒間オンになる。これは、ユーザに、バッテリの電圧が落ち、運転を継続するには充電又は交換する必要があることを示している。バッテリが１０．５ボルトに低下すると、装置は自動的に停止状態になり、黄色のＬＥＤ１２６とブザー１２８が５００ミリ秒の周波数でオンオフする。赤いＬＥＤ１２７は、事前状態調整警報、システム故障警報、又は呼吸停止警報に使用される。下の表は、警報と警報の機能を表示したものである。
Figure 0005117446
図１１Ｄに示すＨＲ１時間計１２２は、１１年間、圧縮機の運転時間が９９，９９９時間に達する時を計時する。リセットボタンＳＷ１、１３０が設けられており、サービス作業員が押すと、時間が０にリセットされる。この時間計は、メモリ内容を維持するのに外部電源を必要としない。
図１１Ｄに示すバッテリリセット回路は、マイクロパワー比較器ＴＬＶ３４０１ＩＤＲ（Ｕ３）９４、１．２ボルト基準Ｄ１３、９５、２つの抵抗器ディバイダネットワークＲ４、Ｒ６とＲ５、Ｒ６、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタＺＸＭ６１Ｐ０３ＣＴ（Ｑ７）９６、及び５ボルト調整器ＬＭ７８Ｌ０５ＡＣＭ（Ｕ４）９７で構成されている。外部電源を装置につなぐと、電圧ディバイダネットワークＲ５とＲ６は、１．２ボルト基準よりも高くなり、マイクロパワー比較器Ｕ３、９４の出力ピン６をローに保つ。出力がこのように低くなると、Ｑ７、９６がオンに保たれ、電圧を５ボルト調整器（Ｕ４）９７の入力に供給する。外部電源につないだ状態では、回路はこの状態のままであり、回路基板には作動用の有効な５ボルトがある。外部電源を使わないでバッテリを使用する場合は、抵抗器ディバイダネットワークＲ４とＲ６がバッテリ電圧を監視する。バッテリが１０ボルト未満に下がると、マイクロパワー比較器（Ｕ３）９４のピン２の電圧は、１．２ボルト基準よりも低くなる。これにより、マイクロパワー比較器（Ｕ３）９４の出力ピン６がハイになる。これによりＱ７、９６がオフになり、５ボルト調整器Ｕ４、９７が停止する。この状態で、回路基板は、凡そ１７５ｕＡの電流をバッテリから引き出す。回路は、バッテリ電圧が１０ボルトより高くなるまで、又は外部電源に再度つながれるまで、この状態が続く。
図１１Ｂに示すオンボードリレー回路は、比較器Ｕ１１（ＬＭ３１１）９８と、電圧基準Ｕ１２（ＬＭ４３１）９９で構成されている。この回路は、外部電源が装置から外され、バッテリが後を引き継がねばならなくなった際のリレーの切り替え時間を速くする。設計及びテストの間に、外部電源が装置から外されると、バッテリ電圧が引き継いで回路を稼動させる前に、マイクロコントローラ７７がリセットするのに足る長い間、圧縮機モーターからの逆起電力によりリレーは開いたままの状態に保たれることが分かった。圧縮機が取り外されると、リレーの切り替え時間は、マイクロコントローラ７７をリセットすることなく、外部電源電圧をバッテリ電圧に切り替えるのに適した時間になる。回路は以下の様に機能し、即ち、外部電源が始めて装置につながれると、抵抗器ディバイダネットワークＲ５８とＲ５９の電圧は、Ｕ１２（ＬＭ４３１）９９により設定された３ボルト基準より高くなる。この状態は、Ｕ１１（ＬＭ３１１）９８の出力を強制的に高くして、これにより図１１Ｃに示すリレーＫ１、１００をオンにする。外部電源が装置から外されると、リレーコイルに掛かる電圧は低下し始める。リレーコイルＫ１、１００に掛かる電圧が８ボルトに達すると、抵抗器ディバイダＲ５８とＲ５９は、この電圧を、Ｕ１２（ＬＭ４３１）９９により設定された３ボルト基準より低くなるように分割する。これによりＵ１１（ＬＭ３１１）９８の出力が強制的に低くされ、圧縮機に何が起きているかに関係なくリレー（Ｋ１）１００を閉じる。これにより、外部電源とバッテリ電源の交代時に、マイクロコントローラがリセットされるのが阻止される。
上記実施形態では、マイクロプロセッサは、バッテリ電圧、システム圧力、及び流量を監視する。別の実施形態では、酸素監視システムを含めるように計画されている。酸素監視システム１４７の可能な配置の一例を図１４に示している。この特定の実施形態は、酸素監視システム１４７が酸素送出システムの前にインラインで配置されたものを示している。酸素監視システム１４７は、圧力制御調整器６４と流量制御弁の間に配置されているが、他の配置も考えられる。酸素センサ１４７の出力は、図１４Ａに示すようにマイクロプロセッサ７７に監視されることになる。この特定の実施形態では、酸素監視システム１４７は、マイクロプロセッサ７７のピン１１をバッテリ監視システム１４９と共用することになる。酸素監視システム１４７とバッテリ監視システム１４９の間の切り替えのための切り替え回路１４８を図１４Ａに示している。
我々の発明による装置を好適な実施形態により示しているが、当業者には、ここに提供した我々の発明の説明から、合体型のＰＳＡ／ＯＣＤ装置、個別の流体、電気及び電子構成要素を製造することができるはずであり、その制御は、当該技術内で見つけることができるか、又は好適な実施形態の本説明を読むことにより当業者が作り出すことができる。２００１年５月９日出願の同時係属中の米国特許出願第０９／８５１，７５０号に記載の３床式ＰＳＡを使用することもでき、その使用の際には、本発明に従って作られたＰＳＡは比較的一定の出力圧力を実現しているので、混合タンクを必要としない。図１４及び図１４Ｂに概略的に示すように、ユーザに送出される酸素の計算濃度ではなく実際の濃度を測定するために既知の酸素モニターを組み込むこともできる。更には、当業者には、監視及び／又は非監視型医療用途に使用するための、この他の既知の安全装置を組み込むこともできる。製品ガスの酸素濃度を可変的に制御できるようにするのが望ましい場合は、本発明に、図示してはいないが米国特許第５，８７１，５６４号に記載の第２の調整可能パージループを組み込むこともできる。
装置２０を作動させるには、ユーザアクセス可能な回転式スイッチ８６を、ＰＳＡ運転をオンにし、且つ設定速度で酸素を送出するために、作動パネル上の所望の「等価」流量まで回す。装置の起動時には、弁ブロック２６の全ての弁は、背圧を排除するために開かれ、次いで、プログラム可能回路８０内の従来のスイッチとリレースイッチのタイミング機構を通して、順に、開いたままにされるか、又は閉じられる。供給弁、逃がし弁、平衡弁は、それぞれ、弁への電力の供給又は停止に応答するソレノイド型弁であるのが望ましく、製品生産及び再生動作は、装置２０内で、供給弁、逃がし弁、及び平衡弁それぞれを開閉する時間量を自動的に制御することにより、自動的に制御される。
以上、図示し説明してきたように、本装置は、完全充電時には外部電力無しで凡そ５０分間は装置に電力を供給することができる取り外し可能なニッケル金属水素化物バッテリパックと、１２０ボルトＡＣを１３．５ボルトＤＣに変換する公称１２０ボルトＡＣコンセントに対してコネクタ１２６で装置を接続するＡＣアダプタと、公称１３．５ボルトＤＣ自動車バッテリに同様に接続するための「シガレットライター」アダプタとを含む３つの電源の内の何れか１つで電力が供給される。図示のように、ＡＣアダプタと自動車バッテリは、共に、装置に電力を供給すると同時にバッテリパックを再充電することができるが、バッテリパックの充電には凡そ２時間を要する。同様に、バッテリパックは、完全に充電されたスペアバッテリパックを使い易くするために、従来式のプラグを使って装置から外してもよい。
理解頂けるように、本発明の精神から逸脱することなく、記載の実施形態に対して様々な変更と置き換えを施すことができる。即ち、記載の好適な実施形態は、説明を目的にしたものであり、限定を加えることを目的としたものではない。

Claims (10)

  1. 酸素が濃縮された製品ガスによってユーザへ補助酸素を提供するための、可搬性に優れ、操作が簡単で、運ぶことができる酸素濃縮装置（２０）であって、酸素濃縮装置（２０）は重量が４．５３６ｋｇ未満であり、周囲空気から窒素を吸着するために、選択可能な電源の何れかの作動電圧によって加圧下で動作する２つの吸着器床を有する圧力スウィング吸着システムと、ユーザへ製品ガスを送出するための制御組立体（６０）とを備え、
    前記制御組立体（６０）は、前記ユーザによる吸入を検出する低圧センサ（７６）と、トランスデューサ（７２）と、前記トランスデューサの起動によって開く流れ制御弁（７４）と、設定範囲から前記製品ガスの量を選択するためのスイッチ（８６）と、プログラム可能なマイクロコントローラ（７７）を具備する電子回路（８０）を有する酸素送出システム（７０）を備え、
    前記マイクロコントローラは、前記選択スイッチの設定、前記トランスデューサの起動、前記トランスデューサが起動したときの前記圧力スイング吸着システムの内部圧力、選択された電源、前記トランスデューサが起動したときの作動電圧及びユーザの呼吸レートに基づいて、必要な酸素の量を決定して、酸素の濃度が８０％〜９５％の前記製品ガスによって必要な量の酸素を送出するための期間を計算するものであり、
    前記マイクロコントローラは、所定のパラメータ範囲内で継続的又はサンプル採取した、前記選択スイッチの設定、前記内部圧力、前記選択された電源、前記作動電圧及び前記呼吸レートに基づいて、前記トランスデューサが起動したときの製品ガス中の酸素濃度を予測し、
    前記低圧センサが前記ユーザによる吸入を検出すると前記トランスデューサが起動し、前記期間にわたって前記流れ制御弁を開き、酸素の濃度が８０〜９５％の製品ガスをユーザに流すことを特徴とする酸素濃縮装置。
  2. 前記マイクロコントローラは、前記ユーザによる各呼吸又は特定の呼吸を検出したときに、計算された期間にわたって所定量の前記製品ガスを供給できる、請求項１に記載の装置。
  3. 前記マイクロコントローラは、前記ユーザによって直前に成された呼吸で検出された所定数の実際の前記内部圧力から平均内部圧力を決定するための手段を更に備える、請求項１又は２に記載の装置。
  4. 前記スイッチは、約１〜５リットル／分と生理学的に概ね等価な流量の前記製品ガスを前記ユーザに送出するための５つの所定の設定を含んでいる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記電子回路は、前記ユーザの実際の血中酸素レベルに応じて必要な酸素の所定量を調整するための追加の入力データを提供する酸素モニターを更に備える、請求項１〜４の何れか一項に記載の装置。
  6. 前記酸素濃度が所定レベルより下がった場合、前記内部圧力が所定レベルより下がった場合、または所定時間内に呼吸が検出されなかった場合に、前記ユーザに警告するための手段を更に備える、請求項１〜６の何れか一項に記載の装置。
  7. 前記電子回路は、前記警告をするための手段としての第1，第２及び第３表示手段を備え、第１表示手段はシステム起動と前記ユーザの呼吸割合を表示し、第２表示手段は前記電源の状態を表示し、第３表示手段はシステム故障、前記内部圧力が所定値を超えたこと及び所定時間内の呼吸検出不良の少なくとも１つを前記ユーザに表示する、請求項１〜６の何れか一項に記載の装置。
  8. 前記電子回路は、選択された動作モードで前記圧力スウィング吸着システムを運転することによって前記酸素濃縮装置の作動コンポーネントを試験するための手段と、前記圧力スウィング吸着システムの保守作業間の累積作動時間を測定するための再初期化可能なメータとを更に備える、請求項１〜７の何れか一項に記載の装置。
  9. 前記電子回路は、この電子回路の一部を不能にすることにより前記電源から導かれる電流を最低にするための電源初期化回路と、前記圧力スウィング吸着システムが過熱した場合に前記電源を切断する温度スイッチとを更に備える、請求項１〜８の何れか一項に記載の装置。
  10. 前記装置が生成する前記製品ガスは、圧力が約131ｋＰａ（19ｐｓｉａ）から約158.6ｋＰａ（23ｐｓｉａ）以内で、装置の物理的寸法は、一つ目の寸法が43.18ｃｍ（約17インチ）未満であり、二つ目の寸法が約20.32ｃｍ（約８インチ）未満であり、三つ目の寸法が約15.24ｃｍ（約６インチ）未満である、請求項１〜９の何れか一項に記載の装置。
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