JP5815523B2 - コンプレッサ式ネブライザシステムで用いる調節可能な周波数特性を持つ低制限共振器 - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサシステムにおいてノイズを低減する方法及び装置に関する。

ネブライザは、患者の肺に吸入される霧の形の薬物を投与するのに使用される装置である。一般に、ネブライザは、薬物を気化するために圧縮空気を使用する。圧縮空気は、コンプレッサシステムを使用して発生される。動作中に、コンプレッサシステムは、不所望なノイズをも発生する。一部の従来のコンプレッサシステムは、ノイズを低減するのにインラインマフラを使用する。

図１は、従来のインラインマフラを使用する従来のコンプレッサシステムの空気力学的概略的なブロック図である。コンプレッサシステム１０は、吸気口又は吸気ポート１２及び排気口又は出力ポート１４を持つコンプレッサポンプ１１を含む。吸気ポート１２は、吸気フィルタ（例えば、ポレックスフィルタ）１６に接続される。空気は、空気中に存在する粒子のような不純物を取り除くためにフィルタ１６を通過した後に吸気ポート１２を通って引き込まれる。出力ポート１４は、マウスピース型ネブライザ、顔マスク型ネブライザ等のような様々なタイプのネブライザ（図示されない）に接続されることができる。出力ポート１４は、コンプレッサポンプ１１により圧縮された圧縮又は加圧空気の形の空気を出力する。圧縮空気は、ネブライザ（図示されない）において薬物を気化するのに使用される。従来型のインラインマフラ１８は、コンプレッサポンプ１１とフィルタ１６との間に配置される。従来のマフラ１８は、ハウジング１９を持つ。ハウジング１９は、マフラ１８のハウジング１９に設けられた吸気口１８Ａ及び排気口１８Ｂを持つ。空気は、吸気口１８Ａを通ってマフラハウジング１９に入り、排気口１８Ｂを通ってマフラハウジング１９を出る。マフラ１８は、管（tubing）又は空気配管（pneumatic line）１３Ａを使用して吸気口１８Ａを通って吸気ポート１２に接続され、管又は空気配管１３Ｂを使用して排気口１８Ｂを通ってポンプ１１に接続される。マフラ１８は、ポンプ１１の吸気側に配置される。これは、通常の使用においてコンプレッサシステム１０により発生されるノイズのほとんどが吸気側から逃げるからである。

従来のインラインマフラ１８は、空気が逃げることができるが、ノイズがマフラハウジング１９内で消えるように、音及び空気の主流の方向を変える一連の内部バッフル１８Ｃを持つ。従来のマフラ１８において、空気は、吸気口１８Ａを通って片側から入り、２回方向を反転し、最終的に排気口１８Ｂを通って反対側から出る。ポンプノイズが、気流の反対方向に伝わり、マフラ１８のポンプ側に入り、すなわち、排気口１８Ｂを通って入り、フィルタ側で出る、すなわち、吸気口１８Ａを通って出ることに注意すべきである。バッフル１８Ｃは、マフラ１８の一方の端部（すなわち、排気口１８Ｂ）からマフラ１８の他方の端部（すなわち、吸気口１８Ａ）までの直接経路を消去することにより音伝搬と干渉するが、気流が、時々、このタイプのマフラを使用する場合に減少されることが、観察された。このようなマフラにおいて、バッフル１８Ｃは、気流に対する制限を与えることができるか、又は特定の環境において、全体的なコンプレッサ性能に影響を与える乱流を作ることができる。更に、従来のインラインマフラ１８は、しばしば、特定のコンプレッサポンプ１１に対して設計され、コンプレッサ性能に影響を与えることができ、他のコンプレッサ又は異なるハンドセット若しくはネブライザを使用する同じコンプレッサに対してさえ同様には機能しないことさえありうる。

本発明は、上記のことに関する様々な問題に対処し、特に、気流を実質的に妨害することなしに、したがってコンプレッサ性能に影響を与えることなしにコンプレッサシステムにおいて発生された不所望なノイズを実質的に減衰、低減又は消去することを含む。

本発明の一態様は、気体を受け取る吸気ポート、圧縮気体を出力する排気ポート、及び空気配管を介して前記吸気ポート及び前記排気ポートに接続されたコンプレッサポンプを含むコンプレッサシステムを提供する。前記コンプレッサポンプは、前記吸気ポートを通って入力された気体を加圧し、前記排気ポートを通って圧縮空気を出力する。前記コンプレッサポンプは、前記コンプレッサポンプの動作中にノイズを発生する。前記コンプレッサシステムは、空洞を形成するハウジング及び前記ハウジングに接続された細長い部材を持つ側枝（side-branch）共振器を更に有する。前記細長い部材は、前記吸気ポートと前記コンプレッサポンプとの間の空気配管に空気力学的に（pneumatically）接続される。前記側枝共振器は、前記コンプレッサポンプにより発生されたノイズを実質的に低減する。

本発明の他の態様は、空洞を形成するハウジング及び前記ハウジングに接続された細長い部材を持つ側枝共振器を前記コンプレッサシステム内に配置し、前記コンプレッサシステムの吸気ポートと前記コンプレッサシステムのコンプレッサポンプとの間の空気配管結合（linking）に前記細長い部材を空気力学的に接続し、前記コンプレッサポンプにより発生されたノイズを実質的に低減するように前記側枝共振器の周波数範囲を調整することによりコンプレッサシステムにおけるノイズを低減する方法を提供する。

本発明のこれら及び他の目的、フィーチャ及び特徴、並びに構造の関連した要素の動作及び機能の方法、部品の組み合わせ及び製造の経済性は、添付の図面を参照して以下の説明及び添付の請求項を考慮すると、より明らかになり、添付の図面の全ては、本願明細書の一部を形成し、同様の参照番号は、様々な図において対応する部分を示す。しかしながら、図面は、説明及び描写のみの目的であり、本発明の限定の規定として意図されない。明細書及び請求項において使用される場合に、"ある"及び"その"の単数形は、文脈が他の形で明らかに示さない限り、複数の指示対象を含む。

従来のインラインマフラを使用する従来のコンプレッサシステムの空気力学的概略ブロック図である。 本発明の一実施例による、側枝マフラ（共振器）を使用するコンプレッサシステムの空気力学的概略ブロック図である。 図２Ａに描かれた共振器の空洞を形成するのに使用されるＰＺＴシリンダの概略的表現を描く。 放出側に配置された１つのタイプのネブライザを使用する図２に描かれたコンプレッサシステムの吸気側に取り付けられる場合のＰＺＴ音響共振器の電気信号応答のプロットである。 図２に描かれたコンプレッサシステムの吸気側に取り付けられる場合のＰＺＴ音響共振器の電気信号応答のプロットである。 放出側において約１０ｐｓｉの動作圧力を確立するのにオリフィスを使用する図２に描かれるコンプレッサシステムの吸気側に取り付けられる場合のＰＺＴ音響共振器の電気信号応答のプロットである。 放出側において約１０ｐｓｉの動作圧力を確立するのにオリフィスを使用する図２に描かれるコンプレッサシステムの放出側に取り付けられる場合のＰＺＴ音響共振器の電気信号応答のプロットである。 約１０ｐｓｉの放出圧力における、コンプレッサポンプの動作サイクル中の吸気及び排気弁の様々な開閉段階を示す。 約４ｐｓｉの放出圧力における、コンプレッサポンプの動作サイクル中の吸気及び排気弁の様々な開閉段階を示す。 本発明の他の実施例による、側枝マフラ（共振器）を使用するコンプレッサシステムの空気力学的概略ブロック図である。 本発明の他の実施例による、側枝マフラ（共振器）を使用するコンプレッサシステムの空気力学的概略ブロック図である。 本発明の他の実施例による、複数の側枝マフラ（共振器）を使用するコンプレッサシステムの空気力学的概略ブロック図である。 本発明の他の実施例による、側枝共振器を使用するコンプレッサシステムの空気力学的概略ブロック図である。

図２は、本発明の一実施例による、コンプレッサシステム２０の空気力学的（pneumatic）概略ブロック図である。コンプレッサシステム２０は、吸気口又は吸気ポート２２及び排気口又は出力ポート２４を持つコンプレッサポンプ２１を含む。吸気ポート２２は、吸気フィルタ（例えば、ポレックスフィルタ）２６に接続される。空気又は他の気体は、前記空気又は気体中に存在する粒子のような可能な不純物を取り除くようにフィルタ２６を通過した後に吸気ポート２２を通って引き込まれる。出力ポート２４は、マウスピース型ネブライザ、顔マスク型ネブライザ等のような様々なタイプのネブライザ（図示されない）に接続されることができる。出力ポート２４は、コンプレッサポンプ２１により圧縮された圧縮空気の形で空気を出力する。前記圧縮空気は、前記ネブライザ（図示されない）において薬物を気化するのに使用される。マフラ（又は共振器）２８は、コンプレッサポンプ２１と吸気ポート２２との間に配置される。ポンプ２１は、管又は空気配管２３Ａ、２３Ｂを通って吸気ポート２２に接続される。ポンプ２１は、吸気ポート２２を通って管２３Ａ、２３Ｂを介して空気又は気体を引き込み、出力ポート２４を通って圧縮空気又は圧縮気体を出力する。

マフラ２８は、空洞３０を規定するハウジング２９を持つ。マフラ２８は、細長い部材又はネック３１をも含む。ネック３１の一方の端部３１Ａは、ハウジング３０に設けられた開口３０Ａに接続される。他方の端部３１Ｂは、例えば、Ｔコネクタのようなコネクタを介して管２３Ａ、２３Ｂに接続される。この実施例において、マフラ２８は、側枝共振器として接続される。ノイズは、空洞３０の存在によりブロックされるのに対し、管２３Ａ、２３Ｂを通る空気の流れは、比較的妨げられない。

マフラ２８は、ネック３１が主流チャネル２３Ａ、２３Ｂと交わる点において周波数の範囲に反応する空気調整回路であるヘルムホルツ共振器と見なされることができる。空気又は気体が、空洞３０内に押し込まれる場合、空洞３０の内側の圧力は、増大する。一度、前記空気／気体を空洞３０内に押し込む外力が消えると、前記空洞の内側の空気又は気体の高い気圧は、流出する。空洞３０から流出する空気又は気体の急増は、ネック３１内の空気又はガスの慣性のため、過補償する傾向にある。結果として、空洞３０の内部気圧は、外部気圧よりわずかに低く、空気に引き返させる。このプロセスは、繰り返し、圧力変化の強度は、毎回減少する。

動作は、ばね質量系のものと同様であり、空洞３０内で圧縮された気体は、ばねを提供し、ネック３１内の空気の体積は、質量を提供する。より長いネックは、より大きな質量を生み出し、逆も同様である。共振周波数において、前記ネック内の空気の質量は、最大振幅で前記空洞の中及び外に移動し、前記空洞内の空気／気体を交互に圧縮及び希薄化する。共振器理論によると、かつ粘性損失を無視すると、前記サイクルの特定の部分の間に前記共振器により吸収される全てのエネルギは、前記サイクルの他の部分において前記主流チャネルに戻され、多くの音エネルギが、ソース（この場合にはポンプ）に向けて方向を戻される。結果として生じる効果は、周波数範囲内のノイズが、前記共振器が前記主流チャネルに接続する点を過ぎて伝搬することをブロックすることである。前記共振周波数より十分に上及び下の周波数は、影響を受けない。例えば、おおよそ６．５ｋＨｚに調整された共振器は、前記ポンプと関連付けられた可聴ノイズを減少するのに効果的であると証明されている。このタイプの共振器の共振周波数は、主に、前記空洞の体積及び前記ネックの長さ及び幅（例えば、断面積）に依存する。共振周波数ｆは、以下の式、
ｆ＝（ｖ／２π）√（Ａ／（Ｖ・Ｌ）） （１）
を使用して計算されることができ、ここでｖは、空気又は気体内の音の速度であり、Ａは、前記ネックの断面積であり、Ｖは、前記空洞の体積であり、Ｌは、前記ネックの長さである。

上の式から、共振周波数ｆが、前記空洞の体積Ｖ、前記ネックの断面積Ａ（例えば、前記ネックの内径）又は前記ネックの長さＬを変更することにより選択されることができることがわかる。例えば、一実施例において、部分的に管から前記ネックを構成することにより、単純にこのような管の異なる長さを使用することにより前記共振周波数を調節することが可能でありうる。代替的には又は加えて、他の実施例において、前記管の断面寸法（例えば、直径）は、同心に構成された管を挿入又は除去することにより増加または減少されることができる。これらの設計は、明らかに、従来のコンプレッサシステムにおいて使用された従来の固定のインラインマフラ設計より周波数調整に適合されている。

上で示されたパラメータのいずれかを調節することにより前記共振周波数を周波数範囲に調整する能力に加えて、この装置が機能する周波数範囲は、空洞３０内に、音フィルタ媒体のような音吸収性材料を配置することにより増加されることができる。帯域幅又は周波数範囲を増大する１つの利益は、様々なコンプレッサにより発せられたあらゆる音周波数に対応する能力である。例えば、１つの共振器マフラは、１つのポンプ速度において良好に動作しうるが、他のポンプ速度において効果が低い可能性がある。ポンプ速度は、コンプレッサユニット毎に異なることができ、使用されるネブライザのタイプに依存しても異なることができるので、ノイズレベルの周波数は、前記ポンプ速度に依存して異なりうる。結果として、幅広い帯域幅のマフラ共振器の使用は、様々なポンプ速度におけるノイズ減衰を提供することができる。前記コンプレッサユニットは、この場合、使用されるネブライザ及び／又は使用されるコンプレッサのタイプにかかわらず実質的に同じ音を出すことができる。

更に、図２に示されるように、マフラ（共振器）２８を側枝構成に配置することにより、管２３Ａ、２３Ｂを通る空気の流れは、実質的に妨げられない又は邪魔されない。結果として、空気又は気体の流れは、図１に示されるように従来のインラインマフラを使用する従来のコンプレッサシステムと比較して強化される。気流を改良することにより、これは、例えば、前記インラインマフラによる空気の妨害を克服するのにより高い空気流量を必要とする従来のコンプレッサシステムにおいて使用されるポンプより低い空気又は気体流量を提供するより低いパワーのポンプの使用をもたらすことができる。より低いパワーのポンプを使用することにより、全体的なコンプレッサシステムのコスト及び前記コンプレッサシステムの動作中のエネルギ消費は、減少されることができる。

マフラ２８は、全体的な気流に対する影響を最小化しながら不所望なコンプレッサポンプノイズを減少するのにコンプレッサネブライザシステムにおいて使用されるものとして上の段落に記載されている。しかしながら、理解されることができるように、マフラ２８は、酸素濃縮器、持続的気道陽圧（ＣＰＡＰ）装置、ベンチレータ、又はノイズの一次ソースが装置の吸気（吸引）側で発生される如何なる圧縮空気／気体アプリケーションにおいて使用されるコンプレッサを含むがこれらに限定されない如何なるタイプのコンプレッサ装置において使用されることもできる。

一実施例において、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）又はＰＺＴベース化合物のような円筒状圧電材料が、マフラ又は共振器２８の空洞３０を形成するのに使用される。図２Ｂは、共振器２８の空洞３０を形成するのに使用されるＰＺＴシリンダの概略的表現を描く。ＰＺＴシリンダ２９は、２つの同心の円筒電極２９Ａと２９Ｂとの間に配置されたＰＺＴ材料３３を持つ。ＰＺＴシリンダの一例の詳細な説明は、内容が参照により全体的にここに組み込まれる"Cylindrical Acoustic Levitator/Concentrator Having Non-Circular Cross-Section"と題された米国特許第６６４４１１８において見つけられることができる。ＰＺＴシリンダ２９を使用することにより、配線は、例えばオシロスコープのような電圧測定装置１００を使用して動作中のＰＺＴシリンダ２９により出力される電圧を観測するようにシリンダ２９の電極（例えば、銀電極）２９Ａ及び２９Ｂに取り付けられることができる。これは、マフラ２８の動作中に共振性能をモニタすることを可能にする。以下の段落において更に詳細に記載されるように、コンプレッサポンプ２１の吸気弁２１Ａ及び放出弁２１Ｂの開放及び／又は閉鎖も、ＰＺＴ共振器２９を使用してモニタされることができる。実際に、ＰＺＴ共振器を使用することにより、コンプレッサポンプ２１の前記吸気及び放出弁の開放及び／又は閉鎖を識別し、前記吸気及び放出弁に対する放出圧力又は負荷の効果をモニタすることが可能である。これは、限定されないが、モータ２１Ｃの摩耗、吸気弁２１Ａ及び放出弁２１Ｂの摩耗等のようなポンプ２１内の様々な摩耗メカニズムをモニタするのにも有用であることができる診断ツールをポンプ２１の製造者に提供することができる。

図３は、放出側２０Ｂに配置された１つのタイプのネブライザを使用する（図２に描かれるような）コンプレッサシステム２０の吸気側２０Ａに取り付けられる場合のＰＺＴ音響共振器２８の電気信号応答のプロットである。縦座標軸は、ＰＺＴ共振器２８の電極２９Ａ及び２９Ｂにわたる電圧Ｕ（ｍＶ）を表し、横座標軸は、時間ｔ（ｍｓ）を表す。前記プロットは、ポンプ２１の吸気及び圧縮ストロークを表す一連のピーク及び谷を示す。負の偏移は、コンプレッサポンプ２１の吸気（真空）ストロークに対応し、正の偏移（圧力）は、圧縮ストロークに対応する。図３において２つの縦の点線及び二重矢印により示されるように、２つの隣接したピークは、約１７．６４ｍｓだけ離間される。これは、約５６．６９Ｈｚのポンプの主周波数に対応する。圧縮ストローク（正の偏移）の間、吸気ポート２２内に持続した圧力が存在する。これは、ポンプ２１内のピストンが前記シリンダ内で上昇すると、特定量の空気／気体が吸気弁２１Ａを通って反転することを提案する。ある点において、吸気弁２１Ａは、閉じ、したがって吸気側２０Ａ内に圧縮空気をトラップする。これは、吸気経路２３Ｃが、流れを反転する特定量の制限を提供し、そうでなければ、圧力が、このように増大すると予測されないことを提案する。また、吸気側２０Ａにおける圧力の蓄積は、吸気弁２１Ａが後の吸気ストロークにおいて開くのを援助しうることを提案する。すなわち、前記圧縮ストローク中に吸気を加圧し、後の吸気ストローク中に当該圧力を解放することにより、吸気弁２１Ａの動作を援助することが可能でありうる。これは、ポンプ２１内の弁２１Ａ及び２１Ｂが、直接的な機械的結合のためでなく、前記弁にわたる空気の移動に応答して開閉するので、コンプレッサシステムにおいて使用されるタイプのポンプにおいて有用でありうる。

図４は、（図２に描かれるように）コンプレッサシステム２０の吸気側２０Ａに取り付けられる場合のＰＺＴ音響共振器の電気信号応答のプロットである。縦座標軸は、前記ＰＺＴ共振器の電極にわたる電圧Ｕ（ｍＶ）を表し、横座標軸は、時間ｔ（ｍｓ）を表す。このプロットは、短時間の（約１秒より小さい）パワーアップサイクル中の吸気システム２０Ａ内の圧力の蓄積を示す。実際に、図４に示されるように、（前記ＰＺＴ共振器の電極にわたる電圧として明示する）前記吸気圧力は、ゼロから上昇し、パワーアップ後の最初の１０ポンプサイクル（約０．３秒）内で（図４内の点線により示されるように）横ばいになる。

図５は、放出側２０Ｂ、すなわちコンプレッサシステム２０の出力ポート２４において約１０ｐｓｉの動作圧力を確立するのにオリフィス２５を使用する（図２に描かれるように）コンプレッサシステム２０の吸気側２０Ａに取り付けられる場合のＰＺＴ音響共振器２８の電気信号応答のプロットである。縦座標軸は、ＰＺＴ共振器２８の電極２９Ａ及び２９Ｂにわたる電圧Ｕ（ｍＶ）を表し、横座標軸は、時間ｔ（ｍｓ）を表す。前記プロットは、ポンプ２１の吸気及び圧縮ストロークを表す一連のピーク及び谷を示す。吸気及び放出の様々な段階は、図５に示される。負の偏移は、コンプレッサポンプ２１の吸気（真空）ストロークに対応し、正の偏移（圧力）は、圧縮ストロークに対応する。特に、正の変位は、吸気圧力の増加を示し、負の変位は、吸気圧力の減少、又は圧力が負になるように見えるので、真空を示す。共振器２８は、吸気側２０Ａに配置されるので、ポンプ２１内の吸気弁２１Ａの動作（すなわち、開閉）は、このプロットにおいて識別されることができる。吸気弁２１Ａの開放は、前記ピーク（圧力ビルドアップ）の最大上昇点として示され、吸気弁２１Ａの閉鎖は、圧力の突然の効果が生じる点として示される。一度、吸気弁２１Ａが閉じると、放出弁２１Ｂは、もはや共振器２８と直接的に連通していない。結果として、放出弁２１Ｂ動作点は、よりあいまいになる。実際に、前記放出の開放と前記放出の閉鎖との間の圧力の変化は、あまりはっきりしない。

図６は、放出側２０Ｂ、すなわち、コンプレッサシステム２０の出力ポート２４において約１０ｐｓｉの動作圧力を確立するのにオリフィス２５を使用する図２に示されるコンプレッサシステム２０の放出側２０Ｂに取り付けられる場合のＰＺＴ音響共振器２８の電気信号応答のプロットである。縦座標軸は、ＰＺＴ共振器２８の電極２９Ａ、２９Ｂにわたる電圧Ｕ（ｍＶ）を表し、横座標軸は、時間ｔ（ｍｓ）を表す。前記プロットは、放出弁２１Ｂの開放、放出弁２１Ｂの閉鎖、及び吸気弁２１Ａの閉鎖を表す一連のピーク及び谷を示す。この場合、正の変位は、放出圧力の増加を示し、負の変位は、放出圧力の減少を示す。前記共振器は、ここで、放出側２０Ｂにあるので、放出弁２１Ｂの動作は、示されたように、識別されることができる。しかしながら、一度、放出弁２１Ｂが閉じると、吸気弁２１Ａは、もはや共振器２８と直接的に連通していない。結果として、吸気弁２１Ａの開放は、放出側２０Ｂにおいて可視であるように見えない。

ＰＺＴ共振器２８が、コンプレッサシステム２０の放出側に配置される場合に、ＰＺＴ共振器２８を形成するのに使用されるセラミック材料３３又は電極２９Ａ、２９Ｂの補強が、望ましいかもしれないことは、注目に値する。例えば、ゴムのような適切な裏当て材料は、共振器２８を保護するのに使用されることができる。

異なる放出圧力において複数のこのようなプロットを獲得することにより、ポンプ２１の動作のサイクル内の吸気弁２１Ａ及び放出弁２１Ｂの動作のマップを作成することが可能である。図７は、約１０ｐｓｉの放出圧力における、ポンプ２１の動作サイクル中の吸気弁２１Ａ及び排気又は放出弁２１Ｂの様々な開放及び閉鎖段階を示す。図８は、約４ｐｓｉの放出圧力における、ポンプ２１の動作サイクル中の吸気及び排気弁２１Ａ、２１Ｂの様々な開閉段階を示す。

図７及び８から観測されることができるように、前記吸気及び排気弁閉鎖点は、圧力により影響を受けているように見えない。実際に、吸気弁２１Ａ及び排気又は放出弁２１Ｂは、放出動作圧力にかかわりなくポンプサイクル内の（それぞれ）おおよそ同じ点において両方とも閉じている。対照的に、動作放出圧力は、これら２つの弁２１Ａ及び２１Ｂ（すなわち、前記吸気弁及び前記放出弁）の開放点に大きな影響を持つ。一般に、図７及び８から、より高い圧力が両方の弁２１Ａ、２１Ｂの両方の開放を遅延するのに対し、より低い圧力はこれらの開放を早めるように見える。吸気及び排気弁２１Ａ、２１Ｂの閉鎖点は、圧力により影響を受けないように見えるので、これは、両方の弁が、より高い圧力においてより少ない時間に対して開いていることを意味する。この情報は、特定の状況において有用でありうる。例えば、ネブライザ動作が、動作圧力の変化を引き起こすとしたら、患者呼吸に反応する"弁"ネブライザを使用する場合に起こりうるように、例えばポンプハウジング自体の中の、ネブライザ管の反対の端部においてこのような呼吸を検出することが可能でありうる。弁ネブライザの一例の詳細な説明は、内容が参照により全体的にここに組み込まれる、"Nebulizer with Valved "T" Assembly"と題された米国特許第５０６２４１９号において見つけられることができる。更に、前記コンプレッサを制御する適切なコントローラが提供される場合、患者の呼吸サイクルに合わせて前記ネブライザ（又は患者）に供給される空気をスロットルで調整することが可能でありうる。コンプレッサを制御する適切なコントローラの一例は、内容が参照より全体的にここに組み込まれる、"Method and Device for Delivering Aerosolized Medicaments"と題された米国特許６６１８７６７において見つけられることができる。この場合、全てこのような遠隔モニタリングを用いて、患者呼吸速度をモニタし、管のねじれを識別し、スパッタ検出を提供することが可能である。

行われることができる他の観察は、ピストンが下死点に到達すると、どのようにして前記吸気弁が開き、上死点に戻る経路の３／４近く開いたままであるかである。これは、吸気弁２１Ａを通って前記シリンダに入る空気又は気体の一部が、吸気弁２１Ａが閉じるまで同じように出るという前の観察を確認するように見える。この点において、すなわち、吸気弁２１Ａが閉じる場合、特定量の加圧空気は、吸気システム２０Ａ内にトラップされ、次の吸気サイクルに利用可能になる。ＰＺＴ型共振器が、コンプレッサシステム内のノイズを低減又は消去するマフラとして使用されるものとして上記実施例に記載されているが、ＰＺＴ材料からなる共振器の代わりに、プラスチック、金属又は様々な合成材料から製造された共振器が、提供され、ノイズを減衰又は消去するのに使用されることができる。加えて、共振器２８の異なる部分は、異なる材料から作成されることができる。例えば、ハウジング２９は、金属から作成されることができ、ネック３１は、プラスチックから作成されることができ、又はハウジング２９が、１つのタイプのプラスチック（例えば、ポリカーボネート、アクリル等）から作成されることができ、前記ネックは、他のタイプのプラスチック（例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等）から作成されることができる。例えば、前記ＰＺＴ共振器バージョンの寸法は、プラスチックマフラを製造する設計図として使用されることができる。一実施例において、共振器２８は、以下の寸法を持ち、すなわち、円筒状空洞３０の内径は約２４ｍｍであり、円筒状空洞３０の高さが約１４ｍｍであり、円筒状ネック３１の直径が約４．４ｍｍであり、円筒状ネック３１の長さが約８ｍｍである。しかしながら、理解されることができるように、前記共振器は、他の形状及び／又は寸法を持つことができる。ＰＺＴ共振器２８と同様のノイズ減衰及び／又はノイズ消去特性は、プラスチックからなるマフラを使用して観察されることができる。

図９Ａは、本発明の他の実施例による、側枝マフラ４０を使用するコンプレッサシステム２０'の空気力学的概略ブロック図である。コンプレッサシステム２０'は、多くの面でコンプレッサシステム２０と同様である。したがって、同様の構成要素の説明は、繰り返されない。コンプレッサシステム２０とコンプレッサシステム２０'との間の主な差は、可聴アラーム装置（例えば、笛）４１を組み込む側枝共振器又はマフラ４０の使用である。側枝共振器４０は、空洞４３を規定するハウジング４２を持つ。マフラ２８と同様に、マフラ４０は、細長い部材又はネック４４をも含む。空洞４３は、可聴アラーム（例えば、笛）４１と連通している。可聴アラーム４１は、共振器ハウジング４２と一体であるか、外側であるかのいずれかであることができる。弁４１Ａは、空洞４３から笛４１を分離するように設けられる。弁４１Ａは、ハウジング４２における開口４１Ｂ内に配置される。弁４１Ａは、空気が増え４１を通って空洞４３内に取り入れられる場合、すなわち空洞４３の内側の圧力が空洞４３の外側の圧力より小さい場合にのみ開くように構成された一方向弁（例えば、フラップ弁）である。空洞４３の内側の圧力が空洞４３の外側の圧力以上である場合、弁４１Ａは、空洞４３内の気体及び／又は空気を空洞４３の外部に逃がさないように開かない。

フィルタ２６が詰まった場合、コンプレッサポンプ２１は、空洞４３から空気を引き込み、空気に笛４１を通って入らせ、弁４１Ａを開かせ、したがってフィルタ２６が詰まっているという可聴指摘を提供し、フィルタ２６の交換のためにユーザに警告する。一部の例において、ユーザは、不便であるから、又は前記ユーザがいつそうするべきかを知らないからのいずれかの理由で、フィルタを交換しない。オペレータにいつフィルタ２６を交換すべきかを教える可聴アラートを提供することにより、これは、コンプレッサシステム２０'の適切な動作を維持する。弁４１Ａは、フィルタ２６が十分に閉塞されている場合にのみ開き、したがって、笛４１が良好なフィルタとともに作動することを防ぐ。一実施例において、警察の笛において使用されるコルク（又は他の材料）と同様の一片の材料が、笛４１を変調する変調器として笛４１に挿入されることができる。これは、独特の"さえずり"トーンを前記笛に与える。他の実施例において、笛４１の音を変調する他のアプローチは、前の説明において見られた約６０Ｈｚ圧力パルスを利用することである。フラップ弁４１Ａが開こうとしている、したがって笛４１を作動させる場合の圧力において、約６０Ｈｚの圧力パルスは、一方向弁４１Ａを交互に開閉し、したがって音に６０Ｈｚ変調を与える。

他の実施例において、笛４１を使用する代わりに、共振器４０のハウジング４２は、笛又は可聴インジケータを形成するのに使用されることができる。このようにして、共振器４０は、一方向弁４１Ａの状態に依存して、ノイズリデューサ及びノイズ発生器の両方として機能する。フィルタ２６がブロック又は妨害（閉塞）されない場合、空洞４３の内側の圧力は、空洞４３の外側の圧力以上である。結果として、一方向弁４１Ａは、閉じられ、共振器４０は、コンプレッサポンプ２１により発生されたノイズを低減又は消去するように動作する。フィルタ２６が、特定の程度で閉塞される場合、空洞４３の内側の圧力は、空洞４３の外側の圧力より小さくなる。結果として、一方向弁４１Ａは、空気／気体が空洞４３に入り込ませるように開き、したがって共振器４０をバイパスする。結果として、共振器４０は、前記ユーザにより聞かれることができるノイズを低減するように動作せず、したがってフィルタ２６のブロック又は閉塞状態を前記ユーザに警告する。この実施は、笛の追加なしの単純な設計の利益を持つことができ、したがってコンプレッサシステム２０'の全体的なコストを最小化する。

図９Ｂは、本発明の他の実施例による、側枝マフラ４０'を使用するコンプレッサシステム２０"の空気力学的概略ブロック図である。コンプレッサシステム２０"は、多くの面でコンプレッサシステム２０'と同様である。この実施例において、スイッチ４５（例えば、圧力スイッチ又は機械式スイッチ）は、可聴、視覚的（例えばＬＥＤ）のいずれか又は両方で、アクティブアラーム４６を制御するのに使用されることができる。例えば、空洞４３の内側の圧力が、特定の閾値圧力の下に落ちる場合、スイッチ４５は、フィルタ２６が"ブロック"されていることを前記ユーザに警告するように、音を発するように可聴アラーム４６を作動するか、若しくは光を発するように視覚的アラーム４６を作動するか、又はその両方である。しかしながら、この実施例において、アクティブアラーム４６は、アラーム４６にエネルギ供給するのに電源４７を必要としうる。例えば、ＤＣコンプレッサにおいて、これは、前記コンプレッサに電力供給するのに使用されるＤＣ電源を使用することにより達成されることができる。替わりに、可聴又は視覚的アラーム４６のいずれか又は両方に電力供給することができるコイン形状セルバッテリのような小さなバッテリは、前記共振器ハウジング内に組み込まれることができる。コイン形状セルバッテリ（例えば、リチウム）又はリチウムイオンバッテリは、特に前記バッテリの電力が稀にのみ使用されるこのような応用において、何年ものサービスを提供することができる。

上記の実施例に対する追加の変形例は、外側から前記空洞内に流れる空気を利用することができ、ノイズを発生する糸車、扇及び鳴子のような概念を含みうる。もちろん、選択される実施にかかわらず、閉鎖位置における前記弁とともに、前記側枝共振器は、気流に対する最小の影響で可聴ポンプノイズを低減する主目的を実行する。

図１０は、本発明の他の実施例による、複数の側枝マフラ（共振器）を使用するコンプレッサシステム５０の空気力学的概略ブロック図である。コンプレッサシステム５０は、多くの面でコンプレッサシステム２０、２０'と同様である。したがって、同様の構成要素の説明は、繰り返されない。コンプレッサシステム２０、２０'とコンプレッサシステム５０との間の主な差は、複数の側枝共振器又はマフラ５２Ａ、５２Ｂの使用である。マフラ５２Ａ及び５２Ｂは、マフラ２８又はマフラ４０と同じ構成を持つことができる。一実施例において、共振器５２Ａは、特定の周波数範囲内のノイズを消去するように構成されることができ、共振器５２Ｂは、他の周波数範囲内のノイズを消去するのに使用されることができる。異なる周波数範囲に調整された複数の共振器５２Ａ及び５２Ｂの使用は、前記周波数範囲の和が、コンプレッサポンプ２１により発生されたノイズを実質的に低減又は消去するようにコンプレッサ２１により発生されたノイズの周波数スペクトルを実質的にカバーするように共振器５２Ａ及び５２Ｂを調整することを可能にする。２つの共振器５２Ａ及び５２Ｂが、ライン２３Ａ、２３Ｂに接続されて図１０に描かれているが、理解されることができるように、如何なる数の共振器も、ライン２３Ａ、２３Ｂに接続されることができる。

図１１は、本発明の他の実施例による、側枝共振器６１を使用するコンプレッサシステム６０の空気力学的概略ブロック図である。コンプレッサシステム６０は、多くの面でコンプレッサシステム２０、２０'と同様である。したがって、同様の構成要素の説明は繰り返されない。コンプレッサシステム２０、２０'とコンプレッサシステム６０との間の主な差は、異なる側枝共振器６１の使用である。側枝共振器６１は、空洞６３を規定するハウジング６２を持つ。共振器６１は、細長い部材又はネック６４をも含む。一実施例において、共振器６１は、共振器２８に対して上で詳細に説明されたように、コンプレッサ１を吸気ポート２２に接続する空気配管２３Ａ、２３Ｂに接続される。したがって、共振器６１は、共振器２８において上で説明された多くのフィーチャを持つ。一実施例において、共振器６１のハウジング６２は、プラスチックのような材料で構成される。共振器６１は、ＰＺＴ材料のような圧電材料６５を更に含む。ＰＺＴ材料６５は、２つの電極番６６Ａと６６Ｂとの間に配置される、又は挟まれる。配線６７は、例えば、オシロスコープのような電圧測定装置Ｖを介してＰＺＴ材料６５により出力される電圧を観測するように電極（例えば、銀電極）６６Ａ及び６６Ｂに取り付けられることができる。これは、共振器６１の動作中の共振性能をモニタすることを可能にし、したがって上の段落で詳細に記載されたように、コンプレッサポンプ２１内の吸気弁２１Ａ及び放出弁２１Ｂの開閉をモニタすることを可能にする。一実施例において、前記共振器は、ハウジング６２の壁に対して空洞６３内に配置されることができ、例えばハウジング６２の壁に取り付けられることができる。共振器６１のこの構成は、コンプレッサポンプ２１により発生されたノイズを低減する、コンプレッサポンプ２１の動作をモニタする（例えば、弁２１Ａ、２１Ｂの開閉をモニタする）、又はその両方に使用されることができる。

図１１に描かれるように、共振器６１は、コンプレッサシステム６０の吸気側６０Ａに接続される。しかしながら、理解されることができるように、共振器６１は、コンプレッサシステム６０の放出側６０Ｂに接続されることができる。実際に、共振器６１の構成は、放出側２０Ｂにおける比較的高い圧力から圧電材料６５及び／又は電極６６Ａ、６６Ｂを保護する必要なしに放出側６０Ｂに接続されるのに適切である。ハウジング６２の壁は、圧電材料６５及び／又は電極６６Ａ及び６６Ｂに対する支持及び起こりうる損失に対する保護を提供することができる。

本発明は、現在最も実際的かつ好適な実施例であると見なされるものに基づいて説明の目的で詳細に記載されているが、このような詳細が単に当該目的のためであり、本発明が開示された実施例に限定されず、逆に、添付の請求項の精神及び範囲内である修正例及び同等な構成をカバーすることを意図されると理解されたい。例えば、本発明が、可能な程度で、如何なる実施例の１以上のフィーチャが、如何なる他の実施例の１以上のフィーチャと結合されることができることを予期すると理解されたい。

Claims (32)

1. 気体を受け取る吸気ポートと、
   圧縮気体を出力する排気ポートと、
   空気配管を介して前記吸気ポート及び前記排気ポートに接続されたコンプレッサポンプであって、前記吸気ポートを通って入力された気体を加圧し、前記排気ポートを通って圧縮気体を出力し、前記コンプレッサポンプの動作中にノイズを発生する当該コンプレッサポンプと、
   空洞を形成するハウジング及び前記ハウジングに接続された細長い部材を持つ側枝共振器であって、前記細長い部材が、前記吸気ポートと前記コンプレッサポンプとの間の前記空気配管に空気力学的に接続される、当該側枝共振器と、
   を有するコンプレッサシステムにおいて、
   前記側枝共振器が、前記側枝共振器の共振周波数を前記コンプレッサポンプにより発せられるノイズの周波数範囲に調整されることにより、前記コンプレッサポンプにより発生されたノイズを実質的に低減する、
   コンプレッサシステム。
2. 前記吸気ポートに接続されたフィルタを有する、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
3. 前記側枝共振器は、前記フィルタが詰まった場合にユーザに警告する、請求項２に記載のコンプレッサシステム。
4. 前記空洞の体積、前記細長い部材の長さ、前記細長い部材の断面寸法、又はこれらの２以上の組み合わせが、前記コンプレッサポンプにより発生されたノイズを実質的に低減するように選択される、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
5. 前記側枝共振器が、音吸収性材料を有し、前記音吸収性材料が、前記側枝共振器の前記空洞の内側に配置される、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
6. 前記コンプレッサポンプ及び前記吸気ポートを接続する前記空気配管内の気体の流れが、前記側枝共振器により実質的に妨げられない、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
7. 前記側枝共振器が、セラミック、プラスチック、金属、及び合成物からなるグループから選択された材料から製造される、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
8. 前記側枝共振器の前記ハウジングが、１つの材料から作成され、前記側枝共振器の前記細長い部材が、他の材料から作成される、請求項７に記載のコンプレッサシステム。
9. 前記側枝共振器の前記ハウジングが、圧電材料を有する、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
10. 前記圧電材料が、チタン酸ジルコン酸鉛を有する、請求項９に記載のコンプレッサシステム。
11. 前記圧電材料が、前記側枝共振器の前記ハウジングの壁に対して前記空洞の内側に配置される、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
12. 気体を受け取る吸気ポートと、
    圧縮気体を出力する排気ポートと、
    空気配管を介して前記吸気ポート及び前記排気ポートに接続されたコンプレッサポンプであって、前記吸気ポートを通って入力された気体を加圧し、前記排気ポートを通って圧縮気体を出力し、前記コンプレッサポンプの動作中にノイズを発生する当該コンプレッサポンプと、
    空洞を形成するハウジング及び前記ハウジングに接続された細長い部材を持つ側枝共振器であって、前記細長い部材が、前記吸気ポートと前記コンプレッサポンプとの間の前記空気配管に空気力学的に接続される、当該側枝共振器と、
    を有するコンプレッサシステムにおいて、
    前記側枝共振器が、前記コンプレッサポンプにより発生されたノイズを実質的に低減し、
    前記側枝共振器が、前記コンプレッサシステムの動作をモニタする、コンプレッサシステム。
13. 前記コンプレッサポンプが、吸気弁及び放出弁を有し、前記側枝共振器が、前記コンプレッサポンプの動作のサイクル内の前記吸気弁若しくは前記放出弁又は両方の開放若しくは閉鎖又は両方を検出する、請求項１２に記載のコンプレッサシステム。
14. 前記吸気弁及び前記放出弁が、放出動作圧力にかかわらず前記サイクル内の実質的に同じ点において閉じる、請求項１３に記載のコンプレッサシステム。
15. 前記サイクル内の前記吸気弁及び前記放出弁の開放点が、放出動作圧力に依存する、請求項１３に記載のコンプレッサシステム。
16. より高い放出動作圧力が、前記吸気弁及び前記放出弁の開放点を遅延し、より低い放出動作圧力が、前記コンプレッサポンプの動作サイクル内の前記吸気弁及び前記放出弁の開放点を早める、請求項１５に記載のコンプレッサシステム。
17. 前記コンプレッサシステムが、第１の側枝共振器及び第２の側枝共振器を有し、前記第１の側枝共振器が、第１の周波数範囲に調整され、前記第２の側枝共振器が、前記第１の周波数範囲とは異なる第２の周波数範囲に調整され、前記第１の周波数範囲及び前記第２の周波数範囲の和が、前記コンプレッサポンプにより発生されたノイズの周波数スペクトルを実質的にカバーする、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
18. 前記側枝共振器は、前記吸気ポートが妨害される場合にユーザに警告する、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
19. 気体を受け取る吸気ポートと、
    圧縮気体を出力する排気ポートと、
    空気配管を介して前記吸気ポート及び前記排気ポートに接続されたコンプレッサポンプであって、前記吸気ポートを通って入力された気体を加圧し、前記排気ポートを通って圧縮気体を出力し、前記コンプレッサポンプの動作中にノイズを発生する当該コンプレッサポンプと、
    空洞を形成するハウジング及び前記ハウジングに接続された細長い部材を持つ側枝共振器であって、前記細長い部材が、前記吸気ポートと前記コンプレッサポンプとの間の前記空気配管に空気力学的に接続される、当該側枝共振器と、
    を有するコンプレッサシステムにおいて、
    前記側枝共振器が、前記コンプレッサポンプにより発生されたノイズを実質的に低減し、
    前記側枝共振器が、一方向弁を有し、前記一方向弁が、前記側枝共振器のハウジングの開口に配置される、コンプレッサシステム。
20. 前記一方向弁は、前記空洞の内側の圧力が前記空洞の外側の圧力以上である場合に閉じ、前記空洞の内側の圧力が前記空洞の外側の圧力より小さい場合に開く、請求項１９に記載のコンプレッサシステム。
21. 前記吸気ポートを通る気体の流れが実質的に妨害されない場合に、前記空洞の内側の圧力は、前記空洞の外側の圧力以上であり、前記吸気ポートを通る気体の流れが実質的に妨害される場合に、前記空洞の内側の圧力は、前記空洞の外側の圧力より小さい、請求項２０に記載のコンプレッサシステム。
22. 前記一方向弁が閉じている場合に、前記側枝共振器は、前記コンプレッサポンプにより発せられたノイズを減少するノイズマフラとして動作し、前記一方向弁が開いている場合に、前記側枝共振器は、ノイズマフラとして動作することを中止し、前記吸気ポートが実質的に妨害されていることを前記コンプレッサシステムのユーザに警告する、請求項２１に記載のコンプレッサシステム。
23. 前記空洞内の開口と連通して配置され、前記一方向弁により前記空洞から分離された可聴アラーム装置を有する、請求項１９に記載のコンプレッサシステム。
24. 前記一方向弁は、前記空洞の内側の圧力が前記空洞の外側の圧力以上である場合に閉じ、前記空洞の内側の圧力が前記空洞の外側の圧力より小さい場合に開く、請求項２０に記載のコンプレッサシステム。
25. 前記吸気ポートが実質的に妨害されない場合に、前記空洞の内側の圧力は、前記空洞の外側の圧力以上であり、前記吸気ポートが実質的に妨害される場合に、前記空洞の内側の圧力は、前記空洞の外側の圧力より小さい、請求項２４に記載のコンプレッサシステム。
26. 前記一方向弁が閉じている場合に、前記側枝共振器は、前記コンプレッサポンプにより発せられたノイズを低減するノイズマフラとして動作し、前記一方向弁が開いている場合に、前記側枝共振器は、ノイズマフラとして動作することを中止し、気体が、前記可聴アラーム装置を通って前記空洞内に入り、前記可聴アラーム装置は、前記吸気ポートが実質的に妨害されていることをユーザに警告するようにアラームを鳴らす、請求項２５に記載のコンプレッサシステム。
27. コンプレッサシステムにおいてノイズを低減する方法において、
    空洞を形成するハウジング及び前記ハウジングに接続された細長い部材を持つ側枝共振器を前記コンプレッサシステム内に配置するステップと、
    前記コンプレッサシステムの吸気ポートと前記コンプレッサシステムのコンプレッサポンプとの間の空気配管結合に前記細長い部材を空気力学的に接続するステップと、
    前記コンプレッサポンプにより発生されたノイズを実質的に低減するように前記側枝共振器の共振周波数を前記コンプレッサポンプにより発せられるノイズの周波数範囲に調整するステップと、
    を有する方法。
28. 前記調整するステップが、前記空洞の体積を選択すること、前記細長い部材の長さを選択すること、前記細長い部材の断面寸法を選択すること、又はこれらの２以上の組み合わせを有する、請求項２７に記載の方法。
29. コンプレッサシステムにおいてコンプレッサポンプ動作をモニタする方法において、
    空洞を形成するハウジング及び前記ハウジングに接続された細長い部材を持つ側枝共振器を前記コンプレッサシステム内に配置するステップと、
    前記コンプレッサシステムの吸気ポートと前記コンプレッサシステムの前記コンプレッサポンプとの間の空気配管結合に前記細長い部材を空気力学的に接続するステップと、
    前記側枝共振器を使用して前記コンプレッサポンプの動作をモニタするステップと、
    を有する方法。
30. 前記コンプレッサポンプの動作をモニタするステップが、前記コンプレッサポンプの動作のサイクル中に前記コンプレッサポンプ内の吸気弁若しくは放出弁又は両方の開放若しくは閉鎖又は両方をモニタすることを有する、請求項２９に記載の方法。
31. 前記側枝共振器を前記コンプレッサシステム内に配置するステップが、圧電材料を有する側枝共振器を配置することを有する、請求項２９に記載の方法。
32. 前記圧電材料が、チタン酸ジルコン酸鉛を有する、請求項３１に記載の方法。

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