JP6017118B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は空調システムに関する。より詳しくは、手術室に用いられる空調システムに関する。

従来、手術室の空調システムとしては、図６に示すように、手術室１００の中央に置かれた手術台１３０やその周囲の直上で、天井部１２０に吹出ユニット１１０を設け、ＨＥＰＡフィルターなどで清浄化された吹出空気２１０を層流として低温にて吹き出す方式があった（特許文献１の第１図、第２図参照）。

この他、手術台１３０の直上に吹出ユニットを設けたうえ、これとは離して、エアカーテン方式の吹出しをスリット状の吹出口から行う場合もあった（非特許文献１参照）。

特開昭５５−１１８７５４号公報 Gerald Cook and Dan Int-Hout"Air Motion Control In the Hospital Operating Room" ASHRAE Journal, 30-36, March 2009

手術室１００における術者１９０近傍の空気環境としては、術者１９０にとって適正な温度範囲に保たれていることが重要である。一方、患者１４０近傍の空気環境としては、粉塵など空気汚染物質が少なく清浄度が高く保たれていること、および温度範囲が患者１４０にとって適正に保たれていることが重要である。患者１４０にとって適正な温度範囲は、術者１９０のそれに比べると高い。空気温度が低いと、患者１４０の体温の低下につながり、感染症の可能性が高まる危険があるためである。

これに対し、従来の空調では、吹出ユニット１１０から層流にて吹き出した際に、周囲の清浄度の低い空気および術者１９０からの粉塵など空気汚染物質を巻き込んで手術台１３０上の患者１４０に到達する問題があった。また、低温にて吹き出すため、術者１９０の暑熱対策とはなるが患者１４０にとっては体温の低下につながることも問題であった。
また、非特許文献１の方法では、エアカーテンの周囲の空気がエアカーテン内部に巻き込まれる可能性があった。また、術者１９０と患者１４０の温熱環境としては、上記したように異なるものが求められるが、非特許文献１の方法はこれらを両立させるものではなかった。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、周囲空気および術者からの粉塵など空気汚染物質の患者側への巻き込みを防止するととともに、術者と患者に最適な温熱環境を与える空調システムを提供することを目的とする。

前述した目的を達するために第１の発明は、手術室に用いられる空調システムであって、手術室における手術台に対応する患者領域の上方に患者領域の範囲全体に対応する面状の中央吹出部を、前記患者領域の周囲に隣接する術者領域の上方に周囲吹出部をそれぞれ有し、前記中央吹出部から患者領域に向かって、前記患者領域の平面内でほぼ均一な速度および温度の空気が層流にて吹き出されるとともに、前記周囲吹出部から術者領域に向かって空気が吹き出され、前記中央吹出部から吹き出される空気の速度が、前記周囲吹出部から吹き出される空気の速度より大きく、前記中央吹出部から吹き出される空気の温度が、前記周囲吹出部から吹き出される空気の温度より高いことを特徴とする空調システムである。前記周囲吹出部から吹き出される空気の風速は、内側から外側に向かって多段階または連続的に低下してもよい。
ここで、患者領域とは、手術台など、手術時の患者が位置する領域を指すものとし、術者領域は、患者領域の周囲に隣接する、手術時の術者が位置する領域を指すものとする。

上記構成により、中央吹出部の風量を多くすることで、患者領域から術者領域への流れを発生させ術者から発生する粉塵などの空気汚染物質を患者領域に到達しにくくする。さらに、中央吹出部の周囲に、風速の小さな周囲吹出部を設けることで、周囲吹出部とその外側領域の風速の差を小さくするので、患者領域に流入しようとする外側領域からの粉塵などの空気汚染物質が周囲吹出部の空気に巻き込まれにくくなり、患者領域での清浄度が保たれる。
また、従来型の全面均一吹出では吹出温度が室温より低く、吹出から下方での風速が増加するため、吹出気流が中央に集まる流れになり、術者から患者方向への流れが発生して、術者からの粉塵などが患者に到達しやすくなっていた。一方、本発明では、中央吹出部の風量を多くするとともに、吹出温度を高く設定するので、術者から患者方向への流れがなくなり術者から発生する粉塵などが更に到達しにくくなる。
さらに、中央吹出部からの空気の温度を、周囲吹出部からの空気の温度よりも高くするので、術者および患者のそれぞれにとって適切な温熱環境を維持することが可能になる。

本発明により、周囲空気および術者からの粉塵などの空気汚染物質の患者側への巻き込みを防止するととともに、術者と患者に最適な温熱環境を与える空調システムを提供することができる。

手術室１に設けられる空調システム１０について示す図 中央吹出ユニット１１および周囲吹出ユニット１３から吹き出される空気について示す図 空気環境のシミュレーションについて示す図 風速、温度、濃度の分布の概略を示す図 風速、温度、濃度の分布の概略を示す図 手術室１００に設けられる空調システムについて示す図

以下、図面を参照しながら、本発明の空調システムの実施形態について説明する。
まず、図１を参照して、本実施形態の空調システム１０について説明する。図１（ａ）は、空調システム１０が設けられる手術室１の平面を表す図、図１（ｂ）は手術室１の天井部に設けられる吹出ユニット１１、１３等により構成される空調システム１０について示す図である。

本実施形態の空調システム１０は、図１（ａ）に示すような手術室１に設けられる。手術室１では、中央部に手術台３が設けられる。手術時、手術台３には患者４が載置される。術者９は、手術台３の周囲に立ち患者への施術を行う。ここで、手術時の患者４が位置する領域（手術台３）を患者領域とし、患者領域に隣接する周囲の、手術時の術者９が位置する領域を術者領域とする。
なお、手術室１には、その他、照明６や、室内空気を吸い込む吸込口７などが設けられる。

手術室１には、図１（ｂ）に示す空調システム１０が設けられる。空調システム１０は、中央吹出ユニット（中央吹出部）１１−１、１１−２と、周囲吹出ユニット（周囲吹出部）１３−１〜１３−８、およびダクト１４、１４−１、１４−２、１５、１５−１〜１５−８、空調機１８、１９等からなる。

中央吹出ユニット１１−１、１１−２、周囲吹出ユニット１３−１〜１３−８は手術室１の天井部に設けられる。中央吹出ユニット１１−１、１１−２は患者領域の上方に配置される。周囲吹出ユニット１３−１〜１３−８は、術者領域の上方に、中央吹出ユニット１１−１、１１−２の周囲に隣接するように配置される。中央吹出ユニット１１−１、１１−２、周囲吹出ユニット１３−１〜１３−８は、空気吹出用のファンや吹出口（不図示）を有し、それぞれ患者領域、術者領域に向かって温度等の調整がなされた空気を層流として吹き出す。また、ＨＥＰＡフィルターなどのフィルター、およびパンチングメタル等が吹出口に設けられ、通過する空気の清浄化や風速の調節がなされる。

ダクト１４は空調機１８と中央吹出ユニット１１−１、１１−２を接続し、空調機１８からの空気を中央吹出ユニット１１−１、１１−２に供給する。ダクト１４は途中でダクト１４−１、１４−２に分岐し、ダクト１４−１、１４−２は中央吹出ユニット１１−１、１１−２にそれぞれ接続する。ダクト１４、１４−１、１４−２にはそれぞれダンパ１６、１６−１、１６−２が設けられ、これにより供給される風量（風速）が調整される。

ダクト１５は空調機１９と周囲吹出ユニット１３−１〜１３−８を接続し、空調機１９からの空気を周囲吹出ユニット１３−１〜１３−８に供給する。ダクト１５は途中でダクト１５−１〜１５−８に分岐し、ダクト１５−１〜１５−８は周囲吹出ユニット１３−１〜１３−８にそれぞれ接続する。ダクト１５、１５−１〜１５−８にはそれぞれダンパ１７、１７−１〜１７−８が設けられ、これにより供給される風量（風速）が調整される。

空調機１８、１９は空気の温度、湿度等を調整し、患者や術者に適したものとする。

図２は、中央吹出ユニット１１（１１−１、１１−２）および周囲吹出ユニット１３（１３−１〜１３−８）から吹き出される空気について示す図であり、手術室１について垂直方向を見た図である。図２において、照明６等の図示は省略している。図２を参照しながら、空調システム１０において中央吹出ユニット１１および周囲吹出ユニット１３から吹き出される空気について説明する。

空調システム１０では、手術室１の天井部２に設けられる中央吹出ユニット１１、周囲吹出ユニット１３から吹き出される空気の速度、温度を変化させ異なるものとする。

本実施形態では、中央吹出ユニット１１から吹き出される中央吹出空気２１の速度を、周囲吹出ユニット１３から吹き出される周囲吹出空気２３の速度よりも大きくする。例えば、中央吹出空気２１の速度を０．４５ｍ／ｓとし、周囲吹出空気２３の速度を０．１５ｍ／ｓとする。これにより、患者領域には清浄な中央吹出空気２１が到達し、また、中央吹出空気２１により単位面積あたり供給される風量が、周囲吹出空気２３により単位面積あたり供給される風量よりも大きくなるので、全体として患者領域から術者領域の方向への空気の流れが形成され、術者領域またはその外側の周囲空間から患者領域に汚染空気が入りにくくなる。
さらに、単に中央吹出空気２１のみでは、周囲との風速差により中央吹出空気２１の外側境界部で渦が発生し、空気の混合が生じ周囲の汚染空気を患者領域に巻き込む可能性があるところ、本実施形態では患者領域の周囲の術者領域において、中央吹出空気２１よりも遅い風速で周囲吹出空気２３を吹き出しているので、周囲吹出空気２３の外側境界部、ならびに中央吹出空気２１の外側境界部での風速差が低減され、渦が生じにくくなり周囲空間や術者領域から汚染空気の巻き込みが抑制され、患者領域での空気清浄化に寄与する。
なお、ここで、吹出ユニットから吹き出される中央吹出空気２１または周囲吹出空気２３の速度は、吹き出された時点での速度であり、例えば、吹出口近辺高さの速度または吹出ユニットにおける吹出設定速度とすることができる。同様に、後述する中央吹出空気２１または周囲吹出空気２３の温度は、吹き出された時点での温度であり、例えば、吹出口近辺高さの温度または吹出ユニットにおける吹出設定温度とすることができる。

本実施形態では、加えて、中央吹出空気２１の温度を、周囲吹出空気２３の温度よりも高くする。例えば、中央吹出空気２１の温度を室温と同程度の２４℃とし、周囲吹出空気２３の温度をこれより５℃程度低く、１９℃とする。これにより、術者９および患者４のそれぞれにとって適切な温熱環境を維持することが可能になる。
さらに、従来のように中央吹出空気２１を低温とした場合には、周囲と比較して空気密度が大きくなるので、下方にゆくにつれ風速が増加し、外側境界部における周囲吹出空気２３との風速差が大きくなり上記の通り渦が発生しやすくなる。また、吹出口から下方に行くほど風速が増加し上方の風量と下方の風量の差が大きくなるので、当該風量差を周囲から補おうとする周囲空気の誘因効果が大きくなり汚染空気の混合が生じやすい。しかし、本実施形態では、中央吹出空気２１を室温と同等程度とし周囲吹出空気２３よりも高くするので、上記のような風速の増加が抑えられ、外側境界部における周囲吹出空気２３との風速差を抑えることができ渦の発生が抑制されるとともに、周囲空気の誘因も抑えることができる。これらも、患者領域での空気清浄化に寄与する。

なお、中央吹出空気２１、周囲吹出空気２３の速度や温度はこれらに限られることはなく、患者領域の清浄度を高め、術者９および患者４のそれぞれにとって適切な温熱環境を維持するため適宜定めることができる。

次に、このような中央吹出空気２１と周囲吹出空気２３の速度差および温度差による空気環境の違いをシミュレーションした例について説明する。

図３は、空気環境のシミュレーションについて示す図であり、図３（ａ）は、図２のように、患者領域への中央吹出空気２１と、術者領域への周囲吹出空気２３をそれぞれ異なる速度、温度とする例（ケース１）、図３（ｂ）は、図６のように、患者領域および術者領域で、同じ速度、温度の吹出空気２１０を吹き出す例（ケース２）である。

図３（ａ）に示すケース１では、中央吹出空気２１の速度を０．４５ｍ／ｓ、温度を２４℃とし、周囲吹出空気２３の速度を０．１５ｍ／ｓ、温度を１９℃とした。また、図３（ｂ）に示すケース２では、吹出空気２１０の速度を０．２１ｍ／ｓ、温度を２１．５℃とした。

図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）のケース１における風速、温度、（粉塵など空気汚染物質の）濃度の分布の概略を示す図であり、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図３（ｂ）のケース２における風速、温度、（粉塵など空気汚染物質の）濃度の分布の概略を示す図である。

上記のように、中央吹出空気２１、周囲吹出空気２３、吹出空気２１０の速度、温度を定めることで、風速については、図４（ａ）、図５（ａ）に示す分布が得られる。風速については、図５（ａ）のケース２のほうが、患者領域における風速が速くなり、患者１４０の近傍で０．４ｍ／ｓ程度となる。

また、温度分布について、図５（ｂ）に示すケース２の場合では、術者１９０の頭部近傍で２１〜２５℃程度、および患者１４０の近傍で２１〜２２℃程度となる。２１〜２２℃程度の温度範囲は、患者１４０にとっては低く、低温化に伴う感染の危険性が増加する。一方、図４（ｂ）より、ケース１の場合、周囲吹出空気２３の温度を低く、中央吹出空気２１の温度を高くすることで、温度分布については術者９の頭部近傍で２１〜２４℃程度としつつ、患者４の近傍で２４〜２５℃程度となっており、両者で適当な温度が維持される。

また、粉塵など空気汚染物質の濃度分布について、図５（ｃ）より、ケース２の場合では、周囲空気や術者の頭部等からの粉塵などの流入により、患者近辺の濃度が、１．０^−５〜１．０^−４（ｋｇ／ｋｇ）程度になるが、図４（ｃ）に示すケース１では、中央と周囲で風速の異なる吹出空気とすることにより、周囲空気や粉塵などの流入が抑えられ、患者近辺の濃度が１．０^−７〜１．０^−５（ｋｇ／ｋｇ）程度に低減される。

このように、本実施形態の空調システム１０によれば、隣接する周囲吹出空気２３と中央吹出空気２１について、中央吹出空気２１の風速を周囲吹出空気２３よりも大きくするとともに、中央吹出空気２１の温度を、周囲吹出空気２３の温度よりも高くすることにより、清浄度の低い周囲空気や術者９から粉塵などの空気汚染物質が患者領域に流入することが防がれ、患者領域での清浄度が保たれ、術者９および患者４のそれぞれにとって適切な温熱環境を維持することが可能になる。また、周囲吹出空気２３の速度をより小さくするので、術者９からの粉塵などの飛散自体も抑えられる。
なお、本実施形態では患者領域と術者領域の平面内でほぼ均一な風速および温度で空気を吹き出しているが、平面内で多少のばらつきはあってもよく、例えば、上記の風速の大小は、患者領域および術者領域での平均値（例えば吹出口近辺高さでの吹出空気全量÷吹出面積）を指標として調整されていれば上記の効果が達せられる。あるいは、患者領域の各平面位置の中央吹出空気２１の風速が、術者領域のいずれの平面位置における周囲吹出空気２３の風速よりも大きくなるよう調整しても、同様に上記の効果が達せられる。温度についても同様である。

また、吹出風速を周囲吹出しと中央吹出しの二段階ではなく、多段階または連続的に変化させることにより速度差をより小さくし更に空気の混合を押さえることもできる。
例えば、周囲吹出空気２３の風速を、内側（患者領域側）から外側（周囲空間側）に向かって階段状に、あるいは連続的に徐々に低下するようにし、術者領域の内側境界部で中央吹出空気２１の風速に近づけ、外側境界部で０に近づける。
このように風速を徐々に変化させることにより、周囲吹出空気２３の内外の境界部での風速差をさらに低減することができる。これにより、前述のような渦がさらに生じにくくなり、患者領域への、術者領域あるいはその周囲空間からの汚染空気巻き込みがより抑制され、患者領域での空気清浄効果が大きくなる。
この場合でも、当然ながら、前述のように平均値を指標とした場合でも、各平面位置の風速を比較した場合でも、中央吹出空気２１の風速は周囲吹出空気２３の風速より大きくなる。

また、本実施形態の空調システムでは、中央吹出ユニット１１、周囲吹出ユニット１３として、吹出ユニットを複数用いたが、１つの吹出ユニットで中央吹出空気２１および周囲吹出空気２３の吹き出しを行うこともできる。例えばこの場合、吹出ユニット内部にバッフル板やパンチングメタル、フィルタ等、風向および風速の調整機構を用いて対応する吹出部分での風速を調整するとともに、各吹出部分で適宜ヒータ等の温度調整機構を設けて吹出空気の温度調整を行うことができる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る空調システム等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、１００………手術室
３、１３０………手術台
４、１４０………患者
９、１９０………術者
１１………中央吹出ユニット
１３………周囲吹出ユニット
１４、１５………ダクト
１８、１９………空調機
２１………中央吹出空気
２３………周囲吹出空気
１１０………吹出ユニット
２１０………吹出空気

Claims (2)

1. 手術室に用いられる空調システムであって、
   手術室における手術台に対応する患者領域の上方に患者領域の範囲全体に対応する面状の中央吹出部を、前記患者領域の周囲に隣接する術者領域の上方に周囲吹出部をそれぞれ有し、
   前記中央吹出部から患者領域に向かって、前記患者領域の平面内でほぼ均一な速度および温度の空気が層流にて吹き出されるとともに、前記周囲吹出部から術者領域に向かって空気が吹き出され、
   前記中央吹出部から吹き出される空気の速度が、前記周囲吹出部から吹き出される空気の速度より大きく、
   前記中央吹出部から吹き出される空気の温度が、前記周囲吹出部から吹き出される空気の温度より高いことを特徴とする空調システム。
2. 請求項１記載の空調システムであって、
   前記周囲吹出部から吹き出される空気の風速が、内側から外側に向かって多段階または連続的に低下することを特徴とする空調システム。

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