JPWO2017149684A1 - 湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム - Google Patents
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Abstract
Description
このように、鼻口マスクに前記鼻流路と前記口流路を連通及び隔絶可能な開閉弁が設けられていることにより、口呼吸と鼻呼吸とを選択することができるよう構成されている。
尚、密閉型鼻マスク等を用いた呼吸方法に関して、加湿水素混合ガスの予混合鼻口呼吸方式と水素ガスと空気等の個別供給体内混合方式(咽頭部及び気管地点での混合方式)の違いを表1に示した。
このように、呼気排出流路は水素ガス濃度を低下させる水素濃度低下手段を有していることにより、安全に呼気を大気中に排出することができる。
このように、呼気排出流路が空気供給流路に接続されていることにより、呼気中に含まれる水素ガスを再び供給対象に供給することができ、水素ガスの消費量を削減することができる。
このように、燃料電池ユニット有することにより、余剰に発生してしまう水素ガスを発電に利用して有効に処理をすることが出来る。
又、この他、表2に示すエアロゾル素材をネブライザー等で個別に利用することが出来る。これにより高濃度水素混合ガスの吸引と同時に機能性エアロゾルも吸引可能なシステムを構築することを第4の特徴とする。
また、本発明は、鼻腔のみに前記加湿水素ガスを独占的に供給する呼吸方法を採用することにより、比較的少量の水素ガスの使用量で、医学的に有効な効果を得ることができる。
また、本発明は、密閉室を備えることにより、装着が煩わしいマスク等を使用せず、供給対象に水素ガスの供給を行うことができる。更に高気圧酸素水素治療装置の導入により、レベルの高い疾病治療に用いることが可能となる。
本発明の実施形態1に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムは、図1に示すように、人等の供給対象Hに水素ガス(H2)を供給する水素ガス供給流路1(ガス供給流路の一例)を備えている。この水素ガス供給流路1は、水素ガスを発生させる水素ガス発生手段11(ガス供給手段の一例)と、水素ガスの温度及び湿度を調整する加温加湿器12(湿度湿度調整手段の一例)と、鼻腔に水素ガスを供給する密閉型鼻マスク13(鼻給気部の一例)又は鼻腔及び眼球に水素ガスを供給する密閉型目鼻マスク16(目鼻給気部の一例)と、機能性エアロゾルを導入するネブライザー14と、余分な水滴を除去するウォータートラップ15と、を有している。
また、この設定条件の最小値は、水素混合ガス中に静電気を発生させない最低限の温度湿度条件に基づいて求められている。通常、水素ガスを含む可燃性ガスにおいては、相対湿度60%以上の条件で扱うことが推奨されている。このことに加え、湿度が高くなると、物質(気体等)の電気抵抗が小さくなり、静電気は発生し難くなることが知られている(非特許文献1参照)。
また、非特許文献1に掲載された図18によれば、電気抵抗は相対湿度が高くなるにしたがい指数関数的に減少していることが分かる。そのため、相対湿度が高い値である程、爆発及び爆轟が発生する原因となる静電気は発生し難くなることがわかる。
なお、図示はしていないが、これらのマスクに圧力スイッチを付け、水素ガス発生手段11における水素ガスの供給量をコントロール可能なよう構成しても良い。このように構成する場合には、システム使用中に密閉型鼻マスク13を外すことで休憩することができ、装着することで再び加湿水素ガスの吸引を継続することができる。
まず、密閉型鼻マスク13(又は密閉型目鼻マスク16)から供給された濃度100%の水素ガスは、おおよそ50mLとされる鼻腔に高濃度で充満する。そのため、毎分100〜500mL程度の極めて少ない水素ガス供給量であっても、鼻腔上部の嗅部H1周辺を濃度50%以上の水素ガスで満たすことができる。この嗅部H1周辺に供給された水素ガスは、嗅部H1より血液脳関門を経ずして、一部が直接脳神経細胞に到達する。
一方、口腔では通常の呼吸が行われ、吸引した空気が咽頭で鼻腔に供給された水素ガスと合流して肺まで搬送される。この時、肺内の水素ガス濃度は最大10%程度であると考えられる。
以下、本発明の実施形態2に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムについて、図2を参照して詳細に説明する。この実施形態2に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムは、先の実施形態1に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムの構成に加えて、呼気排出流路2及び空気供給流路3を備えることを特徴とする。なお、同実施形態において、先の実施形態と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。
このように、水素混合ガスを供給する場合には、温度及び湿度を水素混合ガスが爆轟・爆発が発生し難い条件に設定することが重要である。
一般に、爆轟波が発生した場合には、規則的な魚のうろこ状の火焔の軌跡が観察される。この軌跡の三重干渉点間の距離を一般にセルサイズと呼ぶ。セルサイズは対象とする可燃性混合気の組成・温度・圧力により決まる特性値であり、セルサイズが小さいほど爆轟の程度が激しくなることが知られている。
また、非特許文献2に掲載された図24には、高温下における水素の高速燃焼特性のセルサイズと水蒸気濃度の関係が示されている。この図24によれば、相対湿度が高くなるほど、火焔のセルサイズが大きくなる傾向であることが分かる。
以上の傾向を鑑み、相対湿度が高い程爆轟の程度が抑制されると推定される。
図27は、水素酸素混合気(乾燥)と水素酸素混合気(飽和水蒸気)の燃焼特性を比較した概念図である。
非特許文献4に掲載された図22には、8L容器における水素の火焔逸走限界測定値が示されている。この図22によれば、いずれの水素ガス濃度であっても、0.20mm以下の流路であれば、火焔が消炎することがわかる。ここで、人体の肺は、図14に示すように、構造自体がデトネーションフレームアレスター様に構成されている。そのため、肺の終末細気管支からは火炎逸走限界以下の寸法であるために火炎が生じた際にも、自然に消炎され防御される。
そのため、この表7の値を参考にして、縮小率の低い水素酸素濃度を採用して、人体に悪影響を及ぼすリスクを低減させることができる。
以下、本発明の実施形態3に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムについて、図3を参照して詳細に説明する。この実施形態3に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムは、先の実施形態2に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムの構成に加えて、呼気排出流路2の下流側が空気供給流路3の上流側に接続されていることを特徴とする。なお、同実施形態において、先の実施形態と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。
さらに空気供給流路3に、空気Aの温度・湿度・流量・圧力・水素ガス濃度・酸素ガス濃度・二酸化炭素ガス濃度を監視するセンサー34を設けても良い。これらのセンサー18、34で取得された情報を基に、水素ガス供給流路1から供給する水素ガスの供給量や42の酸素量、攪拌放出器22での呼気の排出量等を決定することができる。
以下、本発明の実施形態4に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムについて、図4を参照して詳細に説明する。この実施形態4に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムは、先の実施形態3に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムの、水素ガス供給流路1と空気供給流路3とを一本化した水素混合ガス供給流路5(ガス供給流路の一例)を備えることを特徴とする。なお、同実施形態において、先の実施形態と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。
水素混合ガス供給流路5は、水素ガス及び酸素ガスを供給可能な供給ライン51と、水素混合ガスの温度及び湿度を調節する加温加湿器52と、外気を供給するフィルター53と、顔面に加湿水素混合ガスを供給する密閉型面マスク54と、を有している。
リザーバー56は、爆轟時に発生する衝撃圧が呼吸器に到達しないように設けられている。
以下、本発明の実施形態5に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムについて、図5を参照して詳細に説明する。この実施形態5に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムは、先の実施形態3に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムの構成に加えて、水素ガスを燃料に発電する発電ユニット6を有していることを特徴とする。なお、同実施形態において、先の実施形態と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。
密閉型鼻口マスク17は、図6に示すように、デトネーションフレームアレスター55等の消炎手段と、衝撃圧を緩和するリザーバー56等の衝撃圧緩衝手段と、口と鼻の流路を隔てる鼻口隔壁開閉弁57と、を備えても良い。
この鼻口隔壁開閉弁57には、開閉式のスライド弁(内部開閉式スライドゲート)が設けられており、口と鼻の流路を開閉することで、口呼吸と鼻呼吸とを選択することが可能なよう構成されている。
すなわち、この密閉型鼻口マスク17は、鼻腔に前記水素ガスを供給する鼻流路と、口腔に空気を供給する口流路と、を有し、前記鼻流路と前記口流路の間には、前記鼻流路と前記口流路を連通及び隔絶可能な開閉弁が設けられている。
また、個性の有る顔輪郭の人に対しては、図7に示すように、顔面形状のスキャニング装置7と3Dプリンターによって、その人の輪郭に合った密閉型鼻口マスク17を作成してもよい。
以下、本発明の実施形態6に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムについて、図8を参照して詳細に説明する。この実施形態6に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムは、密閉室8と空調設備9をさらに備えることを特徴とする。なお、同実施形態において、先の実施形態と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。
この密閉室8内の二酸化炭素濃度は二酸化炭素吸収手段84により、一定の数値以内になるよう管理されることが望ましい。
先ず、エアコンディショナー91の室内機91aは、2つの機能を有している。1つ目の機能は通常のエアコンディショナーと同等の機能であり、室内の温度や室内の気流等を制御する機能である。2つ目の機能は、付加機能であり、水素ガス供給部、酸素ガス供給部、加湿部、機能性エアロゾル供給部、換気部を有している。この付加機能は、例えば、個別のガス放出口を室内機91aの下半分に横一列に近い配列でされている。
また、本実施形態によれば、複数の供給対象Hが同時に高濃度の水素ガスの吸引を行なうことができる。
以下、本発明の実施形態7に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムについて、図10を参照して詳細に説明する。この実施形態7に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムは、先の実施形態6に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムとは異なり、水素ガス発生手段97を有していることを特徴とする。なお、同実施形態において、先の実施形態と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。
以下、本発明の実施形態8に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムについて、図11を参照して詳細に説明する。この実施形態8に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムは、先の実施形態6に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムの構成に加えて、ガス置換用エアバッグ85を備えることを特徴とする。なお、同実施形態において、先の実施形態と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。
以下、本発明の実施形態9に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムについて、図12を参照して詳細に説明する。この実施形態9に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムにおいては、密閉室8が耐圧容器86を備えることを特徴とする。なお、同実施形態において、先の実施形態と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。
非特許文献5に掲載された図19には、水素−空気系爆発限界の範囲が示されている。この図19によれば、水素−空気系ガスを加圧した場合であっても、爆発限界の範囲は大幅に変化していないことが分かる。
非特許文献5に掲載された図20には、水素−酸素系爆発限界の範囲が示されている。この図20によれば、水素−酸素系ガスを加圧した場合であっても、爆発限界の範囲は大幅に変化していないことが分かる。
非特許文献5に掲載された図21には、水素−空気系及び水素−酸素系の爆発限界の範囲が示されている。この図21によれば、水素−空気系と水素−酸素系で爆発限界の範囲の傾向は変わらないことが分かる。
さらに、非特許文献6に掲載された図26には、水素-空気混合気の爆発限界に及ぼす圧力の影響が示されている。この図26によれば、水素−空気系混合気を高圧環境下(1〜220atm)においた場合でも、爆発限界の範囲が大きく変動することはないことがわかる。
以上の図19乃至図21及び図26によれば、水素混合ガスを加圧した場合でも、爆発限界の範囲が大きく変動することはないと判断した。
この湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムの適用先としては、がん治療が想定されている。まず、人体には体重60kgで平均4g程度の鉄イオンが存在しており、癌細胞には鉄が特異的に多い。そのため、人体を高圧酸素環境下に置き活性酸素を発生しやすい状況にする事で、癌細胞中の鉄イオンに活性酸素を発生させ(フェントン反応)フェロトーシス(Ferroptosis)を誘導することにより、がん治療を試みることができる。この時、通常細胞も別に発生する活性酸素の攻撃を受けるため、それを防御するために水素ガスを適量添加している。各パラメータは動物実験や治験を通じて決められる。
この高気圧酸素水素治療装置で用いる治療ガスの成分比率は専門医の専権事項である。又、呼吸方式は、高気圧酸素水素治療装置の中で、マスク等を着用して、マスク等を通じて高気圧酸素水素ガスを呼吸する方法があるが、容器内は高気圧空気で満たし呼吸しても良い。
以下、本発明の実施形態10に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムについて、図13を参照して詳細に説明する。この実施形態10に係る湿式高濃度水素混合ガス呼吸システムは、マイクロ・ナノバブル発生装置10をさらに備えることを特徴とする。なお、同実施形態において、先の実施形態と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。
11 水素ガス発生手段
11a 水素酸素ガス発生手段(水電気分解装置)
12 加温加湿器
13 密閉型鼻マスク
14 ネブライザー
15 ウォータートラップ
16 密閉型目鼻マスク
17 密閉型鼻口マスク(口鼻隔壁有り)
17b 密閉型鼻口マスク(口鼻隔壁なし)
2 呼気排出流路
2b 室内気排出流路
21 加湿器
22 攪拌放出器
23 密閉型口マスク
3 空気供給流路
3c 外気供給流路
31 加温加湿器
32 ネブライザー
33 密閉型口マスク
33a 密閉型鼻口マスク
41 二酸化炭素濃度低下手段
42 酸素供給手段
43 ガス流量分配装置
44 熱分解装置
5 水素混合ガス供給流路
51 供給ライン
52 加温加湿器(機能性エアロゾル発生機能付与)
53 フィルター
54 面マスク
55 デトネーションフレームアレスター
56 リザーバー
57 鼻口隔壁開閉弁
6 発電ユニット
61 発電手段(空気水素型燃料電池)
62 蓄電手段
7 スキャニング装置
8 密閉室
81 入出用ゲート
82 内部ゲート
83 センサー
84 二酸化炭素吸収手段
85 ガス置換用エアバッグ
86 耐圧容器
9 空調設備
91 エアコンディショナー
92 制御ユニット
93 発電ユニット
94 水素ガスボンベ
95 非常用水素ガス排出弁
96 非常用水素ガス排出流路
97 水素ガス発生手段
98 電力供給手段
99 水収納部
10 マイクロ・ナノバブル発生装置
H 供給対象
GC 鼻腔注入用ガスチューブ
P ポンプ
Claims (17)
- 人や動物等の供給対象に少なくとも水素を含むガスを供給するガス供給流路を備え、
前記ガス供給流路は、
前記ガスを供給するガス供給手段と、
前記ガスの温度及び湿度を調整する温度湿度調整手段と、
前記供給対象に前記ガスを供給するガス給気部と、を有し、
前記ガスに含まれる水素は、4.0%(Vol%)を超える濃度で前記供給対象に供給されることを特徴とする、湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。 - 前記ガスの相対湿度は、60〜100%の範囲であり、
前記ガスの温度は、20〜40度の範囲であることを特徴とする、
請求項1の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。 - 前記ガスの適応環境圧力は、3気圧以下に設定されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。
- 前記ガス給気部は、前記供給対象の鼻腔に独占的に前記ガスを供給する鼻給気部であることを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。
- 前記ガス給気部は、前記供給対象の眼球と鼻腔に前記ガスを供給する目鼻給気部であることを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。
- 前記ガス給気部は、前記供給対象の鼻腔と口腔にガスを供給する鼻口給気部であり、
この鼻口給気部は、
前記鼻腔に前記ガスを供給する鼻流路と、
前記口腔に呼吸用の空気等を供給する口流路と、を有し、
前記鼻流路と前記口流路の間には、前記鼻流路と前記口流路を連通及び隔絶可能な開閉弁が設けられていることを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。 - 前記ガス給気部は、
防爆火炎遮断用のデトネーションフレームアレスター又はフレームアレスターと、
衝撃圧緩衝手段と、を有することを特徴とする、請求項4〜6の何れかに記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。 - 前記供給対象の呼気を排出する呼気排出流路をさらに備え、
前記呼気排出流路は、
前記供給対象から前記呼気を受容する呼気受容手段と、
前記呼気中の水素ガス濃度を低下させる水素濃度低下手段と、
を有していることを特徴とする、請求項1〜7の何れかに記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。 - 前記供給対象に酸素及び/又は空気を供給する空気供給流路をさらに備え、
前記空気供給流路は、
前記酸素及び/又は空気を供給する空気供給手段と、
前記酸素及び/又は空気の湿度を調整する湿度調整手段と、
前記供給対象に前記酸素及び/又は空気を供給する空気給気部と、
を有していることを特徴とする、請求項8に記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。 - 前記呼気排出流路の下流側が、前記空気供給流路の上流側に接続され、
前記呼気排出流路と前記空気供給流路の間には、前記呼気の二酸化炭素濃度を低下させる二酸化炭素濃度低下手段が設けられており、
前記空気供給流路の上流には、酸素供給手段が設けられていることを特徴とする、請求項9に記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。 - 前記ガス供給手段及び前記空気供給手段は電気分解型水素酸素供給装置であり、
前記電気分解型水素酸素供給装置は、
前記ガス供給流路に水素を供給し、
前記空気供給流路に酸素を供給していることを特徴とする、請求項9または請求項10に記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。 - 前記電気分解型水素酸素供給装置で生じる余剰水素ガスを燃料に発電する燃料電池ユニットをさらに備えることを特徴とする、請求項11に記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。
- 前記供給対象が入室可能な密閉室と、この密閉室に設けられ密閉室内の温度及び湿度及び室内気流を制御し空調管理を行う安全防爆型の空調設備と、密閉室内に水素ガス及び酸素ガス及び加湿を行なう安全防爆型の付加手段と、をさらに備え、
前記付加手段は室内の換気手段として室内の気体を排出する室内気排出流路と外気を室内に供給する外気供給流路を有し、前記空調設備と前記付加手段を運転させて、前記密閉室内に加湿水素混合ガスを充満させることによって、人や動物等の供給対象に加湿水素混合ガスを呼吸させることを特徴とする、請求項1〜2の何れかに記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。 - 前記密閉室内で供給対象に個別に加湿水素ガスを供給する供給流路を有し、前記供給流路を通じて、供給対象の鼻腔に前記加湿水素ガスを供給する鼻給気部を供え、前記密閉室内において供給対象が個別に鼻給気部を通じて加湿水素ガスの鼻腔注入が可能なことを特徴とする、請求項13に記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。
- 前記密閉室の内部に加圧加湿空気の注入で、最大限密閉室の容積近く迄、膨張可能な帯電防止加工をされたエアバッグが設けられ、エアバッグ内部の加湿空気の排出で収納状態迄コンパクトに収縮可能となり、前記エアバッグを拡張及び収縮させるタイミングに連動させて、前記付加手段を運転させ、前記密閉室内に充満するガスの少なくとも大部分を一度に換気することが可能なことを特徴とする、請求項13又は請求項14に記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。
- 前記密閉室内の相対湿度は、60〜100%の範囲であり、
前記密閉室内の温度は、少なくとも20〜40度の範囲であることを特徴とする、請求項13〜15の何れかに記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。 - 前記温度湿度調整手段には、マイクロ・ナノバブル供給手段が設けられていることを特徴とする、請求項1〜16の何れかに記載の湿式高濃度水素混合ガス呼吸システム。
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