WO2023249077A1 - 静音ボックス - Google Patents

Abstract

機器を内部に収納する収容部を開閉扉の内側に備え、外気を該静音ボックスに取り入れるボックス吸気口、静音ボックス内の空気を排気するボックス排気口を備え、筐体内部に、排気をボックス排気口に導く排気ダクトを備え、該開閉扉が閉じた状態で、収納した機器の機器排気口と該排気ダクトの入口とが密着していることを特徴とする静音ボックスであり、携帯型に機器に求められる、小型軽量機能と、低騒音、省電力、排熱の課題を同時に解決する装置を提供する。

Description

静音ボックス

　本発明は小型の医療機器が発生する騒音を低減するための静音ボックスに関する。

　慢性呼吸器疾患に加え、近年のコロナウイルスの蔓延の影響もあり、呼吸器疾患患者に対する酸素吸入療法が広がり、医療用酸素濃縮装置の需要が広がりを見せている。自宅で３Ｌ／分、５Ｌ／分といった高用量の酸素を供給する据え置き型の酸素濃縮装置に加え、小型軽量で長時間使用可能な携帯型濃縮装置の開発も進み、病院への通院時の利用だけでなく、買い物やレジャー等での屋外使用も可能となり、患者のＱＯＬの向上に役立っている。

　酸素濃縮装置は日中だけでなく、夜間睡眠時にも使用されるため機器の静穏化が求められる。酸素濃縮装置の多くは、加圧下で酸素よりも窒素選択的に吸着する吸着材を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が採用されており、コンプレッサやモータなどの動力要素、冷却ファンなど搭載されており、酸素生成時の吸排気音と共に騒音発生源となっている。そのため、原料空気の吸気管や吸着した窒素を排気する排気管にはサイレンサが搭載され、さらに騒音低減のためのダクト構造や筐体への吸音部材の装着など様々な対策が取られている。例えば、特開平７－２５５８５０号公報（特許文献１）には吸音材を張り合わせたダクト構造を筐体の通気路、排気路に設けた酸素濃縮装置の防音ボックスが開示されている。

　一方、携帯型酸素濃縮装置は、患者による持ち運びが便利で屋外利用が可能なように、発生音の大きさよりも小型、軽量、省電力が優先され、静穏化のための構成部材は削減される傾向にある。近年の技術進歩によりコンプレッサ自体の静穏化技術が向上しているが、騒音レベルは据え置き型の装置に比べ、大きくなる。自宅では据え置き型、外出時には酸素ボンベや携帯型酸素濃縮器を用いる２台使いの要望もあるが、高額の装置であり、機器のコスト負担増が課題となる。特開平７－１３６２７４号公報（特許文献２）には、携帯型酸素濃縮装置を収容するための、遮音機能を有する材料で構成した携帯ボックスが開示されている。

特開平７－２５５８５０号公報 特開平７－１３６２７４号公報

　携帯型酸素濃縮装置を静音ボックスに収納し、静音効果を実現するには音漏れを防ぐために気密性が求められる。一方、携帯型酸素濃縮装置内に搭載されたモータやコンプレッサ、それを制御する半導体等は発熱源でもあり、吸着材の窒素吸着効率を維持するためには装置内を冷却する必要がある。特許文献２に記載の静音ボックスでは排気ファンを別途設けることでボックス内の温度上昇を防いでいる。

　携帯型装置に求められる小型軽量と、低騒音、省電力、排熱の課題解決手段は相反するものであり、静音ボックスに排気ファンを付けることは新たな電源が必要となり、騒音源ともなる。本発明は、静音ボックスへの機器の収納方法を見直すと共に、排気ダクトを併用することで、低騒音、省電力、排熱の課題を同時に解決する方法を見出したものである。

　本発明は、騒音が発生する機器を内部に収納する収容部を備えた静音ボックスであり、静音ボックスの筐体に開閉扉、外気を該静音ボックスに取り入れるボックス吸気口、静音ボックス内の空気を排気するボックス排気口を備えると共に、排気をボックス排気口に導く排気ダクトを内部に備え、該開閉扉を閉じることにより収容部に収容した機器が有する機器排気口が該排気ダクトの入口と密着することを特徴とする静音ボックスを提供する。かかる静音ボックスは開閉扉を開くことにより収容部が露出し、当該機器を収容部に収容することが可能となる。収容する当該機器は空冷式であり、機器吸気口、機器排気口を有しており、該開閉扉を閉じることにより収容部が移動し、当該機器排気口が該排気ダクトと密着することで、冷却後の排熱空気は直接系外に排気される。

　また本発明は、収容部が開閉扉と結合しており、空冷ファンを内蔵しその筐体に吸気口、排気口を備えた空冷式の機器を収納する収容部を備えた静音ボックスであり、静音ボックスの側面に設けられた開閉扉がボックス下方に水平方向に設けた回転軸を備え、当該側面上部を手前に引くことで回転軸を支点に斜め上方に開口する開閉扉を備え、当該開閉扉の内側に前記収容部を備えると共に、静音ボックスに排気ダクトを備え、機器排気口と排気ダクトの入口が開放扉を閉じる動作に連動して密着することを特徴とする静音ボックスを提供する。
　また本発明は、前記機器が吸着型酸素濃縮装置である、携帯型酸素濃縮装置用の静音ボックスを提供する。

　また本発明は、吸着型酸素濃縮装置およびそれを内部に収納する収容部を備えた静音ボックスを備え、静音ボックスの筐体に開閉扉、外気を該静音ボックスに取り入れるボックス吸気口、静音ボックス内の空気を排気するボックス排気口を備えると共に、排気をボックス排気口に導く排気ダクトを内部に備え、該開閉扉を閉じた状態で、該収納部の収納した吸着型酸素濃縮装置の排気口が、該排気ダクトの入口と密着していることを特徴とする酸素供給システムを提供する。かかる開閉扉が該静音ボックスの側面に設けられており、静音ボックスの下方に備えられた水平方向の回転軸を介してボックス本体と接続され、当該開閉扉の上部を手前に引くことで回転軸を支点に斜め上方に開口すると共に、斜め上方から該収容部へ収納された吸着型酸素濃縮装置の排気口が開閉扉を閉じることにより排気ダクトの入口と密着することができる。

　本発明の静音ボックスは、開閉扉の開動作により、収納部が、機器を収納する操作をしやすいように開口部に露出する位置に移動し、閉操作により、収納部が、機器の排気口が排気ダクトと密着する位置に移動することで、良好な収納操作性を担保しつつ、機器の排気口と排気ダクト間の空気漏れによる冷却効率の低下防止機能を両立することができる。また、騒音低減の観点からは、機器は静音ボックスの中心付近に収納されることが好ましく、その点からも扉の開閉の操作により収納部がボックスの中央付近に移動する構造が好ましい。

　さらには、開閉扉を静音ボックス側面に設け、開閉扉を静音ボックス下部に水平に設けた回転軸で接続され、扉を斜め下方向に手前に引くことで開閉する構造とし、収納部を扉内側に結合することで、扉を閉める力により、梃子の原理を用い、この小さい操作力で、内部に設けた排気ダクトの入口と、機器の排気口を密着させ、空気漏れを起こすことなく排気経路を接続させることができる。

　また、収納部と開閉扉の内側に結合させることで、複雑な機構を必要とせず収納部が移動する構造を実現できる。開閉扉と収容部とは一体成型部材としてもよいし、結合材、緩衝機構を備えた結合材により接合してもよい。緩衝機構を備えることにより、収容した機器の振動が扉に伝わって騒音が漏れることを防ぐことができる。

　収納する酸素濃縮装置などの機器に搭載された冷却ファンが静音ボックスの冷却手段を兼ねており、このような構造により、新たな空冷ファンなどの排熱手段をボックス内に設けることなく、静音ボックス内の温度上昇を防ぐことが出来る。また排気ダクトは騒音低減効果も実現し、低騒音、省電力、排熱、操作性の課題を一度に解決するものである。

酸素濃縮装置の概略装置構成図を示す。 本発明の静音ボックスの実施態様の斜視図を示す。 本発明の静音ボックスの実施態様の断面図を示す。 本発明の静音ボックスへの酸素濃縮装置を収納する手順を示す。

　本発明の静音ボックスについて、騒音を低減させるためにボックス内部に収納する機器として酸素濃縮装置を用いた場合を例に説明する。

　図１は、本発明の静音ボックスに内蔵する機器の一つである吸着型酸素濃縮装置の概略装置構成図を示す。吸着型酸素濃縮装置１００は、原料空気を供給するコンプレッサ１０１、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒１０２、吸脱着工程を切替る流路切替手段である供給弁１０３、排気弁１０４、均圧弁１０５を備え、原料空気から分離生成した酸素濃縮ガスを流量設定器である調圧弁１０８やコントロールバルブ１０９で所定流量に調整した後、カニューラ１１１を用いて使用者に供給する。

　通常の空気中には、約２１％の酸素ガス、約７７％の窒素ガス、０．８％のアルゴンガス、二酸化炭素ほかのガスが１．２％含まれている。かかる装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素を分離して取り出す。酸素濃縮ガスの分離は、吸着工程に於いて、酸素分子よりも窒素分子を選択的に吸着するゼオライト等からなる吸着剤を充填した吸着筒に対して、供給弁１０３、排気弁１０４の開閉を制御することによって、原料空気を供給対象とする吸着筒１０２への流路を切り換えることにより、コンプレッサ１０１から加圧空気を順次供給し、加圧状態の吸着筒内で原料空気中に含まれる約７７％の窒素ガスを選択的に吸着除去することにより行われる。

　前記の吸着筒は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着材を充填した円筒状容器で構成される。吸着筒の数は酸素生成量との関係で決定され、連続的かつ効率的に原料空気から酸素濃縮ガスを製造するためには、図１に示す２筒式や多筒式の吸着筒を使用することが好ましい。前記吸着筒で吸着されなかった酸素を主成分とする酸素濃縮ガスは、吸着筒へ逆流しないように設けられた逆止弁１０６を介して、製品タンク１０７に流入し、一時貯留される。

　酸素濃縮ガスを連続して生成するためには、吸着筒内に充填された吸着剤に吸着した窒素を脱着除去する必要がある。そこで脱着工程では供給弁を閉じ、排気弁を開くことにより吸着筒を排気ラインに接続し、加圧状態の吸着筒を大気開放状態に切り換え、加圧状態で吸着されていた窒素を脱着させて吸着剤を再生する。

　２つの吸着筒では、各工程をずらして運転制御を行い、一方の吸着筒で吸着工程を行い酸素を生成している時には、他方の吸着筒では脱着工程を行い吸着剤の再生を行い、各工程を切り換えることにより連続的に酸素を生成する。

　原料空気から酸素濃縮ガスが製造され、製品タンク１０７へ一時的に蓄えられる。この製品タンクに蓄えられた酸素濃縮ガスは、例えば９５％といった高濃度の酸素濃縮ガスを含んでおり、調圧弁１０８、コントロールバルブ１０９等の流量設定器によってその供給流量と圧力が制御された後、患者に供給される。使用者に供給される酸素濃縮ガスの流量及び酸素濃度は超音波式の酸素濃度・流量センサで検知され、酸素濃度検出値、酸素供給流量値に基づいてコンプレッサの回転数や流路切換弁の開閉時間をフィードバック制御し、酸素生成をコントロールすることも可能である。

　吸着筒内に充填された、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤として、Ｎａ－Ｘ型、Ｌｉ－Ｘ型、ＭＤ－Ｘ型などのモレキュラーシーブゼオライトは、窒素を吸着すると同時に空気中の水分も吸着することから、生成された酸素濃縮ガスは、ほぼ絶乾状態のガスとして分離される。かかる酸素濃縮ガスを連続して吸入することによって生じる鼻孔等の乾燥を防ぐため、生成した酸素濃縮ガスを一次貯留する製品タンクと患者へ酸素を供給するカニューラを繋ぐ配管の途中に、加湿器を設置しても良い。

　吸着型酸素濃縮装置１００は、吸気口１１２（機器吸気口）から外気を装置内に取り入れ、原料空気中の窒素を吸着除去し、酸素を分離し供給すると共に、吸着剤に吸着した窒素を減圧除去し排気口１１３（機器排気口）から排気される。また装置に内蔵されるコンプレッサ１０１や吸着筒の流路の切り替えを制御する電子制御手段等の部品は発熱するため、冷却するする必要がある。そのため、酸素濃縮装置には冷却ファン１１０を備え、吸気口１１２から外気を取り入れて空冷し、また排気口１１３から排熱空気を、窒素リッチな空気と共に系外に排出される。

［静音ボックス］
　携帯型の酸素濃縮装置には、小型・軽量および省電力が第一の要件として求められる。かかる仕様を実現するためには、騒音低減のための構造部材は削減される傾向にある。しかし、酸素吸入療法は日中だけでなく、夜間睡眠時にも行われるため、本人および家族の睡眠を妨げることないように、騒音低減についても要求される。本発明は在宅時における騒音低減策として静音ボックスを開発し、携帯型酸素濃縮装置を静音ボックスに収納して使用する方法を採用する。

　図２～図４に本発明の静音ボックスの実施態様を示す。図２は静音ボックスの斜視図であり、開閉扉を閉じた状態（２Ａ）と開閉扉を開けて酸素濃縮装置を収納した状態（２Ｂ）を示す。図３は静音ボックスの断面図であり、開閉扉を開いた状態（３Ａ）、開閉扉を閉めた状態（３Ｂ）を示す。図４に静音ボックスに酸素濃縮装置を収納する工程図を示す。

　静音ボックス２００は、内部が空洞の樹脂製の筐体２０１を備え、静音ボックス内に空気を取り込むための吸気口２０２（ボックス吸気口）、排熱空気を含む空気を系外に排気する排気口２０３（ボックス排気口）を備え、排気口２０３には排気ダクト２０４が直結されている。消音ボックスの側面が開閉扉２０５となっており、片開きの側面扉や天面を開ける方式ではなく、側面下部に回転軸２１０を備え、開閉扉の下部の回転軸を支点に扉上部を手前に引くことで斜め上方に開口する構造となっている。

　かかる開閉扉２０５の内側には、携帯型の酸素濃縮装置１００を収納する収納部２０６を備える。かかる構造とすることで、一方の手で静音ボックスの扉を開けながら、他方の手で酸素濃縮装置１００を持ち、扉の収納部に滑り込ませることで、容易に酸素濃縮装置を収納することが出来る。

　開閉扉２０５の内側に設置する収納部２０６の位置は、収容する機器の排気口１１３と排気ダクト２０４の位置が一致するように設定する。開閉扉２０５を閉めることで、収容した酸素濃縮装置の排気口と静音ボックスの排気ダクトの入口が密着し接続することで、酸素濃縮装置の排気が静音ボックス内に循環することなく、ボックス排気口から直接系外に排気することが出来る。

　開閉扉に機器の収容部を設置した場合、重心の位置は扉側にあるため、斜めに開閉扉が開いた状態で機器を収納すると、静音ボックスが倒れやすくなる。図示しないが、本発明の静音ボックスの下部には機器収納時における重心位置の変化に対して、静音ボックスの転倒防止用の重りを備える。

　酸素濃縮装置にとって、省電力も重要な要求仕様の一つである。携帯型の装置にとっては、外出時のバッテリの使用時間に影響する。静音ボックスは自宅で使用することから電源はあるが、静音ボックスに冷却機構などを設けるなど新たに電力が必要な構造は電力コスト低減のためには避けることが望ましい。酸素濃縮装置１００の排気口１１３と直結する排気ダクト２０４を設けることにより、酸素濃縮装置の冷却ファン１１０の送風能力で、静音ボックス内への外気の取り込み、静音ボックスからの排気を実現することが出来る。

　排気ダクト２０４は、静音効果を高めるために内面に吸音材を張り合わせ、あるいは多段の折り曲げ構造とすることも可能である。しかし、吸音材には保温効果、多段の折り曲げ構造は排気抵抗となるため、酸素濃縮装置に内蔵された冷却ファンのみで排熱空気を系外に排気させるためには、特段の構造を設けず、直線状の排気ダクトを用いて直接排気口２０３から排出するのが好ましい。

　静音ボックスの筐体内面にも吸音材を張り合わせることで静音効果を実現することができる。しかし、ボックス内の排熱効果を発揮させるためには、かかる吸音材は内部に設けない方が良い。

　開閉扉と筐体との間には、独立気泡のフォーム材をシール材２０７として用いる。好ましくは所定の厚さを有するウレタンフォーム材を用いる。低反発性のクッション性能を有することで扉の閉止と同時に酸素濃縮装置の排気口と排気ダクトを密着させ、接続部からの排気漏れを防ぐことが出来る。排気ダクトの入口にも同じフォーム材２１１を設けることが密着性を担保するために好ましい。

　静音ボックスは音漏れ防止が第一の目的であり、開口部は必要最低限にする必要がある。酸素生成に必要な原料空気、冷却空気を取り込む吸気口２０２、窒素を含む排熱空気を排出する排気口２０３、警報音のための開口など最低限にする必要がある。その一方、酸素濃縮装置で生成した酸素を静音ボックスから取り出す必要がある。本発明では、静音ボックスの筐体に酸素供給接続部２０８を備え、前記吸着型酸素濃縮装置の酸素供給端１１４と前記酸素供給接続部２０８を中継チューブで接続することで、静音ボックス内に収納した酸素濃縮装置から酸素をボックス外に取り出すことができる。さらに酸素供給接続部２０８に鼻カニューラ１１１を接続することにより、使用者に酸素を供給することが出来る。

　患者がこのように所定の方法を守って使用する前提で、静音ボックスは設計されているが、患者が必ずしもそれを守るとは限らない。開閉扉と筐体との間に所定の厚さの独立気泡のフォーム材をシール材２０７として用いることで、携帯型酸素濃縮装置に鼻カニューラ１１１を接続して使用していた状態で帰宅し、静音ボックスに装置を収納する際に、鼻カニューラをそのまま接続した状態で開閉扉のシール部分から、音漏れ防止にため密閉性を維持したまま引き出すことができる。そのために前記シール材はカニューラの直径より大きい厚さで設けるのが好ましい。例えば外径７ｍｍのカニューラを用いる場合、シール材２０７として、１０ｍｍ厚の低反発性ウレタンフォームを用いることが出来る。これによりカニューラを押しつぶすことなく、音漏れ、空気漏れを起こすことなく、静音ボックスの開閉扉を閉めると共にカニューラを介して酸素を供給することができる。

　静音ボックスの筐体の上面は、酸素濃縮装置の表示部が外部から視認可能なように、アクリルあるいはポリカーボネートなどの透明樹脂素材の窓２０９を設ける。収容した酸素濃縮装置から機器信号を取り出し、静音ボックスに別途表示部を設けることで、外部からの装置の運転状況の視認性は格段に向上するが、信号接続の手間や、製造コスト、消費電力のアップなどを招くことから、透明窓から肉眼での直接視認で対応するのが好ましい。

　本発明の静音ボックスは、酸素濃縮装置など夜間にも自宅で使用し、騒音が気になる機器に対して、それを収納することで静音化を図り、同時に節電、排熱課題を解消する装置を提供することが出来る。併せて、普段は持ち運び可能な小型、軽量の医療機器を使用することで、患者の行動範囲を広げ、ＱＯＬの向上を図ることが出来る。

１００  吸着型酸素濃縮装置
１０１  コンプレッサ
１０２  吸着筒
１０３  供給弁
１０４  排気弁
１０５  均圧弁
１０６  逆止弁
１０７  製品タンク
１０８  調圧弁
１０９  コントロールバルブ
１１０  冷却ファン
１１１  カニューラ（鼻カニューラ）
１１２  吸気口（機器吸気口）
１１３  排気口（機器排気口）
１１４  酸素供給端
２００  静音ボックス
２０１  筐体
２０２  吸気口（ボックス吸気口）
２０３  排気口（ボックス排気口）
２０４  排気ダクト
２０５  開閉扉
２０６  収納部
２０７  シール材
２０８  酸素供給接続部
２０９  窓
２１０  回転軸
２１１  フォーム材

Claims (10)

1. 　騒音が発生する機器を内部に収納する収容部を備えた静音ボックスであり、
   　静音ボックスの筐体に開閉扉、外気を該静音ボックスに取り入れるボックス吸気口、静音ボックス内の空気を排気するボックス排気口を備えると共に、排気をボックス排気口に導く排気ダクトを内部に備え、
   　該開閉扉を閉じた状態で、該収納部に収納した機器の機器排気口が、該排気ダクトの入口と密着していることを特徴とする静音ボックス。
2. 　前記収容部が該開閉扉と結合しており、該開閉扉を閉じる動作に連動して該収容部に収容された当該機器が定められた位置に移動し、当該機器排気口が該排気ダクトの入口と密着することを特徴とする、請求項１に記載の静音ボックス。
3. 　前記開閉扉が該静音ボックスの側面に設けられ、静音ボックスの下方に備えられた水平方向の回転軸を介してボックス本体と接続され、当該開閉扉の上部を手前に引くことで回転軸を支点に斜め上方に開口すると共に、当該機器を斜め上方から該収容部へ収納することができることを特徴とする、請求項２に記載の静音ボックス。
4. 　前記機器はさらに冷却ファンを有し、該冷却ファンによって外気から静音ボックス内に冷却風を取り込み、静音ボックス内を冷却すると共に、機器吸気口から取り込んだ冷却風により機器内部を冷却し、機器排気口から前記排気ダクトを介して外部に放出することを特徴とする、請求項３に記載の静音ボックス。
5. 　前記開閉扉と静音ボックスの筐体との間に、独立気泡フォーム材からなるシール材を備えることを特徴とする請求項４に記載の静音ボックス。
6. 　前記機器が吸着型酸素濃縮装置である、請求項５に記載の静音ボックス。
7. 　静音ボックスの筐体に酸素供給接続部を備え、前記吸着型酸素濃縮装置の酸素供給端と前記酸素供給接続部を接続する中継チューブを備えたことを特徴とする請求項６に記載の静音ボックス。
8. 　吸着型酸素濃縮装置およびそれを内部に収納する収容部を備えた静音ボックスを備え、
   　静音ボックスの筐体に開閉扉、外気を該静音ボックスに取り入れるボックス吸気口、静音ボックス内の空気を排気するボックス排気口を備えると共に、排気をボックス排気口に導く排気ダクトを内部に備え、
   　該開閉扉を閉じた状態で、該収納部の収納した吸着型酸素濃縮装置の排気口が、該排気ダクトの入口と密着していることを特徴とする酸素供給システム。
9. 　前記開閉扉が該静音ボックスの側面に設けられ、静音ボックスの下方に備えられた水平方向の回転軸を介してボックス本体と接続され、当該開閉扉の上部を手前に引くことで回転軸を支点に斜め上方に開口すると共に、斜め上方から該収容部へ収納された吸着型酸素濃縮装置の排気口が開閉扉を閉じることにより排気ダクトの入口と密着することを特徴とする、請求項８に記載の酸素供給システム。
10. 　前記静音ボックスの筐体に酸素供給接続部を備え、前記吸着型酸素濃縮装置の酸素供給端と前記酸素供給接続部を接続する中継チューブを備えたことを特徴とする請求項９に記載の酸素供給システム。

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