JP5413880B2 - 酸素濃縮器 - Google Patents

Description

本発明は、空気を導入して高濃度の酸素を放出する酸素濃縮器に関する。

酸素濃縮器は主として、呼吸器疾患の患者が在宅で酸素を吸入する在宅酸素療法（ＨＯＴ：home oxygen therapy）において使用される。

酸素濃縮器は、加圧空気に対して窒素を吸着し減圧空気に対して窒素を脱着する性質を持つ吸着剤（例えば、ゼオライト）が充填された、シーブベッド（吸着塔）を備えている。酸素濃縮器は、フィルタおよび吸気タンクを通して取り込んだ室内の空気をコンプレッサにより圧縮し、この圧縮空気を加減圧の切替えを繰り返しながらシーブベッドに通過させることにより、圧縮空気から高濃度の酸素を分離し、さらに、高濃度酸素を加湿する。加湿後の高濃度酸素は、使用時に患者が装着する鼻腔カニューラを介して患者体内に供給される。

高濃度酸素の加湿方法としては、例えば特許文献１に記載されているように、精製水の貯蔵容器を酸素濃縮器に設け、水中に高濃度酸素を送り出すことにより高濃度酸素に水分を与える方法がある。

また、別の加湿方法として、例えば特許文献２に記載されているように、高濃度酸素の流路を形成するチューブの一部に、加湿チューブを用いる方法もある。加湿チューブは、水分透過性を有する中空糸膜や有機高分子薄膜等からなるものである。水分を含む気体が加湿チューブの外表面に当てられると、加湿チューブは外表面上の気体から水分を取り込み、加湿チューブ内を流れる高濃度酸素に水分を与える。
特開２００４−１８８１２１号公報 特開平１０−２４８９３５号公報

一般に、加湿チューブを用いて高濃度酸素の加湿を行う酸素濃縮器においては、加湿チューブの外表面に対して積極的に加湿用気体を接触させるために、加湿チューブに向けて送風するファン等の送風手段を設ける必要がある。しかし、酸素濃縮器においては、コンプレッサ等を冷却するためにコンプレッサ等に向けて送風する送風手段を設ける必要もある。このため、加湿のために別途送風手段を設けることは、酸素濃縮器の部品点数を増加させるだけでなく、騒音の増大をも招くという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、部品点数の増加や騒音の増大を伴うことなく高濃度酸素を加湿することができる酸素濃縮器を提供することを目的とする。

本発明の酸素濃縮器は、
患者に高濃度酸素を供給する酸素濃縮器において、
高濃度酸素の原料空気を圧縮する圧縮手段と、
圧縮した原料空気から高濃度酸素を生成する生成手段と、
生成した高濃度酸素の流路が内部に形成され、前記内部を流れる高濃度酸素を加湿する加湿チューブと、
送風手段と、
前記圧縮手段と前記生成手段と前記加湿チューブと前記送風手段とを収容する筐体と、
前記筐体に形成され、前記送風手段による送風が行われるときに前記筐体外の空気を前記筐体内に導入する開口部と、
を有し、
前記圧縮手段は、前記送風手段によって発生する風の流れにおいて前記送風手段の下流側に配置され、
前記加湿チューブは、前記送風手段によって発生する風の流れにおいて前記送風手段の上流側であり、かつ、前記開口部から前記送風手段へと流れる風の経路上に配置されている。

本発明によれば、部品点数の増加や騒音の増大を伴うことなく高濃度酸素を加湿することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る酸素濃縮器の構成を概略的に示す図である。

図１において、酸素濃縮器１０は、酸素濃縮器筐体（以下「筐体」と略記する）１００の内部に、風路ケース１０１、ヘパフィルタ１０２、吸気タンク１０３、コンプレッサ１０４、冷却パイプ１０５、マニホールド１０８、第１および第２の切替弁１０９Ａ、１０９Ｂ、第１および第２のシーブベッド（吸着塔）１１０、１１１、製品タンク１１２、均圧弁１１３、パージオリフィス１１４、消音器１１５、圧力センサ１１６、レギュレータ１１７、止め弁１１８、酸素センサ１１９、バクテリアフィルタ１２０、流量制限オリフィス１２１、圧力センサ１２２、流量センサ１２３、チューブ１２４、およびブロワ１２６Ａ、１２６Ｂを配置している。また、酸素濃縮器１０は、筐体１００の外壁上に酸素出口１２５を配置している。また、筐体１００には、開口部１２７、１２８が形成され、さらに開口部１２７を覆うようにフィルタ１２９が配置されている。

また、酸素濃縮器１０は、ＣＰＵ（central processing unit）、制御プログラムを格納した記憶媒体としてのＲＯＭ（read only memory）、および作業用メモリとしてのＲＡＭ（random access memory）等を有する（いずれも図示せず）。ＣＰＵは、制御プログラムを実行することにより、コンプレッサ１０４やマニホールド１０８を含めた各部の動作を制御する。

風路ケース１０１は、筐体１００に接して設けられている。風路ケース１０１は、筐体１００の外部の空気を原料空気として、図示されない吸気口から筐体１００の内部に導入する。ヘパフィルタ１０２は、風路ケース１０１が導入した空気からゴミや埃等の空中浮遊粒子を除去する。

吸気タンク１０３は、ヘパフィルタ１０２で空中浮遊粒子が除去された原料空気を、後段のコンプレッサ１０４の吸気のために収容する。吸気タンク１０３は、いわゆる膨張型消音器として機能し、配管断面積の変化による反射により、原料空気の吸気側へと伝達するコンプレッサ１０４の動作音に対して、消音効果を発揮する。

圧縮手段としてのコンプレッサ１０４は、吸気タンク１０３に収容された原料空気を圧縮して圧縮空気を生成し、生成された圧縮空気を冷却パイプ１０５経由でマニホールド１０８に送る。ここで、コンプレッサ１０４は駆動時に発熱するため、生成される圧縮空気やコンプレッサ１０４の周囲の空気は加熱される。冷却パイプ１０５は、圧縮空気を冷却しつつマニホールド１０８に送る。

マニホールド１０８は、冷却パイプ１０５からの圧縮空気を第１および第２のシーブベッド１１０、１１１に交互に切り替えて送り、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１からの窒素富化空気を交互に切り替えて消音器１１５に送るための多岐管である。マニホールド１０８は、三方弁である第１および第２の切替弁１０９Ａ、１０９Ｂを有する。マニホールド１０８は、第１および第２の切替弁１０９Ａ、１０９Ｂの状態を制御することにより、例えば１０秒間隔で、圧縮空気および窒素富化空気のマニホールド１０８内の流路の切替えを行う。

具体的には、例えば、マニホールド１０８は、図１に示すように、第１の切替弁１０９Ａを用いて、第１のシーブベッド１１０とコンプレッサ１０４との間の管路を開放し、第１のシーブベッド１１０と消音器１１５との間の管路を閉鎖する。同時に、マニホールド１０８は、第２の切替弁１０９Ｂを用いて、第２のシーブベッド１１１とコンプレッサ１０４との間の管路を閉鎖し、第２のシーブベッド１１１と消音器１１５との間の管路を開放する。この場合、コンプレッサ１０４からの圧縮空気は矢印１０８Ａの方向で第１のシーブベッド１１０に送られ、消音器１１５には矢印１０８Ｂの方向で第２のシーブベッド１１１からの窒素富化空気が送られる。

また、マニホールド１０８は、第１の切替弁１０９Ａを用いて、第１のシーブベッド１１０とコンプレッサ１０４との間の管路を閉鎖し、第１のシーブベッド１１０と消音器１１５との間の管路を開放する。同時に、マニホールド１０８は、第２の切替弁１０９Ｂを用いて、第２のシーブベッド１１１とコンプレッサ１０４との間の管路を開放し、第２のシーブベッド１１１と消音器１１５との間の管路を閉鎖する。この場合、コンプレッサ１０４からの圧縮空気は第２のシーブベッド１１１に送られ、消音器１１５には第１のシーブベッド１１０からの窒素富化空気が送られる。

生成手段としての第１および第２のシーブベッド１１０、１１１は、マニホールド１０８を介して送られてきた圧縮空気から、高濃度酸素をそれぞれ分離する。この分離は、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１に充填されたゼオライトの働きにより実現される。ゼオライトは、加圧空気に対しては窒素および水分を吸着し、減圧空気に対しては吸着している窒素および水分を脱着する性質を有する吸着剤である。第１および第２のシーブベッド１１０、１１１は、コンプレッサ１０４と通じているとき、コンプレッサ１０４から送られてきた圧縮空気から高濃度酸素を分離して後段の製品タンク１１２に送る。そして、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１は、消音器１１５と通じているとき、圧縮空気から吸着した窒素および水分を多く含む窒素富化空気を消音器１１５に送る。

第１および第２のシーブベッド１１０、１１１から放出される高濃度酸素の酸素濃度は、吸脱着の繰り返し回数や吸脱着時間等を変更することにより、例えば４０％〜９０％程度の範囲で調整することができる。なお、ゼオライトは窒素のみならず水分をも吸着するので、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１から放出される高濃度酸素は極めて乾燥している（例えば、湿度０.１％〜０.２％）。第１および第２のシーブベッド１１０、１１１に充填されるゼオライトは、結晶中に微細孔を持つアルミノ珪酸塩（例えば、アルカリ土類金属を含む結晶性含水アルミノ珪酸塩）からなる多孔質材料であり、市販されている各種のゼオライトを使用することができる。

製品タンク１１２は、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１に、マニホールド１０８が接続する側とは反対側の部分で接続されており、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１により圧縮空気から分離して得られた高濃度酸素を収容する。製品タンク１１２は、例えば、一端が第１のシーブベッド１１０に、他端がシーブベッド１１１にそれぞれ連結された、コの字形状を有している。均圧弁１１３は、製品タンク１１２の両端部分の圧力をこれらが同一となるように調整する。パージオリフィス１１４は、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１の脱着の際の二次浄化を行うために、製品タンク１１２の両端部分の間で高濃度酸素を通過させる。

消音器１１５は、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１からマニホールド１０８を介して送られてきた窒素富化空気を内部に導入可能な筒体であり、筒体内部に送られてきた窒素富化空気を窒素富化空気排出口１１５Ａから排出する。筒体内部には、窒素富化空気排出時の騒音を低減するための手段（図示せず）が設けられている。

圧力センサ１１６は、製品タンク１１２からレギュレータ１１７に送られる高濃度酸素の圧力を検出する。レギュレータ１１７は、圧力センサ１１６の検出結果と予め設定された圧力とを比較してこれらが同一の値となるように、高濃度酸素の圧力のフィードバック制御を行う。

止め弁１１８は、閉鎖することにより、レギュレータ１１７から圧力調整されて送られる高濃度酸素の流れを止める。止め弁１１８は、例えば、高濃度酸素の供給を停止する操作が行われたとき、あるいは酸素濃縮器１０への電源供給が停止されたときに閉鎖して、機器内に残留した高濃度酸素の流出を止める。

酸素センサ１１９は、止め弁１１８からバクテリアフィルタ１２０に送られる高濃度酸素の酸素濃度を検出する。バクテリアフィルタ１２０は、細菌類を捕集することにより、流路を流れる高濃度酸素を除菌する。流量制限オリフィス１２１は、バクテリアフィルタ１２０を通って送られる高濃度酸素の流路を絞ることにより、高濃度酸素の流量を制限する。流量制限オリフィス１２１の絞り具合は、筐体１００に設けられた、例えばボタンやつまみを有する操作部（図示せず）の操作内容と連動して調整される。

圧力センサ１２２は、流量制限オリフィス１２１から流量センサ１２３に送られる高濃度酸素の圧力を検出する。流量センサ１２３は、流量制限オリフィス１２１を通って送られる高濃度酸素の流量を検出する。圧力センサ１２２で検出された高濃度酸素の圧力および流量センサ１２３で検出された高濃度酸素の流量を継続的にメモリ（図示せず）に記憶することによって、予めなされた設定の通りに高濃度酸素が処理されているか否かをモニタリングすることができる。

チューブ１２４は、高濃度酸素の流路を形成し、高濃度酸素を酸素出口１２５まで供給する。チューブ１２４の一部分は、加湿チューブ１２４Ａにより構成されている。加湿チューブ１２４Ａは、中空糸膜等のような水分透過膜からなるものであり、外表面上の気体から水分を取り込み、内部を流れる高濃度酸素に水分を与える。なお、本実施の形態では加湿チューブ１２４Ａを一本だけ用いているが、複数本の加湿チューブ１２４Ａを用いてもよい。

酸素出口１２５は、チューブ１２４から送られてきた高濃度酸素を、患者に供給するために排気する。酸素出口１２５には、酸素マスクや鼻腔カニューラが設けられたチューブ（図示せず）が接続され、このチューブを通じて高濃度酸素が患者に供給される。

送風手段としてのブロワ１２６Ａ、１２６Ｂは、駆動時に発熱するコンプレッサ１０４やコンプレッサ１０４の後段に設けられている冷却パイプ１０５を冷却するために設けられる。ブロワ１２６Ａ、１２６Ｂは、筐体１００内の空気を吸込部１３０Ａ、１３０Ｂから吸い込んで、吸い込んだ空気を圧縮して吐出部１３１Ａ、１３１Ｂから吐出することにより、送風を行う。なお、本実施の形態では二つのブロワ１２６Ａ、１２６Ｂを用いているが、使用するブロワの個数は一つであっても三つ以上であってもよい。

ブロワ１２６Ａ、１２６Ｂが送風を行うとき、筐体１００内にはコンプレッサ１０４等の冷却風の流れが発生する。すなわち、筐体１００外の空気が開口部１２７から筐体１００内に導入され（矢印ａ参照）、導入された空気が吸込部１３０Ａ、１３０Ｂから吸い込まれ（矢印ｂ参照）、吸い込まれた空気が吐出部１３１Ａ、１３１Ｂから吐出され（矢印ｃ参照）、吐出された空気がコンプレッサ１０４や冷却パイプ１０５に送られ（矢印ｄ参照）、コンプレッサ１０４や冷却パイプ１０５を通過した空気が開口部１２８に送られ（矢印ｅ参照）、開口部１２８から筐体１００外に排気される。

なお、ここでは図示されていないが、筐体１００内には、コンプレッサ１０４等の各部の収容室を形成する隔壁や、冷却風が冷却不要の空間に回り込むのを防ぐために冷却風の風路の範囲を制限する隔壁が、適宜設けられている。これにより、効率的に且つ局所的にコンプレッサ１０４等の冷却を行うことができる。

ここで、加湿チューブ１２４Ａは、冷却風の流れにおいてブロワ１２６Ａ、１２６Ｂよりも上流側に配設されている。このため、開口部１２８から筐体１００内に導入された後であって吸込部１３０Ａ、１３０Ｂから吸い込まれる前の空気が、加湿チューブ１２４Ａに当てられる。これにより、加湿チューブ１２４Ａ内を流れる高濃度酸素に与えられる水分は、コンプレッサ１０４等の冷却風から採取されるため、高濃度酸素を加湿するために別途ファン等の送風手段を設ける必要がない。

このように、加湿チューブ１２４Ａに向けて送風する送風手段を別途用いることなく、加湿チューブ１２４Ａに風を当てて高濃度酸素を加湿することができるため、部品点数の増加および騒音の増大を伴うことなく、高濃度酸素の加湿を行うことができる。

また、加湿チューブ１２４Ａには、吐出部１３１Ａ、１３１Ｂから吐出された後の比較的高圧の空気ではなく、吸込部１３０Ａ、１３０Ｂから吸い込まれる前の比較的低圧の空気が当てられる。このため、加湿チューブ１２４Ａに掛かる圧力が軽度となり、加湿チューブ１２４Ａの劣化を軽減することができる。

また、加湿チューブ１２４Ａを、吸込部１３０Ａ、１３０Ｂの近傍または開口部１２７の近傍に配設する場合には、隔壁の配置にかかわらずに空気の流れが吸込部１３０Ａ、１３０Ｂや開口部１２７に集中するため、冷却風をより効率的に加湿チューブ１２４Ａに当てることができる。

また、筐体１００外から筐体１００内に空気を導入する開口部１２７にはフィルタ１２９が設けられているため、開口部１２７を介して筐体１００外から筐体１００内に導入される空気からゴミや埃等の空中浮遊粒子が除去される。これにより、清浄化された空気を加湿チューブ１２４Ａに接触させることができ、衛生的に高濃度酸素を加湿することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明した。なお、以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されない。つまり、上記装置の構成および使用時の動作についての説明は一例であり、本発明の範囲においてこれらの例に対する様々な変更や追加が可能であることは明らかである。

本発明の一実施の形態に係る酸素濃縮器の構成を概略的に示す図

符号の説明

１０ 酸素濃縮器
１００ 筐体
１０１ 風路ケース
１０２ ヘパフィルタ
１０３ 吸気タンク
１０４ コンプレッサ
１０５ 冷却パイプ
１０８ マニホールド
１０９Ａ 第１の切替弁
１０９Ｂ 第２の切替弁
１１０ 第１のシーブベッド
１１１ 第２のシーブベッド
１１２ 製品タンク
１１３ 均圧弁
１１４ パージオリフィス
１１５ 消音器
１１６ 圧力センサ
１１７ レギュレータ
１１８ 止め弁
１１９ 酸素センサ
１２０ バクテリアフィルタ
１２１ 流量制限オリフィス
１２２圧力センサ
１２３ 流量センサ
１２４ チューブ
１２４Ａ 加湿チューブ
１２５ 酸素出口
１２６Ａ、１２６Ｂ ブロワ
１２７、１２８ 開口部
１２９ フィルタ
１３０Ａ、１３０Ｂ 吸込部
１３１Ａ、１３１Ｂ 吐出部

Claims (4)

1. 患者に高濃度酸素を供給する酸素濃縮器において、
   高濃度酸素の原料空気を圧縮する圧縮手段と、
   圧縮した原料空気から高濃度酸素を生成する生成手段と、
   生成した高濃度酸素の流路が内部に形成され、前記内部を流れる高濃度酸素を加湿する加湿チューブと、
   送風手段と、
   前記圧縮手段と前記生成手段と前記加湿チューブと前記送風手段とを収容する筐体と、
   前記筐体に形成され、前記送風手段による送風が行われるときに前記筐体外の空気を前記筐体内に導入する開口部と、
   を有し、
   前記圧縮手段は、前記送風手段によって発生する風の流れにおいて前記送風手段の下流側に配置され、
   前記加湿チューブは、前記送風手段によって発生する風の流れにおいて前記送風手段の上流側であり、かつ、前記開口部から前記送風手段へと流れる風の経路上に配置されている、
   酸素濃縮器。
2. 前記加湿チューブは、前記開口部の近傍に配設されている、請求項１記載の酸素濃縮器。
3. 前記加湿チューブは、前記送風手段の空気吸込部の近傍に配設されている、請求項１記載の酸素濃縮器。
4. 前記開口部を覆い、前記開口部から導入される空気を清浄化する清浄化手段をさらに有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。

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