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WO2005018789A2 - 酸素濃縮装置 - Google Patents

酸素濃縮装置 Download PDF

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WO2005018789A2
WO2005018789A2 PCT/JP2004/012694 JP2004012694W WO2005018789A2 WO 2005018789 A2 WO2005018789 A2 WO 2005018789A2 JP 2004012694 W JP2004012694 W JP 2004012694W WO 2005018789 A2 WO2005018789 A2 WO 2005018789A2
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WO
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oxygen
flow rate
gas
valve
conduit
Prior art date
Application number
PCT/JP2004/012694
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English (en)
French (fr)
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WO2005018789A3 (ja
Inventor
Hideo Nawata
Naotoshi Fujimoto
Kanji Kurome
Sadakazu Matsubara
Original Assignee
Teijin Pharma Limited
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Publication date
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Priority claimed from JP2003309861A external-priority patent/JP4381751B2/ja
Priority to CA2536888A priority Critical patent/CA2536888C/en
Priority to US10/569,463 priority patent/US7682428B2/en
Priority to KR1020067003783A priority patent/KR101118944B1/ko
Priority to CN2004800297915A priority patent/CN1867373B/zh
Application filed by Teijin Pharma Limited filed Critical Teijin Pharma Limited
Priority to EP04772650.0A priority patent/EP1661596B1/en
Priority to AU2004266540A priority patent/AU2004266540B9/en
Priority to ES04772650.0T priority patent/ES2574778T3/es
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Publication of WO2005018789A3 publication Critical patent/WO2005018789A3/ja
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    • G01N29/326—Arrangements for suppressing undesired influences, e.g. temperature or pressure variations, compensating for signal noise compensating for temperature variations

Definitions

  • the present invention relates to a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator using an adsorbent that preferentially adsorbs nitrogen rather than oxygen, and in particular, oxygen inhalation therapy, which is one treatment for respiratory diseases. It relates to medical oxygen concentrators used in. Field background technology
  • oxygen inhalation therapy in which a patient inhales oxygen-enriched gas or oxygen-enriched air.
  • an oxygen source in this specification
  • an oxygen concentrator liquid oxygen, an oxygen-enriched gas cylinder, and the like are known.
  • Oxygen concentrators are mainly used in home oxygen therapy because of their ease of use and ease of maintenance.
  • a membrane oxygen concentrator using a membrane that selectively transmits oxygen is also known.However, since the obtained oxygen concentration is high, an adsorbent that preferentially adsorbs nitrogen is used. The pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator used is often used.
  • oxygen-enriched gas generated by the oxygen concentrator There are two ways to supply oxygen-enriched gas generated by the oxygen concentrator: a continuous supply of a constant flow of oxygen-enriched gas, and oxygen enrichment only in the inspiratory phase or a part of the inspiratory phase in synchronization with patient respiration Methods for supplying gas are known.
  • a flow controller is provided in the oxygen concentrator to supply a prescribed, prescribed flow of oxygen enriched gas to the patient.
  • This flow controller includes an orifice type flow controller, a flow controller using a needle valve, and a feedback type flow controller using a flow sensor.
  • the orifice type flow controller has a plurality of orifices having different diameters, and by selecting one of the plurality of orifices, the orifice-type flow controller can be operated under a pressure condition upstream of the orifice. The desired flow rate is obtained.
  • the feedback type flow controller controls the opening degree of the automatic throttle valve based on the value measured by the flow sensor.
  • Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 61-1-3756 and 6-218185 describe that oxygen-enriched gas is contained only in the inspiratory phase or a part of the inspiratory phase in synchronization with the patient's breathing. And a pressure fluctuation adsorption-type oxygen concentrator that realizes the respiratory-synchronous intermittent oxygen-concentrated gas supply method.
  • biston is used as a flow regulator used in the above-described continuous or respiratory-gated intermittent oxygen supply method.
  • a mechanical pressure regulating valve having a panel.
  • JP-A-2000-3502, JP-A-2002-121010, and Kaipei 7 — 1 3 6 2 7 2 Publication and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-450 5 2 4 publications describe a battery that expands the patient's range of action and contributes to the improvement of quality of life (QOL).
  • QOL quality of life
  • the oxygen-enriched gas when supplying oxygen-enriched gas to a patient using an oxygen concentrator, the oxygen-enriched gas cannot be used due to deterioration of the adsorbent or failure of the concentrator itself. It is possible that the oxygen concentration of the source changes. For patients, if the oxygen concentration of the oxygen-enriched gas decreases, a sufficient therapeutic effect cannot be obtained, so it is desirable to provide an oxygen concentration sensor for measuring the oxygen-enriched gas concentration in the oxygen concentrator.
  • a zirconia-type oxygen concentration meter As an oxygen concentration sensor for measuring the oxygen concentration of the oxygen-enriched gas, a zirconia-type oxygen concentration meter is generally used, but Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-214014 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-135601 discloses an ultrasonic gas concentration and flow rate measuring device.
  • Two ultrasonic transducers capable of transmitting and receiving ultrasonic waves are placed facing each other in a pipe through which product gas flows, and ultrasonic transmission and reception are performed in the forward direction with respect to the gas flow.
  • the sound velocity observed at that time can be expressed by the following equation (1), where C is the sound velocity in the stationary gas, and V is the flow velocity of the gas in the pipe.
  • Vj C + V Formula (1) Subsequently, the acoustic velocity V 2 which is observed if carrying out the ultrasonic wave transmission and reception in the opposite direction to the flow of gas can be expressed by the following equation (2).
  • Equation (3) can be used to calculate only the speed of sound C in stationary gas.
  • M k RT / C 2 Equation (5) That is, for example, if the gas to be measured is a two-component gas of oxygen and nitrogen, and the oxygen concentration is x and the nitrogen concentration is 1 to 1, then the molecular weight of oxygen is 3
  • the gas velocity V can be obtained by the following equation (7) even if the sound velocity C in the stationary gas is unknown.
  • V (V : -V 2 ) / 2 Equation (7) Then, if the gas flow velocity V can be obtained, it is easy to calculate the gas flow rate by multiplying by the internal area of the pipe through which the gas flows. Is
  • the mechanical pressure regulating valve used in conventional oxygen concentrators is mainly composed of pistons, springs, and nozzles. Due to the structure of the above, a predetermined size is required for expressing the function.
  • the housing is made of brass or aluminum, but there is a limit to the weight reduction of the equipment. Therefore, such a mechanical pressure regulating valve is desirably omitted in order to realize a small and light oxygen supply device. However, the pressure must be adjusted to provide a stable supply of oxygen-enriched gas to the patient.
  • the pressure to be mechanically regulated is determined by the size of the piston and the resilience characteristics of the panel, so that the optimal pressure when the supply oxygen flow rate is maximum is adjusted to the optimal pressure.
  • the size of the filter and the resilience characteristics of the panel must be matched, and when operating at a lower oxygen flow rate, the power consumption becomes unnecessarily high.
  • the primary pressure of the pressure regulating valve that is, the pressure on the outlet side of the adsorption cylinder of the pressure-variable adsorption-type oxygen concentrator, must be set higher. There is a problem that the power consumption becomes higher.
  • the oxygen flow rate is controlled by the opening time of the solenoid valve, but when the supply flow rate is small, the opening time of the solenoid valve becomes very short, and especially, However, depending on the pressure on the upstream side of the solenoid valve, the time required to flow the desired flow rate may be as long as the response time of the solenoid valve, and good control may not be achieved.
  • the present invention solves such a problem, and the pressure of the gas discharged from the adsorption column of the pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator can be adjusted without using a mechanical pressure regulating valve, and the set pressure can also be changed.
  • An object of the present invention is to provide an oxygen concentrator equipped with a possible pressure regulating mechanism. .
  • a further object of the present invention is to provide a respiratory-synchronous gas supply device equipped with an ultrasonic gas concentration / flow rate measuring means capable of accurately measuring the oxygen concentration of a product gas.
  • the hollow member having the first and second ports comprises at least one adsorption cylinder filled with an adsorbent for selectively adsorbing nitrogen rather than oxygen.
  • Pressurized air supply means connected to the first port of the adsorption cylinder to supply pressurized air to the adsorption cylinder; connected to the first port of the adsorption cylinder to enable exhaust from the adsorption cylinder Exhaust means, switching means for selectively communicating the pressurized air supply means and the exhaust means with the first port, and supplying pressurized air from the pressurized air supply means to the adsorption column.
  • Pressure fluctuation adsorption type that generates oxygen-enriched gas by repeating And iodine concentrated hand stage, A conduit at an end communicating with a second port of the oxygen concentrating means and leading the oxygen-enriched gas generated by the oxygen concentrating means from the second port to a user;
  • An oxygen concentrator comprising: a flow rate adjusting means provided in the conduit for adjusting a flow rate of the oxygen enriched gas generated by the oxygen enriching means;
  • Pressure measuring means disposed in the conduit between the oxygen concentrating means and the flow rate adjusting means;
  • At least switching means for the oxygen concentrating means and control means for controlling the flow rate adjusting means are provided.
  • the control means controls the switching means on the basis of the pressure of the oxygen-enriched gas in the conduit measured by the pressure measurement means, thereby controlling the adsorption step and the regeneration step of the oxygen-enrichment means.
  • An oxygen concentrator is provided, wherein the cycle is adjusted to control the pressure upstream of the flow rate adjusting means.
  • the present invention it is possible to regulate the pressure on the upstream side of the flow control means without using a mechanical pressure regulating valve, and it is possible to reduce the size and weight of the entire apparatus. Further, unlike the conventional mechanical pressure regulating valve, it is possible to change the pressure of the pressure regulation, and it is possible to control the pressure to the optimum pressure for each set flow rate. In a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator, the lower the oxygen supply pressure, the lower the power consumption, so that the power consumption can be reduced. In addition, when a battery is used to make an oxygen concentrator portable, it is possible to reduce power consumption and extend the usable time of the oxygen concentrator, or to reduce the size and weight of the device. It becomes possible.
  • a pressure reducing valve is not required, and it is possible to control the pressure to an optimum pressure for each set flow rate. Upstream of the automatic on-off valve means The controllability can be improved by lowering the pressure and making the valve opening time width longer than the response time of the automatic opening and closing valve means.
  • a means for detecting a user's breath a product gas flow path opening / closing valve having a function of starting and stopping a product gas output in synchronization with the user's breath based on the detection result.
  • Ultrasonic gas concentration and flow rate measuring means having two ultrasonic oscillators arranged facing each other in a pipe through which product gas flows,
  • a gas supply device is provided, wherein the measured concentration value in a state where the product gas output is stopped is used as the product gas concentration.
  • the ultrasonic gas concentration flow rate measurement can be performed even in the breath synchronization type gas supply device. It becomes possible to measure the oxygen concentration of the product gas accurately by means.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a two-cylinder oxygen concentrator.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a multi-cylinder oxygen concentrator.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example (continuous type) of the flow rate control unit.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a flow control unit (respiratory-synchronous type).
  • FIG. 6 is a schematic diagram of another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the flow control unit (respiratory synchronization / continuous switching).
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the flow control unit (respiratory synchronization / continuous switching).
  • FIG. 9 is a schematic diagram of the oxygen concentrator used in the experiment.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a respiratory-gated gas supply device.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram of an ultrasonic gas concentration flow rate measuring means. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • an oxygen concentrating apparatus 100 includes a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrating unit 110, a pressure sensor 122, an oxygen concentration sensor 124, a flow rate control. Unit 140, a flow rate setting unit 160, an oxygen concentrating unit 110, and a control unit 150 for controlling the operation of the flow adjusting unit 140 as main constituent elements.
  • a pressure sensor 122, an oxygen concentration sensor 124, and a flow control unit 140 are arranged along a conduit 130.
  • a buffer tank 120 for temporarily storing the oxygen-enriched gas generated in the oxygen enrichment unit 110 may be provided between the oxygen enrichment unit 110 and the flow control unit 140 along the conduit 130. .
  • the use of the buffer tank 120 reduces the maximum oxygen-enriched gas generation amount in the oxygen concentrator 110. It is possible to do that.
  • the oxygen-enriched gas generated in the oxygen enrichment section 110 passes through the buffer tank 120, the pressure sensor 122, the oxygen concentration sensor 124, and the flow control section 140 along the conduit 130. Guided to the patient's nostrils via the nasal nerve NP.
  • the oxygen concentration sensor 124 can be a semiconductor sensor including a semiconductor whose resistance value changes depending on the concentration of the oxygen-enriched gas. Based on the measured value of the oxygen concentration sensor 124, the rotational speed of the compressor of the oxygen concentrator 110 can be adjusted to control the oxygen concentration of the oxygen-enriched gas.
  • the oxygen concentrating unit 110 includes an adsorption column filled with an adsorbent for selectively adsorbing nitrogen, and a compressor for supplying compressed air to the adsorption column. (2) an adsorption step of introducing compressed air into the adsorption cylinder to adsorb nitrogen in a pressurized state to obtain an oxygen-enriched gas; and (2) reducing the internal pressure of the adsorption cylinder to reduce nitrogen. Oxygen is concentrated by alternately performing a regeneration step of separating the adsorbent and regenerating the adsorbent.
  • the oxygen concentrating unit 110 can use a pressure fluctuation adsorption type, a vacuum pressure fluctuation adsorption type, or a pressurized vacuum pressure fluctuation adsorption type device depending on the pressure fluctuation range of the adsorption column.
  • the adsorption cylinder can be provided with a hollow cylinder member made of a material having almost no gas permeability such as a metal, and as the adsorbent, a crystalline zeolite molecular sieve having selective adsorption to nitrogen is used. be able to.
  • a zeolite is preferably a zeolite having a metal element as a cation, and includes, for example, sodium zeolite X and lithium zeolite X.
  • the oxygen concentrating unit 110 can be a single-cylinder type, a two-cylinder type, or a multi-cylinder type having three or more cylinders, depending on the number of adsorption cylinders.
  • Fig. 2 shows an example of a two-cylinder type oxygen concentrating unit.
  • the oxygen concentrating unit 110 is composed of two adsorption cylinders 10, a compressor 12 forming pressurized air supply means, and an exhaust means. , A three-way switching valve 16 and a shutoff valve 18, which form switching means for switching the operation of each adsorption column between the adsorption step and the regeneration step, and connect these elements.
  • a conduit can be provided.
  • the adsorption cylinder 10 has a first port communicating with a compressor 12 as pressurized air supply means and a vacuum pump 14 as exhaust means, and a conduit 13. And a second port communicating with zero.
  • the compressor 12 may be used as the exhaust means.
  • the exhaust means is simply a muffler that releases nitrogen gas into the atmosphere. Is also good.
  • FIG. 3 shows an example of a multi-cylinder oxygen concentrating unit.
  • the oxygen concentrating unit 110 forms a plurality of, in the example of FIG. 3, four adsorption tubes 20 and pressurizing means.
  • the compressor 22 includes a compressor 22, a vacuum pump 24 forming an exhaust unit, and a rotary valve 26 communicating with each of the adsorption cylinders 20.
  • the one-to-one valve 26 forms a switching means, and the operation of the adsorption cylinder 22 is switched between the adsorption step and the regeneration step by the rotation of the rotary valve 26.
  • the adsorption cylinder 20 also has a first port communicating with a compressor 22 as a pressurized air supply means and a vacuum pump 24 as an exhaust means, and a conduit 13. And a second port communicating with zero.
  • the compressor 22 may be used as the exhaust means.
  • the exhaust means may be simply a muffler for releasing nitrogen gas into the atmosphere.
  • the patient or the user can set the output flow rate from the nasal power neule N P by the flow rate setting section 160.
  • the flow rate setting section 160 may include, for example, a rotary switch (not shown) and a potentiometer (not shown) in which a set position and a flow rate correspond to each other. Designate the flow rate of the oxygen-enriched gas output from the nasal nerve NP to the control unit 150.
  • the flow rate set by the flow rate setting device 160 is read by the control section 150.
  • the control unit 150 controls the oxygen concentrating unit 110 and the flow rate adjusting unit 14 so that the flow rate set by the flow rate setting device 160 is output from the nasal power nerve NP. Controls 0.
  • the flow regulating unit 140 includes an automatic throttle valve 30, and a flow sensor 32 disposed downstream of the automatic throttle valve 30.
  • Automatic throttle valve 30 is completely valve A valve body movable between an open position in which the valve is opened and a closed position in which the valve is completely closed; a panel for urging the valve body toward the closed position; and a control unit connected to the controller 150.
  • a solenoid that is capable of infinitely positioning the valve body between the open position and the closed position in proportion to a control current value supplied from the control unit 150 to the solenoid.
  • a Lenoid proportional valve can be used.
  • the flow sensor 32 may include a hot wire flow meter, a differential pressure flow meter, an ultrasonic flow meter, a gear flow meter, or the like connected to the controller 150.
  • the control unit 150 controls the opening degree of the automatic throttle valve 30 by changing the current value supplied to the solenoid based on the flow rate measured by the flow rate sensor 32, whereby:
  • the oxygen-enriched gas at the flow rate set by the flow rate setting device 160 is continuously output from the nasal power-Yure NP.
  • the flow sensor 32 need not always be provided downstream of the automatic throttle valve 30, but may be provided between the oxygen concentrating unit 110 and the automatic throttle valve 30. In short, the flow sensor 32 may be arranged at an appropriate position along the conduit 130 that can accurately measure the flow rate of the oxygen-enriched gas output from the nasal power neuron NP.
  • the pressure sensor 122 is connected to the conduit 130 in the conduit 130. Measure the pressure.
  • the measurement result is sent to the control unit 150, and based on this, the control unit 150 adjusts the cycle of each of the adsorption step and the regeneration step of the adsorption column 20 of the oxygen enrichment unit 110 by adjusting the cycle.
  • the pressure in the conduit is controlled. That is, the pressure of the concentrated oxygen-enriched gas discharged from the pressure-concentration adsorption-type oxygen concentrating unit 110 decreases as the period between the adsorption step and the regeneration step increases, and increases as the period decreases.
  • the pressure in the conduit can be controlled to a predetermined pressure.
  • each adsorbing cylinder 20 is connected to the pressurizing and depressurizing means 22 and 24 by a rotary valve 26, the pressure sensor 1
  • the controller 150 can control the pressure in the conduit by adjusting the rotation speed of the rotary valve based on the pressure information measured in 22.
  • the pressure information measured by the pressure sensor 122 and sent to the control unit 150 is preferably subjected to a moving average process in the control unit 150.
  • the cycle of the adsorption step and the regeneration step of the oxygen concentrating unit 110 may be adjusted so that the pressure value after the moving average processing becomes the target pressure value. Since the pressure of the oxygen-enriched gas discharged from the adsorption column in a pressure-fluctuation adsorption type fluctuates according to the cycle of the adsorption process and the regeneration process, a more stable pipe pressure can be obtained by performing moving average processing. Can be controlled.
  • the moving component can be eliminated by moving average processing. If the buffer tank 120 is small, the influence of the pressure fluctuation is large and it is difficult to control the pressure stably. However, by performing the moving average processing to eliminate the fluctuation component, the stable control becomes possible. This eliminates the need to increase the buffer tank 120 to suppress pressure fluctuations, which is advantageous in terms of miniaturization.
  • the load on the pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator 110 can be reduced.
  • the outputs of the pressurizing and depressurizing means are determined accordingly. This output value can be obtained in advance, and the output of each of the pressurizing and depressurizing means is controlled by the control unit 150 in accordance with the setting of the flow rate setting unit 160. The higher the flow rate of oxygen-enriched gas, or the higher the concentration of oxygen-enriched gas, the higher the output of the pressurizing and depressurizing means. Become.
  • the flow control unit 150 includes an automatic opening / closing valve 40 and a pressure sensor 42 disposed downstream of the automatic opening / closing valve 40 and serving as a patient respiratory phase detecting means.
  • oxygen-enriched gas is supplied only to the inspiratory phase or a part of the inspiratory phase.
  • the automatic opening / closing valve 40 includes a valve body that can be selectively moved between an open position where the valve is completely opened and a closed position where the valve is completely closed, and a valve body that faces the valve body toward the closed position.
  • a solenoid connected to the control unit 150. When a current is supplied from the control unit 150 to the solenoid, the valve moves to the open position.
  • a semiconductor type pressure transducer connected to the control unit 150 can be used.
  • expiration flows into the force transducer and the internal pressure rises, and when the user is in the inspiratory phase, the gas in the force transducer flows out and the internal pressure falls. This makes it possible to detect the start of the user's inspiratory phase.
  • the point at which the pressure in the conduit 130 changes from positive pressure to negative pressure based on the output of the pressure sensor 42 is defined as the start of the inspiratory phase, and the oxygen-enriched gas is contained only in the inspiratory phase or a part of the inspiratory phase.
  • the flow rate per minute calculated based on the flow rate set by the flow rate setting section 160 and the start of the inspiratory phase detected by the pressure sensor 42 as the respiratory phase detecting means, becomes constant. With such a time width, the automatic on-off valve 40 is opened for a predetermined time in synchronization with the start of the intake phase.
  • the flow rate per minute is given by the following equation (8).
  • the flow rate Q per minute is given as a set flow rate by the flow rate setting section 160
  • the respiration rate n per minute is the number of past inspiratory phases detected by the pressure sensor 42. It can be calculated from the time width of.
  • the flow rate q supplied by one opening and closing of the solenoid valve is given by the following equation (9).
  • the opening time width of the automatic on-off valve 40 that gives the flow rate q supplied by one opening and closing of the solenoid valve calculated in this manner is determined by the upstream and downstream pressures of the automatic on-off valve 40. Depends on the difference.
  • the nasal neural network NP is connected downstream of the automatic on-off valve 40, it can be considered that the pressure is substantially atmospheric pressure. Therefore, the flow rate q is mainly the upstream of the automatic on-off valve 40.
  • the valve opening time width that gives the desired flow rate q is equal to the set flow rate Q ′ and 1 minute. It is automatically calculated once the respiratory rate n is determined.
  • the point to note here is the opening time of the automatic open / close valve 40
  • the width must be reduced as the pressure on the upstream side of the automatic on-off valve 40 increases, and if the pressure on the upstream side of the automatic on-off valve 40 becomes too high, the width of the automatic on-off valve 40 is controlled. The point is that it may become worse. In such a case, the pressure to be controlled should be set low according to each set flow rate Q '.
  • an appropriate capacity of the buffer tank 120 is selected based on the maximum value of the flow rate q supplied by one opening and closing of the solenoid valve.
  • the oxygen concentrating apparatus 200 includes a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrating unit 210, a pressure sensor 222, an oxygen concentration sensor 222, a flow control unit 240, and a flow setting unit. 260, an oxygen supply method selection unit 270, an oxygen concentrator unit 210, and a control unit 250 that controls the operation of the flow rate control unit 240 as main components
  • the unit 210, the pressure sensor 222, the oxygen concentration sensor 222, and the flow rate adjusting unit 240 are arranged along the conduit 230.
  • a buffer tank 220 for temporarily storing the oxygen-enriched gas generated in the oxygen enrichment unit 210 may be provided between the oxygen enrichment unit 210 and the flow control unit 240 along the conduit 230.
  • the present embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that the oxygen supply method is provided with an oxygen supply method selection section 270 for switching between the continuous supply mode and the synchronous supply mode described above.
  • the configuration is substantially the same as that of the embodiment. Accordingly, in the following description, only differences from the embodiment of FIG. 1 will be described.
  • the oxygen supply method selection unit 270 can include a switch having at least two positions corresponding to the synchronous mode and the continuous mode and connected to the control unit 250, and The user must confirm the position of the switch. Depending on the location, the method of supplying the oxygen-enriched gas can be selected between a synchronous mode in which the gas is supplied intermittently in synchronism with the user's breathing and a continuous mode in which the oxygen is supplied continuously.
  • the flow rate control section 240 has a flow sensor 50, a three-way switching valve 52, an automatic opening / closing valve 54, a pressure sensor 58, and a three-way switching valve 52.
  • a variable orifice provided in the branch line 13 2, which joins the automatic on-off valve 54 and the pressure sensor 58 in the line 230. It has a surface 56.
  • the variable orifice 56 has a plurality of orifices each having a hole diameter that allows a predetermined flow rate to flow through each orifice under an upstream pressure controlled to a certain value.
  • the valve opening calculated based on the information from the flow rate setting unit 260 and the information from the pressure sensor 58 forming the breathing phase detecting means Open / close the automatic open / close valve 54 in the time width.
  • the orifice 33 or the automatic throttle valve means 33 may be configured to supply the flow rate according to the flow rate setting section 260. I can do it. This allows the patient to choose between respiratory-gated intermittent and continuous oxygen delivery.
  • FIG. 8 shows a modification of the embodiment of FIG.
  • the flow rate adjusting unit 240 includes an automatic throttle valve 62, a flow rate sensor 60, and a pressure sensor 64 as a respiratory phase detecting means. If the synchronous mode to supply in synchronization with breathing is selected, the flow setting unit 160 Automatically controls the opening and closing of the automatic throttle valve 62 between fully open and fully closed with the opening time width calculated based on the information and the information from the pressure sensor 64 to supply oxygen in a respiratory-synchronous intermittent manner. When the mode to be supplied is selected, the automatic throttle valve 62 is controlled based on the information of the flow rate setting section 260 and the flow rate sensor 60 to supply a predetermined flow rate.
  • FIG. 9 shows the equipment used for the experiment.
  • the oxygen concentrator 100 has a pressure-variable oxygen concentrator 310, a buffer tank 3
  • Pressure sensor for measuring the pressure of buffer tank
  • the oxygen concentrating unit 310 has four adsorption cylinders 3 12, a compressor 3 14 that can be pressurized and depressurized, and a rotary valve 3 16. Ri oxygen concentrator der, also produces an oxygen concentration 90% of the oxygen enriched gas at 1 0 0 0 cm 3 / mi n, a flow regulator 3 4 0, the flow rate sensor 3 4 2 of ultrasonic, automatic It is equipped with a throttle valve 3 4 4 and a pressure sensor 3 4 6 which forms a respiratory phase detecting means.
  • the automatic throttle valve 344 has a solenoid type proportional valve having a maximum orifice diameter ⁇ ⁇ .7 ⁇ .
  • the pressure sensor 346 was a pressure sensor with a pressure measurement range of ⁇ 75 Pa, and the point at which the output of the pressure sensor 346 changed from positive pressure to negative pressure was set as the start of the intake phase. Further, the output of the pressure sensor 32 2 was subjected to a moving average process for 20 seconds, and the rotation speed of the rotary valve 3 16 was adjusted so that the value became 20 kPa.
  • the oxygen supply method was set to the respiratory synchronization mode by the oxygen supply method selection unit 370, and the set flow rate was set to 30000 cm 3 / min by the flow rate setting unit 360.
  • the oxygen supplied during the expiration time is wasted, it is based on the idea that only the oxygen for the inspiration time is supplied. Since the ratio of inhalation to expiration was 1: 2, the actual supply flow rate was set to 100 cm 3 / min. It should be noted that the ratio of inspiration to expiration of human breathing is not necessarily limited to 1: 2.
  • the capacity of the buffer tank 320 is 250 cm 3 , the orifice ⁇ ⁇ 0.7 mm of the automatic throttle valve means 34 4, and the set flow rate of the mode supplied in synchronization with breathing is 300 cmVmin.
  • the average pressure of the buffer tank 320 may be 2 O kPa in order to supply the required supply amount (a real flow rate of 1000 cm 3 / min). For example, if the set flow rate is set to 50,000 cm 3 / min (effective flow rate: 670 cmVmin), 40 kPa is required as the average pressure of the buffer tank 320.
  • a regression curve derived from data measured in an experiment conducted in advance.
  • Negative pressure was periodically generated at the end of the nasal nerve NP using a negative pressure pump and a solenoid valve that repeatedly opened and closed at a predetermined cycle, resulting in pseudo breathing.
  • the control unit 350 opens and closes the automatic throttle valve means 344 between fully open and fully closed, and Supply.
  • the width of the valve opening time of the automatic throttle valve means 3 4 4 is set at 300 cm 3 / min and the flow per minute calculated from the respiration rate is constant. It is opened and closed with a time width of 3 / min. At this time, when the flow rate per minute supplied to the user was actually measured, it was about 1000 cm 3 / min.
  • the oxygen supply method selection unit 370 was set to a continuous supply mode in which the concentrated oxygen-enriched gas was continuously supplied.
  • the automatic throttle valve means 344 is controlled based on the flow rate value measured by the flow rate sensor 342 so that the set flow rate becomes 3 000 cm 3 / min.
  • the concentrated oxygen-enriched gas is supplied at the flow rate set in the flow rate setting section 360, so that the compressor 314 outputs the output flow rate of 30%. It is controlled to be 0 0 cm 3 / min.
  • the actually measured value of the continuously supplied oxygen flow rate was 300 cm 3 / min.
  • FIG. 10 shows still another embodiment of the present invention.
  • the oxygen concentrator 400 has an oxygen concentrating means 406 for separating oxygen from air, a compressor 404 for supplying air to the oxygen concentrating means 406 as a raw material gas, and an oxygen concentrator.
  • Means 406 Filter for removing dust contained in air supplied to means 406,
  • Gas pressure adjusting means 408 for adjusting pressure of oxygen-enriched gas as product gas,
  • Ultrasonic gas concentration flow measurement Means 4 10 for adjusting pressure of oxygen-enriched gas as product gas
  • Product gas flow opening / closing valve 4 12 Respiratory detection means 4 14 for detecting user's breathing, and electrically connected to control these components Equipped with a main controller 4 16.
  • Fig. 11 shows the schematic configuration of the ultrasonic gas concentration flow rate measuring means 410.
  • Ultrasonic waves can be transmitted and received at both ends of the pipe 4 2 2 which has a circular cross section and forms a straightly extending inspection pipe.
  • Two ultrasonic transducers 420 are provided.
  • the ultrasonic vibrator 420 is disposed facing the inside of the conduit 422 through which the product gas flows.In this embodiment, an ultrasonic vibrator having a center frequency of 40 kHz was used. .
  • Two temperature sensors 424 are arranged near the entrance and exit of the product gas so as not to disturb the gas flow on the ultrasonic propagation path.
  • the two temperature sensors 424 are arranged at the entrance and exit of the pipeline 422 so that the average temperature of the product gas flowing through the pipeline 422 can be measured. If the temperature change of the product gas is not large, only one temperature sensor 4 24 may be used.
  • the respiration detecting means 4 14 preferably comprises a slight differential pressure sensor.
  • the main controller 4 16 When detecting the user's breathing, the main controller 4 16 The start of the intake phase is detected based on the pressure fluctuation output from the differential pressure sensor. The operation of the oxygen concentrator 400 in this embodiment will be described below.
  • the product gas flow path opening / closing valve 412 is closed.p The oxygen concentrator 400 is provided to the user until the user's inhalation is detected.
  • the raw material air is pressurized by the compressor 404 and supplied to the oxygen enrichment means 406, and the oxygen enrichment means 406 is high as the product gas.
  • a concentrated oxygen-enriched gas is generated.
  • the gas pressure adjusting means 408 can maintain the pressure of the product gas at a predetermined pressure upstream of the gas flow path on-off valve 412.
  • the main controller 416 starts the preset product based on the information on the current product gas pressure adjusted by the gas pressure adjusting means 408.
  • the valve opening time required to supply the amount of gas to the user is calculated, and the gas passage opening / closing valve 412 is opened for the opening / closing valve time. Thereafter, the gas passage on-off valve 4 12 is closed, and the above processing is repeated.
  • the oxygen concentrator 400 uses ultrasonic gas concentration / flow rate measuring means 4100 to determine that the product gas has a predetermined oxygen concentration or higher. Since the ultrasonic gas concentration / flow rate measuring means 410 can accurately detect the oxygen concentration while the product gas in the conduit is stationary, the main controller 4 16 A signal to start measurement is sent to the ultrasonic gas concentration / flow rate measuring means 4 10 with 4 1 2 closed. Thereafter, the micro computer 430 in the ultrasonic gas concentration flow rate measuring means 410 sends an ultrasonic transmission signal to the driver 426 and is selected via the transmission / reception switch 434. Ultrasonic transducer 4 2 0 Then, an ultrasonic wave is transmitted.
  • the other ultrasonic transducer 420 receives the transmitted ultrasonic wave, and the received ultrasonic wave is received as an electric signal by the receiver 428 via the transmission / reception switch 434. And sent to the micro computer 430.
  • the micro computer 420 calculates the speed of sound in the product gas from the time of signal transmission and reception.
  • the micro computer 420 exchanges the transmission and reception directions of the ultrasonic wave by the transmission and reception switch 434, and calculates the sound speed in the reverse direction by the above-described method.
  • the calculation of the sound speed is repeatedly performed until the gas flow opening / closing valve 412 is opened by detecting the user's intake air.
  • the microphone computer 430 also detects the product gas temperature by the temperature sensor 424.
  • the main controller 4 16 sends a measurement stop signal to the ultrasonic gas concentration / flow rate measuring means 4 10.
  • the microphone computer 430 receiving the stop signal calculates the oxygen concentration of the product gas from the sound velocity and the product gas temperature detected up to that time, based on the above-mentioned equation (4). More specifically, for example, the oxygen concentration can be calculated by using the method described in Patent Document 4 to Patent Document 5 described above. The calculated oxygen concentration is sent back from the micro computer 430 to the main controller 416.
  • the main controller 4 16 determines that the output of the product gas has stopped, but the ultrasonic gas concentration flow measuring means 4 10 Since the gas flow rate as well as the gas concentration can be measured, the ultrasonic gas concentration / flow rate measuring means 410 can also judge that the product gas is stationary. That is, the ultrasonic gas concentration and flow rate measuring means 410 always repeats transmission and reception of ultrasonic waves, In each case, the gas flow rate is detected, and only when the gas flow rate is determined to be zero, the oxygen concentration of the product gas is calculated and the calculated oxygen concentration is sent to the main controller 4 16. it can.

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Description

酸素濃縮装置 技術分野
本発明は、 酸素よ り も窒素を優先的に吸着する吸着剤を用いた圧 力変動吸着型の酸素濃縮装置に関し、 特に呼吸器系疾患のための 1 つの治療法である酸素吸入療明法で使用する医療用酸素濃縮装置に関 する。 田 背景技術
近年、 喘息、 肺気腫症、 慢性気管支炎等の呼吸器系疾患に苦しむ 患者が増加している。 こ う した呼吸器系疾患の治療法と して最も効 果的なもののひとつに、 酸素濃縮ガスあるいは酸素富化空気を患者 に吸入させる酸素吸入療法がある。 患者に供給する酸素濃縮ガスあ るいは酸素富化空気の供給源 （本明細書では酸素供給源と称する） と して、 酸素濃縮装置、 液体酸素、 酸素濃縮ガスボンベ等が知られ ているが、 使用時の便利さや保守管理の容易さから、 在宅酸素療法 では酸素濃縮装置が主に用いられている。
酸素濃縮装置には、 酸素を選択的に透過する膜を用いた膜式酸素 濃縮装置も知られているが、 得られる酸素濃度が高いこ とから、 窒 素を優先的に吸着する吸着剤を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置 が多く用いられている。
酸素濃縮装置で生成される酸素濃縮ガスの供給方法には、 一定流 量の酸素濃縮ガスを連続的に供給する方法と、 患者の呼吸に同期し て吸気相または吸気相の一部分にのみ酸素濃縮ガスを供給する方法 が知られている。 一定流量の酸素濃縮ガスを連続的に供給する場合、 処方された一 定流量の酸素濃縮ガスを患者に供給するために流量調節器が酸素濃 縮装置に備えられている。 この流量調節器には、 オリ フ ィ ス式流量 調節器、 ニー ドルバルブを用いた流量調節器、 流量センサを用いた フィー ドバック型の流量調節器がある。 オリ フィ ス式流量調節器は 、 径の異なる複数のオリ フィ スを有しており、 該複数のオリ フィ ス の 1つを選択するこ とによ り、 オリ フィス上流側の圧力条件下で所 望の流量を得るよ うになつている。 フィー ドバック型の流量調節器 は、 流量センサによる測定値に基づいて自動絞り弁の開度をフィー ドバック制御するものである。
また、 特開昭 6 1 — 1 3 1 7 5 6号公報、 特公平 3— 2 2 1 8 5 号公報には、 患者の呼吸に同期して吸気相または吸気相の一部分に のみ酸素濃縮ガスを供給する酸素供給方法、 および、 この呼吸同期 間歇式の酸素濃縮ガス供給方法を実現する圧力変動吸着型酸素濃縮 装置が開示されている。
更に、 特開 2 0 0 1 — 1 8 7 1 4 5号公報、 特開 2 0 0 3— 1 4
4 5 4 9号公報、 特開 2 0 0 3— 1 4 4 5 5 0号公報には、 上述し た連続的または呼吸同期間歇的な酸素供給の方法で用いる流量調節 器と してビス トンとパネを有した機械式の調圧弁が開示されている 更に、 特開 2 0 0 0— 3 5 2 4 8 2号公報、 特開 2 0 0 2— 1 2 1 0 1 0号公報、 特開平 7 — 1 3 6 2 7 2号公報、 特開 2 0 0 2— 4 5 4 2 4号公報には、 患者の行動範囲を広げ、 生活の質 （Q O L ) の向上に貢献する、 バッテリ ー駆動による移動型あるいは携帯型 の酸素濃縮装置が開示されている。
また、 酸素濃縮装置によ り濃縮酸素濃縮ガスを患者に供給する場 合には、 吸着剤の劣化や濃縮装置自体の故障等によ り、 酸素濃縮ガ スの酸素濃度が変化してしま う こ とが考えられる。 患者にとって、 酸素濃縮ガスの酸素濃度の低下が発生する と、 十分な治療効果を得 るこ とができないので、 酸素濃縮ガス濃度を測定する酸素濃度セン サを酸素濃縮装置に設けるこ とが望ま しい。
酸素濃縮ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度センサと しては、 ジ ルコニァ式の酸素濃度計が一般的に用いられているが、 特開 2 0 0 2 - 2 1 4 0 1 2号公報および特開 2 0 0 3 — 1 3 5 6 0 1 号公報 には、 超音波式ガス濃度流量測定装置が開示されている。
以下に、 該超音波式ガス濃度流量測定手段によるガス濃度測定の 原理を説明する。
製品ガスの流れる配管中に、 お互いに超音波の送受信のできる超 音波振動子 2つを対向させて配置し、 ガスの流れに対して順方向に 超音波送受信を実施する。 その時に観測される音速 は、 静止ガ ス中の音速を C、 配管中のガスの流速を Vとする と、 は次式 （ 1 ) で表すこ とができる。
Vj = C + V 式 （ 1 ) 続いて、 ガスの流れに対して逆方向に超音波送受信を実施した場 合に観測される音速 V2は、 次式 （ 2 ) で表すこ とができる。
V2 = C - V 式 （ 2 ) 従って、 ガスの流速 Vが不明であっても、 式 （ 1 ) と （ 2 ) を加 算するこ とで流速 Vをキャンセルするこ とが可能となり、 次式 （ 3 ) によつて静止ガス中における音速 Cのみを計算するこ とができる
C = ( V1 + V2) / 2 式 （ 3 ) また、 静止ガス中の音速 Cは、 ガスの温度を T、 ガスの比熱比を k、 気体定数を R、 ガスの平均分子量を Mとする と、 次式 （ 4 ) で 表せるこ とが知られている。 C = J— 式 （4)
V M 式 （ 4 ) において、 k、 Rは定数であり、 式 （ 3 ) にて Cの値を 獲得できているため、 ガスの温度 Tを測定すれば、 式 （ 4 ) は式 （ 5 ) のよ うに変形されてガスの平均分子量 Mを求めるこ とができる
M = k R T / C2 式 （ 5 ) すなわち、 例えば測定されるガスが酸素と窒素の 2成分ガスであ り、 酸素濃度が x、 窒素濃度が 1 一 Xであれば、 酸素の分子量を 3
2、 窒素の分子量を 2 8 とする と、 次式 （ 6 ) の関係を用いて酸素 濃度 X を特定するこ とが可能となる。
3 2 X + 2 8 ( 1 — X ) = M 式 （ 6 ) 更に、 超音波振動子 2つを対向させて配置させた超音波式ガス濃 度流量測定装置における流力測定原理は以下の通りである。
先述の式 （ 1 ) 、 （ 2 ) を用いる と、 静止ガス中の音速 Cが不明 であっても、 次式 （ 7 ) によってガスの流速 Vを求めるこ とができ る。
V = ( V: - V2) / 2 式 （ 7 ) そして、 ガスの流速 Vを求めるこ とができれば、 ガスの流れる配 管の内面積を乗じるこ とで、 ガスの流量を求めるこ とも容易である
発明の開示
酸素吸入療法に用いられる酸素濃縮装置では、 特に携帯型酸素濃 縮装置は小型 · 軽量化が求められており、 可能な限り部品点数が少 ないこ とが望ま しい。 従来の酸素濃縮器で用いられている機械式調 圧弁は、 主にピス ト ン、 バネ、 ノヽウジングから構成されており、 そ の構成上、 機能発現のために所定の大きさが必要である。 またハウ ジングは真鍮やアルミ ニウムで形成されるが、 装置の軽量化には限 界がある。 従って、 かかる機械式調圧弁は酸素供給装置の小型 · 軽 量化実現のためには、 省略されることが望ましい。 しかしながら、 酸素濃縮ガスを安定的に患者に供給するために、 圧力の調整は必要 となる。
また、 圧力変動吸着型酸素濃縮装置では、 酸素濃縮ガス吐出圧力 が低いほう が消費電力は低く なる。 このこ とは、 携帯型酸素濃縮装 置と して用いる場合にはバッテリ 一の低容量化が可能になり装置全 体の小型軽量化につながる。 しかしながら、 機械式調圧弁の場合、 ビス ト ンの大きさ とパネの反発特性によって機械的に調圧される圧 力が決定されるので、 供給酸素流量が最大のときの最適圧力にビス ト ンの大きさ とパネの反発特性を合わさざるを得ず、 それよ り小さ い酸素流量で運転する場合には消費電力が不必要に高く なってしま う。 更には、 流量設定器の上流側を所望圧力に調節するためには調 圧弁の 1 次側圧力、 すなわち圧力変動吸着型酸素濃縮装置の吸着筒 出側の圧力を更に高く 設定しなければならず消費電力が更に高く な つてしま う問題がある。
また、 ユーザの呼吸に同期して酸素を供給する方式をと り、 かつ
、 流量調節手段に電磁弁を用いた場合には、 前記電磁弁を開く時間 によつて酸素流量が制御されるが、 供給流量が少ないときは電磁弁 を開ける時間が非常に短く な り、 特に、 電磁弁上流側の圧力によつ ては所望の流量を流す時間が、 電磁弁の応答時間と同じ程度になつ てしま う場合も生じ、 良好な制御ができない場合もある。
また、 超音波式ガス濃度流量測定手段によるガス濃度および流量 の測定原理から明らかなよ うに、 ガスの流れに対して順方向での音 速 V を計測し、 続いてガスの流れに対して逆方向での音速 v 2を計 測する方法を取る場合、 濃度を求める際に先述の式 （ 3 ) によって ガスの流速 Vをキャンセルするためには、 V i、 V 2それぞれの計測 時のガス流速 Vが一定でなければならない。 しかしながら、 呼吸同 期型の酸素濃縮装置に超音波式ガス濃度流量測定手段を使用する場 合、 酸素濃縮ガスの供給の開始、 停止の間での超音波式ガス濃度測 定手段内を流れる酸素濃縮ガスの流量変化は非常に大き く なるため 、 式 （ 3 ) による音速 Cの測定誤差が非常に大き く なつてしまい、 酸素濃度を正確に測定できないという課題がある。
本発明はかかる問題を解決するものであり、 圧力変動吸着型酸素 濃縮装置の吸着筒よ り吐出される気体の圧力を機械式調圧弁を用い ずに調節するこ とができ、 設定圧力も変更可能な調圧機構を備えた 酸素濃縮装置を提供するこ とを目的とする。 .
更に、 本発明は、 正確な製品ガスの酸素濃度を測定するこ とので きる超音波式ガス濃度流量測定手段を搭載した呼吸同期型気体供給 装置を提供するこ とを目的とする。
本発明によれば、 第 1 と第 2のポー トを有する中空部材ょ り成り 、 酸素よ り も窒素を選択的に吸着する吸着剤を内部に充填した少な く と も一つの吸着筒、 前記吸着筒の第 1 のポー トに接続され前記吸 着筒に加圧空気を供給する加圧空気供給手段、 前記吸着筒の第 1 の ポー トに接続され前記吸着筒からの排気を可能とする排気手段、 前 記加圧空気供給手段と前記排気手段とを前記第 1 のポー トに選択的 に連通させる切換手段を具備し、 前記加圧空気供給手段から加圧空 気を前記吸着筒へ供給して前記空気から窒素を吸着する吸着工程と 、 前記排気手段によ り前記吸着筒を減圧して前記吸着剤に吸着させ た窒素を前記吸着筒から分離して前記吸着剤を再生する再生工程と を繰り返して酸素濃縮ガスを生成する圧力変動吸着型の酸素濃縮手 段と、 —端において前記酸素濃縮手段の第 2のポー トに連通し前記酸素 濃縮手段によ り生成された酸素濃縮ガスを前記第 2 のポー トからュ —ザに導く 導管と、
前記導管に設けられ前記酸素濃縮手段によ り生成した酸素濃縮ガ スの流量を調節する流量調節手段とを具備する酸素濃縮装置におい て、
前記導管において前記酸素濃縮手段と前記流量調節手段との間に 配設された圧力測定手段と、
少なく と も前記酸素濃縮手段の切換手段および前記流量調節手段 を制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、 前記圧力測定手段によ り測定された前記導管中 の前記酸素濃縮ガスの圧力に基づき、 前記切換手段を制御するこ と によ り前記酸素濃縮手段の吸着工程と再生工程の周期を調節し、 前 記流量調節手段の上流側の圧力を制御するこ とを特徴とする酸素濃 縮装置が提供される。
本発明によれば、 機械式調圧弁を用いずに、 流量調節手段上流側 の調圧が可能とな り、 装置全体の小型 · 軽量化が可能となる。 また 、 従来の機械式調圧弁と異なり調圧の圧力を変更するこ とが可能と なり、 設定流量ごとに最適圧力にコ ン ト 口ールするこ とが可能とな る。 圧変動吸着型の酸素濃縮装置では酸素供給圧力が低い方が消費 電力も下がるこ とから、 消費電力低減化が可能となる。 また、 バッ テ リ ーを用いて酸素濃縮装置を携帯可能にする場合、 消費電力を低 減して酸素濃縮装置の利用可能時間を長くするこ とが或いは装置を 小型、 軽量にするこ とが可能となる。
また、 呼吸同期酸素供給方式をとつた場合、 減圧弁が不要とな り 、 設定流量ごとに最適圧力に制御するこ とが可能になるこ とで、 流 量が低い場合は流量調節手段に用いられる 自動開閉弁手段の上流の 圧力を低く して、 開弁時間幅を自動開閉弁手段の応答時間よ り も長 くすることによ り、 制御性を向上することが可能となる。
本発明の他の特徴によれば、 ユーザの呼吸を検出する手段、 検出 結果に基づいてユーザの呼吸に同期して製品ガス出力を開始及び停 止する機能を有する製品ガス流路開閉弁を具備した気体供給装置に おいて、
製品ガスの流れる配管中に、 対向させて配置した 2つの超音波振 動子を具備した超音波式ガス濃度流量測定手段を具備し、
前記製品ガス出力が停止している状態における濃度測定値を製品 ガス濃度とすることを特徴とする気体供給装置が提供される。
本発明によれば、 ユーザの呼吸に同期して製品ガス流量の出力が 停止している間に酸素濃度を測定することによ り、 呼吸同期型気体 供給装置においても超音波式ガス濃度流量測定手段にて正確な製品 ガスの酸素濃度を測定可能となる。 図面の簡単な説明
図 1 は、 本発明の好ましい実施形態の概略図である。
図 2は、 2筒式酸素濃縮器の説明図である。
図 3は、 多筒式酸素濃縮器の説明図である。
図 4は、 流量調節部の一例 （連続式） を示す図である。
図 5は、 流量調節部の一例 （呼吸同期式） を示す図である。
図 6は、 本発明の他の実施形態の概略図である。
図 7は、 流量調節部の一例 （呼吸同期/連続式切り替え） を示す 図である。
図 8は、 流量調節部の一例 （呼吸同期/連続式切り替え） を示す 図である。
図 9は、 実験に用いた酸素濃縮装置の概略図である。 図 1 0は、 呼吸同期型気体供給装置の概略構成図である。
図 1 1 は、 超音波式ガス濃度流量測定手段の概略構成図である。 発明を実施する最良の態様
以下、 図面参照して本発明の好ま しい実施形態を説明する。
図 1 を参照する と、 本発明の好ましい実施形態による酸素濃縮装 置 1 0 0は、 圧力変動吸着型の酸素濃縮部 1 1 0、 圧力センサ 1 2 2、 酸素濃度センサ 1 2 4、 流量調節部 1 4 0、 流量設定部 1 6 0 、 酸素濃縮部 1 1 0および流量調節部 1 4 0の作用を制御する制御 部 1 5 0 を主要な構成要素と して具備し、 酸素濃縮部 1 1 0、 圧力 センサ 1 2 2、 酸素濃度センサ 1 2 4、 流量調節部 1 4 0は、 導管 1 3 0に沿って配設されている。 導管 1 3 0沿いに酸素濃縮部 1 1 0 と流量調節部 1 4 0の間に、 酸素濃縮部 1 1 0で生成された酸素 濃縮ガスを一時貯蔵するバッファータンク 1 2 0 を設けてもよい。 後述するよ うに、 特にユーザの呼吸に同期して呼吸用気体を供給す る場合、 ノ ッファータンク 1 2 0 を用いるこ とによ り、 酸素濃縮部 1 1 0の最大酸素濃縮ガス生成量を低減するこ とが可能となる。 酸 素濃縮部 1 1 0で生成された酸素濃縮ガスは、 導管 1 3 0に沿って バッファタンク 1 2 0、 圧力センサ 1 2 2、 酸素濃度センサ 1 2 4 、 流量調節部 1 4 0 を経て鼻力ニューレ N Pを介して患者の鼻孔に 導かれる。 酸素濃度センサ 1 2 4は、 酸素濃縮ガスの濃度によって 抵抗値の変化する半導体を具備した半導体センサとするこ とができ る。 酸素濃度センサ 1 2 4の測定値に基づき、 酸素濃縮部 1 1 0の コンプレッサーの回転数を調節して酸素濃縮ガスの酸素濃度を制御 するこ と もできる。
酸素濃縮部 1 1 0は、 窒素を選択的に吸着するための吸着剤を充 填した吸着筒と、 該吸着筒に圧縮空気を供給するコンプレッサーと を少なく と も具備し、 )前記吸着筒に圧縮空気を導入して加圧状 態で窒素を吸着させて酸素濃縮ガスを得る吸着工程と、 （2 )吸着筒 の内圧を減少させて窒素を吸着剤から分離して吸着剤の再生を行な う再生工程とを交互に行なう こ とによ り酸素を濃縮する。 酸素濃縮 部 1 1 0は、 吸着筒の圧力変動範囲によって、 加圧変動吸着型、 真 空圧変動吸着型、 加圧真空圧変動吸着型の装置を用いるこ とができ る。
吸着筒は、 金属などのガス透過性のほとんど無い材料で形成され た中空筒部材を具備するこ とができ、 吸着剤は、 窒素に対して選択 的吸着性を有する結晶性ゼォライ トモレキュ ラーシーブを用いるこ とができる。 このよ うなゼォライ トは、 カチオンと して金属元素を 有するゼォライ 卜が好ま しく 、 例えば、 ナ ト リ ウムゼォライ ト X、 リ チウムゼォライ ト X等が含まれる。
酸素濃縮部 1 1 0は、 吸着筒の数によ り一筒式、 二筒式、 三筒以 上の多筒式とするこ とができる。 図 2 には、 二筒式の酸素濃縮部の 一例が示されており、 酸素濃縮部 1 1 0は二本の吸着筒 1 0、 加圧 空気供給手段を形成するコ ンプレッサ 1 2、 排気手段を形成する真 空ポンプ 1 4、 各吸着筒の作用を吸着工程と再生工程との間で切り 換えるための切換手段を形成する三方切換弁 1 6および遮断弁 1 8 、 これら各要素を連結する管路を具備するこ とができる。 三方弁 1 6および遮断弁 1 8の開閉を切り換えるこ とによ り、 吸着筒 1 0の 各々の吸着工程と再生工程が制御される。
図 2から明らかなよ う に、 吸着筒 1 0は加圧空気供給手段と して のコンプレッサ 1 2および排気手段と しての真空ポンプ 1 4に連通 する第 1 のポー ト と、 導管 1 3 0に連通する第 2のポー ト とを有し ている。 なお、 排気手段はコンプレッサ 1 2 を兼用してもよい。 更 に排気手段は、 単に窒素ガスを大気中へ放出するマフラーであって もよい。
図 3には、 多筒式の酸素濃縮部の一例が示されており、 酸素濃縮 部 1 1 0は複数の、 図 3の例では四本の吸着筒 2 0、 加圧手段を形 成するコンプレ ッサ 2 2、 排気手段を形成する真空ポンプ 2 4、 吸 着筒 2 0の各々に連通する ロータ リ ーバルブ 2 6 を具備している。 この場例では、 口一タ リ一バルブ 2 6が切換手段を形成しており、 ロータ リ ーバルブ 2 6の回転によって吸着筒 2 2の各々作用が吸着 工程と再生工程との間で切り換えられる。
図 3から明らかなよ うに、 吸着筒 2 0 もまた加圧空気供給手段と してのコンプレッサ 2 2および排気手段と しての真空ポンプ 2 4に 連通する第 1 のポー ト と、 導管 1 3 0に連通する第 2 のポー ト とを 有している。 なお、 排気手段はコンプレッサ 2 2 を兼用してもよい 。 更に排気手段は、 単に窒素ガスを大気中へ放出するマフラーであ つてもよい。
患者またはユーザは流量設定部 1 6 0によって鼻力ニューレ N P からの出力流量を設定するこ とができる。 流量設定部 1 6 0は、 一 例と して設定位置と流量が対応するよ う にしたロータ リ ースィ ッチ (図示せず） ゃポテンショ メーター （図示せず） を具備するこ とが でき、 鼻力ニューレ N Pから出力される酸素濃縮ガスの流量を制御 部 1 5 0に対して指定する。 流量設定器 1 6 0によ り設定された流 量は制御部 1 5 0によ り読み込まれる。 制御部 1 5 0は、 後述する よ う に、 流量設定器 1 6 0 で設定された流量が鼻力ニューレ N Pか ら出力されるよ う に、 酸素濃縮部 1 1 0および流量調節部 1 4 0 を 制御する。
図 4を参照する と、 本発明の 1つの実施形態において、 流量調節 部 1 4 0は、 自動絞り弁 3 0、 該自動絞り弁 3 0の下流側に配設さ れた流量センサ 3 2 を具備している。 自動絞り弁 3 0は、 完全に弁 が開いた開位置と完全に弁が閉じた閉位置との間で移動可能な弁体 と、 前記弁体を前記閉位置へ向けて付勢するパネと、 制御部 1 5 0 に接続されたソ レノィ ドとを具備し、 制御部 1 5 0から前記ソ レノ ィ ドへ供給される制御電流値に比例させて前記弁体を前記開位置と 閉位置との間で無限に位置決め可能なソ レノィ ド式比例弁とるこ と ができる。 流量センサ 3 2は、 制御部 1 5 0に接続された熱線式流 量計、 差圧式流量計、 超音波式流量計、 歯車式流量計等を具備する こ とができる。
制御部 1 5 0は、 流量センサ 3 2で測定された流量に基づき前記 ソレノィ ドへ供給する電流値を変更するこ とによ り、 自動絞り弁 3 0の開度を制御し、 以て、 流量設定器 1 6 0で設定された流量の酸 素濃縮ガスが、 鼻力 -ユーレ N Pから連続的に出力されるよ う にす る。 なお、 流量センサ 3 2は必ずしも自動絞り弁 3 0の下流に設け る必要はなく 、 酸素濃縮部 1 1 0 と 自動絞り弁 3 0の間に設けても よレ、。 要は、 流量センサ 3 2は、 鼻力ニュー レ N Pから出力される 酸素濃縮ガスの流量を正確に測定可能な導管 1 3 0沿いの適当な位 置に配置されればよい。
酸素濃縮部 1 1 0 によって生成された濃縮酸素濃縮ガスが、 流量 調節部 1 4 0によって所定の一定流量に調節され患者に供給されて いる間、 圧力センサ 1 2 2は導管 1 3 0内の圧力を測定する。 測定 結果は制御部 1 5 0に送られ、 これに基づき制御部 1 5 0が、 酸素 濃縮部 1 1 0の吸着筒 2 0の各々の吸着工程と再生工程の周期を調 節するこ とによって、 導管内の圧力が制御される。 すなわち、 圧力 変動吸着型の酸素濃縮部 1 1 0から吐出される濃縮酸素濃縮ガスの 圧力は、 吸着工程と再生工程の周期を速くすれば低く なり、 遅くす れば高く なる。 従って、 導管内圧力が高く なれば吸着工程と再生ェ 程の周期を速く し、 導管内圧力が低く なれば吸着工程と再生工程の 周期を遅くするこ とによって、 導管内圧力を所定の圧力に制御可能 である。
多筒式の圧力変動吸着型の酸素濃縮手段で、 各吸着筒 2 0 と加圧 及び減圧手段 2 2 、 2 4がロ ータ リ一バルブ 2 6で接続されている 場合は、 圧力センサ 1 2 2で測定した圧力情報にも とづき制御部 1 5 0がロ ータ リ一バルブの回転速度を調節するこ とによって、 導管 内圧力を制御するこ とが出来る。
圧力センサ 1 2 2で測定され制御部 1 5 0に送られた圧力情報は 、 該制御部 1 5 0において移動平均処理するこ とが好ましい。 移動 平均処理後の圧力値を目標圧力値になるよ う酸素濃縮部 1 1 0の吸 着工程と再生工程の周期を調節しても良い。 圧力変動吸着型で吸着 筒から吐出される酸素濃縮ガスの圧力は吸着工程と再生工程の周期 によ り変動しているので、 移動平均処理を行う こ とによって、 よ り 安定的な導管内圧力の制御が可能となる。 移動平均処理によって、 変動成分を消去するこ とができる。 ノ ッファタンク 1 2 0が小さい 場合、 圧力変動の影響が大き く圧力の安定的な制御が困難になるが 、 移動平均処理を施し変動成分を消すこ とによって、 安定的な制御 が可能になる。 バッファタンク 1 2 0 を大きく して圧力変動を抑え る必要が無く なるので小型化の面で有利である。
従って、 各流量設定値に対して適切な最低圧力を選択するこ とに よって、 圧力変動吸着型の酸素濃縮部 1 1 0の負荷を低減可能とな る。 なお、 酸素濃縮部 1 1 0が供給する酸素濃縮ガスの酸素濃度と 供給流量が決定される と、 それに見合った加圧及び減圧手段の出力 が決まる。 この出力値はあらかじめ求めるこ とができ、 加圧及び減 圧手段の各々の出力は、 流量設定部 1 6 0の設定に従い制御部 1 5 0によ り制御される。 酸素濃縮ガスの流量が増えるほど、 または、 酸素濃縮ガスの濃度を高くするほど加圧及び減圧手段の出力を高く なる。
次に図 5 を参照して流量調節部 1 4 0の他の例を説明する。 図 5 の実施形態では、 流量制御部 1 5 0は、 自動開閉弁 4 0、 該自動開 閉弁 4 0の下流側に配設され患者の呼吸位相検知手段と しての圧力 センサ 4 2 を具備して、 吸気相または吸気相の一部分にのみ酸素濃 縮ガスを供給するよ う になっている。 自動開閉弁 4 0は、 完全に弁 が開いた開位置と完全に弁が閉じた閉位置との間で選択的に移動可 能な弁体と、 前記弁体を前記閉位置へ向けて付勢するパネと、 制御 部 1 5 0に接続されたソレノィ ドとを具備し、 制御部 1 5 0から前 記ソ レノィ ドへ電流が供給されと、 前記弁体が前記開位置へ移動す るソ レノイ ド式開閉弁とするこ とができる。 圧力センサ 4 2は、 制 御部 1 5 0に接続された半導体式の圧力 ト ランスデューサ等を用い るこ とができる。 ユーザが呼気位相にある ときは力二ユーラ内に呼 気が流れ込み内部圧力が上昇し、 吸気位相にある ときは力二ユーラ 内の気体が流れ出し内部圧力は下降するので、 その変化を読み取る こ とによ りユーザの吸気相の開始を検知するこ とが可能となる。 圧 力センサ 4 2の出力に基づき導管 1 3 0内の圧力が陽圧から陰圧に 変化するボイ ン トを吸気相の開始と し、 吸気相または吸気相の一部 分にのみ酸素濃縮ガスを供給するこ とによって、 患者の酸素濃縮ガ スの利用効率を高めるこ とが可能となる。
かかる構成における制御の一例と して以下に示す。 流量設定部 1 6 0で設定された流量と呼吸位相検知手段と しての圧力センサ 4 2 で検知された吸気相の開始をも とに演算された、 1 分間あたり の流 量が一定になるよ うな時間幅で、 吸気相の開始に同期して自動開閉 弁 4 0が所定時間開かれる。 ここで、 1 分間あたり の流量は以下の 式 （ 8 ) にて与えられる。
Q = n X q 式 （ 8 ) ここで、
Q ： 1分間あたりの流量 （cm3 /mi n )
n ： 1分間あたりの呼吸数 （1 /m i n )
q ： 1 回の電磁弁の開閉で供給される流量 （cm3 )
従って、 1分間あたりの流量 Qを一定にするには、 1分間あたり の呼吸数 nが増加した時には 1回の電磁弁の開閉で供給される流量 qを小さく し、 1分間あたりの呼吸数 nが減少した時には 1 回の電 磁弁の開閉で供給される流量 qを大きくすればよい。 ここで、 1分 間あたりの流量 Qは流量設定部 1 6 0によって設定流量と して与え られ、 1分間あたりの呼吸数 nは、 圧力センサ 4 2によって検知さ れた過去いくつかの吸気相の時間幅よ り演算することができる。 こ う して、 1 回の電磁弁の開閉で供給される流量 qは、 以下の式 （ 9 ) にて与えられる。
q = Q ' / n 式 （ 9 )
ここで、
Q ' ： 設定流量（cm3 /m in )
である。
一方、 このよ うに演算された 1 回の電磁弁の開閉で供給される流 量 qを与える自動開閉弁 4 0の開弁時間幅は、 自動開閉弁 4 0の上 流側と下流側の圧力差に依存している。 ここで、 自動開閉弁 4 0の 下流には鼻力ニューレ N Pが接続されているので概ね大気圧である と考えることができ、 従って、 該流量 qは、 主と して自動開閉弁 4 0上流の圧力に依存している。 自動開閉弁 4 0上流側の圧力、 つま りバッファタンク 1 2 0の出口側の圧力が一定に制御されていれば 、 所望の流量 qを与える開弁時間幅は、 設定流量 Q ' と 1分間あた りの呼吸数 nが決定されれば自動的に演算される。
ここで注意しなければならないのは、 自動開閉弁 4 0の開弁時間 幅は、 自動開閉弁 4 0の上流側の圧力が高く なる と、 それだけ小さ く しなければならず、 自動開閉弁 4 0の上流側の圧力が高く な りす ぎると、 自動開閉弁 4 0の制御性が悪く なるこ とがある点である。 そのよ うな場合は各設定流量 Q ' に従い制御される圧力を低く設定 しておく。
また、 本実施形態では、 特に、 1 回の電磁弁の開閉で供給される 流量 qの最大値に基づき、 バッファータンク 1 2 0の容量は適切な ものが選択される。
次に、 図 6 を参照して、 本発明の更に他の実施形態を説明する。 図 6に示す実施形態による酸素濃縮装置 2 0 0は、 圧力変動吸着 型の酸素濃縮部 2 1 0、 圧力センサ 2 2 2、 酸素濃度センサ 2 2 4 、 流量調節部 2 4 0、 流量設定部 2 6 0、 酸素供給方法選択部 2 7 0、 酸素濃縮部 2 1 0および流量調節部 2 4 0の作用を制御する制 御部 2 5 0 を主要な構成要素と して具備し、 酸素濃縮部 2 1 0、 圧 力センサ 2 2 2、 酸素濃度センサ 2 2 4、 流量調節部 2 4 0は、 導 管 2 3 0に沿って配設されている。 導管 2 3 0沿いに酸素濃縮部 2 1 0 と流量調節部 2 4 0の間に、 酸素濃縮部 2 1 0で生成された酸 素濃縮ガスを一時貯蔵するバッファータンク 2 2 0 を設けてもよい 本実施形態は、 酸素供給方法について、 上述した連続供給モー ド と同期供給モー ドの間で切換るための酸素供給方法選択部 2 7 0 を 具備している点を除いて、 図 1 の実施形態と概ね同様に構成されて いる。 従って、 以下の説明では、 図 1 の実施形態との差異について のみ説明する。
酸素供給方法選択部 2 7 0は、 同期モー ドおよび連続モー ドに対 応した少なく とも 2つの位置を有し制御部 2 5 0に接続されたスィ ツチを具備するこ とができ、 患者またはユーザは、 該スィ ッチの位 置に従って、 酸素濃縮ガスの供給方法をユーザの呼吸に同期して間 欠的に供給する同期モー ドと、 連続的に供給する連続モー ドとの間 で選択するこ とができる。
一方、 流量調節部 2 4 0は、 一例と して図 7 に示すよ う に、 流量 センサ 5 0、 三方切換弁 5 2、 自動開閉弁 5 4、 圧力センサ 5 8 、 三方切換弁 5 2によ り導管 2 3 0から分岐し、 導管 2 3 0において 自動開閉弁 5 4 と圧力センサ 5 8 との間に合流する分岐管路 1 3 2 、 分岐管路 1 3 2に設けられた可変オリ フィ ス 5 6 を具備している 。 可変オリ フィ ス 5 6は、 ある一定値に制御された上流側圧力のも と、 各オリ フィ スを所定の流量を流すこ と の出来るよ うな穴径を有 した複数のオリ フィ スを円板の同心円状に配置して、 該円板を回転 するこ とによって 1つのオリ フィスが導管と同軸上に配置され、 濃 縮酸素濃縮ガスの流れを制限するよ う に構成するこ とで、 所望の流 量の濃縮酸素濃縮ガスが連続的に患者に供給されるよ う にするこ と が出来る。
呼吸に同期して供給するモー ドが選択された、 場合は流量設定部 2 6 0からの情報と、 呼吸位相検知手段を形成する圧力センサ 5 8 からの情報をもとに演算された開弁時間幅で自動開閉弁 5 4 を開閉 する。 連続的に供給するモー ドが選択された場合にはオリ フィ ス 3 3または自動絞り弁手段 3 3によって流量設定部 2 6 0に応じた流 量が供給されるよ う に構成するこ とが出来る。 これによ り、 患者は 呼吸同期間歇的な酸素供給と連続的な酸素供給の好ましいほう を選 択するこ とが出来る。
図 8に図 7の実施形態の変形例を示す。 図 8の実施形態では、 流 量調節部 2 4 0は、 自動絞り弁 6 2 と、 流量センサ 6 0、 呼吸位相 検知手段と しての圧力センサ 6 4を具備している。 呼吸に同期して 供給する同期モー ドが選択された場合は、 流量設定器 1 6 0からの 情報と、 圧力センサ 6 4からの情報をもとに演算された開弁時間幅 で自動絞り弁 6 2 を全開と全閉の間で開閉制御して呼吸同期間歇式 に酸素を供給し、 連続的に供給するモー ドを選択した場合は、 流量 設定部 2 6 0 と流量センサ 6 0の情報をも とに自動絞り弁 6 2 を制 御して所定の流量を供給する。
図 9 は実験に用いた装置を示している。 図 9 において、 酸素濃縮 装置 1 0 0は、 圧力変動型酸素濃縮部 3 1 0、 バッファータンク 3
2 0、 バッファータンク 3 2 0の圧力を測定するための圧力センサ
3 2 2、 流量調節部 3 4 0、 流量設定部 3 6 0、 酸素供給方法選択 部 3 7 0、 酸素濃縮部 3 1 0および流量調節部 3 4 0の作用を制御 する制御部 3 5 0 を具備している。 酸素濃縮部 3 1 0は、 4本の吸 着筒 3 1 2、 加圧減圧が可能なコンプレッサー 3 1 4、 ロータ リ ー バルブ 3 1 6 を具備し、 4筒式の加圧真空圧変動の酸素濃縮器であ り、 酸素濃度 9 0 %の酸素濃縮ガスを 1 0 0 0 cm3 /mi nで生成する また、 流量調節部 3 4 0は、 超音波式の流量センサ 3 4 2、 自動 絞り弁 3 4 4、 呼吸位相検知手段を形成する圧力センサ 3 4 6 を具 備している。 自動絞り弁 3 4 4は、 最大オリ フィス径 φ ΐ . 7 ππηの ソレノイ ド式比例弁を具備している。 圧力センサ 3 4 6 は、 圧力測 定レンジ ± 7 5 Paの圧力センサを用い、 圧力センサ 3 4 6の出力が 陽圧から陰圧に変化するポイ ン トを吸気相の開始と した。 更に、 圧 力センサ 3 2 2の出力は 2 0秒の移動平均処理を施し、 その値が 2 0 kPaとなるよ う にロータ リ ーバルブ 3 1 6の回転数を調節した。 酸素供給方式選択部 3 7 0によ り酸素供給方法を呼吸同期モー ド に設定し、 流量設定部 3 6 0によ り設定流量を 3 0 0 0 cm3 /m i nと した。 呼気時間に供給した酸素は無駄になるので吸気時間分の酸素 だけ供給する という考え方にもとづき、 更に、 一般的に人の呼吸の 吸気 ： 呼気の比率は 1 ： 2であるこ とから、 実質的な供給流量は 1 0 0 0 cm3/minと した。 なお、 人の呼吸の吸気 ： 呼気の比率は必ず しも 1 ： 2は限られるわけではない。
ノ ッファータンク 3 2 0の容量は 2 5 0 cm3、 自動絞り弁手段 3 4 4のオリ フィ ス φ ΐ . 7 mmであり、 呼吸に同期して供給するモー ドの設定流量 3 0 0 0 cmVmin (実質流量 1 0 0 0 cm3/min) に必要 な供給量を供給するためにはバッファータンク 3 2 0の平均圧力は 2 O kPaでよい。 例えば、 設定流量を 5 0 0 0 cm3/min (実質流量 1 6 7 0 cmVmin) にした場合は、 ノ ッファータンク 3 2 0の平均圧 力と して 4 0 kPaが必要となる。 設定流量と呼吸数から適切な 1 回 弁開弁時間を演算する方法と しては、 今回はあらかじめ行った実験 で測定したデータから導出した回帰曲線を利用した。
陰圧ポンプと、 所定周期で開閉を繰り返す電磁弁とによ り、 鼻力 ニューレ N Pの終端に陰圧を周期的に発生させて擬似的な呼吸と し た。 圧力センサ 3 4 6によ り検知された擬似的な呼吸の吸気相の開 始に同期して、 制御部 3 5 0が自動絞り弁手段 3 4 4を全開と全閉 の間で開閉し酸素を供給する。 自動絞り弁手段 3 4 4の開弁時間の 幅は設定流量 3 0 0 0 cm3 /minと呼吸数 分から演算された 1分間 あたり の流量が一定になるよ うな、 この場合 1 0 0 0 cm3/minにな るよ う な時間幅で開閉される。 このとき、 ユーザに供給される 1分 間あたり の流量を実測したと ころ約 1 0 0 0 cm3 /minであった。
また、 酸素供給方式選択部 3 7 0によ り、 濃縮酸素濃縮ガスを連 続的に供給する連続供給モー ドに設定した。 このとき、 自動絞り弁 手段 3 4 4は流量センサ 3 4 2で測定した流量値を基に、 設定流量 の 3 0 0 0 cm3/minになるよ うに制御される。 ここで、 連続的に酸 素を供給する場合は、 流量設定部 3 6 0で設定された流量で濃縮酸 素濃縮ガスが供給されので、 コンプレッサー 3 1 4は出力流量 3 0 0 0 cm3 /m i nとなるよ うに制御される。 その結果、 連続的に供給さ れた酸素流量の実測値は 3 0 0 0 cm3 /m i nであった。
図 1 0に本発明の更に他の実施形態を示す。
図 1 0において、 酸素濃縮装置 4 0 0は、 空気中から酸素を分離 する酸素濃縮手段 4 0 6、 原料ガスと して空気を酸素濃縮手段 4 0 6に供給するコンプレッサ 4 0 4、 酸素濃縮手段 4 0 6に供給され る空気中に含まれる塵埃を除去するフィルタ 4 0 2、 製品ガスであ る酸素濃縮ガスの圧力を調節するガス圧力調節手段 4 0 8、 超音波 式ガス濃度流量測定手段 4 1 0、 製品ガス流路開閉弁 4 1 2 、 ユー ザの呼吸を検出する呼吸検出手段 4 1 4、 更に、 これら各構成要素 をコン ト 口ールするために電気的に接続されたメイ ンコン ト ローラ 4 1 6 を具備する。
超音波式ガス濃度流量測定手段 4 1 0の概略構成を図 1 1 に示す 円形の断面を有し直線状に延びる検査管路を形成する管路 4 2 2 の両端に超音波の送受信が可能な 2つの超音波振動子 4 2 0が配設 されている。 超音波振動子 4 2 0は、 製品ガスの流れる管路 4 2 2 の中に対向させて配置されており、 本実施例においては、 中心周波 数が 4 0 kHzの超音波振動子を採用した。
超音波伝播経路上のガスの流れを乱すこ とのないよ う に、 製品ガ スの出入り 口付近に 2つの温度センサ 4 2 4が配置されている。 2 つの温度センサ 4 2 4を管路 4 2 2の出入り 口に配置するこ とで、 管路 4 2 2 を流れる製品ガスの平均温度を測定できるよ うにしてい る。 製品ガスの温度変化が大きく ない場合には、 温度センサ 4 2 4 は 1 つでもよい。
呼吸検出手段 4 1 4は、 好ましく は微差圧センサを具備している 。 メイ ンコン ト ローラ 4 1 6は、 ユーザの呼吸を検出する際、 該微 差圧センサの出力する圧力変動によ り吸気相の開始を検出する。 本実施例における酸素濃縮装置 4 0 0の作用を以下に説明する。 ユーザの呼吸を検知していない状態において、 製品ガス流路開閉 弁 4 1 2は閉じられている p 該酸素濃縮装置 4 0 0は、 ユーザの吸 気が検出されるまでの間において、 ユーザに必要な製品ガスを供給 するための準備と して、 コンプレッサ 4 0 4によって原料空気を加 圧して酸素濃縮手段 4 0 6 へ供給する し、 酸素濃縮手段 4 0 6は、 製品ガスと して高濃度酸素濃縮ガスを生成する。 ガス圧力調節手段 4 0 8によって、 ガス流路開閉弁 4 1 2 の上流側で製品ガスの圧力 を所定の圧力に保持できるよ う になつている。
ユーザが呼吸を開始し、 製品ガスの供給を実施する際には、 まず 呼吸検出手段 4 1 4によってユーザの吸気相の開始が検出される。 吸気相の開始が検出される と、 メイ ンコ ン ト ローラ 4 1 6は、 ガス 圧力調節手段 4 0 8によって調節された現在の製品ガスの圧力に関 する情報に基づき、 事前に設定された製品ガスの量をユーザに供給 するために必要な開弁時間を演算し、 該開閉弁時間だけガス流路開 閉弁 4 1 2 を開く。 その後、 ガス流路開閉弁 4 1 2は閉じられ、 上 記処理を繰り返す。
酸素濃縮装置 4 0 0 は、 製品ガスが所定の酸素濃度以上になって いるこ とを判断するため、 超音波式ガス濃度流量測定手段 4 1 0 を 用いる。 該超音波式ガス濃度流量測定手段 4 1 0は、 導管内の製品 ガスが静止している状態で正確な酸素濃度を検出できるため、 メイ ンコ ン ト ローラ 4 1 6は、 ガス流路開閉弁 4 1 2 を閉じている状態 で超音波式ガス濃度流量測定手段 4 1 0に測定開始の信号を送る。 その後、 該超音波式ガス濃度流量測定手段 4 1 0内のマイ ク ロ コ ンピュータ 4 3 0は、 ドライバ 4 2 6に超音波の送信信号を送り、 送受信切り替え器 4 3 4 を介して選択された超音波振動子 4 2 0か ら超音波が送信される。 も う一方の超音波振動子 4 2 0は、 送信さ れた超音波を受信し、 受信された超音波は送受信切り替え器 4 3 4 を介してレシーバ 4 2 8 にて電気信号と して受信され、 マイ ク ロ コ ンピュータ 4 3 0に送られる。 マイ ク ロ コンピュータ 4 2 0は信号 の送受信の時間から製品ガス中の音速を演算する。
続いて、 マイク ロ コンピュータ 4 2 0は、 送受信切り替え器 4 3 4によって超音波の送受信方向を入れ替え、 上述した方法で逆方向 での音速を計算する。 該音速計算は、 ユーザの吸気を検出してガス 流路開閉弁 4 1 2が開かれるまで繰り返し実行される。 複数の演算 結果を加算平均処理するこ とによって、 音速の測定誤差を低減可能 となる。
上記超音波の送受信と同時に、 マイ ク 口 コ ンピュータ 4 3 0は温 度センサ 4 2 4によって製品ガス温度も検出する。 ユーザの吸気が 検出された場合、 メ イ ンコ ン ト ローラ 4 1 6 は、 超音波式ガス濃度 流量測定手段 4 1 0 に測定の停止信号を送る。 該停止信号を受けた マイ ク 口 コンピュータ 4 3 0は、 それまでに検出された音速と製品 ガス温度から、 先述の式 （ 4 ) に基づき、 製品ガスの酸素濃度を計 算する。 更に詳細には、 例えば先述の特許文献 4ゃ特許文献 5 に示 された方法を用いて酸素濃度を計算するこ とができる。 該酸素濃度 計算値は、 マイ ク ロ コ ンピュータ 4 3 0からメイ ンコ ン ト ローラ 4 1 6 に送り返される。
本実施例では、 製品ガスの出力が停止しているこ とは、 メ イ ンコ ン ト ローラ 4 1 6が判断するよ うになっているが、 超音波式ガス濃 度流量測定手段 4 1 0は、 ガス濃度のみならずガス流量も測定可能 であるので、 該超音波式ガス濃度流量測定手段 4 1 0が製品ガスが 静止しているこ とを判断するこ とも可能である。 すなわち、 超音波 式ガス濃度流量測定手段 4 1 0は常に超音波の送受信を繰り返し、 その都度、 ガス流量を検出し、 ガス流量がゼロである と判断できた 場合にのみ製品ガスの酸素濃度を計算し、 メイ ンコン ト ローラ 4 1 6 に計算された酸素濃度を送り 出すこ と もできる。

Claims

1 . 第 1 と第 2 のポー トを有する中空部材よ り成り、 酸素よ り も 窒素を選択的に吸着する吸着剤を内部に充填した少なく とも一つの 吸着筒、 前記吸着筒の第 1 のポー トに接続され前記吸着筒に加圧空 気を供給する加圧空気供給手段、 前記吸着筒の第 1 のポー トに接続 請
され前記吸着筒からの排気を可能とする排気手段、 前記加圧空気供 給手段と前記排気手段とを前記第 1 のポー トに選択的に連通させる 切換手段を具備し、 前記加圧空気の供給手段から加圧空気を前記吸着 筒へ供給して前記空気から窒素を吸着する吸着工程と、 前記排気手 段によ り前記吸着筒を減圧して前記吸着剤に吸着させた窒素を前記 吸着筒から分離して前記吸着剤を再生する再生工程とを繰り返して 濃縮酸素濃縮ガスを生成する圧力変動吸着型の酸素濃縮手段と、 一端において前記酸素濃縮手段の第 2のポー トに連通し前記酸素 濃縮手段によ り生成された酸素濃縮ガスを前記第 2のポー トからュ 一ザに導く導管と、
前記導管に設けられ前記酸素濃縮手段によ り生成した酸素濃縮ガ スの流量を調節する流量調節手段とを具備する酸素濃縮装置におい て、
前記導管において前記酸素濃縮手段と前記流量調節手段との間に 配設された圧力測定手段と、
少なく と も前記酸素濃縮手段の切換手段および前記流量調節手段 を制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、 前記圧力測定手段によ り測定された前記導管中 の前記酸素濃縮ガスの圧力に基づき、 前記切換手段を制御するこ と によ り前記酸素濃縮手段の吸着工程と再生工程の周期を調節し、 前 記流量調節手段の上流側の圧力を制御するこ とを特徴とする酸素濃 縮装置。
2 . 前記酸素濃縮手段は複数の吸着筒を具備し、 前記切換手段が 、 前記複数の吸着筒の各々を前記加圧空気供給手段と前記排気手段 とに選択的に連通させる ロータ リ ーバルブを具備しており、
前記制御手段が、 前記ロータ リ一バルブの回転数を制御するこ と を特徴とする請求項 1記載の酸素濃縮装置。
3 . 前記酸素濃縮装置は、 ユーザへ供給すべき酸素濃縮ガスの流 量を設定するための流量設定手段を具備しており、
前記制御手段が、 前記流量設定手段によ り設定された酸素濃縮ガ スの流量を得るよ う に、 前記切換手段を制御して酸素濃縮手段の吸 着工程と再生工程の周期を調節するこ とを特徴とする請求項 1 また は 2に記載の酸素濃縮装置。
4 . 前記制御手段が、 前記圧力測定手段によ り測定された前記導 管内の酸素濃縮ガスの圧力を時間に関して移動平均処理し、 移動平 均処理された圧力を目標圧力値と して、 前記切換手段を制御して酸 素濃縮手段の吸着工程と再生工程の周期を調節するこ とを特徴とす る請求項 3 に記載の酸素濃縮装置。
5 . 前記流量調節手段が、 前記導管に配設された自動開閉弁と、 前記導管において前記自動開閉弁の下流に配設されユーザの呼吸の 位相を検知する呼吸位相検知手段とを具備し、
前記制御手段が、 前記流量設定手段によ り設定された濃縮酸素濃 縮ガスの流量と、 前記呼吸位相検知手段によ り検知された呼吸位相 に関連した情報とに基づいて、 前記自動開閉弁の開弁時間を演算し 、 前記呼吸位相検知手段によ り検知された吸気相の開始から前記開 弁時間前記自動開閉弁を開く こ とを特徴とする請求項 3または 4に 記載の酸素濃縮装置。
6 . 前記流量調節手段が、 更に、 異なる径の複数のオリ フィ スを 有し前記導管に配設された可変オリ フィ スを具備し、 前記制御手段が、 前記複数のォリ フィ スから 1つのオリ フィ スを 選択して、 前記酸素濃縮ガスが前記流量設定手段によ り設定された 流量を以て前記可変オリ フィ スを通過できるよ うにするこ とを特徴 とする請求項 3 または 4に記載の酸素濃縮装置。
7 . 前記流量調節手段が、 前記導管に配設された比例弁と、 前記 導管において前記自動開閉弁の上流または下流に配設された流量測 定手段とを具備し、
前記制御手段は、 前記流量測定手段による測定値が前記流量設定 手段によ り設定された酸素濃縮ガスの流量に一致するよ う前記比例 弁の弁開度を制御するこ とを特徴と した請求項 3または 4に記載の 酸素濃縮装置。
8 . 前記酸素濃縮装置が、 更に、 酸素濃縮ガスを連続的にユーザ に供給する連続モー ドと、 ユーザの呼吸に同期させて供給する同期 モー ドとを選択する酸素供給方法選択手段を具備し、
前記流量調節手段が、 更に、
前記導管において前記自動開閉弁の上流に配設された三方弁と、 前記三方弁によ り前記導管から分岐し、 前記自動開閉弁の下流に おいて前記導管に合流する分岐管路と、
前記分岐管路に配設され異なる径を有した複数のオリ フィ スを具 備した可変オリ フィ ス とを具備し、
前記制御手段は、 前記同期モー ドが選択された場合は、 前記分岐 管路を前記導管から遮断する と共に、 前記流量設定手段によ り設定 された濃縮酸素濃縮ガスの流量と、 前記呼吸位相検知手段によ り検 知された呼吸位相に関連した情報とに基づいて、 前記自動開閉弁の 開弁時間を演算し、 前記呼吸位相検知手段によ り検知された吸気相 の開始から前記開弁時間前記自動開閉弁を開き、 前記連続モ一 ドが選択された場合は、 前記分岐管路を前記導管に 連通させる と共に、 前記複数のオリ フィスから 1つのオリ フィ スを 選択して、 前記酸素濃縮ガスが前記流量設定手段によ り設定された 流量を以て前記可変オリ フィ スを通過できるよ う にするこ とを特徴 とする請求項 5に記載の酸素濃縮装置。
9 . 前記酸素濃縮装置が、 更に、 酸素濃縮ガスを連続的にユーザ に供給する連続モー ドと、 ユーザの呼吸に同期させて供給する同期 モー ドとを選択する酸素供給方法選択手段を具備し、
前記流量測定手段は、 導管において前記自動開閉弁の下流に配設 されており、
前記流量調節手段が、 更に、
前記導管において前記自動開閉弁の上流に配設された三方弁と、 前記三方弁によ り前記導管から分岐し、 前記自動開閉弁の下流で かつ前記流量測定手段の上流において前記導管に合流する分岐管路 と、
前記分岐管路に配設された比例弁とを具備し、
前記制御手段は、 前記同期モー ドが選択された場合は、 前記分岐 管路を前記導管から遮断する と共に、 前記流量設定手段によ り設定 された濃縮酸素濃縮ガスの流量と、 前記呼吸位相検知手段によ り検 知された呼吸位相に関連した情報とに基づいて、 前記自動開閉弁の 開弁時間を演算し、 前記呼吸位相検知手段によ り検知された吸気相 の開始から前記開弁時間前記自動開閉弁を開き、
前記連続モー ドが選択された場合は、 前記分岐管路を前記導管に 連通させる と共に、 前記流量測定手段による測定値が前記流量設定 手段によ り設定された酸素濃縮ガスの流量に一致するよ う前記比例 弁の弁開度を制御するこ とを特徴とする請求項 5に記載の酸素濃縮 装置。
1 0 . 前記酸素濃縮装置が、 更に、 酸素濃縮ガスを連続的にユー ザに供給する連続モー ドと、 ユーザの呼吸に同期させて供給する同 期モー ドとを選択する酸素供給方法選択手段を具備し、
前記流量調節手段が、 更に、
前記導管に配設された比例弁と、
前記導管において前記比例弁の下流に配設されユーザの呼吸の位 相を検知する呼吸位相検知手段とを具備し、
前記制御手段は、 前記同期モー ドが選択された場合は、 前記流量 設定手段によ り設定された濃縮酸素濃縮ガスの流量と、 前記呼吸位 相検知手段によ り検知された呼吸位相に関連した情報とに基づいて 、 前記自動開閉弁の開弁時間を演算し、 前記呼吸位相検知手段によ り検知された吸気相の開始から前記開弁時間前記自動開閉弁を開き 前記連続モー ドが選択された場合は、 前記流量測定手段による測 定値が前記流量設定手段によ り設定された酸素濃縮ガスの流量に一 致するよ う前記比例弁の弁開度を制御するこ とを特徴とする請求項
5に記載の酸素濃縮装置。
1 1 . 酸素濃縮装置は、 更に、 前記導管において、 前記流量調節 手段の上流または下流に配設された酸素濃度測定手段を具備し、 前記制御手段が、 前記酸素濃度測定手段によ り測定された酸素濃 度が所望の酸素濃度となるよ うに、 前記加圧空気供給手段を制御す るこ とを特徴と した請求項 1 〜 1 0の何れか一項に記載の酸素濃縮 装置。
1 2 . 前記酸素濃度測定手段が、 直線状に延びる検査管路と、 前 記検査管路内に対向配置された 2つの超音波振動子とを具備して、 超音波によ り濃縮酸素ガス中の酸素濃度および流量を測定する超音 波式ガス濃度流量測定装置を具備し、 前記検査管路内の濃縮酸素ガスが静止している間に酸素濃度を測 定するよ う にしたこ とを特徴とする請求項 1 1 に記載の酸素濃縮装 置。
1 3 . 濃縮酸素ガスが静止している状態を、 前記超音波式ガス濃 度流量測定装置によ り測定された流量に基づいて判断するこ とを特 徴とする請求項 1 2に記載の酸素濃縮装置。
1 4 . ユーザの呼吸を検出する手段、 検出結果に基づいてユーザ の呼吸に同期して製品ガス出力を開始及び停止する機能を有する製 品ガス流路開閉弁を具備した気体供給装置において、
製品ガスの流れる配管中に、 対向させて配置した 2 つの超音波振 動子を具備した超音波式ガス濃度流量測定手段を具備し、
前記製品ガス出力が停止している状態における濃度測定値を製品 ガス濃度とするこ とを特徴とする気体供給装置。
1 5 . 製品ガス出力が停止している状態を、 超音波式ガス濃度流 量測定装置自身の測定する流量出力値に基づいて判断するこ とを特 徴とする請求項 1 4に記載の気体供給装置。
1 6 . 製品ガス出力が停止している状態を、 製品ガス出力の開始 及び停止を制御する手段からの情報に基づいて判断するこ とを特徴 とする請求項 1 4に記載の気体供給装置。
1 7 . 前記気体供給装置が、 大気から酸素を分離する酸素濃縮手 段を備え、 製品ガスと して酸素濃縮ガスを供給する装置であるこ と を特徴とする請求項 1 4から 1 6の何れか 1項に記載の気体供給装 置。
1 8 . 前記超音波式ガス濃度流量測定手段が、 前記製品ガス流路 開閉弁の上流側に設置されているこ とを特徴とする請求項 1 3〜 1 7の何れか 1項に記載の気体供給装置。
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