JP4246365B2

JP4246365B2 - 酸素濃縮器及びその制御装置並びに記録媒体

Info

Publication number: JP4246365B2
Application number: JP2000287108A
Authority: JP
Inventors: 秀明八木; 隆仁小島; 純一秋山
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2000-09-21
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: US6837244B2; JP2002085567A; US20020038656A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば空気中から窒素を吸着して除去することにより、高濃度の酸素を患者等に供給することができる酸素濃縮器及びその制御装置並びに記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば空気中から窒素を吸着して除去して酸素濃縮気体を製造することにより、高濃度の酸素を患者に供給することができる医療用酸素濃縮器は、在宅酸素療法などに使用されている。
【０００３】
この種の酸素濃縮器を使用する患者は、元々肺機能が健常人と違って弱いため、酸素濃縮器と一日中一緒に生活を共にしなければならず、そのため、日常的に好適に使用できる酸素濃縮器が望まれている。
ところで、患者の症状が軽い場合には、通常、２Ｌ（リットル）／分以下（以下分を省略することがある）の酸素濃縮気体の流量（以下酸素流量と記すことがある）で足りるが、その症状が重くなった場合には、２Ｌ以上の酸素流量が必要であり、安全を見込んで５〜７Ｌ程度の酸素流量が要求される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、酸素濃縮器の容量を大きくすれば、高流量の酸素濃縮気体の供給が可能であるが、その場合には、酸素濃縮器の装置が大きくなることで、下記(1) 〜 (3)の問題が生ずる。
【０００５】
(1)装置の容積や重さが増加するので、介護者が酸素濃縮器を運んだり、移動する時に大きな負担となる。
例えば、装置を患者宅まで運び設置を行うディーラーまたは介護者は、装置が大きいため、１人では設置の作業が出来ず、相当の負担である。
【０００６】
(2)消費電力の増大によって電気代が多くかかり、コスト的な負担が増加する。
例えば、５〜７Ｌの容量の装置（５〜７Ｌ機）の消費電力（４５０Ｗ）は、従来の２Ｌ機または３Ｌ機の２倍近いものとなる。
(3)騒音が大きくなり、患者の安眠の妨げになる。また、この騒音の対策を施すと、更に装置の容積や重さが増加する。
【０００７】
例えば、作動時の騒音の対策として、吸音材などを配置すると、装置の容積や重量が更に肥大化し、その重量（４５Ｋｇ）は、従来の２Ｌ機または３Ｌ機の２倍近いものとなるが、それにもかかわらず、騒音は依然として大きく、患者にとって安眠できるものでない。
【０００８】
つまり、従来の医療用酸素濃縮器は、通常の酸素濃縮器の延長線であり、例えば５Ｌの酸素を供給するためには、コンプレッサの容量や、窒素を吸着させる吸着材の量を増したり、コンプレッサで圧縮した空気を吸着材に送る制御を行う電磁バルブも流量に合せた口径の大きいものを使用しなければならず、必然的に部品が大型化して、上記(1) 〜 (3)の問題が生じてしまう。
【０００９】
また、上述した酸素濃縮器とは別の技術として、患者が旅行や通院する時に携帯する酸素ボンベに関する技術がある。
これは、酸素ボンベの利用時間を長持ちさせるために、呼吸に同調して酸素を供給する呼吸同調器を併用し、ボンベの酸素消費を抑える技術である。
【００１０】
この呼吸同調器とは、人の吸気と呼気の関係が一般的には１：２の閑係にあることを利用し、センサにより吸気を感知した場合に、酸素ボンベからパルス的に高濃度の酸素を供給するものである。
しかしながら、この技術は、酸素ボンベから高圧の酸素を吸気の開始とともに短時間供給するだけであるので、酸素ボンベの酸素消費量や駆動のための電池の消費量を低減できるという利点はあるものの、通常の呼吸状態とは異なるので、患者にとっては違和感があるという別の問題があった。
【００１１】
更に、近年では、この酸素ボンベにおける呼吸同調の技術を、酸素濃縮器に適用した技術（特開平８−１８７２８９号公報等参照）が提案されているが、上述した装置の大型化に伴う問題点を解消するための効果的な研究は、殆どなされていないのが現状である。
【００１２】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型の装置で高流量の酸素濃縮気体を違和感なく供給できる酸素濃縮器及びその制御装置並びに記録媒体を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、例えば吸気を感知するセンサを酸素濃縮器に配置して、呼吸同調の制御を行うことにより、理論的に酸素濃縮器の連続供給能力の３倍まで酸素濃縮気体を流すことができることを見い出し、本発明を完成した。
【００１４】
例えば毎分２Ｌの酸素濃縮器に呼吸同調機能を付加することにより、理論的には毎分６Ｌまで対応できることになり、装置のコンパクト性、消費電力、騒音等は２Ｌ機のまま利用できることになって、患者及び介護関係者にとって非常に利点が多いものになる。
【００１５】
以下、各請求項毎に説明する。
（１）請求項１の発明は、空気中から酸素を濃縮して酸素濃縮気体とし、呼吸同調機能によって、酸素濃縮気体を使用者の吸気に応じて供給する酸素濃縮器であって、呼吸同調を行わない場合には、酸素濃縮気体を、連続的に供給可能な連続ベース流量以下の第１流量で供給し、呼吸同調を行う場合には、酸素濃縮気体を、連続ベース流量より多い第２流量で、使用者の呼吸サイクルの２５〜４０％に当たる吸気期間に供給する構成を有するとともに、前記連続ベース流量以下の第１流量に設定された場合には、前記酸素濃縮気体を連続して供給し、前記連続ベース流量を超える前記第２流量に設定された場合には、前記呼吸同調による酸素濃縮気体の供給の制御に切り換えるスイッチを備えたことを特徴とする酸素濃縮器を要旨とする。
【００１６】
本発明の酸素濃縮器では、連続的に酸素濃縮気体を供給可能な連続ベース流量（即ち連続して供給できる最大流量である連続供給能力）として、例えば２Ｌ機では毎分２Ｌの連続ベース流量が設定されており、呼吸同調を行わない場合には、その連続ベース流量以下の第１流量の酸素濃縮気体を連続的に供給する。
【００１７】
また、呼吸同調する場合には、連続ベース流量より多い（例えば毎分５Ｌや６Ｌ程度の）高流量の酸素濃縮気体を、使用者（例えば患者）の呼吸サイクルの２５〜４０％（好ましくは呼吸サイクルの１／３）に当たる吸気期間にわたって供給する。従って、呼吸サイクルにおいて、間欠的に酸素濃縮気体を供給することになる。
【００１８】
つまり、呼吸同調する場合には、呼気期間では酸素濃縮気体を使用者に供給する必要がないので、その間に窒素の吸着等により製造された酸素濃縮気体をタンク等に蓄えることができる。従って、吸気期間では、連続供給する酸素濃縮気体だけでなく、呼気期間に蓄えた十分な酸素濃縮気体をも供給できるので、連続ベース流量より多くの酸素濃縮気体を供給することができる。
【００１９】
しかも、本発明では、呼吸同調をしない場合（即ち連続供給する場合）には、連続ベース流量以下の低流量の酸素濃縮気体を供給できれば良いので、例えば２Ｌ機や３Ｌ機の小さな体格（重量及び容積）の装置で済む。つまり、小さな体格の装置であるにもかかわらず、必要な場合（呼吸同調を行う場合）には、高流量の酸素を供給することができるという顕著な効果を奏する。
【００２０】
従って、本発明によれば、(1)容積や重さが増加しないので、ディーラーや介護者の運搬の負担が少ない、(2)消費電力が増加しないので、電気代が少ない、(3)騒音が少なく患者の安眠の妨げにならず、騒音の対策を施した場合でも、それほど容積や重さが増加しない等の効果がある。
【００２１】
また、前記吸気期間は、通常、呼吸サイクルの１／３程度であるが、使用者やその状態により多少は異なる。そこで、本発明では、使用者に応じて、その呼吸サイクルの２５〜４０％にあたる吸気期間に、高流量の酸素濃縮気体を供給することができる。
【００２２】
即ち、本発明では、各使用者に応じた吸気期間にわたり、使用者に対して酸素濃縮気体を高流量にて十分に供給できるので、使用者は違和感のない呼吸が可能となる。
特に本発明では、連続ベース流量以下の第１流量に設定された場合には、酸素濃縮気体を連続して供給し、連続ベース流量を超える第２流量に設定された場合には、呼吸同調による酸素濃縮気体の供給の制御に切り換えるスイッチ（マニュアルスイッチ）を備えている。
例えば連続ベース流量が毎分２Ｌである場合には、設定流量を毎分２Ｌ以下の範囲でマニュアルスイッチを操作することにより、（実際に連続して供給する流量である）第１流量を所望の値に設定することができる。
また、設定流量をマニュアルスイッチにより、毎分２Ｌを超える値に設定した場合には、自動的に、呼吸同調を行う制御に切り替わる。例えば毎分５Ｌに設定した場合には、呼吸同調により、吸気期間に毎分５Ｌを供給する制御に変更される。
・ここで、前記呼吸同調とは、使用者の自発呼吸サイクルにおける吸気動作に実質的に対応して間欠的に酸素を供給する動作を示している。
【００２３】
・前記酸素濃縮を行う構成としては、例えば空気中の窒素を選択的に吸着して除去する吸着剤を利用したものや、酸素選択透過膜を利用したものが挙げられる。
・前記連続ベース流量、第１流量、第２流量は、一定時間内にどの程度の酸素濃縮気体を供給できるかを示す単位流量であり、例えば１分間に供給できる（１気圧時における）気体の体積で示すことができる。
【００２４】
・前記吸気期間は、センサにより検出したデータに基づいて求めることができる。
・尚、本発明は、例えば鼻カニューラを用いた、いわゆる開放型にて酸素供給を行う場合に、好適に適用できる。
【００２５】
（２）請求項２の発明では、連続ベース流量が毎分４Ｌ以下である。
つまり、連続ベース流量が毎分４Ｌ以下の小型の装置では、上述した様に、運搬、電気代、騒音等の点で優れているが、本発明では、毎分４Ｌ以下の小型の装置において、呼吸同調を行うことにより、それ以上の高流量（例えば毎分５Ｌ〜７Ｌ）の酸素濃縮気体を供給できるので、上述した小型の装置による利点を最大限に生かすことができる。
【００２６】
（３）請求項３では、吸気又は呼気の状態をセンサにより検出し、このセンサの信号に基づいて、酸素濃縮気体の供給状態を制御する。
吸気の場合には圧力が低下し（例えば数ｍｍＨ₂Ｏの負圧）、呼気の場合には圧力が増加（加圧）する。従って、この圧力の変化をセンサにより検出することにより、吸気の開始や終了、又は呼気の開始や終了を検出することができる。
【００２７】
よって、センサにより検出した吸気又は呼気の状態に基づいて、上述した吸気同調による酸素濃縮気体の供給を適切に行うことができる。
尚、前記センサとしては、吸気又は呼気による圧力の変動を検知する圧力センサが挙げられるが、この圧力センサとしては、ダイアフラム式の圧力センサや、静電容量変化により圧力又は差圧を検出するセンサが挙げられる。
【００２８】
（４）請求項４の発明では、センサの信号に基づいて、呼吸サイクルにおける酸素濃縮気体の供給の開始又は終了のタイミングを決定する。
本発明は、前記センサにより検出するタイミングを例示したものである。
（５）請求項５の発明では、センサの信号に基づいて、吸気又は呼気の状態を、例えば毎回、１又は複数回検出し、この検出した吸気又は呼気の状態に基づいて、その後の酸素濃縮気体の供給の開始又は終了のタイミングを決定する。
【００２９】
本発明では、記憶した過去のデータに基づいて、酸素濃縮気体の供給の開始又は終了のタイミングを決定する。
例えば、１回目の吸気の開始から２回目の吸気の開始までの時間を計測すれば、１呼吸サイクルの時間が分かるので、次回は、その吸気の開始から所定の期間（例えば呼吸サイクルの１／３の期間）を、吸気期間として設定し、その吸気期間にわたり高流量にて酸素濃縮気体を供給する。この動作は、常に繰り返すことが望ましい。
【００３０】
これにより、各患者の吸気期間にわたり、正確に酸素濃縮気体を供給できるので、患者にとって違和感が少ないという効果がある。
尚、データから吸気期間が算出されるまでは、吸気期間として所定の固定値を用いることができる。
【００３１】
また、複数回のデータの平均を取ることにより、吸気期間の算出の精度が高まるので、例えば常に過去複数回の平均値を用いて吸気期間を適宜更新するようにしてもよい。
（６）請求項６の発明では、酸素濃縮気体の供給経路において、酸素濃縮部（例えば窒素を吸着して濃縮を行う部分）の下流側に、呼吸タイミングの呼気期間に供給される酸素濃縮気体を蓄えるタンクを備えている。
【００３２】
従って、本発明では、呼気期間に、このタンクに十分に酸素濃縮気体を蓄えることができる。
つまり、吸気期間と呼気期間は、通常、１：２であるので、例えば連続ベース流量が毎分２Ｌの２Ｌ機の場合には、呼気期間に、タンクに（その後の呼吸同調の際に）毎分４Ｌの供給が可能なように酸素濃縮気体を蓄えることができる。
【００３３】
よって、理論的には、吸気期間に、連続ベース流量の毎分２Ｌとタンクからの供給能力の毎分４Ｌを合わせて、連続ベース流量の３倍に当たる毎分６Ｌの酸素濃縮気体の供給が可能となる。
（７）請求項７の発明では、前記酸素濃縮気体の供給経路において、酸素濃縮部の下流側に、前記呼吸タイミングの呼気期間に供給される酸素濃縮気体を蓄える複数のタンクを直列に接続している。
【００３４】
例えば連続ベース流量が毎分２Ｌや３Ｌの小型の装置において、呼吸同調を行って高流量の酸素濃縮気体を間欠的に供給しようとすると、酸素濃縮気体の供給のオン・オフに起因する圧力変動が、酸素濃縮部側に影響を及ぼす可能性があるが、本発明では、呼吸タイミングの呼気期間に供給される酸素濃縮気体を蓄える複数のタンクを直列に接続しているので、たとえ圧力変動が発生した場合でも、これらのタンクにて、その圧力変動が吸収される。
【００３５】
従って、酸素濃縮部側に圧力変動が及ばないので、安定した酸素濃縮（例えば窒素の吸着）を行うことができ、安定した酸素濃縮気体の供給を行うことができる。
（８）請求項８の発明では、５００ｍＬ以上（例えば７５０ｍＬ程度）のタンクを直列に２個接続している。
【００３６】
本発明では、例えば酸素濃縮気体の連続ベース流量が毎分２Ｌ（２Ｌ機）などの小型の装置において、どの程度の容量のタンクを接続するかを示している。また、この容量のタンクの場合には、呼気期間にて、十分に酸素濃縮気体を蓄積できる。
【００３７】
つまり、例えば２Ｌ機の場合には、５００ｍＬ以上のタンクを２個接続すれば、上述した圧力変動により影響を効果的に防止することができる。
（９）請求項９の発明では、複数のタンクの間に、酸素濃縮部側への逆流を防止する逆止弁を配置している。
【００３８】
従って、上述した圧力変動がある場合でも、その影響をこの逆止弁にて阻止できるので、圧力変動による悪影響を防止することができる。
【００４０】
（１０）請求項１０の発明は、前記酸素濃縮器の動作の制御を行う制御装置を示しており、この制御装置は、酸素濃縮器と一体（内蔵）であってもよいが、酸素濃縮器と別体であってもよい。
（１１）請求項１１の発明は、前記制御装置の機能を実現するためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を示している。
【００４１】
つまり、上述した制御装置をコンピュータシステムにて実現する機能は、例えば、コンピュータシステム側で起動するプログラムとして備えることができる。このようなプログラムの場合、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録し、必要に応じてコンピュータシステムにロードして起動することにより用いることができる。この他、ＲＯＭやバックアップＲＡＭをコンピュータ読み取り可能な記録媒体として前記プログラムを記録しておき、このＲＯＭあるいはバックアップＲＡＭをコンピュータシステムに組み込んで用いても良い。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸素濃縮器及びその制御装置並びに記録媒体の実施の形態の例（実施例）を、図面を参照して説明する。
（実施例）
本実施例では、制御装置を内蔵した医療用酸素濃縮器（以下酸素濃縮器と記す）の場合を例に挙げる。
【００４３】
本実施例の酸素濃縮器は、空気中から窒素を吸着して除去することにより、酸素を濃縮し、使用者である患者に対して、連続ベース流量以下の第１流量（例えば毎分２Ｌ）の酸素濃縮気体を連続して供給し、また、必要に応じて呼吸同調に切り換えることにより、患者の吸気期間のみに、連続ベース流量より多い第２流量（例えば毎分６Ｌ）の酸素濃縮気体を供給できる装置である。
【００４４】
ａ）まず、酸素濃縮器の基本構成について説明する。
図１に示す様に、本実施例の酸素濃縮器１は、本体ケース３に収容されており、その空気の導入路５は、上流側より、空気取入口７、ゴミや埃を除去する吸気フィルタ９、吸気の際の音を低減する吸音器１１、空気を圧縮するコンプレッサ１３、圧縮された空気を冷却する熱交換器１５、三方向の流路を切り換える一対の切替弁１７ａ、１７ｂ（１７と総称する）、及び一対の吸着筒１９ａ、１９ｂ（１９と総称する）が設けられている。
【００４５】
尚、コンプレッサ１３及び熱交換器１５の近傍には、それを冷却するシロッコファン２１が設けられている。
また、一対の吸着筒１９から窒素を排気する排気路２３には、切替弁１７から、前記と同様な吸音器２５、及び断続的な排気音を消すサイレンサ２７が設けられている。
【００４６】
更に、一対の吸着筒１９から、酸素濃縮気体を供給する供給路２９構成として、その上流側から、吸着筒１９側への逆流を防止する一対の逆止弁３１ａ、３１ｂ、酸素濃縮気体を溜める第１の製品タンク３３、第１の製品タンク３３側への逆流を防止する逆止弁３５、酸素濃縮気体を溜める第２の製品タンク３７、第２の製品タンク３７側への逆流を防止する逆止弁３９、酸素の圧力を低下させるレギュレータ４１、細菌等の通過を防止するバクテリアフィルタ４３、流路を開閉する電磁弁４５、供給する酸素濃縮気体の流量を設定する流量設定器４７、及び酸素濃縮気体が供給される酸素出口４９が設けられている。
【００４７】
しかも、逆止弁３９とレギュレータ４１との間には、酸素濃度を検出する酸素センサ５１が配置され、流量設定器４７と酸素出口４９の間には、吸気の際の圧力を検出する圧力センサ５５が配置されている。
また、本実施例の酸素濃縮器１では、図中の点線で示すように、コンプレッサ１３をはじめ、吸気フィルタ９、吸音器１１、２５、熱交換器１５、切替弁１７、サイレンサ２７、シロッコファン２１を、振動吸収ゴム及び吸音材で内貼りした金属ケース５７内に納め、運転時の騒音を押さえている。
【００４８】
上述した構成を備えた酸素濃縮器１は、連続ベース流量が毎分２Ｌの小型の装置であり、重量３０ｋｇ、消費電力１７０Ｗ、運転音は３０ｄＢ以下である。
ｂ）次に、上述した各構成について、更に詳細に説明する。
前記一対の切替弁１７は、制御装置５９により制御されて駆動する三方向弁であり、それぞれの切替弁１７の切替動作により、熱交換器１５と吸着筒１９を連通し且つ吸着筒１９と排出路２３を遮断する状態と、熱交換器１５と吸着筒１９を遮断し且つ吸着筒１９と排出路２３を連通する状態とに切り替える。
【００４９】
前記一対の吸着筒１９内には、ゼオライト系の吸着剤が充填されており、この吸着剤は、（例えば２気圧（ゲージ圧）程度まで）加圧すると空気中の窒素を優先的に吸着し、（例えば大気圧まで）圧力を下げると吸着した窒素を放出して吸着剤自身の再生を行うという性質を持つ。
【００５０】
前記両製品タンク３３、３７は、それぞれ７５０ｍＬの容量を持つものであり、この両製品タンク３３，３７により、酸素濃縮気体の溜めが作られている。
つまり、この製品タンク３３、３７により、酸素濃縮気体の供給の変動を緩和して連続性を持たせている。また、間欠的に高流量を供給する場合でも十分な供給能力を確保し、酸素濃縮気体の供給のオン・オフに起因する圧力変動が吸着筒１９側に及ばないようにしている。
【００５１】
尚、ここで、タンク容量を７５０ｍＬにしたのは、２つの製品タンク３３、３７で２気圧にて合計１．５Ｌ、従って大気圧に換算すると最大４．５Ｌの酸素濃縮気体を溜めることができるからであり、このタンク容量であれば、吸気期間に、連続ベース流量の毎分２Ｌと製品タンク３３、３７からの供給能力の最大４．５Ｌを合わせて、（溜める時間が十分な場合）合計毎分６．５Ｌの酸素濃縮気体の供給が可能であるからである。例えば、吸気期間：呼気期間の比が、１：２の場合、最大毎分６Ｌの供給が可能。
【００５２】
前記両製品タンク３３、３７間に配置された逆止弁３５は、両製品タンク３３、３７の機能と相まって、間欠的に高流量を供給する場合に、圧力変動が吸着筒１９側に及ばないようにしている。
前記レギュレータ４１は、製品タンク３３、３７側から供給される２気圧の酸素濃縮気体の圧力を、患者が吸入し易い０．３５気圧（ゲージ圧）に低下させるものである。
【００５３】
前記流量設定器４７は、マニュアルにて流量を設定できるものである。
つまり、連続ベース流量の毎分２Ｌまでは、オリフィスの調整により、連続流量（第１流量）を設定できる。また、その連続ベース流量を超える流量を設定する場合には、連続流量の供給ができないので、その場合には、呼吸同調による制御に切り替えて、設定した流量（第２流量）の供給を可能な様にする。具体的には、呼吸同調を行うとともに、流量に合わせてオリフィスの調整も行うことにより、設定流量の供給が可能なようにする。
【００５４】
前記酸素出口４９には、患者が使用する図示しないカニューラ（鼻カニューラ）からのびるチューブが接続される。従って、この酸素出口４９からは、前記レギュレータ４１及び流量設定器４７にて、０．３５気圧にて所定流量（第１流量又は第２流量）に調節された酸素濃縮気体が供給される。
【００５５】
ｃ）次に、酸素濃縮器１の制御を行う制御装置５９等の電気的構成について説明する。
本実施例では、酸素濃縮器１の内部に、図２に示す様に、周知のＣＰＵ５９ａ、ＲＯＭ５９ｂ、ＲＡＭ５９ｃ、入出力部５９ｄ、バスライン５９ｅ等を備えたマイクロコンピュータを主要部とする制御装置５９が配置されている。
【００５６】
この制御装置５９は、入出力部５９ｄに、流量設定器４７、酸素センサ５１、及び圧力センサ５３が接続されるとともに、アクチュエータとして、切替弁１７及び電磁弁４５が接続されている。
従って、制御装置５９は、流量設定器４７、酸素センサ５１、及び圧力センサ５３から得られた信号に基づいて、所定の演算等を行って、切替弁１７及び電磁弁４５の駆動を制御する。
【００５７】
ｄ）次に、本実施例の酸素濃縮器１における主要な機能について説明する。
(1)酸素濃縮機能
本実施例では、一対の切替弁１７により、熱交換器１５と吸着筒１９と排出路２３の接続を切り替えて、吸着筒１９における加圧の状態を変更することにより、空気中の酸素の濃縮を行う。
【００５８】
例えば一方の吸着筒１９ａと熱交換器１５を、一方の切替弁１７ａにて連通した状態とし、その一方の吸着筒１９ａに、コンプレッサ１３で圧縮空気を送り込んで加圧する。このとき、一方の吸着筒１９ａと排出路２３は、一方の切替弁１７ａにより遮断されている。
【００５９】
従って、この加圧により、吸着筒１９ａ内にて、空気中の窒素が吸着剤に吸着されて酸素が濃縮され、その酸素濃縮気体が供給路２９側に供給される。
そして、一方の吸着筒１９ａの圧力が、窒素の吸着が可能な最大値である約２ｋｇ／ｃｍ²（約２気圧）に達したら、他方の切替弁１７ｂを駆動して、今度は、他方の吸着筒１９ｂ内を同様に加圧するようにする。このとき、一方の吸着筒１９ａと排出路２３は、一方の切替弁１７ａにより連通される。
【００６０】
従って、この切り替えにより、排出路２３側に連通された前記一方の吸着筒１９ａでは、圧力が大気圧まで低下するので、吸着剤から窒素の放出が行われ、吸着剤が再生する。それとともに、放出された窒素は、一方の吸着筒１９ａの減圧に伴って、排出路２３を介して外部に排出される。
【００６１】
この様に、２個の切替弁１７を制御して、２箇の吸着筒１９の加圧を交互に繰り返すことにより、９０％以上（９０〜９５％程度）の濃縮酸素を連続的に供給することができる。
つまり、これらの吸着筒１９により、加圧時は酸素だけを抽出でき、その下流の第１及び第２の製品タンク３３、３７などを通り、高濃度の酸素を酸素出口４９から供給することができる。
【００６２】
尚、切替弁１７を切り替えるタイミングは、吸着筒１９内の圧力が２気圧に達した場合であるが、ここでは、圧力センサによりそのタイミングを決定するのに代えて、タイマーを利用して切り替えを行う。
つまり、コンプレッサ１３の機能は、それほど変動しないので、所定時間経過すれば、吸着筒１９内は２気圧に達する。従って、所定時間毎に両切替弁１７を駆動して、加圧する及び排気する吸着筒１９を変更するのである。
【００６３】
(2)呼吸同調機能
酸素出口４９の近くに接続された高感度の圧力センサ（例えば半導体圧力センサ）５５は、患者がカニューラを通して酸素を吸気した時のわずかの負圧（０．４ｍｍＨ₂Ｏ）を検知し、図３に示すように、患者の呼吸サイクルにおける吸気の期間にわたり酸素濃縮気体を供給するように、電磁弁４５を開閉する制御を行う。
【００６４】
つまり、一般的に人の呼吸サイクルでは、吸気は１／３、呼気は２／３の時間を占めるので、この吸気期間にのみ、連続ベース流量より高流量の酸素濃縮気体を供給するのである。
これにより、患者は、本当に酸素を吸う時だけ酸素濃縮気体が供給され、また、呼気期間は酸素濃縮気体の供給が止められるので、その呼気期間に、その分だけ製品タンク３３、３７に酸素濃縮気体を貯えることができる。
【００６５】
つまり、この酸素濃縮器１の能力は毎分２Ｌ（２Ｌ機）であることから、毎分２Ｌを超える流量を必要とする患者が使用する時は、呼吸同調するように電気的に切り替える。これにより、例えば、吸気１／３、呼気２／３の時間の場合、製品タンク３３、３７に貯められた４Ｌ分の酸素濃縮気体を利用して、合計毎分６Ｌの高流量の酸素濃縮気体を供給できるようになる。
【００６６】
尚、前記図３に示すように、人の呼吸サイクルにおいて、その１／３時間である吸気期間の最後の方は、吸気能力がないので、設定流量流してもそれほど意味はないが、出来る限り連続流量タイプに近づけて、患者に違和感のないように配慮して、１／３時間としている。
【００６７】
また、本実施例では、圧力センサ５５で吸気を検知し、制御装置５９により、過去２から５回の平均値から平均呼吸サイクル時間を演算し、この時間の１／３の時間を吸気期間であるとみなして、その吸気期間にわたり、電磁弁４５を開けて酸素濃縮気体を患者に供給する。
【００６８】
ｅ）次に、本実施例の制御装置５９にて行われる制御処理の要部を、図４のフローチャートに基づいて説明する。
(1)流量設定の基本制御
まず、流量設定器４７によって実際に供給する流量を設定する場合の基本制御について説明する。
【００６９】
図４のステップ１００にて、流量設定器４７の流量の設定が、連続ベース流量の毎分２Ｌ以下であるか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ１１０に進み、一方否定判断されるとステップ１２０に進む。
ステップ１１０では、設定流量が毎分２Ｌ以下の低流量であるので、呼吸同調を行わない場合、即ち連続供給を行う場合であると見なして、その設定流量（第１流量）に合わせてオリフィスを調節して、酸素供給気体を連続供給し、一旦本処理を終了する。尚、このとき、電磁弁４５は開いている。
【００７０】
一方、ステップ１２０では、設定流量が毎分２Ｌを上回る高流量（第２流量）に合わせてオリフィスを調整するまでは前記ステップ１１０と同じであるが、ここでは、呼吸同調を行う場合、即ち呼吸サイクルの吸気期間にのみ酸素濃縮気体を供給する場合であると見なして、製品タンク３３、３７に、次に示す呼吸同調により、電磁弁４５が開くまで、酸素濃縮気体が溜められる。尚、このとき、電磁弁４５は閉じている。
【００７１】
続くステップ１３０では、患者の吸気のタイミングを検出するために、圧力センサ５５からの信号に基づいて、供給路２９の酸素出口４９近傍における圧力を求める処理を行う。
続くステップ１４０では、呼吸同調のために電磁弁４５を開閉する制御を行う。つまり、後述するように、呼吸サイクルの吸気期間のみに酸素濃縮気体を供給し、呼気期間には酸素濃縮気体の供給を停止する制御を行って、一旦本処理を終了する。
【００７２】
(2)電磁弁４５の制御
次に、前記ステップ１４０にて行われる電磁弁４５の制御について説明する。
図５のステップ２００にて、圧力センサ５５による検出結果に基づいて、吸気の開始のタイミングであるか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ２１０に進み、一方否定判断されると一旦本処理を終了する。つまり、圧力が所定の判定値（例えば−０．４ｍｍＨ₂Ｏ）以下に低下した場合には、吸気が開始されたと判定する。
【００７３】
ステップ２１０では、患者の吸気が開始されたので、それに応じて、電磁弁４７を開く制御を行う。
続くステップ２２０では、吸気の開始を検出したタイミング（時刻）を、例えばＲＡＭ５９ｃに記憶する。
【００７４】
続くステップ２３０では、呼吸同調制御に切り替わってから、所定回数（例えば３回）以下の呼吸サイクルにおける処理であるか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ２４０に進み、一方否定判断されるとステップ２７０に進む。
【００７５】
ステップ２４０では、呼吸サイクルが２回以下であるので、電磁弁４５を閉じるタイミング（即ち吸気期間の終了のタイミング）として、予め設定されたタイミングである固定値（例えば吸気の開始から４秒後）をセットする。
尚、ここで、固定値として４秒を設定したのは、人の呼吸回数（１分間あたり）は、一般的に平均として２０回であるが、５回から５０回の幅が予想されるので、最低の５回の場合呼吸サイクルは１２秒で吸気時間はその１／３で４秒となり、その最長の値を設定したからである。
【００７６】
続くステップ２５０では、吸気期間の終了のタイミングに到るまで待機する。続くステップ２６０では、吸気期間の終了のタイミングに到ったので、電磁弁４５を閉じて、酸素濃縮気体の供給を停止し、一旦本処理を終了する。
一方、前記ステップ２３０にて否定判断されて進むステップ２７０では、既に３回以上の吸気の開始（従って２回の呼吸サイクル）が検出されたので、その２回の呼吸サイクルにおける吸気のタイミングのデータから、呼吸サイクルの平均値を求め、その平均値の１／３を吸気期間として算出する。この平均値は、常に最新の呼吸サイクルを加えて算出されて、最新の値に置き換えられる。
【００７７】
続くステップ２８０では、電磁弁４５を閉じるタイミング（即ち吸気期間の終了のタイミング）として、前記ステップ２７０にて算出した吸気期間を用い、吸気の開始からその吸気期間後をセットする。
その後、前記と同様に、ステップ２５０に進み、吸気期間の終了のタイミングに到るまで待機し、続くステップ２６０にて、吸気期間の終了のタイミングで、電磁弁４７を閉じて、酸素濃縮気体の供給を停止し、一旦本処理を終了する。
【００７８】
ｆ）この様に、本実施例の酸素濃縮器１は、毎分２Ｌの酸素濃縮気体を連続的に供給できる小型の装置であるが、流量調節器４７により、その連続ベース流量を上回る流量に設定した場合には、自動的に呼吸同調制御を開始して、吸気期間にわたり、毎分６Ｌの高流量の酸素濃縮気体を患者に供給することができる。
【００７９】
つまり、吸気期間には、連続ベース流量の酸素濃縮気体だけでなく、呼気期間に製品タンク３３、３７に蓄えた酸素濃縮気体をも供給することにより、小型の装置にもかかわらず、吸気期間にわたり高流量の酸素濃縮気体を供給することができる。
【００８０】
従って、本実施例の酸素濃縮器１によれば、(1)容積や重さが増加しないので、ディーラーや介護者の運搬の負担が少ない、(2)消費電力が増加しないので、電気代が少ない、(3)騒音が少なく患者の安眠の妨げにならず、騒音の対策を施した場合でも、それほど容積や重さが増加しない等の効果がある。
【００８１】
また、本実施例では、患者の呼吸サイクルのデータを蓄積し、そのデータから吸気期間を求めるので、正確な値が得られるという利点がある。
更に、データから求めた呼吸サイクルの１／３である吸気期間の全期間にわたり、高流量の酸素濃縮気体を供給するので、（酸素ボンベのように）パルス的に酸素を供給する場合と比べて、患者の違和感を低減できるという利点がある。
【００８２】
その上、本実施例では、７５０ｍＬの製品タンク３３、３７を直列に配置し、更にその間に逆止弁３５を配置しているので、呼吸同調制御によって間欠的に酸素濃縮気体を供給した際に、圧力変動が発生した場合でも、その影響が吸着筒１９側に及ぶことを防止できる。
【００８３】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）前記実施例では、酸素濃縮器及び制御装置について述べたが、本発明は、それらに限らず、上述した処理を実行させるプログラムを記憶している記録媒体にも適用できる。
【００８４】
この記録媒体としては、マイクロコンピュータとして構成される電子制御装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等）、マイクロチップ、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク等の各種の記録媒体が挙げられる。つまり、上述した酸素濃縮器の制御装置の処理を実行させることができるプログラムを記憶したものであれば、特に限定はない。
【００８５】
（２）また、前記実施例では、制御装置が酸素濃縮器に内蔵されている装置について述べたが、制御装置は、酸素濃縮器と別体であってもよい。
例えば図６に示す様に、電磁弁６１、流量設定器６３、圧力センサ６５、及び制御装置６７などを含むコントローラ６９を、その他のコンプレッサ１３や吸着筒１９などの大型の構成を収納する本体ケース３側と分離してもよい。
【００８６】
この場合には、本体ケース３側の酸素出口４９からコントローラ６９側の酸素入口７１に酸素濃縮気体の供給路となるチューブ７３を伸ばし、コントローラ６９に設けた酸素出口７５に、図示しないカニューラから伸びるチューブを接続する構成を採用できる。
【００８７】
これにより、コントローラ６９のみを、患者などの手元に配置できるので、操作が容易になるという利点がある。
尚、手元のコントローラ６９側に分離する構成としては、コントローラ６９の体格等を考慮して、適宜選択して配置すればよい。
【００８８】
（３）更に、前記実施例では、呼吸同調の際に酸素濃縮気体を供給する期間を、吸気期間と完全に一致させているが、使用者に違和感が無い程度に十分な酸素濃縮気体を供給できれば、吸気期間より多少短く又は多く設定してもよい。
【００８９】
【発明の効果】
慢性呼吸疾患患者の殆ど（約８５％）は、流量が毎分２Ｌ以下の酸素濃縮器（２Ｌ機）の利用で足りるが、症状が激化した場合には、毎分５Ｌ以上の酸素濃縮器（５Ｌ機）が必要となり２種類用意するのは不経済である。
【００９０】
それに対して、本発明では、例えば２Ｌ機の様な小型の装置で、例えば毎分５Ｌ以上の高流量の酸素濃縮気体を供給できるので、１台用意すればよく、極めて経済的である。
また、５Ｌ機は、重量が重い、消費電力が大きい、運転音が大きいなど、小型の装置に比べ、患者、介護者及びディーラーにとっても負担であり、しかも、経済的にも不経済のものであったが、本発明の酸素濃縮器は、小型であるので、その様な問題は生じない。
【００９１】
更に、本発明では、呼吸同調を行う場合に、吸気期間にわたり酸素濃縮気体を供給することにより、出来る限り連続流タイプのものに近づけているので、違和感が極めて少ない。
つまり、本発明の酸素濃縮器は、例えば２Ｌ機の利点を持ちながら、例えば５Ｌ機としても利用できる万能タイプの酸素濃縮器である。
しかも、本発明では、連続ベース流量以下の第１流量に設定された場合には、酸素濃縮気体を連続して供給し、連続ベース流量を超える前記第２流量に設定された場合には、呼吸同調による酸素濃縮気体の供給の制御に切り換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の酸素濃縮器の基本構成を示す説明図である。
【図２】実施例の酸素濃縮器に制御装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】呼吸サイクルを示す説明図である。
【図４】実施例の制御装置による基本制御処理を示すフローチャートである。
【図５】実施例の制御装置による電磁弁の制御処理を示すフローチャートである。
【図６】他の実施例の酸素濃縮器の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１…酸素濃縮器
１９ａ、１９ｂ、１９…吸着筒
１７ａ、１７ｂ、１７…切替弁
３３、３７…製品タンク
３１ａ、３１ｂ、３５、３９…逆止弁
４５、６１…電磁弁
４７、６３…流量設定器
５５、６５…圧力センサ
５９、６７…制御装置

Claims

空気中から酸素を濃縮して酸素濃縮気体とし、呼吸同調機能によって、前記酸素濃縮気体を使用者の吸気に応じて供給する酸素濃縮器であって、
前記呼吸同調を行わない場合には、前記酸素濃縮気体を、連続的に供給可能な連続ベース流量以下の第１流量で供給し、
前記呼吸同調を行う場合には、前記酸素濃縮気体を、前記連続ベース流量より多い第２流量で、前記使用者の呼吸サイクルの２５〜４０％に当たる吸気期間に供給する構成を有するとともに、
前記連続ベース流量以下の第１流量に設定された場合には、前記酸素濃縮気体を連続して供給し、前記連続ベース流量を超える前記第２流量に設定された場合には、前記呼吸同調による酸素濃縮気体の供給の制御に切り換えるスイッチを備えたことを特徴とする酸素濃縮器。
前記連続ベース流量が毎分４Ｌ以下であることを特徴とする前記請求項１に記載の酸素濃縮器。
前記吸気又は呼気の状態をセンサにより検出し、該センサの信号に基づいて、前記酸素濃縮気体の供給状態を制御することを特徴とする前記請求項１又は２に記載の酸素濃縮器。
前記センサの信号に基づいて、前記呼吸サイクルにおける前記酸素濃縮気体の供給の開始又は終了のタイミングを決定することを特徴とする前記請求項３に記載の酸素濃縮器。
前記センサの信号に基づいて、前記吸気又は呼気の状態を１又は複数回検出し、この検出した吸気又は呼気の状態に基づいて、その後の前記酸素濃縮気体の供給の開始又は終了のタイミングを決定することを特徴とする前記請求項４に記載の酸素濃縮器。
前記酸素濃縮気体の供給経路において、酸素濃縮部の下流側に、前記呼吸タイミングの呼気期間に供給される酸素濃縮気体を蓄えるタンクを備えたことを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載の酸素濃縮器。
前記酸素濃縮気体の供給経路において、酸素濃縮部の下流側に、前記呼吸タイミングの呼気期間に供給される酸素濃縮気体を蓄える複数のタンクを直列に接続したことを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載の酸素濃縮器。
５００ｍＬ以上のタンクを直列に２個接続したことを特徴とする前記請求項７に記載の酸素濃縮器。
前記複数のタンクの間に、前記酸素濃縮部側への逆流を防止する逆止弁を配置したことを特徴とする前記請求項７又は８に記載の酸素濃縮器。
前記請求項１〜９のいずれかに記載の酸素濃縮器の動作の制御を行うことを特徴とする制御装置。
前記請求項１０に記載の制御装置の機能を実現するためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。