(57)【要約】      （修正有）【課題】携行しての通常の歩行活動が容易な酸素濃縮器装置を提供する。【解決手段】酸素濃縮器１００は、空気流から取り出した酸素を濃縮して、酸素富化ガスをユーザに供給し得る。酸素は、ガス分離吸着剤を含むキャニスタ３０２および３０４中の周囲空気を加圧することによって、周囲空気から捕集され得る。酸素濃縮器に有用なガス分離吸着剤は、少なくとも窒素を空気流から分離して、酸素富化ガスを生成することができる。圧縮システム２００は、酸素濃縮器の周辺から空気を引き込み、空気を圧縮して、圧縮した空気をキャニスタ３０２および３０４の一方または両方に送り込み得る。【選択図】図１
2020189120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素濃縮器装置であって、
少なくとも１つのキャニスタと、
少なくとも１つのキャニスタ内に配置されるガス分離吸着剤であって、前記ガス分離吸着剤が、少なくともいくらかの窒素を前記キャニスタ内の空気から分離して、酸素富化ガスを生成する、ガス分離吸着剤と、
少なくとも１つのキャニスタの対向する側面に連結される少なくとも２つの電極と、
前記電極のうちの少なくとも１つに連結される電源であって、前記電源が、前記電極のうちの少なくとも１つを電気的に励起して、電流が前記少なくとも２つの電極間に流れて、前記２つの電極間にあるガスをイオン化するように構成され、前記イオン化されたガスが、前記キャニスタ内に配置される前記ガス分離吸着剤からの少なくとも１つの化合物の除去を助ける、電源と
を備える、酸素濃縮器装置。
【請求項２】
少なくとも１つの化合物が、死菌を含み、前記酸素濃縮器装置が、前記死菌を捕捉するためのフィルタをさらに備える、請求項１に記載の酸素濃縮器装置。
【請求項３】
前記少なくとも２つの電極が、前記少なくとも１つのキャニスタ内に配置され、１つまたは２つ以上の導電性材料が前記少なくとも２つの電極間に配置される、請求項１に記載の酸素濃縮器装置。
【請求項４】
前記電流が前記ガス分離吸着剤の少なくとも一部を加熱して、その熱が少なくとも１つの化合物を前記ガス分離吸着剤から除去するように、前記電流が設定される、請求項１に記載の酸素濃縮器装置。
【請求項５】
酸素濃縮器のガス分離吸着剤の処理方法であって、
電流が第１の電極から第２の電極に流れるように、電流を第１の電極に供給することであって、前記電流が前記ガス分離吸着剤の少なくとも一部を通って流れ、前記電流がキャニスタ内のガスをイオン化する、電流を第１の電極に供給することと、
１つまたは２つ以上の化合物を前記イオン化されたガスで処理されたガス分離吸着剤から除去することと
を含む、処理方法。
【請求項６】
前記電流が交流である、請求項５に記載の処理方法。
【請求項７】
前記ガス分離吸着剤の少なくとも一部を通って、前記電流が前記第１の電極および前記第２の電極間に流れる、請求項５に記載の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、健康機器に関し、より具体的には、酸素濃縮器に関する。
【背景技術】
【０００２】
長期酸素療法（ＬＴＯＴ）の一環として、酸素補給を必要とする患者が数多く存在する。現在、ＬＴＯＴを受けている患者の大半は、慢性閉塞性肺疾患、すなわち、ＣＯＰＤという概括的カテゴリに診断される。この概括的な診断には、慢性喘息、肺気腫、鬱血性心不全およびその他いくつかの心肺状態などの一般的な疾病が含まれる。また、それ以外の人々（例えば、肥満者）が、例えば、高い活動レベルを維持するために、酸素補給を必要とすることもある。
【０００３】
医師は、これらの患者に対して、酸素濃縮器または医療用酸素の携帯用タンクを処方することがある。通常、ある特定の酸素流量が処方される（例えば、毎分１リットル（ＬＰＭ）、２ＬＰＭ、３ＬＰＭなど）。この分野の専門家はまた、これらの患者にとって運動が疾病の進行を遅らせ、生活の質を向上させ、患者の寿命を延ばすといった長期的な利益をもたらすことを認識している。しかしながら、トレッドミルやステーショナリーバイクなどの大抵の定置式の運動形態は、これらの患者にとって激しすぎる。その結果、移動が容易であることの必要性が長年にわたって認識されている。最近まで、こうした移動性は、小型の圧縮酸素タンクを使用することによって進められてきた。これらのタンクの欠点は、これらの酸素の量が限られていること、そしてこれらを台車用車輪付きのカートに搭載すると、約５０ポンドの重さとなり、重いことである。
【０００４】
酸素濃縮器は、呼吸不全に苦しむ患者に酸素補給を供給するために、約５０年にわたって使用されている。これらの流量を供給するために使用される従来の酸素濃縮器は、嵩高くて重く、これらを携行しての通常の歩行活動を困難かつ非現実的とするものであった。最近になって、大型の据え置き型家庭用酸素濃縮器を製造する企業が、携帯用酸素濃縮器、すなわち、ＰＯＣの開発を開始した。ＰＯＣ濃縮器の利点は、これらが理論的には無限に酸素を供給できることであった。これらの装置を、移動性を目的として小型化するために、酸素富化ガスの生成のために必要な様々なシステムが凝縮される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
酸素富化ガスを酸素濃縮器のユーザに供給するシステムおよび方法が、本明細書に説明される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一部の実施形態では、酸素富化ガスを酸素濃縮器のユーザに供給する方法は、酸素濃縮器に関して予め選択された処方を評価することを含む。予め選択された処方に基づいて、圧縮器は、通常の最大圧縮器速度のあるパーセンテージで作動され、パーセンテージが、予め選択された処方に基づいて評価される。処方が変更された場合、圧縮器の速度は、処方の変更に基づいて、通常の最大圧縮器速度の異なるパーセンテージに変更される。
【０００７】
本方法はまた、ユーザの呼吸数を酸素濃縮器の使用中に評価することと、圧縮器を通常の最大圧縮器速度のあるパーセンテージで作動することとを含み、パーセンテージが、予め選択された処方および評価された呼吸数に基づいて評価される。ユーザの呼吸数が変化した場合、コントローラは、処方の変更および評価された呼吸数に基づいて、圧縮器速度を通常の最大圧縮器速度の異なるパーセンテージに調整し得る。
【０００８】
コントローラは、処方が既定の速度またはそれ未満に設定された場合、通常の最大圧縮器速度よりも小さい速度で圧縮器を動かすように構成され得る。コントローラはまた、ユーザの呼吸数が既定の呼吸数を超えた場合、および処方が既定の速度またはそれを上回って設定された場合、通常の最大圧縮器速度よりも大きい速度で圧縮器を動かすように構成され得る。
【０００９】
ある実施形態では、圧縮システムは、第１の圧縮器と、第２の圧縮器とを備える。２つの圧縮器が説明されているが、３つまたは４つ以上の圧縮器が圧縮システムで使用され得ることを理解されたい。コントローラは、処方が既定の速度またはそれ未満に設定された場合、第１の圧縮器または第２の圧縮器のうちの１つを自動的に動かすように構成され、第１の圧縮器または第２の圧縮器の選択は、コントローラによって任意に行われる。コントローラは、ユーザの呼吸数が増加した場合、または処方が増加した場合、第１の圧縮器または第２の圧縮器の速度を自動的に上げるようにさらに構成される。第１の圧縮器または第２の圧縮器が、通常の最大圧縮器速度の既定のパーセンテージに到達した場合、作動していない圧縮器がオンにされ得る。通常の最大圧縮器速度の既定のパーセンテージが１００％未満である場合、作動していなかった圧縮器がオンにされると、第１の圧縮器および第２の圧縮器の両方は、通常の最大圧縮器速度の１００％未満の速度で動かされる。一部の実施形態では、第１の圧縮器および第２の圧縮器は、通常の圧縮器速度の同じパーセンテージで作動される。
【００１０】
一部の実施形態では、酸素濃縮器は、少なくとも１つのキャニスタと、少なくとも１つのキャニスタに配置されるガス分離吸着剤と、少なくとも１つのキャニスタに連結される少なくとも２つの電極と、電極のうちの少なくとも１つに連結される電源とを含む。ガス分離吸着剤は、少なくともいくらかの窒素をキャニスタ内の空気から分離して、酸素富化ガスを生成する。電源は、電流が電極間に流れて、２つの電極間の空気をイオン化するように、電極のうちの少なくとも１つを電気的に励起するように構成される。イオン化空気は、ガス分離吸着剤から少なくとも１つの化合物を除去するのに役立つ。少なくとも１つの化合物は、水および／または細菌である。
【００１１】
一部の実施形態では、酸素濃縮器のガス分離吸着剤の処理方法は、電流が第１の電極から第２の電極に流れるように、電流を第１の電極に供給することと、電流がガス吸着剤の少なくとも一部を通って流れて、ガス分離吸着剤内の空気をイオン化することと、１つまたは２つ以上の化合物をイオン化されたガス分離吸着剤から除去することとを含む。
【００１２】
一部の実施形態では、酸素濃縮器のガス分離吸着剤の処理方法は、空気をガス分離吸着剤に供給することと、電流が第１の電極から第２の電極に流れるように、電流を第１の電極に供給することと、電流がガス吸着剤の少なくとも一部を通って流れて、供給された空気の少なくとも一部をイオン化することと、１つまたは２つ以上の化合物をガス分離吸着剤から除去することとを含む。
【００１３】
酸素濃縮器システムを作動する方法は、少なくとも２つの電極を酸素濃縮器システムの第１の酸素濃縮器の少なくとも１つのキャニスタに提供することを含み、ガスキャニスタが、ガス分離吸着剤を備える。電流は、２つの電極のうちの第１の電極に対するものであって、電流が２つの電極の第１の電極から第２の電極に流れるようにする。電流は、ある期間、ガス吸着剤の少なくとも一部を通って流れる。ある期間が経過した後のキャニスタは、酸素濃縮器システムの第２の酸素濃縮器に提供される。
【００１４】
酸素富化ガスを酸素濃縮器システムのユーザに供給する方法は、ガス分離吸着剤の状態を自動的に評価することと、電流が電極間に流れて、ガス分離吸着剤をイオン化するように、電極のうちの少なくとも１つを電気的に励起するのに十分な電圧で電源を作動することを含む。
【００１５】
酸素濃縮器システムを作動する方法は、酸素濃縮器装置をオフ状態にすることと、オフにした酸素濃縮器の１つまたは２つ以上のキャニスタの圧力を評価することと、評価された圧力が所望の圧力未満の場合、少なくとも１つのキャニスタを加圧することとを含む。
【００１６】
酸素富化ガスを酸素濃縮器のユーザに供給する方法は、酸素濃縮器の状態を自動的に評価することと、酸素濃縮器用のキャニスタのうちの少なくとも１つの圧力を自動的に評価することであって、圧力がオフ状態の間に評価される、圧力を自動的に評価することと、酸素濃縮器の評価された圧力に基づいて、キャニスタのうちの少なくとも１つを所望の圧力まで加圧するのに十分な圧縮器速度で圧縮器を作動することとを含む。
【００１７】
ある実施形態では、酸素濃縮器は、少なくとも２つのキャニスタと、少なくとも２つのキャニスタ内に配置されるガス分離吸着剤であって、ガス分離吸着剤が、少なくともいくらかの窒素をキャニスタ内の空気から分離して、酸素富化ガスを生成する、ガス分離吸着剤と、少なくとも１つのキャニスタに連結された少なくとも１つの圧縮器を備える圧縮システムと、少なくとも２つのキャニスタから生成された酸素富化ガスを貯蔵するためのアキュムレータと、アキュムレータに連結される１つまたは２つ以上の酸素センサとを含む。使用中、酸素濃縮器は、１つまたは２つ以上の酸素センサから取得されたデータに基づいて、アキュムレータに貯蔵される酸素富化ガスの純度を自動的に評価することと、アキュムレータ内の酸素富化ガスの純度に基づく速度で圧縮器を作動することと、アキュムレータ内の酸素富化ガスの純度の変化に基づいて、圧縮器速度を調整することとによって作動され得る。
【００１８】
本発明の利点は、下記実施形態の詳細な説明から、また添付の図面を参照することによって、当業者に明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】酸素濃縮器の部品の実施形態を示す概略図である。
【図２】酸素濃縮器の流出口部品の実施形態を示す概略図である。
【図３】酸素濃縮器用の流出口導管の実施形態を示す概略図である。
【図４】分解したキャニスタシステムの実施形態を示す斜視図である。
【図５】キャニスタシステムの端部の実施形態を示す斜視図である。
【図６】図５に示されるキャニスタシステム端部の実施形態の組み立てられた端部を示す図である。
【図７】図４および図５に示されるキャニスタシステムの反対側の端部の実施形態を示す斜視図である。
【図８】図７に示されるキャニスタシステム端部の組み立てられた反対側の端部の実施形態を示す斜視図である。
【図９】酸素富化ガスを酸素濃縮器から供給するための実施形態の様々なプロファイルを示すグラフである。
【図１０】テーパ付きの端部を有するキャニスタの実施形態を示す斜視図である。
【図１１Ａ】バッフルを有するキャニスタの実施形態を示す斜視図である。
【図１１Ｂ】バッフルを有するテーパ付きのキャニスタの実施形態を示す斜視図である。
【図１１Ｃ】バッフルを有するキャニスタの実施形態を示す上面図である。
【図１２】キャニスタ内に少なくとも２つの電極を含むキャニスタの実施形態を示す斜視図である。
【図１３】ガス分離吸着剤を収容する図１２のキャニスタの実施形態を示す上面図である。
【図１４】少なくとも２つの電極を含むキャニスタの実施形態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、様々な修正および代替形態を許容するものであるが、そのうちの特定の実施形態を例として図示し、かつ本明細書で詳細に説明する。しかしながら、これらの図面およびそれに関する詳細な説明は、開示される特定の形態に本発明を限定することを意図したものではなく、反対に、意図しているのは、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の精神および範囲に属するすべての修正、均等物、および代替を包含することであることを理解されたい。
【００２１】
本発明は、特定の装置または方法に限定されるものではなく、これらは当然変化し得ることを理解されたい。また、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけのものであり、限定することを意図したものではないことも理解されたい。表題は、構成目的のためだけのものであり、説明および特許請求の範囲を限定または解釈するために使用しているものではない。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ａ」「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、そうでないことが内容から明確に規定されない限り、単数および複数の指示物を含む。さらに、「し得る（ｍａｙ）」の語は、本出願全体を通して許容の意味（すなわち、「する能力を有する（ｈａｖｉｎｇ  ｔｈｅ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｔｏ）」、「することができる（ｂｅｉｎｇ  ａｂｌｅ  ｔｏ）」）で使用されており、必須の意味（すなわち、「しなければならない（ｍｕｓｔ）」）で使用されているものではない。「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」の語およびその変形は、「含むが、それに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，  ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」を意味する。
【００２２】
本明細書で使用される「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」の語は、１つまたは２つ以上の物体または部品の間における直接接続または間接接続（例えば、１つまたは２つ以上の仲介接続部）を意味する。「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」の句は、物体または部品が互いに直接接続されるような、物体または部品の間の直接接続を意味する。本明細書で使用する場合、装置を「得る（ｏｂｔａｉｎｉｎｇ）」の句は、装置が購入または構築されることを意味する。
【００２３】
酸素濃縮器は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）を利用する。圧力スイング吸着は、圧縮器を使用して、ガス分離吸着剤の粒子を含むキャニスタ内のガスの圧力を上昇させることを含む。圧力が上昇すると、ガス中の特定の分子が、ガス分離吸着剤上に吸着され得る。加圧条件下でキャニスタ内のガスの一部を除去することは、吸着されない分子を吸着される分子と分離するのを可能にする。ガス分離吸着剤は、圧力を下げることによって再生され得、このことは、吸着剤からの分子の吸着を逆行させる。酸素濃縮器に関するさらなる詳細は、例えば、２００９年３月１２日に公開され、「酸素濃縮器装置および方法（Ｏｘｙｇｅｎ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ）」と題する米国公開特許出願第２００９−００６５００７号に見ることができ、これは、参照することによって本明細書に援用される。
【００２４】
周囲空気は、普通、約７８％の窒素と２１％の酸素とを含み、残部が、アルゴン、二酸化炭素、水蒸気およびその他の微量元素からなる。例えば、空気などの気体混合物を、加圧下で、酸素を引きつける場合よりも窒素を強く引きつけるガス分離吸着剤床を含む容器に通過させた場合、窒素の一部またはすべてが床に留まり、容器から出てくるガスは、酸素が富化されている。床が、その窒素吸着能力の限界に到達した場合、減圧して、吸着した窒素を放出することによって再生され得る。その時には、酸素富化空気を生成する次のサイクルの用意ができている。２つのキャニスタのシステムにおいてキャニスタを交互に入れ替えることによって、一方のキャニスタが酸素を捕集する一方で、他方のキャニスタがパージされ得る（その結果、酸素が窒素から連続的に分離される）。このようにして、酸素は、酸素補給を患者に供給することを含む様々な用途のために、空気から取り出して蓄積され得る。
【００２５】
図１は、ある実施形態による酸素濃縮器１００の概略図を示している。酸素濃縮器１００は、空気流から取り出した酸素を濃縮して、酸素富化ガスをユーザに供給し得る。本明細書で使用する場合、「酸素富化ガス」には、少なくとも約５０％の酸素、少なくとも約６０％の酸素、少なくとも約７０％の酸素、少なくとも約８０％の酸素、少なくとも約９０％の酸素、少なくとも約９５％の酸素、少なくとも約９８％の酸素、または少なくとも約９９％の酸素が含まれる。
【００２６】
酸素濃縮器１００は、携帯用酸素濃縮器であり得る。例えば、酸素濃縮器１００は、酸素濃縮器を手で持って、および／またはキャリングケースに入れて運搬することができるような重量およびサイズを有し得る。一実施形態では、酸素濃縮器１００は、約２０ポンド未満、約１５ポンド未満、約１０ポンド未満、または約５ポンド未満の重量を有する。ある実施形態では、酸素濃縮器１００は、約１０００立方インチ未満、約７５０立方インチ未満、約５００立方インチ未満、約２５０立方インチ未満、または約２００立方インチ未満の容積を有する。
【００２７】
酸素は、ガス分離吸着剤を含むキャニスタ３０２および３０４中の周囲空気を加圧することによって、周囲空気から捕集され得る。酸素濃縮器に有用なガス分離吸着剤は、少なくとも窒素を空気流から分離して、酸素富化ガスを生成することができる。ガス分離吸着剤の例には、空気流から窒素を分離することができる分子篩が含まれる。酸素濃縮器内で使用され得る吸着剤の例には、上昇させた圧力下で空気流中の窒素を酸素と分離することができるゼオライト（天然）または合成結晶アルミノシリケートが含まれるが、これらに限定されるものではない。使用され得る合成結晶アルミノシリケートの例には、イリノイ州デスプレーンズのＵＯＰ  ＬＬＣから入手可能なＯＸＹＳＩＶ吸着剤、メリーランド州コロンビアのＷ．Ｒ．Ｇｒａｃｅ＆Ｃｏから入手可能なＳＹＬＯＢＥＡＤ吸着剤、フランス共和国パリのＣＥＣＡ  Ｓ．Ａ．から入手可能なＳＩＬＩＰＯＲＩＴＥ吸着剤、スイス連邦ウエーティコンのＺｅｏｃｈｅｍ  ＡＧから入手可能なＺＥＯＣＨＥＭ吸着剤、およびペンシルバニア州アレンタウンのＡｉｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  ａｎｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＡｇＬｉＬＳＸ吸着剤が含まれ得るが、これらに限定されるものではない。
【００２８】
図１に示されるように、空気は、空気流入口１０６を通って酸素濃縮器に流入し得る。空気は、圧縮システム２００によって空気流入口１０６に引き込まれ得る。圧縮システム２００は、酸素濃縮器の周辺から空気を引き込み、空気を圧縮して、圧縮した空気をキャニスタ３０２および３０４の一方または両方に送り込み得る。ある実施形態では、流入口マフラー１０８が空気流入口１０６に連結されて、圧縮システム２００によって酸素生成器に引き込まれた空気によって生成される音を低減し得る。ある実施形態では、流入口マフラー１０８は、湿気および音を吸収するマフラーであり得る。例えば、（ポリマーの吸水材またはゼオライト材料などの）吸水材は、流入する空気からの水の除去と、空気流入口１０６内へと通過する空気による音の低減との両方を行うために用いられ得る。
【００２９】
圧縮システム２００は、空気を圧縮できる１つまたは２つ以上の圧縮器を含み得る。一部の実施形態では、圧縮システムは、１つ、２つ、３つ、４つ、または５つ以上の圧縮器を含み得る。圧縮器２１０とモータ２２０とを含む圧縮システム２００が示されている。モータ２２０は、圧縮器２１０に連結され、圧縮器に動力を提供して、圧縮機構を作動する。圧縮システム２００によって生成される加圧した空気は、キャニスタ３０２および３０４の一方または両方に送り込まれ得る。一部の実施形態では、周囲空気は、１平方インチ当たり約１３〜２０ポンド（ｐｓｉ）の範囲の圧力までキャニスタ内で加圧され得る。キャニスタ内に配置されるガス分離吸着剤のタイプに応じて、その他の圧力もまた使用され得る。
【００３０】
一部の実施形態では、モータ２２０が、加圧装置（例えば、ピストンポンプまたはダイヤフラムポンプ）に連結される。加圧装置は、複数のピストンを有するピストンポンプであり得る。作動中、ピストンは、選択的にオンまたはオフにされ得る。一部の実施形態では、モータ２２０は、複数のポンプに連結され得る。各ポンプは、選択的にオンまたはオフにされ得る。例えば、コントローラ４００は、既定の作動条件に基づいて、どのポンプまたはピストンを作動させるべきかを判定し得る。
【００３１】
各キャニスタ３０２／３０４には、流入口バルブ１２２／１２４および流出口バルブ１３２／１３４が連結される。図１に示されるように、流入口バルブ１２２は、キャニスタ３０２に連結され、流入口バルブ１２４は、キャニスタ３０４に連結される。流出口バルブ１３２は、キャニスタ３０２に連結され、流出口バルブ１３４は、キャニスタ３０４に連結される。流入口バルブ１２２／１２４は、圧縮システム２００からそれぞれのキャニスタへの空気の通過を制御するために使用される。流出口バルブ１３２／１３４は、排気プロセス中にそれぞれのキャニスタからガスを放出するために使用される。一部の実施形態では、流入口バルブ１２２／１２４および流出口バルブ１３２／１３４は、シリコン製プランジャの電磁弁であり得る。しかしながら、その他のタイプのバルブを使用してもよい。プランジャ式バルブは、その他の種類のバルブに比べて、静かで滑りが少ないという利点を提供する。
【００３２】
一部の実施形態では、二段バルブ作動電圧が使用されて、流入口バルブ１２２／１２４および流出口バルブ１３２／１３４を制御し得る。例えば、流入口バルブを開くために、高い電圧（例えば、２４Ｖ）が流入口バルブに印加され得る。次いで、電圧は、流入口バルブを開いた状態に保つために減らされる（例えば、７Ｖ）。バルブを開いた状態に保つためにより小さい電圧を使用すれば、使用する電力はより少なくなり得る（電力＝電圧×電流）。この電圧の低減は、発熱および電力消費を最小化して、バッテリに由来する実行時間を伸ばす。バルブへの電気を止めると、ばねの作用によって、バルブが閉じる。一部の実施形態では、電圧は、必ずしもステップ応答ではない時間の関数として印加され得る（例えば、初期の２４Ｖと最終的な７Ｖとの間で下向きに曲がる電圧）。
【００３３】
一部の実施形態では、空気は、圧縮器３０５、３１０を通って酸素濃縮器に引き込まれ得る。一部の実施形態では、空気は、圧縮器３０５、３１０からキャニスタ３０２、３０４に流れ得る。一部の実施形態では、バルブ１２２または１２４のうちの一方が閉じて（例えば、コントローラ４００によって信号を送られた時）、両方の圧縮器３０５、３１０の合成出力が、他方のそれぞれに対応するバルブ１２２または１２４を通って、それぞれに対応するキャニスタ３０２、３０４内に流れる。例えば、バルブ１２４が閉じている場合、両方の圧縮器３０５、３１０からの空気は、バルブ１２２を通って流れ得る。バルブ１２２が閉じている場合、両方の圧縮器３０５、３１０からの空気は、バルブ１２４を通って流れ得る。一部の実施形態では、バルブ１２２およびバルブ１２４は、圧縮器３０５、３１０からの空気をそれぞれのキャニスタ３０２または３０４内に交互に導くように、交代し得る。
【００３４】
ある実施形態では、加圧した空気は、キャニスタ３０２または３０４のうちの一方に送り込まれ、その間、他方のキャニスタは排気される。例えば、使用中、流入口バルブ１２２が開いている間、流入口バルブ１２４は閉じている。圧縮システム２００からの加圧した空気は、キャニスタ３０２内に送り込まれて、その間、キャニスタ３０４への流入が流入口バルブ１２４によって阻止される。ある実施形態では、コントローラ４００は、バルブ１２２、１２４、１３２および１３４に電気的に連結される。コントローラ４００は、メモリ４２０に記憶されたプログラム命令を実行するように動作可能である１つまたは２つ以上のプロセッサ４１０を含む。プログラム命令は、酸素濃縮器を操作するために使用される様々な定義済みの方法を実行するように動作可能である。コントローラ４００は、流入口バルブ１２２および１２４を、これらが互いに同調しないように、すなわち、流入口バルブ１２２または１２４の一方が開いているとき、他方のバルブが閉じているように操作するためのプログラム命令を含み得る。キャニスタ３０２の加圧中、流出口バルブ１３２は閉じており、流出口バルブ１３４は開いている。流入口バルブと同様に、流出口バルブ１３２および１３４は、互いに同調しないように操作される。一部の実施形態では、流入口バルブおよび流出口バルブを開くために使用する電圧および電圧の持続時間は、コントローラ４００によって制御され得る。
【００３５】
逆止弁１４２および１４４は、それぞれ、キャニスタ３０２および３０４に連結される。逆止弁１４２および１４４は、キャニスタが加圧され、排気される際に発生する圧力差によって受動的に操作される一方向弁である。逆止弁１４２および１４４は、キャニスタに連結されて、キャニスタの加圧中に生成される酸素をキャニスタから流出させ、かつ酸素またはあらゆるその他のガスがキャニスタ内へと逆流するのを阻止することができる。このようにして、逆止弁１４２および１４４は、加圧中に酸素富化ガスがそれぞれのキャニスタを流出できるようにする一方向弁として作用する。
【００３６】
「逆止弁」の語は、本明細書で使用される場合、流体（ガスまたは液体）の流れを一方向にし、かつ流体の逆流を阻止するのを可能にするバルブを指す。使用に適する逆止弁の例には、ボール逆止弁、ダイヤフラム逆止弁、バタフライ逆止弁、スイング逆止弁、ダックビル弁、およびリフト逆止弁が含まれるが、これらに限定されるものではない。加圧下で、加圧した周囲空気中の窒素分子は、加圧されたキャニスタ内のガス分離吸着剤によって吸着される。圧力が上昇するにつれて、キャニスタ内のガスが酸素富化されるまで、より多くの窒素が吸着される。圧力がキャニスタに連結された逆止弁の抵抗に打ち勝つのに十分な点に到達すると、非吸着性の気体分子（主に酸素）は、加圧されたキャニスタから流れ出る。一実施形態では、逆止弁の順方向の圧力降下は、１ｐｓｉ未満である。逆方向の破損圧力は、１００ｐｓｉよりも大きい。しかしながら、１つまたは２つ以上の部品の修正は、これらのバルブの動作パラメータを変えることを理解されたい。順方向の流れの圧力が上昇すると、一般的に、酸素富化ガスの生成は低下する。逆方向の流れにおける破損圧力が低減される、またはあまりにも低く設定されると、一般的に、酸素富化ガスの圧力が降下する。
【００３７】
例示的な実施形態では、キャニスタ３０２は、圧縮システム２００で生成されキャニスタ３０２内へと通過して行く圧縮した空気によって加圧される。キャニスタ３０２の加圧中、流入口バルブ１２２は開いており、流出口バルブ１３２は閉じており、流入口バルブ１２４は閉じており、流出口バルブ１３４は開いている。流出口バルブ１３２が閉じている時に流出口バルブ１３４が開き、キャニスタ３０２が加圧される間に、キャニスタ３０４の実質的な同時排気を可能にする。キャニスタ内の圧力が逆止弁１４２を開くのに十分になるまで、キャニスタ３０２は加圧される。キャニスタ３０２内で生成された酸素富化ガスは、逆止弁を通って出て行き、そして一実施形態では、アキュムレータ１０６で捕集される。
【００３８】
しばらく経つと、ガス分離吸着剤が窒素で飽和し、流入する空気からの相当量の窒素を分離することができなくなる。この状態には、通常、酸素富化ガスの生成が既定の時間行われた後で到達する。上述の実施形態では、キャニスタ３０２内のガス分離吸着剤がこの飽和状態に到達すると、圧縮した空気の流入が停止され、キャニスタ３０２が排気されて窒素を除去する。排気中、流入口バルブ１２２は閉じており、流出口バルブ１３２は開いている。キャニスタ３０２が排気されている間、キャニスタ３０４は加圧されて、上述と同様に酸素富化ガスを生成する。キャニスタ３０４の加圧は、流出口バルブ１３４を閉じて流入口バルブ１２４を開くことによって達成される。酸素富化ガスは、逆止弁１４４を通ってキャニスタ３０４を出て行く。
【００３９】
キャニスタ３０２の排気中、流出口バルブ１３２が開き、加圧したガス（主に窒素）が濃縮器流出口１３０を通ってキャニスタを出て行くことができるようにする。ある実施形態では、排気したガスは、マフラー１３３を通して導かれて、キャニスタから加圧したガスを放出することで生成される騒音を低減し得る。ガスがキャニスタ３０２から放出されると、キャニスタ内の圧力が降下する。圧力降下は、ガス分離吸着剤から窒素を脱着可能にし得る。放出された窒素は、流出口１３０を通ってキャニスタを出て行き、キャニスタをリセットして、空気流から酸素を新たに分離することができる状態にする。マフラー１３３は、酸素濃縮器を出て行くガスの音を抑えるために、連続気泡発泡体（または別の材料）を含み得る。一部の実施形態では、空気の流入およびガスの流出のための消音用部品／技法の組み合わせが、酸素濃縮器を５０デシベル未満の音量で動作させ得る。
【００４０】
キャニスタの排気中、少なくとも窒素の大半が除去されることが有利である。ある実施形態では、酸素を空気から分離するためにキャニスタが再度使用される前に、キャニスタ内の窒素の少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９８％、または実質的にすべてが除去される。一部の実施形態では、キャニスタは、他方のキャニスタからキャニスタ内に導かれる酸素富化流を用いて、さらに窒素をパージし得る。
【００４１】
例示的な実施形態では、キャニスタ３０４から窒素を排気する際に、酸素富化ガスの一部は、キャニスタ３０２からキャニスタ３０４に移送され得る。キャニスタ３０４の排気中のキャニスタ３０２からキャニスタ３０４への酸素富化ガスの移送は、キャニスタから窒素（およびその他のガス）をさらにパージするのを助ける。ある実施形態では、酸素富化ガスは、２つのキャニスタ間にある流量制限器１５１、１５３および１５５を通って移動し得る。流量制限器１５１は、トリクル流量制限器であり得る。流量制限器１５１は、例えば、０．００９Ｄ流量制限器であり得る（例えば、流量制限器は、それが入っているチューブの直径より小さい、０．００９インチの半径を有する）。流量制限器１５３および１５５は、０．０１３Ｄ流量制限器であり得る。その他の流量制限器のタイプおよびサイズもまた企図されており、キャニスタを連結するのに用いられる具体的な構成および配管に応じて使用され得る。一部の実施形態では、流量制限器は、それらのそれぞれのチューブにより細い直径を導入することによって空気流を制限する、圧入式流量制限器であり得る。一部の実施形態では、圧入式流量制限器は、サファイア、金属またはプラスチックから作られ得る（その他の材料もまた企図されている）。
【００４２】
酸素富化ガスの流れはまた、バルブ１５２およびバルブ１５４を使用して制御される。バルブ１５２およびバルブ１５４は、パージするキャニスタからの過剰な酸素の損失を防止するために、排気プロセス中の短い持続時間だけ開き得る（そして反対に閉じ得る）。それ以外の持続時間もまた企図されている。例示的な実施形態では、キャニスタ３０２が排気され、キャニスタ３０４で生成された酸素富化ガスの一部をキャニスタ３０２へと通過させることにより、キャニスタ３０２をパージすることが望ましい。酸素富化ガスの一部は、キャニスタ３０４の加圧に際して、キャニスタ３０２の排気中に流量制限器１５１を通ってキャニスタ３０２内に進む。さらなる酸素富化空気が、キャニスタ３０４からバルブ１５４および流量制限器１５５を通ってキャニスタ３０２内に進む。移送プロセス中、バルブ１５２は、閉じ続けられ得る、あるいは、さらなる酸素富化ガスが必要な場合は開き得る。バルブ１５４の制御された開放と併せた、適切な流量制限器１５１および１５５の選択は、制御された量の酸素富化ガスをキャニスタ３０４からキャニスタ３０２に送ることを可能にする。ある実施形態では、酸素富化ガスの制御された量は、キャニスタ３０２をパージし、キャニスタ３０２の排気バルブ１３２を通る酸素富化ガスの損失を最小化するために十分な量である。この実施形態はキャニスタ３０２の排気について説明しているが、流量制限器１５１、バルブ１５２および流量制限器１５３を用いてキャニスタ３０４を排気するために、同一のプロセスを用いることができることを理解されたい。
【００４３】
流量調整／排気バルブ１５２／１５４の組は、流量制限器１５３および１５５と共に働いて、２つのキャニスタ間の空気流のバランスを最適化する。これにより、他方のキャニスタからの酸素富化ガスで、キャニスタを排気するためのより良好な流量制御が可能となり得る。これはまた、２つのキャニスタ間のより良好な流れの誘導を提供し得る。流れバルブ１５２／１５４は両方向弁として作動され得るが、このようなバルブを通る流量は、バルブを通って流れる流体の方向に応じて変動することが見出されている。例えば、キャニスタ３０４からキャニスタ３０２に向けて流れる酸素富化ガスは、バルブ１５２を通る際に、キャニスタ３０２からキャニスタ３０４に向けてバルブ１５２を通って流れる酸素富化ガスの流量よりも大きな流量を有する。単一のバルブが用いられる場合、最終的に過多または過少の酸素富化ガスがキャニスタ間で送られ、時間が経つと、キャニスタは、異なる量の酸素富化ガスを生成し始める。平行な空気流路で対向するバルブおよび流量制限器を使用することは、２つのキャニスタ間の酸素の流れパターンを均一化し得る。流れを均一化することは、複数のサイクルにわたってユーザが安定した量の酸素を利用できるようし得、また、他方のキャニスタをパージするために予測可能な量の酸素を利用できるようにし得る。一部の実施形態では、空気流路は、流量制限器を有さず、その代わりに、抵抗を内蔵するバルブを有し得る、または、空気流路自体が、抵抗を提供するような小さい半径を有し得る。
【００４４】
時折、酸素濃縮器は、ある期間だけシャットダウンされ得る。酸素濃縮器がシャットダウンされる場合、キャニスタ内の温度は、圧縮システムからの断熱的熱損失の結果、降下し得る。温度が下がると、キャニスタ内でガスが占める体積も減少する。キャニスタの冷却は、キャニスタ内を陰圧にし得る。キャニスタへ、またキャニスタからつながっているバルブ（例えば、バルブ１２２、１２４、１３２、および１３４）は、密閉されるのではなく、動的に封止される。よって、外気は、シャットダウン後にキャニスタに入って、圧力の差を調節し得る。外気がキャニスタに入ると、空気が冷却されるにつれて、外気からの湿気がキャニスタ内で凝縮され得る。キャニスタ内での水の凝縮は、ガス分離吸着剤を徐々に劣化させて、ガス分離吸着剤の酸素富化ガス生成能力を着実に低下させ得る。
【００４５】
ある実施形態では、シャットダウン前に両方のキャニスタを加圧することによって、酸素濃縮器がシャットダウンされた後に外気がキャニスタに入るのを阻止され得る。キャニスタを陽圧下に保管することによって、バルブは、キャニスタ内の空気の内圧によって密閉閉鎖位置となるように強いられ得る。ある実施形態では、シャットダウン時のキャニスタ内の圧力は、少なくとも周囲圧力よりも大きくするべきである。本明細書で使用される場合、「周囲圧力」の語は、酸素生成器が配置されている環境の圧力（例えば、室内、屋外、飛行機内の圧力など）を指す。ある実施形態では、シャットダウン時のキャニスタ内の圧力は、少なくとも標準大気圧よりも大きい（すなわち、７６０ｍｍＨｇ（Ｔｏｒｒ）、１気圧、１０１，３２５Ｐａよりも大きい）。ある実施形態では、シャットダウン時のキャニスタ内の圧力は、周囲圧力よりも少なくとも約１．１倍大きい、周囲圧力よりも少なくとも約１．５倍大きい、または周囲圧力よりも少なくとも約２倍大きい。
【００４６】
ある実施形態では、キャニスタの加圧は、圧縮システムから各キャニスタ内に加圧した空気を導き、すべてのバルブを閉じて、加圧した空気をキャニスタ内に閉じ込めることによって達成され得る。例示的な実施形態では、シャットダウンシーケンスが開始されると、流入口バルブ１２２および１２４が開き、流出口バルブ１３２および１３４が閉じる。流入口バルブ１２２および１２４が共通の導管によって共に接合されているため、両方のキャニスタ３０２および３０４は、一方のキャニスタからの空気または酸素富化ガスが他方のキャニスタに移送され得ることにより、加圧されるようになり得る。この状況は、圧縮システムと２つの流入口バルブとの間の経路がこのような移送を可能にする場合に起こり得る。酸素生成器が加圧／排気交互モードで動作するため、キャニスタのうちの少なくとも１つは、任意の所与の時点で加圧状態となるはずである。代替的な実施形態では、圧縮システム２００の動作によって、圧力が各キャニスタ内で上昇され得る。流入口バルブ１２２および１２４が開いている時、キャニスタ３０２とキャニスタ３０４との間の圧力が均一化されるが、等しくなったいずれかのキャニスタの圧力は、シャットダウン中に空気がキャニスタに入るのを阻止するには十分でないことがある。空気がキャニスタに入るのを確実に阻止するために、圧縮システム２００は、両方のキャニスタ内の圧力を、少なくとも周囲圧力よりも大きい圧力まで上昇させるのに十分な時間、作動させ得る。キャニスタの加圧方法に関わらず、キャニスタが加圧されたならば、流入口バルブ１２２および１２４は閉じて、キャニスタ内に加圧した空気を閉じ込め、これにより、シャットダウン期間中にキャニスタに空気が入るのを阻止する。
【００４７】
キャニスタのうちの１つまたは２つ以上に連結された流出口システムは、酸素富化ガスをユーザに供給するための１つまたは２つ以上の導管を含む。ある実施形態では、図１に概略的に示されるように、キャニスタ３０２および３０４のいずれかで生成された酸素富化ガスは、それぞれ逆止弁１４２および１４４を通してアキュムレータ１０６に捕集される。キャニスタを出て行く酸素富化ガスは、ユーザに供給される前に、酸素アキュムレータ１０６に捕集され得る。一部の実施形態では、チューブがアキュムレータ１０６に連結されて、酸素富化ガスをユーザに供給し得る。酸素富化ガスは、酸素富化ガスをユーザの口および／または鼻に移送する気道送達装置を通して、ユーザに供給され得る。ある実施形態では、流出口は、酸素をユーザの鼻および／または口にむけて導くチューブを含み得、これは、ユーザの鼻に直接連結されない場合もある。
【００４８】
図２を参照すると、酸素濃縮器用の流出口システムのある実施形態の概略図が示されている。供給バルブ１６０は、流出口チューブに連結されて、アキュムレータ１０６からユーザへの酸素富化ガスの放出を制御し得る。ある実施形態では、供給バルブ１６０は、電磁作動プランジャ式バルブである。供給バルブ１６０は、コントローラ４００によって作動されて、ユーザへの酸素富化ガスの送達を制御する。供給バルブ１６０の作動は、圧力スイング吸着プロセスとタイミングを合わせたり、同期させたりしない。そうではなく、一部の実施形態では、作動は、患者の呼吸と同期させる。加えて、供給バルブ１６０は、酸素富化ガスを供給するための臨床的に効果的な流量プロファイルを確立するのを助けるために、複数の作動を有し得る。
【００４９】
図２に示されるように、アキュムレータ１０６中の酸素富化ガスは、供給バルブ１６０を通って膨張チャンバ１７０内へ進む。ある実施形態では、膨張チャンバは、チャンバを通過するガスの酸素濃度を判定するために使用され得る１つまたは２つ以上の装置を含み得る。膨張チャンバ１７０内の酸素富化ガスは、供給バルブ１６０によるアキュムレータからのガスの放出によって一時的に形成され、次いで、小型のオリフィス型の流量制限器１７５を通って流量センサ１８５へ、そして粒子フィルタ１８７へと流出される。流量制限器１７５は、０．０２５Ｄ流量制限器であり得る。その他のタイプおよびサイズの流量制限器が用いられてもよい。一部の実施形態では、ハウジング内の空気流路の直径は、制限された空気流を生成するために制限され得る。流量センサ１８５は、導管を通って流れるガスの流量を評価することができる任意のセンサであり得る。粒子フィルタ１８７は、酸素富化ガスをユーザに送達する前に、細菌、塵、顆粒などをろ過するのに用いられ得る。酸素富化ガスは、フィルタ１８７を通って、酸素富化ガスを導管１９２を通してユーザおよび圧力センサ１９４へと送るコネクタ１９０に流れる。
【００５０】
供給バルブ１６０のプログラムされた作動と併せた、流出経路の流体動力学は、正確な時間に、かつ鼻孔から大気中へ流れ出る無駄になる逆流を生み出すいかなる過剰な流量もなしに患者の肺への迅速な送達を確実にする流量プロファイルで、あるボーラス投与量の酸素が供給される。筆者らの特定のシステムでは、処方で必要とされるボーラス投与量の全体積は、１ＬＰＭ当たり１１ｍＬに等しい、すなわち、１ＬＰＭの処方では１１ｍＬ、２ＬＰＭの処方では２２ｍＬ、３ＬＰＭの処方では３３ｍＬ、４ＬＰＭの処方では４４ｍＬ、５ＬＰＭの処方では５５ｍＬなどであることが見出されている。これは、一般的に、ＬＰＭ当量と呼ばれる。ＬＰＭ当量は、構造設計、管類のサイズ、チャンバのサイズなどに起因して、装置間で変わり得ることを理解されたい。
【００５１】
膨張チャンバ１７０は、チャンバを通過するガスの酸素濃度を判定するために使用され得る１つまたは２つ以上の酸素センサを含み得る。ある実施形態では、膨張チャンバ１７０を通過するガスの酸素濃度は、酸素センサ１６５を用いて評価される。酸素センサは、ガス中の酸素を検出することができる装置である。酸素センサの例には、超音波酸素センサ、電子酸素センサ、および光学酸素センサが含まれるが、これらに限定されない。一実施形態では、酸素センサ１６５は、超音波放射器１６６と超音波受信器１６８とを含む超音波酸素センサである。一部の実施形態では、超音波放射器１６６は複数の超音波放射器を含み得、超音波受信器１６８は複数の超音波受信器を含み得る。複数の放射器／受信器を有する実施形態では、複数の超音波放射器および複数の超音波受信器は、軸方向に（例えば、軸方向の位置合わせに対して垂直であり得るガス混合物流路を横切って）位置合わせされ得る。
【００５２】
使用の際には、超音波（放射器１６６からの）は、チャンバ１７０内に配置された酸素富化ガスを通って、受信器１６８に方向付けされ得る。超音波センサアセンブリは、ガス混合物を通る音の速さの検出に基づいて、ガス混合物の組成を判定し得る（例えば、音の速さは、窒素と酸素とで異なる）。２つのガスの混合物では、混合物を通る音の速さは、混合物における各ガスの相対量に比例する中間値であり得る。使用時、受信器１６８での音は、放射器１６６から送信された音とわずかに位相がずれている。この位相シフトは、ワイヤを通る電子パルスの比較的早い速さと比べて、気体の媒質を通る音の速さが比較的遅いことに起因する。ひいては、位相シフトは、放射器と受信器との間の距離、および膨張チャンバを通る音の速さに比例する。チャンバ内のガスの密度は、チャンバを通る音の速さに影響を与え、密度は、チャンバ内における酸素の窒素に対する比に比例する。したがって、位相シフトは、膨張チャンバ内の酸素の濃度を測定するために使用され得る。このようにして、蓄積チャンバ内の酸素の相対濃度が、蓄積チャンバを通る検出された音波の１つまたは２つ以上の特性の関数として評価され得る。
【００５３】
一部の実施形態では、複数の放射器１６６および受信器１６８が使用され得る。放射器１６６および受信器１６８からの測定値は、乱流システムに固有のものであり得る誤差を打ち消すために平均され得る。一部の実施形態では、その他のガスの存在もまた、経過時間を測定すること、および測定された経過時間をその他のガスおよび／またはガス混合物の既定の経過時間と比較することによって、検出され得る。
【００５４】
超音波センサシステムの感度は、例えば、放射器１６６と受信器１６８との間の距離を伸ばして、放射器１６６と受信器１６８との間にいくつかの音波サイクルが発生できるようにすることによって高められ得る。一部の実施形態では、少なくとも２つの音サイクルが存在する場合、トランスデューサの構造的な変化の影響は、２つの時点で、固定基準点に対する位相シフトを測定することによって低減され得る。先の位相シフトが後の位相シフトから差し引かれる場合、膨張チャンバ１７０の熱膨張によって引き起こされるシフトは、低減または打ち消され得る。放射器１６６と受信器１６８との間の距離の変更によって引き起こされるシフトは、測定間隔でほぼ同じであり得るが、酸素濃度の変化による変化は、累積し得る。一部の実施形態では、後の時点で測定されたシフトは、間にあるサイクルの数を乗算されて、２つの隣接するサイクル間のシフトと比較され得る。膨張チャンバ内の酸素の感知に関するさらなる詳細は、例えば、２００９年３月１２日に公開され、「酸素濃縮器装置および方法（Ｏｘｙｇｅｎ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ）」と題する米国公開特許出願第２００９−００６５００７号に見ることができ、これは、参照することによって本明細書に援用される。
【００５５】
流量センサ１８５は、流出口システムを通って流れるガスの流量を判定するために用いられ得る。使用され得る流量センサには、ダイヤフラム／ベローズ流量計、ロータリ流量計（例えば、ホール効果流量計）、タービン流量計、オリフィス流量計、および超音波流量計が含まれるが、これらに限定されるものではない。流量センサ１８５は、コントローラ４００に連結され得る。流出口システムを通って流れるガスの流量は、ユーザの呼吸量の指標となり得る。流出口システムを通って流れるガスの流量の変化はまた、ユーザの呼吸数を判定するために用いられ得る。コントローラ４００は、流量センサ１８５で評価されるようなユーザの呼吸数および／または呼吸量に基づいて、供給バルブ１６０の作動を制御し得る。
【００５６】
一部の実施形態では、超音波センサシステム１６５と、例えば、流量センサ１８５とは、供給される酸素の実際の量の測定値を提供し得る。例えば、流量センサ１８５は、供給されるガスの体積を（流量に基づいて）測定し得、超音波センサシステム１６５は、供給されるガスの酸素濃度を提供し得る。これら２つの測定値は、コントローラ４００によって共に用いられて、ユーザに供給される酸素の実際の量の近似値を判定し得る。
【００５７】
酸素富化ガスは、流量計１８５を通ってフィルタ１８７へ流れる。フィルタ１８７は、酸素富化ガスをユーザに供給する前に、細菌、塵、顆粒などを除去する。ろ過された酸素富化ガスは、フィルタ１８７を通ってコネクタ１９０へ流れる。コネクタ１９０は、フィルタ１８７の流出口を圧力センサ１９４および流出口導管１９２に連結する「Ｙ」型コネクタであり得る。圧力センサ１９４は、導管１９２を通ってユーザへ流れるガスの圧力を監視するために用いられ得る。圧力センサ１９４によって感知される圧力の変化は、吸気の開始だけでなくユーザの呼吸数を判定し得る。コントローラ４００は、圧力センサ１９４が評価する、ユーザの呼吸数および／または吸気の開始に基づいて、供給バルブ１６０の作動を制御し得る。ある実施形態では、コントローラ４００は、流量センサ１８５および圧力センサ１９４によって提供される情報に基づいて、供給バルブ１６０の作動を制御し得る。
【００５８】
酸素富化ガスは、ユーザに導管１９２を通して供給され得る。ある実施形態では、導管１９２は、シリコーン製チューブであり得る。図３に示されるように、導管１９２は、気道連結部材１９６を用いてユーザに取り付され得る。気道連結部材１９６は、酸素富化ガスを鼻腔または口腔に供給することができる任意の装置であり得る。気道連結部材の例には、鼻マスク、鼻ピロー、鼻プロング、鼻カニューレ、およびマウスピースが含まれるが、これらに限定されない。鼻カニューレ型の気道送達装置が図３に示されている。使用中、酸素濃縮器システム１００からの酸素富化ガスは、導管１９２および気道連結部材１９６を通してユーザに供給される。気道連結部材１９６は、ユーザの気道近傍（例えば、ユーザの口および／または鼻の近傍）に配置されて、ユーザが周囲から空気を呼吸することができる状態のまま、ユーザに酸素富化ガスを送達することができる。
【００５９】
キャニスタシステム
酸素濃縮器システム１００は、少なくとも２つのキャニスタを含み得、各キャニスタは、ガス分離吸着剤を含む。酸素濃縮器システム１００のキャニスタは、成形されたハウジングに配置され得る。ある実施形態では、図４に示されるように、キャニスタシステム３００は、２つのハウジング部品３１０および５１０を含む。ハウジング部品３１０および５１０は、別個に形成された後、共に連結され得る。一部の実施形態では、ハウジング部品３１０および５１０は、射出成形または圧縮成形され得る。ハウジング部品３１０および５１０は、ポリカーボネート、メチレンカーバイド、ポリスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリプロピレン、ポリエチレン、またはポリ塩化ビニルなどの熱可塑性ポリマーから作られ得る。別の実施形態では、ハウジング部品３１０および５１０は、熱硬化性プラスチックまたは金属（ステンレススチールまたは軽量アルミニウム合金など）から作られ得る。軽量素材は、酸素濃縮器１００の重量を減らすために使用され得る。一部の実施形態では、２つのハウジング３１０および５１０は、ねじまたはボルトを使用して、一緒に固定され得る。あるいは、ハウジング部品３１０および５１０は、一緒に溶剤接着され得る。
【００６０】
図示のように、バルブ座部３２０、３２２、３２４および３２６ならびに空気流路３３０および３３２は、ハウジング部品３１０内に一体化されて、酸素濃縮器１００の空気流全体にわたり必要とされる封止接続の数を削減し得る。様々な実施形態では、酸素濃縮器１００のハウジング部品３１０および４１０は、２つのキャニスタ３０２および３０４ならびに集積チャンバ１０６を画定する、２つの部分からなる成形プラスチックフレームを形成し得る。
【００６１】
ハウジング部品３１０および５１０内の異なるセクション間の空気流路／配管は、成形された導管の形態をとり得る。空気流路用の成形されたチャネルの形態の導管は、ハウジング部品３１０および５１０内の複数の平面を占め得る。例えば、成形された空気導管は、ハウジング部品３１０および５１０内の異なる深さかつ異なるｘ、ｙ、ｚ位置に形成され得る。一部の実施形態では、導管の大半または実質的にすべては、ハウジング部品３１０および５１０内に一体化されて、潜在的なリーク箇所を減らし得る。
【００６２】
一部の実施形態では、ハウジング部品３１０および５１０を一緒に連結する前に、Ｏリングがハウジング部品３１０および５１０の様々な箇所の間に配置されて、ハウジング部品が確実に適切に密閉されるようにし得る。一部の実施形態では、部品は、ハウジング部品３１０および５１０に一体化され得る、および／または別個に連結され得る。例えば、管類、流量制限器（例えば、圧入式流量制限器）、酸素センサ、ガス分離吸着剤１３９、逆止弁、栓、プロセッサ、電源などは、ハウジング部品が一緒に連結される前および／またはその後に、ハウジング部品５１０および４１０に連結され得る。
【００６３】
一部の実施形態では、ハウジング部品３１０および４１０の外側へと続く開口部３３７を用いて、流量制限器などの装置を挿入し得る。開口部はまた、成形性を高めるために用いられ得る。開口部のうちの１つまたは２つ以上は、（例えば、プラスチック製の栓で）成形後に塞がれ得る。一部の実施形態では、流量制限器は、通路を密閉するために栓を挿入する前に通路に挿入され得る。圧入式流量制限器は、圧入式流量制限器とそれらのそれぞれの開口部との間において摩擦嵌合を可能にする直径を有し得る。一部の実施形態では、接着剤が、圧入式流量制限器の外側に加えられて、挿入されると圧入式流量制限器を所定の位置に保持し得る。一部の実施形態では、栓は、それらのそれぞれの管と摩擦嵌合を有し得る（またはそれらの外面に塗布された接着剤を有し得る）。圧入式流量制限器および／またはその他の部品は、（例えば、それぞれの開口部の直径よりも小さい直径の）先端が細い道具または棒を使用して、それらのそれぞれの開口部内に挿入され、押し込まれ得る。一部の実施形態では、圧入式流量制限器は、それらの挿入を停止させる管内の機構に突き当たるまで、それらのそれぞれの管内に挿入され得る。例えば、機構には、半径の減少が含まれ得る。その他の機構がまた企図される（例えば、管の側面の凸部、ねじ山など）。一部の実施形態では、圧入式流量制限器は、（例えば、細い管部分として）ハウジング部品内に成形され得る。
【００６４】
一部の実施形態では、バネ式バッフル１２９が、ハウジング部品３１０および５１０のそれぞれのキャニスタ受容部分内に、バッフル１２９のバネ側がキャニスタの出口に面するように配置され得る。バネ式バッフル１２９は、キャニスタ内のガス分離吸着剤１３９に力を印加し、他方、ガス分離吸着剤１３９が出口開口部に入るのを阻止するのをさらに助ける。バネ式バッフル１２９の使用は、ガス分離吸着剤をコンパクトに保ち、その間、膨張（例えば、熱膨張）も可能とし得る。ガス分離吸着剤１３９をコンパクトに保つことは、酸素濃縮器システム１００の移動中にガス分離吸収剤が破損するのを防止し得る。
【００６５】
一部の実施形態では、圧縮システム２００からの加圧した空気は、空気流入口３０６に入り得る。空気流入口３０６は、流入口導管３３０に連結される。空気は、流入口３０６を通ってハウジング部品３１０に入り、導管３３０を通って、バルブ座部３２２および３２４に達する。図５および図６は、ハウジング３１０の端面図を示している。図５は、バルブをハウジング３１０に嵌める前の、ハウジング３１０の端面図を示している。図６は、バルブがハウジング３１０に嵌められた状態のハウジング３１０の端面図を示している。バルブ座部３２２および３２４は、それぞれ、流入口バルブ１２２および１２４を受けるように構成される。流入口バルブ１２２は、キャニスタ３０２に連結され、流入口バルブ１２４は、キャニスタ３０４に連結される。ハウジング３１０はまた、それぞれ、流出口バルブ１３２および１３４を受けるように構成されるバルブ座部３３２および３３４を含む。流出口バルブ１３２は、キャニスタ３０２に連結され、流出口バルブ１３４は、キャニスタ３０４に連結される。流入口バルブ１２２／１２４は、導管３３０からそれぞれのキャニスタへの空気の通過を制御する。
【００６６】
ある実施形態では、加圧した空気は、キャニスタ３０２または３０４のうちの一方に送り込まれ、その間、他方のキャニスタは排気される。例えば、使用中、流入口バルブ１２２が開いている間、流入口バルブ１２４は閉じている。圧縮システム２００からの加圧した空気は、キャニスタ３０２内に送り込まれて、その間、キャニスタ３０４への流入が流入口バルブ１２４によって阻止される。キャニスタ３０２の加圧中、流出口バルブ１３２は閉じており、流出口バルブ１３４は開いている。流入口バルブと同様に、流出口バルブ１３２および１３４は、互いに同調しないように操作される。各流入口バルブ座部３２２は、ハウジング３１０を通ってキャニスタ３０２へつながる開口３７５を含む。同様に、バルブ座部３２４は、ハウジング３１０を通ってキャニスタ３０２へつながる開口３２５を含む。導管３３０からの空気は、それぞれのバルブ（３２２または３２４）が開いている場合、開口３２３、または３２５を通過し、キャニスタに入る。
【００６７】
逆止弁１４２および１４４（図４参照）は、それぞれ、キャニスタ３０２および３０４に連結される。逆止弁１４２および１４４は、キャニスタが加圧され、排気される際に発生する圧力差によって受動的に操作される一方向弁である。キャニスタ３０２及び３０４で生成された酸素富化ガスは、キャニスタからハウジング４１０の開口５４２及び５４４へ進む。経路（図示せず）は、開口５４２および５４４を導管３４２および３４４にそれぞれ繋ぐ。キャニスタ内の圧力が逆止弁１４２を開くのに十分である場合、キャニスタ３０２で生成された酸素富化ガスは、開口５４２を通って導管３４２へ進む。逆止弁１４２が開いている場合、酸素富化ガスは、導管３４２を通ってハウジング３１０の端部に向けて流れる。同様に、キャニスタ内の圧力が逆止弁１４４を開くのに十分である場合、キャニスタ３０４で生成された酸素富化ガスは、キャニスタから開口５４４を通って導管３４４へ進む。逆止弁１４４が開いている場合、酸素富化ガスは導管３４４を通ってハウジング３１０の端部に向けて流れる。
【００６８】
いずれかのキャニスタからの酸素富化ガスも、導管３４２または３４４を通って移動し、ハウジング３１０内に形成された導管３４６に入る。導管３４６は、この導管を導管３４２、導管３４４およびアキュムレータ１０６に連結する開口を含む。よって、キャニスタ３０２または３０４で生成された酸素富化ガスは、導管３４６へ移動し、アキュムレータ１０６内へと進む。
【００６９】
しばらく経つと、ガス分離吸着剤が窒素で飽和し、流入する空気からの相当量の窒素を分離することができなくなる。キャニスタ内のガス分離吸着剤がこの飽和点に到達すると、圧縮した空気の流入が停止され、キャニスタが排気されて窒素を除去する。キャニスタ３０２は、流入口バルブ１２２を閉じて流出口バルブ１３２を開くことにより排気される。流出口バルブ１３２は、キャニスタ３０２から排気されたガスを、ハウジング３１０の端部によって画定された容積内へと放出する。発泡材料は、ハウジング３１０の端部を覆って、キャニスタからのガスの放出によって発生する音を低減し得る。同様に、キャニスタ３０４は、流入口バルブ１２４を閉じて流出口バルブ１３４を開くことにより排気される。流出口バルブ１３４は、キャニスタ３０４から排気されたガスを、ハウジング３１０の端部によって画定された容積内へと放出する。
【００７０】
キャニスタ３０２が排気されている間、キャニスタ３０４は加圧されて、上述と同様に酸素富化ガスを生成する。キャニスタ３０４の加圧は、流出口バルブ１３４を閉じて流入口バルブ１２４を開くことによって達成される。酸素富化ガスは、逆止弁１４４を通ってキャニスタ３０４を出て行く。
【００７１】
例示的な実施形態では、キャニスタ３０４から窒素を排気する際に、酸素富化ガスの一部は、キャニスタ３０２からキャニスタ３０４に移送され得る。キャニスタ３０４の排気中のキャニスタ３０２からキャニスタ３０４への酸素富化ガスの移送は、キャニスタから窒素（およびその他のガス）をさらにパージするのを助ける。図１に示されるように、キャニスタ間の酸素富化ガスの流れは、流量制限器およびバルブを用いて制御される。３つの導管が、キャニスタ間で酸素富化ガスを移送するために用いるために、ハウジング５１０内に形成される。図７に示されるように、導管５３０は、キャニスタ３０２をキャニスタ３０４に連結する。流量制限器１５１（図示せず）は、キャニスタ３０２とキャニスタ３０４との間で導管５３０に配置され、使用中の酸素富化ガスの流れを制限する。導管５３２もまた、キャニスタ３０２をキャニスタ３０４に連結する。導管５３２は、図８に示されるように、バルブ１５２を受けるバルブ座部５５２に連結される。流量制限器１５３（図示せず）は、キャニスタ３０２とキャニスタ３０４との間で導管５３２に配置される。導管５３４もまた、キャニスタ３０２をキャニスタ３０４に連結する。導管５３４は、図８に示されるように、バルブ１５４を受けるバルブ座部５５４に連結される。流量制限器１５５（図示せず）は、キャニスタ３０２とキャニスタ３０４との間で導管４３４に配置される。流量調整／排気バルブ１５２／１５４の組は、流量制限器１５３および１５５と共に働いて、２つのキャニスタ間の空気流のバランスを最適化する。
【００７２】
アキュムレータ１０６中の酸素富化ガスは、供給バルブ１６０を通って、ハウジング５１０内に形成される膨張チャンバ１７０へ進む。ハウジング５１０の開口（図示せず）は、アキュムレータ１０６を供給バルブ１６０に連結する。ある実施形態では、膨張チャンバは、チャンバを通過するガスの酸素濃度を判定するために使用され得る１つまたは２つ以上の装置を含み得る。
【００７３】
コントローラシステム
酸素濃縮器システム１００の操作は、本明細書に記載されるように、酸素濃縮器システムの様々な部品に連結された内部コントローラ４００を用いて自動的に行われ得る。図１に示されるように、コントローラ４００は、１つまたは２つ以上のプロセッサ４１０と内部メモリ４２０とを含む。酸素濃縮器システム１００を操作および監視するために使用される方法は、メモリ４２０またはコントローラ４００に連結された記憶媒体に記憶したプログラム命令によって実装されて、１つまたは２つ以上のプロセッサ４１０によって実行され得る。非一時的メモリ媒体は、様々なタイプのメモリ装置または記憶装置のどれでも含み得る。「メモリ媒体」の語は、インストール用媒体、例えば、読み取り専用コンパクトディスクメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、フロッピー（登録商標）ディスク、またはテープ装置、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、ダブルデータレートランダムアクセスメモリ（ＤＤＲ  ＲＡＭ（登録商標））、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、エクステンデッドデータアウトランダムアクセスメモリ（ＥＤＯ  ＲＡＭ）、ラムバスランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのコンピュータシステムメモリまたはランダムアクセスメモリ、あるいは磁気媒体、例えばハードドライブ、または光記憶装置などの不揮発性メモリを含むとして意図されている。メモリ媒体は、同様にその他のタイプのメモリ、またはそれらの組み合わせを備え得る。加えて、メモリ媒体は、プログラムが実行される第１のコンピュータ内に搭載され得る、あるいは第１のコンピュータにインターネットなどのネットワークを介して繋がる第２の異なるコンピュータ内に搭載され得る。後者の場合、第２のコンピュータは、プログラム命令を実行用として第１のコンピュータに提供し得る。「メモリ媒体」の語は、異なる場所に、例えば、ネットワークで接続された異なるコンピュータに存在し得る２つまたは３つ以上のメモリ媒体を含む。
【００７４】
一部の実施形態では、コントローラ４００は、例えば、酸素濃縮器システム１００内に配置された回路基板上に含まれる、１つまたは２つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロコントローラなどを含むプロセッサ４１０を含む。プロセッサ４１０は、メモリ４２０に記憶されるプログラム命令を実行できる。一部の実施形態では、プログラム命令は、プロセッサ４１０内に組み込まれて、プロセッサの外部のメモリが別個にアクセスできないようにし得る（すなわち、メモリ４２０は、プロセッサ４１０の内部であり得る）。
【００７５】
プロセッサ４１０は、酸素濃縮器システム１００の様々な部品に連結され得、このような部品には、圧縮システム２００、システムを通る流体の流れを制御するために使用されるバルブのうちの１つまたは２つ以上（例えば、バルブ１２２、１２４、１３２、１３４、１５２、１５４、１６０、またはこれらの組み合わせ）、酸素センサ１６５、圧力センサ１９４、流量モニタ１８０、温度センサ、ファン、および、電気的に制御し得るあらゆるその他の部品が含まれるが、これらに限定されるものではない。一部の実施形態では、別個のプロセッサ（および／またはメモリ）が、部品のうち１つまたは２つ以上に連結され得る。
【００７６】
コントローラ４００は、酸素濃縮器システム１００を操作するようプログラムされ、さらに、故障状態でないか酸素濃縮器システムを監視するようにプログラムされる。例えば、一実施形態では、コントローラ４００は、システムが動作しており、かつユーザの呼吸が既定の時間検出されない場合に、警報を発するようプログラムされる。例えば、コントローラ４００が呼吸を７５秒間検出しなかった場合、警報用ＬＥＤが点灯され得る、および／または音による警報を鳴動させ得る。例えば、睡眠時無呼吸の発症中、ユーザが本当に呼吸を停止した場合、警報は、ユーザを目覚めさせて、呼吸を再開させるのに十分なものであり得る。呼吸動作は、コントローラ４００がこの警報機能をリセットするのに十分であり得る。あるいは、出力導管１９２がユーザから除去された際に、システムの電源が誤ってオンのままとされた場合、アラームは、ユーザが酸素濃縮器システム１００をオフにするためのリマインダとして働き得る。
【００７７】
コントローラ４００は、酸素センサ１６５にさらに連結されて、膨張チャンバ１７０を通過する酸素富化ガスの酸素濃度を連続的または周期的に監視するようにプログラムされ得る。最小酸素濃度閾値は、コントローラ４００内にプログラムされ得て、これにより、コントローラは、ＬＥＤによる視覚的な警報および／または音声警報を発して、患者に酸素濃度が低いことを警告する。
【００７８】
コントローラ４００はまた、内部電源１８０に連結されて、内部電源の充電レベルを監視することができる。最低電圧および／または電流閾値は、コントローラ４００内にプログラムされ得て、これにより、コントローラは、ＬＥＤによる視覚的な警報および／または音声警報を発して、患者に電力状態が低いことを警告する。警報は、バッテリの利用可能充電量がゼロに近づくにつれて断続的かつ頻度を高めて作動され得る。
【００７９】
コントローラ４００のさらなる機能は、本開示の他の節で詳細に説明される。
【００８０】
検出した呼吸数または呼吸の深さを閾値と比較することによって評価すると、比較的活動的でない（例えば、睡眠中、座っているなど）場合、ユーザの呼吸数または呼吸の深さは低くなり得る。比較的活動的である（例えば、歩行中、運動中など）場合、ユーザの呼吸数または呼吸の深さは高くなり得る。活動／睡眠モードは、自動的に評価され得る、および／または、ユーザは、活動モード用のボタンおよび睡眠モード用の別のボタンを押すことによって、それぞれの活動モードまたは睡眠モードを手動で指示し得る。一部の実施形態では、ユーザは、活動モード、通常モード、または安静モードからスイッチを切り替え得る。活動モードまたは睡眠モードの作動に応答して酸素濃縮器システムが行う調整は、本明細書に詳述される。
【００８１】
酸素富化ガスの送達方法
酸素濃縮器システムの主な用途は、酸素補給をユーザに供給することである。一般に、供給される酸素補給量は、医師によって評価される。酸素補給の典型的な処方量は、約１ＬＰＭから約１０ＬＰＭまでの範囲であり得る。最も一般的な処方量は、１ＬＰＭ、２ＬＰＭ、３ＬＰＭ、および４ＬＰＭである。一般に、酸素富化ガスは、ユーザの処方要件を満たすように、呼吸サイクル中にユーザに供給される。本明細書で使用される場合、「呼吸サイクル」の語は、後に呼気が続く、人間の吸気を指す。
【００８２】
処方量を満たすために生成されるべき酸素富化ガスの量を最小化するために、コントローラ４００は、酸素富化ガスの送達の時間をユーザの吸気と合わせて調整するようにプログラムされ得る。ユーザが吸気する時にユーザに酸素富化ガスを放出することは、例えば、ユーザが息を吐く時に酸素を放出しないことにより、不必要な酸素生成を防止し得る（電力要件をさらに低減し得る）。必要な酸素の量を低減することにより、酸素濃縮器１００が必要とする空気圧縮量を効果的に低減し得る（ひいては圧縮器からの電力要求を低減し得る）。
【００８３】
酸素濃縮器システム１００によって生成された酸素富化ガスは、酸素アキュムレータ１０６に貯蔵され、ユーザが吸気する時にユーザに放出される。酸素濃縮器システムが供給する酸素富化ガスの量は、部分的には、供給バルブ１６０によって制御される。ある実施形態では、供給バルブ１６０は、コントローラ４００によって評価された、適切な量の酸素富化ガスをユーザに供給するのに十分な時間だけ開く。ユーザの処方要件を満たすために必要な酸素量を最小化するために、ユーザの吸気が最初に検出された時に、酸素富化ガスは、ボーラス投与量で供給され得る。例えば、酸素富化ガスのボーラス投与量は、ユーザの吸気の最初の数ミリ秒で供給され得る。
【００８４】
ある実施形態では、圧力センサ１９４および／または流量センサ１８５は、ユーザによる吸気の開始を判定するために用いられ得る。例えば、ユーザの吸気は、圧力センサ１９４を用いて検出され得る。使用の際には、酸素富化ガスを供給するための導管は、ユーザの鼻および／または口に（例えば、鼻カニューレまたはフェイスマスクを用いて）取り付けされる。吸気の開始時、ユーザは鼻および／または口を通して空気を体内に吸い込み始める。空気が吸い込まれると、部分的に送達導管の端部にわたって引き込まれる空気のベンチュリ作用により、導管の端部で陰圧が生成される。圧力センサ１９４は、圧力の降下を検出した時に、吸気の開始を知らせる信号を生成するように動作可能であり得る。吸気の開始が検出されると、供給バルブ１６０が制御されて、アキュムレータ１０６から酸素富化ガスのボーラス投与量を放出する。
【００８５】
一部の実施形態では、圧力センサ１９４は、感知面に印加される陽圧または陰圧の量に比例する信号を提供し得る。圧力センサ１９４によって検知される圧力の変化量は、ユーザに供給される酸素富化ガスの量の精度を向上させるために用いられ得る。例えば、大きな陰圧変化が圧力センサ１９４によって検出された場合、ユーザによって吸気されるガスの体積の増加を考慮して、ユーザに供給される酸素富化ガスの体積を増加させ得る。より小さな陰圧変化が検出された場合、ユーザによって吸気されるガスの体積の減少を考慮して、ユーザに供給される酸素富化ガスの体積を減少させ得る。圧力の正方向の変化は、ユーザによる呼気を示し、概して、酸素富化ガスの放出が中断される時間である。概して、正方向の圧力変化が感知されている間、バルブ１６０は、次の吸気の開始まで閉じたままである。
【００８６】
一部の実施形態では、圧力センサ１９４の感度は、ユーザからの圧力センサ１９４の物理的な距離によって影響され得、特に、圧力センサが、酸素濃縮器システム１００内に配置され、かつ圧力差が、酸素濃縮器システムをユーザに連結する管類を通して検出される場合はそうである。一部の実施形態では、圧力センサは、酸素富化ガスをユーザに供給するために用いられる気道送達装置内に配置され得る。圧力センサからの信号は、ワイヤを介して、またはＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）（ワシントン州カークランドのＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標），ＳＩＧ，Ｉｎｃ．）またはその他の無線技術などの遠隔計測を通じて、酸素濃縮器１００内のコントローラ４００に電子的に提供され得る。
【００８７】
ある実施形態では、ユーザの吸気は、流量センサ１８５を用いることによって検出され得る。使用の際には、酸素富化ガスを供給するための導管は、ユーザの鼻および／または口に（例えば、鼻カニューレまたはフェイスマスクを用いて）取り付けされる。吸気の開始時、ユーザは鼻および／または口を通して空気を体内に吸い込み始める。空気が引き込まれると、導管を通過するガスの流れが増加する。流量センサ１８５は、流量の増加を検出した時に、吸気の開始を知らせる信号を生成するように動作可能であり得る。吸気の開始が検出されると、供給バルブ１６０が制御されて、アキュムレータ１０６から酸素富化ガスのボーラス投与量を放出する。
【００８８】
活動状態（例えば、歩行中、運動中など）の間、毎分３０呼吸（ＢＰＭ）の呼吸数で呼吸するユーザは、安静状態（例えば、睡眠中、座っているなど）の間に１２ＢＰＭで呼吸するユーザの２．５倍の酸素を消費し得る。圧力センサ１９４および／または流量センサ１８５は、ユーザの呼吸数を判定するために用いられ得る。コントローラ４００は、圧力センサ１９４および／または流量センサ１８５から受信した情報を処理して、吸気の開始の頻度に基づいて呼吸数を判定し得る。検出したユーザの呼吸数は、酸素富化ガスのボーラス投与量を調整するために用いられ得る。酸素富化ガスのボーラス投与量の体積は、ユーザの呼吸数が増加するに従って増加され、また、ユーザの呼吸数が減少するに従って減少され得る。コントローラ４００は、検出したユーザの活動状態に基づいてボーラス投与量を自動的に調整し得る。あるいは、ユーザは、酸素濃縮器の制御パネル上の適切なオプションを選択することによって、それぞれの活動モードまたは安静モードを手動で指示し得る。あるいは、ユーザは、コントローラ４００を遠隔の電子装置から操作し得る。例えば、ユーザは、スマートフォンまたはタブレット装置を用いて、コントローラを操作し得る。
【００８９】
一部の実施形態では、検出したユーザの呼吸数を用いて評価したユーザの現在の活動レベルが既定の閾値を超過している場合、コントローラ４００は、警報（例えば、視覚的および／または音声警報）を発報して、現在の呼吸数が、酸素濃縮器システムの送達キャパシティを超過していることをユーザに警告し得る。例えば、この閾値は、毎分２０呼吸に設定され得る。
【００９０】
一部の実施形態では、コントローラ４００は、吸気時呼吸圧力閾値の変化に基づいて、酸素濃縮器を操作し得る。現在の頻度および／または持続時間に対する、ユーザに供給される酸素富化ガスの頻度および／または持続時間は、吸気時呼吸圧力閾値の変化に基づいて調整され得る。吸気時呼吸圧力閾値が下げられたと判定すると、コントローラ４００は、酸素濃縮器を安静モードに切り替え得る。コントローラ４００は、吸気時呼吸圧力閾値が上げられると、酸素濃縮器を活動モードに切り替え得る。
【００９１】
一部の実施形態では、図９に示されるように、供給される酸素富化ガスのボーラス投与量は、２つまたは３つ以上のパルスを含み得る。例えば、毎分１リットル（ＬＰＭ）の送達量で、ボーラス投与量は２つのパルス、すなわち、約７立方センチメートルの第１のパルス５５６と、約３立方センチメートルの第２のパルス５５８とを含み得る。その他の送達量、パルスのサイズ、およびパルスの数もまた企図されている。例えば、２ＬＰＭでは、第１のパルスは、約１４立方センチメートルであり得、第２のパルスは、約６立方センチメートルであり得、３ＬＰＭでは、第１のパルスは、約２１立方センチメートルであり得、第２のパルスは、約９立方センチメートルであり得る。一部の実施形態では、吸気の開始が検出（例えば、圧力センサ１９４によって検出）された時に、より大きなパルス５５６が提供され得る。一部の実施形態では、パルスは、吸気の開始が検出された時に供給され得る、および／または呼吸を通して時間に対して均一に分散させ得る。一部の実施形態では、パルスは、呼吸の持続時間を通して階段状のステップ状であり得る。一部の実施形態では、パルスは、様々なパターンで分散させ得る。追加のパルスもまた用いられ得る（例えば、呼吸１回当たり３パルス、４パルス、５パルスなど）。第１のパルス５５６は、第２のパルス５５８の約２倍として示されているが、一部の実施形態では、第２のパルス５５８は、第１のパルス５５６よりも大きい場合もある。一部の実施形態では、パルスのサイズおよび長さは、例えば、供給バルブ１６０によって制御され得、供給バルブ１６０は、時間を調整したシーケンスで開閉されて、パルスを提供し得る。複数のパルスを有するボーラス投与量は、単一のパルスを有するボーラス投与量よりもユーザに与える影響が小さくなり得る。複数のパルスはまた、ユーザの鼻腔の乾燥および血液の酸素脱飽和を少なくさせ得る。複数のパルスはまた、廃棄される酸素を少なくし得る。
【００９２】
一部の実施形態では、酸素濃縮器１００の感度は、選択的に減衰させて、異なる源からの空気の移動（例えば、周囲空気の移動）による誤った吸気検知を減少させ得る。例えば、酸素濃縮器１００は、２つの選択可能なモード、すなわち、活動モードと非活動モードとを有し得る。一部の実施形態では、ユーザは、手動で（例えば、スイッチまたはユーザインターフェースを通して）モードを選択し得る。一部の実施形態では、モードは、検出した呼吸数に基づいて、酸素濃縮器１００によって自動的に選択され得る。例えば、酸素濃縮器１００は、圧力センサ１９４を用いてユーザの呼吸数を検出し得る。呼吸数が閾値を超える場合、酸素濃縮器１００は、活動モードで作動され得る（そうでない場合、酸素濃縮器は、非活動モードで作動され得る）。その他のモードおよび閾値もまた企図されている。
【００９３】
一部の実施形態では、活動モードにおいて、圧力センサ１９４の感度は、機械的に、電子的に、またはプログラムで減衰され得る。例えば、活動モードの間、コントローラ４００は、ユーザの呼吸の開始を示すより大きい圧力差を探し得る（例えば、より高い閾値が、検出された圧力差と比較されて、ボーラス投与量の酸素を放出すべきかどうか判定し得る）。一部の実施形態では、圧力センサ１９４は、圧力差に対する感度を下げるように機械的に変更され得る。一部の実施形態では、圧力センサからの電子信号は、小さい圧力差を無視するように電子的に変更され得る。このことは、活動モードの時に役立ち得る。一部の実施形態では、非活動モードの間、圧力センサの感度が高められ得る。例えば、コントローラ４００は、ユーザの呼吸の開始を示すより小さい圧力差を探し得る（例えば、より小さい閾値が、検出された圧力差と比較されて、ボーラス投与量の酸素を放出すべきかどうか判定し得る）。一部の実施形態では、感度を上げた状態で、ユーザの吸気中、ボーラス投与量の酸素を供給するための応答時間が、減らされ得る。高い感度と少ない応答時間は、所与の流量当量に必要とされるボーラス投与量を減らし得る。少ないボーラス投与量はまた、酸素濃縮器１００のサイズおよび電力消費を減らし得る。
【００９４】
吸気プロファイルに基づくボーラス投与量供給
ある実施形態では、ボーラス投与量プロファイルが特定のユーザのプロファイルと調和するように設計され得る。そうするために、吸気プロファイルが、圧力センサ１９４および流量センサ１８５から集めた情報に基づいて生成され得る。吸気プロファイルは、以下のパラメータ、すなわち、ユーザの呼吸数、ユーザの吸気量、ユーザの呼気量、ユーザの吸気流量、およびユーザの呼気流量のうちの１つまたは２つ以上に基づいて評価され得る。ユーザの呼吸数は、先述のように、圧力センサ１９４または流量センサ１８５を用いて吸気の開始を検出することによって評価され得る。吸気量は、吸気中の圧力変化を測定して、圧力変化に基づいて吸気量を算出また経験的に評価することによって評価され得る。あるいは、吸気量は、吸気中の流量を測定して、吸気の流量および長さに基づいて吸気量を算出または経験的に評価することによって評価され得る。呼気量は、呼気中の正方向の圧力変化、または流量および呼気時間のいずれかを用いて同様に評価され得る。ユーザの吸気流量は、吸気の開始直後から測定される。吸気の終了の検出は、圧力センサまたは流量センサに基づき得る。吸気の開始が圧力センサによって検出される場合、開始は、圧力降下によって特徴付けられる。圧力が上昇し始めると、吸気が完了したとみなされる。吸気の開始が流量センサによって検出される場合、開始は、流量の増加によって特徴付けられる。流量が減少し始めると、吸気が完了したとみなされる。
【００９５】
人間が意識を保つのに必要な酸素の最小量が存在する。速く呼吸している人は、呼吸のたびに少ない量の空気を取り込み、そのために、吸気ごとに必要とする酸素富化ガスの量が少ない。患者ごとにいくらかの違いがあるが、この関係は、呼吸ごとの平均流量を数学的に確立するために用いることができる。多数の患者の測定を行うことにより、吸気の開始から呼気の開始までの相対流量のプロファイルが確立され得る。この流れプロファイルをテンプレートとして用いて、呼吸数に基づいて算出した実際の流量が、算出した実際の流量プロファイルに数学的に調節され得る。このプロファイルは、送達バルブの開閉を調整するために使用されて、患者の呼吸数に基づいて患者の理想的なプロファイルを作成し得る。ユーザの集団から集めた吸気プロファイルデータは、検出した吸気プロファイルに基づいて適切な調整を行うアルゴリズムを生成するために使用され得る。あるいは、ルックアップテーブルが、検出した吸気プロファイルに基づいてバルブ作動持続時間およびパルス量を制御するために使用され得る。
【００９６】
患者の吸気プロファイルの測定は、患者に供給される酸素富化ガスのボーラス投与量の制御のためのより正確な基準を提供する。例えば、吸気の開始に基づいて酸素富化ガスを送達することは、個々のユーザ間の差異を考慮しない場合もある。例えば、呼吸数が似ている人々は、異なる吸気／呼気量、吸気／呼気流量を有し得るため、処方量の酸素を生成するために必要なボーラス投与量要件が異なる場合がある。一実施形態では、吸気プロファイルは、吸気中の空気の流量および吸気の持続時間に基づいて生成される。その結果、吸気プロファイルは、吸気中、特定のユーザが吸いこむ空気の量を予測するものとして使用され得る。このようにして、吸気プロファイル情報は、ユーザに供給される酸素富化空気の量を修正するために使用されて、処方されたレベルの酸素が確実に受けられるようにし得る。ユーザに供給される酸素量は、アキュムレータからの酸素富化ガスの放出頻度および／または持続時間を、供給バルブ１６０で修正することによって調整され得る。患者の吸気プロファイルを辿ることにより、コントローラは、送達供給バルブの作動を調整して、無駄な逆流を引き起こすことなく、酸素を最大量で供給するために、ボーラス投与量のプロファイルを理想的なものとする。
【００９７】
電力管理
酸素濃縮器システムの作動のための電力は、内部電源１８０によって供給される。内部電源を有することにより、酸素濃縮器システムの携帯使用が可能となる。一実施形態では、内部電源１８０には、リチウムイオンバッテリが含まれる。リチウムイオンバッテリは、その他の充電式バッテリに対して、多くのその他のバッテリよりも重量あたりで提供できる電力が多いという利点を提供する。
【００９８】
一実施形態では、圧縮システム、バルブ、冷却ファンおよびコントローラは、すべて内部電源から電力供給され得る。コントローラ４００（図１に概略的に図示）は、内部電源の実際の出力電圧を測定し、種々のサブシステムへの電圧を、酸素濃縮器内に配置されたプリント回路基板上の専用回路を通して、適切なレベルに調整する。
【００９９】
一実施形態では、コントローラ４００は、ユーザの酸素出力要求に基づいて圧縮器３０５および３１０の動作を調整する。コントローラ４００は、酸素濃縮器に関して予め選択された処方を評価し得る。本明細書に示される実施形態では、酸素濃縮器は、スイッチを有し、スイッチは、ユーザまたは処方医師によって適切な処方量（１ＬＰＭから５ＬＰＭまで）に設定される。コントローラ４００は、スイッチの位置を評価して、対象者のための処方を判定し得る。対象者の処方に基づいて、コントローラは、圧縮器のうちの１つまたは２つ以上を酸素の生成を開始するように作動させる。
【０１００】
多くの例では、酸素濃縮器の作動エネルギーは、圧縮器をそれらの通常の最大圧縮器速度未満で作動することによって最適化され得る。本明細書で使用される場合、「通常の最大圧縮器速度」の句は、製造元が記載する、圧縮器の適切な動作のための最大の電流および電圧に対応する電流および電圧が圧縮器に供給された場合の圧縮器の運転速度を意味する。
【０１０１】
低い処方速度（例えば、１ＬＰＭ）では、ユーザのために十分な酸素を生成するために、両方の圧縮器を運転する必要はない場合もある。一部の例では、圧縮器（複数可）を通常の最大圧縮器速度で運転する必要はない場合もある。コントローラ４００は、１つまたは２つ以上の圧縮器の動作を通常の最大圧縮器速度のあるパーセンテージで制御するようにプログラムされ得、パーセンテージが、予め選択された処方に基づいて評価される。一部の例では、選択されるパーセンテージは、１００％未満である。酸素濃縮器のための処方設定が変更された場合、コントローラ４００は、処方の変更および／またはユーザの呼吸数の変化に基づいて、圧縮器速度を通常の最大圧縮器速度の異なるパーセンテージに調整し得る。
【０１０２】
コントローラ４００は、対象者の呼吸数をさらに評価し得る。酸素をユーザに供給する場合、適切な処方を維持するために必要な酸素量は、ユーザの呼吸数に基づく。ユーザの呼吸数が少ない場合（例えば、毎分１５呼吸（「ｂｐｍ」）またはそれ未満）、圧縮器は、通常の最大圧縮器速度の第１のパーセンテージで動作し得る。ユーザの呼吸数が増加した場合、第１のパーセンテージとは異なる、通常の最大圧縮器速度の第２のパーセンテージで圧縮器が作動される必要があり得る。この場合、第２のパーセンテージは、第１のパーセンテージよりも高いパーセンテージとなる。
【０１０３】
１つの圧縮器だけが使用される場合、コントローラは、どの圧縮器が作動されるかを任意で選択し得る。圧縮器の選択は、一方の圧縮器をその他の圧縮器（複数可）よりも多く使用されるのを回避するために、無作為または交互になされ得る。このことは、圧縮器の寿命を延ばすのを助ける。
【０１０４】
高い処方では（例えば、３ＬＰＭ以上）、２つ以上の圧縮器を同時に運転して、十分な酸素をユーザに供給する必要があり得る。２つまたは３つ以上の圧縮器が同時に作動される場合、圧縮器のそれぞれは、通常の最大圧縮器速度よりも小さいパーセンテージで作動され得る。ユーザの呼吸数が増加した場合、各圧縮器の速度もまた増加され得る。一部の実施形態では、圧縮器は、通常の最大圧縮器速度の１００％で動作する場合、患者のために十分な酸素を生成するのに十分な空気を移動することができない場合もある。コントローラ４００は、製造元が記載する、圧縮器の適切な動作のための最大の電流および電圧を超える電圧および／または電流を、圧縮器のうちの１つまたは２つ以上に送ることが可能であり得る。このことは、圧縮器（複数可）を通常の最大圧縮器速度を超える速度で運転させる。このことにより、コントローラは、患者の酸素要求が酸素濃縮器の通常の動作パラメータを超える場合でさえ、患者への適切な酸素送達を維持できるようになる。
【０１０５】
一部の実施形態では、患者によって必要とされる酸素を生成するために１つの圧縮器のみが使用され得る。圧縮器は、通常の最大圧縮器速度よりも小さい速度で作動され得る。患者の活動レベルが上がると、コントローラは、圧縮器の速度を高めて、酸素の生成を増加し得る。圧縮器の速度が通常の最大圧縮器速度の１００％に近づくと、コントローラは、第１の圧縮器が通常の最大圧縮器速度の１００％に到達する前に、第２の圧縮器を始動し得る。両方の圧縮器は、同じ速度、または異なる速度で作動され得る。両方の圧縮器は、通常の最大圧縮器速度よりも小さい速度で作動され得る。第１の圧縮器および第２の圧縮器は、通常の圧縮器速度の同じパーセンテージで作動され得る。
【０１０６】
例示的な実施形態では、酸素濃縮器は、２つの圧縮器を有する。１ＬＰＭの処方では、呼吸数が約１２〜１５ｂｐｍである場合、単一の圧縮器が通常の最大圧縮器速度の約６５％で作動されて、酸素をユーザに供給する。作動される圧縮器は、コントローラによって任意に選択され得る。対象者の呼吸数が１５ｂｐｍを超えて増加した場合、圧縮器速度が増加されて、増加した呼吸数を補償する。この例では、圧縮器速度は、あらゆる所与の呼吸数で、通常の最大圧縮器速度の１００％未満にとどまる。
【０１０７】
同じ例示的なシステムにおいて、処方が２ＬＰＭまで増加されると、呼吸数が約１２〜１５ｂｐｍである場合、単一の圧縮器が通常の最大圧縮器速度の約７５％で作動されて、酸素をユーザに供給する。ユーザの呼吸数が１５ｂｐｍを超えて増加した場合、圧縮器速度は、圧縮器の速度が通常の最大圧縮器速度の８５％に到達するまで増加される。この時点で、コントローラは、第２の圧縮器をオンにして、両方の圧縮器の速度を調整し、これにより、両方の圧縮器が通常の最大圧縮器速度の約６５％で作動するようにする。
【０１０８】
同じ例示的なシステムにおいて、処方が３ＬＰＭまで増加されると、呼吸数が約１２〜１５ｂｐｍである場合、両方の圧縮器が通常の最大圧縮器速度の約８５％で作動されて、酸素をユーザに供給する。ユーザの呼吸数が１５ｂｐｍを超えて増加した場合、両方の圧縮器の速度が増加される。呼吸数が２５ｂｐｍに近づくと、圧縮器は、通常の最大圧縮器速度で作動された場合、十分な酸素を供給することができない場合がある。適切な酸素量を患者に供給するために、各圧縮器は、通常の最大圧縮器速度よりも大きい速度で作動され得る。２５ｂｐｍ以上の呼吸数は、一般的に、ユーザによって長時間継続されないため、圧縮器の過度の運転は、一般的に、長時間行われない。
【０１０９】
この圧縮器制御方法は、酸素濃縮器のバッテリ寿命を改善するために示された。従来の手順では、圧縮器を単一の速度で作動させた場合、酸素濃縮器のバッテリ寿命は、約２時間であった。同じシステムを上記制御方法を用いて最新式にした場合、バッテリ寿命は、９時間まで増加した。
【０１１０】
キャニスタ
ガス分離吸着剤を使用する場合、酸素以外の分子のガス分離吸着剤上への吸着によって、酸素が空気から分離される。吸着プロセスは、ガス分離吸着剤の選択によって、および／またはガス分離吸着剤を収容するキャニスタの設計によって、強化され得る。酸素濃縮器装置１００は、ガス分離吸着剤を収容するキャニスタを含み得、キャニスタは、気体定常流（気体層流）または実質的な気体定常流を生成するように設計されている。キャニスタは、キャニスタの第１の端部の直径がキャニスタの第２の端部の直径よりも大きい、細長いチューブ（例えば、円筒状の）であり得る。例えば、キャニスタは、キャニスタの出口端部で外向きにテーパを付けられ得る。このようなキャニスタ設計は、ガス分離吸着剤（例えば、ゼオライト）で充填された場合、レイノルズ数の範囲が約１０から約２０または約１０から約１８であるガス流を生成し得る。図１０は、テーパ付きのキャニスタの実施形態を示している。キャニスタ６００は、第１の端部６０２と第２の端部６０４とを含み得る。図示のように、第１の端部６０２は、第２の端部６０４よりも大きい直径を有する。キャニスタ６００の側壁は、第１の端部６０２を第２の端部６０４に面して形成する。
【０１１１】
一部の実施形態では、キャニスタは、バッフルを含み得る。１つまたは２つ以上のバッフルが、キャニスタの内壁に沿って、側壁に対して所望の角度で配置され得る。例えば、バッフルは、側壁に対して約９０度の角度であり得る。図１１Ａは、バッフル６０８を有するキャニスタ６０６の実施形態を示している。キャニスタ６０６は、キャニスタ３０２および３０４と同じサイズおよび寸法を有し得る。図１１Ｂは、バッフル６０８を有するテーパ付きのキャニスタ６００の実施形態を示している。図１１Ｃは、バッフル６０８を有するキャニスタ６００、６０６の実施形態の上面図を示している。バッフル６０８は、キャニスタ６００（またはキャニスタ６０６）の軸に対してある角度で、らせん状の流れパターンを生成するように順序正しく配置され得る。らせん状のガス流は、著しい圧力降下なしで、熱効率および熱伝達を高め得る。キャニスタの振動は、らせん状の流れパターンが使用される場合、バッフルの無いキャニスタの圧力降下と比べて低減され得る。一部の実施形態では、バッフルは、孔を含み得る。テーパ付きのキャニスタにバッフルを設けることは、空気流の渦をキャニスタ内に生成し得る。キャニスタ内に渦を生成することは、装置のＬＰＭ当たりの重量を低減し、かつデッドスペースを最小化し得る。このことは、キャニスタが小さい容積で大きい変換効率を達成するのを可能にし得る。
【０１１２】
一部の実施形態では、キャニスタは、１つまたは２つ以上のポリマー、１つまたは２つ以上の非金属、１つまたは２つ以上の金属化合物、あるいはこれらの混合物から作られる。ポリマーの例には、熱硬化性ポリマー、熱可塑性ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネートなどが含まれる。非金属の例には、ガラス、溶融シリカ、ガラス繊維などが含まれる。金属化合物の例には、アルミニウム、ニッケル、銅、金属合金などが含まれる。一部の実施形態では、キャニスタは、ポリアミド、ガラス繊維、アルミニウムまたはこれらの混合物から作られ得る。例えば、キャニスタは、約６０％のポリアミドおよび約４０％のガラス、約７０％のポリアミドおよび約４０％のガラス、または約８０％のポリアミドおよび約２０％のガラスから作られ得る。キャニスタは、金属または金属合金の薄い被覆をキャニスタの内面および／または外面上に含み得る。物理蒸着法または当技術分野で既知のその他の膜堆積法を用いて、膜がキャニスタの表面上に堆積され得る。物理蒸着の例には、スパッタリングがある。金属または金属合金の薄い被覆を用いることは、圧力をかけても壊れない軽量のキャニスタの製造を可能にする。一部の実施形態では、キャニスタは、キャニスタ全体を使い捨て可能にする材料から製造され得る。
【０１１３】
イオン化空気
酸素濃縮器のキャニスタのサイズに起因して、ガス分離吸着剤の量は少ないが、適量の生成ガスを生成できる。ガス分離吸着剤は、特定の酸素濃縮器（例えば、キャニスタ）に関して最大性能に最適化されているため、ガス分離吸着剤のいかなる著しい経時的な能力低下も製品純度を低下させる。床の能力の低下をもたらし得る１つの要因は、不純物の吸着であり、不純物は、通常のプロセス運転中に完全に脱着せずに、ガス分離吸着剤において不純物の集積および滞留につながる。空気の分離で用いられる多くのゼオライトの吸着能力を低下させるこのような不純物の例には、水がある。
【０１１４】
一部の定置式の濃縮器は、ガス分離吸着剤に供給する前に圧縮ガスから水を除去するなんらかの手段を利用している。携帯用濃縮器は、それらの用途の性質によって、従来型の携帯用酸素濃縮器に実装される水除去能力よりも洗練された水除去能力を必要とすることになり得る、高湿度環境および／または急激な温度変化を含む広範な動作条件に曝されやすい。液体または蒸気のいずれかの形態で水が存在して、ガス分離吸着剤に流入する場合、ガス吸着剤は、各吸着サイクル中、少なくとも水の一部を吸着し得る。
【０１１５】
ゼオライトがガス分離吸着剤として使用される場合、水の吸着エネルギーは、その他のタイプの吸着剤に比べて高い。ガス分離プロセスの間、すべての吸着された水が典型的なサイクル下における床の排気／パージの間に脱着されるわけではない。したがって、吸着された水のガス分離吸着剤からの完全な除去は、通常、熱、赤外線、またはマイクロ波などのある種のエネルギーを床に付与すること、ならびに再生プロセス中、乾燥ガスでパージすることまたは床に対して真空を施すことを伴う。
【０１１６】
極めて効率の良い空気乾燥システムがその他のタイプのガス分離吸着剤分野に存在するが、これらのシステムの大半は、携帯用濃縮器の電力消費、サイズ／重量、および音響ノイズレベルの厳しい要件を損なって、電力を消費する、サイズおよび重量を増やす、またはシステム効率を低下させる。単一プロセスのガス分離吸着剤を、不純物処理／排除専用のガス分離吸着剤の一部と共に使用することは、ガス分離システムに不純物排除を加える一般的な方法である。ガス分離吸着剤の上流に、供給流の脱水を専用とするガス分離吸着剤を収容するキャニスタを加えること、あるいは所望のガスの分別に適するガス吸着剤に加えて乾燥剤を用いる層状の吸収剤を実装することもまた、水排除能力をガス分離システムに加える一般的な方法であり、また多くの場合、効果的であり得る。しかしながら、追加のキャニスタは、かなりのサイズおよび重量を濃縮器に追加する、あるいは、層状の吸収剤の場合には、乾燥剤の層が、そうでなければ高効率な空気の分離のために使用される吸着剤用として使用され得た体積を押しのける、またはプロセスカラムの体積が結果的に減らされて、乾燥剤を通してガスを圧縮するために、さらなる電力が使用される。
【０１１７】
一般的に空気の予備乾燥に使用される乾燥剤はまた、一定したサイクル中やシャットダウン期間中に失活しやすく、しばしば、前述の方法のうちの１つを適用することによって再生される。一部の場合では、乾燥剤は有利であり得るが、特殊な吸着剤を水による損傷から保護するのに十分に機能しないこともある。その性質上、個人用酸素濃縮器は、携帯用であっても定置式であっても、しばしば、産業用ガス製造プラントにおける連続使用方式ではなく、様々な使用態様で動作する。デューティサイクル、使用の間の保管期間、および保管環境は、装置ごとに多様であり得る。例えば、在宅医療提供者は、使用するための患者への配送を待機する間、気候調節されていない倉庫に保管されている一団の装置を有し得る。同様に、患者は、各人の酸素ニーズに応じて、装置を使用することなく自身の車または家に一定期間にわたって保管することもある。したがって、断続的に運転される、ガス分離吸着剤を収容する装置のシャットダウンおよび保管には注意が必要である。乾燥剤層（複数可）またはシャットダウン時に供給ガスの乾燥に使用されるガス分離吸着剤の一部に残留しているいかなる水（またはその他の不純物）も、通常の動作時に不純物の除去のために使用される床の一部と、床の乾燥部分との間における化学ポテンシャルの勾配に起因して、時間と共に拡散する。
【０１１８】
ゼオライト中の水の拡散係数は、アレニウスタイプの温度依存性を有するため、濃縮器が高温環境に保管される場合、粒子内拡散係数は、温度と共に指数関数的に増加する。気相拡散係数もまた温度と共に上昇する。したがって、酸素濃縮器システムでは、水を圧縮ガス供給流からできるだけ除去して、シャットダウンの間、高効率ゼオライトの失活を防止し、乾燥剤の使用をより少なくし、ガス分離吸着剤中の水の存在を最小化することが有利である。コアレッシングフィルタおよび重力式排水器などの従来型の水除去手段は、水除去能力が限られており、そのために、酸素濃縮機器の使用可能耐用年数を制限し得る。携帯用濃縮器が曝され得る様々な動作および保管環境が、ガス分離プラントなどのさらに従来型のガス分離システムでは直面しない、そして対処を要する設計課題を生じる。上述のように、より効率的な水および／またはその他の不純物のガス分離吸着剤からの除去が求められている。
【０１１９】
ガス分離吸着剤（例えば、ゼオライト）は、荷電層を含む２つまたは３つ以上の層を有し得る。第１の層は、正に帯電した粒子を含み得、第２の層は、負に帯電した粒子の上に分散される負に帯電した粒子を含み得る、またはその逆であり得る。負に帯電した粒子は、第１の層の上に均一または不均一に分散され得る。例えば、水分子は、ゼオライト中のプロトンまたは金属カチオンに静電結合され得る。ガス分離吸着剤に電流を流すこと、または帯電空気をガス分離吸着剤に供給することは、静電荷を変える、または乱し得る。例えば、グイ−チャップマン（Ｇｏｕｙ−Ｃｈａｐｍａｎ）モデルの電気二重層がキャニスタに適用され得る。静電荷の乱れは、水をガス分離吸着剤から放出し得る。水は、キャニスタから排気され得る。十分な量の水の除去は、ガス分離吸着剤を再帯電し得る。このようにして、ガス分離吸着剤は、再利用され得る。このようなガス分離吸着剤の処理は、ガス分離吸着剤の寿命を延ばし、かつ信頼性の高い、経済的なガス分離吸着剤を提供し得る。
【０１２０】
一部の実施形態では、酸素濃縮器装置１００は、ガス分離吸着剤を収容するキャニスタと、少なくとも２つの電極と、電源とを含み得る。図１２は、キャニスタ６１２内に少なくとも２つの電極６１０、６１０’を含むキャニスタの実施形態の斜視図を示している。図１３は、ガス分離吸着剤６１８を収容する図１２のキャニスタの上面図を示している。図１４は、少なくとも２つの電極６１０、６１０’をキャニスタ６１２の外面上に含むキャニスタの実施形態を示している。電極６１０、６１０’は、ケーブル６１６によって電源６１４に接続されている。電源６１４は、酸素濃縮器用とは別個の電源（例えば、外部電源または壁コンセント）であってもよいし、同じ電源（例えば、バッテリ）であってもよい。電源６１４は、交流または直流を電極６１０、６１０’に供給し得る。一部の実施形態では、電源は、電源をオンオフするための電力スイッチを含み得る。
【０１２１】
電極６１０、６１０’は、平坦、円筒状、または任意の好適な形状であり得る。図１４に示されるように、電極６１０、６１０’は、キャニスタ６１２の外側部分上に配置される。一部の実施形態では、電極６１０、６１０’は、キャニスタ６１２の内壁と外壁との間に配置される。電極６１０、６１０’は、空気のイオン化に好適であるとして知られる材料から作られ得る。好適な材料には、白金、銅、ニッケル、ドープされたセラミック材料などが含まれるが、これらに限定されない。一部の実施形態では、電極６１０、６１０’は、２つの電極間に電解質材料を含む単一のユニットである。
【０１２２】
一部の実施形態では、電極６１０、６１０’は、キャニスタへ取り外し可能に連結される。キャニスタへ取り外し可能に連結される電極６１０、６１０’（および電極用電源）を使用することにより、ガス分離吸着剤が再帯電された後に電極を取り外すことができる。よって、電源および／または電極の余計な重量は、携帯用酸素濃縮器の重量に追加されない。
【０１２３】
電極の一方への電力供給は、電極を電気的に励起して、電流が２つの電極間に流れるようにする。電流は、２つの電極間を流れる空気をイオン化し得る。イオン化空気は、ガス分離吸着剤に接触して、ガス分離吸着剤に吸収されている水をイオン化し得る。一部の実施形態では、イオン化空気のガス分離吸着剤に吸収された細菌との接触は、存在する細菌の一部またはすべてを死滅させ得る。一部の実施形態では、電極６１０、６１０’間を流れる電流は、水をガス分離吸着剤から脱着する、および／またはガス分離吸着剤中の細菌を死滅させるのに十分な熱を生成し得る。ガス分離吸着剤からの水および／または細菌の除去は、ガス分離吸着剤を連続使用のために十分に再帯電させ得る。
【０１２４】
サーマルシャットダウン
酸素濃縮器システムの使用中には、装置の温度を上昇させ得る多くの熱源が存在している。酸素濃縮器システムの温度が上昇すると、部品は、動作効率が悪くなり始める。最終的には、酸素濃縮器システムが熱くなり過ぎると、一部の部品は、回復不能な損傷を受け、システムを再稼働させるのに大規模な修理を要することもある。一実施形態では、１つまたは２つ以上の温度センサが、酸素濃縮器システムの本体の中に配置される。温度センサは、システムの内部温度を監視する酸素濃縮器システムのコントローラに連結され得る。感知された酸素濃縮器システムの内部温度が、既定の閾値を超えた場合、コントローラは、システムの温度が既定の温度未満に降下するまでシステムをシャットダウンさせる信号を提供し得る。例えば、コントローラは、酸素濃縮器システムの内部温度が６０℃を超えた場合に、シャットダウンシーケンスを開始し得る。酸素濃縮器システムは、システムの内部温度が５５℃未満に降下するまでシャットダウン状態に保たれてもよい。
【０１２５】
自動パルス診断モード
診断の目的のために、システムによって生成される酸素富化ガスの放出を始動することによって酸素濃縮器システムの動作を確認することが望ましいこともある。通常の動作中、酸素富化ガスの放出は、感知されたユーザの吸気によって始動される。診断試験では、放出されるガスの純度および量の精度を試験するために、酸素濃縮器システムによって生成される酸素富化ガスの放出を始動することができるのが望ましい。一実施形態では、自動パルスモードが、酸素濃縮器システムのコントローラ内にプログラムされ得る。自動パルスモードは、ユーザの吸気を検出する必要なしに、酸素濃縮器システムによって生成された酸素富化ガスを放出するために使用され得る。自動パルスモードでは、コントローラは、酸素濃縮器システムに信号を提供して、既定のレートで酸素富化ガスを放出する。例えば、自動パルスモードでは、コントローラは、１０ｂｐｍ、１５ｂｐｍ、２０ｂｐｍ、２５ｂｐｍ、および３０ｂｐｍの呼吸数に対応する酸素富化ガスのパルスを生成し得る。その他の呼吸数もまた自動パルスモードで想定され得る。このようにして、部品の動作は、装置が正常に機能しているか確認するために評価され得る。
【０１２６】
未使用時
携帯用酸素濃縮器、定置式酸素濃縮器、またはハイブリッド酸素濃縮器が使用されていない場合（例えば、装置がオフにされた、出荷中である、保管されているなどの場合）、ガス分離吸着剤は、悪影響を受ける、および／または失活し、ひいては、装置（ガス分離吸着剤）の寿命が影響を受けることもある。例えば、酸素濃縮器がオフにされると、キャニスタ内の圧力は放出される。湿った空気がキャニスタ内に引き込まれて、ガス分離吸着剤によって吸収される。例えば、装置が長期間オフにされた場合、装置は、平均故障間隔の最大５０％を失うこともある。酸素濃縮器が「未使用時」である時に、装置および／またはガス分離吸着剤の調子を整えることは、装置の寿命を延ばし得る。一部の実施形態では、ガス分離吸着剤を収容するキャニスタは、ガス分離吸着剤またはガス分離吸着剤を収容するキャニスタを加圧下で保管することによって調整され得る。例えば、キャニスタは、約５ｐｓｉから約１０ｐｓｉ超までの範囲にある圧力で加圧および保管され得る。
【０１２７】
コントローラは、キャニスタが使用されていない時に、酸素濃縮器のキャニスタの圧力を監視および／または評価し得る。ハイブリッドシステムでは、コントローラは、携帯用酸素濃縮器が使用されている間、または使用されていない間に定置式酸素濃縮器システムのキャニスタの圧力を監視および判定し得る。圧力が特定の圧力未満（例えば、１０ｐｓｉ未満、８ｐｓｉ未満、または５ｐｓｉ未満）に降下すると、コントローラは、圧縮システムを始動（装置を起動）して、キャニスタを所望の圧力に加圧する。一部の実施形態では、キャニスタは、キャニスタに流入する前に空気から水を乾燥させる吸着剤を通過してきた圧縮空気を供給することによって加圧される。キャニスタを所望の圧力に加圧した後、コントローラは、酸素濃縮器をオフにする。
【０１２８】
一部の実施形態では、コントローラ４００のプロセッサ４２０にあるプログラム命令は、酸素濃縮器がオフ状態の時に酸素濃縮器の圧力を監視するために使用される、様々な予め定義された方法を実行するように動作可能である。コントローラは、酸素濃縮器の状態を自動的に評価し得る。例えば、酸素濃縮器の状態は、オフまたはオンであり得る。評価された状態に基づいて、コントローラは、キャニスタのうちの１つまたは２つ以上の圧力を評価し得る。キャニスタの現在の圧力は、メモリに記憶され得る。評価された圧力は、低または通常と判定され得る。例えば、評価された圧力は、規定の圧力範囲と比較され得る。規定の圧力範囲は、ルックアップテーブルであってもよい。一部の実施形態では、アルゴリズムを使用して低または通常の圧力が判定される。
【０１２９】
圧力が低であると判定された場合、コントローラは、圧縮システムをオンにし、かつキャニスタが所望の圧力に加圧される。圧縮器の速度は、所望の圧力および／または評価された圧力に基づいて調整され得る。コントローラは、キャニスタの圧力を監視し続けることもあり、キャニスタの圧力が所望の圧力にある場合、圧縮システムがオフにされる。必要に応じて未使用時の間、キャニスタの圧力をこのように監視すること、およびキャニスタを加圧することは、ガス分離吸着剤の寿命を延ばす。
【０１３０】
吸着剤の寿命の補償
一部の実施形態では、ガス分離吸着剤の寿命は、圧縮器の動作を調整することによって延ばされ得る。使用中、酸素濃縮器システムのガス分離吸着剤は、吸着剤と接触した空気から湿気を捕捉する。空気中の湿気は、ガス分離吸着剤が空気から除去できる窒素量を減らす。装置が８５％超の純度の酸素富化ガスを生成しなくなった場合、ガス分離吸着剤は、一般に、交換が必要である。ある実施形態では、酸素濃縮器システムのコントローラは、酸素純度を監視し、時間と共にそれが低くなると、圧縮器システムは、高圧の圧縮空気をキャニスタに供給するように調整される。概して、ガス分離吸着剤は、キャニスタ内部の圧力が上昇すると、より多くの窒素を吸着する。圧縮器をより高速で動作することによって、キャニスタ内部の圧力が上昇し、より高純度の酸素富化ガスをもたらす。圧縮器を高速で動作すると、バッテリ駆動式酸素濃度システムの稼働時間が低減するが、ユーザが、吸着剤を交換するまでガス分離吸着剤の寿命を延ばすのを可能にする。酸素センサ（先述）は、酸素富化ガスの純度を評価するために使用され、またコントローラは、圧縮器の動作速度を変えて、ガス分離吸着剤の使用可能寿命を延ばし得る。
【０１３１】
本特許出願では、特定の米国特許、米国特許出願、およびその他の文献（例えば、記事）が参照により援用されている。ただし、このような米国特許、米国特許出願、およびその他の文献の文章は、そのような文章と本明細書に説明されるその他の記載および図面との間に矛盾が生じない範囲内においてのみ、参照により援用される。そのような矛盾が生じた場合、そのような参照により援用される米国特許、米国特許出願、およびその他の文献におけるあらゆるそのような矛盾を生じる文章は、特に、本特許出願に参照により援用されない。
【０１３２】
本説明を読めば、当業者には、本発明の様々な態様のさらなる修正および代替的な実施形態が明らかであろう。したがって、本説明は、単なる例示として解釈されるべきものであり、当業者に本発明を実行するための一般的手法を教示する目的のものである。本明細書に図示および説明される本発明の形態は、実施形態として解釈されるべきであるものであることを理解されたい。本発明の本説明の恩恵を得た後に当業者には明らかとなるように、本明細書に図示および説明したものに関して、要素や材料の置換を行ってよく、部品やプロセスを入れ替えてよく、本発明の特定の特徴を独立して利用してよい。以下の特許請求の範囲に記載した本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載した要素に変更がなされ得る。
【図１】
2020189120.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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