(57)【要約】ガス発生源から呼吸に適した酸素ガスを分離し、次いで、酸素ガスの過剰加湿を防止しつつ酸素ガスを加湿するための装置及び方法であり、当該装置は、水分移動部材の第一の側に配置されたガス経路と、前記水分移動部材の第二の側に配置された酸素ガス経路と、呼吸に適した酸素ガスを前記水分移動部材の第一の側に配置されたガスから分離し且つ呼吸に適した酸素ガスの圧力にほぼ等しいガス圧力を維持しつつ呼吸に適した酸素ガスを前記水分移動部材の第二の側を通るように導いて前記呼吸に適した酸素ガス内の水分の凝結を防止しつつ呼吸に適した酸素ガスを加湿するための分離器とを含んでいる。
2007507310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼吸に適した加湿酸素の発生源を提供するための方法であって、
第一の加湿レベルを有するガスを水分移動部材の第一の側を通るように導くことと、
前記水分移動部材の前記第一の側のガスの圧力を前記水分移動部材の第二の側の酸素ガスの圧力にほぼ等しい圧力に維持して、酸素ガスを前記ガスから前記水分移動部材内を通って前記酸素ガスまでの水分の移動によって前記ガスの第一の加湿レベルにほぼ等しいか又はそれ以上の加湿レベルへと加湿しながら、前記第一の加湿レベルよりも低い第二の加湿レベルを有する呼吸に適した酸素ガスを前記水分移動部材の第二の側を通るように導くこととを含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
第一の加湿レベルを有するガスを前記水分移動部材の第一の側を通過するように導く前記ステップが、第一の加湿レベルを有するガスを、窒素及び酸素の両方より水分に対してより大きな選択性を有する選択性の膜を有する膜デバイスの第一の側を通るように導くことを含む方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記ガスが前記水分移動部材の第一の側を通るように導かれる前に前記ガスを圧縮するステップを含んでいる方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記ガスが前記水分移動部材の第一の側を通るように導かれた後に前記ガスを圧縮するステップを含んでいる方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記呼吸に適した量の酸素の圧力及び流れの脈動を滑らかにするために、前記呼吸に適した量の酸素を緩衝タンク内を通るように導くステップを含んでいる方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記第一の加湿レベルを有するガスを前記水分移動部材の第一の側を通るように導く前記ステップが、前記第一の加湿レベルを有するガスを前記水分移動部材の第一の側を通るように導くファンを使用することを含む方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、
酸素が欠乏したガスが装置を出て行くときに前記酸素が欠乏したガスのノイズを低減するために前記酸素が欠乏したガスを消音器内を通るように導くステップを含んでいる方法。
【請求項８】
呼吸に適した酸素ガスの発生源を提供する方法であって、
酸素を含んでいるガスを、酸素ガスを前記ガスから分離する水分透過性膜の第一の側を通るように導くことと、
前記水分透過性膜の前記第一の側のガス圧が前記水分透過性膜の第二の側の前記酸素ガスの圧力にほぼ等しいように維持して、前記ガスから前記酸素ガスへの水分の移動を可能にして、前記酸素ガスを前記水分透過性膜の前記第一の側のガスの加湿レベルにほぼ等しいか又はそれ以下の加湿レベルへと加湿しながら、前記酸素ガスを前記水分透過性膜の第二の側を通るように導くこととを含む方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、
前記酸素を含むガスを前記水分透過性膜の第一の側を通るように導くステップが、窒素及び酸素の両方よりも水分に対してより大きな選択性を有する選択性の膜を有する水分透過性膜の第一の側を通るように酸素を含んでいるガスを導くことを含む方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法であって、
酸素を含んでいるガスを前記水分透過性膜の第一の側を通るように導く前記ステップが、酸素を含んでいるガスを、少なくとも１０の窒素及び酸素の両方より水分に対してより大きな選択性を有する選択性の膜を有する水分透過性膜の第一の側を通るように導くことを含んでいる方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の方法であって、
酸素を含んでいるガスを前記水分透過性膜の第一の側を通るように導く前記ステップが、酸素を含んでいるガスを、少なくとも１００の窒素及び酸素の両方よりも水分に対するより大きな選択性を有する選択性の膜を有する水分透過性膜の第一の側を通るように導くことを含む方法。
【請求項１２】
請求項７に記載の方法であって、
前記水分透過性膜が、中空のファイバ状の膜、平らなシート状の膜又は螺旋状に巻かれた膜からなる方法。
【請求項１３】
呼吸に適した加湿酸素ガスの発生源を提供する方法であって、
第一の加湿レベルを有するガスを、水分透過性膜の第一の側を通るように導くことと、
前記水分透過性膜の第一の側のガスから前記水分透過性膜の第二の側の酸素ガスへ水分を移動させて酸素ガスを前記ガスの加湿レベルに等しいか又はより低い加湿レベルへと加湿するために前記水分透過性膜の第一の側のガス圧力を前記水分透過性膜の第二の側の酸素ガスの圧力にほぼ等しい圧力であるように維持しつつ、第一の加湿レベルよりも低い第二の加湿レベルを有する呼吸に適した酸素ガスを前記水分透過性膜の第二の側を通るように導くこととを含む方法。
【請求項１４】
ガス発生源から呼吸に適した酸素を分離するための装置であって、
水分移動部材の第一の側に設けられたガス経路と、
前記水分移動部材の第二の側に設けられた濃縮酸素ガス経路と、
呼吸に適した酸素ガスを前記水分移動部材の第一の側に配置されているガスから分離し且つ前記ガスの圧力を前記呼吸に適した酸素ガスの圧力にほぼ等しいように維持して前記呼吸に適した酸素ガス内の水分の凝縮を防止しつつ前記呼吸に適した酸素ガスを加湿しつつ、前記呼吸に適した酸素ガスを前記水分移動部材の第二の側を通るように導くための分離器とを含む装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装置であって、
酸素が欠乏したガスが装置を出て行くときに、当該酸素欠乏ガスによって生成されるノイズを低下させるための消音器を含んでいる装置。
【請求項１６】
請求項１４に記載の装置であって、
前記水分移動部材が、呼吸に適した酸素ガスをガス発生源から分離するための装置の包囲された構造内に配置されている装置。
【請求項１７】
請求項１４に記載の装置であって、
ガスを当該装置内へと導くためのファンを含んでいる装置。
【請求項１８】
請求項１４に記載の装置であって、
前記水分移動部材が、窒素及び酸素の両方よりも水分に対してより大きな選択性を有する選択性膜を含んでいる装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の装置であって、
前記膜デバイスが、中空のファイバ状膜デバイス、平らなシート状膜デバイス又は螺旋状に巻かれた膜デバイスからなる装置。
【請求項２０】
請求項１８に記載の装置であって、
前記選択性の膜が、少なくとも１０の窒素及び酸素の両方より水分に対してより大きな選択性を有している装置。
【請求項２１】
請求項１８に記載の装置であって、
前記選択性の膜が、少なくとも１０の窒素及び酸素の両方より水分に対してより大きな選択性を有している装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、呼吸に適した酸素の加湿に関し、より特定すると、凝縮及びバクテリアの成長の可能性を最少化しつつ酸素濃縮ガスのような呼吸に適した酸素を加湿することに関する。
【関連出願】
【０００２】
本願は、２００３年１０月６日に出願された係属中の米国仮特許出願第６０／５０９，１１５号に基づく優先権を主張している。
【背景技術】
【０００３】
酸素濃縮雰囲気を必要とする人のために呼吸に適した酸素を生成するための酸素濃縮器は以下のように機能する。圧縮機は、圧縮された雰囲気をモレキュラーシーブの床に供給する。モレキュラーシーブは、圧縮された雰囲気からの窒素ガスを吸着して酸素成分に富むガスを提供する。酸素濃縮ガスは、次いで、モレキュラーシーブの床から出てレギュレータ及びガスの流量を調整する患者が調整可能なニードル弁内を通る。酸素濃縮ガスは、次いで、酸素濃縮ガスを呼吸する患者に供給することができる。一般的に、ほとんどの酸素濃縮器はモレキュラーシーブの二つの床を含んでいる。モレキュラーシーブの一つの床が酸素濃縮ガスを生成するように作動している間に、第二のモレキュラーシーブは、モレキュラーシーブの床を再生するために吸着された窒素を取り除かれつつある。モレキュラーシーブの二つの床は、酸素濃縮器が患者へ酸素濃縮ガスの連続的な流れを供給するのを可能にする。Ｉｎｖａｃａｒｅ（登録商標）によって製造された酸素濃縮器は、周囲空気の発生源からの酸素濃縮ガスの連続的な供給を生成するためにモレキュラーシーブの二つの床を使用している。
【０００４】
モレキュラーシーブの使用において生じる問題点のうちの一つは、モレキュラーシーブが窒素を吸着するばかりでなく水蒸気をも吸着することである。従って、患者に給送されつつある酸素濃縮ガスは、典型的には、−４０°Ｆ以下の露点で極めて乾燥状態となり得る（０．５％未満の相対湿度）。乾燥したガスは、鼻孔及び呼吸器の脱水を生じさせ得る。これは、患者の不快感及び刺激につながり得る。
【０００５】
患者へと流入する酸素濃縮ガスを加湿するための加湿器が存在する。これらの加湿器は、一般的に、酸素濃縮ガスを液体水内で泡立たせ、このようにして、酸素濃縮ガスを加湿するように配置された液体水供給源を備えている。これらの加湿器は酸素の流れを加湿するよう作動するけれども、幾つかの主要な欠点を有している。第一に、水が再度供給されない場合には、水は最終的に完全に蒸発して全ての加湿を終了する。第二に、よどんだ水は、バクテリアの成長のための場所を提供する。通常、バブラーのための水は酸素濃縮器の外部に配置され、従って、環境汚染に対して制限されていないので、このことは特に正しい。
【０００６】
更に、よどんだ水内で成長しつつあるバクテリアは、バブリング過程中にエローゾル化されるようになり、従って、酸素濃縮ガスと共に運ばれて患者へと到達するかも知れない。第三に、酸素濃縮器の製造は、しばしば、当該酸素濃縮器のノイズ出力を最小化するために極めて細長くなることが多い。酸素濃縮器のキャビネットの外側、従って、酸素濃縮器のノイズ減少手段の外側に配置されている酸素濃縮ガスに加湿するための液体水の供給源を提供することは、酸素濃縮器の騒々しいバブリング作用によって発生されるノイズに著しく寄与し得る。
【０００７】
酸素濃縮ガスに加湿するために膜デバイスを使用することもまた、当該技術において公知である。これらの膜デバイスは、他の構成要素の大きな動きを伴わずに一つのガスから別のガスへの水分を移動させるために選択性の膜を使用することによって作動する。一つのガスから別のガスへの水分の移動は、酸素及び窒素の両方のような他の構成成分より水分に対してより大きな選択性を有する膜を使用することによって達成される。酸素及び窒素と比較して水分に対する膜の選択性は、酸素か窒素の透過性に対する水分の透過性の比率によって規定される。上記の選択性の膜は、１以上、好ましくは１０以上、最も好ましくは１００以上の酸素又は窒素より水分に対してより大きな選択性を有していることは注目されるべきである。
【０００８】
使用時には、上記の膜デバイスは、圧縮機を出て行く高圧圧縮ガスの流れ及び圧力レギュレータ及びニードル弁を出て行く低圧濃縮ガスの両方と接触している。水分は、高圧ガスの流れから選択性の膜内を通り低圧酸素濃縮ガスの流れへと流れる。
【０００９】
ガスへの加湿のために膜デバイスを使用することは、バブラーによってガスに加湿する酸素濃縮よりも優れた利点を有している。まず第一に、オペレータは、加湿のための水分を周囲空気から得るので、膜デバイスを水分で充填するか又は再充填する必要が全くない。第二に、膜デバイスの使用によって加湿する酸素濃縮は、バブラーによって加湿する酸素濃縮よりも静かである。なぜならば、膜デバイスは、酸素濃縮器によって生じる音に寄与しないからである。
【００１０】
Ｙａｎａｇｏ  Ａｃｔａ  Ｍｅｄｉｃａ（１９９９年）の文献第１８５〜１８８号及びＩｎｔｅｒｎａｌ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ  第３６巻  Ｎｏ．１２（１９９７年１２月）の文献に開示されているもののような膜デバイスは、膜デバイスが酸素濃縮ガスを過剰に加湿する可能性を導入するという一つの重要な問題を有する。この過剰加湿は、凝縮及びバクテリアの成長の可能性を導入する。より特別には、酸素の濃縮において使用される膜デバイスは通常は圧縮機の下流に設置されるので、水蒸気の部分圧力は、室温において水蒸気圧よりも高い場合が多い。圧縮機から出てくるガスの流れは、通常は、周囲温度よりも温度が高いので、膜デバイスの内部での凝縮は必ずしも存在しないという点が注目されるべきである。しかしながら、圧力レギュレータ及びニードル弁から膜デバイス内へ流入する酸素濃縮ガスのより低圧な流れは、加湿されて室温蒸気圧よりも恐らく高い部分圧力となり得る。このことは、酸素濃縮ガスが患者へと冷却して定着すると凝縮が生じ得ることを意味している。このことは、患者が液体水を周期的に受け取り得ることを意味するばかりでなく、バクテリアの成長の恐れがあることを意味している。
【００１１】
膜デバイスによって過剰加湿されるという点を処理するためには、二つの現行の方法がある。まず最初に、膜デバイスは、周囲湿度が酸素濃縮ガスを過剰加湿させる量を決して超えない環境内で使用することができる。しかしながら、これらのデバイスの多くは種々の環境条件下にある患者の家庭内で使用されるので、周囲湿度を制御するのが難しい。第二に、酸素濃縮ガスの一部分が膜デバイスを迂回して極めて低い湿度のままとなるようにシャントを取り付けることができる。酸素濃縮ガスの流れが後に再度混合されると、最適な湿度を達成することができる。しかしながら、この装置は、周囲条件に適合するためにユーザーによる調整を必要とするばかりでなく付加的な弁及びチューブを必要とする。
【発明の開示】
【００１２】
本発明は、酸素濃縮ガスの過剰加湿を防止しつつ酸素濃縮ガスを加湿するための装置及び方法である。窒素及び酸素の両方よりも水分に対してより大きな選択性を有する選択性膜を備えた膜デバイスのような水分移動部材の第一の側に設けられたガス経路と、水分移動部材の第二の側に配置された酸素濃縮ガス経路と、呼吸に適した酸素を前記水分移動部材の第一の側に配置されたガスから分離し且つ前記水分移動部材の第一の側にあるガスの圧力を前記水分移動部材の第二の側内にある前記呼吸に適した酸素濃縮ガスの圧力にほぼ等しいように維持しつつ、前記呼吸に適した酸素を前記水分移動部材の第二の側を通るように導いて、前記呼吸に適した酸素内の水分凝縮を防止しつつ呼吸に適した酸素を加湿する分離器とを含んでいる。
【００１３】
本発明の一つの実施形態においては、膜デバイスは、膜デバイスが圧縮機による周囲空気の圧縮の前に周囲空気の流れに関わり、一方、酸素濃縮ガスが圧力レギュレータ及びニードル弁と係合した後に酸素濃縮ガスが膜デバイスに係合するように、酸素濃縮器内に装備されている。本発明のもう一つ別の実施形態においては、膜デバイスは、圧縮機による周囲空気の圧縮の後に膜デバイスが周囲空気の流れと係合し、一方、ガスレギュレータに対する酸素濃縮ガスの係合に先立って、酸素濃縮ガスが膜デバイスに結合するように、酸素濃縮器内に装備されている。
【好ましい実施形態の説明】
【００１４】
図１を参照すると、図１は、加湿のためのバブラー３３を使用している典型的な酸素濃縮器１０を示している。図１の酸素濃縮器１０においては、周囲空気が入口フィルタ１１の空気入口１２内へ吸引される。入口フィルタ１１は、周囲空気から粒子の一部分及びバクテリアを除去する機能を果たす。入口フィルタ１１は、周囲空気の圧力を増大するための圧縮機１４の入口１５と流体連通している出口１３を含んでいる。圧縮機１４の出口１６は、吸着床１７の入口１８と流体連通しており、吸着床１７は、そこから窒素を取り出すことによって、ガス中の酸素を濃縮するための分子モレキュラーシーブからなる。
【００１５】
吸着床１７に関して、吸着床１７は、実際には、以前に説明したように、１以上のシーブからなる床によって構成されており且つ切換弁とこれに関連する制御装置とを含んでいる。簡素化のために、我々は、単一ユニットとしての吸着床１７を説明する。
【００１６】
吸着床１７は、出口１９及び２０を含んでいる。酸素が濃縮され且つ水分が欠乏した吸着床１７の中を通って流れるガスの一部分は、入口１８における流入空気の圧力に近い圧力で出口１９から出て行く。窒素及び水分に富むガスの別の部分は出口２０から出て行く。図１に示されているように、出口２０は、酸素が欠乏した空気が装置を出て行くときに消音する消音器９４と連通している。
【００１７】
吸着床１７の出口１９と流体連通している入口２２と圧力レギュレータ２４の入口２５と流体連通している出口２３とは、吸着床１７からの酸素濃縮ガス及び流れの脈動を滑らかにする機能を果たす。
【００１８】
流量制御弁２７の入口２８と流体連通している出口２６を備えている圧力レギュレータ２４は、流量制御弁２７へ流れる酸素濃縮ガスの圧力を一定に維持し、一方、流量制御弁２７は一定の流量を維持する。圧力レギュレータ２４と流量制御弁２７との組み合わせは、患者への酸素濃縮ガスの一定の流れを提供する。
【００１９】
酸素濃縮器１０はまた、入口３１と出口３２とを備えた出口フィルタ３０をも含んでおり、入口３１は、弁２７の出口２９と流体連通している。出口フィルタ３０は、不所望な物質が患者に到達するのを防止する一方でこれと同時に酸素濃縮器が使用されていないときに異物及びバクテリアが酸素濃縮器１０内に入るのを防止することによって最終的な安全装置として機能する。
【００２０】
酸素濃縮器１０は更に、酸素濃縮ガスの加湿のために、酸素濃縮器１０の外側に配置されているバブラー３３を含んでいる。上記した構造においては、酸素濃縮ガスの如何なる加湿も酸素濃縮器１０の外部でバブラー３３において起こる。バブラー３３は、入口３４と、出口フィルタ３０の出口３２と流体連通している出口３５とを含んでいる。
【００２１】
図２を参照すると、図２は、酸素濃縮ガスを加湿するために膜デバイス６３を使用している従来技術による酸素濃縮器の別の実施形態を示している。
図２に示されているように、周囲空気は、入口フィルタ３７の入口３８内へと引き込まれる。入口フィルタ３７に関して、入口フィルタ３７は、周囲空気が酸素濃縮器３６内へ入るのを許容しつつ、これと同時に一方では粒子及びバクテリアが酸素濃縮器３６内へ入るのを防止するように機能する。入口フィルタ３７は、圧縮機４０の入口４１と流体連通している出口３９を含んでいる。
【００２２】
図２を参照すると、酸素濃縮器３６の膜デバイス６３は、酸素及び窒素より水分に対してより大きな選択性を有する膜（例えば、図３Ａに示されている）を含んでいる。膜デバイス６３は、第一の経路４３及び第二の経路６０を含んでおり、これら２つの経路は選択性の膜によって分離されている。第一の経路４３は、入口４４と出口４５とを含んでおり、第二の経路６０は入口６１と出口６２とを含んでいる。図２において、第一の流体経路４３は点線によって示されており、第二の流体経路６０は破線によって示されており、圧縮機４０の出口４２は膜デバイス６３の入口４４と流体連通しており、吸着床４６の入口４７は第一の経路４３の出口４５と流体連通している。
【００２３】
吸着床４６は、出口４８と出口４９とを含んでいる。吸着床４６内を流れているガスの一部分は酸素に富んでおり且つ水分が欠乏しており、入口４７から流入空気の圧力に近い圧力で出口４８から排出される。窒素及び水分に富むガスの別の部分は、出口４９から排出される。図２に示されている出口４９は消音器５０と流体連通しており、消音器５０は、装置から出て行く際に酸素が欠乏した空気を消音することによって音の減少を提供する。
【００２４】
吸着床４６の出口４８と流体連通している入口５２と圧力レギュレータ５４の入口５５と流体連通している出口５３とを備えている緩衝タンク５１は、吸着床からの酸素濃縮ガスの圧力及び流れの脈動を滑らかにする。
【００２５】
図２を参照すると、流量制御弁５７の入口５８と流体連通している出口５６を備えている圧力レギュレータ５４は、流量制御弁への濃縮酸素ガスの流れの一定圧力を維持する。膜デバイス６３の入口６１と流体連通している出口５９を備えた流量制御弁５７は、濃縮酸素ガスの一定流量を維持している。圧力レギュレータ５４と流量制御弁５７との組み合わせは、患者への酸素濃縮ガスの一定の流れを提供する。
【００２６】
膜デバイス６３に関して、膜デバイス６３内の選択性の膜は、水蒸気が流体経路４３から流体経路６０へ通過するのを許容するけれども、酸素及び窒素のような他のガスがその中を通るのを阻止する。入口６１から膜デバイス６３に入る濃縮酸素ガスは極めて乾燥しているので、水蒸気を選択性の膜を横断させて経路４３内の高圧圧縮空気から経路６０内に配置されている低圧の乾燥した酸素濃縮ガスへと変換する駆動力が存在する。従って、酸素濃縮ガスの湿度は、酸素濃縮ガスが入口６１から膜デバイス６３内へ入るときよりも酸素濃縮ガスが出口６２から膜デバイス６３を出て行くときの方がより高い。膜の選択性が高い間、酸素レベルは水蒸気によって希釈することによってのみ変化せしめられることは注目される。
【００２７】
当業者は選択性の膜を横切る水蒸気の拡散が２つのガス内の水分の化学ポテンシャルの差によって駆動されることを認識するであろうということは注目されるべきである。当業者はまた、化学ポテンシャルの差は、この場合には、膜を横切る流れによる駆動力に関する体積移動係数の変化による濃度差又は部分的な圧力差によって置き換えることができることも認識するであろう。このことは、ひとたび膜デバイス６３内の定圧の酸素濃縮ガス内の水分の部分圧力が経路４３内のより高い圧力の空気の流れの部分圧力に近づくと、水分移動の駆動力はゼロに近づき、従って、水分の流れはゼロへと低下する。このことは、出口６２から膜デバイス６３を出て行く濃縮酸素ガス内の水分の部分圧力が、入口４４から膜デバイス６３内へ入る空気の流れ内の水分の部分圧力よりも高くなることができないことを意味する。
【００２８】
熱交換器に対して平行に引くために、加熱されている流れは、熱交換器をこの熱交換器に入る加熱の流れよりも熱くしたままとすることができない。膜デバイス６３が良好に機能している場合には、出口６２を出て行く酸素に富む流れ内の水分の部分圧力は、入口４４に流入する空気の流れ内の水分の部分圧力に近づくであろう。このことは、膜デバイス６３の第一の入口４４から第一の出口４５への空気の流れは、通常は、第二の経路６０の第二の入口６１から第二の出口６２へと流れる酸素濃縮ガスよりも著しく大きいので、特に正しい。
【００２９】
入口４４から膜デバイス６３に入る空気の流れの水分の部分圧力は水分の雰囲気部分圧力から圧縮比だけ増大せしめられるので、周囲温度における水分の蒸気圧よりも著しく高くなり得る。入口４４に流入する空気の温度もまた圧縮によって周囲温度から上昇せしめられ、この熱は加熱された水分の動きによって膜デバイス６３内の酸素濃縮ガスへと伝導されるので、膜デバイス６３内のどこにも凝縮が殆ど存在しそうにないであろう。しかしながら、膜デバイス６３を出て行く酸素濃縮空気の流れは周囲温度まで冷却せしめられて患者が酸素濃縮空気を吸うことを可能にし、有害な凝縮が起こり得る。
【００３０】
凝縮問題を緩和するために、図２に示した従来技術による酸素濃縮器はバイパス弁６４を含んでおり、このバイパス弁６４は入口６５及び出口６６を有しており、出口６６は膜デバイス６３の出口６２及び出口フィルタの入口６８と流体連通しており、出口フィルタ６７は、酸素濃縮ガスが出口フィルタ６７の出口６９から患者へと給送される前にあらゆる最終的な濾過及び装置の保護を行う。バイパス弁６４は、酸素濃縮ガスの一部分が膜デバイス６３を迂回し、従って、正しく調整されている場合には、膜デバイス６３の第二の出口６２及びバイパス弁入口６４の出口６６からの酸素濃縮ガスは、結合して周囲温度において蒸気圧以下である水分の混合された部分圧力を形成し、それによって、酸素濃縮ガスが周囲温度まで冷却される際の下流の凝縮を防止する。しかしながら、バイパス弁６４が不正確に調整されている場合には、多すぎるか又は少なすぎる酸素濃縮ガスが膜デバイス６３を迂回し、そのようにして、下流の酸素濃縮ガス内の凝縮か又は酸素濃縮ガスの不十分な加湿を生じるであろう。バイパス弁６４の調整は現在の雰囲気状態に適合しなければならないので、バイパス弁６４は、周囲温度、周囲湿度及び酸素濃縮ガス全体の流量の変化のような周囲条件として患者によって調整される必要がある。
【００３１】
図３を参照すると、図３は、図２に示された流れを混合する必要性を排除した本発明の酸素濃縮器において使用されている膜デバイス７０の一実施形態を示している。図３に示された膜デバイス７０は、中空のファイバ膜デバイスによって構成されているけれども、平らなシート状の膜又は螺旋状に巻かれた膜デバイスを同じ機能を達成するために使用することもできる。膜デバイス７０は、第一の空気入口７１、第一の空気出口７２、第二のガス出口７３及び第二のガス入口７４を含んでいる。
【００３２】
図３に示されている中空のファイバ膜デバイス７０においては、膜は、チューブの各々が中空ファイバと呼ばれており且つ参照番号７５によって表されている複数のチューブの形状を含んでいる。複数の中空ファイバ７５の材料は、水蒸気が酸素よりも窒素よりも容易に中空ファイバ７５を横切って透過することができるように選択される。図３に示されているように、複数の中空ファイバ７５の各々は、中空のファイバ入口７６と中空ファイバ出口７７とを含んでおり、これらは、中空ファイバ７５の内部下方で互いに流体連通している。中空ファイバ７５は、モジュールを形成するためにシェル７８内に配置されている。中空ファイバ７５の束は、中空ファイバ７５の内側部分が中空ファイバ７５の外部と流体連通しないように両端が注封材料７９によってシールされている。
【００３３】
図３に更に示されているように、膜デバイス７０の第二の入口７４は、入口プレナム８０と流体連通としている。入口プレナム８０はまた、中空ファイバ７５の入口７６と流体連通している。膜デバイス７０の第二の出口７３は、出口プレナム８１と流体連通している。出口プレナム８１もまた、中空ファイバ７５の出口７７と流体連通している。膜デバイス７０の第一の入口７１は、中空ファイバ７５の外部に沿った膜デバイス７０の第一の出口７２と流体連通している。
【００３４】
図３に示されている中空ファイバモジュールは、中空ファイバ７５の内側に配置されている空気と協働し、中空ファイバ７５の外側に配置されている酸素ガスは逆方向に流れているけれども、本発明のモジュールはまた、横又は横流の流れを使用し、又は中空ファイバ７５の外側の空気及び中空ファイバ７５の内側の酸素濃縮ガスと共に作動する。
【００３５】
図３Ａを参照すると、図３Ａは、膜デバイス８１の作動を示している断面図である。膜デバイス８１の作動において、符号８３によって示された周囲空気の流れは、入口フィルタ８２から膜デバイス８１の第一の入口８４内へ導かれる。周囲空気の流れ８３は、ひとたび膜デバイス８１内に入ると、膜デバイス８１の第一の経路８５の中を導かれる。ひとたび周囲空気８３が膜デバイス８１の端部に到達すると、周囲空気８３は、次いで、分離のために、膜デバイス８１から膜デバイス８１の第一の出口８６を通って酸素に富む流れへと導かれる。
【００３６】
既に述べたように、空気の流れ８３を酸化するプロセスによって、空気８３からの水分の欠乏がもたらされ、これは、乾燥した酸化された空気の流れが患者に給送されるときに患者に不快感を生じさせる。上記の問題を解決するために、点線で示された酸素濃縮乾燥空気９２が加湿のために第二の入口８７によって膜デバイス８８を介して膜デバイス８１内へと再び導き戻される。
【００３７】
図３Ａに示されているように、膜デバイス８１内に配置された選択性の膜９０は、第一の経路８５を第二の経路８８から分離する。選択性の膜９０は、第一の経路８５内に配置されている空気の流れ８３からの水蒸気９１の形態のような水分の一部分がその中を通るのを許容し、これと同時に一方で、酸素及び窒素のような他のガスがその中を通過するのを妨げるように機能している。選択性の膜９０を横切る水蒸気の拡散９１は、２つのガス内の水分の化学ポテンシャルの差によって駆動される。すなわち、第二の入口８７に流入する酸素濃縮ガス９２は極めて乾燥しているので、水蒸気９１が、第一の経路８５内の空気の流れ８３から選択性の膜９０を横切って第二の経路８８内に配置されている酸素濃縮空気９２へと通過させるための駆動力が存在する。
【００３８】
図４は、本発明の酸素濃縮器９２の一実施形態を示している。酸素濃縮器９２は、図２に示されている膜デバイスに類似しているが、膜デバイス６３の第一の入口４４が入口フィルタ３７の出口３９と流体連通しており、膜デバイス６３の第一の出口４５が圧縮機４０の入口４１と流体連通している膜デバイス６３を使用している。このようにして、図２に示されているように、同じ空気の流れが、膜デバイス６３の中を、第一の入口４４から第一の出口４５まで通過せしめられるが、この空気の流れは、ほぼ周囲圧力にあり、従って、通常は、膜デバイス６３の第二の入口６１から第二の出口６２まで通過している酸素濃縮ガスと同じ圧力である。このことは、膜デバイス６３の第二の出口６２を出て行く酸素濃縮ガスの部分圧力が、膜デバイス６３の第一の入口４４から膜デバイス６３に流入する空気内の水分の部分圧力以下であるべきであることを意味する。その結果、酸素濃縮ガスが患者へ給送される途中で冷めるときの凝縮が防止され且つ排除される。従って、図２におけるようなバイパス弁の必要性がない。
【００３９】
膜を横切る流れを生成するためには膜を横切る圧力勾配全体が必要とされ、モジュールが図２におけるように装備される必要があることを示唆していることが、当業者によって時々考えられる。しかしながら、膜を横切る流れは各々の流れの中の配合物の部分圧力の勾配によって惹き起こされ、酸素濃縮ガスは著しく乾燥した第二の入口から膜デバイス６３内に入るので、膜の２つの側における全圧力が通常等しい場合にも、膜内の流れを駆動するための水分の部分的な圧力勾配が依然として存在する。
【００４０】
膜デバイス６３が、十分な膜面積及び水蒸気のための十分な膜透過性によって設計されている場合には、第二の出口６２から膜デバイス６３を出て行く酸素濃縮ガス内の水分の部分圧力は、患者が呼吸している周囲空気内の水分の部分圧力に近いであろう。このようにして、雰囲気状態に対する如何なる調整をする必要なく、周囲空気に類似した湿度を有する酸素濃縮ガスが患者に給送されるであろう。雰囲気状態が変化すると、それに従って、装置は自動的に調整するであろうことは注目されるべきである。
【００４１】
更に、図２の実施形態と類似している図４の実施形態の付加された利点は、消音器５０によって部分的に付与される音の減衰である。消音器５０は、酸素が欠乏した空気が装置を出て行く際に当該酸素欠乏空気の音を静かにさせる。更に、膜デバイス６３は空気入口フィルタ３７と圧縮機４０との間に接続されているので、当該モジュールは、音が出口フィルタ６７を出て行く前に、圧縮機から戻る音の一部を減衰させる。これは、酸素濃縮ユニット９２の全体的なノイズを低減させるように機能する。
【００４２】
図５を参照すると、図５は、本発明の酸素濃縮器の代替的な実施形態を示している。図２及び図４の酸素濃縮器と同様に、図５の酸素濃縮器は、酸素濃縮ガスの加湿のための膜デバイス６３を採用している。しかしながら、図２及び図４の酸素濃縮器とは異なり、膜デバイス６３の第二の入口６１は緩衝タンク５１の出口５３と流体連通しており、膜デバイス６３の第二の出口６２は、圧力レギュレータ５４の入口５５と流体連通状態で示されていて、雰囲気よりも高い圧力状態にある酸素濃縮ガスを膜デバイス６３内にもたらしている。
【００４３】
しかしながら、膜デバイス６３内の酸素濃縮ガスの圧力は、膜デバイス６３の第一の経路４３内の空気の圧力よりも、ほんの酸素濃縮器の吸着床４６及び緩衝タンク５１内の圧力低下分だけ低く、これは、酸素濃縮ガスの流れが通常は１分間当たり５リットルの程度以下であるので、大きな差ではない。
【００４４】
既に述べたように、第二の出口６２から膜デバイス６３を出て行く酸素濃縮ガス内の水分の部分圧力は、第一の入口４４から膜デバイス６３に流入する空気内の水分の部分圧力以下である。膜デバイス６３の第一の入口４４における空気内の水分の部分圧力はまた、圧縮された空気の圧力を雰囲気圧力によって割った値の絶対値である圧縮比だけ水分の雰囲気部分圧力より高く且つ周囲温度において水分の蒸気圧よりも高くても良いが、圧縮により、高温であり且つ凝縮液をほとんど含まないであろう。しかしながら、膜デバイス６３の第二の出口６２における酸素濃縮ガス内の水分の蒸気圧は、圧力レギュレータ５４及び弁５７内での膨張の際に類似した圧力比だけ減じられるので、患者へ給送される酸素濃縮ガス内の水分の部分圧力は雰囲気の水分の部分圧力以下であろう。従って、図５の装置はまた、酸素が濃縮された流れ内での凝縮の可能性を阻止する。
【００４５】
上記したように、本発明はまた、呼吸に適した加湿酸素ガスの発生源を提供する方法をも含み、この方法は、（１）酸素を含んでいるガスを水分透過性の膜デバイス６３の第一の側を通るように導くステップと、（２）酸素ガスをガスから分離するステップと、（３）水分透過性膜デバイス６３の第一の側のガスの圧力が水分透過性膜デバイス６３の第二の側の酸素ガスの圧力にほぼ等しいように維持しつつ、酸素ガスを水分透過性膜デバイス６３の第一の側を通るように導き、それによって、酸素ガスを前記水分透過性膜デバイス６３の第一の側のガスの加湿レベルにほぼ等しいか又はそれ以下の加湿レベルまで加湿するステップとを含んでいる。上記の方法はまた、（４）酸素を含んでいるガスを、窒素と酸素との両方に対するより水分に対してより大きな選択性を有する選択性の膜９０を備えた水分透過性膜デバイス６３の第一の側を通るように導き、前記水分透過性の膜デバイス６３が少なくとも１の、より好ましくは１０の、更に好ましくは少なくとも１００の窒素及び酸素に対するより水分に対してより大きな選択性を有する選択性膜９０を有するようにするステップを含んでいる。
【００４６】
本発明は更に、呼吸に適した加湿酸素の発生源を提供する方法を含んでおり、この方法は、（１）第一の加湿レベルを有するガスを水分移動部材の第一の側を通るように導くステップと、（２）前記ガスの第一の加湿レベルよりも低い第二の加湿レベルを有する呼吸に適した量の酸素ガスを、前記水分移動部材の第一の側のガスの圧力を前記水分移動部材の第二の側の酸素ガスの圧力と等しく維持して酸素を前記水分移動部材を通る水分移動によるガスの加湿レベルにほぼ等しいか又はより低い加湿レベルまで加湿しつつ、前記水分移動部材の第二の側を通るように導くステップとを含んでいる。
【００４７】
上記の方法はまた、（３）窒素と酸素との両方より水分に対して高い選択性を有する選択性の膜９０を有する膜デバイス６３の第一の側を第一の加湿レベルを有するガスが通るように導くステップと、（４）ガスが水分移動部材の第一の側を通るように導かれる前にガスを圧縮するステップと、（５）ガスが水分移動部材の第一の側を通るように導かれた後にガスを圧縮するステップと、（６）呼吸に適した量の酸素を緩衝タンク中を通るように導いて、呼吸に適した酸素の量の圧力及び流れの脈動を滑らかにするステップと、（７）ファンを使用して、第一の加湿レベルを有するガスを水分移動部材の第一の側を通るように導くステップと、（８）酸素が欠乏したガスを消音器内を通るように導いて、酸素が欠乏したガスが装置を出て行くときの酸素が欠乏したガスのノイズを低減させるステップをも含んでいても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、酸素濃縮ガスの加湿のためのバブラーを使用している従来技術の濃縮器の概略図である。
【図２】図２は、酸素濃縮ガスの加湿のための膜デバイスを使用している従来技術の酸素濃縮器の概略図である。
【図３】図３は、加湿のための酸素濃縮器において使用することができる中空ファイバ膜デバイスの断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、ガスの第一の流れから膜デバイス内に配置された第二のガスへの水分の移動を示している断面図である。
【図４】図４は、本発明の酸素濃縮器の実施形態を示している概略構成図である。
【図５】図５は、本発明の酸素濃縮器の代替的な実施形態を示している概略構成図である。
【図１】
2007507310.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年6月7日(2006.6.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼吸に適した加湿酸素の発生源を提供するための方法であって、
第一の加湿レベルを有するガスを水分移動部材の第一の側を通るように導くことと、
前記水分移動部材の前記第一の側のガスの圧力を前記水分移動部材の第二の側の酸素ガスの圧力にほぼ等しい圧力であるように維持して、酸素ガスを前記ガスから前記水分移動部材内を通って前記酸素ガスまでの水分の移動によって前記ガスの第一の加湿レベルにほぼ等しいか又はそれ以上の加湿レベルへと加湿しながら、前記第一の加湿レベルよりも低い第二の加湿レベルを有する呼吸に適した酸素ガスを前記水分移動部材の第二の側を通るように導くこととを含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
第一の加湿レベルを有するガスを前記水分移動部材の第一の側を通るように導く前記ステップが、第一の加湿レベルを有するガスを、窒素及び酸素の両方に対するより水分に対して大きな選択性を有する選択性膜を有する膜デバイスの第一の側を通るように導くことを含む方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記ガスが前記水分移動部材の第一の側を通るように導かれる前に前記ガスを圧縮するステップを含んでいる方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記ガスが前記水分移動部材の第一の側を通るように導かれた後に前記ガスを圧縮するステップを含んでいる方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記呼吸に適した量の酸素の圧力及び流れの脈動を滑らかにするために、前記呼吸に適した量の酸素を緩衝タンク内を通るように導くステップを含んでいる方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記ガスを前記水分透過性膜の第一の側を通るように導くステップが、窒素及び酸素の両方より水分に対してより大きな選択性を有する選択性膜を有する水分透過性膜の第一の側を通るように酸素を含んでいるガスを導くことを含む方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
酸素を含んでいるガスを前記水分透過性膜の第一の側を通るように導く前記ステップが、酸素を含んでいるガスを、少なくとも１０の窒素及び酸素の両方より水分に対してより大きな選択性を有する選択性膜からなる水分透過性膜の第一の側を通るように導くことを含んでいる方法。
【請求項８】
ガス発生源から呼吸に適した酸素を分離するための装置であって、
水分移動部材の第一の側に設けられたガス経路と、
前記水分移動部材の第二の側に設けられた濃縮酸素ガス経路と、
呼吸に適した酸素ガスを前記水分移動部材の第一の側に配置されているガスから分離し且つ前記ガスの圧力を前記呼吸に適した酸素ガスの圧力にほぼ等しいように維持して前記呼吸に適した酸素ガス内の水分の凝縮を防止しつつ前記呼吸に適した酸素ガスを加湿しながら前記呼吸に適した酸素ガスを前記水分移動部材の第二の側を通るように導くための分離器とを含む装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置であって、
前記膜デバイスが、中空のファイバ状膜、平らなシート状膜又は螺旋状に巻かれた膜からなる装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の装置であって、
酸素が欠乏したガスが装置を出て行くときに、当該酸素欠乏ガスによって生成されるノイズを低下させるための消音器を含んでいる装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の装置であって、
前記水分移動部材が、呼吸に適した酸素ガスをガス発生源から分離するための装置の包囲構造内に配置されている装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の装置であって、
前記水分移動部材が、窒素及び酸素の両方より水分に対して大きな選択性を有する選択性膜を含んでいる装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置であって、
前記選択性膜が、少なくとも１０の窒素及び酸素より水分に対してより大きな選択性を有している装置。
【国際調査報告】
2007507310.tif 000009