(57)【要約】【解決手段】  送出時のガスの作動圧力及び／又は温度に従って送出時間を調整することによって、一貫した投与量の酸素濃縮ガスを使用者に送出するための酸素濃縮器。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高濃度の酸素を有する製品ガスを生成するための生成手段と、要求の開始のみに応じて出口を通して使用者へ送出される前記製品ガスの所望量を制御するための制御手段と、前記製品ガスを前記出口へ送出するための送出手段と、前記出口又はその付近における前記製品ガスの温度及び／又は圧力を判定するための判定手段と、を備えている装置において、
前記制御手段は、実質的にその量の前記製品ガスを前記使用者へ供給する時間の長さを設定するために前記判定された温度及び／又は圧力を利用する利用手段を含んでいる、装置。
【請求項２】
前記生成手段は、作動サイクルの各段階に亘る予測可能な圧力の変動時に周囲の空気から前記製品ガスを生成し、前記利用手段は、要求が開始される作動サイクルの段階から圧力を判定する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記作動サイクルの段階に特有の時間長さが含まれている一式のルックアップテーブルを備えている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ルックアップテーブルは、マイクロプロセッサに常駐している、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記生成手段は、圧力スイング吸着によって前記製品ガスを生成する、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記製品ガスを供給するための、そして複数の圧力範囲それぞれに対する複数の温度範囲に固有の、所定の時間長さが入っている少なくとも１つのルックアップテーブルのセットを備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ルックアップテーブルは、マイクロプロセッサに常駐している、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記製品ガスを供給するための、そして複数の圧力範囲に固有の、所定の時間長さが入っている少なくとも１つのルックアップテーブルのセットを備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記ルックアップテーブルは、マイクロプロセッサに常駐している、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記製品ガスを供給するための、そして複数の温度範囲に固有の、所定の時間長さが入っている少なくとも１つのルックアップテーブルのセットを備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記ルックアップテーブルは、マイクロプロセッサに常駐している、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
高濃度の酸素ガスを生成し、前記酸素ガスを出口を通して使用者に送出するための手段を有する装置によって生成された製品ガスの所望の投与量を決めるための方法において、前記使用者による吸入を検知する段階と、吸入が検知された時間における前記製品ガスの前記温度及び／又は圧力を判定する段階と、前記製品ガスの所望の投与量を、前記判定された温度及び／又は圧力に基づく時間長さに亘って前記使用者に送出する段階と、を含む方法。
【請求項１３】
前記製品ガスの所望の投与量を送出する前記段階の前に、要求が開始される時間に前記製品ガスの所望の投与量を送出するのに必要な時間を計算する段階と、前記送出段階のためにアクセスされる前記計算された時間の参照表を作成する段階を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記計算は、前記サイクルを複数の所定の範囲に分割する段階と、前記製品ガスを任意の定時間供給して、前記サイクル範囲のそれぞれで、前記定時間中に送出される製品ガスの実際の圧力と実際の体積の両方を測定する段階と、それぞれのその様なサイクル範囲で前記ガス送出時間を再計算して、サイクルのその時点で要求が開始されたときに、所望の製品ガスの投与量を送出する段階と、前記サイクル範囲と再計算された時間から前記参照表を作成する段階と、を含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
高濃度の酸素を有する製品ガスの投与量を生成するための生成手段と、要求の開始のみに応じて使用者への前記投与量の供給を制御するための制御手段と、を有する装置であって、前記製品ガスを生成するための前記生成手段は、実質的に一貫して連続している作動サイクルで圧力変動が生じている前記装置のための方法であって、所望の実質的に均一な投与量を前記使用者に供給するのに必要な時間長さを求める方法において、
前記作動サイクルの時間全体を所定の範囲に分割する段階と、前記製品ガスを任意の定時間供給して前記サイクル範囲のそれぞれで前記定時間中に送出される製品ガスの実際の圧力と実際の体積の両方を測定する段階と、その様なサイクル範囲のそれぞれについて前記ガス送出時間を再計算してそのサイクル範囲で要求が開始されると前記所望の製品ガスの投与量を送出する段階と、参照表を作成し、それによって前記サイクル範囲の中から適切な送出時間を読み取る段階と、を含む方法。
【請求項１６】
高濃度の酸素を有する製品ガスの所望の投与量を生成し、前記製品ガスを、変動する圧力及び温度で出口を通して使用者に送出するための手段を有する装置で用いられる方法であって、
前記使用者による吸入を検知する段階と、前記吸入が検知されたときに供給される前記製品ガスの前記温度を判定する段階と、前記吸入が検知されたときの前記ガスの前記圧力を判定する段階と、前記製品ガスを、前記判定された温度と圧力に基づく時間長さに亘って前記使用者に送出する段階と、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスの生成と、その流れの調節に関しており、より具体的には、高酸素濃度ガスの生成と、そのガスをパルス状に投与する際の送出に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００４年１０月１２日出願の米国仮特許出願第６０／６１７，８３３号と、２００５年４月７日出願の米国仮特許出願第６０／６６９，３２３号からの優先権を主張する。
【０００３】
ガスの流量調節器が、例えば、酸素を補給する必要のある人に高酸素濃度ガスを供給するために、高圧酸素タンク又は他の同様の酸素供給源の様なガス供給源に連結して用いられることは、周知である。酸素の放出を、例えば、人の呼吸サイクルの吸入期間の様な有用な時だけに限定することによって、酸素の供給を節約する酸素制御装置が開発されている。その様な装置では、吸入によって圧力が降下し、今度はそれが、酸素の流れを活性化させる。
【０００４】
肺によって有効に吸収される空気又は酸素は、吸入又は吸気の初期又は有効な段階に吸入される酸素だけであることも知られている。吸入の後半の段階に吸入される空気又は酸素は、普通は、肺に吸収される前に吐き出される。この現象を利用するために、装置は、初期吸入時にガスの流れを活性化させるが、有効な段階の後は酸素の流れを終了させることによって、酸素の供給を一層節約する。その様な装置では、酸素の有効流量を、使用者の要求に従って、各吸入サイクル中の活性化時間を増減することによって制御することが知られている。
【０００５】
その様な組み合わせ型の圧力調節器と節約装置の１つが、２００２年８月６日発行のMcCombs他に与えられた共同所有の米国特許第６，４２７，６９０号に開示されており、その開示全体を参考文献としてここに援用するが、この装置は、タンク又は出口に直接接続するために、都合良く、酸素タンク（ガス又は液体状の酸素又は酸素混合物が入っている）上に直接配置されるか、又は、マスター酸素システムの壁の出口に接続されている。装置の中に含まれているのは、酸素圧調節器と、電源又は外部電源との接続器と、選択可能な交互吸入サイクル中の全ての吸入段階の間の酸素の流れの間隔及び時間を制御することにより、又は、連続して酸素を供給することによって有効酸素投与量を制御するための制御回路である。
【０００６】
節約装置には、調節器のばねとピストンによって供給される酸素の圧力を制御するための第１チャンバと、第１チャンバと流体接続している第２又は酸素体積チャンバとが入っている。第２チャンバは、事前設定圧力での酸素の所定の体積又は「投与塊(bolus)」を維持するために設けられており、酸素は、制御回路によって操作される弁が作動すると、そこから管を通って使用者へ送出される。使用者の吸入に応じて弁を作動させるために、例えば上記特許で開示されている様に、制御回路は、吸入によって生じる圧力の低下を検知して、予めプログラムされた、又は何らかの適した時間の間弁を開く圧力検知変換器を含んでいる。
【０００７】
米国特許第６，４２７，６９０号に開示されている節約装置に加えて、圧力スイング吸着、即ちＰＳＡの原理で作動し、２００４年７月２０日発行のMcComb他への共同所有の米国特許第６，７６４，５３４号に開示されている一体式酸素節約装置を含んでいる持ち運び可能な酸素濃縮器も開発されており、同特許の開示全体を、参考文献として援用する。更に、同特許に記載されている様な酸素濃縮器は、吸入の初期段階に、濃縮器のＰＳＡ構成要素によって作り出される高酸素濃度（例えば、約９５％の酸素）の、治療的には少なくとも毎分５リットルまでの連続流量に匹敵する、製品ガスを送出することができる。
【０００８】
望ましい作動モードは、モード制御スイッチを所望の作動モード位置に配置することによって決められる。節約装置は、別体の装置の場合は、酸素タンク又はＰＳＡ装置の出口の何れかに取り付けられ、次いで酸素供給タンク上の弁が開かれるか、又はＰＳＡ装置がオンにされる。通常の断続的な作動モードでは、選択器スイッチは、幾つかの作動設定の内の１つを選択して、供給される酸素の等価流量、例えば１−５ＬＰＭ、を示すのに用いられる。次に、鼻カニューレの様な酸素送出装置が、その接続管によって、節約装置の出口に取り付けられる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、酸素の様な、高濃度の所望の１つ又は複数の製品ガスを作ることができ、要求の開始のみに応じて、使用者へ送る製品ガスの量をより正確に制御する能力を有する装置を提供する。本発明は、圧縮製品ガス（例えば、酸素）供給源、又は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）装置又は真空圧力スイング吸着装置（ＶＰＳＡ）の様な他のその様な製品ガス生成手段と、装置の或る作動特性と照らし合わせてより正確な量の製品ガスを使用者に供給するために時間の長さを決定する送出制御アッセンブリと、を備えている。
【００１０】
送出制御アッセンブリは、例えば酸素生成装置に適用されると、２つの主要な機能を果たす。第１に、普通に吸入される酸素の大部分は、直ぐに排気され、使用されないので、送出制御アッセンブリは、高酸素濃度ガスを、吸入する人に最も効率的に利用されるときにだけパルス状に投与して、高酸素濃度製品ガスの不必要な浪費を最小限に抑制する。供給される酸素をこの様により効率的に使用することは、加圧ボトル又はＰＳＡ装置の様な酸素供給源の容量要件を最小化する点で非常に有用である。容量の要件が緩和されると、小型で軽く、静かで安価な高酸素濃度ガス生成装置になる。
【００１１】
第二に、本発明による送出制御アッセンブリは、その所有者が、どの様な所与の流量設定でも、各吸入の間に、実質的に一定量の酸素を受け取ることを保証する働きをする。理想ガスの法則によればＰＶ＝ｎＲＴなので、各投与時の酸素分子の数は、装置内の高酸素濃度ガスの分圧に依存し、分圧は多数の因子、基本的には、吸入時の装置内のガスの圧力と温度に依存することから、この量が常に一定になると仮定することはできない。
【００１２】
本発明は、例えば、リアルタイムの作動圧力及び／又は温度を読み取るセンサーを使用し、センサーのアナログ出力をデジタル信号に変換し、マイクロ電子制御回路内のマイクロプロセッサを使用してパルス状の投与量を制御する。制御回路は、使用者による吸入の開始に応え、マイクロプロセッサへのデジタル信号を作る手段を更に有しており、マイクロプロセッサは、信号入力に基づき、例えば、マイクロプロセッサが事前にプログラムされたデータ表にアクセスすることによって、適切なパルス状投与の持続時間を計算する。本発明は、ＰＳＡ又はＶＰＳＡ作動サイクルが原因で生じる装置内の温度及び／又は圧力の変動を補正し、作動サイクルの中に何時吸入が検出されるたかに関係無く、酸素ガスを使用者に一貫して投与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の上記及びこの他の特徴と利点、並びにそれらを実現する方法は、本発明の実施形態に関する以下の説明を添付図面と関連付けて参照すれば、明らかになり、良く理解頂けるであろう。
【００１４】
各図面を通して、同じ参照番号は同じ部品を示している。ここに設定されている例は、本発明の特定の実施形態を示しているが、本発明の範囲を如何なる意味であれ制限するものではない。
【００１５】
本出願に記載されている本発明は、ＰＳＡ又はＶＰＳＡ装置の何れに用いることもでき、その両方とも周知であり、中でも、例えば、米国特許第３，５６４，８１６号、第３，６３６，６７９号、第３，７１７，９７４号、第４，８０２，８９９号、第５，５３１，８０７号、第５，７５５，８５６号、第５，８７１，５６４号、第６，５２４，３７０号、第６，７６４，５３４号、に記載されている。ＰＳＡとＶＰＳＡの装置は、両方共１つ又は複数の吸着器を含んでおり、各吸着器は、吸着材から成る固定篩層(fixed sieve bed)を有しており、供給流からのガス混合物が吸着器を通して順流方向に連続して送られるときに、少なくとも１つの成分ガスを、層に吸収することによってガス混合物から分留する。１つの吸着器が吸着を実行している間に、別の吸着器では、その吸着された成分ガスがパージされる。ＰＳＡ装置では、パージは、製品ガスの一部を第１の又は生成中の吸着器から抜き出して、逆流方向に別の吸着器を通して流すことによって実行される。ＶＳＰＡ装置では、パージは、基本的に、パージガスを吸着器から引き出すために吸着器入り口で作られる真空によって実行される。この別の吸着器がパージされると、供給流は、事前設定された時に、この別の吸着器に順流方向に送られるので、この別の吸着器は、吸着を実行する。その後、第１吸着器が、同時に、又は、３つ以上の吸着器がある場合には別の計時順序でパージされるが、それらは全て、上記の特許を読めば理解できるであろう。
【００１６】
例えば、その様な装置が、医療用、工業用又は商業用を問わず様々な用途に使用するために高濃度の酸素を周囲の空気から生成するのに用いられる場合、通常、約７８％の窒素と、２１％の酸素と、０．９％のアルゴンと、変動する量の水蒸気を含んでいる空気が、装置に入る。基本的に、窒素の大部分は装置によって除去され、医療用には、例えば、通常は酸素を少なくとも約８０％、多ければ約９５％含んでいる製品ガスが生成される。
【００１７】
図１に示すように、周囲の空気は、周囲の空気の供給流の取入れ口からのノイズを減らすためにフィルター付き取り入れ口２１及び取り入れ口共鳴器２２を通してＰＳＡ装置２０に供給される。供給流は、共鳴器２２から続いており、供給空気圧縮器／熱交換器アッセンブリ２４によって、交互に第１と第２の吸着器３０、３２へ、それぞれ供給弁４０と４２を通して送り込まれる。
【００１８】
供給流が吸着器３０、３２の入口３０ａ、３２ａに交互に、順流方向に入ると、各吸着器は、供給流を所望の濃度の製品ガスに分留する。周囲の空気から窒素を分離するために層に用いられる吸着材は、合成ゼオライト、又は等価な特性を有する他の既知の吸着材である。
【００１９】
各吸着器３０、３２内を順流方向に連続して流れる周囲の空気から生成される高酸素濃度製品ガスの大部分又は使用可能部分は、対応する吸着器の出口３０ｂ、３２ｂ及び逆止弁３４、３６を通って、製品マニホルド４８へ、次いで送出制御アッセンブリ６０に、説明通りに送られる。各吸着器によって生成される製品ガスの残りは、時機を計って、パージオリフィス５０、適切に計時された等化弁５２、及び随意の流量絞り弁５３によって転じられ、他方の吸着器３０又は３２を通して、他方の吸着器の各出口３０ｂ、３２ｂから各入り口３０ａ、３２ａまで逆流方向に流れて、吸着されたガス、主に窒素をパージする。逆流の製品ガスとパージされたガスは、その後、吸着器から大気中に、適切な時機を計る逃し弁４４、４６、共通逃し配管４７、及び騒音吸収マフラー４９を通して放出される。
【００２０】
生成されたガスの使用可能な部分が送られる制御アッセンブリ６０は、通常、合成ゼオライトが装填されていて、装置出口６８を通してパルス投与モードで使用者へ送り出す前の製品酸素を貯蔵するリザーバーとして働く混合タンク６２と、混合タンク６２の製品ガスの圧力を監視する（一般的に、例えば、極端な圧力レベルを監視し、警告信号を発動する）圧力センサー７６と、使用者に送られる製品ガス圧力を調節するピストン型の圧力制御調節器６４と、随意の細菌フィルター６６と、パルス投与変換器７２を含んでいる酸素送出システム７０と、説明する節約ユニット８０と、流量制御弁７４と、を含んでいる。ＰＳＡで生成された酸素濃縮ガスを混合タンク６２から使用者への送出するのは、後述する様に、送出システム７０によって制御される。
【００２１】
図２に概略的に示しているＶＰＳＡ装置は、パージオリフィス５０が無いことを除き、図１のＰＳＡ装置と同様の方式で作動する。その代わりに、時機を計って各逃し弁４４、４６を開いて各吸着器層３０、３２から交互に廃棄物としての窒素を取り出すために、真空ポンプ９０が、共通逃がし配管４７に設けられている。高酸素濃度製品ガスを生成するための周囲空気の循環と、供給及び逃し弁の作動、並びに、混合タンク６２への製品ガスの供給、節約ユニット８０による製品ガスの送出、その他については、図１に関して述べている。
【００２２】
先に述べたように、節約装置は、患者の吸入時に、終始変わらぬ規定の１パルス投与分の酸素を、装置の選択された流量設定に依って決まる、或る連続する流量と等価な、事前に設定された時間に患者に送出する。圧力調節器、例えば６４で設定された製品ガス送出圧力は、先に述べた様なソレノイド駆動流量制御弁７４である酸素送出要求弁の、事前に設定された開放時間と一緒になって、一般に、使用者に送出される製品ガスの量を決める。吸入時に、所望の投与量を送出するために或る長さの時間に亘って要求弁を開くこの技法は、酸素のシリンダーを使って、ＰＡＳ又はＶＰＳＡ酸素濃縮器内で用いられる。
【００２３】
圧力調節器は、節約装置が酸素シリンダー及び酸素濃縮器と共に使用される場合に必要であることが先行技術で知られている。酸素タンク内の圧力が幾らであっても、調節器は、時間に亘ってシリンダーが減圧する際に一貫したパルス投与量を得るために、圧力を調節して約２０ｐｓｉｇ（１３８ｋＰａ）に下げる。ＰＳＡ装置では、サイクル圧力は、例えば、約１５から約２６ｐｓｉｇ（１０３〜１７９ｋＰａ）まで変動し、調節器は、要求弁の圧力を、例えば約１０ｐｓｉｇ（６９ｋＰａ）に調節する。同様に、ＶＰＳＡのサイクル圧力は、約−２５から約１０ｐｓｉｇ（−１７２〜６９ｋＰａ）まで変動し、要求弁では約３ｐｓｉｇ（２１ｋＰａ）に調節される。
【００２４】
更に、装置の使用者に送出される実際の酸素の量は、弁が開いている時間の長さと、ガスが供給されている時間におけるガスの作動温度と、使用者の呼吸速度を含む、他の因子の関数である。例えば、高温では、どの様な所与の期間でも、より少ない量の酸素が使用者に送出される。同様に、特に、製品ガス圧力に影響を及ぼすより速い呼吸速度によって低圧になっている場合は、より少ない量の酸素が使用者に送出される。ここに記載されている既知の先行技術とは異なり、本発明は、理想ガスの法則に基づいて実際の酸素量が変動する固定された所定送出時間とは対照的に、作動圧力及び／又は温度に基づいて、実質的に一貫した所定量の酸素を送出するためにパルス投与時間を制御することのできる酸素濃縮器２０を備えている。
【００２５】
本発明によれば、パルス投与量は、特定のシステム特性又はシステム特性の組み合わせの監視に基づいて制御され、これらの手段によって、装置に重量を加えることになる圧力調節器の必要性を無くしている。本発明の或る実施形態では、所望量の酸素を送出するためのパルス投与の長さは、吸入開始時の、事前に計算されている予測可能なシステム圧力次第で決まる。第２の実施形態では、パルス投与の長さは、製品ガスの実際の温度及び／又は実際の圧力を吸入時に、限定するわけではないが望ましくは混合タンク６２又はその付近で測定して求められる。
【００２６】
本発明の第１の実施形態は、本発明により送出される酸素の量が、装置の製造の際に事前測定することができ従ってＰＳＡ又はＶＰＳＡの作動サイクルの様々な段階で使用する際に「予測される」、混合タンク６２における体積と圧力の関数であるという事実を利用しており、従って、圧力調節器の必要が無い。圧力調節器を必要としない装置は、装置をできるだけ小さく軽くするように努めている点で非常に有用である。この実施形態では、上記の一貫した酸素の投与量は、吸入が検知されるときの作動サイクル内の正にその時点で要求弁が開いている時間の長さを制御することによって送出される。この実施形態によれば、圧力センサー変換器８４は、装置が正常に機能していない場合に警告信号を作動させるのに用いられるが、パルス投与の長さを決めるのに使う必要は無い。
【００２７】
例えば、２つの吸着器層を備えているＰＳＡは、全体の時間経過が１７秒である圧力スイング吸着サイクル、又は、各層毎のその層の酸素生成段階の間が約８．５秒であるサブサイクルを有している。０．８５秒の時間間隔を選択することによって、各作動層の酸素生成サブサイクルは、１０個の異なるサイクル点に分割される。次の表１は、２層式ＰＳＡ装置内のシステム圧力の変動を、両方の層で酸素生成サブサイクルを１サイクル回すのに必要な１７秒に亘って示している。以下に示しているシステム圧力対時間は、ＰＳＡ装置の周期的な運転を通して一貫して、繰り返し再現される。
【００２８】
【表１】
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パルス投与体積の酸素濃縮製品ガスは混合タンク６２から使用者に送出されるが、要求弁７４の作動時間を求めるために、この混合タンク６２の圧力が、例えば、測定される体積圧力変動範囲として、２１ｐｓｉｇ（約１４５ｋＰａ）未満、２１−２３．９ｐｓｉｇ（約１４５〜１６６ｋＰａ）、２４−２６．９ｐｓｉｇ（約１６６〜１８６ｋＰａ）、２７−２９．９ｐｓｉｇ（約１８６〜２０６ｋＰａ）、３０ｐｓｉｇ（約２０６ｋＰａ）以上に亘る５つの範囲に分割される。これらの時間と圧力の範囲を使って、データ表は、作動サイクル内１０個の各選択された点それぞれについて、各点毎に２００ミリ秒の初期公称時間に基づいて作成される。従って、要求弁が、１パルス投与分を送出するため２００ｍｓ公称時間に亘って開く場合は、実際のパルス投与体積は、弁が開いていたサイクル点とパルス投与体積圧力に基づいて、全て測定される。例えば、装置が所望のパルス投与体積２６．２５ｍｌを生成するように設定され、そのサイクル点での測定されたパルス投与体積が２４ｍｌ（所望の２６．２５ｍｌより９％少ない）の場合、そのサイクル点の時間は２００ｍｓから２１８ｍｓに変わり、それに伴って弁の開放時間が調整される。各所望の設定に対するデータ表を完成させるために、このプロセスは、１０個の各サイクル点に対する正しい時間が求められるまで継続される。表２は、流量設定が３ＬＰＭ（リットル毎分）の連続する酸素供給と等価な場合であるが、この表から分かるように、１０個の各サイクル点で計算された要求弁の開放時間を列挙した最終データ表は、以下の通りである。
【００２９】
【表２】
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表２でパルス投与時間が決められるのと同じ方法で、本技法は、装置で用いられる他の選択可能な流量設定に関して計算されるパルス投与時間の別のデータ表を作るために用いられる。
【００３０】
表３に示されている約１２秒のサイクル時間と３つの流量を有する代わりの装置は、２００４年１０月１２日出願のMcCombsらによる同時係属中の米国仮特許出願第６０／６１７，８３４号「小型で持ち運び可能な酸素濃縮器」に記載されている発明に従って作られており、同出願の開示全体を参考文献としてここに援用するが、この装置は、表４に示している様に、ミリ秒の弁開放時間に関するルックアップテーブルを有している。
【００３１】
【表３】
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【００３２】
【表４】
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望ましくは、装置の電力効率を大幅に改良するため、圧縮器／熱交換器アッセンブリ２４は、各流量設定毎に異なる速度、例えば同時係属中の米国仮特許出願第６０／６１７，８３４号に開示されている装置に従って、１ＬＰＭの等価連続流量では約１７５０ｒｐｍ、２ＬＰＭの等価連続流量では約２５００ｒｐｍ、３ＬＰＭの等価連続流量では約３２００ｒｐｍの速度で作動するようにプログラムされる。次に、表の全ては、使用中にアクセスされるのに備えて酸素濃縮器のマイクロプロセッサ８２に記憶される。マイクロプロセッサ８２は、基本的に装置の全作動構成要素の作動順序を制御するので、本来、ＰＳＡサイクルに関する情報を備えている。マイクロプロセッサは、ＰＳＡの作動サイクルを監視し続けているので、圧力変換器７２が吸入を検知すると、選択されている流量設定をサイクル点に対する混合タンクでの所定の体積圧力と組み合わせ、その時点で、マイクロプロセッサの論理回路は、対応する設定に関するデータ表を調べて、要求弁７４を、表に記載されている対応する時間の長さだけ開く。本発明のこの実施形態に依る、圧力調節器を備えていない制御アッセンブリ６０の概略図を、図３に示している。
【００３３】
マイクロプロセッサ８２は、更に、先に述べた様に、そしてサイクル時間によって決められるように、要求弁７４を開いたままに保持する時間の長さを画定するデータ表の全データを含むよう、事前にプログラムされている。装置の設定と、パルス投与変換器７２からのアナログ信号の受信とに依って、マイクロプロセッサ８２は、適切なデータ表を参照し、データ表に定められている因子に従って、要求弁７４を作動させる働きをする。
【００３４】
図４は、この実施形態による制御回路を示すブロック図である。分かり易くするために、この図は、吸入を検知する圧力変換器７２と、作動サイクルの時点とルックアップテーブルの両方の情報が入っているマイクロプロセッサ８２と、要求弁７４と、だけを含んでいる。一般に、吸入圧力変換器７２は、吸入サイクルの開始を示す圧力の変化を検出する働きをする。吸入を検知すると、吸入圧力変換器７２は、マイクロプロセッサ８２が処理するのに適した信号を送信し、マイクロプロセッサは、そのルックアップテーブルにアクセスし、要求弁７４に適切な時間長さ作動するように信号を送る。図４は、本発明による制御回路を示すブロック図を提供しているが、具体的な回路要素とマイクロプロセッサ論理の詳細は、当業者であれば、例えば、米国特許第６，７６４，５３４号に記載されている回路を参考にして決めることができる。
【００３５】
図５と図６は、本発明の第２の実施形態による制御回路６０を示しており、制御回路６０は、実際の作動圧力及び／又は実際の作動温度を使って、使用者に送られる高酸素濃度製品ガスの投与量を決める。分かり易くするために、図５は、吸入を検知する圧力変換器７２と、温度センサー又はサーミスタ７５によって吸入時点で検知される温度のアナログ信号を読み取り、それをデジタル信号に変換するための温度検知回路７７と、混合タンクの圧力センサー８４であって、圧力センサー８４の出力がデジタル信号でない場合には圧力検知回路７８がデジタル信号に変換するようになっている圧力センサー８４と、２つのデジタル信号を読み取るマイクロプロセッサ８２と、圧力変換器７２に応えてマイクロプロセッサ８２により駆動される制御要求弁７４と、だけを含んでいるブロック図である。圧力変換器７２が吸入を検出すると、マイクロプロセッサ８２は、温度センサー７５と圧力センサー８４それぞれから来たデジタル信号を読み取る。先に述べた様に、これらのセンサーは、図６に示している様に、装置内の幾つかの場所の内の１つ、例えば、混合タンク６２の出口又は入口で測定を行う。圧力センサー８４と温度センサー７５は、別々の器具として描いているが、両方のパラメーターを読み取ることができる１つの監視装置とすることもできる。更に、図５は、実際の温度と実際の圧力の両方を使用して、パルス投与の長さを制御する可能性を示しているが、本発明によれば、それらのパラメーターの一方だけを使ってパルス投与を制御するか、又は、第１実施形態で説明した様に、温度入力を、事前に計算されたシステム圧力入力と組み合わせて使用することも考えられる。
【００３６】
例えば、温度の変化だけを使用して、パルス投与の長さを制御するのが望ましい場合、以下に更に詳しく説明する様に、マイクロプロセッサ８２は、温度検知回路７７によって生成される信号を受信し、ガスが吸入される時間がどの温度範囲であるかを判定し、適切なデータ表から、選択されている等価流量にとって所定量の酸素を送出するために要求弁を開いたままにしておく必要のある時間を求める。本発明のこの具体的な実施形態では、第１実施形態で説明した様に、所定数の各圧力範囲と、濃縮器にとって選択可能な各設定とに対して、例えば３つの温度範囲が定義されている。３つの温度範囲それぞれは、要求弁が開いたままであるか、或いは、装置に対して選択された流量に従って事前に設定された弁の開放時間に対応する、指定時間を有している。更に、装置は、例えば、３つの選択可能な流量設定を有しているので、要求弁が開いたままである時間に関するルックアップテーブルも、それぞれの流量設定毎に具体的に定義されている。
【００３７】
５つの流量選択器設定を有する濃縮器を示している表５で分かる様に、温度検知回路が特定の流量設定に対し約１５℃以下の温度を読み取ると、要求弁７４は、その特定の温度範囲に対して定義されている期間は開いたままになる。この期間は、マイクロプロセッサによって適切なデータ表から受け取られる。温度が約１５℃より高く、約３０℃未満である場合、その特定の温度範囲に対するルックアップテーブル内の要求弁７４パラメーターにアクセスし、温度が約３０℃以上である場合は、その特定の温度範囲に対する要求弁７４パラメーターにアクセスするなどする。一般に、温度が上がると、結果として、要求弁７４が開いたままになる時間、即ちパルス投与時間は長くなる。
【００３８】
【表５】
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勿論、表５は、例えば、濃縮器内のシステム圧力も流量を調節するのに用いられる場合は、特定の圧力範囲に対して機能するにすぎない。従って、圧力調節器が省かれている第１の実施形態又は第２の実施形態による場合は、所定数の温度範囲のそれぞれ、及び所定の圧力範囲のそれぞれにルックアップテーブルを作ることも有用である。これは、圧力範囲に関する圧力が、第１の実施形態での様に事前に計算された圧力であるか、又は圧力センサー７６によって測定される実際の圧力である場合である。従って、他の所定の圧力範囲には追加の温度表が提供される。その結果、各温度範囲、圧力範囲、及び流量設定に対する、三次元マトリックスのルックアップテーブルになる。
【００３９】
表からの全ての情報は、装置の使用中にアクセスできるようにマイクロプロセッサ内に記憶されている。マイクロプロセッサは、選択された流量設定を監視し、温度検知回路７７が受信するアナログ信号に基づいて、ガスの適切な温度範囲を判定する。吸入が検知されると、マイクロプロセッサ論理は、対応する設定に関するデータ表を調べて、要求弁を、圧力センサー７６によって検出される適切な圧力範囲に対し表に記載されている対応する時間長さだけ、開く。
【００４０】
マイクロプロセッサ８２は、先に述べた様に、所与の圧力範囲内の各温度範囲、又はその逆で、要求弁７４を開いたままに保つ時間の長さを決める全てのデータ表が入っているように事前にプログラムされている。流量選択器設定と、温度センサー７５及び圧力センサー８４から来たデジタル信号の受信とに基づいて、マイクロプロセッサ８２は、適切なデータ表を参照し、データ表に記載されている時間値に従って要求弁７４を作動させる。図５は、本発明の第２の実施形態による制御回路を表すブロック図を提供しているが、具体的な回路要素及びマイクロプロセッサ論理の詳細は、当業者であれば、米国特許第６，７６４，５３４号に記載されている回路、又は図７ａ−ｄを参照すれば決めることができる。図７ａ−ｄは、回路を四分割したものであり、各四分割図内の共通の要素を参考にすれば連結することができる。
【００４１】
図７ａ−ｄに概略的に示しているように、或る型式の温度検知回路７７は、回路板（図示せず）に追加されている抵抗分割器ネットワークで構成されている。具体的には、温度検知回路７７は、抵抗分割器ネットワークＲ８６、Ｒ８７と、１０Ｋ負温度係数サーミスタを含んでいる。作動時、マイクロプロセッサ８２は、吸入が検出される度に温度検知回路７７によって作られる電圧を読み取る。例えば、一定の電流とすれば、ユニット温度が上がると、サーミスタの抵抗も上がり、その結果、出力電圧も高くなるが、これをマイクロプロセッサが適切な表で読み取って所望の投与時間を作り出す。
【００４２】
デジタル信号に変換するのに別体の圧力検知回路７８を必要としない或る型式の圧力センサー８４が図７ａ−ｄに概略的に示されており、このセンサーは、混合タンクの出力のガス圧力を測定して信号を作り出す働きをし、この信号をマイクロプロセッサ８２がアナログ−デジタル変換器ポートを介して読み取る。マイクロプロセッサ８２は、圧力センサー８４のアナログ出力と、提供される表とに基づいて適切な圧力範囲を判定するようにプログラムされている。更に、マイクロプロセッサ８２は、混合タンクの異常な低及び高圧力レベルを識別して、システムの故障を識別するのにも用いることができる。例えば、圧力センサー８４が約２ｐｓｉ（約１４ｋＰａ）以下の圧力を読み取ると、マイクロプロセッサ８２は、システムの故障を信号で知らせる。システムの圧力が約３６ｐｓｉ（約２４８ｋＰａ）以上であれば、同様の故障が信号で知らされる。
【００４３】
投与される酸素の量は、システム内の酸素の圧力に関係付けられたパルス投与時間の関数であると説明してきたが、パルス投与時間を決めることになる酸素圧力は、圧力及び温度の様な周囲の状況、並びに、ＰＳＡ又はＶＰＳＡ装置につきものの圧力の変動、の両方に依る。従って、更に好適な実施形態では、制御アッセンブリの作動は、温度／圧力入力と体積圧力との相互参照によって決められる。
【００４４】
流量選択器の設定（ＬＰＭで）は、先の実施形態では基本的に同じでなので、具体的なパルス投与量の決定には、まだ人間の要素が残っている。第１の実施形態では、パルス投与値を計算するのに基本的に用いられるデータは、２００ｍｓの公称パルス投与量に対する補正係数の形をしている。しかしながら、第２の実施形態では、公称パルス投与量はもはや基本点として使用されず、投与量は、マイクロプロセッサが実際の圧力及び温度の入力に基づいて実際のパルス投与時間を計算して決める。従って、第２の実施形態では、マイクロプロセッサ８２は、温度センサー７５と圧力センサー８４から来る基準温度及び圧力の情報を連続的に受信する。マイクロプロセッサ８２は、装置使用中の時間に亘る基準圧力及び温度を調整するために、これらの値の比較的短い時間履歴を平均しなければならないので、それらの値は、絶えず測定されるのが望ましい。この基準値のセットを基に、マイクロプロセッサは、マイクロプロセッサメモリ内に記憶されている指定の表から適切な基線パルス投与量を知る。吸入圧力変換器７２が吸入による圧力降下を検知すると、マイクロプロセッサ８２は、これを検知し、パルス投与量変換器８４を介してその瞬間の体積圧力を読み取る。マイクロプロセッサは、この値を使って、ＰＳＡ又はＶＰＳＡサイクルで連続して変化する体積圧力に基づく個別の表のセットから、補正係数を探し出し、その補正を適用して、最終的に必要なパルス投与量を作り出せるようになっている。
【００４５】
例えば、表２は、２００ｍｓの公称値に基づく一連のパルス投与時間で表されている。しかしながら、これらの値は、単に、増倍係数で表されており、下の表６に示されている様に、どの様な公称値にでも理論的に適用される。
【００４６】
【表６】
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先の実施形態と同様に明白なように、異なる流量設定に対応するこれらの表が数多く必要である。
【００４７】
以上、本発明を特定の実施形態に関連付けて説明してきたが、当業者には理解頂けるように、本発明の範囲から逸脱すること無く、様々な変更を加え、等価物をその要素に置き換えることができる。具体的な状況又は材料に適合させるため、本発明の範囲から逸脱すること無く、本発明の教示に多くの修正を施すことができる。例えば、マイクロプロセッサが十分なメモリを有している場合は、実際の温度と圧力を組み込むことによって、パルス投与の長さを決めることもできる。更に、本発明は、米国特許第６，７６４，５３４号に開示されている濃縮器の多くの有用な特徴を組み込むこともできる。
【００４８】
従って、本発明を、本発明を実施するために考えられた最良のモードとして開示されている具体的な実施形態に限定する意図はなく、本発明は、特許請求の範囲に述べる内容の範囲及び精神に入る全ての実施形態を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明が組み込まれる圧力スイング吸着（ＰＳＡ）装置の概略図である。
【図２】本発明を組み込む真空圧力スイング吸着（ＶＰＳＡ）装置の概略図である。
【図３】本発明の第１の実施形態用の制御アッセンブリを示す部分概略図である。
【図４】作動サイクル中の吸入が検知される時点に基づいて、パルス状の投与の長さを決めるための制御回路のブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施形態用の制御回路のブロック図であり、この制御回路によって、パルス状の投与量が、温度及び／又は圧力の変動に合わせて制御される。
【図６】本発明の第２の実施形態用の制御アッセンブリを示す部分概略図である。
【図７】図７ａ−ｄは、全体で、本発明に用いられる制御回路の概略図を形成している。
【図１】
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【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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【国際調査報告】
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