(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼吸用気体供給源から供給される呼吸用気体を加湿し、使用者に供給する呼吸用気体供給装置であり、該呼吸用気体供給装置を使用する周囲環境温湿度を検出する湿度検出手段Ａと、該呼吸用気体を加湿する加湿手段、加湿後の呼吸用気体の湿度検出する湿度検出手段Ｂを備え、湿度検出手段Ａの検出値ａに対する湿度検出手段Ｂの検出値ｂに基づいて呼吸用気体の加湿度を演算し表示する加湿度演算手段を備え、該加湿度演算手段が、検出値ａに対する検出値ｂの割合を演算し、その結果を表示する機能を有する手段であることを特徴とする呼吸用気体供給装置。
【請求項２】
該加湿度演算手段が、検出値ｂが検出値ａに対し予め設定された所定閾値内である場合、あるいは検出値ａに対する検出値ｂの割合が予め設定された割合以上の場合に、呼吸用気体が加湿されていることの表示を行なう機能を備えることを特徴とする請求項１に記載の呼吸用気体供給装置。
【請求項３】
該加湿度演算手段が、検出値ｂが検出値ａに対し予め設定された所定閾値を外れた場合、あるいは検出値ａに対する検出値ｂの割合が予め設定された割合以下の場合に、呼吸用気体が加湿されていないことの警報表示を行なう機能を備えることを特徴とする請求項２に記載の呼吸用気体供給装置。
【請求項４】
該加湿手段が、外部空気中に含まれる水分を乾燥状態の呼吸用気体中へ取り込む水分透過膜を備えた無給水式加湿器であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の呼吸用気体供給装置。
【請求項５】
該加湿手段が、中空糸状水分透過膜を備え中空糸内側を呼吸用気体を通過させ、中空糸外表面側に外部空気を取り込む軸流ファンを備えた無給水式加湿器であることを特徴とする請求項４記載の呼吸用気体供給装置。
【請求項６】
該呼吸用気体供給源が、外部空気を利用して酸素富化空気を製造する圧力変動吸着型酸素濃縮装置であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の呼吸用気体供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾燥した呼吸用気体を加湿して使用者に供給する呼吸用気体供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器系疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、その最も効果的な治療法の一つとして酸素吸入療法があり、酸素ボンベあるいは空気中から酸素濃縮気体を直接分離する酸素濃縮装置が開発され、酸素吸入療法のための治療装置として使用されている。
【０００３】
このような酸素濃縮装置として、窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した吸着筒に、コンプレッサで圧縮空気を導入して加圧状態で窒素を吸着させることにより、酸素濃縮気体を得る吸着工程と、吸着筒の内圧を減少させて窒素を脱着させ吸着剤の再生を行う脱着工程とを交互に行うことにより濃縮酸素を得る圧力変動吸着（PSA：Pressure Swing Adsorption）型の酸素濃縮装置がある。
【０００４】
かかるＰＳＡ型酸素濃縮装置により生成された酸素富化空気（酸素濃縮気体）は、ほぼ絶乾に近い乾燥状態にある。また、高圧ガス容器に充填された酸素ガスを酸素吸入療法のために使用する場合にも、製造時に湿度が除去されているため同様の問題がある。一方、吸着筒に充填された吸着剤が水分を吸着すると、空気中の酸素ガスよりも窒素ガスを選択的に吸着するという吸着能も低下することが指摘されている。このため、通常、吸着筒へは乾燥させたり加熱させたりした原料空気が供給される。
【０００５】
このような絶乾状態にある酸素富化空気を長期間、多量に使用者に吸入させると、例えば、上気道粘膜の繊毛運動低下、体内水分，熱量の損失及び喀痰の乾燥による喀出困難といった問題が生じる。そこで、このような問題を回避するために、使用者に供給する酸素富化空気は、吸入する前に適度に加湿しておくことが好ましい。このような絶乾状態に近い酸素富化空気を加湿するために、ＰＳＡ型の酸素濃縮装置では、酸素富化空気を適度に加湿するための加湿器が設けられる。
【０００６】
このような酸素富化空気を適度に加湿する加湿器に要求される特性は、ある程度飽和水蒸気圧近くまで加湿した状態で、その気体を供給することであり、通常、水を用いた加湿器が広く用いられている。しかし、水を用いる加湿器は、加湿に伴って容器内の水が減少するため、定期的な水の補充が必要となる。また水を入れたままで長期間使用せずに放置した場合などには細菌の繁殖といった問題がある。このため患者には加湿器の定期的な洗浄や頻繁な水の補充などの手入れを強いることとなる。加湿用水の充填、加湿器の洗浄操作は本質的に人的手段に頼らなければならないため、操作ミスを誘発する原因ともなり、医療装置の安全性、あるいは信頼性を損なう可能性がある。
【０００７】
そこで、この問題を解決するために、特開平１０−２４８９３５号公報に記載されているような無給水式の加湿器を採用することが検討されている。この無給水式加湿器とは、他の気体よりも水蒸気を選択的に透過させる水分透過膜、例えば、官能基としてスルフォン酸基を配位させた水分透過膜などを用いて、水分透過膜内外の水蒸気の分圧差を利用し、空気中の水分を絶乾状態の酸素富化空気へ透過させて加湿するものである。
【特許文献１】特開平１０−２４８９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
水加湿器の場合、正常に酸素富化空気が加湿されているかどうかは、加湿器内のバブリングの状態を見れば視認することが出来た。しかし、水分透過膜等を利用した無給水式加湿器では、酸素富化空気の加湿状態を直接確認することは出来ない。また水分透過膜を使用した場合、環境湿度によって加湿度が変化する為、酸素富化空気の湿度を検出しただけでは加湿器の加湿性能を評価することは出来ない。
【０００９】
本発明の目的は、酸素濃縮装置や酸素ボンベなどから供給される乾燥状態の酸素富化空気などの呼吸用気体に対して、水分透過膜を備えた無給水式加湿器によって加湿する際に、加湿器が正常に加湿していることを検出し、使用者に表示することが可能な装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題に対して本願発明は、以下の呼吸用気体供給装置を提供する。すなわち、本願発明は、呼吸用気体供給源から供給される呼吸用気体を加湿し、使用者に供給する呼吸用気体供給装置であり、該呼吸用気体供給装置を使用する周囲環境温湿度を検出する湿度検出手段Ａと、該呼吸用気体を加湿する加湿手段、加湿後の呼吸用気体の湿度検出する湿度検出手段Ｂを備え、湿度検出手段Ａの検出値ａに対する湿度検出手段Ｂの検出値ｂに基づいて呼吸用気体の加湿度を演算し表示する加湿度演算手段を備え、該加湿度演算手段が、検出値ａに対する検出値ｂの割合を演算し、その結果を表示する機能を有する手段であることを特徴とする呼吸用気体供給装置を提供するものである。
【００１１】
また本願発明は、かかる該加湿度演算手段が、検出値ｂが検出値ａに対し予め設定された所定閾値内である場合、あるいは検出値ａに対する検出値ｂの割合が予め設定された割合以上の場合に、呼吸用気体が加湿されていることの表示を行なう機能を備え、一方で検出値ｂが検出値ａに対し予め設定された所定閾値を外れた場合、あるいは検出値ａに対する検出値ｂの割合が予め設定された割合以下の場合に、呼吸用気体が加湿されていないことの警報表示を行なう機能を備えることを特徴とする呼吸用気体供給装置を提供するものである。
【００１２】
さらに本願発明は、かかる加湿手段が、外部空気中に含まれる水分を乾燥状態の呼吸用気体中へ取り込む水分透過膜を備えた無給水式加湿器、特に中空糸状水分透過膜を備え中空糸内側を呼吸用気体を通過させ、中空糸外表面側に外部空気を取り込む軸流ファンを備えた無給水式加湿器であることを特徴とする装置、該呼吸用気体供給源が、外部空気を利用して酸素富化空気を製造する圧力変動吸着型酸素濃縮装置であることを特徴とする呼吸用気体供給装置を提供するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の呼吸用気体供給装置の実施態様について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である圧力変動吸着型酸素濃縮装置を例示した概略装置構成図である。この図１において、１は酸素濃縮装置、２は内蔵されている無給水式加湿器、３は加湿された酸素富化空気を吸入する使用者（患者）を示す。従って、図１の実施形態例では、酸素濃縮装置１によって製造された酸素富化空気は、無給水式加湿器２によって加湿された後、使用者３へ供給される。ただし、図１の実施形態例では、圧力変動吸着型酸素濃縮装置を例に示しているが、これに代えて、高圧の濃縮酸素ガスが充填された酸素ボンベを使用した呼吸用気体の供給手段を使用することもできる。
【００１４】
圧力変動吸着型酸素濃縮装置１は、外部空気取り込みフィルター101、空気圧縮装置103、切り替え弁104、吸着筒105、逆止弁106、製品タンク107、調圧弁108、流量設定手段109、フィルター110を備える。これにより外部から取り込んだ原料空気から酸素ガスを濃縮した酸素富化空気を製造することができる。
【００１５】
先ず、外部から取り込まれる原料空気は、塵埃などの異物を取り除くための外部空気取り込みフィルター101などを備えた空気取り込み口から取り込まれる。このとき、通常の空気中には、約２１％の酸素ガス、約７７％の窒素ガス、０．８％のアルゴンガス、水蒸気ほかのガスが１．２％含まれている。かかる装置では、呼吸用ガスとして必要な酸素ガスのみを濃縮して取り出す。
【００１６】
この酸素ガスの取り出しは、原料空気を酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着するゼオライトなどからなる吸着剤が充填された吸着筒105に対して、切り替え弁104によって対象とする吸着筒105を順次切り替えながら、原料空気を空気圧縮装置103により加圧して供給し、吸着筒105内で原料空気中に含まれる約７７％の窒素ガスを選択的に吸着除去する。このとき、窒素ガスとともに水蒸気も吸着除去されるために、製造される酸素富化空気は乾燥状態となる。
【００１７】
前記の吸着筒105としては、前記吸着剤を充填した円筒状容器で形成され、通常、１筒式、２筒式の他に３筒以上の多筒式が用いられるが、連続的かつ効率的に原料空気から酸素富化空気を製造するためには、多筒式の吸着筒105を使用することが好ましい。また、前記の空気圧縮装置103としては、揺動型空気圧縮機が用いられるほか、スクリュー式、ロータリー式、スクロール式などの回転型空気圧縮機が用いられる場合もある。また、この空気圧縮装置103を駆動する電動機の電源は、交流であっても直流であってもよい。前記吸着筒105で吸着されなかった酸素ガスを主成分とする酸素富化空気は、吸着筒105へ逆流しないように設けられた逆止弁106を介して、製品タンク107に流入する。
【００１８】
なお、吸着筒105内に充填された吸着剤に吸着された窒素ガスは、新たに導入される原料空気から再度窒素ガスを吸着するために吸着剤から脱着させる必要がある。このために、空気圧縮装置103によって実現される加圧状態から、切り替え弁104によって減圧状態（例えば大気圧状態又は負圧状態）に切り替え、吸着されていた窒素ガスを脱着させて吸着剤を再生させる。この脱着工程において、その脱着効率を高めるため、吸着工程中の吸着筒の製品端側或いは製品タンク107から酸素富化空気をパージガスとして逆流させるようにしてもよい。
【００１９】
原料空気から酸素富化空気が製造され、製品タンク107へ蓄えられる。この製品タンク107に蓄えられた酸素富化空気は、例えば９５％といった高濃度の酸素ガスを含んでおり、調圧弁108や流量設定手段109などによってその供給流量と圧力とが制御されながら、無給水式加湿器２へ供給される。そして、この無給水式加湿器２において、水分透過膜を有する水分透過膜モジュール201によって、外部空気から水分を取り込んで乾燥状態の酸素富化空気へ供給する。
【００２０】
ここで、本発明に使用する前記無給水式加湿器２について説明する。この無給水式加湿器２は、前述のように水分透過膜モジュールを備えており、この水分透過膜モジュールは、水分透過膜を形成した中空糸202、水分透過膜モジュール本体201、外部空気取込手段203、加湿前酸素富化空気の流入口204、加湿後酸素富化空気の流出口205、加湿用外部空気の取入口206、加湿済み外部空気の排出口207を含んで構成される。
【００２１】
水分透過膜を形成した中空糸202の内側に絶乾状態の酸素富化空気を流入口204から流出口205へと通すと共に、中空糸202の外側には外部空気取込手段203によって水分を含む外部空気を取入口206から排出口207へと通し、酸素富化空気を加湿する。
【００２２】
この水分透過膜モジュールの実施形態としては、例えば、水分透過膜が形成された中空糸202を適当な長さに切断し、これを多数本束ねた中空糸202の束を作成して、この中空糸束の両端部の中空が塞がらないように両端をエポキシ樹脂のような樹脂で水分透過膜モジュール本体201の内壁部に一体に固めて納め、図１に例示したようにモジュ−ル化したものを好適に使用することができる。
【００２３】
図１に例示した実施形態例では水分透過膜を形成した中空糸モジュールを使用しているが、本発明は、このような中空糸膜モジュールに限定されることはなく、例えば、平膜モジュールや平膜をスパイラル状に形成したモジュールを用いることもできる。このとき、前述の平膜モジュールでは、例えば、良好な通気性を有する平板状支持体の両面に水分透過膜を形成し、水分透過膜支持体の表裏両面に圧力差を付けることによって、外部空気側（大気側）の水蒸気を水分透過膜の表面に溶解させて水分透過膜内を拡散移動させた後、負圧側の水分透過膜の表面から離脱させるという原理を使用したものがある。このような平膜モジュールでは、水分透過膜膜を形成した前記平板状支持体は隔壁を挟んだサンドイッチ構造を繰り返し単位として、これを複数個積層したものが通常使用される。
【００２４】
また、本発明では前記水分透過膜として周知のものを使用することができ、例えば、特開昭５４−１５２６７９号公報、特開昭６０−１８３０２５号公報、特開昭６１−１９５１１７号公報、特開昭６２−４２７２３号公報等に記載された吸水性高分子膜、特開昭５３−８６６８４号公報、特開昭６０−２５７８１９号公報、特開昭６０−２６１５０３号公報、特開昭６２−４２７７２号公報等に記載されたポリスルホン多孔膜、ポリプロピレン多孔膜、ポリテトラフルオロエチレン多孔膜およびこれらと他の膜との複合膜、特開昭６２−４２７２３号公報等に記載された芳香族ポリイミド膜を挙げることができ、更に、パーフルオロスルホン酸系イオン交換膜、炭化水素スルフォン酸系イオン交換膜、またイオン交換膜と吸水性高分子膜との複合膜などを例示することができる。また、市場に供されている水分透過膜を挙げるならば、その商品名／商標名が、ＮＡＦＩＯＮ膜（ＤｕＰｏｎｔ社製）、ダウ膜（ダウケミカル製）、フレミオン（旭硝子製）、アシプレックス（旭化成製）などと称されているものを例示することができる。
【００２５】
これら水分透過膜は、膜内外の水蒸気の分圧差で水蒸気が移動する。加湿前の酸素富化空気自体は略湿度ゼロの絶乾状態であるが、加湿用の水分源である外部空気は天候によって湿度が大きく変化する。結果として加湿された酸素富化空気の加湿度は外部空気の湿度によって異なることになる。通常の大気と同様の湿度を確保できれば十分であるが、加湿された酸素富化空気の湿度のみを図っていても正常に加湿されているかどうかは検知することは出来ない。外気が湿度９０％RHの時と、湿度３０％RHの時に求められる加湿度もことなり水分の絶対値の管理を行うことも出来ない。
【００２６】
本願発明では、無給水式加湿器に取り込む外部空気の加湿度および加湿された酸素富化空気の加湿度を測定する湿度センサー403,404を備え、両者のセンサーが検知した湿度情報を比較演算手段401で比較し、加湿器性能を評価する。
【００２７】
湿度センサーとしては、電気的性質の変化を直接計測するセラミック湿度センサー（ＭｇＣｒ２Ｏ４−ＴｉＯ２系セラミックス、ＴｉＯ２−Ｖ２Ｏ５系セラミックス、ＺｎＣｒ２Ｏ４−ＬｉＺｎＶＯ４系セラミックス）を使用することが好ましい。何故ならば、このようなセラミック湿度センサーは、小型・高感度・広い動作範囲・非常に早い応答速度などの特徴があり、しかも、加熱クリーニングができるため特に好ましいからである。
【００２８】
このようなセラミック湿度センサーは、乾湿材がセラミック焼結体で構成されていて、水蒸気の吸着しやすい多孔質セラミックが用いられているものであって、雰囲気の湿分の吸脱着による電気的性質の変化を主として利用している。なお、セラミック湿度センサーの測定原理としては、水分子がセラミックの成分と焼結し、イオンが作られ、これによって電気伝導が変化すると考えられ、このとき発生する電気伝導の変化を検出して、これを湿度（相対湿度）に換算するものである。
【００２９】
ただし、本発明に用いる湿度検出手段としては、前述のセラミック湿度センサーの他に、乾湿球式・毛髪式・水晶振動式・高分子系センサーや金属酸化物センサーなどを使用することもでき、中でも、高分子系及び金属酸化物は電子回路との相性が良い小型センサーであるため好適に使用することができる。
【００３０】
周囲環境温湿度を検出する湿度検出手段Ａ（湿度センサ403）と、加湿後の呼吸用気体の湿度検出する湿度検出手段Ｂ（湿度センサー404）の検知結果に対して、湿度検出手段Ａの検出値ａに対する湿度検出手段Ｂの検出値ｂに基づいて呼吸用気体の加湿度を演算し表示する加湿度演算手段404を備える。
【００３１】
演算方法としては、検出値ｂが検出値ａに対し予め設定された所定閾値内あるかどうかを演算し、その結果を表示する方法、あるいは、該加湿度演算手段が、検出値ａに対する検出値ｂの割合を演算し、その結果を表示する方法を採用することができる。
【００３２】
そして検出値ｂが検出値ａに対し予め設定された所定閾値内である場合、あるいは検出値ａに対する検出値ｂの割合が予め設定された割合以上の場合には、無給水加湿器が正常に機能していると判断し、呼吸用気体が加湿されていることの表示を行なう。具体的な表示は、加湿されている旨の緑色ＬＥＤ、ランプ表示などで行うことができる。
【００３３】
一方、検出値ｂが検出値ａに対し予め設定された所定閾値を外れた場合、あるいは検出値ａに対する検出値ｂの割合が予め設定された割合以下の場合に、呼吸用気体が加湿されていないことの警報表示を行なう。警報は赤色ＬＥＤ表示或いは音声警報など各種警報を採用することが出来る。
【００３４】
また、一時的に加湿度を上げる方法として、無給水式加湿器のファン203の回転数を上げ、外部空気の取り込み量を上げる制御を行うことが出来る。外部空気の取込量を好適に制御できる外部空気取込手段203の具体的な装置構成を例示するならば、インダクションモータ（誘導電動機）や直流ブラシレスモーターによって駆動される軸流ファンやブロアを挙げることができる。このように、外部空気取込手段23を構成すると、インダクションモータ（誘導電動機）や直流ブラシレスモーターにインバータなどを付設することによってモーター回転数を可変とし、これによってモーターを可変速駆動し、外部空気の取込量を制御することができる。
【００３５】
とくに、ファンやブロワなどのモーターとして直流ブラシレスモーターを使用すると、このモーターの特性は、そのトルクが速度の２乗にほぼ比例するので、運転速度の減少に伴ってトルクが減少し、このために、モーターを駆動する動力（電力）が少なくなって、省エネルギー運転が可能となる。しかも、このような制御によってモーターをより低い回転数で運転することができれば、発生する騒音や振動を低減することも可能となって、安静な使用環境が要求される場合にはより有利となる。また、直流ブラシレスモーターは、オーディオ機器やＯＡ機器などの民生用機器からロボットや工作機などの産業用機器に至るまで幅広く用いられており、また、ファン用モーターやコンプレッサ用モーターなどにおいても多方面に用いられていることからも明らかなように、その信頼性の高さや高寿命などといった利点を有している。
【００３６】
このような直流ブラシレスモーターは、例えば３相２極式の場合には、星形結線された３つのコイルにより形成されたコイル組立体が固定されたステータと、２つの磁極を有する永久磁石が取り付けられたロータとを有している。また、このロータの回転軌道近傍には、回転方向に向けて等間隔で配置されたホール素子などの位置検出手段が設けられており、これらの位置検出手段によりロータの回転位置が検出されるようになっている。そして、この検出信号のオンオフタイミングに基づいて、３つのコイルのうち２つのコイルに対する通電状態を順次切り替える、すなわち転流を繰り返すことにより、コイルと永久磁石とを回転方向に向けて吸引、反発させてロータに回転力を生じさせるようになっている。
【００３７】
コイルへの通電状態の切り替えを行なう手段としては、例えば３相２極式の場合には、正極側のスイッチング素子と負極側のスイッチング素子とを有するスイッチング素子対を３相分設け、それぞれのスイッチング素子対が並列に配置されたスイッチング回路が用いられている。また、各相のスイッチング素子間はそれぞれ対応するコイルの非結線端と接続されており、全体としていわゆる３相インバータ回路となっている。これらのスイッチング素子としては、トランジスタやＦＥＴのように駆動信号によりオンオフ制御が可能な半導体素子が用いられている。
【００３８】
これらのスイッチング素子には制御部が接続されており、この制御部は、それぞれのコイルに所定の順序で電流を転流させてロータを所定の方向に回転させるために、１つのスイッチング素子対の正極側トランジスタと他のスイッチング素子対の負極側トランジスタとを、それぞれ所定の順序で組み合わせてオン状態とするように、前述の位置検出手段からの検出信号に基づいて所定のスイッチング素子に向けて駆動信号を出力するようになっている。したがって、この直流ブラシレスモーターは、制御部が出力する駆動信号により制御されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の呼吸用気体供給装置の実施態様例である圧力変動吸着型酸素濃縮装置の模式図。
【符号の説明】
【００４０】
１：酸素濃縮装置
２：無給水式加湿器
３：使用者
101：外部空気取り込みフィルター
103：空気圧縮装置
104：切り替え弁
105：吸着筒
106：逆止弁
107：製品タンク
108：調圧弁
109：流量設定手段
110：フィルター
201：水分透過膜モジュール本体
202：水分透過膜を形成した中空糸
203：外部空気取込手段
204：加湿前酸素富化空気の流入口
205：加湿後酸素富化空気の流出口
206：加湿用外部空気の取入口
207：加湿済み外部空気の排出口
401：演算手段
402：表示手段
403：湿度検出手段Ａ
404：湿度検出手段Ｂ
【図１】
0004741894.tif 000002