(57)【要約】【課題】  空気の酸素濃度を高めて酸素濃縮気体を作る酸素濃縮装置がある。家庭内で使用する酸素濃縮装置は商用交流電源に接続するものが多く、使用する電源電圧の範囲が規定されている。しかし家庭内の電力使用環境によっては、酸素濃縮装置が規定外の低電圧下で使用されるおそれがあり、そうすると空気を送気するコンプレッサの出力が不安定になって酸素濃縮気体の酸素濃度と流量が不安定になる現象が起こり得る。【解決手段】  ブラシレスＤＣモータ９を動力源とするコンプレッサ３と、該ブラシレスＤＣモータ９の回転数を制御する制御手段７と、電源電圧を検知する電圧検知手段２０とを備え、電圧検知手段２０で検知した電圧信号を制御手段７に入力すると共にその電圧信号に基づきブラシレスＤＣモータ９の回転数を制御手段７で制御するようにした酸素濃縮装置１を提供する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気の酸素濃度を高めて酸素濃縮気体を作る酸素濃縮装置において、
ブラシレスＤＣモータを動力源とするコンプレッサと、
該ブラシレスＤＣモータの回転数を制御する制御手段と、
電源電圧を検知する電圧検知手段とを備え、
電圧検知手段で検知した電圧信号を制御手段に入力すると共にその電圧信号に基づきブラシレスＤＣモータの回転数を制御手段で制御するようにしたことを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項２】
酸素濃縮気体の供給流量を設定する流量設定手段を設け、その設定流量信号を前記制御手段に入力し、その設定流量信号と前記電圧信号に基づきブラシレスＤＣモータの回転数を制御手段で制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載の酸素濃縮装置。
【請求項３】
前記ブラシレスＤＣモータがアウターロータタイプであることを特徴とする請求項１又は２記載の酸素濃縮装置。
【請求項４】
吸引者の呼吸に同調させて酸素濃縮気体を供給する呼吸同調手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
【請求項５】
肩ひも、取手、カートなどの携行手段と、バッテリとを備えて携行可能にした請求項１乃至４のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素濃度の高い酸素濃縮気体を吸引者に供給するための酸素濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
慢性呼吸不全患者等に酸素濃度の高い酸素濃縮気体を自宅で吸引させる、いわゆる在宅酸素療法が従来より行われている。この在宅酸素療法に用いられている酸素濃縮気体の供給手段として、高圧ガスボンベや液体デューワ、或いは圧力変動吸着式（ＰＳＡ）などの電気的動力源（具体的には電動モータを動力源とするコンプレッサ）を備えた酸素濃縮装置がある。これらのうち家庭内での使用には、電源さえあれば連続して使える手軽さから電気的動力源を備えた酸素濃縮装置（例えば特許文献１参照）が好まれている。
【特許文献１】特許第３３７４４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
家庭内で使用する前記酸素濃縮装置は、商用交流電源に接続するものが多く、使用する電源電圧の範囲が規定されている。
しかしながら家庭内の電力使用環境（エアコン、冷蔵庫、電子レンジ等の電化製品の使用状況）によっては、酸素濃縮装置が規定外の低電圧下で使用されるおそれがある。そして規定外の低電圧で酸素濃縮装置を使用すると、空気を送気するコンプレッサの出力が不安定になり、結局、酸素濃縮気体の酸素濃度と流量が不安定になる現象が起こり得る。
また、現在の酸素濃縮装置の中には、酸素濃縮気体の供給経路に流量検知手段を設け、設定した流量の酸素濃縮気体が供給経路に供給されているかを監視し、その監視結果に基づき前記コンプレッサの出力を制御するようにしたものもあるが、これらはあくまでもコンプレッサの作動が正常であることを前提にしており、コンプレッサの作動が上記のように不安定であると十分な性能が得られない。
また、電源にバッテリを使用する携行型の酸素濃縮装置の場合は、使用時間に応じて電圧が低下し、それに連れてコンプレッサの出力も徐々に低下するため、酸素濃縮気体の安定的な供給ができない問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載したように、空気の酸素濃度を高めて酸素濃縮気体を作る酸素濃縮装置において、ブラシレスＤＣモータを動力源とするコンプレッサと、該ブラシレスＤＣモータの回転数を制御する制御手段と、電源電圧を検知する電圧検知手段とを備え、電圧検知手段で検知した電圧信号を制御手段に入力すると共にその電圧信号に基づきブラシレスＤＣモータの回転数を制御手段で制御するようにした酸素濃縮装置を提供する。
【０００５】
また、請求項２に記載したように、酸素濃縮気体の供給流量を設定する流量設定手段を設け、その設定流量信号を前記制御手段に入力しその設定流量信号と前記電圧信号に基づきブラシレスＤＣモータの回転数を制御手段で制御するようにした請求項１記載の酸素濃縮装置を提供する。
【０００６】
また、請求項３に記載したように、前記ブラシレスＤＣモータがアウターロータタイプである請求項１又は２記載の酸素濃縮装置を提供する。
【０００７】
また、請求項４に記載したように、吸引者の呼吸に同調させて酸素濃縮気体を供給する呼吸同調手段を備えた請求項１乃至３のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置を提供する。
【０００８】
また、請求項５に記載したように、肩ひも、取手、カートなどの携行手段と、バッテリとを備えて携行可能にした請求項１乃至４のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の酸素濃縮装置は、電源電圧の変動に基いてブラシレスＤＣモータの回転数を制御手段で制御するようにしたため、電源電圧が変動しても酸素濃縮気体の酸素濃度及び流量を安定化させることができる。
また、ブラシレスＤＣモータは、ブラシ付きＤＣモータのようなブラシや整流子がないため寿命が長く、定期的なメンテナンスも必要としない。そしてさらにブラシレスＤＣモータは電動モータの中でも電気的なノイズが少なく且つコンパクトである、などの特長があり、在宅酸素療法に使用する酸素濃縮装置の動力源として最適である。
【００１０】
また、請求項２の酸素濃縮装置は、設定流量に応じてブラシレスＤＣモータの回転数を制御するようにしたため、酸素濃縮気体を定量作って余剰分を排気する、というような無駄が生じない。しかも前記のように電圧信号に基づくブラシレスＤＣモータの制御をも行うことによりコンプレッサの送気が安定するため、設定流量がほぼ正確に供給できる。
【００１１】
また、ブラシレスＤＣモータは、ローターの形式によりアウターロータタイプとインナーロータタイプに区分されるが、アウターロータタイプの方が、小型化しやすく、また、ロータの慣性が大きいために回転数の変動が緩やかになる特長がある。従って請求項３のようにコンプレッサの動力源たるブラシレスＤＣモータとしてアウターロータタイプを採用すれば、酸素濃縮気体の酸素濃度と流量が安定し、しかも小型軽量の酸素濃縮装置が提供できる。
【００１２】
また、請求項４のように吸引者の呼吸に同調させて酸素濃縮気体を供給する呼吸同調手段、つまり吸引者の呼気時に酸素濃縮気体の供給を停止乃至低減させると共にその間も酸素濃縮気体の製造を継続させて溜め、吸引者の吸気時に呼気時に溜めた酸素濃縮気体を加えて一気に供給する手段を備えれば、コンプレッサを含む酸素濃縮手段の連続供給能力が縮小できるため、装置全体の小型化、低消費電力化が可能になる。
【００１３】
また、上記のように本発明の酸素濃縮装置は、小型軽量化、低消費電力化に優れるため、請求項５のように肩ひも、取手、カートなどの携行手段と、バッテリとを備えて携行可能にした場合に極めて高い有用性を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、図１は酸素濃縮装置を示すブロック図、図２，図３は酸素濃縮装置の斜視図、図４は電源電圧と制御電圧の関係を示すグラフ、図５は経過時間と酸素濃度の関係を示すグラフである。
【００１５】
酸素濃縮装置１は、図１に示したように、空気取入口２から空気を取り込んで送気するコンプレッサ３と、そのコンプレッサ３から送気される空気の酸素濃度を高めて酸素濃縮気体（以下単に酸素ともいう。）を作る濃縮手段と、濃縮手段で作った酸素を蓄える気体タンク４と、気体タンク４に蓄えた酸素を吸引者に供給するための酸素出口５と、気体タンク４と酸素出口５を結ぶ供給経路６と、前記コンプレッサ３を制御する制御手段７と、から概略構成される。
【００１６】
前記コンプレッサ３は、図２，３に示したケース体８の空気取入口２に対し吸気フィルタ（図示せず）と吸音器（図示せず）を介して接続されており、空気取入口２から外部の空気を取り込んで加圧し、次の濃縮手段に送気する。このコンプレッサ３は動力源としてブラシレスＤＣモータ９を備えている。該ブラシレスＤＣモータ９は、回転を制御するためのドライバ回路１０を有し、そのドライバ回路１０が電源１１たるバッテリに接続されている。
なお、ブラシレスＤＣモータ９にはアウターロータタイプとインナーロータタイプがあり、その何れを使用してもよいが、実施形態ではアウターロータタイプを使用する。
【００１７】
前記濃縮手段は、コンプレッサ３から送気される空気の酸素濃度を高めて酸素濃縮気体を作るものであって、例えばＬｉ系ゼオライトの吸着剤を充填してなる一対の吸着筒１２ａ，１２ｂと、コンプレッサ３から送気を受ける吸着筒１２ａ，１２ｂを交互に切り替える一対の供給切換弁１３ａ，１３ｂと、排気口１４に通じる吸着筒１２ａ，１２ｂを交互に切り替える一対の排気切換弁１３ｃ，１３ｄと、吸着筒１２ａ，１２ｂ同士を出口部分で繋ぐ均圧パイプ１５と、その均圧パイプ１５に設けた開閉切換弁１３ｅで構成される。なお、各切換弁１３ａ〜１３ｅは電気信号により開閉制御可能な電磁弁である。
【００１８】
前記吸着筒１２ａ，１２ｂに詰められているＬｉ系ゼオライトの吸着剤は、例えば約１４０ｋＰａに加圧すると空気中の窒素を優先的に吸着して空気の酸素濃度を高め、逆に大気圧に減圧すると先に吸着した窒素を放出して再生する性質を有する。従って、一方の吸着筒１２ａ（１２ｂ）にコンプレッサ３から圧縮空気を送ると酸素が作られ、その間他方の吸着筒１２ｂ（１２ａ）を排気口１４に繋いで減圧すると窒素が排出されて吸着剤が再生する。
なお、濃縮手段は、用途に合った濃度の酸素が得られればよいのであって、上記した以外にも酸素選択透過膜（酸素富化膜）を利用したものでもよい。
【００１９】
前記気体タンク４は前記一対の吸着筒１２ａ，１２ｂに逆止弁１６，１６を介してパイプ接続されており、濃縮手段で作った酸素を蓄え且つ蓄えた酸素を酸素出口５に向けて放出するものである。また、酸素出口５と前記気体タンク４を結ぶ供給経路６には、気体タンク４から出た酸素の圧力を適正値に下げるレギュレータ１７が設けられている。
【００２０】
前記酸素出口５は、気体タンク４に蓄えた酸素を吸引者に供給するためのものであり、その酸素出口５にチューブ１８を介して鼻カニューラ１９が接続されている。なお、鼻カニューラ１９は吸引者の鼻孔に酸素を供給する管であり、開放型の酸素供給手段として公知のものである。
【００２１】
しかして前記ブラシレスＤＣモータ９のドライバ回路１０と電源１１の間には電源電圧を検知する電圧検知手段２０が設けられており、一方、ドライバ回路１０にはマイクロコンピュータである制御手段７が接続されている。また、電圧検知手段２０と制御手段７は電気的に接続されており、電圧検知手段２０で検知した電圧信号が制御手段７に入力される。
【００２２】
図２は酸素濃縮装置１の外観を示した斜視図である。実施形態の酸素濃縮装置１は、ケース体８の上部に携行手段たる肩ひも２１と取手２２を設けて携行可能にしたものである。
なお、ケース体８の側面には前記空気取入口２と排気口１４が設けられており、また、取手２２の下に操作部２３が設けてある。そして、その操作部２３に前記酸素出口５が突出していて該酸素出口５に前記のように鼻カニューラ１９のチューブ１８が接続されている。
【００２３】
また、図３の酸素濃縮装置１は、携行手段たるカート２４と組み合わせた状態を示したものである。カート２４は、籠形の装置ホルダー２５の下面に移動且つ自立用の車輪２６を取り付けると共に装置ホルダー２５の背面に伸縮可能な牽引ハンドル２７を取り付けてなり、装置ホルダー２５の内部に酸素濃縮装置１のケース体８の下半部が嵌まり込む。装置ホルダー２５の側面には通気孔２８が設けられており、該通気孔２８に酸素濃縮装置１の空気取入口２（装置内の配置により排気口１４が下にある場合は排気口１４）が対向する。
なお、カート２４に装着した状態の酸素濃縮装置１は、路面に近い高さを移動するから、交通量の多い車道の脇を通行するときには濃い排気ガスにさらされるおそれがある。そこで装置ホルダー２５の前記通気孔２８に、図３二点鎖線のような吸気フィルター２９を着脱自在な状態に取り付け、空気取入口２に入る空気の有害物質を事前に除去するようにするとよい。このようにカート２４に吸気フィルター２９を設けるようにした場合には、外出時にのみフィルター機能が自動的に強化されるメリットがある。
また、図９に示したように、カート２４に燃料電池３０を装着し、該燃料電池３０から酸素濃縮装置１に電力を供給するようにしてもよい。近い将来、燃料電池車が実用化され、水素の補給スタンドが整備されれば、燃料電池３０への水素の補給が容易になるため、酸素濃縮装置１を携行して行動できる範囲が飛躍的に拡大する。もちろん燃料電池３０は酸素濃縮装置１に直接組み込むようにしてもよいが、カート２４に燃料電池３０を装着することにより、燃料電池３０がある程度重くても携行に支障がなく、また、燃料電池３０を装着することによりコストが高くなっても酸素濃縮装置１の価格に影響を与えない、等の効果がある。
【００２４】
次ぎに上記酸素濃縮装置１の作動について説明する。
先ず、ドライバ回路１０に通電するとブラシレスＤＣモータ９が回転し、コンプレッサ３が作動して空気取入口２から空気が取り込まれる。そしてその空気が濃縮手段に加圧状態で送気される。なお、ブラシレスＤＣモータ９の回転数は、コンプレッサ３が所定の圧力で所定量の空気を送気するように予め設定されている。
【００２５】
一方、濃縮手段は、供給切換弁１３ａ，１３ｂを交互に開閉させて加圧した空気を吸着筒１２ａ，１２ｂに交互に送り込み、また、排気切換弁１３ｃ，ｄを交互に開閉させて吸着筒１２ａ，１２ｂから交互に排気し、もって二つの吸着筒１２ａ，１２ｂ内で交互に加圧・減圧が行われるようにしている。
そして吸着筒１２ａ，１２ｂで加圧された空気は吸着剤に窒素が吸着され酸素濃度の高い酸素濃縮気体になって気体タンク４に送られ、その気体タンク４からレギュレータ１７を通って酸素出口５に至り、鼻カニューラ１９から吸引者の鼻孔に放出される。
【００２６】
しかして実施形態の電源１１であるバッテリは、使用時間に応じて電圧が低下する。この電圧の低下は電圧検知手段２０で検知され、電圧検知手段２０から制御手段７に電圧信号が送られる。この電圧信号を受けた制御手段７は、低下した電源電圧に対しブラシレスＤＣモータ９の回転数を安定させるに必要な制御電圧を計算し、その結果を回転数制御信号としてドライバ回路１０に入力する。なお、電源電圧と制御電圧の関係を示す一例を図４のグラフに示す。こうして回転数制御信号を受けたドライバ回路１０によってブラシレスＤＣモータ９の回転が制御され、その回転数が一定に保たれるからコンプレッサ３の送気も安定する。従って最終的な酸素濃縮気体の酸素濃度と流量が安定する。図５のグラフは、リチウムイオン二次電池パックを電源１１とする酸素濃縮装置１を用い、前記制御の有無による酸素濃度の違いを比較したものであり、このグラフによって上記制御の有効性が確認できる。
【００２７】
なお、上記のような電源電圧の変化は、家庭内の商用交流電源でも例えばエアコン、冷蔵庫、電子レンジ等の電化製品の使用状況により往々にして起き得ることであり、本発明の酸素濃縮装置１は、このような商用交流電源の電源電圧の変化に対してもブラシレスＤＣモータ９の回転数を一定に制御して、酸素濃縮気体の酸素濃度と流量を安定に保つことができる。
【００２８】
［実施形態２］
図６は実施形態２の酸素濃縮装置１のブロック図を示したものである。この酸素濃縮装置１は、前記酸素濃縮装置１に鼻カニューラ１９への供給流量を設定する流量設定手段３１を設け、その流量設定手段３１による流量設定信号を前記制御手段７に入力するようにしたものである。
【００２９】
流量設定手段３１は、多連オリフィス切替式の流量設定器や、ソレノイドバルブ又はアクチュエータ（ステッピングモータ等）を動力源としてニードル弁の開閉を制御する流量比例弁を使用することができる。また、本実施形態の流量設定手段３１は、ケース体８の前記操作部２３に流量設定キー３２を設置し、その流量設定キー３２を使って使用者が供給流量を手入力するようになっており、そうして入力した流量設定信号が制御手段７に送られる。なお、操作部２３には設定した供給流量をデジタル表示するための表示部３３が設けられている。
【００３０】
制御手段７は前記流量設定信号に基いて回転数制御信号を計算し、その結果をドライバ回路１０に入力してブラシレスＤＣモータ９の回転を制御する。なお、流量設定信号に対応する回転数制御信号は、予め実験により収集したデータから算出する方法と、供給経路６に酸素濃度を検知するセンサ（図示せず）を設置し、そのセンサの信号に基いて酸素濃度が適正になるようにブラシレスＤＣモータ９の回転を制御する方法があり、その何れであってもよい。もちろん制御手段７は、この流量設定信号に基づくブラシレスＤＣモータ９の回転制御と同時に前記電源電圧の電気信号に基づくブラシレスＤＣモータ９の回転制御も行う。
【００３１】
［実施形態３］
図７は実施形態３の酸素濃縮装置のブロック図を示したものである。この酸素濃縮装置１は、吸引者の呼吸に同調させて酸素濃縮気体を供給する呼吸同調手段を備えたことを特徴とし、供給経路６の途中に呼吸同調弁３４を設置し、また、鼻カニューラ１９に対し吸引者の呼吸を検知する圧力センサ３５を組み込んでなる。そして圧力センサ３５を前記制御手段７に接続してその圧力センサ３５から制御手段７に呼吸信号を入力し、一方、前記呼吸同調弁３４を制御手段７に接続して呼吸同調弁３４を制御手段７によって制御する。
【００３２】
しかして鼻カニューラ１９の圧力センサ３５が吸引者の吸気を検知するとそれが呼吸信号として制御手段７に入力され、この呼吸信号を受けた制御手段７が呼吸同調弁３４を開いて鼻カニューラ１９から酸素濃縮気体を放出する。
また、鼻カニューラ１９の圧力センサ３５が吸引者の呼気を検知するとそれが呼吸信号として制御手段７に入力され、この呼吸信号を受けた制御手段７が呼吸同調弁３４を閉じて酸素濃縮気体を止める。
【００３３】
通常、人の吸気時間と呼気時間の比は図８に示したように１：２であることから、呼吸サイクル全体の１／３に相当する吸気期間だけ呼吸同調弁９を開にして酸素濃縮気体を供給すればよく、呼吸サイクル全体の２／３に相当する呼気期間は製造した酸素濃縮気体を気体タンク４に溜めておくことができる。このため呼吸サイクルとは無関係に一定量を連続して流す前記実施形態に比べて理論上１／３の流量で済むことになる。一般的に外出可能な患者の場合、処方流量２Ｌ／分程度であるが、本実施形態であれば０．６７Ｌ／分の連続流量を供給する能力があればよい計算になる。これにより従来８０Ｗ程度の消費電力を要していたものが、３０Ｗ以下に低減できるから、バッテリの利用時間が大幅に延長でき、また、装置の小型軽量化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】酸素濃縮装置を示すブロック図である。
【図２】酸素濃縮装置の斜視図である。
【図３】酸素濃縮装置の斜視図である。
【図４】電源電圧と制御電圧の関係を示すグラフである。
【図５】経過時間と酸素濃度の関係を示すグラフである。
【図６】実施形態２の酸素濃縮装置を示すブロック図である。
【図７】実施形態３の酸素濃縮装置を示すブロック図である。
【図８】呼吸サイクルを示すグラフである。
【図９】酸素濃縮装置の斜視図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  …酸素濃縮装置
３  …コンプレッサ
７  …制御手段
９  …ブラシレスＤＣモータ
２０…電圧検知手段
２１…肩ひも（携行手段）
２２…取手（携行手段）
２４…カート（携行手段）
３１…流量設定手段
３４…呼吸同調弁（呼吸同調手段）
３５…圧力センサ（呼吸同調手段）
【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７】
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【図８】
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【図９】
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