(57)【要約】【課題】低酸素トレーニングは中型の装置であっても設置場所や動力電源が必要となるため簡易かつ容易ではなく、装置を携帯しながら屋外でトレーニングを行うことは困難であった。そこで簡易な構造且つ軽量で携帯可能なトレーニング用の低酸素呼吸器を提供することを目的とする。【解決手段】呼気と外気を混合させる貯蔵タンクと外気を導入する機能を有する調整タンクを流体連結してタンク本体とし、貯蔵タンクと、呼気及び吸気弁を有する呼吸用マスクとを伸縮性を有するダクト等の可撓管で接続する。さらに、貯蔵タンクには二酸化炭素吸収装置を取り付けるのである。調整タンクは流体連通した複数のチャンバーに区画し、外気導入口は開閉自在な蓋で気密に覆う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の呼気を貯蔵して外気を混合させる貯蔵タンクと外気を導入する機能を有する調整タンクを流体連結し、
呼気弁を有する呼気口と吸気弁を有する吸気口を有する呼吸用マスクと、前記呼気口と吸気口がそれぞれ独立して可撓性を有する配管部材で貯蔵タンクに接続されていることを特徴とする低酸素呼吸器。
【請求項２】
調整タンクを流体連通した複数のチャンバーに区画したことを特徴とする請求項１記載の低酸素呼吸器。
【請求項３】
外気導入手段が調整タンクに設けられた外気導入口であって、当該外気導入口が開閉自在な蓋で覆われていることを特徴とする請求項１又は２記載の低酸素呼吸器。
【請求項４】
貯蔵タンクに呼気中の二酸化炭素を減ずる二酸化炭素吸収装置を取り付けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のうちいずれか一項に記載された低酸素呼吸器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は運動用低酸素呼吸器に関する。より詳しくは、使用者の呼気と大気とを混合させた低酸素を供給する携帯型トレーニング用低酸素呼吸器に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
スポーツ選手や一般競技者の体力や持久力の向上や健康増進、あるいは高地への環境適応性を得るために低酸素環境を提供する施設（特許文献１）や呼吸装置（特許文献２、３）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３２４５３８７号公報
【特許文献２】特表２００３−５１５３９８号公報
【特許文献３】特表２００９−５２７３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示されているように、一般的な低酸素トレーニングは酸素濃度がコントロールされた低酸素室で行われる。しかし、大型の装置については機器が固定されており簡単に移動ができず、中型の装置においては装置の分解、再組み立てが必要となり、設置場所や動力電源を必要とし簡易かつ容易に低酸素トレーニングを行うことができない。
【０００５】
特許文献２には携帯型低酸素マスクの発明が開示されているが、呼気、吸気が同一のマウスピースを使用して行うため、呼気と吸気がマスク部で混合してしまい、吸気と混合させることなく呼気だけを貯蔵タンクまで導入し、貯蔵タンク内の空気のみ吸気として導出させることが困難であった。また、連続吸引も難しく、一般的に安静時の使用に適するように構成されているため、トレーニングを目的とした使用には適していない。
【０００６】
特許文献３にはユーザーが吐出した気体を吸入する呼吸回路を備えると共にその回路内に呼吸可能気体を供給する装置が接続された呼吸装置の発明が記載されている。この装置では呼吸可能気体が入ったタンクが構成要素となっており重量が重くなり嵩張って携帯性に乏しく、この装置を背負って走る等のトレーニングを行うことは難しく、長時間のトレーニングには不向きである。さらに酸素濃度を計測するセンサーなどの機器が必要となり簡便性を有さない。
【０００７】
前述の不具合を解決するために鋭意研究した結果、使用者の呼気（低酸素）を有効利用してそこへ外気を混合させる構造とし、気体混合度合いは調整タンクによって実現できることを見出した結果、電源や重量を有する気体供給装置を不要とする本発明に到達したものである。
【０００８】
そこで、本願では簡易な構造且つ軽量で携帯可能なトレーニング用の低酸素呼吸器を提供することを目的とするのである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の「低酸素呼吸器」は人が吸気する空気として、大気中に含まれる酸素濃度より低くした空気を供給する装置である。具体的には、いったん人が吸気して酸素濃度が低減した呼気に新鮮な外気を導入させることで酸素濃度の調整を行っている。
【００１０】
しかし、呼気には人の生体反応により酸素から変換された炭酸ガスが存在し、呼吸を繰り返すたびに炭酸ガスが蓄積し、その濃度が増加する。このため、過剰な炭酸ガスを一定範囲濃度に維持するために炭酸ガス吸着材で炭酸ガス濃度の上昇の抑制を行う。
【００１１】
また、酸素濃度は人の一回当たりの呼気・吸気量（肺活量）と、貯蔵タンクの容積と、調整タンクの容積で決定される。そこで、本発明では、調整タンクの容積を調整タンクに設けられた複数の蓋のうち、どの位置の蓋を開くかによって調整タンク容積を変動させて酸素濃度の調整を行っている。
【００１２】
そこで、本願の請求項１の発明では、呼気と外気を混合させる貯蔵タンクと外気を導入する機能を有する調整タンクを流体連結してタンク本体とし、貯蔵タンクと、呼気及び吸気弁を有する呼吸用マスクとを伸縮性を有するダクト等の可撓管で接続するのである。
【００１３】
さらに、顔面を覆うように装着するマスクに呼気口と吸気口を別個独立して設けた上にそれぞれに逆止弁を取り付けたので、呼気が排出されるときのみ呼気弁が開放され、吸気されるときのみ吸気弁が開放されるのである。
【００１４】
請求項２の発明では調整タンクを流体連通した複数のチャンバーに区画するのである。
【００１５】
請求項３記載の発明では、外気導入機能として調整タンクに一又は複数の外気導入口を形成し、各外気導入口を開閉自在な蓋で気密に覆うのである。
【００１６】
さらに、請求項４の発明では、請求項１記載の低酸素呼吸器における貯蔵タンクに呼気中の二酸化炭素を減ずる二酸化炭素吸収装置を取り付けるのである。
【発明の効果】
【００１７】
マスクに設けられた呼気弁と吸気弁の作用により、マスク部で呼吸と吸気が混合されることがなく、呼気だけが確実に貯蔵タンクに形成した区画された部屋を介して貯蔵タンクに導入され、一方、貯蔵タンク内の空気のみが確実に吸引されるのである。これにより、トレーニングに供給される空気の酸素濃度をより正確に管理でき、トレーニング効果を高めることができるのである。
【００１８】
使用者の呼気と導入外気を混合させて所望の低酸素状態を実現させるため、電源や気体供給タンク等を必要とせず軽量且つ簡易な構造としたため携帯性に優れ、屋内屋外を問わずいつでもどこでも低酸素トレーニングを可能にした。
【００１９】
装置が軽量であるため長時間のトレーニングを可能にした。これにより持久系のアスリートのトレーニング効果の向上が期待できる。
【００２０】
本装置を背負い具に装着することで使用者が背負って運動できるため種々のトレーニングに利用できる。
【００２１】
装置構造を簡素化したため低コストで提供できる。
【００２２】
外気導入口は、開閉自在な蓋で気密に覆われているため、選択的に一の外気導入口を開放することで所望の低酸素環境を容易に作り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】低酸素呼吸器の斜視図。
【図２】貯蔵タンク本体の正面図。
【図３】同、平面図。
【図４】同、右側面図。
【図５】貯蔵タンク上部の断面図。
【図６】同、平面図
【図７】貯蔵タンクに貯蔵タンク蓋部を嵌合させた状態を示す説明図。
【図８】マスクの斜視図。
【図９】ａ  マスクの呼気弁の作用を示す概略説明図。
【００２４】
ｂ  同、吸気弁の作用を示す概略説明図。
【図１０】低酸素呼吸器用ナップサックの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本願の最適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
図１が、携帯型低酸素呼吸器１の斜視図である。
【００２７】
低酸素呼吸器１はマスク２と、貯蔵タンク４と調整タンク５から構成されるタンク本体３、タンク本体３の上部に嵌合された貯蔵タンク蓋部６とマスク２と貯蔵タンク蓋部６とを接続する伸縮ダクト７、８から成る。
【００２８】
タンク本体３と貯蔵タンク蓋部６はプラスチック等を素材とする軽量且つ形状保持可能な構造であって、気密性を有している。タンク本体３を構成する貯蔵タンク４は略直方体であって、ここで使用者の呼気と調整タンクから取り込まれた外気とを混合貯蔵する。
【００２９】
調整タンク４は左右に仕切られた二つのチャンバーからなる層を縦方向に複数連結して成り、チャンバー内部には外気が通る流通路が形成されている。流通路断面は各チャンバーの独立性を保つためチャンバー断面より小さく円形である。
【００３０】
各チャンバーの側面には外気導入口を形成する。図４のタンク本体右側面図に示すように最も下に位置する第一層右側チャンバーの外気導入口９付近には２５００ｍ、第一層左側のチャンバー１０には２０００ｍと表示されている。
【００３１】
一方、第二層左側チャンバー１１に形成された外気導入口付近には１５００ｍ、第二層右側チャンバー９には１０００ｍと表示されている。最上層である第三層目の外気導入口は予備的に形成されたものである。
【００３２】
また、各外気導入口は気密性を保持するため、パッキンなどのシール機能を有する蓋で覆われている（図示せず）。
【００３３】
第一層から第三層の各チャンバーには左右のチャンバーを気体が流通する通孔１５、１６、１７を形成すると共に、上の層へ気体流通させる連通孔１８、１９を形成し、第一層目のチャンバーには貯蔵タンクへの連通孔２１を穿設する。
【００３４】
蓋を開放した外気導入口から調整タンクへと流入した外気は各チャンバーの通路を通って上方へ向かい、調整タンク５に連結した貯蔵タンク４の底面に設けた孔２１から貯蔵タンク内へと流れ込むのである。
【００３５】
貯蔵タンク４の上方には蓋状の貯蔵タンク蓋部を嵌合する。
【００３６】
図５が貯蔵タンク蓋部２２の断面説明図、図６が同、平面図、図７が貯蔵タンク蓋部をタンク本体３へ嵌め込んだ状態を示す説明図である。
【００３７】
貯蔵タンク蓋部２２は二本の筒状開放部２３、２４を有し、２３は吸気側、２４は呼気側となり、可撓性を有する伸縮ダクト７、８を介してマスク２と接続する。
【００３８】
本願にかかる低酸素呼吸器は使用者の呼気を再利用して外気よりも酸素濃度の低い気体を供給して低酸素状態を実現する構成である。具体的にはいったん人が吸気して酸素濃度が低くなった呼気に外気を混入させるのである。この外気混入量によって酸素濃度の調整が行われる。
【００３９】
一方、呼気には人の生体反応によって酸素から変換された炭酸ガスが存在し、呼吸を繰り返すたびに炭酸ガスが蓄積して濃度が増加するため、炭酸ガス濃度を一定範囲に維持する必要がある。そこで、二酸化炭素含有量を減少させる手段として二酸化炭素吸収装置２７を呼気側の下方に取り付けるのである。
【００４０】
呼気側筒２４から貯蔵タンク内へ流入した呼気は仕切によって区画された部屋２５へと導入され部屋２５の下方に気密に取り付けた二酸化炭素吸収装置内２７へと入り、ここで二酸化炭素を取り除かれた呼気が貯蔵タンク内へと流れ込むのである。
【００４１】
二酸化炭素吸収装置２７は、水酸化カルシウムに塩化カルシウムなどの成分を配合して成る二酸化炭素吸収素材２６を充填した円筒形のカセットを並列に配置取り付けて成る。二酸化炭素吸収装置を吸気側に取り付けると呼吸が苦しくなる場合があるので本願では呼気側にのみ取り付ける構成を取っている。
【００４２】
二酸化炭素吸収装置は呼気側円筒より有効断面積を大きくするなどして抵抗を低減する構造としまた、容器の交換を容易にするために、部屋２５への取り付けはねじ込み式等とする。また、容器内部の清掃を可能とするためにカセット上部の蓋は開放容易にすることが望ましい。
【００４３】
吸気の二酸化炭素濃度を下げ二酸化炭素吸収材の交換時間を長くするためには呼吸回路中の二酸化炭素吸収剤の量を多くすることが考えられるが、呼吸が苦しくなるため吸収剤の量は最大２００ｇとし、交換時間の目安を１時間とする。その際の目安となる二酸化炭素許容濃度は運動時で４％以下、安静時２％以下とする。
【００４４】
吸気側筒２３の下方にはフィルター２８を取り付けて導入外気の塵埃や二酸化炭素吸収材の破片等を取り除くと共に呼吸抑制機能も持たせている。
【００４５】
また、本願の低酸素呼吸装置はマスクを備えている。
【００４６】
マスク３５はプラスチックやゴム等の空気を透過させない材料から成り、口及び鼻を覆う大きさを有する。マスク３５の中央部には上下に開口部が形成されており、上方が吸気口２９、下方が呼気口３０である。
【００４７】
各開口部には貯蔵タンク本体と接続する伸縮ダクト７、８を取り付ける円筒形接続部材３１、３２が気密に嵌合されている。この円筒形接続部材にはそれぞれ呼気弁３７と吸気弁３６が内装されている。当該弁は一方向バルブを成し、気体の反対方向への流れを制限又は実質的に防止する。すなわち、呼気弁３７が開放されているときは吸気弁３６が閉じられており貯蔵タンクからマスク３５内に気体が流入することがない。
【００４８】
図９が弁機構の概略説明図である。マスク３５に設けられた吸気口２９に嵌合された円筒形部材３１内に吸気弁３６が内装されており、円筒形部材３１は伸縮ダクト７を介して貯蔵タンク蓋部に設けた筒状開放部２３に接続されている。
【００４９】
一方、呼気口３０に嵌合された円筒形部材３２内に呼気弁３７が内装されている。円筒形部材３２は伸縮ダクト８を介して貯蔵タンク蓋部２２の筒状開放部２４に接続されている。
【００５０】
マスク内で吸気すると吸気弁３６が開放され貯蔵タンクからの気体のみがマスク内へ流れ込む（図９ａ）。このとき、呼気弁３７は閉じられている。一方、口から吐き出された呼気３９は開放された呼気弁３７（図９ａ）から流れ出して貯蔵タンク内の、仕切によって区画された部屋２５へと導入され部屋２５の下方に気密に取り付けた二酸化炭素吸収装置内２７へと入る。ここで二酸化炭素を取り除かれた呼気が貯蔵タンク内へと流れ込むのである。
【００５１】
したがって、マスク内で呼気と吸気が混合されることなく、呼気だけが確実に貯蔵タンクに導入され、貯蔵タンク内の空気のみが確実に吸引されるのである。これにより、酸素濃度の正確な管理が可能となるのである。
【００５２】
使用者がマスク３５を顔面に固定できるように弾性素材から成るヘッドベルト（図示せず）を取り付けることが望ましい。
【００５３】
３３、３４はヘッドベルトの取り付け部材である。取り付け部材３３、３４の挿通孔３３ａ、３４ａにヘッドベルトの端部を挿通させて別途取り付けた長さ調整部材によって使用者がヘッドベルトの調整を行うことでマスクを顔面に確実に固定してトレーニングをすることが可能となる。
【００５４】
本願の携帯型低酸素呼吸器は携帯容易であることを特徴とするので、タンクの重量は１Ｋｇ程度とし、サイズは幅２２０ｍｍ、奥行き９０ｍｍ、高さ３００ｍｍ程度とする。タンク本体とマスクを接続する伸縮ダクトは可撓性を有しさらに充分な長さの確保が容易であるため、トレーニング内容によって使用形態を種々変更可能である。
【００５５】
例えば本願の呼吸器を自転車の後部に積載固定して自転車競技のトレーニングに使用したり、床等に載置して自転車エルゴメータで負荷トレーニングを行ったりすることも可能である。
【００５６】
直接、低酸素呼吸器に肩ストラップ等を取り付けて背負うことも可能であるが、図１０に示すような補助具４０を使用するとより使い勝手が向上する。
【００５７】
ナップサック状の補助具４０に低酸素呼吸器を挿入して下方のメッシュ状ポケット４３と横ベルト４２でタンク本体を固定し、肩ストラップ４１に腕を通すと、使用者は低酸素呼吸を背負いながら様々なトレーニングが可能となるのである。この時伸縮ダクトは使用者の肩越しに配置されてマスクへと連結されている。
【００５８】
続いて、本願の低酸素呼吸器がどのように作用して低酸素状態を実現するかについて説明する。
【００５９】
発明にかかる低酸素呼吸器は、使用者が貯蔵タンク内へ吐き出した空気と、外部環境と流体連通した調整タンクを通過して貯蔵庫へ流れ込む周囲空気とが貯蔵タンク内で自然に混合されて一定の低酸素状態を実現するものである。
【００６０】
マスクを装着した使用者が息を吸うと貯蔵タンク内の気体が吸気側伸縮ダクトを通ってマスク内に流入する。この時マスクに取り付けた円筒形接続部材に内装された吸気弁は開放される一方で、吸気を行っている間は呼気弁が閉じられているため呼気側伸縮ダクトを通ってマスク内へ気体が流入することはない。
【００６１】
つまり、マスク内で呼気と吸気が混合することがないのである。
吸気を行っているときは吸気弁のみが開放されて一定量の気体が貯蔵タンクの吸気側開口部からマスクへ流れ込み使用者はこれを吸い込むのである。
【００６２】
次に使用者がマスク内へ息を吐くと呼気側弁のみが開放されて呼気側伸縮ダクトを通って呼気が貯蔵タンク蓋部の底面に形成された呼気側貯留部屋へと流れ込む。その後、二酸化炭素吸収装置を介して二酸化炭素濃度が低減した気体が貯蔵タンクへと流入し、貯蔵タンクへと流入した気体の量と同量の気体が調整タンクの外気導入口から排出されるのである。
【００６３】
このように使用者が低酸素呼吸器を取り付け、マスクを装着した状態で呼吸を行うと二酸化炭素を除去した呼気と外気とが貯蔵タンク内で混合されて一定濃度を有する低酸素気体を吸入することができるのである。
【００６４】
本願では、調整タンクの外気導入口に高度表示を行い、酸素濃度の調整の目安としている。シュミレートする高度は貯蔵タンクに吐出された空気（呼気）に加えられた周囲空気の有効容積を調整することで可能である。
【００６５】
前述したように調整タンクは区画されたチャンバーから成り、最下層のチャンバーに形成された外気導入口がもっとも高い高度表示になっており、上へ行くほど高度表示が低くなっている。
【００６６】
すなわち、貯蔵タンクへの流通路が長くなるほど、つまり貯蔵タンクから外気導入口が離れて調整タンクの容積が増すと、貯蔵タンク内に貯められる呼気の容量が増える。それと共に外気導入量が少なくなり、呼気に対する外気の割合が低くなって、低濃度の酸素環境を作り出すことができるのである。貯蔵タンク上部の吸入側開口部付近へ供給される空気は周囲空気よりも酸素含有量が少なくなる結果、周囲より高度の高い環境、すなわち低酸素環境をシュミレートできるのである。
【００６７】
このようにタンクの容積が大きいほど酸素濃度は低くなるという結果が実験によっても明らかとなっている。
【００６８】
平地での酸素濃度は２１％、２５００ｍ相等の酸素濃度は１５．５％程度であるため、所望の酸素濃度を決定すると、それに適合する高度が表示された外気導入口の蓋を開放し、それ以外の外気導入口を閉鎖するのである。ちなみに本願では設定する高度の上限を２５００ｍとした。
【００６９】
外気導入口にはパッキンを備えたシール構造の開閉蓋が取り付けられているため、選択的に一の外気導入口を開放して外気を取り入れることで一定の低酸素条件を維持できるのである。
【００７０】
貯蔵タンクの容積は一回の換気量を基準に４リットル、各チャンバーの容積は０．４リットルに設定されているが、換気量は使用者や使用条件によって異なる。
一般的に体重が重い人は換気量が多く、体重が少ない人は換気量が少ない。そのほか呼吸
方法によっても影響を受けると考えられる。したがって、同じ酸素濃度であっても換気量の多い人は下の外気導入口になる場合があり、換気量の少ない人は上の外気導入口になることもある。
【００７１】
換気量１００Ｌから１２０Ｌ／分の人を基準とすると、外気導入口が一つ違うと約５００ｍ、酸素濃度にすると約１％の差が生じ、外気導入量は１５％から２０％の差が生じる。
【００７２】
そのため、外気導入口に記載された高度表示には許容範囲の誤差を含むこととする。たとえば、２５００ｍプラスマイナス２５０ｍ程度はほぼ同一の酸素濃度を実現できると考えられる。
【００７３】
実験の結果、調整タンクの外気導入口を上から１〜６の番号を付すと、１〜４を運動用とし、５、６を安静用とする。運動用の４つの孔を（１）１０００ｍ〜１５００ｍ、（２）１５００ｍ〜２０００ｍ、（３）２０００ｍ〜２５００ｍで使い分ける使用方法が適していることが分かった。また、安静用の孔５、６も酸素濃度１０％とし使用者によって使い分けるのである。
【００７４】
以上、本願の最適な実施形態について具体的に数字を掲げて説明を行ったが、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での修正、変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本願にかかる低酸素呼吸器は低酸素トレーニングに利用することができる。軽量且つ携帯性に優れるため従来低酸素室内で行っていたトレーニングに限らず、屋外でのトレーニングにも有効利用できるのである。
【符号の説明】
【００７６】
１、低酸素呼吸器  
２、３５、マスク
３、タンク本体
４、貯蔵タンク
５、調整タンク
６、２２、貯蔵タンク蓋部
７、吸気側伸縮ダクト
８、呼気側伸縮ダクト
９、１０、１１、１２、１３、１４、外気導入口
１５、１６、１７、連通孔（横穴）
１８、１９、２０、連通孔（縦穴）
２１、連通孔（貯蔵タンクへの流入孔）
２３、吸気側円筒
２４、呼気側円筒
２５、呼気貯留部屋
２６、二酸化炭素吸収材
２７、二酸化炭素吸収装置
２８、フィルター
３６、吸気弁
３７、呼気弁
【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】
2013132382.tif 000009
【図８】
2013132382.tif 000010
【図９】
2013132382.tif 000011
【図１０】
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