(57)【要約】      （修正有）【課題】患者に供する酸素濃縮ガスの酸素濃度と流量の両者を制御することができ、患者の治療に最適な酸素濃縮ガスを供給することができる酸素濃縮装置を提供する。【解決手段】吸着型酸素濃縮手段３で生成した酸素濃縮ガスの貯蔵手段４、酸素濃度測定手段６、流量調整手段５を備えた酸素供給ラインと、加圧手段１から分岐された空気の一部を一時貯蔵、空気流量調整手段８を備えた空気供給ラインが、酸素貯蔵手段４、酸素濃度測定手段６の下流側で合流し、供給する酸素濃縮ガスの酸素流量設定値および酸素濃度設定および酸素濃度測定値に基づいて、酸素流量調整手段５および空気流量調整手段８を制御する制御手段を備えた酸素濃縮装置。【選択図】図１
2017169784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒と、該吸着筒に加圧空気を供給する加圧手段を備え、空気中の窒素を吸着し酸素濃縮ガスを生成する吸着型酸素濃縮装置において、
生成した酸素濃縮ガスを貯留する酸素濃縮ガス貯蔵手段と、該酸素濃縮ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段と、該酸素濃縮ガスを所望の流量に調整して供給する第１流量調整手段とを備えた酸素供給ラインと、該加圧手段から分岐され、加圧手段から吐出された空気の一部を貯蔵する空気貯蔵手段、所望の空気流量に調整する第２流量調整手段を備えた空気供給ラインとを備え、該酸素供給ラインの酸素濃縮ガス貯蔵手段および酸素濃度測定手段の下流側に該空気供給ラインとの合流点を備えると共に、
使用者に供給する酸素濃縮ガスの流量および酸素濃度を設定する酸素流量設定手段および酸素濃度設定手段を備え、酸素流量設定値、酸素濃度設定値および該酸素濃度測定手段によって測定された酸素濃度測定値に基づいて、第１流量調整手段および第２流量調整手段の供給ガス流量を制御する流量制御手段を備えたことを特徴とする酸素濃縮装置。
【請求項２】
該第１流量調整手段が、第１調圧弁、第１比例制御弁および第１流量計を備えることを特徴とする、請求項１記載の酸素濃縮装置。
【請求項３】
該第２流量調整手段が、第２調圧弁、第２比例制御弁および第２流量計を備えることを特徴とする、請求項２記載の酸素濃縮装置。
【請求項４】
該流量制御手段が、該第１比例制御弁および該第２比例制御弁の開度を制御する手段であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか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、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を用いた吸着型酸素濃縮装置に関するものであり、特に慢性呼吸器疾患患者などに対して行われる酸素吸入療法に使用する圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、喘息、慢性閉塞性肺疾患、間質性肺炎等の呼吸器系器官の疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、その効果的な治療法のひとつに酸素吸入療法がある。かかる酸素吸入療法とは、酸素ガスあるいは酸素濃縮ガスを患者に吸入させるものである。その供給源として、酸素濃縮装置、液体酸素、酸素ガスボンベ等が知られているが、使用時の便利さや保守管理の容易さから、在宅酸素療法には酸素濃縮装置が主に用いられている。
【０００３】
酸素濃縮装置は、空気中に存在する約２１％の酸素を分離濃縮して患者供給ガスとして患者に供給する装置であり、高濃度の酸素が得られる点から、現在では酸素より窒素を優先的に吸着しうる吸着剤を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が主流になっている。圧力変動吸着型酸素濃縮装置では一般的に酸素濃度を約９０％前後に保ち、生成した酸素の流量を調整することで酸素投与量を調節している。
必要な酸素の流量は、少ない場合では流量が０．２５Ｌ／分程度の場合もあり、多い場合には７Ｌ／分程度の場合もある。しかしながら、新生児や乳幼児あるいは軽症患者に対しては、さらに少量の酸素を、患者の様態に合わせて投与したいという要望がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１６３６０５号公報
【特許文献２】特開平８−２４３１６７号公報
【特許文献３】特開２００２−２１９１７６号公報
【特許文献４】特開２００２−２５３６７５号公報
【特許文献５】特開２００７−３４０号公報
【特許文献６】特開２００４−２２９８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまでの圧力変動吸着型酸素濃縮装置では、約９０％の酸素濃度を有する患者供給ガスの流量変更だけで実酸素供給量を変えているため、流量が少ない場合には気体が供給されていることを患者自身も感じ取れないこともあり、鼻腔に投与できているかどうかの判断も難しい。そのためには、患者供給ガスの流量を確保した上で、労作時は酸素濃度が高い患者供給ガスを吸入し、安静時には労作時に対して比較的酸素濃度の低い患者供給ガスを吸入することが望ましい。また、０．２５Ｌ／分以下の極めて小さい流量範囲においては、患者供給ガスの流量の正確なコントロールが難しく、９０％程度の高い酸素濃度の患者供給ガスを用いる場合には、新生児や乳幼児あるいは軽症患者に対しての酸素投与が困難という課題がある。
【０００６】
例えば、４０％程度の酸素濃度のガスをボンベに充填し、これによって酸素投与を行うことや、高濃度酸素ガス（例えば、９９％以上の酸素濃度を有するガス）をボンベに充填し、希釈用の空気を準備して流量と酸素濃度をコントロールすることができるが、いずれの方法においても長時間の使用においては都度ボンベ交換する必要があるため、在宅酸素療法においては酸素濃縮装置を用いることが望ましい。
【０００７】
このような需要に対し、圧力変動吸着型酸素濃縮装置においても、患者供給ガスの酸素濃度を下げ、任意の酸素濃度を任意の流量で供給できるものが用いられるようになっている。その方法としては、例えば、特開２００１−１６３６０５号公報に示されているように、生成ガスの酸素濃度と流量の積が一定になるようにコンプレッサと吸脱着工程の切り替え時間を制御して濃度と流量を変化させる方法があるが、この方法では酸素濃度と流量を独立に設定するものではない。
【０００８】
さらに、特開平８−２４３１６７号公報に示されているように、設定された濃度に応じて吸着／脱着のサイクルタイムを調節して酸素濃度を制御する方法がある。しかしながら、吸着筒を通過してくるガスの酸素濃度の時間変化は大きいため、吸着筒の下流に設置した生成ガスの貯蔵手段を十分に大きくしなければ酸素濃度を安定させることはできず、装置が大きくなるという欠点がある。
【０００９】
また特開２００２−２１９１７６号公報、特開２００２−２５３６７５号公報、特開２００７−３４０号公報に記載の酸素濃縮装置においては、生成ガスの酸素濃度を測定する酸素センサの値をフィードバックしてコンプレッサの回転数を制御することで、得られる酸素濃度をコントロールする方法が示されている。しかしながら、いずれも９０％前後の比較的高濃度を維持するためのシステムであり、得られる酸素濃度の範囲には限界がある。
【００１０】
加えて、特開２００４−２２９８６２号公報においては、原料空気の一部を可変絞り手段を経由して製品ガスに混合することで、酸素濃度を任意の値に調節できる方法が示されている。しかしながら、吸着プロセスにて生成される酸素濃度を知る手段がないため、絞り手段の制御が非常に困難になるという課題がある。コンプレッサや吸着剤の継時的な性能変化や環境条件によって生成される酸素濃度は変化するため、一定の酸素濃度を得るためには絞り手段の再調整を要するが、自動で絞り弁を制御する技術は開示されていない。
【００１１】
さらに、原料空気は吸着筒における吸着プロセスに起因した周期的な圧力変動が生じており、絞り手段のみでは、精密にその流量を制御することはできず、安定した酸素濃度を得ることは難しい。酸素濃度を安定化させるには、生成ガスの貯蔵手段を十分に大きくする方法があるが、この場合は装置が大きくなるという欠点があり、酸素濃度の安定性と装置の大きさがトレードオフの関係となってしまう。
【００１２】
さらに、特開２００４−２２９８６２号公報に開示された構成においては、酸素センサは混合後のガスの濃度を測定する構成となっているため、濃縮酸素の酸素濃度を知ることができないため、吸着筒や切替弁の故障や吸着剤の劣化の検出が困難であり、使用者の治療効果の確保という点で課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、圧力変動吸着型酸素濃縮装置における前述の課題を解決するために鋭意研究した結果、以下の本発明に到達した。
【００１４】
すなわち本発明は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒と、該吸着筒に加圧空気を供給する加圧手段を備え、空気中の窒素を吸着し酸素濃縮ガスを生成する吸着型酸素濃縮装置において、生成した酸素濃縮ガスを貯留する酸素濃縮ガス貯蔵手段、該酸素濃縮ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段と、該酸素濃縮ガスを所望の流量に調整して供給する第１流量調整手段とを備えた酸素供給ラインと、該加圧手段から分岐され、加圧手段から吐出された空気の一部を貯蔵する空気貯蔵手段、所望の空気流量に調整する第２流量調整手段を備えた空気供給ラインと、を備え、該酸素供給ラインの酸素濃縮ガス貯蔵手段および酸素濃度測定手段の下流側に該空気供給ラインとの合流点を備えると共に、使用者に供給する酸素濃縮ガスの流量および酸素濃度を設定する酸素流量設定手段および酸素濃度設定手段を備え、酸素流量設定値、酸素濃度設定値および該酸素濃度測定手段によって測定された酸素濃度測定値に基づいて、第１流量調整手段および第２流量調整手段の供給ガス流量を制御する流量制御手段を備えたことを特徴とする酸素濃縮装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の酸素濃縮装置は、患者に供する酸素濃縮ガスの酸素濃度と流量の両者を制御することができ、患者の治療に最適な酸素濃縮ガスを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の酸素濃縮装置の構成を示す模式図。
【図２】従来の酸素濃縮装置の構成を示す模式図。
【図３】従来の酸素濃縮装置の構成を示す模式図。
【図４】コンプレッサ回転数と供給ガスの酸素濃度制御の関係図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の酸素濃縮装置の実施態様を説明する。
図１は本発明による圧力変動吸着型酸素濃縮装置の構成を示す模式図である。酸素濃縮手段３は圧力変動吸着型の酸素濃縮手段であって、窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒を用い、１）コンプレッサ等の加圧手段１を用いて原料空気を導入して加圧状態で窒素を吸着させて酸素濃縮ガスを得る吸着工程、２）大気開放弁あるいは真空ポンプなどの減圧手段２を用いて吸着筒の内圧を大気圧付近あるいは大気圧以下の状態まで減圧させ、吸着剤に吸着した窒素を脱着させて吸着剤の再生を行う脱着工程、の少なくとも２つの工程を交互に行うことにより、連続して酸素濃縮ガスを得ることができる。
【００１８】
酸素濃縮手段３には、吸着筒の製品端である酸素濃縮ガスの取出し口に逆止弁を備えてもよい。生成された酸素濃縮ガスは酸素供給ラインを流れ、酸素濃縮ガス貯蔵手段４に一時貯蔵される。該酸素濃縮ガス貯蔵手段４を用いることにより該酸素濃縮手段３から生成される酸素濃縮ガスの圧力変動および酸素濃度変動を緩和することができ、ガス流量および酸素濃度を安定させることができる。
酸素濃縮ガス貯蔵手段４に貯蔵された酸素濃縮ガスは、第１流量調整手段５により所定の流量に調節され、酸素濃度測定手段６により酸素濃度が計測される。該酸素濃度測定手段６には、ジルコニア式センサや超音波式センサ、磁気式センサ等を用いることができる。
【００１９】
一方、加圧手段１から酸素濃縮手段３に繋がる配管途中で分岐された加圧空気の一部は、空気供給ラインを流れ、空気貯蔵手段７に一時貯蔵される。空気貯蔵手段７の加圧空気入口に逆止弁を備えてもよく、これを用いることにより、酸素濃縮手段３の吸脱着工程の切り替えに伴って発生する加圧手段２から吐出される空気の圧力変動が緩和され、空気流量を安定させることができる。
【００２０】
貯蔵された原料空気は第２流量調整手段８に供給され、所定の流量に調節される。そして、酸素流量調整手段５によって所定の流量に調節された酸素濃縮ガスと、酸素供給ラインの酸素濃縮ガス貯留手段４および酸素濃度測定手段６の下流側の逆止弁９、１０の下流で合流し両者が混合され、所定の酸素濃度、流量の患者供給ガスとなり、酸素供給手段１１を介して患者の鼻孔に導かれる。
【００２１】
酸素供給ラインの酸素濃縮ガス流量を調整する第１流量調整手段５と空気供給ラインの空気流量を調整する第２流量調整手段８は、それぞれ第１調圧弁、第１比例制御弁および第１流量計と、第２調圧弁、第２比例制御弁および第２流量計を配置し、該流量計の値に応じて該比例制御弁の開度をフィードバック制御することで、各々酸素濃縮ガスの所望の流量と空気の所望の流量に調整することができる。
【００２２】
加えて、酸素濃度測定手段６により生成する酸素濃縮ガスの濃度（ＣＯ２）を測定しつつ、下記の式（１）、式（２）を満たすように流量制御手段１３において演算し、酸素濃縮ガス流量（ＱＯ２）、空気流量（Ｑａｉｒ）を調節することで、圧力変動吸着型酸素濃縮手段の酸素生成能力に応じた範囲で、外部入力手段１２によって入力された患者供給ガス流量設定値（Ｑｓｅｔ）と患者供給ガス濃度設定値（Ｃｓｅｔ）に合わせた患者供給ガスを得ることができる。
ＱＯ２  ＝Ｑｓｅｔ×（Ｃｓｅｔ−Ｃａｉｒ）÷（ＣＯ２−Ｃａｉｒ）      式（１）
Ｑａｉｒ＝Ｑｓｅｔ×（ＣＯ２−Ｃｓｅｔ）÷（ＣＯ２−Ｃａｉｒ）        式（２）
【００２３】
ここで、Ｃａｉｒは周辺空気中の酸素濃度であり、通常は０．２１に設定して計算することが望ましく、生成する酸素濃縮ガスの酸素濃度が９０％になるように、加圧手段１または減圧手段２または酸素濃縮手段３が制御される場合には、ＣＯ２を０．９０に設定して計算してもよい。
本計算により、使用者の供給する供給ガス流量と酸素濃度をコントロールすることができるが、逆止弁９、１０と酸素供給手段１１の間に、患者へ供給するガスの流量測定手段または流量制御手段や酸素濃度測定手段を備えてもよい。
【実施例】
【００２４】
［実施例１］
図１に示す吸着型酸素濃縮装置を用い、前記式（１）、式（２）に示す計算方法に基づいて、酸素濃縮ガス流量を制御する第１流量調整手段５と空気流量を制御する第２流量調整手段８を操作し、使用者へ供給する供給ガスを生成し、各々のガス流量および酸素濃度のコントロール結果を表１に示す。
【００２５】
具体的には、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤としてＬｉ−Ｘ型ゼオライトを原料とした既知の吸着剤を吸着筒に充填した２筒式の酸素濃縮手段３を用い、減圧手段２には大気開放弁を用いたＰＳＡ型酸素濃縮装置を用い、酸素濃縮手段３、酸素濃縮ガス貯蔵手段４、第１流量調整手段５（酸素流量調整手段）、酸素濃度測定手段６、逆止弁９からなる酸素供給ラインと、加圧手段２と酸素濃縮手段３を繋ぐ配管途中で分岐し、空気貯蔵手段７、第２流量調整手段８（空気流量調整手段）および逆止弁１０からなる空気供給ラインを合流させ、設定した所定の酸素濃縮ガス流量、酸素濃度のガスを供給する装置である。
表１に示す通り、Ｑｓｅｔと供給ガス流量の差は０．１Ｌ／ｍｉｎ以内、Ｃｓｅｔと酸素濃度の差は２．０％以内の高精度で供給ガスを得ることができた。
【００２６】
【表１】
2017169784.tif 000003
【００２７】
［実施例２］
図１に示す吸着型酸素濃縮装置を用い、前記式（１）、式（２）に示す計算方法に基づいて、酸素流量を制御する第１流量調整手段５と空気流量を制御する第２流量調整手段８を操作し、使用者への供給ガスの流量と酸素濃度のコントロールを実施し、約１分間の酸素濃度の変動範囲を確認した。供給ガス流量を０．５Ｌ／ｍｉｎとし、酸素濃度４０％、酸素濃度６０％を目標としてコントロールを試みた。
結果、酸素濃度４０％に設定した場合、実際の供給ガスの酸素濃度は４０．０〜４０．２％、酸素濃度６０％に設定した場合、実際の供給ガスの酸素濃度は６０．１〜６０．３％の値を示した。供給ガスの酸素濃度の変動幅は０．２％であり、十分に安定した酸素濃度を得ることができた。
【００２８】
［比較例１］
図２に示す酸素濃縮装置（特開２００４−２２９８６２号公報を参照）を用いて、酸素ガス絞り手段１０５および空気絞り手段１０６を操作して患者に供給する酸素濃縮ガスの流量と酸素濃度のコントロールを実施し、約１分間の酸素濃度の変動範囲を確認した。なお、ガス貯蔵手段１０６の容量は実施例１と同一とした。患者供給ガス流量を０．５Ｌ／ｍｉｎとし、酸素濃度４０％、酸素濃度６０％をターゲットとしてコントロールを試みた。
結果、それぞれ３８．０〜４１．７％、５７．５〜６３．０％の酸素濃度の患者供給ガスを得た。本例では酸素濃度の周期変動は最大５．５％見られ、実施例２と比較して変動が大きい結果となった。加圧手段１０１として用いたコンプレッサに起因した圧力や流量の変動が第二原料空気にも影響していたと考えられる。
【００２９】
［比較例２］
図３に示す酸素濃縮装置（特開２００２−２１９１７６号公報を参照）を用い、加圧手段２０１として用いたコンプレッサからの吐出空気量を調節することで、供給ガスの酸素濃度のコントロールを実施し、約１分間の酸素濃度の変動範囲を確認した。供給ガス流量を０．５Ｌ／ｍｉｎとし、装置制御機構２０８にてコンプレッサの回転数を徐々に下げていくことで、患者供給ガスの酸素濃度のコントロールを試みた。なお、酸素ガス貯蔵手段２０４の容量は実施例１記載の装置と同一とした。
【００３０】
結果を図４に示す。ここではある１点のコンプレッサ回転数を１として規格化し、相対的な回転数変化に対する患者供給ガスの濃度の変化を示している。また、エラーバーは各条件で得られた患者供給ガスの酸素濃度の周期変動の幅を示している。
図４に示す通り、コンプレッサ回転数を下げるにしたがって患者供給ガスの酸素濃度を下げることができたが、実施例１のように、３０％から９０％超の広い酸素濃度範囲で安定した酸素濃度を得ることができなかった。また、本例で用いた公知のコンプレッサでは最低回転数まで回転数を下げても約５０％の酸素濃度までしか酸素濃度を下げることはできなかった。
【００３１】
本例では酸素濃度が８５％未満、特に７０％未満の領域では回転数に対する酸素濃度変化のゲインが大きく、例えば特開２００７−３４０号公報に示されるように、酸素濃度測定手段２０６によって測定された酸素濃度の値をフィードバックしてコンプレッサの回転数制御を行うことにより患者供給ガスの酸素濃度を調整することは、酸素濃度が低くなるほど困難となると考えられる。加えて、酸素濃度の周期変動に関しては、患者供給ガス酸素濃度が５６％となった条件では、酸素濃度の周期変動幅は４．４％であり、実施例１と比較して変動が大きい結果となった。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の酸素濃縮装置では、生成した酸素濃縮ガスと空気を酸素濃縮ガス貯留手段および酸素濃度測定手段の下流側で混合し、酸素濃縮ガス流量および空気流量を個別に調整すると共に、設定酸素濃度、酸素流量と生成酸素濃縮ガスの濃度を元に流量制御することで、広域で酸素濃度を自由に調整することができ、乳幼児などの低い酸素処方流量の患者向けの酸素供給装置を提供することが出来る。
【符号の説明】
【００３３】
１：加圧手段
２：減圧手段
３：酸素濃縮手段
４：酸素濃縮ガス貯蔵手段
５：第１流量調整手段（酸素流量調整手段）
６：酸素濃度測定手段
７：空気貯蔵手段
８：第２流量調整手段（空気流量調整手段）
９、１０：逆止弁
１１：酸素供給手段
１２：外部入力手段
１３：流量制御手段
１０１：加圧手段
１０２：減圧手段
１０３：酸素濃縮手段
１０４：酸素ガス絞り手段
１０５：空気絞り手段
１０６：ガス貯蔵手段
１０７：流量調整手段
１０８：酸素濃度測定手段
１０９：酸素供給手段
１１０：装置制御機構
２０１：加圧手段
２０２：減圧手段
２０３：酸素濃縮手段
２０４：酸素ガス貯蔵手段
２０５：酸素ガス流量調整手段
２０６：酸素濃度測定手段
２０７：酸素供給手段
２０８：装置制御機構
【図１】
2017169784.tif 000004
【図２】
2017169784.tif 000005
【図３】
2017169784.tif 000006
【図４】
2017169784.tif 000007