JP2777025B2 - 酸素濃縮気体供給システム及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、呼吸器疾患患者等に呼
吸用気体を供給する呼吸用気体供給装置を、通信制御装
置を介して中央情報手段装置と結んで、呼吸用気体供給
装置のモニタリング等を行うシステムを提供するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、呼吸器疾患の患者に対して酸素ボ
ンベから供給する酸素療法が行われており、最近では空
気中の酸素を分離濃縮して酸素濃縮気体を得るための酸
素濃縮器が開発され、それを用いた酸素療法が次第に普
及するようになってきている。

【０００３】かかる酸素濃縮機としては、例えば酸素を
選択的に吸着し得る吸着剤を酸素濃縮機能部として用い
た吸着型酸素濃縮器や、酸素選択透過性膜を酸素濃縮機
能部として用いた膜型酸素濃縮器がある。

【０００４】なお、酸素療法が用いられる他の酸素供給
方式として、液体酸素から適当に制御された速度で蒸発
した酸素を患者に供給する方法も知られている。

【０００５】酸素濃縮器は、病院において使用されるの
みならず、在宅医療用に家庭においても使用される場合
が次第に多くなってきている。なおこれらの酸素濃縮器
は、病院や家庭において個々に配置され、別々に運転状
況の把握及びその管理がなされている。

【０００６】これらの呼吸用気体装置は、患者（使用
者）の生命を維持する装置である。そのため、装置の信
頼性は非常に重要な要因である。例えば吸着型酸素濃縮
器の場合には、マイコン回路により、濃縮酸素ができる
だけ安定供給されるように制御されている。

【０００７】しかし、長期間運転での部品の劣化などに
よる性能不良や故障が発生した場合、患者の生命を脅か
す事態となる。特に患者が一人暮らしの老人であった
り、離島などの遠隔地に住んでいる場合などは、万が一
の故障も許されず、また、不安感を与える装置であって
ならない側面が強く要求される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、遠隔地での
在宅酸素療法に用いられている呼吸用気体供給装置など
としての圧力変動吸着型酸素濃縮装置を遠隔監視によ
り、それが異常な状態となり緊急停止に至る以前にその
異常を予知して余裕を持って対応できるよう早目に検知
し、通信手段によって集中管理することを可能にした改
善された酸素濃縮気体供給システム及びそれに適した酸
素濃縮気体供給装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【発明の構成】本発明者は、かかる遠隔監視による運転
状態の使用状態の把握を可能にした改善された呼吸気体
供給システムを提供することを目的として鋭意研究した
結果、呼吸用気体供給装置に特定の通信制御手段を組み
合わせることが有効であることを見い出し、本発明に到
達した。

【００１０】即ち本発明は、酸素又は窒素を選択的に吸
着し得る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床を備
えた圧力変動吸着型酸素濃縮手段と、酸素濃縮気体を使
用に供するための酸素濃縮気体供給手段と、該酸素濃縮
手段の運転状態に関する情報を検出し必要に応じてデジ
タル情報に変換するための情報検出手段と、検出された
情報が正常か異常かを判定するための判定手段と、その
判定結果を送信するための第一通信手段とを具備した酸
素濃縮気体供給装置と、（ii）該酸素濃縮気体供給装置
から送信される該判定結果を受信するための第二通信手
段と、第二通信手段から受信された該判定結果を記憶す
るための記憶手段と、電話回線を用いて該判定結果をモ
デム送信するための第三通信手段と、必要に応じて第三
通信手段を介して、記憶された該判定結果を送信する通
信制御手段とを具備した通信制御装置と、（iii ）該通
信制御装置から送信される該判定結果をモデム受信する
第四通信手段を具備した中央情報処理装置とを有したこ
とを特徴とする酸素濃縮気体供給システムを提供するも
のである。

【００１１】かかる本発明には、該判定手段が、あらか
じめ設定された警報動作点及び／又は予報動作点と検出
された情報とを比較することによって運転状態が正常状
態、予報に相当する状態及び警報に相当する状態のいず
れに該当するかを判定し得るものであることを特徴とし
た酸素濃縮気体供給システムが含まれる。

【００１２】また前記した本発明には、該情報検出手段
が、圧力変動吸着操作における高圧側圧力センサーと低
圧側圧力センサー及び使用に供される酸素濃縮気体中の
酸素濃度センサーの少なくとも１種を具備したものであ
る請求項１の酸素濃縮気体供給システムが含まれる。

【００１３】さらにかかる本発明には、該検出手段が、
高圧側圧力センサーと低圧側圧力センサーを具備し、さ
らに該酸素濃縮手段における吸着床の脱着への切り替え
直前に該高圧側圧力センサーが作動し該吸着床の吸着へ
の切り替え直前に該低圧側圧力センサーが作動するよう
にするための制御手段を具備したものである酸素濃縮気
体供給システムが含まれる。

【００１４】また本発明は、酸素又は窒素を選択的に吸
着し得る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床を備
えた圧力変動吸着型酸素濃縮手段と、酸素濃縮気体を使
用に供するための酸素濃縮気体供給手段と、該酸素濃縮
手段の運転状態に関する情報を検出し必要に応じてデジ
タル情報に変換するための情報検出手段と、検出された
情報が正常か異常かを判定するための判定手段と、その
判定結果を送信するための第一通信手段とを具備した酸
素濃縮気体供給装置を提供するものである。

【００１５】以下、本発明について必要に応じて図面を
用いながらさらに詳細に説明する。本発明の酸素濃縮気
体供給システムは、酸素濃縮気体供給装置と、通信制御
装置と中央情報処理装置とを具備したものである。

【００１６】図１は、本発明の酸素濃縮気体供給システ
ムの好ましい具体例について、そのシステムの構成と情
報の流れを示したものである。図１において、各患者宅
において使用されている酸素濃縮気体供給装置１の運転
状態や使用状況などに関する情報、即ちモニタリングデ
ータは、その装置１における通信回路かＲＳ２３２Ｃケ
ーブル等のケーブル手段２を介して通信制御装置３にお
ける通信回路に常時取り込まれ、処理される。通信制御
装置３で処理されたデータは、一定周期で公衆電話回線
４を介して中央情報処理装置へ送信される。各患者宅か
ら中央情報処理装置５に送信されたデータは、通信処理
専用コンピュータによって処理され、データベースにそ
のデータを記録する。なお、この通信処理専用コンピュ
ータにおいて、フロッピーディスクに例えば１日分など
の新定期間分のデータをまとめて格納され、必要に応じ
てそのフロッピーディスクからデータを読み取って、デ
ータ処理専用コンピュータを用いてデータベースにその
データを記録するようにすることが望ましい。このよう
にすることによって、中央情報処理装置５のデータベー
スに蓄積されたデータは、装置の運転状態や患者の使用
状況等の把握を可能にし多角的な運用が容易にできるよ
うになる。

【００１７】図１のシステムは、圧力変動吸着型酸素濃
縮機能部１０を含み、そこからの酸素濃縮気体である呼
吸用気体の供給手段として鼻カニューラ１１を含む。ま
たかかる酸素濃縮機能部１０には、その運転状態や患者
の使用状況に関する情報を定量的に把握する情報収集機
能部として、吸着床等における半導体センサーを用いた
圧力センサー、使用に供する気体についての濃度センサ
ー、使用に供する気体の流量測定器における測定値の認
識手段等を含んだ情報収集系が含まれる。ここで得られ
たアナログ情報はＡ／Ｄ変換器によってデジタル情報に
変換され、ＳＩＯ（シリアル入出力装置）を介して、そ
れらのデータを出力するための通信回路に送られ、ＲＳ
―２３２Ｃ通信ポート１２からシリアル伝送される。す
なわち情報処理系により得られたデータは、直接あるい
はＡ／Ｄ変換後に、ＣＰＵに処理され、ＳＩＯを介し
て、通信回路に送られ、ＲＳ―２３２Ｃ通信ポートか
ら、シリアル伝送される。

【００１８】本発明の酸素濃縮気体供給装置は、ゼオラ
イト等の吸着剤を充填した吸着床を供えた圧力変動吸着
型酸素濃縮手段と、その酸素濃縮気体を使用に供するた
めの供給手段と、酸素濃縮手段の運転状態に関する情報
を検出し必要に応じてデジタル情報に変換する情報検出
手段と、検出された情報が正常か否かを判定するための
判定手段と、その判定結果を送信するための通信手段を
具備したものである。

【００１９】圧力変動吸着型酸素濃縮手段には、各々空
気から酸素濃度の高められた酸素濃縮気体を分離するた
めの酸素濃縮機能部として、酸素又は窒素を選択的に吸
着し得る吸着剤を充填した１基又は２基以上の吸着床が
用いられ、通常各々吸着床に圧縮空気を導入するための
コンプレッサなる電動機付のポンプ手段が用いられる。
さらに必要に応じて、これらのポンプ手段を冷却するた
めの冷却風を生じさせるためのファン手段が具備され
る。また酸素濃縮機能部やポンプ手段を作用的に連結せ
しめるための導管手段や、その導管手段に必要な自動又
は手動の開閉弁が具備されている。

【００２０】呼吸用気体を使用に供する供給手段として
は、導管手段、鼻カニューラ、マスク等を具備したもの
があげられる。

【００２１】情報検出手段により検出される常法として
は、圧力、酸素濃度、流量、濃縮器内の温度、電流、電
源減圧や内臓コンピュータなどについての異常に関する
もの、必要に応じて測定される酸素濃度や流量、圧力、
温度等に関する情報等があげられる。

【００２２】図２は、本発明の酸素濃縮気体供給装置に
適用し得る圧力変動吸着型酸素濃縮手段の具体例を示し
たものである。

【００２３】即ち原料空気Ａがソレノイド式４方切替弁
４４の流路６１を通り圧縮機４３により圧縮された後、
切替弁４４の流路６２を通り吸着床４１に供給される。
この吸着床４１で窒素が吸着されて酸素濃度が例えば９
０体積％異常の酸素富化気体が電磁弁４５を通り貯留タ
ンク４２に流入する。さらに貯留タンクから電磁弁４
６、減圧弁４７を経て除菌フィルター４９を通り流量調
節器５１を経た後、酸素富化気体として使用に供され
る。また吸着床４１を脱着する工程では、電磁弁４５を
閉じて、切替弁４４を切り替えて、吸着床４１の中の酸
素富化気体等を流路６３を通して圧縮機を減圧手段とし
て用いて切替弁４４の流路６４からＢとして放出する。
このように切替弁４４と電磁弁４５を調節することによ
って圧力変動方吸着分離を行なうものである。なお圧縮
機及びそれに付随した電導機をファン（図示せず）によ
る大気流れで冷却する。またＣなる酸素富化気体は、通
常は水中バブリング方式の加湿器を通して加湿された
後、鼻カニューラ等の酸素濃縮気体供給手段により使用
者の鼻腔等に供給される。

【００２４】図２における５２が吸着床用圧力センサー
であり、ここに高圧側加圧センサーと低圧側加圧センサ
ーが具備されている。また図２の５３が吸着等の使用に
供する酸素濃縮気体用の圧力センサーであり、５４がか
かる酸素濃縮気体用の酸素濃度センサーを示す。

【００２５】本発明の酸素濃縮気体供給装置は、運転に
関する検出情報が正常か否かの判定手段を有することを
特徴としており、そのより好ましい判定手段として予報
動作点を用いたものがあげられる。以下にかかる予報動
作点について詳細に説明する。

【００２６】図２の吸着床の圧力を示す圧力センサー５
２の正常動作状態における変化を図３に示す。図３
（ａ）が全体の圧力変動パターを示すものであり、図３
（ｂ）がその詳細を示すものである。

【００２７】このように正常動作状態における吸着床の
最高到達圧力は、吸着動作から、脱着動作への切替え直
前であるが以下の理由により、毎回安定した一定圧力を
繰返す。

【００２８】すなわち、（ｉ） 吸着床の容量及び吸着
床内に充填された吸着材の量、（ii） 吸着剤の性能、
（iii ）コンプレッサにより供給されるガス量（空気
量）、（iv） コンプレッサにより排出されるガス量、
（ｖ） 吸着床からサージタンクに取出される生成ガス
量、（vi） これらの動作を繰返す運転タイムサイクル
（吸着の時間及び脱着の時間）はすべて一定である。従
って酸素濃縮装置が正常に作動している限り、吸着床内
の圧力（圧力センサー５２での検出圧力）は、図３
（ａ）に１例を示す通り常に一定の圧力変化を繰返して
いる。すなわち、吸着床の最高到達圧力も毎回同じ値を
示す。

【００２９】正常時常には通常一定の圧力変化を繰返し
ている圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、酸素濃度
低下となる原因の１例としては、吸着剤の吸脱着性能劣
化がある。

【００３０】すなわち、正常な吸着動作においては、吸
着剤は供給された空気中のＮ₂ を吸着する際、大幅な体
積変化を行なう。その変化はあたかも気体Ｎ₂ が液化す
るごとく縮小される。

【００３１】しかし吸着性能が劣化すると、その体積縮
小率は悪化し、吸着床内には吸着されないＮ₂ が、気体
のまま残ることになる。そうすると吸着動作の終り（脱
着に切替る直前）の吸着床内圧力（Ｐ１）は正常時に較
べて上昇したり、吸着床内から生成ガス用サージタンク
内に吸着されなかったＮ₂ ガスが流入し、生成ガス中の
酸素濃度低下の原因となる。但し、吸着床内の吸着剤は
最低必要量に加え多少劣化が生じても対応し得るように
余分に充填されており、ただちに生成ガスタンク内の酸
素濃度低下には至らないが、吸着床内圧力の上昇は起
る。

【００３２】従って、吸着床内圧力の上昇を観測すれば
生成ガス濃度低下を事前に予知することが可能となる。
この場合は、圧力上昇状況を測定することにより予知す
ることになり、予報圧力の設定値は圧力上限に対し、あ
る程度余裕を見込んで早目に検知できるよう正常値より
高く、異常時に対応した上限値より低い範囲で設定す
る。

【００３３】かくして、本発明における高圧側センサー
を用いた圧力異常の予報が可能になる。

【００３４】ここで上限値とは、（１）装置の保護のた
めの設定と、（２）生成ガス用サージタンクにＮ₂ ガス
の流入が始まる圧力すなわち生成ガス中の酸素濃度低下
が許容値下限となる圧力、の双方を考慮して決められ
る。なお、上限圧力値に達すると、装置を緊急停止さ
せ、異常警報（ランプ及びブザー等を使用）を発し、同
時に通信手段により通報する。

【００３５】ここで予報値とは、上記、上限値（異常
値）に達する以前に、余裕を持って対策が取れるように
考慮して設定する。

【００３６】また、本発明における低圧側センサーを用
いた圧力低下検知による予報について、以下の具体例が
あげられる。すなわち、吸着床への送風空気量が何らか
の原因で低下した場合、異常状態に至る前に予知しよう
とするものである。

【００３７】前記正常状態での説明において、例えばコ
ンプレッサーの送風能力が低下した場合を想定すると、
吸着床への空気送風量が低下することにより生成ガスの
量が低下する。しかし、消費ガス量（製品ガス流量）と
して系外に取出す酸素ガス量に比べ生成ガス量が多い場
合は、正常値に比べ吸着動作の終り（脱着に切替る直
前）の吸着床内圧力（図２中のセンサー５２により検出
された圧力）は低下するが、運転を継続することが可能
である。

【００３８】次にさらにコンプレッサーの送風量の低下
が進むと、生成ガスの量の低下も進み、やがて消費ガス
量（製品ガス流量）として系外に取出す。酸素ガス量に
比べて生成ガス量が少なくなると製品ガス圧力（図２中
の５３の圧力センサーにより検知）が低下する。

【００３９】この場合は装置を緊急停止させ、異常警報
（ランプ及びブザー）を発し、同時に通信制御装置を介
することにより通報する。このような状態となる場合を
吸着床圧力の低下限界値とすると、圧力低下予報値の設
定は、正常値より低く低下限界値に達し、ある程度余裕
を見込んで設定すれば良いことになる。

【００４０】このように高圧側圧力センサーによる予報
の場合には脱着への切り替え直前の圧力検出を行ない、
低圧側圧力センサーによる予報の場合には吸着への切り
替え直前に圧力検出を行なうように制御手段により制御
することが望ましい。

【００４１】また本発明における酸素濃度センサーを検
出手段とした場合の酸素濃度低下による予報例につい
て、以下に説明する。

【００４２】前述の吸着材劣化とコンプレッサー能力低
下の両者が同時に発生した場合に対応する異常の予知方
法である。すなわち、吸着材劣化により、吸着床圧力上
昇が起るべき時に、コンプレッサー劣化による送風能力
の低下があった場合、見かけ上の吸着床圧力は正常値を
示していないから、生成ガスの酸素濃度低下に至る。こ
のような場合圧力監視のみでは検知できない。従って図
２に示す如く、製品ガス出口近くに酸素センサー５４を
取り付けて酸素濃度を検出するのがよい。

【００４３】また本発明のシステムにおける中央情報処
理装置は、通信制御装置から送信されるデジタル情報を
モデム受信する第四通信手段を具備したものである。

【００４４】即ち図１に示す如く、中央情報処理装置５
は、第四通信手段であるモデムに加えて、情報処理コン
ピュータとして、通信処理部とデータ処理部の２台のコ
ンピュータより構成されている。通信処理部は、各患者
宅から送られてくる周期通信に加え、緊急の警報通信に
備えている場合には、４時間の運転体制をとることが容
易になる。なお、無停電電源装置により電源をバックア
ップするなど万一の状態にも備えていることが望まし
い。データ処理部は、記録されたデータに基づいて、呼
吸用気体供給装置の履歴管理や患者使用状況に関する情
報の処理を行うものである。

【００４５】かかる中央情報処理装置５と通信制御装置
３との間の通信は、電話回線４によることが望ましく、
特に公衆電話回線を用いることが実用上便利である。公
衆電話回線を用いた場合には、通信制御装置として、送
信先の電話番号や送信スケジュール等を記憶する記憶手
段を具備し、さらに電話回線との接続手段を備え、それ
に接続された電話機から利用されていない時においての
み送信できるようにするための送信コントロール手段を
具備したネットワーク制御機能を備えたものが実用上有
利に用いられる。

【００４６】また本発明のシステムとして酸素濃縮気体
供給装置と通信制御装置を組み合わせた複数の組が、各
々電話回線を介して１個の中央情報処理装置に接続され
たものがあげられる。かくして多数の呼吸用気体供給装
置を、コンピュータ手段を組み込んだセンター機器なる
１台の中央情報処理装置に、電話回線を介して接続せし
めることができ、個々の装置の運転状態の異常（予報も
含む）等をも集中的に把握することが容易にできる。な
お、複数の呼吸用気体供給装置を１個の通信制御装置と
組み合わせて１組の組としてもよい。

【００４７】

【発明の効果】本発明の酸素濃縮気体供給システムによ
れば、遠隔監視により、装置の異常の把握、特にその予
知を可能にして、装置の信頼性向上と共に、保守負担の
軽減を図ることが可能になり、また、患者や医師にオン
ライン監視という安心感を与えるという優れた効果が期
待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素濃縮気体供給システムの好ましい
具体例の概略図。

【図２】本発明の酸素濃縮気体供給装置に適用し得る酸
素濃縮手段の具体例の模式図。

【図３】圧力変動吸着型酸素濃縮手段における吸着床内
の圧力変動の概略パターン（ａ）及び詳細パターン
（ｂ）の例示。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ｉ）酸素又は窒素を選択的に吸着し得
   る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床を備えた圧
   力変動吸着型酸素濃縮手段と、酸素濃縮気体を使用に供
   するための酸素濃縮気体供給手段と、圧力変動吸着操作
   における高圧側圧力センサー及び／又は低圧側圧力セン
   サーを具備し、検知結果を必要に応じてデジタル情報に
   変換するための情報検出手段と、検出された情報から圧
   力異常の予報をするための判定手段と、その判定結果を
   送信するための第一通信手段とを具備した酸素濃縮気体
   供給装置と、（ii）該酸素濃縮気体供給装置から送信さ
   れる該判定結果を受信するための第二通信手段と、第二
   通信手段から受信された該判定結果を記憶するための記
   憶手段と、電話回線を用いて該判定結果をモデム送信す
   るための第三通信手段と、必要に応じて第三通信手段を
   介して、記憶された該判定結果を送信する通信制御手段
   とを具備した通信制御装置と、（iii） 該通信制御装置
   から送信される該判定結果をモデム受信する第四通信手
   段を具備した中央情報処理装置とを有した酸素濃縮気体
   供給システムであって、該酸素濃縮手段における吸着床
   の脱着への切り替え直前に該高圧側圧力センサーが作動
   し、該吸着床の吸着への切り替え直前に該低圧側圧力セ
   ンサーが作動するようにするための制御手段を具備した
   ものであることを特徴とする酸素濃縮気体供給システ
   ム。