JP3414756B2 - 改良された流体分別器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、定期的／周期的に流体中の特定の成分を分
子ふるいに通過させて流体中の他の成分を分子ふるい中
に吸着し、続いて定期的／周期的にそのような他の成分
を分子ふるいから脱着させることにより流体を精製する
装置及び方法に関する。本発明はさらに、圧縮空気（及
びアルゴン）中の酸素を通過させて患者に導入すると共
に圧縮空気中の窒素及び他の成分を吸収し、続いて吸着
された成分を大気中へ脱着する装置及び方法に関する。
本発明は特に、最小の電力消費、最小の雑音及び最適な
効率、信頼性及び寿命であらゆる規定速度の酸素流を提
供する装置に関する。

圧縮空気などの流体を受け取り、空気から酸素を分離
し、患者による後の使用のために酸素を通過させるため
の装置が存在する。その装置は、圧縮空気中の窒素及び
他の成分を吸着するための分子ふるい内の物質をも含
む。圧縮空気から分離された酸素が通過すると、圧縮空
気中の吸着された成分が大気への解放により脱着され
る。その装置は、患者などの使用者へ継続的に酸素を提
供するために周期的に動作可能である。

酸素は多くの目的に使用することができる。酸素の主
たる使用の１つは、年配者並びにぜんそくや肺気腫を有
する人々などの患者に酸素を提供することである。その
ような患者に対してその装置を使用する場合、その装置
は特定の望ましい特性を有するべきである。患者の要求
に応じた可変的な吸入速度及び高濃度で各患者に酸素を
提供できるべきである。特に、多くの病気の及び年配の
患者は制限された収入しか有さず、その装置を動作させ
るための電力コストは大きく、かなりのものであるの
で、この酸素を効率的かつ信頼できる方法で、最小の電
力消費を伴って提供できるようにすべきである。また、
その装置は、その患者及びその周りの患者らに対して不
快とならないように静かに動作すべきである。また、そ
の装置は故障のない長い動作寿命を有するべきである。
その装置は、付き添い者を伴わずに家庭環境で継続的に
動作するので、これらのパラメータはとりわけ重要であ
る。

現在使用されている装置は先のパラグラフで述べた基
準を完全に満たしてはいない。その装置は圧縮空気をカ
ラムへ導入するための圧縮機を含み、そのカラムは、酸
素及びアルゴンを通過させると共に圧縮空気中の窒素及
び他の成分を吸着し、その後に吸着された成分を脱着す
るための分子ふるいを含む。現在使用されている装置で
は、圧縮機は、使用者に対して規定された酸素流とは関
係なく、酸素の一定の最大の流れ及び濃度を送るように
動作する。そして、患者への生成物の注入ライン中のバ
ルブを絞ることにより患者への望ましい酸素流を調整す
る。理解されるように、特に圧縮機及び圧縮機を駆動す
るモータは大量の電力を必要とするので、最大流量未満
が要求される時にはこれは非効率的である。

圧縮機は、動作時に多量の雑音を発生する。特にモー
タ及び圧縮機は固定の高い速度で動作するので、これは
ある程度はモータ及び圧縮機の動作により生じる。ま
た、それはある程度はカラム中に吸着された圧縮流体の
大気への脱着による。この解放はほぼ瞬時的に生じるの
で、複数のカラムのうちの１つのカラム中の圧縮流体が
大気中へ解放されるたびに雑音／音のパルスを発生す
る。

本発明は、従来技術の装置における欠点を実質的に克
服するシステムを提供する。本発明のシステムにおいて
は、圧縮機は、使用者（例えば患者）への望ましい酸素
流速度に従って調整可能な速度、又は変位特性で動作す
る。また、本発明の装置は脱着された流体を安定的かつ
制御された速度で大気中へ解放し、それによりそのよう
な解放により発生する雑音を大きく減少させるという長
所を有する。

本発明の一つの実施形態では、複数のカラムの入口に
ある回転式バルブは、周期的に第１のカラムを選択して
圧縮空気を受け取り、圧縮空気中の窒素及び他の成分を
吸着し、酸素及びアルゴンを使用者（例えば患者）へ送
る。また、バルブは周期的に第２のカラムを選択してそ
のようなカラム中の窒素及び他の成分を吸着し、周期的
に第３のカラムにおける圧力を等しくし、第３のカラス
においては第１のカラムは進行的に第２のカラムへ変化
し、その逆も生じる。

調整可能な特性を有し、開ループ又は閉ループで調整
される圧縮機は、バルブを通じて圧縮空気を第１のカラ
ムへ導入し、使用者への規定の酸素流を得るために調整
可能な空気流を提供する。規定の酸素流速を得るために
調整された圧縮機の特性が特定の限界を超えた時に指示
を行うことができる。

バルブは、圧縮機の流れの変化に関連する種々の速度
を有し、カラム内への空気流速度に従ってカラム内の空
気圧を制御するようにすることができる。各カラムの出
口にあるバルブの可変オリフィスは、各カラム中の酸素
流速度の減少に応じて収縮し、その結果そのようなカラ
ム内の酸素圧力をさらに調整する。

脱着された成分を受け取る閉鎖チャンバ内の多孔性プ
ラグは、脈動性の雑音を発することなく、そのような成
分を大気中へゆっくりと解放する。従って、その機器
は、最小の電力消費、最小の雑音、及び最適な効率、信
頼性及び寿命で望ましい酸素流速度を作り出す。その機
器は、酸素以外の成分を通過させるように設計すること
もできる。

図面において、 図１は、流体分別器を含む従来技術の呼吸補助システ
ムの概略図である。

図２は、図１に示す補助システムの一部の側部立面図
であって、特にその補助システム中に含まれる流体分別
器を示す。

図３は、図２のライン３−３に沿った分別器の断面図
である。

図４は、図３のライン４−４に沿った流体分別器の断
面図である。

図５は、図４のライン５−５に沿った流体分別器の拡
大断面図である。

図６は、流体分別器中に含まれるローターシューの一
部切断頂面図である。

図７は、図６のライン７−７に沿ったローターシュー
の断面図である。

図８は、図１乃至７に示す流体分別器に含まれるポー
トプレートの頂面図である。

図９は、図８のライン９−９に沿った断面図である。

図10は、図１乃至９に示す流体分別器と共に使用す
る、本発明の一実施形態を構成する閉ループシステムで
あって、圧縮機及び他の要素の可変特性を調整して、酸
素などの特定の流体成分の望ましい又は規定された流速
及び濃度を得るためシステムの概略図である。

図11は、図１乃至９に示す流体分別器と共に使用す
る、本発明の別の実施形態を構成する閉ループシステム
であって、圧縮機及び他の要素の可変特性を調整して、
酸素などの特定の流体成分の望ましい又は規定された流
速及び濃度を得るためシステムの概略図である。

図12は、図１乃至９に示す流体分別器と共に使用す
る、本発明の追加的実施形態を構成する開ループシステ
ムであって、圧縮機及び他の要素の可変特性を制御し
て、酸素などの特定の流体成分の望ましい又は規定され
た流速及び濃度を得るためのシステムの概略図である。

図13は、本発明の呼吸補助システム中で使用可能なオ
リフィスであって、酸素などの特定の流体成分の流速に
従って可変特性を提供するオリフィスの概略的断面図で
ある。

図14は、流体分別器中に吸着された流体が脱着される
時に、システム内で発生する雑音を減少させるために本
発明に含めることができる装置の部分断面立面図であ
る。

図15は、（ａ）異なる圧縮機速度と、流体分別器から
の生成物流中の酸素濃度パーセンテージとの間の関係、
並びに、（ｂ）異なる圧縮機速度と、毎秒数リットルの
生成物保持タンク19への酸素流速との間の関係、を示す
曲線である。

図16は、従来技術による従来の流体分別器と考えら
れ、本発明の形態を取り入れるために変形可能な流体分
別器を示す概略図である。

図17は、従来の通常のシステム及び本発明のシステム
の圧縮機流速及び圧縮機排出圧の関係を示す曲線を示
す。

図１乃至９は、一般的に10で示される酸素濃縮システ
ムを示し、それは本発明で使用可能であると共に、1993
年12月９日にチャールズＣヒル（Charles C.Hill）及び
瀬セオドアＢヒル（Theodore B.Hill）に発行され、本
出願の登録された譲受人に譲渡された特許第5,268,021
号、「改善された流体分別器」の従来技術に記載されて
いる。本発明の図１乃至９に示される実施形態は、特許
5,268,021号の図１乃至９に示される実施形態に対応す
る。図１乃至９に示される従来技術のシステムにおい
て、空気は、大気中からダストフィルタ11へ引き込ま
れ、ダストフィルタ11は空気からダストを除去する。次
に、空気は圧縮機13内で圧縮され、圧縮空気は導管14を
通じて熱交換器15へ取り入れられ、熱交換器15は圧縮中
に発生した熱を除去する。ファン12を圧縮機13により駆
動して熱交換器15から熱を除去することができる。

次に圧縮空気は、一般的に20で示され、本発明に含ま
れる流体分別器の入口ポート16へ進む。流体分別器20は
生成物タンク19を有する。タンク19には複数の吸着器カ
ラム18（図３）が含まれ、それらの構成及び動作は後に
詳述する。

各カラム18は、圧縮空気中の酸素及びアルゴンを、圧
縮空気中の他の成分から分離し、ある量の酸素及びアル
ゴンを出口ポート17（図１）を通じて調剤用導管22aへ
送る。次に、酸素及びアルゴンはバルブ23（手動制御さ
れる）を通じてフィルタ24へ進む。フィルタ24は高効率
の粒子アレスター（HEPA）とすることができる。次に、
酸素及びアルゴンは多くの目的のうちの１つのために使
用する導管25aへ進む。例えば、酸素及びアルゴンを患
者に導入して患者の血液中の酸素レベルを増加させるこ
とができる。

図３に示すように、保持タンク19はそのハウジング内
に吸着器カラム18の集合又はアレイを含む。カラムは好
ましくは接近して詰め込まれた構成で配置することがで
きる。好ましくは、３つ以上の複数のそのようなカラム
を接近して詰め込まれた構成中に設けることができる。
図３には12個のカラムが示されているが、他のあらゆる
数を設けることも可能であることが理解されるであろ
う。また、流体分別器20は、一般的に21で示される回転
式バルブ分配器アセンブリ（図２）と、ドライブシャフ
ト23を有するギアモータ22と、２ピースのマニホールド
24（図２）とを有する。

各カラム18は円筒形状とすることができる。各カラム
18は吸着材25が詰め込まれたベッドを有し（図４）、そ
の吸着剤25は流体又は汚染物質の特定の分子種について
選択的である。例えば、空気から酸素を分離すべき場合
にはゼオライト5Aが吸着材25を構成することができる。
詰め込まれたベッドは、プレート26によりベッドの底部
に保持される。小さなオリフィス27などの圧力低下手段
がプレート26を貫通して延びる。有孔プレート28が吸着
材25のベッドの頂部及び底部に配置され、底部プレート
28はプレート26と吸着材25との間に配置される。

カラム18内の上部有孔プレート28の上方にスプリング
29が配置され、プレート28と吸着材25をプレート26に対
して詰め込まれた関係に保持する。吸着材25がゼオライ
ト5Aである場合、吸着剤25は圧縮空気中の全ての成分
（窒素を含む）を吸着し、アルゴンと酸素を通過させ
る。こうして酸素とアルゴンは、有孔プレート28、吸着
材25及びプレート27のオリフィス27を通過させることが
できる。

回転式バルブ分配器アセンブリ21はクランプバンド30
aにより保持タンク19に付けられる（図４）。図４に示
す回転式バルブ分配器アセンブリ21は、ポート及びチャ
ネルが設けられた２ピースのマニホールド31を含む。マ
ニホールド31は、入口ポート16を通る流体の流れを受け
取り、その流体を空気供給通路33を通じてポートを有す
るローターシュー35の中央に設けられた入口ポート34へ
通過させるためにポート及びチャネルを設けた頂部32を
有する。続いて、ローターシュー35を出る流体はポート
プレート39の入口ポート38の円形アレイから各カラム18
へ向かって半径方向に流れる。

ポート付けされたローターシュー35はローター41内に
含まれる。こうしてローターは周囲のボールベアリング
ユニット42内を回転する。ローターは、約毎分２回転な
どの適当な速度でギアモーター22により駆動される。円
錐形ディスク又は皿バネ43はカバープレート44及びロー
ターシュー35を下方へ付勢して、カバープレート44及び
ローターシュー35を適切な位置に固定する。ローター41
及びその関連する構成要素はカバー45内に取り入れら
れ、そのカバーはマニホールド24へ適当に取り付けられ
る。

ポートプレート39は適当に堅い材料により作られる。
ポートプレート39は、マニホールド31の頂部へ埋め込ま
れ、スロット及びキーにより密閉及び固定される。ポー
トプレート39はマニホールド31内の空気供給チャネル47
の出口ポートど同軸である。ポートプレート39は、相互
に等間隔で環状パターンに配置された多数の穴を有す
る。この数は個々のカラム18へのチャネルの入口ポート
数と等しい。空気入口回転シール48が、ポートプレート
39の内側の位置でマニホールド31に設けられる。

ローターシュー35は、ポートプレート39の硬化した材
料とともに使用するのに適するとして知られている材料
から作ることができる。ローターシュー35はポートプレ
ート35上をスライドする。皿バネ43は、そのようなスラ
イド運動中にローターシュー35をポートプレート39に対
して押しつける。ローターシュー35中には３個のチャネ
ルが存在する。１つは加圧チャネル又は空気供給チャネ
ル50（図４及び５参照）であり、それは中央流***置口
ポート34から始まる。ポート50は弓形流体入口スロット
51へ放出し、そのスロット51は同時にポートプレート39
内のいくつかの環状に配置されたポート52（図５）への
導管を提供する。ローターシュー35が回転すると、弓形
スロット51の前方端部と通じた新しいポート52の各々が
圧縮された流体により加圧される。同時に、スロット51
の後方端部のポート52は減圧される。

ローターシュー35の第２チャネル内では、弓形スロッ
ト54（図５及び６）はカラム18中の吸着された流体成分
を受け取り、そのカラム18は排出ポートと通じている。
先に記述したように、圧縮気が流体であってカラム18に
取り入れられた場合、脱着された流体成分は酸素及びア
ルゴンを除く空気中の全ての気体を含む。カラム18中の
脱着された成分は、ローターシューのカバープレート44
内の排出ポート55（図４及び６）を通じて弓形スロット
54からローターの空所へと上方向へ通気する。次に、脱
着された流体は排出ポート58を通じて大気中へと進む。

ローターシュー35の第３チャネルは交差ポートチャネ
ル60である（図６）。チャネル60は２つのカラム18の間
の導管として機能し、これら２つのカラムはサイクルの
加圧及び脱着段階の間で遷移する。その機能は、各サイ
クルの吸着圧力間で遷移するカラム内に等化圧力を適用
することである。等化圧力は、そのようなカラムが各サ
イクル中の吸着段階に入る前に、各カラム中の流体の圧
力低下を提供する。これは、各カラム中の非常に急激な
減圧を防止し、そうしてカラムからの初期的な脱着流体
の過剰に高い流れを防止する。これは、各カラム内の酸
素及びアルゴンなどの特定の成分の濃度を高める。

上述した装置は、1993年12月７日にチャールズＣヒル
及びセオドアＢヒルに発行され、本願の登録された譲受
人に譲渡された“流体分別器”の特許5,268,021に記載
及び特許請求されている。それは、従来技術に対してい
くつかの重要な長所を有する。カラム18のいくつかはあ
らゆる時点で圧力下で流体を受け取り、他のカラム18の
いくつかはその時点で脱着された流体を大気中へ排出し
ているので、それは従来より円滑な動作を提供する。そ
うして、その時点でいくつかの他のカラムは吸着中であ
り、いくつかの他のカラムは脱着中であるので、あらゆ
る時点での吸着動作から脱着動作へのカラムの遷移は動
作中に従来技術ほど大きな一時的パルスを作らない。さ
らに、遷移中のカラム18内の圧力の等化も、一時的パル
スを減少させる傾向がある。これらの要因は、装置の動
作の効率を高め、装置の動作中の雑音を減少させる傾向
がある。雑音の減少は、チャネル60及び比較的多数のカ
ラムによりもたらされる圧力の等化から得られる。

先のパラグラフで議論した長所に拘わらず、流体分別
器20及びそのような流体分別器２を含むシステム10につ
いては改良の余地がある。そのシステムでは、正の変位
圧縮機13は、患者が望み又は必要とする酸素の流速及び
濃度に拘わらず、一定の最大速度で動作する。圧縮機13
及び圧縮機を駆動するモータは、最大速度で動作すると
多量の電力を消費する。例えば、家庭用サイズの酸素濃
縮器の消費は１年に約4000キロワット時のオーダーであ
る。これは１年に数百ドルの電気コストに等しい。これ
は、ほとんどの家庭にとって、特に年配又は退職した患
者の家庭、もしくは喘息や肺気腫などの病気が原因で働
くことができない患者たちにとってはかなりの金額であ
る。また、最大電力での圧縮機13の連続的な動作は、そ
れが圧縮機及び圧縮機を駆動するモータの動作寿命を制
限するので、不利益である。

家庭用酸素濃縮器は、一般的に患者に対して毎分約６
リットル（6LPM）の範囲の酸素流を提供する能力を有す
る。個々の患者が必要とする酸素の流速は患者の石によ
り規定される。ほとんどの一般的な規定速度は毎分２リ
ットル（2LPM）である。その規定は通常は、終始毎日24
時間の連続的適用のためのものである。ある患者の病気
が終期の段階へ進行すると、ある患者について規定され
る酸素の流速は増加する。規定された流速が最大速度よ
り小さいと、従来技術においては使用者（例えば患者）
への酸素流を抑えることにより減少した速度を得る。

酸素が毎分約６リットルの速度で患者へ流れる場合さ
えも、生成物タンク19中の全ての酸素が患者へ流れるわ
けではないことが理解される。この流速でさえも、生成
物タンク19内の酸素及びアルゴンのかなりの部分は、脱
着中のカラム18へ流れる。酸素及びアルゴンのこの流れ
は、そのようなカラム内の脱着ガスの清掃を容易化す
る。こうして、カラムは、次の動作サイクルにおいて圧
縮気を受け取る準備が整う。

理解されるように、酸素及びアルゴンはカラム18を通
じて生成物タンクへ流れる。酸素は空気の約21パーセン
ト（21％）を構成し、アルゴンは空気の約１パーセント
（１％）を構成する。酸素及びアルゴンがカラム18を流
れる時、酸素は酸素タンク中の生成物の約94パーセント
（94％）を構成する。アルゴンは希ガス、不活性ガスで
あるので、生成物タンク19内のこのアルゴンの増加した
濃度（約６パーセント（６％））は、患者に有害な影響
を有しない。

本発明は、望ましい又は規定された生成物の流速に従
って圧縮機13の流れ特性を調整するシステムを提供す
る。例えば、圧縮機13が可変速度を有する場合、圧縮機
13の速度を望ましい又は規定された流速に従って変化さ
せることができる。可変速圧縮機駆動装置は、以下のも
のを含む異なる形態を採ることができる： 1. 可変周波数／可変電源を有する交流誘導電動機。こ
れは、好ましい実施形態とすることができる。

2. 直流モーター（好ましくはブラシレス）。

3. ２又は３の動作速度の極数切換AC誘導電動機。

4. 連続的可変機械的トランスミッションを有する固定
速度ACモーター。

上記の全ては本発明の範囲内であると考えられる。圧
縮機13のための可変速度モーター79が図10に示される。

また、可変変位圧縮機も本発明の範囲内であると考え
られる。そのような圧縮機は以下のものを含むことがで
きる： 1.ローターの偏心の調整の可変変位を有する回転翼圧縮
機。

2.同軸ピストン圧縮機のための可変角斜板駆動装置。

3.可変スローを有するクランクシャフト駆動装置を有す
るピストン圧縮機。

図10は、一般的に78に示され、患者への酸素の望まし
い流速を調整するための本発明の実施形態を構成するシ
ステムの概略図である。図10に示すシステムは、全てが
図１に示される熱交換器15、圧縮機13、カラム18、カラ
ム及び生成物タンク19中のオリフィス27、並びに、図２
に示される回転式バルブ分配器アセンブリ21と、を備え
る。また、図10に示すシステムはさらに制御装置80を含
み、その制御装置80は、酸素などの特定の成分について
望ましい又は規定された流速に従ってあらゆる望ましい
値に事前設定される。この設定は、ルックアップテーブ
ル中に示される値に従って提供することができる。制御
装置80は好ましくはマイクロプロセッサ制御装置とする
ことができる。

マイクロプロセッサ制御装置80は、温度センサ81から
の指示により影響を受けることができ、温度センサ81の
出力は制御装置へ取り込まれる。マイクロプロセッサ制
御装置80はさらに圧力センサ82からの出力により影響を
受けることができ、圧力センサ82の出力は制御装置へ取
り込まれる。

酸素（及びアルゴン）などの特定の成分は生成物タン
ク19からライン84を通じて流れる。圧縮機13から提供可
能な流れの範囲にわたる生成物タンク中の特定の成分の
圧力の大きな変化がありうるので、レギュレータ85をラ
イン84内に設けて、生成物タンク19から流れる特定の成
分（例えば酸素）の圧力を減少させることができる。

次に、特定の成分（例えば酸素）は流れ制御装置86を
通じて患者へ流れる。流れ制御装置86は、酸素などの特
定の成分が患者などの使用者へ流れる速度について微調
整などの付加的な調整を提供することができる。流れ制
御装置86を通る特定の成分の流速はマイクロプロセッサ
制御装置80へ取り込まれる。濃度モニター88は、各瞬間
にライン84を通る酸素などの特定成分の純度を決定する
ことができ、この決定をマイクロプロセッサへ示すこと
ができる。

理解されるように、マイクロプロセッサ制御装置80
は、カラム18へ進む濃縮流体の温度、そのような濃縮流
体の圧力、圧縮機13の速度、濃度モニタ88の出力、及び
流れ制御装置86を通じる特定成分の流速により閉ループ
ベースで調整される。マイクロプロセッサ制御装置80へ
のこれら全ての入力により、制御装置は圧縮機13の速度
を調整し、望ましい又は規定された速度で使用者へ特定
の流体成分の流れを作り出す。また、バルブ21は、空気
がカラム18へ導入される速度を制御するように調整され
る。

また、制御装置80からの調整出力を冷却システム89へ
導入することができ、冷却システム89は圧縮機13と熱交
換器15の温度を調整する。また、マイクロプロセッサ制
御装置80からの出力を流れ制御装置86へ取り込んで、望
ましい又は規定された値で使用者に特定の流体成分の流
れを作り出す時に流れ制御装置の動作を調整することが
できる。制御装置80の出力を付加的にオリフィス27へ取
り入れて、オリフィスの大きさを調整することができ
る。特定の流体成分の流速はオリフィスの大きさを調整
することにより調整することができるので、これは望ま
しいことである。これは後に詳細に述べられる。

図10に示され、上述されたシステムは以下のものを含
む重要な長所を有する： 1.酸素などの特定の流体成分の減少した流速における圧
縮機13の減少した速度により、電力消費のかなりの減少
がある。また、電力消費の減少は、圧縮機13を駆動する
モータ79の減少した速度から生じる。

2.流体分別器20（又は酸素濃縮器）により発生する雑音
量はかなり減少する。これは、ある部分は圧縮機13とモ
ータ79の減少した速度により生じる。また、それはある
部分は、吸着された流体成分の大気への脱着が各カラム
18内の吸着された流体成分の減少した圧力から起こると
いう事実から生じる。

3.カラム18内の流体の減少した圧力により、圧縮された
流体中の温度上昇が減少する。これは、冷却システム89
の動作の減少、及びその結果として生じる冷却システム
の動作電力の減少をもたらす。

4.異なるマーケットで実質的に等しい有効性を有する全
てのマーケットの全ての周波数及び電圧で動作する電源
を設けることができる。

5.圧縮機は減少した速度で動作するので、圧縮機13の寿
命が著しく増加する。

6.システムの振動は減少する。これはシステムの長い寿
命にも貢献する。

7.特に圧縮機が比較的低速で動作すべき場合は、圧縮機
13とモータ79のサイズ及び重量を減少させることができ
る。さらに、圧縮機を最大速度で動作させるべきであり
そうするとしても、それは恐らく比較的短い時間のみの
ためのものである。これにより、圧縮機13及びモータ79
は、圧縮機13又はモータ79に損傷を与えることなく、そ
れらの評価された速度で動作することを可能とする。こ
れは、圧縮機13とモータ79のサイズ及び重量をほとんど
の例でかなり減少できることのもう一つの理由である。

8.回転式バルブ分配器アセンブリ21のタイミングとオリ
フィス27の解放を全ての流速について調整し、システム
の最適な動作を提供することができる。

9.高い周囲温度又は高い高度の結果として減少した圧縮
機入口密度を保証するための電位が存在する。

回転式分配器バルブアセンブリ21のタイミングは種々
の方法で提供することができる。１つの選択肢は、モー
タ22（図10には示さないが、図11に示される）として、
可変周波数駆動装置を有する同期モータを設けることで
ある。別の選択肢は、モータ22としてステッパモータを
使用すること、又はDCギアモータを使用して回転式バル
ブ分配器アセンブリ21を駆動することを伴う。別の選択
肢は、圧縮機の速度に敏感な空気作動を提供することで
ある。バルブタイミングは、マイクロプロセッサ制御に
応答するモータのためのマイクロプロセッサ、若しくは
コントローラ内のディジタル／アナログ回路により制御
することができる。

圧縮機13の速度変化に応じて回転式分配器バルブアセ
ンブリ21の速度を調整することは、ある特定の状況下で
は望ましい。分配器バルブアセンブリ21の速度を一定に
維持したままで圧縮機13の速度を減少させると、カラム
18内の流体の圧力は減少する。これは、カラム18の分子
ふるいに吸着された窒素及び他の成分の圧力を減少させ
る。

図15において、圧縮機の進行する速度が水平軸上に示
され、生成物保持タンク19内の流体中の酸素の進行する
濃度が垂直軸上に示される。図15の130に示されるよう
に、生成物保持タンク19内の混合物中の酸素濃度は、約
毎分900回転と毎分1300回転の間の圧縮機速度について
は約94％で実質的に一定である。進行的に約毎分900回
転未満の圧縮機速度では、生成物保持タンク19内の混合
物中の酸素濃度は進行的に減少する。約毎分600回転の
圧縮機速度では、生成物保持タンク19内の混合物中の酸
素濃度は約88％である。

圧縮機30の速度に拘わらず、生成物保持タンク19内の
混合物中の酸素濃度を少なくとも90パーセント（90％）
に維持することが望ましい。これは、圧縮機13の速度が
減少するにつれて分配器バルブアセンブリ21の回転速度
を減少させることにより達成される。分配器バルブアセ
ンブリ21の回転速度を減少させることにより、各カラム
18には圧縮機13からの圧力下で空気を受け取る増加した
時間が提供される。その結果、各カラム18内の空気圧は
増加し、それに応じて生成物保持タンク19内の酸素及び
アルゴンの圧力は増加する。これは、カラム18内の窒素
が生成物保持タンク19内へ通過することを防止する。こ
うして、生成物保持タンクへの酸素及び窒素の流速が減
少した場合でも、生成物保持タンク19内の酸素濃度を少
なくとも90パーセント（90％）の値に保持することがで
きる。また、図15は、異なる圧縮機速度における酸素の
流速を132で示す。理解されるように、毎分数リットル
の患者への酸素の流速は、増加した圧縮機の速度と実質
的に線形に増加する。

図17は、134で圧縮機13からの流体の流速と、従来技
術の通常のシステムについてのゲージpsiでの圧縮機排
出圧力との関係を示す。また、図17は、136で圧縮機13
からの流体の流速と、出願人のシステムの特定の形態を
含むシステムについての圧縮機排出圧力との間の関係を
示す。これらは、可変速度で動作する回転式バルブ分配
器アセンブリ21と、図13に示す可変オリフィスを提供す
るバルブと、を含む。図17に示すように、本発明のシス
テムの動作は従来技術のシステムに対して長所を有す
る。なぜなら、それは圧縮機の流速のほとんどの範囲に
わたって相当に高い圧縮機排出速度を提供するからであ
る。

図11は、患者などの使用者への酸素などの流体の速度
を制御する単純化されたシステムを示す。そのシステム
は、圧縮機13と、カラム18と、生成物タンク19と、図10
の制御装置80に対応するマイクロプロセッサ制御101
と、酸素濃度モニタ88と、回転式バルブ分配器アセンブ
リ21と、バルブ分配器アセンブリ21を駆動するためのモ
ータ22（図示せず）と、を含む。圧縮機13はウォブルピ
ストン圧縮機とすることができ、モータ22は同期ギアモ
ータとすることができる。酸素などの特定の流体成分の
患者などの使用者への流速を制御するために、流れ制御
装置85に対応する流れ制御装置90を含めることができ
る。流れ制御装置90は、標準的流れ制御装置とすること
ができ、又は電子的なものとすることができる。レギュ
レータ85などのレギュレータを、生成物タンク19と流れ
制御装置90との間に含めることができる。

図11に示すシステムはモニタ88内の酸素の流速を検知
し、この検知した速度をマイクロプロセッサ制御101へ
取り込むことができる。次に、マイクロプロセッサ制御
101は、圧縮機13、モータ22及び流れ制御装置90の動作
を変化させて、望ましい又は規定された速度での患者へ
の酸素の流速を調整する。図11に示すシステムは閉ルー
プベースで動作し、酸素流の望ましい調整を提供する。
理解されるように、図11に示すシステムは、温度センサ
81、圧力センサ82及び冷却システム89などの制御を含ま
ない。

図12は、患者への酸素の流速を調整するための開ルー
プシステムを示す。理解されるように、図12に示すシス
テムは図11に示すシステムと類似しているが、それはマ
イクロプロセッサ制御装置101から酸素モニタ88、圧縮
機13及びモータ14へのラインを除去した点で異なる。本
システムでは、マイクロプロセッサ制御装置101は患者
への望ましい酸素流を示す。次に、圧縮機13、モータ79
及び流れ制御90は、この望ましい酸素流を取得するため
に望ましい値に設定される。

次に、酸素モニタ88がシステムの動作中に読みとられ
る。この読み取り値に基づいて、圧縮機13、モータ79及
び流れ制御装置90において調整を手動で行い、患者への
酸素の望ましい又は規定された流速を得る。これらの調
整は、異なるセットの条件下でのこれらのパラメータに
ついての個別の値を確立するルックアップテーブルに基
づいて行われる。

図10、11及び12に示すシステムは、圧縮機13等の特定
の構成要素を交換すべき時を示すインジケータ100を含
むことができる。理解されるように、図10、11及び12に
示すシステムの動作は、多数の要因の結果として時間と
共に劣化する。これらは、汚れたフィルタ、圧縮機の摩
耗、モータの摩耗、及び空気漏れを含む。図10、11及び
12に示すシステムは、圧縮機の流れを増加させて、望ま
しい又は規定された流速で酸素などの特定の流体成分の
純度／濃度を維持することにより、これらのシステム劣
化を補償する。インジケータ100は、インジケータ100に
より検知された圧縮機13の速度又は他の可変特性が、望
ましい又は規定された流体の流速の特定の限界を超えた
時を示す。

図13に示すように、各カラム18内のオリフィス27は、
ゴムなどの成形エラストマー材料110から作ることがで
きる。オリフィス27を通じて流れる酸素などの特定の流
体成分の圧力が減少すると、オリフィス60を規定するエ
ラストマー材料110は減少した曲がりを有する。これ
は、各カラム18内のオリフィス27のサイズを減少させ
る。こうして、各カラム18内のオリフィス27は、酸素な
どの流体の圧力の減少に伴い閉まる。これは、カラム18
内の流体の圧力の増加をもたらす。これは、患者への低
速の酸素流において、少なくとも90パーセント（90％）
の値で酸素保持タンク内の酸素濃度を維持するために望
ましい。これらの低流速でオリフィス27のサイズを減少
させることにより、カラム18内の流体の圧力が増加す
る。従って、酸素保持タンク19の濃度は少なくとも90パ
ーセント（90％）の値に維持される。

図１〜９に示す実施形態において、脱着された成分は
チャンバ57及び排気ポート58を大気中へと進む。これ
は、カラム18のうちの１つの中の脱着された流体がチャ
ンバ57へ、そしてチャンバから排出ポート58へ解放され
るたびに比較的大きな雑音を生成する。図14は、カラム
18のうちの１つの中の吸着された流体が脱着されるたび
に生成される雑音を大幅に減少させるための構成を示
す。

図14に示す実施形態は、ポートプレート39、ローター
シュー35及びマニホールド31を含む。マニホールド31は
カバー111を有する。ベアリングキャリア112はねじ114
によりマニホールドカバー11に適当に取り付けられる。
ローターシャフト116はベアリングキャリア112の開口内
に配置され、ベアリング118はベアリングキャリア112と
ベアリングシャフト116の間に配置される。

ベアリングキャリア112とマニホールドカバー111はチ
ャンバ118を規定し、そのチャンバ118は図１〜７に示す
実施形態と比べて拡大されている。排出ポート58に対応
する排出ポートは図12に示す実施形態では設けられてい
ないので、各カラム18からの脱着された流体はチャンバ
118内へ進み、エンクロージャ内に保持される。多孔性
プラグ120がベアリングキャリア112の開口122内に配置
される。チャンバ118内の脱着された流体はある程度の
圧力下にあるので、それは多孔性プラグ120を通じて大
気中へゆっくりと解放される。

図14に示すシステムの動作中の雑音の減少はいくつか
の要因から生じる。１つの要因は図４に示す対応するチ
ャンバ57に対するチャンバ118の増加した体積である。
第２の要因は、チャンバ118内の脱着した流体がチャン
バ内に保持され、プラグ120を通じてゆっくりと大気中
へ解放されることである。これは、チャンバ118内の脱
着した流体が図４のポート58の如きポートを通じて大気
中へ解放されないという事実により容易化される。

本発明の全ての形態は従来の２カラムシステムに提供
可能であることが理解される。そのような２カラムシス
テムは図16に示される。それは、圧縮機13、分配器バル
ブ148、１組のカラム18、オリフィス27、生成物保持タ
ンク19、及び、酸素又はアルゴンが使用者（例えば患
者）へ流れる速度を制御するための制御バルブ150、を
含む。

また、本発明の視野から外れることなく、本発明を構
成するシステムを使用して酸素以外の流体を提供し、及
びそのような流体を患者以外の使用者へ提供することが
できることが理解される。例えば、本発明のシステムを
使用して工業的目的のために流体を提供することができ
る。例示的な１つの使用は、不活性環境を作る工業的組
織へ窒素を提供することである。別の例示的使用は溶接
のための酸素である。

本発明を構成する装置はいくつかの重要な長所を有す
る。それは、圧縮機13の制御され調整された速度を提供
し、酸素などの流体の使用者（例えば患者）への流速を
調整する。圧縮機の速度の調整可能な制御は、閉ループ
ベース又は開ループベースのいずれかとすることができ
る。さらに、要求される純度での、酸素などの流体の使
用者（例えば患者）への規定された流れを得るために値
の通常の範囲外に圧縮機の速度を調整した時に関する指
示を提供することができる。

また、本発明の装置は、他の長所も有する。圧縮機の
速度が特定の値未満に減少すると、酸素濃度は望ましい
値未満に減少する傾向がある。本発明の装置は、流体分
別器20内の分配器バルブアセンブリ21の回転速度を調整
して、流体分別器20内のカラム18内の流体の圧力の増加
をもたらす。また、流体分別器20の出口の調整可能なオ
リフィス27は、流体分別器20内の流体の圧力の減少に伴
って閉まる傾向があり、それにより流体分別器内のカラ
ム18内の流体の圧力を維持する。

圧縮機13の速度が減少すると、圧縮機が発生する雑音
が減少する。また、流体分別器20内の雑音は、ベアリン
グキャリア112内に多孔性プラグ120を設け、チャンバ11
8のサイズを増加させることによりかなり減少させるこ
とができる。こうして、チャンバ118内の脱着した成分
は、それらがチャンバに入り、及びそれらがチャンバか
ら大気中へゆっくりと漏れる時に最小の雑音を提供す
る。

本発明を特定の実施形態を参照して開示及び説明して
きたが、包含される原理は当業者に明白な他の多数の実
施形態における使用が可能である。従って、本発明は添
付の請求の範囲の視野により示されるようにのみ限定さ
れるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−228324（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−126519（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−90614（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−508205（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 53/04

Claims (33)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮された流体から第１の成分を除去し、
   規定された速度及び純度で第１の成分の流れを使用者へ
   提供する装置において、 最初に圧縮された流体が導入され、圧縮された流体中の
   第２の成分及び他の成分を吸着し、第１の成分を通過さ
   せるように構成され、各カラムは第２の成分及び他の成
   分を脱着するように構成されている複数のカラムと、 圧縮された流体の複数のカラムへの導入の前に流体を圧
   縮するための第１の手段と、 複数のカラムのうちの少なくとも第１のカラムへ圧縮さ
   れた流体の導入を周期的に提供して第２の成分及び他の
   成分の吸着並びに第１の成分の通過を行い、複数のカラ
   ムのうちの少なくとも第２のカラムからの圧縮された流
   体の通過を周期的に提供して第２の成分及び他の成分の
   脱着を行うための第２の手段と、 複数のカラムのうちの少なくとも第１のカラムを通過す
   る第１の成分を周期的に収集する第３の手段と、及び、 複数のカラムのうちの少なくとも第１のカラムを通る第
   １の成分の第３の手段への通過のために、規定された流
   速及び純度に依存する可変流速で第１の手段により圧縮
   された流体を提供する第４の手段と、 前記複数のカラムのうちの少なくとも第１のカラムと複
   数のカラムのうちの少なくとも第２のカラムの選択を周
   期的に提供する回転式のバルブ手段と、 前記複数のカラムのうちの少なくとも第１のカラムを通
   過し、前記使用者へ提供する第１の成分の流れの望まし
   い流速に従って前記バルブ手段の回転速度を変化させる
   回転速度調整手段と、 を備えている改良された流体分別器。
2. 【請求項２】第１の手段は、制御された速度で動作し
   て、複数のカラムのうちの少なくとも第１のカラムを通
   る第１の成分の通過のための規定された流速を得るよう
   に動作可能であり、 第４の手段は、複数のカラムのうちの少なくとも第１の
   カラムを通る第１の成分の第３の手段への通過のための
   規定された流速に依存する制御された速度で第１の手段
   の動作を行うように動作可能である請求項１に記載の改
   良された流体分別器。
3. 【請求項３】第１の手段は、複数のカラムのうちの少な
   くとも第１のカラムを通過する第１の成分の流速を変化
   させるために可変な特性を有する回転可能な部材を含
   み、 第４の手段は、回転可能な部材の特性変化を取得して、
   複数のカラムのうちの少なくとも第１のカラムを通過す
   る第１の成分の望ましい流速を提供するように動作可能
   である請求項１又は２に記載の改良された流体分別器。
4. 【請求項４】複数のカラムのうちの少なくとも第２のカ
   ラム中の第２の成分及び他の成分の脱着を制御する手段
   を備える請求項１乃至３のいずれかに記載の改良された
   流体分別器。
5. 【請求項５】カラムを通過する第１の成分の流速変化に
   応じて複数のカラムのうちの少なくとも第１のカラム内
   の流体の圧力を変化させて、規定速度で利用者に第１の
   成分の流れを提供する手段を備える請求項１乃至４のい
   ずれかに記載の改良された流体分別器。
6. 【請求項６】第１の手段は可変な特性を有し、 複数のカラムのうちの少なくとも第１のカラムを通過す
   る第１の成分の規定の流速に従って第１の手段の可変な
   特性を調整する手段を備える請求項１乃至５のいずれか
   に記載の改良された流体分別器。
7. 【請求項７】複数のカラムのうちの少なくとも第３のカ
   ラムは、複数のカラムのうちの第１のカラムが複数のカ
   ラムのうちの少なくとも第１のカラムの構成から複数の
   カラムのうちの少なくとも第２のカラムの構成へと周期
   的に遷移する間に周期的に与えられる圧力の等化を提供
   する請求項１乃至６のいずれかに記載の改良された流体
   分別器。
8. 【請求項８】複数のカラムのうちの少なくとも第２のカ
   ラム内の第２の成分及び他の成分の制御された脱着を周
   期的に提供する手段を備える請求項１乃至７のいずれか
   に記載の改良された流体分別器。
9. 【請求項９】複数のカラムのうちの少なくとも第２のカ
   ラム内の第２の成分及び他の成分の脱着中に、複数のカ
   ラムのうちの少なくとも第２のカラム内のあらゆる雑音
   を最小化する手段を備える請求項１乃至８のいずれかに
   記載の改良された流体分別器。
10. 【請求項１０】複数のカラムのうちの少なくとも第１の
    カラムを通る第１の成分の通過後の第１の成分の濃度の
    変化に応答し、バルブ手段の特性を調整して、複数のカ
    ラムのうちの少なくとも第１のカラムを通る第１の成分
    の通過後に第１の成分の濃度を特定の値に維持する手段
    を備える請求項１乃至９のいずれかに記載の改良された
    流体分別器。
11. 【請求項１１】複数のカラムのうちの各カラムは第１の
    成分を通過させるオリフィスを有し、各カラムのオリフ
    ィスはそのカラムを通過する第１の成分の流速の変化に
    従って調整可能である請求項１乃至10のいずれかに記載
    の改良された流体分別器。
12. 【請求項１２】複数のカラムのうちの各第２のカラム内
    の第２の成分及び他の成分は大気中に脱着され、 複数のカラムのうちの各第２のカラム内の第２の成分及
    び他の成分が大気中へ脱着される速度を制御する手段を
    備える請求項１乃至11のいずれかに記載の改良された流
    体分別器。
13. 【請求項１３】複数のカラムのうちの少なくとも第１の
    カラムを通る第１の成分の流速変化に従って、複数のカ
    ラムのうちの少なくとも第１のカラム内の流体の圧力を
    変化させる手段を備える請求項１乃至12のいずれかに記
    載の改良された流体分別器。
14. 【請求項１４】バルブ手段の動作に従って、複数のカラ
    ムのうちの少なくとも第１のカラムへ通過する流体の圧
    縮を提供する手段を備え、 少なくとも第１のカラムを通過する第１の成分の流速
    は、バルブ手段の動作とは独立に、かつ、複数のカラム
    のうちの少なくとも第１のカラムを通過する第１の成分
    の規定の流速の変化に従って変化する請求項１乃至13の
    いずれかに記載の改良された流体分別器。
15. 【請求項１５】前記バルブ手段は第１のバルブ手段を構
    成し、 複数の第２のバルブ手段を含み、第２のバルブ手段の各
    々は、複数のカラムのうちの独立の１つのカラム内に配
    置されると共に複数のカラムのうちの少なくとも第１の
    カラムを通過する第１の成分の流速の変化に応じて、複
    数のカラムのうちの少なくとも第１のカラム内の流体の
    圧力を変化させる請求項１乃至14のいずれかに記載の改
    良された流体分別器。
16. 【請求項１６】複数のカラムのうちの少なくとも第２の
    カラム内の第２の成分及び他の成分を受け取るチャンバ
    を規定する手段と、 前記チャンバから大気中への第２の成分及び他の成分の
    制御された流れを提供する手段と、を備える請求項１乃
    至15のいずれかに記載の改良された流体分別器。
17. 【請求項１７】前記チャンバはカバーを有し、 複数のカラムのうちの少なくとも第２のカラム内の第２
    の成分及び他の成分の大気中への制御された流れを提供
    するための多孔性プラグが前記カバー内に配置されてい
    る請求項16に記載の改良された流体分別器。
18. 【請求項１８】バルブ手段の動作とは独立に、複数のカ
    ラムのうちの少なくとも第１のカラム内への流体の流速
    を変化させる手段を備える請求項１乃至17のいずれかに
    記載の改良された流体分別器。
19. 【請求項１９】各オリフィスは、そのオリフィスを通過
    する第１の成分の流速の変化に従って可変であり、複数
    のカラムのうちの少なくとも第１のカラム内の流体の圧
    力をそのオリフィスを通る第１の成分の流速の変化を補
    償する方向へ変化させる請求項15乃至18のいずれかに記
    載の改良された流体分別器。
20. 【請求項２０】第２の手段の動作とは独立に、複数のカ
    ラムのうちの少なくとも第１のカラムを通る第１の成分
    の流速を、特定の流速を提供する大きさに調整する手段
    を備える請求項１乃至19のいずれかに記載の改良された
    流体分別器。
21. 【請求項２１】複数のカラムのうちの少なくとも第１の
    カラムを通る第１の成分の流速の変化に従って、複数の
    カラムのうちの少なくとも第１のカラム内の流体の圧力
    を変化させる手段を備える請求項１乃至20のいずれかに
    記載の改良された流体分別器。
22. 【請求項２２】第１のバルブ手段は、カラム内のオリフ
    ィスを通過する第１の成分の流速の変化に従って複数の
    カラムのうちの少なくとも第１のカラム内の流体の圧力
    を変化させるように可変速度で周期的に動作可能である
    請求項１乃至21のいずれかに記載の改良された流体分別
    器。
23. 【請求項２３】複数のカラムのうちの少なくとも第１の
    カラム内の第１の成分の特定の濃度を得るための第１の
    手段の特性が特定の限界外となる時を示す手段を備える
    請求項１乃至22のいずれかに記載の改良された流体分別
    器。
24. 【請求項２４】第１の手段及び第３の手段と共に、複数
    のカラムのうちの少なくとも第１のカラム内の第１の成
    分の特定の濃度を維持するための閉ループを規定する手
    段を備える請求項１乃至23のいずれかに記載の改良され
    た流体分別器。
25. 【請求項２５】複数のカラムのうちの少なくとも第１の
    カラム内の第１の成分の特定の濃度の調整に従って、複
    数のカラムの各々が複数のカラムのうちの少なくとも第
    １のカラムとして及び複数のカラムのうちの第２のカラ
    ムとして動作する時を調整するように第１のバルブ手段
    の動作を変化させる手段を備える請求項１乃至23のいず
    れかに記載の改良された流体分別器。
26. 【請求項２６】複数のカラムのうちの少なくとも第１の
    カラム内の流体の温度変化を示す手段と、 示された温度変化に従って第１の手段の特性を変化させ
    て、規定された流速で利用者へ提供される圧縮された流
    体内の第１成分の流れを維持する手段を備える請求項１
    乃至25のいずれかに記載の改良された流体分別器。
27. 【請求項２７】複数のカラムのうちの少なくとも第１の
    カラム内の流体の圧力変化を示す手段と、 示された圧力変化に従って第１の手段の特性を変化させ
    て、規定された流速で利用者へ提供される圧縮された流
    体内の第１の成分の流れを維持する手段を備える請求項
    １乃至26のいずれかに記載の改良された流体分別器。
28. 【請求項２８】複数のカラムのうちの少なくとも第１の
    カラムを通る第１の成分を受け取る流れ制御手段であっ
    て、流れ制御手段の動作に依存する特定の速度で利用者
    へ第１の成分を提供する流れ制御手段と、 流れ制御手段が利用者へ第１の成分を提供する速度の変
    化に応じて第１の手段の特性を変化させて、流れ制御手
    段から利用者への特定の流速での第１の成分の流れを維
    持する手段と、を備える請求項１乃至27のいずれかに記
    載の改良された流体分別器。
29. 【請求項２９】第１の手段は可変速度を有し、 第１の手段の速度変化に従って、複数のカラムのうちの
    少なくとも第１のカラムからの第１の成分の圧力を変化
    させる手段を備える請求項１乃至28のいずれかに記載の
    改良された流体分別器。
30. 【請求項３０】流れ制御手段は可変特性を有し、 第１の手段の特性変化に応じて流れ制御手段の特性を変
    化させて、流れ制御手段から利用者への特定の流速での
    第１の成分の流れを維持する手段を備える請求項28又は
    29に記載の改良された流体分別器。
31. 【請求項３１】可変特性を有し、その可変特性に従って
    第１の手段を冷却する冷却手段と、 第１の手段の特性変化に応じて、第１の手段の冷却時に
    前記冷却手段の特性を変化させる手段と、を備える請求
    項１乃至30のいずれかに記載の改良された流体分別器。
32. 【請求項３２】複数のカラムのうちの少なくとも第１の
    カラム内の第１の成分の濃度変化を示す手段と、 前記濃度変化を示す手段により示された濃度変化の指示
    に従って第１の手段の速度を変化させる手段と、を備え
    る請求項１乃至31のいずれかに記載の改良された流体分
    別器。
33. 【請求項３３】複数のカラムのうちの少なくとも第１の
    カラム内の第１の成分の濃度変化を示す手段と、 複数のカラムのうちの少なくとも第１のカラム内の第１
    の成分の濃度変化を示す指示に従って第１の手段の速度
    を変化させる手段と、を備える請求項１乃至32のいずれ
    かに記載の改良された流体分別器。