JP5221301B2 - 空気供給装置および酸素濃縮器 - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサを用いて空気を供給する空気供給装置およびこの空気供給装置を用いて空気を導入し高濃度の酸素を放出する酸素濃縮器に関する。

呼吸器疾患の患者が在宅で酸素を吸入する在宅酸素療法（ＨＯＴ：home oxygen therapy）において使用される酸素濃縮器の１つに、吸着型酸素濃縮器がある。

吸着型酸素濃縮器（ＰＳＡ：pressure swing adsorption、以下単に「酸素濃縮器」という）は、加圧空気に対して窒素を吸着し減圧空気に対して窒素を脱着する性質を持つ吸着剤（例えば、ゼオライト）が充填された、シーブベッド（吸着塔）を備えている。酸素濃縮器は、フィルタおよび吸気タンクを通して取込んだ室内の空気をコンプレッサにより圧縮し、この圧縮空気を加減圧の切替えを繰り返しながらシーブベッドに通過させることによって、圧縮空気から高濃度の酸素を分離する。そして、酸素濃縮器は、分離した高濃度酸素を、チューブを通して患者に供給する。

酸素濃縮器のうち、室内空気の圧縮およびシーブベッドへの供給を行う空気供給系統からは、室内空気の吸気音やコンプレッサの動作音および振動等に起因して、動作音が発生する。一方で、酸素濃縮器は、より確実かつ安全に高濃度酸素を患者に供給するために、患者のできるだけ近くに配置されることが望ましい。また、酸素濃縮器は、患者の就寝中も継続して使用される場合がある。したがって、酸素濃縮器は、至近距離で動作していても患者の安眠を妨げない程度の静音性が求められる。

そこで、上記した吸気音の酸素濃縮器内部での反響等により動作音が増大することを防ぐ技術が、例えば特許文献１および特許文献２に記載されている。

特許文献１記載の酸素濃縮器は、高濃度酸素の原料として取り込まれる室内空気（以下「原料空気」という）の吸気音を消音するための膨張型消音器である吸気用消音器を、フィルタに接続して配置している。これにより、原料空気は、その吸気音が消音された状態でコンプレッサに送られる。したがって、吸気音が酸素濃縮器の動作音の原因となるのを抑えることができる。また、特許文献１記載の酸素濃縮器は、コンプレッサを含むほぼ全体の部品を、遮蔽板と吸音材とを重合した筐体に収納している。これにより、酸素濃縮器の内部で反響した原料空気の吸気音やコンプレッサの動作音が、酸素濃縮器の周囲に伝達するのを抑えることができる。

また、特許文献２記載の酸素濃縮器は、膨張型消音器の内部に、原料空気の吸気音を消音するための、ウレタンフォーム等の吸音材で構成された螺旋状流路を配置している。これにより、原料空気は、その吸気音が消音された状態でコンプレッサに送られ、吸気音が酸素濃縮器の動作音の原因となるのを抑えることができる。
特開２００４−１８８１２３号公報 特開２００５−６７３１公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２記載の酸素濃縮器では、原料空気の吸気口から漏れるコンプレッサの動作音が問題となる。これは以下の理由による。コンプレッサへの原料空気の導入は、コンプレッサの吸引力により行われるため、コンプレッサの吸込側は、配管、吸気タンク、およびフィルタを介して、外気に通じた状態となっている。したがって、コンプレッサの動作音は、配管内の原料空気を伝搬して外部に到達するようになっている。ところが、コンプレッサの動作音の周波数成分は、原料空気の吸気音の周波数成分とは異なるため、コンプレッサの動作音に対する上記吸気用消音器の消音効果を期待することは難しい。

また、特許文献１および特許文献２記載の酸素濃縮器では、原料空気の摩擦損失が大きくなることにより、より大きいコンプレッサ必要となり、外部に漏洩するコンプレッサの動作音がかえって大きくなるおそれがある。これは以下の理由による。特許文献１記載の吸気用消音器においてより高い吸音効果を得るためには、吸気用消音器での膨張比をより大きくする必要があるが、この場合、原料空気の摩擦損失が大きくなる。また、特許文献２記載の螺旋状流路においてより高い吸音効果を得るためには、螺旋状流路を細く長くして原料空気の吸音材に対する暴露効率を高くする必要があるが、この場合も、原料空気の摩擦損失が大きくなる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、原料空気の吸気口からのコンプレッサの動作音の漏洩を抑制することができる空気供給装置および酸素濃縮器を提供することを目的とする。

本発明の空気供給装置は、筐体と、原料空気である前記筐体の外部の空気を取り込む空気供給路と、前記空気供給路を介して前記原料空気を導入し、導入した前記原料空気を圧縮するコンプレッサと、を有する空気供給装置であって、前記空気供給路は、板状吸音部材と、前記板状吸音部材と前記空気供給路の内壁との間の背面空気層とから成り、前記コンプレッサの動作音を吸収する、吸音構造部を内部に有する。

本発明の酸素濃縮器は、上記空気供給装置と、圧縮された前記原料空気から高濃度酸素を分離し、分離した前記高濃度酸素を放出する吸着塔とを有する。

本発明によれば、空気供給路内でコンプレッサの動作音を吸収するので、原料空気の吸気口からのコンプレッサの動作音の漏洩を抑制することができる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る酸素濃縮器の構成を示す概略斜視図である。

図１において、酸素濃縮器１０は、酸素濃縮器筐体（以下適宜「筐体」と略記する）１００の内部に、風路ケース１０１、ヘパフィルタ１０２、吸気タンク１０３、コンプレッサ１０４、冷却パイプ１０５、冷却用ファン１０７、マニホールド１０８、第１および第２の切替弁１０９ａ、１０９ｂ、第１および第２のシーブベッド（吸着塔）１１０、１１１、製品タンク１１２、均圧弁１１３、パージオリフィス１１４、消音器１１５、圧力センサ１１６、レギュレータ１１７、止め弁１１８、酸素センサ１１９、バクテリアフィルタ１２０、流量制限オリフィス１２１、圧力センサ１２２、流量センサ１２３、加湿器１２４、および酸素出口１２５を配置している。これらの装置部のうち、例えば、風路ケース１０１からコンプレッサ１０４までの部分が、本発明に係る空気供給装置に対応する。

風路ケース１０１は、筐体１００に接して設けられており、筐体１００の外部の空気を、原料空気として筐体１００の内部に導入する。ヘパフィルタ１０２は、風路ケース１０１が導入した空気からゴミや埃等の空中浮遊粒子を除去する。

吸気タンク１０３は、ヘパフィルタ１０２で空中浮遊粒子が除去された原料空気を、後段のコンプレッサ１０４の吸気のために収容する。吸気タンク１０３は、いわゆる膨張型消音器として機能し、配管断面積の変化による反射により、原料空気の吸気側へと伝達するコンプレッサ１０４の動作音に対して、消音効果を発揮する。

また、吸気タンク１０３は、コンプレッサ１０４の動作音を吸収する吸音構造部を内部に有している。この吸音構造部は、板状吸音部材と、板状吸音部材と吸気タンク１０３の内壁との間の背面空気層とから成る。更に、吸気タンク１０３は、吸気タンク１０３の音の透過損失特性を改善するための短管を挿入している。吸気タンク１０３の構成については後述する。

コンプレッサ１０４は、吸気タンク１０３に収容された原料空気を圧縮して圧縮空気を生成する。冷却パイプ１０５は、コンプレッサ１０４で生成された圧縮空気をマニホールド１０８に送る。

冷却用ファン１０７は、筐体１００に設けられた開口から外気を筐体１００内部に吸引し、筐体１００に上記開口とは別に設けられた開口から排気する。冷却用ファン１０７により筐体１００内部に吸引された外気は、筐体１００内部を、コンプレッサ１０４を含む各種部品の熱を吸収しながら循環し、排気される。

マニホールド１０８は、コンプレッサ１０４からの圧縮空気を第１および第２のシーブベッド１１０、１１１に交互に切り替えて送り、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１からの窒素富化空気を交互に切り替えて消音器１１５に送るための多岐管である。マニホールド１０８は、三方弁である第１および第２の切替弁１０９ａ、１０９ｂを有する。マニホールド１０８は、第１および第２の切替弁１０９ａ、１０９ｂの状態を制御することにより、例えば１０秒間隔で、圧縮空気および窒素富化空気のマニホールド１０８内の流路の切替えを行う。

具体的には、例えば、マニホールド１０８は、図１に示すように、第１の切替弁１０９ａを用いて、第１のシーブベッド１１０とコンプレッサ１０４との間の管路を開放し、第１のシーブベッド１１０と消音器１１５との間の管路を閉鎖する。同時に、マニホールド１０８は、第２の切替弁１０９ｂを用いて、第２のシーブベッド１１１とコンプレッサ１０４との間の管路を閉鎖し、第２のシーブベッド１１１と消音器１１５との間の管路を開放する。この場合、コンプレッサ１０４からの圧縮空気は矢印１０８Ａの方向で第１のシーブベッド１１０に送られ、消音器１１５には矢印１０８Ｂの方向で第２のシーブベッド１１１からの窒素富化空気が送られる。

また、マニホールド１０８は、第１の切替弁１０９ａを用いて、第１のシーブベッド１１０とコンプレッサ１０４との間の管路を閉鎖し、第１のシーブベッド１１０と消音器１１５との間の管路を開放する。同時に、マニホールド１０８は、第２の切替弁１０９ｂを用いて、第２のシーブベッド１１１とコンプレッサ１０４との間の管路を開放し、第２のシーブベッド１１１と消音器１１５との間の管路を閉鎖する。この場合、コンプレッサ１０４からの圧縮空気は第２のシーブベッド１１１に送られ、消音器１１５には第１のシーブベッド１１０からの窒素富化空気が送られる。

第１および第２のシーブベッド１１０、１１１は、マニホールド１０８を介して送られてきた圧縮空気から、高濃度酸素をそれぞれ分離する。この分離は、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１に充填されたゼオライトの働きにより実現される。ゼオライトは、加圧空気に対しては窒素および水分を吸着し、減圧空気に対しては吸着している窒素および水分を脱着する性質を有する吸着剤である。第１および第２のシーブベッド１１０、１１１は、コンプレッサ１０４と通じているとき、コンプレッサ１０４から送られてきた圧縮空気から高濃度酸素を分離して後段の製品タンク１１２に送る。そして、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１は、消音器１１５と通じているとき、圧縮空気から吸着した窒素および水分を多く含む窒素富化空気を消音器１１５に送る。

第１および第２のシーブベッド１１０、１１１から放出される高濃度酸素の酸素濃度は、吸脱着の繰り返し回数や吸脱着時間等を変更することにより、例えば４０％〜９０％程度の範囲で調整することができる。なお、ゼオライトは窒素のみならず水分をも吸着するので、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１から放出される高濃度酸素は極めて乾燥している（例えば、湿度０.１％〜０.２％）。第１および第２のシーブベッド１１０、１１１に充填されるゼオライトは、結晶中に微細孔を持つアルミノ珪酸塩（例えば、アルカリ土類金属を含む結晶性含水アルミノ珪酸塩）からなる多孔質材料であり、市販されている各種のゼオライトを使用することができる。

製品タンク１１２は、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１に、マニホールド１０８が接続する側とは反対側の部分で接続されており、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１により圧縮空気から分離して得られた高濃度酸素を収容する。製品タンク１１２は、例えば、一端が第１のシーブベッド１１０に、他端がシーブベッド１１１にそれぞれ連結された、コの字形状を有している。均圧弁１１３は、製品タンク１１２の両端部分の圧力をこれらが同一となるように調整する。パージオリフィス１１４は、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１の脱着の際の二次浄化を行うために、製品タンク１１２の両端部分の間で高濃度酸素を通過させる。

消音器１１５は、筐体１００に接して設けられた排気口１１５ａを有しており、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１からマニホールド１０８を介して送られてきた窒素富化空気を、排気口１１５ａから筐体１００の外部に排出する。

圧力センサ１１６は、製品タンク１１２からレギュレータ１１７に送られる高濃度酸素の圧力を検出する。レギュレータ１１７は、圧力センサ１１６の検出結果と予め設定された圧力とを比較してこれらが同一の値となるように、高濃度酸素の圧力のフィードバック制御を行う。

止め弁１１８は、閉鎖することにより、レギュレータ１１７から圧力調整されて送られる高濃度酸素の流れを止める。止め弁１１８は、例えば、高濃度酸素の供給を停止する操作が行われたとき、あるいは酸素濃縮器１０への電源供給が停止されたときに閉鎖して、機器内に残留した高濃度酸素の流出を止める。

酸素センサ１１９は、止め弁１１８からバクテリアフィルタ１２０に送られる高濃度酸素の酸素濃度を検出する。バクテリアフィルタ１２０は、細菌類を捕集することにより、流路を流れる高濃度酸素を除菌する。流量制限オリフィス１２１は、バクテリアフィルタ１２０を通って送られる高濃度酸素の流路を絞ることにより、高濃度酸素の流量を制限する。流量制限オリフィス１２１の絞り具合は、筐体１００に設けられた、例えばボタンやつまみを有する操作部（図示せず）の操作内容と連動して調整される。

圧力センサ１２２は、流量制限オリフィス１２１から流量センサ１２３に送られる高濃度酸素の圧力を検出する。流量センサ１２３は、流量制限オリフィス１２１を通って送られる高濃度酸素の流量を検出する。圧力センサ１２２で検出された高濃度酸素の圧力および流量センサ１２３で検出された高濃度酸素の流量を継続的にメモリ（図示せず）に記憶することによって、予めなされた設定の通りに高濃度酸素が処理されているか否かをモニタリングすることができる。

加湿器１２４は、流量センサ１２３を通って送られた高濃度酸素を加湿する。酸素出口１２５は、加湿器１２４で湿度が与えられた高濃度酸素を、患者に供給するために排気する。酸素出口１２５には、一端に酸素マスクや鼻腔カニューラが接続されたチューブ（図示せず）が取付けられ、このチューブを通じて高濃度酸素が患者に供給される。

また、酸素濃縮器１０は、ＣＰＵ（central processing unit）、制御プログラムを格納した記憶媒体としてのＲＯＭ（read only memory）、および作業用メモリとしてのＲＡＭ（random access memory）等を有する。ＣＰＵは、制御プログラムを実行することにより、コンプレッサ１０４やマニホールド１０８を含めた各部の動作を制御する。

このような酸素濃縮器１０によれば、原料空気の吸気口からのコンプレッサ１０４の動作音の漏洩を抑制した状態で、高濃度酸素を患者に供給することができる。

次に、吸音構造部を含む吸気タンク１０３の構造について説明する。

図２は、吸気タンク１０３の構造を示す断面図である。また、図３は、吸気タンク１０３の構造を示す透過斜視図である。

図２および図３に示すように、吸気タンク１０３は、略矩形断面の筒部３１０を有する。筒部３１０の両端開口部のうち、一端は蓋部３２０により塞がれ、他端は底部３３０により塞がれている。蓋部３２０および底部３３０は、ねじやボルト等の連結手段により、筒部３１０に連結されている。すなわち、筒部３１０、蓋部３２０、および底部３３０により、箱型形状のタンク部３４０が形成されている。蓋部３２０には、原料空気をタンク部３４０の内部に導入するための取入口３５０が設けられている。筒部３１０には、原料空気をタンク部３４０外部に排出するための排出口３６０が設けられている。

また、吸気タンク１０３は、板状吸音部材３７０を、タンク部３４０の内部に有する。板状吸音部材３７０は、筒部３１０の内側断面と同一の平面形状を有する吸音部３７１と、吸音部３７１と一体的に形成された固定部３７２とにより構成される。

固定部３７２は、吸音部３７１が筒部３１０の内面の所定位置３１１に嵌め込まれた状態において、筒部３１０の内面の少なくとも２面に沿い、かつ、端部の位置が筒部３１０の下端の位置と合うように、その形状および吸音部３７１との配置関係が規定されている。

吸音部３７１は、筒部３１０の内面の所定位置３１１に、底部３３０の内面およびその周辺を覆う形で配置される。固定部３７２は、筒部３１０の内面との間の摩擦力と、筒部３１０に固定部３７２を固定するねじ３７３とによって、吸音部３７１をこのような配置に固定する。これにより、板状吸音部材３７０と底部３３０の内面との間には、閉じられた空間である背面空気層３８０が形成される。

更に、吸気タンク１０３は、円形断面を有する短管３９０を、タンク部３４０の内部に有する。短管３９０は、一端を取入口３５０のタンク部３４０内部側に接続され、他端をタンク部３４０の内部の空間に開放している。

このような吸気タンク１０３によれば、取入口３５０に導入された原料空気は、短管３９０を通ってタンク部３４０に進入し、板状吸音部材３７０の吸音部３７１に開放された状態でタンク部３４０を通過して、排出口３６０から排出される。

次に、吸気タンク１０３の各部の構成について、詳細に説明する。

筒部３１０は、アルミニウム等を素材として一体成型された筒状部材である。筒部３１０には、排出口３６０を取り付けるための開口と、蓋部３２０および底部３３０を連結するためのねじ穴が設けられている。筒部３１０の断面形状は、矩形等の単純な多角形を基本とする形状であることが望ましい。板状吸音部材３７０の嵌め込み作業を容易化することができ、かつ、板状吸音部材３７０の形状を単純化することができるからである。

蓋部３２０は、例えば、筒部３１０と同一の素材から成る、筒部３１０の断面とほぼ同一の平面形状を有する板状部材である。蓋部３２０の中央には、取入口３５０を取り付けるための開口が設けられている。

底部３３０は、例えば、筒部３１０と同一の素材から成り、底面部３３１および装置取付部３３２を有する。底面部３３１は、筒部３１０の断面とほぼ同一の平面形状を有する板状吸音部材であり、筒部３１０と連結するためにねじやボルト等の連結手段を通す穴が設けられている。装置取付部３３２は、底面部３３１に対して垂直に固定された板状部材であり、ねじやボルト等の連結手段により酸素濃縮器１０の筐体１００に固定するための穴が設けられている。筒部３１０と底部３３０とが連結された状態で、底部３３０の底面部３３１が筐体１００に固定されることにより、吸気タンク１０３全体が、酸素濃縮器１０内部に固定される。

取入口３５０は、プラグ部３５１およびナット部３５２を有する。プラグ部３５１は、タンク部３４０の外部でヘパフィルタ１０２側の配管と接続するためのプラグであり、ねじ部をタンク部３４０の内側に突出させて配置される。ナット部３５２は、タンク部３４０の内側から、蓋部３２０と、短管３９０のフレア加工がされた端部と、プラグ部３５１との間で挟み込んだ状態で、ねじ部に嵌合している。この嵌合により、プラグ部３５１は蓋部３２０に固定され、短管３９０はプラグ部３５１に固定される。

排出口３６０は、タンク部３４０の外部でコンプレッサ１０４側の配管と接続するためのプラグであり、筒部３１０に固定されている。排出口３６０の固定位置は、板状吸音部材３７０の吸音部３７１が配置される所定位置３１１に対して、取入口３５０側である。

板状吸音部材３７０は、上述の通り、一体的に形成された吸音部３７１および固定部３７２を有する。板状吸音部材３７０は、所定の通音性能および吸音性能を有する板状部材を加工したものである。具体的には、板状吸音部材３７０は、母材層と、母材層のうち原料空気が通過する側の面に配置された膜層とから成る。

母材層は、細かい空気の隙間を有する多孔質素材から成る板状部材であり、高分子繊維、例えばポリエステル繊維から成る。母材層は、繊維の隙間にある空気の粘性抵抗により、所定の周波数の音のエネルギーを熱に変換し、その音を吸収する。なお、高分子繊維を採用する場合には、繊維の配向は、縦方向、横方向、ランダム配向のいずれでもよい。また、母材層の素材は、高分子繊維を不織布としたものや高分子繊維の不織布を圧縮成型したものでもよく、また、スポンジ状のウレタン素材等、他の多孔質素材を採用してもよい。ここでは、母材層は、ポリエステル繊維の不織布を圧縮成型したものとする。

膜層は、所定の通音性能および吸音性能を有するとともに、母材層の吸音性能に影響を与えない膜状部材であり、例えば、母材層に熱融着された高分子フィルムである。

膜層および母材層から成る複合構造体と背面空気層３８０とから成る共振系、並びに複合構造体の多質点系の共振により、所定の周波数の音、特に低周波音に対し、吸音が行われる。

膜層は、母材層の原料空気が通過する側、母材層の背面空気層３８０側、母材層の内部のいずれに配置されていてもよいが、原料空気が通過する側に配置することにより、母材層が原料空気と直接に接触するのを防ぐことができ、酸素濃縮器１０の耐久性および安全性を向上させることができる。また、膜層の存在により、板状吸音部材３７０の表面抵抗を低減することができるので、原料空気の流れへの影響を抑えることができ、原料空気の圧力損失を抑えることができる。したがって、小さい能力のコンプレッサ１０４を採用することができ、コンプレッサ１０４自体の動作音を抑えることができる。ここでは、膜層は、母材層の原料空気が通過する側の面に熱融着された高分子フィルムであるものとする。

板状吸音部材３７０の吸音性能は、背面空気層３８０の厚さに依存する。したがって、背面空気層３８０の厚さを設計値通りとなるように吸気タンク１０３を製作することは重要である。

また、吸気タンク１０３の製作は、生産コスト低減の観点から、できるだけ簡単に行えることが望ましい。このため、板状吸音部材３７０は、筒部３１０の内部に押し込んでねじ留めするだけで背面空気層３８０の厚さが設計値通りとなるような構造となっている。ここでは、図２の所定位置３１１が、背面空気層３８０の厚さが設計値通りとなる吸音部３７１の位置とする。なお、板状吸音部材３７０を筒部３１０に固定する固定手段は、ねじに限定されるものではなく、リベット、両面テープ等、他の各種固定手段を採用することができる。

図４は、板状吸音部材３７０の構造を示す斜視図である。ここでは、筒部３１０の内壁断面が矩形であり、吸音部３７１の平面形状はこの筒部３１０の内壁断面の形状に一致しているものとする。

図４に示すように、板状吸音部材３７０は、吸音部３７１の対向する２辺のそれぞれに、固定部３７２を連続配置した構造となっている。板状吸音部材３７０は、コの字型、つまり、吸音部３７１に対して固定部３７２が直角となった状態の形状で成型されてもよい。または、板状吸音部材３７０は、吸音部３７１に対して固定部３７２が折り曲げ自在な構造を有してもよい。後者の場合には、例えば、吸音部３７１と固定部３７２とを平面的に並べて板状に成型し、後から、吸音部３７１と固定部３７２との間に切れ目を入れ、切れ目を折ってコの字型に変形させるようにすれば、安価に板状吸音部材３７０を製作することが可能となる。

板状吸音部材３７０の高さＨは、背面空気層３８０の厚さの設計値と同一である。また、一方の固定部３７２から他方の固定部３７２までの外寸Ｌは、筒部３１０の内寸幅と同一である。また、吸音部３７１および固定部３７２の奥行きＤは、筒部３１０の内寸奥行きと同一である。これにより、吸音部３７１を、底部３３０を取り付ける側の端部から筒部３１０の内部に押し込み、固定部３７２の端部が筒部３１０の端部に一致するまで吸音部３７１を移動させれば、背面空気層３８０の厚さを容易に設計値通りとすることができる。

なお、外寸Ｌおよび奥行きＤは、上記寸法よりもやや大きめに設定してもよい。これにより、板状吸音部材３７０と筒部３１０との間の摩擦力を大きくすることができ、取り付け後に板状吸音部材３７０の位置がずれるのをより確実に防ぐことができる。また、この場合には、ねじ３７３を省略してもよい。

また、特に吸音部３７１に対して固定部３７２が折り曲げ自在となっておりねじ３７３を省略する場合には、吸音部３７１の向きが曲がってしまうのを防ぐために、吸音部３７１を３つ以上の辺に固定部３７２を配置してもよい。また、この場合には、３つ目の固定部３７２は、他の固定部３７２にのみ連続し、筒部３１０に挿入されたとき、３つ目の固定部３７２の辺が吸音部３７１の辺を係止する構成としてもよい。

また、固定部３７２は、部分的に上記寸法を有する構造としてもよい。例えば、固定部３７２は、Ｈ型、逆Ｔ字型、Ｏ字型、Π字型の平面形状とすることができる。ただし、固定部３７２は、できるだけ大きい面積としたほうが、固定部３７２自体による吸音性能を向上させることができる。

また、固定部３７２は、底部３３０に予め固定されており、底部３３０が筒部３１０に連結されることにより筒部３１０の内部に押し込まれる構成としてもよい。この場合には、板状吸音部材３７０の取り付けに関して筒部３１０の内部に直接に行う作業がなくなるため、特に製品完成後の板状吸音部材３７０の交換が容易となる。

図２および図３の短管３９０は、例えばアルミニウムを素材として一体成型された円筒状部材である。短管３９０の一端はフレア加工されており、上述の通り、フレア加工部分において取入口３５０に固定されている。短管３９０の内径は、取入口３５０の内径と同一である。短管の長さは、蓋部３２０から、吸音部３７１が配置される所定位置３１１までの長さよりも短い。すなわち、短管３９０の開放端は、吸音部３７１から離隔しており、原料空気をタンク部３４０内にスムーズに導入することができるようになっている。

次に、コンプレッサ１０４から吸気タンク１０３に伝達する動作音の周波数特性と、吸気タンク１０３の構造と、吸気タンク１０３の吸音効果および消音効果と間の関係について説明する。

図５は、タンク部３４０に吸音構造部を設けていないときの酸素濃縮器１０の騒音測定データを示す図である。ここでは、タンク部３４０の空洞を、縦１６０ｍｍ、幅４４ｍｍ、および奥行き３６ｍｍとし、取入口３５０および排出口３６０の内径を６ｍｍとしたときのデータである。

図６は、タンク部３４０に吸音構造部を設けたときの酸素濃縮器１０の騒音測定データを示す図であり、図５に対応するものである。ここでは、厚さ４０ｍｍの背面空気層３８０を有する吸音構造部と、長さが１０７ｍｍであって内径が６ｍｍの短管３９０を設けたときのデータである。

吸音構造部を設けていないときの図５に示すデータにおいて、高い騒音レベルを示す周波数成分のうち、騒音の主な原因となるのは、９５０Ｈｚ以下の周波数成分である。したがって、板状吸音部材３７０の母材層は、例えば、９５０Ｈｚ以下の周波数領域において高い吸音率が認められる多孔質素材を用いる。なお、母材層は、加工性および筒部３１０への嵌め込みの作業性の観点から、適度な剛性および柔軟性を有した素材であることが望ましい。

また、上述の通り、板状吸音部材３７０の存在により、母材層による吸音効果とは別に、母材層および膜層の共振による吸音効果を得ることができる。共振周波数は、母材層および膜層それぞれの材料、厚さ、大きさ、および形状等の設定により、調整可能である。したがって、目的とする騒音を吸収するのに最も適した材料等に、母材層および膜層をそれぞれ設定することにより、コンプレッサ１０４の動作音に対し、母材層および膜層による膜吸音効果を得ることができる。

なお、板状吸音部材３７０を通過して背面空気層３８０に進入した音の大部分は、底面部３３１で反射して再び板状吸音部材３７０に戻る。これにより、音の反射面である底面部３３１からλ／４の距離で空気の振動がピークとなる。したがって、背面空気層３８０の厚さに母材層の厚さの１／２を足した長さの４倍の波長の付近の音およびこの音の整数倍の周波数の音に対する吸音率を向上させることができる。

吸気タンク１０３を膨張型消音器としてみたときの透過損失特性は、タンク部３４０内部の空洞の長さおよび断面積、取入口３５０および排出口３６０の内部断面積によって異なる。また、膨張型消音器では、透過損失が落ち込む周波数帯域が多く存在する。しかし、短管３９０を挿入することにより、この透過損失の落ち込みを抑制し、透過損失性能を改善することができる。すなわち、短管３９０を挿入することにより、コンプレッサ１０４の動作音に対し、より高い消音効果を得ることができる。

図５と図６との比較から明らかなように、吸音構造部を設けることにより、４５０Ｈｚ付近、９００Ｈｚ付近、および２００Ｈｚ付近の周波数成分について、大きな消音効果（透過損失効果）を得ることができた。

なお、酸素濃縮器１０の静音化の観点から最も適切な、板状吸音部材３７０の素材および厚さ、背面空気層３８０の厚さ、および短管３９０の長さ等は、例えば、シミュレーションまたは実験により求めることができる。

また、短管３９０は、排出口３６０側にも設けてもよいし、排出口３６０側にのみ設けてもよい。更に、短管３９０は、長さの調整が可能な構成とし、共鳴による吸音効果が得られる周波数を任意に変更することができるようにしてもよい。

以下、上述のように構成された酸素濃縮器１０の動作について説明する。

酸素濃縮器１０への電源供給が開始されると、所定のセルフチェックプログラムによって動作環境が整えられる。操作者（患者または介護者）により、筐体１００に設けられた操作部において酸素流量および酸素濃度が指定されると、流量制限オリフィス１２１は、その設定内容に応じて流路の断面積を調整する。

コンプレッサ１０４は、筐体１００の外部から、風路ケース１０１、ヘパフィルタ１０２、および吸気タンク１０３を介して、原料空気を導入し、導入した原料空気を圧縮して圧縮空気を生成する。このとき、ヘパフィルタ１０２は、通過する原料空気から空中浮遊粒子を除去する。

また、吸気タンク１０３は、上述の通り、吸気タンク１０３に伝達したコンプレッサ１０４の動作音を吸収する吸音効果を有する。したがって、吸気タンク１０３は、コンプレッサ１０４が原料空気を導入する際の、吸気口からのコンプレッサ１０４の動作音の漏洩を抑制する。

コンプレッサ１０４で生成された圧縮空気は、冷却パイプ１０５を介してマニホールド１０８に送られる。マニホールド１０８は、第１および第２の切替弁１０９ａ、１０９ｂの開閉状態の切替えにより、コンプレッサ１０４から送られた圧縮空気を第１および第２のシーブベッド１１０、１１１を交互に通過させるとともに、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１から窒素富化空気を交互に排気させる。第１および第２のシーブベッド１１０、１１１は、ゼオライトによる窒素の吸着と脱着とを交互に繰り返す。この結果、高濃度酸素が第１および第２のシーブベッド１１０、１１１から交互に製品タンク１１２に送られ続け、製品タンク１１２には、高濃度酸素が収容される。なお、ゼオライトは窒素だけでなく水分をも吸着するので、製品タンク１１２に収容される高濃度酸素は、水分がほとんど含まれていない乾燥した状態である。

一方、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１は、ゼオライトによる窒素の吸着と脱着との繰り返しの結果、窒素富化空気を、マニホールド１０８を介して、消音器１１５の排気口１１５ａから筐体１００の外部に排出し続ける。窒素富化空気の排気は、第１および第２の切替弁１０９ａ、１０９ｂの開閉切り替えごとに高い圧力で一気に行われる（例えば、１回の排気で数十リットル）。この排気に伴う音は比較的大きいため、消音器１１５により、この音の静音化を図っている。

製品タンク１１２に収容された高濃度酸素は、レギュレータ１１７、止め弁１１８、バクテリアフィルタ１２０、流量制限オリフィス１２１、流量センサ１２３、加湿器１２４、および酸素出口１２５を介して、筐体１００の外部に放出される。

レギュレータ１１７は、製品タンク１１２の直後に設けられた圧力センサ１１６の検出結果に基づいて、製品タンク１１２直後の高濃度酸素の圧力の調整を行う。バクテリアフィルタ１２０は、高濃度酸素を除菌する。流量制限オリフィス１２１は、高濃度酸素の流量を制限する。圧力センサ１２２および流量センサ１２３は、放出される高濃度酸素が設定通りに処理されているか否かをモニタリングする。このモニタリング結果は、メモリ（図示せず）に記録され。加湿器１２４は、酸素出口１２５の直前で、高濃度酸素を加湿し、高濃度酸素に患者が吸引するために最適な水分を与える。

酸素出口１２５から放出される高濃度酸素は、酸素出口１２５に接続されたチューブ（図示せず）およびチューブの他端に接続された酸素マスクや鼻腔カニューラを介して、患者に吸引される。

また、上記の高濃度酸素生成の動作が行われている間、冷却用ファン１０７は、外気を筐体１００内部に吸引して循環させ、排気する。冷却用ファン１０７が循環させる外気は、コンプレッサ１０４、冷却パイプ１０５、マニホールド１０８、および制御に用いられるＣＰＵ等の部品を冷却する。これにより、第１および第２のシーブベッド１１０、１１１における窒素吸着効率等の装置性能が改善されるだけでなく、酸素濃縮器１０の各部の耐久性および酸素濃縮器１０の装置信頼性が向上する。

このように、酸素濃縮器１０は、原料空気の吸気口からのコンプレッサ１０４の動作音の漏洩を抑制した状態で、高濃度酸素を患者に継続的に供給することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、コンプレッサ１０４の前に、膨張型消音器として機能する吸気タンク１０３を設け、更に、吸気タンク１０３内に、コンプレッサ１０４の動作音を吸収する吸音構造部を設けた。これにより、本実施の形態の酸素濃縮器１０は、原料空気の吸気口からのコンプレッサの動作音の漏洩を抑制することができる。

また、吸音構造部は、板状吸音部材３７０と、板状吸音部材３７０と吸気タンク１０３の内壁との間の背面空気層３８０という、実質的には板状吸音部材３７０を吸気タンク１０３に追加しただけの簡単な構造である。これにより、吸音構造部は、簡単に低コストで実装することができる。

また、板状吸音部材３７０は、高分子繊維から成る母材層と高分子フィルムの膜層とから成るので、高い吸音効果を発揮することができる。

また、母材層は、高分子繊維不織布を圧縮したものであるため、吸音性能を保持しつつ適度な硬さを得ることができ、立体形状を維持することができる。

また、膜層は、高分子フィルムを母材層に融着したものであるため、内部摩擦による吸音効果を向上させることができる。更に、原料空気の清浄性を保ち、かつ、原料空気の摩擦損失を抑えた状態で、より高い吸音性能を得ることができる。

また、吸音材としてポリエステル繊維を用いるので、ウレタンフォーム等の従来の多孔質材料に比べて、耐久性、作業環境性、およびリサイクル性において優れた吸音部材を提供することができる。

また、吸気タンク１０３は、底部３３０を筒部３１０に後付けすることにより製作可能となっている。これにより、底部３３０が連結される開口から筒部３１０内部に板状吸音部材３７０を挿入することができ、簡単に吸音構造部を実装することができる。

また、板状吸音部材３７０は、筒部３１０内壁にぴったりと嵌め込まれる構造であって、筒部３１０の端部を基準として設計通りに位置決め可能な構造となっている。これにより、簡単かつ確実に吸音構造部を実装することができるだけでなく、板状吸音部材３７０の交換が容易となることから、メンテナンスの手間を軽減することができる。

また、板状吸音部材３７０の上記構造は、簡単に実現することができるので、低コストで吸音構造部を実装することができる。

なお、板状吸音部材３７０の形状は、上述のコの字型に限定されるものではなく、要求される吸音性能に応じて、様々な形状を適用することができる。吸音構造部の吸音性能および原料空気の流れの状態は、背面空気層３８０の厚さおよび吸音部３７１の形状によって異なる。したがって、吸音背面空気層３８０の厚さおよび吸音部３７１の形状を変更することにより、吸音可能帯域の広域化や、原料空気の流れの最適化が可能となるだけでなく、双方をバランス良く実現することができる。

以下、本実施の形態の変形例として、板状吸音部材３７０の他の形状を例示する。各変形例で参照する各図は、吸気タンク１０３の構造を示す断面図であり、図２に対応するものである。図２と同一部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。

（変形例１）
図７に示すように、本実施の形態の変形例１に係る板状吸音部材３７０−１は、底部３３０に対して斜めに傾いた角度で配置された吸音部３７１−１と、吸音部３７１−１と一体的に形成された固定部３７２−１とにより構成される。このような板状吸音部材３７０−１によれば、図２に示す板状吸音部材３７０に比べて、背面空気層３８０の厚さ成分の範囲を拡大させることができるので、吸音効果が低下する周波数帯域も存在し得るものの、より広い周波数領域で吸音効果を得ることが可能となる。以降の各変形例においても、同様の効果を得ることができる。

（変形例２）
図８に示すように、本実施の形態の変形例２に係る板状吸音部材３７０−２は、中央部が背面空気層３８０側にＶ字型に窪んだ立体形状の吸音部３７１−２と、吸音部３７１−２と一体的に形成された固定部３７２−２とにより構成される。このような板状吸音部材３７０−２によれば、吸音部３７１−２の強度を向上させることができる。以降の各変形例においても、同様の効果を得ることができる。

なお、吸音部３７１−２をこのような立体形状とする場合、板状吸音部材３７０−２は、繊維を縦配向とした不織布を、真空成型または熱過熱成型により圧縮成型して製作することが望ましい。縦配向を採用し、真空成型または熱過熱成型を行うことで、立体成型が容易となり、更に、強度の高い部材を得ることができるからである。

（変形例３）
図９に示すように、本実施の形態の変形例３に係る板状吸音部材３７０−３は、階段状に折り曲げられた立体形状の吸音部３７１−３と、吸音部３７１−３と一体的に形成された固定部３７２−３とにより構成される。このような板状吸音部材３７０−３によれば、吸音部３７１−２の強度を更に向上させることができる。また、周波数領域において離散的に、高い吸音効果を得ることができる。

（変形例４）
図１０に示すように、本実施の形態の変形例４に係る板状吸音部材３７０−４は、中央部が原料空気通過側にＶ字型に突出した立体形状の吸音部３７１−４と、吸音部３７１−４と一体的に形成された固定部３７２−４とにより構成される。このような板状吸音部材３７０−４によれば、クサビ形状により、より多くの方向からの反射波を効率的に受けることができ、より高い吸音効率を得ることが可能となる。

（変形例５）
図１１に示すように、本実施の形態の変形例５に係る板状吸音部材３７０−５は、中央部が原料空気通過側に円錐状に突出した立体形状の吸音部３７１−５と、吸音部３７１−５と一体的に形成された固定部３７２−５とにより構成される。このような板状吸音部材３７０−５によれば、より多くの方向からの反射波を効率的に受けることができ、より高い吸音効率を得ることができる。

（変形例６）
図１２に示すように、本実施の形態の変形例６に係る板状吸音部材３７０−６は、中央部が背面空気層３８０側に椀状に窪んだ立体形状の吸音部３７１−６と、吸音部３７１−６と一体的に形成された固定部３７２−６とにより構成される。このような板状吸音部材３７０−６によれば、より多くの方向からの反射波を効率的に受けることができ、より高い吸音効果を得ることができる。更に、曲面となっているため、原料空気の流れを円滑にし、原料空気の圧力損失をより低下させることができる。

（変形例７）
図１３に示すように、本実施の形態の変形例７に係る板状吸音部材３７０−７は、山型に厚くなった直線部分を複数有する吸音部３７１−７と、吸音部３７１−７と一体的に形成された固定部３７２−７とにより構成される。このような板状吸音部材３７０−７によれば、場所によって厚さが異なるため、より多くの方向からの反射波を効率的に受けることができ、より高い吸音効果を得ることができる。

（変形例８）
図１４に示すように、本実施の形態の変形例８に係る板状吸音部材３７０−８は、山型に厚くなった同心円部分を複数有する吸音部３７１−８と、吸音部３７１−８と一体的に形成された固定部３７２−８とにより構成される。このような板状吸音部材３７０−８によれば、場所によって厚さが異なるため、より多くの方向からの反射波を効率的に受けることができ、より高い吸音効果を得ることができる。

なお、以上説明した本実施の形態では、本発明に係る空気供給装置を酸素濃縮器に適用した場合を例として説明したが、これに限定されない。本発明に係る空気供給装置は、例えば、コンプレッサを用いて空気を供給する他の各種装置に適用することができ、特に、静音性および安全性が要求される医療用人工呼吸器等の医療用機器に好適である。また、空気供給装置は、本実施の形態のように空気供給を必要とする装置に内蔵される形態としてもよいし、当該装置の外部に配置されて接続される形態としてもよい。

本発明の一実施の形態に係る酸素濃縮器の構成を示す概略斜視図 本実施の形態における吸気タンクの構造を示す断面図 本実施の形態における吸気タンクの構造を示す透過斜視図 本実施の形態における板状吸音部材の構造を示す斜視図 本実施の形態における吸音構造部を設けていないときの騒音測定データを示す図 本実施の形態における吸音構造部を設けたときの騒音測定データを示す図 本実施の形態の変形例１に係る吸気タンクの構造を示す断面図 本実施の形態の変形例２に係る吸気タンクの構造を示す断面図 本実施の形態の変形例３に係る吸気タンクの構造を示す断面図 本実施の形態の変形例４に係る吸気タンクの構造を示す断面図 本実施の形態の変形例５に係る吸気タンクの構造を示す断面図 本実施の形態の変形例６に係る吸気タンクの構造を示す断面図 本実施の形態の変形例７に係る吸気タンクの構造を示す断面図 本実施の形態の変形例８に係る吸気タンクの構造を示す断面図

符号の説明

１０ 酸素濃縮器
１００ 筐体
１０１ 風路ケース
１０２ ヘパフィルタ
１０３ 吸気タンク
１０４ コンプレッサ
１０５ 冷却パイプ
１０７ 冷却用ファン
１０８ マニホールド
１０９ａ、１０９ｂ 切替弁
１１０、１１１ シーブベッド
１１２ 製品タンク
１１３ 均圧弁
１１４ パージオリフィス
１１５ 消音器
１１５ａ 排気口
１１６ 圧力センサ
１１７ レギュレータ
１１８ 止め弁
１１９ 酸素センサ
１２０ バクテリアフィルタ
１２１ 流量制限オリフィス
１２２ 圧力センサ
１２３ 流量センサ
１２４ 加湿器
１２５ 酸素出口
３１０ 筒部
３２０ 蓋部
３３０ 底部
３３１ 底面部
３３２ 装置取付部
３４０ タンク部
３５０ 取入口
３５１ プラグ部
３５２ ナット部
３６０ 排出口
３７０ 板状吸音部材
３７１ 吸音部
３７２ 固定部
３７３ ねじ
３８０ 背面空気層
３９０ 短管

Claims (14)

1. 筐体と、
   原料空気である前記筐体の外部の空気を取り込む空気供給路と、
   前記空気供給路を介して前記原料空気を導入し、導入した前記原料空気を圧縮するコンプレッサと、を有する空気供給装置であって、
   前記空気供給路は、
   板状吸音部材と、前記板状吸音部材と前記空気供給路の内壁との間の背面空気層とから成り、前記コンプレッサの動作音を吸収する、吸音構造部を内部に有する、
   空気供給装置。
2. 前記空気供給路は、
   径が拡大した部分である空洞を有し、前記空洞内に、前記板状吸音部材と前記背面空気層とを備えている、
   請求項１記載の空気供給装置。
3. 前記背面空気層は、前記板状吸音部材と前記空気供給路の内壁とにより閉じられた空間である、
   請求項１記載の空気供給装置。
4. 前記板状吸音部材は、多孔質素材から成る母材層を少なくとも有する、
   請求項１記載の空気供給装置。
5. 前記母材層は、ポリエステル繊維の不織布を圧縮成型した層であり、前記板状吸音部材は、更に、前記母材層に高分子フィルムを熱融着した膜層を有する、
   請求項４記載の空気供給装置。
6. 前記母材層の基となる不織布は縦配向であり、前記板状吸音部材は、真空成型または熱過熱成型により形成された、前記背面空気層の少なくとも一部を囲む立体形状部分を有する、
   請求項５記載の空気供給装置。
7. 前記板状吸音部材は、少なくとも前記コンプレッサに導入される前記原料空気と接触する部分に、前記膜層を有する、
   請求項５記載の空気供給装置。
8. 前記板状吸音部材は、前記空気供給路の内壁の所定の面に隣接する面に接触して前記所定の面を覆う吸音部を有する、
   請求項１記載の空気供給装置。
9. 前記所定の面を構成する部材は、前記隣接する面を構成する部材に対して後付けが可能である、
   請求項８記載の空気供給装置。
10. 前記板状吸音部材は、前記吸音部が、前記隣接する面に接する予め定められた位置に配置されたときに、前記隣接する面を構成する部材の端部にその端部が一致する固定部分を有する、
    請求項８記載の空気供給装置。
11. 前記固定部分は、少なくとも前記吸音部が前記予め定められた位置に配置されたときに、前記隣接する面に接触する、
    請求項１０記載の空気供給装置。
12. 前記空洞は、
    前記原料空気の取入側および前記原料空気の排出側の少なくとも１つに短管を有する、
    請求項２記載の空気供給装置。
13. 医療用人工呼吸器に接続または内蔵可能である、
    請求項１記載の空気供給装置。
14. 請求項１記載の空気供給装置と、
    圧縮された前記原料空気から高濃度酸素を分離し、分離した前記高濃度酸素を放出する吸着塔と、を有する、
    酸素濃縮器。
    

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