JP4934750B1 - ポンプユニット、呼吸補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプユニットにおいて、能力を向上させながらも、大幅な小型化を達成する。
【解決手段】マイクロポンプ５００を行と列の関係となる格子状に配置し、少なくとも最下流行のマイクロポンプ５００の吐出口を統合吐出口に接続する。更に、中間行の複数のマイクロポンプのそれぞれの吐出口を統合吐出口に直結させる吐出直結機構と、同マイクロポンプのそれぞれの吸入口を、最初に供給される前記流体に直結させる吸入直結機構と、上流行のマイクロポンプの吐出口を、下流行の前記マイクロポンプの吸入口に直結させる直列結合機構と、これらを制御する制御装置を備えるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロポンプを利用して流体を搬送するポンプユニット、及びこのポンプユニットを用いた呼吸補助装置に関する。

医療現場では人工呼吸器など呼吸補助装置が用いられる。この呼吸補助装置の種類には、自発呼吸のない患者（全身麻酔、心肺蘇生中、重篤な患者）に用いる調節換気（Controlled Ventilation）方式や、患者の自発呼吸に合わせて気道に陽圧を作り出す補助換気方式（Assisted Ventilation）方式、補助換気と調節換気を組み合わせた部分的補助換気（Assist/Control）方式、気道の供給する気体を５〜４０Ｈｚの頻度で振動させて、１〜２ｍｌ／ｋｇの非常に少ない１回換気量を実現する高頻度振動換気（high frequency occilation）などが採用される。

なお、この呼吸補助装置は、睡眠時の呼吸障害の患者にも利用される。この呼吸障害は、睡眠中に気道の筋肉が弛緩して舌根部や軟口蓋が下がり、気道を閉塞することによって生じる。この種の呼吸障害の患者に対しても、気道に正圧を印加することで、その症状が緩和する。

いずれの呼吸補助装置においても、気道に陽圧を作り出すためのポンプユニットが必要となる。このポンプユニットの動力源には、ファンを回転させて気体を搬送するブロアや、ピストンを往復運動させて気体を搬送するシリンダポンプなどが使用される。

しかしながら、従来の呼吸補助装置では、このポンプユニットが比較的大きいことから、これを箱状の筐体に収容して使用者の脇に設置して用いる。従って、呼吸補助装置のコンパクト化が難しいという問題があった。

また、呼吸補助装置で用いるポンプユニットは、例えば図１８に示されるように、吸気動作時は、最初は高い流量で素早く昇圧（陽圧化）し、その後、更に圧力を高めて吸気をアシストしながら流量を一定に維持する。呼気動作時は、高い流量で素早く減圧（負圧化）し、圧力が低下したら流量を次第に低下させて肺に負担をかけないように制御する。この制御は一例であり、実際には様々制御モードが要求されるが、この種の細かい制御を行う為には、大きめのブロアやシリンダポンプを利用して、圧力と流量を自在に変更できるようにしなければならない。従って、ポンプユニットの小型化が益々難しいという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、圧力や流量を自在に制御可能としながらも、大幅な小型化を実現できるポンプユニット及びこのポンプユニットを用いた呼吸補助装置を提供することを目的とする。

本発明者の鋭意研究により、上記目的は以下の手段によって達成される。

即ち、上記目的を達成する本手段は、行と列の関係となる格子状に配置され、前記列に沿った方向に流体を搬送する複数のマイクロポンプと、少なくとも最下流行の前記マイクロポンプの吐出口が直結されて、前記マイクロポンプによって搬送される前記流体が最終的に吐出される統合吐出口と、中間行の前記複数のマイクロポンプのそれぞれの吐出口を、前記統合吐出口に直結させる吐出直結機構と、中間行の前記複数のマイクロポンプのそれぞれの吸入口を、最初に供給される前記流体に直結させる吸入直結機構と、上流行の前記マイクロポンプの吐出口を、下流行の前記マイクロポンプの吸入口に直結させる直列結合機構と、前記吐出直結機構、前記吸入直結機構及び前記直列結合機構を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、上流行の前記マイクロポンプの吐出口を下流行の前記マイクロポンプの吸入口に直結させて前記列方向の接続を構築し、前記複数のマイクロポンプを圧力優先搬送状態とする一方、複数行の前記マイクロポンプの吐出口を前記統合吐出口に直結すると共に、複数行に配置される前記マイクロポンプの吸入口を、最初に供給される前記流体に直結させることで、前記複数のマイクロポンプを流量優先搬送状態とし、前記圧力優先搬送状態では、上流行の前記マイクロポンプの駆動数に対して、下流行の前記マイクロポンプの駆動数が小さいことを特徴とする、ポンプユニットである。

上記発明において、上記目的を達成するポンプユニットは、上流行の前記マイクロポンプの配置数に対して、下流行の前記マイクロポンプの配置数が同じ又は小さいことを特徴とすることが好ましい。

上記発明において、上記目的を達成するポンプユニットの前記制御装置は、前記圧力優先搬送状態と前記流量優先搬送状態を同時に組み合わせると共に、前記圧力優先搬送状態によって相互接続される前記行の数と、前記流量優先搬送状態によって前記統合吐出口に直結される前記行の数の占有関係を切り換えることで、前記流体の搬送圧力及び搬送流量を段階的に切り換えること特徴とすることが好ましい。

上記発明において、上記目的を達成するポンプユニットの前記吐出直結機構、前記吸入直結機構及び前記直列結合機構は、前記行に配置される複数の前記マイクロポンプの全体に対して、まとめて、接続関係を切り換えることを特徴とすることが好ましい。

上記発明において、複数のマイクロポンプが並列配置される並列ポンプユニットを複数段に備えており、上流側の前記並列ポンプユニットと下流側の前記並列ポンプユニットの間には、上流側の前記並列ポンプユニットの前記複数のマイクロポンプから吐出される流体が合流する吐出側合流空間と、下流側の前記並列ポンプユニットの前記複数のマイクロポンプに対して、流体を分岐させながら供給する吸入側分岐空間と、上流側の前記並列ポンプユニットの前記吐出側合流空間を、下流側の前記並列ポンプユニットの前記吸入側分岐空間に直結・遮断する直列結合弁と、上流側の前記並列ポンプユニットの前記吐出側合流空間を、流体が最終的に吐出される統合吐出口に直結・遮断する吐出直結弁と、下流側の前記並列ポンプユニットの前記吸入側分岐空間を、最初に供給される前記流体に直結・遮断する吸入直結弁と、が配置されることを特徴とする、ポンプユニットである。

上記発明において、上記目的を達成するポンプユニットは、前記吐出直結弁、前記吸入直結弁及び前記直列結合弁を制御する制御装置を更に備え、前記制御装置は、前記直列結合弁を直結状態、前記吐出直結弁及び前記吸入直結弁を遮断状態として、上流側の前記並列ポンプユニットと下流側の前記並列ポンプユニットを直列接続する圧力優先搬送状態と、前記直列結合弁を遮断状態、前記吐出直結弁及び前記吸入直結弁を直結状態として、上流側及び下流側の前記並列ポンプユニットを並列接続する流量優先搬送状態と、を切り換えることを特徴とすることが好ましい。

上記目的を達成する本手段は、呼気又は吸気の気体が通過する流路と、前記流路内に配置されて呼気又は吸気方向に加速用の気体を噴出するノズルと、前記流路の周囲に固定され、前記ノズルに対して前記加速用の気体を供給する上記発明のいずれかに記載のポンプユニットと、を備える事を特徴とする、呼吸補助装置である。

本発明によれば、能力は維持しながらも、ポンプユニットを大幅に小型化することが可能になるという優れた効果を奏し得る。

本発明の第１実施形態に係るポンプユニットの概念構成を示した図である。 （Ａ）は同ポンプユニットで用いられるマイクロポンプの構成例を示す断面図であり、（Ｂ）は同マイクロポンプの圧力−流量線を示すグラフである。 同ポンプユニットで用いられる制御装置のハード構成を示すブロック図である。 同ポンプユニットで用いられる制御装置の機能構成を示すブロック図である。 同ポンプユニットの制御例を示す図である。 同ポンプユニットの制御例を示す図である。 同ポンプユニットの制御例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るポンプユニットの概念構成を示した図である。 同ポンプユニットの制御例を示す図である。 同ポンプユニットの制御例を示す図である。 同ポンプユニットで選択可能な直列数及び並列数を示すグラフである。 同ポンプユニットの他の構成例を示す図である。 同ポンプユニットの他の構成例を示す図である。 （Ａ）は本発明の第３実施形態に係る呼吸補助装置の構成を示す正面断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。 同呼吸補助装置の制御例を示す断面図である。 同呼吸補助装置の他の構成例を示す断面図である。 同呼吸補助装置の他の構成例を示す断面図である。 一般的な呼吸補助装置における圧力及び流量の制御例を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の例について詳細に説明する。

図１には、本発明の第１実施形態に係るポンプユニット１の概念構成が例示されている。このポンプユニット１は、ｍ１〜ｍ５行とｎ１〜ｎ５列となる概念的には格子状に、複数（ここでは２５個）のマイクロポンプ５００が配置されている。マイクロポンプ５００は、ｎ１〜ｎ５列に沿った方向に流体を搬送する。

まず先に、マイクロポンプ５００の構造例を図２（Ａ）を参照して説明する。このマイクロポンプ５００は、特許文献ＷＯ２００８／０６９２６６で提案されているものであり、圧電素子５０１をダイヤフラム５０２に固定し、ダイヤフラム５０２に対向するように振動壁５２０を配置して一次ブロア室５２０Ａを形成する。なお、この振動壁５２０には、一次ブロア室５２０Ａの内外で流体を移動させる開口５２２を形成する。更に、一次ブロア室５２０Ａの外側には、開口５２２と連続させて二次ブロア室５４０を配置する。この二次ブロア室５４０には、開口５２２と対向する位置に吐出口５４２を配置し、更に二次ブロア室５４０の周囲と連続するようにして吸入口５４４を配置する。圧電素子５０１によってダイヤフラム５０２を振動すると、二次ブロア室５４０と一次ブロア室５２０Ａの間で流体が移動し、この流体抵抗によって振動壁５２０も共振する。このダイヤフラム５０２と振動壁５２０の共振によって、吸入口５４４から流体が吸い込まれて、吐出口５４２から流体が放出される。このマイクロポンプ５００は、気体を搬送するブロア用途に適しており、逆止弁を用いることなく搬送できる。なお、このマイクロポンプ５００は、外径が２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ程度の箱形状であって極めて小さいものの、入力正弦波を１５Ｖｐｐ（Volt peak to peak）で２６ｋＨｚとした場合で、最大約１Ｌ／分（静圧０Ｐａ時）の空気を搬送でき、また最大静圧２ｋＰａ（流量０Ｌ／分）を得ることが出来る。一方、このマイクロポンプ５００は、圧電素子５０１によるダイヤフラム５０２の振動で流体を搬送することから、搬送可能な流体の体積に自ずと限界があり、この静圧／流量特性も図２（Ｂ）に示すような直線を示す。従って、例えば約１ｋＰａの静圧を得ようとすると、流量は０．５Ｌ／分となる。なお、入力正弦波のＶｐｐを１０や２０に変化させれば、圧電素子５０１の振幅が変化するので、流量及び圧力を変化させることができる。すなわち、入力正弦波のＶｐｐを滑らかに変化させた場合には、流量及び圧力を滑らかに変化させることができる。あるいは、入力正弦波の周波数を変化させれば、流量及び圧力を変化させることができる。すなわち、入力正弦波の周波数を滑らかに変化させた場合には、流量及び圧力を滑らかに変化させることができる。ただし、流量及び圧力には、圧電素子の能力や部材の強度や耐久性によって上限がある。通常は定格のＶｐｐ及び周波数で使用される。

なお、ここでは１つの圧電素子をダイヤフラムに貼り付けたモノモルフ（ユニモフル）構造を紹介しているが、勿論、２つの圧電素子を貼り合わせて振動量を増やすバイモフル構造を採用することもできる。なお、マイクロポンプ５００の構造は、液体の搬送に適した構造など、他にも様々に存在する。従って本発明では、その目的に応じて最適な構造を採用すれば良い。すなわち、本実施形態におけるマイクロポンプ５００は、逆止弁を用いることなく気体を搬送できるが、そのマイクロポンプ５００に代えて、吐出口又は吸入口に逆止弁を備えるマイクロポンプを適用しても良い。

図１に戻って、このポンプユニット１は、統合吐出口５０と統合吸入口６０を備える。統合吐出口５０は、全てのマイクロポンプ５００によって搬送される流体が最終的に吐出される部位となる。この統合吐出口５０には、少なくとも最下流のｍ１行に属しているマイクロポンプ５００の吐出口５４２が直結される。また、統合吐出口５０に近辺には、ここから吐出される流体の流量を計測する流量センサ５２と、同流体の圧力を検出する圧力センサ５４が設置されている。統合吸入口６０は、全てのマイクロポンプ５００によって搬送される流体が最初に供給される部位となる。この統合吸入口６０には、少なくとも最上流のｍ５行に属しているマイクロポンプ５００の吸入口５４４が直結される。

ポンプユニット１は、吐出直結機構７０、吸入直結機構８０、直列結合機構９０を備える。吐出直結機構７０は、少なくとも中間に位置するｍ２〜ｍ４行に属するマイクロポンプ５００のそれぞれの吐出口５４２を、統合吐出口５０に直結させる。特に本実施形態では、最上流のｍ５行に属するマイクロポンプ５００のそれぞれの吐出口５４２も統合吐出口５０に直結可能としている。吸入直結機構８０は、少なくとも中間に位置するｍ２〜ｍ４行に属するマイクロポンプ５００のそれぞれの吸入口５４４を、統合吸入口６０に直結させる。特に本実施形態では、最下流のｍ１行に属するマイクロポンプ５００のそれぞれの吸入口５４４も統合吐出口６０に直結可能としている。

直列結合機構９０は、列方向（図面における上下方向）に隣接する一対のマイクロポンプ５００間で、上流行のマイクロポンプ５００の吐出口５４２を、下流行のマイクロポンプ５００の吸入口５４４に直結させる。

本実施形態のポンプユニット１では、これらの吐出直結機構７０、吸入直結機構８０及び直列結合機構９０が、行を単位として、各行に配置される複数のマイクロポンプ５００の全体の接続関係をまとめて切り換える。即ち、吐出直結機構７０、吸入直結機構８０及び直列結合機構９０は、ｍ１行とｍ２行の間、ｍ２行とｍ３行の間、ｍ３行とｍ４行の間、ｍ４行とｍ５行の間にそれぞれ１つずつ配置される。各行間に配置される吐出直結機構７０は、対応する行に属している全てのマイクロポンプ５００の吐出口５４２を、まとめて統合吐出口５０に直結する。各行間に配置される吸入直結機構８０は、対応する行に属している全てのマイクロポンプ５００の吸入口５４４を、まとめて統合吸入口６０に直結する。各行間に配置される直列結合機構９０は、上流行に属している全てのマイクロポンプ５００の吐出口５４２を、まとめて、下流行に属しているマイクロポンプ５００の吸入口５４４に直結する。このようにすると、弁構造及び弁制御が簡潔化される。なお、構造は複雑化するものの、行単位ではなく、マイクロポンプ５００の１つずつに、吐出直結機構７０、吸入直結機構８０及び直列結合機構９０を配置しても良く、更に高精度な制御が可能となる。

図３には、このポンプユニット１が備える制御装置１０が示されている。この制御装置１０は、ハード構成としてＣＰＵ１２、第１記憶媒体１４、第２記憶媒体１６、第３記憶媒体１８、入力装置２０、表示装置２２、入出力インタフェース２４、バス２６を備えて構成される。ＣＰＵ１２はいわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて本制御装置１０の各種機能を実現する。第１記憶媒体１４はいわゆるＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）であり、ＣＰＵ１２の作業領域として使用されるメモリである。第２記憶媒体１６はいわゆるＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）であり、ＣＰＵ１２で実行される基本ＯＳを記憶するためのメモリである。第３記憶媒体１８は、磁気ディスクを内蔵したハードディスク装置、ＣＤやＤＶＤやＢＤを収容するディスク装置、不揮発性の半導体フラッシュメモリ装置などで構成されており、ＣＰＵ１２で実行される各種プログラム、流量センサ５２及び圧力センサ５４のセンシングデータ等が保存される。入力装置２０は入力キーやキーボード、マウスであり、各種情報を入力する装置である。表示装置２２はディスプレイであって、各種動作状態を表示する。入出力インタフェース２４は、吐出直結機構７０、吸入直結機構８０及び直列結合機構９０を動作させる電源及び制御信号や、流量センサ５２及び圧力センサ５４のセンシング信号、各マイクロポンプ５００を動作させる電源（正弦波の波形）及び制御信号が入出力される。更にこの入出力インタフェース２４は、外部のパーソナルコンピュータからプログラム等のデータを取得したり、同パーソナルコンピュータに対して計測結果を出力したりすることもできる。バス２６は、ＣＰＵ１２、第１記憶媒体１４、第２記憶媒体１６、第３記憶媒体１８、入力装置２０、表示装置２２、入出力インタフェース２４などを一体的に接続して通信を行うための配線となる。

図４には、この制御装置１０に保存される制御プログラムがＣＰＵ１２で実行されることで得られる機能構成が示されている。この制御装置１０は、機能構成として、ポンプ制御部３０、センシング部３２、弁制御部３４を備える。ポンプ制御部３０は、マイクロポンプ５００への入力正弦波のＶｐｐ及び周波数を制御する。センシング部３２は、流量センサ５２及び圧力センサ５４のセンシング信号を常に取得してポンプ制御部３０及び弁制御部３４に伝達する。弁制御部３４は、センシング部３２のセンシング信号を参照して、吐出直結機構７０、吸入直結機構８０及び直列結合機構９０を適宜切り換え、目標となる流量値及び圧力値に近づくように制御する。

この制御装置１０によるポンプユニット１の制御例を図５に示す。

図５（Ａ）には、ポンプユニット１において、全ての吐出直結機構７０及び吸入直結機構８０をＯＮ、全ての直列結合機構９０をＯＦＦにして、ｍ１〜ｍ５行のマイクロポンプ５００の吐出口５４２を統合吐出口５０に直結すると共に、ｍ１〜ｍ５行のマイクロポンプ５００の吸入口５４４を統合吸入口６０に直結する。このようにすると、２５個のマイクロポンプ５００が並列接続されるので、全ての行が、流量を優先とした搬送状態（ここでは流量優先搬送状態と呼ぶ）になる。結果、マイクロポンプ５００単体と比較して、２５倍の流量を得ることが出来る。

図５（Ｂ）には、ポンプユニット１において、全ての吐出直結機構７０及び吸入直結機構８０をＯＦＦ、全ての直列結合機構９０をＯＮにして、上流行のマイクロポンプ５００の吐出口５４２を、下流行のマイクロポンプ５００の吸入口５４４に直結する。このようにすると、ｎ１〜ｎ５列方向にそって５段のマイクロポンプ５００が直列接続される状態となり、全ての行が、圧力を優先とした搬送状態（ここでは圧力優先搬送状態と呼ぶ）になる。結果、下流側に進むにつれて流体の圧力が上昇し、出口側では約５倍の圧力を得ることが出来る。また、流量に関しては、ｍ１〜ｍ５行で５つのマイクロポンプ５００が並列稼働している結果、単純に５個のマイクロポンプ５００を直列接続した場合と比較して、約５倍の流量を得ることが出来る。

図５（Ａ）の流量優先搬送状態では、全てのマイクロポンプ５００を稼働させる場合を例示したが、例えば図６（Ａ）に示されるように、各行のマイクロポンプ５００の駆動数を減少させて、流量を制御することが好ましい。なお、図６では、停止中のマイクロポンプ５００は斜線を付記している。このようにすると、マイクロポンプ５００単体の流量を仮に１とすれば、１〜２５の範囲で流量を変化させることができる。

また図５（Ｂ）の圧力優先搬送状態では、全てのマイクロポンプ５００を稼働させる場合を例示したが、例えば図６（Ｂ）に示されるように、上流行のマイクロポンプ５００の駆動数に対して、下流行のマイクロポンプ５００の駆動数が同じ又は小さくなるように制御することが好ましい。なぜなら、例えば気体を搬送する場合、ｍ５行からｍ１行に向かって気圧が上昇するにつれて、ボイルの法則によって体積が減少する。従って、各行の全てのマイクロポンプ５００を駆動させなくても、十分に流量を確保できるからである。例えば、同図で示されるように、ｍ５行では５個のマイクロポンプ５００を稼働させ、ｍ４行では４個のマイクロポンプ５００を稼働させ、ｍ３行では３個のマイクロポンプ５００を稼働させ、ｍ２行では２個のマイクロポンプ５００を稼働させ、ｍ１行では１個のマイクロポンプ５００を稼働させる。各行で静圧１ｋＰａずつ昇圧させていくと、統合吐出口５０では静圧５ｋＰａとなり、その体積（流量）も５分の１程度になる。結果、ｍ１行における流量は、１つのマイクロポンプ５００の最大許容流量の範囲内になることから、１つのマイクロポンプ５００を稼働させることで、図５（Ｂ）と同じ流量を得ることが出来る。即ち、図５（Ｂ）と図６（Ｂ）では、同じ出力を得ることができるので、エネルギー効率の観点からすると、図６（Ｂ）の方が好ましい。なお、図６（Ｂ）では、上流行から下流行に移動するにつれて、マイクロポンプ５００の稼働数が必ず減少する場合を例示しているが、本発明はこれに限定されず、少なくともいずれかの上流行と下流行の関係で稼働数が減少していれば、全ての行で減少させる必要は無い。

更に、図７に示されるように、流量優先搬送状態と圧力優先搬送状態を混在させることも好ましい。ここでは、ｍ１行とｍ２行の間において圧力優先搬送状態、ｍ２行とｍ３行の間において流量優先搬送状態、ｍ３行とｍ４行の間において圧力優先搬送状態、ｍ４行とｍ５行の間において流量優先搬送状態としている。また、各行のマイクロポンプ５００の稼働数も適宜制御している。このように、圧力優先搬送状態によって相互接続される一対の行の数と、流量優先搬送状態によって統合吐出口５０に直結される行の数の占有関係を切り換えることで、流体の搬送圧力及び搬送流量を段階的に切り換える。結果、マイクロポンプ５００の稼働数を含めた多様な組合せによって、最適な流量と圧力を決定できる。

図８（Ａ）には、第２実施形態に係るポンプユニット１の構成が例示されている。なお、第１実施形態と第２実施形態は、同一又は類似する部分が多いので、これらの説明は省略すると共に、ここでは第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

このポンプユニット１は、第１実施形態と同様に、ｍ１〜ｍ５行とｎ１〜ｎ５列となる概念的には格子状にマイクロポンプ５００が配置されているが、上流行側のマイクロポンプ５００の配置数に対して、下流行のマイクロポンプ５００の配置数が同じ又は小さく設定されている。具体的には、ｍ５行では５個のマイクロポンプ５００が並列配置され、ｍ４行では４個のマイクロポンプ５００が並列配置され、ｍ３行では３個のマイクロポンプ５００が並列配置され、ｍ２行では２個のマイクロポンプ５００が並列配置され、ｍ１行では１個のマイクロポンプ５００が配置される。なお、上流行から下流行に移動するにつれて、マイクロポンプ５００の配置数が必ず減少する場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。

本第２実施形態では、この各行に並列配置されるマイクロポンプ５００を、まとめて並列ポンプユニット６００を呼ぶ。従って、このポンプユニット１は、並列ポンプユニット６００を、ｍ１〜ｍ５行の５段に備えていることになる。更に、このポンプユニット１は、図８（Ｂ）（Ｃ）に拡大して示されるように、上流側の並列ポンプユニット６００と下流側の並列ポンプユニット６００の間において、吐出側合流空間７２と、吐出直結弁７４と、吸入側分岐空間８２と、吸入直結弁８４と、直列結合弁９２を備える。なお、吐出直結弁７４、吸入直結弁８４及び直列結合弁９２は、一つの切替弁６５を回転させることでまとめて動作する。なお、切替弁６５は、回転タイプのものに限定されず、電磁弁等を用いるタイプのものであってもよい。

吐出側合流空間７２は、上流側の並列ポンプユニット６００の複数のマイクロポンプ５００から吐出される流体がまとめて合流するチャンバ空間となる。吐出直結弁７４は、図８（Ｃ）に示されるように、この吐出側合流空間７２を、流体が最終的に吐出される統合吐出口５０に直結したり遮断したりする弁である。

吸入側分岐空間８２は、下流側の並列ポンプユニット６００の複数のマイクロポンプ５００に対して、流体を分岐させながら供給する空間となっている。即ち、これらの複数のマイクロポンプ５００の吸入口５４４がまとめて接続されるチャンバ空間となる。吸入直結弁８４は、図８（Ｃ）に示されるように、この吸入側分岐空間８２を、流体が最初に供給される統合吸入口６０に直結したり遮断したりする弁である。

直列結合弁９２は、図８（Ｂ）に示されるように、上流側の吐出側合流空間７２を、下流側の吸入側分岐空間８２に直結したり遮断したりする弁である。

従って、第１実施形態の吐出直結機構７０、吸入直結機構８０、直列結合機構９０に対応させると、吐出側合流空間７２と吐出直結弁７４が吐出直結機構７０となり、吸入側分岐空間８２と吸入直結弁８４が吸入直結機構８０となり、吐出側合流空間７２と吸入側分岐空間８２と直列結合弁９２が直列結合機構９０となる。

本第２実施形態のポンプユニット１では、吐出側合流空間７２と吸入側分岐空間８２と切替弁６５によって、並列ポンプユニット６００を単位として、各並列ポンプユニット６００に属するマイクロポンプ５００の全体の接続関係をまとめて切り換える。

図９には、図１と同じ制御装置１０によって、第２実施形態のポンプユニット１の制御例が示されている。

図９（Ａ）には、全ての直列結合弁９２を遮断状態（ＯＦＦ）、全ての吐出直結弁７４及び吸入直結弁８４を直結状態（ＯＮ）として、上流側及び下流側の全ての並列ポンプユニット６００を更に並列接続とする。即ち、全てのマイクロポンプ５００の吐出口５４２が統合吐出口５０に直結されると共に、全てのマイクロポンプ５００の吸入口５４４が統合吸入口６０に直結される。このようにすると、１５個のマイクロポンプ５００が並列接続されるので、流量優先搬送状態になる。結果、マイクロポンプ５００単体と比較して、１５倍の流量を得ることが出来る。

図９（Ｂ）には、全ての直列結合弁９２を直結状態、全ての吐出直結弁７４及び吸入直結弁８４を遮断状態として、上流側の並列ポンプユニット６００と下流側の並列ポンプユニット６００を全て直列接続とする。結果、５段の並列ポンプユニット６００が直列接続された圧力優先搬送状態となる。特に、流路の途中に配置される吐出側合流空間７２と吸入側分岐空間８２によって、各マイクロポンプ５００に供給される流体、及び吐出される流体の圧力が均等化されるので、各マイクロポンプ５００に均等な負荷をかけることができ、搬送効率を高めることが出来る。

図１０には、このポンプユニット１を用いて、高流量状態から高圧力状態に段階に切り替えていく制御例が示されている。まず、図１０（Ａ）に示されるように、全ての吐出側合流空間７２、吸入側分岐空間８２及び切替弁６５を流量優先搬送状態として、１５個のマイクロポンプ５００を並列状態にして、１倍の圧力且つ１５倍の流量を得る。

次いで、図１０（Ｂ）に示されるように、ｍ２行とｍ３行の並列ポンプユニット６００の間の吐出側合流空間７２、吸入側分岐空間８２及び切替弁６５を圧力優先搬送状態に切り換えると共に、ｍ４行とｍ５行の並列ポンプユニット６００の間の吐出側合流空間７２、吸入側分岐空間８２及び切替弁６５を圧力優先搬送状態に切り換える。結果、これらの並列ポンプユニット５００により２段階の直列接続が実現されて２倍の圧力を得ることが出来る。また、ｍ２行及びｍ４行の並列ポンプユニット６００による合計６つのマイクロポンプ５００による６倍の流量を得る。この際、ｍ１行の並列ポンプユニット６００は休止させている。

更に図１０（Ｃ）に示されるように、図１０（Ｂ）と同じ接続状態で、ｍ２行からｍ５行の各並列ポンプユニット６００において、１つのマイクロポンプ５００を休止させて、同じ２倍の圧力を維持しながらも、合計４つの並列マイクロポンプによる４倍の流量を得る。なお、ここではマイクロポンプ５００を休止させて流量を減少させる場合を示しているが、例えば、ｍ１行とｍ２行の間、及びｍ３行とｍ４行の間の吐出側合流空間７２、吸入側分岐空間８２及び切替弁６５を圧力優先搬送状態に切り換えても、同じ状況となる。

次いで図１０（Ｄ）に示されるように、ｍ３行とｍ４行の間及びｍ４行とｍ５行の間の吐出側合流空間７２、吸入側分岐空間８２及び切替弁６５を圧力優先搬送状態に切り換えることで、３段階の直列接続を実現して３倍の圧力を得ると同時に、ｍ３行の並列ポンプユニット６００の３つのマイクロポンプ５００による３倍の流量を得る。この際、ｍ１行とｍ２行の並列ポンプユニット６００は休止させている。

その後、図１０（Ｅ）に示されるように、ｍ２行とｍ３行の間、ｍ３行とｍ４行の間及びｍ４行とｍ５行の間の吐出側合流空間７２、吸入側分岐空間８２及び切替弁６５を圧力優先搬送状態に切り換えることで、４段階の直列接続を実現して４倍の圧力を得ると同時に、ｍ２行の並列ポンプユニット６００の２つのマイクロポンプ５００による２倍の流量を得る。この際、ｍ１行の並列ポンプユニット６００は休止させている。

最後に、図１０（Ｆ）に示されるように、全ての吐出側合流空間７２、吸入側分岐空間８２及び切替弁６５を圧力優先搬送状態に切り換えることで、５段階の直列接続を実現して５倍の圧力を得ると同時に、ｍ１行の並列ポンプユニット６００の１つのマイクロポンプ５００による１倍の流量を得る。この際、各並列ポンプユニット６００の全てのマイクロポンプ５００は動かしている。

このように制御を行うと、例えば図１１に示されるようなバリエーションの直列段数と並列数を選択することが可能となる。従って、並列数と直列数の占有関係を段階的に切り換えれば、流量と圧量の関係を滑らかに切り換えることが可能になる。例えば点線Ｘに示されるように、高圧搬送と高流量搬送の間を滑らかに移行するような制御を実現することが可能となる。加えて、入力正弦波のＶｐｐ又は周波数を滑らかに変化させることで、流量と圧量の関係を更に滑らかに変化させることが可能になる。例えば点線Ｙに示されるように、高圧搬送と高流量搬送の間を更に滑らかに移行するような制御を実現することが可能となる。

以上、これらの実施形態のポンプユニット１によれば、マイクロポンプ５００が格子状に配置されており、吐出直結機構７０、吸入直結機構８０及び直列結合機構９０によって、各マイクロポンプ５００の直列接続と並列接続を、合理的に組み合わせて制御することが可能となる。結果、マイクロポンプ５００単体では流量及び静圧が不足する用途であっても、複数のマイクロポンプ５００を組み合わせて利用できるので、従来のブロアやシリンジポンプと同様に用いることができる。また、各マイクロポンプ５００は小さいので、これを複数配置しても、従来のブロア等と比較して小さく且つ軽量に構成できる。特に、並列数と直列数の組合せとなる多様なバリエーションを、各マイクロポンプ５００のＯＮ／ＯＦＦや、吐出直結機構７０、吸入直結機構８０及び直列結合機構９０のＯＮ／ＯＦＦによってデジタル的に制御することが可能となるので、制御構成も極めて簡潔にすることができる。また更に、従来のブロアやシリンジポンプの場合、それら１つが故障すると、全体の流体の搬送が滞ることになるが、本実施形態のポンプユニット１によれば、個々のマイクロポンプ５００が故障しても、他のマイクロポンプ５００で補うことが出来るので、安全性を高めることも可能となる。

特に本実施形態のポンプユニット１では、マイクロポンプ５００が直列接続される圧力優先搬送状態において、上流行に属するマイクロポンプ５００の数よりも、下流行のマイクロポンプ５００の数が同等又は小さくなっている。結果、無駄なマイクロポンプ５００の動作が抑制されるので消費電力を低減させることが可能となり、例えばバッテリー駆動の用途に特に適している。

また更に、本実施形態で示したポンプユニット１では、各行に配置される複数のマイクロポンプ５００の全体（並列ポンプユニット６００全体）に対して、まとめて接続関係を切り換える。結果、弁の構成が簡潔となり、メンテナンス性を向上させている。特に第２実施形態のように、一対の並列ポンプユニット６００の間に、吐出側合流空間７２と吸入側分岐空間８２を配置しているので、装置構成が簡潔化される。例えば、上流から下流に向かって並列ポンプユニット６００のマイクロポンプ数５００を減少させていく場合にも、途中の吐出側合流空間７２及び吸入側分岐空間８２がバッファ空間となるので、複雑な配管構成が不要となる。また、各並列ポンプユニット６００に属するマイクロポンプ５００をＯＮ／ＯＦＦするだけで、個々の弁の開閉制御を行うことなく、単位並列ポンプユニット６００内でのマイクロポンプ５００の並列数を簡単に増減させることができるので、制御も簡単となる。また、並列ポンプユニット６００内で搬送流体の圧力が均質化されるので、搬送効率を高めることにも繋がる。

なお、本実施形態では、最初に流体が統合吸入口６０に供給され、そこから分岐して各マイクロポンプ５００の吸入口５４４に接続される場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。

例えば、気体を搬送するブロア用途の場合、図１２に示されるように、各マイクロポンプ５００の吸入口５４４又は吸入側分岐空間８２を、個別に大気側Ｓに開放して、吸気を行うことも可能である。この場合、個別に二種類以上の気体について吸気を行えるので、例えば、ｍ１行とｍ２行の間及びｍ２行とｍ３行の間の吸入側分岐空間８２から第一の流体（例えば酸素）の吸気を行うと共に、ｍ３行とｍ４行の間及びｍ４行とｍ５行の吸入側分岐空間８２、並びにｍ５行の各マイクロポンプ５００の吸入口５４４から第二の流体（例えば空気）の吸気を行うことも可能である。

あるいは、図１３に示されるように、最上流のｍ５行の各マイクロポンプ５００の吸入口５４４を、統合吸入口６０とは別に、個別に大気側Ｓに開放して、吸気を行うことも可能である。この場合、個別に二種類以上の気体について吸気を行えるので、例えば、統合吸入口６０、及びｍ５行におけるｎ１〜ｎ３列のマイクロポンプ５００の吸入口５４４から第一の流体（例えば酸素）の吸気を行うと共に、ｍ５行におけるｎ４、ｎ５列のマイクロポンプ５００の吸入口５４４から第二の流体（例えば空気）の吸気を行うことも可能である。これらの例では、第一及び第二の流体は混合されて、統合吐出口５０から吐出される。

また、本実施形態では、外観上においてもマイクロポンプ５００が格子状に配置される場合を図示したが、これは説明上の便宜からそうしたものであり、流体が通過する経路面で本実施形態のような状態になっていれば良い。即ち、流体の経路構成上において格子状であれば良く、ハードレイアウト構成は自在に変更できることは言うまでもない。

本発明の第３実施形態として、第２実施形態で説明したポンプユニット１を、医療用の呼吸補助装置７００に適用した例を図１４に示す。この呼吸補助装置７００は、呼吸用の気体が通過する流路７０２と、この流路７０２内に配置されて、呼気方向及び吸気方向にそれぞれ加速用の空気を放出可能な呼気ノズル７０４及び吸気ノズル７０６と、流路７０２の外表面に周方向に沿って配置されるポンプユニット１と、このポンプユニット１を駆動するバッテリ７１０を備えて構成される。流路７０２内に配置される呼気及び吸気ノズル７０４、７０６の近傍には、それぞれ、ベンチュリー壁７２０が配置される。なお、バッテリ７１０については、離れた場所に配置したり、電源ラインを接続することで省略したりすることもできる。

更にポンプユニット１内における統合吐出口（図示省略）には、呼吸切替弁７２５が配置される。この呼吸切替弁７２５は、統合吐出口から吐出される空気を、呼気ノズル７０４から放出させる場合と、吸気ノズル７０６から放出させる場合を切り換える。図１５（Ａ）に示されるように、呼気ノズル７０４から空気を放出させる場合は、この空気がベンチュリー壁７２０によって広がることで呼気側が負圧状態となり、吸気側（肺側）から排出される二酸化炭素を呼び込んで、呼気方向に流す。結果、呼気動作を補助することができる。一方、図１５（Ｂ）に示されるように、吸気ノズル７０６から空気を放出させる場合は、この空気がベンチュリー壁７２０によって広がることで吸気側が負圧状態となり、吸気側から供給される酸素を吸い込んで呼気方向（肺側）に流れる。結果、吸気動作を補助することができる。

この呼吸補助装置７００によれば、流路７０２を構成する配管自体に、小型化されたポンプユニット１が直接固定されるので、呼吸補助装置７００を極めてコンパクトに構成することが出来る。更に、流路７０２とポンプユニット１が一体化されるので、使用者の体の動作に連動して流路７０２が動いても、この流路７０２とポンプユニット１が一緒に動くので、呼気及び吸気ノズル７０４、７０６と、ポンプユニット１の接続が途切れないで済む。従って、呼吸補助動作の安定性が増すと同時に、使用者も体を動かしやすくなる。

更に、ポンプユニット１から呼気及び吸気ノズル７０４、７０６までの距離が短くなるので、呼吸補助動作の応答性を高めることが出来る。

なお、この呼吸補助装置７００は、使用者の口から気管に向かって挿入される挿管チューブと連続するようにして、用いることが可能であるが、例えば図１６に示されるように、鼻マスク８３０に対して流路７０２を接続して用いることもできる。更に、鼻マスクに適用する場合は、例えば図１７に示される呼吸補助装置８００のように、鼻マスク８３０の外周面にポンプユニット１を直接固定することが好ましく、全体の安定性が増す。また、ここでは、１台のポンプユニット１を呼吸切替弁７２５で切り換えて、呼気ノズル又は吸気ノズルに供給する場合を例示したが、２台のポンプユニット１を用意して、それぞれ呼気ノズル、吸気ノズルに接続するようにしても良い。

尚、本発明のポンプユニット及び呼吸補助装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明のポンプユニットは、呼吸補助装置以外の様々な用途に用いることが出来る。また、本発明の呼吸補助装置は、様々な生物の呼吸補助目的で利用することができる。

１ ポンプユニット
１０ 制御装置
５０ 統合吐出口
６０ 統合吸入口
６５ 切替弁
７０ 吐出直結機構
７２ 吐出側合流空間
７４ 吐出直結弁
８０ 吸入直結機構
８２ 吸入側分岐空間
８４ 吸入直結弁
９０ 直列結合機構
９２ 直列結合弁
５００ マイクロポンプ
６００ 並列ポンプユニット
７００、８００ 呼吸補助装置
７０２ 流路
７０４ 呼気ノズル
７０６ 吸気ノズル
７１０ バッテリ
８３０ 鼻マスク

Claims (7)

1. 行と列の関係となる格子状に配置され、前記列に沿った方向に流体を搬送する複数のマイクロポンプと、
   少なくとも最下流行の前記マイクロポンプの吐出口が直結されて、前記マイクロポンプによって搬送される前記流体が最終的に吐出される統合吐出口と、
   中間行の前記複数のマイクロポンプのそれぞれの吐出口を、前記統合吐出口に直結させる吐出直結機構と、
   中間行の前記複数のマイクロポンプのそれぞれの吸入口を、最初に供給される前記流体に直結させる吸入直結機構と、
   上流行の前記マイクロポンプの吐出口を、下流行の前記マイクロポンプの吸入口に直結させる直列結合機構と、
   前記吐出直結機構、前記吸入直結機構及び前記直列結合機構を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   上流行の前記マイクロポンプの吐出口を下流行の前記マイクロポンプの吸入口に直結させて前記列方向の接続を構築し、前記複数のマイクロポンプを圧力優先搬送状態とする一方、
   複数行の前記マイクロポンプの吐出口を前記統合吐出口に直結すると共に、複数行に配置される前記マイクロポンプの吸入口を、最初に供給される前記流体に直結させることで、前記複数のマイクロポンプを流量優先搬送状態とし、
   前記圧力優先搬送状態では、上流行の前記マイクロポンプの駆動数に対して、下流行の前記マイクロポンプの駆動数が小さいことを特徴とする、ポンプユニット。
2. 前記圧力優先搬送状態では、複数のマイクロポンプが並列配置される並列ポンプユニットが複数段形成され、
   上流側の前記並列ポンプユニットと下流側の前記並列ポンプユニットの間には、
   上流側の前記並列ポンプユニットの前記複数のマイクロポンプから吐出される流体が合流する吐出側合流空間と、
   下流側の前記並列ポンプユニットの前記複数のマイクロポンプに対して、流体を分岐させながら供給する吸入側分岐空間と、
   上流側の前記並列ポンプユニットの前記吐出側合流空間を、下流側の前記並列ポンプユニットの前記吸入側分岐空間に直結・遮断する直列結合弁と、
   上流側の前記並列ポンプユニットの前記吐出側合流空間を、流体が最終的に吐出される統合吐出口に直結・遮断する吐出直結弁と、
   下流側の前記並列ポンプユニットの前記吸入側分岐空間を、最初に供給される前記流体に直結・遮断する吸入直結弁と、が配置されることを特徴とする、請求項１記載のポンプユニット。
3. 上流行の前記マイクロポンプの配置数に対して、下流行の前記マイクロポンプの配置数が同じ又は小さいことを特徴とする、請求項１または２記載のポンプユニット。
4. 前記制御装置は、
   前記圧力優先搬送状態と前記流量優先搬送状態を同時に組み合わせると共に、
   前記圧力優先搬送状態によって相互接続される前記行の数と、前記流量優先搬送状態によって前記統合吐出口に直結される前記行の数の占有関係を切り換えることで、前記流体の搬送圧力及び搬送流量を段階的に切り換えること特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のポンプユニット。
5. 前記吐出直結機構、前記吸入直結機構及び前記直列結合機構は、前記行に配置される複数の前記マイクロポンプの全体に対して、まとめて、接続関係を切り換えることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のポンプユニット。
6. 前記制御装置は、
   前記突出直結弁、前記吸入直結弁及び前記直列結合弁を制御し、
   前記直列結合弁を直結状態、前記吐出直結弁及び前記吸入直結弁を遮断状態として、上流側の前記並列ポンプユニットと下流側の前記並列ポンプユニットを直列接続する圧力優先搬送状態と、
   前記直列結合弁を遮断状態、前記吐出直結弁及び前記吸入直結弁を直結状態として、上流側及び下流側の前記並列ポンプユニットを並列接続する流量優先搬送状態と、
   を切り換えることを特徴とする、請求項２乃至５のいずれかに記載のポンプユニット。
7. 呼気又は吸気の気体が通過する流路と、
   前記流路内に配置されて呼気又は吸気方向に加速用の気体を噴出するノズルと、
   前記流路の周囲に固定され、前記ノズルに対して前記加速用の気体を供給する請求項１乃至６のいずれかに記載のポンプユニットと、を備える事を特徴とする、呼吸補助装置。

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