JP2001507982A

JP2001507982A - 高頻度圧力変動による吸着

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Publication number: JP2001507982A
Application number: JP52950698A
Authority: JP
Inventors: ボーイゴードンキーファー
Original assignee: ボーイゴードンキーファー
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1997-12-30
Publication date: 2001-06-19
Also published as: CA2276362C; US6176897B1; EP0952883A1; AU5473398A; CA2276362A1; AU734362B2; WO1998029182A1

Abstract

(57)【要約】供給ガス混合物の吸着力が弱い成分の浄化生成ガスを得るための供給ガス混合物の圧力変動による吸着分離は、好ましくは偶数である複数の吸着剤ベッド（２、４、３、５）において、各吸着剤ベッドの生成物端部（１２、１３、１４、１５）を直接的に可変容積形膨張室（５３、５７）に、供給端部を切り換え弁で供給圧縮機及び排出真空ポンプに連通させて行われる。圧力変動による吸着サイクルを高頻度で行うために、大表面積の層状支持体を吸着剤に使用する。圧縮機及び真空ポンプピストンをサイクルと一体化して、サイクル頻度の２倍で往復移動させることもできる。層状吸着剤ベッドの変更形構造が開示されている。

Description

【発明の詳細な説明】高頻度圧力変動による吸着技術分野本発明は、圧力変動による吸着によってのガス分離に関し、更に詳細には高濃度酸素の生成のための空気分離、または二酸化炭素または蒸発汚染物質の除去による空気浄化に関する。背景技術圧力変動（脈動的な）による吸着によってのガス分離は、混合物の吸着性が低い成分よりも吸着性が高い成分を選択的に吸着する吸着剤ベッドに対する調和された圧力サイクル及び流れ反転によって行われる。全圧力は、吸着剤ベッドを第１方向に流れる間は上昇し、逆方向に流れる間は低下する。このサイクルが繰り返されると、吸着性が低い成分が第１方向で濃縮される一方、吸着性が高い成分は逆方向で濃縮される。従来の圧力変動による吸着によってのガス分離方法は、２つ以上の吸着剤ベッドを平行に使用し、各吸着剤ベッドの各端部に切り換え弁装置を用いてベッドを圧力源及び吸込装置に交互に連結することによって、作動圧力及び流れ方向を変化させている。この従来の圧力変動による吸着方法は、吸着剤ベッドを高圧及び低圧間で切り換える間に弁の能力を越えたガスの不可逆膨張が発生するため、供給されたエネルギの使い方が非効率的でもある。従来技術には、吸着剤ベッドの両端部で同一頻度で往復移動するサイクル動作式容積形手段を備えて、圧力変動を内部的に発生して、エネルギ効率を向上させる以下のような圧力変動による吸着装置も含まれる。ケラー(Keller)（米国特許第４，３５４，８５９号）は、吸着剤ベッドの中心点に供給された二成分ガス混合物の両成分を純化する単一ベッド圧力変動による吸着装置を開示している。この装置は、ベッドの両端部に特定の変動容積形の、ピストンまたはダイアフラムにすることができる容積形手段を有している。本発明者の米国特許第４，７０２，９０３号は、ガス分離を行うために変形型のスターリング(Stirling)またはエリクソン(Ericsson)サイクル装置を使用することを開示しており、これではＰＳＡサイクルの膨張エネルギを回収し、熱を直接的に変形型スターリングサイクル装置を介して補助エネルギ源として供給することによって圧力変動による吸着ガス分離を行う。本発明者の米国特許第４，８０１，３０８号及び第４，９６８，３２９号は、消耗した供給ガスを新しい供給ガスに大規模に交換するための弁論理手段を備えた関連のガス分離装置を開示している。所望生成物として１つの成分を濃縮しつつ、他の成分の濃縮または蓄積が過大にならないようにするには、（例えば、水蒸気を含む供給空気から酸素を濃縮する場合に、その水蒸気を過大に濃縮してしまうと、これが吸着ベッドに堆積してしまい、その吸着状態を奪ってしまう）上記のような大規模な供給交換または効果的な掃気が必要である。本発明者の米国特許第５，０８２，４７３号は、微量成分の抽出及び同時濃縮を行う関連の多段装置を開示している。以上に引用した装置はすべて、ＰＳＡサイクルの圧力サイクル及び反転流方式を定めるために、往復移動ピストンまたは同等の容積形機構を用いている。従来の粒状吸着剤ベッドで得られるＰＳＡサイクル頻度は比較的低いため、往復移動機構がかさばり、高コストになる。従って、粒状吸着剤の限界を克服してサイクル頻度を大幅に高くすることができる剛直な大表面積の吸着剤支持体が必要である。積層化またはらせん巻きの吸着剤充てんシート材のモノリスからなる大表面積で剛体の吸着剤支持体が、本発明者の米国特許第４，７０２，９０３号、第４，８０１，３０８号、第４，９６８，３２９号及び第５，０８２，４７３号に開示されている。以上に引用した米国特許に基づいた小規模ガス分離装置は、空気分離及び水素浄化を含む用途に対してうまく構成されて作動している。これらの装置はすべて、比較的高頻度で作動する流れ調整圧力変動による吸着サイクルにおいて、必要な往復内部容積変動を発生するために機械式ピストンを使用している。ほとんどの従来型圧力変動による吸着装置と比較して、吸着剤材料は減少しているが、最小及び最大作動圧力間で所望の圧力比を生じるために、ピストン掃引容積は吸着剤ベッドの容積を相当に上回る必要がある。所望の機能及びエネルギ効率を達成するために、ピストン駆動機構は収縮及び膨張工程を実施する吸着剤塔間で圧縮エネルギを交換できるようにする必要がある。パック詰めのベッドの市販の吸着剤ペレットで可能なサイクル速度（一般的に理論分析及び試験経験によって示された実用可能な限界である５０ＲＰＭを超えない）では、ピストンを使用したそのような装置を大規模なトン単位の空気分離または水素浄化の用途に大規模化することは、高負荷で低速な往復移動駆動機構が必要になるために困難であろう。発明の開示本発明は、圧力上昇下において吸着剤に対する吸着性が高い第１成分、及び圧力上昇下において吸着剤に対する吸着性が低い第２成分を含む供給ガス混合物、圧力を所定のサイクル期間を有する処理のサイクル頻度で低圧及び高圧を繰り返し、前記低圧で、前記第２成分を吸着剤に接触させて、第１成分を相対的に濃縮し、前記高圧で、第１成分を吸着剤に接触させて、第２成分を相対的に濃縮することによって、前記第１及び第２成分を分離する方法であって、第１及び第２端部を有する「Ｎ」個のほぼ同一の吸着剤の吸着剤ベッドを準備し、さらに、各吸着剤ベッドの第２端部に対して、容積が最大容積と最小容積間で変動できる可変容積形膨張室に連通させた状態で、（Ａ）吸着剤ベッド内の圧力が、前記低圧と高圧との間の第１中間圧力である時に開始される供給時間間隔中に、供給ガス混合物流を吸着剤ベッドの第１端部に供給し、吸着剤ベッドを実質的に前に高圧に加圧し、次いで、前記膨張室の容積をその最小容積から膨張させて第２成分のうちの濃化したガスを吸着剤ベッドの第２端部から引き出すとともに、この高圧で供給ガス混合物を流し続け、第２成分のうちの濃化したガスを軽生成ガスとして、一般的に高圧から流動摩擦によるわずかな圧力降下を差し引いたものである軽生成物送り出し圧力で送り出す工程、（Ｂ）並流ブローダウン時間間隔中で吸着剤ベッドの第１端部の流れが停止している間、第２成分のうちの濃化したガス流を軽還流ガスとして吸着剤ベッドの第２端部から引き出して膨張室に送り込み、さらに膨張室の容積を膨張させることによって、吸着剤ベッドを高圧から高圧と低圧との間の第２中間圧力に向けて減圧する工程、（Ｃ）向流ブローダウン及びパージ段階を含む排出時間聞隔中に、第１成分のうちの濃化したガス流を吸着剤ベッドの第１端部から引き出すことによって、吸着剤ベッドを第２中間圧力から低圧まで減圧してから、第１成分のうちの濃化したガス流を重生成ガスとして引き出し続ける一方で、膨張室の容積を収縮させることによって軽還流ガスを膨張室から吸着剤ベッドの第２端部に供給して、ほぼ低圧で吸着剤ベッドをパージする工程、及び、（Ｄ）軽還流加圧時間間隔中で吸着剤ベッドの第１端部の流れが停止している間、膨張室をその最小容積までさらに収縮させることによって軽還流ガスを膨張室から吸着剤ベッドの第２端部に供給して、吸着剤ベッドの圧力をほぼ低圧から第１中間圧力まで上昇させる工程を備え、以上の工程を、サイクル期間内に順次繰り返す方法を提供している。本方法は、軽生成ガスの所望純度、回収率及び流量を得るためにサイクル頻度を変更することによって制御してもよい。あるいは、所望の軽生成物純度を得るために、一定のサイクル頻度において供給流量及び軽生成物流量を調節してもよい。あるいは、所望の軽生成物純度及び流量を得るための好適な方法として、軽生成物送り出し圧力を下流側で制御してもよい。第１中間圧力及び第２中間圧力は一般的にほぼ大気圧であり、低圧は大気圧より低い。空気浄化の用例では、第１成分は不純物ガスまたは蒸気であり、ガス混合物は不純物を含む空気であり、軽生成物は浄化空気である。空気分離の用例では、第１成分は窒素であり、第２成分は酸素であり、吸着剤は窒素選択性ゼオライトを含み、ガス混合物は空気であり、軽生成物は濃縮酸素である。本発明はまた、そのような供給ガス混合物を分離する装置において、第１成分は圧力上昇下において吸着剤に対する吸着性が高いのに対して、第２成分は圧力上昇下において吸着剤に対する吸着性が低いため、圧力があるサイクル期間を有する処理のサイクル頻度で低圧及び高圧を繰り返す時、吸着剤に接触した第１及び第２成分のガス混合物は、低圧で第１成分が相対的に濃縮され、高圧で第２成分が相対的に濃縮されるようにした装置であって、（ａ）吸着剤から成り、吸着剤を通る流路を形成している第１及び第２端部を有する「Ｎ」個のほぼ同一の吸着剤ベッドと、（ｂ）各吸着剤ベッドの第１端部に接続された供給弁手段及び排出弁手段と、（ｃ）該供給弁手段及び排出弁手段を作動させて、いずれの時でも供給または排出弁手段の一方が開放して他方が閉鎖されるか、供給及び排出弁手段の両方が閉鎖されるようにする弁作動手段と、（ｄ）供給ガス混合物を供給圧力で供給弁に導入する供給ガス供給手段と、（ｅ）第１成分が濃化したガスを第１ディストリビュータ弁のパージ排出ポートから取り除く排出手段と、（ｆ）第２成分が濃化したガスの軽生成物流を吸着剤ベッドの第２端部から送り出す軽生成物送り出し手段と、（ｇ）各吸着剤ベッドの第２端部に連通した可変容積形膨張室と、（ｈ）膨張室の容積をサイクル頻度で膨張室の最小及び最大容積間で変化させる膨張室サイクル動作手段とを備えており、最小容積はサイクル期間内の上死点時に得られ、最大容積はサイクル期間内の下死点時に得られ、弁作動手段は膨張室サイクル動作手段と協働して、各吸着剤ベッドについて、（ｉ）弁作動手段は、膨張室が最小容積に近づいている時で、吸着剤ベッド内の圧力が高圧より低い時に供給弁を開き、膨張室サイクル動作手段が膨張室の容積を最小容積より大きくし始め、吸着剤ベッド内の圧力がほぼ高圧まで上昇している供給時間間隔中は供給弁を開放状態に維持し、上死点時から供給位相遅れ間隔を置いて供給弁を閉鎖し、（ｉｉ）弁作動手段は、膨張室が最大容積に近づいている時で、吸着剤ベッド内の圧力が最低圧力より高い時に排出弁を開き、膨張室サイクル動作手段が膨張室の容積を最大容積より小さくし始め、吸着剤ベッド内の圧力がほぼ低圧まで降下している排出時間間隔中は排出弁を開放状態に維持し、上死点時から排出位相遅れ間隔を置いて排出弁を閉鎖し、（ｉｉｉ）供給及び排出時間間隔の間で吸着剤ベッド内の圧力が低下中である並流ブローダウン時間間隔中と、排出及び次の供給時間間隔の間で吸着剤ベッド内の圧力が上昇中である軽還流加圧時間間隔中に、弁作動手段は供給及び排出弁の両方を閉鎖状態に維持し、サイクル期間が供給、並流ブローダウン、排出及び軽還流加圧時間間隔の合計に等しくなるようにした装置を提供している。一般的、供給時間間隔、並流ブローダウン時間間隔、排出時間間隔及び軽還流加圧時間間隔の各々は、サイクル期間のほぼ１／４である。供給位相遅れ間隔は、一般的に排出位相遅れ間隔にほぼ等しく、サイクル期間が３６０°の位相である時に約３０°から４５°の範囲である。膨張室は一般的に、シリンダ内を流体密封接触状態で往復移動するピストンによって形成されるが、回転変位機構を用いた実施例も考えられる。膨張室は、並流ブローダウン中に高圧のベッドから軽還流ガスとして第２成分が濃化したガスの一部を受け取って圧力を高圧から低下させ、次にそのガスを同じ吸着剤ベッドに戻すことによって、低圧のパージを行ってから軽還流加圧を行い、圧力を低圧から上昇させる「軽還流」機能を行う。軽還流機能によって、高純度の軽生成物を生成することができる。本発明において軽還流の流れを制御するために膨張ピストンを使用することによって、サイクル全体で各ピストンによって正味仕事が送り出されるので、エネルギ回収と組み合わせた圧力変動による吸着サイクルの好都合な確実変位調節が行われる。膨張室内の圧力は、一般的に収縮中より膨張中の方が高いため、回収可能な膨張仕事が行われる。正味膨張仕事は、膨張室を加熱することによってさらに、また、各吸着剤ベッドの第２端部とそのベッド用の膨張室との間を流れているガスを加熱することによって最も効率的に増加させることができる。膨張室は、真空ポンプによって援助された最終向流減圧で並流ブローダウンを行い、また供給ブロワによって援助された最終加圧で軽還流加圧を行う。最終のブローダウン及び加圧段階をそれぞれ援助するために真空ポンプ及び供給ブロワを使用することは、本発明の非常に重要な特徴であり、本発明者の米国特許第４，９６８，３２９号の第３図の実施例と区別される。第３図の実施例では、膨張ピストンを使用して高圧及び低圧間の完全な圧力変動を行っており、真空ポンプまたは供給ブロワの援助はない。その第３図の実施例の実験試験は、高純度の濃縮酸素を得る限界能力を示したが、（単位吸着剤当たりの）回収率及び特定生産性は非常に低かった。それに対比して、本発明は、真空ポンプ及び膨張ピストンの協働によって最終ブローダウン段階を改善し、供給ブロワまたは圧縮機及び膨張ピストンの協働によって最終加圧段階を改善している。市販のＣａ−Ｘ吸着剤を使用し、高圧及び低圧の比をわずかに２．５：１にして本発明の改良装置を試験したところ、高純度を高回収率で高特定生産性で、例えば９０％以上の純度の酸素を５９％の回収率で各サイクルでの吸着剤１リットル当たりの酸素生成平均量が約０．４リットルで生成するという優れた結果が得られた。好適な実施例では、吸着剤ベッド数が偶数である。各対向吸着剤ベッド対に対して、供給ガス供給手段は供給室及び排出室を含むことができ、供給室はその対向吸着剤ベッド対のための入口チェック弁及び供給弁手段に連通しており、排出室はその対向吸着剤ベッド対のための排出チェック弁及び排出弁手段に連通しており、往復移動駆動手段が供給室及び排出室をサイクル頻度の２倍で往復移動させることによって、サイクル中に対向対の各ベッドに対して供給及び排出段階を実施することができる。供給室及び排気室は供給／排出シリンダ内に設けることができ、供給室及び排気室を包囲しているシリンダは、ピストンロッドに取り付けられたピストンによって分離され、ピストンロッドは供給室を貫通しているため、供給室の掃引容積に対する排出室の掃引容積の比は、ピストンの直径を「Ｄ」、ピストンロッドの直径を「ｄ」とした時、[Ｄ²／（Ｄ²−ｄ²）]であり、往復移動駆動手段はピストンロッドに連結されている。４つの吸着剤ベッドを９０° の位相ずれで設けた実施例では、２つの対向した供給／排出シリンダを単一のピストンロッドに連結することができる。逆位相で作動する吸着剤ベッド対、または９０°の位相ずれで設けられた４つのベッドの供給及び排出を制御するために、供給及び排出弁は、四方カム作動式スプール弁か、回転四方弁か、カム作動式ポペット弁として設けることができる。各吸着剤ベッドが専用の往復移動膨張ピストン内に配置されている場合、膨張ピストン自体にポートを設けて、供給ガス流入及び排出制御を行う三方スプール弁として作動させることができる。１対の対向吸着剤ベッドが、その対の各吸着剤ベッド用の向き合った膨張室を形成する複動膨張ピストン内に配置されている場合、膨張ピストンにポートを設けて、両吸着剤ベッドのための供給及び排出弁期央を行うことができる。高頻度作動には、特に吸着剤ベッドを往復移動ピストンの内部に配置する場合、吸着剤ベッドは、積層化または巻き付け誤差を調整するために望ましいコンプライアンスを与える可撓性吸着剤シートと、吸着剤シートの隣接層の間の流れチャネルの均一性を低下させる無拘束状態のたわみまたはねじれを防止する必要な安定性を与えるスペーサ装置とで形成された積層化吸着剤すなわち「吸着剤ラミネート」として設けることができる。図面の簡単な説明第１図は、ＰＳＡサイクル頻度で往復移動する膨張室にそれぞれ連通している４つの吸着剤ベッドと、供給空気ブロワと、排出真空ポンプとを備えた酸素濃縮装置の簡略化した概略図である。第２図は、第１図の装置に使用される弁作動カム輪郭を示している。第３図は、第１図と同様であるが、供給ブロワ及び排出真空ポンプの機能をＰＳＡサイクル頻度の２倍で往復移動する複動供給／排出シリンダによって行うようにした装置の簡略化した概略図である。第４図は、第３図の装置の吸着剤ベッドに関するガス流パターン及び圧力パターンを示している。第５図は、吸着剤ベッドが各膨張ピストン内に吸着剤充てんシート材のらせんロールとして設けられている酸素濃縮装置を示している。第６図は、廃熱を動力の一部にするための手段を備えていると共に、吸着剤ベッドが吸着剤充てん環状ディスクの積層体として設けられている酸素濃縮装置を示している。第７図は、生命維持用酸素濃縮器の図面である。発明を実施する態様第１図及び第２図第１図は、４ベッドＰＳＡ酸素濃縮器１の簡単な概略図であり、膨張エネルギを回収するために膨張ピストンを使用している。装置１は、４つの吸着剤ベッド２、３、４及び５を備えており、吸着剤ベッドはそれぞれ第１端部６、７、８及び９と、第２端部１２、１３、１４及び１５とを有している。第１端部６及び８は導管１６及び１７で四方弁１８に連通しており、第１端部７及び９は導管２０及び２１で四方弁２２に連通している。四方弁１８及び２２は、３位置中央閉鎖弁である。四方弁はここでは、それぞれカムローラ２４及びヨーク２５とカムローラ２７及びヨーク２８とに作用する回転カム２３によって作動するスプール弁として記載されている。カムローラをカム２３に確実に接触させるために、ばね３０及び３１が設けられている。供給ブロワ３３を設けて、入口フィルタ３４を介して供給空気を引き込み、圧縮供給空気をそれぞれ導管３６及び３７で四方弁１８及び２２に供給できるようにしている。排出真空ポンプ３９を設けて、窒素濃化廃棄空気をそれぞれ四方弁１８及び２２から導管４０及び４１で排出できるようにしている。モータ４３を設けて、供給ブロワ３３をシャフト４４で、真空ポンプ３９をシャフト４５で駆動できるようにしている。吸着剤ベッドの第２端部１２、１３、１４及び１５は、それぞれ導管５１で生成物送り出しチェック弁５２及び膨張室５３に、導管５５で生成物送り出しチェック弁５６及び膨張室５７に、導管５９で生成物送り出しチェック弁６０及び膨張室６１に、導管６３で生成物送り出しチェック弁６４及び膨張室６５に接続されている。生成物送り出しチェック弁５２、５６、６０及び６４は、濃縮生成酸素を生成物マニホルド６６に送り出す。マニホルド６６から生成物送り出し導管６８への酸素生成物の流れは背圧調整器６９によって制御され、マニホルド６６内の圧力が背圧調整器６９の調節可能な圧力設定値に達するか、それを超えた時はいつも、生成物が流れるようにし、生成物送り出し導管６８内の圧力はマニホルド６６内の圧力を超えない。可変容積形膨張室５３及び６１は、膨張シリンダ７２にはまった複動ピストン７１によって形成され、膨張室５７及び６５は、膨張シリンダ７４にはまった複動ピストン７３によって形成されている。ピストン７１は、ピストンロッド７６及びコネクティングロッド７７で回転クランク７８に連結されている。ピストン７３は、ピストンロッド８０及びコネクティングロッド８１で回転クランク８２に連結されている。ピストンロッド７６及び８０は、ピストン７１及び７３よりはるかに小径であり、ピストンロッドシール８５及び８６によって密封されている。クランク７８及び８２は、軸受け９１及び９２で支持されたクランクシャフト９０に取り付けられている。クランクシャフト９０は、ＰＳＡサイクル頻度で回転し、直接的にカムシャフト延長部分９３で回転カム２３に連結されている。カムシャフト延長部分９３自体は軸受け９４及び９５で支持されて、歯車減速機９６、シャフト９７及び直角歯車箱９８によってモータ４３に連結されている。ＰＳＡサイクルは４つの吸着剤ベッドで、ベッド２、３、４及び５の順にそれぞれ９０°の位相ずれで行われる。各ベッドは第２端部で膨張室５３、５７、６１及び６５に連通しており、膨張室の循環容積変化はその順に９０°の位相ずれで生じる。１８０°ずれて位相が逆の各対の吸着剤ベッド（例えばベッド２及び４、またはベッド３及び５）は、ベッドの自由端部が四方スプール弁によって、ベッドの生成物端部が複動膨張ピストンによって制御される。膨張ピストンは、機械式クランクリンク機構によって、四方弁を作動させる回転カムを備えた回転シャフトに連結されている。膨張室５３、５７、６１及び６５は、９０°の位相ずれで往復移動する４つの単動シリンダによっても同様に形成でき、ピストンではなく可撓性ダイアフラムを同等の容積形手段として使用することもできることは明らかであろう。第２図は、シャフト９３の軸線を中心に突出した弁作動カム２３の輪郭を示している。カム２３の円周は９０度幅で４象限に分割されている。象限は、０°から９０°までの象限１０１、９０°から１８０°までの象限１０２、１８０°から２７０°までの象限１０３、及び２７０°から０°に戻る象限１０４として定めれている。弁１８のカムローラ２５は、弁２２のカムローラ２８から９０°ずれている。象限１０２及び１０４は、ローラがその象限に入っている弁（例えば、弁２２）が中央閉鎖位置にあるように定められた同一半径Ｒを有している。象限１０１はＲより大きい半径を有しているため、ローラがその象限に入っている弁（例えば、弁１８）は開放位置にある。象限１０３はＲより小さい半径を有しているため、ローラがその象限に入っている弁は、象限１０１にある時の開放位置と反対の開放位置にある。膨張ピストン及び四方弁はＰＳＡサイクル頻度で往復移動し、ピストンによってＰＳＡサイクルから回収された膨張エネルギを動力とする。本装置は、供給圧縮機と真空ポンプとを備えており、その各々はサイクル期間の１／４の間、各吸着剤ベッドに接続される。圧縮機及び真空ポンプの各々は、吸着剤ベッドの変化圧力に追従してそれぞれ供給加圧及び向流ブローダウン段階を行うので、動力消費量が低減する。このため、圧縮機及び真空ポンプの各々における平均作動圧力は、最大作動圧力よりはるかに低い。機械式減速リンク機構が膨張ピストンを圧縮機または真空ポンプモータに連結しているため、回収された正味膨張エネルギはモータの動力消費量を低減させるために充当され、ＰＳＡサイクル頻度はモータの回転数と減速リンク機構の比率とで定められる。このサイクルの利点は、（１）実現可能な最低限の動力消費量、（２）膨張ピストン及びスプール弁機構による簡略化された自己調整サイクル制御及び生成物背圧の外部制御、（３）ソレノイド弁及び電子制御部の完全な排除、（４）吸着剤ベッド内での水蒸気の蓄積、さらには結露さえも生じる排出ガスの再循環の確実な排除、（５）モータ速度調整による生成物流量制御の選択にある。本技術は新規な酸素需要制御／応答特性に役立つ。このため、夜間には酸素需要の減少に合わせて装置を低速で運転でき、音も静かになる。第３図装置１２０は非常に関連性のある装置であって、複動供給／排出シリンダ１２１及び１２２を使用して供給圧縮機及び排出真空ポンプの組み合わせ機能を与えている。供給／排出シリンダ１２１は、シリンダ１２１内を往復移動するピストンロッド１２６に取り付けられたピストン１２５によって分割された供給室１２３及び排出室１２４を備えている。同様に、同一の供給／排出シリンダ１２２は、シリンダ１２２内を往復移動するピストンロッド１３６に取り付けられたピストン１３５によって分割された供給室１３３及び排出室１３４を備えている。供給／排出容積変位比は、排出室の掃引容積に対する供給室の掃引容積の比、すなわち、ピストンの直径を「Ｄ」、ピストンロッドの直径を「ｄ」とした時、 [Ｄ²／（Ｄ²−ｄ²）]で定められる。入口チェック弁１４０及び１４２を設けて、それぞれ入口１４２及び１４３から供給室１２３及び１３３へ供給流を送り込むことができるようにしている。排出チェック弁１４４及び１４５を設けて、それぞれ排出室１２３及び１３３から排出流を放出することができるようにしている。ピストン１２５は、回転クランク１５１をピストンロッド１２６に連結するコネクティングロッド１５０によって往復移動する。ピストン１３５は、回転クランク１５１をピストンロッド１２６に連結するコネクティングロッド１５２によって往復移動する。両ピストンは同じクランク１５１で作動するので、それらは１８０°の逆位相で往復移動する。回転クランク１５１は、軸受け１５６及び１５７によって支持されてモータ１５８で駆動されるシャフト１５５によって担持されている。シャフト１５５に取り付けられた歯車１６０がシャフト９３に取り付けられた歯車１６１と噛み合って成る減速リンク機構の２：１の比によって、供給／排出シリンダはＰＳＡサイクル頻度の正確に２倍で往復移動する。歯車１６０が直径が歯車１６１の半分であることによって、２：１の比を定めている。シャフト９３及び１５５の相対回転位相、従って、膨張シリンダ及び切り換え弁の往復移動に対する供給／排出シリンダの往復移動の位相関係は、歯車１６０及び１６１によって定められる。上記実施例において、小能力酸素濃縮器用の最も簡単な装置は、それぞれ２つのベッドのために作動する２つの四方スプール弁を使用するものである。幾分大能力の装置に適した変更例は、それぞれ１つのベッドのために作動する４つの三方弁を使用するものである。三方弁は、四方弁の場合と同様に機械的にカム作動することができる。三方スプール弁を用いた望ましい方法は、低圧排出流の有効ポート面積を高圧供給流の２倍にして、小さい弁を使用して同じ能力が得られるようにするポート構造を使用するものである。非接触シールを備えたスプール弁は、自己浄化原理によってゴミを排除することができる。第４図第４図は、第３図の装置の吸着剤ベッドの１サイクル期間におけるガス流パターン及び圧力パターンの時間変化を示している。第４図の横軸２０１は、サイクル期間の１／４単位で時間を表している。第４図の下部分の縦軸２０２は、吸着剤ベッド２の、例えば第１端部６における作動圧力を表している。第４図の上部分の縦軸２０３は、ベッド２に関連した装置内の容積を表している。添え字「Ｖ」は、図示の容積に対応した空間の第３図における番号に付けられている。従って、容積２Ｖは、吸着剤ベッド２の空隙容積であり、死容積５１Ｖ及び１６Ｖは導管５１及び１６に対応し、変化容積５３Ｖは膨張室５３の容積で、変化容積１２３Ｖは（弁１８の開放ポートを通ってベッド２に連通している時の）供給室１２３の容積であり、変化容積１２４Ｖは（弁１８の開放ポートを通ってベッド２に連通している時の）排出室１２４の容積である。ほぼ正弦波形の曲線２０５が膨張ピストン７１の軌道を表しており、容積５３Ｖを上死点時「ｔ_MIN 」の最小値から下死点時「ｔ_MAX」の最大値まで変化させる。各瞬間時において、曲線２０５と横線２０６との間の垂直距離が室５３の容積を表している。死容積１６Ｖは、横線２０８及び２０９によって定められる。曲線２１０と線２０９との離隔距離は、室１２３の容積１２３Ｖが作動容積になる収縮を示している。点線の曲線２１１は、他方のベッドへの次の圧縮行程に備えた容積１２３への供給空気の導入を示している。曲線２１２と線２０９との離隔距離は、室１２３が作動容積から排出ガスを引き出す時の容積１２４Ｖの膨張を示している。点線の曲線２１３は、他方のベッドのための次の真空行程に備えた容積１２３からの排出ガスの排除を示している。曲線２１５は、高圧Ｐ_Hと低圧Ｐ_Lの間を循環する圧力の時間変化を示している。最大すなわち高圧Ｐ_Hは、膨張室５３がその最小値を過ぎる一方、圧縮室１２３はそれの最小値に近づいて供給空気を吸着剤ベッドに送り込み、生成ガスが送り出される時に得られる。最小すなわち低圧Ｐ_Lは、真空室１２４がまた排出ガスを供給ベッドから引き出している間で、膨張室５３がそれの最大容積まで膨張し、収縮し始めた直後に得られる。サイクルは４つの処理段階に分割され、ここでは等しい時間間隔を有するように示されている。供給段階（高圧での軽生成物送り出しのための供給加圧及び供給を含む）が横軸２０１のサイクル期間の時間０からＴ／４までの供給時間間隔を占め、並流ブローダウン段階がＴ／４からＴ／２までの並流ブローダウン間隔を占め、排出間隔（向流ブローダウン及びパージを含む）がＴ／２から３Ｔ／４までの向流ブローダウン間隔を占め、軽還流加圧段階が３Ｔ／４からサイクルが完了するＴまでの軽還流加圧間隔を占めている。軽還流加圧段階は低圧で始まり、第１中間圧力２１６で終了する。供給段階は、第１中間圧力２１６から高圧までの供給加圧（膨張室が上死点で最小容積まで収縮するまで、軽還流加圧がある程度、貢献する）を含む。一般的に、第１中間圧力は公称大気圧である。並流ブローダウン段階はほぼ高圧で始まり、第２中間圧力２１７で終了し、この第２中間圧力２１７は一般的に第１中間圧力２１６とほぼ同じにすることができる。排出段階は、第２中間圧力２１７から低圧まで向流ブローダウンを行い、膨張室が下死点で最大容積まで膨張するまで、並流ブローダウンがある程度、貢献し続ける。供給段階は、膨張室の上死点の後、ｔ_MINからＴ／４までの供給位相遅れ間隔だけ遅れて終了する。同様に、排出段階は、膨張室の下死点の後、ｔ_MAXから３Ｔ／４までの排出供給位相遅れ間隔だけ遅れて終了する。排出位相遅れは、一般的に供給位相遅れにほぼ等しい。位相のサイクル期間が３６０°である時、供給位相遅れ間隔は、０°から６０°の範囲、好ましくは約３０°から４５°の範囲である。実験的に、３０°よりも４５°の供給位相遅れで高性能（ある酸素純度での高回収率）が予想外に達成された。上記ＰＳＡ装置の場合と同様に、供給空気の供給及び１組の４ベッドからの排出ガスの引き出しを行うために四方切り換えスプール弁を使用することもできる。スプール弁は、まったく第１図及び第２図の場合と同様に供給圧縮機から排出真空ポンプへの流れを制御し、各々はサイクル期間の１／４で各吸着剤ベッドに順次連結される。第５図粒状吸着剤の実用可能なサイクル頻度限界内（例えば、重大な軸方向吸着剤ベッド圧力降下及び付随したベッド損耗問題を伴わない状態で１０回／分程度まで）でも、膨張ピストンが大きくなりすぎるため、第１図の実施例は極めてエネルギ感度が高い用例（例えば、１２ボルト直流電力）に適するだけである一方、第３図のものは、おそらくは手動式緊急生命維持装置に適用されるだけであろう。高頻度作動を達成するために、従来の粒状吸着剤パック詰めベッドを高表面積吸着剤支持モノリスに交換することによって、はるかに高いサイクル頻度が得られるようになる。その解決策が以下の実施例に示されている。本発明は、（従来のパック詰め吸着剤ベッドに代えて）繊維補強材を使用してゼオライト充てん複合剤を「吸着剤シート」状に支持した層状すなわちラミネートシート材からなる吸着剤部材を使用するものである。選択可能な繊維補強材は、ガラス、鉱物、炭素またはケブラー繊維を基にすることができ、長短のいずれの繊維でもよい。シートは、大表面積を与えることができる薄さである。専用のスペーサが、吸着剤シート間に正確に定められたガス流チャネルを形成する。流れの方向は吸着剤シートの接線方向で、隣接した吸着剤シート対の間のチャネル内である。現在試験中の実験サンプルのように、層状吸着剤（すなわち「吸着剤ラミネート」）部材を矩形の本の形にして、シート間の流れが１つの縁部に平行になるように形成することができる。ここに開示されている他の構造として、らせん状に巻き付けて軸方向に流れるようにした部材や、環状ディスクを積層化して、ディスク間を半径方向に流れるようにして形成された部材がある。現在の開発段階では、実験的な吸着剤ラミネート部材をＰＳＡ装置で作動させて、１００回／分で高純度酸素を発生した。わずかな改良と公差の大幅な制御によって、サイクル頻度は約６００回／分まで延びると推定され、それに伴って、第２図の複動供給／排出ピストンの往復移動は１２００ＲＰＭになるであろう。吸着剤ラミネート技術は非常に高いサイクル率を可能にするため、それはＴＣＰＳＡ装置の大幅な小型化を達成することを約束する。実施例３００は、酸素濃縮装置であり、吸着剤ベッドが各膨張ピストン内にらせんロール状の吸着剤シート材として設けられている。第４図の装置１２０の場合と同様に、複動供給／排出シリンダ１２１及び１２２が、供給圧縮機及び排出真空ポンプの組み合わせ機能を与えている。供給／排出シリンダ１２１は、シリンダ１２１内を往復移動するピストンロッド１２６に取り付けられたピストン１２５によって分割された供給室１２３及び排出室１２４を備えている。同様に、同一の供給／排出シリンダ１２２は、シリンダ１２２内を往復移動するピストンロッド１３６に取り付けられたピストン１３５によって分割された供給室１３３及び排出室１３４を備えている。入口チェック弁１４０及び１４２を設けて、それぞれ入口１４２及び１４２から供給室１２３及び１３３へ供給流を送り込むことができるようにしている。排出チェック弁１４４及び１４５を設けて、それぞれ排出室１２３及び１３３から排出流を送り出すことができるようにしている。ピストン１２５、ピストンロッド１２６、ピストン１３５及びピストンロッド１２６は、スコッチヨーク３０１によって往復移動する。回転クランク３０２がモータ３０３によって駆動されて、軸線３０４を中心に回転し、軸受けスリーブ３０２によってスコッチヨーク３０１に係合している。モータ３０３のシャフトは、リンク機構３１０によって歯車比が２：１の歯車箱３１１に連結されている。歯車箱３１１は、軸受け３１３及び３１４で支持された膨張クランクシャフト３１２に連結されているため、回転クランク３０２は膨張クランクシャフト３１２の正確に２倍の回転速度で回転する。クランクシャフト３１２とクランク３０２との間の相対角位相は、リンク機構３１０と歯車箱３１１との間のカップリングによって決定される一方、供給／排出シリンダはＰＳＡサイクル頻度の２倍で往復移動する。膨張クランクシャフト３１２は、９０°の位相ずれで４つのクランクスロー３１５、３１６、３１７及び３１８を有している。各クランクスロー（３１５、３１６、３１７及び３１８）は、それぞれ膨張シリンダ３３０、３３１、３３２及び３３３内を往復移動する膨張ピストン３２５、３２６、３２７及び３２８にコネクティングロッド３２０及びピン３２１で連結されている。ピストンは、膨張シリンダ内にそれぞれ膨張空間３３５、３３６、３３７及び３３８を形成している。図示の時点で、ピストン３２５は下死点付近に位置して空間３３５の膨張を最大にしており、ピストン３２６は矢印３４０で示されているように前進中で空間３３６を収縮させており、ピストン３２７は上死点付近に位置して空間３３７の容積を最小にしており、ピストン３２８は矢印３４１で示されているように後退中で空間３３８を膨張させている。各膨張ピストン（代表例としてピストン３２５）はシリンダ３３０内を往復移動し、相互密封接触部を有するシリンダ３３０とピストン密封壁３５０との間の狭い隙間によって有効密封されている。この隙間は非常に狭いため、ピストン３２５とシリンダ壁との間の漏れが最小限に抑えられ、これらはそれぞれ外部潤滑がなくても低摩耗及び低摩擦の適当な材料（例えばセラミックスまたは焼き入れ鋼合金）で形成されている。ピストン３２５はまた、そのピストン上に支持されている吸着剤ベッドの供給及び排出を行う三方弁として機能するように構成されている。ピストン３２５内の供給導管３５１が、シリンダ３３０に対して相互非接触シール状態にあるピストン３２５の密封壁３５０に開口した弁ポート３５２に連通している。シリンダ３３０は供給ポート３５４と排出ポート３５５とを備えており、それらはピストンのそれぞれ上死点及び下死点で弁ポート３５２に整合して流体連通する。ピストンがそれの上死点及び下死点の中間に位置する時、弁ポート３５２は供給ポート３５４及び排出ポート３５５の両方に対して完全に閉鎖される。本実施例では、吸着剤ベッドは、膨張シリンダ内に密封接触する壁を有する膨張ピストン内に配置されており、吸着剤ベッドの第２端部は膨張室に連通し、吸着剤ベッドの第１端部は膨張ピストンの壁を介して弁ポートに連通しており、膨張シリンダの壁は、供給空気供給手段に連通した供給ポートと、排出手段に連通した排出ポートとを有しているので、膨張ピストンが上死点またはその付近に位置する時、弁ポートは供給ポートに開き、排出ポートは閉鎖されており、膨張ピストンが下死点またはその付近に位置する時、弁ポートは排出ポートに開き、供給ポートは閉鎖されており、膨張ピストンが上死点及び下死点の間の中間位置またはその付近に位置する時、弁ポート、供給ポート及び排出ポートはすべて閉鎖されて流体が流れない。代表例の膨張ピストン３２５の吸着剤ベッド（または「吸着剤部材」）は、層３６０を形成してコアマンドレル３６１に巻き付けられた吸着剤充てんシート材のらせんロール３５９として与えられている。らせんロールは、１枚の吸着剤シート及びスペーサ層を含む板材を１枚、２枚または多数枚、中央マンドレルに巻き付けて形成されている。スペーサは、別個のスペーサ部材か、吸着剤シートと共に巻き付けられるメッシュとして設けることができるが、吸着剤シートの片面または両面にパターン化した隆起ボス、隆起リブまたは溝として設けることもできる。各層のスペーサパターンは、平均軸流方向と同一か、その平均軸流方向からわずかな角度だけ傾斜した流れ方向で流れチャネルを形成する。スペーサ層を交互に逆方向に斜行させることによって、多重傾斜交差によって安定させることができる。吸着剤は、アルミニウムフォイル等の不活性支持材料の片面または両面の被膜として与えたり、吸着剤と繊維補強材及び適当な結合剤との複合マトリックスとして与えることもできる。層３６０を離隔配置して、層３６０の各隣接対の間にほぼ同一の狭い流れチャネル３６１を形成することによって、各層３６０の両側にほぼ均一速度のガス流が生じる。らせんロール３５９は、ピストン３２５と一体化したハウジング３６５内に収容されており、コアマンドレル３６１に挿通した中央ボルト３６６によって固定することもできる。吸着剤ベッドの一端部３６７は、供給導管３５１に連通した供給プレナム３６８に連通しており、第２端部３６９は直接的に膨張空間３３５に連通している。流れチャネル３６１は、吸着剤ベッドの第１及び第２端部間に流路を形成して、吸着剤に接触している。この形式の吸着剤ベッドのさらに詳細な説明が第７図に示されている。供給室１２３は、導管３７５でシリンダ３３０の供給ポート３５４に、導管３７６でシリンダ３３２の供給ポート３７７に接続されている。供給室１３３は、導管３７８でシリンダ３３１の供給ポート３７９に、導管３８０でシリンダ３３３の供給ポート３８１に接続されている。排出室１２４は、導管３８２でシリンダ３３０の排出ポート３５５に、導管３８３でシリンダ３３２の排出ポート３８４に接続されている。排出室１３４は、導管３８５でシリンダ３３１の排出ポート３８６に、導管３８６でシリンダ３３３の排出ポート３８７に接続されている。生成ガスは、チェック弁３８８、３８９、３９０及び３９１によってそれぞれ膨張室３３５、３３６、３３７及び３３８から生成物送り出しマニホルド３９２に送り出される。生成ガスはマニホルド３９２から受け器３９３に流れ込み、受け器は協働圧力及び／または流量制御手段を備えて、生成ガスの圧力をＰＳＡサイクルの高圧ＰHよりわずかに低い生成物送り出し圧力に定める。供給／排出ピストン１２５及び１３５が矢印３９４で示された方向にストローク移動している時、供給室１３３は矢印３９５で示されているように供給空気を入口１４３から引き込んでいる一方、排出室１３４は矢印３９６で示されているように排出ガスを装置から排出している。矢印３９６で示されているように、供給室１２３は圧縮供給ガスを導管３７６及び供給ポート３７７で膨張シリンダ３３２の吸着剤ベッドに送り出し、そこから生成ガスがチェック弁３９０を通って送り出される。矢印３８７で示されているように、排出室１２４は排出ガスを導管３８２及び排出ポート３５５で膨張シリンダ３３０の吸着剤ベッド３５９から抜き取っている。同時に、ピストン３２６の移動による膨張シリンダ３３１内の吸着剤ベッドの「生成物加圧」によって圧力が上昇している一方、ピストン３２８の移動による膨張シリンダ３３３内の吸着剤ベッドの「並流ブローダウン」によって圧力が低下している。第６図実施例４００は、廃熱を動力の一部にするための手段を備えていると共に、吸着剤ベッドが吸着剤充てん環状ディスクの積層体として設けられている酸素濃縮装置である。供給ブロワ及び真空排出機能は、実施例３００の場合と同様に、やはり複動供給／排出シリンダによって行われる。ここでは、４つの吸着剤ベッド４０１、４０２、４０３及び４０４が、やはり複動膨張シリンダとして機能する容器４０５及び４０６内に対向対として配置されている。代表例としての吸着剤ベッド４０１は、吸着剤を支持している薄い環状ディスク４１０の積層体として設けられている。ディスクは、不活性シート材の両面を吸着剤で被覆して形成してもよいが、吸着剤と繊維補強材及び適当な結合剤との複合物として形成して多孔質マトリックスを形成してもよい。ディスク４１０は、各隣接ディスク対間が等間隔になるように離隔配置されて流れチャネル４１１を形成している。チャネル４１１内の流れ方向はほぼ半径方向である。供給流れディストリビュータ４１２（例えば、多孔質焼結材からなる円筒形スクリーンまたはフィルタ）を設けてディスク積層体の外径のすぐ外側を包囲してもよい。同様に、生成物流れディストリビュータ４１３（例えば、多孔質焼結材からなる円筒形スクリーンまたはフィルタ）をディスク積層体の内径のすぐ内側に設けてもよい。吸着剤ベッドを流れる流路が、供給及び生成物流れディストリビュータ間に連通したチャネル４１１によって半径方向に定められている。流れディストリビュータ４１２及び４１３は中程度の圧力低下を発生し、この吸着剤ベッド内の軸方向及び円周方向の両方における流れ分配の均一性を向上させる。ベッド４０１内の吸着剤ディスク４１０の積層体は、前プレート４１４と後プレート４１５との間に固定されている。吸着剤ベッドは、生成物流れディストリビュータ４１３の内側に生成物プレナム４１６を備え、それに中央ボルト４１７を挿通させることができる。吸着剤ベッドはまた、供給流れ生成物ディストリビュータ４１２の外側で後プレート４１５までの容器４０５の隣接部分の内部に供給プレナム４１８を備えている。供給プレナム４１８に近接した吸着剤ディスクの外径部分が、供給材ベッドを通る半径方向流路の第１端部を、従って吸着剤部材の第１端部を形成しており、生成物プレナム４１８に近接した吸着剤ディスクの内径部分が、その流路の第２端部を、従って吸着剤部材の第２端部を形成している。吸着剤ベッド４０１及び４０３は、容器４０５の対向端部内に配置されている。シール４２１付きの膨張ピストン４２０が、容器４０５の中央部分であるシリンダ４２５内に膨張室４２３及び４２４を形成している。膨張室４２３はベッド４０１と協働し、同様に室４２４は吸着剤ベッド４０３と協働する。吸着剤ベッド４０２及び４０４は、容器４０６の対向端部内に配置されている。生成物流路４２５が、膨張室４２３と隣接の吸着剤ベッド４０１の生成物プレナム４１６との間を流体連通させている。ヒータコイル４２６が流路４２５内に配置され、外部加熱された熱交換流体が矢印４２７で示されているようにコイルに流れ込み、矢印４２８で示されているようにコイルから流出する。バッフル４２９を設けて流路４２５内の流れをコイル４２６に沿うように拘束することによって、生成ガスは、生成物プレナム４１６から膨張空間４２３に流れる時には熱交換流体に対して向流の流れで、膨張空間４２３から生成物プレナム４１６に流れる時には熱交換流体に対して並流の流れでコイルに接触する。従って、膨張空間に流入する生成ガスは、ヒータコイルに流入した熱交換流体が加熱された温度に近い温度Ｔ_Eまで加熱されるであろう。流路４２６内にも再生熱交換マトリックスを設けて、膨張空間４２３内の温度を吸着剤ベッドの温度に対してさらに上昇させてもよい。後プレート４１５は太線で示されており、吸着剤ベッドをヒータコイル４２６から隔離するための断熱材を組み込んでいる。後プレート４１５は容器４０５の内壁に密封係合状態で接触して、供給プレナム４１８及び生成物流路４２５間の漏れを防止している。シール４３１付きの膨張ピストン４３０が、容器４０６の中央部分であるシリンダ４３５内に膨張室４３３及び４３４を形成している。膨張室４３３はベッド４０２と協働し、同様に室４３４は吸着剤ベッド４０４と協働する。生成ガスは、チェック弁４３６、４３７、４３８及び４３９によってベッド４０１、４０２、４０３及び４０４の生成物プレナム４１６及び生成物流路４２５から生成物受け器及び圧力制御手段３９３に送られる。ピストン４２０及び４３０は、コネクティングロッド４４５及び４４６を介してクランクシャフト４４４のクランクスロー４４２及び４４３を回転させることによって駆動されるピストンロッド４４０及び４４１によって往復移動する。クランクシャフト４４４は軸受け４４７、４４８及び４４９で支持されており、カップリング４５０及び連結機構４５１によって歯車箱４５２に、またリンク機構４５３によってモータ３０３に連結されている。歯車箱４５２は、クランクシャフト４４４の回転速度を、供給／排出ピストンを駆動するクランク３０２の回転速度の正確に１／２に定める。カップリング及びリンク機構が、クランク３０２及びクランクシャフト４４４間の位相関係も定める。クランクシャフト４４４は、ＰＳＡ処理のサイクル頻度で回転する。供給室１２３内で圧縮された供給ガスは、導管４６０及び冷却器４６１に流入して圧縮の熱が除去されて、四方回転弁４６３の供給ポート４６２に流入する。排出ガスは、回転弁４６３の排出ポート４６４から引き出されて導管４６５及び排出室１２４に送られる。回転弁４６３は、ステータ４６７内で狭い間隔を置いて反時計回り方向に回転するバレルロータ４６６を備えている。ステータは、供給ポート４６２及び排出ポート４６４を１８０°の対向位置に、また２つのベッドポート４７０及び４７１を供給及び排出ポートから９０°ずらした対向位置に有している。ベッドポート４７０は導管４７２及び任意の熱交換器４７３によってベッド４０１の供給プレナムに連通している。ベッドポート４７１は導管４７４及び任意の熱交換器４７５によってベッド４０３の供給プレナムに連通している。ロータ４６６内の弁チャネル４７６及び４７７が９０°離れたステータポート対を接続している。図示の時点で、チャネル４７６はベッドポート４７０を排出ポート４６４に接続し、チャネル４７７は供給ポート４６２をベッドポート４７１に接続している。供給室１３３内で圧縮された供給ガスは、導管４８０及び冷却器４８１に流入して圧縮の熱が除去されて、四方回転弁４８３の供給ポート４８２に流入する。排出ガスは、回転弁４８３の排出ポート４８４から引き出されて導管４８５及び排出室１３４に送られる。回転弁４８３は、ステータ４８７内で狭い間隔を置いて反時計回り方向に回転するバレルロータ４８６を備えている。ステータは、供給ポート４８２及び排出ポート４８４を１８０°の対向位置に、また２つのベッドポート４９０及び４９１を供給及び排出ポートから９０°ずらした対向位置に有している。ベッドポート４９０は導管４９２及び任意の熱交換器４９３によってベッド４０４の供給プレナムに連通している。ベッドポート４９１は導管４９４及び任意の熱交換器４９５によってベッド４０２の供給プレナムに連通している。ロータ４８６内の弁チャネル４９６及び４９７が９０°離れたステータポート対を接続している。図示の時点で、弁が中間閉鎖位置間に回転しているのでチャネル４９６及び４９７は閉鎖されている一方、供給室１３３は新しい供給ガスを引き込み、排出室１３４は排出ガスを放出する。弁ロータ４６６及び４８６はカップリング４５０に連結された回転リンク機構４９８によって駆動されるので、弁は、クランクシャフト４４４の回転数と同一のＰＳＡ処理のサイクル頻度で、第６図に示されている位相関係で回転する。弁４６３及び４８３は、ロータ４６６及び４８６を組み合わせて一体装置に統合してもよい。第７図第７図は、生命維持用酸素濃縮、例えば肺疾患のある患者への医療用酸素供給、高山での生命維持用酸素濃縮、故障した潜水艦または崩落した採掘坑等の狭い空間内で生存するための呼吸空気浄化のための装置を示している。装置９００は、膨張シリンダ９０４内を密封接触状態で往復移動する複動膨張ピストン９０３内に同軸的に配置された第１及び第２らせんロール状吸着剤部材９０１及び９０２を有している。吸着剤部材９０１の第１端部はピストン９０３の密封壁９０７の第１弁ポート９０６に連通している一方、吸着剤部材９０２の第１端部はピストン９０３の密封壁９０７の第２弁ポート９０９に連通している。吸着剤９０１の第２端部９１１は直接的に第１膨張室９１２に連通している一方、吸着剤９０２の第２端部９１３は直接的に第２膨張室９１４に連通している。複動供給／排出シリンダ９１５が、供給圧縮機及び排出真空ポンプの組み合わせ機能を与えている。供給／排出シリンダ９１５は、スリーブ９２０内を往復移動するピストンロッド９１９に取り付けられたピストン９１８によって分離された供給室９１６及び排出室９１７を備えている。漏れを低減させるためにシール９２１及び９２２が設けられている。同様に、ピストン９１８を可撓性ダイアフラムまたは包旋状ベローズに置き換えてもよい。入口チェック弁９３０を設けて、入口空気フィルタ９３１から供給室９１６へ供給流を送り込むことができるようにしている。排出チェック弁９３２を設けて、排出室９１７から排出流を大気に放出することができるようにしている。供給導管９３３が、供給室９１６から膨張シリンダ９０４の中央部分の供給ポート９３４までを連通している。第１排出導管９３５が排出室９１７から膨張シリンダ９０４の第１排出ポート９３６までを連通している一方、第２排出導管９３７が排出室９１７から膨張シリンダ９０４の第１排出ポート９３８までを連通している。弁体９４０に膨張シリンダ９０４に対する固定シール９４１を設けて、供給及び排出ポートを分離している。図示の位置では、膨張室９１２は下死点に位置する一方、膨張室９１４は上死点に位置している。第１弁ポート９０６は第１排出ポート９３６に開いており、第２排出ポート９３８は閉鎖されており、第２弁ポート９０９は供給ポート９３４に開いている。膨張ピストン及びシリンダは、対向吸着剤対のための供給及び排出弁手段としての中央閉鎖四方スプール弁の機能を与えていることがわかる。ピストン９１８は、クランクピン９５２で回転クランク９５１をピストンロッド９１９に連結するコネクティングロッド９５０によって往復移動する。回転クランク９５１は、クランクハウジング９５４内の軸受けで支持された駆動シャフト９５３によって回転する。膨張ピストン９０３は、ロッドシール９６１を貫通している小径ピストンロッド９６０によって連結されており、本実施例では、軸線９６５回りに回転するクランクピン９６４によって往復移動するスライダ９６３によってスコッチヨーク９６２を介して駆動される。スコッチヨークはハウジング９６７の外側軸受け９６６によって支持されており、ハウジングはさらにクランクピン９６４用のシャフト軸受けを軸線９６５上に支持している。クランクピン９６４はＰＳＡサイクル頻度で回転する一方、クランクシャフト９５３はＰＳＡサイクル頻度の正確に２倍で回転する。２：１の速度比と、膨張室が上または下死点に到達した後に約４５°の位相遅れでピストン９１８が下死点（最小供給室容積で、最大排出室容積）に到達する正確な位相関係とは、平行なクランクシャフト９５３とクランクピン９６４のシャフトとの間のタイミングベルトによって好都合に定められる。以上に記載した装置９００は、２つの対向吸着剤部材を有するモジュールである。２個または３個のそのようなモジュールを共通シャフト９５３及び９６５上に組み合わせて設けることによって、合計で４個または６個の吸着剤部材を平衡位相で作動させて比較的円滑な駆動トルク及び酸素送り出しを得ることもできるであろう。この形式の生命維持酸素濃縮器または呼吸空気浄化器は、救命用に手動作動させることができる。産業的適用性現在の開発段階では、吸着剤ラミネートモジュールの成功的な実験作動がＰＳＡ装置で達成され、１００回／分で高純度酸素を発生した。吸着剤シートを、１３Ｘゼオライトをクレー及びシリカ結合剤で約１５０ミクロン厚さの長繊維不織ガラス繊維荒目地クロス上に支持して形成し、流れチャネルは吸着剤シート間で約７５ミクロンであった。わずかな改良と公差の大幅な制御を加え、５０ないし１００ミクロンの範囲の厚さの吸着剤シートを使用し、スペーサで吸着剤シートの厚さの約半分のチャネルを定めることによって、この技術は約６００回／分まで延び、それに伴って、第２図の複動供給／排出ピストンの往復移動は１２００ＲＰＭになるであろう。吸着剤ラミネート技術は高いサイクル率を可能にするため、それはＴＣＰＳＡ装置の大幅な小型化を達成することを約束する。従って、携帯に極めて適した医療用酸素濃縮器における非常に高いエネルギ効率を達成するという目的が本発明によって達成される。他の用例として、登山（超高高度での手動式酸素濃縮）や、狭い空間内に閉じ込められて（地下採掘坑、潜水艦、宇宙船での事故）二酸化炭素及び他の有毒ガスの蓄積を防止しながらすべての使用可能な酸素を低分圧まで使用する必要がある人々の生命維持がある。超小型化された高エネルギ効率のＰＳＡ装置は、燃料セルなどの先進エネルギ発生装置における酸素濃縮及び水素浄化に有用であろう。本発明の高頻度のＰＳＡ装置は、優れた制御特性を達成する。これらの装置は、部分的または完全な自己調整サイクル制御を特徴としており、最適戦略化された軽還流のために高い回収率を可能にする。膨張エネルギの回収によって、また供給ガス圧縮及び真空ポンプ機能がベッド内の作動圧力を、平均的にベッド内の最大正圧または真空圧よりはるかに低い値に支配するために、エネルギ効率が向上する。大気圧の前後の低い圧力比によって、理想的恒温処理からの断熱逸脱が低減する。低摩擦の弁によって、寄生動力損失が最小限に抑えられる。平行チャネルが層状になった吸着剤ラミネートモジュールでの圧力降下が最小限に抑えられることによって、効率がさらに向上する。

Claims

【特許請求の範囲】１．圧力上昇下において吸着剤に対する吸着性が高い第１成分、及び圧力上昇下において吸着剤に対する吸着性が低い第２成分を含む供給ガス混合物、圧力を所定のサイクル期間を有する処理のサイクル頻度で低圧及び高圧を繰り返し、前記低圧で、前記第２成分を吸着剤に接触させて、第１成分を相対的に濃縮し、前記高圧で、第１成分を吸着剤に接触させて、第２成分を相対的に濃縮することによって、前記第１及び第２成分を分離する方法であって、第１及び第２端部を有する「Ｎ」個のほぼ同一の吸着剤の吸着剤ベッドを準備し、さらに、各吸着剤ベッドの第２端部に対して可変容積形膨張室に連通させた状態で、（Ａ）吸着剤ベッド内の圧力が、前記低圧と高圧との間の第１中間圧力である時に開始される供給時間間隔中に、供給ガス混合物流を吸着剤ベッドの第１端部に供給し、吸着剤ベッドを実質的に前に高圧に加圧し、次いで、第２成分のうちの濃化したガスを吸着剤ベッドの第２端部から引き出すとともに、この高圧で供給ガス混合物を流し続け、第２成分のうちの濃化したガスを軽生成ガスとして、軽生成物送り出し圧力で送り出す工程、（Ｂ）第２成分のうちの濃化したガス流を軽還流ガスとして吸着剤ベッドの第２端部から引き出して膨張室に送り込み、さらに膨張室の容積を膨張させることによって、吸着剤ベッドを高圧から高圧と低圧との間の第２中間圧力に向けて減圧する工程、（Ｃ）向流ブローダウン及びパージ段階を含む排出時間間隔中に、第１成分のうちの濃化したガス流を吸着剤ベッドの第１端部から引き出すことによって、吸着剤ベッドを第２中間圧力から低圧まで減圧してから、第１成分のうちの濃化したガス流を重生成ガスとして引き出し続ける一方で、膨張室の容積を収縮させることによって軽還流ガスを膨張室から吸着剤ベッドの第２端部に供給して、ほぼ低圧で吸着剤ベッドをパージする工程、及び、（Ｄ）膨張室をその最小容積までさらに収縮させることによって軽還流ガスを膨張室から吸着剤ベッドの第２端部に供給して、吸着剤ベッドの圧力をほぼ低圧から第１中間圧力まで上昇させる工程を備え、以上の工程を、サイクル期間内に順次繰り返す方法。２．さらに、軽生成ガスの所望純度、回収率及び流量を得るためにサイクル頻度を変更することを含む請求の範囲第１項に記載の方法。３．さらに、所望の軽生成物純度を得るために、一定のサイクル頻度において供給流量及び軽生成物流量を変更することを含む請求の範囲第１項に記載の方法。４．軽生成物送り出し圧力は、ほぼ高圧である請求の範囲第１項に記載の方法。５．さらに、所望の軽生成物純度及び流量を得るために、一定のサイクル頻度において軽生成物送り出す圧力を変更することを含む請求の範囲第４項に記載の方法。６．さらに、各吸着剤ベッドの第２端部とそのベッドに対応した膨張室との間を流れるガスを加熱することを含むことを含む請求の範囲第１項に記載の方法。７．第１中間圧力及び第２中間圧力はほぼ同一である請求の範囲第１項に記載の方法。８．第１中間圧力は、ほぼ大気圧であり、低圧は大気圧より低い請求の範囲第１項に記載の方法。９．第１成分は不純物ガスまたは蒸気であり、ガス混合物は不純物を含む空気であり、軽生成物は浄化空気である請求の範囲第１項に記載の方法。１０．第１成分は窒素であり、第２成分は酸素であり、吸着剤は窒素選択性ゼオライトを含み、ガス混合物は空気であり、軽生成物は濃縮酸素である請求の範囲第１項に記載の方法。１１．供給ガス混合物の第１及び第２成分を分離する装置において、第１成分は圧力上昇下において吸着剤に対する吸着性が高いのに対して、第２成分は圧力上昇下において吸着剤に対する吸着性が低いため、圧力があるサイクル期間を有する処理のサイクル頻度で低圧及び高圧を繰り返す時、吸着剤に接触した第１及び第２成分のガス混合物は、低圧で第１成分が相対的に濃縮され、高圧で第２成分が相対的に濃縮されるようにした装置であって、（ａ）吸着剤から成り、吸着剤を通る流路を形成している第１及び第２端部を有する「Ｎ」個のほぼ同一の吸着剤ベッドと、（ｂ）各吸着剤ベッドの第１端部に接続された供給弁手段及び排出弁手段と、（ｃ）該供給弁手段及び排出弁手段を作動させて、いずれの時でも供給または排出弁手段の一方が開放して他方が閉鎖されるか、供給及び排出弁手段の両方が閉鎖されるようにする弁作動手段と、（ｄ）供給ガス混合物を供給圧力で供給弁に導入する供給ガス供給手段と、（ｅ）第１成分が濃化したガスを第１ディストリビュータ弁のパージ排出ポートから取り除く排出手段と、（ｆ）第２成分が濃化したガスの軽生成物流を吸着剤ベッドの第２端部から送り出す軽生成物送り出し手段と、（ｇ）各吸着剤ベッドの第２端部に連通した可変容積形膨張室と、（ｈ）膨張室の容積をサイクル頻度で膨張室の最小及び最大容積間で変化させる膨張室サイクル動作手段とを備えており、最小容積はサイクル期間内の上死点時に得られ、最大容積はサイクル期間内の下死点時に得られ、弁作動手段は膨張室サイクル動作手段と協働して、各吸着剤ベッドについて、（ｉ）弁作動手段は、膨張室が最小容積に近づいている時で、吸着剤ベッド内の圧力が高圧より低い時に供給弁を開き、膨張室サイクル動作手段が膨張室の容積を最小容積より大きくし始め、吸着剤ベッド内の圧力がほぼ高圧まで上昇している供給時間間隔中は供給弁を開放状態に維持し、上死点時から供給位相遅れ間隔を置いて供給弁を閉鎖し、（ｉｉ）弁作動手段は、膨張室が最大容積に近づいている時で、吸着剤ベッド内の圧力が最低圧力より高い時に排出弁を開き、膨張室サイクル動作手段が膨張室の容積を最大容積より小さくし始め、吸着剤ベッド内の圧力がほぼ低圧まで降下している排出時間間隔中は排出弁を開放状態に維持し、上死点時から排出位相遅れ間隔を置いて排出弁を閉鎖し、（ｉｉｉ）供給及び排出時間間隔の間で吸着剤ベッド内の圧力が低下中である並流ブローダウン時間間隔中と、排出及び次の供給時間間隔の間で吸着剤ベッド内の圧力が上昇中である軽還流加圧時間間隔中に、弁作動手段は供給及び排出弁の両方を閉鎖状態に維持し、サイクル期間が供給、並流ブローダウン、排出及び軽還流加圧時間間隔の合計に等しくなるようにした装置。１２．供給、並流ブローダウン、排出及び軽還流加圧の各時間間隔は、サイクル期間のほぼ１／４である請求の範囲第１１項に記載の装置。１３．供給位相遅れ間隔は、排出位相遅れ間隔にほぼ等しい請求の範囲第１１項に記載の装置。１４．サイクル期間が３６０°の位相である時、供給位相遅れ間隔は約３０°から４５°の範囲である請求の範囲第１３項に記載の装置。１５．膨張室サイクル動作手段及び弁作動手段は協働して、各吸着剤ベッドに対する供給段階を開始するための相対サイクル位相を定めて、吸着剤ベッドに対する相対サイクル位相が３６０°／Ｎの位相差で等間隔配置されるようにした請求の範囲第１１項に記載の装置。１６．膨張室は、シリンダ内を往復移動するピストンによって定められている請求の範囲第１１項に記載の装置。１７．膨張室サイクル動作手段は、ピストン及び回転クランクシャフトに連結された往復移動リンク機構である請求の範囲第１６項に記載の装置。１８．吸着剤ベッドの第２端部と、その吸着剤ベッドに連通した膨張室との間にヒータ手段を配置している請求の範囲第１１項に記載の装置。１９．協働する吸着剤ベッド組の各々に対して、供給弁手段及び排出弁手段として多ポート回転ディストリビュータ弁を設けている請求の範囲第１１項に記載の装置。２０．各吸着剤ベッドに対して、その吸着剤ベッド用の供給弁手段及び排出弁手段として中央閉鎖三方弁を設けている請求の範囲第１１項に記載の装置。２１．吸着剤ベッドの数「Ｎ」は偶数であり、対向ベッド対は第１ベッド及び第２ベッドとして形成されて、第１及び第２吸着剤ベッド間の相対サイクル位相差が１８０°であり、Ｎ／２対向吸着剤ベッド対がある請求の範囲第１１項に記載の装置。２２．各対向吸着剤ベッド対に対して、その対向対用の供給弁手段及び排出弁手段として中央閉鎖四方弁を設けている請求の範囲第２１項に記載の装置。２３．各吸着剤ベッドは、層状の吸着剤シートから形成された吸着剤部材として設けられており、該シートは補強材を伴った吸着剤であり、シート間にスペーサを設けて、隣接したシート対の間にシートの接線の流れ方向の流れチャネルを形成している請求の範囲第１１項に記載の装置。２４．吸着剤シートは、ガラスまたは鉱物繊維補強マトリックスにゼオライトクリスタライト粉末を結合剤と共に充てんして形成されている請求の範囲第２３項に記載の装置。２５．吸着剤シートは、アルミニウムフォイルの片面または両面をゼオライト吸着剤及び結合剤で被覆して形成されている請求の範囲第２３項に記載の装置。２６．吸着剤部材は、吸着剤シートをスペーサと共に板材として円筒形マンドレルにらせん状に巻き付けることによって、らせんロールとして形成され、スペーサが隣接したロール層の間に流れチャネル用の半径方向離隔距離を設けていることによって、マンドレルがらせんロールのコアを形成し、らせんロールは円筒形ハウジングの内部にコアをほぼ同心状にして設置され、スペーサはマンドレル及びハウジングの軸線によって定められたらせんロールの軸線にほぼ平行な流れ方向の流れチャネルを形成しており、流れチャネルは、らせんロールの軸方向に離れた対向端部に第１及び第２端部を有している請求の範囲第２３項に記載の装置。２７．吸着剤シートは、内径及び外径を有する環状ディスクとして形成されており、ディスクは端部プレート間に共通軸線に沿って積層化され、隣接ディスク間にスペーサを配置して半径流れ方向の流れチャネルを形成している請求の範囲第２３項に記載の装置。２８．外径は吸着剤部材の第１端部であり、内径は吸着剤部材の第２端部である請求の範囲第２７項に記載の装置。２９．吸着剤ベッドは、膨張シリンダ内に密封接触する壁を有する膨張ピストン内に配置されており、吸着剤ベッドの第２端部は膨張室に連通し、吸着剤ベッドの第１端部は膨張ピストンの壁に貫設された弁ポートに連通しており、膨張シリンダ壁は、供給ガス供給手段に連通した供給ポートと、排出手段に連通した排出ポートとを有して、膨張ピストンが上死点か、その付近に位置する時、弁ポートが供給ポートに開き、排出ポートは閉鎖され、膨張ピストンが下死点か、その付近に位置する時、弁ポートが排出ポートに開き、供給ポートは閉鎖され、膨張ピストンが上死点と下死点との間の中間位置か、その付近に位置する時、弁ポート、供給ポート及び排出ポートはすべて閉鎖されて流体が流れないようにする請求の範囲第２０項に記載の装置。３０．各対向吸着剤ベッド対は、膨張シリンダ内に密封接触する壁を有する複動膨張ピストン内に配置されて、膨張ピストンは膨張シリンダの対向端部に第１及び第２膨張室を形成しており、第１吸着剤ベッドの第２端部は第１膨張室に連通し、第２吸着剤ベッドの第２端部は第２膨張室に連通しており、第１吸着剤ベッドの第１端部は膨張ピストンの密封壁の第１弁ポートに連通し、第２吸着剤ベッドの第１端部は膨張ピストンの密封壁の第２弁ポートに連通しており、膨張シリンダ壁は、供給ガス供給手段に連通した供給ポートと、排出手段に連通した排出ポートとを有して、膨張シリンダ内の膨張ピストンは、その吸着剤ベッド対のための供給弁手段及び排出弁手段としての中央閉鎖四方スプール弁として機能するようにした請求の範囲第２１項に記載の装置。３１．吸着剤ベッドは、層状の吸着剤シートから形成された吸着剤部材として設けられており、該シートは補強材を伴った吸着剤であり、シート間にスペーサを設けて、隣接したシート対の間にシートの接線の流れ方向の流れチャネルを形成している請求の範囲第２９項に記載の装置。３２．吸着剤部材は、吸着剤シートをスペーサと共に板材として円筒形マンドレルにらせん状に巻き付けることによって、らせんロールとして形成され、スペーサが隣接したロール層の間に流れチャネル用の半径方向離隔距離を設けていることによって、マンドレルがらせんロールのコアを形成し、らせんロールは膨張ピストンの内部にコアをほぼ同心状にして設置され、スペーサはマンドレル及びハウジングの軸線によって定められたらせんロールの軸線にほぼ平行な流れ方向の流れチャネルを形成しており、流れチャネルはらせんロールの軸方向に離れた対向端部に第１及び第２端部を有している請求の範囲第３１項に記載の装置。３３．供給ガス供給手段は圧縮機を含み、排出手段は真空ポンプを含む請求の範囲第１１項に記載の装置。３４．圧縮機は、空気を公称大気圧から吸着剤ベッドの各供給段階での高圧まで上昇する圧力に圧縮するブロワである請求の範囲第３３項に記載の装置。３５．ベッドの数はＮ＝４である請求の範囲第３３項に記載の装置。３６．各対向吸着剤ベッド対に対して、供給ガス供給手段は供給室を含み、該供給室はその対向吸着剤ベッド対のための入口チェック弁及び供給弁手段に連通しており、往復移動駆動手段が供給室をサイクル頻度の２倍で往復移動させることによって、サイクル中に対向対の各ベッドに対して供給段階を実施できるようにした請求の範囲第２１項に記載の装置。３７．各対向吸着剤ベッド対に対して、排出手段は排出室を含み、該排出室はその対向吸着剤ベッド対のための排出チェック弁及び排出弁手段に連通しており、往復移動駆動手段が排出室をサイクル頻度の２倍で往復移動させることによって、サイクル中に対向対の各ベッドに対して排出段階を実施できるようにした請求の範囲第３６項に記載の装置。３８．供給室及び排気室は供給／排出シリンダ内に設けられており、供給室及び排気室を包囲しているシリンダは、ピストンロッドに取り付けられたピストンによって分離され、ピストンロッドは供給室を貫通しているため、供給室の掃引容積に対する排出室の掃引容積の比は、ピストンの直径を「Ｄ」、ピストンロッドの直径を「ｄ」とした時、[Ｄ²／（Ｄ²−ｄ²）]で定められ、往復移動駆動手段がピストンロッドに連結されている請求の範囲第３７項に記載の装置。３９．２つの対向吸着剤ベッド対を９０°の位相ずれで設けており、４つの吸着剤ベッドのための供給ガス供給手段及び排出手段として、共通ピストンロッドの対向端部に連結されたピストンを有する２つの対向した供給／排出シリンダを備えている請求の範囲第３８項に記載の装置。４０．共通ピストンロッドはスコッチヨーク駆動部によって往復移動するようにした請求の範囲第３９項に記載の装置。４１．複動膨張ピストンは小径のピストンロッドで連結されており、該ピストンロッドはスコッチヨーク駆動部によって往復移動するようにした請求の範囲第３０項に記載の装置。