JP2003515086A - 液体酸素の生成 - Google Patents

液体酸素の生成

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Abstract

(57)【要約】 ガスを液化および貯蔵するための装置を提供する。この装置は、比較的少量のガスを住宅または職場で液化するように適合されている。装置は、概して、極低温冷却装置（２０２）、熱交換アセンブリ（２０４）および断熱サブシステム（２０６）を含む。装置により生成された液状凝縮物が断熱デュアー内に貯蔵される。本発明の方法は、空気またはエンリッチガスを住宅または職場で小規模に液化することを含む。本発明の方法および装置は、酸素療法を受けている患者が患者の住宅で使用するための液化酸素を提供するのに特に非常に適している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の分野） 本発明は、液化ガスの少なくとも一部が用いられ得る場所における液化ガスの
生成および貯蔵に関する。詳細には、本発明は、酸素を特に必要とする患者（以
下、酸素患者と記す）の住宅における液体酸素の生成および貯蔵に関する。
【０００２】 （発明の背景） 低沸点ガス、例えば空気および空気の成分、例えば、酸素、窒素およびアルゴ
ンの液化は１００年以上にわたって行われており、このようなガスの工業規模で
の液化は２０世紀の初頭から行われてきた。典型的には、１日に何百トンもの液
体起寒剤を製造するための工業用液化装置が設計されている。このような工業用
液化装置は信頼性があり、エネルギー効率が比較的高い液化ガスを製造すること
ができる。比較的少量の液化ガスを必要とする消費者のために、デュアーとして
知られている小型の断熱容器に工業施設で製造された液化ガスが充填されて消費
者に輸送されている。少量の液化ガスの消費者は、患者に配与するための酸素、
および、冷却剤として用いるための窒素を必要とする病院を含む。また、慢性呼
吸不全を患っている人々が、彼らの医師により家庭用の酸素を処方されて、液化
酸素を彼らの自宅に配達してもらえる。
【０００３】 しかし、少量の液化ガスを配達するコストは比較的高い。さらに、液化ガスは
容器内に貯蔵された液化ガスの偶然の昇温およびボイルオフによる損失があるた
め、頻繁に配達されなくてはならない。したがって、液化ガスをその使用時に効
率的に生成することができる液化装置が必要である。例えば、酸素患者の自宅で
用いるための、１日あたり０．４〜５ｋｇの範囲の液化酸素、または、外科医の
医院または研究所で皮膚の病巣を凍結しまたは生体試料を冷凍するために用いら
れ得る類似の量の液体窒素を生成することができる液化装置が必要である。
【０００４】 初期には、このような液化装置を提供するために、大規模な液化工場のミニチ
ュア化を試みようとの努力がなされた。しかし、このようなシステムが、一般的
にクロードサイクルまたはその変型に基づいていて複雑であるために、これらの
試みは失敗した。また、このような液化装置のミニチュア化によって生じた非常
に小さい機械的部品は、製造に高い費用がかかり、かつ確実に動作しなかった。
【０００５】 近年、極低温冷却装置が集中的に開発された。極低温冷却装置は、初期には、
軍事的用途に、赤外線センサ、半導体チップ、マイクロウェーブ、電子部品、高
温超伝導用途、ファイバオプチクス増幅装置などに用いるために開発された。こ
れらの用途のために開発された極低温冷却装置は、約２０Ｋ（ケルビン温度）〜
１５０Ｋの範囲の温度で動作し、これらの極低温冷却装置の冷却能力は１ワット
未満〜１００ワットを超えるワット数の範囲にあった。このような軍事的用途の
ために、極低温冷却装置は、特定の特徴を有することが要求された。例えば、あ
る用途においては迅速な冷却が重要であり、ある用途においては低騒音および低
振動が望ましかった。また、幾つかの用途、例えば電子装置と共に用いられる場
合には、冷却ヘッドの厳密な温度制御が重要である。さらに、幾つかの用途は、
断熱外包への霜付きおよび冷却部品への湿気の侵入を防止することと関連してい
た。さらに、軍事用に開発された上記の極低温冷却装置は、その熱入力を、極低
温冷却装置の最低温度地点またはその付近においてもたらした。例えば、冷却さ
れるべき部品は、典型的には、極低温冷却装置のコールドポイント（「冷却フィ
ンガ」）に取り付けられて、その部品に直接に熱を伝達し、伝導損を最小限にし
ていた。しかし、小規模なガス液化装置の使用に関しては、正確な温度コントロ
ールおよび迅速な冷却といったような特徴は必要なく、これらは装置のコストを
増大させるだけである。また、ポイント冷却はガスの液化に用いるのには非効率
的である。
【０００６】 酸素療法を受けている患者が、比較的少量でも一定の量の酸素を必要とするこ
とに関しては、このような患者のニーズを満たす方法が幾つかあった。酸素療法
患者が酸素を受けるための最も一般的な方法は、工業プラントで製造された酸素
を定期的に配達することによるものである。酸素は、加圧ガスとして、または液
体として配達され得る。加圧ガスとして配達される場合、酸素は、酸素が高圧下
で貯蔵されるため、そしてまた、酸素が高反応性であるために危険性を有する。
液体として配達される酸素は、液化ガスの、時間の経過に伴う不可避の昇温によ
り生じるボイルオフにより損失される。このような損失が生じるため、特別に断
熱された容器またはデュアーを用いても、新鮮な液体酸素の配達が週に１度の割
合で行われなければならない。
【０００７】 周囲空気中の酸素を抽出または凝縮する装置を提供することも知られている。
これらの装置は、危険性のある材料を貯蔵する必要をなくす。しかし、これらの
装置は、典型的には携帯可能でなく、したがって、酸素療法を続けている患者は
、自宅を離れるときには市販の「ボトル詰め」酸素に依存し続けなければならな
い。このような依存は必要であったと言えよう。なぜなら、酸素患者のニーズを
超える生成能力を有する酸素濃縮機は知られているが、液体酸素を住宅で生成お
よび貯蔵するための有用な装置および方法はなかったからである。
【０００８】 上記の理由により、比較的少量の液化ガスを、液化ガスが用いられる場所で生
成および貯蔵するための方法および装置を提供することが有利であろう。詳細に
は、酸素療法を受けている患者の住宅で液化酸素を生成するための方法および装
置を提供することが有利であろう。さらに、動作が経済的で確実な方法および装
置を提供することが有利であろう。
【０００９】 （発明の概要） 本発明に従えば、比較的小規模にガスを液化するためのシステムが提供される
。開示されたシムは、概して、極低温冷却装置、熱交換器アセンブリおよび断熱
サブシステムを含む。このシステムは、供給ガスを、供給ガスの沸点よりも低い
温度まで冷却し、得られた液状凝縮物を貯蔵することにより動作する。
【００１０】 極低温冷却装置は、周知の多数の熱力学サイクルのいずれかに従って動作し得
る。極低温冷却装置の冷却フィンガは、供給される供給ガスを受ける熱交換器ア
センブリと関連付けられている。好ましい実施形態において、熱交換器アセンブ
リは、極低温冷却装置の冷却フィンガにより冷却される熱交換器アセンブリの表
面積を増大するための冷却フィンまたは他の手段を特徴とする顕熱交換器を含む
。これは、供給される供給ガスとの接触を最大にし、装置の冷却効率を増大させ
る。断熱サブシステムは、概して、熱交換器アセンブリの周囲に延在し、熱交換
器アセンブリを周囲温度から遮断する。このようにして、装置の低温部品は大気
への損失から遮断される。断熱サブシステムは、さらに、熱交換器アセンブリに
おいて生成された液状凝縮物を収集および貯蔵するための断熱貯蔵空間、例えば
貯蔵デュアーを含む。
【００１１】 開示されたシステムは、好ましい実施形態において、酸素を要する患者の住宅
で用いるための液化ガスを提供するように適合され得る。したがって、開示され
たシステムは、特に、１日あたり約０．４〜５ｋｇの液体酸素を生成するように
適合されている。さらに、開示されたシステムは、システムにより生成された液
化ガスを、他の装置、例えば携帯貯蔵デュアーに移動させるための手段を有し得
る。したがって、このシステムを用いて液化酸素を生成すると、このようにして
生成された凝縮液を携帯貯蔵デュアーに移動することができ、酸素療法を受けて
いる患者が自宅から離れているときに携帯貯蔵デュアーにより酸素を補給するこ
とが可能になる。
【００１２】 開示された方法および装置は、液化ガスを比較的小規模に生成するための経済
的な手段をもたらす。本発明のシステムは、機械的に比較的単純で経済的に組み
立てられかつ容易に使用できる装置を提供することにより、液化ガスを小規模に
生成する。開示されたシステムを用いることにより、液体酸素または他の液化ガ
スを使用時までに配達してもらう必要もなくなる。このような配達は、輸送コス
トにおいて、また、液化ガスの製造と消費期限の期間に生じる、液化ガスの不可
避の昇温により生じるボイルオフによる損失において非効率的であることが分か
っていた。したがって、液化ガスを使用時点で生成することにより、液化ガスを
輸送する必要はなくなり、液化ガスを使用する前に貯蔵しておかねばならない時
間が短くなる。
【００１３】 上記の要約に基づいて、本発明の多数の顕著な特徴が容易に認識される。少量
のガスを液化するための方法および装置が提供される。本発明は、住宅または職
場で液化ガスを生成することを可能にし、必要なときに液化ガスを生成させるよ
うにし、液化ガスを少量でも一定量されることを必要とするユーザが、工場で処
理されたこのようなガスを定期的かつ頻繁に配達してもらう必要をなくす。
【００１４】 本発明のさらなる利点は、以下の論議から、特に添付図面を共に参照すると容
易に明らかになろう。 （詳細な説明） 本発明に従えば、液体酸素を、酸素を特に必要とする患者（以下、酸素患者と
記す）の住宅で生成および貯蔵するための方法および装置が提供される。
【００１５】 図１を参照すると、液体酸素を酸素患者の住宅で生成および貯蔵するためのシ
ステム１００の実施形態が示されている。システム１００は、周囲空気から酸素
富化ガスを生成するための酸素濃縮サブシステム１０２と、酸素濃縮機１０２に
より提供された酸素を液化および貯蔵するための極低温サブシステム１０４とを
含む。極低温サブシステム１０４は、システム１００により生成された液化酸素
を患者が家から外出するときに携帯することを可能にする携帯用貯蔵デュアー１
０６を含み得る。システム１００は、図１に２つのモジュールから成るシステム
として示されているが、単一のキャビネットとして提供されてもよい。
【００１６】 図２を参照すると、極低温サブシステム１０４の主要部品、および、酸素濃縮
サブシステム１０２との相互連結が概略的に示されている。これらの部品は、概
して極低温冷却装置２０２、熱交換器アセンブリ／凝縮装置２０４、および断熱
サブシステム２０６を含む。好ましい実施形態において、極低温サブシステム１
０４の構造は、図２に示されているように、極低温冷却装置２０２が上部に配置
され、断熱サブシステム２０６がその下に、熱交換器アセンブリ／凝縮装置２０
４を取り囲んで配置された構造である。
【００１７】 極低温サブシステム１０４に、酸素富化供給ガスが、濃縮機サブシステム１０
２により供給される。図２に示されている構造において、酸素富化供給ガスが最
終フィルタ２０８に、導管２１０により供給される。最終フィルタ２０８から、
酸素富化供給ガスが、極低温サブシステム１０４の熱交換器アセンブリ／凝縮装
置２０４に、供給ガスチューブ２１２により供給される。酸素富化ガスは熱交換
器／凝縮装置アセンブリ２０４において冷却および液化される。廃ガスおよびボ
イルオフは廃ガス導管２１８を通って極低温サブシステム１０４から出て行く。
【００１８】 図２には、極低温冷却装置２０２の冷却能力を増大するための手段も示されて
いる。これらの手段は、極低温冷却装置２０２の熱除去領域（ｈｅａｔ ｒｅｊ
ｅｃｔｉｏｎ ａｒｅａ）２２４の周りに巻かれた蒸発装置２２２を有する蒸気
圧縮冷凍システム２２０を含む。さらに、極低温冷却装置２０２には、極低温冷
却装置２０２からの廃熱の除去を補助するために冷却フィン２２６が設けられ得
る。空気流を冷却フィン２２６の上に向けさせ、熱の遮断をさらに増大し、それ
により極低温冷却装置２０２の効率および冷却能力を増大するためにファン２２
８を設け得る。
【００１９】 断熱サブシステム２０６は、熱交換器アセンブリ／凝縮装置２０４を外部環境
から断熱し、かつ、供給ガスの冷却により熱交換器アセンブリ／凝縮装置２０４
内に生成された凝縮液２３０を貯蔵するための断熱された貯蔵空間をもたらすよ
うに働く。図２に示されているように、断熱サブシステム２０６は、上側の断熱
要素２３２および断熱デュアー２３４を含み得る。断熱要素２３２は、装置の効
率および冷却能力を、極低温冷却装置２０２の低温部品および熱交換器アセンブ
リ／凝縮装置２０４を周囲空気から断熱することにより増大する。貯蔵デュアー
２３４は、供給ガスから生成された低温の凝縮液２３０を収集および貯蔵する。
貯蔵デュアーは任意の断熱容器であり得る。一実施形態に従えば、貯蔵デュアー
２３４は１．８リットルのガラス製の真空断熱された貯蔵容器である。
【００２０】 ここで図３を参照すると、第１の実施形態３００による極低温冷却装置サブシ
ステム１０４の一部の部分断面図が示されている。先に記載したシステムと同様
に、極低温冷却装置サブシステム３００の主要部品は、極低温冷却装置３０２、
熱交換器アセンブリ３０４および断熱サブシステム３０６である。図３に示され
た極低温冷却装置サブシステムの実施形態に従えば、部品は概して鉛直方向に配
置されており、極低温冷却装置３０２が上部に、熱交換器アセンブリ３０４が極
低温冷却装置３０２のほぼ下に、断熱サブシステム３０６がその下に、熱交換器
アセンブリ３０４を取り囲んで配置されている。この構造は、以下にさらに詳細
に説明するように、概して酸素富化凝縮液の生成および収集を補助する。
【００２１】 極低温冷却装置３０２は、概して、冷却フィンガ３０８および熱除去領域３１
０を含む。例示された実施形態において、熱除去領域３１０は、冷却装置ンプ３
１４により熱除去領域３１０に固定された蒸気圧縮冷凍器（図３に図示せず）の
蒸発器３１２により取り囲まれている。蒸気圧縮冷凍器は、極低温冷却装置３０
２の熱除去領域３１０の温度を約−１５℃〜−５℃に下げるために用いられ、極
低温冷却装置３０２の冷凍能力を、熱除去領域３１０からの熱の除去を促進する
ことにより増大させる。熱除去領域３１０から蒸発器３１２への熱の流れは、接
触抵抗による熱流への妨害を熱伝導グリースを用いて減少することにより補助さ
れる。熱除去領域３１０からの熱の遮断は、熱除去領域３１０の周りに、蒸気圧
縮冷凍器の冷媒を沸騰させるための環状の空間を設けることによりさらに向上さ
れることができる。冷媒への熱伝達は、当分野でよく知られているように、熱除
去領域３１０に焼結多孔質面または筋付き面を用いることによりさらに増大され
得る。
【００２２】 熱交換器アセンブリ３０４は、概して、顕熱交換器／凝縮装置３１６および凝
縮装置容積３１８を含む。顕熱交換器／凝縮装置３１６は、極低温冷却装置３０
２の冷却フィンガ３０８と直接に接触して配置されている。あるいは、好ましい
実施形態において、顕熱交換器／凝縮装置３１６は、冷却フィンガ３０８に一体
化された冷却フィン３２０を有して、表面積を増大し、顕熱交換器／凝縮装置３
１６との熱伝達を最大化し、かつ、供給ガスからの最も効率的な熱伝達を保証す
る。冷却フィンガ３０８と冷却フィン３２０とが別々の部品から形成される場合
、接触抵抗を最小にするためにこれらの部品が互いに鑞付け結合またははんだ付
けされることが好ましい。図示されている実施形態において、凝縮装置容積３１
８は、断熱サブシステム３０６の面から形成される。
【００２３】 図示された実施形態に示されているように、断熱サブシステム３０６は、吸収
剤３５０まで下方に長く延在する断熱部材３２２、および断熱貯蔵デュアー３２
４を含み得る。断熱部材３２２は、好ましくは、顕熱交換器３１６を、熱交換器
３１６の冷却フィンガ３０８と一致しない側方にて取り囲み、第１の端部にて、
冷却フィンガ３０８の周囲に、極低温冷却装置３０２の熱除去領域３１０に向う
ある点まで延在する。第１端部において、断熱部材３２２は凝縮装置容積３１８
を形成し、２相流の導管３２６を内包する。第１の予備冷却熱交換器３２８を前
記断熱部材３２２の第２の端部に配置し得る。断熱部材３２２は、供給ライン２
１２の一部、第２の予備冷却熱交換器３３０、相セパレータ３３４、液体導管３
３６および非凝縮ガスの導管３３８を内包し得る。
【００２４】 サブシステム３００が動作しているとき、供給ガスが、濃縮装置サブシステム
１０２（図３には示さず）から、または、極低温サブシステム３００への他のガ
ス源から供給される。図３に部分的に示された極低温サブシステム３００の実施
形態において、供給ガスは最初に第１の予備冷却熱交換器３２８を通過する。第
１予備冷却熱交換器３２８は、概して、供給ライン２１２の延長部を断熱部材３
２２の一部の周りに巻き付けることにより形成されたコイル３４０を含む。コイ
ル３４０と、コイルを通過する供給ガスとが、液化プロセス中に生成される廃ガ
スにより冷却される（これは以下により詳細に記載する）。廃ガスは環状の第１
の予備冷却チャンバ３４２内で第１予備冷却熱交換器３２８のコイル３４０の上
を通過する。次いで、約０℃まで冷却された酸素富化供給ガスが輸送ライン３４
４内を、概して断熱部材３２２内に配置された第２の予備冷却熱交換器３３０ま
で移動し続ける。第２の予備冷却熱交換器３３０は、輸送ライン３４４の一部を
、廃流すなわち非凝縮ガスの導管３３８の一部に鑞付けまたははんだ付けするこ
とにより形成される。あるいは、第２の予備冷却熱交換器３３０を、熱伝導材料
からつくられた単一のピースから、輸送ライン３４４の入口および出口ならびに
非凝縮ガス導管３３８を、流れの間の効率的な熱伝達を可能にするように設けて
形成することもできる。第２予備冷却熱交換器３３０を通過した後、供給ガスは
約−２５℃の温度になる。
【００２５】 供給ガスは供給チューブ出口３４６にて顕熱交換器３１６に配送される。供給
ガスは、凝縮装置容積３１８内にて、顕熱交換器３１６の冷却フィン３２０との
接触により冷却される。供給ガスの冷却により形成された凝縮液が凝縮装置容積
３１８の底部に落ち、凝縮液コレクタ３４８に入る。凝縮液は、冷却されても液
化しなかったガスと共に、２相流導管３２６を通って落ち、相セパレータ３３４
に入る。相セパレータ３３４において、冷却されても液化しなかったガスは、液
状凝縮物から分離され、相セパレータ３３４から非凝縮ガス導管３３８を通って
出て行く。先に記載したように、非凝縮ガス導管３３８は第２予備冷却熱交換器
３３０にて輸送ライン３４４に沿って延在し、廃ガスは、また、第１予備冷却熱
交換器３２８を含む環状部３４２内に供給ライン２１２の延長部により形成され
たコイル３４０の周りを通過する。相セパレータ３３４からの凝縮されなかった
廃ガスが、貯蔵デュアー３２４内の凝縮液からのボイルオフと環状部３４２内で
合体して、入ってくる供給ガスをさらに冷却する。次いで、廃ガスおよびボイル
オフは排出導管３３２を通して大気中に解放される。液化された供給ガスは、相
セパレータ３３４を出て、貯蔵デュアー３２４に収集されるように液体導管３３
６内を落下する。
【００２６】 一般に、断熱部材３２２は極低温サブシステム３００の効率および性能は、こ
のサブシステムの低温部を周囲温度から断熱することにより向上される。断熱部
材３２２は、周囲温度の部品から低温部品への熱の流れを減じるために排気され
得る。この場合、吸収剤３５０およびゲッタ３５２は真空空間に閉じ込められ得
る。望ましい減圧レベルを排気チューブ３５４により達成した後、排気チューブ
３５４をピンチングおよびはんだ付けにより封止する。
【００２７】 ここで図４を参照して、本発明に従う極低温サブシステム１０４の物質収支を
、酸素濃縮機から供給される酸素富化供給ガスに関して説明する。図４に示され
ているように、供給ガスＦが供給チューブ２１２を介して、図４には概略的に示
された極低温サブシステム１０４に導入され、図４にストリームＰとして示され
ている液化酸素が、熱交換アセンブリ／凝縮装置２０４内で生成される。液体酸
素は凝縮液２３０としてデュアー２３４内に貯蔵される。液体酸素を純生産量で
１時間あたり４０ｇ生成する（ストリームＰ）ためには、１時間あたり約６０ｇ
の供給ガスＦが提供されなければならない。１時間あたり６０ｇ供給流量は、既
知の医療用酸素濃縮機１０２から典型的に得られる流量である。ストリームＢ，
ＣおよびＤは、極低温サブシステム１０４から廃ガス導管２１８を通って出て行
く廃ガスを示す。廃ガス流の最大の成分はボイルオフ流Ｂである。与えられた例
において、ボイルオフ流Ｂは、約１２ｇ／時間の酸素から成る。ボイルオフ流Ｂ
は、貯蔵デュアー２３４を通る周囲空気からの熱漏れの結果である。廃ガス流の
ストリームＢは、極低温サブシステム１０４の冷却能力を最大に消費する。これ
は、ストリームＢが最大の質量流量を有し、液化されていたものであり、したが
って大量の潜熱を取り出したからである。
【００２８】 廃流Ｃは、１時間あたり約７ｇの流量で流れる非凝縮ガスから成る。この流れ
には比較的アルゴンが多く含まれ、窒素および酸素も含む。廃流Ｄは、供給ライ
ン２１２から極低温サブシステム１０４へのオーバー供給（過剰供給）を示すも
のであり、したがって、極低温サブシステムが液化する冷却能力を有さないガス
である。オーバー供給は、貯蔵デュアー２３４内の小さい正圧を保証することに
より温かい周囲空気が極低温サブシステム１０４に侵入するのを防止するために
望ましいものである。
【００２９】 廃流Ｂ，ＣおよびＤを冷却するために消費されるエネルギーは、予備冷却熱交
換器を用いることにより部分的に回復される。したがって、予備冷却熱交換器に
おいて、供給ガスＦは、廃流Ｂ，ＣおよびＤにより、供給ガスが顕熱交換器にお
いて凝縮される前に冷却される。ボイルオフ流Ｂの液化において消費される潜熱
は回復できないが、ボイルオフの量は、良好に断熱されたデュアー２３４を用い
ることにより最少化されることができる。廃流により使用される冷却能力の約４
０％は、ボイルオフ流Ｂの相変化において損失される。
【００３０】 好ましい実施形態において、極低温冷却装置２０２は、スターリングサイクル
（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｃｙｃｌｅ）で動作する。開示されている方法および装置
に連結して用いるのに好適な典型的な線状のスターリングタイプの極低温冷却装
置は、７７Ｋで定格４ワットの冷却をもたらす。本発明の開示された実施形態の
実際の冷却能力は、定格能力の約２倍である。なぜなら、酸素濃縮機１０２によ
り供給されるガスの沸点は７７Ｋよりも幾分高く、また、予備冷却が用いられる
からである。
【００３１】 ここで図５を参照すると、液体ガスを生成および貯蔵するための装置の極低温
サブシステム１０４の別の実施形態５００の一部が断面図で示されている。本発
明の実施形態の極低温サブシステム５００は、概して、極低温冷却装置５０２、
熱交換器アセンブリ５０４、および、断熱サブシステム５０６を含む。これらの
サブシステムを含む部品は、第１に記載した実施形態に関して既に記載した部品
とほぼ類似しているが、部品の構成は異なる。
【００３２】 断熱サブシステム５０６は、概して、断熱部材５０８および貯蔵デュアー５１
０を含む。極低温冷却装置５０２は、冷却フィンガ５１２のみが図５に見られ、
装置の効率を高めるために断熱部材５０８により取り囲まれている。
【００３３】 熱交換器アセンブリ５０４は、顕熱交換器／凝縮装置５１４および予備冷却熱
交換器５１６を含む。顕熱交換器／凝縮装置５１４は、極低温冷却装置５０２の
冷却フィンガ５１２と接触している冷却フィン５１８を含む。凝縮装置容積５２
０が、顕熱交換器／凝縮装置５１４の冷却フィン５１８を取り囲んでいる。顕熱
交換器／凝縮装置５１４において形成された凝縮液が落下して凝縮液コレクタ５
２２に収集される。凝縮液コレクタ５２２は相セパレータ５２４の一部である。
相セパレータ５２４から、凝縮液が液体導管５２６を介して退出する。その後、
廃ガスが相セパレータ５２４から、廃ガス導管５２８を介して出る。
【００３４】 供給ガスが顕熱交換器／凝縮装置５１４に、供給ライン５３０を通して供給さ
れる。供給ライン５３０の出口は、スクリーン５３４を含む環状の空間５３２と
連通している。スクリーン５３４は、高い導電性の銅から形成されることが好ま
しく、第１の端部にて相セパレータ５２４の低温の上部に熱連結されており、第
２の端部にて環状の空間５３２の下部と熱連結されている。
【００３５】 デュアー５１０内の凝縮液からのボイルオフが、ボイルオフ戻り導管５３６を
通ってデュアー５１０から出る。ボイルオフ戻り導管５３６の一部、廃ガス導管
５２８および供給ガスチューブ５３０が、ボイルオフ導管５３６および廃ガス導
管５２８が供給ガスチューブ５３０と熱接触するように配置されることにより予
備冷却熱交換器５１６を形成する。こうして、供給ガスチューブ５３０内の供給
ガスからの熱が、廃ガス導管５２８およびボイルオフ導管５３６内のガスに伝達
される。
【００３６】 図５に示した実施形態に従うと、極低温サブシステム５００に入る供給ガスは
、顕熱交換器／凝縮装置５１４に入る前にスクリーン５３４を通過しなければな
らない。スクリーン５３４は相セパレータ５２４の低温の上部と熱接触している
ため、供給ガス中に含まれる凝縮可能な不純物の多くが低温のスクリーン５３４
の上に堆積することになる。この構造は、供給ライン５３０および顕熱交換器／
凝縮装置５１４が霜で詰ることを防止するのに役立つ。しかし、最終的にスクリ
ーン５３４自体が霜で詰ることもある。したがって、必要なときに霜をシステム
から除去（パージ）するための設備が含まれている。
【００３７】 霜を除去するために、乾燥した比較的温かい空気を環状空間５３２に入れるた
めのパージ導管５３８が設けられている。温かく乾燥した空気をこの領域に導入
することは、スクリーン５３４および供給ガスチューブ５３０の出口に堆積した
全ての不純物を解凍して一掃する効果を有する。概して、約３０〜６０日ごとに
システムから霜を一掃することが有益である。
【００３８】 ここで図６を参照すると、本発明の第３の好ましい実施形態が示されている。
図６にはその一部が示されている極低温サブシステム６００は、その全体におい
て、極低温冷却装置６０２、熱交換器アセンブリ６０４、および断熱サブシステ
ム６０６を含む。例示された他の実施形態と同様に、極低温サブシステム６００
は、極低温冷却装置６０２が鉛直方向において断熱サブシステム６０６の上方に
あり、熱交換器アセンブリ６０４の少なくとも一部が、断熱サブシステム６０６
により示された容積内に位置するように配置されていることが好ましい。
【００３９】 極低温冷却装置６０２は、概して、極低温冷却装置６０２の最も低温の部分で
ある冷却フィンガ６０８を含む。さらに、極低温冷却装置６０２は、熱除去領域
６１０を含む。熱除去領域６１０は、先に記載した実施形態と同様に、廃熱を極
低温冷却装置から放散させることを補助し、それにより装置６００の効率を増大
させる冷却フィン６１２を有することを特徴とし得る。これに代わって、または
加えて、熱除去領域６１０は、蒸気圧縮冷凍システムまたは他の冷却システム（
図示せず）により冷却され得る。
【００４０】 図示されている実施形態の断熱サブシステム６０６は、概して、貯蔵デュアー
６１４を含む。図６に見られるように、貯蔵デュアー６１４の首部６１５が、熱
交換器アセンブリ６０４の実質的な部分を受容している。したがって、断熱サブ
システム６０６の貯蔵デュアー６１４は、熱交換器アセンブリ６０４の低温部品
を周囲大気から断熱させる。
【００４１】 熱交換器アセンブリ６０４は、概して、内側の熱交換器６１６、外側の熱交換
器６１８、および、顕熱交換器／凝縮装置６２０を含む。 例示されている実施形態における内側の熱交換器６１６は、冷却フィンガ６０
８の外面、内側の螺旋部６２２、および内側のシース６２４から構成されている
。システムが動作しているとき、供給ガスは、供給ガスチューブ６２８を出た後
に環状の空間６２６に入る。供給ガスは、支持リング６３０内のスロットを通過
して、内側熱交換器６１６に入る。内側熱交換器６１６に導入された供給ガスは
、内側螺旋部６２２、冷却フィンガ６０８、および内側シース６２４により画成
された螺旋状通路に沿って移動しながら徐々に冷却される。内側熱交換器６１６
の全長を移動した後、供給ガスは、顕熱交換器／凝縮装置６２０内に導入される
。
【００４２】 顕熱交換器／凝縮装置６２０は、顕熱交換器／凝縮装置６２０の一部である刻
み目付きの（ｋｎｕｒｌｅｄ）部分を含む。内側熱交換器６１６により連続的に
冷却されてきた供給ガスが、顕熱交換器／凝縮装置６２０の冷却フィン６３４上
で凝縮される。このようにして形成された凝縮液が、凝縮液コレクタ６３６内に
収集され、次いで、顕熱交換器／凝縮装置６２０から、液体導管６３８を通って
貯蔵デュアー６１４へ移動する。
【００４３】 図６に示した実施形態は、また、外側の熱交換器６１８も含む。外側の熱交換
器６１８は、廃ガスの冷却、および、凝縮されても後に貯蔵デュアー６１４から
の熱漏れにより凝縮液からボイルオフされる供給ガスの所望の成分（例えば酸素
）の液化で消費された冷却能力を再利用する。凝縮不能な廃ガス、および、酸素
凝縮液からのボイルオフが、貯蔵デュアー６１４の内部容積から、戻り流ポート
６４０を通して除去される。次いで、廃ガスは、以下にさらに詳細に記載するよ
うに、外側の熱交換器６１８内を移動して供給ガスを冷却する。
【００４４】 外側の熱交換器６１８は、概して、内側シース６２４、外側螺旋部６４２、お
よび外側シース６４４から形成されている。廃ガスが、内側シース６２４、外側
螺旋部６４２および外側シース６４４により画成された螺旋状通路に沿って移動
するにしたがって、内側シース６２４が冷却される。供給ガスが、外側熱交換器
の一部を画成している面と対向する内側シース６２４の面と接触するとき、供給
ガスは廃ガスにより冷却される。廃ガスは、外側の熱交換器から廃ガス導管６４
６を通って出ていく。外側熱交換器６１８から出るとすぐに、廃ガス流の温度は
周囲温度またはその付近の温度になる。
【００４５】 この実施形態の内側シース６２４は、好ましくは熱伝導性材料から構成される
。これが、内側熱交換器６１６へ降下する供給流から外側熱交換器６１８へ上昇
していく廃ガス流への熱伝達を促進することにより、供給流の冷却を補助する。
好ましい実施形態において、入口シース６２４は、厚さが約０．００３インチの
ステレンス鋼から構成される。外側シース６４４は、非導電性材料、例えばプラ
スチックから構成され得る。好ましい実施形態において、外側シース６４４は非
熱伝導性の材料から構成される。一実施形態に従えば、外側シース６４４は、厚
さ０．００５インチのマイラーである。好ましい実施形態において、外側熱交換
器６１８の外部の周囲に、断熱層６４８が、冷却能力が外側熱交換器６１８から
周囲空気に損失されることを防止するために設けられている。
【００４６】 図６に示した実施形態は、熱力学的に、先に記載した実施形態よりも効率的で
ある。これは、入ってくる供給ガスからの熱伝達が、より小さい温度差にわたっ
て生じるからである。また、デュアー６１４の長さの、デュアーの首部６１５の
直径に対する比率が２：１よりも小さく、好ましくは約１：１以下である。これ
は、顕熱交換器／凝縮装置６２０がデュアー６１４の実質的に内部に配置される
ことを可能にし、温度差を低減し、それゆえ、内側熱交換器６１６および顕熱交
換器／凝縮装置６２０の最低温の部分からの損失を低減する。この配置は、また
、熱交換器アセンブリ／凝縮装置６０４の周りにデュアー６１４とは別の真空断
熱を設ける必要をなくす。また、図６に示された実施形態は、入ってくる供給ガ
スのために設けられた流路の断面積が、霜の堆積により供給エアの流れが詰るこ
とを防止するように十分に大きいために有利である。したがって、このシステム
は、堆積物を除去するためのパージングを行ってから次のパージングまでの期間
を長くして稼動されることができる。図６の実施形態は、また、長さが短く直径
が大きい液体導管６３８をもたらして、効率をさらに高める。
【００４７】 堆積物を除去するためのシステムのパージングは、乾燥した比較的温かい空気
、または、都合よくは濃縮器からの流れを、廃ガス導管６４６または入口導管６
２８を介して導入することにより達成され得る。このようにして時々行われる装
置パージングにより、熱交換器アセンブリ６０４の面、顕熱交換器／凝縮装置６
２０および貯蔵デュアー６１４から堆積物が除去される。
【００４８】 収集された凝縮液を貯蔵デュアー６１４から取り出すためには、デュアー６１
４内の凝縮液より上の蒸気空間を、大気圧より大きい、１０ポンド／平方インチ
以下のレベルまで加圧する。デュアー６１４により閉じ込められた容積をこのよ
うに加圧することにより、凝縮液を下方充填チューブ６４８を介して、携帯用デ
ュアーなどに移動させるために放出させる。下方充填チューブ６４８は、また、
液位検知ボール６５０を取り付けるためにも用いられ得る。凝縮液の液位がボー
ル６５０の高さに到達すると、システムは、貯蔵デュアー６１４から凝縮液が溢
れ出ることを防止するために停止され得る。
【００４９】 先に記載したように、内側シース６２４は、熱伝導性材料、例えばステレンス
鋼から構成されることが好ましい。内側螺旋部６２２および外側螺旋部６４２は
、内側熱交換器６１６と外側熱交換器６１８の組付を容易にするためにテフロン
（登録商標）チューブから構成され得る。顕熱交換器／凝縮装置６２０の冷却フ
ィン６３４は、高い熱伝導率を有する材料から構成されることが好ましい。
【００５０】 ここで、顕熱交換器／凝縮装置６２０の設計について説明する。流入する供給
ガスの所与の流量および温度に必要な冷却フィン６３４の表面積は、極低温冷却
装置６０２の性能および冷却フィンガ６０８の温度の関数である。本発明に従う
多くの構造が可能である。グレゴリグ（Ｇｒｅｇｏｒｉｇ）面または他のフィン
付き面のような面を設けることが知られている。これらの面においては、溝およ
びフィンが鉛直方向に延在し、滑らかな面よりも優れた熱伝達効果をもたらし、
したがって、必要な面の面積を低減する。これらの面は、凝縮液の表面張力の作
用により、面の一部に液体流の方向に薄膜を確実に形成し、面の他の部分には、
大きい水力学的直径をもたらして、膜の迅速な落下を保証する。しかし、このよ
うな面を使用することの価値は曖昧である。なぜなら、必要とされる凝縮装置表
面積のコストは、アセンブリの残りの部分のコストと比較してきわめて小さいか
らである。さらに、表面に汚れが生じても、フィン付きの形状は余剰表面積を有
して、長期間にわたって最良に動作するであろう。
【００５１】 極低温冷却装置が十分な冷却能力を有する場合には、冷却フィンガ自体の上で
、独立した凝縮装置を用いずに凝縮を行うことができる。冷却フィンガの上に、
凝縮液の重力流れの方向に刻印されたリッジ（稜部）が、リッジ間の溝に凝縮液
を迅速に排出させ、かつ、リッジのクレスト上の凝縮液膜を薄くし、それにより
凝縮率を増大する。
【００５２】 断熱の必要性もまた幾分同様に、極低温冷却装置６０２の性能によって決まる
。貯蔵デュアー６１４内部の、顕熱交換器／凝縮装置６２０の低温部分とデュア
ー６１４雰囲気との温度差が非常に小さいため、少量の余剰能力が高度の断熱の
必要性を減じ、プラスチックフィルムまたは固体断熱材を用いることも可能にす
るであろう。あるいは、極低温冷却装置６０２の冷却能力の全てを用いなければ
ならないのであれば、真空状態がなくとも非常に低い熱流れを保証するエーロゲ
ル絶縁を用いることができる。
【００５３】 貯蔵デュアー６１４は良好に絶縁された貯蔵容器であり得る。例えば、貯蔵デ
ュアー６１４は、標準的な１．８リットルのガラス真空断熱デュアーであり得る
。
【００５４】 ここで図７を参照すると、液化装置アセンブリ７００が示されている。図７に
示された実施形態に従えば、極低温サブシステム６００はケーシング７０２に内
包されている。図７に、極低温冷却装置６０２、熱交換器アセンブリ６０４、お
よび断熱サブシステム６０６を含む極低温サブシステム６００の主要部品が見ら
れる。断熱サブシステムの貯蔵デュアー６１４が図７に、その好ましい位置に、
すなわち、極低温冷却装置６０２より下の、熱交換器アセンブリ６０４の下にて
熱交換器アセンブリ６０４を取り囲んだ位置に見られる。この構造は、熱交換器
アセンブリ６０４において形成された凝縮液が重力により貯蔵デュアー６１４内
に落ちることを可能にする。図７に示された実施形態において、断熱サブシステ
ム６０６の貯蔵デュアー６１４は、熱交換器アセンブリ６０４の実質的な部分を
取り囲んで熱交換器アセンブリ６０４の低温部品を周囲空気から断熱するように
、上方に延在している。
【００５５】 図７には、下方充填チューブ６４８も見られる。下方充填チューブ６４８が貯
蔵デュアー６１４の底部に延在し、かつデュアーの首部６１５にて貯蔵デュアー
から出ているのが見られる。下方充填チューブ６４８は、貯蔵デュアー６１４の
首部すなわち開口部６１５にて向きを変えて液体移動継手７０６と相互連結して
いる。液体移動継手７０６は、液化装置アセンブリ７００により生成された液化
ガスを携帯用の貯蔵デュアー（図示せず）に移動するために用いられ得る。この
ようにして、液化装置アセンブリ７００により生成された液化ガスは、このユニ
ットから離れた場所において用いられ得る。
【００５６】 ケーシング７０２には、周囲空気がケーシング７０２に入ることを可能にする
開口部７０８が設けられている。この周囲空気はケーシング７０２に引き込まれ
、極低温冷却装置６０２の冷却フィン６１２の周囲を通り、ファン７１０により
ケーシング７０２の外に引き出される。
【００５７】 図７は、また、極低温冷却装置６０２、および極低温冷却装置６０２に取り付
けられた熱交換器アセンブリ６０４と断熱サブシステム６０６との相互連結を示
している。詳細には、極低温冷却装置６０２には、フランジプレート７１４を有
するフランジ７１２が設けられている。フランジプレート７１４は、タイロッド
（固定棒）７１６を介して、ばねプレート７１８に相互連結されている。ばねプ
レート７１８は、貯蔵デュアー６１４の保護シェル７２２に付勢している上側ば
ね７２０を介して断熱サブシステム６０６を支持している。このようにして、貯
蔵デュアー６１４内部の圧力が予め決められた限界を超えると、デュアー７１４
の首部６１５とフランジ７１２の間のシール７２４が破壊され得る。例えば、上
側ばね７２０は、貯蔵デュアー６１４内部の圧力が、液状凝縮物を下方充填チュ
ーブ６４８を通して携帯用貯蔵デュアーに所定量だけ移動するために用いられる
圧力を超えたときにはシール７２４が破壊されるように選択され得る。このよう
に、現在好ましい実施形態において、シール７２４は、貯蔵デュアー６１４内の
圧力が１０ポンド／平方インチを超えたときに破壊され得る。
【００５８】 しかし、極低温サブシステム６００が自動制御式の液面高さを有することに留
意されたい。これは、貯蔵デュアー６１４内の凝縮液の高さが上昇すると貯蔵デ
ュアー６１４内部から周囲大気への熱路の長さが短くなるからである。したがっ
て、液化ガスの生成を停止させるための信号にトリガーをかけるために用いられ
る液位検知ボール６５０、および、貯蔵デュアー６１４内の過剰圧力に反応して
シール７２４を破壊するように較正された上側ばね７２０は、単なる安全手段で
あり、極低温サブシステム６００の機能に必須のものではない。
【００５９】 極低温冷却装置６０２と、極低温冷却装置６０２に取り付けられた熱交換器ア
センブリ／凝縮装置６０４は、ボルト７２６および関連するグロメット７２８に
よりケーシング７０２に取り付けられる。グロメット７２８の下に、極低温冷却
装置６０２の平衡アセンブリ７３０が配置されており、スターリングユニットの
軸方向振動を低減する。ばねプレート７１８は下端にて下側ばね７３２により支
持され得る。弾性グロメット７２８を下側ばね７３２と組み合せて用いることは
、ケーシング７０２と、したがって周囲の環境とを、極低温冷却装置センブリ６
０２内で発生した振動から遮断するように働く。また、図７には、アセンブリ７
００の動作と関連づけられた制御およびディスプレイを含む計器盤７３４が示さ
れている。コンプレッサおよび吸収体（図７に示さず）がケーシング７０２の下
部７３４に取り付けられ得る。これらの部品の動作を以下に記載する。
【００６０】 ここで図８を参照すると、極低温サブシステム１０４を含む種々の操作を実行
するための制御値が概略的に例示されている。通常の液化操作において、液化さ
れるガスは、極低温サブシステムに、供給ガスチューブ８０２を通して導入され
る。関連するソレノイド制御ユニット８０６と共に示されている供給入口弁８０
４は開いており、関連するソレノイド８１０と共に示されている除霜入口弁８０
８は閉じている。関連するソレノイド８１４と共に示されている除霜出口弁８１
２も閉じている。したがって、液化中、供給ガスは供給ガスチューブ８０２を通
ってシステムに入り、凝縮装置入口８１６に直接に移動し、そこで液化される。
液化中、凝縮装置からの廃ガスは廃ガス入口８１８に入り、関連するソレノイド
８２２と共に示されている開放された廃ガス弁８２０を通過する。廃ガスは、ま
た、吸収体８２４を通過し、吸収体８２４を浄化し、吸収体の吸収特性を再生さ
せる。好ましくは、廃ガス入口８１８と吸収体８２４との間の導管の長さは、廃
ガスが吸収体８２４に導入される前に廃ガスの温度をほぼ室温まで低下させるよ
うに十分に長い。次いで、廃ガスは、廃ガス出口８２６を通して大気中に排出さ
れる。
【００６１】 気体凝縮物を貯蔵デュアーから携帯用貯蔵デュアーに移動させたいときには、
極低温冷却装置の動作は選択的に停止される。供給ガス入口弁８０４、除霜入口
弁８０８、除霜出口弁８１２および廃ガス弁８２０は全て閉じられる。チェック
弁８２８が開かれ、コンプレッサ８３０が動作して、周囲空気を吸収体８２４内
に取り込む。コンプレッサ８３０と吸収体８２４との連結に、圧力を約１０ｐｓ
ｉｇに維持するための圧力解放弁８３２が設けられ得る。吸収体８２４は、入っ
てくる圧縮空気から水分を除去するための乾燥剤を含み、また、不純物がシステ
ム内部に侵入するのを防止することを補助する。加圧された空気は、吸収体８２
４を離れて、廃ガス出口８１８と連通している加圧空気導管８３４を通り、廃ガ
ス出口８１８から貯蔵デュアーの内部に入る。このようにして貯蔵デュアー内部
に導入された圧力が、液化ガスを、先に記載した下方充填チューブ（図８に示さ
ず）から押し出す。好ましい実施形態において、８〜１０ポンド／平方インチの
移動圧力が、凝縮液をデュアーから押し出すために用いられる。
【００６２】 極低温サブシステム１０４の除霜を行うこともまた望ましい。除霜は、供給ガ
スにより導入された水蒸気が、時間の経過に伴って熱交換器アセンブリ／凝縮装
置の部品および供給ガス導管を汚すことがあるため望ましい。また、湿気および
汚染物が移動プロセス中に極低温サブシステム１０４の内部に侵入する。システ
ムを除霜するためには、極低温冷却装置の動作は停止される。除霜入口弁８０８
および除霜出口弁８１２の両方が開放される。供給ガス入口弁８０４および廃ガ
ス弁８２０は閉じられる。このように構成された弁により、供給ガスが貯蔵デュ
アーの内部に廃ガス出口８１８を介して導入される。次いで、このように供給さ
れたガスは、オフ状態において供給ガスにより昇温された熱交換器アセンブリ／
凝縮装置の内部部品の上を通過し、汚染物を蒸発させる。汚染物はシステムから
除霜出口弁８１２を通して周囲大気中に排出される。
【００６３】 これに代わって、凝縮装置入口８１６を介して除霜流を導入し、廃ガス出口８
１８から大気中に排出してもよい。 以上に詳細に論じた実施形態は、概して酸素濃縮装置と組み合わせての使用に
関して記載されているが、必ずしもそうでなくてよい。例えば、本発明の極低温
サブシステム１０４を、空気の他の成分、例えば窒素を含むエンリッチ供給ガス
を提供するように適合された濃縮装置と共に用いてもよい。また、極低温サブシ
ステム１０４を、他の場所で既に純化されているガスと組み合わせて用いて、使
用時に極低温サブシステム１０２により液化してもよい。また、記載された極低
温サブシステム１０２は周囲空気を液化するためにも用いられ得る。
【００６４】 本発明者は他の変更および修正についても企図している。例えば、圧力制御装
置と組み合わされた加圧シリンダからの乾燥空気または別のガス、例えば窒素を
用いて、液化ガスの携帯用断熱容器への移動を行うこともできよう。これに代わ
って、凝縮液を加温し、またはポンプを用いることにより移動を行ってもよい。
【００６５】 本発明に従えば、液体酸素を酸素患者の住宅で生成および貯蔵するための装置
が提供される。本発明は、本発明のより広い態様において、周囲空気から、酸素
患者が使用するための酸素富化ガスを形成するシステムに関連する。さらに詳細
には、本発明は、酸素患者の住宅にて液化酸素を生成し、貯蔵して後に使用する
ための方法および装置を提供する。本発明の開示された極低温サブシステムは、
酸素の液化において有用であるだけでなく、他のガスの液化にも用いられ得る。
【００６６】 本発明の以上の記載は、例示および説明を目的として提示されたものである。
さらに、この記載は、本発明を本文中に記載された形態に限定するものではない
。したがって、関連分野の技術または知識の範囲内における、上記の教示に相応
した変更および修正が本発明の範囲内で行われる。また、以上に記載した実施形
態は、知られた最良の形態を本発明の実行のために説明し、かつ、他の当業者が
本発明を上記または他の実施形態において、本発明を特定の用途に用いることに
より必要とされる種々の修正を加えて用いることを可能にするためのものである
。添付の特許請求の範囲が、先行技術により許容された範囲までの別の実施形態
を包含するものであると解釈されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ２モジュラ型の液化ガス生成システムが家庭の酸素患者により用
いられる様子を示す図。
【図２】 本発明の極低温サブシステムの概略図。
【図３】 本発明の一実施形態に従う極低温サブシステムの主要部品の部分
図。
【図４】 本発明の極低温サブシステムに従うガスおよび液体の流れの概略
図。
【図５】 本発明の極低温サブシステム実施形態の主要部品の部分図。
【図６】 本発明の一実施形態に従う極低温サブシステムの主要部品の部分
図。
【図７】 本発明の一実施形態に従う極低温サブシステムの一部破断斜視図
。
【図８】 開示されたシステムの使用に関連した制御弁および流路の概略図
。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 アルカロフ、アレクセイ エム． ロシア連邦 119121 モスクワ ロストフ スカヤ ナブ ベー．５ アパートメント 103 (72)発明者 クン、レスリー シー． アメリカ合衆国 14221 ニューヨーク州 ウィリアムズビル サウスウインド ト レイル 86 (72)発明者 テトロ、トミー エム． アメリカ合衆国 14072 ニューヨーク州 グランド アイランド ストーニー ポ イント ロード 2522 Ｆターム(参考） 3E073 AA01 CA03 3L103 AA05 BB50 CC40 DD05 DD63 DD69 4D047 AA08 AB01 BA08 BB03 CA04 CA15 DB03

Claims (34)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液体ガスを生成および貯蔵するための装置であって、 供給ガスを供給するための装置と、 冷却フィンガを含む極低温冷却装置と、 前記極低温冷却装置により冷却される熱交換器アセンブリであって、 前記冷却フィンガの周りに配置された内側の螺旋部と、 供給ガス導管を形成するために前記内側の螺旋部の周りに配置された内側シ
    ースと、 前記冷却フィンガと熱的に相互に通じている冷却フィンとを含む熱交換器ア
    センブリと、 前記熱交換器アセンブリの少なくとも一部を取り囲むデュアーとを備え、前記
    変換器アセンブリに導入される前記供給ガスの少なくとも一部が前記熱交換器ア
    センブリの一部において液化され、かつ、液状凝縮物が前記デュアーに収集され
    る装置。
  2. 【請求項２】 前記熱交換器アセンブリが外側の熱交換器をさらに備え、外
    側の熱交換器が、 前記内側シースの周りに配置された外側の螺旋部と、 低温の廃ガスのための廃ガス導管を形成するために前記外側の螺旋部の周りに
    配置された外側のシースとを備え、前記廃ガス導管を通過する前記低温廃ガスが
    前記内側シースを冷却し、次に内側シースが前記供給ガス導管を通る前記供給ガ
    スを冷却する請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 外側の熱交換器の周囲に配置された断熱部材をさらに備える
    請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記極低温冷却装置の熱除去領域（ｈｅａｔ ｒｅｊｅｃｔ
    ｉｏｎ ａｒｅａ）を冷却するための蒸気圧縮冷凍器をさらに備える請求項１に
    記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記デュアーの内部を加圧するための加圧ガス源と、前記凝
    縮液の少なくとも一部を前記デュアーから取り出すための下方充填チューブとを
    さらに備える請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記加圧ガス源がコンプレッサを備える請求項５に記載の装
    置、
  7. 【請求項７】 前記加圧ガスから水分を除去するための吸収剤をさらに備え
    る請求項５に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記デュアーが長さおよび開口径を有し、前記開口径に対す
    る前記長さの比が約２：１未満である請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記熱交換器アセンブリが前記デュアーの実質的に内部に配
    置されている請求項１に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 供給ガスが、周囲圧力にて供給ガスが気体状態である温度
    から、約１０ｐｓｉｇ未満の圧力にて供給ガスが液体状態である温度に徐々に冷
    却される請求項１に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記熱交換器アセンブリの長さが、前記極低温冷却装置の
    前記冷却フィンガの長さと、前記極低温冷却装置から末端方向の前記冷却フィン
    ガの一端にある前記冷却フィンの長さとを足した長さとほぼ同一である請求項１
    に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 さらに、ケーシングと、 上側ばねとを備え、前記デュアーが、シールを形成するようにフランジに対し
    て押し付けられ、かつ、前記上側ばねが、前記デュアー内部の圧力が所定量を超
    えたときに前記シールを解除するよう較正されている請求項１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記所定量が約１０ｐｓｉｇよりも大きい請求項１２に記
    載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記デュアーがガラスから構成されている請求項１に記載
    の装置。
  15. 【請求項１５】 供給ガスを供給するための前記装置が、周囲空気から酸素
    富化供給ガスを供給する請求項１に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 エンリッチガスを液化および貯蔵するための装置であって
    、 供給ガス源と、 冷却フィンガを有する極低温冷却装置と、 前記冷却フィンガに少なくとも一部が熱的に相互に通じている熱交換器アセン
    ブリと、 断熱サブシステムと、該断熱サブシステムは、 第１の開放端および第２の開放端を有する断熱要素であって、前記断熱要素
    の前記第１端部が前記熱交換器アセンブリの周囲の少なくとも一部を取り囲み、
    前記断熱要素の長さが前記熱交換器アセンブリの一端を超えて延在する断熱要素
    と、 前記断熱要素の前記第２端部と連通している開放端を有するデュアーとを備
    えることと、 前記供給ガス源から前記供給ガスを受け取るための入口、および出口を有する
    供給ガスチューブと、供給ガスが前記出口から前記熱交換器アセンブリに配送さ
    れ、かつ、前記供給ガスが前記熱交換器アセンブリにより冷却されて凝縮液を形
    成することとからなる装置。
  17. 【請求項１７】 前記熱交換器アセンブリが、さらに顕熱交換器を備え、前
    記顕熱交換器が冷却フィンおよび凝縮液コレクタを有する請求項１６に記載の装
    置。
  18. 【請求項１８】 前記冷却フィンが前記冷却フィンガと一体である請求項１
    ７に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記熱交換器アセンブリが第１の予備冷却熱交換器を備え
    る請求項１６に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記熱交換器アセンブリが、さらに第２の予備冷却熱交換
    器を備える請求項１９に記載の装置。
  21. 【請求項２１】 前記第１の予備冷却熱交換器が、前記供給ガスチューブの
    一部から環状の空間に形成されたコイルを備え、廃ガスが前記環状の空間を通過
    する請求項１９に記載の装置。
  22. 【請求項２２】 さらに、前記極低温冷却装置の熱除去領域を冷却するため
    の蒸気圧縮冷凍機を備える請求項１６に記載の装置。
  23. 【請求項２３】 さらに、前記極低温冷却装置の熱除去領域に熱的に通じて
    いる冷却フィンを備える請求項１６に記載の装置。
  24. 【請求項２４】 前記供給ガス源が、周囲空気からエンリッチガスを生成す
    るための装置である請求項１６に記載の装置。
  25. 【請求項２５】 前記供給ガスが、酸素、アルゴン、窒素、フッ素および空
    気のうちから選択される請求項１６に記載の装置。
  26. 【請求項２６】 さらに、前記断熱サブシステムの少なくとも一部の内部容
    積に作用的に連結されたコンプレッサと、 前記断熱サブシステムの少なくとも一部の内部容積内に配置された下方充填チ
    ューブとを備え、前記コンプレッサが前記内部容積を加圧して、前記供給ガスの
    前記凝縮液を前記下方充填チューブから押し出す請求項１６に記載の装置。
  27. 【請求項２７】 前記デュアーがガラスから構成されている請求項１６に器
    圧縮の装置。
  28. 【請求項２８】 液化ガスを生成および貯蔵するための方法であって、 供給ガスを提供することと、 冷却フィンガを有する極低温冷却装置、および、前記冷却フィンガと熱的に接
    触している顕熱交換器を設けることと、 前記顕熱交換器の周囲に近接しかつ顕熱交換器を取り囲む断熱容積を設けるこ
    とと、 前記供給ガスを前記断熱容積に配送することにより、前記供給ガスを酸素凝縮
    温度よりも低い温度に冷却して凝縮液を生成することと、 前記凝縮液を前記断熱容積から除去することと、 前記除去された凝縮液をデュアーに収集することと、 前記デュアーの外側に配置された加圧ガス源を備えることと、 前記デュアーの内部を、前記加圧ガスを用いて加圧することと、 前記凝縮液を前記デュアーから、充填チューブを通して取り出すこととからな
    る方法。
  29. 【請求項２９】 さらに、前記顕熱交換器を除霜することを備え、前記除霜
    が、 前記極低温冷却装置を停止することと、 前記供給ガスを前記デュアーおよび前記断熱容積に配送し、前記デュアーおよ
    び前記断熱容積内の汚染物質を蒸発させることと、 前記汚染物質および前記供給ガスを前記デュアーおよび前記断熱容積から排出
    させることとにより行われる請求項２８に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 前記加圧ガス源がコンプレッサである請求項２８に記載の
    方法。
  31. 【請求項３１】 前記加圧ガスが水分を含み、前記加圧ガスを用いて前記デ
    ュアーの前記内部を加圧する前に前記水分が前記加圧ガスから吸収剤により除去
    される請求項２８に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 前記供給ガスが酸素を含む請求項２８に記載の方法。
  33. 【請求項３３】 前記冷却ステップが、前記冷却フィンガの長さに前記顕熱
    交換器の長さを加えた長さと等しい長さにわたって生じる請求項２８に記載の方
    法。
  34. 【請求項３４】 前記デュアーがガラスから構成されている請求項２８に記
    載の方法。
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