JP2008509372A - エネルギー効率的、低価格、携帯可能、家庭使用可能な周囲空気からの酸素抽出 - Google Patents

Abstract

空気から直接的に酸素を分離する装置及び方法。大気圧で作動し、流入空気冷却用のエネルギーを回復させる。雰囲気流入系が大気からガス密閉容器に至り設けられる。クライオクーラーが、大気圧で空気から酸素を直接凝縮するために、容器内に低温面を有する。クライオクーラーは、低温面を窒素の沸点温度以上、酸素の沸点温度以下の温度に冷却する。液体／ガス分離器が、分離流出系を通じて流出する残留ガスから液体酸素を分離する。空気が、エアインペラーによって大気圧でシステムにわたって送られる。熱交換器が、流入空気から流出ガスへ熱を伝えることにより、冷却エネルギーを回復し、流入空気から水分を除去する。

Description

本発明は、空気中のガスの分離に関し、特に、低価格、携帯可能、個人使用可能な酸素源を提供できる、周囲空気から酸素を抽出する装置及び方法に関する。

呼吸作用を向上させるため、高濃度酸素源が求められ、また高濃度酸素源からその利益を受けている。このような酸素は、在来的に、圧縮酸素の高圧タンクから患者に供給されるものである。酸素は、商業的な大規模な作業により、空気から分離され、圧縮されて複数のタンク内に充填される。次に、これらタンクは、分配供給システムにより個々の患者に分配供給される。これらタンクが空になると、戻され、再度充填される。

従来技術の酸素分離方法では、ターボエキスパンダーを使用し、低温面に周囲空気を接触させて空気中の一種又はそれ以上のガス成分を凝縮させ、液化している。空気中のガスの凝縮に液体窒素も使用されてきたが、液化し分離した空気成分が個々のガスとして販売されている。従来技術での液化処理では、典型的に、液化処理のために非常に多量の冷却エネルギーが消費されている。液化処理後に残っているエネルギーは、分離した成分に運び出され、及び／又は圧縮作業中に消失してしまうので、使用されることもなく、消失してしまう。

在来の酸素分離分配供給システムが酸素を必要としている患者に絶大な利益を与えてきたが、酸素のコストに加え、酸素源の輸送が難しいというような様々な欠点がある。従来技術のシステムでは、このシステムを通じて流体を移動させ、在来的に分離させるために、受入れ空気（以下、流入空気）を大気圧よりも少なくとも１バール（bar）だけ圧縮することが必要である。また、輸送コストをタンク内の酸素全量で賄えるだけの大量の酸素を大型タンクに詰め込んで、輸送と分配供給の単価を抑えるために、取り出した酸素も高圧で圧縮しなければならない。

圧縮は、典型的に、分離プロセスの二つの段階（又は工程）のうちの一つ又は両方で達成される。分離システムを通じて空気とその分離成分に推進力を与えるために分離器（又は、分離装置）内に圧力差を生じさせるだけでなく、生成物の適当な分離効率又はレートを与えるために、流入空気は分離前に圧縮される。さらに、分離後、分離成分は、さらに圧縮されてタンク内に充填される。しかし、圧縮器（又は、圧縮装置）は、ノイズを発生し、重量があるだけでなく、大量のエネルギーを消費し、コストがかかる。特に、人の呼吸に適した汚染されていないガスを提供するように設計されたものでは、酸素の生成にさらにエネルギーコストがかかる。患者に与えられる酸素を実質的な大気圧に戻すとこのエネルギーは消失する。また、大型タンクを輸送する必要性があるが、これは、供給者、患者、さらに患者の世話をする者にもタンクの扱いに不便性を与えるだけでなく、酸素の輸送コストがかさむ。

この在来の酸素供給システムが長年にわたり続けられてきた。これは、従来の酸素分離圧縮技術が、様々な純度のレベルにある圧縮又は液体成分を再販売するために空気成分の分離専用の大規模、大量生産システムによってより効率的且つ低価格が達成されるものとされてきたからである。個人個人の家庭での使用を可能にするために在来の分離システムの小規模にすることは実用的でなく、価格が高騰する。

例えば、特許文献１に家庭での使用を可能にしたシステムが記載されている。しかし、圧縮器、吸収プロセスを用いる第一段の分離器、メンブレン分離器又はイオン伝導システム、及び液化装置（ただし、液化処理によりガスを分離するものではない）を含む多くの段階を必要とする。特許文献２には、窒素のようなガスから、低アルデヒド、グリコール化合物及び水のような揮発性化合物を凝縮させるための冷却媒介としての液体窒素冷却剤が記載されている。熱交換器が入力ガスを予め冷却するために使用されるが、このシステムは、液体窒素源を必要とし、このようなシステムは家庭での使用には実用的ではない。
米国特許第５８９３２７５号 米国特許第５７０４２２７号

したがって、家庭で使用でき、形態可能なサイズと重量の小型で経済的な酸素分離システムの必要性がある。

本発明の目的は、圧縮を必要としない酸素分離システムを提供することであり、したがって、本発明は、分離前に流入空気を圧縮する必要性をなくし、タンクに貯蔵するために酸素を圧縮する必要性もなくすことによって、より多量のエネルギーを効率化できることを特徴とするものである。

本発明の他の目的は、酸素のみを直接的に液化することによって空気から酸素を分離する酸素分離システムを提供することである。

本発明のその他の目的は、液化処理を利用する酸素分離システムを提供することであるが、本発明の特徴として、液化プロセスで冷却エネルギーを取り出し、このエネルギーの取出し及び使用により、エネルギーコストが低減でき、少量のエネルギー入力だけを必要とする簡単な装置構成にできる

本発明では、密閉容器内の表面を窒素の沸点温度以上、酸素の沸点温度以下に冷却することにより低圧（好適に、実質的に大気圧）の空気から酸素を直接的に分離する。空気は、大気から密閉容器内の低温面へ送り込まれる。この低温面上で凝縮した酸素の滴が落下し、液体／ガス分離器で収集され、酸素と密閉容器内の残留ガスが分離経路に沿って排気され、大気圧でシステムから放出される。受入れ空気（以下、流入空気）が予め冷却され、流入空気中の水分が、流入空気から密閉容器から外向きに流れる分離ガスへ熱を伝達させることにより凝縮する。

これを達成させるために、雰囲気流入系（雰囲気入口パッセージを含む）が、大気から空気を密閉容器へ流入させる。クライオクーラー（又は、低温冷却器）が、密閉容器内で空気から酸素を直接的に凝縮させるための低温面を有し、この低温面は密閉容器内に位置される。クライオクーラー温度制御システムが、酸素のみが低温面上で凝縮するように、窒素の沸点温度以上且つ酸素の沸点温度以下の温度にこの低温面を冷却する。液体／ガス分離器が、密閉容器に連結され、低温面から流出した液体酸素を受け、密閉容器内に残留するガスから液体酸素を分離する。酸素流出系（酸素出口パッセージを含む）が、酸素を密閉容器の外部に流出させるために、分離器の液体流出系に連結される。残留ガス流出系（残留ガス出口パッセージを含む）が、実質的に大気圧で密閉容器から残留ガスを排気するために、分離器からガス流出系へ連結される。エアインペラー（又は、空気攪拌羽根車）が、必要量の酸素を分離させるのに十分な流量でシステムを通じるように空気及び分離ガスに推進力を与えるためだけに使用される。システムは大気に開口しているため、エアインペラーは、大気圧よりもやや高い圧力を発生させるためだけに使用される。エアインペラーは、雰囲気入口パッセージ、残留ガスパッセージ及び密閉容器を通じてガスを移動させるものである。熱交換器が、流入空気から流出ガスへ熱を伝達させるために、流入系と流出系に連結される。

本発明の利点は、低温面上で凝縮させることによる酸素の分離において、実質的に大気圧で作動させ、システムに入る空気の流出成分からエネルギーを回復させる点にある。特に、小型、軽量でエネルギー効率が良いので、攪拌クライオクーラーの使用に利点がある。

本発明の最大の利点は、小型であることである。従来技術のプロセスにわたってガスを移動させる手段として、従来技術では、分離前に圧縮器又は濃縮器を必要としていたが、本発明は、従来技術と異なり、圧縮器も濃縮器も必要としない。本発明は、気化機も膨張バルブも有さず、メンブレン分離器のような高価な分離器を使用しない。酸素分離のための従来技術のシステムは、様々な純度の圧縮または液体単一成分ガスの販売のために成分を分離することを意図とし、大規模な商用のシステムに連結されていた。このような大規模システムの液化手段は、一般に、ターボエキスパンダーである。攪拌クーラーは、ガスの販売を支持し得るサイズにないので、従来技術のシステムでは使用されていない。

本発明の実施例は、形態可能な程度に小型である。携帯性には、二つのレベルがある。第一のレベルは、電力を供給する電源が必要であるが、ユニットのサイズを任意に移動させることができる程小さい。個人使用向けの従来技術のユニットは、圧縮器又は濃縮器を必要とし、このようなデバイスが、ユニットの重量を非常に著しく増大させていた。従来技術の個人向けの酸素供給器は、重量があり、個々で輸送するには困難性のあるタンクを必要としていた。携帯性の第二のレベルは、真に携帯できることである。酸素抽出器の電源がバッテリーであり、完全に移動可能であり、タンクを持ち運ぶ必要性をなくし、個人で持ち運ぶことができる。

本発明の実施例では、空気及びガスに推進力を与えるために、非常に小さい圧力が必要とされる。本発明は、所も雨量の酸素を生成させるために、システムに新しい空気を供給し続けるのに十分な空気流を必要とするだけである。このため、小さいファンがインペラーに必要とされる。当然、他の低圧、高流量のエアインペラーデバイス（例えば、ベロー又はダイアフラムタイプのポンプ）を使用できる。

本発明の実施例は、温度制御により、高地のような場所の低い大気圧で作動できる。温度制御は、大気圧の変化による沸点温度の変化を補償するための調節だけである。

熱交換器により。流出、冷却、分離空気成分で流入空気を加熱できる。本発明は、分離プロセスで空気から抽出されるほぼ全部の熱を回復させる。従来技術は、除去される熱を回復させずに、液状の所望のガスに残るエネルギーを捨てるか又は流入ガスの不要な一部分を冷温状態にある大気に放出する。逆流熱交換器が他の機械の従来技術で既知であるが、この逆流熱交換器は本発明の非常に重要な構成成分である。ここで、理想的に、システムから放出するガス（（空気の他の構成成分と一緒に）酸素及び窒素の両方）は室温であり、システムに入る流入空気の加熱の全部は、これらガスにより冷却される（つまり、流入空気を冷却又は予冷却する）。したがって、クライオクーラーに求められる冷却は、最小化され、非効率性（例えば、周囲の絶縁物を通じる放射及び伝導、熱エネルギーの回復の非効率性、システムを通じてガスを押す仕事、及びクライオクーラーでの損失）による熱の除去に限定される。

図示の本発明の好適実施例の説明では、特定的な用語を用いて明瞭にしている。しかし、本発明をこのような特定的な用語のものに限定することを意図としているのではなく、当業者が用いているのと同等のものを含むことが理解されるべきである。例えば、これに関連する文言や同様の用語が度々用いられている。これらは、直接的な関連物に限定されず、他の要素を通じて当業者に同等と認められる関連物を含む。

図１に、本発明の実施例を示す。本発明の基本原理を図説する。本発明では、圧縮器を使用していないため、全体的に本質的に大気圧でなされるプロセスで空気から酸素を分離する。本発明は、空気中に見られる通常のガス成分の混合物を出力するものであるが、この混合物は高純度の酸素であり、酸素の比率は、システムに入る空気中に見られる比率よりも実質的に高い。この高純度酸素混合物は、使用のために、大気圧で供給される。

図１を参照する。雰囲気流入系１０が、絶縁外囲器１３を通じ、ガスを閉じ込めるための容器１４に大気圧の空気を流入させるために、開口１２から続く雰囲気入口パッセージを含む。従来技術で既知のタイプのフリーピストン攪拌クライオクーラーが、低温面２０を設けるために、容器１４内に伸長する低温指形小片１８を有する。空気流入系１０を通じて流入する空気中の酸素は、この低温面２０上で凝縮する。

クライオクーラー１６は、窒素の沸点温度（標準大気圧において７７°Ｋ）以上、酸素の沸点温度（標準大気圧において９０．１°Ｋ）以下の温度に低温面を維持させるために、在来の温度制御システムを有する。攪拌クライオクーラーは、小型の携帯可能な用具から所定量の酸素を抽出できる。

密閉容器１４は、重力により低温面２０から落下する液体酸素を液体／ガス分離器２６へ向けるための下部２４を含む。液体／ガス分離器２６は、従来技術で既知のタイプのものであり、低温面２０から落下した液体酸素を受け入れ、酸素凝縮後に容器１４に残る残留ガスから液体酸素を分離するために、容器１４に連結される。適当な分離器は、在来のトラップ（捕獲）タイプの分離器であり、液体が、重力により、その底部又はその底部付近に開口を有するレセプタクルに流入し、トラップされ、液体が収集され、トラップを通じてガスのパッセージがブロックされる。続いて、このトラップが満たされると、液体は、ガスのバリアーとなり、液体のみがトラップを通過する。分離器は、容器と一体的に形成され、液体が容器から直接的に流出する。システム内への空気の流量と凝縮量は、トラップを液体酸素で満たし続けること（液体酸素がガスのバリアーとなり続けること）ができる程度に維持される。

酸素流出系２８が、酸素出口パッセージを含み、分離器２６の液体流出系に連結され、酸素を容器１４から使用者へ送り出す。同様に、残留ガス流出系３０が、残留ガス出口パッセージを含み、分離器２６のガス流出系へ連結され、残留ガスを実質的に大気圧で容器から排気する。

流入空気と分離ガスは、必要量の酸素を凝縮させるのに十分な流量でシステムを通じて移動する。酸素が低温面２０で凝縮すると、凝縮酸素を際補給するためにフレッシュな酸素を容器に供給しなければならない。この目的のため、電気モーターで駆動するエアインペラー３２が、雰囲気流入系１０に配置される。エアインペラーは、システムを通じて有用な流量のガスを移動させるためにシステムに必要なものであり、したがって、システムの流れの抵抗を克服し所望の流量を与えるのに十分な圧力勾配をシステムにわたって発生させるためだけに必要なものである。インペラ−はシステムのガスの流れ回路のいずれに配置してもよいが、好適に、絶縁外囲器１３の外部の流入系１０に配置される。インペラ−が、いずれの小さいオリフィスと閉バルブを除き、一連の開口パッセージ及び包囲空間を通じてガスに推進力を与えるので、空気には、雰囲気入口パッセージ、残留ガスパッセージ及び容器を通じて実質的に大気圧で推進力が与えられる。

本発明の重要な特徴は、熱交換器３４を含むことである。これは、酸素を凝縮させるために使用されるエネルギーを回復させるための主要な手段であるからである。酸素流出系２８を通じて分離器２６から流出する酸素と、残留ガス流出系３０を通じて分離器２６から流出する残留ガスとの両方が雰囲気温度よりも非常に低い温度に冷却されているので、これらガスの冷却エネルギーは、雰囲気流入系１０を通じて容器１４に送られる空気を予め冷却するために使用できる。この目的のため、熱交換器３４は、好適に、ガスを通さない熱伝導壁によって分離される三つのパッセージを有する逆流熱交換器である。これら三つの熱交換器パッセージは、それぞれ、雰囲気流入系１０、酸素流出系２８及び残留ガス流出系３０に連結される。これにより、流入雰囲気から流出酸素及び流出残留ガスの両方に熱が伝達される。この予冷却及び熱伝達は、酸素を凝縮するために低温面２０に必要なエネルギーを低減させるだけでなく、流出酸素及び流出ガスの温度を雰囲気温度付近に上昇させるようにも働く。これにより、システムの安全性が向上し、安全で、使用者がより快適に使用できる温度で使用者に酸素を提供できる。

熱放出ガスが一方の方向に流れ、熱吸収ガスがこれと反対の方向に流れる逆流熱交換器を使用することにより、最も効率的に熱伝達がなされる。しかし、そのより高い効率のため逆流が非常に好適なものであるが、その必要性はない。同様に、熱交換器は、流出ガスのうちの一つだけ（最も効率的な残留ガス）から熱を回復するようにパッセージを二つだけ有するものであってもよい。ただし、これは、本発明の利点であるエネルギー回復効率を低減させる。

（コールドフィンガー（低温指形小片）温度制御）
攪拌クライオクーラー及びその低温指形小片の温度を制御するための制御システムが従来技術で既知なので、これらの詳細な説明は省く。制御システムは、典型的に、クライオクーラーによって送られる冷却エネルギーを制御し設定温度に維持するフィードバック制御システムに接続される低温指形小片温度センサーを含む。標準圧力におけるＯ_２の沸点温度は９０．１°Ｋであり、標準圧力におけるＮ_２の沸点温度は７７°Ｋである。このことから、低温面２０は、標準圧力において少なくとも９０．１°Ｋに冷却させる必要があり、酸素は凝縮する。しかし、７７°Ｋ以下に冷却せずに、窒素を凝縮させてはいけない。好適に、低温面２０は、丁度９０．１°Ｋ以下に冷却される。これは、酸素を凝縮させるのに十分な冷温であり（ただし、窒素の沸点温度以上である）、これにより、過度で不要な冷却によるエネルギー損失が回避される。よって、本発明は、低温面が必要以上に冷却されて空気の他の構成成分を凝縮させないので、向上したエネルギー効率を有するものである。

沸点温度が変化すると圧力も変化するので、これらの温度、特に制御システムの設定温度が、例えば、本発明の実施例をより高い場所（高地）で作動させるときに、他の雰囲気圧力に一致するように変化する。同様に、システムを通じてガスを移動させるためにシステムにわたって圧力勾配を発生させる必要があることから、温度制御システムの設定温度は、雰囲気圧力からのシステム内の小さい変化を補償するために調節される。

（エアインペラー（空気攪拌羽根車）パラメーター）
本発明の実施例は、より高圧を維持させるための圧縮器、バルブ又はオリフィスを全く有さず、従来技術のシステムの異なり、本質的に大気圧で作動するものである。本発明のシステムは、大気圧に開放されている。したがって、エアインペラーは、パッセージ、ガスの流路に沿った圧力降下と寄生的な損失を克服し、使用者に十分な酸素を供給するのに必要な流量を得るために、システムにわたって十分に高い圧力勾配を発生させる必要があるだけである。インペラ−にわたる圧力勾配は、システムから流出するガスが大気圧にあるように、システムにわたって降下する。大半の人の吸入が２〜３リットル／分であり、また空気は約２０％の酸素を含むことから、システムは、効率１００％で純水の酸素を供給できる場合に、約１０〜１５リットル／分の空気の流量を必要とする。

しかし、システムの効率は１００％ではなく、５０リットル／分のオーダーの流量がより十分であり好適である。さらに、より高い流量が非効率性を補償するので、より低い酸素分離効率でよく、また流入空気の圧縮を必要としないので、著しいいかなるコストも追加されない。

当然に、インペラーに求められる圧縮勾配は、パッセージの直径と、流体の流れに影響を及ぼす流路の他の物理的な性質との関数である。しかし、従来技術と異なり、本発明は、１バール以下のインペラーの圧力勾配を必要とし、１バールよりも非常に低い圧力勾配で最も高い効率で作動できる。

初期の計算では、上記の流量を得るために、インペラーは１ｐｓｉ以下を必要とし、より実用的には雰囲気の大気圧以上の０．３３ｐｓｉのオーダーの圧力を発生させるべきであることが示された。よって、本発明は、実質的に大気圧で作動する。使用者に多量の酸素を供給するために雰囲気から酸素を転換させるプロセスに、ガスがシステム内で実質的に大気圧を超えて加圧されることはない。

本発明の実施例による電力消費の初期の予測計算では、インペラーのモーターによる電力消費が５ワットのオーダーにあり、クライオクーラーが１６０〜２００ワットの電力を消費することが示された。したがって、本発明の実施例でのエネルギー消費は非常に小さいものである。

（水の除去）
システムに入る大気が熱交換器３４で予め冷却されるので、大気の水分は、熱交換器３４で凝縮する。流入空気からの水分の除去は、水分を除去するシステム内での場所を含み、重要である。水は、流入空気が容器１４に達する前に抽出され、分離されるべきである。これにより、システムの流れのパッセージの凍結や氷が障害物となることが回避され、低温面２０上での凍結水の堆積が回避される。水の除去について、システムから水を輸送するための排水パイプ３６を図１に示す。

流入空気から抽出される水は、簡単に排水できる。しかし、好適に、エネルギーも、流入空気の予冷却のために主要な熱交換器３４の上流に位置した熱交換器を通じて冷水を循環させることにより冷水から回復できる。これに加えて又は変形的に、水は、流出酸素を湿らせるために使用できる。これら使用の一方又は両方の後又はこれに代えて、水は、流出残留ガスのストリームにフィードバックされて捨てられる。水を残留ガスのストリームにフィードバックさせることには、空気の窒素含有量が８０％であり、水が流出残留ガスのストリーム内に気化し、大気へ戻されることから、より高い流量となる点に利点がある。少なくとも一部の水を酸素のストリームに供給することには、酸素を再び湿らせて使用者の組織の乾きを少なくできる点に利点がある。

図に、付加的な特徴を有する変形例を示す。図１の実施例のように、クライオクーラーの低温指形小片５０が容器５４内に伸長し、低温面５２を有している。酸素は低温面５２上で凝縮し、空気／液体分離器６０内に落下し、酸素流出系パッセージ６２を通じて流出する。酸素は、流出系路に沿って気化すると、流入空気の圧力とその蒸気圧によって流路に沿って流される。容器５４内の残留ガスは、残留ガス流出系パッセージ６４を通じて流入空気の圧力によって流される。

熱交換器６６を通じて伸長する雰囲気流入系パッセージ５６の一部で凝縮する水は、水出口６８とガストラップ７０を含む液体／ガス分離器を通じて重力で落下して流れ、雰囲気流入系パッセージ５６に熱を伝達する水ジャケット７２（又は他の熱交換器）内に流入する。この水は、流入空気を予冷却する。他の熱交換器は、他の排水構造を使用できる。水は、水を収集し排水するのに最適な温度にある熱交換器の出口又は熱交換器の下方の出口を通じて排出される。

水ジャケット７２に収集された水は、上記した一つ又はそれ以上の様々な方法で使用され、又は捨てられる。水ジャケット７２内の全部又は幾らかの水は、排水口７４を通じて排水される。水又は水蒸気は、パッセージ又はコンジット７６を通じて、残留ガス流出系パッセージ６４の出口エンド７８及び／又は酸素流出系パッセージ６２の出口エンド８０へ向けられ又は吸引される。これは、水のパン上又はフィルターと同様の湿潤繊維材をガスを通過させるようなガスを湿らせるための従来技術で既知の装置及び方法によって達成できる。変形的に、水ジャケット７２からの水は、大気へ直接的に気化される。

酸素及び残留ガスが熱交換器６６（又は図１の熱交換器３４）に入る低い温度では、雰囲気流入系パッセージ５６で凝縮される水は、この熱交換器で又はこの熱交換器付近で表決し、氷を堆積し、パッセージをブロックする。これを防止するために、この付近の流出系パッセージの温度が以下の（１）〜（３）のうちの一つ又はそれ以上により制御される。（１）攪拌クライオクーラーにより供給される冷却エネルギーを調節すること、（２）温度センサー及び温度制御システムを使用するヒーター、及び（３）攪拌クライオクーラーから放出する熱を使用すること。図２に、温度入力センサー８４を有し、電気加熱抵抗ストリップのようなヒーター８６を制御するために連結される温度制御８２を示す。温度制御は、雰囲気流入系パッセージ５６で水が凍結しないように、水の凍結温度よりもやや高い設定温度を有する。しかし、図１に示すように、排水口は熱交換器内の流路に沿った中間の位置に配置され得る。熱交換器の一方のエンドから他方のエンドへ圧力勾配が生じるので、熱交換器を通じる流路に沿った温度を測定し、本発明の実施例の通常の定常状態の作動下で水の凍結温度よりもやや高い温度のところに排水部を配置する。その結果、水の凍結防止に必要な熱エネルギーは非常に高いものではなくなる。

（作動）
本発明の実施例は、密閉容器内の表面を窒素の沸点温度以上、酸素の沸点温度以下の温度に冷却することによって作動するものである。空気には、大気から容器内への推進力が与えられ、空気は、終始、実質的に大気圧で、低温面に向けて送られ、空気の成分は、容器外へ送り出される。低温面上に凝縮し、また低温面から落下する酸素の滴は、容器内の残留ガスから分離される。流入空気は冷却され、水は、容器から流出するガスに流入空気から熱を伝達させることによって凝縮される。

低温面がシステムの最低温度なので、酸素は、分離器を通過した直後に気化し始める。したがって、酸素流出系パッセージの酸素は、気化し、温められて膨張し、この膨張により、ガス状の酸素を流出させる。残留ガスは、主に窒素を含むものであり、流入空気の圧力によって送り出される。その後、空気の全ての成分がガス状態に戻され、システムから排気される。

排気される酸素は、酸素を多量に含むものであるが、純水なさん素ではない。幾らかの酸素は、空気中の他の成分のガスと一緒に、排気される残留ガス（大半が窒素）に残っている。また、幾らかの窒素及び他の成分のガスは、酸素と嵌合されている。液体／ガス分離器のトラップを常に満たして、残留ガスに対するバリアーを設ける必要はない。本発明の目的は、純水な酸素を提供することではなく、非とが消費する大量の酸素を含んだ混合気を提供することである。エネルギーがいずれのガスの圧縮においても捨てられることがないので、高比率の酸素を凝縮する必要もない。

液体酸素を気化させず、システムからの液体酸素の流出を防止するために、酸素流出系パッセージは、分離器の液体のレベルの上方の長さ及び盛上りの適当な組合せを有することが望ましい。これは、実験及び当業者の知識から決定できる。変形的に、液体酸素は、貯蔵用のタンク内に排水できる。

本発明の特定的な好適実施例について詳細に説明したが、様々な変更物が本発明の精神又は特許請求の範囲を逸脱せずになされ得ることが理解できる。

図１は、本発明の基本的な実施例を示す。 図２は、本発明の変形的な実施例を示す。

符号の説明

１０・・・雰囲気流入系
１２・・・開口
１３・・・絶縁外囲器
１４・・・容器
１６・・・クライオクーラー
１８・・・低温指形小片
２０・・・低温面
２４・・・下部
２６・・・液体／ガス分離器
２８・・・酸素流出系
３０・・・残留ガス流出系
３２・・・エアインペラー
３４・・・熱交換器
５０・・・低温指形小片
５２・・・低温面
５４・・・容器
６０・・・空気／液体分離器
６２・・・酸素流出系パッセージ
６４・・・残留ガス流出系パッセージ
５６・・・雰囲気流入系パッセージ
６６・・・熱交換器
６８・・・水出口
７０・・・ガストラップ
７２・・・水ジャケット
７４・・・排水口
７６・・・パッセージ又はコンジット
７８・・・出口エンド
８０・・・出口エンド

Claims (20)

1. 空気から酸素を分離し、大気圧で使用するために酸素を供給するための装置であって、
   （ａ）ガスを閉じ込めるための容器、
   （ｂ）大気から前記容器へ続く雰囲気入口パッセージを含む雰囲気流入系、
   （ｃ）前記空気から酸素を直接的に凝縮するための低温面を前記容器内に有し、前記容器内の空気から酸素を凝縮するために、前記低温面を窒素の沸点温度以上、酸素の沸点温度以下の温度に冷却させるための制御システムを有するクライオクーラー、
   （ｄ）前記低温面から落下した液体酸素を受け、前記容器内に残る残留ガスから液体を分離するために、前記容器に連結される液体／ガス分離器、
   （ｅ）前記容器から酸素を送り出すために、前記分離器の液体出口に連結される酸素流出系パッセージを含む酸素出口、
   （ｆ）大気圧で前記容器から残留ガスを排気するために、前記分離器からガス出口に連結される残留ガス流出系パッセージを含む残留ガス出口、
   （ｇ）１バール以下の圧力勾配を発生させるために、前記雰囲気流入系パッセージ、前記残留ガスパッセージ及び前記容器を通じて空気に推進力を与えるエアインペラー、及び
   （ｈ）第一のパッセージのガスから第二のパッセージのガスに熱を伝えるために、ガスを通さず熱伝導性の壁によって分離される少なくとも二つのパッセージを有する熱交換器であって、
   前記第一のパッセージが前記空気流入系パッセージに連結され、
   前記第二のパッセージが前記残留ガス流出系パッセージに連結され、
   流入空気から流出残留ガスに熱が伝えられる、
   ところの熱交換器、
   を含む装置。
2. 請求項１の装置であって、
   前記熱交換器が、逆流熱交換器である、
   ところの装置。
3. 請求項１の装置であって、
   前記熱交換器で熱を伝達することによって流入空気とこの空気が凝縮した水を分離するために、前記雰囲気流入系に液体／ガス分離器をさらに含む装置。
4. 請求項２の装置であって、
   前記熱交換器が、
   ガスを通さない熱伝導性の壁によって前記第一のパッセージから分離され、且つ流体を通さない壁によって前記第二のパッセージから分離される第三のパッセージをさらに含み、
   前記熱交換器の前記第三のパッセージが、流入雰囲気から流出酸素へ熱を伝えるために、前記酸素流出系パッセージに連結される、
   ところの装置。
5. 請求項４の装置であって、
   前記熱交換器が、逆流熱交換器である、
   ところの装置。
6. 請求項６の装置であって、
   前記圧力勾配が、１ｐｓｉ以下である、
   ところの装置。
7. 請求項６の装置であって、
   前記圧力勾配が、０．３３ｐｓｉを超えない、
   ところの装置。
8. 請求項１、２、３、４、５、６又は７の装置であって、
   前記雰囲気流入系パッセージで凝縮した水を排水させるため、前記熱交換器の前記第一のパッセージに連結される水パッセージをさらに含む装置。
9. 請求項８の装置であって、
   前記水パッセージが、水を流出ガスに戻すため、前記流出系パッセージの一つに連結される、
   ところの装置。
10. 請求項８の装置であって、
    温度センサー及びヒーターが前記水パッセージ又は前記熱交換器に連結され、水温を水の氷結温度以上に維持させるための熱制御システムに連結される、
    ところの装置。
11. 請求項１、２、３、４、５、６又は７の装置であって、
    前記クライオクーラーが、フリーピストン攪拌クライオクーラーである、
    ところの装置。
12. 請求項８の装置であって、
    前記クライオクーラーの電力消費が、２キロワット以下である、
    ところの装置。
13. 空気から酸素を直接的に凝縮させ、分離するための方法であって、
    （ａ）密閉容器内の表面を窒素の沸点温度以上、酸素の沸点温度以下の温度に冷却する工程、
    （ｂ）大気から前記容器内の前記表面にガスを送り、前記容器から送り出す工程であって、
    前記送られるガスが、大気圧以上、１バール以下の圧力にある、
    ところの工程、
    （ｃ）前記の低温の表面から落下する凝縮酸素の滴を収集し、前記容器のガスから酸素を分離する工程、及び
    （ｄ）前記容器から流出する非凝縮ガスへ流入空気から熱を伝えることによって、前記流入空気を冷却し、この流入空気中の水を凝縮させる工程、
    を含む方法。
14. 請求項１３の方法であって、
    流入空気から分離酸素へ熱を伝えることによって、流入空気を冷却し、この流入空気中の水を凝縮させる工程、
    をさらに含む方法。
15. 請求項１３の方法であって、
    前記容器から流出するガスから熱を伝える前に、前記凝縮水から前記流入空気に熱を伝えることによって、前記流入空気を冷却する工程、
    をさらに含む方法。
16. 請求項１３の方法であって、
    前記低温面から吸収される熱をガスへ伝え、前記容器から排気させる工程、
    をさらに含む方法。
17. 請求項１３の方法であって、
    酸素に前記凝縮水を気化し、酸素を前記容器から排気させる工程、
    をさらに含む方法。
18. 請求項１３の方法であって、
    水の氷結を防ぐように、前記凝縮水に熱を適用する工程、
    をさらに含む方法。
19. 請求項１３の方法であって、
    前記の推進力が与えられたガスが、１ｐｓｉ以下の圧力にある、
    ところの方法。
20. 請求項１３の方法であって、
    前記の推進力が与えられたガスが、０．３３ｐｓｉを超えない圧力にある、
    ところの方法。

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