JP2009525164A - セラミック酸素生成オーブン - Google Patents

Abstract

【解決手段】内部チャンバ（２２）、加熱エレメント（１２）、内部チャンバ内に設置された少なくともひとつのガス生成モジュール（１４）、空気の流入ソースを与える吸気口（２６）及び生成ガスの排気口（１６）を含むタイプのガス生成システム（Ｃ）用のオーブンは、内部チャンバ（２２）内に設置された空気増幅手段（２０）を含む。空気増幅手段は、流入する空気がオーブンの内部チャンバ内に導入されるに従い、空気の流入ソースの気流特性の増幅を生成する。この増幅は、オーブン内の空気の再循環を促進し、オーブン内部の熱均一性及び空気の吐き出しを改善する。
【選択図】図１

Description

本件出願は、２００６年１月１２日出願の米国仮特許出願第６０／７６６３５２号の優先権主張を伴うものである。

本発明は、ガス分離装置に関する。特に、例えば空気のような混合ガスから例えば酸素のようなひとつのガスを分離するために電気化学的処理を使用する装置に関する。

ガス生成システムにおいて、医学的または工業的な用途により、大気から酸素を分離するために固体プロセスが使用されている。この種の装置はセラミック酸素生成システムまたはＣＯＧＳと呼ばれている。セラミック酸素生成（ＣＯＧ）モジュールは高温で動作する。ＣＯＧモジュールを構成する材料の種類に応じて、動作温度は８００℃の高温となる。ＣＯＧモジュールを動作温度に近づけ、かつ、その温度に維持するために、しばしば炉またはオーブンが使用される。

オーブンには空気が流れる吸気口が必要である。オーブン内部の酸素濃度を最小に維持するために、空気の流入は酸素排出流量の１０から２５倍であるのが好ましい。空気流入と酸素排出の比率は、オーブン内部の空気の再循環に依存する。概して、再循環の効率が良いほど、流入／流出比率は小さくなる関係にある。

既存のオーブンのほとんどは、流入空気の温度をオーブン内部の温度に近づけ、かつ、排出する空気から熱を再び取り込むための熱変換器を必要とする。概して、オーブンは、熱交換器を通じた適当な流れを生成するために高い圧力で動作しなければならない。熱交換器を有するオーブンは、より複雑で、組み立てが困難であり、空気の再循環性が悪い。

本発明は、空気増幅器を使ってＣＯＧモジュールに空気を供給するオーブンに関する。米国特許第４０４６４９２号に記載のものに類似の空気増幅器は、吸気口から流入する空気の２５倍まで空気の流れを増幅することが可能である。
米国特許第４０４６４９２号公報

概して、従来の装置は、
熱交換器が必要なこと、
加圧されたオーブンはシールされる必要があること、
空気の循環不足により、高い流入／流出比率が要求されること、
という欠点を有する。

これに対して、本願発明は、
高い空気循環性を有すること、
流入／流出比が低いこと、
熱交換器が必要ないこと、
周囲圧力でのオーブンであること、
という利点を有する。

上記した文献は、当該技術分野における進歩及び技術的改良を紹介しかつ開示するが、本発明により達成される特定の目的を完全に達成するものではない。

本発明のひとつの態様において、内部チャンバと、加熱エレメントと、内部チャンバに内設された少なくともひとつのガス生成モジュールと、空気の流入ソースを与える吸気口と、生成ガスの排気口を含むタイプのガス生成システム用のオーブンは、内部チャンバに内設された空気増幅器を含む。該空気増幅器は、流入する空気がオーブンの内部チャンバに導入されるに従い、空気の流入ソースの気流特性を増幅する。

該空気増幅器を駆動するために、必要なＣＯＧ給気が使用される。オーブン内の空気は、増幅器により増幅された気流となって再循環する。熱交換器を使用する場合よりも強力にオーブン内の空気を再循環させることにより、要求される流入／流出比を、例えば、最低の１０／１まで低下させることができる。流入／流出比を低下させることで、オーブン温度まで給気を加熱するのに必要なエネルギーを減少させることができる。酸素生成中にＣＯＧにより生成される熱は、１０部の給気を大気温度からオーブン温度まで上昇させるのに十分である。したがって、排気からの熱回復は不要である。よって、本発明のオーブンは熱交換器が必要でない。

本発明の他の目的、利点及び特徴は、本発明の好適実施形態について図面とともに説明する以下の詳細な説明より明らかとなる。

本発明の上記特徴、利点及び目的を詳細に理解するために、本発明の好適実施形態を図面を参照して説明する。すべての図面において、同一要素は同一符号で示す。

ここに参考文献として組み込む、１９９９年１１月１６日発行の米国特許第５９８５１１３号、１９９９年２月１６日発行の米国特許第５８７１６２４号及び２００１年２月２７日発行の米国特許第６１９４３３５号は、酸素を生成するだけでなく、高い圧力で酸素ガスを吐き出すことができる、電気化学式酸素生成装置をどのように製造するかを教示している。以下で使用される“左”、“右”の用語は、相対的な意味で解釈されるべきものであり、本発明は任意の方向で使用可能であることは言うまでもない。

図１に示すように、ＣＯＧオーブン装置Ｃは、埋設されたヒータエレメント１２及び以下のコンポーネントを有する絶縁体オーブン１０から成る。ＣＯＧモジュール１４はオーブン１０の内部に配置され、生成または吐き出しチューブ１６が所望の排出ガスを集めるためのマニホールド１８に結合されている。

空気増幅装置２０はオーブン１０の内部チャンバ２２内に配置されており、空気増幅器２０の排気口または流出口３６はエアガイド２４に結合されている。給気ソース２６は増幅器２０の駆動ポート３８に結合されている。空気増幅器２０は気圧を制御可能に上昇させることが可能であり、概して、液体の流速を増加させるよう内側にテーパー構造を有するベンチュリタイプの装置か、または、米国特許第４０４６４９２号に教示されるような装置である。

付加的に、ウォームアップ中または動作中に温度を制御するために、オーブン１０の内部チャンバ２２内には熱電対２８が配置されている。酸素が抽出された空気がオーブン１０の内側または内部チャンバ２２から排気可能となるように排気口３０が設けられている。

図２に示すように、付加的なヒータロッド３２が動作中の温度を制御するために空気流内に配置されている。

図３は、内部チャンバ２２内での典型的な気流パターンを示している。増幅器２２の排気端３６から排気された冷たい空気はオーブン内の熱い空気と混合され、暖かい空気混合物が生成される。エアガイド２４の長さ方向に沿って進む間に、暖かい空気は所望のオーブン温度まで加熱される。熱い空気は出口領域４０を通じて（または所望により、エアガイド２４の長さ方向に沿ったどこか）エアガイド２４から排気され、図３に示すように、増幅器２０の吸入端またはオーブン１０の内部チャンバ２２の上端部へ循環する。

ＣＯＧオーブン１０は、ＣＯＧ装置Ｃのひとつのコンポーネントまたはサブアセンブリとして使用される。ひとつまたはそれ以上のＣＯＧオーブン１０が特別の制御アルゴリズムによりシステム内で使用されてもよい。ウォームアップ中、ＣＯＧモジュールまたはエレメント１４が熱的な衝撃を受けないように、温度勾配速度を制御することが必要である。給気及び循環した気流は吸気口の気圧に依存するため、制御装置３４は動作中の吸気口の気圧を制御する。吸気口の気圧はオーブン１０が最低の動作温度に達したときのみ適用され、かつ、ＣＯＧモジュール１４に電力が供給されるか、または吸気口の気圧は熱均一性を改善するためにＣＯＧモジュールのウォームアップ中に連続して適用される。

吸気口の圧力は、要求される流入／流出比（ｎ部、すなわち１０／１の比率に対して１０）を達成するよう設定される。動作中、酸素は給気から除去される。したがって、酸素が抽出された空気のｎ−１部がオーブンから排気される。ＣＯＧオーブン１０は、動作中、全体の熱損失（排気及び熱伝導による）が、酸素生成中にＣＯＧモジュール１４により生成される熱より少しだけ大きくなるように設計されている。熱損失がより大きいことで、概して、熱暴走が避けられ、ヒータ１２はオーブン温度を制御するための補助熱源として使用される。

良好な空気の再循環により、本発明は、概して、１部の酸素排気に対して１０部の給気（すなわち、１ＬＰＭの酸素排出に対して１０ＬＰＭの空気流入）だけを要求し、かつ、ＣＯＧモジュールにより生成される熱は、全給気量（１ＬＰＭの酸素オーブンに対して１０ＬＰＭ）を大気温度からオーブン温度まで上昇させるのに十分である。オーブンから熱損失が生じないと仮定すると、オーブン内の空気はすでにオーブン温度（動作温度）である。したがって、オーブン全体を動作温度に維持するために必要なエネルギーは大気温度からオーブン温度まで給気を加熱するのに必要なエネルギーと同じである。

増幅器はオーブンの空気再循環性及び、低温の給気を高温のオーブン内の空気と混合することを促進し、それによって、オーブン１０内部の熱均一性及び空気の吐き出しが改善される。

オーブン温度を維持するのにヒータ１２から要求される電力を最小化することにより電力を節約するべく最適化が実行される。流入／流出比（すなわち、一定の排気に関する吸気圧力）及び絶縁体オーブンは、ＣＯＧオーブンの全熱損失を画定する。

上述したオーブンのコンセプトから、以下に示すような特定の応用を選択して異なるＣＯＧオーブンを構成することが可能である。特定の応用としては、
１.吸気口及び排気口によってオーブンと結合するようオーブンの外側に増幅器を配置すること、
２.埋設式ヒータではなく、分離式ヒータエレメントを有するオーブンを使用すること、
３.インラインヒータを使って給気をプレヒートすること、
４.冷たい空気を熱い排気と混合するための増幅器を付加すること
５.平均空気流量を制御するべく、圧力を変化させる代わりに給気をパルス化すること、
などが考えられる。

発明の上記開示及び説明は例示に過ぎず、本発明の思想から離れることなく、詳細な説明で記載したサイズ、形状、及び材料並びに構成におけるさまざまな変更及び修正が可能であることは当業者の知るところである。

図１は、本発明に従う所望のガスを生成するための２つのセラミックエレメントを有するオーブンの側面断面略示図である。 図２は、本発明に従う所望のガスを生成するための２つのセラミックエレメントを有するオーブンの側面断面略示図である。 図３は、本発明に従う、オーブン部材を通過する典型的な気流経路及び方向を示すオーブンの側面断面略示図である。

Claims (8)

1. 内部チャンバ、加熱エレメント、前記内部チャンバに内設された少なくともひとつのガス生成モジュール、空気の流入ソースを与える吸気口及び生成されたガスの排気口を含む電気化学式ガス生成システム用のオーブンであって、
   空気の再循環及び、低温の流入空気と高温のオーブン内空気との混合を促進するべく、オーブンの前記内部チャンバ内に導入された空気の流入ソースの気流増幅特性を生成するための、前記内部チャンバ内に設置された空気増幅手段、
   を備えたことを特徴とするオーブン。
2. 前記空気増幅手段は、排気口を有し、前記空気増幅手段から排出する空気の温度を上昇させる際にガイドしかつ補助するためのエアガイドボディが、前記空気増幅手段の前記排気口に取り付けられている、
   ことを特徴とする請求項１記載のオーブン。
3. 前記空気増幅手段は、流体の流速を増加させるためのベンチュリエレメントを含む、
   ことを特徴とする請求項１記載のオーブン。
4. さらに、空気増幅手段内部に設置されたヒータエレメントを含む、
   ことを特徴とする請求項１記載のオーブン。
5. 内部チャンバ、加熱エレメント、前記内部チャンバに内設された少なくともひとつのガス生成モジュール、空気の流入ソースを与える吸気口及び生成されたガスの排気口を含む電気化学式ガス生成システム用のオーブンの気流特性を改良するための方法であって、
   前記オーブンの前記内部チャンバ内に導入される空気の気流増幅特性を生成するための、内部チャンバ内に設置された空気増幅手段に、空気の流入ソースを与える工程と、
   前記空気増幅手段に流入する空気の流入ソースの圧力に関連して空気増幅手段の排気口における圧力を所望のレベルにするよう、空気の流入ソースの気圧を上昇させる工程と、
   を備えたことを特徴とする方法。
6. 前記空気増幅手段から排気される空気の温度を上昇させる際にガイドしかつ補助するべく、空気増幅手段の排気口にエアガイドボディが取り付けられている、
   ことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記空気増幅手段は、流体の流速を増加させるためのベンチュリエレメントを含む、
   ことを特徴とする請求項５記載の方法。
8. さらに、前記空気増幅手段内に設置されたヒータエレメントを含む、
   ことを特徴とする請求項５記載の方法。
   

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