JP2019512381A - 空気から酸素を抽出するシステムおよび方法 - Google Patents

空気から酸素を抽出するシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

空気から酸素を抽出するシステム、装置および方法がここに提供される。ある実施形態では、液体から純酸素を抽出するシステムは、液体を分離装置に通過させ、除去された少なくとも一部の酸素を有する液体を含む液体混合物を生成するように構成された分離装置を備える。分離装置は、管の内部を包囲する壁部を備え、当該壁部はそこに形成された少なくとも１つの開口部を有する。また、分離装置は、磁場勾配をその間に形成するとともに管内部に形成する、Ｎ極端部およびＳ極端部を有する、少なくとも１つの開口部に隣接して配置される少なくとも１つの磁石を備える。また、システムは、少なくとも１つの開口部に流体連結される貯蔵タンクを備え、分離装置を介して液体から除去された少なくとも一部の酸素を貯蔵するように構成される。【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１６年２月２４日に出願された、「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ Ａ ＭＥＴＨＯＤ ＴＯ ＥＸＴＲＡＣＴ ＯＸＹＧＥＮ ＦＲＯＭ ＡＩＲ」と題された米国特許仮出願６２／２９９，２８６号の利益および優先権を主張するものであり、参照により全体が組み込まれる。
本発明の態様は酸素抽出に関し、より具体的には、空気からの酸素抽出に関する。
純酸素は様々に有用である。純酸素の使用から利益を得る分野は、例えば、医療分野、スポーツおよびレクリエーション分野、ならびに産業分野を含む。しかし、純酸素は直接的ソース（源）として容易に入手することが難しく、酸素を含む他のソースから抽出されなければならない。かかる他のソースから純酸素を捕獲または抽出する様々な方法が存在する。通常、酸素抽出は高価であり、様々な産業および分野で、酸素供給を制限する複雑な設定を要しうる。
非低温抽出方法において、吸着、化学反応、高分子膜法およびイオン輸送膜法などのプロセスが使用されてもよい。吸着方法では、酸素などの一定の気体を吸着する独自の性能を有する、特殊な化合物で構成された材料が使用され、結果として当該気体を、他の気体との混合物から除去する。吸着方法は材料の化学変化を伴わないため、可逆プロセスが可能となる。しかし、このプロセスを使用して、特定の気体を確実かつ完全に除去することは極めて困難である。このプロセスは可逆であることから、平衡状態は、目的の気体が吸着材料から流出し始めた時点で実現される。
ある化学的アプローチを使用することによって、気体と反応させて一定の化学物質を直接除去することが可能である。このアプローチは極めて効果的であり、１００％の純度を達成することができる。なぜなら、十分な反応物質および十分な反応面積があれば、化学反応が継続して発生するからである。このように、気体は完全に除去されるであろう。しかし、化学的分離アプローチは実施が極めて複雑になりかねず、現在、有意義なマーケットシェアとはなっていない。さらに、化学的アプローチに基づく継続的なシステムの製造は困難である。
酸素に対して他の気体（例えば窒素）よりも高い透過性を有する透過性膜を介して空気をろ過することで、他のより大きい気体（粒子）を捕獲または濾過することにより、酸素濃度が増加しうる。ただし、この技術は、通常、目的の気体の高度な純度を達成することはない。これは、分離装置（セパレータ）としてのフィルタが、目的の気体よりも高い透過性の気体を、妨げられることなく通過させてしまうためである。よって、結果として、気体は、フィルタが除去可能な気体よりも透過性の高いすべての気体の混合物を含む。
イオン輸送膜方法は、特殊な（セラミック）膜を通過する、（酸素をイオン化するであろう）温液気体を使用し、当該特殊な膜は酸素イオンを通過させ、再結合して純酸素を生成することを可能にする。しかし、このプロセスは純酸素を生成できるものの、加熱および再結合された酸素の再圧縮に高いエネルギーコストを要する。
ある低温抽出方法では、圧力および遠心力を使用することにより、液化を伴わずに空気から酸素を分離することが可能である。ただし、このプロセスは高いエネルギーコストと複雑な設備が懸念される。
別の低温抽出方法は、一定の圧力において、すべての気体が分離沸点を有すると言う事実を利用している。液体空気容器の排気口から、徐々に圧力を減少させる（すなわち、圧力を下げる）ことにより、すべての気体は、その沸点に応じて容器から順番に脱出するであろう。このアプローチはすべてのタイプの気体を互いに分離する点で効果的であるが、数多くの段階においてエネルギーロスをもたらす点、および、当該プロセスは、圧力付加および分離のための異なる生産ラインの段階を必要とする連続的機構では実施できない点が懸念される。
従って、先述の欠点を克服する、空気から純酸素を抽出するシステムを使用することは有利であろう。
ある例では、液体から酸素を抽出するシステムは、液体を通過させ、酸素の少なくとも一部が除去された液体を含む液体混合物を生成するように構成された分離装置を備える。分離装置は、管の内部を包囲する壁部を備え、当該壁部はそこに形成された少なくとも１つの開口部を有する。また、分離装置は、少なくとも１つの開口部に隣接して配置された、少なくとも１つの磁石を備え、当該少なくとも１つの磁石は、その間に磁場勾配を形成するＮ極端とＳ極端を有し、磁場勾配が管内部に形成される。システムは、少なくとも１つの開口部に流体連結されるとともに、分離装置を介して液体から除去された酸素の少なくとも一部を貯蔵するように構成された貯蔵タンクをさらに備える。
別の例では、液体空気から酸素を抽出する方法は、液体空気を分離装置に通過させることにより、そこから抽出された酸素の少なくとも一部を有する液体空気を含む液体混合物を生成するように、液体空気から酸素を抽出するステップを含む。分離装置は、管の内部を包囲する壁部を備え、当該壁部はそこに形成された少なくとも１つの開口部を有する。また、分離装置は、少なくとも１つの開口部に隣接して配置された磁石アセンブリを備え、当該磁石アセンブリは、その間に磁場勾配を形成するＮ極とＳ極を有し、当該磁場勾配は管内部に広がる。方法は、少なくとも１つの開口部に流体連結された貯蔵タンクに、抽出された酸素を貯蔵するステップをさらに含む。
本発明の１または複数の例の詳細が、付属の図面および以下の説明に表記される。本発明の他の特徴、目的および有利点が、説明、図面、および請求項から明らかになろう。
以下の図面を参照することで、本発明の多くの態様をより深く理解することができる。これらの図面と関連して、いくつかの実施が説明されているものの、本発明はここに開示される実施に限定されるものではない。むしろ、すべての代替物、修正物、および同等物を網羅することを意図している。
図１は、一実施形態に従った酸素抽出システムを図示している。
図２は、さらなる膨張段階の酸素抽出システムを図示している。
図３は、図１および２に示される分離装置の一部を図示している。
図４は、分離装置の管の実施形態を断面図で図示している。
図５は、分離装置の管の実施形態を透視図で図示している。
図６は、実施形態に従った図３の分離装置の一部を透視図で図示している。
図７は、別実施形態に従った抽出用管を示している。
以下の説明および関連する図面は、本発明の最良の形態を教示している。発明の原則を教示する目的で、当該最良の形態の従来的態様が簡略化または省略されている場合がある。以下の請求項は発明の特許請求の範囲を特定している。最良の形態のうち、いくつかの態様が、請求項によって特定される発明の特許請求の範囲に含まれない場合があることに留意すべきである。したがって、当業者は発明の特許請求の範囲に含まれる最良の形態からの変化を理解するであろう。当業者は、以下に説明される特徴は、本発明の複合的な変化を形成する様々な方法で組み合されうることを理解するであろう。結果として、本発明は以下に説明される特定の例に限定されず、請求項およびそれらの同等物によってのみ限定される。
図１は、ある実施形態に従った酸素抽出システム１００を図示している。システム１００は、気体状大気を吸気口１０２に引き込み、除湿機１０４で空気から湿気を除去する。流入する空気から湿気を除去することで、容易に凍結し、プロセスを阻害し、または効率を下げる可能性のある水蒸気を空気から除去する。システム１００は、除湿機１０４の空気を乾燥させた後、圧縮装置（コンプレッサ）１０６で空気を圧縮する。モータ１０８は、気体状空気を液体状態に圧縮するための圧縮装置１０６を稼働するように構成される。
液体空気は、液体に圧縮された後、液体空気の他の液化した気体から酸素を抽出するように構成された分離装置１１０を通過する。以下に説明されるように、分離装置１１０は、成形された管を通って液体空気から液体酸素を磁気で引き込むように機能する。この実施形態の抽出された液体酸素は、酸素をその液体状態で貯蔵するために、分離装置１１０に流体連結された酸素貯蔵タンク１１２に貯蔵される。分離装置１１０を通って流れる液体空気から酸素の少なくとも一部を抽出するプロセスは、そこから除去された酸素の少なくとも一部を有する液体空気の液体混合物を生成する。この液体混合物は、分離装置１１０から、気体排気口１１６を通って大気に排出されるために、液化気体を気体状態に膨張するように構成された膨張装置（エクスパンダ）１１４に流入する。空気吸気口１０２および気体排気口１１６は、好適には互いに離れて配置され、これにより、より少ない含酸素量の排出空気が、空気注入システム１００に引き込まれて戻るのを防止する。
図示されているように、圧縮装置１０６を介した圧縮段階および分離装置１１０を介した分離段階のおいて発生した熱が、膨張段階において膨張装置１１４に供給される。次に、膨張段階において発生した機械的エネルギーは、圧縮段階に供給されて戻る。このように、圧縮段階と膨張段階との間で共有される熱およびエネルギーは、システム１００に入力が必要な外部動作の量を低減するとともに、吸気気体を圧縮するのに必要な外部冷却の量を低減する。モータ１０８は、段階間での熱および機械的エネルギー伝達におけるエネルギー損失を克服するために、継続的に当該プロセスを維持するように、機械的エネルギーを追加するように設けられている。必要に応じて、システム１００によって生成された熱を相殺するために、冷却サブシステムが組み込まれてもよいと考えられる。
分離段階での分離装置１１０を介した液体空気からの酸素の分離は、液体空気から酸素を完全に除去しない場合がある。分離装置１１０で放出時に生成される液体混合物は、除去された一部の酸素を有してもよい。その結果、システム１００が、液体空気から残りの酸素をさらに抽出するために、１以上の追加回数により、気体の液体混合物を、分離装置１１０を通って戻すように通過させる分離装置１１０に連結されたフィードバックシステム１１８を含んでもよいと考えられる。分離装置１１０によって生成される液体混合物の、後に続く各通過は、そこからのより多くの酸素の除去を目的としており、これにより、酸素除去時のシステム１００の効率性を高める。
図２は、追加的な膨張段階を備えた酸素抽出システム２００を図示している。システム１００と共通するシステム構成要素が以下に説明されている。この実施形態では、分離装置１１０に流体連結された別の膨張装置２０２が含まれ、膨張装置２０２は、分離装置１１０の酸素排出口に連結されており、液体酸素を膨張させて気体状態に戻すという利点を有し、圧縮プロセスからより多くの圧縮エネルギーを回収するとともに、余剰熱を抽出する。酸素貯蔵タンク１１２は、膨張装置２０２に流体連結され、酸素を気体状態で貯蔵する。膨張装置２０２で、圧縮および膨張段階を介して生成されたエネルギーのキャプチャ（取り込み）が活用される。膨張装置１１４、２０２の両方が機械的エネルギーを圧縮装置１０６に伝送して戻し、そこから熱を受容する。
一般的な大気濃度において、以下の気体とパーセンテージが見受けられる。窒素（７８．０９％）、酸素（２０．９５％）、アルゴン（０．９３％）、二酸化炭素（０．０３％）、および水蒸気（可変）である。酸素の磁気特性は常磁性であり、一方で窒素、アルゴン、二酸化炭素および水蒸気の磁気特性は反磁性である。結果として、酸素分子は磁場に効果的に引き付けられ、一方で、これらの他の気体の分子は磁場に効果的に反発する。この実施形態における液体空気からの液体酸素の抽出は、酸素の常磁性特性を利用して行われる。
磁場勾配を液体酸素に適用することにより、酸素は他の反磁性気体から分離する。磁場の強度勾配に応じて、酸素は程度の差はあるが素早く分離される。磁場勾配が大きければ大きいほど、酸素を分離する効率性も高くなる。１テスラ／メートルよりもはるかに大きな磁場勾配が好ましい。今日では、例えば１．４Ｔの極度の磁場（ｅｘｔｒｅｍｅ ｆｉｅｌｄ）に到達しうる利用可様なネオジム磁石を利用した、１テスラ（１Ｔ）の永久磁石が一般的に利用可能である。ただし、液体空気の横に１Ｔの磁石を配置するだけでは、そのままで大きな傾斜を生成することはできない。大きな傾斜の磁場勾配を達成するためには、磁石の特別な構成が使用される。
Ｃ字型磁石を使用もしくは製造することによって、または、磁石のＮ極をそれ自体のもしくは他の磁石のＳ極に極めて近接して配置して、磁場に対して強制的に圧力をかけるのに充分なほどに磁石の先端が小さいことを確実にすることによって、大きな磁場が極めて小さな空間で利用可能となる。この磁場勾配が上記の酸素抽出システムで使用されてもよい。
図３は、システム１００、２００の分離装置１１０の一部を示している。圧縮装置１０６を介して液化された空気が、４つの磁石端部３０２から３０８の間に配置されたＸ字型管３００の内部を介して提供及び供給される。ある実施形態では、磁石端部３０２、３０４はそれぞれ、単体のＣ字型磁石３１０のＮ極およびＳ極であり（図示のとおり）、一方で、磁石端部３０６、３０８は、それぞれ、別個の単体のＣ字型磁石３１２のＮ極およびＳ極である。図示されているように、磁石端部３０２、３０４は、それぞれ、管３００の隣接壁部３１４、３１６に隣接して配置され、磁石端部３０２、３０４は、それぞれ、管３００の隣接壁部３１８、３２０に隣接して配置される。その代りに、磁石端部３０２から３０８が、ここに説明されるように、それらのＮ極およびＳ極が適切に配置された、明確に異なる個別の磁石（例えば、図６の磁石６００、６０２）であってもよい。
図４は、分離装置管３００の実施形態を断面図で示したものである。本実施形態で示され、且つ、上記で説明されているように、管３００は「Ｘ」字型である。このＸ字型は、凹部４００、４０２の各ペアと、凸部４０４、４０６の各ペアとを有する各壁部３１４から３２０の一部によって形成される。Ｘ字型の腕部は、１つの壁部（例えば壁部３１８）の凹部４０２および凸部４０６の各ペアと、隣接する壁部（例えば壁部３１６）の凹部４００および凸部４０４の各ペアとによって形成される。
再度、図３を参照すると、磁石端部３０２から３０８を互いに隣接して配置したときに発生する磁束線３２２が図示されている。磁石は、磁場がＸの腕部の（すなわち、隣接する凸部４０４、４０６の頂部に隣接する）境界で最大となるように、Ｘ字型管３００のギャップ内に配置される。Ｘ字型管３００の内部３２４を通して液体空気を押し込むことにより、酸素が管３００の中心部から離れた最高磁場に必然的に引き付けられ、一方で、非酸素気体が当該境界には引き付けられないであろう。その代わりに、非酸素気体は、酸素の高濃度により、四隅に若干押しやられるであろう。Ｘ字型管３００の中心部は、最小磁場勾配を有するため、管３００の中心部に反磁性気体を維持することに役立つ。分離が必要な磁場の好適な傾斜は１０Ｔ／ｍであり、示されている１Ｔの磁石を用いて、短距離で実現可能である。Ｘ字型は、この１０Ｔ／ｍの勾配を創出することが可能な多くの配列の１つである。ここに提案される、互いに反対の極を有する４つの磁石は、磁極の２Ｎの数へと拡張されうる。また、Ｘ字型は、磁石の間で延伸する２Ｎの腕部を備えた管に置き換えられてもよい。また、すべての磁石が同一の極を中心に有するように磁石を構成することも可能であり、この構成は、２Ｎの磁石で磁極のバランスを取る代わりに、奇数または偶数で使用されうる。ただし、すべての磁石を中心に寄せることで、磁石が互いに離れるように押す一定力を生成するであろう。この力は、磁石を維持する固定具に負担を加える。中心に寄せられた反対の極を有するＣ字型磁石を使用することで、複雑性が低減される。
図５は、分離装置１１０の管３００の実施形態を斜視図で表している。酸素濃度が、Ｘ字型管３００の流路に沿って増加するにつれ、Ｘ字型管３００の壁部５０２の開口部、すなわち側部出口５００が、管から分離チャネルに脱出する純酸素を抽出する。出口５００は酸素の抽出を促進するための抽出管（図６参照）に連結されてもよい。抽出された酸素は液体形態で使用され、図１に示される酸素貯蔵タンク１１２に貯蔵されるか、気体に膨張され、図２に示される酸素貯蔵タンク１１２に貯蔵されることが可能であり、これは、先に説明したように、システムに、液体酸素に含まれる圧力エネルギーを回収させることを可能にする。
図６は、実施形態に従った図３の分離装置１１０の一部の斜視図である。図示されているように、磁石６００−６０８が管３００の長さに沿って配置している。磁石６００−６０８は、磁石３１０の位置と一致している。図面の単純化のために、磁石６００−６０８とペアになった追加磁石、および、磁石３１２の位置に一致する磁石は図示されていない。ただし、かかる磁石が物理的システムには存在するであろうことは理解されるであろう。磁石６００−６０８の間で、管３００の側部出口４００が酸素の抽出を可能にする。側部出口４００と流体連結された複数の抽出管６１０は、システム１００の場合に酸素貯蔵タンク１１２に抽出された酸素を提供することを可能にし、あるいは、システム２００の場合に膨張装置２０２に抽出された酸素を提供することを可能にする。
別の実施形態では、図７は、当該プロセスを通過する液体空気から酸素が除去されるときに、当該プロセスに適合するように構成された抽出管７００の別の形状を示している。示されているように、先に説明したとおり、管７００の第１の端部７０２はＸ字型である。形状は、第２の端部７０４に向かう管７００の長さに沿ってＸ字型から円形に変形する。ある実施形態では、第２の端部７０４の断面領域は、第１の端部７０２の断面領域と比較して小さい。例えば、第２の端部７０４の断面領域は、液体空気が管７００に沿って移動するときの、液体空気からの酸素体積除去を考慮して、第１の端部７０２の断面領域の０．８倍である。さらに、管７００に沿った側部出口７０６は、酸素が管の移動に沿って除去されるにつれて、液体空気から酸素を除去する必要性が減少するため、減じられてもよい。
ここに含まれる説明および図面は、当業者に最良の形態をどのように作成および使用するかを教示するための、特定の実施を描いている。発明的原理を教示する目的で、いくつかの従来態様は簡略化または省略されている。当業者は、本発明の特許請求の範囲に入るこれらの実施からの変更を正しく理解するであろう。また、当業者は、先に説明された特徴は、複数の実施を形成するために組み合されうることを正しく理解するであろう。結果として、本発明は先に説明された特定の実施に限定されず、請求項およびその同等物によってのみ限定される。

Claims (20)

  1. 液体から酸素を抽出するシステムであって、
    液体を通過させて、少なくとも一部の酸素が液体から除去された前記液体を含む液体混合物を生成するように構成された分離装置であって、
    管の内部を包囲する壁部であって、前記壁部はそこに形成された少なくとも１つの開口部を有する壁部、および、
    前記少なくとも１つの開口部に隣接して配置された少なくとも１つの磁石であって、前記少なくとも１つの磁石は、Ｎ極端とＳ極端を有し、磁場勾配が前記Ｎ極端と前記Ｓ極端との間に形成されて前記管内部に広がる、少なくとも１つの磁石を備えた分離装置と、
    前記少なくとも１つの開口部に流体連結され、前記分離装置を介して前記液体から除去された前記少なくとも一部の酸素を貯蔵するように構成された貯蔵タンクと、
    を備えることを特徴とするシステム。
  2. 前記液体は液体空気を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  3. 前記少なくとも１つの磁石は、１０テスラ／メートルの磁場勾配として、磁場勾配を形成するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  4. 前記少なくとも１つの磁石は、１テスラの磁石を含むことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
  5. 前記分離装置に流体連結された圧縮装置であって、
    前記液体を生成するように空気を気体状態から液体状態に圧縮し、前記液体を前記分離装置に供給するように構成された圧縮装置と、
    前記分離装置に流体連結された膨張装置であって、
    前記分離装置によって生成された前記液体混合物を受容し、前記液体混合物を気体状態に膨張するように構成された膨張装置と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  6. 前記分離装置に連結され、除去された追加の酸素量を得るために、前記液体混合物を前記分離装置に供給して戻すように構成されたフィードバックシステムをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  7. 前記貯蔵タンクは、前記液体から除去された前記少なくとも一部の酸素を液体状態で貯蔵するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  8. 前記少なくとも１つの開口部および前記貯蔵タンクに流体連結され、
    前記液体から除去された前記少なくとも一部の酸素を気体状態に膨張し、且つ、
    前記気体状態の酸素を前記貯蔵タンクに供給するように構成された膨張装置をさらに備え、
    前記貯蔵タンクは前記気体状態の酸素を貯蔵するようにさらに構成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  9. 前記壁部は、「Ｘ」字型断面を形成する複数の凸部および複数の凹部を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  10. 前記壁部の第１の部分は、「Ｘ」字型断面を形成する複数の凸部および複数の凹部を備え、前記壁部の第２の部分は円形の断面を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  11. 液体空気から酸素を抽出する方法であって、
    前記液体空気を分離装置に通過させることにより、前記液体空気から抽出された酸素の少なくとも一部を有する前記液体空気を含む液体混合物を生成するように、前記液体空気から前記酸素を抽出するステップであって、
    前記分離装置は、
    管の内部を包囲し、そこに形成された少なくとも１つの開口部を有する壁部、および、
    前記少なくとも１つの開口部に隣接して配置され、Ｎ極およびＳ極を有し、磁場勾配がＮ極およびＳ極の間に形成されて前記管内部に広がる、磁石アセンブリを備える、ステップと、
    前記少なくとも１つの開口部に流体連結された貯蔵タンクに、前記抽出された酸素を貯蔵するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  12. 前記液体空気を生成するように大気を圧縮するステップと、
    前記液体空気を前記分離装置に供給するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. １０テスラ／メートルの磁場勾配として、磁場勾配を形成するように、前記少なくとも１つの開口部に隣接して前記磁石アセンブリのＣ字型磁石を配置するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  14. 前記少なくとも１つの磁石を配置するステップは、前記少なくとも１つの開口部に隣接して１テスラの磁石を配置するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  15. １０テスラ／メートルの磁場勾配として、磁場勾配を形成するように、前記磁石アセンブリの第１の磁石および第２の磁石を、前記少なくとも１つの開口部に隣接して配置するステップをさらに含み、
    前記第１の磁石は前記Ｎ極を備え、
    前記第２の磁石は前記Ｓ極を備えることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  16. 前記抽出された酸素を前記貯蔵タンクに貯蔵する前に、前記抽出された酸素を気体に膨張するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  17. 前記抽出された酸素を前記貯蔵タンクに貯蔵するステップは、前記抽出された酸素を液体状態で貯蔵するステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  18. 追加的酸素をフィードバックシステムから抽出するために、前記液体混合物を、前記フィードバックシステムを介して、前記分離装置を通過させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  19. 前記壁の第１の部分を「Ｘ」字型に形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  20. 前記壁部の形状を、前記壁部の前記第１の部分の前記「Ｘ」字型から、前記壁部の第２の部分の円形に変形するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
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