JP4585313B2 - モジュラーセラミック酸素システム - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本出願は、「モジュラーセラミック酸素システム」と題する米国仮出願第60/319,507号に基づく。
【０００２】
本発明はガス分離装置の分野に関する。特に、装置は、ひとつのガス（たとえば、酸素）を混合ガス（たとえば、空気）から分離する電気化学的プロセスを使用する。
【背景技術】
【０００３】
ガス発生システムの一実施例において、医療用に、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。このような装置は、セラミック酸素発生システム、またはCOGSといわれている。酸素分離プロセスで使用されるセラミック電解物は、イオン輸送機構が効率的に動作するように、約600℃の温度に維持されなければならない。さらに、分離炉の温度が一様に分布することは、適切かつ効率的な動作には必要なことである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
システムからの製品流速が低下したときに重大な問題が生じる。ある動作温度で、分離モジュールにより分散した熱は製品流速の二乗にほぼ比例するが、炉を通して失われる伝導性熱は本質的に一定である。モジュールにより分散した熱が、所望の炉の温度を維持するために必要な程度よりも僅かに低くなるように、効率的に設計されたシステムは熱平衡化される。
【０００５】
製品流速が減少すると、分離したモジュラーによりシステムに入る熱は急速に減少する。炉の壁部を通った熱の損失は変化しないことから、補助的な熱（予備ヒーターにより与えられる）が、炉を所望の動作温度に維持するために必要となる。この予備ヒーターの入力は、温度の維持を除き、機能的な価値はなく、その大部分は炉の壁を通過して伝搬する回収不能な損失や他の損失となる。要するに、ひとつの製品流速のために適切な大きさをもつひとつの炉筐体は流速が低下したときに、過度の加熱、熱損失をもつことになる。
【０００６】
さらに、大きな炉において、モジュールへの入力が減少し、予備ヒーターへの入力が増加すると、炉の温度の一様性に悪影響がでる。このことは、ある程度、分離したモジュールと予備ヒーターとの間での異なる表面特性、幾何学的形状因子によっている。性能の低下、システムの寿命の低下は温度の一様性が欠くことから生じる。
【０００７】
上記従来技術は多くの価値ある利点や技術的改良があるが、本発明により達成される目的を満たすものではない。
【０００８】
本発明にしたがって、加熱要素、熱交換機、酸素発生モジュール、空気入口、および製品ガス出口を含むタイプの酸素発生システム用の炉筐体は、複数の内部チェンバーを有する炉筐体部材から成る。内部チェンバーは少なくともひとつの酸素発生モジュールを保持する。内部チェンバーのそれぞれは炉筐体部材の外面に形成された開口部を有する。該開口部は、炉筐体部材の面の中央軸にそって一様に分離されている。
【０００９】
炉エンクロージャー部材は内側チェンバーに一様に熱分布を与える、埋め込まれた加熱ヒーターを含む。
【００１０】
本発明のこれらおよび他の目的は、本発明の好適実施例を示す添付図面を参照して、以下の説明より明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
上記要約的に記載した本発明の説明は、図面に示される実施例、以下の記述から分かるであろう。図面を通して、上記特徴は明らかになり、より理解されよう。図面は、本発明の典型的な好適実施例のみを示すのではなく、本発明の他の同等の実施例の理解を可能にする。
【００１２】
本発明の上記特徴、利点、目的、上述した手段は、添付図面に示された実施例を参照することにより、より理解されよう。図面において、同じ要素には同じ符号が付されている。
【００１３】
特許文献１（1999年11月16日に発行の米国特許）、特許文献２（1999年2月16日に発行の米国特許）、特許文献３（2001年2月27日に発行の米国特許）（これら特許は本出願人に譲渡されているが、ここに参考文献として組み込まれる）は、どのように電気化学的な酸素発生装置が作られ、酸素を発生させることのみならず、2000psigを超える圧力で酸素ガスを伝えために使用することができるかを記述している。ここで使用する「左」、「右」の用語は相対的な意味合いであり、本発明はいかなる方向にも使用することができる。
【特許文献１】
米国特許第5,985,113号明細書
【特許文献２】
米国特許第5,871,624号明細書
【特許文献３】
米国特許第6,194,335号明細書
【００１４】
図１は、モジュラーセラミック酸素発生器の形態をもつ、電気化学的酸素発生器を使用する完全な酸素発生システム10の略示図である。この略示図は電源と制御器20を示しているが、制御器は電力をオーブンヒーター24に供給し、酸素発生モジュール22の温度を動作範囲に上昇させる。酸素発生モジュール22は特許文献２および特許文献１に開示されているひとつ以上の酸素発生モジュールを含むことができる。
【００１５】
オーブンチェンバー26の温度範囲は、酸素発生モジュール22を構成するために使用される材料に依存するが、約500から800℃である。酸素発生モジュール22は、オーブンチェンバー26内に配置される。オーブンチェンバー26の温度が、好適な低動作温度に達したあと（オーブンチェンバー26に取り付けられた少なくともひとつの熱電対28により検出される）、制御器20は、電力をファンモータ30に提供し始め、酸素含有空気を、向流熱交換機32を通して、オーブンチェンバー26に、そして少なくともひとつの酸素発生モジュール22を含む酸素発生組立体21へと伝える。制御器20はまた、電力を酸素発生モジュール22に与え、酸素が、特許文献２および特許文献１に開示されているように、電気化学的に発生される。発生した酸素の量に依存して、電力量は変化する。電力が酸素発生モジュール22に与えられ、酸素が発生し、酸素発生モジュール22内の電気抵抗がさらに熱を発生させる。この熱を補正するために、制御器20はオーブンチェンバー26の所望の名目動作温度を維持するために、オーブンヒーター24への電力を減少させる。発生した酸素は、一時的な酸素貯蔵容器として機能する製品プレナム34へと与えられる。酸素は、製品プレナム34から低圧調整器36、最終フィルター38、チェック弁40、流量計42、最後に例えば患者が即座に使用できるようにするための、ユーザー調節可能な弁44に与えられる。
【００１６】
酸素はまた、取り外し可能なポータブル酸素貯蔵シリンダー52との連結を可能にする高圧連結器50に与えられる。ポータブルシリンダー52は自動的に充填され、後での使用が可能となる。制御器20は適切な電力を酸素発生モジュール22に供給し、高圧スイッチ54が約1800psigを超える圧力を検出するまで、高圧の酸素を発生する。1800psigを超えると、制御器20は、高圧スイッチ54の圧力が1800psig以下に低下するまで、酸素発生モジュール22への電力を減少させる。制御器20はまた、低圧スイッチ58を電気的にモニターする。このスイッチ54は、製品プレナム34および高圧連結器50に伝えられる圧力を、約1800psigの名目圧力へと調節することができる。高圧安全弁56が、制御器20の機能不全の場合に、名目圧力を2000psig未満に制限し、過度の温度に関連した圧力の増加を逃がすために、約2000psig以上の過度の圧力を発散させる。最大の標準的な圧力が1800psigであることは理解されよう。制御器20はまた、高圧スイッチ54を電気的にモニターする。動作圧力が所定の時間経過後、最小の動作圧力以下であるとき、制御器20は警報灯および可聴なアラーム（図示せず）を稼働させる。
【００１７】
図２は、オーブンチェンバー26、オーブン断熱材200、酸素発生モジュール22、オーブンヒーター24、平坦な向流熱交換機32、空気流ダンパー202、およびファン30を描く、セラミック酸素発生システムの断面を示す。向流熱交換機は非常に効率的で、シンプルな低コスト装置である。図２に示されているように、四つの酸素発生モジュール22'、22''、22'''、22''''が酸素発生組立体21を形成する。いかなる数の酸素発生モジュールも使用することができる。酸素発生モジュール22'、22''、22'''、22''''は管23'、23''、23'''により互いに連接されている。出口管25が壁部210を貫通し、高圧の酸素を製品プレナム34および高圧連結器50に与える。
【００１８】
冷たく新鮮な空気が、その空気が内側オーブンに入るまで加熱され、暖かい空気はそれがオーブンチェンバー26を出て行く前に冷却され、このことにより、エネルギーが伝えられる。図２に示されたような平坦な向流の構成では、ファン30は、オーブン断熱材200により構成される内壁部220、222の外側表面と、熱交換機の壁部の内側表面250、252との間のチャネル280，282に、冷たい酸素を含む空気を導入する。この冷たい空気は、熱交換機の壁部にそって内側へと通過するときに加熱される。というのは、暖かい酸素減損空気が、熱交換機の壁部の他端の内部オーブンチェンバー26から外側に出て行くからである。入ってくる空気はまた、オーブン断熱材200の壁部220、222の外側表面により、続いて、内部オーブンチェンバーへと中間で180度反転して、オーブン断熱材の壁部220、222の内側表面により部分的に加熱される。チャンネル280，282のそれぞれは、ファン30から左から右に、そして右から左へと続く。
【００１９】
電気抵抗は、駆動力として、化学ポテンシャルエネルギーではなく電気ポテンシャルエネルギーを利用する電気化学的酸素発生システムにとって本来的なものである。電気化学的酸素発生モジュール22は熱とともに酸素を発生する。多量なオーブン断熱材200、非常に効果的な熱交換機が温度の急激な変化をもたらす。温度制御のひとつの方法は、最初の始動時間後、正常な動作温度を維持するために、若干のヒーター稼働がつねに使用されることを確実にすることである。他の方法は、ファン30の速度を調節して、過剰な熱を運びだすために空気をオーブンチェンバー26内で循環させることである。制御器20は、オーブン温度が正常であることを確実にするために、配置されたひとつ以上の熱電対28（図２には示されていない）を使用して内側オーブンチェンバー26の温度をモニターする。制御器20はこの情報を使用して、オーブンヒーター24またはファン30の速度を調節し、内側オーブンチェンバー26の温度を制御する。
【００２０】
図２に示されているように、六つの空気流ダンパー202が、図２の実施例において使用されている。三つの空気流ダンパーのそれぞれは壁部260、262に取り付けられ、空気流ダンパー202は酸素発生モジュール22と向かいのものと間に配置されている。図示の空気流ダンパー202は、内側オーブンチェンバーへの全熱交換機流路を形成する前に、酸素を含む空気がモジュールチェンバーまたは内側オーブンチェンバー26に入ることを可能にする。酸素を含む全空気が強制的に全熱交換機流路を通過すると、より高い温度勾配がオーブン内の一連の酸素発生モジュールにわたって生じる。空気は各酸素発生モジュール22を通過することで徐々に加熱される。空気が後方の酸素発生モジュール22'''、22''''の近くに入ることができると、酸素発生モジュール22'−22''''にわたってより一様な温度が与えられ、酸素発生モジュール22'''、22''''が加熱することが防止される。これら空気流ダンパー202は調節可能で、システム10の組み立ての間、システム10の製造、組み立て工程完了後、最初の開始試験工程の間、手動で調節され得る。これら空気流ダンパー202は、内側オーブン断熱材および支持構造を通過し、内側オーブンチェンバー26の外側に伸長する適切な円筒状ロッド（図示せず）に取り付けられる。ダンパーロッドの外側端部は回転可能で、組み立て工程の間、好適な方向に取り付けられる。これに代え、空気流ダンパーは、熱電対28により測定される内側オーブチェンバー26の温度に基づき、制御器20により自動的に調節される。いくつかのタイプの電気化学的ダンパーアクチュエータが使用可能である。
【００２１】
モジュラーオーブンチェンバー
本発明の基本的な概念は、ひとつの大きなものに代えて、いくつかの小さい部分の炉を採用することにより、全システムの効率を改良する。これらは小さなモジュール炉は非常の狭い範囲の製品流速で動作するように、熱的に（熱損失および熱の一様性に関して）最適化される。需要が減少すると、個々の酸素発生モジュール22はパワーを保存するために、低温スタンバイモードに切り換えられる。モジュール炉筐体110の一実施例が図３に示されている。この炉筐体110は互いに独立して動作可能な三つの、加熱されるチェンバー112a、112b、112cを有する。
【００２２】
図２と同様に、少なくともひとつの酸素発生モジュール22を含む酸素発生組立体21が各チェンバー112内に嵌め込まれている。さらに、オーブンチェンバー112のそれぞれは、少なくともひとつのヒーター114、およびヒーター114に電気的に接続された制御器を含む。好適には、ヒーター114は、各チェンバー112が対応するヒーター114により効果的で、一様に加熱されるように、チェンバーの壁部118の内側に埋め込まれている。
【００２３】
加熱要素、熱交換機、酸素発生モジュール22、空気入口、および製品ガス出口を含むタイプのガス発生システムのような炉筐体110は複数の内部チェンバー112で形成される炉筐体部材120から成る。内部チェンバー112は少なくともひとつのガス発生モジュール22を保持するようになっており、中間侵入壁部130により分離されている。内部チェンバー112はそれぞれ、炉筐体110の外側表面124に形成された開口部122を有する。開口部122は好適に、炉筐体110の外側表面124の中央軸線126にそって一様に分離されている。
【００２４】
酸素発生モジュール22のようなガス発生要素は、個々の開口部122と通して、選択されたチェンバー112内に取り付けられることで、炉筐体110内に配置される。
【００２５】
本モジュール構成のパワーを節約するひとつの特徴は、内部チェンバー112の間の断熱を十分なものとすることである。チェンバー112の間の良好な断熱の必要性は、実験室での試験で証明されている。
【００２６】
図４は図３に示された炉の構成の二次元熱分析の結果を示す。図４に示された分析から分かるように、中央のチェンバー112bが動作している。中央のチェンバー112bと外側のチェンバー112a、112cとの間の比較的薄い中央壁部130は典型的に、十分な断熱を与えない。その結果として、熱の相当部分が非動作チェンバーへの損失となる。この問題は、チェンバー112の間、または炉筐体110の間に、さらに断熱材を加えることにより単に、改善される。
【００２７】
炉筐体110の壁部118は、ガス発生器の動作温度の安定性を維持するために選択された適切な断熱材から作られる。
【００２８】
図５に示されているように、中間壁部の断熱材のタイプは、チェンバーのものであってもよく、通路132が中間壁部内に形成され、流体またはガスの流れが形成されて、ガス状エンベロープが形成され、熱伝導性が減少し、さらに内側チェンバー112と隣のチェンバー112との間が断熱される。これに代えて、中間壁部130に形成された一連の穴（図４）に、選択された熱伝導性または熱非伝導性流体またはガスが流れ、内側壁部130と取り囲む環境の温度を加熱し、冷却し、また調整する。
【００２９】
他の断熱として、所望の熱伝導性特性をもつ、異なる断熱材から中間壁部130が形成される。図４の線134のように、壁部136は、チェンバーの残部とは異なる断熱材から形成される。
【００３０】
図６に示されているように、炉筐体110は、少なくとも三つの筐体部分140から形成されてもよい。各筐体部分140は少なくとも１つの内部チェンバー112を有するが、内部チェンバーはなくともよく、また二つ以上の内部チェンバーがあってもよい。筐体部分140は好適に、隣接する筐体部分140の外側面または表面142と整合するように形成された外側面142を有する。
【００３１】
このような断熱技術や他の断熱技術により、一方のチェンバー122が他方のものから分離され、分離壁部130からなる熱バリヤーが形成される。
【００３２】
要約するに、COGS“モジュール”はオーブンインサートまたは筐体（断熱材、加熱要素、熱交換機、空気入口、製品ガス出口を含む）内にあるいくつかのセラミック酸素発生要素または一体的マニフォルドおよび管モジュール（IMAT）からなる。各モジュールはあるレベルの電力消費で、特定の量の酸素を生成する。酸素発生システムは、ピーク酸素フロー条件、システムサイズ条件、電力消費条件に依存する複数のモジュールからなる。
【００３３】
酸素発生要素にそって炉筐体をモジュール化する本発明は以下の利点を有する。
a．温度の一様性および制御：セラミック酸素発生要素を含む筐体がより大きくなり、複数のモジュラーを含み、筐体内の温度勾配は大きくなり、制御が難しくなる。いくつかの小さな筐体を含むようにすると、より正確な制御およびより一様な温度が可能となる。
b．耐故障性：オーブン要素の機能不全の場合、機能不全を含むモジュールが停止しても、他のモジュールは作動している。他のモジュールは、ひとつのモジュールの停止を補償するために、標準モードで動作することもより高い出力モードで動作することもできる。
c．低流動での改良された効率：断熱された筐体の壁部を通過する熱の伝導は電力消費の主要な点である。ピークフローの一部が必要である場合、ひとつの筐体装置に対して全システムの熱損失を減少させるために、ひとつ以上のオーブンモジュールを停止させることができる。
【００３４】
本発明のモジュールを使用してシステムの効率が高くなり、熱安定性が改善され、そのことはコストを引き下げる。このような炉の設計の潜在的な欠点は次の通りである。
1. 制御の複雑さが増す。
2. システムの大きさ、重量が増す。
3. モジュラー炉が準備中、または停止しているとき、システムの応答時間が長くなる。
【００３５】
上記の本発明の説明は例示であり、本発明の範囲から逸脱することなく、大きさ、形状、材料の変更が構成とともになし得ることは分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１はモジュールセラミック酸素発生器の形態をもつ電気化学的酸素発生器を利用する全酸素発生システム10を示す。
【図２】図２はオーブン、断熱材、モジュール、ヒーター、平坦な向流熱交換機、空気流ダンパーおよびファンをもつセラミック酸素発生システムの断面を略示する。
【図３】図３は本発明のオーブンチェンバーモジュールの斜視図である。
【図４】図４は等しい温度勾配線が示された図３のオーブンチェンバーモジュールの平面図である。
【図５】図５は中間壁部に形成された断熱材のためのチェンバーをもつ本発明の他の実施例の平面図である。
【図６】図６は少なくとも三つの筐体部分をもつモジュールの他の斜視図である。

Claims (9)

1. 加熱要素、熱交換機、酸素発生モジュール、空気入口、および製品ガス出口を含むタイプの酸素発生システム用の炉筐体であって、
   少なくともひとつの酸素発生モジュールをそれぞれが保持する、複数の内部チェンバーを有する炉筐体部材から成り、
   炉筐体部材の内部チェンバー内に保持された酸素発生モジュールは加熱要素により加熱され、
   内部チェンバー内に保持された酸素発生モジュールに空気が流入され、製品ガスが流出する、
   ことを特徴とする炉筐体。
2. 内部チェンバーのそれぞれが炉筐体部材の外面に形成された開口部を有し、該開口部は、炉筐体部材の面の中央軸にそって一様に分離されている、請求項１に記載の炉筐体。
3. 炉筐体部材が内側チェンバーに一様に熱分布を与える、埋め込まれた加熱ヒーターを含む、請求項１に記載の炉筐体。
4. 中間壁部が隣接する内部チェンバーの間に形成される、請求項１に記載の炉筐体。
5. 中間壁部が、炉筐体部材の残部を構成する材料と異なる、所望の熱伝導性特性を有する材料からなる、請求項４に記載の炉筐体。
6. 中間壁部が流体用のチェンバーを含む、請求項４に記載の炉筐体。
7. 流体が内部チェンバーを流れる、請求項６に記載の炉筐体。
8. 炉筐体部材がさらに少なくとも二つの分離した筐体部分からなり、各分離した筐体部分は少なくともひとつのチェンバーを含む、請求項１に記載の炉筐体。
9. 分離した筐体部分が、隣接した筐体部分の外側表面と整合する外側表面を有する、請求項８に記載の炉筐体。

Images