JP5848780B2 - 酸素を生成する方法及び構成 - Google Patents

Description

本発明は、酸素生成の分野に関する。本発明はより詳細には、高密度無機メンブレンと組み合わされる圧力揺動吸着を用いる酸素分離の分野に関する。

酸素療法は、治療モダリティとしての酸素の供与である。それは、慢性及び急性患者のケアにおいて、種々の目的のため広く使われている。なぜなら、それが、細胞代謝にとって重要であり、組織酸化が、すべての生理的機能にとって重要だからである。特に患者が低酸素及び／又は血液酸素不足で苦しんでいるとき、酸素療法は、肺への酸素の供給を増加させ、これにより体組織に対する酸素の利用可能性を増加させることで、患者の利益になるよう用いられることができる。酸素療法は、病院又はホームケアの両方における用途で用いられることができる。酸素療法のメインのホームケア用途は、重篤な慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）を持つ患者に対するものである。

酸素は、複数の態様で与えられることができる。酸素供与の好ましい態様は、それぞれ、酸素のいわゆるオンデマンド生成又はインシチュ生成により与えられる。これに関して、市販ソリューション、いわゆる酸素コンセントレータ又はセパレータがそれぞれ、広く知られる。これらの酸素コンセントレータは、酸素含有ガスから酸素をほとんど分離する。その結果、酸素が、使用される直前にオンデマンドで提供される。ほとんどの既知の酸素コンセントレータは、酸素含有ガスを圧縮するコンプレッサを必要とする。更に、酸素、好ましくは純酸素が生成されなければならない。従って、ほとんどの既知の酸素コンセントレータは、酸素含有ガスから酸素を分離するため、メンブレン、特に有機メンブレン、分子篩又は同様なものを有する。代替的に、圧力揺動吸着又は真空揺動吸着を用いることが知られる。

既知の酸素コンセントレータの主要な欠点の１つは、生成及び上記デバイスの動作に関するコストにより与えられる。追加的に、例えば圧力揺動吸着といった揺動処理を用いることにより、生成された酸素は通常８８％以上９５％以下、特に９０％以上９３％以下の濃度を持つ。しかしながら、これらの濃度は、複数の用途にとってはあまりに低すぎる場合がある。

ユーザに対して酸素を生成及び供給するセラミック酸素発生システムが、ＥＰ２１９６２３５Ａ１号から知られる。このシステムは、所望の製品ガスの制御された量及び圧力を生成する電気化学的酸素生成手段と、電気化学的酸素発生システムの動作を制御する電子制御ユニットとを有する。ガス生成システムからの製品ガスは、製品ガスのユーザに対する製品フローを制御するレギュレータ手段に伝達される。酸素を生成するため、このシステムは、例えば圧力揺動吸着といった他の酸素生成技術により供給される不純酸素を浄化するセラミック酸素生成要素を用いる低圧サブシステムを有することができる。

酸素含有ガスから酸素を生成するために斯かるシステムを用いることで、高純度の酸素が提供されることができる。しかしながら、２つの酸素分離デバイスを用いることにより、システムを用いることによる維持費がむしろ高くなる。

本発明の目的は、前述した限界の少なくとも１つを克服する、酸素生成方法及び構成を提供することである。

本発明の追加的な目的は、高純度の酸素を低い維持費で提供することができる酸素生成方法及び構成を提供することである。

これらの目的は、酸素を生成する方法により実現される。この方法は、酸素分離吸着剤を具備する少なくとも１つの吸着チャンバを通り酸素含有ガスのストリームを間欠的に誘導するステップであって、これにより、上記少なくとも１つの吸着チャンバの吸着モード及び脱着モードが規定され、上記酸素含有ガスが酸素に対して濃縮される、ステップと、高密度メンブレンのプライマリ側に上記濃縮された酸素含有ガスを誘導するステップと、酸素に関して透過可能である温度に上記高密度メンブレンを加熱するステップと、上記高密度メンブレンを通りセカンダリ側への酸素フローを生成するステップであって、これにより上記濃縮された酸素含有ガスから上記酸素が分離され、酸素のストリームが形成される、ステップと、脱着モードにある上記少なくとも１つの吸着チャンバを通り上記生成された酸素の少なくとも一部を誘導するステップとを有する。

本発明によれば、酸素は、２つのメインステップを基本的に有する方法を用いて生成される。第１のステップは、酸素含有ガスを酸素に対して濃縮することを有する。これは、濃縮された酸素含有ガスのストリームを生じさせる。このステップは、酸素分離吸着剤により、酸素含有ガスの残りの要素又は残りの要素の少なくとも一部を吸着することにより実行される。本発明による酸素分離吸着剤は、従って、酸素を通過させるが、酸素含有ガスの他の要素又は少なくとも１つの他の要素と相互作用する吸着剤である。例えば、酸素含有ガスが空気である場合、吸着剤は好ましくは窒素を吸着する。酸素分離吸着剤は、吸着チャンバに構成される。この第１のステップは、酸素に対して濃縮され、及び従って事前に浄化されたガスのフローを提供する。

第２のステップにおいて、濃縮された酸素含有ガスは、高密度メンブレンを持つメンブレンユニットに、詳細には、メンブレンのプライマリ側に誘導される。これは、高密度メンブレンを通る濃縮された酸素含有ガスのストリーム又は後者の酸素のストリームを生成することを可能にする。これにより、濃縮された酸素含有ガスの残りの要素から酸素が分離される。特に高密度セラミックメンブレンを用いることにより、濃縮された酸素含有ガスは、更に浄化され、及び従って、高密度メンブレンのセカンダリ側で、純粋な又は基本的に純粋な酸素のフローが透過物として生成される。従って、酸素に対して減少されたガスは、高密度メンブレンのプライマリ側で保留物フローとして生成される。高密度メンブレンのプライマリ側は、吸着チャンバの方へ向けられる側である。即ち濃縮された酸素含有ガスがメンブレンに誘導される側に向けられる側である。結果的に、高密度メンブレンのセカンダリ側は、プライマリ側に対向する側である。即ち、セカンダリ側で、純粋な酸素が提供される。

更に、酸素含有ガスが吸着チャンバを通り間欠的に誘導されるという事実により、少なくとも１つの吸着チャンバの吸着モード及び脱着モードが規定される。詳細には、酸素含有ガスが吸着チャンバを通り誘導される場合、後者は吸着モードにあり、従って、酸素含有ガスの残りの成分の少なくとも一部が吸着される。特定のインターバルの吸着の後、吸着剤は、再生されなければならない。即ち、このインターバルにおいて、吸着チャンバは吸着モードにある。これは、例えば吸着剤を酸素で洗浄することにより、吸着された要素が再び脱着されなければならないことを意味する。この時間期間の間、吸着チャンバは脱着モードにある。これは、吸着された種、例えば窒素が、少なくとも部分的に解放され、適切な手段によりチャンバから除かれることを意味する。

本発明によれば、メンブレンユニットの透過物ストリーム、即ち生成された純酸素の少なくとも一部を用いて、吸着剤は、その脱着モードにおいて再生される。従って、後者が脱着モードにあるとき、生成された酸素の少なくとも一部は、少なくとも１つの吸着チャンバを通り誘導される。

本発明によるこれらの手段は、複数の利益をもたらす。例えば、高密度メンブレンの使用と酸素含有ガスの酸素に対する濃縮とを組み合わせることにより、酸素は、非常に高い純度で生成されることができる。しかしながら、高密度メンブレンに達する前に高い酸素濃度をもたらす酸素分離吸着剤により酸素が浄化されるという事実により、高密度メンブレンの分離性能は、単一のメンブレンシステムと比較して高められることができる。詳細には、酸素に関して透過可能にするため高密度メンブレンを加熱するのに必要とされる加熱パワーは、かなり減らされることができる。これは、扱いにくく重いバッテリーがセーブされることができるという事実により、治療用途に対するホームケアデバイスに関して特に好まれる。追加的に、本発明による方法を実行するコストは、削減され、これは、本発明による方法の経済性を増加させることができる。

例えば、医療用途に関する今日の酸素コンセントレータにおいて用いられる標準的な吸着システムを用いることにより、５ｌ／分の酸素流量をまかなうため、およそ３００Ｗの入力電力が用いられることができる。電力消費の主な理由は、適切なガスストリームを生成するコンプレッサの電力消費である。本発明による組み合わされた吸着及び分離方法においては、吸着チャンバに対しておよそ１３０Ｗの入力電力で充分である。高密度メンブレンを加熱する電力入力と共に、およそ２４０Ｗの全体の電力入力で充分である。

追加的に、生成された酸素の少なくとも一部が脱着モードにある少なくとも１つの吸着チャンバを通り誘導されるという事実により、酸素がその所望の用途に対して完全に誘導されるわけではない。しかし、酸素ストリームの少なくとも一部が、吸着剤を再生するために分岐されることができる。これは、脱着ステップを最適化することを可能にする。より詳細には、脱着ステップは、パージングガスの純度に強く依存する。本発明によれば、この要件は、両方の浄化ステップを組み合わせる相乗効果により解決される。高密度メンブレンのセカンダリ側において、非常に高い純度、即ち最高１００％の酸素のストリームが生成される。従って、そのように生成されたガスは、酸素分離吸着剤に吸着される要素を脱着するために吸着チャンバをパージするべく、パージングガスとして用いられるのに非常に適している。こうして、本発明によれば、非常に有効な脱着が実現されることができる。これにより、非常に短い脱着時間が可能にされる。これは更に、本発明による方法の効率を改善する。追加的に、生成されたガスがパージング目的で用いられるという事実により、追加的なガス供給源が提供される必要はない。結果的に、本発明による方法は、非常にコンパクトなデバイスにおいて実行されることができる。これは、高い次元の自由度を可能にするホームケア用途又は限られた空間だけが利用可能な更なる用途に特に適している。

その上、パージングガスが熱い高密度メンブレンで生成されるという事実により、パージングガスは、吸着チャンバにストリーミングするとき、高い温度を示す。これは、熱いパージングガスを用いることにより脱着が熱力学的に改善されるという事実により、脱着ステップを更に改善する。この効果は更に、脱着に関して必要とされる時間を減らし、脱着の効率を更に改善する。

本発明の好ましい実施態様によれば、酸素のストリームは、９５％以上の範囲の濃度の酸素を有する。結果的に、非常に高い純度、即ち最高１００％の酸素のストリームを提供することを可能にするメンブレンユニット、又はメンブレンがそれぞれ用いられる。これは更に、吸着チャンバをパージする効果を高める。ここで、酸素ストリームはメンブレンチャンバから生じる。

本発明の更に好ましい実施態様によれば、酸素含有ガスのストリームが、並列に接続される少なくとも２つの吸着チャンバを通り交互に誘導される。この場合も、生成された酸素は、脱着モードにあるとき、個別の吸着チャンバを通り少なくとも部分的に誘導される。これは、脱着チャンバの出口で酸素に関して濃縮されるガスの連続的な又は少なくとも部分的に（particularly）連続的なフローを生成することを可能にする。詳細には、第１の脱着チャンバは、吸着モードにあることができる。即ち、酸素含有ガスは、この吸着チャンバを通り誘導される。これにより、酸素含有ガスが酸素に対して濃縮される。一方、第２の吸着チャンバは、脱着モードにある。即ち、後者の吸着剤は再生される。従って、吸着モードにある少なくとも１つの吸着チャンバが常に存在する。少なくとも１つの追加的な吸着チャンバは、脱着モードにある。これは、濃縮された酸素含有ガスの連続的なストリームを生じさせる。この実施形態が、２つ又は２つ以上の吸着チャンバを用いて実行されることができることは、当業者には明白である。使用される吸着剤及び所望の用途に基づき、どれくらい多くの吸着チャンバが、それぞれ吸着モード又は脱着モードにあるかが調整されることができる。本発明の更に好ましい実施態様によれば、酸素含有ガスのストリームの方向に対して逆転される方向において脱着モードにある少なくとも１つの吸着チャンバを通り、酸素が誘導される。これは、その出口側から個別の吸着チャンバをパージすることを可能にする。これによれば、脱着処理は、吸着チャンバの下流端で始まる。従って、熱いパージングガスは、第１に、吸着チャンバの下流端と接触して生じ、吸着チャンバを通る間冷却される。結果的に、ガスは、酸素含有ガスのフロー方向に対して、吸着チャンバの上流端でより冷たくなる。これは、脱着処理の終わりに、その下流端からその上流端への吸着剤の温度勾配を生じさせる。以下吸着ステップは従って、わずかに高い温度を持つ吸着剤を用いて始まる。従って、吸着剤の吸着能力がひどく減少されるということはない。追加的に、吸着処理の間、吸着フロントは、吸着チャンバを通り伝搬する。この間、吸着剤は、酸素含有ガスを用いて冷却される。従って、吸着フロントが特定の領域に達するとき、後者はもはや高い温度を呈しない。結果的に、脱着ステップは、熱いパージングガスを用いて改良されることができる。一方、吸着ステップは、それほど悪化しない。

本発明の更に好ましい実施態様によれば、酸素含有ガスは、過剰圧力を用いて少なくとも１つの吸着チャンバに誘導される。この方法は、従っていわゆる圧力揺動吸着（ＰＳＡ）処理である。圧力揺動吸着処理は、酸素に対して酸素含有ガスを適合可能な濃度に濃縮することができる。追加的に、圧力揺動吸着は、酸素含有ガスがメンブレンユニットに達する前にこれを事前浄化するのに適した合理的な純度を持つ酸素を小さなスケールで生成するための経済的な方法である。

この点に関して、０．２ｂａｒ以上２ｂａｒ以下の過剰圧力が用いられることが特に好ましい。上記の特定された範囲において過剰圧力を用いることにより、圧力は、それぞれ、吸着チャンバを通り酸素含有ガスを誘導するのに十分であり、及び更に、高密度メンブレンを通り浸透することができる酸素濃縮されたガスのストリーム又は酸素のストリームを作成するのに十分である。従って、純酸素の十分なストリームを生じさせる酸素含有ガスのストリームを可能にするには、唯一の加圧デバイスで十分である。

本発明の更に好ましい実施態様において、酸素含有ガスは、８８％以下の範囲の酸素濃度へと、吸着チャンバにおける酸素に対して濃縮される。結果的に、第１のステップの浄化は、揺動吸着ステップに関して典型的な斯かる高い程度にあることを必要としない。しかし、浄化性能又は濃縮性能はそれぞれ、ダウンスケールされることができる。これは、例えばより低いコンプレッサ電力といった吸着ステップの電力消費を更に減らすことを可能にする。それとは別に、脱着ステップに対する吸着ステップの比は改善されることができる。その結果、脱着が実行されなければならない前のより長い時間スケールの間、吸着が実行されることができる。追加的に、吸着チャンバは、より小さな吸着性の表面又はより小さな吸着ベッドを用いることにより、その寸法に関して小型化されることができる。更に、特にこの実施形態によれば、２つの吸着チャンバで十分である。結果的に、本発明による方法を実行するデバイスは、非常にコンパクトでありえる。より低い電力消費及びより小さな寸法に関して上記規定された利点は、例えば治療用途の分野において、特にホームケアデバイスで好まれる。濃縮された酸素含有ガスが第２のステップを用いて、即ち高密度メンブレンにより更に浄化されるという事実により、浄化量の減少は、問題にならない。

本発明は更に、酸素を生成する構成に関し、この構成は、酸素分離吸着剤を具備し、酸素含有ガスを上記吸着チャンバに挿入する入口と、上記吸着チャンバから出る濃縮された酸素含有ガスを誘導する出口とを持つ少なくとも１つの吸着チャンバと、高密度メンブレンを含むメンブレンユニットであって、上記メンブレンのプライマリ側で、濃縮された酸素含有ガスを上記メンブレンユニットに挿入する入口と、上記メンブレンのセカンダリ側で、上記メンブレンユニットから出る酸素を誘導する出口とを持つ、メンブレンユニットとを有し、上記少なくとも１つの吸着チャンバの出口が、上記メンブレンユニットの入口と流体連通状態にあり、上記少なくとも１つの吸着チャンバの出口と上記メンブレンユニットの出口とを接続する導管が提供される。

本発明による構成は、本発明による方法を実行するよう構成される。結果的に、基本的に、本発明による方法に関して記載される利点が実現される。詳細には、本発明による構成は、非常に高い純度において酸素を生成することを可能にする。これにより、省エネルギー及びコスト削減が図れる。結果的に、本発明による構成は、第１のステップにおいて酸素に対して酸素含有ガスを濃縮し、第２のステップにおいて濃縮された酸素含有ガスから酸素を分離することを可能にする。これにより、本発明による方法に関して上述されたように、メンブレンユニットの透過物ストリームを用いて、吸着チャンバが洗浄される。

本発明によれば、少なくとも１つの吸着チャンバが提供される。吸着チャンバは、酸素分離吸着剤を具備する。本発明によれば、酸素分離吸着剤は、酸素含有ガスから少なくとも部分的に酸素を分離することができる吸着剤を意味する。結果的に、酸素分離吸着剤は、酸素含有ガスに存在する物質を吸着することができ、残りの要素の少なくとも一部から酸素を分離するため、酸素を通過させる。例えば、空気が酸素含有ガスとして用いられる場合、酸素分離吸着剤が窒素を吸着することが好ましい。

更に、本発明による構成は、濃縮された酸素含有ガスから酸素を分離するため、高密度メンブレンを有する。高密度メンブレンは、詳細には、酸素に対して選択的に透過可能であるが、他のガスに関して、特に窒素に関して厳格に又は少なくとも実質的に非透過なメンブレンである。

少なくとも１つの吸着チャンバの出口とメンブレンユニットの出口とを接続する導管が提供されるという事実により、吸着チャンバは、純粋な及び加熱された酸素でパージされることができる。導管は、互いに接続される複数の単一の導管を有することができる。これにより、導管は、メンブレンユニットの外側で延在する。即ち、酸素含有ガスがメンブレンを通り誘導されるとき、酸素又はその少なくとも一部を吸着チャンバ通り誘導するために、ガスがメンブレンを通り誘導されることがない。導管は、ガスストリームを搬送することができる任意のデバイス又は接続とすることができる。例えば、導管は、ダクト、管、パイプ又は同様なものとすることができる。

本発明の好ましい実施態様において、この構成は、並列に接続される少なくとも２つの吸着チャンバを有する。もちろん、所望の用途、及び例えば必要とされる酸素ストリームの量といった所望の酸素ストリームに基づき、２つ以上の吸着チャンバが存在することができる。少なくとも吸着チャンバに対して提供することにより、酸素に対して濃縮された酸素含有ガスの連続的なストリームが、吸着チャンバの出口で生成されることができる。少なくとも２つの吸着チャンバを並列に接続することにより、少なくとも１つの吸着チャンバが、吸着モードにおいて用いられることができる。一方、少なくとも１つの吸着チャンバは、脱着モードにおいて用いられることができる。結果的に、この実施形態による構成において、圧力揺動吸着が実行されることができる。すべての吸着チャンバが脱着目的のためパージされなければならないという事実によって、１つ以上の吸着チャンバを提供することにより、メンブレンユニットの出口が、すべての吸着チャンバの出口と流体連通状態にあることは、当業者には明らかである。

本発明の更に好ましい実施態様において、酸素分離吸着剤は、ゼオライト材料を有する。これらの物質は、例えば窒素に対する良好な吸着特性を示す。これは、酸素に対する酸素含有ガスの濃縮の適切な結果を得ることを可能にする。追加的に、これらの物質は、酸素と相互作用しない。従って、酸素含有ガスのストリームにおいて有害物質を解放しない。結果的に、本発明による構成は、治療用途において用いられることができる。

本発明の更に好ましい実施態様において、メンブレンは、ペロブスカイト又は蛍石結晶構造を持つ物質に基づかれる。メンブレンは、ペロブスカイトに基づかれ、ペロブスカイトは、非ドープ又はドナー若しくはアクセプタでドープされるSr_1-yBa_yCo_1-xFe_xO_3-z、非ドープ又はニオブ、マグネシウム、チタン若しくはガリウムでドープされるLa_1-ySr_yFe_1-xCr_xO_3-z、非ドープ又はニオブ、マグネシウム、チタン若しくはガリウムといったドナー若しくはアクセプタでドープされるSr_1-y-xBa_yLa_xCo_1-b-cFe_bCr_cO_3-z、非ドープ又は例えばマンガン、鉄、クロミウム若しくは他の任意のドーピング複合物といったドナー若しくはアクセプタでドープされるBa_1-xSr_xTiO_3-z、及び、非ドープ又は例えば鉄、ニオブ、ランタン、クロミウム若しくは他の任意のドーピング複合物といったドナー若しくはアクセプタでドープされるPbZr_1-xTi_xO_3-zを有するグループから選択されることができることが特に好ましい。これらの種類のセラミック複合物は、ガスの良好な流量を示し、更に酸素に対する優れた選択性を持つ。詳細には、この要素を有するメンブレンのプライマリ側が、空気の過剰圧力に従属されることができる場合、例えば、それは酸素だけを通過させる。これにより、最高１００％の純度において酸素を生成することが可能である。

本発明の更に好ましい実施態様において、少なくとも１つの吸着チャンバの出口とメンブレンユニットの入口との間にガスリザーバが提供される。この実施形態は、メンブレンユニットに誘導する前に濃縮された酸素含有ガスを格納することを可能にする。結果的に、酸素含有ガスが吸着チャンバを通り誘導される圧力と比較してより高い圧力で、酸素濃縮されたガスをメンブレンユニットに誘導することが可能である。従って、吸着チャンバとメンブレンユニットとの間に追加的な加圧デバイスが提供されることができる。この実施形態は更に、メンブレンユニットの出口にて任意の場合に純酸素の連続的なフローを提供することを可能にする。例えば、唯一の吸着チャンバが用いられる場合、この吸着チャンバの脱着ステップがブリッジされることができる。追加的に、２つの吸着チャンバの間のガスフローを変化させるステップが、空気ストリームにおけるギャップを伴う場合でさえ、２つ又はこれ以上の吸着チャンバが用いられるならば、連続的なストリームが高密度メンブレンで提供されることができる。

本発明のなお更なる実施形態において、メンブレンユニットの出口の下流で、少なくとも１つの吸着チャンバの上流にガスリザーバが提供される。これは、浄化された酸素を格納し、必要とされるとき所望の用途にこれを誘導することを可能にする。治療用途において、例えば、純酸素の間欠的なストリームを提供することが好ましい。これらの時間の間、メンブレンユニットで生成される酸素の完全なストリームが、必要な用途に対して誘導されることができる。しかしながら、ギャップの時間の間、酸素のストリームは、リザーバに誘導されることができる。これによりリザーバが充填される。結果的に、酸素の完全なストリームが、パージ目的及び医療用途目的の両方のために提供されることができる。代替的に、酸素は、ガスリザーバに直接誘導されることができ、少なくとも１つの吸着チャンバに対してだけでなく所望の用途に対して、誘導されることができる。従って、ガスリザーバは、２つの出口を有することができる。こうして、本発明による方法の各時間において、酸素の十分なストリームが、用途及び吸着チャンバの両方に誘導されることができることが確実にされる。

本発明による構成の概略的な断面表示を示す図である。

本発明のこれら及び他の側面が、以下に説明される実施形態から明らかとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。

図１において、酸素を生成する構成１０が、概略的に示される。構成１０は、例えばＣＯＰＤ治療の分野における治療用途に関する酸素を生成するのに用いられることができる。構成１０は、例えば病院において用いるため、静止した構成として設計されることができるか、又は、例えばホームケア用途の分野において用いるため、それは携帯型デバイスとすることができる。しかしながら、例えば飛行機での使用又は溶接目的のため、構成１０は更に、純粋な又は基本的に純粋な酸素が提供されなければならない任意の用途に対して用いられることができる。

構成１０は、少なくとも１つの吸着チャンバ１２を有する。しかしながら、構成１０が、少なくとも２つの吸着チャンバ１２、１４を有することが好ましい。この吸着チャンバ１２、１４は、並列に接続される。以下において、本発明は、２つの吸着チャンバ１２、１４に関して説明される。しかしながら、ちょうど１つの吸着チャンバ１２又は２つ以上の吸着チャンバ１２、１４を用いることにより、すべての特徴が対応して提供されることができることは、当業者にとっては明らかである。各吸着チャンバ１２、１４は、酸素分離吸着剤１６、１８を具備する。酸素分離吸着剤１６、１８は、酸素を通過させるが、酸素含有ガスにおいて存在する他の要素と相互作用する又は吸着するよう構成される。酸素含有ガスとして空気が用いられる場合、酸素分離吸着剤１６、１８は、窒素を吸着するよう構成されることが好ましい。適切な酸素分離吸着剤１６、１８は、ゼオライト材料を有することができる。しかしながら、例えば圧力揺動吸着又は真空揺動吸着といった揺動処理に関して従来技術において知られるすべての適切な酸素分離吸着剤を用いることが可能である。

各吸着チャンバ１２、１４は、吸着チャンバ１２、１４に酸素含有ガスを挿入する入口２０、２２と、吸着チャンバ１２、１４から外へ濃縮された酸素含有ガスを誘導する出口２４、２６とを有する。従って、吸着チャンバ１２、１４の入口２０、２２は、構成１０の入口２８に接続される。例えばガス格納デバイスといった酸素含有ガスの源が、入口２８に接続されることができる。しかしながら、単に、入口２８に周囲空気を誘導するポンプが存在するとすることもできる。入口２８から開始し、導管３０は、第１の吸着チャンバ１２の入口２０に対してだけでなく入口２８に接続される。一方、導管３２は、第２の吸着チャンバ１４の入口２８及び入口２２に接続される。更に、第１の吸着チャンバ１２の出口２４は、導管３４に接続され、これは次に出口導管４０に接続される。一方、第２の吸着チャンバ１４の出口２６は、導管３６に接続され、これは次に出口導管４０に接続される。結果的に、吸着チャンバ１２、１４は、並列に接続される。個別の構成が、２つ以上の吸着チャンバ１２、１４を用いることにより形成されることができることは、当業者には明らかである。

酸素含有ガスが吸着チャンバ１２、１４を通り間欠的に誘導されることを可能にするため、弁４２が、導管３０に提供されることができ、追加的な弁４４が、導管３２に提供されることができる。本発明による弁は、ガスフローを可能にし、ガスフローを禁止し、及び／又は、ガスフローの量を制御することができる任意のデバイスである。結果的に、弁４２を閉じ、弁４４を開くことにより、酸素含有ガスは、第２の吸着チャンバ１４を通り誘導されることができる。一方、酸素含有ガスは、弁４２を開き、弁４４を閉じることにより、第１の吸着チャンバ１２を通り誘導されることができる。対応して、弁４６は、導管３４に提供されることができ、弁４８は、導管３６に提供されることができる。第１の吸着チャンバ１２を通り酸素含有ガスを誘導することにより、弁４６は開かれるべきであり、一方、弁４８は閉じられるべきである。対応して、第２の吸着チャンバ１４を通り酸素含有ガスを誘導することにより、弁４８は開かれるべきであり、一方、弁４６は閉じられるべきである。これは、濃縮された酸素含有ガスが、出口導管４０に完全に誘導されることを確実にする。

この構成１０は従って、少なくとも１つの吸着チャンバ１２を通る、又は１つ以上の吸着チャンバを通る酸素含有ガスのストリームを間欠的に誘導することを可能にする。例えば、２つの吸着チャンバ１２、１４は、酸素分離吸着剤１６、１８を具備する。これにより、酸素含有ガスが酸素に対して濃縮される。こうして、少なくとも１つの吸着チャンバ又は吸着チャンバ１２、１４の吸着モード及び脱着モードがそれぞれ規定される。詳細には、酸素含有ガスのストリームは、並列に接続される少なくとも２つの吸着チャンバ１２、１４を通り交互に誘導される。酸素含有ガスが、吸着チャンバにおける酸素に対して、８８％以下の範囲の酸素濃度へと濃縮され、好ましくは７５％以下の範囲、更に好ましくは５０％以下の範囲へと濃縮される。

出口導管４０の下流において、構成１０は、メンブレンユニット５０を更に有する。この場合、吸着チャンバ１２、１４の出口２４、２６は、メンブレンユニット５０の入口５１と流体連通状態にある。ガスリザーバ４９が、吸着チャンバ１２、１４の出口２４、２６とメンブレンユニット５０の入口５１との間に提供されるのが好ましい。特に、ちょうど１つの吸着チャンバ１２を提供することにより、ガスリザーバ４９は、連続的なガスストリームを生成することを可能にすることができる。酸素含有ガスが、過剰圧力を用いて少なくとも１つの吸着チャンバ１２に対して誘導されるのが更に好ましい。これは、濃縮された酸素含有ガスをメンブレンユニット５０に誘導し、メンブレンユニット５０を通るガスのストリームを作成することをワンステップで可能にする。これは以下より明らかになるであろう。従って、０．２ｂａｒ以上２ｂａｒ以下の過剰圧力が好ましい。

メンブレンユニット５０は、吸着チャンバ１２、１４から生じ、及び従って酸素に対して濃縮された酸素含有ガスの残りの要素から酸素を分離するため、高密度メンブレン５２を有する。これらの特性を実現するため、メンブレン５２は、選択された無機酸化複合物を有する固いセラミックメンブレンとすることができる。好ましいメンブレン５２は、ペロブスカイト又は蛍石結晶構造に基づかれる。例として、ペロブスカイトは、非ドープ又はドナー若しくはアクセプタにドープされるSr_1-yBa_yCo_1-xFe_xO_3-z、非ドープ又はニオブ、マグネシウム、チタン若しくはガリウムにドープされるLa_1-ySr_yFe_1-xCr_xO_3-z、非ドープ又はニオブ、マグネシウム、チタン若しくはガリウムといったドナー若しくはアクセプタにドープされるSr_1-y-xBa_yLa_xCo_1-b-cFe_bCr_cO_3-z、非ドープ又は例えばマンガン、鉄、クロミウム若しくは他の任意のドーピング複合物といったドナー若しくはアクセプタにドープされるBa_1-xSr_xTiO_3-z、及び、非ドープ又は例えば鉄、ニオブ、ランタン、クロミウム若しくは他の任意のドーピング複合物といったドナー若しくはアクセプタにドープされるPbZr_1-xTi_xO_3-zを有するグループから選択されることができる。好ましい例として、ペロブスカイト関連の物質Ba_0.5Sr_0.5Co_0.5Fe_0.2O_3-δ（ＢＳＣＦ）が、非常に適している。代替例として、例えば、Sr_0.5Ba_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-x薄膜が、用いられることができる。特に、斯かるメンブレン５２が用いられる場合、酸素に関して透過可能な温度へと高密度メンブレン５２を加熱することが必要されることがある。これは、例えば、メンブレン５２を加熱する加熱デバイスを提供するといった直接的な態様で、又は、酸素含有ガスを加熱し、加熱されたガスの影響によりメンブレン５２を加熱するといった間接的な態様で実現されることができる。しかしながら、最後の場合、加熱されたガスが吸着ステップを悪化させるという事実により、吸着チャンバ１２又は吸着チャンバ１２、１４の下流で酸素含有ガスを加熱することが好ましい。結果的に、加熱デバイスを、メンブレンユニット５０の上流に構成されるガスリザーバ４９又は追加的なポンプと結合することが好ましい。

メンブレン５２は、プライマリメンブレンチャンバ５４により視覚化されることができるプライマリ側を有し、メンブレン５２は、セカンダリメンブレンチャンバ５６により視覚化されることができるセカンダリ側を更に有する。メンブレン５２は、高密度である。これは、濃縮された酸素含有ガスの残りの要素から酸素が分離されることを意味する。メンブレンユニット５０及びメンブレン５２のプライマリ側へと濃縮された酸素含有ガスを誘導するため、入口５１は、メンブレン５２のプライマリ側に構成される。

結果的に、メンブレン５２のプライマリ側に、ガスのストリームが生成される。これは、酸素に対して減少される。このガスストリームは、出口導管５８を通りプライマリメンブレンチャンバ５４を去ることができる。出口導管５８は、弁６０を具備する。この弁は、プライマリメンブレンチャンバ５４において必要な圧力を用いることだけでなく、プライマリメンブレンチャンバ５４から出るガスのストリームの出口を制御することを可能にする。

対応して、高密度メンブレン５２を通るガスフローがそのセカンダリ側に対して生成され、濃縮された酸素含有ガスから酸素が分離されるという事実により、メンブレン５２のセカンダリ側において、即ちセカンダリメンブレンチャンバ５６において、純粋な又は少なくとも基本的に純粋な酸素のストリームが形成される。生成された酸素は、メンブレン５２のセカンダリ側に構成される出口６２を通り、及び出口導管６４を通りメンブレンユニット５０を去ることができ、所望の用途へと供給されることができる。例えば、酸素は、例えばマスクといった供与デバイスに供給されることができ、又は、ガス格納デバイスに格納されることができる。

出口導管６４において、例えば３態様弁といった弁６６が提供されることができる。この弁６６は、所望の用途へと酸素を誘導するだけでなく、任意の所望の比において追加的な導管６８へと誘導することも可能にする。更に、メンブレンユニット５０は、メンブレン５２のセカンダリ側で２つの別々の出口を持つことができる。１つは、出口導管６４に接続され、１つは、導管６８に接続される。好ましくは、両方の出口は、各導管６４、６８において酸素の必要なストリームを誘導することを可能にする個別の弁を具備する。代替的に、ガスリザーバは、メンブレンユニット５２の出口６２の下流に提供される。例えば、ガスリザーバは、２つの出口を具備することができる。１つは、出口導管６４に接続され、１つは、導管６８に接続される。この場合も、ガスリザーバは、所望の用途へと酸素を誘導するだけでなく、任意の所望の比において導管６８へと誘導することも可能にする。メンブレンユニット５０の出口６２が、それぞれ、吸着チャンバ１２、１４の出口２４、２６、又は１つの単一の吸着チャンバ１２の出口と流体連通状態にあることを、導管６８は可能にする。従って、導管６８は、それぞれ弁７４、７６を持つ２つの分岐導管７０、７２を有する。分岐導管７２は、吸着チャンバ１２の出口２４の下流、しかし、弁４６の上流で導管３４に接続される。一方、分岐導管７０は、酸素含有ガスのフロー方向において、吸着チャンバ１４の出口２６の下流、しかし、弁４８の上流で導管３６に接続される。従って導管６８は、吸着チャンバ１２、１４にそれぞれ酸素を誘導することができる。これらの吸着チャンバは、酸素含有ガスのストリームの方向に対して逆転された方向において脱着モードにある。

生成された酸素の少なくとも一部が、吸着された物質を脱着するため脱着モードにある個別の吸着チャンバ１２、１４を通り誘導されることを確実にするため、弁４６、４８、７４、７６は、それぞれどの吸着チャンバ１２、１４が脱着モード又は吸着モードにあるかに基づき調整されることができる。例えば、吸着チャンバ１２が吸着モードにある場合、酸素は、脱着モードにある吸着チャンバ１４を通り誘導される。この場合、弁４６、７４は開かれ、弁４８、７６は閉じられる。対応して、吸着チャンバ１４が吸着モードにある場合、酸素は、脱着モードにある吸着チャンバ１２を通り誘導される。この場合、弁４８、７６は開かれるが、弁４６、７４は閉じられる。

吸着チャンバ１２、１４の下流において、パージングガスとしての酸素の上記フロー方向に対して、弁８２を具備する出口導管８０は、導管３０に接続され、弁８６を具備する出口導管８４は、導管３２に接続される。個別の弁８２、８４を開く又は閉じることにより、例えば窒素である脱着された物質と一緒のパージングガスが、構成１０から出ることができる。詳細には、吸着チャンバ１４が脱着モードであるのに対して吸着チャンバ１２が吸着モードである場合、弁８２は閉じられ、弁８６は開かれる。対応して、吸着チャンバ１２が脱着モードであるのに対して吸着チャンバ１４が吸着モードである場合、弁８６は閉じられ、弁８２は開かれる。

追加的に、吸着チャンバ１２又は吸着チャンバ１２、１４におけるパージングステップは、導管６８から及び従ってメンブレンユニット５０から生じる酸素のストリームと、構成１０の外側に構成されるガス供給源から生じる酸素又は酸素含有ガスのストリームとを用いることにより実行されることができる。詳細には、酸素含有ガスの源は、従来技術において既知のものが使用され、例えば、酸素のガスシリンダが用いられることができる。しかしながら、例えば酸素分離吸着剤１６、１８から窒素を脱着するものとして既知のすべてのパージングガスが用いられることができる。結果的に、共通のパージングガスが、同じ側から、即ち出口２４、２６を通り、又は対向する側から、即ち追加的に入口２０、２２を通り、酸素のストリームと共に吸着チャンバ１２、１４に誘導されることができる。最後の場合、追加的な出口が好まれる。これは、例えば、吸着チャンバ１２、１４の中間で、吸着チャンバから出るパージングガスを誘導するのに用いられることができる。この実施形態は、共通のパージングステップの性能を増加させることを可能にする。これにより、例えばメイン源といった１つの源としての共通のパージングガスと、生成された酸素の小さな部分とが用いられる。

本発明が図面及び前述の説明において詳細に図示され及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられ、本発明を限定するものではない。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、実行されることができる。請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。請求項における任意の参照符号は、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (13)

1. 酸素を生成する方法において、
   酸素分離吸着剤を具備する少なくとも１つの吸着チャンバを通り酸素含有ガスのストリームを間欠的に誘導するステップであって、前記少なくとも１つの吸着チャンバの吸着モード及び脱着モードが規定され、前記酸素含有ガスが酸素に対して濃縮される、ステップと、
   高密度メンブレンのプライマリ側に前記濃縮された酸素含有ガスを誘導するステップと、
   酸素に関して透過可能である温度に前記高密度メンブレンを加熱するステップと、
   前記高密度メンブレンを通りセカンダリ側への酸素フローを生成するステップであって、前記濃縮された酸素含有ガスから前記酸素が分離され、酸素のストリームが形成される、ステップと、
   脱着モードにある前記少なくとも１つの吸着チャンバを通るように前記生成された酸素の少なくとも一部を誘導するステップとを有する、方法。
2. 前記酸素のストリームが、９５％以上の範囲にある濃度の酸素を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記酸素含有ガスのストリームが、並列に接続される少なくとも２つの吸着チャンバを交互に通るように誘導される、請求項１に記載の方法。
4. 前記酸素が、前記酸素含有ガスのストリームの方向に対して逆転される方向において脱着モードにある前記少なくとも１つの吸着チャンバを通るように誘導される、請求項１に記載の方法。
5. 前記酸素含有ガスが、過剰圧力を用いて前記少なくとも１つの吸着チャンバに誘導される、請求項１に記載の方法。
6. ０．２ｂａｒ以上２ｂａｒ以下の過剰圧力が用いられる、請求項５に記載の方法。
7. 前記酸素含有ガスが、８８％以下の範囲の酸素濃度へと、前記吸着チャンバにおける酸素に関して濃縮される、請求項１に記載の方法。
8. 酸素を生成する構成であって、
   酸素分離吸着剤を具備し、酸素含有ガスを吸着チャンバに挿入する入口と、前記吸着チャンバから出る濃縮された酸素含有ガスを誘導する出口とを持つ少なくとも１つの吸着チャンバと、
   高密度メンブレンを含むメンブレンユニットであって、前記メンブレンのプライマリ側で、濃縮された酸素含有ガスを前記メンブレンユニットに挿入する入口と、前記メンブレンのセカンダリ側で、前記メンブレンユニットから出る酸素を誘導する出口とを持つ、メンブレンユニットとを有し、
   前記少なくとも１つの吸着チャンバの出口が、前記メンブレンユニットの入口と流体連通状態にあり、
   前記少なくとも１つの吸着チャンバの出口と前記メンブレンユニットの出口とを接続する導管が提供される、構成。
9. 前記構成が、並列に接続される少なくとも２つの吸着チャンバを有する、請求項８に記載の構成。
10. 前記酸素分離吸着剤が、ゼオライト材料を有する、請求項８に記載の構成。
11. 前記メンブレンが、ペロブスカイト又は蛍石結晶構造を持つ物質に基づかれる、請求項８に記載の構成。
12. ガスリザーバが、前記少なくとも１つの吸着チャンバの出口と前記メンブレンユニットの入口との間に提供される、請求項８に記載の構成。
13. 前記メンブレンユニットの出口の下流で前記少なくとも１つの吸着チャンバの上流に、ガスリザーバが提供される、請求項８に記載の構成。

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