JP5906089B2 - 液体酸素製造装置及び方法 - Google Patents

Description

この特許出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、内容が参照により本明細書に組み込まれる２００８年１２月２２日に出願された米国仮出願６１／１３９７４１の優先権利益を主張する。

本発明は、広くは、液化ガスの製造に関し、より具体的には、非工業的環境における液化酸素の製造に対するシステムの制御に関する。

家庭ベースの酸素治療に対する必要性を持つ患者に対して、圧縮ガスタンク配送は、不便かつ高価である可能性がある。酸素タンクは、限定的な供給を提供し、特に患者の使用量が高い家庭内の多量の収納スペースを必要とする。結果として、本質的に無制限の酸素の供給が提供されることができるように、家庭内で酸素を生成するシステムに対する必要性が存在する。

典型的には空気から酸素を分離するのに圧力スイング吸着システムを採用する、家庭用酸素濃縮器は、毎分約１ないし６リットルの範囲の連続的な酸素供給を提供することができる。一般に、家庭外の旅行に対して、酸素濃縮器を使用する患者は、前記濃縮器を補足する、外部ベンダにより配送される酸素タンクを持ち運ぶ。

別個のタンクに対する代替例として、未来の使用のために気体酸素を液化及び保存する凝縮システムを使用する特定のシステムが存在する。旅行のために、液体酸素が、患者により運ばれる携帯用ユニットに移される。前記携帯用ユニットは、液体の形で酸素の数時間の供給を運ぶことができ、患者が家庭用濃縮器及び使い捨ての圧縮ガスタンクの両方に対して独立であることを可能にする。１つのこのようなシステムは、内容が参照により本明細書に組み込まれる米国特許５８９３２７５に開示されている。

本発明の一態様は、酸素濃縮サブシステムから液化サブシステムへの流量を測定するステップと、前記流量を流量セットポイントと比較するステップと、前記比較に従って前記酸素濃縮サブシステムのサイクルタイミングを調節するステップとを含む、液体酸素を製造するシステムを制御する方法に関する。

本発明の他の態様は、酸素濃縮サブシステムと、前記酸素濃縮サブシステムと流体連通し、前記酸素濃縮サブシステムから酸素濃縮ガスを受け取り、液体生成物を製造するように前記酸素濃縮ガスを凝縮するように構成及び配置された液化サブシステムと、前記液化サブシステムと流体連通し、前記液化サブシステムから前記液体生成物を受け取るように構成及び配置された液体生成物貯蔵タンクと、前記酸素濃縮サブシステムから前記液化サブシステムへの流量を測定するように構成及び配置されたセンサと、前記測定された流量に応じて前記酸素濃縮サブシステムにおける酸素濃縮サイクル時間を制御するように構成及び配置されたコントローラとを含む、液体酸素を製造する装置に関する。

本発明の他の態様は、圧縮空気を受け取り、酸素濃縮ガスを製造するように前記圧縮空気から窒素を吸着するように構成及び配置された分子篩（molecular sieve）と、前記圧縮空気が前記分子篩により受け取られるように流れることを可能にするフィードサイクルに対して開かれるように制御可能なフィードバルブと、前記分子篩と流体連通し、前記分子篩から酸素濃縮ガスを受け取るように構成及び配置された生成物タンクと、前記生成物タンクと流体連通し、前記製造タンク内の圧力を測定するように配置されたセンサとを含む圧力スイング吸着酸素濃縮サブシステムを含む、液体酸素を製造する装置に関する。

前記装置は、更に、前記酸素濃縮サブシステムと流体連通し、前記酸素濃縮サブシステムから前記酸素濃縮ガスを受け取り、液体生成物を製造するように前記酸素濃縮ガスを凝縮するように構成及び配置された液化サブシステムと、前記液化サブシステムと流体連通し、前記液化サブシステムから前記液体生成物を受け取るように構成及び配置された液体生成物貯蔵タンクと、前記測定された圧力に基づいて測定された流量を決定するように構成及び配置されたプロセッサと、前記測定された流量に応じて前記フィードサイクルの持続時間を制御するように構成及び配置されたコントローラとを含む。

本発明の更に他の態様は、前述の方法を実行する又は前述の装置を制御する機械実行可能命令を有する機械可読媒体に関する。

本発明のこれら及び他の目的、フィーチャ及び特徴、並びに動作の方法、構造の関連した要素の機能、部分の組み合わせ及び製造の経済性は、全てが本明細書の一部であり、同様の参照番号が様々な図内の対応する部分を示す添付の図面を参照して、以下の記載及び添付の請求項を検討すると明らかになる。しかしながら、図面は、図示及び説明の目的のみであり、本発明の限定の規定として意図されないと明確に理解されるべきである。本明細書及び請求項において使用されるように、"１つの"及び"前記"の単数形は、文脈が他に明らかに指示しない限り複数の指示対象を含む。

本発明の一実施例による酸素生成システムを概略的に示す。 酸素生成システムを制御する回路の一部の概略図である。 本発明の一実施例による方法において実行される動作を記述するフローチャートである。

図１は、家庭環境における液化ガスの製造に対する典型的なシステムの一実施例を示す。酸素濃縮サブシステム又は分離器ユニット１０は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法により動作する。この実施例は前記ＰＳＡ法に関するが、他のアプローチ、例えば、膜分離及びイオン伝導が、本発明の範囲内でガス分離に対して使用されてよいことに注意する。

分離器ユニット１０は、環境空気１４を圧縮し、分子篩の対１８、２０への流れを制御するバルブ１６に提供する圧縮器１２を含む。一実施例において、環境空気１４は、まず、圧縮及び酸素濃縮の前に粒子状物質を除去するように空気フィルタを通過する。動作において、バルブ１６は、前記圧縮空気を前記篩に交互に提供し、前記篩の各々は、沸石のような窒素結合材料を含む。前記圧縮空気が前記沸石を通過すると、窒素が抽出され、酸素濃縮ガスを残す。前記篩の一方が、濃縮サイクルにおいて窒素抽出のために圧縮空気を受け取っている間に、他方は、結合された窒素が放出され、当該篩に次の濃縮サイクルの準備をさせる再生成モードで動作する。

酸素濃縮空気は、前記酸素濃縮空気が貯蔵される生成物タンク２４に到達するようにチェックバルブ２２を通過する。生成物タンク２４から、酸素圧縮空気は、バルブ２６を介して患者に直接的に、又はバルブ３０を介して液化サブシステム２８に提供されることができる。前記患者に対する供給の前に、このガスは、湿度を戻す／増加するように蒸留水バブラ（bubbler）を通過されてもよく、これにより患者の快適さを増加する。必要又は要望に応じて、患者供給ラインは、呼吸マスク又は鼻カニューレを取り付けるコネクタを含むことができる。

液化後に、前記生成物は、貯蔵のためにデュワ（dewar）３２に提供される。携帯型の使用に対して、前記デュワは、液化サブシステム２８に着脱可能に取り付け可能であることができる。代替的には、貯蔵デュワ３２に着脱可能に接続可能な第２の携帯用デュワ（図１に図示されない）が提供されることができる。一度貯蔵デュワ３２から満たされると、前記携帯用デュワは、前記患者とともに移動することができ、前記濃縮器から離れている間に持続する酸素供給を提供する。直接ラインと同様に、鼻カニューレ又は呼吸マスクは、患者に酸素を供給するために設けられることができる。

液化サブシステム２８は、例えば、クリメンコサイクル（Kleemenko cycle）クライオクーラ（cryocooler）のようなクライオクーラである。代替的には、スターリング（Stirling）、カルノ（Carnot）、ブレイトン（Brayton）、又はエリクソン（Ericsson）サイクルが使用されてもよい。適切なクライオクーラの例は、例えば、内容が参照により本明細書に組み込まれる米国特許５８９３２７５において見つけられることができる。

理解されるように、記載されたような圧力スイング吸着／液化装置において、生成流体の純度は、バルブシーケンス及びタイミングの適切な制御に依存することができる。すなわち、前記システムのバルブは、他の機能より、前記生成物貯蔵タンク内への混合ガスの流入及び前記生成物タンクから篩キャニスタ（canisters）への酸素濃縮ガスの逆流を適切に防ぐべきである。同様に、前記液化サブシステムの性能は、変化しうる。例えば、環境温度の変化は、前記液化の熱交換器の性能を変更することができる。

一般に、９０％ないし９６％又はそれ以上の純度レベルで酸素ガスを提供することが望ましく、９５％以上の純度のレベルが更に望ましい。同様に、所望の純度を維持しながら、最大５リットル／分以上の流量を提供することが望ましい。場合により、このような高い流量は、結果として、生成される酸素の減少された純度及び／又は前記液化サブシステムを実行する困難性を生じる可能性がある。例えば、高い流量において、前記ガスが前記サブシステム内の液化温度に到達することが難しい可能性があり、これは、液体酸素が貯蔵デュワ３２内の貯蔵に対して製造されないことを意味する。特定の液化サブシステムに対して、最適な製造は、毎分約３ないし４リットルのレートで達成される。

本発明の一実施例によると、圧力センサ３４は、濃縮器１０の生成物タンク２４内に設けられる。圧力センサ３４からの圧力信号は、濃縮器１０から液化サブシステム２８への流れを推定するのに使用される。

前記推定された流れに基づいて、アルゴリズムは、生成物タンク圧力及び出力流れが特定の範囲内に保たれるように前記ＰＳＡ濃縮器のパージサイクル及び圧力のタイミングを修正する。結果として、この制御アルゴリズムは、例えば、液化サブシステム性能を含む変数の原因となることができる。

図２に概略的に示されるように、圧力センサ３４は、前記生成物タンク内の圧力を表す信号をアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）３６に出力する。代替的には、前記圧力センサは、前記システム内の他の点に配置されてもよく、又は流れセンサが、フィードバックループに対する制御信号を提供するのに使用されることができる。原理的に、流れ測定は、前記センサに供給される流れ又は前記システムの合計流れ出力を考慮に入れるべきである。測定された圧力は、流量の直接計算に対する基礎となることができるか、又は代替的に、測定された圧力と予測される流量との間の対応関係を含むルックアップテーブルにおいて参照されることができる。

前記ＡＤＣは、前記圧力信号をコントローラ３８に提供し、これは、以下に記載される図３に示されるアルゴリズムに対する入力を形成する。一実施例において、流量は、前記生成物タンク内の前記圧力信号の傾斜に基づいて決定される。理解されるように、前記タンク内の圧力の変化は、流量と相関があり、更にタンク体積及び温度に依存する。タンク体積は、実質的に一定の温度に対して、一定であり、前記圧力変化は、単独で、流量の良好なインジケータを与える。温度が大きく変化すると予測される場合、流れ計算に対する入力として温度センサを含むことが有用でありうる。

前記アルゴリズム内の主要な変数は、バルブフィード時間（すなわち、前記篩が圧縮空気を供給されている時間）及びバルブパージ時間（すなわち、窒素を含んだ篩が後のフィードサイクルの準備をするために窒素を放出するのに与えられる時間）である。代替実施例において、パージ時間は、フィード時間に対して提供される制御と同様に制御されることができる。図３の実施例において、バルブフィード時間は、前記測定された流量によって変化する。前記推定された流れは、測定され、セットポイント又は例えば不揮発性ＲＡＭに記憶されることができる目標流れ値と比較される。前記測定された流量が高すぎる場合、フィード時間が減少されるのに対し、低い流量に対して、前記フィード時間は増加される。この測定及び調節サイクルは、６０秒毎に与えられるが、代替的な測定サイクル時間が使用されてもよいと理解されるべきである。

図３に示されるように、本発明の一実施例による方法は、２つのバルブタイミングの各々がそれぞれの開始値にセットされることで始まる１０２。１０４において、前記流れ値が、前記測定された圧力に基づいて決定される。この流れ値計算は、流れ計算及びバルブ制御信号の出力の両方に対する適切な命令でプログラムされた、例えばマイクロプロセッサ又はＡＳＩＣであることができる、コントローラ３８において実行される。理解されるように、実施例は、本発明の原理から外れることなしに、これらの機能が別個のプロセッサ／コントローラに分離される変形例を含むことができる。

液化サイクルがアクティブであるかどうかを決定する確認１０６が行われる。行われていない場合、このシーケンスは、エスケープされ、最初から再開する。液化プロセスを向上させる以外の理由で流量を制御することが有用でありうることに注意する。例えば、患者に直接的に出力されるガスの最小純度を制御することを助けることが有用でありうる。このような場合、確認１０６は省略されてもよく、この制御アルゴリズムの残りは、前記液化プロセスの状態にかかわりなく適用される。

前記計算された又は推定された流れと前記セットポイントとの間の比較１０８が行われる。推定された流れが前記セットポイントより低い場合、制御は、１１０に移動し、前記バルブフィード時間がインクリメントされる。例として、フィード時間は、０．１秒だけインクリメントされることができるが、より大きな又は小さなインクリメントが、制御される特定の機器に依存して有用でありうる。代替的には、前記インクリメントは、現在のフィード時間のパーセンテージであってもよい。以下により詳細に記載されるように、前記インクリメントは、前記セットポイントと前記測定された流れとの間の差分に比例するか、そうでなければ依存することができる。

推定された流れが前記セットポイントより小さくない場合、制御は、１１２に移動し、推定された流れが前記セットポイントより大きいかどうかを決定する。肯定である場合、制御は、１１４に移動し、フィード時間がデクリメントされる。否定である場合（すなわち推定された流れが前記セットポイントに等しい場合）、制御は１１６に移動する。インクリメントと同様に、デクリメントは、図示された実施例において０．１秒のステップであることができるが、他の時間が、特定のシステムに依存して適切でありうる。

１１６において、１分の遅延が、アクティブ液化サイクルに対する次の確認及び流れ確認の前に生じる。明らかになるように、前記遅延は、制御下の特定のマシンに依存して調節されることができる。

一実施例において、可変遅延を提供することが有用でありうる。例えば、前記推定された流れが大きく変化し、バルブフィード時間が、制御ループを通してサイクルの大部分に対して調節されている場合、前記遅延時間は、増加された制御帯域幅を提供するように減少されることができる。

同様に、インクリメント及びデクリメント間隔は、調節可能でありうる。特定の例において、前記間隔は、前記セットポイントと前記推定された流れとの間の差に依存しうる。すなわち、推定された流れが前記セットポイントに近い場合には、前記インクリメントは小さく、大きな不一致に対して、前記インクリメントは比較的大きい。他の例において、修正が大きすぎる場合、振動する過剰修正が存在しうる。推定された流れが前記セットポイントより大きく又は小さく上下に変動する場合、前記インクリメントは、オプションとして、これに応じて減少されることができる。例として、３以上の測定のシーケンスが交互のインクリメント及びデクリメントを生じる場合、前記コントローラは、前記インクリメント値を半分に減少することができる。

本発明は、何が最も実際的かつ好適な実施例であると現在見なされているかに基づいて説明の目的で詳細に記載されているが、このような詳細は、単に当該目的のためであり、本発明が、開示された実施例に限定されず、逆に、添付の請求項の範囲及び精神内である修正例及び同等の構成をカバーすると意図されると理解されるべきである。例えば、本発明は、可能な範囲で、如何なる実施例の１以上のフィーチャも、他の実施例の１以上のフィーチャと組み合わせられることができることを意図すると理解されるべきである。

Claims (16)

1. 液体酸素を製造するシステムを制御する方法において、
   液化サイクルがアクティブであるかどうかを決定するステップと、
   酸素濃縮サブシステムから液化サブシステムへの流量を測定するステップであって、前記酸素濃縮サブシステムの生成物タンク内の圧力を測定するステップを有する前記ステップと、
   前記流量を流量セットポイントと比較するステップと、
   前記液化サイクルがアクティブであるという決定に応答して前記比較に従って、前記圧力及び前記流量が特定の範囲内に保たれるように、前記酸素濃縮サブシステムのサイクルタイミングを調節するステップと、
   を有する方法。
2. 前記測定するステップが、前記生成物タンク内の圧力の変化のレートを決定するステップを有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記測定するステップが、前記生成物タンク内の圧力の変化に基づいて流量を推定するステップを有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記セットポイントが、選択された流量を有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記セットポイントが、前記酸素濃縮サブシステムの生成物タンク内の圧力の変化のレートを有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記サイクルタイミングを調節するステップは、
   前記流量が前記セットポイントより高い場合に、バルブフィード時間をデクリメントするステップと、
   前記流量が前記セットポイントより低い場合に、前記バルブフィード時間をインクリメントするステップと、
   前記流量が前記セットポイントに等しい場合に、前記バルブフィード時間を維持するステップと、
   を有する、請求項１に記載の方法。
7. 前記調節するステップの後に、遅延時間により遅延するステップと、
   前記遅延するステップの後に、前記測定、比較及び調節を繰り返すステップと、
   を有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記調節するステップが、バルブフィード時間又はバルブパージ時間を調節するステップを有する、請求項１に記載の方法。
9. 前記方法が、前記比較に基づいて、前記調節を修正するステップを有し、前記調節を修正するステップが、前記測定、比較及び調節の反復の合間の遅延、並びに前記サイクルタイミングの変化の大きさの一方又は両方を変更するステップを有する、請求項１に記載の方法。
10. 液体酸素を製造する装置において、
    酸素濃縮サブシステムと、
    前記酸素濃縮サブシステムと流体連通し、前記酸素濃縮サブシステムから酸素濃縮ガスを受け取り、液体生成物を製造するように前記酸素濃縮ガスを凝縮する液化サブシステムと、
    前記液化サブシステムと流体連通し、前記液化サブシステムから前記液体生成物を受け取る液体生成物貯蔵タンクと、
    前記酸素濃縮サブシステムから前記液化サブシステムへの流量を測定するセンサであって、前記酸素濃縮サブシステムの少なくとも一部における圧力を測定し、前記測定された圧力に基づいて前記測定された流量を決定するように配置された圧力センサを有する前記センサと、
    液化サイクルがアクティブであるかどうかを決定し、前記測定された流量を流量セットポイントと比較し、前記液化サイクルがアクティブであるという決定に応答して前記比較に基づいて、前記圧力及び前記流量が特定の範囲内に保たれるように、前記酸素濃縮サブシステム内の酸素濃縮サイクル時間を制御するコントローラと、
    を有する装置。
11. 前記酸素濃度サブシステムが、前記酸素濃縮サブシステムの酸素生成要素から酸素濃縮ガスを収集し、前記酸素濃縮ガスを前記液化サブシステムに供給する生成ガス貯蔵タンクを有し、前記圧力センサが、前記生成ガス貯蔵タンク内の圧力を測定するように配置される、請求項１０に記載の装置。
12. 前記液体酸素貯蔵タンクは、着脱可能であり、ユーザが前記液体酸素貯蔵タンク内に貯蔵された液体生成物の蒸発により製造される酸素濃縮ガスに対する供給レートを選択することを可能にする制御可能なバルブを有する、請求項１０に記載の装置。
13. 前記酸素濃縮サブシステムが、圧力スイング吸着濃縮器を有し、前記コントローラは、
    前記流量が前記セットポイントより高い場合に、バルブフィード時間がデクリメントされ、
    前記流量が前記セットポイントより低い場合に、前記バルブフィード時間がインクリメントされ、
    前記流量が前記セットポイントに等しい場合に、前記バルブフィード時間が維持される、
    ように前記酸素濃縮サブシステムのバルブフィード時間を制御する、請求項１０に記載の装置。
14. 前記セットポイントが、選択された流量を有する、請求項１０に記載の装置。
15. 前記セットポイントが、前記酸素濃縮サブシステムの生成物タンク内の圧力の変化のレートを有する、請求項１０に記載の装置。
16. 液体酸素を製造する装置において、
    （ａ）圧力スイング吸着酸素濃縮サブシステムであって、
    （１）圧縮空気を受け取り、酸素濃縮ガスを製造するように前記圧縮空気から窒素を吸着する分子篩、
    （２）前記圧縮空気が前記分子篩により受け取られるように流れることを可能にされるフィードサイクルに対して開かれるように制御可能なフィードバルブ、
    （３）前記分子篩と流体連通し、前記分子篩から前記酸素濃縮ガスを受け取る生成物タンク、及び
    （４）前記生成物タンクと流体連通し、前記生成物タンク内の圧力を測定するセンサ、
    を有する前記圧力スイング吸着酸素濃縮サブシステムと、
    （ｂ）前記酸素濃縮サブシステムと流体連通し、前記酸素濃縮サブシステムから前記酸素濃縮ガスを受け取り、液体生成物を製造するように前記酸素濃縮ガスを凝縮する液化サブシステムと、
    （ｃ）前記液化サブシステムと流体連通し、前記液化サブシステムから前記液体生成物を受け取る液体生成物貯蔵タンクと、
    （ｄ）前記測定された圧力に基づいて測定された流量を決定するプロセッサと、
    （ｅ）液化サイクルがアクティブであるかどうかを決定し、前記測定された流量を流量セットポイントと比較し、前記液化サイクルがアクティブであるという決定に応答して前記比較に基づいて、前記圧力及び前記流量が特定の範囲内に保たれるように、前記フィードサイクルの持続時間を制御するコントローラと、
    を有する装置。

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