JP6235567B2 - 酸素分離器及び酸素を生成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸素の分離の分野に関する。より具体的には、本発明は、治療用途のための、特に、在宅ケアの分野における酸素の分離に関する。

酸素療法は、治療方法としての酸素の投与である。酸素療法は細胞代謝に必須であり、次には、組織酸素化が全ての生理的機能に必須であるので、酸素療法は慢性及び急性両方の患者の治療において様々な目的のために広く用いられている。酸素療法は、特に、患者が低酸素症及び／又は低酸素血症を患っている時に、肺への酸素の供給を増やすことによって及び従って体の組織への酸素の有効性を高めることによって患者のためになるように用いられるべきである。酸素療法は、病院又は在宅ケアにおけるアプリケーションでどちらにも使用され得る。酸素療法の主な在宅ケアでの適用は、重い慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）の患者に対してである。

酸素は、多くのやり方で投与され得る。酸素の投与の好ましいやり方は、酸素の所謂オンデマンド要求を用いることによるものである。これに関して、商業的解決策、所謂酸素濃縮器又は分離器が、それぞれ、広く知られている。これらの酸素濃縮器は、酸素含有ガスから酸素をほとんど分離し、酸素が、要求に応じて、すなわち、使用直前に与えられる。

当該技術分野において知られている酸素濃縮器又は酸素分離器それぞれの欠点は、窒素のような酸素含有ガスの所望の吸着成分に隣接して、例えば、水又は二酸化炭素のような酸素含有ガスの望ましくない混在物（contaminant）が酸素分離デバイス又は酸素分離材料それぞれに吸着され、それにより酸素分離材料を汚染することである。この酸素分離材料の汚染は、汚染を防ぐため又は混在物を再び脱着させるためにスイングプロセスの次に追加の多かれ少なかれ複雑な手段の必要をもたらすことが多い。

大気湿度による非活性化のような混在物の非活性化に敏感な吸着剤を用いてガス分離ステップを行うことができるガス分離デバイスが、米国特許ＵＳ７，１６０，３６７号公報から知れられている。そのようなガス分離デバイスは、乾燥剤区域と水に敏感な吸着剤区域とを有しており、それらの間には、それぞれの遮断弁が設けられ得る。

しかしながら、酸素分離デバイスの汚染挙動を改善する必要が依然としてある。

本発明の目的は、作るのにコストを削減する、実行しやすい及び／又はメンテナンスに関して有利なガス分離器のための酸素分離デバイス及び酸素含有ガスから酸素を分離する方法を提供することにある。

この目的は、請求項１記載の酸素分離デバイスにより達成される。この目的は、更に、請求項１１記載の酸素分離器及び請求項１３記載の酸素含有ガスから酸素を分離する方法により達成される。好ましい形態は、従属請求項において規定されている。

酸素分離デバイスは、一次側において酸素含有ガスの流れを酸素分離デバイスに案内する気体入口部及び二次側において酸素分離デバイスから酸素濃度の高い気体の流れを案内する気体出力部と、酸素とは別の酸素含有ガスの少なくとも１つの成分を収着することにより酸素含有ガスから酸素を分離することができ、混在物により汚染され得る酸素分離収着剤を具備する少なくとも１つの酸素分離領域と、少なくとも１つの混在物から酸素含有ガスを浄化（decontaminate）する浄化材料（decontamination material）を具備する浄化領域とを有する当該酸素分離デバイスであり、上記酸素分離領域及び上記浄化領域は、少なくとも１つの拡散減少チャネルを有するスペーサにより流体接続され、上記スペーサはｒ_Ｒ＞１の拡散減少値ｒ_Ｒを有している。

上記酸素分離デバイスという用語は、特に、酸素分離器の活性部分のことを指している。酸素分離デバイスは、例えば、酸素含有ガスと又は酸素含有ガスの規定された構成要素と相互作用する酸素分離収着剤を有しており、従って、酸素とは別の酸素含有ガスの少なくとも１つの構成要素との相互作用により酸素含有ガスから酸素を分離する。その結果、この酸素分離デバイス自体又は酸素分離収着剤はそれぞれ、特に、吸着プロセスのような収着プロセスにより酸素含有ガスから酸素を分離することができる。従って、上記酸素分離デバイスは、吸着剤ベッドとして設計され得る。酸素分離デバイスは、例示的には、筐体内に配されて装備される小型のデバイスとして形成され得る。

それに対応して、本明細書において用いられる酸素分離器という用語は、特に、酸素含有ガスから酸素を分離することができるデバイスのことを指している。従って、酸素分離器により、酸素含有ガスから出発して、純酸素若しくは本質的に純粋な酸素又は酸素濃度の高い気体が生成され得る。

更に、本明細書において用いられる酸素分離デバイスの一次側という用語は、酸素含有ガスが酸素分離デバイスに案内される方向に向けられた酸素分離デバイスの側又は部分のことを指し、本明細書において用いられる酸素分離デバイスの二次側という用語は、逆側、すなわち、生成される純酸素又は酸素濃度の高い気体が存在する側に向けられた酸素分離デバイスの側又は部分のことを指している。

加えて、本明細書において用いられる酸素含有ガスという用語は、酸素ガスを少なくとも部分的に有する又は酸素よりなる任意の気体のことを指している。酸素濃度の高い気体という用語は、特に、酸素含有ガスと比較して酸素に関してより高い濃度を有しており、極端な場合には純酸素である気体を意味する。

分離収着剤が混在物により汚染され得るという表現は、特に、酸素分離収着剤の混入又は汚染プロセスのことを指し、そのため、酸素分離能力及び／又は酸素に対する酸素分離デバイスの選択性が低下する。従って、混在物は、酸素分離デバイスに、例えば、不可逆的又は可逆的に結合又は収着し、従って、酸素分離デバイスを汚染する任意の化合物であり得る。混在物は、特に、酸素含有ガスの主成分ではない物質である。混在物は、専らオプションで及び／又は専ら可変量で酸素含有ガス中に存在し得る。酸素含有ガス中に存在する可能性のある混在物の非限定的な例は、水、二酸化炭素、アミン、硫黄酸化物、窒素酸化物及び炭化水素である。

酸素分離収着剤は、更に、酸素含有ガスから酸素以外の少なくとも１つの物質を酸素よりも非常によく収着及び従って吸着又は吸収し、少なくとも大量に酸素を通過させる材料として理解される。

本発明に係る酸素分離領域は、特に、酸素含有ガスから酸素を分離する主目的を有する酸素分離収着剤が備えられる空間的に制限された領域又は範囲を意味する。

それに対応して、浄化領域は、特に、存在する可能性のある混在物から酸素含有ガスを浄化する主目的を有する空間的に制限された領域又は範囲を意味する。従って、浄化材料は、浄化領域に位置し、及び従って相互作用して少なくとも１つの混在物を収着し、酸素含有ガスから混在物を取り除く材料である。浄化材料は、酸素分離収着剤と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

更に、スペーサは、酸素分離領域と浄化領域とを互いに空間的に分離し、酸素分離領域と浄化領域との間に流体接続を与えるデバイスとして理解される。

更に、拡散減少チャネルは、浄化領域から酸素分離領域への混在物、特に、気体の混在物の拡散率を制限する伝導部として理解される。

更に、拡散減少値ｒ_Ｒは、以下のように定義される。詳細には、拡散減少ファクタ又は拡散減少値ｒ_Ｒは、特徴的汚染長（characteristic contaminated length）Ｚとスペーサの特徴的なパラメータＳとの積（ｒ_Ｒ＝Ｚ×Ｓ）であり、特徴的な混在している長さＺは、Ｚ＝（ｆ_ｗ×Ａ_ｚ）／Ｌ_ｚとして定義される。ｆ_ｗは分離収着剤の拡散補正係数（０．６５４）であり、Ａ_ｚは酸素分離収着剤の断面積及び従って酸素分離デバイス内部の酸素分離収着剤で満たされた断面積であって、単位は［ｃｍ^２］であり、Ｌ_ｚは拡散減少チャネルの位置及び従って一次側における酸素分離デバイスの気体入口部からの拡散減少チャネルの距離であって、単位は［ｃｍ］である。また、スペーサの特徴的なパラメータＳは、Ｓ＝Ｌ_ｄ／（Ｎ×Ａ_ｄ）として定義される。Ａ_ｄはスペーサにおける１つのダクトの断面積［ｃｍ^２］であり、Ｌ_ｄは分離器を通るＡ_ｄでの拡散減少チャネルの長さであって、単位は［ｃｍ］であり、Ｎはスペーサのダクトの数である。

上述したような酸素分離デバイスは、特に、酸素分離器のオフタイムの間の分離収着剤の汚染の著しい減少を与え、従って、メンテナンス挙動を著しく改善する。

上記酸素分離デバイスは、一次側において酸素含有ガスの流れを酸素分離デバイスに案内する気体入口部を有し、二次側において酸素分離デバイスから酸素濃度の高い気体の流れを案内する気体出力部を有している。

上記酸素分離デバイスは、更に、酸素とは別の酸素含有ガスの少なくとも１つの成分を収着する又は少なくとも酸素よりもよく収着することにより酸素含有ガスから酸素を分離することができる酸素分離収着剤を具備する少なくとも１つの酸素分離領域を有している。この特徴は、分離収着剤が酸素を除く酸素含有ガスの少なくとも１つの成分と相互作用し、又は酸素よりもよく相互作用し、酸素を通過させる圧力スイング吸着システムの一般的な仕組みに従うものである。この特徴は、酸素含有ガスの他の成分からの酸素の分離をもたらす酸素含有ガスの１つ以上の成分の少なくとも一時的な固定化を可能にする。酸素分離収着剤についての非限定的な例は、ナトリウム又はリチウムゼオライトのようなゼオライトを含んでいる。それにより、気体の流れ、特に、酸素分離デバイスへの酸素含有ガスの流れ及び酸素分離デバイスからの酸素濃度の高い気体の流れは、酸素分離デバイスの一次側と二次側との間に圧力差を作る圧力調節デバイスを与えることにより達せられる。

しかしながら、酸素分離収着剤は酸素含有ガスに存在する可能性のある混在物により汚染され得るという事実のために、かなりの量の例えば水又は二酸化炭素のような混在物が酸素分離収着剤により収着される場合に、酸素分離能力が低下する。そのような酸素分離能力又は酸素選択性の低下を最小限にするため又は完全に回避するために、例えば、酸素分離デバイスは、混在物から酸素含有ガスを浄化する浄化材料、特に、浄化収着剤を具備する浄化領域を更に有している。その結果、浄化材料を与えることにより、１つ以上の混在物が、酸素分離収着剤への混在物の負の影響を避けるために酸素含有ガスの流れから取り除かれる。従って、浄化材料は、混在物を除去する主目的を有する浄化領域に備えられ、それにより、酸素分離収着剤の酸素分離挙動に負の影響を及ぼさない。よって、浄化領域は、上記酸素分離領域の上流に設けられることが好ましい。更に、浄化領域は、酸素含有ガスの主流路内に設けられ得る。

酸素分離収着剤の汚染が通常の動作モードにおいてはよく防止されるにもかかわらず、特に、携帯用の酸素分離器に設けられる酸素分離デバイスは、例えば、酸素分離収着剤の限られた量のために、酸素分離器のオフタイムに関して汚染に対して非常に敏感である。

詳細には、正常な活性動作モードに関して、混在物は、酸素分離ステップの間に浄化材料により収着され、回復（regeneration）ステップの間に再び除去される。その結果、酸素分離収着剤は、混在物の取り込みにより劣化しない。浄化材料により収着される水のような混在物の量は、低い周囲温度においてより多く、一般に、例えばゼオライトを用いることにより３０重量％までのように非常に多い。しかしながら、酸素分離器が、オフにされ、従って、オフモードにある、すなわち、酸素含有ガスから酸素を生成しない場合、酸素分離プロセス及び、特に、パージプロセスは行われない。オフモードの間、混在物は、浄化区域から分離区域に移動する。本願発明者等は、このステップは、特に、気相の拡散により起こることを見出した。これは、特に、水蒸気のような気体の混在物が、浄化材料の水分等温線に従って浄化材料の上流に存在するという事実のためである。結果として、混在物は、混在物の各蒸気圧のために酸素分離収着剤に拡散し、酸素分離収着剤に吸着される。この作用は、温度の上昇とともに大きくなる。その結果、酸素分離収着剤は、平衡を有する通常の動作モードの間に劣化せず、とりわけ、オフタイムの間に汚染される。従って、本願発明者等は、特に、例示的には数時間の範囲にある酸素分離デバイスのオフタイムの間に汚染が増加し、より大きい体積に拡大され、従って、メンテナンスが長いオフタイムによって特に悪化することを見出した。

この作用を最小限にするため又は完全に回避するために、上記酸素分離領域及び浄化領域は、少なくとも１つの拡散減少チャネルを有するスペーサにより流体接続されており、スペーサはｒ_Ｒ＞１の拡散減少値ｒ_Ｒを有している。それに関して、流体接続は、特に、それを通って特に気体のような流体が、例えば、拡散減少チャネル又は酸素分離デバイスの両側に各圧力（分圧）差を与えることにより案内される接続を意味する。

本願発明者等は、驚くべきことに、少なくとも１つの拡散減少チャネルを有し、ｒ_Ｒ＞１の拡散減少値ｒ_Ｒを有するスペーサを与えることにより、この手段は、拡散により生じる気体の流れを著しく減少させるのに又は完全に回避するのに十分であることを見出した。詳細には、上述したようなセパレータを与えることにより、拡散減少値ｒ_Ｒに影響を及ぼす種々のパラメータは、拡散が著しく減少するように取り決められる。その結果、ｒ_Ｒ＞１、特に、ｒ_Ｒ＞１０、例示的にはｒ_Ｒ＞１００の拡散減少値ｒ_Ｒを与えることにより、スペーサ又は拡散減少チャネルの位置、各収着材料の断面の寸法及び拡散減少チャネルの寸法のようなパラメータは、それらが積極的に互いに相互作用するように選択され、これは、浄化領域から酸素分離領域への混在物の拡散の著しい減少をもたらす相乗効果につながる。拡散減少チャネルに関して、特に長さ／径の高いアスペクト比を有する少数のチャネルが好ましい。基本的には、酸素分離器のオフタイムの間の拡散を最小限にするために、径に対する拡散減少チャネルの長さの比は、好ましくは大きい。本明細書において用いられるアスペクト比は、特に、有孔半径Ｒ（ｅｆｆ）に対する拡散減少チャネルの長さｌの比（１／Ｒ（ｅｆｆ））を意味し、有孔半径は、Ａが断面積である場合、Ｒ（ｅｆｆ）＝√（Ａ／π）として定義され得る。

一形態では、少なくとも１つの拡散減少チャネルを有するスペーサが多孔質構造により形成される。例えば、プラスチックから作られ、フィルタ材料として使用可能な多孔質構造が用いられ、例えば、ジェンポア（genpore）社から購入可能である。例示的には、スペーサは、ジェンポア社から購入可能であり、５０ミクロンの孔径及び空隙容量の４０ないし５０％の平均孔密度を有する所謂超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）から形成される。しかしながら、上記に規定された要件を満たす場合には、他の多孔質構造が用いられ得る。

本発明によれば、専ら拡散により引き起こされる浄化領域から酸素分離領域への気体の流れは、著しく減少するか、又は好ましくは完全に回避される。それとは別に、酸素分離器の正常な動作挙動は、拡散減少チャネルにより引き起こされる圧力降下が、最良のケースでは無視されるという事実のために、悪化しないか又は本質的には悪化しない。その結果、本発明に係る酸素分離デバイスは、必須の制限を伴うことなく動作し、それにより、汚染挙動及び従ってメンテナンス挙動を著しく改善する。

本発明によれば、更に、単に、少なくとも１つの拡散減少チャネルを備えたスペーサが酸素分離領域と浄化領域との間に加えられるという事実のために、非常にコストを削減する手段が提供される。従って、上述したような酸素分離デバイスは、容易に、コストを削減して形成される。それにより、上述したような酸素分離デバイスを備えた酸素分離器の制御は、複雑ではない。

それとは別に、本発明に係る酸素分離デバイスは、酸素分離領域及び浄化領域並びにスペーサが１つのシングルデバイスで設けられるという事実のために、非常に小型のデザインで設計され得る。この利点は、好ましくは、ディスク状構造を有するスペーサのような小型のスペーサに少なくとも１つの拡散減少チャネルを配することによって更に一層強調される。更に、複雑な配管及び／又はバルブの要求が回避される。

上述したような酸素分離デバイスは、在宅医療のアプリケーションに関して特に有利であり、当該技術分野において既知の同等の酸素分離デバイスと比較して本質的に改善されたメンテナンス挙動を与え、更に、特に、そのような酸素分離デバイスを備えた酸素分離器の長いオフタイムの後に、不純物に対する敏感さの低下を与える。従って、上記酸素分離デバイスは、長いオフタイムの後でさえも改善された分離挙動を確実にする。

また、特に、携帯型の酸素濃縮器内に存在する酸素分離デバイスは、酸素分離デバイスの制限された空間又は酸素分離材料の制限された量それぞれのために不純物に対して敏感である。例えば、携帯型の酸素濃縮器に関して、酸素分離材料の水の取り込みのような不純物は、例えば、環境下で酸素の選択性の低下を素早くもたらす。従って、本発明に係る装置は、携帯型デバイス又は小型の酸素分離デバイス及び／又は制限された量の酸素分離材料を有するデバイスに関して、特に有利である。

一形態によれば、上記浄化材料は粒子を有し、１つの拡散減少チャネルの断面積Ａ_ｄは、Ａ_ｂ／２＜Ａ_ｄ＜Ａ_ｚ／３の寸法を有しており、式中、Ａ_ｂは浄化材料の粒子の平均断面積に対応し、Ａ_ｚは浄化材料の断面積及び従って酸素分離デバイスの内部の充填された断面積に対応する、及び／又は、上記酸素分離材料は粒子を有し、１つの拡散減少チャネルの断面積Ａ_ｄは、Ａ_ｂ／２＜Ａ_ｄ＜Ａ_ｚ／３の寸法を有しており、式中、Ａ_ｂは酸素分離材料の粒子の平均断面積に対応し、Ａ_ｚは酸素分離材料の断面積及び従って酸素分離デバイスの内部の充填された断面積に対応する。

本願発明者等は、この形態によって、気体が酸素分離デバイスを通って及び従ってスペーサを通って流れる時に特に低い圧力降下が与えられることを見出した。その結果、この形態によれば、浄化領域から酸素分離領域への混在物の拡散が著しく減少し、更に、酸素分離プロセス中の酸素分離デバイスの一般的な動作挙動が負の影響を及ぼされない。これは、酸素分離デバイスの一次側と二次側との間の制限された圧力差を使用する時でさえも、圧力降下が制限された寸法において保持され、良好な動作挙動を可能にするために実現される。これは、圧力差に関する限られた要求での及び従って低コストでの酸素分離器の動作及び形成を可能にする。一般に、１つの拡散減少チャネルの断面積Ａ_ｄは、低い圧力降下を有し、同時に高い混在物の拡散率を有するようにできる限り高く選択される。

他の形態によれば、上記拡散減少チャネルは、スペーサの主方向から外れる方向に向かう少なくとも１つの部分を有している。従って、この形態によれば、拡散減少チャネルは、気体入口部及び気体出口部に対して真っすぐに又は厳密に真っすぐに配されていないが、方向を変えることにより或る構造を有する気体の流路を有している。例えば、拡散減少チャネルは、上記主方向に対して垂直である方向に少なくとも部分的に向かう流路を有している。この形態によれば、拡散減少チャネルの入口部と出口部との間の及び従ってスペーサの１つの側から反対側までの流路の長さはかなり細長く、浄化領域から酸素分離領域までの特に気体の混在物の拡散の著しい減少をもたらす。更に、そのような拡散減少チャネルを有するスペーサ及び従って対応する酸素分離器は、非常に小型の寸法で形成され、これは携帯型デバイスに関して特に有利である。上記スペーサの主方向は、特に、浄化材料から酸素分離収着剤に及び従ってスペーサの入口側（一次側）から出口側（二次側）に向かう理論的に最短の可能な方向に対応する方向、又は、言い換えると、スペーサを通る（理論的な）気体の主な流動方向を意味している。従って、上記主方向は、浄化領域及び酸素分離領域の直線的接続に本質的に対応する。

他の形態によれば、上記拡散減少チャネルは、湾曲構造及び／又は角度のある構造を少なくとも部分的に有している。特に、拡散減少チャネルの１つ以上の湾曲構造及び／又は１つ以上の角度のある構造を与えることにより、特に、１つ以上の湾曲構造及び／又は１つ以上の角度のある構造が拡散減少チャネルの主方向に対して直角に進む面において通過する場合に、流路が著しく細長くされる。それに関して、湾曲構造は、特に、直線ではない又は完全に直線ではなく、円形構造又は半円構造のような１つ以上の湾曲部分を有する構造を意味する。それに対応して、角度のある構造は、特に、完全に直線ではないが、それらの間に角度を形成する方向を持つ部分を有する構造を意味する。

他の形態によれば、上記湾曲構造及び／又は角度のある構造は、らせん体、特に、２次元のらせん体として形成されている。らせん体は、流路及び従って気体が流れる経路長を著しく細長くすることを可能にする。従って、らせん体は、長い流路を形成するのに及び従って拡散強度を著しく低下させるのに特に好適な形態である。それに関して、２次元のらせん体は、特に、カタツムリの殻の形状のような１つの面に進むらせん体を意味する。この構造は、まさしくカタツムリの殻から知られているように厳密に湾曲して形成されていてもよいし、例えば、当該構造内に規定された直線通路を与えることにより角度を付けられていてもよい。それに関して、特に、らせん構造体の入口部及び／又は出口部がこの形態にしないで２次元の形にすることは、当業者には明らかである。

他の形態によれば、それぞれがスペーサの主方向に対して本質的に垂直な面に向かい、例えば、スペーサの主方向に向かう接続部により互いに流体接続される２つの湾曲構造が設けられ、第１の湾曲構造は酸素分離領域に接続され、他の湾曲構造は浄化領域に接続されている、及び／又は、それぞれがスペーサの主方向に対して本質的に垂直な面に向かい、例えば、スペーサの主方向に向かう接続部により互いに流体接続される２つの角度のある構造が設けられ、第１の角度のある構造は酸素分離領域に接続され、他の角度のある構造は浄化領域に接続されている。この形態によれば、それぞれが互いに実質的に平行に位置する面に向かう２つの湾曲及び／又は角度のある構造が設けられる。この形態によれば、ここでも、流路の長さの著しい増大が実現され、浄化領域から酸素分離領域への混在物の拡散の特別な減少をもたらす。これは、特に、デバイスが平坦な例えばディスク状の構造体として形成される場合に、拡散減少チャネルを有する各拡散減少デバイスのモジュール状構造の生成を可能にする。これに従って、拡散減少チャネルの長さの及び従って拡散挙動の大きい適応性が与えられる。勿論、２つの湾曲及び／又は角度のある構造に関して、上述したような角度のある構造とともに湾曲構造を配することが更に可能である。しかしながら、製造上の理由のために、２つ以上の湾曲又は角度のある構造が好ましい。

他の形態によれば、拡散減少チャネルにバルブが配されている。この形態によれば、酸素分離領域と浄化領域との間の流体接続が、特に及び好ましくはオフタイム中のみ、チェックバルブのようなバルブにより完全に閉じられる。その結果、浄化領域から酸素分離領域への気体の混在物の拡散が効果的に妨げられ、オフタイム中の酸素分離収着剤の汚染が確実に及び完全に回避される。それに関して、バルブは、混在物の拡散を回避するためにオフタイム中のみ閉じられるが、通常の動作モードの間は開かれており、その結果、酸素分離デバイスを通る特に酸素分離領域への酸素含有ガスの所望の気体の流れが負の影響を及ぼされない。

これに関連して、それぞれにチェックバルブが設けられた少なくとも２つの拡散減少チャネルが設けられ、少なくとも２つのチェックバルブは逆並列に設けられることが好ましい。この形態によれば、浄化領域から酸素分離領域への接続及び酸素分離領域から浄化領域への接続は、例えば、酸素分離デバイスの一次側と二次側との間に圧力差を与えることにより、気体の流れが酸素分離デバイスを通って押し進められる場合に専ら開かれる。これは、酸素分離デバイスが、酸素含有ガスが酸素分離デバイスを通って一次側から二次側に流れている正常な動作モードにある場合に実現され、それにより、酸素含有ガスから酸素を分離し、純酸素若しくは本質的に純粋な酸素の流れ又は少なくとも酸素濃度の高い気体の流れを与える。酸素分離デバイスが回復モードにある場合、気体は、酸素分離収着剤から窒素のような成分を取り除くため及び、更に、浄化領域において浄化材料から混在物を取り除くために、逆平行の方向に、従って、二次側から一次側に流される。チェックバルブが設けられている場合、そのような酸素分離デバイスを備えた酸素分離器は、酸素分離デバイスの一次側と二次側との間に各圧力差を与えることによりバルブがそれぞれ単独で開閉するという事実のために、複雑な制御を必要としない。それとは別に、浄化領域と酸素分離領域との間に確実で完全な密封が与えられても、拡散減少チャネル及び従って酸素分離デバイスは、コストを削減するように形成され得る。２つのチェックバルブが存在する場合、これらの２つのチェックバルブは逆並列に配されられなければならないことは当業者には明らかである。２つよりも多いチェックバルブが存在する場合、少なくとも２つのチェックバルブが逆並列に配されられなければならず、他のバルブはそれぞれの要求に従って配される。

他の形態によれば、上記酸素分離領域は窒素収着材料を有している及び／又は上記浄化領域は水収着材料を有している。

上記窒素収着材料に関して、シーブベッドを通って酸素含有ガスの流れを案内する際に窒素を吸着するシーブベッドが用いられ得る。従って、シーブベッドは、酸素を通過させ、純酸素若しくは本質的に純粋な酸素又は酸素濃度の高い気体それぞれの流れを生成するために、窒素を収着又は吸着することができるが、酸素と相互作用をしない又あまりしない材料を有している。従って、シーブベッドは、ゼオライト材料、例えば、ＣＥＣＡ社からＳＸＳＤＭの名前の下で購入可能であるシーブ材料のようなリチウムゼオライトを有している。特に、シーブベッドを用いることにより、混在物は、パージプロセスにより除去されるまで浄化領域にとどまることが可能である。

水収着材料を有する浄化材料又は乾燥剤それぞれに関連して、特に、水は、例えばシーブベッドにより一種の平衡を形成する混在物であり、従って、定常状態にある際に本質的に正常な動作モード中の酸素分離デバイスの酸素分離挙動を悪化させない。しかしながら、例えば、酸素分離デバイスがオフにされ、平衡状態のままである場合、水は、従来技術に従って酸素分離収着剤の方へ容易に移動する。その結果、特に、混在物が水を有している場合、乾燥剤を与えることが有利であり、メンテナンス挙動及び酸素分離についての選択性を改善する。それとは別に、浄化材料にシーブベッドを用いることにより、混在物を除去又は脱着し、それらを浄化材料に固定することが特に有効である。その結果、特にシーブベッドを用いることにより、この形態に係る装置は特に有利である。

乾燥剤に関して、基本的に、任意の乾燥剤が用いられ得る。例えば、メルク（Merck）社からシカペント（sicapent）の名の下で購入可能であるような五酸化リンが用いられる。更に、例示的な乾燥剤は、アルミナ、シリカゲル又は活性炭を有している。これは、制限された重量での高い乾燥能力という利点を有している。乾燥能力に関して、乾燥能力は、温度、負荷等のような与えられた条件における各材料の上流の分圧又は空気中における残留含水量により決定される。更に、酸素分離材料に関して説明されたような乾燥剤層を形成する乾燥剤に関して、同じ収着剤が用いられ得る。

本発明は、更に、本発明に係る及び従ってオプションで上述した特徴の１つ以上を有する上述したような少なくとも１つの酸素分離デバイスを有する酸素分離器に関連している。この酸素分離器は、更に、酸素分離デバイスの一次側と二次側との間に圧力差を作る圧力調節デバイスを有している。

上記圧力調節デバイスという用語は、酸素分離デバイスの一次側と二次側との間に圧力差を生成することができる任意のデバイスのことを指している。圧力調節デバイスは、例えば、酸素分離デバイスの一次側に接続される気体圧縮デバイス又は酸素分離デバイスの二次側に接続される真空ポンプである。

従って、上記に規定されたような酸素分離器は、少なくとも１つの酸素分離デバイスを有している。よって、上記酸素分離器は、専ら１つの酸素分離デバイスを有していてもよいし、１つよりも多い複数の酸素分離デバイスを有していてもよい。例えば、酸素分離器は、２つの酸素分離デバイスを有しており、概して、圧力スイング吸着システム（ＰＳＡシステム）を形成する。

そのような酸素分離器は、例えば、メンテナンス挙動に関して著しい改善を可能にする。詳細には、特に、酸素分離器のオフタイム後に、酸素分離デバイスの活性部分の汚染挙動が著しく減少する。

本発明に係る酸素分離器の他の技術的特徴及び利点に関しては、酸素分離デバイスの説明及び図面に言及されている。

一形態によれば、酸素分離デバイスを加熱する加熱デバイスが設けられる。この形態によれば、脱着ステップが改善される。例示的には、これは、特に、酸素分離材料が混在物として水を有する場合のケースである。従って、加熱デバイスは、浄化領域又は浄化材料それぞれのみに対して作用することが好ましい。加熱量及び従って適用される温度及び時間は、用いられる酸素分離デバイス及び脱着すべき混在物に依存する。

更に他の形態によれば、並列に配された２つの酸素分離デバイスが設けられ、それぞれが、酸素とは別の酸素含有ガスの少なくとも１つの成分を収着することにより酸素含有ガスから酸素を分離することができ、混在物により汚染され得る酸素分離収着剤を具備する少なくとも１つの酸素分離領域を有し、上記酸素分離デバイスのそれぞれは、更に、少なくとも１つの混在物から酸素含有ガスを浄化する浄化材料を具備する浄化領域を有しており、上記酸素分離領域及び上記浄化領域は、少なくとも１つの拡散減少チャネルを有する少なくとも１つのスペーサにより流体接続され、スペーサはｒ_Ｒ＞１の拡散減少値ｒ_Ｒを有している。これによれば、それぞれが上述したように又は以下に説明されるように配された２つの酸素分離デバイスが設けられる。この形態によれば、酸素分離器は、例えば、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システム又は真空スイング吸着（ＶＳＡ）システムとして設計され得る。特に、これらの吸着システムについて考えることにより、本願は有利である。詳細には、１つの分離デバイスが通常の動作モードにある場合、他の分離デバイスはパージモードにあり得る。しかしながら、パージの手続きが、１つの酸素分離デバイスが適切に動作する時間よりも短い場合、第１の酸素分離デバイスに対してパージステップが必要とされる前に、他の酸素分離デバイスはオフモードにある。上記オフモードの間に、例えば、混在物が酸素分離領域に拡散することは、メンテナンス挙動の著しい改善が達成される本発明に従って防止される。

上記酸素分離器の他の利点及び技術的特徴に関しては、酸素を生成する方法の説明、図面及び図面の説明に言及されている。

本発明は、更に、酸素分離デバイス又は酸素分離器それぞれの使用により酸素含有ガスから酸素を分離する方法に関連しており、本発明によれば、この方法は、酸素の発生の第１のサイクルを実行するステップであって、上記第１のサイクルは、酸素含有ガスを酸素分離デバイスの一次側に案内するステップ及び酸素分離デバイスの一次側と二次側との間に圧力差を作ることにより酸素分離デバイスを通る酸素の流れを生成するステップを有し、浄化領域が混在物により汚染され得る当該第１のサイクルを実行するステップと、酸素の発生の第２のサイクルを実行するステップであって、上記第２のサイクルは、酸素含有ガスを酸素分離デバイスの一次側に案内するステップ及び酸素分離デバイスの一次側と二次側との間に圧力差を作ることにより酸素分離デバイスを通る酸素の流れを生成するステップを有し、浄化領域２１、２３が混在物により汚染され得る当該第２のサイクルを実行するステップとを有し、酸素分離デバイスが、上記第１のサイクルと上記第２のサイクルとの間でオフモードに変えられ、酸素分離領域と浄化領域とを流体接続し、少なくとも１つの拡散減少チャネルを有するスペーサにより、混在物は、浄化領域から分離領域に拡散することを少なくとも部分的に妨げられ、上記スペーサがｒ_Ｒ＞１の拡散減少値ｒ_Ｒを有するものである。

上述したような方法は、用いられる酸素分離デバイスの汚染挙動の著しい改善を可能にする要求に応じた酸素を生成する方法を提供する。結果として、メンテナンス挙動の著しい改善が達成される。

上記酸素を生成する方法の他の利点及び技術的特徴に関しては、酸素分離器の説明、図面及び図面の説明が参照される。

本発明のこれらの観点及びその他の観点は、以下に説明される実施形態から明らかであり、以下に説明される実施形態を参照して解明されるであろう。

図１は、本発明に係る酸素分離デバイスを有する装置の一実施形態の模式図を示している。 図２は、本発明に係る酸素分離デバイスの一実施形態の模式図を示している。 図３は、本発明に係る酸素分離デバイスの他の実施形態の模式図を示している。 図４は、本発明に係る酸素分離デバイスの他の実施形態の模式図を示している。 図５は、本発明に係る酸素分離デバイスのためのスペーサの一実施形態の模式図を断面図で示している。 図６は、図５に係るスペーサのサブ構造の模式図を示している。 図７は、図５に係るスペーサの他のサブ構造の模式図を示している。

図１には、酸素を生成する酸素分離器１０が模式的に示されている。酸素分離器１０は、例えばＣＯＰＤの治療の分野における治療用アプリケーションに対して酸素を生成するために用いられ得る。酸素分離器１０は、例えば、病院内でそれを用いるために固定装置として設計されてもよいし、例えば、在宅ケアのアプリケーションの分野においてそれを用いるために携帯用デバイスであってもよい。しかしながら、酸素分離器１０は、更に、例えば、飛行機内で又は溶接の目的のために、純酸素又は本質的に純粋な酸素が与えられなければならない任意のアプリケーションに用いられ得る。そのような酸素濃縮器又は酸素分離器それぞれは、EverGoと呼ばれるようなフィリップスレスピロニクス社から購入可能である酸素濃縮器に基づいていてもよい。

酸素分離器１０は、酸素含有ガスから酸素を分離することができる少なくとも１つの酸素分離デバイス１２を有している。しかしながら、酸素分離器１０は、並列に配された少なくとも２つの酸素分離デバイス１２、１４を有していることが好ましい。以下に、２つの酸素分離デバイス１２、１４に関して本発明が説明される。しかしながら、単に１つの酸素分離デバイス１２を用いることによって又は２つよりも多い酸素分離デバイス１２、１４を用いることによって、どの特徴も対応して与えられることは当業者には明らかである。各酸素分離デバイス１２、１４は、シーブベッドとして形成され、混在物により、例えば、水又は二酸化炭素により汚染され得る、酸素分離領域２０、２２に具備された酸素分離収着剤１６、１８を備えている。酸素分離収着剤１６、１８は、特に、酸素の流れを著しく妨げることなく酸素を通過させるが、酸素含有ガス中に存在する他の成分と相互作用する又は他の成分を吸収するようにそれぞれ構成されている。空気が酸素含有ガスとして用いられる場合、酸素分離材料１６、１８は窒素を吸収するように構成されることが好ましい。好適な酸素分離材料１６、１８は、リチウムゼオライト材料のようなゼオライト材料を有している。しかしながら、例えば、圧力スイング吸着又は真空スイング吸着プロセスのようなスイングプロセスのために用いる当該技術分野において既知のあらゆる好適な酸素分離材料１６、１８を用いることが可能である。

更に、酸素分離デバイス１２、１４は、酸素含有ガスの流れから混在物を取り除く浄化材料１７、１９を具備する浄化領域２１、２３を有している。一実施形態では、浄化材料１７、１９は、酸素分離材料１６、１８と同じである。しかしながら、浄化材料１７、１９は、選択される混在物に対して親和性を有する化合物又は他の化合物の混合物であってもよい。非限定的な例では、浄化材料１７、１９は、乾燥剤である。

酸素分離領域２０、２２及び浄化領域２１、２３は、それぞれ、主に固体の収着剤１６、１８；１７、１９を所定の場所に固定する各フィルタ１３、１５により閉じられており、各収着剤１６、１８；１７、１９の損失を防止する。例えば、フィルタ１３、１５は、気体を通すが、用いられる収着剤１６、１８；１７、１９に対しては非透過性である径を有する孔部を持つ有孔板として設計され得る。

酸素分離領域２０、２２及び浄化領域２１、２３は、更に、図２ないし図６を参照して詳細に説明される少なくとも１つの拡散減少チャネル８０、８２を有する少なくとも１つのスペーサ７６、７８により流体接続されている。また、スペーサ７６、７８は、酸素分離領域２０、２２と浄化領域２１、２３との間の拡散減少領域２５、２７に位置している。しかしながら、全体として、拡散減少チャネル８０、８２及びスペーサ７６、７８は、スペーサ７６、７８がｒ_Ｒ＞１の拡散減少値ｒ_Ｒを有する点において、浄化領域２１、２３から酸素分離領域２０、２２への混在物の拡散を低減するように構成されている。

酸素含有ガスの流れを酸素分離デバイス１２の気体入口部２９に一次側において案内する入口伝導部２４が設けられている。それに対応して、酸素含有ガスの流れを酸素分離デバイス１４の気体入口部３１に一次側において案内する入口伝導部２６が設けられている。更に、酸素分離デバイス１２、１４から酸素濃度の高い気体又は純酸素をそれぞれ案内する出口伝導部２８、３０が、各酸素分離デバイス１２、１４の気体出口部３３、３５に接続されている。

酸素分離デバイス１２、１４の入口伝導部２４、２６は、酸素分離器１０の入口部３２に接続されている。入口部３２には、ガス貯蔵デバイス又は酸素分離器１０の周囲の空気のような酸素含有ガスのソースが接続されている。また、酸素分離デバイス１２、１４の一次側と二次側との間に圧力差を作る圧力調整デバイスが設けられていてもよい。図１によると、コンプレッサ３４が、酸素含有ガスを圧縮し、それを入口伝導部２４、２６の一部である又は入口伝導部２４、２６に接続される入口伝導部３６、３８を通って酸素分離デバイス１２、１４へと押し進める（force）ように設けられている。コンプレッサ３４の上流又は下流には、酸素含有ガスの第１のクリーニングステップを与えるために入口フィルタ４０が設けられている。詳細には、特に固体粒子が酸素含有ガスから濾過される。

酸素含有ガスが酸素分離デバイス１２、１４を介して断続的に案内されることを可能にするために、入口伝導部３６、３８に入口バルブ４２、４４が設けられている。本発明に係るバルブは、ガスの流れを可能にする、ガスの流れを抑制する及び／又はガスの流量を調節する任意のデバイスであるべきである。その結果、酸素含有ガスは、バルブ４４を閉じ、バルブ４２を開くことによって第１の酸素分離デバイス１２を通って案内され、バルブ４４を開き、バルブ４２を閉じることによって第２の酸素分離デバイス１４を通って案内される。それに対応して、チェックバルブのようなバルブ４６が出口伝導部２８に設けられており、チェックバルブのようなバルブ４８が出口伝導部３０に設けられている。第１の酸素分離デバイス１２を通って酸素含有ガスを案内することにより、バルブ４６が開かれ、バルブ４８が閉じられる。対応して、第２の酸素分離デバイス１４を通って酸素含有ガスを案内することにより、バルブ４８が開かれ、バルブ４６が閉じられるべきである。

バルブ４６、４８の下流では、生成された酸素を蓄積するために、出口伝導部２８、３０が、それぞれ、酸素アキュムレータ５０又はガスタンクに接続されている。酸素アキュムレータ５０は出口ライン５２に接続されており、出口ライン５２には、純酸素の流れを制御するために流量制御器５４が設けられている。その他に、純度センサ５６が、生成された酸素の純度を監視するために出口ライン５２に設けられている。更に、追加のフィルタ５８が、生成された酸素が出口部５５に案内される前の出口ライン５２に設けられている。出口部５５から、生成された酸素濃度の高いガスが、患者のような所望のアプリケーションに案内される。

第１の酸素分離デバイス１２の出口伝導部２８及び第２の酸素分離デバイス１４の出口伝導部３０は、バルブ４６、４８の上流において相互伝導部６０により接続されており、相互伝導部６０には、オリフィス又は流量制御器のような流量調節器６２が設けられている。これは、目的物をパージするため及び従って酸素分離デバイス１２、１４を回復させるために、生成された、例えば、酸素分離デバイス１２において生成された酸素の規定された部分を他の酸素分離デバイス１４を通って戻るように案内することを可能にし、その逆の生成された、例えば、酸素分離デバイス１４において生成された酸素の規定された部分を他の酸素分離デバイス１２を通って戻るように案内することも可能にする。これに関連して、パージライン６４、６６が酸素分離デバイス１２、１４の一次側に設けられており、パージライン６４、６６は、それぞれ、バルブ６８、７０を有している。酸素が回復の目的のために酸素分離デバイス１２、１４を通って二次側から一次側へ案内される場合、流出物はパージライン６４、６６及び排気部７２を通って選択的に案内される。

更に、酸素分離デバイス１２を加熱する加熱デバイス７４が設けられていてもよい。加熱デバイス７４は、酸素分離デバイス１２、１４全体に対して作用してもよいし、回復の目的のために浄化領域２１、２３のような特定の領域だけを加熱してもよい。一般に、当該技術分野において既知のあらゆる加熱デバイス７４が用いられ得る。例えば、加熱コイルが設けられ得る。

酸素分離デバイス１２、１４及び特に拡散減少チャネル８０、８２を有するスペーサ７６、７８の一実施形態の詳細な図が、図２ないし図６に示されている。

図２によれば、酸素分離デバイス１２、１４は、浄化材料１７、１９を具備する浄化領域２１、２３と、酸素分離収着剤１６、１８を具備する酸素分離領域２０、２２とを有している。浄化材料１７、１９を具備する浄化領域２１、２３と酸素分離収着剤１６、１８を具備する酸素分離領域２０、２２との間には、拡散減少領域２５、２７が設けられており、拡散減少領域２５、２７にはスペーサ７６、７８が形成されている。スペーサ７６、７８は、浄化材料１７、１９を具備する浄化領域２１、２３と酸素分離収着剤１６、１８を具備する酸素分離領域２０、２２とを流体接続する少なくとも１つの拡散減少チャネル８０、８２を有している。スペーサ７６、７８は、浄化材料１７、１９から酸素分離収着剤１６、１８への特に気体の混在物の拡散を低減又は完全に回避するために、ｒ_Ｒ＞１の拡散減少値ｒ_Ｒを有している。

それにより、スペーサ７６、７８は、酸素分離デバイス１２、１４の内部に組み入れられ得る。スペーサ７６、７８は、特に、浄化領域２１、２３及び酸素分離領域２０、２２と比較して同じ周囲を有している。例えば、スペーサ７６、７８は、管状又は円形構造を有している。スペーサ７６、７８は、酸素分離デバイス１２、１４のサイズの増大を最小限にするようにできる限り構築物（building）の側を減らすため、できる限り短く設計される。

更に、浄化材料１７、１９及び酸素分離収着剤１６、１８を所定の場所に保持するフィルタ１３、１５が示されている。拡散減少領域２５、２７に隣接して位置するフィルタ１３、１５と拡散減少チャネル８０、８２又はスペーサ７６、７８との間には、各気体容積部（gas volume）８４、８６が設けられている。この気体容積部８４、８６は、拡散減少チャネル８０、８２を通って気体の流れを案内するために浄化材料１７、１９若しくは酸素分離収着剤１６、１８からの気体の流れを集めるのに又は拡散減少チャネル８０、８２から浄化材料１７、１９若しくは酸素分離収着剤１６、１８それぞれへのガスの流れを散乱させるのに役立つ。気体容積部８４、８６は、浄化領域２１、２３、酸素分離領域２０、２２及び／又は拡散減少領域２５、２７の一部であり得る。更に、拡散減少チャネル８０、８２の入口部８１、８３及び出口部８５、８７が示されている。しかしながら、入口部及び出口部の標記がガス流の１つの流れの方向を指し、図示されている標記が酸素分離デバイス１２、１４の一次側から二次側へのガスの流れのことを指すことは当業者には明らかである。酸素分離デバイス１２、１４の二次側から一次側に流れるガス流を与えると、入口部として示されている場所は、勿論、出口部としての役割を果たし、出口部として示されている場所は入口部としてとしての役割を果たす。

例示的なやり方では、拡散減少値ｒ_Ｒは以下のように計算される。

まず第１に、特徴的汚染長又は言い換えれば浄化材料依存ファクタＺが計算される。拡散減少チャネル８０、８２の典型的な場所及び従って一次側における酸素分離デバイス１２、１４の気体入口部２９、３１からの拡散減少チャネル８０、８２の距離Ｌ_ｚは、Ｌ_ｚ＝３ｃｍである。それとは別に、浄化材料１７、１９の及び従ってゼオライトベッドのような酸素分離デバイス１２、１４の内部の典型的な径は、例えば、円形状である場合、ｄ_ｚ＝５．４ｃｍである。その結果、断面積Ａ_ｚは、Ａ_ｚ＝（π／４）ｄ_ｚ ^２＝２２．９ｃｍ^２と計算され得る。０．６５４の拡散補正係数を用いることにより、Ｚ＝（ｆ_ｗ×Ａ_ｚ）／Ｌ_ｚである浄化材料依存ファクタＺは４．９８９ｃｍである。

第２に、分離器依存ファクタＳが計算される。例えば、それぞれ（１．１８１ｍｍの径及び従って（π／４）ｄ_ｚ ^２＝２２．９ｃｍ^２の場合、）４．３８３ｍｍ^２の断面積Ａ_ｄで３．１７５ｍｍの長さＬ_ｄを持つ２つの拡散減少チャネルを有すると（Ｎ＝２）、Ｓ＝Ｌ_ｄ／（Ｎ×Ａ_ｄ）であるスペーサ依存パラメータは、３．６２２×１／ｃｍと計算される。

上記の計算が円筒形の浄化領域及び円筒形の酸素分離領域を持つ円筒型の酸素分離デバイスに特に適合することは、当業者には明らかである。しかしながら、厳密な円筒形状から離れた場合、例えば、各断面積に達することは、全ての平均の径又は断面積を計算することにより可能である。

従って、ｒ_Ｒ＝Ｚ×Ｓである拡散減少値ｒ_Ｒは１８．０７１と計算され、これは本発明に係る要件を満たす。ｒ_Ｒ＝１が二等分された拡散に対応すると考えると、拡散率の著しい減少が達せられることが明らかになる。それに対応して、ｆ_ｒｅｄ＝１＋ｒ_Ｒである混在物拡散率の減少ファクタｆ_ｒｅｄが１９．０７１と計算される。

他の例に関して、同じ浄化領域２１、２３であるが、異なるスペーサ７６、７８を有すると、拡散減少値ｒ_Ｒは以下のように計算される。この例は、３．１７５ｍｍの長さＬ_ｄ及び７．５４８ｍｍ^２の断面積を持つ５つの拡散減少チャネル８０，８２（Ｎ＝５）を有するスペーサ７６、７８のことを指し、Ｓ＝Ｌ_ｄ／（Ｎ×Ａ_ｄ）であるスペーサ依存パラメータは、０．８４１×１／ｃｍと計算される。その結果、ｒ_Ｒ＝Ｚ×Ｓである拡散減少値ｒ_Ｒは４．１９７と計算され、これは、依然として拡散減少の著しい減少である。それに対応して、ｆ_ｒｅｄ＝１＋ｒ_Ｒである汚染拡散速度の減少ファクタｆ_ｒｅｄが５．１９７と計算される。

図３には、本発明に係る酸素濃縮器１０のための酸素分離デバイス１２、１４の他の実施形態が模式的に示されている。図３に係る実施形態に関して、同じ参照符号は、図２と比較して同じ又は対応する特徴を規定している。図３によれば、拡散減少チャネル８０，８２内にバルブが配されている。詳細には、図３によれば、２つの拡散減少チャネル８０，８２が設けられており、それらのそれぞれには、チェックバルブ８８、９０が設けられ、チェックバルブ８８、９０は逆並列に設けられている。

図４には、酸素濃縮器１０の他の実施形態が示されている。図４に係る実施形態に関して、同じ参照符号は、図２及び図３と比較して同じ又は対応する特徴を規定している。図４には、拡散減少チャネル８０，８２が、スペーサ７６、７８の主方向から外れる方向に少なくとも部分的に向かう少なくとも１つの部分を有することが示されている。図４は、拡散減少チャネル８０，８２の長さが著しく大きくなり、酸素分離領域２０、２２に対して浄化領域２１、２３に存在する混在物の拡散率の著しい減少をもたらすことを示している。更に、入口部８１、８３から出口部８５、８７まで拡散減少チャネルの角度のある構造が見られる。加えて、容積部８４、８６は、以下の図により明らかであるような円形構造として形成され得る。

図５ないし図７には、図４に係る実施形態がより詳細に示されており、図６及び図７はスペーサ７６、７８の各サブ構造を示している。図５ないし図７から分かるように、スペーサ７６、７８は、各サブ構造を組み立てることにより形成され得る。

図５には、スペーサ７６、７８が断面図で示されている。スペーサ７６、７８は円形状を有しており、ディスクのような形をしていることが分かる。スペーサ７６、７８は、１つの部品として形成されていてもよいし、１つよりも多い部品、例えば、２つのフラットディスク状デバイスとして形成された２つの部品９２、９４を有していてもよい。拡散減少チャネル８０，８２のような各流路は、２つの部品９２、９４が互いに隣接して配された際にダクトを作り出す部品９４、９２の１つの一面の溝凹部（grooved recess）により形成され得る。それにより、溝部を位置調整（line up）するために、部品９２、９４が互いに隣接して配され、回転するよう、専ら同じデバイスが両方の部品９２、９４に用いられるので、部品９２、９４は対称に形成され得る。代替として、１つの部品９２、９４は溝部を有する一方で、他の部品９２、９４は形成されるダクトの壁部を作り出す。ガス流動構造体が各部品９２、９４の各サイドに設けられる場合、ダクトを閉じる各閉鎖部が設けられ得る。異なるサイドに設けられた拡散減少チャネル８０，８２を接続するために、２つ以上の湾曲構造体を接続する接続部９６が設けられている。結果として得られる拡散減少チャネル８０，８２の長さは、２つのディスクを互いに回転させることにより変えられる。

浄化材料１７、１９全体及び酸素分離収着剤１６、１８全体それぞれにわたってガス流を集め、分散させることが望ましいので、容量部８４、８６は、ディスク状構造体の上面及び底面に及び好ましくは拡散減少チャネル８０，８２の両側の面に設けられる円形状のチャネルとして設計され得る。容量部８４、８６は、拡散減少チャネル８０，８２の一部であってもよい。フィルタ１３、１５が容量部８４、８６の表面に隣接して配されると、各容量部８４、８６又はチャネルは、それぞれ、浄化材料１７、１９及び酸素分離収着剤１６、１８全体を通る気体の流れを分配する及び／又は集める流路を作り出す。その場合、気体は、拡散減少チャネル８０，８２に及び／又は拡散減少チャネル８０，８２からガス流を案内するために接続部９６を通って流れる。

この実施形態に関して、図２に関連して説明された浄化領域２１、２３と同じ浄化領域２１、２３を有しているが、異なるスペーサ７６、７８を有すると、拡散減少値ｒ_Ｒは以下のように計算される。この例は、９０ｍｍの長さＬ_ｄ及び１２ｍｍ^２の断面積を持つ１つの拡散減少チャネル８０，８２（Ｎ＝１）を有するスペーサ７６、７８のことを指し、Ｓ＝Ｌ_ｄ／（Ｎ×Ａ_ｄ）であるスペーサ依存パラメータは、７５×１／ｃｍと計算される。その結果、ｒ_Ｒ＝Ｚ×Ｓである拡散減少値ｒ_Ｒは３７４．１６５と計算される。この実施形態によれば、拡散の非常に大きな減少が達せられることが分かる。それに対応して、ｆ_ｒｅｄ＝１＋ｒ_Ｒである混在物拡散率の減少ファクタｆ_ｒｅｄが３７５．１６５と計算される。

酸素分離器１０の使用により酸素含有ガスから酸素を分離する方法は、酸素の発生の第１のサイクルを実行するステップであって、上記第１のサイクルは、酸素含有ガスを酸素分離デバイス１２、１４の一次側に案内するステップ及び酸素分離デバイス１２、１４の一次側と二次側との間に圧力差を作ることにより酸素分離デバイス１２、１４を通る酸素の流れを生成するステップを有する当該第１のサイクル実行ステップと、酸素の発生の第２のサイクルを実行するステップであって、上記第２のサイクルは、酸素含有ガスを酸素分離デバイス１２、１４の一次側に案内するステップ及び酸素分離デバイス１２、１４の一次側と二次側との間に圧力差を作ることにより酸素分離デバイス１２、１４を通る酸素の流れを生成するステップを有する当該第２のサイクル実行ステップとを有し、酸素分離デバイス１２、１４が、第１のサイクルと第２のサイクルとの間にオフモードに変えられ、酸素分離領域と少なくとも１つの拡散減少チャネルを有する浄化領域とを流体接続するスペーサにより、混在物が浄化領域２１、２３から分離領域２０、２２に拡散することを少なくとも部分的に妨げられ、スペーサは、ｒ_Ｒ＞１の拡散減少値ｒ_Ｒを有するものである。

本発明が、図面及び前述の説明において詳細に図示され、説明されたが、そのような図示及び説明は、実例の又は代表的なものであり、限定的ではないと考えられるべきできある。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。開示された実施形態に対する他の変形例が、図面、この開示及び添付の特許請求の範囲の研究から特許請求の範囲に係る発明を実行する際に当業者により理解され、もたらされる。特許請求の範囲において、「有する（comprise）」という語は他の構成要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数を排除するものではない。或る方策が互いに異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの方策の組み合わせが有利に用いられないことを示してはいない。特許請求の範囲におけるいかなる参照符号もが、範囲を限定するように解釈されるべきではない。

Claims (14)

1. 一次側において酸素含有ガスの流れを酸素分離デバイスに案内する気体入口部と、
   二次側において前記酸素分離デバイスから酸素濃度の高い気体の流れを案内する気体出口部と、
   前記気体入口部側に位置し、酸素分離収着剤を汚染し得る少なくとも１つの混在物を前記酸素含有ガスから除去する浄化材料を具備する浄化領域と、
   前記気体出口部側に位置し、前記酸素含有ガスにおける酸素とは別の少なくとも１つの成分を収着することにより前記酸素含有ガスから前記酸素を分離する酸素分離収着剤を具備する少なくとも１つの酸素分離領域と、
   を有する当該酸素分離デバイスであって、
   前記酸素分離領域及び前記浄化領域は、気体の混在物の拡散率を制限するための少なくとも１つの拡散減少チャネルを有するスペーサにより流体接続され、前記スペーサはｒ_Ｒ＞１の拡散減少値ｒ_Ｒを有し、
   前記拡散減少値ｒ_Ｒは、ｒ_Ｒ＝Ｚ×Ｓであり、Ｚは、特徴的混在長であり、Ｓは、前記スペーサの特徴パラメータであり、前記特徴的混在長Ｚは、Ｚ＝（ｆ_ｗ×Ａ_ｚ）／Ｌｚとして定義され、ｆ_ｗは、前記酸素分離収着剤の拡散補正係数（０．６５４）であり、Ａ_ｚは、前記酸素分離収着剤の断面積であり、Ｌ_ｚは、前記一次側における前記酸素分離デバイスの前記気体入口部からの前記拡散減少チャネルの距離であり、前記スペーサの特徴パラメータＳは、Ｓ＝Ｌ_ｄ／（Ｎ×Ａ_ｄ）として定義され、Ａ_ｄは、前記スペーサにおけるダクトの断面積であり、Ｌ_ｄは、前記拡散減少チャネルの長さであり、Ｎは、前記スペーサの前記ダクトの数である、
   酸素分離デバイス。
2. 前記スペーサがｒ_Ｒ＞１００の拡散減少値ｒ_Ｒを有する、請求項１記載の酸素分離デバイス。
3. 前記浄化材料が粒子を有し、１つの拡散減少チャネルの断面積Ａ_ｄがＡ_ｂ／２＜Ａ_ｄ＜Ａ_ｚ／３の寸法を有する、及び／又は、前記酸素分離収着剤が粒子を有し、１つの拡散減少チャネルの断面積Ａ_ｄがＡ_ｂ／２＜Ａ_ｄ＜Ａ_ｚ／３の寸法を有し、Ａ_ｂが前記酸素分離材料の粒子の平均断面積に対応し、Ａ_ｚが前記酸素分離収着剤の断面積に対応する、請求項１記載の酸素分離デバイス。
4. 前記拡散減少チャネルが、前記スペーサの主方向から外れる方向に向かう少なくとも１つの部分を有する、請求項１記載の酸素分離デバイス。
5. 前記拡散減少チャネルが、湾曲構造及び／又は角度のある構造を少なくとも部分的に有する、請求項４記載の酸素分離デバイス。
6. 前記湾曲構造及び／又は前記角度のある構造がらせん体として形成された、請求項５記載の酸素分離デバイス。
7. それぞれが前記スペーサの主方向に対して本質的に垂直な面に向かい、互いに流体接続される２つの湾曲構造が設けられ、第１の湾曲構造が前記酸素分離領域に接続され、他の湾曲構造が前記浄化領域に接続された、及び／又は、それぞれが前記スペーサの主方向に本質的に対して垂直な面に向かい、互いに流体接続される２つの角度のある構造が設けられ、第１の角度のある構造が前記酸素分離領域に接続され、他の角度のある構造が前記浄化領域に接続された、請求項５記載の酸素分離デバイス。
8. 前記拡散減少チャネルにバルブが配された、請求項１記載の酸素分離デバイス。
9. それぞれにチェックバルブが配された少なくとも２つの拡散減少チャネルが設けられ、少なくとも２つのチェックバルブは逆並列に配された、請求項８記載の酸素分離デバイス。
10. 前記酸素分離領域が窒素収着材料を有する、及び／又は、前記浄化領域が水収着材料を有する、請求項１記載の酸素分離デバイス。
11. 請求項１記載の少なくとも１つの酸素分離デバイスを有し、
    前記酸素分離デバイスの一次側と二次側との間に圧力差を作る圧力調節デバイスを更に有する、酸素分離器。
12. 前記酸素分離デバイスを加熱する加熱デバイスが設けられた、請求項１１記載の酸素分離器。
13. 並列に配され、それぞれが、酸素とは別の酸素含有ガスの少なくとも１つの成分を収着することにより酸素含有ガスから酸素を分離することができ、混在物により汚染され得る酸素分離収着剤を具備する少なくとも１つの酸素分離領域を有する２つの酸素分離デバイスが設けられ、前記酸素分離デバイスのそれぞれは、少なくとも１つの混在物から酸素含有ガスを浄化する浄化材料を具備する浄化領域を更に有し、前記酸素分離領域及び前記浄化領域は、少なくとも１つの拡散減少チャネルを有する少なくとも１つのスペーサにより流体接続され、前記スペーサはｒ_Ｒ＞１の拡散減少値ｒ_Ｒを有する、請求項１１記載の酸素分離器。
14. 請求項１記載の酸素分離デバイスの使用により酸素含有ガスから酸素を分離する方法であって、前記方法は、
    酸素の発生の第１のサイクルを実行するステップであって、前記第１のサイクルは、酸素含有ガスを酸素分離デバイスの一次側に案内するステップ及び前記酸素分離デバイスの一次側と二次側との間に圧力差を作ることにより前記酸素分離デバイスを通る酸素の流れを生成するステップを有し、前記浄化領域が混在物により汚染され得る当該第１のサイクルを実行するステップと、
    酸素の発生の第２のサイクルを実行するステップであって、前記第２のサイクルは、酸素含有ガスを酸素分離デバイスの一次側に案内するステップ及び前記酸素分離デバイスの一次側と二次側との間に圧力差を作ることにより前記酸素分離デバイスを通る酸素の流れを生成するステップを有し、前記浄化領域が混在物により汚染され得る当該第２のサイクルを実行するステップと
    を有し、
    前記酸素分離デバイスが、前記第１のサイクルと前記第２のサイクルとの間でオフモードに変えられ、
    前記酸素分離領域と前記浄化領域とを流体接続し、気体の混在物の拡散率を制限するための少なくとも１つの拡散減少チャネルを有するスペーサにより、前記混在物が、前記浄化領域から前記分離領域に拡散することを少なくとも部分的に妨げられ、前記スペーサがｒ_Ｒ＞１の拡散減少値ｒ_Ｒを有し、
    前記拡散減少値ｒ_Ｒは、ｒ_Ｒ＝Ｚ×Ｓであり、Ｚは、特徴的混在長であり、Ｓは、前記スペーサの特徴パラメータであり、前記特徴的混在長Ｚは、Ｚ＝（ｆ_ｗ×Ａ_ｚ）／Ｌｚとして定義され、ｆ_ｗは、前記酸素分離収着剤の拡散補正係数（０．６５４）であり、Ａ_ｚは、前記酸素分離収着剤の断面積であり、Ｌ_ｚは、前記一次側における前記酸素分離デバイスの前記気体入口部からの前記拡散減少チャネルの距離であり、前記スペーサの特徴パラメータＳは、Ｓ＝Ｌ_ｄ／（Ｎ×Ａ_ｄ）として定義され、Ａ_ｄは、前記スペーサにおけるダクトの断面積であり、Ｌ_ｄは、前記拡散減少チャネルの長さであり、Ｎは、前記スペーサの前記ダクトの数である、
    方法。

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