JP6604950B2 - 急速診断を備える酸素分離器 - Google Patents

Description

本発明は、酸素分離の分野に関する。より具体的には、本発明は、酸素を含むガス（気体）から酸素を分離するように構成される少なくとも２つの酸素分離装置(device)を用いる機器(apparatus)に関する。少なくとも２つの酸素分離装置は、それぞれ、酸素を含むガスを受け取る第１の端と、酸素に富んだガスを給送する第２の端とを含み、等化ダクトが、少なくとも２つの酸素分離装置のそれぞれの第２の端に流体的に連結される。

本発明は、更に、酸素を含むガスから酸素を分離する方法に関し、方法は、酸素に富んだガスを生成するために酸素分離器を作動させるステップを含み、酸素分離器は、酸素を含むガスから酸素を分離する、少なくとも２つの酸素分離装置を含み、等化ダクト内に酸素に富んだガスの等化流量を生成することによって酸素分離器を等化し、等化ダクトは、少なくとも２つの分離装置のそれぞれの第２の端を流体的に連結する。

酸素療法は、治療的介入としての酸素の投与である。酸素療法は、肺への酸素の供給の増大、故に、異なる体組織への酸素の有用性(availability)の増大が必要とされる、慢性及び急性の両方の使用者ケアにおける様々な介入のために用いられてよい。酸素療法は、使用者の必要に応じて、病院及び／又は家庭を含む、異なる環境設定において用いられてよい。

酸素に富んだガスを使用者に提供するために、数多くの投与方法が提案されている。酸素に富んだガスを使用者に提供する既知の方法は、酸素濃縮器による。酸素濃縮器は、商業的に入手可能であり、使用者の必要を充足するよう、異なる大きさ及び効率(efficiencies)において提供される。それらの酸素濃縮器は、周囲空気から酸素を分離することができ、従って、酸素に富んだガスを使用者に提供し、窒素に富んだガスを酸素濃縮器の周囲に排出することができる。それらの既知の酸素濃縮器は、酸素に富んだガスの「オンデマンド」(“on-demand”)の又は連続的な流れをもたらすことがある。

酸素濃縮器によって酸素を含むガスから酸素を分離する方法が、ＷＯ１９９８／５６４８８から知られている。この文献は、ガス状の混合物が加圧下で物理的な分離媒体のベッド(bed)に供給され、物理的な分離媒体は、少なくとも１つの吸着可能な成分を吸着し、第２のベッドが排気(evacuated)されている間に混合物の少なくとも１つの実質的に吸着不能な成分を通すことを開示している。吸着可能な成分を吸着するガス状混合物供給ベッドの能力(capacity)に達する前に、ベッドは、ガスがベッドの間で流れる（即ち、流体連絡する）のを可能にすることによって、圧力平衡に向かって導かれる。ガス流がベッドの間で案内される間に、ガス状混合物の供給及びベッドの排気(evacuation)が逆転させられる。即ち、ガス状混合物は今まで排気されていたベッドに供給され、今までガス状混合物が供給されていたベッドは排気される。ガス状混合物の供給及びベッドの排気の逆転に続き、圧力等化流が終了させられる。これらのステップは周期的に繰り返されて、吸着不能な成分の連続的な生産をもたらす。

使用者に提供されるべき酸素に飛んだガスの酸素濃縮（又は純度）が酸素濃縮器の動作条件の修正（複数の修正）によって悪影響を受けることが、既知の酸素濃縮器の欠点である。従って、酸素濃縮器の修正（複数の修正）又は変更（複数の変更）の後に、使用者に供給されるべき酸素に富んだガスの安定的且つ連続的な酸素濃度（又は純度）をもたらすために、酸素濃縮器を改良する必要がある。

使用者に提供されるべき酸素に富んだガス中の酸素の安定的な濃度（又は純度）をもたらすために、酸素分離器の動作条件の修正に反応する酸素分離器を提供することが、本発明の目的である。より具体的には、酸素分離器の１つ又はそれよりも多くの分離装置が、ガス分離器の動作条件が修正され且つ／或いは変更される事象の後でさえも、絶えずそれらの最大ガス分離能力付近で作動させられるのを可能にすることが、本発明の目的である。

本発明によれば、この目的は、第１のガスセンサが酸素に富んだガスの少なくとも１つの成分を監視するように構成され、且つ、制御装置がガスセンサによる監視に基づき酸素分離器を制御するように構成されるように、等化ダクトが等化ダクト内に設けられるガスセンサを含むことにおいて実現される。そのような構成は、少なくとも２つの酸素分離装置による流体混合物からの１つの組成物(compound)の分離を制御するよう、より良好な診断プロセスをもたらす。

この目的は、酸素を含むガスから酸素を分離する方法によって更に達成され、当該方法は、等化ダクト内に設けられるガスセンサによって、１）等化ダクト内の酸素に富んだガスの少なくとも１つの成分を監視するステップ、及び２）制御装置を介してガスセンサによる監視に基づき酸素分離器を制御するステップを含む。

本発明は、酸素を含むガスを酸素に富んだガスに分離する少なくとも２つの酸素分離装置が、以下に更に記載するように、周期的に「フィード」段階(“feed” phase)及び「パージ」段階(“purge” phase)にあり、サイクルが「等化」段階(“equalization” phase)によって散在させられることの実現に基づく。「フィード」段階は、所与の瞬間に、加圧された酸素に富んだガスが１つの酸素分離装置によって生成され、貯蔵され、且つ使用者に給送される、段階であると表現されてよい。この生成される酸素に富んだガスは、低圧で、他の酸素分離装置を換気するために用いられてもよく、そのような動作は「パージ」段階としても知られる。「フィード」段階及び「パージ」段階は、通常、制御装置によって制御される多数の流量コントローラによって制御される。典型的には、２つの酸素分離装置は、酸素を含むガスから酸素を分離するよう、適切な選択的に吸着する材料(adsorbing material)で充填される。それにより、吸収材料(sorbent material)は、流体混合物から、少なくとも１つの組成物を吸収し(sorb)、よって、吸着する(adsorb)、或いは吸収する(absorb)、材料として理解されてよく、流体混合物は、その混合物の少なくとも１つの更なる組成物よりもずっと良好な、ガス状の混合物或いは１つ又はそれよりも多くのガス及び１つ又はそれよりも多くの液体を含む混合物のような、流体混合物である。２つの酸素分離装置は、それぞれ、それぞれの酸素分離装置に入るよう酸素を含むガスの加圧された流れを導き且つ窒素に富んだガスの流れを（使用者の周囲において）酸素濃縮器の外側に導く入口ダクトに連結される第１の端と、第２の端とを含み、第２の端によって、酸素に富んだガスは、「フィード」段階の間に、出口ダクトを介して少なくとも２つの酸素分離装置から出ることができ、且つ／或いは、「パージ」段階の間に、そのような酸素分離装置に入ることができる。

例えば、酸素分離器は、２つの酸素分離装置を含んでよく、よって、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）システムを概ね形成してよい。しかしながら、酸素分離器は、真空スイング吸着法（ＶＳＡ）システム又は真空圧力スイング吸着法（ＶＰＳＡ）システムを形成してもよい。例示的なシステムにおいて、サイクルの第１の段階において、酸素を含むガスは高圧フィードで酸素分離装置内への「流入」(“inflow”)として送られ（「フィード」段階）、窒素はこの装置内で吸着されるよう維持され、酸素に富んだガスが製品タンク又は容器（製品側）内への流出「製品」(outflowing “product”)として収集される。サイクルの第２の段階において、分離装置は再生される、即ち、生成される酸素に富んだガスの一部のようなパージガスが、例えば、低圧パージで装置内に戻され、従前に吸着された窒素は、周囲大気中に排気として放出される（「パージ」段階）。適切な選択的な酸素分離吸収剤で充填された２つの分離装置が用いられるとき、一方の装置は、より高い圧力で富化酸素ガス(enriched-oxygen gas)を生成する「フィード」段階にあるのに対し、他の装置は、より低い圧力で「パージ」段階にある。特定の時間の後に、それぞれに配置される流量コントローラが切り換えられ、両方の装置はそれらの役割を交換する。

酸素分離装置の段階の変更（即ち、「フィード」段階から「パージ」段階への変更又は「パージ」段階から「フィード」段階への変更）の合間において、２つの酸素分離装置の内圧を平衡させるよう、「等化」段階が起こってよい。そのような等化段階を達成する方法は、酸素分離装置の第１の端のいずれかに案内される酸素を含むガスの加圧流の不存在による。代替的な方法では、酸素を含むガスの流れが、低圧で酸素分離装置の第１の端のいずれかに案内される。圧力平衡は、２つの酸素分離装置のそれぞれの第２の端に連結される等化ダクトによって可能にされる。詳細には、例えば、ＰＳＡサイクルの効率は、フィード段階の後に第１の装置内に貯蔵される圧縮空気エネルギの部分が、第２の装置を中間圧力まで加圧するために再使用されるならば、増大する。この目的のために、短い「等化」段階が動作サイクルの主要段階の間に挿入され、短い「等化」段階の間に、両方の装置は等化ダクトによってそれらの製品側（それぞれの第２の端）で接続される。

本発明は少なくとも２つの酸素分離装置（例えば篩ベッド(sieve beds)）に関して有利である。何故ならば、それらはそれらの分離能力において決して全く同じでないからである。この非対称性の結果、より小さい窒素能力を備えるものが先ず急増する(breakthrough)。急増は、吸収材料の飽和(saturation)の結果であり、それはこの吸収材料が所要の成分を吸着する(adsorb)（或いは吸収する(absorb)）ことの不能をもたらすことがある。この急増はプロセス全体の過剰に増大する振動(oscillations)を引き起こすことがあり、それは酸素に富んだガスの酸素濃度の減少を引き起こす。換言すれば、そのような急増は、酸素分離器の製品側において、吸着されるべき（或いは吸収されるべき）成分、例えば、窒素の増大を引き起こし、それは、極端な場合には、酸素分離装置に送られるガスの加圧された流れの成分の濃度が、そのような酸素濃縮装置によって出力されるガスの流れにおける成分の濃度と同じであるか或いはほぼ同じであることを意味する。等化ダクト内のセンサ、好ましくは、ガスセンサの存在は、これらの振動の開始(onset)の決定を可能にし、２つの酸素分離装置のうちのどれが急増に入っているかを評価する関連情報をもたらす。このセンサ情報を用いるならば、酸素分離器が最適な対称的な動作条件に戻るように、酸素分離器の動作条件の修正が制御装置によって達成されることがある。結果として得られるセンサ信号は、分離プロセスを制御する、換言すれば、使用者に提供されるべき酸素に富んだガス内への窒素の急増を回避する、確実なプロセス診断を可能にする。

制御装置によるセンサ信号の使用は、動作条件、例えば、温度又は湿度の１つ又はそれよりも多くの修正の結果として、酸素に富んだガスの酸素濃度（又は純度）の変動を減少させるのを可能にする。そのような利点は、動作条件が酸素分離装置内に含まれる吸収材料の吸着能力に対する影響を有することから生じる。

本発明の他の利点は、極めて効率的な動作の型(operating regimes)での酸素分離器の動作条件を保証することである。極めて効率的な動作の型は、例えば、分離装置内への断熱的な電力入力が低い型である。「等化」段階の間のガス成分を監視（例えば、検出、例えば、測定）して、起こり得る窒素急増を検出し或いは監視し得る、等化ダクト内でのセンサの使用は、制御装置によって制御されるような所望の極めて効率的な型において、少なくとも２つの酸素分離装置のＰＳＡシステムを操作するための前提条件であってよい。

本発明の他の利点は、酸素分離装置の分離能力付近で酸素濃縮装置を操作することが装置のより良好なエネルギ効率を保証することである。

好適な実施態様において、ガスセンサは、「等化」段階の間に等化ダクト内の酸素に富んだガスの少なくとも１つの成分の濃度を監視（例えば、検出、例えば、測定）するように構成される。この構成は、「等化」段階の間に少なくとも１つの成分の正確な監視をもたらすよう、酸素に富んだガス中の酸素の濃度の直接的な決定をもたらし、従って、制御装置によってシステムの動作条件の正確な制御をもたらすという利点を有する。

他の実施態様において、ガスセンサは、酸素と窒素との間を区別し得る。この実施態様は、センサが「等化」段階の間に等化ダクト内の酸素又は窒素の増大又は減少を測定するのを可能にするという利点を有する。そのような実施態様は、酸素に富んだガス情報の素早い区別を制御装置にもたらすという利点を有する。何故ならば、センサは、例えば、従前は「フィード」段階にあった酸素分離装置の飽和状態についての、直接的な監視をもたらすからである。

他の実施態様において、制御装置は、「フィード」段階の間に生成される酸素に富んだガスの濃度及び／又は組成及び／又は純度に対する影響を有する少なくとも１つのパラメータを制御し得る。そのような少なくとも１つのパラメータは、酸素分離器が、酸素分離装置の最大ガス分離能力付近で、酸素を含むガスを分離するのを可能にする。この構成は、酸素分離器の動作条件の起こりうる修正に拘わらず、酸素に富んだガスの一定の濃度及び／又は組成及び／又は純度を可能にする。それを進めるために、少なくとも１つのパラメータは、分離期間、流量コントローラ制御、圧力制御、又は使用中の分離装置の群から選択されるのが望ましい。

他の実施態様において、少なくとも２つの酸素分離装置の各々の酸素分離装置のそれぞれの第１の端は、排気ダクト(exhaust duct)に流体的に連結されて、排気ガス（窒素に富んだガス）を酸素分離器から周囲環境内に案内する。そのような排気ダクトは、排気ガスのそのような流れにおける排気ガスの少なくとも１つの成分を監視（例えば、検出、例えば、測定）するように構成される第２のガスセンサを含むのが好ましい。酸素分離器の効率に関する第２の組（セット）のデータが制御装置又は任意の装置に提供されるよう、第２のガスセンサは、装置から換気されるガスに関連する情報を提供する。この実施態様は、酸素分離器の少なくとも１つのパラメータをより効率的に制御するよう、酸素分離装置のより一層良好な診断をもたらすという利点を有する。排気ダクトは、酸素分離装置のそれぞれの第１の端に連結される１つのダクトであってよく、代替的に、それは、各ダクトが酸素分離装置の第１の端にそれぞれ連結される、２つのダクトであってよい。

他の実施態様において、第２のガスセンサは、排気ガスの少なくとも１つの成分の濃度を検出するように構成される。この構成は、システムから換気される窒素及び／又は酸素の濃度の直接的な監視をもたらすという利点を有する。この構成は監視の精度レベルを向上させるのを可能にし、それにより、酸素分離器のパラメータをより効率的に制御することに関して、酸素分離装置のより良好な診断を可能にする。

他の実施態様において、制御装置は、第１のガスセンサによって並びに第２のガスセンサによって受信される監視データに基づき、酸素分離器を制御するように構成される。２つの酸素分離装置によって生成される酸素に富んだガスの濃度（又は純度）に対する影響を有する酸素分離パラメータ及び酸素濃縮器の増大された制御が達成されることがあるように、そのような第２のセンサが監視するデータは、等化ダクト内のガスセンサ（第１のガスセンサ）の監視データと組み合わせられて、制御装置にますます多数の関連する監視データを提供する。それを進めるために、少なくとも１つのパラメータが分離期間、流量コントローラ制御、圧力制御、又は使用中の分離装置の群から選択されるのが望ましい。

他の実施態様において、酸素分離器は、等化ダクトを通じる酸素に富んだガスの流れを制御するように構成される少なくとも１つの等化流量コントローラ（弁）を更に含む。そのような等化流量コントローラは、等化ダクト内への富化酸素ガスの流れを開放する或いは閉塞する或いは部分的に可能にする可能性を提供する。その結果、等化ダクトは、酸素分離器の効率の減少を防止するために、「フィード」段階及び／又は「パージ」段階の間に閉塞されてよい。

他の実施態様において、酸素分離器は、パージダクト(purging duct)を更に含み、パージダクトは、「パージ」段階の間に少なくとも２つの酸素分離装置のうちの１つの酸素分離装置の第２の端から他の酸素分離装置の第２の端への酸素に富んだガスの流れを制御するように構成されるパージ流量コントローラを含む。酸素分離装置の各々の酸素分離装置の第２の端に流体的に連結されるパージダクトの利点は、「パージ」段階の間に専用ダクトを可能にすることである。そのような専用ダクトは、少なくとも１つの流量コントローラによって、等化ダクトのセンサが専ら「等化」段階の間に求められ、従って、センサの飽和を回避することを可能にする。代替的に、等化ダクトはパージダクトとして作用することもでき、その場合には、用いられるべきセンサ、代替的に、センサの処分(disposition)は、センサが「等化」段階以外の他の段階において飽和させられない或いは影響されないように選択されることが認められるであろう。

他の実施態様では、少なくとも１つの製品流量コントローラが、貯蔵タンク又はアキュムレータ内への酸素に富んだガスの製品流を制御するように構成される。貯槽は、酸素に富んだガスが使用者に給送される前に、それを貯蔵し、酸素分離器の段階に拘わらず、使用者へのガスの一定の流れを可能にする。この構成は、即ち、使用者への酸素に富んだガスの一定の流れを可能にするという利点を有する。加えて、それはそのような酸素分離装置の動作条件の変更の結果として修正されるように構成される酸素分離器の１つ又はそれよりも多くのパラメータの制御の更なる監視地点を可能にする。

本発明に従った方法は、酸素を含むガスから酸素を分離する少なくとも２つの酸素分離装置を含む、酸素に富んだガスを生成する酸素分離器を操作するステップと、等化ダクト内に酸素に富んだガスの等化流を生成することによって酸素分離器を等化するステップであって、等化ダクトは、少なくとも２つの酸素分離装置のそれぞれの第２の端に流体的に連結する、ステップと、等化ダクト内に設けられる第１のガスセンサを用いて、等化ダクト内に酸素に富んだガスの少なくとも１つの成分を監視するステップと、制御装置を介して、第１のガスセンサによる決定に基づき、酸素分離器を制御するステップとを含む。この方法は、結果として得られるセンサ信号が、酸素を含むガスからの酸素の分離プロセスを制御する確実なプロセス診断を可能にするという利点を有する。換言すれば、本方法は、使用者に本質的に提供されるべき酸素に富んだガス内への窒素の急増の回避を可能にする。窒素のそのような急増は、酸素に富んだガスの酸素濃度（又は純度）の減少を招く、処理プロセス全体の過剰に増大する振動を引き起こすことがある。提案される方法は、これらの振動の開始の決定を可能にし、センサデータを介して関連情報を提供して、制御装置又は任意の他の装置が２つの酸素分離装置のうちのどれが急増に入っているかを評価するのを可能にする。ガスセンサの信号から等化ダクト内に提供されるこの情報を用いるならば、酸素分離器及び酸素分離装置が最適な対称的な動作条件に戻るように、制御装置による酸素分離器の少なくとも１つの動作条件の修正が達成されることがある。その上、提案される方法は、使用者に提供されるべき酸素に富んだガスの酸素濃度（又は純度）の変動の回避を可能にする。

この方法の他の利点は、極めて効率的な動作の型での酸素分離器の動作条件を保証することである。極めて効率的な動作の型は、例えば、分離装置内への断熱的な圧縮電力入力が低い型である。起こり得る窒素急増を識別するために「等化」段階の間の１つ又はそれよりも多くのガス成分を監視（例えば、検出、例えば、測定）するために構成される等化ダクト内へのガスセンサの使用は、制御装置によって制御される、所望の極めて効率的な型における少なくとも２つの酸素分離装置のＰＳＡシステムを操作するときに、有利なことがある。

この方法の更なる利点は、酸素分離装置の分離能力付近で酸素濃縮装置を操作することが、装置のより良好なエネルギ効率を保証することである。

酸素を生成する方法の更なる利点及び技術的構成に関して、酸素分離器の記述、図面、及び図面の記述が参照される。

ここにおいて用いるとき、酸素を含むガス(oxygen comprising gas)という用語は、ガス状の酸素を少なくとも部分的に含むガスを指すことがある。従って、酸素に富んだガス(oxygen-enriched gas)という用語は、酸素を含むガスに比べてより高い濃度のガス状の酸素を有するガスを特に指し、その極端な場合には、純酸素ガスで構成される。

ここにおいて用いるとき、酸素分離器(oxygen separator)という用語は、酸素に富んだガスを提供するのに必要な酸素濃縮器の部分を指すことがある。酸素分離器は、例えば、少なくとも２つの酸素分離装置(oxygen separation device)、１つ又はそれよりも多くのダクト、１つ又はそれよりも多くのセンサを含み、制御装置又はプロセッサによって制御されてよい。

ここにおいて用いるとき、ダクト(duct)という用語は、任意の流路(canal)、チューブ(tube)、パイプ(pipe)、又はある地点から他の地点までガスの流れを案内する他の手段を指すことがある。

酸素分離装置(oxygen separation device)という用語は、酸素を含むガスから酸素を分離し得る装置を指すことがある。これは、例えば、濾過(filtration)、吸収(absorption)、又は吸着(adsorption)によって達成されてよい。それは、酸素に富んだガスをもたらすために、例えば、酸素を含むガスから窒素並びに他の不純物を吸着し得る吸収材料を収容する容器を含んでよい。酸素を含むガスは、その第１の端によってそのような容器に入るように案内され、窒素及び他の不純物は吸着され、酸素に富んだガスが産出される。

吸収材料(sorbent material)という用語は、少なくとも１つのガスを吸着し或いは吸収し得るあらゆる材料を意味する。窒素を含むガス（例えば周囲空気）から窒素を吸着し得る吸着材料(adsorbing material)の非限定的な例は、ナトリウムゼオライト又はリチウムゼオライトのような、ゼオライトである。

ここにおいて用いるとき、酸素濃縮器(oxygen concentrator)という用語は、酸素に富んだガスを使用者に提供し得る装置を指すことがある。そのような装置は、例えば、少なくとも１つの酸素分離装置を含む酸素分離器を含むが、使用者が酸素に富んだガスを受け取るのを可能にする他の全ての手段も含む。

ここにおいて用いるとき、流量コントローラ(flow controller)という用語は、（追加的なエネルギ源を必要とせず、弁上流の十分な過剰圧力をもたらす機械的な変位(displacement)によって機能してよい）受動的な弁を指すことがある。そのような弁（複数の弁）は、一方向性又は双方向性であってよい。流量コントローラは、ガス流を許容する、ガス流を妨げる、且つ／或いはガス流の量を調整することがある、装置であると理解されるであろう。

酸素分離装置の第１の端という用語は、酸素を含むガスが酸素分離装置に入る、酸素分離器の側を指すことがある。周囲空気であってよい、酸素を含むガスは、酸素分離装置の第１の端に向かって能動的に又は受動的に案内される。第１の端は、分離のパージ段階において、酸素の乏しいガス（窒素に富んだガス）の流れを放出するために用いられてもよい。

酸素分離装置の第２の端という用語は、酸素に富んだガスが酸素分離装置から出る、酸素分離装置の側を指すことがある。一例として、酸素を含むガスは、その第１の端によって、酸素分離装置に入ってよく、成分は吸収材料によって吸着され、酸素富化を含むガス(oxygen-enriched comprising gas)は、そのような第２の端によって、酸素分離器から出る。

ここにおいて用いるとき、センサ(sensor)という用語は、物理量を監視し得る並びに監視データを制御装置が読み取り得る信号に変換し得るあらゆる装置、プロセッサ、又は任意の他の手段を指してよい。

最適な対称的な動作条件(optimum symmetric operating condition)は、それらの最適な分離能力(separation capacity)付近での酸素分離装置の動作を指すことがある。

酸素分離器の１つのパラメータという用語は、１つ又はそれよりも多くの酸素分離装置によって生成される酸素に富んだガスの酸素濃度に対する直接的又は間接的な影響を有することがある、あらゆるパラメータ、機能を指すことがある。例えば、非限定的に、パラメータは、ガスが酸素分離装置の第１の端と第２の端との間を取る時、ガスが酸素分離器の異なる要素を通過する圧力、酸素分離器内の異なる流量コントローラの制御、酸素分離器の内側のガスの温度、使用中の分離装置であってよい。

本発明のこれらの及び他の特徴は、以下に記載する実施態様から明らかであり、それらを参照して解明されるであろう。

添付の図面を参照して、ほんの一例によって、本発明の実施態様を今や記載する。

本発明の実施態様に従った酸素分離器を図式的に示す図である。 「等化」段階の間の本発明の分離器に従った酸素分離器を示す概略図である。 本発明に従った酸素分離装置の軸方向座標に対する「フィード」段階の間の窒素濃度を示すグラフである。

今や、添付の図面を参照して、特定の実施態様をより詳細に記載する。以下の記載において、同等の図面参照番号は、異なる図面においてさえも、同等の要素のために用いられる。詳細な構造及び要素のような本記述中に定められる事項は、例示的な実施態様の包括的な理解を助けるために提供される。しかしながら、そのように特別に定められる事項がなくても、実施態様を実施し得る。また、周知の機能及び構造を詳細に記載しない。何故ならば、それらは不要な詳細で実施態様を曖昧にするからである。その上、「少なくとも１つの」のような表現は、要素のリストに続くとき、要素の全リストを修飾し、リストの個々の要素を修飾しない。「１つの実施態様」の構成が他の実施態様の構成と矛盾しない限り、「１つの実施態様」という用語は、それと調和する全ての他の構成と共に、関連付けられる構成の開示であると解釈されるべきである。

図１は、本発明に従った酸素分離器１００を図式的に示している。そのような酸素分離器１００は、例えば、使用者の体調を考慮して酸素療法を必要とする使用者に投与されるべき、酸素に富んだガスを生成するために用いられてよい。酸素分離器１００は、酸素濃縮器（図示せず）の部分であり、酸素濃縮器は、例えば、それを病院内で使用するために、静止的な構成として設計されてよく、或いは、酸素濃縮器は、例えば、それを在宅看護用途の分野において使用するために、持ち運び可能な装置であってよい。酸素分離器１００は、純粋であり得る或いは本質的に純粋であり得る高濃度の酸素が、例えば航空機内で或いは溶接目的のために、提供されなければならない、あらゆる用途のために、更に用いられてよいことが分かるであろう。

ここにおいて記載する酸素分離器１００は、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）の既知のプロセスに基づく。前記プロセスは、高圧の下で固体表面によって吸着されがちである、ガスの物理的特性に依存する。ＰＳＡプロセスは、１つ又はそれよりも多くのガスを含むガス混合物（周囲空気が例である）からガスを分離するために用いられる。何故ならば、異なるガスは異なる吸着係数で固体表面に引き付けられるからである。

本発明に従った酸素濃縮器（図示せず）は、周囲空気（酸素を含むガス）の流れを高圧で酸素分離器１００に送り得るコンプレッサ又はポンプ１１５を含む。より正確には、周囲空気の濾過（フィルタリング）された流れは、送り流量コントローラ１１７ａ，１１７ｂによって、２つの酸素分離装置１０１，１０２の第１の端に向かって案内される。周囲空気の流れは、入口ダクト１２０によって酸素分離器１００に案内される前に、フィルタ１１６によって濾過されるのが好ましい。代替的に、フィルタは、コンプレッサ１１５がガスの高圧流を生成する後に位置付けられてよい。

少なくとも２つの酸素分離装置１０１，１０２の各々は、吸着材料(adsorbing material)で充填される。２つの酸素分離装置のそれぞれの第１の端１０１ａ，１０２ａは、「フィード」段階)(“feed” phase)の間に、高圧で周囲空気の濾過された流れを受け取り、「パージ」段階 (“purge” phase)の間に、窒素に富んだガスの流れを換気する(ventilate)ように構成される。「フィード」及び「パージ」段階を以下に更に記載する。窒素に富んだガスのそのような流れは、酸素濃縮器（図示せず）の流出地点に向かって流出流量コントローラ１１８ａ，１１８ｂを介して流出ダクト１２１によって案内され、次に、使用者の周囲領域内で放出される。代替的に、パージ段階の間に換気される窒素に富んだガスはシステム内に残ってよく、「フィード」段階中に酸素分離装置１０１，１０２の第１の端に案内される酸素を含むガスの高圧流と混合されてよい。

本発明に従った酸素を含むガス（例えば周囲空気）からの酸素の分離を進めるために、以下に更に記載するように、ＰＳＡサイクルの４つの別個の段階(位相)は、周期的に行われるのが好ましい。それらの４つの段階が特有に記載されるとしても、当業者は類似の結果を達成する他の方法を予見することがあり、それらの実施例は本発明の限定と考えられてならない。例えば、「フィード」段階及び「パージ」段階は、同時に行われよい。換言すれば、酸素分離装置１０１，１０２のうちの１つが加圧されて、その「フィード」段階に入るとき、他の酸素分離装置１０１，１０２は加圧されないで、その「パージ」段階に入る。当業者は、酸素に富んだガスを生成するために、酸素分離装置１０１，１０２が周期的に段階外(off-phases)で作動するのが好ましいことを理解するであろう。この「フィード」及び「パージ」段階は、交互に作動しており、その場合、一方の酸素分離装置１０１，１０２には、分離されるべき濾過された周囲空気の流れが高圧で供給され、どちらの酸素分離装置１０１，１０２に酸素に富んだガスの流れが低圧で供給されるかは、酸素分離装置１０１，１０２で用いられる吸着材料の物理的特性によって明らかにされ得る。その場合、同時に飽和させられる両方の酸素分離装置１０１，１０２の吸着材料を有することは最適でない。代替的に、２つのベッド(bed)は一致して働き(work in phase)、吸着材料によって吸着される窒素の換気(ventilation)は、本記述中に記載されるものと代替的な方法において達成される必要がある。

「フィード」段階の間に、加圧された濾過された周囲空気は、入口ダクト１２０及び流量コントローラ１１７ａ，１１７ｂを介して、酸素分離装置の第１の端に案内される。酸素分離装置内に収容される選択される吸収材料(sorbent material)の吸着特性の結果として、濾過される周囲空気内に含まれる窒素が吸着材料によって吸着され、酸素分離装置１０１，１０２内に残る。吸収材料は、濾過される周囲空気内に含まれる酸素が吸着されないか、或いはその第２の端１０１ｂ、１０２ｂによって酸素分離装置から出るガスの流れが酸素に富んだガスであるよう限定的に吸着されるように、選択される。次に、酸素に富んだガスは、パージダクト１０３内を案内されて、製品タンク又は貯槽１１０に至る。パージダクト１０３に案内される酸素富化を含むガス(oxygen-enriched comprising gas)の流れは、「パージ」段階のために用いられるのに対し、酸素富化を含むガスは、使用者１１３に給送されるよう、出口ダクト１２５によって製品タンク又は貯槽１００に案内される。製品貯槽１００は、使用者１１３に投与される前に、酸素に富んだガスを、酸素分離装置１０１，１０２によって濃縮されたものとして貯蔵する。製品貯槽１１０内の酸素に富んだガスの流れは、そのような酸素に富んだガスが使用者１１３に投与される前に、製品流量調整器１０８，１０９によって調整される。

２つの酸素分離装置１０１，１０２のそれぞれの２つの端１０１ａ，１０２ｂは、「パージ」段階において用いられるパージダクト１０３(purge duct)を介して流体連絡し、その段階を以下に更に説明する。「パージ」段階は、主目的として、従前に吸着された窒素から吸着材料を除去する。この段階は、「フィード」段階にある酸素分離装置の第２の端１０１ｂ，１０２ｂから「パージ」段階にある酸素分離装置の第２の端１０１ｂ，１０２ｂに向かってパージダクト１０３によって案内される酸素に富んだガスの低圧の流れによって主に達成される。「パージ」段階は、窒素に富んだガスが、「パージ」段階にある酸素分離装置１０１，１０２の第１の端１０１ａ，１０２ａから流出ダクト１２１を介して酸素濃縮器（図示せず）の流出地点に向かって流れるように、構成される。パージダクト１０３は、酸素に富んだガスが、「フィード」段階にある酸素分離装置から「パージ」段階にある酸素分離装置に、酸素分離装置の第２の端１０１ｂ，１０２ｂ内で流れるのを可能にするために、パージ流量コントローラ１０４、好ましくは、二方向流量コントローラを含む。当業者はこのパージされた流量コントローラ１０４が能動的又は受動的であり得ることを理解するであろう。

本発明に従った好適な実施態様において、２つの酸素分離装置のそれぞれの２つの端１０１ｂ，１０２ｂは、その上、等化ダクト１０５を介して流体連絡する。等化ダクト１０５は、「等化」段階(“equalization” phase)の間に開放するだけであるのが好ましく、それを図３の記載によって以下に更に詳述する。「等化」段階の目的の１つは、２つの酸素分離装置１０１，１０２の内圧の平衡(equilibrium)であり、周囲空気の加圧流は、酸素分離装置の２つの第１の端１０１ａ，１０２ａのいずれにも案内されず、代替的に、周囲空気の加圧流は、酸素分離装置１０１ａ，１０２ａのいずれか又は全部に案内される。この等化ダクト１０５は、少なくともセンサ１０６、好ましくは、ガスセンサと、等化流量コントローラ１０７とを含む。当業者は、センサ１０６が、等化ダクト１０５内に流入する酸素に富んだガスの少なくとも１つの成分の監視（例えば、検出、例えば、測定）を可能にする如何なる場所に位置付けられてもよいことを理解するであろう。代替的に、ガスセンサ１０６は、等化ダクト１０５内に流入する酸素富化を含むガスの流れの成分の相対的な又は絶対的な濃度を測定し得る。好ましくは、センサ１０６は、酸素センサ又は窒素センサである。等化流量コントローラ１０７は、「等化」段階の間に等化ダクト１０５内のガスの流れを可能にし、且つ「フィード」及び「パージ」段階の間に等化ダクト１０５へのアクセスを遮断するように構成される。特に等化ダクトが使用中にパージダクトでもあるならば、当業者はこの構成を異なって予見し得ることが理解されよう。ガスセンサ１０６は、「等化」段階の間に酸素に富んだガスの少なくとも１つの成分を検出するように構成され、制御装置又はプロセッサ１１９と電子通信する。制御装置１１９は、酸素分離器の少なくとも１つのパラメータを制御し得る。

目下の例示的な実施態様によれば、パージ段階において、同様に、フィード段階において、等化ダクトは、等化センサ１０６測定に影響を及ぼす有意な量の酸素に富んだガスを受け取らない。その結果、制御装置１１９は、この等化センサ１１９の読取りによって影響されず、次に、他のセンサ手段１１４，１１２、例えば、純度センサによって制御される。代替的に、等化センサ１０６は「パージ」段階の間に非アクティブ化され或いは無能化されてよく、それは等化流量コントローラ１０７の使用を任意的にし、パージダクト及び等化ダクトとして代替的に作用する等化ダクトを有する。

図２は、本発明に従った「等化」段階の間の酸素分離器２００の実施例を概略的に示している。そのような「等化」段階は、両方の酸素分離装置２０１，２０２が、それらの相対的な内圧において圧力平衡に達するのを可能にする。何故ならば、両方の酸素分離装置２０１，２０２は、パージダクト２０３及び等化ダクト２０５を介して流体連絡するからである。それらの物理的な特性に考慮すると、２つの酸素分離装置２０１，２０２は、全く同じ吸着能力(adsorption capacities)を有さない。故に、類似の段階内へのそれらの内圧は異なる。

例示的なシナリオにおいて、「パージ」及び「フィード」段階に続いて、酸素分離装置のうちの１つ２０１が過剰に加圧されるのに対し、他の酸素分離装置２０２は過小に加圧される。その上、酸素分離装置の各々のうちに収容される吸収材料の飽和は抗される。何故ならば、加圧された酸素分離装置２０１は、その飽和地点付近にあるか或いはその飽和地点に達したのに対し、他の酸素分離装置は、窒素がないか或いは窒素が殆どないからである。等化ダクト２０５は、等化流量コントローラ２０７、好ましくは、加圧される酸素分離装置の結果として開放位置と閉塞位置との間で切り替わる二方向流量コントローラと連結される。等化流量コントローラ２０７は、過剰に加圧される酸素分離装置２０１から過小に加圧される酸素濃縮装置２０２への流れを案内するように構成される。

本発明に従ったこの「等化」段階内で、コンプレッサ（図示せず）はシステム内でガスの流れを生成せず、或いは、代替的に、コンプレッサは、２つの酸素分離装置２０１，２０２の間の平衡が影響を受けないよう、低圧のガスの流れを生成する。他の実施態様において、コンプレッサは、加圧されたガスの流れを生成し、それは、流れが酸素分離装置の１つ又はそれよりも多くを通じて案内されないよう、入口流量コントローラ２１７ａ，２１７ｂ及び入口ダクトの手段を介して酸素濃縮器（図示せず）の周囲領域に案内される。

「等化」段階における最大窒素濃度は、典型的には、「フィード」段階及び「パージ」段階における窒素濃度よりも２〜３倍高い。更に、「等化」段階中に酸素分離装置２０１，２０２の間で交換されるガス容量は、典型的には、「パージ」段階中に酸素分離装置から出るガス容量よりも２倍大きい。第１のガスセンサ２０６は、等化段階の間に等化ダクト２０５を通じて案内されるガスの流れの少なくとも１つの成分を測定するように配置される。結果として得られるセンサ信号は、制御装置２１９による分離プロセスを制御するよう、確実なプロセス診断を可能にする。そのような制御は、「フィード」段階の間に生成される酸素富化を含むガス中の窒素の「急増」(“breakthrough”)を回避し、それは酸素に富んだガスの酸素濃度（又は純度）の変動を回避する利益を有し、そして、ある実施態様では、所要の電力入力を最小限化する利益を有する。第１のガスセンサ２０６による監視は、制御装置によって用いられるように構成され、その場合には、結果的に、システムの１つ又はそれよりも多くのパラメータが変更され且つ／或いは修正されることがある。

第１のガスセンサ２０６によって行われる監視は、酸素分離装置２０１，２０２の動作条件の修正に鑑みて変動する。吸収材料の吸着能力(adsorption capacity)は、幾つかの要因、例えば、非限定的に、湿度、温度、外圧によって影響を受け、等化ダクト２０５内のガスの流れの少なくとも１つの成分を測定するように構成される第１のセンサ２０６は、制御装置又はプロセッサ２１９による動作条件の迅速な診断を可能にする。例えば、コンプレッサ２１５、異なる流量コントローラ２１７ａ，２１７ｂ、製品流量コントローラ２０８，２０９、パージ流量コントローラ２０４を介して、動作条件が修正されるように、幾つかの手段を予見し得る。代替的に、コンプレッサによって生成される圧力又は異なる流量コントローラの位置の変化の間の時間が変更されてよい。

酸素分離器２００が１つだけの酸素分離装置と協働することがあるとしても、当業者は２つの酸素分離装置を使用することが酸素に富んだガスのほぼ連続的な生産を可能にすることを理解するであろう。等化段階を可能にするために、本記述は、酸素に富んだガスが、加圧された酸素分離装置内で、そのような第２の酸素分離装置を少なくとも部分的に加圧するために、減圧された酸素分離装置の圧力を等化することがあるよう、互いに流体連絡する少なくとも２つの空気分離装置を開示する。

等化ダクト内の等化流量コントローラ２０７及び第１のガスセンサ２０６の代替として、本発明はこの実施態様に限定されず、そのような第１のガスセンサ２０６及びそのような等化流量コントローラは、それらが等化ダクト２０５内又は上の酸素に富んだガスの流れの観点においてここに記載する機能を達成するのに適した、如何なる場所に位置付けられてもよい。例えば、第１のガスセンサ２０６は、等化ダクト２０５の近傍にあってよいのに対し、等化流量コントローラ２０７は、等化ダクトの２つの末端開口のうちの１つにあってよい。

好ましくは、第１のガスセンサ２０６は、酸素センサ又は窒素センサであり、酸素又は窒素の濃度は、制御装置２１９又はそのようにすることができ且つ制御装置２１９にデータを提供し得る任意の他の手段によって推測されてよい。

代替的に、本発明の他の実施態様において、そのような酸素分離器２００は、少なくとも２つの他のセンサ２１４，２１２を含む。排気センサ２１４は、使用者に投与されるべき酸素に富んだガスの成分を検出し且つ／或いは測定するために用いられるのに対し、使用者センサ２１２は、酸素分離器２０１，２０２から換気され且つ少なくとも１つの排気ダクト（又は流出ダクト）２２１を介して周囲環境に放出されるべきガスの成分を検出し且つ／或いは測定するために用いられる。

この実施態様の内で、酸素センサ又は窒素センサのような、第２のガスセンサ、例えば、光センサ２１４が、排気ガスの少なくとも１つの成分を監視するために、排気ダクト２２１内に設けられる。第２のガスセンサ２１４が共通の排気導管２２１内に位置付けられる或いはそれぞれのガスセンサが追加的に又は代替的に第１の酸素分離装置２０１の排気ダクト内に及び／又は第２の酸素分離装置２０２の排気ダクト内に位置付けられるのが好ましい。

図３は、生産（点線矢印）及び等化段階（実線矢印）の間の「物質移動ゾーン」(“mass transfer zone”)の動きを図式的に表している。本出願の目的のために、「物質移動ゾーン」は、（この時間の瞬間に）窒素吸着が起こっている酸素分離装置のゾーン、即ち、（図３中に描写される）窒素濃度が窒素の吸着後に低い値（〜数％）から高い値（〜８０％）に増大しているゾーンとして理解されるべきである。図３から、物質移動ゾーンは、「フィード」段階の間に酸素濃縮装置の第２の端に向かって進行していることが明らかである。物質移動ゾーンが酸素濃縮装置の第２の端に達しているならば、いわゆる「窒素急増」（即ち、生産されるガス中の窒素濃度の増大）が起こる。図３は、「等化」段階の間に、物質移動ゾーン酸素濃縮装置の第２の端に向かって更に進行している。従って、「窒素急増」は、（本発明が請求するように適切なセンサが等化ダクト内に設けられるならば）、「等化」段階の間に先ず観察される。これは、「フィード」段階の間に生成されるガス中への望ましくない「窒素急増」の前に、幾つかのＰＳＡサイクルが起こることを意味する。

本発明を図面及び前述の記述中に詳細に例示し且つ記載したが、そのような例示及び記述は、例示的又は例証的であると考えられるべきであり、限定的であると考えられるべきでない。本発明は開示の実施態様に限定されない。請求する発明を実施する当業者は、図面、本記述、及び添付の請求項の研究から、開示の実施態様に対する他の変形を理解し且つもたらし得る。請求項において、「含む」という用語は他の要素又はステップを排除せず、単数形の表現は複数を排除しない。特定の手段が相互に異なる従属項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に用い得ないことを示さない。請求項中の如何なる参照記号も、その範囲を限定するものと考えられてはならない。

Claims (14)

1. 酸素に富んだガスの流れを生成する酸素分離器であって、
   酸素を含むガスから酸素を分離するように構成される、少なくとも２つの酸素分離装置であって、各酸素分離装置が、前記酸素を含むガスを受け取る第１の端と、酸素に富んだガスを給送する第２の端とを含む、少なくとも２つの酸素分離装置と、
   該少なくとも２つの酸素分離装置の前記第２の端の各々に流体的に連結され、前記少なくとも２つの酸素分離装置の内圧を平衡させるように構成される、等化ダクトと、
   該等化ダクト内に設けられる第１のガスセンサであって、該等化ダクト内の前記酸素に富んだガスの少なくとも１つの成分の濃度を監視するように構成される第1のガスセンサと、
   前記第１のガスセンサによる前記監視に基づいて当該酸素分離器を制御するように構成される制御装置とを含む、
   酸素分離器。
2. 前記第１のガスセンサは、酸素と窒素との間を区別し得る、請求項１に記載の酸素分離器。
3. 前記制御装置は、前記酸素に富んだガスの濃度及び／又は組成に対する影響を有する少なくとも１つのパラメータを制御し、該少なくとも１つのパラメータは、分離期間、流量、圧力、又は使用中の前記少なくとも２つの分離装置の１つの選択、のうちの１つ又はそれよりも多くを含む、請求項１に記載の酸素分離器。
4. 前記少なくとも２つの酸素分離装置は、排気ダクトに流体的に連結され、
   該排気ダクトは、排気ガスを前記少なくとも２つの酸素分離装置から当該酸素分離器の外に案内するために、前記少なくとも２つの酸素分離装置の各々に流体的に連結される、
   請求項１に記載の酸素分離器。
5. 前記排気ガスの少なくとも１つの成分を監視するように構成される第２のガスセンサを更に含む、請求項４に記載の酸素分離器。
6. 前記第２のガスセンサは、前記排気ガスの少なくとも１つの成分の濃度を監視するように構成される、請求項５に記載の酸素分離器。
7. 前記制御装置は、前記第１のガスセンサによる並びに前記第２のガスセンサによる前記監視に基づき当該酸素分離器を制御するように構成される、請求項５に記載の酸素分離器。
8. 前記等化ダクトを通じる酸素に富んだガスの等化流量を制御するように構成される少なくとも１つの等化流量コントローラを更に含む、請求項１に記載の酸素分離器。
9. 前記少なくとも２つの酸素分離装置の前記第２の端の各々を互いに流体的に連結させるパージダクトを更に含み、
   該パージダクトは、前記少なくとも２つの酸素分離装置のうちの１つの酸素分離装置の第２の端への酸素に富んだガスのパージ流量を制御するように構成されるパージ流量コントローラを含む、
   請求項１に記載の酸素分離器。
10. 請求項１に記載の酸素分離器を含む、酸素濃縮器。
11. 酸素を含むガスから酸素を分離する方法であって、
    酸素に富んだガスを生成する酸素分離器を作動させるステップであって、該酸素分離器は、酸素を含むガスから酸素を分離する少なくとも２つの酸素分離装置を含み、該少なくとも２つの酸素分離装置は、それぞれ、前記酸素を含むガスを受け取る第１の端と、前記酸素に富んだガスを給送する第２の端とを含む、ステップと、
    等化ダクト内に酸素に富んだガスの等化流量を生成することによって前記酸素分離器を等化するステップであって、前記等化ダクトは、前記少なくとも２つの酸素分離装置の内圧を平衡させるために、前記少なくとも２つの酸素分離装置の前記第２の端の各々を互いに流体的に連結させる、ステップと、
    前記等化ダクト内に設けられる第１のガスセンサを用いて、前記等化ダクト内に前記酸素に富んだガスの少なくとも１つの成分の濃度を監視するステップと、
    制御装置を介して、前記第１のガスセンサによる決定に基づき、前記酸素分離器を制御するステップとを含む、
    方法。
12. 第２のガスセンサを用いて排気ダクト内のガスの少なくとも１つの成分を監視するステップを更に含み、
    前記酸素分離器を制御するステップは、前記第２のガスセンサによる前記監視に更に基づく、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記酸素分離器を制御するステップは、前記酸素に富んだガスの濃度及び／又は組成に対する影響を有する前記酸素分離器の少なくとも１つのパラメータを制御することを含み、該少なくとも１つのパラメータは、分離期間、流量、圧力、使用中の少なくとも２つの分離装置の１つの選択、のうちの１つ又はそれよりも多くを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 酸素に富んだガスの流れを生成する酸素分離器であって、
    酸素を含むガスから酸素を分離するように構成される、少なくとも２つの酸素分離装置であって、各酸素分離装置が、供給操作中に前記酸素を含むガスを受け取る第１の端と、酸素に富んだガスを給送する第２の端とを含む、少なくとも２つの酸素分離装置と、
    該少なくとも２つの酸素分離装置の前記第２の端の各々を互いに流体的に連結させる等化ダクトであって、等化操作中に前記少なくとも２つの酸素分離装置の内圧を平衡させるように構成される等化ダクトと、
    前記少なくとも２つの酸素分離装置の前記第２の端の各々を互いに流体的に連結させるパージダクトであって、パージ操作中に前記酸素に富んだガスの流れのパージ流を前記少なくとも２つの酸素分離装置のうちの１つの酸素分離装置の前記第２の端に案内するように構成されるパージダクトと、
    前記等化ダクト内に配置される１つ又はそれよりも多くのセンサであって、前記等化ダクト内の前記酸素の富んだガスの１つ又はそれよりも多くの成分の濃度を監視するように構成される１つ又はそれよりも多くのセンサと、
    プロセッサとを含み、該プロセッサは、機械可読指令によって、
    前記供給操作から前記パージ操作への変更又は前記パージ操作から前記供給操作への変更の間に等化操作を行わせ、
    前記１つ又はそれよりも多くのセンサを介して、前記等化操作中に前記等化ダクト内の前記酸素に富んだガスの前記１つ又はそれよりも多くの成分の前記濃度を決定し、
    該決定する濃度に基づいて当該酸素分離器の１つ又はそれよりも多くの動作パラメータを調整する、ように構成され、
    該１つ又はそれよりも多くの動作パラメータは、分離期間、酸素を含むガスの流量及び／又は圧力、酸素に富んだガスの流量及び／又は圧力、又は使用中の前記少なくとも２つの分離装置の１つの選択、のうちの１つ又はそれよりも多くを含む、
    酸素分離器。

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