JPH05301016A - 加圧空気を利用した酸素濃縮装置 - Google Patents

加圧空気を利用した酸素濃縮装置

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JPH05301016A
JPH05301016A JP4101190A JP10119092A JPH05301016A JP H05301016 A JPH05301016 A JP H05301016A JP 4101190 A JP4101190 A JP 4101190A JP 10119092 A JP10119092 A JP 10119092A JP H05301016 A JPH05301016 A JP H05301016A
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oxygen
air
generator
annular portion
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JP4101190A
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Gregory A Michaels
エイ マイケルズ グレゴリー
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Invacare Corp
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Invacare Corp
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    • C01B13/02—Preparation of oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来技術における難点および欠点の多くを解
消し、より良好且つより有利な結果をもたらす新規な改
良酸素発生装置を提供することを目的とする。 【構成】 加圧空気から酸素を発生させるための酸素濃
縮装置は電気化学反応により空気から酸素を選択的に抽
出する電気化学的酸素発生器を備えている。この酸素濃
縮装置は第１、第２および第３包囲体を有している。こ
れらの３つの包囲体はこれらのの間に３つの環状部を形
成する。空気が最も外側の包囲体の頂部に入り、最も外
側の環状部を通って下方に移動し、第２環状部の上方を
横切ってポートを経て酸素発生器に達し、酸素発生器を
通って上方に移動し、第２環状部を通って下方に戻る。
酸素放出空気の下向きの流れをより冷たい流入空気の下
向きの流れに隣接するように向けることによって、流入
空気は流出する熱い空気により加熱され、それにより使
用者にとって快適性を高め、エネルギ必要量を低減す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は空気から酸素を分離する
ことが可能な方法および装置の技術に関し、より詳細に
は、例えば高い高度で飛ぶ航空機における不十分な酸素
源に補給するために空気から酸素を分離することに関す
る。
【０００２】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】高い高
度で走行する航空機が貯蔵酸素の使用を介して酸素をパ
イロットおよび乗客に補給するのは普通である。代表的
には、酸素は重質な大きい鋼製シリンダに蓄えられる。
これらのシリンダはフライト間に陸上酸素源から補充さ
れる。本発明を利用してこのようなシリンダの必要を無
くし、それによりは航空機の酸素供給装置の重量を低減
することができる。重量は飛行における重大な考慮問題
であるので、乗客および乗員に酸素を供給するのに必要
な重量を減少させることにより、必要とされる滑走路の
長さ、必要とされる燃料の利点および他の有意な利点が
得られる。
【０００３】飛行の或る情勢が悪くなる場合、通常、余
分なシリンダが搭載される。例えば、滑走路が閉鎖され
た場合、あるいは航空機の着陸ギヤが適切に機能しない
場合、航空機が初めに推定されたより長い数時間、飛行
することが必要である。これらの事態により、これらの
偶発に対処するために、余分な酸素シリンダが航空機に
搭載される。飛行の過程にわたってシリンダを補充する
ことができる方法が利用できれば、偶発用シリンダは必
要ではない。
【０００４】周囲の空気から酸素を分離したり、濃縮し
たり、発生したりするために、いくつかの装置が開発さ
れてきた。これらの装置の多くは、周囲に空気から窒素
を除去することによって最大９５％の酸素を送り出すた
めに空気から酸素を濃縮する窒素吸着装置に基づいてい
る。米国特許第 4449990号は１種のこのような装置を述
べている。このような装置は効率を維持するために１つ
のタンクを他のタンクからの純粋の酸素により寄生的に
パージすることを必要とする。更に、装置の湿度が窒素
吸着材に損傷を及ぼしてしまう。
【０００５】航空機における上記欠点を解消するため
に、出願人は、航空機のシリンダに貯蔵された酸素を補
給する、すなわち、置換するために加圧空気から純粋な
酸素を発生させることができる軽量の装置が必要である
とわかった。本発明は、従来技術における上記難点およ
び欠点の多くを解消し、より良好且つより有利な結果を
もたらす新規な改良酸素発生装置を提供することを目的
とする。
【０００６】
【課題を解決する手段】本発明によれば、電気化学法を
利用した新規な改良酸素濃縮装置が提供される。より詳
細には、本発明によれば、この酸素濃縮装置は、外面を
有し、電気化学反応により空気から酸素を選択的に抽出
する電気化学的酸素発生器を有している。この発生器は
頂端部および底端部を有する第１包囲体内に収容されて
いる。第１包囲体は頂端部および底端部を有する第２包
囲体内に収容されている。この第２包囲体は頂端部およ
び底端部を有する第３包囲体内に収容されている。発生
器の外面と第１包囲体の内面との間には、第１環状部が
形成されている。第１環状部の外面と第２包囲体の内面
との間には、第２環状部が形成されている。第２包囲体
の外面と第３包囲体の内面との間には、第３環状部が形
成されている。第３包囲体の頂端部の近くには、入口が
設けられている。加圧空気は入口に入り、第３環状部内
を下方に、第１環状部内を上方に、そして第２環状部内
を下方に移動して第２環状部を通って酸素濃縮装置から
出ていく。
【０００７】本発明の更にの特徴によれば、第２包囲体
は非断熱性材料で作られている。本発明の他の特徴によ
れば、第３環状部に入る空気は第２環状部内の空気より
冷たく、第２包囲体は第２環状部内の空気からの熱を第
３環状部内の空気に伝達する。本発明の他の特徴によれ
ば、第３環状部は装置内の最も冷たい空気を収容する。
【０００８】本発明の他の特徴によれば、装置は第３環
状部と第１環状部との間に延びるポートを備えている。
これらのポートはその中を移動する空気を第２環状部内
の空気から分離する。ポートは第３包囲体の底端部に隣
接した箇所で第１および第２包囲体を通って延びてい
る。一実施例では、ポートの内面および外面はポートの
外側の空気からポートへの熱伝達およびポートからその
外側の空気への熱伝達を高めるフィンを有している。
【０００９】本発明の他の特徴によれば、第２包囲体の
頂端部は内側上ドームで覆われている。この内側上ドー
ムは内面および外面を有しており、内面は反射性であ
る。本発明の他の特徴によれば、第３包囲体の頂端部は
外側上ドームを構成しており、この外側上ドームの頂点
はオリフィスを備えている。本発明の他の特徴によれ
ば、加圧空気から酸素を発生させる酸素濃縮装置は、外
面を有し、電気化学反応により空気から酸素を選択的に
抽出する電気化学的酸素発生器を備えている。内側およ
び外側包囲体が発生器と同心であり、発生器は内側包囲
体内に受け入れられており、この内側包囲体は外側包囲
体内に受け入れられている。発生器と内側包囲体の間に
は、内側環状部が形成されており、内側包囲体と外側包
囲体との間には、外側環状部が形成されている。この外
側環状部内の空気は内側環状部内の空気より冷たい。装
置は加圧空気で作動し、配向に無関係である。
【００１０】本発明の他の特徴によれば、航空機の酸素
シリンダを補充するのに敵した酸素濃縮装置は複数の電
気化学的酸素発生器を備えており、この発生器は六角形
の列に配列されており、電気化学反応により空気から酸
素を選択的に発生させる。発生器は外面を有している。
第１包囲体は頂端部、底端部、内面および外面を有して
いる。複数の発生器は第１包囲体内に受け入れられてい
る。この第１包囲体はその中の発生器からの熱を保つた
めに断熱されている。第１包囲体の頂端部は開放してい
る。第１包囲体の底端部は底ドームを構成している。こ
の底ドームの頂点はオリフィスを備えている。オリフィ
スはこれと複数の発生器との間に延びる搬送手段に連通
されている。搬送手段は、好適な実施例では一連のロッ
ドであって、発生器により発生された酸素をオリフィス
まで運び、オリフィスは関連した酸素貯蔵シリンダを一
杯にするために機械的コンプレッサに連通されている。
第２包囲体は頂端部、底端部、内面および外面を有して
いる。第１包囲体はこの第２包囲体内に同心に受け入れ
られている。第２包囲体の頂端部は内側上ドームを構成
している。この内側上ドームは非断熱性材料で作られて
おり、反射面を有している。第２包囲体の底端部は内側
底ドームを構成している。この内側底ドームは断熱性材
料で作られており、反射面を有している。第３包囲体は
頂端部、底端部、内面および外面を有している。第２包
囲体はこの第３包囲体内に同心に受け入れられている。
第３包囲体の頂端部は外側上ドームを構成しており、こ
の外側上ドームの頂点はオリフィスで終わっている。第
３包囲体の底端部の底端部は外側底ドームを構成してい
る。この外側底ドームは断熱性材料で作られている。複
数の発生器の外面および第１包囲対の内面により第１環
状部が形成されている。第１包囲体の外面および第２包
囲体の内面により第２環状部が形成されている。第２包
囲体の外面および第３包囲体の内面により第３環状部が
形成されている。ポートが第３環状部を第１環状部に連
通させている。これらのポートは第１および第２包囲体
の穴を通って延びている。ポートは第２環状部内の損失
を減少させるように空気力学的に成形されている。ポー
トは、第２環状部内の空気からの熱をポートに伝達する
ために第２環状部の中へ延びているフィンを有してい
る。また、ポートは、このポートからの熱をポート内の
空気に伝達するためにポートの中へ内方に延びているフ
ィンを有している。
【００１１】本発明の更に他の特徴によれば、酸素貯蔵
シリンダを補充する方法は、電流の付加で空気から酸素
を発生させることが可能な電気化学的発生器を付勢し、
上記発生器に加圧空気を導入し、発生器により発生され
た酸素を関連した酸素貯蔵シリンダに差し向けてこの酸
素でシリンダを補充し、発生器からの酸素放出空気をよ
り冷たい流入加圧空気と熱交換関係に差し向ける諸工程
を有する。
【００１２】本発明の一利点は配向とは無関係に作動す
ることができる装置を提供することである。即ち、この
利点は装置が対流または他のいくつかの配向感応現象で
はなく、加圧空気に基づいて作動すると言う点である。
装置は配向にかかわらず、効果的に作動することができ
る。これは、装置を飛行の過程中にいずれの配向をもと
り得るジェット戦闘機のような航空機に使用する場合に
は重要である。
【００１３】本発明の他の利点は同等量の酸素を供給す
るのに必要な数の酸素貯蔵シリンダにわたって重量が減
少されることである。先に述べたように、飛行は或る任
務を達成するのに必要な重量に非常に依存している。飛
行に必要とされる酸素シリンダの数および／または大き
さを低減させることにより、燃料、速度、滑走路の長
さ、および航空機の設計上の利点が達成できる。
【００１４】本発明の他の利点は電気化学的酸素発生器
により発生される熱を効率的に保存し、利用することで
ある。これらの発生器は高温で作動するので、また酸素
が人による消費に適する前に冷えなければならないの
で、本発明は発生器自身において出来るだけ多くの熱を
保ち且つより冷たい流入空気を使用して流出ガスを冷却
するために熱伝達技術および特定の構成を利用してい
る。より冷たい流入空気を予熱するのに温かい流出空気
を使用する結果、エネルギが節約される。
【００１５】
【実施例】図面（図示は本発明の好適な実施例を示すた
めのものであって、本発明の範囲を限定するためのもの
ではない）を参照すると、図３は本発明の装置の正面立
面横断面図を示している。本発明の装置は主として酸素
発生器１０を包囲する特別に設計されたハウジングを備
えている。酸素発生器１０は電気化学方法により空気か
ら酸素を発生させる。特別に設計されたハウジングは特
に有利な方法で空気を発生器１０のまわりに差し向け
る。
【００１６】或る応用では、酸素の流量要求量または幾
何学的制限により、単一の管状発生器１０が好ましい構
成である。他の応用では、複数の発生器１０が好ましい
構成である。複数の発生器１０を使用する場合、発生器
１０の好適な構成は六角形列の形態である。各列におけ
る発生器１０の数は装置の酸素生成必要量および下記数
学的式により定められる。
【００１７】 上記式中、Ｘ＝列中の発生器の全数 Ｎ＝列の半径に沿った発生器の数 上記式の解答である一連の数は１、７、１９、３７、６
１、９１、１２７、１６９、２１７、２７１、・・・で
ある。
【００１８】例えば、１９個の管状発生器１０を特徴と
する列では、この列は中心にある１つの発生器１０が６
個の発生器１０により取り囲まれており、これらの６個
の発生器１０は１２個の発生器１０により取り囲まれて
いる。図３ないし図５に示す実施例では、Ｎ＝２であ
り、列は７個の発生器１０よりなる。列の六角形構成は
或る数の発生器１０を収容するのに必要とされる容積を
最小にするのに有利である。六角形の形状によれば、多
数の発生器１０を小さい容積に設置することができる。
【００１９】例えば、下記チャートは、発生器１０の六
角形構成により、必要とされる容積の比例した増大なし
に、非常に多量の酸素の生成を行うことができる方法を
示している。このチャートは本発明のいくつかの実施例
を説明するものである。 発生器の直径Ｄ＝５．０８ cm （２インチ) 発生器の電圧＝３７ボルト 発生器の電流＝３６アンペア 発生器の長さ＝９９．０９ cm （３９インチ） 発生器の高さ＝１５２．４ cm （６０インチ） セルの数＝５３ セルの長さ＝１．７８ cm （０．７インチ） セルの面積＝１８．０６ cm2（２．８平方インチ） 発生器 酸素送給量 装置直径 装置容積 装置重量 必要電力 必要電力の数 (1pm@RTP) ( インチ) (cu.ft.) (lbs) (kw) (hp) 1 7 8 2 41 1 2 7 50 11 3 56 9 12 19 137 16 7 139 25 34 37 268 21 12 263 49 66 61 442 26 18 419 81 109 91 659 31 26 628 121 163 127 921 36 35 870 170 227 また、六角形構成は熱を第１包囲体１２０内に保持する
のを助長する。最後に、この構成によれば、第１包囲体
１２０内の発生器１０を輻射により一様に加熱すること
ができる。
【００２０】特定の酸素発生装置に必要とされる発生器
１０の数の決定には、初めに発生器１０に有効な容積の
値を求めることを必要とする。発生器１０の許容可能な
長さの範囲を定めるとき、発生器１０内の個々のセルの
表面積を知ることにより発生器１０の面積を定めるのが
よい。一実施例では、各セルは、18 cm2の面積、1.5 A/
cm2 の駆動電流密度、および 27Aのセル電流を有してい
る。酸素の生成量は (27A/ セル)(3.8 ml/A-min) = 102.6 ml O2/min-セル である。この数に発生器１０あたりのセルの数を掛ける
ことにより、各発生器１０の酸素生成量が得られる。電
流密度を増大することにより、セルの数を減少すること
ができる。発生器１０あたりのセルの数を調整すること
により、発生器１０の数を上記のように六角形列内に収
まるように調整することができる。
【００２１】７個の電気化学的発生器１０を利用した酸
素濃縮装置の第２の現在のところ好適な実施例を開発し
た。この実施例は、13.1リットル/ 分の酸素送給量を必
要とする航空機用途に開発したものである。装置の物理
的寸法は表Ａに出ている。装置の構成要素の重量は表Ｂ
に出ている。電気的パラメータ、電力必要量および酸素
送給量を表Ｃに列挙してある。
【００２２】 表Ａ 発生器の直径 5.207 cm (2.05 インチ) 発生器の間隔 1.27 cm (0.5 インチ) 効果的な直径 6.477 cm (2.55 インチ) 発生器の長さ 100 cm (39.37 インチ) セルの数 53 装置の長さ 152.4 cm (60 インチ) 装置あたりの発生器数 7 六角形列の直径 20.32 cm (8 インチ) 断熱厚さ 5.08 cm (2 インチ) 環ギャップ 2.54 cm (1 インチ) 全体直径 40.64 cm (16インチ) 全横断面積 1290 cm2 (200 平方インチ) 容積 0.196 m3 (7 ft3) 表Ｂ 発生器に重量 セル 5.33 lbs. 両端キャップ 0.38 lbs. アルミナ管 0.15 lbs. インコネルロッド 0.80 lbs. 重量／発生器 6.66 lbs. ７個の発生器の全重量 47 lbs. 断熱 14 lbs. 包囲体 14 lbs. エレクトロニクス 21 lbs. 全装置重量 100 lbs. 表Ｃ 酸素 電圧 電流 電流密度 必要電力（ワット） (1pm ) （ボルト) （アンプ） (mA/cm2 ) O2 TC * 熱（冷） 合計 13.1 9.57 9.29 516 622 418 1960 3000 38.31 28 27.16 1509 5323 0 (2323) 5323 28.75 21 20.38 1132 2996 999 (995) 3995 19.16 14 13.59 755 1332 190 1478 3000 9.58 7 6.79 377 333 48 2620 3000 5.48 4 3.88 216 109 0 2891 3000 *TC = エレクトロニクス 発生器１０の作動および発生器１０が空気から酸素を濃
縮する電気化学反応はこの明細書において後で説明す
る。
【００２３】図３及び図４を参照すると、第１包囲体１
２０が発生器１０を取り囲んでいる。この第１包囲体１
２０は形状が環状であり、内面１２２と、外面１２４
と、頂端部１２６と、底端部１２８とを有している。内
面１２２と外面１２４との間の第１包囲体１２０の部分
は第１包囲体１２０の内部よりなる。第１包囲体１２０
の内部１４４はアルミノシリケートで断熱されている。
好適な実施例では、断熱部１４４は厚さが 5.08 cm (2
インチ) であり、反射性裏張りを有しており、この裏張
りは繊維を保持し、並びに赤外線を反射して発生器１０
に戻すことにより装置の効率に寄与する。好適な断熱材
はファイバフラックスＨＳＡ系の商品名でカーボランダ
ム社により製造されている。
【００２４】第１包囲体１２０は発生器１０の中心のま
わりに同心に配置されている。第１包囲体１２０の頂端
部１２６は開放している。図５を参照すると、底端部１
２８はオリフィス１３２の頂点で終わっている外側底ド
ーム１３０を備えている。この外側底ドーム１３０は断
熱材で作られている。外側底ドーム１３０内には、内側
側底ドーム１３６が設けられている。この内側側底ドー
ム１３６も断熱材で作られている。内側側底ドーム１３
６の内面１３７は赤外線を反射して発生器１０に戻すよ
うに反射性材料で作られている。内側側底ドーム１３６
は外側底ドーム１３０より大きい曲率半径を有してい
る。内側側底ドーム１３６の外縁部が気密シール状態で
第１包囲体の内面１２２に取付けられて内側側底ドーム
１３６の一方の側から他方の側へのガスの透過を防いで
いる。
【００２５】図１、図２、図４および図５を参照する
と、発生器１０はロッド３０を介して酸素発生装置内に
支持されている。ロッド３０は発生器１０を装置内に支
持するように機能する。また、ロッド３０を使用して後
述のように発生器１０を加熱する。図１を参照すると、
ロッド３０はスリーブ３４とともに酸素発生器１０によ
り生じた酸素を第１包囲体１２０を通してオリフィス１
３４へ、ついには関連した貯蔵シリンダへ下方に搬送す
る搬送手段としても機能する。スリーブ３４とロッド３
０との間には、環状部が形成されている。発生器１０に
より発生された酸素はこの環状部を通って装置から出て
いく。図示および論述の容易化のために、図のほとんど
には、ロッドだけを示してある。
【００２６】図３ないし図５および図７を参照すると、
発生器１０の外面と第１包囲体１２０の内面１２２との
間には、第１環状部１４０が形成されている。この第１
環状部１４０は装置内の空気の通路として機能する。図
３、図４および図７を参照すると、第２包囲体１５０は
内、外面１５２、１５４および頂、底端部１５６、１５
８を備えている。第２包囲体１５０は、熱をこの第２包
囲体１５０を通して容易に伝達し得るように、非断熱性
材料で作られている。好適な実施例では、この材料はア
ルミニウムである。第２包囲体１５０の頂端部１５６は
内側上ドーム１６０を備えている。この内側上ドーム１
６０は非断熱性だが反射性の材料で作られている。好適
な実施例では、この材料はアルミニウムである。反射性
材料は内側上ドーム１６０の内側にあり、発生器１０か
ら発する赤外線を反射して第１環状部１４０内に戻すの
に効果的である。内側上ドーム１６０は閉鎖されてい
る。第２包囲体の底端部１５８は開放している。
【００２７】第１包囲体の外面１２４と第２包囲体の内
面１５２との間には、第２環状部１７０が形成されてい
る。第３包囲体１８０は内、外面１８２、１８４および
頂、底端部１８６、１８８を備えている。第３包囲体１
８０の頂端部１８６は外側上ドーム１９０を備えてい
る。第３包囲体１８０は第２包囲体１５０を同心に受け
入れており、この第２包囲体１５０は第１包囲体１２０
を同心に受け入れている。外側上ドーム１９０の頂点は
オリフィス１９２で終わっている。
【００２８】第３包囲体の底端部１８８は第２包囲体１
５０の外面１５４に取付けられている。図３および図５
ないし図７を参照すると、第３包囲体の底端部１８８と
第２包囲体１５０の外面１５４との接合部の近くには、
複数のポート２００が設けられている。これらのポート
２００は第１および第２包囲体１２０、１５０を通る管
状通路である。ポート２００はこれらの中の空気を第２
環状部１７０内の空気と混合しないようにしている。ポ
ート２００は、これらに突き当たるように第２環状部１
７０内を下方に移動している空気から生じる損失を減少
させるために、空気力学的に成形されている。好適な実
施例では、ポート２００は、第３環状部２１０から出た
空気が発生器１０の下の領域に接線方向に受け入れられ
るように傾斜している。好適な実施例では、これらのポ
ートの外面および内面には、フィン１９４、１９５が設
けられている。ポート２００の外面のフィン１９４は第
２環状部内の空気から熱をポート自身へ伝達するのに効
果的である。ポート２００の内面のフィン１９４はポー
ト２００自身から熱をポート２００内を移動している空
気へ伝達するのに効果的である。好適な実施例では、酸
素発生装置の周囲には、３つのポート２００が設けられ
ている。
【００２９】図３、図４および図７を参照すると、第２
包囲体の外面１５４と第３包囲体の内面１８２との間に
は、第３環状部２１０が形成されている。各ロッド３０
および各スリーブ３４の上端部２３０は内側上ドーム１
６０の内面に取付けられているが、内側上ドーム１６０
を貫通していない。換言すると、ロッド３０およびスリ
ーブ３４の上端部２３０は酸素ロッド３０に沿って移動
するための閉鎖通路を備えている。酸素は、これが装置
からでるには、各ロッド３０の下端部２３２まで下方に
移動しなければならない。
【００３０】図５を参照すると、ロッド３０の各々およ
びスリーブ３４の各々の下端部２３２は内側底ドーム１
３６に固定的に取付けられている。これらの下端部２３
２は内側底ドーム１３６を貫通しており、酸素を発生器
１０からロッド３０まで、および内側底ドーム１３６と
外側底ドーム１３０との間の溜め部２３６まで移動させ
ることができる。溜め部２３６に集まった酸素は、本明
細書において後で説明するように、電気化学反応自身に
より発生された圧力により、オリフィス１３２から押し
出される。
【００３１】酸素発生に関する包囲体および環状部の作
用を図１ないし図７を参照して以下に説明する。装置は
常圧よりわずかに高い圧力で作動するので、装置はその
配向に無関係に作動する。装置は、ハウジング１２０、
１５０、１８０およびドーム１６０、１９０が大きい圧
力差に耐えるように設計されるいると言う意味で加圧さ
れない。代表的には、航空機のジェットエンジンのコン
プレッサを使用して常圧と４００ポンド／平方インチ
（psi)との間の圧力の圧縮空気を生じる。代表的には、
入ってくる空気の圧力は常圧よりわずかに高く、装置に
わたる全損失は約１ psiである。加圧空気がオリフィス
１９０に導入される。そのように導入された加圧空気は
内側常ドーム１６０の外面に突き当たり、ポート２００
に達するまで第３環状部２１０内を下方で移動する。こ
の説明のために、図３について、ページの頂部を上、ペ
ージの底部を下として『上方』および『下方』のような
方向を利用する。本発明の利点のうちの１つが、配向に
かかわらず、効果的に作動することができると言う点で
あることを理解することは重要である。換言すると、オ
リフィス１９２が発生装置の頂部にあるかどうかいずれ
にせよ、空気は後述のように装置を通って移動する。入
ってくる空気の圧力を使用して空気の流量を調整するこ
とができ、この空気の流量を利用して装置の温度を調整
することができる。排出空気が発生器１０により発生さ
れたいくらかの熱を運び去るので、空気の流量の変化が
装置の温度に影響する。
【００３２】空気は第３環状部２１０内をポート２００
まで下方に流れ、ポート２００を通って発生器１０の下
の領域に入る。空気が発生器１０を通って上方に流れる
と、後述の電気化学反応で酸素が生じる。そのように生
じた酸素は中空のスリーブ３４と中実のロッド３０との
間に形成された環状部を通って排出管２２０まで移動
し、そこで機械的コンプレッサが酸素を関連した貯蔵シ
リンダ（図示せず）に溜める。空気がかなり加熱され、
第１包囲体１２０の頂端部１２６から出る。装置のこの
位置における空気は酸素発生装置内の最も熱い空気であ
る。
【００３３】このとき、加熱空気は内側上ドーム１６０
の内面に突き当たる。この内面は非断熱性であるが、反
射性である。これらの性質により、内側常ドーム１６０
が発生器１０から出た熱い空気から熱をオリフィス１９
２を通って装置に入るより冷たい空気に伝達することが
できる。同時に、内側上ドーム１６０の反射性により赤
外線の熱を反射して発生器１０および第１環状部１４０
に戻す。
【００３４】空気は、内側上ドーム１６０の内面に突き
当った後、内側上ドーム１６０の形状により第２環状部
１７０の中に差し向けられる。空気は第２環状部１７０
を通って下方に流れ、ついには装置から出ていく。この
間、熱い空気は第２環状部１７０内を下方に移動してお
り、２種の方法で冷却される。まず、空気はポート２０
０およびフィン１９４の上方を流れる。空気からの熱は
ポート２００に伝達され、ついには、フィン１９５を経
てポート２００内を流れる空気に伝達される。第２に、
第２環状部１７０内の空気は装置内の最も冷たい空気、
すなわち、第３環状部内の流入空気の近くに並置され
る。この構成は２つの利点をもたらす。第１に、第３環
状部２１０内の空気が第２環状部１７０内の空気により
加熱されることで、エネルギが保存される。更に、装置
内の最も冷たい空気は外面、すなわち、第３環状部２１
０に配置される。これにより第３包囲体の外面１８４を
冷却し、それにより安全性および快適性の利点をもたら
す。装置が９００℃程度の非常に高い温度で作動して
も、外面は手触りが冷たく、酸素発生装置のまわりの人
または他の感熱物の火傷の恐れを最小にする。
【００３５】材料に関する重要な特徴は電気接続部用に
銀リードワイヤを使用することである。装置が約９００
℃で作動するので、これらの温度で作動安定性および寸
法安定性を保持する材料を選択するように気をつけなけ
ればならない。銀は９６１℃で融解し、従ってこれらの
作動温度で寸法的に安定のままであることができる。他
の利点は銀が酸化しないことである。金および白金も作
用するが、銀は、白金と同様に、さほど高価でなく、酸
化を受けやすくはないので、その融点より低い温度で作
動する用途に好ましい。１７６９℃の融点を有する白金
は金および銀の融点より高い作動温度では好ましい材料
である。ロッド３０の頂端部２３０は好ましくは、入っ
てくる電力用の電気接触子として使用される。この頂端
部２３０は比較的冷たい。
【００３６】図１を参照して、電気化学的酸素発生器１
０の作動を以下に説明する。この説明において、語『管
状』は閉鎖横断面を有するいずれの軸方向に細長い構造
形態を含むことを意味している。語『空気電極』とは、
発生器の外側の周囲空気に接触し、空気中の酸素から酸
素イオンを形成し得る電極を意味している。語『酸素電
極』とは、酸素イオンから酸素を形成し得、且つ酸素ガ
スを発生器の内部に通し得る電極を意味している。語
『濃密』とは理論密度の少なくとも９５％を意味してい
る。
【００３７】発生器１０をＤＣ電源により駆動する。航
空機は代表的には２８ボルトの電源を利用している。発
生器１０は予熱空気で６５０℃〜１１００℃で作動し、
電流に比例する流量で電解質表面で純粋酸素を抽出する
ことができる。図１を参照すると、酸素発生器として有
用な高温電気化学的装置１０が示されており、この装置
は閉鎖横断の好適な管状形態を有しており、複数の隣接
電気化学セルを備えており、これらのセルの活性長さを
端部と端部とをつなげて配置された第１セル１２および
隣接セル１２’として示してある。或る実施例では、単
一の管状酸素発生器を使用している。より高い流量を必
要とする用途のような他の用途では、一連の管状酸素発
生器を単一の内側ハウジング内に設置することができ
る。このような場合、現在のところ好適な配列は六角形
列である。現在のところ好適な実施例はこのような六角
形列の７個の発生器１０を特徴としている。セル１２は
連続した間隔を隔てた固形電解質バンドすなわちセグメ
ント１４、連続した間隔を隔てた空気電極バンド１６、
連続した間隔を隔てた相互接続セグメント１８、および
連続した間隔を隔てた酸素電極バンド２０を介して直列
に電気的に接続されている。
【００３８】好ましくは２０％〜４０％の多孔性（理論
密度の８０％〜６０％）であり、一般に使用されている
任意の多孔性支持体２２が、図示のように、酸素電極２
０および構造体の残部を支持している。各酸素電極の第
１端部２０’から所定の長さ分の内側酸素電極２０の一
部の頂部には、濃密な固形電解質１４が配置されてい
る。電解質１４の一部の頂部には、外側の多孔性空気電
極１６が発生器ボディ１０を取り囲む空気２３と接触状
態で配置されている。
【００３９】セルからセルへの電気接続は、濃密、好ま
しくは１００％濃密なガス不透過性の導電性相互接続部
１８がセル１２’から酸素電極２０の隣りの支持体２２
の未被覆部分の一部の上に設置されて、この一部と接触
し、またその酸素電極の一部に重なるような積層構成に
より行われる。酸素電極の端部２１を越えて支持体２２
の残りの未被覆部分上まで続くセル１２からの内側酸素
電極２０の頂部には、第１セル１２からの濃密なガス不
透過性のイオン伝達性固形電解質１４が設置されてお
り、この固形電解質１４はセル１２’の隣りの相互接続
部１８に重なっているが、セル１２’の隣接酸素電極バ
ンド２０に接触していない。電解質と相互接続部との組
み合わせは下層の支持体および酸素電極の多孔度を閉鎖
している。相隣なるセルの内側電極管には、電解質およ
び相互接続部の両方が配置されており、これは、ガスの
漏れを防ぐために、この設計では、不可欠である。
【００４０】図１に示す実施例では、濃密な電解質１４
はセル１２、１２’間の濃密な相互接続部１８に重な
り、且つ正の端子２６の近くの濃密な相互接続部１８に
重なっており、この相互接続部１８はこの装置用の濃密
な端部分を構成する。この重なりにより、装置の外側と
内側との間にガス不透過性バリヤーを生じている。セル
１２、１２’間の相互接続部１８に接触するまで続くセ
ル１２からの電解質１４の頂部には、セル１２からの空
気電極１６が設置されている。セル間の電気短絡を防ぐ
ために、セル１２の空気電極１６とセル１２’の電解質
１４との間にギャップ領域が保たれている。材料のこれ
らの被覆は、電気化学蒸着、スパッタリング、粉末焼
結、プラズマアークスプレー等のような任意の適当な塗
布マスキング技術により敷設することができる。電気化
学蒸着は電解質および相互接続部の材料を付着する好適
な方法であり、米国特許第 4609562号（アイセンベルグ
等）を参照せよ。
【００４１】この発生装置は電流の付加で空気から酸素
ガスを発生させることが可能である。ＤＣ電源（図示せ
ず）からの電子を、好ましくは延長母線バー接触領域を
有する丸いワッシャ設計の端子２４（負の端子）に供給
する。これらの電子はセル１２’の空気電極１６を通
り、そこで、加圧しなくてもよい空気２３中の酸素が発
生器の作動温度、好ましくは６５０℃〜１１００℃で還
元されて、イオン伝動性で電子非伝動性（ｅ- を通さな
い) の固形電解質14を通る酸素イオン O= を生じる。こ
れらの酸素イオンは酸素電極２０で再化合して純粋の酸
素 O2 ガスを形成し、多孔性支持体２２を通って中央の
質２５に入る。この反応は下記のごとくである。 Ｉ．空気電極： O2 ( 空気中の) + 4e- → 2(O= ) II. 酸素電極： 2(O= ) → O2 + 4e- III. 全体セル： O2 (空気中の) → O2 図１に示すように、電子はセル１２’からの酸素電極２
０に放出し、セル１２とセル１２’との間の相互接続部
１８を通ってセル１２の空気電極１６に入り、そこで同
じ電極反応が起こり、セル１２からの酸素電極２０に発
生された電子は最終的に隣接した相互接続部１８および
空気電極１６を通って端子２４と同様な設計の端子２６
（正の端子）に行き、ＤＣ電源に戻る。
【００４２】かくして、セル間の相互接続材料の管状セ
グメントは、同じ装置または管において、直列配置で第
１セル１２’からの外側空気電極から第２セル１２の内
側酸素電極まで電気連続性をもたらす（電子の流れを許
容する）。また、空気２３は電解質バンドすなわちセグ
メント１４および相互接続セグメント１８の連続した濃
密、好ましくは１００％濃密なバリヤーにより中央の質
２５へ直接ながれないようにされる。濃密な電解質バン
ドすなわちセグメントは一部、濃密な相互接続セグメン
ト１８に重なり、これらのセグメント１８に封着する。
発生器ボディのこの空気不透過性は高い純度の O2 を中
央の室に与えるには不可欠である。長さ１２、１２’が
図１および図２に示す２つのセルの活性長さを定める
が、この活性長さを越えて延びる図示の電極および電解
質構成要素はその特定のセルからの活性部分であると考
えられる。入って来る空気２３は発生器の空気電極１６
と接触する前に、上記の全体装置設計では、一貫して予
熱する。
【００４３】好ましくは濃密である様々な端閉鎖体また
は端部分を図示の装置に使用することができる。図１で
は、正の端子近くの濃密な相互接続部分１８’および負
の端子近くの濃密な電解質部分１４’が装置の端部で重
ねられ、図示のように、装置の軸方向長さに対して横方
向に配置されて端閉鎖体を構成している。端部にねじ部
を有している、例えば、インコネル（ニッケル─クロム
合金）製の耐高温性の中央の金属軸方向ロッド３０、管
等を金属シート２８、２８’と併せて使用してシートお
よび濃密な相互接続部および電解質部分を圧縮関係で固
着することができる。図示のように、ロッド３０の一端
部はシート２８’の内側に加工された相手のねじ部にね
じ込まれており、他端部は、軸方向の圧力を端シートに
加えて平らな金属端子２４、２６に対して気密嵌合を確
保する効果的なばね手段（図示せず）によって断熱リン
グ３２に螺合されている。好適な実施例では、発生器１
０は軸方向ロッド３０の両端部に電圧差をつけることに
より予熱できる。このような実施例では、ロッド３０の
材料は所望の電流レベルで所望の熱を発生させるように
選択される。複数のベントすなわち穴を有し、端シート
２８に適当に封着された適当な耐高温性の金属またはセ
ラミック管状スリーブ３４により、 O2 矢印で示すよう
に、端閉鎖体１８’を通して酸素の送出を行うことがで
きる。インコネルおよびアルミナは両方ともスリーブ３
４として適当である。或る場合には、両端部を通して酸
素の送出を行うことが望ましい。変更例として、追加の
穴を端閉鎖体１８’および空気電極１６、端子２６のセ
ラミックリング３２および端シート２８、図２の３８と
同様な酸素送出用に挿入された管を貫通して、追加の穴
をあけることができる。この管３８は図３の排出管２２
０と協働するように構成することができる。図１の設計
はセラミック構成要素と接触する可成りの量の金属部材
を利用している。従って、正および負の端子が装置の各
端部で空気電極材料と接触している。図２の設計は、よ
り複雑な端子接続部を有するが、主として全セラミック
製の装置を構成することができ、選択された金属とセラ
ミックとの間で熱膨張係数を変化させると言ういくつか
の可能な問題を解消することができる。
【００４４】図２では、セルの構造およびセル間の相互
接続は図１の装置と本質的に同じであり、同じ材料およ
び実質的に同じセル接続設計を利用している。しかしな
がら、図１の端重なり相互接続部１８’および端重なり
電解質１４’の設計の代わりに、セラミック端部分すな
わちキャップ４０、４２を使用している。この使用は端
部分すなわちキャップ４０、４２とセラミック支持体２
２との間に非常に細かいセラミック粒子（図示せず）よ
りなる焼結シールを必要とする。セラミック端部分は好
ましくは、ガス透過性であるような程度まで濃密であ
り、また好ましくは、支持管と同じ材料製である。好ま
しくは、両実施例とも、セラミック支持管２２は安定化
ジルコニア、最も好ましくは、カルシア安定化ジルコニ
ア、例えば（ZrO2)0.85(CaO)0.15 のようなジルコニア
材料である。この材料はプレス加工された高濃密化形態
であり、好ましくは、図２のセラミック端部分すなわち
キャップ４０、４２としても使用される。
【００４５】好ましくは、端部分すなわちキャップを挿
入するとき、非常に微細な粒径のカルシア安定化ジルコ
ニアよりなる予め調整されたペーストをギャップ領域に
絞り込むことによって、（支持管に対する端部分すなわ
ちキャップの）シールを生じる。次いで、セラミック端
シール組立体を乾燥し、適所に焼結して作製を完了す
る。接合部の幅狭いギャップ、長い曲がりくねった通路
および装置の作動中の周囲圧に近い圧力がすべて中央の
室２５への空気の漏れを最小にするのに寄与するので、
高純度の O2 を得ることができる。例えば FeOのような
少量の焼結助材を接着ペーストに使用することができ、
また支持管および端キャップの両方にも使用することが
できる。支持管用、および支持管２２の端部に重なる端
キャップ用に、他の適当なセラミック材料を使用するこ
ともできる。
【００４６】図１の装置は主として、重なり端部相互接
続材料１８’、重なり端電解質材料１４’、接触金属端
子２４または２６、セラミックスペーサ３２、および金
属シート２８、２８’の間の圧力シールに頼っている
が、中央の室２５への最小の空気の透過を確保するため
に、これらの構成要素間に任意の有用な高温接着材を使
用することもできる。
【００４７】図１の装置の端子接続部は圧締めロッド３
０により固着された延長母線バー接触領域を有する簡単
な丸いワッシャ設計のものであり、この場合、端子２
４、２６は、好ましくは、銀（融点９６１℃）である
が、装置をその最大作動温度１１００℃の近くで作動し
ようとするならば、白金（融点１７６９℃）またはパラ
ジウムや、パラジウムおよび白金の銀との合金であるこ
ともできる。
【００４８】図２の装置では、端子付属部は円形バンド
設計のものであり、装置の一端で相互接続材料の頂面に
接触し、他端で空気電極材料に直接電気的に接触し、緩
衝層を必要とする。負の端子２４は好ましくは銀─パラ
ジウム繊維の繊維金属リング４４を介して空気電極１６
に電気的に接触する。金属製割りリングクランプが部分
的に断面で示される端子２４、２６を構成する。これら
の端子２４、２６は好ましくは、銀─パラジウム合金で
あるが、好ましくは銀─パラジウム合金で被覆された無
垢のニッケルであることもできる。図２の設計の端子２
６は相互接続材料１８に電気的に接触し、好ましくは銀
─パラジウム製の追加の繊維金属リング４６を必要とす
ることもある。また、図２には、母線バー、ボルト、ナ
ット、止めワッシャ組立体４８が示されている。図２に
示す中央の室２５からの酸素ガスを、好ましくはカルシ
ア安定化ジルコニアのようなセラミック製である管３８
を通して、あるいは一端または両端の任意の他の適切な
手段により送り出すことができる。
【００４９】酸素発生装置の両設計についての有用且つ
適切な非限定の寸法は、多孔性の支持管：内径 44 mm、
外径 50 mm、長さ 1000 mmであり、多孔性の酸素電極 :
長さ15 mm、厚さ 1 mm であり、濃密な相互接続部 :
厚さ 0.05 〜2 mmであり、濃密な電解室 : 長さ 11mm
、厚さ 0.05 mmであり、多孔性空気電極 : 長さ 15m
m、厚さ 0.1 mm である。ユニットは多数の直列接続さ
れたセルを有する単一の積層体であり、各セルは長さが
約 1.1 cm であり、略 18 cm2 の面積を有している。簡
単化のために、図面は一定の比例に応じて示しているの
ではない。
【００５０】好ましくは厚さ 4〜10 mm の有用な多孔性
支持管を先に説明した。好ましくは厚さ 0.5〜2 mmの酸
素電極２０は、CaMnO3、LaNiO3、LaCoO3、好ましくはCa
MnO3のようなパーボスカイト属のドープされた或いは未
ドープの酸化物または酸化物混合物、またはコバルト、
ニッケル、銅、鉄、クロム及びマンガンの酸化物や、こ
のような酸化物の組み合わせと混合された希土類酸化物
で構成された他の導電性混合酸化物から選択された 20
〜40％多孔性の焼結酸化物材料である。ドーパント（使
用する場合）は好ましくは、カルシウム、ストロンチウ
ムおよびマグネシウムから選択され、ストロンチウムド
ーパントガ好適である。最も好適な酸素電極はストロン
チウムでドープされた亜マンガン酸ランタン、例えば、
La0.9Sr0 .1MaO3である。空気電極は好ましくは浸漬スラ
リー塗布および焼結により付着される。濃密な相互接続
材料１８は、白金─ジルコニア、パラジウム─ジルコニ
ア、銀─パラジウム─ジルコニア、パラジウム、白金、
パラジウム─銀、ドープされた亜マンガン酸ランタン、
およびドープされた亜クロム酸ランタンよりなる群から
選択することができる。好適な相互接続材料はドープさ
れた亜マンガン酸ランタン、パラジウム、白金およびパ
ラジウム─銀よりなる群から選択される。亜マンガン酸
ランタンまたは亜クロム酸ランタン用のドーパントはカ
ルシウム、ストロンチウムおよびマグネシウムよりなる
群から選択され、ストロンチウムドーパントが好適であ
る。最も好適な相互接続部はドープされた亜マンガン酸
ランタンである。相互接続部材料はガス不透過性であ
り、１００％近く濃密である。相互接続部材料は、周知
の蒸着技術により付着させることができ、通常、厚さが
0.05 〜0.2 mmである。濃密化は、蒸着のほか、蒸気ス
パッタリング、プラズマスプレー、溶射などを含む様々
な技術によって達成することができる。或る場合には、
相互接続部、酸素電極、および空気電極は、密度および
付着技術が異なるたけで、同じ材料であることができ、
相互接続部は高密度の構成要素である。
【００５１】好ましくは厚さが 0.02 〜0.15 mm である
濃密な電解質１４は、好ましくは少なくとも９９％濃
密、最も好ましくは１００％濃密なジルコニア材料であ
る。ジルコニアを安定化することができ、すなわち、多
数の元素でドープすることができる。希土類元素で安定
化されたジルコニア、詳細にはイットリア安定化ジルコ
ニウムが、優れた酸素イオン移動度を許容するので、好
適である。最も好適な組成物は（ZrO2)0.92(Y2O3)0.08
である。他の混合酸化物を使用することもできる。材料
はイオン酸素を伝達するのに効果的でなければならな
い。材料を化学蒸着、プラズマスプレー、溶射または焼
結技術により付着させることができる。
【００５２】好ましくは厚さが 0.05 〜2 mmである多孔
性空気電極は、白金─ジルコニア、パラジウム─ジルコ
ニア、および白金─パラジウム─ジルコニアよりなる群
から選択された２０〜６０％多孔性の材料であるか、あ
るいはドープされた亜マンガン酸ランタンおよびドープ
されたクロム酸ランタン（この場合、好適なドーパント
はカルシウム、ストロンチウムおよびマグネシウムであ
り、ストロンチウムドーパントが好適である）よりなる
群から選択された多孔性の焼結酸化物である。パラジウ
ム─ジルコニアが最も好適な空気電極材料である。空気
電極は空気中のO2を酸素イオンに還元するのに効果的で
なければならない。
【００５３】空気から所要量の O2 ガスを生じるのに必
要とされるセル１２の数を一定のガス温度について算出
することができる。1.5 A/cm2 の駆動電流密度および 2
7 A(1.5 A/cm2 x 18 cm2)のセル電流のために、面積 18
cm2 のセルを有し、２５℃で送り出される 3リットル/
分の酸素を送り出すユニットでは、セルあたりの酸素
生成量は略 27 A/セル x 3.80 ml/A- 分＝ 102.6 mal/
分─セルである。２５℃で 3リットル／分の O2 を必要
とする場合、必要とされるセルの数は 3000 mlO2/分÷1
02.6 ml O2/分─セル＝ 29 セル／積層体である。
【００５４】装置は、この装置に加圧空気を送出して、
1.5アンペア/cm2の電流密度で900℃で作動する。好適
な実施例の酸素発生器１０はウエスチングハウス・エレ
クトリック社により製造されているものである。酸素濃
縮装置において熱として消逸される電力が作動温度を維
持する。例えば、２５℃および大気圧で（２アンペア／
cm2)で３リットル／分の酸素を送出するように設計され
た装置では、９００℃を維持するのに必要とされる電力
は約 500ワットである。これらの条件でこの流量を送出
するのに十分な酸素濃縮装置は 631ミリボルトおよび 3
6 アンペア／セルで作動する２２個のセルを有する。こ
のような装置により発生される熱は 500ワットであり、
作動温度は酸素の電気化学的生成により維持される。
【００５５】この酸素発生装置にとっての一利点は、こ
の装置が発生器１０に供給される電流に比例する流量で
酸素を発生させることができることである。例えば、１
リットル／分の流量を望む場合、酸素発生装置は発生器
１０に供給される１２アンペアを必要とするだけであ
る。セルの電圧はオームの法則により算出され、210 ミ
リボルトである。この場合に消逸される電力はたった 5
5 ワットである。これは作動温度を維持するのに十分な
熱ではなく、発生器10は正確に作動することができな
い。酸素発生熱と温度維持熱との差を追加的ヒータによ
り補わなけらばならない。好適な追加的ヒータは蒸気の
軸方向ロッド３０である。インコネルロッド３０を熱源
として使用する一利点は、ロッドが装置の作動温度を維
持するのに必要とされる熱量を消逸するように、電流を
ロッド３０にかけることができると言う点である。酸素
の流量が低いような或る応用では、発生器１０は装置の
温度を維持するのに十分な熱を発生しない。これらの場
合、ロッド３０を熱源として使用することができる。
【００５６】熱を発生するのにロッド３０を使用する他
の利点は加熱が一様であることである。発生器１０の内
側にロッド３０を心出しした状態で初めの起動時に高い
加熱率を得ることができる。発生器１０がロッド３０の
まわりに対照であるので、また発生器１０自身が同心の
包囲体１２０、１５０、１８０内に包囲されているの
で、一様でない加熱により発生される応力が最小にな
る。
【００５７】酸素濃縮装置のロッド３０および円筒形レ
イアウトの他の利点は熱を効率的使用することである。
例えば、熱源を発生器１０の外側に位置決めしようとす
る場合、熱の一部が発生器に差し向けられ、残りの部分
が発生器１０から離れる方向に消逸される。ロッド３０
が発生器の中心を通っているので、ロッド３０により発
生された熱の実質的にすべてが発生器１０を加熱する。
【００５８】本発明を好適な実施例について説明した。
明らかに、以上の詳細な説明を読んで理解すると、当業
者には、変更例および変形例が思い浮かぶであろう。本
発明は特許請求の範囲またはこれと同等な範囲に入るか
ぎり、すべてのこのような変更例および変形例を含むも
のと解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】密封部分、電力接触接続部および空気源におけ
るセル構成を示す本発明に使用される管状の段付け積層
酸素発生器の一実施例の部分断面平面図である。
【図２】本発明に使用される酸素発生器の他の実施例の
部分断面平面図である。
【図３】明確にするためにロッドを除いた状態で本発明
の一実施例を示す部分横断面正面立面図である。
【図４】図３に示す実施例の上半分を示す拡大部分横断
面正面立面図である。
【図５】図３に示す実施例の下半分を示す拡大部分横断
面正面立面図である。
【図６】本発明によるポートのうちの１つの端面図であ
る。
【図７】図３の線７─７に沿った本発明の頂横断面図で
ある。
【符号の説明】
１０ 発生器 １２、１２’ セル １４ 固体酸化物電解室バンドすなわちセグメント １６ 空気電極バンド １８ 相互接続セグメント ２０ 酸素電極バンド ２２ 多孔性支持体 ２３ 流入空気 ２４ 端子 ２５ 中央室 ２８、２８’ 金属端シート ３０ ロッド ３２ 断熱リング ３４ スリーブ ３６ 穴 ３８ 管 ４０、４２ 端部分すなわちキャップ ４４、４６ 繊維金属リング １２０ 第１包囲体 １３２ オリフィス １３０ 外側底ドーム １３６ 内側底ドーム １４０ 第１環状部 １５０ 第２包囲体 １６０ 内側上ドーム １７０ 第２環状部 １８０ 第３包囲体 １９０ 外側上ドーム １９２ オリフィス １９４ フィン ２００ ポート ２１０ 第３環状部 ２２０ 排出管

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 加圧空気から酸素を発生させる酸素濃縮
    装置において、 外面を有し、電気化学反応により空気から酸素を選択的
    に抽出する電気化学的酸素発生器と、 内側包囲体および外側包囲体とを備え、上記発生器は上
    記内側包囲体内に同心に受け入れられており、上記内側
    包囲体は上記外側包囲体内に同心に受け入れられてお
    り、 内側環状部および外側環状部を備え、内側環状部は上記
    発生器と上記内側包囲体との間に形成されており、上記
    外側環状部は上記内側包囲体と上記外側包囲体との間に
    形成されており、空気を上記発生器で加熱し、正気内側
    環状部に差し向け、上記外側環状部内の空気は上記内側
    環状部内の空気より冷たいことを特徴とする酸素濃縮装
    置。
  2. 【請求項２】 上記内側環状部と上記発生器との間に介
    在された環状ハウジングを更に備え、外ハウジングはこ
    の中に上記発生により発生された熱を保持する断熱材を
    備えていることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮
    装置。
  3. 【請求項３】 上記発生器を加熱する加熱手段を更に備
    え、該加熱手段は上記発生器内に同軸に延びるロッドで
    あり、該ロッドは電流によって加熱されることを特徴と
    する請求項１に記載の酸素濃縮装置。
  4. 【請求項４】 加圧空気から酸素を発生させる酸素濃縮
    装置において、 電気化学的酸素発生器を備え、該発生器は外面を有し、
    電気化学反応により空気から酸素を選択的に抽出するも
    のであり、 頂端部、底端部、内面および外面を有する第１包囲体を
    備え、上記発生器は上記第１包囲体内に収容されてお
    り、 頂端部、底端部、内面および外面を有する第２包囲体を
    備え、上記第１包囲体は上記第２包囲体内に収容されて
    おり、 頂端部、底端部、内面および外面を有する第３包囲体を
    備え、上記第２包囲体は上記第３包囲体内に収容されて
    おり、 上記発生器の上記外面と上記第１包囲体の上記内面との
    間に形成された第１環状部と、 上記第１包囲体の上記外面と上記第２包囲体の上記内面
    との間に形成された第２環状部と、 上記第２包囲体の上記外面と上記第３包囲体の上記内面
    との間に形成された第３環状部と、 上記第３包囲体の上記頂面の近くで上記第３包囲体に設
    けられたオリフィスとを備え、加圧空気が上記オリフィ
    スに入り、上記第３環状部内を下方に、上記第１環状部
    内を上方に、上記第２環状部内を下方に移動し、上記第
    ２環状部を通って上記酸素濃縮装置から出ていくことを
    特徴とする酸素濃縮装置。
  5. 【請求項５】 上記第３環状部に入る空気は上記第２環
    状部内の空気より冷たく、上記第２包囲体は上記第２環
    状部内の空気からの熱を上記第３環状部内の空気に伝達
    することを特徴とする請求項４に記載の酸素濃縮装置。
  6. 【請求項６】 上記第３環状部は酸素発生装置内の空気
    うち、最も冷たい空気を収容することを特徴とする請求
    項４に記載の酸素濃縮装置。
  7. 【請求項７】 上記第３環状部と上記第１環状部との間
    に延びるポートを更に備え、該ポートはその中の空気を
    上記第２環状部内の空気から分離することを特徴とする
    請求項４に記載の酸素濃縮装置。
  8. 【請求項８】 上記第２包囲体の上記頂端部を覆う内側
    上ドームを更に備え、該内側上ドームは内面および外面
    を有しており、上記内面は反射性であることを特徴とす
    る請求項４に記載の酸素濃縮装置。
  9. 【請求項９】 上記第３包囲体の上記頂端部を構成する
    外側上ドームを更に備え、該外側上ドームの頂点はオリ
    フィスを備えていることを特徴とする請求項４に記載の
    酸素濃縮装置。
  10. 【請求項１０】 上記第２包囲体の上記底端部を覆う内
    側底ドームを更に備え、該内側底ドームは内面および外
    面を有しており、上記内面は反射性であることを特徴と
    する請求項４に記載の酸素濃縮装置。
  11. 【請求項１１】 上記第３包囲体の上記底端部を構成す
    る外側底ドームを更に備え、該外側底ドームの頂点はオ
    リフィスを備えていることを特徴とする請求項４に記載
    の酸素濃縮装置。
  12. 【請求項１２】 航空機における酸素貯蔵シリンダを補
    充するのに敵した酸素発生装置において、 複数の電気化学的酸素発生器を備え、これらの発生器は
    六角形列に配列され、電気化学反応により空気から酸素
    を選択的に発生させ、上記発生器は外面を有しており、 第１包囲体を備え、該第１包囲体は頂端部、底端部、内
    面および外面を有しており、上記複数の発生器は上記第
    １包囲体内に受け入れられており、上記第１包囲体はそ
    の中に上記発生器により発生された熱を保つために断熱
    されており、上記第１包囲体の上記頂端部は開放してお
    り、上記底端部は外側底ドームを構成しており、該外側
    底ドームの頂点はオリフィスを備えており、 頂端部、底端部、内面および外面を有する第２包囲体を
    備え、上記第１包囲体は上記第２包囲体内に同心に受け
    入れられており、上記頂端部は内側上ドームを構成して
    おり、該内側上ドームは非断熱性であり、反射面を有し
    ており、 頂端部、底端部、内面及び外面を有する第３包囲体を備
    え、上記第２包囲体は上記第３包囲体内に同心に受け入
    れられており、上記第３包囲体の上記頂端部は外側上ド
    ームを構成しており、該外側上ドームはオリフィスで終
    わっており、 上記複数の発生器の上記外面および上記第１包囲体の上
    記内面により形成された第１環状部と、 上記第１包囲体の上記外面および上記第２包囲体の上記
    内面により形成された第２環状部と、 上記第２包囲体の上記外面および上記第３包囲体の上記
    内面により形成された第３環状部と、 第３環状部を上記第１環状部に連結するポートとを備
    え、これらのポートは上記第１および第２包囲体の穴を
    通って延びており、上記ポートは上記第２環状部内の損
    失を減少させるように空気力学的に成形されており、上
    記ポートは上記第２環状部内の空気からの熱を上記ポー
    トに伝達するために上記第２環状部の中へ延びているフ
    ィンを有していることを特徴とする酸素発生装置。
  13. 【請求項１３】 電流の付加で空気から酸素を発生する
    ことが可能な電気化学的発生器を付勢し、 上記発生器に加圧空気を導入し、 上記発生器により発生された酸素を関連した酸素貯蔵シ
    リンダに差し向け、この酸素でシリンダを補充し、 上記発生器からの熱い酸素放出空気をより冷たい流入加
    圧空気と熱交換関係に差し向ける諸工程を有することを
    特徴とする酸素貯蔵シリンダを補充する方法。
  14. 【請求項１４】 上記熱交換関係は上記熱い酸素放出空
    気を上記冷たい流入空気と隣接するように向け、上記熱
    い空気と冷たい空気とを熱移動バリヤーによって分離す
    ることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 電流の付加で空気から酸素を発生する
    ことが可能な電気化学的発生器を付勢し、 上記発生器に加圧空気を導入し、 上記発生器により発生された酸素を使用者に差し向け、 上記発生器からの熱い酸素放出空気をより冷たい流入加
    圧空気と熱交換関係に差し向ける諸工程を有し、上記熱
    交換関係は上記熱い酸素放出空気を上記冷たい流入空気
    と隣接するように向け、上記熱い空気と冷たい空気とを
    熱移動バリヤーによって分離することを特徴とする空気
    から酸素を発生させる方法。
  16. 【請求項１６】 ポートは空気を上記第１包囲体に接線
    方向に導入するように傾斜されていることを特徴とする
    請求項７に記載の酸素濃縮装置。
JP4101190A 1991-04-22 1992-04-21 加圧空気を利用した酸素濃縮装置 Pending JPH05301016A (ja)

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