(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧生成物の気体および高圧生成物の気体を発生するための２段階セラミック気体発生システムであって、
選択された低圧をもつ前記生成物の気体を発生するセラミック膜を含む低圧気体発生サブシステム、および
前記低圧サブシステムからの前記生成物の気体の圧力より高い所望の圧力レベルをもつ前記生成物の気体を発生するための、別個のセラミック膜を使用する電気化学的酸素発生システムを有する高圧気体発生サブシステム、
を含み、
前記高圧気体発生サブシステムは、前記高圧ガス発生サブシステムの別個のセラミック膜への入力ストリームとして、前記低圧サブシステムから前記低圧生成物の気体の少なくとも一部を受け取る、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記低圧気体発生サブシステムは、さらに、オーブンの内側キャビティの中に動作可能にマウントされた、前記内側キャビティの中の酸素濃度を検知するため、および前記オーブンに対する入力気体を制御する制御・モジュールに伝達される信号を発生するための酸素センサを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記低圧気体発生サブシステムは、前記生成物の気体を発生するための別個の第二のセラミック膜をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記低圧気体発生サブシステムは、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）気体生成器である、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に対するクロスリファレンス
この出願は、『オキシジェン・ジェネレータ・ウィズ・ストレージ・アンド・コンサベーション・モード（ＯＸＹＧＥＮ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ  ＷＩＴＨ  ＳＴＯＲＡＧＥ  ＡＮＤ  ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ  ＭＯＤＥ）』と題して２００４年９月２１日に出願された米国仮出願第６０／５２２３６２号に基づく。
【０００２】
本発明は、電気化学気体発生器の分野に関し、より詳細には、酸素を発生してユーザに提供するためのセラミック酸素発生システム（ＣＯＧＳ）に関する。
【背景技術】
【０００３】
医療応用および電子産業における使用のため、レーザ切断のため、およびそのほかの多くの応用における使用のために実質的な純酸素を発生し、提供する種々の方法が存在する。純酸素に関する２つの主要な使用分野は、在宅酸素治療（ＨＯＴ）患者および航空機搭乗員のための呼吸目的である。
【０００４】
酸素は、高圧でボンベ内に貯蔵することが可能であり、一般にデューアと呼ばれているものの中に液体酸素として貯蔵される。これらの技術は周知であり、長年にわたって利用されている。
【０００５】
より最近では、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）プロセスまたは真空スイング吸着（ＶＰＳＡ）プロセスを使用して圧縮空気源から酸素を分離し、濃縮する種々の分子篩を用いたリアルタイムの酸素の濃縮または発生が可能である。圧力スイング吸着によって発生される酸素生成物はコストが低く、容易に入手できる。しかしながらそれらの生成物の酸素濃度は、約９０から９５％である。
【０００６】
さらに新しくは、セラミック膜の一方の表面において酸素分子をイオン化し、そのイオンを膜に透過させ、膜の他方の表面においてそれらのイオンから過剰電子を除去することによって酸素分子としてそれらを改質する電気化学プロセスを使用して酸素を発生することが可能になっている。このタイプのテクノロジは、セラミック酸素発生システム（ＣＯＧＳ）としても知られている。
【０００７】
吸入の開始時に経鼻カニューレを通してユーザに酸素の短パルスを提供する酸素節約デバイスは、慢性肺疾患を患う患者に対して、血流中の適切な酸素飽和レベルを維持しつつ供給される補助酸素の量を低減するために長年にわたって広く使用されている。これは、一般に酸素のパルス投与と呼ばれている。
【０００８】
このタイプの酸素パルス投与技術は、最近、一般に３２，０００フィートに及ぶ高度を飛行する通常航空機のパイロットに対して補助酸素を提供するために航空機上で使用されるようになった。同様に、より高い高度における低酸素症の発生を防ぐ生理学的に安全な酸素濃度である最小レベルを提供しつつ、ユーザの酸素中毒の可能性を最小化する酸素呼吸レギュレータが、種々の高度において航空宇宙搭乗員によって消費される酸素量を抑えるために長年にわたって使用されている。生理学的に安全な酸素濃度は、航空機機室内の空気を引き込み、それを貯蔵または発生された酸素に追加し、搭乗員に提供する前に、気圧−高度の関数として所望のレベルまで濃度を下げる呼吸レギュレータによって提供されている。これは、もっとも一般的に、周知の空気注入器デバイスを使用して達成される。この技術は、航空機室内においてＰＳＡ酸素濃縮器から発生された酸素を所望の濃度まで希釈するためにも使用されている。
【０００９】
航空機にＰＳＡ酸素濃縮器が装備されており、航空機の機室内気圧が、約３０，０００フィートより上の航空機高度で低下した場合に、ＰＳＡによって発生されている酸素の純度、すなわちわずか９５％の酸素が、より高い高度において搭乗員が安全にとどまることができるという暴露時間を制限する。しかしながら、航空宇宙酸素システムが９９．５％酸素の貯蔵酸素からなるか、または９９．５％酸素を包含するバックアップ酸素システム（ＢＯＳ）を有する場合には、それらのより高い高度において機室内圧力が失われた場合の追加の搭乗員安全性を提供することが可能になる。しかしながら高圧貯蔵または液体形式のいずれにおいても９９．５％酸素の使用は、日単位から週単位の時間期間にわたる定期的な補充を必要とし、ユーザに対して支援上の負担を負わすことになる。
【００１０】
航空宇宙応用へのＰＳＡ酸素濃縮器の導入は、日々ベースの酸素の要件を解決したが、より高い高度における機室内圧力の低下後に使用するための酸素の供給としては制限されている。現在、Ｆ−１５Ｅ航空機だけがバックアップ酸素供給を使用しており、これには、一体型圧縮器を備えるＰＳＡ酸素濃縮器を使用して発生および貯蔵される９３％酸素が自動的に充填される。次世代航空機へのＰＳＡ酸素濃縮器の使用に対する新たに生ずる限界は、より高いバイパス比を伴うより効率的なエンジンの使用に向かう傾向であり、結果的に、ＰＳＡ酸素濃縮器および航空機、そのほかの空気取り扱いシステムに利用できる圧縮空気がより少なくなる。これは、実際上航空機エンジンからの圧縮空気の使用を最小化するか、排除する。
【００１１】
多くの航空宇宙応用は、９９．５％より高い純度において酸素を発生し、航空機コクピットが約２５０００フィートより低い圧力−高度に等しいときは正常飛行状態用により低い濃度を提供する一方、それを緊急状態のために高圧で貯蔵する方法を必要としている。このシステムは、特定の正常および緊急飛行状態の下に約７０ｍｍＨｇに至る圧力で酸素を与えることが可能な経口−経鼻マスクを含む現行の航空機要員装備と互換性を有するに必要がある。
【００１２】
同様に、多くの在宅酸素治療患者には、自宅において、経鼻カニューレを使用するパルス投与酸素節約デバイスを通して酸素を与える一方、自宅外での臨時使用のために携帯ボンベ内にも酸素を貯蔵することができる酸素発生器は利便の良いものとなっている。このことは、使用後に携帯酸素ボンベを補充する必要性を排除することによって在宅医療提供者の支援上の負担を軽減する。睡眠障害を有する一部の患者は、睡眠中の所望の酸素血中飽和レベルを維持するための、経鼻カニューレからの連続流によってより良好に維持されている。
【００１３】
特定のセラミック材料は、特定の状態にさらされると、積極的にそのマトリクスに酸素原子を通過させる。従前の実施の態様では、適正に設計されたセラミック膜は、１００％酸素を濃縮するための手段として、そして従来の酸素ボンベの再充填に適したレベルまで酸素を加圧する手段として作用できることを明らかにしている。
【００１４】
基本的なセラミック酸素発生システムは、一般に、１またはそれより多くの温度制御付きオーブンからなり、それらはセラミック酸素発生要素を含む。セラミック要素に充分な酸素を供給するために、オーブン内において空気が循環される。このセラミック・エレメントが高温（約７００℃）で動作することから、オーブンに入力される前に空気が加熱されなければならない。熱を保存し、オーブンから排気される酸素欠乏空気の温度を下げるために熱交換器が使用される。
【００１５】
上に述べたその種の基本的なＣＯＧＳの主要な問題として次のものが挙げられる：
−  空気入力流量対酸素出力流量の比が非常に高い（２０：１）。
この高い入力流量は、熱交換器に熱損失がないことを必要とし、満たされないときはセラミック要素に熱衝撃が及ぶ。
−  熱を保存するために熱交換器効率が高いことを必要とする。
したがって、それらが高価になる。
−  熱交換のため、オーブンを加圧してリターン（酸素欠乏排気）流を生成しなければならない。正圧がオーブン上の開口や割れから温度漏れを生じさせる。
【００１６】
高純度レベル、高圧、かつ高温の酸素は、それが多くの従来材料の燃焼を非常に高められることになるため、有害な環境を作り出す。したがって、高圧高温において純酸素を保持することのできるコスト効果をもつ圧力容器を設計することは非常に困難である。従前の実施の態様は、セラミック膜を高純度酸素のための初期圧力容器として使用し、従来的な酸素ボンベ内に移し、貯蔵できるまでそこで充分に冷却していた。
【００１７】
セラミック膜を圧力容器として使用することで、最大動作圧力と酸素濃縮レートの間で非常の競合関係が生ずる。セラミック材料は比較的もろく、そのため内部加圧に関連した引っ張り応力に耐えることが難しい。モジュールの壁厚を増加することは材料の応力を下げることになるが、モジュールの酸素濃縮レートおよび動作効率も低下させることになるのである。
【００１８】
特許文献１；特許文献２；特許文献３；特許文献４およびそのほかの中で記述されているインテグレーテッド・マニフォールド・アンド・チューブズ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｍａｎｉｆｏｌｄ  Ａｎｄ  Ｔｕｂｅｓ）（ＩＭＡＴ）等のセラミック酸素発生モジュールが、酸素発生システム内に使用されてきた。しかしながらこれらの出願のほとんどにおいてＩＭＡＴの外側表面が空気と界面をなし、酸素がセラミックを通ってキャビティ（回路）の内側にポンピングされる。この設計は、セラミック上の高い引っ張り応力に起因して最大酸素発生圧力を制限する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第５，８７１，６２４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９８５，１１３号明細書
【特許文献３】米国特許第６，１９４，３３５号明細書
【特許文献４】米国特許第６，３５２，６２４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上に引用した文献は、多くの特筆すべき利点およびこの分野における技術的な向上を説明し、開示しているが、本発明によって達成される特定の目的を完全に満たすものはない。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明によれば、酸素がＩＭＡＴの内側からポンピングされて、外側に圧力を発生する。セラミックは、引っ張りより圧縮においてより応力に耐える。したがって、前述の設計と比較すると、最大発生圧力を向上することが可能になる。
【００２２】
本発明の第１の実施態様は、制御された量および圧力の酸素等の所望の気体を生成する電気化学酸素発生システムの動作を制御する電子的に制御されるユニットを含む。この気体発生システムからの出力または生成物の気体は、貯蔵ユニットまたは、純化された酸素またはそのほかの気体のユーザに対する生成物の気体の流れを制御するレギュレータのいずれかに供給される。レギュレータにパルス・バルブを含めて、ユーザへの純化された酸素の量および流れをさらに制御することもできる。
【００２３】
ＣＯＧＳユニットの第２の実施態様は、任意であるが２つのサブシステムを結合する２段階システムを含む。一方のサブシステムは、ＩＭＡＴを使用して周囲空気から内部回路へ酸素をポンピングし、低圧酸素を発生する。他方のサブシステムは、ＩＭＡＴの第２のグループを使用して内部回路から適切な高圧酸素貯蔵デバイスへ酸素をポンピングする。
【００２４】
本発明の利点は次のとおりである：
−  両方のサブシステムに同一構成のＩＭＡＴを使用することができる。
−  生成ライン内のＩＭＡＴを、低および高パフォーマンスに分離すること、および低圧または高圧のサブシステム内に使用することができる。この分離および使用は廃棄されるＩＭＡＴを減少させる。したがって、歩留まりを向上させることができる。
【００２５】
本発明の低圧サブシステムの出力酸素純度は非常に高い。したがって、高圧サブシステムで必要となるパージが全くない。
【００２６】
本発明の別の目的は、圧力容器としてセラミック膜を使用するときの最大動作圧力と酸素濃縮レートの間での競合を排除することである。
【００２７】
これらの、およびこのほかの本発明の目的、利点、および特徴は、本発明の好ましい実施態様が示されている添付図面を参照した以下の説明から明らかになるであろう。
【００２８】
上に簡単に要約した本発明のより詳細な説明は、図面に示されている例示的な実施態様から得ることができ、また以下においても詳細に考察されている。これらを参照すれば、上の引用をはじめ、そのほかに明らかになる特徴がどのように得られるかを知り、詳細に理解することができる。しかしながらこれらの図面は、本発明の代表的な好ましい実施態様に過ぎず、本発明がほかの等しく有効な実施態様に適用できることから、その範囲を限定すると考えられるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、一般的な在宅酸素治療使用のために適合された所望の気体を発生し、貯蔵するための本発明の電気および空気ブロック図である。
【図２】図２は、航空機使用のために適合された所望の気体を発生し、貯蔵するための本発明の電気および空気ブロック図である。
【図３】図３は、所望の気体を発生する低および高圧サブシステムを有する本発明の電気および空気ブロック図である。
【図４】図４は、本発明の低圧ＣＯＧＳサブシステムの電気および空気ブロック図である。
【図５】図５は、本発明の低圧ＣＯＧＳサブシステムの関連するコンポーネントを示した電気および空気ブロック図である。
【図６】図６は、本発明の高圧ＣＯＧＳサブシステムの断面図である。
【図７】図７は、本発明に使用することができるセラミック膜セクションまたはＩＭＡＴの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
上で引用した本発明の特徴、利点、および目的が達成される態様が詳細に理解できるように、上に簡単に要約されている本発明のより特定した説明を添付図面に例示されているその実施態様を参照して行う。すべての図面において、同一の符号は同一の要素を表す。
【００３１】
特に図１および２を参照すると、本発明の第１の実施態様は、制御された量および圧力の酸素等の所望の気体を生成する電気化学酸素発生システムまたはＣＯＧＳ  １４の動作を制御する電子的に制御されるユニット１６を含む。気体発生システム１４からの出力または生成物の気体は、貯蔵ユニット１２または、純化された酸素またはそのほかの気体のユーザへの生成物の気体の流れを制御または管理するレギュレータ２８のいずれかに供給される。パルス・バルブ２６をレギュレータ２８とともに含み、ユーザへの純化された酸素の量および流れをさらに管理することができる。
【００３２】
在宅酸素治療（ＨＯＴ）使用について上述した問題は、酸素を発生し、携帯使用のためにボンベまたはそのほかの適切な貯蔵容器１０内に貯蔵し、さらに、一定した酸素流が睡眠中無呼吸等の睡眠障害を伴う患者にとってより効果的である場合には睡眠中の作動および使用のために別の貯蔵容器１２を充填するオプションも有するＣＯＧＳ  Ｃによって同時に満たされることが可能である。本発明は、上記の患者シナリオのために適切な流量レートを提供する一方、ＣＯＧＳ  Ｃのサイズ、重量、および電力の縮小に寄与する。
【００３３】
潜在的節約の例を次の分析で示す。夜間に３ｌｐｍの連続投与を必要とする在宅医療患者が、昼間に１ｌｐｍしか必要としないことがある。このシナリオにおいては、合計の酸素使用量／日が次のように計算される。
３ｌｐｍ×６０分／時間×８時間＋１ｌｐｍ×６０分／時間×１６時間＝２４００リットル
【００３４】
現在のところは、一般的なＰＳＡ濃縮器が、３ｌｐｍを連続供給して最大の需要を満たすサイズに設定されることになる。
【００３５】
代表的な電子パルス投与システムは、気体消費に１対６の節約を提供することが可能であり、その結果、日単位の酸素消費が次のように計算される。
３ｌｐｍ×６０分／時間×８時間＋１／６ｌｐｍ×６０分／時間×１６時間＝１６００リットル
【００３６】
パルス投与システムを使用し、昼間に生成された余剰酸素を夜間の連続流モードにおける使用のために貯蔵することによって、酸素発生システム（ＰＳＡまたはＣＯＧＳ）は、分当たり１．１１リットル（１６００リットル／１４４０分／日）を生成するサイズに設定することが可能になる。したがって、酸素供給システムを、夜間の連続ピーク流量を提供しつつ、従来のシステムによって必要とされる気体の半分以下を提供するサイズに設定することができる。
【００３７】
このようなＨＯＴ使用に適したシステムＣの回路図を図１に示す。ＣＯＧＳ  Ｃは、周囲空気から電気化学的に酸素を抽出し、それを高圧でフロー・バルブ２２を有する気体ライン２０を通して与えるセラミック酸素発生器（ＣＯＧ）ユニット１４を含む。オプションの移動式貯蔵ボンベ（シリンダー）１０および夜間の連続流モードのためのオプションの気体貯蔵容器１２が、流路またはパイプ２４をもつ液体流内において、１つの分岐がフロー・バルブ２２と動作可能に連結されているマニフォールドまたはＴ連結部２５（１つまたは複数）に接続されている。システムの動作を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１６は、連結路１５によってＣＯＧユニット１４に対して、および患者またはユーザの吸入需要を検知する圧力トランスデューサ（ＰＴ１）１８に対して電気的またはそのほかの動作上の接続がなされている。バルブ２６は、ＥＣＵ１６によって好ましい時間および持続期間において開くことが指示される。レギュレータ・ユニット２８は、マニフォールドまたはＴ連結部２５（１つまたは複数）と、ＥＣＵ１６からの制御信号１７によって好ましい、または選択された時間および持続期間にわたって開くことが指示される空気または気体フロー・バルブ２６との間の流体流路３０内に動作可能に接続されている。圧力トランスデューサ（またはスイッチ）（ＰＴ２、ＰＴ３）３１ａおよび３１ｂを使用し、貯蔵タンク１２および移動式ボンベ１０の圧力に関してＥＣＵ１６にフィードバックを提供することができる。
【００３８】
概して、カニューレ、マスク、またはそのほかの周知の酸素供給手段３２が、レギュレータ２８またはバルブ２６と、ＥＣＵ１６にフィードバック信号３６を提供するために、任意であるが圧力トランスデューサ１８に対する入力ストリームを供給できる管路３４を介して流体連通している。
【００３９】
ＨＯＴを含む使用に適したシステムＣの他の実施態様は、以下を含むことができる：
１．  パルス投与のための別体のＥＣＵであって、カニューレ、圧力トランスデューサ、レギュレータ、または移動式ボンベに連結自在なＥＣＵ；および、
２．  移動式または補助貯蔵接続具は、ユニットへの移動式ボンベ１０の再装着時に補助貯蔵からの自動ソーシングを可能にするべく設計することができる。
【００４０】
特に図２に示されているように、本発明の他の実施態様は、航空機用酸素シナリオのための一連の状態に関連付けされる問題を解決する。この航空酸素システムＶは、最低でも９９．５％酸素を数百ポンド毎平方インチの圧力で供給可能なセラミック酸素発生器ユニット１４、第１の酸素貯蔵容器またはタンク３８、酸素節約レギュレータ４０、および周知の経口−経鼻タイプの好ましくは酸素節約機能が付いた搭乗員用酸素マスク４２からなる。
【００４１】
セラミック酸素発生（ＣＯＧＳ）Ｖの航空用の実施態様は、航空機からの、別体または外部の圧縮空気供給を必要とすることなく酸素を発生する。好ましくはこのデバイスが、貯蔵容器３８のサイズを縮小し、暫定的な圧縮器（図示せず）の必要性を排除するために、５００ｐｓｉｇまたはそれより高い圧力でそれを供給するのに充分な堅固さを有する。このようなデバイスは現にあり、特許文献４およびいくつかの関連する特許文献の中で教示されている。発生器ユニット１４は、この酸素節約技術を使用して航空機要員（１人または複数）に充分な酸素を供給する一方、発生された余剰酸素を貯蔵容器またはバックアップ酸素システム（ＢＯＳ）３８またはオプションの緊急またはスタンバイ貯蔵容器またはシステム（ＥＯＳ）４４に所望の高圧で引き渡すべく設計されている。
【００４２】
レギュレータの動作モード
酸素節約レギュレータ４０は、好ましくは１またはそれより多くの動作モードを有する。ノーマル・モードは、搭乗員の吸入の初期期間の間だけに酸素を供給するパルス投与を使用し、それによって酸素を節約する一方、呼吸サイクルにおいてもっとも効果的なときに酸素を提供する。これは、結果として安全性を低下させることなく、酸素消費を低減する。貯蔵された酸素は、より高い流量またはより高い濃度が必要とされるときに使用される。
【００４３】
増加された酸素濃度を必要とするより高い高度において機室内圧力が失われたとき、パルス投与がより長い持続時間のパルスに遷移し、より高い高度においては１００％モードとなり、それにおいてはパルス投与モードに代えて、搭乗員の呼吸のための気体の必要性に応答する需要流量バルブを介して酸素が搭乗員に供給される。この流量は、空気的に、メカニズムを介して作用する周知の呼吸ダイアフラムによって、または圧力トランスデューサおよび１またはそれより多くの電気的に作動する流量制御バルブに作用するフィードバック電子制御回路によって制御することができる。
【００４４】
４０，０００フィートより高い高度での機室においては、呼吸レギュレータは、高度に適して加圧呼吸（ＰＢＡ）を搭乗員に供給し、低下した気圧における肺による酸素の吸収をさらに高め、かつ維持するために、搭乗員に酸素を供給する流量を、上昇された呼吸圧力下で制御することもできる。
【００４５】
レギュレータ４０は、任意の加速度計４８からの入力信号４６に応答して、通常重力レベルの約４倍を超えるより高い加速度により頭からの血液が下がったときの補助を行うべく航空機の加速度の関数として酸素圧力を与えることもできる。これは、一般にＧに対する加圧呼吸（ＰＢＧ）と呼ばれている。ＥＣＵ１６およびこの航空用システムＶのそのほかのコンポーネントに対して、望むときは、任意の反Ｇバルブ・コンポーネント５８を連結することができる。それに加えて反Ｇバルブ５８を介し、低Ｇ被服または航空Ｇスーツ６０を、この航空システムＶに接続することができる。
【００４６】
任意であるが、圧力トランスデューサ５０が、ＥＣＵ１６への制御信号５２を生成できる。さらにＥＣＵ１６は、レギュレータ４０と動作に関して接続することができる。フロー・バルブ５４を、機室空気取り入れ口５５とマスク４２の間の流路内に任意に配置してもよい。機室空気取り入れ口５５からの空気流は、レギュレータ４０に伝えられるようにしてもよく、それにより機室空気と純化された気体生成物の混合が可能になる。
【００４７】
追加の制御またはバルブ・システム５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄを連結し、ユーザのためのバックアップ安全性制御システムを提供することができる。
【００４８】
２段階システム
ＣＯＧＳサブユニットの他の実施態様は、任意であるが低圧１００および高圧１５０の気体純化または発生サブシステムを結合する２段階システム１８０を含む。低圧サブシステム１００は、ＩＭＡＴ１０６を使用して周囲空気から内部回路へ酸素をポンピングして低圧酸素を発生する。他方の高圧サブシステム１５０は、ＩＭＡＴ１６０の第２のグループを使用して内部回路から安定した高圧酸素貯蔵デバイス１９４へ酸素をポンピングする。
【００４９】
低圧サブシステム・コンポーネント
特に図４および５を参照すると、本発明の低圧サブシステムまたはコンポーネント１００は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）等の別の酸素発生技術によって供給される不純酸素を純化するためにセラミック酸素発生要素を使用する。
【００５０】
酸素純化サブシステム１０２は、概して、図５に示されているとおり、１またはそれより多くの周知のセラミック酸素発生要素（セラミック要素）１０６を収容したオーブン１０４、任意の酸素センサ１０８、制御可能な不純酸素入力回路（図示せず）、主制御器１１０、および動作可能に接続された関連コンポーネント、たとえば電源１１２、温度制御器１１４等からなる。
【００５１】
温度制御器１１４は、暖機および動作中、内部チャンバ内の内部オーブン１０４の温度を制御する。オーブン温度は、動作温度まで上昇させてセラミック要素１０６に対する温度衝撃が回避される。温度は、一定の動作温度（約７００℃）に制御される必要がある。
【００５２】
酸素センサ１０８は、オーブン１０４の内側の酸素濃度を検知し、連結部１１６を介して主制御器１１０に信号を供給する。酸素センサ１０８は、概して、セラミック要素と略同一の動作温度をもつ周知のセラミック・タイプ（たとえばジルコニア）ものである。この応用における使用のために自動車用酸素センサを良好な候補とすることができる。
【００５３】
オーブン１０４と連結される不純酸素入力回路１１８は、概して、オプションの制流子（オリフィス）、ソレノイド・バルブ１２０、および高温分配管１２２を含む。主制御器１１０は、ソレノイド・バルブ１２０を制御し、制限された酸素流をオーブン１０４にパルス送出する。バルブ制御は、酸素センサ１０８からの酸素濃度フィードバック信号を基礎とすることができる。好ましくはオーブン１０４内の酸素濃度は、最適ＩＭＡＴ動作のための濃度の１５％から２０％までの範囲内に、パフォーマンスの低下を招く周囲状態に対し酸素の損失を伴うことなく維持される。
【００５４】
主制御器１１０は、すべての制御機能を実行する。取り出し口圧力が最大圧力より低いとき（圧力スイッチＰＳＷ１２４によって示される）、主制御器１１０は、連結部１２６を介して電源１１２に、セラミック要素１０６に対する電力の印加を示す信号を送る。一方主制御器１１０は、オーブン１０４の内側の酸素濃度を、周囲空気の酸素濃度（２０．９％）より低く、かつセラミック要素が効率的に動作するための最低レベル（１５％）より上のレベルに制御する。この酸素濃度は、好ましくは１８〜２０％の間に制御される。
【００５５】
低圧サブシステム１００は、概して、そのほかの周知のコンポーネント、たとえばオーブン加熱器コンポーネント１２８、熱交換器１３０、ファン、配管、バルブ、およびそのほかのアイテムを含む。
【００５６】
本発明の低圧サブシステムの利点は次のとおりである：
−  熱交換器がまったく必要ないか、または低効率熱交換器が許容可能になる。入力対出力流量比は低い。したがって、分配管の内側を移動する間に入力部の予熱を行うことができる。
−  オーブン１０４の動作圧力は、周囲圧力よりわずかに高く保持されるだけでよい。したがって、対流を介した熱損失が有意に低減される。
−  オーブン１０４の内側の酸素濃度が制御され、周囲への酸素の損失を伴うことなくセラミック要素１０６の動作を最適化する。
【００５７】
高圧サブシステム・コンポーネント
特に図３、６、および７に図示されているように、本発明の高圧サブシステム１５０またはコンポーネントは、以前に述べたセラミック膜に、引っ張り力に代えて圧縮力をかける。セラミック材料は、圧縮において引っ張りにおける強さのほぼ１５倍の強さを有する。この著しい効果を得るには、引っ張り力の扱いにより適し、コスト効果をもつ圧力容器１５２内に高圧高温の酸素を入れる方法を見つけ出すことが必要となる。
【００５８】
圧力容器１５２は、好ましくは金属の外側シェル１５４からなり、オーブンとしても作用する。シェル１５４は、適切な量の高温、不燃性断熱材１５６で内側を覆うことができる。断熱材１５６の目的は、金属のシェル１５４を比較的冷たく維持すること、および内側チャンバ１５８のさらに内側に配置される潜在的な発熱源から金属をシールドすることである。外側シェル１５４を冷たく保つことは、金属が高い引っ張り強度特性を維持することを可能にし、酸素との有害な相互作用の可能性を下げ、さらに、外側シェル１５４とセラミック膜１６０の間における高圧シールの維持をより容易にする。
【００５９】
内側チャンバ１５８の温度制御は、２つの別々のプロセスから構成できる。第１は、チャンバ１５８を熱源１６２によって動作温度まで上昇させることができる。好ましくはこの熱源１６２は、チャンバ１５８内に配置される不燃性の高温加熱エレメントからなる。代替加熱方法は、取り外し可能な金属エレメント、高温、不燃性材料によってシールドされた金属エレメント、または外部生成熱源、たとえばチャンバ１５８の内側に向けられるマイクロ波エネルギ等を含むことができる。
【００６０】
チャンバ１５８の温度は、セラミック膜１６０が動作している間、セラミック膜１６０にわたる電圧を調整することによって、および外部手段による外側シェル１５４の制御された冷却によって、それらの組み合わせで制御される必要がある。発火の可能性を下げるために、チャンバ１５８を動作温度まで上昇させるために使用される熱源１６２を、チャンバ１５８の内側に高純度酸素が存在する間は使用不能にするか、取り外すことができる。
【００６１】
高圧サブシステム１５０の好ましい実施態様は、セラミック膜１６０の内側にソース気体として濃縮酸素を供給する。したがって、入力気体の相対的な組成は、動作間にセラミック膜に掛かる動作負担を軽減するために、所望の生成物の気体に関してあらかじめ選択することができる。濃縮または富化酸素の使用は、大気を使用するよりはるかに少ない必要な入力流量によって、動作中システムの温度条件を軽減することになる。
【００６２】
それに代えて、入力気体を、この分野で周知のとおり、熱交換器の使用等によって予備処理し、入力気体が取り入れ口ポート１６４に導入されるときのセラミック膜１６０に掛かる温度衝撃を低減してもよい。
【００６３】
安全性が高圧酸素を有するあらゆる応用に伴う主要な考慮事項であることから、ここで述べているとおり、セラミック膜１６０の故障時における漏れを最小化するために、チャンバ１５８の取り入れ口ポート１６４（１つまたは複数）および生成物取り出し口ポート１６６（１つまたは複数）のいずれにも複数のフロー制御デバイスを使用することができる。
【００６４】
任意であるが、内側チャンバ１５８を空にするか、あらかじめ加圧してスタートアップ・パフォーマンスを向上させることができる。
【００６５】
セラミック膜１６０は、任意の電気化学酸素または気体発生システム、たとえば平板、管、またはハニカム等のタイプの周知の電気化学気体発生器または固体電解質酸素発生セルとすることができる。
【００６６】
２段階セラミック酸素発生システム用に組み合わされたサブシステム
特に図３の２段階セラミック酸素発生システム１８０の機能ブロック図を参照すると、本発明は、高圧サブシステム１５０および本発明の低圧サブシステム１００をともに含む。
【００６７】
２段階システム１８０は、関連する温度コントローラ１１４、ＩＭＡＴ電源１１２、およびオーブンの空気供給ファンまたはブロア１８６をもつ低圧段（オーブン１）１００、関連する温度制御器１８２およびＩＭＡＴ電源１８４を伴う高圧段（オーブン２）１５０、主制御器１１０、およびそれぞれ主制御器１１０に連結されたオプションの入力／出力およびインターフェースまたは表示器１８８および１９０からなる。温度制御器１１４および１８２は、別体のコンポーネントまたは主制御器１１０のサブ部品とすることが可能である。
【００６８】
２段階システム１８０は、機能的に２つのサブシステムまたは段階に分割できる。すなわち、低圧および高圧サブシステムである。低圧サブシステム１００は、前述したとおり、加熱された周囲空気または制御された不純酸素をオーブン１０４に入力させる。この低圧サブシステム１００は、低圧酸素（０〜１００ｐｓｉｇ）を発生する。この低圧酸素生成物は、入力供給流として高圧サブシステム１５０に供給すること、または使用のために低圧取り出し口１９２から出力することができる。
【００６９】
高圧サブシステム１８０は、これついても前述したが、低圧サブシステム１００から入力を受け取る。高圧サブシステム１８０は、高圧ボンベ１９４の再充填のための高圧酸素を発生する（最大２０００ｐｓｉｇ）。
【００７０】
低圧サブシステム１００は、一体型加熱器１２８をもつオーブン１０４、主制御器１１０の一部とすることができる温度制御器１１４、ＩＭＡＴ１０６のセット（ＩＭＡＴの数は、出力条件に依存する）、熱交換器１３０およびファン１８６を伴う空気の入力部および分配部１９６、およびＩＭＡＴ電源１１２からなる。低圧段１００のためのオーブン１０４は、熱暴走が生じないように熱設計される。温度制御器１１４は、正常動作間の動作温度を制御する。
【００７１】
高圧サブシステム１５０は、酸素互換加熱器１６２を伴う高圧シールされたオーブン１５２、温度制御器１８２（主制御器の一部とすることができる）、ＩＭＡＴ１６０のセット（数は、出力条件および、低圧サブシステム内のＩＭＡＴの数に依存する）、およびＩＭＡＴ電源１８４からなる。
【００７２】
２つの段階の中で使用されるＩＭＡＴの数の間の比は、ＩＭＡＴの最大許容電流密度に依存する。高圧段１５０用のオーブン１５２は、正常動作間において加熱器１６２からの出力（パワー）を必要としないように熱設計されている。内部加熱エレメント１６２は、暖機（スタートアップ）期間後に使用できなくなる。動作中はＩＭＡＴ１６０から生成された熱が使用されて、オーブン内側１５８が動作温度に維持される。
【００７３】
主制御器１１０は、これら２つのサブシステム１００および１５０の動作を制御するもので、ユーザ−インターフェースを提供する。主制御器１１０は、圧力スイッチ１２４ならびに１９８および温度制御器１１４ならびに１８２から受信したデータに基づいて温度制御器１１４ならびに１８２および電源１１２ならびに１８４を使用可能または使用不能にすることができる。スタートアップ、充填、またはスタンバイ期間の間における制御方法を、次に説明する。
【００７４】
スタートアップの間は、動作温度（通常、約７００度Ｃ）まで２つのオーブン１０４および１５２を上昇させるために主制御器１１０は両方の温度制御器１１４および１８２を使用可能にする。この間、ＩＭＡＴ電源１１２ならびに１８４の両方およびオーブン空気供給ファン１８６は使用不能にされる。両方のオーブン１０４および１５２が動作温度に到達すると、２つのサブシステム１１４および１５０は充填モードまたは期間に入る。
【００７５】
充填期間の間は、主制御器１１０は、最初に低圧サブシステム１００の動作可能とし、圧力スイッチＰＳＷ１１２４がその状態を変化させるポイントまで酸素の圧力を高める。低圧回路１００内の圧力が高まった後、主制御器１１０は、高圧サブシステム１５０内の内部加熱エレメント１６２の使用不能にする。
【００７６】
高圧サブシステム１５０内の温度制御は、その後、高圧ＩＭＡＴ電源（ＩＭＡＴ電源２）１８４を使用して制御される。主制御器１１０は、低圧回路（ＰＳＷ１）１２４内の酸素圧力、高圧回路（ＰＳＷ２）１９８内の酸素圧力、および高圧オーブン温度（温度制御器２）１８２から受信した信号に基づいてＩＭＡＴ電源２１８４を使用可能にする。
【００７７】
ＩＭＡＴ電源およびオーブン空気供給ファンのための制御ロジックの方法工程を以下に示す。ここで注意を要するが、ＰＳＷ１１２４およびＰＳＷ２１９８は、サブシステムのオン／オフ制御の過度の循環を回避する大きなヒステリシスを好適に有する。
【００７８】
好ましい一連の工程は次のとおりとなる：
ＩＭＡＴ電源１１１２をオン＝（ＰＳＷ１１２４が下側レベル未満（すなわち、＜５０ｐｓｉｇ））かつ（温度が最低動作温度を超える）
ＩＭＡＴ電源１ １１２をオフ＝（ＰＳＷ１１２４が上側レベルを超える（すなわち、＞１００ｐｓｉｇ））または（温度が最低動作温度未満）
オーブン空気供給ファン１８６をオン＝ＩＭＡＴ電源１１１２をオン
ＩＭＡＴ電源２ １８４をオン＝（ＰＳＷ１１２４が下側レベル未満でない（すなわち、＞５０ｐｓｉｇ））かつ（ＰＳＷ２ １９８が上側レベルを超えていない（すなわち、＜＝２０００ｐｓｉｇ））かつ（オーブン２１５２温度が最大動作温度未満（すなわち、＜７５０度Ｃ））
ＩＭＡＴ電源２ １８４をオフ＝（ＰＳＷ１１２４が下側レベル未満（すなわち、＜５０ｐｓｉｇ））または（ＰＳＷ２ １９８が上側レベルを超える（すなわち、＞２０００ｐｓｉｇ））または（オーブン２１５２温度が最大動作温度を超える（すなわち、＞７５０度Ｃ））
【００７９】
充填期間（ＰＳＷ２ １９８の切り替え）の後、システムはスタンバイ・モードに入る。スタンバイ・モードにおいては低圧サブシステム１００が、上記と同一の動作ロジックによって制御される。しかしながら、高圧の主制御目的がオーブン１５２を、圧力における正味の増加を伴うことなく動作温度範囲内に維持することになる。酸素充填圧力における正味の増加を伴うことなくＩＭＡＴ１６０が熱を生成するようにＩＭＡＴ電源２１８４の出力極性が循環する。
【００８０】
上記に代えて、高圧サブシステム１５０に入力気体を提供する低圧サブシステム１００を、電気化学気体発生器ではないＰＳＡタイプとすることも可能である。
【００８１】
他のシステムの実施態様
貯蔵および節約モードをもつ本酸素発生器は、以下に示す代替実施態様を含むことができる。
【００８２】
１．  吸入の開始時における酸素流のパルスを作り出すためにソレノイド・バルブを循環する代わりに、ＣＯＧ発生器モジュール（１つまたは複数）１４に印加される電圧は、個人またはユーザに対して所望の循環フローを生成するように循環する。この実施態様は、システムのサイズがそれほど決定的でないか、加圧された酸素の貯蔵が望まれない場合に有益となろう。全体的なシステムの回路は単純化されること、またはＥＣＵ１６と電子的に、かつ経鼻カニューレ３２と連通されるＣＯＧ発生器またはシステム１４にまで縮小することを可能にする。ＥＣＵ１６は、選択された周知のセンサ設計からセンサ入力を有することもできる。
【００８３】
２．  基本的に一貫性のある呼吸パターンの予め定められた期間の後、ＥＣＵ１６に埋め込まれたソフトウエア・アルゴリズム（１つまたは複数）は、次の呼吸を予測または予期すること、および酸素の供給の効率をさらに最適化して酸素消費をさらに削減することを可能にする。
【００８４】
３．  代替酸素引き渡しシーケンスは、呼出の終了時にマスクまたはカニューレ内に、または次の吸入のための準備を行う吸入の完了時においてマスクの吸入チェック・バルブ直近の上流のマスク・ホース内に酸素を注入することである。これは、システムの応答を遅延させ、吸入サイクルにおけるもっとも効率的なポイントでの酸素の提供に失敗することがある吸入シーケンスの開始の検出を待機していることに代わるものである。
【００８５】
４．  ほかのセンサを追加して周囲圧力および温度に対して酸素のパルス変調を最適化し、所望の生理学的保護を提供することができる。
【００８６】
５．  航空機の高Ｇ操作の間にオプションの別体の反Ｇバルブが、呼吸レギュレータ２８のＧのための加圧呼吸（ＰＢＧ）モードを活性化する圧力信号を提供することができる。呼吸レギュレータ２８は、その後、ＣＯＧ１４によって発生され、貯蔵されている酸素を使用し、それを航空機機室からの周囲空気に追加して航空機搭乗員の生理学的要求を満たす所望の酸素濃度を提供する。
【００８７】
６．  代替として、呼吸レギュレータ２８のための電子制御器内にアルゴリズムを提供し、米国特許第６，４５０，９４３号の中で教示されているとおり、プッシュ−プル効果に抗する追加の圧力制御を提供することが可能である。
【００８８】
７．  貯蔵済みの酸素をシステムのスタートアップ間に使用して、システムが暖機シーケンスにある間の酸素要求量を提供する。
【００８９】
８．  ＣＯＧ１４によって放散される熱エネルギを、航空機搭乗員の快適等のほかの必要性のための熱源として使用することができる。
【００９０】
９．  このシステムは、ＣＢＷ（生物化学戦）に晒されている間に貯蔵済み酸素を使用することによって１００％モードに頼ることができる。
【００９１】
１０．  代替としてこのシステムは、より高い高度における航空機からの射出（脱出）の間に搭乗員に酸素を提供する射出座席搭載緊急酸素システム（ＥＯＳ）４４に酸素を提供することができる。
【００９２】
１１．  代替として、温風エンジン抽気を使用して熱損失およびＣＯＧＳオーブンの内側の高温の維持に必要な断熱材の量を減らすことができる。
【００９３】
１２．  ＣＯＧ１４を、高圧において酸素を供給することが同様に可能な任意の酸素発生器に置き換えることができる（たとえば、酸素圧縮器に結合されたＰＳＡ−ベースのＯＢＯＧＳ）。
【００９４】
１３．  周知の酸素計を追加して酸素のパルスまたは連続流の調整をサポートする閉ループ・フィードバックを提供し、血中酸素レベルを改善することができる。患者通知アラームを用いてマニュアル決定または自動制御を可能にするアラームを開始することができる。
【００９５】
１４．  制御は、需要がリアルタイム発生レートを超え、かつ貯蔵が枯渇したときにＣＯＧモジュール１４の駆動電圧を正常電圧より増加して発生レートを上昇させる、マニュアルまたは自動的な活性化が可能な緊急モードを含むことができる。アラームを開始することも可能である。
【００９６】
１５．  ＥＣＵ１６を分離して移動式ボンベに帰属させること、およびＣＯＧをより単純に制御して、ボンベ（１つまたは複数）の再充填だけを行わせることが可能である。
【００９７】
１６．  航空酸素応用のために移動式ボンベを追加し、ＣＢＷ攻撃の間の立ち入りおよび外出のための呼吸可能な供給源を提供することができる。
【００９８】
１７．  航空酸素システム用に、酸素を節約し、かつ酸素を節約するための濾過空気の必要性を排除する、ＣＯ２洗浄器をもつ閉ループ呼吸システムを設計することが可能である。
【００９９】
以上の本発明の開示および説明は例示およびその説明であり、サイズ、形状および材料をはじめ、例示されている構成の詳細における種々の変更を、本発明の思想から逸脱することなしに行い得る。
【符号の説明】
【０１００】
１０  貯蔵容器（移動式貯蔵ボンベ）
１２  貯蔵容器（貯蔵ユニット、貯蔵タンク）
１４  ＣＯＧＳ（気体発生システム、ＣＯＧユニット、電気化学酸素発生システム、セラミック酸素発生器ユニット、ＣＯＧモジュール）
１６  電子制御ユニット（電子制御ユニット、ＥＣＵ）
１８  圧力トランスデューサ（ＰＴ１）
２０  気体ライン
２２  フロー・バルブ
２４  パイプ
２５  Ｔ連結部（マニフォールド）
２６  パルス・バルブ（バルブ、フロー・バルブ）
２８  レギュレータ（レギュレータ・ユニット、呼吸レギュレータ）
３０  流体流路
３１ａ  圧力トランスデューサ（ＰＴ２）
３１ｂ  圧力トランスデューサ（ＰＴ３）
３２  酸素供給（カニューレ）
３４  管路
３６  フィードバック信号
３８  第１の酸素貯蔵容器またはタンク（貯蔵容器、バックアップ酸素システム（ＢＯＳ））
４０  酸素節約レギュレータ
４２  酸素マスク（マスク）
４４  スタンバイ貯蔵容器またはシステム（ＥＯＳ）（緊急酸素システム（ＥＯＳ））
４６  入力信号
４８  加速度計
５０  圧力トランスデューサ
５２  制御信号
５４  フロー・バルブ
５５  機室空気取り入れ口
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ  バルブ・システム
５８  反Ｇバルブ・コンポーネント
６０  航空Ｇスーツ（低Ｇ被服）
１００  低圧サブシステム（低圧段）
１０２  酸素純化サブシステム
１０４  オーブン
１０６  ＩＭＡＴ（セラミック酸素発生エレメント、セラミック要素）
１０８  酸素センサ
１１０  主制御器
１１２  電源（ＩＭＡＴ電源）
１１４  温度制御器
１１６  接続
１１８  不純酸素入力回路
１２０  ソレノイド・バルブ
１２２  高温分配管
１２４  圧力スイッチＰＳＷ（ＰＳＷ１）
１２６  接続
１２８  オーブン加熱器コンポーネント（加熱器、一体型加熱器）
１３０  熱交換器
１５０  高圧サブシステム（高圧段）
１５２  圧力容器；オーブン（オーブン２）
１５４  シェル
１５６  断熱材
１５８  内側チャンバ（チャンバ、オーブン内側）
１６０  ＩＭＡＴ（セラミック膜）
１６２  熱源（加熱器、内部加熱要素）
１６４  取り入れ口ポート
１６６  生成物取り出し口ポート
１８０  ２段階システム（２段階セラミック酸素発生システム）
１８２  温度制御器
１８４  ＩＭＡＴ電源（ＩＭＡＴ電源２）
１８６  ブロア；ファン（オーブン空気供給ファン）
１８８  指示器
１９０  指示器
１９２  低圧取り出し口
１９４  高圧酸素貯蔵デバイス（高圧ボンベ）
１９６  入力部および分配部
１９８  ＰＳＷ２（圧力スイッチ）
Ｃ  ＣＯＧＳ
Ｃ  システム
Ｖ  航空酸素システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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