(57)【要約】  ガス発生システム（Ｓ）は、複数の生成ガス発生モジュール（１８）有する。生成ガス発生モジュール（１８）のそれぞれは、複数のモレキュラーシーブベッド（ｂｅｄ１、ｂｅｄ２）を備える。複数のモレキュラーシーブベッド（ｂｅｄ１、ｂｅｄ２）は、ピーク生成ガス流（１０６）が存在するサイクルの一周期を有するそれぞれの繰り返しサイクルにおいて作用する生成ガスを発生させる。マニホールド（５２）は、複数のモジュール（１８）からの生成ガスを混合する。プロセッサ（５８）は、モジュール（１８）の繰り返しサイクルのピーク生成ガス流量周期（１０６）を制御信号に応答して調節するように、ガス発生モジュール（１８）に送る制御信号を発生する。プロセッサ（５８）は、制御された分布における繰り返しサイクル全域で、モジュール（１８）に対するピーク周期（１０６）の時間を合わせる。
2008539072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の生成ガス発生モジュールを備え、モジュールのそれぞれが複数のモレキュラーシーブベッドを備え、複数のモレキュラーシーブベッドは、ピーク生成ガス流量周期を有するそれぞれの繰り返しサイクルにおいて生成ガスを発生させる、改良型のガス発生システムにおいて、
複数のモジュールからの生成ガスを混合するマニホールドと、
モジュールの繰り返しサイクルのピーク生成ガス流量を、制御信号に応答して調節する制御信号を生成して、ガス発生モジュールに送るためのプロセッサ手段であって、制御された分布における繰り返しサイクルの全域で、モジュールに対するピーク周期の時間を合わせるプロセッサ手段と、を備える改良型のガス発生システム。
【請求項２】
各モジュールに対するピーク周期は、残りのモジュールのピーク周期からＷ／Ｎの時間単位だけがずれ、ここで、Ｗは、台数Ｎのモジュールのそれぞれに対する連続するピーク間の時間周期を表す請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
プロセッサは、各モジュールに対するピーク周期を調節して実質的に同期させる請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
１つのモジュールは、同期すべき残りのモジュールに対するピーク周期の位相調整用のピーク周期の制御を行うために、マスターモジュールとして機能する請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
複数の生成ガス発生モジュールを備え、モジュールのそれぞれが複数のモレキュラーシーブベッドを備え、複数のモレキュラーシーブベッドは、ピーク生成ガス流量周期を有するそれぞれの繰り返しサイクルにおいて生成ガスを発生させる、改良型のガス発生システムを用いて、所望の生成ガスを発生させる方法において、
複数のモジュールからの生成ガスを、マニホールドを用いて混合する工程と
制御された分布における繰り返しサイクルの全域で、モジュールに対するピーク周期の時間を合わせるプロセッサを用いて、モジュールの繰り返しサイクルのピーク生成ガス流量を制御信号に応答して調節するように、ガス発生モジュールに送る制御信号を生成する工程と、からなる方法。
【請求項６】
各モジュールに対するピーク周期は、残りのモジュールのピーク周期からＷ／Ｎの時間単位だけがずれ、ここで、Ｗは、台数Ｎのモジュールのそれぞれに対する連続するピーク間の時間周期を表す請求項５に記載の方法。
【請求項７】
プロセッサは、各モジュールに対するピーク周期を調節して実質的に同期させる請求項５に記載の方法。
【請求項８】
１つのモジュールは、同期すべき残りのモジュールに対するピーク周期の位相調整用のピーク周期の制御を行うために、マスターモジュールとして機能する請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス発生器の分野に関し、より詳細には圧力スイング吸着装置用の電子制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素あるいは別の所望の生成ガスが必要である種々の用途がある。
【０００３】
搭載不活性ガス発生システム（ＯＢＩＧＧＳ）あるいは搭載酸素発生システム（ＯＢＯＧＳ）は、窒素あるいは酸素生成ガスを発生させるために長年用いられている圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法を採用することにより、モレキュラーシーブを利用する。この公知のＰＳＡ技術は、１つまたは多数の弁を経由して供給される圧縮空気または調整されたエンジンのブリード空気を用いて、多数のキャニスターの１つに収納されたモレキュラーシーブを加圧する。所定の時間が経過した後、弁は状態を変えてシーブの充填された１つのキャニスターを通気して、その後、次のキャニスターを加圧する。この加圧および通気プロセスが、ＰＳＡプロセスである。公知のＰＳＡシステムは、固定速度または可変速度のモータにより駆動されるロータリー弁により制御されている。さらに、システムは、専用の独立弁を利用して各キャニスターやベッドに対する各加圧および各通気サイクルを制御する。
【０００４】
従来のＰＳＡシステムは、入力空気入口を第１のキャニスターに接続するとともに通気口を第２のキャニスターに接続する線形４方スライド弁を有する。弁は状態を変えて、通気口を第１のキャニスターに接続し、同時に第２のキャニスターを入力空気に接続する。線形４方スライド弁は、あるシステムに必要な専用独立弁の複雑なシステムを単純にする。線形弁は、同じ役目をするロータリー弁や弁のシステムよりも信頼性が高いことが証明されている。
【０００５】
典型的なＰＳＡシステムに用いる線形弁は、空気圧で動作する。ＥＭＩシールド密閉箱に収納した固体電子機器を用いて開閉する小型パイロットソレノイド弁は、パイロットガスを制御する。パイロットソレノイドは、スライドブロックに接続された２つのガスシリンダーにガス圧を供給する。ブロックは、３つの開口または入口をもつ接合板中をスライドする。コントローラを、所定の時間に小型パイロット弁が開閉するように設定する。
【０００６】
いくつかの応用において、新しい空気供給源が制限される。多くの空中または地上型のシステムは、有限の空気供給源を有する。回転翼または固定翼の飛行機上でのブリード空気は使用量が多いため、利用可能な空気を保存することは難しい。空気保存について様々な概念の研究が行われている。これらの多数の研究は、例えば、特許文献１（米国特許第５８５８０６３号）、特許文献２（第６４０９８０７号）、および特許文献３（第５０７４８９３号）などの特許になっている。
【特許文献１】米国特許第５８５８０６３号明細書
【特許文献２】米国特許第６４０９８０７号明細書
【特許文献３】米国特許第５０７４８９３号明細書
【０００７】
例えば、特許文献４（米国特許第５７６６３１０号）および特許文献５（第６０６３１６９号）などの多くのその他の米国特許によれば、２つ以上のモレキュラーシーブベッドを有するモレキュラーシーブベッドユニットを用いる酸素濃縮システムは、モレキュラーシーブ酸素発生器を備えている。参照された特許の開示のすべてを完全に個々に援用する。
【特許文献４】米国特許第５７６６３１０号明細書
【特許文献５】米国特許第６０６３１６９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に、ＰＳＡ型のガス濃縮機は、空気供給源に対して空気の負荷が変化する。ＰＳＡサイクルにおいて、濃縮機により空気供給源から引き出されるピーク風量は、ほぼゼロから平均の流量の３倍にまで変化する。ほとんどの空気供給源のピーク風量能力は、圧縮機の能力、配管の直径と長さ、付加的な貯留容積などの、いくつかの要因により制限される。何台かのＰＳＡ濃縮機を同じ空気供給源に接続するとき、個々の濃縮サイクルの位相を調整して、 空気供給源に対するピーク風量の需要を最小にすることが望ましい。図２のグラフは、公知のＰＳＡ濃縮機に対する典型的な入力風量と時間を示す。
【０００９】
いくつかの濃縮サイクルの位相調整が同期する場合、あるいはそれに近い場合、空気供給源に対するピーク風量の需要は著しく増加することが図２から分かる。極端な場合、風量の需要は空気供給源の能力を超えて、濃縮機の運転効率が低下する。
【００１０】
上記に列挙した参照文献は、当該分野において注目すべき進歩と技術的な改良をもたらしているが、本発明により達成される特定の目的を満たすものはない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、改良されたガス発生システムは、複数の生成ガス発生モジュールを備える。モジュールのそれぞれは、複数のモレキュラーシーブベッドを備える。複数のモレキュラーシーブベッドは、ピーク生成ガス流量周期を有するそれぞれの繰り返しサイクルにおいて作用する生成ガスを発生させる。一般に、マニホールドは、複数のモジュールからの生成ガスを混合する。プロセッサまたはコントローラユニットは、モジュールの繰り返しサイクルのピーク生成ガス流量の一周期または一部を、制御信号に応答して調節するように、ガス発生モジュールに送る制御信号を発生する。プロセッサユニットは、制御された分布における繰り返しサイクルの全域で、モジュールに対するピーク周期の時間を合わせる。
【００１２】
本発明は、多数のＰＳＡ濃縮機の位相を合わせてピーク入力風量を減少させる方法を定義する。図３のグラフは、本発明によるすべての同位相の３台の濃縮機およびすべての異なる位相で駆動される３台の濃縮機に対する風量の大きさを示す。同位相状態の場合、ピーク風量は、予想どおり単一の濃縮機の風量の約３倍であることが分かる。異なる位相で駆動される濃縮機に関しては、ピーク風量は、単一の濃縮機に対する風量の２倍より少なく、顕著な向上が見られる。実際に、多数の濃縮機を適切に駆動させるために、例えば、単一の濃縮機に対する半サイクルの時間をＮで割る。ここで、Ｎは濃縮機の台数である。それにより、各連続する濃縮機のＰＳＡサイクルは、時間がずれる。
【００１３】
理想的な場合、適切に位相を合わせて多数の濃縮機をスタートさせることだけが必要であり、その後はそれぞれが独立に動作を続けることができる。これは、単一の濃縮機の不具合が他の濃縮機の動作に影響を及ぼさないので、信頼性の観点から好都合である。実際に、各濃縮機の動作周波数は、それぞれ若干異なる。１周期を超えると、この周波数の差が位相調整をずらして、最終的に多数の濃縮機は同位相またはそれに近い状態になる。これが発生するのを防ぐため、主要なまたは「先導する」濃縮機として機能する１つの濃縮機から、二次的または「応答システム」として機能する濃縮機に、信号を周期的に送り位相調整を適切に再設定する。
【００１４】
本発明のこれら及びその他の目的、優位性、および特徴は、本発明の好適な実施形態が示される、添付図面を参照して行われる以下の説明により明らかになるであろう。
【００１５】
上記に簡単に要約した本発明のより特別な説明は、図面に示されかつ以下にさらに詳細に議論される例示的な実施形態から利用可能である。これを参照することにより、明らかになるその他のものとともに上記に列挙される特徴がどのように得られるのかを詳細に理解できる。図面は、本発明の典型的である好適な実施形態を示すものではあるが、本発明の範囲を限定すると考えるべきではなく、本発明はその他の同じ効果的な実施形態を認めるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の上記に列挙される特徴、優位性、および目的が実現される内容は、添付の図面に例示されたその実施形態を参照して、上記に簡単に要約した本発明の詳細かつ特別な説明により理解できる。すべての図面において、同じ番号は同じ要素を表す。
【００１７】
生成ガス濃縮システムＳは、入力ガス１２を所望の圧力で供給するための入力空気源または供給装置２８を有する。酸素濃縮システム１４は、酸素濃縮ガス出力１６を生成する。酸素濃縮システム１４は、少なくとも２つの使用可能なモレキュラーシーブベッドｂｅｄ１、ｂｅｄ２を備える。入力流路または入力ライン１４は、入力ガスを、入力空気源または供給装置１２からモレキュラーシーブベッドモジュール２０ａまたは２０ｂへ伝える。
【００１８】
ＰＳＡシステムＳの主な動作は、選択された量あるいは流量の所望の生成ガスを、所望の圧力で供給することである。使用可能なモレキュラーシーブベッドモジュール１８の数を制御することにより、生成ガスの流量を高くする。モレキュラーシーブベッドモジュール２０ａまたは２０ｂを、選択的に停止、または実質的に切断あるいは遮断が可能であれば、供給する生成ガスを減らし、またより重要なことには、多量の生成ガスが必要でないときに使用するブリード空気を減らせる。具体的に、図１を参照すると、周囲空気やその他の入力ガス１２は、空気入力２８を経由して入る。スクロール型圧縮機やその他の好適な型の圧縮機などの空気圧縮機（図示せず）が、特定の流量と圧力値で圧縮空気を供給して、システムＳの需要に対応してもよい。
【００１９】
入力流路またはマニホールド１４ は、空気供給または入力２８から酸素濃縮ユニットＳを備えるモジュール１８の入力側に、加圧空気を運ぶ。そのような入力流路１４は、一般にパイプ、チューブ、あるいは加圧空気を大きな損失なく運ぶように適合された公知の空気手段である。図１の接続点１８ａは、付加的なモジュール１８用の入力空気供給装置に対して考えられる接続点を示す
【００２０】
濃縮システムＳは、空気の入力流路に並行あるいはタンデム式に接続される少なくとも２台のモレキュラーシーブベッドユニットまたはモジュール１８を備える。２台以上であれば任意の数が選択可能であるが、２台のタンデム式モレキュラーシーブベッドモジュール２０ａおよび２０ｂを、一例として図１に示す。一般に、モレキュラーシーブベッドモジュールの数を「Ｎ」で表す。図１の場合、一例としてＮは２である。
【００２１】
各モレキュラーシーブベッドモジュール１８は、モレキュラーシーブベッドモジュール１８内において、空気の平行な流路に、あるいはタンデム式に接続された少なくとも２つの別々のモレキュラーシーブベッドｂｅｄ１およびｂｅｄ２、またはｂｅｄ３およびｂｅｄ４を好適に備える。典型的に、モレキュラーシーブベッドｂｅｄ１、ｂｅｄ２、ｂｅｄ３、ｂｅｄ４は、それぞれが入口４０を有する公知のゼオライトベッドである。
【００２２】
各モレキュラーシーブベッドｂｅｄ１、ｂｅｄ２、ｂｅｄ３、ｂｅｄ４は、適切なシーブベッドである、ユニット２０ａのｂｅｄ１またはｂｅｄ２あるいはユニット２０ｂのｂｅｄ３またはｂｅｄ４、またはユニット２０ａのｂｅｄ１またはｂｅｄ２およびユニット２０ｂのｂｅｄ３またはｂｅｄ４へ、空気を順に運ぶ入力流路中に、シークエンシング弁４２を有する。そのような弁４２は、公知のスライド弁、ロータリー弁、またはその他の好適な型の弁、あるいは複数の個々の弁（ベッドを独立に充填あるいはパージする個々の弁など）でよい。２つの酸素ベッドｂｅｄ１およびｂｅｄ２、またはｂｅｄ３およびｂｅｄ４は、１つのベッドが加圧されて窒素を吸着し酸素が豊富な生成ガスを生成するとき、他のベッドは入口４４を用いて周囲空気に通じているように、交互に行う対として動作する。また、クロスフローオリフィス４６、逆止弁４８、および出力チューブ５０も概略的に示される。一般には濃縮した酸素である所望の生成ガスは、マニホールド５２に流れ込み、出力ガス接続点５４を経由して引き出される。同様に、酸素ガス接続点５４は、随意の圧力レギュレータ、弁、あるいは所望のものに取り付けられてもよい。
【００２３】
各モレキュラーシーブベッドモジュール１８は、空気供給装置１０と少なくとも１つのモレキュラーシーブベッドモジュール１８の間の入力空気流路２２に設置される制御可能な遮断弁５６を備えてもよい。弁５６は、少なくとも、選択されたモレキュラーシーブベッドモジュール１８への空気の流れを完全に通過あるいは遮断するように、あるいは設計された具体的な配置用に望まれるあらゆる中間状態で、動作する。遮断弁５６は、入力ガス供給装置１０から、適切なモレキュラーシーブベッドモジュール１８を効果的に切断する。モレキュラーシーブベッドモジュール２０ｂの場合、遮断弁５６は、シークエンシング弁ユニット４２に組み込まれる。
【００２４】
一般に、各モレキュラーシーブベッドモジュール１８は、コントローラユニットＶに動作可能に接続するシークエンシング弁ユニット４２をそれぞれ有する。電子式または機械式スイッチコントローラ５８は、制御可能な切換えシステムＶを形成する１つ以上のシークエンシング弁４２の動作を制御して弁４２を遠隔操作する。図１は、使用可能な連結部６０を有する弁ユニット４２に接続するコントローラ５８を概略的に示す。当該技術分野で公知なように、コントローラ５８はソレノイドで弁を作動させてもよい。好適に、コントローラ５８は、それぞれのモジュール１８中の１つ以上のモレキュラーシーブベッドを閉鎖または遮断して、要望どおりに所望の流量、あるいは酸素に対して医療グレード空気の所定の割合を達成することに関係する。
【００２５】
さらに別の実施形態において、モレキュラーシーブベッドから出る排出または出力ライン５０中に遮断弁を設置する。遮断弁をそのように別の場所に配置することは、モレキュラーシーブベッドを通過するガスの流通を妨げることにより、１つ以上の個々のシーブベッドまたはモレキュラーシーブベッドユニットを閉鎖するように作用する。
【００２６】
本発明の出力側では空気は不要であるが、空気は生成ガス濃度を円滑に変化させる際の手助けとして望ましいと考えられる。そのような手法は、窒素（ＯＢＩＧＧＳ）などの酸素以外のガスを濃縮する濃縮機に適用可能である。
【００２７】
本発明は、多数のＰＳＡ濃縮モジュール１８の位相を合わせてピーク入力風量を減少させる方法を定義する。
【００２８】
本発明において、ガス発生システムＳは、複数の生成ガス発生モジュール１８を有する。生成ガス発生モジュール１８のそれぞれは、複数のモレキュラーシーブベッドｂｅｄ１、ｂｅｄ２、ｂｅｄ３、ｂｅｄ４を備える。複数のモレキュラーシーブベッドｂｅｄ１、ｂｅｄ２、ｂｅｄ３、ｂｅｄ４は、ピーク生成ガス流量１０６が存在するサイクルの一周期または一部を有するそれぞれの繰り返しサイクルにおいて作用する生成ガスを発生させる。一般に、マニホールド５２は、複数のモジュール１８からの生成ガスを混合する。プロセッサまたはコントローラユニット５８は、モジュールの繰り返しサイクルのピーク生成ガス流量の一周期または一部１０６を制御信号に応答して調節するように、ガス発生モジュール１８に送る制御信号を発生する。プロセッサユニット５８は、制御された分布における繰り返しサイクルの全域で、モジュール１８に対するピーク周期１０６の時間を合わせる。
【００２９】
図３のグラフは、本発明によるすべての同位相１０２の３台の濃縮機１００およびすべての異なる位相１０４で駆動される３台の濃縮機１００に対する風量の大きさを示す。線１０２により表される同位相状態の場合、ピーク風量は、予想どおり単一の濃縮機の風量の約３倍であることが分かる。線１０４で表される異なる位相で駆動される濃縮機に関しては、ピーク風量は、図３中に３つの重なり合う線１００で表される単一の濃縮機に対する風量の２倍より少なく、顕著な向上が見られる。
【００３０】
本発明の実行において、多数の濃縮モジュール１８を適切に駆動させるために、例えば、単一の濃縮機２０ａまたは２０ｂに対する半サイクルの時間をＮで割る。ここで、Ｎは濃縮機の台数である。それにより、各連続する濃縮機のＰＳＡサイクルは、時間がずれる。サイクルの波長Ｗは 、１つのモジュール１８に対するピーク１０６から同じモジュールに対する次のピークまでの周期または時間である。このように、最適な位相調整では、ピーク１０６間にＷ／Ｎの時間単位がある。
【００３１】
理想的な場合、適切に位相を合わせて多数の濃縮機１８をスタートさせることだけが必要であり、その後はそれぞれが独立に動作を続けることができる。これは、単一の濃縮機の不具合が他の濃縮機の動作に影響を及ぼさないので、信頼性の観点から好都合である。
【００３２】
一般に、各濃縮モジュール１８の動作周波数は、それぞれ若干異なる。１周期を超えると、この周波数の差が位相調整をずらして、最終的に多数の濃縮モジュール１８は同位相またはそれに近い状態になる。これが発生するのを防ぐため、マスターとして機能する１つの濃縮モジュール１８からスレーブとして機能する濃縮モジュール１８に、信号を周期的に送り、位相調整を適切に再設定する。コントローラ５８は、マスターモジュール１８からの信号を受信し、制御信号を残りのモジュール１８に送信する。
【００３３】
本発明の上記の開示および説明は、例示的かつ説明的なものである、また寸法、形状、及び材料ばかりでなく、例示した構成の詳細においても、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変形例を実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による空気圧回路である。
【図２】単体の公知のＰＳＡ濃縮システムに対する典型的な入力風量と時間を示すグラフである。
【図３】３台の濃縮機が同期している場合と３台の濃縮機が位相調整した場合との両方の状態を示す、３つのＰＳＡ濃縮システムに対する典型的な入力風量と時間を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
Ｓ  ガス発生システム
１８  生成ガス発生モジュール
５２  マニホールド
５８  プロセッサ
１０６  ピーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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