(57)【要約】  本開示は酸素を生成するように構成されたシステムに関し、システムは、気体を取り込んで加圧するように構成された圧縮機と、第１のシーブベッド、第２のシーブベッド、および圧縮機の出力部からの気流を受け取る入力部を含む酸素分離ユニットとを備える。酸素分離ユニットは、気流から酸素を分離することによって酸素流を生成するように構成される。酸素分離ユニットの出力部と流体連結された膜モジュールは、酸素分離ユニットによって生成された酸素流を精製するように構成される。弁構成は、膜モジュールからシーブベッドを通過するように酸素流の少なくとも一部を定期的に誘導し、それにより、シーブベッドを残余分ガスでパージするとともに、残余分ガスを排出するように構成される。１つまたは複数のプロセッサは、酸素流、およびシーブベッドのパージを制御するように弁構成を制御する。
2021533987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を生成する方法であって、前記方法は、
第１の吸着チャンバーおよび第２の吸着チャンバーを通過するように酸素を含む気流を断続的に誘導するステップであって、前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーは酸素分離吸着剤を備え、前記酸素を含む気流は、前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーの吸着モード中に前記酸素分離吸着剤を通るように誘導され、それにより、前記酸素を含む気流は酸素に関して濃縮され、濃縮酸素を含む気流が生成される、ステップと、
前記濃縮酸素を含む気流を酸素透過膜の第１の側に誘導し、さらに前記酸素透過膜を通って前記酸素透過膜の第２の側に誘導することで、前記濃縮酸素を含む気流から酸素を分離し、精製された透過酸素気流を形成するステップであって、前記酸素透過膜の前記第１の側に誘導された前記濃縮酸素を含む気流の一部は、前記酸素透過膜を通過しない残余分ガスを含む、ステップと、
前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーの脱着モード中に、前記残余分ガスの少なくとも一部を前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーを通過するように誘導するステップと、
前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバー内の圧力を定期的に平衡化するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバー内の圧力を平衡化するステップはさらに、前記脱着モードの終了時および前記吸着モードの終了時に前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバー内の圧力を平衡化するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
圧力平衡化は、前記第１の吸着チャンバーと前記第２の吸着チャンバーとの間で前記濃縮酸素を含む気流を誘導することによって、前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバー内の圧力を等しくするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
酸素を生成するためのシステムであって、前記システムは、
酸素分離吸着剤と、第１の吸着チャンバーおよび第２の吸着チャンバー内に酸素を含むガスを供給するための第１の入口と、濃縮酸素を含むガスを前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーから出るように誘導するための第１の出口とをそれぞれ含む、第１の吸着チャンバーおよび第２の吸着チャンバーと、
酸素透過膜と、前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーの前記第１の出口と流体連結する、少なくとも１つの膜モジュールの第１の側に設けられた第２の入口であって、前記第２の入り口は、前記少なくとも１つの膜モジュール内に前記濃縮酸素を含むガスを供給する、第２の入り口と、濃縮された酸素を含むガスを前記少なくとも１つの膜モジュールから出るように誘導するための、前記少なくとも１つの膜モジュールの第２の側に設けられた第２の出口と、残余分ガスを前記少なくとも１つの膜モジュールから出るように誘導するための、前記少なくとも１つの膜モジュールの前記第１の側に設けられた第３の出口とを含む、少なくとも１つの膜モジュールと、
前記少なくとも１つの膜モジュールの前記第３の出口を前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーの前記第１の出口と接続する、前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーをパージするための第１の導管と、
少なくとも前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーの前記第１の出口を接続する、少なくとも前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーを圧力平衡化するための第２の導管と、
前記少なくとも１つの膜モジュールから前記第１の導管を介して少なくとも前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーに前記残余分ガスの少なくとも一部を定期的に向かわせ、それにより、少なくとも前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーを前記残余分ガスでパージするとともに前記残余分ガスを排出する弁構成と、
前記酸素を含むガス、および少なくとも前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバーのパージを制御するように前記弁構成を制御する１つまたは複数のプロセッサと
を備える、システム。
【請求項５】
圧力平衡化は、前記第１の吸着チャンバーと前記第２の吸着チャンバーとの間で前記濃縮酸素を含むガスを運ぶために前記第２の導管および前記弁構成を利用することにより、前記第１の吸着チャンバーおよび前記第２の吸着チャンバー内の圧力を等しくすることを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記酸素透過膜は、
５０ｇ〜１０００ｇの繊維を含む繊維構造と、
１００ｍＬ〜２０００ｍＬのガス容量と、
１００ｍＬ〜２０００ｍＬの管構造外側容量とを含む、
請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記酸素透過膜は、
１００ｇ〜３３０ｇの繊維を含む繊維構造と、
２５０ｍＬ〜３５０ｍＬのガス容量と、
３５０ｍＬ〜５５０ｍＬの管構造外側容量とを含む、
請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
酸素を生成するシステムであって、前記システムは、
酸素を含む気流を取り込んで加圧する圧縮機と、
第１のシーブベッドおよび第２のシーブベッドを含む酸素分離ユニットであって、前記酸素分離ユニットは、前記圧縮機の出力部から前記酸素を含む気流を受け取り、前記酸素を含む気流から酸素を分離することによって濃縮酸素流を生成する、酸素分離ユニットと、
前記酸素分離ユニットの出力部と流体連結された少なくとも１つの膜モジュールであって、前記少なくとも１つの膜モジュールは、前記酸素分離ユニットによって生成された前記濃縮酸素流を精製し、前記濃縮酸素流の精製で生じた残余分ガスを前記酸素分離ユニットを介してパージする、少なくとも１つの膜モジュールと、
前記残余分ガスを、前記少なくとも１つの膜モジュールから前記第１および第２のシーブベッドを通過するように定期的に向かわせ、それにより、前記第１および第２のシーブベッドを前記残余分ガスでパージするとともに前記残余分ガスを排出する弁構成と、
前記酸素流、および前記第１および第２のシーブベッドのパージを制御するように前記弁構成を制御する１つまたは複数のプロセッサとを備え、
前記弁構成の前記制御は、
（１）前記圧縮機を用いて前記第１のシーブベッドを加圧するように前記弁構成を構成し、それにより、前記第１のシーブベッドによって前記濃縮酸素流を前記少なくとも１つの膜モジュールへと出力させるとともに、前記少なくとも１つの膜モジュールからの残余分流を用いて前記第２のシーブベッドをパージし、
（２）前記濃縮酸素流を利用して、前記第１のシーブベッドと前記第２のシーブベッドとを圧力平衡化するように前記弁構成を切り替えることにより、前記第１のシーブベッド内の圧力を低下させて、前記第２のシーブベッド内の圧力と少なくとも部分的に釣り合わせ、
（３）前記圧縮機を用いて前記第２のシーブベッドを加圧するように前記弁構成を切り替えることにより、前記第２のシーブベッドによって前記酸素流を前記少なくとも１つの膜モジュールへと出力させるとともに、前記少なくとも１つの膜モジュールからの残余分流を用いて前記第１のシーブベッドをパージし、
（４）前記濃縮酸素流を利用して、前記第２のシーブベッドと前記第１のシーブベッドとを圧力平衡化するように前記弁構成を切り替えることにより、前記第２のシーブベッド内の圧力を低下させて、前記第１のシーブベッド内の圧力と少なくとも部分的に釣り合わせ、
（５）上記（１）から（４）を繰り返す、
システム。
【請求項９】
前記弁構成は、前記第１のシーブベッドから前記第２のシーブベッドに、および前記第２のシーブベッドから前記第１のシーブベッドに、前記酸素流を運ぶ平衡化ラインを含み、前記平衡化ラインは１つまたは複数の平衡化弁を含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１のシーブベッドおよび前記第２のシーブベッドを圧力平衡化するように前記弁構成を切り替えることは、前記平衡化ラインおよび前記１つまたは複数の平衡化弁を利用して、前記第１のシーブベッドと前記第２のシーブベッドとの間で前記濃縮酸素流を運ぶことを含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記圧縮機を用いて前記第１のシーブベッドまたは前記第２のシーブベッドを加圧するように前記弁構成を切り替えることは、前記第１のシーブベッドと前記第２のシーブベッドとを完全に平衡化することを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記圧縮機を用いて前記第２のシーブベッドを加圧するように弁構成を切り替えることにより、前記第２のシーブベッドに前記濃縮酸素流を前記少なくとも１つの膜モジュールへと出力させることは、完全に平衡化する前に前記弁構成を切り替えることを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの膜モジュールはさらに、
精製された酸素を生成物弁に運ぶための生成物出力部と、
前記弁構成のパージラインを介して前記第１および第２のシーブベッドに流体連結された残余分ガス出力部とを含み、前記パージラインは第１および第２のパージ弁を含み、前記残余分ガスの少なくとも一部を前記第１のシーブベッドまたは前記第２のシーブベッドから排出するように前記弁構成を切り替えることは、前記残余分ガス出力部を利用して、前記パージライン並びに前記第１および第２のパージ弁を介して前記第１のシーブベッドおよび前記第２のシーブベッドを交互にパージすることを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記酸素透過膜は、
５０ｇ〜１０００ｇの繊維を含む繊維構造と、
１００ｍＬ〜２０００ｍＬのガス容量と、
１００ｍＬ〜２０００ｍＬの管構造外側容量とを含む、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの膜モジュールは、
１００ｇ〜３３０ｇの繊維を含む繊維構造と、
２５０ｍＬ〜３５０ｍＬのガス容量と、
３５０ｍＬ〜５５０ｍＬの管構造外側容量とを含む、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１６】
酸素生成システムを利用して酸素を生成するための方法であって、前記酸素生成システムは、圧縮機と、第１のシーブベッドおよび第２のシーブベッドを含む酸素分離ユニットと、前記酸素分離ユニットの出力部と流体連結された少なくとも１つの膜モジュールであって、前記酸素分離ユニットによって生成された濃縮酸素流を精製し、また、前記濃縮酸素流の精製から生じる残余分ガスを前記酸素分離ユニットを介してパージする、少なくとも１つの膜モジュールと、前記残余分ガスを前記少なくとも１つの膜モジュールから前記第１および第２のシーブベッドを通過するように定期的に向かわせることで、前記残余分ガスで前記第１および第２のシーブベッドをパージするとともに、前記残余分ガスを排出する弁構成と、１つまたは複数のプロセッサとを備え、
前記方法は、
（１）前記１つまたは複数のプロセッサを利用して、前記圧縮機を用いて前記第１のシーブベッドを加圧するように前記弁構成を構成し、それにより、前記第１のシーブベッドに前記濃縮酸素流を前記少なくとも１つの膜モジュールへと出力させるとともに、前記少なくとも１つの膜モジュールからの残余分流を用いて前記第２のシーブベッドをパージするステップと、
（２）前記１つまたは複数のプロセッサを利用して、前記第１のシーブベッドと前記第２のシーブベッドとを圧力平衡化するように前記弁構成を切り替えることにより、前記第１のシーブベッド内の圧力を低下させて、前記第２のシーブベッド内の圧力と少なくとも部分的に釣り合わせるステップと、
（３）前記１つまたは複数のプロセッサを利用して、前記圧縮機を用いて前記第２のシーブベッドを加圧するように前記弁構成を切り替えることにより、前記第２のシーブベッドによって前記濃縮酸素流を前記少なくとも１つの膜モジュールへと出力させるとともに、前記少なくとも１つの膜モジュールからの残余分流を用いて前記第１のシーブベッドをパージするステップと、
（４）前記１つまたは複数のプロセッサを利用して、前記第２のシーブベッドと前記第１のシーブベッドとを圧力平衡化するように前記弁構成を切り替えることにより、前記第２のシーブベッド内の圧力を低下させて、前記第１のシーブベッド内の圧力と少なくとも部分的に釣り合わせるステップと、
（５）ステップ（１）からステップ（４）を繰り返すステップとを含む、
方法。
【請求項１７】
前記弁構成は、前記第１のシーブベッドと前記第２のシーブベッドとの間で前記濃縮酸素流を運ぶ平衡化ラインを含み、前記平衡化ラインは１つまたは複数の平衡化弁を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のシーブベッドおよび前記第２のシーブベッドを圧力平衡化するように前記弁構成を切り替えることは、前記平衡化ラインおよび前記１つまたは複数の平衡化弁を利用して、前記第１のシーブベッドと前記第２のシーブベッドとの間で前記酸素流を運ぶことを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記圧縮機を用いて前記第１のシーブベッドまたは前記第２のシーブベッドを加圧するように前記弁構成を切り替えることは、前記第１のシーブベッドと前記第２のシーブベッドとを完全に平衡化することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記圧縮機を用いて前記第２のシーブベッドを加圧するように弁構成を切り替えることにより、前記第２のシーブベッドに前記酸素流を前記少なくとも１つの膜モジュールへと出力させることは、完全に圧力平衡化する前に前記弁構成を切り替えることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの膜モジュールはさらに、
精製された酸素を生成物弁に運ぶための生成物出力部と、
前記弁構成のパージラインを介して前記第１および第２のシーブベッドに流体連結された残余分ガス出力部とを含み、
前記パージラインは第１および第２のパージ弁を含み、
前記残余分ガスの少なくとも一部を前記第１のシーブベッドまたは前記第２のシーブベッドから排出するように前記弁構成を切り替えることは、前記残余分ガス出力部を利用して、前記パージライン並びに前記第１および第２のパージ弁を介して前記第１のシーブベッドおよび前記第２のシーブベッドを定期的にパージすることを含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
第１のシーブベッドを加圧して、前記第１のシーブベッドに濃縮酸素流を少なくとも１つの膜モジュールへと出力させる手段であって、前記少なくとも１つの膜モジュールは、前記濃縮酸素流を精製し、前記濃縮酸素流の精製から生じた残余分ガスをパージする、手段と、
前記第１のシーブベッドを第２のシーブベッドと圧力平衡化することにより、前記第１のシーブベッド内の第１の圧力を低下させて、前記第２のシーブベッド内の第２の圧力と少なくとも部分的に釣り合わせるための手段と、
前記第２のシーブベッドを加圧して、前記第２のシーブベッドに前記濃縮酸素流を前記少なくとも１つの膜モジュールへと出力させるための手段と、
前記濃縮酸素流を利用して、前記第２のシーブベッドを前記第１のシーブベッドと圧力平衡化することにより、前記第２のシーブベッド内の前記第２の圧力を低下させて、前記第１のシーブベッド内の前記第１の圧力と少なくとも部分的に釣り合わせるための手段と、
前記残余分ガスの少なくとも一部を、前記少なくとも１つの膜モジュールから交互に前記第１のシーブベッドおよび前記第２のシーブベッドを通過するように定期的に誘導して、前記残余分ガスを排出するとともに前記第１および第２のシーブベッドをパージするための手段と
を備える、酸素生成デバイス。
【請求項２３】
前記第１のシーブベッドと前記第２のシーブベッドとの間で前記濃縮酸素流を運ぶための手段をさらに備える、請求項２２に記載の酸素生成デバイス。
【請求項２４】
前記第１のシーブベッドを前記第２のシーブベッドと完全に圧力平衡化するための手段をさらに備える、請求項２２に記載の酸素生成デバイス。
【請求項２５】
精製された濃縮酸素流を運ぶための手段をさらに備える、請求項２２に記載の酸素生成デバイス。
【請求項２６】
１００ｇ〜１０００ｇの繊維のための手段と、
１００〜２０００ｍＬの外側容量のための手段と、
１００〜２０００ｍＬのガス容量のための手段とをさらに備える、
請求項２２に記載の酸素生成デバイス。
【請求項２７】
１００ｇ〜３３０ｇの繊維のための手段と、
３５０〜５５０ｍＬの外側容量のための手段と、
２５０〜３５０ｍＬのガス容量のための手段とをさらに備える、
請求項２２に記載の酸素生成デバイス。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
［０１］本願は、２０１８年８月２３日に出願された米国仮出願第６２／７２１，６３５号の３５ＵＳＣ§１１９（ｅ）に基づく優先権を主張し、その内容は参照により本明細書に援用される。
【技術分野】
【０００２】
［０２］本開示は、酸素を濃縮するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
［０３］オンデマンドでの酸素生成、または酸素濃縮器のための商用ソリューションが知られている。酸素濃縮器で使用されるＰＳＡ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｗｉｎｇ  ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）技術は、ＵＳ６５５１３８４などの文献に記載されている。典型的な酸素濃縮器では、圧縮機が気体（空気）をシーブベッドに通し、（酸素貯蔵のための）生成物蓄積部に供給する。また、有機膜は、気体の分離および／または気体混合物中の特定の気体の濃縮を可能にすることが知られている。
【発明の概要】
【０００４】
［０４］本開示の一側面は、酸素を生成するための方法および構成を提供することである。本開示の他の側面は、高純度の酸素を低い維持費で提供し得る酸素生成方法およびシステムを提供することである。
【０００５】
［０５］これらの側面は酸素を生成する方法によって達成され、方法は、少なくとも第１および第２の吸着チャンバーを通過するように酸素を含む気流を断続的に誘導するステップであって、第１および第２の吸着チャンバーはそれぞれ酸素分離吸着剤を備え、酸素を含む気流は、第１および第２の吸着チャンバーの吸着モード中に酸素分離吸着剤を通るように誘導され、それにより、酸素を含む気流は酸素に関して濃縮され、濃縮酸素を含む気流が生成される、ステップと、濃縮酸素を含む気流を有機酸素透過膜の第１の側に誘導し、さらに有機膜を通って有機膜の第２の側に誘導することで、濃縮酸素を含む気流から酸素を分離して酸素流を形成するステップと、保持された酸素の少なくとも一部を、脱着モードの少なくとも第１および第２の吸着チャンバーを通過するように誘導するステップとを含む。
【０００６】
［０６］本開示によれば、酸素は、本質的に２つの主要なステップを含む方法を使用することによって生成される。第１のステップは、濃縮酸素を含む気流を生じさせる、酸素を含む気体の酸素に関する濃縮を含む。このステップは、酸素分離吸着剤によって酸素を含む気体の他の成分、または他の成分の少なくとも一部を吸着することによって実行される。したがって、本開示に係る酸素分離吸着剤は、酸素を通すが、酸素を含む気体の他の成分、または少なくとも１つの他の成分と相互作用する吸着剤である。例えば、酸素を含む気体が空気である場合、吸着剤は好ましくは窒素を吸着する。これにより、酸素分離吸着剤が吸着剤チャンバー内に配置される。この第１のステップは、酸素に関して濃縮された、言い換えれば事前精製された気流を提供する。
【０００７】
［０７］第２のステップにおいて、濃縮酸素を含む気体は有機膜を有する膜モジュールに、より具体的には膜の第１の側に導かれる。これにより、有機膜を介して濃縮酸素を含む気流（または有機膜の酸素流）を生成することができ、濃縮酸素を含む気体の他の成分から酸素がさらに分離される。特に、適切な有機膜を使用することにより、濃縮酸素を含む気体がさらに精製され、したがって、本質的に純粋な酸素流が有機膜の第２の側において透過分として生成される。したがって、有機膜の第１の側では酸素が除去された気体が残余分流として生成される。この残余分流は、再生（すなわち脱着フェーズ、以下参照）中にパージガスとして使用される。
【０００８】
［０８］有機膜の第１の側は、吸着チャンバーに面する側、すなわち、膜に導かれた濃縮酸素を含む気体が向かって来る側である。したがって、有機膜の第２の側は第１の側の反対の側であり、すなわち、第２の側では高い純度を有する酸素が提供される。さらに、酸素を含む気体は断続的に吸着チャンバーを通るように誘導されることから、少なくとも第１および第２の吸着チャンバーの吸着モードおよび脱着モードが定められる。
【０００９】
［０９］具体的には、酸素を含む気体が、ある吸着チャンバーを通るように導かれる場合、後者は吸着モードであり、したがって、酸素を含む気体の他の成分の少なくとも一部を吸着する。一定の吸着期間（すなわち、吸着チャンバーが吸着モードにある期間）の経過後、吸着剤を再生する必要がある。これは、例えば吸着剤を酸素に富んだ空気で洗い流すことによって、吸着された成分を再び脱着しなければならないことを意味する。この期間中、吸着チャンバーは脱着モードにあり、これは、適切な手段によって吸着された種（すなわち、Ｎ２）が（少なくとも部分的に）放出され、チャンバーから押し出されることを意味する。
【００１０】
［１０］一実施形態によれば、吸着剤は、膜モジュールの残余分流（すなわち、酸素が除去された気体）の少なくとも一部を使用することによって脱着モード中に再生される。したがって、少なくとも第１および第２の吸着チャンバーが脱着モードにあるとき、膜モジュールの残余分流の少なくとも一部が少なくとも第１および第２の吸着チャンバーを通過するように誘導される。
【００１１】
［１１］また、吸着モードから脱着モードへの移行は、一実施形態では、圧力の仕事を再利用するために、いわゆる圧力平衡化を使用することによって実行される。２つのシーブシリンダーを使用する場合、これは簡単に説明することができる。移行時、第１のシーブシリンダーはより高い圧力を有し（吸着フェーズの終了時）、第２のシーブシリンダーは脱着フェーズの終了時にてより低い圧力（例えば、大気圧に近い）を有する。圧力平衡化は両シリンダーを短絡することによって行われる。一実施形態では、短絡は、別々の吸着剤を備えたシリンダーのいわゆる生成物側で実行される（すなわち、酸素側平衡化）。
【００１２】
［１２］酸素含有気体の酸素に関する濃縮を有機膜の使用と組み合わせることにより、酸素をより高い純度（例えば、９５％以上）で生成することができる。しかし、有機膜に到達する前に高い酸素濃度をもたらす酸素分離吸着剤によって酸素が前もって精製されることから、有機膜の分離性能は、単一膜システムや、分離吸着剤のみを用いた酸素濃縮器と比較して向上する。また、本開示によれば、既存の酸素濃縮器と同じ酸素純度をもたらす場合、これらの既存のシステムと比較して電力効率が向上する。
【００１３】
［１３］本開示の例示的な実施形態によれば、酸素を含む気流は、並列に接続された少なくとも２つの吸着チャンバーを交互に通過するよう誘導される。前述したように、膜モジュールの残余分流の少なくとも一部、すなわち、酸素が除去された気体は、脱着モード時に該当する吸着チャンバーを通過するよう誘導される。具体的には、第１の吸着チャンバーは吸着モードにあり、すなわち、酸素含有気体はこの吸着チャンバーを通過するように導かれ、これにより、酸素含有気体が酸素に関して濃縮され、一方で第２の吸着チャンバーは脱着モードにあり、すなわち、後者の吸着剤は再生される。したがって、典型的には、少なくとも１つの吸着チャンバーは吸着モードにあり、その時点で、少なくとも１つの他の吸着チャンバーは脱着モードにあり、結果として、濃縮酸素を含む気流が連続的に提供される。本実施形態が２つの、または３つ以上の吸着チャンバーを用いて実施され得ることは当業者には明らかであろう。一部の実施形態では、利用される吸着チャンバーの数は、吸着剤のタイプ、所望の用途に従って調整され得る（すなわち、所望の数の吸着チャンバーを吸着モードまたは脱着モードとすることができる）。
【００１４】
［１４］また、吸着モードから脱着モードへの移行は、通常、（圧力の仕事を再利用するために）いわゆる圧力平衡化を使用することによって実行される。２つのシーブシリンダーを使用する場合、これは簡単に説明することができる。移行時、一方のシーブシリンダーはより高い圧力を有し（吸着フェーズの終了時）、他方のシーブシリンダーは脱着フェーズの終了時にてより低い圧力（例えば、大気圧に近い）を有する。圧力平衡化は両シリンダーを短絡することによって行われる。一実施形態では、短絡は、別々の吸着剤を備えたシリンダーのいわゆる生成物側で実行される（すなわち、酸素側平衡化）。
【００１５】
［１５］したがって、本開示の１つまたは複数の側面は、酸素を生成するように構成されたシステムに関する。システムは、酸素を含む気流を取り込んで加圧するように構成された圧縮機と、第１のシーブベッドおよび第２のシーブベッドを含む酸素分離ユニットとを備える。酸素分離ユニットは、圧縮機の出力部から酸素を含む気流を受け取り、酸素を含む気流から酸素を分離することによって濃縮酸素流を生成する。システムはさらに、酸素分離ユニットの出力部と流体連結された少なくとも１つの膜モジュールを備え、少なくとも１つの膜モジュールは、酸素分離ユニットによって生成された濃縮酸素流を精製し、濃縮酸素流の精製で生じた残余分ガスを酸素分離ユニットを介してパージする。弁構成は、残余分ガスを、少なくとも１つの膜モジュールから第１および第２のシーブベッドを通過するように定期的に向かわせ、それにより、第１および第２のシーブベッドを残余分ガスでパージするとともに残余分ガスを排出する。
【００１６】
［１６］システムはさらに、酸素流、および第１および第２のシーブベッドのパージを制御するように弁構成を制御する１つまたは複数のプロセッサを備える。弁構成の制御は、（１）圧縮機を用いて第１のシーブベッドを加圧するように弁構成を構成し、それにより、第１のシーブベッドによって濃縮酸素流を少なくとも１つの膜モジュールへと出力させるとともに、少なくとも１つの膜モジュールからの残余分流を用いて第２のシーブベッドをパージし、（２）濃縮酸素流を利用して、第１のシーブベッドと第２のシーブベッドとを圧力平衡化するように弁構成を切り替えることにより、第１のシーブベッド内の圧力を低下させて、第２のシーブベッド内の圧力と少なくとも部分的に釣り合わせ、（３）圧縮機を用いて第２のシーブベッドを加圧するように弁構成を切り替えることにより、第２のシーブベッドによって酸素流を少なくとも１つの膜モジュールへと出力させるとともに、少なくとも１つの膜モジュールからの残余分流を用いて第１のシーブベッドをパージし、（４）濃縮酸素流を利用して、第２のシーブベッドと第１のシーブベッドとを圧力平衡化するように弁構成を切り替えることにより、第２のシーブベッド内の圧力を低下させて、第１のシーブベッド内の圧力と少なくとも部分的に釣り合わせ、（５）ステップ１〜４を繰り返すことによって実行される。
【００１７】
［１７］本開示の他の側面は、酸素生成システムを利用して酸素を生成するための方法に関する。酸素生成システムは、圧縮機と、第１のシーブベッドおよび第２のシーブベッドを含む酸素分離ユニットと、酸素分離ユニットの出力部と流体連結された少なくとも１つの膜モジュールとを備える。少なくとも１つの膜モジュールは、酸素分離ユニットによって生成された濃縮酸素流を精製し、濃縮酸素流の精製で生じた残余分ガスを酸素分離ユニットを介してパージする。酸素分離システムはさらに、残余分ガスを、少なくとも１つの膜モジュールから第１および第２のシーブベッドを通過するように定期的に向かわせ、それにより、第１および第２のシーブベッドを残余分ガスでパージするとともに残余分ガスを排出する弁構成と、１つまたは複数のプロセッサとを備える。
【００１８】
［１８］方法は、（１）１つまたは複数のプロセッサを利用して、圧縮機を用いて第１のシーブベッドを加圧するように弁構成を構成し、それにより、第１のシーブベッドによって濃縮酸素流を少なくとも１つの膜モジュールへと出力させるとともに、少なくとも１つの膜モジュールからの残余分流を用いて第２のシーブベッドをパージするステップと、（２）１つまたは複数のプロセッサを利用して、第１のシーブベッドと第２のシーブベッドとを圧力平衡化するように弁構成を切り替えることにより、第１のシーブベッド内の圧力を低下させて、第２のシーブベッド内の圧力と少なくとも部分的に釣り合わせるステップと、（３）１つまたは複数のプロセッサを利用して、圧縮機を用いて第２のシーブベッドを加圧するように弁構成を切り替えることにより、第２のシーブベッドによって濃縮酸素流を少なくとも１つの膜モジュールへと出力させるとともに、少なくとも１つの膜モジュールからの残余分流を用いて第１のシーブベッドをパージするステップと、（４）１つまたは複数のプロセッサを利用して、第２のシーブベッドと第１のシーブベッドとを圧力平衡化するように弁構成を切り替えることにより、第２のシーブベッド内の圧力を低下させて、第１のシーブベッド内の圧力と少なくとも部分的に釣り合わせるステップと、（５）ステップ１〜４を繰り返すステップとを含む。
【００１９】
［１９］本開示の他の側面は酸素生成デバイスに関する。酸素生成デバイスは、第１のシーブベッドを加圧して、第１のシーブベッドによって濃縮酸素流を少なくとも１つの膜モジュールへと出力させる手段を備え、少なくとも１つの膜モジュールは、濃縮酸素流を精製し、濃縮酸素流の精製から生じた残余分ガスをパージする。デバイスは、第１のシーブベッドを第２のシーブベッドと圧力平衡化することにより、第１のシーブベッド内の第１の圧力を低下させて、第２のシーブベッド内の第２の圧力と少なくとも部分的に釣り合わせるための手段と、第２のシーブベッドを加圧して、第２のシーブベッドによって濃縮酸素流を少なくとも１つの膜モジュールへと出力させるための手段と、濃縮酸素流を利用して、第２のシーブベッドを第１のシーブベッドと圧力平衡化することにより、第２のシーブベッド内の第２の圧力を低下させて、第１のシーブベッド内の第１の圧力と少なくとも部分的に釣り合わせるための手段と、残余分ガスの少なくとも一部を、少なくとも１つの膜モジュールから交互に第１のシーブベッドおよび第２のシーブベッドを通過するように定期的に誘導して、残余分ガスを排出するとともに第１および第２のシーブベッドをパージするための手段とを備える。
【００２０】
［２０］本開示の上記および他の側面、特徴、および特性、並びに関連する構造要素の動作方法および機能、部品の組み合わせ、製造の経済性は、以下の記載および添付の特許請求の範囲を添付図面を参照しながら考察することでより明らかになるであろう。これらはいずれも本明細書の一部を形成し、各図において類似する参照番号は対応する部分を表す。しかし、図面は例示及び説明のみを目的としており、本開示の範囲を定めるものではないことを明確に理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】［２１］図１は、１つまたは複数の実施形態に係る酸素を生成するためのシステムの概略図である。
【図２】［２２］図２は、１つまたは複数の実施形態に係るシーブベッドの例示的な図である。
【図３】［２３］図３は、１つまたは複数の実施形態に係る酸素を生成するためのシステムの例示的な実施形態を示す。
【図４】［２４］図４は、１つまたは複数の実施形態に係る酸素を生成するためのシステムの他の例示的な実施形態を示す。
【図５】［２５］図５は、１つまたは複数の実施形態に係る酸素を生成するためのシステムの他の例示的な実施形態を示す。
【図６】［２６］図６は、１つまたは複数の実施形態に係るシステムによって実行される動作の例示的な図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［２７］本明細書で使用されるとき、単数形は、コンテキスト上明らかに矛盾しない限り、複数への言及を含む。本明細書で使用される場合、２つ以上の部分または構成要素が「結合されている」という記述は、それらの部分が直接的にまたは間接的に（すなわち、結合が生じる限り、１つまたは複数の中間部分または要素を介して）互いに結合されまたはともに動作することを意味する。本明細書で使用されるとき、「直接結合された」とは、２つの要素が互いに直接接触していることを意味する。本明細書で使用されるとき、「固定的に結合された」または「固定された」とは、２つの構成要素が、互いに対して一定の向きを維持しながら一体的に動くように結合されていることを意味する。本明細書で使用される場合、「動作的に結合された」とは、一緒に機能するように２つの要素が結合されていることを意味する。「動作的に結合された」２つの要素は、それらの間に直接的な接続または永続的な接続を必要としないことを理解されたい。
【００２３】
［２８］本明細書で使用されるとき、「単一の」との用語は、構成要素が単一の部品又はユニットとして作成されることを意味する。つまり、別々に作成されてから１つのユニットとして結合された複数の部品を含む構成要素は「単一の」構成要素またはボディではない。本明細書で使用されるとき、２つ以上の部品または構成要素が互いに「係合する」という表現は、それらの部品が直接、または１つ以上の中間部品又は構成要素を介して互いに対して力を及ぼすことを意味する。本明細書で使用されるとき、「数」との用語は、１以上の整数（すなわち複数）を意味する。
【００２４】
［２９］本明細書で使用される方向的表現、例えば、これらに限定されないが、上、下、左、右、上方、下方、前、後、およびこれらの派生語などは、図面に示される要素の向きに関し、特に明記されない限り特許請求の範囲を限定しない。
【００２５】
［３０］酸素療法とは、治療法としての酸素の投与である。酸素療法は、患者の肺への酸素の供給を増加させることにより、体組織が酸素をより利用できるようにする。酸素療法の主な在宅医療用途は、重度の慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ：ｃｈｒｏｎｉｃ  ｏｂｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  ｐｕｌｍｏｎａｒｙ  ｄｉｓｅａｓｅ）の患者に向けたものであり、米国にはこの疾患を持つ患者が１３００万人以上いる。
【００２６】
［３１］一般に、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）と呼ばれるプロセスによって、酸素濃縮器内で空気から酸素が精製され得る。酸素濃縮器は通常、モレキュラーシーブ（分子篩）材料（例えば、ゼオライト）が充填された２本の管を備える。この材料は、酸素やアルゴンよりも窒素を優先的に吸着するように設計されている。この特性を利用して、加圧空気が一方のモレキュラーシーブベッドを通る際に空気流から大半の窒素分子を除去することにより、酸素および／またはアルゴンに富んだ生成気流を生成することができる。大気中の空気は約７８．０９％の窒素、約２０．９５％の酸素、０．９３％のアルゴン、約０．０３９％の二酸化炭素、および水蒸気等の微量の他の気体で構成されている。大半の窒素が空気から除去されると、結果として生じる生成ガスは約９５．５８％の酸素と約４．２４％のアルゴンになる。一般に、１つのモレキュラーシーブの管（シーブベッドまたはシーブカラム）は、窒素吸着平衡に達して窒素がシーブベッドの酸素端を突き破り始めるまでに、任意の固定圧力および温度での有限の窒素吸着容量を有する。この時点に到達する少し前に、第２のベッドに切り替わり、第１のベッドは自身の圧力を排出し、大気条件で平衡状態に再生する。このプロセスが２つのベッド間で繰り返され、濃縮された酸素ガスのほぼ連続的な流れを患者に供給する。
【００２７】
［３２］供給ガスとして空気を使用する有機膜（例えば、インフォーマルファイバ（ｉｎｆｏｒｍａｌ  ｆｉｂｅｒ））も知られており、酸素（Ｏ２）および水蒸気（Ｈ２Ｏ）が有機膜の壁を透過することを可能にする。窒素（Ｎ２）とアルゴン（Ａｒ）は残余分（気流は繊維を通過する）に残り、濃縮されて膜から排除される。複数のステージを直列につなげることによって酸素の純度を高めることが知られている。しかし、これは面倒な動作を生じさせ、またコストを増加させる。ＰＳＡ技術を用いた酸素濃縮器と比較して、有機膜を用いたシステムの酸素純度ははるかに低く、給気の圧力ははるかに高くなければならず、これは通常、より高い電力消費に対応する。
【００２８】
［３３］少なくとも軽量の携帯型酸素濃縮器の場合、必要な電力をさらに削減することが望ましい。そのような削減は、エネルギーを供給するパワーパックの軽量化に直結させることができる。しかし、システムの複雑さ（コスト）も低くする必要がある。本明細書に記載の例示的な実施形態は、従来技術を超える改善を提供する、ＰＳＡユニットと膜モジュールの組み合わせを提供する。
【００２９】
［３４］ここで図１を参照して、図１は酸素生成システム１００を示す。図１に示されるように、酸素生成システム１００は、入口フィルタ１０２、圧縮機１０４、シーブベッド１０６、１０８を有する酸素分離ユニット１０５、弁構成１１０、膜モジュール１２０、および制御モジュール１４０を含む。
【００３０】
［３５］一実施形態では、入口フィルタ１０２、圧縮機１０４、および膜モジュール１２０は、弁構成１１０を介してシーブベッド１０６、１０８と流体連結している。入口フィルタ１０２は、固体粒子が酸素システム１００に入るのを防ぐために、酸素生成システム１００に取り込まれる周囲の空気を濾過するように構成され得る。圧縮機１０４は入口フィルタ１０２から気体を取り入れ、気流に圧力を加える。
【００３１】
［３６］一実施形態では、圧縮機１０４は、単段／二段往復圧縮機、複合圧縮機、回転スクリュー圧縮機、回転ベーン圧縮機、スクロール圧縮機、ターボ圧縮機、および／または軸流圧縮機のうちの１つまたは複数を含み得る。他の実施形態では、圧縮機は空気ポンプを含み得る。他の実施形態では、圧縮機１０４は、気流に圧力を加え、バルブ構成１１０を介してシーブベッド１０６、１０８に交互に気流を送るように構成され得る。
【００３２】
［３７］図１に示されるように、弁構成１１０および気流導管１１１は、酸素生成システム１００全体にわたって気流および精製された酸素を流すように構成され得る。図１において、弁構成１１０を相互接続する気流導管１１１は、気流の方向を示す矢印の付いた線として示されている。導管は、例えば平衡ライン１３０およびパージライン１２４を含み得る。一部の実施形態では、導管１１１は、気流を収容して輸送するように構成されたプラスチック管を含み得る。他の実施形態では、導管１１１は、気体を取り込むように構成された機構と、気体を貯蔵するように構成された機構との間で気流を運ぶのに適した任意の他の材料を含み得る。
【００３３】
［３８］弁構成１１０は、シーブベッド排気弁１１２、１１６、シーブベッド入力弁１１４、１１８、パージライン１２４、パージ弁１２６、１２８、平衡弁１３２、逆止弁１３４、１３６、および生成物弁１４６を含み得る。弁構成１１０の構成要素１１２、１１４、１１６、１１８、１３２、１２６、１２８、１３６、１３４、および１４４は、導管１１１（すなわち、図１の相互接続ライン）を介して流体連結されている。一部の実施形態では、弁構成１１０はより多くの、またはより少ない構成要素を含み得る。本明細書で使用される場合、弁は、気体の流れを制限する、気体の流れを防ぐ、および他の形式で、弁を通る気流の量を調節することによって気体の流れを制御する任意のデバイスを含み得る。例えば、弁を閉じることによって、または弁を開くことによって、酸素／気流は、以下でさらに詳述される酸素分離ユニット１０５を利用するＰＳＡサイクルを実施するために、導管１１１内で導かれ得る。そして、一般に、パージ弁１２６、１２８は、これらの弁を通る気体の流量を制限するための要素（例えば、弁ごとに設けられたオリフィス）を含む。なぜなら、これらの弁は、ライン１２４内の圧力がライン１１７Ａまたは１１７Ｂ内の圧力よりも相当に大きい動作条件で、ライン１２４をライン１１７Ａおよび１１７Ｂとそれぞれ接続しているからである。
【００３４】
［３９］一部の実施形態では、酸素分離ユニット１０５は、圧縮機１０４の出力部から気流を受け取る入力部を含み得る。図１に示されるように、酸素生成システム１００は２つのシーブベッド１０６、１０８を含む。一部の実施形態では、酸素生成システム１００は３つのシーブベッドを含み得る。他の実施形態では、酸素生成システム１００は４つ以上のシーブベッドを含み得る。シーブベッド１０８、１０６は、弁構成１１０を介して並列に接続されていてもよい。シーブベッド１０６、１０８は、シーブベッド入力弁１１４、１１８および対応する導管１１１を介して圧縮機の出力部から気流を受け取るための入力部を含み得る。以下で詳述されるように、酸素分離ユニット１００は、気流から酸素を分離することによって酸素流を生成するように構成され得る。
【００３５】
［４０］一実施形態では、膜モジュール１２０は、酸素生成ユニット１０５によって生成された酸素流を精製するように構成され得る。図１に示されるように、膜モジュール１２０は、酸素分離ユニット１０５の出力部１０７と流体連結されていてもよい。膜モジュール１２０は、生成物弁１４４を介して精製された酸素生成物１４６を運ぶように構成された生成物出力部１２３を含み得る。一実施形態では、膜モジュール１２０は、膜１２７を利用することによって酸素分離ユニット１０５によって生成された酸素流を精製するように構成され得る。
【００３６】
［４１］一実施形態では、膜１２７は、空気から窒素および酸素を分離するのに適した有機酸素透過（分離）膜を含み得る。別の実施形態では、膜１２７は、ポリイミドからなる有機膜を含み得る。さらに別の実施形態では、膜モジュール１２０は、数百から数百万の中空繊維の束を利用することによって、気流から窒素および酸素を分離するように構成されたマルチ中空繊維システムを含み得る。さらに別の実施形態では、膜１２７は、他のタイプの生物学的な膜または合成膜、例えばチューブラー膜、スパイラル（ｓｐｉｒａｌ  ｗｏｕｎｄ）膜、並びに／またはセラミックおよびポリマー平膜を、単独でおよび／または組み合わせて含み得る。
【００３７】
［４２］別の実施形態では、膜モジュール１２０は、１５０ｇの有機繊維、３００ｍＬのガス容量、および４５０ｍＬの管構造の外側容量（ｏｕｔｅｒ  ｖｏｌｕｍｅ）を含む有機繊維構造を含み、これは、後に詳述するように、低減された消費電力で酸素純度を高める。一部の実施形態では、膜モジュール１２０は、１００ｇ〜３３０ｇの繊維、２５０ｍＬ〜３５０ｍＬのガス容積、および３５０ｍＬ〜５５０ｍＬの管構造の外側容積を含む有機繊維構造を含み得る。一実施形態では、膜モジュール１２０は、Ｐａｒｋｅｒ中空繊維膜モジュールＨｉＦｌｕｘｘ  ＳＴ３０４および／または他の膜もしくは膜材料を単独でおよび／または組み合わせて含み得る。一部の実施形態では、膜モジュール１２０は２つ以上の膜モジュール（図１には示されていない）を含み、各吸収チャンバー１０６、１０８がそれぞれ専用の膜モジュールを使用し得る。各吸収チャンバー１０６、１０８に専用の膜モジュールを提供することにより、酸素純度のさらなる増加を達成することができる。
【００３８】
［４３］一実施形態では、膜モジュール１２０は、導管１１１と流体連結している膜モジュール１２０の膜入口１２１を介して酸素分離ユニット１０５から出力される酸素流を受け取るように構成され得る。膜入口１２１は、弁構成１１０を調整することによって、各吸収チャンバー１０６、１０８から酸素が濃縮された気体を定期的または断続的に受け取るように構成され得る。
【００３９】
［４４］一部の実施形態では、膜入口１２１は、膜モジュール１２０への１つまたは複数の入口を含み得る。一部の実施形態では、各入口１２１が膜モジュール１２０につながる１つまたは複数のポートを含み得る。一実施形態では、膜入口１２１は、膜モジュール１２０につながる２つの入口ポート（図１には示されていない）を含み得る。別の実施形態では、各入口１２１および／または各ポートは、吸着チャンバー１０６、１０８から膜モジュール１２０に酸素が富化された気体を独立して供給するように構成された追加のアクティブ弁またはパッシブ弁（図１には示されていない）を含み得る。本明細書において、膜入口１２１に関連する記載は１つまたは複数の入口を含み、入口はそれぞれ１つ、２つ、または３つ以上のポートを有し得る。膜入口１２１は、単一の入口または単一のポートに限定されると解釈されるべきではなく、１つまたは複数のポートを有する複数の入口を包含し得る。
【００４０】
［４５］一部の実施形態では、膜モジュール１２０は、酸素分離ユニット１０５から受け取った酸素流を精製して、残余分流を含むパージガス１２２を生成し、パージライン１２４を介してパージガス１２２を出力し、生成物弁１４４を介して、生成された酸素生成物のフロー１４６を患者に供給するように構成され得る。生成物弁１４４は、患者の呼吸によって制御されるパッシブ弁を含み得る。一実施形態では、逆止弁１３４、１３６は、シーブベッド１０６、１０８の圧力が膜モジュール１２０の入口１２１での圧力を超えると酸素が膜モジュール１２０に流れ込むことを可能にするように構成され得る。これは、制御モジュール１４０によって監視および実施され得る。
【００４１】
［４６］制御モジュール１４０は、酸素生成システム１００の個々の構成要素と通信して、本明細書に記載の例示的な機能を実装するように構成され得る。図１に示されるように、制御モジュール１４０は、膜モジュール１２０、弁構成１１０、圧縮機１０４、および／またはシステム１００の他の構成要素と通信するように構成され得る。制御モジュール１４０は、本明細書に記載のＰＳＡサイクルを実施するために、（図１には示されていない）メモリに記憶されたソフトウェアコードを実行するように構成された１つまたは複数のプロセッサ１４２を含み得る。プロセッサ１４２は、１つまたは複数のハードウェアプロセッサ、仮想プロセッサ、１つまたは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、および／または、コマンドを受信、送信、および実行可能な任意の他のコンピューティングデバイスを含み得る。プロセッサ１４２は、本明細書に記載の例示的な実施形態を実行するためのファームウェアを格納するためのキャッシュを含み得る。
【００４２】
［４７］制御モジュール１４０の二重矢印によって図１に示されるように、制御モジュール１４０は、酸素生成システム１００の構成要素からデータを受信するように構成され得る。一実施形態では、弁構成１１０は、動作状態および気流に対応する他のデータを制御モジュール１４０に伝達するように構成され得る構成要素を含み得る。動作状態および気流に対応する他のデータは、弁構成１１０の構成要素１１２、１１４、１１６、１１８、１３２、１２６、１２８、１３６、１３４、および１４４の現在の状態（例えば、開閉状態）、圧縮機１０４の動作状態（例えば、オン／オフ状態）、シーブベッド１０６、１０８および／または膜１２７の吸着レベルおよび圧力レベル、並びに／または酸素生成システム１００全体にわたる気体の流量および圧力レベル。一実施形態では、制御モジュール１４０は、ユーザインターフェース（図１には示されていない）を介して動作データ／流量のメトリックスを表示するように構成され得る。これは、酸素生成システム１００のユーザが視認できるものであってもよい。
【００４３】
［４８］一実施形態では、システム１００は酸素を生成するように構成され、シーブベッド１０６、１０８は吸着チャンバー１０６、１０８を含み得る。システム１００は、酸素分離吸着剤（図１には示されていない）、酸素が濃縮された気体を吸着チャンバー１０６、１０８に供給するための入口１１９、および酸素が濃縮された気体を第１および第２の吸着チャンバー１０６、１０８から誘導するための出口１１７を備えた吸着チャンバー１０６、１０８を含み得る。一実施形態では、吸収チャンバー１０６、１０８は３つ以上の吸収チャンバーを含み得る。
【００４４】
［４９］一実施形態では、システム１００は、有機酸素分離（透過）膜１２７、および吸着チャンバー１０６、１０８の出口１１７と流体連絡する膜モジュール１２０の第１の側の入口１２１を含む膜モジュール１２０を含み得る。入口１２１は、酸素が濃縮された気体を膜モジュール１２０に供給するように構成されてもよい。膜モジュール１２０の第２の側の出口１２３は、膜モジュール１２０から酸素が濃縮された気体を誘導するためのものであり得る。膜モジュール１２０の第１の側の出口１２５は、膜モジュール１２０から残余分ガス１２２を誘導するように構成することができる。
【００４５】
［５０］ある例示的な実施形態では、膜モジュール１２０の第１の側は、吸着チャンバー１０６、１０８に面し、吸着チャンバー１０６、１０８から残余分ガス１２２を含む注入ガスを受け取る膜１２７の側を含み得る。有機膜の第２の側は、第１の側の反対の側であり、高い純度を有する精製された透過酸素流１４４が提供される側である。膜モジュール１２０の第２の側は、膜１２７を通過した透過ガスを受け取り、精製された透過酸素流１４４をシステム１００のユーザに出力する膜１２７の反対側を含み得る。
【００４６】
［５１］一実施形態では、システム１００は、膜モジュール１２０の出口１２５を、吸着チャンバー１０６、１０８の出口１１７と接続する導管１２４を含む。導管１２４は、吸着チャンバー１０６、１０８を介して残余分ガス１２２をパージするように構成され得る。一実施形態では、弁構成１１０および導管１２４は、残余分ガス１２２の少なくとも一部を定期的に吸着チャンバー１０６、１０８を介して膜モジュール１２０から誘導して吸着チャンバー１０６、１０８を残余分ガス１２２でパージし、導管１２４を介して残余分ガス１２２を排出するように構成され得る。一実施形態では、１つまたは複数のプロセッサ１４２は、酸素を含むガス、および吸着チャンバー１０６、１０８のパージを制御するように、弁構成１１０を制御するように構成され得る。
【００４７】
［５２］別の実施形態では、吸着チャンバー１０６は出口１１７ａを含み、吸着チャンバー１０８は生成物出口１１７ｂを含む（以下、まとめて出口１１７と呼ぶ）。出口１１７は、導管１３０を介して濃縮酸素を含むガスを出力するように構成され得る。吸着チャンバー１０６、１０８の出口１１７を接続する導管１３０は、圧力平衡化（すなわち、生成物側の圧力平衡化）のために構成され得る。一実施形態では、生成物側の圧力平衡化は、両吸着チャンバー１０６、１０８間で濃縮酸素を含むガスを運ぶために導管１３０および弁構成１１０を利用することを含む。これにより、吸着チャンバー１０６、１０８内の圧力が等しくなる。さらに別の実施形態では、吸着チャンバー１０６、１０８の圧力平衡化は、入力側圧力平衡化のために排気弁１１２、１１４、１１６、１１８および排気導管１１１（「排気」と記された破線の四角として図１に示されている）を利用して実施され得る。ある例示的な実施形態では、システム１００は、吸着チャンバー１０６、１０８の吸着モード中、吸着チャンバー１０６、１０８の酸素分離吸着剤を通るように酸素を含む気流を導くことによって、（それぞれが酸素分離吸着剤を備えた）吸着チャンバー１０６、１０８を通るように酸素を含む気流を断続的に導くように構成され得る。これにより、酸素を含む気流が酸素に関して濃縮され、濃縮された酸素を含む気流が生成される。
【００４８】
［５３］一実施形態では、システム１００は、濃縮された酸素を含む気流を有機酸素透過膜１２７の第１の側に導き、膜１２７を介して、膜モジュール１２０の第２の側に酸素流を生成するように構成され得る。これにより、濃縮された酸素を含む気流からさらに酸素が分離され、精製された酸素１４６および残余分ガス１２２の気流が形成される。残余分ガス１２２は、濃縮された酸素を含む気流と比較して少ない酸素を含む。別の実施形態では、システム１００は、脱着モードの吸着チャンバー１０６、１０８を通して残余分ガス１２２の少なくとも一部を導くように構成され得る。システム１００は、脱着モードの終了時および吸着モードの終了時に吸着チャンバー１０６、１０８の圧力平衡化を行うように構成され得る。
【００４９】
［５４］次に図２を参照して、図２は、図１のシーブベッド１０６、１０８（すなわち、吸着チャンバー１０６、１０８）の実施形態である例示的なシーブベッド２００を示す。図２に示されるように、シーブベッド２００は、酸素またはアルゴンよりも窒素を優先的に吸収するように設計されたシーブ材料２０２を含み得る。この特性は、酸素および／またはアルゴンを生成するために利用することができる。シーブ材料２０２は、気流を受け取り、酸素をシーブベッド２００のハウジング２０４から通過させるように構成され得る。一実施形態では、シーブ材料２０２は、気流から窒素を吸収するように構成され得る。シーブ材料２０２はゼオライトシーブ材料および／または他の材料を含み得る。別の実施形態では、シーブ材料２０２はＬｉゼオライトシーブ材料および／または他の材料を含み得る。さらに別の実施形態では、シーブ材料２０２はＮａＸ材料、またはガスから窒素を分離するのに適した他のシーブ材料を含み得る。
【００５０】
［５５］一部の実施形態では、シーブベッド２００は、気流の経路を定めるように構成されたハウジング２０４を含む（図２ではハウジング２０４の矢印として示されている）。シーブベッド２００は、気流を取り込んでハウジング２０４を通過させるように構成されたガス入口２０６と、シーブベッド２００内のシーブ材料２０２を通った後にシーブベッド２００から酸素が濃縮されたガスを排出するように構成されたガス出口２０８とを含む。一部の実施形態では、ガス入口２０６およびガス出口２０８は、シーブベッド２００の異なる端部に配置され得る。一実施形態では、シーブ材料２０２は、ハウジング２０４の閉端に配置された、または閉端に向かって配置された荷重ばね２１０によって圧縮され得る。図２に示されるように、圧力空間を最小化するために、ばね２１０はシーブベッド２００の圧力部分の外側に配置されている。
【００５１】
［５６］シーブベッド２００は、窒素吸着平衡に達するまでに有限の窒素吸着容量を有する。その時点で、窒素はシーブベッド２００の酸素出口を突き破り始める。後にさらに詳細に説明するように、窒素が酸素出口に入るのを防ぐために、本明細書で実施されるＰＳＡサイクルは、後述するように、第１のシーブベッドが周囲条件下で圧力を排出して平衡に再生する間、第２のシーブベッドに切り替えることを提供する。
【００５２】
［５７］図１に戻り、酸素生成システム１００は、酸素を生成するためのＰＳＡサイクルを実施するように構成され得る。一実施形態では、プロセッサ１４２を介して、制御モジュール１４０は、ＰＳＡサイクルを実施するために、後に詳述される弁構成１１０の制御を行うように構成され得る。別の実施形態では、酸素生成システム１００は、ＶＳＡ（ｖａｃｕｕｍ  ｓｗｉｎｇ  ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）および／または混合ＰＶＳＡ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｗｉｎｇ  ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）を実施するように構成され、そして、ＶＳＡおよび／またはＰＶＳＡを実施するために必要な、排気口に取り付けられた追加の真空ポンプを含む。さらに別の実施形態では、酸素生成システム１００は、以下の表１に従ってＰＳＡサイクルを実施するように構成され得る。
【００５３】
［５８］表１に示されるように、弁構成１１０は、本明細書に記載される１つまたは複数の実施形態に係るＰＳＡサイクルを実施するための様々な構成で構成され得る。生成物弁１４４は、表１では通常は開いているものとして示されているが、一部の実施形態では、弁１４４は、特定の量（「ボーラス」）の生成物を患者に送達するために制御モジュール１４０によって操作されるアクティブ弁であり得る。一般に、ボーラスの送達は吸気フェーズの開始によってトリガされる。吸気フェーズが開始すると生成物ライン１４６の圧力降下が引き起こされ、センサが１４８がこれを検出する。
【表１】
2021533987.tif 000003
【００５４】
［５９］一部の実施形態では、ＰＳＡサイクルは、シーブベッド１０６について複数のフェーズ、すなわち、加圧および生成、低圧への圧力平衡化、排気および酸素パージ、高圧への圧力平衡化を繰り返すことを含み得る。シーブベッド１０８でも同じ動作が行われるが、シーブベッド１０６、１０８の間で上記プロセスが交互するよう、半サイクル分だけずらされる。
【００５５】
［６０］図１に示されるように、制御モジュール１４０は制御コマンドを弁構成１１０に送るように構成される。一実施形態では、制御モジュール１４０は、上記の表１のステップ１〜４に従って弁構成１１０を操作するように構成され得る。ある例示的な実施形態に係るＰＳＡサイクルは、圧縮機１０４を用いてシーブベッド１０６を加圧するように弁構成１１０を構成することによって開始し得る。加圧により、シーブベッド１０６は出力弁１０７を介して膜モジュール１２０に酸素流を排出する。一実施形態では、制御モジュール１４０は、弁１１４、１１６、１２８、１３２を閉じ、入力弁１１８、排気弁１１２、およびパージ弁１２６を開くことによって、シーブベッド１０６を加圧し、シーブベッド１０８をパージする（例えば、上記表１のステップ１）ように弁構成１１０にバルブ制御コマンドを発し得る。このようにすることで、圧縮機１０４によって生成された加圧気流は、圧縮機１０４の出口から入力弁１１８を通り、導管１１１を介してシーブベッド１０６に流れることができる。
【００５６】
［６１］一実施形態では、シーブベッド１０６内の空気圧は、最初は周囲条件（すなわち、大気圧）で開始し、その後より高い圧力に上昇させることができる。シーブベッド１０６内の空気圧が膜モジュール１２０の入口１２１における空気圧より高いとき、弁構成１１０は、酸素生成ユニット１０５の出口１０７において酸素が濃縮された空気を放出することを可能にするために、逆止弁１３６を開くように構成され得る。一実施形態では、弁１３４、１３６は、空気が一方向にのみ通過することを可能にするために受動的に開閉するように構成され得る。この酸素が濃縮された空気は膜モジュール１２０に流入する。後にさらに詳細に論じられるように、膜モジュール１２０は、流入した気体を精製し、精製された酸素を生成物弁１４４に送達するとともに、酸素生成ユニット１０５内のシーブ材料をパージするために、弁構成１１０を通してパージガス１２２を供給するように構成され得る。
【００５７】
［６２］一実施形態では、酸素生成システム１００は、シーブベッド１０８が上方平衡化（ｕｐ−ｂａｌａｎｃｉｎｇ）（すなわち、圧力上昇）を行っている間に、より圧力が高いシーブベッド１０６の圧力を低下させることによって、酸素分離ユニット１０５を圧力平衡化するように構成され得る。圧縮機１０４からの入力を介してシーブベッド１０６が所定の圧力レベルに達した後、制御モジュール１４０は、シーブベッド１０６の圧力をシーブベッド１０８の圧力と平衡させるために、弁構成１１０を切り替えることによって（例えば、表１のステップ２）、シーブベッド１０６をより低い圧力に圧力平衡化するように構成され得る。制御モジュール１４０は、弁構成１１０に平衡弁１３２および入力弁１１４を開かせ、弁１１２、１１６、１１８、１２６、１２８を閉じさせる制御コマンドを発するように構成され得る。このようにすることで、シーブベッド１０８内の圧力と少なくとも部分的に平衡するよう、シーブベッド１０６内の圧力が下げられる。一部の実施形態では、酸素分離ユニット１０５が完全に圧力平衡に達すると、圧縮機１０４からの出力がシーブベッド１０６からシーブベッド１０８に切り替えられる（後に詳述する）。他の実施形態では、酸素分離ユニット１０５が完全に圧力平衡に達する前に圧縮機１０４からの出力が切り替えられる。
【００５８】
［６３］図１に示されるように、平衡化ライン１３０は、シーブベッド１０６からシーブベッド１０８へ、およびシーブベッド１０８からシーブベッド１０６へと酸素流を運ぶように構成され得る。一実施形態では、シーブベッド１０６、１０８を圧力平衡化するために弁構成１１０を切り替えることは、シーブベッド１０６、１０８間で酸素流を運ぶために平衡化ライン１３０および平衡化弁１３２を利用することを含む。制御モジュール１４０は、平衡化ライン１３０を介してシーブベッド１０６をより低い圧力に向かって圧力平衡化するために、パージ弁１２６、１２８を閉じ、平衡化弁１３２を開くことによって、シーブベッド１０６、１０８の圧力平衡化を実施するように構成され得る。このようにして圧力平衡化を行うことで酸素純度を高めることができるが、シーブベッド１０８内の酸素流はシーブベッド１０６によってすでに精製されているので、電力消費は増加しない。したがって、酸素生成ユニット１０５の出力からの酸素流を利用する圧力平衡化は、比較的低い電力消費での酸素純度の向上を可能にする。別の実施形態では、圧力平衡化は、弁１１２、１１６、１２６、１２８、１３２を閉じ、弁１１４、１１８を開くことによって、空気側の弁（以下、空気側弁と呼ぶ）を介して実施され得る。
【００５９】
［６４］一実施形態では、酸素平衡化の終わり間近または平衡化中、弁構成１１０を切り替えて（例えば、表１のステップ３）圧縮機１０４によりシーブベッド１０８を加圧することにより、シーブベッド１０８内の圧力が高められる。これにより、シーブベッド１０８は酸素流を膜モジュール１２０に出力する。制御モジュール１４０は、弁構成１１０に、弁１１２、１１８、１２６、１３２を閉じさせ、弁１１４、１１６、および１２８を開かせるように構成され得る。このようにすることで、圧縮機１０４によって出力された加圧された気流はシーブベッド１０８に向け直され、シーブベッド１０６はパージされる。
【００６０】
［６５］一実施形態では、圧縮機１０４によりシーブベッド１０６またはシーブベッド１０８を加圧するために弁構成１１０を切り替えることは、圧縮機の流れを切り替える前に、シーブベッド１０６およびシーブベッド１０８を完全に圧力平衡化することを含む。シーブベッド１０６およびシーブベッド１０８を完全に圧力平衡化するとは、シーブベッド１０６、１０８が閉鎖系として（例えば、平衡化ライン１３０を介して）接続されているとき、シーブベッド１０６およびシーブベッド１０８の加圧状態が動的平衡状態に達することを可能にすることを意味する。別の実施形態では、圧縮機１０４を用いてシーブベッド１０８を加圧するように弁構成１１０を切り替え、それによってシーブベッド１０８によって膜モジュール１２０へと酸素流を出力させることは、完全な圧力平衡化の前に（すなわち、動的平衡に達する前に）弁構成１１０を切り替えることを含む。
【００６１】
［６６］一実施形態では、制御モジュール１４０は、シーブベッド１０６からパージガス１２２（例えば、保持液流）の少なくとも一部を排出するように弁構成１１０を切り替える（例えば、表１のステップ４）ように構成され得る。制御モジュール１４０は、弁構成１１０に平衡弁１３２および入力弁１１８を開かせ、弁１１２、１１４、１１６、１２６、１２８を閉じさせる制御コマンドを発するように構成され得る。図１に示されるように、膜モジュール１２０は、パージライン１２４を介してシーブベッド１０６、１０８と流体連結するパージガス出力部１２５を含み得る。一実施形態では、パージライン１２４は、それぞれシーブベッド１０８、１０６の出力と直列に接続されたパージ弁１２６、１２８を含み得る。別の実施形態では、シーブベッド１０６またはシーブベッド１０８からパージガス１２２（例えば、残余分流）の少なくとも一部を排出するために弁構成１１０を切り替えることは、パージガス１２２を利用して、パージライン１３０およびパージ弁１２６、１２８を介してシーブベッド１０６およびシーブベッド１０８を交互にパージすること  （例えば、表１のステップ１および３）を含み得る。
【００６２】
［６７］吸収された窒素をシーブベッド１０６、１０８から除去するために、弁構成１１０は、吸収された窒素をシーブベッド１０６、１０８から排出するように構成され得る。図１に示されるように、膜モジュール１２０によって出力されたパージガス１２２は、パージ弁１２６、１２８、酸素生成ユニット１０５を介して吐き出され、排気弁１１２、１１６を介して酸素生成システム１００から排出され得る。シーブベッド１０６、１０８内の吸収された窒素の排出は、残余分気流（すなわち、パージ出力部１２５を介して膜モジュール１２０によって出力されるパージガス１２２）パージライン１２４およびアクティブパージ弁１２６、１２８によって対応される。
【００６３】
［６８］一実施形態では、少なくとも排気の開始時に、パージガス入力弁１２８が閉じられ、排気弁１１６が開かれる。弁構成１１０は、膜モジュール１２０からシーブベッド１０６、１０８を介して精製された酸素流の少なくとも一部を定期的に向けることで、パージガス１２２でシーブベッド１０６、１０８をパージし、残余分流を含むそのようなパージガスを排出するように構成され得る。排気フェーズの終わりでは、シーブベッド１０６、１０８内の圧力は大気圧に近い。
【００６４】
［６９］一実施形態では、酸素生成１０５をパージするのに圧縮機１０４は使用されない。膜モジュール１２０によって生成されたパージガス１２２（すなわち、残余分気流）のみが酸素生成ユニット１０５をパージする。一実施形態では、要求される純度での所望の酸素生成物流１４６を得るために、（パージライン１２４および弁１２６、１２８を介する）パージ中の流れ抵抗、および（生成物弁１４６を介する）生成物圧力は所定の圧力に制限される。圧力および流れ抵抗の制限は制御モジュール１４０によって行われ得る。一実施形態では、酸素生成物１４６の純度は純度センサ１４８によって検出され、制御モジュール１４０に伝達され得る。純度センサ１４８は、ガスの組成中の酸素純度レベルを決定するように構成された任意のセンサを含み得る。
【００６５】
［７０］シーブベッド１０６を排出し終え、シーブベッド１０８がより高い圧力レベルにあるとき、制御モジュール１４０は、シーブベッド１０８をシーブベッド１０６と圧力平衡化するように弁構成１１０を切り替える（例えば、表１のステップ４）ことによって圧力平衡化を再実施するように構成され得る。圧力平衡化の結果、シーブベッド１０８内の圧力は下げられ、シーブベッド１０６内の圧力と少なくとも部分的に釣り合う。制御モジュール１４０は、弁構成１１０に弁１３２を開かせ、弁１１２、１１４、１１６、１１８、１２６、１２８を閉じさせる制御コマンドを発するように構成され得る。前述の平衡化に関する記載と同様に、より高い圧力への圧力平衡化は、平衡化ライン１３０および平衡化弁１３２を利用することを含み得る。平衡化弁１３２が開かれている間、逆止弁１３４、１３６とともに両方のパージ弁１２６、１２８が閉じている。酸素側平衡化を利用して、今度はシーブベッド１０６がシーブベッド１０８から濃縮酸素を含むガスを受け取り、圧力を上昇させる。上記の場合と同様に、シーブベッド１０８は下方平衡化を行う。より高い圧力への平衡化の間、圧縮機１０４からの出力はシーブベッド１０８からシーブベッド１０６に切り替えられる。
【００６６】
［７１］上記の場合と同様に、シーブベッド１０８を高圧から低圧に圧力平衡化した後、制御モジュール１４０は、シーブベッド１０８からパージガス１２２の少なくとも一部を排出するように弁構成１１０を切り替える（例えば、表１のステップ１）ことによって、パージガス１２２を利用してシーブベッド１０８から窒素をパージするように構成され得る。制御モジュール１４０は、弁構成１１０に弁１１２、１１８、１２６を開かせ、弁１１４、１１６、１２８、１３２を閉じさせる制御コマンドを発するように構成され得る。そして、ＰＳＡサイクルは、酸素生成システム１００のユーザが望む限り、上記ステップ（例えば、表１のステップ１〜４）を繰り返し得る。
【００６７】
［７２］次に図３を参照して、図３は、図１の酸素生成システム１００の例示的な実施形態である酸素生成システム３００を示す。図中、類似する参照符号の部品／部分は、類似する機能を持つ類似する特徴に対応する。図３に示されるように、酸素生成システム３００と酸素生成システム１００との間の主な違いは、平衡化ライン１３０および平衡化弁１３２が含まれていないことである。この実施形態では、両方のパージ弁３３２を開くことによって酸素側の平衡化が可能となる。アクティブ弁の数を減らすことにより、消費電力を削減したり、部品表を減らすことができる。
【００６８】
［７３］次に図４を参照して、図４は、図３の酸素生成システム３００の例示的な実施形態である酸素生成システム４００を示す。図中、類似する参照符号の部品／部分は、類似する機能を持つ類似する特徴に対応する。図４に示されるように、酸素生成システム４００と酸素生成システム３００との主な違いは、パージライン４２４内の、膜モジュール４２０のパージ出力部４２５と酸素パージ／平衡化弁４３２との間の部分にオリフィス４５０が追加されていることである。追加オリフィス４５０は、バルブ公差に依存しない、両シーブベッド４０６、４０８への所定の等しいパージ流量を可能にする。なぜなら、ＯＮ／ＯＦＦ切り替えパージ弁４３２よりもはるかに高い流れ抵抗を有するオリフィス４５０（シーブベッド４０６およびシーブベッド４０８の両方のパージ経路に共通）が、相違を有し得る個別のパージ弁４３２の流れ特性から独立してパージ流量を定めることになるからである。前述の弁３３２と比較して、弁４３２はより単純な設計（例えば、ＯＮ／ＯＦＦ切り替えのみで、流量制限は不要）を有し得るので、切り替えに必要なより低いコストおよびより低いエネルギー消費を達成することができる。
【００６９】
［７４］次に図５を参照して、図５は、図１の酸素生成システム１００の例示的な実施形態である酸素生成システム５００を示す。図中、類似する参照符号の部品／部分は、類似する機能を持つ類似する特徴に対応する。図５に示されるように、酸素生成システム５００と酸素生成システム４００との間の１つの異なる特徴は、アクティブ弁が逆止弁５２６によって置き換えられており、また、パージ出力部５２５と逆止弁５２６との間にオリフィス５５０が追加されていることである。酸素生成システム５００はバルブ公差に依存せず、アクティブ弁は逆止弁に置き換えられている。よって、製造コストおよび電力消費を削減することができる。酸素生成システム５００は酸素生成システム１００と同様に動作し、パージされるべきシーブベッドが大気圧に近いとき、他方のシーブベッド（および膜モジュール５２０から出力されるパージガス５２２）はより高い圧力を有する。
【００７０】
［７５］図１に戻り、一部の実施形態では、消費電力をさらに削減し、かつ酸素純度を高めつつ、３Ｌ／分の酸素の平均生成物流量を達成するために、生成システム１００は、Ｐｈｉｌｉｐｓ  ＳｉｍｐｌｙＧｏ等の典型的な酸素分離ユニット（例えば、酸素分離ユニット１０５））を利用して以下のパラメータで構成され、様々な消費電力で様々な酸素純度を実現し得る。
−実施例１
−サイクルタイム  ｔｃｙｃ＝８．４ｓ
−加圧および生成：  ３．５ｓ
−圧力平衡化  ０．７ｓ
−排気および酸素パージ  ３．５ｓ
−平均圧縮空気流入量  Φａｖｅ＝２９．１ｓｌｐｍ
−膜内への流入量（生成フェーズ）：  Φａｖｅ＝１３．１ｓｌｐｍ
−生成中の生成物流量（透過分）：  Φａｖｅ＝５．５ｓｌｐｍ
−パージフェーズ中のパージ流量（残余分）：  Φａｖｅ＝７．６ｓｌｐｍ
−最大圧力  ｐｍａｘ＝２．５ｂａｒ
−平均入力圧力膜モジュール  ｐｉｎ〜２．３６ｂａｒ
−透過分（生成物）の平均圧力  ｐｐｅｒｍ〜１．５５ｂａｒ
−圧縮機のパワー：  Ｐｃｏｍｐ＝９６Ｗ
−酸素生成物純度  ＡＯ２＝８９％
−実施例２
−サイクルタイム  ｔｃｙｃ＝７．０ｓ
−加圧および生成：  ２．９ｓ
−圧力平衡化  ０．６ｓ
−排気および酸素パージ  ２．９ｓ
−平均圧縮空気流入量  Φａｖｅ＝３３．６ｓｌｐｍ
−膜内への流入量（生成フェーズ）：  Φａｖｅ＝１２．９ｓｌｐｍ
−生成中の生成物流量（透過分）：  Φａｖｅ＝５．３ｓｌｐｍ
−パージフェーズ中のパージ流量（残余分）：  Φａｖｅ＝７．６ｓｌｐｍ
−最大圧力  ｐｍａｘ＝２．５ｂａｒ
−平均入力圧力膜モジュール  ｐｉｎ〜２．３６ｂａｒ
−透過分（生成物）の平均圧力  ｐｐｅｒｍ〜１．４ｂａｒ
−圧縮機のパワー：  Ｐｃｏｍｐ＝１１０Ｗ
−酸素生成物純度  ＡＯ２＝９５％
【００７１】
［７６］上記の実施例１および２に示されるように、本明細書に記載の例示的な実施形態を利用することで、後述する実施例３において試験された従来のユニットと比較して、より低い電力消費率でより高い生成物純度が達成された。実施例３の従来のユニットは１２０Ｗで９０％の生成物純度を達成し、一方、前述の実施例の酸素生成システム１００は１１０Ｗで９５％の生成物純度、および９６Ｗで８９％の純度を達成した。このように、本例のハイブリッド酸素生成システム１００は、著しく少ない電力消費でほぼ同じ生成物純度を達成した。
【００７２】
［７７］また、試験結果から、低消費電力で３Ｌ／ｍｉｎの生成物流量を生成するには、シーブベッド１０６、１０８においてより多量のシーブ材料が必要であることがわかった。３Ｌ／ｍｉｎの生成物流量を達成するために、シーブベッドユニット（例えば、ユニット１０５）あたり３３０ｇのＬｉゼオライトシーブ材料が使用された（生成物側平衡化が適用され、効率〜４５％の圧縮機を使用）。
−実施例３
−動作
−サイクルタイム  ｔｃｙｃ＝１１ｓ
−加圧および生成：  ５．１ｓ
−圧力平衡化  ０．４ｓ
−排気および酸素パージ  ５．１ｓ
−オリフィス基準流量：  Φａｖｅ＝６．９ｓｌｐｍ
−平均圧縮空気流入量  Φａｖｅ＝３７．０ｓｌｐｍ
−最大圧力  ｐｍａｘ＝２．４８ｂａｒ
−圧縮機のパワー：  Ｐｃｏｍｐ＝１２０Ｗ
−酸素生成物純度  ＡＯ２＝９０％
【００７３】
［７８］より低い電力消費での酸素純度の上昇を示すために、以下に記載されるような様々な運用許容差で膜モジュール１２０の試験を行った。膜モジュール１２０の試験には、高酸素含有量の流入ガスに対するＨｉＦｌｕｘｘ  ＳＴ３０４の性能の試験が含まれていた。具体的には、市販のＰａｒｋｅｒ中空繊維膜モジュールＨｉＦｌｕｘｘ  ＳＴ３０４の性能測定は、空気よりも大幅に高い酸素含有量（＞６５％）の流入ガスでの性能を確認するために特徴づけられた。
【００７４】
［７９］いくつかの測定結果が以下の表２にまとめられている。表２は、ガスの流入量（流入量）、流入ガスの圧力（圧力ｉｎ）、および流入ガスの酸素含有量（純度ｉｎ）の関数として、対応する膜モジュール流出パラメータ［生成物流量およびパージ流量、両者の純度（純度ｐｅｒｍおよび純度ｒｅｔ）、並びに透過ガスの圧力（圧力ｐｅｒｍ）］を提供する。流入ガスは、圧縮された乾燥空気と純粋な酸素の適切な混合物である。
【表２】
2021533987.tif 000004
【００７５】
［８０］試験はさらに、最大の効率を達成するために必要とされる膜モジュール１２０（例えば、ＨｉＦｌｕｘｘ  ＳＴ３０４）の体積および重量の決定も含んでいた。膜モジュール１２０の測定された有効ガス容量は約３００ｍＬであり、管構造の外側容量は約４５０ｍＬであった。膜モジュール１２０の活性部分がＨｉＦｌｕｘｘ  ＳＴ３０４の内側有機繊維構造と同様の形態を有すると仮定すると、繊維の重量は約１５０ｇであった。酸素生成システム１００は、内側有機繊維構造を管構造内に配置可能な場合、はるかに低い圧力で動作する。したがって、酸素生成システム１００は、生成物タンクの必要性を活性膜モジュール１２０によって置き換える。
【００７６】
［８１］膜モジュール１２０（ポリイミド有機繊維）の活性部分（例えば、膜１２７）の最小限必要なサイズを推定した。窒素／酸素選択性［〜５］および酸素透過性［〜１０ＧＰＵ］に関する近年の文献データ、直径〜９μおよび壁厚ｄ〜０．４５０μの繊維を使用すると、得られる膜１２７の表面〜１５ｍ２を約２Ｌ／ｍｉｎの純酸素が透過できる。［最密充填で並列に７，０００，０００の繊維、流入ガスと透過ガスの間に３ｂａｒの圧力差］。これにより、最小容量は〜０．０３４Ｌ（膜の重量は〜３４ｇ）となる。
【００７７】
［８２］この推定値は、酸素生成システム１００で使用される膜モジュール１２０（例えば、〜０．４５Ｌのボリュームを有するＨｉＦｌｕｘｘ  ＳＴ３０４）のサイズ（および重量）を約１桁縮小できることを示している。本明細書に記載の酸素生成システム１００の重量に関しては、従来のユニットと比較すると、有機膜モジュール１２０のみが追加される（生成物タンクの代わりに設けられ得る）。しかし、酸素生成システム１００において、シーブベッド１０６、１０８ではより少ない材料が使用される（例えば、本開示のユニットあたり２３６ｇに対し、３３０ｇ［標準］）。したがって、（過度に大きい）市販の膜モジュール（ＨｉＦｌｕｘｘ  ＳＴ３０４）からの有機繊維を使用する場合でさえ、酸素生成システム１００の重量は既存のシステムと同等である。そして、適切なサイズの膜モジュール１２０を使用すると、上記のように、さらに低い重量で上記の結果が得られる。
【００７８】
［８３］ある例示的な実施形態では、膜モジュール１２０は、１００ｇ〜３３０ｇの繊維または有機繊維を含み得る。別の例示的な実施形態では、膜モジュール１２０は、２５０ｍＬ〜３５０ｍＬのガス容量を含み得る。さらに別の例示的な実施形態では、膜モジュール１２０は、３５０ｍＬ〜５５０ｍＬの管構造外側容量を含み得る。
【００７９】
［８４］ある例示的実施形態では、膜モジュール１２０は、５０ｇ〜１０００ｇの繊維または有機繊維を含み得る。別の例示的な実施形態では、膜モジュール１２０は、１００ｍＬ〜２０００ｍＬのガス容量を含み得る。さらに別の例示的な実施形態では、膜モジュール１２０は、５０ｍＬ〜２０００ｍＬの管構造外側容量を含み得る。
【００８０】
［８５］次に図６を参照して、図６は、酸素を生成するための方法６００を示す。以下に提示される方法６００の動作は例示に過ぎない。一部の実施形態では、方法６００は、説明されていない１つ又は複数の追加動作を用いて、及び／又は説明されている１つ又は複数の動作を用いずに達成され得る。また、図６に示されており、後述される方法６００の動作の順序は限定的ではない。
【００８１】
［８６］動作６０２において、圧縮機を用いて第１のシーブベッドを加圧するように弁構成が構成され、それにより、第１のシーブベッドは酸素流を膜モジュールに出力し、一方で第２のシーブベッドは膜モジュールからの残余分流を用いてパージされる。一部の実施形態では、動作６０２は、図１の弁構成１１０と同じまたは類似の弁構成によって実行される。
【００８２】
［８７］動作６０４において、第１のシーブベッドと第２のシーブベッドとを圧力平衡化するように弁構成が切り替えられる。これにより、第１のシーブベッドの圧力が低下し、第２のシーブベッドの圧力と少なくとも部分的に釣り合う。一部の実施形態では、動作６０４は、図１の弁構成１１０と同じまたは類似の弁構成によって実行される。
【００８３】
［８８］動作６０６において、圧縮機を用いて第２のシーブベッドを加圧するように弁構成が切り替えられ、それにより、第２のシーブベッドは酸素流を膜モジュールに出力し、一方で第２のシーブベッドは膜モジュールからの残余分流を用いてパージされる。一部の実施形態では、動作６０６は、図１の弁構成１１０と同じまたは類似の弁構成によって実行される。
【００８４】
［８９］動作６０８において、第２のシーブベッドと第１のシーブベッドとを圧力平衡化するように弁構成が切り替えられる。これにより、第２のシーブベッドの圧力が低下し、第１のシーブベッドの圧力と少なくとも部分的に釣り合う。一部の実施形態では、動作６０８は、図１の弁構成１１０と同じまたは類似の弁構成によって実行される。
【００８５】
［９０］特許請求の範囲において、括弧間に置かれた参照符号は、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。「備える」または「含む」という用語は、請求項に列挙された要素又はステップ以外の要素またはステップの存在を排除するものではない。いくつかの手段を列挙する装置クレームにおいて、これらの手段のうちのいくつかは、同一のハードウェアアイテムによって具現化されてもよい。単数形は、複数のかかる要素の存在を排除するものではない。いくつかの手段を列挙する装置クレームにおいて、これらの手段のうちのいくつかは、同一のハードウェアアイテムによって具現化されてもよい。複数の要素が互いに異なる従属請求項に記載されているからといって、これらの要素の組み合わせを使用することができないとは限らない。
【００８６】
［９１］上記で提供された説明は、現在最も実用的な実施形態であると考えられているものに基づき、説明を目的として詳細を提供するが、かかる詳細はもっぱら説明のためであり、本開示は明示される実施形態に限定されないことを理解されたい。反対に、本開示は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲に含まれる変形形態および等価構成をカバーするものとする。例えば、本開示は、可能な範囲で、任意の実施形態の１つまたは複数の特徴が、任意の他の実施形態の１つまたは複数の特徴と組み合わせられ得ることを考慮することを理解されたい。
【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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【国際調査報告】
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