(57)【要約】【課題】  吸着剤物質の床において少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を選択的に吸着することにより多成分原料ガス混合物を分離するための迅速な圧力スイング吸着方法、システム及び装置を提供すること。【解決手段】  （ａ）床を昇圧すること、（ｂ）原料ガス混合物を吸着剤物質の床に供給して当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分の減少した成分減少ガスを抜き出すこと、（ｃ）当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を富化した成分富化ガスを床から抜き出すことにより床を圧抜きすること、（ｄ）（ａ）〜（ｃ）をサイクル式に繰り返すこと、を含み、床長さをＬ、床容積をＶｂｅｄとして、当該床はＬ3／Ｖｂｅｄで求められるアスペクト比を有し、当該床についてのアスペクト比が１０未満であり、且つ（ｂ）における当該床の平均の圧力勾配が０．０３５ｐｓｉ／インチ（０．０９５ｋＰａ／ｃｍ）を超える圧力スイング吸着方法とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質の床において選択的に吸着することにより多成分原料ガス混合物を分離するための圧力スイング吸着方法であって、
（ａ）当該床を昇圧すること、
（ｂ）原料ガス混合物を当該吸着剤物質の床を通し床の入口面から床の出口面へ通過させ、当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質により選択的に吸着し、床の出口面から出てくる当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分の減少した成分減少ガスを抜き出すこと、
（ｃ）当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を富化した成分富化ガスを床から抜き出すことにより床を圧抜きすること、
（ｄ）（ａ）〜（ｃ）をサイクル式に繰り返すこと、
を含み、当該床は床長さＬと床容積Ｖｂｅｄを有し、また当該床は次の式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
によるアスペクト比を有し、当該床についてのアスペクト比が１０未満であり、且つ（ｂ）における当該床の平均の圧力勾配が０．０３５ｐｓｉ／インチ（０．０９５ｋＰａ／ｃｍ）を超える圧力スイング吸着方法。
【請求項２】
前記原料ガス混合物が空気であり、前記成分減少ガスが７０モル％以上の濃度の酸素を含む、請求項１記載の圧力スイング吸着方法。
【請求項３】
前記成分減少ガスが８０モル％以上の濃度の水素を含む、請求項１記載の圧力スイング吸着方法。
【請求項４】
前記成分減少ガスの生産速度が０．５スタンダードリットル／分と１０スタンダードリットル／分の間である、請求項２記載の圧力スイング吸着方法。
【請求項５】
（ａ）〜（ｃ）の各繰り返しがサイクル時間が１５秒以下のサイクルを規定する、請求項１記載の圧力スイング吸着方法。
【請求項６】
前記吸着剤の床が平均相当径１．０ｍｍ未満の吸着剤粒子からなる、請求項１記載の圧力スイング吸着方法。
【請求項７】
前記吸着剤の床が構造化した吸着剤からなる、請求項１記載の圧力スイング吸着方法。
【請求項８】
前記床が下式（２）
【数１】
2008207180.tif 000012
によるボイドファクターであって０．２未満のボイドファクターを有し、上式中のＶｖｏｉｄは圧力スイング吸着システムにおける合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である、請求項１記載の圧力スイング吸着方法。
【請求項９】
少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を入口面と出口面とを有する吸着剤物質の床において選択的に吸着することにより多成分原料ガス混合物を分離するための圧力スイング吸着方法であって、
（ａ）当該床を昇圧すること、
（ｂ）原料ガス混合物を当該吸着剤物質の床を通過させ、当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を当該吸着剤物質により選択的に吸着し、床から出てくる当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分の減少した成分減少ガスを抜き出すこと、
（ｃ）当該床からの当該成分減少ガスの抜き出しを停止し、且つ当該床への原料ガスの供給を停止すること、
（ｄ）当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を富化した成分富化ガスを床から抜き出すことにより当該床を圧抜きすること、
（ｅ）当該床へ当該成分減少ガスのうちの一部を供給して当該吸着剤物質からの当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分の抽出を促進すること、及び
（ｆ）（ａ）〜（ｅ）の操作をサイクル式に繰り返すこと、
を含み、当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を原料圧力において上記吸着剤物質により選択的に吸着し、当該床が床長さＬと床容積Ｖｂｅｄを有し、また当該床が次の式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
によるアスペクト比を有し、当該床についてのアスペクト比が１０未満であり、且つ（ｂ）における当該床の平均の圧力勾配が０．０３５ｐｓｉ／インチ（０．０９５ｋＰａ／ｃｍ）を超える圧力スイング吸着方法。
【請求項１０】
（ａ）〜（ｅ）の各繰り返しがサイクル時間１５秒以下のサイクルを規定する、請求項９記載の圧力スイング吸着方法。
【請求項１１】
少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質により選択的に吸着することにより多成分原料ガス混合物を分離するための圧力スイング吸着システムであって、
（ａ）当該吸着剤物質の床であり、当該吸着剤物質が当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着し、且つ当該床が少なくとも一つの入口面と少なくとも一つの出口面とを有する、当該吸着剤物質の床、
（ｂ）当該多成分原料ガス混合物を当該圧力スイング吸着システムへ供給する少なくとも一つの移送機、及び
（ｃ）当該少なくとも一つの入口面と流体を介して連通する弁のアレイ、
を含み、当該弁が開放から閉鎖の位置へ１秒以下で変わる、圧力スイング吸着システム。
【請求項１２】
前記弁のアレイが少なくとも４個の個別の弁を含む、請求項１１記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項１３】
前記弁のアレイにおける弁を、圧電式の弁、形状記憶合金の弁、静電式の弁、バイメタルの弁、熱空気式の弁、及び電磁式の弁からなる群より選ぶ、請求項１１記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項１４】
少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質により選択的に吸着することにより多成分原料ガス混合物を分離するための圧力スイング吸着システムであって、
（ａ）当該吸着剤物質の床であり、当該吸着剤物質が当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着し、且つ当該床が少なくとも一つの入口面と少なくとも一つの出口面とを有する、当該吸着剤物質の床、及び
（ｂ）当該少なくとも一つの入口面に流体を介して連通する移送機の少なくとも一つのアレイ、
を含み、当該移送機を通過する流れを２秒未満で開始又は停止することができる、圧力スイング吸着システム。
【請求項１５】
前記床が床長さＬと床容積Ｖｂｅｄを有し、また前記床が下式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
によるアスペクト比を有し、当該床についてのアスペクト比が１０未満である、請求項１１又は１４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項１６】
前記床が下式（２）
【数２】
2008207180.tif 000013
によるボイドファクターであって０．２未満のボイドファクターを有し、上式中のＶｖｏｉｄは当該圧力スイング吸着システムにおける合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である、請求項１１又は１４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項１７】
（ｃ）前記床に流体を介して連通する前記少なくとも一つの出口面の移送機の少なくとも一つのアレイ、
を更に含む、請求項１４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項１８】
前記移送機の少なくとも一つのアレイが、
前記床の前記少なくとも一つの入口面と流体を介して連通する原料用移送機のアレイであって、当該原料用移送機が前記原料ガス混合物を前記床へ供給するよう運転する、原料用移送機のアレイ、及び
前記床の前記少なくとも一つの入口面と流体を介して連通する排気用移送機のアレイであって、当該排気用移送機が前記床から成分富化ガスを抜き出すよう運転する、排気用移送機のアレイ、
含む、請求項１４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項１９】
前記移送機の少なくとも一つのアレイが、原料ガス供給工程の間は原料ガス混合物を前記床へ移送するよう作動し、且つ再生工程の間は当該床から成分富化ガスを抜き出すよう作動する、請求項１４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項２０】
移送機の各アレイが少なくとの４個の個別の移送機を含む、請求項１４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項２１】
前記移送機の少なくとも一つのアレイにおける移送機が、圧電式ポンプ、熱空気式ポンプ、静電式ポンプ、電磁式ポンプ、超音波駆動ポンプ、電気浸透ポンプ、ダイヤフラムポンプ及び電気流体力学式ポンプからなる群より選ばれる、請求項１４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項２２】
少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質に選択的に吸着することにより多成分原料ガス混合物を圧力スイング吸着分離するための装置であって、
（ａ）少なくとも一つの入口面と少なくとも一つの出口面を備えた吸着剤物質の床であり、当該吸着剤物質が当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着する、吸着剤物質の床、及び
（ｂ）当該少なくとも一つの入口面に流体を介して連通する弁のアレイ、
を含み、当該弁が開放から閉鎖の位置まで１秒以下で変わる、圧力スイング吸着分離装置。
【請求項２３】
前記床が、円形断面を持つ円柱、非円形断面を持つ柱状体、直方体、又は二つの同軸円筒体の間の環状領域からなる群より選ばれる幾何学形状を有する、請求項２２記載の装置。
【請求項２４】
少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質に選択的に吸着することにより多成分原料ガス混合物を圧力スイング吸着分離するための装置であって、
（ａ）少なくとも一つの入口面と少なくとも一つの出口面を備えた吸着剤物質の床であり、当該吸着剤物質が当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着する、吸着剤物質の床、及び
（ｂ）当該少なくとも一つの入口面に流体を介して連通する移送機の少なくとも一つのアレイ、
を含み、当該移送機のアレイを通過する流れを２秒以下で開始又は停止することができる、圧力スイング吸着分離装置。
【請求項２５】
前記床が床長さＬと床容積Ｖｂｅｄを有し、また当該床が下式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
によるアスペクト比を有し、当該床についてのアスペクト比が１０未満である、請求項２２又は２４記載の装置。
【請求項２６】
前記床が下式（２）
【数３】
2008207180.tif 000014
によるボイドファクターであって０．２未満のボイドファクターを有し、上式中のＶｖｏｉｄは圧力スイング吸着システムにおける合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である、請求項２２又は２４記載の装置。
【請求項２７】
個人が持ち運ぶように設計され寸法を定められている、請求項２２又は２４記載の装置。
【請求項２８】
医療目的用に酸素を供給するよう設計されている、請求項２２又は２４記載の装置。
【請求項２９】
燃料電池に水素を供給するよう設計されている、請求項２４記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸着剤物質の床で少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を選択的に吸着することにより多成分原料ガス混合物を分離するための圧力スイング吸着方法、システム及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力スイング吸着（ＰＳＡ）によるガス分離は、原料ガス混合物中に存在する少なくとも１種のそれほど容易に吸着できない成分と比べて原料ガス混合物中に存在する少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を選択的に吸着する吸着剤物質の床の調整された圧力サイクルによりなされる。すなわち、吸着剤物質の床を用意のできた供給原料ガス混合物と接触させる。吸着剤物質の床が用意のできた供給原料ガス混合物にさらされそして床が所定の原料圧力以上になっている間に、少なくとも１種のより容易に吸着できる成分の減少した供給ガスを床から抜き出すことができる。最終的には、床の吸着剤は少なくとも１種のより容易に吸着できる成分で飽和され、再生されなくてはならない。その時点で、床を用意のできた供給原料ガス混合物から切り離して、少なくとも１種のより容易に吸着できる成分に富んだガスを床から抜き出し、吸着剤物質を再生する。場合によっては、床に成分の減少したガスを供給して再生処理を促進してもよい。吸着剤物質が十分に再生されたならば、再び床を用意のできた供給原料ガス混合物にさらし、そして床の圧力が所定の原料供給圧力以上になったなら、成分の減少したガスをもう一度床から抜き出すことができる。このサイクルを要求に応じて繰り返し行うことができる。１つのそのようなサイクルを完了するのに要する時間は「サイクル時間」と呼ばれる。
【０００３】
基本的な圧力スイング吸着法の周期的に運転する本質の結果、成分の減少したガスの連続流を提供することができる多床システムが開発されることになった。一例として、参照により全体がここに組み入れられるＷａｇｎｅｒの米国特許第３４３０４１８号明細書に記載された一つの広く使用されているシステムは、流れが並行になる関係に配列した４つの吸着剤床を使用する。４つの床システムにおける各床は多工程のサイクルにより順次進行する。成分の減少したガス流を所定の床から連続的に抜き出すことができないため、４つの床は成分の減少したガス流を常に４つの床のうちの少なくとも１つから抜き出すことができるように配列される。
【０００４】
所定の圧力スイング吸着システムを使って達成されるガス混合物の分離効率は、原料圧力、再生圧力、サイクル時間、床を横切る圧力勾配、吸着剤物質の種類はもちろんその大きさと形状、吸着床の寸法、システム内のデッドボリュームの量、分離しようとするガス混合物の組成、流動分布の均一性、システムの温度と床内における温度勾配を含めて、様々なパラメーターに依存する。これらのパラメーターの変動が所定のシステムのコストと生産性に影響を及ぼすことになる。
【０００５】
いずれの圧力スイング吸着システムにもデッドボリュームがある。このデッドボリュームの説明のために、通常の２床式圧力スイング吸着システムを図１に示す。この通常のシステムは吸着剤物質５の２つの同一の床１０と５０を含む。同一の床１０と５０のおのおのには、原料ガス入り口弁１５と５５、成分の減少したガスの出口弁２０と６０、成分富化ガスの出口弁２５と６５がある。成分の減少したガスの出口弁２０と６０は、床出口管路２１と６１に流体を介してそれぞれ通じ、また成分の減少したガスの管路７０に通じている。この通常のシステムは、原料用移送機３０と排出用移送機４０を更に含む。原料用移送機３０は、大気又は貯蔵容器（図示せず）から原料ガス混合物を取り入れ、そして原料ガス混合物を、原料ガス入口弁１５と５５に流体を介して通じる原料ガス入口管路７５を通して吐出する。原料ガス入口弁１５と５５も、流体を介し床入口／出口管路１６と５６にそれぞれ通じている。成分富化ガス出口弁２５と６５は、床入口／出口管路１６と５６に流体を介してそれぞれ通じ、また成分富化ガス管路８０に通じている。同様に、この成分富化ガス管路８０は排出用移送機４０に流体を介し通じている。
【０００６】
圧力スイング吸着システムのデッドボリュームは、（ａ）吸着剤物質の床の入口側端部に流体を介して通じている容積である「入口ボイドボリューム」と、（ｂ）吸着剤物質の床の出口側端部に流体を介して通じている容積である「出口ボイドボリューム」とを含むことを認識すべきである。この開示の目的上、所定の圧力スイング吸着システムについての「入口ボイドボリューム」と「出口ボイドボリューム」の合計が、その所定の圧力スイング吸着システムについての「合計デッドボリューム」であることを理解すべきである。
吸着剤物質の床はそれ自体が、吸着剤物質の個々の粒子の間及びそれらの周囲のボイドスペースを含む、あるいは構造化された吸着剤の場合、吸着剤物質の粒子により占められていない空間を含む、「床のボイドボリューム」を包含することも認識すべきである。この開示の目的上、「合計デッドボリューム」には「床のボイドボリューム」を含めないことを理解すべきである。
【０００７】
例えば、図１において、吸着剤物質の床１０についての「入口ボイドボリューム」１２が破線を使って表されている。同様に、吸着剤物質の床１０についての「出口ボイドボリューム」１１が破線を使って表されている。すなわち、「入口ボイドボリューム」１２は吸着剤物質の床１０の入口側端部に通じている容積である。従って、図１に示した圧力スイング吸着システムでは、それは、（ａ）床１０と原料ガス入口弁１５及び成分富化ガス出口弁２５の床側との間の入口／出口管路１６と（ｂ）自由な入口スペース１３の容積の合計であり、この自由な入口スペースは流れ分配システム及び／又は床内の吸着剤物質を支持するための境界手段を含んでもよい。同様に、「出口ボイドボリューム」１１は、吸着剤物質の床１０の出口側端部に通じる容積である。従って、図１に示した圧力スイング吸着システムでは、それは、（ａ）床１０と成分減少ガス出口弁２０の床側との間の出口管路２１と、自由な出口スペース１４、例えば、吸着剤物質を床内に保持し且つ吸着剤物質を流動化させる可能性を減らすための境界手段によって必要とされる空間、の容積の合計である。
【０００８】
いずれの圧力スイング吸着システムもいくらかのデッドボリュームを有する。それにもかかわらず、デッドボリュームの大きさを低下させることの利益は当業者が容易に理解するところである。このような利益には、回収率と生産性が含まれる。とは言え、圧力スイング吸着システムの合計デッドボリュームを減らすことの利益を認識することは、合計デッドボリュームの低下をどのようにして果たすのかを認識するのとは全く異なる。
【０００９】
不純物が床を通り抜けて早いうちに破過するのを避けるために、通常の吸着システムには床の入口に流体を介して通じる流れの分配器が組み込まれている。流れ分配器の目的は、床断面積の全体にまたがり原料ガスの流れを均一に分配して、不純物のそのような早期の破過により引き起こされる非効率を回避することである。とは言え、通常の流れ分配器はシステムにデッドボリュームを持ち込む。上記のように、そのようなデッドボリュームはガス分離の効率にマイナスの影響を及ぼす傾向がある。
【００１０】
通常の多くの吸着システムは、吸着サイクルの一部分を実施する間原料ガス混合物を床へ移送してサイクルの別の部分の間に床から成分富化ガスを抜き出すのに、単一のポンプ又は他のタイプの通常の移送機を使用する。通常の移送機を通過する流れの方向は素早く反転できないため、床に関してガスの流れの方向を変更するのには弁を使用する複雑なシステムが用いられる。そのようなシステムは、例えば米国特許第６１５６１０１号明細書に記載されている。そのような弁を使用するシステムを用いることに伴う複雑さの増加は、システムの故障の機会を付加することになる。
【００１１】
【特許文献１】米国特許第３４３０４１８号明細書
【特許文献２】米国特許第６１５６１０１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
少なくとも理論上は、所定の吸着システムについてのサイクル時間の短縮は吸着剤の必要量を減少させ、且つシステム装置の全体的な大きさと重量の低下を促進するということは、よく知られている。ところが、実際は、サイクル時間の短縮はたくさんの運転上の難題をもたらす。例えば、サイクル時間の短縮は弁の切り替え頻度の増大を常に必要とする。弁は、一方の位置から他方へ移るのに一定の時間を必要とする。よって、サイクル時間がますます短くなる（すなわち弁の位置変えの時間に近づく）につれ、システムの効率は現実において低下して、サイクル時間を更に減らすように思われる。床の入口と床の出口との圧力差は、減少したサイクル時間の実施にとって別の運転上の難題となる。すなわち、この圧力差はサイクル時間が減少するにつれて増加する。この増加した圧力差の意味は、床の高さが比較的小さい床を使用することによりある程度は軽減することができる。比較的床高さの小さいシステムの場合、圧力勾配（圧力差を床高さで割ったもの）は比較的大きいが、圧力差は比較的小さい。理論上、この大きい圧力勾配の方式での運転は有益であるが、通常のシステムでは床の容積（すなわち吸着剤物質が物理的に占める容積）に比べて合計デッドボリュームが大きくなる傾向があり、床高さの小さいことは重大な流れ分布の課題を提示する。上で検討した流れ分布とボイドボリュームに関連する難題の結果として、この大きな圧力勾配の方式で運転することの可能性ある利益は十分実現されてはいない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
圧力スイング吸着法は一般に大気圧より高い圧力で運転するとはいうものの、一部は吸着サイクルの全て又は一部において大気圧より低い圧力で運転することがあり、また真空スイング吸着（ＶＳＡ）あるいは減圧スイング吸着（ＶＰＳＡ）法として説明されることがある。この明細書の目的上は、「圧力スイング吸着」（ＰＳＡ）という用語は一般に、真空スイング吸着及び減圧スイング吸着法を含めて全てのタイプのサイクル式吸着法について説明するために用いられる。
【００１４】
ここで及び特許請求の範囲で使用される用語の「床の容積」、「床容積」、あるいはＶｂｅｄは、吸着剤物質が物理的に占める容積である。個別の多孔質粒子により構成される吸着剤床についていえば、床の容積は、隣り合う粒子間の隙間のボイドスペースの容積と、個々の粒子内のボイドスペースの容積と、吸着剤粒子の固体部分が占める容積とを包含する。
【００１５】
ここで及び特許請求の範囲で使用される用語の「床の高さ」、Ｌは、原料ガスが床に入る面、すなわち「入口面」から、床を通り、成分減少ガスが床を出ていく面、すなわち「出口面」に至るまでの最短距離である。
【００１６】
ここで及び特許請求の範囲で使用される「相当径」という用語は、所定の粒子の容積に相当する容積を有する球の直径である。
【００１７】
ここで及び特許請求の範囲で使用される用語の「平均相当径」、ｄｐavは、下式によるものであり、式中のｘiは相当径ｄｐiの粒子の重量分率である。
【００１８】
【数１】
2008207180.tif 000002
【００１９】
ここで及び特許請求の範囲で使用される「スタンダードリットル／分」という用語は、２５℃の温度及び１気圧（１０１ｋＰａ）の圧力でのガスの容積である。
【００２０】
ここで及び特許請求の範囲で使用される「移送機」という用語は、流体、特に蒸気又はガスを、一つの場所から別のところへ移送するのを促進するのに適した任意のポンプ、圧縮機、ブロワー又は同様の装置を意味する。
【００２１】
本発明の一つの態様では、多成分原料ガス混合物の少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質の床でもって、（ａ）当該床を昇圧すること、（ｂ）原料ガス混合物を当該床を通し床の入口面から床の出口面へ通過させ、当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質により選択的に吸着し、床の出口面から出てくる当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分の減少した成分減少ガスを抜き出すこと、（ｃ）当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を富化した成分富化ガスを床から抜き出すことにより床を圧抜きすること、（ｄ）（ａ）〜（ｃ）をサイクル式に繰り返すこと、を含む方法により選択的に吸着することを含む、多成分原料ガス混合物の分離のための圧力スイング吸着方法が提供される。
【００２２】
本発明のこの態様の一つの側面では、床は長さＬと床容積Ｖｂｅｄを有し、また当該床は次の式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
によるアスペクト比を有し、当該床についてのアスペクト比は１０未満、５未満、０．２５未満、又は０．１２５未満であり、そして（ｂ）における当該床の平均の圧力勾配は０．０３５ｐｓｉ／インチ（０．０９５ｋＰａ／ｃｍ）を超え、０．０５ｐｓｉ／インチ（０．１３６ｋＰａ／ｃｍ）を超え、０．５ｐｓｉ／インチ（１．３６ｋＰａ／ｃｍ）を超え、又は１ｐｓｉ／インチ（２．７１ｋＰａ／ｃｍ）を超える。
【００２３】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、原料ガス混合物は空気であり、成分減少ガスは少なくとも７０モル％、少なくとも８０モル％、又は少なくとも９０モル％の濃度の酸素を含有する。
【００２４】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、成分減少ガスは少なくとも８０モル％、少なくとも９５モル％、又は少なくとも９９モル％の濃度の水素を含有する。
【００２５】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、成分減少ガスの生産速度は０．５スタンダードリットル／分と１０スタンダードリットル／分の間、０．５スタンダードリットル／分と５スタンダードリットル／分の間、又は１スタンダードリットル／分と３スタンダードリットル／分の間である。
【００２６】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、（ａ）〜（ｃ）の各繰り返しは、サイクル時間が３０秒以下、１５秒未満、６秒未満、又は１秒未満のサイクルを規定する。
【００２７】
本発明のこの態様のも一つの側面では、床は平均相当径が１．０ｍｍ未満、０．５ｍｍ未満、又は０．１ｍｍ未満の吸着剤粒子を含む。
【００２８】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、床は構造化した吸着剤を含むことができる。
例えば、床は、一体式のもの、積層体、網、及びその他の吸着剤支持構造の群から選ばれる構造化した吸着剤を含むことができる。
【００２９】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、床は下式（２）
【００３０】
【数２】
2008207180.tif 000003
【００３１】
によるボイドファクターであって、０．２未満、０．１未満、又は０．０５未満のボイドファクターを示し、上式中のＶｖｏｉｄは圧力スイング吸着システムにおける合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【００３２】
本発明のもう一つの態様では、多成分原料ガス混合物の少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を、入口面と出口面とを有する吸着剤物質の床でもって、（ａ）当該床を昇圧すること、（ｂ）原料ガス混合物を当該床を通過させ、当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質により選択的に吸着し、床から出てくる当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分の減少した成分減少ガスを抜き出すこと、（ｃ）当該床からの当該成分減少ガスの抜き出しを停止し、且つ当該床への原料ガス混合物の供給を停止すること、（ｄ）当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を富化した成分富化ガスを床から抜き出すことにより床を圧抜きすること、（ｅ）当該床へ当該成分減少ガスのうちの一部を供給して当該吸着剤物質からの当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分の抽出を促進すること、（ｆ）（ａ）〜（ｅ）の操作をサイクル式に繰り返すこと、を含む方法により選択的に吸着することを含み、当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を原料圧力において上記吸着剤物質により選択的に吸着し、当該床が床長さＬと床容積Ｖｂｅｄを有し、また当該床が次の式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
によるアスペクト比を有し、当該床についてのアスペクト比が１０未満、５未満、０．２５未満、又は０．１２５未満であり、且つ（ｂ）における当該床の平均の圧力勾配が０．０３５ｐｓｉ／インチ（０．０９５ｋＰａ／ｃｍ）を超え、０．０５ｐｓｉ／インチ（０．１３６ｋＰａ／ｃｍ）を超え、０．５ｐｓｉ／インチ（１．３６ｋＰａ／ｃｍ）を超え、又は１ｐｓｉ／インチ（２．７１ｋＰａ／ｃｍ）を超える、多成分原料ガスの分離のための圧力スイング吸着方法が提供される。
【００３３】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、（ａ）〜（ｅ）の各繰り返しは、サイクル時間が３０秒以下、１５秒未満、６秒未満、又は１秒未満のサイクルを規定する。
【００３４】
本発明のもう一つの態様では、多成分原料ガス混合物の少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質の床でもって選択的に吸着することを含む多成分原料ガス混合物の分離のための圧力スイング吸着システムであって、（ａ）当該吸着剤物質の少なくとも一つの床であり、当該吸着剤物質が当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着し、且つ当該少なくとも一つの床が少なくとも一つの入口面と少なくとも一つの出口面とを有する、当該吸着剤物質の少なくとも一つの床、（ｂ）当該多成分原料ガス混合物を当該圧力スイング吸着システムへ供給する少なくとも一つの移送機、及び（ｃ）当該少なくとも一つの入口面と流体を介して連通する弁のアレイ、を含み、当該弁が開放から閉鎖の位置へ１秒以下、０．１秒未満、又は０．０１秒未満で変わる、多成分原料ガス混合物の分離のための圧力スイング吸着システムが提供される。
【００３５】
本発明のこの態様の一つの側面では、当該少なくとも一つの床は床長さＬと床容積Ｖｂｅｄを示し、また当該少なくとも一つの床は下式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
によるアスペクト比を有し、当該少なくとも一つの床についてのアスペクト比は１０未満、５未満、０．２５未満、又は０．１２５未満である。
【００３６】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該少なくとも一つの床は下式（２）
【００３７】
【数３】
2008207180.tif 000004
【００３８】
によるボイドファクターであって、０．２未満、０．１未満、又は０．０５未満のボイドファクターを示し、上式中のＶｖｏｉｄは圧力スイング吸着システムにおける合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【００３９】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、弁のアレイは少なくとも４個の個別の弁、少なくとも２０個の弁、又は少なくとも１００個の弁を含む。
【００４０】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該弁のアレイにおける弁は、圧電式の弁、形状記憶合金の弁、静電式の弁、バイメタルの弁、熱空気式（ｔｈｅｒｍｏｐｎｅｕｍａｔｉｃ）の弁、及び電磁式の弁から選ばれる。
【００４１】
本発明のもう一つの態様では、多成分原料ガス混合物の少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質の床でもって選択的に吸着することを含む多成分原料ガス混合物の分離のための圧力スイング吸着システムであって、（ａ）当該吸着剤物質の少なくとも一つの床であり、当該吸着剤物質が当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着し、且つ当該少なくとも一つの床が少なくとも一つの入口面と少なくとも一つの出口面とを有する、当該吸着剤物質の少なくとも一つの床、及び（ｂ）当該少なくとも一つの入口面に流体を介して連通する移送機の少なくとも一つのアレイ、を含み、当該移送機の少なくとも一つのアレイを通過する流れを２秒未満、０．５秒未満、又は０．１秒未満で開始又は停止することができる、多成分原料ガス混合物の分離のための圧力スイング吸着システムが提供される。
【００４２】
本発明のこの態様の一つの側面では、当該少なくとも一つの床は床長さＬと床容積Ｖｂｅｄを有し、また当該少なくとも一つの床は下式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
によるアスペクト比を有し、当該少なくとも一つの床についてのアスペクト比は１０未満、５未満、０．２５未満、又は０．１２５未満である。
【００４３】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該少なくとも一つの床は下式（２）
【００４４】
【数４】
2008207180.tif 000005
【００４５】
によるボイドファクターであって、０．２未満、０．１未満、又は０．０５未満のボイドファクターを有し、上式中のＶｖｏｉｄは圧力スイング吸着システムにおける合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【００４６】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、圧力スイング吸着システムは更に、床の当該少なくとも一つの出口面に流体を介して連通する排気用移送機の少なくとも一つのアレイを含むことができる。
【００４７】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該移送機の少なくとも一つのアレイは、当該少なくとも一つの床の当該少なくとも一つの入口面と流体を介して連通する原料用移送機のアレイであって、当該原料ガス混合物を当該少なくとも一つの床へ供給するよう運転する原料用移送機のアレイと、当該少なくとも一つの床の当該少なくとも一つの入口面と流体を介して連通する排気用移送機のアレイであって、当該少なくとも一つの床から成分富化ガスを抜き出すよう運転する排気用移送機のアレイとを含む。
【００４８】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該移送機の少なくとも一つのアレイは、原料ガス供給工程の間は原料ガス混合物を少なくとも一つの床へ移送するよう作動し、且つ再生工程の間は当該床から成分富化ガスを抜き出すよう作動する。
【００４９】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、移送機の各アレイが少なくとも４個の個別の移送機、少なくとも２０個の個別の移送機、又は少なくとも１００個の個別の移送機を含む。
【００５０】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該移送機の少なくとも一つのアレイにおける当該個別の移送機は、それを通過するガスの流れを２秒以下、０．５秒未満、又は０．１秒未満で開始させ又は停止することができるべきであり、それらには圧電式ポンプ、熱空気式ポンプ、静電式ポンプ、超音波式ポンプ、電気浸透ポンプ、電気流体力学式ポンプ、電磁式ポンプ、回転式ポンプ、形状記憶合金ポンプ、バイメタルポンプ、ダイヤフラムポンプ、回転翼ポンプ、スクロールポンプ、ソレノイドポンプ、ステッパー−モーター作動式ポンプ、ピストン式ポンプ、リニアポンプが含まれるが、移送機はこれらには決して限定されない。この態様の特定の側面では、当該移送機の少なくとも一つのアレイにおける当該個別の移送機には、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）ポンプが含まれ、それらはＭＥＭ圧電式ポンプ、ＭＥＭ熱空気式ポンプ、ＭＥＭ静電式ポンプ、ＭＥＭ電磁式ポンプ、ＭＥＭ超音波式ポンプ、ＭＥＭ電気浸透ポンプ、ＭＥＭダイヤフラムポンプ、及びＭＥＭ電気流体力学式ポンプから選ばれる。
【００５１】
本発明のもう一つの態様では、少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質に選択的に吸着することによる多成分原料ガス混合物の圧力スイング吸着のための装置であって、（ａ）少なくとも一つの入口面と少なくとも一つの出口面を備えた吸着剤物質の床であり、当該吸着剤物質が当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着する、吸着剤物質の床、及び（ｂ）当該少なくとも一つの入口面に流体を介して連通する弁のアレイ、を含み、当該弁が開放から閉鎖の位置まで１秒以下、０．１秒未満、又は０．０１秒未満で変わる、多成分原料ガス混合物の圧力スイング吸着のための装置が提供される。
【００５２】
本発明のこの態様の一つの側面では、当該少なくとも一つの床は床長さＬと床容積Ｖｂｅｄを示し、また当該少なくとも一つの床は下式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
によるアスペクト比を有し、当該少なくとも一つの床についてのアスペクト比は１０未満、５未満、０．２５未満、又は０．１２５未満である。
【００５３】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該少なくとも一つの床は下式（２）
【００５４】
【数５】
2008207180.tif 000006
【００５５】
によるボイドファクターであって、０．２未満、０．１未満、又は０．０５未満のボイドファクターを示し、上式中のＶｖｏｉｄは圧力スイング吸着システムにおける合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【００５６】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該少なくとも一つの床は、円形断面を持つ円柱、非円形断面を持つ柱状体、直方体、又は二つの同軸円筒体の間の環状領域からなる群より選ばれる幾何学形状を示す。
【００５７】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該装置は個人が持ち運ぶように設計され寸法を定められる。
【００５８】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該装置は医療目的用に酸素を供給するよう設計される。
【００５９】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該装置は燃料電池で使用するために水素を供給するよう設計される。
【００６０】
本発明のもう一つの態様では、少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質に選択的に吸着することによる多成分原料ガス混合物の圧力スイング吸着のための装置であって、（ａ）少なくとも一つの入口面と少なくとも一つの出口面を備えた吸着剤物質の床であり、当該吸着剤物質が当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着する、吸着剤物質の床、及び（ｂ）当該少なくとも一つの入口面に流体を介して連通する移送機の少なくとも一つのアレイ、を含み、当該移送機の少なくとも一つのアレイを通過する流れを２秒以下、０．５秒未満、又は０．１秒未満で開始又は停止することができる、多成分原料ガス混合物の圧力スイング吸着のための装置が提供される。
【００６１】
本発明のこの態様の一つの側面では、当該少なくとも一つの床は床長さＬと床容積Ｖｂｅｄを示し、また当該少なくとも一つの床は下式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
によるアスペクト比を有し、当該少なくとも一つの床についてのアスペクト比は１０未満、５未満、０．２５未満、又は０．１２５未満である。
【００６２】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該少なくとも一つの床は下式（２）
【００６３】
【数６】
2008207180.tif 000007
【００６４】
によるボイドファクターであって、０．２未満、０．１未満、又は０．０５未満のボイドファクターを示し、上式中のＶｖｏｉｄは圧力スイング吸着システムにおける合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【００６５】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該装置は個人が持ち運ぶように設計され寸法を定められる。
【００６６】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該装置は医療目的用に酸素を供給するよう設計される。
【００６７】
本発明のこの態様のもう一つの側面では、当該装置は燃料電池で使用するために水素を供給するよう設計される。
【００６８】
現時点において好ましい本発明のいくつかの典型的な態様を図面に示す。本発明は例として開示された態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲の請求項に記載された精神及び範囲内で変更を加えることができる、ということを理解すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６９】
図面を参照して本発明の態様を説明することにする。この詳細な説明は、本発明の現在検討されている実施の形態であり、限定しようとするものではない。それよりも、本発明の一般的原理を説明するのを目的とするだけである。
【００７０】
本発明の圧力スイング吸着方法は、吸着剤物質の床でもって少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を選択的に吸着することにより多成分原料ガス混合物を分離するための便利な手段を提供する。本発明の圧力スイング吸着方法は、次の処理操作、すなわち、（ａ）床の昇圧、（ｂ）ガスの分離、（ｃ）床の再生、を含む。これらの処理操作は、３０秒以下、１５秒未満、６秒未満、又は１秒未満の合計サイクル時間（すなわち（ａ）〜（ｃ）の完全なサイクルを実施するのに要する時間）で、サイクル式に繰り返される。
【００７１】
床の昇圧工程は、床の昇圧を必要とする。すなわち、この処理工程の間に、物質を床に導入して床の圧力を所定の設定原料圧力まで上昇させる。床を昇圧するのに使用される物質は、例えば、原料ガス混合物、成分の減少したガス、又は何らかのその他のガスでよい。原料ガス混合物のうちの少なくとも１種のより容易に吸着できる成分に対する吸着剤物質の親和力は、一般に圧力に依存する。従って、上述の所定の設定原料圧力は、圧力スイング吸着プロセスの効率を最適化するのを助けるために変更することができるプロセス変数である。
【００７２】
ガス分離工程は、原料ガス混合物を床へ導入するのと成分減少ガスを床から抜き出すのを同時に行うことを必要とする。成分減少ガスを、生産時の何らかのその他の処理又は操作のために同時に使用することができる。あるいは、成分減少ガスを集めて後の使用のため又は更なる処理のために貯蔵してもよい。
【００７３】
ある時点において、床の吸着剤物質は、少なくとも１種のより容易に吸着できる成分で飽和し始める。大抵の場合は、床の吸着剤物質が少なくとも１種のより容易に吸着できる成分で飽和される前にガス分離工程を停止するのが好ましい。吸着剤物質が飽和に近づくにつれて、破過の可能性が増大する。破過は、吸着剤物質の床を通過する少なくとも１種のより容易に吸着できる成分の量が急激に増加する状況を表すのに用いられる用語である。破過は、成分減少ガスを著しく汚染することになりかねないので、一般に避けるべきである。そのため、分離工程の長さは、得られる成分減少ガスの純度及び収率にも、またプロセスの全体的な効率にも影響を及ぼすことがあるもう一つの設計パラメーターである。
【００７４】
床の再生工程は、少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を床の吸着剤物質から脱着することを必要とする。この脱着は、床の圧力を所定の設定原料圧力未満に低下させることによりなされる。この圧力の低下は、圧力を解放することにより床から成分富化ガスを単純に抜き出すことによって行うことができる。あるいは、移送機を使って床からガスを引き出す。また、随意に、成分減少ガス又は何らかのその他の物質の流れに床を通過させて、少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を床の吸着剤物質から脱着するのを促進してもよい。
【００７５】
当業者は、寸法的に短い床、すなわち床の全体容積に比べ長さの短い床は、床を横切る圧力差を低く保持するのを助けることにより速いサイクル時間を容易にするのを助ける、ということを認識しよう。本発明の圧力スイング吸着方法は、アスペクト比が１０未満、５未満、０．２５未満、又は０．１２５未満の床を使用することと、それに関連し分離工程の際に平均圧力勾配が０．０３５ｐｓｉ／インチ（０．０９５ｋＰａ／ｃｍ）を超え、０．０５ｐｓｉ／インチ（０．１３６ｋＰａ／ｃｍ）を超え、０．５ｐｓｉ／インチ（１．３６ｋＰａ／ｃｍ）を超え、又は１ｐｓｉ／インチ（２．７１ｋＰａ／ｃｍ）を超えることを特徴とすることができる。アスペクト比は、次の式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
を使って求めることができ、この式中のＬは床の長さであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【００７６】
更に、当業者は、所定の吸着システムについて合計デッドボリュームを最小化することに関連する利益を認識しよう。本発明の圧力スイング吸着方法は、ボイドファクターが０．２未満、０．１未満、又は０．０５未満の床を使用することを特徴とすることができ、このボイドファクターは次の式（２）
【００７７】
【数７】
2008207180.tif 000008
【００７８】
によるものであり、式中のＶｖｏｉｄは圧力スイング吸着システムについての合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【００７９】
本発明で使用するのに好適な吸着剤物質はたくさんあり、様々である。本発明で使用するのに好適な吸着剤物質の例には、活性炭、カーボンモレキュラーシーブ吸着剤、活性アルミナ、シリカゲル、そしてタイプＡ、タイプＸ、モルデナイト及びチャバザイト構造を含めたゼオライトが含まれる。好適なゼオライトの例には、ＣａＡ、ＮａＸ、ＣａＸ、ＮａＡ、ＢａＸ、ＬｉＸ、ＮａＬＳＸ、ＣａＬＳＸ、ＢａＬＳＸ、ＡｇＬＳＸ及びＬｉＬＳＸが含まれる。当業者は、所定の原料ガス混合物及び所望の製品物質について使用するための吸着剤物質をどのように選ぶかを承知していよう。
【００８０】
本発明で使用する吸着剤床に収容される吸着剤物質は、床内に分散した個別の粒子の形で床に存在することができる。吸着剤物質が分散した個別の粒子の形で床に存在する場合、個別の粒子の流動化の可能性を低下させるため、床に種々の封じ込め構造体を随意に含めてもよい。これらの封じ込め構造体の多くのタイプが当該技術分野においてよく知られている。例えば、好適な封じ込め構造体は、吸着剤の上に配置される細かいメッシュスクリーンであって、スクリーンと吸着剤を所定の位置に保持するのに使用されるバネを備えたメッシュスクリーンでよい。このほかの好適な封じ込め構造体には、小さな吸着剤粒子を用いる小規模システムに好適である構造体が含まれる。例えば、Ｌｏｓｅｙ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ  Ｐａｃｋｅｄ−Ｂｅｄ  Ｒｅａｃｔｏｒ；  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ａｎｄ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ，  ＩＮＤ．ＥＮＧ．ＣＨＥＭ．ＲＥＳ．２００１，  ４０，  ｐｐ２５５５−２５６２、及びＯｌｅｓｃｈｕｋ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｔｒａｐｐｉｎｇ  ｏｆ  ｂｅａｄ−ｂａｓｅｄ  ｒｅａｇｅｎｔｓ  ｗｉｔｈｉｎ  ｍｉｃｒｏ−ｆｌｕｉｄｉｃ  ｓｙｓｔｅｍｓ；  Ｏｎ−ｃｈｉｐ  ｓｏｌｉｄ−ｐｈａｓｅ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ，  ＡＮＡＬ．ＣＨＥＭ．，  ２００，  ７２（３），  ｐｐ５８５−５９０に、小さな粒子の床を隔離するための好適な方法が開示されている。これらの参考文献の両方とも、それらの全体を参照することによりここに組み入れられる。
【００８１】
吸着剤物質は、一体式のもの、積層体及び網といったような、構造化した吸着剤支持構造の形でもって床内に存在してもよい。Ｗａｎ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｚｅｏｌｉｔｅ−ｂａｓｅｄ  ｍｉｃｒｏｒｅａｃｔｏｒｓ  ａｎｄ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｍｉｃｒｏｓｅｐａｒａｔｏｒｓ，  ＭＩＣＲＯＰＯＲＯＵＳ  ＡＮＤ  ＭＥＳＯＰＯＲＯＵＳ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，  ４２（２００１）ＰＰ１５７−１７５には、構造化した吸着剤物質の製造に使用するのに好適な方法の例が開示されている。この参考文献はその全体を参照することによりここに組み入れられる。
【００８２】
本発明の一部の態様においては、使用される吸着剤物質は１．０ｍｍ未満、０．５ｍｍ未満、又は０．１ｍｍ未満の平均相当径を有することができる。
【００８３】
本発明の一部の態様は、０．５スタンダードリットル／分と１０スタンダードリットル／分の間、０．５スタンダードリットル／分と５スタンダードリットル／分の間、又は１スタンダードリットル／分と３スタンダードリットル／分の間の成分減少ガス生産速度を提供することができる圧力スイング吸着方法を提供する。
【００８４】
本発明の圧力スイング吸着方法は、広範囲の様々な原料ガス混合物に対して使用して様々な製品ガスを提供するのに好適である。例えば、本発明の圧力スイング吸着方法は下記のものに対して使用するのに好適である。
（ａ）カーボンモレキュラーシーブ吸着剤並びにタイプＡ、タイプＸ、モルデナイト及びチャバザイト構造を含めたゼオライト（具体的なゼオライトの例にはＣａＡ、ＮａＸ、ＣａＸ、ＮａＡ、ＢａＸ、ＬｉＸ、ＮａＬＳＸ、ＣａＬＳＸ、ＢａＬＳＸ、ＡｇＬＳＸ及びＬｉＬＳＸが含まれる）から選ばれる吸着剤物質を使用し、製品の成分減少ガスが少なくとも７０モル％、少なくとも８８〜９３モル％、又は少なくとも９３モル％の濃度の酸素を含有する場合の、空気でよい原料ガス混合物。
（ｂ）活性炭及びゼオライトから選ばれる吸着剤物質を使用し、製品の成分減少ガスが少なくとも８０モル％、少なくとも９５モル％、又は少なくとも９９モル％の濃度の水素を含有する場合の、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン及び窒素の混合物でよい原料ガス混合物。
（ｃ）活性アルミナ、シリカゲル、活性炭、並びにタイプＡ、タイプＸ、モルデナイト及びチャバザイト構造を含めたゼオライト（具体的なゼオライトの例にはＣａＡ、ＮａＸ、ＣａＸ、ＮａＡ、ＢａＸ、ＬｉＸ、ＮａＬＳＸ、ＣａＬＳＸ、ＢａＬＳＸ、ＡｇＬＳＸ及びＬｉＬＳＸが含まれる）から選ばれる吸着剤物質を使用し、製品の成分減少ガスが０．５モル％未満の水、０．１モル％未満の水、又は０．０１モル％未満の水を含有する乾燥した空気を含有する場合の、空気と水でよい原料ガス混合物。
（ｄ）活性アルミナ、シリカゲル、活性炭、並びにタイプＡ、タイプＸ、モルデナイト及びチャバザイト構造を含めたゼオライト（具体的なゼオライトの例にはＣａＡ、ＮａＸ、ＣａＸ、ＮａＡ、ＢａＸ、ＬｉＸ、ＮａＬＳＸ、ＣａＬＳＸ、ＢａＬＳＸ、ＡｇＬＳＸ及びＬｉＬＳＸが含まれる）から選ばれる吸着剤物質を使用し、製品の成分減少ガスが０．５モル％未満の水、０．１モル％未満の水、又は０．０１モル％未満の水を含有する乾燥水素／一酸化炭素混合物を含有する場合の、水素、一酸化炭素及び水の混合物でよい原料ガス混合物。
【００８５】
本発明の圧力スイング吸着システムにおいては、多成分原料ガス混合物は貯蔵容器又は配管からシステムへ供給してもよく、あるいはシステム、例えば空気を原料ガス混合物とするシステム、を取り巻く大気から取り入れてもよい。本発明の原料ガス混合物を貯蔵容器から供給するシステムでは、貯蔵容器は、例えば、用意のできた供給原料ガスを直接システムへ供給するのに十分な圧力下の多成分原料ガス混合物を収容しているボンベでよい。あるいはまた、システムは、原料ガス混合物を貯蔵容器からシステムへ移送するための移送機又は移送機のアレイを更に含んでもよい。
【００８６】
また、本発明の圧力スイング吸着システムでは、システムから抜き出される成分富化ガスを所定の用途での同時使用のために流用してもよく、あるいは後の使用のために貯蔵容器に集めてもよく、あるいは大気へ直接放出してもよい。本発明の圧力スイング吸着システムを使用して製造される成分富化ガスは、例えば燃料としての用途又は不活性雰囲気を提供するための用途を含めて、いろいろな用途のために使用することができる。
【００８７】
更に、本発明の圧力スイング吸着システムでは、システムから抜き出される成分減少ガスを別の処理で同時に使用するために流用してもよく、後の使用のために貯蔵容器に集めてもよく、あるいは大気へ直接放出してもよい。本発明の圧力スイング吸着システムを使用して製造される成分減少ガスは、例えば、医療用途向けの呼吸に適した酸素としての用途、水を酸素処理するため、化学反応用の反応物を提供するため、燃焼系への供給物を提供するため、あるいはプロトン交換膜燃料電池、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、又は固形酸化物燃料電池に水素を供給するための用途を含めて、様々な用途のために使用することができる。これらの燃料電池は、据え置きの用途、輸送用途、及び携帯用の用途に好適であろう。携帯型燃料電池の例は米国特許第６２６８０７７号明細書に記載されている。
【００８８】
図２に、本発明の圧力スイング吸着システムの例を示す。本発明のこの態様の圧力スイング吸着システムは、吸着剤物質の床でもって原料ガス混合物から少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を選択的に吸着することにより多成分原料ガス混合物を分離するための便利な手段を提供する。本発明の圧力スイング吸着システムは、（ａ）吸着剤物質の床であって、当該吸着剤物質が圧力スイング吸着システムへ供給された多成分原料ガス混合物中の少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着し、当該床が少なくとも一つの入口面と少なくとも一つの出口面とを有する、吸着剤物質の床、（ｂ）当該少なくとも一つの入口面と流体を介して連通する弁のアレイであって、当該弁が開放から閉鎖の位置へ１秒以下、０．１秒未満、又は０．０１秒未満で変わる、弁のアレイ、及び（ｃ）多成分原料ガス混合物を上記の床へ供給するための任意的な移送機又は移送機のアレイ、を含む。
【００８９】
本発明の圧力スイング吸着システムは、アスペクト比が１０未満、５未満、０．２５未満、又は０．１２５未満の吸着剤物質の１以上の床であって、分離工程の際の対応する平均の圧力勾配が０．０３５ｐｓｉ／インチ（０．０９５ｋＰａ／ｃｍ）を超え、０．０５ｐｓｉ／インチ（０．１３６ｋＰａ／ｃｍ）を超え、０．５ｐｓｉ／インチ（１．３６ｋＰａ／ｃｍ）を超え、又は１ｐｓｉ／インチ（２．７１ｋＰａ／ｃｍ）を超える１以上の床を使用することができる。アスペクト比は、次の式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
を使って求めることができ、この式中のＬは床の長さであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【００９０】
本発明の圧力スイング吸着システムは、ボイドファクターが０．２未満、０．１未満、又は０．０５未満の１以上の吸着剤床を使用することもでき、このボイドファクターは次の式（２）
【００９１】
【数８】
2008207180.tif 000009
【００９２】
によるものであり、式中のＶｖｏｉｄは圧力スイング吸着システムについての合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【００９３】
本発明の圧力スイング吸着システムは、多成分原料ガス混合物をシステムへ供給するのに使用するのに好適な任意の通常の移送機を使用することができる。あるいはまた、本発明の圧力スイング吸着システムは、少なくとの４個の個別の移送機を含む、あるいは少なくとも２０個の個別の移送機を含む、あるいは少なくとも１００個の個別の移送機を含む、移送機のアレイを使用してもよい。
【００９４】
本発明の移送機のアレイにおいて使用するのに好適な移送機は、それを通過するガスの流れを２秒以下、０．５秒未満、又は０．１秒未満で開始させ又は停止することができるべきであり、それらには圧電式ポンプ、熱空気式ポンプ、静電式ポンプ、超音波式ポンプ、電気浸透ポンプ、電気流体力学式ポンプ、電磁式ポンプ、回転式ポンプ、形状記憶合金ポンプ、バイメタルポンプ、ダイヤフラムポンプ、回転翼ポンプ、スクロールポンプ、ソレノイドポンプ、ステッパー−モーター作動式ポンプ、ピストン式ポンプ、及びリニアポンプが含まれるが、移送機はそれらには決して限定されない。本発明の一部の態様では、移送機アレイにおける個別の移送機にはマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）ポンプが含まれ、それらはＭＥＭ圧電式ポンプ、ＭＥＭ熱空気式ポンプ、ＭＥＭ静電式ポンプ、ＭＥＭ電磁式ポンプ、ＭＥＭ超音波式ポンプ、ＭＥＭ電気浸透ポンプ、ＭＥＭダイヤフラムポンプ、及びＭＥＭ電気流体力学式ポンプから選ばれる。
【００９５】
本発明の圧力スイング吸着システムで使用するのに好適な弁のアレイは、少なくとも４個の個別の弁、少なくとも２０個の個別の弁、又は少なくとも１００個の個別の弁を含む。本発明の弁のアレイで使用するのに好適な個別の弁は、開放の位置から閉鎖の位置へ１秒以下、１秒未満、０．１秒未満、又は０．０１秒未満で変わることができるべきであり、それらには圧電式の弁、形状記憶合金の弁、静電式の弁、バイメタル式の弁、熱空気式の弁、及び電磁式の弁が含まれるが、弁はこれらには決して限定されない。本発明の一部の態様において、弁のアレイで使用される個別の弁には、マイクロエレクトリカルメカニカル（ＭＥＭ）弁が含まれ、それらはＭＥＭ圧電式の弁、ＭＥＭ形状記憶合金の弁、ＭＥＭ静電式の弁、ＭＥＭ電磁式の弁、ＭＥＭバイメタル式の弁、ＭＥＭ熱空気式の弁、及びＭＥＭ電磁式の弁から選ばれる。本発明の弁のアレイで使用される弁には、外部アクチュエーター付き又は内部アクチュエーター付きの弁を含めることができる。弁にはまた、作動するのに独立して制御可能なアクチュエーターでなく弁をまたぐ圧力差に依存する逆止弁を含めることもできる。所定の弁のアレイにおける弁の全てが一斉に作動してもよい。
あるいは、所定の弁のアレイにおける弁は個々に作動してもよく、あるいは群をなして作動してもよい。例えば、所定の弁のアレイにおける弁は順々に作動するようにしてもよく、あるいは圧力スイング吸着プロセスの種々の状況を独立して促進するようにしてもよい。例として、所定の弁のアレイにおける弁のうちの一部を吸着剤物質の床への原料ガスの流れを促進するため開閉するようにし、その一方アレイのほかの弁を吸着剤物質の床から成分富化ガスを抜き出すのを促進するようにしてもよい。
【００９６】
本発明で使用するのに好適な弁のアレイは、並列に配置した複数の弁を提供することができる。そのように配列された場合、本発明の弁のアレイは、吸着剤物質の床へガスを送給し又は吸着剤物質の床からガスを抜き出して、流れの分配機能をもたらしそして独立した流れ分配器の必要と一般にそれにつきまとうデッドボリュームを軽減するよう設計することができる。最小限のデッドボリュームで流れの分配が向上するため、本発明の弁のアレイは、通常のシステムを考えるとこれまでは現実的でなかった、例えば小さなアスペクト比のプロセスなどのような吸着プロセスを容易にする。
【００９７】
また、本発明で使用するのに好適な弁のアレイは、圧力スイング吸着プロセスの所定の段階での流量の必要条件を基に所定のアレイにおける特定の弁を開き又は閉じることにより行うことができる流れの制御の向上の機会も与える。
【００９８】
その上、弁のアレイは、全体的なシステムの性能を有意に低下させることなく所定のアレイにおける１又は２以上の弁が機能しなくなってもよい点で、信頼性の向上したシステムを提供することができる。
【００９９】
図３に、本発明の圧力スイング吸着システムのもう一つの例を示す。本発明のこの例の圧力スイング吸着システムは、（ａ）吸着剤物質の少なくとも一つの床であって、当該吸着剤物質が圧力スイング吸着システムへ供給された多成分原料ガス混合物中の少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着し、当該少なくとも一つの床が少なくとも一つの入口面と少なくとも一つの出口面とを有する、吸着剤物質の少なくとも一つの床、（ｂ）当該少なくとも一つの入口面と流体を介して連通する移送機の少なくとも一つのアレイ、を含み、（ｃ）随意に、当該少なくとも一つの床と流体を介して連通する、当該少なくとも一つの入口面における弁のアレイ、そして（ｄ）随意に、成分富化ガスを抜き出すため当該少なくとも一つの床と流体を介して連通する、当該少なくとも一つの入口面における移送機の追加のアレイ、を含む。
【０１００】
本発明のこの例における圧力スイング吸着システムは、アスペクト比が１０未満、５未満、０．２５未満、又は０．１２５未満の吸着剤物質の１以上の床であって、分離工程の際の対応する平均の圧力勾配が０．０３５ｐｓｉ／インチ（０．０９５ｋＰａ／ｃｍ）を超え、０．０５ｐｓｉ／インチ（０．１３６ｋＰａ／ｃｍ）を超え、０．５ｐｓｉ／インチ（１．３６ｋＰａ／ｃｍ）を超え、又は１ｐｓｉ／インチ（２．７１ｋＰａ／ｃｍ）を超える１以上の床を使用することができる。アスペクト比は、次の式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
を使用して求めることができ、この式中のＬは床の長さであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【０１０１】
本発明のこの例の圧力スイング吸着システムで使用される吸着剤物質の少なくとも一つの床は、ボイドファクターが０．２未満、０．１未満、又は０．０５未満であり、このボイドファクターは次の式（２）
【０１０２】
【数９】
2008207180.tif 000010
【０１０３】
によるものであり、式中のＶｖｏｉｄは圧力スイング吸着システムについての合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【０１０４】
本発明の圧力スイング吸着システムで使用するのに好適な移送機のアレイは、少なくとの４個の個別の移送機、少なくとも２０個の個別の移送機、又は少なくとも１００個の個別の移送機を含む、移送機のアレイを含む。本発明の圧力スイング吸着システムの移送機のアレイにおいて使用するのに好適な個別の移送機は、それを通過するガスの流れを２秒以下、０．５秒未満、又は０．１秒未満で開始させ又は停止することができるべきであり、それらには圧電式ポンプ、熱空気式ポンプ、静電式ポンプ、超音波式ポンプ、電気浸透ポンプ、電気流体力学式ポンプ、電磁式ポンプ、回転式ポンプ、形状記憶合金ポンプ、バイメタルポンプ、ダイヤフラムポンプ、回転翼ポンプ、スクロールポンプ、ソレノイドポンプ、ステッパー−モーター作動式ポンプ、ピストン式ポンプ、リニアポンプが含まれるが、移送機はそれらには決して限定されない。本発明の一部の態様では、移送機アレイにおける個別の移送機にはマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）ポンプが含まれ、それらはＭＥＭ圧電式ポンプ、ＭＥＭ熱空気式ポンプ、ＭＥＭ静電式ポンプ、ＭＥＭ電磁式ポンプ、ＭＥＭ超音波式ポンプ、ＭＥＭ電気浸透ポンプ、ＭＥＭダイヤフラムポンプ、及びＭＥＭ電気流体力学式ポンプから選ばれる。所定の移送機アレイにおける移送機の全てが一斉に作動してもよい。あるいは、所定の移送機アレイにおける移送機は個別に作動してもよく、あるいは群をなして作動してもよい。例えば、所定の移送機アレイにおける移送機は順々に作動するようにしてもよく、あるいは圧力スイング吸着プロセスの種々の状況を独立して促進するようにしてもよい。例として、所定の移送機アレイにおける移送機のうちの一部を吸着剤物質の床へ原料ガスを移送するようにし、その一方アレイのほかの移送機を吸着剤物質の床から成分富化ガスを移送するようにしてもよい。
【０１０５】
本発明で使用するのに好適な移送機のアレイは、並列に配置した複数の移送機を提供することができる。そのように配列された場合、本発明の移送機のアレイは、吸着剤物質の床へガスを送給し又は吸着剤物質の床からガスを抜き出して、流れの分配機能をもたらしそして独立した流れ分配器の必要と一般にそれにつきまとうデッドボリュームを軽減するよう設計することができる。最小限のデッドボリュームで流れの分配が向上するため、本発明の移送機のアレイは、通常のシステムを使ってこれまでは現実的でなかった、例えば小さなアスペクト比のプロセスなどのような吸着プロセスを容易にする。
【０１０６】
また、本発明で使用するのに好適な移送機のアレイは、圧力スイング吸着プロセスの所定の段階での流量の必要条件を基に所定のアレイにおける特定の移送機を始動又は停止することにより行うことができる流れの制御の向上の機会も与える。
【０１０７】
その上、移送機のアレイは、全体的なシステムの性能を有意に低下させることなく所定のアレイにおける１又は２以上の移送機が機能しなくなってもよい点で、信頼性の向上したシステムを提供する。
【０１０８】
本発明のこの例の圧力スイング吸着システムは、移送機の２以上のアレイを含んでもよい。例えば、システムは、床の少なくとも一つの入口面と流体を介して連通し、原料ガス混合物を床へ供給するよう運転する原料用移送機のアレイと、床の少なくとも一つの入口面と流体を介して連通し、床から成分富化ガスを抜き出すよう運転する排出用移送機のアレイとを含むことができる。
【０１０９】
図４に、吸着剤物質により原料ガス混合物から少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を選択的に吸着することによって多成分原料ガス混合物を分離するための本発明の圧力スイング吸着装置１００の概要図を示す。図４に例示した装置は、吸着剤ハウジング１２０内に収容され、そして任意的な固定プレート１３０とバネ１５０を使用してそこに保持された、吸着剤物質１１０の床を含んでいる。この吸着剤物質１１０の床は、入口面１１４と出口面１１８を有する。吸着剤物質１１０の床の出口面１１８には、個別の出口弁１４５からなる出口弁アレイ１４０が配置されている。出口弁アレイ１４０は、吸着剤物質１１０の容積空間及び製品貯蔵容積空間１６０と流体を介して連通し、且つそれらの間に挿入されている。製品貯蔵容積空間１６０は、何らかの用途での使用のために製品の成分減少ガスを移送するための製品管路１７０とも流体を介し連通している。吸着剤物質１１０の床の入口面１１４には、個別の入口弁２００の入口弁アレイ１９０が配置されている。図４に示した本発明の態様では、原料ガス混合物は昇圧した供給源、例えば昇圧したガスを封じ込めたボンベ（図示せず）により供給される。
【０１１０】
本発明の圧力スイング吸着装置は、下式（２）によるボイドファクターとして、０．２未満、０．１未満、又は０．０５未満のボイドファクターを示すことができ、
【０１１１】
【数１０】
2008207180.tif 000011
【０１１２】
この式のＶｖｏｉｄは圧力スイング吸着システムにおける合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【０１１３】
本発明の圧力スイング吸着装置で使用するのに適した吸着剤物質の床は、下式（１）によるアスペクト比として、１０未満、５未満、０．２５未満、又は０．１２５未満のアスペクト比を有することができ、
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
この式のＬは床の長さであり、Ｖｂｅｄは床の容積である。
【０１１４】
本発明の圧力スイング吸着装置で使用するのに好適な吸着剤物質の床は、円形断面を持つ円柱、非円形断面を持つ柱状体、直方体、及び二つの同軸円筒体の間の環状領域を含めた幾何学形状を持つことができるが、床の幾何学形状はこれらに決して限定されない。
【０１１５】
本発明の圧力スイング吸着装置で使用するのに好適な吸着剤物質には、活性炭、カーボンモレキュラーシーブ吸着剤、活性アルミナ、そしてタイプＡ、タイプＸ、モルデナイト及びチャバザイト構造を持つもの含めたゼオライトが含まれるが、吸着剤物質はこれらには決して限定されない。好適なゼオライトの例には、ＣａＡ、ＮａＸ、ＣａＸ、ＮａＡ、ＢａＸ、ＬｉＸ、ＮａＬＳＸ、ＣａＬＳＸ、ＢａＬＳＸ、ＡｇＬＳＸ及びＬｉＬＳＸが含まれる。当業者は、所定の原料ガス混合物及び所望の製品物質に対して使用するための所定の吸着剤物質をどのように選ぶかを承知していよう。
【０１１６】
本発明の圧力スイング吸着装置の弁アレイで使用するのに好適な弁は、開放の位置から閉鎖の位置へ１秒以下、１秒未満、０．１秒未満、又は０．０１秒未満で変わることができるべきであり、それらには圧電式の弁、形状記憶合金の弁、静電式の弁、バイメタル式の弁、熱空気式の弁、及び電磁式の弁が含まれるが、弁はこれらには決して限定されない。本発明の一部の態様において、弁のアレイにおける個別の弁にはマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）弁が含まれ、それらはＭＥＭ圧電式の弁、ＭＥＭ形状記憶合金の弁、ＭＥＭ静電式の弁、ＭＥＭ電磁式の弁、ＭＥＭバイメタル式の弁、ＭＥＭ熱空気式の弁、及びＭＥＭ電磁式の弁から選ばれる。例えば、本発明で使用するのに好適な弁及び弁アレイには、ＶａｎｄｅｌｌｉらによりＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  ＭＥＭＳ  Ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅ  Ａｒｒａｙ  ｆｏｒ  Ｆｌｕｉｄ  Ｆｌｏｗ  Ｃｏｎｔｒｏｌ，  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ  ＳＹＳＴＥＭＳ，  ｖ．７，  Ｎｏ．４（Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １９９８）に記載されたマイクロエレクトリカルメカニカル弁アレイが含まれ、この参考文献はその全体が参照によりここに組み入れられる。本発明の弁アレイで使用される弁には、外部アクチュエーター付き又は内部アクチュエーター付きの弁を含めることができる。弁にはまた、作動するのに独立して制御可能なアクチュエーターでなく弁をまたぐ圧力差に依存することができる逆止弁を含めることもできる。
【０１１７】
図５に、吸着剤物質により原料ガス混合物から少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を選択的に吸着することによって多成分原料ガス混合物を分離するための本発明のもう一つの圧力スイング吸着装置２０５の概要図を示す。図５に例示した装置は、吸着剤ハウジング２２０内に収容され、そして任意的な固定プレート２３０とバネ２５０を使用してそこに保持された、吸着剤物質２１０の床を含んでいる。この吸着剤物質２１０の床は、入口面２１４と出口面２１８を有する。吸着剤物質２１０の床の出口面２１８には、個別の出口弁２４５からなる出口弁アレイ２４０が配置されている。出口弁アレイ２４０は、吸着剤物質２１０の容積空間及び製品貯蔵容積空間２６０と流体を介して連通し、且つそれらの間に挿入されている。製品貯蔵容積空間２６０は、何らかの用途での使用のために製品の成分減少ガスを移送するための製品管路２７０とも流体を介し連通している。吸着剤物質２１０の床の入口面２１４には、個別の入口移送機３００の入口移送機アレイ２９０が配置されている。図５に示した本発明の態様では、原料ガス混合物は、例えば、装置２０５を取り囲む大気、又はガス貯蔵容器（図示せず）から引き出すことができる。
【０１１８】
本発明の圧力スイング吸着装置の移送機アレイで使用するのに好適な移送機は、それを通過するガスの流れを２秒以下、０．５秒未満、又は０．１秒未満で開始させ又は停止することができるべきであり、それらには圧電式ポンプ、熱空気式ポンプ、静電式ポンプ、超音波式ポンプ、電気浸透ポンプ、電気流体力学式ポンプ、電磁式ポンプ、回転式ポンプ、形状記憶合金ポンプ、バイメタルポンプ、ダイヤフラムポンプ、回転翼ポンプ、スクロールポンプ、ソレノイドポンプ、ステッパー−モーター作動式ポンプ、ピストン式ポンプ、及びリニアポンプが含まれるが、移送機はそれらには決して限定されない。本発明の一部の態様では、移送機アレイにおける個別の移送機にはマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）ポンプが含まれ、それらはＭＥＭ圧電式ポンプ、ＭＥＭ熱空気式ポンプ、ＭＥＭ静電式ポンプ、ＭＥＭ電磁式ポンプ、ＭＥＭ超音波式ポンプ、ＭＥＭ電気浸透ポンプ、ＭＥＭダイヤフラムポンプ、及びＭＥＭ電気流体力学式ポンプから選ばれる。例えば、本発明で使用するのに好適な移送機には、ＭａｌｕｆによりＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮ  ＴＯ  ＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ  第１版に記載されたマイクロエレクトロメカニカルシステムが含まれ、この参考文献は参照によりその全体がここに組み入れられる。
【０１１９】
本発明の圧力スイング吸着装置は、モジュール式に製作してもよい。例えば、移送機アレイ、弁アレイ、吸着剤床、製品貯蔵部等を、個別のマイクロエレクトロメカニカルモジュールとして製作することができる。移送機及び弁用のこれらのモジュールのための個々の構成部品の製作は、例えば、参照により既にここに組み入れられたＭａｌｕｆ，  ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮ  ＴＯ  ＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧの１４７〜１５６ページ及び１９０〜１９２ページに記載されている。これらの個々の構成部品は、移送機アレイ又は弁アレイモジュールを形成するために、例えばＶａｎｄｅｌｌｉ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  ＭＥＭＳ  Ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅ  Ａｒｒａｙ  ｆｏｒ  Ｆｌｕｉｄ  Ｆｌｏｗ  Ｃｏｎｔｒｏｌ，  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ  ＳＹＳＴＥＭＳ，  ｖ．７，  Ｎｏ．４（Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １９９８），及びＢｏｕｓｓｅ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｈｉｇｈ−ｄｅｎｓｉｔｙ  ａｒｒａｙｓ  ｏｆ  ｖａｌｖｅｓ  ａｎｄ  ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ  ｆｏｒ  ｆｌｕｉｄ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，  ＰＲＯＣ．  ＩＥＥＥ  ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ  ＳＥＮＳＯＲ  ＡＮＤ  ＡＣＴＵＡＴＯＲ  ＷＯＲＫＳＨＯＰ，  ＨＩＬＴＯＮ  ＨＥＡＤ  ＩＳＬＡＮＤ，  ＳＣ，  Ｊｕｎｅ  ３−６，  １９９６，  ｐｐ２７２−２７５に記載された方法を利用して、一緒に連結することができる。次いで、これらの個別のモジュールを、図４と５に例示した装置の多様な配列及び変更配列で一緒に連結することができる。すなわち、個別のモジュールを連結して、並列又は直列に連結した複数の吸着剤床を有する装置を形成することができる。これらの個別のモジュールは、例えばＭｏｕｒｌａｓ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｎｏｖｅｌ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ，  Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ’９８  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｍＴＳＡ  ’９８  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｈｅｌｄ  ｉｎ  Ｂａｎｆｆ，  Ｃａｎａｄａ，  １３−１６  Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９８８、及びＤ．Ｊ．  Ｈａｒｒｉｓｏｎ  ａｎｄ  Ａ．  ｖａｎ  ｄｅ  Ｂｅｒｇ  ｅｄｉｔｏｒｓ，  Ｋｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓに記載された方法を利用して、一緒に連結することができ、これらの参考文献のおのおのは参照によりそれらの全体がここに組み入れられる。
【０１２０】
本発明の教示は、大規模（１０００スタンダードリットル／分を超える生産速度）、中くらいのベンチスケール（１０００〜１０スタンダードリットル／分の生産速度）、小規模（１０スタンダードリットル／分未満の生産速度）、及び中間にあるすべてのものに適用できる。一部の態様においては、本発明の圧力スイング吸着装置は、装置を個人が持ち運ぶことができるよう十分小さな規模で製作することができる。そのような装置は、例えば酸素を医療目的のため個人に供給するのに、有効である。
【０１２１】
本発明を上述の態様に関連して開示したが、当業者にとって更なるそのような態様は明らかなものであろう。本発明は具体的に述べた態様に限定されるものではなく、従って独占的な権利が求められる本発明の精神及び範囲を評価するには、上述の検討よりも特許請求の範囲の方を参照すべきである。
【０１２２】
この明細書において言及している全ての特許明細書、特許出願明細書及び刊行物は、個々の各参考文献が参照により組み入れられるものと明確に且つ個別に示されているのと同じように参照によってここに組み入れられる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】「入口ボイドボリューム」と「出口ボイドボリューム」の意味を説明する通常の圧力スイング吸着システムの概要図である。
【図２】本発明の圧力スイング吸着システムの図示された構成部品の配列の概要図である。
【図３】本発明の圧力スイング吸着システムの図示された構成部品の配列の概要図である。
【図４】本発明の圧力スイング吸着装置の概要図である。
【図５】本発明のもう一つの圧力スイング吸着装置の概要図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１００、２０５…圧力スイング吸着装置
１１０、２１０…吸着剤物質
１１４、２１４…入口面
１１８、２１８…出口面
１２０、２２０…吸着剤ハウジング
１３０、２３０…固定プレート
１４０、２４０…出口弁アレイ
１４５、２４５…出口弁
１５０、２５０…バネ
１９０…入口弁アレイ
２００…入口弁
２９０…入口移送機アレイ
３００…入口移送機
【図１】
2008207180.tif 000015
【図２】
2008207180.tif 000016
【図３】
2008207180.tif 000017
【図４】
2008207180.tif 000018
【図５】
2008207180.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成20年4月10日(2008.4.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質により選択的に吸着することにより多成分原料ガス混合物を分離するための圧力スイング吸着システムであって、
（ａ）当該吸着剤物質の床であり、当該吸着剤物質が当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着し、且つ当該床が少なくとも一つの入口面と少なくとも一つの出口面とを有する、当該吸着剤物質の床、
（ｂ）当該多成分原料ガス混合物を当該圧力スイング吸着システムへ供給する少なくとも一つの移送機、及び
（ｃ）当該少なくとも一つの入口面と流体を介して連通する弁のアレイ、
を含み、当該弁が開放から閉鎖の位置へ１秒以下で一斉に変わる、圧力スイング吸着システム。
【請求項２】
前記弁のアレイが少なくとも４個の個別の弁を含む、請求項１記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項３】
前記弁のアレイにおける弁を、圧電式の弁、形状記憶合金の弁、静電式の弁、バイメタルの弁、熱空気式の弁、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）弁、及び電磁式の弁からなる群より選ぶ、請求項１記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項４】
少なくとも１種のより容易に吸着できる成分を吸着剤物質により選択的に吸着することにより多成分原料ガス混合物を分離するための圧力スイング吸着システムであって、
（ａ）当該吸着剤物質の床であり、当該吸着剤物質が当該少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着し、且つ当該床が少なくとも一つの入口面と少なくとも一つの出口面とを有する、当該吸着剤物質の床、及び
（ｂ）当該床へ原料ガス混合物を供給するため当該少なくとも一つの入口面に流体を介して連通する移送機の少なくとも一つのアレイ、
を含み、当該移送機を通過する流れを２秒未満で開始又は停止することができる、圧力スイング吸着システム。
【請求項５】
前記床が床長さＬと床容積Ｖｂｅｄを有し、また前記床が下式（１）
アスペクト比＝Ｌ3／Ｖｂｅｄ                      （１）
によるアスペクト比を有し、当該床についてのアスペクト比が１０未満である、請求項１又は４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項６】
前記床が下式（２）
【数１】
2008207180.tif 000020
によるボイドファクターであって０．２未満のボイドファクターを有し、上式中のＶｖｏｉｄは当該圧力スイング吸着システムにおける合計デッドボリュームであり、Ｖｂｅｄは床の容積である、請求項１又は４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項７】
（ｃ）前記床に流体を介して連通する前記少なくとも一つの出口面の移送機の少なくとも一つのアレイ、
を更に含む、請求項１又は４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項８】
前記床の前記少なくとも一つの入口面と流体を介して連通する排気用移送機のアレイであって、当該排気用移送機が前記床から成分富化ガスを抜き出すよう運転する、排気用移送機のアレイ、
を更に含む、請求項４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項９】
前記移送機の少なくとも一つのアレイが、原料ガス供給工程の間は原料ガス混合物を前記床へ移送するよう作動し、且つ再生工程の間は当該床から成分富化ガスを抜き出すよう作動する、請求項４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項１０】
移送機の各アレイが少なくとの４個の個別の移送機を含む、請求項４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項１１】
前記移送機の少なくとも一つのアレイにおける移送機が、圧電式ポンプ、熱空気式ポンプ、静電式ポンプ、電磁式ポンプ、超音波駆動ポンプ、電気浸透ポンプ、ダイヤフラムポンプ、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）ポンプ及び電気流体力学式ポンプからなる群より選ばれる、請求項４記載の圧力スイング吸着システム。
【請求項１２】
吸着剤物質の床であって当該吸着剤物質が少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着する吸着剤物質の床と、当該床と流体を介して連通するマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）移送機のアレイとを含む、圧力スイング吸着システム。
【請求項１３】
吸着剤物質の床であって当該吸着剤物質が少なくとも１種のより容易に吸着できる成分をより強く吸着する吸着剤物質の床と、当該床と流体を介して連通するマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）弁のアレイとを含む、圧力スイング吸着システム。