(57)【要約】  本発明は圧力スイング吸着システムのための酸素分離装置１２，１４に言及する。改良されたメンテナンス挙動、より長い耐用年数、改良されたエネルギー消費の少なくとも一つを提供するために、酸素分離装置１２，１４は酸素分離装置１２，１４へ酸素含有ガスのフローをガイドするための一次側におけるガス入口１８，２２、及び酸素分離装置１２，１４から酸素富化ガスのフローをガイドするための二次側におけるガス出口２８，３０と、酸素を除く酸素含有ガスの少なくとも一成分を収着することによって酸素含有ガスから酸素を分離することができる酸素分離収着剤を有する酸素分離膜７８と、酸素分離膜７８に固定される複数の支持バー８２を有する、酸素分離膜７８を支持するための支持構造８０とを有する。本発明はさらに酸素分離器１０と、圧力スイング吸着システムのための酸素分離装置１２，１４を生成する方法とに関する。
2015530231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力スイング吸着システムのための酸素分離装置であって、
酸素含有ガスのフローを前記酸素分離装置へガイドするための、一次側におけるガス入口と、前記酸素分離装置から酸素富化ガスのフローをガイドするための、二次側におけるガス出口と、
酸素を除く前記酸素含有ガスの少なくとも一成分を収着することによって酸素含有ガスから酸素を分離することができる酸素分離収着剤を有する酸素分離膜と、
前記酸素分離膜を支持するための支持構造であって、前記酸素分離膜に固定される複数の支持バーを有する、支持構造と
を有する、酸素分離装置。
【請求項２】
前記酸素分離収着剤がゼオライト材料を有する、請求項１に記載の酸素分離装置。
【請求項３】
前記支持バーがシリコン、ガラス、セラミック、ガラスセラミック、金属、若しくは前述の材料の一つ以上の一つ以上の組み合わせを有する、請求項１に記載の酸素分離装置。
【請求項４】
層が前記支持バーの少なくとも一端に設けられ、前記層が二酸化シリコン、窒化シリコン、前述の材料の組み合わせ、若しくはスピンオンガラス層を有する、請求項１に記載の酸素分離装置。
【請求項５】
前記支持バーが多孔質材料を有する、請求項１に記載の酸素分離装置。
【請求項６】
複数の酸素分離膜が設けられ、一つの酸素分離膜がさらなる酸素分離膜の下流に位置する、請求項１に記載の酸素分離装置。
【請求項７】
前記支持バーが≧５０μｍの長さを持つ、請求項１に記載の酸素分離装置。
【請求項８】
前記酸素分離膜が≧１μｍ乃至≦５００μｍの厚さを持つ、請求項１に記載の酸素分離装置。
【請求項９】
前記酸素分離膜がゼオライト結晶、若しくはゼオライト粒子、若しくはゼオライトビーズを有する、請求項１に記載の酸素分離装置。
【請求項１０】
前記酸素分離膜が前記支持構造と一緒に筐体内に取り付けられる、請求項１に記載の酸素分離装置。
【請求項１１】
酸素分離器であって、
請求項１に記載の少なくとも一つの酸素分離装置と、
前記酸素分離装置の前記一次側と前記二次側の間に圧力差を生じるための圧力調節装置と
を有する、酸素分離器。
【請求項１２】
少なくとも二つの酸素分離装置が設けられ、少なくとも二つの酸素分離装置が並列に配列される、請求項１１に記載の酸素分離器。
【請求項１３】
請求項１に記載の圧力スイング吸着システムのための酸素分離装置を生成する方法であって、
基板を設けるステップと、
前記基板上に酸素分離膜を設けるステップと、
前記基板から複数の基板バーを形成することによって前記基板を処理するステップと
を有する、方法。
【請求項１４】
酸化シリコン及び窒化シリコン若しくは前述の材料の組み合わせを有する層、又はスピンオンガラス層が前記基板の少なくとも一部に適用される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板がマイクロマシニング若しくはサンドブラスティングによって処理される、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸素分離の分野に関する。より具体的には、本発明は圧力スイング吸着による酸素分離の分野に関する。詳細には、本発明は圧力スイング吸着システムのための酸素分離装置、かかる酸素分離装置を有する酸素発生器、及び圧力スイング吸着システムのための酸素分離装置を生成する方法に言及する。
【背景技術】
【０００２】
酸素発生、若しくは酸素分離はそれぞれ、例えば高純度酸素の発生、及び反応炉内の炭化水素の部分酸化反応をカバーする、異なる応用分野において重要な役割を担う。高純度酸素の発生はまた、在宅医療用途など、医療用途用の小型の低ノイズ酸素発生器にとって特に興味深い。
【０００３】
酸素療法は例えば治療法としての酸素投与である。酸素療法は肺への酸素供給を増やし、それによって体内組織への酸素の供給力を増やすことによって患者に役立つ。酸素療法の主な在宅医療用途は、例えば米国において１３００万人を超える患者に発症する疾患である、重度の慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）患者用である。
【０００４】
酸素のオンデマンド発生のために、市販のソリューション、いわゆる酸素濃縮器が知られている。例えばＰｈｉｌｉｐｓ  Ｒｅｓｐｉｒｏｎｉｃｓは在宅で（ＥｖｅｒＦｌｏ）及び移動中に（ＥｖｅｒＧｏ）酸素療法を必要とする患者のための酸素濃縮器製品群を提供している。こうしたシステムは圧力スイング吸着プロセスに基づき得る。
【０００５】
こうした圧力スイング吸着プロセスはさらに例えばＵＳ６，５５１，３８４  Ｂ１から知られている。この文献は二床装置を用いる圧力スイング吸着法を開示する。この方法は以下のステップを有する：同時供給及び製品加圧；吸着；均圧；排気；排気及びパージ；同時均圧及び供給。
【０００６】
しかしながら、特に酸素のオンデマンド発生についてまだ改善の必要性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は改良されたメンテナンス挙動、より長い耐用年数、及び改良されたエネルギー消費のうち少なくとも一つを提供する圧力スイング吸着システムのための酸素分離装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は請求項１に記載の酸素分離装置によって、及び請求項１１に記載の酸素分離器によって達成される。この目的はさらに請求項１３に記載の圧力スイング吸着システムのための酸素分離装置を生成する方法によって達成される。好適な実施形態は従属請求項から導き出され得る。
【０００９】
圧力スイング吸着システムのための酸素分離装置は、酸素含有ガスのフローを酸素分離装置へガイドするための一次側におけるガス入口と、酸素分離装置から酸素富化ガスのフローをガイドするための二次側におけるガス出口と、酸素を除く酸素含有ガスの少なくとも一成分を収着することによって酸素含有ガスから酸素を分離することができる酸素分離収着剤を有する酸素分離膜と、酸素分離膜を支持するための支持構造とを有し、支持構造は酸素分離膜に固定される複数の支持バーを有する。
【００１０】
酸素分離装置という語は特に酸素分離器の活性部分をあらわし得る。これは例えば酸素含有ガスと、若しくは後者の規定成分と相互作用し得る酸素分離収着剤を有し、従って酸素を除く酸素含有ガスの少なくとも一成分との相互作用により酸素含有ガスから酸素を分離し得る。その結果、酸素分離装置それ自体、若しくはその酸素分離収着剤は、それぞれ、特に吸着（ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）プロセスなどの収着（ｓｏｒｐｔｉｏｎ）プロセスによって酸素含有ガスから酸素を分離することができる。これは例示的に筐体内に配置される、若しくは筐体を有する小型装置として形成され得る。
【００１１】
圧力スイング吸着システムという表現は特に、それぞれ収着プロセス若しくは吸着プロセスによって純粋な若しくは基本的に純粋な酸素を生成する酸素分離システムをあらわし得る。こうしたシステムの使用により、酸素含有ガスの少なくとも一成分が収着剤に収着され、一方酸素は収着剤に結合しないか若しくはあまり結合しないので、収着された成分から分離され得る。収着された一つ若しくは複数の物質を除去するために、収着剤は特に収着剤の上流及び下流の圧力挙動を逆転することによって、従って圧力スイングによって、逆方向のガスフローを供給される。
【００１２】
本明細書で使用される酸素分離器という語は、特に酸素含有ガスから酸素を分離することができる装置をあらわし得る。その結果、酸素分離器を用いて、酸素含有ガスを発端として、純粋な若しくは基本的に純粋な酸素又は少なくとも酸素富化ガスが生成され得る。
【００１３】
さらに、酸素分離装置の一次側という語は、本明細書で使用される通り、酸素含有ガスが酸素分離装置へガイドされる方向へ向けられている酸素分離装置の側若しくは部分をあらわし、一方酸素分離装置の二次側という語は、本明細書で使用される通り、反対側、すなわち生成された純粋酸素若しくは酸素富化ガスが存在する側へ向けられている酸素分離装置の側若しくは部分をあらわし得る。
【００１４】
付加的に、酸素含有ガスという語は、本明細書で使用される通り、気体酸素を少なくとも部分的に有する、若しくは酸素から成る任意のガスをあらわし得る。酸素富化ガスという語はそれによって特に、酸素含有ガスと比較して酸素に関して高い濃度を持つ、極端な場合は純粋酸素であり得るガスを意味するものとする。
【００１５】
酸素分離膜はさらに、酸素分離収着剤を有する、従ってそれぞれ収着プロセス若しくは吸着プロセスによる酸素分離効果の発揮に主に関与する、層として、特に平坦な層として、例えば薄膜構造の意味で、本発明の意味では理解され得る。
【００１６】
支持バーという語はさらに、酸素分離膜を支持するが、空間的に制限された、従って酸素分離膜に対して小さい寸法を持つ構造をあらわす。複数の、すなわち二つ若しくは二つよりも多くの支持バーが設けられるという事実により、酸素含有ガス若しくは酸素富化ガスそれぞれのための流路が支持バーの間に設けられる。付加的に、支持バーは互いに接触しないことが好ましいことがある。
【００１７】
上記のような酸素分離装置は特にメンテナンス挙動の改良、エネルギー消費の減少、耐用年数の改良だけでなく、圧力スイング吸着システムによる酸素分離プロセスにおける物質移動及び熱伝達挙動の改良をもたらし得る。
【００１８】
詳細には、酸素分離に関与する活性部分が膜によって、従って特に薄層形式で形成されるという事実のために、特に圧力スイング吸着システムで知られるような吸着ビーズを有するふるい床など、当技術分野で既知の構成から知られている潜在的な欠点が克服され得る。
【００１９】
例えば、上記のような酸素分離のための膜構造を用いることによって、熱伝達及び物質移動特性に関して顕著な利点が得られる。これは圧力スイング吸着システムにとって、従来使用される収着剤が大きな吸着床内に配置されるビーズ若しくは押出成形物の形で使用されるという事実に起因する。物質移動速度は結晶中の拡散経路によって決定される。しかしながら、圧力スイング吸着プロセスでは、熱伝達と物質移動限界の間にトレードオフがあり得る。使用されるビーズが増加する直径を持つ場合、圧力降下は軽減され得るが、悪化した物質移動及び熱伝達限界が生じ得る。その結果、ふるい床におけるビーズのサイズは使用されるプロセスと条件に依存して従来使用される。小さいビーズほど増大した物質移動を示すが、欠点はビーズが容器壁、若しくは筐体それぞれにおいて摩耗を示すことであり、これはビーズからのダスト粒子をもたらし得る。この摩耗は各ふるいの耐用年数の短縮をもたらし得る。摩耗から生じる小粒子はさらにそれぞれガス入口とガス出口に存在するフィルタを塞ぐ可能性があり、これはシステムの性能を著しく低下させ、若しくはさらにシステムの動作を制限し得る。さらに、摩耗から生じる小粒子は従来のふるい床における圧力分布に強く影響し得る。
【００２０】
結果として、例えば薄膜として、膜構造を使用することによって、ビーズの形の吸着質を有するふるい床の欠点、すなわち大きなビーズによる物質移動と熱伝達限界の増加、並びに小さなビーズによる容器壁における摩耗の増加が克服され得る。
【００２１】
酸素分離活性部分として薄膜などの膜を用いることによって、大きな表面積で小粒子を設けることができ、バルクビーズに対して改良された物質移動をもたらす。従って、高酸素分離能が実現され得る。それによって、粒子、若しくは収着剤はそれぞれ、支持構造上で規定層に固定されるか若しくはとどまり、特にそれ自体は安定であり、従って少なくとも通常作動条件では除去されず、その結果摩耗が膜内で起こらないので、摩耗が防止されるか、若しくは少なくとも著しく軽減され得る。その結果、物質移動限界の改良の次に、ダスト若しくは極小粒子の形成が防止され、酸素分離性能の顕著な改善と、酸素分離装置の有害な挙動の顕著な軽減をそれぞれもたらし得る。その結果、上記のような酸素分離装置の耐用年数だけでなくメンテナンス挙動が著しく改善され得る。
【００２２】
それとは別に、支持構造が、直接若しくは追加層を介して間接的に酸素分離膜に固定される複数の支持バーを有するという事実のために、酸素分離装置のさらなる構成要素への膜の接触が軽減され得る。その結果、熱伝達限界が改善され、よりエネルギー効率の良い動作挙動をもたらす。その結果、膜に固定される支持バーの特徴はこの構成を製造する方法に依存してもよく、膜は支持バーに固定されると理解してもよい。途切れない支持層が設けられるのではなく、複数の支持バー、すなわち少なくとも二つ若しくは好適には二つよりも多くの支持バーによって支持が実現されるという事実のために、膜との酸素含有ガスの有利で明確に定義されたガス交換及び接触を可能にする、支持構造の明確に定義されたオープン構造が設けられるという事実によって圧力降下が最小範囲に抑えられることができる。
【００２３】
その結果、外側の支持バーは筐体のような役割を果たし得るが、一方支持バー間の入口はガス入口として機能し、膜の反対側は出口として機能し得るか、或いは例えばその逆も同様であり、いかなる場合でも筐体の提供が省略され得るようになっている。
【００２４】
一実施形態によれば、酸素分離収着剤はゼオライト材料を有する。特にゼオライト材料は、例えば酸素含有ガスが空気であり得るように、窒素から酸素を分離することによって窒素を収着するための効果的な収着剤である。従って酸素分離装置は安全でコスト削減する方法で操作され得る。それとは別に、メンテナンス挙動がさらに改善されるように、酸素含有ガスを含むガスシリンダが貯蔵されなくてもよい。さらに、特にゼオライト材料に関して、複数の支持バーを有する支持構造上に小粒子が固定され得るので、本発明にかかる酸素分離装置にとって特に有用である。それによって、物質移動挙動がさらに改善され得るように粘土結合材が省略され得る。限定されない実施例において、結晶性ゼオライト材料層は組成Ｍｎ＋ｘ／ｎ［（ＡｌＯ２）−ｘ（ＳｉＯ２）ｙ］を持ち、Ｍはアルカリイオン若しくはアルカリ土類イオンであり、ｎ＋はカチオンＭの電荷であり、１若しくは２であり得る。比率ｙ／ｘは１に等しいか若しくは１より大きい。一実施例としてゼオライト材料は１乃至１．５の比率ｙ／ｘを持つリチウム交換低シリカＸゼオライトであり得る。
【００２５】
さらなる実施形態によれば支持バーはシリコン（Ｓｉ）、ガラス、酸化アルミニウムなどのセラミック、ガラスセラミック、金属、若しくは上述の材料の一つ以上の一つ以上の組み合わせを有する。例えば、支持バーは上述の材料の一つ以上、特にシリコンなどで構成され得る。この実施形態は、膜又は生成された純粋な若しくは基本的に純粋な酸素のフローを劣化させる望ましくない副産物が現れないように、これらの材料が酸素含有ガスとの相互作用を全く若しくはほとんど示さないという事実のために、明確に定義された高純度の酸素のフローを生成することを可能にする。それとは別に、上述の材料特にシリコンなどは、例えば半導体製品から知られるマイクロパターニングプロセスで機械加工され、明確に定義された支持構造を生成し、従って非常に小さい寸法でも明確に定義された酸素分離挙動を可能にし得る。これらの類の材料はさらに、特に膜が非常に薄く形成される場合、膜を支持するために十分に高い安定性を示す。
【００２６】
さらなる実施形態によれば、層が支持バーの少なくとも一端において設けられ、層は二酸化シリコン、窒化シリコン、上述の材料の組み合わせ、若しくはスピンオンガラス層を有する。例えばこうした層は支持バーと膜の間に、若しくは支持バーの反対側に、若しくは上述の位置の両方において設けられ得る。特に流路の間に設けられるとき、これは局所に限定され得る。局所に限定された層とは、それによって特に、それぞれ支持バーに隣接して若しくはその上に存在するが、各支持バー間に生成される流路の領域に存在しない若しくは基本的に存在しない層を意味し得る。こうした酸化シリコン若しくは窒化シリコン若しくはその混合物若しくはスピンオンガラス層を有する層は、特に膜を基板に取り付けるのに役立ち得る、従って接着促進剤としてはたらき得る層として機能し得る。従ってこうした層は酸素分離装置の安定性を改善し、さらに耐用年数とメンテナンス挙動を改善し得る。付加的に、膜の反対に位置する支持バーの側に設けられる場合、この実施形態にかかる層はそれぞれバー及び各流路を所望の方法で形成若しくは成形するのに役立ち、その結果例えばマスクとして機能し得る。特に、層は緻密若しくは多孔質であり、任意の堆積技術、例えば熱酸化若しくは化学蒸着によって塗布され得る。窒化シリコン層は好適には化学蒸着によって塗布され得る。スピンオンガラス層は例えば半導体装置から知られ得る。窒化シリコン、酸化シリコン、若しくはスピンオンガラス層の厚さはそれぞれ、好適には≧１００ｎｍ乃至≦１００μｍ、好適には≧１００ｎｍ乃至≦１０μｍの範囲の厚さを持つ。
【００２７】
さらなる実施形態によれば支持バーは多孔質材を有する。例えば、支持バーは多孔質材から構成され得る。支持バーのための多孔質材の提供は、酸素含有ガスが支持バー間に生成される流路を通って酸素分離膜へ流れ得るが、さらに支持バーを通って、若しくはその多孔質構造を通ってそれぞれ流れ得るという事実により、酸素分離装置の入口から酸素分離膜へのガスフラックスがさらに改善されることを可能にする。その結果、酸素含有ガスは支持バーに隣接する領域内で酸素分離膜を通って流れてもよい。
【００２８】
さらなる実施形態によれば複数の酸素分離膜、従って二つ以上の酸素分離膜が設けられ、一つの酸素分離膜はさらなる酸素分離膜の下流に位置する。この実施形態は特に改良された酸素分離能を提供することを可能にし、例えば高いガスフラックスと特に長い耐用年数を可能にする。それとは別に、収着された材料を満載して、一つの膜が損傷した場合、若しくは適切に機能しない場合であっても、一つ以上のさらなる酸素分離膜が所望の酸素分離手順を提供するという事実のために、この実施形態によればメンテナンス挙動が特に改善される。それとは別に、酸素分離性能が複数の酸素分離膜によって共有され、それによって所要の酸素分離プロセスのために十分な収着材を提供することができるという事実のために、酸素分離膜は非常に薄く形成され得る。一般に、この実施形態によれば、二つの膜が設けられ得るか若しくは二つよりもさらに多く、例えば５乃至１０の範囲の膜、若しくはさらに多くの膜が設けられ得る。複数の酸素分離膜は複数の支持バーによって接続され得るか、若しくはそれらは大まかに互いに積み重ねられることもでき、それによって例えば筐体の両側に固定される。
【００２９】
さらなる実施形態によれば支持バーは≧５０μｍの長さを持つ。例えば、支持バーは≧５０μｍ乃至≦１０００μｍの長さを持つ。それについて長さは、隣接部品、特に酸素分離膜若しくは追加層、例えば二酸化シリコン層などに達する前の支持バーの起始部の間に、及び酸素含有ガスの流れ方向にある距離と定義され得る。この実施形態によれば、特に携帯在宅医療装置に適した非常に小さい寸法で酸素分離装置を形成することが可能である。これは、支持バーがその間に配置される酸素含有ガスの流れ方向に交互に積み重なった複数の膜若しくは一つの酸素分離膜を設けるときに当てはまり、それによっていずれにせよ非常に小型の寸法を実現する。その結果、この実施形態はいかなる条件下でも、特に在宅医療装置に関して好適であり得る。それとは別に、こうした支持バーは亀裂若しくは損傷が形成されるリスクが最小限になることを確実にするように膜を支持するために十分な安定性を示す。
【００３０】
さらなる実施形態によれば酸素分離膜は≧１μｍ乃至≦５００μｍの厚さを持つ。これは膜の厚さがいかなる条件下でも膜の透過性に大きな影響を及ぼし得るので、膜を通過する酸素のフラックスが増加されることを可能にする。本発明にかかる膜システムは半導体装置の製造に通常適用される設備で製造され得るので、低コスト製造が可能である。付加的に、本発明にかかる膜システムは医療用途、特に在宅医療の分野などでの用途にとって適切な小型で平坦な装置において適用され得る。その結果、≧１μｍ乃至≦５００μｍ、特に≧１μｍ乃至≦３０μｍの範囲の厚さで膜を形成することによって、膜システムの透過性及び従ってガスフラックスが増加され、例えば高効率な小型酸素分離装置を提供することを可能にし得る。
【００３１】
さらなる実施形態によれば、酸素分離膜はゼオライト結晶、若しくはゼオライト粒子、若しくはゼオライトビーズを、特に収着剤として有する。薄膜プロセスを利用して、隣同士に成長したゼオライト結晶が存在し得る。それらは微粒子ゼオライト膜を形成し得る。微粒子ゼオライト膜は、スピンオン処理、若しくは高温プロセスも適用され得るスパッタリングなど、薄い緻密なゼオライト膜を実現する堆積法が使用されるときに特に実現される。代替的にゼオライト膜はゼオライト粒子から成ることができ、これは本発明によれば特に小さなゼオライト結晶を有するか若しくはそれから構成され得る。粒子を持つゼオライト膜は例えばスピンオン処理及び低温処置若しくは印刷など、低密度の膜が堆積される堆積技術において実現され得る。プロセスにおいて適用される堆積技術と温度に依存して、ゼオライト膜はゼオライト結晶若しくは粒（ｇｒａｉｎ）若しくは粒子（ｐａｒｔｉｃｌｅ）から緻密若しくは多孔質層に形成され得る。ゼオライト層はこの実施形態において１０ｎｍ以上から最大数十マイクロメートルまで、例えば３０μｍなどの寸法を持つゼオライト結晶若しくは粒若しくは粒子を有し得る。それらは例えばスピンオン処理、熱水処理若しくは任意の他の膜技術などの薄膜処理技術によってゼオライト層を適用することによって実現され得る。代替的に、酸素分離膜がそれぞれゼオライト結晶、若しくはゼオライト粒子の凝集体から構成されることも可能である。ゼオライト結晶若しくは粒子の凝集体はビーズとよばれる。ビーズともよばれるこうしたゼオライト結晶の凝集体は緻密若しくは多孔性配列のいずれかで膜を形成するように実現され得る。ゼオライト膜の実現のために、例えば印刷技術が使用され得る。ビーズ若しくは凝集体はそれぞれ、数マイクロメートル、例えば３μｍから最大数十マイクロメートルまで、例えば３０μｍ若しくはそれよりさらに大きい直径を持ち得る。この場合特に、膜の厚さは限定されない値５００μｍを超える可能性がある。この実施形態は圧力スイング吸着システムなどの従来の酸素分離装置から知られるようなゼオライト材料を設けることを可能にする。膜に固定されるゼオライト材料の実現は、ゼオライトの摩耗が起こり得ず、従ってゼオライト床における粒子による汚染が防止されることを可能にする。その結果、これらの実施形態によれば熱伝達だけでなく物質移動挙動に関する微粒子ゼオライト材料の利点が、上記のような非常に小さい粒子の摩耗に関する各欠点を伴わずに達成され得る。
【００３２】
さらなる実施形態によれば、酸素分離膜は支持構造と一緒に筐体内に取り付けられる。これは酸素発生装置を生成する特に容易でコストを削減する方法である。詳細には、膜が支持と一緒に筐体に囲まれる場合、ガス入口及びガス出口はこの筐体内に形成され、酸素含有ガスは筐体内へ及び酸素分離膜の一次側へ、さらに筐体から出て酸素分離膜の二次側から、容易にガイドされ得る。それによって、酸素分離膜と外気の間の望ましくない相互作用が容易に防止され、特に筐体内部の、従って酸素分離膜における定義された条件につながり得る。特に、酸素分離挙動が特に定義されてもよい。それとは別に、こうした酸素分離装置のメンテナンス挙動及び耐用年数がさらに改善され得るように、酸素分離装置の周囲の外気からの酸素の影響による酸素分離挙動の悪化が抑制され得る。
【００３３】
本発明にかかる酸素分離装置のさらなる技術的特徴及び利点については、酸素分離器、酸素分離装置を生成するための方法の記述及び図面が参照される。
【００３４】
本発明はさらに、上記のような、従って上述の特徴の一つ以上を持つ少なくとも一つの酸素分離装置と、酸素分離装置の一次側と二次側の間で圧力差を生じるための圧力調節装置とを有する酸素分離器に関する。
【００３５】
圧力調節装置という語は、酸素分離装置の一次側と二次側の間で圧力差を生じることができる任意の装置をあらわし得る。これは例えば酸素分離装置の一次側に接続されるガス圧縮装置、若しくは酸素分離装置の二次側に接続される真空ポンプであり得る。
【００３６】
上記のような酸素分離器は従って少なくとも一つの酸素分離装置を有する。従ってこれはただ一つの酸素分離装置若しくは複数の、二つ若しくは二つよりも多くの酸素分離装置を有してもよく、一般に圧力スイング吸着システム（ＰＳＡシステム）を形成し得る。例えば、酸素分離器は並列に配列される二つの酸素分離装置を有し得る。しかしながら、所望の用途に依存して、二つよりもさらに多くの酸素分離装置が並列に配列され得る。一実施例として、存在する全酸素分離装置が並列に配列され得る。
【００３７】
こうした酸素分離器は例えばメンテナンス挙動と耐用年数に関して顕著な改善を可能にする。詳細には、摩耗によって生成される小粒子による汚染挙動が軽減され得る。それとは別に、物質移動挙動及び熱伝達挙動が著しく改善され得る。
【００３８】
本発明にかかる酸素分離器のさらなる技術的特徴及び利点については、酸素分離装置、酸素分離装置を生成するための方法の記述及び図面が参照される。
【００３９】
本発明はさらに上記のような圧力スイング吸着システムのための酸素分離装置を生成する方法に関し、この方法は以下のステップを有する：基板を、特に基板層の形で設けるステップ；基板上に膜を設けるステップ；及び基板から複数の基板バーを形成することによって基板を処理するステップ。
【００４０】
こうした方法は熱伝達挙動、物質移動挙動、耐用年数及びメンテナンス挙動の少なくとも一つを改善することができる酸素分離装置を生成する、非常にコストを削減できる容易なプロセスである。さらに、この方法によれば特に定義された寸法と幾何学形状を持つ支持バーに固定される膜を有する構成が設けられ得る。例えば、この方法はゼオライト結晶などの小さな吸着剤粒子がシリコンキャリアなどのキャリア上に処理される薄膜分子ふるいシステムを提供するのに適する。
【００４１】
詳細には、第１のステップにおいて、基板が設けられる。基板は層として形成され、例えば適切な厚さのシリコンを有するか若しくはシリコンからから形成され得る。選ばれる厚さは後のステップにおいて生成される基板バーの長さを定義し、≧５０μｍ乃至≦１０００μｍの範囲にあり得る。基板材料はさらに多孔質であってもなくてもよい。
【００４２】
さらなるステップによれば、膜が基板上に設けられる。膜は特に酸素含有ガスから酸素を分離するための収着剤を有する。例えば、フォージャサイト結晶格子を有するものなどのゼオライト材料が上記のような収着剤として基板層上に堆積され得る。詳細には、これは例えば好適には≧１μｍ乃至≦５００μｍの範囲の厚さをもたらすスピンオン処理及び／又は噴霧堆積を用いたゾル‐ゲル法によって実現され得る。例えば、炉内若しくは熱水プロセスでの加熱が使用され得る。しかしながら印刷などの他の堆積法若しくは化学蒸着法などの蒸着法も使用されることができる。ゼオライト材料などの収着剤は、微結晶、若しくは粒子の形で、又は凝集体、若しくはビーズの形で、それぞれ膜層に存在し得る。スピンオン処理などの薄膜堆積法は１０ｎｍから最大数マイクロメートルまでの結晶サイズの微結晶化ゼオライト層を実現する。しかしながら例えば印刷技術を用いることによって最大数十マイクロメートルまでのビーズの形の収着剤も実現され得る。
【００４３】
さらなるステップにおいて、基板は基板から複数の基板バーを形成することによって処理される。このステップは特に基板がシリコンを有する場合、例えば半導体処理において一般に知られる処理によって実現され得る。
【００４４】
さらなるオプションのステップにおいて、そのように形成された構成は筐体内に固定されてもよく、筐体は好適にはガス入口とガス出口を有する。それによって、ガスの上方フラックスを生成するためにバーが酸素含有ガスの流れ方向に配列され、従って膜がその流れ方向に直角に配置されることが好適であり得る。さらに、支持バーは酸素分離装置の一次側の方へ向けられ得る。これは非常に定義された方法で流れを膜へガイドするのに役立ち得る。しかしながら逆方向の位置付けも可能であり得る。それによって、複数の支持バーと膜を有するただ一つの構成が筐体内部に設けられ得るか、又は一つよりも多くの各構成が順次下流に設けられ得る。
【００４５】
一実施形態によれば、酸化シリコン若しくは窒化シリコン若しくは酸化シリコンと窒化シリコンの組み合わせを有する層又はスピンオンガラス層が基板の少なくとも一部に塗布される。この実施形態は支持バーと膜の間若しくはその反対端、又は上述の位置の両方において層を生成することを可能にする。例えば酸化シリコンを有するこうした層は、特に膜を基板に取り付けるのに役立ち、従って接着促進剤として機能し得る層として機能し得る。こうした層は代替的に膜の下に、及び流路の領域内などにとどまることもできる。従ってこうした層は酸素分離装置の安定性を改善し、耐用年数とメンテナンス挙動をさらに改善し得る。付加的に、膜の反対に位置するバーの側に設けられる場合、この実施形態にかかる層はそれぞれバーと各流路を所望の方法で形成若しくは成形するのに役立ち、それによって例えばマスクとして機能し得る。特に、層は緻密若しくは多孔質であり得、任意の堆積法、例えば熱酸化若しくは化学蒸着によって塗布されることができる。窒化シリコン層は任意の堆積法、例えば化学蒸着によって塗布され得る。酸化シリコン層は熱酸化によって実現され得る。スピンオンガラス層それ自体は従来の半導体処理から知られている。それぞれ窒化シリコン、若しくは酸化シリコン層、又はスピンオンガラス層の厚さは、好適には≧１００ｎｍ乃至≦１００μｍ、好適には≧１００ｎｍ乃至≦１０μｍの範囲の厚さを持つ。
【００４６】
さらなる実施形態によれば、基板はシリコンマイクロマシニング若しくはサンドブラスティングなどのマイクロマシニングによって処理される。この実施形態によれば支持バーは非常に小さな寸法で形成される場合であっても非常に定義された方法で形成される。対応して、上記支持バーの間の流路が非常に明確に形成され、酸素分離装置の非常に定義された動作挙動、若しくは酸素分離挙動にそれぞれつながる。この実施形態は支持バーがシリコンを有する場合に特に好適であり得る。
【００４７】
本発明にかかる酸素分離装置を生成するための方法のさらなる技術的特徴及び利点については、酸素分離装置、酸素分離器の記述及び図面が参照される。
【００４８】
本発明のこれらの及び他の態様は以下に記載の実施形態から明らかとなり、それらを参照して解明される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】圧力スイング吸着システムを示す。
【図２】本発明にかかる酸素分離装置の一実施形態を示す。
【図３】本発明にかかる酸素分離装置のさらなる実施形態を示す。
【図４】本発明にかかる酸素分離装置のさらなる実施形態を示す。
【図５】本発明にかかる酸素分離装置のさらなる実施形態を示す。
【図６】本発明にかかる酸素分離装置を生成するための方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
図１において、酸素を生成するための酸素分離器１０が概略的に示される。酸素分離器１０は圧力スイング吸着システムとして形成され、例えばＣＯＰＤ治療の分野において治療用途に関して酸素を生成するために使用され得る。酸素分離器１０は例えば院内で使用するために固定配置として設計され得るか、若しくは例えば在宅医療用途の分野で使用するために携帯機器であり得る。しかしながら、酸素分離器１０はさらに、例えば飛行機内若しくは溶接目的で、純粋な若しくは基本的に純粋な酸素が供給されなければならない任意の用途のために使用され得る。こうした酸素分離器１０、若しくは酸素濃縮器はそれぞれ、Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｒｅｓｐｉｒｏｎｉｃｓから購入可能なＥｖｅｒＧｏとよばれるもののような酸素濃縮器に基づき得る。
【００５１】
酸素分離器１０は酸素含有ガスから酸素を分離することができる少なくとも一つの酸素分離装置１２を有する。しかしながら酸素分離器１０が少なくとも二つの酸素分離装置１２，１４を有することが好ましく、少なくとも二つ若しくは二つよりも多くの酸素分離装置１２，１４は並列に配列される。以下、本発明は二つの酸素分離装置１２，１４に関して記載される。しかしながら、全ての特徴はただ一つの酸素分離装置１２若しくは二つよりも多くの酸素分離装置１２，１４を用いることによって対応して設けられ得ることが当業者にとって明らかである。各酸素分離装置１２，１４は以下で明らかになる酸素分離収着剤を備え得る。酸素分離収着剤は特に酸素を少なくとも大量にそのフローを著しく妨げることなく通過させるが、酸素含有ガスに存在する他の成分とそれぞれ相互作用する、若しくは収着するように構成される。空気が酸素含有ガスとして使用される場合、従って酸素分離収着剤はそれぞれ窒素を収着する、若しくは窒素を吸着するように構成されることが好ましい。適切な酸素分離収着剤はリチウムゼオライト材料などのゼオライト材料を有し得る。しかしながら例えば圧力スイング吸着プロセスでの使用のために当技術分野で既知のあらゆる適切な酸素分離収着剤を使用することが可能であり得る。
【００５２】
酸素含有ガスのフローを酸素分離装置１２のガス入口１８へガイドするためにその一次側において入口管１６が設けられる。対応して、酸素含有ガスのフローを酸素分離装置１４のガス入口２２へガイドするためにその一次側において入口管２０が、それぞれ設けられる。さらに、酸素分離装置１２，１４からそれぞれ酸素富化ガス若しくは純粋酸素をガイドするための出口管２４，２６が各酸素分離装置１２，１４のガス出口２８，３０へ接続される。
【００５３】
酸素分離装置１２，１４の入口管１６，２０は酸素分離器１０の入口３２へ接続される。ガス貯蔵装置若しくは酸素分離器１０周辺の空気など、酸素含有ガスの源が入口３２へ接続され得る。付加的に、酸素分離装置１２，１４の一次側と二次側の間で圧力差を生じるための圧力調節装置が設けられ得る。図１によれば、酸素含有ガスを圧縮し、それを入口管１６，２０の一部であるか若しくはそれに接続され得る入口管３６，３８を通して酸素分離装置１２，１４へ押し出すための圧縮器３４が設けられる。圧縮器３４の下流若しくは上流に、酸素含有ガスの第１洗浄ステップを設けるために入口フィルタ４０が設けられ得る。詳細には、特に固体粒子が酸素含有ガスからフィルタ除去され得る。
【００５４】
酸素含有ガスが断続的に酸素分離装置１２，１４を通してガイドされることを可能にするために、入口弁４２，４４が入口管３６，３８内に設けられ得る。本発明にかかる弁はガスフローを許可し、ガスフローを抑制し、及び／又はガスフローの量を調節し得る任意の装置であるものとする。その結果、弁４４を閉じることによって、及び弁４２を開くことによって、酸素含有ガスは第１の酸素分離装置１２を通してガイドされ得るが、一方酸素含有ガスは弁４４を開くことによって及び弁４２を閉じることによって第２の酸素分離装置１４を通してガイドされ得る。対応して、チェック弁などの弁４６が出口管２４内に設けられ、チェック弁などの弁４８が出口管２６内に設けられ得る。酸素含有ガスを第１の酸素分離装置１２を通してガイドすることによって、弁４６は開かれ得るが、一方弁４８は閉じられ得る。対応して、酸素含有ガスを第２の酸素分離装置１４を通してガイドすることによって、弁４８は開かれるはずであり、一方弁４６は閉じられるはずである。
【００５５】
生成された酸素を貯蔵するために、弁４６，４８の下流で、出口管２４，２６は酸素アキュムレータ５０若しくはガスタンクにそれぞれ接続される。酸素アキュムレータ５０は純粋酸素のストリームを制御するために中にフローコントローラ５４が設けられ得る出口ライン５２に接続され得る。それとは別に、生成された酸素の純度をモニタするために純度センサ５６が出口ライン５２内に設けられ得る。さらに、生成された酸素が出口６０へガイドされる前に出口ライン５２内に追加フィルタ５８が設けられ得る。出口６０から、生成された酸素富化ガスが患者など所望の用途へガイドされ得る。
【００５６】
第１の酸素分離装置１２の出口管２４及び第２の酸素分離装置１４の出口管２６は弁４６，４８の上流のクロス管６２によって接続され、その中にオリフィス若しくはフローコントローラなどのフローレギュレータ６４が設けられ得る。これは、パージングの目的で、従って酸素分離装置１２，１４を再生するために、例えば酸素分離装置１２，１４において生成された、生成された酸素の規定部分を、さらなる酸素分離装置１４，１２を遡ってガイドすることを可能にし、或いは逆もまた同様である。これに関して、パージングライン６６，６８が酸素分離装置１２，１４の一次側に設けられ、各々が弁７０，７２を有する。再生目的で酸素が酸素分離装置１２，１４を通してそれらの二次側からそれらの一次側へガイドされる場合、その流出はパージングライン６６，６８を通して、及び排気管７４を通して選択的にガイドされ得る。
【００５７】
さらに、酸素分離装置１２，１４を加熱するための加熱装置７６が設けられ得る。加熱装置７６は酸素分離装置１２，１４全体に作用し得るか、又はその特定領域のみを加熱し得る。一般に、当技術分野で知られるあらゆる加熱装置７６が使用され得る。例えば、加熱コイルが設けられ得る。
【００５８】
酸素分離装置１２，１４の実施形態の詳細図は図２乃至６に示される。これに関して、各記載を簡略化するために同一若しくは同等の構成要素は同一の参照符号によって定義され得る。
【００５９】
図２によれば、酸素分離装置１２，１４のための、若しくはその一部であり得る構成７６の一実施形態が示される。かかる構成７６は酸素を除く酸素含有ガスの少なくとも一成分を収着することによって酸素含有ガスから酸素を分離することができる酸素分離収着剤を有する酸素分離膜７８を有する。酸素分離収着剤は下記で明らかになるようなゼオライト結晶、若しくはゼオライト粒子、若しくはゼオライトビーズなどのゼオライト材料を有し得る。例えば、膜７８は組成Ｍｎ＋ｘ／ｎ［（ＡｌＯ２）−ｘ（ＳｉＯ２）ｙ］を持つ薄いゼオライト層を有し、Ｍはアルカリイオン若しくはアルカリ土類イオンであり、ｎ＋はカチオンＭの電荷であり１若しくは２であり得る。比率ｙ／ｘは１に等しいか若しくは１より大きい。一実施例としてゼオライト材料は１乃至１．５の比率ｙ／ｘを持つＬｉ交換低シリカＸゼオライトであり得る。さらに、膜７８は≧１μｍ乃至≦５００μｍの厚さを持ち、及び／又は例示的な限定されない≧５００μｍ乃至≦５ｍｍの支持バー８２間の膜７８の例示的な幅及び従って流路の幅を持ち得る。これらの例示的な限定されない値によれば、ガス交換のための特に大きな表面積を持つ微結晶ゼオライト層が実現され得る。
【００６０】
構成７６は酸素分離膜７８を支持するための支持構造８０をさらに有し、支持構造８０は例えば＜１０００μｍの厚さを持つシリコンウェハなどの標準支持体から形成される、酸素分離膜７８に固定される複数の支持バー８２を有するか、又はウェハは基板の厚さをもたらす例えば磨き落とされた、減少した厚さを持つことができ、従って支持バー８２の長さは≧５０μｍである。このように、微細な酸素分離収着剤が支持体上に固定され、摩耗による小粒子が形成されないようにする。さらに、支持バー８２は限定されない実施形態において真っ直ぐに形成され得る。
【００６１】
支持構造８０及び支持バー８２を有する構成７６それ自体が酸素分離装置１２，１４を形成し得る。この場合、酸素含有ガスのフローを酸素分離装置１２，１４内へガイドするためのガス入口１８，２２が酸素分離膜７８とは逆のそれらの側面において支持バー８２の端部に形成され、ガス出口２８，３０が膜７８の二次側において形成され得る。しかしながら、膜７８は支持構造８０と一緒に、それ自体は図示されていない例えばアルミニウムから形成されるシリンダなどの筐体内に取り付けられることが好ましいことがある。後者の場合、筐体はそれぞれさらにガス入口１８，２２及びガス出口２８，３０として特に機能する各開口を備え得る。
【００６２】
矢印８４によって酸素含有ガスが酸素分離膜７８へガイドされることが示される。そして酸素含有ガスは酸素分離膜７８と、若しくはその酸素分離収着剤と、それぞれ相互作用する。結果として、純粋な若しくは基本的に純粋な酸素のフローが生成され、これは矢印８６によって示され、出口２８，３０から出口管２４，２６内へ、その用途へと流出し得る。
【００６３】
図３は構成７６のさらなる実施形態を示す。図２と同等に、構成７６は酸素分離膜７８と、複数の支持バー８２を有する支持構造８０を有する。しかしながら図３によれば、支持バー８２は例えば多孔質セラミック材料若しくは多孔質金属基板であり得る、多孔質材料から形成される。
【００６４】
図４は構成７６のさらなる実施形態を示す。図２及び３と同等に、構成７６は酸素分離膜７８と、複数の支持バー８２を有する支持構造８０を有する。しかしながら図４によれば、酸素分離膜７８は吸着剤のビーズ８８若しくは凝集体をそれぞれ有する。ビーズ８８は数十マイクロメートルの範囲の直径を持ち得る。
【００６５】
図５は構成７６のさらなる実施形態を示す。図２、３及び４と同等に、酸素分離膜７８と複数の支持バー８２を有する支持構造８０が設けられる。しかしながら図５によれば、支持バー８２を持つ膜７８のスタックがそれぞれ設けられる。図５によれば二つの分離膜７８が設けられ、一つの酸素分離膜７８はさらなる酸素分離膜７８の下流に位置し、酸素分離膜７８は複数の支持バー８２によって接続される。膜７８と支持バー８２のスタックは互いに重なり合って固定され得るか、若しくは代替的に互いに重なり合って大まかに積み重ねられ得る。
【００６６】
構成７６、従って酸素分離装置１２，１４をそれぞれ生成するための方法が図６に示される。方法はシリコン基板などの基板９０を設けることによって開始し得る。基板９０は例えば≧３００μｍ乃至≦１０００μｍの厚さを持ち得る。基板の一つ以上の表面上に、例えば≧５０ｎｍ乃至≦２００ｎｍの範囲の厚さを持つ二酸化シリコン若しくは窒化シリコンを有するさらなる層９２が設けられ得る。層９２は例えば基板を少なくとも部分的に酸化することによって形成され得るが、例えば化学蒸着、スピンコーティング若しくは任意の他の技術によって堆積されることもできる。これは図６のステップＡに示される。
【００６７】
図６のステップＢによれば、酸素分離膜７８が基板上に、若しくは層９２上にそれぞれ設けられる。膜７８は例えば、ゾル‐ゲル法、スピンオン処理及び／又は噴霧堆積など、一般に知られる堆積法によって基板上に堆積され得る。また、レーザアブレーション若しくはスパッタリング処理若しくは熱水処理も使用され得る。さらにまた、スクリーン印刷技術などの印刷技術も適用され得る。
【００６８】
図６のステップＣによれば、層９２及び基板９０が裏面から、すなわち膜７８に対して反対側からパターン化される。パターニングステップにより、基板９０はその間に流路９４を持つ、複数の基板バー８２を基板９０から形成することによって処理される。図６にステップＤとして示されるさらなるステップにおいて、膜７８に隣接する層９２は同一若しくは同等の方法でパターン化される。それぞれ基板９０及び層９２の処理、若しくはパターニングは、その結果例えばマイクロマシニング若しくはサンドブラスティングによって実現され得る。結果として得られる構造は≧５０μｍの長さを持つ支持バーを有し得る。
【００６９】
若干変更されたプロセスフローにおいて、≧３００μｍ乃至≦１０００μｍの潜在的な厚さを持つシリコン基板９０などの基板９０は、支持バー８２の所望の寸法に依存して、ステップＣにおいて複数の基板バーを実現するために基板９０が背面からパターン化される前に、≧５０μｍ乃至≦３００μｍの範囲の例示的な厚さに例えば研磨によって薄くされる。
【００７０】
本発明は図面と上記説明において詳細に図示され記載されているが、かかる図示と記載は例示若しくは説明であって限定ではないとみなされるものとし、本発明は開示の実施形態に限定されない。開示の実施形態への他の変更は、図面、開示、及び添付の請求項の考察から、請求される発明を実践する上で当業者によって理解されもたらされることができる。請求項において、"有する"という語は他の要素若しくはステップを除外せず、不定冠詞"ａ"若しくは"ａｎ"は複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されるという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。請求項における任意の参照符号は範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【図１】
2015530231.tif 000003
【図２】
2015530231.tif 000004
【図３】
2015530231.tif 000005
【図４】
2015530231.tif 000006
【図５】
2015530231.tif 000007
【図６Ａ）】
2015530231.tif 000008
【図６Ｂ）】
2015530231.tif 000009
【図６Ｃ）】
2015530231.tif 000010
【図６Ｄ）】
2015530231.tif 000011
【国際調査報告】
2015530231.tif 000012
2015530231.tif 000013
2015530231.tif 000014