(57)【要約】【課題】設備において、共通ヘッダにより相互接続された複数のモジュールの内の故障したモジュールを、残りのモジュールから分離可能な安価な分離装置を提供する。【解決手段】ガス流分離装置は、開状態から閉状態へ移動可能な（モジュール）分離弁を具備する。一実施例の（モジュール）分離弁は、該分離弁が開状態にある時に、ガスの流れに流体連絡する、破断ディスクを具備する。破断ディスクは、その前後を横切って所定の圧力差が発生すると破断して、分離弁を閉じる。分離弁は、破断ディスクに損傷が無い場合は、破断ディスクに機械的に連結して、開状態に保持されており、破断ディスクは、破断すると、分離弁を閉状態に移動可能にする。別の例では、クラッシャブル部材は分離弁を開状態に保持し、分離弁を通過するガスの流れは、破断ディスクの破断により、クラッシャブル部材を圧縮して分離弁を閉じる。【選択図】図１
2007152348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのモジュールからのガスの流れを、１つ以上の共通ヘッダを介して、前記１つのモジュールに接合されている１つ以上の別のモジュールから分離するためのガス流分離装置であって、
入口通路と出口通路であって、前記入口通路は、前記１つのモジュールからガスの流れを受け入れるために、前記１つのモジュールからの出口と連通するように適合され、前記出口通路は、前記ガスの流れを受け入れるための前記入口と連通し、前記ガス流分離装置から前記ガスを導き出す、前記入口通路と前記出口通路と、
前記ガス流分離装置における前記ガスの圧力が所定のレベルを超えたとき、前記入口通路から前記出口通路へのガスの流れを防止するために、開状態から閉状態へ移動可能なモジュール分離弁と、を具備するガス流分離装置において、
前記モジュール分離弁は、
第１面と第２面を有する破断ディスクであって、前記１つのモジュールの出口が、前記ガス流分離装置の前記入口通路と流れに関して連通するように設置され、前記モジュール分離弁が開状態にあって、前記ガス流分離装置の前記入口通路から前記出口通路へのガスの流れを可能にするとき、前記第１面は、前記１つのモジュールからの出口に、流れに関して連通しており、前記ガスは、前記破断ディスクの前記第１面と係合して圧力を加えており、前記破断ディスクの前記第２面は、所望の低圧に維持されているチャンバと流れに関して連通しており、所定の圧力差が前記破断ディスクの前後を横切って発生すると、前記破断ディスクは、破断する、前記第１面と前記第２面と、
前記入口通路と前記出口通路との間の弁座と、
対向する第１および第２端部を有する弁ステムであって、前記第１端部は、前記破断ディスクの前記第１面と機械的に連結されており、前記第２端部は、弁部材に結合しており、前記弁ステムの前記第１端部が前記破断ディスクと機械的に連結する時に、前記弁部材は、前記弁座から離隔して、前記入口通路から前記出口通路へのガスの流れを可能にし、更に、前記入口通路が、前記１つのモジュールからの前記出口と流れに関して連通するように設置されているときに、ガスの流れが前記破断ディスクの前記第１面と係合することを可能にする、弁ステムと、を具備しており、
それによって、前記破断ディスクは、前記破断ディスクに、その前後を横切って所定の圧力差が発生すると破断して、前記弁部材を前記弁座に対して着座させ、前記入口通路から前記出口通路へのガスの流れ、および前記破断ディスクを介してのガスの流れを停止する、ことを特徴とするガス流分離装置。
【請求項２】
前記弁ステムの前記第１端部は、前記第１面と係合することにより、前記破断ディスクの前記第１面と機械的に連結する、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項３】
２つ以上のモジュールが一緒に接合されるとき、前記出口通路は共通ヘッダと連通する、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項４】
前記出口通路において流れ制限孔を含んでおり、ガスが前記流れ制限孔を通り通過すると、前記流れ制限孔の下流のガス圧力は減少させられる、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項５】
所望の低圧に維持された前記チャンバは、前記流れ制限孔下流のガスの流れと、流れに関して連通することにより、前記所望の低圧に維持される、請求項４に記載のガス流分離装置。
【請求項６】
所望の低圧に維持された前記チャンバは、２つ以上のモジュールが一緒に接合されたときは、共通の低圧ヘッダの一部であり、前記弁システムは、前記破断ディスクが破断した後に閉状態にあるときは、ガスの流れが前記破断ディスクを通過して前記チャンバに流入することを防止する、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項７】
所望の低圧に維持された前記チャンバは、その中に低圧ガスを含む、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項８】
前記低圧ガスは、前記出口通路を流れるガスから分離されている、請求項７に記載のガス流分離装置。
【請求項９】
前記低圧ガスは、前記出口通路における流れ制限孔を通過したガスである、請求項７に記載のガス流分離装置。
【請求項１０】
イオン輸送メンブレンモジュールと接続されるように適合されて前記イオン輸送メンブレンモジュールから、前記ガス流分離装置の前記入口通路へのガスの流れを可能にするシールを含む、前記請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項１１】
酸素含有ガスから酸素を分離していて且つ前記酸素を、前記ガス流分離装置の前記入口通路へ導くために採用されるタイプのイオン輸送メンブレンモジュールと接続されるように適合されたシールを含む、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項１２】
前記ガス流分離装置は、合成ガスを製造するために採用されるタイプのイオン輸送メンブレンモジュールと接続されるように適合されたシールを含んでおり、使用済ガス分離装置であり、前記使用済ガス分離装置の入口通路は、前記モジュールから流出する使用済ガスと連通している、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項１３】
前記ガス流分離装置は、第２新鮮ガス分離装置と組み合わされており、
前記第２新鮮ガス分離装置は、
酸素含有ガスを受け入れるための入口通路と、
前記入口通路の下流の前記酸素含有ガス用の出口通路であって、前記新鮮ガス分離装置の前記出口通路は、前記イオン輸送メンブレンモジュールの酸素含有ガス入口と連通するように適合されて、前記酸素含有ガスを、前記モジュールへ、および前記モジュールを介して合成ガスの製造のために酸素イオンを供給するように導くことを可能にする、出口通路と、
前記新鮮ガス分離装置におけるモジュール分離弁であって、逆流により作り出された背圧が所定のレベルを超えたときに、前記イオン輸送メンブレンモジュールから前記新鮮ガス分離装置の前記入口通路への合成ガスの前記逆流を防止するために、開状態から閉状態へ移動可能である、モジュール分離弁と、を具備しており、
前記新鮮ガス分離装置における前記モジュール分離弁は、
第１面と第２面を有する破断ディスクであって、前記第１面は、前記第２分離装置の前記モジュール分離弁が開状態にあるときに、前記イオン輸送メンブレンの酸素含有ガス入口及び前記新鮮ガス分離装置の出口通路と流れに関して連通し、それにより、前記イオン輸送メンブレンモジュールからの合成ガスの任意の逆流に起因する背圧が、前記破断ディスクの前記第１面に直接的に作用し、前記破断ディスクの前記第２面は、所望の低圧に維持されたチャンバと流れに関して連通しており、前記背圧が所定の圧力レベルを超えると破断する前記破断ディスクと、
前記第２分離装置の前記入口通路と前記出口通路との間の弁座であって、通常の作動における酸素含有ガス流の方向において、前記弁座は、前記破断ディスクの下流で且つ前記イオン輸送メンブレンモジュールの前記酸素含有ガスの上流に配置される前記弁座と、
対向する第１および第２端部を有する弁ステムであって、前記第１端部は、前記第２分離装置の前記破断ディスクの前記第１面と機械的に連結されており、前記第２端部は、弁部材に結合しており、前記弁ステムの前記第１端部が前記破断ディスクと機械的に連結する時に前記弁部材は、前記弁座から離隔して、前記第２分離装置の入口通路から、前記イオン輸送メンブレンモジュールの酸素含有ガス入口への酸素含有ガスの流れを可能にし、更に前記イオン輸送メンブレンモジュールからの合成ガスの任意の逆流に起因する任意の背圧を、前記第２分離装置の前記破断ディスクの前記第１面へ直接的に作用することを可能にする、弁ステムと、を具備しており、
それにより、前記第２分離装置の前記破断ディスクは、前記背圧が所定の圧力レベルを超えたときに破断し、前記弁部材を、前記第２分離装置における前記弁座に対して着座させ、前記第２分離装置における前記モジュール分離弁を閉じ、それにより、前記イオン輸送メンブレンモジュールから前記第２モジュール分離装置の入口通路への合成ガスの逆流、および所望の低圧に維持され、前記破断ディスクを介して、前記第２分離装置と連通する前記チャンバへの合成ガスの逆流を防止する、請求項１２に記載のガス流分離装置。
【請求項１４】
前記第２分離装置における弁ステムの前記第１端部は、前記第１面と係合することにより、前記第２ハウジングの前記破断ディスクの第１面と機械的に連結する、請求項１３に記載の組合せ。
【請求項１５】
該組合せは、前記酸素含有ガスが前記第２分離装置にその入口通路から流入する前に通過する、流れ制限孔を含んでおり、
前記第２分離装置の前記入口通路は、前記流れ制限孔の上流の酸素含有ガス空間と連通する、請求項１３に記載の組合せ。
【請求項１６】
前記第２分離装置の前記破断ディスクと連通しており、所望の低圧に維持されている前記チャンバは、前記酸素含有ガス空間からのガスと流れに関して連通することにより、前記所望の低圧に維持される、請求項１５に記載の組合せ。
【請求項１７】
前記使用済ガス分離装置の前記破断ディスクと連通しており、所望の低圧に維持されている前記チャンバは、前記使用済ガス分離装置の出口通路を通過する使用済ガスと流れに関して連通することにより、前記所望の低圧に維持される、請求項１６に記載の組合せ。
【請求項１８】
前記新鮮ガス分離装置の破断ディスクと連通しており、所望の低圧に維持されている前記チャンバは、前記酸素含有ガス流から独立している低圧ガスと流れに関して連通することにより、前記所望の低圧に維持される、請求項１５に記載の組合せ。
【請求項１９】
前記新鮮ガス分離装置の破断ディスクと連通しており、所望の低圧に維持されている前記チャンバは、２つ以上のモジュールが一緒に接合されているときは共通ヘッダの一部であり、前記新鮮ガス分離装置の前記モジュール分離弁は、前記破断ディスクの破断後に閉状態にあるときは、前記新鮮ガス分離装置の破断ディスクと連通している前記チャンバ内へ、ガス流が破断したディスクを介して通過することを防止する、請求項１３に記載の組合せ。
【請求項２０】
１つモジュールからのガスの流れを、１つ以上の共通ヘッダを介して、前記１つのモジュールに接合されている１つ以上の他のモジュールから分離するためのガス流分離装置であって、このガス分離装置は、
入口通路と出口通路であって、前記入口通路は、前記モジュールからのガスの流れを受け入れるために、前記１つのモジュールからの出口と連通するように適合され、前記出口通路は、前記ガスの流れを受け入れるための前記入口と連通し、前記ガス流分離装置から前記ガスを導き出す、前記入口通路及び前記出口通路と、
前記ガス流分離装置の低端部を閉じる破断ディスクであって、対向する第１面および第２面を有する前記破断ディスクと、
前記破断ディスクの下流にあり、前記破断ディスクの前記第２面と連通する低圧チャンバと、
前記ガス流分離装置における前記ガスの圧力が所定のレベルを超えたとき、前記入口通路から前記出口通路へのガスの流れを防止するために、開状態から閉状態へ移動可能なモジュール分離弁であって、前記破断ディスクの前記第１面は、前記モジュールの出口が前記ガス流分離装置の前記入口通路と流れに関して連通するように設置され且つ前記モジュール分離弁が開状態にあるときに、前記モジュールの出口と流れに関して連通し、前記モジュール分離弁は、開状態にあるときは、前記ガス流分離装置の前記入口通路から前記出口通路へのガスの流れを可能にし、更に前記破断ディスクの前記第１面にガスの流れが係合することを可能にし、前記破断ディスクは、前記破断ディスクの前後を横切って作用する圧力差が所定圧力差を超えると破断する、モジュール分離弁と、を具備しており、
前記弁システムは、
前記入口通路と前記出口通路の間の弁座と、
その１つの端部に弁部材を有する弁ステムであって、前記モジュール分離弁は、前記弁部材が前記弁座から離隔するときは開状態にあり、前記弁部材が前記弁座に対して着座しているときは閉じ状態にあり、前記モジュール分離弁は、クラッシャブル部材により通常は開状態に付勢されており、前記クラッシャブル部材が圧縮されると閉状態になり、前記弁ステムは、前記モジュール分離弁が開状態にあるときは、前記破断ディスクと力伝達可能に係合せず、前記クラッシャブル部材は、前記破断ディスクが破断した後、前記弁部材に対抗するガス流によって前記弁部材に作用する力により圧縮させられる、弁ステムと、
を具備する、ガス流分離装置。
【請求項２１】
前記クラッシャブル部材用の静止した支持表面であって、その中に、前記弁ステムと軸方向に整列した通路を含む、静止した支持表面であって、前記クラッシャブル部材は、前記支持表面に支持されていて且つ前記弁ステムと軸方向に整列する通路を有する、支持表面と、
前記弁ステムに接続する作動部材であって、前記破断ディスクの破断後、前記クラッシャブル部材と係合し且つそれを圧縮するために、前記弁ステムと共に軸方向に移動可能である作動部材と、を有する、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項２２】
前記クラッシャブル部材はバネ部材である、請求項２０または２１に記載のガス流分離装置。
【請求項２３】
前記ハウジングの出口通路は、２つ以上のモジュールが一緒に接合されたときに、共通ヘッダの一部である、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項２４】
ガスが前記分離装置から流出するときに前記ガスが通過する、出口通路における流れ制限孔を含む、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項２５】
所望の低圧に維持されている前記チャンバは、前記出口通路を通過するガスと流れに関して連通することにより前記所望の低圧に維持される、請求項２４に記載のガス流分離装置。
【請求項２６】
所望の低圧に維持されている前記チャンバは、２つ以上のモジュールが一緒に接合されているときは、共通ヘッダの一部であり、前記モジュール分離弁は、前記破断ディスクの破断後は、閉状態にある場合に、前記破断したディスクを通過して前記チャンバへ流れるガスの流れを防止する、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項２７】
所望の低圧に維持されている前記チャンバは、その中に低圧ガスを含む、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項２８】
前記低圧ガスは、前記出口通路を流れるガスから分離されている、請求項２７に記載のガス流分離装置。
【請求項２９】
前記低圧ガスは、前記出口通路を通過するガスである、請求項２７に記載のガス流分離装置。
【請求項３０】
イオン輸送メンブレンモジュールに接続して、前記イオン輸送メンブレンモジュールから、前記流れ分離装置の入口通路へのガスの流れを可能にするように適合されたシールを含む、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項３１】
酸素含有ガスから酸素を分離するためで且つ前記酸素を、前記ガス流分離装置の入口通路へ導くために採用されるタイプのイオン輸送メンブレンモジュールに接続されるように適合されたシールを含む、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項３２】
前記ガス流分離装置は、合成ガスを製造するためのタイプのイオン輸送メンブレンモジュールに接続されるように適合されたシールを含んでおり、使用済ガス分離装置であり、前記使用済ガス分離装置の入口通路は、前記モジュールから流出する使用済ガスと連通する、前記請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項３３】
前記ガス流分離装置は、第２新鮮ガス分離装置と組み合わされており、
前記第２新鮮ガス分離装置は、
酸素含有ガスを受け入れるための入口通路と、
前記入口通路の下流の前記酸素含有ガス用の出口通路であって、前記第２分離装置の前記出口通路は、前記イオン輸送メンブレンモジュールの酸素ガス含有入口と連通するように適合されて、前記酸素含有ガスを、前記第２分離装置から、前記イオン輸送メンブレンモジュールへ、およびそこを介して合成ガスの製造のために酸素イオンを供給することを可能にする、出口通路と、
前記第２分離装置の低端部を閉じる第２破断ディスクであって、対向する第１面および第２面を有する、前記第２破断ディスクと、
前記第２破断ディスクの下にあり、前記第２破断ディスクの前記第２面と連通している低圧チャンバと、
前記第２分離装置における第２モジュール分離弁であって、開状態から閉状態へ移動可能で、逆流により作り出された背圧が所定のレベルを超えたときに、前記イオン輸送メンブレンモジュールから、前記第２分離装置の入口通路への合成ガスの前記逆流を防止し、前記第２破断ディスクの前記第１面は、前記第２モジュール分離弁が開状態のときは、合成ガスの前記逆流と流れに関して連通しており、前記第２分離装置の前記入口通路は、第２分離弁が開状態のときは、前記第２分離装置の出口通路およびイオン輸送メンブレンモジュールの酸素含有ガス入口と流れに関して連通しており、前記第２分離装置の前記入口通路は、前記第２分離弁が開状態のときに、前記第２分離装置の前記出口通路及び前記イオン輸送メンブレンモジュールの前記酸素含有ガス入口と流れに関して連通して、合成ガスの製造用に酸素を供給するために、前記酸素含有ガスを、前記第２分離装置から前記イオン輸送メンブレンモジュールへ、およびそこを介して導くことを可能にする第２モジュール分離弁と、を具備しており、
前記第２モジュール分離弁は、
前記第２分離装置の前記入口通路と前記出口通路の間の弁座と、
その１つの端部に弁部材を有する弁ステムであって、前記第２モジュール分離弁は、前記弁部材が前記弁座から離隔するときは開状態であり、前記弁部材が前記弁座に対して着座するときは閉状態である、前記弁ステムと、
前記第２モジュール分離弁を、通常は開状態に付勢するためのクラッシャブル部材であって、前記第２弁は、前記クラッシャブル部材が圧縮されると閉状態に移動し、前記弁ステムは、前記第２モジュール分離弁が開状態のときは前記第２破断ディスクに、力伝達可能に係合せず、前記クラッシャブル部材は、合成ガスの逆流により前記第２破断ディスクが破断させられた後、合成ガスの前記逆流によって弁部材に作用する力により圧縮されて前記分離弁を閉じる、クラッシャブル部材と、を具備する、請求項３３に記載のガス流分離装置。
【請求項３４】
前記第２分離弁の前記クラッシャブル部材用であって且つ前記第２分離弁の前記弁ステムと軸方向に整列している通路を含む、静止した支持表面であって、前記第２分離弁の前記クラッシャブル部材は、前記支持表面上に支持され、前記第２弁システムの弁ステムと軸方向に整列している通路を有する、静止した支持表面と、
第２分離弁の弁ステムに接続する作動部材であって、前記第２破断ディスクの破断後に、前記クラッシャブル部材と係合し且つそれを圧縮するために、前記第２分離弁の前記弁ステムと軸方向に移動可能である作動部材と、を有する、請求項３３に記載の組合せ。
【請求項３５】
前記第２分離弁の前記クラッシャブル部材はバネ部材である、請求項３３または３４に記載の組合せ。
【請求項３６】
該組合せは、前記酸素含有ガスが前記新鮮ガス分離装置へ、その入口通路から流入するときに通過する流れ制限孔を含んでおり、
前記新鮮空気分離装置の前記入口通路は、前記流れ制限孔の上流の酸素含有ガス空間と連通している、請求項３３に記載の組合せ。
【請求項３７】
前記第２破断ディスクの前記第２面と連通している前記低圧チャンバは、前記酸素含有ガス空間からのガスと流れに関して連通することにより、所望の低圧に維持される、請求項３６に記載の組合せ。
【請求項３８】
前記使用済ガス分離装置の前記破断ディスクと連通していて且つ所望の低圧に維持される、前記チャンバは、前記使用ガス分離装置の前記出口通路を通過する使用済ガスと流れに関して連通することにより、前記所望の低圧に維持される、請求項３７に記載の組合せ。
【請求項３９】
前記第２分離装置の前記第２破断ディスクの前記第２面と連通していて且つ所望の低圧に維持される、前記低圧チャンバは、前記第２分離装置の前記入口通路への前記酸素含有ガス流から独立する低圧ガスと流れに関して連通することにより前記所望の低圧に維持されている、請求項３３に記載の組合せ。
【請求項４０】
第２破断ディスクの前記第２面と連通していて且つ所望の低圧に維持される、前記低圧チャンバは、２つ以上のモジュールが一緒に接合されているときは、共通ヘッダの一部であり、
前記第２分離装置の前記第２分離弁は、前記第２破断ディスクの破断後、閉状態であるときは、前記第２破断ディスクを通過して、前記第２破断ディスクの前記第２面と連通している前記低圧チャンバへ流れるガスの流れを防止する、請求項３３に記載の組合せ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つのモジュールから１つ以上の共通ヘッダを介して一緒に接合されている１つ以上の別のモジュールへのガスの流れを、分離するためのモジュール分離装置に関する。より具体的には、本発明は、酸素含有ガス（例えば空気）から純化酸素を製造するために、または合成ガスを生成するために特別に設計されたイオン輸送メンブレン（膜）（ＩＴＭ）モジュールのための分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素含有ガスから酸素を分離するための、または合成ガスを製造するための（ＩＴＭ）モジュールを使用することは、この技術分野においてよく知られている。ＩＴＭ酸素モジュールを開示している代表的な特許は、Ｔａｙｌｏｒその他による米国特許第５，６８１，３７３号であり、本出願の譲受人に譲渡されている。Ｔａｙｌｏｒその他による第’３７３号の特許は、本明細書においてその全体を参考文献として組み込んでいる。
【０００３】
ＩＴＭ合成ガスモジュールを開示している代表的な特許出願は、Ｃａｒｏｌａｎその他による米国公開出願第２００４０１８６０１８号であり、本出願の譲受人に譲渡されている。Ｃａｒｏｌａｎその他による第’０１８号出願は、本明細書においてその全体を参考文献として組み込んでいる。
【０００４】
ＩＴＭ酸素および合成ガスモジュールは、代表的には、高温で作動するセラミックメンブレン（膜）である。これらのメンブレンは、メンブレンの一方の側においては、メンブレンの反対側より高い圧力の処理ガスと機能する。通常の構成においては、複数のメンブレンモジュールは、モジュールの低圧ガス側の共通ヘッダにおいて、直列および並列の状態で多岐管（マニホールド）で結合されている。
【０００５】
酸素含有ガスから酸素を分離するＩＴＭ酸素モジュールにおいては、酸素含有ガスは、圧力のもとで、モジュールの通路を通って、モジュールを構成する複数のメンブレンの高密度混合導体酸素層と接触するように導かれる。酸素含有ガスから酸素を分離する駆動力は、種々のメンブレンの高密度混合導体酸素層の反対側の酸素分圧における差異を生成することにより供給され、その後、ガスから除去された酸素は、一般的に複数のＩＴＭモジュールと連通している製造ヘッダから導出される。
【０００６】
ＩＴＭモジュールが、合成ガスの製造に使用されるとき、モジュールは一般的には７００〜９００度の範囲の温度に加熱され、ＩＴＭ合成ガスモジュールと連通しているパイプ内部の空気の処理温度は、一般的に同じ動作温度である。合成ガスの製造において、メタン、天然ガス、エタン、またはこの技術において知られている、他の入手可能な軽い炭化水素混合物のような軽い炭化水素を一般的に含む供給原料が、ＩＴＭモジュールのメンブレン間の通路に導入される。酸素含有ガスは、は、モジュールの種々のメンブレンの内部支持層に導入され、そこで酸素は、メンブレンのそれぞれの高密度混合外部導体酸素層を介して、軽い炭化水素と係合するように浸透して、合成ガスを形成する。
【０００７】
個々のメンブレンモジュールが故障すると、高圧プロセス（処理）ガスは、割れ目または欠陥を介して低圧プロセス（処理）ガスに流れ込む。ＩＴＭ酸素モジュールの場合、そのような欠陥は、浸透酸素の純度の喪失という結果になる。ＩＴＭ合成ガスモジュールの場合、そのような欠陥は、空気源と合成ガスが直接混合するという結果になり、安全性が脅かされる可能性がある。更に、故障により、他のモジュールへの空気の供給に対して背圧を形成するという結果になり、空気の流れまたは分布を妨害し、これもまた製造された合成ガスの損失という結果にもなり得る。
【０００８】
上記の説明から、個々の故障したモジュールを、１つ以上の共通ヘッダにより故障したモジュールと相互接続されたモジュールの残りの部分から分離することのできる装置（デバイス）またはシステム（装置）に対する必要性が存在することは明白である。そのような分離装置（デバイス）またはシステムは、高い温度に上昇した処理容器内で作動できなければならず、また、信頼性があり、最も好ましくは、設計が安価でなければならない。ＩＴＭモジュールと一緒に使用される遮断または分離弁はこの技術において知られている。これらの弁は、それらを閉じるアクチュエータを必要とし、代表的には、アクチュエータは、過圧（過剰圧力）信号によりトリガ（作動）される空気または電気ソレノイドである。これらのアクチュエータは、ＩＴＭ反応容器内において高温で作動するようには設計されていない。更に、より安価な装置の方が有利である。この点に関して、純粋に機械的なアクチュエータは、価格と信頼性の両者の観点から、空気または電気ソレノイドの使用より優位性を有すると信じられている。
【０００９】
モジュール分離装置またはシステムの使用により、製造物の純度が維持され、また、個々のモジュールが故障しても、製造物の純度、安全性、または操作性を損なうことなく、ＩＴＭ酸素または合成ガス反応器を運転し続けることが可能になる。
【００１０】
本発明により取り上げられる問題は、ガスの圧力が所定値を超えたときに、故障したＩＴＭモジュールに起因するガスの流れを停止する方法に関する。装置は、そのためのアクチュエータを含み、高く上昇した温度で作動できなければならず、正常な動作中に、ガスが、許容できる制約のレベルで装置（デバイス）を流れることを可能にする信頼性がなければならない。
【００１１】
圧力トランスデューサ（発信器）からの過圧（過剰圧力）信号に対応する作動式（ａｃｔｕａｔｅｄ）弁を使用する従来の技術により、本発明と同じ機能を達成することができるが、非常に複雑になった装置が必要となる。各モジュールは、増大した圧力の存在を検知するために、別に設置された圧力トランスデューサを必要とする。更に、各モジュールもまた作動式弁を必要とする。これには、各空気アクチュエータへの空気ライン、または各電気アクチュエータへの電力の経路敷設（ｒｏｕｔｉｎｇ）が含まれることがある。各アクチュエータの論理制御を行うハードウェアもまた必要となることもある。本発明の良好な実施形態において採用されるようなＩＴＭ反応器に対しては、ラインと装置の数と複雑さは相当なものである。
【００１２】
米国特許第６，１３１，５９９号は、破断ディスクにより制御され且つ機械的に作動する圧力逃がし弁アセンブリを開示している。特許第’５９９号の図５に示す実施の形態においては、圧力感応ピストン２１２にかかる圧力の過剰な低下により、破断ディスク２０４を介して作動ロッド２１６を押し、それにより、入口１８８と出口１９０の間の流れを遮断する。特許第’５９９号の実施形態の図５における破断ディスクは、プロセス（処理）流体に流れに関して連通していないことに留意されたい。別の言い方をすれば、プロセス（処理）流体は、破断ディスクの表面に、ガス流または圧力が直接かからないようにして、入口から出口に流れる。特許第’５９９号の装置はピストンの前後を横切って生じる圧力差により作動するという事実のため、それは、装置を介する過剰な流れのみを感知する。即ち、圧力が、ガスの増大した流れを伴わなければ、装置内の上昇した圧力を検出しない。装置にかかる（デバイスの前後を横切って生じる）圧力差は、作動流体組成、流体の速度、流体の粘度、および流体の密度のような、装置の作動条件の関数である。このように、装置の作動条件を変更すると、装置にかかる圧力差が変化し、そのため、ガスの流れを遮断するために破断ディスクが破断する流量を変化させる。これは避けるべき制限であり、本発明の装置においては存在しない。以降に指摘するように、本発明の分離装置は、装置の入口と出口が分離されている場合のように、相当な量の流れがないときでも、破断装置にかかるある所与の過圧において、流れるガスを実際に遮断する。
【００１３】
特許第’５９９号の図５に開示された装置における更なる欠点は、それが、ハウジングの出口側に位置した弁座およびアクチュエータ機構としか作動しないように設計されていることである。そのような装置は、ＩＴＭの合成ガスモジュールの空気入口上では作動できない。ＩＴＭの合成ガスモジュールが故障した場合、出口脚部上の流れは増大するが、入口脚部上の流れは、供給空気の圧力に対して相対的に高いモジュール中の圧力のために、停止または反転する。特許第’５９９号の図５に開示された装置内における流れの反転により、弁２１２を強制的に開いた状態にし、破断ディスクには力が加わらない。本発明は、通常の流れ方向の入口または出口側に位置する弁座に対して採用することができ、それにより、本発明の設計をより幅広くしている。
【００１４】
Ｔａｙｌｏｒによる米国特許第５，０６７，５１１号は、高圧流体緊急遮断弁を開示している。特許第’５１１号の図３は、この特許の教示に従う代表的な弁の断面図を開示している。具体的には、入口１８における圧力は、弁シャフト４４を介して軸座屈（ｂｕｃｋｌｉｎｇ）ピン１４へ転送される。圧力が十分に高ければ、ピン１４は座屈し、それにより弁ピストン４７は弁座３８に着座し、入口ポート１８と出口ポート２４間の流体の流れを停止する。弁シャフト４４に沿って伝達される圧力に対して、滑走シール４８が、シャフトの２つの端部間の圧力差を維持するために設けられる。特許第’５１１号に開示されたように、座屈（ｂｕｃｋｌｉｎｇ）ピンを使用することは、本発明の装置における破断ディスクの使用とは実質的には異なる。更に、特許第’５１１号に開示された構造において滑走シール４８を使用することが要求されるので、そのような構成は、本発明の装置（デバイス）に対して好適な適用である、高温での適用においての使用には不適切である。
【００１５】
Ｈｕｆｆによる米国特許第４，２４０，４５８号は、過剰圧力遮断弁を開示している。特許第’４５８号の図２と図３は、この特許の教示に従う代表的な弁の断面図を示している。空間２０における過剰圧力により、双安定スナップ動作（ｂｉ−ｓｔａｂｌｅ  ｓｎａｐ−ａｃｔｉｎｇ）ディスクである隔膜（ダイアフラム）２４は、もう一方の安定位置に収まる。これにより弁シャフト６４が図において上に移動し、Ｏリング７６を、シーリング面１８とシーリング（密封）係合させ、それにより、装置の入口１４と出口１６の間の流れを遮断する。特許第’４５８号に開示された設計の主な欠点は、双安定スナップ動作ディスクの移動範囲が小さく、ディスクの２つの安定した位置により制限されるということである。これは、弁の移動の制限された範囲という結果になり、そのため、弁が最大に開いた位置でも制限された開きになってしまう。更に、Ｏリングの任意の磨耗は、弁シャフト６４の追加的軸方向移動により補償されない。本発明のモジュール分離装置に採用された分離弁は、これらの望ましくない移動範囲の制限がない。
【００１６】
Ｗｅｓｔｍａｎによる、本出願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第５，８１０，０５７号は、特許の図１に示すように、滑走ピストン２８から構成される圧力容器充填保護装置を開示している。ポート５８は、容器のヘッド空間と流れに関して連通しており、また破断ディスク９０とも連通している。ポート５６は、容器のヘッド空間と流れに関して連通している。容器のヘッド空間が過圧（過剰圧力）状態になったときは、破断ディスク９０は故障し、ピストンの上部の空間を減圧し、それにより力がピン４０に作用し、それによりそのピンが損傷する。これにより、ピストンは上方にスライドし、ポート２２と２４の間の流れに関する連通を閉じる。特許第’０５７号に開示されたシステムは、ピストン型弁の使用を必要とし、それは、上昇した温度条件においての使用には耐えられない滑走シールを必要とする。前記で指摘したように、本発明のモジュール分離装置の最も所望される使用法は、上昇した温度条件で機能するＩＴＭモジュールと関連して使用されることである。
【００１７】
Ｂｒａｚｉｅｒその他による米国特許第６，４８４，７４２号は、図１１に示すような圧力作動遮断弁を開示している。過剰に高い圧力は、シャフト３０８を介して伝達され、ピン２１６が座屈する。ピン２１６が座屈すると、弁プラグ３１４は、弁座３１６に対して着座して流体の流れを停止する。弁シャフト３０８を移動するために十分な圧力差を生成するためには、それが弁体３０２を通過するときに、シャフトの周りに良好な圧力シールが要求される。弁シャフトの周りにいかなるシールの使用をも必要としないシステム、特に、高温の適用においての使用を意図したシステムを設計することは非常に望ましい。高温に上昇した温度における動作のために、特許第’７４２号に開示された弁とシャフトは、それらが互いに結合しないように慎重に構成することが必要である。または、シール領域は、その領域が熱くなり過ぎないように、熱い処理流体から慎重に熱遮断される必要がある。また、本発明とは異なるが（下記に続く検討で明らかになる）、座屈することが必要なピンはカートリッジアセンブリを通る流路に直接的に設けられない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は設備において、個々の故障したモジュールを、故障したモジュールと１つ以上の共通ヘッダによって相互接続されたモジュールの残りの部分から分離することのできる分離装置を提供することを目的とする。これにより、製造物の純度が維持され、個々のモジュールが故障しても、製造物の純度、安全性、または操作性を損なうことなく、設備を稼動し続けることが可能になる。
本発明の別の目的は、処理容器内等の高温の環境において、適切に機能可能で信頼性があり且つ安価な分離装置またはシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に従うガス流分離装置またはシステム（装置）は、ガスの流れを、１つのモジュールから、１つ以上の共通ヘッダを介して１つのモジュールに接合された１つ以上の別のモジュールから分離する。これらのガス流分離装置またはシステムは、入口通路と出口通路を具備しており、入口通路は、モジュールの１つ出口と連通するように適合されており、そこからガスの流れを受け入れる。出口通路は入口通路と連通しており、モジュールからのガスの流れを受け入れ、ガスを分離装置から外に導き、好ましくは、別のモジュール用の分離装置と連通するように適合された出口ヘッダに導く。オプションとして（選択可能に）、ガスが出口ヘッダに流入するときに、そのヘッダ内のガスの圧力を減少するためにそこを通過することを要求される、流れ制限孔を設けることができる。弁システムは開状態から閉状態へ移動可能であり、分離装置中のガスの圧力が所定のレベルを超えたときに、入口通路から出口通路へのガスの流れを防止する。
【００２０】
本発明のある実施の形態に従う弁システムは、破断ディスクと、弁座と、弁ステムを採用する。破断ディスクは第１面と第２面を有しており、出口がハウジングの入口通路と流れに関して連通するように設置され且つ弁システムが開状態にあって分離装置の入口通路から出口通路へのガスの流れを可能にするときに、第１面は、モジュールからの出口と流れに関して連通している。弁システムのこの開状態において、ガスの流れはまた破断ディスクの第１面に突き当たり、そこに圧力を作用させる。破断ディスクの第２面は、所望の低圧力に維持されたチャンバと流れに関して連通しており、破断ディスクは、破断ディスクの前後を横切って所定の圧力差が生じると破断するように設計されている。弁座は、ハウジングの入口通路と出口通路の間に位置しており、破断ディスクの上流側、つまり、破断ディスクに作用するガス流の方向の上流に位置している。弁システムの弁ステムは、対向する第１および第２端部を有しており、第１端部は、破断ディスクの第１面と機械的に連結しており、第２端部は弁部材に結合されている。弁システムの第１端部が破断ディスクに機械的に連結され、ハウジングの入口通路から出口通路へのガスの流れを可能にし、また、破断ディスクの第１面と係合を可能にするときに、弁部材は、弁座から離隔している。破断ディスクは、それの前後を横切る圧力差が所定の圧力差を超えると破断し、それにより、弁部材を弁座に対して着座させて、入口通路から出口通路へのガスの流れ、および破断ディスクを通してのガスの流れを停止する。
【００２１】
本発明のある実施の形態に従えば、弁ステムは垂直な方向を向き、弁ステムの第１端部は、破断ディスクの第１面と、その面に係合することにより、機械的に連結する。このように、ディスクの破断は、弁ステム及びそれに関連する弁部材を、重力により弁座と係合するように移動させる。更に、ディスクの破断の原因となるガスの流れは、弁部材の前後を横切る圧力の低下を引き起こし、この圧力低下が弁部材を弁座に対して着座させることを補助する。
【００２２】
本発明のある実施の形態において、所望の低圧力に維持されていて、破断ディスクの第２面と連通しているチャンバは、出口ヘッダを流れる低圧プロダクション（生産）ガスと流れに関しての連通を維持されている。
【００２３】
本発明のある実施の形態において、所望の低圧力に維持されていて、破断ディスクの第２面と連通しているチャンバは、その中に分離低圧ガスを採用することによりその圧力に維持される。この後者の実施の形態において、破断ディスクが破断すると閉じる逆止弁を含み、それによりこの後者のチャンバにおける低圧ガスが出口ヘッダに流入することを防ぎ、生成ガスを汚染することを防ぐようにすることが好ましい。
【００２４】
本発明のある良好な実施形態において、モジュールは、酸素含有ガス（例えば、空気）から酸素を分離し、純化酸素を分離装置の入口通路に導き、その後の収集と使用のために、出口ヘッダへ出口通路を介して導くイオン輸送メンブレンモジュールである。
【００２５】
本発明の別の好適な実施の形態において、モジュールは、合成ガスを製造するイオン輸送メンブレンモジュールであり、モジュール分離装置の入口通路は、モジュールから流出する使用済の酸素含有ガスと連通している。
【００２６】
モジュールが合成ガスを製造するイオン輸送メンブレンモジュールである本発明の実施の形態において、第２分離装置がモジュールへの酸素含有ガスを導く（例えば、新鮮ガス（例えば、空気）供給）ために設けられる。モジュールのメンブレン（膜）の高密度層を通して浸透する酸素は、メタン、または他の低炭化水素ガスのような適切な供給原料と接触し、合成ガスを形成または製造する。ＩＴＭ合成ガスモジュールからの出口は使用済ガス（つまり、酸素を供給原料に与えた後に残っているガス）を、第１分離装置（つまり、使用済ガス分離装置）の入口へ転送し、その中の弁システムが開状態のときに、第１使用済ガス分離装置の入口からその装置の出口通路へ導かれるのがこの使用済ガスである。第２または新鮮ガス分離装置は、使用済ガス分離装置に採用されたものに非常に類似している弁システムを採用し、モジュールの故障の際は、合成ガスの、新鮮ガス供給元への逆流を防ぐために閉じるように設計されている。同様に、使用済ガス分離装置における弁システムは、ＩＴＭモジュールの故障の際に、合成ガスが使用済ガスと混合することを防止し、使用済ガス分離装置の出口通路から導き出されることを防止するために、閉じるように設計されている。
【００２７】
本発明のある実施の形態において、新鮮ガス分離装置における弁は、この分離装置の弁システムが開状態にあるときに、ＩＴＭモジュールの酸素含有ガス入口と、新鮮ガス分離装置の新鮮ガス出口通路と流れに関して連通している第１面を有する破断ディスクを含む。この後者の状態において、イオン輸送メンブレンモジュールからの合成ガスの任意の逆流に起因する背圧が、新鮮ガス分離装置における破断ガスの第１面に直接的に作用する。新鮮ガス分離装置の破断ガスの第２面は、所望の低圧力に維持されたチャンバと流れに関して連通しており、破断ディスクは、背圧が所定の圧力レベルを超えたとき、つまり、破断ディスクの前後を横切る（前後における）圧力の低下が所定のレベルを超えたときに破断するように設計されている。
【００２８】
本発明のある実施の形態において、新鮮ガス分離装置における弁アセンブリは、弁座および第１または使用済ガス分離装置に採用されたものに類似する弁ステムを含む。つまり、弁ステムは、対向する第１および第２端部を有し、第１端部は、破断ディスクの第１面に機械的に、好ましくは、第１面に係合することにより連結されており、第２端部は、弁部材に結合されている。破断ディスクの前後における圧力差が、故障したモジュールの合成ガスの逆流により、所定の値を超えると、破断ディスクが故障し、それにより、弁部材を、重力と、そのモジュールからの合成ガスの流れによって形成された弁部材の前後における圧力の低下により弁部材にかかる力との両者により、弁座に対して着座させる。
【００２９】
本発明のある実施の形態において、流れ制限器（例えば、流れ制限孔）を、新鮮ガス分離装置への新鮮ガス入口通路と、使用済ガス分離装置の使用済ガス出口通路に設けることができる。そのような流れ制限器が採用されると、新鮮ガス入口通路と連通している新鮮ガスヘッダまたは、使用済ガス分離装置の使用済ガス出口通路と連通している使用済ガスヘッダを、低圧チャンバまたは、新鮮ガスおよび使用済ガス分離装置のそれぞれにおける破断ディスクの第２面と連通しているヘッダとして採用することができる。
【００３０】
所望するのであれば、新鮮ガス分離装置と使用済ガス分離装置との両者における破断ディスクの第２側面と連通している低圧チャンバを、新鮮ガス分離装置へ流入する新鮮ガスと、使用済ガス分離装置から流出する使用済ガスそれぞれから完全に分離された低圧ガスと連通するようにできる。新鮮ガス供給ヘッダが、新鮮ガス分離装置内の破断ディスクの第２面と連通している低圧ヘッダを構成しないときは、新鮮ガスが、作動不良のＩＴＭモジュールへ、破断したディスクを介して低圧ヘッダへ供給することを防止するために逆止弁が必要となる。同様に、使用済ガスヘッダが低圧ヘッダを構成しないときは、使用済ガスヘッダからの使用済ガスが、破断したディスクを介して低圧ヘッダへ流れ込むことを防止するために、使用済ガス分離装置に逆止弁が必要となる。
【００３１】
弁ステムが機械的に破断ディスクに連結される本発明の実施の形態は、ある適用においては良好に機能するが、そのような構成には欠点がある。特に、ガス流が、入口通路から分離装置の出口通路へ移動するときに、その流れが弁に作用して弁を振動させる可能性があり、それにより破断ディスクと係合している弁ステムの端部がディスクに対して振動する。これにより、実際には、ＩＴＭモジュールが依然として通常状態で機能しているときに、破断ディスクが時機尚早に破断することになる。
【００３２】
本発明の上述した実施の形態に関連する振動問題を克服するために、本発明の別の、より好適な実施の形態においては、弁システムの一部として破断ディスクを含まない。弁ステムは、弁が通常の開状態のときは、破断ディスクとは係合しないように保持される。具体的には、弁システムは、通常は弁システムを開状態に付勢するクラッシャブル部材を含む。クラッシャブル部材は、破断ディスクとは独立している。クラッシャブル部材がつぶれると、弁システムは閉状態に移動する。これらの別の好適な実施の形態においては、弁ステムは、開状態のときは、破断ディスクとの、力の伝達可能な係合はしておらず、好適な構造においては、いかなるときも破断ディスクと係合しない。クラッシャブル部材は、破断ディスク前後を横ぎって生じる圧力差が破断ディスクを損傷させた後につぶれるように設計されている。具体的には、破断ディスクが損傷した（つまり、破断により）後、破断ディスクを介して、高圧側から、その後の低圧側へのガスの流れは、弁部材の前後における圧力差を生成し、それにより弁部材を、その対応する弁座に対して下方向に押して係合させる。最も好適な実施の形態においては、弁システムの閉状態においても、弁ステムは、破断の前に、破断ディスクが占める面を破壊しない。
【００３３】
本発明の最も好適な実施の形態においては、クラッシャブル部材は、圧縮型バネであり、圧縮後に伸張して、弁アセンブリを、モジュールから分離装置へのガスの流れが中断した後に、通常の開状態にすることも可能である。
【００３４】
本発明のある構造において、クラッシャブル部材は、分離装置内における移動に抗して接続されていて且つ弁ステムと軸方向に整列する通路を含む、多孔または有孔の支持表面において、軸方向の移動に抗して支持される。作動部材は、弁ステムに接続しており、破断ディスクが破断した後に、クラッシャブル部材と係合し、それをつぶすために弁ステムと共に軸方向に移動可能である。
【００３５】
弁アセンブリを開状態に通常維持するクラッシャブル部材を採用する本発明の実施の形態は、ＩＴＭ酸素モジュールと共に共通して採用される単一のモジュール分離装置において採用可能であり、および／または、ＩＴＭ合成ガスモジュールと共に一般的に採用される、新鮮ガスおよび／または使用済ガスモジュール分離装置の１つ又は両者においても採用することができる。
本発明は、添付図を参照することにより、例として説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図１を参照して、本発明の１つの実施形態に従うモジュール分離装置が１０として示されている。モジュール分離装置は、イオン輸送メンブレン（膜）（ＩＴＭ）酸素モジュール１２から浸透する酸素を受け取るために使用される。例としてのＩＴＭ酸素モジュールは、米国特許第５，６８１，３７３号に開示されており、その主題は、その全体が本明細書に参考文献として組み込まれている。また、前述したように、ＩＴＭ酸素モジュールは、Ｔａｙｌｏｒその他による米国特許第５，６８１，３７３号に記載されている。この後者の特許は、既に参考文献として本明細書に組み込まれている。
【００３７】
ＩＴＭ酸素モジュール１２から浸透する酸素は、最初はモジュールのメンブレン（膜）ユニット１６の間に設けられた通路１４へ導かれた酸素含有ガス（つまり、空気）から除去された純化酸素である。メンブレンユニット１６は、酸素が浸透する高密度混合導体酸素層を含む。浸透した酸素、つまり、純化酸素は、モジュール１２から、セラミックスタックマニフォルド１８と、セラミック−金属シール２０を介して、モジュール分離装置１０の入口２２に導かれる。
【００３８】
更に図１を参照すると、モジュール分離装置１０は、浸透酸素の流れを受け入れるための入口通路２２の下流の出口通路２６を具備する。オプションとして（選択可能に）、出口通路２６は、酸素が、酸素収集ヘッダまたは空間３０へ入る前に通過する、流れ制限孔２８を含むことができる。必要ならば、流れ制限孔２８を、例えば、漏れ（リーク）によりモジュール１２からの増大した流れの場合、十分な背圧を提供して、破断ディスク（以降、詳細が記述される）に作用する圧力を、モジュール１２の通常の動作中に遭遇する圧力よりも高い値に増大するように設計できる。ＩＴＭ酸素モジュール１２の動作不良に起因するより高い圧力は、モジュールを分離するために破断ディスクを破断するが、これはこの本願明細書において後で詳細を記述する。酸素収集空間（プレナム）３０は、１つ以上の、直列または並列に配置された、追加的ＩＴＭ酸素モジュールと一般的に関連しており、すべてのモジュールからの浸透酸素が、共通の酸素収集空間３０に流入し且つそこを通過するようになっていることを理解されたい。
【００３９】
本発明の独特な機能は、モジュール分離装置１０の部分を形成するモジュール分離弁４０の構造と動作にある。弁４０は、開状態にあるときは、浸透酸素が入口通路２２から、出口通路２６を介して流れ、閉状態にあるときは、浸透酸素が出口通路に流れることを防止するように設計されている。
【００４０】
モジュール分離弁４０は、弁座４２と、そのひとつの端部に弁部材４６を含む弁ステム４４と、弁ステム４４の反対側の端部と係合している第１面５０を有する破断ディスク４８とを含む。破断ディスク４８は、導管５８を介して低圧ヘッダ５６と流れに関して連通している第２面５４を含む。所望であれば、オプションとして（選択可能に）断熱材６０を、破断ディスク４８に隣接して弁ステム４４の周りに設けることができる。
【００４１】
断熱材６０が採用されているときは、モジュール分離弁４０が開状態のときに、入口２２を介してモジュール分離装置１０に流入する浸透酸素の、破断ディスク４８の第１面５０への流体連通を可能にするのは、多孔材、例えば、アルミナファイバであることに留意されたい。浸透酸素の流れは、図１に示す矢印により略図が示されている。
【００４２】
セラミック−金属シール２０の具体的な構造は、本発明の最大範囲の形態に何も制限を与えないことに留意されたい。本発明で使用可能な例としてのセラミック−金属シールは、米国特許第６，３０２，４０２号に記載されており、その主題は、本明細書に参考文献として組み込まれている。
【００４３】
例示の実施形態において、弁部材４６は、玉型弁（グローブバルブ）の形態であるが、直線的動作弁の他の型、例えば、ゲート（仕切）弁、アングル（角度付）弁なども、本発明において同様に良好に機能する。本発明で使用可能な弁の例としての他の型は、Ｐｅｒｒｙの「化学工学ハンドブック」（Ｐｅｒｒｙ’ｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）の第１０章などの、標準的な参考文献に開示されている。モジュール分離弁４０を形成するために使用される材料は、高温酸素製造蒸気における運転に耐性があるように選択されなければならないことを理解されたい。例としての材料は、Ｈａｙｎｅｓ２１４またはＨａｙｎｅｓ２３０のような、ニッケル超合金であり、インディアナ（Ｉｎｄｉａｎａ）のＨａｙｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｏｆ  Ｋｏｋｏｍｏから販売されている。または、弁の部品は、アルミニウム、シリコンカーバイド、またはシリコン窒化物のような構造用セラミックスにより形成することができる。
【００４４】
破断ディスク４８は、システム（装置）の使用温度で適切に動作するように設計する必要がある。このディスク４８は、酸素プロセス（処理）蒸気の動作温度に晒されるか、または断熱材６０を採用することなどにより、プロセス（処理）蒸気から断熱することができ、それにより、より低温度で動作することができる。
【００４５】
モジュール分離装置１０において要素の構造的配置について説明したので、装置がモジュール１２を、１つまたは２つ以上の共通ヘッダ（例えば、酸素収集空間３０）を介してモジュール分離装置１０に接合されている別のモジュールから分離するように機能する様子を記述する。
【００４６】
ＩＴＭ酸素モジュール１２において大きな漏れ（リーク）が発生するときのような混乱状態において、モジュールから流出し、モジュール分離装置１０の入口通路２２へ流入する、流れは増大する。モジュール分離装置１０および酸素収集空間またはマニホールド３０の流体抵抗のため、モジュール１２内の圧力もまた増大する。流れ制限器がモジュール１２と酸素収集空間またはヘッダ３０の間に採用されれば（例えば、流れ制限孔２８）、モジュール１２内の圧力はまた更に増大する。この圧力の増大は、破断ディスク４８の第１面に対して、分離装置１０を介して伝達される。破断ディスク４８に対する過圧（過剰圧力）状態という結果になる圧力増大は、ディスクの破断または破裂をもたらす。破断ディスクが破断すると、もはや弁ステム４４の底端部５２を支持できず、ステムは重力のため落下し、弁部材を横切る圧力は低下し、玉型弁のような特定のタイプの弁の場合、弁部材４６の周りのガスの粘性抵抗も低下する。この後者の位置において、弁部材４６は、弁座４２に対して着座して、弁４０を閉じ、ＩＴＭ酸素モジュール１２から酸素収集空間３０へ流出するガスの流れを停止する。これにより、弁部材４６の上流側の圧力が高圧ガスの圧力にまで更に増大し、それにより、弁部材４６と弁座４２の間の良好なシールを維持することを更に支援する。
【００４７】
いったん、弁部材４６が弁座４２に対して着座すると、酸素収集空間またはヘッダ３０は漏洩ガスから分離され、それにより、故障したモジュール１２からの純化酸素の汚染が防止される。
【００４８】
低圧ヘッダ５６が酸素収集空間またはヘッダ３０から分離したヘッダである、例示した実施形態において、６２として図面に示されている、導管５８中の逆止弁は、望ましくは、破断ディスクが故障した後、低圧ヘッダ５６から浸透酸素空間３０へのガスの逆流を防止する。つまり、逆止弁６２は、ヘッダ５６からの低圧ガスが、破断ディスク４８の開口部を介して通過し、分離装置１０の出口通路２６を介して酸素収集空間３０へ流れることを妨げる。
【００４９】
図２を参照すると、モジュール分離装置１００が図示されており、それは、モジュール分離装置１０に採用されている要素と同じ多数の要素を含む。モジュール分離装置１０の要素と同じ要素であるモジュール分離装置１００の要素は、同じ番号で識別されるが、「Ａ」の接尾文字が付けられている。図２に開示されているモジュール分離装置１００は、図１に開示されたモジュール分離装置１０と関連して上述したのと同じ方法で、イオン輸送メンブレンモジュール１２Ａから浸透酸素を受け入れるように機能すると述べるだけで十分であろう。
【００５０】
モジュール分離装置１００とモジュール分離装置１０の唯一の違いは、モジュール分離装置１００の低圧ヘッダ５６Ａが、破断ディスク４８Ａの第２面５４Ａと連通するために設けられる構成にある。具体的には、モジュール分離装置１００においては、酸素収集空間またはヘッダ３０Ａは、任意の所望する構成の導管１０２を通して、破断ディスク４８Ａの第２面５４Ａと直接連通するように設置され、それにより、流れ制限孔２８Ａを介する空間３０Ａへの酸素の低圧の流れもまた、破断ディスク４８Ａの第２面５４Ａと連通する低圧ガスを構成する。このように、酸素収集空間３０Ａは実際には、モジュール分離装置１００の低圧ヘッダとして機能する。この後者の配置を採用することにより、酸素収集空間３０Ａにおける酸素の純度が保証され、破断したディスク４８Ａを介しての低圧ガスの逆流が、酸素収集空間３０Ａに流れることを防止するために、モジュール分離装置１０に採用された逆止弁６２のような、逆止弁を設ける必要がない。そのような逆止弁は、破断したディスク４８Ａを介して逆方向に流れることができるガスは、実際には酸素収集空間３０に収集された同じ純化酸素であるので必要ではない。
【００５１】
ここで図３を参照して、モジュール分離装置２００と３００の対が、モジュールへの空気供給ラインおよびモジュールからの使用済空気排気ライン上それぞれで、ＩＴＭ合成ガスモジュール１２Ｂに接続されている。モジュール分離装置１０の構成要素と同じ方法で動作するモジュール分離装置２００、３００の構成要素は、同じ番号で示されるが、それぞれ「Ｂ」と「Ｃ」の接尾文字が付けられている。ＩＴＭ合成ガスモジュールの動作は、本技術分野においてよく知られており、その具体的な構成は、本発明の最も幅広い形態に制限を与えない。ＩＴＭ合成ガスモジュール１２Ｂの動作中、例えば、メタンまたは他の軽い炭化水素ガスのような高圧合成ガスは、モジュール１２の通路１４Ｂを介して、モジュールに供給された空気から抽出された浸透酸素と係合するように導かれ、それにより合成ガスが形成される。
【００５２】
下記の検討において、モジュール分離装置２００は、「新鮮ガス分離装置」、「新鮮空気分離装置」、または同様な意味の用語によって言及されることもあり、モジュール分離装置３００は、「使用済ガス分離装置」、「使用済空気分離装置」、「排気分離装置」、または同様な意味の用語によって言及されることもある。下記の記述では、酸素含有ガスが空気である好適な実施の形態が記述されるが、本発明の最も幅広い形態に従って、他の酸素含有ガスも採用可能である。
【００５３】
例示されている実施の形態においては、新鮮空気供給ヘッダ２０２は、ＩＴＭ合成ガスモジュール１２Ｂに導かれる新鮮空気を収容する。この新鮮空気供給は、オプションである（選択可能な）流れ制限孔２０４を介して、そして、装置の出口導管２０６を介して、新鮮空気分離装置２００に導かれる。出口導管２０６は、モジュール１２Ｂの空気供給入口２０８と連通する。空気供給入口２０８は、セラミック−金属シール２１２に接続する外部セラミック導管またはチューブ２１０と同心円であるセラミック導管またはチューブを具備する。使用済ガス（例えば、ＩＴＭ合成ガスモジュール１２Ｂにおいて酸素イオンが除去されたガス）が、使用済空気分離装置３００に導かれるのは、この外部導管２１０を介してである。
【００５４】
使用済空気モジュール分離装置３００の構成と作動は、分離装置３００により分離されるガスが、ＩＴＭ酸素モジュール１２により空気から除去された純粋酸素とは反対に、合成ガスに酸素を与えた使用済空気であるということを除いて、図１に示された酸素浸透分離装置１０の構成と作動と同一であるといことを理解されたい。しかし、モジュール分離装置３００の構造的特徴と作動は、モジュール分離装置１０と関連して上述したものと同一である。
【００５５】
上記したように、モジュール１２Ｂへの空気供給と、モジュールからの使用済空気排気は、同心円であるセラミックチューブ２０８と２１０をそれぞれ介してモジュールに接続されている。これらのチューブのそれぞれは、セラミック−金属シール２１２を介して金属配管に接続されている。
【００５６】
図３を更に参照すると、モジュール分離装置２００は、空気供給脚部用のセラミック−金属シール２１２の上流にモジュール分離装置４０Ｂを採用している。モジュール分離装置３００は、使用済空気排気脚部用のセラミック−金属シール２１２の下流に、モジュール１２Ｂからの使用済空気排気用のモジュール分離装置４０Ｃを採用している。モジュール１２Ｂの内部同心円チューブ２０８への新鮮空気供給の流れは、矢印２１４で示され、モジュール１２Ｂからの使用済排気の流れは、矢印２１６により示されている。
【００５７】
通常動作中、モジュール分離弁４０Ｂと４０Ｃの両者は開かれている。空気供給は、空気供給ヘッダ２０２から、オプションの流れ制限孔２０４を介して、空気供給モジュール分離弁４０Ｂを介して、そして空気供給入口２０８と連通している出口導管２０６を介して、ＩＴＭ合成ガスモジュール１２Ｂへ流れる。
【００５８】
モジュール１２Ｂから流出する使用済空気（矢印２１６で示されている）は、使用済空気分離装置３００の使用済空気モジュール分離弁４０Ｃを介して、そしてオプションの流れ制限孔２８Ｃを介して、使用済空気ヘッダまたは空間３０Ｃへ流れる。必要であれば、流れ制限孔２８Ｃと２０４は、例えば、漏れにより、モジュール１２Ｂからの増大した流れの場合に、それぞれの分離装置３００と２００において、十分な背圧を提供するように設計され、それにより、モジュール分離装置２００と３００の両者において、安定状態の動作状況において通常遭遇する圧力を十分に上回る値にまで破断ディスク４８Ｂに作用する圧力を増大することができる。
【００５９】
図１と図２に示した実施の形態のように、モジュール分離装置２００と３００におけるモジュール分離弁４０Ｂと４０Ｃの弁ステム４４Ｂと４４Ｃは、破断ディスク４８Ｂと４８Ｃの第１面５０Ｂと５０Ｃにそれぞれ、機械的に連結されている。例示した実施の形態において、機械的な連結は、弁ステム４４Ｂと４４Ｃの端部５２Ｂと５２Ｃそれぞれを実際に支持している破断ディスク４８Ｂと４８Ｃの第１面５０Ｂと５０Ｃにより達成される。
【００６０】
内部および外部同心円チューブ２０８と２１０の両者それぞれを介する合成ガスの逆流という結果になるモジュール１２Ｂの動作不良の場合は、高圧逆流は、破断ディスク４８Ｂと４８Ｃを破断させ、モジュール分離装置２００と３００におけるそれぞれのモジュール分離弁４０Ｂと４０Ｃを閉じることになる。これにより、使用済空気排気と、合成ガスにより供給される新鮮空気の汚染が防止される。
【００６１】
前述した実施の形態のように、新鮮空気分離装置２００と、使用済空気分離装置３００それぞれにおける破断ディスク４８Ｂと４８Ｃの第２面５４Ｂと５４Ｃは、それぞれの低圧ヘッダ５６Ｂと５６Ｃと完全に連通している。図３に示す実施の形態において、低圧ヘッダ５６Ｂと５６Ｃは、モジュール分離装置２００の新鮮空気供給ヘッダ２０２および、モジュール分離装置３００の使用済空気または排気収集空間３０Ｃから分離される。この配置において、図１に示したモジュール分離装置１０と関連して上述したのと同じように、破断ディスク４８Ｂと４８Ｃの第２面５４Ｂと５４Ｃと、低圧ヘッダ５６Ｂと５６Ｃを連通させる導管５８Ｂと５８Ｃにおいて、逆止弁６２Ｂと６２Ｃを採用することが望ましい。具体的には、これらの逆止弁６２Ｂと６２Ｃは、低圧ヘッダ５６Ｂと５６Ｃから、新鮮空気分離装置２００の空気供給ヘッダ２０２、および使用済空気分離装置３００の使用済空気ヘッダ３０Ｃそれぞれへのガスの流れを防止する。
【００６２】
更に図３を参照すると、別の、そしてより好適な配置においては、空気供給ヘッダ２０２が、新鮮空気モジュール分離装置２００における破断ディスク４８Ｂの第２面と連通している低圧ヘッダとして採用され、排気空間またはヘッダ３０Ｃが、使用済空気分離装置３００における破断ディスク４８Ｃの第２面５４Ｃと連通している低圧ヘッダとして採用される。これは、図２に示されたモジュール分離装置１００に導管１０２が採用されたのと同じように、個々の空気供給ヘッダ２０２と排気空気ヘッダ３０Ｃを、個々の破断ディスク４８Ｂと４８Ｃの第２面５４Ｂと５４Ｃの下に設けられた領域と連通させる導管を設けることにより達成される。この後者の配置においては、モジュール分離装置２００における低圧領域５６Ｂが、空気供給ヘッダ２０２と同じように同じ空気供給を含み、モジュール分離装置３００における低圧領域５６Ｃが、そのモジュール分離装置の使用済空気ヘッダ３０Ｃと同じように同じ排気を含むので、逆止弁が、破断ディスク４８Ｂと４８Ｃの下に設けられた低圧領域から、モジュール分離装置２００と３００それぞれの空気供給ヘッダ２０２と、使用済空気ヘッダ３０Ｃへのガスの流れを防止する必要はない。
【００６３】
簡単に説明し、そして更に図３を参照して、モジュール１２Ｂの動作不良に起因する合成ガスの逆流は、図１に示されたモジュール分離装置１０と、図２に示されたモジュール分離装置１００と関連して記述された内容と同様に、モジュール分離装置２００と３００における多大な圧力増加を引き起こし、それにより、その内部の破断ディスク４８Ｂと４８Ｃを破断させ、対応するモジュール分離弁４０Ｂと４０Ｃを閉じる。弁４０Ｂと４０Ｃが閉じることにより、損傷を受けたモジュール１２Ｂから、分離装置２００への新鮮空気供給へ、または分離装置３００からの排気どちらかへの、望ましくない逆流を分離する。
【００６４】
図４〜図６を参照すると、モジュール分離装置１０、１００、２００、および３００それぞれに類似したモジュール分離装置が示されている。図４〜図６に示されている実施の形態は、最も好適な実施の形態を表わしており、図１〜図３に示した実施の形態に潜在的に存在する問題を克服する。
【００６５】
具体的には、図１〜図３に描かれた実施の形態において、破断されるディスクは記述されたモジュール分離装置４０、４０Ａ、４０Ｂ、および４０Ｃの一部を構成し、開示された実施の形態においては、個々の弁ステム４４、４４Ａ、４４Ｂ、および４４Ｃの低端部に実際に係合して、通常は分離弁をその開状態に付勢する。
【００６６】
モジュール分離装置１０、１００、および３００の動作中に、弁部材に対するガスの流れ、特に、モジュール１２、１２Ａ、または１２Ｃの通常動作中の弁部材４６、４６Ａ、および４６Ｃに対するガスの流れは、弁ステム４４、４４Ａ、および４４Ｃを破断ディスク４８、４８Ａ、および４８Ｃに対して振動させ、それにより、それら破断ディスクの時機尚早の誤作動の可能性が生じることが考えられる。即ち、弁ステム４４、４４Ａ、および４４Ｃの、破断ディスク４８、４８Ａ，および４６Ｃそれぞれに対する振動は、それらの破断ディスクを誤作動させ、それにより、モジュール１２、１２Ａ、または１２Ｃの動作不良が起きなくても、弁部材４６、４６Ａ，および４６Ｃを、個々の弁座４２、４２Ａ，および４２Ｃに対して着座させる。これは、望ましくないことは明確である。
【００６７】
図４〜図６は、モジュール分離装置１０、１００、２００、および３００それぞれと、モジュール分離弁の構造を除いて同一であるモジュール分離装置を開示している。具体的には、図１〜図３に示す実施の形態で採用されたモジュール分離弁４０、４０Ａ、４０Ｂ、および４０Ｃは、その構成要素として個々の破断ディスク４８、４８Ａ、４８Ｂ，および４８Ｃを含み、図４〜図６に示された実施の形態で採用されたモジュール分離弁は、その構成要素として破断ディスクを含まない。実際、以降に説明されるように、図４〜図６の実施の形態に示される弁アセンブリの弁ステムは個々の破断ディスクとまったく係合せず、実際には、弁の開および閉状態の間の移動中には、破断ディスクから離隔する。
【００６８】
具体的に図４を参照して、モジュール分離装置４００が、モジュール分離装置１０と同様な方法で、イオン輸送メンブレン酸素モジュール１２Ｄと関連して使用されるように示されている。図４に示された実施の形態の構成要素は、図１に示された実施の形態の構成要素と同一であり、同じ番号で識別されるが、「Ｄ」の接尾文字が付き、多くの場合、簡略化のため、ここでは詳細は検討されない。
【００６９】
図１に示されたモジュール分離装置１０と、図４に示されたモジュール分離装置４００の唯一の違いは、モジュール分離装置４００の好適な実施の形態が、３個の付加的要素、つまり、その上のクラッシャブル（崩壊）部材４０４を支持するためにモジュール分離装置に接続された固定穿孔プレート４０２と、好ましくは穿孔プレート４０２上に支持されたバネであるクラッシャブル部材４０４、および弁ステム４４Ｄに取り付けられ、弁ステムに対して可動なストッパまたは作動部材４０６を含む。オプションとして（選択可能に）、所望するのであれば、多孔性絶縁部材６０Ｄを、分離装置４００の下流領域を絶縁するために設けることができる。
【００７０】
上記のように、最も好ましくは、クラッシャブル部材４０４はバネであり、モジュール１２Ｄの動作不良のために、破断ディスクが破断した後、モジュール分離装置４００を新しい破断ディスク４８Ｄで修理するときに、交換する必要のないバネである。具体的には、モジュール分離装置４００を修理のために停止したときに、圧縮されたバネ４０４は、通常の圧縮されていない状態に戻るので、交換する必要がない。バネの好ましいタイプは、波形バネである。
【００７１】
本実施の形態においては、弁ステム４４Ｄの低部表面（底端部）５２Ｄは、クラッシャブル部材４０４が、モジュール分離弁４０Ｄを開状態に正常に維持するために弁ステムに取り付けられた作動部材４０６に対して作用している間、破断ディスク４８Ｄの上部面５０Ｄと係合しないように維持されることに留意されたい。
【００７２】
図４に示される本発明の実施の形態において、モジュール分離弁４０Ｄは、弁座４２Ｄと、その１つの端部に弁部材４６Ｄを含む弁ステム４４Ｄと、バネなどの、固定穿孔プレート４０２に保持され、弁ステムに取り付けられた作動部材４０６により圧縮可能なクラッシャブル部材４０４と、を含む。
【００７３】
引き続いて図４を参照して、モジュール１２Ｄの動作不良の場合は、分離装置４００内の圧力は、望ましくないレベルまで増大し、破断ディスク４８Ｄはそのレベルで破断するように設計されている。ディスク４８Ｄの破断に続き、弁部材４６Ｄに作用している増大した流れは、作動部材４０６をバネ４０４（または他のクラッシャブル部材）に押し付ける圧力差を生成し、それにより弁部材４６Ｄを、バネまたは他のクラッシャブル部材を圧縮している間、弁座４２Ｄに対して着座させる。
【００７４】
好適な実施の形態において、弁ステム４４Ｄの底端部５２Ｄは、破断ディスク４８Ｄにより占められている平面を貫通通過しない位置に保持される。
【００７５】
明白なことではあるが、図４に示されるモジュール分離装置４００においては、ＩＴＭ酸素モジュール１２Ｄの通常動作中の酸素の流れにより弁部材４６Ｄに加えられる任意の振動が、破断ディスク４８Ｄに対して弁ステム４４Ｄを振動させ、それにより、ディスクの時機尚早の誤作動または破断を引き起こす可能性はない。
【００７６】
図５を見ると、図に描かれたモジュール分離装置１００に実質的に類似しているモジュール分離装置５００が示されている。図２に描かれたモジュール分離装置の構成要素と同一な、図５に描かれたモジュール分離装置５００の構成要素は同一の番号で識別されるが、「Ｅ」の接尾文字が付けられている。これら後者の構成要素は、ここでは簡略化のためにその詳細は記述されない。
【００７７】
実際、図５に示されたモジュール分離装置５００と、図２に示されたモジュール分離装置１００の間の差は、図５の実施の形態のモジュール分離弁アセンブリ４０Ｅは、図４に示されたモジュール分離装置４００に採用された好適な形態に修正されたということであることは明白である。従って、図４に描かれたモジュール分離装置４００におけるモジュール分離弁４０Ｄの構成要素と同一の、図５に描かれたモジュール分離装置５００におけるモジュール分離弁４０Ｅの構成要素は、同じ数字により識別されるが、接尾文字「Ｅ」が付いている。
【００７８】
簡単に説明すれば、モジュール分離装置５００内の増大した圧力という結果になる、イオン輸送メンブレン酸素モジュール１２Ｅの動作不良の場合は、増大した圧力は破断ディスク４８Ｅの第１面５０Ｅに直接作用し、破断ディスクを破断させる。その後、ガスの増大した流れは、弁部材４６Ｅに作用して弁部材を下流方向に移動して、波形バネ４０４Ｅを圧縮しながら、弁部材を弁座４２Ｅに対して着座させる。図４に開示されたモジュール分離装置４００と関連して記述したように、本発明の本実施の形態の最も幅広い形態によれば、波形バネ４０４Ｅは、別のタイプのクラッシャブル部材と交換できるが、最も好ましくは、クラッシャブル部材は、バネの形態であり、イオン輸送メンブレンモジュール１２Ｅの動作不良により、元々の破断ディスクが故障した後に、モジュールを新しい破断ディスクで修理するときに交換する必要がないバネである。
【００７９】
図６を見ると、モジュール分離装置６００と７００が描かれており、それらは、図３に示されたモジュール分離装置２００と３００に類似しており、これら後者のモジュール分離装置と全く同じ機能を提供する。更に、図３のモジュール分離装置と図６に描かれたモジュール分離装置との間の唯一の違いは、分離装置に採用されたモジュール分離弁の構造と関連している。モジュール分離装置２００と３００の構成要素と同一である、モジュール分離装置６００と７００の構成要素は、同じ数字で示されているが、それぞれ「Ｆ」と「Ｇ」の接尾文字が付いている。図４に示されたモジュール分離装置４００におけるモジュール分離弁の構成要素と同一の、モジュール分離装置６００と７００におけるモジュール分離弁の構成要素は、同じ数字で示されているが、同様に接尾文字「Ｆ」と「Ｇ」がそれぞれ付いている。
【００８０】
図６に示すように、ＩＴＭ合成ガスモジュールと関連して採用されたモジュール分離装置６００と７００は、分離弁の構造と動作の違いを除いては、図３の実施の形態で採用されたモジュール分離装置２００と３００と同じように機能するということを述べれば十分であろう。特に、モジュール分離装置６００と７００においては、モジュール分離弁４０Ｆと４０Ｇは、それぞれモジュール分離装置４００において採用されたモジュール分離弁４０Ｄと同じように構成され、モジュール分離装置４００と同じように開および閉位置の間を移動する。
【００８１】
このように、モジュール分離弁４０Ｆと４０Ｇは、実際には、そのそれぞれの弁ステム４４Ｆと４４Ｇが、それぞれのモジュール分離装置６００と７００において、破断ディスク４８Ｆと４８Ｇと係合することを防止し、それにより、それぞれのモジュール分離装置６００と７００におけるガスの通常の流れによる、それぞれの破断ディスクに対する弁ステムの振動に起因するそれらの破断ディスクの時機尚早の誤作動を防止する。
【００８２】
モジュール分離装置６００と７００それぞれにおけるモジュール分離弁４０Ｆと４０Ｇの構造によって解決される、破断ディスクの時機尚早破断の潜在的問題は、ＩＴＭモジュールの通常動作中のガスの流れが、破断ディスク４８Ｇに対向する方向であり、また、弁ステムを破断ディスクに対して押し付けるまたは振動させる方向である、モジュール分離装置７００と同じ方法で機能させようとするモジュール分離装置においては一般的である。
【００８３】
モジュール分離装置６００と７００を介しての新鮮空気と使用済空気の流れは、図３の実施の形態のモジュール分離装置３００と４００を介しての新鮮空気と使用済空気の流れと同じであり、モジュール分離弁４０Ｇと４０Ｈは、モジュール分離弁４０Ｄが図４に開示されたモジュール分離装置４００の閉位置に移動するのと同様の機構で、破断ディスク４８Ｆと４８Ｇの破断後に、閉位置に移動することを理解されたい。更に、低圧ヘッダ５６Ｆと５６Ｇは、同じ構造であってよく、モジュール分離装置３００と４００それぞれにおける低圧ヘッダ５６Ｃと５６Ｄと同じように採用することができる。
【００８４】
これとは別に、破断ディスク４８Ｆと４８Ｇの低部面５４Ｆと５４Ｇと連通している低圧領域は、新鮮空気供給空間２０２Ｆを、接続導管を介して破断ディスク４８Ｆの低部表面と連通させることにより、および使用済空気空間３０Ｇを、接続導管を介して破断ディスク４８Ｇの底部表面と連通させることにより、図２に示されたモジュール分離装置１００と図５に描かれたモジュール分離装置５００との関連で記述したのと基本的に同じように、形成することができる。
【００８５】
新鮮空気供給が、破断ディスク４８Ｆ背後の低圧領域を提供するために採用され、使用済空気が破断ディスク４８Ｇ背後の低圧領域を提供するために採用されると、破断ディスク４８Ｆと４８Ｇそれぞれが破断したときに、低圧セクション（部）において、空気供給ヘッダ２０２における新鮮空気供給の汚染、または使用済ガス収集空間３０Ｇにおける使用済ガスの汚染を防止するために逆止弁を備える必要がない。そのような逆止弁が必要でない理由は、破断ディスク４８Ｂ背後の低圧領域として空気供給空間２０２を、そして、破断ディスク４８Ｃ背後の低圧領域として使用済ガス空間３０Ｃを提供するように修正された、分離装置２００と３００に関連して上記に説明してある。簡略化のため、ここではその説明を繰り返さない。
【００８６】
ある特別な実施の形態を参照して例示し、記述してきたが、本発明は、示された詳細に制限されるわけではない。種々の修正を、本発明の精神から逸脱することなく、請求項と等価な分野と範囲において詳細に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】図１は、本発明に従うモジュール分離装置の１つの実施の形態の図式図である。
【図２】図２は、本発明に従うモジュール分離装置の別の実施の形態の図式図である。
【図３】図３は、本発明に従うモジュール分離装置のまた別の実施の形態の図式図である。
【図４】図４は、図１に示す装置に類似しているが、より好適な弁システム（装置）を採用するモジュール分離装置の図式図である。
【図５】図５は、図２に類似しているが、図４に示すより好適な弁システムを採用するモジュール分離装置の図式図である。
【図６】図６は、図３に類似しているが、図４に示すより好適な弁システムを採用しているモジュール分離装置の図式図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０    モジュール分離装置
１２    ＩＴＭ酸素モジュール
１４    通路
１６    メンブレンユニット
１８    セラミックスタックマニフォールド
２０    セラミックー金属シール
２２    入口通路
２６    出口通路
２８    流れ制限孔
３０    酸素収集空間
４０    （モジュール）分離弁
４２    弁座
４４    弁ステム
４６    弁部材
４８    破断ディスク
５０    第一面
５２    底端部
５４    第二面
５６    低圧ヘッダ
５８    導管
６０    断熱材
６２    逆止弁
【図１】
2007152348.tif 000003
【図２】
2007152348.tif 000004
【図３】
2007152348.tif 000005
【図４】
2007152348.tif 000006
【図５】
2007152348.tif 000007
【図６】
2007152348.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成19年3月27日(2007.3.27)
【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】
１つのモジュールからのガスの流れを、１つ以上の共通ヘッダを介して、前記１つのモジュールに接合されている１つ以上の別のモジュールから分離するためのガス流分離装置であって、
入口通路と出口通路であって、前記入口通路は、前記１つのモジュールからガスの流れを受け入れるために、前記１つのモジュールからの出口と連通するように適合され、前記出口通路は、前記ガスの流れを受け入れるための前記入口と連通し、前記ガス流分離装置から前記ガスを導き出す、前記入口通路と前記出口通路と、
前記ガス流分離装置における前記ガスの圧力が所定のレベルを超えたとき、前記入口通路から前記出口通路へのガスの流れを防止するために、開状態から閉状態へ移動可能なモジュール分離弁と、を具備するガス流分離装置において、
前記モジュール分離弁は、
第１面と第２面を有する破断ディスクであって、前記１つのモジュールの出口が、前記ガス流分離装置の前記入口通路と流れに関して連通するように設置され、前記モジュール分離弁が開状態にあって、前記ガス流分離装置の前記入口通路から前記出口通路へのガスの流れを可能にするとき、前記第１面は、前記１つのモジュールからの出口に、流れに関して連通しており、前記ガスは、前記破断ディスクの前記第１面と係合して圧力を加えており、前記破断ディスクの前記第２面は、所望の低圧に維持されているチャンバと流れに関して連通しており、所定の圧力差が前記破断ディスクの前後を横切って発生すると、前記破断ディスクは、破断する、前記第１面と前記第２面と、
前記入口通路と前記出口通路との間の弁座と、
対向する第１および第２端部を有する弁ステムであって、前記第１端部は、前記破断ディスクの前記第１面と機械的に連結されており、前記第２端部は、弁部材に結合しており、前記弁ステムの前記第１端部が前記破断ディスクと機械的に連結する時に、前記弁部材は、前記弁座から離隔して、前記入口通路から前記出口通路へのガスの流れを可能にし、更に、前記入口通路が、前記１つのモジュールからの前記出口と流れに関して連通するように設置されているときに、ガスの流れが前記破断ディスクの前記第１面と係合することを可能にする、弁ステムと、を具備しており、
それによって、前記破断ディスクは、前記破断ディスクに、その前後を横切って所定の圧力差が発生すると破断して、前記弁部材を前記弁座に対して着座させ、前記入口通路から前記出口通路へのガスの流れ、および前記破断ディスクを介してのガスの流れを停止する、ことを特徴とするガス流分離装置。
【請求項２】
前記弁ステムの前記第１端部は、前記第１面と係合することにより、前記破断ディスクの前記第１面と機械的に連結する、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項３】
２つ以上のモジュールが一緒に接合されるとき、前記出口通路は共通ヘッダと連通する、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項４】
前記出口通路において流れ制限孔を含んでおり、ガスが前記流れ制限孔を通り通過すると、前記流れ制限孔の下流のガス圧力は減少させられる、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項５】
所望の低圧に維持された前記チャンバは、前記流れ制限孔下流のガスの流れと、流れに関して連通することにより、前記所望の低圧に維持される、請求項４に記載のガス流分離装置。
【請求項６】
所望の低圧に維持された前記チャンバは、２つ以上のモジュールが一緒に接合されたときは、共通の低圧ヘッダの一部であり、前記弁システムは、前記破断ディスクが破断した後に閉状態にあるときは、ガスの流れが前記破断ディスクを通過して前記チャンバに流入することを防止する、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項７】
所望の低圧に維持された前記チャンバは、その中に低圧ガスを含む、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項８】
前記低圧ガスは、前記出口通路を流れるガスから分離されている、請求項７に記載のガス流分離装置。
【請求項９】
前記低圧ガスは、前記出口通路における流れ制限孔を通過したガスである、請求項７に記載のガス流分離装置。
【請求項１０】
イオン輸送メンブレンモジュールと接続されるように適合されて前記イオン輸送メンブレンモジュールから、前記ガス流分離装置の前記入口通路へのガスの流れを可能にするシールを含む、前記請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項１１】
酸素含有ガスから酸素を分離していて且つ前記酸素を、前記ガス流分離装置の前記入口通路へ導くために採用されるタイプのイオン輸送メンブレンモジュールと接続されるように適合されたシールを含む、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項１２】
前記ガス流分離装置は、合成ガスを製造するために採用されるタイプのイオン輸送メンブレンモジュールと接続されるように適合されたシールを含んでおり、使用済ガス分離装置であり、前記使用済ガス分離装置の入口通路は、前記モジュールから流出する使用済ガスと連通している、請求項１に記載のガス流分離装置。
【請求項１３】
前記ガス流分離装置は、第２新鮮ガス分離装置と組み合わされており、
前記第２新鮮ガス分離装置は、
酸素含有ガスを受け入れるための入口通路と、
前記入口通路の下流の前記酸素含有ガス用の出口通路であって、前記第２新鮮ガス分離装置の前記出口通路は、前記イオン輸送メンブレンモジュールの酸素含有ガス入口と連通するように適合されて、前記酸素含有ガスを、前記モジュールへ、および前記モジュールを介して合成ガスの製造のために酸素イオンを供給するように導くことを可能にする、出口通路と、
前記第２新鮮ガス分離装置におけるモジュール分離弁であって、逆流により作り出された背圧が所定のレベルを超えたときに、前記イオン輸送メンブレンモジュールから前記第２新鮮ガス分離装置の前記入口通路への合成ガスの前記逆流を防止するために、開状態から閉状態へ移動可能である、モジュール分離弁と、を具備しており、
前記第２新鮮ガス分離装置における前記モジュール分離弁は、
第１面と第２面を有する破断ディスクであって、前記第１面は、前記第２分離装置の前記モジュール分離弁が開状態にあるときに、前記イオン輸送メンブレンの酸素含有ガス入口及び前記新鮮ガス分離装置の出口通路と流れに関して連通し、それにより、前記イオン輸送メンブレンモジュールからの合成ガスの任意の逆流に起因する背圧が、前記破断ディスクの前記第１面に直接的に作用し、前記破断ディスクの前記第２面は、所望の低圧に維持されたチャンバと流れに関して連通しており、前記背圧が所定の圧力レベルを超えると破断する前記破断ディスクと、
前記第２分離装置の前記入口通路と前記出口通路との間の弁座であって、通常の作動における酸素含有ガス流の方向において、前記弁座は、前記破断ディスクの下流で且つ前記イオン輸送メンブレンモジュールの前記酸素含有ガスの上流に配置される前記弁座と、
対向する第１および第２端部を有する弁ステムであって、前記第１端部は、前記第２分離装置の前記破断ディスクの前記第１面と機械的に連結されており、前記第２端部は、弁部材に結合しており、前記弁ステムの前記第１端部が前記破断ディスクと機械的に連結する時に前記弁部材は、前記弁座から離隔して、前記第２分離装置の入口通路から、前記イオン輸送メンブレンモジュールの酸素含有ガス入口への酸素含有ガスの流れを可能にし、更に前記イオン輸送メンブレンモジュールからの合成ガスの任意の逆流に起因する任意の背圧を、前記第２分離装置の前記破断ディスクの前記第１面へ直接的に作用することを可能にする、弁ステムと、を具備しており、
それにより、前記第２分離装置の前記破断ディスクは、前記背圧が所定の圧力レベルを超えたときに破断し、前記弁部材を、前記第２分離装置における前記弁座に対して着座させ、前記第２分離装置における前記モジュール分離弁を閉じ、それにより、前記イオン輸送メンブレンモジュールから前記第２モジュール分離装置の入口通路への合成ガスの逆流、および所望の低圧に維持され、前記破断ディスクを介して、前記第２分離装置と連通する前記チャンバへの合成ガスの逆流を防止する、請求項１２に記載のガス流分離装置。
【請求項１４】
前記第２分離装置における弁ステムの前記第１端部は、前記第１面と係合することにより、前記第２モジュール分離弁の前記破断ディスクの第１面と機械的に連結する、請求項１３に記載のガス流分離装置。
【請求項１５】
該ガス流分離装置は、前記酸素含有ガスが前記第２分離装置にその入口通路から流入する前に通過する、流れ制限孔を含んでおり、
前記第２分離装置の前記入口通路は、前記流れ制限孔の上流の酸素含有ガス空間と連通する、請求項１３に記載のガス流分離装置。
【請求項１６】
前記第２分離装置の前記破断ディスクと連通しており、所望の低圧に維持されている前記チャンバは、前記酸素含有ガス空間からのガスと流れに関して連通することにより、前記所望の低圧に維持される、請求項１５に記載のガス流分離装置。
【請求項１７】
前記使用済ガス分離装置の前記破断ディスクと連通しており、所望の低圧に維持されている前記チャンバは、前記使用済ガス分離装置の出口通路を通過する使用済ガスと流れに関して連通することにより、前記所望の低圧に維持される、請求項１６に記載のガス流分離装置。
【請求項１８】
前記新鮮ガス分離装置の破断ディスクと連通しており、所望の低圧に維持されている前記チャンバは、前記酸素含有ガス流から独立している低圧ガスと流れに関して連通することにより、前記所望の低圧に維持される、請求項１５に記載のガス流分離装置。
【請求項１９】
前記新鮮ガス分離装置の破断ディスクと連通しており、所望の低圧に維持されている前記チャンバは、２つ以上のモジュールが一緒に接合されているときは共通ヘッダの一部であり、前記新鮮ガス分離装置の前記モジュール分離弁は、前記破断ディスクの破断後に閉状態にあるときは、前記新鮮ガス分離装置の破断ディスクと連通している前記チャンバ内へ、ガス流が破断したディスクを介して通過することを防止する、請求項１３に記載のガス流分離装置。
【請求項２０】
１つモジュールからのガスの流れを、１つ以上の共通ヘッダを介して、前記１つのモジュールに接合されている１つ以上の他のモジュールから分離するためのガス流分離装置であって、このガス流分離装置は、
入口通路と出口通路であって、前記入口通路は、前記モジュールからのガスの流れを受け入れるために、前記１つのモジュールからの出口と連通するように適合され、前記出口通路は、前記ガスの流れを受け入れるための前記入口と連通し、前記ガス流分離装置から前記ガスを導き出す、前記入口通路及び前記出口通路と、
前記ガス流分離装置の低端部を閉じる破断ディスクであって、対向する第１面および第２面を有する前記破断ディスクと、
前記破断ディスクの下流にあり、前記破断ディスクの前記第２面と連通する低圧チャンバと、
前記ガス流分離装置における前記ガスの圧力が所定のレベルを超えたとき、前記入口通路から前記出口通路へのガスの流れを防止するために、開状態から閉状態へ移動可能なモジュール分離弁であって、前記破断ディスクの前記第１面は、前記モジュールの出口が前記ガス流分離装置の前記入口通路と流れに関して連通するように設置され且つ前記モジュール分離弁が開状態にあるときに、前記モジュールの出口と流れに関して連通し、前記モジュール分離弁は、開状態にあるときは、前記ガス流分離装置の前記入口通路から前記出口通路へのガスの流れを可能にし、更に前記破断ディスクの前記第１面にガスの流れが係合することを可能にし、前記破断ディスクは、前記破断ディスクの前後を横切って作用する圧力差が所定圧力差を超えると破断する、モジュール分離弁と、を具備しており、
前記モジュール分離弁は、
前記入口通路と前記出口通路の間の弁座と、
その１つの端部に弁部材を有する弁ステムであって、前記モジュール分離弁は、前記弁部材が前記弁座から離隔するときは開状態にあり、前記弁部材が前記弁座に対して着座しているときは閉じ状態にあり、前記モジュール分離弁は、クラッシャブル部材により通常は開状態に付勢されており、前記クラッシャブル部材が圧縮されると閉状態になり、前記弁ステムは、前記モジュール分離弁が開状態にあるときは、前記破断ディスクと力伝達可能に係合せず、前記クラッシャブル部材は、前記破断ディスクが破断した後、前記弁部材に対抗するガス流によって前記弁部材に作用する力により圧縮させられる、弁ステムと、
を具備する、ガス流分離装置。
【請求項２１】
前記クラッシャブル部材用の静止した支持表面であって、その中に、前記弁ステムと軸方向に整列した通路を含む、静止した支持表面であって、前記クラッシャブル部材は、前記支持表面に支持されていて且つ前記弁ステムと軸方向に整列する通路を有する、支持表面と、
前記弁ステムに接続する作動部材であって、前記破断ディスクの破断後、前記クラッシャブル部材と係合し且つそれを圧縮するために、前記弁ステムと共に軸方向に移動可能である作動部材と、を有する、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項２２】
前記クラッシャブル部材はバネ部材である、請求項２０または２１に記載のガス流分離装置。
【請求項２３】
前記ハウジングの出口通路は、２つ以上のモジュールが一緒に接合されたときに、共通ヘッダの一部である、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項２４】
ガスが前記分離装置から流出するときに前記ガスが通過する、出口通路における流れ制限孔を含む、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項２５】
所望の低圧に維持されている前記チャンバは、前記出口通路を通過するガスと流れに関して連通することにより前記所望の低圧に維持される、請求項２４に記載のガス流分離装置。
【請求項２６】
所望の低圧に維持されている前記チャンバは、２つ以上のモジュールが一緒に接合されているときは、共通ヘッダの一部であり、前記モジュール分離弁は、前記破断ディスクの破断後は、閉状態にある場合に、前記破断したディスクを通過して前記チャンバへ流れるガスの流れを防止する、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項２７】
所望の低圧に維持されている前記チャンバは、その中に低圧ガスを含む、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項２８】
前記低圧ガスは、前記出口通路を流れるガスから分離されている、請求項２７に記載のガス流分離装置。
【請求項２９】
前記低圧ガスは、前記出口通路を通過するガスである、請求項２７に記載のガス流分離装置。
【請求項３０】
イオン輸送メンブレンモジュールに接続して、前記イオン輸送メンブレンモジュールから、前記流れ分離装置の入口通路へのガスの流れを可能にするように適合されたシールを含む、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項３１】
酸素含有ガスから酸素を分離するためで且つ前記酸素を、前記ガス流分離装置の入口通路へ導くために採用されるタイプのイオン輸送メンブレンモジュールに接続されるように適合されたシールを含む、請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項３２】
前記ガス流分離装置は、合成ガスを製造するためのタイプのイオン輸送メンブレンモジュールに接続されるように適合されたシールを含んでおり、使用済ガス分離装置であり、前記使用済ガス分離装置の入口通路は、前記モジュールから流出する使用済ガスと連通する、前記請求項２０に記載のガス流分離装置。
【請求項３３】
前記ガス流分離装置は、第２新鮮ガス分離装置と組み合わされており、
前記第２新鮮ガス分離装置は、
酸素含有ガスを受け入れるための入口通路と、
前記入口通路の下流の前記酸素含有ガス用の出口通路であって、前記第２分離装置の前記出口通路は、前記イオン輸送メンブレンモジュールの酸素ガス含有入口と連通するように適合されて、前記酸素含有ガスを、前記第２分離装置から、前記イオン輸送メンブレンモジュールへ、およびそこを介して合成ガスの製造のために酸素イオンを供給することを可能にする、出口通路と、
前記第２分離装置の低端部を閉じる第２破断ディスクであって、対向する第１面および第２面を有する、前記第２破断ディスクと、
前記第２破断ディスクの下にあり、前記第２破断ディスクの前記第２面と連通している低圧チャンバと、
前記第２分離装置における第２モジュール分離弁であって、開状態から閉状態へ移動可能で、逆流により作り出された背圧が所定のレベルを超えたときに、前記イオン輸送メンブレンモジュールから、前記第２分離装置の入口通路への合成ガスの前記逆流を防止し、前記第２破断ディスクの前記第１面は、前記第２モジュール分離弁が開状態のときは、合成ガスの前記逆流と流れに関して連通しており、前記第２分離装置の前記入口通路は、第２分離弁が開状態のときは、前記第２分離装置の出口通路およびイオン輸送メンブレンモジュールの酸素含有ガス入口と流れに関して連通しており、前記第２分離装置の前記入口通路は、前記第２分離弁が開状態のときに、前記第２分離装置の前記出口通路及び前記イオン輸送メンブレンモジュールの前記酸素含有ガス入口と流れに関して連通して、合成ガスの製造用に酸素を供給するために、前記酸素含有ガスを、前記第２分離装置から前記イオン輸送メンブレンモジュールへ、およびそこを介して導くことを可能にする第２モジュール分離弁と、を具備しており、
前記第２モジュール分離弁は、
前記第２分離装置の前記入口通路と前記出口通路の間の弁座と、
その１つの端部に弁部材を有する弁ステムであって、前記第２モジュール分離弁は、前記弁部材が前記弁座から離隔するときは開状態であり、前記弁部材が前記弁座に対して着座するときは閉状態である、前記弁ステムと、
前記第２モジュール分離弁を、通常は開状態に付勢するためのクラッシャブル部材であって、前記第２弁は、前記クラッシャブル部材が圧縮されると閉状態に移動し、前記弁ステムは、前記第２モジュール分離弁が開状態のときは前記第２破断ディスクに、力伝達可能に係合せず、前記クラッシャブル部材は、合成ガスの逆流により前記第２破断ディスクが破断させられた後、合成ガスの前記逆流によって弁部材に作用する力により圧縮されて前記分離弁を閉じる、クラッシャブル部材と、を具備する、請求項３３に記載のガス流分離装置。
【請求項３４】
前記第２分離弁の前記クラッシャブル部材用であって且つ前記第２分離弁の前記弁ステムと軸方向に整列している通路を含む、静止した支持表面であって、前記第２分離弁の前記クラッシャブル部材は、前記支持表面上に支持され、前記第２弁システムの弁ステムと軸方向に整列している通路を有する、静止した支持表面と、
第２分離弁の弁ステムに接続する作動部材であって、前記第２破断ディスクの破断後に、前記クラッシャブル部材と係合し且つそれを圧縮するために、前記第２分離弁の前記弁ステムと軸方向に移動可能である作動部材と、を有する、請求項３３に記載のガス流分離装置。
【請求項３５】
前記第２分離弁の前記クラッシャブル部材はバネ部材である、請求項３３または３４に記載のガス流分離装置。
【請求項３６】
該組合せは、前記酸素含有ガスが前記新鮮ガス分離装置へ、その入口通路から流入するときに通過する流れ制限孔を含んでおり、
前記新鮮空気分離装置の前記入口通路は、前記流れ制限孔の上流の酸素含有ガス空間と連通している、請求項３３に記載のガス流分離装置。
【請求項３７】
前記第２破断ディスクの前記第２面と連通している前記低圧チャンバは、前記酸素含有ガス空間からのガスと流れに関して連通することにより、所望の低圧に維持される、請求項３６に記載のガス流分離装置。
【請求項３８】
前記使用済ガス分離装置の前記破断ディスクと連通していて且つ所望の低圧に維持される、前記チャンバは、前記使用ガス分離装置の前記出口通路を通過する使用済ガスと流れに関して連通することにより、前記所望の低圧に維持される、請求項３７に記載のガス流分離装置。
【請求項３９】
前記第２分離装置の前記第２破断ディスクの前記第２面と連通していて且つ所望の低圧に維持される、前記低圧チャンバは、前記第２分離装置の前記入口通路への前記酸素含有ガス流から独立する低圧ガスと流れに関して連通することにより前記所望の低圧に維持されている、請求項３３に記載のガス流分離装置。
【請求項４０】
第２破断ディスクの前記第２面と連通していて且つ所望の低圧に維持される、前記低圧チャンバは、２つ以上のモジュールが一緒に接合されているときは、共通ヘッダの一部であり、
前記第２分離装置の前記第２分離弁は、前記第２破断ディスクの破断後、閉状態であるときは、前記第２破断ディスクを通過して、前記第２破断ディスクの前記第２面と連通している前記低圧チャンバへ流れるガスの流れを防止する、請求項３３に記載のガス流分離装置。