(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの成分ガスから成るガス混合物内の各成分ガスの相対濃度を選択的に変更するための圧力スイング吸着装置（２０）において、
（ａ）一方と他方の吸着機（６２，６０）であって、各吸着機（６２，６０）がこの吸着機（６２，６０）に対する前記成分ガスの流入及び流出のための入口（８２ａ，８２ｂ）と出口（８４ａ、８４ｂ）を画定し、各吸着機（６２，６０）は更に前記入口（８２ａ，８２ｂ）と出口（８４ａ、８４ｂ）との間に配置される複数のガス移送領域（６，８，１０，１２）を画定し、その複数のガス移送領域（６，８，１０，１２）の１つは物質移動領域（１０）からなり、前記吸着機（６２，６０）によって前記ガス混合物内の一の成分ガスの少なくとも大部分は吸着され、前記ガス混合物内の残りは他の成分ガスの濃度が増大した製品ガスを構成する吸着機（６２，６０）と、
（ｂ）前記ガス混合物を選択的に一方の吸着機（６２）の前記入口（８２ａ）から出口（８４ａ）に向けて順方向の流れを形成すると共に、前記製品ガスを選択的に他方の吸着機（６０）の前記出口（８４ｂ）から入口（８２ｂ）に向けて逆方向の流れを形成するための流れ形成手段（２４，１０６，１０７，１２８，１３０）と、
（ｃ）前記製品ガスを製造するために、前記流れ形成手段（２４，１０６，１０７，１２８，１３０）と前記吸着機（６２，６０）に流体接続されて、前記ガス混合物の前記流れを交代で前記各吸着機（６２，６０）の１つを通して順方向に選択的に方向付けるためのバルブ手段（１１６，１１８）と、
（ｄ）前記吸着機（６２，６０）の前記出口（８４ａ、８４ｂ）に流体接続された混合タンク（１５４）と、前記吸着機（６２，６０）から順方向に流れる製品ガスの少なくとも一部分を前記混合タンク（１５４）へ供給するための手段（１５２）と、
（ｅ）前記他方の吸着機（６０）で吸着された前記一の成分ガスを前記他方の吸着機（６０）の前記入口（８２ｂ）を通してパージするために、前記一方の吸着機（６２）によって製造された製品ガスの所定部分を前記他方の吸着機（６０）に逆方向に方向付けるための、前記各吸着機（６２，６０）の前記出口（８４ａ、８４ｂ）に流体接続されたパージ手段（１４４，１４６）と、
（ｆ）前記各吸着機（６２，６０）の前記出口（８４ａ、８４ｂ）に流体接続され、前記各吸着機（６２，６０）の内部圧力を均等にする均圧バルブ（１３６）と、
（ｇ）前記混合タンク（１５４）に供給される前記製品ガス中の他の成分ガスの複数の選択可能な濃度から所望の１つの濃度の製品ガスを製造するために、前記製品ガスの可変部分を前記一方の吸着機（６２）から前記他方の吸着機（６０）の前記出口（８４ｂ）に選択的にバイパスすることにより前記他方の吸着機（６０）における少なくとも前記物質移動領域（１０）の位置を制御し、前記混合タンク（１５４）に供給される前記製品ガス中の成分ガスの濃度を選択的に変更するようにした、前記各吸着機（６２，６０）に流体接続された調整可能物質移動領域位置決め手段（１５６）と、
を有する圧力スイング吸着装置（２０）。
【請求項２】
前記調整可能物質移動領域位置決め手段（１５６）が、選択された量の追加の製品ガスをバイパスさせるようなサイズのオリフィスを画定するバルブ手段（９３）と、種々のオリフィスサイズからオリフィスサイズを選択する手段（７０）とを有する請求項１に記載の圧力スイング吸着装置。
【請求項３】
更に、製品ガスの流量を制御する流量制御手段（９２）を有する請求項１に記載の圧力スイング吸着装置。
【請求項４】
前記調整可能物質移動領域位置決め手段（１５６）が、選択された量の追加の製品ガスをバイパスさせるようなサイズのオリフィスを画定するバルブ手段（９３）と、種々のオリフィスサイズからオリフィスサイズを選択する手段（７０）とを有する請求項３に記載の圧力スイング吸着装置。
【請求項５】
前記調整可能物質移動領域位置決め手段（１５６）及び前記流量制御手段（９２）が、約９５．５％から約２１％の範囲で、前記混合タンク（１５４）に供給される製品ガスの一部分内の他の成分ガスの濃度を選択的に変化させる請求項３に記載の圧力スイング吸着装置。
【請求項６】
前記濃度の範囲が約７７％から約３７％である請求項５に記載の圧力スイング装置。
【請求項７】
前記流量制御手段（９２）が、約６リットル／分から約１５リットル／分の範囲内で製品ガスの選択された流量を発生する請求項３に記載の圧力スイング吸着装置。
【請求項８】
各吸着機（６２，６０）のガス移送領域（６，８，１０，１２）の１つが、ガス混合物内の水の大部分を吸着する水吸着領域（６）からなり、前記調整可能物質移動領域位置決め手段（１５６）が更に水吸着領域（６）を安定させる請求項１に記載の圧力スイング吸着装置。
【請求項９】
一の成分ガスが窒素を含み、他の成分ガスが酸素を含む請求項１に記載の圧力スイング吸着装置。
【請求項１０】
少なくとも２つの複数領域吸着機（６２，６０）と、前記各吸着機（６２，６０）に流体接続され、前記各吸着機（６２，６０）の内部圧力を均等にする均圧バルブ（１３６）と、前記製品ガスの可変部分を前記一方の吸着機（６２）から前記他方の吸着機（６０）の前記出口（８４ｂ）に選択的にバイパスするために前記各吸着機（６２，６０）に流体接続された調整可能物質移動領域位置決め手段（１５６）と、前記他方の吸着機（６０）で吸着された前記一の成分ガスを前記他方の吸着機（６０）の前記入口（８２ｂ）を通してパージするために前記一方の吸着機（６２）によって製造された製品ガスの所定部分を前記他方の吸着機（６０）に逆方向に方向付けるための、前記各吸着機（６２，６０）の前記出口（８４ａ、８４ｂ）に流体接続されたパージ手段（１４４，１４６）と、を有する圧力スイング吸着装置（２０）において、各吸着機（６２，６０）が、少なくとも２つのガス成分から成るガス混合物中の少なくとも一の成分ガスの一部を吸着するような物質移動領域（１０）を有している圧力スイング吸着装置（２０）における、製品ガス中の他の成分ガスが所望の濃度であって幾つかの異なる濃度から選択される１つの濃度である製品ガスを製造するための、他の成分ガスの相対濃度を選択的に変更するための方法であって、前記方法が、
（ａ）予め設定した流量で、ガス混合物を順方向に吸着機（６２，６０）の各々１つを通して交替に移送し、一の成分ガスの少なくとも大部分を吸着することによって製品ガスを製造し、前記他方の吸着機（６０）によって吸着された一の成分ガスをパージするために前記他方の吸着機（６０）の中を反対の逆方向に前記製品ガスを移動させ、
（ｂ）前記各吸着機（６２，６０）の各々１つによって製造される製品ガスの予め設定された部分を逆方向で前記他方の吸着機（６０）を通して移送し、前記他方の吸着機（６０）から吸着された成分ガスをパージすることと、
（ｃ）前記予め設定された部分に加え、前記一方の吸着機（６２）からの製品ガスの可変部分を前記他方の吸着機（６０）へ逆方向にバイパスさせ、流量とは無関係に、物質移動領域（１０）の位置と前記他方の吸着機（６０）内の一の成分ガスの吸着量を制御するようにして、成分ガスが所望の濃度である製品ガスを製造することと、更に、
（ｄ）前記他の成分ガスが所望の濃度である製品ガスの残りを混合タンク（１５４）へ供給することと、
によって特徴付けられる方法。
【請求項１１】
製品ガスの可変部分をバイパスさせる段階とは無関係に、流量の予め設定された範囲内で送達される製品ガスの流量を制御する段階を更に有している請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記製品ガスの可変部分をバイパスする段階が、バイパスさせられた製品ガスが前記調整可能物質移動領域位置決め手段（１５６）内のオリフィスを画定するバルブ手段（９３）を通過するようにする段階と、製品ガスの所望の量をバイパスさせるようなオリフィスサイズを選択する段階とを含んでいる請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記製品ガスの可変部分をバイパスする段階が、バイパスさせられた製品ガスが前記調整可能物質移動領域位置決め手段（１５６）内のオリフィスを画定するバルブ手段（９３）を通過するようにする段階と、製品ガスの所望の量をバイパスさせるようなオリフィスサイズを選択する段階とを含んでいる請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
製品ガスの可変部分をバイパスさせる段階により、前記混合タンク（１５４）に供給される前記製品ガス中の他の成分ガスの濃度が、約９５．５％から約２１％の範囲で生じる請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記混合タンク（１５４）に供給される前記製品ガス中の他の成分ガスの濃度の範囲が、約７７％から約３７％である請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記予め設定した流量の範囲が、約６リットル／分から約１５リットル／分である請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
各吸着機（６２，６０）が前記ガス混合物中の水の大部分を吸着する領域（６）を含んでいて、更に、前記吸着機（６２，６０）の水吸着領域（６）を制御及び安定化する段階を有する請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は一般には、圧力スイング吸着によってガス混合物を分離するガス濃縮装置に関し、より詳細には、成分ガスの濃度を選択的に変更可能な製品ガスの製造に関する。
発明の背景
本発明に関連する一般的な種類の圧力スイング吸着装置は、米国特許第４８０２８９９号及び同第５５３１８０７号に記載されている。一般に、圧力スイング吸着装置は、フィード流からのガス混合物が連続して吸着機を順方向に向けて通される時にガス混合物から少なくとも１つの成分ガスを分別する吸着材料の固定層をそれぞれが有する少なくとも一対の吸着機を含む。一方の吸着機が吸着を行う一方、他方の吸着機は同時に、一方の吸着機から回収され、他方の吸着機を通って逆方向に導かれる製品ガスによって、吸着された成分ガスをパージする。一度他方の吸着機がパージされると、次いでガス混合物がこの他方の吸着機の方へ順方向に導かれ、一方の吸着機がパージされると同時に、他方の吸着機が吸着を行うようにする。
高度に濃縮された製品ガスが、吸着機のガス移送領域を制御することによって得られる。従来型の吸着機は図１Ａに図示したように４つの領域を含んでいる。例えば、圧縮空気が入口４を通して吸着機２に入る時、空気は、窒素７８％、酸素２１％、アルゴン０．９％、及び不定量の水を含んでいる。第１領域又は水領域６は、水を捕捉する。第２領域８は、分別された窒素と少量の酸素を吸着する。第３領域又は物質移動領域（mass transfer zone）（「ＭＴＺ」）１０は、様々な濃度の製品酸素ガスを含み、この酸素ガスは、より多くの分別された窒素が捕捉されることによって第２領域からの距夢に従い濃度を増加する。第４領域１２は高度に濃縮された製品酸素ガスを含み、吸着機２の末端部１４へ延伸する。
高度に濃縮された製品酸素ガスは、吸着機２の入口４の近くの水領域６を安定化することと、ＭＴＺ１０を第２領域８と第４領域１２との間の鮮明な境界のように維持することとによって得られる。これらの領域６、１０は、所定量の製品酸素ガスを逆方向に導いて吸着機２を通すことによって安定化され、維持される。
しかしながら、幾つかの用途では、より低濃度の製品酸素ガスを必要とする。必要とされる特定の濃度と流量を有し、これらの特徴が互いに独立している製品酸素ガスを生産する装置を制御することが本発明の目的である。
製品ガス中の所望の酸素濃度を変化させる１つの先行提案としては、フィード流からの周囲空気を高度に濃縮された酸素製品と混合するという提案がある。上記の提案は、非常に多くの欠点を有している。１つの欠点は、製品酸素ガスの濃度がガス混合物の流れに依存することである。従って、ガス混合物の流れが乱れた場合、製品ガスの濃度も影響される。他の欠点は、混合される空気が湿気を含んでいる可能性があり、製品酸素ガス内で望ましくない凝結が起きる可能性があることである。
他のより早期の提案としては、高流速で製品酸素ガスを吸い込むことにより圧力スイング吸着装置を過吸引させるという提案がある。しかしながら、高流速は第１領域６、第２領域８及びＭＴＺ１０を移動させ、延伸する。特に、ＭＴＺ１０は、図１Ｂに図示したように、吸着機２の末端部１４を通り越して移動し延伸する。この事が起きる時、製品酸素ガスは未知のそして制御不可能な低濃度で回収される。過吸引は又、幾つかの欠点を有する。第１に、水領域６及びＭＴＺ領域１０を安定させることが困難なため、装置の効率が低下することになる。第２に、ＭＴＺ１０が末端部１４にある時、ＭＴＺ１０を制御することは困難であり、この事が次いで、図１Ｃに図示されたように生成された製品酸素ガスの濃度範囲を制御することを困難にさせる。第３に、特定の濃度を再現することが困難である。最後に、流量が製品ガスの濃度レベルを制御するので、製品ガスの流量と濃度とは本質的に互いに依存する。
発明の概要
本発明は、製品酸素ガスの様々な所望の濃度及び流量を達成するように設定することが可能で、この流量及び濃度が互いに独立して制御される、新しくて改良された圧力スイング吸着装置（酸素濃縮機）を提供することにより前述の欠点を取り除く。この事は、装置内に可変制御手段を設けることにより達成され、この装置は流量と無関係に、逆方向で吸着機を通過する製品ガスの可変量を制御し、設定可能濃度の範囲の所望の濃度の製品ガスを製造するようにする。一度、製品ガスの所望の濃度が独立に達成されると、装置は製品ガスの濃度と無関係に製品ガスの流量を制御することが可能である。
本発明のこれら及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面と関連させて以下の説明を読むことでより明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、空気が、高度に濃縮された製品ガスを生成するように構成された吸着機を通過する際の空気中の窒素濃度の変化を示すグラフである。（従来技術）
図１Ｂは、空気が、低濃度の製品ガスを生成するように構成された吸着機を通過する際の空気中の窒素濃度の変化を示すグラフである。（従来技術）
図１Ｃは、図１Ｂに例示された吸着機から製造される製品ガスの濃度範囲のグラフである。（従来技術）
図２は、本発明に従った酸素濃縮機の流れの接続及び作用要素を図示している略示線図である。
図３は、図２の接続と要素を組込んでいる酸素濃縮機の正面図である。
図４は、ガス混合物が、種々の所望の濃度の製品ガスを生成するように構成された吸着機を通過する際のガス混合物中の窒素濃度の変化を示すグラフである。
図５は、図１Ｃに図示したグラフに関連し、図２に図示したような吸着機から製造される最終製品ガスの濃度範囲のグラフである。
図６は、図２の酸素濃縮機の電気系統の配線略図である。
図示した実施例の詳細な説明
今、図面を参照し、まず図２及び図３について考えると、全体が２０で示された、圧力スイング吸着によってガス混合物から少なくとも１つの構成要素又は成分を分別する、本発明に従った圧力スイング吸着装置の実施例が示されている。
図２を参照すると、ガス空気混合物は装置２０へ供給され作用要素３０の組立体を通る。要素３０は初めに吸込共振器（intake resonator）５８の入口２２にフィードガス流を受入れ、フィード流の吸込みのための騒音を減少させるようにする。フィード流は共振器の出口２３を通って続き、配管１０６を通ってポンプ又はコンプレッサー組立体２４によって移送される。コンプレッサー１１０と熱交換器１０８を含むコンプレッサー組立体２４は、フィード流を組立配管１０７を通してバルブブロック６４へ、具体的には第１フィードバルブ１１６へ移送する。
フィードバルブ１１６から配管１２８を通り、フィード流は第１吸着機６２の入口８２ａに順方向に入る。吸着機６２内で、フィード流は所望の濃度の製品ガスに分別される。次いで製品ガスは第１吸着機６２の出口８４ａを通り製品マニホールド組立体６６の中へ進む。
製品マニホールド６６内で製品ガスは３方向に方向付ける制御が可能である。第１の方向は、Ｔ接続１４０及び配管１３８を通って製品均圧バルブ（product equalization valve）１３６へ向かう。第２の方向は、Ｔ接続１４０及び配管１４８を通ってパージオリフィス１４４へ向かう。最後の方向はＴ接続１４０、１６０及び配管１３８、１５８を通って第２パージループ（purge loop）１５６へ、具体的には従来型の濃縮バルブ（concentration valve）９３へ向かう。パージオリフィス１４４が開いていて、濃縮バルブ９３が閉じている場合、製品ガスの濃度は、図１Ａに示されるように高くなる。本発明では、パージオリフィス１４４と濃縮バルブ９３は開かれ、共に独立に製品ガスの濃度を制御する。特に、オリフィス１４４及びバルブ９３は、図４に示されるようなＭＴＺ１０の位置（起こり得る位置は、線１０ａ、１０ｂ及び１０ｃと、矢印１６４で図示されるようにこれらの線の間の変動を含む）及び第２吸着機６０の水領域６の位置、及び図５に示されるような製品ガスの濃度の範囲を制御する。
図２に戻ると、製品ガスの少しの部分がパージオリフィス１４４、１４６及びＴ接続１５０、１４２を通って進むと共に、バルブ９３及びＴ接続１６２、１４２を通って進む製品ガスが逆方向に方向付けられ、第２吸着機６０の出口８４ｂ及び入口８２ｂを通る。逆方向の製品ガスは吸着機６０をパージし、次いでパージされた窒素と共に配管１３０を通ってバルブブロック６４へ、具体的には排出弁１２２及び排出消音器１２６へ進み、次いで示されているように排出される。パージオリフィス１４４を通って進む製品ガスの他の又は使用可能な部分は、Ｔ接続１５０を通って流量制御組立体６８へ導かれる。
流量制御組立体６８内には、混合タンク１５４、テストブロック要素１６９、圧力調節器１７０、従来型流量制御バルブ９２、チェックバルブ１９０ａ、ｂ、従来型バクテリアフィルター１９８及び出口コネクター１００がある。混合タンク１５４は、製品ガスを配管１５２及びＴ接続１５０を通して受入れ、製品ガスを所望の濃度へ平均化する。一度混合タンク１５４を通ると、製品ガスは配管１６７を通って押し進められ、それが流量制御バルブ９２に達するまで、圧力調節器１７０によってモニターされる。製品ガスの流量は流量制御バルブ９２によって独立に制御され、配管１７２及びチェックバルブ１９０ａを通り出口コネクター１００へ進む。
吸着機６２が飽和状態になり吸着機６０がパージされている場合、上述の工程が逆にされ、吸着機６０が酸素濃縮製品ガスを製造するのに使用される。この逆工程は、３つの違いを除いて前述の工程と同じである。第１の違いは、ポンプ２４からのフィード流が吸着機６０のためのフィードバルブ１１８へ導かれることである。第２の違いはパージオリフィス１４４がパージオリフィス１４６によって置換えられることである。最後の違いは排出弁１２２が排出弁１２０によって置換えられることである。従って、製品ガスの一部は吸着機６０からパージオリフィス１４６を通って組立体６８へ流れ、残りは逆方向にバルブ１３６及び第２ループ１５６を通って流れ、窒素をバルブ１２０及び消音器１２６を通してパージする。フィードバルブ１１６、１１８及び排出弁１２０、１２２はソレノイドバルブの対である。各対では、それぞれの吸着機６０、６２を通るガスの方向により、一方が開き、他方が閉じる。
以下で明かになるように、装置２０及び要素３０は、酸素リッチなガスの流れを製造するための空気の分別への圧力スイング吸着の利用に関連して、特に説明され、例示されている。これ故、装置２０へ供給されるフィード流は、圧縮された大気である。ここでの説明は、所望の濃度の酸素製品ガスの製造に限られているが、本技術分野の知識を有する者であれば、この圧力スイング吸着装置を他のガスの製造にも使用可能であることは明白である。
図３に示されるような酸素濃縮機２０は、取外し可能バックパネル（図示無し）と共にキャビネット組立体３４を画定する保護ハウジング２８を支持するベース２６と、取外し可能フロントパネル３８と、取外し可能左側パネル４０と、取外し可能右側パネル４２とを含んでいる。ベース２６は固定の中央支持構造体を含み、この中央支持構造体は、要素３０をこの支持構造体へ取付けるための背板を構成する。固定の上部フロントパネル４８は制御パネル５０を保持する。濃縮機２０の前側の作用要素３０は、吸込共振器５８と、コンプレッサー組立体２４と、制御パネル５０と、一対の吸着機６０、６２と、製品流量制御組立体６８とを含む。濃縮機の後ろ側の作用要素３０は、一対の吸着機６０、６２と、バルブブロック６４と、製品マニホールド組立体６６と、製品流量制御組立体６８と、回路板７０とを含んでいる。これらの作用要素３０の機能については、以下で述べる。
各吸着機６０、６２は、支持構造体へ取付けられるかなり細長の容器を含み、そこを通る経路を定められた空気から窒素を吸着するような吸着材料の層でほぼ満たされている内部空胴を有している。更に、各吸着機６２又は６０は、対応する吸着機容器８０ａ又は８０ｂのそれぞれ下方端及び上方端に近接する入口８２ａ又は８２ｂ及び出口８４ａ又は８４ｂを含んでいる。各吸着機６０又は６２の入口と出口は、吸着材料の層を通して互いに流体的に連通している。これ故、各吸着機入口８２ａ又は８２ｂへ方向付けられた空気は、吸着材料に曝され、この事によって空気中の窒素が吸着され、次いで最終的な酸素濃縮製品ガスが、対応する吸着機を出口８４ａ又は８４ｂを通って出て行く。
吸着機６０、６２の吸着層は、例えば、アルミナナトリウム珪酸塩（sodium alumina silicate）として知られる分子ふるい材料等の幾つかの吸着材料の何れかから構成され得る。本質的に、吸着材料は、入口８２ｂ又は８２ａから出口８４ｂ又は８４ａへ対応する吸着機６０又は６２を通る経路を定められた空気から窒素を吸着し、吸着機出口８４ｂ又は８４ａを出て行く製品酸素ガスが所望の濃度の酸素ガスであるようにする。更に、吸着材料は、吸着材料を再生する目的のために、パージガスが吸着機６０又は６２を通って逆方向に通過する時、その吸着された窒素を放出する。一方の吸着機６０又は６２が再生を受けている間は、他方の１つの吸着機だけが吸着を行う。再生の効率を向上するために、吸着を行っている吸着機６０又は６２によって製造される製品ガスの所定量が、再生を受けている他方の吸着機をパージするのに使用される。
図６に略図で示される従来型のファン６３が、コンプレッサー組立体２４の直ぐ後ろに配置され、バックパネル（図示無し）上に配置された換気オリフィス（図示無し）を通して装置２０の中へ空気を引込む。この空気は、装置２０を通して循環し、要素３０を冷却するようにする。そしてこの空気の一部は、吸込共振器５８の吸込み２２の中へ引込まれる。
図３に図示されたように、制御パネル５０は、例えば従来型の流量制御バルブ９２及び従来型の濃縮バルブ９３（例えば、様々なオリフィスサイズを有するエセックスバルブモデルナンバーＦＭ０２３−１（Essex valve Model No.FM023-1）等）、アワーメータ９４、サーキットブレーカ９６、オン／オフスイッチ９８、出口コネクター１００、予備酸素コネクター１０２等のパネル機器９０を有している。これらのパネル機器については以下で説明する。
これらのパネル機器９０及び作用要素３０の多くは、回路板７０に電気的に接続される。図６に示され、以下で説明される、回路板７０は、絶縁された隔離碍子によって支持構造体へ取付けられる。
図２に図示される製品マニホールド組立体６６は、均圧バルブ１３６と、配管１３８、１４８、１５８と、パージオリフィス１４４、１４６と、Ｔ接続１４０、１４２、１５０、１６０、１６２と、濃縮バルブ９３とを含んでいる。
製品流量制御組立体６８は、配管１５２、１６７、１７２と、混合タンク１５４と、テストブロック要素１６９と、圧力調節器１７０と、流量制御バルブ９２と、チェックバルブ１９０ａ及び１９０ｂと、出口コネクター１００とを含んでいる。
上述したように、装置２０の運転は、吸込共振器５８が入口２２を通って空気を受入れる時に開始する。この共振器５８は、組立配管１０６によってコンプレッサー組立体２４へ接続される。
図２に示されるように、コンプレッサー組立体２４は、例えば熱交換器１０８、コンプレッサー１１０、リリーフバルブ１１２及び高圧スイッチ１２４等の従来の構成要素を含んでいる。バルブ１１２はコンプレッサー１１０に配管１０６を通して作用上接続されている。運転においては、バルブ１１２が、コンプレッサー１１０へ供給される空気の圧力を予め設定した圧力に制限する。同様に、高圧スイッチ１２４が熱交換器１０８へ作用上接続され、フィード流の圧力を予め設定した限界値へ制限する。高圧スイッチ１２４は従来型のスイッチであり、バルブブロック６４内の高圧を知らせる。この指示器は、可聴なものでも可視なものでも可能であり、又はそれら両方によるものも可能である。可視指示器は通常、回路板７０（図６）に備えられた従来型の発光ダイオード装置１３２によって表示される。
バルブブロック６４は、一体化されたバルブ調整及び出入口調整システム（integrated valving and porting system）であり、このシステムは、様々な機器の適切な運転が確実に行われるようにする。これらの機器は、一対のフィードバルブ１１６、１１８、一対の排出弁１２０、１２２、排出消音器１２６を含む。フィードバルブ１１６、１１８は、熱交換器１０８と吸着機入口８２ａ、８２ｂとの間に接続される。この接続では、配管の２つの部分１２８、１３０が、バルブブロック６４から吸着機入口８２ａ及び８２ｂへ適切に延伸する。
排出弁１２０及び１２２は、吸着機入口８２ａ、８２ｂと連結され、パージされたガス及びパージされた窒素を逆方向で配管１２８、１３０を通して消音器１２６へ導き、次いで消音器１２６を通して大気へ放出されるようにする。通常、大気への圧縮されたガスの流れの放出に伴う音は、消音器１２６によって消される。
製品マニホールド組立体６６は、吸着機６０及び６２の出口８４ｂ、８４ａからの製品ガスを受入れると共に、製品均圧バルブ１３６を含み、製品製造サイクルと再生サイクルとの間で吸着機６０及び６２の内部圧力を均等にする。製品均圧バルブ１３６は、配管１３８及びＴ接続１４０及び１４２によって吸着機出口８４ａ及び８４ｂへ作用上接続される。バルブ１３６を開けることによって、吸着機容器８０ａ、８０ｂは吸着機出口８４ａ、８４ｂを通して、吸着機６０及び６２の内部圧力を均等にすることを可能にする方法で互いに連通する。バルブ１３６を閉止することによって、バルブ１３６を通る吸着機出口８４ａ及び８４ｂ間のガス製品の流れが妨げられる。
更に図２を参照すると、一対のパージオリフィス１４４、１４６が、Ｔ接続１４０及び１４２と第３のＴ接続１５０との間の配管部分１４８によって、製品均圧バルブ１３６に対して並列関係で接続される。運転においては、オリフィス１４４、１４６が、最適な高濃度製品酸素ガスを得られるように吸着機６０、６２を逆方向に通過する、製品酸素ガスのパージ流を制限する。オリフィス１４４、１４６は又、図５に図示されるように、Ｔ接続１５０を通って混合タンク１５４へ接続される配管１５２へ進む製品酸素ガスの圧力の可動域を濃縮バルブ９３との相互関係においてのみ低下させる。
吸着機６０及び６２の内部圧力を均等にすることと共に、本発明に従った第２パージループ１５６が例示されており、この第２パージループ１５６は、配管１３８上でＴ接続１６０、１６２によって、製品均圧バルブ１３６及びパージオリフィス１４４、１４６に対して並列関係で接続される、パージング配管１５８の一部を含んでいる。パージ配管１５８へ接続されるのは、濃縮バルブ９３である。バルブ９３は、製品ガスの種々の所望の濃度を達成するために変更可能である最小流量から最大流量まで変化するマルチプルオリフィス（multiple orifices）を有している。以下の表１では、記号Ａ−Ｇは、種々のオリフィスサイズを表し、Ａが最小であり、Ｇが最大であって、このサイズによりパージループ１５６内に様々な量の製品ガスが供給される。
吸着機６０、６２の一方の再生運転の間、濃縮バルブ９３は手動で、又は必要があれば自動で設定され、製品酸素ガスの所定の量が吸着機６２、６０の出口８４ａ、８４ｂ間の移動可能であるようにする。濃縮バルブ９３を通って流れる製品酸素ガスの量が増加する時、吸着機のＭＴＺ１０は、制御可能な方法で、図４に図示されるように線１０ｃまで吸着剤２の層を通って広がり、同時に水領域６を安定させる。換言すれば、バルブ９３を通って流れる製品ガスの量が減少した場合には、吸着機のＭＴＺ１０は、（線１０ａで示されるように）より急になり、図１Ａで図示される９５％酸素流と同一ではないが類似する。この事によって、矢印１６４によって示されるように、吸着機６０のＭＴＺ１０は制御可能であり、設定可能濃度の範囲の所望の濃度の最終製品酸素ガスを製造するようにする。最終製品酸素ガスは、図５に図示されるように、ガスの圧力可動域を減少することによって管理可能及び制御可能な濃度範囲を有しており、そのガスの圧力可動域は、以下で説明する製品流量制御組立体６８によって更に制御することが可能である。
図２に示されるように、製品酸素ガスが製品マニホールド組立体６６を出て行く時、製品ガスは、流量制御組立体６８へ混合タンク１５４を通って入り、製品ガスの濃度を平均化するようにする。更に、混合タンク１５４は、製品ガス内で窒素が平均化されることを確実にするように、例えば吸着機６０、６２で使用されたもの等、吸着材料を含むことが可能である。
製品流量制御組立体６８の残りの部分は、配管１６７を介して混合タンク１５４へ接続され、配管１６７を通って流れる製品酸素ガスを受入れる。製品流量制御組立体６８は、流量制御バルブ９２と、所望の濃度範囲を維持する圧力調節器１７０と、図６に示されるようなテストブロック要素１６９とを有している。テストブロック要素１６９は、配管１６７の予め選択した位置において製品酸素ガスの圧力を検出する低圧スイッチ１６８及び高圧スイッチ１２４を有している。スイッチ１６８及び１２４は、制御パネル５０と相互に接続されている。
バルブ９２及び９３はそれぞれ、多様なオリフィスサイズを有している。これらのオリフィスサイズは手動で（又は必要であれば自動で）、設定することが可能であり、製品酸素ガスの流れを調整するようにする、又は、約９５．５％酸素から約２１％酸素まで、好ましくは表１に例示されるような範囲内で、濃縮バルブ９３と関連して変化する製品酸素ガスの所望の濃度を達成するようにする。
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流量制御バルブ９２の吐出側又は下流側に取付けられるのは、配管１７２の一部であり、この配管１７２の一部はパネル５０上の出口コネクタ１００へ接続され、この出口コネクタ１００を通して製品酸素ガスが濃縮機２０を出て行く。
酸素濃縮機２０の運転は、図２及び図６に例示されるような濃縮機２０のバルブ調節手段の操作手順の説明によって簡単に説明することが出来る。濃縮機２０の始動時において、バルブ１１６、１１８、１２０、１２２及び１３６が、背圧を取り除くために開かれ、次いで、回路板７０上に印刷された従来型のスイッチ類及びリレースイッチ類の時限装置によって閉じられる。入口２２を通って濃縮機２０へ入る原料空気は、それにより吸着機６２を通りその入口８２ａからその出口８４ａへ順方向に導かれる。吸着機出口８４ａから放出される酸素の、選択された濃縮バルブ９３のオリフィスサイズに依存する所定量が、バルブ９３を通って並列に導かれると共に、一部分がオリフィス１４４、１４６を通って逆方向に導かれ、吸着機の出口８４ｂから入口８２ｂへ吸着機６０を通り、次いで時限装置によって開放される排出弁１２２を通る。所望の酸素濃度の最終製品ガスの残りの部分は、混合タンク１５４へ移送される。
運転は、吸着機６２が窒素でほぼ飽和するまで続く。いつ吸着機がほぼ飽和されるかは、予め設定されており、時限装置によって制御される。この時限装置は様々なバルブ１１６、１１８、１２０、１２２及び１３６を制御する。この事が吸着機６２に起こる時、フィードバルブ１１６及び排出弁１２２が閉止され、均圧バルブ１３６が開放されて吸着機６０、６２の内部圧力を均一に出来るようにする。一度、吸着機の圧力が均一化されると、均圧バルブ１３６は閉止され、吸着機６０のためのフィードバルブ１１８及び吸着機６２のための排出弁１２０が開放される。この事によって、入口２２を通って濃縮機２０に入る供給空気は、吸着機６０を通って、その入口８２ｂからその出口８４ｂへ順方向に導かれる。同様に、吸着機出口８４ｂから放出される製品ガスの、選択された濃縮バルブ９３のオリフィスサイズに依存する所定量が、バルブ９３及びオリフィス１４４、１４６を通って逆方向に導かれ、吸着機６２の出口８４ａから入口８２ａへ吸着機６２を通り、次いで排出弁１２０を通る。最終製品酸素ガスは、バルブ９３の設定に従った所望の濃度を有する。
吸着機６０がほぼ飽和しパージされる時、フィードバルブ１１８と排出弁１２０が閉止されると共に均圧バルブ１３６が開放され、それによって吸着機６０、６２の内部圧力を均一に出来るようにする。この時、運転のサイクルは、均圧バルブ１３６を閉止すること及びフィードバルブ１１６及び排出弁１２２を再び開放することで繰り返される。次いで、一方の吸着機が、製品製造サイクルで酸素リッチ製品ガスを製造するのと同時に、他方の吸着機が再生運動で吸着されたガスをパージされるということが行われ、それぞれの吸着機が逆になる場合もある。
上述したフィードバルブ、排出弁及び均圧バルブのそれぞれは、好ましくは、動力のオンオフに反応するソレノイド型バルブである。種々の製品製造及び再生運転の制御は、フィードバルブ、排出弁及び均圧バルブの開閉を適切に順序付けることによって行われる。濃縮機２０においてはこれらのバルブの制御は、回路板７０に印刷された従来型スイッチ類及びリレーの時限装置類によって達成される。時限装置はバルブへ作用上接続され、予め設定した時間の経過後にバルブをオンオフする。これ故、製品製造及び再生運転は、フィードバルブ、排出弁及び均圧バルブのそれぞれが開放されている及び閉止されている時間の長さを自動的に制御することによって、濃縮機２０内で自動的に制御される。
図６に例示したように、回路板７０上に印刷された時限装置が、本技術分野の知識を有する者に公知の従来の回路構成及びスイッチによって、これらの多数のバルブを制御する。回路板７０は又、発光ダイオード指示器装置１３２と同様に、バッテリーユニット１７３及びブザー１７４へも接続される。ブザー１７４はスイッチ１２４、１６８へ接続される。電力は一般に、例えば電気プラグ１７６及び二次外部電源１７７等の電気接続を通して受ける。プラグ１７６と電源１７７は示されているようなコネクタ１７９によって相互に接続される。電力は、サーキットブレーカ９６及び主電源スイッチ９８を通して回路板７０へ供給される。そして回路板７０は、バルブ１１６、１１８、１２０、１２２及び１３６と、パネル機器９０と、直列に高温カットオフスイッチ１１２を備えたコンプレッサー組立体２４と、空気循環ファンとを管理及び制御する。非常の場合には、装置２０は回路板７０へ電気的に接続されるバッテリーユニット１７３を有している。バッテリーユニット１７３が作動している時、ブザー１７４がユーザーに警告する。
本発明の他の実施形態では、この電気回路構成は従来型のモデムシステム（図示無し）へ接続することが可能であり、この従来型のモデムシステムは、運転時間及び設定を決定し、管理者がバルブ１１６、１１８、１２０、１２２の設定を制御することを可能にし、バルブ９２及び９３が回路板７０へ接続されている場合には、バルブ９２及び９３の設定をも制御することを可能にする。
ハウジング手段２８は従来の防音材で作ることが可能であり、移動可能であるように、ベース２６は図３及び図４に示されるように車輪１７８、１８０を有することが出来る。
本発明の精神から逸脱することなく、ここに記載された実施形態に対する多くの変形例及び代替例が製造され得ることが理解されるだろう。従って、ここに記載された実施形態は、限定しようとしたものではなく例示を目的としたものである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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