酸素に富むガスの製造装置及び方法
【課題】酸素に富む気体の製造装置と方法を提供すること。
【解決手段】酸素に富む気体を製造するための装置は、（ａ）第１及び第２のコンプレッサを含み、重量Ｗpにより特徴づけされる主気体ポンプ、（ｂ）第１及び第２のコンプレッサを駆動するように適合された駆動モータ、（ｃ）重量Ｗbによって特徴づけされる充電式電源、及び（ｄ）加圧原料空気を生成物流量Ｆpの酸素に富む生成物と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を収容する複数の吸着床を含み、吸着剤の合計重量Ｗaにより特徴づけされる圧力／真空スイング吸着ユニット、を含む装置であり、吸着剤、主気体ポンプ及び充電式電源の総重量Ｗtが、式
０．７５Ｆp＜Ｗt＜２．０２Ｆp
で特徴づけられ、式中のＦpはリットル／分（２３℃、１ａｔｍａ圧力での）単位であり、Ｗa、Ｗp及びＷbはポンド単位である、酸素に富む気体の製造装置である。
【解決手段】酸素に富む気体を製造するための装置は、（ａ）第１及び第２のコンプレッサを含み、重量Ｗpにより特徴づけされる主気体ポンプ、（ｂ）第１及び第２のコンプレッサを駆動するように適合された駆動モータ、（ｃ）重量Ｗbによって特徴づけされる充電式電源、及び（ｄ）加圧原料空気を生成物流量Ｆpの酸素に富む生成物と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を収容する複数の吸着床を含み、吸着剤の合計重量Ｗaにより特徴づけされる圧力／真空スイング吸着ユニット、を含む装置であり、吸着剤、主気体ポンプ及び充電式電源の総重量Ｗtが、式
０．７５Ｆp＜Ｗt＜２．０２Ｆp
で特徴づけられ、式中のＦpはリットル／分（２３℃、１ａｔｍａ圧力での）単位であり、Ｗa、Ｗp及びＷbはポンド単位である、酸素に富む気体の製造装置である。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
家庭内及びその他の住宅環境内における患者への治療用酸素の供給は、医療産業において重要な成長市場である。この市場の一部には、携帯式酸素濃縮器、特に連続的な酸素療法を必要とする患者が容易に持ち運びできるユニットの開発と商品化が含まれている。携帯式で持ち運びの簡単な酸素供給は、適切な気化又は圧力調節システムと気体送給カニューレを用いて貯蔵された液体又は圧縮酸素により行うことができる。それとは別に且つ好ましくは、酸素は、所望の純度、流量及び圧力で気体酸素を供給する、患者が持ち運ぶ小型空気分離装置によって供給してもよい。この装置を動作させるための電力は、充電式の電源、標準的には充電式バッテリーによって提供できる。小型空気分離装置は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法を用いた吸着ベースのシステムであることができる。
【０００２】
呼吸酸素使用量は、一般に、酸素所要量が中程度の歩行可能患者については最高５リットル／分（２３℃、１ａｔｍａの圧力での毎分のリットル数）までの範囲にある。この製品範囲内の持ち運びが簡単な充電式の携帯用酸素濃縮器の設計は、生成物気体流量、重量及び電源寿命又は運転時間（すなわち充電と充電との間の動作時間）を適切にバランスさせるべきである。このバランスは、数多くの動作及び設計パラメータの適正な選択を必要とし、技術設計者にとって大きな課題を提示するものである。例えば小型の吸着式空気分離ユニットにおいては、設計パラメータには、生成物純度、生成物送給圧力、プロセスサイクルのタイプ、プロセスサイクル圧力包絡線、吸着剤、吸着剤床の数と寸法、気体ポンプのタイプ、電源のタイプ、気体流量制御方法、電気制御システム及び製作材料を含めることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
当該技術分野においては、最小限のシステム重量で所要の気体供給速度と運転時間を提供する携帯式の吸着ベースの酸素発生システムを設計するための方法が必要とされている。この必要性は、これらのシステムのための適切なプロセス及び機械的パラメータを規定する一方で設計者がこれらの必要条件のバランスをとることができるようにする最適化方法によって満たすことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
小型で簡単に持ち運びできる吸着ベースの酸素濃縮器の最適化された設計の必要性は、本発明の様々な態様により満たされる。ここで詳細に説明するように、生成物流量、生成物純度、生成物送給圧力及び運転時間の任意の実施可能な組合せについて、１つの吸着ベースのシステムのための最小重量範囲を決定することができるということが見いだされた。これは、選択されたプロセスパラメータの関数として各々の可変重量システムの構成要素の重量を決定し、選択されたパラメータの様々な値でこれらの構成要素の重量を加算し、そして可変重量と選択されたパラメータの関係を表わす曲線を作ることによって達成することができる。この曲線は、一般には、選択されたプロセスパラメータの好ましい範囲内で最小重量を示す。選択されたプロセスパラメータは、プロセスサイクルの間の最小床圧力である。
【０００５】
本発明の１つの態様は、酸素に富む気体を製造するための装置であって、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するように適合されている第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで廃気を圧縮するように適合されている第２のコンプレッサを含み、重量Ｗpにより特徴づけされる主気体ポンプ（ｍｏｖｅｒ）、
（ｂ）第１及び第２のコンプレッサを駆動するように適合された駆動モータ、
（ｃ）重量Ｗbによって特徴づけされる、駆動モータに電力を供給するように適合された充電式電源、及び
（ｄ）加圧原料空気を生成物流量Ｆpの酸素に富む生成物と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を含む複数の吸着床を含み、吸着床内に含まれる吸着剤の合計量が合計吸着剤重量Ｗaにより特徴づけされる、圧力／真空スイング吸着ユニット、を含む装置であり、
吸着剤、主気体ポンプ及び充電式電源の総重量Ｗtが、式
０．７５Ｆp＜Ｗt＜２．０２Ｆp
で特徴づけすることができ、式中のＦpはリットル／分（２３℃、１ａｔｍａ圧力での）単位であり、Ｗa、Ｗp及びＷbはポンド単位である、装置に関する。
【０００６】
バッテリーは、最大及び最小の実用充電量の間の時間単位で表した作動運転時間ｔrにより特徴づけることができ、そして装置は、式
０．２１Ｆp＜Ｗa＜０．６１Ｆp、
０．３６Ｆp＜Ｗp＜０．７０Ｆp、
０．１８Ｆp＜Ｗb＜０．７１Ｆp、及び
０．１０Ｆpｔr＜Ｗb＜０．４０Ｆpｔr、
のいずれかにより更に特徴づけることができる。
【０００７】
複数の吸着床は、４つ以上の床を含むことができ、また４つの床からなることができる。
【０００８】
第１及び第２のコンプレッサの各々は、スクロール、ダイヤフラム、ピストン及びロータリーベーンコンプレッサからなる群から選択することができる。第１及び第２のコンプレッサは、スクロールタイプのコンプレッサであることができる。該装置は更にコンサーバを含んでもよい。
【０００９】
該装置は、１２ポンド未満の合計重量を有することができ、１０ポンド未満の合計重量を有してもよく、８ポンド未満の合計重量を有してもよい。
【００１０】
吸着剤は、リチウム、カルシウム、亜鉛、銅、ナトリウム、カリウム及び銀からなる群から選択される１種以上の金属カチオンと交換されたゼオライトＸからなる群から選択することができる。吸着床は更に、空気からの水及び二酸化炭素の吸着について選択性のある付加的な吸着剤を更に含んでもよく、該付加的な吸着剤は、（１）活性アルミナ、及び（２）リチウム、ナトリウム及びカリウムからなる群から選択された１種以上の金属カチオンと交換されたゼオライトＸ、からなる群から選択される。
【００１１】
充電式電源は、バッテリーでよい。あるいはまた、充電式電源は燃料電池でよい。
【００１２】
該装置は更に、主気体ポンプ、駆動モータ、充電式電源及び圧力／真空スイング吸着システムをとり囲む外部ケースと、該ケースの外側に取付けられたユーザー表示／制御パネルを含むことができる。この装置は、１２ポンド未満の合計重量を有することができ、１０ポンド未満の合計重量を有してもよく、８ポンド未満の合計重量を有してもよい。
【００１３】
酸素に富む気体を製造するための装置は、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するように適合されている第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで廃気を圧縮するように適合されている第２のコンプレッサを含み、重量Ｗpにより特徴づけされる主気体ポンプ、
（ｂ）第１及び第２のコンプレッサを駆動するように適合された駆動モータ、
（ｃ）重量Ｗbと、最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間ｔrにより特徴づけされる、駆動モータに電力を供給するように適合された充電式電源、及び
（ｄ）加圧原料空気を生成物流量Ｆpの酸素に富む生成物と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を含む複数の吸着床を含み、吸着床内に含まれる吸着剤の合計量が合計吸着剤重量Ｗaにより特徴づけされる、圧力／真空スイング吸着ユニット、を含むことができ、該装置は、式
０．２１Ｆp＜Ｗa＜０．６１Ｆp、
０．３６Ｆp＜Ｗp＜０．７０Ｆp、
０．１８Ｆp＜Ｗb＜０．７１Ｆp、及び
０．１０Ｆpｔr＜Ｗb＜０．４０Ｆpｔr、
のうちのいずれかにより特徴づけることができ、式中のＦpはリットル／分（２３℃、１ａｔｍａ圧力での）単位であり、ｔrは時間単位であり、そしてＷa、Ｗp及びＷbはポンド単位である。
【００１４】
該装置は更に、電気配線及び制御システム、ケース又はハウジング、及びハウジングの外側に取り付けられたユーザー表示／制御パネルを含めた付加的要素であって、酸素発生装置と該付加的要素が一緒になって携帯式酸素濃縮器を形成するものと、該携帯式濃縮器ユニットをユーザーが持ち運ぶための手段を含むことができる。
【００１５】
本発明のもう１つの態様は、酸素に富む生成物の気体を製造するための方法であって、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するための第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで酸素欠乏廃気を圧縮するように適合された第２のコンプレッサを含む主気体ポンプ、第１及び第２のコンプレッサを駆動するための駆動モータ、及び駆動モータに電力を提供するための充電式バッテリーを提供し、該充電式電源が最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間によって特徴づけされること、
（ｂ）加圧原料空気を酸素に富む生成物気体と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を含む複数の吸着床を含む圧力／真空スイング吸着システムを提供すること、及び
（ｃ）少なくとも給気／生成物提供、減圧、排気及び再加圧の反復工程を含む吸着サイクルを通して吸着床の各々を順に運転すること、
を含む方法であって、次の運転パラメーター、すなわち、
（１）充電式バッテリーが、最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間中、０．０２ｋＷｈと０．１７ｋＷｈの間の電力を提供すること、
（２）吸着サイクル中の各々の吸着床内の吸着剤の合計実用容量が窒素１．２×１０-4ポンドモルと６．７×１０-4ポンドモルの間であること、
（３）第１のコンプレッサが給気／生成物提供工程中に１．１４×１０-4ポンドモルと４．０１×１０-4ポンドモルの間の加圧原料空気を移動させること、及び
（４）第２のコンプレッサが減圧工程及び排気工程中に３．４７×１０-4ポンドモルと９．９６×１０-4ポンドモルの廃気を移動させること、
のいずれかを特徴とすることができる、酸素に富む生成物の気体を製造するための方法に関する。
【００１６】
圧力／真空スイング吸着システムは、４つの吸着床を有することができ、該吸着床の各々は、
（Ａ）床の給気端部へ加圧原料空気を導入しながら酸素富化生成物気体を床の生成物端部から抜き出す給気／生成物製造工程、
（Ｂ）床の給気端部へ加圧原料空気を導入しながら酸素富化生成物気体を床の生成物端部から抜き出す給気／生成物製造／再加圧工程であって、その最終の再加圧工程を受けている別の床を加圧するために該生成物気体の一部分を使用する給気／生成物製造／再加圧工程、
（Ｃ）気体を抜き出すことにより床を減圧させ、そこから抜き出した気体の少なくとも一部分を再加圧工程を受けている別の床に移す減圧工程、
（Ｄ）気体を抜き出すことにより床を更に減圧するパージ準備工程であり、そこから抜き出した気体の少なくとも一部分をパージ工程を受けている別の床へ移すパージ準備工程、
（Ｅ）床が大気圧未満の最低床圧力に達するまで床の給気端部から気体を抜き出す排気工程、
（Ｆ）床の生成物端部へパージ気体を導入しながら床を排気し続けることにより床をパージし、当該パージ気体を工程（Ｄ）を受けている別の床から提供するパージ工程、
（Ｇ）床の生成物端部へ加圧気体を導入し、該加圧気体は工程（Ｃ）を受けている別の床から提供する再加圧工程、及び
（Ｈ）別の床からの生成物気体を床の生成物端部へ導入する最終再加圧工程、
を含む一連の吸着サイクル工程を順に受けることができる。最小床圧力は、０．２５ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間にあることができ、また、０．４５ａｔｍａと０．８ａｔｍａの間にあることができる。酸素富化生成物気体の圧力は、１．２ａｔｍａと１．６ａｔｍａの間にあることができる。酸素富化生成物気体は、０．５〜３．０リットル／分（２３℃及び１ａｔｍａの圧力で定義される）の範囲内の流量で提供することができる。
【００１７】
本発明の別の態様は、酸素に富む生成物気体を製造するための方法であって、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するための第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで酸素欠乏廃気を圧縮するように適合された第２のコンプレッサを含む主気体ポンプ、第１及び第２のコンプレッサを駆動するための駆動モータ、及び駆動モータに電力を提供するための充電式バッテリーを提供し、該充電式電源が最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間によって特徴づけされること、
（ｂ）加圧原料空気を酸素に富む生成物気体と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、空気からの窒素の吸着について選択性の吸着剤を含む複数の吸着床を含む圧力／真空スイング吸着ユニットを提供すること、及び
（ｃ）少なくとも給気／生成物提供、減圧、排気及び再加圧の反復工程を含む吸着サイクルを通して吸着床の各々を順に運転すること、
を含み、排気工程における最小圧力が０．３５ａｔｍａと１．００ａｔｍａの間にあることができる方法を対象とする。
【００１８】
本発明のもう１つの態様は、携帯式圧力／真空スイング吸着酸素濃縮器システムの設計のための方法であって、
（ａ）生成物流量、生成物純度、生成物送給圧力、圧力／真空スイング吸着プロセスサイクル、吸着容器数、吸着容器内に収容される吸着剤、気体ポンプのタイプ、駆動モータに電力を供給するための再生可能電源のタイプ、及び最大及び最小の実用充填量の間の再生可能電源の運転時間を少なくとも含む設計パラメータを決めること、
（ｂ）大気圧より低い一連の最小床圧力を選択し、そして圧力／真空スイング吸着プロセスサイクルにおける最低の床圧力である各々の最小床圧力について、気体ポンプ、電源、及び吸着容器内に収容される吸着剤の必要重量を決定すること、
（ｃ）最小床圧力の各々の値について（ｂ）で決定した吸着剤、気体ポンプ及び電源の重量を加算して、吸着剤、気体ポンプ及び電源の合計重量を最小床圧力の関数として提供すること、及び
（ｄ）吸着剤、気体ポンプ及び電源の最小の総重量の範囲に対応する最小床圧力の範囲を選択すること、
を含む設計方法に関する。該最小床圧力の範囲は、０．４５ａｔｍａと０．８ａｔｍａの間にあることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の態様のための典型的な圧力／真空スイング吸着システムの概略フローダイヤグラムである。
【図２】本発明の第１の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図３】本発明の第２の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図４】本発明の第３の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図５】本発明の第４の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図６】本発明の第５の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図７】本発明の第６の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図８】本発明の第７の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図９】本発明の第８の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１０】本発明の第１の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１１】本発明の第２の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１２】本発明の第３の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１３】本発明の第４の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１４】本発明の第５の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１５】本発明の第６の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１６】本発明の第７の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１７】本発明の第８の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１８】例１〜１６について吸着剤重量を生成物流量に対しプロットしたものである。
【図１９】例１〜１６について主気体ポンプ重量を生成物流量に対しプロットしたものである。
【図２０】例１〜１６についてバッテリー重量を生成物流量に対しプロットしたものである。
【図２１】例１〜１６について時間で標準化したバッテリー重量を生成物流量に対しプロットしたものである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ここに記載されている本発明の態様は、例えば携帯式でユーザーが持ち運ぶ医療用酸素濃縮器システムにおいて利用される、小型圧力／真空スイング吸着（ＰＶＳＡ）システムを設計するための方法とその重量を最適化するための方法を対象としている。本発明の態様の開発において、生成物流量、生成物純度、生成物送給圧力及び運転時間の任意の操作可能な組合せについてＰＶＳＡシステムのための最小の重量又は望ましい重量範囲を決定できるということが見いだされた。これは、選択されたプロセスパラメータの関数として各々の可変重量システム構成要素の重量を決定し、選択されたパラメータの様々な値におけるこれらの構成要素の重量を加算し、そして可変重量の選択されたパラメータに対する曲線を作り出すことによって達成できる。この曲線は一般に、望ましい最小重量又は最小重量範囲を選択されたプロセスパラメータの関数として示す。この選択されたプロセスパラメータは、ＰＶＳＡサイクルにおける再生の間の最小床圧力であることができる。
【００２１】
ここに記載されるＰＶＳＡプロセスにおいては、吸着床圧力は、下記で説明されるとおり各サイクル中に、大気圧を超える圧力と大気圧より低い圧力の間で変動する。これは、運転圧力範囲が大気圧より高い床圧力を含み、そして減圧段階の終りで大気圧に近づく床圧力を含むことができる、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）プロセスと異なっている。ＰＳＡプロセスでは大気圧より低い圧力は利用されない。
【００２２】
本発明の態様に従って設計することができる典型的なＰＶＳＡのプロセス及びシステムを、例示を目的として図１に示す。大気１を、第１の又は原料空気コンプレッサ９によりフィルタ３、入り口消音器５、及び管路７を通して吸い込む。原料空気コンプレッサ９は、駆動モータ１３及び第２の又は真空廃気コンプレッサ１５をも含む主気体ポンプ１１の一部である。１．１５〜１．８０ａｔｍａの加圧原料空気がコンプレッサから排出され、空気供給管路１７を通って回転式バルブアセンブリ１９へと流れ、このバルブアセンブリは、吸着床供給管路２１、２３、２５、２７及び２９、吸着床生成物管路３１、３３、３５、３７及び３９、空気供給管路１７、生成物管路５１、及び廃気管路５３に通じている。この典型的ＰＶＳＡシステムでは、５つの吸着床４１、４３、４５、４７及び４９が使用されるが、任意の数の複数の床を使用することができる。必要に応じ、任意の生成物気体貯蔵タンク（図示せず）を使用してもよい。生成物気体をユーザーへ送給するため、生成物管路５１にカニューラ（図示せず）を接続してもよい。
【００２３】
各々の吸着床は、空気から水、二酸化炭素及び窒素を吸着するのに選択性をもつ吸着剤を収容している。この吸着剤は、リチウム、カルシウム、亜鉛、銅、ナトリウム、カリウム及び銀からなる群から選択された１種以上の金属カチオンと交換されたゼオライトＸからなる群から選択することができる。ゼオライトＸは、約１〜約１．２５のケイ素対アルミニウム比を有することができる。吸着剤は、結合剤物質を用いて又は結合剤物質なしで（バインダレスとしても知られている）、ビーズ、押出物又はその他の当該技術分野において既知の形状に成形することができる。吸着剤は一般的に、窒素よりも水及び二酸化炭素を強く吸着し、従って吸着装置の原料空気入口に隣接する最初の吸着剤は、水及び二酸化炭素を優先的に除去する。この最初の吸着剤領域からの二酸化炭素を含まない乾燥した空気は、次に吸着装置内の残りの吸着剤へ進み、ここで窒素が選択的に吸着されて酸素富化生成物気体をもたらす。原料空気入口に隣接する最初の吸着剤はかくして、窒素除去に先立ち水及び二酸化炭素を除去することによる前処理を行う。
【００２４】
随意に、各々の吸着床は、空気から水及び二酸化炭素を吸着するのに選択性をもつ前処理吸着剤を含有することもでき、この吸着剤は、（１）活性アルミナ、及び（２）リチウム、ナトリウム及びカリウムからなる群から選択された１種以上の金属カチオンと交換されたゼオライトＸ、からなる群から選択することができる。一般的には、水選択性吸着剤（使用されている場合）は、吸着床の供給端部に隣接して位置する層を形成することになり、吸着床内の吸着剤全体の１０〜４０％を構成することができる。このオプションでは、床の残りは上述の吸着剤を含有し、そして前処理吸着剤層からの水及び二酸炭素を含まない空気から窒素を選択的に吸着する。
【００２５】
真空廃気コンプレッサ１５は、一般的には大気圧より低い圧力で、管路５３を通して酸素欠乏ＰＶＳＡ廃気を抜き出し、管路５７及び消音器５７を介して大気に気体を放出する。駆動モータ１３のための電力は、当該技術分野において既知の任意のタイプの充電式バッテリーでよい充電式電源５９により提供される。あるいはまた、充電式電源は、燃料電池及び携帯式燃料貯蔵手段を含む携帯式燃料電池システムでもよい。燃料は、水素又はメタノールでよい。
【００２６】
原料空気コンプレッサ９及び真空廃気コンプレッサ１５は、当該技術分野において既知の任意のタイプのコンプレッサでよく、スクロール、ダイヤフラム、ピストン及びロータリーベーンコンプレッサから選択することができる。原料空気コンプレッサ及び真空廃気コンプレッサは、単一の駆動モータにより直列式に駆動してもよく、共通の駆動軸により駆動してもよい。スクロールコンプレッサは、ここに記載した空気分離装置とともに使用するのに適切である。原料空気コンプレッサ９及び真空廃気コンプレッサ１５を、単一の組合せ型スクロールタイプの主気体ポンプで組合せてもよい。
【００２７】
回転バルブアセンブリ１９は、特定のＰＶＳＡサイクル及び特定数の吸着床のために設計される。このアセンブリは、それぞれ吸着床４１、４３、４５、４７及び４９の供給端部に取付けられた管路２１、２３、２５、２７及び２９に接続された第１の回転バルブを含む。第１の回転バルブは、空気供給管路１７及び廃気管路５３にも接続されている。この第１の回転バルブは、下記で説明するとおりの予め定められたプロセスサイクル工程に従って吸着床の供給端部、空気供給管路及び廃気管路のいずれかの間の適切な流通を可能にする。第２の回転バルブが、それぞれ吸着床の生成物端部に取付けられている管路３１、３３、３５、３７及び３９に接続されており、そしてまた生成物管路５１にも接続されている。この第２の回転バルブは、下記で説明するとおりの予め定められたプロセスサイクル工程に従って吸着床の生成物端部及び生成物管路のいずれかの間の適切な流通を可能にする。２つの回転バルブは、単一の駆動モータにより動作させることができ、そして同じ回転速度で回転することができる。このタイプの回転バルブは、例えば、２００２年１１月１５日付けで提出された通し番号１０／２９５１４４号の同時係属米国特許出願明細書に記載されている。この特許出願明細書は参照によりここに組み入れられる。
【００２８】
図１のＰＶＳＡシステムの運転は、表１に要約されている典型的ＰＶＳＡサイクルにより説明することができる。
【００２９】
【表１】
【００３０】
工程１の初期部分、すなわち給気工程の間には、生成物気体が床から流出する前の短かい供給物加圧期間が存在してもよい。工程６の評価の間に、この工程中の最低の圧力として定義される最小床圧力に到達する。この典型的な１０秒サイクルの所要時間、又はこのサイクル中の任意の工程の所要時間は、様々なプロセス又は生成物の必要条件を満たすのに必要とされるとおりに変更することができる。
【００３１】
５つの吸着床の間のサイクル工程の関係を示すサイクルチャートを表２に提示しており、ここでは各々の床は表１の工程１〜１０を順に進んでゆく。
【００３２】
【表２】
【００３３】
表１及び２を図１とともに使用することにより、当業者はこの典型的ＰＶＳＡプロセスサイクルを理解することができる。この特定のサイクルを必要に応じて変更してもよく、その他のタイプのＰＶＳＡサイクルを適宜使用してもよい。
【００３４】
上述の５床のＰＶＳＡシステム及びサイクルの別態様として、４床のシステム及びサイクルを使用してもよい。この４床システムは、図１のシステムの改造版であり、吸着床４９、吸着床供給管路２９及び吸着器生成物管路３９が削除される。回転バルブ１９は５床の代りに４床用に設計される。この別態様のサイクルでは、表１の５床サイクルでは加圧気体移送工程が２つであるのと比較して、そのような工程を１つだけ使用する。表３は、この４床サイクル工程を提示し、表４は、この４床サイクルのためのサイクルチャートを提示している（図１の床４９はこの４床システムでは削除されていることに留意されたい）。
【００３５】
【表３】
【００３６】
【表４】
【００３７】
完全に携帯式のユーザーが持ち運びする酸素濃縮器システムは、一般的に、図１の典型的ＰＶＳＡシステムによって例示されているものに加えて、いくつかの構成要素を含む。これらの付加的な構成要素は、例えば、次に挙げるもの、すなわち、電気的配線及び制御システム、構造用の構成要素、ケース又はハウジング、ハウジングの外側に取付けられたユーザー表示／制御パネル、コンサーバ、生成物タンク、及び例えばハンドル、キャリングストラップ又は双対のショルダーストラップといったような、ユーザーが濃縮器ユニットを持ち運ぶための手段、のうちのいずれかを含むことができる。従って、携帯式のユーザーが持ち運びする酸素濃縮器システムの合計重量は、（ａ）先に説明した可変重量の構成要素（すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリー）と（ｂ）直ぐ上で説明した付加的構成要素の総重量である。
【００３８】
４床又は５床を用いる上述のもののような携帯式でユーザが持ち運びする酸素濃縮器システムは、例えば、最高３リットル／分の連続酸素生成物流量、容易に持ち運ばれる重量、そして１回の電源充電で少なくとも１〜２時間の作動時間、といったような望ましい基準を満たすように設計することができる。これらの基準を満たすシステムは、歩行可能な患者にとってより高い自由度とより高い生活水準をもたらし、そして酸素濃縮器の供給業者にとって魅力的な製品提供となる。
【００３９】
上述のＰＶＳＡ酸素濃縮器システムの態様は、好ましくは、これらの基準を満たし、そして少なくとも８５モル％の酸素純度の酸素富化生成物を患者に提供する。携帯式酸素濃縮器システムは、患者が容易に持ち運びすべきものであり、１２ポンド未満、好ましくは１０ポンド未満、最も好ましくは８ポンド未満の合計重量を有するべきである。酸素療法を必要とする患者は通常病気であることから、最小限のシステム重量が極めて重要である。前述したとおり、最小重量のためにこれらのシステムを設計することは、重要な工学的課題である。
【００４０】
生成物流量、生成物純度、生成物送給圧力及びシステム運転時間が規定されている場合、酸素濃縮器システムの合計重量は、重量がＰＶＳＡ運転条件に左右される一部の構成要素と重量がＰＶＳＡ運転条件とは基本的に無関係なその他の構成要素からなる。このシナリオにおける可変重量の構成要素には、電源（例えばバッテリー）、吸着床内の吸着剤の重量、及び主気体ポンプすなわち原料空気コンプレッサと真空廃気コンプレッサの組合せの重量が含まれる。このシナリオにおけるその他の全ての構成要素の重量は、生成物流量、生成物純度、生成物送給圧力及びシステム運転時間の選択とは無関係である。かくして、酸素濃縮器システムの合計重量は、可変重量の構成要素の重量を最小限にするＰＶＳＡ運転条件を選択することによって最小にすることができる。
【００４１】
本発明の態様は、以下で説明するようにＰＶＳＡ運転条件を最適化することにより、可変重量の構成要素の重量を最小限にするための方法を対象とする。固定重量の構成要素（すなわち重量がＰＶＳＡサイクル運転条件とは基本的に無関係である構成要素）の重量を減らすことは、材料、モータ設計、電気系統などを改良することによって可能であるが、これらは本発明の態様により対処されるものではない。
【００４２】
吸着剤重量の必要条件は、所望の酸素生成物純度が達成されるように原料空気から窒素を除去するのに必要とされる吸着剤の重量により決定することができる。吸着剤重量の必要条件は、次の関係
【００４３】
【数１】
【００４４】
により決定でき、この式中のｎadsは１分あたりに除去されるべき窒素のモル数であり、ｎは１回の床サイクル中に１つの吸着床内の吸着剤によって吸着される窒素モル数で表わした窒素実用容量であり、Ｂは供給物（原料）のために新しい吸着床を利用できる、床数／分単位での速度であり、ＰＶＳＡサイクル時間により決定される。パラメータｎadsは次式
【００４５】
【数２】
【００４６】
により決定することができ、この式中のＱpはモル／分単位の生成物流量であり、ｙO2,pは酸素百分率単位の生成物純度であり、ｙN2,fは百分率単位の原料中の窒素濃度であり、θO2は百分率単位の酸素回収率（すなわち、生成物気体中に存在する原料気体中の酸素の百分率）であり、ｙO2,fは百分率単位の供給原料中の酸素濃度である。吸着剤の窒素実用容量は、吸着剤が暴露される圧力包絡線に左右される。吸着剤の実用容量を決定するための好ましい方法は、二部位ラングミュアモデル（ｄｕａｌ ｓｉｔｅ Ｌａｎｇｍｕｉｒ
ｍｏｄｅｌ）を適用してパラメータを決定することができる複数の温度での酸素及び窒素純粋成分等温線を測定することであり（Ｍｙｅｒｓ， Ａ．Ｌ．， Ａｃｔｉｖｉｔｙ
Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ Ａｄｓｏｒｂｅｄ ｏｎ Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｓｕｒｆａｃｅｓ， ＡｌＣｈＥ Ｊ． １９８３（２９），
６９１参照）、
【００４７】
【数３】
【００４８】
この式のＭ1、ｂ、Ｍ2及びｄはフィットパラメータであり、ｐは圧力である。次にこのラングミュアモデルを使用して、多成分吸着モデル、すなわち理想吸着溶液理論（ＩＡＳＴ）（Ｍｙｅｒｓ， Ａ．Ｌ． ａｎｄ Ｐｒａｕｓｎｉｔｚ， Ｊ．Ｍ．， Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｍｉｘｅｄ Ｇａｓ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ， ＡｌＣｈＥ
Ｊ． １９１５（１）， １１参照）又はより好ましくは不均質理想吸着溶液理論（ＨＩＡＳＴ）（Ｍａｔｈｉａｓ Ｐ．Ｍ． ｅｔ ａｌ， Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ
Ｍｕｌｔｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｇａｓ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ Ｄｕａｌ−Ｓｉｔｅ Ｌａｎｇｍｕｉｒ Ｍｏｄｅｌ． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ／Ｏｘｙｇｅｎ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｎ ５Ａ Ｚｅｏｌｉｔｅ，
Ｉｎｄ． ＆ Ｅｎｇ． Ｃｈｅｍ Ｒｅｓ． １９９６（３５）， ７参照）により実用容量を決定する。
【００４９】
主気体ポンプの重量（すなわち、原料空気コンプレッサ及び真空廃気コンプレッサの総重量）Ｗpは、サイクルの給気工程中に規定圧力で気体を提供するための２つのコンプレッサの必要条件及び該サイクルの真空及びパージ工程中の所要流量に基づいて決定することができる。主気体ポンプの重量は、コンプレッサの幾何形状に基づいて変わり、例えば、スクロールコンプレッサ中のインボリュートのサイズは気体圧縮比に基づいて変動する。主気体ポンプの重量には、主気体ポンプに電力供給しここでの分析のためには一定の重量とみなされる電動モータは含まれず、該モータは必要とされる原料気体及び廃気の圧縮負荷に応じて様々な速度で運転することができる。主気体ポンプの重量は、ここでの分析については、酸素生成速度に比例するように決定される。この場合バッテリーである充電式電源の重量は、ＰＶＳＡサイクルの所要時間全体にわたる必要条件に対してエネルギー放出の関係を適用することによって最適化することができる。酸素発生器のその他の構成要素（アラーム、バルブモータなど）に対しバッテリーにより供給される電力は、約５Ｗであることができる。原料空気コンプレッサ及び真空廃気コンプレッサを運転するためのバッテリーからの必要電力は、ＰＶＳＡサイクル中に使用される圧力に基づいて圧縮の断熱動力により直接決定することができる。断熱動力は、次の式で与えられる。
【００５０】
【数４】
【００５１】
この式中、上点付きのｍは質量流量であり、Ｒは気体定数、Ｔ1は入口気体の温度、ｐ2は出口気体の圧力、ｐ1はコンプレッサへの入口気体の圧力であり、ｋは定容熱容量に対する定圧熱容量の比であって、空気については１．４に等しい。圧縮モードで運転している場合、ｐ2は空気供給圧力であり、ｐ1は大気圧である。真空モードで運転している場合、ｐ2は大気圧であり、ｐ1は吸着剤床を出ていく廃気圧力である。
【００５２】
バッテリー電力密度は、製造業者の仕様書から決定することができる。例えば最新のリチウムイオンバッテリーについては、エネルギー密度ρbattはｌｂ／Ｗｈで示される。任意の所定の運転時間ｔr（時間単位）について、バッテリーの重量（ポンド単位）は、次の関係
【００５３】
【数５】
【００５４】
により表すことができる。この式中のηp及びηmは、それぞれコンプレッサと駆動モータの効率である。
【００５５】
可変重量構成要素の全体重量は、サイクルの特性、具体的には運転圧力包絡線に対する各個々の構成要素の重量の関係から決定することができる。従って、可変重量構成要素の合計重量は、評価中の最小圧力ｐmin及び生成物圧力ｐprodの関数である。
【００５６】
可変構成要素の望ましい重量は、まず最初に生成物流量、生成物圧力及び運転時間を選択することにより決定することができる。その後、合計重量関数を用いて、下記に示したように、３つの構成要素全ての総重量を単一の変数、すなわち最小床圧力の関数としてプロットすることができる。
【００５７】
【数６】
【００５８】
可変構成要素の望ましい重量は、まず最初に生成物流量、生成物圧力及び運転時間を選択することにより決定される。その後、合計重量関数を用いて、３つの構成要素全ての総重量を単一の変数、すなわち最小床圧力の関数としてプロットすることができる。一定の生産速度、生成物純度、生成物圧力及び運転時間での最小床圧力に対する可変重量構成要素の重量をプロットすることにより、思いも寄らぬことに、可変重量構成要素の最小重量又は所望最小重量範囲に対応する最小圧力又は所望最小圧力範囲が存在することが示される。
【実施例】
【００５９】
以下の例は、この特徴を説明するが、本発明の態様をここに記載した特定の細目のいずれにも限定するものではない。各々の例は、（ａ）表１及び２に記載したＰＶＳＡサイクルを用いる図１の５床ＰＶＳＡシステムと、（ｂ）表３及び４に記載したサイクルを用いる４床ＰＶＳＡシステムを使用して、様々な送給圧力、流量及び運転時間で、９３モル％の酸素を含有する生成物を提供することに基づいている。吸着剤は、平均粒径が０．５０ｍｍであるビーズ形態の、ナトリウム及びリチウム交換された低シリカのＸ型ゼオライト（ＬＳＸ）である。上記の窒素吸着式を用いて必要とされる吸着剤の重量を計算する際には、吸着剤容量の７０％が窒素吸着のために利用される一方で吸着剤容量の残りの３０％が水及び二酸化炭素の吸着に利用されるという事実を説明するため、７０％という床利用率を使用した。
【００６０】
主気体ポンプ１１の駆動モータ１３の効率は一般的に８０％でよく、コンプレッサ９及び１５の効率は一般的に７０％でよい。システムは、充電式リチウムイオンバッテリー、例えばＶａｒｔａが製造発売しこの製造メーカーの仕様によると１２．４６ポンド／ｋＷｈの一定エネルギー密度をもつものなど、により電力供給される。システムの合計重量は、一定重量の構成要素（ハウジング、管材料、電気配線など）の重量と吸着剤、主気体ポンプ（すなわち原料空気コンプレッサ及び真空廃気コンプレッサ）及びバッテリーの可変重量の合計である。
【００６１】
（例１）
表１及び２のサイクルを用いて図１の５床システムについて１時間の連続運転時間の間１．６ａｔｍの生成物圧力で９３モル％の酸素を３リットル／分発生させるように、ＰＶＳＡシステムをシュミレートした。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３５ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図２に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、０．７ａｔｍａで３．６ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、３．６〜３．８ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．４〜０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．７ポンドの下限値と１．４ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．９ポンドであり、バッテリーの重量は０．５ポンドの下限値と１．２ポンドの上限値の間にある。
【００６２】
（例２）
共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサからなる主気体ポンプを用いて、例１を反復した。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３５ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図３に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．７ａｔｍａで２．８ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、２．８〜３．０ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．５〜０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．７ポンドの下限値と１．３ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．１ポンドであり、バッテリーの重量は０．６ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にある。
【００６３】
（例３）
表１及び２のサイクルを用いて図１の５床システムについて２時間の連続運転時間の間１．４ａｔｍの生成物圧力で９３モル％の酸素を３リットル／分発生させるように、ＰＶＳＡシステムをシミュレートした。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．４ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図４に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、０．７ａｔｍａで２．９ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、２．９〜３．１ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．６〜約０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．６ポンドの下限値と１．２ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．３ポンドであり、バッテリーの重量は０．５ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にある。
【００６４】
（例４）
共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサからなる主気体ポンプを用いて、例３を反復した。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．４０ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図５に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．８ａｔｍａで２．３ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、２．３〜２．５ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．６〜約０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．６ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は０．７ポンドであり、バッテリーの重量は０．６ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にある。
【００６５】
（例５）
表１及び２のサイクルを用いて図１の５床システムについて３時間の連続運転時間の間１．２ａｔｍの生成物圧力で９３モル％の酸素を１リットル／分発生させるように、ＰＶＳＡシステムをシミュレートした。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３５ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図６に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．７ａｔｍａで１．５ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、１．５〜１．６ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．６〜０．８ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．３ポンドの下限値と０．６ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は０．７ポンドであり、バッテリーの重量は０．３ポンドの下限値と０．６ポンドの上限値の間にある。
【００６６】
（例６）
共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサからなる主気体ポンプを用いて、例５を反復した。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．４０ａｔｍａと１．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図７に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．７ａｔｍａで１．３ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、１．２〜１．３ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．６〜約０．８ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．３ポンドの下限値と０．６ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は０．４ポンドであり、バッテリーの重量は０．３ポンドの下限値と０．６ポンドの上限値の間にある。
【００６７】
（例７）
表１及び２のサイクルを用いて図１の５床システムについて３時間の連続運転時間の間１．６ａｔｍの生成物圧力で９３モル％の酸素を３リットル／分発生させるように、ＰＶＳＡシステムをシミュレートした。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．５ａｔｍａと１．０６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図８に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．９ａｔｍａで４．８ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、４．８〜５．０ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．８〜１．１ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は１．０ポンドの下限値と１．８ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．９ポンドであり、バッテリーの重量は１．４ポンドの下限値と２．１ポンドの上限値の間にある。
【００６８】
（例８）
共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサからなる主気体ポンプを用いて、例７を反復した。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３７ａｔｍａと１．０６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図９に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．９ａｔｍａで４．０ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、４．０〜４．２ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．８〜約１．０ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は１．１ポンドの下限値と１．６ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．１ポンドであり、バッテリーの重量は１．４ポンドの下限値と２．０ポンドの上限値の間にある。
【００６９】
（例９）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転する４床システムであったことを除いて、例１を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３５ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１０に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、０．７ａｔｍａで３．２ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、３．２〜３．４ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．５〜約０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．６ポンドの下限値と１．３ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．６ポンドであり、バッテリーの重量は０．５ポンドの下限値と１．２ポンドの上限値の間にある。
【００７０】
（例１０）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例２を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３５ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１１に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、０．７ａｔｍａで２．７ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、２．７〜２．９ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．５〜０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．７ポンドの下限値と１．３ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．１ポンドであり、バッテリーの重量は０．５ポンドの下限値と１．０ポンドの上限値の間にある。
【００７１】
（例１１）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例３を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．４ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１２に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、０．８ａｔｍａで２．６ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、２．６〜２．８ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．６〜約０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．６ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．１ポンドであり、バッテリーの重量は０．５ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にある。
【００７２】
（例１２）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例４を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、なわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．４ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１３に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．８ａｔｍａで２．３ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、２．３〜２．４ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．６〜約０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．６ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は０．７ポンドであり、バッテリーの重量は０．５ポンドの下限値と１．０ポンドの上限値の間にある。
【００７３】
（例１３）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例５を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３５ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１４に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．７ａｔｍａで１．４ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、１．４〜１．５ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．６〜０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．３ポンドの下限値と０．６ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は０．６ポンドであり、バッテリーの重量は０．３ポンドの下限値と０．５ポンドの上限値の間にある。
【００７４】
（例１４）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例６を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．４ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１５に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．６〜０．８ａｔｍａの最小床圧力の範囲内で１．２ポンドの最小合計可変重量を示す。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．３ポンドの下限値と０．６ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は０．４ポンドであり、バッテリーの重量は０．３ポンドの下限値と０．５ポンドの上限値の間にある。
【００７５】
（例１５）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例７を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．５ａｔｍａと１．０６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１６に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、１．０ａｔｍａよりもわずかに低いところで４．４ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、４．４〜４．６ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．８〜１．１ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は１．０ポンドの下限値と１．６ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．６ポンドであり、バッテリーの重量は１．４ポンドの下限値と２．０ポンドの上限値の間にある。
【００７６】
（例１６）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例８を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３７ａｔｍａと１．０６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１７に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、１．０ａｔｍａよりわずかに低いところで３．９ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、３．９〜４．１の望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．８〜１．０ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は１．０ポンドの下限値と１．５ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．１ポンドであり、バッテリーの重量は１．４ポンドの下限値と２．０ポンドの上限値の間にある。
【００７７】
（例１７）
図１のＰＶＳＡシステムを、１〜３リットル／分の生成物流量、１．２ａｔｍａと１．６ａｔｍａの間の生成物送給圧力及び１時間と３時間の間の運転時間について、表１及び２に記載したサイクルを用いてシミュレートした。同様に図１のＰＶＳＡシステムを、同じ生成物流量、生成物送給圧力及び運転時間について、表３及び４に記載したサイクルを用いてシミュレートした。これらのシミュレーションについては、充電式バッテリーは、最大と最小の実用充電量の間の作動運転時間中に０．０２ｋＷｈと０．１７ｋＷｈの間の電力を提供する。サイクル中における各吸着床の吸着剤の合計実用容量は、窒素１．２×１０-4ポンドモルと６．７×１０-4ポンドモルの間である。原料空気コンプレッサ（第１のコンプレッサ）は、給気工程の間、１．１４×１０-4ポンドモルと４．０１×１０-4ポンドモルの間の加圧原料空気を移動させ、廃気コンプレッサ（第２のコンプレッサ）は、減圧工程及び排気工程の間、３．４７×１０-4ポンドモルと９．９６×１０-4ポンドモルの廃気を移動させる。
【００７８】
例１〜１６から得られた結果の要約を表５に提示する。これらの結果を、吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量についての望ましい運転範囲を生成物流量の関数として決定するのに利用した。これは、生成物流量の関数として例１〜１６で決定された可変重量構成要素の各々について最小床圧力の上限値及び下限値に対応する上限及び下限重量の値をプロットすることによって行った。次に、重量対生成物流量の関係で表わした望ましい運転領域を画定するための線形の境界を、最小重量の全ての上限値と下限値がこの最適な運転領域内に含まれるように、各構成要素について作図した。更に、バッテリーの最小重量の範囲を単位運転時間に対して標準化し、生成物流量の関数としてプロットして、この標準化した変数に関して最適な運転領域を決定した。これらの例に基づいて、最小床圧力は一般的に、０．２５ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間に収まり、０．４５〜０．８ａｔｍａの範囲内にあることができる。
【００７９】
【表５】
【００８０】
結果として得られた、個々の可変重量構成要素についてのプロット及び望ましい運転領域を、図１８、１９、２０及び２１に示す。図１８は、（ａ）原点及び３リットル／分の生成物流量についての吸着剤重量範囲の下限重量を通って引かれた下限の線と、（ｂ）原点及び１リットル／分の生成物流量についての吸着剤重量範囲の上限重量を通って引かれた上限の線を境界とする望ましい運転領域を図示している。かくして、１、２及び３リットル／分の生成物流量についての吸着剤の上限及び下限重量は全て、図１８の上限及び下限の線により表される望ましい運転領域内に入る。
【００８１】
図１９は、主気体ポンプの重量の望ましい範囲が、それぞれ上限の線と下限の線を規定するスクロールタイプ及びダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサと廃気コンプレッサの重量の間にあり且つこれらの重量を含むことを示している。
【００８２】
図２０は、原点と、３リットル／分の生成物流量における上記の例の上限及び下限のバッテリー重量を通って引かれた上限及び下限の線を境界とする望ましい運転領域を図示している。かくして、１、２及び３リットル／分の生成物流量についての可変重量のバッテリーの上限及び下限重量は全て、上限及び下限の線により表される望ましい運転領域内に入る。
【００８３】
図２１は、（ａ）原点及び１ポンド／分の生成物流量における上記の例に対応する時間で標準化されたバッテリー重量範囲の下限の値を通って引かれた下限の線と、（ｂ）原点及び３ポンド／分の生成物流量における上記の例に対応する時間で標準化されたバッテリー重量範囲の上限値を通って引かれた上限の線を境界とする、望ましい運転領域を図示している。かくして、１、２及び３リットル／分の生成物流量についての時間で標準化されたバッテリー重量の上限及び下限値は全て、図２１の上限及び下限の線により表される望ましい運転領域内に入る。
【００８４】
上述の最適化方法は、かくして、１〜３時間の連続した運転時間の間に１．２〜１．６ａｔｍａの生成物圧力範囲内で９３モル％の酸素を１〜３リットル／分の速度で生産するための４床及び５床ＰＶＳＡシステムの運転を網羅する。個々の構成要素についての対応する最適な重量範囲は、最小床圧力の望ましい運転範囲について分析的に決定された。更に、個々の可変重量構成要素について重量対生成物流量の関係に関して、望ましい運転領域が分析的に決定された。同様に、組合せた可変重量の合計重量について重量対生成物流量に関し、望ましい運転領域が分析的に決定された。これらを以下に要約する。
【００８５】
上述の及び図１８、１９、２０、２１で例示された上述の望ましい運転領域は、個々の可変重量構成要素について次のように表わすことができる。
（ａ）吸着剤の重量Ｗaについて、
０．２１Ｆp＜Ｗa＜０．６１Ｆp、
（ｂ）主気体ポンプの重量Ｗpについて、
０．３６Ｆp＜Ｗp＜０．７０Ｆp、
（ｃ）バッテリーの重量Ｗbについて、
０．１８Ｆp＜Ｗb＜０．７１Ｆp、及び
（ｄ）時間で標準化したベースでのバッテリー重量について、
０．１０Ｆpｔr＜Ｗb＜０．４０Ｆpｔr。
これらの式中、Ｆpは、１分あたりのリットル数で表わした（２３℃、１ａｔｍａでの）生成物流量であり、重量はポンド単位、時間ｔrは時間単位である。上述のＰＶＳＡシステムの所要の動作特性は、上述の式のうちのいずれかにより特徴づけることができる。
【００８６】
上記の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の式を組合せることにより、合計の可変重量Ｗtを次のように表わすことができる。
０．７５Ｆp＜Ｗt＜２．０２Ｆp
この式のＷtはポンド単位である。かくして、１リットル／分の９３モル％酸素を発生させるように設計されたＰＶＳＡシステムの可変重量の構成要素の総重量は、０．７５ポンドと２．０２ポンドの間にあることができ、また、３リットル／分の９３モル％酸素を発生させるために設計されたシステムは２．２５ポンドと６．０６ポンドの間にあることができる。この式を３リットル／分を上回る、及び１リットル／分を下回る生成物流量まで拡張して、ＰＶＳＡシステムの構成要素の合計可変重量を決定してもよい。例えば、この式を使用して、０．５リットル／分と５リットル／分の間の合計可変重量を決定してもよく、この重量は、０．５リットル／分のシステムについては０．３７５ポンドと１．０１ポンドの間、そして５リットル／分のシステムについては３．７５ポンドと１０．１ポンドの間の範囲となる。
【符号の説明】
【００８７】
１ 大気
３ フィルタ
５ 入り口消音器
９ 原料空気コンプレッサ
１１ 主気体ポンプ
１３ 駆動モータ
１５ 真空廃気コンプレッサ
１９ 回転式バルブアセンブリ
４１、４３、４５、４７、４９ 吸着床
【背景技術】
【０００１】
家庭内及びその他の住宅環境内における患者への治療用酸素の供給は、医療産業において重要な成長市場である。この市場の一部には、携帯式酸素濃縮器、特に連続的な酸素療法を必要とする患者が容易に持ち運びできるユニットの開発と商品化が含まれている。携帯式で持ち運びの簡単な酸素供給は、適切な気化又は圧力調節システムと気体送給カニューレを用いて貯蔵された液体又は圧縮酸素により行うことができる。それとは別に且つ好ましくは、酸素は、所望の純度、流量及び圧力で気体酸素を供給する、患者が持ち運ぶ小型空気分離装置によって供給してもよい。この装置を動作させるための電力は、充電式の電源、標準的には充電式バッテリーによって提供できる。小型空気分離装置は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法を用いた吸着ベースのシステムであることができる。
【０００２】
呼吸酸素使用量は、一般に、酸素所要量が中程度の歩行可能患者については最高５リットル／分（２３℃、１ａｔｍａの圧力での毎分のリットル数）までの範囲にある。この製品範囲内の持ち運びが簡単な充電式の携帯用酸素濃縮器の設計は、生成物気体流量、重量及び電源寿命又は運転時間（すなわち充電と充電との間の動作時間）を適切にバランスさせるべきである。このバランスは、数多くの動作及び設計パラメータの適正な選択を必要とし、技術設計者にとって大きな課題を提示するものである。例えば小型の吸着式空気分離ユニットにおいては、設計パラメータには、生成物純度、生成物送給圧力、プロセスサイクルのタイプ、プロセスサイクル圧力包絡線、吸着剤、吸着剤床の数と寸法、気体ポンプのタイプ、電源のタイプ、気体流量制御方法、電気制御システム及び製作材料を含めることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
当該技術分野においては、最小限のシステム重量で所要の気体供給速度と運転時間を提供する携帯式の吸着ベースの酸素発生システムを設計するための方法が必要とされている。この必要性は、これらのシステムのための適切なプロセス及び機械的パラメータを規定する一方で設計者がこれらの必要条件のバランスをとることができるようにする最適化方法によって満たすことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
小型で簡単に持ち運びできる吸着ベースの酸素濃縮器の最適化された設計の必要性は、本発明の様々な態様により満たされる。ここで詳細に説明するように、生成物流量、生成物純度、生成物送給圧力及び運転時間の任意の実施可能な組合せについて、１つの吸着ベースのシステムのための最小重量範囲を決定することができるということが見いだされた。これは、選択されたプロセスパラメータの関数として各々の可変重量システムの構成要素の重量を決定し、選択されたパラメータの様々な値でこれらの構成要素の重量を加算し、そして可変重量と選択されたパラメータの関係を表わす曲線を作ることによって達成することができる。この曲線は、一般には、選択されたプロセスパラメータの好ましい範囲内で最小重量を示す。選択されたプロセスパラメータは、プロセスサイクルの間の最小床圧力である。
【０００５】
本発明の１つの態様は、酸素に富む気体を製造するための装置であって、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するように適合されている第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで廃気を圧縮するように適合されている第２のコンプレッサを含み、重量Ｗpにより特徴づけされる主気体ポンプ（ｍｏｖｅｒ）、
（ｂ）第１及び第２のコンプレッサを駆動するように適合された駆動モータ、
（ｃ）重量Ｗbによって特徴づけされる、駆動モータに電力を供給するように適合された充電式電源、及び
（ｄ）加圧原料空気を生成物流量Ｆpの酸素に富む生成物と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を含む複数の吸着床を含み、吸着床内に含まれる吸着剤の合計量が合計吸着剤重量Ｗaにより特徴づけされる、圧力／真空スイング吸着ユニット、を含む装置であり、
吸着剤、主気体ポンプ及び充電式電源の総重量Ｗtが、式
０．７５Ｆp＜Ｗt＜２．０２Ｆp
で特徴づけすることができ、式中のＦpはリットル／分（２３℃、１ａｔｍａ圧力での）単位であり、Ｗa、Ｗp及びＷbはポンド単位である、装置に関する。
【０００６】
バッテリーは、最大及び最小の実用充電量の間の時間単位で表した作動運転時間ｔrにより特徴づけることができ、そして装置は、式
０．２１Ｆp＜Ｗa＜０．６１Ｆp、
０．３６Ｆp＜Ｗp＜０．７０Ｆp、
０．１８Ｆp＜Ｗb＜０．７１Ｆp、及び
０．１０Ｆpｔr＜Ｗb＜０．４０Ｆpｔr、
のいずれかにより更に特徴づけることができる。
【０００７】
複数の吸着床は、４つ以上の床を含むことができ、また４つの床からなることができる。
【０００８】
第１及び第２のコンプレッサの各々は、スクロール、ダイヤフラム、ピストン及びロータリーベーンコンプレッサからなる群から選択することができる。第１及び第２のコンプレッサは、スクロールタイプのコンプレッサであることができる。該装置は更にコンサーバを含んでもよい。
【０００９】
該装置は、１２ポンド未満の合計重量を有することができ、１０ポンド未満の合計重量を有してもよく、８ポンド未満の合計重量を有してもよい。
【００１０】
吸着剤は、リチウム、カルシウム、亜鉛、銅、ナトリウム、カリウム及び銀からなる群から選択される１種以上の金属カチオンと交換されたゼオライトＸからなる群から選択することができる。吸着床は更に、空気からの水及び二酸化炭素の吸着について選択性のある付加的な吸着剤を更に含んでもよく、該付加的な吸着剤は、（１）活性アルミナ、及び（２）リチウム、ナトリウム及びカリウムからなる群から選択された１種以上の金属カチオンと交換されたゼオライトＸ、からなる群から選択される。
【００１１】
充電式電源は、バッテリーでよい。あるいはまた、充電式電源は燃料電池でよい。
【００１２】
該装置は更に、主気体ポンプ、駆動モータ、充電式電源及び圧力／真空スイング吸着システムをとり囲む外部ケースと、該ケースの外側に取付けられたユーザー表示／制御パネルを含むことができる。この装置は、１２ポンド未満の合計重量を有することができ、１０ポンド未満の合計重量を有してもよく、８ポンド未満の合計重量を有してもよい。
【００１３】
酸素に富む気体を製造するための装置は、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するように適合されている第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで廃気を圧縮するように適合されている第２のコンプレッサを含み、重量Ｗpにより特徴づけされる主気体ポンプ、
（ｂ）第１及び第２のコンプレッサを駆動するように適合された駆動モータ、
（ｃ）重量Ｗbと、最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間ｔrにより特徴づけされる、駆動モータに電力を供給するように適合された充電式電源、及び
（ｄ）加圧原料空気を生成物流量Ｆpの酸素に富む生成物と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を含む複数の吸着床を含み、吸着床内に含まれる吸着剤の合計量が合計吸着剤重量Ｗaにより特徴づけされる、圧力／真空スイング吸着ユニット、を含むことができ、該装置は、式
０．２１Ｆp＜Ｗa＜０．６１Ｆp、
０．３６Ｆp＜Ｗp＜０．７０Ｆp、
０．１８Ｆp＜Ｗb＜０．７１Ｆp、及び
０．１０Ｆpｔr＜Ｗb＜０．４０Ｆpｔr、
のうちのいずれかにより特徴づけることができ、式中のＦpはリットル／分（２３℃、１ａｔｍａ圧力での）単位であり、ｔrは時間単位であり、そしてＷa、Ｗp及びＷbはポンド単位である。
【００１４】
該装置は更に、電気配線及び制御システム、ケース又はハウジング、及びハウジングの外側に取り付けられたユーザー表示／制御パネルを含めた付加的要素であって、酸素発生装置と該付加的要素が一緒になって携帯式酸素濃縮器を形成するものと、該携帯式濃縮器ユニットをユーザーが持ち運ぶための手段を含むことができる。
【００１５】
本発明のもう１つの態様は、酸素に富む生成物の気体を製造するための方法であって、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するための第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで酸素欠乏廃気を圧縮するように適合された第２のコンプレッサを含む主気体ポンプ、第１及び第２のコンプレッサを駆動するための駆動モータ、及び駆動モータに電力を提供するための充電式バッテリーを提供し、該充電式電源が最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間によって特徴づけされること、
（ｂ）加圧原料空気を酸素に富む生成物気体と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を含む複数の吸着床を含む圧力／真空スイング吸着システムを提供すること、及び
（ｃ）少なくとも給気／生成物提供、減圧、排気及び再加圧の反復工程を含む吸着サイクルを通して吸着床の各々を順に運転すること、
を含む方法であって、次の運転パラメーター、すなわち、
（１）充電式バッテリーが、最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間中、０．０２ｋＷｈと０．１７ｋＷｈの間の電力を提供すること、
（２）吸着サイクル中の各々の吸着床内の吸着剤の合計実用容量が窒素１．２×１０-4ポンドモルと６．７×１０-4ポンドモルの間であること、
（３）第１のコンプレッサが給気／生成物提供工程中に１．１４×１０-4ポンドモルと４．０１×１０-4ポンドモルの間の加圧原料空気を移動させること、及び
（４）第２のコンプレッサが減圧工程及び排気工程中に３．４７×１０-4ポンドモルと９．９６×１０-4ポンドモルの廃気を移動させること、
のいずれかを特徴とすることができる、酸素に富む生成物の気体を製造するための方法に関する。
【００１６】
圧力／真空スイング吸着システムは、４つの吸着床を有することができ、該吸着床の各々は、
（Ａ）床の給気端部へ加圧原料空気を導入しながら酸素富化生成物気体を床の生成物端部から抜き出す給気／生成物製造工程、
（Ｂ）床の給気端部へ加圧原料空気を導入しながら酸素富化生成物気体を床の生成物端部から抜き出す給気／生成物製造／再加圧工程であって、その最終の再加圧工程を受けている別の床を加圧するために該生成物気体の一部分を使用する給気／生成物製造／再加圧工程、
（Ｃ）気体を抜き出すことにより床を減圧させ、そこから抜き出した気体の少なくとも一部分を再加圧工程を受けている別の床に移す減圧工程、
（Ｄ）気体を抜き出すことにより床を更に減圧するパージ準備工程であり、そこから抜き出した気体の少なくとも一部分をパージ工程を受けている別の床へ移すパージ準備工程、
（Ｅ）床が大気圧未満の最低床圧力に達するまで床の給気端部から気体を抜き出す排気工程、
（Ｆ）床の生成物端部へパージ気体を導入しながら床を排気し続けることにより床をパージし、当該パージ気体を工程（Ｄ）を受けている別の床から提供するパージ工程、
（Ｇ）床の生成物端部へ加圧気体を導入し、該加圧気体は工程（Ｃ）を受けている別の床から提供する再加圧工程、及び
（Ｈ）別の床からの生成物気体を床の生成物端部へ導入する最終再加圧工程、
を含む一連の吸着サイクル工程を順に受けることができる。最小床圧力は、０．２５ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間にあることができ、また、０．４５ａｔｍａと０．８ａｔｍａの間にあることができる。酸素富化生成物気体の圧力は、１．２ａｔｍａと１．６ａｔｍａの間にあることができる。酸素富化生成物気体は、０．５〜３．０リットル／分（２３℃及び１ａｔｍａの圧力で定義される）の範囲内の流量で提供することができる。
【００１７】
本発明の別の態様は、酸素に富む生成物気体を製造するための方法であって、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するための第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで酸素欠乏廃気を圧縮するように適合された第２のコンプレッサを含む主気体ポンプ、第１及び第２のコンプレッサを駆動するための駆動モータ、及び駆動モータに電力を提供するための充電式バッテリーを提供し、該充電式電源が最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間によって特徴づけされること、
（ｂ）加圧原料空気を酸素に富む生成物気体と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、空気からの窒素の吸着について選択性の吸着剤を含む複数の吸着床を含む圧力／真空スイング吸着ユニットを提供すること、及び
（ｃ）少なくとも給気／生成物提供、減圧、排気及び再加圧の反復工程を含む吸着サイクルを通して吸着床の各々を順に運転すること、
を含み、排気工程における最小圧力が０．３５ａｔｍａと１．００ａｔｍａの間にあることができる方法を対象とする。
【００１８】
本発明のもう１つの態様は、携帯式圧力／真空スイング吸着酸素濃縮器システムの設計のための方法であって、
（ａ）生成物流量、生成物純度、生成物送給圧力、圧力／真空スイング吸着プロセスサイクル、吸着容器数、吸着容器内に収容される吸着剤、気体ポンプのタイプ、駆動モータに電力を供給するための再生可能電源のタイプ、及び最大及び最小の実用充填量の間の再生可能電源の運転時間を少なくとも含む設計パラメータを決めること、
（ｂ）大気圧より低い一連の最小床圧力を選択し、そして圧力／真空スイング吸着プロセスサイクルにおける最低の床圧力である各々の最小床圧力について、気体ポンプ、電源、及び吸着容器内に収容される吸着剤の必要重量を決定すること、
（ｃ）最小床圧力の各々の値について（ｂ）で決定した吸着剤、気体ポンプ及び電源の重量を加算して、吸着剤、気体ポンプ及び電源の合計重量を最小床圧力の関数として提供すること、及び
（ｄ）吸着剤、気体ポンプ及び電源の最小の総重量の範囲に対応する最小床圧力の範囲を選択すること、
を含む設計方法に関する。該最小床圧力の範囲は、０．４５ａｔｍａと０．８ａｔｍａの間にあることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の態様のための典型的な圧力／真空スイング吸着システムの概略フローダイヤグラムである。
【図２】本発明の第１の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図３】本発明の第２の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図４】本発明の第３の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図５】本発明の第４の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図６】本発明の第５の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図７】本発明の第６の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図８】本発明の第７の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図９】本発明の第８の態様を説明する５床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１０】本発明の第１の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１１】本発明の第２の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１２】本発明の第３の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１３】本発明の第４の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１４】本発明の第５の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１５】本発明の第６の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１６】本発明の第７の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１７】本発明の第８の別態様を説明する４床ＰＶＳＡシステムについて個々の構成要素の可変重量及び構成要素の合計可変重量を最小床圧力に対しプロットしたものである。
【図１８】例１〜１６について吸着剤重量を生成物流量に対しプロットしたものである。
【図１９】例１〜１６について主気体ポンプ重量を生成物流量に対しプロットしたものである。
【図２０】例１〜１６についてバッテリー重量を生成物流量に対しプロットしたものである。
【図２１】例１〜１６について時間で標準化したバッテリー重量を生成物流量に対しプロットしたものである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ここに記載されている本発明の態様は、例えば携帯式でユーザーが持ち運ぶ医療用酸素濃縮器システムにおいて利用される、小型圧力／真空スイング吸着（ＰＶＳＡ）システムを設計するための方法とその重量を最適化するための方法を対象としている。本発明の態様の開発において、生成物流量、生成物純度、生成物送給圧力及び運転時間の任意の操作可能な組合せについてＰＶＳＡシステムのための最小の重量又は望ましい重量範囲を決定できるということが見いだされた。これは、選択されたプロセスパラメータの関数として各々の可変重量システム構成要素の重量を決定し、選択されたパラメータの様々な値におけるこれらの構成要素の重量を加算し、そして可変重量の選択されたパラメータに対する曲線を作り出すことによって達成できる。この曲線は一般に、望ましい最小重量又は最小重量範囲を選択されたプロセスパラメータの関数として示す。この選択されたプロセスパラメータは、ＰＶＳＡサイクルにおける再生の間の最小床圧力であることができる。
【００２１】
ここに記載されるＰＶＳＡプロセスにおいては、吸着床圧力は、下記で説明されるとおり各サイクル中に、大気圧を超える圧力と大気圧より低い圧力の間で変動する。これは、運転圧力範囲が大気圧より高い床圧力を含み、そして減圧段階の終りで大気圧に近づく床圧力を含むことができる、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）プロセスと異なっている。ＰＳＡプロセスでは大気圧より低い圧力は利用されない。
【００２２】
本発明の態様に従って設計することができる典型的なＰＶＳＡのプロセス及びシステムを、例示を目的として図１に示す。大気１を、第１の又は原料空気コンプレッサ９によりフィルタ３、入り口消音器５、及び管路７を通して吸い込む。原料空気コンプレッサ９は、駆動モータ１３及び第２の又は真空廃気コンプレッサ１５をも含む主気体ポンプ１１の一部である。１．１５〜１．８０ａｔｍａの加圧原料空気がコンプレッサから排出され、空気供給管路１７を通って回転式バルブアセンブリ１９へと流れ、このバルブアセンブリは、吸着床供給管路２１、２３、２５、２７及び２９、吸着床生成物管路３１、３３、３５、３７及び３９、空気供給管路１７、生成物管路５１、及び廃気管路５３に通じている。この典型的ＰＶＳＡシステムでは、５つの吸着床４１、４３、４５、４７及び４９が使用されるが、任意の数の複数の床を使用することができる。必要に応じ、任意の生成物気体貯蔵タンク（図示せず）を使用してもよい。生成物気体をユーザーへ送給するため、生成物管路５１にカニューラ（図示せず）を接続してもよい。
【００２３】
各々の吸着床は、空気から水、二酸化炭素及び窒素を吸着するのに選択性をもつ吸着剤を収容している。この吸着剤は、リチウム、カルシウム、亜鉛、銅、ナトリウム、カリウム及び銀からなる群から選択された１種以上の金属カチオンと交換されたゼオライトＸからなる群から選択することができる。ゼオライトＸは、約１〜約１．２５のケイ素対アルミニウム比を有することができる。吸着剤は、結合剤物質を用いて又は結合剤物質なしで（バインダレスとしても知られている）、ビーズ、押出物又はその他の当該技術分野において既知の形状に成形することができる。吸着剤は一般的に、窒素よりも水及び二酸化炭素を強く吸着し、従って吸着装置の原料空気入口に隣接する最初の吸着剤は、水及び二酸化炭素を優先的に除去する。この最初の吸着剤領域からの二酸化炭素を含まない乾燥した空気は、次に吸着装置内の残りの吸着剤へ進み、ここで窒素が選択的に吸着されて酸素富化生成物気体をもたらす。原料空気入口に隣接する最初の吸着剤はかくして、窒素除去に先立ち水及び二酸化炭素を除去することによる前処理を行う。
【００２４】
随意に、各々の吸着床は、空気から水及び二酸化炭素を吸着するのに選択性をもつ前処理吸着剤を含有することもでき、この吸着剤は、（１）活性アルミナ、及び（２）リチウム、ナトリウム及びカリウムからなる群から選択された１種以上の金属カチオンと交換されたゼオライトＸ、からなる群から選択することができる。一般的には、水選択性吸着剤（使用されている場合）は、吸着床の供給端部に隣接して位置する層を形成することになり、吸着床内の吸着剤全体の１０〜４０％を構成することができる。このオプションでは、床の残りは上述の吸着剤を含有し、そして前処理吸着剤層からの水及び二酸炭素を含まない空気から窒素を選択的に吸着する。
【００２５】
真空廃気コンプレッサ１５は、一般的には大気圧より低い圧力で、管路５３を通して酸素欠乏ＰＶＳＡ廃気を抜き出し、管路５７及び消音器５７を介して大気に気体を放出する。駆動モータ１３のための電力は、当該技術分野において既知の任意のタイプの充電式バッテリーでよい充電式電源５９により提供される。あるいはまた、充電式電源は、燃料電池及び携帯式燃料貯蔵手段を含む携帯式燃料電池システムでもよい。燃料は、水素又はメタノールでよい。
【００２６】
原料空気コンプレッサ９及び真空廃気コンプレッサ１５は、当該技術分野において既知の任意のタイプのコンプレッサでよく、スクロール、ダイヤフラム、ピストン及びロータリーベーンコンプレッサから選択することができる。原料空気コンプレッサ及び真空廃気コンプレッサは、単一の駆動モータにより直列式に駆動してもよく、共通の駆動軸により駆動してもよい。スクロールコンプレッサは、ここに記載した空気分離装置とともに使用するのに適切である。原料空気コンプレッサ９及び真空廃気コンプレッサ１５を、単一の組合せ型スクロールタイプの主気体ポンプで組合せてもよい。
【００２７】
回転バルブアセンブリ１９は、特定のＰＶＳＡサイクル及び特定数の吸着床のために設計される。このアセンブリは、それぞれ吸着床４１、４３、４５、４７及び４９の供給端部に取付けられた管路２１、２３、２５、２７及び２９に接続された第１の回転バルブを含む。第１の回転バルブは、空気供給管路１７及び廃気管路５３にも接続されている。この第１の回転バルブは、下記で説明するとおりの予め定められたプロセスサイクル工程に従って吸着床の供給端部、空気供給管路及び廃気管路のいずれかの間の適切な流通を可能にする。第２の回転バルブが、それぞれ吸着床の生成物端部に取付けられている管路３１、３３、３５、３７及び３９に接続されており、そしてまた生成物管路５１にも接続されている。この第２の回転バルブは、下記で説明するとおりの予め定められたプロセスサイクル工程に従って吸着床の生成物端部及び生成物管路のいずれかの間の適切な流通を可能にする。２つの回転バルブは、単一の駆動モータにより動作させることができ、そして同じ回転速度で回転することができる。このタイプの回転バルブは、例えば、２００２年１１月１５日付けで提出された通し番号１０／２９５１４４号の同時係属米国特許出願明細書に記載されている。この特許出願明細書は参照によりここに組み入れられる。
【００２８】
図１のＰＶＳＡシステムの運転は、表１に要約されている典型的ＰＶＳＡサイクルにより説明することができる。
【００２９】
【表１】
【００３０】
工程１の初期部分、すなわち給気工程の間には、生成物気体が床から流出する前の短かい供給物加圧期間が存在してもよい。工程６の評価の間に、この工程中の最低の圧力として定義される最小床圧力に到達する。この典型的な１０秒サイクルの所要時間、又はこのサイクル中の任意の工程の所要時間は、様々なプロセス又は生成物の必要条件を満たすのに必要とされるとおりに変更することができる。
【００３１】
５つの吸着床の間のサイクル工程の関係を示すサイクルチャートを表２に提示しており、ここでは各々の床は表１の工程１〜１０を順に進んでゆく。
【００３２】
【表２】
【００３３】
表１及び２を図１とともに使用することにより、当業者はこの典型的ＰＶＳＡプロセスサイクルを理解することができる。この特定のサイクルを必要に応じて変更してもよく、その他のタイプのＰＶＳＡサイクルを適宜使用してもよい。
【００３４】
上述の５床のＰＶＳＡシステム及びサイクルの別態様として、４床のシステム及びサイクルを使用してもよい。この４床システムは、図１のシステムの改造版であり、吸着床４９、吸着床供給管路２９及び吸着器生成物管路３９が削除される。回転バルブ１９は５床の代りに４床用に設計される。この別態様のサイクルでは、表１の５床サイクルでは加圧気体移送工程が２つであるのと比較して、そのような工程を１つだけ使用する。表３は、この４床サイクル工程を提示し、表４は、この４床サイクルのためのサイクルチャートを提示している（図１の床４９はこの４床システムでは削除されていることに留意されたい）。
【００３５】
【表３】
【００３６】
【表４】
【００３７】
完全に携帯式のユーザーが持ち運びする酸素濃縮器システムは、一般的に、図１の典型的ＰＶＳＡシステムによって例示されているものに加えて、いくつかの構成要素を含む。これらの付加的な構成要素は、例えば、次に挙げるもの、すなわち、電気的配線及び制御システム、構造用の構成要素、ケース又はハウジング、ハウジングの外側に取付けられたユーザー表示／制御パネル、コンサーバ、生成物タンク、及び例えばハンドル、キャリングストラップ又は双対のショルダーストラップといったような、ユーザーが濃縮器ユニットを持ち運ぶための手段、のうちのいずれかを含むことができる。従って、携帯式のユーザーが持ち運びする酸素濃縮器システムの合計重量は、（ａ）先に説明した可変重量の構成要素（すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリー）と（ｂ）直ぐ上で説明した付加的構成要素の総重量である。
【００３８】
４床又は５床を用いる上述のもののような携帯式でユーザが持ち運びする酸素濃縮器システムは、例えば、最高３リットル／分の連続酸素生成物流量、容易に持ち運ばれる重量、そして１回の電源充電で少なくとも１〜２時間の作動時間、といったような望ましい基準を満たすように設計することができる。これらの基準を満たすシステムは、歩行可能な患者にとってより高い自由度とより高い生活水準をもたらし、そして酸素濃縮器の供給業者にとって魅力的な製品提供となる。
【００３９】
上述のＰＶＳＡ酸素濃縮器システムの態様は、好ましくは、これらの基準を満たし、そして少なくとも８５モル％の酸素純度の酸素富化生成物を患者に提供する。携帯式酸素濃縮器システムは、患者が容易に持ち運びすべきものであり、１２ポンド未満、好ましくは１０ポンド未満、最も好ましくは８ポンド未満の合計重量を有するべきである。酸素療法を必要とする患者は通常病気であることから、最小限のシステム重量が極めて重要である。前述したとおり、最小重量のためにこれらのシステムを設計することは、重要な工学的課題である。
【００４０】
生成物流量、生成物純度、生成物送給圧力及びシステム運転時間が規定されている場合、酸素濃縮器システムの合計重量は、重量がＰＶＳＡ運転条件に左右される一部の構成要素と重量がＰＶＳＡ運転条件とは基本的に無関係なその他の構成要素からなる。このシナリオにおける可変重量の構成要素には、電源（例えばバッテリー）、吸着床内の吸着剤の重量、及び主気体ポンプすなわち原料空気コンプレッサと真空廃気コンプレッサの組合せの重量が含まれる。このシナリオにおけるその他の全ての構成要素の重量は、生成物流量、生成物純度、生成物送給圧力及びシステム運転時間の選択とは無関係である。かくして、酸素濃縮器システムの合計重量は、可変重量の構成要素の重量を最小限にするＰＶＳＡ運転条件を選択することによって最小にすることができる。
【００４１】
本発明の態様は、以下で説明するようにＰＶＳＡ運転条件を最適化することにより、可変重量の構成要素の重量を最小限にするための方法を対象とする。固定重量の構成要素（すなわち重量がＰＶＳＡサイクル運転条件とは基本的に無関係である構成要素）の重量を減らすことは、材料、モータ設計、電気系統などを改良することによって可能であるが、これらは本発明の態様により対処されるものではない。
【００４２】
吸着剤重量の必要条件は、所望の酸素生成物純度が達成されるように原料空気から窒素を除去するのに必要とされる吸着剤の重量により決定することができる。吸着剤重量の必要条件は、次の関係
【００４３】
【数１】
【００４４】
により決定でき、この式中のｎadsは１分あたりに除去されるべき窒素のモル数であり、ｎは１回の床サイクル中に１つの吸着床内の吸着剤によって吸着される窒素モル数で表わした窒素実用容量であり、Ｂは供給物（原料）のために新しい吸着床を利用できる、床数／分単位での速度であり、ＰＶＳＡサイクル時間により決定される。パラメータｎadsは次式
【００４５】
【数２】
【００４６】
により決定することができ、この式中のＱpはモル／分単位の生成物流量であり、ｙO2,pは酸素百分率単位の生成物純度であり、ｙN2,fは百分率単位の原料中の窒素濃度であり、θO2は百分率単位の酸素回収率（すなわち、生成物気体中に存在する原料気体中の酸素の百分率）であり、ｙO2,fは百分率単位の供給原料中の酸素濃度である。吸着剤の窒素実用容量は、吸着剤が暴露される圧力包絡線に左右される。吸着剤の実用容量を決定するための好ましい方法は、二部位ラングミュアモデル（ｄｕａｌ ｓｉｔｅ Ｌａｎｇｍｕｉｒ
ｍｏｄｅｌ）を適用してパラメータを決定することができる複数の温度での酸素及び窒素純粋成分等温線を測定することであり（Ｍｙｅｒｓ， Ａ．Ｌ．， Ａｃｔｉｖｉｔｙ
Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ Ａｄｓｏｒｂｅｄ ｏｎ Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｓｕｒｆａｃｅｓ， ＡｌＣｈＥ Ｊ． １９８３（２９），
６９１参照）、
【００４７】
【数３】
【００４８】
この式のＭ1、ｂ、Ｍ2及びｄはフィットパラメータであり、ｐは圧力である。次にこのラングミュアモデルを使用して、多成分吸着モデル、すなわち理想吸着溶液理論（ＩＡＳＴ）（Ｍｙｅｒｓ， Ａ．Ｌ． ａｎｄ Ｐｒａｕｓｎｉｔｚ， Ｊ．Ｍ．， Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｍｉｘｅｄ Ｇａｓ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ， ＡｌＣｈＥ
Ｊ． １９１５（１）， １１参照）又はより好ましくは不均質理想吸着溶液理論（ＨＩＡＳＴ）（Ｍａｔｈｉａｓ Ｐ．Ｍ． ｅｔ ａｌ， Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ
Ｍｕｌｔｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｇａｓ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ Ｄｕａｌ−Ｓｉｔｅ Ｌａｎｇｍｕｉｒ Ｍｏｄｅｌ． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ／Ｏｘｙｇｅｎ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｎ ５Ａ Ｚｅｏｌｉｔｅ，
Ｉｎｄ． ＆ Ｅｎｇ． Ｃｈｅｍ Ｒｅｓ． １９９６（３５）， ７参照）により実用容量を決定する。
【００４９】
主気体ポンプの重量（すなわち、原料空気コンプレッサ及び真空廃気コンプレッサの総重量）Ｗpは、サイクルの給気工程中に規定圧力で気体を提供するための２つのコンプレッサの必要条件及び該サイクルの真空及びパージ工程中の所要流量に基づいて決定することができる。主気体ポンプの重量は、コンプレッサの幾何形状に基づいて変わり、例えば、スクロールコンプレッサ中のインボリュートのサイズは気体圧縮比に基づいて変動する。主気体ポンプの重量には、主気体ポンプに電力供給しここでの分析のためには一定の重量とみなされる電動モータは含まれず、該モータは必要とされる原料気体及び廃気の圧縮負荷に応じて様々な速度で運転することができる。主気体ポンプの重量は、ここでの分析については、酸素生成速度に比例するように決定される。この場合バッテリーである充電式電源の重量は、ＰＶＳＡサイクルの所要時間全体にわたる必要条件に対してエネルギー放出の関係を適用することによって最適化することができる。酸素発生器のその他の構成要素（アラーム、バルブモータなど）に対しバッテリーにより供給される電力は、約５Ｗであることができる。原料空気コンプレッサ及び真空廃気コンプレッサを運転するためのバッテリーからの必要電力は、ＰＶＳＡサイクル中に使用される圧力に基づいて圧縮の断熱動力により直接決定することができる。断熱動力は、次の式で与えられる。
【００５０】
【数４】
【００５１】
この式中、上点付きのｍは質量流量であり、Ｒは気体定数、Ｔ1は入口気体の温度、ｐ2は出口気体の圧力、ｐ1はコンプレッサへの入口気体の圧力であり、ｋは定容熱容量に対する定圧熱容量の比であって、空気については１．４に等しい。圧縮モードで運転している場合、ｐ2は空気供給圧力であり、ｐ1は大気圧である。真空モードで運転している場合、ｐ2は大気圧であり、ｐ1は吸着剤床を出ていく廃気圧力である。
【００５２】
バッテリー電力密度は、製造業者の仕様書から決定することができる。例えば最新のリチウムイオンバッテリーについては、エネルギー密度ρbattはｌｂ／Ｗｈで示される。任意の所定の運転時間ｔr（時間単位）について、バッテリーの重量（ポンド単位）は、次の関係
【００５３】
【数５】
【００５４】
により表すことができる。この式中のηp及びηmは、それぞれコンプレッサと駆動モータの効率である。
【００５５】
可変重量構成要素の全体重量は、サイクルの特性、具体的には運転圧力包絡線に対する各個々の構成要素の重量の関係から決定することができる。従って、可変重量構成要素の合計重量は、評価中の最小圧力ｐmin及び生成物圧力ｐprodの関数である。
【００５６】
可変構成要素の望ましい重量は、まず最初に生成物流量、生成物圧力及び運転時間を選択することにより決定することができる。その後、合計重量関数を用いて、下記に示したように、３つの構成要素全ての総重量を単一の変数、すなわち最小床圧力の関数としてプロットすることができる。
【００５７】
【数６】
【００５８】
可変構成要素の望ましい重量は、まず最初に生成物流量、生成物圧力及び運転時間を選択することにより決定される。その後、合計重量関数を用いて、３つの構成要素全ての総重量を単一の変数、すなわち最小床圧力の関数としてプロットすることができる。一定の生産速度、生成物純度、生成物圧力及び運転時間での最小床圧力に対する可変重量構成要素の重量をプロットすることにより、思いも寄らぬことに、可変重量構成要素の最小重量又は所望最小重量範囲に対応する最小圧力又は所望最小圧力範囲が存在することが示される。
【実施例】
【００５９】
以下の例は、この特徴を説明するが、本発明の態様をここに記載した特定の細目のいずれにも限定するものではない。各々の例は、（ａ）表１及び２に記載したＰＶＳＡサイクルを用いる図１の５床ＰＶＳＡシステムと、（ｂ）表３及び４に記載したサイクルを用いる４床ＰＶＳＡシステムを使用して、様々な送給圧力、流量及び運転時間で、９３モル％の酸素を含有する生成物を提供することに基づいている。吸着剤は、平均粒径が０．５０ｍｍであるビーズ形態の、ナトリウム及びリチウム交換された低シリカのＸ型ゼオライト（ＬＳＸ）である。上記の窒素吸着式を用いて必要とされる吸着剤の重量を計算する際には、吸着剤容量の７０％が窒素吸着のために利用される一方で吸着剤容量の残りの３０％が水及び二酸化炭素の吸着に利用されるという事実を説明するため、７０％という床利用率を使用した。
【００６０】
主気体ポンプ１１の駆動モータ１３の効率は一般的に８０％でよく、コンプレッサ９及び１５の効率は一般的に７０％でよい。システムは、充電式リチウムイオンバッテリー、例えばＶａｒｔａが製造発売しこの製造メーカーの仕様によると１２．４６ポンド／ｋＷｈの一定エネルギー密度をもつものなど、により電力供給される。システムの合計重量は、一定重量の構成要素（ハウジング、管材料、電気配線など）の重量と吸着剤、主気体ポンプ（すなわち原料空気コンプレッサ及び真空廃気コンプレッサ）及びバッテリーの可変重量の合計である。
【００６１】
（例１）
表１及び２のサイクルを用いて図１の５床システムについて１時間の連続運転時間の間１．６ａｔｍの生成物圧力で９３モル％の酸素を３リットル／分発生させるように、ＰＶＳＡシステムをシュミレートした。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３５ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図２に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、０．７ａｔｍａで３．６ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、３．６〜３．８ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．４〜０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．７ポンドの下限値と１．４ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．９ポンドであり、バッテリーの重量は０．５ポンドの下限値と１．２ポンドの上限値の間にある。
【００６２】
（例２）
共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサからなる主気体ポンプを用いて、例１を反復した。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３５ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図３に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．７ａｔｍａで２．８ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、２．８〜３．０ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．５〜０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．７ポンドの下限値と１．３ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．１ポンドであり、バッテリーの重量は０．６ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にある。
【００６３】
（例３）
表１及び２のサイクルを用いて図１の５床システムについて２時間の連続運転時間の間１．４ａｔｍの生成物圧力で９３モル％の酸素を３リットル／分発生させるように、ＰＶＳＡシステムをシミュレートした。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．４ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図４に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、０．７ａｔｍａで２．９ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、２．９〜３．１ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．６〜約０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．６ポンドの下限値と１．２ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．３ポンドであり、バッテリーの重量は０．５ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にある。
【００６４】
（例４）
共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサからなる主気体ポンプを用いて、例３を反復した。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．４０ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図５に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．８ａｔｍａで２．３ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、２．３〜２．５ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．６〜約０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．６ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は０．７ポンドであり、バッテリーの重量は０．６ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にある。
【００６５】
（例５）
表１及び２のサイクルを用いて図１の５床システムについて３時間の連続運転時間の間１．２ａｔｍの生成物圧力で９３モル％の酸素を１リットル／分発生させるように、ＰＶＳＡシステムをシミュレートした。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３５ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図６に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．７ａｔｍａで１．５ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、１．５〜１．６ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．６〜０．８ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．３ポンドの下限値と０．６ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は０．７ポンドであり、バッテリーの重量は０．３ポンドの下限値と０．６ポンドの上限値の間にある。
【００６６】
（例６）
共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサからなる主気体ポンプを用いて、例５を反復した。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．４０ａｔｍａと１．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図７に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．７ａｔｍａで１．３ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、１．２〜１．３ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．６〜約０．８ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．３ポンドの下限値と０．６ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は０．４ポンドであり、バッテリーの重量は０．３ポンドの下限値と０．６ポンドの上限値の間にある。
【００６７】
（例７）
表１及び２のサイクルを用いて図１の５床システムについて３時間の連続運転時間の間１．６ａｔｍの生成物圧力で９３モル％の酸素を３リットル／分発生させるように、ＰＶＳＡシステムをシミュレートした。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．５ａｔｍａと１．０６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図８に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．９ａｔｍａで４．８ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、４．８〜５．０ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．８〜１．１ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は１．０ポンドの下限値と１．８ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．９ポンドであり、バッテリーの重量は１．４ポンドの下限値と２．１ポンドの上限値の間にある。
【００６８】
（例８）
共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサからなる主気体ポンプを用いて、例７を反復した。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３７ａｔｍａと１．０６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図９に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．９ａｔｍａで４．０ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、４．０〜４．２ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．８〜約１．０ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は１．１ポンドの下限値と１．６ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．１ポンドであり、バッテリーの重量は１．４ポンドの下限値と２．０ポンドの上限値の間にある。
【００６９】
（例９）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転する４床システムであったことを除いて、例１を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３５ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１０に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、０．７ａｔｍａで３．２ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、３．２〜３．４ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．５〜約０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．６ポンドの下限値と１．３ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．６ポンドであり、バッテリーの重量は０．５ポンドの下限値と１．２ポンドの上限値の間にある。
【００７０】
（例１０）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例２を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３５ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１１に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、０．７ａｔｍａで２．７ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、２．７〜２．９ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．５〜０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．７ポンドの下限値と１．３ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．１ポンドであり、バッテリーの重量は０．５ポンドの下限値と１．０ポンドの上限値の間にある。
【００７１】
（例１１）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例３を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．４ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１２に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、０．８ａｔｍａで２．６ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、２．６〜２．８ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．６〜約０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．６ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．１ポンドであり、バッテリーの重量は０．５ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にある。
【００７２】
（例１２）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例４を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、なわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．４ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１３に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．８ａｔｍａで２．３ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、２．３〜２．４ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．６〜約０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．６ポンドの下限値と１．１ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は０．７ポンドであり、バッテリーの重量は０．５ポンドの下限値と１．０ポンドの上限値の間にある。
【００７３】
（例１３）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例５を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３５ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１４に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、約０．７ａｔｍａで１．４ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、１．４〜１．５ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である０．６〜０．９ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．３ポンドの下限値と０．６ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は０．６ポンドであり、バッテリーの重量は０．３ポンドの下限値と０．５ポンドの上限値の間にある。
【００７４】
（例１４）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例６を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．４ａｔｍａと０．９６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１５に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．６〜０．８ａｔｍａの最小床圧力の範囲内で１．２ポンドの最小合計可変重量を示す。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は０．３ポンドの下限値と０．６ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は０．４ポンドであり、バッテリーの重量は０．３ポンドの下限値と０．５ポンドの上限値の間にある。
【００７５】
（例１５）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例７を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるスクロールタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．５ａｔｍａと１．０６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１６に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、１．０ａｔｍａよりもわずかに低いところで４．４ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、４．４〜４．６ポンドの望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．８〜１．１ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は１．０ポンドの下限値と１．６ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．６ポンドであり、バッテリーの重量は１．４ポンドの下限値と２．０ポンドの上限値の間にある。
【００７６】
（例１６）
ＰＶＳＡシステムが表３及び４のサイクルに従って運転される４床システムであったことを除いて、例８を反復した。主気体ポンプは、共通のモータにより駆動されるダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサ及び廃気コンプレッサで構成されていた。各々の可変重量構成要素、すなわち吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量を、０．３７ａｔｍａと１．０６ａｔｍａの間の最小床圧力の値について前述の方法を用いて計算した。これらの重量を合計し、全てのデータを図１７に示すとおりにプロットした。３つの個々の構成要素の重量は、最小床圧力の関数としての明らかな最小値を示さない。しかしながら、これらの重量を一緒にすると、最小床圧力に対する合計可変重量のプロットは、１．０ａｔｍａよりわずかに低いところで３．９ポンドの最小合計可変重量を示す。最小重量とそれより５％大きい重量の間の望ましい相対重量範囲を画定して、３．９〜４．１の望ましい合計可変重量範囲が得られた。これは、この例についての望ましいＰＶＳＡ運転範囲である約０．８〜１．０ａｔｍａの最小床圧力の範囲に対応する。この望ましい圧力範囲内で、吸着剤の重量は１．０ポンドの下限値と１．５ポンドの上限値の間にあり、主気体ポンプの重量は１．１ポンドであり、バッテリーの重量は１．４ポンドの下限値と２．０ポンドの上限値の間にある。
【００７７】
（例１７）
図１のＰＶＳＡシステムを、１〜３リットル／分の生成物流量、１．２ａｔｍａと１．６ａｔｍａの間の生成物送給圧力及び１時間と３時間の間の運転時間について、表１及び２に記載したサイクルを用いてシミュレートした。同様に図１のＰＶＳＡシステムを、同じ生成物流量、生成物送給圧力及び運転時間について、表３及び４に記載したサイクルを用いてシミュレートした。これらのシミュレーションについては、充電式バッテリーは、最大と最小の実用充電量の間の作動運転時間中に０．０２ｋＷｈと０．１７ｋＷｈの間の電力を提供する。サイクル中における各吸着床の吸着剤の合計実用容量は、窒素１．２×１０-4ポンドモルと６．７×１０-4ポンドモルの間である。原料空気コンプレッサ（第１のコンプレッサ）は、給気工程の間、１．１４×１０-4ポンドモルと４．０１×１０-4ポンドモルの間の加圧原料空気を移動させ、廃気コンプレッサ（第２のコンプレッサ）は、減圧工程及び排気工程の間、３．４７×１０-4ポンドモルと９．９６×１０-4ポンドモルの廃気を移動させる。
【００７８】
例１〜１６から得られた結果の要約を表５に提示する。これらの結果を、吸着剤、主気体ポンプ及びバッテリーの重量についての望ましい運転範囲を生成物流量の関数として決定するのに利用した。これは、生成物流量の関数として例１〜１６で決定された可変重量構成要素の各々について最小床圧力の上限値及び下限値に対応する上限及び下限重量の値をプロットすることによって行った。次に、重量対生成物流量の関係で表わした望ましい運転領域を画定するための線形の境界を、最小重量の全ての上限値と下限値がこの最適な運転領域内に含まれるように、各構成要素について作図した。更に、バッテリーの最小重量の範囲を単位運転時間に対して標準化し、生成物流量の関数としてプロットして、この標準化した変数に関して最適な運転領域を決定した。これらの例に基づいて、最小床圧力は一般的に、０．２５ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間に収まり、０．４５〜０．８ａｔｍａの範囲内にあることができる。
【００７９】
【表５】
【００８０】
結果として得られた、個々の可変重量構成要素についてのプロット及び望ましい運転領域を、図１８、１９、２０及び２１に示す。図１８は、（ａ）原点及び３リットル／分の生成物流量についての吸着剤重量範囲の下限重量を通って引かれた下限の線と、（ｂ）原点及び１リットル／分の生成物流量についての吸着剤重量範囲の上限重量を通って引かれた上限の線を境界とする望ましい運転領域を図示している。かくして、１、２及び３リットル／分の生成物流量についての吸着剤の上限及び下限重量は全て、図１８の上限及び下限の線により表される望ましい運転領域内に入る。
【００８１】
図１９は、主気体ポンプの重量の望ましい範囲が、それぞれ上限の線と下限の線を規定するスクロールタイプ及びダイヤフラムタイプの原料空気コンプレッサと廃気コンプレッサの重量の間にあり且つこれらの重量を含むことを示している。
【００８２】
図２０は、原点と、３リットル／分の生成物流量における上記の例の上限及び下限のバッテリー重量を通って引かれた上限及び下限の線を境界とする望ましい運転領域を図示している。かくして、１、２及び３リットル／分の生成物流量についての可変重量のバッテリーの上限及び下限重量は全て、上限及び下限の線により表される望ましい運転領域内に入る。
【００８３】
図２１は、（ａ）原点及び１ポンド／分の生成物流量における上記の例に対応する時間で標準化されたバッテリー重量範囲の下限の値を通って引かれた下限の線と、（ｂ）原点及び３ポンド／分の生成物流量における上記の例に対応する時間で標準化されたバッテリー重量範囲の上限値を通って引かれた上限の線を境界とする、望ましい運転領域を図示している。かくして、１、２及び３リットル／分の生成物流量についての時間で標準化されたバッテリー重量の上限及び下限値は全て、図２１の上限及び下限の線により表される望ましい運転領域内に入る。
【００８４】
上述の最適化方法は、かくして、１〜３時間の連続した運転時間の間に１．２〜１．６ａｔｍａの生成物圧力範囲内で９３モル％の酸素を１〜３リットル／分の速度で生産するための４床及び５床ＰＶＳＡシステムの運転を網羅する。個々の構成要素についての対応する最適な重量範囲は、最小床圧力の望ましい運転範囲について分析的に決定された。更に、個々の可変重量構成要素について重量対生成物流量の関係に関して、望ましい運転領域が分析的に決定された。同様に、組合せた可変重量の合計重量について重量対生成物流量に関し、望ましい運転領域が分析的に決定された。これらを以下に要約する。
【００８５】
上述の及び図１８、１９、２０、２１で例示された上述の望ましい運転領域は、個々の可変重量構成要素について次のように表わすことができる。
（ａ）吸着剤の重量Ｗaについて、
０．２１Ｆp＜Ｗa＜０．６１Ｆp、
（ｂ）主気体ポンプの重量Ｗpについて、
０．３６Ｆp＜Ｗp＜０．７０Ｆp、
（ｃ）バッテリーの重量Ｗbについて、
０．１８Ｆp＜Ｗb＜０．７１Ｆp、及び
（ｄ）時間で標準化したベースでのバッテリー重量について、
０．１０Ｆpｔr＜Ｗb＜０．４０Ｆpｔr。
これらの式中、Ｆpは、１分あたりのリットル数で表わした（２３℃、１ａｔｍａでの）生成物流量であり、重量はポンド単位、時間ｔrは時間単位である。上述のＰＶＳＡシステムの所要の動作特性は、上述の式のうちのいずれかにより特徴づけることができる。
【００８６】
上記の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の式を組合せることにより、合計の可変重量Ｗtを次のように表わすことができる。
０．７５Ｆp＜Ｗt＜２．０２Ｆp
この式のＷtはポンド単位である。かくして、１リットル／分の９３モル％酸素を発生させるように設計されたＰＶＳＡシステムの可変重量の構成要素の総重量は、０．７５ポンドと２．０２ポンドの間にあることができ、また、３リットル／分の９３モル％酸素を発生させるために設計されたシステムは２．２５ポンドと６．０６ポンドの間にあることができる。この式を３リットル／分を上回る、及び１リットル／分を下回る生成物流量まで拡張して、ＰＶＳＡシステムの構成要素の合計可変重量を決定してもよい。例えば、この式を使用して、０．５リットル／分と５リットル／分の間の合計可変重量を決定してもよく、この重量は、０．５リットル／分のシステムについては０．３７５ポンドと１．０１ポンドの間、そして５リットル／分のシステムについては３．７５ポンドと１０．１ポンドの間の範囲となる。
【符号の説明】
【００８７】
１ 大気
３ フィルタ
５ 入り口消音器
９ 原料空気コンプレッサ
１１ 主気体ポンプ
１３ 駆動モータ
１５ 真空廃気コンプレッサ
１９ 回転式バルブアセンブリ
４１、４３、４５、４７、４９ 吸着床
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素に富む気体を製造するための装置であって、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するように適合されている第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで廃気を圧縮するように適合されている第２のコンプレッサを含み、重量Ｗpにより特徴づけされる主気体ポンプ、
（ｂ）第１及び第２のコンプレッサを駆動するように適合された駆動モータ、
（ｃ）重量Ｗbによって特徴づけされる、駆動モータに電力を供給するように適合された充電式電源、及び
（ｄ）加圧原料空気を生成物流量Ｆpの酸素に富む生成物と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を含む複数の吸着床を含み、吸着床内に含まれる吸着剤の合計量が合計吸着剤重量Ｗaにより特徴づけされる、圧力／真空スイング吸着ユニット、を含む装置であり、
吸着剤、主気体ポンプ及び充電式電源の総重量Ｗtが、式
０．７５Ｆp＜Ｗt＜２．０２Ｆp
で特徴づけられ、式中のＦpはリットル／分（２３℃、１ａｔｍａ圧力での）単位であり、Ｗa、Ｗp及びＷbはポンド単位である、酸素に富む気体の製造装置。
【請求項２】
バッテリーが、最大及び最小の実用充電量の間の時間単位で表した作動運転時間ｔrにより特徴づけされ、そして当該装置が、式
０．２１Ｆp＜Ｗa＜０．６１Ｆp、
０．３６Ｆp＜Ｗp＜０．７０Ｆp、
０．１８Ｆp＜Ｗb＜０．７１Ｆp、及び
０．１０Ｆpｔr＜Ｗb＜０．４０Ｆpｔr、
のうちのいずれかにより更に特徴づけされる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複数の吸着床が４つ以上の床を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記複数の吸着床が４つの床で構成されている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
第１及び第２のコンプレッサの各々が、スクロール、ダイヤフラム、ピストン及びロータリーベーンコンプレッサからなる群から選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
第１及び第２のコンプレッサがスクロールタイプのコンプレッサである、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
１２ポンド未満の合計重量を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
１０ポンド未満の合計重量を有する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
８ポンド未満の合計重量を有する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
吸着剤が、リチウム、カルシウム、亜鉛、銅、ナトリウム、カリウム及び銀からなる群から選択される１種以上の金属カチオンと交換されたゼオライトＸからなる群から選択されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
吸着床が、空気から水及び二酸化炭素を吸着するのに選択性をもつ付加的な吸着剤を更に含み、該付加的な吸着剤が、（１）活性アルミナ、及び（２）リチウム、ナトリウム及びカリウムからなる群から選択される１種以上の金属カチオンと交換されたゼオライトＸ、からなる群から選択されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
コンサーバを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
充電式電源がバッテリーである、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
充電式電源が燃料電池である、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
主気体ポンプ、駆動モータ、充電式電源及び圧力／真空スイング吸着システムをとり囲む外部ケースと、該ケースの外側に取付けられたユーザー表示／制御パネルを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
１２ポンド未満の合計重量を有する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
１０ポンド未満の合計重量を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
８ポンド未満の合計重量を有する、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
酸素に富む気体を製造するための装置であって、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するように適合されている第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで廃気を圧縮するように適合されている第２のコンプレッサを含み、重量Ｗpにより特徴づけされる主気体ポンプ、
（ｂ）第１及び第２のコンプレッサを駆動するように適合された駆動モータ、
（ｃ）重量Ｗbと、最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間ｔrにより特徴づけされる、駆動モータに電力を供給するように適合された充電式電源、及び
（ｄ）加圧原料空気を生成物流量Ｆpの酸素に富む生成物と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を含む複数の吸着床を含み、吸着床内に含まれる吸着剤の合計量が合計吸着剤重量Ｗaにより特徴づけされる、圧力／真空スイング吸着ユニット、を含み、式
０．２１Ｆp＜Ｗa＜０．６１Ｆp、
０．３６Ｆp＜Ｗp＜０．７０Ｆp、
０．１８Ｆp＜Ｗb＜０．７１Ｆp、及び
０．１０Ｆpｔr＜Ｗb＜０．４０Ｆpｔr、
のうちのいずれかにより特徴づけされ、式中のＦpはリットル／分（２３℃、１ａｔｍａ圧力での）単位であり、ｔrは時間単位であり、そしてＷa、Ｗp及びＷbはポンド単位である、酸素に富む気体の製造装置。
【請求項２０】
電気配線及び制御システム、ケース又はハウジング、及びハウジングの外側に取り付けられたユーザー表示／制御パネルを含めた付加的要素を更に含み、当該酸素発生装置と当該付加的要素が一緒になって携帯式酸素濃縮器を形成するものと、当該携帯式濃縮器ユニットをユーザーが持ち運ぶための手段を更に含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
酸素に富む生成物の気体を製造するための方法であり、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するための第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで酸素欠乏廃気を圧縮するように適合された第２のコンプレッサを含む主気体ポンプ、第１及び第２のコンプレッサを駆動するための駆動モータ、及び駆動モータに電力を提供するための充電式バッテリーを提供し、該充電式電源が最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間によって特徴づけされること、
（ｂ）加圧原料空気を酸素に富む生成物気体と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を含む複数の吸着床を含む圧力／真空スイング吸着システムを提供すること、及び
（ｃ）少なくとも給気／生成物提供、減圧、排気、及び再加圧の反復工程を含む吸着サイクルを通して吸着床の各々を順に運転すること、
を含む方法であって、次の運転パラメーター、すなわち、
（１）充電式バッテリーが、最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間中、０．０２ｋＷｈと０．１７ｋＷｈの間の電力を提供すること、
（２）吸着サイクル中の各々の吸着床内の吸着剤の合計実用容量が窒素１．２×１０-4ポンドモルと６．７×１０-4ポンドモルの間であること、
（３）第１のコンプレッサが給気／生成物提供工程中に１．１４×１０-4ポンドモルと４．０１×１０-4ポンドモルの間の加圧原料空気を移動させること、及び
（４）第２のコンプレッサが減圧工程及び排気工程中に３．４７×１０-4ポンドモルと９．９６×１０-4ポンドモルの廃気を移動させること、
のいずれかを特徴とする、酸素に富む生成物気体の製造方法。
【請求項２２】
圧力／真空スイング吸着システムが４つの吸着床を有し、該吸着床の各々は、
（Ａ）床の給気端部へ加圧原料空気を導入しながら酸素富化生成物気体を床の生成物端部から抜き出す給気／生成物製造工程、
（Ｂ）床の給気端部へ加圧原料空気を導入しながら酸素富化生成物気体を床の生成物端部から抜き出す給気／生成物製造／再加圧工程であって、その最終の再加圧工程を受けている別の床を加圧するために該生成物気体の一部分を使用する給気／生成物製造／再加圧工程、
（Ｃ）気体を抜き出すことにより床を減圧させ、そこから抜き出した気体の少なくとも一部分を再加圧工程を受けている別の床に移す減圧工程、
（Ｄ）気体を抜き出すことにより床を更に減圧するパージ準備工程であり、そこから抜き出した気体の少なくとも一部分をパージ工程を受けている別の床へ移すパージ準備工程、
（Ｅ）床が大気圧未満の最低床圧力に達するまで床の給気端部から気体を抜き出す排気工程、
（Ｆ）床の生成物端部へパージ気体を導入しながら床を排気し続けることにより床をパージし、当該パージ気体を工程（Ｄ）を受けている別の床から提供するパージ工程、
（Ｇ）床の生成物端部へ加圧気体を導入し、該加圧気体は工程（Ｃ）を受けている別の床から提供する再加圧工程、及び
（Ｈ）別の床からの生成物気体を床の生成物端部へ導入する最終再加圧工程、
を含む一連の吸着サイクル工程を順に受ける、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
最小床圧力が０．２５ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間にある、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
最小床圧力が０．４５ａｔｍａと０．８ａｔｍａの間にある、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
酸素富化生成物気体の圧力が１．２ａｔｍａと１．６ａｔｍａの間にある、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
酸素富化生成物気体が０．５〜３．０リットル／分（２３℃及び１ａｔｍａ圧力で定義される）の範囲内の流量で提供される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
酸素に富む生成物気体を製造するための方法であって、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するための第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで酸素欠乏廃気を圧縮するように適合された第２のコンプレッサを含む主気体ポンプ、第１及び第２のコンプレッサを駆動するための駆動モータ、及び駆動モータに電力を提供するための充電式バッテリーを提供し、該充電式電源が最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間によって特徴づけされること、
（ｂ）加圧原料空気を酸素に富む生成物気体と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、空気からの窒素の吸着について選択性の吸着剤を含む複数の吸着床を含む圧力／真空スイング吸着ユニットを提供すること、及び
（ｃ）少なくとも給気／生成物提供、減圧、排気及び再加圧の反復工程を含む吸着サイクルを通して吸着床の各々を順に運転すること、
を含み、排気工程における最小圧力が０．３５ａｔｍａと１．００ａｔｍａの間にある、酸素に富む生成物気体の製造方法。
【請求項２８】
携帯式圧力／真空スイング吸着酸素濃縮器システムの設計のための方法であって、
（ａ）生成物流量、生成物純度、生成物送給圧力、圧力／真空スイング吸着プロセスサイクル、吸着容器数、吸着容器内に収容される吸着剤、気体ポンプのタイプ、駆動モータに電力を供給するための再生可能電源のタイプ、及び最大及び最小の実用充填量の間の再生可能電源の運転時間を少なくとも含む設計パラメータを決めること、
（ｂ）大気圧より低い一連の最小床圧力を選択し、そして圧力／真空スイング吸着プロセスサイクルにおける最低の床圧力である各々の最小床圧力について、気体ポンプ、電源、及び吸着容器内に収容される吸着剤の必要重量を決定すること、
（ｃ）最小床圧力の各々の値について（ｂ）で決定した吸着剤、気体ポンプ及び電源の重量を加算して、吸着剤、気体ポンプ及び電源の合計重量を最小床圧力の関数として提供すること、及び
（ｄ）吸着剤、気体ポンプ及び電源の最小の総重量の範囲に対応する最小床圧力の範囲を選択すること、
を含む設計方法。
【請求項２９】
最小床圧力の範囲が０．４５ａｔｍａと０．８ａｔｍａの間にある、請求項２８に記載の方法。
【請求項１】
酸素に富む気体を製造するための装置であって、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するように適合されている第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで廃気を圧縮するように適合されている第２のコンプレッサを含み、重量Ｗpにより特徴づけされる主気体ポンプ、
（ｂ）第１及び第２のコンプレッサを駆動するように適合された駆動モータ、
（ｃ）重量Ｗbによって特徴づけされる、駆動モータに電力を供給するように適合された充電式電源、及び
（ｄ）加圧原料空気を生成物流量Ｆpの酸素に富む生成物と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を含む複数の吸着床を含み、吸着床内に含まれる吸着剤の合計量が合計吸着剤重量Ｗaにより特徴づけされる、圧力／真空スイング吸着ユニット、を含む装置であり、
吸着剤、主気体ポンプ及び充電式電源の総重量Ｗtが、式
０．７５Ｆp＜Ｗt＜２．０２Ｆp
で特徴づけられ、式中のＦpはリットル／分（２３℃、１ａｔｍａ圧力での）単位であり、Ｗa、Ｗp及びＷbはポンド単位である、酸素に富む気体の製造装置。
【請求項２】
バッテリーが、最大及び最小の実用充電量の間の時間単位で表した作動運転時間ｔrにより特徴づけされ、そして当該装置が、式
０．２１Ｆp＜Ｗa＜０．６１Ｆp、
０．３６Ｆp＜Ｗp＜０．７０Ｆp、
０．１８Ｆp＜Ｗb＜０．７１Ｆp、及び
０．１０Ｆpｔr＜Ｗb＜０．４０Ｆpｔr、
のうちのいずれかにより更に特徴づけされる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複数の吸着床が４つ以上の床を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記複数の吸着床が４つの床で構成されている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
第１及び第２のコンプレッサの各々が、スクロール、ダイヤフラム、ピストン及びロータリーベーンコンプレッサからなる群から選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
第１及び第２のコンプレッサがスクロールタイプのコンプレッサである、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
１２ポンド未満の合計重量を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
１０ポンド未満の合計重量を有する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
８ポンド未満の合計重量を有する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
吸着剤が、リチウム、カルシウム、亜鉛、銅、ナトリウム、カリウム及び銀からなる群から選択される１種以上の金属カチオンと交換されたゼオライトＸからなる群から選択されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
吸着床が、空気から水及び二酸化炭素を吸着するのに選択性をもつ付加的な吸着剤を更に含み、該付加的な吸着剤が、（１）活性アルミナ、及び（２）リチウム、ナトリウム及びカリウムからなる群から選択される１種以上の金属カチオンと交換されたゼオライトＸ、からなる群から選択されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
コンサーバを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
充電式電源がバッテリーである、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
充電式電源が燃料電池である、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
主気体ポンプ、駆動モータ、充電式電源及び圧力／真空スイング吸着システムをとり囲む外部ケースと、該ケースの外側に取付けられたユーザー表示／制御パネルを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
１２ポンド未満の合計重量を有する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
１０ポンド未満の合計重量を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
８ポンド未満の合計重量を有する、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
酸素に富む気体を製造するための装置であって、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するように適合されている第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで廃気を圧縮するように適合されている第２のコンプレッサを含み、重量Ｗpにより特徴づけされる主気体ポンプ、
（ｂ）第１及び第２のコンプレッサを駆動するように適合された駆動モータ、
（ｃ）重量Ｗbと、最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間ｔrにより特徴づけされる、駆動モータに電力を供給するように適合された充電式電源、及び
（ｄ）加圧原料空気を生成物流量Ｆpの酸素に富む生成物と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を含む複数の吸着床を含み、吸着床内に含まれる吸着剤の合計量が合計吸着剤重量Ｗaにより特徴づけされる、圧力／真空スイング吸着ユニット、を含み、式
０．２１Ｆp＜Ｗa＜０．６１Ｆp、
０．３６Ｆp＜Ｗp＜０．７０Ｆp、
０．１８Ｆp＜Ｗb＜０．７１Ｆp、及び
０．１０Ｆpｔr＜Ｗb＜０．４０Ｆpｔr、
のうちのいずれかにより特徴づけされ、式中のＦpはリットル／分（２３℃、１ａｔｍａ圧力での）単位であり、ｔrは時間単位であり、そしてＷa、Ｗp及びＷbはポンド単位である、酸素に富む気体の製造装置。
【請求項２０】
電気配線及び制御システム、ケース又はハウジング、及びハウジングの外側に取り付けられたユーザー表示／制御パネルを含めた付加的要素を更に含み、当該酸素発生装置と当該付加的要素が一緒になって携帯式酸素濃縮器を形成するものと、当該携帯式濃縮器ユニットをユーザーが持ち運ぶための手段を更に含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
酸素に富む生成物の気体を製造するための方法であり、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するための第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで酸素欠乏廃気を圧縮するように適合された第２のコンプレッサを含む主気体ポンプ、第１及び第２のコンプレッサを駆動するための駆動モータ、及び駆動モータに電力を提供するための充電式バッテリーを提供し、該充電式電源が最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間によって特徴づけされること、
（ｂ）加圧原料空気を酸素に富む生成物気体と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、吸着剤を含む複数の吸着床を含む圧力／真空スイング吸着システムを提供すること、及び
（ｃ）少なくとも給気／生成物提供、減圧、排気、及び再加圧の反復工程を含む吸着サイクルを通して吸着床の各々を順に運転すること、
を含む方法であって、次の運転パラメーター、すなわち、
（１）充電式バッテリーが、最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間中、０．０２ｋＷｈと０．１７ｋＷｈの間の電力を提供すること、
（２）吸着サイクル中の各々の吸着床内の吸着剤の合計実用容量が窒素１．２×１０-4ポンドモルと６．７×１０-4ポンドモルの間であること、
（３）第１のコンプレッサが給気／生成物提供工程中に１．１４×１０-4ポンドモルと４．０１×１０-4ポンドモルの間の加圧原料空気を移動させること、及び
（４）第２のコンプレッサが減圧工程及び排気工程中に３．４７×１０-4ポンドモルと９．９６×１０-4ポンドモルの廃気を移動させること、
のいずれかを特徴とする、酸素に富む生成物気体の製造方法。
【請求項２２】
圧力／真空スイング吸着システムが４つの吸着床を有し、該吸着床の各々は、
（Ａ）床の給気端部へ加圧原料空気を導入しながら酸素富化生成物気体を床の生成物端部から抜き出す給気／生成物製造工程、
（Ｂ）床の給気端部へ加圧原料空気を導入しながら酸素富化生成物気体を床の生成物端部から抜き出す給気／生成物製造／再加圧工程であって、その最終の再加圧工程を受けている別の床を加圧するために該生成物気体の一部分を使用する給気／生成物製造／再加圧工程、
（Ｃ）気体を抜き出すことにより床を減圧させ、そこから抜き出した気体の少なくとも一部分を再加圧工程を受けている別の床に移す減圧工程、
（Ｄ）気体を抜き出すことにより床を更に減圧するパージ準備工程であり、そこから抜き出した気体の少なくとも一部分をパージ工程を受けている別の床へ移すパージ準備工程、
（Ｅ）床が大気圧未満の最低床圧力に達するまで床の給気端部から気体を抜き出す排気工程、
（Ｆ）床の生成物端部へパージ気体を導入しながら床を排気し続けることにより床をパージし、当該パージ気体を工程（Ｄ）を受けている別の床から提供するパージ工程、
（Ｇ）床の生成物端部へ加圧気体を導入し、該加圧気体は工程（Ｃ）を受けている別の床から提供する再加圧工程、及び
（Ｈ）別の床からの生成物気体を床の生成物端部へ導入する最終再加圧工程、
を含む一連の吸着サイクル工程を順に受ける、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
最小床圧力が０．２５ａｔｍａと１．０ａｔｍａの間にある、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
最小床圧力が０．４５ａｔｍａと０．８ａｔｍａの間にある、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
酸素富化生成物気体の圧力が１．２ａｔｍａと１．６ａｔｍａの間にある、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
酸素富化生成物気体が０．５〜３．０リットル／分（２３℃及び１ａｔｍａ圧力で定義される）の範囲内の流量で提供される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
酸素に富む生成物気体を製造するための方法であって、
（ａ）加圧原料空気を提供するべく大気を圧縮するための第１のコンプレッサ及び大気より低い圧力から大気圧まで酸素欠乏廃気を圧縮するように適合された第２のコンプレッサを含む主気体ポンプ、第１及び第２のコンプレッサを駆動するための駆動モータ、及び駆動モータに電力を提供するための充電式バッテリーを提供し、該充電式電源が最大及び最小の実用充電量の間の作動運転時間によって特徴づけされること、
（ｂ）加圧原料空気を酸素に富む生成物気体と酸素欠乏廃気とに分離するように適合され、空気からの窒素の吸着について選択性の吸着剤を含む複数の吸着床を含む圧力／真空スイング吸着ユニットを提供すること、及び
（ｃ）少なくとも給気／生成物提供、減圧、排気及び再加圧の反復工程を含む吸着サイクルを通して吸着床の各々を順に運転すること、
を含み、排気工程における最小圧力が０．３５ａｔｍａと１．００ａｔｍａの間にある、酸素に富む生成物気体の製造方法。
【請求項２８】
携帯式圧力／真空スイング吸着酸素濃縮器システムの設計のための方法であって、
（ａ）生成物流量、生成物純度、生成物送給圧力、圧力／真空スイング吸着プロセスサイクル、吸着容器数、吸着容器内に収容される吸着剤、気体ポンプのタイプ、駆動モータに電力を供給するための再生可能電源のタイプ、及び最大及び最小の実用充填量の間の再生可能電源の運転時間を少なくとも含む設計パラメータを決めること、
（ｂ）大気圧より低い一連の最小床圧力を選択し、そして圧力／真空スイング吸着プロセスサイクルにおける最低の床圧力である各々の最小床圧力について、気体ポンプ、電源、及び吸着容器内に収容される吸着剤の必要重量を決定すること、
（ｃ）最小床圧力の各々の値について（ｂ）で決定した吸着剤、気体ポンプ及び電源の重量を加算して、吸着剤、気体ポンプ及び電源の合計重量を最小床圧力の関数として提供すること、及び
（ｄ）吸着剤、気体ポンプ及び電源の最小の総重量の範囲に対応する最小床圧力の範囲を選択すること、
を含む設計方法。
【請求項２９】
最小床圧力の範囲が０．４５ａｔｍａと０．８ａｔｍａの間にある、請求項２８に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１２−２４５３６４（Ｐ２０１２−２４５３６４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１７２６５７（Ｐ２０１２−１７２６５７）
【出願日】平成２４年８月３日（２０１２．８．３）
【分割の表示】特願２０１０−９８６５９（Ｐ２０１０−９８６５９）の分割
【原出願日】平成１７年５月２０日（２００５．５．２０）
【出願人】（５９１０３５３６８）エア プロダクツ アンド ケミカルズ インコーポレイテッド (452)
【氏名又は名称原語表記】ＡＩＲ ＰＲＯＤＵＣＴＳ ＡＮＤ ＣＨＥＭＩＣＡＬＳ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】７２０１ Ｈａｍｉｌｔｏｎ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ａｌｌｅｎｔｏｗｎ， Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ １８１９５−１５０１， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１７２６５７（Ｐ２０１２−１７２６５７）
【出願日】平成２４年８月３日（２０１２．８．３）
【分割の表示】特願２０１０−９８６５９（Ｐ２０１０−９８６５９）の分割
【原出願日】平成１７年５月２０日（２００５．５．２０）
【出願人】（５９１０３５３６８）エア プロダクツ アンド ケミカルズ インコーポレイテッド (452)
【氏名又は名称原語表記】ＡＩＲ ＰＲＯＤＵＣＴＳ ＡＮＤ ＣＨＥＭＩＣＡＬＳ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】７２０１ Ｈａｍｉｌｔｏｎ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ａｌｌｅｎｔｏｗｎ， Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ １８１９５−１５０１， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
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