JP2003515086A - 液体酸素の生成 - Google Patents
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Abstract
Description
生成および貯蔵に関する。詳細には、本発明は、酸素を特に必要とする患者(以
下、酸素患者と記す)の住宅における液体酸素の生成および貯蔵に関する。
ンの液化は100年以上にわたって行われており、このようなガスの工業規模で
の液化は20世紀の初頭から行われてきた。典型的には、1日に何百トンもの液
体起寒剤を製造するための工業用液化装置が設計されている。このような工業用
液化装置は信頼性があり、エネルギー効率が比較的高い液化ガスを製造すること
ができる。比較的少量の液化ガスを必要とする消費者のために、デュアーとして
知られている小型の断熱容器に工業施設で製造された液化ガスが充填されて消費
者に輸送されている。少量の液化ガスの消費者は、患者に配与するための酸素、
および、冷却剤として用いるための窒素を必要とする病院を含む。また、慢性呼
吸不全を患っている人々が、彼らの医師により家庭用の酸素を処方されて、液化
酸素を彼らの自宅に配達してもらえる。
容器内に貯蔵された液化ガスの偶然の昇温およびボイルオフによる損失があるた
め、頻繁に配達されなくてはならない。したがって、液化ガスをその使用時に効
率的に生成することができる液化装置が必要である。例えば、酸素患者の自宅で
用いるための、1日あたり0.4〜5kgの範囲の液化酸素、または、外科医の
医院または研究所で皮膚の病巣を凍結しまたは生体試料を冷凍するために用いら
れ得る類似の量の液体窒素を生成することができる液化装置が必要である。
ュア化を試みようとの努力がなされた。しかし、このようなシステムが、一般的
にクロードサイクルまたはその変型に基づいていて複雑であるために、これらの
試みは失敗した。また、このような液化装置のミニチュア化によって生じた非常
に小さい機械的部品は、製造に高い費用がかかり、かつ確実に動作しなかった。
軍事的用途に、赤外線センサ、半導体チップ、マイクロウェーブ、電子部品、高
温超伝導用途、ファイバオプチクス増幅装置などに用いるために開発された。こ
れらの用途のために開発された極低温冷却装置は、約20K(ケルビン温度)〜
150Kの範囲の温度で動作し、これらの極低温冷却装置の冷却能力は1ワット
未満〜100ワットを超えるワット数の範囲にあった。このような軍事的用途の
ために、極低温冷却装置は、特定の特徴を有することが要求された。例えば、あ
る用途においては迅速な冷却が重要であり、ある用途においては低騒音および低
振動が望ましかった。また、幾つかの用途、例えば電子装置と共に用いられる場
合には、冷却ヘッドの厳密な温度制御が重要である。さらに、幾つかの用途は、
断熱外包への霜付きおよび冷却部品への湿気の侵入を防止することと関連してい
た。さらに、軍事用に開発された上記の極低温冷却装置は、その熱入力を、極低
温冷却装置の最低温度地点またはその付近においてもたらした。例えば、冷却さ
れるべき部品は、典型的には、極低温冷却装置のコールドポイント(「冷却フィ
ンガ」)に取り付けられて、その部品に直接に熱を伝達し、伝導損を最小限にし
ていた。しかし、小規模なガス液化装置の使用に関しては、正確な温度コントロ
ールおよび迅速な冷却といったような特徴は必要なく、これらは装置のコストを
増大させるだけである。また、ポイント冷却はガスの液化に用いるのには非効率
的である。
とに関しては、このような患者のニーズを満たす方法が幾つかあった。酸素療法
患者が酸素を受けるための最も一般的な方法は、工業プラントで製造された酸素
を定期的に配達することによるものである。酸素は、加圧ガスとして、または液
体として配達され得る。加圧ガスとして配達される場合、酸素は、酸素が高圧下
で貯蔵されるため、そしてまた、酸素が高反応性であるために危険性を有する。
液体として配達される酸素は、液化ガスの、時間の経過に伴う不可避の昇温によ
り生じるボイルオフにより損失される。このような損失が生じるため、特別に断
熱された容器またはデュアーを用いても、新鮮な液体酸素の配達が週に1度の割
合で行われなければならない。
これらの装置は、危険性のある材料を貯蔵する必要をなくす。しかし、これらの
装置は、典型的には携帯可能でなく、したがって、酸素療法を続けている患者は
、自宅を離れるときには市販の「ボトル詰め」酸素に依存し続けなければならな
い。このような依存は必要であったと言えよう。なぜなら、酸素患者のニーズを
超える生成能力を有する酸素濃縮機は知られているが、液体酸素を住宅で生成お
よび貯蔵するための有用な装置および方法はなかったからである。
成および貯蔵するための方法および装置を提供することが有利であろう。詳細に
は、酸素療法を受けている患者の住宅で液化酸素を生成するための方法および装
置を提供することが有利であろう。さらに、動作が経済的で確実な方法および装
置を提供することが有利であろう。
。開示されたシムは、概して、極低温冷却装置、熱交換器アセンブリおよび断熱
サブシステムを含む。このシステムは、供給ガスを、供給ガスの沸点よりも低い
温度まで冷却し、得られた液状凝縮物を貯蔵することにより動作する。
る。極低温冷却装置の冷却フィンガは、供給される供給ガスを受ける熱交換器ア
センブリと関連付けられている。好ましい実施形態において、熱交換器アセンブ
リは、極低温冷却装置の冷却フィンガにより冷却される熱交換器アセンブリの表
面積を増大するための冷却フィンまたは他の手段を特徴とする顕熱交換器を含む
。これは、供給される供給ガスとの接触を最大にし、装置の冷却効率を増大させ
る。断熱サブシステムは、概して、熱交換器アセンブリの周囲に延在し、熱交換
器アセンブリを周囲温度から遮断する。このようにして、装置の低温部品は大気
への損失から遮断される。断熱サブシステムは、さらに、熱交換器アセンブリに
おいて生成された液状凝縮物を収集および貯蔵するための断熱貯蔵空間、例えば
貯蔵デュアーを含む。
で用いるための液化ガスを提供するように適合され得る。したがって、開示され
たシステムは、特に、1日あたり約0.4〜5kgの液体酸素を生成するように
適合されている。さらに、開示されたシステムは、システムにより生成された液
化ガスを、他の装置、例えば携帯貯蔵デュアーに移動させるための手段を有し得
る。したがって、このシステムを用いて液化酸素を生成すると、このようにして
生成された凝縮液を携帯貯蔵デュアーに移動することができ、酸素療法を受けて
いる患者が自宅から離れているときに携帯貯蔵デュアーにより酸素を補給するこ
とが可能になる。
的な手段をもたらす。本発明のシステムは、機械的に比較的単純で経済的に組み
立てられかつ容易に使用できる装置を提供することにより、液化ガスを小規模に
生成する。開示されたシステムを用いることにより、液体酸素または他の液化ガ
スを使用時までに配達してもらう必要もなくなる。このような配達は、輸送コス
トにおいて、また、液化ガスの製造と消費期限の期間に生じる、液化ガスの不可
避の昇温により生じるボイルオフによる損失において非効率的であることが分か
っていた。したがって、液化ガスを使用時点で生成することにより、液化ガスを
輸送する必要はなくなり、液化ガスを使用する前に貯蔵しておかねばならない時
間が短くなる。
のガスを液化するための方法および装置が提供される。本発明は、住宅または職
場で液化ガスを生成することを可能にし、必要なときに液化ガスを生成させるよ
うにし、液化ガスを少量でも一定量されることを必要とするユーザが、工場で処
理されたこのようなガスを定期的かつ頻繁に配達してもらう必要をなくす。
易に明らかになろう。 (詳細な説明) 本発明に従えば、液体酸素を、酸素を特に必要とする患者(以下、酸素患者と
記す)の住宅で生成および貯蔵するための方法および装置が提供される。
ステム100の実施形態が示されている。システム100は、周囲空気から酸素
富化ガスを生成するための酸素濃縮サブシステム102と、酸素濃縮機102に
より提供された酸素を液化および貯蔵するための極低温サブシステム104とを
含む。極低温サブシステム104は、システム100により生成された液化酸素
を患者が家から外出するときに携帯することを可能にする携帯用貯蔵デュアー1
06を含み得る。システム100は、図1に2つのモジュールから成るシステム
として示されているが、単一のキャビネットとして提供されてもよい。
サブシステム102との相互連結が概略的に示されている。これらの部品は、概
して極低温冷却装置202、熱交換器アセンブリ/凝縮装置204、および断熱
サブシステム206を含む。好ましい実施形態において、極低温サブシステム1
04の構造は、図2に示されているように、極低温冷却装置202が上部に配置
され、断熱サブシステム206がその下に、熱交換器アセンブリ/凝縮装置20
4を取り囲んで配置された構造である。
2により供給される。図2に示されている構造において、酸素富化供給ガスが最
終フィルタ208に、導管210により供給される。最終フィルタ208から、
酸素富化供給ガスが、極低温サブシステム104の熱交換器アセンブリ/凝縮装
置204に、供給ガスチューブ212により供給される。酸素富化ガスは熱交換
器/凝縮装置アセンブリ204において冷却および液化される。廃ガスおよびボ
イルオフは廃ガス導管218を通って極低温サブシステム104から出て行く。
いる。これらの手段は、極低温冷却装置202の熱除去領域(heat rej
ection area)224の周りに巻かれた蒸発装置222を有する蒸気
圧縮冷凍システム220を含む。さらに、極低温冷却装置202には、極低温冷
却装置202からの廃熱の除去を補助するために冷却フィン226が設けられ得
る。空気流を冷却フィン226の上に向けさせ、熱の遮断をさらに増大し、それ
により極低温冷却装置202の効率および冷却能力を増大するためにファン22
8を設け得る。
から断熱し、かつ、供給ガスの冷却により熱交換器アセンブリ/凝縮装置204
内に生成された凝縮液230を貯蔵するための断熱された貯蔵空間をもたらすよ
うに働く。図2に示されているように、断熱サブシステム206は、上側の断熱
要素232および断熱デュアー234を含み得る。断熱要素232は、装置の効
率および冷却能力を、極低温冷却装置202の低温部品および熱交換器アセンブ
リ/凝縮装置204を周囲空気から断熱することにより増大する。貯蔵デュアー
234は、供給ガスから生成された低温の凝縮液230を収集および貯蔵する。
貯蔵デュアーは任意の断熱容器であり得る。一実施形態に従えば、貯蔵デュアー
234は1.8リットルのガラス製の真空断熱された貯蔵容器である。
ステム104の一部の部分断面図が示されている。先に記載したシステムと同様
に、極低温冷却装置サブシステム300の主要部品は、極低温冷却装置302、
熱交換器アセンブリ304および断熱サブシステム306である。図3に示され
た極低温冷却装置サブシステムの実施形態に従えば、部品は概して鉛直方向に配
置されており、極低温冷却装置302が上部に、熱交換器アセンブリ304が極
低温冷却装置302のほぼ下に、断熱サブシステム306がその下に、熱交換器
アセンブリ304を取り囲んで配置されている。この構造は、以下にさらに詳細
に説明するように、概して酸素富化凝縮液の生成および収集を補助する。
0を含む。例示された実施形態において、熱除去領域310は、冷却装置ンプ3
14により熱除去領域310に固定された蒸気圧縮冷凍器(図3に図示せず)の
蒸発器312により取り囲まれている。蒸気圧縮冷凍器は、極低温冷却装置30
2の熱除去領域310の温度を約−15℃〜−5℃に下げるために用いられ、極
低温冷却装置302の冷凍能力を、熱除去領域310からの熱の除去を促進する
ことにより増大させる。熱除去領域310から蒸発器312への熱の流れは、接
触抵抗による熱流への妨害を熱伝導グリースを用いて減少することにより補助さ
れる。熱除去領域310からの熱の遮断は、熱除去領域310の周りに、蒸気圧
縮冷凍器の冷媒を沸騰させるための環状の空間を設けることによりさらに向上さ
れることができる。冷媒への熱伝達は、当分野でよく知られているように、熱除
去領域310に焼結多孔質面または筋付き面を用いることによりさらに増大され
得る。
縮装置容積318を含む。顕熱交換器/凝縮装置316は、極低温冷却装置30
2の冷却フィンガ308と直接に接触して配置されている。あるいは、好ましい
実施形態において、顕熱交換器/凝縮装置316は、冷却フィンガ308に一体
化された冷却フィン320を有して、表面積を増大し、顕熱交換器/凝縮装置3
16との熱伝達を最大化し、かつ、供給ガスからの最も効率的な熱伝達を保証す
る。冷却フィンガ308と冷却フィン320とが別々の部品から形成される場合
、接触抵抗を最小にするためにこれらの部品が互いに鑞付け結合またははんだ付
けされることが好ましい。図示されている実施形態において、凝縮装置容積31
8は、断熱サブシステム306の面から形成される。
剤350まで下方に長く延在する断熱部材322、および断熱貯蔵デュアー32
4を含み得る。断熱部材322は、好ましくは、顕熱交換器316を、熱交換器
316の冷却フィンガ308と一致しない側方にて取り囲み、第1の端部にて、
冷却フィンガ308の周囲に、極低温冷却装置302の熱除去領域310に向う
ある点まで延在する。第1端部において、断熱部材322は凝縮装置容積318
を形成し、2相流の導管326を内包する。第1の予備冷却熱交換器328を前
記断熱部材322の第2の端部に配置し得る。断熱部材322は、供給ライン2
12の一部、第2の予備冷却熱交換器330、相セパレータ334、液体導管3
36および非凝縮ガスの導管338を内包し得る。
102(図3には示さず)から、または、極低温サブシステム300への他のガ
ス源から供給される。図3に部分的に示された極低温サブシステム300の実施
形態において、供給ガスは最初に第1の予備冷却熱交換器328を通過する。第
1予備冷却熱交換器328は、概して、供給ライン212の延長部を断熱部材3
22の一部の周りに巻き付けることにより形成されたコイル340を含む。コイ
ル340と、コイルを通過する供給ガスとが、液化プロセス中に生成される廃ガ
スにより冷却される(これは以下により詳細に記載する)。廃ガスは環状の第1
の予備冷却チャンバ342内で第1予備冷却熱交換器328のコイル340の上
を通過する。次いで、約0℃まで冷却された酸素富化供給ガスが輸送ライン34
4内を、概して断熱部材322内に配置された第2の予備冷却熱交換器330ま
で移動し続ける。第2の予備冷却熱交換器330は、輸送ライン344の一部を
、廃流すなわち非凝縮ガスの導管338の一部に鑞付けまたははんだ付けするこ
とにより形成される。あるいは、第2の予備冷却熱交換器330を、熱伝導材料
からつくられた単一のピースから、輸送ライン344の入口および出口ならびに
非凝縮ガス導管338を、流れの間の効率的な熱伝達を可能にするように設けて
形成することもできる。第2予備冷却熱交換器330を通過した後、供給ガスは
約−25℃の温度になる。
ガスは、凝縮装置容積318内にて、顕熱交換器316の冷却フィン320との
接触により冷却される。供給ガスの冷却により形成された凝縮液が凝縮装置容積
318の底部に落ち、凝縮液コレクタ348に入る。凝縮液は、冷却されても液
化しなかったガスと共に、2相流導管326を通って落ち、相セパレータ334
に入る。相セパレータ334において、冷却されても液化しなかったガスは、液
状凝縮物から分離され、相セパレータ334から非凝縮ガス導管338を通って
出て行く。先に記載したように、非凝縮ガス導管338は第2予備冷却熱交換器
330にて輸送ライン344に沿って延在し、廃ガスは、また、第1予備冷却熱
交換器328を含む環状部342内に供給ライン212の延長部により形成され
たコイル340の周りを通過する。相セパレータ334からの凝縮されなかった
廃ガスが、貯蔵デュアー324内の凝縮液からのボイルオフと環状部342内で
合体して、入ってくる供給ガスをさらに冷却する。次いで、廃ガスおよびボイル
オフは排出導管332を通して大気中に解放される。液化された供給ガスは、相
セパレータ334を出て、貯蔵デュアー324に収集されるように液体導管33
6内を落下する。
のサブシステムの低温部を周囲温度から断熱することにより向上される。断熱部
材322は、周囲温度の部品から低温部品への熱の流れを減じるために排気され
得る。この場合、吸収剤350およびゲッタ352は真空空間に閉じ込められ得
る。望ましい減圧レベルを排気チューブ354により達成した後、排気チューブ
354をピンチングおよびはんだ付けにより封止する。
、酸素濃縮機から供給される酸素富化供給ガスに関して説明する。図4に示され
ているように、供給ガスFが供給チューブ212を介して、図4には概略的に示
された極低温サブシステム104に導入され、図4にストリームPとして示され
ている液化酸素が、熱交換アセンブリ/凝縮装置204内で生成される。液体酸
素は凝縮液230としてデュアー234内に貯蔵される。液体酸素を純生産量で
1時間あたり40g生成する(ストリームP)ためには、1時間あたり約60g
の供給ガスFが提供されなければならない。1時間あたり60g供給流量は、既
知の医療用酸素濃縮機102から典型的に得られる流量である。ストリームB,
CおよびDは、極低温サブシステム104から廃ガス導管218を通って出て行
く廃ガスを示す。廃ガス流の最大の成分はボイルオフ流Bである。与えられた例
において、ボイルオフ流Bは、約12g/時間の酸素から成る。ボイルオフ流B
は、貯蔵デュアー234を通る周囲空気からの熱漏れの結果である。廃ガス流の
ストリームBは、極低温サブシステム104の冷却能力を最大に消費する。これ
は、ストリームBが最大の質量流量を有し、液化されていたものであり、したが
って大量の潜熱を取り出したからである。
には比較的アルゴンが多く含まれ、窒素および酸素も含む。廃流Dは、供給ライ
ン212から極低温サブシステム104へのオーバー供給(過剰供給)を示すも
のであり、したがって、極低温サブシステムが液化する冷却能力を有さないガス
である。オーバー供給は、貯蔵デュアー234内の小さい正圧を保証することに
より温かい周囲空気が極低温サブシステム104に侵入するのを防止するために
望ましいものである。
換器を用いることにより部分的に回復される。したがって、予備冷却熱交換器に
おいて、供給ガスFは、廃流B,CおよびDにより、供給ガスが顕熱交換器にお
いて凝縮される前に冷却される。ボイルオフ流Bの液化において消費される潜熱
は回復できないが、ボイルオフの量は、良好に断熱されたデュアー234を用い
ることにより最少化されることができる。廃流により使用される冷却能力の約4
0%は、ボイルオフ流Bの相変化において損失される。
(Stirling cycle)で動作する。開示されている方法および装置
に連結して用いるのに好適な典型的な線状のスターリングタイプの極低温冷却装
置は、77Kで定格4ワットの冷却をもたらす。本発明の開示された実施形態の
実際の冷却能力は、定格能力の約2倍である。なぜなら、酸素濃縮機102によ
り供給されるガスの沸点は77Kよりも幾分高く、また、予備冷却が用いられる
からである。
サブシステム104の別の実施形態500の一部が断面図で示されている。本発
明の実施形態の極低温サブシステム500は、概して、極低温冷却装置502、
熱交換器アセンブリ504、および、断熱サブシステム506を含む。これらの
サブシステムを含む部品は、第1に記載した実施形態に関して既に記載した部品
とほぼ類似しているが、部品の構成は異なる。
0を含む。極低温冷却装置502は、冷却フィンガ512のみが図5に見られ、
装置の効率を高めるために断熱部材508により取り囲まれている。
交換器516を含む。顕熱交換器/凝縮装置514は、極低温冷却装置502の
冷却フィンガ512と接触している冷却フィン518を含む。凝縮装置容積52
0が、顕熱交換器/凝縮装置514の冷却フィン518を取り囲んでいる。顕熱
交換器/凝縮装置514において形成された凝縮液が落下して凝縮液コレクタ5
22に収集される。凝縮液コレクタ522は相セパレータ524の一部である。
相セパレータ524から、凝縮液が液体導管526を介して退出する。その後、
廃ガスが相セパレータ524から、廃ガス導管528を介して出る。
れる。供給ライン530の出口は、スクリーン534を含む環状の空間532と
連通している。スクリーン534は、高い導電性の銅から形成されることが好ま
しく、第1の端部にて相セパレータ524の低温の上部に熱連結されており、第
2の端部にて環状の空間532の下部と熱連結されている。
通ってデュアー510から出る。ボイルオフ戻り導管536の一部、廃ガス導管
528および供給ガスチューブ530が、ボイルオフ導管536および廃ガス導
管528が供給ガスチューブ530と熱接触するように配置されることにより予
備冷却熱交換器516を形成する。こうして、供給ガスチューブ530内の供給
ガスからの熱が、廃ガス導管528およびボイルオフ導管536内のガスに伝達
される。
、顕熱交換器/凝縮装置514に入る前にスクリーン534を通過しなければな
らない。スクリーン534は相セパレータ524の低温の上部と熱接触している
ため、供給ガス中に含まれる凝縮可能な不純物の多くが低温のスクリーン534
の上に堆積することになる。この構造は、供給ライン530および顕熱交換器/
凝縮装置514が霜で詰ることを防止するのに役立つ。しかし、最終的にスクリ
ーン534自体が霜で詰ることもある。したがって、必要なときに霜をシステム
から除去(パージ)するための設備が含まれている。
めのパージ導管538が設けられている。温かく乾燥した空気をこの領域に導入
することは、スクリーン534および供給ガスチューブ530の出口に堆積した
全ての不純物を解凍して一掃する効果を有する。概して、約30〜60日ごとに
システムから霜を一掃することが有益である。
図6にはその一部が示されている極低温サブシステム600は、その全体におい
て、極低温冷却装置602、熱交換器アセンブリ604、および断熱サブシステ
ム606を含む。例示された他の実施形態と同様に、極低温サブシステム600
は、極低温冷却装置602が鉛直方向において断熱サブシステム606の上方に
あり、熱交換器アセンブリ604の少なくとも一部が、断熱サブシステム606
により示された容積内に位置するように配置されていることが好ましい。
ある冷却フィンガ608を含む。さらに、極低温冷却装置602は、熱除去領域
610を含む。熱除去領域610は、先に記載した実施形態と同様に、廃熱を極
低温冷却装置から放散させることを補助し、それにより装置600の効率を増大
させる冷却フィン612を有することを特徴とし得る。これに代わって、または
加えて、熱除去領域610は、蒸気圧縮冷凍システムまたは他の冷却システム(
図示せず)により冷却され得る。
614を含む。図6に見られるように、貯蔵デュアー614の首部615が、熱
交換器アセンブリ604の実質的な部分を受容している。したがって、断熱サブ
システム606の貯蔵デュアー614は、熱交換器アセンブリ604の低温部品
を周囲大気から断熱させる。
器618、および、顕熱交換器/凝縮装置620を含む。 例示されている実施形態における内側の熱交換器616は、冷却フィンガ60
8の外面、内側の螺旋部622、および内側のシース624から構成されている
。システムが動作しているとき、供給ガスは、供給ガスチューブ628を出た後
に環状の空間626に入る。供給ガスは、支持リング630内のスロットを通過
して、内側熱交換器616に入る。内側熱交換器616に導入された供給ガスは
、内側螺旋部622、冷却フィンガ608、および内側シース624により画成
された螺旋状通路に沿って移動しながら徐々に冷却される。内側熱交換器616
の全長を移動した後、供給ガスは、顕熱交換器/凝縮装置620内に導入される
。
み目付きの(knurled)部分を含む。内側熱交換器616により連続的に
冷却されてきた供給ガスが、顕熱交換器/凝縮装置620の冷却フィン634上
で凝縮される。このようにして形成された凝縮液が、凝縮液コレクタ636内に
収集され、次いで、顕熱交換器/凝縮装置620から、液体導管638を通って
貯蔵デュアー614へ移動する。
器618は、廃ガスの冷却、および、凝縮されても後に貯蔵デュアー614から
の熱漏れにより凝縮液からボイルオフされる供給ガスの所望の成分(例えば酸素
)の液化で消費された冷却能力を再利用する。凝縮不能な廃ガス、および、酸素
凝縮液からのボイルオフが、貯蔵デュアー614の内部容積から、戻り流ポート
640を通して除去される。次いで、廃ガスは、以下にさらに詳細に記載するよ
うに、外側の熱交換器618内を移動して供給ガスを冷却する。
よび外側シース644から形成されている。廃ガスが、内側シース624、外側
螺旋部642および外側シース644により画成された螺旋状通路に沿って移動
するにしたがって、内側シース624が冷却される。供給ガスが、外側熱交換器
の一部を画成している面と対向する内側シース624の面と接触するとき、供給
ガスは廃ガスにより冷却される。廃ガスは、外側の熱交換器から廃ガス導管64
6を通って出ていく。外側熱交換器618から出るとすぐに、廃ガス流の温度は
周囲温度またはその付近の温度になる。
。これが、内側熱交換器616へ降下する供給流から外側熱交換器618へ上昇
していく廃ガス流への熱伝達を促進することにより、供給流の冷却を補助する。
好ましい実施形態において、入口シース624は、厚さが約0.003インチの
ステレンス鋼から構成される。外側シース644は、非導電性材料、例えばプラ
スチックから構成され得る。好ましい実施形態において、外側シース644は非
熱伝導性の材料から構成される。一実施形態に従えば、外側シース644は、厚
さ0.005インチのマイラーである。好ましい実施形態において、外側熱交換
器618の外部の周囲に、断熱層648が、冷却能力が外側熱交換器618から
周囲空気に損失されることを防止するために設けられている。
ある。これは、入ってくる供給ガスからの熱伝達が、より小さい温度差にわたっ
て生じるからである。また、デュアー614の長さの、デュアーの首部615の
直径に対する比率が2:1よりも小さく、好ましくは約1:1以下である。これ
は、顕熱交換器/凝縮装置620がデュアー614の実質的に内部に配置される
ことを可能にし、温度差を低減し、それゆえ、内側熱交換器616および顕熱交
換器/凝縮装置620の最低温の部分からの損失を低減する。この配置は、また
、熱交換器アセンブリ/凝縮装置604の周りにデュアー614とは別の真空断
熱を設ける必要をなくす。また、図6に示された実施形態は、入ってくる供給ガ
スのために設けられた流路の断面積が、霜の堆積により供給エアの流れが詰るこ
とを防止するように十分に大きいために有利である。したがって、このシステム
は、堆積物を除去するためのパージングを行ってから次のパージングまでの期間
を長くして稼動されることができる。図6の実施形態は、また、長さが短く直径
が大きい液体導管638をもたらして、効率をさらに高める。
、または、都合よくは濃縮器からの流れを、廃ガス導管646または入口導管6
28を介して導入することにより達成され得る。このようにして時々行われる装
置パージングにより、熱交換器アセンブリ604の面、顕熱交換器/凝縮装置6
20および貯蔵デュアー614から堆積物が除去される。
4内の凝縮液より上の蒸気空間を、大気圧より大きい、10ポンド/平方インチ
以下のレベルまで加圧する。デュアー614により閉じ込められた容積をこのよ
うに加圧することにより、凝縮液を下方充填チューブ648を介して、携帯用デ
ュアーなどに移動させるために放出させる。下方充填チューブ648は、また、
液位検知ボール650を取り付けるためにも用いられ得る。凝縮液の液位がボー
ル650の高さに到達すると、システムは、貯蔵デュアー614から凝縮液が溢
れ出ることを防止するために停止され得る。
鋼から構成されることが好ましい。内側螺旋部622および外側螺旋部642は
、内側熱交換器616と外側熱交換器618の組付を容易にするためにテフロン
(登録商標)チューブから構成され得る。顕熱交換器/凝縮装置620の冷却フ
ィン634は、高い熱伝導率を有する材料から構成されることが好ましい。
ガスの所与の流量および温度に必要な冷却フィン634の表面積は、極低温冷却
装置602の性能および冷却フィンガ608の温度の関数である。本発明に従う
多くの構造が可能である。グレゴリグ(Gregorig)面または他のフィン
付き面のような面を設けることが知られている。これらの面においては、溝およ
びフィンが鉛直方向に延在し、滑らかな面よりも優れた熱伝達効果をもたらし、
したがって、必要な面の面積を低減する。これらの面は、凝縮液の表面張力の作
用により、面の一部に液体流の方向に薄膜を確実に形成し、面の他の部分には、
大きい水力学的直径をもたらして、膜の迅速な落下を保証する。しかし、このよ
うな面を使用することの価値は曖昧である。なぜなら、必要とされる凝縮装置表
面積のコストは、アセンブリの残りの部分のコストと比較してきわめて小さいか
らである。さらに、表面に汚れが生じても、フィン付きの形状は余剰表面積を有
して、長期間にわたって最良に動作するであろう。
、独立した凝縮装置を用いずに凝縮を行うことができる。冷却フィンガの上に、
凝縮液の重力流れの方向に刻印されたリッジ(稜部)が、リッジ間の溝に凝縮液
を迅速に排出させ、かつ、リッジのクレスト上の凝縮液膜を薄くし、それにより
凝縮率を増大する。
。貯蔵デュアー614内部の、顕熱交換器/凝縮装置620の低温部分とデュア
ー614雰囲気との温度差が非常に小さいため、少量の余剰能力が高度の断熱の
必要性を減じ、プラスチックフィルムまたは固体断熱材を用いることも可能にす
るであろう。あるいは、極低温冷却装置602の冷却能力の全てを用いなければ
ならないのであれば、真空状態がなくとも非常に低い熱流れを保証するエーロゲ
ル絶縁を用いることができる。
ュアー614は、標準的な1.8リットルのガラス真空断熱デュアーであり得る
。
示された実施形態に従えば、極低温サブシステム600はケーシング702に内
包されている。図7に、極低温冷却装置602、熱交換器アセンブリ604、お
よび断熱サブシステム606を含む極低温サブシステム600の主要部品が見ら
れる。断熱サブシステムの貯蔵デュアー614が図7に、その好ましい位置に、
すなわち、極低温冷却装置602より下の、熱交換器アセンブリ604の下にて
熱交換器アセンブリ604を取り囲んだ位置に見られる。この構造は、熱交換器
アセンブリ604において形成された凝縮液が重力により貯蔵デュアー614内
に落ちることを可能にする。図7に示された実施形態において、断熱サブシステ
ム606の貯蔵デュアー614は、熱交換器アセンブリ604の実質的な部分を
取り囲んで熱交換器アセンブリ604の低温部品を周囲空気から断熱するように
、上方に延在している。
蔵デュアー614の底部に延在し、かつデュアーの首部615にて貯蔵デュアー
から出ているのが見られる。下方充填チューブ648は、貯蔵デュアー614の
首部すなわち開口部615にて向きを変えて液体移動継手706と相互連結して
いる。液体移動継手706は、液化装置アセンブリ700により生成された液化
ガスを携帯用の貯蔵デュアー(図示せず)に移動するために用いられ得る。この
ようにして、液化装置アセンブリ700により生成された液化ガスは、このユニ
ットから離れた場所において用いられ得る。
開口部708が設けられている。この周囲空気はケーシング702に引き込まれ
、極低温冷却装置602の冷却フィン612の周囲を通り、ファン710により
ケーシング702の外に引き出される。
けられた熱交換器アセンブリ604と断熱サブシステム606との相互連結を示
している。詳細には、極低温冷却装置602には、フランジプレート714を有
するフランジ712が設けられている。フランジプレート714は、タイロッド
(固定棒)716を介して、ばねプレート718に相互連結されている。ばねプ
レート718は、貯蔵デュアー614の保護シェル722に付勢している上側ば
ね720を介して断熱サブシステム606を支持している。このようにして、貯
蔵デュアー614内部の圧力が予め決められた限界を超えると、デュアー714
の首部615とフランジ712の間のシール724が破壊され得る。例えば、上
側ばね720は、貯蔵デュアー614内部の圧力が、液状凝縮物を下方充填チュ
ーブ648を通して携帯用貯蔵デュアーに所定量だけ移動するために用いられる
圧力を超えたときにはシール724が破壊されるように選択され得る。このよう
に、現在好ましい実施形態において、シール724は、貯蔵デュアー614内の
圧力が10ポンド/平方インチを超えたときに破壊され得る。
意されたい。これは、貯蔵デュアー614内の凝縮液の高さが上昇すると貯蔵デ
ュアー614内部から周囲大気への熱路の長さが短くなるからである。したがっ
て、液化ガスの生成を停止させるための信号にトリガーをかけるために用いられ
る液位検知ボール650、および、貯蔵デュアー614内の過剰圧力に反応して
シール724を破壊するように較正された上側ばね720は、単なる安全手段で
あり、極低温サブシステム600の機能に必須のものではない。
センブリ/凝縮装置604は、ボルト726および関連するグロメット728に
よりケーシング702に取り付けられる。グロメット728の下に、極低温冷却
装置602の平衡アセンブリ730が配置されており、スターリングユニットの
軸方向振動を低減する。ばねプレート718は下端にて下側ばね732により支
持され得る。弾性グロメット728を下側ばね732と組み合せて用いることは
、ケーシング702と、したがって周囲の環境とを、極低温冷却装置センブリ6
02内で発生した振動から遮断するように働く。また、図7には、アセンブリ7
00の動作と関連づけられた制御およびディスプレイを含む計器盤734が示さ
れている。コンプレッサおよび吸収体(図7に示さず)がケーシング702の下
部734に取り付けられ得る。これらの部品の動作を以下に記載する。
するための制御値が概略的に例示されている。通常の液化操作において、液化さ
れるガスは、極低温サブシステムに、供給ガスチューブ802を通して導入され
る。関連するソレノイド制御ユニット806と共に示されている供給入口弁80
4は開いており、関連するソレノイド810と共に示されている除霜入口弁80
8は閉じている。関連するソレノイド814と共に示されている除霜出口弁81
2も閉じている。したがって、液化中、供給ガスは供給ガスチューブ802を通
ってシステムに入り、凝縮装置入口816に直接に移動し、そこで液化される。
液化中、凝縮装置からの廃ガスは廃ガス入口818に入り、関連するソレノイド
822と共に示されている開放された廃ガス弁820を通過する。廃ガスは、ま
た、吸収体824を通過し、吸収体824を浄化し、吸収体の吸収特性を再生さ
せる。好ましくは、廃ガス入口818と吸収体824との間の導管の長さは、廃
ガスが吸収体824に導入される前に廃ガスの温度をほぼ室温まで低下させるよ
うに十分に長い。次いで、廃ガスは、廃ガス出口826を通して大気中に排出さ
れる。
極低温冷却装置の動作は選択的に停止される。供給ガス入口弁804、除霜入口
弁808、除霜出口弁812および廃ガス弁820は全て閉じられる。チェック
弁828が開かれ、コンプレッサ830が動作して、周囲空気を吸収体824内
に取り込む。コンプレッサ830と吸収体824との連結に、圧力を約10ps
igに維持するための圧力解放弁832が設けられ得る。吸収体824は、入っ
てくる圧縮空気から水分を除去するための乾燥剤を含み、また、不純物がシステ
ム内部に侵入するのを防止することを補助する。加圧された空気は、吸収体82
4を離れて、廃ガス出口818と連通している加圧空気導管834を通り、廃ガ
ス出口818から貯蔵デュアーの内部に入る。このようにして貯蔵デュアー内部
に導入された圧力が、液化ガスを、先に記載した下方充填チューブ(図8に示さ
ず)から押し出す。好ましい実施形態において、8〜10ポンド/平方インチの
移動圧力が、凝縮液をデュアーから押し出すために用いられる。
スにより導入された水蒸気が、時間の経過に伴って熱交換器アセンブリ/凝縮装
置の部品および供給ガス導管を汚すことがあるため望ましい。また、湿気および
汚染物が移動プロセス中に極低温サブシステム104の内部に侵入する。システ
ムを除霜するためには、極低温冷却装置の動作は停止される。除霜入口弁808
および除霜出口弁812の両方が開放される。供給ガス入口弁804および廃ガ
ス弁820は閉じられる。このように構成された弁により、供給ガスが貯蔵デュ
アーの内部に廃ガス出口818を介して導入される。次いで、このように供給さ
れたガスは、オフ状態において供給ガスにより昇温された熱交換器アセンブリ/
凝縮装置の内部部品の上を通過し、汚染物を蒸発させる。汚染物はシステムから
除霜出口弁812を通して周囲大気中に排出される。
18から大気中に排出してもよい。 以上に詳細に論じた実施形態は、概して酸素濃縮装置と組み合わせての使用に
関して記載されているが、必ずしもそうでなくてよい。例えば、本発明の極低温
サブシステム104を、空気の他の成分、例えば窒素を含むエンリッチ供給ガス
を提供するように適合された濃縮装置と共に用いてもよい。また、極低温サブシ
ステム104を、他の場所で既に純化されているガスと組み合わせて用いて、使
用時に極低温サブシステム102により液化してもよい。また、記載された極低
温サブシステム102は周囲空気を液化するためにも用いられ得る。
置と組み合わされた加圧シリンダからの乾燥空気または別のガス、例えば窒素を
用いて、液化ガスの携帯用断熱容器への移動を行うこともできよう。これに代わ
って、凝縮液を加温し、またはポンプを用いることにより移動を行ってもよい。
が提供される。本発明は、本発明のより広い態様において、周囲空気から、酸素
患者が使用するための酸素富化ガスを形成するシステムに関連する。さらに詳細
には、本発明は、酸素患者の住宅にて液化酸素を生成し、貯蔵して後に使用する
ための方法および装置を提供する。本発明の開示された極低温サブシステムは、
酸素の液化において有用であるだけでなく、他のガスの液化にも用いられ得る。
さらに、この記載は、本発明を本文中に記載された形態に限定するものではない
。したがって、関連分野の技術または知識の範囲内における、上記の教示に相応
した変更および修正が本発明の範囲内で行われる。また、以上に記載した実施形
態は、知られた最良の形態を本発明の実行のために説明し、かつ、他の当業者が
本発明を上記または他の実施形態において、本発明を特定の用途に用いることに
より必要とされる種々の修正を加えて用いることを可能にするためのものである
。添付の特許請求の範囲が、先行技術により許容された範囲までの別の実施形態
を包含するものであると解釈されることが意図されている。
いられる様子を示す図。
図。
図。
図。
。
。
Claims (34)
- 【請求項1】 液体ガスを生成および貯蔵するための装置であって、 供給ガスを供給するための装置と、 冷却フィンガを含む極低温冷却装置と、 前記極低温冷却装置により冷却される熱交換器アセンブリであって、 前記冷却フィンガの周りに配置された内側の螺旋部と、 供給ガス導管を形成するために前記内側の螺旋部の周りに配置された内側シ
ースと、 前記冷却フィンガと熱的に相互に通じている冷却フィンとを含む熱交換器ア
センブリと、 前記熱交換器アセンブリの少なくとも一部を取り囲むデュアーとを備え、前記
変換器アセンブリに導入される前記供給ガスの少なくとも一部が前記熱交換器ア
センブリの一部において液化され、かつ、液状凝縮物が前記デュアーに収集され
る装置。 - 【請求項2】 前記熱交換器アセンブリが外側の熱交換器をさらに備え、外
側の熱交換器が、 前記内側シースの周りに配置された外側の螺旋部と、 低温の廃ガスのための廃ガス導管を形成するために前記外側の螺旋部の周りに
配置された外側のシースとを備え、前記廃ガス導管を通過する前記低温廃ガスが
前記内側シースを冷却し、次に内側シースが前記供給ガス導管を通る前記供給ガ
スを冷却する請求項1に記載の装置。 - 【請求項3】 外側の熱交換器の周囲に配置された断熱部材をさらに備える
請求項2に記載の装置。 - 【請求項4】 前記極低温冷却装置の熱除去領域(heat reject
ion area)を冷却するための蒸気圧縮冷凍器をさらに備える請求項1に
記載の装置。 - 【請求項5】 前記デュアーの内部を加圧するための加圧ガス源と、前記凝
縮液の少なくとも一部を前記デュアーから取り出すための下方充填チューブとを
さらに備える請求項1に記載の装置。 - 【請求項6】 前記加圧ガス源がコンプレッサを備える請求項5に記載の装
置、 - 【請求項7】 前記加圧ガスから水分を除去するための吸収剤をさらに備え
る請求項5に記載の装置。 - 【請求項8】 前記デュアーが長さおよび開口径を有し、前記開口径に対す
る前記長さの比が約2:1未満である請求項1に記載の装置。 - 【請求項9】 前記熱交換器アセンブリが前記デュアーの実質的に内部に配
置されている請求項1に記載の装置。 - 【請求項10】 供給ガスが、周囲圧力にて供給ガスが気体状態である温度
から、約10psig未満の圧力にて供給ガスが液体状態である温度に徐々に冷
却される請求項1に記載の装置。 - 【請求項11】 前記熱交換器アセンブリの長さが、前記極低温冷却装置の
前記冷却フィンガの長さと、前記極低温冷却装置から末端方向の前記冷却フィン
ガの一端にある前記冷却フィンの長さとを足した長さとほぼ同一である請求項1
に記載の装置。 - 【請求項12】 さらに、ケーシングと、 上側ばねとを備え、前記デュアーが、シールを形成するようにフランジに対し
て押し付けられ、かつ、前記上側ばねが、前記デュアー内部の圧力が所定量を超
えたときに前記シールを解除するよう較正されている請求項1に記載の装置。 - 【請求項13】 前記所定量が約10psigよりも大きい請求項12に記
載の装置。 - 【請求項14】 前記デュアーがガラスから構成されている請求項1に記載
の装置。 - 【請求項15】 供給ガスを供給するための前記装置が、周囲空気から酸素
富化供給ガスを供給する請求項1に記載の装置。 - 【請求項16】 エンリッチガスを液化および貯蔵するための装置であって
、 供給ガス源と、 冷却フィンガを有する極低温冷却装置と、 前記冷却フィンガに少なくとも一部が熱的に相互に通じている熱交換器アセン
ブリと、 断熱サブシステムと、該断熱サブシステムは、 第1の開放端および第2の開放端を有する断熱要素であって、前記断熱要素
の前記第1端部が前記熱交換器アセンブリの周囲の少なくとも一部を取り囲み、
前記断熱要素の長さが前記熱交換器アセンブリの一端を超えて延在する断熱要素
と、 前記断熱要素の前記第2端部と連通している開放端を有するデュアーとを備
えることと、 前記供給ガス源から前記供給ガスを受け取るための入口、および出口を有する
供給ガスチューブと、供給ガスが前記出口から前記熱交換器アセンブリに配送さ
れ、かつ、前記供給ガスが前記熱交換器アセンブリにより冷却されて凝縮液を形
成することとからなる装置。 - 【請求項17】 前記熱交換器アセンブリが、さらに顕熱交換器を備え、前
記顕熱交換器が冷却フィンおよび凝縮液コレクタを有する請求項16に記載の装
置。 - 【請求項18】 前記冷却フィンが前記冷却フィンガと一体である請求項1
7に記載の装置。 - 【請求項19】 前記熱交換器アセンブリが第1の予備冷却熱交換器を備え
る請求項16に記載の装置。 - 【請求項20】 前記熱交換器アセンブリが、さらに第2の予備冷却熱交換
器を備える請求項19に記載の装置。 - 【請求項21】 前記第1の予備冷却熱交換器が、前記供給ガスチューブの
一部から環状の空間に形成されたコイルを備え、廃ガスが前記環状の空間を通過
する請求項19に記載の装置。 - 【請求項22】 さらに、前記極低温冷却装置の熱除去領域を冷却するため
の蒸気圧縮冷凍機を備える請求項16に記載の装置。 - 【請求項23】 さらに、前記極低温冷却装置の熱除去領域に熱的に通じて
いる冷却フィンを備える請求項16に記載の装置。 - 【請求項24】 前記供給ガス源が、周囲空気からエンリッチガスを生成す
るための装置である請求項16に記載の装置。 - 【請求項25】 前記供給ガスが、酸素、アルゴン、窒素、フッ素および空
気のうちから選択される請求項16に記載の装置。 - 【請求項26】 さらに、前記断熱サブシステムの少なくとも一部の内部容
積に作用的に連結されたコンプレッサと、 前記断熱サブシステムの少なくとも一部の内部容積内に配置された下方充填チ
ューブとを備え、前記コンプレッサが前記内部容積を加圧して、前記供給ガスの
前記凝縮液を前記下方充填チューブから押し出す請求項16に記載の装置。 - 【請求項27】 前記デュアーがガラスから構成されている請求項16に器
圧縮の装置。 - 【請求項28】 液化ガスを生成および貯蔵するための方法であって、 供給ガスを提供することと、 冷却フィンガを有する極低温冷却装置、および、前記冷却フィンガと熱的に接
触している顕熱交換器を設けることと、 前記顕熱交換器の周囲に近接しかつ顕熱交換器を取り囲む断熱容積を設けるこ
とと、 前記供給ガスを前記断熱容積に配送することにより、前記供給ガスを酸素凝縮
温度よりも低い温度に冷却して凝縮液を生成することと、 前記凝縮液を前記断熱容積から除去することと、 前記除去された凝縮液をデュアーに収集することと、 前記デュアーの外側に配置された加圧ガス源を備えることと、 前記デュアーの内部を、前記加圧ガスを用いて加圧することと、 前記凝縮液を前記デュアーから、充填チューブを通して取り出すこととからな
る方法。 - 【請求項29】 さらに、前記顕熱交換器を除霜することを備え、前記除霜
が、 前記極低温冷却装置を停止することと、 前記供給ガスを前記デュアーおよび前記断熱容積に配送し、前記デュアーおよ
び前記断熱容積内の汚染物質を蒸発させることと、 前記汚染物質および前記供給ガスを前記デュアーおよび前記断熱容積から排出
させることとにより行われる請求項28に記載の方法。 - 【請求項30】 前記加圧ガス源がコンプレッサである請求項28に記載の
方法。 - 【請求項31】 前記加圧ガスが水分を含み、前記加圧ガスを用いて前記デ
ュアーの前記内部を加圧する前に前記水分が前記加圧ガスから吸収剤により除去
される請求項28に記載の方法。 - 【請求項32】 前記供給ガスが酸素を含む請求項28に記載の方法。
- 【請求項33】 前記冷却ステップが、前記冷却フィンガの長さに前記顕熱
交換器の長さを加えた長さと等しい長さにわたって生じる請求項28に記載の方
法。 - 【請求項34】 前記デュアーがガラスから構成されている請求項28に記
載の方法。
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