JP2002532647A - 分岐気流遠心性ターボ機械による気体分離行程 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】分岐気流遠心性ターボ機械による気体分離行程 【解決手段】入力混合気体を、第１気体成分と第２気体成分とに分離するための気体分離装置であって、ステーターと、ステーターに回転可能に結合されたローターを備える。ステーターは、第１ステーターバルブ面、第２ステーターバルブ面、および、前記ステーターバルブ面に開放する、複数の機能区画とを含む。ローターは、第１ステーターバルブ面と交通する第１ローターバルブ面と、第２ステーターバルブ面と交通する第２ローターバルブ面とを含む。ローターはさらに、ローターフロー経路における圧漸増に応じて、第２気体成分に比べて、第１気体成分の方を好んで吸着する気体吸着材料を受容するための、複数のローターフロー経路を含む。各ローターフロー経路は、それによって、機能区画との交通が可能となる、ローターバルブ面に開放する、対向する一対の終端を含む。遠心性ターボ機械は、機能分画の一部に結合され、かつ、第１気体成分を、第２気体成分から分離するために、ローターが回転する際に、各フロー経路を、複数の不連続な圧に暴露するための、複数のインペラーフロー経路を有するインペラーを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の分野） 本発明は、気体分離装置に使用される遠心性ターボ機械に関わる。特に、本発
明は、同遠心性ターボ機械から流出する、または、同機械へ流入する気体流が、
異なる全体圧を有する複数の気体流を構成する、気流分割型遠心性コンプレッサ
ー、真空ポンプおよび膨張器に関わる。

【０００２】 （発明の背景） 圧揺動吸着法（ＰＳＡ）による気体分離は、混合気体の内の、速やかには吸着
されにくい成分にたいして、比較的速やかに吸着される成分を好んで吸着する吸
着体を備えたベッドの上に、調節的圧サイクル下に気流を繰り返し逆転させるこ
とによって実現される。全体圧は、気流が、吸着体ベッドの第１末端から第２末
端に向かって同ベッドを貫通して流れる時間相で高まるが、気流が逆方向に流れ
る時間相では下がる。このサイクルが繰り返されるにつれて、前記速やかには吸
着されない部分は、第１方向に濃縮され、一方、比較的速やかに吸着される成分
は、逆方向に濃縮される。

【０００３】 従来のＰＳＡ装置の多くは、エネルギー効率が低かった。その理由は、吸着体
加圧および高圧生成工程用の入力気体が、その配送圧が、サイクルの最高圧とな
るコンプレッサーによって供給されていたからである。加圧用入力気体の圧縮に
消費されるエネルギーは、次に、吸着体と、高圧供給体間の瞬時圧差のためバル
ブ通過時の気流調整の際に分散される。真空揺動吸着法（ＶＳＡ）でも同様であ
る。この場合は、ＰＳＡサイクルの低圧は、その圧で、気体を排気する真空ポン
プによって形成されるのであるが、エネルギーは、圧の低下した吸着体の逆流吹
き降ろし（ブローダウン）時に、バルブ通過時の気流調整において分散される。
さらにそれ以外のエネルギー分散が、放出、等化、順流ブローダウン、および、
生産物加圧や帰還充填等のために使用される軽量気体再循環の気流調整において
も起こる。気流調整における不可逆的なエネルギー分散は、そのような気流調整
が、吸着体と、供給湧き出し口または排気流れ込みの間の、比較的大きな圧差に
おいて生じている場合はさらに重大なものとなる。

【０００４】 比較的最近のＶＳＡ空気分離装置ではエネルギー効率が改善されている。その
理由は、その配送圧が、加圧される吸着体の瞬時圧に追随する、入力用コンプレ
ッサー（またはブローワー）と、その吸引圧が、逆流ブローダウンを受ける吸着
体の瞬時圧を追随する、真空ポンプを使用しているためである。その結果、入力
コンプレッサーは、各吸着体に順々に作用することとなり、気流調整による損失
を下げながら同吸着体を加圧することとなり、同様に、真空ポンプは、各吸着体
に順々に作用し、気流調整による損失を下げたまま逆流ブローダウンを実現する
。このような装置では、各入力コンプレッサーは、任意の時間において、単一吸
着体のみに気体を供給することが可能であり、また、各真空ポンプは、一時には
、単一の吸着体についてのみ排気を実行することが可能となる。そのような入力
コンプレッサーまたは真空ポンプ個々の作用圧は、大きな圧変動を被ることとな
り、機械にストレスを与え、かつ、全体電力要求において大きな変動を招く。さ
らに、圧効率の向上は、不安定な動作条件によって相殺される。

【０００５】 遠心性または軸性ターボ機械は、このような不安定な条件下では作動しないの
で、通常、ＶＳＡ装置では、回転式積極的変位装置が用いられている。しかしな
がら、そのような装置は、安定条件下で作動する現在の遠心性ターボ機械に比べ
て効率が低い。特に、大規模クラスの工場等級（例えば、１日当り５０トンの酸
素生産ＶＳＡ装置）の場合そうである。さらに、ある単一連鎖工場において、１
日当り約８０トンの酸素生産能力を持つように生産力をさらに上げようとしても
、個々の単一回転装置の最大能力によって制約される。

【０００６】 現在使用される、他のＶＳＡ空気分離装置では、個々の気流のエンタルピーを
増すために、多数のインペラーが使用される。しかしながら、この装置では、シ
ステムが複雑となり資本コストが増大する。さらに、装置の効率が低下する。な
ぜなら、流速が、各装置について比較的低いからである。

【０００７】 上記から、気体流・圧について定常な条件を維持し、一方では、不可逆的気流
調整におけるエネルギー分散を極小に留めながら、ＰＳＡおよびＶＳＡ気体分離
法において使用可能な遠心性ターボ機械に対しては需要がある。

【０００８】 （発明の概要） 本発明によれば、従来の気体分離装置の欠陥に対処する、気体分離装置が供給
される。

【０００９】 本申請書に言及される「遠心性ターボ機械」という用語は、遠心性コンプレッ
サー、真空ポンプ、および、膨張器を含む。

【００１０】 本発明による気体分離装置は、入力混合気体を、第１気体成分と、第２気体成
分とに分離し、かつ、ステーターと、ステーターに回転可能に結合したローター
とを備える。同ステーターは、第１ステーターバルブ面、第２ステーターバルブ
面、および、これらのステーターバルブ面に開放する、複数の機能区画を含む。
同ローターは、第１ステーターバルブ面と交通する第１ローターバルブ面と、第
２ステーターバルブ面と交通する第２ローターバルブ面とを含む。同ローターは
さらに、その中に気体吸着材料を収容するための、複数のローターフロー経路を
含む。この吸着材料は、ローターフロー経路中の増加圧に反応して、第２気体成
分に比較して、第１気体成分をより好んで吸着するものである。

【００１１】 各ローターフロー経路は、機能区画と交通する、ローターバルブ面に開放する
、一対の対向端を含む。本気体分離装置はさらに、機能区画の一部と結合した、
遠心性ターボ機械を備える。この遠心性ターボ機械はインペラーを含み、同イン
ペラーは、ローターが回転する際に、各ローターフロー経路を、複数の不連続圧
に暴露し、それによって、第１気体成分を、第２気体成分から分離する、複数の
インペラーフロー経路を有する。

【００１２】 本発明の第１実施形態においては、遠心性ターボ機械は、分岐気流遠心性コン
プレッサーを備える。同コンプレッサーは、入力混合気体を、複数の、異なる気
体入力圧レベルにおいて、第１ステーターバルブ面に配送するためのものである
。同遠心性コンプレッサーは、入力混合気体を受容するための気体流入口、イン
ペラーの回転軸から外方に放射状に延びる複数のブレード、および、気体流入口
と交通するインペラーの内部に配されて、かつ、ブレードの隣接ペア間に延びる
チャンネルとを備える。ブレードは、回転軸から異なる放射距離に位置付けられ
、かつ、入力混合気体を、チャンネルから、複数の異なる角運動量で放出するイ
ンペラーフロー経路を定義する、複数のステップを含む。遠心性コンプレッサー
の一つの変異例では、ステップを有するブレードの代わりに、ブレードは、イン
ペラーフロー経路を定義する、それぞれのブレード角度を持つ。

【００１３】 本発明の第２実施態様では、遠心性ターボ機械は、第１気体成分が濃縮されて
おり、かつ、第１ステーターバルブ面から、複数の異なる、雰囲気圧より低い気
体圧レベルにおいて受容される気体流から、第１生成気体を生産する、分岐気流
遠心性真空ポンプを備える。本発明の第３実施態様においては、遠心性ターボ機
械は、第１ステーターバルブ面から、第１気体成分の濃縮された、かつ、複数の
異なる、雰囲気圧を上回る排気圧レベルにおいて受容される気体流から、雰囲気
圧において、第１生成気体を生産する、分岐気流膨張器を備える。この遠心性真
空ポンプと、遠心性膨張器は、インペラーフロー経路を通過する気体フローの方
向が逆になることを除いては、構造的に、遠心性コンプレッサーと近似する。二
つの変異例では、遠心性ポンプと、遠心性膨張器は、遠心性コンプレッサーに結
合され、同コンプレッサーが、入力混合気体を、第１ステーターバルブ面に出力
するのを援助する。

【００１４】 本発明のもう一つの実施態様では、遠心性ターボ機械は、二重側面インペラー
、インペラーから外方に放射状に延びる複数のブレード、インペラーの第１側面
と交通する、第１気体流入口と第１気体流出口、および、インペラーの第２側面
と交通する第２気体流入口と第２気体流出口とを備える。第１チャンネルが、第
１気体流入口と第１気体流出口の間に気体を通すために、インペラーの第１側面
内部に配され、また、第２チャンネルが、第２気体流入口と第２気体流出口の間
に気体を通すために、インペラーの第２側面内部に配され、ここに、第１、第２
チャンネルは、それぞれ、隣接ブレードペアの間に延びる。この態様は、分岐気
流遠心性コンプレッサー、分岐気流遠心性真空ポンプ、および、分岐気流遠心性
膨張器として構成されてもよい。その場合、異なるインペラーフロー経路が、ス
テップ付インペラーによって、または、異なるブレード角度によって定義される
。

【００１５】 動作時、入力気体は、第１ローター／ステーター・バルブ面ペアを通過する、
ローターフロー経路に配送され、ローターは、各ローターフロー経路における混
合気体を、圧と気流方向のサイクル変化に暴露するような頻度で回転する。この
サイクル変化によって、入力気体の内、比較的速やかに吸着される成分は、第１
ローター／ステーターバルブ面ペアから、重い生成気体として排気され、速やか
に吸着されにくい成分は、第２ローター／ステーターバルブ面ペアから、軽い生
成気体として出力されることになる。気体分離を強化するために、軽い、再循環
出力気体を、第２ローター／ステーターバルブ面ペアから抽出し、圧降下の後、
第２ローター／ステーターバルブ面ペアに戻す。

【００１６】 気体流が、各圧力レベルにおいて、事実上均一な圧と速度で遠心性ターボ機械
に流入する、または、同機械から流出するようにするために、入力気体は、複数
の、漸増気体供給圧レベルを通じてローターフロー経路に配送され、重い生成気
体は、複数の、漸減排気圧レベルを通じて、逆流ブローダウン気体として、ロー
ターフロー経路から排気される。軽い再循環出力気体は、複数の、軽量気体再循
環漸減出口圧レベルを通じて、ローターフローから抽出され、それぞれの、軽量
気体再循環出口圧レベルよりも低い圧力レベルで、軽量気体再循環帰還として、
ローターフロー経路に戻されることが好ましい。熱ブーストによるエネルギー回
収のために、熱交換器が、圧縮熱を阻止し、逆流ブローダウンや、まさに膨張さ
れる直前の軽量気体再循環流を加熱するために供給されてもよい。

【００１７】 ローターは、多数の吸着体を有しており、それによって、任意の瞬間において
、いくつかの吸着体が、各一つの圧力レベルに暴露されるようになっていること
が好ましい。加圧および吹き降ろし（ブローダウン）工程時、これらの工程を経
過する吸着体の圧は、気流調整圧等化行程によって、前工程で吸着体の置かれた
圧力レベルから、その工程の指定圧レベルへと収斂する。遠心性ターボ機械によ
って、その工程の指定圧力レベルにおいて、加圧工程時には、吸着体に、気流が
供給され、また、ブローダウン工程時には、気流が抽出される。従って、各中間
圧力レベルにおいて、遠心性ターボ機械から見た場合の、流量・圧脈動は、個々
の吸着体は、圧・流量の大きなサイクル変化を被っているにも拘わらず、工程を
経過するいくつかの吸着体に関して平均されることによって極小になる。

【００１８】 本発明の理解を助けるために、圧揺動吸着法と、その関連装置を、先ず図１か
ら４と関連させて説明する。次に、本発明を、図５から始めて説明する。図１と２ 図１は、”Ｎ”個の複数の、平行に配された協働的吸着体３を有する、吸着集
合体２を含む、ＰＳＡ基本装置１を示す。各吸着体３は、同吸着体３の第１末端
５と第２末端６の間にフロー経路４を有し、同フロー経路には吸着材料が接触す
る。この吸着体と協働するものが第１バルブ７と第２バルブ８である。矢印９は
、図１に示す、第１、第２バルブ７、８のポートに接続される吸着体３の進行方
向を示す。本発明の好ましい実施態様における、回転吸着体の場合、吸着集合体
２は、図１では、その回転軸の周囲における３６０°展開断面図として示される
。すなわち、回転によって、吸着体３は、矢印９の方向に進み、図２のサイクル
を経過する。

【００１９】 図２は、１サイクル周期”Ｔ”における、”Ｎ”個の吸着体それぞれが順次経
過するＰＳＡサイクルを示す。連続吸着体のサイクルは、Ｔ／Ｎの時間間隔だけ
、位相がずれる。図２において、垂直軸１０は、吸着体における作用圧、および
、第１と２区画における圧を示す。吸着体要素内部のフローによる圧力降下は、
ここでは無視される。ＰＳＡ法における、高い作用圧および低い作用圧は、それ
ぞれ、点線１１と１２によって示される。

【００２０】 水平軸１５は、時間を示す。ＰＳＡサイクル周期は、点１６と１７の間の時間
間隔によって定義される。１６、１７時点において、吸着体３の作用圧は、圧１
８である。時間１６でスタートし、吸着体３の第１末端５が、第１中間供給圧２
１において、第１バルブ７によって、第１混合気体供給手段２０にたいして開放
されるた時点で、サイクルは開始する。

【００２１】 同吸着体の圧は、時間１７における圧１８から、第１中間入力圧２１に上昇す
る。さらに先へ進み、第１末端５は、次に、第２中間入力圧２３において、第２
供給手段２２に開放される。吸着体圧は、第２中間入力圧に上昇する。

【００２２】 次に、第１末端５は、ＰＳＡ行程の比較的高圧において、第３供給手段２４に
開放される。一旦吸着体圧が、実質的に比較的高い作用圧にまで上昇すると、第
２末端６が、第２バルブ手段によって、軽量生産物出力管２５にたいして開放さ
れ、精製軽量生産物を出力する。入力気体が、第３供給手段から、吸着体３の第
１末端に供給されている間に、第２末端６が、軽量生産物出力管２５にたいして
閉鎖され、「軽量再循環」気体（第２生成気体と同様の、速やかに吸着されにく
い成分で濃縮された気体）を、第１軽量再循環圧低下手段（または膨張器）３０
に出力するよう開放される。入力供給手段の内の全て、または、その内のいくつ
かは、入力圧縮工程であってもよい。入力供給手段の内の一つは、空気精製また
は空気分離用途のための、雰囲気大気のような外部供給源であってもよい。

【００２３】 次に、吸着体３の第１末端５は、第１バルブ７によって閉鎖され、一方、第２
末端６は、順次、第２バルブ８によって開放され、（ａ）吸着体圧を、第１順流
ブローダウン圧３２に下げ、一方、軽量再循環気体を、第２軽量再循環圧降下手
段３４に出力し、（ｂ）吸着体圧を、第２順流ブローダウン圧３６に下げ、一方
、軽量再循環気体を、第３軽量再循環圧降下手段４０に出力し、さらに、（ｃ）
吸着体圧を、第３順流ブローダウン圧４０に下げ、一方、軽量再循環気体を、第
４軽量再循環圧降下手段４２に出力する。次に、ある間隔、逆流ブローダウン工
程に続く、軽量再循環復帰工程まで、第２末端６は閉鎖される。

【００２４】 軽量再循環圧降下手段は、膨張エネルギー回収のための、機械的膨張工程であ
ってもよく、あるいは、非可逆的圧降下のための、制限的開口またはスロットル
バルブであってもよい。

【００２５】 第２末端６が、最後の、軽量再循環出力工程後に閉鎖された時点で（図２に図
示したように）、または、それよりも早く、軽量再循環出力工程がまだ進行中の
時点で、第１末端５は、第１排気手段４６にたいして開放され、吸着体圧を、第
１逆流（カウンターカレント）ブローダウン中間圧４８に下げ、一方、「重量」
気体（比較的強く吸着される成分）を第１排気手段４６に解放する。次に、第１
末端５は、第２排気手段５０に開放され、吸着体圧を、第２逆流ブローダウン中
間圧５２に下げ、一方、「重量」気体を解放する。次に、第１末端５は、第３排
気手段５４に開放され、吸着体圧を、ＰＳＡ行程の内の低い方の圧１２にまで下
げ、一方で「重量」気体を解放する。

【００２６】 第１末端５が、第３排気手段５４に開放中に、一旦、吸着体圧が、実質的に、
低位圧に達すると、第２末端６が開放されて、第４軽量再循環圧降下手段４２か
ら、第４軽量再循環気体（追放気体として）受容し、そのために、重量気体はさ
らに、第３排気手段の方に追いやられる。第１、２および３排気手段からの重量
気体は、重量生産物５６として、まとめて出力されてもよい。排気手段の内の全
ては、または、その内のいくつかは、機械的排気工程であってもよく、また、別
態様として、圧を下げるのであれば膨張工程であってもよく、あるいは、圧を雰
囲気圧まで上昇させるのであれば、真空ポンプ工程であってもよく、あるいは、
第２生産物の排気を、高圧で出力するのであれば、排気圧縮工程であってもよい
。排気手段は、外部流れ込み、例えば、雰囲気に向かって排気することによって
供給してもよい。

【００２７】 次に、吸着体は、第１末端５が閉鎖された後、軽量再循環気体によって再度圧
縮される。続いて、第２末端６が開放され、（ａ）第３軽量再循環圧降下手段３
８から軽量再循環気体を受容して、吸着体圧を、第１軽量再循環加圧圧６０に上
昇させ、（ｂ）第２軽量再循環圧降下手段３４から軽量再循環気体を受容して、
吸着体圧を、第２軽量再循環加圧圧６２に上昇させ、さらに、（ｃ）第１軽量再
循環圧降下手段３０から軽量再循環気体を受容して、吸着体圧を、第３軽量再循
環加圧圧に上昇させる。軽量再循環加圧のために軽量再循環復帰が進行中に、入
力加圧が開始しない限り、次のサイクルのための入力加圧は、時間１７が経って
、第３軽量再循環加圧工程が終了すると同時に、開始する。

【００２８】 各入力供給手段（例えば、２０）から、入力気流が、管７０によって、要すれ
ばあってもよい過剰流吸収チェンバー７１を介して、第１バルブ７の入力ポート
７３に開放する入力区画７２に出力される。入力区画７２は、いくつかの吸着体
に同時に開放していてもよく、かつ、制限口７４を持っていて、それによって、
各吸着体が入力区画７２に開放される際に、スロットル調整による、緩徐な圧等
化が実現されるようになっていてもよい。

【００２９】 各排気手段にたいして（例えば４６）、排気流は、管８０によって、要すれば
あってもよい過剰流吸収チェンバー８１を介して、排気区画８２の開口から、第
１バルブ手段７の排気ポート８３に出力される。排気区画８２は、いくつかの吸
着体に同時に開放していてもよく、かつ、制限口８４を持っていて、それによっ
て、各吸着体が排気区画８２に開放される際に、スロットル調整による、緩徐な
圧等化が実現されるようになっていてもよい。

【００３０】 軽量生産物出力管２５に向けて、軽量生産物が、要すればあってもよい過剰流
吸収チェンバー８６を介して、軽量生産物出口区画８７の開口から、第２バルブ
手段８の軽量生産物ポート８８に出力される。

【００３１】 各軽量再循環圧降下手段（例えば３４）に向けて、軽量再循環気流が、管９０
によって、要すればあってもよい過剰流吸収チェンバー９１を介して、軽量再循
環出口区画９２の開口から、第２バルブ手段８の軽量再循環出口ポート９３に出
力される。軽量再循環出口区画９２は、いくつかの吸着体に同時に開放していて
もよく、かつ、制限口９４を持っていて、それによって、各吸着体が軽量再循環
出口区画９２に開放される際に、スロットル調整による、緩徐な圧等化が実現さ
れるようになっていてもよい。

【００３２】 各軽量再循環圧降下手段（例えば３４）から、軽量再循環気流が、管９５によ
って、要すればあってもよい過剰流吸収チェンバー９６を介して、軽量再循環入
口区画９７の開口から、第２バルブ手段８の軽量再循環入口ポート９８に出力さ
れる。軽量再循環出口区画９７は、いくつかの吸着体に同時に開放していてもよ
く、かつ、制限口９９を持っていて、それによって、各吸着体が軽量再循環入口
区画９７に開放される際に、スロットル調整による、緩徐な圧等化が実現される
ようになっていてもよい。

【００３３】 従って、各加圧工程またはブローダウン工程における圧の変化速度は、第１お
よび第２バルブ手段の区画におけるスロットル調整によって制限され、または、
吸着体の第１、第２末端のポートにおけるスロットル調整によって制限され、そ
れによって、第２図に描かれるような典型的な圧力波形が得られるようになって
いてもよい。圧変化速度が過度に急速であると、吸着体を機械的ストレスに曝す
ことになり、また一方で、気流に一過性の急激な変化（トランジェント）を起こ
す。このトランジェントは、吸着体内部における、濃度波頭の軸的分散を増大さ
せる。気流および圧の脈動は、複数の吸着体を同時に、サイクルの各行程を経過
させることによって、および／または、第１、第２バルブ手段に接続する管に過
剰流吸収手段を設けることによって、極小とされる。

【００３４】 図２に示したサイクルは、入力加圧、逆流ブローダウン排気、または、軽量再
循環の各行程における中間工程を多くしたり、少なくしたりすることによって、
一般化することが可能であることは明白であろう。さらに、空気分離または空気
生成の応用では、入力加圧の工程（通常第１工程）は、サイクルの中間圧として
、雰囲気との等化によって実現が可能となる場合もあろう。同様に、逆流ブロー
ダウン工程も、サイクルの中間圧として、雰囲気との等化によって実現が可能と
なる場合もあろう。図３ 図３は、分岐気流遠心性コンプレッサー１０１、および、分岐流逆流ブローダ
ウン膨張タービン１０２を備える、ＰＳＡ空気分離装置１００の模式図を示す。
このＰＳＡ装置は、流入フィルター１０３、コンプレッサー１０１の吸引ポート
１０５に続く入力管１０４を有する。

【００３５】 入力コンプレッサー１０１は、その排出フローを分岐して、三つの拡散排出ポ
ートに配する。第１拡散排出ポート１１１は、入力空気を、第１中間圧において
、入力加圧管１１２に出力し、第２拡散排出ポート１１３は、入力空気を、第２
中間圧において、入力加圧管１１４に出力し、さらに、第３拡散排出ポート１１
５は、入力空気を、サイクルの高位圧において、入力供給管１１６に出力する。

【００３６】 分岐流膨張器１０２は、逆流ブローダウン流を、３個のノズルポートを通じて
進入する３本の流れとして受容する。第１ノズル流入ポート１２１は、排気気体
を、第１逆流ブローダウン中間圧において、逆流ブローダウン管１２２から受容
し、第２ノズル流入ポート１２３は、排気気体を、第２逆流ブローダウン中間圧
において、逆流ブローダウン管１２４から受容し、さらに、第３ノズル流入ポー
ト１２５は、排気気体を、第３逆流ブローダウン中間圧において、逆流ブローダ
ウン管１２６から受容する。結合された排気気体は、第２生成気体として、膨張
器１０２の流出口１２７から、管１２８に向けて排出されるが、また、排気管１
２９によって、雰囲気圧と実質的に等しい、サイクルの下位圧において排出され
る第２生成気体と一緒に結合されてもよい。

【００３７】 入力コンプレッサー１０１は、軸１３２を介して、モーター１３１によって駆
動される。膨張器１０２は、コンプレッサー１０１への電力補給を補助するよう
、軸１３３によって結合されていてもよい。

【００３８】 エネルギー回収を行わない軽量再循環圧降下を採用した場合には、スロットル
バルブ１３５、１３６、１３７および１３８が、図示した４個の軽量再循環工程
のそれぞれにたいして、圧降下を実現する。スロットルバルブの開口調節には、
活性化手段１３９が供給される。図４ 図４は、それぞれ、軸１３２および１３３を介して、モーター１３１から電力
を供給される、図３の分岐気流遠心性コンプレッサー１０１、および、分岐気流
逆流ブローダウン真空ポンプ１５２を備える、ＰＳＡ空気分離装置１５０の模式
図を示す。

【００３９】 入力管１０４から分岐するのは、第１入力加圧管１５３であって、これは、実
質的に雰囲気と等しい、第１中間入力圧を定義する。従って、入力コンプレッサ
ー１０１の第１拡散排出ポート１１１は、第２中間入力加圧圧で作動し、第２拡
散排出ポート１１３は、第３中間入力加圧圧で作動し、さらに、第３拡散排出ポ
ート１１５は、先例と同様、サイクルの高位圧で作動する。

【００４０】 分岐流真空ポンプ１５２は、逆流ブローダウン排気流を、３個の流入口に進入
する３本の気流として受容する。第１流入ポート１６１は、排気気体を、第１逆
流ブローダウン中間圧において、逆流ブローダウン管１６２から受容し、第２流
入ポート１６３は、排気気体を、第２逆流ブローダウン中間圧において、逆流ブ
ローダウン管１６４から受容し、さらに、第３流入ポート１６５は、排気気体を
、サイクルの低位圧において、排気管１６６から受容する。結合された排気気体
は、真空ポンプ１５２の流出拡散ポート１６７から、排出管１６８に排出される
。

【００４１】 分岐流軽量再循環膨張器１７０は、エネルギー回収を実行する、図示の４個の
軽量再循環工程の圧降下を実行するために供給される。破線１７１によって示さ
れるように、実施段階は、軽量再循環膨張器内部において、小区画に分割されて
おり、それによって、各段階間の気体濃度の混合が極小となるようにされていて
もよい。軽量生産物の純度は、高圧軽量再循環段階から、低圧段階に向かうに従
って低下する傾向があるから、混合を回避するならば、軽量再循環について、好
ましい層化の維持が可能となる。しかしながら、多くの空気分離応用においては
、軽量生産物酸素純度は、決定的に重要なものではない。なぜなら、酸素で濃縮
されたアルゴンの存在が、酸素の純度を約９５％に制限するからである。従って
、分岐流軽量再循環膨張器の区画分割は、酸素ＰＳＡ装置、または、酸素ＶＳＡ
装置にとって必須のものではない。

【００４２】 分岐気流コンプレッサー（１個の入力が、異なる全体圧を有する、数個の圧縮
気流に分割される）、または、分岐流排気装置（異なる全体圧を有する３個の流
入気流を、単一排気流に結合する、膨張器または真空ポンプ）と違って、分岐流
軽量再循環膨張器は、異なる全体圧において進入するいくつかの別々の気流を受
容し、その同じ気流が、膨張器内で圧降下の後、再び異なる全体圧において排出
される。

【００４３】 軽量再循環膨張器１７０は、駆動軸１８１によって、軽量生産物圧ブーストコ
ンプレッサー１８０に結合される。コンプレッサー１８０は、管２４から軽量生
産物を受容し、出力管１８２から、軽量生産物（ＰＳＡサイクルの高位圧よりも
高い圧に圧縮された）を出力する。軽量再循環物と軽量生産物は共に、ほぼ同じ
純度に濃縮された酸素流であるから、膨張器１７０と軽量産物コンプレッサー１
８０は、単一のハウジング内において密封されていてもよい。個別の駆動モータ
ーを要しない、この「ターボコンプレッサー」酸素ブースター構成は有利である
。なぜなら、生産物酸素にたいする圧ブーストが、外部モーターや、対応する軸
シールを要することなく実現可能なのであるから。図５ 次に、本発明の第５実施態様を、図５を参照しながら説明する。図５は、分岐
気流遠心性コンプレッサー２００の断面図である。コンプレッサー２００は、単
一の流入口を有するが、気流は分割され、単一インペラーから、３個の別々の拡
散器と渦巻きに排出され、同渦巻きは、３個の圧縮気流を、異なる全体圧または
エンタルピーにおいて、ＰＳＡ装置に出力する。

【００４４】 コンプレッサー２００は、ハブボルト２０６によって軸２０７に固定される、
ブレード付インペラー２０５を有する。インペラー２０５は、ケーシング２０８
とハウジング２０９の間に取りつけられる。インペラー２０５は、半開放インペ
ラーであり、できれば等しい角度距離を隔てた、ハブ２１１に固定される、複数
のブレード２１０を有する。ブレード２１０は、インペラー中心部２１２から、
インペラー先端２１３に延びるが、放射状であっても、（図９に示したように）
後方に傾いていてもよい。インペラーチャンネル２１４は、ブレード２１０の各
隣接ペア、ハブ２１１、および、ケーシング２０８の間に定義される。インペラ
ーブレードは、ステップ２１５と２１６において切り欠かれるので、その部にお
いて、チャンネルは狭められ、各ステップ２１５、２１６において、インペラー
２０５から、気流の一部が、各チャンネル２１４へ向けられることになる。明ら
かに見て取れるように、ステップ２１５、ステップ２１６、および、先端２１３
においてインペラー２０５を離れる気流のエネルギーまたはエンタルピーは、イ
ンペラーチャンネル２１４内部で半径が大きくなって、より大きな角運動量が得
られるにつれて、順次増大することになる。

【００４５】 ケーシング２０８は、流入フランジ２３０と流入口２３１を有する。流入ガイ
ド羽根を供給してもよい。拡散スクロールや収集スクロールを、ケーシング内に
供給してもよい。ケーシング２０８とハウジング２０９とは、ボルト２３４によ
って、相互に密着される。

【００４６】 インペラーブレード２１０は、それぞれ、流入口と第１ステップの間、第１ス
テップと第２ステップの間、および、第２ステップと先端の間に挿入される狭い
隙間または迷路シール２３５、２３６および２３７による、前面辺縁からの漏洩
を極小にするようにシールされる。軸２０７とハウジング２０９の間には、軸シ
ール２４０が供給される。

【００４７】 動作時、気流は、流入口２３１を通じて、インペラーチャンネル２１４に入り
、インペラーから、ステップ２１５、２１６および先端２１３を介して排出され
る。ステップ２１５においてインペラー２０５から排出される気流は、第１拡散
器２２１に進入して、最大速度の代わりに最大圧を回収して、次に、第１中間圧
において、第１収集スクロール２２２から、第１排気管２２３に排出される。ス
テップ２１６においてインペラーから排出される気流は、第２拡散器２２４に進
入して、最大速度の代わりに最大圧を回収して、次に、第２中間圧において、第
２収集スクロール２２５から、第２排気管２２６に排出される。先端２１３にお
いてインペラーから排出される気流は、第２拡散器２２７に進入して、最大速度
の代わりに最大圧を回収して、次に、最終出力圧において、第３収集スクロール
２２８から、第３排気管２２９に排出される。拡散器２２１、２２４および２２
７は、それぞれ通例に従って送気羽根装着、非装着、あるいは、渦巻き型拡散器
であってもよい。各切り欠きステップ２１５と２１６において、チャンネル２１
４の子午線高は、外方気流の拡散器２２１、２２４への変位を反映して、ステッ
プの幅だけ減少する。

【００４８】 さらに多くの拡散器および渦巻きと共に、さらに多くの切り欠きステップを供
給し、それによって、さらに多くの中間圧気流を実現することが可能であること
、あるいは、２個の拡散器・渦巻きペアと共に単一切り欠きステップを供給し、
それによって、最終圧と、最終圧よりも小さい、一つの中間圧において二つの出
力流を実現することも可能であることが明白であろう。図６と７ 分岐気流コンプレッサー（単一流入口と、異なる圧を有する三つの排気流）は
、実施態様２００においては、連続的に増加する半径において、インペラーから
、別々の拡散器に分岐流を排出することによって達成されたが、このような分岐
流を、実施的には同じ半径において、ただし、ブレード角度を連続的に急峻にし
て、インペラーから排出することによって、上記コンプレッサーを実現すること
も可能である。インペラーは、インペラーブレード間のチャンネルの放射範囲全
体に渡って区画分割され、それによって、気流が、異なるブレード角度と曲線を
有するチャンネル間で相互に溢れることがないようにする。しかし、一つの変異
種では、チャンネルの放射範囲のいくつか、あるいは、全てが区画分割されない
。区画分割されない区分では、ブレードは、軸方向に変化するブレード角度を維
持するように捻られていることが好ましい。

【００４９】 図６は、分岐気流コンプレッサー態様３００の、正中断面図を示す。気流は、
流入フランジ３０１、流入口３０２、インペラー３０３、３個の拡散チャンネル
３０４、３０５および３０６、３個の収集スクロール３０７、３０８および３０
９、および、流出フランジ３１３の３個の流出口３１０、３１１および３１２を
通過する。インペラー３０３の内部には、３個の区画３１４、３１５と３１６が
ある。区画３１４と３１５とは、隔壁３１８によって隔てられ、一方、区画３１
５と３１６は、隔壁３１７によって隔てられる。隔壁３１７と３１８のいずれの
部分が消失した場合でも、線３１７と３１８は、インペラー中の気体の流線を表
わす。隔壁３１７と３１８は、それぞれ、流入口において、主導辺縁３１９と３
２０とを有し、インペラーの外方半径３２１で終わる。インペラー３０３の回転
方向は、図７の矢印３２２によって示される。

【００５０】 インペラーの帰還経路は、迷路シール３２４によってシールされる。インペラ
ーは、ハブボルト接続３２６によって、軸３２５に接続される。全体渦巻きは、
ハウジング接続点３２７において、ハウジング主部に接続される。拡散チャンネ
ル３０４と３０５は、半径３２１において、インペラー隔壁３１８にたいして、
シール用の狭い隙間しか持たない、拡散隔壁３３０によって隔てられる。また、
拡散チャンネル３０５と３０６は、インペラー隔壁３１７にたいして、シール用
の狭い隙間しか持たない、拡散隔壁３３１によって隔てられる。

【００５１】 気流がインペラーを通過するにつれて、同気流は、ブレード高の異なるごとに
ブレート捻じれの変わること、または、別々の区画において異なるブレード角度
のあることを経験する。図７の流入口図では、ある単一ブレードの、ブレード圧
力側３４１と吸引側３４２が、各区画のほぼ中心線において、典型的なブレード
の３個の切断面について示される。切断された３枚のブレードは、（１）ハブ側
区画３１６のブレード３４３、（２）中央区画３１５のブレード３４４、および
、（３）ケーシング側区画３１４のブレード３４５である。各区画におけるブレ
ードの数は、通常の遠心性機械と同様であり、例えば、約１７枚ブレードである
。ブレード角は、ハブところではより急峻になっており、それによって、全体圧
の上昇は、区画３１５よりは、区画３１６の方が高く、区画３１４よりは区画３
１５の方が高くなるようになっている。別態様として、ブレード角度は、ケーシ
ング近傍でもっとも急峻となるようにしてもよい。いずれの場合も、３個の出力
流は、別々に維持され、異なるエンタルピー要求に従って出力する。

【００５２】 分岐気流コンプレッサー３００では、出力流は、放射状に外方に向いている。
この回転と気流の方向を逆転させて、それによって、逆流ブローダウン気体の膨
張によるエネルギー回収に好適な膨張器として動作させるようにしてもよい。そ
の場合、結合流は、単一全体圧において、流出口３０３と流出フランジ３０２を
通じて出力する。同様に、コンプレッサー２００は、逆に、分岐気流膨張器とし
て動作させることも可能であることは明白であろう。図８ 図８に示されるのは、３個の区画分割流入口を有する、分岐流排気装置または
真空ポンプ４００である。この排気装置正中断面図から、気流は、最低圧におい
て、第１流入口４０２を有する、流入渦巻き集合体４０１に入り、中間圧におい
て、第２流入口４０３に入り、高位圧ではあるが、雰囲気圧よりも低い圧におい
て第３流入口４０４に入ることが見て取れる。第２流入口４０３と、第３流入口
４０４は、それぞれの気流を受け入れて、渦巻き４０５と４０６に導き、流入静
水圧の一部を、回転速度に変換する。第２流入口４０３と第３流入口４０４は、
ガイド羽根４０７、４０８または、図示しないノズルを有し、それらを、流入静
水圧の一部を、回転速度に変換する際の補助とすることが好ましい。図６、７の
インペラー３０３と同様の、様々なブレード角度を有する区画に分割されたイン
ペラーが、実施態様４００では使用され、図８において、同じ参照符号で示され
る。流入口４０２は区画３１６と交通し、流入口４０３は区画３１５と交通し、
かつ、流入口４０４は区画３１４と交通する。この三つの区画から排出される気
流は、外方半径３２１において、インペラーを脱出し、単一渦巻き４１０で結合
され、実質的に雰囲気圧を有する排気体４１２に導かれる。

【００５３】 インペラー３０３は、軸シール４２２を介して、軸４２０によって駆動される
。気流が、インペラーを通過する際、インペラー口に進入する各気流にたいして
エネルギーが加えられる。しかしながら、ブレード角度は、囲い板側よりも、ハ
ブ側の方が急峻であるので、インペラーからは、囲い板側のものよりも、ハブ側
の気流にたいしてより大きなエネルギーが移送される。図９ 図９に示されるのは、半径の３箇所に、３個の流入スクロールを有する、分岐
流排気装置、または、真空ポンプ５００である。この正中断面図では、気流は、
それぞれ、雰囲気圧よりも低いが、順次高くなる流入全体圧を持っていて、それ
ぞれ、第１流入口５０１、第２流入口５０２、または、第３流入口を通過する。
第１流入口５０１は、インペラー５１０の流入小孔５０５に続く。第２流入口５
０２は、流入スクロール５１２によってノズル５１３に至る。第３流入口５０３
は、流入スクロール５１４によってノズル５１５に至る。ノズル５１３と５１４
は、インペラーに進入する気流にたいして回転角速度を付与するための回転手段
である。インペラー５１０は、流入小孔５２０と、外方半径流出口５２１とを有
し、中間ステップ５２３と５２５において切り欠けを施されている。このステッ
プで、インペラーチャンネル５３０の深度は、半径と共に順次増加し、ステップ
５２３ではノズル５１３から、ステップ５２５ではノズル５１５から、さらに余
分の気流を受容することになる。結合された排気は、外方半径５２１において、
インペラー５１０を脱出し、渦巻き５３１中の渦巻き型拡散チャンネル５３０に
入り、実質的に雰囲気圧を有する排出フランジ５３２に導かれる。インペラー５
０１は、ハブボルト接続５４１によって軸５４０に接続される。渦巻き全体５３
１は、ハウジング接続点５４６において、ハウジング主部に接続される。

【００５４】 気流が、インペラー５１０を通過する際、インペラーに進入する各気流にたい
してエネルギーが付与される。比較的大きな半径においてインペラー５１０に進
入する気流を加速するために、ノズル、または、それに等価的な、ノズルガイド
羽根を含めることが好ましい。このようにすると、半径の外方部分から進入する
気流へ移送されるエネルギーは少なくなる。なぜなら、その気流では、半径の短
い部分から侵入する気流よりも、インペラー内部通過時の気流経路が短くなるか
らである。図１０ 図１０に示されるのは、４個の区画分割流入スクロール、区画分割インペラー
、および、区画分割流出拡散器を有する、分岐流膨張器１７０である。４種の、
段階的に異なる流入全体圧を有する、軽量再循環気体（空気分離応用における、
濃縮酸素）から成る４個の気流が、圧降下を受け、４種の、段階的に異なる流出
全体圧を有するに至る。（絶対的に必要というわけではないが）、この４個の軽
量再循環流の相違が維持されていることが望ましい。なぜなら、純度の程度でそ
れらを順序付けすることができるからである。軽量再循環のこのような層化は、
濃度勾配の急峻性を維持し、そのために、軽量生産物の最高純度を、高い生産性
および収率、または、分画回収を達成しながら実行可能となるので望ましい。

【００５５】 図示の、４個という軽量再循環気流の数は任意のものである。さらに多くの数
の軽量再循環気流を、さらに短い時間間隔で、かつ、さらに狭い圧力間隔で抽出
するならば、理論的には、行程の性能やエネルギー効率をさらに高めることが可
能である。しかしながら、さらに多数の軽量再循環気流を設けることは、分岐流
膨張器１７０をさらに複雑なものとし、また、濡れ表面積の増大のため、および
、増加した区画の境界層摩擦のために効率損失が生じることになろう。軽量再循
環気流をこれより少なくすると、行程の性能と効率を下げることにはなるが、こ
の分岐流膨張器を単純化し、また一方、高速気流通路における、濡れ表面積を低
下させることとなろう。

【００５６】 分岐流膨張器１７０では、４個の流入気流が、各気流が異なるエンタルピーレ
ベルまたは全体圧を持ちながら、流入スクロール集合体６０５の、４個の流入ス
クロール６０１、６０２、６０３と６０４に進入する。最高圧軽量再循環流は、
図２に示したＰＳＡサイクルの、実質的に最高圧１１において、第１流入スクロ
ール６０１に入る。それに続く低圧の軽量再循環流は、実質的に圧３２において
、第２流入スクロール６０２に、実質的に圧３６において第３流入スクロール６
０３に、さらに、実質的に圧４０において第４流入スクロール６０４に入る。

【００５７】 流入スクロールから、気流は、４個のノズル６１１、６１２、６１３および６
１４を通過して、インペラー６２５の、４個の、ブレード付インペラー区画６２
１、６２２、６２３と６２４に入る。インペラー６２５には、流入口と流出口の
両方に放射方向にステップが施される。図１０に示すように、区画は放射方向に
逆向きとなるように配され、そのために、最高圧流を通過させる区画６２１は、
放射方向で外側に位置付けられ、一方、最低圧気流を通過させる区画６２４は、
放射方向で内側に位置付けられる。区画６２４は、インペラー小孔６２６で終わ
る。区画に関する、図示の放射方向の逆転は、半径の内側の区画と、半径の外側
の区画との間の圧差、従って、その間の隔壁（例えば、６２７）を通じて生ずる
漏洩を極小化することになる。区画内のブレード角度は、インペラーの構造設計
や、応力分析を単純化するために、同一であってもよく、あるいは、気流間のエ
ンタルピーまたは全体圧変化における差別をさらに強調するために、異なってい
てもよい。

【００５８】 各区画におけるブレード形態が同一である場合、インペラー６２５から隔壁６
２７を消去し、それによって、線６２７を、軽量再循環流の間の指定流線を表わ
すものとさせることも可能である。この変異態様では、区画は、混合にたいする
物理障壁によって隔てられてはおらず、単に、それぞれの気流の「流域」となる
。区画の間に隔壁がなければ、インペラーは構造的にはるかに単純なものとなり
、インペラー通過時の、壁面摩擦損失も低下する。

【００５９】 ４本の気流は、放射方向内側に向かって、インペラー区画または区域を通過し
、その間、角運動量またはエンタルピーを失い、一方で、インペラー６２５の区
画に付属するブレードにトルク作用を及ぼす。それぞれの内側半径においてイン
ペラー区画を脱出した、気流の内の３本は、それぞれ、区画６２１、６２２およ
び６２３から、流出口拡散スクロール６３１、６３２および６３３に進入し、一
方、最低圧気流は、区画６２４からインペラー小孔６２６を通過して流出拡散管
６３４に進入する。この４本の軽量再循環気流は、図２に示したＰＳＡサイクル
のステップ状全体圧６４、６２、６０および１２において、流出フランジ６４５
の、流出口６４１、６４２、６４３および６４４から排出される。

【００６０】 インペラー６２５は軸６５０を有し、同軸は次に、ハウジング６５２の軸受け
６５１に支えられる。気流が、分岐流膨張器のインペラーを通過する際に、各気
流からエネルギーが抽出され軸に移される。図４のＰＳＡ行程実施態様で示した
ように、この軸を、軽量生産物の圧を、ＰＳＡ行程の高位圧よりも高くブースト
するための、軽量生産物（例えば酸素）コンプレッサー駆動用に使用してもよい
。軽量再循環物と軽量生産物は、その組成がほとんど同一であるから、典型的な
ターボチャージャー装置に見られるように、共通のハウジングを用いて、軽量再
循環膨張器１７０と軽量生産物コンプレッサー１８０とを包囲するようにしても
よい。図１１ 図１１は、二重側面インペラー付、汎用分岐気流装置を示す。本装置は、分岐
気流コンプレッサーとして、真空ポンプとして、または、膨張器として使用する
ことが可能である。この二重側面インペラーは直ちに２本の分岐気流を供給する
。インペラーのいずれの側にも（図５、９の場合と同様）、通過されるインペラ
ー半径に応じて、インペラー気流をさらに分岐させるように、ステップを設ける
ことが可能である。また別態様として、インペラーのいずれの側にも（図６、７
および９の場合と同様）、ブレード角度に応じて、インペラー気流をさらに分岐
させるように、区画分割することも可能である。

【００６１】 分岐気流装置７００は、ケーシング７０２の内部に、二重側面インペラー７０
１を有する。インペラー７０１は、流入口７０７から第１気流を受容する第１流
入渦巻き体７０６、および、排気口７０９に第１気流を出力する、第１排出拡散
渦巻き体７０８、と協働する第１インペラー側７０５と；流入口７１７から第２
気流を受容する第２流入渦巻き体７１６、および、排気口７１９に第２気流を出
力する、第２排出拡散渦巻き体７１８、と協働する第２インペラー側７１５と、
を有する。第１と第２インペラー側７０５、７１５は、その形態、例えば、異な
るブレード角度を有すこと等によって、二つの気流にたいして異なるエンタルピ
ー変化を実行できるようになっていることが好ましい。

【００６２】 この二重側面インペラー７０１は、軸７３０によって支持されるが、この図で
は、軸受けと、それぞれ、第１、第２流入渦巻き体７０６、７１６を貫通するシ
ール集合体７３１と７３２と一緒に図示される。インペラー７０１は、第１側フ
ローチャンネルと、第２側フローチャンネルの間に、円板状隔壁７４０を有する
。第１排出渦巻き体７０８は、第２排出渦巻き体から、ダイアフラム隔壁７４２
によって隔てられる。迷路、または、隙間シール７４４が、二つの気流間の漏洩
を極小にするために、隔壁７４０と７４２の間に供給される。

【００６３】 前述したように、分岐流装置７００は、コンプレッサーとして、真空ポンプと
して、または、膨張器として使用することが可能である。分岐気流コンプレッサ
ーまたは真空ポンプとして使用する場合には、フローの方向は、矢印７５０によ
って示される。分岐気流装置７００による、分岐気流コンプレッサーは、流入口
７０７と７１７を平行に接続し、同じ入力圧において、入力気体を受容し、一方
、排気口７０９、７１９から、異なる全体圧において、排気流を出力する。分岐
気流装置７００による、分岐流真空ポンプまたは排気装置は、入力排気を異なる
全体圧で受容するために、別々の流入口７０７、７１７を維持し、一方、ここで
は平行に接続される排気口７０９、７１９から、同じ全体圧において排気流を出
力する。

【００６４】 分岐流膨張器として使用された場合、気流の方向は、矢印７５０によって示さ
れたものの逆となる。用語も変化し、インペラーの第１側７０５が、流入口７０
９からノズル渦巻き７０８に気流を受容し、かつ、拡散器７０６と排出口７０７
にたいして気流を排出し、一方、インペラー第２側７１５は、流入口７１９から
ノズル渦巻き７１８に気流を受容し、かつ、拡散器７１６と排出口７１７にたい
して気流を排出する。２気流軽量再循環膨張器に使用する場合、流入口７０９と
７１９は別々のままとし、同様に、排出口７０７と７１７も別々のままとする。
逆流ブローダウン膨張器（例えば、図３の１０２）に使用する場合には、異なる
全体圧またはエンタルピーの気流を受容するために、流入口７０９と７１９とは
別々とし、一方、排出口７０７と７１７とは平行に接続し、通常は、雰囲気圧に
おいて、結合気流を排出する。

【００６５】 明らかに見て取れるように、この二重側面分岐気流装置７００のいずれか一側
、または、両側をさらに区画分割し、それによって、図５−１０に示した上記態
様の内のいずれかに従って、さらに細かく分岐気流を供給することが可能である
。図１２ 図１２は、分岐気流装置７００と類似の、分岐気流装置７７０を示す。分岐気
流装置７７０は、第１インペラー側７０５を支持する第１インペラー７７１と、
第２インペラー側７１５を支持する第２インペラー７７２とを有するツインイン
ペラーを含む。第１、２インペラー７７１、７７２は、各インペラーにたいして
、軸受けと気流シール集合体７７４と７７５とを設けて、共通軸７７３に取りつ
けられる。軸受けと気流シール集合体７７４、７７５の間において、軸７７３は
、ブルギヤー７７７を軸７７８を嵌合させるピニオン７７６を有し、次に、軸７
７８はモーター７７９によって駆動される。

【００６６】 前記分岐気流装置７７０は、図３のＰＳＡ装置実施態様に適用されてもよい。
この場合、第１インペラー７７１（その協働的流入口と、拡散排出成分と一緒に
）は、コンプレッサー１０１と等価な、分岐流入力コンプレッサー（例えば、図
５または６のもの）と交換し、一方、第２インペラー７７２（協働的流入口と、
拡散排出成分と一緒に）は、膨張器１０２と等価な、分岐流逆流ブローダウン膨
張器（例えば、図５または６のもの）と交換してもよい。

【００６７】 同様に、この分岐流装置７７０を、図４のＰＳＡ装置実施態様に適用してもよ
い。この場合も、第１インペラー７７１（その協働的流入口と、拡散排出成分と
一緒に）は、コンプレッサー１０１と等価な、分岐流入力コンプレッサー（例え
ば、図５または６のもの）と交換し、一方、第２インペラー７７２（協働的流入
口と、拡散排出成分と一緒に）は、排気装置１５２と等価な、分岐流逆流ブロー
ダウン膨張器（例えば、図５または６のもの）と交換してもよい。図１３ 図１３は、一対の逆流ブローダウン流を、膨張器の流入ノズル、または、分岐
流真空ポンプの流入ノズルに進入させる前に、単一気流に結合させるための、放
流器８００を示す。本実施態様では、膨張器または真空ポンプ工程の流入ノズル
に進入する気流の数にたいして、最大２倍までの数の逆流が、第１バルブ手段か
ら噴出されるのを可能とする。第１バルブ手段における全体逆流を、互いに、比
較的間隔の小さい逆流ブローダウン中間圧を有する、比較的多数の個別気流とし
て供給することが望ましい。それによって、第１バルブ手段およびそれと関連す
る制限的開口において、不可逆的膨張を起こす、圧間隔を狭めることができるか
らである。従って、膨張器または真空ポンプに進入する気流は全て、第１バルブ
手段を脱出する、二つの逆流ブローダウン流の結合であってもよい。例えば、図
１３の装置は、図３に示した装置に使用して、膨張器１０２に進入前に、管１２
２と１２４を通過する気流を結合させるようにしてもよい。

【００６８】 放出器８００は、逆流ブローダウン気体の内の、第１気流”Ａ”が、第１全体
圧において第２バルブ手段から入力される第１流入口８０１と、逆流ブローダウ
ン気体の内の、第２気流”Ｂ”が、第１全体圧よりも低い、第２全体圧において
第２バルブ手段から入力される第２流入口８０２とを有する。第１気流は、流入
口８０１から第１ノズル８０３へ輸送され、一方、第２気流は、第２流入口から
第２ノズル８０４へ輸送される。ノズル８０１の面積は比較的小さくなっており
、それにより、ノズル８０３から放出される第１気流の高速が実現される。ノズ
ル８０４の面積は比較的大きく、そのために、ノズル８０４から放出される第２
気流の速度は比較的低い。

【００６９】 ノズル８０３と８０４は、第１、２気流を、混合区分８５に出力し、同区分に
おいて、これらの気流は混合して、第１圧と第２圧の中間の、第３全体圧を有す
る結合気流”Ａ＋Ｂ”となる。第１気流と第２気流の質量流がほぼ等しければ、
この第３全体圧は、第１全体圧プラス、第１全体圧と第２全体圧の差の１／４に
ほぼ等しい。

【００７０】 従来の放出器では、通常、結合流は、混合区分８５を通過後拡散器に進入する
。本実施態様では、結合流は、混合後も、比較的高速に維持されるので、膨張タ
ービン、または、分岐流真空ポンプの中間流入口への入力に好都合である。上記
から、この放出器は、混合ノズルとなる。図１４ 図１４は、異なる気流を形成する、逆流ブローダウン流を結合して、膨張器ま
たは分岐流真空ポンプの流入ノズルに送り込むための、多数の放出器を有するノ
ズル集合体８５０を示す。

【００７１】 ノズル集合体８５０は、図５に示したインペラー２０５、図６に示したインペ
ラー３０３、図９に示したインペラー５１０、および、図１０に示したインペラ
ー６２５（ただし、それらに限定されない）を含んでいてもよい、インペラー８
６５を有する。ノズル集合体は、第１気流”Ａ”が平行に入力される、流入口８
５２を持つ、”Ｎ”個の（この態様ではＮ＝２）第１ノズル８５１と、第２気流
”Ｂ”が平行に入力される、流入口８５４を持つ、”Ｎ”個の第２ノズル８５３
とを有する。第１、第２ノズル８５１、８５３は、ノズルリング８６０の周囲に
等しい間隔で隔てられているのが好ましい。第１、第２ノズル８５１、８５３は
、それぞれの気流を、ノズルリング８６０と、インペラー流入半径８６４との間
に定義される、環状ノズルチェンバー８６２に向かって接線方向に出力する。イ
ンペラー流入半径において、結合気流”Ａ＋Ｂ”は、インペラー８６５に入る。
インペラー８６５は、矢印８６８が示すように、軸８６７の周囲に回転する。放
出器８００の場合と同様、ノズル面積は、第１気流が、第２気流よりも際立って
高い高速でノズルチェンバー８６２に進入するように選ばれている。ノズルチェ
ンバー８６２は、混合チェンバーと成り、そこにおいて、結合流が混合され、放
出器８００の場合と同様に、一つの結合速度および一つの第３中間全体圧に近づ
く。インペラーそのものの内部でもさらに混合が行われる。

【００７２】 直ぐに見て取れるように、放出器８５０は、実際には、そのターボ機械の中で
、異なる流入全体圧を有する、２本の気流を結合して、単一気流を生ずる、混合
ノズルである。これは、ＰＳＡ行程において、ターボ機械では比較的小数の気流
を維持しながら、分岐流の数を増やすための、比較的安価な方法である。図１５ 低圧気流を逸らすためのスロットを持つ、コンプレッサー用拡散器９００を示
す。拡散器９００は、流入口９０１と、第１壁９０３、第２壁９０４および出口
９０５を持つ主要チャンネル９０２とを有する。壁９０３と９０４は、流入口９
０１から出口９０５へと向かうにつれて相互に隔てられる。そのために、コンプ
レッサーインペラーから、流入口９０１に進入する高速流入気流から、静水圧の
回収が実現される。一次気流”Ａ”は、出口９０５から出力される。第１壁９０
３にスロット９０６が供給され、それによって、境界層気流が、主要チャンネル
９０２から、外側チャンネル９０７へと逸らされる。スロット９０６は、壁９０
３にたいする複数の小開口または小孔として等価的に供給されてもよい。チャン
ネル９０７における気流は二次気流”Ｂ”となり、出口９０８から出力される。
従って、コンプレッサーインペラーから、流入口９０１へと進入する気流は、結
合流”Ａ＋Ｂ”である。

【００７３】 通例として、拡散器は、遠心性コンプレッサーの非効率的成分である。それは
、境界層が厚くなるにつれて停滞を招き、再循環を起こしがちな不都合な膨張が
あるためである。これは、特に、拡散器の壁が、本図において第１壁９０３で示
されるように、気流にたいして凸となっている場合に当てはまる。拡散器の壁か
ら吸引して、「疲労した」境界層を除去することによって、効率の改善が可能で
あることはよく知られている。しかしながら、吸引は、一次気流”Ａ”の、最終
出力全体圧よりも低い全体圧を有する、二次気流”Ｂ”が配送される可能性のあ
る、流れ込みを要求する。

【００７４】 拡散器９００は、入力コンプレッサーからの複数の分岐流を、第１バルブ手段
に出力するのであるから、一次気流”Ａ”は、ある特定の入力圧において、第１
バルブ手段に入力される入力気流となり、二次気流”Ｂ”は、前記入力圧よりも
低い、中間圧において、第１バルブ手段に入力される入力気流となる。別態様と
して、気流”Ｂ”は、分岐気流コンプレッサーの、第２拡散器に注入することも
可能である。この場合、第２拡散器は、拡散器９５０における気流”Ａ”のエン
タルピーまたは全体圧よりも低い、流入エンタルピーまたは全体圧で動作する。

【００７５】 前記説明は、本発明の例示を意図したものである。通常の技能を有する当業者
であれば、前述の実施態様にたいして、付属の請求項によって定義される、本発
明の精神や範囲から逸脱せずに、ある種の付加、除去、または、改変を思い描く
ことが可能であろう。

【図面の簡単な説明】

本発明の好ましい実施態様を、図を参照しながら、例示のためにのみ説明する
こととする。

【図１】 図１は、気体分離装置の単純模式図である。

【図２】 図２は、本発明が適用される形式における、典型的気体分離サイクルを示す。

【図３】 図３は、分岐流コンプレッサーと分岐流膨張器による気体分離サイクル装置の
単純模式図である。

【図４】 図４は、分岐流空気コンプレッサー、分岐流真空ポンプ、および、生産物酸素
コンプレッサーを駆動する分岐流軽量再循環膨張器による、酸素生産用気体分離
装置の単純模式図である。

【図５】 図５は、切り欠きインペラー、および、インペラーの各ステップセクションに
おいて、不連続出力半径を設ける、本発明の第１実施態様による、分岐流遠心性
コンプレッサーを示す。

【図６】 図６は、図５に示した分岐流遠心性コンプレッサーの一変種であって、インペ
ラーブレード高に沿って様々なブレード角度を持つ、区画分割されたインペラー
を備え、同インペラーにおいては、３個の区画それぞれにおけるインペラー区分
が、異なるブレード角度を持つ、変種を示す。

【図７】 図６と同様な図。

【図８】 図８は、本発明の第２実施態様による、分岐流遠心性真空ポンプであって、区
画分割されたインペラーを備え、３個の区画それぞれにおけるインペラー区分が
異なるブレード角度を持つ、真空ポンプを示す。

【図９】 図９は、図８に示した分岐流遠心性真空ポンプの一変種であって、ステップ付
インペラーと、インペラーの各ステップセクションにおいて不連続出力半径を有
する真空ポンプを示す。

【図１０】 図１０は、本発明の第３実施態様による、区画分割されたインペラーを備えた
、分岐流軽量再循環膨張器を示す。

【図１１】 図１１は、本発明による分岐流または多数エンタルピー装置であって、異なる
エンタルピーレベル気流用の、二重側面インペラーを備えた装置の正中断面図で
ある。

【図１２】 図１２は、本発明による分岐流または多数エンタルピー装置であって、異なる
エンタルピーレベル気流用の、ツインインペラーを備えた装置の正中断面図であ
る。

【図１３】 図１３および１４は、異なる気流をなす逆流ブローダウン流を結合して、膨張
器の流入ノズル、または、分岐流真空ポンプの流入ノズルに進入させる放出器を
示す。

【図１４】 図１３と同様な図。

【図１５】 図１５は、低圧流を逸らせるためのスロットを備えた、分岐流コンプレッサー
用拡散器を示す。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年２月１９日（２００１．２．１９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図５】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【０００７】 米国特許第３，７５７，４９２号は、複数の回転吸着体を備えた気体分離装置
を開示している。この装置においては、吸着体は、両側で、回転バルブに接続さ
れ、入力コンプレッサーとして、遠心性ターボコンプレッサーを利用している。
しかしながら、この遠心性ターボコンプレッサーは、ある任意の時間において、
単一吸着体に、単一気体排出を供給するように構成されるので、ローターが回転
するにつれて、回転する吸着体を、異なる入力気体圧レベルに暴露することが望
ましい時に、専用のターボコンプレッサーを必要とすることになる。多数の専用
ターボ機械を有するために、このようなターボ機械は、ローターが回転するにつ
れて、大きく変動する作用圧に暴露されることから生じる不都合な機械的ストレ
スを経験することになる。 上記から、気体流・圧について定常な条件を維持し、一方では、不可逆的気流
調整におけるエネルギー分散を極小に留めながら、ＰＳＡおよびＶＳＡ気体分離
法において使用可能な遠心性ターボ機械に対しては需要がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ０１Ｄ 53/24 Ｂ０１Ｄ 53/24 Ｆ０４Ｄ 17/10 Ｆ０４Ｄ 17/10 17/16 17/16 29/28 29/28 Ｄ Ｈ Ｎ 29/30 29/30 Ｂ Ｅ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 カウパート、ケビン・アーノルド カナダ国、ブイ５ジェイ・４アール８、ブ リティッシュ・コロンビア州、バーナビ ー、ラッセル・アベニュー 6961 Ｆターム(参考） 3H033 AA01 AA02 AA12 BB01 BB02 BB03 BB06 BB11 CC01 CC03 DD01 DD30 EE00 3H034 AA01 AA02 AA12 BB01 BB02 BB03 BB06 BB10 BB11 CC01 CC03 DD01 DD02 DD12 DD20 DD27 DD30 EE00 EE12 EE18 【要約の続き】 ラーフロー経路を有するインペラーを含む。

Claims (60)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１気体成分と第２気体成分を含む、入力混合気体を分離す
   る気体分離システムであって、前記気体分離システムは、 第１ステーターバルブ面、第２ステーターバルブ面、および、前記ステーター
   バルブ面に開放する、複数の機能分画を含むステーター、 前記ステーターに回転可能に結合され、かつ、第１ステーターバルブ面と交通
   する第１ローターバルブ面、第２ステーターバルブ面と交通する第２ローターバ
   ルブ面、および、ローターフロー経路における圧漸増に応じて、第２気体成分に
   比べて、第１気体成分の方を好んで吸着する吸着材料をその中に受容する、複数
   のローターフロー経路を含むローターであって、ここに、前記ローターフロー経
   路は、機能区画と交通するローターバルブ面に開放する、一対の対向終端を含む
   ことを特徴とするローター、および、 機能区画の一部と結合し、かつ、第１気体成分を、第２気体成分から分離する
   ために、ローターが回転する際に、各フロー経路を、上位圧と下位圧の間の、複
   数の異なる圧に暴露するための、複数のインペラーフロー経路を有するインペラ
   ーを含む、遠心性ターボ機械、 を備えることを特徴とする気体分離システム。
2. 【請求項２】 前記各インペラーフロー経路が、前記各機能分画を、前記複
   数の圧の内の一つに維持するために、それぞれ、機能分画の一つと交通すること
   を特徴とする、請求項１記載の気体分離システム。
3. 【請求項３】 前記遠心性ターボ機械は、入力混合気体を、複数の、異なる
   入力気体圧レベルにおいて、第１ステーターバルブ面に出力するための、分岐流
   遠心性コンプレッサーを含むことを特徴とする、請求項１記載の気体分離システ
   ム。
4. 【請求項４】 前記遠心性ターボ機械は、第１ステーターバルブ面から受容
   した、第１気体成分の濃縮された気体流を、複数の異なる排気圧において、第１
   生産物気体として排出するための、分岐流遠心性膨張器を備えることを特徴とす
   る、請求項１記載の気体分離システム。
5. 【請求項５】 前記遠心性ターボ機械は、遠心性コンプレッサーに結合され
   て、複数の異なる気体圧レベルにおいて、第１ステーターバルブ面から、第１生
   産物気体として受容した、第１気体成分の濃縮された気体を排出し、かつ、前記
   遠心性コンプレッサーが、入力混合気体を、第１ステーターバルブ面に出力する
   のを援助する、分岐流遠心性膨張器を備えることを特徴とする、請求項３記載の
   気体分離システム。
6. 【請求項６】 前記遠心性ターボ機械は、複数の異なる排気圧レベルにおい
   て、第１ステーターバルブ面から、第１生産物気体として受容した、第１気体成
   分の濃縮された気体を排出する、分岐流遠心性膨張器を備えることを特徴とする
   、請求項１記載の気体分離システム。
7. 【請求項７】 前記遠心性ターボ機械は、遠心性コンプレッサーに結合され
   て、複数の異なる排気圧レベルにおいて、第１ステーターバルブ面から、第１生
   産物気体として受容した、第１気体成分の濃縮された気体を抽出し、かつ、前記
   遠心性コンプレッサーが、入力混合気体を、第１ステーターバルブ面に出力する
   のを援助する、分岐流遠心性真空ポンプを備えることを特徴とする、請求項３記
   載の気体分離システム。
8. 【請求項８】 前記気体分離装置は、複数の異なる再循環出力気体圧レベル
   において、第２ステーターバルブ面から、第２気体成分の濃縮された気体を受容
   し、この受容した気体の圧降下を実施し、かつ、この圧降下受容気体を、軽量再
   循環帰還気体として、第２ステーターバルブ面に戻し、それによって、第２生産
   物気体として、第２ステーターバルブ面から抽出される、第２気体成分の濃縮さ
   れた気体の純度を強調する、軽量再循環膨張器を含むことを特徴とする、請求項
   １記載の気体分離システム。
9. 【請求項９】 前記気体分離装置は、第２生産物気体として抽出された気体
   の圧を増すために、前記軽量再循環膨張器に結合されたコンプレッサーを含むこ
   とを特徴とする、請求項８記載の気体分離システム。
10. 【請求項１０】 前記気体分離装置は、複数の異なる再循環出力気体圧レベ
    ルにおいて、第２ステーターバルブ面から、第２気体成分の濃縮された気体を受
    容し、この受容した気体の圧降下を実施し、かつ、この圧降下受容気体を、軽量
    再循環帰還気体として、第２ステーターバルブ面に戻し、それによって、第２生
    産物気体として、第２ステーターバルブ面から抽出される、第２気体成分の濃縮
    された気体の純度を強調する、少なくとも１個のスロットルバルブを含むことを
    特徴とする、請求項１記載の気体分離システム。
11. 【請求項１１】 前記分岐流遠心性コンプレッサーは、入力混合気体を受容
    する気体流入口；インペラーから外方に放射状に延びる、複数のブレード；気体
    流入口と交通し、ブレードの隣接ペア間に延びる、インペラー内部に配されるチ
    ャンネル；インペラーの回転軸から、放射方向に異なる距離で位置付けられる複
    数のステップを含むブレードであって、ここに、ステップは、複数の異なる角運
    動量において、チャンネルから、入力混合気体を放出するためのインペラーフロ
    ー経路を定義する；および、チャンネルと交通する複数の拡散器であって、入力
    混合気体に異なる気圧レベルを付与する拡散器、とを備えることを特徴とする、
    請求項３記載の気体分離システム。
12. 【請求項１２】 前記拡散器の内の少なくとも１個は、放出される入力混合
    気体の一部を受容する、拡散器流入口；複数の拡散器流出口；および、異なる入
    力気体圧レベルを供給するために、拡散器流入口と、拡散器流出口の間に、複数
    の拡散器フロー経路、とを備えることを特徴とする、請求項１１記載の気体分離
    システム。
13. 【請求項１３】 前記拡散器フロー経路は、拡散器流出口の内の一つに開放
    する一次拡散チャンネル；拡散器流出口の別の一つに開放する二次チャンネル；
    および、境界気流層を、一次チャンネルから二次チャンネルへ逸らせ、それによ
    って、一次チャンネルからの気体を、低圧で二次チャンネルから出力させる、一
    次拡散チャンネルに供給される開口、を備えることを特徴とする、請求項１２記
    載の気体分離システム。
14. 【請求項１４】 前記分岐流遠心性コンプレッサーは、入力混合気体を受容
    する気体流入口；インペラーから外方に放射状に延びる、複数のブレード；気体
    流入口と交通し、ブレードの隣接ペア間に延びる、インペラー内部に配されるチ
    ャンネル；インペラーの回転軸から、放射方向に異なる距離で位置付けられる複
    数のステップを含むブレードであって、ここに、ブレードは、複数の異なる角運
    動量において、チャンネルから、入力混合気体の気流を放出するためのインペラ
    ーフロー経路を定義する、それぞれのブレード角度を有し；および、チャンネル
    と交通する複数の拡散器であって、入力混合気体に異なる入力気圧レベルを付与
    する拡散器、とを備えることを特徴とする、請求項３記載の気体分離システム。
15. 【請求項１５】 前記ブレードはそれぞれ高さを持ち、かつ、それぞれのブ
    レード角度は、それぞれの高さに沿って変化することを特徴とする、請求項１４
    記載の気体分離システム。
16. 【請求項１６】 前記チャンネルは、入力混合気体の分離を、チャンネルを
    通じて維持するために、複数の区画を含むことを特徴とする、請求項１４記載の
    気体分離システム。
17. 【請求項１７】 前記拡散器の内の少なくとも１個は、放出入力混合気体の
    一部を受容するための拡散器流入口；複数の拡散器流出口；および、異なる入力
    気体圧レベルを供給するために、拡散器流入口と拡散器流出口の間に延びる、複
    数の拡散器フロー経路、とを備えることを特徴とする、請求項１４記載の気体分
    離システム。
18. 【請求項１８】 前記拡散器フロー経路は、拡散器流出口の内の一つに開放
    する一次拡散チャンネル；拡散器流出口の別の一つに開放する二次チャンネル；
    および、境界気流層を、一次チャンネルから二次チャンネルへ逸らせ、それによ
    って、一次チャンネルからの気体を、低圧で二次チャンネルから出力させる、一
    次拡散チャンネルに供給される開口、を備えることを特徴とする、請求項１７記
    載の気体分離システム。
19. 【請求項１９】 前記分岐流遠心性膨張器は、第１生産物気体を排出する気
    体流出口；インペラーから外方に放射状に延びる、複数のブレード；気体流出口
    と交通し、ブレードの隣接ペア間に延びる、インペラー内部に配されるチャンネ
    ル；および、複数の異なる角運動量において、第１気体成分の濃縮された気流を
    、チャンネルに出力するための、複数の拡散器であって、ここに、ブレードは、
    インペラーの回転軸から、放射方向に異なる距離で位置付けられる複数のステッ
    プを含み、かつ、ステップは、出力気流から、第１生産物気体を生成するための
    インペラーフロー経路を定義することを特徴とする拡散器、とを備えることを特
    徴とする、請求項４記載の気体分離システム。
20. 【請求項２０】 前記分岐流遠心性膨張器は、第１生産物気体を排気する気
    体流出口；インペラーから外方に放射状に延びる、複数のブレード；気体流出口
    と交通し、ブレードの隣接ペア間に延びる、インペラー内部に配されるチャンネ
    ル；および、複数の異なる角運動量において、第１気体成分の濃縮された気流を
    チャンネルに出力する、複数の拡散器とを備え、ここに、ブレードは、出力気体
    フローから第１生産物気体を生成するための、インペラーフロー経路を定義する
    、それぞれのブレード角度を有することを特徴とする、請求項４記載の気体分離
    システム。
21. 【請求項２１】 前記ブレードはそれぞれ高さを持ち、かつ、それぞれのブ
    レード角度は、それぞれの高さに沿って変化することを特徴とする、請求項２０
    記載の気体分離システム。
22. 【請求項２２】 前記チャンネルは、出力混合気体の分離を、チャンネルを
    通じて維持するために、複数の区画を含むことを特徴とする、請求項２０記載の
    気体分離システム。
23. 【請求項２３】 前記分岐流遠心性真空ポンプは、複数の異なる排気圧レベ
    ルにおいて第１気体成分の濃縮された気流を受容する複数の気体流入口；インペ
    ラーから外方に放射状に延びる、複数のブレード；前記気体流入口と交通し、ブ
    レードの隣接ペア間に延びる、インペラー内部に配されるチャンネルであって、
    ここに、ブレードは、共通の一つの角運動量において、チャンネルから、第１気
    体成分の濃縮された気流を放出する、インペラーフロー経路を定義する、それぞ
    れのブレード角度を持ち；および、拡散器であって、チャンネルと交通して、放
    出気流から第１生産物気体を生成する拡散器、とを備えることを特徴とする、請
    求項６記載の気体分離システム。
24. 【請求項２４】 前記ブレードはそれぞれ高さを持ち、かつ、それぞれのブ
    レード角度は、それぞれの高さに沿って変化することを特徴とする、請求項２３
    記載の気体分離システム。
25. 【請求項２５】 前記気体流入口の内少なくとも一つは、受容気流を、ある
    旋回速度と共に前記チャンネルへ出力するための旋回手段を含むことを特徴とす
    る、請求項２３記載の気体分離システム。
26. 【請求項２６】 前記旋回手段は、ガイド羽根、ノズル、および、渦巻き体
    の内の少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項２５の気体分離装置。
27. 【請求項２７】 前記チャンネルは、出力混合気体の分離を、チャンネルを
    通じて維持するために、複数の区画を含むことを特徴とする、請求項２３記載の
    気体分離システム。
28. 【請求項２８】 前記分岐流遠心性真空ポンプは、複数の異なる排気圧レベ
    ルにおいて第１気体成分の濃縮された気流を受容する複数の気体流入口；インペ
    ラーから外方に放射状に延びる、複数のブレード；前記気体流入口と交通し、ブ
    レードの隣接ペア間に延びる、インペラー内部に配されるチャンネルであって、
    ここに、ブレードは、インペラーの回転軸から、放射方向に異なる距離で位置付
    けられる複数のステップを含み、ここに、ステップは、共通の一つの角運動量に
    おいて、チャンネルから、第１気体成分の濃縮された気流を放出するためのイン
    ペラーフロー経路を定義し；および、チャンネルと交通し、放出気流から第１生
    産物気体を生成する拡散器、とを備えることを特徴とする、請求項６記載の気体
    分離システム。
29. 【請求項２９】 前記気体流入口の内少なくとも一つは、受容気流を、ある
    旋回速度と共に前記チャンネルへ出力するための旋回手段を含むことを特徴とす
    る、請求項２８記載の気体分離システム。
30. 【請求項３０】 前記旋回手段は、ガイド羽根、ノズル、および、渦巻き体
    の内の少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項２９記載の気体分離シス
    テム。
31. 【請求項３１】 前記軽量再循環膨張器は、インペラーから外方に放射状に
    延びる、複数のブレード；ブレードの隣接ペア間に延びる、インペラー内部に配
    されるチャンネル；複数の軽量再循環出力圧レベルにおいて、第２気体成分の濃
    縮された気流をチャンネルに向ける複数の気体流入口であって、ここに、チャン
    ネルは、インペラーの回転軸から、放射方向に異なる距離で位置付けられる複数
    のステップを含み、ここに、ステップは、複数の角運動量において、チャンネル
    から、気流を放出するためのインペラーフロー経路を定義し；および、チャンネ
    ルと交通し、それぞれの軽量再循環出力圧レベルよりも低い圧力レベルで、各放
    出気流を出力する、複数の拡散器、とを備えることを特徴とする、請求項８記載
    の気体分離システム。
32. 【請求項３２】 前記ブレードは、ブレード角度を持ち、かつ、その角運動
    量は、ブレード角度に従って定義されることを特徴とする、請求項３１記載の気
    体分離システム。
33. 【請求項３３】 前記チャンネルは、流入末端と流出末端とを有し、かつ、
    ステップは、前記両末端に位置付けられることを特徴とする、請求項３１記載の
    気体分離システム。
34. 【請求項３４】 前記チャンネルは、気流の分離を維持するために、複数の
    区画を含むことを特徴とする、請求項３１記載の気体分離システム。
35. 【請求項３５】 前記インペラーは、二重側インペラーであり；かつ、前記
    遠心性ターボ機械は、インペラーから外方に放射状に延びる複数のブレード、イ
    ンペラーの第１側と交通する、第１気体流入渦巻き体と第１気流流出拡散器、イ
    ンペラーの第２側と交通する、第２気体流入渦巻き体と第２気流流出拡散器、第
    １気体流入渦巻き体および第１気体流出拡散器と交通する、インペラーの第１側
    内部に配される第１チャンネル、および、第２気体流入渦巻き体および第２気体
    流出拡散器と交通する、インペラーの第２内部に配される第２チャンネルを備え
    、ここに、第１と第２チャンネルはそれぞれブレードの隣接ペアの間に延びるこ
    とを特徴とする、請求項１記載の気体分離システム。
36. 【請求項３６】 前記インペラーは、回転軸を有し、かつ、第１と第２側が
    、回転軸の対向側に配されることを特徴とする、請求項３５記載の気体分離シス
    テム。
37. 【請求項３７】 前記ブレードは、インペラーの回転軸から異なる放射距離
    において位置付けられる複数のステップを含み、ここに、前記ステップは、複数
    の異なる角運動量において、前記チャンネル内の少なくとも一つから気流を放出
    するインペラーフロー経路を定義することを特徴とする、請求項３５記載の気体
    分離システム。
38. 【請求項３８】 前記ブレードは、複数の異なる角運動量において、前記チ
    ャンネル内の少なくとも一つから気流を放出するインペラーフロー経路を定義す
    る、それぞれのブレード角度を有することを特徴とする、請求項３５記載の気体
    分離システム。
39. 【請求項３９】 前記遠心性ターボ機械は、入力渦巻き体において、入力気
    体を、共通の、一つの入力気体流入圧力レベルで受容し、かつ、出力拡散器から
    受容した入力気体を、複数の異なる入力気体圧力レベルにおいて第１ステーター
    バルブ面に出力する、分岐流コンプレッサーとして構成されることを特徴とする
    、請求項３５記載の気体分離システム。
40. 【請求項４０】 前記遠心性ターボ機械は、入力渦巻き体において、第１気
    体成分の濃縮された気体を、複数の異なる排気圧レベルで受容し、かつ、前記受
    容気体を、共通の、一つの第１生産物気体圧力レベルにおいて、出力拡散器から
    、第１生産物気体として放出する、分岐流真空ポンプとして構成されることを特
    徴とする、請求項３５記載の気体分離システム。
41. 【請求項４１】 前記遠心性ターボ機械は、入力渦巻き体において、第２気
    体成分の濃縮された気体を、複数の異なる軽量再循環出口圧レベルで受容し、か
    つ、前記各受容気流を、それぞれの軽量再循環出口圧レベルよりも低い圧レベル
    において放出する、分岐流遠心性膨張器として構成されることを特徴とする、請
    求項３５記載の気体分離システム。
42. 【請求項４２】 前記遠心性ターボ機械は、入力渦巻き体において、第１気
    体成分の濃縮された気体を、複数の異なる排気圧レベルで受容し、かつ、前記受
    容気体を、共通の第１生産物気体圧レベルにおいて流出拡散器から放出する、分
    岐流遠心性膨張器として構成されることを特徴とする、請求項３５記載の気体分
    離システム。
43. 【請求項４３】 前記インペラーは、第１インペラー部分と、前記第１イン
    ペラー部分と共軸であり、かつ、それに結合される第２インペラー部分とを含み
    、かつ、前記ターボ機械は、インペラーから外方に放射状に延びる複数のブレー
    ド、第１インペラー部分と交通する、第１気体流入渦巻き体と、複数の第１気流
    流出拡散器、インペラー部分と交通する、複数の第２気体流入渦巻き体と、第２
    気流流出拡散器、第１気体流入渦巻き体および第１気体流出拡散器と交通する、
    第１インペラー部分内部に配される第１チャンネル、および、第２気体流入渦巻
    き体および第２気体流出拡散器と交通する、第２インペラー部分内部に配される
    第２チャンネルを備え、ここに、第１と第２チャンネルはそれぞれブレードの隣
    接ペアの間に延びることを特徴とする、請求項１記載の気体分離システム。
44. 【請求項４４】 前記第１インペラー部分、第１流入渦巻き体、および、第
    １流出渦巻き体は、まとまって、第１流入渦巻き体において入力気体を受容し、
    かつ、前記受容気体を、複数の異なる入力気体圧レベルにおいて、第１出力拡散
    器から、第１ステーターバルブ面に出力する、分岐流遠心性コンプレッサーとし
    て構成され、また、前記第２インペラー部分、第２流入渦巻き体、および、第２
    流出渦巻き体は、まとまって、第２流入渦巻き体において、複数の異なる排気圧
    レベルで、第１気体成分の濃縮された気流を受容し、かつ、前記受容気流を、第
    １生産物気体圧レベルにおいて、出力拡散器から、第１生産物気体として排気す
    る、分岐気流膨張器として構成されることを特徴とする、請求項４３記載の気体
    分離システム。
45. 【請求項４５】 前記第１インペラー部分、第１流入渦巻き体、および、第
    １流出渦巻き体は、まとまって、第１流入渦巻き体において入力気体を受容し、
    かつ、前記受容気体を、複数の異なる入力気体圧レベルにおいて、第１出力拡散
    器から、第１ステーターバルブ面に出力する、分岐流遠心性コンプレッサーとし
    て構成され、また、前記第２インペラー部分、第２流入渦巻き体、および、第２
    流出渦巻き体は、まとまって、第２流入渦巻き体において、複数の異なる排気圧
    レベルで、第１気体成分の濃縮された気流を受容し、かつ、前記受容気流を、第
    １生産物気体圧レベルにおいて、出力拡散器から、第１生産物気体として放出す
    る、分岐気流真空ポンプとして構成されることを特徴とする、請求項４３記載の
    気体分離システム。
46. 【請求項４６】 前記遠心性ターボ機械は、機能分画の内少なくとも二つか
    ら入力される、ブローダウン気流を混合する気体混合ノズルを含み、ここに、前
    記ブローダウン気流が、異なる圧力レベルにあることを特徴とする、請求項１記
    載の気体分離システム。
47. 【請求項４７】 前記混合ノズルは、ノズルハウジングであって、ここに、
    前記ハウジング内部にインペラーが回転可能に配され、ノズルハウジングとイン
    ペラーは、その間に環状チェンバーを定義するノズルハウジング；および、少な
    くとも２個の気体流入口とを備え、前記気体流入口は、機能分画の内それぞれの
    区画に結合し、それによって、ブローダウン気流を、前記環状チェンバーにたい
    してその接線方向に向けて、それらを混合させることを可能とし、ここに、前記
    気体流入口は、異なる圧力レベルの内、それぞれの圧力レベルにおいて、前記ブ
    ローダウン気流を受容することを特徴とする、請求項４６記載の気体分離システ
    ム。
48. 【請求項４８】 前記混合ノズルは、機能分画の内のそれぞれの分画からブ
    ローダウン気流を受容する、少なくとも２個の気体流入口、および、前記受容ブ
    ローダウン気流を一体として結合する、気体流入口と交通する気体混合区分とを
    備えることを特徴とする、請求項４６記載の気体分離システム。
49. 【請求項４９】 前記遠心性ターボ機械は、気流を、機能分画の内の一つに
    出力する一次チャンネルと、配送気流から低エネルギー境界気体層を少量ずつ除
    去するための、一次チャンネルと交通する二次チャンネルとを備える拡散器を含
    むことを特徴とする、請求項１記載の気体分離システム。
50. 【請求項５０】 遠心性圧縮装置であって、 二重側インペラー、 インペラーから放射状に外方に延びる複数のブレード、 インペラーの第１側と交通する、第１気体流入口と第１気体流出口、 インペラーの第２側と交通する、第２気体流入口と第２気体流出口、 第１気体流入口と第１気体流出口の間に気体を通過させるために、インペラー
    の第１側内部に配される第１チャンネル、および、 第２気体流入口と第２気体流出口の間に気体を通過させるために、インペラー
    の第２側内部に配される第２チャンネルを備え、 ここに、第１と第２チャンネルは、それぞれ、ブレードの隣接ペアの間に延び
    ることを特徴とする、遠心性圧縮装置。
51. 【請求項５１】 前記インペラーは、回転軸を有し、かつ、第１と第２側が
    、回転軸の対向側に配されることを特徴とする、請求項５０記載の遠心性圧縮装
    置。
52. 【請求項５２】 前記ブレードは、インペラーの回転軸から異なる放射距離
    において位置付けられる複数のステップを含み、ここに、前記ステップは、複数
    の異なる角運動量において、前記チャンネル内の少なくとも一つから気流を放出
    するインペラーフロー経路を定義し、前記気体流出口は、複数の異なる圧力レベ
    ルにおいて気流を放出する複数の拡散器を備えることを特徴とする、請求項５０
    記載の遠心性圧縮装置。
53. 【請求項５３】 前記ブレードは、複数の異なる角運動量において、前記チ
    ャンネル内の少なくとも一つから気流を放出するインペラーフロー経路を定義す
    る、それぞれのブレード角度を有し、ここに、前記気体流出口は、複数の異なる
    圧力レベルにおいて気流を放出する複数の拡散器を備えることを特徴とする、請
    求項５０記載の遠心性圧縮装置。
54. 【請求項５４】 前記ブレードは、インペラーの回転軸から異なる放射距離
    において位置付けられる複数のステップを含み；前記気体流入口は、複数の異な
    る圧力レベルにおいて気流を受容し、かつ、前記受容した気流を、複数の異なる
    角運動量において、前記チャンネル内の少なくとも一つに出力する、複数の渦巻
    き体を備え；および、前記ステップは、配送気流を、一つの共通圧力レベルにお
    いて放出するための、インペラーフロー経路を定義することを特徴とする、請求
    項５０記載の遠心性圧縮装置。
55. 【請求項５５】 前記気体流入口は、気流を、複数の異なる圧力レベルにお
    いて受容し、前記需要した気流を、複数の異なる各運動量において、前記チャン
    ネルの内の少なくとも一つに出力する複数の渦巻き体を備え、ここに、前記ブレ
    ードは、一つの共通圧力レベルにおいて、配送気流を放出するためのインペラー
    フロー経路を定義することを特徴とする、請求項５０記載の遠心性圧縮装置。
56. 【請求項５６】 複数の異なる圧において気流を結合する気体混合ノズルで
    あって、前記混合ノズルは、 ノズルハウジング、 前記ノズルハウジング内に回転可能に配されるインペラーであって、ノズルハ
    ウジングとインペラーは、その間に環状チェンバーを定義し、および、 気流を、それらを混合させるために、前記環状チェンバーにたいしてその接線
    方向に向けるようにノズルハウジング内に供給される、複数の気体流入口、 を備え、ここに、前記各気体流入口は、異なる圧力レベルの内、それぞれの圧
    力レベルにおいて、気体を受容することを特徴とする気体混合ノズル。
57. 【請求項５７】 前記インペラーは、それ自体から放射状に外方に延びる複
    数のブレードと、気体流入口と交通し、ブレードの隣接ペアの間に延びる、イン
    ペラー内部に配されるチャンネルとを備え；前記ブレードは、インペラーの回転
    軸から異なる放射距離において位置付けられる複数のステップを含み；および、
    前記ステップは、気流を、複数の異なる角運動量において放出するための、イン
    ペラーフロー経路を定義することを特徴とする、請求項５６記載の混合ノズル。
58. 【請求項５８】 前記インペラーは、 同インペラーから放射状に外方に延びる複数のブレード、および、 気体流入口と交通し、ブレードの隣接ペアの間に延びる、インペラー内部に配
    されるチャンネルとを備え、 ここに、前記ブレードは、複数の異なる角運動量において、前記チャンネル内
    から気流を放出するインペラーフロー経路を定義する、それぞれのブレード角度
    を有することを特徴とする、請求項５６記載の混合ノズル。
59. 【請求項５９】 前記気体流入口が、前記環状チェンバーの周囲に、等しい
    角度距離に配置されることを特徴とする、請求項５６記載の混合ノズル。
60. 【請求項６０】 前記インペラーは、回転軸を有し、かつ、前記気体流入口
    は、回転軸の対向側に配される流入ノズルペアを備えることを特徴とする、請求
    項５６記載の混合ノズル。