產品氣體濃縮器及其相關方法
【專利摘要】提供了與提供濃縮產品氣體相關的多種設備和方法。在一個實施例中，該設備包括輸入裝置、第一和第二篩罐、可變限流器和控制器。在一個實施例中，該方法包括：a）從多個輸出設定值中選擇濃縮產品氣體的期望輸出設定值；b）通過第一和第二篩罐在交替且相反的增壓和清空周期中將一種或多種可吸附組分從增壓源氣態混合物分離，以形成濃縮產品氣體；以及c）至少部分地基于所述期望輸出設定值來選擇性地控制可變限流器，以便選擇性地提供第一和第二篩罐之間的流量，使得就相應的增壓周期而言，針對至少一個輸出設定值的第一和第二篩罐之間的流量不同于針對至少另一個輸出設定值的第一和第二篩罐之間的流量。
【專利說明】產品氣體濃縮器及其相關方法
[0001]本申請是專利申請號為200880021148.6，申請日為2008年4月21日，發明名稱為“產品氣體濃縮器及其相關方法”的專利申請的分案申請。
[0002]相關申請的交叉引用
本申請要求2007年4月20日提交的申請號為60/913,056(代理檔案號12873.05505)以及2007年8月27日提交的申請號為60/968,273(代理檔案號12873.05555)的美國臨時專利申請的權益。本申請涉及2005年10月25日提交的申請號為11/258，480(代理檔案號12873.05088),2006年9月18日提交的申請號為11/522，683(代理檔案號12873.05362)、以及同一天提交的(申請號尚待分配)(代理檔案號12873.05505)共同待審的美國專利申請。本申請還涉及2006年9月18日提交的申請號為PCT/US07/18468 (代理檔案號12873.05549)的共同待審的國際(PCT)專利申請。本文以引用的方式完整地引入所有上述專利申請和專利的內容。
【技術領域】
[0003]本發明涉及產品氣體濃縮器及其相關方法。
【背景技術】
[0004]存在分離氣態混合物的多種應用。例如，將氮氣從大氣中分離出來可提供高度濃縮的氧氣源。所述各種應用包括為病人和飛行人員提供提高了濃度的氧氣。因此，期望提供一種能分離氣態混合物以提供濃縮產品氣體(如含有一定濃度氧氣的呼吸用氣體)的系統。
[0005]例如在美國專利N0.4，449，990,5, 906，672,5, 917，135 和 5，988，165 中披露了若干種現有的產品氣體或氧氣的濃縮器，這些專利均已共同轉讓給俄亥俄州InvacareCorporation of Elyria并且在本文中以引用的方式被完整地引入。
【發明內容】
[0006]一方面，提供了一種用于提供濃縮產品氣體的設備。在一個實施例中，該設備包括:輸入裝置，其適于從多個輸出設定值中選擇濃縮產品氣體的期望輸出設定值；第一和第二篩罐，其布置成在交替且相反的增壓和清空周期中將一種或多種可吸附組分從增壓源氣態混合物分離，以形成濃縮產品氣體；可變限流器，用于選擇性地提供第一和第二篩罐之間的可調流量；以及控制器，其與輸入裝置和可變限流器可操作地通訊，以至少部分地基于期望輸出設定值來選擇性地控制可變限流器，使得就相應的增壓周期而言，針對至少一個輸出設定值的第一和第二篩罐之間的流量不同于針對至少另一個輸出設定值的第一和第二篩罐之間的流量。
[0007]在另一個實施例中，該設備包括:第一和第二篩罐，其布置成在交替且相反的增壓和清空周期中將一種或多種可吸附組分從增壓源氣態混合物分離，以形成濃縮產品氣體；以及控制器，其與第一和第二篩罐可操作地通訊，以便在維持可接受的濃縮產品氣體純度水平的同時，在多個預定海拔范圍內選擇性地控制增壓和清空周期。[0008]在又一個實施例中，該設備包括:輸入裝置，用于選擇濃縮產品氣體的第一期望輸出設定值；產品氣體源，用于提供分配所用的濃縮產品氣體；壓力傳感器，其監測濃縮產品氣體的壓力；節約閥，其包括與用戶相聯的輸出連接部、與通風口相聯的通風連接部、以及與濃縮產品氣體相聯的氣體連接部，其中，輸出連接部從通風連接部切換到氣體連接部，反之亦然；以及控制器，其與輸入裝置和壓力傳感器可操作地通訊，以至少部分地基于所選擇的輸出設定值和監測壓力來選擇性地切換節約閥以選擇性地分配濃縮產品氣體。
[0009]在再一個實施例中，該設備包括:主體，其形成具有篩床部和產品罐部的組件，其中篩床部和產品罐部被公用壁隔開，篩床部適于將一種或多種可吸附組分從增壓源氣態混合物分離，產品罐部適于儲存一定體積的濃縮產品氣體。
[0010]在又一個實施例中，該設備包括:框架，其包括多個形成籠狀結構的結構性支撐部件；以及壓縮機，其通過多個懸掛部件懸掛在框架內，適于向產品氣體濃縮器的第一和第二篩罐提供增壓源氣態混合物。
[0011]在另一個實施例中，該設備包括:封閉過濾器的主體，該過濾器適于過濾來自產品氣體源的濃縮產品氣體并提供經過濾的產品氣體。
[0012]另一方面，提供了一種與提供濃縮產品氣體相關的方法。在一個實施例中，該方法包括:a)從多個輸出設定值中選擇濃縮產品氣體的期望輸出設定值；b)通過第一和第二篩罐在交替且相反的增壓和清空周期中將一種或多種可吸附組分從增壓源氣態混合物分離，以形成濃縮產品氣體；以及c)至少部分地基于期望輸出設定值來選擇性地控制可變限流器，以便選擇性地提供第一和第二篩罐之間的流量，使得就相應的增壓周期而言，針對至少一個輸出設定值的第一和第二篩罐之間的流量不同于針對至少另一個輸出設定值的第一和第二篩罐之間的流量。
[0013]在另一個實施例中，該方法包括:a)通過第一和第二篩罐在交替且相反的增壓和清空周期中將一種或多種可吸附組分從增壓源氣態混合物分離，以形成濃縮產品氣體；以及b)在維持可接受的濃縮產品氣體純度水平的同時，在多個預定海拔范圍內選擇性地控制增壓和清空周期。
[0014]在又一個實施例中，該方法包括:a)選擇濃縮產品氣體的第一期望輸出設定值；
b)提供用于供應待分配濃縮產品氣體的產品氣體源；c)監測濃縮產品氣體的壓力；以及d)選擇性地將與用戶相聯的輸出連接部從與通風口相聯的通風連接部切換到與濃縮產品氣體相聯的氣體連接部，以便至少部分地基于所選擇的輸出設定值和監測壓力來選擇性地分配濃縮產品氣體，反之亦然。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]參照附圖、以下描述和所附權利要求，將更好地理解本發明的這些和其它特征、方面及優點。
[0016]圖1提供了產品氣體濃縮器的示例性實施例的透視圖；
圖2提供了圖1中產品氣體濃縮器的分解圖；
圖3A-H提供了示例性產品氣體濃縮器所用的篩床和產品罐組件的示例性實施例的各種透視圖、剖視圖、分解圖；
圖31-0提供了圖3A的篩床和產品罐組件所用的端帽的替代示例性實施例的各種透視圖、剖視圖、分解圖；
圖4A-D提供了示例性產品氣體濃縮器所用的壓縮機組件的示例性實施例的各種透視圖、剖視圖、分解圖；
圖4E提供了圖4A的壓縮機組件所用的多個懸掛連接器的替代示例性實施例的頂視
圖；
圖4F提供了示例性產品氣體濃縮器的壓縮機組件的另一個示例性實施例的透視圖； 圖5A提供了另一個產品氣體濃縮器的示例性實施例的若干框圖；
圖5B提供了圖5A的產品氣體濃縮器所用的閥控制方案的示例性實施例的時間圖；
圖5C提供的框圖示出了在示例性產品氣體濃縮器的示例性實施例中排泄流從篩罐I到篩罐2的若干示例性策略；
圖提供的框圖示出了在示例性產品氣體濃縮器的示例性實施例中排泄流從篩罐2到篩罐I的若干策略；
圖5E提供了圖5A的產品氣體濃縮器所用的閥組件的示例性實施例的頂視圖和側視
圖；
圖5F提供了圖5E的閥組件的框圖；
圖6A和6B提供了示例性產品氣體濃縮器所用的輸出端口的示例性實施例的透視圖和首丨J視圖;
圖7提供了在示例性產品氣體濃縮器中確定與示例性壓力傳感器相關的壓力的過程的示例性實施例的流程圖；
圖8提供了在示例性產品氣體濃縮器中確定用于分配一氣團濃縮產品氣體的持續時間這一過程的示例性實施例的流程圖；
圖9提供了示例性產品氣體濃縮器所用的節約閥控制方案的示例性實施例的時間圖；圖10提供了產品氣體濃縮器的又一個示例性實施例的框圖；以及圖11提供了結合產品氣體濃縮器向用戶分配濃縮產品氣體這一過程的示例性實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0017]在圖1中示出了氧氣濃縮器100的一個實施例。氧氣濃縮器100包括具有前部104和后部106的殼體102。前部104和后部106包括多個用于吸入和排放多種氣體的開口，例如吸入室內空氣并排放氮氣和其它氣體。氧氣濃縮器100通常吸入主要是由氧氣和氮氣構成的室內空氣，并將氮氣與氧氣分離。氧氣被儲存在儲存罐中，而氮氣則被排放回室內空氣中。例如，可通過端口 108經由管道系統和鼻管將氧氣排放給病人。
[0018]圖2是圖1中氧氣濃縮器100的分解透視圖。氧氣濃縮器100還包括中央框架202，中央框架202具有電路板和其它與其連接的構件。這些構件包括蓄電池組204、篩床和產品罐組件206和208、冷卻風扇212和閥組件214。雖然這些構件被描述成連接于中央框架202，但不必是這種情況。可將這些構件中的一個或多個連接到殼體部104或106。其它也被容納在氧氣濃縮器100中的構件包括，例如，壓縮機組件210、聲音衰減器或消音器216和218以及入口過濾器220。
[0019]篩床和產品罐組件 現在參照圖3A和3B，尤其參照透視圖3A，其示出了篩床和產品罐組件206。篩床和產品罐組件208具有相似的構造，因此將不再單獨描述。組件206包括具有篩床部300和產品罐部302的主體。主體的遠端具有第一和第二端帽304和306。端帽304包括出氣端口308和310。出氣端口 308與篩床部300相關聯，出氣端口 310與產品罐部302相關聯。端帽306包括進氣端口 312和314。進氣端口 312與篩床部300相關聯，進氣端口 314與產品罐部302相關聯。端帽304和306利用緊固件(如螺釘或螺栓)適當地連接到組件206的主體上，但也可以使用任何其它合適的附接手段。
[0020]圖3C和3D示出了沿圖3A中的剖切線3C-3C和3D-3D截取的剖視圖。篩床部300包括第一和第二穿孔插入物316和318。還設置了彈簧320，其壓在插入物316上，插入物316轉而壓在設置于插入物316和318之間的分離介質上。這確保了物理分離介質被壓緊在插入物316和318之間。
[0021]穿孔插入物316和318之間的空間中填充有物理分離介質或材料。該分離材料選擇性地吸附氣態混合物(例如氮氣和氧氣的氣態混合物)中的一種或多種可吸附組分，并允許該氣態混合物中的一種或多種不可吸附組分通過。物理分離材料為具有孔隙的分子篩，所述孔隙大小均勻并且基本上具有相同的分子尺寸。這些孔隙根據分子的形狀、極性、飽和度等選擇性地吸附分子。在一個實施例中，物理分離介質是具有4至5埃孔隙的水合硅酸鋁成分。在這個實施例中，分子篩是鈉或鈣形式的水合硅酸鋁，如5A型沸石。可替代地，水合硅酸鋁可具有更高的硅鋁比、更大的孔隙以及針對極性分子的親和力，例如13x型沸石。在另一個實施例中，可使用鋰基沸石。在其它實施例中，可使用任何合適的沸石或其它吸附性材料。沸石吸附氮氣、一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣以及空氣的其它重要組分。沒有被吸附在篩床部300中的氣體(如氧氣)，被收集和儲存在產品罐部302中。
[0022]圖3E是沿圖3D中的線3E-3E截取的剖視圖。示出了產品罐部302和篩床部300的插入物316。圖3F是沿圖3D中的線3F-3F截取的另一張剖視圖，并以透視圖示出。如在這個實施例中示出的，篩床部300和產品罐部302由材料(例如鋁)的單個擠壓件形成。也可以使用其它能夠擠壓成形的材料。
[0023]篩床部300和產品罐部302共用公用的壁部并形成一體的篩床和產品罐組件。具體地，篩床部300和產品罐部302的內部空間至少部分地被公用的壁結構界定。在這個實施例中，公用的壁結構被示出為由篩床部300和產品罐部302共用的弓形或弧形壁的一部分。在其它實施例中，公用的壁結構不必是弓形或弧形的，可為直線形或任何其它的形狀。此外，能夠擠壓成形的其它結構可以其它方式將分離的篩床部與產品罐部相結合，包括，例如，腹板、凸起或延伸部。
[0024]更進一步，可通過擠壓形成不止一個篩床部300和不止一個產品罐部302并將它們按照本文所述進行連接。例如，圖3F中所示的篩床部300可與多個產品罐部302共用公用的壁結構，該公用的壁結構可以部分地或全部地以與產品罐部302相同的方式圍繞篩床部300。類似地，產品罐部302可與多個篩床部300共用公用的壁結構。
[0025]現在參照圖3G，示出了篩床和產品罐組件206的分解透視圖。如前文描述的，組件206包括端帽304和306，它們附接于篩床部300和產品罐部302。利用密封部件322和324便于進行端帽304和306的附接。如圖3G所示，密封部件322和324具有與篩床部300和產品罐部302的遠端的橫截面相匹配的物理幾何形狀。密封部件322和324構造成能接收篩床部300和產品罐部302的端部。密封部件322和324還構造成能被接收到端帽304和305的配合部中。這樣，密封部件322和324提供了一種便于進行端帽304和306的附接以及篩床部302和產品罐部304的內部空間的密封的密封圈效果。每個密封件部包括用于密封篩床部300和產品罐部302的構件。在其它實施例中，通過在端帽304和306內設置密封部可省略密封部件322和324。
[0026]圖3H是篩床和產品罐組件206的上部的細節圖。密封部件322包括多個凹部326、328和330，例如，用于接收篩床部300和產品罐部302的端部。每個凹部被壁圍繞并且包括例如頂部332、334和336。密封部件322的頂部332、334和336被接收在例如端帽304的凹部338,340和342內。端帽304的凹部338,340和342例如由從端帽304突伸的壁形成。當端帽304通過緊固件固定到篩床部300和產品罐部302上時，端帽304以及篩床部300和產品罐部302壓緊密封部件322，從而提供不透氣密封。端帽306和密封部件324具有類似的構造。如上所述，可省略密封部件322和324并可在端帽304中制造凹部338、340和342以形成不透氣密封。
[0027]現在參照圖31-3L，尤其參照圖3J，其示出了可替代端帽設計350的透視圖。端帽350與前述端帽304的區別在于，端帽350包括一體的聲音衰減器或消音器。圖2中的實施例包括分立的聲音衰減器或消音器216和218，而端帽350的實施例將聲音衰減器或消音器整合到其結構中。
[0028]如圖3J所示，端帽350包括具有篩床/產品罐接口部352的主體。接口部352還用作基部，消音器部354從基部延伸。安裝突起356也從接口部352延伸。消音器塊體358被容納在消音器部354內，穿孔排氣帽360封閉消音器部354。安裝突起356接受穿過排氣帽360和消音器塊體358的緊固件。也可使用可替代的手段來固定這些構件。
[0029]端帽350還包括輸入端口 362以及可附接于該輸入端口的接頭364。端帽350還包括通向消音器部354的輸入端口 365。輸入端口 365通過通道367連接于消音器部354。這樣，從篩床排出的氣體通過端口 365和通道367輸入到消音器部354中。然后，氣體被消音器部354通過穿孔端帽360排出。
[0030]現在參照圖3M和3N，尤其參照圖3N，其示出了端帽350的分解剖視圖。篩床/產品罐接口部352示出為具有類似于端帽304的壁結構，用于接受類似于密封部件322的密封部件(見圖3F及其相關的文字介紹)。消音器部354具有從接口部354延伸的壁以形成周邊界定的空間366。安裝突起356也從接口部352延伸并設置在空間366中。
[0031]消音器塊體358是多孔的并包括延伸穿過其的鏜孔(bore)或洞孔(hole)368。鏜孔或洞孔368尺寸設計成使得安裝突起356能夠被接收在其中以便保持和固定消音器塊體358。在其它實施例中，消音器塊體358可為具有非多孔部的半多孔型或者可由任何其它隔音材料制成。消音器塊體358設置在空間366內靠近接口部352處，但也可以尺寸設計成能至少部分地填充空間366。當排出氣體時，消音器塊體358可移位成更靠近或抵靠穿孔帽360 (見圖30，其示出了未移位的位置)
穿孔帽360包括多個孔，用于排出被引入到消音器部354中的氣體。帽360包括具有孔的基部和從基部延伸以形成空間370的壁。端帽360及其壁構造成能將消音器部354的端部接收在其中。這通過為帽360的壁設置用于鄰接消音器部354的端部的臺肩部而實現。然后，緊固件穿過帽360并與突起356相接以將這兩個構件保持在一起。也可使用其它的緊固手段，包括按扣夾(snap clip)、粘膠劑、超聲焊接等。圖30示出了端帽350的剖切透視圖，顯示出組裝后的結構。
[0032]壓縮機組件
現在參照圖4A，示出了壓縮機組件210和殼體后部106的透視圖。壓縮機組件210具有框架406，壓縮機408安裝或懸掛在框架406內部。殼體后部106具有與壓縮機組件210相接的槽400和402。框架406具有凸片，例如凸片404，其被接收在槽400和402中以將壓縮機組件210定位并固定到殼體后部106上。也可采用其它裝置來將壓縮機組件210安裝到殼體后部106上，例如支架和緊固件。
[0033]圖4B是壓縮機組件210的分解透視圖。壓縮機組件210包括壓縮機408、具有部件420、422和424的多零件接口支架、框架406以及多個懸掛部件430。接口支架部件420包括多個與接口支架部件422和424中的孔口 426聯接的鉤型部428。圖4C示出了部件420、422和424聯接在一起時的接口支架。接口支架通過適當的緊固裝置(例如螺釘、螺栓、夾具或銷)而聯接于或附接于壓縮機408的主體。
[0034]仍然參照圖4B，懸掛部件430包括通過細長的中央部連接在一起的加大端部。懸掛部件430是彈性的，它們可在張力作用下伸展。在一個實施例中，懸掛部件430由彈性體材料(例如橡膠)形成。在其它實施例中，懸掛部件430可由金屬制成以形成彈性彈簧。
[0035]框架406包括多個結構支撐部件，它們通常形成具有頂部414、底部416以及側面412和418的籠狀結構。框架406的角部包括開口或孔口 434，與懸掛部件430結合使用以將壓縮機408如圖4A所示那樣安裝或懸掛在框架406內。
[0036]現在參照圖4D，示出了移除壓縮機408之后的壓縮機組件210的剖視圖。示出了接口支架部件424，其包括與懸掛部件430相接的鉤部432。具體地，懸掛部件430的加大端部插入到鉤部432的洞眼以及框架406的凹部或開口 434中。雖然圖4D示出了接口支架424在框架406內的懸掛或安裝，但接口支架422類似地懸掛或安裝在框架406內，從而將壓縮機408懸掛或安裝在框架406內。
[0037]由于構造成這樣，壓縮機408以能隔離壓縮機408的運動或振動的方式相對于框架406進行懸掛或安裝。壓縮機408的運動或振動是通過彈性懸掛部件430進行隔離的。彈性懸掛部件430允許壓縮機408在框架406內運動而不將該運動傳遞給框架406。在這個實施例中，在框架406的角處一共使用了 8個懸掛部件430，但不必須是這種情況。可在相對于框架406和壓縮機408的任何位置處，以適當地允許壓縮機408相對于框架406運動而不將該運動傳遞給框架406的方式，使用任何數量的懸掛部件。
[0038]現在參照圖4E，示出了呈懸掛部件436形式的懸掛部件的第二實施例。懸掛部件436與懸掛部件430的類似之處在于，其結構上包含了多個懸掛部件430。如圖所示，懸掛部件436包含4個獨立的懸掛部件430。懸掛部件436還包括用于將獨立的懸掛部件部430連接在一起以形成單一整體的連接部438。在其它實施例中，懸掛部件436不必形成為連續結構，而是也可以形成開放式結構，例如，通過省略圖4E中所示的其中一個連接部438。也可以采用能為獨立的懸掛部件430提供物理聯系的另一種構型。
[0039]懸掛部件436以與針對430的獨立懸掛部件所述相同的方式連接于接口支架部件422和424。也就是說，懸掛部件430的加大端部440插入到接口支架部件的鉤部432的洞眼中，而加大端部442插入到框架406的開口或凹部434中。在某些情況下，懸掛部件436可能允許壓縮機組件210更簡單地進行組裝。在所示實施例中，將需要2個懸掛部件436來替代圖4B中所示的8個懸掛部件430。圖4F示出了壓縮機組件210的又一個實施例,其包括具有圓形端部的接口支架，該圓形端部通過懸掛部件430懸掛在框架內。
[0040]由于構造成這樣，壓縮機組件210能減少運行期間可能從壓縮機產生的噪聲、振動以及振動引起的噪聲。而且，壓縮機組件構造成使得壓縮機408可按照多個取向安裝在框架408內。接口支架部件420、422和424以及框架406可由任何合適的材料制成，這些材料包括，例如，金屬或塑料或其組合。
[0041]可變排泄閥
濃縮器的另一個實施例包括可變排泄閥502。現在參照圖5A，排泄閥502和固定孔口514串聯并與篩罐300氣體連通。工作時，流量設置輸入504由用戶選擇并由基于微處理器的控制器506接收。控制器506具有與其關聯的存儲器和用于控制例如壓縮機408、主閥MVl和MV2、排氣閥EVl和EV2、節約閥(conserver valve)512、壓力均衡閥PE和排泄閥502的工作的邏輯。所有這些閥都是電磁線圈控制的。在一個實施例中，壓縮機408根據流量設置輸入504以可變速度運行。例如，低的流量設置允許壓縮機408以較低的速度運行，從而節約能量。針對較高的流量設置，壓縮機408可以較高的速度運行。例如，針對最低至最高的流量設置輸入504，控制器506可使壓縮機408以1100轉每分鐘(rpm)、1500rpm、2050rpm、2450rpm和3100rpm的速度運行。當然，也可預想其它的速度值并可實施任何合適的速度值。控制器506也接收來自壓力傳感器510的輸入。
[0042]流量設置輸入504由控制器506接收。流量設置輸入504可指定用戶期望以脈沖輸出模式輸送產品氣體(例如氧氣)的流率。例如，多個流量設置輸入504可包括300cc/min(例如，在20次呼吸每分鐘(bpm)下為15cc/脈沖)、460cc/min (例如,在20bpm下為23cc/脈沖)、620cc/min (例如,在 20bpm 下為 3 Icc/ 脈沖)、740cc/min (例如,在 20bpm 下為 37cc/脈沖)、或者840cc/min (例如,在20bpm下為42cc/脈沖)。根據這個設置，控制器506適當地控制壓縮機408和各閥以輸送期望脈沖輸出流量的氧氣。當然，可以預想其它的流率值并可實施任何合適的流率值。此外，流量設置輸入504可以指定用戶期望以連續輸出模式輸送產品氣體的流率。
[0043]通常，濃縮器利用變壓吸附(PSA)過程來工作。壓縮機408將室內空氣經由主閥MVl和MV2以交替方式輸送到篩罐300。在填充一個篩罐300的同時，通常清空其它篩罐300的內容物。如前文所述，每個篩罐300都填充有氮氣吸附材料，使得氮氣被捕集在篩罐300中，而氧氣則被允許通到產品罐302中。當特定篩罐達到其吸附容量(這可通過其輸出壓力得知)時，必須在篩罐300能被再次使用之前清空所吸附的氣體，例如氮氣。
[0044]壓力均衡閥PE通過使接近填充完成的篩罐與接近其清空周期結束的篩罐的輸出管線之間的壓力均衡，而允許更高效地產生氧氣。美國專利N0.4，449，990和5，906, 672(通過引用的方式引入在本文中)，進一步描述了壓力均衡閥的工作。由特定篩床300輸出的氧氣可被儲存在所述一個或所述兩個產品罐302中。在圖5A的實施例中使用了這兩個產品罐 302。
[0045]如上所述，控制器506可利用壓力傳感器510檢測增壓篩罐300何時達到其吸附容量。如圖5A所不,在一個實施例中，壓力傳感器510提供指不第一止回閥516和第二止回閥516的產品罐一側的壓力的信號，其中第一止回閥516使氧氣流從增壓篩罐300流入互連的產品罐300中，第二止回閥516在另一個篩罐300再生時阻止氧氣流從互連的產品罐300流入該另一個篩罐300中。例如，所述信號可反映增壓氧氣和環境空氣的之間的區另IJ。在其它實施例中，壓力傳感器510可位于與增壓篩罐300的輸出流體連通的任何位置。如果期望直接監測每個篩罐300的輸出，則可采用多個壓力傳感器510。一旦增壓篩罐300達到其容量，控制器506就將該增壓篩罐300切換到清空或排氣周期中，而將另一個現在已再生的篩罐300切換到增壓周期。此為PSA過程的基本的重復性、交替的操作。例如，針對最低至最高的流量設置輸入504，控制器506可在壓力傳感器510檢測到9.0磅每平方英寸表壓(psig)、12.5psig、16.5psig、19.0psig 和 23.5psig 時,切換或輪換篩罐 300 的周期。當然，可預想其它的psig值并可實施任何合適的psig值。
[0046]在一個實施例中，排泄閥502在被激活至打開或“開啟”狀態之前具有可變“開啟延遲”。在一個實施例中，該可變“開啟延遲”與流量設置輸入504相關聯。例如，針對最低至最高的流量設置輸入504,控制器506可在3.3秒(sec)、3.0sec、2.9sec和2.9sec的“開啟延遲”之后激活排泄閥502。當然，可預想其它的“開啟延遲”值并可實施任何合適的“開啟延遲”值。在一個實施例中，在增壓篩床300達到其容量并伴隨著相應增壓周期的結束(即，另一個篩罐300進行下次增壓周期的開始)之后，控制器506停用排泄閥502。一般而言，排泄閥502將一個篩罐300中的氧氣以受孔口 514限制的流率“排泄”到另一個篩罐300中。也就是說，氧氣被允許從增壓篩罐300流向排氣或清空篩罐300。這種氧氣流動有助于篩罐300的排氣或清空，以將篩罐300所捕獲的氮氣驅趕出并對其自身進行再生以供其下一次增壓周期之用。由于壓縮機408根據流量設置輸入504對篩罐300進行可變增壓，因此能被可變地控制的篩罐300之間的排泄流可有助于針對在合適純度水平下濃縮器的相應產品氣體輸出流率的排氣篩罐的有效清空。
[0047]通常，流量設置輸入504的值越高，“開啟延遲”時間(即，閉合時間)就越短，而排泄閥502打開的時間就越長，被送至排氣篩罐300中的排泄流也就越多。這是因為，針對較高值的流量設置輸入504可使用較高的增壓水平。較高的增壓水平會需要較多的排泄流來再生排氣或清空篩罐300。相反，流量設置輸入504的值越低，“開啟延遲”時間(即，閉合時間)就越長，而排泄閥502打開的時間就越短。這是因為，針對較低值的流量設置輸入504會使用較低的增壓水平。較低的增壓水平會需要較少的排泄流來再生排氣或清空篩罐300。因此，上述可變的“開啟延遲”邏輯允許使通過控制用于清空排氣篩罐300的氧氣量所產生的氧氣利用率最大化，從而獲得提高了水平的系統效率。在其它實施例中，可使用其它可變邏輯來針對不同的流量設置輸入504改變排泄閥502的其它控制參數(例如，排泄流持續時間)。在進一步實施例中，可變邏輯可使用其它的傳感參數(例如，壓力)來針對不同的流量設置輸入504改變“開啟延遲”或其它控制參數。
[0048]如上所述，排泄閥502激活之前的“開啟延遲”時間段取決于流量設置輸入504的值，該值又轉而基于某些其它工作參數，如產品罐輸出壓力、篩罐輸出壓力、壓縮機速度以及各個構件的體積容量。在一個實施例中，可基于濃縮器構件的物理規格根據經驗確定針對每個流量設置輸入504的具體“開啟延遲”時間段。然后將針對每個流量設置輸入504值的“開啟延遲”時間存儲在控制器506的存儲器或邏輯內的查詢表中。因此，在讀取流量設置輸入504之后，控制器506從存儲在其存儲器或邏輯中的查詢表查詢排泄閥可變“開啟延遲”時間。然后，使用相應的“開啟延遲”時間來從提供排泄流的篩罐300的增壓周期開始，延遲排泄閥502的激活。如圖所示，增壓周期在壓力均衡閥PE閉合之后開始(見圖5B中的時間圖)。在“開啟延遲”時間屆滿(這可由存儲器或邏輯中的計時器監測)之后，排泄閥502被激活(即，打開或“開啟”)并保持打開直到下一個PSA周期開始，在所述下一個PSA周期中兩個篩罐300的作用被切換。
[0049]在其它實施例中，可變“開啟延遲”可至少部分地基于最短“開啟延遲”時間。在另一個實施例中，可變“開啟延遲”可至少部分地基于一個或多個其它參數，如以任何方式組合的產品罐輸出壓力、篩罐輸出壓力、壓縮機速度以及各個構件的體積容量。在又一些其它實施例中，可變“開啟延遲”可至少部分地基于最短“開啟延遲”時間與一個或多個其它參數的組合。例如，在最短“開啟延遲”時間之后，如果那時或當前增壓周期完成之前的任何時刻所述其它參數超過預定閾值，則可觸發排泄閥502的激活。當然，可預想替代或相反的邏輯并可實施參數和閾值之間的任何合適的邏輯關系。在又一些其它實施例中，在沒有最短“開啟延遲”的情況下如果在增壓周期中的任何時刻所述其它參數超過預定閾值，則可觸發排泄閥502的激活。
[0050]在本文所描述的任何實施例中，排泄閥502在激活之后也可具有可變的“最長開啟時間”，以便限制其保持打開或者說處于“開啟”狀態的連續時間。可變的“最長開啟時間”可與流量設置輸入504相關聯。例如，針對最低至最高的流量設置輸入504，控制器506可在2.2sec、2.4sec、2.6sec、2.8和3.0sec的“最長開啟時間”之后停用排泄閥502。當然，可預想其它的“最長開啟時間”值并可實施任何合適的“最長開啟時間”值。在這個實施例中，如果在“最長開啟時間”屆滿之前當前增壓周期結束，則也將停用排泄閥502。相反，如果“最長開啟時間”在當前增壓周期結束之前屆滿，則可基于上述“開啟延遲”時間或參數觸發的任何組合再次激活排泄閥502。如果期望，也可將排泄閥502固定成提供連續的排泄或者固定成具有與流量設置輸入504無關的預定打開時間。此外，可針對特定的流量設置輸入504將“開啟延遲”時間設置為零以提供連續的排泄，并且可針對特定的流量設置輸入504將“最長開啟時間”設置為零以阻止排泄閥502的激活。
[0051]圖5B示出了圖5A中所示閥的時間圖的一個實施例。如圖所示，在第一增壓周期之后，每個增壓周期在壓力均衡閥PE從閉合(S卩，關斷、停用)過渡到打開(S卩，開啟、激活)之時開始。例如，在壓力均衡閥PV的第一次激活之后，增壓氧氣從第一篩罐300 (S卩，與主閥MVl相關聯的)經由壓力均衡閥PV流動以增大第二篩罐300 (S卩，與主閥MV2相關聯的)中的壓力。如果要用壓力均衡閥PE來幫助第二篩罐300的清空和再生，則與壓力均衡閥PE的這次激活一起或在這次激活之后不久，停用排氣閥EV2。在壓力均衡閥PE的這次激活之后不久，停用主閥MVl并激活主閥MV2以將壓縮機408所產生的進氣空氣流從第一篩罐300切換到第二篩罐300。在切換了主閥MVl和MV2之后不久停用壓力均衡閥PE。通常，與壓力均衡閥PE的這次停用一起激活排氣閥EVl以允許篩罐300之間的壓力均衡得以繼續。然而，如果期望，可與主閥MVl的停用一起或者在這之后不久并且在壓力均衡閥PE的停用之前激活排氣閥EV1。以交替的方式繼續這個過程以提供PSA過程。
[0052]具體地，可以看到，在壓力均衡閥PE為打開或者說“開啟”時，排泄閥502可通常為閉合的或者說“關斷的”，但不必須是這種情況。還可以看到，排泄閥的可變“開啟延遲”時間在壓力均衡閥PE從閉合或者說“關斷”過渡到打開或者說“開啟”時開始，但也不必須是這種情況。在某些情況下，允許這些閥的打開或者說“開啟”狀態重疊是有益的。換句話說，在某些情況下，可同時或以任何組合方式使用排泄閥502和壓力均衡閥PE這兩者，以提供從增壓篩罐300向另一個篩罐300的排泄流，以供該另一個篩罐300的清空和再生之用。
[0053]圖5C示出了在主閥MV1、排泄閥502和排氣閥EV2被激活(即，打開)并且主閥MV2和排氣閥EVl被停用(即，閉合)時，排泄流從篩罐I經由孔口 I和篩罐2流向排氣出口的示例性路徑。圖示出了在主閥MV2、排泄閥502和排氣閥EVl被激活并且主閥MVl和排氣閥EV2被停用時，排泄流從篩罐2經由孔口 I和篩罐I流向排氣出口的示例性替代路徑。如虛線所示，在一個實施例中，可在單個構件中提供排泄閥502和孔口 I的功能，該單個構件可被稱為可變限流器。在另一個實施例中，孔口 2可提供與排泄閥502和孔口 I并行的連續固定排泄流。孔口 2將建立最小排泄流，該最小排泄流可通過本文所述的排泄閥502的激活而增大。在又一個實施例中，可激活PE閥以與孔口 2或者排泄閥502和孔口 I的串聯組合聯合提供或補充排泄流。
[0054]在另一個實施例中，控制器506可監測PSA切換時間卿，增壓周期時間)以針對操作濃縮器時所在的某些地球海拔范圍來識別替代工作模式。例如，針對一直到約6300英尺時的操作可實施低海拔模式，而針對6300英尺以上時的操作可實施高海拔模式。當然，可預想其它的海拔范圍并可實施更多的海拔模式。在較高海拔下，由于較低的環境大氣壓力(即，較稀薄的空氣)，PSA切換時間趨于增加。可基于給定的海拔范圍調節濃縮器的某些工作參數，以便提高效率和維持產品氣體的體積輸出量、流率和純度的合適水平。
[0055]測試已經證明，在低海拔工作模式下，基于流量設置輸入504的排泄閥502的固定“開啟延遲”可以是可接受的。但是，海拔越高，輪換篩罐300的增壓之間的切換時間就越長，因為濃縮器花費越來越長的時間來積聚期望切換壓力。響應于該較長的切換時間，濃縮器可切換到較高海拔模式下，該較高海拔模式可調節一個或多個工作參數(即，產品罐輸出壓力、篩罐輸出壓力、排泄閥控制)以將切換時間保持在最佳范圍內。如果在寬的海拔范圍上維持排泄閥502的固定“開啟延遲”，則在該海拔范圍的較低高度處可能有很少或沒有排泄流。此外，在較高高度處當切換時間被顯著延長時，固定的“開啟延遲”會導致過多的排泄流。沒有排泄流以及過多排泄流會導致源自濃縮器的產品氣體處于在寬海拔范圍的較低和較高高度處工作時的期望純度水平之外。
[0056]在海平面以上5300至11150英尺范圍內的各海拔處采集了數據并進行了分析。針對每個流量設置輸入504識別低海拔和高海拔切換時間的標稱值。例如，I)在最低流量設置輸入504下，識別低海拔和高海拔切換時間的標稱值為5.5秒和14秒，并且與從低海拔模式到高海拔模式的過渡相關聯的閾值為6300英尺；2)在下一較高的流量設置輸入504下，識別低海拔和高海拔切換時間的標稱值為5秒和13秒，并且與從低海拔模式到高海拔模式的過渡相關聯的閾值為6200英尺；3)在中間的流量設置輸入504下，識別低海拔和高海拔切換時間的標稱值為5秒和11.5秒，并且與從低海拔模式到高海拔模式的過渡相關聯的閾值為6200英尺；4)在下一較高的流量設置輸入504下，識別低海拔和高海拔切換時間的標稱值為5秒和10.5秒，并且與從低海拔模式到高海拔模式的過渡相關聯的閾值為6300英尺；以及5)在最高流量設置輸入504下，識別低海拔和高海拔切換時間的標稱值為5.5秒和11秒，并且與從低海拔模式到高海拔模式的過渡相關聯的閾值為6000英尺。
[0057]可為從低海拔模式到高海拔模式的過渡(例如，大約12秒)以及從高海拔模式到低海拔模式的過渡(例如，大約5.5秒)設立合適的切換時間閾值。當然，可針對不同的流量設置輸入504設立不同的切換時間閾值。例如，針對不同的流量設置輸入504，從低海拔模式過渡到高海拔模式的切換時間閾值可在10.5秒至14秒之間的范圍內。類似地，針對不同的流量設置輸入504，從高海拔模式過渡到低海拔模式的切換時間閾值可在5.0秒至5.5秒之間的范圍內。通常，所述閾值將不相同，從高海拔模式過渡到低海拔模式的閾值將低于另一閾值以產生合適的滯后。在另一個實施例中，可將海拔模式之間的過渡延遲一段固定的時間或者直到預定數量的連續增壓周期(例如，三個連續周期)的切換時間顯示適合進行海拔模式過渡。
[0058]針對任何海拔模式，可以本文所述的任何方式控制排泄閥502。顯然，可在不同海拔模式下對排泄閥502進行不同的控制。因此，可至少部分地基于海拔模式來實施優選的排泄閥控制技術，并且海拔模式之間的過渡可導致排泄閥控制技術間的相應過渡。
[0059]在一個實施例中，與排泄閥502的激活和PSA切換時間卿，增壓周期時間)相關聯的“開啟延遲”時間圍繞流量設置輸入506的范圍具有大致線性的關系。切換時間可由針對每個流量設置輸入506的切換壓力設定點代表，因為切換時間是給定篩罐300達到與其滿容量相關的壓力所花費的時間。在描述的實施例中，可假設篩罐300中的壓力積累為線性的。這允許將排泄閥激活壓力表達成針對每個流量設置輸入506的壓力設定點的比值。然后可利用該比值來確定閾值壓力值。在壓力積聚期間，如果壓力超過閾值壓力值，則控制器506激活(即，打開)排泄閥502。這可確保至少有足夠的排泄流來維持期望純度水平，同時也限制排泄流以避免氧氣的不必要損失。在其它實施例中，“開啟延遲”時間可為PSA切換時間的非線性函數。類似地，在其它實施例中，針對不同的流量設置輸入506，用于確定“開啟延遲”時間的函數可不相同。
[0060]下表不出了濃縮器在低海拔模式(LAM)下工作時針對每個流量設置輸入506的示例性壓力設定點。在一個實施例中，可利用以下方程從針對LAM的示例性壓力設定點確定針對高海拔模式(HAM)的壓力設定點:
HAM壓力設定點=LAM壓力設定點*比值(I)
其中，針對所有的流量設置輸入506，比值可為0.875。當然，可利用其它的技術或者其它合適的標準來確立HAM壓力設定點。例如，所述比值可為不同的值，或者可由針對任何特定流量設置輸入506的可變函數替代。此外，在實施附加海拔模式的情況下，可使用任何合適的技術或標準來確立針對每個海拔模式的輪換壓力設定點。
[0061]在一個實施例中，在HAM期間用于觸發排泄閥502的激活的閾值可利用以下方程來確定:
HAM壓力閾值=HAM壓力設定點*比值(2)
其中，比值可為:i) 0.55，針對最低流量設置輸入506，ii) 0.60，針對下一較高的流量設置輸入506，iii) 0.65，針對中間的流量設置輸入506，iv) 0.70，針對下一較高的流量設置輸入506，V) 0.75，針對最高流量設置輸入506。在另一個實施例中，針對所有的流量設置輸入506，比值可為0.90。當然，可利用其它的技術或者其它合適的標準來確立HAM壓力閾值。例如，所述常數可為不同的值，或者可由針對任何特定流量設置輸入506的可變函數替代。此外，在實施附加海拔模式的情況下，可使用任何合適的技術或標準來確立針對每個海拔模式的輪換壓力閾值。
[0062]例 I
【權利要求】
1.一種提供濃縮產品氣體的方法，包括: a)通過第一和第二篩罐在交替且相反的增壓和清空周期中將一種或多種可吸附組分從增壓源氣態混合物分離，以形成濃縮產品氣體；以及 b)在維持可接受的濃縮產品氣體純度水平的同時，在多個預定海拔范圍內選擇性地控制增壓和清空周期。
2.如權利要求1所述的方法，還包括: c)在與所述多個預定海拔范圍相對應的多個海拔模式中選擇性地控制增壓和清空周期，控制器在當前海拔模式下工作；以及 d)通過在處于較高海拔閾值以上第一穩定時間之后從當前海拔模式過渡到較高海拔模式，以及在處于較低海拔閾值以下第二穩定時間之后從當前海拔模式過渡到較低海拔模式，來維持可接受的濃縮產品氣體純度水平。
3.如權利要求2所述的方法，其中，第一和第二穩定時間至少部分地基于增壓周期的預定量和最小穩定時間中的至少一個。
4.如權利要求2所述的方法，還包括: e)通過可變限流器提供第一和第二篩罐之間的可調流量；以及 f)至少部分地基于當前 海拔模式來選擇性地控制可變限流器，其中就相應的增壓周期而言，針對至少一個海拔模式的第一和第二篩罐之間的可調流量不同于針對另一個海拔模式的第一和第二篩罐之間的可調流量。
5.如權利要求2所述的方法，還包括: e)檢測濃縮產品氣體的壓力； f)將檢測壓力與和相應增壓周期的完成相關聯的切換閾值進行比較； g)隨著增壓周期的開始啟動計時器；以及 h)在檢測壓力高于切換閾值后停止計時器，以測量相應的增壓周期時間。
6.如權利要求2所述的方法，還包括: e)提供節約閥，該節約閥具有與用戶相聯的輸出連接部、與通風口相聯的通風連接部、以及與濃縮產品氣體相聯的氣體連接部，其中，輸出連接部從通風連接部切換到氣體連接部，反之亦然；以及 f )選擇性地控制節約閥，以便至少部分地基于當前海拔模式來選擇性地向用戶分配一氣團濃縮產品氣體，并且就相應的增壓周期而言，針對至少一個海拔模式的氣團不同于針對另一個海拔模式的氣團。
7.一種提供濃縮產品氣體的方法，包括: a)選擇濃縮產品氣體的第一期望輸出設定值； b)提供用于供應待分配濃縮產品氣體的產品氣體源； c)監測濃縮產品氣體的壓力；以及 d)選擇性地將與用戶相聯的輸出連接部從與通風口相聯的通風連接部切換到與濃縮產品氣體相聯的氣體連接部，以便至少部分地基于所選擇的輸出設定值和監測壓力來選擇性地分配濃縮產品氣體,反之亦然。
8.如權利要求7所述的方法，還包括: e)監測指示用戶呼吸周期的流量；以及f)至少部分地基于監測流量來確定用戶的呼吸特性； 其中，在d)中進行的選擇性切換至少部分地基于所監測的呼吸特性；以及 g)至少部分地基于所確定的呼吸特性與指示吸氣的觸發閾值之間的關系來確定經由輸出連接部向用戶分配一氣團濃縮產品氣體的起始時間。
9.如權利要求8所述的方法，還包括: h)至少部分地基于所選擇的輸出設定值來確定壓力加和閾值；以及 i)至少部分地基于監測壓力與壓力加和閾值之間的關系來確定分配該氣團濃縮產品氣體的持續時間。
10.如權利要求8所述的方法，還包括: h)至少部分地基于與前一氣團相關聯的鎖定時間的屆滿來確定分配該氣團濃縮產品氣體的起始時間。
11.一種設備，包括: 主體，所述主體形成具有篩床部和產品罐部的組件，其中篩床部和產品罐部被公用壁隔開，篩床部適于將一種或多種可吸附組分從增壓源氣態混合物分離，產品罐部適于儲存一定體積的濃縮產品氣體； 第一端帽，所述第一端帽設置在主體的第一遠端，用于提供與篩床部相關聯的入口和與產品罐部相關聯的出口 ；以及 第二端帽，所述第二端帽設置`在主體的相對遠端，適于將濃縮產品氣體從篩床部引導到產品罐部。
12.—種設備,包括: 框架，所述框架包括多個形成籠狀結構的結構性支撐部件；以及 壓縮機，所述壓縮機通過多個懸掛部件懸掛在框架內，適于向產品氣體濃縮器的第一和第二篩罐提供增壓源氣態混合物。
13.—種設備,包括: 封閉過濾器的主體，該過濾器適于過濾來自產品氣體源的濃縮產品氣體并提供經過濾的產品氣體，該過濾器包括: HEPA過濾器、疏水性過濾器和硼硅玻璃微纖維過濾器中的至少一種。
【文檔編號】B01D53/053GK103657334SQ201310563818
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2008年4月21日 優先權日:2007年4月20日
【發明者】T.B.斯普林克爾, W.J.丹尼爾斯, T.A.德羅布納克, D.G.費爾蒂, V.A.霍多斯, M.J.費比安, S.J.舍爾努特, J.R.奧爾塞夫斯基 申請人:英瓦卡爾公司