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CN105008019A - 利用真空变压吸附的产品气体浓缩器及与其相关联的方法 - Google Patents

利用真空变压吸附的产品气体浓缩器及与其相关联的方法 Download PDF

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CN105008019A
CN105008019A CN201480013306.9A CN201480013306A CN105008019A CN 105008019 A CN105008019 A CN 105008019A CN 201480013306 A CN201480013306 A CN 201480013306A CN 105008019 A CN105008019 A CN 105008019A
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pump
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J.B.里奇二世
W.J.丹尼尔斯
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Invacare Corp
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Abstract

提供了与利用真空变压吸附过程提供浓缩产品气体相关联的系统及方法。在一个实施例中，系统包括第一筛床和第二筛床、换气泵，以及控制器。在一个实施例中，该方法包括：在真空变压吸附过程的交替且相对的填充和吹扫循环中经由第一筛床和第二筛床将一种或更多种可吸附成分与气态混合物源分离，以形成浓缩产品气体，并且使浓缩气体加压用于输送至使用者。其它实施例包括至少部分地基于期望输出设定来选择性地控制可变限制器，以选择性地提供第一筛床与第二筛床之间的流动，使得用于至少一个输出设定的流不同于关于对应的填充循环的用于至少一个其它输出设定的流。

Description

利用真空变压吸附的产品气体浓缩器及与其相关联的方法
相关申请的交叉引用
本申请请求享有2013年3月8日提交的美国专利申请序列第13/790,473号的优先权和权益，该申请请求享有2013年1月9日提交的美国临时申请序列第61/750,517号的优先权，其通过引用全部并入本文中。本申请涉及2008年4月21日提交的共同未决的美国申请序列第12/106,861号(代理人卷号12873/05505)。所有上文识别的(多个)专利申请和(多个)专利的内容通过引用全部并入本文中。
背景技术
存在用于分离气态混合物的各种应用。例如，从环境空气分离氮可提供高浓度的氧源。这些各种应用包括提供升高浓度的氧来用于医疗患者和飞行人员。因此，合乎需要的是提供系统，其分离气态混合物来提供浓缩产品气体，如具有一定浓度的氧的呼吸气体。
若干现有的产品气体或氧浓缩器例如在共同转让给Invacare Corporation(Elyria, Ohio)并且通过引用全部并入本文中的美国专利号4,449,990、5,906,672、5,917,135、5,988,165、7,455,717、7,722,700、7,875,105、8,070,853和8,282,717，以及美国专利申请序列号61/608,874、61/661,260和13/790,312中公开。
附图说明
图1提供了产品气体浓缩器的示例性实施例的透视图；
图2提供了图1的产品气体浓缩器的分解视图；
图2A-D提供了其它示例性产品气体浓缩器的分解视图；
图3A-H提供了用于示例性产品气体浓缩器的筛床和产品罐组件的示例性实施例的各种透视、截面、分解视图；
图3I-O提供了用于图3A的筛床和产品罐组件的端盖的备选示例性实施例的各种透视、截面、分解视图；
图4A-D提供了用于示例性产品气体浓缩器的真空泵组件的示例性实施例的各种透视、截面、分解视图；
图4E提供了用于图4A的真空泵组件的多个悬杆的备选示例性实施例的俯视图；
图4F提供了用于示例性产品气体浓缩器的真空泵组件的另一个示例性实施例的透视图；
图4G提供了产品气体浓缩器的示例性实施例的示例性压力级的框图；
图5A提供了另一产品气体浓缩器的示例性实施例的示意性框图；
图5B提供了包括另一产品气体浓缩器的示例性实施例的示例性控制器的框图；
图5C提供了另一产品气体浓缩器的示例性实施例的示意性框图；
图5D提供了用于图5A的产品气体浓缩器的阀控制方案的示例性实施例的正时图；
图5E提供了示出示例性产品气体浓缩器的示例性实施例的用于从筛床1到筛床2的流动的若干示例性策略的框图；
图5F提供了示出示例性产品气体浓缩器的示例性实施例的用于从筛床2到筛床1的流动的若干策略的框图；
图5G提供了用于图5A的产品气体浓缩器的阀组件的示例性实施例的俯视图和侧视图；
图5H提供了图5G的阀组件的框图；
图6A和6B提供了用于示例性产品气体浓缩器的出口端口的示例性实施例的透视图和截面视图；
图7提供了用于关于示例性产品气体浓缩器的示例性真空/压力传感器校准的过程的示例性实施例的流程图；
图8提供了用于确定用于分配示例性产品气体浓缩器的一团浓缩产品气体的持续时间的过程的示例性实施例的流程图；
图9提供了用于示例性产品气体浓缩器的节约阀控制方案的示例性实施例的正时图；
图10提供了产品气体浓缩器的又一个示例性实施例的框图；以及
图11提供了用于连同产品气体浓缩器将浓缩的产品气体分送至使用者的过程的示例性实施例的流程图。
具体实施方式
在图1中示出了示例性氧浓缩器100的一个实施例。氧浓缩器100包括具有前部104和后部106的壳体102。前部104和后部106包括多个用于吸入和排放各种气体的开口，如例如吸入室内空气并排放氮和其它气体。氧浓缩器100大体吸入主要由氧和氮构成的室内空气，并将氮与氧分离。氧可储存在储存罐中，而氮可排放回到室内空气中。例如，可通过管道系统和鼻管将氧气排放穿过端口108至患者。
图2是图1的示例性氧浓缩器100的分解透视图。氧浓缩器100还包括中央框架202，中央框架202具有电路板和其它与其连接的示例性构件。这些构件包括电池组204、筛床和产品罐组件206和208、蓄积器209、真空泵210、换气泵211、冷却风扇212和阀组件214。虽然这些构件描述为连接于中央框架202，但不必是这种情况。这些构件的一个或更多个可连接于壳体部104或106。其它示例性构件也容纳在氧浓缩器100内，包括，例如，声音衰减器或消音器216和218以及一个或更多个入口过滤器220。在其它实施例中，声音衰减器或消音器可集成到筛床底盖中。
此外，本发明的若干其它实施包括以上构件的各种组合。例如，这些实施例中的一些在图2A-2D中示出如下：图2A示出了没有蓄积器209，具有一个筛床和产品罐组件206，并且具有一个筛床和蓄积器组件208'的实施例；图2B示出了没有换气泵211并且具有组合的真空/换气泵组件210'的实施例；图2C示出了没有蓄积器209，没有换气泵211，具有一个筛床和产品罐组件206，具有一个筛床和蓄积器组件208'，并且具有组合的真空/换气泵组件210'的实施例；并且图2D示出了没有冷却风扇212的实施例。如可认识到的，包括这些构件的其它组合的许多其它实施例可用于实践本发明。
筛床和产品罐组件
现在参照图3A和3B，并且更具体地参照透视图3A，示出了筛床和产品罐组件206。筛床和产品罐组件208类似地构造，并且将不单独描述。组件206包括具有筛床部300和产品罐部302的本体。本体的远端具有第一端盖304和第二端盖306。端盖304包括出口，如出口端口308和310。出口端口308与筛床部300相关联，而出口端口310与产品罐部302相关联。端盖306包括入口，如输入端口312和314。输入端口312与筛床部300相关联，而输入端口314与产品罐部302相关联。端盖304和306利用紧固件(如螺钉或螺栓)适当地连接于组件206的本体，但还可使用任何其它适当的附接器件。
图3C和3D示出了沿图3A的剖切线3C-3C和3D-3D截取的截面图。筛床部300包括第一穿孔插入物316和第二穿孔插入物318。弹簧320还被提供，并且压靠插入物316，插入物316进而压靠设置于插入物316和318之间的分离介质。这确保了物理分离介质压在插入物316和318之间。
穿孔插入物316和318之间的空间填充有物理分离介质或材料。分离材料选择性地吸附气态混合物(如例如氮和氧的气态混合物)的一种或更多种可吸附组分，并且允许气态混合物的一种或更多种不可吸附组分通过。物理分离材料为具有孔隙的分子筛，该孔隙具有均匀大小和基本上相同的分子尺寸。这些孔隙根据分子形状、极性、饱和度等选择性地吸附分子。在一个实施例中，物理分离介质是具有4至5埃孔隙的铝硅酸盐成分。在该实施例中，分子筛是钠或钙形式的铝硅酸盐，如5A型沸石。作为备选，铝硅酸盐可具有更高的硅铝比、更大的孔隙以及针对极性分子的亲和力，例如13x型沸石。在另一个实施例中，可使用锂基沸石。在其它实施例中，可使用任何适当的沸石或其它吸附性材料。沸石吸附氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气以及空气的其它重要组分。不吸附在筛床部300的气体(如氧)可收集和储存在产品罐部302中。
图3E是沿图3D的线3E-3E截取的截面图。示出了产品罐部302和筛床部300的插入物316。图3F是沿图3D的线3F-3F截取的又一截面图，并且以透视图示出。如在该实施例中示出的，筛床部300和产品罐部302由材料(如例如铝)的单个挤压件形成。还可使用其它能够挤压的材料。
筛床部300和产品罐部302共用公用的壁部，并且形成集成的筛床和产品罐组件。具体地，筛床部300和产品罐部302的内部空间至少部分地由公用的壁结构界定。在该实施例中，公用的壁结构示为由筛床部300和产品罐部302共用的弓形或弯曲壁的一部分。在其它实施例中，公用的壁结构不必是弓形或弯曲的，并且可为线性的或任何其它的形状。此外，能够挤压的其它结构可以以其它方式连结分离的筛床部和产品罐部，包括，例如，(多个)腹板、凸起或延伸部。
更进一步，多于一个筛床部300和多于一个产品罐部302可通过挤压形成并且连接，如本文中所述。例如，图3F中所示的筛床部300可与多个产品罐部302共用公用的壁结构，该公用的壁结构可以以与产品罐部302相同的方式部分或全部地围绕筛床部300。类似地，产品罐部302可与多个筛床部300共用公用的壁结构。
现在参照图3G，示出了筛床和产品罐组件206的分解透视图。如早先描述的，组件206包括端盖304和306，其附接于筛床部300和产品罐部302。通过密封部件322和324便于端盖304和306的附接。如图3G所示，密封部件322和324具有与筛床部300和产品罐部302的远端的横截面匹配的物理几何形状。密封部件322和324构造成接收筛床部300和产品罐部302的端部。密封部件322和324还构造成接收在端盖304和305的配合部内。以该方式，密封部322和324提供了便于端盖304和306的附接以及筛床部302和产品罐部304的内部空间的密封的垫圈效果。各个密封部包括用于密封筛床部300和产品罐部302的构件。在其它实施例中，通过在端盖304和306内提供密封部可省略密封部件322和324。
图3H是筛床和产品罐组件206的上部的细节图。密封部件322包括多个凹部326、328和330，例如，用于接收筛床部300和产品罐部302的端部。各个凹部被壁围绕并且包括例如顶部332、334和336。密封部件322的顶部332、334和336接收在例如端盖304的凹部338、340和342内。端盖304的凹部338、340和342例如由从端盖304凸出的壁形成。当端盖304经由紧固件固定于筛床部300和产品罐部302时，端盖304以及筛床部300和产品罐部302压缩密封部件322，从而提供不透气密封。端盖306和密封部件324类似地构造。如上所述，可省略密封部件322和324，并且可在端盖304中制造凹部338、340和342以形成不透气密封。
现在参照图3I-3L，并且更具体地参照图3J，示出了可替代端盖设计350的透视图。端盖350与前述端盖304的区别在于，端盖350包括集成的声音衰减器或消音器。然而，图2的实施例包括分立的声音衰减器或消音器216和218，端盖350的实施例将声音衰减器或消音器集成到其结构中。
如图3J所示，端盖350包括具有筛床/产品罐对接部352的本体。对接部352还用作基部，消音器部354从该基部延伸。安装突起356也从对接部352延伸。消音器块358容纳在消音器部354内，并且穿孔排气盖360闭合消音器部354。安装突起356接受穿过排气盖360和消音器块358的紧固件。也可利用用于固定这些构件的备选器件。
端盖350还包括输入端口362以及可附接于其的配件364。在其它实施例中，可使用其它类型的配件。端盖350还包括至消音器部354的输入端口365。输入端口365通过通路367连接于消音器部354。以该方式，从筛床排出的气体通过端口365和通路367输入到消音器部354中。接着，气体被消音器部354通过穿孔端盖360排出。
现在参照图3M和3N，并且具体地参照图3N，示出了端盖350的分解截面图。筛床/产品罐对接部352示为具有类似于端盖304的壁结构，用于接受类似于密封部件322的密封部件(见图3F及其伴随的文字)。消音器部354具有从对接部354延伸的壁，以便形成周边界定的空间366。安装突起356也从对接部352延伸并且驻留在空间366中。
消音器块358是多孔的并且包括延伸穿过其的开孔或孔368。开孔或孔368尺寸设计成使得安装突起356可接收在其中以保持和固持消音器块358。在其它实施例中，消音器块358可为具有非多孔部的半多孔的，或者可由任何其它隔音材料制成。消音器块358在空间366内设置成邻近对接部352，但其可尺寸设计成使得至少部分地填充空间366。当排出气体时，消音器块358可移位成使得更邻近或抵靠穿孔盖360驻留(见图3O，其示出了未移位的位置)。
穿孔盖360包括多个孔，用于排出引入到消音器部354中的气体。盖360包括具有孔的基部和从其延伸以便形成空间370的壁。端盖360及其壁构造成将消音器部354的端部区段接收在其中。这通过向盖360的壁提供用于邻接抵靠消音器部354的端部区段的肩部而实现。接着，紧固件穿过盖360并且与突起356对接以将这两个构件保持在一起。还可使用其它的紧固手段，包括卡扣夹(snap clip)、胶粘剂、超声焊接等。图3O示出了端盖350的截面透视图，显示组装的结构。
真空泵组件
现在参照图4A，示出了真空泵组件210和后壳体部106的透视图。真空泵组件210具有框架406，压缩机408安装或悬挂在框架406内。后壳体部106具有与真空泵组件210对接的槽400和402。框架406具有凸片，如例如凸片404，其接收在槽400和402中以将真空泵组件210定位并固定于后壳体部106。还可采用将真空泵组件210安装于后壳体部106的其它器件，如例如支架和紧固件。
图4B是真空泵组件210的分解透视图。真空泵组件210包括真空泵408、具有部件的多件对接支架420、422和424、框架406以及多个悬挂部件430。对接支架部件420包括与对接支架部件422和424中的孔口426联接的多个钩型部428。图4C示出了在部件420、422和424联接在一起时的对接支架。对接支架通过适合的紧固器件(如例如螺钉、螺栓、夹具或销)联接或附于真空泵408的本体。
仍然参照图4B，悬挂部件430包括通过细长的中央部连接在一起的扩大端部。悬挂部件430是弹性的，因为它们可在张力下伸展。在一个实施例中，悬挂部件430由弹性体材料(如例如橡胶)形成。在其它实施例中，悬挂部件430可由金属制成以形成弹性弹簧。
框架406包括多个结构支撑部件，其大体上形成具有顶部414、底部416以及侧面412和418的笼状结构。框架406的角部包括开口或孔口434，其与悬挂部件430结合使用以将真空泵408安装或悬挂在框架406内，如图4A所示。
现在参照图4D，示出了在移除真空泵408的情况下的真空泵组件210的截面图。对接支架部件424被示出，并且包括与悬挂部件430对接的钩部432。具体地，悬挂部件430的扩大端部插入到钩部432的洞眼以及框架406的凹部或开口434中。在图4D示出了对接支架424在框架406内的悬挂或安装时，对接支架422类似地悬挂或安装在框架406内，从而将真空泵408悬挂或安装在框架406内。
如此构造，真空泵408以隔离真空泵408的移动或振动的方式相对于框架406悬挂或安装。真空泵408的移动或振动通过弹性悬挂部件430隔离。弹性悬挂部件430允许真空泵408在框架406内移动而不将该移动转移至框架406。在该实施例中，在框架406的拐角处采用了总共8个悬挂部件430，但不必是这种情况。可在相对于框架406和真空泵408的任何(多个)位置处，以适当地允许真空泵408相对于框架406移动而不将该运动转移至框架406的方式，使用任何数量的悬挂部件。
现在参照图4E，示出了呈悬挂部件436形式的悬挂部件的第二实施例。悬挂部件436与悬挂部件430的类似之处在于，其在结构上并入了多个悬挂部件430。如所示，悬挂部件436并入四个独立的悬挂部件430。悬挂部件436还包括将独立的悬挂部件部430连接在一起以形成单一整体的连接部438。在其它实施例中，悬挂部件436不必形成为连续结构，而是还可形成开放式结构，如例如，通过省略图4E中所示的连接部438中的一个。还可采用提供独立的悬挂部件430的物理连通的另一种构造。
悬挂部件436以与针对独立悬挂部件430所述的相同的方式连接于对接支架部件422和424。也就是说，悬挂部件430的扩大端部440插入到对接支架部件的钩部432的眼中，而扩大端部442插入到框架406的开口或凹部434中。可以的是，在某些情况下，悬挂部件436允许真空泵组件210的较容易组装。在所示实施例中，将需要2个悬挂部件436来替换图4B中所示的8个悬挂部件430。图4F示出了真空泵组件210的又一个实施例，其具有带圆形端部的对接支架，该圆形端部通过悬挂部件430悬挂在框架内。
如此构造，真空泵组件210减少可在操作期间源于真空泵的噪声、振动以及振动引起的噪声。此外，真空泵组件构造成使得真空泵408可根据多个定向安装在框架408内。对接支架部件420、422和424以及框架406可由任何适当的材料制成，包括，例如，金属或塑料或它们的组合。此外，真空泵210具有用于允许气体流过真空泵210的泵入口和泵出口。
换气泵组件
泵组件211还可包括在氧浓缩器100中以增大提供给使用者的浓缩氧的压力。在各种实施例中，浓缩氧可在大致大气压力(即，环境室内压力)或低于大气压力(亚大气压力)的压力下产生和/或储存。在这些实施例中，可合乎需要或必要的是增大浓缩氧的压力用于输送至使用者。例如，该泵211可称为换气泵、蓄积泵、增压泵等。例如，示例性泵包括WOB-L活塞空气压缩机和真空泵，包括型号8003、8005、8006和8009。这些包括具有各种规格的单头、双头和速度可调的泵。换气泵211的安装和隔离可类似于上文所述的用于真空泵组件210的结构。在一些实施例中，换气泵211可利用橡胶索环等隔离安装于基部。以该方式，换气泵组件减小可在操作期间源于换气泵211的噪音、振动和振动引发的噪音。此外，换气泵211具有用于允许气体流过换气泵211的泵入口和泵出口。
在其它实施例中，如图2B和2C所示，替代包括单独的换气泵211，组合的真空/换气泵组件210'可用于执行真空泵组件210和换气泵211的功能。在这些实施例中，真空/换气泵组件210'可具有多于一个泵入口和泵出口，用于允许气体在多于一个流动路径中流过真空/换气泵组件210'。
示例性真空泵210、组合的真空/换气泵组件210'和/或换气泵211可包括任何已知气体泵送技术，如例如，旋转压缩机/泵、线性压缩机/泵、增压器等。
蓄积器
蓄积器209也可包括在氧浓缩器100中。如下文更详细论述的，蓄积器209可用于储存由换气泵211加压的浓缩氧，包括在高于环境压力的压力下。包括类似的输入和出口端口的蓄积器209的安装和结构可类似于示例性筛床和产品罐组件206,208的产品罐302的安装和结构。在其它实施例中，蓄积器209可为能够储存一定量气体的任何装置，如例如，罐、容器或盘管。
在其它实施例中，如图2A和2C所示，代替包括单独的蓄积器209，可利用筛床和蓄积器组件208'。在这些实施例中，筛床和蓄积器组件208'执行蓄积器209和筛床和产品罐组件208的筛床300的功能，而其它筛床和产品罐组件206的产品罐302执行产品罐302的所有功能。
图4G为示出示例性浓缩器如浓缩器100的气体压力级的框图450。在该实施例中，使用上文所述的示例性组件，浓缩器100在环境或大气压力下将空气，包括氧、氮和其它气体吸收到浓缩器100中。由于环境空气(Patm)与在浓缩器内由作为下文更详细描述的真空变压吸附过程的一部分的真空泵产生的亚大气压(-P1)之间的压差，故空气可吸收到浓缩器100中。在452处，氧可在亚大气压-P1下使用筛床如筛床300来与空气分离。在454处，浓缩的氧可在亚大气压-P2下提供或储存，如在产品罐302中。浓缩的氧还可在大气压P下或附近提供或储存，如框458处所示。在一些实施例中，在真空变压吸附过程期间，特定级处的压力可在主动筛床填充时或在过程在环境压力附近平衡时变化。
尽管使用者可在吸气期间从浓缩器100吸收气体，但在高于大气压力的压力(＋P)下提供浓缩的氧可有助于将浓缩的氧输送至使用者。在这些实施例中，氧源在正压(＋P)下提供，其大于大气压力(Patm)。在如由456所示的亚大气压(-P1,-P2)下并且在一些情况下在如458中所示的接近大气压(P)下提供或储存的氧将需要至如460中所示的正压(＋P)的增压。增压至正压＋P的浓缩氧接着可输送至浓缩器100的使用者，如，患者。增压可由换气泵211提供。
可变排泄阀
浓缩器的另一个实施例包括可选可变排泄阀502。在一些实施例中，排泄阀502并未被包括或利用，因为富氮床300的再生通过使用由真空泵408产生的流动来实现。现在参照图5A和5B，浓缩器500包括可选的排泄阀502和与筛床300串联且气动连通的可选的固定孔口514。在操作中，流动设定输入504由使用者选择并且由基于微处理器的控制器506接收。控制器506具有与其相关联的存储器和用于控制例如真空泵408、主阀MV1和MV2、入口阀EV1和EV2、节约阀512、压力均衡阀PE和排泄阀502的操作的逻辑。所有这些阀可为电磁线圈控制的。在一个实施例中，真空泵408基于流动设定输入504以可变速度运行。例如，低的流动设定允许真空泵408以较低的速度运行，从而节约能量。对于较高的流动设定，真空泵408可以以较高的速度运行。例如，相对于最低至最高的流动设定输入504，控制器506可使真空泵408以各种设定运行，例如，每分钟一定回转(rpm)。当然，预想其它的速度值，并且可实施任何适当的速度值。控制器506还接收来自真空/压力传感器510的输入。
流动设定输入504由控制器506接收。流动设定输入504可指定使用者期望以脉冲输出模式输送产品气体(例如氧)的流率。例如，多个流动输入设定504可包括300cc/min(例如，在每分钟20次呼吸(bpm)下为15cc/脉冲)、460cc/min(例如，在20bpm下为23cc/脉冲)、620cc/min(例如，在20bpm下为31cc/脉冲)、740cc/min(例如，在20bpm下为37cc/脉冲)，或840cc/min(例如，在20bpm下为42cc/脉冲)。基于该设定，控制器506适合地控制真空泵408和阀以输送期望脉冲输出氧流。当然，预想其它的流率值，并且可实施任何适当的流率值。此外，流动设定输入504可指定使用者期望以连续输出模式输送产品气体的流率。
大体上，浓缩器使用真空变压吸附(VSA)过程操作。真空泵408通过主阀MV1和MV2以交替方式从筛床300吸收气体。以该方式，真空泵408吹扫筛床300，并且在筛罐中产生小于环境压力的压力。在将真空或亚环境压力通过主阀MV1或MV2吸收到筛床300中之后，入口阀EV1或EV2开启，以允许环境压力下的室内空气流入筛床300中，在筛床300输出处产生浓缩氧。离开筛床300的氧可用于由患者经由患者端口使用，或者可储存在(多个)产品罐302(和/或如下文所述的蓄积器532)中。尽管填充了一个筛床300，但其它筛床300典型地被吹扫其内容物。各个筛床300填充有氮吸附材料，以使氮气捕集在筛床300内，并且允许氧气经过至产品罐302。当特定筛床300达到其吸附能力，该吸附能力可由其输出压力或其气体输出的氧纯度已知时，吸附气体如氮必须在筛床300可再次使用之前被吹扫。
在VSA系统中，在产品罐302处的产品气体的压力可遍及VSA过程变化，并且可在各种实施例中为不同的。例如，产品罐302处的产品气体的压力可在接近环境压力(例如，P，如图4G所示)下，并且/或者可在亚环境压力(例如，-P1和/或-P2，如图4G所示)下。换气泵530可用于在高于环境室内压力(例如，＋P，如图4G所示)的一些压力下经由患者端口将加压氧或增加的氧流提供至患者。换气泵530可从产品罐302吸收氧并且/或者直接从填充筛床300吸收。以该方式，换气泵530还可减小产品罐302处的压力。换气泵530可用于帮助初始化和/或保持筛床300的氧侧处的亚环境压力，这可用于改进吸附循环/氧产生循环的生产率。
蓄积器532还可用于储存患者不需要的过量氧，例如，基于当前流动设定504或连同下文详细描述的节约阀512的正时。来自蓄积器532的氧可用于若干情形中，如例如，在VSA切换时段(即，类似于产品罐302利用)期间，在换气泵关闭时的时段期间，或在VSA系统关闭时的时段期间。换气泵530和蓄积器532的利用可基于与使系统500的总能量使用最小化相关联的因素。如上文提到的，蓄积器532可为能够储存一定量气体的任何装置，如例如，罐、容器或盘管。
在其它实施例中，压力开关和/或传感器534可用于启动和停止换气泵530。例如，当换气泵530在蓄积器532中构建正压氧时，一旦在蓄积器532中达到预定压力，则来自压力开关/传感器534的信号可用于关闭换气泵530。压力开关/传感器534可用于当在蓄积器532中达到另一预定压力时打开换气泵530。用以打开和关闭换气泵530的与预定压力相关联的值可为不同的，提供了滞后。在一些实施例中，压力开关/传感器534可为压力开关以控制换气泵530的促动。在其它实施例中，压力开关/传感器534可为压力传感器，其可将输出信号发送至控制器506，其可基于感测压力控制换气泵530的促动。打开和关闭换气泵530可为合乎需要的，例如以减少换气泵530的能量使用或保持蓄积器532处的安全压力。蓄积器532中的氧的压力可在各种情形中增大，如例如，如果氧使用低于预计使用(例如如果出于一些原因，患者不需要呼吸达长时间段)，或如果使用流率低于蓄积器532的填充速率。
压力均衡阀PE通过使接近填充完成的筛罐与接近其吹扫循环结束的筛罐的输出管线之间的压力均衡而允许更高效地生成氧。美国专利No.4,449,990和5,906,672(通过引用并入在本文中)进一步描述了压力均衡阀的操作。由特定筛床300输出的氧可储存在一个或两个产品罐302中。在图5A的实施例中利用了两个产品罐302。
如以上提到的，控制器506可经由真空/压力传感器510检测填充的筛床300何时达到其吸附容量。如图5B所示，在一个实施例中，真空/压力传感器510提供指示在第一止回阀516和第二止回阀516的产品罐侧的压力的信号，第一止回阀516使氧流从填充筛床300经过至互连的产品罐302，第二止回阀516在另一个筛床300再生时阻止氧流从互连的产品罐302至另一个筛床300。例如，信号可反映氧气和环境空气之间的区别。在其它实施例中，真空/压力传感器510可位于与填充筛床300的输出流体连通的任何位置。如果期望直接监测各个筛床300的输出，则可实施多个真空/压力传感器510。附加压力传感器，如压力开关/传感器534还可在其它实施例中用于监测例如在换气泵的输出侧输送至患者的氧的正压，如下文更详细描述的。一旦填充筛床300达到其容量，控制器506就将填充筛床300转换到吹扫或排气循环中，并且将另一个现在再生的筛床300转换到填充循环。这为VSA过程的基本的重复性、交替的操作。例如，关于最低至最高的流动设定输入504，控制器506可在真空/压力传感器510检测各种压力和/或真空水平，例如，不同磅/平方英寸(psig)读数时，转换或轮换筛床300的循环。当然，可实施任何特定和适当的psig值。
在一个实施例中，排泄阀502在触动至开启或“打开”状态之前具有可变“打开延迟”。在一个实施例中，可变“打开延迟”与流动设定输入504相关联。例如，关于最低至最高的流动设定输入504，控制器506可在3.3秒(sec)、3.2sec、3.0sec、2.9sec和2.8sec的“打开延迟”之后触动排泄阀502。当然，预想其它的“打开延迟”值，并且可实施任何适当的“打开延迟”值。在一个实施例中，在填充筛床300达到其容量连同对应填充循环的结束(即，另一个筛床300的下次填充循环的开始)之后，控制器506停用排泄阀502。大体上，排泄阀502可以以受孔口514限制的流率将氧从一个筛床300选择性地“排泄”出到另一个筛床300中。也就是说，氧被允许从填充的筛床300流至排气或吹扫的筛床300。该氧流可有助于筛床300的排气或吹扫，以将其捕获的氮排出并使其自身再生用于其下一次填充循环。由于真空泵408基于流动设定输入504可变地填充筛床300，故可以可变地控制的筛床300之间的排泄流可有助于用于在适当纯度水平下浓缩器的对应产品气体输出流率的排气筛床300的有效吹扫。
大体上，流动设定输入504的值越高，“打开延迟”时间(即，闭合时间)就越短，并且排泄阀502将开启的时间就越长，其中更多的排泄流被送至排气筛床300。这是因为，对于较高值，较高的增压水平可用于流动设定输入504。较高的增压水平可需要更多的排泄流来再生排气或吹扫筛床300。相反地，流动设定输入504的值越低，“打开延迟”时间(即，闭合时间)就越长，并且排泄阀502将开启的时间就越短。这是因为，对于较低值，较低的增压水平可用于流动设定输入504。较低的增压水平可需要较少的排泄流来再生排气或吹扫筛床300。因此，上述可变的“打开延迟”逻辑允许在使通过控制用于吹扫排气筛床300的量而生成的氧的利用最大化方面的、提高水平的系统效率。在其它实施例中，可使用其它可变逻辑来针对不同的流动设定输入504改变用于排泄阀502的其它控制参数(例如，排泄流持续时间)。在另外的实施例中，可变逻辑可使用其它的感测参数(例如，压力)来针对不同的流动设定输入504改变“打开延迟”或其它控制参数。
如上所述，排泄阀502的触动之前的“打开延迟”时间段取决于流动设定输入504的值，该值进而基于某些其它操作参数，如产品罐输出压力、筛罐输出压力、真空泵速度以及各个构件的体积容量。在一个实施例中，可基于浓缩器构件的物理规格根据经验确定用于各个流动设定输入504的具体“打开延迟”时间段。接着，用于流动设定输入504的各个值的“打开延迟”时间存储在控制器506的存储器或逻辑中的查询表中。因此，在读取流动设定输入504之后，控制器506从存储在其存储器或逻辑中的查询表查询排泄阀可变“打开延迟”时间。接着，使用对应的“打开延迟”时间来从提供排泄流的筛床300的填充循环开始，延迟排泄阀502的触动。如所示，填充循环在压力均衡阀PE闭合之后开始(见图5D的正时图)。在“打开延迟”时间截止(这可由存储器或逻辑中的计时器监测)之后，排泄阀502可被触动(即，开启或“打开”)并且可保持开启直到下一个VSA循环开始，在该下一个VSA循环中两个筛床300的角色被转换。
在其它实施例中，可变“打开延迟”可至少部分地基于最短“打开延迟”时间。在另一个实施例中，可变“打开延迟”可至少部分地基于一个或更多个其它参数，如以任何组合的产品罐输出压力、筛床输出压力、真空泵速度以及各个构件的体积容量。在又一些其它实施例中，可变“打开延迟”可至少部分地基于最短“打开延迟”时间以及一个或更多个其它参数。例如，在最短“打开延迟”时间之后，如果那时或在当前填充循环完成之前的任何时刻，其它参数超过预定阈值，则可触发排泄阀502的触动。当然，预想可替代或相反的逻辑，并且可实施参数和阈值之间的任何适当的逻辑关系。在又一些其它实施例中，在没有最短“打开延迟”的情况下，如果在填充循环期间的任何时刻，其它参数超过预定阈值，则可触发排泄阀502的触动。
在本文所述的实施例中的任一个中，排泄阀502还可在触动之后具有可变的“最长打开时间”，以便限制其保持开启或在“打开”状态的连续时间。可变的“最长打开时间”可与流动设定输入504相关联。例如，关于最低至最高的流动设定输入504，控制器506可在2.2sec、2.4sec、2.6sec、2.8和3.0sec的“最长打开时间”之后停用排泄阀502。当然，预想其它的“最长打开时间”值，并且可实施任何适当的“最长打开时间”值。在该实施例中，如果在“最长打开时间”截止之前当前填充结束，则也将停用排泄阀502。相反地，如果“最长打开时间”在当前填充循环结束之前截止，则可基于上述“打开延迟”时间或参数触发的任何组合再次触动排泄阀502。如果期望，还可将排泄阀502固定成提供连续的排泄，或者固定至与流动设定输入504无关的预定开启时间。此外，可针对特定的流动设定输入504将“打开延迟”时间设定为零以提供连续的排泄，并且可针对特定的流动设定输入504将“最长打开时间”设定为零以阻止排泄阀502的触动。
图5C示出了包括高压产品罐552和低压产品罐554的浓缩器550的另一个实施例。将图5C的浓缩器550与图5A的浓缩器500相比较，低压产品罐554(图5C)替换产品罐302(图5A)，并且高压产品罐552(图5C)替换蓄积器532(图5A)。低压产品罐554可在大约环境室内压力下储存来自填充筛床300的氧。高压产品罐552可在高于环境室内压力的压力下储存来自换气泵530的氧。在该实施例中，两个筛床和产品罐组件206可用于包括高于环境的储存容器(例如，高压产品罐552)而不添加蓄积器532的系统。
图5D示出了图5A中所示的阀的正时图的一个实施例。如所示，在第一填充循环之后，当压力均衡阀PE从闭合(即，关闭，停用)过渡到开启(即，打开，触动)时，各个填充循环开始。例如，在压力均衡阀PE的第一触动时，来自第二筛床300(即，与主阀MV2相关联)的氧流过压力均衡阀PE，以增大第一筛床300(即，与主阀MV1相关联)中的压力。在压力均衡阀PE的第一触动之前，主阀MV1打开，允许真空泵408将第一筛床300的压力降低至低于环境室内压力，并且入口阀EV2打开，允许环境压力室内空气流入第二筛床300中。因此，压力均衡阀PE的第一触动允许氧从第二筛床300流过压力均衡阀PE，以增大第一筛床300中的压力。除压力均衡之外，该氧从一个筛床300转移至另一个，穿过压力均衡阀PE，将接收的筛床300的顶部预载有氧用于在该筛床300开始其填充循环时使用。如果压力均衡阀PE将用于协助第一筛床300的吹扫和再生，则入口阀EV2随压力均衡阀PE的该触动或之后不久停用。在压力均衡阀PE的该触动之后不久，主阀MV1停用，并且主阀MV2触动，以将由真空泵408生成的排出气流从第一筛床300切换至第二筛床300。压力均衡阀PE在主阀MV1和MV2切换之后不久停用。典型地，入口阀EV1随压力均衡阀PE的停用触动，以容许筛床300之间的压力均衡继续。然而，如果期望，则入口阀EV1可随主阀MV1的停用或之后不久，并且在压力均衡阀PE的停用之前触动。
该过程以交替方式继续，以提供VSA过程。在其它实施例中，主阀MV1和MV2可以以"先接后断"的顺序切换，其中开启的主阀在闭合主阀闭合之前不久开启。以该方式，主阀MV1和MV2中的一个总是开启。主阀MV1和MV2的开启和闭合之间的延迟可相对短。该类型的切换尽管未示出，但可在主阀MV1和MV2在图5D中示为切换的任何情况下利用。
具体而言，可看到的是，排泄阀502在使用时，可大体上闭合或"关闭"，而压力均衡阀PE开启或"打开"，但不必是这种情况。还可看到的是，排泄阀的可变"打开延迟"时间在压力均衡阀PE从闭合或"关闭"过渡至开启或"打开"时开始，但也不必是这种情况。在一些情形下可有益的是允许这些阀的开启或"打开"状态的重叠。换言之，在某些情形下，排泄阀502和压力均衡阀PE两者可同时使用，或以任何组合使用，以提供从填充筛床300到另一个筛床300的排泄流用于其吹扫和再生。
图5E示出了在入口阀EV1、排泄阀502和主阀MV2触动(即，开启)并且入口阀EV2和主阀MV1停用(即，闭合)时用于流从筛床1穿过孔口1和筛床2至排出气体出口的示例性路径。图5F示出了在入口阀EV2、排泄阀502和主阀MV1触动并且入口阀EV1和主阀MV2停用时用于流从筛床2穿过孔口1和筛床1至排出气体出口的示例性可替代路径。如虚线所示，在一个实施例中，排泄阀502和孔口1的功能可提供在单个构件中，该单个构件可称为可变限制器。在另一个实施例中，孔口2可提供平行于排泄阀502和孔口1的连续固定流。孔口2将建立最小流，其可由如本文中所述的排泄阀502的触动来增大。在又一个实施例中，压力均衡阀PE可选择性地触动成提供或补充与孔口2，或排泄阀502和孔口1的串联组合组合的流动。
在另一个实施例中，控制器506可监测VSA转换时间(即，填充循环时间)，以识别用于浓缩器操作的某些陆地高度范围的操作的可替代模式。例如，低高度模式可针对高达大约6300英尺的操作实施，而高高度模式可针对高于6300英尺的操作实施。当然，预想其它高度范围，并且可实施附加的高度模式。由于较低环境大气("室内")压力(即，较稀薄的空气)，故VSA转换时间趋于在较高高度处增大。浓缩器的某些操作参数可基于给定的高度范围调整，以便改进效率和维持产品气体体积输出、流率和纯度的适当水平。
基于流动设定输入504的排泄阀502的固定"打开延迟"可在低高度操作模式中为可接受的。然而，因为浓缩器花费较长时间来建造期望的转换压力，所以高度越高，交替的筛床300的填充之间的转换时间就越长。响应于较长的转换时间，浓缩器可转换至较高高度模式，其可调整一个或更多个操作参数(即，产品罐输出压力、蓄积器压力、筛床输出压力、排泄阀控制)，以将转换时间保持在最佳范围中。如果排泄阀502的固定"打开延迟"横跨宽高度范围保持，则可在高度范围的较低海拔处存在较少或没有排泄流。此外，当转换时间显著延长时，固定"打开延迟"可在较高海拔处导致过多排泄流。没有排泄流和过多排泄流可导致来自浓缩器的产品气体在用于宽高度范围的较低和较高海拔处的操作的期望的纯度水平之外。
应当注意的是，本申请各处的用语"压力"的使用包括低于大气压力的压力，例如，包括小于环境压力的负压，和亚大气压力，以及处于或高于大气压力或环境压力的压力。
适当的转换时间阈值可建立用于从低高度模式到高高度模式的过渡(例如，大约12秒)和用于从高高度模式到低高度模式的过渡(例如，大约5.5秒)。当然，不同转换时间阈值可建立用于不同流动设定输入504。例如，用于从低高度模式到高高度模式的过渡的转换时间阈值可对于不同流动设定输入504在10.5到14秒之间的范围中。类似地，用于从高高度模式到低高度模式的过渡的转换时间阈值可对于不同流动设定输入504在5.0到5.5秒之间的范围中。典型地，阈值将不同，并且用于从高高度模式到低高度模式的过渡的阈值将小于其它阈值以建立适当的滞后。在另一个实施例中，高度模式之间的过渡可延迟固定时间，或直到用于预定量的连续填充循环(例如，三个连续循环)的转换时间指示高度模式过渡是适合的。
排泄阀502可以以本文所述的任何方式控制用于任何高度模式。值得注意地，排泄阀502可在不同高度模式中不同地控制。因此，优选的排泄阀控制技术可至少部分地基于高度模式来实施，并且高度模式的过渡可以以排泄阀控制技术产生对应的过渡。
在一个实施例中，与触动排泄阀502相关联的"打开延迟"时间和VSA转换时间(即，填充循环时间)可具有包含流动设定输入506的范围的大体上线性关系。转换时间可由各个流动设定输入506的转换压力设定点代表，因为转换时间是给定筛床300达到关于其全容量的压力所花费的时间。在描述的实施例中，在筛床300中构建的压力可假定为线性的。这允许排泄阀触动压力表达为各个流动设定输入506的压力设定点之比。接着，比可用于确定阈值压力值。在压力建造期间，如果压力超过阈值压力值，则控制器506触动(即，开启)排泄阀502。这可确保存在至少足够的排泄流来保持期望水平的纯度，同时还限制排泄流以避免不必要的氧损失。在其它实施例中，"打开延迟"时间可为VSA转换时间的非线性函数。类似地，用于确定"打开延迟"时间的函数可在其它实施例中对于不同流动设定输入506为不同的。
在另一个实施例中，控制器506可利用计时器功能来监测VSA循环转换时间。可将该监测到的转换时间测量值与存储在非易失存储器中的转换时间范围比较。控制器506可使用该比较的结果来确定浓缩器应当在低高度模式下还是在高高度模式下操作。在低高度模式下，对于各个流动设定输入504，浓缩器可根据存储在非易失存储器中的固定压力值操作。在高高度模式下，浓缩器可根据用于各个流动设定输入504的固定压力值操作，该固定压力值至少部分地基于对应的低高度固定压力值。
在又一个实施例中，在低高度模式中，对于各个流动设定输入504，浓缩器可根据存储在非易失存储器中的、用于触动排泄阀502的固定“打开延迟”时间操作。在高高度模式中，浓缩器可根据基于用于各个流动设定输入504的固定压力值或监测到的VSA循环转换时间而缩放的可变排泄阀触动时间操作。可从固定压力值或监测到的VSA循环转换时间计算出排泄阀缩放因子。
前述功能可作为软件或控制器逻辑而执行。“逻辑”，如本文中使用的，包括但不限于，硬件、固件、软件和/或各个的组合，以执行(多个)功能或(多个)动作，并且/或者引起来自另一构件的功能或动作。例如，基于期望应用或需求，逻辑可包括软件控制的微处理器、离散逻辑，如专用集成电路(ASIC)，或其它编程逻辑装置。逻辑还可完全实施为软件。
“软件”，如本文中使用的，包括但不限于一种或更多种计算机可读和/或可执行的指令，其引起计算机或其它电子装置以期望的方式执行功能、动作和/或运转。指令可以以各种形式实施，如包括来自动态链接库的独立应用或代码的例程、算法、模块或程序。软件也可以以各种形式实施，如独立程序、函数调用、小服务程序、小应用程序、存储在存储器中的指令、操作系统的部分或另一种类型的可执行指令。本领域技术人员将认识到，软件的形式取决于例如，期望应用的要求、其运行的环境和/或设计者/编程者的期望等。
本发明的系统和方法可在多种平台上实施，包括例如，联网控制系统和独立控制系统。此外，本文所示和描述的逻辑、数据库或表格优选地驻留在计算机可读介质之中或之上，该计算机可读介质如例如，闪存、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可编程只读存储器(PROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、磁盘或磁带，以及任选地包括CD-ROM和DVD-ROM的光可读介质。更进一步，本文中所描述的过程和逻辑可合并到一个大过程流程中或者划分成多个子过程流程。本文中描述的过程流程的顺序不是关键的，并且可重新安排，同时仍然实现相同结果。实际上，本文中所述的过程流程可根据授权或期望在它们的实施中重新布置、合并和/或重新组织。
图5G和5H还示出了可包括排泄阀502和其它构件的阀组件214的示例性实施例。在该实施例中，浓缩器500的排泄阀502、压力均衡阀PE、节约阀512、固定孔口514、固定孔口515以及止回阀516安装或附于具有多个入口、出口以及连接入口、出口和阀的内部通路的块状歧管本体，如所示。如此构造，阀组件214导致空间和重量节约，其可适应于便携式氧浓缩器和其它装置。构造还允许在必要时阀组件214的容易维修和更换。在其它实施例中，浓缩器可包括一个或更多个阀组件中的离散的构件或构件的任何适当组合。特别地，排泄阀502和固定孔口514可组合在模块化组件中。在另一个实施例中，浓缩器550的排泄阀502、压力均衡阀PE、节约阀512、固定孔口514、固定孔口515以及止回阀516安装或附于块状歧管本体，其具有多个入口、出口和内部通路，其连接入口、出口和阀，如图5G和5H中所示，但连接于高压产品罐552和低压产品罐554，替代了产品罐302。
输出端口
在本发明的一个实施例中，输出端口108包括适当的空气过滤器。虽然离开筛和产品罐的氧在氮-氧分离过程之前已经被过滤，但附加的过滤可对某些患者有帮助。现在参照图6A，示出了输出端口108的一个实施例的透视图。输出端口108包括主体600、输入部602、延伸部604和输出部610。输入部602构造成与输送氧的气动管道系统接触。通过输入部602接收的氧进入主体600。主体600在其中包括适当的过滤器，如例如，HEPA过滤器或其它适当的过滤器，用于过滤氧。延伸部604包括键面606和螺纹608。在与氧浓缩器的壳体组装期间，表面606便于输出端口108的正确定向。螺纹608便于经由六角螺母或其它类型的紧固件将输出端口108紧固于氧浓缩器的壳体。输出部610构造成与向患者或医疗配件输送氧的管道系统配合。
现在参照图6B，示出了沿图6A的剖切线6B-6B截取的日间(day)截面图。主体600的过滤器以612示出。过滤器612占据主体600的内部空间的相当大部分，以过滤通过输入部602接收的氧。就此而言，过滤器612具有与主体600的内部空间的形状和几何形状互补的形状和几何形状。在一个实施例中，过滤器612由硼硅玻璃微纤维制成并且为疏水性的。对于0.2微米或更大的颗粒尺寸，过滤器612还提供高于99.99%的过滤效率。还可使用具有少于所有这些特性的其它过滤器。
在一个实施例中，主体600由聚丙烯材料制成，并且其内部空间提供3.5cm2的有效过滤面积。主体的材料可为任何适当的材料，并且过滤面积可比所述的更大或更小。在一个实施例中，优选地，通过将在主体600的区域中对接的两个区段连结以形成整个输出端口108，来制作输出端口108。在该实例中，两个区段示出为由延伸穿过主体600的对接轴线614分开。过滤器612插入到形成主体600的内部空间的一部分的区段中的一个中。接着，将通过粘合或焊接而连结另一个区段，从而将过滤器612密封到主体600的内部空间中。在其它实施例中，可经由配合螺纹或将允许除去和更换过滤器612的其它非永久性连接来连结两个区段。
真空/压力传感器校准和节约器
图7示出了用于在控制器506内校准真空/压力传感器510和/或压力开关/传感器534的过程700的一个实施例。矩形元件表示“处理框”并且代表计算机软件指令或指令集。菱形元件表示“决策框”并且代表影响由处理框所代表的计算机软件指令的执行的计算机软件指令或指令集。作为备选，处理框或决策框代表由功能上等同的电路(如数字信号处理器电路或专用集成电路(ASIC))所执行的步骤。流程图不描绘任何具体编程语言的句法。相反地，流程图示出了本领域技术人员可用于制作电路或生成计算机软件以执行系统的处理的功能性信息。应当注意，很多例行程序元素，如循环和变量的初始化以及临时变量的使用并未示出。在获得相同结果的情况下，还可改变顺序流程。
校准例行程序，例如，可由合格的技术员使用可调外部压力源来执行。当然，其它的情景是可能的，并且适当地完成传感器校准的任何程序可实施。在框702中，在外部真空/压力源调节至第一固定压力设定(I)并且压力(或真空)施加于传感器510,534之后，控制器506读取来自传感器510,534的信号(例如，模拟到数字计数(A-D计数))。例如，第一固定压力设定(I)可为与浓缩器的正常操作相关联的压力，如用于传感器510的0psig或用于传感器534的10psig。例如，控制器506将模数转换器包括为其结构中的一个，该模数转换器允许控制器506读取从传感器(如压力和流量传感器)发出的模拟信号。模拟传感器信号至数字或二进制值的转换允许控制器读取传感器信号并将传感器信号用在其处理中。在其它实施例中，第一固定压力设定(I)可为任何压力设定，包括环境或真空。在框704中，在702中读取的信号的值(例如，对应的A-D计数)存储在存储器中。
在框706中，在将外部真空/压力源调节至第二固定压力设定(II)之后，控制器506读取来自传感器510,534的信号(例如，A-D计数)。例如，第二固定压力设定(II)也可为与浓缩器的正常操作相关联的压力，如用于传感器510的-10psig，或用于传感器534的20psig。类似于第一压力设定(I)，第二压力设定(II)可为任何压力设定。框708将在706中读取的信号的值(例如，对应的A-D计数)存储在存储器中。框710使用第一和第二信号值(例如，A-D计数读数)生成线性外推(Y=m(X)+B)。接着，在框712中，控制器506使用线性外推将来自传感器510,534的信号值(例如，A-D计数)转换成psig。在线性外推中，X代表信号值(例如，传感器A-D计数或读数)，并且Y代表以psig为单位的压力。在可替代实施例中，从无单位或未校准的压力测量值到外部经校准的真空/压力源的任何压力设定可使用。
图8示出了节约过程800的一个实施例，节约过程800用于确定与向氧浓缩器100的使用者提供一团气体(如氧)相关联的持续时间。“团”，如本文中使用的，包括但不限于经由适当的使用者接口(如鼻管或鼻罩)提供给使用者的一剂或一脉冲的浓缩产品气体(如氧)。与穿过气动构件的流动有关的团参数包括持续时间和幅度。持续时间参数涉及触动和停用阀以开始和结束团。幅度参数涉及构件的流容量和产品气体的压力。氧浓缩器100可包括例如用于控制氧至患者的流动的节约装置。例如，节约装置可能够关于一个或更多个参数调节，以节约氧浓缩器100的功率消耗，同时维持产品气体的适当的纯度、流率和体积。在一个实施例中，节约装置由控制器506、流量传感器508、压力传感器510、节约阀512和固定孔口515(见例如图5A)形成。节约过程800代表可驻留在控制器506内的逻辑的一个实施例。还参照图5B，控制器506使用例如流量传感器508来监测使用者的呼吸，以确定使用者的呼吸特征(例如，呼吸速率、吸气、呼气、体积、流量等)。在吸气开始(即，呼气结束)时，控制器506编程为向使用者输送一团气体，如氧。在这点上，团的大小可为固定的或者至少部分地根据患者的呼吸特征(例如，呼吸速率、吸气的持续时间、体积、流量等)来确定。一旦固定或确定之后，控制器506控制节约阀512的打开和关闭状态以向患者输送适当的气团。例如，可在各个呼吸循环的吸气部分期间提供团。
在框802中，控制器506检测到与患者的呼吸特征相关联的触发，确定将向患者输送一团气体，并且开启节约阀512或将其切换成向患者分送浓缩产品气体。现在开始循环，其中，控制器506读取压力传感器534的信号(例如，A-D计数)(框802)，将信号(例如，A-D计数)转换成psig(框804)，并且对psig值求和直到达到预定的psig值(框806)。例如，psig值的预定总和可与待由团提供的浓缩呼吸气体的预定体积测量值有关。浓缩呼吸气体的预定体积测量值可至少部分地基于在预定持续时间内的患者的呼吸速率和期望输出体积(例如，300cc/min)。例如，控制器506可考虑固定孔口515的物理特征、产品罐302的监测压力，以及触动节约阀512以提供产品气体流的时间，以便以给定团提供期望体积的产品气体。流过固定孔口的产品气体流的压力随时间变化的关系为经典的积分函数。在压力可变的情况下，能够调节节约阀512被触动的时间，以便提供期望体积的产品气体。因此，控制器506可至少部分地基于监测压力来控制节约阀512。
在框804中，使用从图7获得的线性外推完成从信号值(例如，压力传感器A-D计数)至psig的转换。在其它实施例中，还可利用从信号值(例如，A-D计数)获得psig值的备选方法。在框806中，通过如例如经由公式P=P+PSIG将它们加在一起而对psig值求和。在公式中，PSIG代表当前psig读数，并且P代表当前压力总和。该公式从限定流经上述固定孔口的产品气体流的压力随时间变化的关系的经典积分函数导出。在备选实施例中，来自压力传感器534的信号值(例如，A-D计数)可求和直到达到预定的总和值(例如，A-D计数的总和)。一旦压力的总和等于预定的压力总和阈值，则在810处，控制器506闭合节约阀512并且等待下一个团触发出现。例如，预定的压力总和阈值可与待由团提供的浓缩呼吸气体的预定体积测量值有关。
浓缩呼吸气体的预定体积测量值可至少部分地基于在预定持续时间内患者的呼吸速率和期望输出体积(例如，840cc/min)。例如，期望输出流率设定(例如，840cc/min)可除以患者的呼吸速率，以将用于较长时间尺度的对应期望体积分配至用于每次患者呼吸的单独团。对于20bpm的示例性呼吸速率，用于各个团的期望体积可为42cc。类似地，对于10bpm的示例性呼吸速率，用于各个团的期望体积可为84cc。通常，将随着每次患者呼吸输送团。但是，在某些情况下，浓缩器可有意地跳过一次呼吸以确保实现适当的产品气体纯度水平和系统效率。例如如果呼吸速率超过预定速率(例如，36bpm)，则浓缩器可不随着每次呼吸提供团，而是可以以如下方式选择性地跳过呼吸，使得实现适当的产品气体纯度水平和系统效率。
图9示出了节约阀512关于与使用者呼吸循环(即，呼吸900)相关联的呼吸特征(例如，吸气)的计时操作的一个实施例。示例性呼吸循环901示为具有吸气时段，后面跟着呼气时段。当节约阀512通过通气端口使使用者呼吸转向(divert)(这由流902和对应于示例性呼吸循环901的示例性流动信号903表示)时，流量传感器508测量与使用者呼吸循环相关联的流率。流动信号903例如可代表模拟信号水平、模拟信号水平的数字表示，或实际的流率单位。在任何情况下，针对流动信号903建立触发阈值904。取决于具体实施，触发阈值904可为过零点(zero-crossing point)、从过零点的偏移(正的或负的)、每个循环的平均流量，或从平均流量的偏移(正的或负的)。在图9中所示的实施例中，触发阈值904示出为紧接在吸气阶段开始之后出现。这为从过零点的正偏移的实例。在一个实施例中，触发阈值可为12标准立方厘米每分钟(sccm)。
一旦流动信号903达到触发阈值904，则控制器506开启节约阀512达长到足以向使用者输送所需大小的团905的持续时间。在一个实施例中，节约阀512保持开启的持续时间可由过程800(图8)的逻辑确定。如以上参照图8所描述的，一旦压力的总和达到预定的总和值，则控制器506闭合906节约阀512。控制器506可忽略或以其它方式避免关于触发阈值904采取行动，至少直到超过与呼吸速率相关联的持续时间，以便避免在下一次吸气开始之前触发另一个团905。这可被称为触发锁定期907。触发锁定期907可确定为一般人、示例性人或特定人(如患者)的呼吸特征(例如，呼吸速率、呼吸循环、呼气、或包括流量、流率和压力的其它呼吸特征)的百分比。例如如果选择了350毫秒(msec)的呼吸速率，则触发锁定期将为350msec的某个百分比，如175msec。触发锁定期907确保下一次触发不错误地或过早地开始，直到患者的下一次吸气开始。在触发锁定期907截止之后，下一次触发阈值有效。在一个实施例中，在触发锁定期之后，控制器506还可在实现节约阀512的下一次触动之前等待流动信号降至触发阈值904之下。以该方式，在呼吸循环的吸气部分开始之后，每次流动信号903上升穿过触发阈值904时，可向患者输送一团905气体(例如，氧)。如上所述，在某些情况下，浓缩器可有意地跳过一次呼吸以确保实现适当的产品气体纯度水平和系统效率。
对于任何高度模式，还可以以本文所述的任何方式控制节约阀512。值得注意地，可在不同高度模式中不同地控制节约阀512。因此，可至少部分地基于高度模式来实施优选的节约阀控制技术，并且高度模式中的过渡可以以节约阀控制技术产生对应过渡。
在一个实施例中，在高高度模式中，在海拔变化时，控制器506可自动调节节约阀512的操作以维持产品气体的适当水平的纯度、流率和体积。如果未调节，例如，在VSA循环转换时间关于较高的海拔增加时，节约阀512可保持触动更长时间。这可导致比必要的更大团体积和比期望的更高的产品气体输出。例如，在低高度模式中，对于给定的流动设定输入504，浓缩器可使用用于触动节约阀512的低高度固定持续时间来操作。对于不同的流动设定输入504，低高度固定持续时间可不同。各个低高度固定持续时间可为VSA循环转换时间和与转换相关联的浓缩产品气体的压力衰减的函数。可将这些低高度固定持续时间存储在非易失存储器中。
类似地，在高高度模式中，在给定的流动设定输入504处，浓缩器可使用用于节约阀512的触动的高高度固定持续时间来操作。对于不同的流动设定输入504，高高度固定持续时间可不同。各个高高度固定持续时间可为用于对应流动设定输入504的低高度固定持续时间的函数。对于不同的流动设定输入504，低高度固定持续时间与高高度固定持续时间之间的函数关系可不同。换句话说，在给定流动设定输入504处限定函数的算法可不同于在不同流动设定输入504处限定函数的算法。可将这些高高度固定持续时间存储在非易失存储器中。在其它实施例中，可将函数(即，算法)的某些参数(尤其是对于不同流动设定输入504而变化的参数)的值存储在非易失存储器中。
参照图10，产品气体浓缩器10的另一个示例性实施例可包括输入装置12、产品气体源14、压力传感器16、节约阀18和控制器20。在其它实施例中，在线流量传感器26可替代或连同压力传感器16使用。输入装置12可用于选择用于浓缩产品气体的第一期望输出流率设定。产品气体源14可提供用于分送的浓缩产品气体。压力传感器16可监测浓缩产品气体的压力。节约阀18可包括输出连接部、通气连接部和气体连接部。输出连接部可与使用者22相关联。通气连接部可与通气端口24相关联。气体连接部可与浓缩产品气体相关联。输出连接部可从通气连接部切换到气体连接部，并且反之亦然。控制器与输入装置12和压力传感器16操作性地连通，并且可选择性地切换节约阀18以至少部分地基于选择的输出流率设定和监测到的压力来选择性地分送浓缩产品气体。例如，压力传感器16可监测节约阀18和产品气体源14之间的压力。在另一个实施例中，压力传感器16可监测在另一适当位置的压力。
在一个实施例中，控制器20可至少部分地基于对应的监测压力存储第一压力值。在输入装置12用于选择第二期望输出流率设定之后，控制器20还可至少部分地基于对应的监测压力存储第二压力值。在该实施例中，控制器20可至少部分地基于第一与第二压力值和监测压力之间的线性关系来确定第一和第二压力值之间的中间压力值。
在另一个实施例中，产品气体浓缩器10还可包括流量传感器26。流量传感器26可监测指示使用者22的呼吸循环的流量。控制器20可与流量传感器26操作性地连通。例如，流量传感器26可监测节约阀18和通气端口24之间的流量。在描述的实施例中，控制器20可至少部分地基于监测流量来确定使用者22的呼吸特征。控制器20可至少部分地基于确定的呼吸特征来选择性地切换节约阀18。在其它实施例中，流量传感器26可监测在其它适当位置(如例如，在节约阀18与使用者22之间)的指示使用者22的呼吸循环的流量。
在描述的实施例中，控制器20可至少部分地基于确定的呼吸特征与指示吸气的触发阈值之间的关系来确定经由节约阀18向使用者22分送一团浓缩产品气体的开始时间。控制器20可至少部分地基于选择的输出流率设定来确定压力总和阈值。在描述的实施例中，控制器20还可至少部分地基于与先前团相关联的锁定时间的截止来确定分送该团浓缩产品气体的开始时间。控制器20可至少部分地基于监测压力与压力总和阈值之间的关系来确定分送该气浓缩产品气体的持续时间。
参照图11，用于提供浓缩产品气体的过程50的示例性实施例可在52处开始，其中可选择用于浓缩产品气体的第一期望输出流率设定。接着，可提供用于分送浓缩产品气体的产品气体源(54)。在56处，可监测浓缩产品气体的压力。接下来，可将与使用者相关联的输出连接部从与通气端口相关联的通气连接部选择性地切换至与浓缩产品气体相关联的气体连接部，并且反之亦然，以至少部分地基于选择的输出流率设定和监测到的压力来选择性地分送浓缩产品气体(58)。
在一个实施例中，过程50还可包括：至少部分地基于监测压力存储第一压力值，选择用于浓缩产品气体的第二期望输出流率设定，至少部分地基于监测压力存储第二压力值，以及至少部分地基于第一和第二压力值之间的线性关系来确定第一和第二压力值之间的中间压力值。
在又一个实施例中，过程50还可包括：监测指示使用者呼吸循环的流量，以及至少部分地基于监测到的流量来确定使用者的呼吸特征。在该实施例中，在58中的选择性切换可至少部分地基于监测到的呼吸特征。在描述的实施例中，过程50可进一步包括：至少部分地基于监测到的呼吸特征与指示吸气的触发阈值之间的关系来确定经由输出连接部向使用者分送一团浓缩产品气体的开始时间。过程50还可包括：至少部分地基于与先前团相关联的锁定时间的截止来确定分送该团浓缩产品气体的开始时间。此外，在该实施例中，过程50还可包括：至少部分地基于选择的输出流率设定来确定压力总和阈值，以及至少部分地基于监测到的压力与压力总和阈值之间的关系来确定分送该团浓缩产品气体的持续时间。
在以上实施例中，VSA过程用于与加压系统组合产生浓缩氧，以将浓缩氧输送至使用者。以该方式，使用VSA替代PSA的益处可实现，但具有用于输送的加压系统的效力。
尽管已通过描述本发明的实施例阐述了本发明，并且尽管已经相当详细地描述了实施例，但本说明书的目的并不在于将所附权利要求的范围约束或以任何方式限制于此类细节。附加的优点和修改将对本领域技术人员而言为容易出现的。例如，描述为连接、附于或连结的构件可直接或如通过一个或更多个中间构件间接地连接、附于或连结。另外，各个构件的尺寸和几何形状可根据本文中示出和描述的各个实施例和实例改变。因此，本发明在其较宽的方面不限于示出和描述的特定细节、代表性设备以及说明性实例。因此，在不背离申请人的大体发明构思的精神或范围的情况下，可偏离此类细节。

Claims (20)

1. 一种用于提供浓缩产品气体的设备，包括：
第一筛床和第二筛床，它们布置成在交替的填充和吹扫循环中将一种或更多种可吸附成分与气态混合物源分离，以使用真空变压吸附过程来形成所述浓缩产品气体；
第一泵，其布置成输送由所述第一筛床和所述第二筛床形成的所述浓缩产品气体；以及
控制器，其用以控制所述真空变压吸附过程的所述交替的填充和吹扫循环。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，由所述第一筛床和所述第二筛床形成的所述浓缩产品气体在环境压力下或小于环境压力，并且其中所述第一泵提供在高于所述环境压力的压力下的所述浓缩产品气体。
3. 根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第一泵包括：
第一泵入口；以及
第一泵出口；
其中所述第一筛床和所述第二筛床包括至少一个筛床出口；并且
其中由所述第一筛床和所述第二筛床形成的所述浓缩产品气体从所述至少一个筛床出口流至所述第一泵入口，并且所述浓缩产品气体从所述第一泵出口提供。
4. 根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述设备还包括感测由所述第一泵提供的所述浓缩产品气体的压力的第一传感器，其中所述控制器还至少部分地基于第一传感器输出信号控制所述第一泵的促动。
5. 根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制器在所述第一传感器输出信号达到第一预定值时关闭所述第一泵，并且在所述第一传感器输出信号达到第二预定值时打开所述第一泵。
6. 根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述第一预定值不同于所述第二预定值。
7. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用以在高于环境压力的压力下储存所述浓缩产品气体的蓄积器。
8. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用以感测蓄积器压力的第一压力开关，其中所述蓄积器压力为储存在所述蓄积器中的所述浓缩产品气体的压力，并且其中所述第一压力开关至少部分地基于所述蓄积器压力来控制所述第一泵的促动。
9. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一泵进一步布置成在所述交替的填充和吹扫循环期间从所述第一筛床和所述第二筛床吸收排出气体。
10. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括布置成在所述交替的填充和吹扫循环期间从所述第一筛床和所述第二筛床吸收排出气体的第二泵。
11. 根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述设备还包括泵组件，其中所述泵组件包括所述第一泵和所述第二泵。
12. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
输入装置，其适于从多个输出设定中选择用于所述浓缩产品气体的期望的输出设定；
阀组件，其用以选择性地提供所述第一筛床与所述第二筛床之间的可调整流；并且
其中所述控制器与所述输入装置和所述阀组件操作性地连通，以至少部分地基于期望的输出设定来选择性地控制所述第一筛床与所述第二筛床之间的所述可调整流，使得用于至少一个输出设定的所述第一筛床和所述第二筛床之间的流不同于关于对应的真空变压吸附循环的用于至少一个其它输出设定的所述第一筛床与所述第二筛床之间的流。
13. 根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述阀组件包括压力均衡阀，其用以在所述第一筛罐与所述第二筛罐之间选择性地提供第二可调整流；并且
其中所述控制器与所述压力均衡阀操作性地连通，以选择性地控制所述压力均衡阀。
14. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器与所述第一筛床和所述第二筛床操作性地连通，以在多个预定高度范围内选择性地控制所述交替的填充和吹扫循环，同时保持用于所述浓缩产品气体的可接受的纯度水平。
15. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
输入装置，其适于从多个输出设定中选择用于所述浓缩产品气体的期望的输出设定；
监测所述浓缩产品气体的压力的压力传感器；以及
节约阀，其包括与使用者相关联的输出连接部、与通气端口相关联的通气连接部，以及与所述浓缩产品气体相关联的气体连接部，其中所述输出连接部从所述通气连接部切换至所述气体连接部，并且反之亦然；并且
其中所述控制器与所述输入装置和所述压力传感器操作性地连通，以选择性地切换所述节约阀来至少部分地基于选择的输出设定和监测到的压力来选择性地分送所述浓缩产品气体。
16. 根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
监测指示所述使用者的呼吸循环的流量的流量传感器；
其中所述控制器与所述流量传感器操作性地连通，至少部分地基于监测到的流量来确定所述使用者的呼吸特征，并且至少部分地基于确定的呼吸特征来选择性地切换所述节约阀；
其中所述控制器至少部分地基于所述确定的呼吸特征与指示吸气的触发阈值之间的关系来确定经由所述输出连接部将一团浓缩产品气体气分送至所述使用者的开始时间。
17. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用以在环境压力或小于环境压力下储存所述浓缩产品的至少一个产品罐。
18. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
筛床和产品罐组件，其包括：
       所述第一筛床；以及
       用以在环境压力或小于环境压力下储存所述浓缩产品气体的产品罐；以及
筛床和蓄积器组件，其包括：
       所述第二筛床；以及
       用以在高于环境压力的压力下储存所述浓缩产品气体的蓄积器。
19. 一种用于提供浓缩产品气体的设备，包括：
用于在交替的填充和吹扫循环中将一种或更多种可吸附成分与气态混合物源分离来使用真空变压吸附过程形成所述浓缩产品气体的器件；
用于泵送由用于将一种或更多种可吸附成分与气态混合物源分离的所述器件形成的所述浓缩产品气体的器件；以及
用于控制所述真空变压吸附过程的所述交替的填充和吹扫循环的器件。
20. 一种提供浓缩产品气体的方法，包括：
在交替的填充和吹扫循环中将一种或更多种可吸附成分与气态混合物源分离来使用真空变压吸附过程形成所述浓缩产品气体；以及
在高于环境压力的压力下泵送由所述真空变压吸附过程形成的所述浓缩产品气体。
CN201480013306.9A 2013-01-09 2014-01-07 利用真空变压吸附的产品气体浓缩器及与其相关联的方法 Pending CN105008019A (zh)

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