CN101466453A - 紧凑且有效的变压式氧气浓缩器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种根据压力变化原理工作的气体分离器。该分离器包括多个筛床以及控制阀，多个筛床优选是围绕中心线以五角形方式布置的五个筛床。控制阀包括转子和定子。转子安装成用于相对于定子旋转。转子的一部分使得加压气体能够流向定子并随后流向筛床的一个或多个，优选两个，从而进行分离。转子的另一部分阻挡气体流过定子或从筛床的一个或多个流出，而转子的又一部分使得废气能够从筛床的一个或多个向回通过定子流向排出口。该分离器可用作系统的一部分。在一种使用方法中，筛床在吸附、降压、清洗和预加压阶段之间循环。

Description

紧凑且有效的变压式氧气浓缩器

技术领域

[0001]本发明涉及根据“变压(或压力摆动)吸附”原理操作的气体浓缩器，且更具体地涉及这样一种紧凑且高效率的浓缩器。

背景技术

[0002]根据变压吸附(Pressure Swing Adsorption)原理工作的气体浓缩器或气体分离器是众所周知的。一般而言，变压吸附(PSA)原理涉及吸附物(adsorpt)吸附气体的不同成分的能力变化程度。一般而言，气态物质在高压下被引入到吸附材料，例如这种材料的筛床。气态物质中的较容易吸附的成分被吸附(或吸收)，而气态物质中的最不容易吸附的成分的高纯度流被收集作为处理过程的产物。随着所述床中的压力下降，富含较大吸附性气态成分的流作为废物被释放并从排出口移除。筛床中的吸附剂被再生以用于下一次循环。该PSA原理用作分离气体的方法，例如产生高纯度或“浓缩”氧气、氮气或氢气的方法。

[0003]图1示出了一个传统的二筛床PSA系统。这个设计采用两个筛床以交替循环的方式产生氧气。将压缩空气从位于附图标记O1处的入口点引入床A1。下层控制阀和定时电子装置控制用于床A1的PSA周期。分离的氧气被收集于以附图标记O2指示的储氧器。当PSA周期结束时，电子定时电路将断开床A1并转为启动床A2以进行下一个PSA循环。在过渡时间内，分离或“产生”的氧气的一部分将被用来把床A1的废气(例如氮气)冲洗掉。

[0004]该二床式设计具有的局限性在于，每个床必须很大，从而提供很大的氧气量输出，因此，将空气提供给到筛床以进行分离的压缩机的工作负荷就处于很大的重负荷下。而且，需要大型储氧器来消除氧气输出压力变化。特别地，在这样一种系统中，在充气和放气循环期间的压力变动(或压力摆动)是相当激烈并且是呈锯齿状的。然而，较大的储氧器使系统对变化反应迟钝。例如，当患者选择较高氧气流率(例如通过将所希望的输出率从2LPM改为5LPM)时，在氧气输出稳定之前将耗费一些时间。另外，该系统不能达到筛床的有效清洗和再加压。

因此，分离效率水平相对较低，导致所希望的最终产物只有较低的浓度或纯度。另外，系统的输出压力水平相对不稳定。

[0005]使用较大数量筛床的PSA系统已经开发用于工业用途。这些设计依赖于复杂的阀门控制。这类设计已经证明具有高的气体分离效率并且提供更大的系统压力稳定性。主要缺点包括设计的复杂性、开发和生产的高成本，以及多阀门控制由于过量使用而易于频繁发生故障。

[0006]用较小的基于PSA的装置/氧气浓缩器从空气中分离氮气、二氧化碳和水蒸汽将产生高纯度水平的氧气。这样的装置具有很大的实用性，例如改善有长期呼吸疾病的患者的生活方式的质量来服务于患者。当前，家用PSA氧气浓缩器正由多家公司进行制造。

[0007]理想地，家用浓缩器应当提供以下特性：

*最小的尺寸和重量以提供更大的灵活性

*能够连续地提供稳定且高浓度水平的氧气

*可靠且提供用户舒适性

*低噪声水平

*消耗功率低、导致相对较低的运行成本

[0008]大多数家用浓缩器目前采用一种与使用电子定时控制电路的多路气动阀控制相结合的二筛床配置(或构形)，该配置是相当复杂且不可靠的。由于对家用浓缩器的不断增长的需求，当前的装置已经在其可靠性和稳定性方面进行了改进。美国专利No.5,814,130、No.5,814,131和No.5,807,423都披露了一种具有旋转阀而非电子气动阀的2筛床配置。这样的旋转阀显得更简单且更可靠。而且，该旋转阀可降低整个浓缩器尺寸和重量。然而，在上述专利中披露的旋转阀和已知的其它旋转阀不能消除机器工作压力的不稳定性而且不能改进二床系统的气体分离效率。

[0009]美国专利No.5,366,541披露了一种分离器，该分离器包括具有多筛床(12个筛床)配置的旋转阀。这种组合确实在循环中提供了更稳定的压力环境。然而，这种设计在筛床的入口端处采用均衡化，这显著降低或减小了效率。理论上，在设计中更大量的筛床应当产生更稳定的压力环境并且产出更好的输出气体。在不利条件方面，更多的筛床将增加整机的尺寸、重量和生产成本。

[0010]在应用上仍然需要一种尺寸减小、重量和成本降低的氧气浓缩器或分离器，同时仍提供高水平的性能、效率和可靠性。

发明内容

[0011]本发明包括一种含有至少一个气体分离器的气体分离系统、气体浓缩器或分离器的实施例和特征、以及气体分离的方法。

[0012]本发明的一个实施例包括一种气体分离器，该气体分离器包括筛床和控制阀。优选地，所述分离器具有五个筛床，每个筛床具有底端和顶端，所述筛床以大致五角形的关系布置在中心线的周围。分离出的气体或产物气体通过产物气体出口被从每个筛床输送到一个或多个产物储蓄器。

[0013]流向每个筛床以进行分离的气体和从每个筛床流出的废气由控制阀控制。在一个实施例中，控制阀包括具有通向内部空间的气体进口的壳体。控制阀还包括优选位于所述壳体中的定子和转子。

[0014]所述定子具有顶部和底部。优选地，单条排废气通道穿过所述定子从顶部通向底部。气体输送通道也穿过所述定子从所述顶部延伸到所述定子的底部(在存在有五个筛床时对应有五条气体输送通道)。

[0015]所述转子安装成用于相对于所述定子旋转，并且优选定位成邻近所述定子。所述转子被构形成与所述定子协同工作，以控制流过所述控制阀的气体。在一个实施例中，所述转子具有第一切去部分，该第一切去部分在与所述定子中的气体输送通道的至少一条对准时使得气体能够从所述壳体的内部空间流入所述通道中并流向相对应的筛床。所述转子具有第二部分，该第二部分在与所述定子中的气体输送通道的至少一条对准时阻止气体流向对应于所述通道的筛床或阻止气体从所述筛床流出。所述转子至少包括第三部分，该第三部分在与所述定子中的所述气体输送通道的至少一条对准时使得气体能够通过所述通道从所述筛床向回流过所述定子中的排出通道。

[0016]在一个实施例中，所述定子是陶瓷板，其安装在所述壳体的下部部分的顶部上的插入部中。所述转子也是陶瓷板，其安装在确定于所述壳体的上部部分的底部处的腔室中。设置例如电机这样的装置，用于使所述转子相对于所述定子旋转。

[0017]在一个优选实施例中，待分离的气体被输送至每个筛床的底端或底部部分。分离出的产物从所述筛床的顶端或顶部部分送出。

[0018]本发明的分离器可使用于一种系统中。这样一种系统可包括压缩机，该压缩机用于使输送到所述分离器的气体加压。输送至所述分离器的空气可被过滤以去除污物和水。分离出的产物在输送给使用者之前也可被过滤并加湿。

[0019]本发明的另一方面是一种分离气体的方法。在一个实施例中，使用控制阀将空气或其它气体选择性地输送至分离器的筛床。所述气体优选以如下方式进行输送，即：使得每个筛床经过包括预加压、吸附、并流降压、逆流加压和清洗(或净化)步骤的循环。在吸附阶段，在高压下将气体输送到所述床以进行分离。在并流降压阶段，从所述筛床移除加压空气源，但是继续吸附。在逆流加压阶段，输送到筛床进行分离的剩余气体被释放，降低筛床中的内压。在清洗阶段，一小部分产物气体回流经过所述筛床以帮助所述床的再生。在预加压阶段，允许产物气体以升高所述床的内压的方式流回到所述筛床。在该时刻，循环再次起动，气体被输送到筛床以进行分离。

[0020]在所述方法的一个实施例中，至少两个筛床始终处于吸附阶段。在一个优选实施例中，存在有五个筛床。两个床处于吸附阶段，而另外三个床处于循环的另外四个阶段之一，这些床在循环中彼此偏置(或偏离)。优选地，通过使单个转子相对于定子旋转以控制气体流向所述筛床和从所述筛床流出来完成所述方法。

[0021]本发明是一种用于分离气体的紧凑且非常有效的装置，并且特别适合家庭医疗和类似用途。

[0022]本发明优于现有技术的进一步的目的、特征和优点将从随着在参考附图时的附图的详细说明中变得显而易见。

附图说明

[0023]图1图示出根据现有技术的一种二筛床变压吸附气体分离系统；

[0024]图2图示出根据本发明的一个实施例的分离系统，该系统包括根据本发明的一个实施例的气体分离器；

[0025]图3A是根据本发明的气体分离器的侧视图；

[0026]图3B是图3A中所示的气体分离器的顶视图；

[0027]图4A是图3A中所示的分离器的控制阀的一个实施例的侧剖视图；

[0028]图4B是图4A中所示的阀门的顶视图；

[0029]图5A是图4A中所示的阀门的静止板的顶视图；

[0030]图5B是沿图5A的5B-5B线截取的图5A中所示的静止板的侧剖视图；

[0031]图6A是图4A中所示的阀门的旋转板的底视图；

[0032]图6B是图4A中所示的阀门的旋转板的侧视图；

[0033]图6C是图4A中所示的阀门的旋转板的顶视图；

[0034]图7A是旋转板和静止板组件的顶视图；和

[0035]图7B是图7A中所示的组件的侧剖视图。

具体实施方式

[0036]在以下说明中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的更详尽的描述。然而，对本领域技术人员显而易见的是，可以不需要这些具体细节来实施本发明。在其它实例中，没有详细描述公知的特征以便不使本发明模糊。

[0037]总体上，本发明包括气体分离系统、气体分离器和分离气体的方法。本发明的一方面是一种包括气体分离器的系统。该分离器包括多个筛床和旋转阀。所述旋转阀被构形成选择性地将气体输送到筛床以进行分离，并且被构形成对所述床进行降压、清洗和预加压以进行下一个吸附循环。所述旋转阀被构形成使得系统中的每个床在循环中彼此偏置。在一个优选实施例中，至少两个床始终处于吸附阶段。

[0038]首先将参考图2描述本发明的一个实施例。图2以图解的形式图示出包括气体分离器22的气体分离系统20的一个实施例。如图所示，系统20特别适于用作家庭医疗用途的氧气浓缩器。气体分离器22优选是带有旋转阀的五(5)筛床PSA型气体分离器。将会理解，系统20可具有可供与之气体分离器22一起使用的其它配置。

[0039]压缩机24从入口26获得空气并将处于高压下的该空气提供给系统20。在一个优选实施例中，空气26是大气或“室内”空气。当然，可以使用其它产物源，例如待分离的空气或其它气体。所述空气可例如用0.3微米过滤器28就进行过滤，从而去除颗粒物质，例如灰尘和烟尘。消声器(未示出)也可用来降低进气噪声。

[0040]风机盘管30可用于从压缩空气中去除湿气。风机盘管30可用来降低进入空气的温度，促使湿气从空气中凝结以进行收集。压缩空气可被输送到储罐32。额外的湿气可在储罐32处被从空气中凝结和收集。

[0041]然后压缩空气被引入到分离器22。下面详述根据本发明的分离器22的一个或多个实施例。在一个优选实施例中，分离器22被用于从空气中分离氧气。在这个过程中，相当纯的氧气被作为所期望的输出物或产物送出。氮气和其它气体作为排出物气或废产物产生。如上所述，本发明的分离器可用于从进入的产物供给源中分离或浓缩其它产物。

[0042]氧气可收集在储蓄器(在图2中未示出)中。例如氮气这样的废气可输送至排出口。所述废气在被送至排出口或排出点36之前可经过消声器34。

[0043]氧气可输送通过单向阀38，该单向阀38确保在系统未运转时，分离器22的筛床被密封而不受大气湿气和污染物的影响。分离或产生的氧气然后经过调节阀40以降低输出压力，例如降至大约0.04-0.05MPa。氧气也可经过过滤器42，例如0.2微米过滤器，从而进一步去除任何不需要的颗粒并确保氧气洁净。

[0044]流量计44可用来将氧气输出量调节到所期望的流率。例如，如下详述的，氧气可输送到与呼吸道患者相关联的呼吸单元。流量计或流量调节器可用于调节供应给患者的流量。最后，在所述氧气被输送到输出端48之前，所述氧气可经过加湿装置46以向所述氧气增加湿气(从而所述氧气不会太干燥，如所述氧气被直接输送至患者的肺的情况)。所述输出端48可以是管、端口等等，例如可以被连接到通向呼吸装置等的供给管路。

[0045]现在将参考图3-7更详细地描述根据本发明的分离器22的浓缩器的一个实施例。如图3A和3B所示，分离器22具有模块化形式(或结构)并且包括：多个筛床50；优选为由马达(或电机)54驱动的旋转型的控制阀52；模块盖56和模块基座57；储氧器58；压力调节器59；空气进口I；氧气出口O；以及排气或废气出口E。

[0046]筛床50优选是目前已知的或以后开发的适用于从进入的产物供给源，优选大气或室内空气，分离氧气或其它所希望的产物的任何类型的筛床。优选地，筛床50包含容易吸附氮气而非氧气的材料，从而允许氧气从中通过。

[0047]优选地，分离器22包括五(5)个筛床50。如图所示，筛床50优选以五角形取向的方式围绕位于分离器22的中心线C或中心的周围，从而为分离器22提供小的外形轮廓或尺寸。

[0048]筛床50具有顶端或近端和底端或远端。每个床50的底端或远端位于模块基座57处。如下详述的，向每个筛床50的底端提供空气。然后空气被分离，氧气(或其它所需产物)被输送至每个筛床50的顶端。所述床50的顶端对应于模块顶部或模块盖56。经过所述床50的氧气被输送到储蓄器58。

[0049]分离器22包括用于选择性地将空气或其它产物输送到每个床50以进行分离的装置。在一个优选实施例中，所述装置包括控制阀52。在一个优选实施例中，所述控制阀是旋转阀，所述控制阀在本文中也称作旋转阀52。下面将参考图4A和4B详述本发明的旋转阀52的一个实施例。

[0050]通常，阀门52包括五(5)个主要部件或部分。阀门52包括壳体。阀门52包括壳体。在一个优选实施例中，壳体包括上壳体60和下壳体62。阀门52还包括静止板或定子64、旋转板或转子66、以及用于使旋转板66运动的装置。在一个实施例中，如图3A所示，阀门52可位于保护壳中。

[0051]如图所示，下壳体62具有顶部和底部。在一个实施例中，下壳体62大体为圆柱形形状并且大体为实心体。然而，下壳体62可具有多种构形(或构造)。在一个优选实施例中，下壳体62在其顶部中确定有凹陷部或插入部。如图所示，静止板64优选座放该凹陷部内。当静止板64大体为圆柱形形状时，所述插入部或凹陷部优选以类似的方式成形，从而静止板64紧密地配装在下壳体62内。

[0052]废气排出通道68穿过下壳体62从下壳体62的顶部延伸到底部。如图所示，废物通道68终止于插入部并且优选被布置成与静止板64中的配合通道(下文所述)对准。如图所示，接头70可位于从下壳体62的底部出来的废气排出通道68的出口处，从而允许气体管路连接到该接头70。

[0053]下壳体62还确定有对应于每个筛床50的空气通道72。因而，在分离器22包括五(5)个筛床的实施例中，优选有五(5)条空气通道72。如图所示，每条空气通道72从插入部穿过下壳体62通向下壳体62的侧面或周边部分。在这种取向中，每条空气通道72沿其路径转向九十(90)度。接头74或其它连接器可位于从下壳体62出来的每条空气通道72的出口处。

[0054]如上所述，静止板64至少部分地座放于下壳体62的顶部上的插入部中。在一个实施例中，静止板64是盘状(大体圆形的周边形状)构件。如图所示，一个或多个密封件76(例如O形环)可位于静止板64和下壳体62之间以形成其间的气密密封。

[0055]此外参考图5A和5B，静止板64确定有从其中穿过的通道，所述通道分别对应于下壳体62的空气通道和废气通道。具体地，静止板64类似地确定有与下壳体62中的废气通道68对准的废气通道68b。静止板64还确定有对应于下壳体62中的五(5)条空气通道的五(5)条空气通道72b。这些通道68b、72b中的每一条对准下壳体62中的相对应的通道延伸，并且穿过所述静止板从静止板64的底部延伸到该静止板64的顶部。

[0056]再次参考图4A和4B，上壳体60位于下壳体62的上方。上壳体60具有顶部和底部。上壳体60的底部置放在下壳体62的顶部上。在一个实施例中，上壳体60大体为圆柱形形状。

[0057]上壳体60确定有腔室78。腔室78从上壳体60的底部向内延伸，使得当上壳体60安装到下壳体62上时，腔室78大体上是封闭的。

[0058]进气通道80从上壳体60的外部穿过该上壳体60通向腔室78。在一个实施例中，该通道80是大体直的水平定位的通道。接头82或其它配装件可位于上壳体60的外部处，例如用于连接到空气管。优选地，压缩空气通过通道80输送到腔室78。

[0059]如图所示，腔室78的尺寸优选确定为在其中接纳旋转板66。在一个实施例中，腔室78大致围绕经过阀门52的中心线C定位。旋转板66被设计成在腔室78内围绕该中心线C旋转。

[0060]旋转板66是大致盘形的构件。旋转板66位于腔室78中并且定位在静止板64的附近，且更优选地位于静止板64的顶部上，与该静止板64直接且密封接触。旋转板66被设计成与静止板64协同工作，从而选择性地打开和关闭穿过静止板64的空气通道和废气通道68b、72b，这些通道通向穿过下壳体62的相对应的通道68、72。下面将参考在下文更详细描述的图6和7来提供旋转板66的附加细节。

[0061]如上所述，设置用于选择性地使旋转板66旋转的装置。在一个实施例中，这个装置包括马达84。马达84优选位于上壳体60的上方。在一个实施例中，上壳体60确定有从该上壳体60的顶部直到腔室78的驱动杆通道86。该通道86优选沿着中心线C定位。

[0062]马达84优选是用电力供能的同步电机。马达84使连接到旋转板66的驱动杆88运动。驱动杆88从马达84延伸穿过驱动杆通道86。

[0063]在一个实施例中，一个或多个密封件90，例如O形密封环位于驱动杆88和上壳体60之间以密封其间的空间。另外，一个或多个轴承94可位于驱动杆88的周围，例如在上壳体60中的腔室78的顶部附近，从而旋转地支撑驱动杆88。

[0064]偏压装置，例如弹簧92，优选提供预加载力以将旋转板66保持在适当位置。如图所示，弹簧92是至少部分地位于驱动杆88和旋转板66之间的螺旋弹簧。

[0065]在一个实施例中，至少静止板64和旋转板66由陶瓷制成。其所具有的优点在于所述板是气密、耐磨和自润滑的。

[0066]现在将参考图6A-6C更详细地描述旋转板66。所述旋转板包括4个功能区。第一区96确定有压缩空气进入区。如下详述的，这个区允许压缩空气从腔室78流向静止板64中的一条或多条空气通道72b，所述通道使得压缩空气能够进入相对应的筛床并起动PSA循环。第二区98是并流降压区。这个区98阻止压缩空气被传送到筛床50。第三区100是废气冲洗通道。这个区使得废气能够流经从一个或多个筛床5，以从所述筛床50流经下壳体62中的空气通道72到达废气通道68(经过静止板64中的配合通道68b)。最后的区域102是预加压区。这个区再次阻止压缩空气进入通向筛床50的相对应的空气通道，并且阻止废气离开相对应的筛床50。

[0067]如图所示，第二区和第四区98、102由旋转板66的大体实心的部分来确定，所述实心部分有效地阻挡住空气流或废气流。在一个实施例中，第一区96包括位于旋转板66的周边处的插入区(如果旋转板66完全是圆形或圆柱形形状，则该插入区是与旋转板66的形状有关的插入部)。第三区100包括在旋转板66的底部中形成的插入部或凹陷部。

[0068]图7A-7B示出静止板64和旋转板66之间的关系。如下文更详细所述，旋转板66被构形成选择性地与静止板64协同工作，从而控制：(1)流向每个筛床和从每个筛床流出的压缩空气，以及(2)控制从每个筛床流出的废产物。

[0069]如图所示，当旋转板66旋转时，第三区100选择性地对准穿过静止板64的一条或多条空气通道72b。在此情况发生时，穿过静止板64的空气通道72b设置成与废物通道68b连通，从而允许废气从所述一个或多个筛床50(对应于空气通道72b)流向阀门52的废气排出口。如下详述的，本发明的一个优点是阀门和通道构形的简单性。如上所述，用来输送用于分离的气体的相同通道被用来将废气输送回到阀门，从而送至排出口。

[0070]另外，当旋转板66旋转时，第一区96选择性地对准穿过静止板64的一条或多条空气通道72b。在该情况发生时，输送至腔室78(见图4A)的压缩空气可经过静止板64中的空气通道72b流到通向一个或多个筛床50的空气通道70。

[0071]现在将更详细地描述分离器52的操作。通常，每个筛床50经历包括以下阶段的PSA循环。

[0072]一个阶段是“吸附”阶段。根据这个阶段，高压气体或其它产物被输送到筛床以进行分离。所述气体或其它产物被筛床分离。如上所详述的，在所述气体是大气或室内空气的情况下，所述筛床可被构形成从剩余气体(主要是氮气)中分离氧气。分离出的气体被输送通过一个或多个输送孔或输送管道，例如送至产物气体储蓄器。

[0073]下面将相对上文所述的系统20的筛床50之一来描述这个阶段。具体参考上文详述的实施例分离器22，在这个步骤，压缩空气通过空气通道80被输送到阀门52的腔室78。当旋转板66的第一区98对准静止板64中的空气通道72b时，所述加压空气流过静止板64、流过下壳体62中的相对应的空气通道72、流到筛床50。

[0074]另一阶段是“并流降压”阶段。在这个阶段，从筛床移除压缩空气源或其它产物源。分离出的产物，例如氧气，持续被产生并且被从筛床通过顶部调节出口孔释放。筛床内的气压将逐渐下降至非常接近大气压。

[0075]下面将相对上文所述的系统20的筛床50之一来描述这个阶段。具体参考上文详述的实施例分离器22，在这个步骤，确定旋转板66的取向，使得第二部分98覆盖穿过静止板64并随后通向筛床50的空气通道72b。这样，从该筛床切断压缩空气的供给。处于高压的已输送的空气在其经过筛床50时继续被分离。当氧气被分离并从所述筛床送出时，所述筛床中的气压降低。

[0076]另一阶段是“逆流加压”阶段。在这个阶段期间，筛床中的剩余气体向回释放通过入口孔，从而进一步降低内部气压。此时，吸附性气体元素开始从筛床释放。

[0077]下面将相对上文所述的系统20的筛床50之一来描述这个阶段。具体参考上文详述的实施例分离器22，在这个步骤，确定旋转板66的取向，使得第三部分100将来自筛床50的空气通道72(该空气通道72与穿过静止板64的空气通道72b相通)与废气通道68b互连，所述废气通道68b通过静止板64和下壳体62中的废气通道68通向废气出口。此时，已输送但未分离的气体以及废产物(即分离后剩余的产物)可从筛床50流向废气出口，从而降低筛床50内的压力。

[0078]另一阶段是“清洗(或净化)”阶段。在这个阶段期间，一小部分产物气体进入或流回到筛床中，以帮助使分子筛再生并使该分子筛准备下一个循环。当这个产物气体流回时，其清除掉废气和未分离的气体。

[0079]下面将相对上文所述的系统20的筛床50之一来描述这个阶段。具体参考上文详述的实施例分离器22，在这个步骤，旋转板66仍然处在废气可从筛床50逸出或排出的位置的取向。然而，一些产物气体再次进入筛床(如所述的，从阀门52的筛床的顶部向底部基本上向后流动)。这个产物气体由筛床向回通过阀门52使氮气和其它分离的气体从该筛床清除掉。

[0080]最后，另一阶段是“预加压”阶段。在这个阶段期间，通向筛床的空气或产物入口被再次关闭。一小部分较小吸附性的气体元素(例如氧)从调节孔进入，从而开始加压筛床并使所述床准备下一循环中的下一次吸附。

[0081]下面将相对上文所述的系统20的筛床50之一来描述这个阶段。具体参考上文详述的实施例分离器22，在这个步骤，确定旋转板66的取向，使得第四部分102再次覆盖穿过静止板64并随后通向筛床50的空气通道72。此时，由于产物气体继续进入筛床，所述筛床中的气压增加。

[0082]在本发明的一个优选实施例中，分离器22具有五(5)个筛床50。旋转板66被旋转使得每当旋转板66进行一个完整循环(即完整的360度旋转)时，每个筛床50都经过上述五个阶段的循环。因为各个循环由旋转板66的所述区域确定，因此根据旋转板66关于定子64的相对位置(从而相对于通向筛床的输送通道)，筛床同时处于不同的阶段。

[0083]每个筛床依据时间的循环顺序的一个示例示于下表：

 

床/阶段	1	2	3	4	5	6
							A	吸附	吸附	并流降压	逆流加压	清洗	预加压
B	预加压	吸附	吸附	并流降压	逆流加压	清洗
							C	清洗	预加压	吸附	吸附	并流降压	逆流加压
D	逆流加压	清洗	预加压	吸附	吸附	并流降压
							E	并流降压	逆流加压	清洗	预加压	吸附	吸附

[0084]这个配置具有许多好处。首先，始终有两个筛床处于吸附阶段，并且只有一个筛床在切换时刻具有较大的压力差。这确保了系统的输出气压的稳定性。因此，产物气体的流动以及浓度保持稳定。

[0085]根据本发明，循环时间可通过改变旋转板的速度进行调整。特别地，PSA循环的每个步骤或阶段的时间可通过旋转板的各部分的位置和/或角度范围进行调整(即，“吸附”阶段可通过增加所述板的切去部分96的尺寸来延长)。例如，为了输送5LPM流率的产物气体，该循环时间可以是大约15-30秒，这对应于大约2-4rpm的旋转板转速。

[0086]本发明的系统、分离器和方法具有许多附加的特征和优点。一个优点在于空气被充分过滤并经过消声器流到压缩机。然后该压缩机产生高压压缩空气流。这个压缩空气可被冷却并经过用于冷凝的容器，以在进入分离器之前去除多余的湿气。在该分离器内部，旋转板始终暴露通过静止板通向两个相对应的筛床的两条空气通道。氮气、水和二氧化碳(或所希望的其它产物)被吸附在分子筛上。氧气，较少吸附的气体元素，将通过筛床的顶部处的调节孔作为产物气体产生。该产物气体将收集于储氧器(压力约0.1MPa)并在送出供患者使用之前进一步调节到约0.04-0.05MPa。

[0087]所述系统和方法的其它优点在于提供了稳定的产物气体(例如氧气)输出压力和流率。所述系统和方法还具有高的气体分离效率，使得与现有系统和装置相比，需要较小量的吸附物，例如分子筛，以产生相同体积和浓度的氧气。所述系统和方法还对变化的反应非常迅速，例如，当所期望的输出从较低体积的氧气输出变为较高体积的氧气输出时。

[0088]与传统的2床系统(+/-0.05MPa)相比，所述系统和方法以微小的压缩机压力变化(在+/-0.02MPa的范围内)工作。这种压力变化的降低延长了压缩机的寿命并且减少了整个系统的噪声水平，这对于接受医疗的患者来说是至关重要的。

[0089]将会理解，本发明的系统和方法可具有其它配置，这些配置不同于具体图示和描述的那些配置。例如，本发明的分离器可用于与图2所示的系统不同的系统。可以用与具体图示的分离器不同的分离器来实施本发明的方法。

[0090]本发明的分离器也可具有不同于具体所示配置的配置，同时仍然被构形成实施产物分离的方法。本发明的各方面，包括分离器的各方面，可具有对其它产物或方法的适用性。例如，控制阀可用于另外具有其它配置的分离器。

[0091]例如，分离器可被构形成具有多个产物气体储蓄器或单独的产物气体储蓄器。控制阀可用于具有其它数量的筛床的分离器。所述筛床可不同于如图所示的示例来构形(例如，截面为方形而非圆形)。

[0092]在一个实施例中，定子可与下壳体一体成形，而不是安装在下壳体的插入部中的单独部件。通道可具有各种形状，并且所述通道可包括管、导管或其它确定有大体闭合的流路或内含流路的构件。

[0093]所描述和图示的实施例分离器的一个优点是其简单性。所述分离器采用最小数目的部件并且具有很少的运动部件。即使仅有单条通道通向每个筛床，分离器的通道配置也允许五个不同的筛床阶段。代替如现有技术设计中的多重通道的是，本发明的配置使得分离器能够具有不太复杂且更紧凑的配置。如上详述的，例如，使用输送待分离产物的相同通道将废气从筛床送回到控制阀(在该处超过排出点)。另外，控制阀可靠近所述床的底部位于分离器的底部，产物气体可存储在所述床的顶部，从而提供了紧凑的配置(因为不需要在所述床的端部之间提供如其它设计中通用的交叉通道等)。

[0094]转子/定子组合是特别有利的，因为该组合使得筛床仅通过使转子相对于定子旋转就能经过五个阶段进行循环。不需要其它阀门或其它部件来控制气流(输出气体或废气的气流)。

[0095]将会理解，以上所述的对本文的设备和方法的布置仅仅是应用本发明原理的说明，而在不偏离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以实现很多其它实施例和改进。

Claims (17)

1.一种气体分离器，它包括：

五个筛床，每个所述筛床具有底端和顶端，所述筛床以大致五角形的关系布置在所述分离器的中心线的周围；

产物气体储蓄器；

产物气体出口，所述产物气体出口从每个所述筛床通向所述产物气体储蓄器；

气体控制阀，所述气体控制阀包括：

壳体；

气体进口，所述气体进口通向所述壳体的内部；

定子，所述定子具有顶部和底部，排气通道穿过所述定子从所述顶部通向所述底部，且五条气体输送通道穿过所述定子从所述顶部通向所述底部，所述定子位于所述壳体中；以及

转子，所述转子邻近所述定子位于所述壳体中，所述转子安装成相对于所述定子旋转，所述转子具有：第一切去部分，所述第一切去部分在与所述定子中的所述五条气体输送通道的至少一条对准时使得气体能够在所述腔室和所述定子中的所述至少一条气体输送通道之间流动；至少第二部分，所述第二部分在与所述定子中的所述五条气体输送通道的至少一条对准时阻止气体流过所述至少一条气体输送通道；以及至少第三部分，所述第三部分在与所述定子中的所述五条气体输送通道的至少一条对准时使得气体能够通过所述至少一条气体输送通道流向所述定子中的所述排气通道。

2.根据权利要求1所述的气体分离器，其特征在于：所述壳体确定有至少一条排气通道，所述至少一条排气通道从穿过所述定子从所述排气通道通向所述壳体的外部。

3.根据权利要求1所述的气体分离器，其特征在于：所述控制阀包括用于使所述转子旋转的装置。

4.根据权利要求1所述的气体分离器，其特征在于：用于旋转的所述装置包括电机。

5.根据权利要求1所述的气体分离器，其特征在于：所述壳体确定有五条气体输送通道，所述五条气体输送通道从穿过所述定子的所述五条气体输送通道通向所述壳体的外部。

6.根据权利要求1所述的气体分离器，其特征在于：所述转子和定子包括陶瓷板。

7.根据权利要求1所述的气体分离器，其特征在于：所述壳体包括上壳体和下壳体。

8.根据权利要求7所述的气体分离器，其特征在于：所述下壳体具有顶部和底部，所述顶部确定有插入部，所述定子位于所述插入部中。

9.根据权利要求7所述的气体分离器，其特征在于：所述上壳体具有顶部和底部，所述底部确定有插入部，当所述上壳体安装到所述下壳体上时，所述插入部被包围形成所述腔室。

10.根据权利要求1所述的气体分离器，其特征在于：穿过所述定子的所述五条气体输送通道通向所述五个筛床。

11.根据权利要求1所述的气体分离器，其特征在于：所述产物气体出口和所述产物气体储蓄器位于所述分离器的顶部。

12.一种气体分离器，它包括：

五个气体分离筛床，所述筛床具有底端和顶端，所述筛床以五角形的关系布置在中心线的周围；

控制阀，所述控制阀包括：具有顶部和底部的上壳体和具有顶部和底部的下壳体，所述上壳体的所述底部邻近所述下壳体的所述顶部定位，所述下壳体的所述顶部确定有插入部；定子，所述定子至少部分地安装在所述插入部中，所述定子确定有五条空气流动通道和单条排气通道，所述五条空气流动通道穿过所述定子通向穿过所述下壳体的五条输送通道，而所述单条排出通道穿过所述定子通向穿过所述下壳体的单条排出通道，所述上壳体在至少底部处确定有插入部，当所述上壳体邻近所述下壳体定位时，所述插入部形成大体封闭的腔室；转子，所述转子可旋转地安装在所述腔室中，所述转子的至少一部分抵靠所述定子定位，所述转子具有第一实心部分、第二周边切去部分和第三插入部部分，其中所述第一实心部分被构形成遮掩穿过所述定子的一条或多条的空气流动通道，所述第二周边切去部分在与穿过所述定子的所述一条或多条空气流动通道对准时不遮掩所述空气流动通道，而所述第三插入部部分被构形成在与穿过所述定子的所述空气流动通道的至少一条对准时使所述至少一条空气流动通道与所述单条排出通道相连；进气口，所述进气口穿过所述上壳体通向所述腔室；以及，电机，所述电机具有延伸穿过所述上壳体与所述转子接合以使所述转子旋转的驱动轴；

流路，所述流路从穿过所述下壳体的所述五条输送通道的每一条通向每个所述筛床的所述底端；

产物储蓄器，所述产物储蓄器位于每个所述筛床的所述顶端；以及

产物输送通道，所述产物输送通道从每个筛床的所述顶端通向所述产物储蓄器。

13.根据权利要求12所述的气体分离器，其特征在于：所述定子和转子由陶瓷制成。

14.根据权利要求12所述的气体分离器，其特征在于：穿过所述定子的所述五条空气流动通道和所述单条排出通道大体上竖直地延伸。

15.根据权利要求12所述的气体分离器，其特征在于：所述控制阀沿着所述筛床之间的所述中心线定位。

16.一种从包含产物气体和至少一种附加气体的气流中产生至少所述产物气体的气体产物的方法，它包括：

提供气体分离器，所述气体分离器包括至少三个筛床和控制阀；

将处于压力下的所述气流输送到所述控制阀；

控制所述控制阀的转子的位置，使得所述转子的第一位置使得所述气流能够被供应给处于吸附阶段的至少两个筛床，同时阻止所述气流供应给至少一个筛床并且阻止废气从所述至少一个筛床流出，同时允许废气从至少一个筛床流出；以及

将产物气体从所述至少三个筛床输送给产物储蓄器。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述控制步骤包括使所述转子旋转。

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