CN102844268A - 氧气供应方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种用于供给氧气以满足用户需要的方法及设备，其中通过电驱动氧气分离装置中从空气中分离出氧气而供应氧气以满足用户需要并且用全部或部分的分离出的氧气充填吸附床。当存在用户需要时，可由电驱动氧气分离装置及从吸附床脱附的氧气来供应氧气。

Description

氧气供应方法及设备

发明领域

本发明涉及一种用于供应氧气的方法及设备，其中利用电驱动氧气分离装置从空气中分离出氧气，在所述电驱动氧气分离装置中，通过在离子电导体中的氧离子传递而从空气中分离出氧气。更具体地，本发明涉及其中将分离的氧气存储于吸附剂中以便可以从吸附剂和电驱动氧气分离装置供应氧气的方法及设备。

发明背景

可使用电驱动氧气分离装置而从空气中分离出氧气。此类装置采用膜元件，该膜元件具有夹在阴极电极与阳极电极中间的电解质(诸如氧化钇稳定的氧化锆)以及位于电极外表面的集电器，该集电器是用于在电极之间施加电势并因而对电解质施加电势。当把所述膜加热至能发生氧离子传递的温度并将电势施加到电极时，与阴极接触的空气将离子化成氧离子并且将被传输至阳极。在阳极电极处，氧离子将重新结合成氧气分子，可以将该氧气分子加以收集而产生氧气产品。此类装置特别用于要求超高纯度氧气的工业应用中。

尽管存在许多形式的此类装置，但通常膜元件具有使用电解质层、电极层、及采取平板或管的形式的集电器层的层状结构。

此外，通过歧管将各膜元件加以连接，以收集通过使用膜元件分离的氧气。可以将该组件封装于电加热的外壳内，以便将所述膜加热至其操作温度。将空气提供至所述外壳内以使空气接触膜元件。例如，如果使用管状形式的膜元件，那么可以将这些管连接到歧管并且通过鼓风机等将空气引入经加热的外壳内以使空气接触这些管的外表面。分离的氧气将集中于这些管内并且将经由连接到歧管的出口导管从加热的外壳中排出。

如上所示，电驱动氧气分离装置在要求供应超高纯度氧气方面具有特定应用。潜在的应用包括：用于执行元素分析的燃烧分析仪、用于微电子制造中的工艺气体、和用于激光切割中的吹扫气。在此类应用中，氧气需要将有变化，并且当将设备关闭时，对氧气无要求。然而，设计此类具有满足广泛客户应用的氧气需要的变化氧气流速的分离装置是非常昂贵的。实际上，在大多数情况下，用户将在短时间段内(例如5至8小时)要求较高的氧气流速。尽管可以将此类氧气分离装置设计成以变化的氧气流速供给氧气，但该氧气分离器将是非常昂贵的并且在大多数情况下并不使用。更加实用的是设计每周7天连续运行的氧气分离装置，其具有固定的氧气流速(例如0.5、1.0、1.5或2.0标准升/每分钟)的。此类设计将提高氧气分离装置的利用同时把制造成本维持在更实用的较低水平。

设计具有固定低输出的氧气分离装置（如上所述）的问题是：必须供给充分的氧气备用体积以便客户可以在装置的高峰使用时间内以高流速(大于产生流速)抽出氧气。然而，由于氧气分离装置的操作压力通常非常低，所以氧气存储是个挑战性的命题。为了提供充分的氧气备用体积，因此需要将氧气压缩以便存储于小容器中或者提供另一个大缓冲罐。这两种选择都具有其固有的缺点。例如，氧气压缩机的成本远高于氧气分离装置本身并且考虑从气瓶供给氧气的替代而在商业上被禁止。与压缩机相比，缓冲罐更为廉价但它占据有价值的空间，此空间在实验室中是首要的。而且，为了在缓冲罐内提供充分的备用体积，必须以非常高的压力(例如高于500 psig)存储氧气。然而，在高压力下操作管状膜元件会增加这种元件内的管环向应力，导致可能故障。而且，在这种非常高的压力下，电极氧化和集电器致密化会变得严重。

如下文中所述，本发明提供一种以比上面所概述的现有技术中考虑的更加实用且更高效的方式使用电驱动氧气分离装置的氧气供应方法及设备。

发明内容

本发明的一个方面提供一种供给氧气以满足用户需要的方法。根据本发明的此方面，在电驱动氧气分离装置中通过氧离子传递而从空气中分离氧气以产生分离的氧气流。通过将至少部分的分离的氧气流引入吸附床来存储分离的氧气流中所包含的至少部分的氧气。通过如下方式供给氧气：在电驱动氧气分离装置内从空气中分离出氧气而产生分离的氧气流，从含有之前存储于吸附床中的氧气的吸附床中排出吸附床氧气流，并且将至少剩余的部分的分离的氧气流与吸附床氧气流合并(combine)以形成合并氧气流，由该合并的氧气流供给氧气以满足用户对氧气的需要。

以这种方式，可以将氧气分离装置本身设计成具有低额定氧气生产率。正如将论述的，在将会包括无需要时段(例如夜晚)的低需要时段内，氧气分离装置将存储所有或部分的吸附床中所产生的氧气，以便在需要的高峰时段，吸附床氧气和所产生的氧气可用于满足需要。因为使用含吸附剂的吸附床，所以无需压缩氧气或者以较低压力将氧气存储于缓冲罐中以满足此类需要。而且，由含吸附剂的吸附容器所组成的吸附床的使用，允许将更多的氧气存储于较小的储罐内以满足用户需要。

在一个具体的实施方式中，在氧气供应的初始时段，仅从吸附床氧气流供给氧气并且在此类时段内，吸附床内的压力连续下降且电驱动氧气分离装置处于停止状态并且不产生氧气。在氧气供应的随后时期，该时期当吸附床内的压力降低至较低的预定压力水平时开始，激活氧气分离装置以产生分离的氧气流并且在随后时段内用户需要可以小于、等于或大于电驱动氧气分离装置能够产生氧气的速率。在这一点上，如果用户需要小于电驱动氧气分离装置能够产生氧气的速率，则将部分的分离的氧气流引入吸附床以存储部分的吸附床内的分离的氧气流中所包含的氧气并将剩余部分的分离的氧气流提供给用户以满足用户需要。在将部分的分离的氧气流引入吸附床的期间，吸附床内的压力连续地增加，当吸附床内的压力增加至高于较低的预定压力水平的较高的预定压力水平时，氧气分离装置回到停止状态。如果用户需要基本上等于电驱动氧气分离装置产生氧气的速率，则仅由分离的氧气流供给氧气而不从吸附床氧气流供给氧气。如果用户需要大于电驱动氧气分离装置产生氧气的速率，则由合并的气流供给氧气，其中合并的气流是由吸附床氧气流与全部的分离的氧气流所形成。如果无对氧气的用户需求并且吸附床内的压力处于或低于较低的预定压力水平，则激活电驱动氧气分离装置并且将全部分离的氧气流引入吸附床直到达到较高的预定压力水平，并且使电驱氧气分离装置回到停止状态。

在另一个实施方式中，用户需要可以在不存在用户氧气需要的时段与存在用户氧气需要的时段之间交替。在这种情况下，当不存在用户需要且吸附床内的压力低于预定的水平时，激活电驱动氧气分离装置并且将所有分离的氧气流引入吸附床。当吸附床内的压力达到预定的水平时，停止电驱动氧气分离装置。当存在用户需要时，激活电驱动氧气分离装置并由合并的气流为用户供给氧气，其中该合并的气流是由全部的吸附床氧气流与分离的氧气流所形成。

在本发明的任意一个实施方式中，将电驱动氧气分离装置和吸附容器容纳于系统内以输送氧气并且当系统无法满足用户氧气需要时通过氧气备用源供给氧气。而且，可以将被输送以满足用户需要的氧气的氧气压力调节至低于吸附床氧气流和分离的氧气流的压力的水平。

本发明的另一方面提供一种用于供应氧气以满足用户需要的设备。在该方面，将电驱动氧气分离装置设计成通过氧离子传递而从空气中分离出氧气并由此产生分离的氧气流。提供一种含吸附剂的吸附床。流动网将电驱动氧气分离装置与吸附床连接，使得至少部分的分离的氧气流引入吸附床并且分离的氧气流中所含的至少部分氧气存储于吸附床中。流动网具有出口，该出口与吸附床和电驱动氧气分离装置流体连通，使得能够从出口供给作为合并的气流的氧气以满足用户氧气需要，该合并的气流是由至少剩余的部分的由电驱动氧气分离装置所产生的分离的气流与由之前存储于吸附床内的氧气所产生的吸附床氧气流构成。

在一个实施方式中，提供一种控制系统，该控制系统对吸附床内的压力产生响应，并且设计成使得当压力处于较低压力水平时，激活电驱动氧气分离装置以产生分离的氧气流，而当压力处于高于较低压力水平的较高压力水平时，停止电驱动氧气分离装置且电驱动氧气分离装置处于不产生分离氧气流的停止状态。流动网具有至少一个单向阀，该单向阀被定位成防止从吸附床至电驱动氧气分离装置的流动，使得当存在用户需要且压力处于较高的压力水平时，从出口供给的氧气仅由吸附床氧气流组成直到吸附床内的压力降低至较低的压力水平，由此激活电驱动氧气分离装置，之后基于用户需要供给氧气。如果用户需要小于分离的氧气流的流速，则从出口提供的氧气由剩余部分的分离的氧气流组成且部分氧气流提供至吸附床。如果用户需要等于分离的氧气流的流速，则从出口供给的氧气由全部分离的氧气流组成，如果用户需要大于分离的氧气流的流速，则从出口供给的氧气由合并的气流组成。

在另一个实施方式中，控制系统对吸附床内的压力产生响应并且设计成使得当压力处在较低压力水平时，激活电驱动氧气分离装置以产生分离的氧气流，并且当压力处于高于较低压力水平的较高压力水平时，停止电驱动氧气分离装置且电驱动氧气分离装置处于不产生分离的氧气流的停止状态。流动网具有至少一个第一单向阀以防止从吸附床至电驱动氧气分离装置的流动、以及相互为逆向流动的两个平行流道。两个平行流道的一个在一端与吸附床流体连通而在另一端与电驱动氧气分离装置流体连通，两个平行流道中的另一个在一端与吸附床流体连通而在另一端与出口流体连通。两个平行流道中的一个具有第二单向阀，该第二单向阀被定位成防止从吸附床至电驱动氧气分离装置的流动，两个流道中的另一个具有第三单向阀，该第三单向阀防止从电驱动氧气分离装置至吸附床流动，使得当在较低的压力水平下激活电驱动氧气分离装置时，分离的氧气流将经由两个流道中的一个个流动至吸附床。流动网中还设置有位于两个流道的另一个中的在第三单向阀和吸附床之间的压力调节器，该压力调节阀设计成降低吸附床氧气流的管路压力以便吸附床氧气流能够与分离的氧气流合并。控制系统也设计成当压力处于较高的压力水平且存在用户需要时选择性地激活电驱动氧气分离装置，以便从流动网的出口输送的氧气是由经由两个流道中的另一流道而流动至出口的吸附床氧气流与从电驱动氧气分离装置流动至出口的分离氧气流所组成的合并气流。

在任一个实施方式中，可以将出口压力调节器与出口连接，以便将从出口输送的氧气的氧气压力调整至低于吸附床氧气流和分离的氧气流的压力的水平。此外，可以提供具有连接到出口的氧气瓶的备用供应系统。该备用供应系统设计成当氧气压力水平下降至低于预定的压力水平时从氧气瓶中输送氧气。而且，在本发明的任一个实施方式中，吸附剂可以是选自5A、CaNaX、CaX、LiX或它们的混合物的沸石。

此外，在任一个实施方式中，吸附床可以设置含有吸附剂的吸附容器。具有基部的管道三通附着于吸附容器，管道三通的基部具有侧面开口。伸长的下沉管(dip tube)穿过基部延伸进入吸附容器中，使得在伸长的下沉管与基部之间界定环形空间。环形空间与基部的侧面开口相连通。下沉管和侧面开口连接到流动网，使得或者分离的氧气流流入下沉管和吸附容器并且吸附床氧气流流经环形空间并流出侧面开口而流入流动网，或者分离的氧气流流入侧面开口、流经环形空间并流入吸附容器，并且吸附床氧气流经下沉管流至流动网。

附图简述

虽然本说明书以权利要求总结，明确指出申请人视为其发明的主题，但认为当结合附图时则更好地理解本发明，在附图中：

图1是用于实施根据本发明的一个实施方式的方法的设备的示意图；

图2是实施根据本发明的另一个实施方式的方法的设备的示意图；

图3是可以与本发明的任一个实施方式结合使用的吸附床的示意图。

具体实施方式

参考图1，图中示出了用于供给氧气以满足用户需要的设备1。用户需要可以基于使用装置1的人的需要或者来自连接到设备1的机器。设备1通常是由电驱动氧气分离装置2、吸附床3、流动网4和控制电驱动氧气分离装置2的操作的控制器5所组成。

应当指出的是，没有特定形式的电驱动氧气分离装置是优选的。然而，电驱动氧气分离装置2由绝缘外壳10所组成，该绝缘外壳10具有进口12以接受空气流14。容纳于绝缘外壳10内的是一排氧气分离元件16，该氧气分离元件采用封闭端管的形式并且在本技术领域是已知的，该氧气分离元件是由如下的各层所组成：可以是锰酸镧锶(LSM)的外阴极层、可以是锆的电解质层、可以是锰酸镧锶(LSM)的内阳极层以及可以是银的集电器层。当把氧气分离元件16加热至通常约为675℃的操作温度且将电势施加到内和外集电器层时，空气中的氧气将离子化并且将通过电解质从阴极层至阳极层的方向上传导氧离子。将氧气集中于歧管18内并经由导管20作为分离的氧气流排出。导管20形成歧管18的一部分。从出口24排出由贫化氧气的空气构成的滞留气流22。尽管未图示，但是，可以通过鼓风机驱动进入的空气流14流经绝缘外壳10。在绝缘外壳10内设置电加热元件26，以将氧气分离元件16加热至它们的操作温度，在该操作温度下，氧离子将被引导通过其电解质。优选地，为了充分利用本发明的优点，以本领域技术人员所熟知的方式来设计电驱动氧气分离装置，以便以在约200 psig与约500 psig之间的压力下产生分离的氧气。

吸附床3由采用填充有吸附剂28的气瓶形式的吸附容器26所组成。吸附容器26可以是已适当地批准用于压力容器操作的医用D或E瓶。而且，吸附容器26也可以是任何ASME级的压力容器。优选地，将吸附容器26容纳于支承电驱动氧气分离装置2的外壳30内，以便装配物(assemblage)占据最小的表面区域(footprint)。这就是说，电驱动氧气分离装置2和吸附床3可以在单独的外壳内。而且，尽管仅图示了单个吸附床3，但可以并联或串联一系列的此类吸附床。吸附床3吸附由电驱动氧气分离装置2所分离的氧气，以便如将要论述的可以由电驱动氧气分离装置2和吸附床3、以超过电驱动氧气分离装置2单独的能力的流速供应氧气以满足用户需要。

吸附剂28优选地是由沸石(例如5A、CaNaX、CaX、LiX或它们的混合物)形成。与在类似的温度和压力操作条件下的未填充的气瓶相比，此类材料将使更多的氧气存储于吸附容器26中。

碳分子筛、活性炭、富勒烯基材料也显示类似的性质，并且在一些情况下，此类材料与沸石材料相比具有更大的氧气存储能力。理论上，具有良好的氧气吸附能力的任何材料均可以用作用于氧气存储的吸附剂。然而，一些材料，特别是碳基材料，由于它们的易燃可能性而与氧气不相容。如上所述的沸石吸附剂是价廉的并且显示与氧气的相容性。然而，在要求更高的存储密度的情况下，可以使用碳基材料(只要在操作条件下该材料与氧气相容)。

当温度降低时，沸石吸附剂显示增强的氧气存储能力。然而，在设备1中建立低温条件从经济性方面看是不可行的。由电驱动氧气分离装置2产生的超高纯度氧气处于非常高的温度下，但是当氧气达到吸附床3时，其温度几乎与室温平衡。因此，在室温下显示较高氧气存储能力的任何材料均可以用作吸附剂。在这一点上，容纳吸附床3的外壳应当能够驱散吸收的热量并且从环境中吸收热量以有助于脱附。除了材料的氧气存储能力外，还存在着一些决定氧气存储密度的其它因素。这些因素包括：可及表面积、空隙空间、在吸附剂珠粒的生产期间使用的粘合剂材料和含量、以及任何其它添加物(诸如在生产结束时未去除的加工助剂)。具有更高体积密度的材料具有更多的氧气存储能力，因此，这种材料是优选的。通常，粘合剂材料不具有存储氧气的能力，因而减小总氧气存储能力。因此，无粘合剂或者具有最小的粘合剂含量的吸附剂也是优选的。应当指出的是，其它几何形状也是可能的，诸如挤出物和团粒。就吸附剂颗粒的尺寸而言，可以使用如下的任何颗粒尺寸和/或分布，可保留在吸附容器内，并且，当适当地填充时，在相同的压力和温度条件下用氧气装载或卸载时，比空的容器达到更大的氧气工作能力。

水分的存在对沸石吸附剂的氧气存储能力产生显著影响。在生产后，吸附剂中存在一些残余的水分。因此，重要的是选择具有低残余水分含量(小于1.0、优选小于0.5重量%)的吸附剂。而且，有可能在用吸附剂装载气瓶期间水分被分子筛(sieve)所捕获。因此，最需要注意的是避免分子筛与水分接触。可以通过在干燥气氛(例如使用手套箱的氮气气氛)中用吸附剂珠粒装载气瓶来避免此问题。然而，应当指出的是，氮气气氛的使用将另一种杂质(即氮气)引入吸附床3。氮气并不显著降低沸石的氧气存储能力，但是，氮气具有强烈地附着于沸石床中的倾向。由电驱动氧气分离装置所产生的氧气是超高纯度的，因此即使产品气体中有数百万分之一水平的氮气也将是不可接受的。正如本领域技术人员所熟知的，通过对吸附床3实施抽真空和使吸附床3经历氧气加压循环、或者使吸附床3经历在升高的温度下的加压和减压循环、或者在氧气气氛中用吸附剂28加载吸附容器26，可以有效地从吸附剂28中去除氮气。尽管仅示出了一个吸附床3，但是，正如本领域技术人员所做的，基于设备1的尺寸，可以使用多个并联或串联连接的吸附床。

流动网4是由歧管18组成，该歧管18是由导管20和出口导管32所形成，出口导管32在导管20与氧气分离元件16之间起连通作用，以接受分离的氧气的气流。导管20也通过出口导管34以及导管38与吸附床3连接，出口导管34具有过滤器元件36以防止由吸附剂28构成的颗粒随吸附床氧气一起被排出。在这一点上，当激活电驱动氧气分离装置2时，分离的氧气将通过出口导管32流动至导管20且然后通过导管38和34流动至吸附床3，在那里，氧气将被存储在吸附床中。在这一点上，大部分的存储的氧气将吸附在吸附剂28中，而剩余部分的氧气将存储在吸附剂颗粒之间的间隙中。当存在用户氧气需要时，吸附床氧气流将流经出口导管34和导管38，并且也如将要论述的，有可能地，分离的氧气流经出口导管32到导管20。在此时间内，通过使氧气从吸附剂28脱附而由之前存储于吸附容器26内的氧气以及吸附容器26中所含的残余加压氧气来产生吸附床氧气流。所得吸附床氧气与分离的氧气的合并气流将在出口导管40中合并并从设备1的出口42流出至用户。设置安全减压阀44以减小氧气的超压，在要求特定应用的地方，则设置压力调节器46来减小流经出口导管40的合并的气流的压力。设置单向阀47，用以防止可能污染这种设备的从用户处至设备1的回流。

在任何从吸附床3输送吸附床氧气的期间，单向阀48防止回流至电驱动氧气分离装置2。正如可理解的，如果将导管20单独地连接到出口导管40，则在连接的上游仅需要设置单个单向阀。然而，在氧气分离元件中的任一个发生故障的情况下，使用多个单向阀48也用于将各氧气分离元件16加以隔离。

通过加热位于外壳10内的加热元件26，将氧气分离元件16加热至操作温度。将来自交流电源56的交流电转变成直流电的直流电源54为加热元件26提供电力。热电偶57通过电连接58与控制器5连接。一个对控制器5的输入是设定点温度。相应地继而通过电连接62将控制器5连接到硅控制整流器60(“SCR”)。热电偶57连续地传输与绝缘外壳10内温度有关的信号。当该温度下降至低于设定点时，控制器5激活硅控制整流器60以便通过电连接64给加热元件26提供电力。使用AC电源56给硅控制整流器60提供电力。如果绝缘外壳10内的温度升高至高于设定点温度，那么控制器5操作以停止硅控制整流器60并因此切断提供至加热元件26的电力。

还对控制器5进行编程以便控制氧气分离元件16的操作。如上所述，借助于经由电连接68连接到氧气分离元件16的电源54，将电力提供至氧气分离元件16。在这一点上，可以将氧气分离元件16进行电串联连接。控制器5响应于由压力传送器70所测量的出口导管34内的压力而激活电源54，压力传送器70经由电连接72连接到控制器5以传输与出口导管34内的压力因此与吸附床3的吸附容器26内的压力有关的信号。

关于电驱动氧气分离装置2的操作，以较低的设定点压力(例如230 psig)以及较高的设定点压力250 psig对控制器5进行编程。也对控制器5进行编程使得每当由压力传送器70检测的压力下降至低于230 psig时激活电源54且当压力达到250 psig时停止电源54。因此，当存在用户需要时，由作为吸附床氧气流的吸附床氧气经由出口导管34、导管38、歧管18的导管20、然后经由出口导管40流动至出口42供应氧气。单向阀48防止氧气回流至氧气分离元件16。从吸附床3的流动一直持续直到达到230 psig的压力水平，然后激活电源54，随之氧气分离元件16从进入的空气流14分离出氧气。氧气分离元件16将继续供给氧气直到压力再次达到250 psig。当客户氧气供应需要小于电驱动氧气分离装置2所能够提供的氧气时或者不存在客户需要时，将达到此压力。

通过举例，假设电驱动氧气分离装置2能够提供约2标准升/每分钟的氧气并且客户需要将在小于2标准升/每分钟氧气至约4标准升/每分钟之间变化，那么客户需要将小于或大于装置2能够输送的氧气的氧气供应速率。在这一点上，如果客户需要大于电驱动氧气分离装置2能够供给的流速(大于2标准升/每分钟)，那么，尽管最初从吸附床3供给氧气，但当压力传送器70所检测的压力达到230 psig时，控制器5将激活电驱动氧气分离装置2，然后将作为由电驱动氧气分离装置2所产生的氧气的分离的气流与由吸附床3所产生的吸附床氧气流所形成的合并的气流供给氧气。如果客户需要等于电驱动氧气分离装置2的输出(例如2个标准升/每分钟)，那么仅由分离的氧气流供给氧气。假设客户需要小于能够从氧气分离装置2输送的氧气，那么，将由部分的分离的氧气流供给氧气并且将分离的氧气流的其它部分引入吸附床3以吸附于吸附剂28中。当不存在需要时，那么，将把全部的分离的氧气流引入吸附床3中。在客户需要低于电驱动氧气分离装置能够满足的量或者无需要的情况下，则当由压力传送器70所检测的压力达到较高的设定点压力(例如250 psig)时将仅停止电源54。

压力范围的选择取决于吸附等温线的形状及对电驱动氧气分离装置2的操作压力的限制。而且，当在客户位置配备设备1时，压力范围的选择取决于客户要求。例如，当客户要求指示终端用户应用的最低氧气压力为50 psig时，必须以适当的方式设计吸附容器26的尺寸以便提供充足的氧气备用体积，使得压力绝不下降至低于50 psig。基于吸附等温线的形状选择较高的压力(例如250 psig)，以便优化给定尺寸容器的氧气存储能力。

尽管控制器5已被描述成独立地对由热电偶57检测的设定点温度及设定点压力产生响应，但也可以对控制器5进行编程以便当达到较低的设定点压力时激活加热元件26，并且当达到温度设定点时停止加热元件26。然而，这应该是不希望发生的，因为氧气分离元件16的温度将发生循环并且这种循环将会导致此类元件的故障率提高。

优选地提供备用氧气源系统以便当出口42处的压力下降至低于指示设备1失效的预定水平时供给氧气。为了此目的，备用源系统设置氧气瓶80。用压力调节器82降低由氧气瓶80所供应的氧气的压力。设置隔离阀84以便可以将其设置在打开位置和关闭位置以选择性地供给氧气至出口42，并且设置单向阀86以便防止可能的不纯气体从用户处回流至氧气瓶80以及引导回氧气瓶80的管道。例如，假设将压力调节器46设定为50 psig，则将压力调节器82设定在略微较低的压力(例如40 psig)。在正常操作期间，单向阀86将防止向氧气瓶80的回流。当设备1完全失效或者设备1无法满足高于设备1的能力的持续需要时，将分离阀84设定为打开位置，并且从氧气瓶80供应氧气，同时单向阀47防止氧气回流至设备1。尽管未图示，但是可以利用位于单向阀86下游的压力传送器自动地控制隔离阀84，以便当压力下降至低于设定点(例如50 psig)时把隔离阀设定在打开位置。

参照图2，图中示出了被设计成根据循环需要进行操作的设备1’。设备1’主要是在流动网(在装置1’中标示为流动网4’)的设计方面不同于设备1。流动网 18’具有第一单向阀90以防止从吸附床3回到电驱动氧气分离装置2的流动。此外，流动网4’也具有两个平行的第一和第二流道92和94。第一流道92在一端与吸附床3相连通且在另一端与电驱动氧气分离装置2相连通。第二单向阀96位于第一流道92内以防止第一流道92内的从吸附床3至电驱动氧气分离装置2的流动。两个流道94中的第二个流道具有第三单向阀98以防止从电驱动氧气分离装置2至吸附床3的流动。

此外，压力调节器100位于在第三单向阀98与吸附床3之间的第二流道94内。压力调节器100设计成降低将来自吸附床3的吸附床氧气流的管路压力降低至电驱动氧气分离装置2的管路压力。

控制器5’类似于控制器5并以与控制器5相同的方式对加热元件26进行控制。给控制器5’设置压力设定点，该压力设定点与指示完全加载氧气的吸附床3的压力(例如如上所示的250 psig)有关。在操作期间，如果无需要并且当由压力传送器70所检测的压力低于250 psig时，控制器5’激活电源54以便给电驱动氧气分离装置2施加电力。然后，分离的氧气流内的氧气从电驱动氧气分离装置2流经第一流道92，并且第三单向阀98防止在第二流道94内流动。当达到设定点压力时，停止电源54。第一单向阀90防止从吸附床3至现在为空转的电驱动氧气分离装置2的氧气回流。当存在氧气需要时，控制器5’激活电源54以便向电驱动氧气分离装置2施加电力以产生分离的氧气流。同时，使氧气从吸附床3脱附以产生吸附床氧气流。在通过压力调节器100降低压力以便与由电驱动氧气分离装置2所产生的分离的气流内的压力相匹配之后，此气流将在第二流道94中流动。第二单向阀96防止吸附床氧气流在第一流道92内的流动。将吸附床氧气流与分离的氧气流加以合并以产生合并的氧气流，通过压力调节器46降低合并的氧气流的压力，然后经由出口42将氧气流排出至用户。尽管未图示，但是可以设置备用氧气源，诸如氧气瓶80及其相关的流动网。

参考图3，图中示出了特别用于图2中所示的设备1’的优选的吸附床3’。吸附床 3’设置含吸附剂28的吸附容器26。设置具有基部104和侧面开口106的管道三通102。管道三通102的基部104与吸附容器26连接，下沉管108经过管道三通102的基部104延伸入吸附剂28中并优选地终止于刮泥器(mud dauber)110以防止吸附剂28的颗粒被吸入下沉管108。下沉管108可与设备1’的第一流道92连接。尽管未图示，下沉管108将在下沉管108的端部112直接或者借助于导管连接到第二单向阀96，以便使以参考号114所标示的分离的氧气流经由下沉管108进入吸附容器26。在下沉管108的端部112，通过环形元件116使管道三通102的基部104绕下沉管108密封，环形元件116绕其外圆周焊接到基部104，并且绕其内圆周焊接到下沉管108。这提供管道三通102内的环形空间118，用于让吸附床氧气作为吸附床氧气流（由参考号120所标示）流出管道三通102的开口106。可替代地，在下沉管108的端部112使用特定的带通孔的配件以密封管道三通102的基部104。下沉管经过带通孔的配件并进入管道三通102。当把带通孔的配件附接到管道三通102的端部112时，其密封管道三通102的端部112。由此，管道三通102的开口106将直接地或经由合适的管道间接地连接到图2中所示的压力调节器100。优选地设置玻璃绵122以防止吸附剂的颗粒通过开口106排出。前述布置的优点是增强吹扫效力并由此在初始起动期间缩短吹扫时间。应当指出的是，吸附床3’也可以用于图1中所示的、流动网4略微修改的设备1。这种修改将包括将下沉管108与歧管18的导管20连接并单独地将开口106与出口导管40连接。而且，也能够以流动方向与上述方向相反的方式使用吸附床3’，其中，吸附床氧气流经下沉管108且经过分离的氧气流入管道三通102的侧面开口106并流经环形空间118。

虽然已参考优选的实施方式描述了本发明，但正如本领域技术人员所做的，在不背离所附权利要求中所陈述的本发明的精神和范围的情况下，可以做出许多改动、添加和省略。

Claims (13)

1.一种供给氧气以满足用户需要的方法，所述方法包括：

在电驱动氧气分离装置中通过氧离子传递而从空气中分离出氧气以产生分离的氧气流；

通过将至少部分的分离的氧气流引入吸附床并将至少部分的氧气存储于所述吸附床内，而存储分离的氧气流中所含的至少部分氧气；以及

通过如下方式提供氧气：在电驱动氧气分离装置内从空气中分离出氧气而产生分离的氧气流，从含有之前存储于吸附床中的氧气的所述吸附床中排出吸附床氧气流，并且将所述分离的氧气流与所述吸附床氧气流加以合并以形成合并的氧气流，从所述合并的氧气流供应氧气以满足用户的氧气需要。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

在氧气供应的初始时期中，仅从所述吸附床氧气流供应氧气；

在氧气供应的初始时期中，所述吸附床内的压力连续地下降并且所述电驱动氧气分离装置处于停止状态且不产生氧气；

在氧气供应的随后时期中，该时期当所述吸附床内的压力降低至较低的预定压力水平时开始，激活所述氧气分离装置以产生所述分离的氧气流；并且

在氧气供应的随后时期中：

如果用户需要小于所述电驱动氧气分离装置能够产生氧气的速率，则将部分的分离的氧气流引入吸附床中以便存储所述分离的氧气流中所含的部分氧气并且将剩余部分的分离的氧气流提供给用户以满足用户需要；

在将部分的分离的氧气流引入吸附床的期间，所述吸附床内的压力连续地增加，并且当所述吸附床内的压力增加至高于较低的预定压力水平的较高的预定压力水平时，使所述氧气分离装置回到停止状态；

如果用户需要基本上等于所述电驱动氧气分离装置产生氧气的速率，则仅从所述分离的氧气流供应氧气而不从所述吸附床氧气流供应氧气；并且

如果用户需要大于所述电驱动氧气分离装置产生氧气的速率，则从所述合并的气流供应氧气；所述混合气流是由所述吸附床氧气流与全部分离的氧气流所形成。

3.如权利要求2所述的方法，其中，如果不存在用户氧气需求并且所述吸附床内的压力处于或低于较低的预定压力水平，那么激活所述电驱动氧气分离装置并且将全部分离的氧气流引入所述吸附床中直到达到较高的预定压力水平并且使所述电驱动氧气分离装置回到停止状态。

4.如权利要求1所述的方法，其中：

所述用户需要在不存在用户氧气需要的时期与存在用户氧气需要的时期之间交替；

当不存在用户需要并且所述吸附床内的压力低于预定水平时，激活所述电驱动氧气分离装置并且将全部分离的氧气流引入吸附床中并且使分离的氧气流中所含氧气吸附于吸附剂中；

当所述吸附床内的压力达到预定水平时，停止所述电驱动氧气分离装置；并且

当存在用户需要时，激活所述电驱动氧气分离装置并且从合并的气流将氧气供给至用户，所述合并的气流是由全部的吸附床氧气流与分离的氧气流所形成。

5.如权利要求1或权利要求4所述的方法，其中，将所述电驱动氧气分离装置和所述吸附容器容纳于系统中以输送氧气，当所述系统无法满足用户氧气需要时由氧气的备用源供应氧气。

6.如权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的方法，其中，将被输送以满足用户需要的氧气的氧气压力调节至低于所述吸附床氧气流和所述分离的氧气流的压力的水平。

7.一种用于供应氧气以满足用户需要的设备，所述设备包括：

电驱动氧气分离装置，该装置设计成通过氧离子传递而从空气中分离出氧气并由此产生分离的氧气流；

吸附床，该吸附床含有吸附剂；

流动网，该流动网将所述电驱动氧气分离装置与所述吸附床连接，使得至少部分的分离的氧气流引入所述吸附床并且将容纳于所述分离的氧气流中的至少部分氧气存储于所述吸附床中；并且

所述流动网具有与所述吸附床和所述电驱动氧气分离装置流体连通的出口，使得能够从所述出口中供给作为由至少剩余的部分的由所述电驱动氧气分离装置产生的分离的气流与之前存储于所述吸附床中的氧气产生的吸附床气流所组成的合并气流的氧气以满足用户对氧气的需要。

8.如权利要求7所述的设备，其中：

控制系统对所述吸附床内的压力产生响应并且所述控制系统设计成当压力处于较低的压力水平时激活所述电驱动氧气分离装置以产生分离的氧气流并且当压力处于高于较低压力水平的较高压力水平时停止所述电驱动氧气分离装置且所述电驱动氧气分离装置处于不产生分离的氧气流的停止状态；

所述流动网具有至少一个单向阀，该单向阀被定位成防止气体从所述吸附床流动至所述电驱动氧气分离装置，使得当存在用户需要时并且压力为较高压力水平时，从出口供应的氧气仅由吸附床氧气流所组成直到所述吸附床内的压力减小至较低的压力水平，由此激活电驱动氧气分离装置，并且其后，如果用户需要小于所述分离的氧气流的流率，则将从所述出口供应的氧气由剩余的部分的分离的氧气流组成并且将一部分氧气流供应至所述吸附床；如果用户需要等于所述分离的氧气流的流速，则从所述出口所供应的氧气是由全部分离的氧气流组成；如果用户需要大于所述分离的氧气流的流速，则从所述出口供应的氧气是由所述合并的气流所组成。

9.如权利要求7所述的设备，其中：

控制系统对所述吸附床内的压力产生响应并且设计成使得当压力处于较低的压力水平时激活所述电驱动氧气分离装置以产生分离的氧气流并且当压力处于高于较低的压力水平的较高的压力水平时，停止所述电驱动氧气分离装置且所述电驱动氧气分离装置处于不产生分离的氧气流的停止状态；

所述流动网具有至少一个第一单向阀以防止从所述吸附床至所述电驱动氧气分离装置的流动；

两个平行流道中的一个在一端与所述吸附床流体连通而在另一端与所述电驱动氧气分离装置流体连通，并且所述两个平行流道的另一个在一端与所述吸附床流体连通而在另一端与所述出口流体连接，所述两个平行流道中的一个流道具有第二单向阀，所述第二单向阀被定位成防止从所述吸附床至所述电驱动氧气分离装置的流动并且所述两个流道中的另一流道具有第三单向阀，所述第三单向阀防止从所述电驱动氧气分离装置至吸附床的流动，使得当在较低的压力水平下激活所述电驱动氧气分离装置时所述分离的氧气流将经过所述两个流道中的一个流动至所述吸附床；

所述流动网还具有位于所述两个流道的另一个流道中、所述第三单向阀与所述吸附床之间的压力调节器，所述压力调节器设计成降低所述吸附床氧气流的管路压力，以便所述吸附床氧气流能够与所述分离的氧气流合并；并且

所述控制系统设计成当所述压力处于较高压力水平且存在用户需要时选择性地激活所述电驱动氧气分离装置，使得从所述流动网的出口输送的氧气由合并的气流而组成，所述合并的气流由通过所述两个流道中的另一个流道流动至出口的吸附床氧气流以及从所述电驱动氧气分离装置流动至所述出口的所述分离的氧气流组成。

10.如权利要求7或权利要求8或权利要求 9所述的设备，其中，出口压力调节器与所述出口连接，以将从所述出口输送的氧气的氧气压力调节至低于所述吸附床氧气流和所述分离的氧气流的氧气压力的水平。

11.如权利要求10所述的设备，其中，具有氧气瓶的备用供应系统与所述出口连接，所述备用供应系统设计成当氧气压力的水平降低至低于预定的压力水平时从所述氧气瓶输送的氧气。

12.如权利要求7或权利要求8或权利要求 9所述的设备，其中，所述吸附剂为选自5A、CaNaX、CaX、LiX或它们的混合物的沸石。

13.如权利要求7或权利要求8或权利要求9所述的设备，其中：

所述吸附床具有：含有吸附剂的吸附容器、具有附着于所述吸附容器的基部的管道三通；所述管道三通的基部具有侧面开口和伸长的下沉管，所述下沉管穿过所述基部延伸进入所述吸附容器，使得在伸长的下沉管与所述基部之间界定环形空间，所述环形空间与所述基部的侧面开口相连通；并且

所述下沉管和所述侧面开口与所述流动网连接，使得或者所述分离的氧气流流入所述下沉管和所述吸附容器，并且所述吸附床氧气流流经所述环形空间并流出所述侧面开口而流入所述流动网，或者所述分离的氧气流流入所述侧面开口，经过所述环形空间并进入所述吸附床并且所述吸附床氧气流经过所述下沉管流至所述流动网。

Images