CN104487152B - 用于变压吸收系统的氧气分离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于变压吸收系统的氧气分离装置(12、14)。为了提供改善的维护行为、较长的使用寿命和改善的能量消耗中的至少一个，所述氧气分离装置(12、14)包括：在第一侧处的气体入口(18、22)，所述气体入口用于将包含氧气的气体流引导至所述氧气分离装置(12、14)中；和在第二侧的气体出口(28、30)，所述气体出口用于将富含氧气的气体流引导离开所述氧气分离装置(12、14)；氧气分离隔膜(78)，所述氧气分离隔膜包括能够通过从包含氧气的气体中吸附除氧气以外的至少一种组分而从所述包含氧气的气体中分离出氧气的氧气分离吸附剂；以及支撑结构(80)，所述支撑结构用于支撑所述氧气分离隔膜(78)，所述支撑结构(80)包括固定到所述氧气分离隔膜(78)的多个支撑杆(82)。本发明还涉及一种氧气分离器(10)和一种产生用于变压吸收系统的氧气分离装置(12、14)的方法。

Description

用于变压吸收系统的氧气分离装置
发明领域
本发明涉及氧气分离领域。更具体地讲，本发明涉及通过变压吸收实现的氧气分离领域。详细地讲，本发明涉及一种用于变压吸收系统的氧气分离装置、一种包括此氧气分离装置的氧气产生器以及一种产生用于变压吸收系统的氧气分离装置的方法。
背景技术
氧气产生或氧气分离分别在不同的应用领域中起到了重要的作用，例如包括产生高纯度氧气以及烃类在反应器中的部分氧化反应。高纯度氧气的生产也是用于诸如家庭保健应用的医学应用的少量、低噪音的氧气产生器尤其关注的。
例如，氧气治疗术是将氧气施用为一种治疗方式。氧气治疗通过增加氧气对肺部的供应、由此增加氧气对身体组织的可用性来有益于患者。氧气治疗的主要家庭护理应用是针对具有严重的慢性阻塞性肺病(COPD)的患者，例如，COPD是影响美国超过1300万患者的疾病。
对于氧气的按需产生，商业的解决方案，也就是所谓的氧气浓缩机是已知的。例如，Philips Respironics正在提供一系列氧气浓缩机产品，适用于在家(EverFlo)和在路上(EverGo)需要氧气治疗的患者。此类系统可以是基于变压吸收过程的。
例如，此类变压吸收过程另外根据US 6,551,384B1已知。此文档公开了一种使用双床设备的变压吸收方法。此方法包括以下步骤：同时馈送和产生压力；吸收；均衡；抽空；抽空与净化；同时均衡及馈送。
然而，仍然需要改善，尤其是关于氧气的按需产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于变压吸收系统的氧气分离装置，所述氧气分离装置提供改善的维护行为、较长的使用寿命以及改善的能量消耗中的至少一个。
此目的是通过本发明的氧气分离装置和氧气分离器实现的。此外，这一目的还通过本发明的一种产生用于变压吸收系统的氧气分离装置的方法而实现。
用于变压吸收系统的氧气分离装置包括：在第一侧处的气体入口，所述气体入口用于将包含氧气的气体流引导至氧气分离装置中；和在第二侧的气体出口，所述气体出口用于将富含氧气的气体流引导离开所述氧气分离装置；氧气分离隔膜，其包括能够通过从包含氧气的气体中吸附除氧气以外的至少一种组分而从所述包含氧气的气体中分离出氧气的氧气分离吸附剂；以及支撑结构，所述支撑结构用于支撑所述氧气分离隔膜，其中所述支撑结构包括固定到所述氧气分离隔膜的多个支撑杆。
术语“氧气分离装置”可尤其是指氧气分离器的活性部分。例如，氧气分离装置可包括氧气分离吸附剂，所述氧气分离吸附剂可与包含氧气的气体交互作用，或者与包含氧气的气体中的限定组分交互作用，且因此可借助与所述包含氧气的气体中除氧气以外的至少一种组分的交互作用而从包含氧气的气体中分离出氧气。因此，如此的氧气分离装置或其氧气分离吸附剂分别能够从包含氧气的气体中分离出氧气，尤其是通过吸附过程，例如吸收过程。其可被示例性地形成为布置到外壳中或包括外壳的紧凑装置。
表述“变压吸收系统”可尤其是指一种氧气分离系统，所述氧气分离系统分别借助吸附过程或吸收过程来产生纯的或基本上纯的氧气。通过使用此系统，将包含氧气的气体的至少一个组分吸附到吸附剂，而氧气不会或较少地结合到所述吸附材料，且因此可以与所吸附的组分分离开。为了移除所吸附的一种或多种物质，为所述吸附材料提供沿反向方向的气体流，尤其是通过反转所述吸附剂上游和下游的压力状态，且因此通过变压来实现。
用在本文中的术语“氧气分离器”可尤其是指能够从包含氧气的气体中分离氧气的装置。因此，借助氧气分离器，从包含氧气的气体着手，可产生纯的或基本纯的氧气或者至少是富含氧气的气体。
此外，用在本文中的术语“氧气分离装置的第一侧”可以是指所述氧气分离装置的朝向一个方向引导的侧或部分，在该侧或部分处，所述包含氧气的气体被引导到氧气分离装置，而用在本文中的术语“氧气分离装置的第二侧”可以是指所述氧气分离装置的朝向相反侧引导的侧或部分，即，是指出现所产生的纯氧气或富含氧气的气体的一侧。
另外，用在本文中的术语“包含氧气的气体”可以是指至少部分地包含气态氧气或者由氧气组成的任何气体。由此，术语“富含氧气的气体”应具体是指与包含氧气的气体相比具有较高的氧气浓度、且在极端的情况下可为纯氧气的气体。
此外，在本发明的意义上，氧气分离隔膜可被理解为一个层，尤其是扁平的层，例如在薄膜结构的意义上，包括氧气分离吸附剂，且因此主要用于分别借助吸附过程或吸收过程来实现氧气分离效应。
术语“支撑杆”另外指代一种支撑所述氧气分离隔膜、但部分地受限且因此相对于氧气分离隔膜具有较小尺寸的结构。由于事实上提供了多个(即两个或两个以上)支撑杆，因此，在所述支撑杆之间分别提供用于包含氧气的气体或富含氧气的气体的流动路径。另外，优选地可使所述支撑杆彼此不接触。
如上文所述的氧气分离装置可尤其借助变压吸收系统而在氧气分离过程中提供改善的维护行为、较少的能量消耗、改善的使用寿命以及改善的质量传递和热量传递行为。
具体而言，由于事实上用于氧气分离的活性部分是由隔膜形成的，且因此呈特别薄的分层形式，因此可克服根据本领域中已知的布置所了解的潜在缺点，例如尤其是已知用于变压吸收系统的包括吸收珠粒(bead)的筛床。
例如，通过使用上述用于氧气分离的隔膜结构，可实现关于热量传递和质量传递属性的显著优点。这是由于以下事实：对于变压吸收系统而言，传统上使用的吸附剂是以布置在大型吸收床中的珠粒或挤出物的形式来使用的。质量传递的速率由晶体中的扩散路径确定。然而，在变压吸收过程中，可存在热量传递与质量传递限制之间的折衷。在所使用的珠粒具有不断增加的直径的情况下，压降可被减小，但可能发生劣化的质量传递和热量传递限制。结果，筛床中的珠粒的大小传统上是依赖于所使用的工艺和条件来使用的。较小的珠粒显示出增加的质量传递，但缺点为珠粒在容器壁处或外壳处分别显示出磨损，这可以导致形成来自珠粒的粉尘颗粒。此磨损可导致相应筛床的使用寿命减少。此外，由磨损所致的小型颗粒可以堵塞存在于气体入口和气体出口处的过滤器，这可以显著降低系统性能或甚至限制系统的操作。此外，由磨损所致的小型颗粒可强烈地影响传统筛床中的压力分布。
因此，通过使用隔膜结构，例如作为薄膜，可克服包括呈珠粒形式的吸收剂的筛床的缺点，也就是说，可克服大型珠粒所增加的质量传递和热量传递限制以及小型珠粒所增加的在容器壁处的磨损。
通过将隔膜(例如薄膜)用作活性氧气分离部分，能够提供具有大的表面积的小型颗粒，导致相对于大量珠粒实现改善的质量传递。因此，可实现高的氧气分离容量。由此，将颗粒或吸附剂分别固定或粘附在支撑结构上呈所定义的、尤其是本身稳定的层，且因此至少在日常工作条件下不会被移除，通常在隔膜中不会出现磨损，使得可避免或至少显著地减少磨损。因此，除改善质量传递限制之外，还可以避免形成粉尘或极其小的颗粒，因此分别显著地改善氧气分离的性能且显著地减少氧气分离装置的损害行为。因此，可显著改善如上文所述的氧气分离装置的使用寿命以及维护行为。
除此之外，且由于事实上支撑结构包括的多个支撑杆是直接地或经由另一个层间接地固定到氧气分离隔膜，因此可减少隔膜与氧气分离装置的其它部件的接触。因此，改善了热量传递限制，导致形成更具能效的工作模式。由此，明显可见，固定至隔膜的支撑杆的特征可依赖于产生此布置的方法，且还可以被理解为将所述隔膜固定至支撑杆。由于事实上并未提供任何连续的支撑杆，而是通过多个支撑杆(也就是说，至少两个、或优选地两个以上支撑杆)来实现所述支撑，因此可将压降保持在最小范围内，这是由于事实上提供了支撑结构的明确的开放结构，使得实现了包含氧气的气体与隔膜的有利且明确的气体交换和接触。
由此，外部支撑杆可用作一类外壳，其中例如，支撑杆之间的入口可用作气体入口，且隔膜的相反侧可用作出口，或反之亦然，使得在某些情况下可省略外壳的设置。
根据实施例，所述氧气分离吸附剂包括沸石材料。具体来讲，例如，沸石材料是用于将氧气与氮气分离、由此吸附氮气的有效吸附剂，使得包含氧气的气体可以是空气。因此，所述氧气分离装置可以用安全且节约成本的方式来操作。除此之外，可不必存储包括所述包含氧气的气体的储气筒，因此进一步改善了维护行为。进一步地，尤其相对于沸石材料，可将小型颗粒固定在包括多个支撑杆的支撑结构上，且因此尤其有利于根据本发明的氧气分离装置。由此，可省略粘土粘合料，因此可进一步改善质量传递行为。在非限制性实例中，结晶沸石材料层具有Mn+ x/n[(AlO2)- x(SiO2)y]的组成，其中M是碱性粒子或碱土离子，其中n+是阳离子M的电荷且可以是1或2。比率y/x等于1或大于1。例如，沸石材料可以是锂交换低硅石X沸石(Li exchanged Low Silica X zeolite)，其中比率y/x介于1至1.5之间。
根据另一实施例，支撑杆包括硅、玻璃、陶瓷(例如氧化铝)、玻璃陶瓷、金属或前述材料中的一个或多个的一个或多个组合。例如，所述支撑杆可以由前述材料中的一个或多个组成，例如尤其是由硅组成。此实施例允许产生明确且高纯度的氧气流，这是由于事实上这些材料显示为完全不或几乎不与包含氧气的气体交互作用，因此并不出现任何非期望的副产物使隔膜或所产生的纯氧气或基本纯氧气的氧气流劣化。除此之外，前述材料，例如尤其是硅，可用(例如)根据半导体生产已知的微图案化工艺加工，从而允许产生明确的支撑结构且因此产生明确的氧气分离行为，即使是在极小的尺寸下也如此。此类材料还显现出用于支撑隔膜的足够高的稳定性，尤其是如果隔膜形成得极薄。
根据另一实施例，在支撑杆的至少一端处设置一个层，所述层包括二氧化硅、氮化硅、前述材料的组合或旋涂玻璃层。例如，此层可设置于支撑杆与隔膜之间，或位于支撑杆的相反端部处，或者位于前述两个位置处。尤其是在设置于流动路径之间时，其可以是局部受限的。由此，局部受限的层可以尤其是指分别存在于邻近支撑杆处或存在于支撑杆上的层，但其并不或基本上不存在于产生于相应支撑杆之间的流动路径的区域中。包括氧化硅或氮化硅或其混合物或旋涂玻璃层的这个层可以尤其用作可以帮助将隔膜固定在基板上的层，且因此可以用作粘合促进剂。因此，这个层可以改善氧气分离装置的稳定性，进一步改善使用寿命和维护行为。另外，如果设置于支撑杆的与隔膜相反的一侧处，则根据此实施例的层可有助于分别以期望的方式形成或塑形所述杆和相应的流动路径，由此例如用作一个遮罩。具体来讲，所述层可以是致密或多孔的，且可以通过任何沉积技术而施加，例如热氧化或化学气相沉积法。氮化硅层可以优选地通过化学气相沉积法来施加。例如，旋涂玻璃层可以从半导体装置中获知。氮化硅、氧化硅或旋涂玻璃层的厚度分别优选地具有介于≥100nm且≤100μm之间的范围内的厚度，且优选地介于≥100nm且≤10μm之间的范围内。
根据另一实施例，所述支撑杆可包括多孔材料。例如所述支撑杆可以由多孔材料组成。提供多孔材料用于所述支撑杆允许进一步改善从氧气分离装置的入口到氧气分离隔膜的气体通量，这是由于事实上包含氧气的气体可经过产生于支撑杆之间的流动路径流动至氧气分离隔膜，但此外还可以分别流动经过支撑杆或经过其多孔结构。因此，包含氧气的气体也可以在邻近支撑杆的区域中流动经过氧气分离隔膜。
根据另一实施例，提供多个氧气分离隔膜且因此提供两个或更多个氧气分离隔膜，其中一个氧气分离隔膜位于另一氧气分离隔膜的下游。例如，此实施例允许提供尤其改善的气体分离容量，允许高的气体通量和尤其长的使用寿命。除此之外，根据此实施例，尤其改善了维护行为，这是由于事实上即使损坏了一个隔膜，使其完全加载有被吸附材料，或并不适当地起作用，但一个或多个其它氧气分离隔膜将提供期望的氧气分离程序。除此之外，氧气分离隔膜可以形成得非常薄，这是由于事实上氧气分离性能可以由多个氧气分离隔膜共享，由此允许为所需的氧气分离过程提供足够的吸附材料。一般来讲，根据此实施例，可提供两个或甚至两个以上隔膜，例如介于5至10个隔膜的范围内，或者甚至可提供更多个隔膜。例如，所述多个氧气分离隔膜可以通过多个支撑杆连接，或者所述氧气分离隔膜也可以松散地彼此堆叠，由此在侧部固定至外壳。
根据另一实施例，所述支撑杆具有≥50μm的长度。例如，所述支撑杆具有≥50μm至≤1000μm的长度。由此，所述长度可以被定义为位于支撑杆的开始处、在到达邻近部件(尤其是氧气分离隔膜或另一个层(例如二氧化硅层))之前之间、且沿包含氧气的气体的流动方向的距离。根据此实施例，非常可能以尤其适合于便携式家庭护理装置的极小尺寸形成氧气分离装置。这可以是提供一个氧气分离隔膜或在沿包含氧气的气体的流动方向一个接一个地提供多个隔膜的堆叠(其中支撑杆布置于所述隔膜之间)时的情况，由此无论如何均可实现极紧凑的尺寸。因此，此实施例可以在许多情况下相对于家庭护理装置是尤其优选的。除此之外，此类支撑杆显示出用于支撑隔膜的足够稳定性，以确保将形成断裂或损坏的风险最小化。
根据另一实施例，所述氧气分离隔膜具有≥1μm至≤500μm的厚度。这允许经过隔膜的氧气通量增加，因为隔膜的厚度可以在许多情况下对隔膜的可渗透性具有主要影响。由于根据本发明的隔膜系统可以在通常适用于生产半导体装置的设备上生产，因此低成本生产是可能的。另外，根据本发明的隔膜系统可以适用于小型扁平装置中，所述装置与诸如医学应用等应用尤其相关，尤其是在家庭护理的领域。因此，通过以介于≥1μm至≤500μm、尤其是≥1μm至≤30μm的范围内的厚度形成所述隔膜，例如，可增加可渗透性且因此增加隔膜系统的气体通量，从而允许提供高效率且小型的氧气分离装置。
根据另一实施例，所述氧气分离隔膜包括沸石晶粒或沸石颗粒或沸石珠粒，具体而言作为吸附材料。利用薄膜工艺，可以提供彼此紧邻生长的沸石晶粒。所述沸石晶粒可以形成细粒度的沸石隔膜。在使用实现薄而致密的沸石膜的沉积方法时尤其可实现细粒度的沸石隔膜，所述沉积方法例如是旋涂处理或溅射，其中还可以应用高温工艺。作为另外一种选择，所述沸石隔膜可以包括沸石颗粒，所述沸石颗粒根据本发明可以尤其包括小的沸石晶粒或由其组成。例如，具有颗粒的沸石隔膜可以用沉积具有较低密度的膜的沉积技术实现，所述沉积方法例如是旋涂处理和低温处理或印刷。取决于沉积技术和在所述工艺中应用的温度，所述沸石膜可以由沸石晶粒或细粒或颗粒以致密或多孔的层形成。在此实施例中，沸石层可以包括沸石晶粒或细粒或颗粒，所述沸石晶粒或细粒或颗粒具有大于或等于10nm至几十微米的尺寸，例如30μm。这可以通过利用(例如)薄膜处理技术，例如旋涂处理、水热处理或任何其它膜技术来施加所述沸石层而实现。作为另外一种选择，也可能分别用沸石晶粒、或沸石颗粒的凝聚物构建所述氧气分离隔膜。沸石晶粒或颗粒的凝聚物称为珠粒。沸石晶粒的这些凝聚物(也称为珠粒)可以按致密或多孔的布置方式实现以形成所述隔膜。为了实现所述沸石隔膜，例如，可以使用印刷技术。所述珠粒或凝聚物分别可以具有几微米(例如3μm)至几十微米(例如30μm)或甚至更大的直径。尤其是在这一情况下，隔膜的厚度可以超过非限制性的值500μm。此实施例允许提供类似于根据传统氧气分离装置已知的沸石材料，所述传统氧气分离装置例如是变压吸收系统。固定于隔膜中的沸石材料的实现使得能够不出现任何沸石的磨损，且因此避免了沸石床中的颗粒的污染。因此，根据这些实施例，可以实现细粒度的沸石材料关于热量传递以及质量传递行为的优势，而不具有如上文所述的关于极小颗粒的磨损的相应缺点。
根据另一实施例，所述氧气分离隔膜与支撑结构一起安装于外壳中。这是产生氧气产生装置的尤其简单且节约成本的方式。具体来讲，在将隔膜与支撑件一起封闭在外壳中的情况下，其中将气体入口以及气体出口形成于所述外壳中，则所述包含氧气的气体可以容易地被引导至所述外壳中且到达氧气分离隔膜的第一侧，且此外从氧气分离隔膜的第二侧离开所述外壳。由此，可以容易地避免氧气分离隔膜与外部大气之间的非期望交互作用，导致形成外壳内部的、且因此在氧气分离隔膜处的特别限定的条件。具体来讲，所述氧气分离行为也可以是被具体限定的。除此之外，可以抑制由于来自所述氧气分离装置周围的大气对氧气的影响所致的所述氧气分离行为的劣化，因此可以进一步改善所述维护行为以及此氧气分离装置的使用寿命。
关于根据本发明的氧气分离装置的其它技术特征以及优势，参见对氧气分离器、用于产生氧气分离装置的方法以及附图的说明。
本发明还涉及一种氧气分离器，所述氧气分离器包括：至少一个氧气分离装置，所述氧气分离装置如上文所述且因此具有一个或多个前述特征；以及压力调整装置，所述压力调整装置用于在所述氧气分离装置的第一侧和第二侧之间形成压力差。
术语“压力调整装置”可以是指能够在氧气分离装置的第一侧和第二侧之间产生压力差的任何装置。例如，它可以是连接到氧气分离装置的第一侧的气体压缩装置，或者是连接到氧气分离装置的第二侧的真空泵。
因此，类似于上文所限定的氧气分离器包括至少一个氧气分离装置。因此，所述氧气分离器可以包括仅一个氧气分离装置或多个(两个或两个以上)氧气分离装置，且可以大体形成变压吸收系统(PSA系统)。例如，所述氧气分离器可以包括并列布置的两个氧气分离装置。然而，依赖于所期望的应用，可并列布置甚至两个以上氧气分离装置。例如，可以并列布置所有存在的氧气分离装置。
例如，这一氧气分离器允许关于维护行为和使用寿命的明显改善。具体来讲，可以减少由于磨损而产生的小颗粒所致的污染行为。除此之外，可以明显改善质量传递行为以及热量传递行为。
关于根据本发明的氧气分离器的其它技术特征以及优势，参见对氧气分离装置、用于产生氧气分离装置的方法以及附图的描述。
本发明还涉及一种产生用于如上文所述的变压吸收系统的氧气分离装置的方法，所述方法包括以下步骤：提供一个基板，尤其是呈基板层的形式；将隔膜提供于所述基板上；以及通过从所述基板中形成多个支撑杆来处理所述基板。
此方法是用于产生氧气分离装置的非常节约成本且简单的过程，该方法能够改善热量传递行为、质量传递行为、使用寿命和维护行为中的至少一个。此外，根据此方法，可以提供一种包括一个隔膜的布置，所述隔膜固定至具有具体限定的尺寸和几何形状的支撑杆。例如，此方法适合于提供薄膜分子筛系统，其中在诸如硅载体的载体上处理诸如沸石晶粒的小型吸收剂颗粒。
具体来讲，在第一步骤中，提供一个基板。所述基板可形成为一个层，且例如，可以包括具有合适厚度的硅或者由其形成。所选择的厚度可以限定在后一步骤所产生的支撑杆的长度，且可以介于≥50μm至≤1000μm的范围内。所述基板材料还可以是多孔的或者不是多孔的。
根据另一步骤，将隔膜设置在所述基板上。所述隔膜尤其是包括用于从包含氧气的气体中分离出氧气的吸附材料。例如，可以将沸石材料，例如包括八面沸石晶格的沸石材料沉积于基板层上，作为如上文所述的吸附材料。具体来讲，这可以借助使用旋涂处理和/或喷涂沉积的溶胶-凝胶工艺来实现，优选地导致介于≥1μm至≤500μm的范围内的厚度。例如，可以使用熔炉或水热处理工艺中的加热。但也可以使用其它沉积技术，例如化学气相沉积技术等印刷或蒸发技术。诸如沸石材料的吸附材料可以以小晶粒或颗粒的形式存在于隔膜中，或者分别呈凝聚物或珠粒的形式。诸如旋涂处理的薄膜沉积技术可使得细小结晶的沸石层具有10nm至几微米的晶体大小。但也可以通过使用(例如)印刷技术而实现呈多达几十微米的珠粒形式的吸附材料。
在另一步骤中，通过从基板中形成多个支撑杆来处理所述基板。例如，此步骤可以通过半导体处理中大体已知的工艺来实现，尤其是在基板包括硅的情况下。
在另一可选的步骤中，如此形成的布置可以被固定在外壳中，所述外壳优选地包括气体入口和气体出口。由此，可以优选地将所述杆以包含氧气的气体的流动方向布置，且因此将隔膜布置成垂直于所述流动方向，以便产生极高的气体通量。此外，所述支撑杆可以朝向氧气分离装置的第一侧定向。这可以有利于以非常明确的方式将气流引导至隔膜。但也可能存在沿相反方向的定位。由此，可以在外壳内部提供包括多个支撑杆和一个隔膜的仅一种布置，或者可以用一个在另一个下游的方式提供多于一个的相应布置。
根据实施例，将包括氧化硅或氮化硅或者氧化硅和氮化硅的组合的层或者旋涂玻璃层施加至所述基板的至少一部分。此实施例允许产生设置于支撑杆与隔膜之间、或位于支撑杆的相对两端、或者位于前述两个位置处的层。例如，包括氧化硅的这个层可以尤其用作可以帮助将隔膜固定在基板上的层，且因此可以用作粘合促进剂。作为另外一种选择，这个层也可以保留在隔膜下方，且因此也在流动路径的区域中。因此，这个层可以改善氧气分离装置的稳定性，进一步改善使用寿命和维护行为。另外，例如，如果设置于支撑杆的与隔膜相反的一侧处，则根据此实施例的层可有助于分别以期望的方式形成或塑形所述杆和相应的流动路径，由此用作一个遮罩。具体来讲，所述层可以是致密或多孔的，且可以通过任何沉积技术而施加，例如热氧化或化学气相沉积法。氮化硅层可以通过任何沉积技术来施加，例如化学气相沉积。氧化硅层可以通过热氧化来实现。如此的旋涂玻璃层是根据传统半导体工艺已知的。氮化硅或氧化硅层或者是旋涂玻璃层的厚度分别优选地具有介于≥100nm且≤100μm之间的范围内的厚度，且优选地介于≥100nm且≤10μm之间的范围内。
根据另一实施例，所述基板是通过微加工、例如硅的微加工或喷砂来处理的。根据此实施例，以非常明确的方式形成支撑杆，即使是以极小的尺寸形成所述支撑杆时也如此。相应地，非常明确地形成所述支撑杆之间的流动路径，从而分别导致所述氧气分离装置的非常明确的工作行为或氧气分离行为。在支撑杆包括硅的情况下，此实施例可以是尤其优选的。
关于根据本发明的用于产生氧气分离装置的方法的其它技术特征以及优势，参见氧气分离装置、氧气分离器以及附图的说明。
附图说明
根据下文所述的实施例将显而易见本发明的这些和其它方面，并将结合所述实施例来说明这些和其它方面。
在下图中：
图1示出了变压吸收系统；
图2示出了根据本发明的氧气分离装置的实施例；
图3示出了根据本发明的氧气分离装置的另一实施例；
图4示出了根据本发明的氧气分离装置的另一实施例；
图5示出了根据本发明的氧气分离装置的另一实施例；
图6示出了用于产生根据本发明的氧气分离装置的方法。
具体实施方式
在图1中，示意性地示出了用于产生氧气的氧气分离器10。氧气分离器10形成为变压吸收系统，且可用于相对于治疗应用而产生氧气，例如在COPD治疗领域中。氧气分离器10可被设计为静态布置，例如用于在医院中使用所述氧气分离器，或者其可以是便携式装置，例如用于在家庭护理应用领域中使用所述氧气分离器。然而，氧气分离器10还可以被用于必须提供纯的或基本上纯的氧气的任何应用，例如在飞机中或出于焊接的目的。这种氧气分离器10或氧气浓缩机分别可以是基于氧气浓缩机的，例如称为EverGo且可以从PhilipsRespironics购买的氧气浓缩机。
氧气分离器10包括至少一个氧气分离装置12，其能够从包含氧气的气体分离氧气。然而，优选地，氧气分离器10包括至少两个氧气分离装置12、14，其中至少两个或两个以上氧气分离装置12、14是并列布置的。在下文中，关于两个氧气分离装置12、14来描述本发明。然而，本领域技术人员将显而易见，可通过使用仅一个氧气分离装置12或两个以上氧气分离装置12、14来相应地提供每一个特征。每个氧气分离装置12、14可以装备有如下文将显而易见的氧气分离吸附剂。所述氧气分离吸附剂具体被配置用于使氧气至少大量地通过而不明显阻碍其流动，但用于分别与存在于包含氧气的气体中的其它组分交互作用或吸收所述组分。在使用空气作为包含氧气的气体的情况下，因此优选地将氧气分离吸附剂配置用于分别吸附氮气或吸收氮气。适合的氧气分离吸附剂可以包括沸石材料，例如锂沸石材料。然而，可能使用本领域中已知的每一种适合的氧气分离吸附剂，例如用于在变压吸收过程中使用。
入口引导件16被设置用于将包含氧气的气体流引导到氧气分离装置12的在其第一侧处的气体入口18。相应地，入口引导件20被设置用于将包含氧气的气体流相应地引导到氧气分离装置14的在其第一侧处的气体入口22。此外，用于分别将富含氧气的气体或纯氧气引导离开氧气分离装置12、14的出口引导件24、26连接到相应氧气分离装置12、14的气体出口28、30。
氧气分离装置12、14的入口引导件16、20连接到氧气分离器的入口32。包含氧气的气体源可以连接到入口32，例如气体存储装置或环绕氧气分离器10的空气。另外，可以提供压力调整装置，用于在氧气分离装置12、14的第一侧和第二侧之间形成压力差。根据图1，提供压缩机34用于压缩包含氧气的气体并迫使其穿过入口引导件36、38到达氧气分离装置12、14，所述入口引导36、38件可以是入口引导件16、20的一部分或连接至入口引导件16、20。在压缩机34下游或上游，可提供入口过滤器40，以便提供包含氧气的气体的第一清洁步骤。具体来讲，尤其是可以从所述包含氧气的气体滤出固态颗粒。
为了允许将包含氧气的气体间歇地引导穿过氧气分离装置12、14，可以在入口引导件36、38中提供入口阀42、44。根据本发明的阀应当是可以允许气体流、抑制气体流和/或调节气体流的量的任何装置。因此，通过闭合阀44且通过打开阀42，包含氧气的气体可被引导穿过第一氧气分离装置12，而通过打开阀44和通过闭合阀42，包含氧气的气体可被引导穿过第二氧气分离装置14。对应地，诸如止回阀的阀46可被设置在出口引导件24中，且诸如止回阀的阀48可被设置在出口引导件26中。通过引导包含氧气的气体穿过第一氧气分离装置12，阀46可被打开，而阀48可被闭合。相应地，通过引导包含氧气的气体穿过第二氧气分离装置14，阀48可被打开，而阀46可被闭合。
在阀46、48下游，出口引导件24、26分别连接到氧气聚集器50或气罐，以便存储所产生的氧气。氧气聚集器50可以连接到出口管线52，所述出口管线中可设置有气流控制器54，以便控制纯氧气流。除此之外，可在出口管线52中设置纯度传感器56，以便监视所产生氧气的纯度。此外，在将所产生的氧气引导到出口60之前，可以将另一过滤器58设置于出口管线52中。所产生的富含氧气的气体可以从出口60被引导到期望的应用，例如引导到患者。
第一氧气分离装置12的出口引导件24和第二氧气分离装置14的出口引导件26可以通过在阀46、48上游的交叉引导件62连接，所述交叉引导件中可以设置有气流调节器64(例如孔口)或气流控制器。这允许出于冲洗目的而引导所产生氧气的限定部分(例如，在氧气分离装置中所产生的)往回穿过另一氧气分离装置14、12，或者反之亦然，并因此用于使氧气分离装置12、14再生。就这一点来说，冲洗管线66、68设置于氧气分离装置12、14的第一侧处，每一个都包括阀70、72。如果出于再生目的而引导氧气穿过氧气分离装置12、14自其第二侧至其第一侧，则流出气流可以被选择性地引导穿过冲洗管线66、68且穿过排气口74。
此外，可以提供用于加热氧气分离装置12、14的加热装置76。加热装置76可以作用在整个氧气分离装置12、14上，或者可以仅加热其特定区域。一般来讲，可以使用本领域中已知的每一种加热装置76。例如，可提供加热线圈。
氧气分离装置12、14的实施例的细节图在图2至6中示出。在这一方面，可以用相同的附图标记来定义相同或相当的部件，以便简化相应的说明。
根据图2，示出了布置76的实施例，所述布置可以是用于氧气分离装置12、14或者是其一部分。此布置76包括具有氧气分离吸附剂的氧气分离隔膜78，所述氧气分离吸附剂能够通过吸附所述包含氧气的气体中除氧气外的至少一种组分而从包含氧气的气体中分离出氧气。所述氧气分离吸附剂可以包括沸石材料，例如沸石晶粒或沸石颗粒或沸石珠粒，例如下文中将显而易见。例如，隔膜78可以包括细小沸石层，所述沸石层具有Mn+ x/n[(AlO2)- x(SiO2)y]的组成，其中M是碱性粒子或碱土离子，其中n+是阳离子M的电荷且可以是1或2。比率y/x等于1或大于1。例如，沸石材料可以是Li交换低硅石X沸石，其中比率y/x介于1至1.5之间。此外，隔膜78可以具有≥1μm至≤500μm的厚度，和/或支撑杆82之间的隔膜78的示例性宽度以及因此流动路径的宽度示例性地而非限制性地介于≥500μm至≤5mm之间。根据这些示例性且非限制性值，可以实现具有用于气体交换的尤其大的表面积的细小晶粒沸石层。
布置76还包括用于支撑氧气分离隔膜78的支撑结构80，其中支撑结构80包括多个支撑杆82，所述支撑杆被固定至氧气分离隔膜78且由标准支撑件形成，例如厚度<1000μm的硅晶圆，或者所述晶圆可以具有减小的厚度，例如被向下抛光，导致基板的厚度且因此支撑杆82的长度≥50μm。以此方式，将细小的氧气分离吸附剂固定于支撑杆上使得允许不因磨损而形成任何小颗粒。此外，在非限制性实施例中，支撑杆82可以形成为笔直的。
包括支撑结构80以及支撑杆82的布置76本身可以形成氧气分离装置12、14。在这种情况下，用于将包含氧气的气体流引导至氧气分离装置12、14中的气体入口18、22可以形成于支撑杆82的在与氧气分离隔膜78相反的侧处的端部处，且气体出口28、30可以形成于隔膜78的第二侧处。然而，可以优选地将隔膜78与支撑结构80一起安装于外壳中，例如由氧化铝形成的筒体，但并未如此显示。在这种情况下，所述外壳可以设置有相应开口，尤其还分别起到气体入口18、22和气体出口28、30的作用。
图中借助箭头84指示，包含氧气的气体被引导至氧气分离隔膜78。所述包含氧气的气体然后将分别与氧气分离隔膜78或其氧气分离吸附剂交互作用。因此，产生纯的或基本上纯的氧气流，其由箭头86指示，且其可以流出出口28、30、进入出口管道24、26到达其应用处。
图3示出了布置76的另一实施例。与图2相当，布置76包括氧气分离隔膜78和包括多个支撑杆82的支撑结构80。然而，根据图3，支撑杆82由多孔材料形成，例如，所述多孔材料可以是多孔陶瓷材料或多孔金属基板。
图4示出了布置76的另一实施例。与图2和相当，布置76包括氧气分离隔膜78和包括多个支撑杆82的支撑结构80。然而，根据图4，氧气分离隔膜78分别包括吸收材料的珠粒88或凝聚物。珠粒88可以具有介于几十微米的范围内的直径。
图5示出了布置76的另一实施例。与图2、3和4相当，提供氧气分离隔膜78和包括多个支撑杆82的支撑结构80。然而，根据图5，提供分别具有支撑杆82的隔膜78的堆叠。根据图5，提供两个分离隔膜78，其中一个氧气分离隔膜78位于另一氧气分离隔膜78下游，且其中氧气分离隔膜78通过多个支撑杆82而连接。隔膜78和支撑杆82的堆叠可以固定在彼此顶部上，或者作为另外一种选择，松散地堆叠在彼此顶部上。
图6示出了用于分别产生布置76和氧气分离装置12、14的方法。所述方法可以通过提供基板90、例如硅基板而开始。例如，基板90可以具有≥300μm至≤1000μm的厚度。在基板的一个或多个表面上，可以提供包括二氧化硅或氮化硅的另一个层92，例如具有介于≥50nm至≤200nm的范围内的厚度。例如，层92可以通过至少部分地氧化所述基板而形成，但也可以通过化学气相沉积、旋涂或任何其它技术而沉积。在图6的步骤A中示出这一点。
根据图6的步骤B，将氧气分离隔膜78分别设置于基板上或层92上。例如，隔膜78可以通过大体已知的沉积技术沉积于所述基板上，例如溶胶-凝胶处理、旋涂处理和/或喷涂沉积。而且，可以使用激光烧蚀或溅射工艺或水热工艺。此外，还可以应用诸如丝网印刷技术等印刷技术。
根据图6的步骤C，从背侧、也就是相对于隔膜78的相反侧图案化层92以及基板90。通过所述图案化步骤，通过从基板90中形成多个支撑杆82且在其之间具有流动路径94来处理基板90。在另一步骤中，在图6中示出为步骤D，以相同或相当的方式图案化邻近隔膜78的层92。由此，例如，基板90和层92的处理或图案化可以分别通过微加工或喷砂而实现。所得的结构可以包括长度≥50μm的支撑杆。
在稍微修改的工艺流程中，取决于支撑杆82的期望尺寸，在将基板90从背侧图案化以实现多个支撑杆的步骤C之前，可能具有厚度≥300μm至≤1000μm的诸如硅基板90的基板90被薄化(例如通过抛光)至介于≥50μm至≤300μm之间的范围内的示例性厚度。
尽管已在附图和前述说明中详细示出和描述了本发明，但此类图示和说明应当视为例示性或示例性而非约束性的；本发明并不限于所公开的实施例。根据对附图、公开内容和随附权利要求的研究，本领域的技术人员在实践所主张的本发明时可理解和实施所公开实施例的其它变化形式。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，而不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。在相互不同的从属权利要求中描述某些措施并不表明这些措施不能够有利地结合起来使用。在权利要求书中的任何元件符号不应视为限制其范围。

Claims (15)

1.一种用于变压吸收系统的氧气分离装置，所述氧气分离装置包括：
在所述氧气分离装置的第一侧处的气体入口(18、22)，所述气体入口用于将包含氧气的气体流引导至所述氧气分离装置(12、14)中；和在第二侧处的气体出口(28、30)，所述气体出口用于将富含氧气的气体流引导离开所述氧气分离装置(12、14)，
氧气分离隔膜(78)，所述氧气分离隔膜包括通过从包含氧气的气体中吸附除氧气以外的至少一种组分而能够从所述包含氧气的气体中分离出氧气的氧气分离吸附剂，以及
在所述氧气分离装置的所述第一侧处的支撑结构(80)，所述支撑结构被配置成用于支撑所述氧气分离隔膜(78)，所述支撑结构(80)包括固定到所述氧气分离隔膜(78)的多个支撑杆(82)，所述多个支撑杆限定了在支撑杆之间的用于包含氧气的气体的流动路径，且所述气体入口被配置成将包含氧气的气体流穿过所述流动路径引导至所述氧气分离隔膜。
2.根据权利要求1所述的氧气分离装置，其特征在于，所述氧气分离吸附剂包括沸石材料。
3.根据权利要求1所述的氧气分离装置，其特征在于，所述支撑杆(82)包括硅、玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷和金属中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的氧气分离装置，其特征在于，在所述支撑杆(82)的至少一端处设置层(92)，所述层(92)包括二氧化硅、氮化硅、前述材料的组合或旋涂玻璃层。
5.根据权利要求1所述的氧气分离装置，其特征在于，所述支撑杆(82)包括多孔材料。
6.根据权利要求1所述的氧气分离装置，其特征在于，设置多个氧气分离隔膜(78)，一个氧气分离隔膜(78)位于另一个氧气分离隔膜(78)下游。
7.根据权利要求1所述的氧气分离装置，其特征在于，所述支撑杆(82)具有≥50μm的长度。
8.根据权利要求1所述的氧气分离装置，其特征在于，所述氧气分离隔膜(78)具有≥1μm至≤500μm的厚度。
9.根据权利要求1所述的氧气分离装置，其特征在于，所述氧气分离隔膜(78)包括沸石晶粒或沸石颗粒或沸石珠粒。
10.根据权利要求1所述的氧气分离装置，其特征在于，所述氧气分离隔膜(78)与所述支撑结构(80)一起安装于外壳中。
11.一种氧气分离器，包括：
根据权利要求1所述的至少一个氧气分离装置(12、14)，以及
压力调整装置，所述压力调整装置用于在所述氧气分离装置(12、14)的第一侧和第二侧之间形成压力差。
12.根据权利要求11所述的氧气分离器，其特征在于，设置至少两个氧气分离装置(12、14)，且所述至少两个氧气分离装置(12、14)是并列布置的。
13.一种产生根据权利要求1所述的用于变压吸收系统的氧气分离装置的方法，所述方法包括以下步骤：
提供基板(90)；
将氧气分离隔膜(78)设置于所述基板(90)上，所述氧气分离隔膜包括通过吸附包含氧气的气体中除氧气之外的至少一个组分而能够从所述包含氧气的气体中分离出氧气的氧气分离吸附剂；并且
通过从所述基板中形成多个支撑杆(82)来处理所述基板(90)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将包括氧化硅或者氮化硅或者前述材料的组合的层(92)或者旋涂玻璃层施加至所述基板(90)的至少一部分。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过微加工或喷砂来处理所述基板(90)。
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