CN105073225B - 氧气分离器和产生氧气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧气分离器(10)，包括至少一个氧气分离装置(12，14)，氧气分离装置(12，14)包括用于从含氧气体中分离氧气的氧气分离吸着剂(16，18)，其中氧气分离装置(12，14)包括在其第一侧连接于用于引导含氧气体进入氧气分离装置(12，14)的入口导管(20)的气体入口(24，28)，并具有在第二侧的连接于用于引导富氧气体流出氧气分离装置(12，14)的出口导管(30，32)的气体出口(34，36)，其中氧气分离装置(12，14)的第二侧还连接到用于引导净化气体通过氧气分离装置(12，14)的净化气体源，且其中氧气分离装置(12，14)的第一侧连接到用于引导废气流出氧气分离器(10)的排气导管(70，72)，其中氧气分离器(10)还包括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的压力调节装置(40)，且其中气体传感器(82)被设置在排气导管(70，72，73)中，以确定废气中至少一种组分的浓度。这种氧气分离器(10)改善了控制性能。本发明还涉及一种从含氧气体中产生氧气的方法。

Description

氧气分离器和产生氧气的方法
技术领域
本发明涉及氧气分离领域。更具体地说，本发明涉及用于尤其是在家庭护理领域中的治疗应用的使用变压吸附的氧气分离。
背景技术
氧气治疗是将氧气施用作为一种治疗方式。其广泛地应用于慢性病和急症患者护理中的各种用途，因为氧气对于细胞代谢来说是必不可少的，继而组织氧合对于所有生理功能来说都是必不可少的。氧气治疗应当用于以下述方式使患者受益：增加到肺部的氧气供应，从而增加氧气到身体组织的可用性，尤其是在患者正承受缺氧和/或低血氧症时。氧气治疗可用于医院或家庭护理两种应用中。氧气治疗的主要家庭护理应用是用于具有严重的慢性阻塞性肺病(COPD)的患者。
氧气可以多种方式施用。优选的氧气施用方式是通过使用一种所谓的氧气按需产生方式。关于这个，所谓的氧气浓缩机或分离器的商用解决方案相应地已是众所周知的。这些氧气浓缩机多数会将氧气从含氧气体中分离，以便按需(即，在恰好使用之前)提供氧气。
从US 7,329,304 B2已知一种便携式氧气浓缩机，且更详细地已知一种用于浓缩氧气的便携式变压吸附系统，和一种使用这种设备的方法。这种设备包括多个筛床或罐、压缩机、于其中限定多个通道的下部或空气歧管、储罐或储存器、用于产生通过空气歧管内的通道的一条或多条流动路径的一组空气控制阀、和上部或氧气输送歧管。此外，在储存器的下游设置氧气传感器。氧气传感器可与控制器联接，并可产生与纯度成比例的电信号，该电信号可被控制器处理，并用于控制或改变该设备的运行。
从US 5490871已知一种从包含产品气体的原料混合气体生产产品气体的方法，包括重复执行包括下述步骤的循环操作；a)使原料混合气体接触吸附剂材料床，该吸附剂材料床相对于产品气体优选吸附原料混合气体中的至少一种其他组分；b)使床解吸；c)用净化气体使床净化；d)在净化步骤期间在气体离开床时感应是否有预选体积的所述净化气体；和e)在达到预选体积时停止净化步骤。
然而，仍有可能改善氧气分离装置的运行状态。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧气分离器和一种从含氧气体中分离氧气的方法，该方法节省成本、易于执行、和/或就控制氧气纯度来说是有利的。
这一目的是通过如下所述的一种氧气分离器和一种从含氧气体中分离氧气的方法实现的。
一种用于产生富氧气体流的氧气分离器，包括用于从含氧气体中分离氧气的至少一个氧气分离装置，其中该氧气分离装置连接到排气导管，该排气导管用于将废气引导出氧气分离器，且其中在排气导管中设置用于确定废气中至少一种组分的浓度的气体传感器，和用于根据由气体传感器确定的数据来控制氧气分离器的控制装置。
在本文中使用的术语“氧气分离器”可尤其是指能够从含氧气体中分离出氧气的装置。因此，借助氧气分离器，从含氧气体开始，可产生纯氧气或基本纯的氧气或至少是富氧气体。
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着剂，该氧气分离吸着剂可与含氧气体相互作用，或者与含氧气体中的限定组分相互作用，且因此可通过与含氧气体中除氧气外的至少一种组分的相互作用而从含氧气体中分离出氧气。因此，这样的氧气分离装置或其氧气分离吸着剂相应地能够从含氧气体中分离出氧气，尤其是通过吸着过程，比如吸附过程来分离。因此，氧气分离装置可设计为吸附剂床。
此外，在本文中使用的术语“氧气分离装置的第一侧”可以是指氧气分离装置正对一个方向的侧或部分，在该侧或部分处含氧气体被引导到氧气分离装置，而在本文中使用的术语“氧气分离装置的第二侧”可以是指氧气分离装置的正对相反侧的侧或部分，即，产生的纯氧气或富氧气体出现并被引导到所需应用的侧。
此外，在本文中使用的术语“含氧气体”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。因此，术语“富氧气体”应尤其是指与含氧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。
术语“压力调节装置”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，其可以是连接到氧气分离装置第一侧的气体压缩装置，或者是连接到氧气分离装置第二侧的真空泵。
此外，可将氧气分离吸着剂理解为下述材料，该材料从含氧气体中吸着如吸附或吸收除氧气外的至少一种物质更好于吸附或吸收氧气，因此使氧气至少大量地通过。
根据本发明，术语“净化气体”应进一步指一种气体，其可用于相应地净化氧气分离装置或其氧气分离吸着剂，以解吸被吸附的物质，如用于再生目的。例如，净化气体可以是由氧气分离装置产生的富氧气体。
术语“废气”应进一步指在氧气分离装置处于净化状态的情况下流出氧气分离装置的气体。因此，废气可尤其是“用过的”净化气体。
在一示例性的实施例中，氧气分离器包括至少一个氧气分离装置，该氧气分离装置包括(例如)用于从含氧气体中分离氧气的氧气分离吸着剂。氧气分离装置具有在第一侧连接到用于将含氧气体流引导入氧气分离装置中的入口导管的气体入口，和在第二侧连接到用于将富氧气体流引导出氧气分离装置的出口导管的气体出口。氧气分离装置的第二侧还可连接到用于引导净化气体通过氧气分离装置的净化气体源，且氧气分离装置的第一侧可连接到用于引导废气离开氧气分离器的排气导管。除了这些，氧气分离器还可包括气体输送装置，以产生流入氧气分离装置的含氧气体流，和产生流出氧气分离装置的富氧气体流。例如，在一示例中，氧气输送装置可以是用于在氧气分离装置的第一侧和第二侧之间形成压力差的压力调节装置。
如上所述的氧气分离器提供了改进的氧气分离纯度，且对改变运行状态的调节来说实现了更有效更快速的控制。
为了实现这一点，如上文限定的氧气分离器包括至少一个氧气分离装置。因此，其可以仅包括一个氧气分离装置或包括多个氧气分离装置。例如，氧气分离装置可包括两个氧气分离装置，并且因此通常形成变压吸附系统(PSA系统)。然而，氧气分离器也可以形成真空变动吸附系统(VSA)或真空变压吸附系统(VPSA)。
为了分离目的，在示例性的实施例中，氧气分离装置包括或填充有用于从含氧气体中分离氧气的氧气分离吸着剂。因此，氧气分离装置可以形成筛床。从而，氧气分离吸着剂能够通过吸着含氧气体中除氧气外的至少一种组分或至少比吸着氧气更好，而从含氧气体中分离氧气。这个特征是根据变压吸附系统的一般设置，根据该设置，氧气分离吸着剂与含氧气体中除了氧气外的至少一种组分相互作用，或比与氧气相互作用更强，从而使氧气通过。这个特征允许至少临时地固定含氧气体中的一种或多种组分，导致氧气从含氧气体的其他组分中分离。例如，氧气分离吸着剂可被设计成在引导含氧气体流(比如尤其是空气)通过氧气分离吸着剂时吸收氮气，但很少或不与氧气相互作用，以允许氧气通过并相应地产生纯氧气流的或基本纯的氧气流，或富氧气体流。
氧气分离吸着剂的非限制性示例包括沸石，如钠沸石或锂沸石，例如，可以从CECA公司购买到的名为SXSDM的吸着剂材料。
为了将含氧气体引导到氧气分离装置，氧气分离装置，尤其是给出的每个氧气分离装置，包括在第一侧连接到用于将含氧气体流引导入氧气分离装置的入口导管的气体入口，且具有在第二侧连接到用于将富氧气体流引导出氧气分离装置的出口导管的气体出口。
气体流，尤其是进入氧气分离装置的含氧气体流和流出氧气分离装置的富氧气体流，可通过提供气体输送装置来达成，比如压力调节装置，其在氧气分离装置的第一侧和第二侧之间形成压力差。例如，该压力调节装置可以是设置在氧气分离装置第一侧的压缩机，和/或其可以形成为设置在氧气分离装置第二侧的真空泵。
在氧气分离装置的第一侧和第二侧之间形成压力差之后，压力调节装置可因此用于将含氧气体从含氧气体源输送到气体入口，通过氧气分离装置，并使产生的氧气通过出口导管输送到用户。该步骤尤其是在氧气分离装置产生氧气且处于氧气分离模式或供给模式的情况下执行。
然而，已知相应地对于氧气分离装置和氧气分离吸着剂来说，在使用一定时间后，吸着剂材料必须更新以解吸被吸着的材料，比如尤其是氮气。所以，已知通过输送净化气体通过氧气分离装置，使氧气分离器或氧气分离装置相应地在净化模式下运行。因此，氧气分离装置的第二侧，例如氧气分离装置的气体出口，优选连接到用于引导净化气体通过氧气分离装置的净化气体源，而氧气分离装置的第一侧，例如氧气分离装置的气体入口，优选连接到用于引导废气流出氧气分离器的排气导管。
因此，氧气分离器在循环运行模式下，将含氧气体(例如空气)主要分离成氮气和氧气。在循环的第一阶段，含氧气体作为“输入流”以较高的供给压力供给到氧气分离装置中，氮气被保持比如被吸附在该装置内，而纯氧气被收集为流出的“产品”。在循环的第二阶段，氧气分离装置被再生，即，净化气体(例如产生的富氧气体的一部分)例如以较低的净化气压回输到该装置内，且之前被吸附的氮气作为“废气”被释放到周围大气中。例如，使用填充有适当的选择性氧气分离吸着剂的至少两个氧气分离装置：当一个装置处于“供给”阶段而在较高的压力下产生富氧气体时，另一个装置处于“净化”阶段而在较低的压力下使用第一装置产生的氧气流的一部分来再生，例如。经过一定时间后，切换相应地布置的阀，使两个装置互换角色。
使用氧气分离器的公知要求是，对变化的过程状态的过程适应性，比如环境温度、氧气流量的实际需求和/或单个分离装置的状态。因此，氧气浓缩机可以由优选包括微控制器的电子单元来控制。
发明人惊奇地发现，通过在排气导管中设置气体传感器，以确定废气中的至少一种尤其是气态组分的浓度，可以显著增强对氧气分离器的控制，从而显著提高产生的富氧气体的纯度和质量。
详细而言，如上所述的氧气分离器可以估算所有气流，即“输入流”，“产品流”，“废气流”的流速和氧气浓度—在严格限制数量的循环阶段期间的平均值。以这种方式，可以得出总的氧气平衡。利用这种氧气平衡，可以容易地计算出分离装置中含有的氧气总量随时间减少或增加的速度。“存储的”氧气总量的这种变化速度是重要的诊断特征，以控制分离过程，即，以使所需要的功率输入最小化，避免氮气“突破”前进到“产品”流中和/或避免产品的氧气纯度波动。此外，这种诊断需要的时间分辨率是数量有限的过程循环，比例如仅根据产品流中的氧气含量的其他过程诊断更快，因为这些诊断方法通常具有在大约几个或甚至数十个过程循环量级的反应时间。由于即使相应的氧气分离吸着剂被设计为与氮气相互作用并使氧气通过，例如，特定量的氧气无论如何都会存储在氧气分离筛中，并且因此可被检测到，所以氧气分离装置中氧气储量的诊断变得可能。
因此，与感应产品流中的气体浓度或氧气纯度相比，氧气分离器的废气流中气体的浓度是一种更灵敏更快速的措施，以控制氧气分离器，如实现或保持所需的氧气纯度。例如，可以由控制装置来执行控制，该控制装置适于调节相应气流的流速、适于调节供给阶段和净化阶段的时间比例、适于调节第一侧和第二侧之间的压力差、以及适于其他措施。
此外，由于改进的和更有效的控制，如上所述的氧气分离器可显著提高可靠性。这是由于即使在状态看起来可能会降低富氧气体质量的情况下，或甚至只是改变质量而导致产生较少的限定产品流，这可以通过快速有效的控制来补偿。这样，即使在长时间使用之后，氧气分离器也确保了改善的分离性能。
因此，上述改进的控制可以无需另外的能量消耗来实现，使得如上所述的氧气分离器还非常节能。
因此，上述的氧气分离器或氧气浓缩机相应地提供对产生的富氧气体的改进控制，如提高了可靠性。这样的氧气分离器可尤其用于医疗应用，比如家庭护理应用，尤其是用于没有经过专门训练的用户的家庭护理应用，以及进一步用于高可靠性和改进的氧气纯度是明显优势的医疗应用。
根据一实施例，气体传感器为氧气传感器或氮气传感器。就氧气传感器的提供来说，可以实现对测量结果容易且直接地分析。此外，该实施例直接允许产生对应于期望得到信息的化合物(即氧气)的数据。可以防止潜在地影响测量结果的分析而导致测量质量下降的负面作用。关于氮气传感器的使用，例如在使用空气作为含氧气体的情况下，由于氮气的浓度相对较高，这可能是有利的。
根据另一实施例，至少另一个测量计被设置在入口导管或出口导管中。例如，这样的测量计可以是气体传感器或流量计等。根据该实施例，氧气分离器的控制可以更为有效和精确地进行。详细而言，通过组合在排气导管中的测量计和在入口导管和/或出口导管中的气体传感器，不仅可以确定产生的富氧气体质量的趋势或相对变化，而且还可以进一步确定精确客观的数值。此外，由于即使在一个气体传感器故障，或提供不正确的数据的情况下，通过使用另外的测量计，例如气体传感器，仍然可以正常控制，因此可以实现安全上的益处。
根据另一实施例，氧气分离器形被形成为便携式装置。例如，这可以例如通过将其布置在装备有能源的便携式袋子等中来实现。本质上，根据本发明，便携式可能意味着一个完全独立的、自持的实施例。这样的实施例反过来又意味着在使用过程中不需要连接到例如电源或含氧气体源的连接，对于靠近氧气分离器的另外的组件同样。尤其是，在使用过程中以及在产生氧气的过程中，不需要连接到固定元件的连接。这种便携式装置可具有用于携带的手柄，或者可将其布置在携带装置(例如袋子)中。尤其是，由于氧气分离装置有限的空间或者氧气分离材料有限的数量，便携式氧气浓缩机对工作状态的影响敏感。例如，对于便携式氧气浓缩机，例如氧气分离材料的杂质、变化的工作温度等各种影响，可在这种情形下快速地导致氧气选择性降低，例如。因此，对于便携式装置或包括小型氧气分离装置和/或数量有限的氧气分离材料的装置，根据本发明的氧气分离器是特别有利的。
根据另一实施例，气体传感器包括光学传感器。这样的光学传感器，例如光学氧气传感器，可用于以非常精确的方式检测气体(如氧气)，从而允许非常灵活和精确的控制。此外，这些类型的气体传感器允许非常快的测量，从而使控制也是非常动态的。根据这一点，质量(例如产生的含氧气体的氧气浓度)也可以依靠多个另外的传感器来改善。至于另一优点，当它可被设计成用于所希望的浓度范围，且因此可以提供特别精确的测量结果时，光学传感器可适合于所需的应用。除此之外，光学传感器通常可用在液体以及气体中，而就涉及的污染物而言性能非常稳定。结果，尤其是光学气体传感器可提供高精度、高可靠性、低功耗、低交叉灵敏度和响应速度快的优点。作为示例和非限制性示例，光学传感器可选择性地用于氧气，并且可以由(或包括)如从Pyro Science GmbH公司购买的“FireSting02”光纤氧量计那样的装置。这种光学传感器例如是基于与氧气相互作用的发光猝灭。
根据另一实施例，控制装置包括用于手动控制氧气分离器的输入单元。根据该实施例，由气体传感器和/或另外的测量计确定的数据，以及例如通过显示器提供给用户的数据，可用于用户手动控制氧气分离器。因此，用户可以通过输入装置控制调节相应气体流的流速、调节供给阶段和净化阶段的时间比例、调节第一侧和第二侧之间的压力差、以及其他措施。
根据另一实施例，控制单元可被设为连接于气体传感器中的至少一个和至少一个另外的测量计，并可被设计为根据由至少一个气体传感器提供的数据来控制氧气分离器。控制单元可以是唯一的控制装置，或者它可以加上上述输入单元。根据该实施例，控制单元被提供气体传感器和/或另外的测量计的数据，如设置在排气导管中的气体传感器的数据，并且在存在气体传感器和/或另外的测量计的情况下，提供另外的测量计(比如示例性地设置在产品导管或出口导管，和/或入口导管中的气体传感器)的数据。然后控制单元可以自动控制如上所述的氧气分离器工作，例如，根据存储的协议或控制指令。这使氧气分离器的自持控制总是提供(除其他外)可能的最佳质量的富氧气体和可能的更低能耗。
关于氧气分离器的其他优点和技术特征，参照对产生氧气的方法的描述、附图和附图描述。
本发明还涉及一种从含氧气体中分离氧气的方法，该方法包括以下步骤：执行氧气分离步骤，其中氧气分离步骤包括将含氧气体引导到氧气分离装置的第一侧，并通过在氧气分离装置的第一侧和第二侧之间形成压力差来产生通过氧气分离装置的氧气流；通过引导净化气体从氧气分离装置的第二侧到其第一侧通过氧气分离装置，和通过引导废气通过排气导管，在氧气分离步骤之前或之后来净化氧气分离装置；确定排气导管中至少一种组分的浓度；和根据排气导管中至少一种组分的被确定的浓度来控制氧气分离器。
如上所述的方法允许控制氧气分离器，如显著增强(例如)产生的富氧气体的纯度和质量或能耗。因此，与感应产品流处的气体浓度或氧气纯度相比，这种方法能够提供更加灵敏快速的测量，以实现或保持所需的氧气纯度。
详细而言，通过提供如上所述的测量，可以得出总的氧气平衡。利用这样的氧气平衡，可以容易地计算出分离装置中含有的氧气总量随时间减少或增加的速度。“存储的”氧气总量的变化速度是重要的诊断特征，以控制分离过程，即，以最小化所需的功率输入，避免氮气“突破”前进到“产品”流中和/或避免产品的氧气纯度波动。
因此，根据第一步骤，执行氧气分离步骤，其中氧气分离步骤包括将含氧气体引导到氧气分离装置的第一侧，并通过例如由压缩机或真空泵形成压力差来产生通过氧气分离装置的氧气流。因此，该步骤对应于公知的使用氧气分离器的氧气分离步骤，其中将含氧气体引导入氧气分离装置，在氧气分离装置中，除了氧气之外的其他成分被吸着到氧气分离吸着剂中，氧气被导出氧气分离装置，并进而引导至用户。
为了从氧气分离装置或其氧气分离吸着剂中解吸被吸着的物质，氧气分离装置通过引导净化气体通过氧气分离装置，和通过引导废气通过排气导管，在氧气分离步骤之前或之后来净化。该再生步骤也可以通过如压缩机或真空泵的气体输送装置来执行，且是例如从变压吸附系统可知的常规步骤。
为了确保富氧气体限定的气体质量，确定排气导管中至少一种组分的浓度，尤其是至少一种气体的浓度。另外，氧气分离器根据被确定的浓度(比如气体浓度)来控制。因此，相应的气体浓度用于确定例如氧气平衡，以便确定氧气分离器是否以预期的模式工作，或者尤其是受到例如温度等的影响而使过程劣化。结果，氧气分离器被以一种改进的方式来控制，使所产生的富氧气体质量改善，因此这种控制需要的时间显著减少。
根据一实施例，确定排气导管中的氧气浓度或氮气浓度。就氧气浓度的测量而言，可以实现对测量结果非常容易直接的分析。此外，该实施例直接允许产生对应于期望的化合物(即氧气)的信息的数据。可以防止潜在地影响测量结果分析而导致结果质量下降的负面影响。
根据另一实施例，排气导管中至少一种组分的气体浓度被在一个净化阶段内测量并求其平均值。这允许非常动态地控制氧气分离器，因为控制根据仅一个净化阶段的测量结果。结果，使富氧气体质量恶化的负面作用可以直接被确定，使得在质量显著下降之前可以提供非常有效的控制。这还提供了显著的安全益处，尤其是在氧气分离器用于医疗应用(例如家庭护理领域中)的情况下。因此，主要由于确定排气导管中的气体浓度，使本实施例成为可能。
根据另一实施例，确定氧气分离装置是否处于循环稳定状态，以控制氧气分离器。这是一种用于控制具有标准状态(如没有错误出现)的氧气分离器的非常有效的措施。循环稳定状态可被理解为储存在氧气分离吸着剂中的氧气量的变化恒定的情况。这是氧气分离器被期望的运行状态，且可以描述为dυO2/dt＝0。实际上，氧气分离装置首先具有储存在氧气分离装置中的氧气量上升的阶段，此后达到循环稳定状态。此外，随后可以是存储的氧气量下降的阶段。根据氧气分离装置的状态，控制可以是有利的。因此，氧气分离装置当前状态的确定允许实现多种控制。
关于产生氧气的方法的其他优点和技术特征，参照氧气分离器的描述、附图和附图描述。
附图说明
参照下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将显而易见并得到阐明。
在图中：
图1示出了根据本发明的氧气分离器的实施例的示意图；
图2示出了根据本发明的氧气分离器的另一实施例的一部分的简图；
图3示出了表示变化的供给阶段对排气导管和出口导管中氧气浓度的影响的示意图。
具体实施方式
在图1中，示意性地示出用于产生氧气的氧气分离器10的示例性实施例。氧气分离器10可用于就治疗应用产生氧气，例如在COPD治疗领域中。氧气分离器10可被设计为固定的布置，例如用于在医院中使用，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。然而，氧气分离器10还可以用于必须提供纯氧气或基本纯氧气的任何应用，例如在飞机中或用于焊接目的。这种氧气浓缩机或氧气分离器10相应地可以是根据比如被称为SimplyGo且可从Philips Respironics购得的那种的氧气浓缩机。
根据图1的氧气分离器10包括能够从含氧气体中分离出氧气的至少一个氧气分离装置12。然而，优选的是氧气分离器10包括平行布置的至少两个氧气分离装置12、14。在下文中，就两个氧气分离装置12、14来描述本发明。然而，对本领域的技术人员来说，显然可以通过使用仅一个氧气分离装置12或者使用两个以上的氧气分离装置12、14来对应地提供每一特征。每一个氧气分离装置12、14可形成为筛床，且可装备有氧气分离吸着剂16、18。氧气分离吸着剂16、18尤其被配置成使氧气通过而不会显著地阻碍其流动，但与含氧气体中存在的其它组分相互作用或吸附。在将空气用作含氧气体的情况下，因此优选的是将氧气分离吸着剂16、18配置成吸收氮气。适合的氧气分离吸着剂16、18可包括沸石材料，比如锂沸石材料。然而，可以使用本领域中已知的例如用于变动过程中，比如变压吸附或真空变动吸附过程中的每一种适合的氧气分离吸着剂16、18。
入口导管20被设置成用于将含氧气体流引导到氧气分离装置12的第一侧的气体入口24。对应地，入口导管26被设置成用于将含氧气体流引导到氧气分离装置14的第一侧的气体入口28。此外，用于将富氧气体或纯氧气引导出氧气分离装置12、14的出口导管30、32连接到相应的氧气分离装置12、14的气体出口34、36。
氧气分离装置12、14的入口导管20、26连接到氧气分离器10的入口38。连接到入口38的是含氧气体源，比如气体存储装置或围绕氧气分离器10的空气。另外，可提供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的压力调节装置40。根据图1，压力调节装置40被形成为压缩机，以压缩含氧气体并迫使其通过入口导管42、44(其可以是入口导管20、26的一部分或连接于入口导管20、26)到达氧气分离装置12、14。因此，根据本发明，表述“入口导管”应当表示这些入口导管42、44、20、26中的一个、数个或全部。在压力调节装置40的下游或上游，可设置入口过滤器46，以便提供含氧气体的第一清洁步骤。详细而言，可将尤其是固体颗粒从含氧气体中滤出。
为了允许间歇地引导含氧气体通过氧气分离装置12、14，可在入口导管42、44中设置入口阀48、50。根据本发明的阀应当是可允许气体流、抑制气体流和/或调节气体流的量的任何装置。因此，通过关闭阀50和打开阀48，可引导含氧气体通过第一氧气分离装置12，而通过打开阀50和关闭阀48，可引导含氧气体通过第二氧气分离装置14。对应地，可在出口导管30中设置阀52，比如止回阀，且可在出口导管32中设置阀54，比如止回阀。通过将含氧气体引导通过第一氧气分离装置12，阀52可被打开，而阀54可被关闭。对应地，通过将含氧气体引导通过第二氧气分离装置14，阀54可被打开，而阀52可被关闭。
在阀52、54下游，出口导管30、32分别连接到氧气收集器56或储气罐，以便存储产生的氧气。氧气收集器56可连接到出口导管58，在出口导管中可设置流量控制器60，以便控制纯氧流。因此，根据本发明，表述“出口导管”应当表示这些出口导管58、30、32中的一个、数个或全部。此外，在将产生的氧气引导到出口64之前，可在出口导管58中设置附加的过滤器62。产生的富氧气体可从出口64引导至所需的应用，比如到达患者。
第一氧气分离装置12的出口导管30和第二氧气分离装置14的出口导管32可通过在阀52、54上游的交叉导管66连接，交叉导管66中可设置有流量调节器68，比如孔口或流量控制器。出于净化目的如为了使氧气分离装置12、14再生，这样允许将例如在氧气分离装置12、14中产生的氧气的限定部分往回引导通过另一氧气分离装置14、12，或反之亦然。作为选择，氧气分离装置12、14的第二侧可连接到例如用于引导净化气体分别通过氧气分离装置12、14的另一净化气体源，比如包含高纯度氧气的罐。就此而言，在氧气分离装置12、14的第一侧设置排气导管70、72，每一排气导管70、72包括一个阀74、76。如果出于再生目的而引导净化气体(比如富氧气体)从氧气分离装置12、14的第二侧通过氧气分离装置12、14到达其第一侧，则可选择性地将流出气体引导通过排气导管70、72。此外，排气导管70、72可被相应地引导到出口，或者它们可以结合到一个共同的排气导管73，且因此可被引导到一个共同的排气口78。
此外，可以设置用于加热氧气分离装置12、14的加热装置80。加热装置80可以作用在整个氧气分离装置12、14上，或者可以出于再生目的仅加热特定区域。一般来讲，可以使用本领域中已知的每一种加热装置80。例如，可以设置加热线圈。
另外，在排气导管73中设置气体传感器82(比如氧气传感器或氮气传感器)，例如光学传感器，以确定废气中至少一种组分的浓度。可以优选将气体传感器82设置在共同的排气导管73中，像图1所示那样，或相应的气体传感器可附加地或选择性地设置在第一氧气分离装置12的排气导管70和/或第二氧气分离装置14的排气导管72中。此外，靠近设置在一个或多个气导管70、72、73中的气体传感器82，测量计84(比如氧气传感器或氮气传感器或流量计)可被设置在一个或多个入口导管42、44中，且测量计86(比如氧气传感器或氮气传感器或流量计)可相应地被设置在一个或多个出口导管30、32、58或产品导管中。为了根据由气体传感器82和/或另外的测量计84、86中的至少一个提供的数据控制氧气分离器10，可以设置控制装置，比如自动工作的控制单元和/或用于手动控制氧气分离器的输入单元，该控制装置连接到气体传感器82和另外的测量计84、86中的至少一个。参照下面的附图描述氧气分离器的控制。
图2示出了根据本发明的氧气分离器10的一部分的简图。详细而言，在图2中，以示例性且非限制性的方式，示出了具有其氧气分离吸着剂16的氧气分离装置12。根据具有不同连接点的该实施例，氧气分离装置12再次在其第一侧连接到入口导管20和排气导管70，并且在其第二侧连接到出口导管30和另一条净化管线31。通过在排气导管70中设置气体传感器82，并且潜在地在入口导管44中设置测量计84，和在出口导管30中设置测量计86，可以计算总的氧气平衡，允许精确控制氧气分离器10，从而精确控制供给周期和净化周期的长度、相应气体流的流速、含氧气体的纯度等。
如上文所述的氧气分离器10能够相应地估算或确定所有气流，即“输入流”，“产品流”，“废气流”的流速和氧气浓度—在严格限制数量的循环阶段内的平均值，比如半个循环，如一个净化阶段。以这种方式，可以得出总的氧气平衡。利用这样的氧气平衡，能够容易地计算出例如总的趋势以及绝对速度，即在分离装置中含有的氧气总量随时间减少或增加的速度。
对于测量计84和86是气体传感器的例子，这可以通过假定在供给阶段通到氧气分离装置12并由气体传感器84确定的输入流中如含氧气体流中的氧气、在供给阶段离开氧气分离装置12并由气体传感器86确定的产品流中如富氧气体流中的氧气、以及在净化气流期间流出氧气分离装置12并由气体传感器82确定的废气流中如废气中的氧气的总量至少在稳定状态是恒定的来实现。这可以由相应的气体传感器82和另外的测量计84、86测量，其中根据本发明，气体传感器通常可被理解为相应气体或气流的定性和进一步可能定量的测量装置。以上可以由下式明确：Фin yO2in＝ФproyO2pro+ФexyO2ex+dυO2/dt，其中Фin对应于含氧气体的流速，yO2in对应于含氧气体的氧气浓度，Фpro对应于富氧气体(产品气体)的流速，yO2pro对应于富氧气体(产品气体)的氧气浓度，Фex对应于废气的流速，yO2ex对应于废气中的氧气浓度，而dυO2/dt的对应于在氧气分离装置12中或者在其氧气分离吸着剂16中相应地存储的氧气量的变化。氧气分离器10的期望操作可以是在达到循环稳定状态的情况，如当dυO2/dt＝0时。在废气流中的氧气浓度被测量，比如相应地在半个循环或净化阶段内平均的情况下，可以直接确定是否氧气分离装置在这样的循环稳定状态下工作，或者如果此优选状态丢失则必须相应地采取措施。这可以通过下面描述循环稳定状态的废气流中氧气浓度的等式而看出：
yO2exCSS＝[Фin yO2in-ФproyO2pro]/Фin-Фpro
结果，通过确定排气导管70中的氧气浓度，例如具有0，1％的精度并将等式ΔyO2ex＝yO2ex–yO2exCSS用作筛床状态的指示，可以直接确定氧气分离装置的状态。这可以通过仅测量废气中的氧气浓度定性地或通过附加地检查如上所述的其他气体而定量地执行。
通过知晓废气中的氧气浓度，从而可以间接计算出输送至用户的流速和氧气浓度的估计值。可以推断出总的氧气平衡。通过知晓该氧气平衡，可以更快地进行诊断。这是因为由于氧气分离装置12的“缓冲”体积而使产品流中的纯度变化非常缓慢。
图3还示出了氧气分离装置14的状态的相对评价。详细而言，在图3中示出了相对于时间示为曲线A的废气中的氧气浓度yO2ex，和示为曲线B的富氧气体(产品气体)的氧气浓度yO2pro。由此可以看出，通过改变氧气分离器10的不同参数，通过确定废气的氧气浓度yO2ex可以比通过确定富氧气体(产品气体)中的氧气浓度yO2pro更快地看到氧气分离装置12的状态的改变。详细而言，图3中的图示出了供给阶段在650s(点a))处由2.5s变为3.5s和在950s(点b))处由3.5s变为4.0s的情况下对相应的氧气浓度的影响。可以清楚地看到，废气中的氧气浓度直接指示出这种变化，而产品气体或富氧气体中的氧气浓度相应地在显示这种氧气分离状态变化方面更为缓慢且较不敏感。因此可以非常快速地确定例如氧气分离装置12是否工作于循环稳定状态，或者具有增加或减少的氧气储存量，在这种情况下可触发控制以改善氧气分离结果。因此，这个例子对确定氧气分离装置12的趋势或倾向特别有用，并且进一步清楚地表明了通过根据本发明的方法和氧气分离器可以非常快速地控制。
尽管已在附图和前面的描述中详细示出和描述了本发明，但此类图示和描述应当视为说明性或示例性的而非限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域的技术人员在实施所要求保护的本发明时可以理解和实现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，且不定冠词“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的组合不能被用于获益。在权利要求中的任何附图标记不应认为限制其范围。

Claims (9)

1.一种用于产生富氧气体流的氧气分离器，包括：
至少一个氧气分离装置(12，14)，所述氧气分离装置(12，14)用于从含氧气体中分离氧气，其中
所述氧气分离装置(12，14)连接于排气导管(70，72，73)，所述排气导管(70，72，73)用于将包括用过的净化气体的废气流经所述氧气分离装置(12，14)的第一侧引导出所述氧气分离器(10)，所述第一侧是所述含氧气体被引导入所述氧气分离装置(12，14)的侧；
在所述排气导管(70，72，73)中设有包括氧气传感器的第一气体传感器(82)，所述第一气体传感器(82)用于确定所述废气的氧气组分的浓度，
在出口导管(30)中设有包括氧气传感器的第二气体传感器(86)，所述出口导管用于将所述富氧气体流引导出所述氧气分离装置(12，14)的第二侧，所述第二气体传感器(86)用于确定所述富氧气体流的氧气组分的浓度，且
设有控制装置，所述控制装置用于根据由所述第一气体传感器(82)和所述第二气体传感器(86)确定的数据来控制所述氧气分离器。
2.根据权利要求1所述的氧气分离器，其特征在于，所述氧气分离器进一步包括设置在入口导管(20)中的包括氧气传感器的第三气体传感器(84)，所述入口导管用于将所述含氧气体流引导入所述氧气分离装置(12，14)，所述第三气体传感器用于确定所述含氧气体的氧气组分的浓度。
3.根据权利要求1或2所述的氧气分离器，其特征在于，所述氧气分离器(10)被形成为便携式装置。
4.根据权利要求1或2所述的氧气分离器，其特征在于，所述第一气体传感器(82)包括光学传感器。
5.根据权利要求1或2所述的氧气分离器，其特征在于，所述控制装置包括用于手动地控制所述氧气分离器的输入单元。
6.一种从含氧气体中分离氧气以产生富氧气体流的方法，所述方法包括以下步骤：
执行氧气分离步骤，其中氧气分离步骤包括将含氧气体引导到氧气分离器的氧气分离装置(12，14)的第一侧，并通过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来产生通过所述氧气分离装置(12，14)的氧气流，所述第二侧是产生的所述富氧气体流被引导出所述氧气分离装置的侧；
通过引导净化气体从所述第二侧到所述第一侧而通过所述氧气分离装置(12，14)，和通过引导包括用过的净化气体的废气通过排气导管(70，72，73)，在氧气分离步骤之前或之后来净化所述氧气分离装置(12，14)；
确定所述排气导管(70，72，73)中所述废气的氧气组分的浓度；
确定出口导管中所述富氧气体流的氧气组分的浓度；和
根据所述排气导管(70，72，73)中所述废气的氧气组分的被确定的浓度和所述出口导管中所述富氧气体流的氧气组分的被确定的浓度，控制所述氧气分离器。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
确定入口导管中所述含氧气体的氧气组分的浓度，
根据所述入口导管中所述含氧气体的氧气组分的被确定的浓度进一步控制所述氧气分离器。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在一个净化阶段期间测量所述排气导管(70，72，73)中的气体浓度并求其平均值。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，确定所述氧气分离装置(12，14)是否处于循环稳定状态，以控制所述氧气分离器(10)，其中，在所述氧气分离装置的循环稳定状态，存储在所述氧气分离装置中的氧气量的变化是恒定的。
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