CN107847700B - 可穿戴式氧气发生器和使得能够具有更高氧气流量容量的对接站 - Google Patents

可穿戴式氧气发生器和使得能够具有更高氧气流量容量的对接站 Download PDF

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Abstract

一种可穿戴式氧气浓缩器可用于非走动模式和静止模式。可穿戴式氧气浓缩器在静止模式下物理地连接到对接站，使得其可以从对接站获取电力并且在两种模式下都保持能量有效。所公开的氧气发生系统通过用于在较低流量的走动模式和较高流量的静止模式中使用的压缩机构造来结合有效的气体流量。

Description

可穿戴式氧气发生器和使得能够具有更高氧气流量容量的对 接站
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年6月22日提交的共同未决的美国临时专利申请序列号62/182845的优先权。要求优先于上述申请日，并且该临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及可穿戴式和便携式氧气系统，比如适用于向患者提供可吸入氧气的可穿戴式压力/真空变压吸附氧气系统。所公开的装置和方法适用于例如走动式/可穿戴式、移动式/便携式以及静止式应用。
背景技术
患有慢性阻塞性肺病(COPD)的患者通常通过氧气增加来治疗，其中向患者提供富含氧气的空气。静止或非走动患者的治疗通常涉及患者从变压吸收器系统呼吸，该系统优先将氧气相对于氮气传递给患者。这些系统是电力驱动的装置，其最常见的形式是成本驱动的，能源效率低下且很重。
对于移动式(即走动式)患者，已经开发了便携式或可穿戴式浓缩器，其由电池驱动并且通常使用更加能量有效的真空—变压循环和脉冲流动递送来最小化电力获取以延长电池寿命。然而，电池很重，便携式浓缩器通常只能使用几个小时而不需要充电或连接到诸如AC电源的主电源。对于大多数患者来说，这意味着至少需要两个装置来进行适当的氧气增加：一个用于静止状态，另一个用于移动状态。这可能又昂贵又麻烦，使得许多患者必须在没有便携式装置的便利的情况下进行操作。
发明内容
公开了一种可穿戴式氧气浓缩器，其可用于非走动模式和静止模式，并且在这两种模式下都保持能量有效。所公开的氧气发生系统通过改进的和新颖的压缩机配置结合有效的气体流动，用于较低流量的走动模式，一直到较高流量的静止式应用，如下面详细描述。
对于患者来说，紧凑且高效的可穿戴式紧凑型氧气浓缩器单元是理想的。例如，申请人已经确定具有以下非限制性规范的可穿戴式紧凑型氧气浓缩器对于走动的患者来说是期望的，并且所公开的系统符合这样的规范：其以2.0升每分钟(1pm)的连续净化氧气流量产生和输送氧气，重量小于9磅(或小于7磅)，并在一次电池充电后可持续约2小时。作为非限制性示例的这些规范是具有挑战性的，并且与现在生产中的最先进的氧气浓缩器相比，需要减轻两倍的重量。
所公开的可穿戴式装置可以在由患者随着其日常生活时由走动的患者携带。例如，该装置可以由医师携带、由患者携带、由士兵携带或者由处于高海拔/低氧环境的人员携带，结合到撤离平台中。这种装置非常适合走动的患者，并需要适应静止使用。患者以大于2升/分钟(lpm)的速率被给予氧气，主要是在他们静止或睡眠时。静止使用(当连接到对接站时)的流量要求可以高达例如5lpm。这种装置/系统在使用时获取壁挂AC电力而不是电池电力。本公开涉及一种配置，通过该配置，2lpm可穿戴式装置与比如对接站之类的附加设备组合机械联接，从而可穿戴式装置可被转换成5lpm静止单元。
所公开的装置和方法使得当需要时和当主电源可用时能够将可穿戴式氧气浓缩器用于更高流量的静止使用。这允许仅使用一个装置即可穿戴式氧气浓缩器用于整个患者的氧气流量需求。
氧气浓缩器是从空气中提取氧气的装置。这些装置避免了在压力下储存氧气的危险。只要能源来自电池、发电机或其他电源，它们就可以持续地供应氧气。在外部或极端条件下，患者经常需要氧气，例如使伤员继续存活和为其他患有COPD和/或肺气肿的患者提供氧气。在偏远地区可能需要这样做，因为没有电，也没有可以携带的物资。患者在日常生活中也可能需要，并且在比如航空旅行的小空间中的更长时间来说可能也需要。
理想的氧气源是与内置的可再充电电池一起工作的轻便高效的可穿戴式装置，并且可以一次连续提供氧气几个小时。由于技术障碍，目前的技术没有真正地满足这些要求。
所公开的装置包括与由诸如市电(家用)电力的电源供电的增压器基座组合的走动式或便携式(即可穿戴式)氧气浓缩器。便携式浓缩器可以包括旋转结构化吸附剂系统，以实现在小容量吸附剂床阵列中的快速VPSA循环，从而以便携式使用的低流速从电池电力提供轻量且有效的浓度。增压器基座可以包括辅助设备，其能够实现更大的空气流量(即更多的压缩机和/或真空泵容量)，与在吸附剂床中循环的更快速的循环变压吸附(PSA)或真空变压吸附(VPSA)组合使用；一起提供典型的静止浓缩器的较高流量。增压器基座还可以包括适合于家庭使用的其他合适的辅助设备，比如加湿和消音。
在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。通过说明书、附图和权利要求书，其他特征、方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1示出了可穿戴式氧气浓缩器的第一实施例的示意图。
图2A和图2B是示例浓缩器的剖视图和分解图。
图3示出了在压缩和真空流动下连接到对接站的第一实施例的示意图。
图4示出了连接到对接站以压缩压缩机流的第二实施例的示意图。
图5示出了连接到对接站以压缩真空流的第三实施例的示意图。
图6示出了未被流体连接的第四实施例的示意图。
具体实施方式
在进一步描述本主题之前，应该理解的是，本文描述的这个主题不限于所描述的特定实施例，因此当然可以改变。还应该理解的是，这里使用的术语仅用于描述(一个或多个)特定实施例的目的，而不旨在是限制性的。除非另外定义，否则本文使用的所有技术术语具有与本主题所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。
公开了用于以可穿戴式氧气浓缩器的形式向患者提供氧气增加的系统和方法，其在物理地连接到对接站时可以转换到静止模式。该装置可以通常以走动模式使用，并且可以以静止(或非走动)模式向患者输送更高的氧气流量。所公开的系统和方法提供了一种多功能的氧气发生系统，其通过改进的和新颖的压缩机流动配置结合有效的气体流动，用于较低流量的走动式应用，一直到较高流量的静止式应用。
在一非限制性实施例中，便携式和可穿戴式浓缩器以高达2.0lpm的连续净化氧气流量产生并输送氧气，重量小于9磅(或小于7磅)，并在一次电池充电后可持续约2小时。可穿戴式浓缩器包括含有结构化吸附剂床和旋转阀的旋转吸附剂模块、具有压缩机部分和真空部分的压缩机、可再充电电池、管道(即流动管线)、电气、风扇、马达、框架、盖和仪器及控制装置。这使得患者可以轻松舒适地携带到装置上。
图1中示出了可穿戴式浓缩器系统的简化流程示意图。可穿戴式氧气浓缩器系统包括浓缩器214，其流体地连接到空气供给288和排气290。空气通过空气供给288进入或供给到系统中，并且经由排气290从系统离开或排出。浓缩器包括外壳和一个或多个用户可致动的控制元件，比如物理按钮、开关等和/或触摸屏。
在一实施例中，系统包括对接站(在图3中示意性地示出)，其可以物理地对接到可穿戴式氧气浓缩器214，以使得可穿戴式浓缩器能够由此实现相对于可穿戴或走动模式提供更高氧气流量的静止模式。当对接时，对接站和可穿戴系统电连接以允许电力在两个装置之间传输。系统也流体地连接以允许装置之间的流体传输。在静止模式中，对接站装置从诸如墙上插座或电网的电源获取电力，并将该电力传输到可穿戴式浓缩器系统。在示例性实施例中，较高的氧气流量可以高达10lpm，而在另一实施例中，在静止模式下高达5lpm。对接站可以包括空气输入管道(空气供给)、排气管道、压缩机、真空泵、壁/电网连接、散热器/交换器、消声器、管道和仪器及控制装置。
在可穿戴式氧气浓缩器中使用的压缩机是紧凑的、高效的和重量轻的，并且具有不同的压缩和真空部分。吸附剂部分可以包括结构化的吸附剂床，用于更低的压降、更快的动力以及更好的均匀性和热管理。压缩机可以是摆动式或涡旋式机械构造。可替代地，压缩机可以是线性式或往复式构造，以实现显著的流量增加。
图2A和2B分别是可用作图1和其他实施例中所示的氧气发生器的示例性浓缩器214的截面图和分解图。如图所示，浓缩器214包括吸附床300，每个都包含对特定分子种类的流体(液体或气体)或污染物具有选择性的吸附材料的床，用于选择性地将流体输送通过吸附床300的旋转阀组件310，集成管组件和歧管320，产品罐盖330以及阀组件外壳340。在一些实施例中，吸附床300是由产品罐盖330围绕的模制塑料容器，产品罐盖可以由金属(例如铝)制成。在另一实施例中，浓缩器是根据于2014年10月9日提交的名称为“自旋几何形状的自旋泵(Spin Pump With Spun-Epicyclic Geometry)”的美国专利申请序列号14/510904(其全部内容通过引用并入本文)中描述的氧气浓缩器和自旋泵来配置的。
每个吸附床300包括产品端350和供给端360。床300的产品端350通过产品管线380与歧管320的进入产品通道连通，以与旋转阀组件310连通。歧管320还可以包括将旋转阀组件310与产品罐330的内部连通的输出产品通道、将旋转阀组件310与供给压力管线322连通的输入供给通道、以及将旋转阀组件310与真空压力管线连通的真空室。产品输送管线324与产品罐330的内部连通。真空压力管线可以直接或间接与真空发生器连通，以从浓缩器吸取排气。
在操作中，空气通过歧管320的进入供给通道从压缩机流到供给压力管线322。从那里，空气流到旋转阀组件310，在那里它通过歧管320的输出供给通道分配回来。从那里，供给空气流到吸附床300的供给端360。吸附床300包括适于将被吸附的物质的吸附介质。为了氧浓度，可以使用在供给空气中相对于氧而吸附氮的填充颗粒状吸附剂材料，从而产生氧作为未吸附产物气。可以使用诸如高度锂交换的X型沸石的吸附剂。也可以使用含有两种或更多种不同吸附剂材料的分层吸附剂床。作为示例，为了氧浓度，可以将用于吸附水的一层活性氧化铝或硅胶放置在吸附剂床300的供给端360附近，其中锂交换的X型沸石用作床的大部分朝向产品端350以吸附氮。
所得到的产品氧气流向吸附床300的产品端350，通过产品管线380，通过歧管320的输入产品通道，并流向旋转阀组件310，在那里它通过歧管320经由输出产品通道分配回来并进入产品罐330。从产品罐330，通过产品输送管线324和/或供应管线221将氧气供应给使用者。
浓缩器214从空气中分离氧气，以便最终输送至使用者208。浓缩器214经由供应管线连接至使用者，该供应管线可以包括例如压力传感器、温度传感器、泵、低压储存器、供应阀、流量和纯度传感器以及保存装置290中的一个或多个。构成供应管线221的这些各种部件可以使用管、连接器等联接。泵可以由马达驱动。氧气可被储存在低压储存器中并被输送给使用者。供应阀可用于在大气压力下控制氧气从低压储存器向使用者的输送。
在一些实施方式中，浓缩器也可以配置成驱散排气。在一些实施例中，也可由马达驱动并与压缩机集成的真空发生器从浓缩器吸取排气以提高浓缩器的回收率和生产率。排气可以通过排气消声器排出装置。压力传感器可位于浓缩器和真空发生器之间，以获得来自浓缩器的排气流的压力读数。
在一些实施例中，浓缩器214可以是可用于医疗和工业应用的高级技术分馏器(ATF)。ATF可以实施变压吸附(PSA)过程、真空变压吸附(VPSA)过程、快速PSA过程、非常快速的PSA过程或一些其他过程。如果实施PSA或VPSA过程，则浓缩器可以包括旋转阀或非旋转阀机构以控制通过多个筛床的空气流动。筛床可以是锥形的，使得它们在气流进入床时具有较大的直径且在气流离开床时具有较小的直径。可以在ATF浓缩器214中使用的合适的筛材料包括允许锂离子高度交换的锂X沸石。还可以使用其他类型的浓缩器或空气分离装置，包括膜分离型和电化学电池(热或冷)。
在图3所示的实施例中，可穿戴式浓缩器系统305机械地且流体地连接至对接站，既位于压缩流动管线或导管上，也位于真空流动管线或导管上。可穿戴式浓缩器的压缩机部分或侧面335物理地连接到对接站310的压缩机泵315。可穿戴式浓缩器的真空部分或侧面340连接到对接站的真空泵345。对接站中的压缩机和真空泵可集成在单个可旋转的轴上，比如在于2014年10月9日提交的标题为“自旋几何形状的自旋泵(Spin Pump withSpun-Epicyclic Geometry)”的美国专利申请序列号14/510904(其全部内容通过引用并入本文)中描述的。包含结构化吸附剂的可穿戴式浓缩器旋转模块加速到预定值，例如比如～3X，以输送5lpm氧气流量。当处于静止模式时，组合装置从诸如墙上插座或电网(主电源)的电源获取电力，而不是从系统的可再充电电池。当可穿戴式氧气浓缩器系统附接到对接站时，系统处于静止模式。
在图4所示的另一实施例中，可穿戴式浓缩器系统305仅在压缩流动时经由空气供给管道405流体地连接到对接站310。在可穿戴式浓缩器中，压缩机部分流入和流出的流动被切换，使得可穿戴式浓缩器的压缩机成为更大容量的真空泵。可穿戴式浓缩器的压缩机侧连接到对接站压缩机410。可穿戴式浓缩器的真空侧通过出口导管415排放到环境中。含有结构化吸附剂的可穿戴式浓缩器旋转模块加速达～3X，以输送5lpm氧气流量。组合装置将从墙壁/电网获取电力，而不是从可再充电电池。
在图5所示的另一实施例中，可穿戴式浓缩器系统305仅在真空流动时流体地连接到对接站310，使得真空流动经由导管505排向联接到对接站的压缩机的排气导管。在可穿戴式浓缩器中，真空部分流入和流出的流动被切换，使得可穿戴式浓缩器的压缩机成为更大容量的压缩机泵。可穿戴式浓缩器的真空侧连接到对接站真空泵510；可穿戴式浓缩器的压缩机侧515通过连接到氧气浓缩器的入口导管抽取环境空气。含有结构化吸附剂的可穿戴式浓缩器旋转模块加速达～3X，以输送5lpm氧气流量。组合装置将从墙壁/电网获取电力，而不是从可再充电电池。
在根据图6所示的本公开的另一实施例中，可穿戴式浓缩器系统305在压缩或真空流动时不流体地连接到对接站。压缩机和真空流量增加了～3X倍。可穿戴式浓缩器装置中使用的压缩机能够显著提高流量。压缩机可以是线性类型或往复类型以实现这种流量的增加。含有结构化吸附剂的可穿戴式浓缩器旋转模块加速达～3X，以提供5lpm氧气流量。组合装置将从墙壁/电网获取电力，而不是从可再充电电池。
虽然本文参考某些版本详细描述了各种方法和装置的实施例，但应该理解的是，其他版本、实施例、使用方法及其组合也是可能的。因此，所附权利要求的精神和范围不应限于本文包含的实施例的描述。

Claims (8)

1.一种氧气浓缩系统，所述系统包括：
患者便携式单元，其具有配置成生成恒定水平的气态氧流并将所述气态氧输送到患者的氧气浓缩器，所述患者便携式单元由患者携带并且重量小于9磅，其中，所述患者便携式单元配置成在处于独立模式并且不附接到对接站时以高达第一最大流动速率将仅在其中生成的气态氧输送到患者，所述便携式单元包括可再充电电池，所述可再充电电池为所述便携式单元的操作供电；
至少电连接和流体地连接到所述患者便携式单元的对接站，所述对接站没有氧气浓缩器，其中，所述患者便携式单元配置成在处于静止模式并且附接到对接站时以高达第二最大流动速率将气态氧输送到患者，第二最大流动速率大于第一最大流动速率，并且其中，当所述患者便携式单元附接到对接站时，所述患者便携式单元从所述对接站获取电力以操作所述患者便携式单元的所述氧气浓缩器，其中从所述对接站获取的电力大于从所述可再充电电池获取的电力。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述氧气浓缩器流体地连接到空气供给和排气。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述氧气浓缩器的压缩机部分物理地连接到所述对接站的压缩机泵，并且所述氧气浓缩器的真空部分在处于静止模式时连接到所述对接站的真空泵。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述对接站的压缩机泵和真空泵集成在能旋转的单个轴上。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述氧气浓缩器的压缩机部分物理地连接到所述对接站的压缩机泵，并且所述氧气浓缩器的真空部分在处于静止模式时也连接到所述对接站的压缩机泵。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述对接站的压缩机泵和真空泵集成在能旋转的单个轴上。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述氧气浓缩器的真空部分经由连接至所述压缩机泵的出口导管排放到环境空气。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述氧气浓缩器的压缩机侧经由输入导管抽吸环境空气。
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